CN112292083A - 改善运动体积核图像的系统 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法，包括：执行第一核成像扫描以采集身体的第一核成像扫描数据；基于第一核成像扫描数据来生成目标图像；执行第二核成像扫描以采集身体的第二核成像扫描数据；将第二核成像扫描数据的多个部分中的每一个与身体的多个运动阶段中的相应一个相关联；针对身体的多个运动阶段中的每一个，基于与运动阶段相关联的第二核成像扫描数据的部分来生成分块图像；基于目标图像对多个分块图像中的每一个执行运动校正，以生成多个运动校正的分块图像；以及基于目标图像和多个运动校正的分块图像来生成图像。

Description

改善运动体积核图像的系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月28日提交的美国申请序列号16/021,264的优先权，其内容通过引用并入。

背景技术

根据常规核成像，通过注射或摄入将放射性药物引入到患者身体内。放射性药物发射伽玛射线（在单光子发射计算机断层摄影（SPECT）成像的情况下）或正电子，该正电子与电子湮灭以产生伽玛射线（在正电子发射断层摄影（PET）成像的情况下）。位于身体外部的检测器系统检测所发射的伽玛射线并基于其来重建图像。

检测器系统被暴露于身体部位的持续时间与从身体部位检测到的伽玛射线的数量直接相关，并且作为结果，与从中重建的图像的质量直接相关。但是，持续时间越长，身体部位越可能将移动，从而使结果图像模糊。对腹部、胸部和心脏区域进行成像特别成问题，因为由于自然生理过程，这些区域几乎持续地移动。

为了解决成像期间的身体移动，例如一些常规核成像过程要求患者在扫描胸腔区域时屏住其呼吸。（典型地，患病的）患者能够屏住呼吸的持续时间针对检测用以形成合适图像的足够数量的伽玛射线而言通常太短。可以通过在一系列屏气上连续扫描该区域来增加检测到的伽玛射线的数量，但是此过程对患者而言相当繁重，并且由于连续图像之间的配准错误而可能导致伪影。所需要的是生成具有改善图像分辨率和减少的运动伪影的移动体积的核图像的系统。

附图说明

图1是根据一些实施例的用于生成衰减校正的核成像图像的系统的框图；

图2是根据一些实施例的用于生成衰减校正的核成像图像的过程的流程图；

图3例示出了根据一些实施例的计算机断层摄影数据、第一核成像数据和第二核成像数据的采集；

图4是例示出了根据一些实施例的相位关联图像的生成的框图；

图5是根据一些实施例的用于生成衰减校正的核成像图像的系统的框图；和

图6例示出根据一些实施例的成像系统。

具体实施方式

以下描述被提供以使得本领域的任何人都能够制造和使用所描述的实施例并且阐述了被预期用于执行所描述的实施例的最佳模式。然而，各种修改对于本领域技术人员而言仍是显而易见的。

通常，一些实施例在患者处于屏气位置时执行快速核成像扫描，然后在患者正常呼吸时执行标准核成像扫描。标准扫描的数据根据数据检测时患者的运动阶段而被分块（bin）。分块数据被用来重建相应的分块图像，并且每个分块图像都被变形为从快速核成像扫描生成的目标图像。然后可以基于已变形的分块图像和目标图像（包括快速核成像扫描和标准核成像扫描的所有数据）有效地创建更高分辨率的合成图像，并将在标准核成像扫描期间由患者运动引起的伪影最小化。

根据一些实施例，在屏气位置中采集患者的计算机断层摄影图像，这在时间上与快速核成像扫描的执行相邻。该计算机断层摄影图像可以与目标图像对准，因此也可以与更高分辨率的合成图像对准。因此，计算机断层摄影图像可以被用来例如通过基于计算机断层摄影图像生成衰减系数图并将衰减系数图应用于合成图像来对合成图像执行衰减校正。因此，实施例可以提供移动体积的高分辨率和衰减校正的核图像的有效生成。

图1例示出了根据一些实施例的图像生成过程。将关于图2的流程图200描述该过程。可以使用硬件和软件的任何合适的组合来执行本文描述的流程图200和其他流程。体现这些过程的软件程序代码可以由任何非暂时性有形介质来存储，非暂时性有形介质包括固定磁盘、易失性或非易失性随机存取存储器、软盘、CD、DVD、闪存驱动器或磁带。实施例不限于以下描述的示例。

