專利名稱：重構(gòu)高分辨率三維圖像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)檢查區(qū)域的三維(3D)圖像數(shù)據(jù)集來重構(gòu)病人的一個檢查區(qū)域的高分辨率3D圖像的方法和設(shè)備，檢查區(qū)域經(jīng)受一個周期運動，這一運動的測量與作為表示該周期運動的運動信號的3D圖像數(shù)據(jù)集的采集平行地進行。
這種方法和設(shè)備是已知的。運動物體例如病人的心臟的3D圖像的重構(gòu)，當(dāng)今是通過選擇合適的時間重構(gòu)窗口執(zhí)行的，在該窗口中可以實現(xiàn)為要成像的整個解剖體可接受的結(jié)果。這意味著選擇從3D圖像數(shù)據(jù)集獲取的3D圖像數(shù)據(jù)以用于重構(gòu)，該3D圖像數(shù)據(jù)集是從一個給定的時間窗口獲得的，在給定的時間窗口中，例如，要成像的解剖體經(jīng)受過最小的運動。因此，在解剖體周期運動的場合，例如心臟運動或呼吸運動，只使用來自給定運動階段的3D圖像數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，而不評估所有其它獲得的重構(gòu)數(shù)據(jù)。例如對于心臟或者冠狀血管的成像，優(yōu)選無例外使用在舒張期獲得的3D圖像數(shù)據(jù)，而腹部3D圖像的形成無例外使用在呼氣狀態(tài)下獲得的3D數(shù)據(jù)。
然而，各種器官的給定部分特別是心臟的不同部分的運動并不同時發(fā)生，而是遵循該器官的刺激方式；這意味著，器官要成像的各個別部分在不同瞬間可以運動到不同程度。因此，如果對于要成像的整個物體使用一個固定(時間)窗口，則經(jīng)常會發(fā)生圖像質(zhì)量降低或未能最優(yōu)地使用假定器官靜止階段期間獲得的數(shù)據(jù)。
因此，本發(fā)明的目的是改進此類方法和設(shè)備，以便可以形成病人的運動檢查區(qū)域的具有增強圖像質(zhì)量和高分辨率的3D圖像。
這一目的可根據(jù)本發(fā)明通過權(quán)利要求1公開的方法和權(quán)利要求6公開的設(shè)備來實現(xiàn)。該方法的特征在于它包括下述步驟a) 從3D圖像數(shù)據(jù)集重構(gòu)多個低分辨率3D圖像，這些低分辨率3D圖像是根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)集的3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)的，所述3D圖像數(shù)據(jù)集是在周期運動的不同運動階段獲得的，b) 借助該低分辨率3D圖像確定檢查區(qū)域的至少一個子區(qū)域在運動的不同階段的運動信息，c) 選擇一個時間重構(gòu)窗口，其中，該至少一個子區(qū)域的運動低于預(yù)定水平，d)根據(jù)在為一個子區(qū)域選擇的時間重構(gòu)窗口中的3D圖像數(shù)據(jù)為該至少一個子區(qū)域重構(gòu)一個高分辨率子圖像，e)根據(jù)該至少一個子圖像形成所希望的3D圖像，然后使未作為子圖像重構(gòu)的3D圖像的區(qū)域根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)，以便與所述至少一個子圖像相組合。
權(quán)利要求6公開了一個相應(yīng)的設(shè)備，該設(shè)備具有一個重構(gòu)單元和一個算術(shù)單元，以便執(zhí)行所述方法。
本發(fā)明基于對下面的事實的認識，為重構(gòu)一個3D圖像，如果只使用來自同一時間區(qū)亦即一個固定的運動階段的3D圖像數(shù)據(jù)，則對于整個檢查區(qū)域(例如，要檢查的器官心臟)而言不是最優(yōu)的。因為檢查區(qū)域的各個單獨部分在不同瞬間或在不同運動階段可以移動到不同程度，根據(jù)本發(fā)明，建議對檢查區(qū)域的有不同運動的單獨部分選擇特定的重構(gòu)窗口，在這種重構(gòu)窗口中重構(gòu)子圖像，和隨后把所述子圖像組合起來以便形成總圖像，亦即所希望的3D圖像。因此每個單個的子圖像可以從同一3D圖像集的不同3D圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)出。
