用于使管状对象的第一与第二图像数据相匹配的方法和设备

摘要

公开了一种使俯卧和仰卧结肠图像数据相匹配的方法。该方法包括使俯卧中线结肠数据与仰卧中线结肠数据相匹配以识别出俯卧和仰卧中线中的部分匹配部分，以及识别出与仰卧中线数据中的间隙相对应的俯卧中线的一部分(Trans(P0))。此后在仰卧中线数据中的间隙的端点(TP(S1)，TP(S0))之间配备与仰卧中线数据中的间隙相对应的俯卧中线数据中的部分(Trans(P0))，以提供中线数据的连续部分，以使俯卧结肠图像中的数据自动地与仰卧结肠图像中的数据相匹配。

说明书

本发明涉及一种用于使管状对象的第一与第二图像数据相匹配的 方法和设备，尤其是涉及但并不是专用于使结肠的第一与第二扫描数 据相匹配的方法和设备。

CT结肠成像(虚拟结肠镜检查)是用于检测结肠中的息肉的日益 重要的技术。为了对结肠内壁的图像进行检查，借助于为所属技术领 域的专业人员所熟知的波前传播和形态细化技术来确定结肠的中线。 此后使用所跟踪的中线作为导航指引来检查结肠内壁的图像。

为了获得结肠内壁的完整图像数据，通常对同一病人执行两次扫 描，一次是俯卧姿势且一次是仰卧姿势位置。特别地，这是为了克服 由于不充足的吹入、腹器官的压力、或者肠痉挛所造成的肠部分崩落 (collapse)的问题(因为不可能对虚脱区中的息肉进行检测，并且 不同姿势的第二扫描通常在相同区域中不具有崩落)，以及为了克服 由于病人的不完全清除所造成的残余液体使图像的一部分不清楚，这 是因为无法看见隐藏在液体下面的息肉，而液体在病人的两个姿势之 间将改变位置。

为了区别所检测到的息肉与残余物质，通常需要发现这两次扫描中 的可疑息肉并且确定它是否在第二次扫描中改变了位置。然而，在第 二扫描中对在第一扫描中所检测到的可疑息肉的位置进行定位通常是 很浪费时间的任务。存在这样的技术来根据俯卧和仰卧扫描自动地扭 曲所跟踪的中线，但是这些技术需要完整的中线。

然而，当结肠中存在崩落时，自动的中线跟踪不是直接的并且通常 会导致许多分离的中线片段。已提议了下述技术，该技术通过利用图 像灰度值特性来对崩落区进行跟踪来克服该问题，但是该技术具有图 像数据包括不充分信息并且很难区别结肠壁与其周围的缺点。此外还 提议了这样一种技术，该技术涉及连接分离的空气区段，但是这些会 受到使用太简单的结肠模型的缺点，并且因此变得很难对解剖界标进 行定位。其结果是，自动的俯卧-仰卧匹配变得困难。

本发明的优选实施例试图克服先有技术的上述缺点。

根据本发明的方面，提供了一种使表示管状对象的第一图像的第一 图像数据与表示所述对象的第二图像的第二图像数据相匹配的设备， 该设备包括至少一个处理器，用于接收从表示管状对象的第一图像的 第一图像数据所获得的第一数据，其中所述第一数据表示与所述第一 图像的纵向中线相邻的多个位置；用于接收从表示所述对象的第二图 像的第二图像数据所获得的第二数据，其中所述第二数据表示与所述 第二图像的纵向中线相邻的多个位置；以及用于使所述第一数据与所 述第二数据相匹配以提供表示多个位置的第三数据，所述多个位置中 的每一个都与至少一些所述第一数据和至少一些所述第二数据相对 应；确定第四数据，该第四数据表示与至少一些所述第一数据相对应 但不与至少一些所述第二数据相对应的多个所述位置；以及组合所述 第三和第四数据以提供第五数据，该第五数据表示与至少一些所述第 三数据和至少一些所述第四数据相对应的多个连续的所述位置。

这提供了可提供用于表示对象中线的连续部分的数据的优点，这例 如在结肠成像的情况下，使得能够自动执行结肠的俯卧和仰卧扫描中 的结肠壁图像数据的匹配。

至少一个所述处理器可以适用于通过向所述第一和第二数据应用 映射处理来使所述第一数据与所述第二数据相匹配，其中向所述第一 和第二数据的多个相应对分配相应成本值，并且所述成本值表示将所 述第一数据所表示的所述位置连接到所述第一数据所表示的相邻所述 位置的线和将所述第二数据所表示的所述位置连接到所述第二数据所 表示的相邻所述位置的线的相似性。

