核成像中的運動校正的制作方法

專利名稱：核成像中的運動校正的制作方法
核成像中的運動校正 本發明涉及成像中的運動補償，其尤其涉及諸如正電子發射斷層攝影(PET)和單光子發射計算機斷層攝影(SPECT)等的核成像模態中的運動補償。其特別適用于期望校正被檢查對象中的運動的醫學和其他應用。 正電子發射斷層攝影(PET)是核醫學的一個分支，其中將諸如18F_氟脫氧葡萄糖(FDG)的正電子發射放射性藥物引入患者體內。隨著放射性藥物衰減，生成正電子。更具體地，在所謂的正電子湮滅事件中，多個正電子中的每一個與電子反應，由此生成符合的一對511keV伽瑪射線，其沿著響應線(LOR)以相反的方向行進。在符合時間內探測到的伽瑪射線對通常被PET掃描器記錄為湮滅事件。在飛行時間(TOF)PET掃描器中，也測量符合伽瑪射線對的到達時間的差異。TOF信息被用于預測沿著LOR的最有可能的湮滅位置。重建在掃描過程中采集的這些事件以產生指示放射性核素在患者體內的分布的圖像或其他數據。
可能影響圖像數據的質量的一個因素是對象運動。例如，人類患者在掃描過程中通常將經歷諸如心臟運動和呼吸運動的生理運動。除非得到解決，對象運動可能在重建的圖像數據中弓I入模糊和其他偽影。 用于解決這種運動的一種技術為使用門控(gating)。在心臟成像中，已經使用了諸如心電圖(ECG)的生理監測器。在前瞻性門控技術中，僅在期望的一個或多個心臟相位處采集投影數據。在回顧性門控技術中，基于采集投影數據時的心臟相位對投影數據進行選擇和重建。類似的門控技術已經被結合呼吸運動使用。 門控技術的一個缺點在于對象的運動可能是非周期性的或者另外地從一個運動周期到下一運動周期變化。另一缺點在于僅潛在可用的投影數據的子集被用于重建圖像。不利的是，減少的計數統計傾向于增加圖像噪聲，因此削弱通過減少模糊而提供的圖像質量改進。在肺部成像的情況下，已經有人建議每次門控最少需要大約六百萬至八百萬個計數以觀測圖像質量改進。參見Visvikis等人發表于IEEE Nuclear Science SymposiumConferenceRecord第6巻第3668-3672頁(2004)的題為Evalimtion of respiratorymotioneffects in comparison with other parameters affecting PET image quality的文章。 本申請的各方面解決這些和其他問題。 根據第一方面，一種裝置包括運動建模器，該運動建模器在指示對象中的放射性
核素衰減的投影數據的第一投影中對投影的投影數據的運動進行建模。該裝置還包括運動
補償器，該運動補償器使用所建模的運動來將空間校正應用于投影的投影數據。 根據另一方面，一種補償對象的運動的方法包括在指示對象中的放射性核素衰減
的投影數據的第一投影中對該對象的運動進行建模。該方法還包括使用所建模的運動來將
空間校正應用于第一投影的投影數據。 根據另一方面，一種方法包括確定在對象的檢查中采集的投影數據的空間特性的由對象的運動導致的時間變化，以及使用所確定的時間變化來校正所述投影數據。所述投影數據指示對象中的放射性核素衰減。 通過閱讀和理解隨附的說明書，本領域技術人員將認識到本發明的其他更多方
5面。 本發明可以通過各種組件和組件的布置以及各種步驟和步驟的布置而變得明顯。
附圖僅用于圖示說明優選實施例的目的，而不應被解讀為限制本發明。

