CN102196774B - 用于从ct成像数据表征对象运动的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种方法，所述方法用于使用CT成像数据表征活动对象的运动。所述方法基于表示对象的运动的运动矢量计算一个或多个运动值。活动对象例如可以是搏动的心脏。

Description

用于从CT成像数据表征对象运动的方法

本申请总体涉及成像领域，更具体而言，涉及用于基于计算机断层摄影(CT)的心脏成像的方法和设备。本申请至少应用于这种心脏成像中，并将具体参考其加以描述。然而，本申请还可以更一般地应用于其他类型的成像中，尤其是正对活动对象成像的地方以及其他领域中。

CT成像可以用于生成患者的心脏或其他器官的4D体积重建。“4D”表示重建了多幅三维图像，每幅表示在一段时间的不同时间点时器官的构造。因此，该时间段为第四维。当按照时间顺序放置时，3D体积重建示出在一段时间内器官运动的时刻和幅度。例如，在心脏成像中，可以通过4D体积重建示出心脏泵血运动的时刻和幅度以及各心腔的收缩之间的关系。医师能够使用这种重建来诊断和治疗患者。例如，可以在诊断心脏机能障碍、或程控植入装置以调节心脏的跳动、或规划和实施在心脏中或其附近的手术流程等过程中使用4D心脏重建。

根据本发明的一个方面，提供了一种方法，其使用CT成像数据表征诸如搏动的心脏的活动对象的运动。尽管该方法具体结合心脏成像使用，但其更一般地应用于对任何其他活动对象的成像。它还可以应用于不同于CT的其他类型的成像中。

一个优点在于从CT成像扫描获得了关于内脏器官的有用功能信息。通过阅读下文中对优选实施例的详细说明，更多附加的优点和益处对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

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图示了用于表征在一段时间内对象的运动的示范性过程100；

图2是患者的心脏的代表性表面网格模型，其包括运动矢量；

图3是患者的心脏的代表性表面网格模型，其示出了图2中运动矢量的绝对值的归一化的和；以及

图4图示了CT成像设备。

本文所述的方法和设备总体涉及用于生成显示活动对象的运动的图像的任何基于CT的成像过程。图1中图示了示范性的这种过程100。在心脏成像的代表性范例中，被成像的器官原则上包括心脏，并且可能还包括相关的血管。在其他应用中，可以对其他器官成像，诸如其他血管、肺、胃、肾脏、大脑、肝脏、骨骼等。例示性的过程100可以适于这种应用。

为了获得有用的CT图像，可以首先向患者体内的感兴趣面积中施予102造影剂。造影剂用于使特定区域或结构比没有造影剂时更容易被x射线探测到。在心脏成像中，这可以例如通过以下操作完成：用针向患者手臂中的静脉内注射造影剂，并等待适量的造影剂到达心脏和冠状静脉。备选地，可以通过向冠状静脉中插入导管并直接向那里的血流内释放造影剂来完成，这是比用针向手臂内注射更具侵入性并且更为困难的流程。

一旦要成像的区域或结构已经准备好由CT扫描来探测，如果希望或需要，就执行104CT成像扫描，以生成CT成像数据106。这种CT扫描104通常是在患者屏住其呼吸的同时执行的。当然，对于心脏成像而言，在扫描期间患者的心脏是跳动的。CT成像数据106包括一系列投射的x射线图像。可以使用常规的处理对投影进行电子处理以生成一幅或多幅三维CT图像。可以在诸如计算机监视器的标准二维显示装置上显示和操控这样的三维图像。

CT成像数据106用于生成108感兴趣区域或结构的4D体积重建110。4D体积重建110可以是一系列低分辨率的三维图像，以减少所需的处理时间和相关的数据存储，但它们也可以为高分辨率图像。可以通过以回顾的方式选通CT成像扫描104来实现三维图像的时间索引。

以心脏成像作为代表性范例，可以利用心电图107确定心脏随时间变化的电活动来实现回顾性选通。将CT扫描104期间的心脏电活动与EKG周期107匹配允许基于患者的心动周期生成时间索引。可以采用其他回顾性选通的方法。4D重建110的该段时间可以是一个完整的心动周期，或者其可以更短或更长。重建足够数量的三维图像以提供对该段时间内整个器官运动的良好估计。对于完整的心动周期而言，据信大致40到60幅这样的图像就足够了，并且优选大约50幅这样的图像。

4D重建110可以用于生成112被成像的感兴趣区域或结构的数学4D模型114。数学4D模型114近似表示器官或其他活动对象在指定时间段内、诸如在心脏成像中心脏的一个完整泵血周期内的运动。于是，根据这样的数学4D模型114，可以由一系列表面网格图像对被成像器官进行理想化处理。每个表面网格图像包括若干在顶点或节点处交汇的诸如三角形的平表面。然后通过节点的运动对一段时间内器官的形状和运动进行理想化处理，这继而改变了平表面的形状，并且因此改变了表面网格的外观。这种模型的详细度和精确度随着所用节点的数目，并且还随着相继表面网格图像之间插入更小的时段而提高。

