專利名稱：對對象的運動進行分析的方法和斷層造影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法和一種斷層造影裝置，用于基于在至少兩個相繼時刻上利用斷層造影裝置產(chǎn)生的圖像對對象的運動進行分析。
背景技術(shù)：
為有效治療心臟病，要求在非常短的時間內(nèi)開始對心臟實施適合于該心臟病的治療。因此可供醫(yī)生用于診斷心臟病的時間非常短。為減少診斷所需的時間，具有優(yōu)點的是從所要實施的一次檢查中獲取有關(guān)心臟狀態(tài)盡可能多的信息。在此方面特別具有說服力的是心肌狀態(tài)的信息，這些信息基本上確定治療的類型。為分析心臟的活力，通常在相繼時刻上利用計算機斷層造影裝置產(chǎn)生心臟的層析圖像或者立體圖像，其中，每個圖像反映心臟的一個特定的運動階段或一種特定的運動狀態(tài)。
在此方面，在對心臟進行螺旋掃描時獲取的原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生圖像。為避免運動偽影，主要存在兩種建立方法，其中，對與掃描同時采集的EKG信號進行分析預期觸發(fā)在預期觸發(fā)中，從患者的EKG信號中確定出平均R-R持續(xù)時間。在該測定的時間間隔的基礎(chǔ)上，借助百分值、例如80％來確定數(shù)據(jù)采集的開始。掃描然后例如僅在心臟運動的舒張期間或者在一個此前確定的階段期間展望性地進行。
回顧觸發(fā)回顧觸發(fā)時的掃描首先與患者的心臟搏動無關(guān)地進行。EKG信號與掃描同時記錄。掃描后將所采集的原始數(shù)據(jù)通過對EKG信號的分析與心臟運動的各階段相對應，從而僅基于屬于同一階段的原始數(shù)據(jù)來進行再現(xiàn)。
心臟的噴射系數(shù)說明每次心臟搏動從左心室排出的血量作為評價心臟活力的間接度量。噴射系數(shù)從再現(xiàn)的心臟舒張期和收縮期圖像的時間序列中計算出。
此外圖像的時間序列還可以用于通過使用造影劑對心臟灌注的確定。造影劑在掃描開始時注入患者的靜脈。隨后在一個此前選擇的測量范圍內(nèi)，作為對造影劑在相繼的圖像中濃度變化的度量來確定衰減值的變化。隨后可以從造影劑濃度的時間變化中導出有關(guān)心臟活力的判斷。然而，因為所觀察的衰減值的變化與測量噪聲相比非常小，所以由于很低的信噪間隔而不能始終明確確定造影劑濃度的變化。基于灌注的對心臟活力的測定只能以一定程度的不可靠性可行。
通過分析心臟的運動可以更準確地判斷心臟的活力。但利用噴射系數(shù)和/或者灌注推斷心臟的運動是遠遠不夠的。
US 6236742 B1公開了一種用于識別惡性腫瘤的方法，其中，在圖像中可以看到組織變化。在該公開的方法中，為兩個在不同時間點上測定的圖像在總圖像分析的基礎(chǔ)上補償位移的和轉(zhuǎn)動的運動部分。隨后為全部圖像點確定移動向量，從中計算出用于組織變化可視化的發(fā)散。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種方法和一種斷層造影裝置，利用其可以在至少兩個相繼時刻上利用斷層造影裝置產(chǎn)生的圖像基礎(chǔ)上，以與公知的方法相比得到改進的方式利用簡單的手段對對象的運動進行分析。
對象的運動可以作為不同運動分量的總和給出。在此其中兩個分量分別表示運動的平移部分和轉(zhuǎn)動部分。第三分量描述對象的扭曲或者變形。
周期性收縮的對象例如心臟的運動，基本上可以通過扭曲在時間上的變化或通過在時間上交替的收縮運動和擴張運動來表征。轉(zhuǎn)動的和平移的運動部分在判斷心臟的活力時不起作用。
