用于进行呼吸相关的计算机断层摄影成像的方法与流程

本发明涉及一种用于进行呼吸相关的计算机断层摄影成像的方法。

背景技术：

计算机断层摄影(ct)是用于通过分析原始图像来以横截面图像显示三维对象的x射线方法。与仅能够识别相对粗糙的结构和骨骼的常规透视x射线成像相比，在ct成像中还能够以小对比度差异详细地采集软组织。计算机断层图像可以以二维(2d-ct)或三维(3d-ct)产生。在三维计算机断层摄影中，从多个方向创建待检查区域的吸收轮廓，并且从其重建检查区域的体积结构(3d-ct体积)。

重建的3d-ct体积目前常规地用于例如肺和腹部癌症的放射治疗中的照射规划。放射治疗的目的是通过电离辐射破坏恶性组织，同时最大程度地保护健康组织。在每次放射治疗开始之前，执行针对恶性组织定制的照射规划。

在获得用于重建3d-ct体积的原始图像时，为此必须特别考虑待检查患者的呼吸。由于在成像期间运动的组织结构，在重建的图像中产生不期望的伪影。为了最小化这些伪影，理想的是，仅将与特定呼吸阶段相关的原始图像用于重建。因此，为了优化重建，必须为每个呼吸阶段提供足够的原始图像。因此，理想的是，在不同的纵向或z位置执行圆周扫描以获得大量原始图像的扫描方法的情况下，一次扫描应覆盖患者的至少一个完整的呼吸周期。以这种方式，可以在呼吸周期上限制肿瘤和风险组织的运动，并且可以获得尽可能小的规划目标体积(planningtargetvolume，ptv)。为了能够将原始图像分配到特定的呼吸阶段，已知所谓的呼吸相关的成像方法，其中，与成像同步地绘制呼吸曲线，特别是作为呼吸替代物(atemsurrogat)，并与原始图像一起存储。

例如作为重建3d-ct体积的基础的外部呼吸替代物，通常使用合适的传感器产生。这些传感器例如是肺活量计或拉伸带。肺活量计测量患者的呼吸流量，而拉伸带测量胸部或腹部周长的变化。记录患者胸部上的反射标记的移动的照相机系统也适合作为传感器。

然而，通过呼吸相关的重建方法获得的体积图像的精度，取决于患者在原始数据采集期间有规律和可再现地、即最佳地以恒定的呼吸频率和相同的振幅呼吸。然而，这对于每个病人并非如此。然而，呼吸频率和振幅的不规则导致不一致和不完整的原始数据。特别地，与相同呼吸阶段相关的原始图像因此显示解剖结构的差异。这又导致在最终重建中的不期望的伪影。

技术实现要素：

本发明的第一个任务是提供一种用于进行呼吸相关的计算机断层摄影成像的方法，其即使在呼吸不规则的情况下也能实现低伪影多维图像的重建。

本发明的第二个任务是提出一种装置，通过该装置，相应地即使在呼吸不规则的情况下也能实现低伪影图像的重建。

按照本发明，本发明的第一个任务通过用于进行呼吸相关的计算机断层摄影成像的方法来实现，其中，记录和在线评估患者特定的呼吸曲线，并且其中，依据在线评估的结果，与患者特定的呼吸曲线同步地控制提供多个原始图像的计算机断层摄影扫描。

在第一步骤中，本发明基于以下事实：在原始数据获取期间或者在扫描期间，当前仅在时间上与扫描并行地记录患者的呼吸信号。尽管检测到呼吸不规则，但是对扫描期间这种不规则性的立即反应，例如改变扫描速度、扫描持续时间或每次扫描拍摄的投影的数量，是不可能的。

在第二步骤中，本发明基于以下考虑：患者的检查区域的每个位置必须被扫描至少完整呼吸周期的持续时间，以便获取完整的呼吸相关的4d-ct数据集。然而，在不规则、例如在呼吸暂停或咳嗽时呼吸速度改变的情况下，可能发生的是，在第一检查位置处的数据获取是不完整的，并且在呼吸周期结束之前已经继续进行对检查区域的随后位置的检查。

