本申請(qǐng)根據(jù)35 U.S.C.§119(e)要求于2014年6月16日提交的序列號(hào)為62/012,445的共同未決美國臨時(shí)申請(qǐng)的的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部內(nèi)容由此通過引用被合并于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開的各方面一般地涉及醫(yī)療成像，并且更具體地講，涉及改進(jìn)的3D圖像的單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層攝影(SPECT)重構(gòu)。

背景技術(shù)：

病人體內(nèi)的新陳代謝和生化活動(dòng)的醫(yī)療成像被稱為功能成像。功能成像技術(shù)包括例如核成像，諸如正電子發(fā)射斷層攝影(PET)、單光子計(jì)算機(jī)斷層攝影(SPECT)、功能磁共振成像(fMRI)和功能計(jì)算機(jī)斷層攝影(fCT)。在M. Wernick和J. Aarsvold的"Emission tomography: the fundamentals of PET and SPECT," Elsevier Academic Press, 2004年版的第7章、第11章和第21章中給出了SPECT、PET系統(tǒng)、它們與計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)系統(tǒng)的組合以及用于發(fā)射斷層攝影的迭代圖像重構(gòu)的概述，該文獻(xiàn)的內(nèi)容通過引用被合并于此。

通常，通過使用伽馬照相機(jī)獲取多個(gè)二維(2D)投影并且隨后使用計(jì)算機(jī)執(zhí)行斷層攝影圖像重構(gòu)以獲得三維(3D)圖像，來執(zhí)行SPECT成像。例如，發(fā)射伽馬光子的放射性同位素可被引入到病人體內(nèi)，并且各種技術(shù)中的任何技術(shù)能夠被用于將放射性同位素結(jié)合到體內(nèi)感興趣的位置。病人躺在床上，并且一個(gè)或多個(gè)伽馬照相機(jī)附接到旋轉(zhuǎn)的臺(tái)架，使（一個(gè)或多個(gè)）伽馬照相機(jī)圍繞病人旋轉(zhuǎn)。通過檢測由放射性同位素發(fā)射的伽馬光子，（一個(gè)或多個(gè)）伽馬照相機(jī)的檢測器在每個(gè)定向獲取投影數(shù)據(jù)。

SPECT成像裝置通常裝備有準(zhǔn)直器，諸如平行孔、扇形束或錐形束或編碼孔隙(CA)準(zhǔn)直器。在平行孔準(zhǔn)直的情況下，點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)聚焦于小區(qū)域，以使得每個(gè)檢測器像素主要沿法線(即，垂直)方向接收來自輸入伽馬光子束的光子。在CA準(zhǔn)直的情況下，具有按照某種樣式鉆出的許多孔(孔隙)的薄屏蔽罩被平行于檢測器的表面放置。利用CA準(zhǔn)直，檢測器像素從各種位置接收通量（flux），因此來自源的不同區(qū)域的投影交疊，將復(fù)雜性引入到斷層攝影圖像重構(gòu)的任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本公開的一些實(shí)施例中，一種產(chǎn)生三維(3D)圖像的方法包括：使用一個(gè)或多個(gè)檢測器在多個(gè)視角針對(duì)病人的身體的一部分獲取投影數(shù)據(jù)，投影數(shù)據(jù)包括多個(gè)二維(2D)投影。3D圖像被初始化。對(duì)于所述多個(gè)視角之中的每個(gè)視角，使用與所述視角對(duì)應(yīng)的視角變換對(duì)3D圖像進(jìn)行變換以產(chǎn)生與所述視角對(duì)應(yīng)的初始變換圖像，并且基于至少初始變換圖像和投影數(shù)據(jù)執(zhí)行MLEM過程的多次迭代。MLEM過程被利用初始變換圖像初始化。3D圖像基于MLEM過程的輸出而被更新。