本發(fā)明人認識到，在下述情況下可以利用特別簡單的方式并以得到改進的形式對心臟的運動進行分析，即為兩個時間上連續(xù)的圖像首先測定一個由在所選擇的圖像區(qū)域內(nèi)沿邊緣確定的移動向量形成的向量場，并隨后從該向量場中測定至少一個發(fā)散值。該向量場表示一個運動場，從而圖像中一個點的發(fā)散值給出向該點或從該點向外的收縮運動或擴張運動的趨勢。發(fā)散值的絕對值可以解釋為對象的運動強度，而符號可以解釋為對象的運動類型，其中，發(fā)散值的負號相當于對象的收縮運動，而發(fā)散值的正號相當于對象的擴張運動。因此通過給出發(fā)散值的絕對值和符號可以直接推斷出心臟的運動。
因此依據(jù)本發(fā)明提出，為在至少兩個相繼時刻上利用斷層造影裝置產(chǎn)生的圖像基礎(chǔ)上對對象的運動進行分析，-從各兩個圖像中測定構(gòu)成向量場的移動向量，其中，每個移動向量描述在第一圖像與第二圖像之間的局部圖像信息的移動，以及-為分析該運動從該向量場中計算出至少一個發(fā)散值。
因此采用該過程可以按照簡單的方式測定運動參數(shù)，利用其可以定性和定量地描述周期性運動的對象的運動特性。
發(fā)散值從向量場的偏導數(shù)中計算。發(fā)散值與運動的平移或者轉(zhuǎn)動部分無關(guān)，從而即使對象，如心臟在某種極限下的情況中那樣，在不同的運動階段之間移動或者轉(zhuǎn)動，也能夠穩(wěn)定且可靠地采集收縮或者擴張運動。
移動向量可以從兩個圖像中例如借助從視頻壓縮中公知的決匹配法確定。在這種方法中，將原始圖像劃分成同樣大小、不重疊的正方塊，其中，每個塊例如由16×16個圖像點組成。隨后對每個塊在目標圖像中確定該塊與目標圖像中對應的塊最相關(guān)的位置。在此該最佳相關(guān)的位置給出原始圖像與目標圖像之間塊或局部圖像區(qū)域的移動向量。在最簡單的情況下，相關(guān)性從原始圖像和目標圖像中對應圖像點之間的差值絕對值中計算出來。但原則上也可以將其他的成本函數(shù)用于計算移動向量。
因為原則上不能確定基本上均勻的圖像區(qū)域中的移動向量，所以具有優(yōu)點的是僅計算具有足夠結(jié)構(gòu)的所選擇的圖像區(qū)域的移動向量。
因此具有優(yōu)點的是，在其基礎(chǔ)上確定兩個圖像之間移動向量的圖像信息是對象的邊緣。對象邊緣的特征特別是通過圖像中的高對比度突變表示，并又可以在圖像中以簡單的方式識別。因此根據(jù)局部圖像區(qū)域內(nèi)衰減值的高差值，可以可靠的方式保證可靠地確定移動向量?？梢蕴貏e有效地對具有角點的圖像邊緣確定移動向量。也就是說，通過一個角點可以唯一地確定移動的全部自由度。
在一種具有優(yōu)點的實施方式中，所產(chǎn)生的圖像為二維層析圖像，其中，移動向量表示這些層析圖像之間圖像信息的二維移動。這種層析圖像在心臟檢查的范圍內(nèi)通常借助計算機斷層造影裝置產(chǎn)生，從而為分析對象的運動無需制作附加的圖像。
作為另一種選擇，同樣可以設(shè)想所產(chǎn)生的圖像為三維立體圖像，其中，移動向量表示這些立體圖像之間圖像信息的三維移動。這些立體圖像通常也在對象的檢查范圍內(nèi)制作，從而為分析對象的運動無需重新采集圖像。
通過分析在檢查時本來就產(chǎn)生的圖像，可以取消將附加的模態(tài)如MR或者SPECT用于例如心臟運動這種對象運動的分析。因此消除了患者的耗時和高花費的換位和檢查準備。
最好計算多個發(fā)散值，從而通過這些發(fā)散值形成一個標量場。通過分析標量場可以避免單個發(fā)散值的干擾。這樣例如通過取N個局部相鄰發(fā)散值的平均值，可以將發(fā)散值的噪聲降低因數(shù)1/根(N)。但也可以將其他數(shù)學函數(shù)用于消除發(fā)散值中的干擾。因此形成作為非線性運算的平均值使得可以例如抑制由于圖像結(jié)構(gòu)中的干擾而無效的發(fā)散值。
