TW202137936A - 適用於斷層造影系統的門控方法 - Google Patents

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Abstract

本案提供一種適用於斷層造影系統的門控方法，包含步驟：(a) 對主體進行斷層造影以獲取投影影像，其中主體的目標物沿第一軸進行週期性移動；(b) 將每一投影影像投影至第一軸以獲取對應的投影曲線；(c) 在每一投影影像中決定目標區域，其中目標物被投影至目標區域中，且目標區域在第一軸上的中心位置為投影曲線上具有最大變化量的位置；(d) 計算每一投影影像中的目標區域內之所有像素值的參數值，以獲得目標物的移動週期曲線；以及 (e) 依據移動週期曲線，挑選出處於移動週期中的同一狀態下的投影影像來進行影像重建。

Description

適用於斷層造影系統的門控方法
本案係關於一種適用於斷層造影系統的門控方法，尤指一種適用於斷層造影系統的影像分析門控方法。
斷層造影系統包含電腦斷層造影 (computed tomography)、正子斷層造影 (positron emission tomography) 及單光子電腦斷層造影  (single photon emission computed tomography) 等等。在進行電腦斷層造影時，係將光源 (例如 X光) 與偵檢器規律地環繞待測主體移動180度 (亦可大於或小於180度)，並於環繞過程中分別發射X光及接收影像資料，以收取不同角度之投影影像。基於所收取的投影影像，可利用電腦進行影像重建，以形成待測主體的截面斷層影像。進一步地，可由複數個斷層影像形成三維影像。
若待測主體為活體，則待測主體內的器官 (例如肺臟及心臟) 會因呼吸或心跳而週期性移動。因此，待測主體的器官在不同角度的投影影像中並非靜止，使得所形成的斷層影像因器官之移動而產生模糊。
為排除因器官之週期性移動所導致的影像模糊，門控技術便因此被開發。現有的門控技術為同步性門控技術，具體說明如下。
採用同步性門控技術時，斷層造影系統需外接生理監控儀器 (例如心電儀、壓電感測器)。斷層造影系統與生理監控儀器同步運作，從而獲取生理週期中之特定狀態下的投影影像。第1圖例示了一種用於斷層造影的同步性門控技術，如第1圖所示，其僅在虛線框所標示之時間段內獲取投影影像，進而可利用以多種角度獲取且處於相同生理狀態的投影影像進行影像重建。藉此，可獲得處於特定生理狀態下的斷層影像，並減少在斷層影像中因器官移動所產生的模糊。然而，此同步性門控技術之缺點在於斷層造影系統必須外接於生理監控儀器，導致成本大幅增加。此外，使斷層造影系統與生理監控儀器同步運作亦為技術上的挑戰。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術之適用於斷層造影系統的門控方法，實為目前迫切之需求。
本案之目的在於提供一種適用於斷層造影系統的門控方法，其係於進行斷層造影時持續獲取投影影像，並在獲取完所需之投影影像後，根據影像特性對該些投影影像進行處理。具體而言，可在該些投影影像中挑選出處於同一生理狀態下的投影影像。據此，在本案之適用於斷層造影系統的門控方法中，無需將斷層造影系統外接於任何生理監控儀器。
為達上述目的，本案提供一種適用於斷層造影系統的門控方法，包含步驟：(a) 對主體進行斷層造影，以在複數個角度獲取複數個投影影像，其中主體的目標物沿第一軸進行週期性移動；(b) 將每一投影影像中投影至第一軸以獲取對應的複數個投影曲線；(c) 在複數個投影影像中決定目標區域，其中目標物被投影至目標區域中，且目標區域在第一軸上的中心位置為複數個投影曲線上具有最大變化量的位置；(d) 計算每一投影影像中的目標區域內之所有像素值的參數值，以獲得目標物的移動週期曲線；以及 (e) 依據目標物的移動週期曲線，挑選出處於移動週期中的同一狀態下的投影影像進行影像重建。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上系當作說明之用，而非用以限制本案。
本案之適用於斷層造影系統的門控方法係採用回溯性門控斷層造影技術。如第2圖所示，在進行斷層造影時，係於虛線框所標示之時間段中持續獲取投影影像。藉由本案之回溯性門控斷層造影技術，可消除由器官因呼吸或心跳產生週期性移動所造成的影像模糊。
在進行斷層造影時，係將光源 (例如 X光) 與偵檢器規律地環繞待測主體移動，並於環繞過程中分別發射X光及接收影像資料，以收取不同角度之投影影像。若待測主體為活體，則待測主體之器官可能隨呼吸或心跳而產生週期性移動，使得在不同角度下所獲取的投影影像並非靜止。以待測主體為老鼠為例，第3圖例示出了老鼠在不同角度的投影影像。於第3圖中，光源與偵檢器相對於以虛線所標示之旋轉軸進行旋轉，老鼠的橫膈膜位於以實線框所標示之區域內，其中實線框之位置暫為手動預設，需要被進一步校正。可觀察到的是，橫膈膜在各個投影影像中的投影位置因呼吸而沿第一軸s方向移動。
為確定各投影影像所對應的呼吸狀態，需先行判斷在各投影影像中受呼吸影響之器官或區域的位置。舉例而言，以橫膈膜作為在待測主體中進行週期性移動的目標物，獲取橫膈膜在所有投影影像中之投影位置的方式係詳述如下。
首先，將光源與偵檢器相對旋轉軸進行旋轉，以對待測主體進行斷層造影。在進行斷層造影時，持續地在不同角度獲取投影影像。投影影像之數量為N，其中N為正整數，且N之大小由基於該些投影影像所重建之斷層影像的影像品質需求所決定。舉例而言，若N越大，則斷層影像的訊噪比 (signal to noise ratio) 越大，亦即斷層影像的影像品質越佳。第4圖例示了在兩種不同角度獲取的投影影像。如第4圖所示，旋轉軸平行於第一軸s，投影影像中的橫膈膜沿第一軸s上下移動，第二軸t垂直於第一軸s。
