CN1312631C

CN1312631C - 对随时间变化的诊断过程的评估

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Publication number: CN1312631C
Application number: CNB031314724A
Authority: CN
Inventors: 尼尔斯·奥辛格曼
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: CA2428705A1; US7245752B2; NL1023433A1; US20040002646A1; NL1023433C2; JP2003325479A; CN1458625A; DE10221643A1; JP4454960B2

Abstract

本发明涉及一种用于校正用医疗诊断成像系统对检查对象按时间顺序进行的测量序列的照片图像数据的方法，其中，在得出诊断重要结果之前，至少该序列的第一图像数据组涉及检查对象，而在得出诊断重要结果时和/或之后，至少该序列的第二图像数据组涉及检查对象，以及其中，在第一步骤中对图像数据进行第一校正，其中通过移动测量序列照片中的图像内容使检查对象的位置在所有图像中都基本上一致，在第二步骤中对图像数据进行第二校正，其中从第一步骤校正的第一图像数据组中建立一幅中值图像，并将所有在第一步骤中校正的第一和第二图像数据组的图像以图像元素的方式按照计算出的中值图像进行标准化，在第三步骤中对测量数据进行第三校正，其中从一个结构上相同的图像区域在第一和第二图像数据组中的所有图像元素值中，减去第一图像数据组在第二步骤中校正的图像中该区域的一幅图像元素值，或该区域在第一图像数据组中的图像元素中值。

Description

对随时间变化的诊断过程的评估

技术领域

本发明涉及一种医疗成像诊断技术，特别是对医学图像数据组的评估，该数据组涉及检查区域中的诊断制剂引起的变化在时间上的变化过程。

背景技术

诊断制剂例如有在磁共振断层造影或者闪烁照相术方法中患者的器官或者身体部位中的造影剂或者放射药剂，由于各种影响，限制了诊断制剂扩散检查的说服力。一个相应的检查通过一个测量序列实现，该测量提供检查区域在不同的相互连续的时间点上的照片。为了判断可能的病理变化，必须从这样产生的照片序列的图像数据中对通过诊断制剂影响的图像强度变化进行精确评估。

主要有三种影响使得很难对通过诊断制剂造成的图像强度变化进行可靠的评估。

第一种影响是由于例如心脏跳动或呼吸的身体功能而造成的体内器官的变形或移动。因此，图像的拍摄时间点在一个测量序列中一般与确定的身体功能同步。这样例如在心脏灌注测量中应用EKG信号，以便使拍摄与心脏的跳动周期同步。由此，测量序列的每张照片总是在心脏跳动周期的同一个变形状态下获得。但是，由于以不同于心脏周期的周期进行呼吸，因此，在单个照片中出现心脏或其表示的移动。这一般意味着，检查器官或检查身体部位的同一个区域在照片序列的单个图像中的不同位置上成像。所以，在一幅图像中，对待检查身体部位位置的确定不能推广到该照片序列的其它图像中。

为了避免由于呼吸造成的器官移动而使得很难或根本不可能对照片序列的图像数据进行评估，多次在呼吸静止的状态下拍摄测量序列的照片序列。但是，这在相应的测量序列期间对患者造成了很大的负担，由此可能又产生了对患者不可靠的负担情形。

此外，评估受到用于产生图像数据的探测器特性的影响。特别是探测器的灵敏度随着到测量对象的距离和/或方向改变，从而使得很难对检查部位不同位置的测量数据或由其确定的图像强度进行比较。这样，例如在磁共振断层造影中，根据离探测器线圈的不同距离，相同的组织表现出不同的图像强度。在此，随着到线圈距离的增加，该强度下降。

因此，如果将靠近探测器线圈的组织与离探测器线圈一段距离的组织进行比较，且两个组织含有相同的诊断制剂浓度，则靠近线圈的组织中的制剂比远离线圈的组织给出更高的图像强度。

很难在视觉上对这种以测量为条件的信号变化作出正确的评估，特别是，因为除了探测器线圈或测量系统的成像特性外，测量的信号强度也受组织本身的磁场特性的影响。

类似的关系存在于闪烁照相术中，其中，测量的图像强度由伽玛相机的成像特性和放射药剂在组织中的浓缩构成。

此外，在一次测量序列成像的图像数据组中，身体部位的图像强度或图像元素的值由该身体部位本身的组织分量和在拍摄时刻在该组织中的诊断制剂浓度分量合成，从而使得从该图像强度中无法推断出诊断制剂的浓度。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，这样准备一个测量序列的图像数据，其中该测量序列用于检查通过在检查部位引入诊断制剂所产生的变化在时间上的变化过程，即，使得有可能对该变化进行可靠的评估。

