CN101300601B

CN101300601B - 使用部分事件数据进行pet图像重建的方法和系统

Info

Publication number: CN101300601B
Application number: CN200680040632.4A
Authority: CN
Inventors: D·加尼翁; J·A·科尔特姆尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: DE602006021771D1; WO2007052211A1; ATE508441T1; US20080285828A1; EP1946271A1; CN101300601A; EP1946271B1; US8750587B2

Abstract

一种供正电子发射断层摄影中使用的方法和系统，其中，基于列表的重建器装置(129)配置成响应在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮灭事件中的第一部分生成第一部分断层摄影数据；生成指示第一部分体数据的人类可读图像；使用基于列表的重建技术来响应第一部分体数据和多个正电子湮灭事件中的第二部分生成合成体数据；以及生成指示合成体数据的合成人类可读图像。在另一方面，重建器(129)配置成响应包括图像清晰度要求和处理时间要求的一个或多个参数选择第一或第二部分事件量。

Description

使用部分事件数据进行PET图像重建的方法和系统

本发明涉及正电子成像领域，更具体地涉及在正电子发射断层摄影(PET)中所采集的数据的重建。

正电子发射断层摄影(PET)是核医学的一个分支，其中将正电子发射放射性药物例如18氟标记的荧光脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，FDG)引入患者体内。随着放射性药物的衰变，产生正电子。更具体地，多个正电子的每一个在被称为正电子湮灭事件中与电子反应，从而产生511keV伽马射线的符合对，该符合对大体上沿着符合线的相反方向传播。一般由PET扫描器将在符合时间内探测到的伽马射线对记录为湮灭事件。来自多个湮灭事件的数据用于重建或创建患者或被扫描对象的图像。更具体地，重建的图像提供了有关对象内部放射性核素分布的信息。

随着计算能力的增强，PET重建技术从分析反投影和统计(迭代)技术发展到直接的晶体空间重建(其中探测测量值直接用于重建)。一种由于其对计算量的影响而迄今为止受关注度有限的重建技术是基于事件或逐个事件的技术。从信息流的观点看(信息流要求能够定义出从探测到最终成像的操作流水线)，使用基于事件的重建技术是有吸引力的。此外，基于事件的重建技术特别适于响应事件飞行时间(“TOF”)或作用深度编码数据进行PET重建。

在TOF成像中，对在符合间隔内探测到事件符合对中每条伽马射线的时间进行测量，从而提供了探测到的事件沿其符合线的位置的指示。这一附加的空间定位特异性水平提供了超越其他非TOF重建技术的重建优势，更具体地提供了改进的图像清晰度。

然而，基于事件的重建技术与基于直方图或其他重建技术相比，特别是在重建包括TOF数据时，通常需要更繁重的计算要求。繁重的计算要求一般导致处理时间和整个图像生成时间相应地增加。

另一方面，用户普遍希望在扫描后能尽快获得图像信息。例如，从工作流程的观点看，期望的是当患者仍在扫描器附近时就评估覆盖期望区域或感兴趣区域的特定扫描是否成功。这种评估通常不需要高质量的诊断图像。

因此，我们需要一种改进的基于事件的PET重建过程，其任选地响应TOF事件信息，该TOF事件信息为从该过程中提取中间数据做准备以确保成功的研究能够完成并确保能制备最终图像，而不会引起计算或处理的时间需求劣势。我们还需要一种通过有效使用事件列表数据更快地产生最终重建图像的方法和系统。

本发明的各方面致力于解决这些问题以及其他问题。更具体地，提供了一种供正电子发射断层摄影使用的方法和系统，其中，基于列表的重建器配置成响应在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮灭事件的第一部分生成第一部分体数据；生成指示第一部分体数据的人类可读图像；使用基于列表的重建技术来响应第一部分体数据和多个正电子湮灭事件的第二部分生成合成体数据；以及生成指示合成体数据的合成人类可读图像。另一方面，重建器配置成响应一个或多个参数选择第一和/或第二部分事件量，参数例如包括图像清晰度要求和处理时间要求。另一方面，通过使用第一部分体数据作为初始图像估计，并响应第二事件部分更新初始图像估计可生成合成体数据。

