用CT系统自动识别患者血管中造影剂流动的方法及CT 系统

摘要

本发明涉及一种用CT系统自动识别患者血管中造影剂流动的方法及CT系统，其中，在CT检查中没有外部介入，借助活跃的形状模型或活跃的外观模型在截面图像显示(S)中确定至少一个血管(A)的位置，有目的地测量该区域中造影剂的流动，并在流动的造影剂情况下自动地引导至少一个预定的动作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用CT系统自动识别患者血管中的造影剂流动的方法， 其中，在患者的预定的区域中进行概貌扫描并在达到预定的CT图像值阈值时自 动输出该图像值和/或触发一个动作。

此外本发明还涉及一种CT系统，其具有扫描器、造影剂施加器和用于控 制和图像分析的计算机系统，该计算机系统具有用于计算机程序的存储器，其 中，在运行中执行存储在该存储器中的计算机程序。

背景技术

这样的方法和CT系统是一般公知的。因此，在现代医学中基于计算机断 层血管造影(CTA)层析图像数据来诊断血管疾病。为了改进血管结构的可识 别性，在进行CTA扫描时在患者静脉中注入造影剂。造影剂在一段特定的时间 之后经过心脏到达要成像的血管。由于对患者的扫描(在扫描时患者位于卧榻 上向前移动通过计算机断层造影仪旋转的支架)要持续若干秒，扫描的开始必 须在时间上与注射造影剂的时刻相协调。为此在预定的层中以约为1秒的时间 间隔分别产生一幅层析图像，并检查截面中可识别的血管中的造影剂流动。如 果由于图像强度的局部变化而使造影剂可见，则可以自动启动扫描。

在此的问题在于，该过程的自动化需要在造影剂流动之前识别血管在CT 图像中的位置。由于血管在其吸收方面几乎不能与周围的器官相区别，导致在 此使用的公知的模式识别方法通常不能达到目的。因此在实践中大多需要由医 生来观察当前产生的CT显示，识别在血管中的流动何时进行并相应地发出实际 的CT扫描的开始命令。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，找到一种不再需要利用解剖知识对 人体的介入的方法，以基于在自动找到的血管中测得的造影剂的流动在正确的 时刻自动触发预定的动作。

此外还提出了一种实施本发明方法的CT系统。

本发明人认识到：

原则上应该能够从图像序列的单幅图像之间的差来确定造影剂的流动，因 为图像强度仅在造影剂流过血管的位置上有显著的改变并由此表示出造影剂的 流动。但主要的难点在于，患者在观察阶段例如由于呼吸而运动并由此使所拍 摄的截面图像的强度偏移。在此更困难的是，患者的运动不仅是在拍摄的截面 中出现，而且还以任意方式出现，因此例如在先前仅检测到组织的位置现在有 可能检测到在图像的该位置上分别造成剧烈的强度上升的骨骼物质。这样的由 于患者的运动而会导致错误的强度差可以通过对扫描的对准以及限制查找区域 来排除。此外，造影剂的流动较之由于运动的强度变化更慢且持续上升。再有， 通过经培训的观察者可识别的图像的整体印象可以轻易地识别患者的运动，并 由此可将这样的改变与造影剂的流动区分开。

因此，自动识别流动的主要问题在于，尽管由于血液和组织的相似吸收特 性使得在CT显示中血管本身不容易识别，要找到CT截面显示中血管位于其中 的正确区域。因此，主要问题在于，定义CT显示中一方面具有一定生物可变性 另一方面也由于患者的运动而从截面图像到截面图像发生改变的位置。

相应于本发明的思想本发明人提出，对于存在的问题采用本身公知的“活 跃的形状模型(Active Shape Model)”的基本原理，或者改进实施的“活跃的外 观模型”的基本原理。

相应于该“活跃的形状模型”的基本原理，首先为了确定统计平均值而对 多个CT显示进行分析，确定也可以容易地通过自动方法识别的特征解剖结构的 位置，并进行主要成份分析。在此，还引入至少一条血管的位置，在过后的方 法中该血管的位置不能基于对比度的差别通过自动识别方法来识别。因此，在 此实施主要成份分析，其中，作为参数采用具有显著特征的解剖结构的位置信 息并确定这些位置信息的平均值。现在，如果要在造影剂流动之前确定血管的 位置，即该血管可以单独基于对比度差别来识别，则首先对特征的或具有显著 特征的解剖结构进行自动识别，这例如可以通过模式识别来进行，并利用主要 成份分析来比较该具有显著特征的解剖结构的位置。然后，确定一个变换向量， 利用该变换向量将当前显示变换到该平均模型上，之后基于该至少一条血管的 已知位置在该位置上在CT图像显示上在所拍摄的时间序列的CT图像值之间进 行比较。

在改进的“活跃的形状模型”中，还可以采用“活跃的外观模型”，其中附加 地采用在具有显著特征的解剖位置上所确定的灰度值或者至少一起采用在所寻 找的血管的位置上的灰度值。对于该本身公知的模型可以参见以下出版物：

-T.F.Cootes和C.J.Taylor，“Statistical models of appearance for medical image  analysis and computer vision”，Proc.SPIE Medical Imaging，2001；

