對肺動脈的分割的製作方法

2023-07-29 02:25:41

專利名稱：對肺動脈的分割的製作方法
技術領域：
本發明涉及對肺動脈的分割，更具體而言涉及對肺動脈樹的至少部分的分割。
背景技術：
多排探測器計算機斷層攝影(MDCT)允許獲取整個胸部的高解析度數據。數據的 質量允許對支氣管以及肺動脈樹進行評定。肺動脈樹的提取是(例如)栓塞檢測的重要預 處理步驟。而且，在支氣管樹的定量評定中，伴行動脈樹含有能夠從MDCT數據提取的重要 額外信息。因此，對於哮喘和肺氣腫病人的診斷和治療而言，對氣管支氣管樹和伴行肺動脈 樹的同時評定是非常重要的。例如，內部支氣管與伴行動脈的直徑之比是臨床實踐當中對 氣道變窄和支氣管擴張進行檢測和定量測量的重要參數。在從MDCT數據提取肺血管樹時，在區分肺動脈與靜脈時可能會出現困難。例如， 用於肺動脈的提取的基於種子點的區域擴展法受到遺漏到肺靜脈中的影響。WO 2006/085254公開了一種從3D醫療圖像，例如，多片層CT數據，自動提取肺動 脈樹的方法。在這一方法中，通過確定血管的動脈性(arterialness)的局部測度將經分割 的肺血管識別為動脈或靜脈。該測度以局部支氣管的取向與局部支氣管的經分割的肺血管 的取向之間的關係為基礎。在將血管識別為肺動脈時，將其添加至肺動脈樹。但是，在這種已知方法中，對肺動脈和肺靜脈的分類有時會失敗。

發明內容
提供一種改進的對肺動脈樹的至少部分進行分割的方法是有利的。為了更好地解 決這一問題，本發明的第一方面給出了一種方法，其包括接收指示支氣管樹結構的支氣管區段的三維位置和取向的支氣管樹結構的數據 表不；接收指示肺血管結構的肺血管區段的三維位置和取向的肺血管結構的數據表 示；識別由支氣管樹結構的第一支氣管區段和肺血管結構的第一血管區段(604)組 成的一對，其中，第一支氣管區段和第一血管區段關於位置和取向而言是相鄰的；將第一血管區段識別為肺動脈樹的動脈區段；對支氣管樹結構的至少部分和/或血管結構的至少部分應用空間變換，使得所述 第一支氣管區段和所述第一血管區段基本上重合；識別血管結構中與支氣管樹結構的相應支氣管區段重合或相鄰的其它(further) 相應血管區段，其中，所述相應支氣管區段包含在已被應用了變換的所述支氣管樹結構的 至少部分中，並且/或者所述其它相應血管區段包含在已被應用了變換的血管結構的至少 部分當中；以及將其它相應血管區段識別為肺動脈樹的動脈區段。因為該變換，第一支氣管區段和第一血管區段的附近的支氣管區段和動脈區段能夠得到更好的對準。因此，能夠更容易地檢測到由其它支氣管區段和其它血管區段 組成的其它相鄰對。相對於WO 2006/085254中公開的方法而言，這是一種改進，在WO 2006/085254所公開的方法中，肺動脈和肺靜脈的分類取決於局部圖像屬性，例如，一旦由 於局部圖像質量不夠而遺漏了支氣管區段，該分類就會失敗。例如，如果給定了支氣管樹結構的表面模型，那麼該變換允許將該表面模型疊加 到血管結構上，從而為用於對肺動脈樹進行分割的活動輪廓算法提供非常好的起點。備選地，能夠在變換之後檢測到由相鄰支氣管區段和血管區段組成的其它對。這 些其它對可能引起其他的變換。優選按照這種方式從接近氣管的支氣管區段穿越支氣管樹 結構，朝向更加遠端的支氣管區段繼續進行，同時對支氣管區段的相應子樹應用適當的空 間變換。這樣，使支氣管樹結構和肺動脈樹自適應地對準，這改進了肺動脈和肺靜脈之間的 分離。


將參考附圖對本發明的這些和其他方面做進一步的闡釋和描述，附圖中圖1是圖示識別肺動脈樹的至少部分的方法的處理步驟的流程圖；圖2是用於識別肺動脈樹的至少部分的系統的方框圖；圖3是支氣管區段和相鄰肺動脈區段的橫截面的圖示；圖4A圖示了肺血管結構；圖4B圖示了支氣管樹結構；圖5圖示了與支氣管樹結構相關的肺血管結構；圖6A-6H圖示了識別肺動脈樹的部分的過程的若干階段的各方面；並且圖7是圖示了用於實現識別肺動脈樹的至少部分的系統的可能硬體架構的方框 圖。
