СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ВВЕДЕНИЯ ПОПРАВКИ НА ДВИЖЕНИЕ В СКАНОГРАММАХ
METHOD AND DEVICE FOR APPLICATION OF TIME-OF-FLIGHT INFORMATION FOR DETECTION AND INTRODUCTION OF CORRECTIONS FOR MOVEMENT IN SCANOGRAMS

Данная заявка в целом относится к области получения изображений. Точнее говоря, она предоставляет способы и устройства для использования времяпролетной информации для обнаружения движения, которое происходит во время медицинского получения изображений, например получения изображений с помощью позитронно-эмиссионной томографии (PET). Данная заявка также предоставляет способы и устройства для введения поправки на дыхательное и сердечное движение в изображениях PET. Предмет изобретения находит применение по меньшей мере в получении изображений PET и будет описываться с конкретной ссылкой на него. Однако у него также есть более общее применение к другим способам получения изображений и в других областях, например в получении изображений SPECT или CT.
Движение, которое происходит во время медицинского получения изображений, может быть проблематичным, так как может привести к ухудшению качества изображения и нарушению клинического применения результирующих данных изображения. Артефакты, связанные с движением, могут происходить в результате ряда разных видов движения, например дыхательного движения, сердечного движения и явного (заметного) движения пациента. Дыхательное движение является движением, вызванным расширением и сокращением легких во время дыхательного цикла. Сердечное движение является движением, обусловленным расширением и сокращением сердца во время сердечного цикла. Явное движение пациента является движением, вызванным произвольным или непроизвольным мышечным перемещением частей тела, например грудной клетки, рук или ног. Вероятность того, что любой из этих видов движений будет проблематичным, может повышаться во время получений изображений PET, потому что продолжительности получения изображений PET обычно большие, порядка минут или десятков минут.
Желательно предоставить способ и устройство для обнаружения движения во время получения изображений PET с использованием времяпролетной информации. К тому же желательно предоставить способ и устройство для обнаружения и введения поправки на дыхательное движение и сердечное движение в изображениях PET.
Аспекты настоящего изобретения решают эти и другие проблемы. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предоставляются способ и устройство для обнаружения движения во время получения изображений PET с использованием времяпролетной информации.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предоставляются способ и устройство для обнаружения и введения поправки на дыхательное движение и сердечное движение в изображениях PET.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения станут понятны обычным специалистам в данной области техники после прочтения и понимания нижеследующего подробного описания. Многочисленные дополнительные преимущества и эффекты станут очевидны обычным специалистам в данной области техники после прочтения нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления.
Изобретение может приобретать форму различных компонентов и компоновок компонентов, и различных технологических операций и этапов способов и компоновок технологических операций и этапов способов. Чертежи предназначаются только для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны быть истолкованы как ограничивающие изобретение.
Фиг. 1 - схематичное изображение типовой системы получения изображений PET;
Фиг. 2 изображает типовой способ для обнаружения движения с использованием времяпролетной информации;
Фиг. 3 изображает типовой способ характеризации и корректировки движения;
Фиг. 4 изображает регистрацию типового сигнала электрокардиограммы (ECG);
Фиг. 5 - типовая форма дыхательного сигнала;
Фиг. 6 изображает другой типовой способ характеризации и корректировки движения;
Фиг. 7 изображает типовой способ для объединения результатов способов из фиг. 3 и фиг. 6;
Фиг. 8 изображает типовой итерационный процесс для объединения результатов способов из фиг. 3 и фиг. 6; и
Фиг. 9 изображает типовую кривую, представляющую объем кровотока со временем.
I. Технология времяпролетной PET
Типовая система 100 получения изображений времяпролетной PET схематически иллюстрируется на фиг. 1. Система 100 получения изображений времяпролетной PET включает в себя сканирующее устройство 102 PET. Пациент или изображаемый субъект 104 размещается в пределах рамы 106 сканирующего устройства 102 PET. Рама 106 в проиллюстрированном варианте осуществления системы 100 получения изображений PET содержит несколько детекторов фотонов, расположенных в кольце 108 вокруг пациента 104, чтобы обнаруживать совпадающие фотонные пары, излученные в результате аннигиляций 110 позитронно-электронной пары. Два таких детектора A и B показаны на фиг. 1. В реальном сканирующем устройстве 102 PET кольцо 108 детекторов обычно будет содержать несколько детекторов, а также может быть много колец детекторов, установленных рядом. Для упрощения, фиг. 1 иллюстрирует двумерную систему. Однако иллюстрируемые идеи в равной степени применяются к трехмерной системе. В дополнительных вариантах осуществления системы 100 получения изображений PET рама может содержать детекторы, которые не размещаются в кольцевой конфигурации, например два противоположных анодных детектора.
Чтобы получить изображение PET субъекта 104, в субъект 104 сначала вводят радиофармацевтический препарат. Радиофармацевтический препарат содержит направляющий компонент, который взаимодействует с молекулой или интересующим процессом в теле пациента, например метаболизмом глюкозы. Радиофармацевтический препарат также содержит излучающий позитроны радионуклид. Излученный позитрон столкнется с электроном от ближайшего атома, и позитрон и электрон аннигилируют. В результате аннигиляции два разных фотона излучаются практически в противоположных направлениях по линии 112 ответа. Оба фотона двигаются с одинаковой скоростью, со скоростью света, индексированной для среды, через которую они проходят. Кольцо 108 детекторов регистрирует эти фотоны вместе с данными получения изображений PET, ассоциированными с фотонами, например временем обнаружения каждого фотона.
