3d管状结构的曲线重建的快速呈现的制作方法
【专利摘要】本发明涉及3D管状结构的曲线重建的快速呈现。各种改进可以导致减小或避免曲线平面重建成像中的赝像。可以验证（34）投影呈现（32）中使用的体素的源是来自于血管而非介入解剖。为了使检查更快速，可以使用分层数据结构（36）。不是使用血管，而是可以使用对血管的几何形式拟合（24）。用几何形式进行处理（22）可以比细网格或表面更快速。因为管状结构在长度上具有可预测的改变，所以可以用单调性约束来对几何形式或血管数据本身进行过滤（26）。取代使用针对基于管腔或中心线的段的平面，形成（28）用于曲线平面重建的围绕管状结构的凸包。
【专利说明】3D管状结构的曲线重建的快速呈现
[0001]相关申请
本专利文档要求2013年I月29日提交的、临时美国专利申请系列号为N0.61/757,918的在35 U.S.C.§ 119(e)下的提交日期的权益，在此通过引用并入。
【背景技术】
[0002]本实施例涉及医学成像，并且具体地，涉及曲线重建。
[0003]可以使用计算机断层扫描(CT)和/或磁共振成像(MRI)来对脉管系统无创地成像。CT和MRI 二者提供高分辨率的体积信息来对解剖对象(例如，心室和血管)可进行视化。可以结合诸如放射检查(fluoroscopy)的“实况”模态(“live” modality)来使用CT。对于这些类型的成像，在过程期间的投影图像是公共的。CT和MRI数据通常包含太多信息，所以在“实况”过程期间对用于显示的部分信息的选择是有价值的。
[0004]所建立的用于显示管状信息的方法之一是生成横断管腔(例如，中心线)壁并围绕平面中的组织的纵向横截面。如果认为血管由许多小段构成，则该纵向横截平面不断自我定向以对准这些段。所得的由平面定义的体积的子集被呈现。该技术通常称为曲线平面重建(CPR)。
[0005]CPR可以延伸为包括针对不同血管的多个平面，并且所得的图像被呈现为这多个平面上体素灰度(voxel intensity)(例如,沿着通过多个平面的路径选择的最大灰度或最小灰度)的代数组合。该手段称为曲线多平面重建(CMPR)。然而，在CMPR中，取决于分别选择的横断平面，血管的部分可能被其他血管重叠。图1示出了当存在两个血管的重叠并且介入空间具有一些“噪声”源时的显著赝像(见箭头)，介入空间具有一些“噪声”源诸如心室填充有对比物或其他异体(例如，支架(stent))。在该具体实例中,两个血管重叠。在后部的血管归因于诸如堵塞引起的贫乏血流而具有低对比度。这两个血管之间中的空间具有心室，其填充有对比剂(conrast medium)。箭头示出与血管中的任何一个的灰度不匹配的交叉的对比物(例如，平行四边形成形区域)的急剧改变。其他赝像可以是CMPR中的结果。
【发明内容】
[0006]通过介绍的方式，下面描述的优选实施例包括用于曲线重建成像的方法、计算机可读介质以及系统。各种改进可以导致减小或避免赝像。可以验证投影呈现中使用的体素的源是来自于血管而非介入解剖(intervening anatomy)。为了使检查更快速,可以使用分层数据结构。不是使用血管，而是可以使用对血管的几何形式(geometric form)拟合。用几何形式进行处理可以比细网格(fine mesh)或表面更快速。因为解剖中的管状结构在长度上具有可预测的改变，所以可以用单调性约束对几何形式或血管数据本身进行过滤。取代使用针对基于管腔或中心线的段的平面，形成用于曲线平面重建的围绕管状结构的凸包(convex hull)。
[0007] 在第一方面中，提供了一种用于曲线重建成像的方法。处理器将几何形式拟合到扫描数据表示的病人的血管树的外壁段。处理器从几何形式生成凸包。处理器标识表示凸包的扫描数据。从所标识的扫描数据来呈现图像。
[0008]在第二方面中，一种非暂态计算机可读存储介质中在其中存储有表示可由编程的处理器执行来进行曲线重建成像的指令的数据。所述存储介质包括用于以下的指令:获得表示病人的具有至少一个管状结构的体(volume)的数据；用沿着至少一个管状结构的曲线重建来产生子体(sub-volume);从子体来呈现体的图像，其中，呈现是子体的体素是在至少一个管状结构之中还是之外的函数；以及显示图像。
[0009]在第三方面中，提供了一种用于曲线重建成像的系统。存储器可操作来存储表示多个管状结构和介入解剖的数据。处理器被配置为用单调性约束对沿着多个管状结构的每一个的半径(radii)进行过滤，并且被配置为根据过滤后的半径执行数据的曲线重建。显示器被配置为显示曲线平面重建的图像。
[0010]本发明由以下的权利要求书来限定，并且本部分中的没有什么应视为对那些权利要求的限制。本发明的进一步的方面和优点在下文中结合优选实施例来讨论，并且可以随后独立地或组合地被主张。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]部件和图不一定是按比例的，代之以将重点放在说明本发明的原理上。此外，在图中，相同的参考标号贯穿不同视图指明对应部分。
[0012]图1是具有赝像的示例多路径曲线多平面重建图像；
图2是对应于图1的图像的示例，但是具有在没有赝像的情况下进行呈现的处理；
