CN101765865A - 核成像中的运动校正 - Google Patents

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CN101765865A CN200880100417.8A CN200880100417A CN101765865A CN 101765865 A CN101765865 A CN 101765865A CN 200880100417 A CN200880100417 A CN 200880100417A CN 101765865 A CN101765865 A CN 101765865A
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Abstract

辐射探测装置(100)采集对象的投影数据，该对象在采集期间经历运动。该装置包括在采集期间协同补偿对象的运动的运动建模器(142)和运动补偿器(144)。在一个示例中，该投影数据包括列表模式的正电子发射断层摄影数据并且该装置补偿心脏运动。

Description

核成像中的运动校正
本发明涉及成像中的运动补偿，其尤其涉及诸如正电子发射断层摄影(PET)和单光子发射计算机断层摄影(SPECT)等的核成像模态中的运动补偿。其特别适用于期望校正被检查对象中的运动的医学和其他应用。
正电子发射断层摄影(PET)是核医学的一个分支，其中将诸如18F-氟脱氧葡萄糖(FDG)的正电子发射放射性药物引入患者体内。随着放射性药物衰减，生成正电子。更具体地，在所谓的正电子湮灭事件中，多个正电子中的每一个与电子反应，由此生成符合的一对511keV伽玛射线，其沿着响应线(LOR)以相反的方向行进。在符合时间内探测到的伽玛射线对通常被PET扫描器记录为湮灭事件。在飞行时间(TOF)PET扫描器中，也测量符合伽玛射线对的到达时间的差异。TOF信息被用于预测沿着LOR的最有可能的湮灭位置。重建在扫描过程中采集的这些事件以产生指示放射性核素在患者体内的分布的图像或其他数据。
可能影响图像数据的质量的一个因素是对象运动。例如，人类患者在扫描过程中通常将经历诸如心脏运动和呼吸运动的生理运动。除非得到解决，对象运动可能在重建的图像数据中引入模糊和其他伪影。
用于解决这种运动的一种技术为使用门控(gating)。在心脏成像中，已经使用了诸如心电图(ECG)的生理监测器。在前瞻性门控技术中，仅在期望的一个或多个心脏相位处采集投影数据。在回顾性门控技术中，基于采集投影数据时的心脏相位对投影数据进行选择和重建。类似的门控技术已经被结合呼吸运动使用。
门控技术的一个缺点在于对象的运动可能是非周期性的或者另外地从一个运动周期到下一运动周期变化。另一缺点在于仅潜在可用的投影数据的子集被用于重建图像。不利的是，减少的计数统计倾向于增加图像噪声，因此削弱通过减少模糊而提供的图像质量改进。在肺部成像的情况下，已经有人建议每次门控最少需要大约六百万至八百万个计数以观测图像质量改进。参见Visvikis等人发表于IEEE Nuclear Science Symposium ConferenceRecord第6卷第3668-3672页(2004)的题为Evaluation of respiratory motioneffects in comparison with other parameters affecting PET image quality的文章。
本申请的各方面解决这些和其他问题。
根据第一方面，一种装置包括运动建模器，该运动建模器在指示对象中的放射性核素衰减的投影数据的第一投影中对投影的投影数据的运动进行建模。该装置还包括运动补偿器，该运动补偿器使用所建模的运动来将空间校正应用于投影的投影数据。
根据另一方面，一种补偿对象的运动的方法包括在指示对象中的放射性核素衰减的投影数据的第一投影中对该对象的运动进行建模。该方法还包括使用所建模的运动来将空间校正应用于第一投影的投影数据。
根据另一方面，一种方法包括确定在对象的检查中采集的投影数据的空间特性的由对象的运动导致的时间变化，以及使用所确定的时间变化来校正所述投影数据。所述投影数据指示对象中的放射性核素衰减。
通过阅读和理解随附的说明书，本领域技术人员将认识到本发明的其他更多方面。
本发明可以通过各种组件和组件的布置以及各种步骤和步骤的布置而变得明显。附图仅用于图示说明优选实施例的目的，而不应被解读为限制本发明。
图1描述一种组合PET/CT系统；
图2描述一种运动建模器；
图3描述投影数据选择器的操作；
图4描述投影分类器的操作；
图5描述按投影和时间分类的投影；
图6A描述投影数据运动确定器的操作；
图6B和图6C描述投影数据运动确定器的操作；
图7描述一种方法。
参考图1，组合PET/CT系统100包括PET扫描架部分102和CT扫描架部分104。PET扫描架部分102包括围绕检查区域108以大致环形或圆环形布置设置的伽玛辐射敏感探测器106。探测器106探测发生在PET检查区域108中的正电子湮灭事件的伽玛辐射特性。
