CN101156174B - 用于血流成像的图像处理装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像处理装置(5)，其用于在造影剂流入到对象(40)的血管树内期间基于从不同投影方向所获取的该对象的第一系列X射线投影图像(D)和分别在第一或第二固定投影平面交替获取的该对象的第二和第三系列X射线投影图像(E、F)来产生示出该对象(40)的该血管树中血流的3D体积图像的时间序列。为了允许该相关对象中明确结构的图像重建，且特定而言，即使该血管树包括诸如动脉瘤的非管状结构，产生示出对象的血管树中该血流的3D体积图像，提议一种图像处理装置，其包括：重建单元(51)，其用于从所述第一系列X射线投影图像(D)重建所述对象的3D体积图像；分割单元(52)，其用于从所述3D体积图像将所述脉管树分割；前向投影单元(54)，其用于将该分割的脉管树分别前向投射到所述第一投影平面与第二投影平面(R₁，R₂)上；以及，映射单元(55)，其用于将分别在所述第二系列与第三系列X射线投影图像中的该脉管树的像素的图像值映射到所述3D体积图像的相应三维像素上以获得示出该对象的该血管树中该血流的3D体积图像的所述时间序列。

Description

用于血流成像的图像处理装置与方法

技术领域

本发明涉及图像处理装置和相应图像处理方法，其用于在造影剂流入到对象的血管树内期间基于从不同投影方向获取的对象的第一系列X射线投影图像(D)和分别从第一或第二固定投影方向在第一或第二固定投影平面交替获取的该对象的第二和第三系列X射线投影图像来产生示出对象的血管树中血流的3D体积图像的时间序列。另外，本发明涉及用于在计算机上实施所述方法的计算机程序。本发明特别涉及用于使对象的血管树中血流成像的X射线装置。

背景技术

在WO 02/056260 Al中揭示了一种使血管树中血流成像的方法，其得到关于血管树的附加信息。根据这个方法，从血管树的三维图像中的空间相干三维像素确定丛束序列(sequence of cluster)，其中所述丛束的序列对应于所述血管树中血液或造影介质的流向。特定而言，由血流方向所界定的至少一个丛束被确定为血管树的开始丛束，所述丛束自身充当确定在该序列中至少一个下一丛束的开始点且其三维像素中的至少某些邻接开始丛束与下一丛束的三维像素，且对于该序列的每一新的丛束，确定随后的丛束。因此，对于诸如大脑血管树病理分析的应用，可获得向用户提供在血管树中造影介质或血流传播印迹(impression)的附加信息。

然而，这种和其它当前流重建方法基于脉管构造且因此限于沿血管树具有不同三维像素丛束的明确连接结构的管状结构。因此，在目前阶段，其并不适用于(例如)动脉瘤流的重建。因此，本发明的目的在于提供一种图像处理装置和相应方法，其允许相关对象中模糊结构的图像重建且，特定而言，即使在所述血管树包括诸如动脉瘤的非管状结构的情况下，产生示出对象的血管树中血流的3D体积图像。

发明内容

根据本发明通过如下所主张的图像处理装置实现该目的，所述图像处理装置用于在造影剂流入到对象的血管树内期间基于从不同投影方向所获取的所述对象的第一系列X射线投影图像和分别在第一或第二固定投影平面交替获取的所述对象的第二和第三系列X射线投影图像来产生示出所述对象的所述血管树中血流的3D体积图像的时间序列，所述图像处理装置包括：

重建单元，其用于从所述第一系列X射线投影图像来重建所述对象的3D体积图像；

分割单元，其用于从所述3D体积图像将所述脉管树分割；

前向投影单元，其用于将所述分割的脉管树分别前向投射到所述第一与第二投影平面上；以及

映射单元，其用于将分别在所述第二与第三系列X射线投影图像中的所述脉管树的像素的图像值映射到所述3D体积图像的相应三维像素上以获得示出所述对象的所述血管树中所述血流的3D体积图像的所述时间序列。

