CN1926578A - 运动补偿 - Google Patents

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Abstract

只利用围绕某一目标相位点的一个时间选通窗口内的投影数据可能导致运动伪像，比如模糊的图像。通过利用对应于三个相对于彼此略微移位但是至少部分重叠的时间选通窗口的投影数据，可以估计该选通窗口内的运动，并且根据本发明的一个示范性实施例，该估计可被用于改善图像质量。有利地，只有在所述至少部分重叠的选通窗口内的投影数据被用于重建和运动补偿。

Description

运动补偿
本发明涉及图像处理领域，例如在医学应用中的图像处理。特别地，本发明涉及一种在感兴趣对象的投影数据集中的运动补偿方法、数据处理设备和相应的计算机程序。
运动是在正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)和计算机断层摄影(CT)(特别是心脏螺旋锥形束CT)中导致伪像的最重要的来源之一。
传统上，需要在测量期间令感兴趣对象在位置和方向上固定。这种固定姿势对于人体或动物而言可能是非常痛苦的。而且由于患者或器官运动，极长的扫描时间会导致较大的分辨率损失，特别是在心脏和胸部成像中，在这些成像中，在数据采集期间会出现心脏和呼吸运动。此外，由于感兴趣对象的运动或变形而造成的伪像出现在通过图像重建获得的图像中。
在心脏螺旋锥形束CT中，经常采用低螺距螺旋扫描来采集数据，并且同时记录心电图(ECG)。为进行重建，选定心动周期内的某个位置P，并且仅采用该位置周围的时间选通窗口(gating window)T＝[p-Δ；p+Δ]中的投影数据。假设心脏在该窗口T内不运动。然而，这仅仅是近似成立的，因此会导致模糊的图像或者包括运动伪像的图像。
在现有技术中已知有各种运动补偿技术，这些技术采用多个分离的或非重叠窗口以允许进行运动检测和随后的运动补偿。
本发明的一个目的是提供得到改善的图像质量。
根据如权利要求1所述的本发明的一个示范性实施例，上述目的可通过一种在感兴趣对象的投影数据集中的运动补偿方法来解决。根据本发明的该示范性实施例，选定包括第一投影数据的第一选通窗口和包括第二投影数据的第二选通窗口。此后，基于第一和第二选通窗口的投影数据来估计感兴趣对象的运动，并且基于该运动估计进行运动补偿重建，其中所述第一和第二选通窗口在时间轴上至少部分重叠。
换句话说，包括投影数据的多个选通窗口用于检测感兴趣对象内部的运动。有利地，这些选通窗口不是分离的或者在时间上分开的，相反，不同选通窗口至少部分重叠。该重叠可以允许减少运动检测和补偿所需要的投影数据。
根据如权利要求2所述的本发明的另一示范性实施例，所述运动估计包括基于第一和第二选通窗口的投影数据生成感兴趣对象的运动图(motion map)的步骤，其中基于该运动图进行运动补偿重建。
有利地，这可以允许对整个感兴趣对象进行准确的运动估计，如果需要的话，可以仅对感兴趣对象的某些部分进行准确的运动估计。
根据如权利要求3所述的本发明的另一示范性实施例，选定第一选通窗口和第二选通窗口是通过选定第一相位点和确定包含第一投影数据的第一选通窗口来进行的，其中第一选通窗口对应于第一相位点。此外，基于第一相位点来选定第二相位点，并且确定包括第二投影数据的第二选通窗口，其中第二选通窗口对应于第二相位点。
有利地，根据本发明的该示范性实施例，可以基于患者的心动周期来选定第一相位点，从而能够使该选通窗口内的运动伪像最小化，因为第一相位点可以被选定在心脏运动最小的时间点处。此外，根据本发明的该示范性实施例，可以基于单独的心动周期选定第一选通窗口的宽度和第二选通窗口的宽度，从而使用于图像重建的投影数据最少化。
