用于氣管測量的方法和系統的制作方法

專利名稱：用于氣管測量的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種方法和系統，用來處理醫學圖像數據，以協助檢測和診斷疾病，并具體涉及一種方法和系統，用來從X射線計算機斷層掃描(CT)系統所得醫學圖像檢測肺病。
背景技術：
X射線胸部透視(radiograph)系統是更常用的診斷工具，用于檢測人肺病的目的。諸如支氣管炎、肺氣腫和肺癌等肺病也可在胸透和CT中檢測。不過，CT系統對單次CT掃描通常提供80多張分立的圖像，從而向透視專家提供可觀數量的信息，以用來闡釋圖像并檢測可能指示疾病的疑似區域。
疑似區域被定義為這樣的區域即訓練有素的透視專家會推薦進行后續的診斷成像、活組織檢查、肺功能測試或其它方法。單次CT掃描提供的可觀數量的數據對于透視專家來說是耗時的處理。常規的肺癌篩剔(screening)通常需要透視專家手工闡釋80或更多張圖像。疲勞因此成為影響人類閱讀敏感度和明確度的重要因素。在其它疾病中，諸如肺氣腫，透視專家僅通過看CT圖像難以明辨疾病的進展程度。
慢性阻塞性肺病(COPD)是基于包括咳嗽、氣喘、呼吸急促(呼吸困難)等癥狀而識別的。COPD包括幾類呼吸疾病，最突出的是肺氣腫和慢性支氣管炎。COPD影響患者的大氣管、小氣管和軟組織。疾病一般是由吸煙和空氣污染引起的，并與導致α反彈性缺陷的基因性易感體質有關。
肺氣腫或氣泡毀壞是COPD患者中軟組織改變的顯著特征。肺氣腫是喪失肺組織的彈性彈回的結果。肺氣腫有四種中部肺葉的、泛肺葉(panlobular)或泛腺泡的(panacinar)、末稍腺泡的或旁隔膜的(paraseptal)和不規則的。前兩種類型構成肺氣腫COPD的絕大多數。這種歸類是基于一團腺泡的肺葉內氣泡毀壞的解剖分布。目前，肺氣腫僅能通過死后檢查來歸類。肺氣腫一般是通過總生理響應、醫學成像和死后解剖檢查來診斷的。
慢性支氣管炎引起解剖學上的氣管變細，這削弱了肺功能。氣管病變一般始于吸煙和/或空氣污染的刺激并可由生物感染而引起/惡化。慢性支氣管炎在臨床上定義為兩年期內超過3個月的持久咳嗽和生痰。慢性支氣管炎可分成普通慢性支氣管炎、阻塞性支氣管炎和慢性哮喘支氣管炎。在普通慢性支氣管炎中不產生痰。慢性哮喘支氣管炎伴有氣管的過敏。在阻塞性慢性支氣管炎中，氣流被氣管病變所阻滯。慢性支氣管炎目前是使用死后Reid指數來定級的。高分辨率CT可允許在生前使用Reid指數來評定慢性支氣管炎。
支氣管壁截面積是COPD診斷和定級中的關鍵示數。從醫學圖像(例如CT)測量氣管截面積將使醫師跟蹤疾病進展并加快臨床試驗。支氣管通道在CT圖像中顯示為由明亮區域包圍的黯淡區域。黯淡區域是空腔而明亮區域由支氣管壁和任何附屬或鄰近血管組成。在測量氣管壁截面積時，必須不含附屬或鄰近血管的厚度。
若隔離氣管，沒有附屬或鄰近血管，則可使用各種標準圖像處理和計算機視覺技術來測量氣管。當成像的氣管上附有鄰近血管時，傳統方法的實例是從沒有血管的一點處貫穿氣管壁的空腔中心人工選擇一條射線。沿此單一射線測量壁厚用于估算氣管截面積。
需要一種健壯的方法和系統，用來測量氣管，以便能診斷和跟蹤COPD的各種疾病。

發明內容
在第一方面，提供了一種方法，用來測量例如肺部氣管的管形解剖構造，并包括通過至少一個分割處理來隔離感興趣的給定管形構造，和測量感興趣的構造的至少一個屬性。
