CN101023887A - 用于在心脏成像时进行运动校正的方法和装置 - Google Patents
用于在心脏成像时进行运动校正的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于在心脏成像时进行运动校正的方法以及装置，其中，利用成像装置在包括多个心脏周期的时间段内记录心脏的至少一个区域的多个图像，并随后为产生组合图像数据组将它们相互关联。在该方法中，拍摄期间利用一个附加的测量装置采集测量数据，从中可以计算出在心脏周期之间心脏空间状况的变化，以及从这些测量数据中计算出心脏周期之间心脏空间状况的变化并在将拍摄相关联时予以考虑，以降低图像数据中由于变化造成的误差。本发明的方法可以产生降低了图像伪影的心脏的组合图像数据组。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在心脏成像时进行运动校正的方法以及装置，其中，利用成像装置在包括多个心脏周期的时间段内记录心脏的至少一个区域的多个图像，并随后为产生组合图像数据组将它们相互关联。
背景技术
为对心脏成像可以使用不同的成像技术，例如计算机断层造影(CT)、磁共振断层造影(MR)、正电子发射断层造影(PET)、单光子发射计算机断层造影(SPECT)或者超声波技术(US)。恰恰是在需要记录心脏或者心脏部分立体的三维图像数据组的应用中，由于记录立体数据的记录速度与心脏周期内心脏几乎静止的相对短的阶段相比较慢，没有其它措施就会导致运动伪影。因此为避免这种运动伪影，例如为产生心血管或者心脏的其它解剖学细节的三维图像数据组，使图像记录与心脏跳动或心脏周期同步进行。在此全部图像记录贯穿多个心脏周期，其中，分别仅记录或分析每个心脏周期中相同心脏阶段的图像数据。同步一般情况下通过也称为EKG选通的EKG控制(EKG：心电图)进行。在此，触发信号由对心肌的电活动性的测量导出。此外也可以使用所谓的呼吸选通的呼吸控制，以便也获得与呼吸运动的同步。但尽管有这些和其它公知的同步技术在以这种方式获得的3D图像数据中仍一如既往地产生运动伪影，它们导致图像中的空间分辨率降低。
EP 1055935A2介绍了一种用于对心脏进行磁共振成像的方法，其中使用呼吸选通技术。在此为导出用于呼吸选通的同步信号，在各MR图像拍摄之间利用导航脉冲序列测定横膈膜的位置，以便由此监测呼吸运动。随后将这些图像数据在考虑每次图像拍摄时所测得的横膈膜的位置的情况下进行正确的组合。为此需要预扫描，该预扫描将各通过横膈膜位置采集的呼吸阶段分别与心脏中的一个参考点相对应。
EP 1593984A1公开了一种用于磁共振成像的方法，其中使用EKG选通和呼吸选通，以避免所记录图像中的运动伪影。在这种方法中，也将导航脉冲序列用于测定横膈膜的位置，以便从中导出呼吸选通信号和用于图像校正的信息。
US 2005/0113672A1介绍了一种用于利用选通信号的不同信息以避免图像记录时的运动伪影的方法和装置。在这种方法中，同时采集有关器官如心脏的多个运动信息，以便从中导出选通信号。从该运动信息中测定器官最小运动的时间点并用于选通。从该运动信息中还可以确定运动校正系数，然后利用其校正所记录的器官的图像。但为此在直接使用所采集的运动信息时需要迭代法。对采集运动信息有不同的技术，例如还有电采集技术如EKG或者VKG。
DE 69529667T2介绍了一种用于利用磁共振产生图像的方法和装置。在此为减少运动伪影利用导航脉冲序列测定运动部分的位置，以便据此相应地校正图像数据。但利用这种导航技术只能在一个方向上测定运动。该文献也指出借助利用导航信号测定的心脏位置进行其它运动校正，例如连续的旋转矩阵匹配。但与此相关尚未解决的是，应如何在呼吸运动时采集心脏的转动或将其从通过导航信号测定的位置中导出。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于在对心脏成像时进行运动校正的方法以及装置，利用其可以进一步减少运动伪影。
在本发明的用于在对心脏成像时进行运动校正的方法中，利用成像装置在包括多个心脏周期的时间段内记录心脏的至少一个区域的多次拍摄，随后为产生组合图像数据组将它们相互关联。在此心脏周期是指心脏跳动的周期。为记录图像可以使用的成像技术例如有计算机断层造影、磁共振断层造影、正电子发射断层造影、单光子发射计算机断层造影或者超声波成像等。产生组合的图像数据组例如包括从在心脏的不同位置上记录的层析图像中产生3D图像数据组。但除了产生3D图像数据组外，该方法也可以用于将在不同的心脏周期中记录的拍摄相互关联，例如彼此相减的其它用途。
