專利名稱：用于灌注研究的檢查裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于研究身體體積中的動態(tài)過程、特別是灌注的檢查裝置和方法，以及一種具有用于執(zhí)行所述方法的軟件的記錄載體。
背景技術(shù)：
研究患者的身體體積中的灌注過程是診斷心血管疾病所必需的。這樣的灌注研究典型地包括通過導(dǎo)管或靜脈來注射造影劑團并且生成顯示所述團在血管系統(tǒng)和外圍組織中的擴散的X射線投影序列。然而，在象腦血管樹這樣的復(fù)雜血管樹中，可能難以基于在血管組(angio-suite)中采集的二維投影來判斷所觀察的過程。這尤其適用于腦灌注，其中仔細的診斷需要具有極好對比度分辨率的三維斷層攝影圖像。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于更通用地研究在復(fù)雜血管系統(tǒng)和外圍組織中的動態(tài)過程、特別是灌注的手段。
該目的由根據(jù)權(quán)利要求1的檢查裝置、根據(jù)權(quán)利要求9的方法、以及根據(jù)權(quán)利要求10的記錄載體來實現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中公開了優(yōu)選的實施例。
根據(jù)本發(fā)明的檢查裝置可以用于研究身體體積中的動態(tài)過程。將作為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統(tǒng)中的灌注。檢查裝置包括帶有X射線源和X射線探測器的X射線裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(計算機)，所述X射線裝置可以相對于對象移動，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)被連接到X射線裝置以便控制它和評價生成的圖像數(shù)據(jù)。該檢查裝置適于執(zhí)行以下步驟a)在給定的持續(xù)時間期間沿著軌道生成身體體積的X射線投影系列，所述生成在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的控制下通過X射線裝置實現(xiàn)?！把刂壍赖耐队跋盗小笔侵干眢w體積的某個點用其映射的投影方向與所述點和軌道二者交叉。如果X射線源沿著所述軌道移動同時朝著身體體積發(fā)出X射線，那么可以實現(xiàn)這樣的投影。
b)重建身體體積的三維(3D)圖像的時間序列，其中每個3D圖像的重建基于來自在前述持續(xù)時間內(nèi)的連通時間窗期間生成的所述X射線投影系列的投影子集。此外，時間窗被選擇成使得它們重疊，或者更準確地說，對于每個時間窗存在部分地與它重疊的至少另一個時間窗。時間窗例如可以具有相同的大小，并且可以相對于彼此移動所述大小的小百分比。
檢查裝置允許研究復(fù)雜空間環(huán)境(例如患者的腦)中象灌注這樣的動態(tài)過程，因為所述過程在三維圖像中被可視化。由于應(yīng)用X射線裝置的軌道以允許裝置連續(xù)移動和為三維(精確)重建法采集足夠的不同投影，因此這種3D圖像的重建是可能的。而且，重疊時間窗中投影系列的評價提供了觀察潛在過程所需的和最佳利用可用數(shù)據(jù)的高時間分辨率。在重疊時間窗中評價動態(tài)過程的圖像系列在文獻(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)中被稱為“滑動窗口法”。
檢查裝置可以進一步包括用于造影劑受控注射到患者的血管系統(tǒng)中的注射裝置。注射裝置可以適于由醫(yī)務(wù)人員手動控制?？蛇x擇地，所述注射裝置可以被連接到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并由其控制。受控注射的使用使檢查裝置適合于患者中的灌注研究。
X射線裝置優(yōu)選地包括X射線源和探測器，它們例如通過C形臂彼此剛性地連接，并且可以在球表面或這種表面的一部分上共同移動。在該情況下可以從不同的方向產(chǎn)生位于所述球的中心的身體體積的投影，因而提供精確三維重建法所必需的數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，軌道是閉合的。在該情況下，X射線裝置可以重復(fù)地沿著軌道移動，同時在不同的時間從相同或類似的方向生成投影。
