CN102098963A - 谱成像 - Google Patents
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Abstract
一种方法，包括基于调制分布图在成像过程期间同时调制对受检者施予至少两种不同的造影剂。所述至少两种不同的造影剂展现不同的谱特征。所述方法还包括：执行对指示所述至少两种不同的造影剂的数据的谱分解；基于谱重建确定所述至少两种不同的造影剂的浓度；以及基于所述浓度的比率和所述调制分布图确定灌注参数。
Description
下文总体涉及谱(spectral)成像，并且具体应用于计算机断层摄影(CT)。然而，其还适于其他医学成像应用和非医学成像应用。
计算机断层摄影(CT)扫描器已经被用于捕获可用于帮助诊断患者的灌注信息，诸如通过脉管组织的流。例如，脑灌注扫描提供能够用于帮助识别卒中患者中的灌注异常的信息。一般而言，常规的计算机断层摄影灌注(CTP)过程包括：向患者静脉施予造影剂丸剂，其令脑部的x射线强度随着造影剂被吸收以及流过和洗出脑部的脉管结构而暂时增大；并执行患者脑部的时间序列的CT扫描。所捕获的数据可以用于随着造影剂流过脑部对其进行追踪，并识别缺血组织和/或在不可逆损伤或者坏死组织(梗死的核心)与潜在可逆损伤或者有危险的组织(梗死的半暗带)之间进行区分。在时间序列中吸收的不同提供对平均传递时间(MTT)、脑血液体积(CBV)和脑血流(CBF)的相对度量。
遗憾的是，由于注射率的限制，可能难以利用短暂且稠密的造影丸剂直接测量MTT值。通常利用灌注扫描、反卷积技术间接地测量MTT参数，以导出CBV和CBF以及关系MTT＝CBV/CBF。这可能具有有限的可靠度，因为反卷积处理需要操作员为输入函数(function)选择参考血管，并且该选择易于出错。此外，这种技术的精度有限，因为药物代谢动力学是一种复杂的函数，并且由CTP测量承载的信息不是非常适于导出血液动力学和灌注参数。此外，造影剂丸剂仅仅是暂时地存在于患者体内，并且可以看见造影剂的时间间隔受到造影剂在患者体内的驻留时间的限制。
另一示例灌注过程是多阶段(phase)肝脏研究。对于这种研究，基于造影剂的CT过程可以用于在主动脉(造影摄取)阶段、门静脉(造影洗出)阶段和/或平衡(无造影)阶段期间识别肝脏的高灌注区域和/或低灌注区域。遗憾的是，这种研究常规需要施予造影剂以及之后的多次扫描(例如，3到5次扫描)以便随着造影剂流过血管捕获在这些阶段每个中的造影剂。这样，患者剂量可能相对于执行更少扫描的方案要高。
本申请的各方面解决以上问题和其他问题。
根据一方面，一种方法包括基于调制分布图(modulation profile)在成像过程期间同时调制向受检者施予至少两种不同的造影剂。所述至少两种不同的造影剂展现不同的谱特征。该方法还包括：对指示所述至少两种不同的造影剂的数据执行谱分解；基于谱重建确定所述至少两种不同的造影剂的浓度；以及基于浓度的比率和调制分布图确定灌注参数。
根据另一方面，一种至少向受检者施予每种具有不同谱特性的第一和第二静脉造影剂的方法，其中，在从施予第一造影剂算起的第一预设时间延迟之后施予第二静脉造影剂。该方法还包括在从施予第二造影剂算起的第二预设时间延迟之后执行对受检者的单次谱扫描。该方法还包括生成表示第一生理阶段的第一造影剂的第一图像，以及表示第二不同生理阶段的第二造影剂的第二图像。
根据另一方面，一种包括辐射源(110)和探测器阵列(118)的系统，辐射源(110)绕检查区域旋转并发射穿过检查区域的多色辐射，探测器阵列(118)位于与辐射源(110)相对的检查区域的对侧，其探测穿过检查区域的辐射并生成指示其的信号。该系统还包括注射器(114)，其基于造影剂调制分布图针对成像过程施予至少两种不同的造影剂。该系统还包括重建器(120)，其谱重建信号以生成第一造影剂的第一图像和第二造影剂的第二图像。
