CN103314412B - 用于spect‑ct图像中的柔软器官划分区的功能分析的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于利用测量和成像设备例如SPECT系统和CT系统来测量通常柔软器官功能且特别是肝的分析系统和方法。这两种图像利用公共坐标系并划分肝图像用于增强的功能分析。

Description

用于SPECT-CT图像中的柔软器官划分区的功能分析的系统和 方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年1月4日提交的美国临时申请号61/429,638的优先权，该临时申请的公开通过引入被全部并入本文。

技术领域

本教导总体上涉及用于医学成像中的柔软器官的功能分析的系统和方法。更具体地，本教导涉及用于使用SPECT-CT图像总体上对柔软器官且特别是肝划分区进行计算机化功能分析的方法和系统。

背景

计算机化断层摄影或CT方法广泛用于诊断目的。它可提供人类器官的非常详细的解剖结构信息。在肿瘤学中，CT用于通过测量肿瘤尺寸变化来监测对肿瘤的治疗的治疗反应。然而，治疗反映在肿瘤的尺寸变化上可能花费很长时间，例如几个月。相反，单光子发射计算机化断层摄影（SPECT）是可提供对人类器官和/或肿瘤的直接新陈代谢测量的方法，允许人们按功能水平区分开健康组织与有病组织。然而，虽然SPECT和CT设备都提供成像，来自SPECT设备的成像不能按照与CT实行的相同方式来提供对人类器官的详细解剖结构信息。然而最近，CT和SPECT组合在一个成像设备中，允许CT和SPECT图像都在一个图像期中被获取。

目前，SPECT-CT成像的利用通常保持在图像水平。例如，在SPECT中的肝功能测量中，医师通常手动地描摹SPECT中的肝的左和右叶边界，并计算同位素计数来测量肝叶的肝功能。然而，在对肝病变的经皮治疗计划中，例如通过射频消融（RFA）或化疗栓塞，测量局部区或感兴趣的叶划分区中的肝功能是合乎需要的。例如，测量血管结构的血液供给或血液排出的肝功能是合乎需要的。因为SPECT不提供关于详细的解剖结构的信息，只与SPECT图像一起操作并不能执行上述任务。虽然SPECT和CT图像设备可提供在SPECT图像空间和CT图像空间之间的机械配准，转换可只用于SPECT和CT图像之间的粗略对准。因为SPECT和CT图像在不同的时间被获取，呼吸和身体运动可导致从机械配置的非刚性偏离。因此，在CT空间中的分析不能容易应用于SPECT空间。

能够通过使用CT中的解剖信息准确地测量SPECT中的局部区或肝划分区的肝功能因此是高度合乎需要的。实时地和以交互式方式执行这样的测量也是合乎需要的。

概述

在本公开的实施方式中，公开了用于测量肝功能的系统。系统包括用于产生肝的功能图像的第一设备和用于产生肝的结构图像的第二设备。系统包括用于将来自第二设备的点坐标转换成第一设备的点坐标并基于该转换来创建肝图像的坐标转换单元、用于划分肝图像的划分单元以及用于分析划分的肝功能的分析单元。

在另一实施方式中，第一设备是单光子发射计算机化断层摄影（SPECT）设备。在另一实施方式中，第二设备是计算机化轴向断层摄影（CT）设备。

在另一实施方式中，第一设备还包括有病组织指定单元和健康组织划分单元，且第二设备的成像单元还包括器官划分单元和器官分析单元。在又一实施方式中，有病肝指定单元和健康组织划分单元确定健康肝组织的表面点。

在另一实施方式中，系统包括健康组织配准单元。在另一实施方式中，健康组织配准单元基于健康肝组织来确定局部变形参数。在另一实施方式中，器官划分单元和区域分析单元基于血管结构来执行器官几何分析。

在另一实施方式中，公开了在具有至少一个处理器、存储器和连接到网络的通信平台的机器上实现的用于分析肝的功能的方法。该方法包括使用第一设备识别肝组织，使用从第一设备得到的信息识别有病肝组织，使用从第一设备得到的信息识别健康肝组织，获得健康肝组织的表面点，使用从第二设备得到的图像划分肝，从成像系统识别肝的内部结构，使用从第二设备得到的图像得到肝组织的表面点，将使用第一设备得到的健康肝组织的表面点映射到使用第二设备得到的肝组织的表面点，以及分析局部区域的肝功能。在另一实施方式中，该分析基于使用第一设备得到的健康肝组织的表面点的映射。

