專利名稱：組織密度保留的運動補償的制作方法
組織密度保留的運動補償下文總體涉及組織密度保留的運動補償，并在本文中結合計算機斷層攝影(CT)對其進行描述。然而，本發(fā)明還適用于其他成像應用。計算機斷層攝影(CT)掃描器一般包括安裝在可旋轉機架上的與包括ー排或多排探測器像素的探測器陣列相対的X射線管。X射線管繞著位于X射線管與探測器陣列之間的檢查區(qū)域旋轉并發(fā)射輻射，所述輻射貫穿檢查區(qū)域和置于所述檢查區(qū)域中的對象或受檢者。探測器陣列探測貫穿檢查區(qū)域的輻射并生成指示所述檢查區(qū)域和置于所述檢查區(qū)域中的對象或受檢者的投影數據。重建器處理所述投影數據并生成指示所述檢查區(qū)域和置于所述檢查區(qū)域中的對象或受檢者的體積圖像數據。所述體積圖像數據能夠被處理以生成包括對象或受檢者的被掃描部分的一幅或多幅圖像。在一些情況下，對象或受檢者的被掃描部分包括運動結構，諸如心臟或肺，或者受運動結構的運動影響的解剖結構。在這種情況下，運動偽影可能被引入到投影數據中，并且從而被引入到根據該投影數據生成的圖像數據和圖像中。運動補償重建技術已經被用于對 運動進行補償。利用ー種方法，基于4D-CT (例如，通過表面的傳播)估計運動場并在反向投影期間將其用于在對應于反向投影之前的投影的時間內調節(jié)將被重建為實際點的對象點的位置。這種方法得到了其中肺的形態(tài)結構被準確地恢復并且信噪比(SNR)被提高的圖像。遺憾的是，這樣的運動補償也組合了來自不同運動狀態(tài)的強度信息。因此，盡管這種方法一般提供具有改善的圖像質量的圖像(例如，運動減少并且SNR提高)，但圖像中對應于不同運動狀態(tài)的在運動補償前的圖像中具有不同組織密度的相似組織(例如，肺組織)現在將在經運動補償圖像中具有相同的平均密度。舉例來說，肺組織一般在吸氣狀態(tài)相對于呼氣狀態(tài)具有較低的密度。對于常規(guī)的運動補償方法，不管呼吸狀態(tài)(吸氣狀態(tài)或呼氣狀態(tài))如何，經運動校正的圖像中的肺組織可能具有相同密度。本發(fā)明的各方面解決了上述問題和其他問題。在ー個方面中，ー種方法包括基于重建算法重建投影數據，該重建算法對運動器官跨不同運動相位(phase)的運動和組織密度變化兩者進行補償，從而生成運動和密度補償的圖像數據。在另一方面中，一種數據補償器包括重建器，該重建器基于重建算法重建經運動補償的圖像數據，該重建算法補償投影數據中運動對象的組織密度變化。在另一方面中，ー種包括指令的計算機可讀存儲介質，所述指令當由計算機執(zhí)行時，令計算機執(zhí)行如下動作基于補充的運動矢量場重建投影數據，該補充的運動矢量場補償運動器官跨不同運動相位的運動和組織密度變化兩者。本發(fā)明可以采取不同的部件或部件布置，以及不同的步驟和步驟安排的形式。附圖
僅用于圖示說明優(yōu)選實施例，而不應解釋為是對本發(fā)明的限制。圖I圖示了與運動校正器結合的范例成像系統(tǒng)；圖2圖示了范例運動校正器；圖3圖示了用于密度保留的運動補償的范例方法。
圖I圖示了成像系統(tǒng)100，諸如計算機斷層攝影(CT)掃描器。成像系統(tǒng)100包括靜止機架102和旋轉機架104。旋轉機架104由靜止機架102能旋轉地支撐。旋轉機架104關于縱軸或z軸繞著檢查區(qū)域106旋轉。輻射源108，諸如X射線管，由旋轉機架104支撐并隨旋轉機架104旋轉，并且發(fā)射貫穿檢查區(qū)域106的輻射。源準直器對所發(fā)射的輻射進行準直以形成一般為扇形或錐形的貫穿檢查區(qū)域106的輻射。輻射敏感探測器陣列110探測貫穿檢查區(qū)域106的輻射并生成指示所探測到的輻射的投影數據。運動狀態(tài)探測器112探測成像采集期間患者的運動組織的運動并生成指示該運動的運動信號。運動組織的范例包括肺組織、心臟組織和/或人或動物患者的其他運動器官的組織。運動狀態(tài)探測器112可以包括方便探測運動的呼吸帶、發(fā)光界標、ECG監(jiān)測器等。重建器114重建投影數據(包括下文所述的經補償的投影數據)并生成指示檢查區(qū)域106的體積圖像數據。重建器114能夠采用各種重建算法，諸如濾波反向投影算法、錐形射束算法、迭代算法等。圖像處理器能夠基于該體積圖像數據生成一幅或多幅圖像。所述 一幅或多幅圖像可以被顯示、顯影、進ー步處理等。支撐物116，諸如臥榻，支撐檢查區(qū)域106中的對象或受檢者。