CN109640824B - 模型正则化运动补偿的医学图像重建 - Google Patents

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Abstract

一种医学成像系统(200)包括掩蔽单元(234)、图像配准单元(238)、运动估计器(240)和运动补偿重建器(244)。所述掩蔽单元构建针对多幅重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像的掩模，所述掩模掩蔽对应图像的在解剖模型外部的部分，所述解剖模型被拟合到分割的至少一个解剖结构，其中，所述多幅重建的体积相位图像包括根据投影数据重建的目标相位和多个时间相邻相位。所述图像配准单元配准经掩蔽的重建的体积相位图像。所述运动估计器根据所述模型基于经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计所述目标相位与所述多个时间相邻相位之间的运动。所述运动补偿重建器使用所述经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据所述投影数据重建运动补偿的医学图像。

Description

模型正则化运动补偿的医学图像重建
技术领域
下文总体上涉及医学成像，并且更具体地涉及运动补偿的计算机断层摄影(CT)重建，并且还适用于其他类型的成像模态，例如，正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)、磁共振(MR)、C臂CT及其组合。
背景技术
运动补偿的重建试图去除重建图像中的运动伪影，例如，模糊和条纹。通常通过在图像重建期间补偿对象中的周期性运动(例如，心脏运动和/或呼吸运动)来去除运动伪影，并且能够补偿各种类型的无意识运动。例如，运动补偿的CT重建能够用于无创冠状动脉血管造影术以量化冠状动脉疾病。在这样的示例中，成像流程针对没有运动伪影的图像，该图像具有最小量的X射线辐射暴露，例如能够在对象周围的辐射源的单个旋转(即，240°或更大的旋转)内被捕获。旋转为体积重建提供了足够的投影数据。然而，在单个旋转内采集的投影数据包括运动。
使用前瞻性和/或回顾性门控采集来采集投影数据，所述采集通常包括使用一个或多个运动监测器，例如，心电图(ECG)监测器、呼吸监测器等。这些监测器通常包括来自感测元件(例如，电极)的导线，其连接感测元件并将信号传送到监控设备。运动补偿的重建的典型方法使用每幅重建的多相图像的整个体积之间的弹性配准。也就是说，基于每幅相位图像中存在的整个成像体积的弹性移动来计算运动向量。
图1A示出了同一对象的具有条纹伪影的三幅心脏CT图像，该条纹伪影并不是由于器官的运动造成的，而是由于患者上存在电极以及辐射源相对于电极围绕对象的角位置造成的。在第一幅图像(从左到右)中，条纹从电极的高强度点发出并朝向5点钟方向扇形展开。在第二幅图像中，条纹朝向7点钟方向扇形展开，而在第三幅图像中，条纹朝向9点钟位置扇形展开。图像中条纹位置的变化模仿出运动的外观，该运动在多相图像的体积之间的弹性配准中改变计算出的运动向量。图1B以三幅图像图解性地图示了相同的概念。每幅图解图像都包括对象的部分，例如，具有内脏腔102的躯干100的横截面，并且每幅图像都包括在躯干100的表面外部的金属物体104和条纹伪影106。每幅图像中的条纹伪影106在躯干表面内部延伸并且通过改变角度范围重建而生成。
发明内容
本文描述的各方面解决了上述问题和其他问题。
下文描述了模型正则化运动补偿的重建。根据投影数据来重建运动相位图像。使用经拟合的解剖模型(例如，心脏模型和/或肺模型)对运动相位图像中的解剖结构进行分割。为每幅相位图像构造体积掩模，该体积掩模在配准中掩蔽经拟合的解剖模型和/或解剖结构外部的每幅相位图像的部分。在一些实施例中，掩模被扩大以包括经拟合的模型外部的预定距离。根据经配准的掩蔽相位图像来估计运动。根据补偿估计的运动的投影数据来重建运动补偿的图像。滤波器能够用于增强血管结构。
为简洁起见，在CT系统的方面来描述以下内容。然而，该方法和系统也适用于其他医学成像模态，例如，PET、SPECT、MR、C臂CT及其组合。
在一个方面中，一种医学成像系统包括掩蔽单元、图像配准单元、运动估计器和运动补偿重建器。所述掩蔽单元构建针对多幅重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像的掩模，所述掩模掩蔽对应图像的在解剖模型外部的部分，所述解剖模型被拟合到分割的至少一个解剖结构，其中，所述多幅重建的体积相位图像包括根据投影数据重建的目标相位和多个时间相邻相位。所述图像配准单元配准经掩蔽的重建的体积相位图像。所述运动估计器根据所述模型基于经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计所述目标相位与所述多个时间相邻相位之间的运动。所述运动补偿重建器使用所述经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据所述投影数据重建运动补偿的医学图像。
