TWI781575B - 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，以在複數個角度獲取複數個投影影像，其中主體的目標物進行週期性移動；(b) 獲取目標物在每一投影影像中的投影位置，且以投影位置作為目標區域的中心；(c) 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 (d) 依據移動週期曲線，挑選出處於目標物的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光源) 與偵檢器規律地環繞待測物移動180度 (或更多)，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，以形成待測物的截面斷層影像。進一步地，可由複數個斷層影像形成立體影像。
若待測主體為活體，則待測主體內的器官會因呼吸或心跳而週期性移動。因此，待測物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，其中主體的目標物進行週期性移動；(b) 獲取目標物在每一投影影像中的投影位置，且以投影位置作為目標區域的中心；(c) 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 (d) 依據移動週期曲線，挑選出處於目標物的移動週期中的同一狀態下的投影影像來進行影像重建。
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，可消除由器官之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光源) 與偵檢器規律地環繞待測物移動，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。投影影像之數量為N，其中N為整數，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。此外，在光源與偵檢器環繞待測物而獲取不同角度之投影影像的過程中，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。
若待測物為活體，則待測物之器官可能因心跳而產生週期性移動，使得在不同角度及時間點下所獲取的投影影像有所變動。因此，本案進一步開發心臟門控斷層造影技術。為確定各個投影影像所對應的心跳週期，需先行判斷在各投影影像中受心跳影響之器官或區域的位置。以在心跳過程中進行週期性移動的心臟為例，本案係提供獲取心臟在所有投影影像中之投影位置的兩種方式，分別詳述如下。
於第一種獲取心臟投影位置的方式中，首先，心臟於立體空間中的實際位置及投影位置、光源和偵檢器之間的位置關係如第3圖及等式 (1) 及 (2) 所示。於第3圖中，(x, y, z) 為心臟在立體空間中的實際位置坐標，(t, s) 為心臟在投影影像上的投影位置坐標，θ 為獲取投影影像之角度 (即光源及偵檢器的旋轉角度)，γ為光源的錐角。其中，光源與偵檢器的旋轉軸為心臟所在的第一軸，第二軸垂直於第一軸，錐角γ為光源到心臟之連線與第二軸的夾角。
Figure 02_image001
(1)
Figure 02_image003
(2)
在斷層造影系統中，θ 及 γ為已知參數。因此，若於斷層造影系統中輸入任兩個投影影像上的心臟投影位置，即可推算出其餘所有投影影像上的心臟投影位置。舉例而言，根據所輸入的任兩個投影影像上的心臟投影位置，可通過等式 (1) 計算出心臟的實際位置坐標中的x及y。在得知x及y值的情況下，將各個投影影像所對應的θ代入等式 (1) 中，即可獲得心臟在各個投影影像上的投影位置坐標中的t。此外，將所得之x及y和任一投影影像所對應的s、θ 及 γ代入等式 (2) 中，即可獲得心臟的實際位置坐標中的z。或是假設心臟之高度位置不變，故心臟在各個投影影像上的投影位置坐標中的s均相等。藉此，即獲得心臟在所有投影影像上的投影位置坐標。另外，於各投影影像中，係自動以心臟投影位置為中心而利用實線框標示出一心臟區域，心臟的投影位於所標示的心臟區域中，實線框的尺寸可由使用者憑經驗進行設定或是由系統預設。
以對老鼠進行斷層造影為例，第4圖示出了兩張投影影像，且該兩張投影影像分別在θ為0度及90度被獲取。使用者可通過移動實線框來定義心臟投影位置 (實線框的中心即為心臟投影位置)，而根據該兩張投影影像的心臟投影位置，即可通過等式 (1) 計算出其餘所有投影影像中的心臟投影位置。
