專利名稱：根據(jù)多層面高分辯率計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及醫(yī)學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，具體地說(shuō)，涉及一種根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法和系統(tǒng)。
2.背景說(shuō)明據(jù)報(bào)道，肺癌是男人和女人第二位最常檢出的癌癥，居美國(guó)癌癥死亡病因之首。與此同時(shí)，已經(jīng)證明，早期檢出某些肺癌可顯著提高五年期存活率。因此，人們非常希望通過非入侵性方法于早期檢出肺腫瘤。多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)掃描提供了這樣一種方法，使用這種方法可以對(duì)肺容積內(nèi)任意位置的直徑為2至30毫米的腫瘤成像。
但是，大量的MSHR CT數(shù)據(jù)給內(nèi)科醫(yī)生造成了棘手的難題。層面(slice)厚度為1至1.5毫米的典型多層面高分辨率掃描可能有300個(gè)或更多的圖像層面。如果用于肺癌篩選的計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)廣泛普及，則這種檢測(cè)有巨大的需求。顯然，對(duì)于內(nèi)科醫(yī)生而言，研究每個(gè)圖像層面既費(fèi)時(shí)又不切實(shí)際。因此，自動(dòng)腫瘤檢測(cè)方法和系統(tǒng)將不僅是所期望的，而且高度有利的。
發(fā)明概述本發(fā)明，即一種根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHRCT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法和系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)的上述問題以及其它相關(guān)問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法。根據(jù)MSHR CT圖像數(shù)據(jù)，定義感興趣容積(volume of interest)(VOI)，以便通過MSHR CT圖像內(nèi)的肺容積。利用VOI來(lái)檢查肺容積，這一步驟包括確定所述VOI內(nèi)的局部密度直方圖(local histogram ofintensity)；以及確定用于分割所述VOI以獲取種子點(diǎn)(seed)的自適應(yīng)閾值。檢查每個(gè)所述種子點(diǎn)以從中檢測(cè)肺腫瘤，這一步驟包括對(duì)所述種子點(diǎn)應(yīng)用分割法來(lái)分割種子點(diǎn)所表示的解剖結(jié)構(gòu)，所述分割法根據(jù)對(duì)種子點(diǎn)進(jìn)行的局部直方圖分析自適應(yīng)地調(diào)整分割閾值，以根據(jù)對(duì)應(yīng)于局部直方圖的三維連通性和密度信息來(lái)提取解剖結(jié)構(gòu)；以及根據(jù)對(duì)應(yīng)于肺腫瘤和相關(guān)的預(yù)定義解剖結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)將每個(gè)分割的解剖結(jié)構(gòu)歸類為肺腫瘤或非腫瘤之一。顯示肺腫瘤。接著對(duì)肺腫瘤進(jìn)行分析，這包括自動(dòng)量化肺腫瘤的特征以提供每個(gè)肺腫瘤的自動(dòng)檢測(cè)決定。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，檢查肺容積的步驟包括確定所述局部直方圖所對(duì)應(yīng)的一維直方圖曲線的曲率的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，檢查肺容積的步驟包括確定所述一維直方圖曲線曲率的正負(fù)曲率極值的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，檢查肺容積的步驟包括根據(jù)對(duì)所述一維直方圖曲線曲率的正負(fù)曲率極值的分析，確定自適應(yīng)分割閾值的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，所述歸類步驟包括將非腫瘤結(jié)構(gòu)排除在后續(xù)評(píng)估之外的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，所述排除步驟包括在所述VOI的Z軸方向上對(duì)種子點(diǎn)應(yīng)用深度優(yōu)先搜索法，以排除表示所述非腫瘤結(jié)構(gòu)的種子點(diǎn)的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述分析步驟包括從用戶接收對(duì)每個(gè)肺腫瘤的最終檢測(cè)決定的步驟，所述最終檢測(cè)決定取代(override)所述自動(dòng)檢測(cè)決定。
