CN104159516B - 用于介入式x射线灌注成像的周期性的造影注射和谐波分析 - Google Patents

用于介入式x射线灌注成像的周期性的造影注射和谐波分析 Download PDF

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Abstract

一种用于在灌注成像系统中调节作为图像采样速率的函数的用于注射器(135)的周期性造影剂注射速率信号(IS)的装置(130)和方法，所述图像采样速率由X射线成像器(100)的X射线源(107)‑探测器(109)组件的旋转速度确定。调节造影剂注射速率信号(IS)的频率、周期性以及脉冲宽度，以减轻在时间衰减造影(TAC)信号的样本中的时间信号混叠。

Description

用于介入式X射线灌注成像的周期性的造影注射和谐波分析
技术领域
本发明涉及一种用于支持灌注成像的装置、用于支持灌注成像的方法、用于灌注成像的医学X射线、计算机程序元件以及计算机可读介质。
背景技术
灌注成像可以用于得到软组织中的血液灌注的线索。
当前，灌注成像主要用于纯粹的诊断目的，其中，成像是通过安装在封闭台架中的快速旋转的CT系统实现的。断层摄影重建方法被重复应用到在CT扫描器的成像模块的一系列快速旋转中采集的投影。
关于血液灌注的知识在并非纯粹诊断的介入环境中也可以是有用的，例如在针对神经系统的介入的规划支持中。
WO 2009/040742中描述了一种用于对血液灌注进行成像的方法，其中，灌注被在大面积上全局地映射。
然而，空间分辨率基本被保留的用于缓慢旋转的介入式成像系统(例如C臂型)的断层摄影动态灌注成像方法当前是不可获得的。
发明内容
因此可以需要不同的灌注成像系统。
本发明的目的由独立权利要求的主题解决，其中，其他实施例被并入从属权利要求。
应当指出，下面描述的本发明的各方面同样地应用于支持灌注成像的方法、支持灌注成像的医学X射线成像、计算机程序元件以及计算机可读介质。
根据本发明的一个方面，提供一种用于支持灌注成像的装置，包括：
输入接口，其用于接收针对在灌注成像时段期间X射线扫描器的X射线源围绕对象的振荡运动的频率，其中，采集对象的投影图像的序列，同时造影剂至少部分地灌注在对象的至少一个区域，灌注产生针对该对象区域的X射线衰减信号(TAC)。所接收的X射线源的振荡运动的频率定义针对X射线衰减信号(TAC)的采样速率。在所采集的投影图像的序列中的图像点的序列表示针对对象区域的所述X射线衰减信号(TAC)的时间样本，或者所述X射线衰减信号(TAC)的时间样本可以通过将至少部分断层摄影重建方法应用于投影图像的序列中的点来获得。
所述装置还包括控制单元，其被配置为使用所接收的采样频率来生成用于注射器单元的控制信号，以可变的释放或注射速率将造影剂递送到对象。当被应用于注射器单元时，控制信号导致造影剂注射速率根据脉冲的周期信号随时间变化。由控制器计算脉冲信号的周期性，作为采样速率或采样频率的函数，以减轻在X射线衰减信号样本中的时间信号混叠。
换言之，通过控制功率注射器(“泵”)以预定义的重复周期方式代替单次大剂量注射的方式将造影材料注射进患者的血管系统。重复造影信号具有频率离散的频谱，并且区别于单次大剂量注射的连续频谱。重复注射的规范(即周期性和脉冲宽度)被调节为C-臂系统的速度。选择注射周期性，以避免或至少基本减轻或消除由C-臂系统的低旋转速度引起的信号混叠。混叠将引起TAC样本包括混叠频率，如伪分量，从而致使随后的灌注参数的重建和估计较不准确。换言之，用于支持灌注成像的装置使用特定的造影注射协议，所述特定的造影注射协议允许在足够的准确度水平上提取动态灌注参数，诸如血流量和平均通过时间。所述方法考虑了基于C-臂的X射线系统的低旋转速度，其必须能够重复向前/向后短扫描扫频。如本文所提出的控制器被配置为导致在C-臂的转向点处的图像采集间隙(即，延迟时间)。
所述装置提供用于多种X射线引导的介入过程的改进的工作流程。所述装置允许基本充分时间解析的定量灌注成像而不需要快速旋转的图像采集。换言之，能够获得测量血流量的速度(诸如CBF)的动态灌注参数，因此对诸如仅捕获血液浓度的纯粹的静态灌注参数(诸如CBV)没有限制。
根据一个实施例，控制器被配置为通过调节脉冲注射速率信号的谐波中的至少一个的频率来减轻混叠，使得至少一个谐波的经调节的频率与X射线衰减信号样本的频率频谱中的混叠-分量的频率中的每个相差至少用户可定义的/预设的裕量。
根据一个实施例，控制器被配置为调节脉冲宽度与周期之间的比率，以便基本抑制脉冲注射速率信号的谐波中的可选的一个。根据一个实施例，该比率为1/3，以便抑制第三个谐波。
根据一个实施例，控制器被配置为控制注射器在由扫描器开始图像采集时段之前的阶段中递送造影剂。这避免记录在注射后很快出现的瞬态特征。延迟允许造影剂在图像采集开始前沉降。
根据一个实施例，所述装置还包括信号处理器，其被配置为通过对样本TAC拟合基函数族群中的至少一个基函数来处理所采集的投影图像的序列，以从所采样的TAC中提取至少一个谐波，所述基函数在频率上对应于释放速率信号的至少一个谐波的频率。根据一个实施例，专用动态断层摄影重建方法用于估计在表示感兴趣区域的特定图像区域处的造影TAC的某些特征(例如，注射周期性的谐波)。不要求充分详细的TAC的重建。动态断层摄影重建方法包含时间模型，所述时间模型包括关于造影剂注射信号的周期性的知识。动态断层摄影重建方法能够被称为是专用的，这是因为其使用包括TAC的第一个N(N是用户可选择的)个谐波的(傅立叶)-基函数的模型。因此，调整如本文所提出的重建方法以适应TAC的谱特性，这是因为已经认识到TAC谐波本质上对应于所选的大剂量注射频率的整数倍(1、2、3、……)。
根据一个实施例，基函数族群包括线性上升的函数。这允许导致造影剂的长期积累，这是因为已经观察到这一效应导致由TAC记录的造影水平的步进式上升。
根据一个实施例，信号处理器被配置为将至少一个基函数拟合到针对表示将造影剂供应给对象的供应路径的图像区域的TAC，然后，信号处理器利用至少两个预选择的模型脉冲响应函数中的任何一个与供应路径TAC进行卷积，每个预选择的模型脉冲响应函数表示被成像的对象区域的材料成分，然后，信号处理器将因此获得的卷积函数中的任何一个与对象区域的TAC进行比较，然后灌注参数评估器根据预定义的标准使用最好地拟合到对象区域的TAC的卷积函数中的一个，用于计算灌注参数。
换言之，灌注分析(为了获得例如CBF、CBV、MTT)是由专用的方法通过使用组织中和动脉区域中的经估计的造影特征来完成的。根据一个实施例，通过将组织响应函数的看似合理的模型拟合到经估计的造影特征来使用隐式去卷积途径。
总而言之，如本文所提出的，在CT灌注成像中使用具有预定义的周期性的重复造影注射，而不是单个的大剂量注射。注射周期性被调节到C-臂系统的旋转速度，以避免或至少减轻时间信号混叠。基于时间模型的动态断层摄影重建方法应用于提取响应于周期造影注射的血管系统的低阶谐波。最后，灌注分析是基于考虑所提取的造影谐波的隐式去卷积途径。
所描述的装置可以与任何介入式的X射线C-臂系统一起使用，所述系统能够与可编程的造影泵连接进行交替地向前/向后短扫描旋转采集。在介入期间的灌注成像对关于治疗规划和结果控制的领域特别感兴趣。典型的导管实验室应用包括但不限于颈动脉支架置入、急性中风处置、肿瘤可视化和栓塞、外周血管疾病的处置以及SIM。
简言之，本文提出了一种周期性的造影注射信号及其谐波的分析，以达到计算介入式X射线灌注成像中的灌注参数的目的。
定义
“介入式”X射线成像系统(诸如C-臂扫描器)是指具有相对缓慢旋转的X射线源/探测器组件的任何旋转成像系统。如果在成像采集时段期间，旋转是缓慢的，医疗人员能够在物理上接近地在被成像对象上安全地进行操作而不会冒由旋转部件以对人员引起伤害或损害的方式的意外击中的风险。
如本文所使用的描述非零注射速率的“脉冲”被广义地解释。具体地，其宽度与两个连续脉冲之间的周期(“周期性”)相比可以是该周期性的三分之一，或者可以甚至具有更大的宽度。脉冲不应限于关于周期性的窄的宽度。
“图像时段”是由X射线成像器/扫描器执行被定义的数目的扫描扫频以采集投影图像的序列的周期，然后如本文所述共同处理所述投影图像的序列，以因此获得所期望的灌注参数。
附图说明
现在将参考以下附图描述本发明的范例性实施例，其中：
图1示出了包括灌注成像支持装置的用于灌注成像的X射线扫描器布置；
图2示出了在图像采集期间的图1的布置的操作；
图3是示出灌注处理和涉及的各种信号的示意图；
图4是由灌流图像支持装置处理并生成的信号的频域表示；
图5是用于X射线扫描器和造影剂功率注射器的计时图；
图6是支持灌注成像的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，示出了灌注成像布置100。
其包括C-臂类型的X射线成像器105。X射线成像器105用于采集感兴趣器官111的X射线投影图像P的序列，以支持介入。
在一个实施例中，感兴趣器官是患者108的心脏或脑部。
患者108被放置在检查台上。成像器105包括轴颈被装在轴承上的刚性C-臂结构106。轴颈允许C-臂140围绕通过轴颈的至少一个轴进行旋转。由此，C-臂结构106能够被安置在围绕感兴趣器官111的各种旋转角α处。
C臂106在其一端处承载X射线源107，并且在另一端处承载与所述X射线源107的空间关系相对的探测器109。探测器109包括探测器单元的阵列(未示出)。
在成像时段期间，从X射线源107发射X射线。X射线穿过感兴趣器官111，并且然后在探测器109处被探测。从X射线射束p形成X射线。
每个X射线射束p随着其穿过感兴趣对象111和撞击感兴趣对象111时得到衰减。正是这一衰减的X射线射束在探测器109中的个体探测器单元中被探测。