在第二方面，提供了一種系統，用來使用獲取的圖像數據來測量肺部氣管。該系統包括成像設備，用來獲取所述圖像數據；和耦合至所述成像設備的圖像處理器件，配置為用來通過至少一個分割處理來隔離感興趣的給定氣管，在所述氣管的給定點處使用統計技術將一個內切橢圓配合所述給定氣管的內邊界并將一個外接橢圓配合所述氣管構造的外邊界，并且進一步配置為用來使用所述內切和外接橢圓來生成所述給定氣管的測量值。


當結合附圖閱讀時，從本發明的下列詳細描述，本發明的特征和優點將會變得明白，其中圖1是醫學成像系統的框圖描繪，其應用本發明的各實施例；和圖2是對運用本發明的方法的框圖和示例描繪。
具體實施例方式
參照圖1，顯示用于疾病檢測的系統100的總框圖。系統100包括成像設備110，其可選自一些現有技術的醫學成像設備，用來生成數張圖像。通常，計算機斷層掃描(CT)和磁共振成像(MRI)系統被用來生成數張醫學圖像。
在CT成像進行期間，患者被置入成像設備內并暴露于以一系列X射線檢測器所測量的數條X射線。一條X射線束貫穿患者特定的薄截面或“切片”。檢測器測量傳播輻射量。此信息被用來計算對于體內取樣點的X射線衰減系數。接著基于算出的X射線衰減系數來構建灰度級圖像。圖像中的灰色陰影代表切片內各點的X射線吸收量。在CT進行期間得到的切片可被重新構建，以提供暴露在X射線下的軀體內感興趣區域的解剖學上的正確表示。
在MR成像進行期間，患者被置入由大磁體產生的強磁場內部。在患者體內的磁化質子，諸如氫原子，與磁體產生的磁場對齊。患者的特定切片暴露于生成垂直于主磁場的震蕩磁場的無線電波。切片可取自由執行成像過程的醫師或技師(以下稱“操作者”)挑選的任何平面。患者體內的質子首先吸收無線電波，然后通過從與磁場對準移動而發射電波。隨著質子返回其原始狀態(激發前)，創建了基于患者軀體發射波的診斷圖像。像CT圖像切片那樣，MR圖像切片也可被重建，以提供感興趣軀體區域的整體圖片。產生高信號的軀體部位在MR圖像中顯示為白色，而那些帶有低信號的部位則顯示為黑色。其它具有高低之間變化的信號強度的軀體部位顯示為某灰色陰影。
一旦得到初始MR或CT圖像，就一般地分割圖像。分割處理將圖像的像素或體像素(voxel)歸入一定數量的類中，其相對某種特征(即強度、紋理，等等)類似。例如，在腦的分區成像中，腦材料可分成三類灰質、白質、和腦干流體。在完成分割后可使用個別的色彩來標記各類區域。一旦分區圖像被顯影，外科醫師即可使用分區圖像來籌劃外科手術。
通常，創建分區CT或MR圖像涉及數步。數據集通過捕獲CT或MR數據切片而創建。通過分割處理，接著將灰度值分配給數據集中的各點。數據中的各種材質皆被分配一個具體值，因此，該材質的每次出現具有相同灰度值。例如，在特定圖像中的骨骼的全部出現可顯出亮灰的特定陰影。此標準著色允許觀察圖像的人容易明白在圖像中代表的對象。
圖1描繪了應用本發明實施例的醫學成像系統100。該系統包括成像設備110，處理器120和接口單元130。成像設備110適宜生成數個圖像數據集240并且是例如計算機斷層掃描(CT)或磁共振(MR)掃描器。在CT或MR的情形，獲取圖像數據一般被稱為“掃描”。在示例性的實施例中，圖像是使用CT成像設備獲取的。處理器120配置為根據本發明的實施例進行計算，將參照圖2更為仔細地說明本發明的實施例。處理器120還配置為執行計算和控制功能，用于熟知的圖像處理技術，如重構、圖像數據記憶存儲、分割等。處理器120可包括中央處理單元(CPU)，如微處理器等的單片集成電路，或可包括任何合適數量的集成電路器件和/或電路板，其協同工作以完成中央處理單元的功能。處理器120最好包括存儲器。