用于确定合成图像的方法、计算机程序、机器可读的数据载体和成像设备
成像设备(诸如X射线设备或断层摄影设备)能够在不同时间记录被检查区域的图像。图像的比较使得能够从这些图像得到具有时间分量的信息。图像通常表示体积,并且可以包括被检查的区域的多个预指定切片。如果一种物质流经被检查的区域,也可能从图像获得流信息。因此,现代的成像设备使得能够识别器官(例如心脏或脑)中的血流障碍。用于血流的成像测量的最重要的方法包括血管造影和断层摄影灌注扫描。
因此,图像的评估需要解剖信息和流信息两者的评估。解剖信息涉及被检查的该区域的解剖结构,并且因此有空间分量。流信息涉及流入被检查区域中的物质的动态,并且因而同时具有空间分量和时间分量。用于成像测量的空间信息和时间信息的描述通常表现为,对每个时间点编译具有多个切片的图像堆叠。空间信息和时间信息然后可以被描述为,图像堆叠的各个切片或投影作为时间上连续的序列而被输出。因此,这使得能够评估流入被检查区域中的物质的时间发展。然而,这是费时的并且对于存档尤其不利。
为了简化空间信息和时间信息的处理,专利US6650928B1建议将断层图像转换成彩色编码映射。例如,脑结构的两个图像被叠加。这涉及到有色、参数图像在解剖图像上方的叠加。叠加图像的透明度可调,以允许或多或少的解剖结构被看到。这种方法的缺点在于解剖信息的良好可见度损害了参数信息的可见度。
在这种背景下,本发明的目的是公开具有时间分量的流信息如何与解剖信息有利地组合。
这个目的是通过权利要求1所述的方法、权利要求10所述的计算机程序、权利要求11所述的机器可读的数据载体、权利要求12所述的成像设备来实现的。
下面描述了本发明关于所要求保护的设备和所要求保护的方法如何实现上述目的。任何特征、优点或备选实施方案可以被转移到其它要求保护的主题,反之亦然。换句话说,该主题的权利要求(例如,它涉及一种设备)也可以用结合方法描述或所要求保护的特征来发展。该方法的对应的功能特征由相应代表性模块来体现。
本发明是基于在不同时间对被检查区域的多个图像的记录。另外,解剖信息和流信息都由图像来获得。具体地,解剖信息可以与血管的路线或灌注组织的结构有关。现在本发明人已经确定,在合成图像(resultantimage)中流信息的时间分量可以与解剖信息有利地组合,其中强度依赖性开窗法(intensity-dependentfenestration)可以根据解剖信息将灰度值分配至合成图像的像素,其中时间依赖性开窗法(time-dependentfenestration)根据流信息将色度分配至合成图像的像素,其中灰度值和色度彼此独立地进行分配。
本发明的优点理由在于,强度依赖性开窗法与时间依赖性开窗法组合使得色度和灰度值相互独立。这是因为,这意味着强度依赖性开窗法不影响时间依赖性开窗法。这使得解剖信息和流信息能够在合成图像中未失真地被显示。图像的记录是物理测量,并且获得的解剖信息和流信息是对应于物理结构的测量结果。因此,本发明具有的技术效果是对应于物理测量的测量结果可以相互组合而没有在合成图像中失真的风险。因此,根据本发明的合成图像具有特别高的信息量。
在这种情况下,解剖信息可以实现为从图像中的至少一个图像获得的空间强度分布。流信息(flowinformation)可以实现为从图像获得的流值的分布。流值(flowvalue)例如是表征物理过程(特别是运动)的参数。流信息通常是基于在不同时间记录的图像的强度值分布变化而获得的。在这种情况下,可以确定流信息,从而确定针对合成图像的每个像素的自身值(特别是流值)。
如果被检查的区域是患者的身体部分或器官,则可以获得专门针对患者的流信息。然后合成图像具有特别高的诊断价值。