結(jié)合附圖，參照如下對(duì)最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的這些以及其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的，根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的系統(tǒng)100的框圖；圖2A和2B顯示根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，所檢測(cè)到的候選腫瘤200的實(shí)例；圖3是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的，根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法300的流程圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的，包圍感興趣對(duì)象的感興趣容積(VOI)內(nèi)的局部直方圖曲線；圖4B是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，在設(shè)置了分割閾值的密度范圍內(nèi)，圖4A所示局部直方圖的特寫視圖；圖4C是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，說(shuō)明據(jù)以確定自適應(yīng)閾值的，圖4A和4B的局部直方圖的對(duì)應(yīng)曲率極值的曲線圖。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明旨在提供一種根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法和系統(tǒng)。
要明確的是，本發(fā)明可以用硬件、軟件、固件、專用處理器或它們的組合等各種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。最好，本發(fā)明以硬件和軟件的組合形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。再者，軟件最好實(shí)現(xiàn)為包含在程序存儲(chǔ)器中的應(yīng)用程序。所述應(yīng)用程序可以上載到包括任何合適的體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器上并由它來(lái)執(zhí)行。所述機(jī)器最好在這種硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，這種硬件平臺(tái)具有諸如一個(gè)或多個(gè)中央處理單元(CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)以及輸入/輸出(I/O)接口等硬件。所述計(jì)算機(jī)平臺(tái)還包括操作系統(tǒng)和微指令代碼。這里所述的各種過程和功能可以是通過操作系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行的微指令代碼或應(yīng)用程序(或二者的組合)的一部分。此外，還可以將各種其它外圍設(shè)備連接到所述計(jì)算機(jī)平臺(tái)，如附加的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置或打印裝置。
還要明確的是，因?yàn)楦綀D中所示的某些構(gòu)成系統(tǒng)的部件和方法步驟最好以軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以系統(tǒng)部件(或處理步驟)之間的實(shí)際連接可能有所不同，具體視以何種方式來(lái)對(duì)本發(fā)明編程而定。根據(jù)本說(shuō)明書給出的論述，本專業(yè)普通技術(shù)人員可考慮本發(fā)明的這些和其它類似的實(shí)施方案或配置。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的，根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的系統(tǒng)1 00的框圖。系統(tǒng)100至少包括在工作時(shí)通過系統(tǒng)總線104與其它部件連接的一個(gè)處理器(CPU)102。只讀存儲(chǔ)器(ROM)106、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)108、顯示器適配器110、I/O適配器112以及用戶界面適配器114在工作時(shí)連接到系統(tǒng)總線104。
顯示裝置116在工作時(shí)通過顯示器適配器110連接到系統(tǒng)總線104。盤式存儲(chǔ)裝置(例如，磁盤或光盤存儲(chǔ)裝置)118在工作時(shí)通過I/O適配器112連接到系統(tǒng)總線104。
鼠標(biāo)120、鍵盤122以及眼跟蹤裝置(eye tracking device)124通過用戶界面適配器114在工作時(shí)連接到系統(tǒng)總線104。鼠標(biāo)120、鍵盤122以及眼跟蹤裝置124用于輔助選擇數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像的可疑區(qū)域。
