專利名稱：Apparatus for segmenting an object comprising sub-objects的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于分割包括子對(duì)象的對(duì)象的設(shè)備、方法和計(jì)算機(jī)程序。本發(fā)明 還涉及一種包括子對(duì)象的對(duì)象的模型。
背景技術(shù)：
EP1447772A1公開了一種在三維圖像數(shù)據(jù)集中分割包括肺葉的肺的方法。一種交 互式分水線算法利用了結(jié)合從經(jīng)分割的血管樹計(jì)算的距離圖的代價(jià)函數(shù)。距離增大表示沒(méi) 有血管，間接意味著肺葉之間的邊界。成長(zhǎng)的分水線區(qū)域填充用于分割肺葉的邊界間的區(qū) 域。

發(fā)明內(nèi)容
由于EP1447772A1中公開的方法利用不存在血管部進(jìn)行分割，并且由于不存在血 管部通常并不與肺葉邊界重合，且由于不存在血管部的位置取決于像血管的可見(jiàn)度和血管 分割的質(zhì)量的若干參數(shù)，因此降低了包括肺葉的肺的分割質(zhì)量。本發(fā)明的目的在于提供一種用于分割包括子對(duì)象的對(duì)象的設(shè)備、方法和計(jì)算機(jī)程 序，其改善包括子對(duì)象的對(duì)象的分割質(zhì)量。在本發(fā)明的一方面中，提供了一種用于分割在對(duì)象圖像中所示的包括子對(duì)象的對(duì) 象的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括-用于產(chǎn)生特征圖像的特征圖像產(chǎn)生單元，所述特征圖像示出與所述子對(duì)象之間 的中間區(qū)域相關(guān)的特征，-利用所述對(duì)象圖像和所述特征圖像分割所述子對(duì)象的分割單元。本發(fā)明基于以下想法，S卩，在產(chǎn)生示出了與對(duì)象的子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的 特征的特征圖像并將該特征圖像與對(duì)象圖像一起用于對(duì)象分割時(shí)，分割得到改善。由于特 征圖像包括關(guān)于子對(duì)象之間的中間區(qū)域位置的信息，且由于除了對(duì)象圖像之外這一信息還 被分割單元使用，所以改善了對(duì)象的分割，尤其是，對(duì)象之內(nèi)的子對(duì)象的分割。從對(duì)象的特征，例如子對(duì)象的表面和/或子對(duì)象之間的空間或元素檢索特征圖像 中示出的且與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征。例如，如果需要分割的對(duì)象是包括肺葉 (可以將其視為子對(duì)象)的肺，與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征優(yōu)選是從對(duì)象圖像中 所示的肺裂隙導(dǎo)出的特征。對(duì)象圖像例如是二維、三維或四維圖像數(shù)據(jù)集。圖像數(shù)據(jù)集可以通過(guò)任何成像裝 置，例如磁共振成像裝置、超聲成像裝置或核成像裝置采集。優(yōu)選地，由優(yōu)選使用X射線的 計(jì)算機(jī)斷層攝影成像裝置采集圖像數(shù)據(jù)集。圖像數(shù)據(jù)集例如是技術(shù)圖像數(shù)據(jù)集或醫(yī)療圖像 數(shù)據(jù)集。優(yōu)選地，圖像數(shù)據(jù)集是示出了人或動(dòng)物的肺或另一部分的計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像數(shù) 據(jù)集。在優(yōu)選實(shí)施例中，特征圖像產(chǎn)生單元適于從所述對(duì)象圖像產(chǎn)生特征圖像。于是，可 以不使用其他數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生特征圖像。具體而言，不需使用使用其他模態(tài)采集的另一幅圖像來(lái)產(chǎn)生該特征圖像。優(yōu)選地，特征圖像產(chǎn)生單元包括特征增強(qiáng)單元，所述特征增強(qiáng)單元用于增強(qiáng)與所 述對(duì)象圖像中的子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征。由于特征增強(qiáng)單元增強(qiáng)與對(duì)象圖像中 子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，因此在特征圖像中更加突出了這些特征，這改善了使 用特征圖像中的這些特征分割的質(zhì)量。于是，優(yōu)選通過(guò)增強(qiáng)與對(duì)象圖像中子對(duì)象之間的中 間區(qū)域相關(guān)的特征來(lái)產(chǎn)生特征圖像，其中從該增強(qiáng)得到的圖像優(yōu)選是特征圖像。特征增強(qiáng)單元優(yōu)選使用基于結(jié)構(gòu)張量或Hessian矩陣的增強(qiáng)濾子(filter)。下文 進(jìn)一步給出這種優(yōu)選增強(qiáng)濾子的更詳細(xì)描述。在另一實(shí)施例中，特征增強(qiáng)單元適于使得在向?qū)ο髨D像應(yīng)用增強(qiáng)濾子之后，向經(jīng) 增強(qiáng)的對(duì)象圖像的圖象值應(yīng)用閾值操作，以進(jìn)一步增強(qiáng)與對(duì)象圖像中子對(duì)象之間的中間區(qū) 域相關(guān)的特征。閾值操作適于使得在已經(jīng)應(yīng)用閾值操作之后，在經(jīng)增強(qiáng)的對(duì)象圖像中僅示 出高于或低于預(yù)定閾值的圖象值。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，如果不向?qū)ο髨D像應(yīng)用增強(qiáng)濾子， 也可以向?qū)ο髨D像應(yīng)用閾值操作。在這種情況下，已經(jīng)應(yīng)用了閾值操作的對(duì)象圖像優(yōu)選是 特征圖像。在另一實(shí)施例中，特征增強(qiáng)單元適于使得在對(duì)象圖像中的平面或線性結(jié)構(gòu)得以增 強(qiáng)。如果包括子對(duì)象的對(duì)象是三維對(duì)象，且如果對(duì)象圖像是三維或四維圖像，特征增強(qiáng)單元 優(yōu)選適于增強(qiáng)平面結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谶@種情況下子對(duì)象之間的中間區(qū)域被認(rèn)為是平面形狀的特 征。如果對(duì)象是二維對(duì)象或如果對(duì)象圖像是二維圖像，特征增強(qiáng)單元優(yōu)選適于增強(qiáng)線性結(jié) 構(gòu)，因?yàn)樵谶@種情況下一般認(rèn)為子對(duì)象之間的中間區(qū)域是線性形狀的。具體而言，如果必須 要分割包括肺葉的肺，特征增強(qiáng)單元優(yōu)選適于增強(qiáng)諸如裂隙的平面結(jié)構(gòu)。特征增強(qiáng)單元還 可以適于抑制與子對(duì)象之間的中間區(qū)域不相關(guān)的平面和/或線性結(jié)構(gòu)。例如，可以使用關(guān) 于肺外壁的位置和形狀的知識(shí)來(lái)抑制對(duì)象圖像中這些平面結(jié)構(gòu)。特征增強(qiáng)單元優(yōu)選增強(qiáng)與對(duì)象圖像中子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，其中包 括經(jīng)增強(qiáng)的特征的對(duì)象圖像是特征圖像。在另一實(shí)施例中，所述特征圖像產(chǎn)生單元包括用于對(duì)所述特征圖像執(zhí)行距離變換 的距離單元，其中所述特征圖像包括被分配以特征圖像值的特征圖像元素，其中根據(jù)以下 步驟執(zhí)行距離變換-確定所述特征圖像元素的中間區(qū)域特征圖像元素，其中所述中間區(qū)域特征圖像 元素示出了與所述子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，-確定用于特征圖像元素的距離值，其中所述距離值取決于所確定的中間區(qū)域特 征圖像元素和要為其確定距離值的特征圖像元素之間的距離，_用所確定的距離值替代被分配給已被確定距離值的特征圖像元素的特征圖像值。在另一實(shí)施例中，距離值取決于相應(yīng)特征圖像元素的位置到最近的中間區(qū)域特征 圖像元素的距離。在優(yōu)選實(shí)施例中，距離值可以是相應(yīng)特征圖像元素和最近中間區(qū)域特征圖像元素 之間的距離、距離倒數(shù)或這些的組合。使用距離值有如下優(yōu)點(diǎn)特征圖像的未示出與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征 的部分與特征圖像的示出了與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征的部分之間的過(guò)渡被平滑，這簡(jiǎn)化了特征圖像中可用于分割包括子對(duì)象的對(duì)象的特征的檢測(cè)，由此進(jìn)一步改善了 分割的質(zhì)量。