Сканирующее устройство 102 PET передает данные получения изображений PET, зарегистрированные кольцом 108 детекторов, например детекторами A и B, в систему 120 отображения, обработки и получения изображений PET по линии 122 связи. Хотя сканирующее устройство 102 PET и система 120 отображения, обработки и получения изображений PET показываются и описываются здесь для иллюстрации как отдельные системы, в других вариантах осуществления они могут быть частью единой унитарной системы. Данные получения изображений PET поступают в процессор 124 изображений, который сохраняет данные в запоминающем устройстве 126. Процессор 124 изображений обрабатывает данные получения изображений PET в электронном виде, чтобы сформировать изображения изображаемого пациента или другого объекта 104. Процессор 124 изображений может показать результирующие изображения на ассоциированном дисплее 128. Пользовательское устройство 130 ввода, например клавиатура и/или мышь, может быть предоставлено пользователю для управления процессором 124.
Заданный детектор, например детектор A, включающий в себя ассоциированную электронику, способен очень точно распознавать время, в которое он обнаруживает фотон. Если два детектора, например детекторы A и B на фиг. 1, регистрируют прием фотона в заданном периоде времени совпадения, то предполагается, что эта пара фотонов произошла от акта аннигиляции позитронно-электронной пары, например акта 110. В частности, предполагается, что аннигиляция 110 произошла где-то на прямой линии, соединяющей детекторы A и B, называемой "линией ответа" 112, как показано на фиг. 1. Такие пары событий обнаружения, или "совпадения", регистрируются сканирующим устройством 102 PET. Используя алгоритмы восстановления изображений, выполняемые процессором 124 изображений, система 100 получения изображений времяпролетной PET может использовать такие события совпадения для определения распространения радиофармацевтического препарата в пациенте. Это распространение используется для формирования изображения PET.
При получении изображений времяпролетной PET событие совпадения получается двумя детекторами, например A и B, вместе с разностью во времени поступления двух совпадающих фотонов. Так как два совпадающих фотона двигаются практически с одинаковой скоростью, разность времени поступления обладает положительной корреляцией со временем пролета фотонов от точки 110 аннигиляции до детекторов A и B совпадения. В связи с этим система 120 может приблизительно вычислить положение на линии 112 ответа, где возникла аннигиляция 110, увеличивая разрешение восстановления изображений PET. Соответственно, модуль 132 времени пролета может применяться для этой и других целей. Как проиллюстрировано на фиг. 1, модуль 132 времени пролета располагается в системе 120 отображения, обработки и получения изображений PET. В различных дополнительных вариантах осуществления модуль 132 времени пролета может располагаться в сканирующем устройстве 102 PET или может располагаться удаленно от системы 100 получения изображений PET. Модуль 132 времени пролета может быть реализован в аппаратных средствах или программном обеспечении.
II. Использование времяпролетной информации для обнаружения движения во время получения изображений
Один аспект настоящего изобретения ориентирован в целом на способ и устройство для использования времяпролетной информации для обнаружения движения, например явного движения пациента и/или дыхательного движения, во время получения изображений. Таким образом, этот аспект настоящего изобретения особенно полезен при получении изображений PET, но в более широком смысле он может использоваться применительно к другим видам получений изображений. Типовой способ и устройство, предоставленные в этом документе, могут использоваться для обнаружения движения во время получения изображений без необходимости использования внешнего устройства и без анализа данных восстановленного изображения, хотя они также могут использоваться в сочетании с такими способами.
В прошлом явное движение пациента обычно устранялось путем повторения нескольких получений изображений или переработки одного набора данных получения изображений. Первая методика часто приводит к повышенному радиационному воздействию как на субъект, так и на медперсонал, а последняя методика увеличивает необходимое время обработки изображений. Соответственно, нужно предоставить устройство и способ для обнаружения явного движения пациента во время медицинского получения изображений, почти в реальном масштабе времени, соответственно сокращая необходимость повторения процедуры получения изображений для повышения качества клинических изображений. Если явное движение пациента обнаруживается во время процедуры получения изображений, то это можно решить в то же время, в отличие от ожидания завершения получения изображений для обнаружения явного (заметного) движения.
Что касается дыхательного движения, хотя его величина обычно мала по сравнению с явным движением пациента, все же усреднение по времени данных по многим дыхательным циклам может пространственно ухудшить изображения в областях, наиболее затронутых таким движением. В прошлом датчики движения, например мембранные датчики, использовались для измерения физического движения грудной клетки или живота во время сбора данных. Информация, полученная от таких датчиков движения, использовалась затем при синхронизации с дыхательными движениями с целью компенсации дыхательного движения пациента. Дополнительные способы, например использование видеокамер, также применялись для контроля дыхательного движения и получения информации для синхронизации с дыхательными движениями. Однако такие способы требуют использования дорогого оборудования, и клиническое применение данных получения изображений, созданных с использованием такого оборудования, не является оптимальным.
Соответственно, нужно предоставить устройство и способ для обнаружения и характеризации дыхательного движения без необходимости внешних датчиков, видеокамер или другого такого оборудования. Исключение такого оборудования может снизить общую стоимость системы, процедуры или стоимость лечения, а также сложность и вероятность ошибок во временной или амплитудной синхронизации с дыхательными движениями.
