CN104161534A - 动态单光子放射计算机断层或单光子放射计算机断层/计算机断层心肌血流量化系统及方法 - Google Patents
动态单光子放射计算机断层或单光子放射计算机断层/计算机断层心肌血流量化系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种量化单光子放射计算机断层摄影（SPECT）重建系统，以单光子放射计算机断层摄影或单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影（SPECT/CT）的动态成像而进行心肌血流的量化，本发明解决于动态单光子放射计算机断层摄影上的物理干扰及患者动作的问题，以具备用于心肌血流及冠状动脉血流储量量化的量化能力。
Description
技术领域
本发明系关于一种量化单光子放射计算机断层摄影（single-photon emission computed tomography，SPECT）的影像重建系统，特别是关于一种用来修正及使用单光子放射计算机断层摄影（SPECT）或是单光子放射计算机断层摄影（SPECT）/计算机断层摄影（computed tomography，CT）的影像以测量心肌血流（myocardial blood flow,MBF）及冠状动脉血流储量（coronary flow reserve，CFR）的系统。
背景技术
SPECT的影像模式以及SPECT/CT广泛地应用于医院中，但诊断上经常遭遇到图像伪影及准确度不够的困扰。正子放射造影术（positron emission tomography,PET）影像模式，包括正子计算机断层造影（PET/CT），是量化准确的，但要在各医院广泛利用则受限于药物缺乏和经费负担过高等问题。
为了测量MBF及CFR，需要先对SPECT及SPECT/CT的动态影像进行量化，建立如藉由PET或是PET/CT所得到的同等影像。传统SPECT及SPECT/CT造影因为受限于量化动态影像的能力而无法被用于量化MBF及CRF。因此局限了MBF/CRF作为诊断冠状动脉的疾病以及相关的心脏风险分层的一种具有潜力的临床工具。
鉴于以上所述，实需要一经济型的量化成像系统，以用于实现MBF/CFR的量化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态单光子放射计算机断层摄影或是单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影成像的心肌血流量化系统及方法，以解决于动态单光子放射计算机断层摄影上的物理干扰及患者动作的问题，以具备用于心肌血流及冠状动脉血流储量量化的量化能力。
在本发明的一个态样中，一种用以量化重建单光子放射计算机断层摄影（SPECT）或单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影（SPECT/CT）数据的系统，包含：一具有一使用 者接口的一计算机、包含计算机可读取程序代码的一程序产品，于执行时使计算机处理下列过程步骤：接收SPECT或SPECT/CT的原始数据的影像；校正该影像的散射；校正该影像的衰减；恢复该影像的空间分辨率；以及去除该影像的噪声。
在本发明的另一个态样中，一种利用SPECT或SPECT/CT的影像数据而测量心肌血流（MBF）及冠状动脉血流储量（CFR）的方法，包含：拍摄一患者的SPECT或SPECT/CT的影像；藉由将得自光峰能窗的原始投影中减掉散射分量而校正影像的散射分量；转换计算机断层摄影的影像或是放射性核素的影像以及计算每个放射影像像素的衰减系数；于迭代重建中整合衰减矩阵以校正衰减；藉由自物理测量建立一针对准直仪深度依赖性点扩散函数矩阵以及整合在影像的迭代重建中的点扩散函数矩阵而重新恢复分辨率；以及在影像的迭代重建中整合至少一分析噪声滤波器以及卜瓦松（Poisson）仿真器，以去除影像噪声。
附图说明
本发明的特征、态样、及优点将藉由参照下列附呈图式、实施方式、及专利范围将会清楚理解。
图1为本发明的方法步骤的一示例实施例的流程图；
图2为本发明的SPECT或SPECT/CT系统的示意图；
