专利名称：运动补偿的重建技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字成像领域。具体来讲，本发明涉及一种根据和在正电子发射断层成像(PET)、单光子发射计算机断层成像(SPECT)和计算机断层成像(CT)中一样的投影来进行运动补偿图像的重建。更具体而言，本发明涉及一种根据物体的发射或透射数据重建图像的方法，一种用于根据发射或透射数据重建图像的图像处理装置，一种PET、SPECT或CT系统以及一种计算机程序产品。
背景技术：
在以发射计算机断层成像著称的医学成像技术中，物体的图像是根据检测物体发射出的伽马射线而创建的。伽马射线可以是从物体中累积的示踪剂(tracer)发射出的。这类示踪剂例如可以基于18F-标记的脱氧葡萄糖(18F-fluorordeoxyglucose)。在正电子发射断层成像(PET)中，要成像的物体内的正电子湮灭(positron electroannihilations)使得伽马射线以两个伽马光子对发射出去，它们(几乎)以恰好相反的方向飞行。由每对伽马光子形成的路径代表一条线，该线有时称为″响应线″。正电子发射造影剂或示踪剂在物体内具体的分布能够通过计算这些重合线的位置加以确定。这类信息的集合体可以用来重建一幅图像。
典型地，伽马光子所携带的能量是利用在所研究物体周围以阵列形式排列的检测器来检测的。检测器对伽马光子所携带的能量进行转换，以便记录引起射线的核变(event)的位置。表示已检测到的伽马光子的电信号可以由系统来处理，所述系统典型地包括能够处理位置数据以形成正在检查中的组织结构、器官或患者的图像的、可编程数字计算机。PET成像的目的是重建人体或物体内的造影剂或示踪剂的分布。这种分布被称作发射图像，并且是根据按上述那样获得的发射测量或放射数据来重建的。
这种测量所需要的时间段取决于所用的示踪剂或造影剂的半衰期以及系统能够处理的最大计数速率，而且有时候是10分钟到45分钟。传统地，在测量时段期间既需要按位置固定物体又需要按方向固定物体。对于人体或动物来说，这种固定不动的姿势可能是非常痛苦的。此外，非常长的扫描时间因患者或器官运动而导致明显的分辨率损失，对于心脏和胸部成像(在数据采集期间存在心脏和呼吸运动)而言特别如此。此外，在通过图像重建而获得的图像当中也会出现因感兴趣物体的运动或变形而造成的伪像。在已知的技术中，仅仅使用属于确定的运动阶段的数据来进行重建。这达到了伪像更少且图像更清晰的目的，但是信噪比明显降低，因为一些数据不再被使用来重建。
本发明的一个目的是，提供一种改进的图像重建。
根据本发明的一个方面，上述目的可以通过根据权利要求1的方法来解决，所述方法用于根据物体的测量的时间积分(integral)来重建图像。根据本发明的这个示例性实施例，将测量的线积分面元划分成多个时间面元(bin)，为多个时间面元确定多个运动场并且从多个时间面元的选定面元中选择第一数据。然后，通过利用属于选定的时间面元的多个运动场的一个运动场，将中间图像向前投影以形成第二数据。然后，确定第一数据和第二数据之间的差值，并且根据该差值更新所述中间图像。
有利地是，上述方法考虑到了感兴趣物体的运动和变形。此外，它还可以允许使似然函数最大化。总的说来，根据本发明的这个示例性实施例，即使在感兴趣物体中存在运动或变形的情况下，也可以实现正确的重建，从而产生具有高信噪比的清晰图像。
权利要求2到6提供了本发明的进一步的有利实施例。
如权利要求7所述的本发明的另一个示例性实施例提供了一种图像处理装置，以用于根据测量的线积分来重建图像，例如，在重建PET图像期间，考虑到了感兴趣物体的运动和/或变形。
如权利要求8所述的本发明的另一个示例性实施例提供了一种正电子发射断层成像系统，它可以包括扫描仪系统，例如在US5,703,369中所描述的、兼顾了清晰PET图像的扫描仪系统，将该篇申请在此引入作为参考，所述扫描仪系统即使是在感兴趣物体移动和/或变形的情况下也能够给出清晰PET图像。
根据如权利要求9所述的本发明的另一个示例性实施例，提供了一种计算机程序产品，其包括与根据本发明的方法相对应的计算机程序，当在处理器上执行该计算机程序时引起处理器执行操作。可以以任何适当的编程语言来编写该计算机程序，例如，以C++来编写。可以将该计算机程序产品存储在诸如CD-ROM之类的计算机可读介质上。此外，可以从诸如万维网之类的网络上获得这些计算机程序，可以从所述万维网上将它们下载到图像处理单元或处理器或任何适当的计算机中。