在本公開的一些實(shí)施例中，一種圖像處理的方法包括：使用與視角對(duì)應(yīng)的視角變換對(duì)第一3D圖像進(jìn)行變換以產(chǎn)生變換圖像。第二3D圖像被利用變換圖像初始化。對(duì)于多次的N次迭代中的每次迭代，其中N是大于一的整數(shù)，執(zhí)行最大似然期望最大化(MLEM)處理。迭代MLEM處理通過下述步驟來改進(jìn)第二3D圖像：對(duì)第二3D圖像進(jìn)行前向投影以產(chǎn)生數(shù)據(jù)模型；將數(shù)據(jù)模型和與所述視角對(duì)應(yīng)的二維(2D)投影數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較，以產(chǎn)生與所述視角對(duì)應(yīng)的校正因子；對(duì)與所述視角對(duì)應(yīng)的校正因子進(jìn)行后向投影并且在圖像空間中應(yīng)用正則化因子，以產(chǎn)生與所述視角和所述迭代對(duì)應(yīng)的圖像更新因子，以及使用與所述視角和所述迭代對(duì)應(yīng)的圖像更新因子更新第二3D圖像。處理流程隨后前進(jìn)至下一迭代。

在一些實(shí)施例中，一種機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)以有形方式體現(xiàn)指令的程序，所述指令可由處理器執(zhí)行以使處理器執(zhí)行上述圖像處理/圖像產(chǎn)生方法的操作。

附圖說明

根據(jù)附圖的元件，下面內(nèi)容將是顯而易見的，為了說明性目的而提供所述附圖并且所述附圖不一定符合比例。

圖1是根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的SPECT掃描器系統(tǒng)110的圖。

圖2是從側(cè)面觀察的根據(jù)一些實(shí)施例的用于過濾伽馬光子的掩模的描述。

圖3是從前面觀察的編碼孔隙板300的一個(gè)示例的描述。

圖4是根據(jù)一些實(shí)施例的斷層攝影圖像重構(gòu)過程400的流程圖。

圖5是根據(jù)一些實(shí)施例的過程的流程圖。

圖6是根據(jù)一些實(shí)施例的過程的流程圖。

具體實(shí)施方式

意圖結(jié)合附圖閱讀對(duì)示例性實(shí)施例的這種描述，附圖應(yīng)該被視為全部書面描述的一部分。

圖1是根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的SPECT掃描器系統(tǒng)110的圖。SPECT掃描器系統(tǒng)110包括臺(tái)架120，一個(gè)或多個(gè)伽馬照相機(jī)附接到臺(tái)架120。兩個(gè)伽馬照相機(jī)130a、130b(統(tǒng)稱為伽馬照相機(jī)130)被示出在圖1中，但可使用其它數(shù)量的伽馬照相機(jī)。伽馬照相機(jī)中的檢測器檢測由躺在床150上的病人145體內(nèi)的放射性同位素發(fā)射的伽馬光子140。計(jì)算機(jī)151可控制伽馬照相機(jī)的操作。病人145的身體的一部分位于伽馬照相機(jī)130之間，并且因此能夠被成像。伽馬照相機(jī)130圍繞病人的身體旋轉(zhuǎn)，如圖1中的彎曲箭頭所示。在旋轉(zhuǎn)期間在定義的點(diǎn)處獲取2D投影數(shù)據(jù)，并且2D投影數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)151的存儲(chǔ)器158中。計(jì)算機(jī)151還可包括處理器152、非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)154和顯示器156。處理器152執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)154上的指令(以下進(jìn)一步描述)，并且操縱存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器158的數(shù)據(jù)，以從所獲取的投影數(shù)據(jù)重構(gòu)3D圖像。重構(gòu)的3D圖像可被顯示在顯示器156上。