按照本发明，提出了一种用于校正用医疗诊断成像系统对检查对象按时间顺序进行的测量序列的照片图像数据的方法，其中，在得出诊断重要结果之前，至少该序列的第一图像数据组涉及检查对象，而在得出诊断重要结果时和/或之后，至少该序列的第二图像数据组涉及检查对象，以及其中，在第一步骤中对图像数据进行第一校正，其中通过移动测量序列图像中的图像内容使检查对象的位置在所有图像中都基本上一致，在第二步骤中对图像数据进行第二校正，其中从第一步骤校正的第一图像数据组中建立一幅中值图像，并将所有在第一步骤中校正的第一和第二图像数据组的图像以图像元素的方式按照计算出的中值图像进行标准化，在第三步骤中对测量数据进行第三校正，其中从一个结构上相同的图像区域在第一和第二图像数据组中的所有图像元素值中，减去第一图像数据组在第二步骤中校正的图像中该区域的一幅图像元素值，或该区域在第一图像数据组中的图像元素中值。

按照本发明的校正方法，以简单的方式从对应测量序列的照片中消除了上述干扰因素分量，从而使得有可能对检查部位中的诊断制剂扩散在时间上的变化过程进行可靠判断。

作为医疗诊断成像系统，优选采用用于磁共振断层造影或者闪烁照相术的系统。

这种核自旋断层造影设备具有一个根据上述方法对核自旋测量序列的照片图像数据进行校正的装置，该设备包括

-一个用户接口，用于由用户选择校正的图像数据，用于由用户决定对所选图像数据进行校正，以及用于显示校正的结果，和

-一个处理单元，用于按照校正方法对由用户选择的图像数据进行处理。

为了用很小的花费对检查对象在序列的不同图像中进行位置匹配，优选应用一种相关分析对图像数据进行第一校正。

附图说明

下面对本发明作进一步说明，其中，下面的附图分别表示：

图1为一个按照本发明的核自旋断层造影设备的示意图，

图2为在灌注测量的时间变化过程中，心肌四个不同区域图像强度的变化过程，以及

图3为在灌注测量的时间变化过程中，心肌四个不同区域图像强度经过按照本发明的校正后的变化过程。

具体实施方式

在例如磁共振断层造影的诊断方法中，得到被检查身体部位内部的图像显示。

图1示出一个按照本发明的用于生成对象核自旋图像的磁共振成像设备或核自旋断层造影设备的示意图。这里，核自旋断层造影设备的结构与常规断层造影设备的结构对应。基本磁场磁铁1产生一个时间上恒定的强磁场，用于极化或定向对象检查部位中的核自旋，该对象例如是人体的待查部位。核自旋共振测量所要求的基本磁场的高度均匀性例如在一个球形测量空间M中被定义，待检查的人体部分被送入该空间。为了对均匀性要求提供支持，特别是为了消除不随时间变化的影响，在合适的位置加装了由铁氧磁性材料制成的填隙片。随时间变化的影响通过由填隙片供电装置15控制的填隙片线圈2消除。

在基本磁场磁铁1中安装了一个由三个部分绕组组成的圆柱型梯度线圈系统3。通过一个放大器14为每个部分绕组提供电流，以便在笛卡儿坐标系的各个方向上都产生一个线性梯度磁场。其中，梯度线圈系统3的第一部分绕组产生一个在x方向上的梯度Gx，第二部分绕组产生一个在y方向上的梯度Gy，而第三部分绕组产生一个在z方向上的梯度Gz。每个放大器14包括一个数模转换器，该转换器由一个序列控制装置18控制，用于及时产生梯度脉冲。

