Коррекция непроизвольного дыхательного движения при компьютерной томографии сердца - RU2491020C2

Описание

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, 42₃ 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, 56₃ 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, 56₂, 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.

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для компьютерной томографической ангиографии с компенсацией дыхательного движения. Способ заключается в спиральном сканировании пациента путем вращения конического пучка излучения вокруг пациента и перемещения в продольном направлении пациента и конического пучка относительно друг друга. Во время спирального сканирования источник излучения и детектор создают множество субобъемов пациента, из которых затем осуществляется выбор субобъемов, находящихся в общей фазе сердечного цикла. Идентифицируют характеристические точки в перекрывающихся частях изображений субобъемов в общей фазе сердечного цикла и вычисляют по ним вектор дыхательного движения для некоторых из выбранных субобъемов. Наборы данных субобъемов, соответствующие выбранной фазе сердечного цикла, реконструируют во множество изображений субобъемов. Варианты выполнения компьютерных томографических устройств включают опору для пациента, поворотный гентри, источник рентгеновского излучения, установленный на нем, детектор, на опоре для пациента, механизм, обеспечивающий спиральное сканирование, и один или несколько процессоров с машиночитаемым носителем. Использование изобретения позволяет выполнять компьютерную томографическую ангиографию сердца на людях, которые не могут задерживать свое дыхание, и формировать изображение с учетом дыхательного движения. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула