用于介入式x射線灌注成像的周期性的造影注射和諧波分析的制作方法
【專利摘要】一種用于在灌注成像系統(tǒng)中調節(jié)作為圖像采樣速率的函數(shù)的用于注射器(135)的周期性造影劑注射速率信號(IS)的裝置(130)和方法，所述圖像采樣速率由X射線成像器(100)的X射線源(107)-探測器(109)組件的旋轉速度確定。調節(jié)造影劑注射速率信號(IS)的頻率、周期性以及脈沖寬度，以減輕在時間衰減造影(TAC)信號的樣本中的時間信號混疊。
【專利說明】用于介入式X射線灌注成像的周期性的造影注射和諧波分 析

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于支持灌注成像的裝置、用于支持灌注成像的方法、用于灌注 成像的醫(yī)學X射線、計算機程序元件以及計算機可讀介質。

【背景技術】
[0002] 灌注成像可以用于得到軟組織中的血液灌注的線索。
[0003] 當前，灌注成像主要用于純粹的診斷目的，其中，成像是通過安裝在封閉臺架中的 快速旋轉的CT系統(tǒng)實現(xiàn)的。斷層攝影重建方法被重復應用到在CT掃描器的成像模塊的一 系列快速旋轉中采集的投影。
[0004] 關于血液灌注的知識在并非純粹診斷的介入環(huán)境中也可以是有用的，例如在針對 神經(jīng)系統(tǒng)的介入的規(guī)劃支持中。
[0005] W0 2009/040742中描述了一種用于對血液灌注進行成像的方法，其中，灌注被在 大面積上全局地映射。
[0006] 然而，空間分辨率基本被保留的用于緩慢旋轉的介入式成像系統(tǒng)（例如C臂型） 的斷層攝影動態(tài)灌注成像方法當前是不可獲得的。


【發(fā)明內容】

[0007] 因此可以需要不同的灌注成像系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明的目的由獨立權利要求的主題解決，其中，其他實施例被并入從屬權利要 求。
[0009] 應當指出，下面描述的本發(fā)明的各方面同樣地應用于支持灌注成像的方法、支持 灌注成像的醫(yī)學X射線成像、計算機程序元件以及計算機可讀介質。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于支持灌注成像的裝置，包括：
[0011] 輸入接口，其用于接收針對在灌注成像會話期間X射線掃描器的X射線源圍繞對 象的振蕩運動的頻率，其中，采集對象的投影圖像的序列，同時造影劑至少部分地灌注在對 象的至少一個區(qū)域，灌注產生針對該對象區(qū)域的X射線衰減信號（TAC)。所接收的X射線源 的振蕩運動的頻率定義針對X射線衰減信號（TAC)的采樣速率。在所采集的投影圖像的序 列中的圖像點的序列表示針對對象區(qū)域的所述X射線衰減信號（TAC)的時間樣本，或者所 述X射線衰減信號（TAC)的時間樣本可以通過將至少部分斷層攝影重建方法應用于投影圖 像的序列中的點來獲得。
[0012] 所述裝置還包括控制單元，其被配置為使用所接收的采樣頻率來生成用于注射器 單元的控制信號，以可變的釋放或注射速率將造影劑遞送到對象。當被應用于注射器單元 時，控制信號導致造影劑注射速率根據(jù)脈沖的周期信號隨時間變化。由控制器計算脈沖信 號的周期性，作為采樣速率或采樣頻率的函數(shù)，以減輕在X射線衰減信號樣本中的時間信 號混疊。
[0013] 換言之，通過控制功率注射器（"泵"）以預定義的重復周期方式代替單次大劑量 注射的方式將造影材料注射進患者的血管系統(tǒng)。重復造影信號具有頻率離散的頻譜，并且 區(qū)別于單次大劑量注射的連續(xù)頻譜。重復注射的規(guī)范（即周期性和脈沖寬度）被調節(jié)為 C-臂系統(tǒng)的速度。選擇注射周期性，以避免或至少基本減輕或消除由C-臂系統(tǒng)的低旋轉速 度引起的信號混疊?；殳B將引起TAC樣本包括混疊頻率，如偽分量，從而致使隨后的灌注參 數(shù)的重建和估計較不準確。換言之，用于支持灌注成像的裝置使用特定的造影注射協(xié)議，所 述特定的造影注射協(xié)議允許在足夠的準確度水平上提取動態(tài)灌注參數(shù)，諸如血流量和平均 通過時間。所述方法考慮了基于C-臂的X射線系統(tǒng)的低旋轉速度，其必須能夠重復向前/ 向后短掃描掃頻。如本文所提出的控制器被配置為導致在C-臂的轉向點處的圖像采集間 隙（即，延遲時間）。
[0014] 所述裝置提供用于多種X射線引導的介入過程的改進的工作流程。所述裝置允許 基本充分時間解析的定量灌注成像而不需要快速旋轉的圖像采集。換言之，能夠獲得測量 血流量的速度（諸如CBF)的動態(tài)灌注參數(shù)，因此對諸如僅捕獲血液濃度的純粹的靜態(tài)灌注 參數(shù)（諸如CBV)沒有限制。
[0015] 根據(jù)一個實施例，控制器被配置為通過調節(jié)脈沖注射速率信號的諧波中的至少一 個的頻率來減輕混疊，使得至少一個諧波的經(jīng)調節(jié)的頻率與X射線衰減信號樣本的頻率頻 譜中的混疊-分量的頻率中的每個相差至少用戶可定義的/預設的裕量。
[0016] 根據(jù)一個實施例，控制器被配置為調節(jié)脈沖寬度與周期之間的比率，以便基本抑 制脈沖注射速率信號的諧波中的可選的一個。根據(jù)一個實施例，該比率為1/3,以便抑制第 三個諧波。
[0017] 根據(jù)一個實施例，控制器被配置為控制注射器在由掃描器開始圖像采集會話之前 的階段中遞送造影劑。這避免記錄在注射后很快出現(xiàn)的瞬態(tài)特征。延遲允許造影劑在圖像 采集開始前沉降。
