CN103608845A - 呼吸运动确定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定生物（3）的呼吸运动的呼吸运动确定装置。原始数据提供单元（2）提供分配到不同时间的原始数据，其中，原始数据指示受心脏运动和呼吸运动影响的像心肌顶点的结构，重建单元（6）从所提供的原始数据重建该结构的中间图像。结构检测单元（7）在重建的中间图像中检测结构，呼吸运动确定单元（10）基于所述重建的中间图像中检测到的结构来确定生物的呼吸运动。这样能够以高精确度确定呼吸运动而不依赖于诸如外部呼吸门控设备的跟踪信号和呼吸阶段之间的稳定相关。

Description

呼吸运动确定装置
技术领域
本发明涉及用于确定生物呼吸运动的呼吸运动确定装置、呼吸运动确定方法及相应的计算机程序。
背景技术
已知的组合式正电子发射断层摄影（PET）和计算机断层摄影（CT）系统生成CT图像，将该CT图像与所采集的PET原始数据一起用于重建经衰减校正的（AC）PET图像。然而，呼吸运动可能导致在重建的AC PET图像中产生模糊，并导致不正确的衰减校正，因此降低重建的AC PET图像的质量。为了减小这些对图像质量的不利影响，可以使用运动补偿技术，运动补偿技术通过使用像用于跟踪呼吸阶段的呼吸带的外部呼吸门控设备将呼吸周期分成预定的少数呼吸阶段。运动补偿技术的质量取决于通过外部门控设备产生的跟踪信号与呼吸阶段之间的稳定相关，这种相关是很难实现的。因此跟踪信号和呼吸阶段之间的相关经常有相对较低的精确度，这降低了确定呼吸阶段的质量，并因此降低了基于所确定的呼吸阶段重建PET图像的质量。
发明内容
本发明的目的被视为提供一种用于确定生物的呼吸运动的呼吸运动确定装置、呼吸运动确定方法和计算机程序，其允许提供改进的呼吸运动补偿。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于确定生物的呼吸运动的呼吸运动确定装置，其中，所述呼吸运动确定装置包括：
-原始数据提供单元，其用于提供分配给不同时间的原始数据，其中，所述原始数据指示结构，所述结构受生物心脏运动和呼吸运动影响并且是所述生物的结构，其中，所述原始数据能够用于重建所述结构的图像，
-重建单元，其用于从所提供的原始数据重建所述结构的中间图像，
-结构检测单元，其用于在重建的中间图像中检测结构，
-呼吸运动确定单元，其用于基于重建的中间图像中检测的结构来确定生物的呼吸运动。
由于呼吸运动确定单元基于受心脏运动和呼吸运动影响并在中间图像中检测到的结构确定生物的呼吸运动（中间图像是从分配给不同时间的原始数据重建的），因而可以不依赖外部呼吸门控设备的跟踪信号和呼吸阶段之间的稳定相关而确定呼吸运动。这样能够以高精确度确定呼吸运动，这又能够改善运动补偿技术，用于重建经过呼吸运动补偿的图像。
该结构优选是心脏的结构。
生物的呼吸运动可以是生物的任何部分的呼吸运动，即，呼吸运动是生物至少一部分的呼吸运动。例如，所确定的呼吸运动是整个肺的或肺的一部分的呼吸运动。所确定的呼吸运动也可以是整个心脏的呼吸运动或该结构的呼吸运动。
原始数据提供单元可以是原始数据采集单元，例如PET数据采集单元、单光子发射计算机断层摄影（SPECT）数据采集单元、CT采集单元、磁共振（MR）采集单元等。不过，原始数据提供单元也可以是存储单元，其中已经存储了原始数据，并且可以从其检索原始数据以提供原始数据。此外，原始数据提供单元也可以是接收单元，用于经由无线或有线数据连接，从（例如）成像装置接收原始数据，其中原始数据提供单元可以适于提供所接收的原始数据。呼吸运动确定装置因此可以是例如计算机系统，其至少包括原始数据提供单元、重建单元、结构检测单元和呼吸运动确定单元，或者呼吸运动确定装置可以是成像系统，其中原始数据提供单元可以是原始数据采集单元。
生物是人或动物。
在优选的实施例中，所述呼吸运动确定装置还包括：
-心脏信号提供单元，其用于提供所述原始数据所分配到的不同时间的心脏信号，其中，所述心脏信号指示心脏周期，
-原始数据分组单元，其用于基于所提供的心脏信号将相同心脏周期的原始数据分组到一组，
其中，所述重建单元适于根据每个组的所述原始数据为相应组重建中间图像。
因此可以将一组中间图像视为包括平均信息的图像，其中，在单个心脏周期内进行平均。于是，所得的中间图像与心脏阶段无关，但仍然取决于呼吸运动。呼吸运动确定单元因此能够独立于心跳确定生物的呼吸运动，由此进一步改善确定呼吸运动的质量。
