專利名稱：用于在pet-mr中產生衰減圖的方法
用于在PET-MR中產生衰減圖的方法下文涉及成像技術、發(fā)射斷層攝影技術、正電子發(fā)射斷層攝影(PET)技術、單光子發(fā)射計算斷層攝影(SPECT)技術、磁共振技術和相關技術。具體參考PET/MR系統(tǒng)和協(xié)同式PET/MR成像應用對本發(fā)明進行了描述，但本發(fā)明也將適用于PET成像、SPECT成像和其他基于輻射發(fā)射的成像模態(tài)和用于這些的重建技術中。通過使用適當的衰減圖計入被成像受檢者體內的吸收，來改進通過發(fā)射斷層攝影，例如PET或SPECT進行的成像。結合透射計算斷層攝影(CT)執(zhí)行的發(fā)射斷層攝影有利地得益于由CT模態(tài)提供的輻射衰減數據的可用性。重建的CT圖像實質上是被成像受檢者對產生CT圖像數據期間使用的X射線輻射的衰減圖。盡管CT中使用的X射線輻射一般與在PET中測量的51 IkeV輻射或在SPECT或其他發(fā)射斷層攝影技術中測量的發(fā)射是不同的，但已知能夠通過適當縮放CT灰度級水平以計入輻射類型的差異，來從重建的透射CT圖像產生用于發(fā)射斷層攝影的衰減圖。人們對與磁共振(MR)成像協(xié)同組合來執(zhí)行發(fā)射斷層攝影也是感興趣的。在這里，沒有要從其產生衰減圖的透射CT圖像。使用MR圖像作為衰減圖來分析PET或SPECT數據的嘗試已經失敗了。這是因為MR中的對比度機制與PET或SPECT(或就此而論，CT)是根本不同的。因此，不能說“暗的"MR像素一定對應于高的或低的衰減。例如，對于一些MR成像模式而言骨骼組織和空氣具有相似的灰度級亮度，但骨骼對發(fā)射輻射的衰減比空氣的衰減要高得多。在這種環(huán)境中，已經想過使用各種技術產生衰減圖。在一種預期的方式中，采用典型受檢者，例如典型人類受檢者的衰減“圖集”。衰減圖集標識出典型受檢者各部分或區(qū)域的衰減。不過，實際受檢者，例如實際人類受檢者，變動很大，將衰減圖集適配到特定受檢者并不是那么簡單直接的。預期的另一種方法是采用典型衰減圖案的機器學習來構建一種將MR圖像變換成適用于PET中的衰減圖的變換算法。這種方法難以實施，并且機器學習方法的經驗性質可能導致難以預測或估計的錯誤。另一種方法是將衰減圖的產生與發(fā)射數據重建結合起來。例如，參見Hawkins等人的美國專利No. 6, 310, 968和Nuyts等人的以下文獻“Simultaneous MaximumA Posteriori Reconstruction of Attenuation and Activity Distributionsfrom Emission Sinograms”，IEEE Trans, on Medical Imaging, vol. 18, No.5,pp. 393-403 (1999)。有利的是，這些方法不需要使用外部提供的衰減圖。不過，它們也不能利用可從對應MR圖像獲得的信息。有時會在使用這些單模態(tài)技術重建的圖像中發(fā)現人為·噪聲。下文提供了能夠克服上述和其他問題的新的改進的設備和方法。根據公開的一個方面，公開了一種結合受檢者的磁共振(MR)圖像和從受檢者采集的發(fā)射數據進行工作的方法，所述方法包括使用所述MR圖像識別所述受檢者的一個或多個幾何區(qū)域；以及利用由所述幾何區(qū)域界定的衰減圖迭代地重建所述發(fā)射數據以產生所述受檢者的發(fā)射圖像，其中，所述衰減圖具有基于所述迭代重建進行近似得到的對于所述幾何區(qū)域的衰減值。根據公開的另一方面，公開了一種發(fā)射數據重建處理器，其被配置成執(zhí)行上一段所述的方法。