CN102656609A - 组织密度保留的运动补偿 - Google Patents

Abstract

一种方法包括基于重建算法重建投影数据，该重建算法补偿不同运动相位间运动器官的运动和组织密度变化，从而生成运动和密度补偿的图像数据。数据补偿器包括重建器，该重建器基于重建算法重建经运动补偿的图像数据，该重建算法对运动对象中组织密度的变化进行补偿。

Description

组织密度保留的运动补偿

下文总体涉及组织密度保留的运动补偿，并在本文中结合计算机断层摄影（CT）对其进行描述。然而，本发明还适用于其他成像应用。

计算机断层摄影（CT）扫描器一般包括安装在可旋转机架上的与包括一排或多排探测器像素的探测器阵列相对的X射线管。X射线管绕着位于X射线管与探测器阵列之间的检查区域旋转并发射辐射，所述辐射贯穿检查区域和置于所述检查区域中的对象或受检者。探测器阵列探测贯穿检查区域的辐射并生成指示所述检查区域和置于所述检查区域中的对象或受检者的投影数据。重建器处理所述投影数据并生成指示所述检查区域和置于所述检查区域中的对象或受检者的体积图像数据。所述体积图像数据能够被处理以生成包括对象或受检者的被扫描部分的一幅或多幅图像。

在一些情况下，对象或受检者的被扫描部分包括运动结构，诸如心脏或肺，或者受运动结构的运动影响的解剖结构。在这种情况下，运动伪影可能被引入到投影数据中，并且从而被引入到根据该投影数据生成的图像数据和图像中。运动补偿重建技术已经被用于对运动进行补偿。利用一种方法，基于4D-CT（例如，通过表面的传播）估计运动场并在反向投影期间将其用于在对应于反向投影之前的投影的时间内调节将被重建为实际点的对象点的位置。这种方法得到了其中肺的形态结构被准确地恢复并且信噪比（SNR）被提高的图像。

遗憾的是，这样的运动补偿也组合了来自不同运动状态的强度信息。因此，尽管这种方法一般提供具有改善的图像质量的图像（例如，运动减少并且SNR提高），但图像中对应于不同运动状态的在运动补偿前的图像中具有不同组织密度的相似组织（例如，肺组织）现在将在经运动补偿图像中具有相同的平均密度。举例来说，肺组织一般在吸气状态相对于呼气状态具有较低的密度。对于常规的运动补偿方法，不管呼吸状态（吸气状态或呼气状态）如何，经运动校正的图像中的肺组织可能具有相同密度。

本发明的各方面解决了上述问题和其他问题。

在一个方面中，一种方法包括基于重建算法重建投影数据，该重建算法对运动器官跨不同运动相位（phase）的运动和组织密度变化两者进行补偿，从而生成运动和密度补偿的图像数据。

在另一方面中，一种数据补偿器包括重建器，该重建器基于重建算法重建经运动补偿的图像数据，该重建算法补偿投影数据中运动对象的组织密度变化。

在另一方面中，一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令当由计算机执行时，令计算机执行如下动作：基于补充的运动矢量场重建投影数据，该补充的运动矢量场补偿运动器官跨不同运动相位的运动和组织密度变化两者。

本发明可以采取不同的部件或部件布置，以及不同的步骤和步骤安排的形式。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图示了与运动校正器结合的范例成像系统；

图2图示了范例运动校正器；

图3图示了用于密度保留的运动补偿的范例方法。

图1图示了成像系统100，诸如计算机断层摄影（CT）扫描器。成像系统100包括静止机架102和旋转机架104。旋转机架104由静止机架102能旋转地支撑。旋转机架104关于纵轴或z轴绕着检查区域106旋转。

辐射源108，诸如X射线管，由旋转机架104支撑并随旋转机架104旋转，并且发射贯穿检查区域106的辐射。源准直器对所发射的辐射进行准直以形成一般为扇形或锥形的贯穿检查区域106的辐射。辐射敏感探测器阵列110探测贯穿检查区域106的辐射并生成指示所探测到的辐射的投影数据。

运动状态探测器112探测成像采集期间患者的运动组织的运动并生成指示该运动的运动信号。运动组织的范例包括肺组织、心脏组织和/或人或动物患者的其他运动器官的组织。运动状态探测器112可以包括方便探测运动的呼吸带、发光界标、ECG监测器等。

