專利名稱：用于移動放射性核素源分布的圖像重建的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及放射性核素圖像重建技術(shù)，并且更特別地涉及有用于成像移動放射性核素源的這樣的技術(shù)。
背景技術(shù)：
對于人和動物的單光子發(fā)射計算機(jī)斷層攝影(SPECT)成像，麻醉和身體約束可以用于減少或消除運(yùn)動，然而這些方法可能直接影響相關(guān)生物系統(tǒng)的藥物動力學(xué)或?qū)е驴赡荛g接影響放射性示蹤劑攝入和保持的應(yīng)力。這些影響在腦掃描中是顯著的。對未麻醉、無約束小動物的成像可以通過消除麻醉劑對動物腦功能的影響和減小作用于動物的應(yīng)力而提供用于生物醫(yī)學(xué)研究的獨(dú)特能力，因此在腦研究的領(lǐng)域中開創(chuàng)了新的可能性。用于發(fā)射計算機(jī)斷層攝影的常規(guī)圖像重建假設(shè)源放射性分布和正被成像的人、動物或?qū)ο笫庆o態(tài)的。該假設(shè)對于人的成像(其中可能存在頭部或身體運(yùn)動)、對于未麻醉動物的成像(其中動物可能在運(yùn)動中)或?qū)τ谥参锏某上?其中可能存在由于風(fēng)或機(jī)械干擾引起的運(yùn)動)不一定是真實(shí)的。無運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膱D像重建導(dǎo)致模糊和降質(zhì)圖像，這影響了放射性示蹤劑分布的判讀和定量測量。更小的放射性核素積累區(qū)域更難辨別。對于生物成像，由于運(yùn)動引起的該降質(zhì)影響根據(jù)放射性示蹤劑生物分布的生理參數(shù)的測量。提供一種用于成像這樣的移動對象、人和動物而沒有這些模糊偽影的系統(tǒng)將有很大的好處。

發(fā)明內(nèi)容
所以本發(fā)明的目的是提供一種用于成像諸如人和動物的移動對象而不發(fā)生模糊偽影的方法。本發(fā)明提供了一種用于移動放射性核素分布的圖像重建的方法。它的特定實(shí)施例用于清醒動物的單光子發(fā)射計算機(jī)斷層攝影(SPECT)成像，但是它的技術(shù)一般也足以應(yīng)用于其他移動放射性核素分布。本發(fā)明消除了移動源分布的圖像重建的運(yùn)動和模糊偽影。這在使用放射性示蹤劑進(jìn)行小動物腦成像的領(lǐng)域中開創(chuàng)了新途徑，現(xiàn)在可以執(zhí)行所述新途徑而沒有麻醉或身體約束對生物系統(tǒng)的干擾影響。


圖1 (a-c)是以下的一維投影(a)靜態(tài)模型數(shù)據(jù)集；(b)進(jìn)行了運(yùn)動校正的移動模型數(shù)據(jù)集；以及(c)進(jìn)行了運(yùn)動校正的移動模型數(shù)據(jù)集。圖2是本文中所述的系統(tǒng)的幾何形狀的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明使用的校準(zhǔn)塊的示意圖。圖4是本發(fā)明的操作的框圖。
具體實(shí)施例方式通過引用完整地被合并于本文中的2007年4月M日提交的美國專利第 7，209，579號描述了一種用于成像無約束和未麻醉小動物的功能成像系統(tǒng)和一種用于采集這樣的圖像并且進(jìn)一步使它們與先前或隨后采集的解剖學(xué)X射線圖像配準(zhǔn)的方法。裝置包括頂激光輪廓測定系統(tǒng)和伽馬、PET和/或SPECT成像系統(tǒng)的組合，它們?nèi)堪惭b在旋轉(zhuǎn)機(jī)架上，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)架允許無約束對象的位置和取向信息以及功能圖像的同時采集，所述信息和圖像使用圖像處理軟件進(jìn)行配準(zhǔn)(即，整合)以產(chǎn)生對象的功能圖像而不使用約束或麻醉。