專利名稱：對x射線圖像中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于對X射線圖像中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法和裝置。
背景技術：
基本上用于分割X射線圖像的方法是公知的，利用這些方法可以為診斷在X射線圖像中標識出圖像區(qū)域，在該圖像區(qū)域中僅對一種特定的物質(zhì)如骨骼或造影劑進行成像。分割通?；谛薷牡膱D像進行，該修改的圖像是通過在每個圖像點上分別測定兩個不同設置的X射線能量下的兩個衰減值并隨后將它們彼此加權相減得到的。由于不同物質(zhì)的吸收系數(shù)的不同能量相關性，通過這種方法在相應選擇加權系數(shù)的情況下僅將對應于特殊物質(zhì)的那些圖像點以高強度值存儲在修改的圖像中。通過將各強度值與閾值進行與圖像點相關的閾值比較，將潛在的屬于特殊物質(zhì)的圖像點分割出來。
然而在許多情況下這種閾值比較導致具有錯誤的結果，因為衰減值可能通過測量噪聲而失真，從而盡管存在該物質(zhì)，但用于圖像點分割的閾值標準仍未得到滿足。
US 6754298 B2公開了一種再現(xiàn)方法，其中，從多個在不同能量譜下的X射線輻射采集的測量中計算出一幅圖像，其中，在降低噪聲分量的同時顯示對象的成分。該再現(xiàn)方法以耗費計算時間的迭代再現(xiàn)算法為基礎，這種算法在計算結果圖像時同時考慮用于采集測量的能量譜的區(qū)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，提供一種用于分割X射線圖像的方法和裝置，利用其可以簡單的方式對X射線圖像中的至少一種物質(zhì)進行穩(wěn)定的分割。
本發(fā)明人認識到，當為進行分割在對應于圖像點的局部圖像環(huán)境上不僅分析一個單獨的圖像點，而是分析多個圖像點時，可以改進X射線圖像中分割的結果。分析局部環(huán)境中的多個圖像點具有優(yōu)點，因為要分割的特定物質(zhì)的圖像結構通過一定的圖像區(qū)域向外延伸，從而以高概率由此為出發(fā)點將相鄰的圖像點與同一物質(zhì)相對應。因此通過引入圖像環(huán)境一起考慮了圖像點在X射線圖像中存在的空間關系。
依據(jù)本發(fā)明，用于對X射線圖像中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法包括以下方法步驟，其中，-在該X射線圖像的每個圖像點上采集在不同X射線能量E1、E2下的兩個衰減值，-基于所采集的衰減值將該X射線圖像的圖像點映射到二維特征空間中，其中，該特征空間具有至少一個與至少一種物質(zhì)唯一對應的第一分類區(qū)，-從分別與這些圖像點相對應的圖像環(huán)境的映射中確定作為評價值(Bewertungsgroesse)的、落入對應于該物質(zhì)的分類區(qū)內(nèi)的圖像點的數(shù)量，-通過基于該評價值對每個圖像點進行與閾值的閾值比較來計算分割的圖像。
因此分割包括對局部相鄰圖像點的分類結果的統(tǒng)計分析。通過映射到特征空間，落入到同一分類區(qū)的圖像點越多或對于該分類區(qū)的評價值越高，則所觀察的圖像點同樣屬于該分類區(qū)并因此屬于一種特定物質(zhì)的概率也就越大。通過引入局部圖像環(huán)境可以保證對特定物質(zhì)的圖像區(qū)域的無干擾的分割，也就是說，特別是在沒有對圖像區(qū)域內(nèi)各圖像點的錯誤分類的情況下進行分割。即使所觀察的單個圖像點未映射在該圖像區(qū)域內(nèi)，但由于對局部圖像環(huán)境的總體觀察，使得仍可以將該圖像點分類為屬于該物質(zhì)。
