用于确定触发信号的方法和系统与流程

从患者的获取区域中获取图像数据可以匹配患者的规律运动。在这种情形下，获取通常根据患者的心脏的运动进行。特别地，在诸如计算机断层扫描之类的三维成像方法的情况下，期望将图像数据的获取与心脏的运动相匹配，以便实现高的空间和时间分辨率。如果借助于X射线辐射的获取图像数据与心脏的运动相匹配，则可以应用尽可能小的剂量。

从获取区域获取图像数据包括获取原始数据序列。在计算机断层摄影系统的台架旋转的同时，可以例如获得这种原始数据。特别地，所讨论的原始数据可以是获取区域的一系列单独投影，其中，X射线辐射穿透获取区域。然后，原始数据是X射线辐射由获取区域衰减的度量。获取图像数据与心脏的运动的匹配通常根据心脏的运动通过实现开始获取原始数据序列来进行。

根据现有技术，心脏的运动的特征在于借助以流电形式耦合到患者的传感器来确定的心电图(简称ECG)。获取图像数据与患者的ECG的匹配还称为ECG触发。然而，常规ECG触发耗时并且容易出错。因此，需要准备工作(preparations)用于固定传感器，例如，如果必须修剪适配有传感器的患者的接触表面。更进一步地，还需要患者的配合以便快速而可靠地固定传感器。特别地，可以由在获取ECG期间改变的患者皮肤的阻抗来导致误差。不精确或不均匀固定的传感器还可能使ECG失真。

技术实现要素：

针对这种背景，期望快速而可靠地确定用于成像设备的触发信号(trigger signal)。触发信号应当在这种情形下根据患者的心脏的运动来确定。这由根据权利要求1所述的方法、根据权利要求11所述的系统、根据权利要求14所述的计算机程序产品、以及根据权利要求15所述的计算机可读介质来实现。

相对于如在下面描述的所要求保护的设备并且还相对于所要求保护的方法根据本发明来实现该目的。这里所提及的特征、优点或备选实施例可以同样被传递到其它所要求保护的主题，反之亦然。换言之，目标权利要求(其例如涉及一种设备)还可以使用结合方法所描述的或所要求保护的特征进行发展。该方法的对应的功能特征这里通过对应的目的模块来体现。

本发明人已经认识到，患者的皮肤区域的着色根据心脏的运动而改变。由于血液在心动周期期间流入到皮肤区域中和流出到皮肤区域外，所以皮肤可以特别地假设较高和较低的亮度值和/或颜色值。因此，所提出的用于确定用于成像设备的触发信号的方法是基于接收患者的第一身体部位的表面的影片。在这种情形下，影片包括多个图像。该影片可以借助于接口来接收。然后进行可以由具有适当编程的处理器的计算单元进行的若干个图像处理步骤。在该过程中，对影片的图像中的区域中的图像值进行求平均，其中，区域局限于(localize)身体部位的特定区域。区域中的图像值的噪声通过求平均来降低。该影片在求平均的基础上被变换成时间信号序列(temporal signal series)，其中，时间信号序列是区域中的血液循环的时序模式(timing pattern)的度量(measure)。更进一步地，对时间信号序列进行分析以确信时间信号序列是否满足预设标准。最后，如果时间信号序列满足预设标准，则确定用于成像设备的触发信号。

所提出的方法基于可以通过现代计算单元快速而可靠地进行的图像处理步骤。特别地，在小于人类心脏的心动周期的时间段的数量级的一段时间内可以进行单独图像的处理。从而可以如此快速定义触发信号使得所述触发信号适于通过成像设备来触发图像数据的后续获取，特别地，用于在舒张或收缩阶段期间获取人类心脏的图像数据。更进一步地，因为省略了传感器的容易出错的接触，所以与现有技术相比较，增加了在确定触发信号时实现的可靠性。