根據公開的另一方面，公開了一種設備，包括重建處理器，所述重建處理器被配置成使用受檢者的MR圖像識別所述受檢者的一個或多個幾何區(qū)域，通過向所述受檢者的所述幾何區(qū)域分配初始衰減值產生所述受檢者的衰減圖，并且(i)處理從所述受檢者采集的發(fā)射數據以產生所述受檢者的發(fā)射圖像，所述處理采用所述受檢者的衰減圖；(ii)基于使用所述受檢者的發(fā)射圖像計算的校正來更新所述衰減圖；并且(iii)迭代操作(i)和以迭代地產生所述受檢者的重建的發(fā)射圖像。根據公開的另一方面，公開了一種系統(tǒng)，包括磁共振(MR)掃描器和MR重建處理器，二者配置成協(xié)作地產生受檢者的MR圖像；發(fā)射輻射檢測器，其配置成采集所述受檢者的發(fā)射數據；MR圖像分割處理器，其配置成使用所述MR圖像識別所述受檢者的一個或多個 幾何區(qū)域；以及發(fā)射數據重建處理器，其配置成執(zhí)行所述發(fā)射數據的迭代重建以產生所述受檢者的發(fā)射圖像，所述迭代重建利用隨著所述迭代重建的迭代而迭代地更新的衰減圖，至少一次迭代衰減圖更新受到由所述MR圖像分割處理器識別的所述受檢者的幾何區(qū)域約束。根據公開的另一方面，公開了一種校正發(fā)射圖像的衰減的方法，所述方法包括分割磁共振(MR)圖像以形成幾何區(qū)域；向所述幾何區(qū)域分配衰減值；基于所述幾何區(qū)域的衰減值重建發(fā)射數據；以及基于所述重建發(fā)射數據校正所述幾何區(qū)域的衰減值。一個優(yōu)點在于PET、SPECT或其他發(fā)射數據的更精確圖像重建，獲得很多新穎診斷應用所需的定量圖像信息。另一個優(yōu)點在于將MR數據與PET、SPECT或其他發(fā)射數據協(xié)同耦合以增進后者的
圖像重建。在閱讀并理解以下詳細描述之后，對于本領域普通技術人員而言，更多優(yōu)點將是顯而易見的。圖I圖解示出了混合式MR/PET成像系統(tǒng)，包括PET重建處理器，PET重建處理器利用具有從對應MR圖像導出的幾何結構和從PET發(fā)射數據迭代導出的衰減值的衰減圖。圖2圖解示出了由PET重建處理器執(zhí)行的處理。參考

圖1，混合式掃描器包括磁共振(MR)掃描器10和正電子發(fā)射斷層攝影(PET)檢測器12的集成環(huán)，在圖示實施例中磁共振掃描器為水平膛磁共振掃描器。MR掃描器10和PET檢測器12的集成環(huán)配置成從設置于MR掃描器10內膛中的感興趣區(qū)域14采集圖像數據。(在概略的圖I中，示出了具有集成PET檢測器12的水平膛MR掃描器10，其被切掉了 MR膛的一半和PET檢測器12的環(huán)的對應一半，以顯露出膛的內部和PET檢測器12集成環(huán)的剩余一半)。MR掃描器10包括的部件例如有,用于產生靜態(tài)(Btl)磁場的主磁體,用于疊加磁場梯度的磁場梯度線圈，以及一個或多個用于激勵和檢測磁共振的射頻線圈，為簡單起見在圖I中未示出這樣的部件。PET檢測器12的環(huán)包括電子器件的主干16，用于執(zhí)行選定的“機上”操作，例如任選地執(zhí)行輻射檢測事件導致的電信號的模擬到數字轉換，任選地執(zhí)行輻射檢測事件的數字時間戳操作等。備選地，可以由遠程電子器件(未示出)執(zhí)行這些操作中的一些。
MR掃描器10使用選定的空間編碼采集磁共振(MR)數據，例如k空間樣本，并且在MR成像數據緩沖器20中存儲采集的MR數據。MR重建處理器22使用與所選空間編碼相稱的重建技術處理MR數據。例如，如果空間編碼是在激勵期間采用切片選擇的梯度且在磁共振信號衰落和讀出期間分別采用相位和讀出編碼梯度的常規(guī)笛卡爾編碼，那么MR重建處理器22適當地采用基于傅里葉變換的重建技術。MR重建處理器22的輸出是MR圖像，該MR圖像存儲于在MR圖像存儲器24中并任選地顯示于計算機26或其他顯示裝置上或以其他方式對其進行利用。