专利名称：产生跳动的心脏的计算机断层造影图像的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过按照体素地再现来自预先给定的心脏周期阶段的立体数据组来产生跳动的患者心脏的计算机断层造影图像的方法和计算机断层造影设备。
背景技术：
类似的方法和计算机断层造影设备一般由心脏CT公知，其例子可参考文献“Heart-Rate adaptive Optimization of Spatial and Temporal Resolution forECG-Gated Multislice Spiral CT of the Heart”，Thomas Flohr and Bernd Ohnesorge，Journal of Computer Assisted Tomography，25(6)907-923。在这种公知的CT心脏成像方法中，与CT扫描并行地记录患者的EKG，并与所获得的检测器数据一起存储起来。然后利用典型的EKG结构、如R锯齿可以回顾性地选择对应于一个特定心脏阶段的检测器数据，并从相对于R锯齿的一个特定周期时刻开始再现图像数据。心脏立体的这种相位分辨的图像显示既可用于冠状动脉的CT血管造影又可用于对心脏的功能诊断。对于功能诊断则需要许多在不同时间间隔展示整个心脏周期的图像。相应地在相对于后续R锯齿的不同开始时刻再现立体数据组，但为此所需的检测器数据跨越了更大的心脏阶段。通常可以从中再现出时间上相继的单幅图像的数据集合时间段甚至互相重叠，因为使得操作员需要连续心脏图像的时间间隔大多小于必须采集用于再现图像的数据的时间段。
因此，心脏阶段的特定时刻的数据组被多次用于再现不同开始时刻的立体数据组，由此会产生很大的计算量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于对患者的跳动心脏产生计算机断层造影图像的方法和计算机断层造影设备，其使需要的计算量减少。
发明人已经认识到，可以在计算心脏CT图像的时间序列时显著减小计算量，其中在按照体素再现立体数据组时不是利用一个完整的半周数据组来再现每个体素或每个体素组，而是首先由小的数据段部分地再现出单个体素，然后将很多部分体素累加起来使得它们的总和相当于一个完整的半周。由此可以以一个或多个心脏周期内的小的阶段时间段计算不完整的体素(部分体素)序列或不完整的体素组。然后可以从任意一个时刻开始将在时间上先出现的不完整的体素累加起来，使得它们的数据量对应于一个半周。这种计算操作是简单的相加，必要时是加权的相加，但可以比完整地再现更为简单地执行。如果现在从另一个开始时刻起计算体素或体素组，则只需要访问另一组已经预先计算出的部分体素，并进行相同的累加。必要时还存在这样的可能性，如果下个时刻存在或早或晚的数据段，则从已经计算出的最终体素中去除一个最初涉及的不完整体素，并在另一侧(从时间上看)添加一个新的不完整体素。这些操作在数学上非常简单，并且能以很高的速度执行。当然在此不仅可以计算一个体素，还可以计算体素组，例如一个特定截面或一个特定立体区域的所有体素。
因此基本思想就在于，将对一个体素的循环扫描分为具有可选大小的小角度段，每一段都能独立地被再现，并且将被再现的不完整体素与其心脏阶段相关联地存储起来。然后必要时加权地累加针对心脏阶段和体素的不完整体素，并计算为一个或一组完整的体素。
由此发明人建议了一种用于对患者的跳动心脏产生计算机断层造影图像的方法，具有以下方法步骤-为了扫描患者至少使一个X射线管相对患者围绕患者和系统轴旋转，-接收与脉冲相关的患者的时钟信号，以从该时钟信号中确定心脏的周期阶段和周期，-由至少一个检测器、优选为至少一个多行检测器在至少一个X射线管旋转期间连续检测X射线的衰减，并作为检测器输出数据输出到控制和计算单元，-将扫描立体划分为小的三维立体元(＝体素)，对每个体素都查找与该体素相交的射线和从中产生的检测器输出数据，-由这些针对体素的检测器输出数据再现出不完整的体素值，其中用于再现体素的各个检测器数据综合起来只包含一个扫描段，该扫描段只对应于一个半周的一小部分，-每个被再现的不完整体素都具有一个时间戳，从中可以确定再现该体素的周期阶段和周期，-为了进行计算出来自第一心脏阶段的至少一个完整体素值的第一计算，将来自该心脏阶段的多个不完整体素值累加，直到这些体素的扫描段之和至少等于180°，-为了进行计算出来自第二心脏阶段的至少一个完整体素值的第二计算，将来自该心脏阶段的多个不完整体素值累加，直到这些体素的扫描段之和至少等于180°，-将第一心脏阶段和第二心脏阶段相交叠。
