技术领域
本申请总体上涉及医学成像。本申请特别适用于与基于计算机断层 摄影(CT)的慢性阻塞性肺部疾病(COPD)诊断相结合并且将特别参考 其加以描述。然而，应当理解，本申请还适用于其他使用场合并且不一定 限于前述应用。
背景技术
COPD是用来描述引起肺部气流中的限制的慢性肺部疾病的涵盖性 术语。COPD的主要亚型包括肺气肿和支气管COPD。根据世界卫生组织， COPD是世界范围性的死亡的主要原因之一。另外，预计COPD的发病率 将增加，特别是在发展中国家。
为了诊断COPD，主要感兴趣的是来自诊断CT的气道壁厚度测量结 果。这样的测量结果能够提供疾病的早期指示、或严重性的指示。一种用 于测量气道壁厚度的方法是所谓的参数化方法。参数化方法包括肺部分割、 气道分割、气道树标记、内气道壁和外气道壁的分割、在气道树中的自动 选择位置处的测量结果、以及报告数值结果。
准确地测量气道壁厚度能够是具有挑战性的。在许多情况下，在CT 图像中的气道壁的外观受到部分体积效应和模糊的严重影响。参考图1，图 示了肺的CT图像的部分。如能够看到的，有限的物理分辨率(即，模糊) 以及(体素网格的)的部分体积效应严重地影响可靠地测量气道壁厚度的 能力。
一种限制部分体积效应并且以亚体素准确度来估计气道壁的方法是 估计针对特定扫描的扫描器参数。由CT生成的图像受各种扫描器参数(例 如，重建类型、重建分辨率、管电流等)严重影响。因此，根据扫描器参 数能够获得不同的测量结果。
本申请提供一种新的且改进的系统和方法，所述系统和方法克服了 以上提到的问题和其他问题。
发明内容
根据一个方面，一种成像系统分析患者的气道。所述系统包括硬件 体模，所述硬件体模包括表示气道的多个管。所述多个管包括不同的管腔 尺寸和/或壁厚度。所述系统还包括用于扫描包括所述气道的感兴趣区域 (ROI)的成像扫描器和所述硬件体模以创建原始图像数据。至少一个处理 器被编程以进行以下中的至少一项：(1)基于所述多个管的管腔尺寸和/或 壁厚度的测量结果和所述多个管的已知管腔尺寸和/或壁厚度来校正所述气 道的壁的测量结果，所述测量结果从所述原始图像数据得出；以及(2)生 成所述ROI的图像，在所述ROI的所述图像中，所述气道的颜色和/或不透 明度是基于所述多个管的图像或绘图与所述气道的图像或绘图的比较的， 所述图像或绘图从所述原始图像数据生成。
根据另一方面，一种方法分析患者的气道。所述方法包括接收来自 成像扫描器的原始图像数据，所述成像扫描器扫描包括所述气道的感兴趣 区域(ROI)和硬件体模。所述硬件体模包括表示气道的多个管，所述多个 管包括不同的管腔尺寸和/或壁厚度。所述方法还包括以下中的至少一项： (1)基于所述多个管的管腔尺寸和/或壁厚度的测量结果和所述多个管的已 知管腔尺寸和/或壁厚度来校正所述气道壁的测量结果，所述测量结果从所 述原始图像数据得出；以及(2)生成所述ROI的图像，在所述ROI的所 述图像中，所述气道的颜色和/或不透明度是基于所述多个管的图像或绘图 与所述气道的图像或绘图的比较的，所述图像或绘图是从所述原始图像数 据生成的。
根据另一方面，提供了一种用于诊断成像的硬件体模。所述硬件体 模包括表示典型气道尺寸的多个管并且被布置在二维网格中，其中，所述 多个管的管腔尺寸沿着所述网格的轴中的一个而增大，并且壁厚度沿着所 述网格的另一轴而增大。
一个优点在于对呼吸通道的更准确的评价。
另一优点在于二维投影图像允许对气道壁增厚的程度的只看一眼的 可视化。
另一优点在于基于二维投影图像的三维计算机断层摄影(CT)图像 内的容易导航。
另一优点在于平行实施方式。
另一优点在于对CT扫描器参数的校准。
本领域的普通技术人员在阅读并理解了下文详细描述后，将认识到 本发明的更进一步的优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安 排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的并且不应被解释为对本发明 的限制。
图1图示了肺的计算机断层摄影(CT)图像的部分。
图2图示了CT系统。
图3图示了诊断慢性阻塞性肺部疾病(COPD)的方法。
图4图示了硬件体模。
图5图示了图4的硬件体模的CT图像。
具体实施方式