X射线射束撞击感兴趣区域111的入射角(“投影方向”或“视图”)由旋转或成角角度α定义。在实践中，C-臂可以提供围绕多个轴的旋转，因此之后实际视图由角度元组(α、β、...)定义。由每个个体X射线射束p经历的衰减程度取决于射线p穿过的组织的类型和量。每个衰减的X射线束p撞击在探测器单元上，并在探测器单元上生成与衰减程度成反比的电信号。在用于撞击X射线射束p的每个探测器单元处生成的电信号然后经由数据采集模块被转换为编码与衰减不一致的对应的灰度值的像素值。像素值i、j构成矩阵，并且然后被存储为投影图像的序列P(α，ti)，每个投影图像在时间ti处在特定的投射方向α上获得。
在图像采集时段期间采集投影图像的序列P。用于每个单次扫描扫频dsi的每个个体投影图像沿图2所指示的弧线或动作α最小值-α最大值内的不同投影方向被采集。然后，投影图像的序列P可以被存储在数据库DB中。投影图像P可以以DICOM格式被存储。DICOM格式包括针对每个投影图像编码的元数据，所述投影图像在所述投影方向上与其采集时间t一起被采集。
在图像采集之前或在图像采集期间，造影剂经由功率注射器135给予至患者108的血液，以使造影剂灌注感兴趣器官或至少其相关部分。在组织中的造影剂的辐射不透明度高于单独组成感兴趣区域111的软组织的辐射不透明度。在成像时段期间，随着时间的推移，在一个注射器135动作循环中给予的造影剂的量(“大剂量”)累积在感兴趣区域111中，并且其在其中的浓度随时间变化，因此组成大剂量造影的模糊不清的足迹的灰度值像素同样在投影图像的序列P之间变化。由于造影剂，在一次扫描中采集的每个投影图像中，C-臂的扫频dsi沿不同投影方向α最小值≤α≤α最大值对感兴趣区域111的投影视图或足迹进行编码。携带造影剂的血液经由通往感兴趣区域111的供应路径SP(例如动脉)流动，从而使造影剂分散遍布所述感兴趣区域111。
灌注成像系统100的整体操作由工作站120控制，所述工作站120具有用于由医学专业人员接收指令的控制台。
灌注成像系统100还包括控制单元130，其被布置为控制造影剂注入注射器泵135的操作。还具有信号处理器140，以处理并跟踪如在投影图像的序列P(α,ti)中记录的造影剂的“足迹”，以因此从图像的序列中提取时间谱信息。然后，谱信息被馈送到灌注参数评估器150，在灌注参数评估器中，一些相关的灌注参数然后被计算并传送至工作站120。诸如CBF(脑血流量)、CBV(脑血容量)、MTT(平均通过时间)的灌注参数描述灌注的临床相关的各方面。给予一组灌注参数，以在屏幕170上以合适的曲线图进行观察，使得医学专业人员可以从中推断与感兴趣器官111的功能有关的医学相关线索。注射器控制单元130、信号处理器140以及灌注参数评估器150的操作将具体参考图4和图5在下文中更详细地进行描述。
图1的部件130、140、150被示为单独的模块，其被布置在分布式架构中，并且连接在合适的通信网络中。所述部件可以被布置为专用的FPGA或硬连接的单机芯片。然而，这仅仅是范例性实施例。在备选实施例中，部件可以常驻于作为软件例程运行的工作站120中。部件可以在合适的科学计算平台(诸如或)中被编程并且然后被转换为被保留在库中的C++或C例程，并且当由工作站120调用时被链接。
现在参考图2，其示出操作期间的扫描器105的正面立视图。投影图像P(α，ti)由向后振荡的C-臂106采集，并且用于在成角范围α最小值-α最大值内的向前的扫频。
图5底部处的时间-成角曲线图示出了在向前扫频与向后扫频之间交替的6个图像采集扫频ds1-6的序列的范例，工作站120在由C-臂106扫过的角弧或角幅度的端点α最小值、α最大值处发出相应的切换信号。针对每个投影图像P(α，ti)的时间指标ti指示在每个扫频dsi中的定时，其中C-臂假定视图α0。在向前扫频或向后扫频期间，，C-臂需要花费ti-ti+1的时间以重复假定任何给定的视图α0。这是确定由扫描器105提供的采样速率的采样周期。
在开始动态扫频dsi的序列之前的准备阶段中执行静态扫频ss。在单个静态扫频期间，尚无造影剂存在于感兴趣器官111中，但在动态扫频dsi的序列期间存在造影剂。然后在静态扫频中采集的投影图像可以用于对在动态扫频dsi中采集的图像进行背景校正(background-correct)。
然后，所采集的投影图像P(α，ti)可以被存储在工作站120上或数据库DB中。投影图像P由数值像素值的矩阵i，j组成。每个像素值描述由像素元素表示的器官的点处的造影剂的衰减。
图3是灌注处理及涉及的各种信号的示意图。如本文所生成的注射速率信号IS(“大剂量信号”)是周期信号，其“脉冲”Ii中的每个表示单个大剂量，因此在重复大剂量中供应造影剂的总数量。注射速率信号IS是描述注射速率如何变化的时间系列。该曲线下方的面积是针对被注射的造影剂总量的量度。造影剂经由相关供应路径SP(例如，馈送至器官111的局部血管系统的动脉)被供应给区域(感兴趣器官)。感兴趣器官与大剂量相互作用，从而“扭曲”大剂量信号为局部时间-衰减曲线的族群TACi,j。因此TAC可以被称为形成对于大剂量输入信号IS的器官特异性响应信号。