處理器內的存儲器120可包括本領域技術人員知道的任何類型的存儲器。這包括動態隨機訪問存儲器(DRAM)、靜態RAM(SRAM)、快閃存儲器、高速緩存等。雖然未在圖1中明顯示出，不過存儲器可以是單一類型的存儲器組件或可由許多不同類型的存儲器組件組成。處理器120還能夠執行存儲器中所含的程序，并且其行動響應于圖像獲取和圖像觀察過程中可能出現的程序和其它活動。如此處使用地，“適宜”、“配置為”等意指元件間的機械或構造聯系，以允許元素協同提供所述效果；這些術語還意指模擬或數字計算機或應用專用器件(諸如應用專用集成電路(ASIC))等電氣元件的操作能力，這些器件被編程執行結果，以提供與給定輸入信號響應的輸出。
接口單元130耦合至處理器120并適宜使人類使用者與系統100通信。處理器120還適宜進行計算，以連貫方式發送至接口單元130，從而人類使用者能夠闡釋發來的信息。發來的信息可包括2D或3D圖像，彩色和灰度圖像，以及有關診斷和檢測信息的文本消息。接口單元130可以是個人計算機、圖像工作站、手執圖像顯示單元或任何現有圖像顯示平臺，其一般被組成CT或MRI系統的一部分。
從患者的多次掃描收集的全部數據被當作一個數據集。各數據集可分成更小的數據單元像素或體像素。當數據集是二維時，圖像由稱作像素的單元構成。像素是二維空間中的一點，可使用通常是x和y的二維座標來參照。圖像中的每個像素由另外八個像素包圍，這九個像素形成3×3方陣。包圍中心像素的其它這八個像素被當作中心像素的八個毗連鄰居。當數據集是三維時，圖像以稱作體像素的單元顯示。體像素是三維空間中的一點，可使用通常是x、y和z的三維座標來參照。每個體像素由其它26個體像素包圍。這26個體像素可被當作原點體像素的26個毗連鄰居。
作為獲取圖像數據的一部分，本領域技術人員應知道需要適當的患者掃描協議。例如，使用CT或MRI的胸部檢查一般要求患者(被攝體)屏息以縮減患者呼吸帶來圖像數據中的運動假象。通常，CT或MRI檢查是在吸飽氣或全呼氣時采取的。進而，對比劑可用于衰減軀體特定區域中的X射線輻射。對比劑幫助提高受對比劑影響的組織與不受其影響的組織之間的差別。在CT圖像中，對比與非對比組織之間的CT數差將大于正常值。對比劑由患者通過口、靜脈內或直腸用藥。
一旦由上述成像方法獲取了圖像數據，圖像處理器120即適宜進行處理，以根據本發明的實施例來測量支氣管壁截面積，該實施例將更仔細地說明。如在背景技術中所述，支氣管壁截面積是慢性阻塞性肺病(COPD)特別是慢性支氣管炎的診斷和定級中的關鍵示數。從醫學圖像(例如CT圖像數據)測量支氣管壁、或替代稱為“氣管”的截面積將允許醫師跟蹤疾病進展并加快臨床試驗。支氣管通道在CT圖像中一般顯示為由明亮區域包圍的小的黯淡區域。黯淡區域是空腔而明亮區域由支氣管壁和任何附屬或鄰近血管組成。在測量氣管壁截面積時，有必要從附屬或鄰近血管中隔離氣管，從而厚度測量值不含這些血管。
在本發明的實施例中，提供了一種方法，用來測量管形構造。如此處使用地，管形構造意指任何數量的解剖構造，其可描述為中空(具有內徑和外徑)和圓形或橢圓形，諸如支氣管壁或氣管。然而，應知道測量其它解剖構造，諸如動脈或其它主要或重要血管等，也可從此處所述的測量技術獲益。類似地，其它非解剖管形構造也可在工業或非破壞測試環境中從該測量技術中獲益。用來從獲取的圖像數據測量管形解剖構造的方法包括通過至少一個分割處理來隔離感興趣的給定管形解剖構造，并且測量感興趣的構造的至少一個屬性。
