CN102047295B - 用于测量示踪剂摄取和再分布的动态心脏spect的重建 - Google Patents

Abstract

当对针对心肌采集的单光子发射计算机断层摄影(SPECT)数据执行静态图象重建时，通过将SPECT射线投影反向投影到重建的心肌表面上生成减少或消除了伪影的动态示踪剂摄取、再分配和排出信息。在注射示踪剂之后执行完整的SPECT扫描，重建心肌表面的静态图像。分割重建图像并生成其极坐标图。然后将SPECT投影数据的同期采集的子集反向投影到极坐标图的分割表面上。补偿来自非源自心肌(例如，来自相邻解剖结构)的发射的贡献。在极坐标图上覆盖所得的图像数据并提供给用户，所得的图像数据描述了每单位采集时间内心脏部分间的示踪剂分布。通过这种方式，尽管SPECT成像系统具有静态性质，也向用户提供了时间相关的示踪剂灌注。

Description

用于测量示踪剂摄取和再分布的动态心脏SPECT的重建

本发明具体应用于患者成像系统，尤其涉及诸如单光子发射计算机断层摄影(SPECT)等患者成像装置。然而，应当认识到，所述技术还可以应用于其他核成像系统、其他患者成像方案、其他图像分析技术等。

在SPECT成像系统中，平面探测器收集投影数据以积累足够量的数据。在组合的SPECT-计算机断层摄影(CT)系统中，通常将一到三个探测器步进移动到多个位置中的每个，从而沿着多个投影方向中的每个收集足够的数据，用于重建具有诊断意义的3D图像。通常不分析示踪剂摄取、灌注和排出的动态过程，因为SPECT是非动态系统。示踪剂分布可能受到例如肝脏初始摄取、与缺血性心脏组织相关联的摄取和排出率降低等的不利影响，这可能导致不希望的伪影。这些不受控制的效果使重建的SPECT图像质量下降。

在心脏SPECT采集期间时变的示踪剂分布有两个主要原因：如果追求短工作流程(例如快速静止-应力收缩同步失调指标规程)，初始摄取动态过程可以与来自血池和肝脏的信号组合发生。此外，对于铊-氯化物而言，缺血区域在应力状态下表现出延迟的摄取，并在随后的休息阶段表现出更慢的排出。在SPECT采集期间不希望有这种效果，因为它们在重建的体积图像中导致伪影。可以通过预处理测得的投影，即通过沿正弦线的过滤和归一化来校正它们。

注射之后不受控的摄取效果和/或再分布和排出可能使重建图像的质量显著下降。另一方面，针对这些梯度“速度”的定量测量可能有助于对缺血、“冬眠”、和梗塞组织进行归类。有多种用于动态SPECT重建的方法，但它们一般缺少稳定性和鲁棒性，主要是由于在这种情况下更为严格的病态重建问题。

例如，与正电子发射断层摄影(PET)相比较，SPECT中时间相关的过程由于其固有的静态数据采集而成为一个问题。在一个时间点，通常有收集的感兴趣区域的一个或两个投影视图。由于时间过程的原因，不同的投影方向常常表示不同放射性同位素分布的投影，这在3D图像中导致伪影。例如，对于心脏采集而言，通常通过评估如极坐标图中所示的灌注，例如左心室心肌的二维投影，来做出临床决定。

本申请提供了用于估计SPECT采集期间示踪剂分布的时间相关的极坐标图的新的、经改进系统和方法，其克服了上述问题和其他问题。

根据一个方面，一种用于示踪剂摄取图像的伪影校正系统，其包括处理器，该处理器从感兴趣区域接收多个示踪剂摄取投影数据集，静态地重建感兴趣区域的图像，生成感兴趣区域的表面的极坐标图，并根据图像的静态重建将摄取投影数据的时域受限段反向投影到感兴趣区域的表面的极坐标图上。