支撐物116能夠協同旋轉機架104的旋轉沿z軸移動，以便實現螺旋、軸向或其他預期的掃描軌線。通用計算系統(tǒng)用作操作人員控制臺118，控制臺118包括諸如顯示器和/或打印機的人可讀輸出裝置和諸如鍵盤和/或鼠標的輸入裝置。控制臺118上駐留的軟件，例如允許操作人員選擇運動補償協議、初始化掃描等，來允許操作人員控制系統(tǒng)100的操作。數據補償器120針對運動對投影數據進行補償，同時保留給定參考運動狀態(tài)的組織密度差異。如下文更詳細地描述，運動補償器120基于運動矢量針對運動進行補償并通過根據組織體積的變化縮放經濾波的投影數據來保留組織密度。其中所述組織是肺組織，這可以包括縮放經濾波的投影數據以將呼吸的吸氣和呼氣狀態(tài)之間的組織密度的差異考慮進來。通常，肺組織在吸氣相位具有較低的密度而在呼氣相位具有較高的密度。數據分析器122分析重建的補償數據并針對不同運動狀態(tài)量化相似組織中的組織密度差異。舉例來說，數據分析器122能夠量化肺組織的通氣，并所得的量化結果能夠用于探測諸如肺氣腫等的狀況。對于肺氣腫，本應在吸氣和呼氣之間有變化的肺組織密度可能一點都沒有變化。因此，跨這些運動相位的組織密度沒有變化可能指示肺氣腫的出現?？赡芡瑯佑绊懡M織密度的其他情況包括纖維化、炎癥等。對于輻射治療規(guī)劃，量化結果能夠用于區(qū)分健康組織和不健康組織，其可能影響遞送至特定組織的劑量，使所關注的病變組織的劑量減少。應當認識到，上文所論述的數據補償器120是計算系統(tǒng)的一部分，所述計算系統(tǒng)包括執(zhí)行在一個或多個計算機可讀存儲介質中編碼的ー個或多個計算機可讀指令的ー個或多個處理器。所述計算系統(tǒng)能夠是系統(tǒng)100的一部分(或與其集成)或者與系統(tǒng)100分離位于系統(tǒng)100的本地(如圖所示)或遠處。圖2圖示了范例數據補償器120。投影數據ー運動信號相關器202接收由成像系統(tǒng)100生成的投影數據和由運動狀態(tài)探測器112生成的運動信號并使所述投影數據與所述運動信號相關聯。這樣，能夠識別對應于特定運動相位的投影數據。
數據選擇器204從投影數據選擇數據用于重建。在本實施例中，數據選擇器204接收指示預期的相位點的信號并針對在該預期的運動相位周圍的多個不同的運動相位選擇投影數據。該信號能夠基于用戶輸入、所選擇的成像協議和/或其他內容。重建器206重建所選擇的投影數據，以針對運動相位點周圍的不同運動相位生成圖像數據。與重建器114類似，重建器206能夠采用各種不同的重建算法，諸如濾波反向投影算法、錐形射束算法、迭代算法等。合適的重建的范例是4D選通重建。所得的圖像數據提供所述運動相位周圍的一系列圖像。對于心臟掃描，圖像與心臟周期相關，對于肺掃描，圖像與呼吸周期相關等?；蛘?，能夠使用重建器114或其他重建器。運動矢量場確定器208基于重建的圖像數據和參考(或重建)運動相位確定運動矢量場。運動矢量場包括參考相位的圖像數據中的體素與其他相位的圖像數據中的體素之間的位移。針對重建的運動相位之外的運動的運動矢量場能夠通過插值或其他技術導出。對于這ー范例,運動矢量由ガパア)表示,其中，對于給定的F，系表示參考運動相位 中的體素位置，提供了體素相對于不同運動相位的位移(包括方向)。合適的單位包括毫米(mm)或其他距離單位。在于2006年11 月 14 日提交的題為“Motion Compensated CT Reconstruction ofHigh Contrast 0bjects” 的公布號為 US 2009/0141935A1 的美國專利申請 No. 12/093458描述了ー種針對心臟應用確定運動場矢量場的范例，在此通過引用將其并入本文。運動矢量場能夠在重建期間使用以將體素移位到在對該體素進行反向投影之前的特定重建運動相位的正確位置。因此，能夠減少運動模糊，以提高信噪比(SNR)并由此銳化圖像數據以及改善圖像質量。然而，2009/0141935A1所描述的方法沒有針對強度進行校正，或者沒有考慮由于組織的變化的體積而導致的運動相位之間的組織密度差異，從而沒有改變移位的體素的密度。這樣，對于如肺組織的組織，吸氣(膨脹)和呼氣(收縮)相位之間密度變化，利用上文的運動矢量場對運動進行補償，得到更銳化的圖像，但損失了組織密度的差異。運動矢量場補充確定器210通過導出關于在對體素進行移位時由于體積的變化在不同運動相位之間引起的組織密度差異的信息，來確定運動矢量場的補充。在一種情況下，體積的變化通過運動場的散度分來考慮，并由標量場(1 +V .