CN100581471C - 用于检查周期性运动的对象的ct方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测在检查区中周期性运动的对象的计算机断层摄影方法。首先，在采集测量值之后，重建检查区的粗略图像，从其中为进一步方法选择相关部位。为了产生具有减少运动伪像或提高的瞬时分辨率的图像，使用预先定义的位置的重建时相，其以这种方式被最优化，即它们一方面尽可能最小，然而另一方面又足够大，以便能够重建该部位中的所有体素。仅考虑在重建时相中采集的测量值，用于重建该部位的CT图像。

Description

用于检查周期性运动的对象的CT方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测检查区的计算机断层摄影方法，所述检查区至少部分地容易受到周期性运动。另外，本发明涉及一种用于执行这种方法的计算机断层摄影装置，以及用于控制这种计算机断层摄影装置的计算机程序。

背景技术

在检查例如患者心脏的周期性运动对象期间，令人不安地注意到，计算机断层摄影装置的辐射源所需用于围绕检查区旋转的时间与心动周期相比，并非短到可以忽略。因此，如果试图从在单次旋转期间采集的测量值重建心脏的CT图像(CT＝计算机断层摄影)，那么该CT图像将具有强运动伪像，因为在不同的移动相位采集考虑用于重建的测量值。

为了减少这些运动伪像，不是在单次旋转期间、而是在多次旋转期间采集测量值，从而每个独立体素在多次旋转中受到辐射源的照射。然后，与测量值的采集并行，记录表示周期性运动的信号，尤其是ECG信号，从而可以检测和存储单独的心动周期和测量值的采集之间的暂时分配。然后，辐射源通常发射锥形束，使用二维检测器装置(包括多个检测器行)关于检查区和辐射源之间的螺旋相对运动进行检测。

然后，通常不对整个辐照体积、而是仅对预确定区域进行重建，所述预确定区域足够大从而心脏能够确实地包括在其中。对于重建，仅考虑在心脏已经相对较小地移动的时限中的心动周期中采集的测量值，其可以借助于ECG信号确定。下面指定为重建时相(reconstructionwindows)的这些时限，可以比辐射源的一次旋转所需的时间更短，从而在重建的CT图像中产生较少的运动伪像，虽然测量值的采集基本上比辐射源的单次旋转耗时更长。专家之中已知作为回顾选通(retrospectivegating)的在特定重建时相中选择测量值，可以以不同方式发生：

使用从EP-A-1436782中已知的第一方法，从测量值中产生多幅低分辨率3D图像，从这些图像中得到心脏各个区域的运动信息。据此，对于这些区域单独的每一个，所述区域还可以包括单一体积元素(下文中简称为体素)，确定心动周期中的特定尺寸和位置的重建时相。对于重建仅考虑在这些重建时相中采集的测量值。原则上，用它们重建具有最少可能的运动伪像的CT图像，但是该方法目前仍不可行，因为其要求庞大的计算能力。

使用另一种方法，其描述在Manzke等人在2003年12月Med.Phys.30(12)第3072-3080页的公开内容中，显著减少了计算成本，即重建时相被确定在心动周期中预先规定的位置，该重建时相应用到将被重建的体积中的所有体素。这些重建时相以这种方式被最优化，即它们一方面是尽可能最小，而另一方面足够大，从而在重建时相中将被重建的体积中的每个体素暴露于来自足以重建的角度范围(180°)的辐照。本发明来源于该方法。本发明的一个目的分别是提高用重建的CT图像的分辨率可以达到的瞬时分辨率或者减少运动伪像。

发明内容

根据本发明通过用于检测检查区的计算机断层摄影方法实现该目的，所述检查区至少部分地容易受到周期性运动，该方法包括下列步骤：

a)随着辐射源围绕检查区旋转数次，产生穿过检查区的束，

b)使用检测单元，在旋转辐射源并且同时记录表示周期性运动的信号的期间采集一组测量值，其取决于超过检查区的束的强度，

c)从测量值重建粗略图像，

d)在粗略图像表示的区域中选择一个部位，

e)以这种方式最优化在心动周期中预先规定的位置中重建时相，即它们一方面是尽可能最小，而另一方面足够大，从而在重建时相中的部位的每个体素被来自对于重建是足够的角度范围的束辐照，

f)从在重建时相中采集的测量值重建该部位的图像。

作为从测量值在先重建(自然带有强伪像的缺陷)的粗略图像的结果-不依赖于它们在心动周期中的位置-和作为在相关粗略图像中选择部位用于诊断的结果-例如心脏的-可以将后续重建限制到具有回顾选通的最小可能体积。然而，需要为最优化移动周期中重建时相考虑的体素越少，重建时相可以越短，并且重建的CT图像的瞬时分辨率越好，或者其各自的运动伪像越少。由此，实现了最佳可能图像质量，其可以用对将重建的所有体素具有相等的重建时相的方法得到。