图1描绘出组合的PET/CT系统；

图2提供了根据本发明的方法的流程图。

参照图1，组合的PET/CT系统100包括PET机架部分102和CT机架部分104。PET机架部分102包括围绕检查区域108的一个或多个轴向成环状的辐射敏感探测器106。探测器106探测PET检查区域108内发生的正电子湮灭事件的伽马辐射特性。

CT部分104包括诸如X线管的辐射源110，其围绕CT检查区域112旋转。辐射敏感探测器114探测由X线源发射且穿过检查区域112的辐射。

PET机架部分102和CT机架部分104优选地定位在靠近它们各自沿共同纵轴或z轴布置的检查区域108、112。对象支架116支撑待成像对象118，例如人类患者。对象支架116优选地协同PET/CT系统100的操作纵向移动，使得PET和CT机架部分102、104均能在多个纵向位置上扫描对象118。

CT数据采集系统122处理来自CT探测器114的信号，生成指示沿穿过检查区域112的多条线或射线的辐射衰减的数据。CT重建器126使用适当的重建算法重建数据以生成指示对象118辐射衰减的体图像数据。

PET数据采集系统120提供包括由探测器106探测到的湮灭事件列表的投影数据。更具体地，该投影数据还可以提供TOF信息。

PET重建器129包括至少一个计算机或计算机处理器130，其每个包括至少一个中央处理单元(CPU)或处理器。适当的体系结构可包括一个或多个专有计算机和专业硬件实现。一般而言，使用附加或更大功率的处理器将减少总的重建时间。

PET重建器129生成指示对象118内部辐射性核素分布的体图像数据。另外，PET重建器129优选使用来自CT重建器126的信息以便将衰减和其他期望校正应用于PET数据。令一个(或多个)处理器130执行重建的计算机可读指令优选在一个或多个计算机可读介质140上运行，诸如计算机磁盘、易失性或非易失性存储器等；并且还可借助于适当的通信网络，例如因特网将计算机可读指令传送到一个(或多个)处理器130可存取的存储介质140。

工作站计算机用作操作者控制台128。控制台128包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备，以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留在控制台128上的软件能够使操作者观看并以其他方式操纵由PET和CT重建器129和126生成的体图像数据。驻留在控制台128上的软件还能够使操作者通过建立期望的扫描协议、启动和终止扫描以及以其他方式与扫描器进行交互来控制系统100的操作。重建后的图像数据同样可提供给与系统100相连的其他计算机，或者以其他方式访问公共网络，例如图像存档与通信(PACS)系统、医院信息系统/放射信息系统(HIS/RIS)系统、因特网等的其他计算机。

对系统100进行变更也是有可能的。这样，例如，可以省略扫描器的 CT部分，将其定位远离PET机架部分102的地方，或者用另外的成像设备例如磁共振(MR)扫描器来代替。或者，可由与PET机架部分102相连的透射源来提供衰减或解剖结构信息。

现在翻到图2，将对PET重建器所执行的重建方法200进行更详细地描述。在212中，重建器接收PET扫描器由于扫描而产生的列表模式的事件数据。在过程步骤204中，将解剖蒙片(mask)信息240应用于PET事件数据。更具体地，解剖蒙片信息240用于消除在被扫描对象边界外探测到的湮灭事件。由于对事件模式数据的重建时间一般与待处理的事件总数成比例，因此消除事件降低了总的重建时间。然而，可以理解的是，对PET数据212的解剖蒙片是任选的，并且备选实施例可以不对PET数据212应用解剖蒙片。