在另一實(shí)施例中，分割單元包括_用于提供包括模型子對(duì)象的模型對(duì)象的模型提供單元，-用于在所述對(duì)象圖像和所述特征圖像中預(yù)定位所述模型對(duì)象的預(yù)定位單元，以 及-用于將所述模型對(duì)象適配到所述對(duì)象圖像和所述特征圖像中的所述對(duì)象的適配單元。該模型對(duì)象的提供、預(yù)定位和適配允許通過(guò)將模型對(duì)象適配到對(duì)象圖像中的對(duì)象 來(lái)分割對(duì)象，可以用較低計(jì)算工作量執(zhí)行適配，實(shí)現(xiàn)分割質(zhì)量的進(jìn)一步改善。在另一實(shí)施例中，適配所述適配單元使得將模型子對(duì)象面向另一模型子對(duì)象的表 面適配到所述特征圖像，并且使得將不面向模型子對(duì)象的模型對(duì)象的表面適配到對(duì)象圖 像。由于特征圖像示出了與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，因此可以以改進(jìn)的質(zhì)量將 模型子對(duì)象面對(duì)另一模型子對(duì)象的表面，即模型對(duì)象的內(nèi)表面適配到特征圖像，即特征圖 像中示出的與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，而模型對(duì)象不面對(duì)模型子對(duì)象的表面， 即模型對(duì)象的外表面可以適配到對(duì)象圖像，即對(duì)象圖像中所示的對(duì)象外表面，因?yàn)樵趯?duì)象 圖像中通常容易檢測(cè)到這個(gè)表面。優(yōu)選通過(guò)使包括內(nèi)部能量和外部能量的能量項(xiàng)最小化或最大化來(lái)執(zhí)行模型到 對(duì)象圖像中的對(duì)象或特征圖像中的特征的適配。內(nèi)部能量試圖將模型保持為預(yù)定義的 形狀，而外部能量試圖將模型的表面移動(dòng)到對(duì)象圖像中的對(duì)象表面或特征圖像中所示的 特征。優(yōu)選迭代地執(zhí)行能量項(xiàng)的這種最小化或最大化。在C. Lorenz，J. von Berg的文 章 “A comprehensive shape modelof the heart”，Medical Image Analysis, vol. 10， PP. 657-670,2006中公開了這種能量最小化或最大化的更詳細(xì)描述，在此通過(guò)引用將其并 入本文。在另一實(shí)施例中，適配單元適于通過(guò)搜索特征圖像中的極值將模型子對(duì)象面對(duì)另 一模型子對(duì)象的表面適配到特征圖像。極值是最小值或最大值。具體而言，如果特征圖像 包括距離值，可以以高精度在特征圖像中找到這種最小值或最大值。因此能夠進(jìn)一步改善 分割的質(zhì)量。在另一實(shí)施例中，-所述模型提供單元適于提供表面對(duì)象模型和體對(duì)象模型，并且-所述預(yù)定位單元適于確定用于將所述體對(duì)象模型配準(zhǔn)到所述對(duì)象圖像和所述特 征圖像中的至少一個(gè)上的變換并將所確定的變換應(yīng)用于所述表面對(duì)象模型以對(duì)所述表面 對(duì)象模型進(jìn)行預(yù)定位，并且-所述適配單元適于將所述表面對(duì)象模型適配到所述對(duì)象圖像和所述特征圖像中 的對(duì)象。由于一般可以以良好的質(zhì)量在對(duì)象圖像和/或特征圖像上配準(zhǔn)體對(duì)象模型，且由 于將描述把體對(duì)象模型配準(zhǔn)到對(duì)象圖像和/或特征圖像上的變換也應(yīng)用于表面對(duì)象模型， 所以改善了表面對(duì)象模型的配準(zhǔn)，從而改善了表面對(duì)象模型的適配，進(jìn)而能夠改善使用經(jīng) 適配的表面對(duì)象模型的分割。
表面對(duì)象模型定義體對(duì)象模型的表面，優(yōu)選至少一個(gè)外表面和至少一個(gè)內(nèi)表面， 內(nèi)表面分開對(duì)象的子對(duì)象。體模型優(yōu)選包括若干與子對(duì)象對(duì)應(yīng)的子體積，其中不同的子體 積不同地加以標(biāo)簽。預(yù)定位單元優(yōu)選適于確定用于將體對(duì)象模型配準(zhǔn)到對(duì)象圖像和特征圖像中的至 少一個(gè)上的仿射變換。仿射變換優(yōu)選包括模型對(duì)象的平移和/或縮放和/或切變。通過(guò)利 用仿射變換，可以進(jìn)一步改善將體模型對(duì)象配準(zhǔn)到對(duì)象圖像和/或特征圖像上的過(guò)程，從 而進(jìn)一步改善表面模型對(duì)象的預(yù)定位，由此進(jìn)一步改善分割。在另一實(shí)施例中，體對(duì)象模型 僅配準(zhǔn)在對(duì)象圖像上，還將通過(guò)這種配準(zhǔn)確定的變換用于在特征圖像中預(yù)定位表面模型對(duì) 象。在另一實(shí)施例中，對(duì)用于將體對(duì)象模型配準(zhǔn)到對(duì)象圖像和特征圖像中的至少一個(gè)上的 變換的確定加以約束以調(diào)整預(yù)定位。仿射配準(zhǔn)優(yōu)選使用相似性度量，相似性度量?jī)?yōu)選是互 相關(guān)的絕對(duì)值。在另一實(shí)施例中，在配準(zhǔn)之前對(duì)圖像進(jìn)行下采樣，即減小尺寸。在另一實(shí)施例中，預(yù)定位單元適于忽略體對(duì)象模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于在預(yù)定位期 間優(yōu)選忽略體對(duì)象模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以可以減少預(yù)定位過(guò)程的計(jì)算工作量。具體而言，優(yōu) 選在三維體素?cái)?shù)據(jù)集中表示體對(duì)象模型，在維度、體素大小和體素?cái)?shù)量方面，三維體素?cái)?shù)據(jù) 集與對(duì)象圖像對(duì)應(yīng)。在另一實(shí)施例中，在表示體對(duì)象模型的體素?cái)?shù)據(jù)集中，體對(duì)象模型內(nèi)部 的體素包括恒定非零值，特別地，為“ 1 ”，體對(duì)象模型外部的體素包括零值。優(yōu)選將包括恒定 非零值和零值的這個(gè)體素?cái)?shù)據(jù)集與對(duì)象圖像配準(zhǔn)以相對(duì)于對(duì)象圖像預(yù)定位體對(duì)象模型，具 體而言，使用互相關(guān)作為相似性度量進(jìn)行配準(zhǔn)，其中將互相關(guān)應(yīng)用于表示體對(duì)象圖像和對(duì) 象圖像的體素?cái)?shù)據(jù)集。在另一實(shí)施例中，除了所述子對(duì)象之外，所述對(duì)象還包括元素結(jié)構(gòu)，其中-所述模型提供單元適于提供元素結(jié)構(gòu)的模型，并且-所述預(yù)定位單元適于使用元素結(jié)構(gòu)的模型和模型對(duì)象之間的關(guān)系通過(guò)將結(jié)構(gòu)元 素的模型配準(zhǔn)到對(duì)象圖像和特征圖像中的至少一個(gè)上來(lái)配準(zhǔn)對(duì)象模型，并基于經(jīng)配準(zhǔn)的元 素結(jié)構(gòu)的模型以及元素結(jié)構(gòu)的模型和模型對(duì)象之間的關(guān)系進(jìn)一步配準(zhǔn)對(duì)象模型。這允許使用對(duì)象圖像中所示對(duì)象的元素結(jié)構(gòu)在對(duì)象圖像和/或特征圖像中預(yù)定 位模型對(duì)象。元素結(jié)構(gòu)例如是患者的肋骨架，在這種情況下這種元素結(jié)構(gòu)的模型是肋骨架 模型。由于通常在肺的圖像中，尤其是在計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像中，利用肋骨架和肋骨架模型 能很好地檢測(cè)到肋骨架，所以在這種情況下，可以改善對(duì)肺建模的模型對(duì)象的預(yù)定位。用于 配準(zhǔn)對(duì)象模型的元素結(jié)構(gòu)的模型和模型對(duì)象之間的關(guān)系優(yōu)選是空間和/或時(shí)間關(guān)系。在另一實(shí)施例中，所述模型對(duì)象包括閉合外表面和至少一個(gè)內(nèi)表面，所述閉合外 表面將所述模型對(duì)象與所述模型對(duì)象外部物分開，所述內(nèi)表面位于所述模型對(duì)象內(nèi)部，用 于將所述模型子對(duì)象彼此分開。這樣的模型對(duì)象相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼉H提供了至少一個(gè)外表 面和至少一個(gè)分開子對(duì)象的內(nèi)表面，其中降低了用于分割過(guò)程的計(jì)算成本。