CN102316807B - 核成像中基于模型的视场扩展 - Google Patents

Abstract

CT成像系统(12)生成第一FOV的结构数据，该结构数据被CT重建处理器(52)重建成CT图像表示。核成像系统采集来自比第一FOV小的第二FOV的功能数据。第一PET重建处理器(60)将功能数据重建成PET图像表示。融合处理器(64)将PET图像表示与从CT图像表示中提取的图组合以生成扩展FOV的图像表示。扩溢校正单元(66)以及反向散射校正单元(68)从扩展FOV的图像表示中导出扩溢校正数据和反向散射校正数据。重建处理器(70)基于扩溢校正数据、反向散射校正数据以及功能数据生成经扩溢校正及反向散射校正的功能图像表示。

Description

核成像中基于模型的视场扩展

技术领域

本申请涉及医学成像系统和方法。本申请特别地与诸如PET/CT系统的多模态系统一起应用。应明了，本发明也应用于SPECT、CT、PET、MRI等的各种组合。

背景技术

在多模态断层摄影系统中，使用两个或更多个不同的成像模态来定位或测量对象空间中的不同成分。在PET/CT系统中，PET成像系统创建身体中高代谢活动的图像，而不是创建周围解剖结构的图像。CT扫描允许医生查看人体内的内部结构。在进行PET/CT扫描之前，患者接收一剂量的放射性药物。该药物通过血液运载并且聚集到一个或多个靶器官或区域中，引起发射正电子的湮没事件。在扫描期间，系统探测所发射的辐射的踪迹，从而创建患者内放射性药物的分布的图像。图像可以示出循环系统和/或放射性药物在各种区域或器官中的相对吸收。在PET/CT图像中，来自CT扫描的解剖结构数据与来自PET扫描的代谢数据的整合给医师确定是否存在疾病、疾病的位置和范围，以及跟踪疾病蔓延有多快的视觉信息。对于难以处置的区域（例如，头部和颈部区域、纵隔膜、术后腹部）以及为患者定位接收放疗或化疗的处置区域，PET/CT系统是特别有帮助的。

CT扫描数据能够用于衰减校正，进一步增强PET图像。传统PET系统中的衰减校正可以涉及透射扫描，在透射扫描中外部放射性透射源围绕FOV旋转并且在检查区域中不存在患者及之后存在患者的两种场景下测量通过检查区域的衰减。两个值的比用于校正可能引起图像噪声、图像伪影、图像扭曲以及可能掩藏重要特征的非均匀密度。

PET/CT系统使用CT透射数据来构造遍及身体的密度差异图，并且用于校正发射光子的吸收。基于CT的衰减校正受益于低统计噪声、高速采集、免于与注射的放射性同位素相关的干扰以及消除放射性透射源硬件。

散射校正算法也可以受益于CT导出的衰减图。散射校正算法基于CT透射衰减图和发射PET数据对散射分布建模。在减去散射贡献之后，重建PET数据以得到经散射校正的图像。

利用核成像进行心脏检查是常见的。通常由SPECT执行冠状动脉灌注和心肌存活性的检查，但PET正在取得进步，因为由胸部和隔膜引起的衰减干扰能够容易地利用基于透射扫描的衰减图得以校正。两种核成像模态都遭受有限视场（FOV）的不足，这一点对于利用PET的动态心脏检查更是如此，在该检查中仅在一个床位置处采集数据。有限的空间分辨率使得很难对FOV之外的活动进行散射估计和扩溢（spill-over）估计，因为不测量FOV之外的这一活动。例如，在心脏检查中，接近心脏的肝吸收大量的放射性示踪剂，造成心脏区域中的活动的扩溢。在整个身体的检查中，可以使用部分体积校正算法来校正扩溢；然而，当扩溢活动源被部分或完全排除在FOV以外时，会发生问题。另外，在单个散射模拟（SSS）中无法对来自FOV以外的肝的反向散射建模。

