CN100502780C - 用于计算机断层摄影的呼吸监控器 - Google Patents
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Abstract
一种医学诊断成像系统(10)，包括诊断成像扫描器(12)，其采集医学成像患者的成像数据。重建处理器(46)将采集到的成像数据的至少一部分重建成图像表示。电极对(30，32)接触患者的胸区。电表(34)在采集成像数据期间测量电极对(30，32)之间的电阻R(t)或其它随时间变化的电学参数(70)。呼吸监控器(36)从测量到的随时间变化的电学参数(70)提取随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)来指示呼吸循环相位。
Description
技术领域
本发明涉及诊断成像领域。特别地，本发明可用于呼吸补偿或门控诊断成像方面，并将具体参考这方面进行描述。然而，本发明也可用于各种诊断成像器械，例如计算机断层摄影、单光子发射计算机断层摄影、正电子发射断层摄影、磁共振成像等。
背景技术
在医学诊断成像期间，在位监控患者的呼吸有利地促进了呼吸循环期间的图象配准、相对于呼吸状态将采集到的成像数据进行分类或分库(bin)、基于呼吸状态的数据过滤、预期的呼吸门控、与呼吸循环同步的辐射剂量的调制等。呼吸监控对于自动成像也是有用的。例如，可通过检测到患者开始屏息触发成像的开始。
迄今为止，患者的呼吸是由监控胸部运动的机电传感器来进行监控的。这些机电装置的体积相对庞大，患者会感到不舒服的限制，并且可能限制胸部的运动和呼吸。在一个实例中，空气管包覆着患者的躯干。吸气增加了管中的压力，这由相关的压力传感器检测得到。
此外，机电呼吸监控器会对成像造成干扰，这取决于传感器的材料以及成像所应用的设备。为患者装配机电传感器是费时的，并增加了成像对话准备阶段的复杂性。在呼吸循环和心动周期都被监控的心脏或其它类型的成像中，成像所作的准备包括为患者装备机电呼吸监控器以及心电图机的电极。
发明内容
本发明设想了一种改进的装置和方法，其克服了上述以及其它限制。
根据一个方面，公开了一种诊断成像系统。诊断成像扫描器采集检测区域内对象的成像数据。重建处理器对采集到的成像数据进行重建形成图像表示。一对电极用于接触对象的胸区。电表测量电极对之间随时间变化的电学参数。监控器从测量得到的随时间变化的电学参数中提取出随时间变化的呼吸特征。
根据另一个方面，提供了一种医学诊断成像方法。采集对患者进行医学成像的成像数据。采集到的成像数据的至少一部分被重建形成图像表示。在成像数据采集期间，跨过电极对测量随时间变化的电学参数。基于测量得到的随时间变化的电学参数计算出随时间变化的呼吸特征。
本发明的一个优点在于提供了呼吸门控医学诊断成像，而不会使进行成像的患者承受庞大的、不舒服的机电传感器的重负。
本发明的另一个优点在于提供了一种呼吸活动(例如吸气或屏气)方面的电信号指示。
本发明的又一个优点在于在心脏计算机断层摄影期间提供了呼吸信息，而不需要用另外的探针来接触患者。
本领域的普通技术人员将基于详细阅读下面的优选实施例的描述看出本发明许多的其他优点和益处。
附图说明
本发明可具体化为不同的部件以及部件的配置，并可具体化不同的处理操作以及处理操作的安排。附图仅仅用于对优选实施例进行图解的目的，并不解释为对本发明的限制。
图1概略地示出了一种包括在位呼吸循环监控的计算机断层摄影系统。
图2概略地示出了图1中的计算机断层摄影成像系统的阻抗计的适合的实施例。
图3概略地示出了图1中的计算机断层摄影成像系统的呼吸监控器的适合的实施例。
图4概略地示出了图1中的计算机断层摄影成像系统的呼吸监控器的又一适合的实施例。
优选实施方式
参考图1，计算机断层成像系统10包括计算机断层摄影扫描器12。虽然本发明示例性地参考计算机断层摄影进行描述，但是可以理解本发明将可应用于使用其它成像设备(例如单光子发射计算机断层摄影、正电子发射断层摄影、磁共振成像、超声成像等)的其它医学诊断成像系统。
该计算机断层摄影扫描器12包括X射线源14和关于成像区域20相对设置的接收X射线的探测器阵列16，所述成像区域20由旋转机架18限定。将要进行成像的对象被放置在对象支撑22上并被插入到成像区域20中。该X射线源14产生被引导进入成像区域20内的锥形、楔形、或者其它形状的X射线束，在此处X射线部分地被患者吸收。在穿过成像区域20之后，被吸收削弱的X射线强度在X射线探测器阵列16处得到测量，并且由探测器产生的X射线吸收数据被存储于成像数据存储器24中。
优选地，机架18在成像期间连续地旋转以采集至少180度角范围的投影视图.在螺旋计算机断层摄影成像中，该对象支撑22在成像期间线性前进。对象支撑22的线性移动与机架18的圆形旋转的结合产成了X射线源14关于成像区域20的螺旋轨道运动，在此期间采集到三维的体成像数据并将其存储于成像数据存储器24中.
