Компьютерная томографическая (ст) система визуализации - RU2466678C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к CT-системе (компьютерной томографической системе) визуализации, способу CT (компьютерной томографии) и компьютерной программе для определения потока вещества внутри объекта. Изобретение дополнительно относится к соответствующему устройству определения, способу определения и компьютерной программе для определения потока вещества внутри объекта.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Традиционные CT-системы визуализации для определения потока вещества внутри объекта используют рентгеновский источник, который испускает рентгеновское излучение, и детекторный блок, детектирующий детектируемые сигналы в зависимости от рентгеновского излучения после его прохождения сквозь объект. Детектируемые сигналы используются блоком реконструкции для реконструкции временной последовательности изображений объекта, при этом значения потока, характеризующие поток вещества внутри объекта, определяют по временной последовательности изображений объекта. Упомянутые значения потока являются, например, потоком вещества или средним временем прохождения через объект.

При применении упомянутых традиционных CT-систем визуализации определение значений потока зависит от влияния эффектов, связанных с распространением рентгеновского излучения сквозь объект, т.е. рентгеновское излучение зависит не только от вещества, поток которого следует определить, но также от самого объекта. Это снижает качество определяемых значений потока.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В связи с этим целью настоящего изобретения является предоставление системы и способа, обеспечивающих высокое качество определяемых значений потока на КТ изображениях.

Для этого предусмотрено создание СТ-системы визуализации, в которой ослаблено влияние эффектов, связанных с распространением рентгеновского излучения сквозь объект, на определение значений потока, что повышает качество определяемых значений потока. Кроме того, предусмотрено создание соответствующего способа СТ-визуализации, соответствующего устройства определения и соответствующего способа определения.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается СТ-система визуализации для определения потока вещества внутри объекта, при этом упомянутая система содержит

полихроматический рентгеновский источник для излучения полихроматического рентгеновского излучения,

рентгеновский детектор, обладающий энергетическим разрешением, для получения детектируемых сигналов, зависящих от упомянутого рентгеновского излучения после его прохождения сквозь упомянутый объект, с энергетическим разрешением,

- вычислительный блок для определения компоненты k-края вещества по детектируемым сигналам,

блок реконструкции для реконструкции временной последовательности изображений около k-края поглощения на основе определенной компоненты k-края,

- блок определения потока для определения значений потока, характеризующих поток вещества внутри объекта, по временной последовательности изображений около k-края поглощения.

Настоящее изобретение основано на идее, что компонента k-края вещества определяется по детектируемым сигналам и что временная последовательность изображений около k-края реконструируется по определенной компоненте k-края. Данная идея приводит к реконструированным изображениям, содержащим только вещество, т.е. в изображении отсутствует сам объект. Поэтому упомянутые изображения вещества не содержат помех от объекта. Поскольку для определения значений потока используют упомянутые изображения, содержащие только вещество, то влияние эффектов, связанных с распространением рентгеновского излучения сквозь объект, на определение значений потока ослабляется, что повышает качество определения значений потока.

Блок определения потока предпочтительно выполнен с возможностью определения среднего времени прохождения вещества через объект в качестве значения потока. Кроме того, блок определения потока может быть предназначен для определения потока вещества в качестве значения потока. Поскольку среднее время прохождения и поток вещества определяются по временной последовательности изображений около k-края поглощения, содержащих только вещество, то среднее время прохождения и поток вещества можно определять с качеством, которое повышено по сравнению с соответствующими значениями, определяемыми традиционными CT-системами визуализации.

В предпочтительном варианте осуществления вещество присутствует внутри текучей среды внутри объекта и блок определения потока выполнен с возможностью калибровки реконструированной временной последовательности изображений около k-края поглощения относительно текучей среды и определения значений потока, характеризующих поток текучей среды внутри объекта, по калиброванной реконструированной временной последовательности изображений около k-края поглощения. Так как реконструированные временные последовательности изображений около k-края поглощения калибруются относительно текучей среды, то можно определять значения потока, характеризующие поток текучей среды внутри объекта. Данный подход позволяет непосредственно количественно определять значения потока, в частности среднее время прохождения текучей среды через объект и поток текучей среды. Напротив, традиционная перфузионная CT-система допускает только косвенную количественную оценку потока на основе сдвига рентгеновского поглощения.