本申请提供一种新的且改进的诊断成像系统，其能够量化核成像FOV以外的大量活动，从而克服上述问题及其他问题。

发明内容

根据一方面，提供了一种包括第一成像系统和核成像系统的组合成像系统。第一成像系统配置为采集第一FOV中至少一个解剖结构的结构数据。核成像系统配置为采集第二FOV中至少一个解剖结构的功能数据，其中，第二FOV小于第一FOV。第一成像系统重建处理器将由所述第一成像系统采集的结构数据重建成第一系统图像表示。核图像重建处理器根据由所述核成像系统采集的所述功能数据重建核图像表示。解剖提取单元从所述第一系统图像表示中提取包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的至少一部分的图。融合处理器组合所述核图像表示和所述图，以生成扩展视场的融合图像表示，所述扩展视场的融合图像表示具有从所述核图像表示外推的核图像强度值以包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的所述至少一部分。重建处理器配置为接收由所述融合处理器融合的数据并且基于由第一成像系统采集的结构数据对由核成像系统采集的功能数据进行重建，其中，基于所述结构数据校正所述功能数据的扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个。

根据另一方面，提供了一种利用了组合成像系统的方法，包括利用第一成像系统采集第一FOV中至少一个解剖结构的结构数据。将所采集的结构数据重建成第一系统图像表示。由核成像系统采集第二FOV中至少一个解剖结构的功能数据，其中，第二FOV小于第一FOV。将由所述核成像系统采集的所述功能数据重建成核图像表示。从所述第一系统图像表示中提取包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的至少一部分的图。组合所述核图像表示和所述图，以生成扩展视场的融合图像表示。基于由第一成像系统采集的结构数据或从由所述核成像系统采集的所述功能数据导出的估计的结构数据校正功能数据的扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个并且对经校正的功能数据进行重建。

根据另一方面，提供了一种组合成像系统，包括：用于利用第一成像系统采集第一视场中至少一个解剖结构的结构数据的装置；用于将所采集的结构数据重建成第一系统图像表示的装置；用于利用核成像系统采集第二视场中至少一个解剖结构的功能数据的装置，所述第二视场小于所述第一视场；用于将由所述核成像系统采集的所述功能数据重建成核图像表示的装置；用于从所述第一系统图像表示中提取包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的至少一部分的图的装置；用于组合所述核图像表示和所述图，以生成扩展视场的融合图像表示的装置；以及用于对基于由所述第一成像系统采集的所述结构数据或从由所述核成像系统采集的所述功能数据导出的估计的结构数据校正了源自所述第二视场以外的扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个的功能数据进行重建的装置。

一个优势在于可以在功能PET图像中实现更高的信噪比。

本领域技术人员在阅读并理解说明书后将会明了本发明的其他优势。

附图说明

本发明可以实施为各种部件和部件的布置，以及各种步骤及步骤的安排。附图仅用于图解说明优选实施例而不应被解释为限制本发明。

图1为具有基于模型的FOV扩展的组合PET/CT系统的示意图；

图2是整个肝在FOV中的CT平片（surview）扫描；

图3图解说明利用NH₃进行动态灌注检查期间的患者的三个视图；

图4是产生核探测器中的错误符合事件的FOV以外的反向散射事件的图示；以及

图5是量化扩溢活动的曲线图。在图像中将具有同质活动（◇）的区域表示为平滑的分布曲线（+）。

具体实施方式

参考图1，诊断成像系统10能够进行X射线计算机断层摄影（CT）以及诸如PET或SPECT的核成像。诊断成像系统10包括第一成像系统，在图解说明的实施例中为第一机架14内容纳的CT扫描仪12。孔径16限定出CT扫描仪12的第一检查区域18。一列辐射探测器20设置在旋转机架22上，并且配置为接收来自旋转机架22上与探测器20相对设置的X射线源24的透射辐射。应当明了，人们也能预见到其他成像模态。