在成像之前，一对电极30、32被电地和机械地连接到患者的胸区。优选地，电极30、32设置成其间有胸区的相当大的部分.该电极30、32适合地采用低X射线吸收特性的一种材料或多种材料制成.类似地，对于其它成像设备来说，优选将所述电极构造成对成像的干扰最小。对于磁共振成像应用来说，例如，所述电极应该由非磁性的一种材料或多种材料制成。
该电极30、32与阻抗计34电连接，从而对电极30、32之间的阻抗进行测量.测量到的阻抗可包括电阻、电容、电感、电抗或者结合电阻和电抗的复合阻抗.测量到的阻抗随电极30、32的空间分离而变化。当胸部随着吸气和呼气而扩张和收缩时，这一空间分离变化，使得测量到的阻抗携带了呼吸循环的信息。当呼吸循环进行时，测量阻抗随时间变化的函数。
呼吸监控器36接收测量得出的阻抗函数并计算一个或多个呼吸特征。例如，阻抗函数的周期与呼吸率一致.阻抗函数的斜率涉及呼吸状态.如果该阻抗是电阻，该电阻随肺中的空气潮气量(tidalvolume)的增加而增加，这是因为电极30、32之间的路径长度增加了.因此，吸气由随时间改变的电阻函数的正斜率表示.类似地，呼气由电阻函数的负斜率来表示。屏气或其它的吸气和呼气之间的延长的间隔由大致水平的斜率来表示。随时间变化的阻抗函数的极值(例如峰值和谷值，或者最大值和最小值)表示了吸气和呼气之间的转变，并为估算呼吸循环相位提供了时间的标记。
由呼吸监控器36输出的一个或多个呼吸特征能用于多个方面.例如，在一个应用中，呼吸循环分库处理器40根据通过呼吸监控器36表示的呼吸循环相位(φ)对采集到的投影视图进行分类。该呼吸循环分库处理器40将投影视图进行分类成呼吸循环相位库42，每一库对在选定呼吸循环相位间隔采集到的投影视图进行存储.为了满足数据采样的需要，一些数据可以来自类似配置的其它相位。呼吸循环相位选择器44选择一个或多个呼吸相位用于重建。重建处理器46对存储于选定呼吸循环相位库42的成像数据重建，形成存储于图像存储器48内的一个或多个体图像表示。通过对在有限的呼吸循环相位间隔采集到的数据进行重建，由于呼吸而导致的图像运动模糊减少。视频处理器50根据体图像表示产生可显示图像，例如最大强度投影、提取出的二维切片或者三维再现，所述图像显示于计算机52或其它用户界面装置。
在另一个应用中，呼吸特征用于在成像数据采集期间识别呼吸活动。图像呼吸处理器60基于监控的呼吸活动来相对地空间记录呼吸表示，从而校正感兴趣的被成像器官的与呼吸相关的运动。例如，重建图像的部分被扩展或收缩以将图像调整到恒定呼吸状态。该视频处理器50产生空间记录图像表示的可显示图像，由于图像记录处理所述图像减少了与呼吸相关的运动模糊。
在另一个应用中，呼吸特征用于触发图像数据的采集或者用于完成数据采集的预期呼吸门控。例如，呼吸特征可被监控以检测屏气状态。当检测到屏气时，通过用户界面52提供给计算机断层摄影(CT)扫描器控制器64的成像序列被触发.作为该触发的响应，控制器64使计算机断层摄影扫描器12执行被选择的成像序列.在预期的呼吸门控中，控制器64在选择的通过呼吸监控器36表示的呼吸循环相位间隔期间初始化成像数据采集的间隔。可类似地执行与呼吸循环同步的剂量调制的成像。
对于心脏计算机断层摄影成像，在使用电极对30、32来监控呼吸循环的同时，心电图机66适当地监控心动循环.在一个优选实施例中，阻抗计34使用基本上比心率高的脉冲频率测量脉冲调制的信号.因此，该阻抗测量信号和心电图信号通过频率选择滤波可容易地退耦.所示实施例中的心电图机66对图像数据采集进行门控.可选择的，该心电图的信息被输送到分库处理器40中来将基于心脏和肺的相位的数据分库。