根据另一方面，一种生成动态心脏单光子发射计算机断层摄影(SPECT)图像的方法包括：重建包括感兴趣区域的三维图像，从三维图像中分割感兴趣区域，以及生成感兴趣区域的表面的极坐标图图像。该方法还包括将SPECT投影数据的同期收集的段反向投影到极坐标图图像上，以及向用户输出覆盖有来自SPECT数据的示踪剂分布的感兴趣区域的表面的极坐标图图像。

根据另一方面，一种用于生成动态心脏单光子发射计算机断层摄影(SPECT)图像的设备包括：用于在注射示踪剂之后在感兴趣区域上执行SPECT数据采集的模块，用于重建包括感兴趣区域的三维图像的模块，以及用于从三维图像中分割感兴趣区域的模块。该设备还包括用于生成感兴趣区域的表面的极坐标图图像的模块，将SPECT投影数据的同期收集的段反向投影到极坐标图图像上的模块，以及用于向用户输出覆盖有来自SPECT数据的示踪剂分的感兴趣区域的表面的极坐标图图像的模块。

一个优点是使用时间相关的示踪剂摄取信息来减少伪影。

另一优点在于时间相关的变化对用户可见。

本领域的普通技术人员通过阅读和理解以下详细描述，将认识到本发明的进一步优点。

本发明可以具体化为不同的部件或部件布置，以及具体化为不同的步骤和步骤安排。附图仅用于图示说明不同的方面，而不应当解释为是对本发明的限制。

图1图示说明了使用SPECT图像的极坐标图重建来校正示踪剂摄取和再分布数据的系统；

图2图示说明了以相对彼此基本正交取向布置的投影数据集的摄像机对，以向感兴趣体积投射射线；

图3图示说明了可以包括诸如SPECT成像装置等的成像装置的示范性医院系统，成像装置生成成像数据，由一个或多个重建处理器重建成像数据以生成3D图像表示。

图1图示说明了使用SPECT图像的极坐标图重建来校正示踪剂摄取和再分布数据的系统10。该系统通过将原始的SPECT投影反向投影到心脏(或其他解剖结构，诸如器官、肿瘤等)的已知表面上来执行时间相关的重建。在一个实施例中，执行心脏SPECT采集，并从来自线源或CT的透射测量中收集衰减数据。执行简单的重建(例如，1-2次迭代)，并定位和分割心脏以生成极坐标图。一旦已知或识别出心脏表面，就在其上面反向投影原始的SPECT投影。然后从图像中减去非心脏发射，并可以从生成心脏或其部分的极坐标图之前执行的静态重建中估计非心脏发射。然后将每单位投影时间内示踪剂在心脏段间的分布表示为覆盖在静态极坐标图或3D图像上的梯度。

系统10包括接收SPECT数据的用户界面12，SPECT数据为投影数据集的形式，由SPECT成像装置14在沿多个投影方向扫描受检者期间采集。在一个实施例中，SPECT装置包括投影区域源，例如，线源，该投影区域源使SPECT探测器生成衰减数据集，同时还有SPECT数据集。用户界面包括处理器16和存储器18，所采集的SPECT数据、衰减数据和其他有关图像数据以及用于执行本文所述各种流程和功能的多种计算机可执行算法被处理器16执行且被存储器18存储。经由显示器20向用户输出信息。