在图解说明的实施例中为PET扫描仪26的第二成像系统被容纳在限定出患者接收孔径30的第二机架28内。应当明了，人们也能预见到SPECT或其他成像模态。在孔径30的周围布置静止的环状辐射探测器34，以限定出第二或PET检查区域32。

两个机架14、28彼此邻近并且共用一个公共患者扫描床36，该患者扫描床36在两个检查区域18、32之间沿患者扫描床轨道或路径38的纵轴平移。电机或其他驱动机构（未示出）提供扫描床在检查区域18、32中的纵向移动和垂直调整。在图解说明的实施例中，PET机架28沿机架轨道40平移以减小成像系统12、26之间的过渡时间。机架之间紧凑的布置减小了由于增加的扫描时间导致的患者移动误差和误配准误差的可能性。人们也能预见到将CT和PET系统安装到具有公共检查区域的单个共用机架中。

继续参考图1，患者扫描床36将待成像的患者或受试者定位在第一检查区域18以进行由CT扫描仪12生成的CT平片扫描。在心脏检查中，平片扫描在轴向方向上大致为250mm，并且包围胸部以将心脏42和肝44包括在内。所采集的平片数据被存储在数据缓冲器50中，并且被CT重建处理器52处理成CT图像表示（图2），然后存储在CT图像存储器单元54中。

患者扫描床将受试者移动至PET检查区域32。对于心脏检查，患者扫描床基于CT平片扫描将受试者心脏在典型地为直径180mm的圆柱的PETFOV内对齐。所采集的PET数据被存储在数据缓冲器56中。

衰减校正单元58生成衰减图，PET图像重建处理器60使用该衰减图以从PET数据生成经衰减校正的PET图像表示（图3）。解剖提取单元62利用诸如分割、主成分分析等的技术提取FOV以外的（一个或多个）感兴趣器官的解剖形状或轮廓，从而生成解剖图。在心脏检查中，由解剖提取单元62对肝或其他高活动性器官的解剖形状进行建模，并用于扩展PET图像表示的有效FOV，以达到图像校正目的。融合处理器64使衰减校正PET图像表示和解剖图对齐、配准或融合，并且将PET图像强度值外推至所提取的实际PET FOV以外的器官，以生成PET FOV的理论扩展（图4）。扩溢校正单元66和散射模拟单元68使用扩展FOV的PET数据创建经校正的数据集，重建处理器70使用该经校正的数据集生成稍后被存储在图像存储器单元72中的经校正的PET图像表示。

与肝44被截断的图3的PET图像不同，在图4的融合图像中，图解说明了整个肝。整个肝被分配与在图3的PET图像中的肝的部分中的强度值相同的强度值。类似地处置具有严重的示踪剂补偿的其他器官。融合图像然后用作其中的肝未被截断的扩展PET图像。之后扩溢校正单元66和散射模拟单元68使用图4的扩展图像创建扩溢校正和散射校正。可以在来自缓冲器56的投影数据上执行扩溢校正和散射校正，或者可以在来自PET重建处理器60的经衰减校正的图像上执行扩溢校正和散射校正。

在图形用户界面74上显示重建的经校正的PET图像表示、融合的PET和CT图像及其他。图形用户界面74也包括用户输入设备，临床医师可以使用该用户输入设备来控制成像系统选择扫描序列和方案、融合图像组合等。图形用户界面也同时显示经预校正的图像和经校正的图像，以用于验证和/或进一步的手动校正。

任何实时成像设备都具有有限的空间分辨率，其可以以点源图像的半高宽（FWHM）的形式描述。有限的分辨率暗示被称作“扩溢效应”的现象。在最终的图像中，这导致活动性被分配给没有活动性的区域。

参考图5，当具有高活动性的区域82靠近另一区域时，活动性中的一些扩溢84到邻域中。当区域82在视场中时扩溢84可以被建模。在肝和心脏的示例中，肝有效地处于图4的融合图像的视场中。当整个有贡献的器官在视场中时的扩溢校正算法是本领域已知的。