參照圖2，用來測量管形解剖構造的方法包括第一步，即由上述成像器件和例如CT或MRI等方法獲取構造的圖像數據。圖像數據被分割成同類的區域，如步驟210、220和230所示(210由任何各種已知技術分割，220通過例如強度值檢測同類構造，和230相同結構分成一組)并檢測氣管空腔。測量步驟240涉及首先識別空腔250的中心。不受血管存在的偏離而可識別空腔的中心。
在此實施例中，現在說明定位空腔的中心。首先，沿氣管的數點處處理將內切橢圓配合空腔的內界并將外接橢圓配合(fit)空腔的外界。稍后，橢圓測量值被用來測量管形構造的屬性。問題隨著配合其限制為具有與空腔中心匹配的中心的兩個同心橢圓而提出。由于空腔邊界很少有沿邊界的外接點，故內切橢圓是使用M估算子而配合的。外接橢圓是組合使用稱為Muse的已知技術的健壯估算技術與一系列M估算子而配合的。Muse被用來將圓配合氣管的外邊界。這提供了外氣管邊界的短軸的健壯估算和外邊界位置的噪音估算。與這些健壯估算一道，Muse將沿外邊界的各點標為外氣管邊界的內切點或標為氣管邊界(例如血管)的外接點。Muse圓的內切點接著使用M估算子配合橢圓。M估算子與Muse圓和尺度(scale)(噪音)的Muse估算一起作為種子。M估算子被用來計算橢圓的參數，但不能用來計算尺度(噪音)的新估算。一旦M估算子收斂，則使用Muse尺度作為距離標準由原邊界點集(不僅是Muse圓的內切點)計算新的橢圓內切點集。接著將此新的內切點集給予一個M估算子，此M估算子與先前的橢圓參數和Muse尺度估算一起作為種子。此第二M估算子重估了橢圓但同樣不能重估尺度。重復此處理直到內切點集與橢圓配合收斂。通過運用上述處理，提供了一種健壯方法，其中鄰近血管不包含在氣管測量中。
將空腔中心點看成不變的，使橢圓配合問題從6個參數縮減為4個。此處數據被集中，從而空腔中心是原點而橢圓的位置參數毋需估算。空腔檢測級識別完全由明亮區域包圍的黯淡區域。計算出明亮區域的中心，并從空腔中心投射射線260。射線的分布使得它們以固定間隔或弧長來截取空腔邊界(內壁)。對于每條射線，記錄兩個交點與空腔邊界(內壁)的交點，和與氣管(外壁)的交點。后一交點可在氣管壁上或可在鄰近血管上。接著這兩個交點集用來配合橢圓。該數據被縮放以在單位方塊(-1，1)內配合以改善數值穩定性。Muse被用來健壯地估算對于外氣管邊界的橢圓的短軸(Muse圓的半徑)并健壯地估算外氣管邊界位置中的噪音。Muse也識別內切點(屬于氣管的點，與屬于血管的點相對)的初始集合。與這些內切點、Muse圓和Muse尺度一起將M估算子作為種子(而不是由M估算子來估算尺度)確保M估算子不致退化成配合整個邊界(氣管和血管)的最小方塊。使用Muse僅估算圓使參數的數量縮減至估算1。這極大地加快了估算處理。以這種方式迭代“圈定”M估算子使其保持健壯和快速。上述處理迭代地進行。
一旦由上述處理確定了內外邊界，則壁厚可通過求氣管邊界橢圓與空腔邊界橢圓之間的面積差來確定，并以子像素精度來提供。壁厚測量值隨后可用來計算平均壁厚、壁厚變化、體積測量值、二維(2D)面積測量值和體積的面分布，其皆是以診斷和跟蹤各種疾病和COPD階段的進展為目的的有關測量值。進而，隔離和測量步驟對于與感興趣的構造長度對應的圖像數據而重復，以便生成上述對于構造全長的測量值。
一旦完成了上述處理，該方法可進一步包括生成疾病的級別和進展的輸出。例如，輸出可被用來對患者的給定疾病定級、測量對治療的響應、確定患者選擇的表現型以參與試藥，測量解剖構造的穩定性和預測給定疾病的變化率。如此處使用地，表現型意指觀察物理或生化特征，如取決于基因排列和環境影響，并表達基于影響的具體特征點，諸如身材或血型。表現型是展現特定表現型的器官的個別或組群有機體。