本发明还提供一种图像处理方法，其用于在造影剂流入到对象的血管树内期间基于从不同投影方向所获取的所述对象的第一系列X射线投影图像和分别从第一或第二固定投影方向、分别在第一或第二固定投影平面交替获取的所述对象的第二和第三系列X射线投影图像来产生示出所述对象的所述血管树中血流的3D体积图像的时间序列，所述方法包括以下步骤：

从所述第一系列X射线投影图像重建所述对象的3D体积图像，

从所述3D体积图像将所述脉管树分割，

分别将所述分割的脉管树前向投射到所述第一与第二投影平面，以及

将分别在所述第二与第三系列X射线投影图像中的所述脉管树的像素的图像值映射到所述3D体积图像的相应三维像素上，以获得示出所述对象的所述血管树中所述血流的3D体积图像的所述时间序列。

另外，本发明也涉及一种使位于对象的血管树中的血流成像的X射线装置，其包括：

第一成像单元，其具有第一X射线源与第一X射线探测器，以从不同的投影方向获取所述对象的第一系列X射线投影图像，并且从第一固定投影方向获取所述对象的第二系列X射线投影图像，

第二成像单元，其具有第二X射线源与第二X射线探测器，以从第二固定投影方向获取所述对象的第三系列X射线投影图像，

控制单元，其用于在造影剂流入到所述对象的所述血管树内期间控制所述第一与第二成像单元，使得在获取所述第二与第三系列X射线投影图像之前或之后获取所述第一系列X射线投影图像并且分别从不同投影方向在第一或第二固定投影平面交替获取所述第二系列的所述X射线投影图像与所述第三系列的所述X射线投影图像，以及

如上文所述的图像处理装置，其用于产生示出对象的血管树中所述血流的3D体积图像的时间序列。

本发明的优选实施例在本发明优选方案中定义。

本发明基于使用关于从两个不同投影方向所得到的血管树中血流(或造影剂流)的时间信息(其因此也包括某些空间信息)和将所述时间信息与空间信息映射到相关对象的3D体积图像上而得到血管树中三维像素相关的灰度值变化的4D数据集的理念。这使得可能显示动脉瘤内的时间与空间灰度值变化，这利用已知的流重建方法是不可能的。

根据本发明，这通过使用对象的3D体积图像获得，对象的3D体积图像从第一系列X射线投影图像重建且从对象的3D体积图像将脉管树分割。另外，使用了交替地获取(即，从不同的投影方向，即在不同的投影平面，呈交错获取模式)的第二与第三系列X射线投影图像。将分割的脉管树前向投射到所述投影平面上使得所分割的三维像素的每一者在投影平面中的投射位置是已知的。

对于在投影平面中的每一像素，现从示出投射到这个像素上的造影剂的流入、持续时间和流出的X射线投影图像的时间序列(第二与第三系列)存在灰度值时间曲线。最后，分别在所述第二与第三时间序列的X射线投影图像中的脉管树的像素的图像值(灰度值)被映射到3D体积图像的相应三维像素上，即，每一像素的灰度值时间曲线被投射到3D体积图像中的相应三维像素上以获得示出对象的血管树中血流的3D体积图像的时间序列，即，以获得4D体积数据集。

在优选实施例中，采用图像层叠方法，其得到示出血管树的每一投影方向的参考投影图像。可用于这个目的的图像层叠方法的实例在Schmitt，H.等人“Image Stacking with Entropy Values inAngiography”，Radiology 2004；230；294-298中描述。通过图像层叠所获得的参考投影图像优选地需要进行运动补偿。如果不存在患者的运动，那么系统几何形状的校准通常是充分的以便于映射。然后，在分别位于第一投影平面与第二投影平面中的这些参考投影图像上直接进行前向投影。

根据优选实施例，提供运动补偿单元以在第一系列X射线投影图像与第二和第三系列X射线投影图像的获取之间补偿对象的运动。这种运动补偿优选地在分割脉管树向参考投影图像上前向投射之后采用以实现参考投影图像与前向投影之间完全且准确的对应。或者，建议提供配准单元(registration unit)用于使3D体积图像的前向投射图像向参考投影图像上配准(registration)。举例说来，并非必需要求在获取第二和第三系列X射线投影图像之前直接采用第一系列X射线投影图像，而是也可能改日或在获取第二与第三系列之前的某时间预先获取所述第一系列。然后，需要进行该配准，因为患者位置同时已变化。

