用于灌注研究的检查装置.pdf

本发明涉及一种用于患者(1)中的灌注研究的检查装置和方法。根据该方法，旋转式X射线装置(10)在闭合的、优选非平面的轨道(T)上移动，同时在用注射装置(20)注射造影剂之后连续生成患者(1)的投影。数据处理系统(30)在滑动窗口技术中使用投影以重建身体体积的三维图像。3D图像的结果序列可以显示在监视器(31)上以呈现期望的关于灌注过程的信息。

1.  用于研究身体体积中的动态过程的检查装置，包括适于执行以下步骤的X射线装置(10)和数据处理系统(30)：
a)在给定的持续时间(D)期间沿着轨道(T)生成身体体积的X射线投影系列(Λ)；
b)重建身体体积的3D图像序列，其中每个3D图像基于来自所述系列(Λ)的投影子集(Λ_i)，其中子集属于在所述持续时间(D)内的时间窗，以及其中所述时间窗重叠。

2.  根据权利要求1所述的检查装置，其特征在于，它包括用于造影剂的受控注射的注射装置(20)。

3.  根据权利要求1所述的检查装置，其特征在于，X射线装置(10)包括X射线源(11)和探测器(13)，它们彼此刚性地连接并且可以在球或其一部分上移动。

4.  根据权利要求1所述的检查装置，其特征在于，轨道(T)是闭合的。

5.  根据权利要求1所述的检查装置，其特征在于，轨道(T)是非平面的，并且优选地通过在方位方向(θ)和极方向()上的独立振荡而产生。

6.  根据权利要求1所述的检查装置，其特征在于，投影子集(Λ_i)包括正好足够用于精确重建法的投影。

7.  根据权利要求1所述的检查装置，其特征在于，子集(Λ_i)的投影用于具有加权的重建法，所述加权对应于它们到参考时间点(t_i)的时间距离。

8.  根据权利要求1所述的检查装置，其特征在于，用于属于连续子集(Λ_i)的两个轨道段的冗余补偿函数的差被用于更新相应的3D图像。

9.  一种用于研究身体体积中的动态过程的方法，包括以下步骤：
a)在给定的持续时间(D)期间沿着轨道(T)生成身体体积的X射线投影系列(Λ)；
b)重建身体体积的3D图像序列，其中每个3D图像基于来自所述系列(Λ)的投影子集(Λ_i)，其中子集属于在所述持续时间(D)内的时间窗，以及其中所述时间窗重叠。