根据本发明的方面，该影片基于可见光谱范围内的光的检测。该影片可以因此还通过使用光学相机来记录。更进一步地，该影片可以在宽带光源的影响下被记录；特别地，宽带光源能够在整个可见光谱范围内连续地发光。这样的宽带光源例如由LED灯的形式的已知天花板照明或通过阳光给出。关于这方面，特别地，本发明与基于在红外线或UV范围内的光的检测的方法区分开。该影片可以进一步基于由表面反射的光的检测。本发明然后还与基于身体部位的拍摄和与其相关联的电磁辐射的吸收的方法区分开。更进一步地，可以记录该影片，而不影响窄带光源。在窄带光源的情况下，频谱的频率带宽基本上小于所发出的光的频率。窄带光源可以特别地以激光的形式来体现。

相机可以在位置上被安装固定，从而以便促进该影片的可靠记录。相机可以特别地安装在天花板上、或房间的墙壁上、或成像设备上。可以体现相机以便记录彩色影片而且以便记录灰度影片。所讨论的相机可以例如是CCD相机或CMOS相机。

该影片的图像可以在本发明的不同变型中被体现为2D图像或3D图像。2D图像具有图像元素的网格，其中，一个或多个图像值被分配给每个图像元素。在3D图像的情况下，除了图像值之外，深度测量数据还被分配给图像元素。因此，所述深度测量数据表示第三空间维度的信息。因此，所讨论的相机还可以是适合于记录3D图像的3D相机。3D相机例如被体现为立体相机或飞行时间相机。3D相机还可以被设计成通过结构照明来记录3D图像。

更进一步地，该影片的图像之间的时序间隔通常是恒定的。从而方便根据本发明的图像处理。根据本发明的另一方面，该影片的频率至少为50Hz，特别地，至少为100Hz。由于高频率，所以特别可靠地进行变换成时间信号序列。更进一步地，与人类心脏周期相比较，在50Hz或100Hz的频率下采样更快，并且从而使得能够特别准确地确定触发信号。

根据本发明的另一方面，该区域局限于图像的每个图像中的身体部位的相同区域。所讨论的区域是皮肤区域。这意味着时间信号序列基于相同区域中的血液循环的改变，从而特别可靠。

根据另一方面，图像彼此配准，其中，对患者的身体部位的运动进行补偿。所讨论的配准例如是弹性或刚性配准。这里可以选择来自影片的一个图像作为参考图像。更进一步地，可以以基于界标的方式进行配准。在这种情况下，在图像的每个图像中寻求界标，并且图像以界标对齐这样的方式彼此配准。特别地，所讨论的身体部位可以是患者的面部，其中，面部的独特点(特别地，眼睛或眉毛)用作界标。更进一步地，配准可以以区域在每个图像中具有相同的图像坐标这样的方式进行。

根据本发明的另一方面，求平均是基于图像中的区域的分割。优选地，这种分割至少部分地自动地进行。由于分割，区域可以以区域局限于图像的每个图像中的身体部位的相同区域这样的方式特别快速而可靠地进行确定。面向区域的分割算法或基于边缘的分割算法例如用于分割。更进一步地，该分割可以完全自动进行。

在本申请的情景中，“自动地”意味着相应的步骤通过计算单元独立地执行，并且操作员基本上不需要对各步骤进行交互。操作员必须至多确认计算结果或执行中间步骤。例如，操作员可以设置分割的种子点。在步骤“完全自动地”执行的本发明的进一步变型中，操作员不需要任何交互以便执行所述步骤。特别地，所要求保护的方法的所有步骤可以“完全自动地”执行。不管“自动地”还是“完全自动地”执行各个步骤，根据本发明的方法都可以是附加地需要操作员的交互的工作过程的一部分。操作员的交互可以包括所述操作员手动地例如从通过屏幕呈现的菜单中选择成像协议和/或临床问题。

