CN101278318A - 使用替代图像进行pet图像重建的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种供正电子发射断层摄影使用的方法和系统,其中,第一处理器元件(234)被配置为使用基于列表的重建技术重建在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮没事件,以生成第一体数据。第二重建器(226)被配置为使用第二重建技术重建所述多个事件,以生成用于确定误差校正(228)的第二体数据,对所述第一体数据应用所述误差校正以生成经校正的体数据,其用于生成人类可读图像(234)。在一个实施例中,在所述多个事件上执行乘法误差校正,所述第一处理器元件(234)重建所述经校正的多个事件;并且所述第二体数据误差校正包含加法误差校正。
Description
本发明涉及正电子成像领域,尤其涉及对在正电子发射断层摄影术(PET)中采集的数据进行重建。
正电子发射断层摄影术(PET)是核医学的一个分支,在其中将诸如18F-氟代脱氧葡萄糖(FDG)的发射正电子的放射性药物引入患者的身体。随着放射性药物的衰变,生成正电子。更具体地,在公知的正电子湮没事件中多个正电子中的每个与电子反应,从而生成重合的一对511keV伽玛射线,该射线主要沿重合线的两个相反方向传播。在重合时间内探测到的伽玛射线对通常被PET扫描仪记录为湮没事件。在飞行时间(“TOF”)成像中,测量在重合时间间隔内探测到重合对中的每条伽玛射线的时间。飞行时间信息提供了探测到的事件沿着重合线的位置的指示。通常通过使用统计(迭代)或分析重建算法,将来自多个湮没事件的数据用于重建或建立被扫描患者或对象的图像。更具体地,重建的图像提供了与放射性核素在对象中的分布有关的信息。
为了改善所得到图像的保真度,应用与重建过程有关的各种误差校正。这些校正包括,例如,基于扫描仪特征的扫描仪特异性校正,和基于被检查患者或其他对象的成分的对象特异性校正。
虽然已被证明TOF信息是有益的,但是它增加了重建过程的复杂性。特别是,基于直方图的重建算法在其对TOF数据进行处理方面是相对低效的。如果与基于直方图的方法关联的重组(rebinning)操作对发生在单个元(bin)中的给定重合线上任何位置处出现的事件进行组合,那么就丢失了飞行时间信息。虽然可以通过建立额外的元来考虑到飞行时间信息,但是这样做需要额外的存储器且增加了处理时间。
另一方面,逐个事件或列表模式的重建技术能够更加容易地配置(accommodate)TOF信息。然而,很难在逐个事件的基础上应用必要的校正。例如,实现某些校正需要被检查对象的基本知识,以估计校正的分布和量。因而,应用这些校正可以导致重建过程的低效,并且因而增加了处理时间。
本发明提供了一种在正电子发射断层摄影术中使用的方法和系统,其中,第一处理器元件被配置为使用基于列表的重建技术重建在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮没事件,以生成第一体数据。第二重建器被配置为使用第二重建技术重建所述多个事件,以生成用于确定误差校正的第二体数据。对所述第一体数据进行所述误差校正以生成用于生成人类可读图像的经校正的体数据。
在本发明的一个方面,对所述多个探测到的湮没事件进行重组,并且第二重建器重建所述重组的数据。在本发明的另一方面,第二重建器使用基于列表的重建技术重建所述多个探测到的事件的子集。
在本发明的另一方面,在所述多个事件上执行乘法误差校正,第一处理器元件通过重建经校正的多个事件而生成第一体数据;并且第二体数据误差校正包括加法误差校正,所述加法误差校正包括扩散和随机中的至少一种。
图1示出了一种用于重建PET图像的技术;
图2是一种计算机可读介质或载体的平面图,其包括在存在于其上的计算机程序中确实地实现的本发明实施例。
误差校正通常是正电子发射断层摄影术(PET)图像重建的组成部分。主要的误差校正分类包括归一化、衰减、随机、以及扩散。