图3是用于曲线重建成像的方法的一个实施例的流程图；
图4和5分别示出了具有归因于支架的扩张赝像的多路径曲线多平面重建的图像和没有赝像的图像的示例；
图6和7分别示出了具有缩窄赝像的多路径曲线多平面重建的示例图像和没有赝像的图像；
图8和9分别表示在利用单调性约束的过滤之前和过滤之后的长度上的示例血管半
径;
图10和11分别示出了具有血管树的小和大血管与没有小血管的多路径曲线重建的图像的示例图像；以及
图12是用于曲线重建成像的系统的一个实施例的框图。
【具体实施方式】
[0013]图2示出了图1的图像的示例，但是是使用避免图1中示出的赝像的处理以曲线重建来创建的。来自心室中的介入对比剂的噪声被拒绝，代之以使用来自未堵塞血管的灰度。箭头指示与图1中相同的位置。为了获得该结果，检查投影中使用的体素的位置。新手(novice)或简单的手段是沿着最近和最远点之间的路径检查每个点以确定该点是否在管状的树状结构内部。不位于管状结构中的点被排除在呈现投影的像素灰度的组合或代数计算之外。该检查的计算时间可能过分长而延迟图像的生成，并且对于交互速率而言可能不够快。
[0014]提供了三维管状结构的多路径曲线重建的快速呈现，其考虑在管状结构内部和外部的体素体的包括。所提出的手段通过采取一个或多个策略来获得交互速率和/或移除公共赝像的源。
[0015]在第一策略中，使用分层数据结构来管理树状结构的三维空间划分以进行快速检查。通过从管状结构内的灰度值选择所呈现的像素值来呈现体素体的醒目显示血管的管状结构的二维投影重建。管状结构在三维空间几何图元(primitives)方面的分层组织促进快速检查以限制用于在管状结构内引起的呈现的灰度。在没有该选择的情况下，尤其是当存在用介入对比物或支架分离某个距离的两个血管时，赝像产生。
[0016]在第二策略中，分层组织可以用于移除模糊信息。较小血管可能模糊较大血管的视图。分层组织将较大和较小管状结构分离成诸如两个或三个大小范围。该分离可以用于仅从期望大小范围的管状结构，诸如仅大血管，进行呈现。
[0017]在第三策略中，对候选路径进行过滤以平滑管状结构。为了增强投影图像的视觉感染力和避免最终图像中由三维结构的急剧转变和/或变化引起的赝像，在预处理中将管状结构的管腔修改为沿其曲线路径的每一个是单调的。单调性约束为可视化结构提供自然平滑的轮廓。当管状结构包含诸如支架的异物和/或输入分段低估或高估了精确管腔时，重建导致其中结构被放大或缩窄的不自然的视图。约束可以避免该赝像。
[0018]图3示出了用于曲线重建成像的方法的一个实施例。取代使用通过管腔段的中心线的简单平面纵向横截面来定义用于呈现的数据，针对管状结构拟合几何图元。可以用单调性约束来对该拟合或被拟合的数据进行过滤。围绕这些几何图元并且在管状结构的各种分支的图元之间形成凸包。为了呈现通过管状结构的路径，针对使用几何形式的分层空间索引而确认为来自管状结构的体素执行呈现。在其他实施例中，可以使用这些策略中的仅一个或两个。
[0019]可以执行附加的、不同的或更少的动作。例如，在使用数据本身而非拟合几何形式的情况下，不执行动作24。其他动作也将使用数据而非几何形式。作为另一示例，未强加动作26的空间过滤和/或单调性约束。在再一示例中，使用针对每个段的中心线纵向平面来取代动作28的形成凸包和取代动作30的标识凸包的数据。可以诸如使用初任手段来执行动作34的位置检查而不进行动作36的分层空间索引。可以使用这些差异的任何组合。在又一示例中，不执行动作40的对子体或曲线重建的子集的选择。
[0020]以示出的顺序或不同顺序来实现所述方法。例如，动作26的单调性约束的强加可以作为单独的过滤动作在动作22的产生曲线平面重建子体和/或动作24的拟合之前执行。可以对扫描数据进行过滤以强加约束。在另一示例中，诸如在约束是拟合的代价函数中的项的情况下，动作26的约束的实施与动作24的拟合同时发生。
[0021]诸如在外科手术过程期间实时地执行这些动作。该过程期间的执行允许临床医生在动手术时查看关于管状结构的环境信息。在其他实施例中，诸如在该过程之前或之后离线地执行这些动作。可以执行这些动作用于规划或结果确定，诸如作为审查的部分而执行。
[0022]无论实时与否，可以提供交互速度的呈现。例如，用户可以使得视图旋转或者可以使得分段改变。以每秒十帧或更多(例如，十五或二十或更多)帧地显示曲线重建图像，而仍然避免在该交互期间来自介入结构的赝像。取代以交互速率进行显示，可以以每秒少于十帧地生成图像。
[0023]动作由处理器自动执行。用户使得对病人进行扫描，或者从之前扫描获得针对病人的扫描数据。用户可以激活处理。一旦激活，方法就执行而无需任何用户输入，或者可以在用户与呈现交互时执行。可以提供其他用户输入，诸如用于改变建模参数值、修正检测到的位置和/或确认准确性。处理器执行这些动作中的一个或多个，诸如执行动作22-30。相同处理器或不同处理器(例如，图形处理器)执行动作32-40。动作20由处理器或者由用户来执行。动作42由显示设备来执行。