根据一个实施例，每个局部TACi,j的样本TACi,j[t]由所采集的投影图像的序列P(α0，ti)之间的一组对应的图像元素i、j(像素的邻域)提供。如果不同的投影图像的图像元素i、j在投影图像的序列P(α0，ti)的相应的图像的采集期间已经由基本穿过感兴趣器官的相同的点的笔直X射线射束引起，则不同的投影图像的图像元素i、j“相对应”。换言之，具有在图像的序列之间的相同行和列的图像元素形成表示感兴趣器官的一部分的图像元素i、j的TACi,j样本。然后，信号处理器140被配置为通过重建来自“投影空间”的TAC样本被转换为3D空间中的TAC样本。
如以下与信号处理器140的操作有关的更详细的说明，“投影空间”中的这一TAC样本然后被转换或变换为3D空间中的样本TACi,j[t]。3D样本TAC是从体素的集合中获得的，当动态断层摄影方法应用于投影图像P(α0，ti)时，所述体素的集合产生中间结果。3D样本TAC是以体素序列的形式，通过首先至少部分地将动态断层摄影方法应用于投影图像P(α0，ti)来获得。
与快速旋转的标准CT系统相比，介入式X射线成像系统被安装在开放的C-臂设备上，所述C-臂设备在速度和运动范围方面具有有限的旋转能力。由于扫描器105的机械布置为介入式系统，在投影图像采集时段期间，限制C-臂106动作，以减慢所谓的“短扫描”运动，其幅度或动作范围α最小值-α最大值略大于半圈旋转。
对于超过延长的时间跨度的这一角度范围的重复覆盖范围，C-臂106需要在每次扫描扫频的结束时围绕其旋转方向转向，并且执行切换的向前/向后扫频模式。此外，C-臂106的旋转速度通常是低的，例如对于单个短扫描扫频为5.5秒。当在向前扫频dsi与向后扫频dsi+1之间转向方向时，要求(通常)2.5秒的额外的延迟405，即，在每次扫频之后C-臂不得不花费相当长的停顿。
因此，8s<ti-ti+1<16s，所以对于C-臂106通常花费8秒与16秒之间以重复地达到观察位置α0的某个角度。就时间采样的方面来说，这样的低采样速率(0.0625Hz至0.125Hz)不足以捕获TAC的快速动态，其将导致只有单个(并且不是如本文所述的重复的)大剂量造影注射被使用。在单个大剂量注射之后的动脉中的典型TAC的连续频率频谱能够包含多达0.1Hz的显著信号分量。参见例如P.Montes的“Dynamic Cone-beam Reconstruction forPerfusion Computed Tomography”，PhD thesis，Univ.Heidelberg(2006年)。在这种情况下，由于时间信号混叠，如上所述的当前C-臂的限制不可能给出TAC的精确恢复。
对于这样的典型的动脉TAC，传统的尼奎斯特采样定理将规定用于精确的TAC重建的系统的0.2Hz的最小采样速率，其对应于C-臂系统的2.5秒最大扫频时间(包括延迟)的要求。这样的快速旋转的C-臂系统目前在介入环境中是不可行的。
总体操作
在第一步骤中，血液灌注成像通过随着时间(例如40秒)跟踪X射线不透明造影剂的空间分布来实施，所述X射线不透明造影剂通过(如由控制器130所控制的)注射器135以在成像时段的过程期间注射的重复大剂量给予到患者的血管系统中。如之前与图3有关所指示的，在一个实施例中，大剂量跟踪由实施动态断层摄影重建方法的信号处理器140实现。其中间结果是造影时间衰减曲线TAC---或所述TAC的一些特征，例如其谐波-针对所生成的体积图像中的每个体素。
在第二步骤中，软组织中的TAC借助对动脉输入TAC的去卷积被归一化，以获得组织脉冲响应函数。去卷积步骤要求对感兴趣区域中的造影TAC的准确估计。在最后的步骤中，一组灌注参数(例如，脑血流量(CBF)、脑血容量(CBV)、平均通过时间(MTT))根据线性系统理论由组织脉冲响应函数的分析来计算。将在下面提供这三个步骤中的每个的细节。
注射器控制器130的操作
从广义上讲，装置130操作以调节大剂量注射信号来因此减轻TAC信号样本中的时间混叠效应。
根据C-臂系统的旋转速度选择重复造影注射的周期性。旋转速度确定断层扫描摄影系统的采样速率。例如，对于执行在扫频之间的每次5.5秒持续时间和2.5秒延迟的切换的向前/向后短扫描扫频dsi的C-臂，最多花费16s(＝2*8s)以达到某个角度位置。这对应于0.0625Hz的采样速率。造影注射周期性由控制器130选择，以避免或至少减轻由采样引起的混叠。用于矩形大剂量注射信号的所选周期性(例如20.5秒)对应于具有在f0＝0Hz、f1＝0.0488Hz、f2＝0.0976Hz、f3＝0.1463Hz等处的谐波的离散信号频谱。范例性矩形大剂量注射速率信号IS被示出在图5的上部。在两个连续的大剂量脉冲Ii、Ii+1的上升沿之间测量周期性。在任意空闲阶段届满之后给予第一次大剂量发射或脉冲I1，同时C-臂驻留在转向点α最小值、α最大值中的任何一个中。然后，在沉降阶段届满之后开始第一次扫频ds1，以避免记录瞬态造影剂特征。在范例中，沉降期为进入大剂量注射阶段15秒，即，第一次扫频ds1在第一次大剂量脉冲I1的上升沿之后开始。