通过本发明的方法，虽然需要首先再现心脏周期期间的所有部分体素的计算开销，但这是一次性完成的，从而可以非常容易地通过简单叠加正确的部分体素而产生用于显示跳动心脏的立体数据组的时间序列。为此所需的计算开销的总量被极度减小。
采用上述基本原理，可以按照不同的视角来进行立体显示。一方面可以从唯一的一个心脏周期中挑选出将组成一个完整体素值的不完整体素值，这意味着所有图像数据来自一个较长的心脏周期阶段。另一方面还可以从至少两个相继的心脏周期中提取出将组成一个完整体素值的不完整体素值。由此从中提取出图像数据的心脏阶段的整个持续时间被减半，或者如果采用三个相继的心脏周期则减为三分之一。因此形成了较高的时间分辨率，但相反心脏在多个心脏周期期间不一定会恰好位于相同的位置，由此可能由患者的一次旋转产生位置模糊。
但是还可以由一个心脏周期的检测器数据再现出不完整的体素值，或者另一方面由多个相继心脏周期的检测器数据再现出不完整的体素值。原理上，在此对于采用来自多个心脏周期的检测器数据来说减小了时间分辨率，而提高了由于整个患者的运动而导致的运动模糊的危险。
除了上述变形之外，还可以取代一个X射线管而采用多个X射线管来扫描心脏，其中将组合为一个完整体素值的不完整体素值又可以分别来自一个X射线管产生的检测器数据，或者来自至少两个不同X射线管产生的检测器数据。
在上面所述的方法变形中首先只涉及一个体素值，还可以对应于穿过患者或心脏的一个截面、优选一个轴向截面来对多个被观察体素分组，并按组来计算。
在该方法的另一变形中，在计算第二心脏阶段时从第一心脏阶段的完整体素中减去不属于第二心脏阶段的不完整体素值，必要时还要进行加权，并且只累加第一心脏阶段期间的新体素值，必要时进行加权。简单地说，这相当于减去先前时间段的数据，并增加较晚时刻的数据，也就是交换了两个数据组。如果用于计算出不完整体素的各个部分段的数量非常小，则由此还会节省很多计算时间。
原则上可以连续地在整个时间和位置的扫描期间一次性再现所有不完整体素值，但在本发明的范围内，可以为了一次性再现所有不完整体素值而预先给定心脏周期的一个小于整个心脏周期的阶段时间段。这在只应当计算一个特定的心脏周期区域并且例如在R锯齿周围(其中心脏运动得太快)不应当计算出图像时是有意义的。由此相应于比整个心脏周期短的阶段时间段可以导致计算时间的减少。
优选地，在本发明的方法中为了再现所有不完整体素值而采用相同大小的检测器数据段。此外，在此尤其有利的是这样选择段的大小，使其的整数倍为至少一个180°段(即至少一个半周)。在该变形中，不再需要在累加不完整体素值时进行其它情况下需要的加权。
本发明的方法既可以与顺序扫描又可以与螺旋扫描结合使用，但连续螺旋扫描的应用特别有利，因为其对整个检查区域连续地扫描。
作为与脉冲相关的时钟信号，例如可以采用EKG导数，或者机械脉冲的压力脉冲导数，如在某些微调设备中用于显示心脏频率的机械脉冲。
对应于上面所描述的本发明的基本思想，发明人还提出了一种用于对患者的跳动心脏产生X射线CT图像的计算机断层造影设备，其包括利用至少一个X射线管和至少一个检测器对患者进行旋转扫描的装置，其中检测器连续检测X射线的衰减，并作为检测器输出数据输出到控制和计算单元，此外还包括用于检测与脉冲相关的时钟信号的装置以及由至少一个计算单元和在运行时执行上述方法步骤的程序或程序模块组成的系统。
