專利名稱：用于門控x射線ct成像的稀疏數(shù)據(jù)重建的制作方法
用于門控X射線CT成像的稀疏數(shù)據(jù)重建本申請(qǐng)?jiān)陂T控心臟CT數(shù)據(jù)重建程序和系統(tǒng)中尤其有用。然而，將意識(shí)到，所描述的(一項(xiàng)或多項(xiàng))技術(shù)也可應(yīng)用于其他類型的成像系統(tǒng)、其他圖像重建技術(shù)，和/或其他醫(yī)學(xué)應(yīng)用。電子束CT (EBCT)是針對(duì)心臟成像而專門設(shè)計(jì)的。它利用快速掃描電子束來轟擊位于患者周圍的大鎢靶，生成用于成像的X射線束。由于在X射線機(jī)架中沒有物理的移動(dòng)部分，因此其可以實(shí)現(xiàn)非?？斓膾呙杷俣?，通常明顯低于每切片100ms，這對(duì)于使用ECG門控來“凍結(jié)”心臟是足夠好的。因此EBCT在多年來一直是執(zhí)行心臟冠脈鈣化積分測(cè)試的黃金標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。然而，EBCT具有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，由于系統(tǒng)輸出功率受到設(shè)計(jì)的限制，因此圖像具有高的統(tǒng)計(jì)學(xué)噪聲；其次，其高度專用于心臟應(yīng)用并且不能用作通用目的CT ;再次，硬件是昂貴的。因此，近年來，多切片CT (MSCT)已經(jīng)開始出現(xiàn)并且在心臟成像中成為EBCT的替代選擇。
用于對(duì)跳動(dòng)的心臟成像以進(jìn)行診斷的其他技術(shù)包括使用在前瞻性的或者回顧性的ECG門控幫助下的高速(具有亞秒級(jí)旋轉(zhuǎn))MSCT。在前瞻性門控的情況下，CT機(jī)架圍繞患者持續(xù)旋轉(zhuǎn)。X射線管在大部分時(shí)間保持關(guān)閉，并且只有當(dāng)ECG信號(hào)指示心臟處在某些運(yùn)動(dòng)時(shí)相時(shí)才被觸發(fā)。一旦心臟準(zhǔn)備好進(jìn)行快照，X射線管將發(fā)射X射線，并且為了有效的重建，機(jī)架在心臟離開這一運(yùn)動(dòng)時(shí)相之前必須快速地覆蓋足夠的角度，并且電子器件也需要足夠快以采集、傳送和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。然后患者床移動(dòng)到下一個(gè)床位并且重復(fù)以上程序直到覆蓋整個(gè)心臟。如果使用回顧性ECG門控，那么X射線管連續(xù)地發(fā)射，以在每個(gè)床位采集至少一個(gè)心臟周期。然后基于ECG信號(hào)標(biāo)記來選出“良好的”數(shù)據(jù)并將其用于重建。傳統(tǒng)方法因而試圖通過使用快速CT和前瞻性的或者回顧性的心臟門控來凍結(jié)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，其不利地導(dǎo)致了高輻射劑量和/或只允許重建一個(gè)單獨(dú)的心臟時(shí)相。因?yàn)樾枰诤芏痰某掷m(xù)時(shí)間內(nèi)采集每個(gè)重建切片所需的投影數(shù)據(jù)，所以傳統(tǒng)方法對(duì)于系統(tǒng)的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)也強(qiáng)加了苛刻的要求。傳統(tǒng)方法具有幾個(gè)缺點(diǎn)要求系統(tǒng)的機(jī)架十分快速地運(yùn)動(dòng)，這阻礙了相對(duì)慢速旋轉(zhuǎn)的平板CT系統(tǒng)采用所述傳統(tǒng)方法；輻射劑量可能非常高，尤其是當(dāng)使用回顧性門控時(shí)；以及在實(shí)踐中，不能復(fù)原完整的心臟運(yùn)動(dòng)。在現(xiàn)有技術(shù)中，需要一種系統(tǒng)和方法，其便于使用劃算、安全、慢速掃描的具有平板X射線CT探測(cè)器的CT掃描器，或者類似物，來生成特定心臟周期時(shí)相的靜止圖像，因而克服以上提及的不足。根據(jù)一個(gè)方面，一種便于針對(duì)門控計(jì)算機(jī)斷層攝影成像使用稀疏數(shù)據(jù)重建的系統(tǒng)包括CT掃描器，其包括具有X射線源和平板X射線探測(cè)器的旋轉(zhuǎn)機(jī)架，并且執(zhí)行患者心臟的慢速CT掃描以便在圍繞患者連續(xù)旋轉(zhuǎn)機(jī)架的同時(shí)生成多個(gè)投影圖像數(shù)據(jù)集；以及患者監(jiān)測(cè)設(shè)備，其生成生理周期時(shí)相信息。該系統(tǒng)還包括處理器，處理器根據(jù)多個(gè)生理周期時(shí)相將投影圖像數(shù)據(jù)分類，使得每個(gè)生理周期時(shí)相的數(shù)據(jù)跨越被長弧段分隔開的多個(gè)短弧段，所述長弧段比所述短弧段更長。處理器執(zhí)行稀疏數(shù)據(jù)重建算法并且重建每個(gè)生理周期時(shí)相的圖像，在與多個(gè)生理周期期間的生理周期時(shí)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)短弧段上重建每個(gè)圖像。根據(jù)另一方面，一種針對(duì)門控X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影成像使用稀疏數(shù)據(jù)重建的方法，包括通過緩慢并且連續(xù)地環(huán)繞患者旋轉(zhuǎn)CT掃描器的機(jī)架來采集跳動(dòng)的心臟的CT掃描數(shù)據(jù)，以生成多個(gè)投影圖像數(shù)據(jù)集，該機(jī)架具有耦合到其的X射線源和平板X射線探測(cè)器。該方法還包括在采集CT掃描數(shù)據(jù)的同時(shí)采集描述患者心臟的多個(gè)生理周期的生理信號(hào)數(shù)據(jù)，以及使用生理信號(hào)數(shù)據(jù)來識(shí)別每個(gè)生理周期的不同時(shí)相。