图3为图2的SPECT或SPECT/CT系统自右前斜方视野绕行180度至左前斜方视野拍摄患者影像的示意图；
图4为图2的SPECT或SPECT/CT系统自前方视野至侧面视野拍摄患者影像的示意图；
图5为图2的SPECT或SPECT/CT系统自侧前斜方视野至左后斜方视野拍摄患者影像的示意图；
图6为图2的SPECT或SPECT/CT系统自侧后斜方视野至侧前斜方视野拍摄患者影像的示意图；
图7为图2的SPECT或SPECT/CT系统自侧方视野至前方视野拍摄患者影像的示意图；
图8为图2的SPECT或SPECT/CT系统自右前斜方视野至侧前斜方视野拍摄患者影像的示意图；
图9系显示一未校正的示例影像；
图10系显示一经散射校正的示例影像；
图11系显示一经衰减校正及散射校正的示例影像；
图12系显示一经恢复分辨率、衰减校正、以及散射校正的示例影像；
图13系显示一经过衰减校正、散射校正、分辨率恢复、以及减少干扰的示例影像；
图14为本发明与影像的时间活性曲线的关系的图解；
图15A为以2D靶心图显示血管区的rest MBF的图解；
图15B为以2D靶心图显示血管区的stress MBF的图解；
图15C为以2D靶心图显示血管区的CFR的图解。
符号说明
10 侦测头一号
12 侦测头二号
14 计算机断层摄影摄影机
18 机架
20 单光子放射计算机断层摄影或单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影系统
22 患者
24 示例影像
32 示例影像
34 示例影像
具体实施方式
以下的细节说明系为目前所设想的实施本发明的示例实施例的最佳模式。由于本发明的范围系由所附的申请专利范围而最佳地定义，故本说明仅用于描述本发明的原理而不应被视为限制性意涵。
概括而言，本发明的一实施例提供一量化单光子放射计算机断层摄影（SPECT）重建系统，以SPECT或单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影（SPECT/CT）的动态成像而进行心肌血流（MBF）和冠状动脉血流储量（CFR）的量化。本发明解决动态SPECT成像中的物理干扰及患者动作的问题，以具备用于MBF及CFR量化的量化能力。
SPECT的撷取系为藉由一SPECT的摄影机以180度或360度绕行于注射追踪剂后的患者而取得的一影像数据形式。在每一轮旋转中，投影或投影数据系藉由动态框架（frame）及角度的两个指标而表示。本发明可有效地利用多种校正而处理SPECT的原始数据，以建立量化动态的SPECT的影像，例如正子放射造影（PET），然后将该些影像应用于量化MBF及CFR。
本发明可用迭代的SPECT的影像重建而整合对于物理干扰与患者动作的校正。本发明的 校正可包括针对单一扫描中（intra-scan）及扫描之间（inter-scan）的患者动作问题而额外校正的影像的衰减校正、散射校正、分辨率恢复、以及影像噪声去除。
本发明可包括藉由例如软件的一程序产品而实行的一系统。该程序产品可包括计算机可读取程序代码，经计算机加载而执行一些处理步骤。该计算机可包括但不限定于任何类型的计算机，其包括桌上型计算机、笔记型计算机、及智能型装置，例如，平板计算机及智能型手机。该程序产品可包括软件，其可加载于计算机或藉由计算机所存取。经加载的软件可包括加载于计算机硬盘的程序，或是智能型装置的一应用程序。在另外的实施例中，可藉由该计算机而使用一网页浏览器存取该软件。该计算机可利用因特网、外部网络、内部网络、主机服务器（host server）、及网络云端（internet cloud）等而存取该软件。本发明于医疗环境中可转换为医学成像的计算机软件，而对患者进行SPECT或SPECT/CT的研究。
参阅图1至图14，本发明可包括以一标准的医疗数字影像传输协议（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式或以专属格式拍摄以及接收影像数据，以用于后续的影像处理。该些影像可为自SPECT或SPECT/CT系统所拍摄的影像，以及得自SPECT/CT系统或CT系统的DICOM格式CT影像，或得自SPECT系统的专属格式或DICOM格式的放射性核素影像的数据。