具體實施例方式對於哮喘和肺氣腫患者的診斷和治療而言，對氣管支氣管樹和伴行肺動脈樹的同 時評定起著非常重要的作用。內部支氣管直徑與伴行動脈直徑的比率是臨床實踐當中對氣 道變窄和/或支氣管擴張進行檢測和定量測量的重要參數。利用氣管支氣管樹可以使從多片層CT數據的肺動脈樹的提取自動化。在存在可 用的支氣管樹和伴行動脈樹的情況下，能夠將這些樹用於(例如)在虛擬支氣管鏡檢查應 用中的聯合可視化。沿這兩種樹可以完全自動地測量支氣管和動脈直徑。可以在顯示器中 對這些半徑的比率表現出異常值的位置做出標記，並提請放射科醫師注意，以備進一步的 評定。可以將這裡描述的方法和系統實現為(例如)CT掃描器控制臺、成像工作站或 PACS工作站的軟體選項。可以對所得結果進行可視化顯示。這樣的顯示可以含有(例如) 氣管支氣管樹和肺動脈樹的組合以及對潛在患病區域的指示。多排探測器計算機斷層攝影(MDCT)允許獲取整個胸部的高解析度數據。所述數 據的質量允許對支氣管以及肺動脈樹進行評定。肺動脈樹的提取是用於(例如)栓塞檢測 的重要預處理步驟。而且，在支氣管樹的定量評定中，伴行動脈樹含有能夠從MDCT數據提
5取的重要額外信息。在文獻中給出了用於從多片層CT數據中提取肺血管樹以及支氣管樹的方法。但 是，用於肺動脈的提取的基於種子點的區域擴展法受到遺漏到肺靜脈中的影響。由此，可能 很容易將動脈和靜脈的交叉誤解為血管樹的分支點。因此，由這些方法獲得的血管樹拓撲 可能是不可靠的。通常，氣管支氣管樹和肺血管樹的分割是分別執行的，由此在分割結果中並非固 有兩種樹之間的關係。有可能利用到這樣的事實，S卩，肺動脈與支氣管平行延伸，而接近支氣管的肺靜脈 則傾向於與氣道近乎直角交叉。可以通過這樣一種方式利用該事實，即，對血管樹區段進 行搜索，尋找附近的、平行的支氣管區段，並且只要發現伴行支氣管就將血管區段識別為動 脈。這一程序的缺點在於，對血管區段(其通常是血管樹的基本呈線狀的部分，而且其起始 於血管樹的一分支點而終止於下一分支點)的處置是獨立於彼此進行的。由此，只要未發 現支氣管(可能例如由於圖像噪聲或解析度不夠而發生這種情況)，就可能將對應的動脈 區段錯誤地識別為靜脈。由於血管分割中的不精確，可能在醫療圖像(例如，CT圖像)中， 將靜脈和動脈連接起來，而在該處靜脈和動脈實際上形成的是分離的結構。因此，最好不要 將所檢測到的動脈的動脈性質傳播至相鄰血管。可以考慮氣管支氣管樹的子樹的支氣管區段，並將其匹配至血管樹，而不是相互 獨立地評估血管區段。這允許檢測血管結構的整個子樹，其中，所述子樹對應於所給出的支 氣管子樹。然後，能夠將這一整個的血管子樹識別為動脈樹的子樹。圖IA示出了圖示可能在實施例中出現的處理步驟的流程圖。儘管為了簡化附圖 按照特定的順序示出了這些處理步驟，但是有可能按照不同的順序執行所述步驟。在步驟 100中，(例如)通過用戶命令開始所述過程，或者自動開始所述過程。例如，在藉助於連接 至計算機系統的CT裝置執行數據獲取時，自動進行過程的開始，而所述方法設計為藉助於 計算機系統執行。圖4A、4B、圖5和圖6A-6H藉助於肺樹形結構和血管結構的草示了所述過程。 將結合這些附圖解釋圖IA的處理步驟。出於這一目的，將首先提供對這些圖的簡要說明。圖4A示出了肺血管結構400。優選在預處理步驟中已經對這一血管結構400進行 了分割。但是，也可以在圖IA的過程期間在運行中計算血管結構400。血管結構400包括 肺動脈樹402的至少部分和肺靜脈樹404的至少部分。由於用於對患者成像的圖像掃描裝 置的不精確，所述方法可用的血管結構400可能未必完全正確。具體而言，在血管結構400 中，在肺動脈402和肺靜脈404之間可能出現連接，而這些連接實際上是不存在的。這些錯 誤的連接可能導致難以準確地確定血管結構400的哪些部分屬於肺動脈樹402，以及血管 結構400的哪些部分屬於肺靜脈樹404。圖4B圖示了支氣管樹結構500。支氣管樹結構500優選更為可靠，因為其在不同 的支氣管之間不存在很多錯誤的連接。針對同一患者獲得支氣管樹結構500和肺血管結 構400。圖5 —起示出了結構400和500。可以看出，在圖5中採用虛線示出了肺血管結構 400，而採用實線示出了支氣管樹結構500。圖6示出了識別肺動脈樹402的至少部分的過程的若干階段。藉助於點線(例如 在604處)表示所識別出的肺動脈樹的部分。