這樣獲得的功能圖像可以與先前或隨后獲得的對象的X射線CT圖像配準(zhǔn)。該系統(tǒng)允許無約束/未麻醉狀態(tài)下的對象的功能成像，由此減小作用于對象的應(yīng)力并且消除這樣的應(yīng)力可能引起的對功能測試的任何可能干擾。本文中所述的方法擴(kuò)展并且完善在美國專利第7，209，579中所述的方法和裝置的應(yīng)用。在根據(jù)美國專利第7，209，579中所述的技術(shù)進(jìn)行的小動物成像中，圖像運(yùn)動以每秒10-15幀的速率被記錄，持續(xù)典型地為20-30分鐘的掃描時間。不能獲得這些單獨(dú)時間幀的斷層攝影SPECT圖像，原因是伽馬照相機(jī)不能足夠快速地旋轉(zhuǎn)以獲得360度的數(shù)據(jù)。對于PET，單獨(dú)時間幀的圖像重建可以進(jìn)行、在3D中旋轉(zhuǎn)和平移并且然后求和，但是單獨(dú)幀由于輸入數(shù)據(jù)的計數(shù)性差的特質(zhì)而噪聲極大。求和大量這樣的子圖像以獲得合成圖像以前還未被執(zhí)行。本文中所述的運(yùn)動校正方程校正三維源運(yùn)動，而不是僅僅校正2D SPECT投影數(shù)據(jù)的線性運(yùn)動，這有時為了 SPECT心臟成像中的患者運(yùn)動而扶行。本文中所述的圖像重建方程在校正影響所有射線路徑的運(yùn)動的統(tǒng)一圖像重建程序中使用所有記錄事件。本發(fā)明的圖像重建方法在它的小動物SPECT腦成像實(shí)施例中使用來自小動物 SPECT掃描儀的數(shù)據(jù)，所述掃描儀的構(gòu)造類似于在美國專利第7，209，579號中描述的裝置， 其中為了斷層攝影SPECT和PET成像進(jìn)行了某些關(guān)鍵性改造。首先，三個回射器(未顯示) 膠粘到小動物的頭部，如美國專利第7，209，579號的圖2、4-5和6_7中所示。具有三個照相機(jī)的實(shí)時光學(xué)跟蹤系統(tǒng)在SPECT掃描期間提供清醒小動物的帶連續(xù)時間戳的姿勢數(shù)據(jù)， 典型地為10-15次/秒。寫入磁盤文件的姿勢數(shù)據(jù)由六個幾何參數(shù)組成相對于初始頭部位置的三個位移和三個角。由伽馬照相機(jī)記錄的閃爍事件也帶時間戳并且以列表模式寫入文件。伽馬照相機(jī)所附連到的旋轉(zhuǎn)機(jī)架的位置的帶時間戳的信息被寫入第三文件。跟蹤系統(tǒng)、機(jī)架和伽馬照相機(jī)的時鐘被同步。在對移動對象成像之前執(zhí)行校準(zhǔn)掃描以確定伽馬照相機(jī)參考系和跟蹤參考系之間的變換。由三個光學(xué)標(biāo)記12A、12B和12C以及三個放射源14A、14B和14C組成的專門設(shè)計的校準(zhǔn)模型10 (參見圖3)以固定配置(stationary configuration)進(jìn)行掃描。該模型在圖3中被顯示并且在下面更完整地被描述。從模型設(shè)計獲知光學(xué)標(biāo)記和放射源的相對位置。重建數(shù)據(jù)并且獲得重建坐標(biāo)系中的源的坐標(biāo)。然后計算機(jī)程序計算跟蹤坐標(biāo)系和伽馬照相機(jī)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換。來自三個輸入文件的信息用于下面所述的迭代列表模式最大似然期望最大化算法(iterative list-mode maximum likehood expectation maximization algorithm)。在圖像重建期間放射性分布的圖像體積從伽馬照相機(jī)參考系變換為跟蹤參考系。