在某些实施例中，一合理活动的假体可被利用于验证该计数率线性（count rate linearity），以及具有能力产生一转换重建的影像中的像素值为物理单位（如贝可/毫升（Bq/ml））的因子。
为了拍摄该影像，一示例性患者22可被置于一成像台（imaging table）16上。SPECT摄影机可具有侦测头一号10，以及SPECT摄影机侦测头二号12。一计算机断层摄影摄影机14可被放置于机架18内。该机架18可包括一柱状扫描仪组件，以拍摄该影像。如图3至图8所示，SPECT或SPECT/CT系统20可从右前斜方至左前斜方、前方至侧方、左前斜方和左后斜方、左后斜方至左前斜方、侧方至前方、以及右前斜方和左前斜方拍摄该患者22的影像。一经拍摄影像，则示例影像24可为类似于图9。
散射校正可对该示例影像24执行。该散射校正可藉由重新调整得自该康普顿散射（Compton scatter）能窗的原始投影的计数，以及减去得自一光峰能窗的原始投影（量测投影）中的散射分量而予以计算。包括上述散射校正的示例影像24显示于图10。
在某些实施例中，可对示例影像24执行同位素衰变校正。藉由重新调整对应于动态SPECT撷取中的框架及角度的原始投影中的计数，而可执行SPECT的原始投影的同位素衰变校正。当SPECT机架18环绕于患者时，该重新调整因素可藉由具备定义于对应时间点的角度及框架的时间因素的一指数衰变模块（exponential decay model）而予以计算。
在某些实施例中，可对示例影像24执行衰减校正。衰减可藉由使用得自计算机断层摄影或140千电子伏特（keV）或对应于其它SPECT同位素的特定能量的放射性核素穿透影像的衰减系数（attenuation coefficients）而予以校正。CT影像或放射性核素穿透影像可被转换为一衰减矩阵（attenuation matrix），该衰减矩阵会记录对应于以五个标志（x、y、z、角度、框架）所标记的一影像中的每个像素的光子衰减的幅度。该衰减矩阵然后可被应用于迭代重建中的正投射步骤之前的放射影像。图11显示一包括上述衰减校正的示例影像24。
在一些实施例中，可在该示例影像24中恢复该空间分辨率。可利用迭代重建中的SPECT系统的点扩散函数矩阵（point spread function，PSF）而恢复空间分辨率。对于具有一特定类型准直仪的一SPECT扫描仪类型可测量出一组PSF。PSF可藉由解析函数（analytic functions）而被建模，进而对于具有至该准直仪表面已知距离的每个影像像素（藉由六个标记（x、y、z、距离、角度、框架）所标示）产生一组完整的PSF。该PSF然后可被应用于迭代重建中的正投射步骤之前的该放射影像。包括分辨率恢复的示例影像24在图12显示。
在一些实施例中，在该示例影像24中可去除该噪声。影像24的噪声可藉由应用一可控制的分析滤波器至正投射的投影数据，而产生被测量的投影数据的均化噪声分布而予以去除，该经测量的投影数据的均化噪声分布也可藉由等效分析滤波器（equivalent analytic filter）而在迭代重建中比较两个数据组的步骤中而予以过滤。作为一替代性的实施例，正投射的投影中的噪声可藉由Poisson分布（Poisson distribution）的随机过程模拟，以在迭代重建比较两个数据组的步骤中产生经测量的投影数据的均化噪声分布。包括该噪声去除的示例影像24显示在图13。
扫描中的患者动作（Intra-scan patient motion）系为发生在动态SPECT扫描期间的一种患者动作型态，该扫描中的患者动作可能会造成伪影（artifacts）。每个动态框架的经测量的投影中的扫描中的患者动作系个别地被评估以进行校正。在一些实施例中，该校正可藉由针对角度及框架迭代地位移经量测的投影而予以执行。针对角度及框架的垂直及水平方向的位移，可藉由最大化在垂直及水平方向两者之间的个别互相关性（每个成对像素Σa×b）而比较具有正投射投影的经量测的该投影而定义。直到每个投影皆达到稳定的最大互相关性，相同的过程可针对多个角度及框架迭代地执行。
扫描之间的患者动作（Inter-scan patient motion）系为在动态SPECT扫描及CT或放射性核素穿透扫描之间所引起的一种患者动作的型态，扫描之间的患者动作可能会造成伪影。每个框架的动态SPECT及CT间，或是动态SPECT及穿透影像之间的扫描之间的患者动作，可藉由手动重新对准x、y、z方向的其中两个而个别地校正。