CT部分104包括围绕CT检查区域112旋转的诸如X射线管的辐射源110。辐射敏感探测器114探测由X射线源发射并已横穿检查区域112的辐射。
如图1所示，PET扫描架部分102和CT扫描架部分104位于它们各自的、沿着共同的纵轴或z轴设置的检查区域108、112附近。对象支架116支撑诸如人类患者的要被成像的对象118。对象支架116与PET/CT系统100的操作配合可以沿纵向移动，从而可以由PET扫描架部分102和CT扫描架部分104二者在多个纵向位置处扫描对象118。
CT数据采集系统122处理来自CT探测器114的信号以生成指示沿着多条直线或射线穿过检查区域112的辐射衰减的CT投影数据。CT重建器126使用适当的重建算法重建CT投影数据以生成指示对象118的空间变化的辐射衰减的图像数据。
PET数据采集系统120产生PET投影数据，诸如在图像采集期间由探测器106探测到的湮灭事件的列表。列表模式的投影数据通常包括所探测到的事件的列表，其中列表中的每个条目包括诸如事件被探测到的时间以及对应的LOR的位置和取向的信息。在扫描器具有TOF能力的情况下，还提供湮灭沿着LOR的位置的估计。或者，所采集的数据可以被分类或面元划分成正弦图(sinogram)或投影面元。
局部感兴趣区域(ROI)识别器140识别感兴趣体积，该感兴趣体积包括在PET数据采集过程中经历生理或其他运动的器官、病变或其他对象特征。在一种技术中，ROI是由用户使用对象的CT图像、低分辨率或非运动补偿的PET图像等手动描绘的。在另一技术中，ROI是利用关于对象的先验信息识别的。例如，在人类患者的情况下，可以使用已知的形态特性来估计包括诸如心脏或肺的器官的ROI的位置。在又一实现方式中，计算机处理器自动地或半自动地在CT或PET系统数据的低分辨率或其他重建中识别ROI的位置。要注意，前述技术可以进行组合；也可以使用其他适当的技术。
如下面将更充分地描述的，该系统还包括运动建模器142和运动补偿器144，二者协同补偿对象在PET数据采集期间的运动。更具体地，运动建模器142在所采集的投影数据的投影中对该对象的运动进行建模。运动补偿器144使用所建模的运动来将空间校正应用于投影数据。
PET重建器146使用迭代的或其他适当的重建技术来重建经校正的投影数据，因此生成指示对象118中的放射性核素的分布的、经运动校正的图像空间数据。来自CT部分的数据可以用于提供适当的衰减校正。
该系统还可以包括图像组合器148，该图像组合器组合来自CT重建器126和PET重建器146的图像数据，例如通过对经组合的图像进行叠加或其他方式的组合以呈现给用户。使用图像组合器148在期望了解CT图像数据和PET图像数据中的可见特征之间的空间关系的情况下尤其有用。
工作站计算机用作操作者控制台128。该控制台128包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留于控制台128上的软件允许操作者执行一些功能，诸如与ROI识别器140交互、观察或另外地操纵由PET重建器146和CT重建器126生成的图像数据、建立期望的扫描协议、开始和终止扫描等。
应该了解，系统100的变型也是可能的。例如，扫描器的CT部分可以被省略、定位成远离PET扫描架部分102或者被诸如磁共振(MR)扫描器的另一成像设备替换。作为另一示例，可以由与PET扫描架部分102相关联的透射源提供衰减或解剖信息。
现在转到图2，运动建模器142包括投影数据过滤器202、投影分类器204、时间分类器206、直方图发生器208和投影运动确定器210。
投影数据过滤器202过滤所采集的投影数据，从而舍弃由发生在所识别的ROI之外的放射性核素衰减导致的那些事件(或者，反言之，选择指示发生在ROI内的放射性核素衰减的那些事件)。
各种过滤技术都是可预期的。例如，过滤器可以但并非必须在二值基础上选择或舍弃事件。在后者的情况下，过滤器202可以为事件分配相对权重作为该事件发生在ROI中的概率的线性或其他函数。在前者的情况下，可以将事件发生在ROI内的概率与阈值相比较，并相应地选择或舍弃该事件。
图3描述了与对象302和ROI 304有关的投影数据过滤器202的操作。为了本示例的目的，假设该投影数据为包括示例性的第一事件306、第二事件308和第三事件310的TOF PET投影数据。事件沿着LOR的位置由各自的概率函数311、312、314指示。
如图所示，第二事件308和第三事件310的LOR与ROI 304相交，而第一事件306的LOR则不与其相交。同样如图所示，第二事件308与第三事件310相比相对不太可能起始于ROI 306中。
因此，根据一种过滤技术，第一事件306将接收为零的权重，第二事件308将接收中等权重，且第三事件310将接收相对较高的权重。根据另一技术，第一事件306将被舍弃，因为其LOR不与ROI 306相交。第二事件308和第三事件310将被与阈值相比较并相应地被选择或舍弃(或者，换言之，根据实际情况分配为1或为零的权重)。