[0024]在动作20中，获得表示病人的数据。该数据是通过对病人进行扫描来获取的。可以使用任何类型的医学成像数据。例如，获取计算机断层扫描(CT)类的、C臂(c-arm) x射线、标准X射线、CT或MRI数据。可以使用任何扫描序列或手段，诸如心脏扫描。
[0025]在替代实施例中，通过从存储器加载来获取数据。来自之前执行的对病人的扫描的数据存储在存储器中，诸如图片存档及通信系统(PACS)数据库。从数据库选择数据。可以诸如通过网络或在便携式存储器设备上的传送来获得数据。
[0026]数据表示包括管状结构的体。将数据组织或格式化为帧、数据集、多个数据集或用于表示体的其他集合。数据表示三维分布的位置。这些位置对应于任何类型的解剖，包括管状结构。
[0027]在一个实施例中，扫描数据表示血管树的一个或多个分支,诸如表示具有靠近心脏或与心脏连接的两个、三个或更多分支的血管树。管状结构可以是针对多个不同的树，诸如静脉和动脉的血管树。管状结构可以不同于心脏结构，诸如消化系统的部分。病人体的其他解剖也由数据来表示，诸如表示以下的数据:心壁、心室、心脏的其他部分、肺、肋骨、骨骼、肌肉、皮肤和/或其他组织。可以表示在任何解剖内散布或放置的对比剂。可以用数据来表示非原生的结构，诸如支架、起搏器、电极或导管。
[0028]为了使管状结构成像，所获得的数据被分段或标记。将分段后的管状结构提供为输入。将表示管状结构的灰度或扫描数据与表示其他解剖或对象的灰度或扫描数据进行区分。针对不同解剖的扫描数据被获得为不同的空间相关集合，或者为具有管状结构的位置的标志或其他指示符的一个数据集。在其他实施例中，执行分段或者使用其他检测来标识所获得的数据中的管状结构的位置。
[0029]在动作22中，用曲线重建来产生子体。不是使用表示体的所有数据，而是使用仅一部分或子体。使用曲线重建来选择与期望解剖相关联的数据。通过以下方式来产生子体:进行选择以供处理或使用来呈现沿着管状结构加上相关联的数据的数据或管状结构加上相关联的数据的数据。例如，表示管状结构的全部或部分的数据和仅一些在管状结构外部的数据形成子体。
[0030]在一个实施例中，使用任何现在已知或今后开发的曲线平面重建和/或曲线多平面重建。在另一实施例中，在动作24中拟合几何形式和/或在动作28中生成凸包以在动作30中标识子体。
[0031]对于动作24中的拟合，将管状结构划分成段。将每个管状路径分离成段的序列。可以使用任何大小，诸如沿着中心线每N毫米。将每个分支划分成段。管状结构的这些单独部分形成从一端到另一端的有序序列。每个段包括管状结构的外壁和中心线，但是可以使用内壁或其他部分。
[0032]任何几何形式可以用于拟合，诸如任何凸状形式。几何形式没有任何凹状(concavity),但是在替代实施例中是可以有的。例如,使用圆柱体、截锥或η边棱柱体。将相同的几何形式拟合到每个段(例如，将截锥拟合到每个段)。可替代地，不同的几何形式用于不同的段，诸如对于管状结构的开端和/或末端具有不同的形式(例如，沿着血管的截锥在末端具有全锥形)。几何形式是表示血管的几何图元，但是具有较少细节。与如果使用扫描数据的分段相比，该简化可以允许射线-对象交叉的更快计算以及计算点在对象内部还是外部。
[0033]将几何形式拟合到管状结构(例如，血管树)的外壁段。通过将形式拟合到每个段，由连接的拟合或拟合序列形成的管状结构的模型形成结果。几何形状的表示的序列(例如，截锥的序列)表示管状结构。
[0034]可以使用任何拟合。例如，将几何形式的中心放置在段的管腔的中心处。将几何形状的末端、中心或其他位置处的半径或多个半径拟合到管状结构的段的半径。可以使用中心线位置处关于周界的平均半径。可以使用互相关或其他技术来找到针对最佳拟合的平移、旋转和/或伸缩。在一个实施例中，将几何形式的中心放置在管腔的中心处。然后，找到最小化管腔的外表面与几何形式的外表面上的点之间距离的平方和的半径或多个半径。可替代地，如果以三角形或多边形网格形式来提供管腔，则可以使用多边形网格表面与被拟合的外表面或几何形式之间距离的平方和。
[0035]如通过扫描数据所表示的管状结构的半径可能以不期望的方式改变。诸如血管树的管状分段结构经常具有急剧转变和/或在管状管腔沿着路径的直径上不强加任何约束。类似地，诸如支架的其他结构可能弓丨起与扩张或缩窄相关联的赝像。这可能导致结构的“不自然的”可视化，因为解剖管状结构(例如，血管)就其本质而言趋向于平滑和单调。管状结构随着距离而逐渐尖细。
[0036]图4示出了归因于支架的存在的赝像(见箭头)。组合体素灰度以产生多路径曲线多平面重建(多路径CMPR)可能导致该赝像。在没有体素选择和单调性的情况下，所得的图像在异物(即，支架)的位置处示出血管的缩窄和“不自然的”管腔。
[0037]图6示出了归因于非平滑非单调改变的管状结构的赝像(见箭头)。典型地，通过扫描数据所表示的管状结构由体积的Ct或MRI数据的自动化处理来产生，之后是由受过训练的用户对中心线和/或管腔半径进行的一些修正。即使提供的输入可能在该位置处匹配修正的管腔大小，但是其对于多路径CMPR的可视化可能不是理想的。此类非平滑的改变使得多路径CMPR沿着这样的平面拾取灰度值，所述平面或者导致多路径CMPR中血管管腔的明显收缩或者导致小血管周围的过采样。在图6中，“不自然的”收缩归因于:(a)具有比平常少的对比度的堵塞的血管，(b)由对来自神经分布(innerving)空间的“噪声”有贡献的主血管引起的分支，和/或(c)管状结构输入的非平滑非单调的血管管腔直径。
