正电子发射计算机断层摄影中的使用平片和先前患者数据的FOV外活性估计的制作方法

以下总体涉及核医学中的成像。

背景技术：

核医学中的一种成像技术是正电子发射型计算机断层摄影(pet)，该成像技术对注射到患者体内的放射性药物的分布进行成像，揭示重要的生理过程。其主要临床应用是在肿瘤、神经和心脏成像领域。当前最新的pet相机使用以下典型的工作流程。首先，给患者注射放射性药物。在多数情况中，除非是对所注射的放射性药物的示踪动力学进行研究的动态扫描，否则多数情况下要等待一段时间，以使放射性药物达到一定的生理分布，例如在感兴趣的组织、器官或肿瘤中聚集。患者被置于进入pet膛(pet扫描器的开口)的台面上，在pet膛中，患者被一个或多个pet探测器环所包围，所述pet探测器允许两个同时的511kev的、由pet放射性药物的正电子湮灭而发射的伽马射线的探测。基于正电子湮灭的物理原理，每个探测到的事件对都定义了与发射源相交的直的响应线。大量这样的探测到的事件的集合随后可以使用特殊软件来重建，其造成创建有诊断意义的三维(3d)图像，所述三维图像揭示所注入示踪剂的时空分布。

技术实现要素：

本申请提供了用于在pet和其他核成像系统中使用的新的和改进的系统和方法。

根据一个方面，一种辐射发射成像系统包括电子数据处理设备，所述电子数据处理设备被编程为执行成像方法，所述成像方法包括：操作辐射发射成像扫描器以采集成像视场(fov)中的对象中的放射性药物的断层摄影辐射发射数据；操作成像系统以采集沿轴向设置于成像fov之外并且邻近成像fov的扩展fov中的所述对象的扩展成像数据；基于所述扩展成像数据来估计所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的分布；并且重建所述断层摄影辐射发射数据以生成所述成像fov中的所述对象的经重建的图像，包括根据所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的所估计的分布来针对从所述扩展fov到所述成像fov中的散射来校正所述经重建的图像。操作所述成像系统可以包括操作发射计算机断层摄影(ct)扫描器或磁共振(mr)扫描器以采集所述扩展fov中的所述对象的图像。另外，对所述扩展fov中的所述对象中的放射性药物的分布的估计可以基于(i)所采集的所述扩展fov中的所述对象的图像以及(ii)其他对象中的所述放射性药物的分布的数据库。如果使用其他对象中的所述放射性药物的分布的数据库，那么可以选择与所采集的所述扩展fov中的所述对象的二维辐射发射数据最匹配的另一对象中的所述放射性药物的分布。此外，如果使用其他对象中的所述放射性药物的分布的数据库，那么所述估计还可以包括：根据所采集的所述扩展fov中的所述对象的二维辐射发射数据或者所述对象的特征(例如体重、身高等)来调节所选择的另一对象中的所述放射性药物的分布。

根据另一个方面，在上一段里提到的辐射发射成像系统中，可以操作所述辐射发射扫描器以采集比fov中的经重建的图像具有更低计数统计和更低分辨率的快速全身辐射发射图像，并且所述估计可以包括基于所述对象的全身辐射发射图像来估计所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的分布。此外，所述处理可以包括使用单散射模拟，针对所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的估计的分布来对fov中的经重建的图像进行校正。

根据另一方面，扫描器可以是pet扫描器。扫描器还可以是任何其他类型的扫描器，例如单光子发射计算机断层摄影(spect)扫描器或康普顿相机。

根据另一个方面，一种存储有指令的非瞬态存储介质，所述指令能够由电子数据处理设备读取和运行以执行成像方法，所述成像方法包括：接收成像视场(fov)中的对象中的放射性药物的断层摄影辐射发射数据；接收邻近所述成像fov的扩展fov中的所述对象的扩展成像数据；基于所述扩展成像数据来估计所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的分布；并且重建所述断层摄影辐射发射数据以生成所述成像fov中的所述对象的经重建的图像。所述重建包括根据所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的所估计的分布来针对散射校正所述经重建的图像。

根据另一方面，一种成像方法包括：采集成像视场(fov)中的对象中的放射性药物的断层摄影辐射发射数据；采集沿轴向扩展超出所述成像fov的扩展fov中的所述对象的扩展成像数据；基于所述扩展成像数据来估计所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的分布；并且重建所述断层摄影辐射发射数据以生成所述成像fov中的所述对象的经重建的图像，包括根据所述扩展fov中的所述对象中的所述放射性药物的估计的分布来针对到所述成像fov中的散射对所述经重建的图像进行校正。