灰度值和色度的独立分配可以特别包括灰度值和色彩明暗(colorshade)的独立分配,因为色彩明暗非常适于被感知为独立于灰度值的信息。独立分配也可以执行为色度(特别是色彩明暗)正交于灰度值。在此情况下,时间依赖性开窗法是基于色度(特别是色彩明暗)在其中的颜色空间,并且灰度值彼此正交。
根据本发明的另一个方面,图像中的至少部分图像的记录是造影剂支持的(contrast-medium-supported)。这使得流信息还能够包括造影剂的流入信息,尤其在血管中。然后图像可以被记录为血管造影图像或断层摄影灌注图像的形式,使得它特别容易获得有关被检查区域中血流的流信息。
根据本发明的又一个方面,解剖信息通过以下被获得,即通过在不同时间记录的多个图像进行第一投影。因此,第一投影至少沿时间轴发生。例如,在解剖信息的第一获得期间考虑特别大量的测量点。这意味着合成图像的信息量特别高。基于合成图像,在进一步分析期间增加可靠性也是可能的。
根据本发明的再一个方面,基于物理模型获得流信息。例如,物理模型可以描述血管中血液的传播或组织中血液的传播。特别地,组织可以是高度毛细管化的(capillarized)。物理模型也可以描述通过扩散的物质的传播。本发明的这一方面使得流信息能够被特别准确地确定。
附加于色度,颜色具有亮度和色彩饱和度的属性。颜色可以描绘在不同的颜色空间,诸如例如,红-绿-蓝(RGB)颜色空间、L*a*b颜色空间、CIE标准颜色表或HSV(色调,饱和度,值)颜色空间。跨越颜色空间的轴一般也可以描述为颜色空间的通道。用时间开窗法,特别是色彩明暗可以直接对应于流信息。为了确保合成图像的信息量特别高以及解剖信息和流信息两者被未失真地再现,对亮度或色彩饱和度设置要求也是可能的。
根据本发明的另一个方面,执行时间依赖性开窗法使得针对像素的色度的最大亮度相同。由于亮度对应于灰度值,这意味着针对像素的最大灰度值也相同。这排除了不同的色度和相同的灰度值被分配给像素、但具有不同的亮度值或灰度值的可能性。这尤其使得能够线性地有效执行强度依赖性开窗法,其也考虑了时间依赖性开窗法。
根据本发明的另一个方面,执行时间依赖性开窗法使得针对像素的最大色彩饱和度相同。例如,色彩饱和度可以在CIE标准颜色表中被确定为与中性点的相对距离。在HSV颜色空间中,色彩饱和度被视为三个跨越轴之一。如果针对像素的最大色彩饱和度现在是相同的,则灰度值的分配会以类似和规律的方式改变对应的色度。
根据本发明的另一个方面,可以预先指定针对强度依赖性开窗法的灰度和/或针对时间依赖性开窗法的色度。这使得本发明特别灵活。例如,可以预先指定色度的最大亮度或最大色彩饱和度。特别地,灰度和/或色度可以由用户例如借助于图形用户界面来选择。
根据本发明的另一个方面,描述了在显示单元上合成图像的图形输出,其中可以选择合成图像的分段(section),其中灰度和/或色度取决于所选择的分段。例如,灰度可以调整为对于该分段获得的解剖信息,或者色度可以调整对于该分段获得的流信息。为此,该分段的对比度被增加,这有利于该分段的进一步分析。
图像原则上可以是二维投影或从具有多个切片的断层摄影记录计算的图像堆叠。在时间点记录的这种图像也可被描述为空间上的三维图像。用于计算图像堆叠的各个切片的剖面原则上可以自由选择。记录的图像和合成图像可以具有相同的空间维度。然而,记录的图像和合成图像可以具有不同的空间维度。本发明的特别重要的方面,每一图像是空间上的三维图像,其中解剖信息和流信息两者都实现为空间上三维的,并且其中合成图像是空间上的二维图像。根据本发明的这一方面,执行强度依赖性开窗法使得根据沿空间方向投影的解剖信息将灰度值分配给像素,其中执行时间依赖性开窗法使得根据沿空间方向投影的血流信息将色度分配给像素。空间方向是可自由选择的,或者它也可以通过被检查区域的优选轴预先指定。特别是,空间方向可以是患者的体轴(bodyaxis),例如垂直于矢状面、垂直于额状面或垂直于横向平面。这使得在合成图像中能够组合特别大量的空间信息和时间信息。