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返回參考圖1，當在步驟100中開始所述過程之後，所述過程繼續進行。在步驟102 中接收支氣管樹結構500的數據表示。這一數據表示指示了支氣管樹結構的支氣管區段的 三維位置和取向。例如，所述數據結構包括支氣管樹的中心線模型或者支氣管樹的表面模 型。備選地或另外地，所述數據結構可以包括體素數據集，其中，已經對作為支氣管樹結構 的部分的體素相應地做出了標記。可以表示支氣管樹結構的最為方便的方式是藉助於為支 氣管的每一基本呈線狀的部分定義了線段的3D坐標。但是，不應在限制的意義上解釋該表 示結構的方式。在步驟104中接收肺血管結構400的數據表示。這一數據表示指示了肺血管結構 的肺血管區段的三維位置和取向。可以在這裡重複在步驟102的語境下提及的關於支氣管 樹結構的表示的內容，用於肺血管結構400的表示。本領域已知，還可以通過很多種不同的 方式表示肺血管結構400。在步驟106中，識別由支氣管樹結構的支氣管區段602和肺血管結構的血管區段 604組成的一對。該支氣管區段602和血管區段604的對就位置和取向而言是相鄰的。可 以藉助於相鄰性測度評估這一相鄰性，該相鄰性測度可以是兩個區段602和604的位置和 方向的函數。可以通過評估支氣管區段602上的任一點與血管區段604上的任一點之間的 最小距離來比較所述位置。可以採用兩個區段602和604的方向矢量的內積來比較所述方 向。例如，可以使所述最小距離和所述內積的倒數相乘來獲得相鄰性測度。如果所述相鄰 性測度低於預定閾值，那麼可以將這兩個區段識別成一對。備選地，可以針對多個血管區段 604和/或支氣管區段602評估相鄰性測度，所述相鄰性測度的最小值將指示所識別出的 對。在步驟108中，將血管區段604識別為肺動脈樹的動脈區段。這裡，利用肺動脈與 支氣管樹相鄰延伸的事實將血管區段識別為動脈區段。為了實現這樣的識別步驟，可以使 指示「動脈區段」的標記與血管區段604相關聯。備選地，可以創建動脈區段的參考列表。 另一種備選的做法是直接顯示被識別為動脈區段的血管區段。考慮到本說明書和相關附 圖，更多的備選方案對於本領域技術人員而言是顯而易見的。在步驟110中，將空間變換應用於支氣管樹結構的至少部分和/或血管結構的至 少部分。如在602』處示出的，通過使支氣管區段602和血管區段604基本上重合的方式執 行這一或這些變換。因為剛性變換的相對簡單性，所述空間變換優選是剛性變換。所述空 間變換優選包括平移。所述空間變換任選包括平移和旋轉，以在支氣管區段602和血管區 段604之間實現非常好的匹配。應當指出，出於清楚的原因，在圖6中，在彼此的旁邊繪製了支氣管樹和動脈樹的 重合部分(例如，參考602』處)。但是，當在實踐中執行步驟110時，優選通過執行變換使 得支氣管區段602和動脈區段604儘可能實際重合。例如，步驟110包括識別支氣管樹結構的子樹。這樣的子樹具有作為根的支氣管 區段602，並且包括比支氣管區段602更加遠離氣管的支氣管區段(例如，610和612)。然 後，將空間變換至少應用於該子樹，或者應用於圍繞該子樹的支氣管區段的血管結構的血 管。優選對支氣管樹的子樹進行空間變換，而血管結構保持不變，因為支氣管樹的子樹比圍 繞子樹的支氣管區段的血管結構更容易描繪。備選地，在對子樹的支氣管區段進行處理的 同時，對整個支氣管樹進行空間變換。在對子樹的支氣管區段處理之後，可以在對支氣管樹的可能的剩餘部分的處理發生之前取消所述空間變換。在步驟112中，識別血管結構的其它相應血管區段(例如606、608)。這些其它血 管區段與支氣管樹結構的相應支氣管區段610、612重合或者相鄰，其中，相應支氣管區段 610、612可能包含在已被應用了變換的支氣管樹結構的至少部分中。但是，如果已經對血管 結構進行了變換，那麼其它相應血管區段可能包含在已被應用了變換的血管結構的至少部 分當中。例如，可以一個接一個地處理已被應用了變換的支氣管樹結構的部分的支氣管區 段。在處理支氣管區段612時，如結合步驟106給出的描述那樣搜索相鄰的血管區段608。 這一相鄰的血管區段608是識別出的其它血管區段608。在步驟114中，將這些識別出的其它相應血管區段(例如608)識別為肺動脈樹 402的動脈區段。在步驟114末尾，在將步驟112中所識別出的所有其它血管區段識別為動脈區段 時，就已經識別出了肺動脈樹402的至少部分。在步驟130中，將所識別出的肺動脈樹402用於例如對它的可視化，而不對靜脈可 視化。可以將肺動脈樹402連同支氣管樹結構500 —起顯示。而且，由於所述過程已經識 別出了數對支氣管區段和肺動脈區段，因此可以使這些成對的區段相互比較。具體而言，可 以使處於任何給定點的肺動脈的直徑與相鄰的支氣管部分的直徑進行比較。例如，可以計 算這些兩個直徑的比率。之後，可以顯示這一信息，並且可以在顯示器上對這些比率的臨床 相關值進行高亮顯示或者將其列印出來。圖IB更為詳細地圖示了步驟112的幾個實施例。