本方法的特征首先在于，在拍摄期间利用附加的测量装置采集用于产生心脏的心电向量图(VKG)的测量数据，从中计算在相继的心脏周期之间或相对于预先给定的心脏周期心脏的空间位置和定向的变化并在将拍摄相关联时予以考虑，以避免或至少降低由于心脏空间状况的变化在组合图像数据组中造成的误差。在此心脏的空间状况是指心脏的空间位置和定向。
在本发明的方法中利用选通技术进行成像，以确保每次拍摄都在相同的心脏阶段上进行或者只将在相同心脏阶段上记录(回顾性选通)的拍摄用于产生组合图像数据组。通过考虑在相继心脏周期或心脏跳动之间心脏空间状况的变化，再次降低了组合图像数据组中的运动伪影。在此利用以下认识，即心脏运动不仅包括心肌的收缩，而且心脏在各心脏周期之间的空间状况还可以改变，也就是可以移动和/或者转动。通过这种移动和/或者转动，心脏的空间状况可以随着一次次心脏跳动而产生变化。这种非周期性的变化不能通过公知的选通或同步技术得到补偿。然而，通过在记录拍摄期间采集心脏空间状况的变化并在从各拍摄中产生组合图像数据组时考虑这些变化也可以减少或者避免由此造成的图像伪影。这正是本发明方法的特别优点，利用其可以获得提高了空间分辨率的组合图像数据组，特别是3D图像数据组。
不言而喻，在本发明方法中在计算心脏空间状况变化的基础上进行的运动校正还可以利用例如对相继拍摄的图像进行比较等附加技术进一步完善。
在本方法中进行正交的心电向量描记术，以获得心肌电活动性的心电向量图(VKG)，从中可以测定和计算心脏周期之间或心脏跳动之间或者与作为基准确定的心脏周期之间的心脏空间状况的变化。在此测量数据的记录与图像拍摄的记录同时进行，其中，必须为过后产生组合图像数据组储存有关哪些图像拍摄和哪些测量数据与哪些心脏周期相对应的信息。
在作为心电图的一种变形的心电向量描记术中记录心脏的电活动性，以便从中确定在一个心脏周期期间心电向量的数值以及方向在时间上的变化。心电向量是一种电偶极子(Dipol)，通过其可以根据心脏的电活动来反映心脏。心电向量图显示在心脏周期期间心电向量的数值和方向在时间上的变化并相当于一般情况下的封闭的三维曲线，下面也称为VKG环(Schleife)，其又由多个子环组成。在心脏的空间状况变化时，电偶极子的空间状况以及因此心电向量图中VKG环的空间状况也发生变化。在本发明的方法中，对两个心脏周期之间心电向量图中VKG环空间状况的这种变化进行探测和量化，以便从中计算出两个心脏周期之间心脏空间状况的变化。
在该方法的扩展中，在心电向量图中检测涉及心律失常的心脏跳动的异常QRS复合波：期外收缩、心室提前收缩或者异位心脏跳动。期外收缩的QRS环在心电向量图中很容易识别，因为它在形状和定向上与正常(收缩的)QRS环存在明显区别。心律失常的心脏跳动导致妨碍正确运动校正的改变了的EKG/VKG信号。因此在该方法的该扩展中，对在这种心脏周期上记录的拍摄不进行运动校正。最好放弃整个拍摄(从而它对组合的图像数据组没有帮助)并在其随后的心脏周期中重新记录。
在本发明方法的另一具有优点的扩展中，利用心电向量图进行所谓的VKG标准化。在这种情况下，它是一种寻求将两个心脏周期的VKG环通过3D变换相互转换的技术。在此，它例如可以是相继的心脏周期。但也可以定义或者选择一个参考VKG环并将所有其它心脏周期的VKG环按其标准化。这种3D变换的特征参数(本征值、旋转角)可以作为心脏状态中变化的指示器使用。如果可以通过线性变换(旋转和移动)将各所观察的心脏周期的VKG环彼此转换，那么心脏的空间状况仅以常见方式改变。在这种情况下可以进行运动校正。如果变换不是线性的，那么它表明异常的心脏跳动，这样或者不对相应的拍摄进行运动校正或者放弃这些拍摄。
在通过记录心电向量图来实施本发明的方法时，最好还从心电向量图中导出用于使图像记录与心脏阶段同步的触发信号。这样就形成非常可靠、坚固的同步，因为例如在心电向量图中也可以识别心律失常的心脏运动，从而在这种情况下不产生触发信号。
在另一具有优点的实施方式中，心电向量图还用于采集呼吸的时间变化并导出用于呼吸控制的触发信号。因为呼吸运动影响心脏的空间状况，所以也可以从心电向量图中确定这种影响。因此与呼吸运动相关的心脏的空间状况的改变在本发明的方法中在运动校正时自动予以考虑。此外还可以通过分析心电向量图确定呼吸运动并用于触发图像拍摄。在这种情况下，可以取消使用单独的呼吸传感器。然后在需要时不再要求患者在图像拍摄时必须数秒钟屏住呼吸。