根据如权利要求4所述的本发明的另一示范性实施例，通过基于第一投影数据重建第一图像并且基于第二投影数据重建第二图像来生成运动图。此后，基于第一和第二选通窗口确定每个感兴趣点的平均位置的运动，从而得出运动图。
有利地，根据本发明的该示范性实施例，通过基于来自不同时间间隔或者重叠选通窗口的投影数据分析重建图像来确定运动。
根据如权利要求5所述的本发明的另一个示范性实施例，基于运动图的运动补偿重建包括利用运动图正向投影第一图像并且得出经正向投影的第一图像数据的步骤。此后，确定经正向投影的第一图像数据和所测量的投影数据之间的差异，并且利用运动图对该差异进行后投影。然后，基于该经后投影的差异更新第一图像。
有利地，上述方法将感兴趣对象的运动或变形纳入考虑。此外，其仍然可以使似然函数最大化。总之，根据本发明的该示范性实施例，即使在感兴趣对象中存在运动或运动伪像，也可以实现正确的重建，从而产生具有高信噪比的清晰图像。
根据如权利要求6所述的本发明的另一示范性实施例提供一种运动补偿方法，其中反复进行运动补偿重建，直到已满足结束标准。有利地，这样能够改善图像质量。
根据如权利要求7所述的本发明的另一示范性实施例，第二相位点在时间轴上相对于第一相位点被负向移位。有利地，可以基于感兴趣对象的各个参数(例如感兴趣对象内部的运动量)来设定移位量，该感兴趣对象可以是患者的心脏。
根据如权利要求8所述的本发明的另一示范性实施例，通过产生射束的电磁辐射源以及通过检测该射束的辐射检测器来采集所述投影数据集，其中该电磁辐射源是多色X射线源，其沿着围绕感兴趣对象的螺旋路径移动。此外，该射束具有锥形束几何形状和扇形束几何形状当中的一种。
应用多色X射线源是有利的，因为多色X射线易于产生和提供良好的图像分辩率。应当注意到，由于CT扫描器系统的几何构造可以具有不同设计(例如锥形束或扇形束几何形状)，因此用于本发明的示范性实施例的方法可以应用于多种不同扫描器系统而不限于CT扫描器系统，其还可以应用于PET(正电子发射断层摄影)扫描器系统或SPECT(单光子发射计算机断层摄影)扫描系统。
根据如权利要求9所述的本发明的另一示范性实施例提供一种用于根据投影数据重建图像的数据处理设备，其通过基于投影数据对图像进行运动补偿重建而将感兴趣对象的运动和/或变形纳入考虑，其中基于运动估计对感兴趣对象进行运动补偿重建，其中第一、第二和第三选通窗口在时间轴上至少部分重叠。
根据如权利要求10所述的本发明的另一示范性实施例，由数据处理设备进行的运动估计包括基于第一和第二选通窗口的投影数据生成感兴趣对象的运动图，其中基于该运动图进行运动补偿重建。
根据如权利要求11所述的本发明的另一示范性实施例，提供一种CT扫描器系统，其包括用于存储数据集的存储器和用于根据本发明方法的示范性实施例在感兴趣对象的投影数据集中进行运动补偿的数据处理器。
本发明还涉及计算机程序，其可以例如在处理器(比如图像处理器)上执行。这种计算机程序可以是例如CT扫描器系统的一部分。根据本发明的一个示范性实施例，该计算机程序在权利要求12中阐明。该计算机程序可以优选地被加载到数据处理器的工作存储器中。从而，如此配备的数据处理器适于实施本发明方法的示范性实施例。该计算机程序可以用任何合适的语言(例如C++)写成，并且可以存储在计算机可读介质(例如CD-ROM)上。而且，这些计算机程序可以从网络(比如万维网)获得，可以将这些计算机程序从网络下载到图像处理单元或处理器或者任何合适的计算机。
作为本发明的示范性实施例的要点，可以看出，通过利用包括投影数据的多个至少部分重叠的选通窗口来检测在感兴趣对象的投影数据集中的运动，并且通过仅重建所述至少部分重叠的选通窗口内的投影数据来补偿所述选通窗口内的运动。不对选通窗口外的投影数据进行重建。有利地，根据本发明的一个示范性实施例，各选通窗口相对于彼此仅仅被略微移位，从而导致较大的重叠，因此各选通窗口几乎包括相同的投影数据。