参考图2，示例性阻抗计34测量随时间变化的电阻R(t)70.特别地，脉冲发生器72产生施加在电极对30、32之间的电压脉冲序列。优选该脉冲序列的频率在几十千赫的范围内，同时选定精确的频率以位于可应用的频率分配带中，从而避免产生有害的射频干扰。该脉冲发生器72的频率可随意调整，在这种情况下应用的频率能优化成使阻抗信号最大化.电压脉冲的幅度通常是几伏或者更低.电流表74测量脉冲序列频率下的电流。可选择地，频率选择滤波器76从测量到的电流中除去了噪音或其它干扰.阻抗计算器78通过使施加的电压和测量到的电流相除来计算电阻，从而计算出随时间变化的阻抗R(t).
本领域技术人员能容易地修改示例性阻抗表34来适应特殊的应用或者利用可用的电子元件的优点。例如，可获得电流脉冲序列，并且电压由电压表测量得出.可通过适当地考虑电压和电流脉冲之间的相移，或者以其它方式组合电压和电流数据计算出其它类型的阻抗，例如电容、电感或复阻抗。此外，可使用电压、电流或者其它电学参数表征呼吸.对于磁共振成像期间的呼吸监控，优选施加低频或直流电压或电流以消除涉及射频干扰。
当使用由脉冲发生器72生成的电压脉冲序列输入时，很明显心电图机66能在测量对时间变化的阻抗70或者其它随时间变化的电学参数的同时测量心电图信号80。在呼吸监控和心脏监控中都使用电极对30、32方便地减少了成像延时，并简化了患者的准备工作，并且通过减少接触探针的总数进一步使患者受益。为了消除由脉冲发生器72产生的高频率信号分量，适当地在心电图测量之前应用低通滤波器82。虽然图2中示出了单独的滤波部件，如果心电图机66的频率响应使得该心电图机66不响应于脉冲序列频率下的信号分量，那么可选择忽略该滤波器。
参考图3，呼吸监控器36的示例性实施例输出呼吸状态90，其将患者分类为处于呼气状态、吸气状态、以及屏气或者过渡状态中的一种。一阶导数处理器94使用模拟微分电路、拟合曲线的数字微分、解析微分或者拟合的样条段等，计算出随时间变化的电阻70的一阶导数。阈值处理器96将一阶导数信号分类为正、负或基本上是零。可以认识到测量到的阻抗70的正一阶导数对应于随时间变化的电阻的增加，其因此对应于吸气胸扩张期间出现的增加的电阻路径长度.类似地，测量到的电阻70的负一阶导数对应于随时间变化的电阻的减少，对应于减少的路径长度，并因此对应于呼气。测量到的电阻70的基本为零的一阶导数对应于恒定的肺容积，这通常表示患者故意的屏气或者完全的吸气或完全的呼气状态。
继续参考图3，呼吸监控器36也优选测量呼吸率98。呼吸率是相对低的频率，通常每分钟12次呼吸左右(～0.2Hz).在一个适当的测量方法中，低通滤波器100，例如截止频率fc～0.5Hz的滤波器，过滤掉随时间变化的电阻R(t)70的较高频率分量。频率处理器102使用快速傅立叶变换(FFT)分析、峰值检测以及计数等，决定对应于呼吸率98的被滤过信号的时间频率。
其它的呼吸参数可类似地从随时间变化的电阻R(t)70估算得出。例如，呼吸循环相位处理器104基于随时间变化的电阻R(t)70和/或从其提取的随时间变化的函数(例如由一阶导数处理器94产生的一阶导数或由二阶导数处理器106产生的二阶导数)，估算出呼吸循环相位φ(t)110。为了减少计算的复杂性，通常对一阶导数处理器94的输出进行微分来获得二阶导数是特别有益的，如图3所示。然而，也可采用从随时间变化的电阻70直接计算二阶导数的方法。呼吸循环相位φ(t)110通过呼吸循环处理器104对具有适当呼吸循环模式的随时间变化的电阻R(t)70和/或其导数进行曲线拟合适当地被估算出。可选择地，该呼吸循环相位处理器104可定位随时间变化的电阻R(t)70和/或其导数的临界点(例如最大值、最小值、或者拐点)，所述临界点对应于特定的呼吸循环相位，例如从吸气到呼气的过渡、从呼气到吸气的过渡等。
参考图4，呼吸监控器36的另一个示例性实施例输出肺中空气的潮气量V(t)120的数量值.特别地，将潮气量与电极30、32之间的电阻联系在一起的患者校准122在断层摄影之前得到，例如在潮气量的量化肺活量测量期间通过测量电极30、32之间的电阻得到。使用患者校准122，随时间变化的电阻R(t)70通过潮气量转换处理器124进行处理，以将电阻R(t)70转换为潮气量V(t)120的数量值.