在另一实施方式中，该分析基于来自第二设备的所识别的内部结构的区域。在另一实施方式中，来自第二设备的内部结构的区域被映射到第一设备的坐标空间。

在另一实施方式中，该分析基于识别特定区域内的同位素计数。在另一实施方式中，通过计算特定区域内的同位素计数除以整个肝区域内的总同位素计数来执行分析。在该方法的另一实施方式中，第一设备是单光子发射计算机化断层摄影（SPECT）设备。在该方法的另一实施方式中，第二设备是计算机化轴向断层摄影（CT）设备。

在另一实施方式中，公开了计算机可读有形和非临时介质，其上记录有用于在医学过程期间分析肝的信息。计算机可读有形和非临时介质在被机器读取时使机器使用第一设备识别肝组织，使用从第一设备得到的信息识别有病肝组织，使用从第一设备得到的信息识别健康肝组织，获得健康肝组织的表面点，使用从第二设备得到的图像划分肝，从来自第二设备的图像识别肝的内部结构，使用从第二设备得到的图像得到肝组织的表面点，将使用第一设备得到的健康肝组织的表面点映射到使用第二设备得到的肝组织的表面点，以及分析肝功能。

在本公开的实施方式中，公开了用于测量柔软器官功能的系统。系统包括用于产生柔软器官的功能图像的第一设备和用于产生柔软器官的结构图像的第二设备。系统包括用于将来自第二设备的点坐标转换成第一设备的点坐标并基于该转换来创建柔软器官图像的坐标转换单元、用于划分柔软器官图像的划分单元以及用于分析所划分的柔软器官的功能的分析单元。

在另一实施方式中，公开了在具有至少一个处理器、存储器和连接到网络的通信平台的机器上实现的用于分析柔软器官的功能的方法。该方法包括使用第一设备识别柔软器官组织，使用从第一设备得到的信息识别有病柔软器官组织，识别健康肝组织，获得健康肝组织的表面点，使用从第二设备得到的图像划分柔软器官，从由第二设备得到的图像识别柔软器官的内部结构，使用从第二设备得到的图像得到柔软器官组织的表面点，将使用第一设备得到的健康柔软器官组织的表面点映射到使用成像系统得到的柔软器官组织的表面点，以及分析局部区域的柔软器官的功能。

附图的简要描述

从实施方式方面进一步描述了在本文主张和/或描述的发明。参考附图详细描述了这些实施方式。这些实施方式是非限制性的实施方式，其中相似的数字在附图的几个视图中始终代表相似的结构，且其中：

图1示出用于治疗计划和治疗监测的肝划分区的功能分析的系统图；

图2（a）-2（b）示出根据用于治疗计划和治疗监测的肝划分区的功能分析的本教导的一个实施方式的流程图；

图3（a）-3（b）示出在CT到SPECT中的解剖分析结果的映射；以及

图4示出根据本公开的用于实现本公开的系统和方法的计算机系统。

详细描述

本公开教导了用于根据CT图像中的肝的高级几何分析来在区域级对SPECT中的肝功能分析的系统和方法。本教导合并功能图像和解剖图像以实现更准确和局部化的功能分析。然而并不预期作为任何种类的限制，本公开将肝称为柔软器官。应理解，在任何器官例如心脏、肺、肾、胃、肠、脑或其它柔软器官上的外科手术和程序可利用并受益于本公开。因此，为了容易清楚，肝用于描述本公开的系统和方法，但如本领域中的技术人员将理解的，意图不是以任何方式限制本发明的范围。

图1示出肝区域功能分析系统100的系统图。系统可由SPECT有病肝组织指定单元108、SPECT健康肝组织划分单元110、CT肝划分单元112、初始SPECT到CT转换单元114、SPECT-CT健康肝组织配准单元118、CT肝划分分析单元122、精细化CT到SPECT最终转换单元124、SPECT区域功能分析单元126组成。

在SPECT和CT坐标系之间的几何关系通过SPECT-CT机械配准参数106来描述，这由初始CT到SPECT转换单元114将CT坐标系转换成SPECT坐标系。单元114的输出是转换成SPECT图像空间116的肝目标。SPECT有病肝指定单元108和SPECT健康肝划分单元110确定健康肝组织的表面点。SPECT-CT健康肝组织配准单元118基于健康SPECT肝组织和健康CT肝组织来确定局部变形参数。单元118的输出是考虑SPECT和CT获得物之间的机械配准和局部变形的一组精细化SPECT-CT配准参数120。肝划分和区域分析单元122基于CT图像中的血管结构来执行CT肝几何分析。