如图4的混叠曲线图中所示，使0次、1次以及(部分地)2次谐波之间的混叠的风险最小化，即，在指示谐波的相关频率f0、f1、f2的实线与指示混叠分量的频率的叉形记号之间没有重叠，对于确定量的谱泄漏是安全的。大剂量信号的离散频谱在图4中由圆圈指示。混叠分量由于采样处理而出现，并且通过将大剂量信号频谱IS位移采样C-臂频率的整数倍来获得。由于血管系统通常被表征为低通系统，因此实际上不会出现较高的频率分量(例如，超出0.2Hz)。在图4中的频率轴上的方块指示旋转C-臂系统的采样速率。
控制器130经由合适的接口器件接收C-臂采样速率，扫描器100以所述C-臂采样速率采集投影图像P。采样速率由X射线源传递或重新访问在角度动作范围α最小值-α最大值内的任何给定的投影角度α0所花费的时间段来定义。在指定脉冲Ii的形状之后，并且基于所接收的C-臂采样速率，用傅立叶分析的控制器130计算大剂量注射频率的第一个n个谐波。使用用于大剂量注射信号的初始的、试验性的频率和所接收的C-臂采样频率，通过构建如图4所示的频率域来进行计算。使用特定的脉冲形状，所述初始大剂量注射信号的第一个n个谐波然后被计算(参见图4的曲线图中的垂直实线上的圆圈)并与混叠分量的频率的频率轴上的投影进行比较。混叠分量在图1中被指示为叉形记号的网格(负的频率分量现在被示出并且由于对称性不需要被考虑在计算中)。
然后，由控制器130将初始频率增加适当选择的增量，频率域表示被重新计算，并且谐波频率被再次与混叠分量频率进行比较。在计算回路中重复进行这一处理，直到第一个n个谐波中的每个的频率被注意到偏离混叠分量频率中的每个至少预设置的裕量Δ最小值。偏离混叠分量频率所期望的裕量的由此确定的0次谐波然后被输出作为经调节的大剂量注射频率，并且然后通过合适的接口器件被转发到注射器单元。根据一个实施例，在图像采集期间执行上述增量优化。在优选实施例中，在用于具有固定旋转速度的具体C-臂的预先校准中进行优化，并且由此获得的大剂量注射频率然后被同样地固定并存储，并且然后在利用由此校准的C-臂扫描器的灌注成像期间重复用于控制功率注射器。
图4中的虚线示出如在常规系统中所使用的单个大剂量注射的连续频谱，这与形成具有离散频率的现有系统的大剂量注射信号的重复脉冲串形成对照。垂直实线示出在图5上部示出的大剂量注射信号的脉冲串的谐波，加粗的垂直线区分被定位在相距如图4中的叉形标记所示的混叠分量频率至少Δ最小值的相关谐波的位置。已经发现，使用针对N个谱分量的N+1次扫频产生令人满意的结果。扫描扫频的数目越大(优选多于两次)，能够获得的空间分辨率越大。
在通过上述优化得到要被构建的注射信号IS的周期性/频率之后，之后指定振幅和脉冲宽度。大剂量注射信号然后被完全指定，并且用于频率/周期性、脉冲宽度、脉冲形状以及振幅的合适的控制参数然后能够用于驱动注射器单元135。注射器单元然后能够根据如此指定的大剂量注射信号变化注射速率。一旦由控制器向注射器单元130发出触发信号，则注射开始。具有大剂量脉冲Ii的范例性的大剂量注射速率信号IS被示出在图5的上部。
根据一个实施例，用于注射信号IS的脉冲Ii的宽度能够由注射泵140的经编程的调制来选择，以抑制不期望的谐波。例如，每个大剂量脉冲Ii的宽度可以被设置为大约注射周期性的1/3，因此大剂量脉冲具有6.5s的宽度，其是注射周期性20.5s的大致三分之一。在这种情况下，如在图4的混叠曲线图中能够看到的，造影信号IS的三次谐波(及其倍数)被抑制。针对这样的脉冲/周期性比率的选择和布置进一步降低由缓慢旋转的C-臂引起的信号混叠的风险。
在优选实施例中，如本文所附的图4、图5中以理想化方式所指示的，脉冲的形状大致是矩形。以这一方式，实现周期性的正方形或矩形波信号。然而，也预期其他信号形状，诸如三角波形式。使用(基本上)三角形状提供甚至对较高等级的谱分量(谐波)的更好的抑制或减弱。然而，在这种情况下，功率注射器必须能够产生三角形注射速率轮廓。
在一个实施例中，在调用切换的C-臂采集之前，应当启动重复的造影注射。在该启动期期间，应当专心于造影注射的短期瞬态阶段；并且采集瞬态信号分量的风险被降低。
用于灌注特征提取的信号处理器140的操作
使用上述计算的用于控制注射器的大剂量注射信号，投影图像P(α，ti)的系列P由成像器100采集，并且然后作为TAC的样本在表示感兴趣区域的相关图像部分中被传递。
根据一个实施例，信号处理器100被配置为仅提取一组TCA的特征，而不是重建针对感兴趣区域的全部TAC。
根据一个实施例，仅是第一个n(通常n<4，诸如n＝3)低阶信号谐波被从造影TAC的样本中提取。
根据一个实施例，基于模型的动态断层摄影重建方法用于诸如在Ch.Neukirchen，M.Giordano，S.Wiesner的“An iterative method for eomographic x-ray perfusionestimation in a decomposition model-based approach”(Med.Phys.37，6125，2010年)中描述的迭代动态重建方法，或在Ch.Neukirchen的“An Extended TemporalInterpolation Approach for Dynamic Object Reconstruction”(Proc.Fully 3Dreconstruction meeting，第379-382页，2011年)中描述的分析动态重建方法。