下面借助附图中的优选实施例详细描述本发明，要说明的是其中只示出了对直接理解本发明很重要的元件。在此采用了以下附图标记1计算机断层造影设备；2X射线管；3检测器/多行检测器；4系统轴；5外壳；6可移动患者卧榻；7患者；8EKG导线；9控制和计算单元；10控制和数据导线；11焦点位置；11’第二焦点位置；12穿过体素的X射线；12’从第二焦点位置穿过体素的X射线；13扫描螺旋；14体素；15.x焦点的穿过体素落在检测器上的扫描射线；16EKG导数；17R锯齿；18R锯齿的回顾性时间位移；T1图像计算的第一起始时刻；T2图像计算的第二起始时刻；Vx不完整的体素值；Z系统轴；U电压；t时间。
图中具体示出图1示出用于执行本发明方法的计算机断层造影设备；图2示出对检查对象体内的体素的螺旋扫描的示意图；图3示出扫描射线穿过体素落在多行检测器上的变化过程；图4示出包括位于下面的EKG导数的按照体素和按照片段的再现分组的示意图；图5示出从图4中选择用于显示特定扫描时刻的再现分组；图6示出用于计算体素值的时间上连续的移动的示意图；图7示出选择再现阶段范围的示意图。
具体实施例方式
图1示出用于进行螺旋扫描的计算断层造影设备1。为此X射线管2与设置在对面的检测器3一起位于具有外壳5的支架上。在检测器3和X射线管2之间具有一个开口，患者7在X射线管2和检测器3旋转期间可以借助可平移的卧榻6穿过该开口地移动。通过X射线管/检测器系统的旋转运动和同时患者7在系统轴4方向上的连续平移而形成相对于患者的螺旋形扫描。该运动通过控制和计算单元9控制，而同时计算单元9还通过控制/数据导线10在扫描期间采集检测器输出数据并进行处理。此外，在扫描期间通过EKG数据导线8由集成在控制和计算单元9中的EKG记录患者的心脏行为，并与所拍摄的检测器数据地存储起来。
计算操作和本发明方法步骤的执行通过存储在控制和计算单元中的程序Prg1-Prgn进行。
X射线管2的焦点11在螺旋轨道13上围绕患者的相对运动在图2中示出。在该图中，为清楚起见示出一个体素14，其应当表示患者体内的特定立体元。有两条射线12和12’穿过该体素14，这些射线从焦点位置11和11’出发穿过该体素并到达对面的检测器。为了完整地再现体素14的体素值，需要总地覆盖180°旋转角的检测器信息。但也可以在小于180°的子片段上进行体素再现，然后计算不完整的体素值。因此如果将一个180°的片段分为三个60°的子片段，则在这些各60°的子片段上再现不完整的体素值，然后将这些不完整体素值累加，由此获得一个完整的、与在180°的片段上再现的体素值相同的体素值。
图3中由路径15.1-15.3示出这种射线的三个示例性轨迹，该射线从焦点11出发穿过特定的体素并到达对面的检测器。根据本发明，体素的在扫描时形成于检测器上的投影被分为对应于小于180°角度的子片段。优选这样进行该划分，使得这些子片段的整数倍加起来恰好等于180°。在后面的图4-7中采用60°子片段，从而为了产生一个完整的体素值可以分别叠加3个不完整再现的体素。当然还可以分为更小的片段。
图4示出用于说明该情况的图，其中关于时间绘制一个心脏周期的部分体素值V1-V13，同时在下面与时间相关地显示EKG导数16。关于EKG导数在纵轴上记录电压电位U，关于部分体素Vx显示Z坐标。在该时间过程中先前进行的在系统轴方向上的移动通过部分体素值Vx的连续上升来表示。
图4下方的图5再次示出连续再现不完整体素Vx的示意图，但在此通过箭头18确定第一心脏阶段I的起始时刻T1，回顾性地从应当在此计算出完整体素的EKG中的R锯齿17开始。根据下面的预定输入用于再现一个完整体素值Vx的子片段应当覆盖60°，则需要三个子片段来形成一个完整的体素值。对应地，在该例中需要体素值V6、V5和V4来形成完整的体素值。由于已经结束了计算开销很大的再现操作，因此在时刻T1产生完整的体素值可以用很小的计算开销完成。如果操作员现在不想从时刻T1开始而想从时刻T2(对应于第二心脏周期阶段)开始、也就是从一个稍晚些的时刻开始来重新确定完整的体素值，则只需累加不完整体素值V5、V4和V3来替代不完整体素值V6、V5和V4，如图6所示。该计算操作也可以非常简单地执行，并且在所采用的计算机中只需较少的计算能力。
该措施通过图6示出。示出两个心脏阶段I和II，分别从时刻T1和T2开始，它们对应于不完整体素值V4-V6和V3-V5。如上所述还可以通过减去不完整体素值V6和加上不完整体素值V3来从第一心脏阶段I的完整体素值中计算出第二心脏阶段II的完成体素值，而不需要进行新的再现。