感興趣容積(VOI)選擇器170、肺容積檢查裝置180、檢測(cè)裝置160以及包括分割裝置192和規(guī)類器194的種子點(diǎn)檢查裝置190也包括在系統(tǒng)100中。雖然將感興趣容積(VOI)選擇器170、肺容積檢查裝置180、檢測(cè)裝置160以及種子點(diǎn)檢查裝置190(包括分割裝置192和規(guī)類器194)作為所述至少一個(gè)處理器(CPU)102的部件來(lái)說(shuō)明，但是這些部件最好包含在至少一個(gè)所述存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序代碼中，并可由所述至少一個(gè)處理器102來(lái)執(zhí)行。當(dāng)然，還可以有其它方案，包括在位于處理器芯片上的寄存器中實(shí)施一些或所有的計(jì)算機(jī)程序。根據(jù)本說(shuō)明書給出的論述，本專業(yè)普通技術(shù)人員可以可考慮系統(tǒng)100的VOI選擇器170、肺容積檢查裝置180、檢測(cè)裝置160以及種子點(diǎn)檢查裝置190(包括分割裝置192和規(guī)類器194)以及其它部件的這些和各種其它配置和實(shí)施方案，同時(shí)又脫離本發(fā)明精神和范圍。
系統(tǒng)100還可以包括數(shù)字化儀126，它在工作時(shí)通過用于對(duì)肺的MSHR CT圖像進(jìn)行數(shù)字化的用戶界面適配器114連接到系統(tǒng)總線104上。或者，如果數(shù)字MSHR CT圖像可以通過工作時(shí)連接到系統(tǒng)總線104的通信適配器128從網(wǎng)絡(luò)輸入到系統(tǒng)100中，則可以省略數(shù)字化儀126。
圖2A和2B是顯示根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，所檢測(cè)到的候選腫瘤200的實(shí)例。具體地說(shuō)，圖2A顯示了位于原始CT圖像中的腫瘤，而圖2B顯示了對(duì)腫瘤進(jìn)行三維(3-D)表面再現(xiàn)(surfacerendering)。
圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法300的流程圖。
下面將參照?qǐng)D3對(duì)本發(fā)明作總體性說(shuō)明，以向讀者介紹本發(fā)明的概念。之后，參照?qǐng)D3的步驟對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面予以更為詳細(xì)的說(shuō)明。
在裝入MSHR CT圖像數(shù)據(jù)之后，就執(zhí)行預(yù)處理，以定位肺部區(qū)域(步驟312)。定位胸壁(步驟312a)并排除胸壁以外的整個(gè)區(qū)域(步驟312b)。
由VOI選擇器170根據(jù)MSHR CT圖像數(shù)據(jù)定義感興趣容積VOI的形狀和尺寸(步驟314)。具體地說(shuō)，設(shè)置VOI是為了通過整個(gè)肺容積以達(dá)到檢測(cè)腫瘤的目的。
由肺容積檢查裝置180利用VOI掃描并檢查整個(gè)肺容積(步驟316)。每次移動(dòng)VOI，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)確定VOI內(nèi)的局部密度直方圖(步驟316a)；一維直方圖曲線的曲率(步驟316b)；正負(fù)曲率極值(步驟316c)；以及用于分割VOI以獲取種子點(diǎn)的自適應(yīng)閾值(步驟316d)。這些種子點(diǎn)表示有重要意義的解剖結(jié)構(gòu)，包括肺腫瘤、脈管、氣壁(airway wall)以及其它組織。最好預(yù)先指定可以視為種子點(diǎn)的解剖結(jié)構(gòu)，但并非一定要這樣做。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例，包圍感興趣對(duì)象的感興趣容積(VOI)內(nèi)的局部直方圖曲線。圖4A的繪圖對(duì)應(yīng)于圖3的步驟316a。圖4B是在設(shè)置了分割閾值的密度范圍內(nèi)，圖4A所示局部直方圖的特寫視圖。從圖4A和4B可以看出，在300至600之間的密度范圍內(nèi)存在多個(gè)峰值，使得域值選擇非常困難。
圖4C是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，說(shuō)明圖4A和4B的局部直方圖的對(duì)應(yīng)曲率的曲線圖。根據(jù)曲率極值分析，自適應(yīng)地將分割閾值設(shè)置為543，如參照?qǐng)D3的步驟316c所示。
由種子點(diǎn)檢查裝置190對(duì)種子點(diǎn)進(jìn)行檢查以檢測(cè)肺腫瘤(步驟318)。具體地說(shuō)，對(duì)于從步驟316d得到的每個(gè)種子點(diǎn)，執(zhí)行步驟318a和318b以檢查對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
由分割裝置192對(duì)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割(步驟318a)。將基于局部直方圖分析的分割法應(yīng)用于種子點(diǎn)，以根據(jù)三維連通性和先前由步驟316d得到的密度信息來(lái)提取結(jié)構(gòu)。
計(jì)算分割結(jié)構(gòu)的密度和幾何特征(步驟318b)。即，采用密度和包括但不限于位置、直徑、容積、圓形度、球形度、以及密度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的幾何參數(shù)來(lái)描述結(jié)構(gòu)。
根據(jù)有關(guān)肺腫瘤和其它結(jié)構(gòu)的多個(gè)準(zhǔn)則和/或先驗(yàn)知識(shí)(如密度、體積和形狀)，由規(guī)類器194將所提取的結(jié)構(gòu)歸類為肺腫瘤或非腫瘤結(jié)構(gòu)(步驟320)。如果在步驟320將分割的結(jié)構(gòu)歸類為肺腫瘤，則自動(dòng)記錄該分割結(jié)構(gòu)，以供后續(xù)研究/評(píng)估(步驟322)。
