CN109414213B - 利用放射性成像胶囊的图像重建 - Google Patents

利用放射性成像胶囊的图像重建 Download PDF

Info

Publication number
CN109414213B
CN109414213B CN201780039989.9A CN201780039989A CN109414213B CN 109414213 B CN109414213 B CN 109414213B CN 201780039989 A CN201780039989 A CN 201780039989A CN 109414213 B CN109414213 B CN 109414213B
Authority
CN
China
Prior art keywords
colon
detector
imaging capsule
geometry
scan data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780039989.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109414213A (zh
Inventor
丹尼尔·鲁宾
罗农·利夫希茨
约阿夫·金恩奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inspection Cover Co ltd
Original Assignee
Inspection Cover Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inspection Cover Co ltd filed Critical Inspection Cover Co ltd
Publication of CN109414213A publication Critical patent/CN109414213A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109414213B publication Critical patent/CN109414213B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/07—Endoradiosondes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T11/00—2D [Two Dimensional] image generation
    • G06T11/003—Reconstruction from projections, e.g. tomography
    • G06T11/005—Specific pre-processing for tomographic reconstruction, e.g. calibration, source positioning, rebinning, scatter correction, retrospective gating
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6847—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive mounted on an invasive device
    • A61B5/6861—Capsules, e.g. for swallowing or implanting
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/06—Diaphragms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/40—Arrangements for generating radiation specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/4057—Arrangements for generating radiation specially adapted for radiation diagnosis by using radiation sources located in the interior of the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/42—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/4208—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a particular type of detector
    • A61B6/4241—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a particular type of detector using energy resolving detectors, e.g. photon counting
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/42—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/4208—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a particular type of detector
    • A61B6/425—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a particular type of detector using detectors specially adapted to be used in the interior of the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/42—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/4266—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a plurality of detector units
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/48—Diagnostic techniques
    • A61B6/483—Diagnostic techniques involving scattered radiation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/48—Diagnostic techniques
    • A61B6/485—Diagnostic techniques involving fluorescence X-ray imaging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/50—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/52—Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/5205—Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis involving processing of raw data to produce diagnostic data
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/54—Control of apparatus or devices for radiation diagnosis
    • A61B6/547—Control of apparatus or devices for radiation diagnosis involving tracking of position of the device or parts of the device
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/56—Details of data transmission or power supply, e.g. use of slip rings
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/58—Testing, adjusting or calibrating thereof
    • A61B6/582—Calibration
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G06T7/0012—Biomedical image inspection
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/48—Diagnostic techniques
    • A61B6/481—Diagnostic techniques involving the use of contrast agents
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/58—Testing, adjusting or calibrating thereof
    • A61B6/582—Calibration
    • A61B6/585—Calibration of detector units
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10068—Endoscopic image
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004—Biomedical image processing
    • G06T2207/30028—Colon; Small intestine
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004—Biomedical image processing
    • G06T2207/30092—Stomach; Gastric
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2210/00—Indexing scheme for image generation or computer graphics
    • G06T2210/41—Medical

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)

Abstract

本发明公开一种重建一结肠的一图像的方法，包括步骤：接收由一成像胶囊摄取的一结肠的扫描数据，所述成像胶囊从所述结肠的内部穿越；其中所述成像胶囊在所述结肠内发射X射线的辐射，并且所述成像胶囊包括多个检测器，所述多个检测器检测光子，所述光子是从多个X射线荧光的相互作用及响应于所述X射线的辐射的多个康普顿背散射的相互作用而朝向所述成像胶囊返回；及其中所述扫描数据包括多个光子计数，所述多个光子计数是由每个检测器从多个X射线荧光的相互作用及多个康普顿背散射的相互作用检测；定义所述结肠的一切片的一轮廓的一几何图形的一初始猜测；使用一前向模型计算每个检测器响应于所述被定义的几何图形的多个计数值；将每个检测器的所述多个被计算的计数值与来自所述扫描数据的所述多个值进行比较；如果所述比较的多个结果未指示达到一最佳匹配，则调整所述被定义的几何图形并且重复进行所述计算及比较。