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优选实施例，而不应解释为是对本发明的限制。
图1图示说明了示例的成像系统。
图2图示说明了示例的MTT确定器。
图3图示说明了示例的造影剂调制分布图。
图4图示说明了示例的方法。
图1图示说明了计算机断层摄影(CT)扫描器100，其包括静止机架102和由静止机架102旋转地支撑的旋转机架104。旋转机架104绕检查区域106关于纵向或z轴108旋转。诸如x射线管的辐射源110由旋转机架104支撑并随其一起围绕检查区域106旋转，并发射多色辐射。准直器112对发射的辐射进行准直以产生穿过检查区域106的大致为扇形、楔形或圆锥形的辐射束。辐射敏感的探测器阵列118探测穿过检查区域106的光子，并生成指示检查区域的投影数据。
注射器114被配置成在患者内注射或施予造影介质以用于扫描。如以下更为详细地描述，在一个实例中，注射器被用于在相同血管或不同血管中同时施予具有两种不同谱特性的至少两种不同的造影剂(例如，包含钆或碘等的造影剂)。在另一实例中，注射器被用于相继施予两种或更多种不同的造影剂，其中，在施予之间有延迟。调制器116提供指示两种或更多种不同的造影剂的注射方式或分布图的控制信号，包括两种或更多种不同的造影剂随时间的浓度。造影剂可以备选地由临床医生等手动施予。
重建器120重建投影数据并生成指示其的体积图像数据。在一个实例中，重建器120采用诸如K边缘算法的谱算法124。这种算法允许对具有不同谱特性的材料，诸如一种或多种被施予的造影剂，进行选择性和定量成像。重建器120还可以采用常规的重建算法，例如，滤波的反投影算法或迭代重建算法。
图像生成器126处理体积图像数据并生成一幅或多幅图像。在一个实例中，这包括至少生成示出第一造影剂的第一图像和示出第二造影剂的第二图像。如果使用(一种或多种)组织特异性造影剂，则造影剂基本被组织吸收并且相应的(一幅或多幅)图像指示该组织。如果使用(一种或多种)非组织特异性造影剂，则相应的(一幅或多幅)图像指示造影剂流过的血管。造影剂中的一种或多于一种可以是特异性的或非特异性的。图像生成器126还可以生成诸如基于常规CT衰减的图像的其他图像、示出另一种造影剂的另一图像、康普顿(Compton)效应图像、光电效应图像等。
诸如床的患者支撑物128支撑待扫描的患者。通用计算系统130用作操作员控制台。驻留在控制台130上的软件允许操作员控制系统100的操作，诸如选择包括基于造影剂的K边缘成像协议的成像协议。如以下更为详细地描述，一个这种协议包括在扫描期间同时调制两种或更多种不同的造影剂的施予，以利用谱CT扫描的时间序列采集关于诸如脑灌注的器官灌注的信息。另一种协议包括相继施予不同的造影剂，其中，在施予之间有延迟，并执行扫描以在单次扫描中同时采集关于不同生理阶段的信息。
在一个实施例中，扫描器100被用于确定诸如平均传递时间(MTT)的灌注参数。在一个实例中，这包括使用同时调制造影剂的施予和谱扫描的组合，并基于调制技术、造影剂和所得的图像数据确定MTT。图2图示说明了MTT确定器202，MTT确定器202基于从图像数据生成的(一幅或多幅)图像以及从调制方式或分布图中导出的造影剂浓度来确定MTT。
简要地转向图3，示出了示例的造影剂调制分布图。在图3中，y轴302表示被施予的造影剂的量(例如，毫升每秒(ml/sec)等)，而x轴304表示时间。第一分布图306示出了根据时间的第一造影剂的量，而第二分布图308示出了根据时间的第二造影剂的量。
