專利名稱：運動補償?shù)闹亟夹g(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字成像領(lǐng)域。具體來講，本發(fā)明涉及一種根據(jù)和在正電子發(fā)射斷層成像(PET)、單光子發(fā)射計算機斷層成像(SPECT)和計算機斷層成像(CT)中一樣的投影來進行運動補償圖像的重建。更具體而言，本發(fā)明涉及一種根據(jù)物體的發(fā)射或透射數(shù)據(jù)重建圖像的方法，一種用于根據(jù)發(fā)射或透射數(shù)據(jù)重建圖像的圖像處理裝置，一種PET、SPECT或CT系統(tǒng)以及一種計算機程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
在以發(fā)射計算機斷層成像著稱的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中，物體的圖像是根據(jù)檢測物體發(fā)射出的伽馬射線而創(chuàng)建的。伽馬射線可以是從物體中累積的示蹤劑(tracer)發(fā)射出的。這類示蹤劑例如可以基于18F-標記的脫氧葡萄糖(18F-fluorordeoxyglucose)。在正電子發(fā)射斷層成像(PET)中，要成像的物體內(nèi)的正電子湮滅(positron electroannihilations)使得伽馬射線以兩個伽馬光子對發(fā)射出去，它們(幾乎)以恰好相反的方向飛行。由每對伽馬光子形成的路徑代表一條線，該線有時稱為″響應(yīng)線″。正電子發(fā)射造影劑或示蹤劑在物體內(nèi)具體的分布能夠通過計算這些重合線的位置加以確定。這類信息的集合體可以用來重建一幅圖像。
典型地，伽馬光子所攜帶的能量是利用在所研究物體周圍以陣列形式排列的檢測器來檢測的。檢測器對伽馬光子所攜帶的能量進行轉(zhuǎn)換，以便記錄引起射線的核變(event)的位置。表示已檢測到的伽馬光子的電信號可以由系統(tǒng)來處理，所述系統(tǒng)典型地包括能夠處理位置數(shù)據(jù)以形成正在檢查中的組織結(jié)構(gòu)、器官或患者的圖像的、可編程數(shù)字計算機。PET成像的目的是重建人體或物體內(nèi)的造影劑或示蹤劑的分布。這種分布被稱作發(fā)射圖像，并且是根據(jù)按上述那樣獲得的發(fā)射測量或放射數(shù)據(jù)來重建的。
這種測量所需要的時間段取決于所用的示蹤劑或造影劑的半衰期以及系統(tǒng)能夠處理的最大計數(shù)速率，而且有時候是10分鐘到45分鐘。傳統(tǒng)地，在測量時段期間既需要按位置固定物體又需要按方向固定物體。對于人體或動物來說，這種固定不動的姿勢可能是非常痛苦的。此外，非常長的掃描時間因患者或器官運動而導(dǎo)致明顯的分辨率損失，對于心臟和胸部成像(在數(shù)據(jù)采集期間存在心臟和呼吸運動)而言特別如此。此外，在通過圖像重建而獲得的圖像當中也會出現(xiàn)因感興趣物體的運動或變形而造成的偽像。在已知的技術(shù)中，僅僅使用屬于確定的運動階段的數(shù)據(jù)來進行重建。這達到了偽像更少且圖像更清晰的目的，但是信噪比明顯降低，因為一些數(shù)據(jù)不再被使用來重建。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種改進的圖像重建。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，上述目的可以通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法來解決，所述方法用于根據(jù)物體的測量的時間積分(integral)來重建圖像。根據(jù)本發(fā)明的這個示例性實施例，將測量的線積分面元劃分成多個時間面元(bin)，為多個時間面元確定多個運動場并且從多個時間面元的選定面元中選擇第一數(shù)據(jù)。然后，通過利用屬于選定的時間面元的多個運動場的一個運動場，將中間圖像向前投影以形成第二數(shù)據(jù)。然后，確定第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)之間的差值，并且根據(jù)該差值更新所述中間圖像。
有利地是，上述方法考慮到了感興趣物體的運動和變形。此外，它還可以允許使似然函數(shù)最大化?？偟恼f來，根據(jù)本發(fā)明的這個示例性實施例，即使在感興趣物體中存在運動或變形的情況下，也可以實現(xiàn)正確的重建，從而產(chǎn)生具有高信噪比的清晰圖像。
