CN104382613A - 全自动内在回顾性ct呼吸门控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动内在回顾性CT呼吸门控系统，包括用于提取呼吸门控信号的感兴趣区域的自动定位，门控信号的获取与处理，投影图像与呼吸波形的同步与筛选。该系统可以在现有的小动物微型计算机断层成像系统上全自动的实行内在回顾性呼吸门控，减少小动物在CT扫描时由于呼吸引入的运动伪影，显著提高图像的空间分辨率。于此同时，该呼吸门控系统不需要再原来的CT系统上添加任何额外硬件，减少了硬件复杂性，降低设备的整体价格，节约经济开支。

Description

全自动内在回顾性CT呼吸门控系统

技术领域

本发明属于医用CT扫描技术领域，涉及计算机断层摄影(CT，ComputedTomography)呼吸门控技术，特别是实现CT呼吸门控(Respiratory Gate)的方法设计。

背景技术

CT成像作为的一种活体成像方式，具有空间分辨率高，成像时间短，成本相对低，能够得到动物活体情况下的三维结构信息等优点。但使用微型CT对活体动物胸部或腹部等成像时，呼吸运动会产生运动伪影，导致图像空间分辨率的降低。通常方法是采用呼吸门控技术减少重建图像的运动伪影。

目前的呼吸门控技术主要为外在门控技术，其特征在于，该门控设备呼吸信号的采集，需要借助于一定的外部硬件设备，如气垫、相机、激光系统、红外系统等，甚至可以用一个内在的通风系统触发动物的呼吸运动。外在门控的缺点在于增加了系统的复杂性，提高了系统的整体价格，限制了系统推广。

为了减少了CT使用商的投入成本，西门子公司提出呼吸门控标准化接口来提高CT系统对不同呼吸检测(RPM)设备的兼容性，使得CT和RPM设备以松耦合的方式进行工作，可以在一定程度上实现现有医疗资源的合理整合，但该方法需要将不同RPM输出的呼吸信号存储为规定的标准格式，增加了操作的复杂性。

为了在减少运动伪影，提高重建图像空间分辨率的同时，简化CT硬件系统设计与操作复杂程度，提出全自动内在回顾性CT呼吸门控的设计与开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全自动内在回顾性CT呼吸门控的方法，能够在原来的CT系统上，方便地实施内在呼吸门控，降低使用成本，节约资源且降低系统复杂性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种实现全自动内在回顾性计算机断层摄影装置CT呼吸门控的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在所述的CT装置中预先采集投影图，自动定位感兴趣区域。小动物呼吸运动时，伴随着胸廓的扩张运动及隔膜的上下运动，将包含胸廓或隔膜的区域定义为感兴趣区域，可以从中提取出呼吸波形。自动定位的方法为：

静止采集几张图像，在静止采图的过程中，只有动物的胸廓部位会发生较大的变化，可采用灰度和、灰度质心等参数的变化大小来自动定位感兴趣区域。

(2)启动CT系统开始扫描，获得投影图像。X射线CT成像系统获得投影图像的原理是利用组成对象的不同物质对X射线的衰减系数不同。在微型CT扫描过程中得到的投影图像即是X射线透过样品之后的灰度图像。当扫描活体动物时，由于动物的肺部存在大量的衰减系数相对较小的空气，相比于膈膜及腹部等组织，肺部在平板探测器采集得到的投影图像中显示相对较大的灰度值，且其会伴随着呼吸运动收缩和舒张，同时膈膜等周围组织也会上下运动，因此可以从投影图中提取由呼吸运动引起的数据波动。

(3)旋转一圈后，对所获得的波形进行处理，投影图像中的数据波形主要取决于两个因素：(1)获得投影图像的角度位置；(2)所选感兴趣区域中隔膜位置。获得投影图像的角度位置造成的数据波动，根据每圈采集的投影图张数有一个固定的周期。而呼吸相位引起的呼吸波动则存在一个更加不规则的周期。为了得到正确的呼吸门控参考信号，必须弱化角度位置对结果曲线的影响，同时最大化呼吸偏移因素。由于角度位置带来的影响是一个低频信号，可用归一化或高通滤波器减少其对结果曲线的影响，获得最后的门控波形。

