CN104093360A - 核成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于对检查区域中的对象(3)进行成像的核成像系统(1)。多个X射线源(2)生成作为X射线辐射(5)的第一辐射，其中，所述X射线源被布置为使得所述X射线辐射指示所述对象的性质。探测单元(6)在来自核元素(8)的第二辐射(7)已穿过所述对象之后探测所述第二辐射(7)，并且探测由所述多个X射线源生成的所述第一辐射，由此固有地配准对所述第一辐射和所述第二辐射的所述探测。重建单元(9)基于探测到的第一辐射和探测到的第二辐射来重建所述对象的校正的核图像，其中，所述核图像在所述对象的所述性质方面被校正，并且由于所述固有的配准，而不包括因配准误差造成的图像伪影。
Description
技术领域
本发明涉及用于对检查区域中的对象进行成像的核成像系统、核成像方法和核成像计算机程序。
背景技术
US2010/0331665A1公开了一种用于组合的磁共振(MR)断层摄影和正电子发射断层摄影(PET)成像的装置。所述装置适于记录来自检查区的被检查人的PET图像数据。所述装置包括扫描单元，所述扫描单元用于扫描所述被检查人的预指定区，其中，基于所述扫描确定所述人的轮廓。所述扫描单元包括一个或几个X射线源以及对应的一个或几个X射线探测器，所述一个或几个X射线源用于用X射线辐射照射所述人，所述一个或几个X射线探测器用于探测已从所述人的表面背散射之后的X射线辐射，其中，基于探测到的背散射的X射线辐射来确定所述轮廓。所述装置还包括处理单元，所述处理单元用于基于所确定的轮廓，进行对先前从所述被检查人的所述预指定区记录的PET图像数据的吸收校正。基于所述轮廓(其是由所述扫描单元基于所述扫描确定的)对所述PET图像数据的所述校正相对不准确，使得所述PET图像数据包括伪影。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于对检查区域中的对象进行成像的核成像系统、核成像方法和核成像计算机程序，其中，所述核图像的质量可以得到改善。
在本发明的第一个方面中，提供一种用于对检查区域中的对象进行成像的核成像系统，其中，所述核成像系统包括：
-多个X射线源，其用于生成作为X射线辐射的第一辐射，所述X射线源能够被布置为使得所述X射线辐射指示所述对象的性质，
-探测单元，其用于在来自核元素的第二辐射已穿过所述对象之后探测所述第二辐射，并且探测由所述多个X射线源生成的所述第一辐射，
-重建单元，其用于基于探测到的第一辐射和探测到的第二辐射来重建所述对象的校正的核图像，其中，所述核图像在所述对象的所述性质方面被校正。
由于所述探测单元探测所述第二辐射和所述第一辐射，因而对所述第一辐射和所述第二辐射的所述探测自动地相对于彼此被配准。因此可以没有配准误差地执行对所述校正的核图像的重建，所述重建考虑所述第一辐射和所述第二辐射两者，由此改进所述校正的核图像的质量。
所述X射线辐射指示的所述对象的所述性质优选为所述对象的吸收或移动，其中，所述移动可以由所述对象在不同时间的位置限定。
所述X射线源优选为小型X射线源。
在一个实施例中，所述X射线辐射指示的所述对象的性质为所述吸收，其中，所述多个X射线源被布置为允许所生成的X射线辐射穿过所述对象。所述多个X射线源可以被布置在所述检查区域周围，用于在不同方向生成穿过所述对象的第一辐射，其中，所述探测单元适于在不同方向探测已穿过所述对象的所述第一辐射。尤其地，所述多个X射线源可以被布置为在所述检查区域周围的完整环或部分环。由于所述多个X射线源被布置为使得所述第一辐射在不同方向穿过所述对象，因而不需要绕所述检查区域旋转X射线源，由此简化了所述成像系统的技术结构。来自所述核元素的所述第二辐射可以在所述第二辐射已完全或部分穿过所述对象之后，被所述探测单元探测到。
在优选实施例中，所述重建单元适于基于探测到的第一辐射重建所述对象的衰减图像，所述衰减图像指示所述对象内的吸收分布，并且适于基于探测到的第二辐射和所重建的衰减图像生成衰减校正的核图像。尤其地，所述核元素为PET造影剂，其中，所述探测单元包括围绕所述检查区域用于在不同方向探测所述第二辐射的探测器环，其中，所述重建单元适于基于探测到的第二辐射和所述衰减图像重建衰减校正的PET图像。这进一步提高所述校正的核图像(其在该实施例中为PET图像)的质量。用于探测所述第二辐射的所述探测器环(即所述PET探测器环)与所述多个X射线源的半环或完整环可以相对于彼此轴向偏移，或者它们可以彼此集成。所述核成像系统可以还包括MR扫描单元，用于生成所述对象的MR图像，使得所述核成像系统为具有额外一圈X射线源的PET/MR系统。
在另一实施例中，所述多个X射线源适于被布置在所述对象上，使得所述X射线辐射指示所述对象的移动。所述重建单元可以然后适于基于探测到的第一辐射确定所述对象的所述移动，以及适于基于探测到的第二辐射和所确定的所述对象的移动来重建运动校正的核图像。在该实施例中，所述核元素优选为核单光子发射断层摄影(SPECT)造影剂，其中，所述探测单元包括至少一个伽马照相机，所述至少一个伽马照相机适于在不同方向探测所述第二辐射并且适于探测所述第一辐射，其中，所述重建单元适于基于在所述不同方向探测的所述第二辐射和所确定的所述对象的移动来重建运动校正SPECT图像。这允许生成具有减少的运动伪影或完全没有运动伪影的运动校正SPECT图像。