此外，該方法包括根據(jù)時(shí)相來分類投影圖像數(shù)據(jù)，在所述時(shí)相期間采集圖像投影數(shù)據(jù)，以及對(duì)被分類的投影圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行稀疏重建算法以重建生理周期的每個(gè)所識(shí)別時(shí)相的圖像。根據(jù)另一方面，一種便于從在門控的慢速計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描期間采集的稀疏投影數(shù)據(jù)來重建解剖圖像的系統(tǒng)，包括CT掃描器，該CT掃描器執(zhí)行對(duì)在掃描期間處于運(yùn)動(dòng)中的感興趣體積的慢速門控CT掃描，以及在圍繞所述感興趣體積的360°旋轉(zhuǎn)期間與多個(gè)生理周期的時(shí)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)短弧段上收集稀疏投影數(shù)據(jù)。所述系統(tǒng)還包括處理器，其通過執(zhí)行稀疏數(shù)據(jù)重建算法而生成感興趣體積的圖像，該稀疏數(shù)據(jù)重建算法重建在CT掃描器的旋轉(zhuǎn)期間沿著多個(gè)短弧段采集的稀疏投影數(shù)據(jù)。
一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與使用快速M(fèi)SCT的心臟CT成像相比成本的降低。另一優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)使用心臟時(shí)相特異性衰減圖的PET/SPECT圖像數(shù)據(jù)改善的衰減校正。 另一優(yōu)點(diǎn)在于可以以不比常規(guī)CT掃描更多的X射線劑量來獲得整個(gè)心臟運(yùn)動(dòng)周期。另一優(yōu)點(diǎn)在于使用常規(guī)CT輻射劑量的一部分來獲得單一時(shí)相的無運(yùn)動(dòng)心臟圖像。通過閱讀和理解了以下詳細(xì)描述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到主題創(chuàng)新的仍進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)。附圖僅出于圖示各方面的目的，并且不應(yīng)被解釋為限制性的。圖I圖示了一種系統(tǒng)，其針對(duì)門控心臟成像或者類似物采用稀疏數(shù)據(jù)重建技術(shù)來成像周期性運(yùn)動(dòng)對(duì)象(例如，心臟)，以便檢測(cè)沉積在冠狀動(dòng)脈中的鈣；圖2圖示了由不同虛線指示的多個(gè)心臟周期時(shí)相的示意圖；圖3圖示了在心臟周期的第一時(shí)相期間的真實(shí)切片圖像和稀疏重建的切片圖像；圖4圖示了在心臟周期的第二時(shí)相期間的真實(shí)圖像和稀疏重建的圖像，并且具有示出于心臟中的鈣沉積；圖5圖示了在心臟周期的第三時(shí)相期間的真實(shí)圖像和稀疏重建的圖像，并且具有示出于心臟中的鈣沉積；圖6圖示了在心臟周期的第四時(shí)相期間的真實(shí)圖像和稀疏重建的圖像，并且具有示出于心臟中的鈣沉積；圖7圖示了在心臟周期的第五時(shí)相期間的真實(shí)圖像和稀疏重建的圖像，并且具有示出于心臟中的鈣沉積；圖8圖示了在心臟周期的第六時(shí)相期間的真實(shí)圖像和稀疏重建的圖像，它們具有示出于心臟中的鈣沉積；圖9圖示了在心臟周期的第七時(shí)相期間的真實(shí)圖像和稀疏重建的圖像，并且具有示出于心臟中的鈣沉積；

圖10圖示了在心臟周期的第八時(shí)相期間的真實(shí)圖像和稀疏重建的圖像，并且具有示出于心臟中的鈣沉積；圖11圖示了 12-心臟周期掃描的第一時(shí)相的示例性截屏，并示出了鈣沉積；圖12圖示了使用稀疏數(shù)據(jù)重建技術(shù)來成像周期性運(yùn)動(dòng)對(duì)象(例如，心臟)的方法。參照?qǐng)D1，圖示了采用稀疏數(shù)據(jù)重建技術(shù)來成像周期性運(yùn)動(dòng)對(duì)象(例如，心臟)的系統(tǒng)10。本實(shí)施例側(cè)重于門控心臟成像(例如，針對(duì)鈣化積分以便檢測(cè)心肌組織中的鈣沉積、CT血管造影術(shù)，等等)。然而，也預(yù)期用于其他目的的定格成像。例如，采用用于心臟成像的慢速X射線CT掃描算法或者技術(shù)12，使得CT掃描器15 (例如飛利浦的BRIGHTVIEW XCT掃描器，或者類似物)上的機(jī)架14的每個(gè)旋轉(zhuǎn)包含幾個(gè)心臟運(yùn)動(dòng)周期，例如，10-12個(gè)。與其中假設(shè)感興趣體積為靜止的“快速”掃描相反，“慢速”掃描被定義為具有足夠長的采樣周期(或者弧距離)從而可以假設(shè)感興趣體積呈現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的掃描。例如，如果感興趣體積為人類心臟，其每秒跳動(dòng)大約一次，那么慢速掃描可采用大約700ms或者更大的采樣周期，使得在該采樣周期期間心臟在某一時(shí)刻將呈現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)。相反，同一心臟的快速掃描可具有大約 IOms或者更短的采樣周期，使得很可能在該快速掃描采樣周期期間收集的投影數(shù)據(jù)當(dāng)被重建時(shí)將生成“靜止的”圖像。也就是，快速掃描的采樣周期十分短使得心臟的運(yùn)動(dòng)不成為影響因素。通過使用慢速掃描以及與生理周期例如心跳中的感興趣時(shí)相相關(guān)的稀疏采集的投影數(shù)據(jù)，限制了到達(dá)患者的輻射劑量。此外，在慢速CT掃描期間的稀疏數(shù)據(jù)采集允許使用稀疏數(shù)據(jù)重建算法來將該稀疏投影數(shù)據(jù)重建為圖像。