專利名稱：Spect圖像的運(yùn)動校正的制作方法
SPECT圖像的運(yùn)動校正技術(shù)領(lǐng)域
本文所公開的主題涉及核成像，并且更具體地，涉及單光子發(fā)射計算機(jī)斷層攝影 (SPECT)中運(yùn)動偽影的校正。
背景技術(shù)：
多種成像技術(shù)是已知的并且在當(dāng)前得到應(yīng)用，例如用于醫(yī)療診斷應(yīng)用。某些這類技術(shù)，例如SPECT，依賴于放射性同位素(或放射性核素)的放射性衰變期間的伽瑪射線發(fā)射，放射性同位素通常采用放射性藥劑的形式來給予，所述放射性藥劑能被攜帶，并且在某些情況下，能被累積或綁定到感興趣的特定組織。該核成像技術(shù)通過合適的伽瑪放射探測器來探測發(fā)射。具體地，合適的伽瑪放射探測器可以由如下組件組成，所述組件響應(yīng)入射輻射，生成與影響探測器獨(dú)立區(qū)域的輻射量關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)。探測器組件所生成的圖像數(shù)據(jù)隨后可以被重建以生成對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。
盡管這些系統(tǒng)已經(jīng)被證明在提供具有良好診斷價值的高質(zhì)量圖像方面極其有用， 但是仍然能作進(jìn)一步細(xì)化。例如，在某些情況下，由于圖像數(shù)據(jù)采集期間視場內(nèi)的患者運(yùn)動和/或成像系統(tǒng)組件的運(yùn)動，則可能會引入運(yùn)動偽影。在采用非平行準(zhǔn)直技術(shù)的某些伽瑪射線探測配置中，這些運(yùn)動難以被解決，并且可能因此導(dǎo)致采用采集的圖像數(shù)據(jù)生成的圖像中的視覺偽影。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及可實(shí)現(xiàn)SPECT圖像中運(yùn)動校正的方法。在一個實(shí)施例中，對于平行和非平行采集系統(tǒng)，都可以解決采集的對象(例如，患者)的平移位移。在一個這種實(shí)施例中，對于采集的投影的集合，可以確定平移和持續(xù)時間信息，以及基于該平移和持續(xù)時間信息生成更新的系統(tǒng)矩陣。隨后可以使用更新的系統(tǒng)矩陣以生成圖像，該圖像中的歸于運(yùn)動的偽影被減少或消除。
依照本公開的一個方面，提供一種圖像重建方法。依照該方法，在多個視圖和時間間隔處采集關(guān)于成像體積內(nèi)的投影數(shù)據(jù)的集合?；谠撏队皵?shù)據(jù)的集合和與該投影數(shù)據(jù)的集合的采集關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)矩陣，重建多個切片。配準(zhǔn)切片以生成多個變換向量，所述變換向量對投影數(shù)據(jù)的集合的采集期間的每個時間間隔描述在三維空間中的平移?；谂錅?zhǔn)切片的動作來確定一個或多個變換向量?；谝粋€或多個變換向量和關(guān)聯(lián)的時間間隔來生成更新的系統(tǒng)矩陣。使用更新的系統(tǒng)矩陣來重建運(yùn)動校正的圖像。
依照另一方面，提供了編碼例程的一種或多種機(jī)器可讀媒體。該例程在由處理器執(zhí)行時，導(dǎo)致將執(zhí)行的動作包括基于在多個視圖和時間間隔處采集的投影數(shù)據(jù)的集合和與投影數(shù)據(jù)的集合的采集關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)矩陣，重建多個切片；生成多個變換向量，所述變換向量對投影數(shù)據(jù)的集合的采集期間的每個時間間隔描述在三維空間中的平移；基于多個變換向量確定一個或多個平移偏置；以及生成更新的系統(tǒng)矩陣，該更新的系統(tǒng)矩陣將平移偏置應(yīng)用到一個或多個虛擬探測器，所述虛擬探測器對應(yīng)于投影數(shù)據(jù)的集合的采集期間的不同曝光時間。
依照進(jìn)一步的方面，提供一種圖像分析系統(tǒng)。該圖像分析系統(tǒng)包括一個或多個處理組件，處理組件配置成接收在多個視圖和時間間隔處采集的關(guān)于成像體積的、該成像體積的測量的投影，以及執(zhí)行存儲在存儲器中的一個或多個可執(zhí)行例程。所存儲的例程在被執(zhí)行時，基于該投影數(shù)據(jù)的集合和與該投影數(shù)據(jù)的集合的采集關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)矩陣，重建多個切片；對切片進(jìn)行配準(zhǔn)以生成多個變換向量，所述多個變換向量對投影數(shù)據(jù)的集合的采集期間的每個時間間隔描述在三維空間中的平移，以及基于多個變換向量和對應(yīng)時間間隔來生成更新的系統(tǒng)矩陣。該圖像分析系統(tǒng)還包括接口電路，所述接口電路配置成允許與圖像分析系統(tǒng)的用戶交互。


當(dāng)參考附圖閱讀下文詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將得到更好的理解，并且在附圖中類似的部件采用類似的標(biāo)記進(jìn)行表示，在附圖中