参考图2，计算机断层摄影(CT)系统10利用CT来执行对诸如患 者的胸部区域的患者感兴趣区域(ROI)的一次或多次诊断扫描。CT系统 10包括限定检查体积14的扫描器12。检查体积14尺寸被设置为容纳患者， 所述患者在扫描期间被定位在检查体积14中。患者支撑物16将患者支撑 在扫描器12中并且方便将患者定位在检查体积14中。
安装在旋转机架20上的X射线管组件18投射一个或多个辐射的束 通过检查体积14，并且准直器22在束厚度尺寸上校准辐射的束。在第三生 成扫描器中，二维X射线探测器24被设置在旋转机架20上，从X射线管 组件18跨过检查体积14。在第四生成扫描器中，二维X射线探测器26的 环或阵列被安装在围绕旋转机架20的固定机架28上。二维X射线探测器 24、26生成数据，所述数据指示沿着X射线管组件18与二维X射探测器 24、26之间的对应束的集成X射线吸收。
二维X射线探测器24、26中的每个包括被连接到集成电路，或优选 地被集成到集成电路中的光电探测器的二维阵列。光电探测器直接或间接 地探测来自X射线管组件18的辐射(即，X射线光子)，并且基于所探测 到的辐射来生成吸收数据。光电探测器的范例包括数字或模拟硅光电倍增 器(SiPM)、光电二极管、以及其他光电换能器。
如果光电探测器不能直接探测辐射，则二维X射线探测器24、26通 常包括一个或多个闪烁体，所述一个或多个闪烁体被光学耦合到X射线管 组件18与光电探测器之间的光电探测器。当X射线光子将能量沉积在闪烁 体中时，闪烁体闪烁并向光电探测器发出光电探测器能够直接探测到的可 见光光子。闪烁体的范例包括闪烁体板、或个体闪烁晶体或像素化晶体， 其由诸如硫氧化钆(GOS)、锗酸铋(BGO)、碘化铯、硅酸钇、碘化钠(NaI)、 等材料制成。
后端系统30协调ROI的诊断扫描。后端系统30远离扫描器12，并 且包括至少一个处理器32和至少一个程序存储器34。程序存储器34包括 处理器可执行指令，所述处理器可执行指令当由处理器32执行时协调诊断 扫描。处理器32执行处理器可执行指令以协调诊断扫描。
处理器可执行指令的控制模块36控制后端系统30的总体操作。控 制模块36使用后端系统30的显示设备38向后端系统30的用户适当地显 示图形用户接口(GUI)。此外，控制模块36适当地允许用户使用后端系统 30的用户输入设备40与GUI交互。例如，用户能够与GUI交互以指导后 端系统30协调诊断扫描。
处理器可执行指令的数据采集模块42执行扫描，所述扫描包括对 ROI的诊断扫描。对于每次扫描，数据采集模块42根据所述扫描的扫描器 参数来控制扫描器12。在控制扫描器12的同时，数据采集模块42采集吸 收数据以及旋转机架20的角度位置上的数据，所述数据通常被存储在后端 系统30的至少一个储存存储器44中作为原始图像数据集。
处理器可执行指令的重建模块46将原始图像数据集重建成ROI的图 像和/或绘图。预见到各种已知的重建技术，包括螺旋和多切片扫描技术、 卷积和反投影技术、锥束重建技术等。所述图像和/或绘图通常被存储在储 存存储器44上和/或被显示在诸如显示设备38的显示设备上。
处理器可执行指令的慢性阻塞性肺部疾病(COPD)模块48根据图 3的方法100来协调COPD的诊断。方法100包括在一个或多个硬件体模 50被定位在检查体积14内的同时执行102对ROI的扫描。硬件体模50能 够被定位在诸如患者上的检查体积14内的各个位置处。然而，将硬件体模 50放置在患者上能够引入运动伪影。因此，硬件体模50优选被嵌入在扫描 器12或患者支撑物16内或被安装在扫描器12或患者支撑物16上。所述 扫描通常是诊断扫描之一，但是能够是其他扫描(例如，校准扫描)，并且 所述扫描使用数据采集模块42来执行。
进一步参考图4，硬件体模50中的每个包括管54的阵列或根据真实 患者数据而建立的气道体模。所述阵列能够是一维的、二维的、或三维的， 并且包括例如被布置在网格中的多个管54。管54表示典型和/或非典型的 气道壁，并且包括不同的管腔尺寸和壁厚，所述不同的管腔尺寸和壁厚是 已知的。适当地，管54包括针对根据以1毫米(mm)的增量跨越1毫米 到10毫米的管腔尺寸和以0.1毫米(或0.2毫米)的增量跨越0.1毫米到5 毫米的壁厚度的管腔尺寸和壁厚度的每个组合的管。另外，有利地，管54 的轴是平行的。尽管在图1和图4中图示为垂直于患者延伸，但是管54能 够具有其他取向，例如平行于患者的中心轴。此外，预见到在多个方向中 的每个上延伸的管的集合。