当使用动态断层摄影重建方法时，TAC样本从在重建期间显现的体素的序列获得。当评估在动态断层摄影重建方法的执行期间的线积分时，来自投影图像P(α0，ti)的序列的体素“崩塌”为有关的体素。如果不要求3D切片的完全重建，一旦得到所有形成TAC[t]样本所要求的体素就能够中止方法，因此节省CPU时间。使用基于这一基于断层摄影体素的途径带来准确度增加的益处，因此样本更好地表示隐含的连续TAC。
在一个实施例中，信号处理器150(基本上为谐波分析仪)被配置为用作包括反映大剂量注射信号的一些已知特性的一组时间基函数的时间模型，以实现对TAC[t]样本的拟合。在一个实施例中，提取TAC的0次、1次以及2次谐波，该组时间基函数然后包括大剂量注射信号IS的对应的三角傅里叶函数，即，针对如图4的范例所示的0次、1次以及2次谐波的常数函数、在f1＝0.0488Hz处的正弦函数和余弦函数、在f2＝0.0976Hz处的正弦函数和余弦函数。
根据一个实施例，线性上升的时间函数被包括在该组基函数中。线性函数近似并引起如在注射期间由器官经历的血管系统中的长期造影剂积累的效应。通常该效应作为造影水平的步进式增加在TAC中变得显而易见。这样的一组6个时间基函数的最终选择具有时间不变的时移独立的便利属性。用于关于注射启动的切换的C-臂采集的精确启动时间的选择不是关键的。
使用来自投影图像的序列之间的相关图像部分的像素或体素信息，估计6个基函数的参数。参数包括“权重”(广义的傅里叶系数)。因此在范例中，存在用于线性函数的权重以及用于0次谐波的一个权重和用于1次谐波和2次谐波中的每个的两个权重(一个用于被表示为复数的权重的实部，一个用于被表示为复数的权重的虚部)。最低限度要求总数为至少6次的C-臂扫频，如在图5的造影注射协议(图5的上部)与旋转采集协议(图5的下部)之间的定时曲线图所示。参数是在由经选择的时间基函数跨越的函数空间中的TAC的“坐标”。基函数坐标然后用于重建TAC的第1个3次谐波的频率分量。
灌注参数评估器150的操作
灌注参数(CBF、CBV、MTT等)由灌注参数评估器150根据从TAC提取的以及由信号处理器140先前重建和估计的TAC的信号谐波和线性上升函数来计算。
针对表示感兴趣区域的所有图像元素(“组织体素”)和表示供应路径SP(诸如动脉)的图像元素，也提取类似的TAC谐波。动脉TAC是与图2有关的上述提到的输入函数，并且
然后基于理论上的线性系统通过针对每个组织体素TAC的隐式或者显式的去卷积途径来计算针对组织脉冲响应函数的模型。仅仅看似合理的组织函数模型用于考虑即时器官111的生理特性，因此得到的组织脉冲响应的形状受到那些生理特征的限制。针对组织脉冲响应函数的有效模型参数的数目必须小于或等于所提取的TAC特征的数目。当使用如在本文的范例中的6个时间基函数时，提供最多6个模型参数。
根据一个实施例，灌注参数评估器150实施隐式去卷积。根据由信号处理器140提取的谐波计算针对动脉的仅基于所选的时间基函数的近似TAC。近似动脉TAC由一组看似合理的组织脉冲响应进行卷积，从而产生一组假设的组织TAC。针对感兴趣区域中的所有组织体素计算近似TAC。每个近似组织TAC与来自所生成的一组假设的TAC进行比较，并且确定最接近的(例如，在最小方差意义上的)假设TAC。与最接近的TAC有关的组织脉冲响应被认为是去卷积，并且能够从中导出灌注参数。
本文所提出的方法不仅仅教授多个造影大剂量注射的使用，而且还教授调节大剂量信号IS，以具有固定的、预定义的周期性，并且教授调节相同的大剂量信号IS作为C-臂系统的旋转速度的函数。由于使用固定的周期性注射，可以使用在动态重建期间对谐波的分析，因此要被估计的参数的数目能够通过对谐波的限制而减少。由于要求较少的扫频，因此对患者的X射线剂量同样能够被降低。在上面的范例中，如上所实施的方法允许对仅仅6次扫频来计算谐波，这是因为相关的灌注参数能够根据这些谐波来计算。如果CBV是唯一感兴趣的参数，一些参数(诸如CBV参数)能够根据0次谐波单独计算，由此允许将扫频的数目进一步减少至两次扫频。
参考图6的流程图，对支持灌注成像的方法的基本步骤进行了总结。
在步骤S501中，接收当前的C-臂采样速率。
在步骤S502中，针对周期性的脉冲大剂量注射信号的周期性/频率被确定为所接收的采样速率的函数。确定信号以减轻在X射线衰减信号样本中的时间信号混叠。
信号是用于驱动功率注射器来给予造影剂，以因此在成像时段期间使所述药剂灌注感兴趣器官。
确定信号周期性的步骤S502包括指定脉冲的形状。
在步骤S504中，在使用所确定的脉冲大剂量注射信号已经采集在灌注成像时段中的投影图像之后，通过使用针对TAC信号的断层摄影重建的基函数提取经采样的TAC信号的谐波，所述TAC信号考虑所确定的大剂量注射信号的谐波。