[0018] 根據(jù)一個實施例，所述裝置還包括信號處理器，其被配置為通過對樣本TAC擬合 基函數(shù)族群中的至少一個基函數(shù)來處理所采集的投影圖像的序列，以從所采樣的TAC中提 取至少一個諧波，所述基函數(shù)在頻率上對應于釋放速率信號的至少一個諧波的頻率。根據(jù) 一個實施例，專用動態(tài)斷層攝影重建方法用于估計在表示感興趣區(qū)域的特定圖像區(qū)域處的 造影TAC的某些特征（例如，注射周期性的諧波）。不要求充分詳細的TAC的重建。動態(tài)斷 層攝影重建方法包含時間模型，所述時間模型包括關于造影劑注射信號的周期性的知識。 動態(tài)斷層攝影重建方法能夠被稱為是專用的，這是因為其使用包括TAC的第一個N(N是用 戶可選擇的）個諧波的（傅立葉）_基函數(shù)的模型。因此，調整如本文所提出的重建方法以 適應TAC的譜特性，這是因為已經(jīng)認識到TAC諧波本質上對應于所選的大劑量注射頻率的 整數(shù)倍（1、2、3、……）。
[0019] 根據(jù)一個實施例，基函數(shù)族群包括線性上升的函數(shù)。這允許導致造影劑的長期積 累，這是因為已經(jīng)觀察到這一效應導致由TAC記錄的造影水平的步進式上升。
[0020] 根據(jù)一個實施例，信號處理器被配置為將至少一個基函數(shù)擬合到針對表示將造影 劑供應給對象的供應路徑的圖像區(qū)域的TAC，然后，信號處理器利用至少兩個預選擇的模型 脈沖響應函數(shù)中的任何一個與供應路徑TAC進行卷積，每個預選擇的模型脈沖響應函數(shù)表 示被成像的對象區(qū)域的材料成分，然后，信號處理器將因此獲得的卷積函數(shù)中的任何一個 與對象區(qū)域的TAC進行比較，然后灌注參數(shù)評估器根據(jù)預定義的標準使用最好地擬合到對 象區(qū)域的TAC的卷積函數(shù)中的一個，用于計算灌注參數(shù)。
[0021] 換言之，灌注分析（為了獲得例如CBF、CBV、MTT)是由專用的方法通過使用組織中 和動脈區(qū)域中的經(jīng)估計的造影特征來完成的。根據(jù)一個實施例，通過將組織響應函數(shù)的看 似合理的模型擬合到經(jīng)估計的造影特征來使用隱式去卷積途徑。
[0022] 總而言之，如本文所提出的，在CT灌注成像中使用具有預定義的周期性的重復造 影注射，而不是單個的大劑量注射。注射周期性被調節(jié)到C-臂系統(tǒng)的旋轉速度，以避免或 至少減輕時間信號混疊?；跁r間模型的動態(tài)斷層攝影重建方法應用于提取響應于周期造 影注射的血管系統(tǒng)的低階諧波。最后，灌注分析是基于考慮所提取的造影諧波的隱式去卷 積途徑。
[0023] 所描述的裝置可以與任何介入式的X射線C-臂系統(tǒng)一起使用，所述系統(tǒng)能夠與可 編程的造影泵連接進行交替地向前/向后短掃描旋轉采集。在介入期間的灌注成像對關于 治療規(guī)劃和結果控制的領域特別感興趣。典型的導管實驗室應用包括但不限于頸動脈支架 置入、急性中風處置、腫瘤可視化和栓塞、外周血管疾病的處置以及SM。
[0024] 簡言之，本文提出了一種周期性的造影注射信號及其諧波的分析，以達到計算介 入式X射線灌注成像中的灌注參數(shù)的目的。
[0025] 定義
[0026] "介入式"X射線成像系統(tǒng)（諸如C-臂掃描器）是指具有相對緩慢旋轉的X射線 源/探測器組件的任何旋轉成像系統(tǒng)。如果在成像采集會話期間，旋轉是緩慢的，醫(yī)療人員 能夠在物理上接近地在被成像對象上安全地進行操作而不會冒由旋轉部件以對人員引起 傷害或損害的方式的意外擊中的風險。
[0027] 如本文所使用的描述非零注射速率的"脈沖"被廣義地解釋。具體地，其寬度與兩 個連續(xù)脈沖之間的周期（"周期性"）相比可以是該周期性的三分之一，或者可以甚至具有 更大的寬度。脈沖不應限于關于周期性的窄的寬度。
[0028] "圖像會話"是由X射線成像器/掃描器執(zhí)行被定義的數(shù)目的掃描掃頻以采集投影 圖像的序列的周期，然后如本文所述共同處理所述投影圖像的序列，以因此獲得所期望的 灌注參數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 現(xiàn)在將參考以下附圖描述本發(fā)明的范例性實施例，其中：
[0030] 圖1示出了包括灌注成像支持裝置的用于灌注成像的X射線掃描器布置；
[0031] 圖2示出了在圖像采集期間的圖1的布置的操作；
[0032] 圖3是示出灌注處理和涉及的各種信號的示意圖；
[0033] 圖4是由灌流圖像支持裝置處理并生成的信號的頻域表示；
[0034] 圖5是用于X射線掃描器和造影劑功率注射器的計時圖；
[0035] 圖6是支持灌注成像的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0036] 參考圖1，示出了灌注成像布置100。
[0037] 其包括C-臂類型的X射線成像器105。X射線成像器105用于采集感興趣器官 111的X射線投影圖像P的序列，以支持介入。
[0038] 在一個實施例中，感興趣器官是患者108的心臟或腦部。
[0039] 患者108被放置在檢查臺上。成像器105包括軸頸被裝在軸承上的剛性C-臂結 構106。軸頸允許C-臂140圍繞通過軸頸的至少一個軸進行旋轉。由此，C-臂結構106能 夠被安置在圍繞感興趣器官111的各種旋轉角α處。
[0040] C臂106在其一端處承載X射線源107,并且在另一端處承載與所述X射線源107 的空間關系相對的探測器109。探測器109包括探測器單元的陣列（未示出）。
[0041] 在成像會話期間，從X射線源107發(fā)射X射線。X射線穿過感興趣器官111，并且 然后在探測器109處被探測。從X射線射束ρ形成X射線。