根據等式 (1) 可知，在不同角度θ所獲取的N個投影影像Pθts 中，可將每一投影影像中的像素值沿第二軸t之方向加總，從而獲得N個投影曲線Cθts 。在獲取N個投影影像Pθts 的所有角度θ中，起始角度與最終角度之間的差以大於180度為佳，但亦不以此為限。此外，在等式 (1) 中，T為投影影像中在第二軸t之方向上的像素數量。
Figure 02_image001
(1)
以第4圖為例，係於各投影影像旁示出對應的投影曲線，投影曲線為每一投影影像中沿第二軸t方向的像素值總和與第一軸s上之位置的關係曲線。具體而言，投影曲線上的任一點係對應於一像素值總和及第一軸s上的一位置，其中該像素值總和為對應於該位置而沿第二軸t方向上的所有像素之像素值的總和。換言之，每一投影影像係被投影於第一軸s而獲得對應的投影曲線。
接著，可進一步決定橫膈膜的投影所在之橫膈膜區域 (即目標區域)。橫膈膜區域於第一軸s上具有一中心位置，其係對應於所有投影曲線於第一軸s上具有最大變化量的位置。舉例而言，投影影像可被視為像素值矩陣，此像素值矩陣在沿第一軸s之方向上具有複數個列，通過加總每一列中的像素值即可獲得投影曲線，且於所有投影曲線中具有最大變化量之像素值總和的列即為橫膈膜區域的中心位置。於一些實施例中，在N個投影曲線Cθts 中，係依時序計算變化參數或標準差，而於第一軸s上具有最大變化參數或最大標準差之位置即為橫膈膜區域於第一軸s上的中心位置。如第4圖所示，投影影像中的橫膈膜區域被一方框自動進行標示，其中該方框為平行於第二軸t的實線框。具體而言，實線框的尺寸可基於一般的橫膈膜大小進行預設，但亦不以此為限。一旦決定了橫膈膜區域的中心位置，即可通過方框自動標示出橫膈膜區域。
由於待測主體在光源及偵檢器的旋轉過程中均位於造影範圍內，故沿第二軸t之方向加總像素值可避免因旋轉所造成的偏差。再者，可使得在後續步驟中所獲得的呼吸曲線更加精準。
在決定橫膈膜區域後，可進一步計算每個投影影像中之橫膈膜區域(目標區域)內的所有像素值的參數值 (例如最大值、最小值、平均值、中位數值、總和或四分位數)。依據所有投影影像中的參數值，可獲得橫膈膜的移動週期曲線 (即呼吸曲線)。舉例而言，移動週期曲線可為參數值與時間的關係曲線，抑或是為參數值與投影影像之次序的關係曲線。
如第5圖所示，可依據在不同角度所獲取之N個投影影像中的該參數值獲得呼吸曲線。據此可挑選出處於呼吸週期中的同一狀態下的投影影像 (即在呼吸週期中的相同時點所獲取的投影影像) 來進行影像重建，並提升橫膈膜的斷層影像的清晰度。舉例而言，可挑選出空心圈所標示之時點的投影影像來進行影像重建，抑或是挑選出實心圈所標示之時點的投影影像來進行影像重建。於第5圖中，橫軸代表時間或投影影像之次序，縱軸代表橫膈膜區域內之像素值的參數值。
第6圖為本案較佳實施例之適用於斷層造影系統的門控方法的流程示意圖。基於前述說明，本案之適用於斷層造影系統的門控方法可歸結為包含第6圖所示之步驟。
首先，於步驟S1中，對主體進行斷層造影，以分別在不同角度獲取複數個投影影像，且在該複數個投影影像中，主體的目標物沿第一軸進行週期性移動，其中第一軸平行於光源及偵檢器的旋轉軸。
接著，於步驟S2中，將每一投影影像投影至第一軸，以獲取對應的複數個投影曲線。
接著，於步驟S3中，在所有投影影像中決定目標區域，其中目標物被投影至目標區域中，且目標區域在第一軸上的中心位置為所有投影曲線上具有最大變化量的位置。於一些實施例中，在所有投影曲線中，係依時序計算變化參數或標準差，而於第一軸上具有最大變化參數或最大標準差之位置即為目標區域於第一軸上的中心位置。
而後，於步驟S4中，計算每一投影影像中的目標區域內之所有像素值的參數值，以獲得目標物的移動週期曲線。
最後，於步驟S5中，依據目標物的移動週期曲線，挑選出處於移動週期中的同一狀態下的投影影像來進行影像重建。
在第2至5圖所示的實施例中，待測主體為活體，目標物為橫膈膜，其中橫膈膜隨呼吸而週期性移動。通過第6圖所示之步驟，可挑選出處於呼吸週期中的同一狀態下的投影影像來進行影像重建，且無需將斷層造影系統外接於生理監控儀器。
於另一些實施例中，本案之門控方法亦可適用於心臟門控造影，相應地，目標物為心臟，其中心臟隨心跳而產生週期性移動。
綜上所述，本案提供一種適用於斷層造影系統的門控方法，其係於進行斷層造影時持續獲取投影影像，並在獲取完所需之投影影像後，根據影像特性對該些投影影像進行處理。具體而言，可在該些投影影像中挑選出處於同一生理狀態下的投影影像。據此，在本案之適用於斷層造影系統的門控方法中，無需將斷層造影系統外接於任何生理監控儀器。
須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。
s:第一軸 t:第二軸 θ:角度 Pθts :投影影像 Cθts :投影曲線 T:像素數量 S1、S2、S3、S4、S5:步驟
第1圖例示了在現有同步性門控技術中進行斷層造影的時機。
第2圖例示了在本案之門控方法中進行斷層造影的時機。
第3圖例示了在不同角度獲取的投影影像。
第4圖例示了在不同角度獲取的投影影像及其對應的投影曲線。
第5圖例示了通過本案之門控方法所獲取的呼吸曲線。
第6圖為本案較佳實施例之適用於斷層造影系統的門控方法的流程示意圖。
S1、S2、S3、S4、S5:步驟