[0038]为了改进视觉感染力以及避免最终呈现的图像中的赝像，在动作26中在管腔的半径上强加单调性约束。在管状结构上强加约束。在一个实施例中，沿每个分支的半径(例如，段序列的半径序列)被定向地低通滤波，并且取决于方向防止其增加或减少。在使用几何形式的实施例中，可以在沿着血管树的分支的拟合形式的半径上实施约束。可以两个手段都使用，诸如对来自扫描数据的半径进行过滤并且还确保拟合具有单调性。可以通过实施半径的单调性来强加约束而不对半径进行过滤。在其他实施例中，可以执行过滤而不强加单调性约束。
[0039]在一个实施例中，使用单调性约束来滤除引起赝像的区域。图8示出了当图6中的主血管半径沿着血管在血管末端处的起点(x轴上的O)至在心门(ostia)处的开端(X轴上的I)的长度改变时该主血管的输入管腔的示例半径。堵塞的血管的部分由图8和6中的箭头指示。低通滤波移除了半径中的高频振动。可以使用任何低通滤波，诸如局部多项式回归(例如，Savitzky-Golay平滑过滤器)。利用单调性约束结合多项式回归来执行过滤，所述单调性约束实施:沿X轴的半径的所有值大于或等于先前值(即，对于所有i>j，f(i)>=f(j),其中f是半径并且i和j是空间索引)。用单调性约束对半径进行过滤的结果在图9中示出。这些过滤后的半径用于进一步处理，诸如用于几何形式的拟合。
[0040]图5示出了图4的图像，但是具有快速体素选择(例如，仅使用来自管状结构的针对管状结构图像位置的体素)和用单调性约束进行的过滤。箭头处不自然的缩窄被移除。图7示出了图6的图像，但是具有快速体素选择和用单调性约束进行的过滤。赝像引起的收缩被移除或减小。对于图5和7，使用的是凸包手段而非CMPR。
[0041]再次参照图3，从如扫描数据中所分段的或者如拟合几何形式所表示的管状结构中标识子体，二者具有或没有单调性约束的强加。下面提供使用几何形式的示例。
[0042]在动作28中，生成凸包以拟合到管状结构。凸包围绕多个分支拟合，因此在这些分支之间延伸。凸包对围绕并在几何形式之间的弹性材料的形成建模。例如，收缩包裹(shrink wrap)定位在几何形式序列上并收缩。这导致表面部分地围绕(例如,至少接触管腔或几何形式的外部)管状结构并在管状结构的分支之间以及曲线分支的部分之间伸展。可以使用用于定义管状结构和在管状结构之间延伸的表面的其他手段。
[0043]在替代实施例中，在没有凸包生成的情况下的与拟合几何或管腔形式的中心线对准的纵向平面用于定义子体。可以使用任何现在已知或今后开发的CPR或CMPR手段来定义体中相对于曲线路径的位置。
[0044]在动作30中,标识表示沿着凸包的位置的扫描数据或子体的其他指示符。在动作22中诸如使用围绕几何形状的表示的拟合序列生成的凸包从曲线重建产生子体。标识和选择表示凸包的扫描数据以进行呈现。不表示凸包的扫描数据或CPR子体的其他定义不被选择和/或用于呈现。
[0045]在给定体素与凸包交叉的情况下，使用该体素。如果未交叉，则不使用该体素。在其他实施例中，在凸包上产生常规网格，并且使用插值来确定网格节点处的灰度。即便不与凸包交叉，附近的体素也可以用于对凸包的插值。
[0046]在动作32中，从子体呈现图像。所标识的扫描数据用于呈现图像。使用针对子体的扫描数据来使包括管状结构的病人的体成像。子体中的体素用于呈现，并且不使用未在子体中的体素。
[0047]图像包括来自管状结构以及其他解剖和/或对象的信息。对于与管状结构相关联的图像的像素，来自管状结构而非来自其他解剖的体素用于呈现。例如由心室中的对比物引起的不希望的体素灰度可能包含在其凸包内。这导致图像赝像，该图像赝像可能导致向用户显示不正确的信息(见图1)。
[0048]为了避免该赝像，在动作34中执行检查以确保用于呈现图像的管状结构部分的灰度来自管状结构的体素而非在管状结构之外的体素。处理器确定沿着多个呈现路径的每一个的所标识的扫描数据是否属于血管树，并且仅从当沿着呈现路径可用时属于血管树的所标识的扫描数据进行呈现。[0049]如果针对不同于树状血管的结构的信息可用，则来自其他结构的信息可以用于对候选路径进行过滤。此类结构的示例为心室或支架。呈现路径与其他结构的交叉确定是否应当进一步研究该呈现路径。可替代地，检查呈现路径是否通过管状结构。对于其中呈现路径与管状结构和其他解剖二者交叉的任何位置，在动作38中仅选择来自管状结构的体素并将其用于呈现。如果呈现路径不与管状结构交叉，则使用其他信息。如果呈现路径仅与管状结构交叉，则使用来自管状结构的信息。针对来自每个呈现路径的子体的每个体素执行该检查。
[0050]检查每个呈现路径的每个体素为在管状结构之中或之外可能是处理密集的。在另一实施例中，检查使用动作36中的分层空间索引和/或几何形式(例如，拟合图元)来简化检查。可以使用快速的、更迅速执行的或者较少处理的手段来从产生的或呈现的图像中减小或消除“噪声”。
