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使用電子束ct測量局部肺功能的系統(tǒng)和方法

文檔序號:1052991閱讀:196來源:國知局
專利名稱:使用電子束ct測量局部肺功能的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
本申請主要涉及使用電子束斷層攝影(EBT)掃描器進行成像。特別地,本發(fā)明涉及使用EBT掃描器測量局部肺功能。
背景技術(shù)
醫(yī)學診斷成像系統(tǒng)包含多種成像形式,例如x射線系統(tǒng)、計算機斷層攝影(CT)系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)、電子束斷層攝影(EBT)系統(tǒng)、磁共振(MR)系統(tǒng)等等。醫(yī)學診斷成像系統(tǒng)產(chǎn)生如病人的被測對象的圖像,例如通過將被測對象暴露于一個能量源,如穿過病人的x射線。產(chǎn)生的圖像可有許多用途。例如,可以探測被測對象的內(nèi)部缺陷,另外,還能確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)或排列的改變。還可以表現(xiàn)被測對象內(nèi)液體的流動。而且,圖像可以顯示被測對象內(nèi)組份的存在或缺失。從醫(yī)學診斷成像獲得的信息已應用于包括藥品和制造的許多領(lǐng)域。
EBT掃描器一般在下列美國專利中均有描述Boyd等人的專利US4352021(1982年9月28日),Rand等人的專利US4521900(1985年6月4日),US4521901(1985年6月4日),US4625150(1986年11月25日),US4644168(1987年2月17日),US5193105(1993年3月9日),US5289519(1994年2月22日),US5719914(1998年2月17日)和US6208711,以及Harman的專利US5406479(1995年4月11日)。參考上面列出的專利并且通過參考其全部而在此引入。
正如在上述引用專利中所描述的,電子束由位于真空的、通常為圓錐形腔室的上游端的電子源產(chǎn)生。電子源陰極上一個大的負電壓(如-130kV或-140kV)使電子束沿著腔室的軸向下游端加速運動。此外在下游,一個包括螺線管、四極和偏轉(zhuǎn)線圈的束光學系統(tǒng)使電子束聚焦并偏轉(zhuǎn)以沿著x射線產(chǎn)生靶進行掃描。EBT系統(tǒng)使用高能電子束去撞擊靶,并產(chǎn)生照射要成像物體的X射線。電子在靶上撞擊的點叫做“束點”。為了不降低掃描器所產(chǎn)生圖像的清晰度(definition),靶上最后的束點成形為橢圓,并且必須適當敏銳并能夠自由偏轉(zhuǎn)。
靶產(chǎn)生的x射線穿透病人或其它物體后由探測器陣列探測。與靶類似,探測器陣列與掃描器對稱軸共軸并定義了與掃描器對稱軸正交的平面。對探測器陣列的輸出數(shù)字化、存儲并進行計算機處理以產(chǎn)生物體的切片的重建的x射線圖像,典型的是病人的如心或肺的解剖結(jié)構(gòu)的圖像。
EBT掃描器允許在短時間內(nèi)進行多視角采集和多切片掃描。沒有機械移動臺架。通過用電子束技術(shù)取代傳統(tǒng)的x射線管,消除了任何靶或探測器的移動的需要,可提供高分辨率和動態(tài)掃描模式。
通過沿著放置于被測對象下面的210度靶環(huán)磁力操縱聚焦電子束可以產(chǎn)生多視圖。靶環(huán)對面是在被測對象上包圍成216度弧形的鎢酸鎘晶體的靜態(tài)探測器環(huán)。探測器環(huán)里的光電二極管用于記錄發(fā)送的x射線強度??商幚鞽射線強度數(shù)據(jù)以產(chǎn)生圖像。
醫(yī)學診斷成像的一個重要功能是測量肺功能和肺容量。肺測量可用于診斷與病人肺或肺功能有關(guān)的疾病和其它問題。肺信息可用于診斷和治療像肺氣腫這樣的情況。
典型地,使用肺活量計或測量空氣流率的其它裝置來實現(xiàn)肺功能測量。病人深吸一口氣并快速排出氣體或呼氣。肺活量計測量肺里空氣體積隨時間的變化。遺憾的是,用這種方式使用肺活量計只能測量整個肺的功能。另外,采用肺活量計的測量只是粗測量,不能探測到肺功能細小的變化,如疾病的早期肇始。因此,非常需要一種能進行肺內(nèi)疾病早期探測的系統(tǒng)。而且,也很需要一種能測量部分肺而不是整個肺的系統(tǒng)。
在病人吸氣然后快速呼氣這個通常1-2秒期間,肺活量計進行肺功能的測量。也就是說,肺活量計測量作為時間函數(shù)的病人吸入或呼出的空氣體積。肺活量計還可測量體積作為時間的函數(shù)而變化的流量或流率。目前測量對整個肺獲得。然而,目前沒有好的成像方法同肺活量計一起掃描肺容量的這種快速變化。傳統(tǒng)的CT成像系統(tǒng)不夠快以便對局部肺功能成像。現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)試圖每500毫秒中用100毫秒掃描時間獲得EBT圖像。既然肺吸入-呼出動作的持續(xù)時間僅約兩秒,使用500毫秒會導致對病人肺的采樣太粗糙(細節(jié)的低水平),從而不能診斷肺內(nèi)發(fā)展中的疾病或其它情況。