Pet/mri混合成像系統中的運動校正的製作方法

2023-05-18 11:43:36

專利名稱：Pet/mri混合成像系統中的運動校正的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括磁共振檢査系統和發射斷層攝影系統的診斷成像 裝置。
背景技術：
由S, Sechet等的文獻"Frame misalignment-induced errors in PET studies: an investigation on strategies for correction", Nuclear Science: A Symposium Conference Record November 2002 Vol. 2 pp. 1330-1334中己知一種包括正電 子發射斷層攝影(PET)和磁共振成像(MRI)的診斷成像裝置。
所引用的這一參考文獻關注了可能破壞PET研究中的數據分析的運動 偽影。已知的方案由重構的磁共振圖像生成3D目標的人工PET透射圖像。 所述的由磁共振圖像導出的人工PET透射圖像模擬了 PET系統的空間響 應。之後，在PET透射圖像和PET發射圖像之間應用幀對準算法以將所述 透射和發射圖像對準。
這種已知的方案的局限在於只考慮了所述透射和發射數據之間的不良 配準。此外，己知的方案在各種(中間)圖像的重構方面需要很大的計算 工作量。

發明內容
本發明的目的在於提供一種在不需要龐大的計算工作量的情況下更好 地校正運動偽影的正電子發射斷層攝影。
這一目的是通過根據本發明的診斷成像裝置實現的，其包括
-用於獲取磁共振信號的磁共振檢査系統
-用於獲取核衰變信號的發射斷層攝影系統以及
-根據磁共振信號導出(一種或多種)運動校正的分析模塊以及
-用於在(一種或多種)運動校正的基礎上根據核衰變信號重構經運動校正的發射斷層攝影圖像的重構模塊。
諸如正電子發射斷層攝影(PET)系統或單光子發射斷層攝影(SPECT) 系統的發射斷層攝影系統檢測所要檢査的對象中的化合物的放射性衰變的 發射。對放射性衰變的檢測生成了由發射斷層攝影系統獲取的核衰變信號。 所述核衰變信號表示從多個取向檢測到的放射性發射。磁共振檢査系統獲 取磁共振信號，所述磁共振信號是由對象內的(核或電子)自旋的RF激勵 生成的。也就是說，磁共振信號可以與諸如質子、19F、 31P等的核自旋的 磁共振或者電子自旋共振相關。在受到激勵的自旋衰減的同時，通過掃描k 空間獲取磁共振信號。也就是說，通過掃描磁共振信號的波矢(k矢量)獲 取所述磁共振信號。對本發明的領悟的要點在於，磁共振信號包括與在所 要檢査的對象內發生的運動，或者所述對象的運動相關的信息。對象可以 是受到檢查的患者，所述運動可以涉及作為整體的患者身體的運動或者患 者身體的部分的運動，諸如，在腦部檢查中患者頭部的移動。運動還可以 是患者身體內的內部運動，諸如，呼吸或心臟運動。可以在不必根據所獲 取的磁共振信號重構磁共振圖像的情況下由所述磁共振信號導出運動校 正。在所述運動校正和核衰變信號的基礎上，重構經運動校正的發射斷層 攝影圖像。這一經運動校正的發射斷層攝影圖像具有低偽影水平，乃至不 存在運動偽影，從而實現了高診斷圖像質量。也就是說，具有低對比度的 小細節被繪製得充分可見，而且明顯不受運動偽影的混淆。