根據(jù)由諸如ECG設(shè)備20的患者監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄并在數(shù)據(jù)采集22期間加上時(shí)間戳的心電圖(ECG)信號(hào)數(shù)據(jù)18來選擇針對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)相所采集的投影數(shù)據(jù)16。在另一實(shí)施例中，使用呼吸監(jiān)測(cè)器來生成呼吸周期信號(hào)數(shù)據(jù)以在門控呼吸成像程序中使用。時(shí)間戳信息24和ECG數(shù)據(jù)18存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器26中。通過分類算法27將數(shù)據(jù)分類，該算法當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)，根據(jù)心臟時(shí)相來分類數(shù)據(jù)，然后使用稀疏數(shù)據(jù)重建算法28來重建心臟的每個(gè)時(shí)相，以創(chuàng)建一系列高分辨率的、無運(yùn)動(dòng)的心臟圖像30 (例如，心臟的3D或者切片圖像)。稀疏數(shù)據(jù)重建是使用有限投影視圖的迭代重建算法。它可以從少至20個(gè)的角度視圖中產(chǎn)生高質(zhì)量的CT圖像。相比之下，典型的CT重建算法需要多于10倍的角度視圖。在Emil Y. Sidky, Chien-Min Kao 和 Xiaochuan Pan 發(fā)表于 Journal of X-Ray Science andTechnology 14(2006)第 119-139 頁的“Accurate image reconstruction from few-viewsand limited-angle data in divergent-beam CT”中描述了稀疏數(shù)據(jù)重建技術(shù)的例子。重建算法28和心臟圖像30也存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器26中。系統(tǒng)10因而便于使用單獨(dú)的慢速CT掃描旋轉(zhuǎn)來復(fù)原完整的心臟運(yùn)動(dòng)周期，并且可以結(jié)合螺旋和平板CT成像設(shè)備兩者而實(shí)施，同時(shí)減少對(duì)患者的福射劑量。因此，該系統(tǒng)使用ECG門控32 (例如，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器26中的門控算法)來執(zhí)行跳動(dòng)的心臟的慢速CT掃描。單一掃描旋轉(zhuǎn)的持續(xù)時(shí)間足夠長以包含幾個(gè)心臟周期，但是足夠短以允許在掃描期間屏住呼吸。例如，患者的心臟可以每分鐘跳動(dòng)60次，導(dǎo)致一秒的心臟周期持續(xù)時(shí)間?；颊叩暮粑俾士梢允敲糠昼?2次呼吸，或者每5秒一次，雖然患者可能能夠在更長的持續(xù)時(shí)間中屏住他或者她的呼吸。在這一情況下，慢速掃描旋轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間可能是大約12秒，以包含12次心跳同時(shí)保持適度地短以允許患者屏住他的呼吸而不會(huì)變得不適。雖然在360°旋轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行了描述，但是將意識(shí)到掃描器在屏氣期間可旋轉(zhuǎn)多于或者少于360°。
基于ECG信號(hào)18，將從心臟圖像數(shù)據(jù)30生成的投影圖像30分組為不同的心臟運(yùn)動(dòng)時(shí)相34,其在圖3-10中詳細(xì)地不出。每個(gè)時(shí)相包含每一心跳的那一時(shí)相的一些投影，該心跳針對(duì)每次屏氣的12次或者其他數(shù)量心跳中的每一個(gè)。通過例如處理器36對(duì)來自每個(gè)時(shí)相的投影數(shù)據(jù)執(zhí)行稀疏重建算法28，以將每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)相重建為包括跨越完整心臟運(yùn)動(dòng)周期的一系列圖像的電影圖像數(shù)據(jù)30，并將其顯示在顯示器38上。具有門控心臟成像的慢旋轉(zhuǎn)CT系統(tǒng)10可以與多種CT系統(tǒng)一起使用，該多種CT系統(tǒng)包括但不限于平板CT、螺旋CT、錐形射束CT系統(tǒng)例如飛利浦的BRIGHTVIEW -XCT系統(tǒng)或類似物，等等。系統(tǒng)10包括處理器36和存儲(chǔ)器26,該處理器36執(zhí)行用于執(zhí)行在本文中描述的功能、方法、技術(shù)等的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，并且該存儲(chǔ)器26存儲(chǔ)所述指令。例如，處理器36執(zhí)行計(jì)算機(jī)可讀指令以采集投影數(shù)據(jù)、選擇所采集的投影數(shù)據(jù)、給ECG信號(hào)數(shù)據(jù)加時(shí)間戳、執(zhí)行稀疏數(shù)據(jù)重建、顯示無運(yùn)動(dòng)的心臟圖像數(shù)據(jù)，以及在本文中描述的任何其他功能。存儲(chǔ)器26可以是存儲(chǔ)控制程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如磁盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器，或者類似物。