参考此后描述的实施例，本发明的这些和其它方面将会变得更为明显，并且将参考此后描述的实施例对本发明的这些和其它方面进行阐述。
下面将参考附图对本发明的各示范性实施例进行描述：
图1示出根据本发明的计算机断层摄影(CT)扫描器的一个实施例的简化图示。
图2分别示出第一、第二和第三选通窗口T-1、T0和T1的图示。
图3分别示出在第一、第二和第三相位点p-1、p0和p1处的心脏的重建图像。
图4示出在三个相位点p-1、p0和p1处的感兴趣点的平均位置。
图5示出根据本发明的方法的一个示范性实施例的流程图。
图6示出迭代运动补偿重建算法的流程图。
图7示出根据本发明的图像处理设备的一个示范性实施例，该设备用于执行根据本发明的方法的一个示范性实施例。
图1示出根据本发明的CT(计算机断层摄影)扫描器系统的一个示范性实施例的简化图示。参考该示范性实施例，本发明将被描述为用于医学成像。然而，应当注意到，本发明不限于医学成像领域中的应用，而是还可以用于在行李件中进行行李检查以检测诸如炸药之类的危险物品或者还可以用于其它工业应用(比如材料测试)。
图1所示的扫描器是锥形束CT扫描器。图1所示的CT扫描器包括可以围绕旋转轴2旋转的台架1。该台架通过电动机3驱动。附图标记4指示辐射源(比如X射线源)，其根据本发明的一个方面发射多色辐射。
附图标记5指示孔径系统，其将从辐射源发射的辐射束形成锥形辐射束6。
锥形束6被导向成穿透放置在台架1的中心(即CT扫描器系统的检查区域内)的感兴趣对象7，并且撞击到检测器8上。如图1所示，检测器8被放置在台架1上的与辐射源4相对的位置处，从而检测器8的表面被锥形束6覆盖。图1中所示的检测器8包括多个检测器元件。
在对感兴趣对象7的扫描期间，辐射源4、孔径系统5和检测器8在箭头16指示的方向上沿台架1旋转。为了旋转带有辐射源4、孔径系统5和检测器8的台架1，电动机3连接到电动机控制单元17，该电动机控制单17连接到计算单元18。
在图1中，感兴趣对象被放置在传送带19上。在对感兴趣对象7的扫描期间，在台架1围绕患者7旋转的同时，传送带19使感兴趣对象7沿平行于台架1的旋转轴2的方向移动。由此，沿着螺旋扫描路径对感兴趣对象7进行扫描。传送带19也可以在扫描期间停止。代替传送带19，例如在其中感兴趣对象7是患者的医学应用中可以采用可移动床。然而应当注意的是，在所描述的所有情形中，也可能进行圆形扫描，此时在平行于旋转轴2的方向上没有位移，而是仅围绕旋转轴2旋转台架1。
检测器8连接到计算机单元18。该计算单元18接收检测结果(即来自检测器8的检测器元件的读数)，并且基于所述读数确定扫描结果。检测器8的检测器元件适于测量由感兴趣对象对锥形束造成的衰减。此外，计算单元18与电动机控制单元17通信，以使台架1的移动与电动机3和20或者与传送带19相协调。
计算单元18适于根据检测器8的读数重建图像。由计算单元18生成的图像可以通过接口22被输出到显示器(图1中未示出)。
可以用数据处理器实现的计算单元18还适于基于来自检测器8的检测器元件的读数在图像中进行运动补偿。根据本发明的一个方面，可以通过选定包括第一、第二和第三投影数据的第一选通窗口、第二选通窗口和第三选通窗口并且基于第一、第二和第三选通窗口的投影数据生成对应于所有感兴趣点的运动图来进行运动校正或补偿。此后，可基于该运动图进行运动补偿重建。应当注意到，所述第一、第二和第三选通窗口至少部分重叠。
此外，应当理解，虽然本发明的示范性实施例采用相对彼此移位的三个选通窗口(其含意是第二选通窗口的开始时间点位于第一选通窗口的开始之前，而第三选通窗口开始于第一选通窗口的开始之后)，但是也可以采用两个经过时间移位的选通窗口；也可以为了根据本发明的运动估计和运动图生成采用四个或五个或任何其它更大数目的选通窗口。