[0051]执行一系列检查。做出关于给定呈现路径是仅与管状结构交叉、仅与其他结构交叉还是与二者交叉的检查。如果是与二者交叉，则使用分层空间索引针对沿着呈现路径的子体的每个体素执行另一检查。在其他实施例中，使用不同检查。
[0052]针对与呈现路径的结构交叉的检查可以简单的是沿着路径的每个体素的检查。用于确定路径上的点是否在诸如树状血管结构的非凸形状内部的路径交叉在计算上是昂贵的。
[0053]可替代地，可以执行更快速的检查。更快速的检查使用血管内部的分层组织来拒绝边远的灰度或体素。通过定位子体中沿着呈现路径的最近和最远体素来执行快速检查。找到子体的沿视向的最远和最近灰度。确定最近和最远体素之间的距离。
[0054]将该距离与基于管状结构设置的阈值进行比较。可以使用任何阈值，诸如基于扫描数据的分辨率(例如，每个体素表示的区域的大小)和基于管状结构的预期半径设置的阈值。可以使用血管的典型直径的先验知识。对于呈现管状结构的不同部分，阈值可以不同。
[0055]如果距离为零(例如，仅与管状结构之间的凸包交叉)或者在或小于管状结构的典型或其他半径，则信息可以来自于仅一种类型的结构。可以沿着呈现路径执行最大灰度或其他投影，而没有来自子体表示的多个结构的赝像的风险。
[0056]如果与和管状结构相关联的相比，距离更大，则沿着呈现路径存在来自在至少一个分支外部的信息。在目标是示出管状解剖的情况下，最大灰度或其他投影可能从非管状解剖产生较高或其他灰度。如果在最近和最远点之间沿着呈现路径的距离大于该阈值，则介入空间可以包含附加的结构并且触发沿着呈现路径的进一步研究。动作32的投影呈现使用来自动作38的所选体素来呈现与管状结构相关联并且不是来自表示针对给定呈现路径在血管树外部的位置的体素或扫描数据的子体。
[0057]距离检查可以触发距离是否大于阈值的进一步检查。该进一步检查检验沿着呈现路径的每个体素或灰度。检查子体中针对视向的信息以确定信息是来自管状结构还是来自其他解剖。可以沿着每个触发的呈现路径检查每个体素。
[0058]可替代地，使用分层空间编索引来提供进一步处理和/或时间节省。对于分层空间编索引，将几何形式或血管段分离成逐渐更小的细分的分层空间索引。可以使用任何数量的细分，诸如一个、两个、三个或更多。在一个示例中，子体所表示的体被划分成八个相等大小和形状的区域，提供原始体和一个细分。划分为八产生八叉树数据结构。通过将八个区域中的每一个分离成八个更小区域来提供另一细分。每个内部节点正好具有八个孩子。通过递归地将空间细分成八个八分体(octant)来对三维空间进行分区。可替代地，使用kd树而非八叉树。kd树相对于管状结构来旋转和/或伸缩分离区域。当输入质心(centroid)在空间中具有偏斜分布并且更多地位于3D空间的一个区域中时，kd树可以是有利的。八叉树对于均勻分布是有利的。
[0059]将几何形式的每一个编索引为属于每个级别的给定细分。几何形式的每一个的质心在八叉树或kd树中存储为空间索引。
[0060]该分层数据结构用于按照属于或不属于管状结构来选择体素。一旦标识可能与多于一种类型的结构交叉的呈现路径，就使用分层空间索引来检查沿着呈现路径的体素。找到每个体素相对于几何形式或管状结构的表示的位置。不是检查几何形式的每一个，而是仅检查体素驻留在其中的分层空间索引的区域中的几何形式。为了检查沿着呈现路径的点是否在血管内部，使用预定义半径内的高效最近邻居查询。可以基于用于对管状结构进行细分的体素分隔和/或几何形式(即，图元)的分辨率来设置或调整半径。使用分层来实现最近邻居搜索。可以使用八叉树或kd树的任何最近邻居搜索。
[0061]分层用于确定最小区域中的哪一个应当用于运行检查。检查从可以具有8个细分的最粗级别开始。标识和选择约束体素点的细分的索引。如果这不是最小细分，则重复该处理。
[0062]如果几何形式未位于最高分辨率(S卩，最小细分的区域)中，则体素不是来自管状结构。如果几何形式在该区域中，则标识编索引到对应几何形式的少量质心。检查体素以查看体素是否在该区域的几何形式之上或之内。这避免了针对其他区域的几何形式的搜索和/或检查。如果体素在该区域的几何形式的一个之内或之上，则认为该体素是管状结构的部分。如果是管状结构的部分，则在投影像素灰度的计算中使用该点处的灰度值。如果体素在该区域的几何形式外部，则认为该体素不属于管状结构。忽略该体素有利于沿着呈现路径的属于管状结构的另一体素。如果没有任何沿着呈现路径的体素属于管状结构，则使用所有体素来执行呈现。
[0063]使用分层空间索引节省了处理和/或时间。对于kd树，如果质心均匀地随机分布，则操作具有O(1gN)的复杂度。最坏情况为0(N2/3)，其中N是用于表示血管树的几何形状的数量。不使用任何此类分层结构的搜索为O(M)，其中M是属于管状结构内部的体素的数量。典型地，M远大于N。
[0064]在动作32中，从呈现路径、视向或投影射线来呈现子体。对于其中发生体素选择的呈现路径，呈现使用来自管状结构的灰度。对于其他呈现路径，使用沿着路径的灰度。呈现通过CPR产生的子体。可以使用任何类型的投影呈现，诸如最大灰度投影。选择沿着呈现路径的最大灰度以用于生成图像的像素。可以使用最小、阿尔法混合或其他投影呈现。呈现相对于可以由处理器和/或用户建立的视向。对于视向的任何给定改变，呈现路径改变并且重复呈现处理。在替代实施例中，子体用作表面纹理，并且使用表面呈现。在呈现中可以使用光照模型。