在另一實(shí)施例中，所述模型提供單元適于通過(guò)執(zhí)行以下步驟提供包括模型子對(duì)象 的模型對(duì)象-提供包括對(duì)象圖像元素的若干對(duì)象圖像，-分割所述若干對(duì)象圖像中的子對(duì)象，-將包括經(jīng)分割的子對(duì)象的若干對(duì)象圖像彼此配準(zhǔn)，-使經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像中的經(jīng)分割的子對(duì)象模糊化，從而針對(duì)每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中對(duì)于每個(gè)經(jīng) 分割的子對(duì)象，將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中所述模糊值取決 于相應(yīng)的經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素屬于相應(yīng)的經(jīng)分割的子模型的概率，-針對(duì)每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象對(duì)分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像 元素的模糊值求平均，從而為經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素產(chǎn)生平 均模糊值，-根據(jù)分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素的相應(yīng)的經(jīng)分 割的子對(duì)象的平均模糊值，將該組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素分配給經(jīng)分割的子對(duì)象。一組對(duì)應(yīng)的 對(duì)象圖像元素優(yōu)選包括在執(zhí)行配準(zhǔn)之后彼此相疊的對(duì)象圖像元素。一種適于執(zhí)行這些步驟的模型提供單元提供了模型對(duì)象，如果將這種模型對(duì)象用 于分割包括子對(duì)象的對(duì)象，將進(jìn)一步改善分割的質(zhì)量。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種分割對(duì)象圖像中所示的包括子對(duì)象的對(duì)象的 方法，其中所述方法包括以下步驟-借助于特征圖像產(chǎn)生單元產(chǎn)生特征圖像，所述特征圖像示出與所述子對(duì)象之間 的中間區(qū)域相關(guān)的特征，_借助于分割單元利用所述對(duì)象圖像和所述特征圖像分割所述子對(duì)象。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種用于分割對(duì)象圖像中示出的包括子對(duì)象的對(duì) 象的計(jì)算機(jī)程序，其中該計(jì)算機(jī)程序包括在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要 求13所述的方法的步驟的程序代碼模塊。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種包括子對(duì)象的對(duì)象的模型，其中根據(jù)以下步 驟產(chǎn)生所述模型-提供包括對(duì)象圖像元素的若干對(duì)象圖像，-分割所述若干對(duì)象圖像中的子對(duì)象，-將包括經(jīng)分割的子對(duì)象的若干對(duì)象圖像彼此配準(zhǔn)，-使經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像中的經(jīng)分割的子對(duì)象模糊化，從而針對(duì)每個(gè)經(jīng)分 割的子對(duì)象將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中對(duì)于每個(gè)經(jīng) 分割的子對(duì)象，模糊值被分配給經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中所述模糊值取決 于相應(yīng)經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素屬于相應(yīng)經(jīng)分割的子模型的概率，-針對(duì)每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象對(duì)分配給經(jīng)配準(zhǔn)的若干對(duì)象圖像的對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素 的模糊值求平均，從而為經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素產(chǎn)生平均模 糊值，-根據(jù)針對(duì)相應(yīng)經(jīng)分割的子對(duì)象為經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖 像要素分配的平均模糊值，向經(jīng)分割的子對(duì)象分配該組對(duì)應(yīng)的對(duì)象圖像要素。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備、根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法和根據(jù)權(quán)利 要求13所述的計(jì)算機(jī)程序具有如從屬權(quán)利要求中限定的類似和/或等同的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例還可以是從屬權(quán)利要求與相應(yīng)的獨(dú)立權(quán)利要求的 任意組合。


參考下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將顯而易見(jiàn)并得到闡述。在下 述附圖中圖1示意性和示范性示出了用于分割包括子對(duì)象的對(duì)象的設(shè)備的圖示；圖2示意性和示范性示出了用于分割包括子對(duì)象的對(duì)象的設(shè)備的特征圖像生成 單元的圖示；圖3示意性和示范性示出了用于分割包括子對(duì)象的對(duì)象的設(shè)備的分割單元的圖示；圖4示意性和示范性示出了表面模型對(duì)象；圖5示出了圖示說(shuō)明借助于模型提供單元產(chǎn)生表面目標(biāo)模型的方法的流程圖；圖6以截面圖示意性和示范性示出了來(lái)自經(jīng)分割的對(duì)象圖像的標(biāo)簽；圖7以截面圖示意性和示范性示出了在應(yīng)用模糊化之后來(lái)自經(jīng)分割的對(duì)象圖像 的標(biāo)簽；圖8以截面圖示意性和示范性示出了求平均和分配步驟之后的體對(duì)象模型；圖9以截面圖示意性和示范性示出了對(duì)象圖像之內(nèi)的體對(duì)象模型；圖10以截面圖示意性和示范性示出了已經(jīng)在對(duì)象圖像之內(nèi)執(zhí)行配準(zhǔn)之后的體模 型對(duì)象；圖11示出了元素結(jié)構(gòu)的模型；圖12以截面圖示出了配準(zhǔn)和適配到對(duì)象圖像的元素結(jié)構(gòu)的模型；圖13示出了圖示說(shuō)明分割包括子對(duì)象的對(duì)象的方法的實(shí)施例的流程圖；圖14以截面圖示意性和示范性示出了預(yù)定位到對(duì)象圖像上的表面對(duì)象模型；圖15以截面圖示意性和示范性示出了已經(jīng)應(yīng)用了增強(qiáng)濾子之后的特征圖像；圖16以截面圖示意性和示范性示出了特征圖像，所述特征圖像包括距離值和預(yù) 定位表面對(duì)象模型；圖17以截面圖示意性和示范性示出了在對(duì)象圖像進(jìn)行適配之后的表面對(duì)象模 型；以及圖18以截面圖示意性和示范性示出了包括距離值的特征圖像，所述特征圖像具 有經(jīng)適配的表面模型對(duì)象。
具體實(shí)施例方式圖1示意性和示范性示出了用于分割包括子對(duì)象的對(duì)象的設(shè)備。設(shè)備1包括用于 產(chǎn)生特征圖像的特征圖像產(chǎn)生單元2和分割單元3，所述特征圖像示出了與子對(duì)象之間的 中間區(qū)域相關(guān)的特征，分割單元3利用示出了對(duì)象和特征圖像的對(duì)象圖像分割子對(duì)象。輸 入單元5連接到設(shè)備1，使用戶能夠向設(shè)備1中進(jìn)行輸入。此外，輸出單元6連接到設(shè)備1， 用于輸出，例如輸出分割結(jié)果。輸入單元例如是鍵盤或鼠標(biāo)，輸出單元例如是顯示器或打印 機(jī)。設(shè)備1還連接到用于提供對(duì)象圖像的對(duì)象圖像提供單元4。在這一實(shí)施例中，對(duì)象圖像 提供單元4是計(jì)算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)，其從采集的X射線投影數(shù)據(jù)重建計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像。 在另一實(shí)施例中，對(duì)象圖像提供單元可以是任何其他成像裝置，例如磁共振成像裝置、超聲 成像裝置、核成像裝置或光學(xué)成像裝置。在另一實(shí)施例中，對(duì)象圖像提供單元是存儲(chǔ)對(duì)象圖 像的存儲(chǔ)單元，對(duì)象圖像可以傳輸?shù)皆O(shè)備1。