執(zhí)行用于運(yùn)動校正的變換并且然后將圖像體積變換回到伽馬照相機(jī)參考系，在伽馬照相機(jī)參考系中扶行用于迭代重建算法的射線跟蹤。在圖4中大體概述了前述過程，其中顯示了列表模式單光子數(shù)據(jù)、伽馬照相機(jī)運(yùn)動數(shù)據(jù)和姿勢數(shù)據(jù)使用下面所述的算法與校準(zhǔn)掃描數(shù)據(jù)整合以獲得活體未麻醉動物或?qū)ο蟮闹亟▓D像。詳細(xì)地，如下實(shí)現(xiàn)圖像。讀入來自所有三個子系統(tǒng)文件的數(shù)據(jù)。通過直方圖化列表模式數(shù)據(jù)產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)。首先，識別機(jī)架固定期間的定時間隔。接著比較姿勢記錄，并且如果來自兩個連續(xù)姿勢記錄的所有六個參數(shù)變化不超過預(yù)設(shè)閾值，則將伽馬事件加入2D 投影圖像。只要伽馬照相機(jī)移動或者如果超過姿勢差異閾值就形成新投影圖像。應(yīng)當(dāng)注意閾值零相當(dāng)于不執(zhí)行直方圖化。在迭代步驟期間，檢測器是固定的并且根據(jù)跟蹤和機(jī)架位置信息變換重建體積。 利用標(biāo)準(zhǔn)迭代最大似然期望最大化(MLEM)算法，并且附加地為每個投影的不同采集次數(shù)進(jìn)行歸一化。根據(jù)本發(fā)明使用的MLEM算法如下
權(quán)利要求
1.一種用于未麻醉活體對象中的移動放射性核素分布的圖像重建的方法，包括A)在跟蹤系統(tǒng)中在運(yùn)動和無運(yùn)動的情況下成像三維模型，所述三維模型包括至少三個反射標(biāo)記和至少三個伽馬源，所述眼蹤系統(tǒng)包括I)用于對象的有限限制的成像體積；II)圍繞所述成像體積的旋轉(zhuǎn)機(jī)架；III)至少三個照相機(jī)，所述照相機(jī)在所述三維模型上掃描并且當(dāng)所述照相機(jī)掃過對象時通過對從所述反射標(biāo)記反射的光所生成的圖像進(jìn)行采集而提取輪廓，從而空間地定位安裝在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)架上的所述成像體積內(nèi)的所述模型；IV)至少兩個SPECT和/或PET成像裝置，所述成像裝置也安裝在所述機(jī)架上的適當(dāng)位置以允許所述光源和所述照相機(jī)顯示所述成像體積并且空間地定位和映射所述模型，同時所述SPECT和/或PET成像裝置功能地成像所述模型；以及V)圖像處理硬件和軟件，所述圖像處理硬件和軟件接收來自所述眼蹤系統(tǒng)和所述照相機(jī)的電子信號并且生成所述模型的組合且配準(zhǔn)的輪廓和功能圖像；以及B)重復(fù)步驟A的過程，同時將標(biāo)記有至少三個光學(xué)反射器并且先前已注射有放射性藥物的活體未麻醉對象定位在所述成像體積中；以及C)通過應(yīng)用作為軟件的一部分的向量方程和迭代列表模式最大似然預(yù)期最大化算法而獲得未麻醉對象的功能圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述向量方程為χ (GRF，t) = Rtg [Rpose (t) IT1pose (t0) {R-V [χ (GRF，t0) _tTG] _tpose (t0)} +tpose (t) ] +tTG 其中x(GRF, t)是根據(jù)時間t的伽馬參考系中的源對象點(diǎn)的3D位置；x(GRF, t0)是在開始時間、的伽馬參考系中的源對象點(diǎn)的3D位置；Rtg和tTC是描述從跟蹤參考系變換到伽馬參考系的旋轉(zhuǎn)矩陣和3分量平移向量；IT1tc是Rtc的逆矩陣；Rpose(t)和tp_(t)是描述在跟蹤參考系中的點(diǎn)從參考位置運(yùn)動到在時間t的位置的時間相關(guān)3D旋轉(zhuǎn)矩陣和3分量平移向量； Repose (t)是矩陣Rp。se(t)的逆矩陣；以及Rpose(t0)和tp_(t。)是將用于進(jìn)行圖像重建的對象位置的在時間t。的姿勢旋轉(zhuǎn)矩陣和姿勢平移向量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述迭代列表模式最大似然預(yù)期最大化算法如下