所提出的用于实施该方法的装置包括一个或者多个输入接口，用于利用成像装置记录的拍摄和利用测量装置采集的测量数据，还包括具有分析模块和图像组合模块的分析装置。分析模块用于计算心脏周期之间心脏空间状况的变化，图像组合模块用于关联所记录的拍摄，在考虑心脏的空间状况所计算的变化情况下记录组合图像数据组，其中至少降低由于心脏位置的变化造成的误差。分析模块以及图像组合模块在此方面这样构成，使其可以实施依据本发明方法的各个步骤。
附图说明
下面借助实施例并结合附图对本发明的方法再次进行简要说明。其中：
图1举例示出依据本发明方法的过程；
图2举例示出EKG/VKG信号与心肌收缩之间时间上的关系；以及
图3举例示出心脏周期中记录的心电向量图。
具体实施方式
在图1的实施例中，采用计算机断层造影技术产生心脏的三维图像数据组。在此采用选通技术这样进行CT扫描，使得原始数据的记录在与心脏跳动的同步下进行。按照这种方式，记录与患者身体纵轴(颅尾侧(kaudokranial)，Z轴)垂直定向的心脏层析图像的时间序列。这些轴向层析图像来源于不同的Z位置和不同的心脏周期。最好这样进行同步，使图像记录分别仅在每个心脏周期的无运动心脏阶段中进行。
为获得层析图像必须事先从计算机断层造影的原始数据中首先再现图像，这一般通过滤波反向投影实现。随后将各层析图像相应于其拍摄位置相互组合，以获得组合图像数据组。组合图像数据组的产生例如可以借助于多平面再现(MPR)或者借助于立体着色技术(VRT)进行。通过MPR例如获得矢向或者正面层的、不同定向的重整的轴向图像。借助于VRT可以产生3D立体图像。
在本发明的方法中，组合图像数据组(MPR、VRT)的产生是在考虑在图像记录期间采集的每两个心脏周期之间的心脏的空间状况的变化的情况下进行的。对此为进行运动校正，相应于所计算出的心脏空间状况上的变化对各层析图像单独进行转动、翻转或者移动。按照这种方式获得降低了图像伪影的MPR或者VRT图像。
在本实施例中，对不同心脏周期之间心脏空间状况的变化的采集(图像记录在没有该采集的情况下进行)通过同时记录各心脏周期的心电向量图进行。从这些心电向量图中还可导出用于使图像记录与心脏跳动同步的触发信号。从心电向量图中的VKG环(参见图3)的三维状况的变化中可以确定不同心脏周期之间心脏状况的相对变化，其被引入到运动校正中。
在本实施例中，逐心脏周期地进行VKG标准化，其中，计算相邻心脏周期的VKG环之间的3D变换。如果这种变换是线性的并因此涉及到VKG环的移动和/或者转动，那么可以从中直接确定心电向量状况的变化，并由此确定心脏状况的变化。如果确定了这样的线性变换，那么相应地进行图像校正。但如果没有产生线性变换，则说明是心律失常的心脏跳动。在这种情况下不进行运动校正。此外还可以放弃所属的图像拍摄，以使其对产生组合图像数据组不产生贡献。
图2示出通过心室立体2体现的EKG/VKG电信号1与心肌的机械收缩之间的时间关系。同步的图像记录最好在心脏的无运动阶段4中进行。不言而喻，还可以在所有心脏阶段中记录图像，但然后从中采用各相同心脏阶段的图像用于再现。正如从图2可看到的那样，心肌收缩的所谓QRS复合波3的电脉冲在前发生。这使得可以在该时刻就已经从心电向量图的所属部分中确定心脏空间状况变化。特别是在该时刻就已经可以识别是否存在心律失常的心脏跳动，因为这种跳动可以通过心电向量图中明显可见的变化的QRS环来识别。因此在这种情况下就不用从心电向量图中为同步图像记录导出的触发信号了。
图3举例示出心电向量图，其中，可以看到在计算机断层造影的X-Y-Z坐标系中VKG环的三维变化。该环由P环4、QRS环5以及T环6组成。在两个心脏周期之间心脏空间状况变化时，该VKG环的空间状况也发生变化，从而可以从这种变化中确定心脏空间状况的变化。
Claims (18)
1.一种用于在对心脏成像时进行运动校正的方法，其中，利用成像装置在包括多个心脏周期的时间段内记录心脏的至少一个区域的多次拍摄，随后为产生组合图像数据组将它们相互关联，其中，在拍摄期间利用测量装置采集用于产生心脏的心电向量图(VKG)的测量数据，从中计算在心脏周期之间心脏的空间位置和定向的变化并在将拍摄相关联时予以考虑，以至少降低由于心脏的空间位置和定向的变化在组合图像数据组中造成的误差。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将用于产生心脏的被采集区域的3D图像数据组的拍摄相互关联。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相应于所计算的心脏的空间位置和定向的变化对拍摄进行运动校正，特别是相应地进行单独的移动和/或者翻转和/或者转动。