將非腫瘤結(jié)構(gòu)排除在后續(xù)研究/評(píng)估之外(步驟324)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在容積的Z軸方向上應(yīng)用深度優(yōu)先搜索，以將表示非腫瘤結(jié)構(gòu)的種子點(diǎn)排除在后續(xù)研究/評(píng)估之外。這樣，顯著節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。
對(duì)肺腫瘤作可視化處理(步驟326)。自動(dòng)啟動(dòng)“候選游覽(Candidate Tour)”，以便在原始CT圖像上逐個(gè)標(biāo)出每個(gè)檢測(cè)到的腫瘤。以上引用的、標(biāo)題為“用于輔助診斷數(shù)字立體醫(yī)學(xué)圖像中肺腫瘤的交互式計(jì)算機(jī)輔助診斷(ICAD)的方法和系統(tǒng)”、代理人案號(hào)為2001E03249的申請(qǐng)?jiān)敿?xì)描述了候選游覽。如步驟326a-326c所示，為了達(dá)到可視化的目的，對(duì)每個(gè)候選對(duì)象作進(jìn)一步的處理。
對(duì)檢測(cè)到的腫瘤定義邊界框(步驟326a)。步驟326a自動(dòng)確定要可視化的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括檢測(cè)到的肺腫瘤和使可視結(jié)果更易于理解的必要背景結(jié)構(gòu)。當(dāng)肺腫瘤附著在胸壁或脈管上時(shí)，這種可視化非常有用。
對(duì)肺腫瘤作精細(xì)的分割，以獲取精確的表面形狀(步驟326b)。要明確的是，精細(xì)分割提供更為詳細(xì)的表面特征，以幫助內(nèi)科醫(yī)生診斷肺腫瘤。
例如如圖2所示，對(duì)肺腫瘤進(jìn)行再現(xiàn)(步驟326c)。提供三維自由旋轉(zhuǎn)，以方便對(duì)表面的研究。
對(duì)肺腫瘤進(jìn)行分析，以給出檢測(cè)決定，以便輸出到用戶、存儲(chǔ)媒體等(步驟328)。現(xiàn)在描述兩種作出檢測(cè)決定的說(shuō)明性方法。在第一種方法中，自動(dòng)量化肺腫瘤特征(例如鈣化區(qū)域的分布)，并由檢測(cè)裝置160作出檢測(cè)決定(步驟328a)。在第二種方法中，內(nèi)科醫(yī)生根據(jù)如下這些條件作出最終檢測(cè)決定(步驟328b)(1)由步驟328a得到的自動(dòng)分析結(jié)果；和/或(2)步驟326c表面再現(xiàn)所顯示的模式。如果內(nèi)科醫(yī)生作出檢測(cè)決定，則該決定取代檢測(cè)裝置160在步驟328a作出的決定。
將研究結(jié)果文檔化(步驟330)。具體地說(shuō)，在完成對(duì)患者的分析研究之后，自動(dòng)保存分析結(jié)果(例如測(cè)量值、步驟328a和/或328b的分析結(jié)果等)，以備將來(lái)使用。這對(duì)后續(xù)檢查和治療監(jiān)測(cè)是非常有用的。
下面將根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，參照?qǐng)D3的步驟來(lái)對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面予以更為詳細(xì)的說(shuō)明。
計(jì)算效率是評(píng)估肺腫瘤檢測(cè)方法的一個(gè)重要因素。當(dāng)執(zhí)行MSHRCT掃描并需要檢查數(shù)百個(gè)層面圖像時(shí)，這一問題就會(huì)更為關(guān)鍵。我們通過從原始圖像中提取肺部區(qū)域(步驟312)，使得將要檢查的感興趣區(qū)域縮小，從而降低了計(jì)算的復(fù)雜性。
在二維(2-D)軸層面上，肺部區(qū)域通常是內(nèi)部有一些亮結(jié)構(gòu)的暗區(qū)，同時(shí)周圍的組織如胸壁和心臟看起來(lái)是互連在一起的亮得多的區(qū)域。在肺部區(qū)域和非肺部區(qū)域之間總是可以觀察到清晰的邊界。通過自動(dòng)分析整個(gè)容積數(shù)據(jù)的直方圖來(lái)設(shè)置全局閾值(globalthreshold)，以便最優(yōu)地將內(nèi)含空氣的肺組織與具有較高質(zhì)量密度的其它實(shí)體組織如肌肉、骨骼和脈管等區(qū)分開來(lái)。然后對(duì)每個(gè)二維層面進(jìn)行閾值處理(thresholding)，并標(biāo)識(shí)所得的二進(jìn)制圖像。與心臟相連的胸壁通常是所標(biāo)識(shí)的最大結(jié)構(gòu)，因此可以很容易地識(shí)別出來(lái)。然后通過排除胸壁以及以外的區(qū)域，得到肺部區(qū)域(步驟312b)。
在步驟314，在對(duì)每個(gè)二維層面應(yīng)用全局閾值并從中提取肺區(qū)域之后生成二進(jìn)制容積數(shù)據(jù)。就步驟316而言，此數(shù)據(jù)中被設(shè)為ON的立體像素(voxel)表示有重要意義的解剖結(jié)構(gòu)，包括腫瘤、血管、支氣管壁和其它組織。它們將作為初始種子點(diǎn)，用于檢查感興趣結(jié)構(gòu)。注意，因?yàn)樵O(shè)置閾值是為了取得全局優(yōu)化，所以可以在分割之后將解剖結(jié)構(gòu)分解成許多部分。因此，二進(jìn)制圖像中所含的多個(gè)種子點(diǎn)可以表示相同的解剖結(jié)構(gòu)。