这提供了使得能够自动执行第一与第二组的数据之间的最佳匹配 的优点。

该成本值可表示穿过由所述第一数据所表示的连续位置的线的方 向与穿过由所述第二数据所表示的连续位置的线的方向的相似性。

该成本值可表示穿过由所述第一数据所表示的连续位置的线的曲 率与穿过由所述第二数据所表示的连续位置的线的曲率的相似性。

至少一个所述处理器可以适用于将所述映射处理应用到表示多个 连续所述位置的所述第一数据的至少一部分上、并且应用到所述第二 数据的至少一部分上，以向多个所述第一与第二数据对的组合分配相 应成本值，以确定每个所述组合的数据对的成本值的相应总和，并且 基于所述成本值的总和来选择所述第三数据。

至少一个所述处理器可以适用于从所述成本值总和中排除与所述 多个连续位置的一个或多个末端相邻的位置相对应、并且具有高于所 选第一值的成本值的数据。

至少一个所述处理器可以适用于通过选择具有最低的所述成本值 总和的数据来提供所述第三数据。

至少一个所述处理器可以适用于向至少一些所述第三数据分配相 关值，其中所述相关值表示由所述第一数据所表示的位置与由所述第 二数据所表示的位置的一致性。

该相关值可以取决于由所述第一数据所表示的位置的坐标值与由 所述第二数据所表示的所述位置的相应坐标值的乘积总和。

该相关值可以取决于由所述第一数据所表示的位置的坐标值与由 所述第二数据所表示的所述位置的相应坐标值的偏差的乘积总和。

这提供了可对病人在下述扫描之间的移动进行补偿的优点，所述扫 描提供了可从其中获得所述第一和所述第二数据的第一和第二图像数 据。

至少一个所述处理器可以适用于拒绝具有低于所选第二值的相关 值的第三数据。

这提供了使得能够自动选择在第一和第二数据之间的最佳匹配的 优点。

至少一个所述处理器可以适用于从所述对象的第一和第二图像数 据获得所述第一和第二数据。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于显示管状对象的第一和第 二图像的设备，该设备包括如上所定义的设备以及至少一个显示设备。

该设备可以进一步包括用于提供所述第一和第二图像数据的至少 一个成像设备。

根据本发明的进一步方面，提供了一种使表示管状对象的第一图像 的第一图像数据与表示所述对象的第二图像的第二图像数据相匹配的 方法，该方法包括：

-使从表示管状对象的第一图像的第一图像数据所获得的第一数 据与从表示所述对象的第二图像的第二图像数据所获得的第二数据相 匹配，其中所述第一数据表示与所述第一图像的纵向中线相邻的多个 位置并且所述第二数据表示与所述第二图像的纵向中线相邻的多个位 置，以提供表示下述多个位置的第三数据，所述多个位置中的每一个 都与至少一些所述第一数据和至少一些所述第二数据相对应；

-确定第四数据，该第四数据表示与至少一些所述第一数据相对 应但不与至少一些所述第二数据相对应的多个所述位置；以及

-组合所述第三和第四数据以提供第五数据，该第五数据表示与 至少一些所述第三数据和至少一些所述第四数据相对应的多个连续的 所述位置。

这提供了可提供用于表示对象中线的连续部分的数据的优点，这例 如在结肠成像的情况下，使得能够自动执行在结肠的俯卧和仰卧扫描 中的结肠壁图像数据的匹配。

使所述第一数据与所述第二数据相匹配可以包括向所述第一和第 二数据应用映射处理，其中向所述第一和第二数据的多个相应对分配 相应成本值，并且所述成本值表示将由所述第一数据所表示的所述位 置连接到由所述第一数据所表示的相邻所述位置的线与将由所述第二 数据所表示的所述位置连接到由所述第二数据所表示的相邻所述位置 的线的相似性。

这提供了使得能够自动执行第一与第二组的数据之间的最佳匹配 的优点。

该成本值可表示穿过由所述第一数据所表示的连续位置的线的方 向与穿过由所述第二数据所表示的连续位置的线的方向的相似性。

该成本值可表示穿过由所述第一数据所表示的连续位置的线的曲 率与穿过由所述第二数据所表示的连续位置的线的曲率的相似性。

该方法还可包括：将所述映射处理应用到表示多个连续所述位置的 所述第一数据的至少一部分上，并且应用到所述第二数据的至少一部 分上；向多个所述第一与第二数据对的组合分配相应成本值；确定每 个所述组合的数据对的成本值的相应总和；以及基于所述成本值总和 来选择所述第三数据。