在另一方面中，一种运动补偿的医学图像重建的方法包括：构建针对多幅重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像的掩模，所述掩模掩蔽对应图像的在解剖模型外部的部分，所述解剖模型被拟合到分割的至少一个解剖结构，其中，所述多幅重建的体积相位图像包括根据投影数据重建的目标相位和多个时间相邻相位；配准经掩蔽的重建的体积相位图像；根据所述模型基于经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计所述目标相位与所述多个时间相邻相位之间的运动；并且使用所述经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据所述投影数据重建运动补偿的医学图像。
在另一方面中，一种运动补偿的计算机断层摄影(CT)重建的方法包括：根据CT投影数据重建对象的至少一个解剖结构的目标相位时的体积相位图像和多个时间相邻相位时的体积相位图像；使用基于模型的分割在重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像中分割所述至少一个解剖结构，所述基于模型的分割将所述模型拟合到所述至少一个解剖结构；构造针对每幅重建的体积相位图像的掩模，所述掩模掩蔽对应图像的在与经拟合的模型的表面相距预定距离外的部分；对每幅经掩蔽的重建的体积相位图像进行滤波，所述滤波增强了非掩蔽区域中的血管结构；弹性配准所述经掩蔽的重建的体积相位图像；根据所述经拟合的模型基于经弹性配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计所述目标相位与所述多个时间相邻相位之间的运动；并且使用所述经弹性配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据所述CT投影数据重建所述目标相位时的运动补偿的CT图像。
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。
附图说明
本发明可以采用各种部件和各种部件的布置，以及各个步骤和各个步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不应被解释为限制本发明。
图1A图示了在成像辐射源围绕对象的不同旋转位置处的重建的心脏CT图像的二维视图的示例，该二维视图包括来自电极的伪影。
图1B图解性地图示了二维视图的示例。
图2图解性地图示了具有模型正则化运动补偿的重建的医学成像系统的实施例以及检查区域的分解横截面视图。
图3图解性地图示了经掩蔽的重建的运动相位图像的实施例。
图4以单独的视图图示了被拟合在对象图像中的内脏腔模型的主视图和侧视图的示例以及对应的内脏腔模型的主视图和侧视图的示例。
图5用流程图图示了模型正则化运动补偿的医学图像重建的方法的实施例。
具体实施方式
参考图2，医学成像系统200的实施例具有模型正则化运动补偿的重建系统。图2示出了检查区域的分解横截面视图202。对象204被图示为具有金属物体206，例如，ECG监测设备208的电极和引线。
医学成像扫描器(例如，CT扫描器210)采集检查区域中的对象204的部分的投影数据212。CT扫描器210包括X射线辐射源214，X射线辐射源214在检查区域中围绕对象204旋转。X射线辐射源214发射X射线辐射，该X射线辐射穿过检查区域中的对象204的部分并且由探测器216来探测，探测器216生成投影数据212。投影数据212包括也存在于检查区域中的金属物体206，例如，电极、引线、缝合线、U形钉、胸骨线及其组合等。
CT扫描器210被配置为采集解剖结构220(例如，心脏和/或肺)的目标运动相位时的投影数据212以及多个时间相邻运动相位222、224(例如，先前的运动相位和随后的运动相位)时的投影数据212。门控重建的示例能够在2010年1月7日被公布为WO/2010/073147的“GATED IMAGE REONSTRUCTION”中找到。能够相对于r波指示目标相位，例如，40％、50％等。在一个实施例中，在源214围绕对象204的单个旋转(即，240°或更大的旋转)内采集投影数据212。在一些情况下，在单个旋转内采集投影数据212使对象204受到的辐射暴露最小化。能够对投影数据212进行回顾性或前瞻性的门控。例如，能够对投影数据212加时间戳并且将加了时间戳的投影数据212与对应的运动传感器测量结果以及投影数据212的对应于目标相位和时间相邻相位的部分一起存储，其中，回顾性地选择所述目标相位和时间相邻相位以用于重建。在另一示例中，能够根据目标相位和时间相邻相位对投影数据212进行回顾性限制和分箱。