圖I是依照本公開的、適于使用的SPECT成像系統(tǒng)的實(shí)施例的圖解表示；
圖2描繪了依照本公開方面的、使用準(zhǔn)直的伽瑪探測器組裝件在多個視圖上發(fā)生的SPECT圖像采集的示例；
圖3描繪了依照本公開的方面的、使用針孔照相機(jī)型伽瑪探測器在多個視圖上發(fā)生的SPECT圖像采集的示例；
圖4描繪了依照本公開方面的、用于解決SPECT圖像中運(yùn)動偽影的處理器可執(zhí)行邏輯的流程圖5描繪了依照本公開一個方面的、在測量的數(shù)據(jù)上執(zhí)行運(yùn)動校正操作的示例； 以及
圖6描繪了依照本公開一個方面的、在系統(tǒng)幾何形狀例如系統(tǒng)矩陣上執(zhí)行的運(yùn)動校正操作的示例。
具體實(shí)施方式
如本文所探討的，本公開涉及核醫(yī)學(xué)圖像的生成，諸如SPECT重建，其中歸于運(yùn)動的偽影減少或消除。例如，在一個實(shí)施例中，描述或?qū)?yīng)于與成像體積關(guān)聯(lián)的物理照相機(jī)幾何形狀的系統(tǒng)矩陣可以被修正以在圖像采集期間對應(yīng)患者和/或照相機(jī)的兩個或多個位置。隨后可以在所采集圖像數(shù)據(jù)的重建中使用修正的系統(tǒng)矩陣，使得與每個建模的位置或幾何形狀關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)被恰當(dāng)?shù)刂亟ǎ⑶規(guī)缀涡螤钪械牟町惐粶p少或消除。以此方式， 甚至在采用非平行探測器機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)中都可以減少或消除歸于運(yùn)動的偽影。
充分考慮之前的討論，圖I中示出了依照本方法的、適于使用的SPECT成像系統(tǒng)的一個示例的圖解表示。圖I的系統(tǒng)(概括地采用附圖標(biāo)記10表示)被設(shè)計成采用合適的探測器組件(例如，針孔伽瑪照相機(jī)或準(zhǔn)直的閃爍探測器)來生成對象14的有用圖像，如在下文進(jìn)行詳細(xì)描述的。受檢者定位在掃描器中，掃描器采用附圖標(biāo)記16表示，其中患者支架18定位在其中。支架可以在掃描器內(nèi)移動以允許對受檢者內(nèi)感興趣的不同組織或解剖體20進(jìn)行成像。在圖像數(shù)據(jù)的收集之前，向患者給予放射性同位素，諸如放射性藥物物質(zhì)(有時被稱為放射性示蹤劑)，并且放射性同位素可由特定的組織或器官20綁定或攝取。典型的放射性同位素包括在衰變期間發(fā)射出伽瑪放射的、元素的多種放射性形式。多種附加物質(zhì)可以與該放射性同位素選擇性地組合以標(biāo)定(target)體內(nèi)的特定區(qū)域或組織20。
放射性同位素所發(fā)射的伽瑪放射由探測器組件22 (諸如，數(shù)字探測器或伽瑪照相機(jī))探測。盡管如附圖所示采用位于患者上方的平面設(shè)備進(jìn)行簡化說明，但是在實(shí)踐中，探測器結(jié)構(gòu)22可以圍繞患者定位，諸如環(huán)繞患者以弧形或環(huán)形定位，或者可以附加在定位器 (諸如，C型臂、機(jī)架或其它可移動臂)上以允許探測器結(jié)構(gòu)22在圖像采集期間以環(huán)繞患者的弧形或軌道來移動。通常，探測器結(jié)構(gòu)22典型地包括一個或多個組件或元件，所述組件或元件能夠感測伽瑪放射或者還能夠響應(yīng)該放射而生成可探測的信號。在圖示的實(shí)施例中，探測器結(jié)構(gòu)包括一個或多個準(zhǔn)直器，以及閃爍器(一起概括地采用附圖標(biāo)記24進(jìn)行表示)。準(zhǔn)直器可以由平行或非平行元件形成，該平行或非平行元件使得僅以某些方向發(fā)射的伽瑪放射影響探測組件。在采用閃爍器的探測器實(shí)施例中，閃爍器可以采用晶體材料制成， 諸如碘化內(nèi)(NaI)，其將所接收的伽瑪放射變換為較低能量光能(例如，在紫外光范圍內(nèi))。 光電倍增管26隨后接收該光并生成與影響特定離散像素(象素)區(qū)域的光子相對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)。在其它實(shí)施例中，探測器結(jié)構(gòu)22可以不進(jìn)行準(zhǔn)直而是替代使用其它的伽瑪放射感測技術(shù)，諸如一個或多個針孔伽瑪照相機(jī)，其也在本文中進(jìn)行探討。
在描繪的實(shí)施例中，探測器結(jié)構(gòu)22耦接到系統(tǒng)控制和處理電路28。該電路可以包括多個物理組件和/或軟件組件，其共同合作以允許圖像數(shù)據(jù)的收集和處理，從而生成期望的圖像。例如，該電路可以包括原始數(shù)據(jù)處理電路30，其初始地從探測器結(jié)構(gòu)22接收數(shù)據(jù)，并且其可以執(zhí)行多種濾波、值調(diào)整等等。處理電路32顧及成像系統(tǒng)的總體控制，以及用于進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的操縱和/或重建。該處理電路32還可以對數(shù)據(jù)執(zhí)行校準(zhǔn)功能、校正功能等等。處理電路32還可以執(zhí)行圖像重建功能，例如基于已知算法(諸如背投影、迭代重建等等)。這些功能還可以在本地或遠(yuǎn)程設(shè)備中執(zhí)行后處理。如所意識到的，通過使用原始數(shù)據(jù)處理電路30和/或處理電路32中的一個或兩個，可以部分或全部地執(zhí)行本文討論的多種圖像重建和偽影校正算法。