但該方法并不局限于僅對一種物質(zhì)進行分割。同樣具有優(yōu)點的是可以設想對第二物質(zhì)進行分割，從而特征空間具有與X射線圖像中存在的第二物質(zhì)唯一對應的第二分類區(qū)。在這種情況下，對每個圖像點基于局部相鄰性來確定分別表示映射到一個分類區(qū)內(nèi)的圖像點的數(shù)量的兩個評價值。然后為對兩種物質(zhì)進行分割，需要對每個評價值進行閾值比較。
對于在一個X射線圖像中對兩種物質(zhì)進行分割的情況來說，優(yōu)選可在特征空間內(nèi)標識一個不能與一種物質(zhì)唯一對應的第三分類區(qū)。對映射在第三分類區(qū)內(nèi)的圖像點已知它們屬于兩種物質(zhì)之一。但由于采集的兩個衰減值無法進行唯一的對應。此外，在特征空間內(nèi)還可給出一個與兩種物質(zhì)都不對應的第四分類區(qū)。映射在該分類區(qū)內(nèi)的圖像點明確地不屬于兩種待分割的物質(zhì)。將特征空間劃分成第三和第四分類區(qū)的優(yōu)點是，可以在閾值比較之前根據(jù)所確定的圖像環(huán)境的映射在第三或者第四分類區(qū)內(nèi)的至少一個圖像點的數(shù)量對評價值進行加權。采用評價值的相應加權可以保證在待分割的物質(zhì)的邊緣區(qū)域內(nèi)或與該物質(zhì)相關的圖像結構、相鄰的若干圖像點可以設置在所觀察的圖像結構外，從而原則上無需全部圖像點都落入第一或者第二分類區(qū)內(nèi)。
具有優(yōu)點地，特征空間的至少一個分類區(qū)可以通過模擬來確定，即模擬由X射線透射的物質(zhì)的兩個衰減值并映射到特征空間內(nèi)。為確定各分類區(qū)的擴展幅度，在此合適的是對該物質(zhì)的不同透射厚度和不同濃度進行模擬。在此通過模擬可以覆蓋不同變量的寬能量譜。不言而喻，同樣可以設想實驗地確定分類區(qū)或者對通過實驗找到的結果進行事后調(diào)節(jié)或校正。
在本發(fā)明一種具有優(yōu)點的實施方式中，在進行閾值比較之前將評價值借助于轉移函數(shù)換算成概率，其中，該轉移函數(shù)給出映射的圖像點數(shù)量與有關存在的物質(zhì)的概率之間的關系。該過程特別要考慮到這種情況，即映射的圖像點的數(shù)量與關于存在的物質(zhì)的概率的關系可能是非線性關系。
對X射線圖像中進行分割的第一物質(zhì)最好為骨骼。第二物質(zhì)最好為造影劑。利用分割出的這兩種物質(zhì)可以很容易鑒別X射線圖像中醫(yī)生在診斷時必須檢查的主要圖像結構。
X射線的能量可以簡單的方式通過所設置的X射線裝置的管電壓來改變。因此X射線的第一能量可以特別簡單地在將管電壓調(diào)整到80kV的情況下產(chǎn)生。與此不同的X射線的第二能量優(yōu)選可以在將管電壓調(diào)整到140kV的情況下產(chǎn)生。
優(yōu)選對于每個圖像點所觀察的圖像環(huán)境在每個圖像維上包括至少三個圖像點，從而通過對至少9個圖像點的分類結果進行統(tǒng)計分析可以進行足夠可靠的分析。在選擇局部圖像環(huán)境的維時，特別是必須注意所要提取的圖像結構的分辨率。因此例如可以設想，根據(jù)解剖特性在分割的準備階段選擇局部圖像環(huán)境。例如對于在X射線圖像中具有明顯較小擴展幅度的血管，必須在使用與骨骼檢查相比明顯更小的局部圖像環(huán)境來進行分割。


