CN1663531A - 在成功再现立体数据后滤波断层造影三维显示的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对检查对象的断层造影三维显示进行滤波的方法，其中采用立体模型来显示检查对象，该立体模型将检查对象的立体划分为多个具有单独图像值的三维图像体素，并且每个体素的图像值给出该检查对象在该立体内的特定于对象的特性，其中，在为每个体素再现整个立体之后计算预定范围或者说是半径R内的方差，以确定对比度跃变以及利用其正切平面T确定对比度跃变的空间方向，利用二维卷积滤波正切平面T内的图像值，接着将原体素值与滤波后的体素数据进行加权混合。

Description

在成功再现立体数据后滤波断层造影三维显示的方法

技术领域

本发明涉及一种对检查对象的断层造影三维显示、优选为对患者的CT或NMR或PET照片进行滤波的方法，其中，为了显示检查对象采用立体模型，该模型将检查对象的体积划分为多个具有各自的图像值的三维图像体素，并且每个体素的图像值给出在该体积内检查对象的特定于对象的特性。

背景技术

原理上用于抑制立体数据中噪声的方法已公知。因此，借助线性低通滤波可以有效减少噪声，但是这样数据素材的清晰度会减小，并由此降低了小结构的显示品质。因此，只能将这种简单法则有限地用于改善图像素材。另一种方法建立在对数据素材的二维或三维迭代滤波上，其中在每个步骤中都输入关于边缘的位置和方向的信息。这例如描述在T.Chan，S.Osher和J.shen；The digitalTV filter and non-linear denoising； http://citeseer.nj.nec.com/article/ chan01digital.html，1999.Tech.Report CAM99-34，Department of Mathematics，UCLA Los Angeles，CA，1999；IEEE Trans.Image Process.，to appear[Abrufdatum15.05.2003]或Winkler G.，Hahn K.，Aurich V.；Recent Development inEdge-Preserving Smoothing；Institute of Biomathematics and Biometry，GSF-National Research Center for Environment and Health，Neuherberg，1998中。

上述方法由于“中心极限值法则”而导致高斯型滤波器特性，该特性对放射学来说通常不与诊断图像的惯常图像印象一致并因此被加以拒绝。另一个问题在于这些算法的运行时间，该运行时间由于大量迭代而对每个轴向断层都位于分钟的范围内，因此使该方法在临床诊断上没什么用。

尽管如此还是需要找到一种剂量优化的方法，使得通过诊断方法使患者的放射负担可以尽可能地少。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，找到一种对检查对象的断层造影三维显示进行滤波的方法，该方法使得可以改善所施加的剂量与图像显示的图像质量和细节丰富性之间的关系。

发明人已经了解，对于滤波来说有利的是也采用垂直于轴向断层方向上的图像数据的信息。否则一部分与断层交叉并通过部分立体效应而使对比度降低的小结构就不能被正确检测到，并因此被滤波器干扰或甚至除去。

因此本发明人建议，对于公知的用于对检查对象的断层造影三维显示、优选对患者的CT或NMR或PET照片进行滤波的方法，其中采用立体模型来显示检查对象，该立体模型将检查对象的立体划分为多个具有单独图像值的三维图像体素，并且每个体素的图像值给出检查对象在该立体内的特定于对象的性质，对该方法这样进行改进，使得在对每个表示检查对象的笛卡尔坐标系内具有三维坐标x，y，z的数据点的体素再现整个立体之后，计算预定范围或者说是半径R内的方差，以确定对比度跃变以及利用其正切平面T确定对比度跃变的空间方向，在该正切平面T内利用二维卷积对图像值进行滤波，接着将原始体素值与滤波后的体素数据进行加权混合。

通过该方法可以实现，或者在对患者同样的剂量负担下得到更好的图像质量，或者在相同的图像质量下采用更小的剂量负担工作。

在第一优选实施方式中，对至少3个相互线性独立的空间方向计算一维方差。有利的是，使多个为其计算一维方差的空间方向尽量均匀地在空间中分布。这种尽可能均匀的分布可以通过采用在检查区域中的任意六面基准立体的标准轴和/或平面对角线和/或空间对角线作为空间方向实现。如果采用所有给定的轴，则总共有13个轴：3个标准轴、6个平面对角线和4个空间对角线。在此还要注意的是，六面基准立体可以任意设置在空间中，其中优选采用一个立方体，因为由此不会出现优选方向。

对比度跃变的空间方向可以通过正切平面T来确定，其中该平面通过向量v_min和v_⊥张紧，而向量v_⊥又垂直于通过向量v_min和v_max张紧的平面，向量v_max表示具有最大方差绝对值的方向，而v_min表示具有最小方差绝对值的方向。