圖2示意性和示范性示出了特征圖像產(chǎn)生裝置2，其包括特征增強(qiáng)單元7和距離單 元8，特征增強(qiáng)單元7用于增強(qiáng)與對(duì)象圖像中子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，距離單元 8用于對(duì)特征圖像進(jìn)行距離變換，其中用距離值替代特征圖像的特征圖像值，距離值取決于 相應(yīng)特征圖像值的位置到特征圖像元素的距離，特征圖像元素示出了與子對(duì)象之間的中間 區(qū)域相關(guān)的特征。具體而言，特征圖像包括被分配了特征圖像值的特征圖像元素，其中優(yōu)選 根據(jù)以下步驟執(zhí)行距離變換-確定特征圖像元素的中間區(qū)域特征圖像元素，其中中間區(qū)域特征圖像元素示出 了與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，-確定對(duì)于特征圖像元素的距離值，其中距離值取決于所確定的中間區(qū)域特征圖 像元素和要為其確定距離值的特征圖像元素之間的距離，_用所確定的距離值替代被分配給已被確定距離值的特征圖像元素的特征圖像 值。在這一實(shí)施例中，距離值是相應(yīng)特征圖像元素和最近的中間區(qū)域特征圖像元素之間的 距離。在其他實(shí)施例中，距離值可以是距離倒數(shù)或后一實(shí)施例和前一實(shí)施例的組合。圖3示意性和示范性示出了分割單元3，分割單元3包括模型提供單元9、預(yù)定位 單元10和適配單元11。模型提供單元9適于提供包括模型子對(duì)象的模型對(duì)象。模型對(duì)象可以是體模型對(duì) 象或表面模型對(duì)象。在這一實(shí)施例中，模型對(duì)象是表面模型對(duì)象。在圖4中示意性和示范 性示出了包括作為子對(duì)象的肺葉的肺的表面模型對(duì)象的實(shí)施例。在圖4中，示意性和示范性示出了具有三角形化網(wǎng)格表面的肺模型12。左肺包括 兩個(gè)肺葉13和14，右肺包括三個(gè)肺葉15、16和17。不同肺葉的表面包括不同的標(biāo)簽。模 型由幾何學(xué)網(wǎng)格構(gòu)成，其中一個(gè)閉合的表面表示肺壁的模型，肺體積之內(nèi)的其他表面表示 分開肺葉的肺裂隙。在這一實(shí)施例中，肺裂隙是與子對(duì)象(在這一實(shí)施例中，即肺葉)之間 的中間區(qū)域相關(guān)的特征?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)平均標(biāo)簽數(shù)據(jù)集進(jìn)行三角剖分來(lái)構(gòu)造這種網(wǎng)格模型， 其中屬于不同肺葉的體素具有截然不同的“內(nèi)部”標(biāo)簽，肺體積外部的體素具有“外部”標(biāo) 簽?？梢詮幕颊邎D像的訓(xùn)練集計(jì)算這種平均標(biāo)簽數(shù)據(jù)集，其中通過(guò)自動(dòng)的或交互的過(guò)程對(duì) 肺葉區(qū)域加標(biāo)簽。在這一實(shí)施例中，模型提供單元適于通過(guò)執(zhí)行將在下文中參考圖5所示 的流程圖描述的步驟來(lái)提供包括模型子對(duì)象的模型對(duì)象。在步驟101中，由模型提供單元接收若干對(duì)象圖像，對(duì)象圖像優(yōu)選來(lái)自同一類型 的不同對(duì)象，具體而言，是不同患者的肺圖像。這若干對(duì)象圖像優(yōu)選是示出了患者肺部的計(jì) 算機(jī)斷層攝影圖像。若干對(duì)象圖像包括對(duì)象圖像元素，具體而言，是體素或像素。在步驟102中，例如，通過(guò)已知的分割過(guò)程或手動(dòng)分割對(duì)象圖像中的不同子對(duì)象。 在步驟103中，將若干對(duì)象圖像彼此配準(zhǔn)。具體而言，將這些對(duì)象圖像之一選擇作為參考對(duì) 象圖像，將其他對(duì)象圖像與這一參考對(duì)象圖像配準(zhǔn)。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)執(zhí)行步驟 102以及下文將要進(jìn)一步解釋的用于第一迭代的步驟104到106來(lái)獲得要將其他對(duì)象圖像 向其配準(zhǔn)的參考對(duì)象圖像。優(yōu)選利用仿射變換執(zhí)行步驟103中的配準(zhǔn)，仿射變換優(yōu)選包括平移、縮放和/或切
變操作。在步驟104中，使經(jīng)配準(zhǔn)的若干對(duì)象圖像中的經(jīng)分割的子對(duì)象模糊化，從而使得 針對(duì)每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的若干對(duì)象圖像的圖像元素，其中對(duì)于每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象和每個(gè)經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像，將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的每個(gè)對(duì) 象圖像元素，其中模糊值取決于相應(yīng)經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素屬于相應(yīng)的經(jīng)分割 的子模型的概率。優(yōu)選地，在步驟102中，向每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象分配不同的標(biāo)簽，將其他標(biāo)簽分配 給子對(duì)象外部的區(qū)域。在步驟104中，優(yōu)選地，向子對(duì)象的邊界，具體而言是肺葉的邊界應(yīng) 用模糊化，得到距標(biāo)簽過(guò)渡的特定距離在0和1之間變化，大于0. 5的值在標(biāo)簽區(qū)域“內(nèi) 部”，小于0. 5的值在標(biāo)簽區(qū)域“外部”。優(yōu)選分別針對(duì)每個(gè)標(biāo)簽產(chǎn)生這種連續(xù)的“模糊”標(biāo) 簽圖像，其中優(yōu)選選擇邊界距離的線性變化。圖6示意性和示范性示出了具有經(jīng)分割的帶 標(biāo)簽區(qū)域30、31、32、33、34的若干對(duì)象圖像，它們被不同地加以標(biāo)簽。圖7示出了已經(jīng)在步 驟104中應(yīng)用模糊化之后不同地加以標(biāo)簽的區(qū)域。優(yōu)選地，將不同的經(jīng)分割的子對(duì)象分到不同的單個(gè)圖像中，其中每個(gè)圖像示出了 步驟101中接收的若干對(duì)象中的一個(gè)的子對(duì)象，向這些單一子對(duì)象的每個(gè)應(yīng)用步驟104中 的模糊化。在步驟105中，對(duì)從步驟104中的模糊化獲得的模糊值進(jìn)行平均。具體而言，針對(duì) 每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象對(duì)分配給經(jīng)配準(zhǔn)的若干對(duì)象圖像的對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素的模糊值求平 均，從而為經(jīng)配準(zhǔn)的若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素產(chǎn)生平均模糊值。具體而言，將 對(duì)應(yīng)的子對(duì)象的對(duì)應(yīng)模糊值求和，將所得的和除以若干對(duì)象圖像的數(shù)目。在步驟106中，根 據(jù)針對(duì)相應(yīng)圖像元素的平均模糊值，將若干對(duì)象圖像的圖像元素，即經(jīng)配準(zhǔn)的若干對(duì)象圖 像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素分配給子對(duì)象。具體而言，在對(duì)個(gè)體模糊標(biāo)簽圖像，即模糊值求 平均之后，如果最高模糊值高于預(yù)定義的閾值，或者，特別地，如果針對(duì)相應(yīng)圖像元素的所 有模糊值之和大于0. 5，選擇具有最高模糊值的標(biāo)簽。最后，在步驟106中已經(jīng)將每個(gè)圖像元素分配給子對(duì)象之一或?qū)ο笾獾膮^(qū)域之 后，可以應(yīng)用三角剖分過(guò)程，以在步驟107中產(chǎn)生三角剖分網(wǎng)格模型。在優(yōu)選實(shí)施例中，可以適配模型提供單元，從而將從步驟106獲得的體模型用于 將在步驟101中接收的若干對(duì)象圖像配準(zhǔn)到這個(gè)體模型對(duì)象上，并用于對(duì)這些新配準(zhǔn)的對(duì) 象圖像再次執(zhí)行步驟102到106 ；優(yōu)選地，在用于產(chǎn)生要被用于配準(zhǔn)的體模型的第一迭代 中，省略配準(zhǔn)步驟103。在步驟107中，為了從體模型產(chǎn)生網(wǎng)格，優(yōu)選使用曲率自適應(yīng)三角剖分法來(lái)分離 被加以不同標(biāo)簽的“內(nèi)部”體積。實(shí)施曲率自適應(yīng)三角剖分法的一個(gè)重要參數(shù)是表面三角 形的預(yù)選數(shù)量，優(yōu)選對(duì)照網(wǎng)格化的標(biāo)簽體積以圖形方式改變和檢查該數(shù)量。