軌道可以是平面的，例如是X射線裝置沿著其連續(xù)地來回掃描的弧。軌道也可以是非平面的，并且優(yōu)選是允許應(yīng)用精確重建算法的形式。特別地可以通過在方位和極方向上振蕩的疊加來產(chǎn)生非平面軌道。
屬于某個時間窗并且用于重建3D圖像的每個投影子集優(yōu)選地正好其大小使得精確重建法的應(yīng)用是可能的。于是可以實現(xiàn)具有高對比度和精度的3D圖像，同時對這種保證的最小子集的限制是3D圖像與在對應(yīng)于時間窗的時間點的情形良好地相關(guān)。
盡管用于生成3D圖像的精確重建法由于其更高的精度而是優(yōu)選的，但是當然也可以使用近似方法。而且，可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的直接反演(inversion)法或迭代重建法來實現(xiàn)3D圖像的重建。
用于重建某個3D圖像的子集或時間窗內(nèi)的投影源自不同的時間點，所以表示在動態(tài)過程的不同狀態(tài)中所觀察的身體體積。如果時間窗與動態(tài)過程的時標相比較小，則在時間窗期間過程的變化可以被忽略，并且從時間窗重建的3D圖像可以與某個參考時間點、例如時間窗的中點相關(guān)聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明的進一步發(fā)展，子集的投影被應(yīng)用于具有加權(quán)因子的重建，所述加權(quán)因子對應(yīng)于它們到所述參考時間點的時間距離。在時間上接近參考時間點的投影然后在重建中被給予比遠離所述參考時間點的投影更高的加權(quán)，因為后者可以在相對于參考時間點顯著變化的狀態(tài)中顯示動態(tài)過程。
用于3D圖像的重建法可以利用冗余補償函數(shù)。在該情況下，用于屬于連續(xù)子集的兩個軌道段的這種冗余補償函數(shù)的差優(yōu)選地用于更新相應(yīng)的3D圖像。
本發(fā)明進一步包括一種用于研究身體體積中的動態(tài)過程的方法，該方法包括以下步驟a)在給定持續(xù)時間期間沿著(平面或優(yōu)選非平面)軌道生成身體體積的X射線投影系列。
b)重建身體體積的3D圖像的時間序列，其中每個3D圖像基于來自所述系列的投影的子集，該子集屬于在所述持續(xù)時間內(nèi)的時間窗，以及其中所述時間窗重疊。
所述方法在通常形式上包括可以用上述類型的檢查裝置執(zhí)行的步驟。所以，參考前面的描述以獲得關(guān)于所述方法的細節(jié)、優(yōu)點和改進的更多信息。
此外，本發(fā)明包括一種記錄載體，例如軟盤、硬盤、或光盤(CD)，用于研究身體體積中的動態(tài)過程的計算機程序被存儲在其上，所述程序適于執(zhí)行前述方法。
根據(jù)在下文中描述的一個(多個)實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將是顯而易見的，并將參考所述實施例對其進行闡明。


在下面借助于附圖通過例子來描述本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的檢查裝置的圖示；圖2在透視圖中和在三個正交投影中示出示例性的閉合的、非平面軌道；圖3示出用于3D重建的投影子集的時間重疊。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的檢查裝置的基本簡圖，該檢查裝置可以用于患者1中的灌注研究。所述裝置包括旋轉(zhuǎn)式X射線裝置10，該X射線裝置在所示的例子中是帶有通過C形臂12剛性連接的X射線源11和X射線探測器13的常規(guī)系統(tǒng)。X射線裝置可以圍繞空間中的一點旋轉(zhuǎn)，以使X射線源11和探測器13在球表面(或其至少一部分)上移動并且總是彼此直徑地面對。因而身體體積(例如患者1的腦或心臟)在球的中心中的投影可以從不同方向生成。
圖2分別在透視和投影中示出在X射線裝置10的典型移動期間X射線源11和探測器13可以遵循的典型的閉合的、非平面軌道T。整個軌道T位于具有中心C的球(未示出)表面中。軌道T的每個點可以在球面坐標(用中心C作為原點)中由極角和方位角θ描述。在X射線裝置10在軌道T上移動期間所述角的時間進程主要被顯示在圖3的上兩個圖中。如果在θ的振蕩幅度為零，則導(dǎo)致對應(yīng)于圓弧(在180°加上射束的扇角上延伸)的平面軌道，X射線裝置10沿著所述軌道重復(fù)地來回掃描。