进一步优选地，所述原始数据提供单元适于提供核原始数据作为原始数据。具体而言，所述原始数据提供单元适于提供PET数据作为原始数据。心脏信号提供单元优选适于提供心电图信号（ECG）作为心脏信号。于是，优选采集PET原始数据，即采集个体PET事件/计数，并与不同的时间，即与其时间戳一起存储。并行地，存储ECG信号，并确定所采集PET原始数据和ECG信号时间戳之间的时间相关。
优选通过从ECG信号中自动确定QRS波群来识别ECG信号中的心脏周期，其中，使用所确定的QRS波群，通过使用（例如）R峰，将原始数据分成与心脏周期相对应的段。优选地，由ECG信号的R到R段定义对应于心脏周期且用于对原始数据分组的时间段。重建单元然后使用原始数据，具体而言，时间段之内的PET计数/事件，针对该时间段，即为在相应时间段之内有时间戳的一组原始数据，重建中间图像。
还优选所述结构检测单元适于检测心肌作为结构。在优选的实施例中，所述结构检测单元适于检测心脏肌肉的顶点作为心脏结构。心肌，尤其是心肌的顶点，一般在中间图像中容易检测，由此能够高质量地检测该结构，用于确定呼吸运动。特别是，如果中间图像是未经衰减校正的（NAC）PET图像，心肌清晰可见，例如比肺或肝结构强度大得多。此外，由于心脏在隔膜的正上方，所以其运动是呼吸运动的直接度量。利用心肌，尤其是心肌的顶点作为确定呼吸运动的结构，因此能够进一步改善确定呼吸运动的质量。
还优选呼吸运动确定单元适于确定重建的中间图像中的结构的位置作为生物的呼吸运动，并根据重建的中间图像中检测的结构的位置针对每个重建的中间图像确定生物的相应呼吸阶段。
进一步优选地，所述呼吸运动确定装置包括呼吸阶段图像集提供单元，用于提供生物的呼吸阶段图像集，其中，所述呼吸阶段图像集包括针对不同呼吸阶段的不同结构图像，其中，所述呼吸运动确定单元适于通过将重建的中间图像中的结构的位置与呼吸阶段图像集中的结构的位置进行比较来确定重建的中间图像的呼吸阶段。具体而言，呼吸运动确定单元适于通过确定所提供呼吸阶段图像集的示出了距重建中间图像中所示结构距离最小的结构的图像并通过将呼吸阶段图像集中具有最小距离的所确定的图像的呼吸阶段确定为重建的中间图像的呼吸阶段，来确定重建的中间图像的呼吸阶段。
呼吸阶段图像集优选是生物的多阶段CT图像或多阶段MR图像集，其中，呼吸阶段图像包括针对不同呼吸阶段的几个CT或MR图像，并且其中，通过确定相应中间图像中的顶点位置和相应CT或MR图像中的顶点位置之间具有最短距离的CT或MR图像，针对中间图像（尤其是中间PET图像）确定呼吸阶段，其中具有最短距离的相应CT或MR图像的呼吸阶段被确定作为相应中间图像的呼吸阶段。
在另一实施例中，所述呼吸运动确定装置包括用于提供生物的呼吸运动模型的呼吸运动模型提供单元，其中，所述呼吸运动模型针对不同呼吸阶段提供不同的要检测结构的位置，其中，所述呼吸运动确定单元适于通过将重建的中间图像中的结构的位置与呼吸运动模型中的结构的位置进行比较来确定重建的中间图像的呼吸阶段。优选地，在确定呼吸阶段之前对齐呼吸运动模型和相应的重建的中间图像。例如，呼吸运动模型也可以对像胸膜、肺顶点、肺尖端、隔膜等解剖特征建模，其中，可以将这些解剖特征用于将呼吸运动模型与相应的重建中间图像对齐。这样能够针对不同的重建的中间图像确定呼吸阶段，无需利用患者特有的呼吸阶段图像，像多阶段CT图像或多阶段MR图像。例如，可以从呼吸运动的CT或MR图像的平均或患者组特有平均值，或从躯干和呼吸运动的简单几何模型，来获得这一运动模型。
进一步优选地，所述呼吸阶段确定单元适于将轨迹拟合到结构的呼吸运动，并基于拟合的轨迹确定呼吸阶段，由此为重建的中间图像定义呼吸阶段。这样能够仅基于重建的中间图像来确定呼吸阶段，而无需利用例如呼吸阶段图像，像多阶段CT图像或多阶段MR图像，或者呼吸运动模型。
优选地，重建单元还适于基于所确定的呼吸阶段重建生物的图像。具体而言，所述重建单元可以适于基于相应呼吸阶段的原始数据针对不同的呼吸阶段重建不同的呼吸阶段图像。可以直接从相应阶段的原始数据，或者通过对相同相应呼吸阶段的重建的中间图像求平均来确定呼吸阶段图像。
优选地，将呼吸周期分成若干呼吸时段，定义对应数量的呼吸阶段。例如，可以将呼吸周期分成十个呼吸时段，定义十个呼吸阶段。对应于同一呼吸时段的中间图像被视为具有相同的呼吸阶段。于是，优选对于每个呼吸时段，基于对应于相应呼吸时段的图像原始数据重建呼吸阶段图像。具体而言，对对应于同一呼吸时段的重建的中间图像求平均，以产生针对呼吸时段，即针对由呼吸时段定义的呼吸阶段的呼吸阶段图像。不同的呼吸时段可以具有相同的长度，即呼吸阶段可以等间距，或者呼吸时段可以具有不同的长度，即，呼吸阶段可以不是等间距的。具体而言，可以从重建的中间图像基于结构的运动状态经验地定义呼吸时段的长度。例如，从重建的中间图像，即从结构的运动，可以确定吸气末状态和呼气末状态，其中可以定义以吸气末状态和呼气末状态为中心的呼吸时段，使得它们比这些状态之间的呼吸时段更大的长度。