如果想要在该心脏周期期间运行电影序列，则可以在事先成功进行了不完整体素的再现之后例如从不完整体素V13开始，接着相继累加第三分组Vn-0到Vn-2，其中n＝13到n＝3，并计算为完整的体素值。如果这是针对特定的立体或截面进行的，则形成显示心脏运动的电影序列。在此所需要的计算操作仍然很少。
因此根据所示方法，可以顺序地从心脏周期内的第一较早时刻开始，按照时间顺序地计算多个体素值，由此也以很少的计算开销顺序地显示整个立体。
如果所采用的能从中计算出不完整体素的子片段小得多，例如在30°或更小的范围内，则有利的是取代分别重新累加所有需要的部分体素值而从事先计算的完整体素中只除去位于时间轴的一侧的不完整体素，并将在另一侧的一个新的不完整体素添加到剩余值中，由此再次节省了大量的计算时间。如果由多个X射线管提供了数据，则该数据可以按照相应方式一起记录到不完整体素的可供使用的数据池中，其中操作员可以简单和计算强度不大地从现有的数据中选择形成图像最佳的组合。
在本说明书中特别要指出，本发明的方法不限于计算单个体素，当然也可以按照组来计算不完整体素，从而可同时以上述方式由大量的单个体素计算出整个图像片段，或图像立体。
此外还要指出，根据本发明的方法也可以采用来自同一个心脏阶段的多个心脏周期的多个不完整体素值来用于计算完整体素值。在此相应改善了时间分辨率。
图7再次表明不需要再现心脏周期的整个区域，而是首先用不完整体素再现感兴趣的某个心脏阶段区域19就足以，其中可以读取出这样的时间区域，在这些时间区域中一开始就很清楚由于心脏的运动太剧烈而不可能形成足够清晰的图像。
可以理解，本发明的上述特征不仅可以按照分别给出的组合还能在不脱离本发明范围的情况下以其它组合或单独使用。
总之，通过本发明提出了通过逐个体素地再现来自预先给定的心脏周期阶段的立体数据组来产生患者跳动心脏的计算机断层造影图像的方法和计算机断层造影设备，其中首先由比180°小得多的、对应于小的心脏阶段片段的投影片段计算出多个按照体素的部分再现。接着分别在所观察的心脏阶段从不完整再现的体素数据池中累加出完整的体素数据，该完整的体素数据总共包括至少180°并来源于一个预先选择的心脏阶段。
权利要求
1.一种用于对患者(7)的跳动心脏产生计算机断层造影图像的方法，具有以下方法步骤1.1.为了扫描患者(7)使至少一个X射线管(2)相对于该患者(7)围绕该患者(7)和系统轴(4)旋转，1.2.接收患者的与脉冲相关的时钟信号，以从该时钟信号中确定心脏的周期阶段和周期，1.3.由至少一个检测器(3)、优选为至少一个多行检测器连续检测在该至少一个X射线管旋转期间X射线(12，12’)的衰减，并作为检测器输出数据输出到控制和计算单元，1.4.将扫描立体划分为小的三维立体元(＝体素)(14)，对每个体素都查找与该体素相交的射线和从中产生的检测器输出数据，1.5.由这些针对体素的检测器输出数据再现出不完整的体素值(Vi)，其中用于再现体素的各个检测器数据综合起来只包含一个扫描段，该扫描段只对应于一个半周的一小部分，1.6.每个被再现的不完整体素值(Vi)都对应于一个时间戳，从中可以确定再现该体素(14)的周期阶段和周期，1.7.为了进行由第一心脏阶段(I)对至少一个完整体素值的第一计算，将来自该心脏阶段(I)的多个不完整体素值(V4-V6)进行累加，直到这些体素值(Vi)的扫描段之和至少等于180°，以及1.8.为了进行由第二心脏阶段(II)对至少一个完整体素值的第二计算，将来自该心脏阶段(II)的多个不完整体素值(V3-V5)进行累加，直到这些体素的扫描段之和至少等于180°，1.9.将该第一心脏阶段(I)和第二心脏阶段(II)相交叠。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组成一个完整体素值的不完整体素值(Vi)源自一个心脏周期。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组成一个完整体素值的不完整体素值(Vi)源自至少两个相继的心脏周期。