继而可以将4D数学模型114用于生成成像时间段内与被成像的器官或其他活动对象的各部分对应的一系列局部化的运动矢量118。这可以与生成数学4D模型114同时或相继地进行。于是，在被成像的时间段内数学4D模型114的每幅相继表面网格图像中，可以向每个节点分配局部化的运动矢量。局部化的运动矢量反映节点向其在数学4D模型114的下一表面网格图像中的位置位移或运动的量值和方向。可以附加或备选地将局部化的运动矢量分配给表面网格图像的平表面。图2示出了心脏202的表面网格图像200，其具有若干运动矢量204。

可以使用各种运动矢量204表征被成像的器官或其他活动对象或其部分随时间的运动。以图2的表面网格图像200作为代表性范例，在许多情况下，治疗医生可能对右心室206、左心室208、右心房210和左心房212的运动特别感兴趣。可以利用运动矢量204通过若干种方式表征这样的运动。例如，可以计算分别与四个心腔206、208、210和212中的每个对应的运动矢量204的量值(magnitude)的归一化的和。换言之，对于每个感兴趣区域，对该区域中运动矢量204的量值求和以得到总值，然后除以该区域的表面面积。图3示出了针对图2中的运动矢量204进行这种计算的结果。于是，如图3所示，与右心室206对应的运动矢量的量值的归一化的和，或运动值为6.4cm等。可以针对时间上下一幅后续表面网格图像，相对于数学4D模型114中的每幅表面网格图像进行类似的运动值计算，以表征心脏在成像时间段内的运动。

可以计算与矢量量值的归一化的和不同或除此之外的附加运动值。例如，可以仅记录最大矢量量值或最小矢量量值或两者，将其作为运动值，以便表征被成像的对象的运动。作为又一备选，可以将运动矢量的导数(即加速度值)用作运动值以表征被成像的对象的运动。可以有各种其他备选运动值用于使用运动矢量来表征被成像的对象的运动，或者是单独地或者与其他计算结合。

在一些心脏成像语境中，将心脏运动作为总体考虑而没有在四个腔室之间进行区分可能是有利的。于是，可以进行类似的运动值计算，确定整个心脏内运动矢量的量值的归一化的和，以表征心脏作为整体的总体运动。

那么，更一般地，根据特定的语境要求，可以将被成像的器官或其他活动对象的功能表征为整体或整体的部分。例如，可以一次性利用单一运动值对两个肺都进行运动值计算，或者针对左肺和右肺作为两个运动值分立地计算，或进一步将每个肺细分成多个作为若干运动值的感兴趣部分。

医生可以使用被成像的器官或其他活动对象的实测的一个或多个运动值来理解器官功能随时间变化的时刻和幅度。实测的运动值可以自身是有用的，但它们结合其他信息可能会尤其有用。作为一个范例，可以将实测的运动值与反应器官的平均、标准或正常运动的基准运动值进行比较。可以根据可能影响器官运动的患者性别、体重、年龄或其他特征使用不同的基准值。如果实测的运动值充分接近基准值，那么这可能表示器官行为正常或健康良好。相反，如果实测的运动值偏离基准值过远，那么可能表示器官行为不正常或健康状况不佳。

作为另一范例，可以将实测的运动值与反应器官功能不佳、不健康或异常的基准运动值比较。在那种情况下，如果实测的运动值充分接近基准值，那么这可能表示器官行为不正常或健康状况不佳。

作为又一范例，可以将实测运动值与同一患者体内同一器官先前测量的运动值进行比较。在这种情况下，如果当前实测值和先前实测值之间的差异足够大，那么可能表示关于器官工作的某些方面发生了显著变化(变好或变坏，这取决于变化的性质)。

图4图示了用于执行过程100以表征器官或其他对象运动的CT成像设备400的一个范例。CT成像采集系统402包括机架404以及沿z轴运动的桌台406。待成像的患者或其他受检者(未示出)躺在桌台406上并被移动，从而将其置于机架404中的孔径408内。一旦患者就位，x射线源410和x射线探测器412就一起绕孔径408旋转，以记录如上所述的CT成像数据106。

CT成像采集系统402然后通过通信链路401向CT成像处理和显示系统414传递CT成像数据106。尽管为了图示说明在此将系统402和414示为和描述为分立的系统，但在其他实施例中它们可以是单个系统的部分。CT成像数据106传递到图像处理器416，图像处理器416将数据106存储在存储器418中。存储器418还可以存储其他数据，诸如在心脏成像中使用的EKG数据107。图像处理器416以电子方式处理数据106以执行上述过程100。图像处理器416能够在相关联的显示器420上显示所得的图像。可以为用户提供诸如键盘和/或鼠标装置的用户输入装置422以控制处理器416。