最初，如本领域中已知的，在S210处采集身体的计算机断层摄影（CT）数据110。当身体位于CT扫描仪内时，CT数据110可以由CT扫描仪采集。如本领域中已知的，数据110在图1中被表示为体积CT数据的切片，其基于由CT扫描仪在S210处采集的多个二维CT图像数据集合来进行重建。

根据一些实施例，在身体处于屏气位置时，CT数据110的至少一部分被采集。图3例示出了在S210处通过在箭头315所指示的方向上纵向扫描身体而采集的CT数据310。在到达位置A时，指示患者屏住其呼吸。屏住呼吸直至扫描到达位置B，在那个点处指示患者开始正常呼吸。由于患者因呼吸引起的运动主要发生在位置A和位置B之间的区域中，因此屏气过程减少了否则可能会存在于从采集的扫描数据重建的CT图像中的运动伪影。另外，由于典型CT扫描的持续时间短，患者通常能够屏住其呼吸达所需的时间量。

返回图2，身体的第一核成像扫描数据在S220处被采集。如本领域中已知的，在采集第一核成像扫描数据之前，以任何合适的方式引入合适的放射性药物。本示例将在PET系统的上下文中进行描述，但是数据可以由SPECT系统、PET系统或者已知的或变得已知的另一种类型的核成像系统来采集。

图1的PET数据120表示在S220处采集的第一核成像扫描数据，并且被例示为PET图像。在一些实施例中，PET数据120可以包括“PET侦察”，其以比典型核成像扫描更高的扫描速度而被采集。与在较低的扫描速度下所实现的相比，较高的扫描速度可以导致PET数据120内的较低的信噪比，这是由于检测伽玛射线的时间减少。

较高的扫描速度还可以促进如上关于S210所述的屏气采集。图3示出了在S220处通过在箭头325所指示的方向上纵向扫描身体所采集的PET数据320。在到达位置C时，指示患者屏住其呼吸。屏住呼吸直至扫描到达位置D，在那个点处指示患者呼气并开始正常呼吸。同样，由于在S220处扫描的持续时间短（与典型的核成像扫描相比），所以随着扫描从C点进展到D点，患者应该能够保持屏气位置。因此，在S210处在屏气位置扫描的相同身体部分的扫描期间，患者处于屏气位置。CT数据和PET数据因此均应表示处于基本相似位置的身体部位。

可以与CT数据的采集基本同时地采集第一核成像扫描数据。例如，PET/CT扫描仪的CT成像系统可以在患者躺在PET/CT扫描仪的床位上的给定位置时被操作来在S210处采集CT数据，而PET/CT扫描仪的PET成像系统此后立即可以在患者仍然在床位上处于给定位置时被操作来在S220处采集第一核成像扫描数据。因为CT扫描仪和PET扫描仪的坐标之间的几何变换（如果有的话）是已知的，因此CT数据和PET数据可以被认为基本上彼此配准。

第二核成像扫描数据在S230处被采集。第二核成像扫描数据在身体的运动期间被采集。例如，第二核成像扫描数据可以在患者自由呼吸的同时被采集。返回图3，在对患者的呼吸没有任何限制的情况下可以通过在箭头335的方向上执行常规PET扫描来采集第二核成像扫描数据330。可以以比在S220处采集第一核成像扫描数据更慢的扫描速率来采集第二核成像扫描数据。因此，第二核成像扫描数据可以表示比第一核成像扫描数据更多的伽玛射线检测，但是从中重建的图像将包括由于数据采集期间的身体运动而引起的运动伪影。

在S240处，基于第一核成像扫描而生成目标图像。如本领域中已知的，可以通过将重建算法应用于第一核图像扫描数据来生成目标图像。图1的PET数据120例示出了这样的目标图像，该目标图像由于其较短的采集时间而展现出比典型PET图像更低的信噪比。

接下来，在S250处，第二核成像扫描数据被用来为身体的多个运动阶段中的每一个生成分块图像。图4例示出了根据一些实施例的S250。在一些实施例中，以“列表模式”采集第二核成像扫描数据410，其中每个检测到的伽玛射线与检测时间以及其他能够确定发射事件位置的检测值相关联。

分块组件420接收列表模式数据410和运动阶段信息。运动阶段信息可以指示在整个列表模式数据的采集中身体在各个时间处所停留在的运动阶段。可以从第二核成像扫描数据本身或从将运动的阶段与时间相关联的运动监测器来确定运动阶段信息。例如，可以使用已知的或变得已知的任何呼吸监测系统在第二核成像扫描数据的采集期间监测和记录患者的呼吸周期。

