專利名稱：用于處理圖像的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及圖像處理，并且更具體地，涉及處理通過使用動態(tài)成像技術而獲得的圖像數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
醫(yī)學成像涵蓋用于為了臨床目的創(chuàng)建人體的圖像的技術和過程，包括用于診斷或監(jiān)視疾病的醫(yī)療程序。醫(yī)學成像技術已經(jīng)發(fā)展為涵蓋很多圖像記錄技術，所述圖像記錄技術包括電子顯微鏡法、熒光透視法、磁共振成像(MRI)、核醫(yī)學、光聲成像、正電子發(fā)射斷層攝影術(PET)、投影射線攝影術、熱成像法、計算機斷層攝影術(CT)和超聲。醫(yī)學成像可以包含，使用被稱為造影劑或造影材料的復合物，以提高圖像中體內(nèi)結構的可見度。醫(yī)學成像原本局限于采集單個靜態(tài)圖像以捕獲身體的器官/區(qū)域的解剖結構。目前，更復雜精密的成像技術的使用允許進行動態(tài)研究，所述動態(tài)研究提供可以表征生理或病理生理信息的圖像的時域序列。動態(tài)醫(yī)學成像涉及獲取過程，S卩，隨時間的推移而拍攝受關注的器官/區(qū)域/身體的許多“快照(snapshot) ”，以便捕捉隨時間變化的行為，例如，造影劑的分布，且因而捕捉具體的生物狀態(tài)(疾病、不適、生理現(xiàn)象等)。隨著醫(yī)學成像的速度和數(shù)字性的發(fā)展，此獲取數(shù)據(jù)會具有極大的瞬時清晰度且會導致大量數(shù)據(jù)。醫(yī)學成像技術已廣泛用于改善對諸如癌癥、心臟疾病、大腦失調和心血管疾病的病情的診斷和護理。大部分評估表明，數(shù)以百萬的生命由于這些醫(yī)學成像技術而得以挽救或者顯著得到改善。然而，必須對這類醫(yī)學成像技術給患者帶來的輻射暴露風險加以考慮。在這點上，由于CT中所遞送的輻射劑量比更為常見的常規(guī)χ射線成像過程大，醫(yī)學診斷中CT越來越多的使用已經(jīng)對被暴露的患者增加的罹患癌癥風險進行了突出的關注。對于兩相CT灌注成像方案而言，則尤其如此。為了說明目的，將劑量-長度乘積用于由可市購的CT掃描儀(GE Healthcare)提供的方案，CT中風系列的有效劑量為lOmSv，其中 4. 9mSv是由兩相CT灌注成像方案貢獻的，其中所述CT中風系列由以下組成1)非增強CT 掃描，以排除出血；幻CT血管造影術，定位導致中風的梗塞；和幻兩相CT灌注成像方案，以用血流量和血容量來定義缺血區(qū)，并用血腦屏障滲透表面積乘積(BBB-PQ來預測出血性轉變(HT)。預測CT中風系列對于每暴露的100，000個男性和女性急性缺血性中風(AIS) 患者分別會引發(fā)80和131例額外癌癥，并且僅兩相CT灌注成像方案就被預測為導致了一半的額夕卜癌癥(Health Risks from Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation BEIR VII. The National Academies Press, Washington DC, 2006 (暴露于低水平電離輻射的健康風險BE^ VII.國家學術出版社華盛頓特區(qū)2006))。除非減少兩相CT灌注成像方案的有效劑量，否則醫(yī)學成像的益處將會由于對癌癥引發(fā)的擔憂而被破壞。此外，對輻射暴露風險的擔憂延伸到其他醫(yī)學成像技術，尤其是對于兒科患者或正經(jīng)受重復暴露的那些患者。例如，在2007年3月6日授權的第7，187，794號美國專利中，描述了使用統(tǒng)計濾波技術以增大低劑量輻射成像中的信噪比。然而，目前，統(tǒng)計濾波的應用限于圖像構建之前的投影數(shù)據(jù)。若干不利之處與投影數(shù)據(jù)的統(tǒng)計濾波相關。例如，因為來自動態(tài)序列的各個圖像一般是由 1，000個投影重建而成，所以使用投影數(shù)據(jù)工作時計算負擔高。另外，濾波過程必須被“硬布線”至掃描儀的圖像重建管線中。如此一來，投影數(shù)據(jù)的統(tǒng)計濾波器由于其通常專用于掃描儀平臺而缺乏靈活性。不論是否已被覺察或證實，對輻射暴露風險的擔憂將必須得到解決，以使患者對醫(yī)學成像技術的長期安全放心。