优选的是，在正切平面T内通过二维卷积这样进行滤波，使所采用的滤波器F(v_min，v_⊥)构成该正切平面T内最小方差v_min和最大方差v_⊥的函数。

此外在选择具体滤波器时有利的是，这样构成滤波器F(v_min，v_⊥)，使得在方差v_min和v_⊥的大小不同时在较大方差方向上的滤波强度较小，而在较小方差方向上的滤波强度较大。按照优选方式，在这两个方差大小相等时，滤波器F(v_min，v_⊥)可以构造为各向同性的。

除了计算一维方差的方法之外，还可以采用一种在至少3个平面上计算二维方差的方法，其中两个平面相互线性独立。

在此，如前所述，在其中计算二维方差的多个平面就其标准向量来说应当尽可能均匀地在空间中分布，因为通过这种方式可以同等地考虑所有空间方向。

此外，优选还可以采用通过其可以确定二维方差的平面，其法线与检查区域中的任意六面基准立体的标准轴和/或平面对角线和/或空间对角线一致。

作为正切平面，优选选择具有最小二维方差的平面。

在这种二维方法中，最后在正切平面T中确定不同方向的方差，并从中确定最小方差v_min的方向和与该最小方差垂直的方向v_⊥，其中按照定义将垂直方向v_⊥作为正切平面中的最大一维方差v_T，max的方向。

反过来，也可以确定正切平面中不同方向上的一维方差，并从中确定该平面中最大方差v_max的方向和与该最大方差垂直的方向v_⊥，其中按照定义将垂直方向v_⊥作为正切平面中的最小一维方差v_T，min的方向。

特别有利的滤波是，在正切平面T内这样通过二维卷积这样进行滤波，使得滤波器F(v_min，v_T，max)或F(v_max，v_T，min)构成正切平面中的最大方差v_max和最小方差v_T，min或最小方差v_min和最大方差v_T，max的函数。在此可以这样构成滤波器F(v_min，v_T，max)或F(v_max，v_T，min)，使得在方差大小不同时在较大方差的方向上的滤波强度较小，而在较小方差的方向上的滤波强度较大，或者在该平面中确定的一维方差大小相等时，使滤波器F(v_min，v_T，max)或F(v_max，v_T，min)的构造为各向同性的。

根据本发明，有利的还有确定环境中的典型方差v_typ，并将原始体素数据与滤波后的体素数据这样加权地混合，使得在v_max＞＞v_typ时对原始体素数据赋予比滤波后的体素数据更大的权重，而在v_max＜＜v_typ时对原始体素数据赋予比滤波后的体素数据较小的权重。作为环境中的典型方差v_typ，例如可以采用事先确定的一维方差的平均值或者事先确定的二维方差的平均值。还可以在预定范围或者说半径R内计算三维方差。

根据作为基础的本发明的思想，发明人还提出一种用于检查患者和产生患者断层造影图像的医疗断层造影系统，尤其是CT系统、PET系统或NMR系统，其具有拍摄系统和至少一个带有程序或程序模块的、用于再现断层造影图像的计算单元，该至少一个计算单元具有程序或程序模块，这些程序在运行时实施至少一种方法步骤。CT系统在本发明中不应当只理解为传统CT系统，还包括所谓C型系统。

附图说明

下面借助附图详细描述根据本发明的在考虑局部一维方差条件下进行三维滤波的方法。其中分别示出：

图1为没有滤波的大肠CT照片；

图2为具有线性滤波的大肠CT照片；

图3为所选择的用于计算方差的方向的图示；

图4为在断层造影图像中的对比度跃变的示意图；

图5为对图4的被观察体素周围的区域进行滤波的按照本发明的滤波器的示意图；

图6为经过按照本发明滤波的大肠CT照片；

图7为未经滤波的心脏CT照片；

图8为经过按照本发明滤波的心脏CT照片。

具体实施方式

图1和图2示出对CT照片进行线性低通滤波的问题。在图1中可以看到未滤波的CT截面图像，该图像在经过线性低通滤波器滤波后再现在图2中。在此虽然按照期望降低了噪声，但是也降低了图像清晰度，丢失了小结构并使边缘模糊。图1和图2中示出的箭头标明了这些问题区域。

根据本发明的方法，例如通过采用如下尤其优选方法步骤解决这些问题：

步骤1：

对于每个用具有坐标x，y，z的检查对象的三维空间来显示一个数据点的图像体素，在多个空间方向上计算一个适当半径R内的一维方差。在图3中示出对这些空间方向的有意义的选择。在此显示了3个标准轴、6个平面对角线和4个空间对角线，也就是在一个棱边长度为1的立方体内共有13个优选方向。所示的13个优选空间方向给出这些方向在三维空间中尽可能各向同性的分布，而并没有特别优选的方向。