返回到图2，运动建模器142还包括投影分类器或面元划分器204，其根据经过滤的事件的横向和/或轴向投影角将它们分类成多个N投影面元或群组。每个投影群组通常包括一范围的投影角，其中群组的数量和位置以及每个群组的角范围取决于诸如扫描器几何结构、采集统计、运动补偿的期望角分辨率等的因素。要注意，各个群组可能具有不相等的角范围并且另外地可能位于不相等的角间隔处。在目的是补偿对象在三维中的运动的情况下，各个投影的位置的选择相应地同样受到扫描器的采集几何结构的影响。
在图4中示出对于包括感兴趣特征408的ROI的示例性情况的N个投影中的两个4020、402n。第一示例性投影4020由投影角
Figure GPA00001009094900051
和投影表面4040(例如，平面、曲面或直线)表征；第二示例性投影402n由投影角
Figure GPA00001009094900052
和投影表面404n表征。因此，定位成具有大约为的投影角的那些事件被分类或面元划分成第一投影群组4020，而具有大约为
Figure GPA00001009094900054
的投影角的那些事件被分类或面元划分成第二投影群组402n。每个事件的位置可以用其LOR 406与投影平面4040、404n相交的位置来描述。
现在返回到图2，时间分类器或面元划分器206将各个投影404的事件分类成多个T时间面元或群组。同样，时间群组的数量以及每个群组的时间宽度取决于诸如采集统计、运动补偿的期望时间分辨率、投影群组的数量N等的因素。在图5中图示说明在投影和时间分类操作之后按投影和时间分类的各个群组的示例，例如时间段5021、5022...502T。
现在返回到图2，直方图发生器208为每个投影的时间群组中的每一个生成投影数据直方图H(n，t)。这些直方图代表ROI 304中的活动到各自的投影平面404上的投影。在一个示例中，通过对在其各自的投影平面内具有类似坐标r的那些事件计数或累加来生成这些直方图。在另一示例中，根据结合上述LOR过滤过程产生的权重来对这些事件加权。在图5中示意性地图示说明为各个投影和时间群组生成的示例性直方图H
Figure GPA00001009094900061
。
要注意，投影数据过滤、分类和直方图生成操作的顺序可以与上述不同。因此，例如，可以在投影分类之前执行时间分类。作为另一示例，可以在逐个事件的基础上执行选择、分类和/或直方图生成操作。一个或多个空间或时间过滤器也可以用于应用期望的平滑、锐化、带通或其他期望的过滤函数。可以在生成直方图之前将这些过滤器应用于投影数据、已经生成的直方图或二者。
再次返回到图2，投影运动确定器210使用直方图数据来确定每个投影中的投影数据的运动。另外参考图5，直方图H(n，t)可以由诸如位置l(n，t)和/或维度d(n，t)的时变空间特征来表征。位置信息的示例包括几何中心和活动中心；维度信息的示例包括感兴趣特征408的外边缘之间的距离或直方图本身。
例如，在特征408包括心肌的示例中，相对于其各自的投影平面404的心脏的位置和因此的直方图的位置可以根据受试者的呼吸运动而变化，而通常可以预期心脏的尺寸和因此的直方图的维度随跳动的心脏的扩张和收缩而变化。
现在将参考图6A描述在时变直方图位置1的情况下投影运动确定器210的操作。针对每个投影，针对每个时间面元的直方图数据被用于确定作为时间的函数的位置，针对示例性投影，该函数
Figure GPA00001009094900062
由曲线602图示说明。选择参考位置604，实际位置和参考位置之间的差异提供时变位移矢量
Figure GPA00001009094900063
，该时变位移矢量
Figure GPA00001009094900064
描述投影平面404中直方图的位移并因此描述心肌层的位移。
对于具有时变维度d(例如，心肌层的直径)的对象，投射到各自的直方图中的事件的运动幅度通常作为其相对于对象的位置的函数并因此作为其在投影平面404中的位置的函数而变化。现在将参考图6B和图6C描述在这种情况下投影运动确定器210的操作。针对每个投影，来自每个时间面元的直方图数据被用于确定作为时间的函数的维度，该函数由图6B中的曲线606图示说明。还确定维度的平均值，该函数
Figure GPA00001009094900072
由直线608图示说明。
针对每个投影，为各个时间群组计算实际维度和平均维度之间的时变差异
Figure GPA00001009094900073
。现在转到图6C，由加权函数610对差异
Figure GPA00001009094900074
进行加权，该加权函数610补偿特征406的空间变化位移并因此补偿投影中的LOR。如图6C所示，加权函数610在运动中心处具有为零的值，且在感兴趣特征406的外边界处具有为1的值。要注意，运动中心可能近似为对象的几何中心。该加权是在图像采集的时间段上或其他期望的时间段上执行的，从而生成空间和时间变化的位移矢量