与由仅有单一检测器行的检测器布置检测平面扇形束所使用的方法相比，如权利要求2中要求的实施例允许更快速地采集测量值。

如权利要求3中所要求的实施例使得可以在旋转轴的方向上检查较大的段。基本上，这种段事实上也可以用环形相对运动检测，其中检查区和辐射源相对彼此不移动，然而这将需要具有相应大量检测器行的检测器布置，其将导致辐射源在其中移动的平面之外的附加重建错误。

根据权利要求4，如果应当在其中选择部位的粗略图像具有降低的空间分辨率，那么必须的计算能力较少或者相应地需要较少计算能力用于重建粗略图像。

如权利要求5中要求的实施例考虑了通常仅重建二维区域(层)的事实。如果最优化被限制到这种二维区域内的体素，这可能导致重建时相的进一步减少并且此外分别导致运动伪像的进一步减少或瞬时分辨率的提高。然而，将需要对其它层再次执行最优化。在这个范围下，如果对三维区域实施最优化，那么这是较简单的，从所述三维区域中可以重建后续任意定向层的图像。

通过如权利要求6中要求的实施例，减少了检查区中的辐射暴露。如权利要求7中要求的实施例，其也能够与如权利要求6中要求的方法结合使用，产生了带有较佳限定的轮廓或具有较少运动伪像的检查区的图像。

权利要求8描述了用于执行根据本发明的方法的计算机断层摄影装置，而权利要求9描述了适于这种计算机断层摄影装置的计算机程序。

从下文中描述的实施例中和参考它们，本发明的这些和其它方面将变得明显并将阐明，但是不应认为本发明受限制于这些。

附图说明

附图中：

图1示出了计算机断层摄影装置，使用其可以执行根据本发明的方法，

图2示出了根据本发明的方法的流程图，以及

图3示出了表示心脏的周期性运动的信号和采集得的测量值之间的分配。

具体实施方式

图1中表示的计算机断层摄影装置包括台架1，其能够围绕旋转轴14旋转，所述旋转轴14与图1中表示的x、y、z-坐标系的z方向平行。另外，台架由马达2驱动，具有优选为恒定、但可调整的角速度。诸如X-射线设备的辐射源S固定到该台架。这被提供有准直仪装置3，其从辐射源S产生的辐射中形成锥形束4，即在z-方向和垂直其的方向上(即，在垂直于旋转轴的平面中)都具有不同于零的有限扩张的束。

束4穿透检查区13，其中诸如患者的对象可以位于患者检查平台上(也没有示出)。检查区13具有圆筒形。在通过检查区13之后，X射线束撞击固定到台架1的二维检测器单元16，该检测器单元包括具有多个的检测器元件的多个检测器行。检测器行位于垂直于旋转轴的平面中，优选在围绕辐射源S的环形弧上。然而，它们可以形成不同的形状，例如，描绘围绕旋转轴14的圆弧或者是直线形的。束4撞击的每个检测器元件对辐射源的每个位置中来自束4的射线提供测量值。

指示为α_max的束4的孔径角(孔径角被定义为射线包围的角，在束4的边缘上位于垂直于旋转轴14的平面中，其中辐射源S和旋转轴14定义一个平面)确定对象圆柱形的直径，当采集测量值时，将被检查的对象位于其中。检查区13-或者对象或患者检查平台-借助于马达5可以平行于旋转轴14或z-轴移动。然而同样地，台架也可以在该方向上移动。

如果马达5和2同时运行，辐射源S和检测单元16相对于检查区13描绘出螺旋轨迹。另一方面，如果用于在z-方向上进给的马达5保持静止而马达2导致台架旋转，那么产生环形轨迹或者辐射源S和检测器单元16相对于检查区13的相对运动。

由检测器单元16采集的多个测量值提供到图像处理计算机10，其从它们、即在检查区13的截面中的吸收分布中重建CT图像，并且例如在监视器11上显示该CT图像。两个马达2和5、图像处理计算机10、辐射源S和测量值从检测器单元16到图像处理计算机10的传送，都由控制单元17控制。