在步骤S506中，所提取的谐波用于计算灌注参数。
在步骤S508中，输出经计算的灌注参数。
根据一个实施例，方法是采样速率自适应的，因此响应于接收新的C-臂采样速率而重新计算注射速率信号。
根据一个实施例，频率、脉冲宽度以及形状的IS指定参数是针对固定的C-臂采样速率进行预计算的，并且能够然后用于未来成像时段。
在本发明的另一范例性实施例中，提供一种计算机程序或计算机程序元件，其特征在于适于在适当的系统上执行根据前述实施例中的一个所述的方法的方法步骤。
因此，计算机程序元件可以被存储在计算机单元中，所述计算机单元也可以是本发明的实施例的一部分。该计算单元可以适于执行或引起上述方法的步骤的执行。此外，所述计算单元可以适于操作上述装置的部件。计算单元能够适于自动操作和/或执行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。由此可以配备数据处理器以执行本发明的方法。
本发明的这一范例性实施例覆盖从一开始就使用本发明的计算机程序，以及凭借将现有程序更新转换为使用本发明的程序的计算机程序二者。
更进一步地，计算机程序元件可以能够提供所有必要步骤以完成如上所述的方法的范例性实施例的过程。
根据本发明的其他范例性实施例，提出计算机可读介质(诸如CD-ROM)，其中，计算机可读介质具有被存储在其上的计算机程序元件，该计算机程序元件由前面的章节描述。
计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质上，诸如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，诸如经由互联网或其他有线或无线通信系统。
然而，也可以网络上(如万维网)提供计算机程序，并能够从这样的网络下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的其他范例性实施例，提供用于使计算机程序元件可用于下载的介质，所述计算机程序元件被布置为执行根据先前描述的本发明的实施例中的一个所述的方法。
应当指出，已经参考不同的主题对本发明的实施例进行了描述。具体地，参考方法类型的权利要求对一些实施例进行了描述，同时参考设备类型的权利要求对其他实施例进行了描述。然而，除非另有说明，本领域技术人员将会从以上和以下的描述中推断出，除属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在该申请中公开。然而，所有的特征都能够被组合来提供多于特征的简单加合的协同效果。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或范例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开文本以及权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中重复引用的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中重复记载的特定措施的事实并不指示不能有效地使用这些措施的组合。在权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种用于支持灌注成像的装置，包括：
输入接口，其用于接收针对在灌注成像时段期间X射线扫描器的X射线源围绕对象的振荡运动的频率，在所述灌注成像时段期间，采集所述对象的投影图像的序列，同时造影剂至少部分地正在灌注所述对象的至少一个区域，所述灌注产生用于该对象区域的X射线衰减信号(TAC)，所述X射线源的振荡运动的所接收的频率定义针对所述X射线衰减信号(TAC)的采样速率，在所采集的投影图像的序列之间的图像点表示针对所述对象区域的所述X射线衰减信号(TAC)的时间样本；
控制器，其被配置为使用所接收的频率来生成用于注射器单元的控制信号，以释放速率将所述造影剂递送到所述对象，当应用于所述注射器单元时，所述控制信号引起所述造影剂注射速率根据脉冲的周期信号随时间变化，脉冲信号的周期由所述控制器计算，以便减轻在所述X射线衰减信号(TAC)的所述时间样本中的时间信号混叠。
2.根据权利要求1所述的装置，所述控制器被配置为通过调节脉冲注射速率信号的谐波中的至少一个的所述频率来减轻所述混叠，使得所述至少一个谐波的所调节的频率与在所述X射线衰减信号(TAC)的所述时间样本的频率频谱中的混叠分量的所述频率中的每个相差至少用户-可定义的/预设置的裕量。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述控制器被配置为调节在脉冲宽度与所述周期之间的比率，以在本质上抑制所述脉冲注射速率信号的谐波中的能选择的一个。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述比率为1/3，以抑制三次谐波。