一个优点在于：在许多临床辐射发射扫描的情况下，当试图校正杂散fov外活性影响时，可以提高图像质量和定量。当fov与具有高活性分布的区域(例如膀胱)相邻时，它会尤其有用。

附图说明

本发明可以是各种部件和各部件的布置以及各种步骤和各步骤的安排的形式。附图仅用于示出优选实施例的目的，并不应被解释为对本发明的限制。

图1图解地示出了辐射发射成像系统的实施例。

图2示出了对象和fov区域的例子。

图3a示出了pet扫描区域和具有均匀活性的圆柱形体模的示例表示。

图3b示出了图3a中示出的均匀活性之上的经重建的图像中的示例性平均体素值。

图4示出了用于对成像fov之外并且邻近成像fov的扩展fov中的放射性药物的分布进行估计的说明性方法。

具体实施方式

通常将pet扫描器采集流程被限制到特定感兴趣区域或视场(fov)，而且为了节省扫描时间，例行地并不对fov外部的pet数据进行收集。然而，为了具有针对散射校正方法准确的估计，具有对fov外部的放射性药物分布的估计仍然是很重要的。

参照图1，说明性辐射发射成像系统10包括具有辐射探测器14的正电子发射断层扫描(pet)器12。扫描器12和辐射探测器14被布置和定尺寸为在被辐射探测器14环所围绕的检查区域内接收台面16上平卧的人体对象。虽然在图解性的图1中图示了辐射探测器14，但是应当认识到，在典型的商用pet扫描器中，辐射探测器是封装在pet扫描器12的外壳中的，因此通常外部不可见。pet扫描器12可以是传统的pet扫描器或者可以并入飞行时间(tof)功能，其中正电子湮灭事件是基于两个511kev的伽马粒子的差异探测时间沿着响应线来定位的。一些合适的pet扫描器包括可以从皇家飞利浦有限公司(荷兰，埃因霍温)买到的各种pet扫描器。

在pet成像中，向对象施予包括正电子发射的放射性同位素的放射性药物。放射性药物可以被设计为在感兴趣的器官或组织中聚集，例如大脑、肺、肿瘤等。在施予放射性药物之后，将对象载入探测区域。随着时间的推移，放射性药物会在事件中通过被称为正beta衰变的过程发射正电子。由放射性药物所发射的正电子将行进短的距离。随着其行进，其将损失能量，并且随着其损失能量，其将越来越可能与电子发生相互作用。一旦正电子与电子发生相互作用，那么正电子和电子将淹没(电子-正电子湮灭)并且产生一对511kev的伽马光子(有时也称为湮灭光子)。511kev的伽马光子向相反的方向移动并且可以在到达扫描器12中的闪烁体时被探测到。通常，假设两个同时探测到的(在定义的时间窗口内)伽马光子事件有很高的概率是由位于连接的响应线上的单个正电子湮灭事件生成的。在tofpet中，事件还根据飞行时间信息而沿着响应线被定位。

尽管说明性的辐射发射形式是pet，但是所公开的用于估计和校正视场外辐射活性的技术也适用于其他辐射发射成像模态，例如单光子发射计算机断层摄影(spect，未示出)。在该技术中，仅发射一个辐射粒子并且辐射探测器包括定义响应线(或小角度锥形)的准直器。

参照图1和图2，pet扫描器12收集视场(fov)中的pet成像数据。pet扫描器12收集的大部分数据将对应于fov内(例如，在湮灭位置)发生的事件。例如，正电子湮灭事件p1发生在fov内部，并且探测出它的511kev的伽马射线r11和r12以定义响应线。然而，pet扫描器12所收集的一些数据对应于发生在fov之外而散射进fov之内的事件。在患者平卧在台面16上的情况下，患者沿着轴向18延伸，因此，可以沿着轴向18设置在成像fov之外并且邻近成像fov的扩展fov中可以存在放射性药物的非零分布。图2中也示出了该范例：发生在fov外部的湮灭事件p2具有撞击在pet探测器上的一个伽马射线r21，以及将会错过辐射探测器环的另一个伽马射线r22(在没有散射的情况下)。在该种情况下，由于仅有一个511kev探测事件发生(伽马射线r21所产生的)，因此不会产生pet数据。然而，说明性511kev伽马射线r22经历了散射事件，使得其实际路径r22’撞击到辐射探测器上。结果是，获得了两个同时的511kev的探测事件，其定义了一条错误的响应线，导致在图像重建期间，可能被误解读为与正电子湮灭事件p2’相对应。如图所示，这样的fov外部事件主要是由于通过期间511kev的光子的散射所造成的。