另外,現(xiàn)有技術(shù)使用每116毫秒的掃描,導致病人接受過多的放射劑量,特別是兒童、青少年和年輕成年人。因此,非常需要一種可足夠快速地掃描以獲得局部肺功能圖像的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本申請的某些實施例包括一種對局部肺功能進行測量和成像的方法和系統(tǒng)。方法包括觸發(fā)病人至少一個肺橫截面的圖像掃描,在病人吸氣和呼氣的至少一個期間掃描肺橫截面,從而獲得肺圖像數(shù)據(jù),并從這些圖像中提取病人吸氣和呼氣的至少一個期間的肺功能以獲得肺功能數(shù)據(jù)。上述方法還包括對病人進行預覽掃描以確定用于成像的肺橫截面。此外,可結(jié)合肺圖像數(shù)據(jù)和肺功能數(shù)據(jù)來用于診斷病人。肺圖像數(shù)據(jù)和肺功能數(shù)據(jù)也可輸出。該方法還進一步包括處理肺功能數(shù)據(jù)來產(chǎn)生肺衰減(1ung attenuation)相對于時間變化的圖。該方法可使用整個肺橫截面和/或局部肺區(qū)域(例如,肺的各葉)。
在某一實施例中,觸發(fā)步驟包括基于病人肺內(nèi)空氣流量觸發(fā)圖像掃描。當至少肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中一項在改變時,掃描步驟可以動態(tài)地獲得肺圖像數(shù)據(jù)?;蛘?,至少肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中的一項保持不變時,掃描步驟可以獲得肺圖像數(shù)據(jù)。在某一實施例中,掃描步驟獲得在至少33毫秒掃描期間的肺圖像數(shù)據(jù)。在一替代實施例中,掃描步驟獲得在至多50毫秒掃描期間的肺圖像數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)包括用于觸發(fā)病人成像掃描的觸發(fā)器,產(chǎn)生撞擊靶的電子束的能量源和響應電子束以產(chǎn)生輻射的靶。輻射照射病人的至少一部分肺。系統(tǒng)還包括在成像掃描期間輻射照射病人肺部后用于接收輻射的探測器,從基于輻射的探測器獲得肺圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),用于從圖像數(shù)據(jù)計算橫截面圖像的重建系統(tǒng),以及用于接合肺功能數(shù)據(jù)和肺圖像數(shù)據(jù)用于病人診斷的圖像操作系統(tǒng)。另外,系統(tǒng)可以包括用于測量病人肺功能肺活量計。肺活量計基于所述肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中的至少一項產(chǎn)生肺功能數(shù)據(jù)。系統(tǒng)還可以包括用于實現(xiàn)顯示、打印、存儲肺功能數(shù)據(jù)和肺圖像數(shù)據(jù)中至少一項的輸出。系統(tǒng)還可以傳送肺功能數(shù)據(jù)和肺圖像數(shù)據(jù)至工作站進行進一步的處理。
在某一實施例中,圖像掃描在至少33毫秒的成像掃描內(nèi)執(zhí)行。另一實施例中,成像掃描在至多50毫秒的成像掃描內(nèi)執(zhí)行。重建系統(tǒng)可以處理肺功能數(shù)據(jù)以產(chǎn)生肺衰減相對于時間的圖。觸發(fā)器可觸發(fā)基于由肺活量計得到的肺功能數(shù)據(jù)的成像掃描。觸發(fā)器也可以觸發(fā)對病人的預覽掃描以確定用于成像掃描的肺部分。在某一實施例中,當肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中至少一項變化時,數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)動態(tài)獲得肺圖像數(shù)據(jù)。或者,數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可獲得肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中至少一項保持不變時的肺圖像數(shù)據(jù)。
在某些實施例中包括一種探測病人肺異常的方法。方法包括基于肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中至少一項獲得肺功能數(shù)據(jù),基于肺功能數(shù)據(jù)觸發(fā)肺部掃描,掃描肺橫截面以獲得單個掃描期間的肺圖像,并結(jié)合肺橫截面圖像檢查肺功能數(shù)據(jù)以探測肺內(nèi)異常。


圖1舉例說明按照本發(fā)明實施例所采用的EBT成像系統(tǒng)。
圖2是按照本發(fā)明實施例的EBT成像系統(tǒng)的側(cè)視圖,包括電子束和x射線發(fā)射路徑。
圖3是按照本發(fā)明實施例的EBT成像系統(tǒng)的邏輯方框圖。
圖4是按照本發(fā)明實施例的用于肺功能測量和局部肺成像的方法的流程圖。
前面的發(fā)明內(nèi)容以及下面對于本發(fā)明實施例的詳細描述,當參照附圖閱讀時將更好理解。為了闡明本發(fā)明,在附圖中顯示了某些實施例。然而應當理解,本發(fā)明并不限于附圖中所示的安排和手段。