例如，肝门静脉的某个分支的血液供给范围分析可由这个单元执行以得到该特定分支的血液供给区域。单元122的输出是肝器官的一个或多个3D区域。精细化CT到SPECT转换单元124可基于机械转换和精细化配置参数将CT空间中的3D区域映射到SPECT空间中。

在感兴趣区域和划分区转换成SPECT图像空间之后，这样的区域的功能分析可由SPECT区域功能分析单元126执行。在SPECT中，可通过计算区域内的同位素计数（亮度总合）除以整个肝区域内的总同位素计数来执行划分区的功能分析。

图2（a）和（b）示出根据本公开的实施方式的图1的流程图。首先，在SPECT图像中指定有病肝组织。在SPECT图像中，有病肝组织没有肝功能，且不显示高摄取值，即，显示低强度值或不显示强度值。在配准过程中需要排除这样的有病区域。可手动地通过描绘出图像中的肝器官的低强度部分或自动地通过识别出低强度区域来在步骤202执行在SPECT图像中的有病肝组织的指定。可使用简单的阈值化在步骤204划分出或掩蔽健康肝组织。这可手动或自动地完成。在手动模式中，阈值可由用户通过用户界面指定。在自动模式中，阈值可通过SPECT图像的直方图分析来确定。强度高于某个预定阈值的像素可被划分为健康肝组织。在有病和健康肝组织被划分出之后，可通过从健康肝组织的边界点取出在有病和健康组织当中的公共边界点来确定在肝表面上的属于健康组织的点。在步骤206，使用本领域中的普通技术人员已知的任何方法例如在Guo-Qing等人的美国专利申请2007/0055455“Methods for interactive liver disease disgnosis”中描述的方法从CT图像划分肝。划分的肝体素在步骤208基于SPECT-CT机械配置参数来转换成SPECT图像空间。在步骤210，基于SPECT中的健康肝组织和来自CT的所转换的划分的肝的表面点来计算在SPECT和CT获取图中的肝器官之间的局部配准参数。基于样条模型或薄片模型的可变形配准方法可用于这个目的。上述过程可被交互地执行，以便允许用户在划分有病和健康肝组织时调节阈值，配准可随健康肝组织表面点的更新而更新。在步骤211，利用CT图像来执行区域分析和划分分析。例如，通过选择血管结构例如门静脉的特定分支，可使用任何已知的方法例如在FengMa等人的美国专利7,840,044“Method and system for liver lobe segmentation andpre-operative surgical planning”中描述的方法来识别该分支的血液供给区域。

在另一实施方式中，区域/划分分析提供关于治疗计划例如肝切除术的重要信息，其中切除区域可基于病变尺寸和病变与血管结构之间的空间关系来确定。在步骤212，所得到的感兴趣区可基于SPECT-CT机械配准参数和局部变形参数被映射到SPECT图像空间中。对于在SPECT图像空间中的所映射的感兴趣区，可在步骤214基于感兴趣区中的同位素计数和整个肝体积中的计数来执行该感兴趣区的功能分析。例如，感兴趣区中的同位素计数与整个肝重的同位素计数之比可被计算为感兴趣区的肝功能的度量。在另一实施方式中，可以以不同的时间间隔获取SPECT图像以形成动态SPECT图像序列。在这种情况下，在感兴趣区内的同位素计数随时间的变化可用于计算感兴趣区的功能。

图3示出在肝划分区的SPECT和CT图像空间之间的映射的例子。图3（a）是CT肝图像序列的一个切片图，其中区域302指示有病肝区域。图3（b）示出在与CT图像相同的肝的位置处的SPECT图像的切片图，其中304示出从映射到SPECT图像空间上的CT图像找到的肝边界。有病区域在SPECT图像中显示没有摄取。图3（c）示出从CT图像得到的肝器官的3D划分分析的结果，其中不同的颜色或阴影表示不同的肝划分区。可使用本领域中已知的方法例如基于血管结构的方法来执行肝的划分区分析。图3（d）示出覆盖在SPECT图像的一个切片图上的所映射的肝划分区，其中306指示所映射的划分区边界。在肝移植或切除术中，剩余的肝功能可被计算为在治疗之后的剩余叶或划分区与CT中的整个肝体积之比。这假设肝的功能在有病和健康肝划分区中都是相似的。这可能并不是真实的。由于肝划分区映射到SPECT图像空间上，剩余的肝功能可被更准确地计算为剩余叶中的同位素计数与整个肝中的同位素计数之比。

