CN101563624A - Pet/mri混合成像系统中的运动校正 - Google Patents

Pet/mri混合成像系统中的运动校正 Download PDF

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Abstract

一种诊断成像装置包括用于获取磁共振信号的磁共振检查(1)系统和用于获取核衰变信号的发射断层摄影系统(2)。提供分析模块(4)，从而根据磁共振信号导出(一个或多个)运动校正。重构模块(5)在运动校正的基础上根据核衰变信号重构经运动校正的发射断层摄影图像。还公开了一种治疗装置，其具有诊断成像装置和治疗模块，其中，还将系统控制器耦合至治疗模块，并且所述系统控制器具有在诊断成像系统生成的图像信息的基础上控制治疗模块的功能。

Description

PET/MRI混合成像系统中的运动校正
技术领域
本发明涉及一种包括磁共振检查系统和发射断层摄影系统的诊断成像装置。
背景技术
由S.Sechet等的文献“Frame misalignment-induced errors in PET studies：an investigation on strategies for correction”，Nuclear Science：A SymposiumConference Record November 2002 Vol.2pp.1330-1334中已知一种包括正电子发射断层摄影(PET)和磁共振成像(MRI)的诊断成像装置。
所引用的这一参考文献关注了可能破坏PET研究中的数据分析的运动伪影。已知的方案由重构的磁共振图像生成3D目标的人工PET透射图像。所述的由磁共振图像导出的人工PET透射图像模拟了PET系统的空间响应。之后，在PET透射图像和PET发射图像之间应用帧对准算法以将所述透射和发射图像对准。
这种已知的方案的局限在于只考虑了所述透射和发射数据之间的不良配准。此外，已知的方案在各种(中间)图像的重构方面需要很大的计算工作量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在不需要庞大的计算工作量的情况下更好地校正运动伪影的正电子发射断层摄影。
这一目的是通过根据本发明的诊断成像装置实现的，其包括：
-用于获取磁共振信号的磁共振检查系统
-用于获取核衰变信号的发射断层摄影系统以及
-根据磁共振信号导出(一种或多种)运动校正的分析模块以及
-用于在(一种或多种)运动校正的基础上根据核衰变信号重构经运动校正的发射断层摄影图像的重构模块。
诸如正电子发射断层摄影(PET)系统或单光子发射断层摄影(SPECT)系统的发射断层摄影系统检测所要检查的对象中的化合物的放射性衰变的发射。对放射性衰变的检测生成了由发射断层摄影系统获取的核衰变信号。所述核衰变信号表示从多个取向检测到的放射性发射。磁共振检查系统获取磁共振信号，所述磁共振信号是由对象内的(核或电子)自旋的RF激励生成的。也就是说，磁共振信号可以与诸如质子、19F、31P等的核自旋的磁共振或者电子自旋共振相关。在受到激励的自旋衰减的同时，通过扫描k空间获取磁共振信号。也就是说，通过扫描磁共振信号的波矢(k矢量)获取所述磁共振信号。对本发明的领悟的要点在于，磁共振信号包括与在所要检查的对象内发生的运动，或者所述对象的运动相关的信息。对象可以是受到检查的患者，所述运动可以涉及作为整体的患者身体的运动或者患者身体的部分的运动，诸如，在脑部检查中患者头部的移动。运动还可以是患者身体内的内部运动，诸如，呼吸或心脏运动。可以在不必根据所获取的磁共振信号重构磁共振图像的情况下由所述磁共振信号导出运动校正。在所述运动校正和核衰变信号的基础上，重构经运动校正的发射断层摄影图像。这一经运动校正的发射断层摄影图像具有低伪影水平，乃至不存在运动伪影，从而实现了高诊断图像质量。也就是说，具有低对比度的小细节被绘制得充分可见，而且明显不受运动伪影的混淆。
