CN101080651A - 用于迭代重建的截断补偿算法 - Google Patents

Abstract

一种成像系统(10)，包括至少一个辐射探测器(20)，其邻近于对象接收孔(18)布置以便探测和测量来自对象的发射和透射辐射的至少其中之一，探测器(20)在多个投影角度处。处理器(64)确定在每一投影角度处哪一辐射数据属于辐射探测器(20)的视域。图像处理器(70，72)将只在确定的视域中探测到的辐射迭代地重建成图像表示。通过提供来自在不同的角度位置获取的投影的未截断数据来补偿截断数据，其中在所述不同的角度位置处截断数据不被截断。

Description

用于迭代重建的截断补偿算法

技术领域

本发明涉及诊断成像系统和方法。现已发现其特别适合结合带有衰减补偿的单光子发射断层摄影系统(SPECT)使用，并且在此将作为具体参考进行描述。应该意识到本发明也可应用于其它成像系统，诸如正电子断层摄影系统(PEC)，计算机断层摄影系统(CT)等。

背景技术

核医学成像应用辐射源对患者进行成像。具体的，将放射性药物注入到患者体内。放射性药物化合物包含放射性同位素，其以预知速度和特征能量经受伽马射线衰变。将一个或多个辐射探测器邻近患者放置以便监控和记录发射的辐射。有时，探测器围绕患者旋转或调整以便监控从多个方向发射的辐射。基于诸如探测到的位置和能量的信息，确定放射性药物在体内的分布，并且重建分布图像来研究循环系统、在所选器官或组织中的放射性药物的吸收等。

具体的，在迭代重建技术中，每次产生重建数据的新体积评估，图像数据的先前重建体积向前投影到探测器的平面上。将向前投影的数据与真正投影数据进行比较。如果重建图像是正确的，这两个投影数据将匹配并且不会存在差别。但是，当图像正在建立时，通常存在差别或误差。之后上述误差或其倒数向后投影到图像体积中，从而校正体积图像。

虽然这些技术工作良好，但是它们倾向于截断误差。即，当对象不能由探测器在所有的探测位置完全观察到时，只是在一些视野中出现用于重建一些体素的数据。这样，在感兴趣的主要区域中的数据通常被充分采样；但是，周围组织采样不密集或只在一部分视野中进行采样。在每一迭代周期中，向后投影的误差值横跨整个图像体积，包括充分采样和欠采样的区域。允许来自比较的误差值的向后投影导致在采样不密集的区域中的误差和假像，诸如，对象截断，其中在探测器中不存在用于比较的数据。

本发明提供新颖和改善的克服上述以及其它问题的图像设备和方法。

发明内容

根据本发明的一方面，披露了一种图像系统。至少一个射线探测器邻近于对象接收孔布置以便探测和测量来自对象的发射和透射辐射的至少其中之一，探测器可围绕对象移动以便在若干投影角度处接收辐射并生成量定的投影数据。视域(FOV)装置确定若干在每一投影角度属于辐射探测器的视域的像素。图像处理器将只在视域中所探测到的辐射迭代地重建成图像表示。上述图像表示迭代地重建在图像存储器中。

根据本发明的另一方面，披露了一种成像方法。在若干投影角度处探测和测量来自对象的发射和透射辐射的至少其中之一。以多个投影角度生成测量的投影数据。确定属于一视域的若干像素，其中上述辐射由辐射探测器在每一投影角度处进行探测。在上述视域中所探测到的辐射迭代地重建成在图像存储器中的图像表示。