图5例示出了系统，其中呼吸信号540被输入到分块组件550以辅助分块过程。可以在第二核成像扫描数据530的采集期间由附接到患者的呼吸监测器采集和发送呼吸信号540。呼吸周期可以被划分为多个阶段，并且患者可以在数据采集期间经历若干呼吸周期。使用列表模式数据和呼吸信号540，分块组件550（和/或420）可以将每个伽玛射线检测与其间发生检测的呼吸周期的阶段相关联。

分块数据430a-e表示被分离为五个分块的扫描数据，其每一个表示一个运动阶段。实施例不限于任何特定数量的分块/阶段。每个分块的数据表示在与分块相关联的运动阶段期间所发生的伽玛射线检测。重建组件440基于每个分块数据430a-e来生成图像，从而产生分块图像450a-e。因此，每个分块图像450a-e表示在与特定分块相关联的运动阶段期间所定位的身体。

在S260处，基于目标图像，将弹性运动校正应用于每个分块图像，为每个分块图像生成运动校正图像。执行弹性运动校正以将每个分块图像变形为目标图像。图1例示出了弹性运动校正组件150接收分块图像和目标图像并且输出校正后的图像。参考图4，通过应用使用目标图像作为目标的弹性运动校正，分块图像450a被变形为目标图像（其基于PET侦察扫描数据来进行重建）。如本领域中已知的，在S260处的弹性运动校正可以利用质量保持光流算法。

接下来，在S270处，基于目标图像和多个运动校正的图像来生成图像。如图1中所例示，目标图像和多个运动校正的图像可以简单地由组合组件160求和以生成高分辨率图像，因为运动校正的图像与目标图像基本上配准。

如上所提及，CT数据110和PET数据120被采集的方式（即基本上没有呼吸运动）可导致这些数据集基本上彼此配准。相应地，CT数据110还可以与组件160输出的图像对准——无论有没有精炼步骤，该精炼步骤可以包括基于图像的可变形对准并且因此消除了分开的屏气之间的微小位置差异。

借助于这种对准，衰减校正组件170可以使用CT数据110对由组件160输出的图像执行衰减校正。例如，如本领域中已知的，组件170可以从CT数据110导出Mu图（例如，衰减系数图）。根据一些实施例，Mu图是从磁共振成像（MRI）屏气扫描导出的，其作为在S210处的CT扫描的替代方案而被执行。然后，组件170使用Mu图对由组件160输出的图像执行衰减校正，从而得到衰减校正的图像180。

根据一些实施例，衰减校正的图像180展现出类似于常规PET图像的分辨率，因为它包括第二核成像扫描数据130中表示的所有事件（以及扫描数据120的事件），包括由于对目标图像的基于分块的变形引起的最小运动伪影（特别是在屏气期间扫描的区域中），并且由于固有配准的CT数据110的可用性而被适当地衰减校正。

在一些实施例中，出于质量保证的目的，第一核成像扫描数据可以在CT数据之前被采集。例如，初始PET侦察扫描可以被用来确定患者是否已经过度移动或者是否禁食失败（failed to fast），从而引起放射性药物的不希望的吸收。如果是这样，则成像过程可能被中止，以免使患者遭受不必要的额外扫描。全身PET侦察扫描，以及可选地与来自CT扫描的解剖学信息一起，可以被用来检测指定剂量是否正确，是否有渗出或用于检测血糖。

如本领域中已知的，本文描述的每个功能组件可以至少部分地在计算机硬件中、在程序代码中和/或在执行这种程序代码的一个或多个计算系统中被实现。这种计算系统可以包括执行存储在存储器系统中的处理器可执行程序代码的一个或多个处理单元。

图6例示出了执行本文描述的一个或多个过程的PET/CT系统600。实施例不限于系统600。

系统600包括限定孔612的机架610。如本领域中已知的，机架610容纳用于采集PET图像数据的PET成像组件和用于采集CT图像数据的CT成像组件。PET成像组件可以包括本领域已知的任何配置的任意数量的伽玛相机。CT成像组件可以包括一个或多个X射线管和一个或多个对应的X射线检测器。

床位615和基座616可操作来将躺在床位615上的患者移入和移出孔612。在一些实施例中，床位615被配置为在基座616上方平移，并且在其他实施例中，基座616可以与床位615一起移动或者可替代地从床位615移动。