优选地，通常提供基于前向投射图像与第二和第三系列投影图像判定是否需要任何运动补偿或配准的器件。

并非将第二与第三系列的投影图像中的脉管树的像素的图像值直接映射到3D体积图像的相应三维像素上，在另一实施例中提议确定第二与第三系列的相邻投影图像的平均图像值，即，平均值由第二系列的图像与随后获取的第三系列的图像(其皆为相同的三维像素)的图像值形成，且然后将这个平均值映射到相应三维像素上。因此，所得到的4D体积数据集示出不同投影图像的不同灰度值的平均值，所述4D体积数据集具有较高的时间分辨率。

一般而言，可区别两种取平均值的情形。在第一种情形中，脉管树的一部分在两个投影方向中自由投射，因此确定每两个相邻投影图像(即，一个从第一方向且随后的一个从另一方向)的平均值，导致在时间上更高的分辨率。在第二种情形中，在一个投影方向中存在脉管树的重叠部分。然后，仅可获得在时间上较低的分辨率(即，第二或第三系列的分辨率)，且确定相同系列的两个相邻投影图像的平均值。对于在两个方向自由投射的动脉瘤，可使用来自两个方向的信息来实现动脉瘤内更高的空间分辨率。

优选地，不仅在获取第二与第三系列X射线投影图像期间造影剂流入血管树内，而且在获取第一系列X射线投影图像期间脉管树完全充满造影剂以改进在所述图像中的对比度。

虽然一般而言可能使用任何两个不同投影方向来获得所述第二与第三系列X射线投影图像，但根据另一实施例有利地提议两个投影方向大体上垂直，此常常用于双平面获取模式。如果使用垂直投影角，其具有预期最有效地减小投影中脉管结构重叠的优势。优选地，选择两个投影方向，使得(例如)在检查动脉瘤的情况下，投影方向的尽可能垂直且从两个投影方向，动脉瘤均不被其它脉管叠加。

另外，根据另一实施例，不仅脉管树可前向投射到投影平面或参考投影图像上，而且完整的3D体积图像可投射到投影平面或参考投影图像上且另外，第二与第三系列的投影图像的所有像素的图像值可映射到3D体积图像的相应三维像素上，而非仅映射脉管树的像素的图像值。例如，此与其中不仅可从脉管树而且可从不可被分割的周围组织(例如，在周围组织中的毛细血管)收集信息的应用相关。可将此方法应用于为头部成像以及灌注信息的处理。

附图说明

现将参看附图更详细地说明本发明，在附图中：

图1示出根据本发明的X射线装置的图形表示；

图2示出根据本发明方法的流程图；

图3为根据本发明的图像处理装置的图形表示，

图4说明随着时间第二与第三系列X射线投影图像的获取，以及

图5示出说明前向投影与映射步骤的图解。

具体实施方式

图1示出根据本发明的X射线装置100，其用于形成将要被检查的对象40(例如，安置在患者检查床60上的患者)的二维X射线图像或X射线投影图像。X射线装置包括第一成像单元1，第一成像单元1具有第一X射线源10与第一X射线探测器11，安装第一X射线源10与第一X射线探测器11以使其在C形臂12上面向彼此，C形臂12自身安装于仅部分示出的支架13上。一方面，C形臂12可围绕水平轴转动，而另一方面，其可通过电动机驱动旋转，例如，围绕其中心在双箭头20的方向旋转180°。此移动使得能够从第一成像单元1的不同可再现投影方向r₁、r₂、r₃形成表示将要进行检查的对象40的许多X射线图像。

也提供第二成像单元2，其具有第二X射线源20与第二X射线探测器21，第二X射线源20与第二X射线探测器21安装于安装装置22上且能够从固定(其也可替代地根据要求或需要为可变的)的X射线位置r′形成将要检查的对象40的投影图像。