參照?qǐng)D2，在一些實(shí)施例中，具有多個(gè)孔隙(孔)的板210位于檢測器220前面并且平行于檢測器220的表面，檢測器220可以是SPECT掃描器系統(tǒng)110中的任何檢測器。板210用作過濾由點(diǎn)源200發(fā)射的輸入伽馬光子的掩模。圖2側(cè)視(即，從側(cè)面)示出板210和檢測器220。圖3是從前面觀察的編碼孔隙板300的一個(gè)示例的描述。3D物體能夠被視為在垂直于檢測器的方向上的一系列圖像切片。當(dāng)執(zhí)行投影時(shí)，每個(gè)切片與深度相關(guān)編碼孔隙矩陣關(guān)聯(lián)。深度在圖2中被表示為z，并且能夠通過調(diào)整檢測器220的位置而被改變。最終投影是所有切片投影的總和，即針對(duì)每個(gè)深度的投影的總和。通過合適地調(diào)整(例如，旋轉(zhuǎn)和/或平移)附接到臺(tái)架120的（一個(gè)或多個(gè)）伽馬照相機(jī)130，可實(shí)現(xiàn)不同視角。

在圖像重構(gòu)中，物體空間（object space）和數(shù)據(jù)空間通過系統(tǒng)矩陣而彼此相關(guān)。因此，對(duì)于任何投影操作，人們能夠使用合適的系統(tǒng)矩陣和它的轉(zhuǎn)置在物體空間和數(shù)據(jù)空間之間變換物體。通常，前向投影是將合適的系統(tǒng)矩陣應(yīng)用于物體空間中的物體。前向投影的結(jié)果是數(shù)據(jù)空間中的“投影的物體”。作為示例，在核成像中，前向投影是將功能活動(dòng)密度變換成預(yù)測的檢測事件的總數(shù)據(jù)模型的線性操作。對(duì)應(yīng)于前向投影，從數(shù)據(jù)空間到物體空間的后向投影能夠被描述為合適的系統(tǒng)矩陣的轉(zhuǎn)置的應(yīng)用。

在一些實(shí)施例中，使用（一個(gè)或多個(gè)）檢測器130在多個(gè)視角(例如，M個(gè)視角)針對(duì)病人145的身體的一部分獲取投影數(shù)據(jù)。每個(gè)視角對(duì)應(yīng)于連接到臺(tái)架120的檢測器的特定旋轉(zhuǎn)和/或平移。投影數(shù)據(jù)包括多個(gè)2D投影。

圖4是根據(jù)一些實(shí)施例的斷層攝影圖像重構(gòu)過程400的流程圖。在塊410，3D圖像(表示為I)被初始化。在一些實(shí)施例中，I基于定義病人的身體的邊界的3D圖像掩模而被初始化。例如，可基于3D CT成像來獲得圖像掩模?？稍谖挥趫D像掩模內(nèi)的I的每個(gè)體素處分派單個(gè)值(例如，值1)。選擇M個(gè)視角之中的第一視角。使用與第一視角對(duì)應(yīng)的視角變換對(duì)圖像I進(jìn)行變換以產(chǎn)生與第一視角對(duì)應(yīng)的初始變換圖像，例如如下：

J_v⁰ = T_vI (1)

在方程(1)中，J_v⁰是初始變換圖像，并且T_v是與第一視角對(duì)應(yīng)的視角變換。因?yàn)轫?xiàng)J_v⁰和T_v的下標(biāo)v表示視角索引，并且因?yàn)榈谝灰暯且驯贿x擇，所以v在這個(gè)階段等于1。

執(zhí)行最大似然期望最大化(MLEM)過程430的多次迭代(例如，N次迭代)。在例如L. A. Shepp and Y. Vardi, "Maximum Likelihood Reconstruction for Emission Tomography," IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 1, pp. 113-122 (1982)描述了MLEM，該文獻(xiàn)的全部內(nèi)容由此通過引用合并于此。在MLEM過程430內(nèi)， 3D圖像J被利用初始變換圖像初始化(塊432)，即：

J = J_v⁰ (2)

在圖4中示出的MLEM循環(huán)的N次迭代中的第一迭代，J被前向投影(塊434)以產(chǎn)生與當(dāng)前視角(即，v=1)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。這個(gè)前向投影可被如下表示：

q_v = H_vJ (3)

在方程(3)中，q_v代表與當(dāng)前視角對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，并且H_v是與當(dāng)前視角對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)矩陣。