返回参照图1，在处理块20中，对应于正电子湮灭事件的符合511kev的事件通过时间和能量窗口而被识别。它们大部分是正确的事件(例如对应于湮灭事件p1的响应线)，但是由于散射，导致一些是错误的响应线(例如对应于湮灭事件p2的响应线)。重建处理块22使用适当的重建过程来将断层摄影pet成像数据重建为fov的3d图像。一些适当的断层摄影图像重建算法包括滤波反投影、迭代前向后向投影算法和傅里叶变换重建算法。

由重建处理器22采用的断层摄影重建算法通常并不考虑由于fov之外的散射(例如由于事件p2)所导致的错误的响应线。为了提高重建数据中的准确度，需要校正重建过程以考虑发生在fov之外的湮灭事件。为此，在图1示出的操作30中，采集沿着轴向18被设置于成像fov之外并且邻近成像fov的扩展视场内的对象的扩展成像数据。这可以通过例如进行计算机断层摄影(ct)扫描、核磁共振(mr)扫描或利用照相相机来完成。在一些实施例中，ct扫描器在准备pet成像时所采集的调查视图((“平片(surview)”)可被用于该目的。这样的成像系统并不直接对对象中的放射性药物分布进行成像(相反，他们提供fov区域之外的解剖边界)，但是对象的这样的图像可以结合“图库”(即关于放射性药物通常是如何在对象内分布的数据库32或其他信息)来使用，以估计正在进行pet成像的即时对象中的分布。或者，通过在独立快速扫描中在fov之外操作pet扫描器12，可以收集来自fov之外的成像数据；例如，通过比通过图像重建处理器22针对fov生成的经重建的图像具有更低的计数统计的超快全身pet扫描，可以收集fov之外的信息。可以将来自超快pet扫描的fov之外的数据重建为低空间分辨率，以在散射校正技术中抑制噪声以及有效地用作fov之外的活性分布的估计。此外，在fov之外收集数据的技术可以单独使用或者相互组合使用。

在一些实施例中，操作30必需采集平片。在大部分pet扫描中，覆盖较大轴向fov的平片针对规划的目的而被采集，并且因此容易在本文所公开的散射校正中使用。平片通常是利用固定角度的(单投影)轴向ct扫描来创建的，得到2d的传输图像以及给患者的最小的额外剂量。或者，可以使用光学成像设备(光电成像设备)来建立目标的边界。在另一种变形中，可以使用pet平片(每个台面位置10秒钟左右或使用快速连续的卧榻运动)来估计总的活性而不用给患者增加大量时间和额外剂量。

在操作30没有直接对放射性药物分布进行成像的实施例中(例如当使用ct或mr成像时)，所述分布是使用其他对象的数据库(有时也称为“图库”)32来适当地推导出的。数据库适当地包含其他对象(包括对当前对象而言处于fov之外的区域)中的放射性药物分布的成像信息或者以其他方式量化的信息。可以基于施予对象的放射性药物的类型来选择使用的数据库内容。还可以基于对象的诸如性别、年龄、身高和体重指数的一个或多个特征来进一步选择数据库内容。在操作34中使用所选择的数据库内容来估计fov之外的放射性药物分布。

继续参照图1，重建断层摄影pet数据以生成成像fov中的对象的重建pet图像包括针对扩展fov中的对象中的放射性药物的估计的分布来校正重建的图像。在示出的实施例中，该校正是由子模块24使用单散射模拟(sss)来执行的，但是也预期更复杂的技术(例如考虑单散射事件和双散射事件)。通过对透射图像、解剖图(例如标识骨骼或其他可能的散射结构)等所提供的散射概率求和，sss可以沿着响应线来估计散射校正因子。

参考图3a和图3b，图示了fov之外的散射校正的影响。在该实验中，如图3a所图解地示出的，圆柱形体模被填充以均匀的放射性，其中，圆柱形体模在两端分别向fov(pet扫描区域)之外延伸了7厘米。图3b示出了沿轴向的经重建的图像的平均体素值(即，如通过轴向切面测量)。当当利用仅针对fov内部活性进行散射校正(但不针对fov外活性进行校正)完成重建时，测得的活性在fov的端附近(轴向)增加。这是由于外部的放射散射进了fov中，所述散射在fov的端部最高并且随着进入fov的距离增加(并且因此远离了外部fov散射源)而减少。测得的活性比利用本文所公开的针对外部fov活性而进行的散射校正来执行的重建的活性要高10％(在图3b中标记为δc)。该δc的大的值说明了以下操作的价值：如本文所公开地提供fov外散射校正的放射性药物分布的相对准确的量化估计；而不仅针对来自fov内的测得的活性的散射进行校正。一些传统的方法仍然可以被采用，例如将沿轴向的扩展fov中的未知活性分布近似为与在fov的最外(例如外围)轴向切片所测量的活性分布一样，然而，这样的假设在临床患者成像中从来不成立，并且可能经常导致针对散射的过度校正或不足校正。