Description

利用放射性成像胶囊的图像重建
相关申请案
本申请要求于2016年8月1日提交的美国临时专利申请号第62/369,217号的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开通常涉及使用一腔内放射性成像胶囊(intra-lumen radioactiveimaging capsule)重建一患者的结肠的一内部图像。
背景技术
通过摄取将穿越整个胃肠(GI)道并从内部观察所述患者情况的一成像胶囊，进行检查所述胃肠道是否存在息肉以及可能提供癌症可能性的一指示的其他临床相关特征的一种方法。在一典型的情况下，所述行程(trip)可能需要24至72小时，在此以后，所述成像胶囊排出在所述患者的粪便中。当使用可见光时，多个图像可以直接被传输到一外部接收器并且被组合以形成所述患者的结肠的一重建图像。然而，可见光需要所述患者进行清洁所述结肠的广泛准备，以防止内容物妨碍所述成像过程。
替代地，使用辐射的一成像胶囊可被用于检查所述结肠而无需先清洁所述结肠。典型地，所述患者摄取一造影剂，以增强所述成像胶囊的所述成像能力。然后，在通过所述造影剂的流动时，所述患者摄食(ingest)所述成像胶囊以检查所述胃肠道。所述成像胶囊通常包括一辐射源，例如包括发射X射线及/或伽马(Gamma)射线的一放射性同位素。所述辐射通常是被准直的，以允许在所述成像过程中可被控制地指向一特定方向。所述成像胶囊被设计用于测量康普顿背散射(compton back-scattering)及/或X射线荧光(X-rayfluorescence)，并且将所述多个量度(measurements)(譬如：具有特定能量的光子的一计数率)传输到一外部分析装置，例如：一计算机或其他专用仪器。
在一典型的实施方案中，使用一无线电不透明(radio-opaque)的造影剂(radio-opaque contrast agent)，使得具有一息肉的一位置将具有较少的造影剂，并且将测量一较大的康普顿背散射计数及减少的X射线荧光计数，以提高所述量度的准确性。
Baum等人提出的美国专利第9,037,219号，其公开内容通过引用并入本文，描述一种以一成像胶囊估计所述结肠中的多个距离的系统及方法。所述重建图像的所述分辨率取决于所述被估计的距离的准确性，因此需要测量在所述结肠内的多个距离的替代性及/或改进的方法，以增强所述多个图像的所述准确性。
发明内容
本公开的一实施例的一方面涉及一种用于重建一结肠的一图像的系统及方法。通过在一计算机或其他专用计算硬件(例如：ASIC或具有一处理器及内存的电路)上被执行的一计算机程序进行重建。所述程序接收由一成像胶囊摄取的一结肠的扫描数据，所述成像胶囊是被一人员摄食并且沿着所述人员的所述胃肠道行进。可选地，当所述胶囊到达诸如所述结肠的多个特定位置时，所述胶囊被激活以扫描所述结肠的所述多个内壁，并且将所述扫描数据直接或间接地发送到一计算机，用以存储及分析所述数据。当所述成像胶囊在每个位置前进时，所述成像胶囊扫描所述结肠的一切片，使得所述计算机可以随后重建每个切片，并且组合所述多个切片，以形成所述结肠的一完整图像。
在本公开的一示例性实施例中，所述成像胶囊发射X射线的辐射，以在所述结肠内进行扫描。所述成像胶囊包括多个检测器，所述检测器计数响应于所述被发射的辐射而朝向所述成像胶囊返回光子。所述返回光子由康普顿背散射及X射线荧光或可能的一不同散射过程所产生。可选地，所述成像胶囊的所述辐射源在扫描时旋转以扫描所述结肠的一内壁的整个圆周面。所述扫描数据可以包括多个计数，所述多个计数来自每个检测器的针对所述结肠中的一特定位置，或者可以包括多个计数及多个角度，例如：表示来自在一特定位置扫描所述内壁的一部分的多个计数(譬如：四分之一、三分之一、一半)。
所述程序接收所述扫描数据并尝试决定所述结肠的何种内壁的几何形状(geometric shape)将提供所述多个给定计数值(例如对于所述结肠的每个切片)。所述程序被设计以使用基于一前向模型的算法(forward model based algorithm)，其中所述前向模型是一组数学规则/公式，用于描述由所述胶囊产生的所述辐射路径的所述多个物理特性的一些近似值，包括与周围的人体生理机能的相互作用。所述前向模型被设计成将所述给定的几何描述转换成在所述多个胶囊辐射检测器处的多个预期计数率读数(expectedcount-rate readings)。所述被提议的重建程序首先对所述结肠的几何图形进行一初始猜测，然后应用所述前向模型从所述几何图形(geometry)计算出从检测器被预期的多个计数。所述程序然后将被计算出的多个值与所述被测量的数据进行比较，并核对以观看它们的接近程度。如果它们足够接近，则假定所述几何图形是正确的。否则，更新所述几何图形并迭代地重复所述过程，直到实现一最佳匹配。
一种可能的前向模型被称为一分段前向模型(piecewise forward model)，所述分段前向模型基于所述被发射的辐射的检查估计每个检测器的所述计数，并且估计在所述成像胶囊周围的所述空间的每个体素上所具有的影响。另一种可能的前向模型称为一高斯前向模型(Gaussian forward model)，所述高斯前向模型基于所述检测器的所述位置估计每个检测器的所述计数(譬如每个发射光束及每个检测器之间的相对角距)，以及所述胶囊中心距所述结肠的所述轮廓的所述内壁的所述距离。
因此，根据本公开的一示例性实施例提供一种重建一结肠的一图像的方法，包括步骤：
接收由一成像胶囊摄取的一结肠的扫描数据，所述成像胶囊从所述结肠的内部穿越；其中所述成像胶囊在所述结肠内发射X射线的辐射，并且所述成像胶囊包括多个检测器，所述多个检测器检测光子，所述光子是从多个X射线荧光的相互作用及响应于所述X射线辐射的多个康普顿背散射的相互作用而朝向所述成像胶囊返回；及其中所述扫描数据包括多个光子计数，所述多个光子计数是由每个检测器从多个X射线荧光的相互作用及多个康普顿背散射的相互作用检测到的；
定义所述结肠的一切片的一轮廓的一几何图形的一初始猜测；
使用一前向模型计算每个检测器响应于所述被定义的几何图形的多个计数值；
将每个检测器的所述被计算的多个计数值与来自所述扫描数据的所述多个值进行比较；
如果所述比较的多个结果未指示达到一最佳匹配，则调整所述被定义的几何图形并且重复进行所述计算及比较；
否则，如果达到一最佳匹配，则存储所述几何图形以呈现所述切片。
在所述公开的一示例性实施例中，所述成像胶囊首先被测试，以决定用于执行所述计算所需的多个校准值。可选地，所述结肠的一切片的所述几何图形的所述初始猜测是一特定形状。在所述公开的一示例性实施例中，所述结肠的一切片的所述几何图形的所述初始猜测是从所述结肠的一相邻切片的一先前决定的几何图形而被决定的。可选地，所述前向模型封装用于估计每个检测器的所述计数所需的所有物理过程。在所述公开的一示例性实施例中，所述前向模型是一分段前向模型，所述分段前向模型基于所述被发射的辐射估计每个检测器的所述计数，并且通过所述成像胶囊周围的一空间的每个体素估计一被估计的响应。替代地，所述前向模型是一高斯前向模型，所述高斯前向模型基于在每个发射光束与每个检测器之间的所述相对角距估计每个检测器的所述计数，并且估计从所述结肠的所述轮廓到所述胶囊中心的距离。在所述公开的一示例性实施例中，通过使用最小均方法或最大似然法决定所述最佳匹配，以决定所述比较的所述多个结果是否具有小于一预选阈值的一差值。可选地，所述扫描数据包括在所述结肠中的所述成像胶囊的位置信息，所述位置信息带有所述多个检测器计数，其中所述位置信息是独立于所述多个检测器计数而被决定的。在所述公开的一示例性实施例中，所述扫描数据包括多个量度(measurements)，所述多个量度包括对在所述结肠中的每个位置的一辐射源的多个检测器计数及多个旋转角度的多个集合。可选地，所述扫描数据包括在所述结肠中的每个位置的一整个圆周面的一扫描的多个检测器计数。在所述公开的一示例性实施例中，调整所述被定义的几何图形的步骤包括对一辐射源的多个特定旋转角度增加从所述成像胶囊到所述结肠轮廓的一距离，及对其他旋转角度减少从所述成像胶囊到所述结肠轮廓的所述距离。
根据本公开的一示例性实施例，还提供一种用于重建一结肠的一图像的系统，包括：
一计算机或专用可编程计算硬件，被配置为接收由一成像胶囊摄取的一结肠的扫描数据，所述成像胶囊从所述结肠的内部穿越；其中所述成像胶囊在所述结肠内发射X射线的辐射，并且所述成像胶囊包括多个检测器，所述多个检测器检测光子，所述光子是从多个X射线荧光的相互作用及响应于所述X射线的辐射的多个康普顿背散射的相互作用而朝向所述成像胶囊返回；及其中所述扫描数据包括多个光子计数，所述多个光子计数是由每个检测器从多个X射线荧光的相互作用及多个康普顿背散射的相互作用检测到的；
