对弯曲拉长结构的剖面进行显象的方法

专利名称：对弯曲拉长结构的剖面进行显象的方法
对弯曲拉长结构的剖面进行显象的方法
技术领域：
本发明通常涉及对拉长的弯曲三维(3D)结构进行显象和检查的 领域。本发明特别涉及一种用于这种显象的方法，优选地是自三维 (3D)医学图像的显象，其能改善对拉长的弯曲结构所进行的检查。
通过使用分割方法在三维数据集中将解剖学结构从周围结构中隔 离出来已经为公众所知。在将属于受检查的解剖学结构的体积隔离出 来之后，可以使用绘制技术在例如显示器或打印输出上对其进行显 象。
可以插入通过该体积的剖面以在横截面表示测量的值的分布，其 中剖面在该横截面处切开该感兴趣的结构。当对该结构进行分割时， 可以确定中心线并且可以将剖面定位成垂直于该中心线。另一种选择 是插入顺着这种结构的中心线的剖面，其中该剖面在平面上显象。参 见例如 "Armin Kanitsar , CPR-Curved Planar Reformation, IEEE Visualization 2002"。
诸如血管的管状结构的显象在医学成像中是一个重要的课题，其 公开了一种出于诊断目的而显示管状结构的方法，该方法通过产生纵 向横截面从而在弯曲平面中显示出管状结构的内腔、壁、以及周围组 织。
要被检查的管状元件是患有狭窄的例如血管，如冠状动脉或颈动 脉，或者末端的大血管，要对其进行检测以便随后治疗。其它的例子 是大动脉瘤的检查或者例如由支气管异常引发的肺部疾病的检查。对 于这些应用来说，因为不容易获得该管状结构任何现有问题的位置和 性质的适当印象(impression)，因此对垂直于中心线方向通过该结构 的横截面进行显象和检查并不足够。需要判读(interpret)相对于沿中 心线的位置的测量的特性。
顺着中心线的剖面通常被描绘成拉平的平面，这导致不利的变 形。该剖面可以进一步通过"校直，，该拉长结构而失真，从而使其例 如垂直地穿过所显示的剖面。这只能增大所描述的判读(interpretation) 问题。当表示这种剖面同时使其围绕该感兴趣的结构的中心线旋转时判读问题还将增大，通常这么作以便检查在通过该结构的不同方向上 的横截面。在这种情况下剖面的失真将作为观察方向的函数而发生变 化。如

图1所示，该平面在一个方向上弯曲而在另一个方向上是平坦 的。在图1的左侧表示出经过血管中心线而设置剖面的原理，该剖面
在一个方向上是弯曲的而在另一个方向上是平坦的。在图1的右侧示 出在真实临床情况下通过血管的这种剖面的拉平后的图示。在该拉平 的图像中的可见解剖学失真很明显。其额外的缺点在于这种平面不能 同时符合一个以上的弯曲的结构。当需要一同对经过两个或者更多弯 曲结构的纵向横截面进行显象时，其可以按照使其符合这两条中心线 的方式来弯曲该平面。然而，这可以通过^f艮多不同手段进行，并且其
结果非常难以判读。在图2中给出了说明性示例，表示出经过多个血 管中心线的弯曲剖面，其被表示成拉平的平面。
因此，当前的显象技术将经过诸如血管的拉长弯曲结构的横截面 表示成图像中的拉平的结构。此外，还经常将这些图像伸直，从而该 拉长弯曲结构的中心轴在该图像中变成直线。这意味着在所示的平坦/ 伸直的图像中的几何结构很大程度上失真，这种失真会使得非常难判 读这种图像中的可见的解剖学结构。因此，可能有利的是一种用于对 经过拉长弯曲结构的横截面进行显象的改善的解决方案，其不存在由 于所呈现的信息的几何失真而强烈降低判读能力的缺点。还可能有利 的是，通过改善对拉长弯曲结构的显象并表示出弯曲拉长结构的三维 内容来进一步提高判读能力。
