CN109416833A - 根据谱ct数据确定钙含量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过分析心脏谱CT数据来确定钙含量的设备和方法。通过将材料分解算法应用于可通过使用谱CT扫描单元来扫描对象的心脏区域而获得的CT投影数据(9)对所述投影数据进行建模(12)，以提供钙特异性组成部分。执行对所述投影数据的断层摄影重建(13)以提供第一3D图像(8)，并且执行对钙特异性组成部分的断层摄影重建(13)以提供第二3D图像(6)。对所述第一3D图像(8)进行分割(14)以提供对应于感兴趣心血管结构的图像掩模(5)，基于所述图像掩模(5)来选择(15)所述第二3D图像(6)的部分，并且基于所述第二3D图像(6)的所选择的部分来计算(16)所述感兴趣心血管结构中的钙含量。

Description

根据谱CT数据确定钙含量
技术领域
本发明涉及计算机断层摄影(CT)成像和相关的图像处理的领域。更具体地，本发明涉及用于分析通过计算机断层摄影获得的图像的系统和方法以及用于实施这样的方法的计算机程序产品。
背景技术
在放射学心血管检查中，确定钙含量例如对于确定冠状动脉钙分数会是特别有用的。这样的钙分数是本领域中已知的用于确定(例如估计和/或量化)存在于供给心肌的动脉壁中的钙量的度量。这种钙量与动脉壁的硬化相关联，例如可以指示动脉硬化血管疾病，例如特别是动脉粥样硬化。在动脉粥样硬化中，在动脉壁上形成斑块，斑块可以包括动脉粥样硬化的结节状积聚、胆固醇的晶体沉积以及特别是更晚期病灶的外基处的钙化。当允许动脉粥样硬化状况进一步发展时，粘附到壁的积聚材料会突然释放而形成腔内血栓，腔内血栓能够堵塞供给心肌的冠状动脉而由此导致心肌梗死或者能够形成血栓栓塞。动脉粥样硬化可以是慢性的，但是可以几十年无症状。
因此，冠状动脉钙分数可以表示用于结合其他诊断变量(患者历史和其他相关医学参数)来评估未来(例如几年到大约十年的时段内)心脏病发作或中风的风险的重要指示性变量。由于冠状动脉壁中的钙是冠状动脉疾病(CAD)的标志，因此在心脏CT扫描上探测到的并且通过钙分数量化的钙量形成了有用的预测工具。钙评分允许早期风险分层，因为具有高分数的患者具有增大的主要不良心脏事件的风险。尽管如此，高钙分数并不意味着个体将会在未来遭受主要不良心脏事件(例如，心脏病发作)，并且低钙分数也并不意味着个体不会遭受这样的事件，例如，钙分数仅仅是指示健康相关的随机性的可量化参数。虽然量化(例如估计)冠状动脉钙量的钙分数可以是冠状动脉粥样硬化的重要标志，但是它并不一定反映血管的变窄，例如，狭窄的程度。
通过使用未增强的低剂量计算机断层摄影(CT)扫描进行钙评分来估计冠状动脉钙化的程度在本领域中是已知的。这样的未增强的低剂量CT扫描可以是具体针对该目的而在进行心脏CT的患者中例行执行的专用CT扫描。虽然通常可以参考本说明书中的患者，但是技术人员应当理解用于钙评分的CT图像(例如，体积图像)可以通过执行构成或形成筛查的部分的CT扫描来获得。因此，虽然在本说明书中能够参考“患者”，但是应当理解，这样的患者不一定存在任何疾病征兆或症状，而且同样可以参考针对其收集信息的健康人以便确定医学疾病是否会存在或发展成严重疾病的实质可能性是否存在。
在呼吸屏气以及ECG触发或回顾性门控中执行用于钙评分的CT成像在本领域中是已知的，其中，可以通过多次轴向扫描或螺旋扫描来采集体积图像。此外，例如由于图像模糊，残余呼吸或心脏运动可以使通过已知技术采集的这些体积图像导出的钙分数劣化。
钙的衰减(例如，线性衰减系数或阻射率)取决于X射线谱和CT探测系统的特性，并且由此含有钙的被成像体积的例如以亨氏单位校准的CT像素或体素值取决于辐射源以及探测器的性质。因此，钙分数可以被认为是与所使用的成像系统和模态内在联系的半定量测量。
美国专利申请US 2012/0076377公开了用于提供血管狭窄可视化和量化的双能量CT谱成像的系统和方法。数据采集系统被编程为：在第一色度能量水平下获得针对感兴趣区域的CT图像数据的第一集合，并且在第二色度能量水平下获得针对感兴趣区域的CT图像数据的第二集合。在感兴趣区域中通过分析CT图像数据的第二集合来识别斑块材料。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供用于根据CT数据确定(例如计算和/或估计)钙含量的良好、高效的和/或鲁棒的方法和装置。
以上目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
本发明的实施例的优点是，冠状动脉钙化能够基于通过低剂量CT扫描协议采集的CT图像来进行量化。本发明的实施例的优点是，冠状动脉钙化能够基于通过不需要将对比剂注入患者的CT扫描协议采集的CT图像来进行量化。本发明的实施例的另外的优点是，基于低剂量和/或未增强的CT扫描协议的这样的量化可以特别适合于医学筛查应用。
本发明的实施例的优点是，提供了用于计算定量钙含量的鲁棒的和/或运动不敏感的方法和对应的装置。