Типовой способ 200 обнаружения движений в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения иллюстрируется на фиг. 2. Типовой способ 200 использует времяпролетную информацию для обнаружения явного движения пациента и/или дыхательного движения во время процедуры получения изображений.
На этапе 202 используется система получения изображений PET, например система 100, для обнаружения событий совпадения фотонов и сбора связанных данных получения изображений касательно таких совпадений, например время пролета у совпадения. Такие данные получения изображений могут сохраняться в списочном режиме 204 в запоминающем устройстве 128. В различных вариантах осуществления списочный режим 204 содержит все данные получения изображений из полной процедуры получения изображений. В дополнительных вариантах осуществления списочный режим 204 включает в себя только часть всех данных получения изображений, соответствующую некоторому отрезку времени процедуры получения изображений, и сохранение данных получения изображений может быть постоянным процессом, чтобы данные получения изображений из части процедуры получения изображений анализировались и/или использовались, когда собираются дополнительные данные (то есть переходный процесс). На основе времяпролетной информации в данных 204 можно определить приблизительное расположение аннигиляции 110 в раме 106 и добавить в данные 204. Это можно сделать в псевдо-непрерывном пространстве, где каждое событие совпадения фотонов ограничивается элементом разрешения на линии 112 ответа, где элементы разрешения могут представлять собой, например 5-миллиметровые интервалы.
На этапе 206 времяпролетные разности из данных 204 в списочном режиме собираются или агрегируются для формирования совокупных времяпролетных данных 208. Как упоминалось выше по отношению к списочному режиму 204, времяпролетные данные 208 можно сформировать для всей процедуры получения изображений или можно сформировать отдельно для частей процедуры получения изображений в переходном процессе. Агрегированные времяпролетные данные 208 являются просто выбором из общих данных 204 в списочном режиме, который достаточно крупный, чтобы предоставить надежную выборку данных. Ссылаясь снова на фиг. 1, совокупные времяпролетные данные 208 могут формироваться, например, модулем 132 времени пролета. Например, совокупные времяпролетные данные 208 можно составить в гистограмму. Агрегирование 208 предпочтительно содержит несколько секунд времени получения изображений примерно о миллионах событий совпадения фотонов, хотя может применяться любая продолжительность времени, которая предоставляет значимую выборку данных.
При желании сбор 206 и агрегирование 208 данных 204 в списочном режиме могут быть ограничены подмножеством данных 204, в котором могло бы предполагаться движение. Например, если изображаемый субъект 104 располагается в раме 106, причем его или ее спина или грудная клетка лежит на столе, что типично, то дыхательное движение субъекта 104 приведет в основном к вертикальному движению грудной клетки субъекта в раме 106. Таким образом, сбор 206 и агрегирование 208 данных 204 в списочном режиме могут ограничиваться или взвешиваться по отношению к вертикальным линиям 112 ответа в раме 106.
Другим типичным примером является тот, где могло бы предполагаться явное перемещение рук или ног пациента во время сканирования. В этом случае сбор 206 и агрегирование 208 данных 204 в списочном режиме могут ограничиваться или взвешиваться по актам аннигиляции, происходящим в крайних горизонтальных положениях в раме 106.
В различных дополнительных вариантах осуществления типового способа 200 сбор 206 и агрегирование 208 данных 204 в списочном режиме могут ограничиваться парой детекторов, например детекторов A и B на фиг. 1, или ограниченным набором таких парных детекторов. В дополнительных вариантах осуществления данные 204, которые собраны (этап 206) и агрегированы (этап 208), могут ограничиваться конкретной линией 112 ответа или диапазоном углов линии 112 ответа, причем такие углы относятся к кольцу 108 или осевым углам. В дополнительных вариантах осуществления собираются (этап 206) и агрегируются (этап 208) все собранные данные 204.
На этапе 210 совокупные времяпролетные данные 208 анализируются и преобразуются в один или несколько позиционных показателей 212. Позиционный показатель 212 отражает перемещение времяпролетных данных со временем, а поэтому и перемещение изображаемого субъекта 104 со временем. Этот позиционный показатель 212 может отображаться оператору системы 100 получения изображений PET в реальном или почти реальном масштабе времени.
В качестве одного примера типового способа 200 совокупные времяпролетные данные 208 преобразуются в позиционный показатель 214 дыхательного колебания. Позиционный показатель 214 дыхательного колебания может, например, усредняться или сокращаться до традиционного дыхательного колебания, чтобы помочь в обнаружении дыхательного движения. Чтобы преобразовать совокупные времяпролетные данные 208 в позиционный показатель 214 дыхательного колебания, можно выполнить начальную идентификацию максимального и минимального положений, соответствующих дыхательному движению, на основе анализа совокупных времяпролетных данных 208. Например, переднезаднее движение субъекта в выбранных срезах получения изображений вдоль продольной оси или оси "z" изображаемого субъекта 104 можно контролировать в течение некоторого периода времени, например пять или десять секунд, чтобы сформировать сигнал, имеющий отношение к амплитуде дыхательного движения. Затем эти данные об амплитуде можно использовать для соотнесения совокупных времяпролетных данных 208 с традиционным дыхательным колебанием, чтобы сформировать позиционный показатель 214 дыхательного колебания. В различных вариантах осуществления традиционное дыхательное колебание может быть измеренным сигналом или заранее сформированным прототипом дыхательного сигнала. При желании обработка или сглаживание данных может применяться к позиционному показателю 214 дыхательного колебания с целью оптимизации.