因此，本发明优选地设法单独或以任何组合的方式减轻、緩和或 者消除上面指出的现有技术中的一处或多处不足和不利之处，并通过 提供根据随附的专利权利要求的方法、医学工作站、包括计算机程序 的计算机可读介质、医学图像以及所述方法的使用来至少解决上述问 题。根据本发明的第一方面，提供对包括在3D数据集中的弯曲拉长三 维(3D)结构进行显象的方法，所述3D数据集如医学3D图像。该方 法包括提供在所述3D数据集中的弯曲剖面，该剖面至少部分切开所 述弯曲拉长三维结构并且顺着大体上沿所述三维结构的路径；以及根 据所述3D数据集来绘制用于显示所述弯曲拉长三维结构的图像，从而 所述绘制的图像包括所述弯曲剖面。
根据本发明另一个方面，提供医学工作站。该工作站配置以对包括在3D医学图像中的弯曲拉长三维结构(3D)进行显象，并且包括用 于提供在所述3D数据集中的弯曲剖面的装置，该剖面至少部分切开所 述弯曲拉长三维结构并且顺着大体上沿所述三维结构的路径，该工作 站还包括用于根据所述3D数据集来绘制用于显示所述弯曲拉长三维结 构的图像的装置，从而所述绘制的图像包括所述弯曲剖面。
根据本发明的又一个方面，提供一种计算机可读介质，其中嵌入 有计算机程序，该计算机程序用于对包括在3D数据集中的弯曲拉长三 维(3D)结构进行显象，所述3D数据集例如医学3D图像，所显象的 图像由例如包括在上述工作站中的计算机进行处理。该计算机程序包 括用于提供在所述3D数据集中的弯曲剖面的代码段，该弯曲剖面至少 部分切开所述弯曲拉长三维结构并且顺着大体上沿所述三维结构的路 径，该计算机程序还包括用于根据所述3D数据集来绘制用于显示所述 弯曲拉长三维结构的图像的代码段，从而所述绘制的图像包括所述弯 曲剖面。根据本发明再一个方面，提供医学图像，其包括根据本发明 所述第一方面的方法而绘制的弯曲剖面的显像。
根据本发明一个方面的方法可以用于计算机辅助检测、检查和异 常的量化、随后介入的计划和准备，例如用于检查和/或检测狭窄、动 脉瘤或随后治疗的支气管异常。
为了更加彻底地理解本发明，将在后面更加详细地对术语"绘制 (rendering)"进行解释。
根据通常使用的定义，将绘制定义成将基于物体的高级描述转换 成图形图像以供显示。绘制的这种定义用于描绘多种物体，所述物体 可以是合成的/计算机产生的或者从真实世界测量的，并且其被表征为 几何描述，例如用成三角形的表面描述物体的形状。这种物体也用于 医学成像中，其中可以从测量的患者数据得出这种物体的描述。该数 据例如用CT或MRI扫描器获得，并且包括与测量的规则网格上的空间 位置有关的测量的三维阵列。这些测量被称为体素并且由体素阵列覆 盖的三维体积映射到包括患者身体一部分的真实世界空间中的特定体 积。
可以根据体素值直接对所测量的体积进行显象，而不是首先从所 测量的体积中提取物体形状并用几何描述(三角表面)对这些形状进
行描述。前一方案被称为表面绘制，而后一方案被称为体积绘制。这
两种技术在许多变化(variation)中都已经广泛应用并且具有它们自身 的优点和缺点。然而，这两种方法的结果都是以图像形式绘制至少一 部分测量体积的内容，其通常是二维的，提供投射的三维景物的印象 或者提供一个窗口，通过该窗口来观察被测量体积内的三维景物。显 示所绘制图像的可选择的方式是例如使用3D显示器。在这种情况下， 例如通过将多个布置成给出三维印象的二维图像重叠而使绘制的图像 产生3D图像的印象。为了体验这种3D效果，通常需要专用硬件以适 当地观察这些3D图像，所述专用硬件如3D眼镜(例如，红/绿或者红 /青)或者3D显示器。