在这一示例中，分布图306和308两者均是锯齿形状。在其他实施例中，各分布图可以不同和/或具有其他形状，诸如正弦的或者三角的。此外，分布图306和308是彼此的倒置。此外，在这一示例中，如在310处所示，这两种造影剂随时间的总量基本恒定。在其他实施例中，造影剂的总量可以随时间变化。
返回图2，如在调制函数1中所示，可以根据两种造影剂表述合适示例的造影剂的调制分布图或方式：
调制函数1：
注射
其中，注射(t)表示被注射的造影剂随时间的总量，F()是调制函数，ω表示调制频率，表示第一造影剂的最大流率，
表示第二造影剂的最大流率，CA1表示测得的第一造影剂的浓度，而CA2表示测得的第二造影剂的浓度。
基于所采用的调制分布图，对于任何图像，在任何具体图像点处测得的浓度的比率可以用于计算相对于注射时间的绝对传递时间。亦即，可以通过确定以下两者之间的时间差来确定传递时间：施予具体比率的浓度的时间以及在图像中的一点的浓度的比率与浓度的具体比率大致相同的时间。例如，可以将在具体图像点或目标处测得的比率映射到如图3中所示的调制函数，以确定该浓度比率的相应的起始时间以及表示该传递时间的时间差。
图4的方法图示说明了以上内容。在402处，使用预定的造影剂施予调制方式，在成像过程期间向受检者同时施予具有两种不同谱特性的至少两种不同的造影剂。在404处，扫描受检者。在406处，在所得的投影数据上执行谱重建，所述投影数据指示至少两种不同的造影剂。在408处，基于谱重建针对具体图像点确定至少两种不同的造影剂的浓度。在410处，MTT确定器基于浓度的比率和造影调制方式确定针对具体图像点的MTT。
在另一实施例中，扫描器100被用于诸如多阶段肝脏研究的多阶段研究。这种研究可以用于识别主动脉阶段、门静脉阶段和/或平衡(equilibrium)阶段期间的高灌注区域或低灌注区域(HCC或代谢)。正如以上提到的，在常规的研究中，在注射造影剂之后可以执行3到5次扫描以便捕获这些阶段。在这一实施例中，可以经由适当的注射协议连同被注射的造影剂的谱CT分离来减少扫描的次数。
在图5中提供了示例。在502处，针对第一预设时期施予第一造影剂。在一个实例中，第一预设时期为十(10)秒。在504处，造影剂的下一次施予被延迟了第二预设时期。在一个实例中，第二预设时期为十(10)秒。在506处，针对第三预设时期施予第二造影剂。在一个实例中，第三预设时期为五(5)秒。如果施予另一种造影剂，还可以延迟另一预设时期。在508处，扫描被延迟第四预设时期。在一个实例中，第四预设时期为十(10)秒。
在510处，执行谱CT扫描。使用以上协议或其他合适的协议，在扫描期间，当第二造影剂处于主动脉阶段时，第一造影剂将处于门静脉阶段。谱CT的选择性成像能力允许在第一和第二造影剂之间分离。在512处，生成针对静脉和主动脉这两者的两幅造影图像。这样，可以在单次扫描中捕获针对两个阶段的两幅造影图像。当施予三种或更多种造影剂时，在单次扫描中捕获针对三个阶段的三幅或更多幅图像。
在以上实施例中，在相同的血管中同时施予或者在相同的血管中相继施予两种或更多种造影剂。应当认识到，可以在不同的血管中交替施予造影剂。例如，可以在不同的注射点(左和右半球、额叶和后瓣等)处施予造影剂。本技术的另一应用是解决复杂药物代谢动力学模型的逆问题。换言之，可以利用适当的多造影剂调制的注射协议和所使用的造影剂的选择性成像以数字方式确定药物代谢动力学模型的自由参数。
应当认识到，本文还预期其他过程和阶段，包括本文预期的基本上涉及追踪通过不同阶段的造影剂流的任何过程。对于这种过程，可以执行单次扫描以在不同阶段中的一个或多个中捕获造影剂。其他合适阶段的示例包括但不限于动脉的、胰脏的、肝的、肝脏等阶段。
正如以上提到的，重建器120可以采用K边缘算法。以下图示说明了针对诸如本文示例中的两种造影剂的两种K边缘物质(substance)的示例算法。一般而言，辐射源110发射具有发射谱T(E)的多色辐射。第i个探测器通道的探测信号由di指示，并且可以由等式1描述为：