在實施例中，支氣管樹結構500 的數據表示包括支氣管樹結構500的表面模型。該表面模型包括(例如)三角形表面網孔。 所述表面模型指示了支氣管壁的三維形狀。在步驟132中，可以確認支氣管樹結構500的 表面模型是存在的，並且希望對肺動脈樹402進行自適應表面建模。在這種情況下，執行步 驟116。在步驟116中，採用基於表面模型的分割算法使用高、定向圖像梯度作為吸引力使 支氣管樹結構的表面模型適配到肺動脈樹的表面模型。可以藉助於活動表面變形算法(active surface deformationaIgorithm)執 行步驟 116。由 A. Saragaglia 等人的文章"Airway wallthickness assessment :a new functionality in virtual bronchoscopyinvestigation",SPIE Medical Imaging 2007, Proc. of SPIE，Vol. 6511，65110P(下文稱為Saragaglia等人的文章)已知這樣的算法。 Saragaglia等人的文章在治療跟進的背景下描述了以用於支氣管壁的體積定量測量的自 動化方案為目的的表面模型變形。將所述模型初始化成預先分割的支氣管管腔邊界；採用 自適應變形過程將內側氣道壁的表面模型變換成氣道壁的外表面的表面模型。作為外力， 定義了梯度力，並且定義了氣球力(balloon force) 0本領域技術人員可以對Saragaglia 等人的文章中描述的算法加以調整，以使其能夠按照下文描述的方式找到肺動脈的表面模 型。將所述自適應表面模型初始化成如在步驟110中那樣進行了空間變換的支氣管表面 模型。可以採用梯度力作為外力，例如，如Saragaglia等人的文章中描述的那樣省略氣球 力。由於血管邊界具有比支氣管壁大得多的圖像梯度，在用於對血管建模時，梯度將表現出 相對強的吸引力。本領域技術人員能夠認識到可以應用不同種類的內力和外力將表面模型 適配到肺動脈樹，這是本領域技術人員公知的。對肺動脈建模的這種方法優點在於，採用支 氣管的表面模型作為患者特定模型來對所述自適應表面模型初始化。步驟110的空間變換
8(例如平移)確保了所初始化的表面模型接近肺動脈壁。通過這種方式獲得了對自適應表 面模型的高度可靠的初始化，由此能夠得到對肺動脈樹的高質量分割。在這種情況下，重要 的是支氣管樹是用於肺動脈樹的患者特定模型。在患者之間動脈樹的變化通常過大，無法 使用類屬模型。在另一實施例中，可能不存在表面模型，或者可能希望採用另一種識別肺動脈的 方式。因此，在步驟132中，可以確認希望採用另一種識別其它相應血管區段的方式。在該 情況下，所述方法進行至步驟120-128。在步驟120中，在以支氣管區段602作為根的子樹內識別附接至支氣管區段602 的支氣管區段610。支氣管區段610附接至支氣管區段602的含義是它們一端相連。在步驟122中，識別血管結構400的血管區段606，對於其而言，使得所述血管區段 606與支氣管區段610重合或相鄰。因為血管區段606的與支氣管區段610的相鄰性，將血 管區段606識別為將在步驟114中被識別為肺動脈區段的其它相應血管區段中的一個。在步驟124中，識別支氣管樹結構的第二子樹，使得這一子樹具有支氣管區段610 作為根。在步驟126中，至少向在步驟124中識別出的子樹應用另一空間變換，和/或至少 向在步驟124中識別出的血管結構中所述子樹的支氣管區段周圍的血管應用另一空間變 換。以使支氣管區段610和血管區段606基本重合的方式執行這一空間變換，如在610』處 示意性指出的。所述空間變換優選是剛性變換，因為剛性變換有效率並且容易實施。這一空 間變換優選包括圍繞這樣的點的旋轉，在該點處第二支氣管區段附接至第一支氣管區段， 因為在先前的變換中已經對後一點進行了校正，因此原則上只需對支氣管區段610的取向 校正。在步驟128中，識別血管結構的其它相應血管區段614，僅識別與第二子樹的相應 支氣管區段612重合或相鄰的其它血管區段614。在步驟134中，做出另一判定。在一些實施例中，只執行步驟120-128，跳過步驟 116。但是，也可能向支氣管樹的表面模型的相應部分應用步驟126的變換，以便使表面模 型得到步驟116的自適應表面模型的更好的初始化。因此，從步驟134，所述過程可以繼續 到步驟116，以執行自適應表面建模。備選地，從步驟134，所述過程直接進行至終止器136， 並且所述過程繼續到步驟114。