Текучая среда может быть кровью в теле человека или животного. Данный подход позволяет определять, например, среднее время прохождения и/или поток крови в теле человека или животного, в частности в головном мозге. Поэтому, например, возможно определение церебрального кровотока (CBF).

Предпочтительно, чтобы рентгеновский детектор, обладающий энергетическим разрешением, был выполнен с возможностью обеспечения множества детектируемых сигналов с энергетическим разрешением по множеству энергетических элементов разрешения, при этом вычислительный блок предназначен для определения компоненты k-края вещества путем решения системы уравнений для множества детектируемых сигналов с энергетическим разрешением, с использованием модели для детектируемых сигналов, описывающей детектируемый сигнал в виде комбинации эффекта края k-скачка поглощения вещества, фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, при этом каждый эффект вносит соответствующую компоненту в детектируемый сигнал. В частности, рентгеновский детектор обеспечивает несколько детектируемых сигналов с энергетическим разрешением по разным энергетическим элементам разрешения, при этом разные энергетические элементы разрешения содержат разные спектральные чувствительности, в частности каждый энергетический элемент разрешения является участком полного энергетического диапазона, в котором детектируемый сигнал существует и представляет интерес. После этого сканируемый объект моделируется в виде комбинации фотоэлектрического эффекта с первым спектром, эффекта Комптона со вторым спектром и вещества с краем k-скачка поглощения в представляющем интерес энергетическом диапазоне с третьим спектром. Произведение плотности на длину для каждой из компонент в каждом детектируемом сигнале моделируется в виде дискретной линейной системы, которая решается для получения, по меньшей мере, компоненты k-края вещества. Затем по компонентам k-края вещества, полученным при разных положениях детектора, можно реконструировать изображение около k-края поглощения вещества с использованием традиционного способа реконструкции.

Система уравнений для множества детектируемых сигналов с энергетическим разрешением решается предпочтительно с помощью численного метода. Предпочтительным методом является метод максимального правдоподобия, который учитывает статистику шумов измерения.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления используют модель, которая учитывает спектр излучения рентгеновского источника и спектральную чувствительность рентгеновского детектора в каждом из множества энергетических элементов разрешения. Это приводит к повышению точности вычисленных компонент и тем самым реконструированных изображений и определенных значений потока.

Вещество предпочтительно является контрастным веществом, введенным в объект, в частности в тело человека или животного. При этом можно определять значения потока в теле человека или животного, например среднее время прохождения крови через орган человеческого тела или кровоток.

Соответствующий способ CT-визуализации и соответствующая компьютерная программа определены в пунктах 10 и 12 формулы изобретения. Соответствующее устройство определения, соответствующий способ определения и соответствующая компьютерная программа для определения потока вещества внутри объекта определены в пунктах 9, 11 и 13 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в независимых пунктах формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеописанные и другие аспекты изобретения становятся очевидными и поясняются со ссылкой на нижеописанные варианты осуществления.

Фиг.1 - схематичное представление CT-системы визуализации в соответствии с изобретением,

Фиг.2 - блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа CT-визуализации для определения потока вещества внутри объекта,

Фиг.3 - примерный спектр полихроматического рентгеновского источника,

Фиг.4 - примерные спектры фотоэлектрического эффекта, эффекта Комптона и вещества внутри объекта.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

CT-система визуализации, представленная на фиг.1, содержит гентри 1, который может поворачиваться вокруг оси вращения R, которая продолжается параллельно направлению z. Источник 2 излучения, например рентгеновская трубка, установлен на гентри 1. Рентгеновский источник снабжен коллиматорным устройством 3, которое формирует конический пучок 4 излучения из излучения, испускаемого рентгеновским источником 2. В других вариантах осуществления коллиматорное устройство 3 может быть выполнено с возможностью формирования пучка излучения, имеющего другую форму, например веерную форму.

