运动补偿成像的制作方法
【专利摘要】一种方法，包括使用患者适应性运动模型，执行功能投影数据的运动补偿重建，基于通用解剖运动模型和来自结构扫描的成像数据生成所述患者适应性运动模型。一种系统，包括第一适配器（202），其被配置为使通用解剖模型适应于结构图像数据，产生适应性模型；正投影机（204），其被配置为对所述适应性模型进行正投影，产生正投影数据；以及第二适配器（206），其被配置为使所述正投影数据适应于投影数据的个体投影，所述第二适配器（206）用于生成所述结构图像数据，产生患者适应性运动模型。
【专利说明】运动补偿成像
【技术领域】
[0001]以下总体上涉及运动补偿成像，并且通过对单光子发射计算机断层摄影(SPECT)/计算机断层摄影(CT)组合成像系统的具体应用进行描述；然而，以下也可用于其他成像系统，诸如，独立的SPECT和CT成像系统、正电子发射(PET) /CT组合或独立的成像系统、SPECT/磁共振(MR)组合或独立的成像系统、PET/MR组合或独立的成像系统，和/或提供功能和/或结构信息的其他个体和/或组合的成像系统。
【背景技术】
[0002]诸如呼吸作用或心脏运动的患者运动能够降低图像品质以及成像研究(诸如，心脏SPECT研究)的定量准确度。例如，运动模糊能够导致对SPECT活动的低估和/或导致其他图像伪影。已经使用运动补偿SPECT重建补偿了这种运动。常规的运动补偿途径需要对感兴趣区域的运动矢量场或运动模型进行估计。
[0003]已经通过跟踪统计特征(如在SPECT投影数据中SPECT活动的质心)估计了简单的运动模型。然而，该方法得到非常粗糙的模型，并且仅能跟踪平行于每个SPECT投影的平面的运动。备选地，能够使用统计模型，其表示在患者上取平均的平均运动模式。遗憾的是，这种途径不能捕获患者特异性运动模式。例如，通过执行针对不同运动状态的门控重建(呼吸或心脏)并应用弹性配准，能够从动态CT得到更为精密的运动模型。然而，动态CT数据可能并非总能获得，并且这种研究增加了沉积到患者用于成像检查的总剂量。
[0004]另一种途径采用外部设备，诸如，摄像机，用于跟踪并确定呼吸运动。这种途径通常面临两个挑战:1)它们仅跟踪身体表面的运动，并且在外部运动与内部器官的实际非刚性运动之间不存在直接关联；以及2)它们给系统增加了额外的费用并且耗费额外的空间。旨在从门控SPECT重建直接估计运动的途径会受这种重建的低计数统计和差图像品质影响。
[0005]鉴于以上，存在一种对于其他运动补偿途径的待解决的需要。
【发明内容】
[0006]本申请的各方面解决以上提到的问题及其他问题。
[0007]在一个方面中，一种方法，其使用患者适应性运动模型，执行功能投影数据的运动补偿重建，基于通用解剖运动模型和来自结构扫描的成像数据生成所述患者适应性运动模型。
[0008]在另一方面中，一种系统，包括第一适配器，其被配置为使通用解剖模型适应于结构图像数据，产生适应性模型；正投影机，其被配置为对所述适应性模型进行正投影，产生正投影数据；以及第二适配器，其被配置为使所述正投影数据适应于投影数据的个体投影，所述第二适配器用于生成所述结构图像数据，产生患者适应性运动模型。
[0009]在另一方面中，一种编码有计算机可读指令的计算机可读存储介质，在由计算系统的处理器执行所述计算机可读指令时，使所述系统:基于衰减校正扫描数据执行具有SPECT或PET投影数据中的至少一个的衰减校正的运动补偿重建。
[0010]本领域普通技术人员在阅读和理解以下具体描述后，将认识到本发明另外其他方面。【专利附图】
【附图说明】
[0011]本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不应被解释为限制本发明。
[0012]图1示意性地图示了与患者适应性运动模型生成器相连的范例成像系统。
[0013]图2示意性地图示了患者适应性运动模型生成器的范例。
[0014]图3图示了包括肺部结构和胸腔的范例解剖表面模型。
[0015]图4图示了范例运动模型，其包括选定的参考运动相位相对于其他运动相位的位
移矢量。
[0016]图5图示了笛卡尔网格(Cartesian grid)上的位移矢量，覆盖肺的内部。
[0017]图6图示了基于隔膜的运动对肺的运动场进行估计。