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的常見形式包括，例如，軟盤、軟磁盤、硬盤、磁帶、或者任何其他磁性存儲(chǔ)介質(zhì)，CD-ROM、DVD、或者任何其他光學(xué)介質(zhì)，RAM、ROM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、及·其變型，其他的存儲(chǔ)芯片或盒式磁盤，或者處理器36可以讀取和執(zhí)行的其他有形介質(zhì)。在本文的背景下，系統(tǒng)10可實(shí)現(xiàn)在或者實(shí)現(xiàn)為一個(gè)或多個(gè)通用目的計(jì)算機(jī)、(一個(gè)或多個(gè))專用計(jì)算機(jī)、可編程微處理器或者微控制器以及外圍集成電路元件、ASIC或者其他集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器、硬接線的電子線路或邏輯電路例如分立元件電路、可編程邏輯設(shè)備例如PLD、PLA、FPGA,圖形卡CPU (GPU)或者PAL，或者類似物。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，系統(tǒng)10使用安置在X射線源42對(duì)面的緩慢旋轉(zhuǎn)的平板X射線探測(cè)器40來收集心臟成像數(shù)據(jù)，該X射線源42和X射線探測(cè)器40都耦合到CT掃描器15的旋轉(zhuǎn)機(jī)架14。所圖示的掃描器還包括一對(duì)核探測(cè)器44 (例如，單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層攝影(SPECT)探測(cè)器或者一些其他適當(dāng)?shù)暮颂綔y(cè)器)、顯示器38、以及將患者(未示出)平移到檢查區(qū)域48以進(jìn)行成像的患者臺(tái)或者榻46。將意識(shí)到，所描述的系統(tǒng)和方法采用雙成像模態(tài)，其中以例示的方式描述了組合的SPECT/CT成像模態(tài)，但是也預(yù)期其他的組合。例如，所描述的系統(tǒng)和方法可采用組合的正電子發(fā)射斷層攝影(PET) /計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)、SPECT/磁共振成像(MRI)、PET/MRI、SPECT/超聲、PET/超聲、或者任何其他適當(dāng)?shù)亩嗄B(tài)成像技術(shù)。在本文中描述的系統(tǒng)的多模態(tài)提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如便于生成功能性圖像的同時(shí)允許使用靶向分子制劑(例如，示蹤物、標(biāo)記物，等等)，或者類似物。此外，雖然在本文中描述的很多例子涉及鈣沉積檢測(cè)，但是將意識(shí)到，所描述的系統(tǒng)和方法可在其他適當(dāng)?shù)拿軐?shí)或致密材料或結(jié)構(gòu)中采用，以及用于其他醫(yī)學(xué)程序。根據(jù)另一實(shí)施例，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)衰減校正算法50 (例如，模塊或者計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令)，其被處理器執(zhí)行以校正從通過核探測(cè)器44采集的核掃描數(shù)據(jù)生成的核圖像中的衰減。衰減校正模塊50采用心臟圖像30以及任選地采用心臟運(yùn)動(dòng)時(shí)相數(shù)據(jù)34來改善核圖像的質(zhì)量。該衰減校正模塊可包括用于使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的CT圖像數(shù)據(jù)或者其變型來執(zhí)行核圖像數(shù)據(jù)的衰減校正的指令。CT掃描器15的平板X射線探測(cè)器設(shè)計(jì)提供了良好的空間分辨率，同時(shí)該系統(tǒng)的小體積允許其用于不能容納更大的、傳統(tǒng)的多模態(tài)成像系統(tǒng)的介入性應(yīng)用。此外，多模態(tài)CT系統(tǒng)針對(duì)多種成像模式采用共同的成像平面，這便于將來自多種模式的圖像數(shù)據(jù)相融合。核探測(cè)器探頭44的幾何結(jié)構(gòu)允許操作者在CT成像期間，或者當(dāng)介入學(xué)專家需要接近患者和/或需要在核成像期間將平板X射線探測(cè)器40折疊到收起位置時(shí)，將一個(gè)或多個(gè)探頭移開(例如，縮回至收起位置)。也可以將核相機(jī)和X射線探測(cè)器中的一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)到收起位置以允許臨床醫(yī)生或者介入學(xué)專家接近患者，例如在程序期間或者類似時(shí)機(jī)。此外，成像部件(例如，探測(cè)器、相機(jī)、源，等等)的相對(duì)慢速旋轉(zhuǎn)(例如，大約5-6rpm或者更少)改善了患者和操作者的安全性。根據(jù)另一實(shí)施例，連續(xù)旋轉(zhuǎn)平板探測(cè)器40和X射線源42的同時(shí)在多次心跳中，例如10-12次心跳中，收集數(shù)據(jù)集。因?yàn)樾呐K僅在心跳的一部分中處于選定的心臟時(shí)相，所以在多個(gè)(例如，10-12個(gè))間斷的弧段上沿著多個(gè)緊密間隔的角度收集數(shù)據(jù)。針對(duì)每個(gè)時(shí)相的樣本數(shù)量并不一定相同，而是根據(jù)心臟保持在基本相同位置的持續(xù)時(shí)間而變化。例如，通常在心臟周期的快速移動(dòng)部分期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，例如在周期的Q-R-S部分期間。參照?qǐng)D2更加詳細(xì)地描述了這一方面。 繼續(xù)參考圖1，圖2圖示了由不同的虛線指示的多個(gè)心臟周期時(shí)相的示意圖。在圖示的例子中，描繪了 8個(gè)弧段60，每個(gè)跨越一個(gè)心臟周期61，每個(gè)弧段都包括多個(gè)時(shí)相，其中標(biāo)注了患者心臟68的心跳的三個(gè)時(shí)相62、64、66。