が問))表示該補充,該標量場表示受運動矢量場影響的體積的局部縮放。在一種情況下，這ー標量的范圍從剛好大于零到與體積增量成比例的值。項V 兩風)大于負一(-1 )，其中，負值表示組織收縮，零值表示組織體積保持，而正值表示組織膨脹。舉例來說，如果體積收縮50%，等式2的值為0. 5，而如果體積加倍，等式2的值為2. O?；蛘?，運動矢量場的雅可比行列式(Jacobian)能夠用于對運動矢量場進行縮放。重建器206 (或者重建器114或其他重建器)采用濾波反向投影重建算法并基于運動矢量場和補充來重建投影數據。對于重建，體積單元廠げ,)(在參考運動相位中具有體積V0(P0))的尺寸基于等式I進行近似等式I :F(F0) = F0(r0)(l + V-7B(F0))o通過基于運動矢量場和補充來重建整套投影數據，重建對運動進行補償并考慮由于體積的變化導致的運動相位之間的組織密度變化，從而允許保留跨各運動相位的組織密度的任何差異。在沒有上述補充縮放的情況下，跨各運動相位的組織密度基本被平均，并且損失了組織密度的任何變化。在一種情況下，上 文表示經濾波的投影的局部dc值的啟發(fā)式調整，該經濾波的投影的局部dc值對于肺的可收縮部分近似有效，這可以方便肺組織的更逼真的密度測量。脈管和/或其他結構能夠通過在對體積的剩余部分應用校正矢量之前分割脈管和/或其他結構的方法從組織密度校正中排除。圖3圖示了一種用于執(zhí)行運動補償和保留跨各運動相位的組織密度差異的方法。在302，包括諸如肺、心臟等的感興趣運動組織的患者區(qū)域被掃描并生成指示該區(qū)域的投影數據。在304，生成描述感興趣運動組織在掃描期間的運動的運動信號。如上文所論述的，該運動信號與掃描同時探測。在306，投影數據和運動信號被相關聯。在308，重建關于一相位點的針對不同運動狀態(tài)的投影數據的子集，以生成不同運動相位的圖像數據。該圖像數據可以是基于4D選通重建或其他重建的。在310，基于針對各運動相位的圖像數據和所識別的參考運動相位生成運動矢量場。運動矢量場能夠基于模型調整、表面?zhèn)鬟f、配準和/或其他技術生成，并提供與各運動相位之間的體素的位移相關的信息。在312，生成對運動矢量場的補充并且所述補充包括與跨各運動相位的組織密度變化相關的信息，該運動相位間的組織密度差異是由于組織體積的變化引起的，例如，本文中組織體積的變化利用運動矢量場的散度來描述。在314，使用分別針對位移和密度縮放體素的運動矢量場和補充來重建投影數據。如本文所論述的，對于每個重建的體素，移動體素到重建運動相位的位移，并應用對經濾波的投影數據的縮放，以保留密度信息。在316，對經補償的圖像數據中的組織的組織密度進行量化。在318，量化結果被用于確定組織密度是否跨各運動狀態(tài)而變化。在320，基于確定結果對組織進行分類。例如，正常的健康組織具有由于組織的變化的體積導致的跨各運動相位的組織密度的變化，而運動相位間組織密度沒變化可能指示該組織不健康。上文內容可以通過計算機可讀指令實施，所述計算機可讀指令當由(一個或多個)計算機處理器執(zhí)行時，令所述(一個或多個)處理器執(zhí)行所描述的動作。在這種情況下，所述指令被存儲在與相關計算機關聯和/或能夠以其他方式進行訪問的計算機可讀介質中。本文已經參考多個實施例對發(fā)明進行了描述。他人通過閱讀本文的描述，可以做出修改和變型。其意圖是將本發(fā)明解釋為包括所有這些修改和變型，只要這些修改和變型在權利要求或與權利要求相當的范圍內。
權利要求
1.ー種用于處理運動器官的來自成像系統(tǒng)(100)的投影數據的方法，包括 基于重建算法重建所述投影數據，所述重建算法對所述運動器官跨不同運動相位的運動和組織密度變化兩者進行補償，從而生成運動和密度補償的圖像數據。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，所述重建算法是基于經補充的運動矢量場的。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括 獲取運動矢量場，所述運動矢量場提供與一個運動相位中的體素到重建運動相位中的位置的位移相關的信息；以及 通過利用參數補充所述運動矢量場來生成所述經補充的運動矢量場，所述參數指示所述不同運動相位之間的所述器官的體積的變化。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述體積的所述變化與組織密度的變化成比例。