基于直方图的最大似然期望最大化(“MLEM”)重建框架可由如下的方程组表达,其中假设根据适当的坐标系将测得的列表模式数据组合成正弦图(sinogram)形式,例如(r,phi,slc,l)或(s,z,phi,theta,l)。
方程A
其中
重建之后,所得到的图像能被表达成如下:
方程B
其中 而
在上述方程中,指数j指示投影数据元(s,z,phi,theta,l),而指数i指示对象元(x,y,z)或(u,v,w)。
如上述方程反映的,PET扫描仪图像重建误差可被分类为加法的或者乘法的。乘法误差校正包括归一化校正和衰减校正(如ηj atten、ηj deg eom、ηj decay和ηj deadtime)。加法校正包括扩散(sc)和随机(r)。
虽然上述方程关注重组的或基于直方图的重建技术,但是有可能转换该问题,使得逐个事件地对事件进行重建和校正。基于事件的图像重建将等同于在方程B中的所述那些,只是用数字1取代了测得数据gj Measured来表示一个事件,而j则表示事件编号。或者,还可以通过与在特定像素(gj)中累积的事件数量呈比例地重复对1求和并对每个像素重复所述过程,来对直方图组合数据应用基于事件的重建。
如果能够定义从探测到最终图像的流水线操作,那么从信息流的观点来看使用逐个事件的重建是有利的。然而,由于需要对对象的初步知识以估计校正的分布和量,并入加法校正(如,扩散和随机)需要打破这种流。因此将期望在维持有效的数据流的同时应用加法校正。
现在转到图1,PET扫描仪202包括一个或多个环状辐射敏感探测器203,其置于检查区域205的周围。PET扫描仪生成逐个事件的或列表模式的数据212,该数据212指示置于检查区域205中的患者或其他对象内部发生的多个正电子湮没事件。该数据212包含描述沿其发生每个事件的重合线的信息,以及能够估计出事件沿该重合线的位置的TOF信息。虽然经典PET数据212并不包括TOF数据,但是对于本领域技术人员显而易见的是可以增加TOF数据。
CT扫描仪204提供了指示置于其检查区域207中的患者或其他对象的辐射衰减的信息。CT扫描仪204包括辐射源,例如围绕扫描仪的检查区域207旋转的X射线管。由弧状或环状辐射敏感探测器209探测穿过检查区域的辐射,这提供了指示沿多条线或射线的辐射衰减的CT数据210信息。
优选地,PET和CT扫描仪彼此接近地定位,且其成像区域205、207对准共同的纵向轴或Z轴。这些扫描仪还共享共同的患者支架。在操作中,沿纵向方向平移患者支架,使得在每个扫描仪202、204的检查区域205、207中容纳有患者。
虽然已经描述了由CT扫描仪204提供辐射衰减信息,但是也可以执行用于获取衰减信息的其他技术。例如,PET扫描仪可以包括发射辐射的辐射源,所发射的辐射穿过PET扫描仪202的检查区域205。
常数K 214包括基于PET扫描仪系统性能参数的公知扫描仪特异性校正。示例包括涉及与上述方程A和B相关的探测器晶体效率(ηj xtaleff)、归一化(ηj atten)、探测器几何构型(ηj deg eom)、探测器晶体衰变时间(ηj decay)、死时间(ηj deadtime)等的系数。例如,观察到单个PET探测器203是不可操作的或丢失了一些敏感度,这可导致将恒定性能修饰因子K 214应用到由该探测器203报告的探测数据上。
CT处理器216重建CT扫描仪所生成的数据210,以生成指示在体或图像空间中正被检查的对象的辐射衰减的信息。衰减信息通常以霍斯菲尔德单位(HU)表示。由于CT扫描仪202通常提供分辨率大于PET扫描仪202所提供的分辨率的图像数据,因此可将该图像数据重新缩放以匹配将由PET扫描仪产生的图像数据的分辨率。对断层或体数据作进一步处理以生成指示被检查对象的衰减映射220。使用来自衰减映射的信息以校正被检查对象的非均匀辐射衰减特性(如人类患者中存在骨骼)所造成的误差。应当理解的是,本发明并不局限于使用来自CT扫描仪的CT数据,而是也可包括其他类型的数据,例如,来自各个扫描仪源的透射数据、超声数据或磁共振数据。