显然，本发明的示例性实施例的主旨在于提供了一种用于根据测量的线积分来重建图像的运动补偿迭代重建技术，其考虑到了感兴趣物体的运动和/或变形。具体来讲，根据本发明的一个方面，迭代重建技术的向前投影是根据运动场来执行的，所述运动场描述了物体相对于中间图像的参考栅格的运动或变形的至少其中之一。
通过下文中所述的实施例，本发明的这些及其它方面将变得非常清楚，并且将参照这些实施例加以阐述。
在下面将参照下列附图来描述本发明的示例性实施例
图1示出了根据本发明的示例性实施例的图像处理装置的示意表示，所述图像处理装置适合于执行根据本发明的方法的示例性实施例。
图2示出了依照本发明的图1的图像处理装置的操作的示例性实施例的流程图。
图3示出了用于进一步解释本发明的简化示意表示。
图4示出了用于进一步解释本发明的另一简化示意表示。
图1示出了根据本发明的图像处理装置的示例性实施例。图1中所示的图像处理装置包括具有存储器2的图像处理和控制处理器1，在所述存储器中可以存储测量的线积分，例如检测的正弦图(sinogram)和在操作期间所生成和/或更新的中间图像。所述图像处理和控制处理器(CPU)1可以经由总线系统3耦合于成像装置(在图1中未示出)，例如PET扫描仪(例如在US5,703,369中描述的PET扫描仪)，在此将该篇申请引入作为参考。可以在连接到图像处理和控制处理器1的监视器4上向操作员显示该图像处理和控制处理器1所生成的图像。操作员可以经由键盘5或其它输入装置来访问图像处理和控制处理器1，所述其它输入装置在图1没有示出，例如鼠标或轨迹球。
此外，经由总线系统3，还可以将图像处理和控制处理器1连接到例如运动监视器，所述运动监视器监视感兴趣物体的运动。在例如对患者的肺进行成像的情况下，运动传感器就可以是呼气传感器。在对心脏进行成像的情况下，运动传感器可以是心电图(ECG)。
图2示出了依照本发明的示例性实施例、用于操作图1中所述的图像处理装置的方法的流程图。
在步骤S1开始之后，在步骤S2中获取放射数据。例如，这可以利用适当的PET扫描仪或通过从存储器中读取放射数据来进行。所述放射数据包括未知示踪剂浓度的多个线积分，所述未知示踪剂浓度与正在上面发生核变的响应线(LOR)的位置和/或方向有关，并且还包括核变在测量时间上的积分。典型地，具有相同或几乎相同的LOR的核变被添加以形成所谓的线积分。此外，属于平行LOR的线积分被编组在一起。这样的一个群组称为投影。包含从0度到180度投影的数据结构通常称为正弦图。在此，在后续的步骤S3中，根据本发明的一个方面，另外将放射数据的核变面元划分成时间面元。然而，根据本发明的一个方面，还可以通过使用所谓的列表模式重建而将本发明应用于空间上未进行面元划分的单次核变。
每个时间面元都属于确定的运动状态。换言之，在对具有或多或少周期性运动的器官进行成像的情况下，重新排列放射数据以便于将在相似阶段或相似运动状态获取的投影面元划分到同一个时间面元中。可以根据利用运动传感器获取到的信息来确定一次核变属于哪个时间面元，所述运动传感器例如是呼气传感器或心电图。根据本发明的一个方面，还可以使用放射数据本身的固有信息，例如Klein，G.J.；Reutter，R.W.；Huesman，R.H.所著的″Four-dimensional affineregistration models for respiratory-gated PET″(核科学，IEEE学报第3期第48卷第756-760页，2001年6月)中进一步详细描述的平均以几十或几百毫秒发生的核变的重心，将该篇申请在此引入作为参考。
利用标准重建技术，根据每个时间面元来重建三维图像。可以以低分辨率重建这些图像以便获取合理的信噪比并且保持计算成本适度。在步骤S4中，为每个图像确定一个运动场，该运动场描述该图像相对于所选参考图像(例如它可以是具有最高信噪比的图像)的运动。运动场描述了在确定的时间点感兴趣物体的运动和/或变形。所述运动场可以依照T.Schaffter、V.Rasche、I.C.Carlsen所著的″MotionCompensated Projection Reconstruction(运动补偿投影重建)″(医学中的磁共振41第954-963页，1999年)中所描述的方法来确定，将该篇申请在此引入作为参考。
