专利名称：自动肋骨排序和配对的制作方法
技术领域：
本实施例涉及肋骨的排序和/或配对。尤其是，对在扫描数据中表示的肋骨进行自动标记。
背景技术：
来自胸腔的医学扫描的肋骨由放射科医师进行常规观察。例如，计算机断层摄影(CT)扫描被用来观察肋骨以便进行肿瘤评估或损伤报告。因为肋骨以斜角跨越通过多幅轴向图像切片，因此肋骨难以以对整体结构的充分理解来进行观察。肋骨的计算机辅助自动标记对迅速读取来说是有价值的并且在相关应用中是重要的，所述相关应用诸如胸腔可视化、结节配准以及病状记录。肋骨用作用于内部/之间的对象评估的参考系以及便于在多个扫描上配准以用于肺部结节研究。肋骨的自然排序和配对在精确定位以及肺脏的损伤和病状的记录中都是有用的特征。肋骨的正确标记有助于肋骨转移和骨折位置的精确描绘。锁骨、剑突、以及胸骨角在传统上已用作CT扫描中用于肋骨计数的解剖标志。肋骨通常基于它们的相对空间关系和长度比来排序，以及使用它们关于脊骨的相对位置来标记。在一种方法中，通过比较每个肋骨中心线的质心和所有中心线的整体重心来识别左侧和右侧肋骨。然后从每一侧，使用组成背脊体素的轴向位置，前后重复配置来获取肋骨号码，从而发现最长中心线上方和下方的最接近中心线。在另一种方法中，使用如下这种试探法，即典型地包含肺尖的轴向切片还含有第二对肋骨。从分段肺尖和脊骨剖面中来识别第二肋骨对，在这之后对其它肋骨顺序标记，同时使用肋骨间隔来识别可能遗漏的肋骨。在又一种方法中，第一肋骨作为关键的矢状平面图像中呈现出来的倾斜线被识别，以及其它肋骨作为顶部肋骨下方的小椭圆被检测。这些方法可能会遭受解剖变异性，以及在于诸如脊柱侧凸(其改变脊骨的曲率，扭曲胸腔的结构整齐性)的情形下失败。由于损伤或病状引起骨折的肋骨、由于检测失误引起遗漏肋骨、或者解剖学上的融合肋骨可以扭曲平均肋骨间隔，从而导致在一些方法中的问题。肋骨长度比对于短的肋骨(诸如第十二节肋骨)来说是不可靠的。有关更靠近肺尖的第二肋骨对的假定并非一直保持有效。在对比增强的CT图像中，对比剂经常误导顶部肋骨的检测以及不能准确地放置后面的肋骨。因为局部的肋骨以及缺乏充分的脊骨环境，多种试探法不能利用腹部和局部的胸部扫描来操作。
发明内容
通过介绍，下面描述的优选实施例包括用于肋骨排序和/或配对的方法、系统、指令以及计算机可读介质。在每一侧上对肋骨进行排序之后，磁性和弹性(spring)函数用于解决肋骨配对。磁性函数用于约束横跨两侧的可能的肋骨对，以及弹性函数用于在考虑遗漏的或融合的肋骨时保持每一侧上的顺序。在第一方面中，提供了一种用于自动肋骨排序和配对的方法。接收多个肋骨的肋骨位置标示(designation)和脊骨位置标示。处理器确定每个肋骨位置标示在脊骨位置标示的左侧或右侧。针对左侧上的肋骨位置标示，处理器对肋骨位置标示进行顺序排序。针对右侧上的肋骨位置标示，处理器对肋骨位置标示进行顺序排序。处理器根据排序、弹性成本函数和磁性成本函数来对左侧上的肋骨位置标示和右侧上的肋骨位置标示配对。在第二方面中，非暂时性的计算机可读存储介质具有在其中存储的数据，该数据表示通过可编程处理器对于肋骨配对的可执行指令。存储介质包括如下指令，该指令用于接收分别在用于患者的左侧和右侧的数据中表示的肋骨位置的第一和第二列表，并且根据基于磁性吸引能量的左侧和右侧上的肋骨之间的基于距离的亲合性的模型和基于强迫进行排序的弹性系统的来自列表的轴向排序的模型来匹配右侧上的肋骨和左侧上的肋骨。在第三方面中，提供一种用于自动肋骨排序和配对的系统。存储器被配置成存储表示患者肋骨的扫描数据。处理器被配置成确定第一侧和第二侧中的每一侧上的肋骨顺序，并且根据第一侧和第二侧的每一侧上的顺序并且根据磁性函数和弹性函数对第一侧的肋骨和第二侧的肋骨进行配对。本发明由下面的权利要求来限定，并且在该部分中没有对这些权利要求采取限制。下面将结合优选实施例对本发明的其它方面和优点进行论述。