在塊436，與當(dāng)前視角(即，v=1)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型和與當(dāng)前視角對(duì)應(yīng)的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以產(chǎn)生與當(dāng)前視角對(duì)應(yīng)的校正因子。例如，通過如下那樣計(jì)算數(shù)據(jù)模型和投影數(shù)據(jù)之比，這個(gè)比較可在逐像素基礎(chǔ)上發(fā)生在數(shù)據(jù)空間中：

r_v = p_v/q_v (4)

在方程(4)中，p_v代表與當(dāng)前視角對(duì)應(yīng)的投影數(shù)據(jù)，并且r_v代表與當(dāng)前視角對(duì)應(yīng)的校正因子。

在塊438，針對(duì)當(dāng)前視角的校正因子被后向投影到3D圖像空間，并且執(zhí)行正則化，以便產(chǎn)生與所述視角和所述迭代對(duì)應(yīng)的圖像更新因子，例如如下：

F_v = H_v^Tr_v/N_v (5)

在方程(5)中，F(xiàn)_v是圖像更新因子，H_V^T是H_v的轉(zhuǎn)置，并且N_v是正則化因子(例如，取決于當(dāng)前視角的常數(shù))。為了方便，在符號(hào)F_v中不表示與迭代的關(guān)系。

然后，處理流程前進(jìn)至塊432，在塊432，在每個(gè)體素基礎(chǔ)上使用與當(dāng)前視角和當(dāng)前迭代對(duì)應(yīng)的圖像更新因子更新圖像J，例如如下：

J^new = F_vJ (6)

然后，處理流程前進(jìn)至MLEM循環(huán)430的下一迭代。以這種方式，執(zhí)行MLEM循環(huán)430的N次迭代以改進(jìn)圖像J。

在MLEM循環(huán)430的N次迭代之后，產(chǎn)生針對(duì)當(dāng)前視角的最終圖像更新因子，例如如下：

F_final_v = J^new/J_v⁰ (7)

換句話說，針對(duì)每個(gè)視角的最終圖像更新因子可在每個(gè)體素基礎(chǔ)上被計(jì)算為圖像J的最終版本(即，在MLEM過程430的N次迭代之后)與J的初始版本之比。

然后，選擇下一個(gè)視角，并且流程前進(jìn)至塊420。以這種方式，針對(duì)M個(gè)視角之中的每個(gè)視角執(zhí)行如上所述的類似處理。在針對(duì)第M視角執(zhí)行塊440之后，組合與所有視角對(duì)應(yīng)的最終圖像更新因子，例如如下：

F_all = (∑_vT^T_vF_final_v)/N_all (8)

在方程(8)中，N_all是用作正則化因子的常數(shù)。這是正則化的一個(gè)可能的實(shí)現(xiàn)方式，并且也可使用用于正則化的其它技術(shù)。

流程前進(jìn)至塊410，在塊410，在逐體素基礎(chǔ)上更新圖像I，例如如下：

I^new = F_allI (9)

因此，通過圖4中的最外面的循環(huán)來改進(jìn)圖像I，并且通過這個(gè)最外面的循環(huán)的附加的迭代(例如，在一些實(shí)施例中，50-200次迭代)來實(shí)現(xiàn)I的附加改進(jìn)。這個(gè)最外面的循環(huán)本身是MLEM的實(shí)現(xiàn)方式。因此，重構(gòu)過程400包括外MLEM循環(huán)和內(nèi)MLEM循環(huán)。對(duì)于每個(gè)視角，執(zhí)行內(nèi)MLEM循環(huán)430的N次迭代。傳統(tǒng)重構(gòu)方案針對(duì)給定視角僅執(zhí)行MLEM一次，并且不像本公開的各種實(shí)施例中一樣在對(duì)結(jié)果求和之前多次(N次)執(zhí)行單視角MLEM。此外，傳統(tǒng)重構(gòu)方案不使用外MLEM循環(huán)和內(nèi)MLEM循環(huán)的組合。在各種實(shí)施例中，例如，由于針對(duì)每個(gè)視角反復(fù)地執(zhí)行MLEM的圖4的內(nèi)循環(huán)430，與現(xiàn)有重構(gòu)技術(shù)相比，深度信息被更充分地利用。特別地，通過使用在編碼孔隙情況下可用的編碼和解碼方案，在各種實(shí)施例中，與平行孔準(zhǔn)直器相比，更多深度信息被利用 (即，人們能夠獲得和使用在不同深度的不同圖像切片)。