所述重建单元优选地适于，例如，通过阈值处理或通过使用其他分割技术，来探测各自X射线源在伽马照相机图像内的位置，其中，基于所述X射线源在所述伽马照相机图像内的所述位置，可以在由所述伽马照相机限定的参考坐标系中确定所述对象的移动。由于还由所述伽马照相机采集了形成核数据的探测到的第二辐射，因而所述核数据也相对于由所述伽马照相机限定的所述参考坐标系是已知的。因此可以容易地将所述X射线源在所述伽马照相机图像中的所述位置用于重建运动校正SPECT图像，而不要求所述核数据与探测到的所述X射线源的位置的配准。
进一步优选的是，所述至少一个伽马照相机适于也在不同方向探测所述第一辐射，其中，所述重建单元适于从在不同方向探测的所述第一辐射来确定所述多个X射线源随时间的位置，由此确定所述对象的移动。例如，计算机断层摄影重建技术可以被用于确定所述多个X射线源随时间的位置。这允许准确地确定所述多个X射线源随时间的位置，因此精确地确定所述对象的移动。
还优选的是，所述X射线源适于以预定义的时间模式被激活，其中，所述探测单元适于基于所述预定义的时间模式来探测所述第一辐射。例如，所述探测单元可以适于基于所述预定义的时间模式确定哪个探测到的第一辐射对应于哪个X射线源。在一实施例中，根据所述时间模式，一次仅一个X射线源被激活。而且，所述X射线源可以适于生成具有根据调制特性被调制的强度的X射线辐射，其中，所述探测单元可以适于基于所述调制特性将所述第一辐射与所述第二辐射分开。尤其地，不同X射线源的强度可以根据不同的调制特性被不同地调制，其中，所述探测单元适于基于所述不同的调制特性将来自所述不同X射线源的第一辐射分开。此外，所述探测单元可以适于探测在第一能量范围内的所述第一辐射和在第二能量范围内的所述第二辐射，以将这些探测的辐射彼此分开。这些技术允许通过使用相同的探测单元探测不同种类的辐射。
在本发明的另外一方面中，提供了一种用于对检查区域中的对象进行成像的核成像方法，其中，所述核成像方法包括：
-由多个X射线源生成作为X射线辐射的第一辐射，所述X射线源能够被布置为使得所述X射线辐射指示所述对象的性质，
-由探测单元在来自核元素的第二辐射已穿过所述对象之后探测所述第二辐射，并且探测由所述多个X射线源生成的所述第一辐射，
-由重建单元基于探测到的第一辐射和探测到的第二辐射重建所述对象的校正的核图像，其中，所述核图像在所述对象的所述性质方面被校正。
可以在探测所述第二辐射之前、之后或同时，探测所述第一辐射。
在本发明的另外一方面中，提供了一种用于对对象进行成像的核成像计算机程序，其中，所述核成像计算机程序包括程序代码模块，当所述核成像计算机程序在控制如权利要求1所述的核成像系统的计算机上运行时，程序代码模块令所述核成像系统执行如权利要求14所述的核成像方法的步骤。
应理解，权利要求1所述的核成像系统、权利要求14所述的核成像方法，以及权利要求15所述的核成像计算机程序具有如在从属权利要求中所限定的相似和/或相同的优选实施例。
应理解，本发明的优选实施例也可以为从属权利要求与各自的独立权利要求的任意组合。
参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并将参考下文描述的(一个或多个)实施例阐述本发明的这些和其他方面。
附图说明
在以下附图中：
图1示意性且示范性地示出了为PET/MR成像系统的第一核成像系统的实施例，
图2示意性且示范性地示出了所述PET/MR成像系统的X射线源，
图3示意性且示范性地示出了为SPECT成像系统的第二核成像系统的实施例，
图4示范性地示出了由所述SPECT成像系统的伽马照相机采集的SPECT造影剂的光谱，并且
图5示出了示范性地图示用于对检查区域中的对象进行成像的核成像方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意性且示范性地示出了用于对检查区域中的对象进行成像的核成像系统的实施例。核成像系统1在该实施例中为PET/MR成像系统。
核成像系统1包括多个X射线源2，多个X射线源2用于生成作为X射线辐射的第一辐射5。X射线源2被布置为使得X射线辐射5指示对象3(在该实施例中为躺在台面4上的人3)的性质。核成像系统1还包括探测单元6，探测单元6用于在来自对象3内的核元素8的第二辐射7已穿过对象3之后探测第二辐射7，并且探测由多个X射线源2生成的第一辐射5。重建单元9基于探测到的第一辐射5和探测到的第二辐射7来重建对象3的校正的核图像，其中，所述核图像在对象3的所述性质方面被校正。所重建的衰减校正的PET图像最终被示于显示器10上。
核成像系统1还包括用于采集MR信号的MR信号采集单元13，所述MR信号被提供到重建单元9用于重建MR图像。
X射线源2为小型X射线源，其被布置在所述检查区域周围，用于在不同方向生成穿过对象3的第一辐射5，其中，所述探测单元6适于探测已在不同方面穿过对象3的所述第一辐射。在该实施例中，X射线源2被布置在包括台面4上的对象3的所述检查区域周围的半环中。X射线源2的所述半环被布置在垂直于台面4的纵轴和人3的纵轴的平面中，如在图2中示意性且示范性所示。X射线源2的所述布置构成被集成在所述PET/MR成像系统中的低水平计算机断层摄影单元，其允许生成衰减图。