根据本发明的另一方面，时间信号序列以一维形式体现。因此，该影片以图像的图像值被组合成信号序列的单个信号值这种形式被变换成时间信号序列。特别地，这意味着信号序列的噪声低。更进一步地，与原始影片相比较，信号序列的数据量非常低，其意味着可以对数据序列进行特别快速地分析。

根据本发明的另一方面，图像值包括强度值和/或颜色值。如果图像值仅包括强度值，则本发明特别简单和低成本地实现。特别地，相机然后只需要被设计成记录灰度影片。如果图像值还包括颜色值，则皮肤区域中的血液流入和流出可以特别精确而可靠地确定。颜色值可以基于正常色标，特别地，基于颜色通道为红、绿和蓝的色标或基于颜色通道为青、品红和黄的色标。

根据本发明的另一方面，对信号序列进行分析，以确信时间信号序列超过还是未达到阈值。例如，对信号序列进行分析，以确信信号值的改变超过还是未达到预设阈值。这种类型的分析实现特别简单，并且可以非常快速进行。

根据本发明的另一方面，阈值取决于时间信号序列进行计算。因此，阈值自适应地体现并且在持续的时间信号序列期间可以改变。特别地，这种分析类型使得可以确定单独用于患者的触发信号，并且从而特别精确而可靠确定用于患者的触发信号。

更进一步地，可以通过将函数调整为时间信号序列对信号序列进行分析。这种函数的示例为多项式函数。通过将函数调整为信号序列，可以确定信号序列的未来发展，并且从而确定患者的未来心动周期。更进一步地，使用函数连续写入信号序列使得能够进行附加的数学分析。信号序列可以因此通过微分或积分经调整的函数进行分析。由于函数的微分，所以皮肤区域中的血流量的改变可以特别精确地进行确定。患者的心动周期和触发信号可以由此特别精确地进行确定。

更进一步地，本发明涉及一种用于确定触发信号的系统，包括用于接收患者的第一身体部位的表面的影片的接口、和具有处理器的计算单元。为了进行上文所描述的方法及其方面，对该系统进行体现在于对接口与计算单元进行体现以便执行对应的方法步骤。特别地，处理器可以被编程以执行所描述的方法的步骤。

本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有计算机程序和计算机可读介质。很大程度上基于软件的实现方式的优点是：迄今为止已经使用的系统或计算单元可以通过软件更新以简单方式进行现场升级以便以根据本发明的方式来运转。在适用的情况下，除了计算机程序之外，这种计算机程序产品还可以包括附加的元件(诸如例如，文档)和/或包括用于使用该软件的硬件部件(诸如例如，硬件键(加密狗等))在内的附加部件。

附图说明

参照附图中所图示的示例性实施例，下文对本发明进行详细描述和说明。

在附图中

图1示出了用于确定触发信号的方法的流程图，

图2示出了影片的图像，

图3示出了时间信号序列，

图4示出了用于确定触发信号的系统，和

图5示出了具有成像设备的用于确定触发信号的系统。

具体实施方式

图1示出了用于确定触发信号的方法的流程图。这里示出的示例性实施例是基于患者3的面部的影片。所述影片已经在100Hz的频率下进行记录。在本发明的备选示例性实施例中，频率可以更高或更低。然而，优选地，该影片在至少50Hz的频率下进行记录以便因此获得低噪声的时间信号序列22。所述影片由用于确定触发信号的系统的接口16接收。所述系统包括具有处理器的计算单元15，其中，处理器被编程以便执行多个图像处理步骤，从而以便计算触发信号。

在这里所示的示例性实施例中，影片的图像19在被接收REC之后彼此配准。配准REG确保对患者3面部的运动进行补偿。在这种情形下，影片的第一图像19可以被选择作为与该影片的另一图像19配准的基准图像。更进一步地，在面部(特别地，眼睛、眉毛、嘴和鼻子)的第一图像19中识别界标21。然后，在所述界标21的基础上进行配准REG。为此，还必须在以下图像19中识别界标21。所述图像19然后可以通过彼此叠加界标21与第一图像19配准。备选方法还可以用于配准REG；例如，图像19可以通过彼此相关与第一图像19配准。在这种情况下，图像19内的界标21的位置还可以彼此相关。