在描繪的實(shí)施例中，處理電路32與控制電路/接口 34相互作用，控制電路/接口 34估計掃描器及其組件(包括患者支架、照相機(jī)等等)的控制。而且，可以通過多種電路來支持處理電路32，所述多種電路諸如可用于存儲圖像數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)或校正值、處理電路所執(zhí)行的例程(諸如，本文中所公開的運(yùn)動偽影校正算法)等的存儲器電路36。在一個實(shí)施例中，處理電路運(yùn)行一個或多個迭代重建算法，其可利用本文中所討論的方法來減少或消除運(yùn)動效果。該迭代重建方法通常可以利用期望或參考圖像和觀察或測量的圖像數(shù)據(jù)之間的迭代比較來減少歸于非物理因素(諸如，與運(yùn)動和/或成像系統(tǒng)幾何形狀關(guān)聯(lián)的因素)的偽影或不規(guī)則。在該迭代重建方法中，可以重復(fù)或迭代收斂過程和循環(huán)，直到滿足某些完成準(zhǔn)則，諸如成本函數(shù)最小化。
最后，處理電路可以與接口電路38相互作用，接口電路38設(shè)計為支持操作員接口 40。該操作員接口顧及所命令的成像序列、將被觀察和調(diào)整的掃描器和系統(tǒng)設(shè)置、將要被觀察的圖像等等。在圖示的實(shí)施例中，操作員接口包括可以在其上觀察重建圖像12的監(jiān)視器 42。
在機(jī)構(gòu)設(shè)置中，成像系統(tǒng)10可以被耦接到一個或多個網(wǎng)絡(luò)上以顧及系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)匠上裣到y(tǒng)和源自成像系統(tǒng)的傳輸，以及允許圖像數(shù)據(jù)和已處理的圖像的傳輸和存儲。例如，局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等等可顧及圖像數(shù)據(jù)存儲在放射科信息系統(tǒng)和/或醫(yī)院信息系統(tǒng)中。該網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)一步顧及圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程后處理系統(tǒng)、醫(yī)生辦公室等等。
對于SPECT成像系統(tǒng)10的伽瑪射線探測組件22，采用兩種布置平行和非平行。 在平行布置的示例中，探測器可以與平行結(jié)構(gòu)的布置相準(zhǔn)直，使得得到的伽瑪射線的采集并不發(fā)散。例如，轉(zhuǎn)到圖2，對于患者14采用準(zhǔn)直的探測器組裝件60或準(zhǔn)直的照相機(jī)并且準(zhǔn)直探測器組裝件60或準(zhǔn)直照相機(jī)在4個不同放射視圖(A-D)處進(jìn)行描繪。在一個這種布置中，順序地采集圖像數(shù)據(jù)，其中探測器組件旋轉(zhuǎn)到不同放射位置(A-D)以在離散時間點(diǎn)處采集相應(yīng)放射視圖處的圖像數(shù)據(jù)。在該組裝件60中的準(zhǔn)直器限制打擊到探測器面板上的伽瑪射線的角度范圍(即，給定放射視圖中打擊到探測器面板上的伽瑪射線基本上彼此平行)，因此輔助伽瑪射線發(fā)射的定位。所以，在該圖像采集配置中，準(zhǔn)直探測器組裝件 90具有平行的視場62，其受限、不反轉(zhuǎn)，并且不會隨著距離而擴(kuò)張，即不發(fā)散。
該布置與采用非平行準(zhǔn)直(諸如，針孔準(zhǔn)直器、扇束準(zhǔn)直器、或錐束準(zhǔn)直器)的探測器布置相反。例如，圖3描繪了關(guān)于患者14的、處于不同放射視圖(A-D)的一個或多個針孔照相機(jī)70。在一個這種布置中，順序地采集圖像數(shù)據(jù)，通過一個或多個針孔照相機(jī)70 旋轉(zhuǎn)到不同放射位置(A-D)以在離散時間點(diǎn)處采集相應(yīng)放射視圖處的圖像數(shù)據(jù)。與圖2中的平行準(zhǔn)直布置相反，在描繪的針孔照相機(jī)70布置中，針孔照相機(jī)70具有源自給定視圖角度的關(guān)聯(lián)的非平行視場72，如相應(yīng)虛線所示，其隨著距離而發(fā)散。所以，可以意識到，針孔照相機(jī)70，如所描述的，以及其它非平行采集系統(tǒng)通常采集與非平行視場72的反轉(zhuǎn)圖像對應(yīng)的錐形投影，視場72與相應(yīng)照相機(jī)70關(guān)聯(lián)。