本发明的优点例如是，易于判读关于拉长物体的三维形状和周围 的剖面信息，而且没有失真。
本发明的另一个优点在于，同时可以对沿多于一个结构的多个剖 面进行显象和检查，而且没有判读问题。
本发明的再一个优点在于，由于这些剖面不是几何失真的，从而 没有由显象所导致的判读问题。
此外可以示出关于该结构的三维形状和其周围环境的附加信息。
本发明对于需要对拉长结构内部进行检查的情况特别适用。
本发明能够的这些和其它方面、特征以及优点将自下列参考附图 描述的本发明的实施方式体现和阐明，其中
图1是根据现有技术定位弯曲剖面(左侧)和获得的弯曲横截面 的显象(右侧)的示意图2是表示经过多条血管中心线的弯曲剖面的医学图像，其被表 示成拉平的平面；
图3A示出血管的原始3D显象。3B)和3C)以三维方式示出的弯 曲剖面，这两个弯曲剖面具有不同的定向并且顺着中心线的方向。3D) 示出一部分被切掉的血管以及在同一图像中的两个相应剖面；
图4是说明根据本发明实施方式的方法的各个步骤的示意性流程
图5是根据本发明实施方式的医学工作站的示意图；以及 图6是根据本发明实施方式的计算机程序的示意图。
下列描迷集中在本发明的"^兌明性实施方式上。然而，应该理解本发明并不限制于这种应用，而是可以应用于许多其它拉长3D元件上， 例如除血管以外的其它管状元件，包括例如肺部的树形结构(pulmonary tree )。
根据本发明的解决方案是定义和计算基本上顺着拉长3D结构的中 心线方向的局部剖面，以及以三维方式对这些剖面进行显象，如果需 要甚至还会有其它感兴趣的结构。但是，弯曲剖面不一定顺着拉长3D 结构的中心线方向。其可以顺着任何路径经过该结构，并且甚至是部 分在该结构以外。其目的常常是对最佳切开的被成像解剖结构进行显 象。因此，对于拉长结构，沿其中心线切割通常是有意义的，但是在 本发明特定实施例的情景中并不排除其它选择。剖面的定向可以例如 定义成总是垂直于观察方向，或者可以独立于该观察方向。在图3中 阐释该方法，图3示出由本发明实施方式所实现的最终获得的代表性 显象图像。
图3A示出可以通过常用的绘制方法来显象的示意性血管，其没有 剖面，仅示出该血管的三维形状。如上面已经阐明的那样，在使用中 表面或体积绘制存在许多或多或少的不同的实现方式。然而，该血管
内部是不可见的，这意味着不能对其进行检查。为了阐释的目的，图3 中所示的血管并没有示出"真实，，血管的表示。此外，该图用来提供 本发明的应用在得以适当实现时能够产生何种印象。图3B和3C示出 同样的血管，但是现在用弯曲剖面沿血管的中心线对其进行切割。以 三维方式来显示在该血管上的剖面。如在图3B和3C中以箭头所指示 的那样，这两幅图的剖面定向不同，并且可以例如根据观察点来指示 这些剖面的定向。如图3D中所示，该剖面在一个方向上不一定是平坦 的。在该图3D中，剖面形状与从血管上切除的四分之一部分的位置相 关，会得到该剖面的两个表面。
参考图3，很明显，本发明提供一种没有失真并且在三维解剖学形 状的情形内对通过拉长弯曲结构的剖面上的信息进行显象的有利方 式。在绘制的图像中示出的剖面仍然是弯曲的"平面"，从而剖面的 定向在可以显示出在该剖面表面上变化的局部定向。因此，本发明提 供了比以前更加有利的判读。词语"平面，，通常暗示平坦或者二维元 件。然而，术语"弯曲平面"指的是弯曲剖面，是切开三维物体的三 维"平面"。弯曲剖面可以认为是三维表面的一部分，这甚至证明了
弯曲剖面使用术语三维剖面是正确的。
在本发明中用作输入数据的体积测量数据可以通过很多不同的合适方式来采集，例如通过使用CT或MR扫描器、超声系统、旋转X射 线系统、PET或者SPECT扫描器。与本发明相关的这种采集和后处理 的结果是提供测量的体积。