还可以这样来达到近似相同的分布：在所观察的点周围设置一个等面多面体，使得该点构成该多面体的几何重心，其中，从该几何重心到边角点的连接线可以用作优选的同等分布的空间方向。

所观察的半径为R的区域优选以步骤4中描述的滤波器的相关长度的数量级来选择，线性方差的计算在该区域上进行。

步骤2：如果局部具有定向的对比度跃变或者说是边缘，则这样来实现来自步骤1的一维方差的分布，使得在三维空间中垂直于该边缘的方向v_max的绝对值最大。因此，与所选择的方向垂直的平面就是该边缘上的正切平面T。

图4示出在对象的图像片段中的这种正切平面T。在此具有相同CT值的三维对象的二维轮廓被显示为边界平面1，在该平面上考察图像体素2及其周围。从该图像体素2出发，示出了所测量的最大线性方差v_max的方向和所测量的最小线性方差v_min的方向，其中正切平面T由垂直于v_max和v_min的向量以及向量v_min张紧。

步骤3：又在由步骤2确定的正切平面内确定哪个方向具有最大方差。这也可以用在步骤1中计算出的值来近似地确定，其中可以假定较大方差的方向与从交叉点v_max×v_min出发的方向v_⊥相同。

步骤4：在正切平面T内借助二维卷积进行滤波，其中内核考虑v_⊥和v_min的方向和它们的绝对值之比。对滤波器特征原则上可以进行任意模型化，其中定性地，在v_min方向上的滤波器强度大于沿着v_⊥方向的强度。这考虑了沿着v_min没有快速改变的结构的局部特性。对于两个边界情况：例如出现在凸起对象外棱角的v_min＝v_⊥和例如出现在圆柱体内壁上的v_min＜＜v_⊥，二维滤波器是各向同性或者说是一维的。

图5中示出示例滤波器。该滤波器对应于定向的高斯分布，其中根据上述实施例，该滤波显现出在最小方差方向v_⊥上的下降大于在最大方差方向上的下降。在此所示的滤波器的基本平面大致对应于图4中所示的正切平面T的基本平面，但是这不是必要条件。所示滤波器的空间方向通过所绘向量v_min和v_⊥描述。

步骤5：最后，原始体素数据以及根据步骤4滤波的体素数据与局部权重混合。其中定性的：如果v_max远远大于环境的典型方差，则原始素数据获得大权重，如果v_max小于或落在典型环境方差范围内，则滤波后的体素数据获得较大的权重。由此考虑了人眼的如下特征，即人眼对较大对比度附近的噪声的觉察小于对在均匀环境中的噪声的觉察。

作为这种滤波的结果得到细节丰富得多的图像，如在图6中所示。该图像对应于开始所示的图1的大肠照片，但是这里实施了根据本发明的图像处理。在用箭头标示的区域中可以明显看出，该图像相对于图2来说具有丰富得多的细节，不仅包含了原始体素数据的边缘，而且也很好地保留了小结构的可识别性。

此外还要指出，除了上述利用开始在步骤1中计算一维方差来识别对比度跃变的方法之外，还可以在平面上计算二维方差。例如可以选择其平面法线是上述13个优选方向的平面。但该方法具有更大的计算开销，并因此而具有较差的性能。然后为了在步骤2中选择正切平面，可以采用具有最小二维方差的平面。然后，根据本方法的步骤3的定义，v_min是位于正切平面中的一维方差的最小方差，而v_⊥是与v_min正交并张紧正切平面T的空间方向。

需要注意的还有，三个空间向量v_min、v_max和v_⊥不必张紧直角坐标系。

为了显示本发明方法的优点，图7和图8再次示出滤波和没有滤波的CT图像的对比显示。图7示出具有一个穿过冠状动脉支架(Stent)(＝用于扩张冠状动脉的金属编织物)的截面的心脏扫描图，其中利用所示箭头标示出小血管和钙化点。在图8的根据本发明进行了处理和滤波的照片中，可以清楚地看出这些小结构还保留着，而在大面积内(例如在心室中)按照期望明显减小了噪声。其中，噪声减小了大约36％。通过计算，滤波后的图像相当于大约提高80％的放射剂量。反过来，与原始图像中相同的图像噪声可以用大约降低45％的剂量来达到。显然，骨骼或冠状动脉支架的边缘没有被模糊，并且保留了小血管和钙化点。这些在滤波过程之后甚至更为清楚。

还要指出，在本发明的范围内，为了更好地确定具有最小或最大方差的方向和平面，还可以实施任何扩展的方法，例如迭代方法，以找出最小或最大方差的精确方向，这些方向可能位于计算出的优选空间方向之间。