此外，如图1所示，计算单元18可以被连接成使得扬声器21能够自动输出报警。
图2示出在三个不同的相应相位点p-1、p0和p1处的三个不同选通窗口T-1、T0和T1的图示。根据本发明方法的一个示范性实施例，估计窗口T0内的运动，并且利用该运动估计信息来改善图像质量。
从图2中可以看出，三个选通窗口在时间意义上重叠并且位于心动周期的各R峰值之间。R峰值是心电图(ECG)中的最突出的峰值，其指示心肌的去极化。由于在去极化后紧跟着是肌肉收缩，因此R峰值被看作是心动周期中的参考点。为了补偿心动周期期间的变化，通常将相位点指定为两个接连的R峰值之间的相对距离，例如30％RR。有利地，三个选通窗口几乎完全重叠并且仅相对于彼此被略微移位，从而对于每个选通窗口允许利用几乎完全相同的投影数据。此外，三个相位点p-1、p0和p1被定位在心动周期中心脏运动最小的时间点处。
图3示出在三个不同相位点或目标相位p-1、p0和p1处的心脏的重建图像。重建图像32示出位于30％RR处的目标相位p0处的心脏。重建图像31示出位于25％RR处的目标相位p-1处的心脏，以及重建图像33示出位于35％RR处的相位p1处的心脏。重建图像31、32和33是整个心脏的图像，其中对应的重建图像34、35和36是对图像31、32和33的特定截面的放大，其中冠状动脉横穿过该切片。这些图像中示出的箭头总是指向同一对象点，即冠状动脉。
从图3中可以看出，冠状动脉从左侧移动到右侧，这导致拖尾(smearing)。可以采用标准运动估计技术来确定平均位置的运动，比如块匹配算法，在T.Schaffter、V.Rasche、I.C.Carlsen的文章“MotionCompensated Projection Reconstruction(运动补偿投影重建)”(Magnetic Resonance in Medicine 41：954-963，1999)中描述该算法，其内容全部引入在此以作为参考。
如果另外两个相位点p-1、p1距目标相位点p0的时间距离较小，则可以假设在三个选通窗口内只有微小的速度变化，并且可以利用线性或二次模型在整个选通窗口T0上对平均位置进行内插和外插。这如图4所示，图4示出某个栅格点的x位置，例如图3中所示的冠状动脉。运动估计提供了该位置和三个时间点或相位点p-1、p0和p1，从而得出运动图。可以对于所有感兴趣点并且对于x、y和z方向上的运动计算出运动图。最后，该运动图可以被用于进行运动补偿重建。
该运动图或运动场(motion field)描述了感兴趣点或感兴趣对象在某个时间点处的运动和/或变形。
图5示出根据本发明的方法的一个示范性实施例的流程图。在步骤S0处开始之后，在步骤S1中采集投影数据(所测量的投影数据)。这例如可以通过利用合适的CT扫描器或者通过从存储装置读取投影数据来完成。在随后的步骤S2中，选定第一相位点p0。相位点的选定可以通过用户手动进行或者从软件侧自动进行。而后，在步骤S3中，基于第一相位点确定第一选通窗口T0＝[p0-Δ；p0+Δ]。该对应的心脏选通窗口T0可以由用户指定或者被自动确定。之后，使用心脏CT算法(其利用选通数据)来重建图像，从而得出重建的第一图像(步骤4)。该图像中的结构代表选通窗口T0内的所述结构的平均位置。在下一步骤(S5)中，确定另两个相位点p-1和p1，并在步骤S6中分别基于第二和第三相位点确定对应的第二和第三选通窗口T-1和T1。例如，第二选通窗口可以由T-1＝[p-1-Δ；p-1+Δ]确定，而第三选通窗口可由T1＝[p1-Δ；p1+Δ]确定。根据本发明的该示范性实施例，第二相位点相对于第一相位点被负向移位，第三相位点相对于第一相位点被正向移位，这意味着p-1＜p0＜p1。应当注意到，虽然在本发明的该实施例中这三个选通窗口在时间轴上具有相同的大小，但是在其它实施例中它们可以具有不同的大小。