重建单元9适于基于探测到的第一辐射来生成指示对象3内的吸收分布的对象3的衰减图像，以及适于基于探测到的第二辐射7和所重建的衰减图像来生成衰减校正的核图像。在该实施例中，所述核元素为PET造影剂，其中，所述探测单元6为围绕所述检查区域用于在不同方向探测第二辐射7的PET探测器环，其中，所述重建单元9适于基于探测到的第二辐射7和所述衰减图像来重建衰减校正的PET图像。
重建单元9可以适于使用计算机断层摄影领域已知的已有扇形束或锥形束重建算法，用于重建可以被视为是X射线透射图的低水平断层摄影图像。重建单元9考虑相对于横向于扫描器的轴的平面的斜的射线角。例如，重建单元9可以使用考虑斜的射线角的已知版本的Feldkamp算法，如在B.Chen等人的文章“Cone-beam volume CT breast imaging:Feasibility study”(Medical Physics，第29卷，第5号，755至770页(2002年))中所公开的，在此通过引用并入该文章)。重建9也可以适于使用迭代重建算法，用于重建所述低水平断层摄影图像。例如，可以计算采集几何形态的系统矩阵，由此将重建问题转换为线性方程组，所述线性方程组可以由所述重建单元通过已知的迭代算法来求解，所述已知的迭代算法如最大似然期望最大化(MLEM)或代数重建技术(ART)算法。
所述低水平计算机断层摄影图像为X射线衰减图像，其被重建单元9变换成针对具有约511keV的能量的PET光子的衰减值。可以通过使用在PET/CT领域已知的变换，例如借助于从Hounsfield单位到针对511keV的所述衰减值的已知双线性变换，来执行所述X射线衰减图到针对511keV的衰减值的该变换。得到的针对511keV光子的衰减图与探测到的来自PET造影剂8的第二辐射一起，被重建单元9用于通过使用已知的重建和校正方法来生成所述校正PET图像。例如，可以使用在P.E.Valk等人的书中“Positron Emission Tomography–Clinical Practice”(Springer-Verlag LondonLimited，第12至13页(2006年))；W.Wang等人的文章“Systematic andDistributed Time-of-Flight List Mode PET Reconstruction”(Nuclear ScienceSymposium Conference Record，第3卷，第1715至1722页(2006年))；以及M.E.Daube-Witherspoon等人的文章“Application of the row actionmaximum likelihood algorithm with spherical basis functions to clinical PETimaging”(Nuclear Science，第48卷，第24至30页(2001年))中公开的重建与校正方法，在此通过引用并入这些参考文献。
核成像系统1还包括用于控制MR信号采集单元13的控制器11、成像系统1中至少包括所述PET探测器环的PET部分14、X射线源2和重建单元9。
X射线源2的数目可以相对地大，例如，核成像系统1可以包括5至100的数目的X射线源。它们可以被布置在如图2中示意性且示范性示出的半环中，或者它们可以被布置在完整环中或完整环的选择的段中。所述环优选地相对于PET探测器环6轴向偏移。
X射线源2的所述布置不需要被旋转(如在常规X射线计算机断层摄影扫描器中那样)，而是在每个时间点仅一个X射线源2可以被激活，使得各自给定X射线源与所述PET探测器元件的组合，可以良好地限定通过人3的各自X射线路径，并且可以被用于通过使用已知的计算机断层摄影重建算法(如滤波反投影算法或Radon反演算法)来重建计算机断层摄影图像。也可以以另一种预定义的模式激活X射线源2，其中，所述探测单元6可以适于基于所述预定义的时间模式来探测所述X射线辐射。
X射线源2也可以适于生成具有根据调制特性被调制的强度的X射线辐射，其中，所述探测单元6可以适于基于所述调制特性将所述第一辐射与所述第二辐射分开。而且，可以根据不同的调制特性不同地调制不同X射线源的强度，其中，所述探测单元6可以适于基于所述不同的调制特性将来自不同X射线源的X射线辐射分开。为基于所述调制特性探测某个X射线源的X射线辐射，所述探测单元可以使用锁相技术或傅立叶变换。可以例如通过所述调制频率定义所述调制特性。例如可以用不同的调制频率调制不同的X射线源2，其中，所述探测单元6可以适于基于各自的频率将源自不同X射线源的X射线辐射分开。例如，探测单元6可以适于基于探测到的第一辐射和第二辐射生成探测信号，适于对探测到的信号进行傅立叶变换，以及适于基于所述各自的X射线源操作的调制频率来确定经傅立叶变换的探测信号的哪个频率分量对应于哪个X射线源。可以例如通过打开和关闭所述X射线源，调制所述强度，其中，以不同的切换频率来操作不同的X射线源，以允许所述探测单元将来自所述不同的X射线源对所采集的探测信号的不同贡献分开。所述切换频率在该范例中为所述调制频率。
因此，可以对每个小型X射线源的发射强度进行时间调制，使得以相应的探测技术(如锁相技术或使用傅立叶变换的技术)，可以将所述X射线透射信号(即探测到的信号中指示所透射的X射线辐射的部分)清楚地与因人3内的PET造影剂8的正电子湮灭造成的散射分开，并且还可以清楚地将对应于不同X射线源的X射线透射信号彼此分开。