[0065]呈现提供了病人的体的二维表示。呈现表示管状结构和环绕的解剖。因为基于管状结构来产生子体，所以管状结构在图像中被突出或者更可能包括在图像中。例如，图10示出了围绕心脏的血管树的图像。较大血管包括堵塞或者很少流或对比物的区。各种分支包括在树结构中，包括表现为从堵塞的开端延伸的分支(见图10中的fif头)。
[0066]在可选动作40中，可以仅选择或使用子体的一部分来进行呈现。不是呈现管状结构的全部，而是选择或取消选择管状结构的部分来进行呈现。例如，仅选择给定大小以上的管状结构来进行呈现。在完整冠状血管树的呈现的图10的示例中，从堵塞的末端延伸的小血管分支实际上模糊了堵塞的部分，这导致缺少告知堵塞程度的能力。在其中用户正使用图像做出明智决定的介入设置中，提供可以按照用户期望迅速切换路径中的一些的可见性的工具是重要的。通过仅呈现较大血管，小血管分支被排除。来自小血管分支的数据未用于投影。作为结果，在图11中示出了堵塞程度的更准确的表示。
[0067]为了容易选择被呈现的血管，可以使用分层(树状)数据结构。基于细分(树叉)中的成员资格来选择几何形式的子集。选择和使用与期望的几何形式相关联的扫描数据来进行呈现，而在呈现中不选择和不使用与其他几何形式相关联的子体的扫描数据。表示管状结构的几何形式或图元的分层或树状组织使能多路径CMPR中血管可见性以快速交互速率的快速切换。该树状组织具有血管或管状结构。例如，心血管作为右和左主冠，则右主具有在xrl、yrl、zrl位置处的分支_1、在xr2、y2、zr2位置处的分支_2,并且以此类推。与该结构的每个分支相关联的是对应于几何形式的索引。例如，几何形式1-100具有右主冠的成员资格，并且几何形式101-201具有右分支_1的成员资格，并且以此类推。相反地，在没有分层空间索引的情况下使用三角形网格或几何形式需要更复杂的处理或用于取消选择的对血管的用户指示。
[0068]在动作42中，显示呈现的图像。呈现的图像包括映射到显示值的像素灰度。图像是管状结构、环绕的解剖以及任何异结构的二维图像。图像从扫描数据生成，但是可以从拟合几何形式生成。可以包括其他信息，诸如来自成像的其他模态的图形覆盖或图像数据。
[0069]图像处理可以在呈现图像之前应用于扫描数据或者应用于呈现的图像。例如，表示管状结构的像素可以使用诸如颜色编码的不同的映射来醒目显示管状结构。作为另一示例,执行空间过滤。
[0070]单独地示出图像。可以示出此类图像的序列，诸如从不同视向的序列进行呈现。可替代地，用其他信息示出图像或多个图像。图像可以是分离的但是与从放射检查、超声或其他“实时”模态生成的图像共享显示屏幕。
[0071]在替代或附加实施例中，子体信息用于量化。使用管状结构的位置和/或形状来计算体积、面积、长度、曲率或其他量。
[0072]图12示出了用于曲线重建成像的系统。该系统包括医学成像系统11、处理器12、存储器14和显示器16。处理器12和存储器14被示出为与医学成像系统11相分离，此类关联为与医学成像系统11脱离的计算机或工作站。在其他实施例中，处理器12和/或存储器14为医学成像系统11的部分。在替代实施例中，系统是用于从由分离的系统实时获取的数据或者使用之前获取的存储在存储器中的病人特定数据进行曲线重建或多路径曲线重建的工作站、计算机或服务器。例如，提供医学成像系统11用于获取表示体的数据，并且提供分离的数据库、服务器、工作站和/或计算机用于曲线重建。可以使用附加的、不同的或更少的部件。
[0073]系统的诸如医学成像系统11和/或处理器12的计算部件由硬件、软件和/或电路设计配置为执行计算或其他动作。计算部件独立地或者彼此结合地操作来执行任何给定动作。动作由计算机部件中的一个、计算部件中的另一个或者计算部件的组合来执行。计算部件可以使用其他部件来扫描或执行其他功能。
[0074]医学成像系统11是任何现在已知或今后开发的模态。医学成像系统11在与诸如病人内的心脏、消化或神经系统的管状结构相关联的位置处对病人进行扫描。例如，使用C臂X射线系统(例如，来自西门子的DynaCT)、CT类的系统或CT系统。其他模态包括MR、x射线、血管造影术、放射检查、PET、SPECT或超声。医学成像系统11被配置为获取用于CPR的医学成像数据。通过对病人进行扫描和/或通过从病人接收信号来获取数据。
[0075]存储器14是缓冲器、高速缓存、RAM、可移除介质、硬盘驱动器、磁性、光学、数据库或者其他现在已知或今后开发的存储器。存储器14是单个设备或者两个或更多设备的组。存储器14在系统11内、是具有处理器12的计算机的部分，或者在其他部件的外部或远离其他部件。
[0076]存储器14存储表示病人的数据。该数据表示诸如具有对应多个分支的血管树的多个管状结构、诸如心脏或其他组织、骨骼或液体的介入解剖，以及诸如支架的任何异结构。数据表示三维区域。可以使用任何格式，诸如插值到三维栅格的体素或表示平行或非平行平面的数据。数据可以被分段，诸如包括已知为针对不同解剖的位置。例如，已知血管树的位置。存储器14存储从处理产生的数据，诸如存储过滤后的数据、几何形式、分层空间索引和/或呈现的图像。