很明显图3和5中的呼吸监控器的组件可容易地结合在一起。此外，除了示例性的呼吸状态、呼吸率、呼吸循环相位、以及潮气量特征之外，可基于随时间变化的电阻或其它随时间变化的电学参数70计算出其它呼吸特征。另外，呼吸率可拟合成模型以预测未来的呼吸循环。
本发明已经参考优选实施例进行了描述。明显地，基于阅读并理解前面地详细描述，其他人可作出修改和改造.这意味着本发明包括所附权利要求或其等同的范围内的所有修改和改造.
Claims (25)
1.一种诊断成像系统(10)，包括：
诊断成像扫描器(12)，其采集检查区域(20)内对象的成像数据；
重建处理器(46)，其将采集到的成像数据重建成图像表示；
电极对(30，32)，其适于与对象的胸区相接触；
电表(34)，其测量在电极对(30，32)之间随时间变化的电学参数(70)；
监控器(36)，其从所测量到的随时间变化的电学参数(70)中提取随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)；以及
图像数据分库装置(40)，用于基于随时间变化的呼吸特征中的呼吸循环相位(110)，将所述成像数据分类到呼吸循环相位库中，其中重建处理器(46)对选定的一个或多个呼吸相位库中的数据进行重建。
2.如权利要求1所述的成像系统(10)，其中随时间变化的电学参数(70)从包含下述参数的组中选择：
随时间变化的复阻抗，
随时间变化的电阻，
随时间变化的电容，
随时间变化的电感，
随时间变化的电流，以及
随时间变化的电压。
3.如权利要求1所述的成像系统(10)，其中该诊断成像扫描器(12)是计算机断层摄影扫描器。
4.如权利要求1所述的成像系统(10)，其中该电表(34)包括：
电压脉冲发生器(72)，其将电压脉冲序列施加到电极对(30，32)上；以及
电流计(74)，其测量响应于所施加的电压脉冲序列在电极对(30，32)之间流动的电流。
5.如权利要求1所述的成像系统(10)，进一步包括：
成像控制器(64)，其接收呼吸特征(90，98，110，120)，并基于其控制诊断成像扫描器(12)。
6.如权利要求1所述的成像系统(10)，其中该监控器(36)包括：
微分器(94，106)，其计算随时间变化的电学参数(70)的时间导数。
7.如权利要求6所述的成像系统(10)，其中随时间变化的电学参数(70)包括随时间变化的电阻，该微分器(94)计算一阶导数，并且该监控器(36)进一步包括：
呼吸状态处理器(96)，其计算下面的呼吸参数之一：
与随时间变化的电阻的正时间导数相对应的吸气，
与随时间变化的电阻的负时间导数相对应的呼气，以及
与随时间变化的电阻的基本上是零的时间导数相对应的屏气。
8.如权利要求1所述的成像系统(10)，其中该监控器(36)包括：
呼吸循环相位处理器(104)，其基于随时间变化的电学参数(70)对呼吸循环相位(110)进行估算。
9.如权利要求1所述的成像系统(10)，其中该监控器(36)包括：
校准(122)，其将对象肺中空气的潮气量与电学参数值相关联；以及
转换处理器(124)，其参考校准(122)来将随时间变化的电学参数(70)转换为随时间变化的肺中空气的潮气量(120)。
10.如权利要求1所述的成像系统(10)，进一步包括：
心电图机(66)，其使用至少该电极对(30，32)对对象的心电图数据进行测量。
11.如权利要求1所述的成像系统(10)，其中对象胸区的相当大的部分被置于该电极对(30，32)之间。
12.一种医学成像方法包括：
采集对象的成像数据；
用电极对(30，32)接触对象的胸区；