于是要以3D圖像再現(xiàn)的完整的檢查區(qū)域可以細分為單獨的子區(qū)域，根據(jù)本發(fā)明每次為這些子區(qū)域決定一個各自的(時間)重構(gòu)窗口。然而，也可以選擇檢查區(qū)域中特別感興趣的單個子區(qū)域以便根據(jù)適配的重構(gòu)窗口在其內(nèi)執(zhí)行子圖像的這種形成，而檢查區(qū)域的所有其它區(qū)域則以常規(guī)方式根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)集的所有3D圖像數(shù)據(jù)或根據(jù)其在低運動階段獲得的特定子數(shù)量而重構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備的另外的形式和優(yōu)選實施例分別在權(quán)利要求2到5和7和8中公開。本發(fā)明特別適合用于心臟以及冠狀血管的3D圖像重構(gòu)；在這一場合，表示周期心臟運動的運動信號優(yōu)選相應(yīng)于心電圖。然而本發(fā)明原則上也可以用于其它物體或其它區(qū)域的成像，例如腹部或者單個器官像肝或胃的成像，因為這種區(qū)域或器官也經(jīng)受一個周期的運動，即呼吸運動。于是可以測量一個呼吸運動信號作為運動信號；各種方法適合這一目的，例如表示腹壁或橫隔膜的運動的信號。本發(fā)明的執(zhí)行在原理上提供增強的圖像質(zhì)量，特別當(dāng)要成像的檢查區(qū)域的單個子區(qū)域或子物體顯示出非同步運動方式時。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選形式，要形成檢查區(qū)域的一個運動模型，以便確定至少一個子區(qū)域的運動；為此目的，跟蹤低分辨率3D圖像中的特別有意義的點，或把在低分辨率3D圖像中的重現(xiàn)的物體分段。有意義的點可以是例如有解剖特征的點，例如冠狀血管中的分岔。于是在單獨的低分辨率子圖像中及時跟蹤這種有意義的點允許及時獲得所述點如何隨時間運動的運動信息。另外可選地，這一運動信息可以通過例如對在低分辨率3D圖像中與各個運動階段相關(guān)的血管樹進行分段而自動抽取。
根據(jù)另一個優(yōu)選形式，為檢查區(qū)域的每一體積單元或為檢查區(qū)域有特別興趣的區(qū)域選擇一個單獨的時間重構(gòu)窗口，每一體積單元(三維象素)或具有特殊興趣的區(qū)根據(jù)在選擇的時間重構(gòu)窗口內(nèi)獲得的3D圖像數(shù)據(jù)分別重構(gòu)。在只要能有足夠的計算時間的場合，或要形成具有最高可能分辨率和最好可能的經(jīng)運動修正的3D圖像的場合，可以把本發(fā)明的方法應(yīng)用到檢查區(qū)域的每一單獨的三維象素；這意味著，對于每一單獨的三維象素(voxel)存在導(dǎo)出的運動信息，在其基礎(chǔ)上為三維象素確定了一個特殊時間重構(gòu)窗口，也就是說，其內(nèi)發(fā)生這種三維象素圖像值重構(gòu)的窗口。然而，還可以每次組合幾個三維象素以形成多個三維象素的單獨的組，本發(fā)明的方法就是為它們執(zhí)行的，以便節(jié)省計算時間。
本發(fā)明原則上可以用于從任意3D圖像數(shù)據(jù)形成3D圖像；這意味著，原則上使用哪一種形式獲取3D圖像數(shù)據(jù)并不重要。不過，根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選與借助計算機斷層X光攝影裝置或借助3D旋轉(zhuǎn)X射線方法例如借助一個C臂X射線系統(tǒng)所獲取的3D圖像數(shù)據(jù)結(jié)合使用。
