专利名称：用于曲线结构的可视化成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及3-D成像系统，具体而言是医学成像系统。
背景技术：
目前，医生使用用于3D数据的各种可视化方法体积再现、多平面重定格式、最大亮度投影、表面遮蔽显示，这是一些最流行的方法。
可视化和分段被紧密地耦合在后处理工作流程中。用于MR\&CT脉管研究的最早且最普遍的可视化技术是最大亮度投影(MIP)。MIP可视化沿单个方向矢量将整个体积投影到平面上。投影影像中的像素的亮度值是投影于那个特定2D点的所有体素的最大亮度值。MIP是用于小管可视化的极佳工具，但它缺乏深度信息。3D的印象是通过视图的交互旋转来传送的，但对用户来说难以辨别血管何时经过于彼此之前或之后。亦难以看到血管的表面特点(例如初生动脉瘤的小肿块)，这是因为表面信息在投影过程中被丢失。
表面遮蔽显示(SSD)是这样一种技术，在其中体积最初被限定阈值以使某个亮度值以上的所有像素被标记为属于待可视化的对象。对象体素被认为是完全被使得不透明，并且使用照明和本地表面标准计算来再现以通过遮蔽和镜面加亮来揭示细节。加亮提供了对如肿块和凹陷的表面不规则性的强可视线索。由于仅对象表面上的那些体素对用户是可见的，SSD可被容易地最优化以在实时速度下工作，而无需专门的硬件加速。SSD对于使可被可靠地限定阈值的CT脉管数据可视化是很有效的。然而，对于MR，由于线圈附近假象(coil proximity artifact)和增益不规则性而导致的信号的不均匀性使SSD在中到低质量的MR研究中是不可靠的。
多平面重定格式(MPR)是一种已知的技术，在其中2-D影像是在任意平面上重新采样体积而生成的。它产生了看起来象原始切片但具有任意位置和取向的影像。由于传统的MPR被局限于平面，它常常不可能使单个MPR视图中的弯曲结构可视化。
亦在本领域中已知的是弯曲MPR，一种将3D数据重新采样成表面上的2D影像的技术，所述表面是通过沿与包含曲线的平面的线性路径来扫描该平面曲线而生成的。弯曲MPR在以单个重定格式捕获弯曲结构时比常规的MPR好，但它不能跟踪具有高度曲折的轨迹的曲线结构。
发明内容
所公开的是一种分析曲线结构的方法，包括接收曲线结构的三维空间成像数据，限定所述曲线结构内的轴曲线，沿所述轴曲线扫描线段以限定所述三维空间中的带，并且将来自所述三维空间的数据吸收到所述带上。
在所述方法的另一个方面中，所述轴曲线被限定为参数t的函数C(t)，所述参数表示沿所述轴的距离。
在所述方法的另一个方面中，所述带基于帧F＝(f1(t)，f2(t)，f3(t))被限定为函数S(s，t)，其中f1、f2和f3是三空间中的单位矢量值函数，并且s是限定沿所述线段的位置的参数，所述线段与对所述轴的切线垂直，因此S(s，t)＝f2(t)*s+C(t)。
所述方法的另一个方面进一步包括将所述带平整为二维条。
所述方法的另一个方面进一步包括将所述带平整为二维条。
在所述方法的另一个方面中，所述平整是通过限定二维影像来完成的，对于所述影像，一个轴是所述s参数，而剩下的轴是所述t参数。
所公开的是一种机器可读的程序存储设备，其有形地实施可由所述机器执行的指令程序以实施用于分析曲线结构的方法步骤，所述方法步骤包括接收曲线结构的三维空间成像数据，限定所述曲线结构内的轴曲线，沿所述轴曲线扫描线段以限定所述三维空间中的带，并且将来自所述三维空间的数据吸收到所述带上。
在所述设备的另一个方面中，所述轴曲线被限定为参数t的函数C(t)，所述参数表示沿所述轴的距离。
在所述设备的另一个方面中，所述带基于帧F＝(f1(t)，f2(t)，f3(t))被限定为函数S(s，t)，其中f1、f2和f3是三空间中的单位矢量值函数，并且s是限定沿所述线段的位置的参数，所述线段与对所述轴的切线垂直，因此S(s，t)＝f2(t)*s+C(t)。
所述设备的另一个方面进一步包括将所述带平整为二维条。
所述设备的另一个方面进一步包括将所述带平整为二维条。
在所述设备的另一个方面中，所述平整是通过限定二维影像来完成的，对于所述影像，一个轴是所述s参数，而剩下的轴是所述t参数。
所公开的是一种用于分析曲线结构的成像系统，包括用于接收曲线结构的三维空间成像数据的装置，用于限定所述曲线结构内的轴曲线的装置，用于沿所述轴曲线扫描线段以限定所述三维空间中的带的装置，并且将来自所述三维空间的数据吸收到所述带上。
所述成像系统的另一个方面进一步包括用于将所述带平整为二维条的装置。
图1示出典型的管状结构。
图2示出圆形扫描。
图3示出本发明的线段扫描。
图4示出本发明的3-D带。
图5和6示出将标量数据吸收到所述带上。
