CN101541232B - Ecg门控的计算机断层摄影中的重建窗自适应 - Google Patents

Abstract

一种计算机断层摄影系统(100)包括开窗部件(140)，其接收包括早搏心动周期的ECG信号。该ECG信号与搏动心脏的X射线投影数据时间同步。在早搏心动周期导致第一重建窗对应于不同的心动时相时，开窗部件(140)基于可用数据在第一心动周期之内移除或重新定位第一重建窗，以对应于期望的心动时相。重建器(148)重建对应于来自不同心动周期的多个重建窗的投影数据，以生成指示心脏期望时相的图像数据。

Description

ECG门控的计算机断层摄影中的重建窗自适应

本申请总体上涉及成像系统。具体而言，本申请涉及计算机断层摄影(CT)，更具体而言涉及生成和探测辐射以及处理指示辐射的数据。

计算机断层摄影(CT)成像常常包括扫描运动中的对象。例如，心脏CT成像包括扫描跳动的心脏。对于心脏CT而言，通常更希望重建与心动周期中心脏相对静止的时相对应的数据。已经使用包括心电图(ECG)信号门控的各种技术来在表示(一个或多个)心动周期的投影数据内定位对应于这种时相的投影数据。

利用回顾性门控，在扫描跳动的心脏时，通过心电图机感测心脏的电活动，其反映了心脏在整个心动周期中的状态。然后基于表示电活动的信号门控(选择)和重建对应于期望心动时相的数据。选择该数据，以获得在提供完整CT数据集的角范围上收集的投影数据。

在一种情况下，心脏扫描程序探测多个连续心动周期上的投影数据。然后选择对应于期望时相的每个心动周期的数据子集进行重建。根据多个心动周期重建数据可以改善时间分辨率。然而，通常不可预知的异常心律可能会相对于平均心动周期改变一个或多个心动周期。这可能导致选择出对应于不同心动时相的数据。结果，可能使重建的图像数据退化。

在Cademartiri F.等人的文章“Improving diagnostic accuracy of MDCTcoronary angiography in patients with mild heart rhythm irregularities usingECG editing”(AJR Am J Roentgenol.2006Mar；186(3)：634-8)中讨论了一种改善这种数据质量的尝试。Cademartiri F.等人介绍了一种人工技术，其中，如果心动周期之后接着的是早搏心动周期，用户就删除识别出用于重建心动周期的数据的窗口，并且如果这导致用于重建的数据不足则将这种窗口添加到早搏心动周期。令人遗憾的是，基于可用数据，所得图像数据的质量可能低于期望质量。

本申请的各个方面解决了上述问题和其他问题。

根据一个方面，一种心电图(ECG)门控的计算机断层摄影系统，其包括开窗部件，所述开窗部件接收包括早搏心动周期的ECG信号和搏动心脏的先前采集的X射线投影数据。该ECG信号与所述搏动心脏的所述先前采集的X射线投影数据时间同步。在早搏心动周期导致第一重建窗对应于不同心动时相时，开窗部件在第一心动周期之内定位第一重建窗，以对应于所述先前采集的X射线投影数据的期望的心动时相。重建器重建对应于来自不同心动周期的多个重建窗的投影数据，以生成指示心脏的期望时相的图像数据。

根据另一方面，一种系统包括开窗部件，该开窗部件删除对应于由ECG信号中的异常信号导致的非最佳心动时相的第一重建窗。该ECG信号在时间上与搏动心脏在多个心动周期上的X射线投影数据相对应。开窗部件基于异常信号和可用投影数据添加替换重建窗以优化重建数据集。重建器重建所述重建数据集，以生成指示心脏的期望时相的图像数据。

根据另一方面，一种系统包括建议部件，该建议部件基于ECG信号和其中的心律不齐在多个连续心动周期之内建议针对心动时相的重建窗。在利用计算机断层摄影扫描器并行扫描搏动心脏的同时获得ECG信号。重建器针对对应于所述重建窗的每个周期重建对应于所述数据的数据。