部件和附图无需按比例，而是重点放在说明本发明的原理。而且，在附图中，在所有不同视图中，相似的参考数字表示相对应的部分。图1是用于对肋骨进行自动排序和配对的方法的一个实施例的流程图；图2是根据一个实施例的肋骨排序的图形示意；图3-5是成对肋骨的实例图像；以及图6是用于对肋骨进行配对的系统的一个实施例的框图。
具体实施例方式肋骨的计算机辅助自动标记可以加快由放射科医师常规执行的肋骨读取，以用于肿瘤评估或损伤报告。自动肋骨读取有助于胸腔可视化、用于肺部结节配准的研究、或病状定位。使用可靠的算法方法来标记肋骨，该算法方法对胸腔任一侧上的肋骨进行排序并且随后基于该排序对对侧左-右肋骨进行配对。对于排序，每个肋骨点被建模为观察具体邻域内相邻肋骨的观察者。在获取肋骨排序的最小二乘框架内获取肋骨的轴向位置。随后，通过最优化相对侧肋骨之间的基于距离的亲合性来完成配对，并且通过排序来对配对约束。相同侧上的肋骨通过弹性系统按顺序保持，并且对侧肋骨之间的基于距离的亲合性被视为磁性吸引能量。约束弹性-磁性系统的整体势能来达到平衡可以建立正确的服从于排序的肋骨配对，并且使得能够进行精确的肋骨标记。
对肋骨标记不依赖于肋骨中心线提取方法。即使在肋骨被遗漏或损坏时，肋骨排序和配对也可以可靠地进行。图1示出了一种用于自动肋骨排序和配对的方法。肋骨标记包括三个部分(a)侧确定，(b)轴向排序以及(c)肋骨配对。可以执行另外的、不同的或较少动作。例如，在没有动作40、42和/或44的情况下执行动作46。动作48、50和52表示动作46的一个概念上的分解。可以使用其它分解。图1的动作可由图6的系统10或不同的系统来实施。以所示顺序或不同顺序执行这些动作。在动作40中，接收对于多个肋骨的肋骨位置标示和脊骨位置标示。所述标示是数据的指示或指定。表示一个或多个平面或容积的扫描数据可以包括来自不同组织(包括骨骼)的响应。来自骨骼(诸如脊骨和肋骨)的响应被隔离或用于发现脊骨和肋骨的扫描平面、多个平面、或容积中的位置。例如，肋骨和脊骨位置从其它位置中分段。作为另一实例，对表示来自肋骨和脊骨的强度或其它信息的数据进行分段。在一个实施例中，脊骨和肋骨位置标示是脊骨和肋骨中心线。使用区域生长、曲线拟合或别的方法，确定肋骨和脊骨的中心(例如直线或曲线)。肋骨中心线集合Ck(以k =1,2,…T指示)通过任何肋骨中心线提取方法来提取。可以接收其它信息，诸如用于每个肋骨中心线的脊骨相应点(即肋骨中心线与脊骨的交叉点)。在其它实施例中，检测额外或错误的中心线，并且把排序和标记指定为真实肋骨中心线，而不是指定为额外或错误的中心线。通过对患者进行扫描来接收肋骨和脊骨位置标示。使用计算机断层摄影、超声波、磁共振、正电子发射、单光子发射、X射线或其它扫描，在有其它组织或没有其它组织的情况下，从患者获取对骨骼的响应。对所接收的数据进行处理来识别扫描区域内的脊骨和肋骨标示位置。在另一实施例中，通过数据传送来接收或者从存储装置来接收肋骨和脊骨位置标示。例如，从图像档案或其它数据储存库获取来自先前执行的扫描的扫描数据。作为另一实例，从另一处理或从存储装置接收位置标示本身。接收也可以通过网络传送。在动作42中，确定每个肋骨所位于的脊骨的侧。当从前方或后方观察时，每个肋骨位置标示处于脊骨位置标示的左侧或右侧上。处理器可以基于所接收的位置标示来确定侧。在一个实施例中，位置标示是直线或曲线。在其它实施例中，位置标示是区域或容积。在又一些其它实施例中，位置标示是重心或其它点。为了确定侧，处理器针对每个肋骨或对应的肋骨位置标示来计算质心。肋骨中心线的质心根据构成肋骨的中心线点集合计算。质心位于扫描容积中。基于中心位于患者脊骨上的扫描，对于相对于脊骨位置标示的每个肋骨位置标示，确定质心的矢状位置。肋骨被分类成左肋骨集合L和右肋骨集合R中，其中IL|+ |R| =T0在动作44中，肋骨位置标示被顺序排序。处理器对右侧上的肋骨位置标示以及左侧上的肋骨位置标示进行排序。针对一侧的排序独立于针对另一侧的排序。从顶部到底部、从底部到顶部、或以一些其它顺序来对肋骨进行排序。为了对肋骨排序，针对肋骨标示位置的每一个，对邻近的肋骨位置标示进行识别。假定脊骨的垂直或给定定向，根据轴向距离来完成排序。