一计算机程序，被配置为在所述计算机或专用可编程计算硬件上执行并进行如下：
定义所述结肠的一切片的一轮廓的一几何图形的一初始猜测；
使用一前向模型计算每个检测器响应于所述被定义的几何图形的多个计数值；
将每个检测器的所述多个被计算的计数值与来自所述扫描数据的所述多个值进行比较；
如果所述比较的多个结果未指示达到一最佳匹配，则调整所述被定义的几何图形并且重复进行所述计算及比较；
否则，如果达到一最佳匹配，则存储所述几何图形以呈现所述切片。
在本公开的一示例性实施例中，所述成像胶囊首先被测试，以决定用于执行所述计算所需的多个校准值。可选地，所述结肠的一切片的所述几何图形的所述初始猜测是一特定形状。在本公开的一示例性实施例中，所述结肠的一切片的所述几何图形的所述初始猜测是从所述结肠的一相邻切片的一先前决定的几何图形所决定的。可选地，所述前向模型封装用于估计每个检测器的所述计数所需的所有物理过程。在本公开的一示例性实施例中，所述前向模型是一分段前向模型，所述分段前向模型基于所述被发射的辐射估计每个检测器的所述计数，并且通过所述成像胶囊周围的一空间的每个体素估计一被估计的响应。替代地，所述前向模型是一高斯前向模型，所述高斯前向模型基于在每个发射光束与每个检测器之间的所述相对角距估计每个检测器的所述计数，并且估计从所述结肠的所述轮廓到所述胶囊中心的距离。在本公开的一示例性实施例中，通过使用最小均方法或最大似然法决定所述最佳匹配，以决定所述比较的所述多个结果是否具有小于一预选阈值的一差值。可选地，所述扫描数据包括在所述结肠中的所述成像胶囊的位置信息，所述位置信息带有所述多个检测器计数，其中所述位置信息是独立于所述多个检测器计数而被决定的。在本公开的一示例性实施例中，所述扫描数据包括多个量度，所述多个量度包括对在所述结肠中的每个位置的一辐射源的多个检测器计数及多个旋转角度的多个集合。可选地，所述扫描数据包括对在所述结肠中的每个位置的一整个圆周面的一扫描的多个检测器计数。在本公开的一示例性实施例中，调整所述被定义的几何图形的步骤包括对一辐射源的多个特定旋转角度增加从所述成像胶囊到所述结肠轮廓的一距离，及对其他旋转角度减少从所述成像胶囊到所述结肠轮廓的所述距离。
根据本公开的一示例性实施例，还提供一种非易失性计算机存储介质用于存储一程序，以执行如上所述的方法。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中将理解并更好地理解本公开。出现在多于一个图中的多个相同结构、元件或部件通常在它们出现的所有图中以相同或相似的数字被标记，其中：
图1是根据本公开的一示例性实施例的用于重建一结肠的一图像的一系统的一示意图例；
图2A至图2B是根据本公开的一示例性实施例的下列叙述的多个光子计数的多个图形的多个示意图例：(A)康普顿背散射(CMT)及(B)由在一胶囊中环绕的多个检测器检测的X射线荧光(XRF)；
图3A至图3C是根据本公开的一示例性实施例示例性形成一计数的所述成像胶囊的一横截面视图的多个示意图例；
图4是根据本公开的一示例性实施例的参与一成像胶囊辐射路径的多个子元件的一层次化结构的一示意图例；
图5是根据本公开的一示例性实施例的一成像胶囊的一图中的所述分段前向模型的实施方式的一示意图；
图6A至图6F是根据本发明的一实施例举例说明一分段前向模型的多个示意图，其中图6A示出一模拟情况的一几何描述，图6B及图6C示出在环绕所述胶囊的空间中的所有XRF及CMT相互作用的分布，图6D及图6E示出影响所述多个检测器的多个XRF及CMT相互作用的分布，图6F及图6G示出沿着CMT及XRF旋转的1/3的所有样本的检测器读数，并且所述虚线标记用于描绘图6B、图6C、图6D及图6E的角位置。
图7A至图7F是根据本公开的一示例性实施例举例说明料筒式体模扫描的示例性模拟及多个测量的示意图，其中图7A示出所述系统的一示意图，图7B及图7C示出用于模拟多个CMT及XRF信号的一个检测器的多个平均检测器读数，图7D示出一体模系统的一示意性实施方式，图7E及图7F示出用于被测量的多个CMT及XRF信号的多个平均检测器读数；
图8A至图8C是根据本公开的一示例性实施例举例说明一个或三个光束对一检测器的影响的多个示意图，其中图8A示出三个光束系统的一示意性设置，图8B示出一单个光束系统的一示意性设置，图8C示出单个光束与具有不同尺寸的多个料筒的三个光束的系统的多个模拟结果，其中在所述多个检测器与所述被模拟的结肠壁之间的尺寸为0、4、9及14毫米(mm)；
图9是根据本公开的一示例性实施例的重建一结肠的一图像的一方法的一流程图；及
图10A至图10B是根据本公开的一示例性实施例的一结肠的多个重建的多个示意图，其中图10A表示在2D中的所述重建，图10B表示一3D重建。
具体实施方式
图1是根据本公开的一示例性实施例的用于对一结肠110成像的一系统100的示意图。系统100包括一成像胶囊(imaging capsule)150，所述成像胶囊150被一患者170摄食以从内部检查所述患者的胃肠道(例如结肠110)。在本公开的一示例性实施例中，成像胶囊150包括一辐射源(radiation source)115，例如发射X射线及/或γ射线的Os 191或W 181，所述X射线及/或γ射线具有足够的能量以检查所述结肠110的所述内部结构。可选地，所述辐射以一个或多个准直器125被准直，以将所述辐射引导到多个期望的方向，例如以一马达135旋转所述准直器。同样地，成像胶囊150可以包括一电源195，诸如一电池，以对所述电动机135及需要电力的其他元件供电。在本公开的一示例性实施例中，成像胶囊150包括多个检测器105，以感测大致朝向成像胶囊150返回的光子，所述光子响应于由所述辐射源115发射的辐射。可选地，所述检测器105可以被设计为计数多个特定能量的X射线/伽马光子。
在本公开的一示例性实施例中，由所述多个检测器105记录的所述信息由一收发器185从所述成像胶囊发送到记录所述信息的一外部记录器120。可选地，所述信息包括：一计数、能量水平、所述准直器的旋转角度，及/或提供所述信息的所述检测器的识别性。在所述成像胶囊150从患者170内退出以后，外部记录器120记录所述信息，用于供一通用计算机130分析。替代地，所述信息可以被实时处理，以便在所述胶囊在胃肠道/结肠110中前进时能够实时显示所述胃肠道/结肠110。
在本公开的一示例性实施例中，计算机130使用一程序145，所述程序145基于来自所述检测器105的所述记录信息以重建所述结肠110的一图像。可选地，程序145假定所述结肠110的每个切片的一初始几何图形(例如：基于一先前的相邻切片)。在本公开的一示例性实施例中，程序145使用一前向计算以决定从所述多个检测器被记录的多个预期值应该基于所述给定的几何图形而存在的形态。程序145然后将所述多个被计算的值与所述多个被记录的值进行比较，并迭代地更新所述几何图形并重复所述多个计算，直到所述多个被计算出的值与所述多个被记录的值之间达到良好的一致性。
在本公开的一示例性实施例中，成像胶囊150还包括多个发射线圈165及/或一加速计175，以追踪所述成像胶囊150的运动，例如：每当所述胶囊前进通过结肠110或改变所述胶囊的方向时，扫描所述结肠110的所述内部结构的一切片。可选地，所述多个传输线圈165能够追踪所述成像胶囊150相对于所述外部记录器120的位置，并且所述加速度计175能够追踪所述成像胶囊150的角度旋转。替代地，所述成像胶囊150可以在整个结肠110中连续地、周期性地或基于一不同的受控或独立的暂时性计划进行扫描。在本公开的一些实施例中，所述位置信息有助于通过遵循每个重建的切片的所述位置以重建所述结肠110的一图像。
在本公开的一示例性实施例中，所述患者170附加摄食一造影剂(contrastagent)160，例如：混有碘的水。所述造影剂填充所述结肠110，使得所述成像胶囊150在被造影剂160包围时本质地前进通过所述结肠110。可选地，所述成像胶囊150的所述多个检测器105分别计数源自康普顿背散射(CMT)的光子及来自X射线荧光(XRF)的光子(例如：具有能量窗口及单独计数一特定能量范围的光子的检测器105)。可选地，在一特定持续时间(例如：每毫秒或每秒)以后，来自每个检测器105的计数被发送到外部记录器120以进行分析。
