专利名称：用于处理图像的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及图像处理，并且更具体地，涉及处理通过使用动态成像技术而获得的图像数据的系统和方法。
背景技术：
医学成像涵盖用于为了临床目的创建人体的图像的技术和过程，包括用于诊断或监视疾病的医疗程序。医学成像技术已经发展为涵盖很多图像记录技术，所述图像记录技术包括电子显微镜法、荧光透视法、磁共振成像(MRI)、核医学、光声成像、正电子发射断层摄影术(PET)、投影射线摄影术、热成像法、计算机断层摄影术(CT)和超声。医学成像可以包含，使用被称为造影剂或造影材料的复合物，以提高图像中体内结构的可见度。医学成像原本局限于采集单个静态图像以捕获身体的器官/区域的解剖结构。目前，更复杂精密的成像技术的使用允许进行动态研究，所述动态研究提供可以表征生理或病理生理信息的图像的时域序列。动态医学成像涉及获取过程，S卩，随时间的推移而拍摄受关注的器官/区域/身体的许多“快照(snapshot) ”，以便捕捉随时间变化的行为，例如，造影剂的分布，且因而捕捉具体的生物状态(疾病、不适、生理现象等)。随着医学成像的速度和数字性的发展，此获取数据会具有极大的瞬时清晰度且会导致大量数据。医学成像技术已广泛用于改善对诸如癌症、心脏疾病、大脑失调和心血管疾病的病情的诊断和护理。大部分评估表明，数以百万的生命由于这些医学成像技术而得以挽救或者显著得到改善。然而，必须对这类医学成像技术给患者带来的辐射暴露风险加以考虑。在这点上，由于CT中所递送的辐射剂量比更为常见的常规χ射线成像过程大，医学诊断中CT越来越多的使用已经对被暴露的患者增加的罹患癌症风险进行了突出的关注。对于两相CT灌注成像方案而言，则尤其如此。为了说明目的，将剂量-长度乘积用于由可市购的CT扫描仪(GE Healthcare)提供的方案，CT中风系列的有效剂量为lOmSv，其中 4. 9mSv是由两相CT灌注成像方案贡献的，其中所述CT中风系列由以下组成1)非增强CT 扫描，以排除出血；幻CT血管造影术，定位导致中风的梗塞；和幻两相CT灌注成像方案，以用血流量和血容量来定义缺血区，并用血脑屏障渗透表面积乘积(BBB-PQ来预测出血性转变(HT)。预测CT中风系列对于每暴露的100，000个男性和女性急性缺血性中风(AIS) 患者分别会引发80和131例额外癌症，并且仅两相CT灌注成像方案就被预测为导致了一半的额夕卜癌症(Health Risks from Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation BEIR VII. The National Academies Press, Washington DC, 2006 (暴露于低水平电离辐射的健康风险BE^ VII.国家学术出版社华盛顿特区2006))。除非减少两相CT灌注成像方案的有效剂量，否则医学成像的益处将会由于对癌症引发的担忧而被破坏。此外，对辐射暴露风险的担忧延伸到其他医学成像技术，尤其是对于儿科患者或正经受重复暴露的那些患者。例如，在2007年3月6日授权的第7，187，794号美国专利中，描述了使用统计滤波技术以增大低剂量辐射成像中的信噪比。然而，目前，统计滤波的应用限于图像构建之前的投影数据。若干不利之处与投影数据的统计滤波相关。例如，因为来自动态序列的各个图像一般是由 1，000个投影重建而成，所以使用投影数据工作时计算负担高。另外，滤波过程必须被“硬布线”至扫描仪的图像重建管线中。如此一来，投影数据的统计滤波器由于其通常专用于扫描仪平台而缺乏灵活性。不论是否已被觉察或证实，对辐射暴露风险的担忧将必须得到解决，以使患者对医学成像技术的长期安全放心。据此，需要允许辐射剂量的减少的医学成像技术。因此，本发明的目的是要提供一种新颖的用于处理图像的系统和方法。
发明内容