同时地，在测量值的采集的同时，记录表示周期性运动的信号。在心脏检查的情况下，这可以是心电图的ECG信号，其由与患者接触的传感器15检测。同样地，该信号被提供到图像处理计算机10，以便于由此为重建选择合适的测量值，该测量值在心脏移动相对较小的心动周期的这种相位中被采集。

图2示出了测量和重建方法的次序，该方法可以由根据图1的计算机断层摄影装置执行。

在方块100中，进行初始化之后，马达2和5以及辐射源S被开启。由两个马达2和5的驱动导致了辐射源相对于旋转轴的螺旋运动，由辐射源13发射的锥形束4穿过检查区13并由检测器单元16检测。两个马达2和5的驱动速度互相协调，从而根据因子b，两个螺旋绕组之间的距离比检测器装置的高度更小-由辐射源投影到旋转轴上；b的合适值位于0.15和0.3之间。这规定了，采集很多-多余的-测量值，从而可以重建检查区中辐射的衰减，虽然仅考虑一小部分采集的测量值用于重建。同时地，随着测量值的采集，记录ECG信号，其在图3中在第一行中被表示。

检测器元件提供的信号被取对数，从而它们对应于沿着从辐射源到各个检测器元件的束通路的辐射衰减的线积分。由对数化产生的值在下面被指示为测量值M(λ，α，γ)。那么，λ是辐射源S关于旋转轴14在垂直于旋转轴的平面中的角度位置，并且可以总计为相应于辐射源围绕旋转轴旋转的数量的2π倍数。α指示在垂直于旋转轴14、而辐射源S垂直在旋转轴上的平面中束通道围绕的从辐射源到检测器元件的角度，从该角度产生测量值，而γ是在包括旋转轴、而辐射源垂直在旋转轴上的平面中该束通道围绕的角度。因而，在采集之后可获得测量值，其中测量值限定了具有在三维λ、α、γ参数空间中均匀分布的测量点的立方体。

在下一步骤(方块102)中，发生并行的重排(rebinning)，其中测量值M(λ，α，γ)变换成测量值M(φ，u，h)。那么参数φ表现束通道投射在垂直于旋转轴14的平面上的方向，其中关系保持：

φ＝λ+α         (1)

u和h表示由垂直于旋转轴的重排产生的几何的检测器坐标，其中该关系保持：

u＝Asin(α)       (2)

h＝Atan(γ)       (3)

然后A是辐射源到旋转轴的距离。

如果首先仅考虑贯穿旋转轴的束通道，那么参数φ可以被分配给ECG信号E的时间变量，如在图3中在第二行中所表示的。由此，每个刻度线表示一个值φ(或者辐射源的某一位置)，具有相同参数φ但是不同的参数u和h的大量测量值分配给该值φ。在图3中，在两个r-峰之间仅表示了少数刻度线。然而实际上，它们的数量，即辐射源位置的数量按照十进制幂(decimal power)较大，在该时间段从所述位置已经采集了测量值。因而，倘若存储了属于R-峰的参数φ_i1 ^R、φ_i ^R和φ_i+1 ^R等，可以存储该ECG信号，出于本发明的目的仅对R-峰的位置感兴趣。

在步骤103，从产生自并行重排的测量值重建粗略的图像CT1-不依赖于当采集关于ECG信号的测量值时的事实。可以根据经滤波的反投影进行重建。使用角度γ的余弦对测量值进行预先加权，并且该测量值经受行方向上的一维滤波，同时具有φ和h的相同值的测量值每次经受共同的滤波。然后，考虑到锥形束的几何形状，经滤波的值被三维反投影。该反投影或由此产生的粗略图像可以包括该对象的整个横截面。然而，也可以限制到一个截面，其应当选择为足够大从而其确实包括患者的心脏。

为了加速粗略图像的产生，其可以产生具有减少的空间分辨率。其中的可能性包括在笛卡儿网格上重建衰减，与从计算机断层摄影装置的采集几何产生相比，其网格点具有较大的共有距离-即体素增加。然而，也可以对测量值求平均，其例如由位于检测器的正方形区域上的4×4的检测器元件提供，并且可以将平均值分配给射线，其将该区域的中心连接到辐射源。那么，使用减少数目的相应较大(和较少)体素重建了衰减。

在下列步骤104中，从粗略图像中选择用于诊断的感兴趣部位(感兴趣部位-ROI)，该部位是患者的心脏。该借助于合适的图像分割方法可以自动地或者交互地进行该选择，其中用户选择将要选择的部位的特征点。

在步骤105中，预先确定心动周期中的相位点。这些相位点限定了心动周期中的时刻，其中心脏基本上处于静止状态。从下面的关系式中产生相位点的位置：

${\mathrm{\φ}}_i^P={\mathrm{\φ}}_i^R+p({\mathrm{\φ}}_{i+1}^R-{\mathrm{\φ}}_i^R)---\left(4\right)$

根据心率，例如，那么心率p位于0.35和0.45之间，或者在0.75和0.85之间。相位点φ_i-1 ^p、φ_i ^P和φ_i+1 ^P输入在图3的第二行中。

在后续步骤106中，最优化重建时相，其对称地位于相关相位点，但可以具有共有的偏离宽度。在图3的第二行中，表示了重建时相W_i-1、W_i和W_i+1。原则上，如Manzke等人的文章中描述的，进行时相宽度的最优化，然而，受限制到选定部位ROI的体素。

然后，首先所有束通道组合起来，从而在下面的角度滤波某一体素：

φ＝θ+kπ                (5)

那么θ是0和π之间的角度，而k是非负整数(包括0)。K的最高值取决于各个体素在角度φ暴露到辐射的频繁程度。对于这些束通道的每个值φ，确定到下一相位点的时间间隔。存储这些间隔的最小者和相关相位点。这对在π角度区域中的所有其他的角增量θ重复，并且随后以相应方式处理束通道，在束通道上所选部位ROI的其他体素被辐射穿过。

然后，对于每个相位点，存在多个不同体素的最小间隔，从这些体素中对每个相位点选择最大间隔。重建时相的宽度是该最大间隔的两倍。随着该最优化，保证每个重建时相尽可能最小，然而在另一方面是足够大，从而对于π角度区域中每个体素至少有一条射线通路，所述射线通路穿过该体素。

然而，重建时相并不必是对称的。根据ROI的体素的最小间隔，也可以从相位点两侧的这些体素中选择具有最大间隔的那些。这两个间隔限定了在相位点周围的时相，如果两个间隔是相同的尺寸那么该时相是对称的，否则该时相关于相位点是不对称的。

在步骤107，进行所选部位ROI的CT图像的重建，其中考虑具有参数φ的唯一测量值，在一个重建时相中已经采集了该测量值。根据经滤波的反投影，可以再次进行重建，同时在步骤102中通过滤波的测量值M(φ，u，h)已经产生的滤波值，可以转换成-直到它们位于重建时相中。这些值在反投影之前被加权，其中，一方面考虑相关参数φ距离各个相位点φi的间隔(该间隔越大，值的加权就越小)，并且另一方面，考虑到位于各个重建时相中的值φ或φ+kπ的数量。

在该重建中结束了该方法(方块108)。

与Manzke等人的文章中所述的方法相比，出现了更强烈减少的运动伪像或者产生了更进一步提高的瞬时分辨率。这从该事实中产生，即重建时相可以更小，由于通过在步骤103中重建粗略图像和通过在步骤104中选择部位ROI，将最优化限制到体素的最低可能数目。

在临床实践中，三维区域的表示不总是必须的，而心脏的图像切片就已足够。在这种情况下，选定部位可以被限制到将被表示的切片，其导致更进一步减少运动伪像。然而，如果将产生另一图像切片，步骤104和107必须重新执行。

通常，最优化的重建时相的宽度对应于少于心动周期的30％。这意味着，在步骤107产生的用于CT图像的已采集测量值中，超过70％是不需要的，并且在采集所有测量值期间，患者暴露到相应高的辐射剂量。由于用心率的信息已经预先确定相位点的位置或者参数p(公式4)，患者将暴露到的剂量可以减少，由于根据ECG信号，辐射源随着采集打开和关闭，从而仅在对于相位点对称的、预选定的、足够大的时间窗期间产生辐射。

随着前述对重建时相的宽度的最优化，仍然不值得考虑的是，不是在精确的相同时间采集具有相同参数φ的测量值，而是在相对短的时间间隔内采集具有相同参数φ的测量值。该不精确性可以消除，由此不计算或者存储ECG信号(或其R峰)和参数f之间的暂时分配，但是计算或者存储采集测量值的时间。然后，该重建时相将对应于心动周期中的某一时间间隔，并且其可以以相似方式被最优化-用一些修改方案-如关于步骤106所述：