探测单元6也可以适于探测在第一能量范围中的第一辐射和在第二能量范围中的第二辐射，以将所述第一辐射与所述第二辐射分开。尤其地，可以在远低于511keV附近的PET信号窗口的能量窗口中执行对透射的X射线光子的所述探测。所述X射线辐射，即所述第一辐射，优选地具有约30至约120keV的能量。所述第一能量范围因此优选地覆盖从约30至约120keV的该能量范围，其中，所述第二能量范围优选地包括511keV。为约30至约120keV的所述第一能量范围足够高以提供通过身体组织的足够透射，并且仍在小型X射线源的操作范围内。
上述分开技术允许所述X射线源同时发射所述X射线辐射，同时由所述探测单元生成的所述探测器信号仍可以被解复用。
小型X射线源2优选为电子轰击源。在实施例中，X射线源2可以具有热电阴极，淘汰高压线缆。可以将它们安置在标准TO8包中，所述标准TO8包具有例如15mm的直径和10mm的高度并且由标准9V蓄电池提供动力。它们的发射阳极可以为铍窗口上的铜靶。可以根据热脉冲调节光子通量，其中，可以以例如3分钟的循环时间提供所述阴极的冷却循环。在所描述的PET/MR系统中，各自的X射线源也可以被布置在较大的壳体中，例如185mm×35mm。而且，所述X射线源也可以具有带有银、钨或金靶的发射阳极。在实施例中，所述X射线源为Amptek供给的名为“Cool-X”或“Mini-X”的X射线源；牛津仪器公司的名为“Eclipse”的X射线源；或者Xoft/iCAD公司的X射线源。也可以使用其他X射线源。例如，核成像系统1可以使用包括热电阴极的厘米大小的X射线源，其例如基于铌酸锂并且其在约100keV操作。再其他可能的X射线源为在X射线范围发射的摩擦发光源，以及不是电子轰击型的小型X射线源，例如发射X射线的激光等离子源。
在已知的PET/MR成像系统中，从MR图像生成PET衰减图是个真正的挑战。MR强度没有与光子衰减系数的物理相似性，但示出与材料的中子密度有联系的信号。由于例如骨与空气两者在MR图像中均呈现黑色，而它们在PET光子衰减方面截然不同，因此射线值映射不起作用。PET图像——其根据基于MR的衰减图被校正——因此包括伪影，这是由所述基于MR的衰减校正造成的。
在已知的顺序PET/MR成像系统中，在所述PET成像数据的采集之前大致10至20分钟，采集充当衰减图的基础的MR图像。这得到因在所述PET扫描之间或期间的患者运动造成的所述PET成像数据与所述衰减图之间可能的几何错配。相反，上文参考图1描述的核成像系统1则允许在所述PET扫描期间采集一个或多个衰减图。这可以得到所重建的PET图像的较好的图像质量和定量化。
而且，已知的PET/MR成像系统使用算法，用于通过对人的几何形态或图像内容进行假设，来从MR图像提取衰减信息。这些假设可能不适用解剖结构改变了的先前操作的人或用于临床前研究的动物对象。相反，上文参考图1描述的重建单元9优选地不进行这些假设，而是通过使用探测到的第一辐射，即通过使用探测到的透射的X射线辐射，来记录衰减材料的真实分布。
此外，金属植入物，如牙科填充物、髋关节置换物、起搏器、用于化疗的植入港等等为MR成像器带来严重的成像问题。尤其地，在MR图像中存在强扭曲或甚至直接是丢失信息，即似乎在所述MR图像中可见所述人中的“空洞”，其被转化为用于生成衰减校正的PET图像的所述衰减图。相反，由上文参考图1描述的核成像系统1生成的所述衰减图可以生成低水平计算机断层摄影图像，其中，已知的金属伪影减少算法(其在X射线CT领域是已知的)可以被用于减少金属伪影。所述校正PET图像的所述生成则可以基于该金属伪影校正的低水平计算机断层摄影图像，由此减少所述校正PET图像中可能因金属植入物造成的伪影。
此外，在已知的PET/MR成像系统中，所述MR信号采集单元的横向视场半径一般小于所述PET采集单元的视场半径。这可能导致被截断的MR信息，例如人的手臂的部分可能丢失，这导致截短的衰减图，而上文参考图1所描述的核成像系统1允许基于探测到的第一辐射来生成未截断的衰减图。
而且，在已知的PET/MR成像系统中，MR图像信息可能被几何扭曲，这可能导致不一致的衰减图。上文参考图1所描述的核成像系统1允许基于探测到的第一辐射生成几何准确的衰减图，这得到校正PET图像的质量改进。而且，所述重建单元也可以适于基于所述低水平计算机断层摄影图像校正所述MR信息的所述几何扭曲。
所述几何扭曲(其可以使用所述低水平计算机断层摄影图像被校正)因可以可能是由所述MR成像系统的受限的视场造成的。例如，人的部分(例如手臂)因受限的视场而可能未被示于所述MR图像上。在实施例中，为了执行所述校正，在MR图像中提取人的轮廓并将其与所述低水平计算机断层摄影图像中对应的轮廓进行比较。如果这两个轮廓之间的偏差大于预定义的阈值，则可以用来自所述低水平计算机断层摄影图像的图像信息填充所述MR图像中对应的图像区域。在例如Z.Hu等人的文章“MR-basedAttenuation Correction for a Whole-body Sequential PET/MR System”(IEEENuclear Science Symposium Medical Imaging Conference，第2119-2122页(2010年))中，公开了该已知校正技术的更多细节，在此通过引用将其并入。几何扭曲也可能是由诸如所述人内的金属植入物金属元件造成的。所述金属植入物导致金属伪影，其在所述MR图像中可见为相对大的黑色区域。可以用来自所述低水平计算机断层摄影图像中的对应区域的图像信息来填充这些黑色区域。