具有優(yōu)點地將所產(chǎn)生的圖像與至少一個計算出的發(fā)散值一起進行顯示，從而操作人員可以迅速了解對象的運動變化。
分析可以僅在兩個所選擇的心臟階段之間進行或者具有優(yōu)點地在所采集的圖像序列的基礎(chǔ)上進行，其中，從各兩個時間上連續(xù)的圖像中計算出發(fā)散值，從而可以顯示對象的時間上的運動變化。從心臟運動變化的時間序列中可以直接識別心臟是否存在病態(tài)的運動變化。


下面的示意圖中示出本發(fā)明的實施例以及本發(fā)明具有優(yōu)點的其他構(gòu)成。其中圖1以透視圖示出依據(jù)本發(fā)明的斷層造影裝置，該裝置適用于實施對對象例如心臟的運動進行分析的方法；圖2以方框圖示出用于對心臟的運動進行分析的依據(jù)本發(fā)明的方法的流程；圖3以圖像示出與心臟的輪廓圖像疊加的心臟擴張運動的第一向量場；圖4以圖像示出與心臟的輪廓圖像疊加的心臟收縮運動的第二向量場；圖5圖形地示出在不同時刻采集的圖像的序列以及與這些圖像對應的發(fā)散值。
具體實施例方式
圖1以透視圖示出依據(jù)本發(fā)明的斷層造影裝置，在這里為具有附圖標記2的計算機斷層造影裝置，該裝置適用于在至少兩個相繼時刻上利用該斷層造影裝置2產(chǎn)生的圖像3、4的基礎(chǔ)上對對象，在這里為具有附圖標記1的患者16的心臟的運動進行分析。
計算機斷層造影裝置2配備有一個具有患者16可躺在上面的移動檢查臺18的支承裝置17。檢查臺18可在旋轉(zhuǎn)軸19的方向調(diào)整，從而與患者16相關(guān)的、心臟1所處的檢查區(qū)可以通過計算機斷層造影裝置2外殼上的開口移動到拍攝系統(tǒng)20、21的測量區(qū)內(nèi)?；颊?6和拍攝系統(tǒng)20、21按照這種方式可以在旋轉(zhuǎn)軸19的方向彼此相對調(diào)整，從而可以采取不同的掃描位置。
為采集投影，拍攝系統(tǒng)20、21具有一個X射線管形式的輻射器20和一個與其相對設(shè)置的檢測器21，其中，檢測器21弧形地構(gòu)成并包括多個排列成檢測器行的檢測器元件22。輻射器20產(chǎn)生扇形X射線射束形式的輻射，其穿過測量區(qū)并隨后射中檢測器21的檢測器元件22。檢測器元件22產(chǎn)生取決于穿過測量區(qū)的X射線衰減的衰減值。將X射線輻射轉(zhuǎn)換成衰減值例如可分別借助與閃爍器光學耦合的光敏二極管或者借助直接轉(zhuǎn)換的半導體進行。檢測器21按照這種方式產(chǎn)生一組也稱為投影的衰減值。
拍攝系統(tǒng)20、21可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在支架23上，從而可以采集來自不同投影方向的投影。通過支架23旋轉(zhuǎn)的同時將患者16在旋轉(zhuǎn)軸19方向上連續(xù)進給，可以在螺旋掃描時采集來自沿旋轉(zhuǎn)軸19或沿患者16的不同位置上的不同投影方向的投影。將拍攝系統(tǒng)20、21按照這種方式獲得的投影傳送到計算單元24中并計算出可在顯示單元25上顯示的圖像。該圖像例如可以是檢查區(qū)的層析圖像或者立體圖像。
在掃描的同時借助EKG裝置27采集心臟的EKG信號26并通過數(shù)據(jù)線傳送到計算單元24。對不同時刻或不同運動階段的兩個圖像的再現(xiàn)由于心臟1不斷的運動而只能在分析EKG信號的情況下才能進行。