还优选地，所述原始数据为核原始数据，其中，所述重建中间图像为重建的核图像，其中，所述呼吸运动确定装置还包括呼吸阶段图像集提供单元，用于提供所述生物的呼吸阶段图像集，其中，所述呼吸阶段图像集针对不同的呼吸阶段包括所述生物的不同衰减图像，并且其中，所述重建单元还适于基于所确定的呼吸阶段和所提供的呼吸阶段图像集对不同的核呼吸阶段图像进行衰减校正。个体呼吸阶段核图像的衰减校正改善这些图像的质量。
在另一优选实施例中，所述原始数据为核原始数据，其中，所述重建中间图像为重建的核图像，并且其中，所述呼吸运动确定装置还包括：a)呼吸运动模型提供单元，用于提供生物的呼吸运动模型，其中，所述呼吸运动模型提供针对不同的呼吸阶段的心脏结构的不同位置，以及b)静态衰减图像提供单元，其用于提供静态衰减图像，其中，所述重建单元适于i)根据所提供的呼吸运动模型将静态衰减图像变形，以针对不同的呼吸阶段产生不同的衰减图像，以及ii)基于针对相应的重建的中间图像的呼吸阶段产生的衰减图像，对每个重建的中间图像进行衰减校正。这样允许即使在不为每个呼吸阶段提供衰减图像时也能够执行衰减校正。
提供的静态衰减图像可以是生物的静态衰减图像，它是或者基于（例如）生物的CT图像，或者提供的静态衰减图像不基于具体的实际生物，而是基于例如不同人的衰减图像的平均值，其中，可以从对应于特定呼吸阶段或整个呼吸周期的原始数据重建这些衰减图像的每个。
还优选地，所述重建单元适于配准不同的呼吸阶段图像并对配准的呼吸阶段图像求平均以产生静态图像。此外，呼吸运动确定装置可以包括衰减图像提供单元，用于提供对象的衰减图像，其中，重建单元适于基于提供的衰减图像对静态图像进行衰减校正。提供的衰减图像优选是静态衰减图像。
在另一实施例中，所述重建单元适于从所述原始数据和所确定的呼吸运动来重建呼吸运动补偿图像。
重建单元可以适于直接地从原始数据或间接地从原始数据（即利用例如中间运动状态）图像来重建呼吸运动补偿图像，然后可以根据所确定的呼吸运动组合它。为了重建运动状态图像，可以将原始数据分成若干组，例如，分成10个组，定义若干运动状态，其中，对于每个组，可以基于相应组的原始数据重建运动状态图像。例如，可以利用对应的衰减图对经过呼吸运动补偿的图像进行衰减校正。
在实施例中，可以提供呼吸运动模型，其根据所确定的结构呼吸运动，尤其是根据心肌顶点的呼吸运动，描述生物整个胸廓区域的呼吸运动。具体而言，这种呼吸运动模型能够定义具有呼吸运动的不同肺区域的位移。因此能够将整个胸廓部分的呼吸运动与原始数据一起用于重建胸廓至少一部分的呼吸得到补偿的图像。在实施例中，可以使用对应于该结构相同位置，从而对应于相同呼吸运动状态的原始数据重建运动状态图像，然后可以根据呼吸运动模型组合它们以重建运动补偿图像。在另一实施例中，可以利用整个胸廓的所确定呼吸运动，校正原始数据的呼吸运动，其中，然后可以重建经运动校正的原始数据以产生呼吸运动补偿图像。例如，如果原始数据是PET数据，每条相应的响应线可以根据整个胸廓的所确定呼吸运动移动。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于确定生物呼吸运动的呼吸运动确定方法，其中，所述呼吸运动确定方法包括：
-由原始数据提供单元提供分配给不同时间的原始数据，其中，所述原始数据指示结构，所述结构受生物的心脏运动和呼吸运动影响并且是所述生物的结构，其中，所述原始数据能够用于重建所述结构的图像，
-由重建单元从所提供的原始数据重建所述结构的中间图像，
-由结构检测单元在重建的中间图像中检测结构，
-由呼吸运动确定单元基于所重建的中间图像中检测的结构确定生物的呼吸运动。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于确定生物呼吸运动的计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码模块，当在控制根据权利要求1所述的呼吸运动确定装置的计算机上运行所述计算机程序时，所述程序代码模块令所述呼吸运动确定装置执行根据权利要求14所述的呼吸运动确定方法的步骤。
应当理解，根据权利要求1所述的呼吸运动确定装置、根据权利要求14所述的呼吸运动确定方法和根据权利要求15所述的计算机程序具有如从属权利要求中定义的类似和/或相同优选实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任意组合。