具體實施例方式
僅僅為了舉例,下面的詳細描述中引用了電子束斷層攝影(EBT)成像系統(tǒng)的某些實施例。應當理解,本發(fā)明可使用除EBT成像系統(tǒng)外的成像系統(tǒng)。
在描述本發(fā)明某些實施例前,理解EBT成像系統(tǒng)的操作是有幫助的。圖1和圖2舉例說明了按照本發(fā)明實施例形成的成像系統(tǒng)8。如圖2所示,系統(tǒng)8包括真空腔室10,在腔室10內(nèi),在位于上游區(qū)域34的電子源32的陰極處產(chǎn)生電子束12,響應電壓(如-140kV)。然后電子束12受光學系統(tǒng)38控制,掃描位于腔室10的前方較低部分16內(nèi)的至少一個半環(huán)靶14,光學系統(tǒng)38包括磁透鏡39和偏轉(zhuǎn)線圈42。
當受到聚焦的電子束12掃描時,靶14發(fā)射運動的、扇形x射線束18,然后x射線18穿過被測對象20(例如,病人或其它物體)的區(qū)域,并記錄在位置與靶14正好相對的探測器陣列22上。探測器數(shù)據(jù)輸出到處理和記錄數(shù)據(jù)的處理器或計算機子系統(tǒng)24,在視頻監(jiān)視器26上產(chǎn)生被測對象的切片的圖像。計算機子系統(tǒng)24也控制系統(tǒng)8和其中的電子束產(chǎn)生。
束光學系統(tǒng)38安裝在腔室10內(nèi),并包括磁透鏡39、偏轉(zhuǎn)線圈和四極線圈(集合為線圈42)和電極組件44。透鏡39和線圈42作用于產(chǎn)生聚焦效應,從而當電子束掃描靶14之一時,有助于使最后的束點形成為橢圓形。
電極組件44安裝在腔室10內(nèi),位于電子源32和束光學組件38之間,以使電子束12沿著z軸28軸向穿過組件44。z軸28與來自腔室10內(nèi)束光學組件38的電子束12上游段共軸。按照本發(fā)明的實施例,z軸28也可以表示腔室10的縱軸以及電極組件44和束光學組件38的對稱軸。在另一實施例中,束光學組件38的軸關(guān)于腔室的縱軸成一角度。典型地,z軸28也是穿過要掃描對象20的掃描軸。然而,在一個實施例中,被測對象20所在的表面可以是傾斜和旋轉(zhuǎn)的,使z軸28與被測對象20的軸不一致。
為掃描被測對象20,x射線扇形束18在x-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)遍及各種位置或扇形視角。扇形束18的中心旋轉(zhuǎn)遍及210度角,并被探測器陣列22內(nèi)的如鎢酸鎘晶體探測器元件或其它探測器材料的探測器元件弧探測。例如,在一個實施例中,探測器陣列22中的每一個探測器環(huán)可以包括1728個鎢酸鎘晶體探測器元件。在一實施例中,探測器陣列22可包括多個具有不同數(shù)量探測器元件和不同探測器材料的共軸環(huán)。扇形束18在重建圓內(nèi)穿過被測對象20,并到達探測器陣列22。由探測器陣列22內(nèi)的探測器元件經(jīng)過對被測對象20的單個掃描獲得的數(shù)據(jù)采樣組成一個探測器扇。例如,對于50毫秒的掃描,探測器扇可包括864個數(shù)據(jù)點或采樣。每一個采樣表示從靶14到探測器元件的被被測對象20衰減的x射線路徑。從所有探測器元件(所有的探測器扇形)經(jīng)過掃描采集的全部數(shù)據(jù)采樣(全部x射線路徑)組成扇形視區(qū)竇腔x線照像(sinogram)。
圖3舉例說明按照本發(fā)明實施例的EBT成像系統(tǒng)300的邏輯方框圖。系統(tǒng)300包括操作者控制臺310、束控制系統(tǒng)320、ECG數(shù)字轉(zhuǎn)換器322、高壓發(fā)生器324、x射線準直系統(tǒng)326、靶環(huán)330、探測器環(huán)340、病人定位器350、定位器控制系統(tǒng)355、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAS)360、圖像重建模塊362、圖像顯示和操作系統(tǒng)364和肺活量計370(圖中未示出)。系統(tǒng)300還可以包括用于圖像數(shù)據(jù)的操作和處理的外部工作站(圖中未示出)。工作站可由圖像數(shù)據(jù)得出功能曲線。
操作者控制臺310、ECG數(shù)字轉(zhuǎn)換器322、高壓發(fā)生器324和定位器控制系統(tǒng)355與束控制系統(tǒng)320通信以產(chǎn)生和控制電子束。束控制系統(tǒng)320與定位器控制系統(tǒng)355之間通信以控制病人定位器350。束控制系統(tǒng)320使電子束掃描靶環(huán)330。掃描可以是對靶環(huán)330的單次遍歷。探測器環(huán)340接收輻射,例如來自靶環(huán)330的x射線輻射。DAS 360從探測器環(huán)340接收數(shù)據(jù)。DAS 360傳輸數(shù)據(jù)至圖像重建模塊362。圖像重建模塊362傳送圖像至圖像顯示和操作系統(tǒng)364。系統(tǒng)300的組件可以是分立單元,也可以以各種形式集成,并且可用硬件和/或軟件實現(xiàn)。