核衰变信号和磁共振信号二者的获取被发射断层摄影系统和磁共振检查系统所共有的系统控制器控制。共有的系统控制器在核衰变信号和磁共振信号之间建立了确切的关系，从而使核衰变信号和磁共振信号得到链接。也就是说，磁共振信号内含有的运动信息等于影响核衰变信号的运动。磁共振信号和核衰变信号之间的这种关系使得由磁共振信号导出的运动能够被用来重构经运动校正的发射断层摄影图像。可以通过向所获取的核衰变信号应用运动校正执行运动校正，之后根据经校正的核衰变信号重构经运动校正的发射断层摄影图像。可选地，可以根据所获取的核衰变信号重构初始发射断层摄影图像，之后将运动校正应用于初始发射断层摄影图像，以生成经运动校正的发射断层摄影图像。
将参考从属权利要求中定义的实施例对本发明的这些和其他方面做进一步的详细说明。
根据本发明的一个方面，对获取时间记录，所述获取时间是指在其上或其持续过程中分别获取了核衰变信号和磁共振信号的时间间隔的瞬时或暂时位置。例如，可以通过同时获取对应的核衰变信号和磁共振信号或者向所述核衰变信号和磁共振信号二者施加时间戳而实现核衰变信号和磁共振信号的获取的这一时间记录。因而，能够向在同一时刻获取的核衰变信号施加由所述磁共振信号导出的运动校正。相应地，由磁共振信号导出的运动校正涉及影响所述核衰变信号的同一运动，因而实现了经运动校正的发射断层摄影图像的准确的运动校正。在系统控制器中实现时间记录功能是很方便的。
通常通过向受到检查的患者施用放射性药剂而生成核衰变信号。在施用时，所述放射性药剂将从患者的体内发生放射性衰变，并且引起来自所要检查的患者的身体的放射性辐射(通常为伽马辐射)的发射。由于能够从施用所述放射性药剂的时刻获取核衰变信号，因而触发核衰变信号和磁共振信号的获取将提供对具有相对较高的信号水平的核衰变信号的具有时效的获取。
根据本发明的另一方面，还在所获取的磁共振信号的基础上采用运动校正重构经运动校正的磁共振图像。之后，可以将经运动校正的发射断层摄影图像和经运动校正的磁共振图像放到一起观看。通常，经运动校正的发射断层摄影图像和经运动校正的磁共振图像代表互补的生理学和/或解剖学形态信息。
可以使经运动校正的发射断层摄影图像和经运动校正的磁共振图像单独可用，例如，只是使其简单地并排显示。还可以将互补信息结合到一幅合成图像内，从而用户只需观察单幅图像就能够获取来自相应的核衰变和磁共振起点的图像信息。
在k空间的中心区域内，运动校正是准确的，而且在MR数据的冗余的基础上不需要大的计算工作量。即，大部分相关运动发生在空间性的粗略标度上，即，所涉及的尺寸比患者解剖结构的细节大得多。相应地，通过所述k空间的中心区域内的磁共振信号表示较大尺度的结构及其运动。另一方面，通过来自k空间的外围区域的磁共振信号表示结构的细节。用户可以在运动校正所需的准确度的基础上以及可接受的磁共振信号获取的时间持续长度的基础上选择在其内生成冗余的中心区域的尺寸。通过所谓的螺旋桨(PROPELLER)获取序列取得了非常好的结果。在James G.Pipe的“Motion correction with PROPELLER MIRI：Application to Head Motionand Free-breathing Cardiac Imaging”，MRM42(1999)963-969中对所述螺旋桨获取序列本身给出了详细讨论。在该文章中，讨论了由所获取的磁共振信号重构的磁共振图像本身的运动校正。所述螺旋桨方法沿矩形平面(即，处于k空间内的平面或薄板内)条带扫描k空间，其中，使所述矩形平面条带依次围绕k空间的原点旋转。可以针对k空间内相继的平面重复这一2D获取。这一方案需要相对较短的获取时间。可选地，可以通过在横贯所述旋转的平面或薄板的k空间方向上应用相位编码而进行实际上三维的k空间获取。另一种实际上三维的k空间获取包括使含有k空间的原点的圆柱或杆(bar)状体积同时围绕k空间的两个例如，正交轴旋转。相应地，针对相继的各个条带对k空间的中心区域抽样。在这种实现当中，所述中心区域是由相继的各条带的重叠形成的，所述中心区域的尺寸是由k空间内的条带或者圆柱或杆状体积的宽度以及k空间内的条带的取向之间的差异定义的。由k空间的控制区域抽样的磁共振信号的冗余特别地容许位置、旋转和相位上的校正空间不一致性。所述冗余还容许抛弃受到贯穿平面的运动影响的数据。此外，所述冗余还允许求平均操作，其降低了经运动校正的磁共振图像内的针对低空间频率的伪影。由于所述螺旋桨获取序列实质上是周期性的，因而通过执行k空间内的(一条或多条)条带的多次旋转使得磁共振信号的持续获取成为了可能。磁共振信号的持续获取允许提高最终重构的磁共振图像的信噪比。核衰变信号的持续获取实现了信噪比以及经重构的发射断层摄影图像的空间分辨率二者的提高。