通过参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并将得以阐述。
附图说明
图1示意性和示范性地示出了用于确定生物呼吸阶段的呼吸运动确定装置的实施例，
图2示意性和示范性地示出了ECG信号，
图3示意性和示范性地示出了PET图像，其示出了心脏和心肌顶点；并且
图4示范性地示出了流程图，其示出了用于确定生物呼吸运动的呼吸运动确定方法的实施例。
具体实施方式
图1示意性和示范性示出了用于确定生物呼吸运动的呼吸运动确定装置。在本实施例中，呼吸运动确定装置1为PET成像系统，其可以适于确定躺在工作台4上的人3的呼吸运动，并使用所确定的呼吸运动与采集的PET原始数据一起，重建PET图像。
呼吸运动确定装置1包括原始数据提供单元2，用于提供分配给不同时间的原始数据，其中，原始数据指示人3心脏的结构并且可以用于重建心脏结构的图像，并且其中，心脏结构受到呼吸运动的影响。在这一实施例中，原始数据提供单元2是PET原始数据采集单元，用于采集PET原始数据。PET原始数据为个体PET事件或PET计数，与其相应的采集时间，即，与其时间戳一起被提供。呼吸运动确定装置还包括心脏信号提供单元11，用于提供原始数据所分配到的不同时间的心脏信号，其中，心脏信号指示心脏周期。心脏信号优选是ECG信号，在时间上与PET原始数据的时间戳相关。
呼吸运动确定装置1还包括原始数据分组单元5，原始数据分组单元5用于基于所提供的心脏信号对相同心脏周期的原始数据分组，其中，重建单元6适于根据每个组的原始数据针对相应组重建中间图像。为了对原始数据进行分组，从而将属于相同心脏周期的原始数据分配到相同组，可以通过从ECG信号自动确定QRS波群来识别ECG信号中的心脏周期。
图2示意性和示范性示出了在线14之间具有QRS波群的这种ECG信号16。QRS波群通常是ECG信号16的中心最明显可见的部分。具体而言，QRS一般包括ECG信号16的R峰15。原始数据分组单元5优选适于利用R峰将原始数据分割成与心脏周期相对应的段。于是，优选地，由ECG信号16的R到R段定义对应于心脏周期且用于对原始数据分组的时间段。优选将属于ECG信号16同一R到R段的所有原始数据分到同一组中。可以将所得的中间图像视为心脏周期上的一种平均值，使得中间图像与心脏阶段无关，但仍然取决于呼吸阶段。
呼吸运动确定装置1还包括结构检测单元7，用于在重建的中间图像中检测心脏结构。在这一实施例中，结构检测单元7适于检测心肌的顶点作为心脏结构。
图3示意性和示范性示出了中间图像，即人3的PET图像17。可以清楚地识别出，由十字指示的心肌18和顶点19是本范例中活动最大的结构。结构检测单元7因此优选检测重建的中间图像中的心肌，之后检测顶点。
呼吸运动确定装置1还包括呼吸运动确定单元10，用于基于在重建的中间图像中检测的结构确定生物的呼吸运动。具体而言，呼吸运动确定单元10适于确定重建中间图像中的结构的位置作为结构的呼吸运动，并根据重建的中间图像中检测的结构的位置针对每个重建的中间图像确定人3的相应呼吸阶段。例如，呼吸运动确定装置1能够包括呼吸阶段图像集提供单元8，用于提供心脏的呼吸阶段图像集，其中，呼吸阶段图像集包括针对不同呼吸阶段的不同心脏图像，并且其中，呼吸运动确定单元10适于通过将重建的中间图像中的结构的位置与呼吸阶段图像集中的结构的位置进行比较来确定重建的中间图像的呼吸阶段。在本范例中，呼吸运动确定单元10适于通过确定所提供的呼吸阶段图像集的示出距重建中间图像中所示结构距离最小的结构的图像并通过将呼吸阶段图像集中确定的具有最小距离的图像的呼吸阶段确定为重建的中间图像的呼吸阶段，来确定重建中间图像的呼吸阶段。呼吸阶段图像集可以是多阶段CT图像或多阶段MR图像集，其中，呼吸阶段图像集包括针对不同呼吸阶段的几个CT或MR图像，并且其中，通过确定示出顶点位置距相应的中间PET图像中所示出的顶点位置距离最短的CT或MR图像，来针对中间PET图像确定呼吸阶段。然后将具有最短距离的相应CT或MR图像的呼吸阶段确定为相应的中间PET图像的呼吸阶段。呼吸阶段图像集也可以是多阶段衰减图像集，其可以基于多阶段MR图像集或多阶段CT图像集，或者可以直接是多阶段CT图像集。多阶段衰减图像集包括针对不同呼吸阶段的不同衰减图像，其中衰减图像的不同区域表示生物的不同元素，具体而言，不同的组织类型，包括不同的相应衰减值。