В качестве альтернативы или в дополнение к позиционному показателю 214 дыхательного колебания совокупные времяпролетные данные 208 могут быть преобразованы в позиционный показатель 216 явного движения в различных вариантах осуществления. Чтобы преобразовать совокупные времяпролетные данные 208 в позиционный показатель 216 явного движения, совокупные времяпролетные данные 208 используются для получения информации о центре активности. Центр аннигиляционной активности может определяться, например, для всего изображаемого субъекта 104 или только для части изображаемого субъекта. В качестве еще одного примера позиционный показатель 216 явного движения может отражать двумерный центр аннигиляционной активности фотонов в одном или нескольких осевых срезах данных 204 получения изображений. Также возможны различные сочетания.
На этапе 218 согласованность позиционного показателя 212 контролируется, регистрируется и анализируется со временем. Затем позиционный показатель используется для формирования итогового позиционного показателя 220. Если позиционный показатель 212 является позиционным показателем 214 дыхательного колебания, то он может использоваться для формирования итоговой формы 220 дыхательного сигнала для использования при восстановлении изображений. Например, итоговая форма 220 дыхательного сигнала может использоваться для синхронизации с дыхательными движениями или для иной классификации временной последовательности данных 204 в списочном режиме. Таким образом, синхронизация с дыхательными движениями может выполняться с использованием типового способа 200 без необходимости внешнего устройства, например мембранного датчика или видеокамеры. В различных вариантах осуществления типового способа 200 итоговая форма 220 дыхательного сигнала используется для формирования стробирующих сигналов, которые вставляются в данные 204 в списочном режиме, чтобы отметить данные в списочном режиме для временной синхронизации с дыханием. В дополнительных вариантах осуществления итоговая форма 220 дыхательного сигнала используется для формирования дыхательной амплитуды для использования в гибкой синхронизации на основе амплитуды. Такая синхронизация с дыхательными движениями может использоваться, например, при планировании лучевой терапии. В еще одних дополнительных вариантах осуществления итоговая форма 220 дыхательного сигнала может анализироваться почти в реальном масштабе времени во время получения изображений, чтобы определить, превышает ли дыхательное движение субъекта заданные пороговые величины, и если превышает, то отправить предупредительный сигнал оператору получения изображений.
Если позиционный показатель является позиционным показателем явного движения, то он может использоваться для формирования итогового позиционного показателя 220 явного движения для использования при восстановлении изображений. Если позиционный показатель 212 является позиционным показателем 216 явного движения, то его можно контролировать на этапе 218 и сравнить с одной или несколькими заранее выбранными пороговыми величинами движения, чтобы предупредить оператора системы 100 получения изображений PET, что произошло явное движение пациента, когда превышается заранее выбранная пороговая величина движения. В различных вариантах осуществления типового способа 200 предупреждение, которое предоставляется оператору системы 100 получения изображений PET, сопровождается информацией об области изображаемого субъекта 104, где предполагается возникновение явного движения. В дополнительных вариантах осуществления оператору предоставляется информация о направлении и/или величине явного движения. Эта информация о предполагаемом явном движении может использоваться для проведения интерпретации восстановленного изображения или в качестве основы для запуска получения изображений еще раз. В различных вариантах осуществления типового способа 200 временные пометки явного движения вносятся в данные 204 в списочном режиме для использования при разделении данных изображения на изображения перед явным движением и изображения после явного движения, или для других диагностических целей.
III. Корректировка дыхательного движения и сердечного движения в изображениях PET
Как описывалось ранее, движение, которое происходит во время медицинского получения изображений, может быть проблематичным, так как может привести к ухудшению качества изображения и нарушению клинического применения результирующих данных изображения. Двумя конкретными источниками движения во время медицинских процедур получения изображений являются дыхательное движение и сердечное движение. Дыхательное движение и сердечное движение ухудшают качество результирующего изображения и вносят артефакты, связанные с движением.
В прошлом предприняты попытки ввести поправку на дыхательное движение и сердечное движение в изображениях PET, например изображениях PET сердца, путем разделения или стробирования данных на последовательность кардиосинхронизированных интервалов. Кардиосинхронизация чаще всего выполнялась с использованием электрокардиографа (ECG) для соотнесения синхронизированных интервалов с сердечным циклом. Как описывалось ранее, синхронизация с дыхательными движениями чаще всего выполнялась с использованием информации о дыхании, собранной внешними устройствами, например мембранным датчиком, видеокамерами или другим оборудованием, для сопоставления синхронизированных интервалов с дыхательным циклом. Синхронизированные интервалы данных затем восстанавливаются для формирования изображения с использованием математических алгоритмов, которые предусматривают пространственную регистрацию восстановленных изображений.
Нужно предоставить устройство и способ для характеризации и удаления дыхательного движения и сердечного движения из медицинского изображения. Один аспект настоящего изобретения ориентирован в целом на способ и устройство для корректировки дыхательного движения и сердечного движения в изображениях PET. Типовой способ и устройство, предоставленные в этом документе, полезны для характеризации и введения поправки на дыхательное движение и сердечное движение без необходимости внешнего устройства для сбора информации о дыхательном движении. Однако в некоторых вариантах осуществления способ может использоваться в сочетании с такими устройствами.
