CN103908278B - 图像重建方法及装置、医疗成像系统 - Google Patents

Abstract

一种图像重建方法及装置、医疗成像系统，其中图像重建方法包括根据由透射计算机断层扫描或核磁共振对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像；基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜；采用正电子发射断层重建摄影对所述受检者进行扫描以得到发射弦图，在所述发射弦图上记录有发射数据；利用所述轮廓滤镜对所述发射弦图进行过滤以得到在所述轮廓滤镜范围内的发射数据；基于所述初始图像和所述轮廓滤镜范围内的发射数据进行图像重建。本技术方案提高了图像重建的速度和精确度。

Description

图像重建方法及装置、医疗成像系统

技术领域

本发明涉及医疗成像技术领域，特别涉及图像重建方法及装置、医疗成像系统。

背景技术

在医用成像领域，正电子发射断层成像系统（Positron EmissionTomography，简称PET）的使用正在增加。在PET成像中，通过使受检者注入放射性药剂，根据药剂的物理和生物分子特性，药剂积聚在人体内的特定位置。药剂的实际空间分布、药剂的积聚程度和从投放到最终排出的动态过程都是具有临床意义的因素。

附着在放射性药剂上的正电子放射体根据半衰期或分支比等同位素的物理特性而放射正电子，当放射的正电子与电子碰撞时发生湮灭事件（event），在大多数情况下，湮灭事件产生大致向180度方向放出的两条511KeV的Gamma射线。通过检测两条Gamma射线，并在检测位置间建立连接线（即响应线：LOR，Line-of-response），从而可以推定实际发生湮灭事件的位置。PET成像数据集包括一组所检测到的湮灭事件，可以利用适当的重建算法将其重建成图像，重建图像代表湮灭事件的空间分布。

在现有重建图像中，需要遍历发射弦图上所有的响应线，在实践中计算量非常大，而所有响应线中有包括受检者人体之外的响应线，这些响应线只可能来自于散射，这些来自散射的响应线不是重建图像所需的数据。因此，在进行图像重建过程中，如果能够排除这些来自散射的响应线，将使得图像重建的计算量减少，提高计算速度，但现有技术还没有理想的解决方案。

更多关于PET成像的技术方案可以参考公开号为CN102028485A、发明名称为“PET扫描仪系统以及其中的图像重建方法”的中国专利申请文件。

发明内容

本发明解决的是现有采用正电子发射断层重建摄影对受检者扫描后图像重建的计算量大的问题。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种图像重建方法，包括：根据计算机断层成像系统或磁共振成像系统对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像；基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜；采用正电子发射断层成像系统对所述受检者进行扫描以得到发射弦图，在所述发射弦图上记录有发射数据；利用所述轮廓滤镜对所述发射弦图进行过滤以得到在所述轮廓滤镜范围内的发射数据；基于所述初始图像和所述轮廓滤镜范围内的发射数据进行图像重建。

可选地，所述基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜包括：对所述衰减图像进行正投影以得到衰减弦图；设定衰减阈值；将所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值的部分确定为所述受检者在所述衰减弦图上的轮廓滤镜。

基于上述图像重建方法，本发明实施例还提供了一种图像重建装置，包括：初始图像确定单元，用于根据由透射计算机断层成像系统或磁共振成像系统对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像；轮廓滤镜确定单元，用于基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜；发射弦图获取单元，用于采用正电子发射断层成像系统对所述受检者进行扫描以得到发射弦图，在所述发射弦图上记录有发射数据；过滤处理单元，用于利用所述轮廓滤镜确定单元确定的轮廓滤镜对由所述发射弦图获取单元得到的所述发射弦图进行过滤以得到在所述轮廓滤镜范围内的发射数据；图像重建单元，用于基于所述初始图像确定单元确定的初始图像和所述轮廓滤镜范围内的发射数据进行图像重建。

本发明实施例还提供了一种医疗成像系统，包括上述图像重建装置。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