重建器114重建投影数据（包括下文所述的经补偿的投影数据）并生成指示检查区域106的体积图像数据。重建器114能够采用各种重建算法，诸如滤波反向投影算法、锥形射束算法、迭代算法等。图像处理器能够基于该体积图像数据生成一幅或多幅图像。所述一幅或多幅图像可以被显示、显影、进一步处理等。

支撑物116，诸如卧榻，支撑检查区域106中的对象或受检者。支撑物116能够协同旋转机架104的旋转沿z轴移动，以便实现螺旋、轴向或其他预期的扫描轨线。

通用计算系统用作操作人员控制台118，控制台118包括诸如显示器和/或打印机的人可读输出装置和诸如键盘和/或鼠标的输入装置。控制台118上驻留的软件，例如允许操作人员选择运动补偿协议、初始化扫描等，来允许操作人员控制系统100的操作。

数据补偿器120针对运动对投影数据进行补偿，同时保留给定参考运动状态的组织密度差异。如下文更详细地描述，运动补偿器120基于运动矢量针对运动进行补偿并通过根据组织体积的变化缩放经滤波的投影数据来保留组织密度。其中所述组织是肺组织，这可以包括缩放经滤波的投影数据以将呼吸的吸气和呼气状态之间的组织密度的差异考虑进来。通常，肺组织在吸气相位具有较低的密度而在呼气相位具有较高的密度。

数据分析器122分析重建的补偿数据并针对不同运动状态量化相似组织中的组织密度差异。举例来说，数据分析器122能够量化肺组织的通气，并所得的量化结果能够用于探测诸如肺气肿等的状况。对于肺气肿，本应在吸气和呼气之间有变化的肺组织密度可能一点都没有变化。因此，跨这些运动相位的组织密度没有变化可能指示肺气肿的出现。可能同样影响组织密度的其他情况包括纤维化、炎症等。对于辐射治疗规划，量化结果能够用于区分健康组织和不健康组织，其可能影响递送至特定组织的剂量，使所关注的病变组织的剂量减少。

应当认识到，上文所论述的数据补偿器120是计算系统的一部分，所述计算系统包括执行在一个或多个计算机可读存储介质中编码的一个或多个计算机可读指令的一个或多个处理器。所述计算系统能够是系统100的一部分（或与其集成）或者与系统100分离位于系统100的本地（如图所示）或远处。

图2图示了范例数据补偿器120。

投影数据—运动信号相关器202接收由成像系统100生成的投影数据和由运动状态探测器112生成的运动信号并使所述投影数据与所述运动信号相关联。这样，能够识别对应于特定运动相位的投影数据。

数据选择器204从投影数据选择数据用于重建。在本实施例中，数据选择器204接收指示预期的相位点的信号并针对在该预期的运动相位周围的多个不同的运动相位选择投影数据。该信号能够基于用户输入、所选择的成像协议和/或其他内容。

重建器206重建所选择的投影数据，以针对运动相位点周围的不同运动相位生成图像数据。与重建器114类似，重建器206能够采用各种不同的重建算法，诸如滤波反向投影算法、锥形射束算法、迭代算法等。合适的重建的范例是4D选通重建。所得的图像数据提供所述运动相位周围的一系列图像。对于心脏扫描，图像与心脏周期相关，对于肺扫描，图像与呼吸周期相关等。或者，能够使用重建器114或其他重建器。

运动矢量场确定器208基于重建的图像数据和参考（或重建）运动相位确定运动矢量场。运动矢量场包括参考相位的图像数据中的体素与其他相位的图像数据中的体素之间的位移。针对重建的运动相位之外的运动的运动矢量场能够通过插值或其他技术导出。

对于这一范例，运动矢量由

表示，其中，对于给定的表示参考运动相位中的体素位置，提供了体素相对于不同运动相位的位移（包括方向）。合适的单位包括毫米（mm）或其他距离单位。

在于2006年11月14日提交的题为“Motion Compensated CTReconstruction of High Contrast Objects”的公布号为US 2009/0141935A1的美国专利申请No.12/093458描述了一种针对心脏应用确定运动场矢量场的范例，在此通过引用将其并入本文。

运动矢量场能够在重建期间使用以将体素移位到在对该体素进行反向投影之前的特定重建运动相位的正确位置。因此，能够减少运动模糊，以提高信噪比（SNR）并由此锐化图像数据以及改善图像质量。