權(quán)利要求2到6提供了本發(fā)明的進一步的有利實施例。
如權(quán)利要求7所述的本發(fā)明的另一個示例性實施例提供了一種圖像處理裝置，以用于根據(jù)測量的線積分來重建圖像，例如，在重建PET圖像期間，考慮到了感興趣物體的運動和/或變形。
如權(quán)利要求8所述的本發(fā)明的另一個示例性實施例提供了一種正電子發(fā)射斷層成像系統(tǒng)，它可以包括掃描儀系統(tǒng)，例如在US5,703,369中所描述的、兼顧了清晰PET圖像的掃描儀系統(tǒng)，將該篇申請在此引入作為參考，所述掃描儀系統(tǒng)即使是在感興趣物體移動和/或變形的情況下也能夠給出清晰PET圖像。
根據(jù)如權(quán)利要求9所述的本發(fā)明的另一個示例性實施例，提供了一種計算機程序產(chǎn)品，其包括與根據(jù)本發(fā)明的方法相對應(yīng)的計算機程序，當在處理器上執(zhí)行該計算機程序時引起處理器執(zhí)行操作?？梢砸匀魏芜m當?shù)木幊陶Z言來編寫該計算機程序，例如，以C++來編寫?？梢詫⒃撚嬎銠C程序產(chǎn)品存儲在諸如CD-ROM之類的計算機可讀介質(zhì)上。此外，可以從諸如萬維網(wǎng)之類的網(wǎng)絡(luò)上獲得這些計算機程序，可以從所述萬維網(wǎng)上將它們下載到圖像處理單元或處理器或任何適當?shù)挠嬎銠C中。
顯然，本發(fā)明的示例性實施例的主旨在于提供了一種用于根據(jù)測量的線積分來重建圖像的運動補償?shù)亟夹g(shù)，其考慮到了感興趣物體的運動和/或變形。具體來講，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，迭代重建技術(shù)的向前投影是根據(jù)運動場來執(zhí)行的，所述運動場描述了物體相對于中間圖像的參考柵格的運動或變形的至少其中之一。
通過下文中所述的實施例，本發(fā)明的這些及其它方面將變得非常清楚，并且將參照這些實施例加以闡述。
在下面將參照下列附圖來描述本發(fā)明的示例性實施例

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的圖像處理裝置的示意表示，所述圖像處理裝置適合于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示例性實施例。
圖2示出了依照本發(fā)明的圖1的圖像處理裝置的操作的示例性實施例的流程圖。
圖3示出了用于進一步解釋本發(fā)明的簡化示意表示。
圖4示出了用于進一步解釋本發(fā)明的另一簡化示意表示。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的圖像處理裝置的示例性實施例。圖1中所示的圖像處理裝置包括具有存儲器2的圖像處理和控制處理器1，在所述存儲器中可以存儲測量的線積分，例如檢測的正弦圖(sinogram)和在操作期間所生成和/或更新的中間圖像。所述圖像處理和控制處理器(CPU)1可以經(jīng)由總線系統(tǒng)3耦合于成像裝置(在圖1中未示出)，例如PET掃描儀(例如在US5,703,369中描述的PET掃描儀)，在此將該篇申請引入作為參考?？梢栽谶B接到圖像處理和控制處理器1的監(jiān)視器4上向操作員顯示該圖像處理和控制處理器1所生成的圖像。操作員可以經(jīng)由鍵盤5或其它輸入裝置來訪問圖像處理和控制處理器1，所述其它輸入裝置在圖1沒有示出，例如鼠標或軌跡球。
此外，經(jīng)由總線系統(tǒng)3，還可以將圖像處理和控制處理器1連接到例如運動監(jiān)視器，所述運動監(jiān)視器監(jiān)視感興趣物體的運動。在例如對患者的肺進行成像的情況下，運動傳感器就可以是呼氣傳感器。在對心臟進行成像的情況下，運動傳感器可以是心電圖(ECG)。
圖2示出了依照本發(fā)明的示例性實施例、用于操作圖1中所述的圖像處理裝置的方法的流程圖。