[0018]图7图示了范例方法。
【具体实施方式】
[0019]图1图示了成像系统100，其包括具有SPECT机架部分102和CT机架部分104的组合单光子发射计算机断层摄影/计算机断层摄影(SPECT/CT)系统。
[0020]SPECT部分102包括伽马辐射敏感探测器106，在所图示的实施例中，所述伽马辐射敏感探测器106包括被布置为大体上彼此垂直(例如，90°至102° )的两个探测器IOe1和1062。探测器106被配置为相对于检查区域108中的对象和Z轴110切向地和/或径向地移动。探测器106探测从检查区域108中的衰变放射性核素114发射的辐射112，并生成指示该辐射112的信号。
[0021]SPECT采集系统116处理所述信号，并生成指示探测到的放射性核素衰变的SPECT投影数据。根据实施方式，所测量的投影可以被组织为多个空间的、能量的和/或其他分箱；所述投影也可以被表示为列表模式数据。SPECT重建器118重建所述SPECT投影数据，并且生成表示探测到的辐射的SPECT图像数据。
[0022]在所图示的实施例中，SPECT重建器118能够采用运动补偿重建算法，其补偿患者运动，诸如，肺部、心脏和/或其他患者运动。SPECT重建器118额外地或备选地能够采用衰减校正算法，其利用从CT扫描生成的衰减图，用于执行所述SPECT数据的衰减校正(AC)。
[0023]CT部分104包括辐射源120，诸如，X射线管，其关于z轴110围绕检查区域108旋转，并且朝向检查区域108发射辐射。源准直器122对所发射的辐射进行准直。在所图示的实施例中，准直器122被配置为产生穿过检查区域108的锥形辐射射束。在其他实施例中，准直器122能够被配置为产生扇形、楔形或其他形状的射束。
[0024]X-射线辐射敏感探测器124探测穿过检查区域108的辐射，并且生成指示所述辐射的信号。所图示的探测器124包括二维大面积平板探测器。这种探测器可以具有足够大的探测面积，以扫描感兴趣组织(诸如，处于静态位置的患者的心脏)的全部或绝大部分，而无需移动所述患者。例如，在一个实例中，所述探测面积为约三十(30)乘四十(40)厘米(cm)。在另一实施例中，所述平板探测器被安装为具有与所述探测器轨迹相切的偏移，以实现大的CT视场,这实现了在经轴(transaxial)方向上对全身进行成像。在其他实施中,探测器124包括单行或多行的探测器阵列。
[0025]CT采集系统126处理所述信号，并生成指示沿通过检查区域108的多条线或射线的辐射衰减的CT投影数据。CT重建器128重建所述CT投影数据，并生成三维(3D)体积CT图像数据。CT重建器128能够采用各种重建算法，如，滤波反投影、迭代算法和/或其他重建算法。
[0026]CT部分104能够用于执行衰减校正扫描，其中，得到的数据用于基于已知或其他SPECT衰减校正算法来执行SPECT数据的衰减校正。这种扫描可以包括在患者自由呼吸期间，三百六十(360)度上的采集数据，用于捕获整个呼吸周期(在多个呼吸周期上，从完全吸气到完全呼气，或相反)或其预定的子部分，并且可以取三百(300)秒，用于从不同视角采集运动状态的合适采样。
[0027]通用计算机充当操作者控制台130。控制台130包括人类可读输出设备(诸如，监视器或显示器)和输入设备(诸如，键盘和鼠标)。驻留在控制台130上的软件允许所述操作者控制扫描器的运行，诸如，选择CT衰减校正扫描协议、二维或三维CT重建、具有衰减校正的运动补偿SPECT重建和/或以其他方式与扫描器100进行交互。
[0028]对象支撑体132支撑检查区域110中的对象或物体，并且允许在x、y和/或z方向上相对于检查区域110移动所述对象或物体。
[0029]运动传感器134被配置为探测对象的移动结构的运动，并且生成指示所述运动的运动信号。移动结构的范例包 括心、肺和/或其他移动结构。针对心脏应用，运动传感器134可以包括心电图仪(ECG)，并且针对呼吸应用，运动传感器134可以包括呼吸带、使用被附着到所述对象上的标记物的光学跟踪系统、摄像机等。在另一实施例中，省略了运动传感器 134。
[0030]运动相位识别器136分别基于CT和SPECT投影数据和/或运动信号，识别所述CT和SPECT投影数据的不同视图的运动相位，并生成指示所述运动相位的运动相位信号。