本发明的一个优势是存在减少的假像。

另一个优势是在重建图像中存在降低的截去。

另一个优势是在重建图像中存在降低的混乱。

在阅读和理解下述对优选实施例的详细描述的基础上，本发明的另外进一步的优势和益处对本领域内的那些普通技术人员来说将变得明了。

附图说明

本发明可从各种部件以及部件的排布中、以及各种步骤和步骤的排布中体现。附图只是为了解释说明优选实施例的目的，并且不解释为对本发明的限定。

图1是图像系统的方块图；

图2是图像系统的一部分的详细的方块图；

图3图示出在对象一侧处带有平行孔准直的截断；

图4图示出在对象一侧处带有放大或扇形波束准直的截断；以及

图5图示出在探测器的第一角度位置的视域外侧但是在探测器第二角度位置的视域内的截断部分。

具体实施方式

参照图1，核成像系统10通常包括支撑可旋转台架14的固定台架12。一个或多个探测头16由可旋转台架14支撑，以便探测从感兴趣区域或检查区域18发射出的辐射事件。每一探测头包括探测器元件或探测器20的两维阵列，诸如闪烁器和光敏元件，例如光电倍增管、光电二极管等。还预期将X射线引导到诸如CZT元件的电转换器。每一探测头16包括用于电路22，用于将每一辐射响应转换成表示到探测器表面上的位置(x，y)和能量(z)的数字信号。用标准化的x和y坐标在二维(2D)笛卡儿坐标系中解决和/或确定在探测器20上的事件位置。但是可预期使用其它的坐标系。准直器24控制方向和角度扩展，探测器20的每一个元件可从其接收辐射，也就是，探测器20只能接收沿着已知射线的辐射。这样，在探测器20上对辐射进行探测的确定位置和摄影机16的角度位置限定了额定射线，每一辐射事件沿着额定射线发生。

通常的，把一种或多种放射性药物或放射性同位素注入将要被成像的对象，并且将对象放置在由病床26支撑的检查区域18中。上述同位素的几个例子是Tc-99m，Ga-67，以及In-111。在对象中存在的放射性药物产生从对象发射的辐射。辐射由探测头16进行探测，上述探测头16能够围绕检查区域18成角度地转换或旋转，以便在一个或多个所选的投影方向上收集投影发射数据。围绕检查区域18的每一探测头16的投影发射数据，例如，位置(x，y)、能量(z)以及角度位置(θ)(例如，得自于角度位置解算器28)储存在发射数据存储器30中。

由于发射数据通常包含由患者解剖的吸收特性的改变导致的不准确，因此经常使用透射辐射源来提供额外的衰减信息，从而校正上述发射数据。在一个实施例中，根据探测头16横跨检查区域18设置一个或多个辐射源50。任选的，辐射源50设置在探测头16之间或设置到探测头16，使得来自辐射源50的透射辐射被引向位于检查区域18的相对侧上的相应探测头16并且由该探测头16接收，从而补充发射数据。优选的，准直器24对透射辐射进行准直，例如，准直器24限制闪烁器20接收透射辐射的没有沿垂直于探测器20的射线(对于平行射束的配置)或在源和探测器之间的其它引导路径行进的那部分。可替换的，可以应用其它准直几何结构和/或准直可以在源处发生。

优选的，辐射源50是线性源，每一个延伸一个它们所对应的相应探测头16的轴向长度。优选的，线性源采取薄钢管的形式，其中充满放射性核并在其端部密封。可替换的，辐射源50也可以是条形源、点源、平坦矩形源、圆盘源、片源、充满放射性核的管或容器、或诸如X射线管的有源辐射发生器。

继续参照附图1以及进一步参照附图3-4，进行透射扫描，使得来自透射辐射源50的透射辐射也被探测头16接收，并生成透射投影数据。具体的，并行地但是在不同的能量下收集发射投影数据。由于对象52的尺寸通常比探测器20的视域大，上述透射和发射数据通常被截断，产生截断的投影P1，P2。不包括在探测器20的视域中的对象52的截断部分54被截掉。如在下面更详细描述的那样，根据在其它角度处获取的投影补偿截断部分54，其中该截断部分54在其它角度处没有被截断。

分类器60基于它们的相关能量来分类发射投影数据和透射投影数据。发射数据存储在发射数据存储器30中，以及透射数据存储在透射存储器62中。FOV确定装置64通过如在下述更详细描述的本领域内公知的方法之一来确定哪些数据在对应探测器20的视域中收集。

继续参照附图1以及进一步参照附图2，数据处理器70根据FOV透射数据迭代地重建3D透射辐射图像或衰减图74，同时图像处理器72根据FOV发射数据迭代地重建3D发射图像。

优选的，数据处理器70进行迭代的贝叶斯迭代透射梯度算法(BITGA)，而图像处理器72进行最大似然期望最大值算法(MLEM)。在准备重建过程的第一迭代中，通过用假设的或第一估算衰减图和发射图来装载存储器74，76而对衰减图存储器74和图像存储器76进行初始化。用于衰减图的第一估算的可选特征是包含对象的预定轮廓中的相同衰减值以及轮廓外部的零点。同样地，第一发射图估算的可选特征是轮廓中的的相同值以及外部的零点。可替换的，使用附加的先验信息以用于更精确的第一估算。