本发明还涉及一种具有程序代码的计算机程序,当计算机程序在计算机中执行时,所述程序代码用于执行如本发明的上述方面的任一个方面所要求保护的方法的所有步骤。这使得该方法可以再现地执行,并且对不同计算机上的错误有较少的易感性。
本发明还涉及其上存储有上述计算机程序的机器可读数据载体。
本发明还涉及一种成像设备,其具有用于控制所述成像设备的计算机,其中通过发送命令到成像设备,计算机使成像设备执行如本发明上述方面中任一方面所请求保护的方法。
该计算机还可以实现为用于控制成像设备,通过发送命令到成像设备,使断层摄影设备执行根据本发明的方法。
成像设备可以是磁共振断层摄影设备。在这种情况下,辐射包括在射频范围中的射频交变磁场。在这种情况下,辐射源是用于生成射频交变磁场的至少一个线圈。在核磁共振成像中,辐射检测器是用于检测射频辐射的至少一个线圈。
成像设备也可以是被配置为记录来自不同投射角的多个X射线投影的X射线设备。例如,这种X射线设备是具有环形旋转框架或C型臂X射线设备的计算机断层摄影设备。这些记录可以特别是在记录单元的连续的旋转运动过程中由X射线源和与X射线源交互的X射线检测器来生成。X射线源可以特别是具有旋转阳极的X射线管。用于计算机断层摄影设备的X射线检测器是例如具有多条线的线检测器。用于C型臂X射线设备的X射线检测器是例如平板检测器。X射线检测器可以实现为能量分辨和计量两者。
以下参考附图中所示的示例性实施例更详细地描述并解释了本发明。
附图示出:
图1示出成像设备;
图2是具有单个像素的合成图像的示意图;
图3是具有不同区域的合成图像的示意图;
图4是根据本发明的方法的流程图。
图1示出了使用计算机断层摄影设备的示例的成像设备。示出的计算机断层摄影设备具有记录单元17,其包括以X射线源形式的辐射源8和以X射线检测器形式的辐射检测器9。X射线投影的记录期间,记录单元17绕系统轴5旋转,并且在记录过程中,X射线源发射以X射线形式的射线2。这里所示的例子中,X射线源为X射线管。这里所示的例子中,X射线检测器是具有多条线的线检测器。
这里所示的例子中,在投影的记录期间,患者3躺在病床6上。病床6被连接到床基座4,使得该基座承载有患者3的病床6。病床6被设计为将患者3沿记录方向移动通过记录单元17的开口10。记录方向通常是由系统轴5所确定,在X射线投影的记录期间记录单元17绕该系统轴5旋转。在螺旋记录的情况下,病床6被连续移动通过开口10,同时记录单元17围绕患者3旋转并记录X射线投影。结果是,X射线描述了患者3表面上的螺旋形。
另外,断层摄影设备还可以具有用于将造影剂注射到患者3的血液循环中的造影剂注射器。这使图像能够用造影剂支持来记录,从而使得位于被检查区域的结构(特别是血管)可用增强的对比度来描绘。造影剂注射器还提供了启动血管造影记录或执行灌注扫描的选项。造影剂一般应理解为是指在成像方法过程中改善身体结构和功能的描述的介质。出于本申请的目的,造影剂应理解为是常规造影剂,诸如例如碘或钆,和示踪剂,诸如例如18F、11C、15O或13N。
这里示出的成像设备包括连接至显示单元11和输入单元7的计算机12。显示单元11可以例如是LCD、等离子体或OLED屏。它也可以是触摸屏,其也被实现为输入单元7。这种类型的触摸屏可被集成在成像设备或实现为移动设备的一部分。显示单元11适合于本发明的合成图像的图形输出OUT。输入单元7是例如键盘、鼠标、所谓的“触摸屏”或甚至是用于语音输入的麦克风。输入单元7也适合于选择在显示单元11上输出的合成图像的分段。