本發(fā)明還涉及在權(quán)利要求9中公開的用于執(zhí)行權(quán)利要求1所述的方法和/或控制權(quán)利要求6所述的設(shè)備的計算機程序。這一計算機程序特別包括編程工具，用于當(dāng)該計算機程序由計算機或者適合的算術(shù)單元執(zhí)行時執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法或控制根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。
下面參考附圖詳細說明本發(fā)明，附圖中

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的方法的示意圖，圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的方塊示意圖。
下面根據(jù)一個實例詳細說明根據(jù)本發(fā)明的方法，在該例子中要重構(gòu)冠狀血管的血管樹的一個高分辨率3D圖像。當(dāng)研究心臟的收縮方式時，看來這一方式從心房的收縮開始，接著是心室的收縮，從頂點開始。因為被觀察的解剖體的運動方式，沿冠狀動脈的各種體積單元(三維象素)在心臟運動階段或心律期間表現(xiàn)出相當(dāng)不同的運動方式。而在已知重構(gòu)方法中，通過以對心電圖(ECG)的R偏轉(zhuǎn)的固定時間延遲和一個給定的重構(gòu)窗口時間長度以簡單方式定義時間重構(gòu)窗口。然后使用同樣的重構(gòu)窗口重構(gòu)要被重構(gòu)的體積內(nèi)的三維象素。
然而，根據(jù)本發(fā)明，必須選擇特定三維象素的重構(gòu)窗口；這些窗口首先用于重構(gòu)單獨的子圖像，然后把這些子圖像組合以便形成所希望的總圖像。圖1表示一個心電圖E，它表示特征變化作為表示心臟運動的運動信號(測量一個電壓)對時間的函數(shù)。ECG的一個重要方面是所謂的R偏轉(zhuǎn)，下面使用它來定義重構(gòu)窗口。
使用一個成像系統(tǒng)，例如計算機X線斷層攝影裝置(CT)或工作在3D旋轉(zhuǎn)血管造影術(shù)原理上的C臂X射線設(shè)備，首先要獲得3D圖像數(shù)據(jù)集。這意味著，要從不同的透視圖或成像位置亦即在時間t內(nèi)連續(xù)地和以相等的時間間隔獲取檢查區(qū)域的獨立的數(shù)據(jù)集元素，亦即所謂的投影D01，D02，...。這些單獨的圖像數(shù)據(jù)集元素一起形成3D圖像數(shù)據(jù)集D，從中可以形成檢查區(qū)域的3D圖像。因為獲取3D圖像數(shù)據(jù)D在時間上平行于獲取ECGE，因此所獲得的3D圖像數(shù)據(jù)D可以指定給檢查區(qū)域的不同運動階段。于是所有數(shù)據(jù)集元素D01，D11，D21，D31...都在ECC E展示出R偏轉(zhuǎn)的第一運動階段內(nèi)獲得，數(shù)據(jù)集元素D02，D12，D22，D32...在對R偏轉(zhuǎn)具有第一固定時間延遲的第二運動階段內(nèi)獲得，等等。R偏轉(zhuǎn)發(fā)生在時間(周期)量為T的距離上。
根據(jù)本發(fā)明，各低分辨率3D圖像是從每次在相同運動階段期間獲得的數(shù)據(jù)集元素所形成的。這意味著，例如第一低分辨率圖像I1從第一運動階段的數(shù)據(jù)集元素D01，D11，D21，D31...重構(gòu)，第二低分辨率圖像I2從第二運動階段的數(shù)據(jù)集元素D02，D12，D22，D32...重構(gòu)，等。于是每一個這些低分辨率圖像I1、I2、I3、...從對R偏轉(zhuǎn)顯示出固定時間延遲的3D圖像數(shù)據(jù)獲得。