第一向前投影器80根据透射衰减图74形成投影透射数据。第一比较装置82将所测量的透射数据与向前投影的数据进行比较来确定校正系数。FOV确定装置64通过本领域内公知的方法之一确定对象的任意部分是否比视域大，例如，FOV确定装置64确定一些像素是否被强迫为零值。优选的，产生一系列参考扫描，从其确定视域。可替换的，FOV确定装置64在标准化的透射投影数据中从边缘到中心搜索每一线，以便确定相邻像素之间的值的尖锐变化。如果当前像素和先前像素之间的差别大于预定的阈值，那么FOV确定装置64推断在那存在截断。滤波器装置84通过对视域外部的数据过滤从校正系数矩阵中把超出截断的确定点的所有像素排除在外。例如，不会使用来自FOV外部的数值错误地校正重建数据的下一迭代。对应于视域的校正系数存储在第一校正存储器86中。

继续参照图1和2以及进一步参照附图5，当在第一角度位置α1进行投影时，第一截断部分90不能被投影P4探测到，但是该第一部分90被在第二角度位置α2进行的投影P3探测到。同样的，当在第二角度位置α2进行投影时，第二截断部分92不能被投影P3探测到，但是第二截断部分92被在第一角度位置α1进行的投影P4探测到。部分94同时在所示的投影P3和P4中截断。截断数据补偿装置100提供在不同的角度位置获取的未截断的投影数据，从而补偿FOV视域外部的截断部分90，92。第一向后投影器102将校正系数向后投影到衰减图存储器74中。将(非零值的)向后投影限制到收集实际数据P1、P2的区域。衰减图74的元素代表存储在衰减系数存储器104中的相应体素的衰减系数。

继续参照附图1和2，图像处理器72用每一迭代在图像存储器76中迭代地重建3D图像表示，其中每一迭代包括向前投影操作和向后投影操作。第二向前投影器110根据存储在图像存储器76中的重建发射图像生成投影发射数据。更具体的，对于沿其接收发射数据的每一射线来说，第二向前投影器110通过存储在衰减系数存储器104中的透射衰减系数来计算相应射线的投影。衰减校正装置112调整所接收的发射数据来补偿沿同一射线的衰减系数投影。第二比较装置114将沿着射线的经过衰减校正的测量的发射数据与沿着同一射线的向前投影数据进行比较来确定校正系数。滤波器装置84’通过对视域外部的数据过滤从重建中把超出截断的所确定点的所有像素排除。对应于视域的校正系数存储在第二校正存储器116中。第二向后投影器118将校正系数向后投影到重建图像中，也就是用校正系数对重建图像进行更新。截断数据补偿装置100提供在不同的角度位置获取的未截断的投影数据，从而补偿FOV视域外部的截断部分90，92。放弃用于视域外部的区域的任何确定的校正。

在一个实施例中，截断数据补偿装置100将先验知识应用到上述算法中，使得在重建图像中的截断侧的边界变平滑。如果投影是高度截断的，在重建图像中的一些像素可能只在几个投影角度“看到”探测器FOV。在该情况下，在重建图像中在截断侧产生一些模糊。将先验知识应用到上述算法中有助于通过将在重建对象中的确定在视域外部的那些像素强迫为零值，减少在截断侧的模糊。

当然，还预期数据处理器70和图像处理器72进行其它迭代算法，其同时包括透射和发射迭代算法，以及各种其它梯度和非梯度迭代算法。使用最近更新的发射图像来进行每一个连续的迭代。当重建的发射数据和所测量的发射数据会聚(converge)，即，校正量落在预选水平之下，迭代重建过程结束。

在一个实施例中，收集全部先验图像(即，“已知设定”)。先验图像可以不来自正在接受检查的当前患者，而是为诸如得自于CT扫描、PET透射扫描、其它SPECT透射扫描等的其它对象的图像的类似结构的横断面。作为另一种选项，初始先验图像可以是同一对象的，但是在不同的形态下采集的。

视频处理器130对来自3D图像存储器76的切片、投影、3D呈现以及其它图像信息进行恢复，并且适当格式化图像表示，用于显示在一个或多个人类可观看的显示器上，诸如视频监测器132、打印机、存储介质等。如果视频处理器在重建过程中重复地恢复所选择的图像信息，当重建图像会聚在最终图像上，显示随着每一次迭代会变得更清楚。

继续参照附图1和2，迭代透射梯度算法可表示为：

${\mathrm{\μ}}_j^{n+1}={\mathrm{\μ}}_j^n\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\exp (-\underset{k\∈K_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_k^n{l}_{i,k})l_{i,j}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{Y}_i{l}_{i,j}}---\left(1\right)$