更进一步地，可以在校正步骤COR中对图像19之间的系统性差异进行补偿。例如，在记录影片期间照明的改变可以引起系统性差异。为此，整个图像19的总计强度值可以与其它图像的总计强度值进行比较。现在，可以根据该比较对图像19的强度值进行归一化。还可以根据图像19中的强度分布对图像19的强度值进行归一化。更进一步地，还可以在校正步骤COR对图像19进行滤波并且降低噪声，例如，通过高斯滤波器。

在这里所示的示例性实施例中，在学习算法的基础上进行区域20的分割SEG。在这种情况下，计算单元15或计算机程序学会如何在图像19内分割区域20。在这种情形下，区域20应该局限于每个图像19中的身体部位的相同区域。使用学习算法学习LRN的过程可以与在要确定触发信号的基础上处理该影片分开进行。然后，在进行用于确定触发信号的方法之前，在其它影片的基础上进行学习LRN的过程。学习LRN可以基于人员而非患者3的影片。更进一步地，学习LRN可以基于多个测试人员的特定身体部位的影片。基于多个测试人员的特定身体部位的影片的学习算法还可以被称为群体平均学习算法。因此，分割SEG可以基于群体平均学习算法。

学习LRN包括：建立训练值之间的函数关系的模型。这样的模型可以被体现为软件模块，并且从而成为计算机程序或计算单元15的元件。当经训练的模型接收输入值(例如，与区域20的边缘有关的信息项、或与界标21有关的信息项)时，然后其输出对应的函数值，例如，分段区域20。所讨论的学习LRN既可以是监督学习也可以是无监督学习或强化学习。在监督学习的情况下，针对特定输入值来预设函数值。监督学习的示例是自动分类或人工神经网络。在无监督学习的情况下，模型包括独立地将训练值彼此相关(例如，通过分类)的一个或多个规则。无监督学习的示例是所谓的EM算法(期望最大化算法)。

更进一步地，该学习既可以在影片的图像19的空间域中进行，也可以在频域中进行。如果傅里叶变换应用于以图像19的网格形式布置的图像值，则所述图像值在频域中是可用的。在这种情形下，傅立叶变换既可以应用于强度值，也可以应用于颜色值。特别地，傅立叶变换可以分别应用于强度值和颜色值的比例。

然后，收集并且进一步处理各区域20中的图像值。特别地，进行图像值的求平均AVG。在求平均AVG期间，计算平均值，该平均值是区域中的血液循环的度量。所述平均值也满足信号序列22的信号值的函数。在求平均期间，图像值的信息内容减少。求平均包括例如计算算术平均、几何平均、调和平均、二次平均或还有中值。对于强度值和颜色值，可以单独进行图像值的求平均AVG。例如，在区域20中的图像元素的强度值的基础上定义第一平均值，并且在图像元素的颜色值的基础上分别定义另一平均值。特别地，在这种情形下，平均值可以在每种情况下确定颜色通道(红、绿和蓝)的平均值。因此，时间信号序列22还可以多维度地体现。例如，信号序列22包括平均强度值和平均颜色值的时间序列。特别地，时间信号序列不能包含任何空间图像信息，并且仍然可以多维度地体现。

然后，在求平均的基础上进行影片变换TRF成时间信号序列22，其中，时间信号序列22是区域中的血液循环的时序模式的度量。变换以作为时间信号序列22中的信号值的平均值的序列与影片的图像19的序列相对应的方式进行。更进一步地，时间信号序列22可以以图表形式输出，特别地，在屏幕11上输出。