Излучение пересекает объект (не показанный), например пациента, в представляющей интерес области в цилиндрической зоне 5 исследования. После пересечения зоны 5 исследования рентгеновский пучок 4 падает на рентгеновский детекторный блок 6, обладающий энергетическим разрешением, в данном варианте осуществления двумерный детектор, который установлен на гентри 1. В другом варианте осуществления рентгеновский детекторный блок, обладающий энергетическим разрешением, может быть одномерным детектором.

Рентгеновские детекторы, обладающие энергетическим разрешением, работают, например, по принципу счета падающих фотонов и вывода сигнала, который показывает число фотонов в расчете на энергию в некотором энергетическом диапазоне. Упомянутый детектор, обладающий энергетическим разрешением, описан, например, в работах Llopart, X., et al. «First test measurements of a 64k pixel readout chip working in a single photon counting mode», Nucl. Inst. and Meth. A, 509 (1-3): 157-163, 2003, и Llopart, X., et al., «Medipix2: A 64-k pixel readout chip with 55 mum square elements working in a single photon counting mode», IEEE Trans. Nucl. Sci. 49(5): 2279-2283, 2002.

Гентри 1 приводится в движение электродвигателем 7 с предпочтительно постоянной, но регулируемой угловой скоростью. Дополнительный электродвигатель 8 обеспечен для смещения объекта, например пациента, который расположен на столе для пациента в зоне 5 исследования, параллельно направлению оси вращения R или оси z. Упомянутые электродвигатели 7, 8 работают с управлением от блока 9 управления, например, таким образом, что источник 2 излучения и зона 5 исследования перемещаются относительно друг друга по спиральной траектории. Однако целесообразно, чтобы объект или зона 5 исследования не перемещались и чтобы рентгеновский источник 2 поворачивался, т.е. чтобы рентгеновский источник 2 двигался по круговой траектории относительно объекта.

Данные, собранные детектором 6, подаются в устройство 10 определения для определения потока вещества внутри объекта, в частности для определения значений потока, характеризующих поток внутри объекта. Упомянутые значения потока могут представлять собой, например, среднее время прохождения или поток вещества через объект. Если объект является, например, головным мозгом человека, то устройство определения может быть выполнено с возможностью определения церебрального кровотока и церебрального среднего времени прохождения. Значения потока могут в конечном счете подаваться в дисплейный блок 11 для отображения значений потока. Дисплейный блок 11 может отображать одиночные значения потока или средние значения потока, которые соответствуют некоторой области внутри объекта, и целесообразно, чтобы дисплейный блок 11 представлял двумерное или трехмерное изображение, в котором каждый элемент изображения, т.е. каждый пиксель или каждый воксель соответственно показывает значения потока в таком месте внутри объекта, которое относится к соответствующему элементу изображения. Следовательно, дисплейный блок 11 предпочтительно выводит изображение значений потока.

Устройство 10 определения содержит вычислительный блок 12 для определения компоненты k-края по детектируемым сигналам, получаемым детектором 6. Устройство 10 определения дополнительно содержит блок 13 реконструкции для реконструкции временной последовательности изображений около k-края поглощения на основе определенной компоненты k-края, и устройство 10 определения содержит блок 14 определения потока для определения значений потока, характеризующих поток внутри объекта, по временной последовательности изображений около k-края поглощения. Кроме того, устройство 10 определения предпочтительно работает с управлением от блока 9 управления.

Вариант осуществления способа CT-визуализации для определения потока внутри объекта в соответствии с изобретением описан ниже более подробно со ссылкой на блок-схему последовательности операций, показанную на фиг.2.

На этапе 101 рентгеновский источник 2 поворачивается вокруг оси вращения R или направления z и объект не перемещается, т.е. рентгеновский источник 2 движется по круговой траектории вокруг объекта. В другом варианте осуществления рентгеновский источник 2 может перемещаться по другой траектории, например спиральной траектории, относительно объекта. Рентгеновский источник 2 испускает рентгеновское излучение, пересекающее объект, в котором присутствует вещество. Вещество является, например, контрастным веществом на основе йода или гадолиния, которое введено до упомянутого этапа 101. Объект является, например, телом человека или животного, при этом контрастное вещество инъецировано, например, в кровеносные сосуды тела человека или животного. Рентгеновское излучение, которое прошло сквозь объект и вещество внутри объекта, детектируется детектором 6, который формирует детектируемые сигналы. Следовательно, на этапе 101 получают детектируемые сигналы.