图3示意性且示范性地示出了用于对检查区域中的对象进行成像的核成像系统的另外的实施例。图3中示出的核成像系统101包括多个X射线源102，用于生成作为X射线辐射的第一辐射105，其中，所述X射线源102被布置为使得X射线辐射105指示对象3的性质。在该实施例中，X射线源102被布置在躺在台面4上的人3上，使得X射线辐射105指示人3的移动。因此，在该实施例中，所述对象的性质不是如上文参考图1和图2所描述的其他实施例中的衰减，而是，所述X射线辐射指示的所述性质为所述对象的移动，其中，所述移动可以由所述对象在不同时间的位置限定。
核成像系统101为SPECT成像系统，其包括探测元件106，用于在来自核元素108的第二辐射107已穿过对象3之后，探测所述第二辐射107，并且探测第一辐射105，即由多个X射线源102生成的所述X射线辐射。在该实施例中，核元素108为SPECT造影剂，其中，所述探测单元106包括至少一个伽马照相机，其适于在不同方向探测核辐射107，即来自SPECT造影剂108的所述第二辐射，并且适于优选地也在不同方向探测第一辐射105。尤其地，所述至少一个伽马照相机可以被安装在旋转机架(图3中未示出)上，用于允许所述至少一个伽马照相机在不同方向探测第一辐射105和第二辐射107。
核成像系统101还包括重建单元109，用于基于探测到的第一辐射105和探测到的第二辐射107来重建对象3的校正的核图像，其中，所述核图像在对象3的所述性质(在该实施例中为人3的移动)方面被校正。尤其地，重建单元109适于基于探测到的第一辐射106来确定人3的所述移动，并且适于基于探测到的第二辐射107和所确定的人3的移动来重建运动校正的核图像。优选地，重建单元109适于从在不同方向探测的第一辐射106来确定多个X射线源102随时间的位置，以确定人3的所述移动。所述核图像可以被适于显示器110上。
X射线源102可以被安装在薄金属箔上，所述薄金属箔可以为铅、钨或钼箔，并且其被提供在带115上。如果在另一实施例中代替带115而使用另一工具(例如粘合剂)来将X射线源102布置在人3上，所述薄金属可以被布置在其他工具上用于附接X射线源102。所述金属箔的厚度和材料被选择为使得来自所述X射线源的所述辐射至少部分地被阻挡，而基本上不阻挡所述第二核辐射。在该实施例中，所述第一辐射在3至50keV的能量范围内，并且所述第二辐射具有约140keV的能量。因此，所述金属箔的材料和厚度优选地适于使得具有约140keV的能量的辐射透过所述金属箔，并且在3至50keV的能量范围内的辐射大多被所述金属箔阻挡。在另一实施例中，可以使用其他附接工具用于将所述X射线源附接到所述人，如从将心电描记电极附接到身体表面已知的附接工具。
X射线源102可以被打开和关闭，甚至对于单次SPECT帧持续时间的小的分数。该切换可以被用于通过诸如简单减法技术的差分技术或通过锁相技术，来将所述第二辐射(即所述原始SPECT图像)与所述追踪信息(即与所述第一辐射)分开。在优选实施例中，通过在原始SPECT散射光谱的低能量部分中操作X射线源102，即通过使用在第二辐射107的低能量部分中的第一辐射105，来增大信号背景比。
X射线源102可以为小型X射线源，尤其是具有丝、场发射、铁电或热点阴极的电子轰击源。它们优选第具有毫米至厘米范围内的直径和相应地小的X射线焦距。它们提供足够的强度以产生至少在探测到的第二辐射107——尤其是所述SPECT光谱——的低能量区域，清楚可见的信号。在一实施例中，所述X射线源为Moxtex公司的名为Magmum的X射线源。然而，也可以使用其他X射线源，例如来自iCAD公司的Axxent类型的X射线源。
SPECT造影剂108例如为Tc-99m。然而其他SPECT造影剂也可以被用于图3中示出的核成像系统。所述伽马照相机例如基于碘化钠，其中，在图4中示意性和示范性地示出了由这样的伽马照相机记录的Tc-99n的光谱，其图示依赖于能量的探测到的第二辐射的强度。。
在图4中，清楚可见在140keV附近的信号峰值以及宽的散射区域。为了实现由X射线源102发射的光子的高信号背景比，所述第一辐射优选在低散射含量的光谱区域。在该实施例中，X射线源102因此被操作为提供3至50keV的能量范围。
重建单元109优选地适于探测所述X射线源在伽马照相机图像内的位置，所述伽马照相机图像是由探测单元106的至少一个伽马照相机随时间采集的，其中，这些所探测的X射线源在所述伽马照相机图像内的位置被重建单元109用于确定X射线源102的移动，并且因此人3的所述运动。可以通过已知的分割技术，探测所述伽马照相机图像内的所述X射线源，所述分割技术可以基于阈值处理，并且重建单元109可以执行对X射线源102随时间的位置的断层摄影重建，用于确定所述运动。具体地，每个X射线源102均可以近似于点状光子源，其中，在实施例中使用两个或多个伽马照相机，以允许重建单元109从单次测量确定X射线源102的中心位置。
为了确定X射线源的所述位置，可以使用标准三维重建技术，其例如从光学追踪系统已知。备选地，可以使用准直，来确定各自X射线源的位置。例如，可以确定由各自的X射线源引起的探测事件的质心，其中，可以假设所述各自的X射线源大致位于一条线上，该线垂直于所述探测单元的探测表面并且在所确定的质心处与所述探测表面相交。如果所述人在正交于该线的方向移动，例如如果所述人在纵向方向移动，则另外的测量将引起所述各自的X射线源的位置大致位于正交于所述探测表面的另一线上。大体上，对所述X射线源在不同时间的位置的所述探测可以得到复杂移动模式。