本发明还涉及一种治疗装置，在所述治疗装置中，使治疗系统在功能上与根据本发明的尤其是在权利要求1到8中的任何一项中所定义的诊断装置相结合。磁共振检查系统提供了关于所要检查的患者的解剖学形态或局部温度分布的信息。发射断层摄影系统提供了关于局部代谢的功能性信息。此外，根据本发明，向关于局部代谢的功能性信息和/或解剖学形态信息应用运动校正。在这些经运动校正的信息的基础上控制所述治疗系统。也就是说，在来自磁共振检查系统和发射断层摄影系统的经运动校正的信息的基础上控制治疗动作的实施，尤其是实施治疗活动的位置和/或治疗活动的强度或持续时间。例如，可以将所述治疗系统实现为高强度超声(HIFU)系统。所述HIFU系统在局部(聚焦)区域内生成对组织进行局部改变或破坏的高强度超声强度。所述诊断成像装置具有在解剖学信息和局部代谢的结合的基础上对病灶，尤其是恶性肿瘤定位的能力。之后，控制所述治疗系统，从而对病灶准确地施加治疗动作，诸如，高强度聚焦超声辐射。此外，所述诊断成像装置能够利用(例如)磁共振热敏成像法监测所述治疗动作的效果。可以从J.de Poorter的文章“Noninvasive MRI Thermometry withthe proton resonance frequency(PRF)method：In Vivo results in humanmuscle”，Magnetic Resonance Imaging 33(1995)，p 74-81中了解磁共振热敏成像本身。
在本发明的诊断成像装置的另一个示例中，发射断层摄影系统包括用于接收核衰变信号的高能量探测器。磁共振检查系统包括两种用于生成磁梯度编码场的梯度线圈。所述磁共振检查系统还包括发射和/或接收磁共振信号的RF天线。所述RF天线和高能量探测器位于能够将患者置于其中的检查区的周围。可以将RF天线和高能量探测器集成，从而在不对检查区的尺寸，尤其是宽度构成折衷的情况下使所述RF天线和高能量探测器二者相对接近所要检查的患者。由于RF天线接近所要检查的患者，因而能够很好地控制所要检查的患者内的RF激励场的空间分布，从而在不对所要检查的患者造成不必要的RF(SAR)负担的情况下实现对自旋的充分激励。而且，通过接近所要检查的患者的RF天线能够更为灵敏地探测磁共振信号。此外，通过接近所要检查的患者的高能量探测器能够更为灵敏地探测核衰变信号。
附图说明
将参考下文中描述的实施例和附图阐述本发明的这些和其他方面，在附图中
图1示出了根据本发明的诊断成像装置的实施例的示意性表示，
图2以流程图的形式示出了通过本发明的诊断成像装置执行的控制、数据流和处理，以及
图3以流程图的形式示出了根据本发明的用于采用同时获取的磁共振信号(MRI数据)对核发射衰变数据(PET数据)进行运动校正的数据处理。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的诊断成像装置的实施例的示意性表示。所述诊断成像装置包括磁共振检查系统1和实际上是PET扫描仪2的发射断层摄影系统2。磁共振检查系统包括在检查区12内生成稳定的均匀主磁场的主磁体11。这一主磁场在所要检查的患者体内引起沿所述主磁场的场线的自旋的部分取向。RF系统13设有一个或多个RF天线63，以向所述检查区内发射RF激励电磁场，从而在所要检查的患者的体内激励自旋。弛豫自旋发射由RF天线拾取的处于RF范围内的磁共振信号，其中，所述RF天线尤其具有RF接收线圈的形式。RF系统具有发射(Tx)RF激励场以及接收磁共振信号的功能。可以采用同一硬件实现发射和接收。提供Tx/Rx开关61以在激励和信息获取之间切换。此外，可以采用独立的表面线圈作为局部RF接收器天线。也可以将局部线圈用于发射。值得注意的是，可以采用局部表面线圈或局部体积线圈(即T/R鸟笼式头线圈)生成和接收来自患者的解剖学结构的相关部分的磁共振信号。