10.  一种记录载体，用于研究身体体积中的动态过程的计算机程序被存储在其上，所述程序适于执行根据权利要求9所述的方法。

用于灌注研究的检查装置
技术领域
本发明涉及一种用于研究身体体积中的动态过程、特别是灌注的检查装置和方法，以及一种具有用于执行所述方法的软件的记录载体。
背景技术
研究患者的身体体积中的灌注过程是诊断心血管疾病所必需的。这样的灌注研究典型地包括通过导管或静脉来注射造影剂团并且生成显示所述团在血管系统和外围组织中的扩散的X射线投影序列。然而，在象脑血管树这样的复杂血管树中，可能难以基于在血管组(angio-suite)中采集的二维投影来判断所观察的过程。这尤其适用于脑灌注，其中仔细的诊断需要具有极好对比度分辨率的三维断层摄影图像。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于更通用地研究在复杂血管系统和外围组织中的动态过程、特别是灌注的手段。
该目的由根据权利要求1的检查装置、根据权利要求9的方法、以及根据权利要求10的记录载体来实现。在从属权利要求中公开了优选的实施例。
根据本发明的检查装置可以用于研究身体体积中的动态过程。将作为以下描述的中心的非常重要的(但不是限定性的)例子是研究患者的血管系统中的灌注。检查装置包括带有X射线源和X射线探测器的X射线装置和数据处理系统(计算机)，所述X射线装置可以相对于对象移动，所述数据处理系统被连接到X射线装置以便控制它和评价生成的图像数据。该检查装置适于执行以下步骤：
a)在给定的持续时间期间沿着轨道生成身体体积的X射线投影系列，所述生成在数据处理系统的控制下通过X射线装置实现。“沿着轨道的投影系列”是指身体体积的某个点用其映射的投影方向与所述点和轨道二者交叉。如果X射线源沿着所述轨道移动同时朝着身体体积发出X射线，那么可以实现这样的投影。
b)重建身体体积的三维(3D)图像的时间序列，其中每个3D图像的重建基于来自在前述持续时间内的连通时间窗期间生成的所述X射线投影系列的投影子集。此外，时间窗被选择成使得它们重叠，或者更准确地说，对于每个时间窗存在部分地与它重叠的至少另一个时间窗。时间窗例如可以具有相同的大小，并且可以相对于彼此移动所述大小的小百分比。
检查装置允许研究复杂空间环境(例如患者的脑)中象灌注这样的动态过程，因为所述过程在三维图像中被可视化。由于应用X射线装置的轨道以允许装置连续移动和为三维(精确)重建法采集足够的不同投影，因此这种3D图像的重建是可能的。而且，重叠时间窗中投影系列的评价提供了观察潜在过程所需的和最佳利用可用数据的高时间分辨率。在重叠时间窗中评价动态过程的图像系列在文献(d′Arcy JA；Collins DJ；Rowland IJ；Padhani AR；Leach MO：“Applications ofsliding window reconstruction with cartesian sampling for dynamiccontrast enhanced MRI”，NMR in Biomedicine，vol.15，no.2，pp.174-183，April 2002)中被称为“滑动窗口法”。
检查装置可以进一步包括用于造影剂受控注射到患者的血管系统中的注射装置。注射装置可以适于由医务人员手动控制。可选择地，所述注射装置可以被连接到数据处理系统并由其控制。受控注射的使用使检查装置适合于患者中的灌注研究。
X射线装置优选地包括X射线源和探测器，它们例如通过C形臂彼此刚性地连接，并且可以在球表面或这种表面的一部分上共同移动。在该情况下可以从不同的方向产生位于所述球的中心的身体体积的投影，因而提供精确三维重建法所必需的数据。
根据本发明的另一优选实施例，轨道是闭合的。在该情况下，X射线装置可以重复地沿着轨道移动，同时在不同的时间从相同或类似的方向生成投影。
轨道可以是平面的，例如是X射线装置沿着其连续地来回扫描的弧。轨道也可以是非平面的，并且优选是允许应用精确重建算法的形式。特别地可以通过在方位和极方向上振荡的叠加来产生非平面轨道。
属于某个时间窗并且用于重建3D图像的每个投影子集优选地正好其大小使得精确重建法的应用是可能的。于是可以实现具有高对比度和精度的3D图像，同时对这种保证的最小子集的限制是3D图像与在对应于时间窗的时间点的情形良好地相关。
尽管用于生成3D图像的精确重建法由于其更高的精度而是优选的，但是当然也可以使用近似方法。而且，可以通过本领域技术人员已知的直接反演(inversion)法或迭代重建法来实现3D图像的重建。
用于重建某个3D图像的子集或时间窗内的投影源自不同的时间点，所以表示在动态过程的不同状态中所观察的身体体积。如果时间窗与动态过程的时标相比较小，则在时间窗期间过程的变化可以被忽略，并且从时间窗重建的3D图像可以与某个参考时间点、例如时间窗的中点相关联。根据本发明的进一步发展，子集的投影被应用于具有加权因子的重建，所述加权因子对应于它们到所述参考时间点的时间距离。在时间上接近参考时间点的投影然后在重建中被给予比远离所述参考时间点的投影更高的加权，因为后者可以在相对于参考时间点显著变化的状态中显示动态过程。
用于3D图像的重建法可以利用冗余补偿函数。在该情况下，用于属于连续子集的两个轨道段的这种冗余补偿函数的差优选地用于更新相应的3D图像。
本发明进一步包括一种用于研究身体体积中的动态过程的方法，该方法包括以下步骤：
a)在给定持续时间期间沿着(平面或优选非平面)轨道生成身体体积的X射线投影系列。
b)重建身体体积的3D图像的时间序列，其中每个3D图像基于来自所述系列的投影的子集，该子集属于在所述持续时间内的时间窗，以及其中所述时间窗重叠。
所述方法在通常形式上包括可以用上述类型的检查装置执行的步骤。所以，参考前面的描述以获得关于所述方法的细节、优点和改进的更多信息。
此外，本发明包括一种记录载体，例如软盘、硬盘、或光盘(CD)，用于研究身体体积中的动态过程的计算机程序被存储在其上，所述程序适于执行前述方法。
根据在下文中描述的一个(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并将参考所述实施例对其进行阐明。
