CN102098964B - 生理列表模式核成像中用于计数的最佳时间采样的反向数据重建 - Google Patents

Abstract

一种诊断成像装置包括探测元件(16)，探测元件用于探测表示核衰变事件的伽马射线。同时探测到的成对伽马射线定义响应线(LOR)，它们被收集、打上时间戳并以列表模式编辑。在组织灌注研究中，有益的是在重建图像中使用同时使对比度和信噪比最大化的数据。使用列表模式的数据，重建可调节的时域窗口(33)中的事件并分析重建图像以基于图像的对比度和信噪比性质确定品质因数。通过迭代地调节时域窗口，在时间上向后延伸其起点(36)，并重复重建、分析和调节步骤，获得具有最佳品质因数的图像。

Description

生理列表模式核成像中用于计数的最佳时间采样的反向数据重建

技术领域

本申请涉及诊断成像领域。本申请具体应用于利用列表模式数据采集的核医学扫描器中，并将具体参考其加以描述。然而应当理解，本申请还应用于其他示踪剂灌注研究中，并且未必限于上述应用。

背景技术

利用核动态成像捕获生理过程是一种复杂的过程，需要针对具体成像系统优化采样并理解示踪剂摄取中涉及的现象。例如，使用铷-82(⁸²Rb)注射和PET成像的心脏灌注研究同时具有以下挑战：对高通量、短半衰期同位素(大约90秒)和摄取过程进行动态成像，根据受检者，摄取过程能够在短到30秒或长到200秒、典型为360秒的扫描中从血流中提取⁸²Rb。一开始，血液中有大量示踪剂，但仅有很少被感兴趣区域获取。这生成了大量数据，但对比度差。在扫描中随着时间的推移，更多的示踪剂到达并被感兴趣区域获取以及从血液中清除，但同时，由于示踪剂的自然衰变，信号强度随着时间的推移而衰减。这导致了良好的对比度，但数据量小。找到使信号强度和对比度协调的最佳成像时间存在困难。

重建图像的质量取决于对重建间隔的选择。选择更长的重建时间间隔，诸如90-360秒，能够使信号强度最大化，亦即，能够使接收到的计数最大化。这种效果是以对比度为代价的。例如，在对心脏成像时，以上选定的时间范围可能导致低对比度，因为心室中尚未被心脏组织吸收的血液可能仍然是活动的。因为早期的数据具有最高的计数率，其往往会支配较低计数率的之后的数据。另一方面，如果选择了300-360秒的窗口，图像将很可能具有良好的对比度，因为大部分示踪剂已经被感兴趣组织吸收。然而，可能存在很大的噪声，因为到那时大部分示踪剂将已经衰减，导致低事件计数率。

本申请提供了能够利用列表模式数据来有效优化图像质量的新的经改进的事件处理方法。

发明内容

根据一个方面，提供了一种诊断成像设备。包括独立探测器的探测器阵列感测由患者体内的放射性衰变发射的光子。触发处理器为接收到的潜在事件分配时间戳。事件验证处理器向接收到的潜在事件应用验证标准。重建处理器将有效事件重建为成像区域的图像表示。品质因数分析器分析重建图像以确定品质因数。

根据另一方面，提供了一种诊断成像的方法。收集一组指示核衰变事件的数据点并根据探测到数据点的时间对数据点排序。选择时间中的参考点。根据参考点之前发生的数据点重建图像表示。确定与图像表示相关联的品质因数。选择时间间隔并从参考点向后应用该时间间隔以生成新的参考点。

根据另一方面，提供了一种诊断成像方法。探测放射性衰变中发射的光子。为接收到的潜在事件分配时间戳。向接收到的事件应用验证标准。将有效事件重建为成像区域的图像表示。分析重建图像以确定品质因数。