通过透射计算机断层成像系统（Computed Tomography，简称CT）或磁共振成像系统（Magnetic Resonance，简称MR）对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像，并将该衰减图进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜。在对受检者进行正电子发射断层重建摄影扫描后得到发射弦图，利用该轮廓滤镜过滤掉发射弦图上在受检者身体范围之外的发射数据，从而在后续对发射弦图进行图像重建的过程中，只需要遍历该轮廓滤镜范围之内的发射数据，提高了图像重建的速度，并且在图像重建过程中通过所设定的初始图像可以将受检者轮廓之外的像素值置零，提高了图像重建的精确度。

附图说明

图1是本发明的一种图像重建方法的实施方式的流程示意图；

图2a是CT系统中的两个探测器之间的连线投影到x-o-y平面的示意图；

图2b是将图2a所示的x-o-y平面拓展到三维空间中两个探测器的连线的示意图；

图3a是PET系统中不同响应线投影到x-o-y平面的示意图；

图3b是图3a中各条响应线对应于发射弦图上记录发射数据的坐标示意图；

图4是本发明的一种图像重建装置的实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示的是本发明的一种图像重建方法的实施方式的流程示意图。参考图1，所述图像重建方法包括：

步骤S1：根据由透射计算机断层扫描或核磁共振对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像；

步骤S2：基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜；

步骤S3：采用正电子发射断层重建摄影对所述受检者进行扫描以得到发射弦图，在所述发射弦图上记录有发射数据；

步骤S4：利用所述轮廓滤镜对所述发射弦图进行过滤以得到在所述轮廓滤镜范围内的发射数据；

步骤S5：基于所述初始图像和所述轮廓滤镜范围内的发射数据进行图像重建。

下面结合具体实施例对上述图像重建方法的实施方式进行详细描述。

如步骤S1所述，根据由透射计算机断层扫描或核磁共振对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像。

在本实施例中，由于后续是采用图像迭代重建的方法来进行正电子发射断层重建摄影（PET）图像重建，而迭代算法是一种全空间的算法，在进行图像重建过程中必须保证投影空间的发射弦图上的数据与图像空间中的数据严格对应，因此需要得到一个受检者的初始图像。按照本步骤所述，可以采用透射计算机断层成像系统扫描（即CT扫描）或磁共振成像系统扫描（即MR扫描）对受检者进行扫描后得到的衰减图像来确定一个初始图像。其中，通过所述透射计算机断层扫描或者核磁共振对受检者进行扫描生成衰减图像的过程可以通过现有技术来实现，在此不再赘述。

所述衰减图像是图像空间内的一个三维图像。以CT扫描为例，对受检者扫描后得到的衰减图像是源于CT系统的重建图像，也就是说通过CT系统对受检者进行扫描后得到一个投影空间内的弦图，利用滤波反投影算法对该弦图进行重建得到一个图像空间内的三维的衰减图像，在所述衰减图像上每个像素的数值称为CT值（或者衰减值），该CT值反映是受检者身体内各个器官组织对X射线的衰减能力。

进一步地，由于所确定的初始图像在后续作为用于PET图像重建的初始图像，而通常CT扫描（或MR扫描）的视场要比PET扫描的视场（FOV）小，因此需要结合受检者的三维轮廓模型在空间上对CT扫描（或MR扫描）得到的衰减图像进行扩展以匹配PET成像体积。另一方面，还需要对所述衰减图像中的衰减值（例如CT值）进行变换处理以得到受检者对于Gamma射线的衰减能力，从而得到适用于PET系统的初始图像。其中，对衰减值进行变换处理的方法可以采用现有技术来实现，在此不再赘述。

如步骤S2所述，基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜。在本实施例中，本步骤具体包括：步骤2.1，对所述衰减图像进行正投影以得到衰减弦图；步骤2.2，设定衰减阈值；以及步骤2.3，将所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值的部分确定为所述受检者在所述衰减弦图上的轮廓滤镜。

