專利名稱：空間分布函數的區域重建的制作方法
技術領域：
本發明涉及醫療體積感興趣的有結構意義區域的重復性估計統計學問題， 其中采集類娥作為笛卡爾空間源分另啲投影。例如，它在諸如正電子鄉斷層顯像(PET)的醫療掃描之后估計身體的被關注區域的示蹤劑攝取是有用的。
技術背景在典型的功能醫療掃描處理期間，注入放射性標記的示蹤劑或以其他方式 由對象吞咽并在適當的時間之后，探測對象體內的示蹤劑。艦示蹤劑在整個 體內的分布使得從體內各個被關注區域中攝取的示蹤劑得出結論。在PET中，將諸如[F-18]Fluoro-2-deoxy-glucose(FDG)的方謝性標記的示蹤劑， 一種用于研究葡萄糖代謝的葡萄糖類似物，注入到對象中(例如，人)。 在考慮示蹤齊附謝的適當時間之后，執行PET掃描，其中對從示蹤劑上方湖性 標記(F-18)的方婦寸性衰變中所產生的射線進行觀懂。在PET中，當放射性標記與附近原子內的電子發生碰撞發射正電子時產 生射線。湮滅反應確保伽馬射線的光子彼此以大約180°進行發射。PET裝置內的輻射探測器布置在對象的周圍，使得從任何方鄉衰變活動所 產生的兩個光子都可以被一對探測器探測到。這樣沿連^M則器的連線可以推 出方劃射生的起源。盡管進行了前面的描述，但是皿過PET掃描中對象的任何線條所測量 的信號可提供對沿該線條定位的方謝性標記的示蹤齊啲直接觀懂是一種過分的 假設。這主要存在以下兩個原因。第一，從衰變活動中產生的射線當它穿過身體時被衰減，但該衰減是不 恒定的，因為不同的光子將穿過不同的組織類型和不同的距離。第二，由于與環境的相互作用(例如，康普頓翻寸)可改變光子的方向。然而，可以確定地說沿線條穿自象被關注區域所探測到的射線總量(積 分和)與該區域內示蹤劑的攝取有關。(例如，感興趣的區域可以是在對象為人或動物情況下的特定器官)。通M"沿大量穿過對象的線條執行多次這種測 量，可以在宏觀水平上得出關于示蹤劑在 ^對象分布的結論。斷層顯像重建提供了在徑向坐標系中估計從投影數據(掃描期間所采集的數據)計算出的笛卡爾坐標系內的數值。這一示例是逆Radon變換。重建廣泛 地用在醫療成像中，例如利用計算機斷層顯像、發射斷層顯像和透射斷層顯像 裝備所采集的數據集的重建。按照慣例，重建提供了由X、 Y、 Z坐標指示的 笛卡爾空間中的圖像。圖像中的單個體元素(體素)由最常見為矩形函數的基 本函數的線性組合來定義。其他示例包括多個點(梳齒形函數)、B樣條等。 這些幾乎總是定義在覆蓋待重建體積的均勻間隔的網格上。對于這的一個例外 是將圖像表示為空間樣條基本函數的PET重建方法，其中多個點不均勻地分 布，它們的密度與示蹤齊啲放射性密度相關。在其他方法中，解剖的先驗信息 用于得出在最大后驗概率(MAP)重建算法上的光滑約束，籍此在PET圖像 重建中于存在解剖邊界的位置上存儲界線。以這種方法在圖像中已經形成的部分體積效應(PVE)導致在攝取的區域 分析中過低或過高估計方鄉濃度。這可導致在從觀懂的魏進行生理解釋中出 錯。部分體積效應很大程度上歸因于不同攝取的臨近區域之間的像素間的相 關，其由重建算法、在區域邊界上的部分像素效應和由于在像素柵格上投影采 樣所造成的離散化誤差弓l起的。借助于傳統方法，由于這些因素統計，諸如平 均和方差可能是不可靠的，因為它們可能被過低或過高地估計。在此一個非常 重要的示例是在分部模型分析中的加權最小二乘擬和。為了抵消由于部分體積效應所造成的體素水平偏差，被關注區域(ROI) 常常在它們覆蓋整個器官或一部分器官時用于計算統計學，其中希望生理和功 能行為是統一的。常常，在圖像上沿著器官的形狀或一部分器官的形狀畫出被 關注區域，這常常比利用諸如圖像插值的可視化技術得到體素水平更加精確地 實現。