DE112015002791T5

DE112015002791T5 - Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrektur

Info

Publication number: DE112015002791T5
Application number: DE112015002791.2T
Authority: DE
Inventors: Michal Cachovan; Alexander Hans Vija
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2017-03-16
Also published as: WO2015189397A1; US10304219B2; CN106575441B; CN106575441A; US20180033166A1

Abstract

Ein Satz erster Modalitätsdaten wird einem Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren bereitgestellt. Der Satz erster Modalitätsdaten enthält eine Mehrheit von Ansichten. Ein Satz zweiter Modalitätsdaten wird dem Verfahren bereitgestellt. Eine Bewegungsschätzung wird für jede der Mehrheit von Ansichten in dem Satz erster Modalitätsdaten generiert durch Registrieren des Satzes erster Modalitätsdaten mit dem Satz zweiter Modalitätsdaten. Ein bewegungskorrigiertes Modell des Satzes erster Modalitätsdaten wird durch eine Vorwärtsprojektion einschließlich der Bewegungsschätzung generiert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 U.S.C. § 119(e) gegenüber der am 13. Juni 2014 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der laufenden Nummer 62/011,608 und der am 25. Juni 2014 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der laufenden Nummer 62/016,679, die jeweils hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen sind.
ERFINDUNGSGEBIET
Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen allgemein die Verarbeitung von Daten für die medizinische Bildgebung und insbesondere Techniken für die Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrektur in der medizinischen Bildverarbeitung und -generierung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Multimodalitäts-Bildgebungssysteme führen Diagnosescans unter Verwendung von mehreren Modalitäten durch wie etwa beispielsweise MR/MRI (Magnetic Resonance), CT (Computer Tomography – Computertomographie), PET (Positron Emission Tomography – Positronenemissionstomographie) und/oder SPECT (Single Photon Emission Computer Tomography). Mehrere Modalitäten werden kombiniert, um komplementäre und/oder überlappende Datensätze bereitzustellen. Während des Betriebs kann die Bildqualität einer oder mehrerer Bildgebungsmodalitäten wie etwa eine SPECT-Modalität während der Bildgebung durch Bewegung, beispielsweise durch respiratorische Bewegung, beeinflusst werden. Bei Verwendung einer SPECT-Modalität können Bildgebungsartefakte während der Bilderfassung aufgrund einer Bewegung des Patienten generiert werden. Bei Multimodalitätssystemen erfordert die SPECT-Modalität eine Datenerfassungsperiode relativ langer Dauer in der Größenordnung von mehreren Minuten (z.B. etwa 2 bis 30 Minuten pro Bild) für ein typisches, klinisch ausreichendes Bild. Typischerweise wird eine große Anzahl an SPECT-Datenerfassungen (z.B. Einzelbildern) an vielen verschiedenen Zeitpunkten während dieser Periode erfasst. Folglich ist eine Patientenbewegung ein qualitativer und quantitativer begrenzender Faktor beim SPECT-Scannen.
Die übliche gegenwärtige Praxis besteht darin, Daten für einen Patienten erneut zu erfassen, der sich während der Erfassung bewegt. In gegenwärtigen SPECT-Umgebungen stehen Listenmodusdaten nicht zur Verfügung (z.B. Daten, wobei jedes Ereignis oder jede Projektion Parameter für Parameter sequentiell aufgeführt ist). Gegenwärtige Systeme erfassen Projektionen auf eine Step-and-Shoot-Weise und decken nur eine begrenzte Anzahl von Winkeln ab. Ein Projektionsbild wird durch eine Summe aller detektierten Ereignisse (z.B. Projektionen) über eine definierte Verweilzeit generiert und enthält Gammadetektionen, die verschiedene physische und biologische Phänomene einschließlich Patientenbewegung erfahren haben. Die Bewegung wird unter Verwendung einer globalen Korrektur geschätzt, die die über die ganze Erfassungsdauer vorliegende Bewegung mittelt und jede Bewegung vernachlässigt, die sich zwischen den verschiedenen erfassten Ansichten ereignet. Starke Bewegungsartefakte werden aufgrund der Mittelung generiert.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten für die medizinische Bildgebung offenbart. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Satzes erster Modalitätsdaten einschließlich einer Mehrheit von Ansichten. Ein Satz zweiter Modalitätsdaten wird bereitgestellt. Eine Bewegungsschätzung wird für jede der Mehrheit von Ansichten in dem Satz erster Modalitätsdaten generiert durch Registrieren des Satzes erster Modalitätsdaten mit dem Satz zweiter Modalitätsdaten. Ein bewegungskorrigiertes Modell des Satzes erster Modalitätsdaten wird generiert durch Vorwärtsprojizieren des Satzes erster Modalitätsdaten einschließlich der Bewegungsschätzung.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird ein nicht-vorübergehendes, computerlesbares Medium, das computerausführbare Anweisungen speichert, offenbart. Die ausführbaren Anweisungen bewirken, dass ein Computer einen Schritt des Generierens eines Satzes erster Modalitätsdaten einschließlich einer Mehrheit von Ansichten ausführt. Der Satz erster Modalitätsdaten wird durch eine erste Modalität eines Bildgebungssystems generiert. Die ausführbaren Anweisungen bewirken weiterhin, dass der Computer einen Satz zweiter Modalitätsdaten einschließlich der Mehrheit von Ansichten generiert. Der Satz zweiter Modalitätsdaten wird durch eine zweite Modalität des Bildgebungssystems generiert. Die ausführbaren Anweisungen bewirken weiterhin, dass der Computer eine Bewegungsmatrix für jede der Mehrheit von Ansichten in den ersten Modalitätsdaten berechnet durch Registrieren des Satzes erster Modalitätsdaten auf den Satz zweiter Modalitätsdaten und Generieren eines bewegungskorrigierten Modells des Satzes erster Modalitätsdaten auf der Basis der generierten Bewegungsdaten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Patientenbewegungseinschätzung offenbart. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Satzes erster Modalitätsdaten, die eine Mehrheit von Ansichten umfassen, und eines Satzes zweiter Modalitätsdaten, die die Mehrheit von Ansichten umfassen. Die erste Modalität von Daten wird gefiltert, um Datenpunkte außerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu entfernen. Der Satz erster Modalitätsdaten wird mit dem Satz zweiter Modalitätsdaten registriert, um Bewegungsartefakte in dem Satz erster Modalitätsdaten zu reduzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Folgendes ergibt sich aus Elementen der Figuren, die zu Veranschaulichungszwecken vorgelegt werden und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Multimodalitäts-Bildgebungsvorrichtung.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens für die bewegungskorrigierte Vorwärtsprojektion.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Patientenbewegungseinschätzungsverfahrens, das konfiguriert ist zum Generieren einer Bewegungsschätzung in einem Projektionsraum.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Patientenbewegungseinschätzungsverfahrens, das konfiguriert ist zum Generieren einer Bewegungsschätzung in einem Bildraum.