本发明现在在第三步骤中认识到，即使在患者呼吸不规则的情况下，如果在线评估在扫描期间记录的患者特定的呼吸曲线，并且根据在线评估的结果与患者特定的呼吸曲线同步地控制扫描，则也可以采集完整的呼吸相关的4d-ct数据集。换句话说，扫描的执行直接受患者的同时呼吸影响。对扫描的控制因此跟随在时间上平行延伸的患者的呼吸曲线。术语“呼吸曲线”在此表示与患者呼吸相关的测量值的时间走向，即呼吸信号，因此特别包括使用任何传感器获取的呼吸替代物。术语“在线评估”特别应当理解为实时评估。

实时地在线评估患者特定的呼吸曲线使得能够特别地对呼吸频率波动或振幅的不规则作出反应。特别地，根据当前记录的呼吸曲线来调整原始数据获取的时间。为此合适的是，特别是对于检查区域的每个位置，根据当前记录的呼吸曲线延长扫描的持续时间，直到呈现显示足够的呼吸质量的关于足够多的呼吸阶段的足够的原始数据或原始图像为止。特别地，在呼吸曲线不规则的情况下，扫描的持续时间被延长，直到针对检查区域的相应位置采集了至少一个完整的呼吸周期为止，其中，在该意义上完整的呼吸周期依据期望的阶段分辨率由足够多的阶段区段组成，在所述阶段区段中分别存在具有足够质量的规则呼吸。以这种方式避免了，在对检查位置的扫描中，关于具体的呼吸阶段的原始数据不可用或仅具有不足的解剖学有效性。

换句话说，在线评估使得能够通过对在扫描期间呼吸引起的变化的即时反应，基于一致的原始数据产生可再现的3d图像，并且由此在ct重建中减少4d伪影。根据本发明，在扫描期间获得的呼吸曲线也与原始数据或原始图像一起被记录和存储。通过将呼吸阶段分配到原始图像，能够进行3d图像数据的呼吸相关的重建。

呼吸曲线反映了患者特定的呼吸模式，即患者的周期性重复的吸气和呼气过程。在本发明的有利实施例中，从呼吸曲线在线地对于扫描确定开始时间和结束时间，其中，扫描在开始时间开始并在结束时间结束。因此，扫描的持续时间直接与患者的呼吸过程的当前呼吸频率或当前持续时间相关联。直接采集呼吸频率的变化，并且呼吸频率的变化导致扫描的持续时间的相应变化。合适地，将开始时间和结束时间选择为呼吸曲线上的明显点的时间值。该明显点例如是呼吸曲线中的极值或拐点。如果确定在呼吸曲线中达到这样的明显点，则例如将相应的时间值评估为开始时间并开始扫描。然后在一时间段δt内执行扫描，直到确定下一个明显点为止。将下一个明显点的确定的时间值设置为结束时间，并结束扫描。在替换变型中，对呼吸曲线上的多个和/或不同的明显点进行评估和/或计数，并且从多个明显点的序列推断开始时间和结束时间，由此控制扫描的持续时间。

优选选择明显点，使得开始时间和结束时间之间的时间段δt至少对应于完整呼吸周期的持续时间，从而在一个扫描中包括完整的一次呼吸的所有阶段，包括吸气和呼气。在患者的呼吸均匀和正常的情况下，扫描的开始时间和结束时间之间的时间段δt因此与当前呼吸频率无关地包括完整的呼吸周期。在不规则的情况下，例如当呼吸突然变缓时，在实际呼吸周期中可能在在线评估的患者特定的呼吸曲线中没有识别到明显点作为结束时间。在这种情况下，扫描的开始时间和结束时间之间的时间段δt延长到呼吸曲线中的识别到的明显点，由此显著提高所获取的原始数据的一致性。通过评估和识别呼吸曲线中的明显点，同时评估呼吸的质量。