就步驟316d而言，對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的分割在整個(gè)方案中起著重要作用。所有定量測(cè)量和進(jìn)一步的歸類操作均基于分割結(jié)果。分割對(duì)閾值非常敏感，因此在設(shè)置此值時(shí)要進(jìn)行折衷處理。如果閾值太高，則脈管將失去一些薄弱部分，結(jié)果看上去像腫瘤。但是，如果閾值太低，則噪聲將增強(qiáng)，而可能使腫瘤看上去像脈管。這兩個(gè)問題在用于篩選的低劑量圖像中可能更為嚴(yán)重。
應(yīng)該根據(jù)可疑區(qū)域的局部信息來(lái)選擇閾值。設(shè)置VOI是為了掃描整個(gè)肺容積(步驟314)。VOI的形狀和尺寸是根據(jù)CT數(shù)據(jù)特性來(lái)定義的。一旦在VOI以一個(gè)種子點(diǎn)為中心，就檢查局部密度直方圖(在步驟316b和可選地在步驟316c中)，以正確地設(shè)置閾值(在步驟316d中)。理想情況下，該曲線具有兩個(gè)不同的峰值，它們對(duì)應(yīng)于相對(duì)較亮的解剖結(jié)構(gòu)及其暗的周圍。可以選擇兩峰值之間的凹部作為分割目標(biāo)結(jié)構(gòu)的閾值(步驟316d)。
但在許多案例中，情況更為復(fù)雜。例如，可能存在具有不同密度特征的結(jié)構(gòu)，如在存在各種解剖結(jié)構(gòu)的肺部中央?yún)^(qū)域中。甚至當(dāng)只存在一個(gè)解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，其密度仍可能因部分容積的影響而發(fā)生變化。這種情況常見于小脈管。在任一種情況中，直方圖上將沒有明顯的凹部。這時(shí)就改為通過找到局部直方圖的曲率極值，自適應(yīng)地設(shè)置用于目標(biāo)結(jié)構(gòu)分割的閾值(在步驟316c中)。注意，曲線圖中的峰值對(duì)應(yīng)于直方圖中的急劇下降，它反映密度分布的突變，閾值可以設(shè)置為發(fā)生最急劇變化處的密度值。
一旦確定了閾值，則應(yīng)用三維區(qū)域增長(zhǎng)方法來(lái)分割目標(biāo)結(jié)構(gòu)(在步驟318a中)。所述方法從納入考慮的種子點(diǎn)開始；將所有密度值高于閾值且連接到已知部分的立體像素添加到分割結(jié)果中。
但是，許多種子點(diǎn)可能屬于同一解剖結(jié)構(gòu)。如果對(duì)每個(gè)種子點(diǎn)進(jìn)行檢查并對(duì)同一個(gè)結(jié)構(gòu)反復(fù)分割，則計(jì)算將是低效率的。為了減少計(jì)算的冗余度，在每次分割之后更新含有所有種子點(diǎn)的二進(jìn)制容積數(shù)據(jù)。如果確定種子點(diǎn)連接到剛剛檢查過的種子點(diǎn)上，則將它們關(guān)閉。這樣，就只檢查一次非腫瘤結(jié)構(gòu)，例如脈管和氣道樹(airwaytree)，然后很快被排除到將來(lái)的研究之外。已經(jīng)證明，這大大減少了每個(gè)層面上的種子點(diǎn)數(shù)量并節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。
步驟320將該結(jié)構(gòu)歸類為候選腫瘤或非腫瘤結(jié)構(gòu)。為此，測(cè)量(在步驟318b中)并分析經(jīng)過分割的結(jié)構(gòu)的幾何特性。雖然這里僅描述了五個(gè)說(shuō)明性特性(即，直徑、容積、球形度、密度平均值以及密度標(biāo)準(zhǔn)偏差)，但還可以采用其它特性來(lái)替代或補(bǔ)充這五個(gè)說(shuō)明性特性中的一些或全部。
雖然參數(shù)直徑和容積彼此相關(guān)，包含冗余信息，但在圖3的說(shuō)明性實(shí)例中仍對(duì)它們進(jìn)行了測(cè)量。這是因?yàn)榉派淇漆t(yī)生仍然常用直徑來(lái)表示肺腫瘤的尺寸。但是，當(dāng)談及后續(xù)生長(zhǎng)速度時(shí)，更常用容積參數(shù)。
球形度是緊密度的對(duì)應(yīng)參數(shù)，它被定義為結(jié)構(gòu)容積與包圍結(jié)構(gòu)的球形容積之比。此參數(shù)刻劃感興趣結(jié)構(gòu)的三維形狀。雖然腫瘤和血管在二維層面上都可能具有圓形形狀，但它們的三維形狀是完全不同的。肺腫瘤是球狀的且具緊密度高，而血管是管狀的，且緊密度非常低。已經(jīng)證明，圓形度和球形度在區(qū)分肺腫瘤與小脈管時(shí)非常有用。圓形度和球形度的邊界值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的。將把直徑大于2毫米且圓形度和球形度測(cè)量值高于邊界值的結(jié)構(gòu)視為候選肺腫瘤，并記錄它們的位置。不同于其它腫瘤檢測(cè)方法的是，本發(fā)明的檢測(cè)方法計(jì)算二維特征，所計(jì)算的二維特征不只包括軸層面上的圓形度、密度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差、而且包括在容積中通過360度旋轉(zhuǎn)平面法生成的切割橫截面上的圓形度、密度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。以上引用的標(biāo)題為“三維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輔助診斷”、序號(hào)為09/606564的美國(guó)申請(qǐng)中對(duì)360度旋轉(zhuǎn)平面法作了描述。