然而，將意識(shí)到，可以采集描述任何期望數(shù)量的心臟周期和任何期望數(shù)量的心臟時(shí)相的數(shù)據(jù)。在每個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)的采樣之間的插入弧段或者間隙70可與對(duì)應(yīng)于每個(gè)在其上收集數(shù)據(jù)的時(shí)相62、64、66的弧段一樣大或者更大。例如在圖2的例子中，在8個(gè)弧段上收集針對(duì)每個(gè)時(shí)相62的數(shù)據(jù)，其中心臟處于時(shí)相62。該弧段對(duì)應(yīng)于心臟處于相對(duì)靜止位置的持續(xù)時(shí)間，例如在心臟是接近靜止的每個(gè)標(biāo)記62之后的幾度上。然后使用稀疏數(shù)據(jù)重建算法28來重建每個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，稀疏數(shù)據(jù)重建算法使用基于關(guān)于所生成圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的假設(shè)的正則化(regularization)。歸因于這一正則化，所生成的圖像與使用常規(guī)圖像重建技術(shù)對(duì)不連續(xù)數(shù)據(jù)執(zhí)行的重建的情況相比具有更高的分辨率，以及具有更少的偽影。也就是，常規(guī)重建技術(shù)不能重建這種不連續(xù)數(shù)據(jù)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，8個(gè)心臟周期60每個(gè)跨越大約45°的長度。對(duì)于每個(gè)心臟時(shí)相，CT掃描器15在穿過每個(gè)心臟周期60的大約1-8°的同時(shí)采集掃描數(shù)據(jù)。間隙70包括大約37-44°。在其他實(shí)施例中，每個(gè)心臟周期所跨越的弧長取決于患者心率、期望掃描數(shù)據(jù)的心臟周期的數(shù)量以及CT掃描器旋轉(zhuǎn)速度。圖3-10示出了體模的截屏切片圖像，其在8個(gè)心臟周期時(shí)相的每一個(gè)期間被生成為患者心臟94的“基礎(chǔ)事實(shí)”(B卩，參考)圖像90，以及稀疏重建(SR)圖像92?；颊咝呐K的每個(gè)參考圖像90和稀疏重建圖像92從心臟周期同一時(shí)相的多個(gè)不同投影角度上收集到的數(shù)據(jù)生成，并且對(duì)應(yīng)于圖2的8個(gè)心臟周期61。雖然對(duì)圖3-10中的每一個(gè)的描述包括沿其稀疏地收集(使用前瞻性門控)或者重建(使用回顧性門控)數(shù)據(jù)的弧或者角度(或者弧或角度組)的數(shù)量的例子，但是將意識(shí)到，所有時(shí)相均可使用任何適當(dāng)數(shù)量的弧或角度，或者角度組來獲得，(例如，12個(gè)弧、10個(gè)弧、8組3采樣角度，等等)。圖3圖示了在心臟周期的第一時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92。由沿著圍繞患者均勻間隔的多個(gè)弧捕獲的投影數(shù)據(jù)生成SR圖像92。例如，在圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)期間可以針對(duì)沿著12個(gè)弧的小角度前瞻性地或者回顧性地門控投影數(shù)據(jù)，其中以大約30°分隔每個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。每個(gè)弧可包括在該弧之內(nèi)彼此間隔大約O. 75°的5個(gè)采樣角度(例如，子弧、分段，等等)，從而12個(gè)弧的每一個(gè)具有大約3. 75°的弧長。然后重建12個(gè)投影數(shù)據(jù)集以生成被成像心跳的時(shí)相的靜止圖像。圖4圖示了僅在心臟周期第二時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92，并且具有示出于真實(shí)圖像的心臟96中的鈣沉積94。圖4的SR圖像92從沿著圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)的多個(gè)弧重建，每個(gè)弧對(duì)應(yīng)于心臟周期的時(shí)相并且具有大約3. 75°的長度。例如，在圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)期間可以針對(duì)沿著12個(gè)弧的小角度前瞻性地或者回顧性地門控投影數(shù)據(jù)，其中以大約30°分隔每個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。然后重建12個(gè)投影數(shù)據(jù)集以沿著該12個(gè)弧生成被成像的心跳的時(shí)相的靜止圖像。圖5圖不了在心臟周期第二時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92,并且具有示出于心臟96中的鈣沉積94。在一個(gè)實(shí)施例中，SR圖像92是從沿著圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)的12個(gè)分段而采集生成的。例如，每個(gè)弧在長度上可以是幾度，其中大約每30°出現(xiàn)一個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。 圖6圖示了在心臟周期第四時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92，并且具有示出于心臟96中的鈣沉積94。圖6的SR圖像92從沿著圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)的多個(gè)弧形組重建。