據(jù)此，需要允許輻射劑量的減少的醫(yī)學成像技術。因此，本發(fā)明的目的是要提供一種新穎的用于處理圖像的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，提供有一種處理多個時間分離的圖像的方法，包括在各個圖像中選擇多個成像單元；為各個成像單元確定時域差；以及選擇在閾限以上的時域差。在另一方面，提供有一種處理多個時間分離的圖像的系統(tǒng)，包括接口，用于接收多個時間分離的圖像；和處理器，用于在各個圖像中選擇多個成像單元，為各個成像單元確定時域差，以及選擇在閾限以上的時域差。在又一方面，提供有一種包含處理多個時間分離的圖像的計算機程序的計算機可讀介質，所述計算機程序包括用于在各個圖像中選擇多個成像單元的計算機程序代碼； 用于為各個成像單元確定時域差的計算機程序代碼；和用于選擇在閾限以上的時域差的計算機程序代碼。


現(xiàn)在，將僅通過示例的方式、參照附圖來描述實施例，在附圖中圖1是圖像處理方法的流程圖；圖2示意性圖示了多個時間分離的圖像中的成像單元的定位；圖3A至3E示出了用統(tǒng)計濾波技術處理過的、來自CT圖像的腦血流量圖；圖4圖示性示出了使用圖3E中勾畫出的區(qū)域為圖3A至3D中所示的圖像所計算的血流量品質因數(shù)(Figure of Merit)；以及圖5是用于實施圖1中所示圖像處理方法的系統(tǒng)的圖示。
具體實施例方式動態(tài)醫(yī)學成像涉及采集過程，S卩，隨時間的推移而拍攝受關注的器官/區(qū)域/身體 (即靶區(qū))的許多“快照”，以便捕捉隨時間變化的行為，例如造影劑的吸取和/或消除。此采集過程導致多個時間分離的圖像的產(chǎn)生。本申請中所描述的方法和系統(tǒng)涉及這樣的時間分離的圖像的處理?，F(xiàn)在轉到圖1，圖示出了根據(jù)該方法在時間分離的圖像的處理期間所執(zhí)行的步驟。 多個時間分離的圖像可以在使用或者不使用注射的造影劑的情況下從患者的動態(tài)醫(yī)學成像獲得。造影劑可以例如根據(jù)靶區(qū)的結構或生理狀態(tài)，來選擇性地增加圖像中靶區(qū)的對比度。例如，可以將對特定器官、疾病、狀態(tài)或生理過程具有生物物理、分子、基因或細胞親和性的復合物注射到患者體內(nèi)。選擇這樣的造影劑，使之具有下述屬性通過改變成像條件， 例如，通過改變圖像對比度，對給定成像技術提供增強的信息，以反映體內(nèi)復合物的行為。 這可以通過局域性部位處增大的X射線衰減(例如對于CT/X射線)、被改變的順磁特性(例如對于MRI)或者對于核醫(yī)療/PET使用放射性同位素來實現(xiàn)。用于許多成像技術的造影劑是公知的。在一些情況下，對比增強并不依賴于所注入的造影劑，所述一些情況例如在磁共振成像(MRI)中使用“黑血”或“白血”，其中，使用特定脈沖序列以改變血的磁飽和且因而改變其在圖像中的呈現(xiàn)；或者使用帶標記的MRI序列，所述帶標記的MRI序列改變具體組織或流體的磁性能。所注入的造影劑或者具有改變了的性能的組織或流體可以全部被認為是“成像劑”。多個時間分離的圖像不限于任何具體的成像技術，并且包括例如使用磁共振成像 (MRI)、計算機斷層攝影術(CT)、核醫(yī)學(NM)或正電子發(fā)射斷層攝影術(PET)的動態(tài)醫(yī)學成像。多個時間分離的圖像也不限于具體圖像類型。例如，可以處理灰度或彩色圖像。在該方法期間，在各個時間分離的圖像內(nèi)，選擇多個成像單元(步驟110)?！俺上駟卧笨梢詾橛糜趯D像分成等同的部分的任何所期望的單元，包括例如像素、多個像素、 部分像素、體素、多個體素、部分體素等。成像單元數(shù)據(jù)由例如數(shù)字值的值來表示，并且因而可以量化和測量。一般而言，為時間分離的圖像中的對應的成像單元測量圖像強度。對于使用造影劑的動態(tài)成像而言，可以關于造影劑濃度確定時域差。造影劑濃度的時域差可以被表示為作為時間的函數(shù)的對比增強的圖示。圖1中示出了用于確定造影劑濃度的時域差并選擇時域差的兩種備選方案。在圖 1所示的一個備選方案中，一旦在步驟110從各個時間分離的圖像中選擇了多個成像單元， 就為各個成像單元確定時域差(步驟11 。然后根據(jù)所觀察到的時域差的程度來對所確定的時域差或其表示進行排序(步驟120)。然后選擇在閾限以上的時域差(步驟12 。