图2是根据本公开的一示例性实施例的下列叙述的多个透射光子计数的一图形的一示意图例，(A)康普顿背散射(CMT)及(B)来自围绕一成像胶囊150的所述辐射源115的多个检测器105的X射线荧光(XRF)。图3是根据本公开的一示例性实施例的示例性形成一计数的成像胶囊150的一横截面示意图。
在本公开的一示例性实施例中，所述多个准直器发射多个光束310中的辐射(例如：3个准直光束)。多个检测器105(例如：6个检测器)被放置在所述准直光束310周围，以检测由于康普顿背散射及/或X射线荧光而大约返向所述辐射源的多个粒子。所述准直光束310可以围绕垂直于所述页面延伸的一轴旋转，以扫描所述结肠的整个内周面。例如：在图3中，通过将角度320旋转120°，所述光束310扫描整个圆周面一次。通过将角度320旋转360°，将所述圆周面扫描三次。可选地，对于所述结肠中的每个位置，所述成像胶囊150执行多次扫描以增强所述多个被测量的结果的分辨率及准确性。
在本公开的一示例性实施例中，所述成像胶囊150从一个位置前进到另一个位置，并且逐片地提供所述结肠的扫描数据。被发送到外部接收器120的所述扫描数据可以包括每个位置的所述多个检测器值，或者扫描数据可以具有更高的分辨率，例如包括每个预选角度的多个检测器值，例如每30°、60°或90°，或者在一具体位置旋转。可选地，所述扫描数据然后可以包括所述多个检测器计数及它们被采样的角度，例如在90°、180°、270°及360°的一旋转中采样四次。
在本公开的一示例性实施例中，X射线辐射源是一放射性同位素(Os 191或W181)，所述放射性同位素的相关能带中的辐射是准单能的(quasi-monoenergetic)，以一给定的能量E0产生X射线光子(分别为65及57keV)。所述胶囊的所述物理模型潜在的所述辐射路径可以被抽象化如下：能量E0及强度I0的一光子射线由所述辐射源在朝向空间中的一点p的方向θF(其中F代表前向)发射。在多个光子到达p时，所述光子中的一些在通向p的路径上被吸收或散射。在点p附近，μPhoto是通过所述光电效应被吸收的多个光子的一小部分，并且μCMT是康普顿散射的相应部分。其余的在方向θF上更进一步。在本发明的所述示例性实施例中，两种类型的辐射路径被认为是所述成像原理的主要角色：所述康普顿(CMT)辐射路径及X射线荧光(XRF)辐射路径。其他辐射路径，例如相干散射及多个次级相互作用(coherentscattering and secondary interactions)不太重要，因此可以忽略不计。
图3(B)示出一CMT辐射路径-在方向θB上向后散射并与所述多个胶囊检测器105中的一个交叉的一光子射线。给定θB，可以使用所述克莱恩-尼希纳(Klein-Nishina)公式的一者，以计算在所述方向
Figure BDA0001923641780000111
上散射的多个光子的所述数量及其能量
Figure BDA0001923641780000112
例如：在180°处反向散射的具有原始EO＝60keV的光子束将具有～48.5keV能量，并且对于1°的一立体角将呈现散射光子总数的约0.3％。此光子射线经历吸收及散射，直到到达检测器d承载强度
Figure BDA0001923641780000113
图3(B)描绘几个CMT射线迹线，其中急转弯(多个边缘)对应于所述相互作用的点p。可以看到多个CMT事件发生在所述结肠的内侧及外侧。
图3(C)显示一XRF辐射路径-在点p位于被填充有碘化造影剂160的所述结肠内部的情况，则部分光电吸收发生在碘原子中。然后这些原子发射对碘具有能量
Figure BDA0001923641780000121
的特有X射线光子，所述能量已知被集中在28.6keV(Kα线)周围。因此，我们可以考虑在与多个胶囊检测器中的一个交叉的方向θB上被发射的多个X射线光子的一射线。已知X射线荧光在所有方向上均匀分布，因此所述光子射线
Figure BDA0001923641780000122
的强度仅由其立体角的部分决定。图3(C)描绘几个任意的XRF射线迹线(trace)。可以看到几个XRF事件仅发生在所述结肠内。
在本公开的一示例性实施例中，在所述胶囊中采用的所述多个X射线检测器105是能够在两个(或更多个)能量范围之间分离多个光子计数通道的多个部件。使用一能量校准程序，所述多个通道被设置，使得所述低能量仓(bin)计数源自碘XRF的多个光子，并且所述高能量仓计数源自CMT的多个光子。可选地，从所述辐射源115到所述结肠110的所述内壁的距离越大，XRF的所述计数越大，而所述CMT计数则相反。
在本公开的一示例性实施例中，所述基础重建问题可以定义如下：考虑多个检测器d＝1..dmax，多个能量仓(energy bins)e＝{CMT，XRF}及多个胶囊角位置α＝1..n，并且表示所述多个相应的检测器读数Rdeα，需要提供关于所述结肠壁与胶囊中心相距的距离r(θ)，对于0≤θ＜360°的描述。在本公开的一示例性实施例中，与一完美圆的任何偏差将导致每个检测器d的所述多个计数之间的一差值，尤其是息肉(polyps)或其他临床异常将会影响的一些检测器的所述多个计数。
在本公开的一示例性实施例中，对于所述结肠110的每个切片，假设一初始几何形状(以r(θ)表示)，例如：一圆形或椭圆形或与所述结肠110的一先前切片相同的形状。可选地，一前向模型被用在基于所述几何形状计算所述检测器105的所述多个预期值。如果所述多个被计算的值与所述多个被测量的值相同，则假设我们已经发现所述结肠的所述正确几何图形。否则，校正所述几何形状并重新计算所述多个预期值。重复所述过程直到预期的计数与测量的计数相匹配。
以下是实现一前向模型以计算检测器计数值的一第一种方法：
分段前进模型：
在本公开的一示例性实施例中，为了开发可允许将一几何图形变换为一预期的检测器读数的一前向模型，我们将围绕所述辐射源115的体积划分为多个小的体素(voxel)。
可选地，Beer-Lambert及Klein-Nishina公式及衰减系数表可被用于建模传播、散射及XRF生成。
在本公开的一示例性实施例中，为了使所述前向模型用作一迭代重建算法(iterative reconstruction algorithm)的一最优引擎，进行某些假设以简化所述计算过程。所述多个假设可以包括传播介质被假设是仅有两种材料的一化合物-软组织及碘，其中使用多个可变密度因子以缩放多个吸收及散射特性。只有到达多个胶囊检测器的初级散射及XRF产物才是所述模型的关注点，所有其他不影响或可忽略地影响检测器的过程都被忽视。所述多个计算的序列被执行，使得仅依赖于胶囊配置与环境无关的多个部分首先被执行，以使所述迭代算法可以计算它们一次，然后仅应用所述剩余的可变部分用于环境的收敛描述。
在所述分段前向模型中涉及的多个计算的推导：
在所提出的分段前向模型中，如上所述的辐射路径被假设。衡平(goveming)所述多个参与元素的所述行为的所述数学方程被讨论如下。在多个正被处理的元素之间的概念上的相互关系在图4中被描绘，这被实现为多个索引(indices)的一层次结构(hierarchy)400。例如：对于每个光子射线-r，存在一系列体素n＝1..nmax，其中每个体素可以是朝向任何检测器d＝1..dmax等的一CMT或XRF光子射线的原点。所述想法在图5中也示出为作为前向传播的多个射线并产生朝向所述检测器后向行进的光子的实施方式500。
所述胶囊周围环境的描述可以被定义为两种基本材料的一密度分布：碘及软组织，而在当前情况下，软组织可以被视为等同于具有一更高密度的水。当所述空间被划分为被体素时，此分布被表示为
Figure BDA0001923641780000143
其中，p为所述体素的唯一空间索引，并且M被呈现为所述基本材料M＝{1，2}≡{软组织，碘}。我们还定义μMA作为材料M的一衰减系数，相对于胶囊的放射性同位素的所述名义上的能量(nominal energy)的所述衰减过程A＝{1，2}≡{康普顿，光电}。μM＝μM1+μM2是材料M的所述标称能量下的所述总衰减系数。
通过所述吸收机制A在光束b的射线r的所述路径中的体素n中被吸收的光子数量使用等式(1)被获得：
Figure BDA0001923641780000141
其中，包含所述胶囊几何图形的数学描述的三个矩阵被採用：
Figure BDA0001923641780000142
