коррекция непроизвольного дыхательного движения при компьютерной томографии сердца

Формула изобретения

1. Способ компьютерной томографической ангиографии с компенсацией дыхательного движения, содержащий этапы, на которых:

вращают конический пучок излучения вокруг пациента;

собирают данные ослабления излучения из излучения, которое прошло через множество субобъемов пациента;

перемещают в продольном направлении пациента и конический пучок излучения относительно друг друга для создания множества наборов данных субобъемов вдоль спиральной траектории;

выбирают наборы данных субобъемов из созданных наборов данных субобъемов, находящихся в общей фазе сердечного цикла;

создают множество изображений субобъемов в общей фазе сердечного цикла из выбранных наборов данных субобъемов;

идентифицируют характеристические точки в перекрывающихся частях изображений субобъемов в общей фазе сердечного цикла;

вычисляют вектор дыхательного движения, по меньшей мере, для некоторых из выбранных наборов данных субобъемов в общей фазе сердечного цикла, основываясь на идентифицированных характеристических точках; и

реконструируют созданные наборы данных субобъемов в объемное изображение в соответствии с вычисленным вектором дыхательного движения.

2. Способ по п.1, в котором вычисление вектора дыхательного движения содержит этап, на котором:

оценивают изменения в местоположениях идентифицированных характеристических точек в каждом из множества изображений субобъемов.

3. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых:

контролируют сердечный цикл пациента и

синхронизируют собранные наборы данных субобъемов в соответствии с контролируемым сердечным циклом.

4. Способ по п.3, дополнительно содержащий этапы, на которых:

контролируют дыхательный цикл пациента и

используют проконтролированную фазу дыхания при вычислении вектора дыхательного движения.

5. Способ по п.1, в котором изображения субобъемов являются изображениями срезов с множеством поперечных срезов, реконструированными из полного набора данных для 180 градусов.

6. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором:

преобразуют, по меньшей мере, часть объемного изображения в удобное для восприятия человеком отображение.

7. Машиночитаемый носитель информации, на котором хранится программа управления процессором для осуществления этапов способа по п.1.

8. Компьютерное томографическое устройство, содержащее один или более процессоров, запрограммированных на выполнение способа по п.1.

9. Компьютерное томографическое устройство по п.8, дополнительно содержащее:

опору для пациента;

поворотный гентри;

генератор рентгеновского излучения, установленный на поворотном гентри, который создает конусный пучок излучения, направленный на опору для пациента;

детектор излучения, обнаруживающий конусный пучок излучения после прохождения через пациента, находящийся на опоре для пациента; и

механизм, заставляющий конусный пучок излучения вращаться вокруг пациента по спиральной траектории.

10. Устройство для компьютерной томографической ангиографии с компенсацией дыхательного движения, содержащее:

источник рентгеновского излучения, создающий конусный пучок рентгеновского излучения, вращающийся вокруг пациента вдоль спиральной траектории;

детектор, создающий наборы данных субобъемов вдоль спиральной траектории, соответствующие множеству субобъемов кровеносного сосуда за множество сердечных циклов;

кардиосинхронизатор, выбирающий наборы данных субобъемов, находящихся в общей фазе сердечного цикла;

процессор реконструкции субобъемов, создающий изображения субобъемов в общей фазе сердечного цикла из выбранных наборов данных субобъемов;

процессор характеристических точек, идентифицирующий характеристические точки в изображениях субобъемов в общей фазе сердечного цикла;

процессор дыхательного движения, вычисляющий вектор дыхательного движения, по меньшей мере, для некоторых из выбранных наборов данных субобъемов в общей фазе сердечного цикла, основываясь на идентифицированных характеристических точках; и

процессор реконструкции изображений, реконструирующий наборы данных субобъемов в объемное изображение в соответствии с вычисленным вектором дыхательного движения.