在步驟S1開始之后，在步驟S2中獲取放射數(shù)據(jù)。例如，這可以利用適當?shù)腜ET掃描儀或通過從存儲器中讀取放射數(shù)據(jù)來進行。所述放射數(shù)據(jù)包括未知示蹤劑濃度的多個線積分，所述未知示蹤劑濃度與正在上面發(fā)生核變的響應(yīng)線(LOR)的位置和/或方向有關(guān)，并且還包括核變在測量時間上的積分。典型地，具有相同或幾乎相同的LOR的核變被添加以形成所謂的線積分。此外，屬于平行LOR的線積分被編組在一起。這樣的一個群組稱為投影。包含從0度到180度投影的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常稱為正弦圖。在此，在后續(xù)的步驟S3中，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，另外將放射數(shù)據(jù)的核變面元劃分成時間面元。然而，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，還可以通過使用所謂的列表模式重建而將本發(fā)明應(yīng)用于空間上未進行面元劃分的單次核變。
每個時間面元都屬于確定的運動狀態(tài)。換言之，在對具有或多或少周期性運動的器官進行成像的情況下，重新排列放射數(shù)據(jù)以便于將在相似階段或相似運動狀態(tài)獲取的投影面元劃分到同一個時間面元中?？梢愿鶕?jù)利用運動傳感器獲取到的信息來確定一次核變屬于哪個時間面元，所述運動傳感器例如是呼氣傳感器或心電圖。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，還可以使用放射數(shù)據(jù)本身的固有信息，例如Klein，G.J.；Reutter，R.W.；Huesman，R.H.所著的″Four-dimensional affineregistration models for respiratory-gated PET″(核科學(xué)，IEEE學(xué)報第3期第48卷第756-760頁，2001年6月)中進一步詳細描述的平均以幾十或幾百毫秒發(fā)生的核變的重心，將該篇申請在此引入作為參考。
利用標準重建技術(shù)，根據(jù)每個時間面元來重建三維圖像?？梢砸缘头直媛手亟ㄟ@些圖像以便獲取合理的信噪比并且保持計算成本適度。在步驟S4中，為每個圖像確定一個運動場，該運動場描述該圖像相對于所選參考圖像(例如它可以是具有最高信噪比的圖像)的運動。運動場描述了在確定的時間點感興趣物體的運動和/或變形。所述運動場可以依照T.Schaffter、V.Rasche、I.C.Carlsen所著的″MotionCompensated Projection Reconstruction(運動補償投影重建)″(醫(yī)學(xué)中的磁共振41第954-963頁，1999年)中所描述的方法來確定，將該篇申請在此引入作為參考。
圖3示出了這類運動場的例子。圖3的左側(cè)示出了未受干擾的參考運動場，而在圖3右側(cè)的運動場示出了另一個運動狀態(tài)，其中運動場的柵格變形了。同圖3的左側(cè)相比，圖3左側(cè)的柵格中的格點ri由于運動而位移了矢量Δi。
換言之，運動場的柵格的格點ri描述了感興趣物體的局部運動或變形。
然后，所述方法繼續(xù)步驟S5，其中確定第一中間圖像A0(x，y)。第一中間圖像A0(x，y)例如可以是均質(zhì)分布、放射數(shù)據(jù)的濾波的向后投影或放射數(shù)據(jù)的簡單向后投影。然后，在下一步S6中，以n＝0啟動計數(shù)器。在后續(xù)的步驟S7到S12中，執(zhí)行運動補償?shù)鷪D像重建。
在步驟S7中，中間圖像A0+n(x，y)，在第一次迭代的情況下是在步驟S5中所確定的第一中間圖像，通過利用與該投影相對應(yīng)的運動場而被向前投影。換言之，通過使用在這種時間點上從與感興趣物體的運動相對應(yīng)的運動場中采集到的運動或變形信息，來向前投影中間圖像A0+n(x，y)。
然后，在后續(xù)的步驟S8中，將向前投影的A0+n(x，y)與放射數(shù)據(jù)的相應(yīng)投影進行比較以確定所投影的中間圖像A0+n(x，y)與實際測量的投影之間的差值。換言之，在步驟S8中，在運動和/或變形補償?shù)闹虚g圖像與在該時間實際測量的投影之間進行比較。在一種簡單的情況下，所述差值可以僅僅基于減法來確定。