适宜地，在时间上与第一呼吸周期并行地在患者的纵向方向上在固定位置处进行第一扫描，其中，在第一扫描结束后，在时间上与第二呼吸周期并行地，在患者的纵向方向上的该位置的下游位置处进行第二扫描。换句话说，在与期望分辨率或检测器宽度对应的、检查区域的每个纵向位置处，执行取决于在线评估的完整扫描。因此，ct成像系统优选地以顺序扫描模式工作，其中患者的检查区域的连续位置zk至zk+x一个接一个地被扫描。在该执行中，待检查的患者被放置在支撑装置上，通常是台。该台被移动到第一固定位置zk，并且在该位置zk执行扫描，其持续时间在这种情况下取决于对同时获取的呼吸曲线的评估。在此，通常计算机断层摄影系统的机架在位置zk处围绕患者的检查区域旋转，其中，患者被来自不同方向的x射线透射，使得以投影的形式获得多个对应的原始图像。在围绕患者单次旋转或者单次运转的情况下，机架的旋转时间通常为约0.5秒。根据所使用的ct系统，通常在机架的每次旋转期间获取1000至2000个投影。在成年人的典型呼吸周期持续时间为6秒的情况下，机架因此围绕患者旋转约12次以采集一个完整的呼吸周期，使得在一个呼吸周期中采集约12000至24000个投影。

开始时间优选地被确定为对应于第一吸气最大值的、呼吸曲线极值的时间值，并且其中，结束时间被确定为对应于第二吸气最大值的、呼吸曲线的下一个极值的时间值。呼吸替代物通常在每个周期具有一个明显的极值，通常是振幅最大值，其对应于该呼吸周期内的吸气最大值。通过采集该极值或者相关联的时间点，由此可以从当前呼吸曲线采集呼吸频率。因此，扫描通过第一次呼吸的吸气最大值(即，吸气最大值出现的时间)开始并且通过后续的呼吸过程的吸气最大值(即，吸气最大值出现的时间)停止。然后移动到第一位置zk之后的位置zk+1，并且在那里通过重复该过程来进行扫描。两个连续的吸气最大值之间的时间段δt包括至少一个呼吸周期。在呼吸引起的不规则的情况下，时间段δt还包括多个呼吸周期。特别是如果患者的呼吸有时太平缓，以至于在呼吸周期中没有吸气最大值被确定为极值，则是这种情况。

在本发明的特别有利的实施例中，如果相应极值的振幅的绝对值超过预先给出的额定值，则开始时间和/或结束时间才被确定为该极值或每个极值的时间值。合适地，在扫描之前基于平静且均匀地呼吸的患者的呼吸曲线或者呼吸模式来确定额定值。如果识别出极值并且作为附加条件，极值或呼吸曲线的振幅的绝对值已超过额定值，则才开始或停止扫描。以这种方式确保了扫描在常规呼吸周期中开始并且在常规呼吸周期中停止。因此，继续进行扫描，直到已经获得了与完整呼吸周期的一致的投影数据为止。例如在咳嗽或平缓的呼吸等期间的呼吸信号的振幅的不规则性不会导致扫描中止。

进一步优选地，在扫描结束后离线评估特别是存储的患者特定的呼吸曲线。如果患者在扫描期间意外地咳嗽或呼吸曲线的质量普遍非常差，则这可能影响呼吸周期的振幅质量。这可能导致，在位置zk处没有发现极值，即没有扫描的开始时间和/或没有结束时间，因此没有扫描完整的呼吸周期。同样，在呼吸曲线中可能缺少用于重建整个呼吸周期的振幅信息。通过呼吸曲线的离线评估，能够识别这种不规则并采取适当的措施。这些措施可以是在特定位置处重复执行扫描，选择特定原始图像用于重建或者校正原始图像的阶段分配。有利地在每次在特定位置执行扫描之后执行离线评估，以便在需要时执行扫描的重复，而不需要进行纵向进给。

替换地，根据离线评估，可以与患者的纵向方向上的位置相关地识别在扫描期间发生的呼吸曲线不规则。这使得即使在检查完成之后也可以在特定位置有针对性地重复扫描。因此，在具体位置处识别到呼吸曲线中的不规则的情况下，作为适当且有利的措施，在该位置处重新执行扫描。

为了评估所获取的呼吸曲线，在优选的实施例变型中，预先给定和/或根据多个患者特定的先前呼吸曲线学习代表性呼吸曲线，其中，基于代表性呼吸曲线，在线评估患者特定的呼吸曲线。该和对此下面解释的优选的扩展本身分别独立地是有创造性的，其中，评估方法特别地且优选地适于呼吸曲线的在线评估，以便由此控制用于计算机断层摄影成像的扫描。该用于成像的方法的与此相关的特征对于借助于代表性呼吸曲线的评估方法是不重要的。