-T.F.Cootes，G.J.Edwards，C.J.Tylor：“Active Appearance Models”in：H. Burkhardt，B.Neumann(Hrsg.)，Proceedings of the European Conference on  Computer Vision，Vol.2，S.484-498，Springer 1998；

-D.Datcu，L.J.M.Rothkrantz：“Facial Expression Recognition in still pictures  and videos using Active Appearance Models.A comparison approach”，Proceedings  of the 2007 international conference on Computer systems and technologies，Vol.285， No.112，2007。

因此，如果以上述方式借助“活跃的形状模型”来定义血管或者至少其中 应包含血管的ROI(感兴趣区域)的位置，则可以观察在那里改变的CT图像值， 并基于CT图像值在时间上的变化例如或者启动实际的CT扫描，或者，如果识 别出CT图像值的改变过于剧烈或者出现过高的CT图像值，则认为找到的血管 的位置是不正确的而是由于运动而使CT图像值发生改变。如果使用其中还使用 CT显示的灰度值的“活跃的外观模型”，则可以直接从参数的改变推断出相应 的流动，无需单独观察CT图像值。

相应于该基本思想本发明人提出一种利用CT系统自动识别患者血管中的 造影剂流动的方法，包括以下方法步骤：

-通过对包含至少一个血管或该血管的ROI的解剖结构的显著特征点进行 至少两维的位置确定，对每个CT显示进行主要成份分析并计算主要成份的统计 平均值，从在先进行的对多个可统计比较的CT显示的分析中提供主要成份的统 计平均值；

-在至少一个预先给定的截面上进行多次在时间上连续的扫描，并对各个 数据(Datum)连续地计算CT显示；

-自动地对除至少一个血管或该血管的ROI外的可识别的解剖结构的显著 特征点进行至少两维的位置确定，并确定主要成份；

-确定从平均主要成份到当前对每个CT显示确定的主要成份的变形向量， 并至少对至少一个血管或该血管的ROI的位置进行变换(＝图像卷积(Image  Wraping))；

-关于多个CT显示确定在至少一个血管的各经变换的位置上或经变换的 该血管的ROI上在所述至少一个血管或该血管的ROI的区域中图像值在时间上 的改变，以及

-输出所述在至少一个血管或该血管的ROI的区域中的图像值和/或在超过 图像值的预先给定的第一阈值时触发一个动作。

除了解剖结构的位置，还可以确定至少一个解剖结构的CT图像值并在主 要成份分析中对其进行处理。

在此，可以仅在至少一个血管或ROI的位置上确定CT图像值并在主要成 份分析中对其进行处理。

替代地，还可以在至少一个血管或ROI的解剖结构的多个位置上确定CT 图像值并附加地在主要成份分析中进行处理。

此外，本发明人还提出，为了确定平均主要成份采用在血液循环中没有造 影剂时拍摄的CT显示。在此，为了确定平均主要成份手动地确定该至少一个血 管或该血管的ROI。

根据另一种替代方式，还可以为了确定平均主要成份采用在血液循环中有 造影剂时拍摄的CT图像显示。由于在此血管也可以直接识别，因此为了确定平 均主要成份可以自动地确定至少一个血管或该血管的ROI。与此相关地要注意， 在此尤其具有优点的是，在识别造影剂和在区分造影剂与例如骨骼时以不同的 X射线能量来进行扫描，由此可以根据造影剂和骨骼的不同的特定于能量的吸 收特性来唯一地定义造影剂的位置。

为了避免错误的触发，还提出在超过在至少一个血管或该血管的ROI上的 图像值的预先给定的第二阈值时，中断或不启动通过第一阈值触发的动作，该 第二阈值大于所述第一阈值。

此外，为了改进该自动方法还提出，还可以借助预先拍摄的概貌图 (Topogramm)和对该概貌图的自动分析来确定预先给定的截面的位置。

作为对于在此描述的按照本发明的方法的补充，本发明人还提出一种CT 系统，其具有扫描器、造影剂施加器和用于控制和图像分析的计算机系统，该 计算机系统具有用于计算机程序的存储器，其在运行时实施以上所述的方法的 特征。

附图说明

以下借助附图结合优选实施方式详细描述本发明，其中仅示出理解本发明 所需的特征。在此使用了如下附图标记：C1：CT系统；C2：第一X射线管；C3： 第一检测器；C4：第二X射线管(可选)；C5：第二检测器(可选)；C6：扫描 器；C7：C臂；C8：可移动患者卧榻；C9：系统轴；C10：用于控制和图像分 析的计算机系统；C11：造影剂施加器；C12：心电图导线；C13：存储器；1： 概貌图；2：截面；3：通过“活跃的形状模型”或“活跃的外观模型”确定的 主动脉的平均位置；4：位置3上CT值在时间上的变化；5：CT图像值的阈值； A：主动脉；L_R和L_L：肺叶；P：患者；Prg₁-Prg_n：计算机程序；R：：肋弯；ROI： 感兴趣区域；S：截面图像；t：时间；T：三角测量线；W：脊柱。