呼吸周期被分成若干呼吸段，其中，每个呼吸段定义一个呼吸阶段。具体而言，可以通过将呼吸周期分成十个呼吸段，定义十个呼吸阶段。重建单元6优选适于针对每个呼吸阶段，即针对每个呼吸段，基于相应呼吸阶段的原始数据，重建呼吸阶段图像。重建单元6可以适于直接使用相应呼吸阶段的原始数据产生呼吸阶段图像，在本实施例中，即呼吸阶段NA CPET图像，或者重建单元6可以适于对相同相应呼吸阶段的重建的中间NA CPET图像进行平均，以针对相应的呼吸阶段产生呼吸阶段NAC PET图像。
在实施例中，呼吸阶段图像集提供单元8适于基于例如对应的多阶段CT或MR图像，为不同的呼吸阶段提供生物的衰减图像，重建单元6适于基于所确定的呼吸阶段和对应的生物衰减图像对不同呼吸阶段PET图像进行衰减校正。此外，重建单元6优选适于配准不同的经衰减校正的呼吸阶段PET图像并对配准后的呼吸阶段PET图像求平均以产生静态图像。于是，可以通过刚性、仿射或弹性配准，或通过任何其他适当的配准方法，对齐经衰减校正的呼吸阶段PET图像，可以对对齐的呼吸阶段PET图像求平均，以产生呼吸运动补偿的“冻结”NAC PET图像。重建单元还可以适于首先配准NAC呼吸阶段PET图像，并对NAC呼吸阶段PET图像求平均，以产生静态NAC PET图像，其中，然后可以利用对应的衰减图像校正NAC呼吸阶段PET图像。例如，呼吸运动确定装置1可以包括衰减图像提供单元12，用于提供生物的静态衰减图像，其中，重建单元6可以适于基于所提供的静态衰减图像对静态NAC PET图像进行衰减校正。
原始数据分组单元5、重建单元6、结构检测单元7、呼吸阶段图像集提供单元8、呼吸运动模型提供单元9、呼吸运动确定单元10和静态衰减图像提供单元12可以被视为处理设备20的部分，处理设备20可以是计算机，其用于处理原始数据。
可以在显示器13上示出一个或几个重建图像。
至少最后的重建图像优选不仅示出心脏结构，而且示出至少一个感兴趣对象，像要研究的肿瘤。因此所提供的原始数据优选不仅指示心脏的结构，而且指示受呼吸运动影响的感兴趣对象。心脏结构用于确定呼吸运动，其中，然后将所确定的呼吸运动用于利用所确定的呼吸运动来重建感兴趣对象的图像。
呼吸运动确定装置1还可以适于通过另一种方式基于重建的中间图像中检测的结构来确定生物的呼吸阶段。例如，呼吸运动确定装置还可以包括呼吸运动模型提供单元9，用于提供生物的呼吸运动模型，其中，呼吸运动模型针对不同的呼吸阶段提供不同的心脏结构的位置，并且其中，呼吸运动确定单元10适于通过将重建的中间图像中结构的位置与呼吸运动模型中的结构的位置进行比较来确定重建的中间图像的呼吸阶段。具体而言，将心肌的顶点位置映射到呼吸运动模型，用于针对每个重建的中间图像确定相应的呼吸阶段。衰减图像提供单元12因此能够提供生物的静态衰减图像，可以由重建单元6根据所提供的呼吸运动模型使其变形，用于针对不同的呼吸阶段产生不同的衰减图像。衰减图像针对生物的不同要素（像不同种类的组织）包括不同的衰减值，其中，重建单元6可以适于基于静态衰减图像的上述变形产生的相应的重建的中间图像的呼吸阶段的衰减图像，对每个重建的中间图像进行衰减校正。也可以对这些经衰减校正的中间图像进行平均，以产生呼吸阶段图像，其中，呼吸阶段图像是分配到相同相应呼吸阶段的经衰减校正中间图像的平均值。任选地，可以对所得的经衰减校正的呼吸阶段图像，具体而言，AC呼吸阶段PET图像进行配准和平均，以产生呼吸运动补偿的静态图像。在对个体中间图像进行衰减校正的备选方案中，可以对所产生的呼吸阶段图像或任选的静态图像进行衰减校正。此外，并非通过对对应于相同相应呼吸阶段的中间图像求平均值来确定呼吸阶段，可以通过直接使用对应于相应同一呼吸阶段的中间图像的原始数据来重建呼吸阶段图像。
呼吸运动确定装置1可以适于允许通过另一方式确定生物的呼吸阶段。具体而言，在不同的重建的中间图像中检测的心脏结构界定结构的运动，其中，呼吸运动确定单元10可以适于将轨迹拟合到结构的运动，并基于拟合的轨迹确定呼吸阶段，由此为重建的中间图像定义呼吸阶段。在这一实施例中，从所有重建的中间PET图像收集心肌的顶点位置，并将轨迹拟合到不同的重建的中间PET图像中所示的所有顶点位置的叠加或重叠。拟合的轨迹（例如）描述顶点位置沿一条线或椭圆的往复运动。优选通过将轨迹细分成若干框或线段，基于拟合的轨迹来确定呼吸阶段。例如，可以将轨迹细分成十个框或线段，以便定义十个呼吸阶段。由于每个重建的中间图像都包括框或线段之一中顶点位置，通过判断相应中间图像的顶点位置位于哪个框或线段中，将每个重建的中间图像分配到呼吸阶段。对于每个呼吸阶段，然后可以通过对分配到同一呼吸阶段的中间图像求平均或直接使用底层原始数据针对相应的呼吸阶段重建呼吸阶段图像，来确定呼吸阶段图像，在本实施例中为呼吸阶段PET图像。然后可以如上所述，利用例如刚性、仿射或弹性配准，将呼吸阶段图像彼此对齐，其中，可以对对齐的呼吸阶段图像求平均，以确定呼吸运动补偿的单个静态图像。可以利用单个静态衰减图对静态图像进行衰减校正，静态衰减图可以基于CT或MR图像，或者可以在产生呼吸运动得到补偿的静态图像之前对中间或呼吸阶段图像进行衰减校正。