例如，在圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)期間可以針對(duì)沿著12個(gè)弧的采樣角度的小組前瞻性地或者回顧性地門控投影數(shù)據(jù)，其中以大約30°分隔每個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。采樣角度的每個(gè)組可包括5個(gè)采樣角度，間隔分開大約O. 75°。然后重建12個(gè)投影數(shù)據(jù)集以生成心跳的第一時(shí)相的靜止圖像。圖7圖示了在心臟周期第五時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92，并且具有示出于心臟96中的鈣沉積94。在一個(gè)范例中，在圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)期間可以針對(duì)沿著12個(gè)弧的采樣角度的小組前瞻性地或者回顧性地門控投影數(shù)據(jù)，其中以大約30°分隔每個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。每個(gè)采樣角度組可包括5個(gè)采樣角度，間隔分開大約O. 75°。然后重建12個(gè)投影數(shù)據(jù)集以生成心跳的第一時(shí)相的靜止圖像。圖8圖示了在心臟周期第六時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92，并且具有示出于心臟96中的鈣沉積94。根據(jù)一個(gè)范例，在圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)期間可以針對(duì)沿著12個(gè)弧的采樣角度的小組前瞻性地或者回顧性地門控投影數(shù)據(jù)，其中以大約30°分隔每個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。每個(gè)采樣角度組可包括5個(gè)采樣角度，間隔分開大約O. 75°。然后重建12個(gè)投影數(shù)據(jù)集以生成心跳的第一時(shí)相的靜止圖像。圖9圖示了在心臟周期第七時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92，并且具有示出于心臟96中的鈣沉積94。圖9的SR圖像92從沿著圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)的多個(gè)弧重建。例如，在圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)期間可以針對(duì)沿著12個(gè)弧的小角度前瞻性地或者回顧性地門控投影數(shù)據(jù)，其中以大約30°分隔每個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。然后重建12個(gè)投影數(shù)據(jù)集以生成被成像心跳的時(shí)相的靜止圖像。圖10圖示了在心臟周期第八時(shí)相期間的真實(shí)圖像90和稀疏重建圖像92，并且具有示出于心臟96中的鈣沉積94。在一個(gè)范例中，在圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)期間可以針對(duì)沿著12個(gè)弧的采樣角度小組前瞻性地或者回顧性地門控投影數(shù)據(jù)，其中以大約30°分隔每個(gè)弧(受控于通過門控心臟周期確定的心率的變化)。采樣角度的每個(gè)組可包括5個(gè)采樣角度，間隔分開大約O. 75°。然后重建每個(gè)包括來自5個(gè)采樣角度的投影數(shù)據(jù)的12個(gè)投影數(shù)據(jù)集，以生成心跳的第一時(shí)相的靜止圖像。圖11示出了 12-心臟周期掃描的第一時(shí)相的示例性截屏110，與鈣沉積一起示出。圖像112是使用在心臟周期的第一時(shí)相期間在圍繞心臟96的12個(gè)不同角度處獲取的采集掃描數(shù)據(jù)的Feldkamp-Davis-Kress(FDK)重建而生成的第一投影圖像,其中將I丐沉積94示為亮點(diǎn)。投影圖像數(shù)據(jù)是從12個(gè)采樣角度或者弧采集的，其是幾個(gè)心跳或者周期的第一時(shí)相的投影。從其采集數(shù)據(jù)的采樣角度彼此大約間隔30°，以覆蓋圍繞患者的完整的360°旋轉(zhuǎn)。然后反投影所采集的投影數(shù)據(jù)，并且將強(qiáng)度相加。圖像114是使用在心臟周期的第一時(shí)相期間在圍繞心臟96的60個(gè)不同角度處獲取的采集掃描數(shù)據(jù)的FDK重建而生成的另一第一時(shí)相圖像，其中將鈣沉積94示為亮點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，將該60個(gè)采樣角度劃分為12組，每個(gè)包括5個(gè)分隔O. 75°的投影。每個(gè)采樣組與下一個(gè)采樣組分隔大約30°，并且覆蓋不同心跳的第一時(shí)相。例如，第一采樣組包括第一心跳的第一時(shí)相的5個(gè)采樣；第二采樣組包括第二心跳的第一時(shí)相的5個(gè)采樣，等等。 圖像114的數(shù)據(jù)比圖像112的數(shù)據(jù)更加完整，因?yàn)槠涿總€(gè)采樣組中包含了 5個(gè)投影而不是I個(gè)。圖像116示出了心臟96的具有鈣沉積的體模真實(shí)圖像。圖像118示出了患者心臟96的具有鈣沉積94的稀疏重建圖像，其由沿著60個(gè)采樣角度收集的數(shù)據(jù)來生成，該60個(gè)采樣角度處于沿著圍繞患者的360°旋轉(zhuǎn)中的間隔分開大約30°的12個(gè)不同的5-樣本組中。將意識(shí)到，所描述的實(shí)施例不限于在本文中描述的具有特定間隔和長度的5個(gè)角度的12條弧，而是可采用具有任意期望長度和/或間隔的任意期望數(shù)量的弧和/或角度。