[0031]患者适应性运动模型生成器136基于(来自所述对象和/或(一个或多个)其他对象的)成像数据和(一个或多个)通用解剖模型138，动态地生成针对被扫描对象的患者适应性运动模型(其可以为患者特异性的或通用的)。例如，在一个实例中，患者适应性运动模型生成器136基于CT投影数据、重建的CT图像数据(或其经由感兴趣区域(ROI)选择器140识别的一部分)、来自运动相位识别器136的运动信号以及(一个或多个)通用解剖模型138，生成所述患者适应性运动模型。
[0032]如下文更详细描述的，在一个实例中，患者适应性运动模型生成器136使用来自用于生成衰减校正数据的CT扫描的数据，生成针对患者的准确的患者适应性运动模型。这样，能够生成所述运动模型，而无需使所述患者暴露于(诸如来自除了用于生成所述衰减校正数据的CT扫描以外的额外的扫描的)更多电离辐射中。所述运动模型还能够用于使所述衰减校正数据适应于所述重建中存在的特定的运动相位。所述动态生成的患者适应性运动模型能够通过SPECT重建器118用于对具有或不具有衰减校正的SPECT数据进行运动校正(或缓和其中的运动效应)。
[0033]要认识到，经由执行嵌入或编码在计算机可读存储介质(诸如，物理存储器)上的一个或多个计算机可读指令的一个或多个处理器能够实现患者适应性运动模型生成器136。额外地或备选地，经由执行在信号和/或载波中携带的一个或多个计算机可读指令的一个或多个处理器能够实现患者适应性运动模型生成器136。
[0034]图2示意性地图示了患者适应性运动模型生成器136的范例。出于解释的目的，关于呼吸运动描述了该范例。然而，应理解，所述运动额外地或备选地能够是心脏运动和/或其他患者运动。根据图1，患者适应性运动模型生成器136接收以下作为输入:(一个或多个)模型140、CT投影数据、通过重建所述CT投影数据(或其R0I)生成的CT图像数据，以及运动信号。
[0035]图3至图6示出了各种合适的基于通用呼吸的模型。图3图示了胸部通用模型300的范例，包括肺部结构302和胸腔304的一组表面模型。所述表面模型能够由三角网格表示，覆盖肺和胸腔和/或其他。图4图示了描述肺及周围结构的肺部运动的运动模型400的范例。运动模型400包括从选定的参考相位S5到其他呼吸相位Stl-S4和S6-S9的位移矢量m5(l-m54和m56-m59。从参考相位S5到其他相位的位移矢量能够通过插值或其他方式从位移矢量m5Q-m54和m56-m59得到。图5图示了由在笛卡尔网格500和502上定义的位移矢量的集合表示的模型，两者均覆盖肺的内部。图6示出了使用变换604基于隔膜运动602对全肺运动场600的估计。
[0036]返回图2，患者适应性运动模型生成器136包括对CT图像数据适配器202的模型，其使通用模型140适应于或拟合到3D CT图像数据(或其R0I)。一般地，所述3D CT图像数据示出平均运动状态中的解剖结构。这样，适配器202使所述模型适应于平均运动状态，产生比初始通用模型更具患者适应性的模型。
[0037]在一个非限制性实 例中，适配器202使所述通用模型几何适应于所述3D CT图像数据，以拟合在所述CT图像数据中表示的特定患者解剖结构。这能够通过器官探测算法得以实现，导致所述模型到患者空间中的变换，继而导致可变形表面适应。在个体化表面模型的帮助下，通过基于点的配准和/或其他途径，能够将所述运动模型变换到所述患者空间中。
[0038]患者适应性运动模型生成器136还包括正投影机204，其对所述适应性模型进行正投影。患者适应性运动模型生成器136还包括正投影数据到CT投影数据适配器206，其使所述正投影数据适应于或拟合到所述CT投影数据，产生所述患者适应性模型，所述患者适应性模型考虑到在不同的采集投影中表示的不同运动相位。
[0039]在一个非限制性实例中，适配器206使所述模型的参数(例如，吸气深度、特定运动模式等)动态适应于由所述CT投影数据的各自投影表示的每个个体呼吸运动状态(或其子集)。一般地，AC扫描的每个X-射线投影示出在特定运动状态中的解剖结构。这样，适配器206使所述模型适应于在所述CT投影数据中表示的个体运动状态。
[0040]SPECT重建器118采用所述患者适应性动态模型，以执行具有或不具有衰减校正的运动补偿SPECT重建。能够使用已知的方法来执行运动补偿SPECT重建，诸如，运动补偿滤波反投影重建，或运动补偿迭代重建。