Типовой способ 300 характеризации и корректировки движения в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения иллюстрируется на фиг. 3. Типовой способ 300 вводит поправку на дыхательное движение и сердечное движение в изображениях PET сердца. Хотя типовой способ 300 ориентирован на изображения PET сердца, дополнительные варианты осуществления способа применимы к другим типам получения изображений PET или к другим устройствам получения изображений, например CT или SPECT, или к объединенным устройствам получения изображений, например получение изображений с помощью PET/CT и SPECT/CT.
На этапе 302 используется система получения изображений PET, например система 100, для проведения PET сердца и обнаружения совпадений фотонов, возникающих из актов 110 аннигиляции, происходящих в области сердца изображаемого субъекта 104. Информация из PET сердца собирается в данных 304 в списочном режиме, которые сохраняются в запоминающем устройстве 128.
На этапе 306 оцифрованный сигнал сокращений сердечной мышцы изображаемого субъекта 104 получается одновременно с PET 302 сердца в виде электрокардиограммы 308 (ECG). Регистрация типовой электрокардиограммы (ECG) предлагается на фиг. 4. Горизонтальная ось ECG представляет ход времени, тогда как нанесенная кривая отражает электрическую активность, а поэтому фазу сердца субъекта в любой заданный момент времени на той оси. Таким образом, например, ECG указывает моменты начала и остановки сердечного цикла, так как сердце многократно расширяется и сокращается.
На этапе 310 временная отметка электрокардиограммы 308 (ECG) синхронизируется с полученными данными 304 в списочном режиме для формирования кардиосинхронизированных данных 312 в списочном режиме. Точнее говоря, полученные данные 304 в списочном режиме принимают в течение нескольких сердцебиений или сердечных циклов. Данные 304 в списочном режиме содержат время, в которое было обнаружено каждое совпадение фотонов. Электрокардиограмма 308 (ECG), в свою очередь, предоставляет фазу сердца пациента в сердечном цикле в тот конкретный момент времени. Сердечный цикл в качестве одного примера можно подразделить на последовательность кардиосинхронизированных интервалов, например от 8 до 16 интервалов. Затем на основе данных электрокардиограммы 308 (ECG) каждое обнаруженное совпадение фотонов в данных 304 в списочном режиме отождествляется с кардиосинхронизированным интервалом в сердечном цикле. Таким образом, кардиосинхронизированные данные 312 в списочном режиме для конкретного синхронизированного интервала будут содержать данные, соответствующие только фазе сердца для того интервала, но принятые во время разных повторений сердечного цикла за все время получения изображений.
На этапе 314 кардиосинхронизированные данные 312 в списочном режиме в каждом из кардиосинхронизированных интервалов отдельно восстанавливаются для формирования изображения сердца. Это создает последовательность кардиосинхронизированных изображений 316 сердца, причем каждое изображение соответствует одному из синхронизированных интервалов всего сердечного цикла. Поэтому, если сердечный цикл был поделен на 16 синхронизированных интервалов, то будет 16 синхронизированных изображений 316 сердца.
Теперь, принимая во внимание дыхательный цикл, поскольку типичное получение PET обычно длится продолжительный период времени порядка минут или десятков минут, оно будет содержать данные, охватывающие несколько дыхательных циклов. Например, если конкретная PET сердца длится 5 минут, а продолжительность времени среднего дыхательного цикла составляет около 4 секунд (в качестве примера), то изображаемый субъект 104 пройдет через 75 дыхательных циклов во время получения PET. Типовое дыхательное колебание или дыхательный цикл изображается на фиг. 5. Каждое из кардиосинхронизированных изображений 316 сердца размывается из-за движения сердца, обусловленного этими дыхательными циклами. Другими словами, данные 304 в списочном режиме о совпадениях фотонов распределяются в пространстве из-за перемещения сердца, обусловленного сокращением и расширением легких субъекта. Это дыхательное перемещение может заставить сердце изображаемого субъекта двигаться вверх, вниз, влево, вправо, вперед, назад или даже вращаться посредством закручивания во время получения изображений PET. Соответственно, можно преимущественно удалить размывание и артефакты, связанные с движением, внесенные в кардиосинхронизированные изображения 316 сердца вследствие дыхательного движения.
Количество кардиосинхронизированных интервалов для сердечного цикла выбирается так, чтобы в конкретном синхронизированном интервале предполагалось очень небольшое перемещение или отсутствие перемещения сердца. В результате любое перемещение данных аннигиляции в каждом синхронизированном интервале скорее всего происходит от дыхательного перемещения, а не сердечного перемещения. Таким образом, дыхательное движение сердца можно отделить от сердечного движения и можно приблизительно оценить по перемещению сердца в конкретном кардиосинхронизированном интервале.