從這種低分辨率圖像I1、I2、I3、...中導(dǎo)出運動信息B，它提供在檢查區(qū)域中在運動周期期間存在的解剖體的運動的信息。因此，在這里說明的例子中，要獲得的運動信息B是關(guān)于心臟或者單個冠狀血管的單個區(qū)域在周期期間如何運動的信息。為此目的，可以在單獨的低分辨率圖像I中跟蹤例如冠狀血管的分岔這樣的有意義的點，或在這些圖像中對血管樹自動分段。從而可以導(dǎo)出確定這樣的運動階段的信息，即在這些階段中檢查區(qū)域的子區(qū)域，或在極端的場合，檢查區(qū)域的單獨的三維象素，移動到了什么程度，同時也規(guī)定了這樣的運動階段或者時間期間，在此期間在運動周期期間沒有或僅有很不重要的運動發(fā)生。
隨后使用這一運動信息來為單個檢查區(qū)域A1、A2、A3、...決定各自的最優(yōu)時間重構(gòu)窗口T1、T2、T3、...，這些單個檢查區(qū)域在極端情況下也可以相應(yīng)于單獨的三維象素。對于第一子區(qū)域A1就這樣確定第一時間重構(gòu)窗口T1；這同時意味著，僅從運動周期的這一段時間獲得的圖像數(shù)據(jù)集元素用來重構(gòu)這一子區(qū)域A1的一個高分辨率子圖像K1。這一重構(gòu)窗口T1也可以在圖2中認出；例如從中可以推導(dǎo)出，子區(qū)域A1的高分辨率子圖像K1的重構(gòu)只使用圖像數(shù)據(jù)集元素D02、D03、D04、D05、D12、D13、D14、D15、D22、D23、...，因為這一子區(qū)域在運動周期的時間窗口T1期間顯然沒有經(jīng)受運動或很少運動。然而，對于第二子區(qū)域A2，從運動信息B導(dǎo)出不同的時間重構(gòu)窗口T2，因此，為形成子區(qū)域A2的高分辨率子圖像K2，使用圖像數(shù)據(jù)集元素D04、D05、D06、D07、D14、D15、...，因為顯然在時間段T2內(nèi)子區(qū)域A2運動最少。
因此，對于要使用按照本發(fā)明的方法的每一子區(qū)域A，選擇一個單獨的時間重構(gòu)窗口T，相對于R偏轉(zhuǎn)的時間延遲和重構(gòu)窗口的持續(xù)時間對每一子區(qū)域A可以不同。然而，重構(gòu)窗口可以重疊或也可以相同。
如上所述，在極端場合，可以為檢查區(qū)域的每一個單個的三維象素決定單獨的時間重構(gòu)窗口T，以便每一單獨的三維象素可以從專門選擇的數(shù)據(jù)集元素單獨優(yōu)化地重構(gòu)。在另一個極端的場合，可以只為檢查區(qū)域的單一子區(qū)域決定一個單獨的重構(gòu)窗口，而檢查區(qū)域的所有其它區(qū)域以通常的方式從3D圖像數(shù)據(jù)集D的3D圖像數(shù)據(jù)或從一個固定的時間重構(gòu)窗口的3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)。再次應(yīng)該注意，重構(gòu)窗口是可變的，并且每一子區(qū)域在時間上可包括運動周期的不同長度和不同分段。
在最后的步驟把形成的高分辨率子圖像K1、K2、K3、...組合以形成希望的高分辨率3D圖像G。于是在根據(jù)本發(fā)明而選擇一個單獨的重構(gòu)窗口的這一3D圖像中的子區(qū)域顯示出明顯增強的圖像質(zhì)量，具有較高的分辨率和較少假象。
圖2以方塊示意圖的形式表示根據(jù)本發(fā)明的一個執(zhí)行上述方法的設(shè)備。其中，首先借助圖像數(shù)據(jù)獲取設(shè)備1例如計算機斷層X光攝影裝置或C臂X射線裝置獲取3D圖像數(shù)據(jù)集D。與此平行，借助合適的測量設(shè)備2例如借助心電圖儀獲取運動信號E例如ECG；這一運動信號提供關(guān)于要成像的解剖體的運動的信息。所獲取的數(shù)據(jù)首先存儲在存儲器3中，隨后施加到重構(gòu)單元4供評估和進一步處理。