X射线探测器11、21中的每一者可由X射线增强器形成，所述X射线增强器与电视联播网连接，电视联播网的输出信号被模拟数字转换器3数字化以在存储器4中储存。

通过第一成像单元1从不同位置r₁，......，r_j，......，r_m所获取的X射线投影图像可通过图像处理单元5进行处理以个别地或作为一系列图像在监视器6上显示。在造影介质流入期间在离散瞬间从固定X射线位置r′由第二成像单元2所获取的X射线投影图像也可通过图像处理单元5进行处理以在监视器6上显示。X射线装置的个别构件受控制单元7控制。

在下文中参看图2所示的流程图与示出图像处理单元5更多细节的图3的方块图来详细地描述本发明。在初始化(步骤101)之后，通过使用第一成像单元1在血管树充满造影介质(步骤102)时利用不同的投影方向获取(第一)系列的X射线投影图像D₁，......，D_j，......，D_m。随后，在步骤103，通过使用重建单元51从该系列(二维)X射线投影图像D重建三维体积图像。在这方面，假设对于每一投影图像，X射线源10与X射线探测器11的位置与方位是已知的(例如，基于之前的校准测量)。

重建的三维图像不仅示出血管树(充满造影介质)，而且也示出其它结构，诸如骨骼。因此，在步骤104中，通过使用分割单元52以其仅示出血管树而所有其它结构优选地被抑制的方式将三维图像分割。在最简单的情况下，该分割可通过阈值操作来执行，其分配具有比较高吸收值的所有三维像素至血管树并抑制所有其它三维像素的再现。可替代地使用不同的分割方法(例如，能够探测线形结构的方法)，所述方法产生更准确的分割但通常需要更多计算工作。一般而言，二元体积得到属于血管结构的三维像素例如用(例如)标示值1标记，而周围体积例如用标示值零标记的结果。

在随后的步骤105中，在较短附加造影剂推注(bolus)T流入期间执行血管树的高速双平面流获取。这些双平面投影通过使用所述第一成像单元1与第二成像单元2从不同(优选地垂直)投影方向以交错获取模式(即，所述两个系列投影图像E₀，......，E_j，E_n与F₀，......F_j，......，F_n的投影图像)获取。举例说来，通过使用第一成像单元1获取所述第二系列投影图像E₀-E_n，其中第一X射线源10在位置r₂，且通过使用第二成像单元2获取第三系列的投影图像F₀-F_n，其中X射线源在位置r′，即，在围绕患者40的纵向入口旋转90°的位置。

在步骤106，优选地，但并非必需地，通过使用图像层叠单元53向两个投影系列E、F采用图像层叠方法，得到示出完全血管系统的每一方向的参考投影图像(每一系列E、F一个参考投影图像)。在上文所引用的Schmitt H.等人的文章中描述可优选地用于使一系列血管造影图像进行图像层叠的熵方法。所述熵方法包括计算每一图像像素的时间进程的熵。这强调造影剂推注所经过的图像区域。当然，在所述文章中也简要地描述其它方法，诸如最大不透明法(maximum opacity method)。在所述文章中所引用的参考中描述可采用的其它图像层叠方法。

在步骤107中，然后，通过前向投影单元54将分割的3D体积，尤其是分割脉管树前向投射到通过先前图像层叠步骤所获得的两个参考投影图像。

在步骤108中使用在运动补偿单元56中的2D或3D运动补偿方法来校正在获取第一系列投影图像D与第二和第三系列投影图像E、F之间可能发生的运动。出于这个目的，可使用任何类型的运动补偿方法，诸如交互信息最大法(参考，E.Meijering等人，Reduction of patient motionartifacts in digital subtraction angiography：Evaluation of a fast and fullyautomatic technique。Radiology，219：288-293，2001)。或者，可使用配准方法来使前向投射图像与参考投影图像配准。出于这个目的，可使用任何类型的2D配准方法。在这个阶段，在投影平面中分割的三维像素中的每一者的投射位置是已知的。对于在投影平面中的每一像素，从示出投射到这个像素上的造影剂流入的第二和第三系列的投影图像E、F的高速数据获取存在灰度值时间曲线。在无运动发生的情况下，一般无需运动补偿且无需配准。