在实施例中，所述不同时间对应于时间相关的生理参数，如呼吸循环。在该情况中，与采集所述伽马照相机图像同时地，通过使用例如相应的呼吸带测量所述呼吸循环。
重建单元109适于使用所确定的运动，即在不同时间确定的X射线源的位置，来生成运动校正SPECT图像。为了执行该运动校正，可以使用已知的运动校正算法，如在以下文章中公开的所述运动校正算法之一：J.Friedman等人的“Patient motion in thallium-201myocardial SPECT imaging.An easily identified frequent source of artifactual defect”，(Clinical NuclearMedicine，第13卷，第5期，第321-324页(1988年))；G.Germano等人的“Detection and Correction of Patient Motion in Dynamic and StaticMyocardial SPECT Using a Multi-Detector Camera”，(The Journal of NuclearMedicine，第34卷，第1349至1355页(1993年))；以及K.Uchiyama等人的“Performance of the automated motion correction program for thecalculation of left ventricular volume and ejection fraction using quantitativegated SPECT software”，(Annals of Nuclear Medicine，第19卷，第1号，第9至15页(2005年))，在此通过引用并入这些文章。下面将通过简单范例来描述这样的运动校正算法的功能。在不同时间采集的不同的伽马照相机图像可以被视为不同的帧。如果例如所述人已在第五和第六帧之间在所述纵向方向移动2cm，则各自的一个或几个X射线源在所述帧上的质心相应地移位。所述重建单元然后从所述一个或几个X射线源的所述质心的所述移位来确定所述2mm移动，并且通过从所述第六帧开始，在相反的纵向方向将所有核探测事件虚拟移位2cm，在对所述SPECT图像的所述重建期间考虑该移动。
X射线源102可以在不同模式操作。例如，每个X射线源102均可以被操作仅一帧的一小部分。
带有所述至少一个伽马照相机的探测单元106、重建单元109和X射线源102可以受控制单元111控制。尤其地，X射线源102可以被控制为使得它们在需要时被打开并且被打开需要的时间，用于在所采集的伽马照相机图像中清楚地识别所述X射线源。例如，X射线源102可以被控制为使得它们当所述伽马照相机相对靠近各自的X射线源时，发射第一辐射105。尤其地，所述X射线源可以被控制为使得它们在X射线辐射源与伽马照相机之间的距离最小或小于预定义的阈值(例如30cm)时，发射所述第一辐射。由于所述第一辐射在X射线源102与所述伽马照相机之间的光子路径未被人3遮挡，可以针对移动标记信号避免光子衰减和散射效应，即衰减和散射效应没有不利地影响在所采集的伽马照相机图像中对所述X射线源的检测。
人3的运动引起所述活动标记的(即小型X射线源102的)运动。可以从后续标记测量结果提取由所述标记的运动引起的所述标记位置的移位。有关所述标记运动的信息优选地被用于估计人3在SPECT采集期间(即对来自SPECT造影剂108的第二核数据107的采集期间)的运动。
X射线源102可以被控制为使得可以改进对所述第一辐射对所述第二辐射以及对散射背景的区分。例如，可以根据时间模式操作所述X射线源，例如为允许将不同X射线源的信号与彼此和/或与SPECT散射背景分离，以及使对所述人的额外剂量负担最小化。因此，也在该实施例中，所述X射线源可以适于生成具有根据调制特性被调制的强度的X射线辐射，其中，所述探测单元可以适于基于所述调制特性将所述第一辐射与所述第二辐射分开。尤其地，也可以根据不同的调制特性不同地调制不同X射线源的强度，其中，所述探测单元可以适于基于所述不同的调制特性将来自不同X射线源的第一辐射分开。例如，如果以不同的调制频率调制所述不同X射线源，则可以使用锁相技术或傅立叶变换。
所述移动标记的所述分布可以适于所述SPECT采集方案。例如，如果所述伽马照相机仅在某个角度范围上探测所述辐射，则所述X射线源可以被分布为使得它们在探测在该特定角度范围上的所述辐射时，是可见的。尤其地，在心脏SPECT中，一般仅在180度的角度范围上探测核辐射，其中，在该情况中，所述X射线源可以被分布为使得，如果在该180度的角度范围内移动所述伽马照相机，则来自所述X射线源的所述辐射可以被所述伽马照相机探测到。而且，如果所预期的运动具有已知的主方向，例如如果已知所述运动基本上为具有某些主要方向的呼吸运动，则所述X射线源可以被分布为使得在这些主方向中的移动非常好地可探测。
如上文已提及的，可以在不同于所述第二辐射的能量范围(即不同于示踪剂发射谱线)的能量范围内操作X射线源102。因此可以通过将相应的能量窗口应用到由探测单元106采集的所述投影数据，针对X射线源102以及针对所述示踪剂物质，即针对SPCT造影剂108，获得各自的投影数据的集。可选地或额外地，可以使用其他技术用于将探测到的第一辐射与探测到的第二辐射分开。可以从彼此减去例如随着所述X射线源被打开或关闭的子帧，即所述伽马照相机的时间连续图像，其中，在一个图像中所述X射线源被打开并且在另一图像中所述X射线源被关闭。如果可以假设在这些图像的(即这些子帧的)所述采集之间，所述人与所述伽马照相机的所述位置基本上尚未被修改，则这些图像中不对应于所述X射线源的部分也尚未被修改，使得得到的减法图像主要示出所述X射线源，由此将探测到的第一辐射与探测到的第二辐射分开。