5 zeigt eine Ausführungsform einer starren Verschiebung in dem Projektionsraum.
6 zeigt eine Ausführungsform einer unstarren Verschiebung in dem Projektionsraum.
7 zeigt eine Ausführungsform eines Systems, das konfiguriert ist zum Generieren eines bewegungskorrigierten Intra-Rekonstruktions-Datenmodells.
8A zeigt eine Ausführungsform eines originalen IEC-Phantoms.
8B zeigt eine Ausführungsform eines randomisierten IEC-Phantoms, das eine Bewegung während der Erfassung einer ersten Bildgebungsmodalität simuliert.
8C zeigt eine Ausführungsform eines bewegungskorrigierten IEC-Phantoms, das generiert wird durch Anwenden der hierin offenbarten Bewegungskorrekturalgorithmen auf das randomisierte IEC-Phantom von 8B.
9A zeigt eine originale Rekonstruktion eines Rippengebiets eines Patienten.
9B zeigt eine bewegungskorrigierte Rekonstruktion des Rippengebiets von 9A.
10 ist ein Architekturdiagramm eines Computersystems, das bei einigen Ausführungsformen verwendet werden kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Beschreibung der Ausführungsbeispiele soll in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen werden, die als Teil der ganzen geschriebenen Beschreibung angesehen werden sollen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung behandeln die obigen Herausforderungen, die mit der qualitativen und quantitativen Genauigkeit der medizinischen Bildgebung assoziiert sind, beispielsweise durch Nutzung eines Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens, das eine Abbildung von Informationen mit einer ersten Bildgebungsmodalität auf eine zweite Bildgebungsmodalität verwendet.
1 zeigt ein Beispiel einer Multimodalitäts-Bildgebungsvorrichtung 100. Die Multimodalitäts-Bildgebungsvorrichtung 100 kann für zwei oder mehr Bildgebungsmodalitäten konfiguriert sein, wie etwa beispielsweise kombiniertes PET/MR, PET/CT, SPECT/MR, SPECT/CT und/oder beliebige andere geeignete kombinierte diagnostische Bildgebungsmodalitäten. Die Multimodalitäts-Bildgebungsvorrichtung 100 enthält einen Scanner für mindestens eine erste Bildgebungsmodalität 112, in einem ersten Gantry 116a vorgesehen, und einen Scanner für eine zweite Bildgebungsmodalität 114, in einem zweiten Gantry 116b vorgesehen. Bei verschiedenen Ausführungsformen werden SPECT und CT als Beispiele einer ersten bzw. zweiten Bildgebungsmodalität beschrieben, die in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden können, doch versteht sich, dass SPECT und CT nicht-beschränkende Beispiele sind. Ein Patient 117 liegt auf einem beweglichen Patientenbett 118, das zwischen den Gantries beweglich sein kann. Alternativ können die beiden Bildgebungsmodalitäten 112 und 114 in einem einzelnen Gantry miteinander kombiniert werden.
Scandaten von mindestens der ersten und zweiten Bildgebungsmodalität 112, 114 werden bei einer oder mehreren Computerdatenbanken 140 gespeichert und durch einen oder mehrere Computerprozessoren 150 eines Computers 130 verarbeitet. Scandaten von der ersten und zweiten Bildgebungsmodalität können in der gleichen Datenbank 140 oder in separaten Datenbanken gespeichert werden. Die grafische Darstellung des Computers 130 in 1 wird nur als Veranschaulichung vorgelegt, und der Computer 130 kann eine oder mehrere separate Recheneinrichtungen enthalten. Bei einigen Ausführungsformen ist der Computer 130 konfiguriert zum Generieren eines rekonstruierten Teil- und/oder Ganzkörperbildes aus einem ersten Modalitätsdatensatz und einem zweiten Modalitätsdatensatz. Der erste und zweite Modalitätsdatensatz können durch die erste Bildgebungsmodalität 112 und die zweite Bildgebungsmodalität 114 bereitgestellt werden und/oder können als ein separater Datensatz bereitgestellt werden wie etwa beispielsweise aus einem an den Computer 130 gekoppelten Speicher.
Bei einigen Ausführungsformen sind die erste und zweite Bildgebungsmodalität 112, 114 eine SPECT- bzw. CT-Modalität. Beispielsweise kann ein Patient mit der ersten Bildgebungsmodalität 112 und der zweiten Bildgebungsmodalität 114 gescannt werden, um SPECT-Erfassungs- und physiologische Wellenformdaten bzw. segmentierte CT-Daten zu erhalten. Die Scans können sequentiell durchgeführt werden, wobei ein CT-Scan auf einen SPECT-Scan folgt, und/oder simultan. Bei einer anderen Ausführungsform ist die erste Bildgebungsmodalität 112 CT und die zweite Bildgebungsmodalität 114 SPECT. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Bildgebungsmodalität 114 eine nukleare Bildgebungsmodalität.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Datenerfassungszeit einer der Bildgebungsmodalitäten, wie etwa beispielsweise der ersten Bildgebungsmodalität 112, größer als die Datenerfassungszeit der anderen Bildgebungsmodalität, beispielsweise der zweiten Bildgebungsmodalität 114. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Bildgebungsmodalität 112 eine SPECT-Bildgebungsmodalität und die zweite Bildgebungsmodalität 114 eine CT-Bildgebungsmodalität. Die SPECT-Bildgebungsmodalität ist konfiguriert zum Erfassen einer Mehrheit von Ansichten (oder Winkeln). Jeder Winkel umfasst eine Mehrheit von durch die SPECT-Bildgebungsmodalität über eine vorbestimmte Zeitperiode detektierten Projektionen. Bei einigen Ausführungsformen kann jede Ansicht in den SPECT-Bilddaten über eine Periode von 15 s erfasst werden. Wegen der Länge jeder Erfassung der SPECT-Bildgebungsmodalität begrenzt eine Patientenbewegung die qualitative und quantitative Genauigkeit jeder erhaltenen Ansicht. Die CT-Bildgebungsmodalität ist konfiguriert zum Erfassen einer ähnlichen Mehrheit von Ansichten wie die SPECT-Bildgebungsmodalität. Die CT-Bildgebungsmodalität erhält jede Ansicht über eine kürzere vorbestimmte Zeitperiode wie etwa beispielsweise zwei Sekunden. Die kürzere Zeitperiode der CT-Bildgebungsmodalität vermeidet die Einführung von Bewegungsfehlern und gestattet eine Bewegungskorrektur der SPECT-Bildgebungsmodalität.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein Gattern auf der Basis von erfassten physiologischen Signalen durchgeführt, um Gateorte (hinsichtlich der Zeit) und eine Gatebreite (hinsichtlich der Zeitdauer) für ein oder mehrere Gates zu bestimmen. Jeder in der Technik bekannte Gatingalgorithmus kann zu diesem Zweck verwendet werden. Die Gatebreite (die Zeitdauer eines Gates) hängt von der Bildgebungsmodalität ab. Die Breiten (Zeitdauern) jeweiliger Gates in einem Zyklus können konstant sein oder können zum Beispiel in Abhängigkeit von dem verwendeten Gatingalgorithmus und den Einschränkungen der Bildgebungsmodalität variieren.
Wenngleich hier kombinierte SPECT- und CT-Systeme erörtert werden, ist offensichtlich, dass sich die offenbarten Systeme und Verfahren auf beliebige kombinierte Modalitäten anwenden lassen wie etwa beispielsweise MR/PET, CT/PET, MR/SPECT und/oder CT/SPECT.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrektur auf einen oder mehrere Sätze von durch die Bildgebungsvorrichtung 100 erfassten Bildgebungsdaten angewendet. Das Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren korrigiert eine Inter-Ansichts-Bewegung und ermöglicht Korrekturen auf einer Basis Ansicht für Ansicht. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens 200. Das Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren 200 wird auf jede Ansicht in einem Satz erster Modalitätsdaten wie etwa beispielsweise einen Satz erster Modalitätsdaten, die durch die erste Bildgebungsmodalität 112 der Bildgebungsvorrichtung 100 erhalten wurden, angewendet. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Modalität eine SPECT-Modalität, wenngleich verstanden wird, dass das Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren 200 auf einen beliebigen geeigneten Modalitätsdatensatz angewendet werden kann.
Bei Schritt 202 wird ein dämpfungskorrigiertes Bild für eine aktuelle Ansicht in dem Satz erster Modalitätsdaten generiert. Bei einigen Ausführungsformen wird das dämpfungskorrigierte Bild generiert durch Kombinieren einer oder mehrerer winkelabhängiger (oder ansichtsabhängiger) Dämpfungskarten und eines Datenmodells der aktuellen Ansicht im Projektionsraum. Bei einigen Ausführungsformen wird jede winkelspezifische Dämpfungskarte vorberechnet und an ein System bereitgestellt, das das Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren 200 implementiert. Ein derartiges System kann der Computer 130 der Bildgebungsvorrichtung 100 sein. Bei anderen Ausführungsformen wird jede Dämpfungskarte als Teil des Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens berechnet. Das Datenmodell kann vorgeneriert und/oder während des Verfahrens generiert werden. Das Generieren des Datenmodells kann einen oder mehrere Modellierungsprozesse wie etwa beispielsweise eine Erfassungsinformationskorrektur, Gantry-Auslenkungskorrektur und/oder etwaige andere erforderliche Systemmodellierungsprozesse beinhalten. Die Dämpfungskarten und das Datenmodell können beispielsweise durch eine Tensorfunktion kombiniert werden, um ein dämpfungskorrigiertes Datenmodell zu generieren. Bei einigen Ausführungsformen wird die Dämpfungskorrektur simultan mit anderen Teilen des Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens durchgeführt.
Bei Schritt 204 werden Patientenbewegungsinformationen für die aktuelle Ansicht der ersten Modalitätsdaten berechnet. Die Patientenbewegungsinformationen können beispielsweise durch ein Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug berechnet werden. Das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug ist konfiguriert zum Durchführen einer Bewegungsschätzung in dem Bildraum und/oder dem Projektionsraum. Das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug verwendet einen Satz zweiter Modalitätsdaten (wie etwa beispielsweise CT- und/oder MR-Daten), die in den Projektionsdatenraum des Satzes erster Modalitätsdaten projiziert werden. Die projizierten zweiten Modalitätsdaten werden mit dem Satz erster Modalitätsdaten auf einer Basis Ansicht für Ansicht registriert (z.B. ausgerichtet).
Bei einigen Ausführungsformen wird der Satz zweiter Modalitätsdaten segmentiert, um signifikantes Gewebe von insignifikantem Gewebe zu trennen. Eine starre und/oder eine unstarre Registrierungstechnik können verwendet werden, um den Satz erster Modalitätsdaten auf den Satz zweiter Modalitätsdaten auszurichten. Der Satz zweiter Modalitätsdaten kann durch die zweite Bildgebungsmodalität 114 der Bildgebungsvorrichtung 100 erhalten und/oder kann durch ein abgesetztes System bereitgestellt werden. Die zweite Bildgebungsmodalität 114 kann eine beliebige geeignete Bildgebungsmodalität umfassen, wie etwa eine morphologische Modalität (z.B. CT, MR usw.) und/oder eine nukleare Modalität (z.B. PET). Obwohl hier beispielhafte Patientenbewegungseinschätzungswerkzeuge offenbart werden, versteht sich, dass das Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren 200 alternative und/oder zusätzliche Patientenbewegungseinschätzungswerkzeuge umfassen kann wie etwa das Verwenden von Trackingeinrichtungen, Registrierungstechniken und/oder Datentrackingtechniken.
3 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Patientenbewegungseinschätzungsverfahrens 300, das konfiguriert ist zum Generieren einer Bewegungsschätzung in einem Projektionsraum. Bei Schritt 302 wird ein Satz erster Modalitätsprojektionsdaten durch ein System empfangen, das konfiguriert ist zum Implementieren des Patientenbewegungseinschätzungsverfahrens 300, wie etwa des Computers 130. Bei Schritt 304 wird der Satz erster Modalitätsprojektionsdaten gefiltert. Der Satz erster Modalitätsdaten kann beispielsweise durch einen adaptiven und/oder nicht-adaptiven Filter gefiltert werden, um anormale Datenpunkte wie etwa Projektionsdatenpunkte außerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu entfernen. Bei Schritt 306 wird ein Satz zweiter Modalitätsdaten dem System bereitgestellt. Wie oben angemerkt, kann die zweite Modalität eine morphologische Modalität (z.B. CT/MR) und/oder eine nukleare Modalität (z.B. PET) umfassen. Bei Schritt 308 wird der Satz zweiter Modalitätsdaten segmentiert, um anatomische Zielstrukturen zu isolieren, wie etwa spezifische Organe, Skelettstrukturen und/oder eine beliebige andere anatomische Zielstruktur. Beispielsweise wird bei einer Ausführungsform der Satz erster Modalitätsdaten durch einen SPECT-Scan eines Patienten mit einem Tracerelement wie etwa Tc-99m-DPD, das sich vorwiegend in einer Skelettstruktur ansammelt, das darin injiziert wurde, erhalten. Der Satz zweiter Modalitätsdaten wird segmentiert, um Daten entsprechend der Skelettstruktur, beispielsweise eines Brustkorbs, zu extrahieren. Bei Schritt 310 wird ein Modell des Satzes zweiter Modalitätsdaten generiert. Das zweite Modalitätsdatenmodell kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren wie etwa ein Vorwärtsprojektionsverfahren generiert werden. Die Vorwärtsprojektion des Satzes zweiter Modalitätsdaten kann durch einen beliebigen geeigneten Vorwärtsprojektionsalgorithmus wie etwa einen Pencil-Beam-Vorwärtsprojektionsalgorithmus durchgeführt werden.
Bei Schritt 312 werden Bewegungsinformationen wie etwa ein Bewegungsfeld oder eine Bewegungsmatrix durch Registrieren des ersten Modalitätsdatenmodells mit dem zweiten Modalitätsdatenmodell generiert. Der Satz erster Modalitätsdaten wird auf das zweite Modalitätsdatenmodell registriert (z.B. ausgerichtet), um die Bewegungsartefakte in dem Satz erster Modalitätsdaten, durch etwaige Bewegungen eines Patienten während einer Datenerfassung verursacht, zu korrigieren. Die Registrierungstechnik kann eine starre und/oder unstarre Registrierungstechnik beinhalten. Die Bewegungsinformationen können eine 2D-Verschiebung und/oder eine starre 2D-Transformation für jede Projektion in dem ersten Datensatz enthalten.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Ausrichtung zwischen dem ersten Modalitätsdatenmodell und dem zweiten Modalitätsdatenmodell iterativ verbessert durch Generieren eines aktualisierten ersten Modalitätsdatenmodells. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Patientenbewegungseinschätzungsverfahren 300 einen optionalen Schritt 314 des Empfangens einer durch die n-te Iteration des Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens 200 generierten rekonstruierten Bildschätzung. Bei dem assoziierten optionalen Schritt 316 wird ein n-tes Rekonstruktionsdatenmodell aus der n-ten Iterations-Bildschätzung generiert. Das n-te Rekonstruktionsdatenmodell kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren wie etwa eine Vorwärtsprojektion in den Projektionsraum generiert werden.
Bei Schritt 318 wird ein aktualisiertes erstes Modalitätsdatenmodell aus dem ersten Modalitätsdatenmodell und dem n-ten Iterations-Datenmodell generiert. Beispielsweise wird bei einigen Ausführungsformen das erste Modalitätsdatenmodell mit dem n-ten Iterations-Datenmodell verglichen, um einen Aktualisierungsfaktor für die ersten Modalitätsdaten zu generieren. Der Aktualisierungsfaktor wird in dem Bildraum rückprojiziert und zum Aktualisieren der ersten Modalitätsdaten verwendet. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Rückprojektionsverfahren die Umkehrung des Intra-Rekonstruktions-Vorwärtsprojektionsverfahrens 200. Die aktualisierten ersten Modalitätsdaten werden vorwärtsprojiziert, um ein aktualisiertes Datenmodell zur Verwendung in dem Patientenbewegungseinschätzungsverfahren 300 zu generieren. Bei einigen Ausführungsformen wird das erste Modalitätsdatenmodell nach jeder n-ten Iteration des Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens 200 aktualisiert.
4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Patientenbewegungseinschätzungsverfahrens 400, das konfiguriert ist zum Generieren einer Bewegungsschätzung in einem Bildraum. Bei Schritt 402 wird eine Bildschätzung aus einer Teilmenge tomographischer und bewegungskonsistenter erster Modalitätsdaten rekonstruiert. Bei Schritt 404 wird die Teilmenge erster Modalitätsdaten gefiltert. Ein beliebiger geeigneter Filter wie etwa beispielsweise ein adaptiver und/oder nicht-adaptiver Filter kann zum Filtern des Satzes erster Modalitätsdaten verwendet werden. Dann wird bei Schritt 406 eine gefilterte rekonstruierte tomographische erste Modalitätsbildschätzung generiert. Bei Schritt 408 wird ein Satz zweiter Modalitätsdaten bereitgestellt. Wie oben angemerkt, kann die zweite Modalität eine beliebige geeignete Modalität umfassen, wie etwa beispielsweise eine morphologische Modalität (z.B. CT/MR) und/oder eine nukleare Modalität (z.B. PET). Bei einigen Ausführungsformen kann der Satz zweiter Modalitätsdaten bei Schritt 410 segmentiert werden, um relevante anatomische Strukturen zu isolieren.
Bei Schritt 412 wird ein Bewegungsfeld/eine Bewegungsmatrix generiert durch Vergleichen der ersten Modalitätsbildschätzung und der zweiten Modalitätsbildschätzung. Bei einigen Ausführungsformen wird das Bewegungsfeld/die Bewegungsmatrix durch Registrieren (z.B. Ausrichten) der ersten Modalitätsbildschätzung und der zweiten Modalitätsbildschätzung generiert. Die Registrierungstechnik kann eine starre und/oder unstarre Registrierungstechnik umfassen. Bei einigen Ausführungsformen generiert die Registrierung der ersten Modalitätsbildschätzung und der zweiten Modalitätsbildschätzung eine 2D-Verschiebung und/oder eine starre 3D-Transformation für die ersten Modalitätsansichtsdaten.
Nach dem Berechnen der Bewegungsschätzung gibt das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug Bewegungsmatrizen und/oder Bewegungsfelder an das Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren 200 aus. Wenngleich Patientenbewegungseinschätzungswerkzeuge, die eine Registrierung zwischen einem ersten Modalitätsdatensatz und einem zweiten Modalitätsdatensatz verwenden, offenbart werden, versteht sich, dass das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug eine oder mehrere Bewegungsmatrizen und/oder Bewegungsfelder unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens und/oder von Informationen generieren kann. Beispielsweise ist bei einigen Ausführungsformen das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug konfiguriert zum Generieren einer oder mehrerer Bewegungsschätzungen unter Verwendung von Bereichsbildgebungssensordaten und/oder beliebiger anderer geeigneter Daten.
Wieder unter Bezugnahme auf 2 wird bei Schritt 206 die Bewegungsschätzung verwendet, um ein bewegungskorrigiertes erstes Modalitätsdatenmodell zu generieren. Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Bewegungskorrektur eine Vorwärtsprojektion, die konfiguriert ist zum Generieren einer 3D-Rotation für starre Ablenkungen, eine Projektionslinienablenkung und/oder eine beliebige andere geeignete starre und/oder unstarre Ablenkung.
5 veranschaulicht eine Ausführungsform einer starren Ablenkung. Wie in 5 gezeigt, wird jeder Punkt 502 in den ersten Modalitätsansichtsdaten entlang eines starren Pfads 504 in einen Projektionsraum 506 projiziert. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform einer unstarren Projektion. Wie in 6 gezeigt, kann jeder Punkt 552 in den ersten Modalitätsansichtsdaten entlang eines starren Pfads 554 und/oder eines unstarren Pfads 558 projiziert werden. Bei einigen Ausführungsformen werden die dämpfungskorrigierten Bilddaten von einem Bildraum zu einem Projektionsraum vorwärtsprojiziert. Bei einigen Ausführungsformen ist die Vorwärtsprojektion eine Punktprojektion, wenngleich eine beliebige geeignete Projektion verwendet werden kann.
Bei Schritt 208 wird eine Punktspreizfunktionsfaltung durchgeführt 308, um eine tiefenabhängige Detektorantwort der ersten Modalität zu modellieren. Bei einigen Ausführungsformen wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) des bewegungskorrigierten Modells durchgeführt. Die FFT des bewegungskorrigierten Modells wird mit einer Punktspreizfunktion (PST) in dem FFT-Bereich durch ein Tensorprodukt kombiniert. Die Tensorprodukte jedes Modells für jede Ansicht in dem ersten Datensatz werden summiert und eine inverse schnelle Fouriertransformation (IFFT) generiert ein bewegungskorrigiertes Intra-Rekonstruktions-Datenmodell aus der Summe der Tensorprodukte. Das bewegungskorrigierte Intra-Rekonstruktions-Datenmodell kann zu diagnostischen und/oder anderen medizinischen Zwecken verwendet werden.
