CN101646957A

CN101646957A - 各向同性分辨率的图像重建

Info

Publication number: CN101646957A
Application number: CN200880010722A
Authority: CN
Inventors: J·耶; X·宋
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: EP2137550A2; WO2008122903A3; US8488850B2; EP2137550B1; WO2008122903A2; JP2010523965A; CN101646957B; US20100183203A1; JP5281635B2

Abstract

核成像系统(110)包括具有距离相关空间分辨率的辐射探测器(112)。重建器(124)对所述探测器采集的投影进行重建以生成图像数据。重建器(124)应用距离相关投影滤波器(134)，从而降低图像空间数据中的角度相关分辨率的变化。

Description

各向同性分辨率的图像重建

本申请涉及图像重建。其在单光子发射计算断层扫描(SPECT)中具有特别的应用，并且应用于希望对图像分辨率中的变化进行补偿的其他应用中。

典型的伽马照相机包括伽马辐射探测器和准直器。各准直器常规包括能够使只具有某一入射角度的伽马辐射到达伽马探测器的多个辐射衰减壁或隔。所述伽马辐射探测器将接收到的伽马辐射转换成电信号。在单光子发射计算机断层摄影(SPECT)研究中，典型地通过围绕患者旋转探测器或者以其他方式改变探测器和患者的相对位置，可从众多角度采集有关患者或检查中的其他对象的伽马射线投影。然后将所述投影进行重建以产生指示对象体内放射性核素分布的体积或图像空间数据。

图像数据的质量受众多因素的影响，包括空间分辨率、噪声、散射和对象的不均匀性衰减特性。空间分辨率受到多种因素的影响，诸如伽马探测器的特性和准直器的几何位置。此外，伽马探测器的空间分辨率典型地随距离而定——根据准直器和对象之间的距离发生改变。探测器分辨率一般最好在准直器表面处或其附近，并随着与准直器的距离增大而降低。

已经研发了对重建过程的前向投影和/或反向投影步骤中的距离相关分辨率、散射和衰减进行建模的迭代重建技术。在距离相关探测器分辨率的情形中，所述分辨率模型已经考虑了探测器表面到图像中心的距离。根据这种方法，增加迭代的次数试图提高图像的空间分辨率。换一种说法，相对于不对距离相关探测器分辨率进行建模的技术而言，指定迭代次数的分辨率通常得到提高。

然而，如上所述，图像质量还受到噪声的影响。虽然一般希望增加迭代次数来提高图像估计的精度(以及在前述距离相关分辨率模型的情形中的空间分辨率)，但是迭代次数的增加试图增大了图像的噪声。为了抑制这种噪声，已经对重建过程的前向投影步骤所生成的投影数据应用低通滤波器，并且同样对所测量的投影数据应用匹配的低通滤波器。重建过程的比较和反向投影步骤中已经使用所述滤波数据。反向投影步骤之前同样将另一低通滤波器应用到错误投影。匹配的滤波器降低了噪声的影响，同时保存了(否则)使用其他滤波技术(诸如重建前滤波和重建后滤波)而经过检测点被平滑的特征。

虽然这些技术已经证实是有效的，但仍存在改进的空间。具体而言，在对象的特性特征处的图像分辨率可能受到角度或各向同性的约束。在非各向同性图像分辨率的情况下，重建的点源可能表现出更像是椭圆形而非圆形的点。

本申请的各个方面解决了这些以及其他问题。

根据一个方面，一种对伽马射线投影进行重建的方法，所述伽马射线投影是在使用具有距离相关分辨率的探测器对对象进行检查期间采集的，所述方法包括：针对多个投影确定探测器和对象特性特征之间的距离；按照确定的距离改变应用于所采集的投影滤波特性；重建经滤波的采集投影；以及生成指示重建投影的图像。

根据本发明的另一方面，一种装置包括伽马辐射敏感探测器，其在相对于检查中的对象(106)的多个角度上采集指示了放射性核素衰减的投影。探测器在对象特性特征处的空间分辨率按照所述角度进行改变。所述装置还包括重建器，其对所述投影进行重建以生成图像空间数据。图像空间数据在特性特征区域内的空间分辨率基本上与所述角度无关。