由于重建单元109可以适于执行断层摄影重建，用于确定大致为点状X射线源102的中心位置，因此可以以相对高的空间精确度，尤其以高于在对人3内部的SPECT造影剂108的分布的SPECT探测中达到的空间精确度，来从几个投影(即通过在几个不同方向探测的所述第一辐射)估计X射线源102的所述中心位置。
SPECT成像中的典型采集时间大约为半小时。该时间段期间的患者运动可能严重劣化可达到的图像质量。上文参考图3所述的SPECT成像系统校正所述SPECT数据，并因此恢复高SPECT图像质量。由于SPECT成像系统101的探测单元106探测由X射线源102生成的第一辐射105和由SPECT造影剂108引起的第二辐射107两者，因而对应的投影数据被固有地彼此配准。不必须要求另外的运动追踪系统，例如单独的光学运动追踪系统。而且，通过将X射线源102作为活动标记用于探测所述运动，代替例如放射性颗粒，所述标记可以仅在为确定所述人的所述运动所需要时被打开，并且被打开所需要的长度，即使是在复杂时间模式中。这些切换程序可以被用于将对应于所述第一辐射的投影数据与对应于所述第二辐射的投影数据区分开。而且，所述切换可以将被应用于人3的剂量减少到最少。同样个体地调节加速电压得到远低于所应用的SPECT示踪剂的(即SPECT造影剂108的)发射能量的X射线能量的能力，与多能量窗口采集的组合，使得在探测到的第一辐射与探测到的第二辐射之间的所述区分相对地容易。而且，由于可以在相对短的时间间隔中以相对高的强度操作所述X射线源，因此可以相对快速且准确地确定患者位置的改变。
下文中将参考图5中示出的流程图示范性地描述用于对检查区域中的对象进行成像的核成像方法的实施例。
在步骤201中，由多个X射线源生成作为X射线辐射的第一辐射，其中，所述X射线源被布置为使得探测到的X射线辐射指示对象的性质。例如，可以沿围绕所述人的环的部分或沿完整环布置所述X射线源，并且所述X射线源相对于PET探测器环轴向偏移或被集成在PET探测器环内，其中，所述X射线源被操作为使得所述第一辐射在不同方向透过所述人，如上文参考图1所描述。在该情况中，所述第一辐射指示所述人的衰减。可选地，所述X射线源可以被附接到人3的外表面，使得所述X射线源随着人3的移动而移动，如上文参考图3所描述。探测到的X射线辐射则指示人3的移动，即人3在不同时间的位置。
在步骤202中，探测单元在来自核元素的第二辐射已穿过所述人之后探测所述第二辐射，并且探测由所述多个X射线源生成的所述第一辐射。例如，所述探测单元可以包括PET探测器环，所述PET探测器环探测来自PET造影剂的辐射以及由被布置在围绕所述人的环的部分或完整环上的X射线源生成的所述第一辐射。可选地，所述探测单元可以包括一个或多个伽马照相机，其适于探测被给予所述人的SPECT造影剂的辐射和来自被附接到所述人的X射线源的第一辐射。
在步骤203中，由重建单元基于探测到的第一辐射和探测到的第二辐射重建所述人的校正的核图像，其中，所述核图像在所述对象的所述性质方面被校正。例如，所述重建单元可以适于基于所述第一辐射生成衰减图，并且适于基于采集的PET数据(为探测到的第二辐射)并且基于所述衰减图重建所述人的衰减校正的PET图像。可选地，所述重建单元可以适于基于探测的来自被附接到所述人的X射线源的第一辐射来确定所述人的所述运动，以及适于使用所确定的运动来重建所述人的运动校正SPECT图像。
在步骤204中，所重建的校正的核图像被示于显示器单元上。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，在实践要求保护的本发明时，可以理解并实现对所公开实施例的其他变型。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且限定词“一”或“一个”不排除复数。
单个单元或设备可以完成权利要求书中记载的几个项目的功能。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组合这些措施。
诸如由一个或多个单元或设备执行的重建程序和校正程序的计算可以由任意其他数目的单元或设备执行。例如，步骤203可以由单个单元或由任意其他数目的不同单元执行。根据所述核成像方法的所述核成像系统的所述计算和/或对所述核成像系统的所述控制可以被实现为计算机程序的程序代码模块和/或专用硬件。
计算机程序可以被储存/发布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分而提供的介质，例如光学储存介质或固态介质，但也可以被发布为其他形式，例如经由互联网或其他有线或无线电信系统。
权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