其中，I代表射线强度，P-是一个映射矩阵，用于将射线穿过的体素与体素的空间索引相关联，并且Λ呈现在多个体素内的所述多个射线的多个路径长度。上标F代表“前向(Forward)”，指示所述多个实体是源自所述辐射源115中的所述多个主要光子的射线。所述输出强度矩阵被赋予上标B(后向)，因为从所述多个特定体素中的所述主射线减少的多个光子的所述数量表示由所述体素通过CMT或XRF产生的次级光子数量，其中包括那些被引导到所述多个胶囊检测器的次级光子。
通过多个胶囊检测器被测量的所述被预测的计数率在等式(2)中给出，所述等式根据在等式(1)中计算的强度以模拟射线向胶囊的多个检测器的传播。
Figure BDA0001923641780000151
其中，所述射线强度矩阵
Figure BDA0001923641780000152
是一体素中被吸收的光子数的所述导数，表示朝向所述检测器像素发射的部分。所述矩阵通过考虑多个检测器的立体角及散射截面被计算，所述散射截面通过应用于所述多个射线散射角的克莱恩-尼希纳(Klein-Nishina)公式被导出。
所述后向行进的射线具有的光子能量与所述放射性同位素的能量E0相比是减少的，并且与碘离子X射线衍射能量或康普顿散射能量相等，取决于所述散射角并且来自Klein-Nishina公式。多个光子能量影响多个衰减系数，如所述衰减系数矩阵
Figure BDA0001923641780000153
的计算所反映的。
所述分段前向模型的实现方案：
为了充分利用等式1及2中描述的数学模型，所述计算应该以独立于
Figure BDA0001923641780000154
的计算这样的方式被实现，即构建多个矩阵
Figure BDA0001923641780000155
并且首先执行。由执行等式1及2组成的其余计算然后可以多次被进行，每次应用于不同的环境描述。这样，实现以这种方式开发所述前向模型的主要目的，因为所述计算被划分使得所述重部分执行一次，而每个单独的迭代明显更快。
在一示例性实现中，这里描述的过程已经通过MATLAB(
Figure BDA0001923641780000156
1994-2015TheMathWorks公司)成功实现并应用于若干模拟场景，一些结果如下所示。就计算性能而言，执行所述初始重计算所花费的时间通常比每个后续环境的相关迭代所需的时间更长(例如：大约75倍)。
图6示出对于一合成情况获得的所述计算结果，所述计算结果示意性示在图6A(在所述结肠110的一横截面的所述顶部区域中具有一息肉155)。所述胶囊由一圆形结肠周边(circular colon perimeter)对称地包围，所述圆形结肠周边被填充有均匀碘化的水状介质(造影剂160)。一圆形息肉侵入(intrusion)155被实现在所述结肠周边的所述顶部上。除了应用等式1及2以获得所述被模拟的多个检测器读数(图6F及图6G)以外，在这种情况下，我们还检查所述多个计算的所述多个中间产物，以获得在不同相互作用发生处的所述信息。所述信息借助于对所述胶囊的一单个角位置生成的所述多个被描绘的分布映射(map)而被示出在图6中的子图B、C、D及E。图6B及图6C示出等式1的所述输出，其中所述映射中的每个像素分别反映由于康普顿散射及光电(X射线荧光)吸收而在相应体素中被吸收的光子数。正如被预期的，所述光电吸收被集中在所述碘化介质中，而康普顿散射在所述结肠周边的内部及外部都发生，而在边界横越的位置则很少发生。类似地，图6D及图6E示出等式2的所述输出，其中在所述映射中的每个像素反映从相应的体素被发射并最终由多个胶囊检测器中的一个检测到的光子数量。应该注意的一点是，如在所述多个映射右侧的多个强度条所示，由所述胶囊检测到的多个次级相互作用映射内的所述强度显着低于所述初级辐射的强度。
在图6中，可以看到所述被模拟的息肉的一个最靠近检测器通道2及3，尽管它们不直接面对它们。所示的角度光束位置是在所述多个光束中的一个朝向所述息肉投射时被示出，因此我们期望检测器2及3的所述多个读数反映出这一点。实际上，从图6F可以看出，来自这两个检测器的康普顿信号高于它们的多个对称对应物(counterpart)一信道(channels)5及6。另一方面，图6G表现出这些检测器的较低XRF信号。这些效应可以通过观察所述多个相互作用分布映射而被解释-随着较少的碘化对比度在朝向所述息肉被施加时与X射线束相互作用，所述多个XRF相互作用的量减少，而当所述多个反向散射的CMT光子在存在较少的碘时遇到较少的吸收被呈现在他们的路径上。显然，在这些升高及降低的检测器信号中包含的信息将通过所述重建算法的方式被转换为所述息肉的描述。
在展示所述分段模型的所述有效性的一示例性实验中，使用成像胶囊150在一组所谓的‘料筒(barrels)’上执行一系列模拟及实际测量-由一内部部件710构成的多个圆形环氧树脂体模(phantoms)700与碘及外部部分720均匀地混合，所述外部部分720是一透明环氧树脂。图7A示意性地示出所述料筒测量设定，图7D示出一实际料筒的照片。一系列的测量及模拟包括料筒径向尺寸及碘的不同浓度的各种组合。为了进行比较，所述多个作为结果的检测器读数已经在所有扫描样品上被均化，并被绘制为碘化料筒半径-与结肠壁的有效距离的函数。图7B及图7C显示所述被模拟的数据的这些计算，而图7E及图7F显示所述被测量的数据的结果。对应于所述被模拟的数据的所述多个图形及对应于所述被测量的数据的图形基于如同料筒尺寸及碘密度变化、高距离收敛及所述被检测到的幅度的多个计数的量级(order)的函数的所述单调性及所述多个趋势表现出相似性。
自然地，所述被测量的及被模拟的多个值是不相同的，像是所述特定胶囊的精确物理特性，诸如所述特定胶囊的检测器响应、光束强度等未包括在所述模拟中。但是，通过执行一适当的校准过程，这些属性可以被考虑。
在本公开的一些实施例中，一简化方法可以被使用作为一前向模型以计算形成一给定几何图形的多个检测器计数值。
此第二个模型被称为一前向高斯模型(FGM)，采用多个简化的数学方程式被开发作为所述分段模型的一简化。
前向高斯模型(FGM)：
为了开发前一节中演示的所述前向模型的一简化版本，进行以下假设：
a.由所述多个检测器在每个角度光束位置处测量的所述信号仅取决于直接在所述光束前方的所述扫描区域。
b.所述多个检测器读数受所述环境组成及在多个检测器与多个光束之间的所述相对角距离的影响。目前的假设是这两种影响机制可以被分开，从而使来自光束b而由检测器d检测到的速率等于所述积：
Adbe(r(θb))·Gdbe(θb-θd)
其中，θb及θd为所述检测器及所述多个光束的所述多个角度，Adbe是所述结肠壁距离r(θ)的函数，及Gdbe是角距离Δθ的一函数。如前一节所述，索引e代表能量仓。
c.总体检测器读数等于来自不同光束(b)的贡献的和，因此所述总体检测器读数可以被表示为等式3：
Figure BDA0001923641780000181
其中，Rde代表在能量仓e处的检测器d的读数。
制定所述角度依赖函数：
为了研究所述光束对检测器的角距离的影响，所述分段前向模型被用于模拟仅一个光束发射X射线的一情景。这允许隔离每个光束对检测器的影响。在几个料筒情况下的所述模拟的结果在图8中被示出，也与所述名义上的三个光束情况810相比。图8C中的曲线图描绘由所述多个检测器中的一个测量的CMT及XRF信号作为光束的角位置的函数。对于三个光束情况810，我们观察到的调制类似在图2及图6中已经观察到的调制。单个光束情况820的结果与三光束情况810的中心部分一致。这表示与一检测器完美对齐的一光束贡献大部分被检测到的光子。另被注意的是，所述函数在大约半个周期内达到零，表示当相对于120的所述角距离很大时，所述光束不会影响所述检测器的所述多个读数。此曲线的钟形形状启示近似于所述角度的依赖性G由一高斯函数组成。多个高斯拟合曲线(Gaussian fitcurves)已经在图8中被叠加为820，从中可以清楚地看出这是一个良好的近似。因此，我们采用所述高斯函数作为所述角度依赖性G的代表。
所述径向依赖函数：
观察图8中所示的不同料筒尺寸的模拟结果，我们观察到所述近似高斯函数的所述幅度的变化，所述变化随着所述XRF信号的料筒尺寸而增加，并且随着用于所述CMT信号的所述料筒尺寸而减小。所述幅度变化与本节开头所做的假设(b)及得到的等式(3)一致。因此，所述幅度变化是所述径向依赖函数Adbe(r(θb))对所得到的信号的影响的表现。由于正在考虑所述对称的料筒情况，即所述径向函数r(θb)＝恒定值，因此仅施加缩放并且不会使所述角度高斯函数失真。
下面是通过考虑X射线传播的简并1D情况，然后是康普顿反向散射或XRF的产生，简化近似所述径向依赖函数的一解析公式。