Таким образом, чтобы извлечь дыхательное движение на этапе 318, каждый из кардиосинхронизированных интервалов, задающих кардиосинхронизированные изображения 316, дополнительно делится на подынтервалы времени. Для каждого кардиосинхронизированного изображения 316 сердца, соответствующего заданному синхронизированному интервалу сердечного цикла, данные 304 в списочном режиме назначаются подходящему подынтервалу в кардиосинхронизированном интервале, снова используя электрокардиограмму 308 (ECG) в качестве направляющей. Данные 304 в списочном режиме, назначенные каждому из тех подынтервалов, представляют синхронизированное по дыханию изображение 320 сердца. Для этой цели может использоваться любое количество подынтервалов времени.
В качестве одного примера предположим, что вся PET сердца содержит 150 миллионов обнаруженных совпадений фотонов за 5 минут времени получения, и синхронизированные данные 316 в списочном режиме делятся на 20 синхронизированных интервалов. Тогда будет около 7,5 миллионов обнаруженных совпадений фотонов в каждом кардиосинхронизированном изображении 316 (150 миллионов/20=7,5 миллионов). Дополнительно предположим, что продолжительность используемого подынтервала времени равна 0,1 секунде. Тогда всего будет 3000 синхронизированных по дыханию изображений 320 сердца во всем наборе 304 данных в списочном режиме (5×60/0,1=3000). Либо будет 150 синхронизированных по дыханию изображений 320 сердца в каждом из 20 кардиосинхронизированных интервалов сердечного цикла (3000/20=150). Каждое из 3000 синхронизированных по дыханию изображений 320 сердца содержит 2500 обнаруженных совпадений фотонов (7,5 миллионов/3000=2500).
На этапе 322 центр активности вычисляется для каждого из синхронизированных по дыханию изображений 320 сердца. Как обсуждалось выше, любое перемещение того центра активности представляет дыхательное перемещение, которое отделено от сердечного перемещения. Поэтому любое несовпадение (несовпадения) центра действия у синхронизированных по дыханию изображений сердца в одном и том же кардиосинхронизированном интервале указывает дыхательное перемещение, а не сердечное перемещение. Таким образом, любое такое несовпадение (несовпадения) может использоваться для формирования векторов 324 дыхательного движения, которые могут использоваться для введения поправки на дыхательное движение в данные 204 в списочном режиме при восстановлении изображений.
Ссылаясь теперь на фиг. 6, иллюстрируется другой типовой способ 600 для характеризации и корректировки движения. На этапе 302 используется система получения изображений PET, например система 100, для проведения PET сердца и обнаружения совпадений фотонов, возникающих из актов 110 аннигиляции, происходящих в области сердца изображаемого субъекта 104. Информация из PET 302 сердца собирается в данных 304 в списочном режиме, которые сохраняются в запоминающем устройстве 128.
На этапе 306 оцифрованный сигнал сокращений сердечной мышцы изображаемого субъекта 104 получается одновременно с PET 302 сердца в виде электрокардиограммы 308 (ECG). Регистрация типовой электрокардиограммы (ECG) предлагается на фиг. 4. Горизонтальная ось ECG представляет ход времени, тогда как нанесенная кривая отражает электрическую активность, а поэтому фазу сердца субъекта в любой заданный момент времени на той оси. Таким образом, например, ECG указывает моменты начала и остановки сердечного цикла, так как сердце многократно расширяется и сокращается.
На этапе 610 временная отметка электрокардиограммы 308 (ECG) синхронизируется с полученными данными 304 в списочном режиме для формирования данных 612 сердечного цикла. Точнее говоря, полученные данные 304 в списочном режиме принимают в течение нескольких сердцебиений или сердечных циклов. Данные 304 в списочном режиме содержат время, в которое было обнаружено каждое совпадение фотонов. Электрокардиограмма 308 (ECG) в свою очередь идентифицирует, какое из сердцебиений - первый цикл, второй цикл и т.д. - соответствует тому конкретному моменту времени. В качестве одного примера может быть проведено 300 повторений сердечного цикла в течение пятиминутного получения изображений. Затем на основе данных электрокардиограммы 308 (ECG) каждое обнаруженное совпадение фотонов в данных 304 в списочном режиме отождествляется с конкретным повторением сердечного цикла в периоде получения изображений. Таким образом, данные 612 сердечного цикла для конкретного повторения сердечного цикла содержат данные, соответствующие только тому повторению сердечного цикла.
На этапе 614 данные 612 сердечного цикла для каждого из сердечных циклов отдельно восстанавливаются для формирования изображения сердца. Это создает последовательность изображений сердечного цикла, причем каждое изображение соответствует одному полному сердечному циклу.
На этапе 618 вычисляется центр аннигиляционной активности для каждого из изображений 616 сердечного цикла. Сердечное движение незначительно влияет на положение центра аннигиляции, потому что каждое изображение 616 соответствует полному сердечному циклу. Таким образом, любое перемещение центра аннигиляционной активности фотонов в этих изображениях, от изображения к изображению, происходит от дыхательного перемещения, а не сердечного перемещения. Таким образом, дыхательное движение сердца можно отделить от сердечного движения. Любое несовпадение (несовпадения) центра аннигиляционной активности между изображениями 616 сердечного цикла может использоваться для формирования векторов 620 дыхательного движения для использования при введении поправки на дыхательное движение при восстановлении изображений.