主要存在兩種不同的方法，其中，分析在掃描的同時采集的EKG信號26，以再現(xiàn)心臟1的運動階段預期觸發(fā)在預期觸發(fā)中，從患者16的EKG信號26中確定心臟信號的平均R-R持續(xù)時間。在所確定的時間間隔的基礎(chǔ)上，借助百分值例如80％來確定數(shù)據(jù)采集的開始。掃描然后僅在心臟運動的舒張期間或者在一個此前定義的心臟運動階段展望地進行。
回顧觸發(fā)在回顧觸發(fā)中，掃描首先與患者16的心臟搏動無關(guān)地進行。EKG信號26與掃描同時記錄。掃描后將所采集的原始數(shù)據(jù)通過對EKG信號26的分析與心臟運動的各階段相對應，從而再現(xiàn)僅在屬于同一階段的原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行。
使用產(chǎn)生心臟1的不同運動階段的至少兩個圖像3、4或者一個圖像序列的兩種方法中的哪一種，對本發(fā)明來說并不重要。也可以使用其他的圖像產(chǎn)生方法。重要的僅在于，所產(chǎn)生的圖像3、4具有在心臟結(jié)構(gòu)的投影上無運動偽影的清晰度。
計算機斷層造影裝置2具有計算裝置14和分析裝置15，從而圖2中以方框圖方式示出的方法可以為進行對心臟1運動的分析而運行。
在第一方法步驟28中，從與EKG信號26相關(guān)的原始數(shù)據(jù)中再現(xiàn)至少兩個不同時刻的圖像3、4，其中，這些時刻對應于心臟1的不同運動階段。在此，圖像3、4既可以是層析圖像也可以是立體圖像。
在第二方法步驟29中，如圖3和4所示那樣，從各兩個圖像3、4中確定由移動向量5；6形成的向量場7；8，其中，每個移動向量5；6描述第一圖像3與第二圖像4之間局部圖像信息的移動。下面，第一圖像稱為原始圖像3且第二圖像稱為目標圖像4。
從這樣確定的向量場7；8中隨后至少為原始圖像3中的一個圖像點計算出一個發(fā)散值，通過其符號給出心臟的運動類型，并通過其絕對值給出可與目標圖像4相關(guān)地給出心臟的運動強度。最好在心臟壁上確定圖像點31的發(fā)散值，從而該發(fā)散值給出心臟壁在負號情況下收縮或者在正號情況下擴張的趨勢。但同樣可以設(shè)想發(fā)散與心臟中心上的一個點相關(guān)，從而該發(fā)散值相當于心臟的收縮運動或者擴張運動。在這種情況下，發(fā)散值的絕對值可以在考慮到移動向量的分布的情況下各自與一個特定的立體相對應。
不言而喻，也可以計算不同圖像點的發(fā)散值的標量場。從該標量場中通過低通濾波或者形成平均值，一般情況下可以導出用于說明運動的無干擾值。
可將向量場7；8和/或者發(fā)散值的計算結(jié)果與圖像3、4疊加并在顯示單元25上顯示以示出形態(tài)學的關(guān)系，從而操作人員可以直接得到心臟1周期性運動的定量分布和解剖學的概貌。數(shù)值的顯示同樣可以偽顏色編碼的方式用于直觀采集信息。
圖3以圖像示出心臟1擴張運動的第一向量場5，其中，向量場5與心臟的輪廓圖像12疊加。實線示出心臟1在原始圖像3中的邊緣變化，虛線示出心臟1在目標圖像4中的邊緣變化。由于擴張運動，原始圖像3的邊緣變化相對于目標圖像4的邊緣變化向外移動。
對圖像中的邊緣12；13可以利用數(shù)字圖像處理的不同方法進行提取。邊緣的存在例如可以借助局部梯度的絕對值來計算。
向量場7的移動向量5在所示的實施例中不是對原始圖像3的全部圖像點確定的，而是僅對沿心臟1的邊緣12的所選擇的圖像點確定的。通過在邊緣12上的對比度突變而產(chǎn)生的高信噪比保證了移動向量5的可靠確定。移動向量5可以非常好地對針對具有角點的圖像邊緣來確定。也就是說，通過角點明確確定移動的全部自由度。