考虑一光子射线通过非均匀吸收介质在x方向上传播的能量E0及原始强度I0，所述多个光子的射线在能量E0方面的衰减系数由函数
Figure BDA0001923641780000195
给出。所述光束可以被假设无限小，我们试图估计从所述介质反向散射到所述光束的光子数量。
根据比尔-朗伯定律(Beer-Lambert law)，到达点y处的光子数量由下式给出：
Figure BDA0001923641780000191
根据衰减系数的定义，以下数量的光子将通过康普顿散射在点y处被局部散射：
Figure BDA0001923641780000192
其中，
Figure BDA0001923641780000193
是衰减系数
Figure BDA0001923641780000196
的康普顿分量。
这些光子的一部分在与传播方向相反的方向上反向散射，它们的部分由一线性因子
Figure BDA0001923641780000194
及它们的能量ECMT定义，其由Klein-Nishina公式所决定。所述反向散射的光子射线在向后的方向上朝向所述光束的原点传播的同时经历吸收。然后，从点y返回到原点的光子数量为：
Figure BDA0001923641780000201
为了决定所述反向散射光子的总数，将(6)整合并获得：
Figure BDA0001923641780000202
回顾假设所述径向仅包括两种类型的材料-多个碘化结肠内容物及软组织，所述形式μE(x)的所有衰减函数可以用一阶梯函数代替
Figure BDA0001923641780000203
其中，r是结肠壁的距离，m1及m2分别对应于多个碘化结肠内容物及周围的软组织。使用(8)，来自等式(7)的积分可以被解析地求解，得到(9)：
Figure BDA0001923641780000204
等式(9)可以被重新表述为下列形式的一指数表述式：
Figure BDA0001923641780000205
其中，
Figure BDA0001923641780000206
及
Figure BDA0001923641780000207
是正的恒定系数，且是到结肠壁的距离。
通过类比方式，可以对估计的返回XRF信号执行类似的推导：
Figure BDA0001923641780000208
Figure BDA0001923641780000211
其中，Photo对应光电吸收过程，并且EXRF是碘的XRF辐射的能量。由于在这种情况下，对应于碘不存在的所述结肠外软组织的材料m2，我们可以替换
Figure BDA0001923641780000212
因此方程式(11)可以重新表述为：
Figure BDA0001923641780000213
由等式(10)及(12)产生的趋势与图7的相应曲线中呈现的趋势完全对齐，证实(10)及(12)构成所述径向依赖函数的一良好近似。
所述组合的前向高斯模型的公式：
将上述解释的结果纳入等式(3)，得到多个胶囊检测器读数作为所述光束角位置α的一函数：
Figure BDA0001923641780000214
其中，θb及θd是在所述胶囊组件内的所述多个光束及多个检测器的所述多个恒定相对角度(为了简单起见，可以设定θb＝1＝θd＝1＝0°)。所述径向依赖函数
Figure BDA0001923641780000215
的系数及所述高斯函数σdbe的所述标准差可以通过分析被获得或通过校准过程被决定。
可选地，在等式(13)中公式化的所述前向模型可以用作一迭代重建算法(iterative reconstruction algorithm)的所述核心。
基于前向模型的重建：
图9是根据本公开的一示例性实施例的重建一结肠的一图像的一方法的一流程图。在本公开的一示例性实施例中，成像胶囊150横越所述胃肠道并扫描所述内壁。在通过所述胃肠道的行程期间，所述成像胶囊150将所述扫描数据发送到所述外部接收器120。可选地，所述外部接收器120可以将数据直接传送到计算机130，同时所述成像胶囊150仍然在患者170体内或者在成像胶囊150从患者170排出并且停止发送以后。
在本公开的一示例性实施例中，外部接收器120可以被连接到计算机130，例如通过蓝牙、Wi-Fi、以太网、USB或任何其他类型的连接。替代地，所述扫描数据可以被存储在一内存上并被物理地传送到计算机130用于分析。
在本公开的一示例性实施例中，在使用每个胶囊以前，例如利用一体模定义良好的成形系统(phantom well defined shaped system)测试所述辐射源115及多个检测器105，例如：如上关于图7所述，以决定每个检测器105及/或整个系统用于所述计算的多个系数。可选地，在随着(920)所述扫描数据的接收或以前，将所述校准信息提供(910)到计算机130。
在本公开的一示例性实施例中，所述结肠110的一第一切片(930)的所述结肠的一轮廓的一几何图形r(θ)的一初始猜测(例如：从所述成像胶囊到所述结肠内壁的半径作为所述成像胶囊周围的所述角度一的函数)被定义以开始所述计算过程，例如可以假设所述第一个切片是一特定形状，例如具有一特定半径的一圆或具有多个特定焦点的一椭圆。同样地，可以假设后续切片的初始几何图形基于一先前切片的最终最佳形状。
一旦定义一几何图形r(θ)，计算机130上的程序145就使用一前向模型(例如：如上所述的所述分段前向模型或所述高斯前向模型)计算(940)预期的多个检测器计数。
然后将多个被计算的结果与在所述结肠110中的相同位置处从所述成像胶囊150接收的所述多个测量的结果(检测器读数)进行比较(950)。可选地，使用诸如最小二乘法或最大似然法的一客观误差函数以比较所述结果。在本公开的一示例性实施例中，如果所述被计算的结果最佳地匹配(960)所述多个被测量的结果(例如：具有小于一预选阈值的一差值)，则假设所述几何图形r(θ)是正确的并且所述几何图形r(θ)可以呈现表示在特定位置处的所述结肠110的一切片。可选地，几何图形r(θ)可以是任何形状，例如呈现具有息肉及其他异常的一轮廓。
在本公开的一示例性实施例中，一旦获得一最佳几何图形r(θ)，计算机130就可以使用所述几何图形r(θ)以重建(970)所述结肠110的所述图像的一切片，并将所述切片显示给所述使用者或存储信息供以后使用。一旦程序145决定一连续切片集合的所述几何图形，所述程序就可以将它们组合在一起并显示所述结肠110的一段或整个结肠100。可选地，计算机130可以对一从业者显示所述结肠并使所述从业者能够飞跃的掠过所述重建的图像及/或放大或缩小，以查看所述结肠的多个特定区域。在本公开的一些实施例中，所述被重建的呈现可以是一个二维瀑布图像或三维图像，例如：如图10A及图10B所示，所述2D图像的所述x轴呈现相对于所述胶囊的所述角度，而所述y轴是一个简单的指数，相当于采集时间(acquisition time)。2D图像中的颜色编码/阴影反映所述结肠壁与胶囊的所述被重建的距离，从暗到亮。据此，在图10A中所示的重建图像中被看到的暗局部区域是胶囊已经检测到相对于结肠壁的多个侵犯处的区域，所述区域可以被解释为息肉。
在本公开的一示例性实施例中，重建图像可以由从成像胶囊150获取的其他定位信息辅助，例如外部记录器120可以存储所述扫描数据，所述扫描数据具有定位数据，所述定位数据是从追踪所述成像胶囊150的位置/运动的其他传感器(例如：加速计、线圈、陀螺仪等)获取的。
在本公开的一示例性实施例中，如果所述被计算的数据不够接近，则程序145基于所述多个计数而调整(980)所述几何图形r(θ)并通过返回到(940)重新计算检测器计数来迭代地重复计算。可选地，每个检测器105附近的几何图形基于相对于所述被计算的计数的所述实际XRF计数及CMT计数被调整，如上所述，所述被计算的计数指示所述检测器附近的所述结肠半径是否应该更大或更小。
在本公开的一些实施例中，程序145被存储在一非易失性计算机存储介质(例如CD、DVD、USB驱动器)上，以被传输到多个计算机，以分析扫描数据并重建一结肠或一结肠的一段的多个图像。
应当理解的是，上述方法及装置可以用多种方式进行变化，包括省略或添加步骤、改变步骤的顺序及所使用的装置的类型。应当理解的是，可以用不同方式组合不同的特征。特别地，并非在特定实施例中上面示出的所有特征在本公开的每个实施例中都是必需的。上述特征的进一步组合也被认为是在本公开的一些实施例的范围内。
本领域技术人员将理解的是，本公开不限于上文特别示出及描述的内容。