根据另一方面，一种系统包括开窗部件，所述开窗部件基于ECG之内的早搏心动周期自动重新定位或移除针对心动周期的第一重建窗，所述ECG是与搏动心脏的X射线投影数据同步的信号。建议部件，所述建议部件基于所述早搏心动周期自动建议至少一个额外的重建窗。重建器重建对应于重建窗的数据。

根据另一方面，一种心电图(ECG)门控的计算机断层摄影方法包括接收包括早搏心动周期的ECG信号，其中，所述ECG信号与搏动心脏在多个心动周期上的先前采集的X射线投影数据时间同步；在第一心动周期之内重新定位对应于由于所述早搏心动周期导致的除期望心动时相之外的数据的第一重建窗，其中，多个心动周期中的每个都包括重建窗；以及重建所述多个重建窗的所述先前采集的投影数据以生成指示心脏的期望时相的图像数据。

根据另一方面，一种包含指令的计算机可读存储介质，所述指令在由计算机执行时令所述计算机执行如下方法：接收包括早搏心动周期的ECG信号；在第一心动周期之内重新定位对应于由于所述早搏心动周期导致的除期望心动时相之外的数据的第一重建窗；以及重建所述多个重建窗的所述投影数据以生成指示心脏的期望时相的图像数据。

在阅读并理解以下详细说明的基础上，本领域的普通技术人员将会理解本发明的其他方面。

本发明可以具体化成各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的安排。附图仅用于图示优选实施例，不应理解为对本发明的限制。

图1示出了示范性成像系统；

图2示出了代表性ECG信号；

图3示出了具有异常心动周期的代表性ECG信号；

图4a、4b、4c、4d、4e、5a、5b、5c、5d和5e提供了系统使用具有异常心动周期的ECG信号选择重建数据的范例；

图6示出了建议用于重建的不同时相的范例；

图7示出了示范性方法；

图8、9和10以图解方式示出了示范性方法。

参照图1，计算机断层摄影(CT)扫描器100包括关于纵轴或z轴旋转的旋转扫描架部分104。该部分104支撑着诸如X射线管的X射线源108以及X射线探测器112，所述X射线探测器在相对于检查区域116的多个投影角度或视角处生成X射线投影数据。探测器112包括大致为二维阵列的探测器元件，其生成指示所探测的辐射的输出信号或投影数据。存储器120或其他存储装置存储所述投影数据。

诸如扫描床的对象支架124在检查区域116中支撑着患者或其他对象。对象支架124可以移动，以便在扫描前、期间和之后相对于检查区域116引导患者或其他对象。

诸如心电图机(ECG)或呼吸监测器的生物监测器128提供关于受检者心动时相或其他运动状态的信息。在回顾性门控的情况下，使用生物监测器128的信号将投影数据与获取所述投影数据时的运动时相或状态相互关联。

处理部件132与生物监测器128通信并很容易基于生物信号从投影数据中选择重建数据集。处理部件132包括分析部件136、开窗部件140和建议部件144。在生物信号包括异常信号时，这些部件单独地或组合地很容易选择重建数据集。在一种情况下，数据集代表在存在异常信号时对可用数据的优化利用。

对于心脏CT而言，这种异常信号的一个范例是诸如心脏早搏或期前收缩的心律不齐或不规则节律。在这种情况下，分析部件136促进确定心脏早搏是否以及如何影响重建窗。如果重建窗受到早搏心动周期的影响，则开窗部件140很容易基于早搏时的心动周期调节、移除或增加一个或多个重建窗。建议部件144基于早搏时的心动周期和可用数据建议重建窗和心动时相。下文更详细地描述这些部件。

重建器148重建所选的投影数据以生成图像数据。对于回顾性门控重建来说，对与受检者或其感兴趣区域的一个或多个期望运动状态或时相对应的投影数据进行重建，以生成对应于所述(一个或多个)期望心动时相的图像数据。

通用计算机充当着操作控制台152。控制台152包括诸如监测器或显示器的人可读输出装置以及诸如键盘和鼠标的输入装置。控制台上驻留的软件允许操作员控制扫描器100并与其进行交互。在一种情况下，所述交互包括，例如通过将识别心动时相的重建窗与生物信号叠加向操作员提供生物信号。此外，所述交互包括允许操作员人工识别生物信号之内的异常，生成用于心动周期的重建窗，选择或确认用于重建的数据集，调用自动数据选择和重建，以及以其他方式，例如通过图形用户界面(GUI)与扫描器100进行交互。