该方法还可包括：从所述成本值总和中排除与所述多个连续位置的 一个或多个末端相邻的位置相对应、并且具有高于所选第一值的成本 值的数据。

提供所述第三数据可以包括选择具有最低的所述成本值总和的数 据。

该方法还可以包括步骤：向至少一些所述第三数据分配相关值，其 中所述相关值表示由所述第一数据所表示的位置与由所述第二数据所 表示的位置的一致性。

该相关值可以取决于由所述第一数据所表示的位置的坐标值与由 所述第二数据所表示的所述位置的相应坐标值的乘积总和。

该相关值可以取决于由所述第一数据所表示的位置的坐标值与由 所述第二数据所表示的所述位置的相应坐标值的偏差的乘积总和。

这提供了对病人在下述扫描之间的移动进行补偿的优点，其中所述 扫描提供了可从其中获得所述第一和所述第二数据的第一和第二图像 数据。

该方法还可以包括拒绝具有低于选定第二值的相关值的第三数据。

这提供了使得能够自动选择第一和第二数据之间的最佳匹配的优 点。

该方法还可以包括步骤：从所述对象的第一和第二图像数据获得所 述第一和第二数据。

根据本发明的进一步方面，提供了一种供下述计算机系统使用的数 据结构，其用于使表示管状对象的第一图像的第一图像数据与表示所 述对象的第二图像的第二图像数据相匹配，该数据结构包括：

-第一计算机代码，可执行来将从表示管状对象的第一图像的第 一图像数据所获得的第一数据与从表示所述对象的第二图像的第二图 像数据所获得的第二数据进行匹配，其中所述第一数据表示与所述第 一图像的纵向中线相邻的多个位置，并且所述第二数据表示与所述第 二图像的纵向中线相邻的多个位置，以提供表示下述多个位置的第三 数据，所述多个位置中的每一个与至少一些所述第一数据和至少一些 所述第二数据相对应，

-第二计算机代码，可执行来确定第四数据，该第四数据表示与 至少一些所述第一数据相对应但不与至少一些所述第二数据相对应的 多个所述位置，以及

-第三计算机代码，可执行来组合所述第三与第四数据以提供第 五数据，该第五数据表示与至少一些所述第三数据和至少一些所述第 四数据相对应的多个连续的所述位置。

第一计算机代码可被执行来通过向所述第一和第二数据应用映射 处理而使所述第一数据与所述第二数据相匹配，其中向所述第一和第 二数据的多个相应对分配相应成本值，并且所述成本值表示将由所述 第一数据所表示的所述位置连接到由所述第一数据所表示的相邻所述 位置的线与将由所述第二数据所表示的所述位置连接到由所述第二数 据所表示的相邻所述位置的线的相似性。

该成本值可表示穿过由所述第一数据所表示的连续位置的线的方 向与穿过由所述第二数据所表示的连续位置的线的方向的相似性。

该成本值可表示穿过由所述第一数据所表示的连续位置的线的曲 率与穿过由所述第二数据所表示的连续位置的线的曲率的相似性。

第一计算机代码可被执行来将所述映射处理应用到表示多个连续 所述位置的所述第一数据的至少一部分上、并且应用到所述第二数据 的至少一部分上，以向多个所述第一与第二数据对的组合分配相应成 本值、确定每个所述组合的数据对的成本值的相应总和、并且基于所 述成本值总和来选择所述第三数据。

第一计算机代码可被执行来从所述成本值总和中排除与邻近所述 多个连续位置的一个或多个末端的位置相对应、并且具有高于选定第 一值的成本值的数据。

第一计算机代码可被执行来通过选择具有最低的所述成本值总和 的数据来提供所述第三数据。

该数据结构还可以包括第四计算机代码，其可执行来向至少一些所 述第三数据分配相关值，其中所述相关值表示由所述第一数据所表示 的位置与由所述第二数据所表示的位置的一致性。