根据本发明的实施例的方法的优点是，本方法能够在例如标准心脏谱CT扫描上回顾性地执行，而例如不需要专门适于钙评分的专用成像协议。
本发明的实施例的另外的优点是，定量钙分数能够从在不需要心电图触发或回顾性门控技术来校正、补偿、防止或减少运动伪影的体积CT成像协议(例如包括多次轴向扫描或螺旋扫描)中采集的图像获得。
本发明的实施例的另外的优点是，能够获得鲁棒的定量钙分数，例如定量钙分数不会遭受由于图像模糊(例如，残余呼吸和/或心脏运动引起的模糊)而造成的信息质量的实质劣化。
本发明的实施例的优点是，虽然如由例如以亨氏单位校准的CT体素值表示的观察到的钙衰减取决于用于采集图像的CT扫描系统的X射线谱和探测器特性，但是通过根据本方面的实施例的设备或方法确定的钙含量能够对这些差异不敏感，例如能够提供对钙含量的可再现且完全定量的测量。
在第一方面中，本发明涉及一种用于通过分析心脏谱CT数据来确定钙含量(例如确定钙分数)的图像数据处理设备，所述图像数据处理设备包括：数据输入部，其用于接收通过使用谱CT扫描单元扫描对象的心脏区域获得的谱CT投影数据；建模单元，其用于将材料分解算法应用于所述谱CT投影数据，以便提供所述谱CT投影数据的钙特异性组成部分；断层摄影重建单元，其用于：重建所述谱CT投影数据，以便提供所述心脏区域的第一3D图像；并且重建所述谱CT投影数据的所述钙特异性组成部分，以便提供表示所述心脏区域中的钙含量的第二3D图像。
所述设备还包括：分割单元，其用于对所述第一3D图像进行分割，以便提供对应于所述心脏区域中的感兴趣心血管结构的图像掩模；选择单元，其用于基于所述图像掩模来选择所述第二3D图像的部分；以及计算单元，其用于基于所述第二3D图像的所选择的部分来计算所述感兴趣心血管结构中的钙含量。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述分割单元可以适于提供对应于所述心脏区域中的冠状动脉或冠状动脉的部分的所述图像掩模。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述选择单元可以适于选择所述第二3D图像中形成所述感兴趣心血管结构(例如，冠状动脉或冠状动脉的部分)的体素的第一集合，在这种设备中，所述计算单元可以适于对由所选择的体素表示的钙量进行积分，以便计算所述感兴趣心血管结构中的所述钙含量。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述选择单元可以适于选择所述第二3D图像中作为形成所述感兴趣心血管结构的所述体素的补集(例如，所述体素的第一集合的补集)的体素的第二集合。
根据本发明的实施例的图像数据处理设备还可以包括前向投影单元，所述前向投影单元用于对所述体素的第二集合进行投影，以生成对应于与所述谱CT投影数据相同的投影的模拟投影数据。所述计算单元可以适于从所述谱CT投影数据的所述钙特异性组成部分中减去所述模拟投影数据，以便获得表示特别是所述感兴趣心血管结构中的钙特异性衰减的减量投影数据。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述计算单元可以适于对由被包括在所述减量投影数据中的每幅投影图像表示的钙量进行积分，以计算多个钙含量测量结果。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述计算单元可以适于在对由每幅投影图像表示的所述钙量进行所述积分之前将所述减量投影数据重新分箱成对应于平行几何形状的投影图像。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述计算单元可以适于计算所述多个钙含量测量结果的统计中心趋势的测度。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述计算单元可以适于计算所述多个钙含量测量结果的统计离差和/或统计置信区间的测度。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述建模单元可以适于将所述谱CT投影数据划分成所述钙特异性组成部分和指示特异于软组织和/或水的衰减的至少第一另外的组成部分。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述建模单元可以适于将所述谱CT投影数据划分成所述钙特异性组成部分、所述第一另外的组成部分，以及指示特异于预定对比剂的衰减的至少第二另外的组成部分。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备中，所述建模单元可以适于实施针对由所述谱CT投影数据表示的探测到的光子计数的前向模型，并且适于应用最大似然估计方法来确定沿着针对每种建模材料的每条投影路径的材料长度，所述建模材料至少包括钙。
在第二方面中，本发明还涉及一种包括根据本发明的第一方面的实施例的图像数据处理设备的工作站。