PET檢測器12和關聯的機上電子器件16和/或遠程電子器件(未示出)檢測輻射檢測事件并執(zhí)行能量和時間開窗操作，以識別表示電子-正電子湮沒事件的基本同時的51 IkeV檢測事件。每一對·基本同時的51 IkeV檢測事件界定連接兩個51 IkeV檢測事件的投射或響應線。這一組數據被稱為PET數據，或更一般地稱為發(fā)射數據，其被存儲在PET成像數據緩沖器30中。在一些實施例中，PET檢測器12具有充分高的時間分辨率以分辨源于相同電子-正電子湮沒事件的兩個511keV伽馬粒子的基本同時檢測之間的飛行時間時間差(或沒有時間差)，機上和/或遠程電子器件還被配置成沿著響應線定位電子-正電子湮沒事件，從而產生飛行時間PET數據。圖示的混合式掃描器10、12、16是范例。更一般地，這里公開的用于執(zhí)行發(fā)射數據重建的技術適當地與任何PET掃描器相結合來實踐，或者更一般地，與產生發(fā)射數據的任何掃描器相結合來實踐，例如圖示的PET檢測器12、獨立的PET檢測器、產生單光子發(fā)射計算斷層攝影(SPECT)數據的伽馬射線攝影機等。進一步地，這里公開的執(zhí)行發(fā)射數據重建的技術適當地與從其采集發(fā)射數據的相同受檢者的任何MR圖像相結合來實踐，這種MR圖像是由圖示的混合式掃描器10、12、16或由獨立的MR掃描器采集的。繼續(xù)參考圖1，PET重建處理器32采用迭代重建技術重建由PET系統(tǒng)12、16(或更一般地，由諸如PET、SPECT等輻射發(fā)射成像系統(tǒng))采集的發(fā)射數據，以形成重建的發(fā)射圖像，重建的發(fā)射圖像被存儲于PET圖像存儲器34中并任選地顯示于計算機26或另一種顯示裝置上或以其他方式被利用。為了執(zhí)行發(fā)射圖像重建，PET重建處理器32采用計入受檢者體內對發(fā)射輻射再吸收導致的發(fā)射損耗的衰減圖。使用由MR圖像提供的幾何信息與從發(fā)射數據集自身導出的衰減值信息的組合產生適當的衰減圖。為此，由MR圖像分割處理器40分割MR圖像以識別受檢者的一個或多個幾何區(qū)域，并在MR分割圖像存儲器42中適當存儲這種幾何信息。分割處理器40能夠采用任何適當的分割過程刻畫受檢者解剖學上的不同區(qū)域(假設人類或動物受檢者具有解剖結構)。一些適當的分割過程包括，例如基于閾值的分割方法；基于索貝爾(Sobel)算子的分割方法；區(qū)域生長分割方法；分水嶺分割方法；基于模型的分割等。任選地，在計算機26上顯示由分割處理器40識別的受檢者的一個或多個幾何區(qū)域供操作人員查看，操作人員可以選擇使用一個或多個計算機26的接口裝置來調節(jié)或以其他方式修改自動識別的受檢者一個或多個幾何區(qū)域。由分割處理器40從MR圖像識別所得的受檢者的一個或多個幾何區(qū)域充當對PET重建處理器32的輸入，并且PET重建處理器32在構建發(fā)射數據重建中使用的衰減圖時使用由所識別的受檢者的一個或多個幾何區(qū)域表示的關于受檢者的幾何信息。
繼續(xù)參考圖1，并進一步參考圖2，描述由PET重建處理器32采用的適當重建過程。由PET重建處理器32執(zhí)行初始衰減圖產生操作50以產生初始衰減圖，用于在迭代發(fā)射數據重建過程的初始迭代中使用。通過向由MR圖像分割識別的受檢者的一個或多個幾何區(qū)域分配初始衰減值52來構建初始衰減圖。能夠通過各種方式獲得初始衰減值52。在一種方式中，受檢者的一個或多個幾何區(qū)域界定受檢者的外部輪廓，一開始，為受檢者輪廓之內的每個體素或像素分配默認衰減值，例如，與水的衰減值對應的衰減值，并向設置于受檢者輪廓之外的體素或像素分配零衰減值(假設周圍環(huán)境是空氣，對于感興趣的大部分發(fā)射輻射而言空氣具有低吸收)。在這樣的實施例中，受檢者的一個或多個幾何區(qū)域可以是界定受檢者輪廓的單一區(qū)域，或者可以是一起共同界定受檢者輪廓的多個幾何區(qū)域。