在下文所述的范例中，将系统100用于回顾性门控心脏CT应用。对于这种应用，生物监测器128提供ECG信号，该ECG信号与对应于多次心跳的投影数据同步。

图2示出了代表性基线ECG信号200，其不包括诸如心律不齐或心跳不规则的期前收缩的意义上，该信号是“正常的”。心动周期204、208、212和216中的每个都包括收缩期220和随后的舒张期224，在收缩期220，心房收缩(P波)，随后心室收缩(QRS波群)，然后心室复极化(T波)，而在舒张期224，心脏在收缩之后放松，并且循环的血液重新流入心脏。心动周期之间的距离228或R-R间期被表示为时期t。出于说明的目的，在该范例中，t大约为一(1)秒，收缩期和舒张期的每者都代表大约一半的心动周期。

假设由监测器128记录基线ECG信号200，在控制台152接收ECG信号200时，控制台152向操作员显示ECG信号200，并为操作员提供机制来选择用于重建的期望心动时相或以其他方式输入表示期望心动时相的信息。在一种情况下，该输入调用针对ECG信号200不同部分的重建窗生成，每个部分对应于期望的心动时相。

举例来说，操作员可以提供输入，该输入生成针对“平静”或相对静止的舒张期的心动时相的重建窗。一种这样的时相通常发生于舒张中期到舒张末期。在一种情况下，相对于R波波峰，估计该时相大约为心动周期持续时间的百分之七十(70)。图2中示出了针对该时相的示范性重建窗236。

心脏相对静止的另一时相大约发生在收缩末期。估计该时相大约在所述周期持续时间的百分之四十(40)处。图2中还示出了针对该时相的示范性重建窗232。本文还考虑到了用于估计ECG信号200之内心动时相的位置的其他技术，例如基于时间的方式。此外，操作员可以额外地或替代地选择不同的心动时相。

通常，配置重建窗的宽度，使得通过多次旋转获取的数据提供了完整的用于重建的数据集(或至少一百八十(180)度加上扇角的数据)。由于ECG 200与投影数据同步，因此重建窗识别对应于期望心动时相的投影数据。

在该范例中，配置该系统，使得在相邻心动周期期间获取的数据在z轴或纵向方向上重叠。重叠的数据采集适应相邻心动周期之间的心动周期持续时间差并减轻了数据间断或如下情形，即，在对应于相邻心动周期的重建窗之间缺少数据。基于个体的平均心率、探测器的数量和宽度以及旋转速度适当配置诸如螺距的系统参数，以便为重叠的数据采集提供适当的床速。

图3示出了具有早搏心动周期312的ECG信号300。对于该范例而言，基于图2中心动周期中所示的一(1)秒的持续时间间期，在如下意义上认为心动周期304、308和316是“正常的”，即，它们通常在时间上按照预期发生(尽管如下所述，它们可能受到早搏心动周期312的影响)。

心动周期312是早搏心动周期，因为它比预期发生得早。在该范例中，早搏心动周期312发生在心动周期308的R波之后十分之六(.6)秒，而不是一(1)秒。结果，第二心动周期308的舒张期320被缩短，或者第二心动周期308在其对应的R波之后十分之六(.6)秒而非一(1)秒结束。

此外，早搏心动周期312的舒张期324被扩展。在该范例中，早搏心动周期312的舒张期被延长，使得从心动周期308的R波到下一“正常”心动周期，即心动周期316的R波的距离大约与两个正常心动周期之间的距离相同，或大约为二(2)秒。

现在进一步描述分析部件136、开窗部件140和建议部件144。在以下的范例中，假设为处理部件132提供具有早搏心动周期312的ECG信号300，早搏周期312的识别以及重建窗和期望的心动时相。

分析部件136确定早搏心动周期312对经由重建窗和期望的心动时相确定的用于重建的数据的影响。心动周期304和316不受早搏心动周期312的影响。结果，这些心动周期之内的重建窗对应于期望的心动时相。