然而，2009/0141935A1所描述的方法没有针对强度进行校正，或者没有考虑由于组织的变化的体积而导致的运动相位之间的组织密度差异，从而没有改变移位的体素的密度。这样，对于如肺组织的组织，吸气（膨胀）和呼气（收缩）相位之间密度变化，利用上文的运动矢量场对运动进行补偿，得到更锐化的图像，但损失了组织密度的差异。

运动矢量场补充确定器210通过导出关于在对体素进行移位时由于体积的变化在不同运动相位之间引起的组织密度差异的信息，来确定运动矢量场的补充。在一种情况下，体积的变化通过运动场的散度

来考虑，并由标量场

表示该补充，该标量场表示受运动矢量场影响的体积的局部缩放。

在一种情况下，这一标量的范围从刚好大于零到与体积增量成比例的值。项

大于负一（-1），其中，负值表示组织收缩，零值表示组织体积保持，而正值表示组织膨胀。举例来说，如果体积收缩50%，等式2的值为0.5，而如果体积加倍，等式2的值为2.0。

或者，运动矢量场的雅可比行列式（Jacobian）能够用于对运动矢量场进行缩放。

重建器206（或者重建器114或其他重建器）采用滤波反向投影重建算法并基于运动矢量场和补充来重建投影数据。对于重建，体积单元

（在参考运动相位中具有体积

）的尺寸基于等式1进行近似：

等式1：

$V\left({\stackrel{\→}{r}}_0\right)=V_0\left({\stackrel{\→}{r}}_0\right)(1+\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{m}\left({\stackrel{\→}{r}}_0\right)).$

通过基于运动矢量场和补充来重建整套投影数据，重建对运动进行补偿并考虑由于体积的变化导致的运动相位之间的组织密度变化，从而允许保留跨各运动相位的组织密度的任何差异。在没有上述补充缩放的情况下，跨各运动相位的组织密度基本被平均，并且损失了组织密度的任何变化。

在一种情况下，上文表示经滤波的投影的局部dc值的启发式调整，该经滤波的投影的局部dc值对于肺的可收缩部分近似有效，这可以方便肺组织的更逼真的密度测量。

脉管和/或其他结构能够通过在对体积的剩余部分应用校正矢量之前分割脉管和/或其他结构的方法从组织密度校正中排除。

图3图示了一种用于执行运动补偿和保留跨各运动相位的组织密度差异的方法。

在302，包括诸如肺、心脏等的感兴趣运动组织的患者区域被扫描并生成指示该区域的投影数据。

在304，生成描述感兴趣运动组织在扫描期间的运动的运动信号。如上文所论述的，该运动信号与扫描同时探测。

在306，投影数据和运动信号被相关联。

在308，重建关于一相位点的针对不同运动状态的投影数据的子集，以生成不同运动相位的图像数据。该图像数据可以是基于4D选通重建或其他重建的。

在310，基于针对各运动相位的图像数据和所识别的参考运动相位生成运动矢量场。运动矢量场能够基于模型调整、表面传递、配准和/或其他技术生成，并提供与各运动相位之间的体素的位移相关的信息。

在312，生成对运动矢量场的补充并且所述补充包括与跨各运动相位的组织密度变化相关的信息，该运动相位间的组织密度差异是由于组织体积的变化引起的，例如，本文中组织体积的变化利用运动矢量场的散度来描述。

在314，使用分别针对位移和密度缩放体素的运动矢量场和补充来重建投影数据。如本文所论述的，对于每个重建的体素，移动体素到重建运动相位的位移，并应用对经滤波的投影数据的缩放，以保留密度信息。

在316，对经补偿的图像数据中的组织的组织密度进行量化。

在318，量化结果被用于确定组织密度是否跨各运动状态而变化。

在320，基于确定结果对组织进行分类。例如，正常的健康组织具有由于组织的变化的体积导致的跨各运动相位的组织密度的变化，而运动相位间组织密度没变化可能指示该组织不健康。

上文内容可以通过计算机可读指令实施，所述计算机可读指令当由（一个或多个）计算机处理器执行时，令所述（一个或多个）处理器执行所描述的动作。在这种情况下，所述指令被存储在与相关计算机关联和/或能够以其他方式进行访问的计算机可读介质中。

本文已经参考多个实施例对发明进行了描述。他人通过阅读本文的描述，可以做出修改和变型。其意图是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权利要求或与权利要求相当的范围内。