优选地根据在实际检查之前或先前获取的患者的一些呼吸曲线来学习或推断患者的代表性呼吸曲线。合适地，通过与代表性呼吸曲线的直接比较来评估当前或具体存在的呼吸曲线。特别地，这使得可以在当前呼吸曲线中预测具体时间，例如，达到最大吸气时间。因此，快速并且特别是实时地评估当前获取的和正在进行的呼吸曲线，以便在成像期间控制扫描。

有利地，从患者特定的呼吸曲线，基于代表性呼吸曲线，在线地特别是对于扫描确定开始时间和结束时间。特别地，通过与代表性呼吸曲线进行比较，根据当前呼吸曲线中的相应极值的达到来确定这些时间，为此可以从代表性呼吸曲线导出对于相应的达到的特定条件。这些条件例如是振幅的时间走向本身，呼吸曲线中对应于特定呼吸阶段的特定部分，斜率值或斜率的时间走向，即呼吸曲线的变化速度等。

在另一优选变型中，为了进行评估，从代表性呼吸曲线的值，形成由振幅和时间导数组成的元组(tupel)，其中，从元组确定中心的坐标，其中，元组关于中心被转换为极坐标，其中，将特定角度分配给对应于吸气最大值的代表性呼吸曲线的极值，其中，将患者特定的呼吸曲线的值在线地关于从代表性呼吸曲线确定的中心转换为极坐标，其中，从中分别确定当前角度，并且其中，通过将当前确定的角度与特定角度进行比较，分别在线地确定极值的时间值。中心的坐标优选地被确定为由振幅和导数构成的元组的几何重心(geometrischenschwerpunkt)的坐标。

上述变型的优点在于，直接通过分别评估的角度指示当前获取的呼吸曲线中的极值的达到。特别地，如果当前呼吸周期的振幅小于代表性呼吸曲线的振幅，则在呼吸曲线的评估中不能获得指示达到极值的特定角度。即，在这种情况下，代表性呼吸曲线的中心，在几何上来看位于通过由振幅和导数构成的值对或元组描述的当前呼吸曲线的走向、即相应的当前呼吸周期之外，使得相对于中心的评估的角度没有描述一个完整的周期。这同样适用于各个导数值(ableitungswerte)。换句话说，由于没有指示极值，所以在走向和振幅上不规则的呼吸周期被指定的评估算法评估为是不规则的。然而，扫描因此以期望的方式继续，直到获得了与完整的呼吸周期的所有希望的阶段区段一致的原始数据或原始图像为止。

本发明的第二个任务按照本发明通过用于进行呼吸相关的计算机断层摄影成像的装置来实现，该装置包括用于执行提供多个原始图像的对患者的检查区域的扫描的计算机断层摄影设备，用于获取患者特定的呼吸曲线的传感器，以及控制单元，该控制单元被设计为执行如前所述的方法。

计算机断层摄影设备有利地包括具有x射线放射源和检测器的机架，其中，机架围绕患者可旋转地设置以执行扫描。为此，患者定位在特别是可以在患者的纵向方向上移动的台上。在检查的过程中，患者以待检查的身体区域相对于机架相应地定位。为了执行顺序扫描模式，然后将台移动到不同的、特别是连续的位置zk，其中，在每个位置zk处，对检查区域执行扫描。

作为用于获取呼吸曲线或呼吸替代物的传感器，合适地采用肺活量计或拉伸带。为了记录呼吸曲线，肺活量计测量患者的呼吸流量，而拉伸带测量胸部或腹部周长的变化。此外合适地，在替代变型中，使用照相机系统作为传感器，通过该照相机系统观察位于患者胸部上的特别是反射标记的移动。