[0042] 每個X射線射束ρ隨著其穿過感興趣對象111和撞擊感興趣對象111時得到衰減。 正是這一衰減的X射線射束在探測器109中的個體探測器單元中被探測。
[0043] X射線射束撞擊感興趣區(qū)域111的入射角（"投影方向"或"視圖"）由旋轉或成 角角度α定義。在實踐中，c-臂可以提供圍繞多個軸的旋轉，因此之后實際視圖由角度元 組（α、β、...）定義。由每個個體X射線射束ρ經(jīng)歷的衰減程度取決于射線ρ穿過的組織 的類型和量。每個衰減的X射線束Ρ撞擊在探測器單元上，并在探測器單元上生成與衰減 程度成反比的電信號。在用于撞擊X射線射束Ρ的每個探測器單元處生成的電信號然后經(jīng) 由數(shù)據(jù)采集模塊被轉換為編碼與衰減不一致的對應的灰度值的像素值。像素值i、j構成矩 陣，并且然后被存儲為投影圖像的序列Ρ ( a，ti)，每個投影圖像在時間ti處在特定的投射 方向α上獲得。
[0044] 在圖像采集會話期間采集投影圖像的序列Ρ。用于每個單次掃描掃頻(1&的每個個 體投影圖像沿圖2所指示的弧線或動作a 內的不同投影方向被采集。然后，投 影圖像的序列P可以被存儲在數(shù)據(jù)庫DB中。投影圖像P可以以DIC0M格式被存儲。DIC0M 格式包括針對每個投影圖像編碼的元數(shù)據(jù)，所述投影圖像在所述投影方向上與其采集時間 t 一起被采集。
[0045] 在圖像采集之前或在圖像采集期間，造影劑經(jīng)由功率注射器135給予至患者108 的血液，以使造影劑灌注感興趣器官或至少其相關部分。在組織中的造影劑的輻射不透明 度高于單獨組成感興趣區(qū)域111的軟組織的輻射不透明度。在成像會話期間，隨著時間的 推移，在一個注射器135動作循環(huán)中給予的造影劑的量（"大劑量"）累積在感興趣區(qū)域111 中，并且其在其中的濃度隨時間變化，因此組成大劑量造影的模糊不清的足跡的灰度值像 素同樣在投影圖像的序列P之間變化。由于造影劑，在一次掃描中采集的每個投影圖像中， C-臂的掃頻(1士沿不同投影方向α 4/>值彡α彡α 對感興趣區(qū)域111的投影視圖或足 跡進行編碼。攜帶造影劑的血液經(jīng)由通往感興趣區(qū)域111的供應路徑SP (例如動脈）流動， 從而使造影劑分散遍布所述感興趣區(qū)域111。
[0046] 灌注成像系統(tǒng)100的整體操作由工作站120控制，所述工作站120具有用于由醫(yī) 學專業(yè)人員接收指令的控制臺。
[0047] 灌注成像系統(tǒng)100還包括控制單元130,其被布置為控制造影劑注入注射器泵135 的操作。還具有信號處理器140,以處理并跟蹤如在投影圖像的序列P( a，ti)中記錄的造 影劑的"足跡"，以因此從圖像的序列中提取時間譜信息。然后，譜信息被饋送到灌注參數(shù)評 估器150,在灌注參數(shù)評估器中，一些相關的灌注參數(shù)然后被計算并傳送至工作站120。諸 如CBF (腦血流量）、CBV (腦血容量）、MTT (平均通過時間）的灌注參數(shù)描述灌注的臨床相 關的各方面。給予一組灌注參數(shù)，以在屏幕170上以合適的曲線圖進行觀察，使得醫(yī)學專業(yè) 人員可以從中推斷與感興趣器官111的功能有關的醫(yī)學相關線索。注射器控制單元130、信 號處理器140以及灌注參數(shù)評估器150的操作將具體參考圖4和圖5在下文中更詳細地進 行描述。
[0048] 圖1的部件130、140、150被示為單獨的模塊，其被布置在分布式架構中，并且連接 在合適的通信網(wǎng)絡中。所述部件可以被布置為專用的FPGA或硬連接的單機芯片。然而，這 僅僅是范例性實施例。在備選實施例中，部件可以常駐于作為軟件例程運行的工作站120 中。部件可以在合適的科學計算平臺（諸如Matlab?或Simulink? )中被編程并且然后 被轉換為被保留在庫中的C++或C例程，并且當由工作站120調用時被鏈接。
[0049] 現(xiàn)在參考圖2,其示出操作期間的掃描器105的正面立視圖。投影圖像P(a， 由向后振蕩的C-臂106采集，并且用于在成角范圍a @^值內的向前的掃頻。
[0050] 圖5底部處的時間-成角曲線圖示出了在向前掃頻與向后掃頻之間交替的6個圖 像采集掃頻d Sl_6的序列的范例，工作站120在由C-臂106掃過的角弧或角幅度的端點α 處發(fā)出相應的切換信號。針對每個投影圖像p(a，ti)的時間指標h指示在每 個掃頻dSi中的定時，其中C-臂假定視圖a。。在向前掃頻或向后掃頻期間，，C-臂需要花 費ti_t i+1的時間以重復假定任何給定的視圖a ^。這是確定由掃描器105提供的采樣速率 的采樣周期。
[0051] 在開始動態(tài)掃頻dSi的序列之前的準備階段中執(zhí)行靜態(tài)掃頻SS。在單個靜態(tài)掃 頻期間，尚無造影劑存在于感興趣器官111中，但在動態(tài)掃頻d Si的序列期間存在造影劑。 然后在靜態(tài)掃頻中采集的投影圖像可以用于對在動態(tài)掃頻dSi中采集的圖像進行背景校正 (background-correct)〇
[0052] 然后，所采集的投影圖像Ρ(α，tj可以被存儲在工作站120上或數(shù)據(jù)庫DB中。投 影圖像P由數(shù)值像素值的矩陣i，j組成。每個像素值描述由像素元素表示的器官的點處的 造影劑的衰減。