在一个实施例中，处理器18从SPECT装置接收采集的SPECT数据，并从SPECT装置、CT扫描器等接收衰减数据。处理器通过对采集的SPECT数据和/或衰减数据执行重建算法24以生成静态SPECT重建图像和/或3D衰减图像或两者的组合，从而生成图像数据。然后分别使用分割算法26和极坐标图算法28分割图像并生成心脏的极坐标图。在附加的重建步骤中，通过执行SPECT反向投影算法30，将原始SPECT静态图像重建期间使用的个体投影反向投影到从极坐标图中获知的心脏表面上。处理器执行减法算法32以减去来自心脏外部的发射，仅留下其上投影了SPECT数据的心脏表面的图像。在一个实施例中，从静态重建中估计来自心脏外部的发射，静态重建通过执行重建算法24执行。通过反向投影在不同时间采集的SPECT投影数据集，生成了SPECT采集期间示踪剂分布的时间相关的极坐标图。在一个实施例中，以列表模式收集SPECT数据，即，对每个接收到的SPECT辐射事件打上时间戳。这允许在单个投影数据集中对数据进行时域分辨。此外，可以限定跨过两个或更多个投影数据集的部分的时域窗口。

针对心脏SPECT成像的示踪剂摄取、再分布和排出的动态过程给出了有关信息，但由于SPECT固有的非动态属性，其常规上已经被视为重建问题的来源。本文所述的系统和方法估计SPECT采集期间示踪剂分布的时间相关的极坐标图。将这一附加信息用于校正伪影或临床评估，所述伪影诸如是由于锝-99m(Tc-99m)注射之后采集过早而发生的伪影，所述评估诸如是与再分布和排出的铊-201(Tl-201)速度相关的评估。该过程基于粗略的心脏分割(其可以组合开发的自动分割方法)并使用实际是二维的检查的图像(例如，极坐标图)。此外，可以将该过程作为标准重建的一部分执行，并且因此不会干扰通常的工作流程。可以将所述系统和方法与同时的透射测量相组合以针对患者的活动和/或呼吸来校正时间相关的数据和心脏配准。还涵盖了针对其他应用(例如，具有局部化热点的心脏或肿瘤学)的普遍应用。

除了3D重建数据之外，还使用在给定时间获得的分割灌注值，并将其用于校正它们和/或给出时间相关性的附加信息。在一个实施例中，假设心肌至少相对于灌注评估而言基本是二维的，且假设心脏外部的发射或者很弱(例如，如在肺中)或者具有已知的时间行为(例如，如在肝脏中)，从而可以在执行反向投影时考虑到它们。这样获得了心肌灌注时间变化的定量估计。

参考图2并继续参考图1，在数据采集期间，以相对彼此大致90°取向定位两个辐射探测器或摄像机头，从而同期收集以相对彼此基本正交取向布置的第一投影SPECT数据集52和第二投影SPECT数据集54。通过绕感兴趣区域步进移动正交定位的探测器或摄像机头来执行正常的心脏SPECT采集。例如，可以执行应力练习(测力计)，直到受检者的心脏应力在注射示踪剂之前接近最大，以便获得与静止图像相比良好的示踪剂摄取和分布差分信息。探测器或摄像机头相对彼此大致成90度取向，使得每条投影射线都在一个或两个(前/后)位置与心肌相交。由处理器16从透射测量(例如，CT或线源)中获得衰减数据。

应当认识到，尽管该系统被描述为具有以彼此大致90度角度布置的两个探测器或摄像机头，还可以使用处于不限于正交布置的不同取向的N个探测器或摄像机头，其中N为整数。

然后，处理器例如通过执行重建算法24来执行正常的静态重建。在一个实施例中，统计算法的若干次迭代，诸如有序子集期望值最大化(OSEM)算法或过滤反向投影(FBP)重建算法是足够的。在重建之后，定位并分割心脏以用于极坐标图。分割或者是半自动的，如使用例如AutoQuant+执行，或者是全自动的，其利用诸如自动心脏分割工具的工具。为此目的可以调整和简化后者。在一个实施例中，由处理器16通过分别执行分割算法26和极坐标图算法28来执行前述操作。

在附加的重建步骤中，处理器执行反向投影算法30，从而将正交的成对的同期投影反向投影到现在已知的心脏表面上。通过另一摄像机提供的正交视图分辨射线与左心肌的前后交点之间的任何模糊。两个不平行的投影对于重建二维对象而言是足够的。处理器执行减法算法32以从图像中减去或分割始于心脏外部的发射。从静态重建中估计这种发射。