在治疗监测或后续行动中，SPECT可用于测量肝器官的功能恢复或肝疾病例如慢性病毒性肝炎的进展。可在注入之前首先从注射器的SPECT图像计算总同位素计数。可在不同的时间对肝器官拍摄一系列SPECT图像。然后从CT肝划分得到的肝边界可被映射到SPECT系列中的每个，并用于计算每个系列中的肝器官中的总同位素计数。累积的在肝中的同位素计数可被显示为曲线，x轴是时间，而y轴是总同位数计数中的肝同位素计数的百分比。这个曲线可与正常肝的曲线比较，以量化肝功能并评估疾病进展。在一个实施方式中，在曲线的每个点处的斜率的总合可用于量化肝的功能活动。可对特定的肝区域执行相同的分析以评估该区域的功能恢复。该区域可被限定在CT图像空间中并映射到SPECT图像空间。

图4示出一般计算机结构（其上可实现本教导），并具有包括用户接口元件的计算机硬件平台的功能方框图图示。计算机可以是通用计算机或专用计算机。该计算机400可用于使用如本文所述的SPECT-CT成像来实现功能分析的任何部件。例如，图像显示器、图像存储、图像处理都可在计算机例如计算机400上经由其硬件、软件程序、固件或其组合来实现。虽然为了方便起见只示出一个这样的计算机，涉及本文描述的本公开的计算机功能可以在很多类似的平台上以分布式方式实现，以分配处理负载。

计算机400例如包括连接到网络和从网络连接的COM端口405以便于数据通信。计算机400还包括用于执行程序指令的以一个或多个处理器的形式的中央处理单元（CPU）420。示例性计算机平台包括内部通信总线410、程序存储器和不同形式的存储器例如磁盘470、只读存储器（ROM）430或随机存取存储器（RAM）440，用于使各种数据文件由计算机处理和/或传递，以及可能使程序指令由CPU执行。计算机400还包括I/O部件460，其支持在计算机和其中的其它部件例如用户接口元件480之间的输入/输出流。计算机400还可经由网络通信接收编程和数据。

因此，如上概述的SPECT-CT图像中的肝划分的功能分析的方面可体现在编程中。技术的程序方面可被认为是一般以在一种类型的机器可读介质上携带的或在该介质中体现的可执行代码和/或相关数据的形式的“产品”或“制造物品”。有形非临时“存储”类型的介质包括计算机、处理器等或其相关模块的存储器或可在任何时间提供对软件编程的存储的其它存储装置中的任一个或全部，例如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等。

软件的全部或部分可有时通过网络例如互联网或各种其它通信网络来通信。这样的通信例如可实现软件从一个计算机或处理器到另一计算机或处理器的装入。可承载软件元件的另一类型的介质包括例如通过有线和光陆线网络和通过各种空中链路在局部设备之间的物理接口中使用的光波、电波和电磁波。携带这样的波的物理元件例如有线或无线链路、光链路等也可被考虑为承载软件的介质。如本文使用的，除非被限制到有形“存储”介质，诸如计算机或机器“可读介质”的术语指参与向处理器提供指令以用于执行的任何介质。

因此，机器可读介质可采取很多形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，例如在任何计算机等中的任何存储设备，其可用于实现如在附图中所示的系统或任何其部件。各种存储介质包括动态存储器，例如这样的计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆；铜线和光纤，包括在计算机系统内形成总线的电线。载波传输介质可采取电信号或电磁信号、声波或光波例如在射频（RF）和红外（IR）数据通信期间产生的波的形式。计算机可读介质的常见形式因此包括例如：软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其它光学介质、穿孔卡纸带、具有孔的图案的任何其它物理存储介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存储器芯片或磁带盒、传送数据或指令的载波、传送这样的载波的电缆或链路、或计算机可读取编程代码和/或数据的任何其它介质。很多这些形式的计算机可读介质可涉及将一个或多个指令的一个或多个序列传送到处理器用于执行。

本领域技术人员将认识到，本教导可经受各种修改和/或增强。例如，虽然上面描述的各种部件的实现可体现在硬件设备中，它也可被实现为只有软件的解决方案。此外，如本文讨论的利用SPECT-CT图像的功能分析可被实现为固件、固件/软件组合、固件/硬件组合或硬件/固件/软件组合。