相位重建器226根据投影数据212重建运动相位图像228。运动相位图像228是体积图像，每幅体积图像都依据对应的运动相位。运动相位图像228包括目标相位图像和多幅时间相邻相位图像。
分割器230在运动相位图像228中的每幅运动相位图像中分割一个或多个解剖结构，并且将对应的解剖模型232拟合到经分割的解剖结构。例如，根据心脏模型在目标相位图像中分割心脏，并且根据肺模型分割肺。在另一示例中，根据内脏腔模型分割内脏腔。模型232包括对应于解剖结构的外表面的表面。例如，网格模型被拟合到经分割的心脏的外表面。模型232提供可变形表面或弹性表面。
掩蔽单元234构建针对每幅重建的体积相位图像的体积掩模236，体积掩模236掩蔽对应图像的在经分割的解剖结构220、222、224和/或经拟合的模型外部的部分。掩蔽单元234能够将掩模扩大为与经分割的至少一个解剖结构相距一预定距离。在一些情况下，掩蔽图像掩盖或去除图像中受到因金属物体206产生的条纹伪影影响的部分。
图像配准单元238配准经掩蔽的重建的体积相位图像。图像的弹性配准的合适示例能够在“Elastic Image Registration”(美国专利US 8326086)中找到。在一个实施例中，配准包括在每幅经掩蔽的重建的体积相位图像的经拟合的模型之间具有可变形映射的弹性配准。在另一实施例中，配准包括在每幅经掩蔽的重建的体积相位图像的经分割的解剖结构之间具有可变形映射的弹性配准。该映射能够被表示为变换矩阵、运动场向量等。
运动估计器240根据模型来估计经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像中的每幅经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像之间的运动。该运动能够是刚性运动和/或非刚性运动。在一些情况下，运动估计结果不包括因来自非移动金属物体206的条纹伪影引起的明显运动。例如，运动估计器240根据每个运动相位来估计运动场向量。
在一个实施例中，血管增强滤波器242增强重建的体积相位图像212中的血管结构。在一个实施例中，血管增强滤波器242增强经掩蔽的重建的体积相位图像中的血管结构。预想到各种组合。血管增强滤波器242能够使用本领域已知的血管增强技术(例如，边缘增强)来实施。
运动补偿重建器244使用经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据CT投影数据212重建运动补偿的CT图像246，例如，运动补偿的心脏CT图像。运动补偿的重建的合适示例能够在“Motion compensated CT reconstruction of high contrastobjects”(美国专利US 8184883)中找到。重建的运动补偿的CT图像246能够被显示在显示设备256上并且/或者被存储在存储子系统(例如，图片存档与通信系统(PACS)、部门放射信息系统(RIS)、电子病历(EMR)等)中。
相位重建器226、分割器230、掩蔽单元234、图像配准单元238、运动估计器240、血管增强滤波器242和运动补偿重建器244由一个或多个经配置的处理器(例如，计算设备252的一个或多个处理器250)来适当实施。(一个或多个)经配置的处理器250运行被存储在计算机可读存储介质(例如，计算设备252的存储器254，其不包括瞬态介质且包括物理存储器和/或其他非瞬态介质)中的至少一个计算机可读指令以执行所公开的相位重建、分割、掩模构造、血管增强、配准、运动估计和运动补偿重建技术。经配置的处理器还可以运行由载波、信号或其他瞬态介质承载的一个或多个计算机可读指令。计算设备252能够包括工作站、膝上型电脑、平板电脑、智能电话、身体穿戴式计算设备、服务器等。图中表示的部件之间的线表示通信路径，通信路径能够是有线或无线的。
计算设备252包括显示设备256(例如，计算机显示器、投影仪、身体穿戴式显示器等)以及一个或多个输入设备258(例如，鼠标、键盘、麦克风、触摸接口或手势接口等)。计算设备252包括一个或多个处理器250(例如，数字处理器、微处理器、电子处理器、光学处理器、多处理器、包括点对点或协同操作的处理器的处理器分布、处理器的客户端-服务器布置等)。
参考图3，图解性地图示了经掩蔽的重建的运动相位图像300的实施例。经掩蔽的重建的运动相位图像300是根据重建的运动相位体积图像228来构建的。经掩蔽的重建的运动相位图像300包括根据经拟合的解剖模型分割的解剖结构220。例如，在选定的相位时的心脏相位图像中，该图像包括具有在被掩蔽的心脏外部的图像部分的心脏。该图像的经掩蔽的部分310能够包括被设置为零亨氏单位(HU)、空值等的图像值。
扩大掩模包括经分割的结构和/或解剖模型周围的未被掩蔽的裕量320。例如，通过使用来自模型表面的2.5个像素的裕量的正交投影，未掩蔽部分包括心脏和心脏表面周围的2.5个像素的裕量。在一些情况下，在允许现有的图像配准算法和运动计算时，使用经掩蔽的图像将经配准和计算的估计运动隔离到心脏和/或肺的实际可变形运动。