图3示出了这类运动场的例子。图3的左侧示出了未受干扰的参考运动场，而在图3右侧的运动场示出了另一个运动状态，其中运动场的栅格变形了。同图3的左侧相比，图3左侧的栅格中的格点ri由于运动而位移了矢量Δi。
换言之，运动场的栅格的格点ri描述了感兴趣物体的局部运动或变形。
然后，所述方法继续步骤S5，其中确定第一中间图像A0(x，y)。第一中间图像A0(x，y)例如可以是均质分布、放射数据的滤波的向后投影或放射数据的简单向后投影。然后，在下一步S6中，以n＝0启动计数器。在后续的步骤S7到S12中，执行运动补偿迭代图像重建。
在步骤S7中，中间图像A0+n(x，y)，在第一次迭代的情况下是在步骤S5中所确定的第一中间图像，通过利用与该投影相对应的运动场而被向前投影。换言之，通过使用在这种时间点上从与感兴趣物体的运动相对应的运动场中采集到的运动或变形信息，来向前投影中间图像A0+n(x，y)。
然后，在后续的步骤S8中，将向前投影的A0+n(x，y)与放射数据的相应投影进行比较以确定所投影的中间图像A0+n(x，y)与实际测量的投影之间的差值。换言之，在步骤S8中，在运动和/或变形补偿的中间图像与在该时间实际测量的投影之间进行比较。在一种简单的情况下，所述差值可以仅仅基于减法来确定。
然后，所述方法继续进行步骤S9，其中通过使用步骤S7所用的运动场来向后投影步骤S8中所确定的差值或误差。这可以仅仅通过在步骤S7中的向前投影期间存储中间图像A0+n(x，y)的各个体素的积分加权值来进行。这些积分加权值定义了体素对线积分的影响有多么大。在步骤S9的向后投影期间，在适当正规化之后可以应用相同的加权值。在步骤S9中，这产生新的(更新的)中间图像A1+n(x，y)。然后，所述方法继续进行步骤S10，其中确定是否满足结束标准。结束标准例如可以是对放射数据的所有投影执行了迭代或实际测量的投影与中间图像A0+n(x，y)之间的差值低于预定阈值。假如在步骤S10中确定不满足结束标准，则所述方法继续进行步骤S11，其中将计数器n增量n＝n+1。然后，所述方法继续进行步骤S7，其中在步骤S9中确定的新中间图像被向前投影。然后，迭代地执行步骤S7到S11直到满足结束标准为止。假如在步骤S10中确定满足结束标准，则所述方法继续进行步骤S12，在步骤S12该方法结束。
换言之，如上所述，在迭代重建期间，根据选定的投影(或选定的响应线LOR)的信息来更新中间图像A0+n(x，y)。每个投影都属于一定的运动状态，并且格点ri的位置由于运动而位移了矢量Δi。然后，正如参照步骤S7所示的那样，在向前投影中，计算位于每个格点上的活动对所选投影中信号的作用。根据本发明，在这个步骤中，使用当前运动状态下格点的真实位置ri+Δi，由此就考虑了运动补偿。此外，根据本发明的一个方面，考虑栅格的局部变形。局部拓扑结构是关键，这是因为格点处的图像值代表格点附近的活动。附近区域上的活动的分布通常称为基函数。基函数例如是体素或斑点(blob)。根据如上所述的本发明，基函数的形状同样也经受了由运动场所引起的局部变形。正如参照图2所描述的那样，这是通过利用与步骤S7中的向前投影和步骤S9中的向后投影当中的投影相对应的各个运动场来进行的。在第一近似中，旋转、偏转(sheer)和/或拉伸或压缩都可以描绘出这种局部变形。在变形之后，可以使斑点正规化，以便确保由图像所表示的正常活动是恒定不变的。
如上所述的，图3示出了两个运动场在左侧，第一运动场包括属于参考时间面元的、无变形的矩形栅格；在图3的右侧，描述了第二变形栅格，在其中格点位移了矢量Δi。图3左侧的运动场是参考图像A0+n(x，y)的运动场。图3右侧的运动场描绘出了在时间点ti上感兴趣物体与图3左侧上所示的参考栅格或参考运动场相比的运动和/或变形。如上所述，可以将斑点用作描述格点ri附近的活动的基函数。在图3的左侧，示出了位于参考栅格上的格点ri处的未受干扰的斑点。图3的右侧示出了在考虑感兴趣物体的运动和变形之后同一个斑点的位移和变形。正如从图3的右侧可以看出，与图3的左侧相比，斑点已经从左侧的圆形变形成图3右侧的类似鸡蛋的形状。此外，斑点的位置已经移动到右侧并且斑点的宽度已经增大。
图4的左侧示出了2D标准斑点的3D视图。图4的右侧示出了如果在一个方向上按因数1.5压缩局部变形的情况下斑点的视图。