Bei Schritt 204 durch das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug berechnete Patientenbewegungsinformationen beinhalten eine adaptierte Systemmatrix. Die adaptierte Systemmatrix (A^T) kann durch folgende Gleichung dargestellt werden: A^T = PTK^PSFM wobei P ein Projektor ist, T ein Bewegungsoperator ist, K^PSF der Punktspreizfunktionsfaltungsoperator ist und M der Dämpfungskorrekturoperator ist. Die adaptierte Systemmatrix wird verwendet zum Generieren 206 des bewegungskorrigierten Modells. Beispielsweise wird bei einigen Ausführungsformen das bewegungskorrigierte Modell gemäß folgender Gleichung generiert 206:
wobei f das Bild ist, a_ij ein Element der adaptierten Systemmatrix A^T ist, g die Ansichtsdaten sind und s eine Streuschätzung ist.
7 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Systems 250, das konfiguriert ist zum Implementieren des bewegungskorrigierten Intra-Rekonstruktionsverfahrens von 2. Das System 250 enthält ein Dämpfungskorrekturmodul 252. Das Dämpfungskorrekturmodul 252 empfängt eine oder mehrere vorberechnete Dämpfungskarten 254 von einer abgesetzten Quelle wie etwa einem an das System 250 gekoppelten Speichermodul. Ein Datenmodell 256 wird aus einem Satz erster Modalitätsdaten konstruiert. Das Dämpfungskorrekturmodul 252 generiert ein dämpfungskorrigiertes Datenmodell durch Nehmen des Tensorprodukts 258 aus der oder den Dämpfungskarten 254 und dem Datenmodell 256. Das dämpfungskorrigierte Datenmodell wird an ein Vorwärtsprojektionsmodul 262 bereitgestellt. Das Vorwärtsprojektionsmodul 262 empfängt auch eine Patientenbewegungsschätzung von einem Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug 260. Das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug 260 ist konfiguriert zum Generieren einer oder mehrerer Bewegungsmatrizen und/oder eines oder mehrerer Bewegungsfelder. Das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug 260 kann die Patientenbewegungsschätzung durch ein beliebiges geeignetes Verfahren generieren wie etwa beispielsweise durch Registrieren des Satzes erster Modalitätsdaten mit einem Satz zweiter Modalitätsdaten. Beispielsweise kann das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug 260 konfiguriert sein zum Implementieren eines oder mehrerer der in Verbindung mit 3 und 4 beschriebenen Verfahren. Das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug 260 liefert die Bewegungsmatrizen und/oder Bewegungsfelder an das Vorwärtsprojektionsmodul 262.
Das Vorwärtsprojektionsmodul 262 ist konfiguriert zum Generieren einer bewegungskorrigierten Vorwärtsprojektion des dämpfungskorrigierten Datenmodells. Das Vorwärtsprojektionsmodul 262 ist konfiguriert zum Anwenden von einem oder mehreren Bewegungskorrekturverfahren wie etwa beispielsweise dem in 2 beschriebenen Bewegungskorrekturverfahren 200. Das Vorwärtsprojektionsmodul 262 generiert ein bewegungskorrigiertes Datenmodell in dem Projektionsraum der ersten Modalitätsdaten. Bei einigen Ausführungsformen liefert das Vorwärtsprojektionsmodul 262 das bewegungskorrigierte Datenmodell an ein Punktspreizfaltungsmodul 264. Das Punktspreizfaltungsmodul 264 wendet eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) 266 auf das bewegungskorrigierte Datenmodell an. Die FFT ist mit einer Punktspreizfaltung (PSF) 268 im FFT-Bereich kombiniert. Die FFT und die PSF werden durch ein Tensorprodukt 270 kombiniert. Das Tensorprodukt für jedes bewegungskorrigierte Datenmodell in einer Ansicht wird summiert 272 und durch eine inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT) 274 zurück in ein Datenmodell umgewandelt. Das bewegungskorrigierte Datenmodell 276 wird durch das Punktspreizfaltungsmodul 264 ausgegeben. Das bewegungskorrigierte Datenmodell 276 kann durch ein beliebiges Display angezeigt, in einem an das System 250 gekoppelten Speichermodul gespeichert und/oder einem Benutzer für diagnostische und/oder andere medizinische Zwecke bereitgestellt werden.
Die 8A–8C veranschaulichen eine Ausführungsform des auf ein Phantom angewendeten Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens 200 von 2. 8A zeigt eine Ausführungsform eines Phantoms 600a mit einer einzelnen Zielkugel 602 darin. Die Daten des Phantoms 600a werden randomisiert, um eine Bewegung eines Patienten während der Datenerfassung zu simulieren. Das randomisierte Phantom 600b ist in 8B gezeigt. Wie aus 8B ersichtlich ist, ist die Zielkugel 602 in dem bewegungssimulierten Phantom 600b unsichtbar. Das bewegungssimulierte Phantom 600b besitzt eine Fehlerrate von etwa 50% im Vergleich zu dem originalen Phantom 600a. Das Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren 200 von 2 wird auf das randomisierte Phantom 600b angewendet. Eine bewegungskorrigierte Rekonstruktion 600c ist in 8C dargestellt. Wie in 8C gezeigt, ist die Zielkugel 602 in dem bewegungskorrigierten Phantom 600c sichtbar. Das bewegungskorrigierte Phantom 600c besitzt eine Fehlerrate von etwa 5% im Vergleich zu dem originalen Phantom 600a.