以下的附圖中示出本發(fā)明實施例以及其它具有優(yōu)點的構成。其中圖1以部分透視圖、部分方框圖示出計算機X射線斷層造影裝置，用于實施依據(jù)本發(fā)明的用于對X射線圖像中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法；圖2以示意圖示出用于分割物質(zhì)的方法；圖3示出二維特征空間，其具有不同的分類區(qū)并且X射線圖像的圖像點映射于其中；圖4示出曲線圖，其中示出用于根據(jù)從局部圖像環(huán)境中確定的參考值確定有關存在的物質(zhì)的概率的轉移函數(shù)；圖5示出在不考慮相鄰性標準情況下的第一分割圖像；圖6示出在考慮相鄰性標準情況下的第二分割圖像。
具體實施例方式
為實施依據(jù)本發(fā)明的用于對X射線圖像中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法，可以使用計算機X射線斷層造影裝置16形式的本身公知的X射線裝置，如圖1以部分透視圖、部分方框圖方式所示的那樣。這種計算機X射線斷層造影裝置16具有至少一個這里采用X射線管17方式的X射線源以及產(chǎn)生X射線輻射的至少一個焦點18，X射線透過對象19并隨后到達相對的檢測器20。檢測器20包括多個檢測器元件21，其中僅有一個元件具有附圖標記。每個檢測器元件21產(chǎn)生取決于衰減的X射線的強度的衰減值。對象19的投影通過在X射線管17和檢測器20的特定掃描位置上全部檢測器元件21的一組衰減值形成。
由X射線管17和檢測器20形成的拍攝系統(tǒng)設置在一個沒有示出的可旋轉支架上。在多種可能的工作方式之一中，拍攝系統(tǒng)環(huán)繞例如為患者的對象19旋轉。通過拍攝系統(tǒng)的旋轉，從不同的投影方向上采集多個投影，這些投影是以層析圖像或者立體圖像的方式再現(xiàn)X射線圖像1所需的。這種二維或三維圖像例如可以作為用于本發(fā)明的方法的輸入圖像來顯示。通過沿系統(tǒng)軸23連續(xù)前移檢查床22，不僅可以在層上，而且可以在大于檢測器20的擴展幅度的立體上螺旋式地掃描對象19。螺旋掃描的一種簡單變形在于順序地進行前移，從而在每次360°掃描之后進行一次前移，并在對象19處于靜止狀態(tài)時進行實際的掃描。這兩種方案均可在依據(jù)本發(fā)明的方法中使用。
對于拍攝系統(tǒng)的每個投影或者每次旋轉，可以借助調(diào)整裝置24將X射線管17的管電壓調(diào)整到一個特定的電壓值。按照這種方式可以產(chǎn)生X射線的不同頻譜或X射線的不同能量E1、E2的投影。不言而喻，作為另外的選擇也可以設想在固定設置的管電壓下借助能量選擇檢測器來采集X射線的不同能量E1、E2的投影。這樣做的優(yōu)點是，可以取消對計算機X射線斷層造影裝置16的運行參數(shù)的交替調(diào)整。此外需要指出的是，既可以使用單行檢測器也可以使用多行檢測器。此外也可以使用分別具有一個或者多個焦點的一個或者多個X射線管連同也是一個或者多個移動的或者靜止的檢測器。
為對X射線圖像1中的物質(zhì)進行分割，在該實施例中通過關于同一投影方向相應交替地調(diào)整管電壓，產(chǎn)生在兩個不同的X射線能量E1、E2下的每個檢測器元件21上的衰減值3、4。X射線的第一能量E1例如可以在將管電壓調(diào)整到80kV的情況下產(chǎn)生，而第二能量E2可以在將管電壓調(diào)整到140kV的情況下產(chǎn)生。但原則上可以選擇每對用于產(chǎn)生不同能量的X射線的管電壓，其中，對物質(zhì)之間所產(chǎn)生的兩種能量來說吸收的差別要足夠大。
隨后將所采集的投影傳送到計算單元25并按照一種本身公知的再現(xiàn)方法將其再現(xiàn)成可以在顯示單元26上顯示的X射線圖像1。對X射線圖像1的每個圖像點2都分別有兩個與X射線的兩種不同能量E1、E2相對應的衰減值3、4可供使用。不同的物質(zhì)相對于X射線、根據(jù)能量具有不同的吸收特性。出于概覽的原因僅對X射線圖像1的一個圖像點采用了附圖標記。