一个优点在于能够在核示踪剂灌注研究中选择信号强度和图像对比度的最佳组合。

另一优点在于能够迭代地向重建图像增加或从重建图像中移除数据，直到实现最大的图像质量。

另一优点在于容易将其改造到当前的扫描器中，条件是扫描器具有兼容的数据生成和数据格式(例如列表模式)。

在阅读并理解了以下详细说明的情况下，本领域的技术人员将认识到本发明的进一步的优点。

附图说明

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是根据本申请的核成像装置的示意图；

图2是示出了作为时间函数的计数率和组织灌注的曲线图；

图3是根据本申请迭代确定重建中使用的最有价值数据的流程图。

具体实施方式

参考图1，诊断成像装置10包括外壳12和受检者支撑物14。封入外壳12中的是探测器阵列。探测器阵列包括多个独立的探测器元件16。尽管参考正电子发射断层摄影(PET)扫描器描述了一个具体实施例，但应当理解，本申请还适用于诸如单光子发射计算机断层摄影(SPECT)的其他医疗应用以及x射线天体物理学、伽马(gamma)射线望远镜、射线照相术、安全和工业应用中。通常，本申请应用于对x射线、伽马射线或具有高能量和空间分辨率的带电粒子成像。布置该阵列，使得探测器元件16设置于成像区域18附近。探测器阵列可以是探测器16的环、多个环、一个或多个分立平坦或弧形面板等。在正电子发射断层摄影(PET)中，由成像区域中的正电子湮没事件产生成对的伽马射线并沿大致相反的方向行进。这种事件可以在⁸²Rb的核衰变中产生。成对地探测这些伽马射线，如果一条伽马射线到达探测器行进得比另一条更远，探测之间有微小的时间差(纳秒量级或其一部分)。因此，在PET扫描器中，探测器阵列通常环绕成像区域。

在PET扫描开始之前，为受检者注射放射性药剂。在一种普通检查中，放射性药剂包含耦合到标签分子的放射性元素，诸如⁸²Rb。标签分子与待成像的区域相关联，并易于通过体内过程集中到那里。例如，迅速增殖的癌细胞往往会消耗异常大量的能量来复制自身。放射性药剂可以连接到通常细胞进行新陈代谢以生成能量的分子，诸如葡萄糖或其类似物，使得放射性药剂集中在这种区域并表现为图像中的“热点”。这种标签还用于心脏灌注成像，因为心脏消耗相对大量的能量。其他技术监测循环系统中流动的标记分子。在这种技术中，有益的是对身体组织不会迅速吸收的分子打上标签。

当伽马射线击中探测器阵列时，生成了时间信号。触发处理器20监测每个探测器16以发现表示放射性药剂产生的伽马射线能量特征的能量尖峰，例如，脉冲下方的积分面积。触发处理器20检查时钟22并为每个探测到的伽马射线打上前沿接收戳的时间。时间戳、能量估计和位置估计首先被事件验证处理器24用于确定事件数据是否有效，例如，成对的事件是否一致，是否具有适当的能量等。接收到的各对限定了响应线(LOR)。因为伽马射线以光速行进，如果探测到的伽马射线到达时间相差超过几纳秒，它们可能不是由同一湮没事件生成的并且通常被舍弃。在飞行时间PET(TOF-PET)中计时尤其重要，因为使用基本同时并发事件的微小差异来进一步沿LOR定位湮没事件。随着事件的时间分辨率变得更加精确，也可以沿着其LOR以更高精确度定位事件。

LOR存储在事件存储缓冲器26中。在一个实施例中，LOR以列表模式格式进行存储。亦即，按照周期性插入的时间指示符的时间顺序存储事件。备选地，可以单独为各事件打上时间戳。重建处理器28使用滤波反向投影或其他适当的重建算法将所有或一部分LOR重建为受检者的图像表示。分析器29分析重建图像以确定图像质量的品质因数或其他指示符。分析器29指引时域窗口选择器31以调节限定LOR的一部分的时域窗口，重建LOR，直到使图像质量最佳化或达到预选水平。在下文中更详细地描述了这一过程。然后可以在显示装置30上为用户显示、打印、为将来使用而保存重建等。

在一个实施例中，以“列表模式”格式收集事件数据。在列表中记录每个被探测事件的相关性质已变成发射断层摄影应用中的惯例，并已经被称为列表模式数据采集和存储。列表模式重建方法与组合或直方图模式方法有若干不同。列表模式数据采集提供了具有完全空间分辨率的极高时间分辨率，并允许在采集之后确定帧持续时间。在以列表模式格式采集数据时，可以以高精确度存储交互位置，其效率比帧模式采集能实现的更高。不必将机架角度组合到预定义的帧中，但可以作为实际角加以记录，从而消除连续采集的角度模糊的影响。可以记录交互作用的实际能量，而不是将事件的能量归因于有限数量的预限定窗口之一。当通过这种方式增加维数时，将数据存储在列表中而不是存储在组合器中，在列表中可以按照几种不同参数，例如接收的时间对数据进行布置和排序。列表模式还能够存储选通信号，无需在该信息完全可用之前对数据进行时域成帧。结果，利用列表模式采集记录投射数据的保真度得到显著增大，而无需存储空间的巨大增加。另一优点是能够通过事件发生的时间识别它们，并且对于本应用有利的是能够选择时间窗口，在该时间窗口中观察到对比度和信号强度的最佳组合。