相反，心动周期308和312受到影响(如上所述)，因为心动周期308被缩短，而心动周期312被扩展。结果，基于心动周期308的持续时间的百分位于心动周期308之内的重建窗在心动周期之内在时间上位置相对较早，基于心动周期312的持续时间的百分位于心动周期312之内的重建窗在心动周期之内在时间上位置相对较晚。

至于心动周期308，分析部件136依据距其R波波峰的时间来确定重建窗出现在早搏心动周期312之前还是之后。

图4a示出了一种情况，其中，在时间上相对于R波波峰，心动周期308之内的重建窗408位于早搏心动周期312之后。应当领会到，也可以使用除R波波峰之外的基准。

如图所示，早搏心动周期312发生于心动周期308的R波波峰之后大约十分之六(.6)秒，重建窗404、408、412和416大约位于它们对应的心动周期的百分之七十(70％)。结果，依据R波波峰之后的时间，重建窗408大约在R波波峰之后百分之四十二(.42)秒而非如重建窗404和416在未受影响的心动周期304和316之内那样位于R波波峰之后的大约十分之七(.7)秒。

分析部件136认为重建窗408不对应于期望的心动时相并且重建数据对于重建而言不是最佳的，因为包括对应于不同心动时相的数据。开窗部件140移除重建窗408，使得对应的数据不被选择用于重建或被重建。在图4b中示出了这种情况。通常，如果时间上位于其对应的R波波峰之后的重建窗发生于早搏心动周期时或其后，那么就移除该重建窗，使得对应的数据不被选择进行重建或不被重建。

图5a示出了一种情况，其中，在时间上相对于R波波峰，心动周期308之内的重建窗508位于早搏心动周期312之前。

如图所示，早搏心动周期312发生于相关R波的波峰之后的大约十分之六(.6)秒，重建窗504、508、512和516位于其对应的心动周期的大约百分之四十(40％)处。依据R波波峰之后的时间，重建窗508大约在其对应的R波波峰之后百分之二十四(.24)秒而非如在未受影响的心动周期304和316之内的重建窗504和516那样位于R波波峰之后大约十分之四(.4)秒。

直到出现早搏心动周期312之前的心动周期都是规则的，因此该区域之内的数据是正常的，或者如同从未出现早搏心动周期那样。分析部件136认识到早搏心动周期312已导致重建窗508偏移离开期望的心动时相，从而得到非最佳的重建数据。

开窗部件140在时间上移动或定位重建窗508，使得在时间上距其R波波峰而不是按照周期持续时间的百分比对其进行定位。结果，将重建窗移动到距R波大约十分之四(.4)秒的位置，使得重建窗508对应于期望的心动时相。在图5b中示出了这种情况。

对于早搏心动周期312而言，周期312始终有一定程度的异常，因此理想地应当移除该周期。分析部件136确定在移除窗412或512之后是否发生数据间断。如果没有数据间断，则如图4c和5c所示移除窗412或512。

如果有数据间断，则开窗部件140对可用数据进行最好的使用。对于房性期前收缩而言，周期312大致是正常的，因此如图4d所示，将重建窗412放置在距周期312的R波大约十分之七(.7)秒处，并且如图5d所示，将重建窗512放置在距周期312的R波大约十分之四(.28)秒处。

对于室性期前收缩而言，该周期312更加不正常。如图4e所示，将窗412放置在下一R之前大约十分之三(.3)秒(1秒-0.7秒)处。如图5e所示，将窗512放置在距周期312(如上文所述的房性期前收缩那样)大约十分之四(.28)秒处。

通过确定对应于其余重建窗的数据是否提供用于重建的充足数据，分析部件136确定如果移除窗是否出现数据间断，使得没有丢失的数据。一种用于估计是否有充足数据的技术包括检查是否满足方程1中的不等式：