屬于同一物質(zhì)或同一圖像結構的圖像點2在其中示出不同能量E1、E2的兩個衰減值3、4的特征空間5中按照理想方式映射到同一點上。如果考慮這種情況，即物質(zhì)以不同的濃度和不同的透射厚度存在于對象19中，那么特征空間5中的物質(zhì)不僅對應于一個點，而且還對應于一個唯一表示該物質(zhì)的、具有一定擴展幅度的分類區(qū)6。
通過對特征空間內(nèi)X射線圖像1的單個圖像點2的映射和評價，因此在理想的前提下可以識別圖像點2是否屬于該物質(zhì)。作為單個與圖像點相關的比較的結果，可以獲得從中提取出該物質(zhì)的分割X射線圖像13。然而與圖像點相關的分割在實踐中經(jīng)常會導致包含錯誤的分割結果，因為單個衰減值3；4可能會由于測量噪聲或者電子噪聲失真。這樣獲得的分割X射線圖像13具有使診斷明顯變得困難的干擾。
本發(fā)明人認識到，圖像干擾或錯誤分類27在下述情況下可以明顯減少，即在分割時不僅考慮單個圖像點2的分類結果，而且也考慮圖像點2的局部圖像環(huán)境10的分類結果。依據(jù)本發(fā)明的分割主要包括圖2中所示可在計算單元25上實施的步驟第一步驟28采集X射線圖像1中每個圖像點2的X射線的不同能量E1、E2的兩個衰減值3、4。
第二步驟29將圖像點2映射到二維特征空間5內(nèi)，其中，特征空間5至少具有至少與一種物質(zhì)唯一對應的第一分類區(qū)6。
第三步驟30從所觀察的圖像點2的局部圖像環(huán)境10中映射到分類區(qū)6內(nèi)的那些圖像點的數(shù)量來確定評價值11。
第四步驟31由此計算分割的圖像14，即在每個圖像點2的評價值11的基礎上進行與閾值的閾值比較。
因此該分割包括對每個圖像點的閾值比較。該比較在所確定的評價值11的基礎上進行。與對X射線圖像1的與圖像點相關的分割不同，在本發(fā)明中考慮局部圖像環(huán)境10，其中，所確定的評價值11包含有關在局部相鄰的圖像點中有多少圖像點具有相同特性的拓撲信息。
因此單個的和少量的錯誤分類27可以通過觀察局部相鄰性得到抑制。對每個圖像點2所觀察的局部圖像環(huán)境10的大小主要取決于應從X射線圖像1中提取的物質(zhì)或圖像結構的局部延伸。原則上在較小圖像結構的情況下應選擇較小的局部圖像環(huán)境10。這樣例如為分割通過小血管流動的造影劑可以使用3×3圖像點的局部圖像環(huán)境10。優(yōu)選在分割時使所觀察的各圖像點2處于相對于局部圖像環(huán)境10的中心。局部圖像環(huán)境10的選擇可以通過為此設置的用戶接口進行，從而可以對不同的檢查選擇與情況相匹配的局部圖像環(huán)境10。
不言而喻，在本發(fā)明中可以對X射線圖像1中的不僅一種物質(zhì)，而且多種物質(zhì)同時進行分割。圖3舉例示出二維特征空間5，它具有用于分割兩種物質(zhì)的不同分類區(qū)6、7。特征空間5的兩個維度相當于在不同X射線能量E1、E2下的衰減值?？梢詤^(qū)分下列分類區(qū)，利用它們可以定義圖像點的下列對應第一分類區(qū)6保證第一物質(zhì)，第二分類區(qū)7保證第二物質(zhì)，第三分類區(qū)8保證兩種物質(zhì)之一，在此不知道所存在的是第一物質(zhì)還是第二物質(zhì)，第四分類區(qū)9保證兩種物質(zhì)都沒有。
在此，分類區(qū)6、7、8、9可以在準備階段借助于模擬來確定，其中，具體地說，模擬在相應的能量E1；E2上由X射線管17產(chǎn)生的X射線的能量譜、取決于物質(zhì)和能量E1；E2的X射線的吸收以及由檢測器20將入射的X射線轉換成的信號。這些分類區(qū)通過所觀察物質(zhì)的濃度和透射厚度的變化獲得。但同樣可以設想通過實驗來確定這些分類區(qū)6、7、8、9。