操作者控制臺310選擇系統(tǒng)300的操作模式。操作者控制臺310也可以例如為系統(tǒng)300輸入?yún)?shù)或配置信息。操作者控制臺310可以設(shè)置如觸發(fā)、掃描類型、電子束掃描速度和病人定位器350位置(例如,水平、垂直、傾斜和/或旋轉(zhuǎn))等參數(shù)。操作者可以使用操作者控制臺對系統(tǒng)300輸入信息?;蛘撸诓僮髡呖刂婆_310可使用程序或其它自動步驟啟動操作。在一個步驟過程,操作者控制臺310也可以控制系統(tǒng)300的操作和特性。
基于操作者的輸入,操作者控制臺310傳送如掃描模式、掃描配置信息和系統(tǒng)參數(shù)等操作信息至束控制系統(tǒng)320。在一實施例中,ECG數(shù)字轉(zhuǎn)換器322傳輸心電圖觸發(fā)信號至束控制系統(tǒng)320以幫助電子束掃描和病人定位器350運動的定時。心電圖(ECG)是由心肌刺激引起心臟電位變化的軌跡。ECG包括由于前房和心室(atrial and ventricular)活動隨不同時間的電荷和電壓而變化引起的偏轉(zhuǎn)波。P波是由于前房刺激導致的偏轉(zhuǎn)。QRS復合波包括Q、R、S偏轉(zhuǎn)波,它們的偏轉(zhuǎn)是由于心室的刺激和去極化引起的。QRS復合波中,R波是初始向上的偏轉(zhuǎn)。T波是由于心室的去極化導致的偏轉(zhuǎn)。ECG數(shù)字轉(zhuǎn)換器322傳輸基于一種或多種波(例如R波)的ECG觸發(fā)至束控制系統(tǒng)320來輔助控制電子束和成像掃描。
系統(tǒng)300可被配置為基于ECG觸發(fā)來開始和結(jié)束成像掃描。來自ECG數(shù)據(jù)的觸發(fā)點可在束控制系統(tǒng)320中預編程和/或由操作者控制臺310設(shè)置。此外,掃描可以通過操作者控制臺310手動觸發(fā)(例如通過按一個按鈕)。
來自肺活量計370或其它測量裝置的數(shù)據(jù)可觸發(fā)掃描。肺活量計370用于測量如空氣的媒介的流率。肺活量計370包括測量流量的電子學器件。流量數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換(例如通過軟件)為觸發(fā)以啟動掃描。也就是說,觸發(fā)可由例如設(shè)置空氣流量或空氣體積的閾值來產(chǎn)生。相對系統(tǒng)300的外部處理器或內(nèi)部處理器可處理來自肺活量計370的信息來產(chǎn)生觸發(fā)。
或者,任何探測病人胸部運動或變化的系統(tǒng)或方法都可用于觸發(fā)掃描。例如,從胸部上的鏡子反射的光、胸部阻抗變化的測量和/或圍繞胸部的呼吸帶(pneumatic belt)均可作為觸發(fā)器。在指示病人開始呼吸動作(breathingmaneuver)的同時,使用者的命令也可以觸發(fā)一個掃描序列。
典型的肺檢查包括由病人進行強制呼氣動作(forced expiratory maneuver)(快速呼出肺里的空氣)。病人深吸一口氣,同時肺活量計370測量流量。當病人快速釋放他或她的呼吸時,肺活量計370測量到的流量變化啟動掃描。肺活量計370觸發(fā)可以和ECG觸發(fā)或其它觸發(fā)方式(例如操作者控制臺310上的按鈕觸發(fā))并行使用。掃描在例如觸發(fā)后幾毫秒開始,并隨后進行有規(guī)律的采樣。例如,掃描時間為50毫秒,可在第一秒內(nèi)每100毫秒掃描一次,第二秒內(nèi)每200毫秒掃描一次,第3-6秒內(nèi)每500毫秒掃描一次。如果整個體積-時間曲線形狀顯示為緩慢增長,那么例如100毫秒的采樣可被設(shè)置為延長些。
例如,可在肺活量計370和EBT束控制系統(tǒng)320和/或操作者控制臺310之間連接壓-敏開關(guān)。病人呼出空氣產(chǎn)生的壓力變化觸發(fā)EBT 300掃描以及肺活量計370測量肺或部分肺。然后肺圖像和肺功能數(shù)據(jù)可由圖像重建模塊362和/或圖像顯示和操作系統(tǒng)364結(jié)合。
僅通過實例所示的方式,高時間分辨率的50毫秒或30毫秒掃描可用于獲得關(guān)于肺物質(zhì)(lung material)和肺功能更精細水平的細節(jié)。因此,例如肺氣腫等疾病的發(fā)生可在施加于病人的放射沒有顯著增加的情況下被更早地探測到。高時間分辨率也減少了圖像中出現(xiàn)的運動偽像(artifact)。某些實施例提供掃描間的任意定時以在放射劑量考慮與肺功能和肺組成測量的特性之間優(yōu)化采樣頻率。
束控制系統(tǒng)320可采用高壓發(fā)生器324產(chǎn)生電子束。例如,高壓發(fā)生器324可以是通用Voltronics或Spellman供電,電源開啟時間為80或130毫秒。
聚焦電子束并與靶環(huán)330成角度。電子束掃描遍及靶環(huán)330。當電子束擊中靶環(huán)330時,靶環(huán)330發(fā)射扇形放射線(如X線)束。例如,靶環(huán)330可由如鎢或其它金屬制成。靶環(huán)330可以是弧形,如210度弧。電子束對靶環(huán)330每210度的掃描從靶環(huán)330產(chǎn)生電子扇形束,例如30度的扇形束。
從靶環(huán)330發(fā)射出的x射線穿過例如位于病人定位器350上的被測對象,例如病人。然后X射線撞擊到探測器環(huán)340。探測器環(huán)340可包括一個、兩個或更多響應撞擊x射線而產(chǎn)生信號的探測器行。信號從探測器環(huán)340傳送至獲取和處理信號的DAS 360。