在一方面，提供有一种处理多个时间分离的图像的方法，包括在各个图像中选择多个成像单元；为各个成像单元确定时域差；以及选择在阈限以上的时域差。在另一方面，提供有一种处理多个时间分离的图像的系统，包括接口，用于接收多个时间分离的图像；和处理器，用于在各个图像中选择多个成像单元，为各个成像单元确定时域差，以及选择在阈限以上的时域差。在又一方面，提供有一种包含处理多个时间分离的图像的计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括用于在各个图像中选择多个成像单元的计算机程序代码； 用于为各个成像单元确定时域差的计算机程序代码；和用于选择在阈限以上的时域差的计算机程序代码。
现在，将仅通过示例的方式、参照附图来描述实施例，在附图中图1是图像处理方法的流程图；图2示意性图示了多个时间分离的图像中的成像单元的定位；图3A至3E示出了用统计滤波技术处理过的、来自CT图像的脑血流量图；图4图示性示出了使用图3E中勾画出的区域为图3A至3D中所示的图像所计算的血流量品质因数(Figure of Merit)；以及图5是用于实施图1中所示图像处理方法的系统的图示。
具体实施例方式动态医学成像涉及采集过程，S卩，随时间的推移而拍摄受关注的器官/区域/身体 (即靶区)的许多“快照”，以便捕捉随时间变化的行为，例如造影剂的吸取和/或消除。此采集过程导致多个时间分离的图像的产生。本申请中所描述的方法和系统涉及这样的时间分离的图像的处理。现在转到图1，图示出了根据该方法在时间分离的图像的处理期间所执行的步骤。 多个时间分离的图像可以在使用或者不使用注射的造影剂的情况下从患者的动态医学成像获得。造影剂可以例如根据靶区的结构或生理状态，来选择性地增加图像中靶区的对比度。例如，可以将对特定器官、疾病、状态或生理过程具有生物物理、分子、基因或细胞亲和性的复合物注射到患者体内。选择这样的造影剂，使之具有下述属性通过改变成像条件， 例如，通过改变图像对比度，对给定成像技术提供增强的信息，以反映体内复合物的行为。 这可以通过局域性部位处增大的X射线衰减(例如对于CT/X射线)、被改变的顺磁特性(例如对于MRI)或者对于核医疗/PET使用放射性同位素来实现。用于许多成像技术的造影剂是公知的。在一些情况下，对比增强并不依赖于所注入的造影剂，所述一些情况例如在磁共振成像(MRI)中使用“黑血”或“白血”，其中，使用特定脉冲序列以改变血的磁饱和且因而改变其在图像中的呈现；或者使用带标记的MRI序列，所述带标记的MRI序列改变具体组织或流体的磁性能。所注入的造影剂或者具有改变了的性能的组织或流体可以全部被认为是“成像剂”。多个时间分离的图像不限于任何具体的成像技术，并且包括例如使用磁共振成像 (MRI)、计算机断层摄影术(CT)、核医学(NM)或正电子发射断层摄影术(PET)的动态医学成像。多个时间分离的图像也不限于具体图像类型。例如，可以处理灰度或彩色图像。在该方法期间，在各个时间分离的图像内，选择多个成像单元(步骤110)。“成像单元”可以为用于将图像分成等同的部分的任何所期望的单元，包括例如像素、多个像素、 部分像素、体素、多个体素、部分体素等。成像单元数据由例如数字值的值来表示，并且因而可以量化和测量。一般而言，为时间分离的图像中的对应的成像单元测量图像强度。对于使用造影剂的动态成像而言，可以关于造影剂浓度确定时域差。造影剂浓度的时域差可以被表示为作为时间的函数的对比增强的图示。图1中示出了用于确定造影剂浓度的时域差并选择时域差的两种备选方案。在图 1所示的一个备选方案中，一旦在步骤110从各个时间分离的图像中选择了多个成像单元， 就为各个成像单元确定时域差(步骤11 。然后根据所观察到的时域差的程度来对所确定的时域差或其表示进行排序(步骤120)。然后选择在阈限以上的时域差(步骤12 。然后基于所选的时域差来构建处理后的图像(步骤150)。在图1所示的另一备选方案中，不对时域差排序。而是，利用统计技术，且更具体地，利用盲信号分离统计技术，来分析成像单元的时域数据，以选择在阈限以上的时域差。 例如，关于使用造影剂的动态CT成像，一旦在步骤110已经从各个时间分离的图像中选出了多个成像单元，就建立与平均曲线相关的对比增强图示的所有对的协变的协方差矩阵 (步骤130)并使用盲信号分离统计技术进行分析(步骤13 ，诸如对协方差矩阵应用主分量分析。基于统计分析来计算特征向量/特征值对(步骤140)。然后所得到的在阈限以上的特征向量/特征值对基于它们的特征值被选择出来(步骤14幻。