在其他實施例中，初始衰減值52包括基于幾何區(qū)域的幾何結構選擇的對于每個幾何區(qū)域的默認衰減值。例如，基于一些或所有幾何區(qū)域的形狀或位置可以識別那些幾何區(qū)域的組織標識。通過這種方式，例如，可以將不同區(qū)域標記為骨骼區(qū)域、脂肪區(qū)域、肌肉區(qū)域等，并可以基于其組織類型向每個這樣被標記的區(qū)域分配適當的默認衰減值。也可以使用這些方式的組合來選擇初始衰減值52，例如，基于組織類型來標記一 些幾何區(qū)域并基于組織類型標記來分配衰減值，然后向不能基于不可識別區(qū)域的形狀或位置判斷其組織類型的任何區(qū)域分配默認衰減值，例如水的衰減值。通過衰減值分配操作50產生衰減圖54的初始迭代。由PET重建處理器32執(zhí)行的發(fā)射數據重建迭代56使用衰減圖54來產生重建圖像58。迭代地進行由重建處理器32執(zhí)行的發(fā)射數據重建過程。在圖2中，用迭代索引η來標注迭代發(fā)射數據重建過程的當前迭代，并將第η次發(fā)射數據重建迭代56中使用的衰減圖54標注為第η衰減圖54，將由第η次發(fā)射數據重建迭代56輸出的重建圖像58標注為第η重建圖像58?；诘讦侵亟▓D像58，在操作60中計算衰減值校正，并使用這些校正來產生更新的衰減圖，亦即，第(η+1)衰減圖62，其用于執(zhí)行迭代重建過程的第(η+1)次迭代，等等。繼續(xù)進行迭代處理，直到符合停止標準，例如相繼重建圖像之間的相似性度量高于閾值。將重建過程的最后迭代產生的重建圖像輸出到PET圖像存儲器34作為最終的重建PET圖像。盡管未示出，但還預期存儲、顯示或以其他方式利用最后產生的衰減圖?；究梢圆捎眠m于重建發(fā)射數據的任何迭代重建算法用于迭代56，例如最大似然期望最大化(MLEM)算法。衰減值校正60也能夠采用任何適當的校正算法，例如在如下文獻中公開的那些算法之一Nuyts等人的“Simultaneous Maximum A PosterioriReconstruction of Attenuation and Activity Distributions from EmissionSinograms”，IEEE Trans, on Medical Imaging，vol. 18，no. 5，pp. 393-403 (1999)，在此通過引用將其全文并入；或Hawkins等人的美國專利No. 6，310，968，在此也通過引用將其全文并入。用于第η次發(fā)射數據重建迭代56、釆用MLEM的適當方法如下
Σν&/l(；+1) =/1(；} ·bl
(I)其中η表示已經描述的重建迭代序號；j是感興趣區(qū)域中的體素的索引；i是檢測基本同時的511keV輻射的PET檢測器對12的索引(對于SPECT而言，該索引i適當地標注單一檢測器)·’入j表示索引為j的體素中的估計活動；yi表示在索引為i的檢測器對中測量的并發(fā)光子；CU表示系統(tǒng)矩陣項目，該系統(tǒng)矩陣項目表示索引為i的檢測器對對于索引為j的體素的靈敏度；并
權利要求
1.一種結合受檢者的磁共振(MR)圖像和從所述受檢者采集的發(fā)射數據工作的方法，所述方法包括 使用所述MR圖像識別所述受檢者的一個或多個幾何區(qū)域；以及 利用由所述幾何區(qū)域界定的衰減圖迭代地重建所述發(fā)射數據以產生所述受檢者的發(fā)射圖像，所述衰減圖具有基于所述迭代重建進行近似得到的對于所述幾何區(qū)域的衰減值。
2.根據權利要求I所述的方法，還包括 顯示所述發(fā)射圖像。
3.根據權利要求1-2中的任一項所述的方法，還包括 使用正電子發(fā)射斷層攝影(PET)和單光子發(fā)射計算斷層攝影(SPECT)之一從所述受檢者采集所述發(fā)射數據。