存在用于確定移動向量5的完全不同的方法。一種常用的方法是視頻編碼中使用的塊匹配法。在這種方法中，將原始圖像劃分成相同大小的正方塊，其中，每個塊例如由16×16個局部相鄰的圖像點的圖像區(qū)域10組成。在每個塊上隨后在目標圖像4中確定該塊與目標圖像中對應的塊達到最佳相關(guān)性的那個位置。在此該最佳相關(guān)的位置給出塊或局部圖像區(qū)域11在原始圖像與目標圖像3、4之間的移動向量5。
在最簡單的情況下，相關(guān)性從原始圖像和目標圖像3、4中對應圖像點之間的差值絕對值中計算。但原則上也可以將其他的成本函數(shù)用于計算移動向量5。
從這樣計算出的向量場中可以按照下列規(guī)則計算發(fā)散div(V→(r→))=Σi=1n∂Vi∂ri]]>其中， 表示一個具有分量r1至rn的n維空間內(nèi)一個圖像點的位置向量， 表示具有分量V1至Vn的移動向量， 表示根據(jù)位置分量ri的Vi的偏導數(shù)。
圖4以圖像示出由移動向量6組成的第二向量場8，它與圖3所示的第一向量場7的區(qū)別在于其對應于心臟1的收縮運動。該向量場8也與心臟1的輪廓圖像疊加。
圖5以圖形示出在不同時刻采集的圖像序列，其中，一個發(fā)散值9分別與兩個時間上連續(xù)的圖像3、4相對應。在該實施例中發(fā)散值9應與對象的壁相關(guān)。從發(fā)散值9的時間序列中可以進行對運動的全面分析，它超出在單獨觀察發(fā)散值9時所確定的運動類型和強度。從發(fā)散值9的時間變化中，例如可以導出心臟壁上的特定位置在心臟循環(huán)中是否周期性地收縮或擴張。為此目的，對時間上連續(xù)測定的發(fā)散值9之間的差值進行分析。
這里所介紹的方法并不局限于對心臟運動的分析上。該方法除了平移的和轉(zhuǎn)動的運動外，也完全普遍適用于具有變形的對象。
本發(fā)明的主要思路可作如下概述本發(fā)明涉及一種方法和一種斷層造影裝置2，用于在至少兩個相繼時刻上利用斷層造影裝置2產(chǎn)生的圖像3、4的基礎(chǔ)上對對象1的運動進行分析，其中，從各兩個圖像3、4中測定一個由移動向量5；6形成的向量場7；8，以及其中為分析運動從該向量場7；8中計算出至少一個發(fā)散值9。該發(fā)散值9使得可以按照簡單的方式定性和定量地采集收縮或擴張運動，其中，發(fā)散值9的符號給出對象1的運動類型，而絕對值給出對象1的運動強度。
權(quán)利要求
1.一種用于在至少兩個相繼時刻上利用斷層造影裝置(2)產(chǎn)生的圖像(3，4)的基礎(chǔ)上對對象(1)的運動進行分析的方法，其中，-從所選擇的圖像區(qū)域內(nèi)的各兩個圖像(3，4)中沿邊緣測定構(gòu)成向量場(7；8)的移動向量(5；6)，其中，每個移動向量(5；6)描述在第一圖像(3)與第二圖像(4)之間的局部圖像信息的移動，以及-為分析該運動從該向量場(7；8)中計算出至少一個發(fā)散值(9)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述移動向量(5；6)從第一圖像(3)的圖像區(qū)域(10)與第二圖像(4)的圖像區(qū)域(11)的相關(guān)性中獲得。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所產(chǎn)生的圖像(3，4)為二維層析圖像，并且所述移動向量(5；6)表示這些層析圖像之間圖像信息的二維移動。
4.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所產(chǎn)生的圖像(3，4)為三維立體圖像，并且所述移動向量(5；6)表示這些立體圖像之間圖像信息的三維移動。
5.按權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其中，計算不同圖像點上的多個發(fā)散值(9)，從而由這些發(fā)散值(9)形成一個標量場。