圖5是根據(jù)一些實(shí)施例的過程500的流程圖。過程500包括：使用一個(gè)或多個(gè)檢測器在多個(gè)視角針對(duì)病人的身體的一部分獲取(塊510)投影數(shù)據(jù)，投影數(shù)據(jù)包括多個(gè)二維(2D)投影。3D圖像被初始化(塊520)。在塊530，對(duì)于所述多個(gè)視角之中的每個(gè)視角，使用與所述視角對(duì)應(yīng)的視角變換對(duì)3D圖像進(jìn)行變換以產(chǎn)生與所述視角對(duì)應(yīng)的初始變換圖像，并且基于至少初始變換圖像和投影數(shù)據(jù)執(zhí)行MLEM過程的多次迭代。MLEM過程被利用初始變換圖像初始化。3D圖像基于MLEM過程的輸出而被更新(塊540)。

圖6是根據(jù)一些實(shí)施例的過程600的流程圖。過程600包括：使用與視角對(duì)應(yīng)的視角變換對(duì)第一3D圖像進(jìn)行變換(塊610)以產(chǎn)生變換圖像。第二3D圖像被利用變換圖像初始化(塊620)。對(duì)于多次N次迭代中的每次迭代，其中N是大于一的整數(shù)，執(zhí)行最大似然期望最大化(MLEM)處理。迭代實(shí)現(xiàn)方式被利用塊630(初始化計(jì)數(shù)器)和640(測試循環(huán)條件)示出在圖6中，但也可使用其它實(shí)現(xiàn)方式。迭代MLEM處理通過下述步驟來改進(jìn)第二3D圖像：對(duì)第二3D圖像進(jìn)行前向投影以產(chǎn)生數(shù)據(jù)模型(塊650)；將數(shù)據(jù)模型和與所述視角對(duì)應(yīng)的二維(2D)投影數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較，以產(chǎn)生與所述視角對(duì)應(yīng)的校正因子(塊660)；對(duì)與所述視角對(duì)應(yīng)的校正因子進(jìn)行后向投影并且在圖像空間中應(yīng)用正則化因子，以產(chǎn)生與所述視角和所述迭代對(duì)應(yīng)的圖像更新因子(塊670)；以及使用與所述視角和所述迭代對(duì)應(yīng)的圖像更新因子更新第二3D圖像(塊680)。處理流程隨后前進(jìn)至下一迭代，如圖6中所示。

在一些實(shí)施例中，存儲(chǔ)介質(zhì)154以有形方式體現(xiàn)指令的程序，所述指令可由處理器152執(zhí)行以使處理器152執(zhí)行過程500和600中的操作以及這里描述的各種其它處理。

熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)該理解，這里描述的技術(shù)可被實(shí)現(xiàn)在硬件、固件或在非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上編碼的軟件(例如，可由處理器執(zhí)行的指令)中。

設(shè)備和過程不限于這里描述的特定實(shí)施例。另外，每個(gè)設(shè)備的部件和每個(gè)過程能夠被獨(dú)立地并且與這里描述的其它部件和過程分開地實(shí)施。

提供前面對(duì)實(shí)施例的描述以使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍竟_。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，對(duì)這些實(shí)施例的各種修改將會(huì)容易地是顯而易見的，并且這里定義的一般原理可在不使用發(fā)明能力的情況下被應(yīng)用于其它實(shí)施例。本公開并不意圖局限于這里示出的實(shí)施例，而是應(yīng)該被給予與這里公開的原理和新穎特征一致的最寬范圍。