Каждое изображение 616 сердечного цикла содержит достаточное количество подсчетов совпадений фотонов для вычисления центра активности для конкретного сердечного цикла, представленного изображением 616. В качестве примера пятиминутное получение PET будет включать в себя приблизительно 300 сердечных циклов, предполагая сердечный цикл в 1 секунду. Если конкретное пятиминутное получение PET сердца содержит, например, 150 миллионов подсчетов совпадений фотонов, то будет 500000 подсчетов совпадений фотонов на каждое изображение 616 сердечного цикла для того конкретного получения (150 миллионов/300=500000).
Оба типовых способа 300 и 600 корректировки движения оценивают одно и то же дыхательное движение, возникающее во время одного и того же получения PET, но они выполняют это разными способами. Соответственно, векторы 324 дыхательного движения, полученные из первого типового способа 300, и векторы 620 дыхательного движения, полученные из второго типового способа 600, представляют оценки одного и того же дыхательного движения.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один из типового способа 300 или 600 корректировки движения может использоваться отдельно для введения поправки на дыхательное движение. В дополнительных вариантах осуществления векторы 324 дыхательного движения и векторы 620 дыхательного движения могут объединяться, например, путем усреднения для формирования объединенных векторов дыхательного движения. Ссылаясь теперь на фиг. 7, иллюстрируется типовой способ 700 для объединения оценок дыхательного движения из типового способа 300 и типового способа 600.
На этапе 702 векторы 324 дыхательного движения объединяются с векторами 620 дыхательного движения для формирования объединенных векторов 704 дыхательного движения. Желательно подходящим образом объединить векторы 324 дыхательного движения с векторами 620 дыхательного движения, чтобы сформировать наиболее вероятную оценку дыхания. Векторы 324 дыхательного движения могут объединяться с векторами 620 дыхательного движения разными способами в различных вариантах осуществления способа 700. Например, может использоваться метод взвешенных наименьших квадратов. Различные факторы могут использоваться в методе взвешенных наименьших квадратов. Например, метод взвешенных наименьших квадратов может основываться на множителе релаксации, общем количестве подсчетов совпадений фотонов, амплитуде дыхания, регулярности дыхательного движения, шуме, отношении сигнал/шум, регулярности цикла из электрокардиограммы или других подходящих переменных. На этапе 706 объединенные векторы 704 дыхательного движения используются для восстановления данных PET сердца, чтобы сформировать изображение сердца 708 без дыхательного движения.
В различных дополнительных вариантах осуществления может использоваться итерационный процесс для объединения векторов 324, 620 дыхательного движения. Ссылаясь на фиг. 8, изображается типовой итерационный метод 800 для объединения векторов 324, 620 дыхательного движения. В соответствии с этим методом один из наборов векторов 324, 620 дыхательного движения, полученный по способу 300 или 600, используется сам по себе для введения поправки на дыхательное движение на этапе 802. На этапе 804, как только дыхательное движение учтено таким образом, данные получения PET восстанавливаются для получения первого восстановленного изображения 806 PET со скорректированным движением. На этапе 808, используя новое восстановление 806, дыхательное движение оценивается с использованием способа 300 или 600 оценки движения, который не использовался ранее на этапе 802. На этапе 810 данные получения PET со скорректированным движением восстанавливаются для получения второго восстановленного изображения 812 PET со скорректированным движением. Затем этапы итерационного метода 800 повторяются с использованием одного из способа 300 или 600 корректировки движения для каждой итерации способа 800 по необходимости, чтобы ввести поправку на дыхательное движение.
Как только дыхательное движение удалено из изображений PET сердца, большая часть движения, оставшегося на изображении PET сердца, обусловлена сердечным движением. Вслед за удалением дыхательного движения из данных получения PET можно оценить и удалить сердечное движение. В различных вариантах осуществления этот способ применяется ко всему левому желудочку сердца. В различных дополнительных вариантах осуществления этот способ применяется независимо к каждому из 17 сегментов сердца. В различных дополнительных вариантах осуществления этот способ применяется к каждому элементу изображения левого желудочка сердца. Различные дополнительные пространственные декомпозиции сердца также могли бы использоваться в дополнительных вариантах осуществления.
Как упоминалось ранее, как только дыхательное движение удалено из изображений PET сердца, большая часть движения, оставшегося на изображении PET сердца, обусловлена сердечным движением. Если сердце обрабатывается в целом, то остаточное движение одинаково для всего сердца. Если сердце анализируется в виде 17 сегментов, то остаточные движения отличаются от сегмента к сегменту. Однако нужно понимать, что степень детализации в пространственной декомпозиции сердца зависит от плотности счета на каждую область.
В различных вариантах осуществления дыхательное движение сначала оценивается, а затем удаляется из исходных данных PET сердца. Затем сердечное движение оценивается и удаляется из данных PET сердца со скорректированным дыхательным движением. В различных дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения оценка и удаление дыхательного движения и сердечного движения из данных PET осуществляется с помощью итерационного процесса путем простого повторения оценки и удаления дыхательного движения и оценки и удаления сердечного движения. Таким образом, будут минимизировано взаимное ухудшение оценок дыхательного движения и оценок сердечного движения.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения корректировки дыхательного и сердечного движения выполняются в пространстве изображений. Однако в дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения корректировки дыхательного и/или сердечного движения вводятся на уровне линий 112 ответа. В таких вариантах осуществления исходные данные в списочном режиме изменяются с использованием оценок дыхательного и/или сердечного движения, а затем выполняется восстановление.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения дыхательное движение и сердечное движение оцениваются для всей области сердца. В дополнительных вариантах осуществления оценка дыхательного движения и сердечного движения сосредоточена исключительно на левом желудочке сердца. В еще одних дополнительных вариантах осуществления отдельные оценки выполняются независимо для одного или нескольких из каждого из 17 сегментов сердца. В еще одних дополнительных вариантах осуществления методология, используемая для оценки дыхательного и сердечного движения, применяется к каждому элементу изображения левого желудочка сердца или к каждому элементу изображения другой конкретной области сердца.