5.根据权利要求1-2中的任一项所述的装置，其中，所述控制器被配置为控制所述注射器以在由所述X射线扫描器开始图像采集时段之前的阶段内递送所述造影剂。
6.根据权利要求1-2中的任一项所述的装置，其中，所述装置还包括：信号处理器，其被配置为通过断层摄影重建处理所采集的投影图像的序列，以通过在对所述X射线衰减信号(TAC)的样本的所述重建中拟合基函数的族群中的至少一个基函数从经采样的X射线衰减信号(TAC)中提取至少一个谐波，所述基函数在频率上对应于所述注射速率信号中的所述至少一个谐波的所述频率。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，基函数的所述族群包括线性上升函数。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述装置还包括：灌注参数评估器，其被配置为基于所提取的频率分量计算包括CBF、CBV、MTT中的至少一个的至少一个灌注参数。
9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述信号处理器被配置为将所述至少一个基函数拟合到针对表示供应路径的图像区域的X射线衰减信号(TAC)，通过所述供应路径，所述造影剂被供应到所述对象，然后，所述信号处理器将所述供应路径的X射线衰减信号(TAC)与至少两个预选择的模型脉冲响应函数中的任一个进行卷积，每个所述预选择的模型脉冲响应函数表示所成像的对象区域的材料成分，所述信号处理器然后将因此获得的卷积函数中的任一个与所述对象区域的所述X射线衰减信号(TAC)进行比较，为了所述灌注参数的计算，所述灌注参数评估器然后根据预定义的标准使用最好地拟合到所述对象区域的所述X射线衰减信号(TAC)的所述卷积函数中的一个。
10.一种成像系统，包括：
根据权利要求1-9中的任一项所述的装置；
X射线扫描器；
注射器单元。
11.当由权利要求1-9中的任一项所述的装置控制时的注射器。
12.一种支持灌注成像的方法，包括：
接收(S501)针对在灌注成像时段期间X射线扫描器的X射线源围绕对象的振荡运动的频率，在所述灌注成像时段期间，采集所述对象的投影图像的序列，同时造影剂至少部分地正在灌注所述对象的至少一个区域，所述灌注产生用于该对象区域的X射线衰减信号(TAC)，所述X射线源的振荡运动的所接收的频率定义针对所述X射线衰减信号(TAC)的采样速率，在所采集的投影图像的序列之间的图像点表示针对所述对象区域的所述X射线衰减信号(TAC)的时间样本；
确定(S502)脉冲的周期信号作为所接收的频率的函数，脉冲信号的周期由控制器计算，以便减轻在所述X射线衰减信号(TAC)的所述时间样本中的时间信号混叠，脉冲的所述周期信号表示造影剂注射速率随时间的变化，注射器单元以所述造影剂注射速率将所述造影剂递送到所述对象。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
通过断层摄影重建处理所采集的投影图像的序列，
通过对所述X射线衰减信号(TAC)的样本拟合基函数的族群中的至少一个基函数从所采样的X射线衰减信号(TAC)中提取(S504)至少一个谐波，所述至少一个基函数在频率上对应于注射速率信号的所述至少一个谐波的所述频率；
基于所提取的频率分量计算(S506)包括CBF、CBV、MTT中的至少一个的至少一个灌注参数。
14.一种支持灌注成像的装置，包括：
用于接收针对在灌注成像时段期间X射线扫描器的X射线源围绕对象的振荡运动的频率的单元，在所述灌注成像时段期间，采集所述对象的投影图像的序列，同时造影剂至少部分地正在灌注所述对象的至少一个区域，所述灌注产生用于该对象区域的X射线衰减信号(TAC)，所述X射线源的振荡运动的所接收的频率定义针对所述X射线衰减信号(TAC)的采样速率，在所采集的投影图像的序列之间的图像点表示针对所述对象区域的所述X射线衰减信号(TAC)的时间样本；
用于确定脉冲的周期信号作为所接收的频率的函数的单元，脉冲信号的周期由控制器计算，以便减轻在所述X射线衰减信号(TAC)的所述时间样本中的时间信号混叠，脉冲的所述周期信号表示造影剂注射速率随时间的变化，注射器单元以所述造影剂注射速率将所述造影剂递送到所述对象。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括：
用于通过断层摄影重建处理所采集的投影图像的序列的单元，
用于通过对所述X射线衰减信号(TAC)的样本拟合基函数的族群中的至少一个基函数从所采样的X射线衰减信号(TAC)中提取至少一个谐波的单元，所述至少一个基函数在频率上对应于注射速率信号的所述至少一个谐波的所述频率；
用于基于所提取的频率分量计算括CBF、CBV、MTT中的至少一个的至少一个灌注参数的单元。
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