图7示出对所述带的平整。
图8示出典型的医学成像。
图9示出从3-D影像中被分段的血管。
图10示出轴曲线。
图11和12示出用于血管的本发明的带。
图13和14示出经平整的带。
图15示出本发明的扫描的开始。
图16是本发明方法的流程图。
具体实施例方式
本发明将管状对象置于三维成像数据中并提供用于分析这种对象的装置。本发明对医学成像是特别有用的，因为它提供了医生根据从磁共振(MR)或计算机断层(CT)扫描器等得到的3-D成像数据来检查身体中的血管和其它曲线结构的方式。本发明优选地被再现为可由诸如计算机的机器来读取的可执行代码。
为理解本发明的工作，有指导性的是讨论将参照图1到7来描述的其操作的基本原理。
参考图1，所述为典型的曲线结构，也就是管状对象1。
参考图2，在3-D成像方面描述管1的一种方式是把该管看作由沿轴曲线2移动的圆圈3扫出的空间的区域，在其扫过3-D空间时，圆圈3保持与该轴曲线2垂直。
参考图3和4，考虑如果线段4而不是圆圈被扫过所述管的结果，则结果将是在空间上限定带10。如在图4中看到的，如果轴曲线4是扭曲且弯曲的，则带10将亦具有曲线和扭曲。
在数学上，给定三维数据V(x，y，z)和限定于V的界限内的轴曲线C(t)，人们可基于帧F＝(f1(t)，f2(t)，f3(t))来限定扫描表面S(s，t)，其中f1、f2和f3是三空间中的单位矢量值函数，t是沿扫描表面的轴的距离，其中所述表面被参数化以具有t＝1的总长度，并且s是限定沿与对所述轴的切线垂直的线段的位置的参数，也就是说带的宽度，其亦被参数化以具有总宽度s＝1(因此所述轴位于s＝0.5处)。对于t的给定值，帧F的原点将是C(t)，轴曲线2，并且f1将是规格化的切向矢量。C’(t)/‖C’(t)‖(其中C’表示相对于t的C的导数)以及f2和f3与f1组合产生规格化的正交帧。由此我们获得等式S(s，t)＝f2(t)*s+C(t)参考图5，现在考虑所述带被限定于具有与之关联的一个或多个标量值的3-D数据的场中。例如，所述标量值可以是颜色或亮度或者任何其它量。为说明此事，各种遮蔽区5被示出于图5中，以说明不同的亮度场。
参考图6，我们现在让带10从3-D空间吸收变化的阴影。这仅仅是通过功能合成，也就是V(S(s，t))将数据从体积映射到带表面的事情。
参考图7，我们现在可使带10变平到平面表面上。该平整可通过限定二维影像来完成，对于所述影像，一个轴是s参数，而另一个是t参数。注意在3-D空间中曾经为直线性的遮蔽区5现在被变形。尽管如此，经平整的2-D带的每个点映射回到3-D空间中的点。我们现在具有了可被分析以确定管特性的数据的方便、容易检查的带。
参考图8，我们现在接近了真实世界问题。图8示出如可在任何医学工作站上看到的典型的CT扫描影像和显示。所述影像是三维的，意味着它是由信息的体素组成的。
参考图9，分析CT数据过程中的第一步骤是隔离兴趣管状结构与分段算法。在该实例中，我们感兴趣的是如所示的特定血管。
最一般使用的分段技术的清单包括限定阈值、区域生长、分裂与合并、通过聚集进行的分段、蛇行(snake)、水平集合方法以及其它。多维动态数据提出了对分段技术的显著挑战。动态序列的每个体积必须在短时间段内被迅速获得。结果，数据集可具有很低的分辨率而具有强“部分体积效应(partial voluming effect)”。某些灌注应用使用了可进一步减小每个体积中的对比度的对比增强剂的低剂量，如在V.S.Lee、H.Rusinek、G.Johnson、N.Rofsky、G.A.Krinsky和J.C.Weinreb，Ultra-LowDose Gadolinium-DTPA MR Renography for The Diagnosis ofRenovascular Disease，Radiology(2001)；并且在H.Rusinek、V.S.Lee和G.Johnson，Optimal Dose of Gd-DTPA for Dynamic MR Studies，Magnetic Resonance in Medicine(2001)中所述的那些，所述论文的公开内容在此全部引入作为参考。
优选的分段算法被描述于为SEGMENTATION OF DYNAMICMULTIDIMENSIONAL DATA SETS而被提交于2002年4月10日的共同转让的专利申请USSN 10/129,125，其公开内容在此全部引入作为参考。
参考图10，本发明的系统将血管的轴限定为三维空间中的曲线。
参考图11和12，沿轴曲线而扫描线段以形成带，并且影像数据被吸收到其上。当沿所述轴扫描所述线段时，优选的是使扭矩或“扭曲”的量最小。