因此，根据本发明的一个方面，通过利用运动场来向前投影参考图像A0+n(x，y)，以便对该参考图像进行运动和变形校正，并将其投影到分别被测量的放射数据的投影上。因此，通过向后投影中间图像的校正因数来考虑这种运动和变形信息，就能够利用来自于放射数据的各个投影的迅即且直接地相应的信息来仅仅更新每个基函数，即中间图像的体素或斑点，利用所述信息能够避免最终图像中的模糊效果或拖尾效果并且能够提供清晰的PET图像。
根据本发明的一个方面，在单个重建过程中使用全部数据以便使图像的共用似然函数最大化。此外，对本领域技术人员而言很清楚的是可以将上述技术应用于PET、SPECT或CT成像中所有已知的迭代重建技术，这些已知的技术例如是RAMLA、ME-ML、OS-ME-ML或ART。
权利要求
1.一种根据物体的测量的线积分重建图像的方法，所述方法包括下列步骤将测量的线积分面元划分成多个时间面元；为多个时间面元确定多个运动场；从多个时间面元的选定面元中选择第一数据；通过利用属于所选时间面元的多个运动场的一个运动场来向前投影中间图像以形成第二数据；确定第一数据和第二数据之间的差值；以及基于所述差值来更新所述中间图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述中间图像是根据向后投影更新的，所述向后投影是利用属于所选时间面元的运动场来执行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中多个运动场包含相对于关于测量的线积分的中间图像的基函数的位置移动和局部变形的信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其中迭代地执行权利要求1的步骤直到已经满足结束标准为止。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个运动场描述了物体相对于所述中间图像的基准栅格的运动和变形的至少其中之一。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个运动场是根据一组图像来确定的，在该组图像中每一个图像是仅仅利用来自于多个时间面元的一个时间面元的数据而重建的。
7.一种用于根据测量的线积分来重建图像的图像处理装置，包括存储器，用于存储正电子放射数据；和图像处理器，用于根据测量的线积分来重建图像；其中所述图像处理器适合于执行下列操作将测量的线积分面元划分成多个时间面元；为多个时间面元确定多个运动场；从多个时间面元的选定面元中选择第一数据；通过利用属于所选时间面元的多个运动场的一个运动场来向前投影中间图像以形成第二数据；确定第一数据和第二数据之间的差值；以及基于所述差值来更新所述中间图像。
8.一种正电子发射断层成像系统，其中该正电子发射断层成像系统包括用于存储测量的线积分的存储器和图像处理器，其中所述图像处理器被设置成执行下列操作将测量的线积分面元划分成多个时间面元；为多个时间面元确定多个运动场；从多个时间面元的选定面元中选择第一数据；通过利用属于所选时间面元的多个运动场的一个运动场来向前投影中间图像以形成第二数据；确定第一数据和第二数据之间的差值；以及基于所述差值来更新所述中间图像。
9.一种计算机程序产品，其包括计算机程序装置，当在处理器上执行计算机程序装置时引起处理器执行下列步骤将测量的线积分面元划分成多个时间面元；为多个时间面元确定多个运动场；从多个时间面元的选定面元中选择第一数据；通过利用属于所选时间面元的多个运动场的一个运动场来向前投影中间图像以形成第二数据；确定第一数据和第二数据之间的差值；以及基于所述差值来更新所述中间图像。
全文摘要
在PET成像过程中长的扫描时间因患者或器官运动而可能会导致明显的分辨率损失。根据本发明，变形或运动可以通过根据描述感兴趣物体的运动和/或变形的运动场来执行中间图像的向前投影和/或向后投影而得以补偿。
文档编号G06T11/00GK1809841SQ200480016973
公开日2006年7月26日 申请日期2004年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者T·科尔勒 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司