附图说明
在下面借助于附图通过例子来描述本发明，其中：
图1是根据本发明的检查装置的图示；
图2在透视图中和在三个正交投影中示出示例性的闭合的、非平面轨道；
图3示出用于3D重建的投影子集的时间重叠。
具体实施方式
图1是根据本发明的检查装置的基本简图，该检查装置可以用于患者1中的灌注研究。所述装置包括旋转式X射线装置10，该X射线装置在所示的例子中是带有通过C形臂12刚性连接的X射线源11和X射线探测器13的常规系统。X射线装置可以围绕空间中的一点旋转，以使X射线源11和探测器13在球表面(或其至少一部分)上移动并且总是彼此直径地面对。因而身体体积(例如患者1的脑或心脏)在球的中心中的投影可以从不同方向生成。
图2分别在透视和投影中示出在X射线装置10的典型移动期间X射线源11和探测器13可以遵循的典型的闭合的、非平面轨道T。整个轨道T位于具有中心C的球(未示出)表面中。轨道T的每个点可以在球面坐标(用中心C作为原点)中由极角和方位角θ描述。在X射线装置10在轨道T上移动期间所述角的时间进程主要被显示在图3的上两个图中。如果在θ的振荡幅度为零，则导致对应于圆弧(在180°加上射束的扇角上延伸)的平面轨道，X射线装置10沿着所述轨道重复地来回扫描。
可以在文章“Complete Source Trajectories for C-Arm Systems anda Method for Coping with Truncated Cone-Beam Projections”(H.Schomberg in：3D-2001-The Sixth International Meeting on FullyThree-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and NuclearMedicine，pp.221-224)中找到闭合的、非平面的合适轨道的其他例子，所述文章被结合到本申请中以作参考。
图1进一步示出数据处理系统30，该数据处理系统包括监视器31和象键盘33这样的输入设备所连接的计算机32。计算机32进一步被连接到X射线装置10以便控制曝光和评价生成的投影。计算机32包括象中央处理单元、存储器、I/O接口等这样的典型部件以及适当的软件，以便完成在下面更详细描述的功能。计算机32可以特别地从由X射线装置10从不同方向生成的投影来重建患者1的靶区的3D图像。这些3D图像然后可以为了用户而被显示在监视器31上。
而且，图1描绘了注射装置20，通过该注射装置，例如可以以受控的方式将造影剂注射到患者1的血管系统中。典型地，注射系统包括带有造影剂的电机驱动注射器、以及从注射器延伸到患者身体中并且在血管系统的感兴趣区域终止的导管。注射装置20可以被手动地控制或连接到计算机32，以使它可以由计算机控制和/或它可以将关于其功能的数据传送到计算机。
为了研究患者1的血管系统中象灌注这样的动态过程，将以一种方式使用所述的检查装置，该方式通过利用与滑动窗口重建原理相结合的用于平面或非平面源轨道的精确重建法来产生时间分辨率足够的3D体积信息。建议使用闭合的、非平面的采集轨道T，与用于灌注成像的图2中的情形类似。在发生灌注过程的时段[0，D]通过使用连续系统移动多次覆盖闭合轨道T来采集锥束投影数据。投影采集的采样在时间上可以是恒定的或可变的。在最大系统速度下进行采集以保证高的时间分辨率。
多次覆盖轨道T的生成投影的全系列在图3中由Λ标记(其中每个点表示一个投影)。它可以被再分成重叠子集Λ_i，每个重叠子集对应于某个时间窗，并且优选地大得足以允许感兴趣体积的精确重建。这些子集/时间窗被选择成在时域中具有相等或可变的间隔。
以正确的方式考虑了3D拉东(Radon)数据的冗余，精确重建法，例如由Defrise和Clack(M.Defrise，R.Clack：“A cone-beamreconstruction algorithm using shift-invariant filtering and cone-beamback projection”，IEEE Trans.Med.Img.，vol.13，no.1，pp.186-195，March 1994)描述的方法应用于系列Λ的每个子集Λ_i。如果例如X射线源的轨道由参数λ表示，用于投影采集的每个源位置可以由矢量ζ(λ)描述。从这样的源位置测量的拉东平面然后由其法向矢量ξ表征，即位于所述平面中的所有矢量×满足(x-ζ(λ))·ξ＝0。若ρ＝ζ(λ)·ξ，拉东值在Rf(ρξ，λ)生成，其中Rf是函数f的拉东变换。一个拉东值可以由多于一个的源位置λ生成。由于精确重建需要完整采样拉东空间和正确处理冗余，因此冗余补偿函数被引入到根据下式的背投影公式中：
M i ( ξ , λ ) = 1 n i ( ξ , λ ) , - - - ( 1 ) ]]>
其中n_i(ξ，λ)是指特定拉东值可以由投影集Λ_i提供若干次。因为实际的原因，允许离散地执行M_i(ξ，λ)的可微分和归一化形式被用于背投影表达式中。
现在可以由适当的冗余补偿函数M_i(ξ，λ)从可用投影的完整系列Λ(多个被覆盖轨道)中选择使得能够精确重建感兴趣体积的子集Λ_i(以参考时间点t_i为中心)。对于最佳的计算性能，两个轨道间隔的冗余补偿函数的差可以用于更新重建体积，该重建体积相对于来自Λ_i的体积结果而源自轨道部分Λ_i+1。使用该采集方法，相同体积以时间分辨率Δt_i在多个时间步t_i的精确重建是可行的。
也可以使用任何其他合适的精确或适当重建法，其能够处理沿着非平面轨道采集的投影数据和提供极好的对比分辨率。除了直接反演方案之外，也可以应用迭代重建法。
可以使用变化时间选通函数来提高时间分辨率，该函数对靠近参考时间点t_i的投影的加权比远离的那些大。该滑动窗口3D重建的结果可以用作靶结构的3D灌注分析的输入。
最后指出，在本申请中术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个，以及单个处理器或其他单元可以完成若干装置的功能。而且，在权利要求书中的附图标记不应当被理解为限制它们的范围。