(4)根据门控波形将投影图像进行标记，标记的依据可以是门控波形的幅值、相对相位或绝对相位。

(5)根据所需重建状态，对每帧投影图像进行评估，其标记值越靠近所需状态，投影图像分值越高，在连续旋转的过程中，逐渐用高分的投影图像替代低分投影图像，最终获得用于重建的投影数据集。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1、无需任何额外的RPM呼吸采集设备，降低了硬件设备复杂下，减少CT系统的成本。

2、一些基于硬件的门控需要将呼吸传感器固定在动物身上，如压差传感器需要将气囊固定在小老鼠身上，影响动物的自然呼吸，而本发明无需任何呼吸传感器，使扫描动物处在最自然的状态。

3、采用系统自适应区域自动定位算法，全自动实施内在回顾性CT呼吸门控，减少了人为操作的复杂性。

4、可用较简单的方法直接冲投影图像中获得呼吸波形，减少了算法复杂程度。

5、若原有CT设备的采样帧率达到一定要求，则可获得仍和呼吸相位下的重建图像。

综上所述，本发明提供了一种全自动内在回顾性CT呼吸门控系统，能在现有的CT系统上较方便地实施呼吸门控技术，在提高图像分辨率的同时，减少系统成本与人工操作复杂性。有利用微型CT系统在活体成像应用上的推广。

附图说明

图1是不同呼吸相位下胸廓的投影图；

图2是所选择的用于提取呼吸波形的感兴趣区域；

图3(a)是直接从感兴趣区域提取的COM波形，(b)为经过波形处理后获得的门控波形；

图4是图像筛选过程示意图；

图5是投影图像筛选前后中平面正弦图；

图6是门控前后CT重建的结果；

图7为实施内在回顾性CT门控的系统流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

如图1，是微型CT系统在不同呼吸相位下获得的实验小老鼠胸廓的投影图像，观察图像可发现，在不同相位下的CT投影图像中，胸廓区域的大小，隔膜的高低等存在较大变化，可以从投影图像中直接获得用于实施呼吸门控的门控波形。实施呼吸门控的具体过程如下：

(1)自动定位感兴趣区域。如图2所示，将感兴趣区域定义为包含小动物CT隔膜的一个矩形区域。为使感兴趣区域能包含每个角度下小动物腹部的侧向延伸，将感兴趣区域的宽定义为图像的宽，而通过试验可知，对于大小不同的小老鼠，当感兴趣的高为200时，可以获得较好的的门控波形。

本实例用垂直于隔膜方向上灰度质心的变化来自动定位感兴趣区域，如图2所示，假设垂直于隔膜的方向为Z方向，则计算公式如下：

$P=\frac{1}{M}\mathrm{\Σ}{m}_{z}z$ 其中 $M=\underset{z}{\mathrm{\Σ}}{m}_z---\left(1\right)$

公式中Z表示Z方向上的坐标值，m_z表示感兴趣区域内所有纵坐标值为Z(即投影图像中的同一行)的像素的灰度值和。

CT系统静止采集几张投影图，分别计算相邻两张投影图对应位置Z轴质心的差异，并用该差异对相应位置加权，统计差异最大的位置即为感兴趣区域的中心。

(2)自动定位感兴趣区域后，启动CT系统开始扫描，本实例同样从Z轴方向灰度质心(COM，Center Of Mass)的数据波动中提取呼吸波形。

(3)旋转一圈后，获得数据波形，由发明内容中可知，需对所获得的波形进行一定处理，以消除旋转采图对数据波动的影响，本实例采用高通滤波器。如图3中的(a)表示直接计算感兴趣区域的Z轴灰度质心获得的数据波动，(b)图则表示通过高通滤波器滤除旋转对呼吸波动造成影响后获得的门控波形。