可以在文章“Complete Source Trajectories for C-Arm Systems anda Method for Coping with Truncated Cone-Beam Projections”(H.Schomberg in3D-2001-The Sixth International Meeting on FullyThree-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and NuclearMedicine，pp.221-224)中找到閉合的、非平面的合適軌道的其他例子，所述文章被結(jié)合到本申請中以作參考。
圖1進一步示出數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)30，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括監(jiān)視器31和象鍵盤33這樣的輸入設(shè)備所連接的計算機32。計算機32進一步被連接到X射線裝置10以便控制曝光和評價生成的投影。計算機32包括象中央處理單元、存儲器、I/O接口等這樣的典型部件以及適當?shù)能浖?，以便完成在下面更詳細描述的功能。計算機32可以特別地從由X射線裝置10從不同方向生成的投影來重建患者1的靶區(qū)的3D圖像。這些3D圖像然后可以為了用戶而被顯示在監(jiān)視器31上。
而且，圖1描繪了注射裝置20，通過該注射裝置，例如可以以受控的方式將造影劑注射到患者1的血管系統(tǒng)中。典型地，注射系統(tǒng)包括帶有造影劑的電機驅(qū)動注射器、以及從注射器延伸到患者身體中并且在血管系統(tǒng)的感興趣區(qū)域終止的導(dǎo)管。注射裝置20可以被手動地控制或連接到計算機32，以使它可以由計算機控制和/或它可以將關(guān)于其功能的數(shù)據(jù)傳送到計算機。
為了研究患者1的血管系統(tǒng)中象灌注這樣的動態(tài)過程，將以一種方式使用所述的檢查裝置，該方式通過利用與滑動窗口重建原理相結(jié)合的用于平面或非平面源軌道的精確重建法來產(chǎn)生時間分辨率足夠的3D體積信息。建議使用閉合的、非平面的采集軌道T，與用于灌注成像的圖2中的情形類似。在發(fā)生灌注過程的時段
通過使用連續(xù)系統(tǒng)移動多次覆蓋閉合軌道T來采集錐束投影數(shù)據(jù)。投影采集的采樣在時間上可以是恒定的或可變的。在最大系統(tǒng)速度下進行采集以保證高的時間分辨率。
多次覆蓋軌道T的生成投影的全系列在圖3中由Λ標記(其中每個點表示一個投影)。它可以被再分成重疊子集Λi，每個重疊子集對應(yīng)于某個時間窗，并且優(yōu)選地大得足以允許感興趣體積的精確重建。這些子集/時間窗被選擇成在時域中具有相等或可變的間隔。
以正確的方式考慮了3D拉東(Radon)數(shù)據(jù)的冗余，精確重建法，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)描述的方法應(yīng)用于系列Λ的每個子集Λi。如果例如X射線源的軌道由參數(shù)λ表示，用于投影采集的每個源位置可以由矢量ζ(λ)描述。從這樣的源位置測量的拉東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×滿足(x-ζ(λ))·ξ＝0。若ρ＝ζ(λ)·ξ，拉東值在Rf(ρξ，λ)生成，其中Rf是函數(shù)f的拉東變換。一個拉東值可以由多于一個的源位置λ生成。由于精確重建需要完整采樣拉東空間和正確處理冗余，因此冗余補償函數(shù)被引入到根據(jù)下式的背投影公式中Mi(ξ,λ)=1ni(ξ,λ),---(1)]]>其中ni(ξ，λ)是指特定拉東值可以由投影集Λi提供若干次。因為實際的原因，允許離散地執(zhí)行Mi(ξ，λ)的可微分和歸一化形式被用于背投影表達式中。
現(xiàn)在可以由適當?shù)娜哂嘌a償函數(shù)Mi(ξ，λ)從可用投影的完整系列Λ(多個被覆蓋軌道)中選擇使得能夠精確重建感興趣體積的子集Λi(以參考時間點ti為中心)。對于最佳的計算性能，兩個軌道間隔的冗余補償函數(shù)的差可以用于更新重建體積，該重建體積相對于來自Λi的體積結(jié)果而源自軌道部分Λi+1。使用該采集方法，相同體積以時間分辨率Δti在多個時間步ti的精確重建是可行的。