Die 9A–9B zeigen eine Ausführungsform eines auf einem SPECT-Scan des Brustkorbs eines Patienten angewendetes Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahrens 200. 9A zeigt einen originalen SPECT-Scan 650a eines Brustkorbs. Wie in 9A gezeigt, enthält das Bild mehrere durch eine Patientenbewegung während des Scans erzeugte Artefakte. 9B veranschaulicht den SPECT-Scan 650a von 9A mit einem darauf angewendeten Intra-Rekonstruktions-Bewegungskorrekturverfahren 200. Wie in 9B gezeigt, zeigt der bewegungskorrigierte SPECT-Scan 650b eine Verbesserung der Bildsichtbarkeit in den in dem SPECT-Scan 650b gezeigten Rippen und Rippenläsionen.
10 ist ein Architekturdiagramm eines Computersystems 700, das bei einigen Ausführungsformen verwendet werden kann, z.B. zum Implementieren des in 1 gezeigten Computers 130. Das Computersystem 700 kann einen oder mehrere Prozessoren 702 enthalten. Jeder Prozessor 702 ist mit einer Kommunikationsinfrastruktur 706 verbunden (z.B. einem Kommunikationsbus, einer Kreuzungsschiene oder einem Netzwerk). Das Computersystem 700 kann eine Displayschnittstelle 722 enthalten, die Grafik, Text und andere Daten von der Kommunikationsinfrastruktur 706 (oder von einem nichtgezeigten Einzelbildpuffer) weiterleitet zur Anzeige auf der Displayeinheit 724 an einen Benutzer.
Das Computersystem 700 kann auch einen Hauptspeicher 704 wie etwa einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und einen sekundären Speicher 708 enthalten. Der Hauptspeicher 704 und/oder der sekundäre Speicher 708 umfassen einen nicht-vorübergehenden Speicher. Der sekundäre Speicher 708 kann beispielsweise ein Festplattenlaufwerk (HDD) 710 und/oder ein entfernbares Ablagelaufwerk 712 enthalten, das ein Diskettenlaufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, ein Optikplattenlaufwerk, einen Speicherstick oder dergleichen darstellen kann, wie in der Technik bekannt ist. Das entfernbare Ablagelaufwerk 712 liest von und/oder schreibt zu einer entfernbaren Ablageeinheit 716. Die entfernbare Ablageeinheit 716 kann eine Diskette, ein Magnetband, eine optische Platte oder dergleichen sein. Wie sich versteht, kann die entfernbare Ablageeinheit 716 ein computerlesbares Ablagemedium mit dinglich darin gespeicherten (darauf verkörperten) Daten und/oder Computersoftwareanweisungen enthalten, um zum Beispiel zu bewirken, dass der oder die Prozessoren verschiedene Operationen durchführen.
Bei alternativen Ausführungsformen kann der sekundäre Speicher 708 andere ähnliche Einrichtungen enthalten, um zu gestatten, dass Computerprogramme oder andere Anweisungen in das Computersystem 700 geladen werden. Der sekundäre Speicher 708 kann eine entfernbare Ablageeinheit 718 und eine entsprechende entfernbare Ablageschnittstelle 714 enthalten, die ähnlich dem entfernbaren Ablagelaufwerk 712 sein kann, mit seiner eigenen entfernbaren Ablageeinheit 716. Zu Beispielen für solche entfernbare Ablageeinheiten zählen unter anderem USB- oder Flash-Laufwerke, die gestatten, dass Software und Daten von der entfernbaren Ablageeinheit 716, 718 zum Computersystem 700 übertragen werden.
Das Computersystem 700 kann auch eine Kommunikationsschnittstelle (z.B. Netzwerkschnittstelle) 720 enthalten. Die Kommunikationsschnittstelle 720 gestattet das Übertragen von Software und Daten zwischen dem Computersystem 700 und externen Einrichtungen. Zu Beispielen für die Kommunikationsschnittstelle 720 können ein Modem, eine Ethernet-Karte, eine Funknetzwerkkarte, ein PCMCIA-Slot und eine PCMCIA-Karte (Personal Computer Memory Card International Association) oder dergleichen zählen. Über die Kommunikationsschnittstelle 720 übertragene Software und Daten können in Form von Signalen vorliegen, die elektronisch, elektromagnetisch, optisch oder dergleichen sein können, die durch die Kommunikationsschnittstelle 720 empfangen werden können. Diese Signale können der Kommunikationsschnittstelle 720 über einen Kommunikationspfad (z.B. Kanal) bereitgestellt werden, der unter Verwendung von Draht, Kabel, Faseroptik, einer Telefonleitung, einer Mobilfunkverbindung, einer Hochfrequenzverbindung (HF-Verbindung) und anderen Kommunikationskanälen implementiert werden kann.
Die Vorrichtungen und Prozesse sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Außerdem können Komponenten jeder Vorrichtung und jeder Prozess unabhängig und separat von anderen hierin beschriebenen Komponenten und Prozessen praktiziert werden.
Die vorausgegangene Beschreibung von Ausführungsformen wird vorgelegt, um einem Fachmann die Praktizierung der Offenbarung zu ermöglichen. Die verschiedenen Modifikationen an diesen Ausführungsformen sind dem Fachmann ohne Weiteres offensichtlich, und die hierin definierten generischen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen ohne den Einsatz von Erfindungsreichtum angewendet werden. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf die hierin gezeigten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern soll den weitesten Schutzbereich verliehen bekommen, der mit den hierin offenbarten Prinzipien und neuartigen Merkmalen übereinstimmt.