Claims (10)

  1. 一種適用於斷層造影系統的門控方法，包含步驟： (a) 對一主體進行斷層造影，以在複數個角度獲取複數個投影影像，其中該主體的一目標物沿一第一軸進行週期性移動； (b) 將該複數個投影影像投影至該第一軸以獲取對應的複數個投影曲線； (c) 在該複數個投影影像中決定一目標區域，其中該目標物被投影至該目標區域中，且該目標區域在該第一軸上的一中心位置為該複數個投影曲線上具有最大變化量的位置； (d) 計算該複數個投影影像之每一者中的該目標區域之所有像素值的一參數值，以獲得該目標物的一移動週期曲線；以及 (e) 依據該目標物的該移動週期曲線，挑選出處於移動週期中的同一狀態下的複數個該投影影像來進行影像重建。
  2. 如請求項1所述的門控方法，其中，該複數個投影曲線之任一點為對應之一第二軸上的像素值之總和，且該第二軸垂直於該第一軸。
  3. 如請求項2所述的門控方法，其中該複數個投影曲線之任一者係通過下列等式獲得：
    Figure 03_image001
    ， 其中
    Figure 03_image003
    為該投影曲線，T為該投影影像在該第二軸之方向上的像素數量，
    Figure 03_image005
    為該投影影像。
  4. 如請求項1所述的門控方法，其中在對該主體進行斷層造影時，一光源與一偵檢器規律地環繞該主體移動，以於該複數個角度分別獲取該複數個投影影像。
  5. 如請求項4所述的門控方法，其中該光源及該偵檢器相對於一旋轉軸進行旋轉，該旋轉軸平行於該第一軸。
  6. 如請求項1所述的門控方法，其中該複數個投影影像的數量由基於該複數個投影影像所重建之斷層影像的影像品質需求所決定。
  7. 如請求項1所述的門控方法，其中每一該投影影像被視為一像素值矩陣，該像素值矩陣在沿該第一軸之方向上具有複數個列，每一該列中的像素值被加總，且在該複數個投影影像中，具有最大變化量之像素值總和的該列為該目標區域的該中心位置。
  8. 如請求項1所述的門控方法，其中在該複數個投影曲線中，係依時序計算變化參數或標準差，而於該第一軸上具有最大的該變化參數或該標準差之位置對應於該目標區域於該第一軸上的該中心位置。
  9. 如請求項1所述的門控方法，其中該參數值為該目標區域內之該像素值的最大值、最小值、平均值、中位數值、總和或四分位數。
  10. 如請求項1所述的門控方法，其中該目標物的該移動週期曲線為該參數值與時間的關係曲線或該參數值與該投影影像之次序的關係曲線。
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