参考图4，描述了一种由处理模块34适当地执行以根据在操作30中收集的患者图像和数据库32的内容来估计患者中的放射性药物分布的方法。图4的方法假设操作30收集了患者的图像(但是并不直接对放射性药物分布进行成像)。所述方法还假设数据库32针对一组参考患者中的每个包含的(1)参考患者的图像；以及(2)参考患者中的对应的放射性药物分布。在操作40中，选择数据库32中的与当前正在进行pet成像的患者最接近的参考患者。该选择可以基于各种因素，诸如患者特征(身高、体重、体脂度量、性别等)、放射性药物类型、放射性药物剂量、施予放射性药物和进行pet成像的时间间隔(因为所述分布可能取决于放射性药物在体内扩散并且在目标组织或器官内会集必须要用多长时间)、预期会影响放射性药物分布的医疗条件等等。在操作42中，将从数据库32种采集的选定参考患者的图像在空间上配准到在操作30中采集的患者图像。空间配准可以采用刚性或非刚性空间配准技术，并且通常必需利用适当的平移和旋转操作来对参考患者图像进行拉伸、压缩或以其他方式进行变形，以与在操作30中采集的当前患者的图像对齐。在操作44中，根据空间配准的变形参数对也从数据库32中获得的参考患者的对应的放射性药物分布进行变形。例如，应用适当的平移和/或旋转调节，并且，如果在操作42中参考患者图像在轴向(例如上下)被拉伸了10％，前后方向被拉伸了6％，并且横向被拉伸8％，那么这些变形操作同样被应用到参考患者的放射性药物分布上。在操作46中，可以应用其他调节，例如针对施予的放射性药物剂量进行校正。例如，如果施予当前患者的放射性药物剂量比施予参考患者的放射性药物剂量高出20％(其中参考患者的剂量再次是从数据库32中检索到的)，那么将参考放射性药物分布的幅度适当地提高20％以考虑剂量差异。

在图4的例子中，假设数据库32存储有参考患者的放射性药物分布的实际图像或映射图。在其他实施例中，数据库32可以存储比完整三维图像或映射图更少的内容。例如，放射性药物分布可以被存储为分布的参数化的三维模型。在此变型中，再次应用了图4的方法，其中，操作44被修改为根据空间配准的变形参数来调节参数化的三维分布模型的合适的空间参数。例如，如果所述模型包括指定轴向长度分布模型的参数，那么根据在操作42中被应用以实现空间配准的轴向拉伸或压缩来适当地调节此参数。

作为另一个变型，空间配准操作42可以由提供等价可比信息的其他操作来替代。在一种这样的方法中，在pet成像会话的扫描规划阶段，为放射科医生提供pet平片图像并且要求放射科医生指定活性对象边界，例如，通过在平片图像的gui显示上移动垂直光标以将光标与这些边界对齐。或者，可以使用自动轮廓绘制算法来勾画活性对象的边界。这里，数据库42适当地存储了参考患者平片并且对应参考患者/当前患者的活性对象边界被比较。如果实际的活性对象是通过pet平片来测量的，那么可以基于参考患者/当前患者对象边界比较来直接执行调节操作44，减少了操作42以确定刚才描述的那些边界。

在另一种方法中，可以利用大数据医疗技术。可以收集(harvest)先前扫描的患者(其图像包括当前患者fov外的区域)的大的池并且对其应用机器学习算法以导出针对处于成像fov之外的扩展fov区域内的当前患者的投影发射分布。为了将当前患者与参考患者扫描的对应的子集更加接近地匹配，选择性地使用诸如年龄、性别、身高、体重或体重指数、注射的放射示踪剂和扫描模式的患者特异或者研究特异的信息。

图1的各种数据处理部件适当地被实施为可被编程来进行以下操作的计算机或其他电子数据处理设备：(i)控制辐射发射成像扫描器12以采集辐射发射成像数据，(ii)控制被用来执行扩展fov成像数据采集操作30的额外的成像系统(如果有的话)，并且(iii)执行所公开的成像数据处理操作，以利用本文所公开的外部fov散射校正来生成经重建的图像。

还应理解，本文所公开的成像数据处理技术可以由非瞬态存储介质来实现，所述非瞬态存储介质存储有电子数据处理设备可读和可执行指令以执行所公开的技术。这种瞬态存储介质可以包括硬盘驱动器或其他磁性存储介质、光盘驱动器或其他光学存储介质、基于云的存储介质，例如raid磁盘阵列、闪存或其他非易失性电子存储介质等。

当然，他人在阅读和理解前文描述时将会进行修改和变更。目的是，本发明被理解为包括所有这样的修改和变更，只要它们落在所附权利要求或其等价方案的范围内。