優(yōu)選地，使用形 態(tài)學(xué)平滑化來(lái)去除小孔和粗糙的子對(duì)象邊界，尤其是粗糙的肺葉邊界。圖8示意性和示范性示出了穿過(guò)在步驟106中獲得的體對(duì)象模型的切片。在優(yōu)選實(shí)施例中，模型提供單元9適于提供表面對(duì)象模型12和體對(duì)象模型21，它 們例如是通過(guò)執(zhí)行上述步驟101到107而產(chǎn)生的。如果已經(jīng)有了表面對(duì)象模型，尤其是表面網(wǎng)格對(duì)象模型，就可以通過(guò)例如區(qū)域生 長(zhǎng)或掃描線過(guò)程從表面對(duì)象模型產(chǎn)生體對(duì)象模型。預(yù)定位單元10優(yōu)選適于確定用于將體對(duì)象模型21配準(zhǔn)到對(duì)象圖像18和/或特 征圖像中的至少一個(gè)上的變換并且向表面對(duì)象模型12應(yīng)用所確定的變換以對(duì)表面對(duì)象模 型12進(jìn)行預(yù)定位。在這一實(shí)施例中，預(yù)定位單元10適于確定用于將體對(duì)象模型21配準(zhǔn)到對(duì)象圖像18上的變換并且向表面對(duì)象模型12應(yīng)用所確定的變換以對(duì)表面對(duì)象模型12進(jìn) 行預(yù)定位。圖9示意性和示范性示出了穿過(guò)肺的三維圖像的切片，其中一開始將體對(duì)象模 型21放在對(duì)象圖像18之內(nèi)。這種初始定位可以是任意定位，或者，例如是將體對(duì)象模型21 置于對(duì)象圖像18中心的定位。圖10示意性和示范性示出了已經(jīng)執(zhí)行配準(zhǔn)之后對(duì)象圖像18 中的體模型對(duì)象21。與配準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的變換優(yōu)選是仿射變換，仿射變換包括平移、縮放和/或切 變。為了確定用于將體對(duì)象模型配準(zhǔn)到對(duì)象圖像上的變換，體模型對(duì)象優(yōu)選由具有這 樣的標(biāo)簽的像素或體素構(gòu)成，如果像素或體素屬于對(duì)象區(qū)域，具體而言屬于肺區(qū)域，標(biāo)簽為 “ 1 ”，否則標(biāo)簽為“0”。然后，例如通過(guò)能夠?qū)φ麄€(gè)圖像進(jìn)行仿射變換的方法，將對(duì)應(yīng)圖像配 準(zhǔn)到個(gè)體對(duì)象圖像上，具體而言，是示出患者肺部的個(gè)體患者圖像上。將所得的幾何變換應(yīng) 用于等價(jià)表面對(duì)象模型，獲得期望的預(yù)定位表面對(duì)象模型。通過(guò)在配準(zhǔn)期間限制變換參數(shù)， 可以調(diào)整預(yù)定位以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的對(duì)象變化，具體而言，更強(qiáng)的患者變化，或者以嚴(yán)格接近原始 形狀，例如對(duì)于嚴(yán)重的病灶而言。預(yù)定位單元10優(yōu)選在確定變換期間忽略體對(duì)象模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該變換將體對(duì) 象模型配準(zhǔn)到對(duì)象圖像和特征圖像中的至少一個(gè)上。如果對(duì)象圖像除了子對(duì)象之外還包括在對(duì)象圖像中可看見(jiàn)的元素結(jié)構(gòu)，例如肋骨 架的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，該模型提供單元適于提供元素結(jié)構(gòu)的模型22，具體而言，是肋骨架22的 模型。然后，更優(yōu)選地，預(yù)定位單元10適于提供元素結(jié)構(gòu)的模型，具體而言，為肋骨架的模 型22，與模型對(duì)象之間的關(guān)系，模型對(duì)象優(yōu)選為表面對(duì)象模型。在另一實(shí)施例中，預(yù)定位單 元10適于將元素結(jié)構(gòu)的模型，具體而言，肋骨架模型22配準(zhǔn)到對(duì)象圖像和特征圖像中的至 少一個(gè)上，并利用經(jīng)配準(zhǔn)的元素結(jié)構(gòu)的模型，具體而言，肋骨架的經(jīng)配準(zhǔn)模型22，且利用元 素結(jié)構(gòu)的模型和模型對(duì)象之間的關(guān)系來(lái)配準(zhǔn)對(duì)象模型。這種配準(zhǔn)優(yōu)選包括仿射變換。如果必須要分割包括肺葉的肺，使用對(duì)象圖像中的元素結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)象模型進(jìn)行預(yù) 定位尤其有用，其中對(duì)象圖像，即肺圖像示出了肋骨架，因?yàn)榉蔚男螤畋恢車睦吖羌芎?好地界定且肋骨在計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像中被界定得要比肺結(jié)構(gòu)清晰得多，在本實(shí)施例 中優(yōu)選使用計(jì)算機(jī)斷層攝影成像。于是，優(yōu)選由經(jīng)適配的肋骨架模型用作初始肺模型 位置的參考。為了提供肋骨架模型，可以使用在以下文獻(xiàn)中描述的過(guò)程“Geometrical Rib-CageModeling, Detection, and Segmentation，，， Tobias Klinder, Cristian Lorenz, Jens von Berg CARS 2007, Volume 2 Supplement 1，pp. S91-S93，在此通過(guò)引用將其并入 本文。在圖11中示意性和示范性示出了肋骨架模型22。肋骨架模型和肺模型之間的幾 何變換是已知的。為了將肺模型預(yù)定位到給定對(duì)象圖像，即患者的給定肺圖像，探測(cè)和識(shí) 別肺圖像中與肋骨架模型22的模型肋骨對(duì)應(yīng)的肋骨，例如，如Tobias Klinder, Cristian Lorenz, Jens von Berg, Sebastian P. M. Dries, Thomas Billow禾口 J5ni Ostermann在MICCAI 2007 發(fā)表的 “AutomatedModel-Based Rib Cage Segmentation and Labeling in CT Images"中所述，該文章在此也通過(guò)引用并入本文。然后，優(yōu)選利用仿射變換將肋骨架模型 22配準(zhǔn)到肺圖像上。在圖12中示意性和示范性示出了穿過(guò)肺圖像18的切片，其中肋骨架 模型22被配準(zhǔn)到肺圖像18中的肋骨上。在另一實(shí)施例中，可以將元素結(jié)構(gòu)的模型適配到 對(duì)象圖像中所示的對(duì)象，具體而言，可以將肋骨架模型22適配到肺圖像18。已知肋骨架模型從模型空間到對(duì)象圖像的幾何變換，可以容易地定位肺模型。如果對(duì)例如肺葉體積的大致估計(jì)對(duì)于給定應(yīng)用已足夠，就可以直接使用通過(guò)肋骨 架探測(cè)來(lái)預(yù)定位的肺模型而無(wú)需進(jìn)一步適配。使用這種方法對(duì)肺預(yù)定位可能比使用配準(zhǔn)方 式更加精確，因?yàn)槔吖羌苓m配給出了細(xì)化的肋骨模型對(duì)齊，這可以傳遞到肺模型以提供細(xì) 化的肺模型對(duì)齊。對(duì)于高度病態(tài)的情況這可能尤其重要，在這種情況下圖像中未清晰刻畫 出肺的形狀。適配單元11適于適配已經(jīng)由模型提供單元9提供并已經(jīng)通過(guò)預(yù)定位單元10預(yù)定 位的對(duì)象模型，具體而言，是表面對(duì)象模型。適配單元11優(yōu)選適于使得模型對(duì)象的面對(duì)另 一模型子對(duì)象的模型子對(duì)象的表面適配到由特征圖像產(chǎn)生單元2產(chǎn)生的特征圖像，并且模 型對(duì)象(尤其是表面模型對(duì)象)的不面對(duì)模型子模型對(duì)象的表面適配到對(duì)象圖像。在這一 實(shí)施例中，適配單元11適于通過(guò)搜索特征圖像中的最小值將面對(duì)另一模型子對(duì)象的模型 子對(duì)象的表面適配到特征圖像，所述特征圖像包含距離單元8計(jì)算的距離值。下文將結(jié)合 分割包括子對(duì)象的對(duì)象的方法更詳細(xì)地解釋由適配單元11執(zhí)行的適配。在下文中，將參考圖13中所示的流程圖解釋分割包括子對(duì)象的對(duì)象的方法。在步驟201中，在這一實(shí)施例中，模型提供單元9提供包括表面模型子對(duì)象的表面 模型對(duì)象和包括體模型子對(duì)象的體模型對(duì)象。在另一實(shí)施例中，模型提供單元可以包括表 面模型對(duì)象或體模型對(duì)象。模型提供單元9還可以提供元素結(jié)構(gòu)的模型，其中該元素結(jié)構(gòu) 并非子對(duì)象，像肋骨架模型。表面模型對(duì)象和體模型對(duì)象優(yōu)選是包括肺葉的肺的模型，其中 模型對(duì)象包括閉合外表面和若干用于分離肺葉的內(nèi)表面。在步驟202中，在對(duì)象圖像之內(nèi)預(yù)定位表面模型對(duì)象，對(duì)象圖像優(yōu)選是計(jì)算機(jī)斷 層攝影胸廓圖像。