此后，在步骤S7中，利用与第一图像重建相同的程序对第二和第三图像进行重建。而后，在步骤S8中，确定感兴趣对象点或感兴趣对象的平均位置的运动，这例如是通过采用块匹配算法之类的运动估计技术进行的。由于目标相位点与第二和第三相位点之间的时间差异较小，因此可以假设感兴趣点的速度在三个选通窗口内只有微小变化，从而可以采用线性或二次模型在整个选通窗口T0上对感兴趣点的平均位置进行内插或外插，如图4所示。
在确定感兴趣点的平均位置的运动之后，在步骤S9中对于每个感兴趣点并且对于x、y和z方向上的运动生成运动图。该运动图或运动场描述了每个感兴趣点的运动，例如相对于所选择的参考图像的运动。之后，在步骤S10中，可以基于该运动图像执行运动补偿重建算法，从而得出对图像的运动补偿重建并因此改善了图像质量。该方法在步骤S10b结束。
图6示出开始于步骤S11的迭代运动补偿重建算法，其可以生成运动图。之后，在步骤S12，利用该运动图对第一图像进行正向投影，从而得出经正向投影的第一图像数据。
该第一图像可以是例如均匀分布、对所测量投影数据的滤波后投影或者对所测量投影数据的简单后投影。
在步骤S14中，确定经正向投影的第一图像数据和所测量的投影数据之间的差异。换句话说，在经过运动和/或变形补偿的第一数据和实际测量的投影之间进行比较。在一种简单的情形中，可以基于减法确定该差异。
而后，在步骤S15中，利用已在步骤S12中使用的运动图或运动场对步骤S14中确定的差异或误差进行后投影。这可以简单地通过在步骤S12中的正向投影期间存储第一图像的各个三维像素(voxel)的积分权重来完成。这些积分权重限定了三维像素对例如线积分的贡献程度。可以在步骤S16中的后投影期间在适当标准化之后应用相同的权重。这样在经后投影的差异的基础上产生新的更新图像。而后，该方法行进到步骤S17，在此判定是否满足结束标准。该结束标准例如可以是：已经对投影数据的全部投影进行了迭代，或者实际测量的投影和该第一图像之间的差异低于预定阈值。当在步骤S17中判定未满足该结束标准时(步骤S18)，该方法行进到步骤S12，在此利用得出第一数据的运动图对新的第一图像进行正向投影。可反复执行步骤S12至S18，直到满足该结束标准。当在步骤S17中判定满足该结束标准，则该方法行进到步骤S19，并且在此结束。
应当注意到，对本领域技术人员来说显而易见的是，上述技术可以应用于在PET、SPECT或CT成像中已知的所有公知的迭代重建技术中，例如RAMLA、ML-EM、OS-ML-EM或ART。
图7示出用于执行根据本发明的方法的一个示范性实施例的根据本发明的数据处理设备的一个示范性实施例。图7所示的数据处理设备包括中央处理单元(CPU)或图像处理器151，其连接到用于存储描述感兴趣对象(比如患者)的图像的存储器152。数据处理器151可以连接到多个输入/输出网络或诊断设备，比如MR设备或CT设备。该数据处理器还可以连接到显示设备154(例如计算机监视器)，以用于显示在数据处理器151中计算或适配的信息或图像。操作者或用户可以通过键盘155和/或未在图7中示出的其它输出设备与该数据处理器151进行交互作用。
此外，通过总线系统153，还可以将图像处理和控制处理器151连接到例如运动监视器，该运动监视器监视感兴趣对象的运动。当例如对患者的肺部进行成像时，运动传感器可以是呼气传感器。当对心脏进行成像时，运动传感器可以是心电图(ECG)。

Claims (12)