管54由具有与气道壁相似的亨斯菲尔德单位(HU)值的材料(例 如，塑料)形成，并且被嵌入在由具有与肺实质相似的HU值的材料(例 如，塑料)形成的结构56内。另外，管54也能够在物理上和/或虚拟上被 颜色编码，以区分表示健康气道壁的管与表示恶性气道壁的管。体模50的 管54能够被彩色编码的或CT可读的物理编码和/或表示体模50的经重建 的图像部分能够以被颜色编码。例如，红色能够指示恶性，绿色能够指示 健康。颜色的梯度能够被采用于指示健康或恶性的程度。例如，管绿色越 深，表示气道壁越健康，并且管红色越深，表示气道壁越恶性。
如在图4中所图示的，提供了硬件体模50的一个范例。硬件体模50 包括管54的二维阵列。沿着阵列的一个轴，管54的内径保持固定，同时 管54的外径增加。换言之，壁厚度增加。沿着阵列的另一轴，管54的内 径增加，同时管54的外径增加。换言之，管腔尺寸增大。一个实施例，管 腔尺寸以1毫米的增量跨越1毫米到10毫米，壁厚度以0.2毫米的增量跨 越2毫米到4毫米。所述阵列包括在第一区域58中示出的健康气道壁，以 及在第二区域60中示出的恶性气道壁。
所图示的实施例中的硬件体模50仅包括平行管的单个阵列。然而， 由于扫描器12通常不是各向同性的，可以有利地采用具有不同取向的多个 硬件体模50来将管轴向地对准沿着扫描器12的每个轴。例如，二维硬件 体模能够沿着每个矢状面、冠状面和横截面被取向。
再次参考图3，在执行扫描之后，使用处理器可执行指令的分割模块 62在原始图像数据内识别104硬件体模50的管54。识别104能够自动地 和/或手动地被执行。关于自动识别，采用分割算法，所述分割算法是任何 数量的已知分割算法之一。根据分割算法，重建模块46能够被采用于将原 始图像数据集转变为图像或绘图。能够基于几何位置、物理尺寸、可成像 标记物等来识别管54。关于人工识别，重建模块46被采用于将原始图像数 据集转变为图像或绘图。所述图像或绘图之后被显示在GUI上，并且用户 在其上识别硬件体模50的管54。图5图示图4的硬件体模50的范例图像 或绘图。
已经在原始图像数据集内识别出硬件体模50的管54，患者的气道壁 定量地106和/或定性地108被分析。当所述扫描是诊断扫描中的一种时， 所述气道壁通常被提取自所述扫描的原始图像数据集。然而，如以上所指 出的，所述扫描不必须是诊断扫描中的一种。因此，当所述扫描不是诊断 扫描中的一种时，所述气道壁通常被提取自其他扫描的原始图像数据集， 如诊断扫描中的一种一样。
定量分析106包括根据经重建的三维CT图像数据集来测量110管 54的管腔尺寸和壁厚度。生成112校正查找表，所述校正查找表将从体模 管54的物理测量结果获知的管54的物理体模管管腔尺寸和壁厚度与在3D CT图像数据集中测得的管腔尺寸和壁厚度相关联。所述校正查找表包括用 于测得的管腔尺寸和厚度的每种组合的条目。用于测得的管腔尺寸和厚度 的组合的条目包括测得的管腔尺寸和厚度、以及校正因子或已知的管腔尺 寸和厚度。在另一实施例中，推导出共同校正因子或校正方程式、曲线或 算法。
使用所述校正查找表，在诊断扫描的原始图像数据集中测量114气 道壁。这包括使用各种众所周知的技术中的任何来初步测量患者的气道壁， 但是优选地使用与用于测量体模管54的技术相同的技术。例如，自动提取 患者的气道树，并且从所提取的气道树来提取气道壁。之后根据所提取的 气道壁来测量管腔尺寸和壁厚度。
在确定了初始测量结果之后，使用所述校正查找表通过找到对应的 条目能够校正初始测量结果。例如，能够基于初始测量结果来查找校正因 子或实际测得值。在没有找到精确条目的情况下，能够采用插值等。经校 正的测量结果，或仅仅那些非典型的经校正的测量结果能够被显示在诸如 显示设备38的显示设备上。经校正的测量结果也能够被链接到诊断扫描的 图像或绘图，由此用户能够通过使用诸如用户输入设备40的用户输入设备 选择对应的测量结果来视觉查看显示设备上的气道壁。对诊断图像进行颜 色编码能够被利用以识别受潜在疾病影响的气道管。
定性分析108包括将硬件体模50的管54的图像或绘图与患者的气 道壁的图像或绘图相比较，以确定管54与气道壁之间的对应性。气道壁的 图像或绘图通常根据诊断扫描的原始图像数据集而被确定，并且管54的图 像或绘图根据所述扫描的原始图像数据集而被确定。如以上所指出的，所 述扫描和诊断扫描能够是相同的扫描。适当地，重建模块46被采用于生成 图像或绘图。
