專利名稱：擴(kuò)散張量表面顯象的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖象處理，更具體地說，涉及一種用于擴(kuò)散張量MRI表面顯象的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
擴(kuò)散張量(DT)圖象掃描包含至少六個(gè)梯度方向，足以確定腦內(nèi)的擴(kuò)散張量。根據(jù)擴(kuò)散張量可以確定擴(kuò)散各向異性測量值、諸如部分各向異性(FA)。而且，擴(kuò)散張量的主方向能夠用于推斷作為束的腦白質(zhì)連通度。
用于這種束的顯象策略是在數(shù)據(jù)點(diǎn)的子集處繪制擴(kuò)散橢圓體。由于橢圓體的三維場相互封閉，該顯象典型的用于數(shù)據(jù)的二維切片。此外，為了識別每個(gè)橢圓體，僅能繪制稀疏網(wǎng)格上的橢圓體。這種類型的顯象可能在視覺上變得混亂，并且傳達(dá)非常少的信息甚至基本上沒有價(jià)值。
先前用于顯象的技術(shù)包括基于紋理的方法(texture base approach)，通過在每個(gè)點(diǎn)的矢量場方向使源象模糊來生成圖象。線積分卷積(LIC)是一種用于實(shí)現(xiàn)這種顯象的技術(shù)。具有基本上類似視覺效果的另一種方法利用偏微分方程(PDE)的解。
用于基于紋理的DT-MRI顯象的繪制技術(shù)包括平面繪制和體繪制。在平面繪制中，確定DT-MRI數(shù)據(jù)的平面切片的圖象，并顯示為紋理化的四邊形(參見圖1)。體繪制技術(shù)包括確定該體積內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的紋理，并通過射線造型法或類似的技術(shù)繪制該場。這些技術(shù)可能在計(jì)算上花費(fèi)比較大。
因此，存在對大比例解剖信息顯象的需求。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，一種擴(kuò)散張量顯象的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，包括接收擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)；根據(jù)擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)分割擴(kuò)散張量場，以確定三維三角網(wǎng)；以及確定擴(kuò)散張量場的部分各向異性場和主擴(kuò)散方向場。該方法包括根據(jù)主擴(kuò)散方向場確定穿過擴(kuò)散張量場的分割的表面上每個(gè)表面點(diǎn)的流線；根據(jù)相應(yīng)的流線確定表面點(diǎn)的定向紋理強(qiáng)度；通過將定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)主擴(kuò)散方向場確定的顏色、以及表面點(diǎn)處部分各向異性場的值進(jìn)行組合來確定表面點(diǎn)的表面顏色；以及通過繪制具有相應(yīng)表面顏色的表面點(diǎn)對表面點(diǎn)進(jìn)行顯象。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，提供一種機(jī)器可讀程序存儲裝置，該裝置明確包含可由機(jī)器執(zhí)行的程序指令，以執(zhí)行擴(kuò)散張量顯象的方法步驟。該方法包括接收擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)；根據(jù)擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)分割擴(kuò)散張量場，以確定三維三角網(wǎng)；以及確定擴(kuò)散張量場的部分各向異性場和主擴(kuò)散方向場。該方法包括根據(jù)主擴(kuò)散方向場確定穿過擴(kuò)散張量場的分割的表面上每個(gè)表面點(diǎn)的流線；根據(jù)相應(yīng)的流線確定表面點(diǎn)的定向紋理強(qiáng)度；通過將定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)主擴(kuò)散方向場確定的顏色、以及表面點(diǎn)處部分各向異性場的值進(jìn)行組合來確定表面點(diǎn)的表面顏色；以及通過繪制具有相應(yīng)表面顏色的表面點(diǎn)對表面點(diǎn)進(jìn)行顯象。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，一種擴(kuò)散張量顯象的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，包括接收擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)；根據(jù)擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)分割擴(kuò)散張量場，以確定三維三角網(wǎng)；以及確定擴(kuò)散張量場的部分各向異性場和主擴(kuò)散方向場。