Claims

Verfahren zum Verarbeiten von Daten für medizinische Bildgebung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Satzes erster Modalitätsdaten einschließlich einer Mehrheit von Ansichten; Bereitstellen eines Satzes zweiter Modalitätsdaten; Generieren einer Bewegungsschätzung für jede der Mehrheit von Ansichten in dem Satz erster Modalitätsdaten durch Registrieren des Satzes erster Modalitätsdaten mit dem Satz zweiter Modalitätsdaten; und Generieren eines bewegungskorrigierten Modells des Satzes erster Modalitätsdaten durch Vorwärtsprojizieren des Satzes erster Modalitätsdaten einschließlich der Bewegungsschätzung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bewegungskorrigierte Modell durch Ablenken jeder Projektion in den ersten Modalitätsdaten auf der Basis der Bewegungsschätzung generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bewegungsschätzung eine adaptierte Systemmatrix umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die adaptierte Systemmatrix durch folgende Gleichung dargestellt wird: A^T = PTK^PSFM wobei P ein Projektor ist, T ein Bewegungsoperator ist, K^PSF der Punktspreizfunktionsfaltungsoperator ist und M der Dämpfungskorrekturoperator ist 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsdaten durch Schätzen von Bewegungsfeldern generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das bewegungskorrigierte Modell gemäß folgender Gleichung generiert wird:
wobei f das bewegungskorrigierte Modell ist, a_ij ein Element der adaptierten Systemmatrix A^T ist, g eine Teilmenge der ersten Modalitätsdaten ist und s eine Streuschätzung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsschätzung durch ein Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug eine Bewegungsschätzung in einem Projektionsraum generiert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug eine Bewegungsschätzung in einem Bildraum generiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Bildgebungsmodalität eine SPECT-Bildgebungsmodalität umfasst und die zweite Bildgebungsmodalität eine CT-Bildgebungsmodalität umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Durchführen einer Punktspreizfunktionsfaltung des bewegungskorrigierten Modells, um eine tiefenabhängige Detektorantwort zu identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bewegungskorrigierte Modell iterativ aktualisiert wird durch Vergleichen der ersten Modalitätsdaten mit einem n-ten iterations-bewegungskorrigierten Modell, um aktualisierte erste Modalitätsdaten zu generieren, wobei das n-te iterations-bewegungskorrigierte Modell ein durch eine n-te Iteration des Verfahrens des Verarbeitens von Daten generiertes bewegungskorrigiertes Modell ist.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium, das computerausführbare Anweisungen speichert, die bewirken, dass ein Computer die folgenden Schritte ausführt: Generieren eines Satzes erster Modalitätsdaten einschließlich einer Mehrheit von Ansichten, wobei der Satz erster Modalitätsdaten durch eine erste Modalität eines Bildgebungssystems generiert wird; Generieren eines Satzes zweiter Modalitätsdaten einschließlich der Mehrheit von Ansichten, wobei der Satz zweiter Modalitätsdaten durch eine zweite Modalität des Bildgebungssystems generiert wird; Berechnen einer Bewegungsmatrix für jede der Mehrheit von Ansichten in den ersten Modalitätsdaten durch Registrieren des Satzes erster Modalitätsdaten auf den Satz zweiter Modalitätsdaten; und Generieren eines bewegungskorrigierten Modells des Satzes erster Modalitätsdaten auf der Basis der generierten Bewegungsdaten.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei das bewegungskorrigierte Modell durch Ablenken jeder Projektion in den ersten Modalitätsdaten auf der Basis der Bewegungsdaten generiert wird.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium nach Anspruch 13, wobei die Bewegungsmatrix eine adaptierte Systemmatrix ist.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium nach Anspruch 14, wobei die adaptierte Systemmatrix durch folgende Gleichung dargestellt wird: A^T = PTK^PSFM wobei P ein Projektor ist, T ein Bewegungsoperator ist, K^PSF der Punktspreizfunktionsfaltungsoperator ist und M der Dämpfungskorrekturoperator ist 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsdaten durch Schätzen von Bewegungsfeldern generiert werden.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium nach Anspruch 14, wobei das bewegungskorrigierte Modell gemäß folgender Gleichung generiert wird:
wobei f das bewegungskorrigierte Modell ist, a_ij ein Element der adaptierten Systemmatrix A^T ist, g eine Teilmenge der ersten Modalitätsdaten ist und s eine Streuschätzung ist.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei die Bewegungsdaten durch ein Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug generiert werden.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium nach Anspruch 17, wobei das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug eine Bewegungsschätzung in einem Projektionsraum umfasst.
Nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium nach Anspruch 17, wobei das Patientenbewegungseinschätzungswerkzeug eine Bewegungsschätzung in einem Bildraum umfasst.
Verfahren zur Patientenbewegungseinschätzung, umfassend: Empfangen eines Satzes erster Modalitätsdaten umfassend eine Mehrheit von Ansichten; Empfangen eines Satzes zweiter Modalitätsdaten umfassend die Mehrheit von Ansichten; Filtern der ersten Modalität von Daten zum Entfernen von Datenpunkten außerhalb eines vorbestimmten Bereichs; und Registrieren des Satzes erster Modalitätsdaten mit dem Satz zweiter Modalitätsdaten, um Bewegungsartefakte in dem Satz erster Modalitätsdaten zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Registrieren durch eine einer starren Registrierungstechnik oder einer unstarren Registrierungstechnik abgeschlossen wird.