后兩個(gè)參數(shù)即密度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)肺腫瘤檢測(cè)并不起重要作用。但是，它們包含有關(guān)鈣化的重要信息，可以用于判斷候選肺腫瘤是良性的還是惡性的。通常，如果它高度鈣化或具有某些模式的鈣化點(diǎn)分布，則認(rèn)為該肺腫瘤是良性的。同樣也有某些與惡性肺腫瘤相關(guān)聯(lián)的模式。
總之，本發(fā)明用于根據(jù)MSHR CT圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤并對(duì)其進(jìn)行分析，從而可使放射科醫(yī)生不必進(jìn)行閱讀成百上千圖像層面的繁重工作。下面將描述本發(fā)明的許多優(yōu)勢(shì)特征中的一些。本發(fā)明對(duì)檢測(cè)肺腫瘤很靈敏，同時(shí)偽陽(yáng)性率低。通常，肺腫瘤在層面圖像上呈現(xiàn)為近似圓形的不透明體，這些不透明體類似于脈管的橫截面。因此，多數(shù)現(xiàn)有檢測(cè)方法的偽陽(yáng)性率都較高。本發(fā)明通過引入肺部結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)解剖知識(shí)并充分利用三維圖像信息，解決了此問題。為將可疑的感興趣容積(VOI)歸類為肺腫瘤或是非腫瘤結(jié)構(gòu)，設(shè)置了包括幾何和密度準(zhǔn)則的多個(gè)準(zhǔn)則。此外，本發(fā)明的分割方法可以根據(jù)局部直方圖分析來(lái)調(diào)整分割閾值，這使本發(fā)明分割方法在處理低劑量篩選圖像中數(shù)量較大的噪聲時(shí)，明顯不同于其它方法。
本發(fā)明在計(jì)算方面效率很高。人們希望可以快速完成自動(dòng)檢測(cè)，以便正在進(jìn)行檢查的內(nèi)科醫(yī)生可以在不顯著增加時(shí)間負(fù)擔(dān)的情況下對(duì)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。為此要執(zhí)行兩個(gè)步驟。第一，定位肺部區(qū)域，以便縮小可疑結(jié)構(gòu)的搜索區(qū)域。其次，對(duì)每個(gè)可疑結(jié)構(gòu)，檢查三維連通性并予以記錄。這樣，就只檢查一次非腫瘤結(jié)構(gòu)如脈管和氣道樹，然后將其快速排除在后續(xù)研究之外。
本發(fā)明易于使用。本發(fā)明還具有與檢測(cè)方法相關(guān)聯(lián)的例程，以有助于內(nèi)科醫(yī)生對(duì)患者的檢查研究。此功能包括對(duì)感興趣結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面再現(xiàn)、參數(shù)測(cè)量、將可能的候選腫瘤歸檔等。本專業(yè)的普通技術(shù)人員容易確認(rèn)本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
雖然已參照附圖對(duì)一些說(shuō)明性實(shí)施例作了描述，但要明確，本發(fā)明并不局限于這些具體的實(shí)施例，在不背離本發(fā)明范圍或精神的前提下，本專業(yè)的普通技術(shù)人員可以進(jìn)行各種其它改動(dòng)和修改。意在將所有此類改動(dòng)和修改包含在所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法，其特征在于它包括如下步驟根據(jù)MSHR CT圖像數(shù)據(jù)定義感興趣容積(VOI)，以便通過MSHRCT圖像中的肺容積；利用所述VOI檢查所述肺容積，這一步驟又包括確定所述VOI內(nèi)的局部密度直方圖；以及確定用于分割所述VOI以獲取種子點(diǎn)的自適應(yīng)閾值；檢查每個(gè)所述種子點(diǎn)以從中檢測(cè)所述肺腫瘤，這一步驟又包括對(duì)所述種子點(diǎn)應(yīng)用分割法來(lái)分割所述種子點(diǎn)表示的解剖結(jié)構(gòu)，所述分割法根據(jù)對(duì)所述種子點(diǎn)進(jìn)行的局部直方圖分析來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整分割閾值，以根據(jù)對(duì)應(yīng)于所述局部直方圖的三維連通性和密度信息來(lái)提取所述解剖結(jié)構(gòu)；以及根據(jù)對(duì)應(yīng)于所述肺腫瘤和相關(guān)的預(yù)定義解剖結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)，將每個(gè)所述分割的解剖結(jié)構(gòu)歸類為肺腫瘤或非腫瘤之一；顯示所述肺腫瘤；以及對(duì)所述肺腫瘤進(jìn)行分析，這一步驟又包括自動(dòng)量化所述肺腫瘤的特征以提供對(duì)每個(gè)所述肺腫瘤的自動(dòng)檢測(cè)決定。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述定義步驟包括在所述MSHR CT圖像中定位肺部區(qū)域的步驟；所述肺容積位于所述肺部區(qū)域內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述定位步驟包括定位胸壁并排除在所述胸壁之后的整個(gè)區(qū)域的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述定義步驟包括定義所述VOI的形狀和尺寸的步驟。