根据另一方面，计算机可读介质含有计算机可读指令，其在被处理器执行时，使所述处理器执行对指示被检查对象体内放射性核素衰减的投影进行迭代重建的方法。所述方法包括根据第一投影相关滤波函数，对伽马辐射敏感探测器采集的投影进行滤波，所述滤波函数按照所述探测器和对象的特性特征之间的距离发生改变，以及使用经滤波的采集投影来生成指示放射性核素衰减的图像数据。

根据另一方面，一种对使用探测器采集的指示了对象体内放射性核素分布的投影进行重建的方法，包括为多个投影角度的每一个确定探测器和对象特性特征之间的距离，按照确定的距离对所述各投影进行重建，以及形成指示重建投影的图像。

根据另一方面，一种单光子发射计算机断层摄影装置包括辐射敏感探测器，其采集指示被检查对象体内放射性核素衰减的投影，以及重建器。所述探测器在对象特性特征处的空间分辨率按照所述投影发生改变。所述重建器包括第一滤波器，其根据第一滤波函数对所采集的投影进行滤波，以及第二滤波器，其根据第二滤波函数对估计投影进行滤波。第一和第二滤波函数随空间分辨率发生变化。

在阅读并理解了以下详细描述后，对于本领域普通技术人员而言，本发明其他别的方面将是显然的。

发明将采取不同的组件和组件安排的形式，以及不同的步骤和步骤安排的形式。各附图仅为了阐述各优选的实施例，不能解释为限制本发明。

图1描绘了单光子发射计算机断层摄影系统；

图2描绘了相对于对象在多个位置上的探测器；

图3描绘了根据迭代次数的分辨率；

图4描绘了重建器；

图5描绘了一种方法。

参考图1，SPECT系统100包括对象支架102，其支持检查区域108中被检查的患者106和其他对象。

伽马辐射敏感探测器(诸如探测器112₁、112₂)采集出现在检查区域108中的指示放射性核素衰减的投影110。探测器112包括准直器114和辐射敏感探测器116，诸如闪烁器和阵列式光电倍增管(PMTs)，半导体光电探测器或其他光敏感探测器。也可构想半导体或其他直接转换探测器。如本领域普通技术人员将会意识到的，探测器112的空间分辨率典型地随距探测器距离的增大(例如，随距准直器114表面的距离增加)而降低。

一个或多个驱动器152例如通过使探测器围绕检查区域108单独或协同患者支架102的运动一同旋转，改变探测器112与所述对象的相对位置。驱动器152可包括使探测器112关于检查区域进行切向或径向移动的合适的(各)驱动器。也可调整探测器112₁、112₂相对的角取向。各种驱动器122和探测器112的构造对于本领域普通技术人员而言使众所周知的，并且一般根据诸如性能需求、尺寸、造价、应用等因素进行选择。值得注意的是也可实施基本为环形和椭圆形的探测器112。

如图1所述，将两个探测器头112₁、112₂布置成垂直的构造，其中探测器头112₁、112₂相对于彼此定位在大体90°到102°的范围内。这种垂直探测器构造常常用于心脏成像中，因为可相对靠近心脏120地布置两个探测器112。然而，如将会意识到的，探测器112和心脏120之间的距离以及因此探测器112在心脏120区域内的分辨率将随探测器112围绕对象106进行旋转而改变。

根据所述实现方式，按照多个空间、能量和/或其他组(bins)来组织所测的投影；所述投影也可呈现为列表模式的数据。

特性特征确定器138确定对象特性特征122的位置。特性特征的示例包括器官、损伤或其他感兴趣结构、放射性核素活动的中心、质量中心等。在心脏成像的示例中，所述特性特征可以是心脏的近似中心。在一种实现方式中，在具有或不具有用户确认的情况下，所述特性特征探测器138确定在所采集投影的相对低分辨率重建中的特性特征122的位置。另外，可向用户提供在低分辨率图像数据中手动识别特性特征122的机会。特性特征确定器138还可在使用另一成像模态生成的图像数据(例如，在混合SPECT/CT系统情形中的计算机断层扫描CT数据)上进行操作。在所述特性特征122的位置适于根据对象106已知形态学或其他特征进行先验地确定时，可省略特性特征确定器138。