該方法包括根據(jù)主擴(kuò)散方向場確定穿過擴(kuò)散張量場的分割的表面上每個(gè)表面點(diǎn)的流線；根據(jù)相應(yīng)的流線確定表面點(diǎn)的定向紋理強(qiáng)度；通過將定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)主擴(kuò)散方向場確定的顏色、以及表面點(diǎn)處部分各向異性場的值中的至少兩個(gè)進(jìn)行組合來確定表面點(diǎn)的表面顏色；以及通過繪制具有相應(yīng)表面顏色的表面點(diǎn)對表面點(diǎn)進(jìn)行顯象。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將在下面結(jié)合附圖進(jìn)行更加詳細(xì)的描述
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示范性平面LIC。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法的流程圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示范性表面顯象。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種方法包括大比例解剖信息和體素方式(voxel-wise)張量信息的DT圖象的顯象。體素方式張量信息可包括各向異性或方向相關(guān)(directionally dependent)信息及主擴(kuò)散方向信息。
DT核磁共振成象(DT-MRI)是一種測量生物結(jié)構(gòu)中水?dāng)U散速率的方法。規(guī)則晶格上每個(gè)位置處的DT利用對稱的正定矩陣、例如3×3矩陣來描述每個(gè)體素內(nèi)水?dāng)U散的方向性的體積平均值。通過擴(kuò)散在白質(zhì)纖維束區(qū)域內(nèi)是各向異性的觀察結(jié)果，DT-MRI使得能夠從所確定的張量場推斷出白質(zhì)纖維方向。這些纖維束能夠在三維內(nèi)顯象為流線或流管。
流管是流線的三維類似物。通過使流線作為管的中心線確定流管。流管直徑用于對關(guān)于顯象的張量場的附加信息、諸如部分各向異性(FA)值進(jìn)行編碼。
參考圖2，該方法包括步驟200，輸入圖象數(shù)據(jù)；步驟201，根據(jù)輸入圖象數(shù)據(jù)分割DT場；步驟202，確定FA場和主擴(kuò)散方向(PDD)場。該方法包括步驟203，根據(jù)PDD場，確定穿過所分割的表面上的每個(gè)點(diǎn)(例如如果顯象可以看到的每個(gè)點(diǎn))的流線。該方法進(jìn)一步包括步驟204，根據(jù)流線確定線積分卷積(LIC)強(qiáng)度；步驟205，通過對LIC強(qiáng)度、根據(jù)PDD場確定的顏色和該點(diǎn)的FA值進(jìn)行組合來確定每個(gè)表面點(diǎn)的表面色；步驟206，通過繪制表面上具有其相應(yīng)確定的顏色的每個(gè)點(diǎn)繪制該表面。
方框200輸入圖象數(shù)據(jù)可以是記錄到張量場的擴(kuò)散加權(quán)MRI圖象切片或CT圖象切片。這里，結(jié)合MRI圖象切片呈現(xiàn)本發(fā)明的示范性實(shí)施例。
參考方框201，利用產(chǎn)生三維三角網(wǎng)格的測量活動(dòng)輪廓線(geodesicactive contour)對DT-MRI捕獲的DT場進(jìn)行分割。分割的另一種方式包括例如纖維追蹤方法、基于PDD的直接閾值、擴(kuò)散的標(biāo)量測量等等。
DT場分割的示例包括將張量轉(zhuǎn)化為特征值/特征向量表示，這是旋轉(zhuǎn)不變量。所轉(zhuǎn)化的張量能夠解釋為具有沿特征向量取向的主軸、半徑等于相應(yīng)特征值的橢圓體。該橢圓體描述了水分子在固定擴(kuò)散時(shí)間之后的概率分布。利用特征值/特征向量能夠確定包括FA的各向異性測量值。
參考方框202，確定FA場。FA場為灰度級圖象，例如參見圖3中的302，這使白質(zhì)變暗使其區(qū)別于灰質(zhì)和腦內(nèi)的腦室或脊柱掃描。FA是DT大小的部分的測量值，其能夠歸因于各向異性擴(kuò)散。只要對DT進(jìn)行了預(yù)算(見方框201)，就能夠通過得出對應(yīng)于當(dāng)前張量的主特征值的特征向量確定PPD。通過對穿過特征向量的場的流線進(jìn)行顯象可描繪纖維束。描繪包括通過RGB配色方案對PPD進(jìn)行編碼，其中，例如，利用綠色對沿前后方向的纖維束進(jìn)行編碼，可用紅色對從左向右延伸的纖維束進(jìn)行編碼，垂直于圖象平面的纖維由藍(lán)色編碼。
在方框203，為三角形網(wǎng)格的分割的表面上的點(diǎn)確定流線。流線沿每個(gè)點(diǎn)的DT的主特征向量的方向。
參考方框204，通過LIC將對應(yīng)于擴(kuò)散張量的主特征值的三維向量場顯象為基于紋理的向量。LIC通過將噪聲紋理和與穿過每個(gè)象素的流線一致的曲線核(curvilinear kernel)O進(jìn)行卷積生成強(qiáng)度灰度級值(例如在核內(nèi)確定流線)。