圖1描述一種組合PET/CT系統； 圖2描述一種運動建模器； 圖3描述投影數據選擇器的操作； 圖4描述投影分類器的操作； 圖5描述按投影和時間分類的投影； 圖6A描述投影數據運動確定器的操作； 圖6B和圖6C描述投影數據運動確定器的操作； 圖7描述一種方法。 參考圖1，組合PET/CT系統100包括PET掃描架部分102和CT掃描架部分104。 PET掃描架部分102包括圍繞檢查區域108以大致環形或圓環形布置設置的伽瑪輻射敏感 探測器106。探測器106探測發生在PET檢查區域108中的正電子湮滅事件的伽瑪輻射特 性。 CT部分104包括圍繞CT檢查區域112旋轉的諸如X射線管的輻射源110。輻射 敏感探測器114探測由X射線源發射并已橫穿檢查區域112的輻射。 如圖l所示，PET掃描架部分102和CT掃描架部分104位于它們各自的、沿著共 同的縱軸或z軸設置的檢查區域108U12附近。對象支架116支撐諸如人類患者的要被成 像的對象118。對象支架116與PET/CT系統100的操作配合可以沿縱向移動，從而可以由 PET掃描架部分102和CT掃描架部分104 二者在多個縱向位置處掃描對象118。
CT數據采集系統122處理來自CT探測器114的信號以生成指示沿著多條直線或 射線穿過檢查區域112的輻射衰減的CT投影數據。CT重建器126使用適當的重建算法重 建CT投影數據以生成指示對象118的空間變化的輻射衰減的圖像數據。
PET數據采集系統120產生PET投影數據，諸如在圖像采集期間由探測器106探測 到的湮滅事件的列表。列表模式的投影數據通常包括所探測到的事件的列表，其中列表中 的每個條目包括諸如事件被探測到的時間以及對應的LOR的位置和取向的信息。在掃描器 具有TOF能力的情況下，還提供湮滅沿著LOR的位置的估計。或者，所采集的數據可以被分 類或面元劃分成正弦圖(sinogram)或投影面元。 局部感興趣區域(ROI)識別器140識別感興趣體積，該感興趣體積包括在PET數 據采集過程中經歷生理或其他運動的器官、病變或其他對象特征。在一種技術中，ROI是由 用戶使用對象的CT圖像、低分辨率或非運動補償的PET圖像等手動描繪的。在另一技術中， ROI是利用關于對象的先驗信息識別的。例如，在人類患者的情況下，可以使用已知的形態 特性來估計包括諸如心臟或肺的器官的ROI的位置。在又一實現方式中，計算機處理器自 動地或半自動地在CT或PET系統數據的低分辨率或其他重建中識別ROI的位置。要注意， 前述技術可以進行組合；也可以使用其他適當的技術。 如下面將更充分地描述的，該系統還包括運動建模器142和運動補償器144， 二者 協同補償對象在PET數據采集期間的運動。更具體地，運動建模器142在所采集的投影數 據的投影中對該對象的運動進行建模。運動補償器144使用所建模的運動來將空間校正應
6用于投影數據。 PET重建器146使用迭代的或其他適當的重建技術來重建經校正的投影數據，因 此生成指示對象118中的放射性核素的分布的、經運動校正的圖像空間數據。來自CT部分 的數據可以用于提供適當的衰減校正。 該系統還可以包括圖像組合器148，該圖像組合器組合來自CT重建器126和PET 重建器146的圖像數據，例如通過對經組合的圖像進行疊加或其他方式的組合以呈現給用 戶。使用圖像組合器148在期望了解CT圖像數據和PET圖像數據中的可見特征之間的空 間關系的情況下尤其有用。 工作站計算機用作操作者控制臺128。該控制臺128包括諸如監視器或顯示器的
人類可讀輸出設備以及諸如鍵盤和鼠標的輸入設備。駐留于控制臺128上的軟件允許操作
者執行一些功能，諸如與ROI識別器140交互、觀察或另外地操縱由PET重建器146和CT
重建器126生成的圖像數據、建立期望的掃描協議、開始和終止掃描等。 應該了解，系統100的變型也是可能的。例如，掃描器的CT部分可以被省略、定位
成遠離PET掃描架部分102或者被諸如磁共振(MR)掃描器的另一成像設備替換。作為另
一示例，可以由與PET掃描架部分102相關聯的透射源提供衰減或解剖信息。 現在轉到圖2，運動建模器142包括投影數據過濾器202、投影分類器204、時間分