于是，可以将上述功能作为软件逻辑加以执行。如本文所使用的，“逻辑”包括，但不限于硬件、固件、软件和/或每种的组合，以执行一种或多种功能或动作，和/或从另一部件引起功能或动作。例如，基于预期的应用或需求，逻辑可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)的离散逻辑或其他被编程的逻辑器件。还可以将逻辑完全实现为软件。

如本文所使用的，“软件”包括，但不限于一条或多条计算机可读和/或可执行指令，其令计算机或其他电子器件按照预期的方式执行功能、动作和/或行为。指令可以具体化为各种形式，诸如例程、算法、模块或程序，包括来自动态链接库的独立应用或代码。还可以将软件实施为各种形式，诸如独立的程序、函数调用、小服务程序、小应用程序、诸如存储器418的存储器中存储的指令、操作系统的一部分或其他类型的可执行指令。本领域技术人员应当认识到，软件的形式取决于例如预期应用的要求、运行其的环境和/或设计人员/程序员的希望等。

可以在各种平台上实施本文所述的系统和方法，例如包括联网的控制系统和单机控制系统。此外，本文所示和所述的逻辑优选驻留在诸如存储器418的计算机可读介质中或之上。不同的计算机可读介质的范例包括闪速存储器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、磁盘或磁带、包括CD-ROM和DVD-ROM的光学可读介质等。另外，可以将本文所述的过程和逻辑合并成一个大的工艺流程或分成很多子工艺流程。这里描述工艺流程的次序不是关键的，可以对其重新布置，而仍然实现同样的结果。实际上，可以根据授权或希望，在其实施期间重新布置、合并和/或重新整理本文所述的工艺流程。

已经参考优选实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解前述详细说明的情况下，本领域技术人员可以认识到对其的修改和变型。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与其等价的范围内的修改和变型。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。

Claims (13)

1.一种对内脏器官成像的方法（100），所述方法包括如下步骤：

-获得与所述内脏器官相关的成像数据（106），

-使用所述成像数据（106）生成所述内脏器官在一段时间内的运动的数学4D模型（114），

-使用所述数学4D模型（114）计算在该段时间期间多个时间时在被成像器官的至少部分上的多个位置处的局部化的运动矢量（118），并且

-其特征在于，通过确定所述被成像器官的所述部分的运动矢量的量值的归一化的和来计算一个或多个实测的运动值，其中，所述归一化的和是所述被成像器官的所述部分的运动矢量的和除以所述被成像器官的所述部分的表面积得到的。

2.根据权利要求1所述的方法（100），还包括使用所述成像数据（106）生成所述内脏器官的4D重建（110），以及使用所述4D重建（110）生成所述数学4D模型（114）。

3.根据权利要求1或2所述的方法（100），其中，所述运动值包括所述运动矢量的导数。

4.根据权利要求1或2所述的方法（100），其中，所述成像数据（106）包括CT成像数据。

5.根据权利要求1或2所述的方法（100），其中，将所述实测的运动值与基准运动值进行比较以提供比较结果。

6.根据权利要求1或2所述的方法（100），其中，所述内脏器官是人或动物患者的心脏。

7.根据权利要求6所述的方法（100），其中，实测的运动值是针对所述心脏的每个腔室独立计算的。

8.一种用于对内脏器官成像的设备（400），所述设备包括：

x射线源（410）和x射线探测器（412），其用于对所述内脏器官执行CT成像扫描（104）以生成CT成像数据（106）；

包括逻辑（100）的计算机可读介质（416），其用于使用所述CT成像数据（106）生成所述内脏器官在一段时间内的运动的数学4D模型（114），使用所述数学4D模型（114）计算在该段时间期间多个时间时被成像器官的至少部分上的多个位置处的局部化的运动矢量，并且，其特征在于，通过确定所述被成像器官的所述部分的运动矢量的量值的归一化的和来计算一个或多个实测的运动值，其中，所述归一化的和是所述被成像器官的所述部分的运动矢量的和除以所述被成像器官的所述部分的表面积得到的。

9.根据权利要求8所述的设备，还包括使用所述CT成像数据（106）生成所述内脏器官的4D重建（110），以及使用所述4D重建（110）生成所述数学4D模型（114）的逻辑。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，所述运动值包括所述运动矢量的导数。

11.根据权利要求8或9所述的设备，其中，将所述实测的运动值与基准运动值进行比较以提供比较结果。

12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述内脏器官是人或动物患者的心脏。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，实测的运动值是针对所述心脏的每个腔室独立计算的。

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