轴向维度基本沿着脊骨或脊骨位置标示。由于患者的定位误差所以充分考虑脊骨曲率以及偏离于理想的可能扫描转向。在一个实施例中，一个或多个点被指定或选择用于每个肋骨。图3将肋骨位置标示示出为线。沿着每条线，选择一个或多个采样点(空心圆)。给定肋骨的每个点被视为观察者能够在相同侧(如左侧)上观察其它肋骨的点。限定用于观察的邻域。可以使用任何形状。在图3所示的实施例中，领域由半径λ和观察角θ来限定(例如λ = 75mm并且θ =45度，但可以使用其它值)。所述角沿着轴向维度，但可以以相反方向或其它方向定向。将G = {V，E}作为没有自身循环而具有顶点集合V (即肋骨点)和边缘E (即肋骨或肋骨点之间的链接)的多重图。每个肋骨k被视为节点Vk e V。当来自一个肋骨(如肋骨m)的点能够观察到另一肋骨(如肋骨η)中的点时，产生边缘emne Ε。定向边缘的加权是两点之间的相对轴向距离(如dnm)。从G中确定每个顶点(即肋骨点)的相邻点。顶点Vk的相邻点集合N(Vk)基于轴向距离指示出邻近肋骨k的各肋骨。该邻近可以包括或不包括介于中间的肋骨。给定每个顶点以及其相邻点，顶点的连接部分从图形形成。图3右侧上示出了多重图并且在左侧上上示出了与实例相关的多重图的部分的标识(图3中间)。每个连接部分(CC)具有邻近集合中的至少一个其它肋骨的所有肋骨。当没有遗漏肋骨时，只存在一个CC，诸如图3中所示。当有肋骨遗漏时，因为不连接的子图，可以存在多个分离的CC。针对肋骨的排序，计算它们的相对轴向距离。该距离介于沿着轴向维度的两点之间，但没有固定的参考系。在多重图中提供了邻近肋骨位置标示之间的距离。该距离可以被表示为矩阵。多重图信息用于建立等式Az = D的线性系统，其中A是具有|E|个行和|v|个列的图形关联矩阵，D是肋骨点之间的相对轴向距离的矢量，以及Z是含有所估计的肋骨的轴向位置的矢量。系统的每个等式通过差分算子对各肋骨(如肋骨m到肋骨η)之间的相对轴向距离进行编码。在关联矩阵的每一行中，边缘(如ej的内部节点(irmode)在第m列处用‘+1’标记并且外部节点在第η列处用‘_1’标记。每个边缘的开始标记有+1，并且每个边缘的结束标记有-1。D矢量中的对应行保持了相对轴向距离(边缘加权)d。实际的肋骨索引被映射到针对该矩阵符号的连续左肋骨和连续右肋骨索引上。因为只有相对距离被编码，所以线性系统被过度确定并且A秩亏。每个肋骨的绝对轴向位置被根据相对距离来求解。通过牵制(pinning)对于每个CC的任意一个部分(肋骨)的绝对轴向位置，缩减自由度，并且A被强制满秩。在没有缺失一般性的情况下来牵制任一肋骨。例如，在每个CC中选择让中心线点具有最小轴向位置的部分。将新的等式添加到线性系统中，让条目‘+1’对应A中所选择的肋骨列，以及，针对D中的相同行，使用最小的ζ-位置值。通过使用A的伪逆矩阵估算Z = A+D来求解线性系统。矢量ζ根据每个肋骨k的轴向位置、e Z来保持肋骨的正确排序。在一个实施例中，针对每个肋骨k的仅仅一个肋骨点被选择。在替代实施例中，沿着每个肋骨中心线从脊骨开始对肋骨点进行采样。可以使用任意采样距离，诸如沿着中心线的每2. 5cm。可以从每个肋骨中随机选择采样以添加相邻肋骨之间更多的成对约束，以得到更大的鲁棒结果。计算对于这些点中的每一个点的轴向距离。对于多重图，两个肋骨之间的边缘加权被设置为沿着两个肋骨的采样点之间的轴向距离的平均值，以及根据与多个点和对应肋骨相关的平均距离来执行排序。在另一实例中，在两个肋骨之间构造多个边缘，并且每个边缘的权重与沿着两个肋骨的每对采样点的轴向距离相对应。额外的边缘在线性等式Z = A+D中提供更多的约束，以及由此可以使系统更具有鲁棒性。作为配对的输入给出诸如矢量ζ的排序。配对操作接收肋骨位置的列表作为顺序。提供一个列表用于右侧，并且提供另一列表用于左侧。针对两侧的绝对位置可以对准或可以不对准。在动作46中，左侧上的肋骨位置标示与右侧上的肋骨位置标示配对。因为肋骨可能遗漏、损坏、融合或以其它方式不同地布置，所以配对具有鲁棒性以考虑这种不同。