應當理解，可以通過軟體實現上述步驟。例如，可以提供含有識別肺動脈的至少部 分的方法作為子例程的電腦程式產品。所述電腦程式產品可以是綜合醫療成像軟體套 件。例如，所述電腦程式產品也可以是諸如CT掃描器或MRI掃描器的醫療成像裝置的後 臺軟體產品。圖2圖示了用於識別肺動脈樹的至少部分的系統。所述系統包括用於藉助於X射 線掃描患者的CT掃描裝置220。這樣的CT掃描器是本領域已知的。優選採用多片層CT掃 描器。將由存在於CT掃描裝置220中的X射線探測器獲取的原始數據傳遞至預處理單元 222，其通過執行已知的計算機斷層攝影計算對所述數據預處理，由此將得到體數據集。所 述預處理單元222也可以執行進一步的處理，例如，對肺血管結構和支氣管樹結構的分割。 可以將這些結構存儲在作為(例如)中心線模型和/或作為表面模型的數據表示當中，這 是本領域公知的。因此，通過預處理單元222創建了指示支氣管樹結構的支氣管區段的三維位置和取向的支氣管樹結構的數據表示。而且，還通過預處理單元222創建了指示肺血 管結構的肺血管區段的三維位置和取向的肺血管結構的數據表示。將這些數據表示傳遞至 子系統200。子系統200的輸入202接收所述數據表示，並將它們存儲在(例如)RAM存儲 器214內。注意，可以採用其他存儲器，包括諸如ROM的永久性存儲模塊或磁碟存儲模塊。 但是，為了實現處理的目的，最為方便的做法是使數據在RAM中可用。還要注意，其他架構 設計也是可能的。所述系統包括相鄰性評估器206，其訪問存儲器214，以識別由支氣管樹結構的第 一支氣管區段和肺血管結構的第一血管區段組成的一對，其中，所述第一支氣管區段和第 一血管區段就位置和取向而言是相鄰的。所述系統包括識別模塊208，其訪問存儲器214，用於將第一血管區段識別為肺動 脈樹的動脈區段。所述系統包括變換器210，其訪問存儲器214，用於向支氣管樹結構的至少部分和 /或血管結構的至少部分應用空間變換，使得所述第一支氣管區段和第一血管區段基本重
1=1 o可以將所述相鄰性評估器206布置用於識別與支氣管樹結構的相應支氣管區段 重合或相鄰的血管結構的其它相應血管區段，其中，所述各支氣管區段包含在已被應用了 變換的支氣管樹結構的至少部分中，並且/或者其它相應血管區段包含在已被應用了變換 的血管結構的至少部分中。可以將識別模塊208布置用於將其它相應血管區段識別為肺動 脈樹的動脈區段。可以將來自部件206-210的結果存儲在存儲器214中。呈現單元212從存儲器 214檢索被識別為肺動脈樹的動脈區段的血管區段，並創建所述血管區段的用於顯示在顯 示單元224上的圖形表示。所述圖形表示還可以包括支氣管樹的圖形表示。此外，呈現單 元212可以計算局部肺動脈和對應的局部支氣管的管截面的比率，並在顯示器224上顯示 結果，優選對異常值和/或與疾病相關的值高亮顯示。本發明的實施例包括一種將在下文中描述的方法。在第一步驟中，從圖像中提取 支氣管樹結構和肺血管結構。可以採用現有的算法提取支氣管樹以及肺血管樹。例如，可以 在 Billow 等人的文章中以及 T. Schlath61ter等人的文章「Simultaneous segmentation and tree reconstruction ofthe airways for virtual bronchoscopy", SPIE Medical Imaging,Proceedings of SPIE Vol. 4684,pp. 103-113(2002)中找到這樣的算法。還存在 其他公開發表的方法。應當指出，所提取的肺血管結構可能沒有正確地表示動脈樹結構，因 為將動脈與靜脈分離是很困難的，而且因為在所提取的肺血管結構當中，靜脈可能連接到 了動脈上，而實際上所述靜脈只是與所述動脈相互交叉而沒有連接。支氣管樹和動脈樹的大的部分是平行延伸的。但是，樹的根和支氣管樹的第一大 分支通常不與動脈樹平行延伸。所以，在第二步驟中，識別與動脈樹的對應子樹平行延伸的 支氣管樹的最大子樹。為了實現這一子樹的識別，檢查血管區段的附近，以找到與所述血管 區段平行的支氣管區段。可以基本上如Billow等人的文章中的描述的那樣執行這一步驟。 可以對血管樹的所有線狀區段執行這一步驟。這一點是通過首先估計被研究的血管區段的 血管取向完成的。這可以通過計算結構張量及其本徵矢量來實現。在計算血管取向之後， 搜索血管及其周圍的截面平面，尋找支氣管的截面。