在下文中，将参考图4中所示的流程图示范性描述呼吸运动确定方法的实施例。
在步骤101中，由原始数据提供单元2提供分配给不同时间的原始数据，其中，原始数据指示生物心脏的结构并且可用于重建心脏结构的图像，其中，心脏结构受到呼吸运动的影响。在该实施例中，由PET数据采集单元2采集PET数据，其中PET数据（即PET计数或事件）是打了时间戳的。与采集原始数据并行地，心脏信号提供单元11提供原始数据所分配到的不同时间的心脏信号，其中心脏信号指示心脏周期。在这一实施例中，在采集PET数据的同时，采集ECG信号。
在步骤102中，重建单元6重建中间图像，其至少示出该结构，在本实施例中，即来自所提供原始数据的心肌顶点。具体而言，原始数据分组单元5基于所提供的心脏信号对同一心脏周期的原始数据分组，重建单元6根据每个组的原始数据重建相应组的中间图像。
在步骤103中，结构检测单元7在重建的中间图像中检测结构，并且在步骤104中，呼吸阶段确定单元10将重建中间图像中的结构的位置确定为生物的呼吸运动，并基于重建的中间图像中检测的结构的位置确定生物的呼吸阶段。具体而言，对于每个重建的中间图像，根据重建的中间图像中检测的结构的位置，确定生物的呼吸阶段。例如，可以通过将重建的中间图像中的结构的位置与呼吸阶段图像集中的结构的位置进行比较来为重建的中间图像确定呼吸阶段，呼吸阶段图像集针对不同的呼吸阶段包括不同的生物图像，示出相应呼吸阶段中的结构的位置。此外，可以通过将重建的中间图像中的结构的位置与呼吸运动模型中的结构的位置进行比较来确定重建的中间图像的呼吸阶段，其中，呼吸运动模型为不同的呼吸阶段提供结构的不同位置。还可以将轨迹拟合到中间图像中检测到的结构运动，并如上所述地基于拟合的轨迹确定呼吸阶段。
在步骤105中，重建单元6基于相应的呼吸阶段的原始数据针对不同的呼吸阶段重建不同的呼吸阶段图像。可以直接在相应阶段的原始数据上，或者通过对相同相应呼吸阶段的重建中间图像求平均来进行这种重建。
在步骤106中，例如，利用取决于呼吸阶段的衰减图像（即呼吸阶段不同则衰减图像不同），对呼吸阶段图像进行衰减校正，其中，衰减图像针对不同的生物要素（具体而言，针对不同类型的组织）包括不同的衰减值。
在步骤107中，可以对经过衰减校正的呼吸阶段图像进行配准和平均，以产生呼吸运动得到补偿的经衰减校正的静态图像。
可以将呼吸运动确定装置用于PET/CT成像或PET/MR成像。PET/CT成像和PET/MR成像对癌症管理具有极大影响，因为它们不仅能够检测肿瘤，而且能够进行区分诊断。例如，可以将PET/CT成像和PET/MR成像用于肿瘤对治疗的响应的定量估计。呼吸运动一般会限制PET/CT成像和PET/MR成像的实用性，一方面因为模糊，另一方面因为衰减校正不正确。模糊可能导致过高估计肿瘤体积和/或过低估计示踪剂摄取。不正确的衰减校正可能导致低估示踪剂摄取，具体而言，如果肿瘤接近衰减有特殊变化的器官边界，例如肺的边界。可以从CT图像（尤其是低分辨率CT图像），及其到生物的不同要素（例如空气，脂肪、肌肉、肺等）的分割，导出用于衰减校正的衰减图，即衰减图像。也可以通过类似方式分割MR图像，并用于生成衰减图。衰减图可以是静态衰减图，或者它可以是多阶段衰减图，其可以分别基于多阶段CT或MR图像。多阶段衰减图提供阶段匹配的衰减校正，使得在理想的情况下，例如，可以相对于其底层解剖结构校正PET计数的衰减，并在与解剖结构一致的位置汇总。
当前的运动补偿技术利用外部门控设备，像呼吸带，将呼吸周期分成预定的小数量的，例如十个呼吸阶段，以跟踪呼吸阶段并生成对应于呼吸阶段的时间窗口之内的门控重建。那么这些重建图像中的每个都对应于呼吸周期的个体阶段，并可以利用例如从多阶段CT或MR图像中的肺分割导出的呼吸模型进行正确地叠加。这种门控依赖于跟踪信号和呼吸状态之间的稳定相关，即使利用视觉反馈系统，尤其是音频-视觉反馈系统，甚至是理想地放置了反馈系统，也非常难以实现。因此，使用基于阶段的门控重建的最终图像典型地包含也来自非对应阶段的计数/事件，这会诱发严重的图像伪影。呼吸运动确定装置因此优选适于使用呼吸诱发的心脏运动作为基于解剖学图像的跟踪器，用于确定呼吸阶段。尤其在PET图像中，心肌清晰可见，强度比例如肺或肝结构大得多。由于心脏在隔膜的正上方，所以其运动是呼吸状态的直接度量。不过，呼吸诱发的心脏运动被其跳动运动叠加。典型地，成年人的心脏在安静时每分钟跳动40到80次，从而在大约1秒之后完成心脏周期。呼吸周期通常花费10到15秒。对一次心跳的心脏运动求平均值确定了对应时段期间的平均呼吸状态。可以将此用于查找正确的解剖阶段，既用于衰减校正，又用于重建图像解剖学上一致的叠加。