4.一種用于未麻醉活體對象中的移動放射性核素分布的圖像重建的方法，包括A)將至少三個回射器附連到待成像的小動物；B)使用包括附連到旋轉(zhuǎn)機(jī)架的至少三個照相機(jī)的實(shí)時光學(xué)跟蹤系統(tǒng)獲得未麻醉對象的帶連續(xù)時間戳的姿勢數(shù)據(jù)以獲得跟蹤參考系；C)同時使用附連到所述機(jī)架的至少兩個伽馬照相機(jī)執(zhí)行SPECT掃描以獲得帶時間戳的伽馬參考系或列表模式數(shù)據(jù)以獲得伽馬參考系；D)同時獲得關(guān)于所述旋轉(zhuǎn)機(jī)架的位置的帶時間戳的位置信息；E)同步所述跟蹤系統(tǒng)、機(jī)架和伽馬的時間戳；以及F)扶行校準(zhǔn)掃描以從所述跟蹤參考系變換為所述伽馬參考系；以及G)通過應(yīng)用作為軟件的一部分的向量方程和迭代列表模式最大似然預(yù)期最大化算法而在所述伽馬參考系中重建圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述向量方程為χ (GRF，t) = Rtg [Rpose (t) IT1pose (t0) {R-V [χ (GRF，t0) _tTG] _tpose (t0)} +tpose (t) ] +tTG 其中x(GRF, t)是根據(jù)時間t的伽馬參考系中的源對象點(diǎn)的3D位置；x(GRF, t0)是在開始時間、的伽馬參考系中的源對象點(diǎn)的3D位置；Rtg和tTC是描述從跟蹤參考系變換到伽馬參考系的旋轉(zhuǎn)矩陣和3分量平移向量；IT1tc是Rtc的逆矩陣；Rpose(t)和tp_(t)是描述在跟蹤參考系中的點(diǎn)從參考位置運(yùn)動到在時間t的位置的時間相關(guān)3D旋轉(zhuǎn)矩陣和3分量平移向量； Repose (t)是矩陣Rp。se(t)的逆矩陣；以及Rpose(t0)和tp_(t。)是將用于進(jìn)行圖像重建的對象位置的在時間t。的姿勢旋轉(zhuǎn)矩陣和姿勢平移向量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述迭代列表模式最大似然預(yù)期最大化算法如下
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于移動放射性核素分布的圖像重建的方法。它的特定實(shí)施例用于清醒動物的單光子發(fā)射計算機(jī)斷層攝影(SPECT)成像，但是它的技術(shù)一般也足以應(yīng)用于其他移動放射性核素分布。本發(fā)明消除了移動源分布的圖像重建的運(yùn)動和模糊偽影。這在使用放射性示蹤劑進(jìn)行小動物腦成像的領(lǐng)域中開創(chuàng)了新途徑，現(xiàn)在可以扶行所述新途徑而沒有麻醉或身體約束對生物系統(tǒng)的干擾影響。
文檔編號G01N23/201GK102498388SQ200980159839
公開日2012年6月13日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者亞歷山大·V·斯托利恩, 李俊勝, 約翰·E·麥克肯森, 馬克·弗雷德里克·史密斯 申請人:亞歷山大·V·斯托利恩, 李俊勝, 約翰·E·麥克肯森, 馬克·弗雷德里克·史密斯