量化动态影像为被利用作为输入项而对于每个位于心肌区域的像素建立时间活性曲线（time activity curve,TAC）。身体坐标的动态影像可被重新定向而产生心肌坐标的动态影像。图14显示包括时间活性曲线的一示例影像32与示例影像34。一血池TAC可用心室或心房中的注目区域（region of interest，ROI）而建立。心肌壁中的TAC可被建立。每个具有血池TAC的心肌TAC，可藉由心肌与心室（左及右）之间的溢出量校正而拟合于隔室流动模型，进而产生具有一个组织隔室及两个动力参数的（K1、k2）或（K1、k2、k3）动力参数，或一个组织隔室及三个动力参数的模型。溢出量系为一在曲线拟合过程中的自由参数术语。K1（毫升/分钟/克）系为追踪剂进入肌细胞的速率。k2（毫升/分钟）系为追踪剂离开肌细胞的速率。k3系为追踪剂进入特定器官肌细胞内的速率。
MBF及静息心肌血流（rest MBF）藉由利用K1、MBF、及追踪剂萃取物分率（E）的关系而被计算为K1=MBF×E（MBF）。对于一心肌而言，负荷心肌血流（stress MBF）及rest MBF系对于心肌上的每个像素的负荷与静息的动态扫描而分别计算。rest MBF系藉由[心率（次/分钟）×收缩压（毫米汞柱）]/常数而标准化。CFR系藉由对于心肌的每个像素以rest MBF除以stress MBF而计算。呈现于3D靶心坐标（polar coordinate）（r,θ,φ）的该心肌壁厚度的中心点系映射至2D靶心图（polar maps）（x,y）。stress MBF、rest MBF、以及CFR系呈现于靶心图并分别地转换为一报告。
图15A、图15B、及图15C为以2D靶心图显示血管区的rest MBF、stress MBF、以及CFR的图解。图15A、图15B、及图15C从3D的心肌经过制图（mapping）转换为2D靶心图，并区分为3条血管区：左前降支（left anterior descending,LAD）、左旋支（left circumflex,LCX）、及右冠状动脉（right coronary artery,RCA），分区表示计算后的MBF及CFR。
以下包括使用本发明的一方法。为了解决标记Tc99m的追踪剂或非标记Tc99m的追踪剂的动态SPECT影像的问题，该上述相关技术可被建立成一计算机程序。该计算机程序可自SPECT或SPECT/CT系统中获得动态SPECT原始数据，以及自SPECT/CT或CT系统获得CT影像。该程序然后可执行影像重建而使用先前描述的步骤产生符合标准PET DICOM格式的量化动态SPECT影像。该程序然后可藉由量化SPECT影像而执行量化心肌血流。利用本发明，该量化动态SPECT影像可用于其它器官而重建，例如肝、肺、肾脏、及脑，且该软件程序可评估生理功能。
上述计算机基础数据处理系统与方法仅用于例示的目的，并且可实施成任何计算机系统、编程、或处理环境的形态，或是单独或结合硬件的一计算机程序。本发明也可实施成储存于一计算机可读取媒体上的软件，并作为一般用途或是特殊用途计算机的一计算机程序而执行。 为简明起见，本文仅描述该些与本发明密切相关的系统的态样，并省略于本领域中众所周知的产品细节。基于相同原因，亦不对该计算机硬件进一步详细说明。因此，应当理解的是，本发明并不限于任何特定的计算机语言、程序、或计算机。可进一步预期的是，本发明可运作于一独立的计算机系统、或者可在一计算机服务器系统运作，该计算机服务器系统能由多个客户端计算机系统透过一内部网络互联而存取、或可透过因特网而由客户端存取。此外，本发明的许多实施例适用于广泛范围的产业中。本申请揭示一系统、该系统所实施的方法、以及储存于计算机可读取媒体上并作为一计算机程序而于一般用途或特定用途的计算机执行该方法的软件，皆于本发明的范围内。更进一步，于本申请揭示一方法、一经设置而实施该方法的装置系统，彼等均包含在本发明范围内。
当然，应可被理解的是，上述有关于本发明的示例实施例及相关修改，可在不脱离本发明的精神及范围如列举的申请专利范围中而实施。