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圖3示出了這樣的截面平面。該圖示出了血管截面302 (白色)和伴行的支氣管 截面304 (黑色，以內部的白色「 + 」符號為標記)。如果已經識別出了支氣管的截面，還要估計該支氣管的取向。將血管區段的取向 與支氣管的取向進行比較(例如通過計算對應於兩個取向的兩個歸一化的方向矢量的內 積)，以獲得平行度。如果平行度高於某一閾值，那麼將該血管區段識別為屬於該伴行支氣 管區段的動脈區段。在將血管區段識別為屬於伴行支氣管區段的動脈區段時，該伴行支氣管區段就是 與動脈樹的子樹平行延伸的支氣管樹的子樹的候選區段。但是，也可能是這種情況，即，候 選子樹屬於與動脈樹的子樹平行延伸的更大的支氣管樹的子樹。因此，還檢查該支氣管子 樹的母區段，以尋找平行的血管區段，其中，該母區段是將支氣管子樹連接至支氣管樹的其 餘部分的支氣管區段。如果結果該母區段也被識別為與對應的動脈區段平行延伸，那麼以 該母區段作為根的子樹將替代先前識別的子樹。應當理解所述支氣管樹的子樹包括根(與 氣管最近的支氣管區段)和比根離氣管遠的連接至根的所有支氣管區段。繼續該過程，直到抵達不具有與其平行延伸並且與其接近的血管區段的母區段為 止。不再擴大當前的子樹。通常以所描述的方式能夠識別出不只一個子樹。但是，也可以採用其他算法確認支氣管樹的子樹。例如，可以從支氣管樹的一個或 多個根開始，並沿支氣管樹進行，直到找到這樣的支氣管區段為止，該支氣管區段具有與其 接近並且平行的血管區段。將該支氣管區段的子樹識別為所識別的子樹中的一個，在這一 階段不必須要評估所識別出的子樹中的支氣管區段。繼續這一過程，直到支氣管樹的所有 支氣管區段都已被評估或者被識別為所識別的子樹的部分為止。通過將支氣管樹的所識別的子樹匹配至血管樹，識別出動脈子樹。可以將表面模 型或者中心線模型，或者將二者用於這一目的。在兩種情況下，通過在對應的動脈血管區段 上移動支氣管樹模型的根來對所述表面模型或中心線模型初始化。在採用中心線模型時，可以遵循下述程序。如上所述，對於支氣管子樹的根區段而 言，已經識別出了對應的血管區段。在迭代過程中，從支氣管子樹的根開始，逐一包含子樹的下一代，由此將相應支氣 管區段匹配至與之相鄰的血管結構的相應部分。將血管結構的這些經匹配的相應部分識別 為肺動脈樹的部分。一開始，將支氣管子樹根區段定位到它的對應血管區段之上，該血管區 段由此被識別為動脈區段。接下來，研究該支氣管根區段的兩個子區段的附近，以找到相鄰 的血管區段。這些相鄰的血管區段也被識別為動脈樹的部分。可以對新識別出的支氣管區 段及它們的子樹實施變換，以與對應的相鄰動脈區段匹配。通過將越來越多的支氣管樹的 遠端的代包含到該匹配程序當中來重複該程序，直到使整個支氣管樹已匹配至血管結構的 部分為止。將未能與相鄰支氣管區段匹配的其餘血管區段歸類為靜脈區段。最終結果是將 所述血管結構分離成動脈樹和靜脈樹。備選地，可以採用基於表面模型的分割算法(例如 Saragaglia等人的文章中描述的方法的適當修改形式)將支氣管(子)樹的表面模型變換 成同一患者的肺動脈(子)樹的表面模型。可以採用高、定向的圖像梯度作為吸引力對將 表面模型適配到血管樹。實際上，採用支氣管樹的表面模型作為肺動脈樹的患者特定模型。例如，通過首先執行基於中心線模型的算法，接下來按照與對支氣管樹的子樹實 施變換所採用的相同的方式對支氣管樹的表面模型的子樹實施變換，由此可以將基於中心
11線模型的算法與基於表面模型的算法結合起來。這樣，表面模型的形狀將更加接近地遵循 肺動脈的形狀，這提供了基於表面模型的算法的更好的初始表面模型。在得到可用的支氣管樹和伴行動脈樹之後，可以在(例如)虛擬支氣管鏡檢查應 用中將這些樹用於聯合可視化。可以在分割期間沿兩種樹完全自動地測量支氣管和對應的 動脈直徑。可以在顯示器中對這些直徑的比率表現出異常值的位置做出標記，並指示出以 用於由放射科醫師的進一步的評定。圖7圖示了適於以軟體實施文中描述的方法和系統的示例硬體架構。提供存儲器 706，例如，輔以硬碟的RAM存儲器來存儲數據、軟體代碼和計算結果。軟體代碼包括可以由 處理器702執行的計算機可讀指令。提供通信埠 708，用於與其他裝置交換數據，例如，可 以經由通信埠 708檢索圖像數據。例如，可以將通信埠 708連接至諸如LAN或無線網 絡的網絡，或者可以將通信埠 708直接連接至CT掃描器或PACS系統。