在扇束和錐束準(zhǔn)直器的使用方面，非平行視場72實(shí)際上是二維或三維地分別會聚到線或點(diǎn)上。在該情況下，焦線或者焦點(diǎn)可以位于患者的體積內(nèi)。在對體積進(jìn)行成像的計算機(jī)斷層攝影(CT)中也存在類似情況。在一些情況下，CT成像器可以包括慢速旋轉(zhuǎn)的機(jī)架，諸如C型臂。與二維探測器陣列關(guān)聯(lián)的視場焦點(diǎn)是X射線源(例如，X射線電子管)。 盡管本討論主要集中于SPECT系統(tǒng)以提供有用的內(nèi)容和易于可視化的示例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是易受患者運(yùn)動影響的其它類型成像模態(tài)，諸如CT、正電子發(fā)射斷層攝影(PET)、磁共振成像(MRI)等等，也可以有利地采用本文中公開患者運(yùn)動校正方法。
如在前所注意的，在檢查過程期間，患者(或者患者的內(nèi)部器官)可以關(guān)于采集成像幾何形狀移動，而與類型無關(guān)。同樣地，由于探測器組件圍繞患者的移動而引起的與感興趣的區(qū)域或器官關(guān)聯(lián)的成像幾何形狀變化，可能導(dǎo)致感知到的運(yùn)動。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，可能基于關(guān)于參考的投影平移位移的探測來進(jìn)行該運(yùn)動效果的校正。例如，重建的圖像的前向投影可以與作為參考利用的在前投影進(jìn)行比較，圖像之間的差值可以歸于平移位移。一旦被探測到，則該投影可以被向后平移到期望(即，無運(yùn)動)的位置。該校正可以迭代地執(zhí)行。
這些傳統(tǒng)的運(yùn)動校正足以適用于平行平移變量投影，諸如圖2所示的采用探測器的平行準(zhǔn)直的情況。然而，非平行的移動(shift)變量投影(例如，采用發(fā)散或會聚準(zhǔn)直器或FOV的針孔照相機(jī)和或探測器組裝件)可包括由投影的非平移變換而引起的運(yùn)動分量。該非平移變換在沒有數(shù)據(jù)三維分布知識的情況下無法進(jìn)行校正。即，所采集投影的非平行方面導(dǎo)致所感知或所觀察的運(yùn)動或差值并不是一個方向或另一方向上的數(shù)據(jù)簡單平移， 而是替代形式的數(shù)據(jù)變換，諸如形狀或尺寸上所感知的變化。例如，顯而易見的，遠(yuǎn)離針孔準(zhǔn)直器的器官剛性平移運(yùn)動將會導(dǎo)致探測器上其圖像尺寸的總體減少，而且器官的不同部CN 102982510 A書明說5/10 頁分將會取決于其相對于針孔的精確空間位置而不同地失真。類似地，成像目標(biāo)的任何運(yùn)動 (軸向或橫向的)，都將導(dǎo)致所投影圖像的非線性失真。
轉(zhuǎn)到圖4，描繪了甚至在非平行數(shù)據(jù)采集中(諸如圖3的系統(tǒng)中所描述的那些) 也能對運(yùn)動效果進(jìn)行校正的控制邏輯的流程圖。盡管所描述的方法適于進(jìn)行非平行系統(tǒng)中的運(yùn)動校正，但是該方法也適用供在采用諸如圖2所描繪的平行采集系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)中使用。
在所描繪的流程圖100中，描繪了 集(框102)元素Gi的多個投影(G) 104的集合的步驟。以不交疊的時間間隔(t) 108，諸如20秒的時間間隔，典型地導(dǎo)出或生成每個投影。在一個實(shí)施例中，投影數(shù)據(jù)104的集合表示以長度為t的不交疊時間間隔進(jìn)行的投影的順序采集。
采集步驟同時包括空間變量和時間變量，二者通過系統(tǒng)幾何形狀106和時間間隔 (t) 108表示，并且二者分別描述了在采集過程的不同方面期間，探測器和所成像體積之間的空間和幾何關(guān)系以及與系統(tǒng)的每個幾何配置相關(guān)聯(lián)的時間間隔。數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)幾何形狀106和關(guān)聯(lián)的時間間隔108可以限定或用于生成系統(tǒng)矩陣(A) 110，該系統(tǒng)矩陣描述生成信號的探測器元件和成像體積內(nèi)的體素在特定時刻處的關(guān)系。在一個實(shí)施例中，系統(tǒng)矩陣 110可以提供為表格(例如，相關(guān)表)或其它數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其描述了特定時刻下、基于成像體積的給定體素的活性或強(qiáng)度(例如，發(fā)射的放射)而在探測器元件中將觀察到的信號或值間的關(guān)系。即，系統(tǒng)矩陣描述了給定幾何形狀和給定時刻下，成像體積內(nèi)的活性和探測器處期望的觀測之間的關(guān)系。
在所描繪的實(shí)施例中，投影104的集合的每個元素(即，Gi)被重建(框114)以生成相應(yīng)的軸向切片(T) 116。在一個實(shí)施例中，重建過程基于如下系統(tǒng)矩陣110 :
(I)A=KTi = Gi
其中，A是系統(tǒng)矩陣，Gi是投影或投影104的集合的元素，以及Ti是基于Gi生成的軸向切片。
軸向切片116可以相對基線或者參照軸向切片進(jìn)行配準(zhǔn)(框120)，以生成多個配準(zhǔn)的軸向切片122。在一個實(shí)施例中，采用帶度量的平移或向量變換進(jìn)行配準(zhǔn)(度量諸如， 互相關(guān)、互信息、最小均方等等)。在一個實(shí)施例中，軸向切片的元素Ti (其中i >0)可以相對于第一或基準(zhǔn)軸向切片Ttl進(jìn)行配準(zhǔn)。相對于基線或參照軸向切片的配準(zhǔn)允許確定(框 128)相應(yīng)的變換向量TR130(trx、try、trz)，該變換向量對采集期間的每個時間間隔描述在三維空間中的元素或結(jié)構(gòu)的平移(橫向移動和/或旋轉(zhuǎn)移動)。