尽管在上述实施例中，心脏信号是ECG信号，但是心脏信号也可以是指示心脏周期的任何其他信号。例如，可以使用附着于人腕部的心跳传感器，其根据例如脉搏测量来测量心脏周期。
尽管在上述实施例中，从PET图像确定呼吸阶段，但是在其他实施例中，呼吸运动确定装置可以适于从其他成像装置产生的图像（像SPECT图像、CT图像、MR图像、超声波图像等）确定呼吸阶段。
尽管在上述实施例中，已经将在重建的中间图像中的检测到的结构运动确定为生物的呼吸运动，其中，将这种运动用于确定呼吸阶段，所述呼吸阶段用于重建生物的图像，但是呼吸运动确定装置还可以适于基于在中间图像中检测到的结构来确定生物的呼吸运动，而不必确定呼吸阶段，其中所确定的呼吸运动与原始数据一起，可用于重建呼吸运动补偿的图像。例如，可以提供呼吸运动模型，其根据所确定的结构呼吸运动（尤其是根据心肌顶点的呼吸运动）来描述生物整个胸廓区域的呼吸运动。因此能够将整个胸廓部分的呼吸运动与原始数据一起用于重建胸廓至少一部分的呼吸得到补偿的图像。在实施例中，可以使用对应于该结构相同位置，从而对应于相同呼吸运动状态的原始数据重建运动状态图像，然后可以根据呼吸运动模型将它们组合以重建运动补偿图像。在另一实施例中，可以利用整个胸廓的所确定呼吸运动，来校正原始数据的呼吸运动，其中，然后可以重建经运动校正的原始数据以产生呼吸运动补偿图像。例如，如果原始数据是PET数据，则每条对应的响应线可以根据整个胸廓的所确定呼吸运动移动。
呼吸运动确定装置和方法可以适于用在PET系统中，具体而言，飞行时间PET系统、PET/CT系统、PET/MR系统等中，尤其用于胸廓（特别是肺）中的肿瘤响应评估。
本领域技术人员通过研究附图、公开和所附权利要求，在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变化。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，量词“一”、“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以完成权利要求中列举的几个项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
由一个或几个单元或设备执行的计算可以由任何其他数量的单元或设备执行，像针对重建图像、确定重建和图像的阶段以及相对于衰减校正图像等而执行的计算等。例如，可以由单个单元或由任何其他数量的不同单元来执行步骤101到107。可以将根据呼吸运动确定装置的呼吸运动确定装置的计算和/或控制实现为计算机程序的程序代码模块和/或专用硬件。
计算机程序可以存储和/或发布在适当的介质上，介质例如是与其他硬件一起供应或作为其他硬件一部分供应的光存储介质或固态介质，但也可以以其他形式发布，例如通过互联网或其他有线或无线电信系统。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
本发明涉及一种用于确定生物的呼吸运动的呼吸运动确定装置。原始数据提供单元提供分配到不同时间的原始数据，其中，原始数据指示受心脏运动和呼吸运动影响的像心肌顶点的结构，并且重建单元从所提供的原始数据重建该结构的中间图像。结构检测单元在重建的中间图像中检测结构，呼吸运动确定单元基于重建的中间图像中检测的结构确定生物的呼吸运动。这样能够以高精确度确定呼吸运动而不依赖于例如外部呼吸门控设备的跟踪信号和呼吸阶段之间的稳定相关。

Claims (15)

1.一种用于确定生物（3）的呼吸运动的呼吸运动确定装置，所述呼吸运动确定装置（1）包括：
-原始数据提供单元（2），其用于提供分配给不同时间的原始数据，其中，所述原始数据指示结构，所述结构受所述生物的心脏运动和呼吸运动影响并且是所述生物的结构，其中，所述原始数据能够用于重建所述结构的图像，
-重建单元（6），其用于从所提供的原始数据来重建所述结构的中间图像，
-结构检测单元（7），其用于在重建的中间图像中检测所述结构，
-呼吸运动确定单元（10），其用于基于在所述重建的中间图像中检测到的所述结构来确定所述生物的所述呼吸运动。
2.根据权利要求1所述的呼吸运动确定装置，其中，所述呼吸运动确定装置还包括：
-心脏信号提供单元（11），其用于处于提供所述原始数据所分配到的不同时间处的心脏信号，其中，所述心脏信号指示心脏周期，