参考图4，在对象的图像横截面中图示了经拟合的内脏腔模型420的主视图400和侧视图410中的示例，并且在单独的视图430中图示了对应的内脏模型的示例。内脏腔模型420包括这样的网格表面模型，所述网格表面模型限制对象的内部器官(例如，肺、肝脏、心脏、结肠、胃、前列腺等，但不包括肌肉周围的组织、脂肪和骨骼，例如，肋骨、椎骨、髋骨、臀部等)。被拟合到对象的解剖结构的内脏腔模型420通过根据经掩蔽的配准估计的运动来约束或调整运动，即，限于经拟合的模型的体积或扩大的经拟合的模型的体积。
参考图5，用流程图图示了模型正则化运动补偿的CT重建的方法的实施例。在500处，接收投影数据212。能够直接从CT扫描器210接收投影数据212。能够从存储子系统(例如，PACS、RIS、EMS等)接收投影数据212。
在510处，根据投影数据212重建体积相位图像228。体积相位图像228包括解剖结构(例如，心脏、肺、组合等)的目标运动相位和多个时间相邻运动相位。
在520处，在重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像中分割(一个或多个)解剖结构，并且将解剖模型拟合到每个经分割的解剖结构。例如，分割心脏并且将心脏模型拟合到经分割的心脏，分割肺并且将肺模型拟合到经分割的肺，分割内脏腔并且将内脏腔模型拟合到经分割的内脏腔。模型包括对应于解剖结构的外表面的表面。
构建针对每幅重建的体积相位图像的体积掩模，该掩模在530处掩蔽对应图像的在经分割的解剖结构外部的部分。能够将体积掩模扩大为与经分割的解剖结构和/或模型相距一预定距离。例如，每幅重建的体积相位图像的掩蔽部分包括在经分割的解剖结构外部的部分，该部分具有根据经分割的结构和/或解剖模型的与外表面相距预定距离的裕量。
在540处，能够利用血管增强滤波器242增强血管结构。能够利用滤波器增强血管结构，该滤波器提供比血管结构(例如，冠状动脉血管树)更大的强度和/或对比度。能够对重建的运动相位图像和/或经掩蔽的重建的运动相位图像执行增强。
在550处，配准(例如，弹性配准)经掩蔽的重建的体积相位图像。
在560处，根据模型基于经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计运动相位之间的运动。在一个实施例中，配准针对目标相位。在另一实施例中，配准包括每个相位与每一个其他相位之间的配准。
在570处，使用经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据CT投影数据212重建运动补偿的CT图像。
在580处，将运动补偿的CT图像显示在显示设备256上和/或存储在存储子系统中。
以上操作可以通过编码或嵌入在计算机可读存储介质上的计算机可读指令来实施，所述计算机可读指令当由(一个或多个)计算机处理器运行时令所述(一个或多个)处理器执行所描述的动作。额外地或替代地，计算机可读指令中的至少一个由信号、载波或其他瞬态介质承载。
在另一实施例中，在运动补偿的重建之后，切出经分割的结构并将其粘贴到替换非运动补偿的解剖结构的非运动补偿的图像中。在另一实施例中，在估计运动时，解剖结构外部的运动向量场被设置为零，平滑过渡到解剖结构表面外部的零向量场。在另一实施例中，在估计运动时，能够将金属物体周围和解剖结构外部的运动向量场设置为零。能够基于高HU值来识别金属物体的空间位置。在一些情况下，在金属物体周围将运动向量设置为零能够避免解剖结构的错误配准。
已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解前面的具体描述的情况下可以想到修改和替代。本文旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围内。

Claims (20)

1.一种医学成像系统(200)，包括：
掩蔽单元(234)，其被配置为构建针对多幅重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像的掩模，所述掩模掩蔽对应图像的在解剖模型外部的部分，所述解剖模型被拟合到分割的至少一个解剖结构，其中，所述多幅重建的体积相位图像包括根据投影数据重建的目标相位和多个时间相邻相位；
图像配准单元(238)，其被配置为配准经掩蔽的重建的体积相位图像；
运动估计器(240)，其被配置为根据所述模型基于经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计所述目标相位与所述多个时间相邻相位之间的运动；以及
运动补偿重建器(244)，其被配置为使用所述经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据所述投影数据重建运动补偿的医学图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述掩蔽单元还被配置为将所述掩模扩大为与所述分割的至少一个解剖结构相距一预定距离。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的系统，还包括：