也就是说，本发明的磁共振检查系统未必要求固定MR体线圈设有另一可用于自旋的激励和磁共振信号的接收的线圈。将RF放大器系统62耦合至Tx/Rx开关61，并且所述RF放大器系统62具有向RF天线63施加RF波形的功能。此外，通过提供梯度线圈14生成瞬时磁梯度场，尤其是读取梯度脉冲和相位编码梯度。这些梯度场往往具有处于相互正交的方向的取向，并对磁共振信号施加空间编码。提供梯度放大器71激活梯度线圈72，以生成磁梯度编码场。梯度放大器71连同梯度线圈72一起形成了梯度系统14。将由RF接收器天线拾取的磁共振信号施加到包括光谱仪的MRI数据获取系统(MRI-DAS)。
发射断层摄影系统，在这一示例中PET扫描系统2包括围绕所述检查区设置的用于从所要检查的患者拾取核衰变信号的PET探测器环。值得注意的是，所述PET探测器环和RF天线被设置为对同一感兴趣体积敏感，并且(例如)被定位于同一感兴趣体积的周围。具体而言，PET探测器环的中心与检查区12的中心重合。值得注意的是，PET探测器环与RF线圈63集成。例如，所述PET探测器具有对伽马辐射敏感的探测器元件，并且嵌套于RF线圈的导体棒之间。例如，RF线圈63由定位于PET探测器的探测元件之间的薄带构成。所述探测元件是由各个探测器晶体形成的。通过这种方式，RF线圈的导体棒为PET探测元件提供机械支撑。另一方面，PET探测器几乎不或者根本不干扰RF线圈的功能，反之亦然。从所述检查区来看，与RF线圈集成的PET探测器环21定位于梯度线圈的前面。即，使具有RF线圈的PET探测器比梯度线圈更加接近所要检查的患者。这实现了使PET探测器环21以及RF天线(线圈)在检查区12内具有其各自的高灵敏度空间区域。由于探测器晶体不具有显著的导电性，因而它们可能在对梯度场造成不利影响的情况下在梯度线圈内工作。此外，探测器电子器件由半导体部件构成，将所述半导体部件安装为使由梯度线圈的操作所感应的涡流最小化。将由PET探测器环21接收到的核衰变信号转换成被路由至PET获取系统22的电子衰变信号(PET数据)。PET获取系统将PET数据直接获取为所谓的正弦图(sinogram)。
各个探测器对具有与之相关的相应的响应线，所述响应线连接所讨论的对的独立的探测器。响应线由其取向角以及响应线和PET探测器环的中心之间的最短距离确定。对于独立重合事件而言，形成多条响应线并收集其角度和取向，所述角度和取向在经绘制之后将得到针对所讨论的重合的正弦形曲线(由此术语正弦图)。根据重合事件的正弦图的取向角和(响应线和PET探测器环的中心之间的)最短距离能够确定其位置。对于几个重合事件而言，收集相应的响应线的角度和取向作为正弦图中的像素，从而最终使正弦图中的各个像素代表与其响应线或者与之等价的一对(相反的)探测器取向相关的重合事件的数量。例如，可以通过例如经滤波的反向投影根据最终的正弦图重构图像。为了根据PET数据，尤其是正弦图重构PET图像，以及根据磁共振信号重构磁共振图像，提供了重构器5。通常，重构器5是通过软件实现的。
磁共振检查系统通过利用RF天线，尤其是RF线圈63，施加RF激励场，在位于检查区内的待检查的对象内激励自旋。所述RF线圈是由RF放大器62激活的，并且在发射模式下对Tx/Rx开关进行操作。由于RF激励，受到激励的自旋的弛豫导致来自对象的磁共振信号。磁共振信号由RF线圈接收，并被应用于MRI，从而对k空间进行扫描，以实现磁共振信号的获取。通过施加编码梯度，对k空间进行扫描，并将所接收到的MRI数据施加至MRI-DAS 64，并最终施加至重构器5。主计算机3控制RF系统13和梯度系统14，以执行适当的获取序列，从而为获取磁共振信号对k空间进行扫描。具体而言，磁共振检查系统执行以冗余的方式扫描k空间的中心区域的螺旋桨型获取序列。这一冗余扫描隐含着相继对k空间的同一中心区域进行几次抽样。如果没有运动产生，那么相继的样本是基本相等的。相应地，来自k空间的中心的相继的样本的变化表示例如在相继的抽样过程中产生的运动所导致的变化。具体而言，针对k空间内所扫描的每一条带估算运动校正参数。这些参数尤其涉及旋转、平移和贯穿平面的加权。也可以采用其他以冗余的方式对k空间的中心区域抽样的获取序列。以令人满意的方式实现k空间的中心的冗余的获取序列的具体示例是包括对k空间的中心的周期性重新扫描的3D-TRICKS；并且采用4D-TRACKS也取得了很好的结果，所述4D-TRACKS包括从偏离k空间的中心的位置开始扫描，从而从k空间的中心获取具有最大对比度增强的信号，并且分别在k空间的中心和外围区域采用不同的获取方案。而且，可以将并行的成像技术与这些获取序列结合。