[0053] 圖3是灌注處理及涉及的各種信號的示意圖。如本文所生成的注射速率信號 IS( "大劑量信號"）是周期信號，其"脈沖"Ii中的每個表示單個大劑量，因此在重復大劑 量中供應造影劑的總數(shù)量。注射速率信號IS是描述注射速率如何變化的時間系列。該曲 線下方的面積是針對被注射的造影劑總量的量度。造影劑經(jīng)由相關供應路徑SP(例如，饋 送至器官111的局部血管系統(tǒng)的動脈）被供應給區(qū)域（感興趣器官）。感興趣器官與大劑 量相互作用，從而"扭曲"大劑量信號為局部時間-衰減曲線的族群TACu。因此TAC可以 被稱為形成對于大劑量輸入信號IS的器官特異性響應信號。
[0054] 根據(jù)一個實施例，每個局部TACu的樣本TAC^t]由所采集的投影圖像的序列 PUmU之間的一組對應的圖像元素 i、j(像素的鄰域）提供。如果不同的投影圖像的圖 像元素 i、j在投影圖像的序列PU w 的相應的圖像的采集期間已經(jīng)由基本穿過感興趣 器官的相同的點的筆直X射線射束引起，則不同的投影圖像的圖像元素 i、j "相對應"。換 言之，具有在圖像的序列之間的相同行和列的圖像元素形成表示感興趣器官的一部分的圖 像元素 i、j的TACu樣本。然后，信號處理器140被配置為通過重建來自"投影空間"的TAC 樣本被轉換為3D空間中的TAC樣本。
[0055] 如以下與信號處理器140的操作有關的更詳細的說明，"投影空間"中的這一 TAC 樣本然后被轉換或變換為3D空間中的樣本TACu[t]。3D樣本TAC是從體素的集合中獲得 的，當動態(tài)斷層攝影方法應用于投影圖像PUcti)時，所述體素的集合產生中間結果。3D 樣本TAC是以體素序列的形式，通過首先至少部分地將動態(tài)斷層攝影方法應用于投影圖像 Ρ(%，來獲得。
[0056] 與快速旋轉的標準CT系統(tǒng)相比，介入式X射線成像系統(tǒng)被安裝在開放的C-臂設 備上，所述C-臂設備在速度和運動范圍方面具有有限的旋轉能力。由于掃描器105的機械 布置為介入式系統(tǒng)，在投影圖像采集會話期間，限制C-臂106動作，以減慢所謂的"短掃描" 運動，其幅度或動作范圍a 略大于半圈旋轉。
[0057] 對于超過延長的時間跨度的這一角度范圍的重復覆蓋范圍，C-臂106需要在每次 掃描掃頻的結束時圍繞其旋轉方向轉向，并且執(zhí)行切換的向前/向后掃頻模式。此外，C-臂 106的旋轉速度通常是低的，例如對于單個短掃描掃頻為5. 5秒。當在向前掃頻dSi與向后 掃頻dsi+1之間轉向方向時，要求（通常）2. 5秒的額外的延遲405,即，在每次掃頻之后C-臂 不得不花費相當長的停頓。
[0058] 因此，16s，所以對于C-臂106通?；ㄙM8秒與16秒之間以重復地 達到觀察位置％的某個角度。就時間采樣的方面來說，這樣的低采樣速率（0.0625Hz 至0. 125Hz)不足以捕獲TAC的快速動態(tài)，其將導致只有單個（并且不是如本文所述 的重復的）大劑量造影注射被使用。在單個大劑量注射之后的動脈中的典型TAC的 連續(xù)頻率頻譜能夠包含多達〇. 1Hz的顯著信號分量。參見例如P. Montes的"Dynamic Cone-beam Reconstruction for Perfusion Computed Tomography，'，PhD thesis, Univ. Heidelberg(2006年）。在這種情況下，由于時間信號混疊，如上所述的當前C-臂的限制不 可能給出TAC的精確恢復。
[0059] 對于這樣的典型的動脈TAC，傳統(tǒng)的尼奎斯特米樣定理將規(guī)定用于精確的TAC重 建的系統(tǒng)的〇. 2Hz的最小采樣速率，其對應于C-臂系統(tǒng)的2. 5秒最大掃頻時間（包括延 遲）的要求。這樣的快速旋轉的C-臂系統(tǒng)目前在介入環(huán)境中是不可行的。
[0060] 總體橾作
[0061] 在第一步驟中，血液灌注成像通過隨著時間（例如40秒）跟蹤X射線不透明造 影劑的空間分布來實施，所述X射線不透明造影劑通過（如由控制器130所控制的）注射 器135以在成像會話的過程期間注射的重復大劑量給予到患者的血管系統(tǒng)中。如之前與圖 3有關所指示的，在一個實施例中，大劑量跟蹤由實施動態(tài)斷層攝影重建方法的信號處理器 140實現(xiàn)。其中間結果是造影時間衰減曲線TAC-或所述TAC的一些特征，例如其諧波-針 對所生成的體積圖像中的每個體素。
[0062] 在第二步驟中，軟組織中的TAC借助對動脈輸入TAC的去卷積被歸一化，以獲得組 織脈沖響應函數(shù)。去卷積步驟要求對感興趣區(qū)域中的造影TAC的準確估計。在最后的步驟 中，一組灌注參數(shù)（例如，腦血流量（CBF)、腦血容量（CBV)、平均通過時間（MTT))根據(jù)線性 系統(tǒng)理論由組織脈沖響應函數(shù)的分析來計算。將在下面提供這三個步驟中的每個的細節(jié)。
[0063] 灃射器控制器130的橾作
[0064] 從廣義上講，裝置130操作以調節(jié)大劑量注射信號來因此減輕TAC信號樣本中的 時間混疊效應。
[0065] 根據(jù)C-臂系統(tǒng)的旋轉速度選擇重復造影注射的周期性。旋轉速度確定斷層掃描 攝影系統(tǒng)的采樣速率。例如，對于執(zhí)行在掃頻之間的每次5. 5秒持續(xù)時間和2. 5秒延遲的切 換的向前/向后短掃描掃頻dSi的0臂，最多花費16s( = 2*8s)以達到某個角度位置。這 對應于0. 0625Hz的采樣速率。造影注射周期性由控制器130選擇，以避免或至少減輕由采 樣引起的混疊。用于矩形大劑量注射信號的所選周期性（例如20. 5秒）對應于具有在f0 =0Hz、fl = 0. 0488Hz、f2 = 0. 0976Hz、f3 = 0. 1463Hz等處的諧波的離散信號頻譜。范例 性矩形大劑量注射速率信號IS被示出在圖5的上部。在兩個連續(xù)的大劑量脈沖Ip Ii+1的 上升沿之間測量周期性。在任意空閑階段屆滿之后給予第一次大劑量發(fā)射或脈沖Ii，同時 C-臂駐留在轉向點〇4±{|中的任何一個中。然后，在沉降階段屆滿之后開始第一 次掃頻dSl，以避免記錄瞬態(tài)造影劑特征。在范例中，沉降期為進入大劑量注射階段15秒， 艮P，第一次掃頻d Sl在第一次大劑量脈沖L的上升沿之后開始。