参考图2，通过在数据采集时间跨度内明智地选择重建间隔或窗口33实现重建图像的最佳质量。在数据采集期间，例如360秒，在开始时计数率32最高，向着结束逐渐减小。相反，在扫描开始时对比度34是最低的。重建在可选择的时域窗口33中收集的LOR。选择性地调节窗口的开始36和/或结束38以优化对比度和计数率之间的平衡。当然，可以限定多个窗口，包括交叠的窗口，并为每个窗口重建图像。

现在参考图3，提供了描述图像优化的流程图。首先，为受检者注射放射性药剂40。在扫描期间收集42数据并为其打上时间戳。根据用于产生湮没事件的放射性材料，数据收集的时间可能变化。对于⁸²Rb而言，扫描通常持续大约六分钟(360秒)。在这个期间内，从物理上讲，将仅有原始⁸²Rb量的十六分之一保留下来，并预计计数率将变得过低而对诊断而言是无用的。

在已经收集了数据之后，选择44由初始或开始点以及终止或终点限定的窗口。在一个实施例中，选择距扫描结束几秒钟的终止或终点38。如前所述，这种数据很可能提供最高对比度的图像重建，因为已经给予示踪剂充裕的时间来富集到相关组织中。使用来自扫描最尽头的数据是通用的方法，并且在对受检者(人或动物)关于富集的生理机能所知甚少时尤其有用。

如果知道更多，可以选择更显著的点。例如，在心脏成像中利用⁸²Rb，对于健康的受检人而言200秒应当足够了。更一般而言，如果有一个时间，在该时间已知受检者的生理机能相对于要测量的变量而言应该处于稳定状态，那么可以选择该窗口，使其在该时间或大约在该时间。此外，可能有能够将中间状态与最终稳定状态区分开的参数。同样在范例中，在⁸²Rb心脏成像中，与血流(例如，心室的腔)相比的心肌活动的速率应当是过程的指示符。

接下来，重建46基线图像。在一个实施例中，使用从扫描起点直到结束的数据重建基线图像。这幅基线图像包括高对比度数据计数，但如果将起点设置得晚，计数的容量就低，从而导致低信噪比。评估基线图像以确定品质因数48。在一个实施例中，品质因数为对比度与噪声之比。当然还涵盖了其他品质因数，例如每单位时间的原始事件计数等。

为基线图像给出指定的品质因数，调节50起点，例如，将起点移动到更早的时间以增加计数数目，以图改善指定的品质因数。向用于重建基线图像的LOR添加窗口的增大区域中的LOR，并重建52更新的图像。一旦已经重建了更新的图像，就为新更新的图像54重新计算品质因数。如果如图3中的判定块56所示，在测试的一些选定统计限制之内的品质因数得到改善或保持稳定，可以进一步调节开始事件(例如，向后移动少量时间，使用折半查找，或选定的最优化算法)并重复该过程。将达到最佳品质因数的图像用于进一步分析58、显示、解析或留作将来使用。还向用户显示开始和结束时间，因为摄取时间可能具有重要的诊断价值。

通过同样的方式，可以任选地调节用于窗口的终点。扫描结束时的数据可能变得价值较低，因为发生的计数更少。可以在时间上向后步进移动窗口的终点，并重建更新的图像52。再次重新计算54新的品质因数，直到其停止改善为止。终点的优化可以发生在起点优化之前或之后。在描述窗口选择过程期间，可以向用户显示窗口33，使得用户能够使用其进行辅助分析、量化或诊断。优化的窗口33还可以被系统用作计算机辅助诊断中的一个参数，因为摄取时间和效率可以表示体内过程和功能。