在本实施例中主要以CT扫描为例进行描述。具体来说，如步骤2.1所述，对所述衰减图像进行正投影以得到衰减弦图。如上文所述，所述衰减图像是一个图像空间中的三维图像，而对该衰减图像经过正投影后得到的是投影空间中的衰减弦图，并且所述衰减弦图是一个四维图像。所述衰减图像的三维空间为x-y-z空间，所述衰减弦图的四维空间为s-φ-z-θ空间，其中，s表示两个探测器连线在x-o-y平面上的投影到圆心的距离，φ表示y轴正方向与响应线的夹角，z表示响应线的z坐标，θ表示响应线与x-o-y平面的夹角。

图2a所示的是CT系统中的两个探测器之间的连线投影到x-o-y平面的示意图，图2b所示的是将图2a所示的x-o-y平面拓展到三维空间中两个探测器的连线的示意图。

结合参考图2a和图2b，所示衰减弦图中的两个维度s和φ可以由探测器d_a和探测器d_b的x坐标和y坐标来表示。具体地，假设在x-o-y平面中探测器d_a的坐标为（x_a，y_a）、探测器d_b的坐标为（x_b，y_b），则s=x_a×cosφ+y_a×sinφ或者s=x_b×cosφ+y_b×sinφ。

所述衰减弦图中的另两个维度z和θ，其中z可以由两个探测器d_a和d_b的z坐标之和来表示。具体地，假设在x-y-z平面中探测器d_a的z坐标为z_a，探测器d_b的z坐标为z_b，则响应线的z坐标为z_a+z_b。θ角度可以根据立体几何中空间直线与平面夹角的计算方法求出，在此不再赘述。

然后，如步骤2.2所述，设定衰减阈值。本领域技术人员知晓，受检者体内的不同器官和组织对X射线的吸收程度各不相同。通常密度越大的区域对X射线的吸收率越高（即对X射线的衰减能力越强、衰减值越高），例如受检者体内的骨骼；密度越小的区域则对X射线的吸收率越低（即对X射线的衰减能力越弱、衰减值越低），例如受检者体内含气体较多的肺部，软组织等，尤其是软组织部分，对X射线的吸收程度接近于水对X射线的吸收程度。而空气由于密度最低，对于X射线的吸收程度最弱，衰减值接近于零。

因此，在本实施例中，为了能够在衰减弦图上勾勒出受检者的轮廓（即所述轮廓滤镜），需要设定一个衰减阈值。优选地，该衰减阈值可以介于空气对X射线的衰减值与水对X射线的衰减值之间。

接着，如步骤2.3所述，将所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值的部分确定为所述受检者在所述衰减弦图上的轮廓滤镜。结合参考图2a和图2b，在实际应用中，CT系统可以沿着s坐标从扫描视场（FOV）外围向中心进行扫描，由于受检者轮廓外围都是空气，其对X射线的衰减值小于所设定的衰减阈值，一旦遇到其对X射线的衰减值大于或者等于所设定的衰减阈值情况下，即可以确定已遇到所述受检者的轮廓边界，由此可以确定所述受检者在所述衰减弦图上的轮廓滤镜。

如步骤S3所述，采用正电子发射断层重建摄影对所述受检者进行扫描以得到发射弦图，在所述发射弦图上记录有发射数据。

具体来说，在本步骤中，受检者体内注入放射性药剂，这些放射性药剂积聚在人体内的特定位置。当放射性药剂放射的正电子与电子碰撞时发生湮灭事件产生大致向180度方向放出的两条511KeV的Gamma射线。在PET系统中通过呈环状分布的接收器（也称为晶体）检测两条Gamma射线，并在检测位置间建立连接线（即响应线），从而可以推定实际发生湮灭事件的位置。所述发射数据就是在某一时刻某条响应线上接收到的一个事件。

需要说明的是，发射数据本身是随机的，并且在PET系统的扫描空间内是连续的，但是在实践中，PET系统不可能精确地记录下扫描空间内任意两点的连线，而只能记录下任意两个接收器之间的连线。也就是说，PET系统中，发射数据是离散的记录数据。