根据本发明的方法的实施方式，如图4所示，在步骤41中从这些 数据中提取子体积，该子体积表示特定物体，如器官或骨结构。本领 域普通技术人员知晓用于该步骤的合适提取技术。随后，在步骤42， 借助于表面描述，诸如具有三角表面的几何描述，对这些子体积的轮 廓进行描述。由此定义弯曲的剖面，该剖面至少部分地切开所述物体 并顺着基本上沿所述物体的路径，所述物体诸如弯曲拉长三维结构。 最后，在步骤43，通过将该表面元素投射到投影平面，根据该子体积 描述来绘制包括该弯曲剖面的"3D"图像，投影平面例如可以是计算 机屏幕上的观察区域或打印输出。在大多数情况下该观察区域是平坦 的。任选的是例如可以使用3D屏幕来呈现绘制的显象。在这种情况下， 使用例如专用屏幕，如LCD屏幕，其可以在标准二维模式和立体三维 模式之间切换，在立体三维模式中，能够在屏幕上生成三维透视图。 一种示出这种3D图像的解决方案是在该3D模式中显示出两个重叠图 像， 一个图像示出右眼透视图，另一个图像示出左眼透视图。同时， 监控器接通滤光器，该滤光器限制照亮屏幕的光束的角度。结果，透 射过用于显示右侧透视图的像素的光朝观察者的右眼投射，而入射到 用于显示左侧透视图的像素的光投射到左眼。可选择的是，全息投影 方法可以提供真实的3D图像。
因此，根据3D数据集绘制用于显示弯曲拉长三维结构的图像。该 图像绘制成使其包括弯曲剖面的显象。
可选择的是，对数据体中每个元素(体素、测量值)赋予诸如颜 色和不透明度的光学特性。因此，假想的光线从投影平面的像素投射 到数据体中。投影平面中像素的颜色因此可以与当穿透该数据体时入 射的相应射线的光学特性有关。可以提供用户接口选项以定义模拟 物体特性，例如颜色和不透明度；观察几何形状，例如对数据体进行 观测的方向，以及放大和透视；环境特性，例如模拟光源以增强对物 体形状的感知；高级物体操纵，例如开关物体；几何地合并所描述的表面；沿需要的定向而放置该弯曲剖面，等。
图5公开了根据本发明实施方式的医学工作站的示意图，即图5 中的医学工作站51。该工作站被配置用于对包括在三维(3D)医学图 像中的弯曲拉长3D结构进行显象，该工作站还包括装置52以绘制二 维图像，该二维图像包括所述弯曲拉长结构的至少一个三维弯曲剖 面，其中所述三维剖面是弯曲的。更精确地，医学工作站51被配置用 于对包括在3D医学图像中的弯曲拉长三维(3D)结构进行显象，并且 装置52被配置用于根据所述3D医学图像而绘制用于显示所述弯曲拉 长三维结构的图像，其中所述绘制的图像包括至少 一个绘制的弯曲剖 面，该剖面至少部分地切开所述已显象的弯曲拉长三维结构。
更精确地，医学工作站51包括用于提供在所迷3D数据集中的弯 曲剖面的装置，所述弯曲剖面至少部分切开所述弯曲拉长三维结构并 且顺着大体上沿所述三维结构的路径，以及装置52，其用于根据所述 3D数据集来绘制用于显示所述弯曲拉长三维结构的图像，从而使所述 绘制的图像包括所述弯曲剖面。
图6是根据本发明另一个实施方式的计算机程序的示意图。计算 机可读介质61中嵌入计算机程序，该计算机程序用于对包括在三维 (3D)数据集中的弯曲拉长结构进行显象，以便由例如包括在工作站 51中的计算机63进行处理，所述三维(3D)数据集诸如医学3D图像。 该计算机程序包括代码段62以绘制二维图像，该二维图像包括所述弯 曲拉长结构的至少一个三维剖面，其中所述三维剖面是弯曲的。此外， 代码段62被配置用于根据所述3D数据集来绘制用于显示所述弯曲拉 长三维结构的图像，其中所述绘制的图像包括至少部分切开所述已显 象的弯曲拉长三维结构的至少一个已绘制的弯曲剖面。更准确地，该 程序包括代码段，以在所述3D数据集中提供弯曲剖面，该弯曲剖面至 少部分切开所述弯曲拉长三维结构并顺着大体上沿所迷三维结构的路 径，该程序还包括代码段62以根据所述3D数据集来绘制用于显示所 述弯曲拉长三维结构的图像，从而所述绘制的图像包括所述弯曲剖 面。