在218中，将多个探测到的事件分成第一部分213和第二部分215，其中第一部分包括X％的事件，而第二部分215选自其余的事件，因此包括少于或等于(100-X)％的事件。通过各种基础，包括例如基于随机、几何和数字的抽样(例如每第n个事件)技术为第一和第二部分的每一个选择事件。一般来说，以这样的方式定义第一和第二部分，使得它们就几何或时间而言没有任何偏倚，从而使它们能够独立地进行重建。一方面，由于就同位素衰变而言扫描采集时间基本上很短，因此一种简单的方法是在事件列表212中提取每第n个事件以创建第一和第二部分；然而，可以理解的是，也可采用其他技术。例如，当对象/患者118不连续移动并且以静态调强(step and shoot)方式执行扫描采集时，将每个位置的扫描采集时间分割成期望比例是完全适当的。

在步骤220中，将第一部分213事件进行任选地重新排序。在步骤222中，响应衰减信息246以及具体扫描器的灵敏度和规范化信息242对第一部分213事件执行误差校正。在PET图像重建中衰减校正一般用于实现与对象组织密度无关的计数值。因此，CT重建器126提供指示被扫描对象118辐射衰减的衰减信息246。或者，也可实现用于获得衰减信息246的其他技术：例如，可由与PET机架部分102相连的透射源提供衰减或解剖结构信息。

基于PET扫描器系统的执行参数243，从具体扫描器的校正中得到灵敏度和规范化校正信息242。参数243的示例包括涉及探测器晶体效率、规范化、探测器几何结构、探测器晶体衰变时间以及死时间常数的各系数。在一个示例中，观察到单个PET探测器106不能操作或丧失了一些灵敏度可导致对该探测器106报告的探测数据应用恒定性能调节器K 214。

在步骤224中，对在步骤220和222中进行预处理并校正的第一部分213数据进行重建，以提供指示在受检查对象内部放射性核素分布的第一部分体数据。虽然可实践其他重建技术，但是一种恰当的重建技术是最大似然期望最大(MLEM)技术。

在步骤226中，为响应相加误差校正因子248的相加误差校正而对第一部分体数据进行校正。诸如散射和随机的相加事件数据误差校正一般致力于解决低频误差，使得对于误差各自的校正而言高度空间分辨率并不是必须的。并且重建后的体图像一般由相对于对其进行重建的初始多个事件而言较少数量的离散体元素，诸如体素或小块(blob)进行定义。因此，在另一方面，通过对第一部分体数据的图像空间元素执行响应相加误差校正因子248的相加误差校正，而非对相对较大数量的第一部分事件数据应用相加误差校正来实现减少图像生成时间。

然后可在步骤228中显示经校正的第一部分图像重建。因而，在相对于响应全体PET事件对图像的重建和显示更快的基础上，可以响应多个PET事件全体中的一部分对图像进行重建并显示。因而这种图像重建和显示总计更快的特性能够在对全体事件图像进行处理期间中，因此在响应全体事件对图像进行处理和显示的中间，对第一部分图像进行显示。因而，步骤228中响应第一事件部分的中间显示可用于在步骤238中的最终校正合成图像的重建和显示之前，确保成功的对象扫描，后面还将对此做出详细描述。

现在谈谈对在步骤218中所选第二部分事件215进行的处理和重建，第二部分事件215在步骤230中进行重新排序，并在步骤232中响应衰减校正信息246和事件等级的误差校正信息242进行校正，这部分大体上如同上面关于第一部分的重新排序和误差校正步骤220、224的描述。任选地，过程200可配置成在第二部分的重新排序和误差校正步骤230、234之前执行第一部分的重新排序和误差校正步骤220、224：然后可将第一部分的误差校正步骤222输出直接用于第二部分的误差校正步骤232以对第二部分事件215重新加权，从而提供额外的处理时间优势。

或者，可以省略第二部分的重新排序和误差校正步骤230、232中的任一个或两者。因而合成图像的重建步骤234可以对第二部分215进行重建，而无需通过对个别第二部分事件215进行重新排序和/或校正的预处理。取而代之的是，可响应由第一部分的重建步骤224提供的校正参数对第二部分事件215进行重建。步骤224的校正参数可包括重新排序、衰减和事件等级的误差数据校正参数中的一个或多个。