图3a所示的是PET系统中不同响应线投影到x-o-y平面的示意图，图3b所示的是图3a中各条响应线对应于发射弦图上记录发射数据的坐标示意图。

结合参考图3a和图3b，根据接收器da1和接收器db1之间的响应线的s坐标（即s₁）和φ坐标（即φ₁）在发射弦图上记录相应的发射数据。根据接收器da2和接收器db2之间的响应线的s坐标（即s₂）和φ坐标（即φ₂）在发射弦图上记录相应的发射数据。根据接收器da3和接收器db3之间的响应线的s坐标（即s₃）和φ坐标（即φ₃）在发射弦图上记录相应的发射数据。

如步骤S4所述，利用所述轮廓滤镜对所述发射弦图进行过滤以得到在所述轮廓滤镜范围内的发射数据。

具体来说，在PET系统中，对受检者进行扫描后得到的发射弦图上的所有响应线中包括符合事件的响应线和由散射形成的响应线，其中符合事件的响应线都是图像重建所需的响应线，而由散射形成的响应线中位于受检者的轮廓范围之外的响应线是纯散射的数据，这些纯散射的数据不是图像重建所需的数据。因此，在本步骤中，利用上述步骤S2中得到的轮廓滤镜来过滤所述发射弦图，从而获得所述轮廓滤镜范围内的发射数据。

需要说明的是，本实施例中，所述衰减弦图和所述发射弦图都是四维空间（且都是s-φ-z-θ空间）内的图像，CT系统（或者MR系统）中各个探测器的位置分布与PET系统中各个接收器的位置分布是相同的，也就是说，CT系统和PET系统采用同样的离散化记录方式使得所述衰减弦图和所述发射弦图上的点一一对应。这样就可以利用所述衰减弦图上的轮廓滤镜来过滤所述发射弦图上的响应线。

如步骤S5所述，基于所述初始图像和所述轮廓滤镜范围内的发射数据进行图像重建。

具体来说，在本实施例中，采用迭代重建方法对发射弦图进行图像重建，其中重建方法可以采用最大似然期望方法（Maximum Likelihood ExpectationMethod，MLEM）或有序子集最大似然法（Ordered Subset ExpectationMaximization，OSEM）。

在迭代重建过程中，由于迭代算法是一种全空间的算法，在进行图像重建过程中必须保证投影空间的发射弦图上的数据与图像空间中的数据严格对应，利用所述初始图像可以将受检者轮廓范围之外的像素值置零，从而提高图像重建的精确度。进一步地，在图像重建过程中，只需要遍历在所述轮廓滤镜范围内的响应线，也就是说只需要将所述轮廓滤镜范围内的发射数据进行图像重建，从而提高了图像重建的速度。所述迭代重建的算法可以采用现有技术来实现，在此不再赘述。

基于上述图像重建方法，本发明实施例还提供了一种图像重建装置。如图4所示的是本发明的一种图像重建装置的实施例的结构示意图。参考图4，所述图像重建装置1包括：

初始图像确定单元11，用于根据由透射计算机断层扫描或核磁共振对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像；轮廓滤镜确定单元12，用于基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定轮廓滤镜；正电子发射断层重建摄影单元13，用于采用正电子发射断层重建摄影对所述受检者进行扫描以得到发射弦图，在所述发射弦图上记录有发射数据；过滤处理单元14，用于利用所述轮廓滤镜确定单元12确定的轮廓滤镜对由所述正电子发射断层重建摄影单元13得到的所述发射弦图进行过滤以得到在所述轮廓滤镜范围内的发射数据；图像重建单元15，用于基于所述初始图像确定单元11确定的初始图像和所述轮廓滤镜范围内的发射数据进行图像重建。

在具体实施例中，所述轮廓滤镜确定单元12包括：投影处理单元121，用于对所述衰减图像进行正投影以得到衰减弦图；阈值设定单元122，用于设定衰减阈值；滤镜确定单元123，用于将所述投影处理单元121得到的衰减弦图中的衰减值大于或等于所述阈值设定单元122设定的衰减阈值的部分确定为所述受检者在所述衰减弦图上的轮廓滤镜。