等式1：
di＝∫dET(E)Di(E)exp(-(ρ光P(E)+ρ康普顿C(E)+ρk边缘1K1(E)+ρk边缘2K2(E)))
其中，Di(E)是第i个探测器通道的谱敏感度，ρ光、ρ康普顿、ρk边缘1和ρk边缘2分别是光电效应、康普顿效应、第一物质的K边缘效应和第二物质的K边缘效应的强度长度乘积，并且光电效应、康普顿效应、第一物质的K边缘效应和第二物质的K边缘效应的能量相关吸收谱分别由P(E)、C(E)、K1(E)和K2(E)指示。对于N种造影材料，等式1包括以下附加的项ρk边缘3K3(E)...ρk边缘(2+N)KN+2(E)。
图像生成器126的输入包括针对多种、例如四(4)种能量组合(energybin)的能量分辨的探测信号di。发射谱T(E)和谱敏感度Di(E)一般是已知的。已知吸收谱P(E)、C(E)、K1(E)和K2(E)。由于已知能量相关的函数和探测信号di，并且由于可获得针对至少四种能量组合b1-b4的至少四个探测信号d1-d4，因此可以形成具有四个未知量的至少四个等式的系统，其可以利用已知的数学方法来求解。如果可获得多于四种能量组合，优选使用考虑了测量的噪声统计的最大似然方法。
所得的强度长度乘积ρk边缘1和ρk边缘2分别为第一物质贡献和第二物质贡献，其可以用于生成针对第一物质的第一K边缘图像和针对第二物质的第二K边缘图像。此外，光电强度长度乘积ρ光可以用于重建光电图像，并且康普顿效应强度长度乘积ρ康普顿可以用于重建康普顿效应图像。一般而言，康普顿效应图像和光电效应图像示出了对象本身。可以逐个地示出这四幅图像，或者可以将它们融合，例如，最终图像可以示出第一物质、第二物质和康普顿效应图像和/或光电效应图像。还可能重建示出四种成份中的一种、一些或者所有的一幅图像。
应当理解，可以在投影数据上或在图像域中执行谱分解。
尽管关于具体应用对以上内容进行了解释，但应当认识到，实施例可以用于确定涉及诸如但不限于血流、血液体积和/或其他灌注参数的其他参数。
本文已经参考各种实施例描述了本发明。在阅读本文的说明书的基础上，可以对其他方面进行修改和变更。意欲将本发明构建为包括所有这种修改和变更，只要它们落入所附权利要求或与其相当的范围内。
Claims (26)
1.一种方法，包括：
基于调制分布图在成像过程期间同时调制向受检者施予至少两种不同的造影剂，其中，所述至少两种不同的造影剂展现不同的谱特征；
对指示所述至少两种不同的造影剂的数据执行谱分解；
基于谱重建确定所述至少两种不同的造影剂的浓度；以及
基于所述浓度的比率和所述调制分布图确定灌注参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述调制分布图是三角形、锯齿或正弦中的一个。
3.如权利要求1到2中的任一项所述的方法，其中，被施予的每种造影剂的量随时间基本连续变化。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的方法，其中，所述造影剂的总量随时间基本恒定。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的方法，其中，所述第一造影剂和第二造影剂的调制分布图成反比例。
6.如权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，所述谱分解包括将所述数据分解为至少针对第一造影剂的第一K边缘成份和针对第二造影剂的第二K边缘成份。
7.如权利要求1到6中的任一项所述的方法，还包括连同所述至少两种造影剂同时施予至少一种附加的造影剂，其中，所述灌注参数是基于所述三种造影剂的浓度和相应的调制分布图。