在步骤234中，响应第一部分事件213和第二部分事件215对合成图像体数据进行重建。另一方面，第一部分体数据可用作步骤234的合成图像重建的初始图像估计迭代，从而减少了整个合成图像重建器步骤234的重建处理时间。从而响应通过至少一个响应第二事件部分215的连续图像估计迭代所更新的第一部分重建器224的体数据，可生成步骤234的合成图像体数据。

在236中，对在步骤234中生成的合成图像体数据执行相加误差校正。更具体地，以类似于步骤226中所述过程的方式，对在步骤234中从第二事件部分215重建的体数据执行相加误差校正。另一方面，合成图像的校正步骤236可包括将步骤226的相加误差校正信息应用于步骤234的第二部分图像输出，其中，步骤226的相加误差校正信息根据对步骤224的第一部分图像输出进行校正从而确定的。根据2005年10月5日提交的、申请号为60/596,587的、由Gagnon等人共同转让的美国临时申请“Method &System for List-Mode PET Reconstruction using a Surrogate Image”(其全部公开以引用方式并入本文)中描述的一项技术(其中图像空间重建通过图像空间元素(例如体素或小块)进行定义)，步骤226的相加误差校正信息包括通过响应相加误差校正因子248而对步骤224的第一部分图像输出进行处理所确定的“元素校正因子”。每个图像空间元素包括表示散射贡献的参数；表示随机贡献的另一参数；以及任选的多个附加参数，每一个对应预期的每个附加的相加误差校正。因而通过仅对全体被重建事件中的X％进行处理可确定出图像元素重建因子，然后将图像元素校正因子直接用于从第二部分事件中重建的图像元素。因而与需要通过处理所有重建图像元素来确定相加误差图像元素校正的技术相比，提供了更快速的过程。

然后通过将经校正的第一和第二部分图像空间重建进行合并来生成最终的合成图像，并在步骤238中进行显示。

一方面可响应系统性能目标选择第一部分213的百分比大小X。在一个配置成从包括TOF数据的第一部分213产生快速中间重建的人类可读输出设备图像的示例中，X选择为25％。与非TOF响应重建技术相比，基于事件的TOF响应重建一般使噪声引起的重建估计方差降低两倍。并且相对于由100％事件重建的图像，事件数目降低四倍将仅导致噪音水平增加两倍。因此，可利用基于25％事件的第一部分213的TOF响应重建生成在清晰度方面与根据100％事件的非TOF图像重建具有可比性的第一部分图像，但比完全事件列表重建快四倍。因此，可对“中间”图像进行重建以供响应第一部分事件213(其中X＝25％)在控制台128的人类可读输出设备上进行处理和显示(后面还将对此做出更充分地描述)，将具有适当清晰度的图像进行显示和评审以确保成功的对象扫描。

第一部分213的其他百分比大小X值可基于期望目标进行选择。一般而言，越高的X值将提供具有更长图像生成时间的更高清晰度的中间图像，而越低的X百分比值将提供具有更快图像生成时间的更低清晰度的中间图像。因而，百分比X可以是由终端用户根据需要和目标恰当认定的任何值，而不局限于25％。

另一方面，针对合成图像的处理和重建可以通过仅选择全体PET事件212的一部分来实现更快的合成图像生成。更具体地，在处理器200的备选实施例中，在步骤218中，选择Y％的合成图像部分，Y＜100％的多个探测事件212，用于通过步骤230/232/234/236/238定义的合成图像路径进行合成图像的处理、重建和显示。因而将第二部分215事件计数定义为Y-X。

以这种方式，为了减少总的合成图像处理时间而放弃一些事件计数。然而，虽然相对于从100％的多个探测事件212重建的合成图像而言可能降低了合成图像的清晰度，但是生成的合成图像仍具有足够的图像清晰度。例如，在步骤234中响应Y部分的TOF事件数据212而重建合成图像体数据时，尽管如此，与通过响应所有事件212的非TOF响应重建技术所获得的清晰度相比，响应小于全体事件212所产生的体数据具有相同、甚至更高的清晰度。