對于在采集過程期間沒有發(fā)生空間或時間平移的元素，可以對其執(zhí)行組合(框 134)以簡化后續(xù)計算。然而，對于那些被確定為存在平移(橫向或旋轉(zhuǎn)移動)的元素，則可以采用具有給定平移偏置的所有投影的組合來生成投影的新集合(H)140(框138)。在一個該實(shí)施例中，新投影的數(shù)量是平移偏置的數(shù)量和原始投影數(shù)量之積。也就是說，投影數(shù)據(jù)可以基于移動的消失(即，相對參考值沒有平移)和/或相同的移動而放在一起(bin together)，以使得將要基于給定平移而校正的所有投影可放在一起。
基于與新投影的每個集合H140關(guān)聯(lián)的投影平移和持續(xù)時間，以及使用系統(tǒng)矩陣 A(其中系統(tǒng)矩陣A將Gi映射到T，使得A*T = G(參見等式I))，可生成更新的系統(tǒng)矩陣 B144(框142)。例如，在一個實(shí)現(xiàn)中，更新的系統(tǒng)矩陣B144可以描述關(guān)系如下8
(2) B*T = H
在一個實(shí)現(xiàn)中，更新的系統(tǒng)矩陣B144的生成可以通過在整個體素步驟中假設(shè)平移而進(jìn)行簡化。有效地，以這種方式，更新的系統(tǒng)矩陣被修正或更新以表示數(shù)據(jù)采集步驟中呈現(xiàn)的多種幾何形狀或相對照相機(jī)位置，以及基于時間和照相機(jī)幾何形狀來本質(zhì)地存儲 (bin)對應(yīng)觀測的投影數(shù)據(jù)。
由于更新的系統(tǒng)矩陣144考慮到觀測的運(yùn)動和當(dāng)觀測到運(yùn)動時對應(yīng)的時間數(shù)據(jù)， 因此投影數(shù)據(jù)104自身可以不必進(jìn)行修正，因?yàn)橥ㄟ^更新的系統(tǒng)矩陣144的對應(yīng)元素來提供必要的運(yùn)動補(bǔ)償。通過在重建過程中使用利用系統(tǒng)矩陣的方法，可以使用更新的系統(tǒng)矩陣144來重建整個投影數(shù)據(jù)集合以生成無運(yùn)動或運(yùn)動減少的圖像，所述方法諸如最大似然期望最大化(MLEM)，有序子集期望最大化(OSEM)，塊順序規(guī)范化期望最大化(BSREM)，等等。具體地，甚至在涉及使用非平行探測方案(即，針孔照相機(jī)或發(fā)散或會聚準(zhǔn)直方案)的數(shù)據(jù)采集情況中，也可以采用更新的系統(tǒng)矩陣144來重建無運(yùn)動或運(yùn)動減少的圖像。
充分考慮在前的討論，提供簡化的示例來輔助如當(dāng)前所設(shè)想的可視化運(yùn)動和運(yùn)動校正。轉(zhuǎn)到圖5，描繪了多針孔照相機(jī)圖像采集過程期間的非期望患者運(yùn)動的發(fā)生率。在該示例中，非期望的運(yùn)動發(fā)生在時刻h，使得在h和h之間的第一時間間隔期間由第一探測器A150和第二探測器B152采集的投影數(shù)據(jù)對應(yīng)于處于第一位置處的患者。類以地，在h 和tT之間的第二時間間隔期間由第一探測器A150和第二探測器B152采集的投影圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)于處于第二位置處的患者?？紤]在前描述，可以意識到，在該簡化示例中將導(dǎo)出四個不同數(shù)據(jù)集合=Dai對應(yīng)于在h和h之間由第一探測器150采集的數(shù)據(jù)；DB1對應(yīng)于在h和 t!之間由第二探測器152采集的數(shù)據(jù)；DA2對應(yīng)于在&和tT之間由第一控測器150采集的數(shù)據(jù)；以及Db2對應(yīng)于在h和t T之間由第二探測器152采集的數(shù)據(jù)。如所意識到的，由于該時間間隔內(nèi)患者位置的變化，對于h和tT之間由探測器150、152采集的整個數(shù)據(jù)集合的重建將會生成模糊圖像。
依照在前的方法，在不同時間間隔處采集的數(shù)據(jù)集(即，對應(yīng)于&到h的數(shù)據(jù)集 Dai和Dbi以及對應(yīng)于h到tT的數(shù)據(jù)集Da2和Db2)被分離地重建以獲得兩個平移圖像第一圖像(P1) 160和第二圖像(P2) 162。在執(zhí)行該重建中，可以使用系統(tǒng)矩陣Ma和Mb來表示分別表示第一探測器150和第二探測器152，使得
(3) (Dai) (Ma) + (Dbi) (Mb) — P1 ;以及
(4) (Da2) (Ma) + (Db2) (Mb) — P2
依照在前描述的方法，由于患者或其他運(yùn)動，第二圖像P2162相對于圖像PJ60偏置。該第二圖像P2162可以通過平移向量“Tr”進(jìn)行平移，使得兩圖像正確地配準(zhǔn)，即對齊， 其中
(5) (Tr) (P2) — P2 ’
一旦配準(zhǔn)后，Pl和P2’可以相加得到最終圖像
(6) PI+P2’—P’