那么，在步骤106中，然而，将不确定φ和相位点φi之间的间隔，而是实际上测量具有方向φ的测量值的时间和相应于相位点的时间之间的时间间隔。根据下面的关系式计算已经采集测量值的时间

t＝T/2π(φ-arcsin(u/A))            (6)

其中T是旋转周期，辐射源需要其来完成围绕旋转轴的完整旋转。近似的，下列保持：

t≈T/2π(φ-u/A)                    (7)

其中对于T＝0.42s的旋转周期的误差低于0.001s。

对每个体素对于数量π的角度区域，确定和存储到相位时刻点之一的最小时间间隔。在已经对部位RO I的所有体素进行这个之后，对于每个相位时刻，选择以这种方式确定的时间间隔的相应最大值，并且将重建时相的宽度固定在该间隔的两倍。

随着在步骤107中的后续重建，仍然必须分别借助于公式(6)或(7)，对每个体素和每个角度φ进行核查，其中在一个时间间隔中，由检测器元件检测从方向φ+kπ穿过体素的射线，所述时间间隔对应于重建时相。重建中仅考虑属于这种射线的测量值。

还可以使用已经具有重建粗略图像的回顾选通。即，对于粗略图像的重建，仅使用在围绕多个相位点的时相中采集的这种测量值。这些时相可以具有均一的尺寸，其必须大于重建时相的宽度，这可以被预期。以这种方式重建的粗略图像，与无选通的可能相比，将表示心脏分别具有更好限定的轮廓或者具有更少的运动伪像。

Claims (8)

1、一种用于检测检查区的计算机断层摄影方法，该检查区至少部分受到周期性运动，该方法包括下列步骤：

a)随着辐射源围绕检查区多次旋转，产生穿过检查区的束，

b)使用检测器单元，在旋转辐射源并且同时记录表示周期性运动的信号的期间采集一组测量值，其取决于超过检查区的束的强度，

c)从测量值重建粗略图像，

d)在粗略图像表示的区域中选择一个部位，

e)以这种方式最优化在运动周期中预先限定的位置中重建时相，所述方式即一方面重建时相是尽可能最小，而另一方面又是足够大，从而在重建时相中的部位的每个体素被来自对于重建是足够的角度范围的束辐照，

f)从在重建时相中采集的测量值重建该部位的图像。

2、根据权利要求1的方法，其中辐射源发射锥形束，其由包括多个检测器行的检测器装置检测。

3、根据权利要求1的方法，其中在采集测量值组期间，在一面为辐射源和另一面为检查区之间，发生检测围绕旋转轴旋转的螺旋相对运动和平行于旋转轴的移动，在围绕旋转轴的360°旋转期间，该移动基本上小于投影到旋转轴上的检测器装置的高度。

4、根据权利要求1的方法，其中粗略图像的空间分辨率通过低通滤波器或平滑方法而降低。

5、根据权利要求1的方法，其中该部位是二维区域。

6、根据权利要求1的方法，其中根据表示周期性运动的信号，辐射源随着以仅在运动周期的预选定时间窗期间产生辐射的方式采集测量值组而打开和关闭。

7、根据权利要求1的方法，其中对于粗略图像的重建，仅考虑测量值，该测量值在具有运动周期中的限定位置的时间窗期间被采集。

8、一种用于执行根据权利要求1中的方法的计算机断层摄影装置，其包括：

辐射源，用于产生穿过检查区的锥形束，

与辐射源耦合的检测器单元，

驱动装置，其允许包含在检查区中的对象和辐射源相对彼此地围绕旋转轴旋转和/或平行于旋转轴运动，

重建单元，用于重建由检查区内检测器单元采集的测量值的吸收的空间分布，以及控制单元，用于根据下列步骤控制辐射源、检测器单元、驱动装置和重建单元：

a)随着辐射源围绕检查区多次旋转，产生穿过检查区的束，

b)使用检测器单元，在旋转辐射源并且同时记录表示周期性运动的信号的期间采集一组测量值，其取决于超过检查区的束的强度，

c)从测量值重建粗略图像，

d)在粗略图像表示的区域中选择一个部位，

e)以这种方式在运动周期中预先限定的位置中最优化重建时相，所述方式即一方面重建时相是尽可能最小，而另一方面又是足够大，从而在重建时相中的部位的每个体素被来自对于重建是足够的角度范围的束辐照，

f)从在重建时相中采集的测量值重建该部位的图像。

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