在另一個實施例中，提供了一種系統，用來使用獲取的圖像數據測量肺氣管。該系統包括成像設備，用來獲取圖像數據，和耦合至成像設備的圖像處理器件。圖像處理器件(圖1的120)配置為用來通過至少一個分割處理來隔離感興趣的給定氣管，在氣管的給定點處使用統計技術將一個內切橢圓配合給定氣管的內邊界并將一個外接橢圓配合氣管構造的外邊界，并且進一步配置為使用內切和外接橢圓來生成給定氣管的測量值。測量值包括平均壁厚、壁厚變化、體積測量值、二維(2D)面積測量值和體積的面分布之中的至少一項。測量值被用于疾病診斷和疾病進展跟蹤的至少一項，而在此疾病是慢性阻塞性肺病或哮喘。理想地，系統包括耦合至圖像處理器件的顯示器件(圖1的接口單元130)，用來向系統使用者通知測量值。
在以上段落中呈示的本發明實施例集中關注在CT肺掃描中定位疑似區域的問題。應知道該測量技術可直接轉移到其它成像理療器件(例如MRI、X射線、超聲掃描儀、正電子發射斷層(PET)掃描儀)，此處基本呈管形的解剖構造的測量是跟蹤或診斷特定疾病所必須的。
盡管在此表示并說明了本發明的優選實施例，但顯然，這些實施例僅供示例之用。在不脫離本發明的情況下，本領域技術人員可以進行諸多變形、修改和替換。因而，本發明被視為僅由所附權利要求的精神和范圍來限制。
權利要求
1.一種方法，用來從獲取的圖像數據來測量管形解剖構造，包括通過至少一個分割處理來隔離(210、220、230)感興趣的給定管形構造，測量(240)感興趣的構造的至少一個屬性。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述至少一個分割處理包括所述獲取的圖像數據內同類的區域的分割(210)、檢測(220)和分組(230)。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述解剖構造是支氣管壁、肺氣管、動脈和主干血管的至少一個。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述屬性包括平均壁厚、壁厚變化、體積測量值、二維(2D)面積測量值和體積的面分布的至少一個。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述測量步驟包括使用統計技術將一個內切橢圓配合所述給定管形構造的內邊界并將一個外接橢圓配合所述給定管形構造的外邊界，和使用所述內切和外接橢圓來測量所述給定管形構造的厚度。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述圖像數據的獲取是使用計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、X射線和超聲的至少一個。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述隔離和測量步驟對于與所述給定管形構造長度對應的圖像數據而重復，以生成沿所述給定管形構造長度的測量值。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述管形構造是在非破壞測試期間測量的。