然而，感興趣勾勒的再現性是很差的，因為它依賴于操作者和圖像，其 中圖像的質量強烈地與所選的重建方法有關。例如像濾波、迭代或平滑強度等 重建參數的改變可導致細微體素值的改變，這會導致臨床醫生或研究員對從圖 像得到的質量缺乏信任。對于圖像的最大區域識別，操作者經常必須M成像 顯示控制以便利用諸如亮度和對比度，或者窗口和等級(window and level)的 控制使區域的差別最大化。該項工作導致操作者間主觀上的差異，并且嚴重地限制了被關注區域勾勒的重復性。限制再現性的另一特征包括圖像顯^備的 質量和校正，其影響操作者能夠觀察的灰階數量。另外，在體素方式(voxel-wise)基礎上的動態數據重建有很高的計算要 求，因此對于實際原因，傳統上重建比最佳數量更少的動態幀或者使用次最佳 重建技術。這可潛在地導致變動微據定量分析中降低的精度。總之，所有己知的PET重建技術重建示蹤劑分布的圖像，其由于部分體 積效應和被關注區域放置的不精確在體素水平上和同樣在大部分被關注區域內 弓l入了示蹤齊嗨度估計的過低和過髙估計。校正部分體積效應的傳統方法ffii計費咴復系數解決了部分體積元，并通 )1X寸模擬系統點擴散函數(PSF)的核進行去巻積來解決相關。當使用更多的 組織類型和復雜的重建算法時，所需模型的復雜程度增加。備選方法[l]假設被 關注區域的先驗知識，并利用傳統最大概率期望最大化ML-EM重皿重建每 個被關注區域的平均放射性。顯示這一技術以便對即使比掃描儀的固有分辨率 限制更小的區域也能提供被關注區域值上顯著降低的偏差。在本發明的上下文 中，我們將"分辨率"定義為圖像上不能再細分的兩個點源間的距離(即，它 們表現為單個融合點)。我們將它與有時同樣被稱為"分辨率"的像素大小進 行區分。為了便于清楚，在本文中，像素大小將被指代為"幾何采樣大小"。 本方法的優勢在于不必模仿包括校正的重建，以及禾擁系統矩陣來模仿投影離 散化。然而，該項工作的限制在于在體素對齊的柵格上指定被關注區域并利用 離散的系統矩陶每其向前投影，然后利用具有ML-EM的相同系統矩陣進行背 向投影。精密地使用離散系統矩陣使得不會再現由于對象大小和邊界效應所造 成的部分像素效應，從而忽略對部分^f只效應的其中一個中心貢獻因素。發明內容根據本發明的第一方面， 一種估計功能性醫療掃描的受試者體內示蹤劑攝 取的方法包含附于此處的權利要求1所提出的步驟。根據本發明的第二方面，估計功能性醫療掃描的受試者體內示蹤劑攝取的 裝置包含附于此處的權利要求10所提出的特征。本發明 置信值一起直接從投影數據中估計整個成像受試者的區域值。 它依據已知推理的需要數值和置信度的結構，并且利用許多技術可將它們在連 續空間(而非離散像素空間)和次像素空間中進行指定。對于利用MR-PET組 合照相機所采集的PET腦掃描的特定示例，其中MR數據本質J^t準PET數 據，它表現為示蹤齊肪文射性分布量級的重建和在腦的所有區域中的置信值，而 沒有重建任何PET圖像的分布。本發明通過將被關注區域(ROI)指定到比掃描裝置的固有分辨率更小的 幾何采樣大小(例如，連續地)、直接從測量投影中計算專用于區域的前后投 影矩陣以及估計被關注區域放射性來減少部分體積效應的問題。研究表明極大 地降低了由于前面所列所有三種影響所造成的部分體積效應誤差，并且與基于 被關注區域分析、禾U用區域濾波背投影(FBP-Huesman)的重建或利用基于系 統矩陣的體素的區域ML-EM (ML-ROI)的傳統方法相比定量攝取值明顯地較 少偏離。本發明同樣在無需操作者介入盼瞎況下通過直接M^f采集的投影數據中重 建被關注區域統計來解決有關較差被關注區域勾勒的問題。被關注區域可定義 在例如與功能圖像的幾何結構相匹配的參考圖像上。 一個示例是在PET腦區域 中PET示蹤劑分布的均值和方差的重建，例如禾傭固有對準分割(segment) 的MRI或CT體積以定義被關注區域。最后，本發明陳述了當在體素方式基礎上重建動態圖像時所需計算能力的 減少。因此可常規地分析更多的時間幀。