事实上，对于这种扫描有唯一的解系列(family of solutions)。对用于使曲线的扭转(在微分几何的意义上)最小的切向函数的表达式有单个解。然而，两个相互正交的矢量能绕切向矢量而自由旋转。这就是为什么所述解形成1参数系列。参考图15，所述参数是相对于轴曲线的扫描的开始处的线段的角度位置，其当然可以取从0到180度的值。参数的每个唯一值限定了唯一的带。在优选实施例中，多个带被采样并呈现给用户。所述带亦可以是动画的，从而向用户示出旋转所述段的起始位置的效果是什么。为了医学成像的目的，通常这些采样将通过将起始参数改变5到10度增量而产生。
参考图13，当所述带被变平时，影像数据处于已准备好进行方便的分析的形式。通过使用具有最小扭矩的扫描，变形被最小化。例如，在所示的影像中，用于该血管的动脉钙化被容易地认出。
参考图16，所示为本发明总体方法的流程图，也就是接收200影像数据，分段210兴趣管状结构，限定220轴曲线，沿轴曲线扫描230线段，将影像数据吸收240到带上，然后将所述带平整250为二维。
本发明的方法可被实施为指令程序，其可由诸如计算机的机器读取和执行并且被有形地实施和存储在诸如计算机存储设备的机器可读介质上。
应理解，除非被明确指示，否则在此所公开的所有物理量不应被理解为完全等于所公开的量，而相反是大约等于所公开的量。此外，仅仅诸如“大约”等的限定词的不存在不应被理解为任何这样的所公开的物理量是精确量(exact quantity)的明确指示，而不管这样的限定词是否是相对于在此所公开的任何其它物理量而被使用。
尽管已示出并描述了优选实施例，可在本发明的精神和范围内对其进行各种修改和替换。因此，应理解，已仅为了说明而描述了本发明，并且如已在此所公开的这样的说明和实施例不应被理解为对权利要求的限制。
权利要求
1.一种分析曲线结构的方法，包括接收曲线结构的三维空间成像数据；限定所述曲线结构内的轴曲线；沿所述轴曲线扫描线段以限定所述三维空间中的带；并且将来自所述三维空间的数据吸收到所述带上。
2.权利要求1的方法，其中所述轴曲线被限定为参数t的函数C(t)，所述参数表示沿所述轴的距离。
3.权利要求2的方法，其中所述带基于帧F＝(f1(t)，f2(t)，f3(t))被限定为函数S(s，t)，其中f1、f2和f3是三空间中的单位矢量值函数，并且s是限定沿所述线段的位置的参数，所述线段与对所述轴的切线垂直，因此S(s，t)＝f2(t)*s+C(t)。
4.权利要求1的方法，进一步包括将所述带平整为二维条。
5.权利要求3的方法，进一步包括将所述带平整为二维条。
6.权利要求5的方法，其中所述平整是通过限定二维影像来完成的，对于所述影像，一个轴是所述s参数，而剩下的轴是所述t参数。
7.一种机器可读的程序存储设备，其有形地实施可由所述机器执行的指令程序以实施用于分析曲线结构的方法步骤，所述方法步骤包括接收曲线结构的三维空间成像数据；限定所述曲线结构内的轴曲线；沿所述轴曲线扫描线段以限定所述三维空间中的带；并且将来自所述三维空间的数据吸收到所述带上。
8.权利要求7的设备，其中所述轴曲线被限定为参数t的函数C(t)，所述参数表示沿所述轴的距离。
9.权利要求8的设备，其中所述带基于帧F＝(f1(t)，f2(t)，f3(t))被限定为函数S(s，t)，其中f1、f2和f3是三空间中的单位矢量值函数，并且s是限定沿所述线段的位置的参数，所述线段与对所述轴的切线垂直，因此S(s，t)＝f2(t)*s+C(t)。
10.权利要求7的设备，进一步包括将所述带平整为二维条。
11.权利要求9的设备，进一步包括将所述带平整为二维条。
12.权利要求11的设备，其中所述平整是通过限定二维影像来完成的，对于所述影像，一个轴是所述s参数，而剩下的轴是所述t参数。
13.一种用于分析曲线结构的成像系统，包括用于接收曲线结构的三维空间成像数据的装置；用于限定所述曲线结构内的轴曲线的装置；用于沿所述轴曲线扫描线段以限定所述三维空间中的带的装置；并且将来自所述三维空间的数据吸收到所述带上。
14.权利要求13的成像系统，进一步包括用于将所述带平整为二维条的装置。
全文摘要
公开了一种通过以下来分析曲线结构的方法接收(200、210)曲线结构的三维空间成像数据，限定(220)曲线结构内的轴曲线，沿所述轴曲线扫描(230)线段以限定所述三维空间中的带，并且将来自所述三维空间的数据吸收(240)到所述带上。该带然后可被平整(250)以便于方便的检查。
文档编号G06T15/00GK1615494SQ02827399
公开日2005年5月11日 申请日期2002年12月18日 优先权日2002年1月22日
发明者J·P·威廉斯 申请人:西门子共同研究公司