類器206、直方圖發生器208和投影運動確定器210。 投影數據過濾器202過濾所采集的投影數據，從而舍棄由發生在所識別的ROI之 外的放射性核素衰減導致的那些事件(或者，反言之，選擇指示發生在ROI內的放射性核素 衰減的那些事件)。 各種過濾技術都是可預期的。例如，過濾器可以但并非必須在二值基礎上選擇或 舍棄事件。在后者的情況下，過濾器202可以為事件分配相對權重作為該事件發生在ROI 中的概率的線性或其他函數。在前者的情況下，可以將事件發生在ROI內的概率與閾值相 比較，并相應地選擇或舍棄該事件。 圖3描述了與對象302和ROI 304有關的投影數據過濾器202的操作。為了本示 例的目的，假設該投影數據為包括示例性的第一事件306、第二事件308和第三事件310的 TOF PET投影數據。事件沿著L0R的位置由各自的概率函數311、312、314指示。
如圖所示，第二事件308和第三事件310的LOR與ROI 304相交，而第一事件306 的LOR則不與其相交。同樣如圖所示，第二事件308與第三事件310相比相對不太可能起 始于ROI 306中。 因此，根據一種過濾技術，第一事件306將接收為零的權重，第二事件308將接收 中等權重，且第三事件310將接收相對較高的權重。根據另一技術，第一事件306將被舍棄， 因為其LOR不與ROI 306相交。第二事件308和第三事件310將被與閾值相比較并相應地 被選擇或舍棄(或者，換言之，根據實際情況分配為1或為零的權重)。
返回到圖2，運動建模器142還包括投影分類器或面元劃分器204，其根據經過濾 的事件的橫向和/或軸向投影角將它們分類成多個N投影面元或群組。每個投影群組通常 包括一范圍的投影角，其中群組的數量和位置以及每個群組的角范圍取決于諸如掃描器幾 何結構、采集統計、運動補償的期望角分辨率等的因素。要注意，各個群組可能具有不相等 的角范圍并且另外地可能位于不相等的角間隔處。在目的是補償對象在三維中的運動的情況下，各個投影的位置的選擇相應地同樣受到掃描器的采集幾何結構的影響。
在圖4中示出對于包括感興趣特征408的ROI的示例性情況的N個投影中的兩個 402。、402n。第一示例性投影402。由投影角(po和投影表面404。(例如，平面、曲面或直線)表 征；第二示例性投影402n由投影角(Pn和投影表面40《表征。因此，定位成具有大約為cpo的 投影角的那些事件被分類或面元劃分成第一投影群組402。，而具有大約為(Pn的投影角的那 些事件被分類或面元劃分成第二投影群組402n。每個事件的位置可以用其LOR 406與投影 平面404。、404n相交的位置r^、 r，來描述。 現在返回到圖2，時間分類器或面元劃分器206將各個投影404的事件分類成多個 T時間面元或群組。同樣，時間群組的數量以及每個群組的時間寬度取決于諸如采集統計、 運動補償的期望時間分辨率、投影群組的數量N等的因素。在圖5中圖示說明在投影和時 間分類操作之后按投影和時間分類的各個群組的示例，例如時間段502^502 . . 502T。
現在返回到圖2，直方圖發生器208為每個投影的時間群組中的每一個生成投影 數據直方圖H(n，t)。這些直方圖代表ROI 304中的活動到各自的投影平面404上的投影。 在一個示例中，通過對在其各自的投影平面內具有類似坐標r的那些事件計數或累加來生 成這些直方圖。在另一示例中，根據結合上述LOR過濾過程產生的權重來對這些事件加權。 在圖5中示意性地圖示說明為各個投影和時間群組生成的示例性直方圖H((pn，Tt)。