患者移入和移出孔612可以允许使用机架610的CT成像元件和PET成像元件对患者进行扫描。这种扫描可以基于诸如扫描范围和对应的扫描速度之类的扫描参数来进行。根据一些实施例，床位615和基座616可以在这种扫描期间提供连续的床位运动，这与步进-射击（step-and-shoot）运动相反。

运动监测器617可以包括呼吸监测器，该呼吸监测器经由缆线619耦合到监测器附件618。监测器附件618可以如本领域中已知的那样附接至患者，以采集表示在核图像扫描期间的运动阶段的呼吸信号。如上所述，信号可以被用来将采集的PET数据分离为表示运动的相应阶段的分块。

控制系统620可以包括任何通用或专用计算系统。因此，控制系统620包括：一个或多个处理单元622，其被配置为执行处理器可执行程序代码以使系统620如本文所述地进行操作；以及用于存储该程序代码的存储设备630。存储设备630可包括一个或多个固定磁盘、固态随机存取存储器和/或安装在对应接口（例如，USB端口）中的可移动介质（例如，拇指驱动器）。

存储设备630存储控制程序631的程序代码。一个或多个处理单元622可以执行控制程序631，以与PET系统接口623、床位接口625和监测器接口627一起控制硬件元件以将患者移入到孔612中，并且在移动期间控制伽玛相机围绕孔612旋转并在旋转期间在已定义的成像位置处采集位于孔612中的身体的二维发射数据和运动数据。所采集的发射数据可以作为PET数据634而被存储在存储器630中。

一个或多个处理单元622还可以执行控制程序631，以与CT系统接口624一起使机架610内的辐射源从不同的投影角度朝向孔612内的身体发射辐射，并控制对应的检测器采集二维CT数据。如上所述，CT数据可以与PET数据基本上同时被采集，并且可以作为CT数据636而被存储。

可以执行分块程序632以如上所述地对所采集的PET数据进行分块。分块的PET数据可以被重建并被存储为PET图像635，并且可以执行运动校正程序633以基于目标PET图像使分块的PET图像受到运动校正。分块、运动校正、图像组合和衰减校正可以通过控制程序631和其他程序的任意组合来执行。

输出的PET图像以及任何中间PET和CT图像可以经由终端接口626而被发送到终端640。终端640可以包括耦合到系统620的显示设备和输入设备。终端640可以显示PET侦察图像、CT图像、基于如本文所述确定的扫描范围和扫描速度而采集的PET图像、摄取体积、摄取体积分类和/或任何其他合适的图像或数据。终端640可以接收用户输入以用于控制数据的显示、系统600的操作和/或本文描述的处理。在一些实施例中，终端640是单独的计算设备，诸如但不限于台式计算机、膝上型计算机、平板计算机和智能电话。

系统600的每个组件可以包括对其操作而言是必需的其他元件以及用于提供除本文所述功能以外的功能的其额外元件。

本领域技术人员将理解，在不脱离权利要求的情况下，可以配置上述实施例的各种修改和变型。因此，应当理解，除了本文具体描述的以外，也可以实践权利要求。

Claims (20)

1.一种系统，包括：

核成像扫描仪,用于：

执行第一核成像扫描以采集身体的第一核成像扫描数据；以及

执行第二核成像扫描以采集所述身体的第二核成像扫描数据；和

处理系统，用于：

基于所述第一核成像扫描数据来生成目标图像；

将所述第二核成像扫描数据的多个部分中的每一个与所述身体的多个运动阶段中的相应一个相关联；

针对所述身体的所述多个运动阶段中的每一个，基于与运动阶段相关联的所述第二核成像扫描数据的部分来生成分块图像；

基于所述目标图像对多个分块图像中的每一个执行运动校正，以生成多个运动校正的分块图像；以及

基于所述目标图像和所述多个运动校正的分块图像来生成图像。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

用于采集所述身体的计算机断层摄影扫描数据的计算机断层摄影扫描仪，

所述处理系统还用于基于所述计算机断层摄影扫描数据对所述图像进行衰减校正。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述计算机断层摄影扫描数据在所述身体处于屏气位置时被采集，以及

其中所述第一核成像扫描数据的至少一部分在所述身体处于所述屏气位置时被采集。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二核成像扫描在所述身体的自由呼吸期间被采集。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括：用于接收信号的呼吸监测器，所述信号指示随时间推移的所述身体的多个呼吸阶段中的每一个的发生；