在第三方面中，本发明还涉及一种成像系统，包括根据本发明的第一方面的实施例的图像数据处理设备以及谱CT扫描单元，所述谱CT扫描单元用于在扫描所述心脏区域时生成所述谱CT投影数据并且用于将所述谱CT投影数据供应给所述数据输入部。
在根据本发明的实施例的成像系统中，所述谱CT扫描单元可以包括能量分辨的光子计数图像探测器。
在第四方面中，本发明还涉及一种用于通过分析心脏谱CT数据来确定钙含量的方法。所述方法包括：获得对应于对象的扫描的心脏区域的谱CT投影数据；将材料分解算法应用于所述谱CT投影数据，以便提供所述谱CT投影数据的钙特异性组成部分；重建所述谱CT投影数据，以便提供所述心脏区域的第一3D图像；重建所述谱CT投影数据的所述钙特异性组成部分，以便提供表示所述心脏区域中的钙含量的第二3D图像；对所述第一3D图像进行分割，以便提供对应于所述心脏区域中的感兴趣心血管结构的图像掩模；基于所述图像掩模来选择所述第二3D图像的部分；并且基于所述第二3D图像的所选择的部分来计算所述感兴趣心血管结构中的钙含量。
在第五方面中，本发明还涉及一种计算机程序产品，具有被嵌入在其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码当被计算机执行时用于通过分析心脏谱CT数据来计算钙含量，其中，所述计算包括执行根据本发明的实施例的方法的步骤。
本发明的特定方面和优选方面在独立权利要求和从属权利要求中进行了阐述。在适当时，从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征和其他从属权利要求的特征进行组合，而不仅仅是如权利要求中明确阐述的。
参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是明显的并且得到阐明。
附图说明
图1示意性地图示了根据本发明的实施例的设备。
图2示意性地图示了根据本发明的实施例的成像系统。
图3示意性地图示了根据本发明的实施例的方法。
附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于图示的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且不是按比例绘制的。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的元件。
具体实施方式
将参考特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求限定。所述附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于图示的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且不是按比例绘制的。尺寸和相对尺寸并不对应于实施本发明的实际缩减量。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二等用于区分相似的元件，而并不一定用于描述在时间上、空间上、排序上或以任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或图示的其他顺序进行操作。
此外，说明书和权利要求中的术语“上”、“下”等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或图示的其他取向进行操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解读为限于此后列出的单元；它不排除其他元件或步骤。因此，它被解读为指明所提及的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件或它们的组的存在或添加。因此，表述“包括单元A和B的设备”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。这意味着对于本发明，设备的仅相关部件是A和B。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书通篇的多个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的实施例，但是可以指代相同的实施例。此外，可以以任何适合的方式在一个或多个实施例中组合特定的特征、结构或特性，这对于本领域普通技术人员根据本公开内容是显而易见的。
类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，为了简化本公开内容并有助于理解各种创新方面中的一个或多个方面，本发明的各种特征有时被组合在本发明的单个实施例、附图或说明书中。然而，本公开内容的方法不应被解读为反映如下意图：即，所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征。相反，如以下权利要求所反映的，创新方面在于其比前述公开的单个实施例的所有特征更少。因此，详细的说明书之后的权利要求由此明确地并入该详细的说明书中，其中，每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。