能夠利用LIC技術(shù)將對應(yīng)于擴(kuò)散張量主特征值的三維向量場顯象。LIC技術(shù)顯象本地向量場的切線。
根據(jù)LIC，通過將噪聲紋理和與穿過每個(gè)象素的流線一致的曲線核進(jìn)行卷積生成強(qiáng)度值(例如在核內(nèi)確定流線)，諸如通過I(x0)=∫s0-Ls0+LT(σ(s))k(s0-s)ds]]>這里I(x0)是象素x0處LIC紋理的強(qiáng)度。k是寬度2L的濾波器核(filterkernel)。T是輸入噪聲紋理，σ是穿過點(diǎn)x0的流線。給定特征向量的離散場，流線σ能夠通過數(shù)值積分得出。
LIC結(jié)果是具有相同流線上相鄰象素之間的高相關(guān)值和不共享流線的象素的對比值的灰度級紋理。例如，由于擴(kuò)散場在低FA值不再具有主方向，因此在特定閾值以下的FA值可為積分的停止標(biāo)準(zhǔn)。
由于纖維方向平行于擴(kuò)散張量的主特征向量，纖維路徑(fiber path)可確定為主特征向量場的積分曲線。停止標(biāo)準(zhǔn)基于FA值。例如，當(dāng)FA下降低于大約0.17時(shí)，認(rèn)為擴(kuò)散幾乎是各向同性的，不再跟蹤纖維。
參考方框205，表面顏色由兩個(gè)或兩個(gè)以上LIC灰度級強(qiáng)度、根據(jù)PDD場確定的顏色以及每個(gè)點(diǎn)或象素處FA灰度級值的組合確定，從而根據(jù)PDD使DT的可見點(diǎn)(例如表面)的向量場獲得顏色。LIC、FA和PDD的組合可以使用乘法、例如將PDD的RGB值、LIC的灰度值和FA的灰度值相乘從而得出繪制包括關(guān)于LIC和FA信息的表面的修正顏色值。組合可由PPD和LIC或PDD和FA限定。
在方框206，以顏色繪制出表面點(diǎn)，并可輸出到顯示器或存儲介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，DT顯象(例如，參見圖3)的方法O將測定和顯象限制到關(guān)注的、解剖的或其他方面的表面。在利用水平集合技術(shù)的體積內(nèi)或在三角網(wǎng)格表面上，均能夠以這種方式求解LIC和PDE方法。結(jié)果可能為由將三角網(wǎng)格紋理化而繪制的表面或通過射線造型法繪制的體積。因?yàn)樯烧麄€(gè)掃描體積的子集(例如已確定的表面)的紋理，這種方法可使計(jì)算節(jié)省。例如，圖3表示胼胝體301(哺乳動(dòng)物腦中連接左右腦半球的白質(zhì)結(jié)構(gòu))的段，用1024×1024紋理描繪建立紋理，其中LIC計(jì)算為1048576個(gè)點(diǎn)，其中白質(zhì)大約為10個(gè)切片厚，并且需要確定512×512紋理O的10個(gè)切片(2621440個(gè)點(diǎn))。在圖3中，二維FA圖象302用作胼胝體301表面的參考。諸如F0的其他圖象可用作參考。
應(yīng)理解，當(dāng)以灰度級說明圖3時(shí)，可采用使用LIC的灰度級值和PA值修正的PDD顏色值的顏色繪制圖3的擴(kuò)散張量。
此外，顯象使得用戶可以更加清楚地看到組織類別之間的分界線，并且看到界面處的擴(kuò)散。
可以理解的是，本發(fā)明可通過不同形式的硬件、軟件、固件、專用處理器或其組合實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可通過作為明確包含在程序存儲裝置中的應(yīng)用程序軟件實(shí)現(xiàn)。該應(yīng)用程序可上傳到包含任何適合的體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器并由其執(zhí)行。
參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散張量表面顯象方法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)401可包括中央處理單元(CPU)402、存儲器403和輸入/輸出(I/O)接口404。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)401通常通過I/O接口404與顯示器405及諸如鼠標(biāo)和鍵盤的各種輸入裝置406相連。輔助電路可包括諸如高速緩沖存儲器、電源、時(shí)鐘脈沖電路以及通信總線的電路。存儲器403可包括隨機(jī)存取存儲器(RAM))、只讀存儲器(ROM))、磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁帶驅(qū)動(dòng)器等或其組合。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)為存儲在存儲器403內(nèi)并由CPU 402執(zhí)行以處理來自信號源408的信號的例程407。同樣地，當(dāng)執(zhí)行本發(fā)明的例程407時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)401是變?yōu)閷Ｓ糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