在一个实施例中，上述过程是自动化的，由分析器29执行。可以想到，可以接收用户输入的变化水平来辅助判定。例如，用户利用用户输入60可以设置开始和/或结束时间。例如，用户可以拖动在类似于图2的显示器中的开始和结束时间指示符。可以提示用户判定特定图像中的品质因数是否相对于其前一个得到改善。在分析器29判定出哪幅图像最好时，分析器29可以向用户提供该图像以及前后几幅图像供审查。在这一实施例中，该过程仍然很大程度上是自动化的，但利用用户分析作为补充。用户输入的水平和所需的反馈将是可选的，并能够根据需要开启或关闭。

在备选实施例中，可以按照非列表模式格式编辑数据。这一实施例提出了在已经对事件组合之后按时间对它们进行排序的额外问题，需要额外的处理能力和时间。

一些放射性化学药品被身体之内的不同组织类型以不同的速率吸收。于是，身体不同部分的最优图像可能具有不同的参考点。因此，可以显示多幅经优化的图像。作为另一备选，可以显示示出随着时间推移的摄取和排出的一系列影像图像。可以通过同样的方式优化与每幅影像图像对应的时间窗口。

已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解前述详细说明的同时，本领域的技术人员可以想到修改和变化。期望将本发明解释为包括所有这些修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求或其等价物的范围内。

Claims (14)

1.一种诊断成像设备，包括：

探测器阵列，其用于从成像区域(18)接收事件；

触发处理器(20)，其用于为所接收到的事件分配时间戳；

时域窗口选择器(31)，其调节限定被重建的事件的时域窗口(33)；

重建处理器(28)，其将所述时域窗口(33)中的事件重建为图像表示；

分析器(29)，其分析所述重建图像表示以确定指示图像质量的参数，并控制所述时域窗口选择器(31)以根据确定的参数调节所述时域窗口(33)以便使所述重建处理器(28)将所调节的时域窗口(33)中的事件重建为后续的图像表示。

2.根据权利要求1所述的诊断成像设备，其中，所述确定的参数是基于所述图像表示的选定参数的品质因数。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的诊断成像设备，还包括：

事件存储缓冲器(26)，其将经验证的事件存储在列表中，所述列表能够按照所述事件的接收的时间进行排序。

4.根据权利要求3所述的诊断成像设备，还包括：

用于向用户至少显示所述时域窗口(33)的显示器(30)。

5.一种成像方法，包括：

收集一组指示接收到的核衰变事件的数据点；

为所述接收到的事件打上时间戳；

调节限定被重建的事件的时域窗口；

根据所述时域窗口中的事件重建图像表示；

分析所述图像表示以确定指示图像表示质量的参数值；以及

根据确定的参数值调节所述时域窗口以便将所调节的时域窗口中的事件重建为后续的图像表示。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述参数确定步骤包括：

确定针对所述图像表示的品质因数。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

将针对所述后续图像表示的品质因数与针对先前图像表示的品质因数进行比较，并且如果针对所述后续图像表示的所述品质因数大于或等于针对先前图像表示的所述品质因数，重复进一步调节所述收集到的数据点中被用于重建下一个图像表示的部分。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述品质因数是所述图像表示的对比度与噪声之比。

9.根据权利要求5-8中的任一项所述的方法，还包括：

按照探测时间对所述数据点进行排序。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

分析所述后续图像表示以确定指示第二图像表示质量的所述参数值；

响应于所述后续图像表示参数的值和先前图像表示参数的值指示所述后续图像好于所述先前图像，调节所述时域窗口(33)并生成另一图像表示。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述时域窗口具有起点和终点，并且还包括：

响应于所述后续图像好于所述先前图像表示，向着扫描的开始移动所述起点。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括：

迭代地重复调节、重建和分析的步骤，直到图像表示具有经优化的或超过选定阈值之一的参数值。

13.根据权利要求10-12中的任一项所述的方法，还包括：

向用户显示所述窗口(33)。

14.一种诊断成像装置，包括：

用于收集一组指示接收到的核衰变事件的数据点的模块；

用于为所述接收到的事件打上时间戳的模块；

用于调节限定被重建的事件的时域窗口的模块；

用于根据所述时域窗口中的事件重建图像表示的模块；

用于分析所述图像表示以确定指示图像表示质量的参数值的模块；以及

用于根据确定的参数值调节所述时域窗口以便将所调节的时域窗口中的事件重建为后续的图像表示的模块。