一方面，可响应一个或多个系统性能目标选择小于总的事件212计数的合成图像部分大小Y。根据2005年10月18日提交的、申请号为60/727,799的、由Narayanan等人共同转让的美国临时申请“Patient Scan TimeOptimization for PET/SPECT Imaging”(其全部公开以引用方式并入本文)中描述的一项技术，可响应某一目标的实现停止采集被扫描对象的事件计数。例如，以这种方式，可响应全部采集时间目标来选择Y，目标例如是将需要对象/患者118保持在对象支架成像桌台116上的时间最小化的愿望。

另一方面，可响应一个或多个配置参数选择Y，配置参数例如是TOF方差改进因子(与LOR直方图技术的成像能力相比)、或用于在步骤238中生成经校正的合成图像的特定时间约束。另一方面，可以响应选定TOF第一部分快速中间图像方差改进因子和合成图像的具体总生成时间从数学上确定Y。

另一方面，可将第一部分数据集213的大小X选作Y的函数，这样为降低总的第一部分数据213事件计数以及在Y＜100％总的事件212中相应的更快中间图像处理和显示时间做准备。因而对合成图像部分Y进行抽样可用于通过减少第一部分数据集213大小X的大小，来提供更快中间及合成图像的处理和显示时间。

另一方面，可响应快速中间图像生成和快速合成图像生成两者的目标选择第一部分数据集213的大小X和合成图像部分的大小Y。例如，可以响应中间图像的质量要求选择给定总事件计数的优选第一部分百分比X，而响应X的值选择Y。为在步骤238中显示而处理的总事件率则将是即将开始PET数据212的计数Y。另一方面，可将第一部分数据集213的大小选择成等于X和Y的乘积，以满足具有可接受质量的快速初始中间图像和即时合成图像两者的需要。

一方面，上面描述的本发明的实施例确实收录在以适当存储器存储设备140存储并可提供给系统100和重建器129的计算机程序中。示例性的机器可读存储器140存储介质包括，但不局限于：固定式硬盘驱动器、光盘、磁带、半导体存储器，诸如只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)等。含有计算机可读代码的存储器140用于运行直接来自存储器140的代码，或将代码从一个存储器存储设备拷贝到另一存储器存储设备，或者在网络上将代码传送到远地运行。存储器140可包括一个或多个固定式和/或移动式数据存储设备，例如软盘或CD-ROM，或者它可由一些其他类型的数据存储或数据通信设备构成。计算机程序因而可将处理器130配置成运行上述各项技术。计算机程序包括这样的指令，当由处理器130读取并运行时，这些指令使处理器130执行运行本发明的步骤或要件所必要的步骤。

虽然本文已经描述了本发明的各实施例，但是在设计上可进行变更，并且这些变更对于正电子成像、符合探测和发射断层摄影系统及方法领域的技术人员，以及其他领域的技术人员而言是显然的。显而易见的是，上述各技术可以由单个、多个或网络计算机来实施。在一个实施例中，一个重建器处理器130可执行上述所有过程步骤218、220、222、224、226、228、230、232、234、236以及238。类似地，与计算机控制台相连的一个显示设备可以用于显示步骤228中的校正快速中间图像和步骤238中的校正合成图像两者。

在另一方面的实施例中，可在重建器129内设置两个或多个重建处理器130，其中，一个重建处理器130配置成在步骤218中选择第一及合成图像事件部分。在一个示例中，第一重建处理器130还配置成在时间上与第二重建处理器130执行合成图像路径步骤230/232/234/236/238并行地执行快速中间图像路径步骤220/222/224/226/228，从而通过处理任务的有效分配来提供改进的中间和/或合成图像生成速度。由于通过两个时间并行的重建处理器130的其中一个来生成中间及合成图像体输出中的每一个，因此这为超越仅依靠一个重建器处理所有PET事件数据的其他重建技术的改进重建时间做出了准备。

在第一部分重建路径220/222/224/226生成并给合成图像误差校正步骤236提供包括图像元素校正因子的校正快速图像输出，以直接用来生成在步骤238中显示的校正合成图像中，优选在合成图像误差校正步骤236之前完成步骤226，以便提供更快的合成图像显示时间，虽然这可能不需要。