Однако нужно понимать, что неотъемлемые ограничения находятся в количестве подсчетов совпадений фотонов, которые доступны из изображаемой области сердца. Например, если конкретная область сердца слишком мала, то количество подсчетов совпадений фотонов, доступное для вычисления данных, не позволит точную оценку дыхательного движения или сердечного движения. Степень детализации в пространственной декомпозиции сердца зависит от плотности счета совпадений фотонов на каждую область. Как обсуждалось ранее, хотя описанные типовые способы ориентированы на получение изображений PET сердца, раскрытые способы также обладают применимостью в других типах получения изображений PET или с другими устройствами получения изображений, например CT или SPECT. Раскрытые способы обладают конкретной применимостью к устройствам получения изображений, которые предоставляют данные в списочном формате.
Ранее описанные способы характеризации и корректировки движения обладают рядом применений и эффектов. Например, описанные в этом документе способы полезны в увеличении резкости синхронизированного изображения PET и улучшении восстановления синхронизированных изображений PET. К тому же способы корректировки движения, описанные в этом документе, могут использоваться для улучшения восстановления динамической PET.
Одним дополнительным возможным применением способов корректировки движения, описанных в этом документе, является определение фракции выброса сердца. Типовая кривая 900, представляющая объем кровотока со временем, предлагается на фиг. 9. Фракция выброса является общепризнанным измерением здоровья сердца и может вычисляться следующим образом. Объем крови в желудочке непосредственно перед сокращением известен как конечно-диастолический объем. Объем крови в желудочке в конце сокращения известен как конечно-систолический объем. Разница между конечно-диастолическим и конечно-систолическим объемами является ударным объемом, или объемом крови, выброшенной из желудочка с каждым биением. Фракция выброса является фракцией конечно-диастолического объема, которая выбрасывается с каждым биением; то есть это ударный объем (SV), поделенный на конечно-диастолический объем (EDV) следующим образом:
Фракция выброса=SV/EDV=(EDV-ESV)/EDV.
Корректировки движения, описанные в этом документе, также могут использоваться для получения улучшенных измерений абсолютного кровотока или для выполнения других функций на основе лежащих в основе данных получения изображений PET.
Вышеупомянутые функции, например инициирование и/или прекращение сканирований, выбор нужных протоколов сканирования или восстановления, манипулирование объемными данными и т.п., могут выполняться в виде программной логики. "Логика" при использовании в данном документе включает в себя, но не ограничивается, аппаратные средства, микропрограммное обеспечение, программное обеспечение и/или сочетания каждого для выполнения функции (функций) или действия (действий) и/или вызова функции или действия из другого компонента. Например, на основе нужного применения или потребностей логика может включать в себя программно-управляемый микропроцессор, дискретную логику, например специализированную интегральную схему (ASIC), или другое устройство с программируемой логикой. Логика также может быть полностью реализована в виде программного обеспечения.
"Программное обеспечение" при использовании в данном документе включает в себя, но не ограничивается, одну или несколько машиночитаемых и/или исполняемых команд, которые побуждают компьютер или другое электронное устройство выполнять функции, действия и/или реагировать нужным образом. Команды могут быть воплощены в различных формах, таких как процедуры, алгоритмы, модули или программы, включающие отдельные приложения или код из динамически подключаемых библиотек. Программное обеспечение также может быть реализовано в различных видах, таких как автономная программа, вызов функции, сервлет, апплет, сохраненные в запоминающем устройстве команды, часть операционной системы или другой тип исполняемых команд. Обычный специалист в данной области техники примет во внимание, что вид программного обеспечения зависит, например, от требований нужного применения, среды, в которой оно выполняется, и/или пожеланий проектировщика/программиста или т.п.
Системы и способы, описанные в этом документе, могут быть реализованы на ряде платформ, включая, например, сетевые системы управления и автономные системы управления. Более того, логика, базы данных или таблицы, показанные и описанные в этом документе, предпочтительно постоянно находятся на машиночитаемом носителе. Примеры разных машиночитаемых носителей включают в себя флэш-память, постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM), электрически программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), магнитный диск или ленту, оптически читаемые носители, включая CD-ROM и DVD-ROM, и другие. Более того, описанные в этом документе процессы и логику можно соединить в одну большую последовательность операций или разделить на много последовательностей подпроцессов. Порядок, в котором последовательности операций описаны в этом документе, не является важным и может быть перестроен, добиваясь при этом таких же результатов. Конечно, описанные в этом документе последовательности операций можно перестроить, объединить и/или реорганизовывать при их реализации, как оправдано или нужно.
Изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. У некоторых после прочтения и осмысления предшествующего подробного описания могут возникнуть модификации и изменения. Подразумевается, что изобретение должно создаваться как включающее в себя все такие модификации и изменения в той мере, как они входят в объем прилагаемой формулы изобретения либо ее эквивалентов.