4.根據權利要求1-3中的任一項所述的方法，還包括 基于通過所述迭代重建產生的所述發(fā)射圖像的迭代更新迭代地更新對于所述幾何區(qū)域的所述衰減值。
5.根據權利要求4所述的方法，還包括 通過產生對于所述幾何區(qū)域的初始衰減值啟動所述迭代重建，所述初始衰減值是如下之一 (i)對于所有幾何區(qū)域的相同衰減值，以及 ( )基于所述幾何區(qū)域的形狀、位置和尺寸中的至少一種選擇的對于每個幾何區(qū)域的默認衰減值。
6.根據權利要求4-5中的任一項所述的方法，其中，對于所述幾何區(qū)域的所述衰減值的所述迭代更新包括 對于所述迭代重建中的至少一些迭代逐個像素或逐個體素地更新衰減值。
7.根據權利要求4-6中的任一項所述的方法，其中，對于所述幾何區(qū)域的所述衰減值的所述迭代更新包括 對于所述迭代重建中的至少一些迭代逐個區(qū)域地更新衰減值，其中，逐個區(qū)域更新衰減值包括向給定區(qū)域的所有像素或體素分配所述相同衰減值。
8.根據權利要求4-7中的任一項所述的方法，其中，對于所述幾何區(qū)域的所述衰減值的所述迭代更新包括 在所述迭代重建的每次迭代之后，基于從由所述迭代重建的最近迭代產生的經更新的發(fā)射圖像導出的衰減信息，更新對于所述區(qū)域的衰減值。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述衰減值的所述更新包括 正向投射由所述迭代重建的所述最近迭代產生的所述經更新的發(fā)射圖像以產生正向投射數據；以及 基于所述正向投射數據和從所述受檢者采集的所述發(fā)射數據的比較計算衰減值校正。
10.根據權利要求1-9中的任一項所述的方法，其中，所述受檢者為動物或人類受檢者，且使用所述MR圖像識別所述受檢者的幾何區(qū)域包括 分割所述MR圖像以識別多個解剖學上的不同區(qū)域。
11.根據權利要求1-9中的任一項所述的方法，其中，所述受檢者為動物或人類受檢者，且使用所述MR圖像識別所述受檢者的一個或多個幾何區(qū)域包括識別所述MR圖像中包括所述受檢者的外輪廓的單一區(qū)域。
12.根據權利要求1-10中的任一項所述的方法，其中，在所述迭代重建中，由基于所述迭代重建更新的形狀模型表示所述幾何區(qū)域中的至少一個的幾何結構。
13.—種配置成執(zhí)行根據權利要求I和4-12中的任一項所述的方法的發(fā)射數據重建處理器(32，40)。
14.一種設備，包括: 重建處理器(32，40)，其配置成使用受檢者的MR圖像識別所述受檢者的一個或多個幾何區(qū)域，通過向所述受檢者的所述幾何區(qū)域分配初始衰減值(52)產生所述受檢者的衰減圖(54)，并且所述重建處理器配置成 (i)處理(56)從所述受檢者采集的發(fā)射數據以產生所述受檢者的發(fā)射圖像(58)，所述處理采用所述受檢者的所述衰減圖， ( )基于使用所述受檢者的所述發(fā)射圖像計算的校正來更新(60)所述衰減圖，并且 (iii)迭代操作(i)和(ii)以迭代地產生所述受檢者的重建的發(fā)射圖像。
15.根據權利要求14所述的設備，還包括 顯示器(26)，其配置成顯示所述受檢者的所述重建的發(fā)射圖像。
16.根據權利要求14-15中的任一項所述的設備，其中，所述更新操作(ii)(60)包括 (ii)(a)正向投射所述受檢者的所述發(fā)射圖像(58)以產生正向投射數據，以及 (ii)(b)基于所述正向投射數據和從所述受檢者采集的所述發(fā)射數據的比較來計算所述衰減圖(54)的校正。
17.根據權利要求14-16中的任一項所述的設備，還包括 MR掃描器(10)，其配置成產生所述受檢者的所述MR圖像；以及 單光子發(fā)射計算斷層攝影(SPECT)或正電子發(fā)射斷層攝影(PET)檢測器(12)，其配置成采集從所述受檢者采集的所述發(fā)射數據。