此外，尽管本文所述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些特征却不包括其他实施例中的其他特征，但是旨在将不同实施例的特征的组合包括在本发明的范围内，并且构成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的。例如，在权利要求中，能够以任何组合使用任何要求保护的实施例。
在本文提供的说明书中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他情况下，没有详细示出公知的方法、结构和技术，以避免使得本说明书难以理解。
在第一方面中，本发明涉及一种图像数据处理设备。该图像数据处理设备可以适合于根据诊断图像来生成定量钙测量结果形式的医学相关信息。
图1示出了根据本发明的实施例的示例性图像数据处理设备10。数据处理设备10适于确定钙含量，例如适于估计和/或量化钙量，例如，钙的质量或体积，例如通过测量钙量或确定表示这样的钙量的值，以便例如确定钙分数。
数据处理设备10适于通过分析心脏谱计算机断层摄影(CT)数据来确定钙含量，例如通过分析由谱CT扫描单元(例如，谱CT扫描器，例如，谱光子计数CT扫描单元)采集的原始数据(例如，特别是投影数据，例如，投影图像)来确定钙含量。例如，根据本发明的实施例的数据处理设备10可以用于使用谱CT成像(例如，谱光子计数CT成像)来识别钙。本发明的实施例的优点是，能够获得对钙的完全定量测量，例如能够确定与存在于扫描的心脏区域中的钙的物理量直接且明确联系的钙分数值。另一优点是，能够例如在投影域中基于谱分解来确定鲁棒且运动不敏感的钙分数值。又一优点是，根据本发明的实施例的数据处理设备10能够用于分析由任何心脏谱CT扫描采集的投影数据，而例如不需要特定的心脏成像协议。另一优点是，数据处理设备10能够用于回顾性分析，例如能够确定存在于心脏谱CT扫描中的钙量，其中，不一定要有意地执行这种心脏谱CT扫描来根据采集的图像确定这样的钙量。换言之，当在例行心脏谱CT检查中使用根据本发明的实施例的设备时，可以不需要专门用于允许确定钙量的额外的专用CT扫描。
特别地，数据处理设备10可以适于通过分析当执行心脏谱CT成像协议时由谱CT扫描单元采集的心脏谱计算机断层摄影(CT)数据来确定钙含量，所述心脏谱CT成像协议不一定需要呼吸屏气、心电图(ECG)触发或门控技术来补偿呼吸或心脏运动。
图像数据处理设备10包括数据输入部11，数据输入部11例如包括输入单元(例如，数据通信网络连接、数据载体读取器)或专用的设备链路(例如，将图像数据处理设备连接到合适的数据源(例如，谱CT扫描单元)的数据总线连接)。数据输入部11适于接收通过使用谱CT扫描单元扫描对象(例如，患者)的心脏区域而获得的谱CT投影数据9。特别地，可以在先前通过这样的扫描单元来采集投影数据，并且可以例如经由网络或数据总线连接或者经由物理数据载体将投影数据传输给数据输入部以供图像数据处理设备10进行处理。
数据输入部11可以适于接收对应于未增强的低剂量心脏谱CT扫描(例如，未增强的低剂量心脏谱光子计数CT扫描)的谱CT投影数据9。因此，图像数据处理设备及其部件可以适于处理这样的未增强的低剂量数据。可以在经历心脏CT的患者中例行执行未增强的低剂量CT扫描，使得根据实施例的设备能够使用这样的可例行获得的数据来确定钙含量的鲁棒且准确的测度。
数据输入部11可以适于接收对应于非门控和/或非运动校正的心脏谱CT扫描(例如，在不使用心电图(ECG)触发、回顾性门控或类似的运动补偿技术的情况下采集的心脏谱光子计数CT扫描)的谱CT投影数据9。因此，图像数据处理设备及其部件可以适于处理这样的非门控和/或非运动校正的数据。根据实施例的设备的优点是，由于不需要运动补偿，因此可以更容易地获得要处理的合适数据，并且当分析要采集的数据时，与当使用常规运动补偿技术时采集的图像相比，可以实现更低的辐射剂量和/或更快的扫描时间。
数据输入部11可以适于接收对应于当不需要对象进行呼吸屏气时采集的心脏谱CT扫描的谱CT投影数据9。因此，图像数据处理设备及其部件可以适于处理这样的数据。根据实施例的设备的优点是，由于在图像采集期间不需要呼吸屏气，因此可以提高被扫描对象的舒适度，并且/或者能够防止因愿意或不愿意遵守这样的呼吸屏气要求而造成成像运行失败。
例如，根据本发明的实施例的设备10可以适于(例如可以服务于目的而)提供用于估计冠状动脉钙化的程度的钙评分。这样的评分可以允许操作者确定早期风险分层，因为具有高分数的患者可能具有增大的主要不良心脏事件的风险。
虽然残余呼吸和/或心脏运动可以使通过本领域中已知的常规方法确定的钙分数劣化，根据本发明的实施例的设备对于这样的运动伪影可以是特别鲁棒的，例如即使在经处理的图像中存在相当大的运动模糊时，也可以产生准确且可再现的钙分数。