PET数据212由拷贝处理器218接收,该拷贝处理器218生成供次级代理处理路径226/228使用的数据。在一个实施例中,拷贝处理器218重新组合PET数据212,以便使用基于直方图的技术进行重建,如下文所述;更具体地,可以将该数据重新组合成相对小数量的元,例如通过忽略列表模式数据中包含的TOF信息。在任何情况下,列表模式数据212还被保存供列表处理器224使用。
如上所述,通常在PET图像重建中应用衰减校正,以实现对独立于对象组织密度的值进行计数。列表处理器224对PET数据212中的每个事件应用衰减校正和其他期望的乘法校正。更具体地,列表处理器利用上述方程应用基于衰减映射220及扫描仪特异性敏感度和归一化信息222的乘法校正。如果列表模式PET数据212中的每个事件具有统一初始加权,那么列表处理器224基于乘法校正因子(示例性地包括扫描仪特异性误差信息222和衰减系数信息220)向每个事件分配权数。然而,不应用加法校正(如校正扩散和随机所必需的那些)。
来自列表处理器224的重新加权数据由列表模式重建器230接收,该重建器230优选地使用上述的MLEM技术(尽管也能使用其他重建算法)重建该数据以提供图像空间中的体数据。
因而,重建的图像包含乘法误差校正(如,敏感度、归一化和衰减误差校正)。如应该理解的,由列表模式重建器230重建的图像并不包含加法校正(如,扩散和随机)。
例如扩散的加法误差校正通常针对低频误差,以致高水平的空间分辨率是不必需的。此外,如果不是对每个单个事件而是在图像空间中执行加法误差校正,则可达到处理效益,这是由于不是对包括PET列表模式数据212的通常更少数量的事件而可以对图像空间中相对较小数量的体素应用加法误差校正。或者,可以提供进一步的时间效益,这是通过提供与初级处理路径224/230并行的用于产生代理图像校正信息228的次级处理路径226/228来完成的。
如果相对于初级处理路径224/230,次级处理路径226/228提供了更快的图像重建过程,那么可以在完成初级处理路径的图像空间重建230之前完成并提供代理图像校正228,从而使得在较慢的并行初级列表处理路径224/230需要图像空间代理图像校正228之前得到它。然而,初级处理路径的列表模式图像重建230和次级处理路径的代理图像校正228中的一个可以被在另一个之前串行地完成,或者可以以并行的方式同时完成它们两个;在初级路径的图像空间重建230之前完成代理图像校正228不是必需的。
在一个实施例中,拷贝处理器218重组用于加法和乘法误差校正的列表模式PET探测器空间数据212,以便由次级直方图重建器226建立代理校正数据228。乘法和加法误差校正是通过基于直方图的重建技术,例如通过上述的MLEM算法过程来完成的,所述误差校正并不是逐个像素地应用于包括PET事件数据集212的多个事件中的每个单个事件,而是应用于PET事件数据集212的经重组的正弦图。通常将基于事件的数据重组成正弦图以降低重建期间所需要处理的数据量,因而相对于列表模式重建技术简化并提供了时间效益。即使重组数据的直方图图像重建有较低的分辨率,且与根据全部逐个事件的列表模式数据集212进行的列表处理图像重建相比“更粗糙”,直方图图像的加法误差校正估计也应与精细的基于列表的图像加法误差校正估计只有轻微的不同。
次级直方图重建器226任选地生成对乘法和加法误差两者进行校正的替代或代理图像空间重建236。任选地,可生成直方图导出的图像236用于观察、解释或其他应用;与列表模式重建器230产生的图像相比,该图像可以是相对粗糙的或分辨率较低的并且将不包含TOF信息。
如本领域所公知的,与基于事件的列表处理重建相比基于直方图的重建通常较快:因此,在由初级的列表模式重建器230完成初始图像重建之前可由较快的次级直方图路径226/228进行加法误差校正。虽然通过配置初级路径224/230以处理事件探测水平上的所有误差校正(包括加法误差)将产生最高的图像重建精度,但是列表处理器和直方图处理器之间处理速度的差别(通常大约为因子为10的阶数)将产生明显更长的图像重建时间。通过替代地采用并行路径处理,即:使初级的基于事件的列表处理路径结合次级路径来提供图像空间水平的加法误差信息,本实施例提供较快的处理时间的优点。