在此：

图1示出实施本发明方法的CT系统；

图2示出实施本发明方法的C臂系统；

图3示出具有选出的截面的概貌图；

图4示出在没有造影剂的情况下拍摄的、在概貌图的选出的截面上的CT 图像；

图5示出具有三角测量线的、图4中的CT图像，以及

图6示出用于显示造影剂流动的变化的CT值/时间图。

具体实施方式

图1以斜视图示意性示出按照本发明的CT系统C1。CT系统C1具有扫描 器C6，其中至少包括一个X射线管C2和与之相对置的检测器C3。可选地，还 可以在支架上设置另一X射线管C4和另一检测器C5，由此还可以以不同的X 射线能量同时进行扫描。患者P位于可沿系统轴C9移动的患者卧榻C8上，并 可以为了进行扫描而沿系统轴C9移动到扫描器C6的测量区域中。补充地，还 设置了造影剂施加器C11，其在需要时以及必要时可以在计算机系统C10的控 制下施以造影剂团注(Kontrastmittelbolus)。此外还设置了心电图导线C12，其 在必要时对心脏的活动进行测量并且还可以公知的方式产生对应的(gegattete) 图像数据。计算机系统C10具有存储器C13，其中可以存储对整个系统进行控 制、对图像进行分析以及实施本发明方法的计算机程序Prg₁-Prg_n。

除了图1中示出的具有闭合环绕的支架的CT系统外，本发明的方法还可 以借助如图2所示的C臂系统C1来实现。这样的C臂系统C1同样具有扫描器 C6，其代替支架而具有C臂C7，X射线管C2和与之相对置的检测器C3分别 设置在C臂C7的端部。此外还设置了患者卧榻C8，患者P位于其上，在此， 可使C臂C7连同X射线管C2和检测器C3绕患者P摆动并对患者P进行扫描。 对整个系统的控制通过计算机系统C10进行，在计算机系统C10的存储器C13 中存储有用于控制、用于检测器数据分析以及图像显示的计算机程序Prg₁-Prg_n。 此外，通过这些程序还可以实施本发明的方法。在此示出的C臂系统C1也具有 造影剂施加器C11，其由计算机系统C10控制，根据需要向患者P的血液循环 中给以造影剂。

如果通过以上介绍的CT系统首先拍摄如图3所示的概貌图1，则可以根据 在此可识别的解剖学特征借助计算机系统C10自动地确定截面2，在该截面2 中进行根据本发明方法的所谓的“监控(Monitoring)”。在此，“监控”被理解 为在时间上错开的圆形扫描，其在使用最小剂量负荷的情况下对特定的截面进 行扫描并产生如图4所示的CT截面图像显示S。在该截面图像显示S中可以看 到图3的截面2中的患者P的截面，其中，可以通过具有显著特征的解剖结构 (如暗色显示的肺叶L_R和L_L)来识别患者P。此外，还可以看到如脊柱W和 肋弯R的骨骼结构。除了这些形成相应对比度的具有显著特征的可识别的解剖 结构外，在截面图像S中还标出了由标记为圆形的感兴趣区域ROI包围的主动 脉A。主动脉A的外边界用虚线示出。由于该血管的对比度级相对于周围组织 来说很弱，因此在不使用造影剂的情况下、至少在结合仅产生吸收图像的常规 CT系统时，几乎无法显示。特别是无法对这样的血管进行自动检测。

但根据本发明，可以通过自动地以本身公知的方式来确定如图5所示的具 有显著特征的解剖结构及其位置，并在先前的训练阶段中统计地确定其相对于 主动脉的位置，来达到血管的该位置。图5再次示出这样的截面图像S，但在此 已识别出具有显著特征的解剖结构并通过三角测量线T将其位置与其特征位置 彼此相连，从而能够计算主动脉A或ROI的中点3的相对位置。为此按照本发 明，使用“活跃的形状模型”，从而还能够一起考虑可能导致具有显著特征的解 剖结构移动的患者的运动，并由此可以将各当前CT图像变换到具有其在主要成 份分析中获得的特征结构的先前获得的平均CT图像。

现在，在CT显示的时间序列中来观察位置3，并将其绘入时间-HU值图， 从而得到如图6所示的HU值的时间变化4。图6示出具有在纵坐标上的测得的 HU值和在横坐标上关于时间t的时间变化的图，如其例如在图5所示的截面图 像S的位置3上在进行监控检查时所测得的那样。在此可以看出，CT图像值如 何从左向右呈基本水平的变化，而向右突然剧烈上升，即表示主动脉中的造影 剂流动。一旦达到阈值5，则按照本发明的方法，就会触发一个动作，例如开始 在CTA范围内的、在有造影剂的情况下的实际的CT扫描。

因此，总体上本发明的方法提出，在CT检查中在没有外部介入的情况下 借助活跃的形状模型或活跃的外观模型在截面图像显示中确定至少一个血管的 位置，有目的地测量该区域中造影剂的流动，并在流动的造影剂情况下自动地 引导至少一个预定的动作。

应该理解，以上所述的本发明的特征不仅可以用于各给出的组合而且还可 以在不脱离本发明范围的情况下用于其它组合或单独使用。