在具有比大约3倍的成像系统的FWHM小的对象之间发生部分体积效应的扩溢。当前，FWHM对于PET在大约6-7mm范围内，而对于SPECT更大一些。作为示例，膈膜使肝和心包（包含心脏的袋状物）分开。隔膜具有小于5mm的厚度，而心包具有大约1mm的厚度；因此，由于肝和心脏分开大约5mm，因而将发生从肝到心脏的扩溢。

再看图4，辐射事件86可以通过康普顿散射而散射88到视场以外。如果在视场中探测到来自PET事件的未散射的γ射线和散射的γ射线两者，则其可以显现为在两个探测点之间的线上发生的正常PET事件。如本领域中已知的，可以对反向散射建模。然而，建模需要知道使γ射线散射的结构。当该结构在视场以外时，无法对该结构建模。同样，利用图4的融合图像，知道PET视场以外的结构，从而使得建模算法运行。

参考图6，在诸如灌注或存活性检查的PET心脏检查中，肝吸收大量放射性药物。由于PET有限的FOV，可能发生严重的从肝到心脏的扩溢。之后受试者被注射诸如FDG、氨等的放射性药物90。在吸收期过后，将受试者定位在CT扫描仪中，采集92整个心脏和肝的低剂量平片扫描，之后利用已知方法将图像数据重建成图像表示94。使用CT图像表示将心脏对齐到PET FOV96。之后将受试者心脏定位在PET FOV中，采集98整个心脏和被部分排除的肝的PET数据。使用CT图像表示来确定衰减校正因子，该衰减校正因子被布置为生成用于重建经衰减校正的PET图像表示102的衰减图100。在分立过程中，从CT图像表示中提取肝的解剖形状。通过缩放肝解剖表示以匹配PET扫描仪的发射能量并且通过分配肝放射性药物活动性来生成104肝的解剖图。基于被经衰减校正的PET图像表示部分排除的肝的活动性或者利用估计值来分配肝活动性。假定肝具有均匀的吸收，则可以利用解剖图在理论上扩展PET FOV。通过将肝的解剖图和心脏的经衰减校正的PET图像表示进行配准和组合，生成扩展FOV的图像表示。向扩展FOV的图像表示应用106已知的扩溢和散射校正方法，之后重建108经校正的图像表示。在另一实施例中，可以从经衰减校正的图像中提取被部分排除的肝的解剖形状。部分解剖形状可以与数据库或模型相关，以估计肝的其余形状。之后缩放所估计的肝的解剖形状，并且将其与经衰减校正的PET图像表示组合，之后校正扩溢和散射。

在另一实施例中，如果在被PET FOV部分排除的解剖结构中假定非均匀吸收，则可以基于PET FOV内的部分解剖结构在PET图像重建期间应用散射校正和扩溢校正。

本发明已经参考优选实施例进行了描述。他人在阅读并理解说明书后可以作出修改和变更。本发明意在被解释为包括所有这种落入权利要求及其等效物范围内的修改和变更。

Claims (12)

1.一种组合成像系统，包括：

第一成像系统（12），其配置为采集第一视场中至少一个解剖结构的结构数据；

第一成像系统重建处理器（52），其将由所述第一成像系统（12）采集的结构数据重建成第一系统图像表示；

核成像系统（26），其配置为采集第二视场中至少一个解剖结构的功能数据，所述第二视场小于所述第一视场；

核图像重建处理器（60），其根据由所述核成像系统（26）采集的所述功能数据重建核图像表示；

其特征在于，所述组合成像系统具有：

解剖提取单元（62），其从所述第一系统图像表示中提取包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的至少一部分的图；

融合处理器（64），其组合所述核图像表示和所述图，以生成扩展视场的融合图像表示，所述扩展视场的融合图像表示具有从所述核图像表示外推的核图像强度值以包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的所述至少一部分；以及