其中，首先在第一重構(gòu)模塊41中形成表示不同運動階段中的檢查區(qū)域的低分辨率D圖像。隨后，將所述低分辨率圖像加到算術(shù)單元5，在其中在第一模塊51中以例如運動模型形式獲取運動信息B；隨后在第二模塊52中評估這一運動信息。因此，在模塊52中，使用運動信息來決定為例如由用戶定義的單個子區(qū)域A的單個時間重構(gòu)窗口。然后把這些重構(gòu)窗口應(yīng)用于第二重構(gòu)模塊42，它根據(jù)這一信息以及根據(jù)來自3D圖像數(shù)據(jù)集的運動信號E形成為單個子區(qū)域A的各自的高分辨率子圖像K。最后把這些高分辨率子圖像K在組合模塊43中組合以便形成希望的檢查區(qū)域的高分辨率3D總圖像G。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)檢查區(qū)域的3D圖像數(shù)據(jù)集(D)重構(gòu)病人的一個檢查區(qū)域的高分辨率3D圖像(G)的方法，該檢查區(qū)域經(jīng)受周期運動，這一運動的測量與3D圖像數(shù)據(jù)集(D)的獲取是平行的，并作為表示該周期運動的運動信號(E)，所述方法包括步驟a)從3D圖像數(shù)據(jù)集(D)重構(gòu)多個低分辨率3D圖像(I)，這些低分辨率3D圖像(I)根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)集(D)的3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)，所述3D圖像數(shù)據(jù)集(D)是在周期運動的不同運動階段獲得的，b)借助該低分辨率3D圖像(I)確定檢查區(qū)域的至少一個子區(qū)域(A)在運動的不同階段期間的運動信息(B)，c)選擇一個時間重構(gòu)窗口(T)，其中，至少一個子區(qū)域(A)的運動低于預(yù)定水平，d)根據(jù)在為子區(qū)域(A)選擇的時間重構(gòu)窗口(T)中的3D圖像數(shù)據(jù)(D)為該至少一個子區(qū)域(A)重構(gòu)一個高分辨率子圖像(K)，e)根據(jù)該至少一個子圖像(K)形成所希望的3D圖像(G)，然后使未作為子圖像重構(gòu)的3D圖像(G)的區(qū)域根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)，以便與所述至少一個子圖像(K)相組合。
2.權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，形成檢查區(qū)域的運動模型，以便確定至少一個子區(qū)域(A)的運動信息(B)，也就是說，特別通過跟蹤低分辨率3D圖像中的有意義的點或通過將重現(xiàn)的物體分段。
3.權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，對于檢查區(qū)域的每一個三維象素，或者對于檢查區(qū)域特別感興趣的區(qū)域，選擇一個單獨的時間重構(gòu)窗口(T)，并且每一體積單元或每一特別感興趣的區(qū)域根據(jù)在所選擇的時間重構(gòu)窗口(T)中獲得的3D圖像數(shù)據(jù)而分別重構(gòu)。
4.權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，借助計算機斷層X光攝影裝置或3D旋轉(zhuǎn)X射線裝置獲取3D圖像數(shù)據(jù)集(D)。
5.權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，使用心電圖或呼吸運動信號作為表示檢查區(qū)域的運動的信號(E)。
6.一種用于根據(jù)檢查區(qū)域的3D圖像數(shù)據(jù)集(D)重構(gòu)病人的一個檢查區(qū)域的高分辨率3D圖像(G)的設(shè)備，檢查區(qū)域經(jīng)受周期運動，這一運動的測量與3D圖像數(shù)據(jù)集(D)的獲取是平行的，并作為表示該周期運動的運動信號(E)，所述設(shè)備包括a)重構(gòu)單元(4)，用于從3D圖像數(shù)據(jù)集(D)重構(gòu)多個低分辨率3D圖像(I)，低分辨率3D圖像(I)根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)集(D)的3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