然后基于所選的時域差來構建處理后的圖像(步驟150)。在圖1所示的另一備選方案中，不對時域差排序。而是，利用統(tǒng)計技術，且更具體地，利用盲信號分離統(tǒng)計技術，來分析成像單元的時域數(shù)據(jù)，以選擇在閾限以上的時域差。 例如，關于使用造影劑的動態(tài)CT成像，一旦在步驟110已經(jīng)從各個時間分離的圖像中選出了多個成像單元，就建立與平均曲線相關的對比增強圖示的所有對的協(xié)變的協(xié)方差矩陣 (步驟130)并使用盲信號分離統(tǒng)計技術進行分析(步驟13 ，諸如對協(xié)方差矩陣應用主分量分析。基于統(tǒng)計分析來計算特征向量/特征值對(步驟140)。然后所得到的在閾限以上的特征向量/特征值對基于它們的特征值被選擇出來(步驟14幻。然后利用所選的特征向量來構建處理后的圖像，并且使用所選特征向量的不同權重來構建各成像單元(步驟 160)。可選地，可以配準多個時間分離的圖像，以使時間分離的圖像中的對應位置彼此相關。僅需要多個時間分離的圖像的配準來校正顯著失配。否則，在時間分離的圖像之間的輕微移動可以為本申請中所描述的處理方法所容許甚至可以被消除。作為另一可選步驟，可以對多個時間分離的圖像進行預處理，使得時間分離的圖像由可量化的值或代碼表示。例如，可以利用已知數(shù)字化技術而由數(shù)字值表示時間分離的圖像。如果多個時間分離的圖像的成像數(shù)據(jù)是以數(shù)字形式提供的，則無需數(shù)字化步驟?，F(xiàn)在將參照圖2來進一步描述造影劑濃度的時域差的確定。圖2示出了一系列6 個按照時間順序排列的時間分離的圖像、至t6。在各個時間分離的圖像上標記有成像單元的4X6陣列。在此示例中，選擇了五(5)個成像單元IUl至IU5。如從比較整個系列的時間分離的圖像、至t6清楚可知，對于各個時間分離的圖像在陣列的相同位置(即第1列第2行)處選擇成像單元IU1。相似地，貫穿該系列時間分離的圖像在成像單元陣列的對應位置處選擇成像單元IU2至ITO中的各個。據(jù)此，可以將貫穿時間分離的圖像在其對應位置處的各個成像單元的值繪制為時間的函數(shù)，以獲得時域曲線。繪制步驟由連接成像單元IU1、IU2和ITO的對應位置的箭頭圖示出。然后可以對各個成像單元的時域曲線進行分析，以確定時域差。例如，可以計算所獲得的全部時域曲線的平均曲線。然后從各個時域曲線減去平均曲線，以獲得各個所選成像單元的時域差曲線。將予以理解的是，所標記的陣列和成像單元IUl至ITO的選擇、以及表示將成像單元IU1、IU2和ITO的值作為時間的函數(shù)進行繪圖的箭頭，僅用于說明目的，并且可以按照需要選擇任何數(shù)目的成像單元并對其進行分析。此外，通過從成像單元的時域曲線減去平均曲線而進行的時域差的確定僅用于說明目的，并且可以想到分析時域曲線的任何其他方法，例如使用導數(shù)和/或統(tǒng)計技術?，F(xiàn)在，將使用來自CT灌注研究的時間分離的圖像作為示例，提供用于多個時間分離的圖像的盲信號分離統(tǒng)計分析的數(shù)學基礎。給定來自CT灌注研究的一系列η個動態(tài)(即時間分離的)圖像，η個動態(tài)圖像可以緊湊地表示為矩陣X = [xf X^ ……X^1 X Jf其中，ρ為CT圖像中的像素數(shù)(即ρ = 512X512,256X256等)，且RiJ=I,…，ρ為 nXl向量，其元素為η個圖像中的像素值或來自第i個像素的時間-增強曲線。注意，X的第(i，j)個元素為Xi的第j個元素Xij。各個Xi,i=l，···,P也可以解釋為單個時間-增強曲線 χ (由η個隨機變量X1, X2,…，χη_ι; 乂 組成的隨機過程)的重復觀察。符號解釋如下(i)向量由具有排成一列的元素的希臘或羅馬字母字符上方的顎化符號( ， tilde)來表示；(ii)矩陣由大寫的希臘或羅馬字母字符上方的顎化符號來表示；(iii)向量或矩陣的轉置由符號上的上標T來表示；以及(iv)隨機變量由希臘字母字符表示，而隨機變量的觀察值(樣本)由對應的羅馬字母字符表示；希臘和羅馬字母字符之間的對應關系將在下列討論中如下所示使用χ Xψ<-> yζ Z
(ν)由η個隨機變量組成的隨機過程由η X 1向量表示。從η個動態(tài)圖像中消除噪聲的一個途徑是，找到PXn矩陣X的“展開式 (expansion)”，并且然后按照某個預定標準截短展開式。常用的展開式為X的奇異值分解
權利要求
1.一種處理多個時間分離的圖像的方法，包括在各個圖像中選擇多個成像單元；為各個成像單元確定時域差；以及選擇在閾限以上的時域差。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括在所述選擇之前對各個測得的時域差排序。
3.如權利要求1或2所述的方法，進一步包括使用所選擇的時域差來構建處理后的圖像。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，各個成像單元為一個像素和一個體素中的一種。
5.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，各個成像單元為多個像素和多個體素中的一種。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述時域差基于對比增強。
7.如權利要求6所述的方法，其中，所述時域差為造影劑的差別。
8.如權利要求7所述的方法，其中，對比增強基于所述造影劑的濃度。
9.如權利要求7所述的方法，其中，對比增強基于所述造影劑的激活。
10.如權利要求1所述的方法，進一步包括利用盲信號分離統(tǒng)計技術來表征所測得的時域差。
11.如權利要求1所述的方法，其中，確定所述時域差包括計算所述成像單元的時域差的協(xié)方差矩陣。
12.如權利要求11所述的方法，進一步包括利用盲信號分離統(tǒng)計技術分析所述協(xié)方差矩陣，以確定所述時域差之中的共有時域圖案。
13.如權利要求12所述的方法，進一步包括分析所述協(xié)方差矩陣的特征向量。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述特征向量的特征值表示時域差的程度。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述選擇時域差包括選擇在所述閾限以上的特征值。
16.如權利要求1至15中任一項所述的方法，其中，所述閾限是能夠調節(jié)的。
17.如權利要求12所述的方法，其中，所述盲信號分離統(tǒng)計技術選自由下述技術構成的組主分量分析、獨立分量分析、盲源解卷積、卡亨南-拉維變換和霍特林變換。
18.如權利要求1至17中任一項所述的方法，其中，所述多個時間分離的圖像是使用動態(tài)醫(yī)學成像技術而獲得的。
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述動態(tài)醫(yī)學成像技術包括造影劑的使用。
20.如權利要求18所述的方法，其中，所述時間分離的圖像是使用具有減少的輻射劑量的方案而獲得的。
21.如權利要求18所述的方法，其中，所述時間分離的圖像是使用具有減少的造影劑量的方案而獲得的
22.如權利要求18所述的方法，其中，所述動態(tài)醫(yī)學成像技術為磁共振成像(MRI)、功能性MRI、正電子發(fā)射斷層攝影術、核醫(yī)學或計算機斷層攝影術。
23.如權利要求18所述的方法，其中，所述動態(tài)醫(yī)學成像技術為計算機斷層攝影術 (CT)。
24.如權利要求23所述的方法，其中，所述時間分離的圖像是使用具有減少的輻射劑量的CT灌注方案而獲得的。
25.如權利要求23所述的方法，其中，所述時間分離的圖像是使用具有減少的造影劑量的CT灌注方案而獲得的。
26.—種處理多個時間分離的圖像的系統(tǒng)，包括 接口，用于接收多個時間分離的圖像；和處理結構，用于在各個圖像中選擇多個成像單元、為各個成像單元確定時域差以及選擇在閾限以上的時域差。
27.一種包含處理多個時間分離的圖像的計算機程序的計算機可讀介質，所述計算機程序包括用于在各個圖像中選擇多個成像單元的計算機程序代碼； 用于為各個成像單元確定時域差的計算機程序代碼；和用于選擇在閾限以上的時域差的計算機程序代碼。
28.一種用于根據(jù)權利要求1至25中任一項所述的方法來處理多個時間分離的圖像的系統(tǒng)。
全文摘要
一種處理多個時間分離的圖像的方法，包括在各個圖像中選擇多個成像單元；測量在各個成像單元中的時域差；以及選擇在閾限以上的時域差。
文檔編號G06T5/50GK102282587SQ200980147491
公開日2011年12月14日 申請日期2009年10月2日 優(yōu)先權日2008年10月2日
發(fā)明者李廷因 申請人:西安大略大學