该相关值可以取决于由所述第一数据所表示的位置的坐标值与由 所述第二数据所表示的所述位置的相应坐标值的乘积总和。

该相关值可以取决于由所述第一数据所表示的位置的坐标值与由 所述第二数据所表示的所述位置的相应坐标值的偏差的乘积总和。

该数据结构还可以包括第五计算机代码，其可执行来拒绝具有低于 选定第二值的相关值的第三数据。

该数据结构还可以包括第六计算机代码，其可执行来从所述对象的 第一和第二图像数据获得所述第一和第二数据。

根据本发明的进一步方面，提供了用于承载其上所存储的、如上所 定义的数据结构的计算机可读介质。

现在参考附图，仅通过示例而非任何限制的意义来对本发明的优选 实施例进行描述。

图1是体现本发明的结肠成像设备的示意图；

图2是在两个不同方向上显示的俯卧结肠扫描；

图3是在两个不同方向上显示的、与图2的俯卧扫描相对应的仰卧 结肠扫描；

图4是用于使俯卧与仰卧中线扫描数据相匹配的映射处理的图示；

图5说明了借助于图1的设备而从具有阻塞的结肠的俯卧和仰卧扫 描成像数据获得的、跟踪的中线扫描数据；

图6表示图5的中线扫描数据，其中识别出与仰卧中线扫描数据中 的间隙相对应的俯卧中线扫描数据中的那部分；以及

图7表示图5和6的中线扫描数据，其中已将与另一扫描的中线扫 描数据中的间隙相对应的一个扫描中的中线数据移植到另一扫描数 据。

参考图1，用于形成病人4的结肠的3D成像模型的计算机层析成 像术(CT)扫描器设备2具有以通常围绕支架10排列成环形的源/检 测器对排列的一系列X射线源6和检测器8。在图1中示出了该装置的 侧视图，其结果是仅可看见一个源/检测器对6、8。

病人4支撑在平台12上，该平台12可在形成为计算机16一部分 的控制单元14的控制之下沿图1中的箭头A的方向由适当装置(未示 出)来移动。该控制单元14还对X射线源6和检测器8的操作进行控 制，以获得支架10所围绕的病人身体的薄片的图像数据，并且由控制 单元14同步病人4相对于支架10的移动以建立病人结肠的一系列图 像。如所属技术领域的专业人员所熟知的那样，利用病人处于俯卧和 仰卧姿势来执行该处理。

通过输入线18将从检测器8获得的图像数据输入到计算机16中的 处理器20，并且该处理器20根据图像数据切片来建立病人结肠的两个 3D模型，一个模型基于让病人处于俯卧姿势的扫描而获得的图像数据， 并且另一个模型基于让病人处于仰卧姿势的扫描所获得的图像数据。 处理器20还沿着输出线22将3D图像数据输出到适当的监控器24以 显示基于俯卧和仰卧姿势的扫描的结肠3D图像。

图2和3分别给出了由图1的设备2获得的病人的结肠的俯卧和仰 卧扫描，以两个不同方向示出了每个情况下的扫描。图2示出了通过 俯卧扫描所获得的图像并且示出了均在降结肠中出现的两个阻塞30、 32，其结果是不可能跟踪完整的结肠中线。

类似地，在图3中示出了两个不同方向的、通过仰卧扫描所获得的 图像并且给出了横结肠中的单个阻塞34。这通常是阻塞不会在俯卧和 仰卧扫描图像中的相同位置出现阻塞的情况，这是因为当病人从俯卧 变为仰卧姿势时，引起阻塞的残余流体将改变位置。例如，图2的图 像仅示出了降结肠中的阻塞30、32，然而图3中的图像仅给出了横结 肠中的单个阻塞。

图1的设备2中的处理器20对由俯卧和仰卧扫描数据形成的3D 模型进行处理以提供如图5所示的俯卧和仰卧跟踪中线数据。这例如 借助于为所属技术领域的专业人员所熟知的波前传播技术来实现。图5 中所示的俯卧中线扫描数据示出了由阻塞30而分离的区段P0和P1， 以及由阻塞32而与区段P1分离的进一步区段P2。类似地，图5中所 示的仰卧中线扫描数据示出了由阻塞34而分离的区段S1和S0。

现在参考图4，为了使俯卧与仰卧中线扫描数据彼此相匹配，使用 了最小成本映射处理。为了使落在曲线Pi(k)上的点与落在曲线Sj (l)上的点相匹配，在两条曲线上的点对之间执行中线映射。可将该 映射写成如下：