图像数据处理设备10还包括建模单元12，建模单元12用于将材料分解算法应用于谱CT投影数据9，以例如用于以算法方式将谱CT投影数据分解成对应于不同和/或特定的材料对谱CT投影数据的信息内容的贡献的组成部分。
建模单元12适于应用该材料分解算法，以便提供谱CT投影数据9的指示钙衰减的钙特异性组成部分7，以便例如提供指示对谱CT投影数据的如下信息内容的贡献的钙特异性组成部分：该信息内容是特别由于被扫描以获得谱CT投影数据的心脏区域中的钙的存在和空间分布而引起的。
例如，建模单元12可以适于将谱CT投影数据划分成这种钙特异性组成部分和指示特异于软组织和/或水的至少第一另外的组成部分。例如，由谱CT探测器采集的投影图像可以被分解成钙基投影和水基投影。
因此，根据谱CT探测器采集的投影图像可以被分解成钙基投影和水基投影。然而，能够包括更多基函数，在这个范围内，由探测器提供的投影图像中的谱分离(例如，谱分辨率)允许更加详细的分解。
例如，建模单元12也可以适于将谱CT投影数据划分成钙特异性组成部分、第一另外的组成部分，以及指示特异于预定对比剂的衰减的至少第二另外的组成部分。因此，图像数据处理设备10可以适于接收投影图像作为对应于对比增强的心脏谱CT扫描协议的输入。有利地，能够通过在分析中包括至少一个第二另外的组成部分来高效地考虑投影图像中由于对比剂的贡献，以便例如不偏向具有对比组成部分的钙特异性组成部分。
建模单元12因此可以适于在投影域中执行材料分解。例如，建模单元可以实施针对由例如构成谱CT投影数据9的投影图像中的像素值表示的探测到的光子计数的前向模型，并且可以应用最大似然估计方法以用于确定针对每种建模材料的材料长度，例如至少沿着每条投影路径的钙的长度，例如优选地为钙的长度和将会对应于最佳拟合或至少良好拟合的至少一种其他材料(例如，水或软组织)的长度，在这个范围内，考虑停止迭代准则，收敛算法，以解释探测到的光子。这样的前向模型可以考虑探测系统的物理方面和成像物体(例如，对象)的衰减性质。例如，建模单元可以适于考虑当采集对应于对象的心脏区域的数据时由X射线源发射的X射线谱，例如可以适于接收定义这样的X射线谱的参数作为输入并且适于将这样的输入包括在前向模型中。建模单元可以适于考虑采集对应于对象的心脏区域的数据的X射线探测器的谱响应，例如可以适于接收定义这样的谱响应的参数作为输入并且适于将这样的输入包括在前向模型中。例如，可以通过例如对应于例如水和钙的例如表示软组织和骨材料的两个或更多个基函数对对象的谱衰减进行建模。例如，在这样的前向模型中，可以使用以下形式的公式对作为能量E和位置向量的函数的衰减μ进行建模：
其中，依赖位置的函数aα表示局部密度，并且依赖能量的函数fα表示由建模材料的总数量N的下标α标引的材料的质量衰减系数。例如，可以通过光电散射截面与康普顿散射截面的线性组合对针对在诊断CT成像中使用的典型能量(例如在15至150keV的范围内)的材料的线性衰减系数的能量依赖性进行充分的近似。
例如，在这样的最大似然估计方法中，似然函数
可以根据参数Aα来进行优化，考虑到通过参数Aα.(例如，材料长度)来参数化的物体的组成部分，将似然性表示为与观察到的测量结果(例如，针对N个不同能量分箱的光子计数m1，……，mN)相匹配的随机测量结果的概率。似然函数可以对应于例如假设能量分箱根据泊松分布函数而独立分布的泊松随机概率密度函数的组合(例如，乘积)，然而，本发明的实施例不限于概率模型的这种选择，并且可以例如使用泊松分布、考虑噪声和/或其他因素的更复杂的概率模型的近似结果，并且/或者可以包括认为独立分布假设适当的交互项或联合概率模型。
例如，参数Aα可以表示衰减的材料组成部分的线积分，例如，局部密度系数的线积分其中，可以使用这些系数将线性衰减分解成不同的基材料(例如包括钙)，例如，在该范例中，fα表示材料特异性截面，例如包括材料的光电效应、康普顿效应和k边缘贡献的截面。
在该范例中，λi(Aα)表示针对根据考虑材料参数Aα的概率模型的测量结果mi的推测的平均值。例如，
其中，D(E)指的是作为能量的函数的探测器吸收效率，并且Si(E)指的是针对不同能量分箱的敏感性，例如，矩形分布函数，例如，移位的赫维赛德函数或移位的赫维赛德函数与通过针对每个分箱的相应阈值能量确定的极限的线性组合。然而，本发明的实施例不一定限于将预期的可观测值与似然优化参数相关的这种示例性模型。
如本领域中已知的，出于方便性和计算效率的目的，可以例如通过使负对数似然函数最小化来优化似然函数，例如
图像数据处理设备10还包括断层摄影重建单元13，断层摄影重建单元13用于例如使用如本领域中已知的断层摄影重建技术来重建谱CT投影数据9，以便提供心脏区域的第一3D图像8。断层摄影重建单元13还适于重建谱CT投影数据的钙特异性组成部分7，以便提供表示心脏区域中的钙含量的第二3D图像6。
例如，可以由断层摄影重建单元13来执行标准3D重建，其中，可以使用存在于谱CT投影数据9中的所有谱信道。可以例如对谱CT投影数据9的所有谱信道执行用于提供心脏区域的第一3D图像8的这种标准3D重建，并且这种标准3D重建可以覆盖整个视场(FOV)。