使用排序、弹性成本函数以及磁性成本函数来提供鲁棒配对。处理器无需用户输入而根据不同侧对肋骨进行自动配对。配对是根据两侧上的排序的。配对可以使用相对顺序，诸如1到T。可替代地，距离信息用作排序或作为排序的一部分。例如，每侧上的肋骨的绝对位置用作排序(如针对每一侧，肋骨1位于Omm处，肋骨2位于25mm处，肋骨3位于48mm处…)。作为另一实例，可以使用相对定位。绝对位置单独用于每一侧。左侧和右侧二者在特定轴向距离处都具有肋骨，但是该距离并不对应于沿着脊骨或轴向维度的相同位置。在一个实施例中，根据肋骨排序，针对胸腔左侧和右侧中的每一侧的有序肋骨中心线集合通过针对左侧的绝对位置集合Z1和针对右侧的绝对位置集合ττ来指示。接下来任务就是正确配对左侧肋骨和右侧肋骨。左侧和右侧肋骨被指定为两部分图的任意侧上的节点i和j。匹配依据节点的排序而解决。连接边缘不能彼此交叉。通过将作为相对侧肋骨之间的基于距离的亲合性的系统建模为磁性吸引能量，以及将轴向排序建模为按顺序保持肋骨的弹性系统来解决配对。模型匹配右侧上的肋骨和左侧上的肋骨。约束弹性-磁性系统的整体势能来在建立左肋骨和右肋骨的正确配对中达到平衡结果。弹性能量通过扩展和/或缩短个别弹簧以锁定在节点配对中来平衡吸引能量。如由动作48所表示的那样，通过相对侧上肋骨位置标示之间的距离亲合性来对匹配加权。磁性成本函数表示该距离亲合性。磁性成本函数可以分成左侧和右侧磁性函数，但是可以使用针对两侧的整体或磁性函数。可以使用任何磁性函数。在一个实施例中，计算针对对应于肋骨j e R的肋骨i e L的基于距离的亲合性。每个中心线点i关于脊骨中心线反射。这通过执行对围绕肋骨i的脊骨对应点(即肋骨中心线与脊骨中心线的交点)的脊骨中心线点的局部线性拟合来完成。计算肋骨关于该线性拟合的平面反射。基于每个反射点i到其最近点j的距离，计算累加亲合性分数Yu。类似的对于每个肋骨，计算关于每个相对侧肋骨的亲合性分数并且累加到|L|行乘IRI列的亲合性矩阵r中。在一个实施例中，i和j之间横跨中心冠状平面的距离为Pij = Sqrt(Zi1-Zjr)^P2)(1)其中Z1 e Z1, Zr e Zr指示轴向位置，以及常量ρ指示左侧和右侧之间的常量位移。因为输入可以包含额外的肋骨中心线(换句话说，|L| + |R| >T)，所以假定T中心线的子集合为真实的集合，而剩余的中心线是虚假的。在所有可能的假设下来多次运行该算法，并且基于产生最低总能量的假设来选择最终结果。通过磁性吸引能量来对左肋骨和右肋骨之间的亲合性进行建模提供Ufflag = Σ (-Yij/ (sqrt ((z^-z/)2+ P 2)(2)i e L, j e R
可以使用其它亲合性或磁性类型的函数。如由动作50所表示的那样，轴向排序由弹性成本函数来加权。弹性成本函数维持排序同时允许模型中对于不同间隔、遗漏肋骨或其它变化的灵活性。弹性成本函数被分成左侧和右侧弹性函数。可以使用任何弹性函数。在一个实施例中，由弹性系统来对排序建模，该弹性系统的能量由下式给出
权利要求
1.一种用于自动肋骨排序G4)和配对06)的方法，该方法包括接收GO)脊骨位置标示和针对多个肋骨的肋骨位置标示；利用处理器O0)确定0 每一个肋骨位置标示在脊骨位置标示的左侧或右侧；针对左侧上的肋骨位置标示，利用处理器OO)来对肋骨位置标示进行顺序排序G4)；针对右侧上的肋骨位置标示，利用处理器OO)来对肋骨位置标示进行顺序排序G4)；以及利用处理器OO)根据排序(44)、弹性成本函数和磁性成本函数来对左侧上的肋骨位置标示和右侧上的肋骨位置标示进行配对G6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中接收GO)包括接收00)脊骨中心线以作为脊骨位置标示以及接收GO)肋骨中心线以作为肋骨位置标示。