18.根據權利要求14-17中的任一項所述的設備，其中，所述重建處理器(32，40)包括MR圖像分割處理器(40)，所述MR圖像分割處理器配置成對所述受檢者的所述MR圖像進行分割以識別所述受檢者的所述一個或多個幾何區(qū)域。
19.根據權利要求14-18中的任一項所述的設備，其中，所述重建處理器(32，40)配置成使用所述受檢者的所述MR圖像識別所述受檢者的多個幾何區(qū)域，并且所述衰減圖更新操作(ii) (60)向所述幾何區(qū)域中的每個分配大致不同的衰減值。
20.根據權利要求14-18中的任一項所述的設備，其中，所述衰減圖更新操作(ii)(60)向所述衰減圖(54)的每個像素或體素分配大致不同的衰減值。
21.根據權利要求14-18中的任一項所述的設備，其中，所述重建處理器(32，40)配置成使用所述受檢者的所述MR圖像識別所述受檢者的多個幾何區(qū)域，并且所述衰減圖更新操作( ) (60) 為最初一次或多次所述迭代(iii)逐個幾何區(qū)域地分配衰減值，以及 為后續(xù)一次或多次所述迭代(iii)逐個像素或逐個體素地分配衰減值。
22.—種系統(tǒng),包括 磁共振(MR)掃描器(10)和MR重建處理器(22)，二者配置成協(xié)作地產生受檢者的MR圖像；發(fā)射輻射檢測器(12)，其配置成采集所述受檢者的發(fā)射數據； MR圖像分割處理器(40)，其配置成使用所述MR圖像識別所述受檢者的一個或多個幾何區(qū)域；以及 發(fā)射數據重建處理器(32)，其配置成執(zhí)行所述發(fā)射數據的迭代重建以產生所述受檢者的發(fā)射圖像，所述迭代重建利用隨著所述迭代重建的迭代而迭代地更新的衰減圖(54)，至少一次迭代衰減圖更新受到由所述MR圖像分割處理器識別的所述受檢者的所述幾何區(qū)域約束。
23.根據權利要求22所述的系統(tǒng)，其中，約束初始迭代衰減圖更新以向由所述MR圖像分割處理器識別的選定幾何區(qū)域的所有像素或體素分配奇異衰減值。
24.一種校正發(fā)射圖像的衰減的方法，所述方法包括 分割磁共振(MR)圖像以形成幾何區(qū)域； 向所述幾何區(qū)域分配衰減值； 基于所述幾何區(qū)域的所述衰減值重建發(fā)射數據；以及 基于所重建的發(fā)射數據校正所述幾何區(qū)域的所述衰減值。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，所述校正包括 正向投射所重建的發(fā)射數據以產生正向投射數據；以及 基于所述正向投射數據和所述發(fā)射數據的比較來校正所述幾何區(qū)域的所述衰減值。
全文摘要
磁共振(MR)圖像分割處理器(32)，其配置成使用受檢者的MR圖像識別所述受檢者的一個或多個幾何區(qū)域。發(fā)射數據重建處理器(40)，其配置成通過向所述受檢者的幾何區(qū)域分配初始衰減值(52)來產生受檢者的衰減圖(54)，并且配置成(i)處理(56)從所述受檢者采集的發(fā)射數據以產生所述受檢者的發(fā)射圖像(58)，所述處理采用所述受檢者的衰減圖；(ii)基于使用所述受檢者的發(fā)射圖像計算的校正來更新(60)所述衰減圖；并且(iii)迭代操作(i)和(ii)以迭代地產生所述受檢者的重建的發(fā)射圖像。
文檔編號G06T7/00GK102934143SQ200980136469
公開日2013年2月13日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權日2008年9月19日
發(fā)明者B·施魏策爾, A·F·薩洛蒙 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司