)，所述3D圖像數(shù)據(jù)集(D)是在周期運動的不同運動階段獲得的，b)算術(shù)單元(5)，用于借助低分辨率3D圖像(I)確定檢查區(qū)域的至少一個子區(qū)域(A)在運動的不同階段期間的運動，該算術(shù)單元被安排來選擇一個時間重構(gòu)窗口(T)，在其中至少有一個子區(qū)域(A)的運動低于預(yù)定水平，并且該重構(gòu)單元(4)被安排來根據(jù)處在為子區(qū)域(A)選擇的時間重構(gòu)窗口(T)中的3D圖像數(shù)據(jù)(D)為該至少一個子區(qū)域(A)重構(gòu)至少一個高分辨率子圖像(K)，和根據(jù)該至少一個子圖像(K)形成所希望的3D圖像(G)，然后使未作為子圖像重構(gòu)的3D圖像(G)的區(qū)域根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)，以便與至少一個子圖像(K)相組合。
7.一種用于形成病人的一個檢查區(qū)域的3D圖像的設(shè)備，它包括一個圖像獲取設(shè)備(1)，用于獲取檢查區(qū)域的3D圖像數(shù)據(jù)集，該檢查區(qū)域經(jīng)受周期運動，還包括一個測量設(shè)備(2)，用于與3D圖像數(shù)據(jù)集(D)的獲取平行地測量表示該周期運動的運動信號，還包括一個用于重構(gòu)如權(quán)利要求6所述的高分辨率3D圖像的設(shè)備。
8.權(quán)利要求7所述方法，其特征在于，所述設(shè)備是計算機斷層X光攝影裝置或3D轉(zhuǎn)動X射線設(shè)備，特別是C臂X射線設(shè)備。
9.一個計算機程序，用于執(zhí)行權(quán)利要求1所述的方法和/或用于控制權(quán)利要求6所述的設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種根據(jù)檢查區(qū)域的3D圖像數(shù)據(jù)集(D)重構(gòu)病人的一個檢查區(qū)域的高分辨率3D圖像(G)的方法，檢查區(qū)域經(jīng)受一個周期運動，這一運動的測量與3D圖像數(shù)據(jù)集(D)的獲取是平行的，并作為表示該周期運動的運動信號(E)。為能夠形成具有增強圖像質(zhì)量的高分辨率3D圖像，本發(fā)明建議這樣一種方法，它包括步驟a)根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)集(D)重構(gòu)若干低分辨率3D圖像(I)，低分辨率3D圖像(I)根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)集(D)的3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)，所述3D圖像數(shù)據(jù)集(D)是在周期運動的不同運動階段獲得的，b)借助低分辨率3D圖像(I)確定檢查區(qū)域的至少一個子區(qū)域(A)在運動的不同階段期間的運動信息(B)，c)選擇一個時間重構(gòu)窗口(T)，在其中有至少一個子區(qū)域(A)的運動低于預(yù)定水平，d)根據(jù)為子區(qū)域(A)選擇的時間重構(gòu)窗口(T)中的3D圖像數(shù)據(jù)(D)為該至少一個子區(qū)域(A)重構(gòu)一個高分辨率子圖像(K)，和e)根據(jù)該至少一個子圖像(K)形成所希望的3D圖像(G)，然后未作為子圖像重構(gòu)的3D圖像(G)的區(qū)域根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)，以便與至少一個子圖像(K)組合。
文檔編號A61B6/03GK1526121SQ02812392
公開日2004年9月1日 申請日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月20日
發(fā)明者V·拉舍, M·格拉斯, , V 拉舍 申請人:皇家菲利浦電子有限公司