要注意，投影數據過濾、分類和直方圖生成操作的順序可以與上述不同。因此，例 如，可以在投影分類之前執行時間分類。作為另一示例，可以在逐個事件的基礎上執行選 擇、分類和/或直方圖生成操作。 一個或多個空間或時間過濾器也可以用于應用期望的平 滑、銳化、帶通或其他期望的過濾函數。可以在生成直方圖之前將這些過濾器應用于投影數 據、已經生成的直方圖或二者。 再次返回到圖2，投影運動確定器210使用直方圖數據來確定每個投影中的投影 數據的運動。另外參考圖5，直方圖H(n，t)可以由諸如位置l(n，t)和/或維度d(n，t)的 時變空間特征來表征。位置信息的示例包括幾何中心和活動中心；維度信息的示例包括感 興趣特征408的外邊緣之間的距離或直方圖本身。 例如，在特征408包括心肌的示例中，相對于其各自的投影平面404的心臟的位置 和因此的直方圖的位置可以根據受試者的呼吸運動而變化，而通常可以預期心臟的尺寸和 因此的直方圖的維度隨跳動的心臟的擴張和收縮而變化。 現在將參考圖6A描述在時變直方圖位置1的情況下投影運動確定器210的操作。 針對每個投影，針對每個時間面元的直方圖數據被用于確定作為時間的函數的位置，針對 示例性投影，該函數P (t)由曲線602圖示說明。選擇參考位置604，實際位置和參考位置 之間的差異提供時變位移矢量AP(0，該時變位移矢量A"(0描述投影平面404中直方圖的 位移并因此描述心肌層的位移。 對于具有時變維度d(例如，心肌層的直徑)的對象，投射到各自的直方圖中的事 件的運動幅度通常作為其相對于對象的位置的函數并因此作為其在投影平面404中的位 置的函數而變化。現在將參考圖6B和圖6C描述在這種情況下投影運動確定器210的操 作。針對每個投影，來自每個時間面元的直方圖數據被用于確定作為時間的函數的維度，該 函數cf (t)由圖6B中的曲線606圖示說明。還確定維度的平均值，該函數cf (avg)由直線 608圖示說明。
針對每個投影，為各個時間群組計算實際維度和平均維度之間的時變差異 Diff (t)。現在轉到圖6C，由加權函數610對差異Diff9 (t)進行加權，該加權函數610補 償特征406的空間變化位移并因此補償投影中的LOR。如圖6C所示，加權函數610在運動 中心處具有為零的值，且在感興趣特征406的外邊界處具有為1的值。要注意，運動中心可 能近似為對象的幾何中心。該加權是在圖像采集的時間段上或其他期望的時間段上執行 的，從而生成空間和時間變化的位移矢量"〖(/V)。 運動補償器144將一個或多個位移矢量/Y(0 、 D〖(/V)應用于由投影過濾器202
選擇的那些事件，由此生成經運動校正的數據集。根據期望，重建經運動校正的數據集。
現在將參考圖7進一步描述操作。 在702處，對該對象進行掃描。在掃描期間，對象的一些部分可能經歷周期性運動 或其他運動。在完成掃描后，不再需要該對象存在。 在704處，確定在掃描期間所采集的投影數據的一個或多個空間特性的時間變 化。例如，如上所述，空間特性可以包括一個或多個投影中的數據的位置或維度中的一個或 兩者。 在706處，將所確定的時間變化用于校正投影數據。例如，如上所述，可以生成一 個或多個時間和/或空間變化的位移矢量并將其應用于投影數據。
在708處，重建經校正的投影數據，從而產生圖像空間數據。 在710處，例如通過顯示代表對象的放射性核素分布的圖像，來以人類可讀的形 式呈現指示所重建的圖像空間數據的信息。 本領域普通技術人員將認識到上述各種技術尤其是那些ROI識別器140、運動建 模器142、運動補償器144、圖像組合器148和重建器146U48可以借助于計算機可讀指令 來實現，所述計算機可讀指令存儲在計算機處理器可訪問的計算機可讀存儲介質中。當被 執行時，這些指令使得(多個)處理器執行所述技術。要注意，該介質不需要是處理器的本 地存儲介質；這些指令可以經由諸如互聯網的通信網絡下載或以其他方式訪問。相關計算 機也可以定位成遠離成像系統，其中經由適當的網絡或其他介質傳遞掃描數據。