核衰變信號和磁共振信號二者的獲取被發射斷層攝影系統和磁共振檢 查系統所共有的系統控制器控制。共有的系統控制器在核衰變信號和磁共 振信號之間建立了確切的關係，從而使核衰變信號和磁共振信號得到連結。 也就是說，磁共振信號內含有的運動信息等於影響核衰變信號的運動。磁 共振信號和核衰變信號之間的這種關係使得由磁共振信號導出的運動能夠 被用來重構經運動校正的發射斷層攝影圖像。可以通過向所獲取的核衰變 信號應用運動校正執行運動校正，之後根據經校正的核衰變信號重構經運 動校正的發射斷層攝影圖像。可選地，可以根據所獲取的核衰變信號重構 初始發射斷層攝影圖像，之後將運動校正應用於初始發射斷層攝影圖像， 以生成經運動校正的發射斷層攝影圖像。
將參考從屬權利要求中定義的實施例對本發明的這些和其他方面做進一步的詳細說明。
根據本發明的一個方面，對獲取時間記錄，所述獲取時間是指在其上 或其持續過程中分別獲取了核衰變信號和磁共振信號的時間間隔的瞬時或 暫時位置。例如，可以通過同時獲取對應的核衰變信號和磁共振信號或者 向所述核衰變信號和磁共振信號二者施加時間戳而實現核衰變信號和磁共 振信號的獲取的這一時間記錄。因而，能夠向在同一時刻獲取的核衰變信 號施加由所述磁共振信號導出的運動校正。相應地，由磁共振信號導出的 運動校正涉及影響所述核衰變信號的同一運動，因而實現了經運動校正的 發射斷層攝影圖像的準確的運動校正。在系統控制器中實現時間記錄功能 是很方便的。
通常通過向受到檢查的患者施用放射性藥劑而生成核衰變信號。在施 用時，所述放射性藥劑將從患者的體內發生放射性衰變，並且引起來自所 要檢查的患者的身體的放射性輻射(通常為伽馬輻射)的發射。由於能夠 從施用所述放射性藥劑的時刻獲取核衰變信號，因而觸發核衰變信號和磁 共振信號的獲取將提供對具有相對較高的信號水平的核衰變信號的具有時 效的獲取。
根據本發明的另一方面，還在所獲取的磁共振信號的基礎上採用運動 校正重構經運動校正的磁共振圖像。之後，可以將經運動校正的發射斷層 攝影圖像和經運動校正的磁共振圖像放到一起觀看。通常，經運動校正的 發射斷層攝影圖像和經運動校正的磁共振圖像代表互補的生理學和/或解 剖學形態信息。
可以使經運動校正的發射斷層攝影圖像和經運動校正的磁共振圖像單 獨可用，例如，只是使其簡單地並排顯示。還可以將互補信息結合到一幅 合成圖像內，從而用戶只需觀察單幅圖像就能夠獲取來自相應的核衰變和 磁共振起點的圖像信息。
在k空間的中心區域內，運動校正是準確的，而且在MR數據的冗餘 的基礎上不需要大的計算工作量。g卩，大部分相關運動發生在空間性的粗 略標度上，即，所涉及的尺寸比患者解剖結構的細節大得多。相應地，通 過所述k空間的中心區域內的磁共振信號表示較大尺度的結構及其運動。 另一方面，通過來自k空間的外圍區域的磁共振信號表示結構的細節。用戶可以在運動校正所需的準確度的基礎上以及可接受的磁共振信號獲取的 時間持續長度的基礎上選擇在其內生成冗餘的中心區域的尺寸。通過所謂
的螺旋槳(PROPELLER)獲取序列取得了非常好的結果。在James G Pipe 的"Motion correction with PROPELLER MIRI: Application to Head Motion and Free-breathing Cardiac Imaging", MRM42(1999)963-969中對所述螺旋槳 獲取序列本身給出了詳細討論。在該文章中，討論了由所獲取的磁共振信 號重構的磁共振圖像本身的運動校正。所述螺旋槳方法沿矩形平面(即， 處於k空間內的平面或薄板內)條帶掃描k空間，其中，使所述矩形平面 條帶依次圍繞k空間的原點旋轉。可以針對k空間內相繼的平面重複這一 2D獲取。這一方案需要相對較短的獲取時間。可選地，可以通過在橫貫所 述旋轉的平面或薄板的k空間方向上應用相位編碼而進行實際上三維的k 空間獲取。