类似地，可以由断层摄影重建单元13来执行3D重建，其中，使用谱CT投影数据9的钙特异性组成部分7。例如专门对谱CT投影数据9的钙特异性组成部分执行用于提供第二3D图像6的这种3D重建，并且这种3D重建可以覆盖整个视场(FOV)。优选地，可以在对应的坐标网格中重建第一3D图像8和第二3D图像6，以便例如获得两幅图像中的体素元素的一一对应关系。然而，这并不是必须的，因为也能够考虑适当的坐标变换，如本领域技术人员在执行下文描述的进一步处理步骤中在无需任何创新努力的情况下意识到的。
图像数据处理设备10还包括分割单元14，分割单元14用于对第一3D图像8进行分割，以便提供对应于心脏区域中的感兴趣心血管结构的图像掩模5。
分割单元14可以适于在由第一3D图像8表示的标准3D体积上对整个心脏区域和/或特定感兴趣区域(ROI)进行分割。可以由分割单元14来实施合适的分割算法，以如本领域中已知的那样执行这种分割。例如，这种分割算法可以包括体素值阈值化操作、形态学滤波、曲线和/或表面拟合操作、有限或无限脉冲响应滤波器、使用马尔科夫随机场的处理、分水岭分割操作和/或本领域中已知的其他此类技术。分割单元可以适于半自动地或优选自动地分割感兴趣心血管结构。
心血管结构可以是冠状动脉或冠状动脉的部分。例如，分割单元14可以适于提供对应于心脏区域中的冠状动脉或冠状动脉的部分的图像掩模5。
图像数据处理设备10还包括选择单元15，选择单元15用于基于图像掩模5来选择第二3D图像6的部分。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备10中，选择单元15可以适于选择形成感兴趣心血管结构的第二3D图像6的体素的第一集合。因此，由图像掩模定义的感兴趣区域可以用于遮蔽由第二3D图像6表示的3D钙体积中的对应体素。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备10中，选择单元15可以适于选择第二3D图像6的体素的第二集合，例如代替或额外于对上文中提及的体素的第一集合的选择。在这样的实施例中，体素的第二集合是形成感兴趣心血管结构的体素的补集，例如，体素的第二集合是体素的第一集合的“补集”这句话指的是如下的理论概念：体素的集合由第二3D图像6中未被包括在第一集合中的所有体素形成。
图像数据处理设备10还包括计算单元16，计算单元16用于基于第二3D图像6的所选择的部分来计算感兴趣心血管结构中的钙含量。
在根据本发明的实施例的图像数据处理设备10中，计算单元16可以适于对由所选择的体素(例如，上文提及的体素的第一集合)表示钙量进行积分，以便计算感兴趣心血管结构中的钙含量。
计算单元16可以适于输出指示所计算的钙含量(例如，钙分数)的至少一个值。例如，图像数据处理设备10可以包括显示设备(例如，显示监视器)、打印机、数字数据载体写入器(例如，用于与便携式存储器或数据磁盘设备和/或光盘写入器交互的端口)和/或分别用于显示、打印、写入和/或传输指示所计算的钙含量的至少一个值的数据网络接口。
此外，图像数据处理设备10还可以包括前向投影单元17，投影单元17用于对上文提及的体素的第二集合进行投影，以生成对应于与谱CT投影数据9相同的投影的模拟投影数据4。该模拟投影数据因此可以包含未被包括在感兴趣心血管结构中的钙(例如当对心脏区域进行成像时存在于视场中的肋骨和/或脊柱中的钙)的投影(例如，投影图像)。
根据本发明的实施例，计算单元16可以适于从谱CT投影数据的钙特异性组成部分7中减去模拟投影数据4，以获得表示特别是感兴趣心血管结构中的钙特异性衰减的减量投影数据。
计算单元16可以适于对由被包括在减量投影数据中的每幅投影图像表示的钙量进行积分，以计算多个钙含量测量结果。由于每幅投影视图中的投影的钙量可以是基本恒定的，因此能够根据多个冗余测量结果来获得鲁棒的测度。
计算单元16可以适于根据减量投影数据来确定多个平行投影图像，例如通过将减量投影数据重新分箱成对应于平行几何形状的投影来确定多个平行投影图像。计算单元16可以适于对由每幅平行投影图像表示的钙量进行积分，以计算多个钙含量测量结果。
因此，计算单元16可以适于在对由每幅投影图像(例如，由每幅重新分箱的投影图像)表示的钙量进行这种积分之前将减量投影数据重新分箱成对应于平行几何形状的投影图像。
计算单元16可以适于计算多个钙含量测量结果的统计中心趋势的测度。例如，统计中心趋势的这种测度可以包括平均值、中值、最常见的值、算术平均值、几何平均值、加权平均值和/或用于以统计方式总结本领域中已知的多个可比值的中心趋势的类似测度。
计算单元16也可以适于计算多个钙含量测量结果的统计离差和/或统计置信区间的测度。例如，这种统计离差的测度可以包括四分位距、协方差、标准偏差或用于以统计方式总结本领域中已知的多个可比值的离差的类似测度。
在另一方面中，本发明还涉及一种包括根据本发明的第一方面的实施例的图像数据处理设备的工作站。例如，这样的工作站可以包括计算机，例如所述计算机可以充当操作者控制台。工作站可以包括人类可读输出设备(例如，监视器或显示器)和人机接口输入设备(例如，键盘和鼠标)。操作者可以例如使用图形用户接口或以其他方式通过非交互方式或交互方式与图像数据处理设备交互。工作站可以适于控制被可操作地连接到数据输入部11的CT扫描单元。然而，根据实施例的工作站不一定被可操作地连接到这样的CT扫描单元。例如，可以通过操作工作站使投影数据的采集基本上独立于对这些数据的处理。