然后利用所选的特征向量来构建处理后的图像，并且使用所选特征向量的不同权重来构建各成像单元(步骤 160)。可选地，可以配准多个时间分离的图像，以使时间分离的图像中的对应位置彼此相关。仅需要多个时间分离的图像的配准来校正显著失配。否则，在时间分离的图像之间的轻微移动可以为本申请中所描述的处理方法所容许甚至可以被消除。作为另一可选步骤，可以对多个时间分离的图像进行预处理，使得时间分离的图像由可量化的值或代码表示。例如，可以利用已知数字化技术而由数字值表示时间分离的图像。如果多个时间分离的图像的成像数据是以数字形式提供的，则无需数字化步骤。现在将参照图2来进一步描述造影剂浓度的时域差的确定。图2示出了一系列6 个按照时间顺序排列的时间分离的图像、至t6。在各个时间分离的图像上标记有成像单元的4X6阵列。在此示例中，选择了五(5)个成像单元IUl至IU5。如从比较整个系列的时间分离的图像、至t6清楚可知，对于各个时间分离的图像在阵列的相同位置(即第1列第2行)处选择成像单元IU1。相似地，贯穿该系列时间分离的图像在成像单元阵列的对应位置处选择成像单元IU2至ITO中的各个。据此，可以将贯穿时间分离的图像在其对应位置处的各个成像单元的值绘制为时间的函数，以获得时域曲线。绘制步骤由连接成像单元IU1、IU2和ITO的对应位置的箭头图示出。然后可以对各个成像单元的时域曲线进行分析，以确定时域差。例如，可以计算所获得的全部时域曲线的平均曲线。然后从各个时域曲线减去平均曲线，以获得各个所选成像单元的时域差曲线。将予以理解的是，所标记的阵列和成像单元IUl至ITO的选择、以及表示将成像单元IU1、IU2和ITO的值作为时间的函数进行绘图的箭头，仅用于说明目的，并且可以按照需要选择任何数目的成像单元并对其进行分析。此外，通过从成像单元的时域曲线减去平均曲线而进行的时域差的确定仅用于说明目的，并且可以想到分析时域曲线的任何其他方法，例如使用导数和/或统计技术。现在，将使用来自CT灌注研究的时间分离的图像作为示例，提供用于多个时间分离的图像的盲信号分离统计分析的数学基础。给定来自CT灌注研究的一系列η个动态(即时间分离的)图像，η个动态图像可以紧凑地表示为矩阵X = [xf X^ ……X^1 X Jf其中，ρ为CT图像中的像素数(即ρ = 512X512,256X256等)，且RiJ=I,…，ρ为 nXl向量，其元素为η个图像中的像素值或来自第i个像素的时间-增强曲线。注意，X的第(i，j)个元素为Xi的第j个元素Xij。各个Xi,i=l，···,P也可以解释为单个时间-增强曲线 χ (由η个随机变量X1, X2,…，χη_ι; 乂 组成的随机过程)的重复观察。符号解释如下(i)向量由具有排成一列的元素的希腊或罗马字母字符上方的颚化符号( ， tilde)来表示；(ii)矩阵由大写的希腊或罗马字母字符上方的颚化符号来表示；(iii)向量或矩阵的转置由符号上的上标T来表示；以及(iv)随机变量由希腊字母字符表示，而随机变量的观察值(样本)由对应的罗马字母字符表示；希腊和罗马字母字符之间的对应关系将在下列讨论中如下所示使用χ Xψ<-> yζ Z
(ν)由η个随机变量组成的随机过程由η X 1向量表示。从η个动态图像中消除噪声的一个途径是，找到PXn矩阵X的“展开式 (expansion)”，并且然后按照某个预定标准截短展开式。常用的展开式为X的奇异值分解
权利要求
1.一种处理多个时间分离的图像的方法，包括在各个图像中选择多个成像单元；为各个成像单元确定时域差；以及选择在阈限以上的时域差。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述选择之前对各个测得的时域差排序。
3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括使用所选择的时域差来构建处理后的图像。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，各个成像单元为一个像素和一个体素中的一种。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，各个成像单元为多个像素和多个体素中的一种。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述时域差基于对比增强。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述时域差为造影剂的差别。