另一種實際上三維的k空間獲取包括使含有k空間的原點的圓 柱或杆(bar)狀體積同時圍繞k空間的兩個例如，正交軸旋轉。相應地， 針對相繼的各個條帶對k空間的中心區域抽樣。在這種實現當中，所述中 心區域是由相繼的各條帶的重疊形成的，所述中心區域的尺寸是由k空間 內的條帶或者圓柱或杆狀體積的寬度以及k空間內的條帶的取向之間的差 異定義的。由k空間的控制區域抽樣的磁共振信號的冗餘特別地容許位置、 旋轉和相位上的校正空間不一致性。所述冗餘還容許拋棄受到貫穿平面的 運動影響的數據。此外，所述冗餘還允許求平均操作，其降低了經運動校 正的磁共振圖像內的針對低空間頻率的偽影。由於所述螺旋槳獲取序列實 質上是周期性的，因而通過執行k空間內的(一條或多條)條帶的多次旋 轉使得磁共振信號的持續獲取成為了可能。磁共振信號的持續獲取允許提 高最終重構的磁共振圖像的信噪比。核衰變信號的持續獲取實現了信噪比 以及經重構的發射斷層攝影圖像的空間解析度二者的提高。
本發明還涉及一種治療裝置，在所述治療裝置中，使治療系統在功能 上與根據本發明的尤其是在權利要求1到8中的任何一項中所定義的診斷 裝置相結合。磁共振檢查系統提供了關於所要檢査的患者的解剖學形態或 局部溫度分布的信息。發射斷層攝影系統提供了關於局部代謝的功能性信 息。此外，根據本發明，向關於局部代謝的功能性信息和/或解剖學形態信 息應用運動校正。在這些經運動校正的信息的基礎上控制所述治療系統。也就是說，在來自磁共振檢査系統和發射斷層攝影系統的經運動校正的信 息的基礎上控制治療動作的實施，尤其是實施治療活動的位置和/或治療活
動的強度或持續時間。例如，可以將所述治療系統實現為高強度超聲(HIFU) 系統。所述HIFU系統在局部(聚焦)區域內生成對組織進行局部改變或破 壞的高強度超聲強度。所述診斷成像裝置具有在解剖學信息和局部代謝的 結合的基礎上對病灶，尤其是惡性腫瘤定位的能力。之後，控制所述治療 系統，從而對病灶準確地施加治療動作，諸如，高強度聚焦超聲輻射。此 外，所述診斷成像裝置能夠利用(例如)磁共振熱敏成像法監測所述治療 動作的效果。可以從J. de Poorter的文象(Noninvasive MRI Thermometry with the proton resonance frequency (PRF) method: In Vivo results in human muscle", Magnetic Resonance Imaging 33 (1995)， p 74-81中了解磁共振熱敏 成像本身。
在本發明的診斷成像裝置的另一個示例中，發射斷層攝影系統包括用 於接收核衰變信號的高能量探測器。磁共振檢査系統包括兩種用於生成磁 梯度編碼場的梯度線圈。所述磁共振檢査系統還包括發射和/或接收磁共振 信號的RF天線。所述RF天線和高能量探測器位於能夠將患者置於其中的 檢査區的周圍。可以將RF天線和高能量探測器集成，從而在不對檢查區的 尺寸，尤其是寬度構成折衷的情況下使所述RF天線和高能量探測器二者相 對接近所要檢查的患者。由於RF天線接近所要檢查的患者，因而能夠很好 地控制所要檢査的患者內的RF激勵場的空間分布，從而在不對所要檢查的 患者造成不必要的RF (SAR)負擔的情況下實現對自旋的充分激勵。而且， 通過接近所要檢查的患者的RF天線能夠更為靈敏地探測磁共振信號。此 外，通過接近所要檢査的患者的高能量探測器能夠更為靈敏地探測核衰變 信號。


將參考下文中描述的實施例和附圖闡述本發明的這些和其他方面，在 附圖中
圖1示出了根據本發明的診斷成像裝置的實施例的示意性表示，