(4)根据门控波形对每帧投影图像进行评估，为了减少干扰，本实例依据相对相位对图像进行评估，获得相对相位的具体方法为：找到门控波形的局部最大值，即吸气的末端，记为呼吸相位的起点(0％点)，每帧图像在门控波形中对应的的点到起点距离与其所在呼吸周期的比值，即为相对相位。

(5)根据所需重建的特定相位，对每帧投影图像进行评估，越靠近所需相位的图像分值越高，在连续旋转的过程中，在特定角度，逐渐用高分的投影图像替代低分投影图像，最终获得用于重建的投影数据集。图4显示了投影图像的筛选过程，A图为按时间顺序采集得到的多圈投影数据，B图则指通过从投影图像中获取的门控波形，对每幅图像进行标定，并根据重建需求获得其评估结果。最后一幅图则表示连续旋转、筛选获得的用于重建的投影数据集。

通过投影图中平面的正弦图可以直观地感受图像的筛选更新结果。图5为某次图像筛选更新的结果，图(a)表示未经过筛选的中平面正弦图，图(b)表示经过筛选的正弦图，可以明显观察到经过挑选的正弦图减少了大部分由于呼吸运动造成的条状伪影，中平面正弦图变得更加光滑。

图6是门控前后的重建结果，(a)为未做门控重建图，(b)为实施软件门控后重建图。两幅图中的白色箭头所指示的位置为小鼠的肋骨结构，白色圆形头所指示的位置是肺部组织与软组织的边界，白色菱形头所指示的位置表示气管，可以看出在图(a)中，肋骨的定义不清晰，肺部与软组织的边界较模糊且基本看不到气管结构，而同一台微型CT设备，在经过软件门控后，得到图(b)中的肋骨结构则变得非常清晰，肺部与软组织的边界也更加分明，同时，在(b)图中不仅可以看到气管还能观察到主要支气管。此外，未经过呼吸门控的图像存在很严重的由呼吸运动造成的放射状运动伪影，总体上来讲，使用了呼吸门控技术对图像质量有了比较大的提高，说明了呼吸门控技术能很好的消除由于动物呼吸运动带来的运动伪影。

Claims (7)

1.一种全自动内在回顾性CT呼吸门控方法，包含以下步骤：

    在CT扫描前预先静止采图，自动定位感兴趣区域；

 启动CT装置进行扫描，同时计算感兴趣区域的门控波形；

 同步投影图像与处理后波形，用同步的重建信息筛选更新投影图像，并对所筛选的CT投影图像进行后期重建。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在开始采图之前自适应的自动定位用于提取门控信号的感兴趣区域，所述自动定位的方法为：预先静止采图，在静止采图的过程中，只有动物的胸廓部位会发生较大的变化，采用灰度和、灰度质心的相关的参数的变化大小来自动定位感兴趣区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从感兴趣区域中计算代表呼吸运动的门控波形，所述投影图感兴趣区域中蕴含着动物呼吸运动的运动波形，通过灰度和，灰度质心的相关参数的数据波动，反应动物的呼吸运动。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于需要对所计算的感兴趣区域数据波动做一定的处理，以消除旋转拍图对其造成的影响，获得最后用于投影图像筛选的门控波形，具体方法为：

由于旋转采图会产生在门控波形上叠加类似于正弦的低频信号，可采用归一化和高通滤波器的方法消除旋转采图因素对波形的影响，获得最后的门控波形。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于需要完成投影图像与所计算门控波形的同步，对每帧图像进行标记。

6.根据权利要求5所述方法，其通过图像的标记获得门控波形的幅值信息、绝对相位信息和相对相位信息。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于根据投影图像标记，对投影图像进行筛选更新，以获得特定相位下的CT重建图像，其具体方法为：

   根据所需要重建的状态，对投影图像进行分数评估，越接近所需状态的投影图像分数越高，在多圈连续扫描的过程中，逐渐用高分投影图像替代低分图像，得到最后用与CT重建的数据集。