1、一种在感兴趣对象的投影数据集中执行运动补偿的方法，该方法包括以下步骤：选定多个选通窗口，所述多个选通窗口包括第一选通窗口和第二选通窗口，其中第一选通窗口包括第一投影数据，第二选通窗口包括第二投影数据；基于第一和第二选通窗口的投影数据估计该感兴趣对象的运动；基于该运动估计执行运动补偿重建；其中第一和第二选通窗口在时间轴上至少部分重叠。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述运动估计包括基于第一和第二选通窗口的投影数据生成对应于该感兴趣对象的运动图的步骤；并且其中基于该运动图执行所述运动补偿重建。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，对第一选通窗口和第二选通窗口的选定包括以下步骤：选定第一相位点；确定包括第一投影数据的第一选通窗口，其中第一选通窗口对应于第一相位点；基于第一相位点选定第二相位点；确定包括第二投影数据的第二选通窗口，其中第二选通窗口对应于第二相位点。
4、根据权利要求2所述的方法，其中，所述感兴趣对象包括多个感兴趣点；所述运动图的生成包括以下步骤：基于第一投影数据重建第一图像；基于第二投影数据重建第二图像；以及基于第一和第二选通窗口的投影数据确定所述多个感兴趣点当中的每一点的平均位置的运动，从而得出该运动图。
5、根据权利要求4所述的方法，其中，基于所述运动图的所述运动补偿重建包括以下步骤：利用该运动图对第一图像进行正向投影，从而得出经正向投影的第一图像数据；确定经正向投影的第一图像数据和投影数据之间的差异；利用该运动图对该差异进行后投影；以及基于经后投影的差异更新第一图像。
6、根据权利要求1所述的方法，其中，反复执行所述运动补偿重建，直到已满足结束标准。
7、根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二相位点相对于第一相位点被负向移位。
8、根据权利要求1所述的方法，其中，通过产生射束的电磁辐射源以及通过检测该射束的辐射检测器来采集所述投影数据集，其中该电磁辐射源是多色X射线源；其中该源沿着围绕所述感兴趣对象的螺旋路径移动；并且其中该射束具有锥形束和扇形束几何形状当中的一种。
9、一种数据处理设备，包括：用于存储数据集的存储器；用于在感兴趣对象的投影数据集中执行运动补偿的数据处理器，其中该数据处理器适于执行以下操作：加载该投影数据集；选定包括第一投影数据的第一选通窗口和包括第二投影数据的第二选通窗口；基于第一和第二选通窗口的投影数据估计该感兴趣对象的运动；基于该运动估计执行运动补偿重建；其中第一和第二选通窗口在时间轴上至少部分重叠。
10、根据权利要求9所述的数据处理设备，其中，所述运动估计包括基于第一和第二选通窗口的投影数据生成对应于该感兴趣对象的运动图的步骤；并且其中基于该运动图执行所述运动补偿重建。
11、一种CT扫描器系统，包括：用于存储数据集的存储器；用于在感兴趣对象的投影数据集中执行运动补偿的数据处理器，其中该数据处理器适于执行以下操作：加载通过产生射束的旋转电磁辐射源和通过检测该射束的辐射检测器采集的投影数据集；选定包含第一投影数据的第一选通窗口和包含第二投影数据的第二选通窗口；基于第一和第二选通窗口的投影数据估计该感兴趣对象的运动；基于该运动估计执行运动补偿重建；其中第一和第二选通窗口在时间轴上至少部分重叠。
12、一种用于在感兴趣对象的投影数据集中执行运动补偿的计算机程序，其中当在处理器上执行该计算机程序时，该计算机程序使该处理器执行以下操作：加载该投影数据集；选定多个选通窗口，所述多个选通窗口包括第一选通窗口和第二选通窗口，其中第一选通窗口包括第一投影数据，第二选通窗口包括第二投影数据；基于第一和第二选通窗口的投影数据估计该感兴趣对象的运动；基于该运动估计执行运动补偿重建；其中第一和第二选通窗口在时间轴上至少部分重叠。
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