可以經由可移除 介質裝置710，例如，DVD盤獲得數據。用戶藉助於用戶輸入裝置704控制系統。例如，用戶 輸入裝置704可以包括鍵盤和/或滑鼠。藉助於適於顯示可能的將經由用戶輸入裝置704 來選擇的命令的顯示器712增強用戶交互。顯示器712還用來顯示計算的結果，例如，經分 割的肺動脈樹連同支氣管樹的可視化。應當認識到，本發明還擴展至適於將本發明投入實踐的電腦程式，尤其是在載 體上或載體內的電腦程式。所述程序可以具有以下形式原始碼、目標代碼、諸如部分編 譯形式的介於原始碼和目標代碼之間的代碼或者適於用在根據本發明的方法的實現中的 任何其他形式。還應當認識到，這樣的程序可以具有很多種不同的架構設計。例如，可以將 用於實現根據本發明的方法或系統的功能性的程序代碼細分為一個或多個子例程。對於本 領域技術人員而言顯然存在很多種不同的方式在這些子例程之間分配所述功能性。可以將 子例程一起存儲在一個可執行文件中，以形成自包含程序。這樣的可執行文件可以包括計 算機可執行指令，例如，處理器指令和/或解釋器指令(例如，Java解釋器指令)。備選地， 可以將子例程中的一個或多個或者所有子例程存儲在至少一個外部庫文件中，並使其(例 如在運行期)與主程序靜態或動態連結。主程序含有對子例程的中的至少一個的至少一個 調用。而且，子例程還可以包括相互的函數調用。與電腦程式產品相關的實施例包括與 所闡述的方法中的至少一個的每個處理步驟對應的計算機可執行指令。可以將這些指令細 分為子例程，和/或將這些指令存儲到一個或多個可被靜態或動態連結的文件當中。與計 算機程序產品相關的另一實施例包括與所闡述的系統和/或產品中的至少一個的每個模 塊對應的計算機可執行指令。可以將這些指令細分為子例程，和/或將這些指令存儲到一 個或多個可以被靜態或動態連結的文件當中。電腦程式的載體可以是任何能夠承載程序的實體或裝置。例如，所述載體可以 包括存儲介質，例如，諸如CDROM或半導體ROM的ROM或者諸如軟盤或硬碟的磁記錄介質。 此外，載體還可以是可以經由電纜或光纜或者通過無線電或其他模塊傳送的諸如電或光信 號的可傳輸載體。當程序體現在這樣的信號中時，所述載體可以由這樣的線纜或者其他裝 置或模塊構成。備選地，所述載體可以是嵌入了程序的集成電路，所述集成電路適於執行相 關方法或者適於在相關方法的執行中使用。應當注意，上述實施例對本發明進行圖示說明，而不是對其做出限制，並且本領域 技術人員能夠在不偏離所附權利要求的範圍的情況下設計出很多備選的實施例。在權利要求中，不應當將任何放置在括號內的參考標記解讀為限制所述權利要求。動詞「包括」及其 詞形變化的使用不排除存在權利要求中陳述的元件或步驟以外的元件或步驟。元件前的冠 詞「一」或「一個」不排除存在多個這樣的元件。可以藉助於包括幾個分立元件的硬體，也 可以藉助於適當編程的計算機實現本發明。在列舉了幾個模塊的裝置權利要求中，可以通 過同一件硬體體現這些模塊中的幾個。在互不相同的從屬權利要求中陳述某些措施不表示 不能有利地採用這些措施的組合。
權利要求
1.一種識別肺動脈樹(402)的至少部分的方法，包括接收(102)指示支氣管樹結構(500)的支氣管區段的三維位置和取向的所述支氣管樹 結構的數據表示；接收(104)指示肺血管結構(400)的肺血管區段的三維位置和取向的所述肺血管結構 的數據表示；識別(106)由所述支氣管樹結構的第一支氣管區段(602)和所述肺血管結構的第一血 管區段(604)組成的一對，其中，所述第一支氣管區段和所述第一血管區段關於位置和取 向是相鄰的；將所述第一血管區段識別(108)為肺動脈樹的動脈區段；對所述支氣管樹結構的至少部分和/或所述血管結構的至少部分應用(110)空間變 換，使得所述第一支氣管區段和所述第一血管區段基本上重合(602』 )；識別(112)所述血管結構中與所述支氣管樹結構的相應支氣管區段(610，612)重合或 相鄰的其它相應血管區段(606，608)，其中，所述相應支氣管區段包含在已被應用了所述變 換的所述支氣管樹結構的至少部分中，並且/或者所述其它相應血管區段包含在已被應用 了所述變換的所述血管結構的至少部分中；以及將所述其它相應血管區段識別(114)為所述肺動脈樹的動脈區段。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述支氣管樹結構的所述數據表示包括所述支 氣管樹結構的表面模型，並且其中，識別其它相應血管區段的步驟包括採用(116)基於表 面模型的分割算法，使用高、定向的圖像梯度作為吸引力將所述支氣管樹結構的所述表面 模型適配到所述肺動脈樹的表面模型中。