投影相关距离确定器136为各个投影确定探测器112与特性特征122之间的距离。特别地在先验地得知所述特性特征的位置时，所述距离确定器可使用投影角度、探测器位置或其他变量作为所述距离的代表。

重建器124对各投影进行重建以生成表示所探测辐射的图像数据126。如下面将进一步详细描述地，重建器124优选地应用距离相关分辨率的模型132，所述模型132对探测器112的距离相关的空间分辨率进行补偿。也可应用散射128、衰减130或其他模型和/或其他校正。如下面将进一步详细描述地，也可对各投影应用距离相关投影滤波器134。

通用计算机用作操作者控制台150。控制台150包括人类可读输出设备(诸如监视器或显示器)以及输入设备(诸如键盘和鼠标)。常驻控制台150内的软件能够使操作者通过建立所需的扫描协议、启动和终止扫描、观察和以其他方式操作所述图像数据126以及以其他方式与所述扫描器进行互动，来控制所述扫描器的操作。

现在转到图2，三维(3D)对象空间中的点与探测器112间的距离典型地与探测器112和对象106的相对角度位置一同变化。如图2心脏采集的示例所示，在三(3)个角度位置上显示相对于对象106的探测器112：前右斜方向或10点的位置、近似前方或1点的位置，以及后左斜方向或4点的位置。箭头202通常指示探测器112相对于患者106的旋转。如图所见，当探测器112位于10点的位置时探测器112与心脏204间的距离比探测器112处于1点或4点的位置时探测器112与心脏204间的距离更大。因此，心脏204区域中的探测器空间分辨率将按照所采集投影的投影角度发生变化。例如，对于用处于10点位置上的探测器采集的投影220而言的心脏区域内的探测器112空间分辨率比对于用4点位置上的探测器112采集的投影222而言的探测器空间分辨率更低，而对于当探测器112处于1点位置上时采集的投影224而言，探测器112将具有最好的空间分辨率。

由于探测器112的距离相关分辨率，重建图像的空间分辨率试图是各向异性的，并且当探测器112的表面几乎与给定方向平行时，所述方向上的分辨率强烈地受各投影的影响。这样，在心脏204区域中，在10点方向上(即，在大体垂直于线224的方向上)获得最佳分辨率。另一方面，在1点方向上(即，在大体垂直于线220、222的方向上)分辨率通常最差。

在所述重建期间对深度相关探测器112分辨率进行建模(例如，通过结合模糊模型)可提高所得图像数据的空间分辨率。然而，即使在理想的分辨率模型情形中，重建空间分辨率在具有更高的所测量分辨率的方向上比其他方向上恢复地更快。这在图3中进行了描绘，其中横坐标表示迭代的次数，纵坐标表示空间分辨率的记录，曲线302表示在具有相对更高空间的分辨率的第一方向上的分辨率，而曲线304表示在具有相对更低的空间分辨率的第二方向上的分辨率。重建图像空间分辨率中的变化可造成重建期间收敛速度在不同的方向和位置上的不同。结果，当重建期间使用有限次迭代时，心肌灌注SPECT图像可能遭受在顶点214处变薄而侧向216和间隔218壁看起来更厚，这在心肌不均匀时可观察到。虽然增加迭代的次数在两个方向上提高了空间分辨率，但是在第一方向上的分辨率比第二方向上的分辨率保持更好。

现在转到图4，重建器124补偿不同方向之间收敛速度的差异，从而例如使重建成像在至少两个空间维度上具有基本各向同性的分辨率。使用初始图像估计402来建立初始曲线图像估计404。前向投影器406将当前图像估计404前向投影，产生图像估计投影p_k。前向投影器406使用卷积或其他所需技术而应用距离相关分辨率模型408以对距离相关探测器分辨率进行补偿。前向投影器406也可应用其他所需的模型和/或校正410，诸如那些用于衰减和/或散射的模型和/或校正。