然后，所述方法繼續(xù)進行步驟S9，其中通過使用步驟S7所用的運動場來向后投影步驟S8中所確定的差值或誤差。這可以僅僅通過在步驟S7中的向前投影期間存儲中間圖像A0+n(x，y)的各個體素的積分加權(quán)值來進行。這些積分加權(quán)值定義了體素對線積分的影響有多么大。在步驟S9的向后投影期間，在適當正規(guī)化之后可以應(yīng)用相同的加權(quán)值。在步驟S9中，這產(chǎn)生新的(更新的)中間圖像A1+n(x，y)。然后，所述方法繼續(xù)進行步驟S10，其中確定是否滿足結(jié)束標準。結(jié)束標準例如可以是對放射數(shù)據(jù)的所有投影執(zhí)行了迭代或?qū)嶋H測量的投影與中間圖像A0+n(x，y)之間的差值低于預(yù)定閾值。假如在步驟S10中確定不滿足結(jié)束標準，則所述方法繼續(xù)進行步驟S11，其中將計數(shù)器n增量n＝n+1。然后，所述方法繼續(xù)進行步驟S7，其中在步驟S9中確定的新中間圖像被向前投影。然后，迭代地執(zhí)行步驟S7到S11直到滿足結(jié)束標準為止。假如在步驟S10中確定滿足結(jié)束標準，則所述方法繼續(xù)進行步驟S12，在步驟S12該方法結(jié)束。
換言之，如上所述，在迭代重建期間，根據(jù)選定的投影(或選定的響應(yīng)線LOR)的信息來更新中間圖像A0+n(x，y)。每個投影都屬于一定的運動狀態(tài)，并且格點ri的位置由于運動而位移了矢量Δi。然后，正如參照步驟S7所示的那樣，在向前投影中，計算位于每個格點上的活動對所選投影中信號的作用。根據(jù)本發(fā)明，在這個步驟中，使用當前運動狀態(tài)下格點的真實位置ri+Δi，由此就考慮了運動補償。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，考慮柵格的局部變形。局部拓撲結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，這是因為格點處的圖像值代表格點附近的活動。附近區(qū)域上的活動的分布通常稱為基函數(shù)?；瘮?shù)例如是體素或斑點(blob)。根據(jù)如上所述的本發(fā)明，基函數(shù)的形狀同樣也經(jīng)受了由運動場所引起的局部變形。正如參照圖2所描述的那樣，這是通過利用與步驟S7中的向前投影和步驟S9中的向后投影當中的投影相對應(yīng)的各個運動場來進行的。在第一近似中，旋轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)(sheer)和/或拉伸或壓縮都可以描繪出這種局部變形。在變形之后，可以使斑點正規(guī)化，以便確保由圖像所表示的正?；顒邮呛愣ú蛔兊?。
如上所述的，圖3示出了兩個運動場在左側(cè)，第一運動場包括屬于參考時間面元的、無變形的矩形柵格；在圖3的右側(cè)，描述了第二變形柵格，在其中格點位移了矢量Δi。圖3左側(cè)的運動場是參考圖像A0+n(x，y)的運動場。圖3右側(cè)的運動場描繪出了在時間點ti上感興趣物體與圖3左側(cè)上所示的參考柵格或參考運動場相比的運動和/或變形。如上所述，可以將斑點用作描述格點ri附近的活動的基函數(shù)。在圖3的左側(cè)，示出了位于參考柵格上的格點ri處的未受干擾的斑點。圖3的右側(cè)示出了在考慮感興趣物體的運動和變形之后同一個斑點的位移和變形。正如從圖3的右側(cè)可以看出，與圖3的左側(cè)相比，斑點已經(jīng)從左側(cè)的圓形變形成圖3右側(cè)的類似雞蛋的形狀。此外，斑點的位置已經(jīng)移動到右側(cè)并且斑點的寬度已經(jīng)增大。
圖4的左側(cè)示出了2D標準斑點的3D視圖。圖4的右側(cè)示出了如果在一個方向上按因數(shù)1.5壓縮局部變形的情況下斑點的視圖。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過利用運動場來向前投影參考圖像A0+n(x，y)，以便對該參考圖像進行運動和變形校正，并將其投影到分別被測量的放射數(shù)據(jù)的投影上。因此，通過向后投影中間圖像的校正因數(shù)來考慮這種運動和變形信息，就能夠利用來自于放射數(shù)據(jù)的各個投影的迅即且直接地相應(yīng)的信息來僅僅更新每個基函數(shù)，即中間圖像的體素或斑點，利用所述信息能夠避免最終圖像中的模糊效果或拖尾效果并且能夠提供清晰的PET圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在單個重建過程中使用全部數(shù)據(jù)以便使圖像的共用似然函數(shù)最大化。此外，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很清楚的是可以將上述技術(shù)應(yīng)用于PET、SPECT或CT成像中所有已知的迭代重建技術(shù)，這些已知的技術(shù)例如是RAMLA、ME-ML、OS-ME-ML或ART。