计算机12包括重建单元14,用于从原始数据重建图像。例如,该重建单元14能够重建以具有多个切片的图像堆叠形式的断层摄影图像。成像设备还可以具有计算单元15。计算单元15可以与计算机可读数据载体13进行交互,从而特别是借助于具有程序代码的计算机程序执行根据本发明的方法。该计算机程序也可以以可取回形式存储在机器可读载体上。特别是,机器可读载体可以是CD、DVD、蓝光光盘、记忆棒或硬盘。计算单元15和重建单元14两者都可以硬件形式或者以软件形式来实现。例如,计算单元15或重建单元14被实现为所谓的FPGA(“现场可编程门阵列”)或包括算术逻辑单元。
这里所示的实施方案中,至少一个计算机程序存储在计算机12的存储器中,其中当计算机程序在计算机12上执行时,该程序执行根据本发明的方法的所有方法步骤。用于执行根据本发明的方法的所有方法步骤的计算机程序包括程序代码。该计算机程序也可以实现为可执行文件和/或实现在另一计算系统而不是计算机12上。例如,成像设备可以被设计成使得计算机12经由内联网或互联网将用于执行根据本发明的方法的计算机程序加载到其内部工作存储器中。
图2示出具有单个像素的合成图像的示意图。这里所示的例子中,圆圈各自描绘合成图像的像素16。像素16可以是像素和体素。在这里,“像素”表示在空间上二维图像的像素16,“体素”表示空间上三维图像的像素16。用于确定合成图像的图像可以由图1中描述的断层摄影设备记录,并被图形输出在显示单元11上。
单个圆圈的填充指示通过强度依赖性开窗法分配给像素16的灰度值。在根据本发明的方法中,此灰度值也对应于由特定合成图像的色度假设的亮度19。因此,在这里所示的合成图像中,亮度19从左到右下降。此外,在一列中的所有像素16具有相等的亮度。与圆圈相关联的箭头20的方向各自指示色度。例如,用于时间依赖性开窗法的色度是基于彩虹标度(rainbowscale)。因此,向右取向的箭头20可对应于红色阴影,向下取向的箭头20对应于绿色阴影,向左取向的箭头20对应于蓝色阴影。因此,在这里所示的例子中,从顶部到底部扫描彩虹标度。在这里所示的例子中,最大亮度针对所有色度是相同的。在这个例子中,最大亮度是由白实心圆指示。箭头20的长度指示每种情况下的色彩饱和度。较长的箭头20对应于更强的色彩饱和度。在这里所示的例子中,色度被选择为使得色彩饱和度和亮度19之间有直接关系,至少针对彩色的颜色阴影被分配至的像素19。去饱和从左至右发生,其中去饱和呈现为黑色比例增加的形式。即,白实心圆对应于已被分配最大饱和度的像素6。另一方面,白实心圆对应于已被分配最小饱和度的像素16,以使得相应的像素16显示为黑色。因此,在本发明的某些实施方案中,色彩饱和度可以被确定为亮度19或分配的灰度值的函数。在这里所示的例子中,存在完全饱和,其归一化的亮度19大于零。在另一实例中(这里未示出),去饱和借助于白色比例增加而发生。
根据解剖信息执行强度依赖性开窗法。解剖信息可以特别是通过强度分布来描述。解剖信息以及因此还有强度分布可以使用已知的图像处理方法从记录的图像中的至少一个图像而获得。例如,解剖信息的第一获得包括记录的图像中的至少一个图像的过滤或分割。解剖信息也可以被描述在由来自亨斯菲尔德(Hounsfield)单位的强度值分布的断层摄影记录而重建的被检查区域的切片图像中。强度依赖性开窗法可以由下面对I(c)所示的表达来描述,其中c指示亨斯菲尔德单位的强度,并且c_max和c_min分别为亨斯菲尔德单位的强度分布内的最大强度值和最小强度值。I指明分配的灰度值,I_max和I_min分别表示用强度依赖性开窗法可以分配给像素16的最大灰度值和最小灰度值。例如I_min=0并且I_max=255是可能的。