Figure GPA00001009094900075
。
运动补偿器144将一个或多个位移矢量
Figure GPA00001009094900076
应用于由投影过滤器202选择的那些事件，由此生成经运动校正的数据集。根据期望，重建经运动校正的数据集。
现在将参考图7进一步描述操作。
在702处，对该对象进行扫描。在扫描期间，对象的一些部分可能经历周期性运动或其他运动。在完成扫描后，不再需要该对象存在。
在704处，确定在扫描期间所采集的投影数据的一个或多个空间特性的时间变化。例如，如上所述，空间特性可以包括一个或多个投影中的数据的位置或维度中的一个或两者。
在706处，将所确定的时间变化用于校正投影数据。例如，如上所述，可以生成一个或多个时间和/或空间变化的位移矢量并将其应用于投影数据。
在708处，重建经校正的投影数据，从而产生图像空间数据。
在710处，例如通过显示代表对象的放射性核素分布的图像，来以人类可读的形式呈现指示所重建的图像空间数据的信息。
本领域普通技术人员将认识到上述各种技术尤其是那些ROI识别器140、运动建模器142、运动补偿器144、图像组合器148和重建器146、148可以借助于计算机可读指令来实现，所述计算机可读指令存储在计算机处理器可访问的计算机可读存储介质中。当被执行时，这些指令使得(多个)处理器执行所述技术。要注意，该介质不需要是处理器的本地存储介质；这些指令可以经由诸如互联网的通信网络下载或以其他方式访问。相关计算机也可以定位成远离成像系统，其中经由适当的网络或其他介质传递扫描数据。
可预期存在各种变型和改变。例如，上述技术并不局限于用在心脏成像中，且可以用于其他器官、肿瘤或其他病变，和/或人类患者或其他有生命或无生命对象的特征。此外，这些技术可以用于补偿除心脏运动和呼吸运动以外的运动。这些技术也不局限于结合TOF PET使用，且也可以结合非TOF PET数据、多针孔SPECT和其他模态使用。在飞行时间或其他类似信息不可用的情况下，投影数据选择器202通常将选择与感兴趣区域交叉的那些投影。投影数据选择器202也可以省略，特别是在活动集中在对象的一部分中或对象的各部分的运动相对均匀的情况下。
在另一变型中，这些技术可以被应用于基于正弦图的图像采集。根据这种示例，所采集的投影数据通常应该在采集的时刻被存储在期望的时间面元或帧中。根据这种示例，可以省略投影面元划分器402和时间面元划分器404中的一个或两者。
可以将运动校正仅应用于单个投影或者另外地应用于有限数量和/或范围的投影。这种实现方式在对象的运动被约束或限制在单个或小数量的方向上的情况下尤其有用。在对象运动在各个投影之间均匀的情况下，也可以省略投影面元划分器402。
已经参考优选实施例描述了本发明。当然，通过阅读和理解前面的说明书容易想到各种修改和改变。本发明意在被解读为包括所有这些修改和改变，只要它们落入随附的权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一种装置，其包括：
运动建模器(142)，其在指示对象中的放射性核素衰减的投影数据的第一投影(4020)中对所述对象的运动进行建模；
运动补偿器(144)，其使用所建模的运动来将空间校正应用于所述投影的投影数据。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述运动建模器(142)在指示所述对象中的放射性核素衰减的投影数据的多个投影(402n)中对所述对象的运动进行建模。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述运动建模器对所述投影的投影数据的时变空间特性进行建模。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述特性包括所述投影数据的中心的位置。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述运动建模器生成时变空间位移矢量，并且所述运动补偿器使用所述位移矢量来补偿所述对象的运动。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述运动建模器使用空间变化加权函数(610)来补偿所述对象的特征的空间变化位移。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述运动建模器确定所述投影的所述投影数据的第一空间维度与所述投影数据的第二空间维度之间的差异并且将所述加权函数应用于所确定的差异。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述投影数据包括指示所述对象中的放射性核素衰减的事件，所述装置包括投影数据过滤器(202)，所述投影数据过滤器对所述投影数据进行过滤以选择指示发生在所述对象的子区域中的放射性核素衰减的事件，并且所述运动建模器使用经过滤的数据来对所述对象的所述运动进行建模。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述投影数据过滤器根据至少三个不同的加权值中的一个对事件进行加权，所述加权值作为所述事件指示发生在所述子区域中的放射性核素衰减的可能性的函数。