Claims (10)
1.一种用以量化重建单光子放射计算机断层摄影（SPECT）或单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影（SPECT/CT）数据的系统，其特征在于，其包含：
一计算机，具有一使用者接口；以及
一程序产品，包括一计算机可读取程序代码，经该计算机加载而执行下列步骤：
接收该单光子放射计算机断层摄影或该单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影的原始数据的影像；
校正该影像的散射；
校正该影像的衰减；
恢复该影像的空间分辨率；以及
去除该影像的影像噪声。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，校正该影像的散射包含：将得自一光峰能窗（photo peak energy window）的原始投影减掉散射分量。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含下列步骤：校正该影像的同位素衰变，该校正系包含将对应于角度与框架的该影像中的计数予以重新缩放。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，校正该影像的衰减包含下列步骤：使用得自计算机断层摄影或放射性核素穿透影像的衰减系数，以及计算每个影像像素的衰减系数而创建一个衰减矩阵，以及于一迭代重建中整合该衰减矩阵以校正衰减。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含下列步骤：经由物理测量及建模程序而建立一针对准直仪的深度依赖性点扩散函数矩阵，以及于迭代重建中整合一点扩散函数矩阵以使分辨率恢复。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含下列步骤：整合至少一个分析噪声滤波器及一卜瓦松（Poisson）仿真器，用于影像噪声去除的迭代重建。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含下列步骤：校正扫描中的患者动作（Intra-scan patient motion）及校正扫描之间的患者动作（Inter-scan patient motion），其中该校正扫描中的患者动作包含：针对角度及框架的迭代地位移量测投影，该校正扫描之间的患者动作包含：藉由手动重新对准而个别地校正每个影像。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含下列步骤：藉由一具有追踪剂萃取物分率修正的模型而量化心肌血流，用于以单光子放射计算机断层摄影扫描一静息或是负荷情况下的示例患者，其中该模型为一个组织隔室与两个动力参数的模型或是为一个组织隔室与三个动力参数的模型。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，还包含下列步骤：利用将静息心肌血流（restmyocardial blood flow）除以负荷心肌血流（stress myocardial blood flow）而计算冠状动脉血流储量（coronary flow reserved）。
10.一种利用单光子放射计算机断层摄影或单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影的影像数据而测量心肌血流及冠状动脉血流储量的方法，其特征在于，其包含：
拍摄一患者的单光子放射计算机断层摄影或单光子放射计算机断层摄影/计算机断层摄影的影像；
藉由将得自一光峰能窗的原始投影减掉散射分量而校正该影像的散射分量；
转换计算机断层摄影的影像或是放射性核素的影像以及计算每个放射影像像素的衰减系数；
藉由自物理测量建立一针对准直仪深度依赖性点扩散函数矩阵以及整合在影像的迭代重建中的点扩散函数矩阵而重新恢复分辨率；以及
在该影像的迭代重建中整合至少一分析噪声滤波器以及卜瓦松（Poisson）仿真器，以去除影像噪声。
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