可預期存在各種變型和改變。例如，上述技術并不局限于用在心臟成像中，且可以 用于其他器官、腫瘤或其他病變，和/或人類患者或其他有生命或無生命對象的特征。此 外，這些技術可以用于補償除心臟運動和呼吸運動以外的運動。這些技術也不局限于結合 TOF PET使用，且也可以結合非TOF PET數據、多針孔SPECT和其他模態使用。在飛行時間 或其他類似信息不可用的情況下，投影數據選擇器202通常將選擇與感興趣區域交叉的那 些投影。投影數據選擇器202也可以省略，特別是在活動集中在對象的一部分中或對象的 各部分的運動相對均勻的情況下。 在另一變型中，這些技術可以被應用于基于正弦圖的圖像采集。根據這種示例，所
采集的投影數據通常應該在采集的時刻被存儲在期望的時間面元或幀中。根據這種示例，
可以省略投影面元劃分器402和時間面元劃分器404中的一個或兩者。 可以將運動校正僅應用于單個投影或者另外地應用于有限數量和/或范圍的投
影。這種實現方式在對象的運動被約束或限制在單個或小數量的方向上的情況下尤其有
用。在對象運動在各個投影之間均勻的情況下，也可以省略投影面元劃分器402。 已經參考優選實施例描述了本發明。當然，通過閱讀和理解前面的說明書容易想
9到各種修改和改變。本發明意在被解讀為包括所有這些修改和改變，只要它們落入隨附的權利要求的范圍內。
權利要求
一種裝置，其包括運動建模器(142)，其在指示對象中的放射性核素衰減的投影數據的第一投影(4020)中對所述對象的運動進行建模；運動補償器(144)，其使用所建模的運動來將空間校正應用于所述投影的投影數據。
2. 如權利要求l所述的裝置，其中，所述運動建模器(142)在指示所述對象中的放射性 核素衰減的投影數據的多個投影(402n)中對所述對象的運動進行建模。
3. 如權利要求1所述的裝置，其中，所述運動建模器對所述投影的投影數據的時變空 間特性進行建模。
4. 如權利要求3所述的裝置，其中，所述特性包括所述投影數據的中心的位置。
5. 如權利要求1所述的裝置，其中，所述運動建模器生成時變空間位移矢量，并且所述 運動補償器使用所述位移矢量來補償所述對象的運動。
6. 如權利要求l所述的裝置，其中，所述運動建模器使用空間變化加權函數(610)來補 償所述對象的特征的空間變化位移。
7. 如權利要求6所述的裝置，其中，所述運動建模器確定所述投影的所述投影數據的 第一空間維度與所述投影數據的第二空間維度之間的差異并且將所述加權函數應用于所 確定的差異。
8. 如權利要求1所述的裝置，其中，所述投影數據包括指示所述對象中的放射性核素 衰減的事件，所述裝置包括投影數據過濾器(202)，所述投影數據過濾器對所述投影數據進 行過濾以選擇指示發生在所述對象的子區域中的放射性核素衰減的事件，并且所述運動建 模器使用經過濾的數據來對所述對象的所述運動進行建模。
9. 如權利要求8所述的裝置，其中，所述投影數據過濾器根據至少三個不同的加權值 中的一個對事件進行加權，所述加權值作為所述事件指示發生在所述子區域中的放射性核 素衰減的可能性的函數。
10. 如權利要求1所述的裝置，其包括將所述投影數據分類成多個投影和時間群組的 投影分類器(204)和時間分類器(206)。
11. 如權利要求1所述的裝置，其包括生成所述投影的投影數據的直方圖的直方圖發 生器(208)。
12. 如權利要求11所述的裝置，其中，所述投影的所述投影數據包括指示在所述對象 的檢查期間的第一時刻和第二時刻發生的放射性核素衰減的投影數據，并且所述直方圖發 生器生成指示在所述第一時刻發生的放射性核素衰減的投影數據的第一直方圖以及指示 在所述第二時刻發生的放射性核素衰減的投影數據的第二直方圖。
13. 如權利要求11所述的裝置，其包括使用所述直方圖來確定所述對象的運動的投影 運動確定器(210)。
14. 如權利要求l所述的裝置，其中，所述裝置形成正電子發射斷層攝影探測器的部分。