血管增强滤波器(242)，其被配置为增强所述重建的体积相位图像中的血管结构。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的系统，其中，所述投影数据包括计算机断层摄影(CT)投影数据。
5.根据权利要求1-2中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个解剖结构包括由心脏、肺和内脏腔构成的组中的至少一个。
6.根据权利要求1-2中的任一项所述的系统，其中，所述模型包括由解剖心脏模型、解剖肺模型和内脏腔解剖模型构成的组中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述内脏腔模型包括包围对象的内部器官且不包括骨骼和周围组织的表面。
8.根据权利要求1-2中的任一项所述的系统，还包括：
CT扫描器(210)，其被配置为在X射线辐射源围绕对象的单个旋转内采集所述投影数据。
9.根据权利要求1-2中的任一项所述的系统，其中，所述投影数据包括对象和金属物体。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述金属物体包括由电极、引线、缝合线、U形钉、胸骨线及其组合构成的组中的至少一个。
11.一种运动补偿的医学图像重建的方法，包括：
构建(430)针对多幅重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像的掩模，所述掩模掩蔽对应图像的在解剖模型外部的部分，所述解剖模型被拟合到分割的至少一个解剖结构，其中，所述多幅重建的体积相位图像包括根据投影数据重建的目标相位和多个时间相邻相位；
配准(450)经掩蔽的重建的体积相位图像；
根据所述模型基于经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计(460)所述目标相位与所述多个时间相邻相位之间的运动；并且
使用所述经配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据所述投影数据重建(470)运动补偿的医学图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，构建包括：
将所述掩模扩大为与所述分割的至少一个解剖结构相距一预定距离。
13.根据权利要求11和12中的任一项所述的方法，
利用滤波器对由所述重建的体积相位图像和经掩蔽的重建的体积相位图像构成的组中的至少一个中的血管结构进行增强(440)。
14.根据权利要求11-12中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个解剖结构包括由心脏、肺和内脏腔构成的组中的至少一个。
15.根据权利要求11-12中的任一项所述的方法，还包括：
在CT扫描器的X射线辐射源围绕对象的单个旋转内采集(400)所述投影数据。
16.根据权利要求11-12中的任一项所述的方法，其中，所述投影数据包括对象和金属物体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属物体包括由电极、引线、缝合线、U形钉、胸骨线及其组合构成的组中的至少一个。
18.一种承载软件的非瞬态计算机可读存储介质，所述软件控制一个或多个处理器(250)以执行根据权利要求11-17中的任一项所述的方法。
19.一种被配置为执行根据权利要求11-18中的任一项所述的方法的处理器(250)。
20.一种运动补偿的计算机断层摄影(CT)重建的方法，包括：
根据CT投影数据重建(410)对象的至少一个解剖结构的目标相位时的体积相位图像和多个时间相邻相位时的体积相位图像；
使用基于模型的分割在重建的体积相位图像中的每幅重建的体积相位图像中分割(420)所述至少一个解剖结构，所述基于模型的分割将所述模型拟合到所述至少一个解剖结构；
构建(430)针对每幅重建的体积相位图像的掩模，所述掩模掩蔽对应图像的在与经拟合的模型的表面相距预定距离外的部分；
对每幅经掩蔽的重建的体积相位图像进行滤波(440)，所述滤波增强了非掩蔽区域中的血管结构；
弹性配准(450)所述经掩蔽的重建的体积相位图像；
根据所述经拟合的模型基于经弹性配准的经掩蔽的重建的体积相位图像来估计(460)所述目标相位与所述多个时间相邻相位之间的运动；并且
使用所述经弹性配准的经掩蔽的重建的体积相位图像的估计运动来根据所述CT投影数据重建(470)所述目标相位时的运动补偿的CT图像。
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