6.按權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其中，將所產(chǎn)生的圖像(3，4)與至少一個計算出的發(fā)散值(9)共同顯示。
7.按權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其中，產(chǎn)生多個圖像，其中，從各兩個時間上連續(xù)的圖像(3，4)中計算出發(fā)散值(9)，從而可以顯示對象(1)在時間上的運動變化。
8.按權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其中，所述對象(1)為心臟。
9.一種用于在至少兩個相繼時刻上利用斷層造影裝置產(chǎn)生的圖像(3，4)的基礎(chǔ)上對對象(1)的運動進行分析的斷層造影裝置，具有-計算裝置(14)，用于測定由移動向量(5；6)形成的向量場(7；8)，所述移動向量可從所選擇的圖像區(qū)域內(nèi)各兩個圖像(3，4)中沿邊緣測定，其中，所述移動向量(5；6)描述第一圖像(3)與第二圖像(4)之間局部圖像信息的移動，以及-分析裝置(15)，用于從該向量場(7；8)中計算出至少一個發(fā)散值(9)。
10.按權(quán)利要求9所述的斷層造影裝置，其中，所述移動向量(5；6)可從第一圖像(3)的圖像區(qū)域(10)與第二圖像(4)的圖像區(qū)域(11)的相關(guān)性中測定。
11.按權(quán)利要求9或10所述的斷層造影裝置，其中，所產(chǎn)生的圖像(3，4)為二維層析圖像，并且所述移動向量(5；6)表示在這些層析圖像之間圖像信息的二維移動。
12.按權(quán)利要求9或10所述的斷層造影裝置，其中，所產(chǎn)生的圖像(3，4)為三維立體圖像，并且所述移動向量(5；6)表示這些立體圖像之間圖像信息的三維移動。
13.按權(quán)利要求9至12之一所述的斷層造影裝置，其中，計算在不同圖像點上的多個發(fā)散值(9)，從而使這些發(fā)散值(9)形成一個標量場。
14.按權(quán)利要求9至13之一所述的斷層造影裝置，其中，所產(chǎn)生的圖像(3，4)可與至少一個計算出的發(fā)散值(9)共同顯示。
15.按權(quán)利要求9至14之一所述的斷層造影裝置，其中，產(chǎn)生多個圖像并且其中可從各兩個時間上連續(xù)的圖像中計算出發(fā)散值(9)，從而可以顯示對象(1)的時間上的運動變化。
16.按權(quán)利要求9至15之一所述的X射線斷層造影裝置，其中，該斷層造影裝置(2)為計算機斷層造影裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法和一種斷層造影裝置(2)，用于在至少兩個相繼時刻上利用斷層造影裝置(2)產(chǎn)生的圖像(3，4)的基礎(chǔ)上對對象(1)的運動進行分析，其中，從各兩個圖像(3，4)中測定一個由移動向量(5；6)形成的向量場(7；8)，以及其中為分析運動從該向量場(7；8)中計算出至少一個發(fā)散值(9)。該發(fā)散值(9)使得可以按照簡單的方式定性和定量地測定收縮或擴張運動，其中，發(fā)散值(9)的符號給出對象(1)運動的類型，而絕對值給出對象(1)的運動強度。
文檔編號A61B19/00GK101028196SQ200610130979
公開日2007年9月5日 申請日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者赫伯特·布魯?shù)? 雷納·勞派克 申請人:西門子公司