其中：μⁿ _j是在第j个像素和第n个迭代的衰减系数；

f_i是在第i个探测器处的参考扫描值；

l_ij是从第i个探测器延伸到第j个像素的射线片断的长度；

K_i，j是从第j个探测器到第i个探测器的一组像素；

Y_i是在第i个探测器处的透射计数。

预先包括空间变化的伽马的贝叶斯迭代透射梯度算法(BITGA)可表示为：

${\mathrm{\μ}}_j^{n+1}=a_j\left[{\mathrm{\μ}}_j^n\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\exp (-\underset{k\∈K_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_k^n{l}_{i,k})l_{i,j}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{Y}_i{l}_{i,j}}\right]+[1-a_j]r_j$

其中r_j是“优选”像素值的值，以及a_j是其权重。

优选的，贝叶斯迭代透射梯度算法包括修改的先前块，其使用先验知识来促使每一个像素值与水(例如组织)或空气(例如肺中的空气)的衰减系数会聚：

f_j＝μ(ST)

$a_j=a_0\exp (-{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_j-\mathrm{\μ}\left(\mathrm{ST}\right)}{\mathrm{\δ}}\right)}^2)$

其中δ确定先前的程度。

优选的，探测器矩阵覆盖大于实际探测器视域的较大面积。位于在探测器矩阵中FOV外部的截断部分54中的像素被强迫为零值，并且被FOV确定装置64截掉，如上所述。超出截断的确定点的所有像素都不包括在重建中，例如，投影数据被截断以便从重建中将错误的零值排除掉。

只重建来自视域的像素的修改的贝叶斯迭代透射梯度算法可表示为：

${\mathrm{\μ}}_j^{n+1}={\mathrm{\μ}}_j^n\frac{\underset{i\∈\mathrm{FOV}}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\exp (-\underset{k\∈K_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_k^n{l}_{i,k})l_{i,j}}{\underset{i\∈\mathrm{FOV}}{\mathrm{\Σ}}{Y}_i{l}_{i,j}}+[1-a_j]*r_j---\left(2\right)$

当然，如果对象足够小以使得没有事件落在探测器FOV之外，那么投影数据没有被截断。

本发明参照优选实施例进行了说明。显然，在阅读和理解前述详细说明的基础上对于本领域的技术人员来说可进行修改和变换。本发明意旨解释为包括所有的修改和变换，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围之下。

Claims (20)

1.一种图像系统(10)，包括：

至少一个辐射探测器(20)，其邻近于对象接收孔(18)布置以便探测和测量来自对象的发射和透射辐射的至少其中之一，所述探测器(20)围绕所述对象移动以便在多个投影角度处接收辐射并生成测量的投影数据；

FOV装置(64)，用于确定在每一投影角度都属于辐射探测器(20)的视域的多个像素；

图像处理器(70，72)，其将只在所述视域中被探测到的辐射迭代地重建成图像表示；以及

图像储存器(74，76)，所述图像表示在其中迭代地重建。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述图像处理器(70，72)包括：

向前投影器(80，110)，其投影来袭相应的图像储存器(74，76)图像表示；

装置(82，114)，用于将向前投影的图像表示与所测量的投影数据进行比较，并且基于比较结果确定一组校正系数；以及

向后投影器(102，118)，用于将仅对应于在所确定的视域内的像素的校正系数向后投影到图像表示中。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述图像处理器(70，72)进一步包括：

滤波器装置(84，84’)，其用于在向后投影校正系数之前去除在视域之外的数据。

4.如权利要求3所述的系统，其中向后投影器(102，118)不向后投影处于视域之外的像素。

5.权利要求1所述的系统，进一步包括：

装置(100)，其通过下述至少其中之一来补偿截断数据：

提供来自于从在不同的角度位置获取的投影的未截断数据，在所述不同的角度位置处该截断数据不被截断，以及

使用先验知识。

6.如权利要求1所述的系统，其中图像处理器(70)执行下述至少其中之一：

迭代透射重建梯度算法；

迭代透射重建非梯度算法；

迭代发射重建梯度算法；以及

迭代发射重建非梯度算法。

7.如权利要求6所述的系统，其中图像处理器(70)进行迭代透射梯度算法，其中在视域之外的像素被排除在重建之外：

${\mathrm{\μ}}_j^{n+1}={\mathrm{\μ}}_j^n\frac{\underset{i\∈\mathrm{FOV}}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\exp (-\underset{k\∈K_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_k^n{l}_{i,k})l_{i,j}}{\underset{i\∈\mathrm{FOV}}{\mathrm{\Σ}}{Y}_i{l}_{i,j}}$