計(jì)算機(jī)平臺401還包括操作系統(tǒng)和微指令代碼。在此描述的各種處理和功能可以是通過操作系統(tǒng)執(zhí)行的微指令代碼部分或應(yīng)用程序部分(或其組合)。此外，各種其他外圍設(shè)備、諸如附加數(shù)據(jù)存儲裝置和打印裝置可連接到計(jì)算機(jī)平臺。
可以進(jìn)一步理解的是，因?yàn)楦綀D中描述的一些組成系統(tǒng)組件和方法步驟可通過軟件實(shí)現(xiàn)，所以系統(tǒng)組件(或過程步驟)之間的實(shí)際連接可根據(jù)對本發(fā)明編程的方式而不同。在本文提供的本發(fā)明的論述的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到這些及類似的實(shí)現(xiàn)或配置。
已經(jīng)描述了用于擴(kuò)散張量表面顯象的系統(tǒng)和方法，應(yīng)注意的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)上面的論述作出更改和變化。因此應(yīng)該理解，對本發(fā)明實(shí)施例作出的改變在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于擴(kuò)散張量顯象的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，包括接收擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)；根據(jù)所述擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)分割擴(kuò)散張量場，以確定三維三角網(wǎng)格；確定所述擴(kuò)散張量場的部分各向異性場和主擴(kuò)散方向場；根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定穿過所述擴(kuò)散張量場的分割的表面上每個(gè)表面點(diǎn)的流線；根據(jù)相應(yīng)的流線確定所述表面點(diǎn)的定向紋理強(qiáng)度；通過將所述定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定的顏色、以及所述表面點(diǎn)處部分各向異性場的值進(jìn)行組合來確定所述表面點(diǎn)的表面顏色；以及通過繪制具有相應(yīng)表面顏色的所述表面點(diǎn)對所述表面點(diǎn)進(jìn)行顯象。
2.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中不是確定點(diǎn)而是確定所述表面點(diǎn)的流線。
3.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中根據(jù)所述流線的方向以配色方案對所述主擴(kuò)散方向場編碼。
4.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中所述定向紋理強(qiáng)度是線積分卷積強(qiáng)度。
5.如權(quán)利要求4所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中所述線積分卷積通過將噪聲紋理和與穿過每個(gè)象素的所述流線一致的曲線核進(jìn)行卷積生成強(qiáng)度值。
6.如權(quán)利要求5所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中所述線積分卷積根據(jù)以下公式確定I(x0)=∫s0-Ls0+LT(σ(s))k(s0-s)ds]]>這里I(x0)是點(diǎn)x0處線積分卷積紋理的強(qiáng)度，k是寬度2L的濾波器核，T是噪聲紋理，σ是穿過所述點(diǎn)x0的流線，其中給定特征向量的離散場，所述流線σ能夠通過數(shù)值積分得出。
7.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中確定所述表面顏色包括將每個(gè)表面點(diǎn)的所述定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定的所述顏色以及部分各向異性場的值相乘。