參考下面的附圖，本發明將由非限定性的示例做進一步地描述，其中 圖1時示出了本發明步驟的流程圖；圖2顯示了以竇腔X線照相樣式呈現的PET采集數據的示例； 圖3顯示了在掃描領域中自象的單個角度上投影的圖畫表示； 圖4顯示了在一個特定投影角度(希塔)的特定響應線上探測從背景被關 注區域發射的概率計算的示例。圖5a和5b示出了處理結合PET-MRI掃描結果的本發明的使用，禾口 圖6示意性地示出了本發明的裝置。
具體實施例方式
參考圖1，為了處理一組根據本發明一個實施例的投影值，首先必須從參 考數據集中設定一組被關注區域(步驟l)，其可以時解剖性或功能性的(例如
灰質、白質和CSF，或者依照分割的腦模板(如所示出的))。將被關注區域規
定到小于掃描裝置固有^ll摔的計劃采樣大小。
被關注區域的規定可通3 干方法的其中一種來實現，包括 禾,基于模型的方法、基于次像素的方法、統計估計方法的其中一種從功 能性圖像中得到的手動、半自動和全自動分割； 按照以前的段落但利用解剖圖像或者
禾,對圖集、數據庫、參考模型或模板進行手動、半自動和全自動剛性或 形變配準(registration)的區域分割。
在步驟2，計算變換并應用到位置上，以及將參考數據調整到測量數據的 圖像空間坐標中。
在一個示例中， 一旦重建該測量數據，則配準該參考數據集以計算數據集 之間的變換；
在另一示例中，確保利用例如立體定位架或床系統將對象定位到掃描儀中
的適當位置上從而將測量數據固有地對準參考數據，所3^i當位置相對于參考
婁娜集是已知的使得變換是已知的；
在又一示例中，與測量數據采集同時地采集參考數據集使得出現固有對 準，例如使用組合的MR-PET、 PET-計算機斷層顯像(PET-CT)或單光子發 射計^t幾斷層顯像-CT (SPECT《T)照相機。
在步驟3，計算將連續特定的或次體素的被關注區域(在空間和時間上) 投射至嗨散的探測器箱的系統矩陣。所得到的系統矩陣表示在特定探測器對上
探測的源自特定被關注區域的mt概率(^#定的響應線)。
步驟4是任選步驟，其解決了在采集期間被關注區域的移動。計算并應用 取決于時間的幾何變換矩陣，即更改該系統矩陣以解決成像受試者的被關注區 域中所探測的移動。
在步驟5，如下面所描述的從PET/SPECT采集數據中 置信7乂平一起 計算(對^Th被關注區域)示蹤劑攝取的被關注區域值。通過將步驟3中所計 算的系統矩陣應用到根據己知方法所采集的數據中來執行被關注區域值的計 算。通過使用濾波背投影運算[2]并使用系統矩陣和迭代方法可執行背向投影。
ffi31X寸包括由平方投影算子(square projection operator)所投影的每個被關注區 域的^投影方差求和，進行投影被關注區域值可靠性的估計。
本發明依賴已經精確指定的被關注區域。這樣情況的示例存在于當同時采 集MR和PET數據集時。在這種情況下，無需用戶介入以便定義被關注區域、 消除由于圖像質量、顯示裝備和用戶的改變而產生的不確定。由于沒有重建圖 像，像素間的相互關系是不相關的，因此很容易計算置信估計。結果就于體 積中所有結構的被關注區域以完全再現的方式進行數值和置信估計的重建。
參考圖2，每一行表示投影角度，而列表示響應線。每個像素含有特定探 測器對中收集的計數總數，從而全部的列表示全部的投影。
參考圖3 ，在球形對象單個角度上的投影對應圖2所示的一歹牘腔X線照相。