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述檢查肺容積的步驟包括確定所述局部直方圖所對(duì)應(yīng)的一維直方圖曲線的曲率的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述檢查肺容積的步驟包括確定所述一維直方圖曲線曲率的正負(fù)曲率極值的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述檢查所述肺容積的步驟包括根據(jù)對(duì)所述一維直方圖曲線的曲率的正負(fù)曲率極值的分析，確定所述自適應(yīng)分割閾值的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述檢查每個(gè)所述種子點(diǎn)的步驟包括計(jì)算所述分割的解剖結(jié)構(gòu)的密度和幾何特征的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于根據(jù)在所述VOI中應(yīng)用360度旋轉(zhuǎn)平面法生成的至少一些切割橫截面來(lái)計(jì)算所述密度和幾何特征，所述密度和幾何特征包括位置、容積、圓形度、球形度以及密度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差中的至少一些。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于先驗(yàn)知識(shí)包括密度、容積和所述肺腫瘤的形狀以及相關(guān)的預(yù)定義解剖結(jié)構(gòu)中的至少一些。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述歸類步驟包括當(dāng)分割的解剖結(jié)構(gòu)被歸類為所述肺腫瘤時(shí)，自動(dòng)記錄所述分割的解剖結(jié)構(gòu)以作進(jìn)一步評(píng)估的步驟。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述歸類步驟包括將非腫瘤結(jié)構(gòu)排除在進(jìn)一步的評(píng)估之外的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述排除步驟包括在所述VOI的Z軸方向上對(duì)所述種子點(diǎn)應(yīng)用深度優(yōu)先搜索法，以排除表示所述非腫瘤結(jié)構(gòu)的任何所述種子點(diǎn)的步驟。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述顯示步驟包括定義要顯示的當(dāng)前肺腫瘤的邊界框，所述邊界框包括所述當(dāng)前肺腫瘤和任何預(yù)先指定的背景結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述顯示步驟包括對(duì)所述肺腫瘤進(jìn)行精細(xì)分割，以增強(qiáng)所述肺腫瘤的表面特征細(xì)節(jié)的步驟。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述顯示步驟包括再現(xiàn)所述肺腫瘤的表面以提供對(duì)所述肺腫瘤的三維自由旋轉(zhuǎn)的步驟。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述分析步驟包括從用戶接收對(duì)每個(gè)所述肺腫瘤的最終檢測(cè)決定的步驟，所述最終檢測(cè)決定取代所述自動(dòng)檢測(cè)決定。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于它還包括存儲(chǔ)所述自動(dòng)檢測(cè)決定的步驟。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于它還包括存儲(chǔ)所述最終檢測(cè)決定的步驟。
20.一種根據(jù)多層面高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影(MSHR CT)圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的系統(tǒng)，它包括如下步驟感興趣容積選擇器，用于根據(jù)MSHR CT圖像所對(duì)應(yīng)的MSHR CT圖像數(shù)據(jù)定義感興趣容積(VOI)，所述VOI用于通過所述MSHR CT圖像中的肺容積；肺容積檢查裝置，用于確定所述VOI內(nèi)的局部密度直方圖，以及確定用于分割所述VOI以獲取種子點(diǎn)的自適應(yīng)閾值；種子點(diǎn)檢查裝置，用于檢查每個(gè)所述種子點(diǎn)，以從中檢測(cè)所述肺腫瘤，這一裝置包括分割裝置，用于對(duì)所述種子點(diǎn)采用分割法來(lái)分割所述種子點(diǎn)所表示的解剖結(jié)構(gòu)，所述分割法根據(jù)對(duì)所述種子點(diǎn)進(jìn)行的局部直方圖分析來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整分割閾值，以根據(jù)對(duì)應(yīng)于所述局部直方圖的三維連通性和密度信息來(lái)提取所述解剖結(jié)構(gòu)；以及歸類器，用于根據(jù)對(duì)應(yīng)于所述肺腫瘤和相關(guān)的預(yù)定義解剖結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)，將每個(gè)所述分割的解剖結(jié)構(gòu)歸類為肺腫瘤或非腫瘤之一；用于顯示所述肺腫瘤的顯示裝置；以及檢測(cè)裝置，用于自動(dòng)量化所述肺腫瘤的特征以提供每個(gè)所述肺腫瘤的自動(dòng)檢測(cè)決定。