[0041]预期多种变型。
[0042]在另一实施例中，SPECT和CT部分分别为单独的SPECT成像系统和CT成像系统的一部分，它们能够位于本地或远离彼此，诸如，在不同的检查室中。[0043]在又一实施例中，以另一成像模态代替CT机架部分104，诸如，磁共振(MR)机架部分。
[0044]额外地或备选地，以另一成像模态代替SPECT机架部分102，诸如，正电子发射断层摄影(PET)机架部分。
[0045]所图示的模型适应使用关于基于运动信号由每个投影示出何种运动相位的知识。备选地，所述运动相位能够通过使用适当的方法从所述投影数据得出，所述方法例如跟踪投影图像中的隔膜或其他解剖结构的运动。
[0046]所述模型适应还能够利用呼吸运动为周期性的假设。
[0047]在另一实施例中，采集到的SPECT数据被分类为时间分箱，并且例如从外部呼吸传感器(如在图1中所示)、从基于图像的运动相位度量(诸如，活动的质心)、或者从采集到的活动与动态模型的正投影的比较，得到由每个分箱表示的运动相位。针对每个时间分箱，使用所述患者适应性模型和所估计的运动相位来估计解剖结构运动状态。能够通过将基于模型的估计配准到门控SPECT投影或门控SPECT重建，得以进一步细化所述运动状态估计。
[0048]在另一范例性实施例中，采集所述投影数据，使得其包含来自多个运动状态的活动。在该情况中，动态模型能够用于在迭代重建过程的正投影和/或反投影期间，模拟该运动模糊。换言之，使用所述运动模型来模拟SPECT活动和AC图的不同运动状态，并将其叠加在正投影中，以匹配在采集到的数据中存在的所述运动模糊。这已被用于心肌灌注SPECT和/或其他研究。
[0049]图7图示了根据本文描述的方法。
[0050]要认识到，本文中描述的方法中的操作的顺序并非限制性的。这样，本文中预期其他顺序。此外，可以省略一个或多个操作和/或可以包括一个或多个额外的操作。
[0051]在702处，执行CT扫描。如在本文中所描述的，所述CT扫描能够是SPECT衰减校正扫描或其他CT扫描。
[0052]在704处，重建得到的CT投影数据，生成体积CT图像数据。如在本文中所描述的，得到的重建CT数据表示平均运动状态(即，在所述扫描中捕获的所有运动相位上的平均)。
[0053]在706处，使感兴趣组织的解剖模型几何适应于所述重建CT图像数据中的结构。
[0054]在708处，对所述适应性模型进行正投影。
[0055]在710处，使所述正投影适应于所述CT投影数据的个体投影，产生动态适应的患者适应性运动模型。这能够通过相似度、优化和/或其他算法来实现。
[0056]在712处，采用所述动态适应的患者适应性运动模型，用于执行具有衰减校正的运动补偿SPECT重建。
[0057]可以通过将CT体积数据配准到CT投影数据或者通过SPECT体积到SPECT投影数据的2D/3D配准，细化所描述的运动相位和/或解剖结构运动状态的确定。相对于常规途径，在本文中所描述的途径能够提供对运动状态的更好的初始估计，以初始化该配准(例如，从模型适应到CT AC扫描)，其能够改善所述配准的准确度和鲁棒性。
[0058]然后对解剖结构运动状态的估计能够用于在SPECT重建中补偿运动。所述运动估计能够进一步用于将AC图变换到各自的运动状态，允许针对各自运动状态的衰减和发散进行准确建模。
[0059]可以经由一个或多个处理器实现以上操作，所述一个或多个处理器执行被编码或嵌入在计算机可读存储介质(诸如，物理存储器)上的一个或多个计算机可读指令，所述指令使所述一个或多个处理器实施各种操作和/或其他功能和/或操作。额外地或备选地，所述一个或多个处理器能够执行由诸如信号或载波的瞬时性介质携带的指令。
[0060]已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解以上【具体实施方式】后可能想到修改或变型。目的是将本发明解释为包括所有这样的修改和变型，只要它们落入所附权利要求及其等价方案的范 围之内。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 使用患者适应性运动模型来执行功能投影数据的运动补偿重建，基于通用解剖运动模型和来自结构扫描的成像数据生成所述患者适应性运动模型。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述结构扫描反映所述患者的多个运动状态。