於第二種獲取心臟投影位置的方式中，首先，設定一距離範圍。舉例來說，該距離範圍可依據心臟大小而定。接著，輸入或由使用者點選任一投影影像P0 中的心臟投影位置 (t0 , s0 )做為參考點，並將心臟投影位置 (t0 , s0 ) 的像素值I0 設定為參考值。而後，在另一投影影像P1 中，以參考點 (t0 , s0 ) 為中心且在距離範圍內，自動將具有最接近參考值I0 之像素值I1 的位置(t1 , s1 )設定為此投影影像中的心臟投影位置，並將(t1 , s1 )作為再下一張投影影像P2 中的心臟投影位置的參考點，以及將像素值I1 作為再下一張投影影像P2 中的心臟投影位置的參考值。以此類推，即可推估出所有投影影像中的心臟投影位置。較佳的是，投影影像P1 可為接續投影影像P0 之不同角度的投影影像，投影影像P2 可為接續投影影像P1 之不同角度的投影影像。由於心臟投影位置為立體空間中的心臟於旋轉過程中在偵檢器上的投影，故如第5圖所示，所推估的該些心臟投影位置可通過正弦(sin)及餘弦(cos)方程式進行曲線擬合，藉此移除不連續區域，從而實現對心臟投影位置的校正，使其更加準確。另外，於各投影影像中，係自動以心臟投影位置為中心而利用實線框標示出一心臟區域，心臟的投影位於所標示的心臟區域中，實線框的尺寸可由使用者憑經驗進行設定或是由系統預設。
依據前述兩種方式，可獲得所有投影影像中的心臟投影位置，並以心臟投影位置為中心而利用實線框標示出一心臟區域。於其他實施態樣中，亦可通過虛線框或其他足以標示範圍的方式來標示心臟區域。而後，於各投影影像中進一步計算心臟區域內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)。由於心臟區域內的像素值會隨著心臟收縮及舒張而變化，故依據所有投影影像中的心臟區域的參數值，可獲得心臟的移動週期曲線 (即心跳曲線)。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6圖所示，可依據所有投影影像中的該參數值獲得心跳曲線。據此可挑選出位於心跳週期中的同一狀態下的投影影像來進行影像重建，並提升心臟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間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間點的投影影像來進行影像重建。於第6圖中，橫軸代表時間或投影影像之次序，縱軸代表心臟區域內之像素值的參數值。
第7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7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，其中主體的目標物進行週期性移動。
接著，於步驟S2中，獲取目標物在每一投影影像中的投影位置，且以投影位置作為目標區域的中心。
而後，於步驟S3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S4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。
藉此，通過本案之門控方法，可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，且無需將斷層造影系統外接於生理監控儀器。
於一些實施例中，如第8圖所示，基於前述等式 (1) 及 (2)，步驟S2包含如下子步驟。首先，於子步驟S21中，接收目標物在任兩個投影影像上的投影位置。而後，於子步驟S22中，依據目標物在任兩個投影影像上的投影位置和對應的角度(即光源及偵檢器的旋轉角度) 及錐角，計算出目標物在立體空間中的實際位置。最後，於子步驟S23中，依據目標物的實際位置和對應的角度及錐角，計算出目標物於其他投影影像中的投影位置，並以投影位置作為目標區域的中心。
於另一些實施例中，如第9圖所示，步驟S2包含如下子步驟。首先，於子步驟S24中，設定一距離範圍。接著，於子步驟S25中，接收目標物在任一投影影像中的投影位置，將所接收的投影位置作為目標區域的中心並設定為參考點，且將所接收的投影位置的像素值設定為參考值。接著，於子步驟S26中，在未設定目標物的投影位置的另一投影影像中，以參考點為中心且在距離範圍內，將最接近參考值的像素值的位置設定為目標物於此投影影像中的投影位置，並以此投影位置作為目標區域的中心，且將此投影影像中的投影位置及其像素值分別更新為參考點及參考值。而後，於子步驟S27中，判斷是否已於所有投影影像中設定目標物的投影位置，若判斷結果為是，則執行步驟S3，若判斷結果為否，則再次執行子步驟S26。