8.如权利要求1到7中的任一项所述的方法，其中，所述灌注参数是传递时间参数。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的方法，其中，所述灌注参数是基于注射时间的绝对度量。
10.如权利要求1到9中的任一项所述的方法，其中，所述至少第一造影剂和第二造影剂中的至少一种是组织特异性造影剂。
11.如权利要求1到10中的任一项所述的方法，其中，所述至少第一造影剂和第二造影剂中的至少一种是非特异性造影剂。
12.一种方法，包括：
向受检者施予每种具有不同谱特性的至少第一造影剂和第二造影剂，其中，在从施予所述第一造影剂算起的第一预设时间延迟之后施予所述第二造影剂；
在从施予所述第二造影剂算起的第二预设时间延迟之后，对所述受检者执行单次谱扫描；以及
生成表示第一生理阶段的所述第一造影剂的第一图像和表示第二不同生理阶段的所述第二造影剂的第二图像。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一阶段是门静脉阶段，并且所述第二阶段是主动脉阶段。
14.如权利要求12到13中的任一项所述的方法，其中，所述第一预设时间为非零，并且向相同的血管施予所述至少第一造影剂和第二造影剂。
15.如权利要求12到13中的任一项所述的方法，其中，所述第一预设时间大约为零，并且向不同的血管同时施予所述至少第一造影剂和第二造影剂。
16.如权利要求12到15中的任一项所述的方法，还包括将来自所述扫描的数据分解为至少针对所述第一造影剂的第一K边缘成份和针对所述第二造影剂的第二K边缘成份。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一K边缘成份表示所述生理阶段中的一个，并且所述第二K边缘成份表示所述生理阶段中的另一个。
18.如权利要求12到15中的任一项所述的方法，还包括在从施予所述第二造影剂算起的第三预设延迟之后施予至少一种附加的造影剂，并且在从最后施予的造影剂算起的预设时间延迟之后执行所述单次谱扫描。
19.如权利要求18所述的方法，还包括生成表示第三生理阶段的所述第三造影剂的第三图像，所述第三生理阶段不同于所述第一阶段和第二阶段。
20.一种系统，包括：
辐射源(110)，其绕检查区域旋转并发射穿过所述检查区域的多色辐射；
探测器阵列(118)，其位于与所述辐射源(110)相对的所述检查区域的对侧，所述探测器阵列探测穿过所述检查区域的辐射并生成指示所述辐射的信号；
注射器(114)，其基于造影剂调制分布图针对成像过程施予至少两种不同的造影剂；以及
重建器(120)，其谱重建所述信号以生成所述第一造影剂的第一图像和所述第二造影剂的第二图像。
21.如权利要求20所述的系统，其中，所述注射器(114)基于不同的调制方式同时施予所述第一造影剂和第二造影剂。
22.如权利要求20所述系统，其中，所述注射器(114)在不同的血管中同时施予所述第一造影剂和第二造影剂。
23.如权利要求20所述系统，其中，所述注射器(114)相继施予所述第一造影剂和第二造影剂，其中，在施予之间有时间延迟。
24.如权利要求20到23中的任一项所述系统，其中，所述重建器(120)将所述信号分解为各成份，包括但不限于，至少第一K边缘成份和第二K边缘成份，并且所述第一图像基于所述第一K边缘成份，并且所述第二图像基于所述第二K边缘成份。
25.如权利要求24所述的系统，其中，所述重建器(120)还将所述信号分解为康普顿效应成份和光电效应成份，其中，基于所述康普顿效应成份生成第三图像，并且基于所述光电效应成份生成第四图像。
26.如权利要求20到25中的任一项所述的系统，还包括调制器(116)，其确定提供所述调制分布图。
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