本发明涉及用于对检查区域中的对象进行成像的核成像系统。多个X射线源生成作为X射线辐射的第一辐射，其中，所述X射线源被布置为使得所述X射线辐射指示所述对象的性质。探测单元在来自核元素的第二辐射已穿过所述对象之后探测所述第二辐射，并且探测由所述多个X射线源生成的所述第一辐射，由此固有地配准对所述第一辐射和所述第二辐射的所述探测。重建单元基于探测到的第一辐射和探测到的第二辐射，重建所述对象的校正的核图像，其中，所述核图像在所述对象的所述性质方面被校正，并且由于所述固有的配准，而不包括因配准误差造成的图像伪影。
Claims (15)
1.一种用于对检查区域中的对象进行成像的核成像系统，其中，所述核成像系统(1；101)包括：
-多个X射线源(2；102)，其用于生成作为X射线辐射的第一辐射(5；105)，所述X射线源(2；102)能够被布置为使得所述X射线辐射指示所述对象(3)的性质，
-探测单元(6；106)，其用于在来自核元素(8；108)的第二辐射(7；107)已穿过所述对象(3)之后探测所述第二辐射(7；107)，并且探测由所述多个X射线源(2；102)生成的所述第一辐射(5；105)，
-重建单元(9；109)，其用于基于探测到的第一辐射(5；105)和探测到的第二辐射(7；107)来重建所述对象(3)的校正的核图像，其中，所述核图像在所述对象(3)的所述性质方面被校正。
2.如权利要求1所述的核成像系统，其中，所述多个X射线源(2)被布置为允许所生成的X射线辐射(5)穿过所述对象(3)，使得所述X射线辐射(5)指示所述对象(3)的吸收。
3.如权利要求2所述的核成像系统，其中，所述多个X射线源(2)被布置在所述检查区域周围，以用于生成在不同方向穿过所述对象(3)的第一辐射(5)，并且其中，所述探测单元(6)适于探测已在不同方向穿过所述对象(3)的所述第一辐射(5)。
4.如权利要求3所述的核成像系统，其中，所述重建单元(9)适于基于探测到的第一辐射(5)来重建指示所述对象(3)内的吸收分布的所述对象(3)的衰减图像，并且适于基于探测到的第二辐射(7)和所重建的衰减图像来生成衰减校正的核图像。
5.如权利要求4所述的核成像系统，其中，所述核元素(8)为核正电子发射断层摄影(PET)造影剂，其中，所述探测单元(6)包括用于在不同方向探测所述第二辐射(7)的围绕所述检查区域的探测器环，其中，所述重建单元(9)适于基于探测到的第二辐射(7)和所述衰减图像来重建衰减校正的PET图像。
6.如权利要求1所述的核成像系统，其中，所述多个X射线源(102)适于被布置在所述对象(3)上，使得所述X射线辐射(105)指示所述对象(3)的移动。
7.如权利要求6所述的核成像系统，其中，所述重建单元(109)适于基于探测到的第一辐射(105)来确定所述对象(3)的所述移动，并且适于基于探测到的第二辐射(107)和所确定的所述对象(3)的移动来重建运动校正的核图像。
8.如权利要求7所述的核成像系统，其中，所述核元素(108)为核单光子发射断层摄影(SPECT)造影剂，其中，所述探测单元(106)包括适于在不同方向探测所述第二辐射(107)并且适于探测所述第一辐射(105)的至少一个伽马照相机，其中，所述重建单元(109)适于基于在不同方向探测到的所述第二辐射(107)和所确定的所述对象的移动来重建运动校正SPECT图像。
9.如权利要求8所述的核成像系统，其中，所述至少一个伽马照相机还适于在不同方向探测所述第一辐射(105)，其中，所述重建单元(109)适于从在不同方向探测到的所述第一辐射(105)来确定所述多个X射线源(102)随时间的位置，由此确定所述对象(3)的所述移动。
10.如权利要求1所述的核成像系统，其中，所述X射线(2；102)源适于以预定义的时间模式被激活，并且其中，所述探测单元(9；109)适于基于所述预定义的时间模式来探测所述第一辐射(5；105)。
11.如权利要求1所述的核成像系统，其中，所述X射线源(2；102)适于生成具有根据调制特性被调制的强度的X射线辐射，并且其中，所述探测单元适于基于所述调制特性来将所述第一辐射与所述第二辐射分开。
12.如权利要求11所述的核成像系统，其中，不同X射线源(2；102)的强度根据不同的调制特性被不同地调制，并且其中，所述探测单元适于基于所述不同的调制特性将来自所述不同X射线源的所述第一辐射分开。
13.如权利要求1所述的核成像系统，其中，所述探测单元适于探测在第一能量范围内的所述第一辐射和在第二能量范围内的所述第二辐射。
14.一种用于对检查区域中的对象进行成像的核成像方法，其中，所述核成像方法包括：
-由多个X射线源(2；102)生成作为X射线辐射的第一辐射(5；105)，所述X射线源(2；102)能够被布置为使得所述X射线辐射指示所述对象(3)的性质，
-由探测单元(6；106)在来自核元素(8；108)的第二辐射(7；107)已穿过所述对象之后探测所述第二辐射(7；107)，并且探测由所述多个X射线源(2；102)生成的所述第一辐射(5；105)，
-由重建单元(9；109)基于探测到的第一辐射(5；105)和探测到的第二辐射(7；107)来重建所述对象(3)的校正的核图像，其中，所述核图像在所述对象(3)的所述性质方面被校正。
15.一种用于对对象进行成像的核成像计算机程序，所述核成像计算机程序包括程序代码模块，当所述核成像计算机程序在控制如权利要求1所述的核成像系统的计算机上运行时，所述程序代码模块用于令所述核成像系统执行如权利要求14所述的核成像方法的步骤。
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