參考圖4，將背景區域分成三角形并且用每條響應線接著計算三角形的交 叉點的面積。于響應線相交形成所有三角形的該區域內的總面積構成所需的概 率。這對于所有的被關注區域和所有的角度是可重復的從而完成該系統矩陣。
參考圖5a，當利用組合的PET-MRI掃描儀采集數據時，被分割的MRI固 有地與PET 對準。參考圖5b，可直接計算區域值和置信值無需重建PET 圖像。這樣計算的娜可與數據庫的正常翻進行比較。
參考圖6，實現本發明的裝置包含具有多個探測器2的掃描儀1。這些探 測器位于關于待掃描對象3的位置是已知的的位點(lod)。
在這一實施例中，掃描儀是PET掃描儀，其中探測器2適于對注入到對 象(通常是人)3內示蹤齊啲方爐性衰^^f引發的射線進行探測。由兩個探測 器2Cb同時探測衰變活動能夠推導出相關的線4，其穿自象并投f^E所述 兩個探測器上。
該裝置進一步包含M系統5，該處理系統5包括諸如顯示器和,鼠標 的人機畀面(MMI)、布置成運行應用軟件8的處理器7 (例如，經由MMI6 響應命令)和適于存儲實現本發明所必須的參考數據，諸如空間參考數據集的 貝f:存器(repositoiy) 9。
在所示的實施例中，倘若由掃描儀測得的表示投影值的數據的誠禾歸傳 送給處理系統5，則掃描裝置1直接連接處理系統5。然而這不應被認為是限 定性的，并且在其他實施例中數據可由包括無線連接、網絡連接(例如互聯網)
或者將數據存儲在諸如CD-ROM的記錄介質上以便加載到處理系統中的任意 一種方式進行傳送。
同樣，貯存器9被顯示為與處理系統的其他組件集成到一起，像例如具有 參考數據存儲在計算機存儲器上個人計算機一樣實施的系統情況。然而，在另 一實施例中，該貯存器的位置可以遠離具有由多種已知方法的任一種來幫助數 據傳送的處理系統的其他組件。
操作期間，探測器2測量對象3內示蹤齊肪婦寸性衰變所弓撥的刻寸以便提 供一組投影數據。這樣獲得一組數值，該組數值的每一賴含沿著一條在弓l起 測量的探測劉立置上進行投影的穿M象的線而觀懂的信號(伽馬發射)的積 分和。這樣撤則的該信號與該線穿過的被關注區域中感興趣的功能的值(在該 情況下，為示蹤劑的攝取)有關。
il3lMMI6，并在一個或多個可運行的應用軟件8的幫助下，用戶能夠查 洵存儲布貯存器9中的空間參考娜集，以便指定感興趣的區域。在本實施例 中的空間參考數據集可包含相似(或相同)對象的一個或多個結構掃描(例如， MRI)的結果。可選的，空間參考數據集可包含一個或多個諸如PET的功能性 醫療掃描的結果。
己經指定了被關注區域，用戶接著初始化一個或多個可運行應用軟件8以 便對在投影值測量期間對斜B探測器定位于其上的參考空間框架上的空間參考 數據集進行映射。接著將以前指定的被關注區域投影到掃描裝置的探測器的位 點上，并對每一個被關注區域計算示蹤劑攝取的值(和相關的置信值)。
參考文獻 R.E.Carson," A maximum likelihood method for region-of-interest evaluation in emission tomography," Jowma/ C謂/ wter Assistoi 7b/wogra/%vol.l0,pp.654-63,1986. R.H.Huesm叫"A new fast algorithm for tiie evaluation of regions of interest and statistical uncertainty in computed tomography,"尸/2戸'cs Me血/"e ow<i 說o/ogy'vol.29,卯.543-52,1984.