8.如权利要求7所述的方法，其中，对比增强基于所述造影剂的浓度。
9.如权利要求7所述的方法，其中，对比增强基于所述造影剂的激活。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括利用盲信号分离统计技术来表征所测得的时域差。
11.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述时域差包括计算所述成像单元的时域差的协方差矩阵。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括利用盲信号分离统计技术分析所述协方差矩阵，以确定所述时域差之中的共有时域图案。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括分析所述协方差矩阵的特征向量。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述特征向量的特征值表示时域差的程度。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述选择时域差包括选择在所述阈限以上的特征值。
16.如权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述阈限是能够调节的。
17.如权利要求12所述的方法，其中，所述盲信号分离统计技术选自由下述技术构成的组主分量分析、独立分量分析、盲源解卷积、卡亨南-拉维变换和霍特林变换。
18.如权利要求1至17中任一项所述的方法，其中，所述多个时间分离的图像是使用动态医学成像技术而获得的。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述动态医学成像技术包括造影剂的使用。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述时间分离的图像是使用具有减少的辐射剂量的方案而获得的。
21.如权利要求18所述的方法，其中，所述时间分离的图像是使用具有减少的造影剂量的方案而获得的
22.如权利要求18所述的方法，其中，所述动态医学成像技术为磁共振成像(MRI)、功能性MRI、正电子发射断层摄影术、核医学或计算机断层摄影术。
23.如权利要求18所述的方法，其中，所述动态医学成像技术为计算机断层摄影术 (CT)。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述时间分离的图像是使用具有减少的辐射剂量的CT灌注方案而获得的。
25.如权利要求23所述的方法，其中，所述时间分离的图像是使用具有减少的造影剂量的CT灌注方案而获得的。
26.—种处理多个时间分离的图像的系统，包括 接口，用于接收多个时间分离的图像；和处理结构，用于在各个图像中选择多个成像单元、为各个成像单元确定时域差以及选择在阈限以上的时域差。
27.一种包含处理多个时间分离的图像的计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括用于在各个图像中选择多个成像单元的计算机程序代码； 用于为各个成像单元确定时域差的计算机程序代码；和用于选择在阈限以上的时域差的计算机程序代码。
28.一种用于根据权利要求1至25中任一项所述的方法来处理多个时间分离的图像的系统。
全文摘要
一种处理多个时间分离的图像的方法，包括在各个图像中选择多个成像单元；测量在各个成像单元中的时域差；以及选择在阈限以上的时域差。
文档编号G06T5/50GK102282587SQ200980147491
公开日2011年12月14日 申请日期2009年10月2日 优先权日2008年10月2日
发明者李廷因 申请人:西安大略大学