如在前所注意的，由于每個數(shù)據(jù)集包含的探測的伽瑪事件較少，該在前已知的方法可以生成次優(yōu)化結(jié)果，導(dǎo)致P1 160和P2 162具有較高程度的統(tǒng)計噪聲。
應(yīng)當(dāng)注意到，迭代算法從某種意義上來說是數(shù)學(xué)非線性的，增加若干數(shù)據(jù)子集的重建結(jié)果并不等同于增加數(shù)據(jù)子集以及隨后的重建。在線性重建算法(諸如濾波反投影(FBP))中，求和的順序并不重要。因此，正確求和的數(shù)據(jù)子集迭代重建的圖像質(zhì)量可能優(yōu)于分離地每個子集迭代重建后所得結(jié)果的求和結(jié)果。它是由于照相機(jī)的非平行特性而導(dǎo)致的變形，該特性阻止了數(shù)據(jù)子集的簡單平移和求和，以及需要創(chuàng)造補(bǔ)償系統(tǒng)矩陣來允許整個數(shù)據(jù)集合的迭代重建。
轉(zhuǎn)到圖6，以及依照某些本發(fā)明實(shí)施例，患者平移的參數(shù)Tr可以在用于運(yùn)動校正的替代方法中使用。例如，在描繪的實(shí)現(xiàn)中，探測系統(tǒng)(即，第一探測器150和第二探測器 152)實(shí)質(zhì)地平移使得患者保持靜態(tài)。應(yīng)當(dāng)理解的是，如本文中所使用的，平移可以是剛性平移或者橫向移動、剛性旋轉(zhuǎn)或者橫向和旋轉(zhuǎn)移動的組合。
在該示例中，這將導(dǎo)致獲得探測器的兩個集合(即，該示例中的四個虛擬探測器)，并且每個虛擬探測器的特征在于其坐標(biāo)和曝光時間。在該示例中，四個虛擬探測器的特征可在于虛擬探測器Al 170和BI 172在第一時間間隔‘到^期間采集數(shù)據(jù)，而虛擬探測器A2’ 174和B2’ 176在第二時間間隔期間采集數(shù)據(jù)，以及A2’ 174和B2’ 176進(jìn)行 (-Tr)的平移，即負(fù)平移。對于特征在于坐標(biāo)和曝光時間的虛擬探測器的使用，與每個虛擬探測器相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集可以描述為，數(shù)據(jù)集Dai對應(yīng)于h到h的探測器Al 170 ；DB1對應(yīng)于 to到的探測器BI 172 ；DA2對應(yīng)于到tT的探測器A2’ 174 ；DB2對應(yīng)于I1到tT的探測器 B2 176。如所意識到的，數(shù)據(jù)集并不進(jìn)行移動，而替代為恰當(dāng)?shù)奶摂M探測器(例如，A2’和 B2’ )移動。
基于虛擬的探測系統(tǒng)，新的復(fù)合系統(tǒng)矩陣(即，更新的系統(tǒng)矩陣144)可以采用該示例的4個虛擬探測器進(jìn)行表征。例如，新的復(fù)合系統(tǒng)矩陣可以包括系統(tǒng)矩陣Ma、Ma’、Mb、 和Mb’，其中每個矩陣都考慮了針對每個間隔h到h和h到tT的恰當(dāng)平移或非平移的系統(tǒng)幾何形狀和恰當(dāng)?shù)牟杉瘯r間。如上所討論的，新的復(fù)合系統(tǒng)矩陣可用于重建整個數(shù)據(jù)集以獲得改善的最終圖像P”。(7) (Dai) (Ma) + (Da2) (Ma，) + (Dbi) (Mb) + (Db2) (Mb，)一 P"
應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管在前的示例僅僅與兩個時間間隔相關(guān)來進(jìn)行簡要的解釋，但是本發(fā)明公開的方法還可以應(yīng)用到多于2個的時間間隔中。例如，在一個實(shí)現(xiàn)中，可以執(zhí)行動作來識別與患者運(yùn)動關(guān)聯(lián)的多種時刻和基于觀察的患者運(yùn)動來構(gòu)造恰當(dāng)?shù)臅r間間隔。在一個這樣的實(shí)現(xiàn)中，tQ到卜的總時間可以被分割為N個間隔，(例如0-dt，dt-2dt， 2dt-3dt, · · ·， (N-1) dt-T，其中dt = T/N)。如上所討論的，可以對每個間隔分離地執(zhí)行重建，并且可以分析重建的圖像(例如，通過與參考的配準(zhǔn))來識別運(yùn)動實(shí)例。
如果僅僅存在患者運(yùn)動的一種實(shí)例(例如，t(i) dt*i t(i)),則圖像移動Tr通過如下給定
(8) Trl = Tr2 = ... Tr (i) = O ；
(9) Tr (i+1) ... Tr (N) Tr (motion)；
其中，Tr (motion)是在dt*i時刻的患者運(yùn)動。由于其中僅僅存在一個運(yùn)動實(shí)例， 因此可以將總共采集的數(shù)據(jù)分割為兩個間隔，O dt*I和dt*i T(即運(yùn)動前數(shù)據(jù)和運(yùn)動后數(shù)據(jù))。備選地，在其它實(shí)現(xiàn)中，可以采用外部和/或獨(dú)立運(yùn)動探測機(jī)制來探測一個或多個患者運(yùn)動實(shí)例。當(dāng)發(fā)生運(yùn)動的一個或多個時刻已知時，該過程可以按照如上所討論的執(zhí)行。