於第9圖所示之實施例中，在獲得目標物在所有投影影像中的投影位置後，步驟S2還可包含子步驟：通過正弦及餘弦方程式對複數個投影影像中的投影位置進行曲線擬合，以實現對該些投影位置的校正。
本案之門控方法可適用於第2至6圖所示之實施例中，其中主體為活體，目標物為心臟，心臟隨心跳而產生週期性移動。於另一些實施例中，本案之門控方法中的目標物亦可為橫膈膜，其中橫膈膜隨呼吸而產生週期性移動。
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。
x、y、z、t、s 、t0 、s0 、t1 、s1 :坐標參數 θ:角度 γ:錐角 I0 、I1 :像素值 P0 、P1 、P2 :投影影像 S1、S2、S3、S4、S21、S22、S23、S24、S25、S26、S27: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圖例示了心臟之實際位置及投影位置、光源和偵檢器之間的位置關係。
第4圖為投影影像的示意圖。
第5圖為對各投影影像所對應之角度及心臟投影位置進行曲線擬合的示意圖。
第6圖為心跳曲線的波形示意圖。
第7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。
第8圖及第9圖為第7圖所示之門控方法的變化例的流程示意圖。
S1、S2、S3、S4: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進行週期性移動； (b) 獲取該目標物在每一該投影影像中的一投影位置，且以該投影位置作為一目標區域的中心； (c) 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 (d) 依據該移動週期曲線，挑選出處於該目標物的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所在的一第一軸移動，以於該複數個角度分別獲取該複數個投影影像。
  3. 如請求項2所述的門控方法，其中該步驟 (b) 包含子步驟： (b1) 接收該目標物在任兩個該投影影像上的該投影位置； (b2) 依據該目標物在任兩個該投影影像上的該投影位置和對應的該角度及一錐角，計算出該目標物的一實際位置，其中該第一軸垂直於一第二軸，該錐角為該光源及該目標物之連線與該第二軸之間的一夾角；以及 (b3)依據該實際位置和對應的該角度及該錐角，計算出該目標物於其他該投影影像中的該投影位置，並以該投影位置作為該目標區域的中心。
  4. 如請求項3所述的門控方法，其中該實際位置與任一該投影影像所對應的該投影位置、該角度及該錐角之間的關係滿足下列等式：
    Figure 03_image001
    Figure 03_image003
    其中，(x, y, z) 為該實際位置的坐標，(t, s) 為該投影位置的坐標，θ 為該角度，γ為該錐角。
  5. 如請求項1所述的門控方法，其中該步驟 (b) 包含子步驟： (b4) 設定一距離範圍； (b5) 接收該目標物在任一該投影影像中的該投影位置，將所接收的該投影位置作為該目標區域的中心並設定為一參考點，且將該投影位置的像素值設定為一參考值； (b6) 在未設定該目標物的該投影位置的另一該投影影像中，以該參考點為中心且在該距離範圍內，將最接近該參考值的一像素值的一位置設定為該目標物於該另一投影影像中的該投影位置，並以該投影位置作為該目標區域的中心，且將該另一投影影像中的該投影位置及其該像素值分別更新為該參考點及該參考值；以及 (b7) 判斷是否已於所有該複數個投影影像中設定該目標物的各該投影位置，若判斷結果為是，則執行該步驟 (c)，若判斷結果為否，則執行該子步驟 (b6)。
  6. 如請求項5所述的門控方法，其中在設定該複數個投影影像中的所有該投影位置後，該步驟 (b) 還包含子步驟：通過正弦及餘弦方程式對該複數個投影影像中的該投影位置進行曲線擬合，以實現對該投影位置的校正。
  7. 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。
  8. 如請求項1所述的門控方法，其中於該複數個角度中，初始角度與最終角度之間的差大於180度。
  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複數個像素值的最大值、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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