На этапе 102 детектируемые сигналы передаются в вычислительный блок 12 устройства 10 определения. Вычислительный блок 12 определяет компоненту k-края вещества по детектируемым сигналам. Данное определение подробно поясняется ниже.

Входом вычислительного блока 12 являются детектируемые сигналы d_i с энергетическим разрешением по множеству, минимум трем энергетическим элементам разрешения. Упомянутые детектируемые сигналы d_i отражают спектральную чувствительность D_i(E) i-го энергетического элемента b_i разрешения. Кроме того, спектр T(E) излучения полихроматической рентгеновской трубки 2 обычно известен или может быть измерен до этапа 101. Пример подобного спектра T(E) излучения полихроматической рентгеновской трубки схематично представлен на фиг.3. В устройстве определения, в частности в вычислительном блоке 12, формирование детектируемых сигналов d_i моделируется в виде линейной комбинации фотоэлектрического эффекта со спектром P(E), эффекта Комптона со спектром C(E) и вещества с краем k-скачка поглощения в представляющем интерес энергетическом диапазоне и спектром K(E).

Спектры P(E), C(E) и K(E) показаны для примера на фиг.4.

Формирование детектируемых сигналов можно моделировать следующей линейной системой:

d_i=∫ dE T(E) D_i (E)exp[-(ρ_photo P(E)+ρ_comptonC(E)+ρ_k-edge K(E))], (1)

где ρ_photo, ρ_compton, ρ_k-edge означают произведения плотности на длину фотоэлектрической компоненты, комптоновской компоненты и компоненты k-края соответственно.

Поскольку существует, по меньшей мере, три детектируемых сигнала d₁, d₂, d₃ для, по меньшей мере, трех энергетических элементов b_i, b₂, b₃ разрешения, то образуется система, по меньшей мере, трех уравнений с тремя неизвестными, которыми являются три произведения плотности на длину, которые, следовательно, можно решить численными методами в вычислительном блоке 12. Если существует более трех энергетических элементов разрешения, то целесообразно применить метод максимального правдоподобия, который учитывает статистику шумов измерений. В общем, достаточно трех энергетических элементов разрешения. Однако для повышения чувствительности и помехоустойчивости, целесообразно наличие большего числа детектируемых сигналов для большего числа энергетических элементов разрешения.

На этапе 103 определенная компонента k-края, т.е. произведение ρ_k-edge плотности на длину, передается в блок 13 реконструкции. Поскольку рентгеновский источник 2 перемещается относительно объекта, то детектируемые сигналы и поэтому определенные произведения ρ_k-edge плотности соответствуют рентгеновским лучам, прошедшим сквозь объект и вещество по разным угловым направлениям. Следовательно, изображение около k-края поглощения можно реконструировать с использованием традиционных способов CT-реконструкции, например реконструкции методом фильтрованных обратных проекций произведения ρ_k-edge плотности на длину. Этап 101 сбора данных выполняется так, что возможна реконструкция временной последовательности изображений около k-края поглощения для одного и того же места внутри объекта. Это означает, например, что рентгеновская трубка 2 движется по круговой траектории вокруг объекта и обеспечивает сбор детектируемых сигналов в течение периода времени, достаточно продолжительного для сбора детектируемых сигналов, по которым можно реконструировать группу изображений для, по меньшей мере, представляющего интерес поля, при этом изображения группы представляют одно и то же место внутри объекта, но в разные моменты времени. Упомянутая группа является временной последовательностью изображений около k-края поглощения для объекта, в частности для поля обзора объекта, т.е. четырехмерным набором данных изображения.