權利要求
1、在對象的被關注區域內根據一組投影數值來估計空間分布函數值的方法，所述投影數值包含沿著一條穿過對象被關注區域的線所探測信號的積分和，所述信號與該區域內的函數值有關；該方法包含以下步驟在參考空間框架上圍繞對象分布的多個位點測量該組投影數值，每個位點是所述穿過對象的線的其中一個投影；以小于分辨率的空間幾何采樣大小從空間參考數據集中指定一組被關注區域(ROI’s)，通過根據該組投影數值進行圖像重建可實現所述的分辨率；將參考數據集映射到參考空間框架上；將以前指定的被關注區域投影到所述位點上以及對每個被關注區域計算函數的值和相關的置信度。
2、 如權利要求1所述的方法，其中采集該組投影數值作為功能性或結構 性的醫療掃描，并且該對象是有生命的受試者。
3、 如權利要求1所述的方法，其中被關注區域由功能性醫療圖像掃描的 分割進行定義。
4、 如權利要求1所述的方法，其中被關注區域由結構性醫療圖像掃描的 分割進行定義。 '
5、 如權利要求3或4所述的方法，并進一步包括對圖集、娜庫、參考 模型或模板進行功能性或結構性的醫療圖像掃描的配準的步驟。
6、 如前述權禾腰求之一所述的方法，其中通過重建該組投影數做實現 在參考空間框架上的參考數據集的映射；重建數據集與參考數據集的配準以及 計算從一個數據集到另一數據集的變換。
7、 如權利要求1-5之一所述的方法，其中i!31禾鵬把受試者校準在與所 述參考數據集有關的已知位置上的定向框架或床的系統來實現在參考空間框架 上的參考數據集的映射，使得能推斷出從一個數據集到另一個數據集上的變 換。
8、 如權利要求1-5之一所述的方法，其中fflil執行功能性醫療掃描并同 時采集參考 集來實現在參考空間框架上的參考數據集的鵬寸。
9、 如前述權禾腰求之一所述的方法，進一步包括計算取決于時間的幾何 變換矩陣的步驟，該取決于時間的幾何變換矩陣修改系統矩陣以計入所探觀倒 的在成像受試者被關注區域內的移動。
10、 用于估計對象被關注區域內空間分布函數值的裝置，包含 多個探測器，它們被布置在圍繞參考空間框架上的對象分布的多個位點上以便沿穿過對象的多條線探測信號，所述信號與線所穿過的被關注區域內的函 數值有關；含有空間參考數據集的貯存器，該空間參考數據集適于定義諸如對象的物 體中的被關注區域；使得人能夠向該裝置輸入信息或從該裝置接收信息的人機界面，以及布置^M份扁程應用軟件的處理器，該M器允許用戶在空間參考數據集中指定被關注區域；將空間參考數據集鵬寸到參考的空間框架上；將被關注區域投影至蝶測器所述位點上以及對旨被關注區域計算空間分布函數值。
11、 如權利要求10的裝置，包含正電子發射斷層顯像(PET)掃描儀和 被布置成根據用戶^^令運行應用軟件以估計人體和動物體內方婦寸性標記的示蹤 劑的攝取的計算機。
12、 如權利要求11的裝置，其中可運行的應用軟件包括重建該組投影數 值的手段；將重建的數據集與參考數據集配準以及計算從一個數據集到另一數 據集的變換。
13、 如權利要求11的裝置，進一步包含用于在與參考數據集相關的已知 位置上校準對象的定向框架或床系統，使得能夠推斷出從一個數據集到另一數據集的變換。
14、 如權利要求11的裝置，包含組合的正電子發射斷層顯像(PET)和 磁共振成像(MRI)掃描儀，該掃描儀被布置戯集該組投影數據作為正電子 ^!寸斷層顯像掃描結果以M集該空間參考數據集作為磁共振成像掃描結果。
15、 如權禾腰求11的體，包含組合的正電子發射斷層顯像和計穀幾斷 層顯像(CT)掃描儀，該掃描儀被布置戯集該組投影數據作為正電子鄉斷 層顯像掃描結果以及采集該空間參考 集作為CT掃描結果。
16、如權利要求11的裝置，包含組合的單光子發射計算機斷層顯像(SPECT)和計算機斷層顯像(CT)掃描儀，該掃描儀被布置成采集該組投 影數據作為單光子劃寸計算機斷層顯像掃描結果以及采集該空間參考數據集作 為CT掃描結果。
全文摘要
本發明涉及結構意義上的醫療體積被關注區域內的再現性估計統計的問題，其中作為笛卡兒空間分布的投影采集數據。利用空間參考數據集將被關注區域(ROI)指定為高分辨率，并將它們映射到在其上進行數據采集的裝置參考空間框架上。這允許直接從測量投影中估計裝置的探測器位點上待投影的區域和被關注區域的放射性。本發明還涉及有關被關注區域較差勾勒的問題。
文檔編號A61B6/00GK101147681SQ20071015268
公開日2008年3月26日 申請日期2007年8月24日 優先權日2006年8月25日
發明者D·肖特蘭德, T·卡迪爾 申請人:美國西門子醫療解決公司