10.如权利要求1所述的装置，其包括将所述投影数据分类成多个投影和时间群组的投影分类器(204)和时间分类器(206)。
11.如权利要求1所述的装置，其包括生成所述投影的投影数据的直方图的直方图发生器(208)。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述投影的所述投影数据包括指示在所述对象的检查期间的第一时刻和第二时刻发生的放射性核素衰减的投影数据，并且所述直方图发生器生成指示在所述第一时刻发生的放射性核素衰减的投影数据的第一直方图以及指示在所述第二时刻发生的放射性核素衰减的投影数据的第二直方图。
13.如权利要求11所述的装置，其包括使用所述直方图来确定所述对象的运动的投影运动确定器(210)。
14.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置形成正电子发射断层摄影探测器的部分。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述装置形成包括正电子发射断层摄影扫描器和第二模态扫描器的系统的部分。
16.一种补偿对象的运动的方法，所述方法包括：
在指示所述对象中的放射性核素衰减的投影数据的第一投影(4020)中对所述对象的运动进行建模；
使用所建模的运动来将空间校正应用于所述第一投影的投影数据。
17.如权利要求16所述的方法，其包括：
在所述投影数据的第二投影(402n)中对所述对象的运动进行建模；
使用在所述第二投影中所建模的运动来将空间校正应用于所述第二投影的投影数据。
18.如权利要求16所述的方法，其包括：
在所述对象的检查期间的第一时刻使用所述第一投影的投影数据来对所述对象中的放射性核素的第一分布进行建模；
在所述对象的检查期间的第二时刻使用所述第一投影的投影数据来对所述对象中的放射性核素的第二分布进行建模。
19.如权利要求18所述的方法，其包括：
对所述第一分布和所述第二分布的时变空间特性进行建模；
确定所建模的时变空间特性的值与第二值之间的变化；
使用所确定的变化来生成时变位移矢量。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述方法包括根据空间变化加权函数对所确定的变化进行加权，并且使用所确定的变化的步骤包括使用经加权的所确定的变化来生成时变和空间变化的位移矢量。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述第二值包括所建模的特性的平均值。
22.如权利要求16所述的方法，其中，所述投影数据包括指示跳动的心脏的投影数据，并且使用包括使用所建模的运动来补偿由所述心脏的收缩导致的运动。
23.一种计算机可读存储介质，其包括指令，当被计算机执行时，所述指令使得所述计算机执行根据权利要求16所述的方法。
24.一种运动补偿方法，其包括：
确定在对象的检查中采集的投影数据的空间特性的由所述对象的运动导致的时间变化，其中，所述投影数据指示所述对象中的放射性核素衰减；
使用所确定的时间变化来校正所述投影数据。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述空间特性包括所述投影数据在投影表面(404)上的投影的位置或维度中的至少一个。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述空间特性包括维度，并且所述方法包括对所述数据在所述表面上的所述投影的所述维度补偿空间非均匀的时间变化。
27.如权利要求24所述的方法，其中，确定包括确定所述投影数据的多个投影中的每一个中的所述空间特性的所述时间变化，并且使用包括使用所确定的变化来校正所述投影的所述投影数据。
28.如权利要求24所述的方法，其中，所述投影数据包括列表模式的飞行时间正电子发射数据，并且所述方法包括：
过滤所述投影数据以选择指示发生在所述对象的子区域中的正电子湮灭的投影数据；
将所述投影数据分类成多个投影和时间群组；
为多个投影和时间群组中的每一个生成指示所述对象中的正电子发射的空间分布的直方图；
使用所述直方图来对所述对象的运动进行建模。
29.如权利要求28所述的方法，其中，使用所述直方图包括使用所述直方图以在三个空间维度中对所述对象的运动进行建模。
30.如权利要求24所述的方法，其包括：
使用经运动校正的投影数据来生成图像空间数据；
以人类可感知的形式呈现指示所述图像空间数据的信息。
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