11. Устройство по п.10, дополнительно содержащее:

кардиомонитор, контролирующий сердечный цикл пациента; и

кардиосинхронизатор, синхронизирующий собранные наборы данных изображений субобъемов в соответствии с контролируемым сердечным циклом.

12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее:

монитор дыхания, контролирующий дыхательный цикл пациента, процессор дыхательного движения, использующий контролируемый дыхательный цикл при вычислении вектора дыхательного движения.

13. Устройство по п.11, дополнительно содержащее:

монитор, преобразующий, по меньшей мере, часть объемного изображения в удобное для восприятия человеком отображение.

14. Устройство по п.10, дополнительно содержащее:

запоминающее устройство, хранящее наборы данных субобъемов, процессор реконструкции субобъемов, извлекающий каждый набор данных из запоминающего устройства для реконструкции в изображения субобъемов, и процессор реконструкции объемного изображения, извлекающий данные из запоминающего устройства для реконструкции сохраненных данных в объемном изображении.

15. Устройство по п.14, дополнительно содержащее:

монитор для преобразования, по меньшей мере, части объемного изображения в удобное для восприятия человеком отображение.

16. Устройство для компьютерной томографической ангиографии, содержащее:

опору для пациента;

источник рентгеновского излучения и детектор рентгеновского излучения, закрепленные на поворотном гентри;

привод, выполненный с возможностью перемещения опоры для пациента и гентри таким образом, чтобы облучать пациента вдоль спиральной траектории; и

по меньшей мере один процессор, соединенный с детектором рентгеновского излучения и выполненный с возможностью:

создания наборов данных субобъемов, соответствующих множеству субобъемов анатомической области за множество сердечных циклов;

выбора наборов данных субобъемов по общей фазе сердечного цикла;

создания изображений субобъемов из наборов данных субобъемов в общей фазе сердечного цикла;

идентификации характеристических точек в перекрывающихся частях изображений субобъемов в общей фазе сердечного цикла;

вычисления вектора дыхательного движения, по меньшей мере, для некоторых из субобъемов, основываясь на характеристических точках в соответствии с каждой общей фазой сердечного цикла; и

реконструкции наборов данных субобъемов в объемное изображение в соответствии с вычисленным вектором дыхательного движения.

Описание изобретения к патенту

Настоящая заявка относится к компьютеризированному томографическому (СТ) формированию изображений. Она находит конкретное применение в связи с ангиографией коронарных артерий и будет описана с конкретной ссылкой на нее. Однако, эти концепции будут также находить применение в связи с другими применениями СТ при исследованиях грудной клетки и брюшной полости.

При СТ ангиографии коронарных артерий пациенту обычно вводят контрастное вещество. Когда контрастное вещество достигает коронарной артерии, изображение которой должно быть получено, сканер СТ начинает сбор данных изображения. Пациент задерживает дыхание и СТ данные собирают таким образом, что все данные собирают в течение общей фазы дыхания. Во время периода сбора данных проводят высокоскоростное СТ спиральное сканирование с относительно малым шагом. Данные ретроспективно синхронизируют, чтобы создать набор данных в выбранной фазе сердечного цикла. Малый шаг позволяет создать достаточное количество избыточных данных, так чтобы, когда данные за пределами выбранной фазы сердечного цикла могли быть отбракованы, оставался полный набор данных в выбранной фазе сердечного цикла.

Эта методика хорошо работает, если пациент может задержать дыхание на 5-20 секунд периода сбора данных. Если пациент не задерживает или не может задержать свое дыхание на все время сбора данных, то метод ангиографии коронарных артерий должен быть повторен. Однако из-за ограничений дозы контрастных веществ процесс должен быть повторен позднее. Как правило, данные не могут быть ретроспективно синхронизированы как для сердечного, так и для дыхательного движения, но при этом создают полный набор данных в выбранных фазах дыхания и сердечного цикла для реконструкции. Поскольку дыхательный цикл относительно медленный по сравнению с сердечным циклом, значительные участки данных вдоль коронарной артерии могли бы быть потеряны, если бы синхронизация дыхания и сердца применялась к данным одновременно.

Настоящая заявка описывает метод коррекции дыхательного движения во время сбора данных СТ изображения сердца.

В соответствии с одним аспектом настоящей заявки обеспечивается способ компьютерной томографической ангиографии с компенсацией дыхательного движения. Наборы данных, соответствующие множеству субобъемов кровеносного сосуда, создают за множество сердечных циклов. Изображения субобъемов создают из наборов данных субобъемов. В изображениях субобъемов идентифицируют характеристические точки. Вектор дыхательного движения вычисляют, по меньшей мере, для некоторых из субобъемов, основываясь на идентифицированных характеристических точках. Наборы данных субобъемов реконструируют в объемное изображение в соответствии с вычисленным вектором дыхательного движения.

В соответствии с другим аспектом обеспечивается устройство для компьютерной томографической ангиографии с компенсацией дыхательного движения. Источник излучения и детектор создают наборы данных, соответствующие множеству субобъемов кровеносного сосуда за множество сердечных циклов. Программа или процессор реконструкции субобъемов создает изображения субобъемов из наборов данных субобъемов. Программа или процессор характеристических точек идентифицирует характеристические точки в изображениях субобъемов. Программа или процессор дыхательного движения вычисляет вектор дыхательного движения, по меньшей мере, для некоторых из субобъемов, основываясь на их идентифицированных характеристических точках. Программа или процессор реконструкции изображений реконструирует данные субобъема в объемное изображение в соответствии с вычисленным вектором дыхательного движения. Часть объемного изображения преобразуют в удобное для восприятия человеком отображение.

В соответствии с другим аспектом устройство для компьютерной томографической ангиографии содержит средство для создания наборов данных, соответствующих множеству субобъемов анатомической области множества сердечных циклов. Одно средство создает изображения субобъемов из наборов данных субобъемов. Одно средство идентифицирует характеристические точки в изображениях субобъемов. Одно средство вычисляет вектор дыхательного движения, по меньшей мере, для некоторых из изображений субобъемов, основываясь на характеристических точках. Одно средство реконструирует данные субобъемов в объемное изображение в соответствии с вычисленным вектором дыхательного движения.

В соответствии с еще одним аспектом машиночитаемый носитель информации содержит сохраненную на нем программу управления процессором для осуществления этапов описанного выше способа компьютерной томографической ангиографии с компенсацией дыхательного движения.

Одно их преимуществ состоит в том, что изобретение позволяет выполнять компьютерную томографическую ангиографию сердца на людях, которые не могут или не задерживают свое дыхание во время сбора данных, например, на педиатрических пациентах, пациентах с болезнями дыхания, пациентах без сознания и т.п.

Другое преимущество состоит в минимизации дозировок контрастного вещества.

Еще одно преимущество состоит в формировании изображений компьютерной томографической ангиографии, скорректированных с учетом дыхательного движения.

Дополнительные преимущества станут очевидны для специалистов в данной области техники после прочтения и понимания последующего подробного описания.

Чертежи служат только для целей иллюстрации и не должны рассматриваться как ограничение изобретения.

Фиг.1 схематическое представление системы СТ сканера в соответствии с настоящей заявкой.

Фиг.2 схематическое представление сечения коронарной артерии, перекрывающегося с областями формирования изображений субобъемов срезов.

Фиг.3A, B и C - три изображения субобъемов, показанных на фиг.2.

Сканер 10 спиральной СТ содержит опору 12 для пациента, вокруг которой установлен с возможностью поворота гентри, на котором установлены рентгеновская трубка 16 и рентгеновский детектор 18. Обеспечивается средство, вызывающее спиральное движение опоры 12 для пациента и рентгеновской трубки 16 и детектора 18. В показанном на чертеже варианте осуществления средство содержит привод 20, движущий опору 12 для пациента в продольном направлении через гентри 14. Альтернативно, гентри может перемещаться относительно неподвижной опоры для пациента. Средство дополнительно содержит вращающийся привод 22 для вращения гентри с рентгеновской трубкой и детектором вокруг опоры для объекта. Как правило, гентри с рентгеновской трубкой и детектором вращаются непрерывно с относительно высокой скоростью например, 200-240 оборотов в минуту или больше. Данные ослабления излучения собирают из излучения, которое прошло через множество субобъемов пациента. Во время сбора данных относительное продольное перемещение между объектом и источником рентгеновского излучения и детектором выбирается так, чтобы иметь относительно малый шаг, например, шаг, равный 0,2.

Источник 16 рентгеновского излучения проецирует конический пучок излучения на детектор 18, который обнаруживает множество слоев объема изображения одновременно. Примерно через каждые 180 градусов вращения создается достаточное количество данных от субобъемов, определяемых коническим пучком, для реконструкции изображения субобъемов, особенно изображения среза, с множеством поперечных срезов. Благодаря малому шагу, изображения субобъемов, реконструированные из данных за несколько последующих оборотов, будут, по меньшей мере, частично перекрывать первое изображение субобъема.

Созданные данные изображения от детектора и данные контроля осевого и вращательного положений временно запоминаются в буфере 30. Программа или устройство 32 кардиосинхронизации принимает сигналы сердечного цикла от кардиомонитора 34, такие как сигналы системы отведений ЭКГ. Данные от субобъемов, в которых сердечный цикл был в выбранной фазе, сохраняются в запоминающем устройстве 36 данных выбранной фазы сердечного цикла. Если должно отображаться множество фаз сердечного цикла, могут быть созданы или совместно использоваться одно или более дополнительных запоминающих устройств 38 данных фаз сердечного цикла, чтобы сохранить дополнительный набор(ы) данных в различной фазе(ах) сердечного цикла.

Процессор 40 реконструкции субобъемов реконструирует данные от каждого из субобъемов в серии субобъемов или изображений 42₁, 42₂, 42 ₃ срезов, которые сохраняются в соответствующем запоминающем устройстве 44 субобъемов или изображений срезов. Программа или процессор 46 характеристических точек идентифицирует общие характеристические точки в каждом из изображений субобъемов. Программа или процессор 48 дыхательного движения вычисляет векторы дыхательного движения, которые используются программой или процессором 50 реконструкции при реконструкции данных выбранной фазы сердечного цикла из запоминающего устройства 36 в объемное ангиографическое изображение, например, объемное изображение 50' коронарной артерии.

Со ссылкой на фиг.2, ангиографическое изображение 50' схематически показывает сечение вдоль коронарной артерии 52. Вдоль ангиографического изображения 50' отмечено множество субобъемов 54₁ , 54₂, 54₃. Поскольку кардиосинхронизатор 32 удаляет субобъемы, которые были собраны не в выбранной фазе сердечного цикла, субобъемы, для которых изображения 54' ₁, 54'₂, 54'₃ субобъемов созданы процессором 40 реконструкции субобъемов, располагаются с неравномерным пространственным разносом в осевом направлении вдоль ангиографического изображения 50' и обычно имеют различную степень наложения.

При отсутствии дыхательного движения все изображения субобъемов будут пространственно выровнены. Каждая из множества выбранных характеристических точек 56 будет обычно появляться в двух или более изображениях субобъемов и они будут накладываться друг на друга. Однако как только объект начнет дышать, изображения субобъемов начнут смещаться относительно друг друга, и одна и та же характеристическая точка будет смещена в одном из изображений субобъема относительно другой.

Со ссылкой на фиг.3A, 3B и 3C, каждая из трех иллюстративных характеристических точек 56₁, 56₂, 56 ₃ показана в начальном положении. Если изображение 54' ₁ субобъема было получено, когда объект все еще задерживал свое дыхание (или в выбранной опорной точке дыхательного цикла), положения характеристических точек 56₁ и 56₂ , которые можно видеть в изображении 54₁ субобъема, могут быть взяты в качестве базового или целевого местоположения. Если пациент начинает дышать после того, как созданы данные для изображения 54'₁ субобъема и перед тем, как получены данные для изображения субобъема 54'₂, то тогда места расположения характеристических точек 56₁, 56 ₂, и 56₃ в изображении 54'₂ субобъема изменяются относительно своих положений в изображении 54' ₁ субобъема. Это движение может быть простым сдвигом в плоскости или преобразованием вдоль одной оси, преобразованием в плоскости относительно двух осей, преобразованием относительно осевого направления, сжатием, расширением или чем-либо подобным. Программа или процессор 48 вычисления вектора вычисляет вектор, описывающий позиционное перемещение характеристических точек в изображении 54'₂ субобъема относительно тех же самых характерных точек в опорном изображении 54' ₁ субобъема. Чем больше определено характеристических точек, тем более точно может быть вычислен вектор. Аналогично, когда созданы данные для третьего изображения 54'₃ субобъема, объект может находиться в еще одном другом дыхательном состоянии или фазе, которая заставит характеристические точки переместиться или сместиться относительно их положений в изображениях 54' ₁ или 54'₂ субобъемов. Процессор или программа 48 вычисления вектора напрямую вычисляет вектор, описывающий движение между смежными и накладывающимися изображениями субобъемов, и косвенно, например, через суммирование векторов, вычисляет вектор, описывающий движение между опорной фазой дыхания каждого последующего изображения субобъема.

Информация о движении, полученная до этой точки обработки, разбросана во временном интервале. Вектор движения для определенного субобъема соответствует в середине временного интервала данных, используемых для его реконструкции. Для последующей реконструкции с компенсацией движения, использующей способ, подобный описанному в D. Schäfer, J. Borgert, V. Rasche, M. Grass, Motion-compensated and gated cone beam filtered backprojection for 3-D rotational X-Ray angiography. IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol.25(7), 898-906, 2006, выполняется временная интерполяция.

Как вариант, обеспечивается монитор 60 дыхания, измеряющий состояние дыхания. Этот результат измерения состояния дыхания может быть передан в буфер 30 и сохранен как часть данных субобъема. Зная состояние дыхания для собранных данных, можно предполагать, что собранные в схожих состояниях дыхания субобъемы, имеют схожий вектор коррекции дыхательного движения и могут использоваться вместе для вычисления соответствующего вектора дыхательного движения. Вектор дыхательного движения может также интерполировать векторы движения, определенные между каждым из изображений субобъемов, в вектор дыхательного движения или тензор, описывающий движение во времени или фазу дыхания по всему дыхательному циклу или его соответствующей части.

Процессор 48 реконструкции изображения реконструирует данные среза или субобъема из данных 36 среза или субобъема, соответствующих определенным дыхательным векторам движения, в объемное изображение 50' для сохранения в запоминающем устройстве 64 изображения объема. Например, процессор реконструкции оценивает или реконструирует каждый воксел изображения объема из соответствующих вокселов или лучей данных субобъемов из запоминающего устройства 36, причем соответствующие вокселы или лучи определяются в соответствии с вычисленным вектором дыхательного движения, соответствующим каждому субобъему или измеренной фазе дыхания.

Видеопроцессор 66 под управлением устройства 68 ввода пользователя, такого как клавиатура или мышь, выбирает соответствующие данные из запоминающего устройства 64 изображений объема и создает изображение(-я) слоя, объемную визуализацию или другое надлежащее изображение для отображения на мониторе 70.

Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Модификации и изменения могут быть выполнены специалистами в данной области техники после прочтения и понимания предшествующего подробного описания. Подразумевается, что изобретение истолковывается как содержащее все такие модификации и изменения, насколько они подпадают под объем пунктов приложенной формулы изобретения или их эквивалентов.