在梯度线圈系统3的内部有一个高频天线4，它将由高频功率放大器输出的高频脉冲变换成交变磁场，该磁场用于对待检查对象或对象待检查部位的核进行激励或者对核自旋定向。高频天线4由一个或多个HF发射线圈和一个或多个HF接收线圈组成，也可能由一个线圈组的装置(一般称为“线圈阵列”或“定相阵列线圈”)组成。高频天线4的HF接收线圈还将由占主导地位的核自旋发出的交变磁场，即通常由一个或多个高频脉冲和一个或多个梯度脉冲组成的脉冲序列引起的核自旋回波信号，变换成电压，并通过电压放大器7送至高频系统22的高频接收信道8。该高频系统22还包括一个发送信道9，在该信道中产生用于激励核磁共振的高频脉冲。其中，根据由设备计算机18规定的脉冲序列，在序列控制装置18中将各高频脉冲表示为复数数列。该数列作为实部和虚部通过各输入装置12送至高频系统22中的一个数模转换器，并由该转换器送至发送信道9。在发送信道9中将该脉冲序列调制到一个高频载波信号上，该载波信号的基本频率对应于测量空间中核自旋的谐振频率。

通过发射接收转换器6实现由发射运行到接收运行的转换。高频天线4的HF发射线圈在测量空间M中发射高频脉冲来激励核自旋，通过HF接收线圈探测产生的回波信号。在高频系统22的接收信道8中相敏地解调相应获得的核共振信号，并通过各自的模数转换器将其变换成测量信号的实部和虚部。通过图像计算机17，从由此获得的测量数据中再现出一幅图像。通过设备计算机20对测量数据、图像数据和控制程序进行管理。根据用控制程序预先作出的规定，序列控制装置18控制各期望脉冲序列的产生和对k域的相应探测。其中，序列控制装置18尤其控制梯度在时间上正确的接通、具有特定相位和幅度的高频脉冲发送以及核共振信号的接收。高频系统22和序列控制装置18的时间基准由一个合成器19提供。通过一个终端21选择产生核自旋图像的相应控制程序，并显示产生的核自旋图像，该终端包括一个键盘以及一个或多个显示器。该终端21还用于对核自旋图像进行按照本发明的评估。

在磁共振断层造影中，图像元素的强度由被拍摄的人体组织的特性和测量系统的特性决定。通过添加造影剂，可以提高图像强度。这种造影剂方法特别应用于对例如心脏的器官进行的灌注测量中。这里，借助于注射提供给患者的造影剂通过血液循环在一定的时间内到达检查的器官，该造影剂在器官中分布，直到最后又缓慢地排出人体。

在心肌的灌注测量过程中，观察造影剂在不同的心肌区域中推进的时间变化。为此，在一个测量序列的范围内，从提供造影剂之时或之前的短暂时刻开始，按时间顺序产生多张心脏照片。如果造影剂进入一个心肌，则涉及该心肌的图像元素的强度在各照片中增大。

在灌注测量中，在时间上跟踪在一个组织区域的图像中通过造影剂引起强度增大。为了进行评估，该组织区域图像点的强度值作为时间函数或按类似方式通过测量序列的成像顺序记录下来。图2示出了相应的评估。

图2示出了在用造影剂进行的灌注测量中，一个具有不引人注意的心肌组织的心肌的四个不同组织区域(··θx)的图像强度随时间的变化。这些组织区域至检测线圈的距离是不同的，其中区域2(·)离线圈最远。

在一个测量序列的图解说明中确定单个区域的位置和范围。在测量序列的各个照片中确定这样定义的组织区域的图像强度，并通过图像号记录在图2中。

由于通过检查对象在测量中的运动造成定义的组织区域在单个照片中发生位置移动，必须相互独立地确定各区域在每个照片中的位置。因此，按照本发明，在确定每个区域的强度值之前进行移动校正。

为此，在一个测量序列的所有图像中，这样校正检查对象的成像位置，即，使得对象在这些图像中都在同一位置成像。这能够例如通过对照片序列的图像进行相关分析实现。这里，用于相关分析的图像区域可以由整幅图像、整幅图像的一部分或者整幅图像的分离的图像区域构成。移动矫正的结果是获得具有图像的成像序列，在这些图像中，一个组织区域总是处于同一位置。

通过移动校正，有可能仅从序列的一张图像中确定组织区域的几何特征和位置，该确定对成像序列的所有图像有效。对于图2，此时从图像中分别读出每个确定组织区域的图像强度值，并按拍摄的顺序记录下来。