根据流信息执行时间依赖性开窗法。流信息从图像获得,特别是,流信息可从在不同时间点记录的图像之间的强度值分布的变化来获得。在这种情景下,流信息具有时间分量。例如,流信息可以是与血流有关的信息。特别是,这可以是血容量,通过被检查区域内体积的平均流速,以及直到被检查区域中造影剂最大流入的延迟时间。在本发明的不同实施方案中,流信息可以涉及定向(directed)流和非定向(undirected)流。在本发明的一个实施方案中,流信息是被检查区域中的扩散参数。扩散参数通常涉及水的扩散,并且可以特别是基于扩散张量成像而获得。
流信息可与时间值直接相关,或流信息是基于时间依赖性现象而获得。例如,速率或扩散参数是从时间依赖性现象(即从运动)而获得。流信息自然也可以具有空间分量,它对应于空间分布。时间依赖性开窗法基于时间依赖性分量引起流信息的缩放。例如,时间依赖性开窗法可以由下面对于L(t)所示的表达来描述,其中t指明通流(through-flow)时间,t_max和t_min分别为最大通流时间和最小通流时间。L指明分配的色度,L_max和L_min分别指明在强度依赖性开窗法期间可以被分配给像素16的色度内的最大色度和最小色度。
在时间开窗法期间,也可能标记没有有效流信息可被分配给其的像素16。例如,如果各个像素16中的噪声超过极限值,则不可能有任何有效的流信息。可以执行标记,使得没有有效流信息可被分配给其的像素16被分配为没有色度或“白”色度。在这样的情况下,可以选择L=0。在这种情景下,时间依赖性开窗法可以包括标记。
普遍适用的是,色度可以被分配为:为像素16分配颜色空间的一个通道的至少一个值。例如,色度可以被分配为:为HSV颜色空间中的通道“色调(Hue)”分配值。色度也可能被分配为:为RGB色空间的“红色”、“绿色”、“蓝色”通道各自分配值。在本发明的不同实施方案中,时间依赖性开窗法包括针对颜色空间中的每个通道而分配给像素16的值。此外,色度也可以以归一化形式被描述。如果选择RGB颜色空间而不限制一般性,则归一化色度表示为:
这里,FW_norm(i)表示归一化色度。r_i、g_i和b_i指明“红色”、“绿色”和“蓝色”通道的值。这里,i指明颜色空间的指数,例如i可以是具有0到255之间,一个颜色空间有255个颜色阴影。函数max(r_i、g_i,b_i)指明对于指数i的三个通道的最大值。在本发明的一个实施方案中,时间依赖性开窗法是使得对于像素16的色度的最大亮度19是相同的。在RGB颜色空间中,亮度19由H(i)=r_i+g_i+b_i指明,其中,H指明亮度19。因此,现在可以选择色度使得对于所有分配的色度的最大亮度19是相同的。特别地,对于像素16的色度的最大归一化亮度19可以相同。在RGB颜色空间中,色度的归一化最大亮度由以下表达式指明:
这里,L_max指明归一化的最大亮度,在本发明的不同实施方案中其可以假设不同的值。例如,可以满足条件L_max=1或L_max=0.5。
现在可以将强度依赖性开窗法和时间依赖性开窗法相互组合。在RGB颜色空间的例子中,组合的开窗法然后由以下表达式指明:
在这种情况下,l和m表示合成图像中相关像素16的二维位置,其包括1行和m列。在这个例子中,t_l,m指明被分配给像素16的以通流时间的形式的流信息。MC_l,m指明解剖信息的分布,其是例如通过超出记录的图像时间的最大强度的投影来确定的。*指明相乘。表达式{1,1,1}是在RGB颜色空间中的单位向量。所用的相应颜色空间的单位向量可用于本发明的进一步的实施方案中。