[0066] 如圖4的混疊曲線圖中所示，使0次、1次以及（部分地）2次諧波之間的混疊的風 險最小化，即，在指示諧波的相關頻率f〇、Π 、f2的實線與指示混疊分量的頻率的叉形記號 之間沒有重疊，對于確定量的譜泄漏是安全的。大劑量信號的離散頻譜在圖4中由圓圈指 示?；殳B分量由于采樣處理而出現(xiàn)，并且通過將大劑量信號頻譜IS位移采樣C-臂頻率的 整數(shù)倍來獲得。由于血管系統(tǒng)通常被表征為低通系統(tǒng)，因此實際上不會出現(xiàn)較高的頻率分 量（例如，超出〇. 2Hz)。在圖4中的頻率軸上的方塊指示旋轉C-臂系統(tǒng)的采樣速率。 [0067] 控制器130經(jīng)由合適的接口器件接收C-臂采樣速率，掃描器100以所述C-臂采 樣速率采集投影圖像P。采樣速率由X射線源傳遞或重新訪問在角度動作范圍a i 內的任何給定的投影角度α〇所花費的時間段來定義。在指定脈沖L的形狀之后，并且 基于所接收的C-臂采樣速率，用傅立葉分析的控制器130計算大劑量注射頻率的第一個η 個諧波。使用用于大劑量注射信號的初始的、試驗性的頻率和所接收的C-臂采樣頻率，通 過構建如圖4所示的頻率域來進行計算。使用特定的脈沖形狀，所述初始大劑量注射信號 的第一個η個諧波然后被計算（參見圖4的曲線圖中的垂直實線上的圓圈）并與混疊分量 的頻率的頻率軸上的投影進行比較?；殳B分量在圖1中被指示為叉形記號的網(wǎng)格（負的頻 率分量現(xiàn)在被示出并且由于對稱性不需要被考慮在計算中）。
[0068] 然后，由控制器130將初始頻率增加適當選擇的增量，頻率域表示被重新計算，并 且諧波頻率被再次與混疊分量頻率進行比較。在計算回路中重復進行這一處理，直到第一 個η個諧波中的每個的頻率被注意到偏離混疊分量頻率中的每個至少預設置的裕量Λ Λ。偏離混疊分量頻率所期望的裕量的由此確定的〇次諧波然后被輸出作為經(jīng)調節(jié)的大劑 量注射頻率，并且然后通過合適的接口器件被轉發(fā)到注射器單元。根據(jù)一個實施例，在圖像 采集期間執(zhí)行上述增量優(yōu)化。在優(yōu)選實施例中，在用于具有固定旋轉速度的具體C-臂的預 先校準中進行優(yōu)化，并且由此獲得的大劑量注射頻率然后被同樣地固定并存儲，并且然后 在利用由此校準的C-臂掃描器的灌注成像期間重復用于控制功率注射器。
[0069] 圖4中的虛線示出如在常規(guī)系統(tǒng)中所使用的單個大劑量注射的連續(xù)頻譜，這與形 成具有離散頻率的現(xiàn)有系統(tǒng)的大劑量注射信號的重復脈沖串形成對照。垂直實線示出在圖 5上部示出的大劑量注射信號的脈沖串的諧波，加粗的垂直線區(qū)分被定位在相距如圖4中 的叉形標記所示的混疊分量頻率至少Λ 4/Mt的相關諧波的位置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用針對N個 譜分量的N+1次掃頻產生令人滿意的結果。掃描掃頻的數(shù)目越大（優(yōu)選多于兩次），能夠獲 得的空間分辨率越大。
[0070] 在通過上述優(yōu)化得到要被構建的注射信號IS的周期性/頻率之后，之后指定振幅 和脈沖寬度。大劑量注射信號然后被完全指定，并且用于頻率/周期性、脈沖寬度、脈沖形 狀以及振幅的合適的控制參數(shù)然后能夠用于驅動注射器單元135。注射器單元然后能夠根 據(jù)如此指定的大劑量注射信號變化注射速率。一旦由控制器向注射器單元130發(fā)出觸發(fā)信 號，則注射開始。具有大劑量脈沖Ii的范例性的大劑量注射速率信號IS被示出在圖5的 上部。
[0071] 根據(jù)一個實施例，用于注射信號IS的脈沖L的寬度能夠由注射泵140的經(jīng)編程的 調制來選擇，以抑制不期望的諧波。例如，每個大劑量脈沖Ii的寬度可以被設置為大約注射 周期性的1/3,因此大劑量脈沖具有6. 5s的寬度，其是注射周期性20. 5s的大致三分之一。 在這種情況下，如在圖4的混疊曲線圖中能夠看到的，造影信號IS的三次諧波（及其倍數(shù)） 被抑制。針對這樣的脈沖/周期性比率的選擇和布置進一步降低由緩慢旋轉的C-臂引起 的?目號混置的風險。
[0072] 在優(yōu)選實施例中，如本文所附的圖4、圖5中以理想化方式所指示的，脈沖的形狀 大致是矩形。以這一方式，實現(xiàn)周期性的正方形或矩形波信號。然而，也預期其他信號形狀， 諸如三角波形式。使用（基本上）三角形狀提供甚至對較高等級的譜分量（諧波）的更好 的抑制或減弱。然而，在這種情況下，功率注射器必須能夠產生三角形注射速率輪廓。
[0073] 在一個實施例中，在調用切換的C-臂采集之前，應當啟動重復的造影注射。在該 啟動期期間，應當專心于造影注射的短期瞬態(tài)階段；并且采集瞬態(tài)信號分量的風險被降低。
[0074] 用于灌灃特征提取的信號處理器140的橾作
[0075] 使用上述計算的用于控制注射器的大劑量注射信號，投影圖像Ρ(α，的系列Ρ 由成像器100采集，并且然后作為TAC的樣本在表示感興趣區(qū)域的相關圖像部分中被傳遞。
[0076] 根據(jù)一個實施例，信號處理器100被配置為僅提取一組TCA的特征，而不是重建針 對感興趣區(qū)域的全部TAC。
[0077] 根據(jù)一個實施例，僅是第一個η(通常n〈4,諸如η = 3)低階信號諧波被從造影TAC 的樣本中提取。