然后將來自探測器環(huán)340信號的數(shù)據(jù)從DAS 360發(fā)送至圖像重建模塊362。圖像重建模塊362處理數(shù)據(jù)以建立一幅或更多幅圖像。圖像可以是靜態(tài)圖像、運動圖像或靜態(tài)和運動(電影)圖像的結(jié)合。圖像重建模塊362可使用多種重建處理,例如反向投影、正向投影、傅立葉分析和其它重建方法。然后圖像傳送至圖像顯示和操作系統(tǒng)364進行調(diào)整、存儲和/或顯示。
例如,圖像顯示和操作系統(tǒng)364可從圖像中消除偽像,和/或基于從操作者控制臺310的輸入或其它圖像要求修改或改變圖像。例如,圖像顯示和操作系統(tǒng)364可在內(nèi)部和外部存儲器中存儲圖像,也可在電視、監(jiān)視器、平板顯示器、LCD屏幕或其它顯示器上顯示圖像。圖像顯示和操作系統(tǒng)364也可打印圖像。在一實施例中,操作系統(tǒng)364可與操作者控制臺310合并。在另一實施例中,操作系統(tǒng)364可是分離的工作站,并與操作者控制臺310共享存儲和/或聯(lián)網(wǎng)至操作者控制臺310。
例如,病人定位器350允許被測對象(例如病人)定位于靶環(huán)330和探測器環(huán)340之間。病人定位器350可以是例如病床,床架(bucky),垂直架,支撐物,或其它定位裝置。病人定位器350定位物體于靶環(huán)330和探測器環(huán)340之間,使在電子束掃描后從靶環(huán)330發(fā)射的x射線在射向探測器環(huán)340的途中穿過物體。因此,探測器環(huán)340接收已穿過物體的x射線。病人定位器350可步進或以離散距離移動。也就是說,病人定位器350移動一定距離,然后停止。然后病人定位器350再次移動并停止。例如,病人定位器停止和移動的運動可重復希望的次數(shù)、希望的時間和/或希望的距離?;蛘?,例如病人定位器350可連續(xù)移動希望的時間、對靶環(huán)330的希望的電子束掃描次數(shù)和/或希望的距離,或者病人定位器350可以不移動。在一實施例中,病人定位器350在每次掃描動作期間保持靜止,并可移至其它位置進行下次操作。在另一實施例中,在病人進行肺功能動作(lung function maneuver)時,病人定位器350可以移動以允許系統(tǒng)300跟隨病人肺的運動。
在一些實施例中,可獲得靜態(tài)和/或動態(tài)肺測量。例如,通過測量肺的局部或選擇區(qū)域內(nèi)肺物質(zhì)(lung material)的衰減或密度減少,可測量到動態(tài)局部肺功能?;加腥绶螝饽[之類疾病的病人,在肺里保持空氣的時間要比健康人時間長。在肺里保持空氣的時間長于正常稱為空氣貯留(air trapping)。作為空氣貯留的結(jié)果,當病人呼氣時,肺物質(zhì)的衰減不像通常觀察到的那么快。也就是說,肺里的空氣越多,衰減越少。使用肺測量,可對局部肺區(qū)域進行各種形式的直方圖特性描述。此外,部分肺的數(shù)據(jù)可使用輪廓查找(contourfinding)的形式提取。肺內(nèi)肺面積的變化或肺容量的變化也可用于測量局部肺功能。
局部肺功能的靜態(tài)測量包括使用肺活量計370在全吸氣、全呼氣或者位于兩者之間、空氣體積保持不變的某一固定容量狀態(tài)下肺的測量。例如,可通過檢查肺物質(zhì)的衰減、氣管的形狀和/或直方圖分布獲得局部肺功能的靜態(tài)測量。
本發(fā)明的一些實施例允許通過提高掃描速度和增強可編程性(programmability)進行局部橫截面成像和局部肺功能測量。系統(tǒng)300的速度和靈活性允許一定范圍內(nèi)的觸發(fā)能力和劑量選擇。也就是說,圖像掃描可在各種基于從肺中呼出的空氣或病人心搏率(ECG觸發(fā))的觸發(fā)點獲得。系統(tǒng)300掃描得足夠快,從而可在吸氣和呼氣之間獲得肺切片的局部圖像且不引起病人不適當?shù)牟贿m。
在操作中,例如如在傳統(tǒng)的CT或EBT系統(tǒng)中,可獲得橫截面圖像??梢栽趯Σ∪说蛣┝款A覽或搜索掃描的基礎(chǔ)上選擇病人肺的區(qū)域??焖?、低劑量x射線預覽掃描可用于獲得肺的低分辨率“地圖”。操作者可以基于預覽信息選擇掃描和測量的肺區(qū)域。也就是說,預覽掃描提供了關(guān)于在哪兒定位病人、在哪兒停止和開始掃描以獲得想要區(qū)域圖像的信息。
在某一實施例中,病人仰臥在病人定位器350上??墒褂脕碜灶A覽掃描的信息在病人定位器350上定位病人。在某一實施例中,在從預覽掃描選擇的多個位置采樣病人的肺。
例如,在EBT系統(tǒng)300中,電子束在90cm半徑處圍繞病人的210度弧內(nèi)沿靶330進行掃描。在病人定位器350上定位病人時,X射線由靶環(huán)330產(chǎn)生,并由x射線準直系統(tǒng)326準直為照射病人肺的一部分的細束。然后X射線撞擊探測器環(huán)340。