Claims (20)

1.一种重建一结肠的一图像的方法，其特征在于：所述方法包括步骤：
接收由一成像胶囊摄取的一结肠的扫描数据，所述成像胶囊从所述结肠的内部穿越；其中所述成像胶囊在所述结肠内发射X射线的辐射，并且所述成像胶囊包括多个检测器，所述多个检测器检测光子，所述光子是从多个X射线荧光的相互作用及响应于所述X射线的辐射的多个康普顿背散射的相互作用而朝向所述成像胶囊返回；及其中所述扫描数据包括多个光子计数，所述多个光子计数是由每个检测器从多个X射线荧光的相互作用及多个康普顿背散射的相互作用检测；
定义所述结肠的一切片的一轮廓的一几何图形的一初始猜测；
使用一前向模型计算每个检测器响应于所述几何图形的多个计数值；
将每个检测器的所述多个计数值与来自所述扫描数据的多个值进行比较；
如果所述比较的多个结果未指示达到一最佳匹配，则调整所述几何图形并且重复进行所述计算及比较；
否则，如果达到所述最佳匹配，则存储所述几何图形以表示所述切片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述成像胶囊首先被测试，以决定用于执行所述计算所需的多个校准值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述结肠的所述切片的所述几何图形的所述初始猜测是一特定形状。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述结肠的所述切片的所述几何图形的所述初始猜测是从所述结肠的一相邻切片的一先前决定的几何图形所决定的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述前向模型封装用于估计每个检测器的所述多个计数值所需的所有物理过程。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述前向模型是一分段前向模型，所述分段前向模型基于所述辐射估计每个检测器的所述多个计数值，并且通过所述成像胶囊周围的一空间的每个体素估计一被估计的响应。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述前向模型是一高斯前向模型，所述高斯前向模型基于在每个发射光束与每个检测器之间的一相对角距估计每个检测器的所述多个计数值，并且估计从所述结肠的所述轮廓到所述成像胶囊的中心的距离。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述最佳匹配是通过使用最小均方法或最大似然法被决定，用以决定所述比较的所述多个结果是否具有小于一预选阈值的一差值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述扫描数据包括在所述结肠中的所述成像胶囊的位置信息，所述位置信息带有多个检测器计数，其中所述位置信息独立于所述多个检测器计数被决定。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述扫描数据包括多个量度，所述多个量度包括对在所述结肠中的每个位置的一辐射源的多个检测器计数及多个旋转角度的多个集合。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述扫描数据包括对在所述结肠中的每个位置的一整个圆周面的一扫描的多个检测器计数。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：调整所述几何图形的步骤包括对一辐射源的多个特定旋转角度增加从所述成像胶囊到所述结肠的所述轮廓的一距离，及对多个其他旋转角度减少从所述成像胶囊到所述结肠的所述轮廓的所述距离。
13.一种用于重建一结肠的一图像的系统，其特征在于：所述系统包括：
一计算机或专用可编程计算硬件，被配置为接收由一成像胶囊摄取的一结肠的扫描数据，所述成像胶囊从所述结肠的内部穿越；其中所述成像胶囊在所述结肠内发射X射线的辐射，并且所述成像胶囊包括多个检测器，所述多个检测器检测光子，所述光子是从多个X射线荧光的相互作用及响应于所述X射线的辐射的多个康普顿背散射的相互作用而朝向所述成像胶囊返回；及其中所述扫描数据包括多个光子计数，所述多个光子计数是由每个检测器从多个X射线荧光的相互作用及多个康普顿背散射的相互作用检测；
一计算机程序，被配置为在所述计算机或专用可编程计算硬件上执行并进行如下：
定义所述结肠的一切片的一轮廓的一几何图形的一初始猜测；
使用一前向模型计算每个检测器响应于所述几何图形的多个计数值；
将每个检测器的所述多个计数值与来自所述扫描数据的多个值进行比较；
如果所述比较的多个结果未指示达到一最佳匹配，则调整所述几何图形并且重复进行所述计算及比较；
否则，如果达到所述最佳匹配，则存储所述几何图形以表示所述切片。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述前向模型封装用于估计每个检测器的所述多个计数值所需的所有物理过程。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述前向模型是一分段前向模型，所述分段前向模型基于所述辐射估计每个检测器的所述多个计数值，并且通过所述成像胶囊周围的一空间的每个体素估计一被估计的响应。
16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述前向模型是一高斯前向模型，所述高斯前向模型基于在每个发射光束与每个检测器之间的一相对角距估计每个检测器的所述多个计数值，并且估计从所述结肠的所述轮廓到所述成像胶囊的中心的距离。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述最佳匹配是通过使用最小均方法或最大似然法被决定，用以决定所述比较的所述多个结果是否具有小于一预选阈值的一差值。
18.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述扫描数据包括在所述结肠中的所述成像胶囊的位置信息，所述位置信息带有多个检测器计数，其中所述位置信息是独立于所述多个检测器计数被决定的。
19.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述扫描数据包括多个量度，所述多个量度包括对在所述结肠中的每个位置的一辐射源的多个检测器计数及多个旋转角度的多个集合。
20.一种用于存储一程序以执行权利要求1所述方法的非易失性计算机存储介质。
CN201780039989.9A 2016-08-01 2017-07-31 利用放射性成像胶囊的图像重建 Active CN109414213B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662369217P 2016-08-01 2016-08-01
US62/369,217 2016-08-01
PCT/IL2017/050848 WO2018025262A1 (en) 2016-08-01 2017-07-31 Image reconstruction with radioactive imaging capsule