在采集成像数据期间测量电极对(30，32)之间随时间变化的电学参数(70)；
基于该测量到的随时间变化的电学参数(70)计算随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)；
将采集到的成像数据的至少一部分重建成图像表示；
基于随时间变化的呼吸特征中的呼吸循环相位(110)，将所述成像数据分类到呼吸循环相位库(42)中；以及
将选定的一个或多个呼吸相位库中的成像数据重建成图像表示。
13.如权利要求12所述的方法，其中用电极对(30，32)接触胸区包括：
将电极对(30，32)设置成其间有胸区的相当大的部分。
14.如权利要求12所述的方法，其中采集图像数据包括：
使X射线通过成像区域(20)；
测量通过成像区域(20)之后的X射线强度；以及
根据测量到的X射线强度计算X射线吸收数据。
15.如权利要求12所述的方法，其中随时间变化的电学参数(70)的测量包括：
将电压和电流之一施加到电极对(30，32)；
响应于所述施加，测量电压和电流中的另一个；以及
基于施加的和测量的量计算随时间变化的电学参数(70)。
16.如权利要求15所述方法，其中施加的步骤包括：
施加电压脉冲序列或电流脉冲。
17.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
使用电极对(30，32)测量心动循环数据。
18.如权利要求17所述的方法，其中使用电极对(30，32)测量心动循环数据基本上和测量电极对(30，32)之间的随时间变化的电学参数(70)同时进行。
19.如权利要求12所述的方法，其中测量电极对(30，32)之间的随时间变化的电学参数(70)包括：
测量电极对(30，32)之间的随时间变化的电阻。
20.如权利要求12所述的方法，其中根据随时间变化的电学参数(70)计算随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)包括：
基于随时间变化的电学参数(70)的时间斜率确定呼吸状态(90)。
21.如权利要求12所述的方法，其中根据随时间变化的电学参数(70)计算随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)包括：
基于随时间变化的电学参数(70)的时间斜率选择呼吸状态(90)，该呼吸状态(90)从以下选取：
与正时间斜率相对应的吸气；
与负时间斜率相对应的呼气，以及；
与大致水平的斜率相对应的屏气状态。
22.如权利要求12所述的方法，其中根据随时间变化的电学参数(70)计算随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)包括：
计算与随时间变化的电学参数(70)的时间频率成比例的呼吸率(98)。
23.如权利要求12所述的方法，其中根据随时间变化的电学参数(70)计算随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)包括：
基于随时间变化的电学参数(70)计算对象肺内空气的随时间变化的潮气量函数(120)。
24.如权利要求12所述的方法，其中根据随时间变化的电学参数(70)计算随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)包括：
基于随时间变化的电学参数(70)计算随时间变化的呼吸循环相位函数(110)。
25.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
基于提取的随时间变化的呼吸特征(90，98，110，120)门控成像数据的采集。
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