5.根據權利要求3到4中的任一項所述的方法，其中，所述參數是所述運動矢量場的散度。
6.根據權利要求4所述的方法，其中以下至少之一，負散度中指示所述體積的收縮和組織密度的増加，正散度指示所述體積的膨脹和組織密度的降低，或者大約為零的散度指示所述體積和組織密度的保持。
7.根據權利要求3到6中的任一項所述的方法，其中，所述參數是基于所述運動矢量場的雅可比行列式的。
8.根據權利要求3到7中的任一項所述的方法，其中，所述參數基于針對所述不同運動相位的器官體積的變化來縮放經濾波的投影數據。
9.根據權利要求I到8中的任一項所述的方法，其中，所述器官是肺或心臟之一，并且所述運動是心臟運動或呼吸運動中的ー種或多種。
10.根據權利要求I到9中的任一項所述的方法，其中，重建所述投影數據包括使用濾波反向投影重建算法來重建所述投影數據。
11.根據權利要求I到10中的任一項所述的方法，還包括 確定所述運動器官的組織密度是否跨不同運動相位而變化，并生成指示所述變化的信號。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括 如果所述組織密度沒有變化并且所述運動器官包括跨所述不同運動相位密度發(fā)生變化的類型的組織，則將所述運動器官識別為不健康的。
13.根據權利要求11到12中的任一項所述的方法，還包括 如果所述組織密度跨所述不同運動相位而變化，則將所述運動器官識別為健康的。
14.一種數據補償器(120)，包括 重建器(206 )，所述重建器基于重建算法重建運動補償的圖像數據，所述重建算法補償投影數據中運動對象的組織密度變化。
15.根據權利要求14所述的數據補償器(120)，還包括 運動矢量場補充器(210)，所述運動矢量場補充器基于運動矢量場和指示所述運動器官的體積的變化的參數來生成經補充的運動矢量場，其中，所述重建算法是基于所述經補充的運動矢量場的。
16.根據權利要求15所述的數據補償器(120)，其中，體積的所述變化對應于所述運動器官的組織密度的變化。
17.根據權利要求15到16中的任一項所述的數據補償器(120)，其中，所述參數是所述運動矢量場的散度或所述運動矢量場的雅可比行列式之一。
18.根據權利要求17所述的數據補償器(120)，其中，負散度指示所述體積的收縮，正散度指示所述體積的膨脹和組織密度的降低，而大約為零的散度指示所述體積和組織密度的保持。
19.根據權利要求15到17中的任一項 所述的數據補償器(120)，其中，所述參數基于跨不同運動相位的器官體積的變化來縮放所述運動矢量場。
20.根據權利要求15到18中的任一項所述的數據補償器(120)，還包括 數據分析器(122)，所述數據分析器基于所述圖像數據量化不同運動狀態(tài)相似組織中的組織密度并生成指示所述組織密度的第一信號。
21.根據權利要求15到18中的任一項所述的數據補償器(120)，還包括 數據分析器(122)，所述數據分析器基于所述圖像數據量化不同運動狀態(tài)相似組織中的組織密度的差異并生成指示所述差異的第二信號。
22.根據權利要求20到21中的任一項所述的數據補償器(120)，還包括 顯示所述圖像數據、所述第一信號或所述信號中的至少ー個。
23.根據權利要求20到22中的任一項所述的數據補償器(120)，其中，所述量化的信息指示肺組織的通氣。
24.根據權利要求23所述的數據補償器(120)，其中，跨運動相位的組織密度沒出現變化指示疾病的出現。
25.—種包括指令的計算機可讀存儲介質，所述指令當由計算機執(zhí)行時，令所述計算機執(zhí)行如下動作 基于補充的運動矢量場來重建投影數據并由此生成圖像數據，所述補充的運動矢量場對跨不同運動相位的運動器官的運動變化和組織密度變化兩者進行補償。
全文摘要
一種方法包括基于重建算法重建投影數據，該重建算法補償不同運動相位間運動器官的運動和組織密度變化，從而生成運動和密度補償的圖像數據。數據補償器包括重建器，該重建器基于重建算法重建經運動補償的圖像數據，該重建算法對運動對象中組織密度的變化進行補償。
文檔編號G06T11/00GK102656609SQ201080056785
公開日2012年9月5日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日2009年12月15日
發(fā)明者S·卡布斯, T·克勒, T·克林德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司