圖2以流程圖的形式示出了通過本發明的診斷成像裝置執行的控制、數據流和處理，以及
圖3以流程圖的形式示出了根據本發明的用於採用同時獲取的磁共振 信號(MRI數據)對核發射衰變數據(PET數據)進行運動校正的數據處 理。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明的診斷成像裝置的實施例的示意性表示。所述 診斷成像裝置包括磁共振檢査系統1和實際上是PET掃描儀2的發射斷層 攝影系統2。磁共振檢査系統包括在檢查區12內生成穩定的均勻主磁場的 主磁體11。這一主磁場在所要檢查的患者體內引起沿所述主磁場的場線的 自旋的部分取向。RF系統13設有一個或多個RF天線63，以向所述檢査 區內發射RF激勵電磁場，從而在所要檢査的患者的體內激勵自旋。弛豫自 旋發射由RF天線拾取的處於RF範圍內的磁共振信號，其中，所述RF天 線尤其具有RF接收線圈的形式。RF系統具有發射(Tx) RF激勵場以及接 收磁共振信號的功能。可以採用同一硬體實現發射和接收。提供Tx/Rx開 關61以在激勵和信息獲取之間切換。此外，可以採用獨立的表面線圈作為 局部RF接收器天線。也可以將局部線圈用於發射。值得注意的是，可以採 用局部表面線圈或局部體積線圈(即T/R鳥籠式頭線圈)生成和接收來自 患者的解剖學結構的相關部分的磁共振信號。也就是說，本發明的磁共振 檢査系統未必要求固定MR體線圈設有另一可用於自旋的激勵和磁共振信 號的接收的線圈。將RF放大器系統62耦合至Tx/Rx開關61，並且所述 RF放大器系統62具有向RF天線63施加RF波形的功能。此外，通過提 供梯度線圈14生成瞬時磁梯度場，尤其是讀取梯度脈衝和相位編碼梯度。 這些梯度場往往具有處於相互正交的方向的取向，並對磁共振信號施加空 間編碼。提供梯度放大器71激活梯度線圈72，以生成磁梯度編碼場。梯度 放大器71連同梯度線圈72 —起形成了梯度系統14。將由RF接收器天線 拾取的磁共振信號施加到包括光譜儀的MRI數據獲取系統(MRI-DAS)。
發射斷層攝影系統，在這一示例中PET掃描系統2包括圍繞所述檢査 區設置的用於從所要檢查的患者拾取核衰變信號的PET探測器環。值得注 意的是，所述PET探測器環和RF天線被設置為對同一感興趣體積敏感，並且(例如)被定位於同一感興趣體積的周圍。具體而言，PET探測器環 的中心與檢查區12的中心重合。值得注意的是，PET探測器環與RF線圈 63集成。例如，所述PET探測器具有對伽馬輻射敏感的探測器元件，並且 嵌套於RF線圈的導體棒之間。例如，RF線圈63由定位於PET探測器的 探測元件之間的薄帶構成。所述探測元件是由各個探測器晶體形成的。通 過這種方式，RF線圈的導體棒為PET探測元件提供機械支撐。另一方面， PET探測器幾乎不或者根本不幹擾RF線圈的功能，反之亦然。從所述檢查 區來看，與RF線圈集成的PET探測器環21定位於梯度線圈的前面。艮P， 使具有RF線圈的PET探測器比梯度線圈更加接近所要檢査的患者。這實 現了使PET探測器環21以及RF天線(線圈)在檢查區12內具有其各自 的高靈敏度空間區域。由於探測器晶體不具有顯著的導電性，因而它們可 能在對梯度場造成不利影響的情況下在梯度線圈內工作。此外，探測器電 子器件由半導體部件構成，將所述半導體部件安裝為使由梯度線圈的操作 所感應的渦流最小化。將由PET探測器環21接收到的核衰變信號轉換成被 路由至PET獲取系統22的電子衰變信號(PET數據)。PET獲取系統將PET 數據直接獲取為所謂的正弦圖(sinogram)。