[0078] 根據(jù)一個實施例，基于模型的動態(tài)斷層攝影重建方法用于諸如在Ch. Neukirchen， M. Giordano, S.Wiesner 的"An iterative method for eomographic χ-ray perfusion estimation in a decomposition model-based approach，'（Med. Phys. 37,6125,2010 年）中描述的迭代動態(tài)重建方法，或在Ch. Neukirchen的"An Extended Temporal Interpolation Approach for Dynamic Object Reconstruction" （Proc.Fully 3D reconstruction meeting,第379-382頁，2011年）中描述的分析動態(tài)重建方法。
[0079] 當使用動態(tài)斷層攝影重建方法時，TAC樣本從在重建期間顯現(xiàn)的體素的序列獲得。 當評估在動態(tài)斷層攝影重建方法的執(zhí)行期間的線積分時，來自投影圖像PUm 的序列 的體素"崩塌"為有關的體素。如果不要求3D切片的完全重建，一旦得到所有形成TAC[t] 樣本所要求的體素就能夠中止方法，因此節(jié)省CPU時間。使用基于這一基于斷層攝影體素 的途徑帶來準確度增加的益處，因此樣本更好地表示隱含的連續(xù)TAC。
[0080] 在一個實施例中，信號處理器150(基本上為諧波分析儀）被配置為用作包括反映 大劑量注射信號的一些已知特性的一組時間基函數(shù)的時間模型，以實現(xiàn)對TAC[t]樣本的 擬合。在一個實施例中，提取TAC的0次、1次以及2次諧波，該組時間基函數(shù)然后包括大劑 量注射信號IS的對應的三角傅里葉函數(shù)，S卩，針對如圖4的范例所示的0次、1次以及2次 諧波的常數(shù)函數(shù)、在Π = 〇. 0488Hz處的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)、在f2 = 0. 0976Hz處的正弦 函數(shù)和余弦函數(shù)。
[0081] 根據(jù)一個實施例，線性上升的時間函數(shù)被包括在該組基函數(shù)中。線性函數(shù)近似并 引起如在注射期間由器官經(jīng)歷的血管系統(tǒng)中的長期造影劑積累的效應。通常該效應作為造 影水平的步進式增加在TAC中變得顯而易見。這樣的一組6個時間基函數(shù)的最終選擇具有 時間不變的時移獨立的便利屬性。用于關于注射啟動的切換的C-臂采集的精確啟動時間 的選擇不是關鍵的。
[0082] 使用來自投影圖像的序列之間的相關圖像部分的像素或體素信息，估計6個基函 數(shù)的參數(shù)。參數(shù)包括"權重"（廣義的傅里葉系數(shù)）。因此在范例中，存在用于線性函數(shù)的 權重以及用于〇次諧波的一個權重和用于1次諧波和2次諧波中的每個的兩個權重（一個 用于被表示為復數(shù)的權重的實部，一個用于被表示為復數(shù)的權重的虛部）。最低限度要求總 數(shù)為至少6次的C-臂掃頻，如在圖5的造影注射協(xié)議（圖5的上部）與旋轉采集協(xié)議（圖 5的下部）之間的定時曲線圖所示。參數(shù)是在由經(jīng)選擇的時間基函數(shù)跨越的函數(shù)空間中的 TAC的"坐標"?；瘮?shù)坐標然后用于重建TAC的第1個3次諧波的頻率分量。
[0083] 灌灃參數(shù)評估器150的橾作
[0084] 灌注參數(shù)（CBF、CBV、MTT等）由灌注參數(shù)評估器150根據(jù)從TAC提取的以及由信 號處理器140先前重建和估計的TAC的信號諧波和線性上升函數(shù)來計算。
[0085] 針對表示感興趣區(qū)域的所有圖像元素（"組織體素"）和表示供應路徑SP (諸如動 脈）的圖像元素，也提取類似的TAC諧波。動脈TAC是與圖2有關的上述提到的輸入函數(shù)， 并且
[0086] 然后基于理論上的線性系統(tǒng)通過針對每個組織體素 TAC的隱式或者顯式的去卷 積途徑來計算針對組織脈沖響應函數(shù)的模型。僅僅看似合理的組織函數(shù)模型用于考慮即時 器官111的生理特性，因此得到的組織脈沖響應的形狀受到那些生理特征的限制。針對組 織脈沖響應函數(shù)的有效模型參數(shù)的數(shù)目必須小于或等于所提取的TAC特征的數(shù)目。當使用 如在本文的范例中的6個時間基函數(shù)時，提供最多6個模型參數(shù)。
[0087] 根據(jù)一個實施例，灌注參數(shù)評估器150實施隱式去卷積。根據(jù)由信號處理器140 提取的諧波計算針對動脈的僅基于所選的時間基函數(shù)的近似TAC。近似動脈TAC由一組看 似合理的組織脈沖響應進行卷積，從而產生一組假設的組織TAC。針對感興趣區(qū)域中的所有 組織體素計算近似TAC。每個近似組織TAC與來自所生成的一組假設的TAC進行比較，并且 確定最接近的（例如，在最小方差意義上的）假設TAC。與最接近的TAC有關的組織脈沖響 應被認為是去卷積，并且能夠從中導出灌注參數(shù)。
[0088] 本文所提出的方法不僅僅教授多個造影大劑量注射的使用，而且還教授調節(jié)大劑 量信號IS，以具有固定的、預定義的周期性，并且教授調節(jié)相同的大劑量信號IS作為C-臂 系統(tǒng)的旋轉速度的函數(shù)。由于使用固定的周期性注射，可以使用在動態(tài)重建期間對諧波的 分析，因此要被估計的參數(shù)的數(shù)目能夠通過對諧波的限制而減少。由于要求較少的掃頻，因 此對患者的X射線劑量同樣能夠被降低。在上面的范例中，如上所實施的方法允許對僅僅6 次掃頻來計算諧波，這是因為相關的灌注參數(shù)能夠根據(jù)這些諧波來計算。如果CBV是唯一 感興趣的參數(shù)，一些參數(shù)（諸如CBV參數(shù)）能夠根據(jù)0次諧波單獨計算，由此允許將掃頻的 數(shù)目進一步減少至兩次掃頻。