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)物體的測量的線積分重建圖像的方法，所述方法包括下列步驟將測量的線積分面元劃分成多個時間面元；為多個時間面元確定多個運動場；從多個時間面元的選定面元中選擇第一數(shù)據(jù)；通過利用屬于所選時間面元的多個運動場的一個運動場來向前投影中間圖像以形成第二數(shù)據(jù)；確定第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)之間的差值；以及基于所述差值來更新所述中間圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述中間圖像是根據(jù)向后投影更新的，所述向后投影是利用屬于所選時間面元的運動場來執(zhí)行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中多個運動場包含相對于關(guān)于測量的線積分的中間圖像的基函數(shù)的位置移動和局部變形的信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中迭代地執(zhí)行權(quán)利要求1的步驟直到已經(jīng)滿足結(jié)束標準為止。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個運動場描述了物體相對于所述中間圖像的基準柵格的運動和變形的至少其中之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個運動場是根據(jù)一組圖像來確定的，在該組圖像中每一個圖像是僅僅利用來自于多個時間面元的一個時間面元的數(shù)據(jù)而重建的。
7.一種用于根據(jù)測量的線積分來重建圖像的圖像處理裝置，包括存儲器，用于存儲正電子放射數(shù)據(jù)；和圖像處理器，用于根據(jù)測量的線積分來重建圖像；其中所述圖像處理器適合于執(zhí)行下列操作將測量的線積分面元劃分成多個時間面元；為多個時間面元確定多個運動場；從多個時間面元的選定面元中選擇第一數(shù)據(jù)；通過利用屬于所選時間面元的多個運動場的一個運動場來向前投影中間圖像以形成第二數(shù)據(jù)；確定第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)之間的差值；以及基于所述差值來更新所述中間圖像。
8.一種正電子發(fā)射斷層成像系統(tǒng)，其中該正電子發(fā)射斷層成像系統(tǒng)包括用于存儲測量的線積分的存儲器和圖像處理器，其中所述圖像處理器被設(shè)置成執(zhí)行下列操作將測量的線積分面元劃分成多個時間面元；為多個時間面元確定多個運動場；從多個時間面元的選定面元中選擇第一數(shù)據(jù)；通過利用屬于所選時間面元的多個運動場的一個運動場來向前投影中間圖像以形成第二數(shù)據(jù)；確定第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)之間的差值；以及基于所述差值來更新所述中間圖像。
9.一種計算機程序產(chǎn)品，其包括計算機程序裝置，當在處理器上執(zhí)行計算機程序裝置時引起處理器執(zhí)行下列步驟將測量的線積分面元劃分成多個時間面元；為多個時間面元確定多個運動場；從多個時間面元的選定面元中選擇第一數(shù)據(jù)；通過利用屬于所選時間面元的多個運動場的一個運動場來向前投影中間圖像以形成第二數(shù)據(jù)；確定第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)之間的差值；以及基于所述差值來更新所述中間圖像。
全文摘要
在PET成像過程中長的掃描時間因患者或器官運動而可能會導(dǎo)致明顯的分辨率損失。根據(jù)本發(fā)明，變形或運動可以通過根據(jù)描述感興趣物體的運動和/或變形的運動場來執(zhí)行中間圖像的向前投影和/或向后投影而得以補償。
文檔編號G06T11/00GK1809841SQ200480016973
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者T·科爾勒 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司