8.一種機(jī)器可讀程序存儲裝置，所述裝置明確包含可由所述機(jī)器執(zhí)行的程序指令，以執(zhí)行擴(kuò)散張量顯象的方法步驟，所述方法步驟包括接收擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)；根據(jù)所述擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)分割擴(kuò)散張量場，以確定三維三角網(wǎng)格；確定所述擴(kuò)散張量場的部分各向異性場和主擴(kuò)散方向場；根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定穿過所述擴(kuò)散張量場的分割的表面上每個(gè)表面點(diǎn)的流線；根據(jù)相應(yīng)的流線確定所述表面點(diǎn)的定向紋理強(qiáng)度；通過將所述定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定的顏色、以及所述表面點(diǎn)處部分各向異性場的值進(jìn)行組合來確定所述表面點(diǎn)的表面顏色；以及通過繪制具有相應(yīng)表面顏色的所述表面點(diǎn)對所述表面點(diǎn)進(jìn)行顯象。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中不是確定點(diǎn)而是確定所述表面點(diǎn)的流線。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中根據(jù)所述流線的方向以配色方案對所述主擴(kuò)散方向場編碼。
11.如權(quán)利要求8所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中所述定向紋理強(qiáng)度是線積分卷積強(qiáng)度。
12.如權(quán)利要求11所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中所述線積分卷積通過將噪聲紋理和與穿過每個(gè)象素的所述流線一致的曲線核進(jìn)行卷積生成強(qiáng)度值。
13.如權(quán)利要求12所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中所述線積分卷積根據(jù)以下公式確定I(x0)=∫s0-Ls0+LT(σ(s))k(s0-s)ds]]>這里I(x0)是點(diǎn)x0處線積分卷積紋理的強(qiáng)度，k是寬度2L的濾波器核，T是噪聲紋理，σ是穿過所述所述點(diǎn)x0的流線，其中給定特征向量的離散場，所述流線σ能夠通過數(shù)值積分得出。
14.如權(quán)利要求8所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中確定所述表面顏色包括將每個(gè)表面點(diǎn)的所述定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定的所述顏色以及部分各向異性場的值相乘。
15.一種用于擴(kuò)散張量顯象的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，包括接收擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)；根據(jù)所述擴(kuò)散加權(quán)圖象切片數(shù)據(jù)分割擴(kuò)散張量場，以確定三維三角網(wǎng)格；確定所述擴(kuò)散張量場的部分各向異性場和主擴(kuò)散方向場；根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定穿過所述擴(kuò)散張量場的分割的表面上每個(gè)表面點(diǎn)的流線；根據(jù)相應(yīng)的流線確定所述表面點(diǎn)的定向紋理強(qiáng)度；通過將所述定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)所述主擴(kuò)散方向場確定的顏色、以及所述表面點(diǎn)處部分各向異性場的值中的至少兩個(gè)進(jìn)行組合來確定所述表面點(diǎn)的表面顏色；以及通過繪制具有相應(yīng)表面顏色的所述表面點(diǎn)對所述表面點(diǎn)進(jìn)行顯象。
16.如權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中不是確定點(diǎn)而是確定所述表面點(diǎn)的流線。
17.如權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中所述定向紋理強(qiáng)度是線積分卷積強(qiáng)度。
全文摘要
一種用于擴(kuò)散張量顯象的方法，包括分割擴(kuò)散張量場(201)；確定部分各向異性場和主擴(kuò)散方向場(202)；利用主擴(kuò)散方向場確定穿過分割的表面上每個(gè)可見點(diǎn)的流線(203)；根據(jù)流線確定定向紋理強(qiáng)度(204)；通過將定向紋理強(qiáng)度、根據(jù)主擴(kuò)散方向場確定的顏色、以及該點(diǎn)處部分各向異性的值進(jìn)行組合來確定表面顏色(205)；通過繪制具有相應(yīng)確定顏色的表面上的每個(gè)點(diǎn)對表面進(jìn)行顯象(206)。
文檔編號A61B5/055GK1818707SQ200610067349
公開日2006年8月16日 申請日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月9日
發(fā)明者T·麥格勞 申請人:西門子共同研究公司