-以k参数化中线P_i，以便定义曲线P_i(k)；

-以l参数化中线S_j，以便定义曲线S_j(l)。

该映射为中线P_i和S_j提供了通用的线性参数m，以便k＝MP_i(m) 并且l＝MS_j(m)，其中m＝0...M。

其结果是，点P_i(MP_i(m))与S_j(MS_j(m))相对应。该技术为 所属技术领域的专业人员所熟知。

利用为所属技术领域的专业人员所熟知的动态编程技术，通过处理 器20来对图5中所示的俯卧和仰卧中线数据的短区段执行上述最小成 本映射处理。特别是，俯卧中线数据通常可用作中线数据段的组，这 些中线数据段由没有相应的俯卧中线数据可用的中断所分离。对于俯 卧中线数据的每个区段而言，对俯卧数据点与仰卧数据点的每个允许 组合执行上述映射处理，并且忽略与各个成本值高于阈值的俯卧中线 数据段的末端相对应的数据点的组合。

此后为俯卧和仰卧数据点的每个允许组合计算与剩余的俯卧和仰 卧数据点对相对应的成本值总和，并且选择与最低成本值总和相对应 的匹配数据。这自动地产生用于定义所呈现的俯卧和仰卧中线数据上 的公共点的数据。通过选择所计算的最低成本值，这可提供俯卧与仰 卧曲线Pi(k)与Sj(l)之间的最佳匹配，并且提供对曲线Pi(k) 与Sj(l)的哪一部分彼此匹配的指示。

处理器20还定义了匹配数据的质量度量Q，其中Q是下述公式所 定义的、对准中线的x、y、以及z坐标的相关性总和：

$Q_x=\frac{\Sigma [(x_1\left(m\right)-{\bar{x}}_1)·(x_2\left(m\right)-{\bar{x}}_2)]}{\sqrt{{\Sigma (x_1\left(m\right)-{\bar{x}}_1)}^2·\Sigma {(x_2\left(m\right)-{\bar{x}}_2)}^2}}$

其中x₁(m)是Pi(MPi(m))的X坐标；

x₂(m)是Sj(MSj(m))的X坐标；并且

$Q=\frac{1}{3}(Q_x+Q_y+Q_z)$

质量度量Q是对由俯卧中线扫描数据形成的曲线与由仰卧中线扫 描数据形成的曲线形状相同程度的指示。Q具有0与1之间的值，并且 较高值表示更好的映射。

为了进一步增强通过最小成本映射所选的数据的数据选择处理，仅 选择具有最高Q值(典型为高于0.8)的数据。

如上所述的俯卧-仰卧匹配可用于为扫描P_i和S_j这两者上的中线 区段的所有可能组合确定哪些匹配很好，并且此后仅选择具有大于0.8 的质量度量Q的那些匹配。在图5的示例中，因此可以看到P0与S1 和S0局部匹配，P2与S0局部匹配，并且P1与S0局部匹配。相反地， S1与P0局部匹配，并且S0与P0、P2以及P1局部匹配。

现在参考图6，此后确定不具有扫描数据S_j中的匹配区段的俯卧中 线扫描数据Pi中的部分Trans(P0)。此后通过找到与Trans(P0) 的端点相匹配的S_j中的点TP(S1)和TP(S0)来确定出区段S1与S0 的端点，其中如果将Trans(P0)移植到仰卧扫描数据中，那么Trans (P0)将匹配在所述端点之间。此后将俯卧中线数据中的部分Trans (P0)插入到点TP(S1)与TP(S0)之间以提供所跟踪仰卧中线的连 续部分。

借助于该连续中线，可以在仰卧扫描S_j的相应部分中识别出在俯 卧扫描P_i的每个部分中的结肠壁的图像数据。类似地，如图7所示， 对在俯卧扫描P_i中不存在其相应部分的仰卧中线扫描S_j的部分进行移 植以提供所跟踪俯卧中线的连续部分。

利用本发明获得的跟踪俯卧和仰卧中线的连续部分具有许多重要 的优点。首先，处理器20可将分离的中断中线区段排列成正确的顺序 以便可自动地执行从一个中线区段至下一个的导航。此外，可以根据 从特定病人导出的实际结肠解剖图像数据，而不是基于一般模型的中 线结构来构造完整的中线。此外，因为可在阻塞中执行俯卧-仰卧匹 配，所以可使设备2的用户知道例如在仰卧扫描中所发现的息肉位于 俯卧扫描的阻塞部分中并且因此在该扫描中不可见。

所属技术领域的专业人员应该理解的是，已经仅通过示例而非任何 限制的意义对上述实施例进行了描述，并且在不脱离如随后权利要求 所定义的本发明范围的情况下可做出各种改变和修改。例如，本发明 可应用于其中要使管状对象的两个图像相匹配的任何技术，例如其中 可以使用不同的扫描协议用于相同的解剖对象或者用于血管成像。本 发明还可用于匹配在时间方面分离的同一对象的图像，以便快速地检 测到该对象的变化。