可以在较大的应用中嵌入包括弯曲剖面在内的这些绘制图像的产 生，以用于诊断、计算机辅助检测以及异常的量化、介入的计划和准 备等，其中该弯曲剖面方便了以上过程。
上面描述的根据本发明的方法的应用和使用是多方面的，并且包 括诸如主动脉瘤或肺部疾病的代表性领域。可以受益于本发明的应用 的另 一个实施例是在血管中检查狭窄，例如在冠状动脉或者颈动脉或 者在末端的大血管中的检查。其它实施例是动脉瘤或者肺部疾病的检 查。
应用的另一个实施例是机械设备中复杂的管或管状结构的显象。 通常使用本方法将获得例如可以在屏幕上观察的图像，在图像中显示绘制的弯曲拉长结构的显象，其中绘制的图像包括弯曲剖面，如上所述。
本发明可以以任何合适的方式实现，包括硬件、软件、固件或者 其组合。然而，优选地，本发明作为在一个或者多个数据处理器和/或 数字信号处理器上运行的计算机软件实现。本发明的元件和部件能够 以任何合适的方式在物理上、功能上和逻辑上实现。当然，该功能可 以在单个单元、多个单元或者作为其它功能单元的一部分实现。同样， 本发明可以在单个单元中实现或者可以物理地和功能地分布在不同单 元和处理器之间。
尽管上面已经参考特定实施方式对本发明进行了描述，但不应该 认为本发明受限于前述的特定形式。相反地，本发明仅受限于附加的利要求"范围内同样可::例i与上面所描s的绘-方法;同的绘制 方法。
在权利要求中，术语"包括，，并不排除其它元件或步骤的存在。 此外，尽管单独列出，但是多个装置、元件或方法步骤可以通过例如 单个单元或处理器实现。另外，尽管各个特征被包含在不同权利要求 中，但是其可能能够有利地组合，并且被包含在不同权利要求中并不 意味着这些特征的组合不是可行和/或有利的。此外，单数的引用不排 除多个。术语"一"、"一个"、"第一"、"第二"等并不排除多 个。权利要求中的附图标记仅用于阐明实施例并且不应当以任何方式 解释为对权利要求范围的限制。
权利要求
1.一种对包括在3D数据集中的弯曲拉长三维(3D)结构进行显象的方法，所述3D数据集如医学3D图像，所述方法包括提供在所述3D数据集中的弯曲剖面，所述弯曲剖面至少部分切开所述弯曲拉长三维结构并且顺着大体上沿所述三维结构的路径，以及根据所述3D数据集绘制用于显示所述弯曲拉长三维结构的图像，从而所述绘制的图像包括所述弯曲剖面。
2. 如权利要求l所述的方法，其中所述绘制图像是二维的。
3. 如权利要求l所述的方法，包括以三维方式来绘制所述至少一 个弯曲剖面。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述三维方式包括所述至少一 个绘制的弯曲剖面以及具有其绘制的表面的至少一部分所述弯曲拉长 结构。
5. 如权利要求3或4所述的方法，其中所述三维方式包括其他被 包含在所述3D数据集中的结构。
6. 如前述任意权利要求中所述的方法，其中所述3D数据集是医 学3D图像并且所述弯曲拉长结构是哺乳动物或动物的弯曲拉长的器 官。
7. 如权利要求6所述的方法，其中所述弯曲拉长的器官包括在下 述组内，该组包括所述哺乳动物或动物的血管，包括冠状血管；呼 吸道；胃肠道；和/或一部分神经、泌尿道或淋巴系统。