将所获取的PET和MRI数据“打上时间戳”并装入帧内，所述帧对应于从k空间的各条带获取磁共振信号所需的时间。可以与PET数据获取同时获取所述磁共振信号。之后，针对各PET正弦图获取k空间内的相应条带。在获取了磁共振信号的在k空间内旋转的下一条带时，将同时获取的PET数据存储为与在k空间内新旋转的条带相关的新的帧。
将分析单元4结合到主计算机内，尤其可以将其作为软件模块。分析单元4由来自k空间的冗余扫描中心区域的抽样数据导出所需的运动校正。将由磁共振信号导出的运动校正应用于同时获取的PET数据。具体而言，对各PET正弦图进行处理，即，将其重构成接下来受到运动校正的各个PET图像帧。可以在投影重构之前，向各个正弦图实施运动校正。将所需校正从空间域转换到正弦图空间。接下来，(例如通过加权和)将经运动校正的PET图像帧重构成经运动校正的PET图像。可选地，可以向各个PET图像帧应用运动校正，其包括对图像帧几何形状的旋转和变形。此外，针对贯穿平面运动的校正还可以包括在逐帧的基础上对各PET图像帧加权。
图2示出了磁共振信号(MRI数据)和核衰变信号(PET数据)的同时获取和预处理的流程图。通过一种方式获取所述MRI数据，所述方式使得其适于MRI和PET数据以及由这些获取数据重构的图像二者的运动校正。
图3示出了紧随用来重构经运动补偿的磁共振图像和经运动补偿的发射断层摄影图像(PET图像)的所有(MRI和PET)数据的获取的完成的重构的流程图。

Claims (9)

1、一种诊断成像装置，包括：
-用于获取磁共振信号的磁共振检查(1)系统
-用于获取核衰变信号的发射断层摄影系统(2)以及
-用于根据所述磁共振信号导出(一个或多个)运动校正的分析模块(4)以及
-用于在所述(一个或多个)运动校正的基础上根据所述核衰变信号重构经运动校正的发射断层摄影图像的重构模块(5)。
2、根据权利要求1所述的诊断成像装置，包括
-耦合至所述磁共振检查系统和所述发射断层摄影系统的系统控制器(3)，
-所述系统控制器具有用于控制下述操作的功能
-由所述磁共振检查系统实施的对磁共振信号的获取以及
-由所述发射断层摄影系统实施的对核衰变信号的获取。
3、根据权利要求2所述的诊断成像装置，其中
-所述系统控制器还具有记录对所述磁共振信号的所述获取的时间和对所述核衰变信号的所述获取的时间的功能并且
-用于导出所述运动校正的所述磁共振信号和用于所述发射断层摄影图像的重构的所述核衰变信号具有相等的获取时间。
4、根据权利要求3所述的诊断成像装置，其中，所述系统控制器的所述时间记录是通过分别控制所述磁共振检查系统和所述发射断层摄影系统从而实现对磁共振信号和核衰变信号的同时获取而实现的。
5、根据权利要求3所述的诊断成像装置，其中，所述系统控制器的所述时间记录是通过向所述磁共振信号和所述核衰变信号分配时间戳而实现的。
6、根据权利要求3所述的诊断成像装置，其中，所述系统控制器的所述时间记录包括在向所要检查的对象施用放射性药物的时刻的基础上触发由所述磁共振信号和/或所述发射断层摄影系统实施的信号获取。
7、根据权利要求1、2或3所述的诊断成像装置，其中所述重构模块还用于在所述运动校正的基础上根据所述磁共振信号重构经运动校正的磁共振图像。
8、根据权利要求1所述的诊断成像装置，其中，所述磁共振检查系统被设置为在磁共振信号的获取当中对k空间进行扫描，从而在k空间的中心区域生成数据冗余。
9、一种治疗装置，其包括根据权利要求2所述的诊断成像装置和治疗模块，其中，还将所述系统控制器耦合至所述治疗模块，并且所述系统控制器具有在由所述诊断成像系统生成的图像信息的基础上控制所述治疗模块的功能。
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