9.一種方法，用來從獲取的圖像數據來測量肺氣管，其包括通過至少一個分割處理來隔離(210、220、230)感興趣的給定氣管，在所述氣管的給定點處使用統計技術將一個內切橢圓配合所述給定氣管的內邊界并將一個外接橢圓配合所述氣管構造的外邊界，和使用所述內切和外接橢圓來生成(240)所述給定氣管的測量值。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述至少一個分割處理包括所述獲取的圖像數據內的同類區域的分割、檢測和分組。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述測量值包括平均壁厚、壁厚變化、體積測量值、二維(2D)面積測量值和體積的面分布的至少一個。
12.根據權利要求9所述的方法，其中所述測量值被用于疾病診斷和跟蹤疾病進展的至少一個，而其中所述疾病是慢性阻塞性肺病。
13.根據權利要求9所述的方法，其中隔離、配合和生成測量值的所述步驟對于與所述給定氣管長度對應的圖像數據而重復，以生成沿所述給定氣管長度的測量值。
14.根據權利要求9所述的方法，包括產生輸出，其中所述輸出用于下列的至少一個對患者的給定疾病定級、測量對治療的響應、確定患者選擇的表現型以參與試藥、測量解剖構造的穩定性和預測給定疾病的變化率。
15.一種系統，用來從獲取的圖像數據來測量肺氣管，其包括成像設備(110)，用來獲取所述圖像數據；和耦合至所述成像設備的圖像處理器件(120)，配置為用來通過至少一個分割處理來隔離感興趣的給定氣管，在所述氣管的給定點處使用統計技術將一個內切橢圓配合所述給定氣管的內邊界并將一個外接橢圓配合所述氣管構造的外邊界，并且進一步配置為用來使用所述內切和外接橢圓來生成所述給定氣管的測量值。
16.根據權利要求15所述的系統，其中所述測量值包括平均壁厚、壁厚變化、體積測量值、二維(2D)面積測量值和體積的面分布的至少一個。
17.根據權利要求15所述的系統，其中所述測量值用于疾病診斷和跟蹤疾病進展的至少一個，而其中所述疾病是慢性阻塞性肺病和哮喘的至少一個。
18.根據權利要求15所述的系統，進一步包括耦合至圖像處理器件的顯示器件(240)，用來向系統使用者報告測量值。
19.根據權利要求15所述的系統，其中所述圖像處理器進一步適宜生成輸出，而其中所述輸出用于下列的至少一個對患者的給定疾病定級、測量對治療的響應、確定患者選擇的表現型以參與試藥、測量解剖構造的穩定性和預測給定疾病的變化率。
20.根據權利要求15所述的系統，其中所述成像設備(110)是計算機斷層掃描(CT)設備、磁共振成像(MRI)設備、X射線設備、和超聲設備的至少一個。
全文摘要
一種方法，用來測量例如肺部氣管的管形解剖構造，包括通過至少一個分割處理來隔離(210、220、230)感興趣的給定管形解剖構造，以及測量(240)感興趣的構造的至少一個屬性。提供一種系統，用來使用獲取的圖像數據來測量肺部氣管。該系統包括成像設備(110)，用來獲取圖像數據；和耦合至成像設備的圖像處理器件(120)。圖像處理器件配置為用來通過至少一個分割處理來隔離感興趣的給定氣管，在氣管的給定點處使用統計技術將一個內切橢圓配合給定氣管的內邊界并將一個外接橢圓配合氣管構造的外邊界，以及進一步配置為用來使用內切和外接橢圓來生成給定氣管的測量值。
文檔編號G01R33/32GK1502302SQ20031011795
公開日2004年6月9日 申請日期2003年11月26日 優先權日2002年11月27日
發明者詹姆斯·V·米勒, 馬修·W·圖雷克, 約瑟夫·L·芒迪, 彼得·H·圖, L 芒迪, H 圖, W 圖雷克, 詹姆斯 V 米勒 申請人:通用電氣公司