图像校正处理器232对列表模式重建器230生成的图像数据应用代理校正数据228,从而生成最终经校正的基于事件的人类可读图像234以供显示和使用(例如,用于在计算机监视器或其他显示设备上显示)。更具体地,在图像空间中执行校正。例如,在一个实施例中,代理校正数据228提供了PET图像空间体素校正因子,其中每个体素具有表示扩散贡献的参数;表示随机贡献的另一参数;以及多个额外的参数,每一个都对应预期的每个额外的加法误差校正。每个体素将具有如在次级图像重建器226的直方图图像重建中确定的唯一的误差校正因子集合。因而,一旦在图像空间中,将对乘法误差(如衰减、归一化、敏感度等)进行校正的多个单个列表模式事件212重建为由列表模式重建器230在初始列表模式重建中的体素,图像校正处理器232就应用来自代理图像校正数据228的每个体素的一个(或多个)加法误差校正因子,以响应地生成最终经校正的基于事件的图像234。
应当理解的是,本发明并不限制于到目前为止所述的初级列表处理/次级直方图处理的实施例。在另一实施例中,可替换地,次级路径重建器226为列表处理器:在该实施例中,拷贝处理器218向次级路径列表重建器226提供未组合的直方图数据而不是完整的列表模式数据212的子集。例如,可以选择每个第10个事件并将其提供给次级路径处理器226;然而,本领域技术人员应当认识到的是,特定的子集大小并不重要,并且可以采用其他的子集大小或选择方法,任选地响应于性能需要而选择其他的子集大小或选择方法。在任何情况下,优选地,选择事件的数量,以使得完成次级路径226/228重建并在图像校正处理器232需要代理图像校正信息之前可得到代理图像校正信息228。因而,次级路径重建器226和初级列表处理器224可以具有与次级路径226/228的较快的整体速度等同的处理速度和/或资源特性,该整体速度从其相对于完整的PET探测器事件列表212的部分数据集大小中导出。
如果数据大小或组成的不一致性仍然能使次级路径226/228在完成初级路径224/230的图像空间重建之前生成代理校正信息228,则备选实施例甚至可并入次级路径226/228的处理器,该处理器具有相对于初级路径224/230较慢的处理速度和/或较大的资源特性。因此,一些实施例可在初级路径224/230中对不包含TOF数据的事件数据212进行列表处理,并且对同样的事件数据212中包括TOF数据的用于次级路径226/228的子集进行列表处理以进行加法误差校正和代理校正228的推导。
如果对于次级路径226/228采用列表处理而不是直方图处理,那么将采用更适于列表处理的加法误差校正的备选形式而不是到目前为止所述的直方图加法误差校正方程,并且适当的误差校正过程对于本领域技术人员而言是显而易见的。
图2示出了在存在于计算机可读介质或载体400上的计算机程序中确实地实现的上述本发明的实施例。其他适当的机器可读存储介质包括固定硬盘驱动器、光盘、磁带、诸如只读存储器(ROM)、可编程的(PROM)等的半导体存储器。包含计算机可读代码的介质400是通过执行直接来自存储设备的代码,或通过将代码从一个存储设备拷贝到另一存储设备,或通过将代码传输到网络上以供远程执行来利用的。介质400可包括一个或多个固定和/或可移动数据存储设备,例如软盘或CD-ROM,或者它可包括一些其他类型的数据存储或数据通信设备。计算机程序可被载入计算机的存储器内,从而配置处理器来执行上述技术。计算机程序包括这样的指令,在处理器读取并执行时,这些指令使得处理器执行执行本发明的步骤或要素所必需的步骤。