对时间信号序列22的分析ANL现在进行，以确信时间信号序列22是否满足预设标准。分析ANL包括：从时间信号序列22推导出分析值，该分析值不与信号值直接对应。例如，分析值可以表征不同信号值的关系或者具体时间窗口中的时间信号序列22的进展。还可以对信号序列22内的信号值的改变(换言之，平均颜色值和/或平均强度值)进行分析。特别地，可以相对于彼此对不同颜色通道的颜色值的改变进行相对地并且绝对地分析。例如，可以分析红色和绿色颜色通道的颜色值如何相对于彼此改变。更进一步地，如在下文所描述的，可以分析原始信号序列22而且还可以分析函数的数学推导。在图3中图示了原始信号序列22。

在这里所示的本发明的示例性实施例中，对时间信号序列22进行分析，以确信时间信号序列22或从中推导出的分析值是否超出或未达到阈值。已经可以在分析ANL之前已经指定所述阈值，或者可以根据时间信号序列22进行计算。可以因此根据时间信号序列22的幅度来计算阈值。特别地，可以根据幅度值的平均值或具体时间窗口内的时间信号序列22的最大幅度值来计算阈值。因此，可以计算时间信号序列22的不同阈值。更进一步地，还可以根据第一阈值和/或第二阈值来计算第三阈值。第三阈值可以特别地被计算作为第二阈值和第一阈值的加权和。

在本发明的进一步实施例中，分析ANL还可以包括：确定时间信号序列22的多个上升沿的一个上升沿的开始和末尾处的幅度值。更进一步地，可以使上升沿的开始和末尾处的幅度值之间的差相关，例如，所述幅度值可以被平均或彼此相减。还可以在这种情景下确定上升沿的时间窗口。幅度值之间的平均值或者差以及上升沿的时间窗口在每个情况下是分析值的示例。现在可以计算时间信号序列22内的多个幅度的这种分析值。可以在幅度值之间的平均值或者差的基础上确定信号值是否达到局部最小值。因此，预设标准可以包括达到局部最小值的信号值。

更进一步地，如果时间信号序列22满足预设标准，则进行用于成像设备的触发信号的确定CAL。例如，与满足标准的时间点相比较，可以在预设时间延迟的情况下生成触发信号。特别地，如果还没有在在先时间段(特别地，500毫秒、200毫秒或100毫秒的时间段)中确定触发信号，则能够确定触发信号。预设时间延迟还可以取决于一个或多个上升沿的时间窗口。特别地，在先时间段可以由上升沿的时间窗口的平均值的具体比例给出。这种比例在本发明的不同实施例中可以是5％、10％、15％、或20％。

更进一步地，在这里示出的实施例中，进行触发信号22从计算单元15向成像设备的传送TFE，其中，成像设备被设计为使得根据触发信号从患者3的获取区域来获取IMG图像数据。在这种情形下，触发信号还通过网络24传送。更进一步地，触发信号还可以通过直接数据连接25传送。

图2示出了影片的图像。患者3的面部被示出为所述图像19中的身体部位。患者3的脸颊的区域被分割为区域20。在诸如患者3的面部的眼睛、鼻子或外部轮廓之类的界标21的基础上进行分割SEG。在这种情形下，区域20通过其距离面部的眼睛和/或鼻子和/或外轮廓的相对距离来定义。如果现在对区域20中的图像值进行求平均，则所得的平均值是患者3的脸颊的区域中的血液循环的度量。如果患者3的脸颊的相同区域现在被分割为影片的多个图像19中的区域20并且如果区域20中的图像值在每个情况下以相同的方式进行求平均，则所得的平均值是患者3的脸颊中的血液循环的时序模式的度量。通过求平均AVG图像值，影片被变换成时间信号序列22。

在图3中部分示出了这种时间信号序列22，其中，相对于时间t绘制信号值的无单位强度I。在这里所示的示例中，这是一维信号序列22，在这种情况下，已经对颜色值和强度值求平均以便确定用于影片的每个图像19的信号值。所示出的信号序列22基于在100Hz下意味着单独信号值在这里所选的表示中没有明确图示的影片。信号序列22的这里所示的部分的持续时间为3秒。时间信号序列22的形状不同于常规ECG。上升沿的开始和末尾在图3中分别由t1和t2标识。