其中所述第二核成像扫描数据的所述多个部分中的每一个与所述身体的所述多个运动阶段之一的关联包括所述第二核成像扫描数据的所述部分中的每一个与所述多个呼吸阶段中的相应一个的关联。

6.根据权利要求4所述的系统，其中所述图像的生成包括将所述目标图像与所述多个运动校正的分块图像相加。

7.根据权利要求2所述的系统，其中所述计算机断层摄影扫描数据在所述第一核成像扫描数据之后被采集，并且所述处理系统还用于：

基于所述目标图像的摄取值，确定是否采集所述计算机断层摄影扫描数据。

8.一种方法，包括：

采集身体的第一核成像扫描数据；

基于所述第一核成像扫描数据来生成目标图像；

采集所述身体的第二核成像扫描数据；

将所述第二核成像扫描数据的多个部分中的每一个与所述身体的多个运动阶段中的相应一个相关联；

针对所述身体的所述多个运动阶段中的每一个，基于与所述运动阶段相关联的所述第二核成像扫描数据的部分来生成分块图像；

将多个分块图像中的每一个变形为所述目标图像，以生成多个变形的分块图像；以及

基于所述目标图像和所述多个变形的分块图像来生成图像。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

采集所述身体的计算机断层摄影扫描数据；

基于采集的所述计算机断层摄影扫描数据来确定所述身体的衰减轮廓；以及

基于所述衰减轮廓来校正所述图像。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述计算机断层摄影扫描数据表示所述身体处于屏气位置，以及

其中所述第一核成像扫描数据表示处于所述屏气位置的所述身体的至少一部分。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二核成像扫描表示所述身体的自由呼吸位置。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：接收指示随时间推移的所述身体的所述多个呼吸阶段中的每一个的发生的信号；

其中将所述第二核成像扫描数据的相应部分与所述身体的所述多个运动阶段之一相关联包括将所述第二核成像扫描数据的所述部分的每个与所述多个呼吸阶段中的相应一个相关联。

13.根据权利要求11所述的方法，其中生成所述图像包括将所述目标图像和所述多个变形的分块图像相加。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述计算机断层摄影扫描数据在所述第一核成像扫描数据之后被采集，并且还包括：

基于所述目标图像的摄取值，确定是否采集所述计算机断层摄影扫描数据。

15.一种系统，包括：

正电子发射断层摄影扫描仪，用于执行侦察成像扫描以采集身体的第一正电子发射断层摄影数据，并执行第二成像扫描以在列表模式下采集身体的第二正电子发射断层摄影数据，所述侦察成像扫描的持续时间短于所述第二成像扫描的持续时间；

计算机断层摄影扫描仪，用于采集所述身体的计算机断层摄影扫描数据，所述计算机断层摄影扫描数据与所述第一正电子发射断层摄影数据基本上配准；和

处理系统，用于：

基于所述第一正电子发射断层摄影数据来生成目标图像；

将所述第二正电子发射断层摄影数据的多个部分中的每一个与所述身体的多个运动阶段中的相应一个相关联；

针对所述身体的所述多个运动阶段中的每一个，基于与运动阶段相关联的所述第二正电子发射断层摄影数据的部分来生成分块图像；

将多个分块图像中的每一个变形为所述目标图像，以生成多个变形的分块图像；

基于所述目标图像、所述多个变形的分块图像来生成图像；以及

基于计算机断层摄影扫描数据来对所述图像进行衰减校正。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述计算机断层摄影扫描数据在所述身体处于屏气位置时被采集，以及

其中所述第一正电子发射断层摄影数据的至少一部分在所述身体处于所述屏气位置时被采集。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二正电子发射断层摄影数据在所述身体的自由呼吸期间被采集。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括：用于接收信号的呼吸监测器，所述信号指示随时间推移的所述身体的多个呼吸阶段中的每一个的发生；

其中所述第二正电子发射断层摄影数据的所述多个部分中的每一个与所述身体的所述多个运动阶段之一的关联包括所述第二正电子发射断层摄影数据的所述部分中的每一个与所述多个呼吸阶段中的相应一个的关联。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述图像的生成包括将所述目标图像与所述多个变形的分块图像相加。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述图像的生成包括将所述目标图像与所述多个变形的分块图像相加。

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