由預(yù)定位單元10通過(guò)在對(duì)象圖像之內(nèi)預(yù)定位對(duì)應(yīng)的體對(duì)象模型并獲悉 上文更詳細(xì)描述的體對(duì)象模型和表面對(duì)象模型之間的空間關(guān)系來(lái)執(zhí)行這種預(yù)定位。在另一 實(shí)施例中，可以將并非子對(duì)象的元素結(jié)構(gòu)的模型，例如肋骨架模型以及表面對(duì)象模型和元 素結(jié)構(gòu)的模型之間，或元素結(jié)構(gòu)的模型和體對(duì)象模型之間的空間關(guān)系用于在對(duì)象圖像之內(nèi) 預(yù)定位表面對(duì)象模型或體對(duì)象模型，如上文更詳細(xì)描述的。圖14示意性和示范性示出了對(duì)象模型12的圖示，其中，對(duì)象模型12已經(jīng)在作為 對(duì)象圖像的計(jì)算機(jī)斷層攝影肺圖像之內(nèi)被預(yù)定位了。在步驟203中，將增強(qiáng)濾子應(yīng)用于對(duì)象圖像，以增強(qiáng)與對(duì)象圖像中子對(duì)象之間的 中間區(qū)域相關(guān)的特征。由于對(duì)象優(yōu)選是三維或四維圖像數(shù)據(jù)集中的三維對(duì)象，優(yōu)選適配特 征增強(qiáng)單元7使得增強(qiáng)平面結(jié)構(gòu)。特征增強(qiáng)單元7優(yōu)選使用來(lái)自結(jié)構(gòu)傳感器的一階導(dǎo)數(shù)或 來(lái)自Hessian矩陣的二階導(dǎo)數(shù)。在已經(jīng)將增強(qiáng)濾子應(yīng)用于對(duì)象圖像之后，產(chǎn)生特征圖像，特 征圖像示出了與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征；具體而言，如果對(duì)象為包括肺葉的肺， 特征圖像優(yōu)選示出肺裂隙。裂隙增強(qiáng)濾子優(yōu)選基于結(jié)構(gòu)張量或Hessian矩陣。結(jié)構(gòu)張量?jī)?yōu)選是局部結(jié)構(gòu)張量J，通過(guò)在濾子中心周圍的高斯加權(quán)鄰域中對(duì)三維 梯度矢量的外矢量積采樣來(lái)構(gòu)建結(jié)構(gòu)張量。
4
gg
(gxgx) {gxgy) (gXS2) {gygx) (gygy) {syg2) (gzSx) (gzgy) {Szg,)_其中〈 表示局部鄰域上的高斯加權(quán)平均，局部鄰域被定義為例如η毫米的球體。 例如，在“Signal Processing for Computer Vision，，，G· H· Granlund禾口H· Knutsson，Luwer Academic Publishers，1995 禾口 “Tensor-based image sequence processing techniques for the study of dynamical processes”，H. Haussecker, H.Spies 禾口 B. Jahlie International Symposium on RealtimeImaging and Dynamic Analysis，1998 中公幵了局 部結(jié)構(gòu)張量，這些文章在此通過(guò)引用并入本文。結(jié)構(gòu)張量?jī)?yōu)選是從對(duì)象圖像中每個(gè)點(diǎn)處的圖象值導(dǎo)數(shù)構(gòu)建的，并表示這個(gè)點(diǎn)周圍 梯度矢量的分布。在平面狀特征處，具體而言，在平面狀裂隙處，預(yù)計(jì)會(huì)有所謂的簡(jiǎn)單鄰域， 例如在 “Neighborhood Operators", B. JMhne 禾口 H. Hau β ecker, Computer Vision and Applications, Academic Press，London2000 (在此通過(guò)引用并入本文)中描述了簡(jiǎn)單鄰 域，其特征在于一個(gè)主導(dǎo)的和兩個(gè)消末(vanishing)的梯度取向。張量的一個(gè)屬性在于，由 于梯度矢量的平方，反平行梯度矢量(在裂隙兩側(cè)上)都以同樣方式作出貢獻(xiàn)。結(jié)構(gòu)張量 J是正的半定的，可以確定三個(gè)正本征值A(chǔ)1^ λ 2，并可以定義方向性相干度量
q =
卜同樣強(qiáng)的梯度取向而
曰
Λ.+Λ
？對(duì)于僅一個(gè)主導(dǎo)梯度取向而言其變?yōu)?，對(duì)于兩個(gè)或J 其為0。然后可以利用加權(quán)項(xiàng)如下計(jì)算裂隙度F1 F1 = e'(/_")2/2ff2C其中加權(quán)項(xiàng)描述了濾子中心處的圖像值I (尤其是灰度)與典型圖像值，尤其是針 對(duì)裂隙的灰度值μ對(duì)應(yīng)得有多好，標(biāo)準(zhǔn)偏差為ο。Hessian矩陣方法利用如下事實(shí)在像裂隙那樣的平面結(jié)構(gòu)處，預(yù)計(jì)會(huì)有圖像值 分布曲線的，尤其是灰度值分布曲線的，垂直于裂隙的一個(gè)強(qiáng)彎曲和平行于裂隙的兩個(gè)消 末彎曲。對(duì)于裂隙的Hoimsfield范圍中的每個(gè)體素，利用六個(gè)獨(dú)立的二階導(dǎo)數(shù)構(gòu)建本地 Hessian 矩陣 H
S XXS xyg
H =S yx^ yygSzxS zyS 優(yōu)選地，在向原始圖像應(yīng)用二項(xiàng)式平滑化之后計(jì)算導(dǎo)數(shù)。然后確定對(duì)稱Hessian 矩陣的本征值I XciI彡I X1I彡I λ2|。對(duì)于低強(qiáng)度背景上的高強(qiáng)度對(duì)象而言，優(yōu)選需要最 重要的本征值是負(fù)的，λ^<0，否則，優(yōu)選將該點(diǎn)的裂隙度設(shè)置為F2 = 0。如果λ^<0，則 優(yōu)選如下計(jì)算歸一化的平面度P
λ|-|ΛΙ P =
其對(duì)于一個(gè)重要本征值λ ^和兩個(gè)消末本征值入工和λ2變?yōu)?，如果兩個(gè)最重要 特征值相等，其變?yōu)?。那么，再次利用加權(quán)項(xiàng)如下計(jì)算裂隙度F2 F1 = β~^~μ)1 2σ2ρ加權(quán)項(xiàng)描述了這個(gè)點(diǎn)處的圖像值I (尤其是灰度)與典型圖像值，尤其是針對(duì)裂隙 的、對(duì)于與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征的灰色值μ對(duì)應(yīng)得有多好，標(biāo)準(zhǔn)偏差為ο。與裂隙的平均Hoimsfield值相關(guān)的加權(quán)項(xiàng)一 )2 2用于抑制其他平面結(jié)構(gòu)，例 如肺壁。針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)集單獨(dú)估計(jì)裂隙的預(yù)期平均Hoimsfield值μ。優(yōu)選使用肺體積的 先前分割來(lái)建立肺實(shí)質(zhì)的Hoimsfield直方圖。然后將預(yù)期的平均裂隙μ設(shè)置成特征平均 實(shí)質(zhì)以上的特定值。例如，在“ Unsupervised extraction of the pulmonary interlobar fissures from high resolution thoracic CT data", International Congress Series, volume 1281, May 2005, pages 1121-1126, CARS 2005, Computer Assisted Radiology and Surgery，Rafael ffiemker,Thomas Bulow,Thomas Blaffert 的 2. 1 至Ij 2. 3 節(jié)中公開了基于 來(lái)自結(jié)構(gòu)傳感器的一階導(dǎo)數(shù)或來(lái)自Hessian矩陣的二階導(dǎo)數(shù)的增強(qiáng)濾子的更詳細(xì)描述，這 部分內(nèi)容在此通過(guò)引用并入本文。盡管已經(jīng)結(jié)合肺中的裂隙描述了基于來(lái)自結(jié)構(gòu)傳感器的一階導(dǎo)數(shù)或來(lái)自Hessian 矩陣的二階導(dǎo)數(shù)的優(yōu)選增強(qiáng)濾子，但在其他實(shí)施例中，可以將這種優(yōu)選增強(qiáng)濾子用于增強(qiáng) 與對(duì)象圖像中的子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的其他平面特征。圖15示意性和示范性示出了通過(guò)向?qū)ο髨D像應(yīng)用增強(qiáng)濾子而產(chǎn)生的特征圖像 19。在步驟204中，向特征圖像應(yīng)用閾值濾子，使得在特征圖像中僅顯示出超過(guò)給定 閾值的特征元素。在其他實(shí)施例中，可以用另一個(gè)閾值濾子對(duì)特征圖像進(jìn)行閾值處理，從而 進(jìn)一步增強(qiáng)與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征。在步驟205中，距離單元8對(duì)特征圖像執(zhí)行距離變換，其中優(yōu)選執(zhí)行以下步驟-確定特征圖像元素的中間區(qū)域特征圖像元素，其中中間區(qū)域特征圖像元素示出 了與子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，-確定用于特征圖像元素的距離值，其中距離值取決于所確定的中間區(qū)域特征圖 像元素和要為其確定距離值的特征圖像元素之間的距離，_用所確定的距離值替代被分配給已被確定距離值的特征圖像元素的特征圖像值。在這一實(shí)施例中，用特征圖像之內(nèi)相應(yīng)圖像元素的位置與最近的中間區(qū)域特征圖 像元素的距離替換特征圖像的每個(gè)特征圖像值，其中具體地，最近的中間區(qū)域特征圖像元 素示出了肺裂隙一部分。圖16中示范性和示意性示出了具有距離值的所得特征圖像。圖 16示出了具有距離值的特征圖像19以及穿過(guò)三維對(duì)象圖像的截面圖像中模型對(duì)象12的圖