DAS360基于X射線撞擊探測器環(huán)340的特性產(chǎn)生數(shù)據(jù)。穿過肺部分的多束x射線允許由圖像重建系統(tǒng)362和/或圖像顯示和操作系統(tǒng)364生成肺橫截面的圖像?,F(xiàn)有的EBT系統(tǒng)在100毫秒的掃描內(nèi)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。某些實施例在掃描持續(xù)50毫秒、33毫秒或更短的時間內(nèi)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。得出的圖像描述了肺物質(zhì)和肺特性,并可以顯示像肺氣腫這樣的肺內(nèi)狀況的出現(xiàn)。
在一些實施例中,束控制系統(tǒng)320或其它處理器同肺活量計370一起使用來測量流量和肺容量,以及產(chǎn)生用于成像掃描的觸發(fā)。肺容量是容量-時間曲線在時間上的積分,流量是容量-時間曲線的導數(shù)。從肺活量計370產(chǎn)生的觸發(fā)傳送到束控制系統(tǒng)320。束控制系統(tǒng)320根據(jù)肺活量計370的觸發(fā)控制電子束的掃描。DAS 360從被x射線撞擊的探測器環(huán)340接收圖像數(shù)據(jù)信號。圖像重建模塊362由圖像數(shù)據(jù)信號重建橫截面圖像(標準CT行為)。圖像重建系統(tǒng)362和/或DAS 360可測量肺衰減,并提取肺輪廓。圖像顯示和操作系統(tǒng)364可生成衰減相對于時間變化的圖,并顯示肺橫截面圖像。
肺內(nèi)的空氣貯留在橫截面圖像中表現(xiàn)為黑色(低密度)區(qū)域。局部肺功能測量被描述為肺物質(zhì)衰減相對于時間的曲線。由肺活量計370得到的肺功能測量和由DAS 360、圖像重建系統(tǒng)362和/或圖像顯示和操作系統(tǒng)364得到的肺橫截面圖像和數(shù)據(jù)可以結(jié)合起來以改進病人診斷和治療。
目前的CT掃描器和其它橫截面成像裝置不能在100毫秒內(nèi)獲取部分肺的橫截面圖像。在全吸氣、全呼氣或兩者之間確定點時保持肺容量穩(wěn)定,典型地獲得采用CT進行的肺掃描。這樣的掃描可能不精確,并且如果病人保持較長的時間會使他感到不舒適。盡管使用現(xiàn)代CT掃描器或EBT掃描器可在不到10秒鐘的時間內(nèi)完成全肺的掃描,這樣的掃描產(chǎn)生的是靜態(tài)圖像,而不是詳細的動態(tài)圖像。肺功能典型地是通過由測量呼出的空氣有多少和多快的肺活量計370測量的。然而,當疾病已經(jīng)在肺里有進展時,這些靜態(tài)方法是有用的,但這些靜態(tài)方法對于探測早期疾病則不夠敏感,而早期疾病時干預(例如用藥)是最有益的。本發(fā)明的一些實施例提供了局部肺橫截面成像以及肺特性和功能測量的系統(tǒng)和方法。
圖4示出了按照本發(fā)明實施例的用于肺功能測量和局部肺成像的方法400的流程圖。首先,在步驟405,肺活量計370由病人定位器350上的病人進行校準。在一實施例中,按照制造廠商的推薦,肺活量計370的校準使用“冷”肺活量計370。例如,肺活量計370用室溫讀數(shù)校準。
接下來,在步驟410,選擇掃描協(xié)議。例如,使用者可選擇在CT或EBT掃描器上實行的掃描類型。在一實施例中,協(xié)議是定時協(xié)議,由外部觸發(fā)開始,跟隨著以指定間隔進行的一次或多次掃描。協(xié)議也可以包括病人定位器350的運動規(guī)范從而以設(shè)定間隔重復協(xié)議。
然后,在步驟415,執(zhí)行病人預覽掃描以獲得病人肺尺寸和位置等的概覽。在某一實施例中,預覽掃描是低劑量的搜索掃描,以確定病人關(guān)于系統(tǒng)300的肺部基本布局。例如,預覽掃描可以是提供病人在前面、后面和側(cè)面方向傳送視圖的定位(localization)或搜索掃描。預覽掃描可用于決定在哪一點啟動和停止局部肺部掃描。預覽掃描可用于確定肺的哪一部分或橫截面用于成像。
在步驟420,病人被定位并基于預覽信息配置圖像掃描。預覽掃描有助于系統(tǒng)300中的病人和病人定位器350的定位。使用預覽和搜索掃描信息,可選擇病人上的一個或多個位置用于研究部分肺。在實施例中,病人定位器350在執(zhí)行選定掃描協(xié)議的開始、但請求觸發(fā)前移動到指定位置。
接下來,在步驟425,指示病人進行肺呼吸動作(例如全吸氣和呼氣,吸氣和呼吸保持等)以獲得肺掃描。肺活量計370與病人的連接可以是插入到病人嘴里的管,或者其它設(shè)計為捕獲來自病人的空氣的裝置。肺活量計370可以包括面罩或其它幫助確??諝鈴牟∪藗鬟f到肺活量計370而不是到周圍環(huán)境中的外罩。然后指示病人怎樣適當?shù)睾粑苑奖氵M行肺部研究。例如,指示病人進行深呼吸和釋放氣體,當?shù)玫街甘緯r深深呼出。結(jié)果可以是容量-時間曲線形式?;讷@得的容量-時間曲線,可設(shè)定閾值,修改掃描協(xié)議。
然后,在步驟430,掃描病人肺部的局部區(qū)域。例如,掃描可由肺活量計370從病人讀取的肺容量數(shù)據(jù)、操作者或處理器觸發(fā)。也就是說,來自肺活量計370的觸發(fā)可以開始掃描序列,從而在掃描序列內(nèi)的指定時間獲得像CT數(shù)據(jù)這樣的圖像數(shù)據(jù)。