与3D重建以同样方式，例如通过相应地缩放投影射线来补偿衰减和散射。在静态重建中已经计算了Monte-Carlo或有效源散射估计(ESSE)类型的校正数据，并且可以再次使用。结果是每单位投影时间内心脏段间的示踪剂分布。可以在显示器20上呈现它们，作为覆盖到静态极坐标图或3D图像上的梯度，或可以将它们用于附加的后处理。可以针对多个正交的投影数据对重复该过程并可以例如在影像类型的显示器中相继显示覆盖的极坐标图，以显示示踪剂分布的时间演变。

根据另一实施例，在可获得关于患者位置、心脏配准和衰减的时间相关信息时，可以使用从同期获得的透射投影中优化的心脏配准和衰减图对投影进行反向投影。亦即，可以通过匹配透射投影与来自全部数据的3D透射重建/衰减绘图来校正患者的运动。此外或备选地，可以通过模拟的方式利用Tc-99m和Tl-201的同期测量来执行收缩同步失调指标(SDI)采集。还可以使用其他核素，诸如Tc-99m和碘-123(I-123)。此外，可以对其他对象成像，只要它们的发射分布小于三维即可。对于定量肿瘤学应用而言这是成立的，在这种应用中，肿瘤或者是小的热点(例如，点状)，或者在扩散后，对它们的绝对累积发射感兴趣。在后一种情况下，执行初始3D重建以对感兴趣区域(ROI)进行探测、归类和描绘。在归类步骤中，如前所述从投影中估计时间相关的绝对示踪剂摄取。

对于小的ROI而言，可以以180度取向布置核摄像机探测器或摄像机头。无需连续的全扫描就可以测量更长时间期内的时间相关性。例如，在利用完整的180/360度机架旋转进行初始采集之后，在感兴趣部分(例如，病灶)在视场中的情况下，可以获得单投影以利用更早确定的ROI进行处理。

根据其他实施例，使用所述系统和方法评估SPECT采集。尽管主实施例是关于心脏病应用进行描述的，但应当认识到，还涵盖了其他应用，且所述系统和方法不限于此。所述系统和方法适于同时的透射SPECT系统，以进行时间相关的配准和衰减估计。备选地，可以使用标准的SPECT/CT或透射源系统。此外，可以使用系统10来校正标准的重建，例如在注射示踪剂之后即进行重建的快速工作流程中。此外，可以使用该系统来获得与示踪剂摄取和再分布相关的附加动态信息(例如，对于Tl-201、Tc-99m或I-123)。

参考图3，示范性的医院系统100可以包括诸如SPECT成像装置14等的成像装置，成像装置生成成像数据，由一个或多个重建处理器102重建成像数据以生成3D图像表示。通过网络104向中央存储器106或本地存储器114传送图像表示。

在与网络连接的站110，操作员使用用户界面12将选定的3D患者图像表示移动到中央存储器106和本地存储器114上或在二者之间移动。视频处理器116在显示器20的第一视窗118₁中显示选定的患者图像表示。在第二视窗118₂中显示示踪剂分布。第三视窗118₃可以显示示踪剂分布和图像表示的重叠图。例如，可以允许用户将示踪剂分布图像中的界标与极坐标图图像中对应的结构或界标配准。例如，操作员通过界面12(例如，使用鼠标、指示笔或其他适当的用户输入装置)选择对应于示踪剂摄取图像中的界标的极坐标图图像界标。备选地，可以由处理器116中的程序自动对准示踪剂摄取。然后，用户界面12中的处理器16(图1)执行校正算法并推断在填充衰减绘图中的截断区域时采用的适当组织类型。

然后可以将重叠图像用于其他应用。例如，治疗规划站130可以使用重叠图像对治疗期间做规划。一旦规划得令操作员满意，在适于自动化流程的情况下，就能够将规划的治疗传递到实施规划过程的治疗装置132。其他站可以在各种其他规划过程中使用重叠图像。