随后，在步骤109中且通过使用映射单元55，对于利用高速双平面投影系列E、F所获取的每一时帧(投影图像)，相应灰度值被投射到3D体积图像中的三维像素。更详细而言，其优选地为来自投射到3D体积图像中的三维像素的两个相邻时帧(由于交错获取)的平均值。这在图4中更详细地示出，在图4中，随着时间示出造影剂(CA)推注T与第二和第三系列的投影图像E、F，尤其获取所述系列的单一投影图像的时间点。然后，在图4的最后的图解中，用参考符号G表示两个相邻投影图像的平均值，其中，例如，G₁₁表示投影图像E₁与F₁的平均值，或，一般而言，参考符号G_xy表示投影图像E_x与F_y的平均值。

在图5的图解中也说明前向投影与映射的步骤。其以抽象的形式示出将要进行检查的对象40，应更详细地考虑自所述对象40的特定三维像素K。另外示出第一X射线源10、第二X射线源20和相应的X射线探测器11、21，其处于适当位置以根据双平面模式获取第二与第三系列投影图像。X射线探测器11、21的位置也分别表示第一投影平面R₁与第二投影平面R₂的位置，在所述位置通过图像层叠步骤获得参考投影图像。在这些投影平面R₁、R₂中和因此在参考投影图像中，三维像素K分别对应于像素P(x₁，y₁)与Q(x₂，y₂)。对于这些像素P、Q，在所述系列X射线投影图像E、F中存在灰度值时间曲线，即，在该系列E₁-E_n中，确定对应于像素P的像素P₁-P_n且其像素值作为时间序列被分配到像素P。对于像素Q进行同样的操作，即，在系列F₁-F_n中确定相应像素Q₁-Q_n且相应像素值作为时间序列分配到像素Q。对于像素P、Q的像素值的这些时间序列，如图4所示确定相邻(时间上)像素值的平均值且然后将平均值映射到相应的三维像素K上。

因此，4D体积数据集得到示出来自不同投影方向的不同灰度值的平均值的结果。由于高速时间序列，时间信息被添加到3D体积数据集，同时由于不同投影方向的内插，添加空间信息。如对于已知流重建方法所建议，采用基于线性规划的最优化机制来校正由于三维像素的相邻关系所造成在3D中时间灰度值变化中的无用数据是可行的。最后，可能通过使用根据本发明的方法来显示(步骤109)动脉瘤内的时间与空间灰度值变化。因此，得到在脉管树内且尤其在诸如动脉瘤的非管状脉管树的结构内的三维像素相关的灰度值变化的4D数据集。最后，在步骤111中，方法结束。

优选地，作为补充，可采用关于造影剂的洗入(wash-in)的现有知识来在某种程度上解决投影模糊。已知对于给定三维像素，到达的造影剂推注必须造成在两个投影视图中强度变化。因此，可推断在仅一个视图中的强度变化由到达与投影环境中给定一者重叠的三维像素的造影剂造成。

本发明优选地用于高空间与时间分辨率平板双平面C形臂系统中，尤其用于获得示出对象的血管树中，尤其是脉管树的非管状结构中血流的3D体积图像的时间序列。然而，其它的应用也同样可行，诸如灌注信息的映射。应了解，上文所说明的实施例并不限制投影的范畴，而仅是用于说明本发明主要理念的实例。可能进行许多变化。举例说来，第一系列X射线投影图像可在获取第二与第三系列投影图像之前预先取得。另外，可使用其它设备来获取X射线投影图像，尤其对于第一系列，其也可通过CT系统获取。

Claims (11)

1.一种图像处理装置(5)，其用于在造影剂流入到对象(40)的血管树内期间基于从不同投影方向所获取的所述对象的第一系列X射线投影图像(D)和分别在第一或第二固定投影平面交替获取的所述对象的第二和第三系列X射线投影图像(E、F)来产生示出所述对象(40)的所述血管树中血流的3D体积图像的时间序列，所述装置包括：

重建单元(51)，其用于从所述第一系列X射线投影图像(D)来重建所述对象的3D体积图像；

分割单元(52)，其用于从所述3D体积图像将所述血管树分割；

前向投影单元(54)，其用于将所述分割的血管树分别前向投射到所述第一与第二投影平面(R₁，R₂)上；以及

映射单元(55)，其用于将分别在所述第二与第三系列X射线投影图像中的所述血管树的像素的图像值映射到所述3D体积图像的相应三维像素上以获得示出所述对象的所述血管树中所述血流的3D体积图像的所述时间序列。