用于执行比较116的一种方法是通过对径向强度分布的使用。在针 对硬件体模阵列50的管54中的每个的图像中计算径向强度分布。另外， 对于ROI的(对应于气道管的)体素中的每个计算径向强度分布。对于每 个气道管，使用相似度测量来将径向强度分布针对所有管54的径向强度分 布进行匹配。具有最佳匹配分数的管对应于体素。
在确定对应性之后，生成118ROI的COPD图像。COPD图像能够 是二维的或三维的，但通常是二维的。例如，COPD图像能够是最大强度 投影(MIP)或直接体积绘制(DVR)。在COPD图像内，体素的颜色和/ 或不透明度是基于被分配给管54的颜色和匹配分数而被调节的。例如，每 个体素的不透明度是基于最佳匹配管的匹配分数的，和/或每个体素的颜色 是最佳匹配管的颜色编码。关于前者，具有低匹配分数的位置将基本上是 透明的。通常地，不透明度仅当COPD图像是二维的时被采用。另外，当 COPD图像是二维的时，由异常的程度(即，恶性的程度)给出前景优先 权，使得异常位置被示出在前景中。体素的异常的程度能够根据最佳匹配 管的异常的程度而被确定。
如以上所指出的，管54能够在物理上和/或虚拟上被颜色编码，以区 分表示健康气道壁的管和表示恶性气道壁的管。例如，红色能够指示恶性， 绿色能够指示健康。颜色的梯度能够被采用于指示健康或恶性的程度。例 如，管绿色越暗，表示气道壁越健康，并且管红色越深，表示气道壁越恶 性。
使用处理器可执行指令的配准模块64来生成120COPD图像与根据 诊断扫描而生成56的诊断图像或绘图之间的转换绘图。配准模块64使用 任何数量的众所周知的配准算法之一来生成转换绘图。COPD图像之后被 显示122在诸如显示设备38的显示设备上。使用诸如用户输入设备40的 用户输入设备对COPD图像的像素、体素等的选择在显示设备上显示诊断 图像和/或体模图像内的对应部分。使用转换绘图来确定对应部分。当诊断 图像是二维的时，像素可以对应于诊断图像或绘图内的多个部分，如当诊 断图像或绘图是三维的时一样。在这种情况下，对应部分是沿着像素的视 图行贡献最高不透明度的部分。
通过举例的方式阐述了定性和/或定量分析患者的气道壁的前述方 法。应当认识到，预见到基于硬件体模50的其他方法。例如，硬件体模50 的管54的图像或绘图能够与患者的气道壁的图像或绘图一起(例如，使用 显示设备38)被显示例如在并排布置中，从而允许视觉比较。在该范例中， (例如，使用用户输入设备40)在管54的图像或绘图上对硬件体模的管的 选择能够(例如，使用颜色编码)突出显示在气道壁的图像或绘图上的对 应的患者的(一个或多个)气道壁。类似地，(例如，使用用户输入设备40) 在气道壁的图像或绘图上对患者的气道壁的选择能够突出显示在管54的图 像或绘图上的对应的硬件体模的管。另外，还预见到，通过对管54的测得 管腔尺寸和壁厚度与管54的已知的管腔尺寸和壁厚度的比较，扫描器参数 能够被调节或者以其它方式被校准(例如，尺度、失真等)。
如本文中所使用的，存储器包括以下中的一个或多个：非暂态计算 机可读介质；磁盘或其他磁性存储介质；光盘或其他光学存储介质；随机 存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或其他电子存储器设备或芯片 或操作互联芯片的集合；可以经由互联网/内联网或局域网从其检索所存储 的指令的互联网/内联网服务器等。另外，如本文中所使用的，处理器包括 以下中的一个或多个：微处理器、微控制器、图形处理单元(GPU)、专用 集成电路(ASIC)、FPGA等；控制器包括：(1)处理器和存储器，所述处 理器运行实现所述控制器的功能的所述存储器上的计算机可执行指令；或 者(2)模拟和/或数字硬件；用户输入设备包括以下中的一个或多个：鼠标、 键盘、触摸屏显示器、一个或多个按钮、一个或多个开关、一个或多个触 发器、语音识别引擎等；数据库包括一个或多个存储器；并且显示设备包 括以下中的一个或多个：LCD显示器、LED显示器、等离子显示器、投影 显示器、触摸屏显示器等。
已经参考优选的实施例描述了本发明。其他人在阅读并理解前面的 详细描述后可以进行修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修 改和变化，只要它们落入权利要求书或其等价要件的范围内。