圖12圖示了使用稀疏數(shù)據(jù)重建技術(shù)來成像周期性運(yùn)動(dòng)對(duì)象(例如，心臟)的方法。在130，與ECG門控一起執(zhí)行跳動(dòng)的心臟的慢速(例如，小于大約6rpm)X射線掃描。掃描持續(xù)時(shí)間足夠長以包括幾個(gè)心臟周期，但是足夠短以在掃描期間屏住呼吸。在132，分析ECG信號(hào)以識(shí)別心臟周期的不同時(shí)相。在134，基于該ECG信號(hào)，生成投影圖像并且根據(jù)它們的不同心臟時(shí)相來將其分組。每個(gè)被成像的時(shí)相包含來自每個(gè)心跳的指定時(shí)相的幾個(gè)投影。在136，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)執(zhí)行稀疏數(shù)據(jù)重建技術(shù)或者算法以重建每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)相并且組成完整心臟運(yùn)動(dòng)周期的圖像。已經(jīng)參照幾個(gè)實(shí)施例來描述了本發(fā)明。當(dāng)閱讀和理解了前述詳細(xì)描述時(shí)他人可想到修改和變型。本發(fā)明旨在被解釋為包括所有的這種修改和變型，只要它們落在所附權(quán)利要求或者其等價(jià)物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種便于針對(duì)門控計(jì)算機(jī)斷層攝影成像使用稀疏數(shù)據(jù)重建的系統(tǒng)(10)，包括 CT掃描器(15)，其包括具有X射線源(42)和平板X射線探測(cè)器(40)的旋轉(zhuǎn)機(jī)架(14)，并且所述CT掃描器執(zhí)行患者心臟(68)的慢速CT掃描以便在圍繞所述患者連續(xù)旋轉(zhuǎn)所述機(jī)架(14)的同時(shí)生成多個(gè)投影圖像數(shù)據(jù)集； 患者監(jiān)測(cè)設(shè)備，其生成生理周期時(shí)相信息；以及 處理器(36)，其 根據(jù)多個(gè)生理周期時(shí)相將所述投影圖像數(shù)據(jù)分類，使得針對(duì)每個(gè)生理周期時(shí)相的所述數(shù)據(jù)跨越被長弧段分隔開的多個(gè)短弧段，所述長弧段比所述短弧段更長； 執(zhí)行稀疏數(shù)據(jù)重建算法(28)并且重建所述生理周期時(shí)相中的每個(gè)的圖像(30)，在與多個(gè)生理周期期間的所述生理周期時(shí)相對(duì)應(yīng)的所述多個(gè)短弧段上重建每個(gè)圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述機(jī)架在所述CT掃描期間以6rpm或者更低的速度旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng),其中,所述CT掃描器(15)在一次旋轉(zhuǎn)中米集大約8-12個(gè)生理周期的掃描數(shù)據(jù)，每個(gè)生理周期包括所述多個(gè)生理周期時(shí)相。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述生理周期是心臟周期和呼吸周期之一，并且所述患者監(jiān)測(cè)設(shè)備分別是心電圖儀(ECG) (20)和呼吸監(jiān)測(cè)器之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器使用ECG信號(hào)數(shù)據(jù)(18)門控針對(duì)所述心臟周期的每個(gè)時(shí)相采集的掃描數(shù)據(jù)(16)，以便將所采集的掃描數(shù)據(jù)(16)對(duì)應(yīng)于每個(gè)心臟周期時(shí)相。
6.根據(jù)權(quán)利要求4-5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(26)，其存儲(chǔ)以下中的ー個(gè)或多個(gè) 數(shù)據(jù)采集算法(22); 所采集的投影數(shù)據(jù)(16); ECG信號(hào)數(shù)據(jù)(18)； ECG數(shù)據(jù)時(shí)間戳信息(24)； ECG門控算法(32)； 稀疏重建算法(28)； 心臟圖像(30);以及 心臟運(yùn)動(dòng)時(shí)相數(shù)據(jù)(34 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng),其中,所述CT掃描器(15)是多模態(tài)CT掃描器，所述多模態(tài)CT掃描器包括所述X射線源(42)、所述平板X射線探測(cè)器(40)以及兩個(gè)核探測(cè)器(44)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括顯示器(38)，在所述顯示器上向用戶顯示所述圖像(30)以用于鈣化積分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括衰減校正模塊(50)，該衰減校正模塊由所述處理器執(zhí)行以使用所述圖像(30)來校正核圖像中的衰減。
10.ー種針對(duì)門控X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影成像使用稀疏數(shù)據(jù)重建的方法，包括 通過緩慢并且連續(xù)地繞患者旋轉(zhuǎn)CT掃描器(15)的機(jī)架(14)來采集跳動(dòng)的心臟的CT掃描數(shù)據(jù)(16)，以生成多個(gè)投影圖像數(shù)據(jù)集，所述機(jī)架具有耦合到其的X射線源(42)和平板X射線探測(cè)器(40); 在采集所述CT掃描數(shù)據(jù)(16)的同時(shí)采集描述所述患者的心臟的多個(gè)生理周期的生理信號(hào)數(shù)據(jù)(18); 使用所述生理信號(hào)數(shù)據(jù)(18)識(shí)別每個(gè)生理周期的不同時(shí)相； 根據(jù)時(shí)相分類所述投影圖像數(shù)據(jù)，其中在所述時(shí)相期間采集所述圖像投影數(shù)據(jù)；以及對(duì)被分類的投影圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行稀疏重建算法以重建所述生理周期的每個(gè)所識(shí)別的時(shí)相的圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括 在所述CT掃描期間以6rpm或者更小的速度旋轉(zhuǎn)所述機(jī)架。