在本发明的另一方面，为了进一步减少总的快速中间图像生成时间，可设置不同的配置。例如，与合成图像路径各步骤230/232/234/236/238生成的更慢且“更清楚”清晰度的合成图像相比，第一部分快速中间图像路径步骤220/222/224/226/228可配置成生成相对更快且“更平滑”的更低清晰度图像。同样，在包含共享处理资源的系统上执行该过程中，一个或多个第一部分快速中间图像路径步骤220/222/224/226/228可对资源优先权进行分配，以确保相对于一个或多个合成图像路径步骤230/232/234/236/228而言有更快的第一部分图像生成时间。

因而，本发明并不局限于上面示例性说明的具体实施例和重建过程，并且对于本领域普通技术人员而言其他实施例和重建过程的实现将是显而易见的。因此，本发明的范围仅由权利要求书及其等同物来限定。

Claims

1.一种使用部分事件数据进行PET图像重建的方法，包括如下步骤：

使用基于列表的重建技术响应在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮灭事件中的第一部分而生成第一部分断层摄影数据；

生成指示所述第一部分断层摄影数据的图像；

使用基于列表的重建技术响应所述第一部分断层摄影数据和所述多个正电子湮灭事件中的第二部分而生成合成断层摄影数据；以及

生成指示所述合成断层摄影数据的图像，

其中，响应选自以下各项组成的组中的至少一个参数选择第一部分事件量：图像清晰度规格、图像生成时间约束和TOF方差改进因子。

2.如权利要求1所述的方法，其中，第一部分事件量和第二部分事件量的和小于所述多个正电子湮灭事件的总量。

3.如权利要求2所述的方法，还包括如下步骤，响应选自以下各项组成的组中的至少一个参数选择第二部分事件量：图像清晰度规格和图像生成时间约束。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述生成合成断层摄影数据的步骤还包括如下步骤：

使用所述第一部分断层摄影数据作为初始图像估计；以及

响应所述第二部分事件更新所述初始图像估计。

5.如权利要求1所述的方法，还包括评价所述第一部分断层摄影数据图像的步骤；

其中，响应所述评价所述第一部分断层摄影数据图像的步骤执行所述生成合成断层摄影数据的步骤和所述生成指示所述合成断层摄影数据的图像的步骤。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二部分为所述多个正电子湮灭事件中未选作所述第一部分的剩余部分。

7.如权利要求1所述的方法，还包括实时地观看所述指示所述第一部分断层摄影数据的图像。

8.一种使用部分事件数据进行PET图像重建的系统，包括：

基于列表的重建器装置(129)，用于响应在正电子发射断层摄影扫描期间探测到的多个正电子湮灭事件中的第一部分而生成第一部分断层摄影数据；以及

显示装置(128)，用于生成指示所述第一部分断层摄影数据的图像；

其中，所述基于列表的重建器装置(129)还配置成响应所述第一部分断层摄影数据和所述多个正电子湮灭事件中的第二部分而生成合成断层摄影数据；以及

所述显示装置(128)还配置成生成指示所述合成断层摄影数据的合成图像，

其中，所述基于列表的重建器装置(129)还配置成响应选自以下各项组成的组中的至少一个参数选择第一部分事件量：图像清晰度规格、图像生成时间约束和TOF方差改进因子。

9.如权利要求8所述的系统，其中，第一部分事件量和第二部分事件量的和小于所述多个正电子湮灭事件的总量。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述基于列表的重建器装置(129)还配置成响应选自以下各项组成的组中的至少一个参数选择第二部分事件量：图像清晰度规格和图像生成时间约束。

11.如权利要求8所述的系统，其中，所述基于列表的重建器装置(129)还配置成通过使用所述第一部分断层摄影数据作为初始图像估计，并响应所述第二部分事件更新所述初始图像估计来生成所述合成断层摄影数据。

12.如权利要求8所述的系统，其中，所述第二部分为所述多个正电子湮灭事件中未选作所述第一部分的剩余部分。