因此灰度值I可以取决于解剖信息的分布。如这里通过举例的方式所描述的,颜色空间可以被构造成使得:
-没有色度(特别是彩色色度)被分配到的合成图像的像素的灰度值与颜色空间的单位矢量相乘,
-色度(特别是彩色色度)被分配到的合成图像的像素的灰度值与被分配的相应的归一化色度相乘。
因此,在这样的颜色空间中灰度值和色度彼此独立。因此,颜色空间也可以被构造成使得灰度值和色度彼此正交。颜色空间也可以被构造成使得它不包括“白”和“黑”色度,仅包括多彩的颜色。
图3是具有不同区域的合成图像的示意图。在这里所示的例子中,示意图中所示的合成图像是患者3的大脑的二维图像。这显示了大脑沿患者3的纵向身体轴线的投影,从而图3正面指示向上。图3以强烈示意的形式绘制,并且不显示任何解剖细节。合成图像的第一区域21的特征在于:在第一区域21中没有色度被分配给像素16或色度等于零。例如,第一区域21可以进一步表征为,流信息(尤其是它的时间分量)不能用特定的准确度来确定。因此,当色度的预期误差超过极限值时,在时间依赖性开窗法期间不分配任何色度给某些像素16也可能是可取的。例如,由于记录的图像中的高噪声级导致预期的误差可能较高。在这里所示的例子中,第一区域21中没有大的血管,使得对于用造影剂记录的图像,图像中的可测量强度对于用高精确度获得的时间信息而言太低。另一方面,在第二区域22中,色度通过时间依赖性开窗法被分配给像素16中的每个像素。这是因为,在第二区域22中预期的色度误差低于极限值。在这里所示的例子中,第二区域22中有大血管,使得对于用造影剂记录的图像,图像中的可测量强度对于用高精确度获得的时间信息而言是足够的。为了清楚起见,图3中的第二区域22示出带有阴影线(hatching),并且第一区域21在图3中描绘为统一的灰度值。在图3中,第二区域22中的不同色度由阴影线的取向来指示。相应色度的亮度由阴影线的密度描绘。在所示的例子中,流信息是造影剂的到达时间。
图4是根据本发明的方法的流程图。在不同时间的被检查的区域的多个图像的记录REC由成像设备来执行。在这种情况下,可以用相同的或可变的时间间隔来记录图像。特别地,记录用相同的时间间隔获得多个图像的灌注参数是有利的。来自图像中的至少一个图像的解剖信息的第一获得D-1和来自该图像的流信息的第二获得D-2可以由计算机12支持并自动进行。这里所描述的方法还包括确定IMG合成图像的步骤,其中强度依赖性开窗法根据解剖信息将灰度值分配给合成图像的像素16,其中时间依赖性开窗法根据流信息将色度分配给像素16,并且其中灰度值和色度彼此独立地分配。这里所示的方法还包括在显示单元11上图形输出OUT合成图像的步骤,其中可以选择合成图像的分段,其中灰度和/或色度取决于所选择的分段。
在本发明的进一步的实施方案中,流信息是基于物理模型而获得。流信息可特别被获得以使得基于物理模型确定针对合成图像的每个像素的流值。这种类型的模型可以特别模拟物质的流动,同时也考虑物质的特性以及限制流动物质的结构。例如,该模型可以模拟在血管或被血管渗透的组织中的血流。流信息也可以基于物理模型而获得以使得该模型可适应强度值分布的变化。该适应可特别通过在不同的时间对强度值的内插而发生。在这种情况下,参数可适应强度值分布的变化,特别是表征物理过程的参数。内插强度值分布中的变化也是可能的。
流信息也可以基于物理模型而获得,使得模拟被执行。例如,这是数值模拟,其也可实现为流模拟。这种类型的流模拟可以特别实现为所谓的CFD模拟形式(CFD为计算流体动力学的缩写)。流模拟也可以基于或多个解剖参数,其来源于在不同时间记录的图像中的至少一个图像。解剖参数可以是例如血管的直径。这一方面使流信息能够被特别准确地确定,并且另一方面具有患者特定性。