在步驟435,從局部肺掃描重建圖像。在單個吸氣/呼氣肺動作期間可獲得多幅橫截面圖像。在某一實施例中,經(jīng)過多次的病人呼吸保持可得到一系列橫截面圖像。例如,如上所述,通過電子束在50毫秒、33毫秒或更少的時間跨度內(nèi)對靶環(huán)330進行掃描而獲得圖像。在一實施例中,可使用多個探測器環(huán)在肺呼吸動作期間獲得肺局部區(qū)域的圖像。從束掃描獲得的圖像數(shù)據(jù)可包括多個方向的x射線視圖。例如,可使用傳統(tǒng)的CT重建技術(shù)對顯示肺區(qū)域的一幅橫截面視圖的圖像進行重建。
接下來,在步驟440,掃描另一個肺位置。在實施例中,可利用相同的病人呼吸動作在幾個位置對肺采樣。可按規(guī)則間隔(例如每10cm)對局部肺位置進行掃描。例如局部肺位置也可在操作者選擇的位置被掃描,這些位置是操作者根據(jù)例如肺氣管分支點位置這樣的信息選擇的。然后正如上面在步驟435中所描述的,由得到的數(shù)據(jù)重建圖像。
在步驟445中,提取局部肺功能數(shù)據(jù)。在某一實施例中,由肺活量計370測量肺功能。肺功能可以在圖像掃描之前、期間或之后測量。例如,肺活量計370測量通過肺的空氣流量,并且可記錄流率和容量的變化。在一實施例中,肺測量可是動態(tài)的、并可在圖像掃描過程中記錄空氣流量變化,或測量可是靜態(tài)的、并在全吸氣和全呼氣時測量肺容量和空氣流量。
在一實施例中,可從獲得的圖像中提取想要的部分肺的面積。然后局部肺面積繪制為時間的函數(shù)。該函數(shù)圖提供了局部肺區(qū)域的容量-時間曲線。面積可以是來自特定序列的肺的總面積。例如,肺葉邊界也可用于獲得更多的局部數(shù)據(jù)。在另一實施例中,檢查作為時間的函數(shù)的部分肺的密度。例如,在呼氣結(jié)束時,肺密度應增加(因為存在較少的空氣)。如果肺功能不好,空氣貯留在某些區(qū)域(例如,未正常排出),將導致密度低于正常。在一實施例中,肺功能數(shù)據(jù)的提取可在工作站進行。圖像可從掃描器傳送到工作站進行處理和數(shù)據(jù)提取。
然后,在步驟450,肺功能測量可與橫截面圖像數(shù)據(jù)相結(jié)合。在某一實施例中,顯示肺衰減相對于時間變化的圖形與肺截面圖像配對來顯示肺內(nèi)空氣貯留和異常。此外,可以形成描繪局部肺區(qū)域特性的直方圖,并與局部肺圖像關(guān)聯(lián)。例如,肺容量和肺衰減也可結(jié)合氣管形狀和肺輪廓分析。作為例子,可提取圖像特定部分的最大流率(肺的面積-時間曲線中的最大面積/時間改變)并在例如靜止圖像上以一種顏色繪出。
最后,在步驟455,肺數(shù)據(jù)和圖像可輸出(例如,打印、存儲或顯示)以用于病人診斷和/或治療。在一實施例中,提取出的數(shù)據(jù)和圖像存儲在存檔媒介、圖片存檔及通信系統(tǒng)(PACS)或其它存儲器以用于以后檢索。
例如,在檢查病人肺時,肺活量計370根據(jù)設(shè)備規(guī)格進行校準。室溫信息用于為肺活量計370提供基準讀數(shù)。然后為EBT掃描器300選擇流量-時間協(xié)議。成像的病人在為提供病人肺的概覽而執(zhí)行的預覽搜索掃描期間保持深呼吸。然后,使用預覽數(shù)據(jù)定位病人,使病人的肺適于對感興趣部分進行一次或多次肺掃描。接下來,將來自肺活量計370的管放置在病人嘴里。病人深深吸氣,然后深深呼入肺活量計管。當肺活量計370測量到預定的空氣流量閾值,如0.5升每秒,肺部分的掃描就被觸發(fā)。
在幾秒鐘之內(nèi)進行多個50毫秒肺掃描以獲得肺圖像。在第一秒內(nèi),每100毫秒得到一次50毫秒掃描。在第二秒內(nèi),每200毫秒進行一次50毫秒掃描。然后,在第3-6秒內(nèi),每500毫秒進行一次掃描。病人被移動或重新定位以掃描不同肺位置。或者,例如掃描可持續(xù)100毫秒。
從多次掃描來重建局部肺圖像以提供各種肺橫截面圖像。橫截面圖像可作為二維圖像使用和/或存儲。橫截面圖像也可結(jié)合成三維圖像。從圖像中確定每一幅橫截面圖像中掃描的部分肺的面積。因此,不同時間點處肺部分的面積可由多幅圖像確定。局部肺面積可作為時間的函數(shù)進行顯示和分析。也可確定空氣流量或肺密度。肺或肺部分的梗阻、缺損或其它問題可由圖象和肺功能數(shù)據(jù)的分析確定。
因此,本發(fā)明的某些實施例提供了一種用于獲得肺功能測量和肺區(qū)域橫截面圖像的快速、靈活的系統(tǒng)和方法。某些實施例使用各種觸發(fā)方式以提供成像掃描之間的任意定時,以便在使病人接收的x射線照射量最小時獲得數(shù)據(jù)。某些實施例允許在病人吸氣和呼氣期間進行快速局部肺成像,而不是進行整個肺的掃描。某些實施例提供局部肺成像以最小化病人的不適。某些實施例允許局部肺成像與肺功能測量一起使用以改進肺疾病的早期診斷和治療,并改進了使用肺活量計對肺空氣流量的簡單測量。