[0089] 參考圖6的流程圖，對支持灌注成像的方法的基本步驟進行了總結。
[0090] 在步驟S501中，接收當前的C-臂采樣速率。
[0091] 在步驟S502中，針對周期性的脈沖大劑量注射信號的周期性/頻率被確定為所接 收的采樣速率的函數(shù)。確定信號以減輕在X射線衰減信號樣本中的時間信號混疊。
[0092] 信號是用于驅動功率注射器來給予造影劑，以因此在成像會話期間使所述藥劑灌 注感興趣器官。
[0093] 確定信號周期性的步驟S502包括指定脈沖的形狀。
[0094] 在步驟S504中，在使用所確定的脈沖大劑量注射信號已經(jīng)采集在灌注成像會話 中的投影圖像之后，通過使用針對TAC信號的斷層攝影重建的基函數(shù)提取經(jīng)采樣的TAC信 號的諧波，所述TAC信號考慮所確定的大劑量注射信號的諧波。
[0095] 在步驟S506中，所提取的諧波用于計算灌注參數(shù)。
[0096] 在步驟S508中，輸出經(jīng)計算的灌注參數(shù)。
[0097] 根據(jù)一個實施例，方法是采樣速率自適應的，因此響應于接收新的C-臂采樣速率 而重新計算注射速率信號。
[0098] 根據(jù)一個實施例，頻率、脈沖寬度以及形狀的IS指定參數(shù)是針對固定的C-臂采樣 速率進行預計算的，并且能夠然后用于未來成像會話。
[0099] 在本發(fā)明的另一范例性實施例中，提供一種計算機程序或計算機程序元件，其特 征在于適于在適當?shù)南到y(tǒng)上執(zhí)行根據(jù)前述實施例中的一個所述的方法的方法步驟。
[0100] 因此，計算機程序元件可以被存儲在計算機單元中，所述計算機單元也可以是本 發(fā)明的實施例的一部分。該計算單元可以適于執(zhí)行或引起上述方法的步驟的執(zhí)行。此外， 所述計算單元可以適于操作上述裝置的部件。計算單元能夠適于自動操作和/或執(zhí)行用戶 的命令。計算機程序可以被加載到數(shù)據(jù)處理器的工作存儲器中。由此可以配備數(shù)據(jù)處理器 以執(zhí)行本發(fā)明的方法。
[0101] 本發(fā)明的這一范例性實施例覆蓋從一開始就使用本發(fā)明的計算機程序，以及憑借 將現(xiàn)有程序更新轉換為使用本發(fā)明的程序的計算機程序二者。
[0102] 更進一步地，計算機程序元件可以能夠提供所有必要步驟以完成如上所述的方法 的范例性實施例的過程。
[0103] 根據(jù)本發(fā)明的其他范例性實施例，提出計算機可讀介質（諸如CD-ROM)，其中，計 算機可讀介質具有被存儲在其上的計算機程序元件，該計算機程序元件由前面的章節(jié)描 述。
[0104] 計算機程序可以被存儲和/或分布在合適的介質上，諸如與其他硬件一起提供或 作為其他硬件的一部分提供的光學存儲介質或固態(tài)介質，但是也可以以其他形式分布，諸 如經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)或其他有線或無線通信系統(tǒng)。
[0105] 然而，也可以網(wǎng)絡上（如萬維網(wǎng)）提供計算機程序，并能夠從這樣的網(wǎng)絡下載到數(shù) 據(jù)處理器的工作存儲器中。根據(jù)本發(fā)明的其他范例性實施例，提供用于使計算機程序元件 可用于下載的介質，所述計算機程序元件被布置為執(zhí)行根據(jù)先前描述的本發(fā)明的實施例中 的一個所述的方法。
[0106] 應當指出，已經(jīng)參考不同的主題對本發(fā)明的實施例進行了描述。具體地，參考方法 類型的權利要求對一些實施例進行了描述，同時參考設備類型的權利要求對其他實施例進 行了描述。然而，除非另有說明，本領域技術人員將會從以上和以下的描述中推斷出，除屬 于一種類型的主題的特征的任意組合之外，涉及不同主題的特征之間的任意組合也被認為 在該申請中公開。然而，所有的特征都能夠被組合來提供多于特征的簡單加合的協(xié)同效果。
[0107] 盡管已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細圖示和描述本發(fā)明，但是這樣的圖示和描述 應當被認為是圖示性或范例性的，而非限制性的。本發(fā)明不限于所公開的實施例。通過研 究附圖、公開文本以及權利要求，本領域技術人員在實踐所要求保護的發(fā)明時能夠理解和 實現(xiàn)對所公開的實施例的其他變型。
[0108] 在權利要求中，"包括" 一詞不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞"一"或"一個" 不排除多個。單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)在權利要求中重復引用的若干項的功能。在 互不相同的從屬權利要求中重復記載的特定措施的事實并不指示不能有效地使用這些措 施的組合。在權利要求中的任何附圖標記不應被解釋為限制其范圍。
【權利要求】