4.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通过分析心电向量图借助异常QRS复合波来识别心律失常的心脏周期，其中，对在心律失常的心脏周期中记录的拍摄不进行运动校正。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，放弃在心律失常的心脏周期中记录的拍摄并在以后的心脏周期中重复。
6.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，分别对每两个心脏周期的心电向量图确定所属的心电向量图是否可以通过线性变换至少彼此近似地转换，其中，仅在线性变换的情况下基于所计算的心脏的空间位置和定向的变化对过后记录的该两个心脏周期的拍摄进行运动校正。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，如果心电向量图不能通过线性变换使得至少彼此近似地转换，则放弃过后的拍摄。
8.按权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述拍摄是在使用EKG控制或者VKG控制的情况下分别在心脏周期的相同阶段上记录的。
9.按权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述拍摄是在使用呼吸控制的情况下分别在呼吸运动的相同阶段上记录的，其中，从心电向量图中导出呼吸运动和用于呼吸控制的触发信号。
10.一种用于实施权利要求1所述方法的装置，具有
-一个或者多个输入接口，用于利用成像装置记录的心脏的至少一个区域的拍摄以及同时利用测量装置采集的用于制作心脏的心电向量图(VKG)的测量数据，以及
-分析装置，具有：
-分析模块，该模块从测量数据中产生心脏的心电向量图(VKG)并从中计算出在心脏周期之间心脏的空间位置和定向的变化，以及
-图像组合模块，该模块通过在考虑所计算的每两个心脏周期之间心脏的空间位置和定向的变化情况下将所记录的拍摄相关联来产生组合的图像数据组，其中至少降低了图像数据组中由于该变化而造成的误差。
11.按权利要求10所述的装置，其特征在于，所述图像组合模块这样构成，其将用于产生心脏被采集区域的3D图像数据组的拍摄相关联。
12.按权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述图像组合模块这样构成，其相应于所计算出的心脏的空间位置和定向的变化，特别是相应于单独的移动和/或者翻转和/或者转动对所述拍摄进行运动校正。
13.按权利要求10至12之一所述的装置，其特征在于，所述分析模块这样构成，其通过分析心电向量图借助异常的QRS复合波来识别心律失常的心脏周期，在此，所述图像组合模块这样构成，其对在心律失常心脏周期记录的拍摄不进行运动校正。
14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述图像组合模块不将在心律失常心脏周期内记录的拍摄包括在组合图像数据组内。
15.按权利要求10至12之一所述的装置，其特征在于，所述分析模块这样构成，其分别对每两个心脏周期的心电向量图确定所属的心电向量图是否可以通过线性变换至少彼此近似地转换，在此，所述图像组合模块这样构成，其仅在线性变换的情况下基于所计算的心脏的空间位置和定向的变化对过后记录的该两个心脏周期的拍摄进行运动校正。
16.按权利要求15所述的装置，其特征在于，所述图像组合模块这样构成，当心电向量图不能通过线性变换至少彼此近似地转换时，其不将过后的拍摄包括在组合图像数据组内。
17.按权利要求10至16之一所述的装置，其特征在于，所述分析模块这样构成，其从心电向量图中导出并提供VKG触发信号，从而可以在使用VKG控制的情况下分别记录在心脏周期的相同阶段上的拍摄。
18.按权利要求10至17之一所述的装置，其特征在于，所述分析模块这样构成，其从心电向量图中导出并提供呼吸触发信号，从而可以在使用呼吸控制的情况下分别记录在呼吸运动的相同阶段上的拍摄。
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