其中：

μⁿ _j是在第j个像素和第n个迭代的衰减系数；

f_i是在第i个探测器处的参考扫描；

l_ij是从第i个探测器延伸到第j个像素的射线片断的长度；

K_i，j是从第j个探测器到第i个探测器的一组像素；

Y_i是在第i个探测器处的透射计数。

8，如权利要求7所述的系统，进一步包括：

用于补偿截断数据的装置(100)，该补偿装置(100)使用先验知识来再次确认视域之外的像素并将再次确认的在视域之外的像素在重建图像中强迫为零值。

9，权利要求1所述的系统，进一步包括：

PET扫描器和SPECT扫描器的至少其中之一，用于探测来自对象的发射投影。

10.一种用于成像的方法，包括：

在多个投影角度处探测和测量来自对象的发射和透射辐射的至少其中之一；

在多个投影角度处生成测量的投影数据；

确定属于视域内的多个像素，在该视域中由辐射探测器在每一投影角度处探测所述辐射；以及

将在所述视域中探测到的辐射迭代地重建成在图像存储器中的图像表示。

11.如权利要求10所述的方法，其中重建的步骤包括：

向前投影所述图像表示；

将向前投影的图像表示与测量的投影数据进行比较；

基于所述比较结果确定一组校正系数；以及

将仅对应于在所确定的视域内的像素的校正系数向后投影到图像表示中。

12.如权利要求11所述的方法，其中重建的步骤进一步包括：

在向后投影之前去除在视域之外的数据。

13.如权利要求10所述的方法，其中确定FOV的步骤包括：

生成参考扫描。

14.如权利要求10所述的方法，进一步包括：

通过下述至少其中之一来补偿截断数据：

提供来自其它投影的未截断数据，以及

使用先验知识。

15.如权利要求10所述的方法，其中重建的步骤包括执行下述至少其中之一：

迭代透射重建梯度算法；

迭代透射重建非梯度算法；

迭代发射重建梯度算法；以及

迭代发射重建非梯度算法。

16.如权利要求15所述方法，其中重建的步骤进一步包括：

进行迭代透射梯度算法，其中在视域之外的像素被排除在重建之外：

${\mathrm{\μ}}_j^{n+1}={\mathrm{\μ}}_j^n\frac{\underset{i\∈\mathrm{FOV}}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\exp (-\underset{k\∈K_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_k^n{l}_{i,k})l_{i,j}}{\underset{i\∈\mathrm{FOV}}{\mathrm{\Σ}}{Y}_i{l}_{i,j}}$

其中：

μⁿ _j是在第j个像素和第n个迭代的衰减系数；

f_i是在第i个探测器处的参考扫描；

l_ij是从第i个探测器延伸到第j个像素的射线片断的长度；

k_i，j是从第j个探测器到第i个探测器的一组像素；和

Y_i是在第i个探测器处的透射计数。

17.如权利要求16所述方法，进一步包括：

通过使用先验知识再次确认在视域之外的像素；

将再次确认的在视域之外的像素在重建图像中强迫为零。

18.执行权利要求11所述方法的PET扫描器和SPECT扫描器的至少其中之一。

19.一种诊断成像系统(10)，包括：

发射存储器(30)，其存储来自对象的测量的发射投影，该发射投影由辐射探测器(20)来探测；

透射存储器(62)，其存储来自对象的测量的透射数据，该透射数据由辐射探测器(20)来探测；

处理器(64)，其确定辐射探测器(20)的视域；

衰减图存储器(74)，其存储透射衰减图；

图像存储器(76)，其存储发射图；

处理器(70)，其被编程以执行下述步骤：

(a)通过向前投影来自衰减图存储器(74)的衰减图来产生衰减图；

(b)将所投影的衰减图与透射数据进行比较；

(c)基于所述比较结果确定一组校正系数；

(d)将仅对应于在所确定的视域内的数据的校正系数向后投影到衰减图存储器中的衰减图中；以及

(e)迭代地重复进行步骤(a)到(d)，直到所投影的衰减图与透射数据会聚。

20.如权利要求19所述的系统，进一步包括：

处理器(72)，其被编程执行下述步骤：

(f)通过向前投影来自图像存储器的发射图来产生发射图；

(g)用从衰减图中计算出的衰减校正系数对所述投影的发射数据进行校正；

(h)用从衰减图中计算出的衰减校正系数对测量的发射数据进行校正；

(i)将投影的发射数据与测量的发射数据进行比较；

(j)基于所述比较结果确定一组校正系数；

(k)将仅对应于在所确定的视域内的数据的校正系数向后投影到图像存储器中的发射图中；以及

(l)迭代地重复进行步骤(f)到(k)，直到经衰减校正的投影的发射数据与所测量的发射数据会聚；以及

人可观看的显示器(132)，其呈现来自发射图的重建的图像表示。

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