虽然已经在此描述了本发明的实施例,但是可以作出设计上的变化,并且对于正电子成像、重合探测和发射断层摄影系统及方法领域的技术人员以及其他领域的技术人员而言这样的变化可能是显而易见的。显而易见的是,上述的各技术可由单个、多个或网络化计算机来实施。同样一个给定的处理器可作为一个以上的上述处理器元件:例如,一个处理器可作为上述的拷贝处理器218、列表处理器224、次级重建器226、初级重建器230或图像校正处理器232元件中的两个或多个。本发明决不仅局限于上述的特定实施例和重建过程,并且对于本领域的技术人员而言其他的实施例和重建过程实现方式是显而易见的。因此,本发明的范围只由附带的权利要求书及其等价内容进行限定。
Claims (22)
1、一种方法,包括如下步骤:
接收在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮没事件;
使用基于列表的重建技术重建所述多个事件,以生成第一断层数据;
使用第二重建技术重建所述多个事件,以生成第二断层数据;
使用所述第二断层数据确定误差校正;
对所述第一断层数据应用所述误差校正以生成经校正的断层数据;以及
生成指示所述经校正的断层数据的图像。
2、如权利要求1所述的方法,还包括重组所述多个探测到的湮没事件以生成重组数据的步骤,并且其中,使用所述第二重建技术重建所述事件以生成所述第二断层数据的所述步骤包括重建所述重组数据。
3、如权利要求1所述的方法,其中,使用所述第二重建技术重建所述事件以生成所述第二断层数据的所述步骤包括使用基于列表的重建技术重建所述多个探测到的正电子湮没事件的子集。
4、如权利要求1所述的方法,其中,与所述第一断层数据的空间分辨率相比,所述第二断层数据的空间分辨率较低。
5、如权利要求1所述的方法,其中,使用所述基于列表的重建技术重建所述事件以生成所述第一断层数据的所述步骤和使用所述第二重建技术重建所述事件以生成所述第二断层数据的所述步骤在时间上并行执行。
6、如权利要求1所述的方法,还包括对所述多个探测到的正电子湮没事件执行乘法误差校正以生成经校正的多个事件的步骤;
其中,使用所述基于列表的重建技术重建所述事件以生成所述第一断层数据的所述步骤包括重建所述经校正的多个事件;以及
其中,使用所述第二断层数据确定误差校正的所述步骤包括确定加法误差校正,所述加法误差校正包括扩散和随机中的至少一个。
7、如权利要求6所述的方法,其中,所述乘法校正包括扫描仪相关的校正和患者特异性校正中的至少一个。
8、如权利要求1所述的方法,其中,使用基于列表的重建技术重建所述事件的所述步骤和使用第二重建技术重建所述事件的所述步骤中的至少一个还包括响应于事件飞行时间数据生成断层数据的步骤。
9、如权利要求6所述的方法,还包括使用来自CT扫描的断层数据生成衰减映射的步骤,其中,执行乘法误差校正的所述步骤包括使用所述生成的衰减映射。
10、一种方法,包括如下步骤:
对在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮没事件中的每个执行乘法误差校正,以生成多个经校正的事件,所述多个探测到的湮没事件和所述多个经校正的事件包含飞行时间数据,其中,执行乘法误差校正包括使用从不同模态生成的衰减映射;
使用基于列表的重建技术重建所述经校正的事件以生成第一断层数据;
重组所述多个探测到的湮没事件以生成重组数据;
采用基于直方图的重建技术重建所述重组数据以生成对加法误差和乘法误差进行校正的第二断层数据;
使用所述第二断层数据确定加法误差校正;
对所述第一断层数据应用所述加法误差校正以生成经校正的断层数据;以及
生成指示所述经校正的断层数据的图像;
其中,所述加法校正包括扩散和随机中的至少一个,并且所述乘法校正包括扫描仪相关的校正和患者特异性校正中的至少一个。
11、一种仪器,包括:
基于列表的第一重建器装置(224),用于重建在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮没事件以生成第一数据;
第二重建器装置(226),用于重建所述多个正电子湮没事件以生成第二数据,其中,所述第二数据被用于确定误差校正;
图像校正处理器装置(232),用于对所述第一数据应用所述误差校正,以生成经校正的数据;以及
显示装置(234),用于生成指示所述经校正的数据的图像。