Claims (25)

1.一种用于处理运动器官的来自成像系统（100）的投影数据的方法，包括：

基于重建算法重建所述投影数据，所述重建算法对所述运动器官跨不同运动相位的运动和组织密度变化两者进行补偿，从而生成运动和密度补偿的图像数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重建算法是基于经补充的运动矢量场的。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

获取运动矢量场，所述运动矢量场提供与一个运动相位中的体素到重建运动相位中的位置的位移相关的信息；以及

通过利用参数补充所述运动矢量场来生成所述经补充的运动矢量场，所述参数指示所述不同运动相位之间的所述器官的体积的变化。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述体积的所述变化与组织密度的变化成比例。

5.根据权利要求3到4中的任一项所述的方法，其中，所述参数是所述运动矢量场的散度。

6.根据权利要求4所述的方法，其中以下至少之一，负散度中指示所述体积的收缩和组织密度的增加，正散度指示所述体积的膨胀和组织密度的降低，或者大约为零的散度指示所述体积和组织密度的保持。

7.根据权利要求3到6中的任一项所述的方法，其中，所述参数是基于所述运动矢量场的雅可比行列式的。

8.根据权利要求3到7中的任一项所述的方法，其中，所述参数基于针对所述不同运动相位的器官体积的变化来缩放经滤波的投影数据。

9.根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其中，所述器官是肺或心脏之一，并且所述运动是心脏运动或呼吸运动中的一种或多种。

10.根据权利要求1到9中的任一项所述的方法，其中，重建所述投影数据包括使用滤波反向投影重建算法来重建所述投影数据。

11.根据权利要求1到10中的任一项所述的方法，还包括：

确定所述运动器官的组织密度是否跨不同运动相位而变化，并生成指示所述变化的信号。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

如果所述组织密度没有变化并且所述运动器官包括跨所述不同运动相位密度发生变化的类型的组织，则将所述运动器官识别为不健康的。

13.根据权利要求11到12中的任一项所述的方法，还包括：

如果所述组织密度跨所述不同运动相位而变化，则将所述运动器官识别为健康的。

14.一种数据补偿器（120），包括：

重建器（206），所述重建器基于重建算法重建运动补偿的图像数据，所述重建算法补偿投影数据中运动对象的组织密度变化。

15.根据权利要求14所述的数据补偿器（120），还包括：

运动矢量场补充器（210），所述运动矢量场补充器基于运动矢量场和指示所述运动器官的体积的变化的参数来生成经补充的运动矢量场，其中，所述重建算法是基于所述经补充的运动矢量场的。

16.根据权利要求15所述的数据补偿器（120），其中，体积的所述变化对应于所述运动器官的组织密度的变化。

17.根据权利要求15到16中的任一项所述的数据补偿器（120），其中，所述参数是所述运动矢量场的散度或所述运动矢量场的雅可比行列式之一。

18.根据权利要求17所述的数据补偿器（120），其中，负散度指示所述体积的收缩，正散度指示所述体积的膨胀和组织密度的降低，而大约为零的散度指示所述体积和组织密度的保持。

19.根据权利要求15到17中的任一项所述的数据补偿器（120），其中，所述参数基于跨不同运动相位的器官体积的变化来缩放所述运动矢量场。

20.根据权利要求15到18中的任一项所述的数据补偿器（120），还包括：

数据分析器（122），所述数据分析器基于所述图像数据量化不同运动状态相似组织中的组织密度并生成指示所述组织密度的第一信号。

21.根据权利要求15到18中的任一项所述的数据补偿器（120），还包括：

数据分析器（122），所述数据分析器基于所述图像数据量化不同运动状态相似组织中的组织密度的差异并生成指示所述差异的第二信号。

22.根据权利要求20到21中的任一项所述的数据补偿器（120），还包括：

显示所述图像数据、所述第一信号或所述信号中的至少一个。

23.根据权利要求20到22中的任一项所述的数据补偿器（120），其中，所述量化的信息指示肺组织的通气。

24.根据权利要求23所述的数据补偿器（120），其中，跨运动相位的组织密度没出现变化指示疾病的出现。

25.一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令当由计算机执行时，令所述计算机执行如下动作：

基于补充的运动矢量场来重建投影数据并由此生成图像数据，所述补充的运动矢量场对跨不同运动相位的运动器官的运动变化和组织密度变化两者进行补偿。

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