第一距离相关滤波投影滤波器412对投影数据P_k进行滤波。所述滤波函数按照不同投影的探测器112与特性特征122间的距离发生变化。在一种实现方式中，所述滤波器作为低通高斯滤波器来实施，所述滤波器的截止频率随所述探测器和特性特征122之间距离的增大而增加。换句话说，在探测器122相对更靠近所述特征的位置上采集的投影比在探测器112处于相对更远距离时采集的投影进行相对更严重地滤波。在另一实现方式中，对当探测器处于相对较远的距离时所采集的投影应用距离相关高通滤波器或锐化滤波器。在另一实现方式中，对当探测器处于相对较远的距离时所采集的投影应用距离相关高通滤波器或锐化滤波器，而对当探测器处于相对不太远的距离时所采集的投影应用距离相关低通滤波器。也可以应用带通或其它滤波器。

相应的第二距离相关投影滤波器420对在对象106的检查期间采集的投影418进行滤波。第一和第二滤波器优选具有相同的距离相关滤波函数，尽管可能会实施不同的滤波函数。

比较器416将经滤波的估计投影与经滤波的测量投影进行比较，例如通过确定两者间的比率或差异来进行。

为了降低噪声的影响，也可应用低通投影滤波器422或平滑器来进一步对所比较的投影进行滤波。在滤波器412、420可以省略掉或者作为非距离相关滤波器实施的情形中，投影滤波器422也可对所比较投影应用模拟上述这些滤波器的距离相关投影滤波器。

反向投影器424对(经滤波的)所比较投影进行反向投影。图像更新器426使用所述反向投影数据，生成新的图像估计f_k+1。更新后的图像估计用作当前的图像估计f_k

在重建器124根据有序子集期望最大化(OSEM)算法进行重建时，为多个数据子集的每一个重复所述过程。注意所述重建也可根据最大似然期望最大化(MLEM)技术或其他统计、迭代或分析重建算法来进行。

在一种实现方式中，在具有或不具有用户确认的情况下，特性特征确定器138在采集投影的相对低分辨率重建中，确定特性特征122的位置。在另一示例中，可给用户提供在低分辨率图像数据中手动识别特性特征122的机会。特性特征确定器138也可对使用其他成像模态生成的图像数据(例如，在混合SPECT/CT系统情形中的计算断层扫描CT数据)进行操作。在根据对象106已知的形态学特征或其他特征可先验地适当确定特性特征122的位置时，可省略特性特征确定器138。

现在参考图2和5，再次针对心脏采集和迭代图像重建情形的示例，对操作进行描述。

在502进行对象106的成像检查。

在504识别特性特征122的位置。如图所示，所述特性特征是感兴趣的点206，诸如心脏204的近似中心206。

在506生成图像估计。

在508，如果满足了终止条件，则将图像保存在存储器中并且/或者在510以人类可读的形式进行呈现。

如果不满足，则在512对图像估计进行前向投影以生成估计的投影。如果需要，在所述投影矩阵中可包括距离相关分辨率、衰减、散射或其他模型中的一个或多个。

在514，对所述估计的投影应用第一距离相关投影滤波器。

在516，对所测投影数据应用第二距离相关投影滤波器。注意在所述重建的初始阶段之前或以其他方式应用所述第二滤波器。

在518，将经滤波的所测投影与经滤波的估计投影进行比较，例如生成比较的比率。

在520对所比较的数据进行反向投影。如果需要，在所述投影矩阵中可包括距离相关分辨率、衰减、散射或其他模型中的一个或多个，或者其作为备选方案或除了与前向投影有关的各种模型应用之外来使用。如上所述，在所述反向投影之前，对所述比较数据应用滤波器，进一步降低噪声影响。