方程1(T*TS)＞(SC*T/RT)，

其中，T代表时间间期，TS代表床速，SC代表X射线束准直(collimation)，而RT代表X射线源的旋转时间。测量从前一正常重建窗到随后正常心动周期的重建窗的时间间期T。如果时间间期和扫描器的床速之积较大，则存在数据间断，并且没有足够多的数据来重建所有z轴位置的图像。

如果如以上结合图4d和4e所述重新定位百分之七十(70％)重建窗导致数据间断，则建议部件144提供全局建议。对于全局建议而言，建议部件144在位于如图6所示的早搏R波之前的(一个或多个)不同时相处建议全新的重建。在该范例中，所建议的时相是图5a所示的百分之四十(40％)时相。这确保了针对周期308的有效重建窗，并提供了选项来决定删除或是重新定位针对312的重建窗，于是，确保具有一个或多个无数据间断的重建。根据图4b-e重建百分之七十(70％)的时相，根据图5b-e重建新的百分之四十(40％)时相。

图7示出了用于由系统100选择最佳重建窗的示范性方法。在704，获得与投影数据同步的ECG信号。在708，在ECG信号之内识别诸如早搏心动周期的异常心动周期，并选择期望的心动时相进行重建。基于该信息，处理部件128在心脏信号中存在异常的情况下确定可用数据的优化利用。

在712，分析部件132确定该异常是否导致对应于不是期望的心动时相的心动时相的重建窗。如果不是这样，选择重建窗或对应于重建窗的数据进行重建。

然而，如果异常影响到重建数据，则在716确定是否有足够的数据，从而可以移除受影响的重建窗而不引入数据间断。如果有足够的数据，则在720移除重建窗，选择其余重建窗或对应于其余重建窗的数据进行重建。

否则，在724，如上所述移动受影响的重建窗，选择该重建窗或对应于该重建窗的数据进行重建。

在728，确定移动重建窗是否引入了数据间断。在732，如果已经引入了数据，则也建议利用足够的数据进行新的重建。

图8、9和10以图解方式示出了范例。首先参照图8，如图所示，具有重建窗804、808、812、816和820的示范性ECG信号覆盖分别位于每个心动周期824、828、832、836和840之内大约百分之七十五(75％)的时相。将心动周期836识别为房性早搏(APB)。

在该范例中，当依据距心动周期832的R波848的波峰的时间来表示重建窗812时，早搏周期836开始于重建窗812之前。由于重建窗804-840是基于心动周期的百分比进行定位的且心动周期832缩短了，因此重建窗812不是最佳的，因为其不对应于平均心动周期百分之七十五(75)的期望心动时相。结果，如图9所示移除重建窗812。

早搏周期836是异常的，因此系统检查是否也可以移除窗816。由于这样导致了数据丢失，采用替代的策略，基于距早搏周期836的R波波峰的时间将重建窗816重新定位到如图9所示的更好位置。

在该范例中，移除重建窗812和816导致用于重建的数据不够，而如上所述的删除812和重新定位816可能导致并非最佳的校正。作为替代方案，如图10所示建议对应于窗1002、1004和1008的新的45％的重建时相。现在这就能够移除属于早搏周期836的窗1006。

现在描述其他方面。

在图示的实施例中，操作员识别ECG信号之内的早搏心动周期。在替代实施例中，处理部件132通过早搏心动周期探测器156自动识别异常心动周期。在一种情况下，处理部件132提示操作员进行确认。在另一种情况下，将自动识别的异常心动周期自动视为异常心动周期。

在图示的实施例中，操作员提供期望的心动时相。在替代实施例中，无需有关期望心动时相的用户输入，处理部件132基于ECG信号和异常信号，自动建议重建窗和/或重建时相。

在另一个实施例中，处理部件128自动定位异常心动周期，基于异常心动周期选择最佳重建时相并针对每个心动周期生成重建窗。任选地，处理部件128自动调用重建数据集的重建。

在以上描述中，仅在没有足够数据时建议新的时相。要认识到，在替代实施例中，始终推荐额外的新时相。在一种情况下，这加大了获得好建议的机会。

可以通过计算机可读指令实现包括分析部件136、开窗部件140和建议部件144的处理部件132，在(一个或多个)计算机处理器执行该指令时，令(一个或多个)处理器执行所述技术。在这种情况下，该指令存储在与相关计算机关联的或可以其他方式由相关计算机访问的计算机可读存储介质中。