在步驟206中，適配單元11利用對(duì)象圖像和特征圖像適配對(duì)象模型，在本實(shí)施例 中對(duì)象模型為表面模型對(duì)象。利用特征圖像適配對(duì)象模型的內(nèi)表面，即模型子對(duì)象面對(duì)另 一模型子對(duì)象的表面，并利用對(duì)象圖像適配對(duì)象模型的外表面。具體而言，為了適配，使能 量項(xiàng)最小化或最大化，能量項(xiàng)包括兩個(gè)能量，即內(nèi)部能量和外部能量。內(nèi)部能量試圖維持對(duì)象模型的形狀，外部能量試圖將對(duì)象模型的表面分別移動(dòng)到對(duì)象圖像和特征圖像中的對(duì)應(yīng) 特征。外部能量例如是針對(duì)網(wǎng)格表面每個(gè)三角形的外部能量項(xiàng)之和，外部能量項(xiàng)是從沿 三角形表面法線搜索最強(qiáng)梯度獲得的。用于每個(gè)三角形的外部能量是這個(gè)梯度值的函數(shù)。 對(duì)于裂隙三角形，在特征圖像中進(jìn)行搜索，其中最佳點(diǎn)優(yōu)選位于最小特征值處，外部能量值 也是這個(gè)最小特征值。內(nèi)部能量?jī)?yōu)選是對(duì)于每個(gè)頂點(diǎn)的內(nèi)部能量之和。這個(gè)內(nèi)部頂點(diǎn)能量考慮了包含該 頂點(diǎn)的所有邊緣，并針對(duì)每個(gè)邊緣計(jì)算適配前后的差異。在上文所提到的 C. Lorenz, J. von Berg 的文章"A comprehensive shape model of the heart ",Medical Image Analysis，vol. 10，pp. 657-670，2006 中公開了這種適配過(guò) 程的更詳細(xì)描述，在此通過(guò)引用將該文章并入本文。在圖17和18中的兩個(gè)不同截面圖中示意性和示范性示出了經(jīng)適配的模型對(duì)象 12 在圖17中，模型對(duì)象12在對(duì)象圖像18中，在圖18中，模型對(duì)象12在特征圖像19中。在這一實(shí)施例中，輸入特征圖像以為裂隙表面進(jìn)行適配，其中利用朝向特征圖像 中的最小值的搜索進(jìn)行適配。如果裂隙不可見(jiàn)，于是在包括距離值的特征圖像中沒(méi)有區(qū)分 出的最小值，則主要由將表面對(duì)象模型的表面點(diǎn)保持在相對(duì)于其相鄰點(diǎn)的默認(rèn)相對(duì)位置的 項(xiàng)來(lái)控制適配。通過(guò)這種方式，如果裂隙可見(jiàn)，始終能夠獲得良好的分割，如果裂隙不可見(jiàn)， 則獲得能最佳了解解剖結(jié)構(gòu)的分割。在其他實(shí)施例中，可以在步驟201到202之前執(zhí)行步驟203到205。可以將步驟 201,202和206組合成分割步驟，可以將步驟203、204和205組合成特征圖像產(chǎn)生步驟， 其中，如果執(zhí)行這種組合，必須要在分割步驟之前執(zhí)行特征圖像產(chǎn)生步驟。在其他實(shí)施例 中，特征圖像產(chǎn)生步驟可以是其他步驟的組合，只要特征圖像產(chǎn)生步驟產(chǎn)生示出了與子對(duì) 象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征的特征圖像即可。例如，對(duì)于肺圖像作為對(duì)象圖像的情況， 可以視為距離圖的包括距離值的特征圖像也可以是距經(jīng)分割血管的距離倒數(shù)圖(irwersed distance map)，或距離圖和這種距離倒數(shù)圖的組合。此外，在步驟203中，特征增強(qiáng)單元7 可以使用增強(qiáng)與對(duì)象圖像中子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征的任何增強(qiáng)濾子。此外，可 以省略閾值步驟204，在步驟205中距離值的確定也可以省略。由于能更快和/或更精確地報(bào)告輻射發(fā)現(xiàn)物，很多診斷過(guò)程會(huì)受益于所述的肺葉 的分割。范例是考慮到解剖學(xué)的肺氣腫或栓塞的自動(dòng)量化、肺小瘤的定位和支氣管的肺葉 明確(wise)表征。優(yōu)選自動(dòng)執(zhí)行分割，且分割允許例如進(jìn)行自動(dòng)的體積測(cè)量，以進(jìn)行肺氣 腫量化或小瘤檢測(cè)。盡管在上述實(shí)施例中對(duì)象優(yōu)選是包括肺葉的肺，在其他實(shí)施例中，對(duì)象可以是包 括子對(duì)象的任何其他對(duì)象，例如包括子對(duì)象的技術(shù)對(duì)象。盡管在上述實(shí)施例中對(duì)象圖像優(yōu)選是計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像，在其他實(shí)施例中，對(duì) 象圖像可以是必須要分割的示出了包括子對(duì)象的對(duì)象的任何其他圖像，例如磁共振圖像、 超聲波圖像、核圖像、熱圖像或光學(xué)圖像。通過(guò)研究附圖、公開和所附權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在實(shí)踐所要求保護(hù)的 本發(fā)明的過(guò)程當(dāng)中理解并實(shí)施針對(duì)所公開的實(shí)施例的其他變型。在權(quán)利要求中，“包括” 一詞不排除其他元件或步驟，不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)元件或步驟。單個(gè)單元或裝置可以完成權(quán)利要求中列舉的幾項(xiàng)的功能。在互不相同的從屬權(quán)利 要求中陳述某些措施不表示不能有利地采用這些措施的組合?？梢杂扇魏纹渌麛?shù)量的單元或裝置執(zhí)行由一個(gè)或若干單元或裝置執(zhí)行的確定和 計(jì)算，例如增強(qiáng)特征、確定距離值、適配等。例如，可以由單個(gè)單元或任意其他數(shù)量的不同單 元執(zhí)行步驟101到106?？梢詫⒏鶕?jù)分割包括子對(duì)象的對(duì)象的方法的用于分割包括子對(duì)象 的對(duì)象的設(shè)備的計(jì)算或確定和/或控制實(shí)現(xiàn)為計(jì)算機(jī)程序的程序代碼模塊和/或?qū)Ｓ糜?件。可以將計(jì)算機(jī)程序存儲(chǔ)/分布在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)當(dāng)中，例如，所述介質(zhì)可以是光存儲(chǔ) 介質(zhì)或者與其他硬件一起提供的或者作為其他硬件的部分的固體介質(zhì)，但是，也可以使所 述計(jì)算機(jī)程序通過(guò)其他形式分布，例如，通過(guò)因特網(wǎng)或者其他有線或無(wú)線電信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解讀為對(duì)范圍的限制。
權(quán)利要求