15. 如權利要求14所述的裝置，其中，所述裝置形成包括正電子發射斷層攝影掃描器 和第二模態掃描器的系統的部分。
16. —種補償對象的運動的方法，所述方法包括在指示所述對象中的放射性核素衰減的投影數據的第一投影(402。)中對所述對象的運動進行建模；使用所建模的運動來將空間校正應用于所述第一投影的投影數據。
17. 如權利要求16所述的方法，其包括在所述投影數據的第二投影(402n)中對所述對象的運動進行建模； 使用在所述第二投影中所建模的運動來將空間校正應用于所述第二投影的投影數據。
18. 如權利要求16所述的方法，其包括在所述對象的檢查期間的第一時刻使用所述第一投影的投影數據來對所述對象中的 放射性核素的第一分布進行建模；在所述對象的檢查期間的第二時刻使用所述第一投影的投影數據來對所述對象中的 放射性核素的第二分布進行建模。
19. 如權利要求18所述的方法，其包括 對所述第一分布和所述第二分布的時變空間特性進行建模； 確定所建模的時變空間特性的值與第二值之間的變化； 使用所確定的變化來生成時變位移矢量。
20. 如權利要求19所述的方法，其中，所述方法包括根據空間變化加權函數對所確定 的變化進行加權，并且使用所確定的變化的步驟包括使用經加權的所確定的變化來生成時 變和空間變化的位移矢量。
21. 如權利要求19所述的方法，其中，所述第二值包括所建模的特性的平均值。
22. 如權利要求16所述的方法，其中，所述投影數據包括指示跳動的心臟的投影數據， 并且使用包括使用所建模的運動來補償由所述心臟的收縮導致的運動。
23. —種計算機可讀存儲介質，其包括指令，當被計算機執行時，所述指令使得所述計 算機執行根據權利要求16所述的方法。
24. —種運動補償方法，其包括確定在對象的檢查中采集的投影數據的空間特性的由所述對象的運動導致的時間變 化，其中，所述投影數據指示所述對象中的放射性核素衰減； 使用所確定的時間變化來校正所述投影數據。
25. 如權利要求24所述的方法，其中，所述空間特性包括所述投影數據在投影表面 (404)上的投影的位置或維度中的至少一個。
26. 如權利要求25所述的方法，其中，所述空間特性包括維度，并且所述方法包括對所 述數據在所述表面上的所述投影的所述維度補償空間非均勻的時間變化。
27. 如權利要求24所述的方法，其中，確定包括確定所述投影數據的多個投影中的每 一個中的所述空間特性的所述時間變化，并且使用包括使用所確定的變化來校正所述投影 的所述投影數據。
28. 如權利要求24所述的方法，其中，所述投影數據包括列表模式的飛行時間正電子 發射數據，并且所述方法包括過濾所述投影數據以選擇指示發生在所述對象的子區域中的正電子湮滅的投影數據；將所述投影數據分類成多個投影和時間群組；為多個投影和時間群組中的每一個生成指示所述對象中的正電子發射的空間分布的直方圖；使用所述直方圖來對所述對象的運動進行建模。
29. 如權利要求28所述的方法，其中，使用所述直方圖包括使用所述直方圖以在三個空間維度中對所述對象的運動進行建模。
30. 如權利要求24所述的方法，其包括使用經運動校正的投影數據來生成圖像空間數據；以人類可感知的形式呈現指示所述圖像空間數據的信息。
全文摘要
輻射探測裝置(100)采集對象的投影數據，該對象在采集期間經歷運動。該裝置包括在采集期間協同補償對象的運動的運動建模器(142)和運動補償器(144)。在一個示例中，該投影數據包括列表模式的正電子發射斷層攝影數據并且該裝置補償心臟運動。
文檔編號G06T11/00GK101765865SQ200880100417
公開日2010年6月30日 申請日期2008年7月11日 優先權日2007年7月26日
發明者M·布施, R·布林克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司