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，只由一个心脏周期的检测器数据再现不完整的体素值(Vi)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，由多个相继心脏周期的检测器数据再现不完整的体素值(Vi)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述组合为一个完整体素值的不完整体素值(Vi)分别源自一个X射线管产生的检测器数据。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述组合为一个完整体素值的不完整体素值(Vi)分别源自至少两个不同X射线管产生的检测器数据。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，对应于穿过患者或心脏的一个截面、优选为一个轴向截面来对多个完整的体素进行分组，并按组来计算。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在计算第二心脏阶段(II)时从第一心脏阶段(I)的完整体素值中减去不属于第二心脏阶段(II)的不完整体素值(V6)，且必要时进行加权，并且只累加相对于第一心脏阶段的新体素值(V3)，且必要时进行加权。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，连续地在整个时间和位置扫描期间一次性再现所有不完整的体素值(Vi)。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，为了一次性再现所有不完整的体素值(Vi)而预先给定心脏周期的一个小于整个心脏周期的阶段时间段(19)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，为了再现所有不完整的体素值(Vi)而采用相同大小的检测器数据段。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，这样选择所述段的大小，使其的整数倍是180°段。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，该方法可与螺旋扫描结合使用。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，该方法可与顺序扫描结合使用。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，作为与脉冲相关的时钟信号采用EKG导数。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，作为与脉冲相关的时钟信号采用压力脉冲导数。
18.一种用于对患者(7)的跳动心脏产生X射线计算机断层造影图像的计算机断层造影设备(1)，包括18.1.利用至少一个X射线管(2)和至少一个检测器(3)对患者进行旋转扫描的装置，该检测器连续检测X射线的衰减，并作为检测器输出数据输出到控制和计算单元(9)，18.2.用于检测与脉冲相关的时钟信号的装置(Prgx)，18.3.由至少一个计算单元(9)和在运行时执行上述方法步骤的程序或程序模块(Prgy)组成的系统。
全文摘要
本发明涉及一种通过按照体素的再现来自预先给定的心脏周期阶段的立体数据组以产生患者跳动心脏的计算机断层造影图像的方法和计算机断层造影设备，其中首先由比180°小得多的、对应于小的心脏阶段片段的投影片段计算多个按照体素的部分再现，接着分别在所观察的心脏阶段从不完整再现的体素数据池中累加出完整的体素数据，该完整的体素数据总共包括至少180°并来源于一个预先选择的心脏阶段。
文档编号A61B6/03GK1833612SQ20061006821
公开日2006年9月20日 申请日期2006年3月20日 优先权日2005年3月18日
发明者赫伯特·布鲁德 申请人:西门子公司