本发明方法的典型应用例如是减少CT血管造影(CTA)的剂量。尤其是在心脏CTA中会产生希望能够看见小血管，也就是在再现时需要清晰的卷积内核，但清晰度又以较高的噪声水平为代价的问题。因此在CT图像中，必须始终在清晰度和噪声之间进行折衷。但是，清晰度与噪声的关系可以通过以上讨论的滤波器而得到决定性的改善，如示例照片所示。

可以理解，本发明的上述特征不仅可以是所给出的组合，还可以是其它组合或单独采用而不偏离本发明的范围。

Claims (22)

1.一种用于对检查对象的断层造影三维显示、优选为患者的CT或NMR或PET照片进行滤波的方法，其中，采用立体模型来显示检查对象，该立体模型将检查对象的立体划分为多个具有单独图像值的三维图像体素，并且每个体素的图像值给出该检查对象在该立体内的特定于对象的特性，其特征在于，

-在为每个体素再现整个立体之后计算预定范围或是半径R内的方差，以确定对比度跃变以及利用其正切平面T确定对比度跃变的空间方向，

-利用二维卷积对该正切平面T内的图像值进行滤波，接着

-将原始体素值与滤波后的体素数据进行加权混合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对至少3个相互线性独立的空间方向计算一维方差。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为其计算所述一维方差的多个空间方向尽量均匀地在空间中分布。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，作为空间方向采用在检查区域中的任意六面基准立体的标准轴和/或平面对角线和/或空间对角线。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对比度跃变的空间方向通过该对比度跃变的正切平面T来确定，其中，该平面通过向量v_min和v_⊥张紧，其中向量v_⊥又垂直于通过向量v_min和v_max张紧的平面，向量v_max表示具有最大方差绝对值的方向，而v_min表示具有最小方差绝对值的方向。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在正切平面T内通过二维卷积这样进行滤波，即所采用的滤波器F(v_min，v_⊥)构成该正切平面T中的最小方差v_min和最大方差v_⊥的函数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，这样构成所述滤波器F(v_min，v_⊥)，使得在方差v_min和v_⊥的大小不同时在较大方差方向上的滤波强度较小，而在较小方差方向上的滤波强度较大。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在方差v_min和v_⊥的大小相等时，所述滤波器F(v_min，v_⊥)构造为各向同性的。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在至少3个平面上计算二维方差，其中，两个平面相互线性独立。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在其中计算二维方差的多个平面就其标准向量来说尽可能均匀地在空间中分布。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，采用用于确定二维方差的平面，该平面的法线与检查区域中任意六面基准立体的标准轴和/或平面对角线和/或空间对角线一致。

12.根据权利要求9或11所述的方法，其特征在于，作为正切平面，选择具有最小二维方差的平面。

13.根据权利要求9或12所述的方法，其特征在于，在所述正切平面T中确定不同方向上的一维方差，并从中确定最小方差v_min的方向和与该最小方差垂直的方向v_⊥，其中按照定义将垂直方向v_⊥作为该正切平面中的最大一维方差v_T，max的方向。

14.根据权利要求9或12所述的方法，其特征在于，在所述正切平面中确定不同方向上的一维方差，并从中确定该平面中的最大方差v_max的方向和与该最大方差垂直的方向v_⊥，其中按照定义将垂直方向v_⊥作为该正切平面中的最小一维方差v_T，min的方向。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于，在所述正切平面T内通过二维卷积这样进行滤波，使得滤波器F(v_min，v_T，max)或F(v_max，v_T，min)构成该正切平面中的最大方差v_max和最小方差v_T，min的函数或最小方差v_min和最大方差v_T，max的函数。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述滤波器F(v_min，v_T，max)或F(v_max，v_T，min)这样构成，使得在方差大小不同时在较大方差方向上的滤波强度较小，而在较小方差方向上的滤波强度较大。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在方差大小相等时，所述滤波器F(v_min，v_T，max)或F(v_max，v_T，min)构造为各向同性的。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，确定环境中的典型方差v_typ，并将原始体素数据与滤波后的体素数据进行加权混合，使得在v_max＞＞v_typ时对原始体素数据赋予比滤波后的体素数据更大的权重，而在v_max＜＜v_typ时对原始体素数据赋予比滤波后的体素数据较小的权重。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，作为所述环境中的典型方差v_typ，采用事先确定的一维方差的平均值。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，作为所述环境中的典型方差v_typ，采用事先确定的二维方差的平均值。

21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，作为所述环境中的典型方差v_typ，采用在预定范围内或半径R内事先确定的三维方差的平均值。

22.一种用于检查患者和产生患者的断层造影图像的医疗断层造影系统，尤其是CT系统、PET系统或NMR系统，其具有拍摄系统和至少一个带有程序或程序模块的、用于再现断层造影图像的计算单元，其特征在于，该至少一个计算单元具有程序或程序模块，这些程序在运行时实施至少一个上述方法权利要求中的方法步骤。

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