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述肋骨中心线中的至少一个包括至少一个错误中心线，并且其中所述配对G6)避免了对所述至少一个错误中心线进行配对06)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定0 包括计算针对每个肋骨位置标示的质心；以及确定针对相对于脊骨位置标示的每个肋骨位置标示的质心的矢状位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中对左侧和右侧的排序G4)包括针对每个肋骨标示位置，根据轴向距离来识别邻近的肋骨位置标示，该轴向距离基本上沿着脊骨位置标示；计算邻近肋骨位置标示之间的相对距离；以及根据相对距离求解邻近肋骨位置标示之间的绝对距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述计算包括根据矩阵的计算。
7.根据权利要求1所述的方法，其中排序G4)包括根据每一个肋骨位置标示上的多个点的排序(44)，所述排序04)使用基于多个点的平均距离。
8.根据权利要求1所述的方法，其中根据排序G4)进行配对06)包括根据肋骨位置标示的绝对轴向位置进行配对G6)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中配对G6)包括根据磁性成本函数对相对侧上的肋骨位置标示之间的距离亲合性进行加权；以及根据弹性成本函数对轴向顺序进行加权。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁性成本函数包括左侧和右侧磁性函数，以及弹性成本函数包括左侧和右侧弹性函数，并且其中所述配对G6)包括对目标函数进行求解，该目标函数包括左侧和右侧磁性函数以及左侧和右侧弹性函数的总和。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括显示(54)肋骨的图像，根据所述配对G6)来标记肋骨。
12.一种用于自动肋骨排序G4)和配对06)的系统，该系统包括存储器(22)，其被配置成存储表示患者的肋骨的扫描数据；以及处理器(20)，其被配置成确定第一侧和第二侧中每一侧上的肋骨的顺序，以及根据第一侧和第二侧中每一侧上的顺序以及根据磁性和弹性函数来对第一侧的肋骨和第二侧的肋骨进行配对。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器OO)被配置成利用磁性函数和弹性函数来配对，该磁性函数对第一侧和第二侧上的肋骨之间的基于距离的亲合性进行建模，该弹性函数维持第一侧和第二侧中每一侧上的顺序。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器00)被配置成根据顺序来配对，所述顺序由肋骨的绝对位置来表示。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述磁性函数包括第一和第二侧磁性函数，其中所述弹性函数包括第一和第二侧弹性函数，以及其中所述处理器OO)被配置成通过求解第一和第二侧磁性函数以及第一和第二侧弹性函数的梯度的总和来配对。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器OO)被配置成选择没有错误中心线的组合，成对的肋骨没有错误中心线。
全文摘要
本发明涉及自动肋骨排序和配对。对肋骨进行自动排序(44)和配对(46)。在对每一侧上的肋骨进行排序(44)之后，磁性和弹性函数用于对肋骨配对(46)进行求解。使用磁性函数(48)来约束横跨两侧的可能的肋骨对，并且使用弹性函数(50)来在考虑遗漏或融合的肋骨的同时维持每一侧上的顺序。
文档编号G06F19/00GK102567625SQ20111040436
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月28日 优先权日2010年10月29日
发明者C·V·阿尔维诺, S·拉马克里什南, 刘大元, 吴迪嘉, 周少华 申请人:西门子公司