雖然本發(fā)明參照某些實施例進行了描述,但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將懂得,在不偏離本發(fā)明范圍的情況下,可以進行各種改變和等同替代。另外,在不偏離本發(fā)明范圍的情況下,根據(jù)本發(fā)明的精神,可進行很多修改以適應特定情況或材料。因此,將本發(fā)明視為不限于公開的特定實施例,而本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于肺成像的方法(400),所述方法(400)包括觸發(fā)病人(20)至少一個肺橫截面的圖像掃描(430);在病人(20)吸氣和呼氣的至少一個期間掃描肺橫截面以獲得肺圖像數(shù)據(jù)(420,430);以及在病人(20)吸氣和呼氣的至少一個期間測量肺功能以獲得肺功能數(shù)據(jù)(430,445)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(400),進一步包括結(jié)合所述的肺圖像數(shù)據(jù)和所述的肺功能數(shù)據(jù)以用于病人(20)的診斷(450)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(400),其中所述的觸發(fā)步驟包括基于病人肺內(nèi)的空氣流量觸發(fā)所述圖像掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(400),其中在肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中至少一項在變化時,所述的掃描步驟動態(tài)地獲得所述的肺圖像數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(400),其中在肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中至少一項保持不變時,所述的掃描步驟獲得所述肺圖像數(shù)據(jù)。
6.一種診斷成像系統(tǒng)(8,300),所述系統(tǒng)(8,300)包括觸發(fā)器,基于所述肺內(nèi)的空氣流量、所述肺容量、所述肺的運動和所述肺的密度中至少一項,觸發(fā)所述病人(20)的成像掃描;能量源(32,324),用于產(chǎn)生電子束(12)以撞擊靶(14,330);響應所述電子束(12)產(chǎn)生輻射的靶(14,330),所述輻射照射所述病人(20)的所述肺的至少一部分;探測器(22,340),用于在所述成像掃描期間所述輻射照射所述病人(20)的所述肺后接收所述輻射;數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(360),用于從基于所述輻射的所述探測器(22,340)獲得肺圖像數(shù)據(jù);以及重建系統(tǒng)(362),用于結(jié)合肺功能數(shù)據(jù)和所述肺圖像數(shù)據(jù)以用于診斷所述病人(20)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(8,300),其中所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(360)獲得肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中至少一項保持不變時的所述肺圖像數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(8,300),進一步包括用于測量病人(20)肺功能的肺活量計(370),所述肺活量計(370)基于所述肺內(nèi)的空氣流量和體積中至少一項產(chǎn)生肺功能數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(8,300),其中基于來自所述肺活量計(370)的所述肺功能數(shù)據(jù),所述的觸發(fā)器觸發(fā)所述成像掃描。
10.一種探測病人(20)肺異常的方法(400),所述方法(400)包括基于肺內(nèi)空氣流量和空氣體積中至少一項獲得肺功能數(shù)據(jù)(420,430,445);基于肺功能數(shù)據(jù)觸發(fā)肺掃描(430);掃描肺橫截面以在單個掃描中獲得肺圖像(430);以及結(jié)合肺橫截面圖像檢查肺功能數(shù)據(jù),以探測肺內(nèi)異常(450)。
全文摘要
某些實施例包括一種用于局部肺功能測量和成像的方法(400)和系統(tǒng)(8,300)。方法(400)包括觸發(fā)病人(20)至少一個肺橫截面的圖像掃描,在病人(20)吸氣和呼氣的至少一個期間掃描肺橫截面以獲得肺圖像數(shù)據(jù),以及在病人(20)吸氣和呼氣的至少一個期間測量肺功能以獲得肺功能數(shù)據(jù)(420,430,440,445)。方法(400)也可包括對病人(20)執(zhí)行預覽掃描以確定要成像的肺橫截面(415)。此外,肺圖像數(shù)據(jù)和肺功能數(shù)據(jù)可結(jié)合用于病人(20)的診斷(450)。肺圖像數(shù)據(jù)和肺功能數(shù)據(jù)也可輸出(455)。方法(400)還可包括處理肺功能數(shù)據(jù)以產(chǎn)生肺衰減相對時間的圖。
文檔編號A61B6/03GK1511498SQ20031012093
公開日2004年7月14日 申請日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者戴維·G·希爾, 戴維 G 希爾 申請人:Ge醫(yī)藥系統(tǒng)環(huán)球科技公司
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