8. 如权利要求6或7所述的方法，包括对通过所述弯曲拉长的器 官的所述弯曲剖面中的异物进行显象，所述异物包括血管中的狭窄， 所述血管包括冠状血管或颈动脉或者末端中的血管；主动脉瘤；或者 包括支气管受阻的肺部异物。
9. 如前述任一项权利要求中所述的方法，包括当绘制所述图像 时，将所述弯曲剖面定向为垂直于所述图像的观察方向。
10. 如权利要求1 - 8中任一项所述的方法，包括当绘制所述图像 时，使所述弯曲剖面独立于所述图像的观察方向而定向。
11. 如前述任一项权利要求中所述的方法，所述弯曲剖面具有弯 曲剖面表面，并且所述绘制包括示出该弯曲剖面的局部定向，该局部 定向在该剖面表面上关于所述弯曲拉长3D结构的中心线发生变化。
12. 如权利要求1-10中任一项所述的方法，所述弯曲剖面具有弯曲的剖面表面，并且大体上沿所述弯曲拉长3D结构的中心线定向所 述的弯曲剖面表面。
13. 如权利要求1 - 10中任一项所述的方法，所述弯曲剖面具有 弯曲的剖面表面，并且定向所述弯曲剖面表面，从而其顺着至少穿过 所述绘制的弯曲拉长3D结构的任意路径和/或至少部分在所述绘制的 弯曲拉长3D结构以外，其中所述任意路径优选地沿其长度与所述弯曲 拉长3D结构的中心线之间具有不衡定的距离。
14. 一种医学工作站(51)，其被配置用于对包括在3D医学图傳_ 中的弯曲拉长三维(3D)结构进行显象，该医学工作站包括用于提供在所述3D数据集中的弯曲剖面的装置，所述弯曲剖面至 少部分切开所述弯曲拉长三维结构并且顺着大体上沿所述三维结构的 路径，以及用于根据所述3D数据集来绘制用于显示所述弯曲拉长三维结构的 图像的装置(52)，从而所述绘制的图像包括所述弯曲剖面。
15. —种计算机可读介质(61)，其中嵌入计算机程序，该计算 机程序用于对包括在3D数据集中的弯曲拉长三维(3D)结构进行显象 以便由计算机(63)进行处理，所述3D数据集优选地是医学3D图像， 该计算机程序包括用于提供在所述3D数据集中的弯曲剖面的代码段，所述弯曲剖面 至少部分切开所述弯曲拉长三维结构并且顺着大体上沿所述三维结构 的路径，以及用于根据所述3D数据集来绘制用于显示所述弯曲拉长三维结构的 图像的代码段(62)，从而所述绘制的图像包括所述弯曲剖面。
16. 如权利要求15所述的计算机程序，其能够借助于工作站来执 行如权利要求1 - 13所述的方法，其中所述工作站是例如权利要求14 所述的医学工作站。
17. —种医学图像，其包括根据权利要求1-13中任一项所述的 方法而绘制的弯曲剖面的显象。
18. 如权利要求1-13中任一项所述的方法用于计算机辅助检测、 检查，以及异物的量化，随后介入的计划和准备，例如为了检查和/或 检测狭窄、主动脉瘤或支气管异常以用于随后治疗。
全文摘要
公开了一种用于对拉长弯曲结构进行显象和检查的方法。根据实施方式，公开了一种改善的对诸如3D医学图像中血管的拉长三维(3D)弯曲结构的检查。进行绘制从而使其获得所述弯曲拉长结构的(3D)弯曲剖面的显象。该方法的优点例如是易于判读关于拉长物体的三维形状和周围组织的剖面信息，而且没有失真，以及同时可以对沿多于一个结构的多个剖面进行显象和检查，而且没有在例如血管中异常的诊断和治疗中的判读问题。
文档编号G06T15/08GK101203889SQ200680022398
公开日2008年6月18日 申请日期2006年6月13日 优先权日2005年6月22日
发明者H·L·T·德布利克, S·洛布雷格特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司