在522重复所述处理，并且所述反向投影数据用于更新图像估计。

其他变化也是可能的。例如，可只对所测投影数据应用所需的距离相关投影滤波器134的功能。然后使用所需的分析(例如，经滤波的反向投影)、迭代或其他重建技术对经滤波的所测投影数据进行重建。虽然这种实现方式试图降低或消除在重建图像中可能以其他方式出现的几何扭曲，但是相对于图4的实现方式可能会牺牲空间分辨率。

借助于计算机可读介质中含有的计算机可读指令，可实施上述的各个部分和功能。当被计算机(各)处理器执行时，所述指令使(各)处理器执行各自的功能。

将会意识到所述重建可以但无需在空间和/或时间上距图像采集很远处进行。例如，重建中的一些或所有可在所述采集已经结束并且对象106不处于检查区域108中之后进行。重建器124和其他相关部件也可在物理上位于距所述扫描器很远的位置。

参考各优选实施例已经对本发明进行了描述。在阅读并理解了前面详细描述后，其他人能够想到多种修改或变更。本发明拟解释为包括所有这种修改和变更，只要它们落在附加权利要求或其等同物的范围内。

Claims

1、一种对伽马射线投影(418)进行重建的方法，所述伽马射线投影是在使用具有距离相关分辨率的探测器(112)对对象(106)进行检查期间采集的，所述方法包括：

针对多个投影确定所述探测器和所述对象的特性特征(122)之间的距离；

按照所确定的距离改变对所采集的投影应用的滤波器(420)的特性；

重建经滤波的所采集的投影；

生成指示所重建的投影的图像。

2、如权利要求1所述的方法，其中，重建包括

对图像估计进行前向投影以产生估计投影；

按照所确定的距离，改变对所述估计投影应用的滤波器(412)的特性；

使用经滤波的所采集的投影和经滤波的估计投影来更新所述图像估计；

对前向投影、改变对所述估计投影应用的所述滤波器的特性以及使用经滤波的所采集的投影和经滤波的估计投影的步骤进行重复。

3、如权利要求2所述的方法，包括改变对所采集的投影应用的所述滤波器的特性和对所述估计投影应用的所述滤波器的特性，使得所述图像估计在所述特性特征的位置处的空间分辨率在至少两个空间维数上是基本上各向同性的。

4、如权利要求2所述的方法，其中，对所采集的投影应用的所述滤波器包括低通滤波器，并且对所述估计投影应用的所述滤波器包括低通滤波器。

5、如权利要求2所述的方法，其中，改变对所述估计投影应用的所述滤波器的特性包括改变截止频率。

6、如权利要求2所述的方法，其中，前向投影包括对所述探测器的所述距离相关分辨率进行建模。

7、如权利要求2所述的方法，其中，使用包括

将经滤波的所采集的投影与经滤波的估计投影进行比较以生成第三投影；以及

根据包括低通滤波的滤波函数对所述第三投影进行滤波。

8、如权利要求2所述的方法，其中，重建包括使用有序子集期望最大化技术对投影数据进行重建。

9、如权利要求1所述的方法，其中，重建包括：

对图像估计进行前向投影以产生估计投影；

将经滤波的所采集的投影与所述估计投影进行比较；

按照所确定的距离，改变对所比较的投影应用的滤波器(422)的特性；

使用经滤波的所比较的投影来更新所述图像估计；

对前向投影、比较、改变和使用经滤波的所采集的投影和经滤波的估计投影的步骤进行重复。

10、如权利要求1所述的方法，其中，所述特性特征包括心脏区域。

11、如权利要求1所述的方法，其中，所述特性特征是活动的中心。

12、如权利要求1所述的方法，包括用锐化滤波器对所确定的距离相对更长的投影进行滤波，以及用平滑滤波器对所测的距离相对更短的投影进行滤波。

13、如权利要求1所述的方法，包括改变对所采集的投影应用的所述滤波器的特性，使得所采集的投影在所述特性的位置处的空间分辨率基本相同。

14、一种装置，包括：

伽马辐射敏感探测器(112)，其在相对于被检查对象(106)的多个角度上采集指示放射性核素衰减的投影，其中，所述探测器在所述对象的特性特征(122)处的空间分辨率按照所述角度进行改变；