12.根據(jù)權(quán)利要求10-11中任一項(xiàng)所述的方法，還包括 在一次旋轉(zhuǎn)中采集大約8-12個(gè)生理周期的掃描數(shù)據(jù)，每個(gè)生理周期包括多個(gè)生理周期時(shí)相。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述生理周期是心臟周期和呼吸周期之一，并且所述患者監(jiān)測(cè)設(shè)備分別是心電圖儀(ECG) (20)和呼吸監(jiān)測(cè)器之一。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括 使用ECG信號(hào)數(shù)據(jù)(18)門控針對(duì)所述心臟周期的每個(gè)時(shí)相采集的掃描數(shù)據(jù)(16);以及 使所采集的掃描數(shù)據(jù)(16)與在其期間采集所述掃描數(shù)據(jù)(16)的所述心臟周期時(shí)相相關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13-14中任一項(xiàng)所述的方法,其中,所述CT掃描器(15)是多模態(tài)CT掃描器，所述多模態(tài)CT掃描器包括所述X射線源(42)、所述平板X射線探測(cè)器(40)以及兩個(gè)核探測(cè)器(44)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在采集所述掃描數(shù)據(jù)(16)時(shí)在大約12秒的時(shí)間段內(nèi)將所述CT機(jī)架(14)旋轉(zhuǎn)360°。
17.根據(jù)權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)所述的方法，還包括 使用所述心臟周期的每個(gè)所識(shí)別的時(shí)相的重建圖像來校正所述心臟的核圖像中的衰減。
18.—種處理器或者計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其被配置為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求10-17中任ー項(xiàng)所述的方法。
19.一種便于從在門控的慢速計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描期間采集的稀疏投影數(shù)據(jù)來重建解剖圖像的系統(tǒng)，包括 CT掃描器(15)，其執(zhí)行對(duì)在所述掃描期間處于運(yùn)動(dòng)中的感興趣體積的慢速門控CT掃描，以及在繞所述感興趣體積的360°旋轉(zhuǎn)期間與多個(gè)生理周期的時(shí)相(62，64，66)對(duì)應(yīng)的多個(gè)短弧段上收集稀疏投影數(shù)據(jù)；以及 處理器(36 )，其通過執(zhí)行稀疏數(shù)據(jù)重建算法(28 )生成所述感興趣體積的圖像(30 )，所述稀疏數(shù)據(jù)重建算法重建在所述CT掃描器的所述旋轉(zhuǎn)期間沿著所述多個(gè)短弧段采集的所述稀疏投影數(shù)據(jù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述感興趣體積是心臟，并且其中，所述生理周期是心跳。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，前瞻性地門控所述CT掃描，使得所述CT掃描器(15)只沿著所述短弧段收集數(shù)據(jù)以最小化遞送到所述感興趣體積的輻射劑量。
22.如權(quán)利要求19-21中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，以允許所述CT掃描器(15)在360°旋轉(zhuǎn)期間采集大約6-12個(gè)生理周期的速度來執(zhí)行所述CT掃描。
全文摘要
當(dāng)對(duì)諸如患者心臟中的鈣沉積的致密結(jié)構(gòu)成像時(shí)，執(zhí)行慢速掃描(例如，小于大約6rpm)CT數(shù)據(jù)采集，其中在以大約360°圍繞患者旋轉(zhuǎn)期間連續(xù)地但是稀疏地采集數(shù)據(jù)。在給定患者心率和CT機(jī)架速度的情況下，弧段被定義為等于一個(gè)心臟周期(例如，心跳)。使用心電圖信號(hào)數(shù)據(jù)來識(shí)別所采集的投影數(shù)據(jù)集，該投影數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)于在其期間心臟相對(duì)靜止的多個(gè)心臟周期時(shí)相的每一個(gè)。對(duì)所識(shí)別的稀疏投影數(shù)據(jù)集執(zhí)行稀疏重建算法以從針對(duì)所有心臟周期上的該時(shí)相采集的掃描數(shù)據(jù)生成每一心臟周期時(shí)相的圖像。
文檔編號(hào)G06T11/00GK102844793SQ201180010339
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月22日
發(fā)明者H·梁, J·耶, J·王, L·邵 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司