在另一实施例中，调节视窗118₃中显示的重叠图以相对于示踪剂摄取图像对患者图像数据加权，或反之亦然。例如，可以调节滑动杆或旋钮(未示出)以改变患者图像或示踪剂摄取图像的权重，所述滑动杆或旋钮可以是机械的或呈现于显示器20上并利用输入装置操作。在一个范例中，操作员可以将视窗118₃中的图像，通过患者和示踪剂摄取图像数据的多个和/或连续组合，从纯粹患者(极坐标图)图像数据(如视窗118₁中所示)调节为纯粹示踪剂摄取图像数据(如视窗118₂中所示)。例如，可以从0∶1到1∶0离散地或连续地调节患者图像数据与示踪剂摄取图像数据的比率。

已经参考若干实施例描述了本发明。在阅读并理解了前述详细说明的同时，本领域技术人员可以想到修改和变化。这意味着，应当将本发明推断为包括所有此类落在权利要求及其等同要件的范围内的修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于示踪剂摄取图像的伪影校正方法，包括：

从感兴趣区域（58）接收多个示踪剂摄取投影数据集，

静态地重建所述感兴趣区域（58）的图像，

生成所述感兴趣区域（58）的表面的极坐标图，并

根据所述图像的静态重建将所述示踪剂摄取投影数据集中的示踪剂摄取投影数据的时域受限段反向投影到所述感兴趣区域（58）的表面的所述极坐标图上。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：利用具有相对彼此大致成90度取向布置的两个摄像机头的单光子发射计算机断层摄影SPECT扫描器（14）来生成同期投影数据集（52，54）对，使得与所述同期投影数据集（52，54）对之一对应的多个投影射线中的每个都在一个或两个位置与所述感兴趣区域（58）的表面相交。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：执行重建算法（24）以生成经衰减校正的静态重建图像，执行分割算法（26）以分割所述感兴趣区域（58）的表面，并且执行极坐标图算法（28）以生成所述感兴趣区域（58）的表面的所述极坐标图。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，在重建过程中，通过使用来自所述同期投影数据集对中的第二个（54）的、与来自所述同期投影数据集对中的第一个的投影射线基本正交的投影射线分辨来自同期投影数据集对中的第一个（52）的投影射线与所述感兴趣区域（58）的表面的前后交点之间的模糊，并且使用来自所述同期投影数据集对中的所述第一个（52）的、与来自所述同期投影数据集对中的所述第二个的投影射线基本正交的投影射线分辨来自所述同期投影数据集对中的所述第二个（54）的投影射线与所述感兴趣区域（58）的表面的前后交点之间的模糊。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：执行减法算法（32）以从所述静态地重建的感兴趣区域的图像中减去非始于所述感兴趣区域（58）的发射。

6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：在显示器（20）上将所述感兴趣区域（58）各段间的示踪剂分布覆盖在所述感兴趣区域（58）的表面的所述极坐标图上。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述感兴趣区域是心肌或肿瘤组织中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在存储器（18）中存储用于由处理器（16）操纵的所接收的示踪剂摄取投影数据集、重建的感兴趣区域的图像数据（22）、重建算法（24）、极坐标图算法（28）和反向投影算法（30）中的一个或多个。

9.根据权利要求3所述的方法，还包括：在存储器（18）中存储用于由处理器（16）操纵的所接收的示踪剂摄取投影数据集、重建的感兴趣区域的图像数据（22）、重建算法（24）、分割算法（26）和极坐标图算法（28）中的一个或多个。

10.根据权利要求5所述的方法，还包括：在存储器（18）中存储用于由处理器（16）操纵的所接收的示踪剂摄取投影数据集、重建的感兴趣区域的图像数据（22）和减法算法（32）中的一个或多个。

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