На этапе 104 изображения около k-края поглощения калибруются относительно вещества внутри объекта. В частности, вещество присутствует внутри текучей среды в объекте, и изображения около k-края поглощения калибруются относительно текучей среды внутри объекта. В предпочтительном варианте объект является телом человека или животного или частью тела, например головным мозгом, и текучая среда является кровью. Калибровка может выполняться путем выбора области изображения, содержащей один или более элементов изображения, т.е. пиксели или воксели, которые соответствуют только текучей среде. Поскольку объем соответствующей области объекта известен, то известен также объем текучей среды внутри данной области. Кроме того, значения элементов изображения внутри упомянутой области объекта зависят от количества вещества внутри данной области. Поэтому можно определить прямую зависимость между объемом текучей среды и количеством вещества, показанного в изображении около k-края поглощения. Упомянутой зависимостью можно воспользоваться для калибровки изображений около k-края поглощения, чтобы упомянутые изображения показывали объем текучей среды в каждом элементе изображения, т.е. в каждом пикселе или вокселе. Данная калибровка может выполняться блоком 13 реконструкции или блоком 14 определения потока. В качестве простого примера, если реконструированная концентрация вещества в элементе изображения равна c_s и если объем текучей среды в данном элементе изображения равен V, то каждое значение реконструированного четырехмерного набора данных изображения можно умножить на V/c_s, чтобы откалибровать четырехмерный набор данных изображения, т.е. временную последовательность изображений около k-края поглощения.

На этапе 105 блок 14 определения потока получает калиброванную временную последовательность изображений и определяет значения потока, характеризующие поток внутри объекта, по полученной временной последовательности изображений. Поскольку калиброванные изображения непосредственно отображают значение для крови в разных местах внутри объекта и в разные моменты времени, то упомянутые калиброванные изображения непосредственно отображают поток вещества.

Определение значений потока по калиброванным изображениям, т.е. по определенному потоку вещества, широко известно. Упомянутые значения потока являются, например, средним временем прохождения, церебральным кровотоком или церебральным объемом крови. Определение значений потока описано, например, в работе «Dynamic CT Measurement of Cerebral Blood Flow: A Validation Study», Aleksa Cenic, Darius G. Nabavi, Rosemary A. Craen, Adrian W. Gelb and Ting-Yim Lee, American Journal of Neuroradiology 20:63-73 (1999).

Хотя изобретение подробно поясняется на чертежах и описано в вышеприведенном описании, данные пояснения и описание следует считать наглядными или примерными, а не ограничивающими. Изобретение не ограничено предложенным вариантом осуществления.

Объект может быть целым объектом или только частью объекта. Упомянутая часть объекта может быть представляющим интерес полем, которое предварительно задано, например, пользователем.

Объект может быть любым объектом, в частности, объект может быть также техническим объектом. Кроме того, текучая среда может быть любой жидкостью внутри объекта. В частности, CT-система визуализации может быть также выполнена с возможностью определения значений потока, относящихся к потоку, например, воды или масла, внутри технического объекта.

Иные варианты предложенных вариантов осуществления могут быть продуманы и реализованы специалистами в данной области техники в процессе применения изобретения, описанного в формуле изобретения, после изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения формулировка «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множественного числа. Простое обстоятельство, что некоторые признаки перечислены в разных взаимозависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на невозможность полезного применения комбинации упомянутых признаков.

Компьютерную программу можно хранить/распространять на подходящем носителе, например оптическом носителе данных или твердотельном носителе, поставляемом совместно с другими аппаратными средствами или в виде их составной части, но можно также распространять в других формах, например по сети Internet или в других проводных или беспроводных системах связи.

Какие-либо позиции и обозначения в формуле изобретения нельзя считать ограничением объема изобретения.

Реферат

Изобретение относится к СТ-системе визуализации для определения потока вещества внутри объекта. СТ-система визуализации содержит полихроматический рентгеновский источник и рентгеновский детектор, обладающий энергетическим разрешением, для получения детектируемых сигналов, зависящих от рентгеновского излучения после его прохождения сквозь объект. Вычислительный блок определяет компоненту k-края вещества по детектируемым сигналам, и блок реконструкции реконструирует временную последовательность изображений около k-края поглощения на основе определенной компоненты k-края. Блок определения потока определяет значения потока, характеризующие поток внутри объекта, по временной последовательности изображений около k-края поглощения. Вычислительный блок, блок реконструкции и блок определения потока формируют устройство для определения потока вещества внутри объекта. Способ СТ-визуализации и способ определения потока вещества осуществляют посредством использования системы и устройства определения. При этом формируют носители данных для их осуществления. Использование изобретения позволяет повысить качество определяемых значений потока на КТ изображениях. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула