產生跳動的心臟的計算機斷層造影圖像的方法和設備的製作方法

2023-05-19 23:21:06 2

專利名稱：產生跳動的心臟的計算機斷層造影圖像的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過按照體素地再現來自預先給定的心臟周期階段的立體數據組來產生跳動的患者心臟的計算機斷層造影圖像的方法和計算機斷層造影設備。
背景技術：
類似的方法和計算機斷層造影設備一般由心臟CT公知，其例子可參考文獻「Heart-Rate adaptive Optimization of Spatial and Temporal Resolution forECG-Gated Multislice Spiral CT of the Heart」，Thomas Flohr and Bernd Ohnesorge，Journal of Computer Assisted Tomography，25(6)907-923。在這種公知的CT心臟成像方法中，與CT掃描並行地記錄患者的EKG，並與所獲得的檢測器數據一起存儲起來。然後利用典型的EKG結構、如R鋸齒可以回顧性地選擇對應於一個特定心臟階段的檢測器數據，並從相對於R鋸齒的一個特定周期時刻開始再現圖像數據。心臟立體的這種相位分辨的圖像顯示既可用於冠狀動脈的CT血管造影又可用於對心臟的功能診斷。對於功能診斷則需要許多在不同時間間隔展示整個心臟周期的圖像。相應地在相對於後續R鋸齒的不同開始時刻再現立體數據組，但為此所需的檢測器數據跨越了更大的心臟階段。通常可以從中再現出時間上相繼的單幅圖像的數據集合時間段甚至互相重疊，因為使得操作員需要連續心臟圖像的時間間隔大多小於必須採集用於再現圖像的數據的時間段。
因此，心臟階段的特定時刻的數據組被多次用於再現不同開始時刻的立體數據組，由此會產生很大的計算量。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種用於對患者的跳動心臟產生計算機斷層造影圖像的方法和計算機斷層造影設備，其使需要的計算量減少。
發明人已經認識到，可以在計算心臟CT圖像的時間序列時顯著減小計算量，其中在按照體素再現立體數據組時不是利用一個完整的半周數據組來再現每個體素或每個體素組，而是首先由小的數據段部分地再現出單個體素，然後將很多部分體素累加起來使得它們的總和相當於一個完整的半周。由此可以以一個或多個心臟周期內的小的階段時間段計算不完整的體素(部分體素)序列或不完整的體素組。然後可以從任意一個時刻開始將在時間上先出現的不完整的體素累加起來，使得它們的數據量對應於一個半周。這種計算操作是簡單的相加，必要時是加權的相加，但可以比完整地再現更為簡單地執行。如果現在從另一個開始時刻起計算體素或體素組，則只需要訪問另一組已經預先計算出的部分體素，並進行相同的累加。必要時還存在這樣的可能性，如果下個時刻存在或早或晚的數據段，則從已經計算出的最終體素中去除一個最初涉及的不完整體素，並在另一側(從時間上看)添加一個新的不完整體素。這些操作在數學上非常簡單，並且能以很高的速度執行。當然在此不僅可以計算一個體素，還可以計算體素組，例如一個特定截面或一個特定立體區域的所有體素。
因此基本思想就在於，將對一個體素的循環掃描分為具有可選大小的小角度段，每一段都能獨立地被再現，並且將被再現的不完整體素與其心臟階段相關聯地存儲起來。然後必要時加權地累加針對心臟階段和體素的不完整體素，並計算為一個或一組完整的體素。
由此發明人建議了一種用於對患者的跳動心臟產生計算機斷層造影圖像的方法，具有以下方法步驟-為了掃描患者至少使一個X射線管相對患者圍繞患者和系統軸旋轉，-接收與脈衝相關的患者的時鐘信號，以從該時鐘信號中確定心臟的周期階段和周期，-由至少一個檢測器、優選為至少一個多行檢測器在至少一個X射線管旋轉期間連續檢測X射線的衰減，並作為檢測器輸出數據輸出到控制和計算單元，-將掃描立體劃分為小的三維立體元(＝體素)，對每個體素都查找與該體素相交的射線和從中產生的檢測器輸出數據，-由這些針對體素的檢測器輸出數據再現出不完整的體素值，其中用於再現體素的各個檢測器數據綜合起來只包含一個掃描段，該掃描段只對應於一個半周的一小部分，-每個被再現的不完整體素都具有一個時間戳，從中可以確定再現該體素的周期階段和周期，-為了進行計算出來自第一心臟階段的至少一個完整體素值的第一計算，將來自該心臟階段的多個不完整體素值累加，直到這些體素的掃描段之和至少等於180°，-為了進行計算出來自第二心臟階段的至少一個完整體素值的第二計算，將來自該心臟階段的多個不完整體素值累加，直到這些體素的掃描段之和至少等於180°，-將第一心臟階段和第二心臟階段相交疊。
通過本發明的方法，雖然需要首先再現心臟周期期間的所有部分體素的計算開銷，但這是一次性完成的，從而可以非常容易地通過簡單疊加正確的部分體素而產生用於顯示跳動心臟的立體數據組的時間序列。為此所需的計算開銷的總量被極度減小。
採用上述基本原理，可以按照不同的視角來進行立體顯示。一方面可以從唯一的一個心臟周期中挑選出將組成一個完整體素值的不完整體素值，這意味著所有圖像數據來自一個較長的心臟周期階段。另一方面還可以從至少兩個相繼的心臟周期中提取出將組成一個完整體素值的不完整體素值。由此從中提取出圖像數據的心臟階段的整個持續時間被減半，或者如果採用三個相繼的心臟周期則減為三分之一。因此形成了較高的時間解析度，但相反心臟在多個心臟周期期間不一定會恰好位於相同的位置，由此可能由患者的一次旋轉產生位置模糊。
但是還可以由一個心臟周期的檢測器數據再現出不完整的體素值，或者另一方面由多個相繼心臟周期的檢測器數據再現出不完整的體素值。原理上，在此對於採用來自多個心臟周期的檢測器數據來說減小了時間解析度，而提高了由於整個患者的運動而導致的運動模糊的危險。
除了上述變形之外，還可以取代一個X射線管而採用多個X射線管來掃描心臟，其中將組合為一個完整體素值的不完整體素值又可以分別來自一個X射線管產生的檢測器數據，或者來自至少兩個不同X射線管產生的檢測器數據。
在上面所述的方法變形中首先只涉及一個體素值，還可以對應於穿過患者或心臟的一個截面、優選一個軸向截面來對多個被觀察體素分組，並按組來計算。
在該方法的另一變形中，在計算第二心臟階段時從第一心臟階段的完整體素中減去不屬於第二心臟階段的不完整體素值，必要時還要進行加權，並且只累加第一心臟階段期間的新體素值，必要時進行加權。簡單地說，這相當於減去先前時間段的數據，並增加較晚時刻的數據，也就是交換了兩個數據組。如果用於計算出不完整體素的各個部分段的數量非常小，則由此還會節省很多計算時間。
原則上可以連續地在整個時間和位置的掃描期間一次性再現所有不完整體素值，但在本發明的範圍內，可以為了一次性再現所有不完整體素值而預先給定心臟周期的一個小於整個心臟周期的階段時間段。這在只應當計算一個特定的心臟周期區域並且例如在R鋸齒周圍(其中心臟運動得太快)不應當計算出圖像時是有意義的。由此相應於比整個心臟周期短的階段時間段可以導致計算時間的減少。
優選地，在本發明的方法中為了再現所有不完整體素值而採用相同大小的檢測器數據段。此外，在此尤其有利的是這樣選擇段的大小，使其的整數倍為至少一個180°段(即至少一個半周)。在該變形中，不再需要在累加不完整體素值時進行其它情況下需要的加權。
本發明的方法既可以與順序掃描又可以與螺旋掃描結合使用，但連續螺旋掃描的應用特別有利，因為其對整個檢查區域連續地掃描。
作為與脈衝相關的時鐘信號，例如可以採用EKG導數，或者機械脈衝的壓力脈衝導數，如在某些微調設備中用於顯示心臟頻率的機械脈衝。
對應於上面所描述的本發明的基本思想，發明人還提出了一種用於對患者的跳動心臟產生X射線CT圖像的計算機斷層造影設備，其包括利用至少一個X射線管和至少一個檢測器對患者進行旋轉掃描的裝置，其中檢測器連續檢測X射線的衰減，並作為檢測器輸出數據輸出到控制和計算單元，此外還包括用於檢測與脈衝相關的時鐘信號的裝置以及由至少一個計算單元和在運行時執行上述方法步驟的程序或程序模塊組成的系統。


下面藉助附圖中的優選實施例詳細描述本發明，要說明的是其中只示出了對直接理解本發明很重要的元件。在此採用了以下附圖標記1計算機斷層造影設備；2X射線管；3檢測器/多行檢測器；4系統軸；5外殼；6可移動患者臥榻；7患者；8EKG導線；9控制和計算單元；10控制和數據導線；11焦點位置；11』第二焦點位置；12穿過體素的X射線；12』從第二焦點位置穿過體素的X射線；13掃描螺旋；14體素；15.x焦點的穿過體素落在檢測器上的掃描射線；16EKG導數；17R鋸齒；18R鋸齒的回顧性時間位移；T1圖像計算的第一起始時刻；T2圖像計算的第二起始時刻；Vx不完整的體素值；Z系統軸；U電壓；t時間。
圖中具體示出圖1示出用於執行本發明方法的計算機斷層造影設備；圖2示出對檢查對象體內的體素的螺旋掃描的示意圖；圖3示出掃描射線穿過體素落在多行檢測器上的變化過程；圖4示出包括位於下面的EKG導數的按照體素和按照片段的再現分組的示意圖；圖5示出從圖4中選擇用於顯示特定掃描時刻的再現分組；圖6示出用於計算體素值的時間上連續的移動的示意圖；圖7示出選擇再現階段範圍的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出用於進行螺旋掃描的計算斷層造影設備1。為此X射線管2與設置在對面的檢測器3一起位於具有外殼5的支架上。在檢測器3和X射線管2之間具有一個開口，患者7在X射線管2和檢測器3旋轉期間可以藉助可平移的臥榻6穿過該開口地移動。通過X射線管/檢測器系統的旋轉運動和同時患者7在系統軸4方向上的連續平移而形成相對於患者的螺旋形掃描。該運動通過控制和計算單元9控制，而同時計算單元9還通過控制/數據導線10在掃描期間採集檢測器輸出數據並進行處理。此外，在掃描期間通過EKG數據導線8由集成在控制和計算單元9中的EKG記錄患者的心臟行為，並與所拍攝的檢測器數據地存儲起來。
計算操作和本發明方法步驟的執行通過存儲在控制和計算單元中的程序Prg1-Prgn進行。
X射線管2的焦點11在螺旋軌道13上圍繞患者的相對運動在圖2中示出。在該圖中，為清楚起見示出一個體素14，其應當表示患者體內的特定立體元。有兩條射線12和12』穿過該體素14，這些射線從焦點位置11和11』出發穿過該體素併到達對面的檢測器。為了完整地再現體素14的體素值，需要總地覆蓋180°旋轉角的檢測器信息。但也可以在小於180°的子片段上進行體素再現，然後計算不完整的體素值。因此如果將一個180°的片段分為三個60°的子片段，則在這些各60°的子片段上再現不完整的體素值，然後將這些不完整體素值累加，由此獲得一個完整的、與在180°的片段上再現的體素值相同的體素值。
圖3中由路徑15.1-15.3示出這種射線的三個示例性軌跡，該射線從焦點11出發穿過特定的體素併到達對面的檢測器。根據本發明，體素的在掃描時形成於檢測器上的投影被分為對應於小於180°角度的子片段。優選這樣進行該劃分，使得這些子片段的整數倍加起來恰好等於180°。在後面的圖4-7中採用60°子片段，從而為了產生一個完整的體素值可以分別疊加3個不完整再現的體素。當然還可以分為更小的片段。
圖4示出用於說明該情況的圖，其中關於時間繪製一個心臟周期的部分體素值V1-V13，同時在下面與時間相關地顯示EKG導數16。關於EKG導數在縱軸上記錄電壓電位U，關於部分體素Vx顯示Z坐標。在該時間過程中先前進行的在系統軸方向上的移動通過部分體素值Vx的連續上升來表示。
圖4下方的圖5再次示出連續再現不完整體素Vx的示意圖，但在此通過箭頭18確定第一心臟階段I的起始時刻T1，回顧性地從應當在此計算出完整體素的EKG中的R鋸齒17開始。根據下面的預定輸入用於再現一個完整體素值Vx的子片段應當覆蓋60°，則需要三個子片段來形成一個完整的體素值。對應地，在該例中需要體素值V6、V5和V4來形成完整的體素值。由於已經結束了計算開銷很大的再現操作，因此在時刻T1產生完整的體素值可以用很小的計算開銷完成。如果操作員現在不想從時刻T1開始而想從時刻T2(對應於第二心臟周期階段)開始、也就是從一個稍晚些的時刻開始來重新確定完整的體素值，則只需累加不完整體素值V5、V4和V3來替代不完整體素值V6、V5和V4，如圖6所示。該計算操作也可以非常簡單地執行，並且在所採用的計算機中只需較少的計算能力。
該措施通過圖6示出。示出兩個心臟階段I和II，分別從時刻T1和T2開始，它們對應於不完整體素值V4-V6和V3-V5。如上所述還可以通過減去不完整體素值V6和加上不完整體素值V3來從第一心臟階段I的完整體素值中計算出第二心臟階段II的完成體素值，而不需要進行新的再現。
如果想要在該心臟周期期間運行電影序列，則可以在事先成功進行了不完整體素的再現之後例如從不完整體素V13開始，接著相繼累加第三分組Vn-0到Vn-2，其中n＝13到n＝3，並計算為完整的體素值。如果這是針對特定的立體或截面進行的，則形成顯示心臟運動的電影序列。在此所需要的計算操作仍然很少。
因此根據所示方法，可以順序地從心臟周期內的第一較早時刻開始，按照時間順序地計算多個體素值，由此也以很少的計算開銷順序地顯示整個立體。
如果所採用的能從中計算出不完整體素的子片段小得多，例如在30°或更小的範圍內，則有利的是取代分別重新累加所有需要的部分體素值而從事先計算的完整體素中只除去位於時間軸的一側的不完整體素，並將在另一側的一個新的不完整體素添加到剩餘值中，由此再次節省了大量的計算時間。如果由多個X射線管提供了數據，則該數據可以按照相應方式一起記錄到不完整體素的可供使用的數據池中，其中操作員可以簡單和計算強度不大地從現有的數據中選擇形成圖像最佳的組合。
在本說明書中特別要指出，本發明的方法不限於計算單個體素，當然也可以按照組來計算不完整體素，從而可同時以上述方式由大量的單個體素計算出整個圖像片段，或圖像立體。
此外還要指出，根據本發明的方法也可以採用來自同一個心臟階段的多個心臟周期的多個不完整體素值來用於計算完整體素值。在此相應改善了時間解析度。
圖7再次表明不需要再現心臟周期的整個區域，而是首先用不完整體素再現感興趣的某個心臟階段區域19就足以，其中可以讀取出這樣的時間區域，在這些時間區域中一開始就很清楚由於心臟的運動太劇烈而不可能形成足夠清晰的圖像。
可以理解，本發明的上述特徵不僅可以按照分別給出的組合還能在不脫離本發明範圍的情況下以其它組合或單獨使用。
總之，通過本發明提出了通過逐個體素地再現來自預先給定的心臟周期階段的立體數據組來產生患者跳動心臟的計算機斷層造影圖像的方法和計算機斷層造影設備，其中首先由比180°小得多的、對應於小的心臟階段片段的投影片段計算出多個按照體素的部分再現。接著分別在所觀察的心臟階段從不完整再現的體素數據池中累加出完整的體素數據，該完整的體素數據總共包括至少180°並來源於一個預先選擇的心臟階段。
權利要求
1.一種用於對患者(7)的跳動心臟產生計算機斷層造影圖像的方法，具有以下方法步驟1.1.為了掃描患者(7)使至少一個X射線管(2)相對於該患者(7)圍繞該患者(7)和系統軸(4)旋轉，1.2.接收患者的與脈衝相關的時鐘信號，以從該時鐘信號中確定心臟的周期階段和周期，1.3.由至少一個檢測器(3)、優選為至少一個多行檢測器連續檢測在該至少一個X射線管旋轉期間X射線(12，12』)的衰減，並作為檢測器輸出數據輸出到控制和計算單元，1.4.將掃描立體劃分為小的三維立體元(＝體素)(14)，對每個體素都查找與該體素相交的射線和從中產生的檢測器輸出數據，1.5.由這些針對體素的檢測器輸出數據再現出不完整的體素值(Vi)，其中用於再現體素的各個檢測器數據綜合起來只包含一個掃描段，該掃描段只對應於一個半周的一小部分，1.6.每個被再現的不完整體素值(Vi)都對應於一個時間戳，從中可以確定再現該體素(14)的周期階段和周期，1.7.為了進行由第一心臟階段(I)對至少一個完整體素值的第一計算，將來自該心臟階段(I)的多個不完整體素值(V4-V6)進行累加，直到這些體素值(Vi)的掃描段之和至少等於180°，以及1.8.為了進行由第二心臟階段(II)對至少一個完整體素值的第二計算，將來自該心臟階段(II)的多個不完整體素值(V3-V5)進行累加，直到這些體素的掃描段之和至少等於180°，1.9.將該第一心臟階段(I)和第二心臟階段(II)相交疊。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述組成一個完整體素值的不完整體素值(Vi)源自一個心臟周期。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述組成一個完整體素值的不完整體素值(Vi)源自至少兩個相繼的心臟周期。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，只由一個心臟周期的檢測器數據再現不完整的體素值(Vi)。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，由多個相繼心臟周期的檢測器數據再現不完整的體素值(Vi)。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述組合為一個完整體素值的不完整體素值(Vi)分別源自一個X射線管產生的檢測器數據。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述組合為一個完整體素值的不完整體素值(Vi)分別源自至少兩個不同X射線管產生的檢測器數據。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，對應於穿過患者或心臟的一個截面、優選為一個軸向截面來對多個完整的體素進行分組，並按組來計算。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，在計算第二心臟階段(II)時從第一心臟階段(I)的完整體素值中減去不屬於第二心臟階段(II)的不完整體素值(V6)，且必要時進行加權，並且只累加相對於第一心臟階段的新體素值(V3)，且必要時進行加權。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特徵在於，連續地在整個時間和位置掃描期間一次性再現所有不完整的體素值(Vi)。
11.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特徵在於，為了一次性再現所有不完整的體素值(Vi)而預先給定心臟周期的一個小於整個心臟周期的階段時間段(19)。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其特徵在於，為了再現所有不完整的體素值(Vi)而採用相同大小的檢測器數據段。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，這樣選擇所述段的大小，使其的整數倍是180°段。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的方法，其特徵在於，該方法可與螺旋掃描結合使用。
15.根據權利要求1至13中任一項所述的方法，其特徵在於，該方法可與順序掃描結合使用。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的方法，其特徵在於，作為與脈衝相關的時鐘信號採用EKG導數。
17.根據權利要求1至15中任一項所述的方法，其特徵在於，作為與脈衝相關的時鐘信號採用壓力脈衝導數。
18.一種用於對患者(7)的跳動心臟產生X射線計算機斷層造影圖像的計算機斷層造影設備(1)，包括18.1.利用至少一個X射線管(2)和至少一個檢測器(3)對患者進行旋轉掃描的裝置，該檢測器連續檢測X射線的衰減，並作為檢測器輸出數據輸出到控制和計算單元(9)，18.2.用於檢測與脈衝相關的時鐘信號的裝置(Prgx)，18.3.由至少一個計算單元(9)和在運行時執行上述方法步驟的程序或程序模塊(Prgy)組成的系統。
全文摘要
本發明涉及一種通過按照體素的再現來自預先給定的心臟周期階段的立體數據組以產生患者跳動心臟的計算機斷層造影圖像的方法和計算機斷層造影設備，其中首先由比180°小得多的、對應於小的心臟階段片段的投影片段計算多個按照體素的部分再現，接著分別在所觀察的心臟階段從不完整再現的體素數據池中累加出完整的體素數據，該完整的體素數據總共包括至少180°並來源於一個預先選擇的心臟階段。
文檔編號A61B6/03GK1833612SQ20061006821
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月20日 優先權日2005年3月18日
發明者赫伯特·布魯德 申請人:西門子公司