1. 一種用于支持灌注成像的裝置，包括： 輸入接口，其用于接收針對在灌注成像會話期間X射線掃描器的X射線源圍繞對象 的振蕩運動的頻率，在所述灌注成像會話期間，采集所述對象的投影圖像的序列，同時造影 劑至少部分地正在灌注所述對象的至少一個區(qū)域，所述灌注產生用于該對象區(qū)域的X射線 衰減信號（TAC)，所述X射線源的振蕩運動的所接收的頻率定義針對所述X射線衰減信號 (TAC)的采樣速率，在所采集的投影圖像的序列之間的圖像點表示針對所述對象區(qū)域的所 述X射線衰減信號（TAC)的時間樣本； 控制單元，其被配置為使用所接收的采樣頻率來生成用于注射器單元的控制信號，以 釋放速率將所述造影劑遞送到所述對象，當應用于所述注射器單元時，所述控制信號引起 所述造影劑注射速率根據(jù)脈沖的周期信號隨時間變化，脈沖信號的周期由所述控制器計 算，以便減輕在所述X射線衰減信號樣本中的時間信號混疊。
2. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，所述控制器被配置為通過調節(jié)脈沖注射速率信號的諧 波中的至少一個的所述頻率來減輕所述混疊，使得所述至少一個諧波的所調節(jié)的頻率與在 所述X射線衰減信號樣本的頻率頻譜中的混疊分量的所述頻率中的每個相差至少用戶-可 定義的/預設置的裕量。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的裝置，其中，所述控制器被配置為調節(jié)在脈沖寬度與所述 周期之間的比率，以在本質上抑制所述脈沖注射速率信號的諧波中的能選擇的一個。
4. 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中，所述比率為1/3,以抑制三次諧波。
5. 根據(jù)權利要求1-4中的任一項所述的裝置，其中，所述控制器被配置為控制所述注 射器以在由所述掃描器開始圖像采集會話之前的階段內遞送所述造影劑。
6. 根據(jù)權利要求1-5中的任一項所述的裝置，其中，所述裝置還包括：信號處理器，其 被配置為優(yōu)選通過斷層攝影重建處理所采集的投影圖像的序列，以通過在對樣本TAC的所 述重建中擬合基函數(shù)的族群中的至少一個基函數(shù)從經(jīng)采樣的TAC中提取至少一個諧波，所 述基函數(shù)在頻率上對應于所述注射速率信號中的所述至少一個諧波的所述頻率。
7. 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中，基函數(shù)的所述族群包括線性上升函數(shù)。
8. 根據(jù)權利要求6或7中的任一項所述的裝置，其中，所述裝置還包括：灌注參數(shù)評估 器，其被配置為基于所提取的頻率分量計算包括CBF、CBV、MTT中的至少一個的至少一個灌 注參數(shù)。
9. 根據(jù)權利要求6-8中的任一項所述的裝置，其中，所述信號處理器被配置為將所述 至少一個基函數(shù)擬合到針對表示供應路徑的圖像區(qū)域的TAC，通過所述供應路徑，所述造影 劑被供應到所述對象，然后，所述信號處理器將所述供應路徑TAC與至少兩個預選擇的模 型脈沖響應函數(shù)中的任一個進行卷積，每個所述預選擇的模型脈沖響應函數(shù)表示所成像的 對象區(qū)域的材料成分，所述信號處理器然后將因此獲得的卷積函數(shù)中的任一個與所述對象 區(qū)域的所述TAC進行比較，為了所述灌注參數(shù)的計算，所述灌注參數(shù)評估器然后根據(jù)預定 義的標準使用最好地擬合到所述對象區(qū)域的所述TAC的所述卷積函數(shù)中的一個。
10. -種成像系統(tǒng)，包括： 根據(jù)權利要求1-9中的任一項所述的裝置； X射線掃描器； 注射器單元。
11. 當由權利要求1-9中的任一項所述的裝置控制時的注射器。
12. -種支持灌注成像的方法，包括： 接收（S501)針對在灌注成像會話期間X射線掃描器的X射線源圍繞對象的振蕩運 動的頻率，在所述灌注成像會話期間，采集所述對象的投影圖像的序列，同時造影劑至少部 分地正在灌注所述對象的至少一個區(qū)域，所述灌注產生用于該對象區(qū)域的X射線衰減信號 (TAC)，所述X射線源的振蕩運動的所接收的頻率定義針對所述X射線衰減信號（TAC)的采 樣速率，在所采集的投影圖像的序列之間的圖像點表示針對所述對象區(qū)域的所述X射線衰 減信號（TAC)的時間樣本； 確定（S502)脈沖的周期信號作為所接收的采樣速率的函數(shù)，脈沖信號的周期由所述 控制器計算，以便減輕在所述X射線衰減信號樣本中的時間信號混疊，脈沖的所述周期信 號表示造影劑注射速率隨時間的變化，注射器單元以所述造影劑注射速率將所述造影劑遞 送到所述對象。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括： 在處理所采集的投影圖像的序列之后， 通過對所述樣本TAC擬合基函數(shù)的族群中的至少一個基函數(shù)從所采樣的TAC中提取 (S504)至少一個諧波，所述至少一個基函數(shù)在頻率上對應于注射速率信號的所述至少一個 諧波的所述頻率； 基于所提取的頻率分量計算（S506)包括CBF、CBV、MTT中的至少一個的至少一個灌注 參數(shù)。
14. 一種用于控制根據(jù)權利要求1-9中的任一項所述的裝置的計算機程序元件，當由 處理單元執(zhí)行時，所述計算機程序元件適于執(zhí)行權利要求12-13中所述的方法步驟。
15. -種具有被存儲在其上的權利要求14所述的程序元件的計算機可讀介質。
【文檔編號】A61M5/00GK104159516SQ201380012810
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年2月27日 優(yōu)先權日:2012年3月6日
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