从组织区域I发出的测量信号S_i(t)可随时间变化的值作为时间t的函数，由一个不依赖时间的原组织的信号成分S_i ^o、一个时间上变化的组织变化的信号成分ΔS_i(t)以及一个噪声成分S_n合成。通过使用的检测器，对测量信号从组织区域i到图像强度B_i的转换加载一个权重k_i，使得一个成像区域的图像强度B_i计算为

B_i(t)＝k_i·(S_i ^o+ΔS_i(t))+S_n； (1)

对一个有说服力的分析，噪声分量对图像强度B_I没有确定的影响，因此在下面将其忽略。

只要在灌注测量中没有造影剂进入到检查的组织，则组织显示的图像强度不变。如果注射的造影剂到达组织并在那里扩散，则组织的强度随时间增加，直到通过从组织中排泄出造影剂而使图像强度值缓慢再次下降到不依赖于时间的原始值。因此，依赖于时间的图像强度成分是一种对在检查组织中造影剂浓度的度量。

为了消除依赖于几何特性的敏感性或权重系数k_i对组织i图像强度的影响，在下面的第二校正步骤中，将测量序列的所有图像按中值图像进行标准化。

为此，首先确定其中时间上变化的信号变化ΔS_i(t)不影响图像强度B_i(t)的图像。换言之，在造影剂到达组织区域i之前，从照片序列中进行选择。由这种选择确定一幅中值图像，其中，例如计算出一幅代表该选择的图像，或者例如根据大量选择图像的以图像元素方式构成的算术或平方中值来计算出中值图像。通常所有的图像被用于选择。为了得到优化的结果，也可以在求中值时排除具有相对高噪声成分的图像。选择一个有代表性的图像作为中值图像，可以例如基于这样的准则，如低噪声成分S_n和/或在前面移动校正中图像内容的变化尽可能小。这样，该中值图像对应于在造影剂第一次出现前的检查对象的平均图像。

然后，将测量序列的所有图像按中值图像标准化，其中在单个图像元素的水平上，将移动校正图像的图像强度除以中值图像的图像强度B_i ^m。因此，一般地得到一个在标准化的检查对象图像中组织区域i的图像强度B_i ^norm(t)：

B_i ^norm(t)＝B_i(t)/B_i ^m＝k_i·(S_i ^o+ΔS_i(t))/(k_i·S_i ^m)＝(S_i ^o+ΔS_i(t))/S_i ^m；(2)

其中，(k_i·S_i ^m)表示组织区域i在中值图像中的图像强度，以及S_i ^m表示该组织的与该图像强度对应的中值信号强度。

通过这种标准化，消除了检查组织每个位置的不同加权系数k_i对图像强度的影响。因此，相对图像强度在标准化图像中不依赖于检测器线圈的影响，尤其不依赖于检测器线圈和成像组织区域之间的距离。

在灌注测量中，仅仅由于提供造影剂才使得组织变化在时间上的变化过程有意义。为了可靠地确定组织中造影剂的浓度和分布，必须消除自然组织对图像强度的影响。这尤其也是证明在一个测量序列的图像中造影剂低浓度的前提。

自然组织对图像强度B_i ^norm(t)的影响在测量序列的图像中作为不依赖于时间的图像强度分量S_i ^o给出。该图像强度分量可以说构成了证明组织中造影剂的背景。该背景对应于标准化的中值图像。

为了从图像强度B_i ^norm(t)中提取检查组织区域在测量序列期间发生的变化的图像强度分量B_i ^k(t)，必须将自然组织分量从图像强度B_i ^norm(t)中减掉。

因此，区域i图像强度B_i ^k按照下列等式给出：

B_i ^k(t)＝B_i ^norm(t)-1＝(S_i ^o-S_i ^m+ΔS_i(t))/S_i ^m

B_i ^k(t)≌ΔS_i(t)/S_i ^m对S_i ^m≌S_i ^o (3)

按照等式(3)校正的图像数据现在描述了在检查组织中由造影剂产生的变化。该数据表示了证明以灌注为条件的组织变化的敏感的方法。

按照等式(3)校正的图像同样构成简单生成信号-时间曲线的出发点，如图3所示。

信号-时间曲线以一个图解方式描述了在一个测量序列的图像序列中选出的组织区域的图像强度。因为每个照片在特定的时间点产生，该表示由此也描述了所选组织区域的图像强度在时间上的变化过程。在图2的信号-时间图30中表示的信号-时间曲线31、32、33和34对应于用区域1、区域2、区域3和区域4表示的组织区域的图像强度B_i(t)在时间上的变化过程，并基于图像数据组的移动校正产生。