-原始数据分组单元（5），其用于基于所提供的心脏信号将相同心脏周期的原始数据分组到一组，
其中，所述重建单元（6）适于根据每个组的所述原始数据针对相应组重建中间图像。
3.根据权利要求1所述的呼吸运动确定装置，其中，所述原始数据提供单元（2）适于提供核原始数据作为所述原始数据。
4.根据权利要求3所述的呼吸运动确定装置，其中，所述结构检测单元（7）适于检测心肌的顶点作为所述结构。
5.根据权利要求1所述的呼吸运动确定装置，其中，呼吸运动确定单元（10）适于：
确定所述重建的中间图像中的所述结构的位置作为所述生物的所述呼吸运动；
根据所述重建的中间图像中检测的所述结构的位置，针对每个重建的中间图像确定所述生物（3）的相应呼吸阶段。
6.根据权利要求5所述的呼吸运动确定装置，其中，所述呼吸运动确定装置还包括呼吸阶段图像集提供单元（8），所述呼吸阶段图像集提供单元用于提供所述生物的呼吸阶段图像集，其中，所述呼吸阶段图像集包括针对不同呼吸阶段的所述结构的不同图像，其中，所述呼吸运动确定单元（10）适于通过将重建的中间图像中的所述结构的位置与所述呼吸阶段图像集中的所述结构的位置进行比较来确定所述重建的中间图像的所述呼吸阶段。
7.根据权利要求5所述的呼吸运动确定装置，其中，所述呼吸运动确定装置（1）还包括呼吸运动模型提供单元（9），所述呼吸运动模型提供单元用于提供所述生物的呼吸运动模型，其中，所述呼吸运动模型针对不同呼吸阶段提供所述结构的不同位置，其中，所述呼吸运动确定单元（10）适于通过将所述重建的中间图像中的所述结构的位置与所述呼吸运动模型中的所述结构的位置进行比较来确定重建的中间图像的所述呼吸阶段。
8.根据权利要求5所述的呼吸运动确定装置，其中，所述呼吸运动确定单元（10）适于将轨迹拟合到所述结构的所述呼吸运动，并且适于基于拟合的轨迹来确定呼吸阶段，由此为所述重建的中间图像定义呼吸阶段。
9.根据权利要求5所述的呼吸运动确定装置，其中，所述重建单元（6）适于基于所述相应呼吸阶段的所述原始数据针对不同的呼吸阶段重建不同的呼吸阶段图像。
10.根据权利要求9所述的呼吸运动确定装置，其中，所述原始数据为核原始数据，并且其中，所述重建的中间图像为重建的核图像，其中，所述呼吸运动确定装置（1）还包括呼吸阶段图像集提供单元（8），所述呼吸阶段图像集提供单元用于提供所述生物的呼吸阶段图像集，其中，所述呼吸阶段图像集针对不同的呼吸阶段包括所述生物的不同衰减图像，其中，所述重建单元（6）还适于基于所确定的呼吸阶段和所提供的呼吸阶段图像集对不同的核呼吸阶段图像进行衰减校正。
11.根据权利要求5所述的呼吸运动确定装置，其中，所述原始数据为核原始数据，其中，所述重建的中间图像为重建的核图像，并且其中，所述呼吸运动确定装置（1）还包括：
-呼吸运动模型提供单元（9），其用于提供所述生物的呼吸运动模型，其中，所述呼吸运动模型针对不同的呼吸阶段提供所述结构的不同位置，以及
-静态衰减图像提供单元（12），其用于提供静态衰减图像，
其中，所述重建单元（6）适于：
-根据所提供的呼吸运动模型将所述静态衰减图像变形，以针对不同的呼吸阶段产生不同的衰减图像，
-基于针对相应的重建的中间图像的呼吸阶段产生的所述衰减图像，对每个重建的中间图像进行衰减校正。
12.根据权利要求5所述的呼吸运动确定装置，其中，所述重建单元（6）适于配准不同的呼吸阶段图像并且适于对经配准的呼吸阶段图像求平均以产生静态图像。
13.根据权利要求1所述的呼吸运动确定装置，其中，所述重建单元（6）适于从所述原始数据和所确定的呼吸运动来重建呼吸运动补偿图像。
14.一种用于确定生物的呼吸运动的呼吸运动确定方法，所述呼吸运动确定方法包括：
-由原始数据提供单元（2）提供分配给不同时间的原始数据，其中，所述原始数据指示结构，所述结构受所述生物的心脏运动和呼吸运动影响并且是所述生物的结构，其中，所述原始数据能够用于重建所述结构的图像，
-由重建单元（6）从所提供的原始数据重建所述结构的中间图像，
-由结构检测单元（7）在重建的中间图像中检测所述结构，
-由呼吸运动确定单元（10）基于在所述重建的中间图像中检测到的所述结构来确定所述生物的所述呼吸运动。
15.一种用于确定生物的呼吸运动的计算机程序，所述计算机程序包括程序代码模块，当在控制根据权利要求1所述的呼吸运动确定装置的计算机上运行所述计算机程序时，所述程序代码模块令所述呼吸运动确定装置执行根据权利要求14所述的呼吸运动确定方法的步骤。
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