各個探測器對具有與之相關的相應的響應線，所述響應線連接所討論 的對的獨立的探測器。響應線由其取向角以及響應線和PET探測器環的中 心之間的最短距離確定。對於獨立重合事件而言，形成多條響應線並收集 其角度和取向，所述角度和取向在經繪製之後將得到針對所討論的重合的 正弦形曲線(由此術語正弦圖)。根據重合事件的正弦圖的取向角和(響應 線和PET探測器環的中心之間的)最短距離能夠確定其位置。對於幾個重 合事件而言，收集相應的響應線的角度和取向作為正弦圖中的像素，從而 最終使正弦圖中的各個像素代表與其響應線或者與之等價的一對(相反的) 探測器取向相關的重合事件的數量。例如，可以通過例如經濾波的反向投 影根據最終的正弦圖重構圖像。為了根據PET數據，尤其是正弦圖重構PET 圖像，以及根據磁共振信號重構磁共振圖像，提供了重構器5。通常，重構 器5是通過軟體實現的。
磁共振檢査系統通過利用RF天線，尤其是RF線圈63,施加RF激勵 場，在位於檢查區內的待檢查的對象內激勵自旋。所述RF線圈是由RF放大器62激活的，並且在發射模式下對Tx/Rx開關進行操作。由於RF激勵， 受到激勵的自旋的弛豫導致來自對象的磁共振信號。磁共振信號由RF線圈 接收，並被應用於MRI，從而對k空間進行掃描，以實現磁共振信號的獲 取。通過施加編碼梯度，對k空間進行掃描，並將所接收到的MRI數據施 加至MRI-DAS 64，並最終施加至重構器5。主計算機3控制RF系統13和 梯度系統14，以執行適當的獲取序列，從而為獲取磁共振信號對k空間進 行掃描。具體而言，磁共振檢查系統執行以冗餘的方式掃描k空間的中心 區域的螺旋槳型獲取序列。這一冗餘掃描隱含著相繼對k空間的同一中心 區域進行幾次抽樣。如果沒有運動產生，那麼相繼的樣本是基本相等的。 相應地，來自k空間的中心的相繼的樣本的變化表示例如在相繼的抽樣過 程中產生的運動所導致的變化。具體而言，針對k空間內所掃描的每一條 帶估算運動校正參數。這些參數尤其涉及旋轉、平移和貫穿平面的加權。 也可以採用其他以冗餘的方式對k空間的中心區域抽樣的獲取序列。以令 人滿意的方式實現k空間的中心的冗餘的獲取序列的具體示例是包括對k 空間的中心的周期性重新掃描的3D-TRICKS;並且採用4D-TRACKS也取 得了很好的結果，所述4D-TRACKS包括從偏離k空間的中心的位置開始 掃描，從而從k空間的中心獲取具有最大對比度增強的信號，並且分別在k 空間的中心和外圍區域採用不同的獲取方案。而且，可以將並行的成像技 術與這些獲取序列結合。
將所獲取的PET和MRI數據"打上時間戳"並裝入幀內，所述幀對應 於從k空間的各條帶獲取磁共振信號所需的時間。可以與PET數據獲取同 時獲取所述磁共振信號。之後，針對各PET正弦圖獲取k空間內的相應條 帶。在獲取了磁共振信號的在k空間內旋轉的下一條帶時，將同時獲取的 PET數據存儲為與在k空間內新旋轉的條帶相關的新的幀。
將分析單元4結合到主計算機內，尤其可以將其作為軟體模塊。分析 單元4由來自k空間的冗餘掃描中心區域的抽樣數據導出所需的運動校正。 將由磁共振信號導出的運動校正應用於同時獲取的PET數據。具體而言， 對各PET正弦圖進行處理，g卩，將其重構成接下來受到運動校正的各個PET 圖像幀。可以在投影重構之前，向各個正弦圖實施運動校正。將所需校正 從空間域轉換到正弦圖空間。接下來，(例如通過加權和)將經運動校正的PET圖像幀重構成經運動校正的PET圖像。可選地，可以向各個PET圖像 幀應用運動校正，其包括對圖像幀幾何形狀的旋轉和變形。此外，針對貫 穿平面運動的校正還可以包括在逐幀的基礎上對各PET圖像幀加權。