在另一方面中，本发明还涉及一种成像系统，包括根据本发明的第一方面的实施例的图像数据处理设备以及谱CT扫描单元，所述谱CT扫描单元用于在扫描心脏区域时生成谱CT投影数据9。谱CT扫描单元还适于将谱CT投影数据9供应给数据输入部11。例如，图2图示了根据本发明的实施例的示例性成像系统200。
在根据本发明的实施例的成像系统中，谱CT扫描单元可以适于执行心脏区域的多次轴向扫描和/或螺旋扫描，以便生成谱CT投影数据9。
在根据本发明的实施例的成像系统中，谱CT扫描单元可以包括能量分辨的光子计数图像探测器。
谱CT扫描单元可以包括辐射源，所述辐射源发射用于在采集投影数据时穿过对象的心脏区域的辐射。
例如，谱CT扫描单元(例如，计算机断层摄影扫描器)可以包括固定机架202和旋转机架204，旋转机架204可以由所述固定机架202可旋转地支撑。当采集投影数据时，旋转机架204可以绕纵向轴线围绕用于包含对象的心脏区域的检查区域206旋转。谱CT扫描单元可以包括对象支撑物(例如，卧榻)，以在检查区域206中支撑对象。
谱CT扫描单元可以包括辐射源208(例如，X射线管)，辐射源208可以由旋转机架204支撑并且被配置为随着旋转机架204而旋转。辐射源可以包括阳极和阴极。跨阳极和阴极施加的源电压可以使电子从阴极加速到阳极。电子流可以提供从阴极到阳极的电流，以便产生用于穿过检查区域206的辐射。
谱CT扫描单元可以包括探测器阵列210。该探测器阵列可以以与检查区域206相对的角度弧与辐射源208相对。探测器阵列可以包括一维或二维像素阵列，例如，直接转换探测器像素，其包括直接转换材料，例如，碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CZT)和/或其他直接转换材料。探测器阵列可以适于探测穿过检查区域的辐射，并且适于生成指示该辐射的能量的信号。
此外，谱CT扫描单元可以包括能量甄别器，所述能量甄别器例如包括被配置用于对应的多个能量阈值的多个比较器，以用于鉴于其相关联的能量来评估所生成的信号。谱CT扫描单元可以包括计数器(例如，多个计数器)，以例如用于基于能量甄别器的输出使针对每个能量阈值的计数值递增。谱CT扫描单元可以包括能量分箱器，所述能量分箱器用于组织多个能量分箱中的计数，每个分箱表示不同的能量范围。
在又一方面中，本发明涉及一种用于确定钙含量(例如用于确定冠状动脉钙分数)的方法。
参考图3，根据本发明的实施例的示例性方法30包括获得31对应于对象的扫描的心脏区域的谱CT投影数据9的步骤。例如可以由谱CT扫描器(例如，光子计数谱CT扫描单元)来预先生成谱CT投影数据。
方法30还包括将材料分解算法应用32于谱CT投影数据9，以便提供谱CT投影数据的钙特异性组成部分7。
该方法还包括重建33谱CT投影数据9，以便提供心脏区域的第一3D图像8。
该方法还包括重建34谱CT投影数据9的钙特异性组成部分7，以便提供表示心脏区域中的钙含量的第二3D图像6。
该方法30还包括如下的另外的步骤：对第一3D图像8进行分割35，以便提供对应于心脏区域中的感兴趣心血管结构(例如，心脏、心脏的部分、冠状动脉或冠状动脉的部分(例如，冠状动脉的感兴趣区段))的图像掩模5。
该方法还包括基于图像掩模5来选择36第二3D图像6的部分。
该方法还包括基于第二3D图像6的所选择的部分来计算37感兴趣心血管结构中的钙含量。
在又一方面中，本发明还涉及一种计算机程序产品，具有被嵌入在其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码当被计算机执行时用于通过分析心脏谱CT数据来计算钙含量。在这样的计算机程序产品中，所述计算包括执行根据本发明的实施例的方法的步骤。

Claims (15)

1.一种用于通过分析心脏谱CT数据来确定钙含量的图像数据处理设备(10)，所述图像数据处理设备(10)包括：
-数据输入部(11)，其用于接收通过使用谱CT扫描单元扫描对象的心脏区域获得的谱CT投影数据(9)；
-建模单元(12)，其用于将材料分解算法应用于所述谱CT投影数据(9)，以便提供所述谱CT投影数据(9)的钙特异性组成部分(7)；
-断层摄影重建单元(13)，其用于：重建所述谱CT投影数据(9)，以便提供所述心脏区域的第一3D图像(8)；并且重建所述谱CT投影数据(9)的所述钙特异性组成部分(7)，以便提供表示所述心脏区域中的钙含量的第二3D图像(6)；
-分割单元(14)，其用于对所述第一3D图像(8)进行分割，以便提供对应于所述心脏区域中的感兴趣心血管结构的图像掩模(5)；
-选择单元(15)，其用于基于所述图像掩模(5)来选择所述第二3D图像(6)的部分；以及
-计算单元(16)，其用于基于所述第二3D图像(6)的所选择的部分来计算所述感兴趣心血管结构中的钙含量。