12、如权利要求11所述的仪器,还包括重组装置(218),用于重组所述多个探测到的湮没事件以生成重组数据,其中,所述第二重建器装置(226)重建所述重组数据以生成所述第二数据。
13、如权利要求11所述的仪器,其中,所述第二重建器装置(226)是基于列表的重建器装置,其被配置为重建所述多个探测到的正电子湮没事件的子集以生成所述第二数据。
14、如权利要求11所述的仪器,所述第一重建器装置(224)还被配置为对所述多个正电子湮没事件执行乘法误差校正,以生成经校正的多个事件并根据所述经校正的多个事件生成所述第一数据;
其中,根据所述第二数据确定的所述误差校正包括加法误差校正,所述加法误差校正包括扩散和随机中的至少一个。
15、一种包括计算机可用介质的制成品(400),具有嵌入在所述介质中的计算机可读程序,其中,当在计算机上执行时,所述计算机可读程序使所述计算机执行下列操作:
使用基于列表的重建技术重建在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮没事件,以生成第一数据;
重建所述多个正电子湮没事件以生成第二数据;
使用所述第二数据确定误差校正;
对所述第一数据应用所述误差校正以生成经校正的数据;以及
生成指示所述经校正的数据的图像。
16、如权利要求15所述的制成品(400),其中,当在所述计算机上执行时,所述计算机可读程序使所述计算机还执行下列操作:
重组所述多个探测到的湮没事件以生成重组数据;以及
重建所述探测到的湮没事件以通过重建所述重组数据来生成第二数据。
17、如权利要求15所述的制成品(400),其中,当在所述计算机上执行时,所述计算机可读程序使所述计算机通过使用基于列表的重建技术重建所述多个探测到的正电子湮没事件的子集来重建所述探测到的湮没事件。
18、如权利要求15所述的制成品(400),其中,当在所述计算机上执行时,所述计算机可读程序使所述计算机响应于事件飞行时间数据执行下列操作中的至少一个:使用基于列表的重建技术重建所述事件和使用第二重建技术重建所述事件。
19、如权利要求15所述的制成品(400),其中,当在所述计算机上执行时,所述计算机可读程序使所述计算机对所述多个正电子湮没事件执行乘法误差校正以生成经校正的多个事件;
其中,所述计算机使用所述基于列表的重建技术重建所述事件,以通过重建所述经校正的多个事件生成所述第一数据;以及
其中,所述计算机使用所述第二数据确定误差校正,所述误差校正包括加法误差校正,所述加法误差校正包括扩散和随机中的至少一个。
20、一种系统,包括:
第一处理器装置(224),用于对在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮没事件执行第一误差校正,以生成第一经校正的事件数据;
第一重建器装置(230),用于重建所述第一经校正的事件数据以生成第一体数据;
第二处理器装置(226),用于对所述多个正电子湮没事件的至少一个子集执行第二误差校正,以生成第二经校正的事件数据;
第二重建器装置(228),用于重建所述第二经校正的事件数据以生成误差校正;
图像校正处理器装置(232),用于对所述第一体数据应用所述误差校正,以生成经校正的体数据;以及
显示装置(234),用于生成指示所述经校正的体数据的人类可读图像;
其中,在由所述第一处理器装置(224)和所述第一重建器装置(230)定义的第一重建路径生成所述第一体数据之前,所述第二处理器装置(226)和所述第二重建器装置(228)定义了被配置为生成所述误差校正的第二重建路径。
21、如权利要求20所述的系统,其中,所述第二处理器装置(226)重组所述多个探测到的湮没事件,以生成重组数据,并且其中,所述第二重建器装置(228)重建所述重组数据以生成所述第二经校正的事件数据。
22、如权利要求20所述的系统,其中,所述第二处理器装置(226)是基于列表的处理器;并且所述第二重建器装置(228)是基于列表的重建器。
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