[发明专利]用于根据3D解剖图像表征骨骼的中心轴的系统和方法

说明书

本文提出的是用于计算和提取动物受试者的骨骼的三维中心轴的有效且可靠的系统和方法——例如，通过体内或体外microCT平台扫描的动物受试者——以捕获所述骨骼的一般和局部切线方向，连同其形状、形式、曲率和取向。利用骨骼检测和分割算法，可以检测、分割和可视化由CT或microCT扫描仪扫描的动物受试者的骨架骨。使用这些方法确定的三维中心轴提供关于所述骨架骨的重要信息。

技术领域

本发明总体上涉及图像分析的方法和系统。更具体地，在某些实施例中，本发明涉及从受试者(例如，哺乳动物)的图像检测和定位骨中心轴，例如，用计算机断层摄影(CT)扫描仪捕获。

背景技术

有许多针对哺乳动物体内和体外成像的技术——例如，生物发光、荧光、X射线计算机断层扫描和多模成像技术。小型哺乳动物的体内成像和来自小型哺乳动物的样本的体外成像由各种领域的大量研究人员进行，例如肿瘤学、传染病和药物发现。

微型计算机断层摄影(以下称为“microCT”)成像是一种基于X射线的技术，可以以极高的分辨率对组织、器官和非有机结构进行成像。MicroCT发展迅速，需要低剂量扫描和快速成像协议，以促进多模式应用并实现纵向实验模型。类似地，现在还使用设计用于体外样本的高分辨率成像的纳米计算机断层摄影(nanoCT)系统。多模式成像涉及以不同方式获得的图像的融合，例如，通过组合荧光分子断层摄影(FMT)、PET、MRI、CT和/或SPECT成像数据。

传统的图像分析应用和/或成像系统通常允许生物医学图像的可视化、分析、处理、分割、配准和测量。这些应用和系统还提供体绘制工具(例如，体积合成、深度着色、渐变着色、最大强度投影、总体素投影、信号投影)；操纵功能(例如，定义所关注的结构区域，删除不需要的对象，编辑图像和对象图)；以及测量功能(例如，表面体素数量，暴露面的数量，区域的平面面积，区域的估计表面积的计算)。

获取动物图像可能是耗时的，并且对所获取图像的快速分析是该过程效率的关键。包含microCT图像分析的三维(3D)成像软件能够从图像中提取结构、生物和解剖学属性，如骨骼等所关注器官的厚度、孔隙度、各向异性和其它测量。由于microCT系统提供的解剖学对比度和高空间分辨率，它们被广泛用于研究骨架骨形成、结构和疾病。这种分析的自动化提高了吞吐量、准确性和功效。在经典的骨骼分析方法中，研究人员需要使用microCT平台生成的印刷图像，视觉上和手动地量化骨骼的结构属性。虽然已经开发了一些用于计算机辅助骨骼分析的图像分析系统，但骨骼分析软件提供的数字工作流程仍然需要来自用户和研究人员的大量手动输入和交互。例如，目前需要这种手动反馈来获得皮质骨和骨小梁隔室的体视学测量，例如，手动选择3-D骨骼图像的离散2-D切片，从中确定平均厚度或其它性质。

一些传统的图像分析系统专注于定位骨骼的主轴以提取骨骼的2-D切片的方向。但主轴不带有详细的形状和方向信息。主轴表示骨骼的主要和次要方向轴，如图1中所示出的，并且被定义为骨体积惯性矩张量的特征向量。如图1中所示出的，主轴不捕获关于骨骼的形状、形式、局部切线方向和曲率的详细信息——所有这些都影响骨科结构和疾病评估的自动立体学研究的精确度。主轴主要指示骨骼作为实体对象的大致方向，而不完全捕获其形状和曲率。此外，主轴不能用于表征部分圆形骨骼，例如骨盆带。因此，它们不适用于自动化2-D逐切片测量和分析。

需要用于如microCT图像等图像中的骨骼的立体学分析和逐切片表征的自动的、精确的和改进的方法。

发明内容

自动检测骨骼的中心轴显着提高了骨架骨的逐切片测量和分析的速度、效率和自动化。长骨的中心轴(例如，长度大于宽度的四肢骨，例如股骨)可以有效地封装长骨的空间特征，方向，取向和形状。中心轴的计算对于执行自动且准确的2-D逐切片平面研究，如对例如股骨和胫骨等骨骼的立体学研究是必不可少的。垂直于中心轴的2-D平面构成用于2-D骨骼分析或立体学测量的切片。自动检测骨中心轴和2-D立体学切片允许对骨骼进行全自动的基于计算机的立体学测量。