图4示出了用于确定触发信号的系统。在最简单的情况下，该系统包括用于接收REC影片的接口16、以及还有具有处理器的计算单元15，其中，处理器被编程，以便至少执行以下步骤：

-对影片的图像19中的区域20的图像值进行求平均AVG，其中，该区域19局限于身体部位的特定区域，

-在求平均的基础上将影片变换TRF成时间信号序列22，其中，时间信号序列22是区域中的血液循环的时序模式的度量，

-分析ANL时间信号序列22，以确信时间信号序列22是否满足预设标准，

-如果时间信号序列22满足预设标准，则确定CAL用于成像设备的触发信号。

在本发明的进一步实施例中，处理器还可以被编程以执行其它先前所描述的方法步骤，特别地，在图像处理中。更进一步地，该影片可以被存储在服务器23上，这意味着该影片可以通过网络24传送到用于确定触发信号的被体现为客户端的系统。根据本发明的计算机程序以可执行形式被存储在客户端上。更进一步地，用于确定触发信号的系统可以以触发信号可以从系统传送到成像设备这样的方式被连接至成像设备。

图5示出具有成像设备的用于确定触发信号的系统。这里示出的所讨论的成像设备是CT设备。这里所示的计算机断层摄影设备具有获取单元17，其包括X射线源形式的辐射源8、以及还有X射线检测器形式的辐射检测器9。在获取投影的同时，获取单元17围绕系统轴线5转动，并且在获取期间，X射线源发出X射线形式的射束2。在这里所示的示例中，所讨论的X射线源为X射线管。在这里所示的示例中，所讨论的X射线检测器是具有多个行的行检测器。

在这里所示的示例中，在获取投影的同时，患者3躺在患者检查台6上。患者检查台6连接至台座4，使得它支撑载有患者3的患者检查台6。患者检查台6被设计成通过获取单元17的开口10沿着获取方向运送患者3。通常由系统轴线5给出获取方向，获取单元17在获取X射线投影的同时围绕系统轴线5转动。在螺旋获取的情况下，在获取单元17围绕患者3转动并且获取X射线投影的同时，患者检查台6连续通过开口10运送。因此，X射线描述了患者3的表面上的螺旋形。

更进一步地，这里所示的系统具有3D相机18，其设计有用于接收REC具有通过3D相机18获取的3D图像的影片的接口16。在这里所示的示例中，接口16被体现为计算机12的部分。所讨论的接口16是公知的硬件或软件接口的一个接口，例如，PCI总线、USB或Firewire硬件接口。接口16还可以使得能够无线连接，特别地，使用WLAN或蓝牙。计算机12被连接到以屏幕11和输入单元7形式的输出单元。屏幕11被设计成以便显示不同图像信息项，特别地，在影片的基础上。可以使用输入单元7以便启动根据本发明的计算机程序、或以便选择用于执行根据本发明的方法的参数。所讨论的输入单元7例如是键盘、鼠标、所谓的触摸屏、或用于语音输入的麦克风。

更进一步地，这里示出的成像设备的计算机12包括用于由原始数据重建断层摄影的重建单元14。该成像设备还具有计算单元15。计算单元15可以与计算机可读数据介质13交互，特别地，以便通过具有程序代码的计算机程序执行根据本发明的方法。更进一步地，计算机程序还可以以可检索形式存储在机器可读数据介质13上。特别地，所讨论的机器可读介质可以是CD、DVD、蓝光光盘、记忆棒或硬盘。计算单元15和重建单元14可以以硬件形式或软件形式来体现。例如，重建单元14可以被体现为所谓的FPGA(现场可编程门阵列)，或包括算术逻辑单元。这里所示的计算单元15具有处理器。所讨论的处理器可以是微处理器。该处理器可以具有多个核。