也可以使用任何其他合適的精確或適當重建法，其能夠處理沿著非平面軌道采集的投影數(shù)據(jù)和提供極好的對比分辨率。除了直接反演方案之外，也可以應(yīng)用迭代重建法。
可以使用變化時間選通函數(shù)來提高時間分辨率，該函數(shù)對靠近參考時間點ti的投影的加權(quán)比遠離的那些大。該滑動窗口3D重建的結(jié)果可以用作靶結(jié)構(gòu)的3D灌注分析的輸入。
最后指出，在本申請中術(shù)語“包括”并不排除其他元件或步驟，“一”或“一個”并不排除多個，以及單個處理器或其他單元可以完成若干裝置的功能。而且，在權(quán)利要求書中的附圖標記不應(yīng)當被理解為限制它們的范圍。
權(quán)利要求
1.用于研究身體體積中的動態(tài)過程的檢查裝置，包括適于執(zhí)行以下步驟的X射線裝置(10)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(30)a)在給定的持續(xù)時間(D)期間沿著軌道(T)生成身體體積的X射線投影系列(Λ)；b)重建身體體積的3D圖像序列，其中每個3D圖像基于來自所述系列(Λ)的投影子集(Λi)，其中子集屬于在所述持續(xù)時間(D)內(nèi)的時間窗，以及其中所述時間窗重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置，其特征在于，它包括用于造影劑的受控注射的注射裝置(20)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置，其特征在于，X射線裝置(10)包括X射線源(11)和探測器(13)，它們彼此剛性地連接并且可以在球或其一部分上移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置，其特征在于，軌道(T)是閉合的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置，其特征在于，軌道(T)是非平面的，并且優(yōu)選地通過在方位方向(θ)和極方向()上的獨立振蕩而產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置，其特征在于，投影子集(Λi)包括正好足夠用于精確重建法的投影。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置，其特征在于，子集(Λi)的投影用于具有加權(quán)的重建法，所述加權(quán)對應(yīng)于它們到參考時間點(ti)的時間距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置，其特征在于，用于屬于連續(xù)子集(Λi)的兩個軌道段的冗余補償函數(shù)的差被用于更新相應(yīng)的3D圖像。
9.一種用于研究身體體積中的動態(tài)過程的方法，包括以下步驟a)在給定的持續(xù)時間(D)期間沿著軌道(T)生成身體體積的X射線投影系列(Λ)；b)重建身體體積的3D圖像序列，其中每個3D圖像基于來自所述系列(Λ)的投影子集(Λi)，其中子集屬于在所述持續(xù)時間(D)內(nèi)的時間窗，以及其中所述時間窗重疊。
10.一種記錄載體，用于研究身體體積中的動態(tài)過程的計算機程序被存儲在其上，所述程序適于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于患者(1)中的灌注研究的檢查裝置和方法。根據(jù)該方法，旋轉(zhuǎn)式X射線裝置(10)在閉合的、優(yōu)選非平面的軌道(T)上移動，同時在用注射裝置(20)注射造影劑之后連續(xù)生成患者(1)的投影。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(30)在滑動窗口技術(shù)中使用投影以重建身體體積的三維圖像。3D圖像的結(jié)果序列可以顯示在監(jiān)視器(31)上以呈現(xiàn)期望的關(guān)于灌注過程的信息。
文檔編號A61B6/03GK1977288SQ200580021641
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者M·格拉斯, V·拉舍 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司