映射到第四分類區(qū)9內(nèi)的圖像點明確地不與這些物質(zhì)相對應。映射到分類區(qū)9內(nèi)的所觀察圖像環(huán)境10中的圖像點的數(shù)量使得可以在閾值比較之前對評價值11進行加權。利用評價值11的相應加權可以考慮這種情況，即在所要分割的物質(zhì)或與該物質(zhì)相連的圖像結構的邊緣區(qū)域內(nèi)可以將所觀察的局部相鄰的若干圖像點設置在該圖像結構以外。例如，如果確定9個可能的圖像點中的4個明確不表示該兩種物質(zhì)，那么可以一定的概率由此出發(fā)，使所觀察的圖像點2為一個邊緣圖像點。在這種情況下，合適的是足以增加價值11，使得滿足閾值標準。例如可以將一定百分比、如50％的落入第四分類區(qū)9內(nèi)的圖像點與評價值11相加。
在閾值比較之前，借助于轉移函數(shù)12將評價值11換算成概率15。在此轉移函數(shù)12給出映射的圖像點的數(shù)量和與關于存在的物質(zhì)的概率15之間的關系。在圖4中舉例示出轉移函數(shù)12并可以通過引入原有知識來確定。例如如果經(jīng)驗表明，在20處映射到第一或第二分類區(qū)6；7內(nèi)的圖像點始終表明存在該物質(zhì)，而在10處的圖像點始終表明不存在該物質(zhì)，那么參考值投射到10以下過渡到0的數(shù)值和20以上過渡到1的數(shù)值的刻度上。在該兩個數(shù)值之間例如在使用如cos2(x)函數(shù)的情況下可以進行平滑過渡。
在下述情況下可以取得分割結果的進一步改進，即在使用另一種刻度的判定標準情況下將分割進行組合，正像例如文獻號為102005 037367.4的未提前公開的名稱為“Verfahren für eine Rntgeneinrichtung(用于X射線裝置的方法)”的德國專利申請中所介紹的那樣。通過附加地使用本征值標準例如可以設想，在分割時還附加地同時考慮有關局部均勻性的信息。因此例如可以設想，在強非均勻性的情況下更加靈敏地調(diào)整分割。靈敏性例如可以由此進行調(diào)節(jié)，即將取決于均勻性的值加到評價值11或概率15上。
圖5和6示出兩種物質(zhì)、即骨骼和碘的與圖像點相關的分割結果和與圖像環(huán)境相關的分割結果之間的區(qū)別。骨骼分別映射到具有附圖標記32的圖像區(qū)域內(nèi)，碘映射到具有附圖標記33的圖像區(qū)域內(nèi)。如從圖5可看到的那樣，在通過與圖像點相關分割獲得的分割圖像13內(nèi)，存在通過對單個圖像點2的錯誤分類27產(chǎn)生的圖像干擾，這些圖像點的衰減值3、4例如受測量噪聲或者電子噪聲的干擾。而圖6示出分割圖像14形式的分割結果，其中，對每個圖像點2都同時考慮與其對應的局部圖像環(huán)境10。通過考慮X射線圖像1中物質(zhì)的拓撲信息或空間分布可在最大程度上避免圖像干擾。
本發(fā)明可作如下概括本發(fā)明涉及一種用于對X射線圖像1中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法和裝置，其中，在每個圖像點2上采集在不同X射線能量E1、E2下的兩個X射線衰減值3、4；基于所采集的衰減值3、4將圖像點2映射到二維特征空間5內(nèi)，并隨后從分別與這些圖像點相對應的圖像環(huán)境10的映射中確定作為評價值11的、落入對應于該物質(zhì)的分類區(qū)6內(nèi)的圖像點的數(shù)量，從而可以在評價值11的基礎上按照簡單的方式計算出包含該物質(zhì)的分割圖像14，其中，通過考慮圖像點2的相鄰關系在最大程度上避免了錯誤分類。
權利要求