重建处理器（70），其配置为接收由所述融合处理器融合的数据并且基于由所述第一成像系统（12）采集的所述结构数据对由所述核成像系统（26）采集的所述功能数据进行重建，其中，基于所述结构数据校正所述功能数据的扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的组合成像系统，其中，所述第一成像系统是CT成像系统，而所述结构数据是在平片扫描期间采集的。

3.根据权利要求1和2中的任一项所述的组合成像系统，其中，所述第一视场包围所述第二视场。

4.根据权利要求1所述的组合成像系统，还包括：

用户界面（74），其包括同时显示校正前的图像和经校正的图像以用于验证和手动校正的显示。

5.根据权利要求4所述的组合成像系统，还包括以下中的至少一个：

散射模拟单元（68），其基于从所述扩展视场的融合图像表示中导出的散射模拟生成散射校正数据；以及

扩溢校正单元（66），其基于所述扩展视场的融合图像表示生成扩溢校正数据；并且

其中，用于重建所述功能数据的所述重建处理器接收并且使用所述校正数据，以在将所述功能数据重建成经校正的核图像表示时校正所述扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个。

6.根据权利要求4和5中的任一项所述的成像系统，还包括：

衰减校正单元（58），其基于所述第一系统图像表示生成衰减图，所述核图像重建处理器（60）基于所述衰减图将所述功能数据处理成经衰减校正的图像表示。

7.一种组合成像的方法，包括如下步骤：

利用第一成像系统（12）采集第一视场中至少一个解剖结构的结构数据；

将所采集的结构数据重建成第一系统图像表示；

利用核成像系统采集第二视场中至少一个解剖结构的功能数据，所述第二视场小于所述第一视场；

将由所述核成像系统（26）采集的所述功能数据重建成核图像表示；

其特征在于，所述组合成像的方法包括如下步骤：

从所述第一系统图像表示中提取包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的至少一部分的图；

组合所述核图像表示和所述图，以生成扩展视场的融合图像表示；以及

对基于由所述第一成像系统采集的所述结构数据或从由所述核成像系统采集的所述功能数据导出的估计的结构数据校正了源自所述第二视场以外的扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个的功能数据进行重建。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一视场包围所述第二视场。

9.根据权利要求7和8中的任一项所述的方法，还包括：

从所述功能数据中识别被所述第二视场部分排除的至少一个解剖结构的至少一部分；

基于数据库建模估计被部分排除的解剖结构的整个结构数据；以及

生成所估计的整个解剖结构的图。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下中的至少一个：

基于从所述扩展视场的融合图像表示中导出的散射模拟生成散射校正数据；或者

基于所述扩展视场的融合图像表示生成扩溢校正数据；并且

其中，重建由所述核成像系统采集的所述功能数据包括使用所述校正数据校正扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个以生成经校正的核图像表示。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

基于所述第一系统图像表示生成衰减图；以及

使用所述衰减图重建所述功能数据以生成经衰减校正的图像表示，所述经衰减校正的图像表示与所述图组合以生成所述扩展视场的融合图像表示。

12.一种组合成像系统，包括：

用于利用第一成像系统（12）采集第一视场中至少一个解剖结构的结构数据的装置；

用于将所采集的结构数据重建成第一系统图像表示的装置；

用于利用核成像系统采集第二视场中至少一个解剖结构的功能数据的装置，所述第二视场小于所述第一视场；

用于将由所述核成像系统（26）采集的所述功能数据重建成核图像表示的装置；

其特征在于，所述组合成像系统具有：

用于从所述第一系统图像表示中提取包括被所述第二视场排除但包括在所述第一视场中的至少一个解剖结构的至少一部分的图的装置；

用于组合所述核图像表示和所述图，以生成扩展视场的融合图像表示的装置；以及

用于对基于由所述第一成像系统采集的所述结构数据或从由所述核成像系统采集的所述功能数据导出的估计的结构数据校正了源自所述第二视场以外的扩溢伪影和反向散射伪影中的至少一个的功能数据进行重建的装置。

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