还要指出，不必与数据获取同时执行所述技术。也可以利用与扫描器100相关联的一台(或多台)计算机执行该指令；指令也可以位于距扫描器100的远方，并通过诸如HIS/RIS系统、PACS系统、因特网等适当通信网络访问相关数据。

上述内容及其变型的应用包括，但不限于为门控CT、磁共振成像(MRI)、核心脏学和三维(3D)回波研究选择适当数据。

已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解前述详细说明的前提下，他人可以想到各种修改和变化。只要修改和变化落入权利要求或其等价物的范围内，本发明意在被视为包括所有这些修改和变化。

Claims (16)

1.一种心电图（ECG）门控的计算机断层摄影系统，包括：

接收包括早搏心动周期的ECG信号和搏动心脏的先前采集的X射线投影数据的开窗部件（140），其中，所述ECG信号是与所述搏动心脏的所述先前采集的X射线投影数据时间同步的，并且其中，在所述早搏心动周期导致第一重建窗对应于不同的心动时相时，所述开窗部件（140）在第一心动周期之内定位所述第一重建窗以对应于所述先前采集的X射线投影数据的期望的心动时相；以及

重建器（148），其重建对应于来自不同心动周期的多个重建窗的投影数据，以生成指示心脏的所述期望时相的图像数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，当从参考信号到所述第一重建窗的第一时间间期小于从所述参考信号到所述早搏心动周期的第二时间间期时，所述开窗部件（140）在所述第一心动周期之内依据相对于所述参考信号的时间重新定位所述第一重建窗。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括建议部件，其中，当从参考信号到所述第一重建窗的第一时间间期大于从所述参考信号到所述早搏心动周期的第二时间间期时，所述开窗部件（140）移除所述第一重建窗，并且其中，所述建议部件建议一不同时相，该不同时相确保从所述参考信号到所述第一重建窗的所述第一时间间期小于从所述参考信号到所述早搏心动周期的所述第二时间间期。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一心动周期为所述早搏心动周期。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，在没有发生数据间断的情况下所述开窗部件（140）移除所述第一重建窗。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，当所述早搏心动周期为房性期前收缩时，所述开窗部件（140）在所述第一心动周期之内依据相对于参考信号的时间重新定位所述第一重建窗。

7.根据权利要求4所述的系统，其中，当所述早搏心动周期为室性期前收缩时，所述开窗部件（140）在所述早搏心动周期后的心动周期中依据相对于参考信号的时间重新定位所述第一重建窗。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括建议部件（144），其中，在由于所述早搏心动周期而移除重建窗之后当第二时相具有用于重建的充足数据时，所述建议部件（144）建议使用用于重建的所述第二时相。

9.根据权利要求7所述的系统，还包括控制台（152），其中，操作员通过所述控制台（152）提供输入以确认或拒绝所建议的用于重建的心动时相。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括控制台（152），其中，操作员通过所述控制台（152）提供输入以在所述ECG信号之内识别所述早搏心动周期。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括控制台（152），其中，操作员通过所述控制台（152）提供输入以识别所述期望的心动时相。

12.一种心电图（ECG）门控的计算机断层摄影方法，包括：

接收包括早搏心动周期的ECG信号，其中，所述ECG信号与搏动心脏在多个心动周期上的先前采集的X射线投影数据时间同步；

在第一心动周期之内重新定位对应于由于所述早搏心动周期导致的除期望心动时相之外的数据的第一重建窗，其中，多个心动周期中的每个都包括重建窗；以及

重建对应于所述多个重建窗的所述先前采集的投影数据以生成指示心脏的所述期望时相的图像数据。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括根据早搏心动周期的类型，依据相对于所述早搏心动周期中的参考信号的时间或依据相对于所述早搏心动周期后的心动周期中的参考信号的时间，在所述早搏心动周期之内重新定位第二重建窗。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括移除所述第一重建窗。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括建议重建针对第二不同心动时相的数据。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括添加至少一个对应于不同心动时相的重建窗。

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