3.如权利要求2所述的方法，还包括: 使用衰减图来执行所述功能投影数据的衰减校正，基于来自所述结构扫描的所述成像数据生成所述衰减图，并且所述衰减图基于所述患者适应性运动模型，而被适应于个体运动状态。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括: 使所述通用解剖模型几何适应于在图像数据中表示的相应解剖结构，产生适应性解剖模型，其中，基于所述结构扫描生成所述图像数据，并且基于所述适应性解剖模型生成所述患者适应性运动模型。
5.如权利要求4所述的方法，所述适应包括: 探测所述图像数据中 的感兴趣组织； 将所述适应性解剖模型变换到图像空间中；以及 采用可变形表面适应，以使经变换的适应性解剖模型适应于在所述图像数据中探测到的感兴趣组织。
6.如权利要求5所述的方法，所述变换包括: 采用基于点的配准，用于将所述适应性解剖模型变换到所述图像空间中。
7.如权利要求4至6中的任一项所述的方法，还包括: 对所述适应性解剖模型进行正投影，产生正投影数据，其中，基于所述正投影数据生成所述患者适应性运动模型。
8.如权利要求7所述的方法，还包括: 使所述正投影数据适应于所述结构扫描的个体投影，产生所述患者适应性运动模型。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述个体投影表示不同的运动状态。
10.如权利要求9所述的方法，还包括: 经由所述患者适应性运动模型，将用于执行所述衰减校正的衰减图变换到各自的运动状态。
11.如权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，所述运动补偿重建包括执行运动补偿滤波反投影重建或运动补偿迭代重建的其中一个。
12.—种系统,包括: 第一适配器(202)，其被配置为使通用解剖模型适应于结构图像数据，产生适应性模型； 正投影机(204)，其被配置为对所述适应性模型进行正投影，产生正投影数据；以及第二适配器(206)，其被配置为使所述正投影数据适应于投影数据的个体投影，所述第二适配器(206 )用于生成所述结构图像数据，产生患者适应性运动模型。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述投影数据反映多个运动状态。
14.如权利要求12至13中的任一项所述的系统，其中，所述第一适配器使所述通用解剖模型几何适应于在结构图像数据中表示的相应解剖结构，产生适应性解剖模型。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述第一适配器通过基于点的配准，使所述通用解剖模型几何适应于在结构图像数据中表示的相应解剖结构。
16.如权利要求12至15中的任一项所述的系统，其中，所述投影数据的所述个体投影表示不同的运动状态。
17.如权利要求12至16中的任一项所述的系统，还包括: 重建器(118)，其利用所述患者适应性运动模型，以运动校正功能投影数据。
18.如权利要求18所述的系统，其中，所述重建器利用所述结构数据，以对所述功能投影数据进行衰减校正。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述结构图像数据包括CT或MR数据中的至少一个，并且所述功能投影数据包括SPECT或PET数据中的至少一个。
20.一种编码有计算机可读指令的计算机可读存储介质，在由计算系统的处理器执行所述计算机可读指令时，使所述系统:基于衰减校正扫描数据，执行具有SPECT或PET投影数据中的至少一个的衰减校`正的运动补偿重建。
【文档编号】A61B6/03GK103533892SQ201280023048
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年5月12日
【发明者】E·S·汉西斯, C·洛伦茨, T·克林德, S·卡布斯, X·宋 申请人:皇家飞利浦有限公司