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，應用(110)所述空間變換的步驟包括識別所述支 氣管樹結構的子樹，所述子樹以所述第一支氣管區段作為根，所述子樹包括比所述第一支 氣管區段更加遠離氣管的支氣管區段，其中，至少向所述子樹或者向所述血管結構中所述 子樹的所述支氣管區段周圍的血管應用所述空間變換。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，識別其它相應血管區段的步驟包括識別(120)在所述子樹內並附接至所述第一支氣管區段(602)的第二支氣管區段 (610)；識別(122)所述血管結構中與所述第二支氣管區段重合或相鄰的第二血管區段 (606)，其中，所述第二血管區段是所述其它相應血管區段中的一個；識別(124)所述支氣管樹結構的第二子樹，所述第二子樹以所述第二支氣管區段作為根；至少向所述第二子樹和/或至少向所述血管結構中所述子樹的所述支氣管區段周圍 的血管應用(126)第二空間變換，從而使所述第二支氣管區段和所述第二血管區段基本上 重合(610，)；以及識別(128)所述血管結構中與所述第二子樹的相應支氣管區段(612)重合或相鄰的其 它相應血管區段(614)。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述第二空間變換包括圍繞穿過這樣的點的軸 的旋轉，在該點處所述第二支氣管區段附接至所述第一支氣管區段，其中，對所述軸和旋轉 角度加以選擇，使得所述第二支氣管區段和所述第二血管區段在所述旋轉後基本上重合。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述空間變換包括平移。
7.一種電腦程式產品，其包括用於使機器執行根據權利要求1所述的方法的機器可 讀指令。
8.一種對肺動脈樹的至少部分進行分割的系統，包括輸入(202)，用於接收指示支氣管樹結構的支氣管區段的三維位置和取向的所述支氣 管樹結構的數據表示，並且用於接收指示肺血管結構的肺血管區段的三維位置和取向的所 述肺血管結構的數據表示；相鄰性評估器(206)，用於識別由所述支氣管樹結構的第一支氣管區段和所述肺血管 結構的第一血管區段組成的一對，其中，所述第一支氣管區段和所述第一血管區段關於位 置和取向是相鄰的；識別模塊(208)，用於將所述第一血管區段識別為肺動脈樹的動脈區段；以及 變換器(210)，用於向所述支氣管樹結構的至少部分和/或所述血管結構的至少部分 應用空間變換，使得所述第一支氣管區段和所述第一血管區段基本上重合；其中，所述相鄰性評估器(206)布置用於識別所述血管結構中與所述支氣管樹結構的 相應支氣管區段重合或相鄰的其它相應血管區段，其中，所述相應支氣管區段包含在已被 應用了所述變換的所述支氣管樹結構的至少部分中，並且/或者所述其它相應血管區段包 含在已被應用了所述變換的所述血管結構的至少部分中；並且其中，所述識別模塊(208)布置用於將所述其它相應血管區段識別為所述肺動脈樹的 動脈區段。
9 一種CT掃描器(220)，其包括根據權利要求8所述的系統。
10.根據權利要求8所述的系統，還包括顯示單元(224)，其用於將支氣管樹與所識別 出的所述肺動脈樹的動脈區段一起顯示。
全文摘要
一種識別肺動脈樹(402)的至少部分的方法包括接收(102)支氣管樹結構(500)以及接收(104)肺血管結構(400)。識別(106)由第一支氣管區段(602)和第一血管區段(604)組成的一對，其中，所述第一支氣管區段和所述第一血管區段關於位置和取向而言是相鄰的。將第一血管區段識別(108)為肺動脈樹的動脈區段。應用(110)空間變換，使得第一支氣管區段和第一血管區段基本上重合(602』)。識別(112)與支氣管區段(610，612)相鄰的其它相應血管區段(606，608)，其中，支氣管區段包含在支氣管樹中。
文檔編號G06T7/00GK102007515SQ200980113684
公開日2011年4月6日 申請日期2009年4月14日 優先權日2008年4月18日
發明者R·維姆科, T·B·比洛 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司