2.根据权利要求1所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述分割单元(14)适于提供对应于所述心脏区域中的冠状动脉或冠状动脉的部分的所述图像掩模(5)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述选择单元(15)适于选择所述第二3D图像(6)中形成所述感兴趣心血管结构的体素的第一集合，并且其中，所述计算单元(16)适于对由所述选择的体素表示的钙量进行积分，以便计算所述感兴趣心血管结构中的所述钙含量。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述选择单元(15)适于选择所述第二3D图像(6)中作为形成所述感兴趣心血管结构的所述体素的补集的体素的第二集合，
其中，所述图像数据处理设备(10)还包括前向投影单元(17)，所述前向投影单元用于对所述体素的第二集合进行投影，以生成对应于与所述谱CT投影数据(9)相同的投影的模拟投影数据(4)，并且
其中，所述计算单元(16)适于从所述谱CT投影数据的所述钙特异性组成部分(7)中减去所述模拟投影数据(4)，以获得表示特别是所述感兴趣心血管结构中的钙特异性衰减的减量投影数据。
5.根据权利要求4所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述计算单元(16)还适于对由被包括在所述减量投影数据中的每幅投影图像表示的钙量进行积分，以计算多个钙含量测量结果。
6.根据权利要求5所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述计算单元(16)还适于在对由每幅投影图像表示的所述钙量进行所述积分之前将所述减量投影数据重新分箱成对应于平行几何形状的投影图像。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述计算单元(16)适于计算所述多个钙含量测量结果的统计中心趋势的测度。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述计算单元(16)适于计算所述多个钙含量测量结果的统计离差和/或统计置信区间的测度。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述建模单元(12)适于将所述谱CT投影数据划分成所述钙特异性组成部分(7)和指示特异于软组织和/或水的衰减的至少第一另外的组成部分。
10.根据权利要求9所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述建模单元(12)适于将所述谱CT投影数据划分成所述钙特异性组成部分(7)、所述第一另外的组成部分，以及指示特异于预定对比剂的衰减的至少第二另外的组成部分。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的图像数据处理设备(10)，其中，所述建模单元(12)适于实施针对由所述谱CT投影数据(9)表示的探测到的光子计数的前向模型，并且适于应用最大似然估计方法来确定沿着针对每种建模材料的每条投影路径的材料长度，所述建模材料至少包括钙。
12.一种包括前述根据权利要求中的任一项所述的图像数据处理设备(10)的工作站。
13.一种成像系统(200)，包括根据权利要求1至11中的任一项所述的图像数据处理设备(10)以及谱CT扫描单元，所述谱CT扫描单元用于在扫描所述心脏区域时生成所述谱CT投影数据(9)并且用于将所述谱CT投影数据(9)供应给所述数据输入部(11)。
14.一种用于通过分析心脏谱CT数据来确定钙含量的方法(30)，所述方法包括：
-获得(31)对应于对象的扫描的心脏区域的谱CT投影数据(9)；
-将材料分解算法应用(32)于所述谱CT投影数据(9)，以便提供所述谱CT投影数据(9)的钙特异性组成部分(7)；
-重建(33)所述谱CT投影数据(9)，以便提供所述心脏区域的第一3D图像(8)；
-重建(34)所述谱CT投影数据(9)的所述钙特异性组成部分(7)，以便提供表示所述心脏区域中的钙含量的第二3D图像(6)；
-对所述第一3D图像(8)进行分割(35)，以便提供对应于所述心脏区域中的感兴趣心血管结构的图像掩模(5)；
-基于所述图像掩模(5)来选择(36)所述第二3D图像(6)的部分；并且
-基于所述第二3D图像(6)的所选择的部分来计算(37)所述感兴趣心血管结构中的钙含量。
15.一种计算机程序产品，具有被嵌入在其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码当被计算机执行时用于通过分析心脏谱CT数据来计算钙含量，其中，所述计算包括执行根据权利要求14所述的方法的步骤。
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