相对地，图3的信号-时间图40描述了相同的组织区域区域1、区域2、区域3和区域4的校正信号-时间曲线41、42、43和44，但是是由另外标准化、并通过去掉背景校正的图像数据B_i ^k来确定的。

由图3明显看出，通过使用按照本发明的校正方法校正对信号值的局部影响，例如检查组织区域距检测器线圈的距离，而有可能对相互间的信号变化进行可靠判断。

由于距检测器线圈的距离较大，由造影剂造成的区域2图像强度的升高仅在移动校正的图像数据组中明显小于在其它三个区域中的一个。这可以在图2中从信号-时间曲线32的斜率与其它信号-时间曲线31、33和34的斜率相比较小中看出。通过标准化平衡这种局部影响，使得造影剂浓度在所有四个区域中相同的情况下，实现了在所有四个区域中相同的图像强度增加。此外，通过去掉背景，可以直接比较信号-时间曲线。

因此，在图3中，作为示例性介绍的灌注测量结果，在不同的心肌区域区域1、区域2、区域3和区域4的供血中没有表现出明显的差别。

尽管以在核自旋断层造影设备中进行的心肌灌注测量为例介绍了按照本发明的校正方法，该方法还可应用于所有测量诊断制剂在组织中随时间变化的分布或随时间变化的浓度的医疗诊断成像测量方法。因此，按照本发明的方法也可以用于肺或肾灌注测量以及闪烁照相术中。

本方法可以实现为计算机软件，用于在成像测量系统的数据处理装置或独立于该测量系统的数据处理装置上实施。为此，该计算机软件被加载到数据处理装置的一个存储器中，并由该数据处理装置的例如处理器的处理单元实施。

Claims

1.一种用于校正用医疗诊断成像系统对检查对象按时间顺序进行的测量序列的照片图像数据的方法，其中，在得出诊断重要结果之前，至少该序列的第一图像数据组涉及检查对象，而在得出诊断重要结果时和/或之后，至少该序列的第二图像数据组涉及检查对象，以及其中，

-在第一步骤中对图像数据进行第一校正，其中通过移动测量序列图像中的图像内容使检查对象的位置在所有图像中都基本上一致，

-在第二步骤中对图像数据进行第二校正，其中从第一步骤校正的第一图像数据组中建立一幅中值图像，并将所有在第一步骤中校正的第一和第二图像数据组的图像以图像元素的方式按照计算出的中值图像进行标准化，

-在第三步骤中对测量数据进行第三校正，其中从一个结构上相同的图像区域在第一和第二图像数据组中的所有图像元素值中，减去第一图像数据组在第二步骤中校正的图像中该区域的一幅图像元素值，或该区域在第一图像数据组中的图像元素中值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像数据的第一校正借助于一个相关分析进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述中值图像通过在所述第一步骤中校正的图像数据组的多幅图像的以图像元素方式构成的算术或平方中值而获得。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从在所述第一步骤中校正的图像数据组的多幅图像中，通过图像数据的第一校正，选择一幅具有低噪声成分和/或最小变化的图像作为中值图像。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述医疗诊断成像系统是磁共振断层造影系统。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述医疗诊断成像系统是闪烁照相术系统。

7.一种核自旋断层造影设备，该设备具有一个根据权利要求1所述的方法对核自旋测量序列的照片图像数据进行校正的装置，该设备包括

-一个用户接口(21)，用于由用户选择校正的图像数据，用于由用户决定对所选图像数据进行校正，以及用于显示校正的结果，和

-一个处理单元(20)，用于按照校正方法对由用户选择的图像数据进行处理。

8.根据权利要求7所述的核自旋断层造影设备，其特征在于，所述图像数据的第一校正借助于一个相关分析进行。

9.根据权利要求7或8所述的核自旋断层造影设备，其特征在于，所述中值图像通过在所述第一步骤中校正的图像数据组的多幅图像的以图像元素方式构成的算术或平方中值而获得。

10.根据权利要求7或8所述的核自旋断层造影设备，其特征在于，从在所述第一步骤中校正的图像数据组的多幅图像中，通过图像数据的第一校正，选择一幅具有低噪声成分和/或最小变化的图像作为中值图像。