[0077]存储器14附加地或可替代地为具有处理指令的非暂态计算机可读存储介质。存储器14存储表示可由编程的处理器12执行来进行曲线重建成像的指令的数据。在诸如高速缓存、缓冲器、RAM、可移除介质、硬盘驱动器或其他计算机可读存储介质的计算机可读存储介质或存储器上提供用于实现本文讨论的处理、方法和/或技术的指令。计算机可读存储介质包括各种类型的易失性和非易失性存储介质。响应于存储在计算机可读存储介质之中或之上的一个或多个指令集而执行图中示出或在本文中描述的功能、动作或任务。这些功能、动作或任务独立于指令集、存储介质、处理器或处理策略的具体类型，并且可以由单独或组合操作的软件、硬件、集成电路、固件、微代码等来执行。同样地，处理策略可以包括多处理、多任务、并行处理等等。在一个实施例中，指令存储在可移除介质设备上以供本地或远程系统读取。在其他实施例中，指令存储在远程位置中来通过计算机网络或在电话线路上传送。在另外的其他实施例中，指令存储在给定计算机、CPU、GPU或系统内。
[0078]处理器12是通用处理器、数字信号处理器、三维数据处理器、图形处理单元、专用集成电路、现场可编程门阵列、数字电路、模拟电路、它们的组合，或者其他现在已知或今后开发的用于处理医疗数据的设备。处理器12是单个设备、多个设备或网络。对于多于一个设备，可以使用并行或串行的处理划分。构成处理器12的不同设备可以执行不同功能，诸如由一个处理器产生曲线重建子体，并且由另一处理器进行呈现。在一个实施例中，处理器12是医学成像系统11的控制处理器或其他处理器。处理器12依照存储的指令来操作以执行本文描述的各种动作，诸如图3的动作。
[0079]处理器12被配置为使用如下来产生用于CPR的子体:单调性约束、使用凸包的子体形成、对来自其他结构之上的管状结构的体素的选择，和/或使用分层空间编索引的快速选择。例如，处理器12用单调性约束对沿着多个管状结构的每一个的半径进行过滤。使得从数据得到的半径的低通滤波决不变得更小或者决不变得更大。在一个实施例中，半径由处理器12过滤以作为将管状结构的段的几何表示拟合到管状结构的部分。作为沿着血管段的序列进行拟合的部分，约束几何表示的半径或多个半径以具有单调性。
[0080]处理器12被配置为根据过滤后的半径或者在不对半径进行过滤的情况下执行数据的曲线重建。使用拟合到管状结构的不同段的几何表示、使用扫描数据或者使用从扫描数据标识的表面，将凸包拟合到管状结构。围绕并且在管状结构的不同分支之间形成凸包。不依赖于沿每个分支的纵向平面，凸包归因于曲率而在分支之间和/或在相同分支的部分之间延伸，从而沿着在管状结构的部分之间伸展的曲表面隔离管状结构和数据。该凸包标识扫描体内的位置。这些位置用于呈现图像。
[0081]处理器12被配置为从曲线平面重建的所选子集来呈现图像。表示位置的扫描数据构成子集。为了避免一些赝像，呈现可以包括验证响应于管状结构的用于图像位置的扫描数据来自于管状结构。处理器12针对以下来检查每个呈现路径:是否要发生进一步选择来在表示管状结构的数据与其他结构之间进行区分。
[0082]在一个实施例中，用诸如八叉树或kd树的分层数据结构来在空间上组织管状结构的段或几何表示。该结构可以用于避免将沿着给定呈现路径的每个体素与管状结构的全部进行比较。替代地，仅针对管状结构的在有限环绕区域中的部分(例如，如分层数据结构所定义的相邻的几何表示)来检查体素。通过针对几何表示而非如扫描数据中所表示的管腔定义的表面来进行检查，检查可以甚至更快速或者在计算上较不昂贵。从曲线平面重建的子集的所选扫描数据来呈现图像，使得当可用时使用表示管状结构并且不表示介入解剖的数据。
[0083]处理器12被配置为生成图像。图像是从呈现来生成的。图像是体或三维呈现。生成曲线重建的图像。
[0084]显示器16是CRT、IXD、等离子、投影仪、打印机或用于示出图像的其他输出设备。显示器16显示曲线重建的图像。可以在图表、图形中和/或在图像上显示基于管状结构的测量，诸如流量。图像可以包括其他信息，诸如来自流信息的覆盖或颜色编码。CPR以灰度级显示，但是可以映射到任何色标。
[0085]尽管以上已经参照各种实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下做出许多改变和修改。因此，意图将前面的详细描述视为说明性而非限制性的，并且应理解，意图是由包括所有等同物的以下权利要求来限定本发明的精神和范围。
【权利要求】
1.一种用于曲线重建成像的方法，所述方法包括: 由处理器(12)将几何形式拟合(24)到扫描数据表示的病人的血管树的外壁段； 由处理器(12)从几何形式生成(28)凸包； 由处理器(12)标识(30)表示凸包的扫描数据；以及 从所标识的扫描数据来呈现(32)图像。
2.如权利要求1所述的方法,其中,拟合(24)包括将截锥、圆柱体或η边棱柱体的序列拟合(24)到血管树的外壁段。