圖2示出了磁共振信號(MRI數據)和核衰變信號(PET數據)的同 時獲取和預處理的流程圖。通過一種方式獲取所述MRI數據，所述方式使 得其適於MRI和PET數據以及由這些獲取數據重構的圖像二者的運動校 正。
圖3示出了緊隨用來重構經運動補償的磁共振圖像和經運動補償的發 射斷層攝影圖像(PET圖像)的所有(MRI和PET)數據的獲取的完成的 重構的流程圖。
權利要求
1、一種診斷成像裝置，包括-用於獲取磁共振信號的磁共振檢查(1)系統-用於獲取核衰變信號的發射斷層攝影系統(2)以及-用於根據所述磁共振信號導出(一個或多個)運動校正的分析模塊(4)以及-用於在所述(一個或多個)運動校正的基礎上根據所述核衰變信號重構經運動校正的發射斷層攝影圖像的重構模塊(5)。
2、 根據權利要求1所述的診斷成像裝置，包括-耦合至所述磁共振檢査系統和所述發射斷層攝影系統的系統控制器 (3)，-所述系統控制器具有用於控制下述操作的功能- 由所述磁共振檢査系統實施的對磁共振信號的獲取以及- 由所述發射斷層攝影系統實施的對核衰變信號的獲取。
3、 根據權利要求2所述的診斷成像裝置，其中-所述系統控制器還具有記錄對所述磁共振信號的所述獲取的時間和 對所述核衰變信號的所述獲取的時間的功能並且-用於導出所述運動校正的所述磁共振信號和用於所述發射斷層攝影 圖像的重構的所述核衰變信號具有相等的獲取時間。
4、 根據權利要求3所述的診斷成像裝置，其中，所述系統控制器的所 述時間記錄是通過分別控制所述磁共振檢查系統和所述發射斷層攝影系統 從而實現對磁共振信號和核衰變信號的同時獲取而實現的。
5、 根據權利要求3所述的診斷成像裝置，其中，所述系統控制器的所 述時間記錄是通過向所述磁共振信號和所述核衰變信號分配時間戳而實現 的。
6、 根據權利要求3所述的診斷成像裝置，其中，所述系統控制器的所 述時間記錄包括在向所要檢查的對象施用放射性藥物的時刻的基礎上觸發 由所述磁共振信號和/或所述發射斷層攝影系統實施的信號獲取。
7、 根據權利要求1、 2或3所述的診斷成像裝置，其中所述重構模塊 還用於在所述運動校正的基礎上根據所述磁共振信號重構經運動校正的磁 共振圖像。
8、 根據權利要求1所述的診斷成像裝置，其中，所述磁共振檢查系統 被設置為在磁共振信號的獲取當中對k空間進行掃描，從而在k空間的中 心區域生成數據冗餘。
9、 一種治療裝置，其包括根據權利要求2所述的診斷成像裝置和治療 模塊，其中，還將所述系統控制器耦合至所述治療模塊，並且所述系統控 制器具有在由所述診斷成像系統生成的圖像信息的基礎上控制所述治療模 塊的功能。
全文摘要
一種診斷成像裝置包括用於獲取磁共振信號的磁共振檢查(1)系統和用於獲取核衰變信號的發射斷層攝影系統(2)。提供分析模塊(4)，從而根據磁共振信號導出(一個或多個)運動校正。重構模塊(5)在運動校正的基礎上根據核衰變信號重構經運動校正的發射斷層攝影圖像。還公開了一種治療裝置，其具有診斷成像裝置和治療模塊，其中，還將系統控制器耦合至治療模塊，並且所述系統控制器具有在診斷成像系統生成的圖像信息的基礎上控制治療模塊的功能。
文檔編號G01R33/565GK101563624SQ200780046870
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月13日 優先權日2006年12月19日
發明者P·R·哈維 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司