在實(shí)現(xiàn)的一個示例中，本方法可以應(yīng)用到心臟病學(xué)領(lǐng)域。例如，在心臟壓力測試(其中患者執(zhí)行艱苦的體育鍛煉來增加心率)后，心臟從其休息位置移動，以及經(jīng)過恢復(fù)后 又緩慢地返回其休息位置。在該實(shí)例下，Tr是時間函數(shù)。例如,Tr (在時刻t = i*dt)通過 Tr(dt*i) = dTr*i給定，或者如果假設(shè)是非線生平移，則Tr(dt*i) = dTr*i+ddTr*i*i。
在該心臟病示例中，與患者運(yùn)動(在此為心臟運(yùn)動)關(guān)聯(lián)的時間可以被用于確定TR1, TR2,......TPn等等，其描述了每個時間間隔中心臟的橫向運(yùn)動和/或轉(zhuǎn)動，其被標(biāo)識為包括運(yùn)動。一旦獲知了對應(yīng)的平移因素TR1, TR2,. . . TRn，則這些平移因素可以被擬合到在 前等式中以確定dTr (以及可選的ddTr)。隨后可以通過由Tr (dt*i) = dTr*i或Tr (dt*i) dTr*i+ddTr*i*i給定的(非已知)平移重建新的復(fù)合系統(tǒng)矩陣。隨后可以使用新的復(fù)合系 統(tǒng)矩陣來重建整個圖像數(shù)據(jù)集來生成改進(jìn)的、運(yùn)動校正圖像。
本發(fā)明的技術(shù)效果包括重建體積的生成，其中運(yùn)動影響被減少或消除。技術(shù)效果 可以包括采用非平行探測器架構(gòu)來采集投影數(shù)據(jù)和基于采集的投影數(shù)據(jù)來生成無運(yùn)動或 運(yùn)動減少的圖像。技術(shù)效果還可以包括生成更新的系統(tǒng)矩陣，其至少基于從測量的投影數(shù) 據(jù)重建的軸向切片中所獲得的變換信息。
本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，并還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí) 踐本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利的 范圍由權(quán)利要求定義，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有 與權(quán)利要求字面語言無不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求字面語言無實(shí)質(zhì)不 同的等效結(jié)構(gòu)要素，則它們規(guī)定為在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
10成像系統(tǒng)14患者16掃描器18患者支架20感興趣的組織22探測器結(jié)構(gòu)24準(zhǔn)直器和閃爍器結(jié)構(gòu)26光電倍增管28系統(tǒng)控制和處理電路30原始數(shù)據(jù)處理電路32處理電路
34控制電路/接口36存儲器電路38接口電路40操作員接口60準(zhǔn)直的探測器組裝件62平行視場70針孔照相機(jī)72非平行視場100流程圖102采集投影數(shù)據(jù)104設(shè)影數(shù)據(jù)106系統(tǒng)幾何形狀108時間間隔110系統(tǒng)矩陣114重建軸向切片116軸向切片120配準(zhǔn)軸向切片122配準(zhǔn)的軸向切片128確定平移向量130平移向量134組合沒有平移的元素138生成新投影140新投影142生成更新的系統(tǒng)矩陣144更新的系統(tǒng)矩陣150第一探測器A152第二探測器B160第一圖像(P1)162第二圖像(P2)170虛擬探測器Al172虛擬探測器BI174虛擬探測器A2’176虛擬探測器B2’
權(quán)利要求
1.一種圖像重建方法，包括如下動作 在多個視圖和時間間隔(108)處采集(102)關(guān)于成像體積的投影數(shù)據(jù)(104)的集合； 基于所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合和與所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合的所述采集關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)矩陣(110)，重建(114)多個切片； 配準(zhǔn)(120)所述切片以生成多個變換向量，所述變換向量對所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合的所述采集(102)期間的每個時間間隔(108)描述在三維空間中的平移； 基于配準(zhǔn)(120)所述切片的所述動作來確定(128) —個或多個變換向量(130)； 基于所述一個或多個變換向量(130)和關(guān)聯(lián)的時間間隔來生成(142)更新的系統(tǒng)矩陣(144);以及 使用所述更新的系統(tǒng)矩陣(144)來重建運(yùn)動校正的圖像。
2.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，其中所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合包括單光子發(fā)射計算機(jī)斷層攝影(SPECT)投影數(shù)據(jù)的集合。