虽然参考某些所示实施方式描述了本发明，本文使用的词是描述的词，而不是限制的词。应理解，可在本文进行各种修改，以及所公开的主题可在各种形式和例子中实现，以及教导可在很多应用中被应用，其中只有一些应用在本文被描述。可在所附权利要求的范围内进行改变，而不偏离本发明在其方面的范围和精神。虽然参考特定的结构、行动和材料描述了本公开，本公开不限于所公开的细节，而更确切地可以体现在各种形式中，其中一些形式可能与所公开的实施方式的形式不同，并扩展到例如在所附权利要求的范围内的所有等效的结构、行动和材料。

Claims (16)

1.一种用于分析肝功能的系统，包括：

第一设备，被配置为获得肝的肝组织的一个或多个图像；

有病肝组织指定单元，被配置为根据所述第一设备获得的所述图像识别有病肝组织；

健康肝组织划分单元，被配置为根据所述第一设备获得的所述图像识别健康肝组织，并基于所述识别的有病肝组织和健康肝组织的边界获得所述健康肝组织的第一系列表面点，其中所述第一系列表面点包括在肝的表面上属于健康肝组织、通过从健康肝组织的边界点中排除有病肝组织和健康肝组织的共同边界点而确定的点；

第二设备，被配置为获得所述肝的一个或多个图像；

划分单元，被配置为基于所述第二设备获得的一个或多个图像划分所述肝，并根据所述第二设备获得的图像获得所述肝组织的第二系列表面点；

健康肝组织配准单元，被配置为基于所述第一系列表面点和所述第二系列表面点计算一个或多个变形参数；

肝划分分析单元，被配置为根据所述第二设备获得的图像识别所述肝中一个或多个感兴趣区；

转换单元，被配置为将所述一个或多个感兴趣区映射到所述第一设备的坐标空间；以及

分析单元，被配置为基于所述第一设备获得的图像分析所述映射的一个或多个感兴趣区的肝功能，其中所述分析包括对从一系列SPECT图像获得的曲线的一系列点的每个点处的斜率求和以量化所述肝的功能活动。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一设备是单光子发射计算机化断层摄影设备。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第二设备是计算机化轴向断层摄影(CT)设备。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述分析基于所述健康肝组织的第一系列表面点的所述映射。

5.如权利要求4所述的系统，其中

所述肝划分分析单元进一步被配置为根据所述第二设备获得的图像识别所述肝的内部结构；以及

所述分析基于所述识别的内部结构的区域。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述内部结构的区域被映射到所述第一设备的坐标空间。

7.如权利要求5所述的系统，其中所述分析基于识别特定区域内的同位素计数。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述分析基于计算所述特定区域的同位素计数除以整个肝区域内的总同位素计数来执行的。

9.一种在具有至少一个处理器、存储器和连接到网络的通信平台的机器上实现的用于分析肝的功能的方法，包括：

基于第一设备获得一个或多个所述肝的肝组织的图像；

基于从所述第一设备获得的图像识别有病肝组织；

基于从所述第一设备获得的图像识别健康肝组织；

基于所述识别的有病肝组织和健康肝组织的边界获得所述健康肝组织的第一系列表面点，其中所述第一系列表面点包括在肝的表面上属于健康肝组织、通过从健康肝组织的边界点中排除有病肝组织和健康肝组织的共同边界点而确定的点；

基于从第二设备得到的一个或多个图像划分所述肝；

基于从所述第二设备得到的图像得到所述肝组织的第二系列表面点；

基于所述第一系列表面点和所述第二系列表面点计算一个或多个变形参数；

根据所述第二设备获得的图像识别所述肝中一个或多个感兴趣区；

将所述一个或多个感兴趣区映射到所述第一设备的坐标空间；以及

基于所述第一设备获得的图像分析所述映射的一个或多个感兴趣区的肝功能,所述分析包括对从一系列SPECT图像获得的曲线的一系列点的每个点处的斜率求和以量化所述肝功能。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述分析基于对所述健康肝组织的第一系列表面点的映射。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

根据所述第二设备获得的图像识别所述肝的内部结构；

其中所述分析基于所识别的内部结构的区域。

12.如权利要求11所述的方法，其中内部结构的区域被映射到所述第一设备的坐标空间。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述分析基于识别特定区域内的同位素计数。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述分析基于计算所述特定区域内的同位素计数除以整个肝区域内的总同位素计数。

15.如权利要求9所述的方法，其中所述第一设备是单光子发射计算机化断层摄影设备。

16.如权利要求9所述的方法，其中所述第二设备是计算机化轴向断层摄影(CT)设备。