1.一種用于對X射線圖像(1)中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法，其中，在該X射線圖像(1)的每個圖像點(2)上采集在不同X射線能量E1、E2下的兩個衰減值(3，4)，基于所采集的衰減值(3，4)將該X射線圖像的圖像點(2)映射到二維特征空間(5)中，其中，該特征空間(5)具有至少一個與至少一種物質(zhì)唯一對應的第一分類區(qū)(6)，在該特征空間(5)中從X射線圖像(1)的分別對應于一個圖像點(2)的圖像環(huán)境(10)的映射中確定作為評價值(11)的、映射到該分類區(qū)(6)中的圖像點的數(shù)量，通過基于該評價值(11)對每個圖像點(2)進行與閾值的閾值比較來計算分割圖像(14)。
2.按權利要求1所述的方法，其中，所述特征空間(5)具有第二分類區(qū)(7)，其與X射線圖像(1)中存在的第二物質(zhì)唯一對應。
3.按權利要求2所述的方法，其中，所述特征空間(5)具有不能與一種物質(zhì)唯一對應的第三分類區(qū)(8)。
4.按權利要求2或3所述的方法，其中，所述特征空間(5)具有與兩種物質(zhì)都不對應的第四分類區(qū)(9)。
5.按權利要求3或4所述的方法，其中，在進行閾值比較之前根據(jù)所述圖像環(huán)境(10)的至少一個映射在所述第三或者第四分類區(qū)(8，9)中的圖像點的數(shù)量對所述評價值(11)進行加權。
6.按權利要求1至5之一所述的方法，其中，所述特征空間(5)的至少一個分類區(qū)(6；7；8；9)通過模擬由此確定，即模擬由X射線透射的物質(zhì)的兩個衰減值(3，4)并映射到該特征空間(5)中。
7.按權利要求1至6之一所述的方法，其中，在進行閾值比較之前將所述評價值(11)借助于轉移函數(shù)(12)換算成概率(15)，其中，該轉移函數(shù)(12)給出映射的圖像點的數(shù)量和關于存在的物質(zhì)的概率(15)之間的關系。
8.按權利要求1至7之一所述的方法，其中，所述第一物質(zhì)為骨骼。
9.按權利要求2至8之一所述的方法，其中，所述第二物質(zhì)為造影劑。
10.按權利要求1至9之一所述的方法，其中，X射線的第一能量E1是在將管電壓調(diào)整到80kV時產(chǎn)生的。
11.按權利要求1至10之一所述的方法，其中，X射線的第二能量E2是在將管電壓調(diào)整到140kV時產(chǎn)生的。
12.按權利要求1至12之一所述的方法，其中，每個圖像維中的圖像環(huán)境(10)包括至少三個圖像點。
13.一種用于對X射線圖像(1)中的至少一種物質(zhì)進行分割的裝置，用于實施按權利要求1至12之一所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對X射線圖像(1)中的至少一種物質(zhì)進行分割的方法和裝置，其中，在該X射線圖像(1)的每個圖像點(2)上采集在不同X射線能量E1、E2下的兩個衰減值(3，4)，基于所采集的衰減值(3，4)將該X射線圖像的圖像點(2)映射到二維特征空間(5)中，并隨后在該特征空間(5)中從X射線圖像(1)的分別對應于一個圖像點(2)的圖像環(huán)境(10)的映射中確定作為評價值(11)的、映射到分類區(qū)(6)中的圖像點的數(shù)量，從而可以在評價值(11)的基礎上以簡單的方式計算包含該物質(zhì)的分割圖像(14)，其中，通過考慮圖像點(2)的相鄰關系可在最大程度上避免錯誤分類。
文檔編號G06T5/00GK101025823SQ200610130960
公開日2007年8月29日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權日2005年10月17日
發(fā)明者邁克爾·格拉斯魯克, 卡爾·斯蒂爾斯托弗 申請人:西門子公司