其中，所述滤镜确定单元123包括：扫描处理单元（图4中未示出），用于从所述透射计算机断层扫描或核磁共振的扫描视场的外围向中心扫描；边界确定单元（图4中未示出），用于在所述扫描处理单元进行扫描过程中出现所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值的情况下，确定所述受检者的轮廓边界；轮廓确定单元（图4中未示出），用于以所述边界确定单元确定的所述轮廓边界确定所述衰减弦图上的轮廓滤镜。

本发明实施例还提供了一种医疗成像系统，所述医疗成像系统包括如图4所示的图像重建装置。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种图像重建方法，其特征在于，包括：

根据计算机断层成像系统或磁共振成像系统对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像；

基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定所述受检者的位于扫描视场内的轮廓；

采用正电子发射断层成像系统对所述受检者进行扫描以得到发射弦图；

利用所述受检者的位于扫描视场内的轮廓对所述发射弦图进行过滤以得到在所述受检者的位于扫描视场内的轮廓范围内的发射数据；

基于所述初始图像和所述受检者的位于扫描视场内的轮廓范围内的发射数据进行图像重建。

2.根据权利要求1所述的图像重建方法，其特征在于，所述基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定所述受检者的位于扫描视场内的轮廓包括：

对所述衰减图像进行正投影以得到衰减弦图；

设定衰减阈值；

将所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值的部分确定为所述受检者在所述衰减弦图上的轮廓。

3.根据权利要求2所述的图像重建方法，其特征在于，将所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值的部分确定为所述轮廓包括：

从所述计算机断层成像系统或磁共振成像系统的扫描视场的外围向中心扫描；

当出现所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值时，确定所述受检者的轮廓边界；

以所述轮廓边界确定所述衰减弦图上的轮廓。

4.根据权利要求2所述的图像重建方法，其特征在于，所述衰减阈值为介于空气对X射线的衰减值与水对X射线的衰减值之间。

5.根据权利要求1所述的图像重建方法，其特征在于，所述基于初始图像和受检者的位于扫描视场内的轮廓范围内的发射数据进行图像重建的方法为图像迭代重建方法。

6.根据权利要求5所述的图像重建方法，其特征在于，所述图像迭代重建方法采用最大似然期望方法或有序子集最大似然法。

7.一种图像重建装置，其特征在于，包括：

初始图像确定单元，用于根据计算机断层成像系统或磁共振成像系统对受检者进行扫描后得到的衰减图像确定初始图像；

轮廓滤镜确定单元，用于基于对所述衰减图像进行正投影后得到的衰减弦图确定所述受检者的位于扫描视场内的轮廓；

发射弦图获取单元，用于采用正电子发射断层成像系统对所述受检者进行扫描以得到发射弦图；

过滤处理单元，用于利用所述轮廓滤镜确定单元确定的所述受检者的位于扫描视场内的轮廓对由所述发射弦图获取单元得到的所述发射弦图进行过滤以得到在所述受检者的位于扫描视场内的轮廓范围内的发射数据；

图像重建单元，用于基于所述初始图像确定单元确定的初始图像和所述受检者的位于扫描视场内的轮廓范围内的发射数据进行图像重建。

8.根据权利要求7所述的图像重建装置，其特征在于，所述轮廓滤镜确定单元包括：

投影处理单元，用于对所述衰减图像进行正投影以得到衰减弦图；

阈值设定单元，用于设定衰减阈值；

滤镜确定单元，用于将所述投影处理单元得到的衰减弦图中的衰减值大于或等于所述阈值设定单元设定的衰减阈值的部分确定为所述受检者在所述衰减弦图上的轮廓。

9.根据权利要求8所述的图像重建装置，其特征在于，所述滤镜确定单元包括：

扫描处理单元，用于从所述计算机断层扫描或核磁共振的扫描视场的外围向中心扫描；

边界确定单元，用于在所述扫描处理单元进行扫描过程中出现所述衰减弦图中的衰减值大于或等于所述衰减阈值的情况下，确定所述受检者的轮廓边界；

轮廓确定单元，用于以所述边界确定单元确定的所述轮廓边界确定所述衰减弦图上的轮廓。

10.一种医疗成像系统，其特征在于，包括权利要求7至9中任一项所述的图像重建装置。