一種用于分割在對(duì)象圖像(18)中所示的包括子對(duì)象的對(duì)象的設(shè)備(1)，所述設(shè)備包括 用于產(chǎn)生特征圖像(19)的特征圖像產(chǎn)生單元(2)，所述特征圖像示出與所述子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征， 利用所述對(duì)象圖像和所述特征圖像分割所述子對(duì)象的分割單元(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述特征圖像產(chǎn)生單元(2)適于從所述對(duì)象圖像 產(chǎn)生特征圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述特征圖像產(chǎn)生單元(2)包括特征增強(qiáng)單元 (7)，所述特征增強(qiáng)單元用于增強(qiáng)與所述對(duì)象圖像中的所述子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的 特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述特征圖像產(chǎn)生單元(2)包括用于對(duì)所述特征 圖像執(zhí)行距離變換的距離單元(8)，其中，所述特征圖像包括被分配以特征圖像值的特征圖 像元素，其中，根據(jù)以下步驟執(zhí)行所述距離變換-確定所述特征圖像元素的中間區(qū)域特征圖像元素，其中，所述中間區(qū)域特征圖像元素 示出了與所述子對(duì)象之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，-確定對(duì)于特征圖像元素的距離值，其中，所述距離值取決于所確定的中間區(qū)域特征圖 像元素和要為其確定距離值的特征圖像元素之間的距離，-用所確定的距離值替代被分配給已被確定距離值的特征圖像元素的特征圖像值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述分割單元包括-用于提供包括模型子對(duì)象(13，14，15，16，17)的模型對(duì)象(12)的模型提供單元(9)， -用于在所述對(duì)象圖像和所述特征圖像中預(yù)定位所述模型對(duì)象的預(yù)定位單元(10)，以及-用于將所述模型對(duì)象適配到所述對(duì)象圖像和所述特征圖像中的對(duì)象的適配單元 (11)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述適配單元(11)適于使得將模型子對(duì)象的面 對(duì)另一模型子對(duì)象的表面適配到所述特征圖像并且將所述模型對(duì)象的不面對(duì)模型子對(duì)象 的表面適配到所述對(duì)象圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中-所述模型提供單元(9)適于提供表面對(duì)象模型(20)和體對(duì)象模型(21)， -所述預(yù)定位單元(10)適于確定用于將所述體對(duì)象模型(21)配準(zhǔn)到所述對(duì)象圖像 (18)和所述特征圖像中的至少一個(gè)上的變換，并且適于將所確定的變換應(yīng)用于所述表面對(duì) 象模型以對(duì)所述表面對(duì)象模型進(jìn)行預(yù)定位，并且-所述適配單元(11)適于將所述表面對(duì)象模型適配到所述對(duì)象圖像和所述特征圖像 中的對(duì)象。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述體對(duì)象模型(21)包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且其中，所 述預(yù)定位單元(10)適于忽略所述體對(duì)象模型的所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，除了所述子對(duì)象之外，所述對(duì)象還包括元素結(jié) 構(gòu)，其中-所述模型提供單元(9)適于提供所述元素結(jié)構(gòu)的模型(22)，并且-所述預(yù)定位單元(10)適于利用所述元素結(jié)構(gòu)的模型和所述模型對(duì)象之間的關(guān)系通 過(guò)將所述元素結(jié)構(gòu)的模型配準(zhǔn)到所述對(duì)象圖像和所述特征圖像中的至少一個(gè)上來(lái)配準(zhǔn)所 述對(duì)象模型，并基于經(jīng)配準(zhǔn)的所述元素結(jié)構(gòu)的模型以及所述元素結(jié)構(gòu)的模型和所述模型對(duì) 象之間的關(guān)系進(jìn)一步配準(zhǔn)所述對(duì)象模型。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述模型對(duì)象包括閉合外表面和至少一個(gè)內(nèi)表 面，所述閉合外表面將所述模型對(duì)象與所述模型對(duì)象的外部物分開，所述內(nèi)表面位于所述 模型對(duì)象內(nèi)部，用于將所述模型子對(duì)象彼此分開。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述模型提供單元(9)適于通過(guò)執(zhí)行以下步驟 提供包括所述模型子對(duì)象的所述模型對(duì)象-提供包括對(duì)象圖像元素的若干對(duì)象圖像，-分割所述若干對(duì)象圖像中的子對(duì)象，-將包括經(jīng)分割的子對(duì)象的所述若干對(duì)象圖像彼此配準(zhǔn)，-使經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像中的經(jīng)分割的子對(duì)象模糊化，從而使得針對(duì)每個(gè)經(jīng)分 割的子對(duì)象將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中，對(duì)于每個(gè) 經(jīng)分割的子對(duì)象，將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中，所述模糊 值取決于相應(yīng)經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素屬于相應(yīng)經(jīng)分割的子模型的概率，-針對(duì)每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象對(duì)分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素 的模糊值求平均，從而為所述若干經(jīng)配準(zhǔn)的對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素產(chǎn)生平均模 糊值，-根據(jù)針對(duì)相應(yīng)經(jīng)分割的子對(duì)象為經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元 素分配的平均模糊值，向經(jīng)分割的子對(duì)象分配該組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素。
12.—種分割對(duì)象圖像(18)中所示的包括子對(duì)象的對(duì)象的方法，所述方法包括以下步驟-借助于特征圖像產(chǎn)生單元(2)產(chǎn)生特征圖像(19)，所述特征圖像示出與所述子對(duì)象 之間的中間區(qū)域相關(guān)的特征，-借助于分割單元(3)利用所述對(duì)象圖像和所述特征圖像分割所述子對(duì)象。
13.一種用于分割對(duì)象圖像(18)中所示的包括子對(duì)象的對(duì)象的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算 機(jī)程序包括當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)用于執(zhí)行如權(quán)利要求12所述的方法的步 驟的程序代碼模塊。
14.一種包括子對(duì)象的對(duì)象的模型，其是根據(jù)以下步驟產(chǎn)生的 -提供包括對(duì)象圖像元素的若干對(duì)象圖像，-分割所述若干對(duì)象圖像中的子對(duì)象， -將包括經(jīng)分割的子對(duì)象的所述若干對(duì)象圖像彼此配準(zhǔn)，-使經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像中的經(jīng)分割的子對(duì)象模糊化，從而針對(duì)每個(gè)經(jīng)分割的 子對(duì)象將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中，對(duì)于每個(gè)經(jīng)分 割的子對(duì)象，將模糊值分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素，其中，所述模糊值取 決于相應(yīng)經(jīng)配準(zhǔn)的所述對(duì)象圖像的對(duì)象圖像元素屬于相應(yīng)經(jīng)分割的子模型的概率，-針對(duì)每個(gè)經(jīng)分割的子對(duì)象對(duì)分配給經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素 的模糊值求平均，從而為經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元素產(chǎn)生平均模糊值，_根據(jù)針對(duì)相應(yīng)經(jīng)分割的子對(duì)象為經(jīng)配準(zhǔn)的所述若干對(duì)象圖像的一組對(duì)應(yīng)對(duì)象圖像元 素分配的平均模糊值，向經(jīng)分割的子對(duì)象分配該組對(duì)應(yīng)的對(duì)象圖像元素。
全文摘要
文檔編號(hào)G06T17/00GK101952856SQ200980105200
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者Lorenz Cristian, Sebastian P M Dries, Astrid R Franz, Barschdorf Hans, Von Berg Jens, Wiemker Rafael, Renisch Steffen, Blaffert Thomas, Klinder Tobias 申請(qǐng)人:Koninkl Philips Electronics Nv