3.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，其中所述系統(tǒng)矩陣(110)描述了與所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合的所述采集關(guān)聯(lián)的不同成像位置處的系統(tǒng)幾何形狀(106)或時間間隔(108)中的一個或二者。
4.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，其中所述切片包括軸向切片(116)。
5.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，其中配準(zhǔn)(120)所述切片包括將所述切片相對基線或參考切片配準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，包括基于配準(zhǔn)(120)所述切片的所述動作對未確定存在平移偏置的元素進(jìn)行組合(134)。
7.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，其中所述配準(zhǔn)使用向量變換的平移。
8.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，其中所述更新的系統(tǒng)矩陣(144)對應(yīng)于兩個或多個虛擬探測器(170、172)，每個的特征在于位置和曝光時間。
9.如權(quán)利要求I所述的圖像重建方法，其中使用非平行探測器幾何形狀來采集(102)所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合。
10.如權(quán)利要求10所述的圖像重建方法，其中所述非平行探測器幾何形狀與針孔照相機(jī)(70)、收斂準(zhǔn)直的探測器或發(fā)散準(zhǔn)直的探測器中的一個或多個關(guān)聯(lián)。
11.一種圖像分析系統(tǒng)，包括 一個或多個處理組件(32)，其配置成接收在不同視圖和時間間隔處采集的關(guān)于成像體積的、所述成像體積的測量的投影(104)，以及運(yùn)行存儲在存儲器(36)中的一個或多個可執(zhí)行例程； 存儲所述一個或多個可執(zhí)行例程的所述存儲器(36)，其中當(dāng)所存儲的例程被運(yùn)行時，基于所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合和與所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合的所述采集關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)矩陣(110)來重建(114)多個切片；配準(zhǔn)(120)所述切片以生成多個變換向量(130)，所述變換向量對所述投影數(shù)據(jù)(104)的集合的所述采集(102)期間的每個時間間隔(108)描述在三維空間中的平移，以及基于所述多個變換向量(130)和對應(yīng)時間間隔(108)來生成(142)更新的系統(tǒng)矩陣(144);以及 接口電路(38)，其配置成允許與所述圖像分析系統(tǒng)的用戶交互。
12.如權(quán)利要求11所述的圖像分析系統(tǒng)，包括一個或多個探測器組裝件，其適于探測患者(14)發(fā)射的放射，其中所述一個或多個探測器組裝件探測非平行放射發(fā)射； 數(shù)據(jù)采集電路(30)，其配置成從所述一個或多個探測器組裝件采集信號，其中所述測量的投影(104)是所采集的信號或從所述采集的信號中導(dǎo)出。
13.如權(quán)利要求12所述的圖像分析系統(tǒng)，其中所述一個或多個探測器組裝件包括針孔伽瑪照相機(jī)(70)、收斂準(zhǔn)直的探測器組裝件、或發(fā)散準(zhǔn)直的探測器組裝件。
14.如權(quán)利要求11所述的圖像分析系統(tǒng)，其中所述配準(zhǔn)使用平移或向量變換。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“SPECT圖像的運(yùn)動校正”。本公開涉及用于消除或減少使用核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的平行或非平行數(shù)據(jù)采集中的運(yùn)動的效果。在某些實(shí)施例中，基于在軸向切片(116)上執(zhí)行的配準(zhǔn)(120)來導(dǎo)出平移向量(130)，該軸向切片根據(jù)采集的投影數(shù)據(jù)(104)生成?？梢圆捎闷揭葡蛄?130)來更新(142)系統(tǒng)矩陣(110)，以使得采用更新的系統(tǒng)矩陣(144)生成的圖像中沒有運(yùn)動偽影或具有減少的運(yùn)動偽影。
文檔編號G06T5/00GK102982510SQ201210325700
公開日2013年3月20日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者J·薩赫斯, L·沃羅赫, Y·赫菲茨 申請人:通用電氣公司