3.如权利要求1所述的方法，其中拟合(24)包括: 实施(26)沿着血管树的分支的顺序几何形式的半径的单调性；以及 根据沿着分支的距离来对半径进行低通滤波。
4.如权利要求1所述的方法，其中，生成(28)凸包包括对围绕并且在血管树的几何形式之间的弹性材料的形成进行建模，使得凸包接触几何形式并且在血管树的不同分支的几何形式之间延伸。
5.如权利要求1所述的方法，其中，标识(30)包括选择沿着凸包的体素并且不选择从凸包移位的体素。
6.如权利要 求1所述的方法，其中，呈现(32)包括: 定位(34)所标识的扫描数据沿着视向的最近和最远； 将沿着视向的最近和最远之间的距离与阈值进行比较(38 ); 在距离在阈值以下的情况下，用沿着视向的最大灰度投影来进行呈现(32); 在距离在阈值以上的情况下，用沿着视向的最大灰度投影以表示血管树的所标识的扫描数据并且不以表示在血管树外部的位置的所标识的扫描数据来进行呈现(32)。
7.如权利要求1所述的方法，其中，呈现(32)包括:确定沿着多个呈现(32)路径的每一个的所标识的扫描数据是否属于血管树，以及仅从当沿着呈现(32)路径可用时属于血管树的所标识的扫描数据来进行呈现(32 )。
8.如权利要求7所述的方法，其中，呈现(32)还包括将几何形式分离成逐渐更小的细分的分层空间索引，并且其中，确定包括找到其中至少一个几何形式在体素的距离内的细分中的最小细分以及确定所述体素在所述至少一个几何形式之中还是之外，所述体素在所述至少一个几何形式之中包括属于血管树，并且所述体素在所述至少一个几何形式之外包括不属于血管树。
9.如权利要求8所述的方法，其中，分离(36)包括产生(22)八叉树或kd树数据结构。
10.如权利要求1所述的方法，还包括: 将几何形式分离(36)成逐渐更小的细分的分层空间索引；以及 基于细分中的较大细分中的成员资格来选择(38)几何形式的子集； 其中，呈现(32)包括从针对所述子集的所标识的扫描数据并且不从不是所述子集的成员的几何形式来进行呈现(32 )。
11.在一种非暂态计算机可读存储介质中，在其中存储有表示可由编程的处理器(12)执行来进行曲线重建成像的指令的数据，所述存储介质包括用于以下的指令: 获得(20)表示病人的具有至少一个管状结构的体的数据； 用沿着至少一个管状结构的曲线重建来产生(22)子体；从子体来呈现(32)体的图像，其中，呈现(32)是子体的体素在至少一个管状结构之中还是之外的函数；以及 显示(42)图像。
12.如权利要求11所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，至少一个管状结构包括具有至少两个分支的血管树，并且其中，产生(22)子体包括生成(28)围绕至少两个分支并且在至少两个分支之间延伸的凸包拟合。
13.如权利要求11所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，产生(22)子体包括拟合(24)几何形状的表示的序列，以及使用几何形状的表示的所拟合的序列来从曲线重建产生(28)子体。
14.如权利要求11所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，呈现(32)包括根据分层数据结构来选择(38)至少一个管状结构中的体素。
15.如权利要求14所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，产生(22)子体包括拟合(24)几何形状的表示的序列，并且其中，选择(38)包括根据相对于分层数据结构内体素的表示位置来进行选择。
16.如权利要求 14所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，呈现(32)包括使用分层数据结构仅针对至少一个管状结构的一部分进行呈现(40)。
17.如权利要求11所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，产生(22)子体包括对至少一个管状结构强加单调性约束。
18.一种用于曲线重建成像的系统，所述系统包括: 存储器(14)，其可操作来存储表示多个管状结构和介入解剖的数据； 处理器(12)，被配置为用单调性约束对沿着多个管状结构的每一个的半径进行过滤，并且被配置为根据过滤后的半径执行数据的曲线重建；以及 显示器(16)，被配置为显示曲线重建的图像。
19.如权利要求18所述的系统，其中，处理器(12)被配置为对半径进行过滤以作为将几何表示拟合到管状结构的段的部分，几何表示与过滤后的半径拟合，并且被配置为通过将凸包拟合到几何表示来执行曲线重建。
20.如权利要求18所述的系统，其中，处理器(12)被配置为从曲线重建的所选子集来呈现图像，所选子集是基于分层数据结构中表示管状结构并且不表示介入解剖来选择的。
【文档编号】G06T17/00GK103971403SQ201410043289
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年1月29日
【发明者】A.卡普尔, A.迈尔 申请人:西门子公司