所述装置的有利实施例从与所述方法相关的从属权利要求中得到。在此，对于所述方法及其扩展所提到的优点可以类似地专用于所述装置。

附图说明

以下将参照附图更详细地解释本发明的示例性实施例。其中：

图1示出了示例性的患者特定的呼吸曲线，

图2示出了从真实呼吸曲线确定的代表性呼吸曲线，

图3在振幅-速度图中示出了真实呼吸曲线和代表性呼吸曲线，以及

图4示出了用于进行呼吸相关的计算机断层摄影成像的装置，其包括计算机断层摄影设备和用于获取呼吸曲线的传感器。

具体实施方式

图1示出了患者的示例性呼吸曲线1。呼吸曲线1作为呼吸替代物使用外部传感器、例如肺活量计或拉伸带来测量或记录。为了控制提供患者的检查区域的多个原始图像的计算机断层摄影扫描，在线评估所获取的患者特定的呼吸曲线。然后根据在线评估的结果控制扫描。为此目的的相应装置和相应的装置部件在图4中示出。

通过经由在线评估同步采集的呼吸曲线来控制扫描，特别地确保在患者的检查区域的位置zk处，记录与完整的呼吸周期的足够一致的原始数据，以便能够重建检查区域的3d图像，而没有由呼吸不规律引起的伪影。

在这种情况下，图1所示的呼吸曲线1包括五个呼吸周期3。其中的第二个呼吸周期5在其振幅上呈现不规则性。这可能是由于测量数据或患者的改变的呼吸。为了执行扫描，在最大吸气点7之后在线评估当前呼吸曲线1。在这种情况下，这是最大振幅点，或沿着呼吸曲线1的极值8。第二个呼吸周期5还示出极值9。然而，与其他极值8相比，其处于显著减小的振幅。

在检查过程开始之后，应当在患者的纵向方向上的第一固定位置zk执行第一扫描10。为此，从呼吸曲线1的在线评估，确定作为开始时间11的第一极值8的出现。在到达或确定开始时间11时，第一扫描10开始。在执行第一扫描以从不同方向捕获多个原始图像的同时，进一步同步地或在时间上并行地评估呼吸曲线1。接下来的第二个呼吸周期5的极值9不被识别为相关吸气最大值，因为其振幅值与预先给出的额定值相比太小。在另一个呼吸周期3中，在线评估才确定呼吸曲线1中的另一极值8，因为振幅足够高。在线评估将该另一呼吸周期3的这个极值8才评估为结束时间13，在确定或达到该结束时间时，第一扫描10结束。

可以看出，第一扫描10覆盖两个呼吸周期3的持续时间。第二个不规则的呼吸周期5被识别为不规则的。因此，扫描10继续，直到在常规呼吸周期2的每个阶段上采集到足够一致的原始数据为止。特别地，不是来自不规则的第二个呼吸周期5的吸气阶段的原始数据，而是来自下一个规则的呼吸周期3的吸气阶段的原始数据，用于在位置zk处重建3d图像。

在第一扫描10结束之后，在患者的位置改变(控制台进给)的情况下在位置zk+1处执行第二扫描15。与第一扫描10不同，进一步并行评估的呼吸曲线1在此示出呼吸不规则。在识别到或达到呼吸周期3的最大吸气点7或极值8时，开始第二扫描15。在识别到或达到后续呼吸周期3的最大吸气点7或极值8时，终止第二扫描15。两个极值8处的振幅值分别超过预先给定的额定值。第二扫描15包括一个呼吸周期的持续时间。

然后，移动患者并继续该方法，直到在所有期望的位置zk分别执行扫描为止。还可直接看出的是，使用所提出的方法，相应扫描的持续时间直接与呼吸频率相关联。延长或缩短的呼吸周期导致对扫描持续时间的相应调整。

在有利的变型中，在相应地执行扫描之后或者在对所有位置的扫描结束后，对所采集的呼吸曲线1执行离线评估。如果确定了呼吸曲线中的不规则性或者非常差的质量，则特别是根据不规则性的严重程度进行优先级排序，在相应的位置zk处重新进行扫描。导致重新进行扫描的不规则性特别是呼吸曲线中的缺失振幅信息，该信息对于3d图像的相位选择重建是必要的。