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109414213A CN109414213A (zh) 2019-03-01
CN109414213B true CN109414213B (zh) 2021-02-26

Family

ID=61073610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780039989.9A Active CN109414213B (zh) 2016-08-01 2017-07-31 利用放射性成像胶囊的图像重建

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10733771B2 (zh)
EP (1) EP3457936B1 (zh)
CN (1) CN109414213B (zh)
IL (1) IL263346B (zh)
WO (1) WO2018025262A1 (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1897873A (zh) * 2003-12-17 2007-01-17 切克-卡普有限责任公司 内腔息肉探测
CN101883519A (zh) * 2007-02-06 2010-11-10 保护层有限公司 腔内息肉检测
CN105208911A (zh) * 2013-06-05 2015-12-30 切克-卡普有限公司 在胃肠道中成像胶囊的位置估计

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9392961B2 (en) * 2003-12-17 2016-07-19 Check-Cap Ltd. Intra-lumen polyp detection
US8014580B2 (en) * 2007-10-31 2011-09-06 Siemens Medical Solution Usa, Inc. Determining a pixon map for image reconstruction
US20110142316A1 (en) 2009-10-29 2011-06-16 Ge Wang Tomography-Based and MRI-Based Imaging Systems
AU2011306413B2 (en) * 2010-09-23 2015-07-16 Check-Cap Ltd. Estimation of distances and size of lesions in the colon with an imaging capsule
WO2012056323A2 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 Check-Cap Ltd. Intra body capsule motion sensing and position determination systems and methods
US9269168B2 (en) * 2013-03-15 2016-02-23 Carestream Health, Inc. Volume image reconstruction using data from multiple energy spectra

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1897873A (zh) * 2003-12-17 2007-01-17 切克-卡普有限责任公司 内腔息肉探测
CN101883519A (zh) * 2007-02-06 2010-11-10 保护层有限公司 腔内息肉检测
CN105208911A (zh) * 2013-06-05 2015-12-30 切克-卡普有限公司 在胃肠道中成像胶囊的位置估计

Also Published As

Publication number Publication date
EP3457936A4 (en) 2019-12-04
CN109414213A (zh) 2019-03-01
IL263346B (en) 2021-02-28
US10733771B2 (en) 2020-08-04
WO2018025262A1 (en) 2018-02-08
IL263346A (en) 2018-12-31
EP3457936B1 (en) 2020-09-02
EP3457936A1 (en) 2019-03-27
US20190213760A1 (en) 2019-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9795350B2 (en) Material differentiation with phase contrast imaging
US10274439B2 (en) System and method for spectral x-ray imaging
EP3050028B1 (en) Joint reconstruction of electron density images.
JP6150940B2 (ja) 位相コントラストｃｔを使うことによる単色減衰コントラスト画像生成
US20110073763A1 (en) Method and apparatus for high-sensitivity Single-Photon Emission Computed Tomography
CN103339497B (zh) 探测值处理设备
US20150117595A1 (en) Method and x-ray system for generating a phase contrast image
Bharath Introductory medical imaging
US7961839B2 (en) Advanced convergence for multiple iterative algorithm
JP2011525382A (ja) ｋエッジ撮像のための医療Ｘ線検査装置及び方法
EP3152596B1 (en) Imaging system for generating an image of an object
US20160133042A1 (en) Imaging apparatus and imaging method
CN109414213B (zh) 利用放射性成像胶囊的图像重建
KR20140000823A (ko) 다파장 영상 복원 방법
Hausladen et al. Progress on Associated-Particle ImagingAlgorithms, 2022
WO2016077865A1 (en) Single/limited angle gamma/x-ray tomography
Chen et al. A regularized iterative reconstruction algorithm for X-Ray Diffraction Tomography
CN109893148A (zh) 用于校准x射线测量装置的方法和医学成像仪器
EP0910280A2 (en) Computer tomography device for volume scanning
Rubin et al. Reconstruction method for x-ray imaging capsule
Yu et al. Compton-camera-based SPECT for thyroid cancer imaging
Lohr Phase Retrieval Methods for Polychromatic Propagation-Based Phase-Contrast X-ray Imaging
Eyou Quantitative Absorption Tomography Using Polychromatic X-rays
CN117355865A (zh) 确定用于计算机断层扫描中的深度学习图像重建的置信度指示
Allmaras Modeling aspects and computational methods for some recent problems of tomographic imaging

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant