體積數據的層顯示的製作方法
2023-06-12 05:24:26
體積數據的層顯示的製作方法
【專利摘要】本發明涉及藉助體積數據對體積進行的層顯示。在此，進行了層取向的選擇，用於體積數據的層顯示。隨後按照所選的取向執行層的確定。對於該層，計算立體圖顯示，並且用於作為立體圖顯示至少一個層。本發明能夠直觀地顯示層信息。
【專利說明】體積數據的層顯示【技術領域】
[0001]本發明涉及一種藉助體積數據對體積進行層顯示的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]成像方法使用一系列不同的技術，通過這些技術獲得關於對象的特性的信息。廣泛遍布的是例如應用超聲波、X射線輻射或自旋激勵(核自旋斷層造影術)的方法。
[0003]現代方法能夠以三維形式分辯信息並提供由所謂的灰度值組成的體積數據，該灰度值存在於空間點。所述灰度值表示在相應空間點處的檢查對象的密度的尺度。關於這些在空間點處給出的灰度值，也稱之為體素。體素構成了灰度值的三維矩陣。為了成像方法的結果的可視化，將三維定義的體素映射到在屏幕的二維中定義的像素上。
[0004]術語「體繪製」習慣用於表示從體素到像素的映射，以便在屏幕上顯示。在此，在多種醫學成像方法中，體素或灰度值出現在所謂的軸向層或截面中。在此，軸向層是與通常作為z軸表示的、突出的方向垂直的層。該z軸在計算機斷層造影術中通常相當於運動方向。在軸向層內的解析度大多高於在Z軸方向上的解析度。
[0005]可視化的最簡單類型是在屏幕上顯示各個軸向層。在此，例如可以依次顯示各個層。在相應大的屏幕或顯示器上，適宜的設置是例如並排顯示2至4個層圖像。
[0006]所謂的MPR方法(MPR代表多平面重格式化或多平面重建)提供了針對軸向層的顯示的擴展。在該方法的範圍內，以另一個取向來計算層顯示。在此廣泛遍布的是顯示與軸向層垂直的矢狀層或冠狀層。但是原則上可以對層的任意取向執行MPR方法。然後通過插值計算層內部的灰度值，並且按合適方式顯示。
[0007]除了 MPR方法還有其它現代的方法，如所謂的射線投射，其中利用視線對體積的穿透進行仿真。儘管如此，MPR方法實現了使對象特徵可視化的重要功能，因為其在特定情況下的應用帶有優點。特別是在對象的部分隱蔽或閉合時，合適選擇的截面能夠提供利用射線投射僅能困難地進行訪問的信息。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題在於，改善體積數據的層顯示。
[0009]根據本發明，確定對至少一個對象的層的至少一個顯示(例如在MPR方法的過程中)。根據從體積數據或灰度值中預先給定的取向來規定或確定所述層。所述取向可以對應但不必須對應軸向的、冠狀的或矢狀的顯示。它可以是一摞利用所選擇的取向計算出的平行的層，或者也可以是一個在預先給定深度的單獨的層。此處和以下使用的術語「層」表示二維的實體。為了簡單起見，表述為「層的顯示」。其實際意義是指層信息的顯示。對於技術人員直接顯而易見的是， 本方法例如可以限定於層的部分區域。
[0010]在本發明的範圍內，對象的測量數據的採集可以在成像方法(例如CT、MRT、超聲波、PET、SPECT等)的實施過程中進行，從該測量數據中確定體積數據(例如藉助重建方法)。檢查對象既可以是患者，也可以是在材料檢查過程中被檢驗的構件。[0011]根據本發明，例如利用射線投射或仿真射線來計算至少一個層的立體圖顯示。在此，立體圖顯示被理解為利用空間元素或立體元素的顯示，其中這些元素至少部分顯現為高度變化或立體圖。例如藉助規定包含了層的(三維的)體積片段實現對(在顯示時考慮的)高度的參考。所述片段(英語中通常用「Slab，切面」表示)典型是直六面體，其相關的長度、寬度和相應側面的取向與該層一致，並且它的高度比其它的尺寸明顯更小。於是，通常通過該直六面體的高度來確定立體圖的最大可能的高度，其例如等於該直六面體的高度或它的一半。優選如此選擇所述片段，使得層位於片段的邊緣或中間。在邊緣的位置適合於單側的立體圖顯示，在中間的位置適合於兩側的或雙側的立體圖顯示。
[0012]通過從體積數據值到高度值(或距離值)的映射可以實現將高度信息包含在層的顯示中，其中將高度值與該層每個所需的體積數據值相關聯。所述映射可以包括定刻度或標準化，其例如鑑於為立體圖計算而選擇的片段來進行。同樣可以應用獲得值關係的雙射映射，例如用於壓縮或拉伸，從而隨發展趨勢突出或抑制不同點。
[0013]為了計算所述立體圖，例如可以藉助射線投射確定體積值，該體積值到層的距離相當於該層的最近位置處的該體積值的相應高度值。在此，可能通過插值從體積數據中確定體積值。然後，將這樣確定的體積值用於作為立體圖的層顯示。在該情況下，通過利用體積值確定(可能在片段內的)位置，該位置的體積值或灰度值對於立體圖顯示被突出，由此建立由層的體積值導出的高度信息。使用射線投射的優點在於，在射線和層之間的角度作為可選擇的或可改變的參數可以通過用戶的輸入進行訪問。於是，為了更好地分析所顯示立體圖，可以改變觀察角。
[0014]具體而言，在利用仿真射線的射線投影過程中，對像素的計算可以包括以下步驟:
[0015]A.為計算沿著仿真射線的立體圖，藉助計算體積值而分別確定在射線上合適的位置，該位置到至少一個層的距離相當於至少一個層的最近位置處的該體積值相應的高度值。換言之，沿射線確定位置，該位置的體積值相當於至少一個層的最近位置的高度值。在此，也可以是必要時以數值方式執行的近似確定。
[0016]B.為計算藉助相應仿真射線所確定的像素，使用分別在至少一個層的最近位置處的體積值。換言之，將相當於最近位置的高度值的體積值用於像素計算。
[0017]根據一種構造方案，藉助體積值窗(在技術文獻中，這裡也指窗位校平)或從體積值到顏色值的映射可以進行體積值限定。在此，既存在將體積值限定或到顏色值的映射應用於至少一個層的體積值的可能性，也存在將其應用於為立體圖顯示而確定的體積值的可能性。優選僅應用這兩種體積值限定選擇之一。例如藉助傳輸函數進行到顏色值的映射。在此，顏色值可選地還包括不透明度值或描述光線穿透性的參數(例如由RGB值和不透明度組成的阿爾法值RGBA)。
[0018]附加地，可以執行用於顯示特定體積值的明暗處理。該明暗處理考慮了在照明模型範圍內的光效應。在此，為了明暗處理，考慮了在層的對應體積值的位置處的參數(例如梯度)。
[0019]在根據本發明的方法的範圍內，按照需要或在運行過程中(on-the-fly)可以共同執行層計算和所屬的立體圖計算。優選地，在確定或規定層之後，而在過渡到另外的層的計算之前，直接計算所屬的立體圖。該直接關聯執行的層的確定和所屬立體圖的計算實際允許利用新計算的交互式的參數變化，例如在觀察角或立體圖參數變化時。
[0020]通過在屏幕上的層的立體圖顯示，能夠使該顯示明顯更好地在視覺上被理解。此夕卜，層的視覺觀感變得更有直觀。通過相應的參數調節能夠更好地分辨和分析細節。
[0021]本發明還涉及一種用於執行根據本發明的層顯示的方法的裝置和電腦程式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]以下在實施例範圍內更詳細地解釋本發明。其中:
[0023]圖1示出了具有多行探測器元件的螺旋CT設備在z方向上的示意圖；
[0024]圖2示出了沿z軸通過根據圖1的設備的縱截面；
[0025]圖3示出了對比常規MPR方法的根據本發明的MPR方法；
[0026]圖4示出了用於根據本發明的立體圖計算的射線投射的示意圖；
[0027]圖5示出了利用常規MPR方法計算的層；
[0028]圖6至8示出了根據本發明的MPR方法計算的層。
【具體實施方式】
[0029]在圖1和圖2中示出了具有多行探測器的螺旋CT設備。圖1示意性示出了機架1，具有垂直z軸的截面內的焦點2和同樣旋轉的(具有寬度B和長度L的)探測器5，而圖2示出了在z軸方向上的縱截面。機架I具有X射線源,該X射線源具有示意性示出的焦點2和前置固定於該焦點的、源附近的射線光圈3。射線束4從焦點2出發，通過射線光圈3限定，向對面的探測器5延伸，該射線束穿透了位於其間的患者P。在焦點2和探測器5圍繞z軸旋轉期間進行掃描，其中將患者P同時在z軸方向移動。以該方式在患者P的坐標系統上形成了焦點2和探測器5的螺旋軌道S，具有斜率或進給V，如在圖3中空間上和示意性示出。
[0030]在對患者P掃描時，通過數據/控制線路6將由探測器5採集的劑量相關的信號傳輸到計算單元7。藉助在所示程序模塊P1至Pn中記錄的公知方法，隨後按照公知方式(例如FBP方法、Feldkamp算法、迭代方法等)，從測量的原始數據中計算或重建患者P的掃描區域的與其吸收值相關的空間結構。然後將所計算的吸收值以體素形式呈現。在醫學成像中，也通過所謂的灰度值給出該體素。
[0031]CT設備的其餘操作和控制同樣藉助計算單元7和鍵盤9實現。通過顯示器8或未示出的印表機可以實現計算出的數據的輸出。為了在顯示器8上的顯示或者為了生成用於存檔(例如PACS)的圖像而基於灰度值生成圖像。這相當於體素到像素的映射，基於像素組合產生圖像。相應的方法被稱為體繪製或體積再現。經常使用的用於體積再現的方法是藉助仿真射線的射線投射或像素計算。然而根據本發明，使用了例如MPR方法的層顯示，在圖3中對其進行解釋。
[0032]圖3示出了對比常規MPR方法的根據本發明的操作方法。起點是藉助成像方法獲得的體積數據13。典型地，在此藉助模態(Modalitat) 11採集用於待檢測對象的數據，在重建步驟12中基於這些數據獲得體積數據13。
[0033]所述模態11可以使用例如X射線技術、核自旋斷層造影術、超聲波、PET (正電子發射斷層造影術)或SPECT (單光子發射計算機斷層造影術)。在圖1和圖2所示的模態中，典型地從不同方向採集了對象的投影，基於這些投影藉助迭代的重建方法(例如Feldkamp算法)或精確的重建方法(例如FBP，即濾波反投影)重建體積數據。
[0034]常規如圖3左側所示地，而根據本發明如右側所示地藉助MPR方法將體積數據可視化。在此，以下示出了用於層或截面的操作方法。在此，層被定義為體積數據與平面的截面，其中例如可以通過一個點和兩個互相不平行的矢量定義所述平面。優選是通過選擇取向和到觀察者的深度或距離，預先給定或輸入所述層。藉助輸入面板可以進行輸入。相應地，該方法可以用於處理大量的平行層，從而對於所選擇的層的取向獲得(大量的)層的圖像堆疊。在該情況下，層間距也可以是輸入參數。
[0035]對於每個在屏幕上顯示的像素，首先開始值計算(步驟21，31)。在此，從預先給定的方向(通常是視線方向)穿過該體積傳播與該像素關聯的射線(步驟22，32)。
[0036]在該點上，常規操作方法與根據本發明的操作方法互相背離。常規地，確定與MPR層的交點，並且通過體積數據13或體素的插值確定在該交點處的灰度值(或重建數據的值)(步驟24)，而根據本發明，使用射線，用於確定為立體圖顯示而引入的灰度值。對於待顯示的MPR層，定義了體積片段SLAB，其限定了立體圖的最大高度(參考圖4，在此，片段的下邊緣SLAB與MPR層MPR重合。在圖4中所示的距離僅為了更好地顯示)。射線通過該片段傳播。在此，起點是(在步驟32中產生的)射線與片段表面的交點。在確定交點SP (SLAB)之後(步驟33)，該射線以等距離的步長繼續穿過該片段。在步驟42中，計算到MPR層的最小距離，並且通過插值確定該點的灰度值。所述灰度值被映射到高度或長度上。如果該高度比射線RAY的距離更小(查詢44)，則將該射線RAY傳播下一個步長(步驟47)，並且重複所述操作方法(步驟41至44)。否則，確定「精確的」交點SP，並用於立體圖顯示。
[0037]在圖4的示意圖中，將其部分地更詳細地示出。通過從灰度值到高度值的映射，MPR層MPR的灰度值構成了一種高度立體圖GM(MPR)。在實際中，僅確定了在重要位置(例如1-Ι和i)處的立體圖值。在片段SLAB內的射線RAY的傳播開始於射線RAY和片段表面OB (RAY)的交點 SP (SLAB)。
[0038]在步長1-Ι情況下，到MPR層MPR的距離d(i_l)比(通過插值確定的)灰度值或在該處MPR(1-l)的高度值GW(1-l)更大。在下一個步長i中，該關係轉變(d(i)>GW(i)，其中GW⑴表示MPR(i)的灰度值)，並且中斷射線RAY的傳播。藉助二進位方法(等分以[1-1, i]開始的截距，並且與GW(MPR)進行中點比較，以及選擇與交點SP的部分截距)，確定射線RAY與該灰度值或相應的高度值GW(MPR)的交點SP。然後將在MPR層上到交點SP最近的點MPR(SP)的位置處的灰度值引入立體圖顯示(GW(RAY) =GW(MPR(SP))。
[0039]圖4是簡化的圖示，其中以下兩點未被考慮。
[0040]一方面是，通常執行體積值限定或窗位校平。這具有以下特殊背景。在醫學應用中，為了描述重建的衰減值，通常使用按照科學家豪斯菲爾德而命名、並且大約達到1000(對於肺組織)至3000 (骨)的尺度。將該尺度上的每個值與灰階相關聯，從而得到總共大約4000個待顯示的灰階。這個CT中三維圖像重建情況下常見的圖表不能在用於可視化而使用的顯示器上簡單地被接收。這一方面在於，在商用的8位顯示器上能夠最多顯示256個(即28)灰階。此外，顯示更多數量的灰階沒有意義，因為顯示器的顯示的解析度已經明顯超過了能大概區分35個灰階的人眼。因此，為了顯示人體組織，提取在診斷上感興趣的細節。出於這個目的規定了窗口，其包括了用於定義診斷上重要級別的特定灰度區域。[0041]在圖3的步驟25或43中示出了該窗位校平。在圖3的該操作方法中，在根據本發明的操作方法中窗位校平被用於MPR層的灰度值，並且因此實際上限定了立體圖的高度。換言之，通過窗口選擇可以調節最大的立體圖高度。在此，如果窗口選擇允許更大的高度，則通過構成邊界的片段SLAB預先給定最大可能的高度。替代地(或補充地)，也可以將窗位校平用於交點SP的灰度值，即在圖3中，在步驟45和步驟46之間進行體積值限定。
[0042]另外可選的步驟(圖3中步驟48)是，為考慮光效應，對步驟45中確定的交點SP位置處的灰度值進行明暗處理。在此，例如可以為明暗處理使用局部照明模型或光線模型(例如Phong明暗處理或者使用局部照明模型的如Blinn-Phong明暗處理模型、預警模型等)。典型地，在這些模型中，參數(大多體積數據的梯度)受位置影響，在該位置上考慮了光效應。例如Phong明暗處理(也稱為法向量插值明暗處理)在標準情況下使用了平面法線的插值。在此，通常按照朗伯定律考慮與觀察者的視線方向有關的全反射部分和漫反射部分。基於光源的角度位置和相對法線的觀察者角度確定光強的份額，並且緊接著將其與所希望的表面觀感(例如暗淡的或反光的)相匹配。
[0043]優選地，為計算對於交點SP位置處的灰度值的光效應，不是使用在該位置處的參數，而是使用MPR層的最近位置處的參數。換言之，為計算明暗處理或光效應而在MPR層上突顯。
[0044]在圖5中示出了利用常規方法(圖3的步驟26中輸出的像素)的層顯示，而在圖6中示出了相應根據本發明的立體圖顯示(圖3的步驟46中輸出的像素)。根據本發明的顯示關於層結構明顯更直觀並清晰。另外的優點在於，通過改變用於立體圖顯示的參數可以更好的分析所顯現的對象。這樣在圖7中，觀察角更低，從而更明顯地突出了高度的增加。通過移動或旋轉，可以將立體圖特徵更好地按照需要作為立體圖的峰或谷而可視化。
[0045]另外的參數是立體圖的高度，其例如受片段的高度影響。這例如在圖8中很清楚，其中選擇了相比圖7的四倍高的片段。特別地，儘管限定了商用的顯示器(對於典型的LCD顯示器有256個灰階，而對於一些特殊顯示器有1024個灰階)，但是通過適當地選擇或匹配立體圖高度和窗口參數，在立體圖中實際上分辨了幾乎任意的區別，即，通過根據本發明的方法能夠補償硬體的限定。
[0046]本發明不限於本實施例的內容。特別是能將其用於利用層顯示的任意的體繪製。藉助用於醫學檢查的和用於材料檢查的各種模態，可以獲得相應的體積數據。
【權利要求】
1.一種藉助體積數據對體積進行層顯示的方法，包括: -選擇層取向，用於體積數據的層顯示； -按照所選的取向，確定至少一個層； -計算所述至少一個層的立體圖顯示；以及 -作為立體圖顯示所述至少一個層。
2.按照權利要求1所述的方法，包括: -採集成像方法範圍內的測量數據；以及 -從所採集的測量數據中確定所述體積數據。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，在MPR方法範圍內進行所述層顯示。
4.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於， -規定體積的片段，其包括所述至少一個層； -通過所述片段的尺寸，確定所述立體圖的最大可能的高度。
5.按照權利要求4所述的方法，其特徵在於， -所述至少一個層位於所 述片段的邊緣或中間；以及 -進行單側的或雙側的立體圖顯示。
6.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，將體積數據值映射到高度值，其中將體積數據值分別與高度值相關聯。
7.按照權利要求6所述的方法，其特徵在於， -為計算所述立體圖而確定在如下位置處的體積值，所述位置到至少一個層的距離相當於至少一個層的最近位置處的該體積值的相應的高度值；以及 -將分別在所述至少一個層的最近位置處的體積值用於作為立體圖顯示所述至少一個層。
8.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於， -藉助射線投射執行所述至少一個層的立體圖顯示的計算。
9.按照權利要求8所述的方法，其特徵在於， -藉助射線投射過程中的仿真射線，進行權利要求7相應的體積值的計算。
10.按照權利要求8或9所述的方法，其特徵在於， -在射線投射過程中，仿真射線與所述至少一個層形成角度；以及 -通過用戶可以在輸入範圍內改變所述角度。
11.按照權利要求8至10中任一項所述的方法，其特徵在於， -在射線投射過程中，仿真射線被用於像素的計算； -為計算沿著所述仿真射線的立體圖，藉助計算體積值而分別確定在射線上合適的位置，該位置到至少一個層的距離相當於至少一個層的最近位置處的該體積值的相應的高度值；以及 -為計算藉助相應仿真射線所確定的像素，使用分別在至少一個層的最近位置處的體積值。
12.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於， -藉助體積值窗或從體積值到顏色值的映射進行體積值限定，其中所述體積值窗或所述到顏色值的映射-被用於所述至少一個層的體積值；或者 -被用於按照權利要求7的立體圖顯示而確定的體積值。
13.按照權利要求8至12中任一項所述的方法，其特徵在於， -將明暗處理應用於按照權利要求7確定的體積值，其中按照分別在至少一個層的最近位置處的參數執行所述明暗處理。
14.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於， -按照所選的取向執行多層的計算；以及 -為每個所述層進行立體圖顯示的計算。
15.一種藉助體積數據對體積進行層顯示的裝置，包括: -輸入接口，用於為體積數據的層顯示選擇層的取向； -計算元件，用於按照所選的取向來計算至少一個層，並且用於 -計算所述至少一個層的立體圖顯示；以及 -屏幕，用於在考慮光效應的情況下來顯示所述至少一個層。
16.按照權利要求15 所述的裝置，其特徵在於，所述裝置被設計用於執行按照權利要求I至13中任一項所述的方法。
17.一種電腦程式，當其在計算機上運行時，執行按照權利要求1至14中任一項所述的方法。
【文檔編號】G06T15/08GK103679795SQ201310424655
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2012年9月21日
【發明者】K.恩格爾 申請人:西門子公司