重建器(124)，其对所述投影进行重建以生成图像空间数据，其中，所述图像空间数据在所述特性特征区域中的空间分辨率基本上与所述角度无关。

15、如权利要求14所述的装置，包括确定所述特性特征的位置的特性特征确定器(138)。

16、如权利要求14所述的装置，其中，所述重建器包括

第一滤波器(420)，其根据按照所述探测器的空间分辨率而改变的第一滤波函数，对所采集的投影进行滤波；

第二滤波器(412)，其根据按照所述探测器的空间分辨率而改变的第二滤波函数，对估计投影进行滤波。

17、如权利要求16所述的装置，包括距离确定器(136)，其确定所述探测器和所述特性特征之间的距离，并且其中，所述第一滤波函数按照所确定的距离进行改变。

18、如权利要求16所述的装置，其中，所述第一滤波函数和所述第二滤波函数包括平滑滤波函数。

19、如权利要求16所述的装置，其中，所述第一滤波函数和所述第二滤波函数包括锐化滤波函数。

20、如权利要求14所述的装置，其中，所述重建器根据统计迭代重建技术对所述投影进行重建。

21、如权利要求14所述的装置，其中，所述重建器应用探测器空间分辨率模型。

22、如权利要求14所述的装置，其中，所述探测器包括设置成正交关系的第一(112₁)探测器头和第二(112₂)探测器头。

23、如权利要求14所述的装置，其中，所述探测器和所述特性特征之间的距离按照投影角度发生改变，并且还包括距离确定器(136)，其使用在对所述投影的所述采集之前已知的所述对象的形态学特性来确定所述距离。

24、如权利要求14所述的装置，其中，所述重建器应用分析重建技术。

25、一种计算机可读存储介质，其含有计算机可读指令，在被处理器执行时，所述指令使所述处理器执行对指示被检查对象(106)中的放射性核素衰减的投影进行迭代重建的方法，所述方法包括：

根据第一投影相关滤波函数(420)对由伽马辐射敏感探测器(112)采集的投影进行滤波，所述第一投影相关滤波函数按照所述探测器与所述对象的特性特征(122)之间的距离发生改变；

使用经滤波的所采集的投影来生成指示所述放射性核素衰减的图像数据。

26、如权利要求25所述的计算机可读存储介质，其中，所述方法包括

根据按照所述探测器与所述特性特征之间的距离而改变的第二投影相关滤波函数(412)，对估计投影进行滤波；

其中，使用包括使用经滤波的估计投影来生成所述图像数据。

27、如权利要求25所述的计算机可读存储介质，其中，所述方法包括

识别心脏的中心；

对所采集的投影和所述估计投影进行滤波，使得所述图像数据在所述心脏的区域中的空间分辨率在至少两个空间维数上是基本上各向同性的。

28、如权利要求25所述的计算机可读存储介质，其中，所述特性特征包括器官的位置，并且所述方法包括确定所述位置。

29、如权利要求25所述的计算机可读存储介质，其中，所述方法包括针对多个投影的每一个确定所述探测器的距离相关空间分辨率。

30、如权利要求25所述的计算机可读存储介质，其中，所述方法包括根据期望最大化重建技术对所述投影进行重建。

31、一种对投影进行重建的方法，所述投影是使用探测器(112)采集的并指示对象(106)中的放射性核素分布，所述方法包括：

针对多个投影角度的每一个确定所述探测器与所述对象的特性特征(122)之间的距离；

按照所确定的距离对所述投影进行重建；

形成指示所重建的投影的图像。

32、一种单光子发射计算机断层摄影装置，包括：

辐射敏感探测器(112)，其采集指示被检查对象(106)中的放射性核素衰减的投影，其中，所述探测器在所述对象的特性特征(122)处的空间分辨率按照所述投影发生改变；

重建器(124)，包括：

第一滤波器(420)，其根据按照所述空间分辨率而改变的第一滤波函数对所采集的投影进行滤波；

第二滤波器(412)，其根据按照所述空间分辨率而改变的第二滤波函数对估计投影进行滤波。