图2示出了在呼吸周期的持续时间内从患者的多个实际测量的先前呼吸曲线18平均或学习的代表性呼吸曲线20(连续粗线)。在位置tmax处，代表性呼吸曲线20具有最大吸气点7或其极值8，这与图1所示的规则呼吸曲线3的情况一样。事先在执行检查之前，例如基于患者的一些记录的呼吸曲线18具体地获得代表性呼吸曲线20。还可以基于经验值以患者特定的方式预先给出代表性呼吸曲线20，为此访问对应的数据库。

将代表性呼吸曲线20用于根据图1的呼吸曲线1的在线评估，以便在患者的检查或治疗期间控制扫描，以进行ct成像。

为此，图3在振幅-速度图中对于一个呼吸周期的持续时间示出了代表性呼吸曲线20以及当前记录的呼吸曲线1的族。相应的振幅值r在此相对于作为时间导数确定的速度值v绘制。代表性呼吸曲线20的值对或元组(rrepr，vrepr)的绘制，针对一个呼吸周期由于信号的周期性，产生在其半径上与角度相关的特征圆的可见旋转(umlauf)。当前记录的呼吸曲线1的相应在线评估产生沿着该圆旋转的具有偏差或偏差较小的曲线路径。

从代表性呼吸曲线20的元组(rrepr，vrepr)确定几何(中点)或经由振幅和速度值预先给出的中心c，呼吸曲线1、20的元组相对于其转换为极坐标，即距离p和相位角中心c在图3中用其坐标(cr，cv)标记。特别地，对于代表性呼吸曲线20产生分配给极值8或最大吸气8的时间的特征角在根据图3的曲线图中，相应的元组用标记。对于当前呼吸曲线1的在线评估，其中连续地或者以时间离散增量确定相位角作为用于确定相应极值的出现的明确的标准，得到并且在这种情况下，达到或超过了极值，并且相应的时间值可以用作如上所述的开始或终止扫描的开始时间或结束时间。

根据中心c的选择，通过所描述的在线评估，在具有低振幅的不规则呼吸周期的情况下，如果根据图3的相应的呼吸曲线例如位于中心c下，则在的区域中不确定相位角。在这种情况下，继续进行扫描，直到基于规则的呼吸周期确定了规则的中止标准为止。

将患者的实际测量的呼吸曲线1以规则的间隔用于调整代表性呼吸曲线20。因此，对呼吸信号的移动、特别是基线漂移作出反应。此外，将代表性呼吸曲线20与患者的实际呼吸持续匹配。根据相应的代表性呼吸曲线20，相应地调整中心c的计算。

图4示出了用于进行呼吸相关的计算机断层摄影成像的装置81。装置81包括计算机断层摄影设备83，其具有可旋转机架85，机架85包括具有扇形放射几何结构的x射线放射源87和弧形平板检测器89。为了对患者(93)的检查区域(91)进行提供多个原始图像的扫描，所述装置包括用于记录患者特定的呼吸曲线(1)的传感器(97)和被设计为执行根据上述方法的控制单元(99)。

借助计算机断层摄影设备83，为了例如对放射治疗进行准备，对患者93的检查区域91进行计算机断层摄影扫描。在此，依次扫描连续的位置。为了进行检查或成像，患者位于其上的台95移动到第一固定位置zk。机架85在该位置zk围绕患者旋转，直到获得与至少一个完整呼吸周期一致的原始数据为止。借助于对患者93的同步记录的呼吸曲线的在线评估来确定在患者93的位置处的扫描的持续时间。通过传感器97在计算机断层摄影检查期间获取呼吸曲线本身，作为呼吸替代物。作为传感器97，例如使用拉伸测量带。替换地，使用肺活量计。然后，患者位于其上的台95沿着患者的纵向方向101移动到下一个固定位置zk+1，并且执行新的扫描。

在相应的位置zk处根据在线评估的患者特定的呼吸曲线的结果控制每个扫描。为此目的使用适当实施的控制单元99。控制单元99被设计为如上所述基于对当前获取的呼吸曲线的在线评估来执行用于控制扫描的方法。

本发明不限于上述实施例。实际上，在不脱离本发明的主题的情况下，本领域技术人员可以从中推断出本发明的其它变体。特别地，结合实施例描述的所有单独特征也可以彼此组合而不脱离本发明的主题。