2.如权利要求1所述的图像处理装置，

其另外包括图像层叠单元(53)，其用于分别层叠所述第二与第三系列X射线投影图像(E、F)以获得所述第一与第二固定投影方向中每一者在所述第一与第二投影平面(R₁、R₂)的参考投影图像，以及

其中所述前向投影单元(54)通过调适以将所述分割血管树前向投射到所述参考投影图像上。

3.如权利要求2所述的图像处理装置，其另外包括运动补偿单元(56)，所述运动补偿单元(56)用于在所述第一系列X射线投影图像与所述第二和第三系列X射线投影图像的获取之间补偿所述对象的运动。

4.如权利要求2所述的图像处理装置，其另外包括配准单元(56)，其用于使所述3D体积图像的所述前向投射图像向所述参考投影图像上配准。

5.如权利要求1所述的图像处理装置，其中所述映射单元(55)通过调适以对于将要映射到所述3D体积图像的相应三维像素上的所述第二与第三系列的所述投影图像的所述像素，形成来自所述第二与第三系列的随后获取的X射线投影图像(E、F)的两个图像值的平均图像值，并且通过调适以将所述平均图像值映射到所述3D体积图像的所述相应三维像素上。

6.如权利要求1所述的图像处理装置，其中在所述血管树充满造影剂时获取所述第一系列X射线投影图像(D)。

7.如权利要求1所述的图像处理装置，其中所述第二系列X射线投影图像(E)从与获取所述第三系列X射线投影图像(F)的投影方向大体上垂直的投影方向获取。

8.如权利要求1所述的图像处理装置，其中

所述前向投影单元(54)通过调适以分别将所述3D体积图像的所有三维像素前向投射到所述第一与第二投影平面(R₁，R₂)上，以及

所述映射单元(55)通过调适以将分别将在所述第二与第三系列中的所述X射线投影图像的所有像素的所述图像值映射到所述3D体积图像的所述相应三维像素上。

9.一种使位于对象的血管树中的血流成像的X射线装置，其包括：

第一成像单元(1)，其具有第一X射线源(10)与第一X射线探测器(11)，以从不同的投影方向获取所述对象的第一系列X射线投影图像(D)，并且从第一固定投影方向获取所述对象的第二系列X射线投影图像(E)，

第二成像单元(2)，其具有第二X射线源(20)与第二X射线探测器(21)，以从第二固定投影方向获取所述对象的第三系列X射线投影图像(F)，

控制单元(7)，其用于在造影剂流入到所述对象的所述血管树内期间控制所述第一与第二成像单元(1、2)，使得在获取所述第二与第三系列X射线投影图像(E、F)之前或之后获取所述第一系列X射线投影图像(D)并且分别从不同投影方向在第一或第二固定投影平面交替获取所述第二系列的所述X射线投影图像(E)与所述第三系列的所述X射线投影图像(F)，以及

如权利要求1所述的图像处理装置(5)，其用于产生示出对象的血管树中所述血流的3D体积图像的时间序列。

10.如权利要求9所述的X射线装置，其中所述第一与第二成像单元为双平面成像单元。

11.一种图像处理方法，其用于在造影剂流入到对象的血管树内期间基于从不同投影方向所获取的所述对象的第一系列X射线投影图像(D)和分别从第一或第二固定投影方向、分别在第一或第二固定投影平面交替获取的所述对象的第二和第三系列X射线投影图像(E、F)来产生示出所述对象的所述血管树中血流的3D体积图像的时间序列，所述方法包括以下步骤：

从所述第一系列X射线投影图像(D)重建所述对象的3D体积图像，

从所述3D体积图像将所述血管树分割，

分别将所述分割的血管树前向投射到所述第一与第二投影平面(R₁，R₂)，以及

将分别在所述第二与第三系列X射线投影图像中的所述血管树的像素的图像值映射到所述3D体积图像的相应三维像素上，以获得示出所述对象的所述血管树中所述血流的3D体积图像的所述时间序列。

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