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于所述肺容積檢查裝置確定所述局部直方圖所對(duì)應(yīng)的一維直方圖的曲率。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于所述肺容積檢查裝置確定所述一維直方圖曲線曲率的正負(fù)曲率極值。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于所述肺容積檢查裝置根據(jù)對(duì)所述一維直方圖曲線曲率的正負(fù)曲率極值的分析，確定所述自適應(yīng)分割閾值。
24.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于所述對(duì)種子點(diǎn)進(jìn)行檢查的裝置包括特征計(jì)算裝置，用于計(jì)算所述分割的解剖結(jié)構(gòu)的密度和幾何特征。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于所述密度和幾何特征是根據(jù)在所述VOI中應(yīng)用360度旋轉(zhuǎn)平面法生成的至少一些切割橫截面來(lái)計(jì)算的，所述密度和幾何特征包括位置、容積、圓形度、球形度以及密度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差中的至少一些。
26.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于所述先驗(yàn)知識(shí)包括密度、容積和所述肺腫瘤形狀及相關(guān)的預(yù)定義的解剖結(jié)構(gòu)中的至少一些。
27.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于所述歸類器將非腫瘤結(jié)構(gòu)排除在后續(xù)評(píng)估之外。
28.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于所述歸類器在所述VOI的Z軸方向上對(duì)所述種子點(diǎn)應(yīng)用深度優(yōu)先搜索法，以排除表示所述非腫瘤結(jié)構(gòu)的任何種子點(diǎn)。
29.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述顯示裝置再現(xiàn)所述肺腫瘤的表面以提供對(duì)所述肺腫瘤的三維自由旋轉(zhuǎn)。
30.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述檢測(cè)裝置從用戶接收對(duì)每個(gè)所述肺腫瘤的最終檢測(cè)決定，所述最終檢測(cè)決定取代所述自動(dòng)檢測(cè)決定。
31.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于它還包括用于存儲(chǔ)所述自動(dòng)檢查結(jié)論的存儲(chǔ)裝置。
32.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于它還包括用于存儲(chǔ)所述最終檢測(cè)決定的存儲(chǔ)裝置。
全文摘要
一種根據(jù)MSHR CT圖像自動(dòng)檢測(cè)肺腫瘤的方法，包括在MSHRCT圖像中定義肺容積的感興趣容積(VOI)(314)。利用VOI來(lái)檢查肺容積(316)，這包括確定局部密度直方圖(316a)，以及確定用于分割VOI以獲取種子點(diǎn)的自適應(yīng)閾值(316d)。檢查每個(gè)種子點(diǎn)以從中檢測(cè)肺腫瘤(318)，這包括采用分割法來(lái)分割種子點(diǎn)所表示的解剖結(jié)構(gòu)(318a)，所述分割法根據(jù)對(duì)種子點(diǎn)進(jìn)行的直方圖分析自適應(yīng)地調(diào)整分割閾值，以根據(jù)三維連通性和直方圖密度信息來(lái)提取解剖結(jié)構(gòu)；以及根據(jù)對(duì)應(yīng)于肺腫瘤和相關(guān)結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)將每個(gè)結(jié)構(gòu)歸類為肺腫瘤或非腫瘤(320)。將顯示肺腫瘤出來(lái)(326)。對(duì)肺腫瘤進(jìn)行分析(328)，這包括自動(dòng)量化肺腫瘤的特征以提供自動(dòng)檢測(cè)決定(328a)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1518719SQ02812339
公開日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2002年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月23日
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