Обратное реконструирование данных для оптимальной временной выработки импульсов счета в радиологической физиологической визуализации в режиме списка

Группа изобретений относится к медицине. Устройство диагностической визуализации содержит детекторную матрицу для приема событий от визуализируемой области, триггерный процессор для присвоения отметки времени принятым событиям, реконструирующий процессор, анализатор и управляемый анализатором селектор временного окна. При этом собирают набор информационных точек, указывающих принятые события ядерного распада. Создают отметки времени для принятых событий. Выбирают временное окно, которое определяет подлежащие реконструкции события, при этом события находятся в пределах корректируемой части собранных информационных точек. Реконструируют представление изображения из корректируемой части. Анализируют представление изображения для определения значения параметра, указывающего качество представления изображения. Корректируют временное окно в соответствии с определенным значением параметра и реконструируют события в скорректированном временном окне в последующее представление изображения до тех пор, пока значение параметра не будет представлять собой оптимизированное или превышающее выбранный порог. Применение группы изобретений позволит повысить качество изображения. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящая заявка относится к области диагностической визуализации. Она находит отдельное применение в медицинских радиологических сканерах, использующих сбор данных в режиме списка, и будет описана с отдельными ссылками на них. Однако следует понимать, что она также находит применение в других перфузионных исследованиях с использованием изотопных индикаторов и не обязательно ограничивается указанными выше применениями.

Регистрация физиологических процессов с помощью динамической радиологической визуализации представляет собой сложный процесс, который требует оптимизации выбора дискретных данных для конкретной системы визуализации и понимания феноменов, участвующих в захвате изотопного индикатора. Например, в перфузионных исследованиях сердца с использованием инъекций рубидия-82 (⁸²Rb) и ПЭТ-визуализации объединены задачи динамической визуализации интенсивного потока, короткого периода полураспада изотопа (приблизительно 90 секунд) и процесса захвата, который может удалить ⁸²Rb из кровотока всего лишь за 30 секунд или за 200 секунд, в зависимости от субъекта, при обычном 360-секундном сканировании. Вначале в крови присутствует большое количество изотопного индикатора, а малая его часть захватывается интересующей областью. При этом генерируется большой объем данных, но с плохой контрастностью. В процессе сканирования увеличивается количество изотопного индикатора, достигшего интересующей области и захваченного ею, при этом изотопный индикатор удаляется из крови, но в то же время интенсивность сигнала снижается с течением времени из-за естественного распада изотопного индикатора. В результате этого наблюдается хорошая контрастность, но объем данных мал. Существует проблема поиска момента времени, оптимального для визуализации, в который соразмерны интенсивность сигнала и контрастность.

Качество реконструированных изображений зависит от выбора интервала реконструирования. Выбрав более длительный временной интервал реконструирования, такой как 90-360 секунд, можно добиться максимальной интенсивности сигнала, то есть можно максимально увеличить количество принятых импульсов счета. Это снижает контрастность. Например, при визуализации сердца в выбранном выше временном диапазоне можно получить низкую контрастность, поскольку кровь в желудочках, еще не абсорбированная тканями сердца, все еще может быть активной. Поскольку ранние данные имеют самую высокую скорость счета, в поздних данных проявляется тенденция к преобладанию более низкой скорости счета. С другой стороны, при выборе окна 300-360 секунд, изображение, скорее всего, будет иметь хорошую контрастность, поскольку большая часть изотопного индикатора была абсорбирована интересующей тканью. Однако может наблюдаться значительный шум, поскольку к тому времени большая часть изотопного индикатора будет распадаться, что ведет к низкой скорости счета событий.

Настоящая заявка относится к новому и улучшенному способу обработки событий, который способен использовать максимально эффективно данные в режиме списка для эффективной оптимизации качества изображения.

Согласно одному аспекту предоставлено устройство диагностической визуализации. Детекторная матрица, содержащая отдельные детекторы, обнаруживает фотоны, испускаемые в результате радиоактивного распада в теле пациента. Триггерный процессор определяет отметку времени для принятых возможных событий. Процессор подтверждения события применяет критерии подтверждения к принятым возможным событиям. Реконструирующий процессор реконструирует действительные события в представление изображения визуализируемой области. Анализатор коэффициента качества анализирует реконструированное изображение для того, чтобы определить коэффициент качества.

Согласно другому аспекту предоставлен способ диагностической визуализации. Собирают набор информационных точек, указывающих на события ядерного распада, и сортируют информационные точки согласно моментам времени, в которые были обнаружены эти информационные точки. Выбирают опорную точку времени. Реконструируют представление изображения по информационным точкам, зарегистрированным до опорной точки. Определяют коэффициент качества, ассоциированный с представлением изображения. Выбирают временной интервал и накладывают в обратном направлении перед опорной точкой, создавая новую опорную точку.

Согласно другому аспекту предоставлен способ диагностической визуализации. Обнаруживают фотоны, испускаемые в результате радиоактивного распада. Принятым возможным событиям назначают отметку времени. Применяют проверочные критерии к принятым событиям. Действительные события реконструируют в представление изображения визуализируемой области. Для определения коэффициента качества анализируют реконструированное изображение.

Одно преимущество заключается в предоставлении возможности выбора оптимального сочетания интенсивности сигнала и контрастности изображения в перфузионном исследовании с использованием изотопного индикатора.

Другое преимущество заключается в предоставлении возможности многократного добавления данных или удаления данных из реконструированного изображения до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное качество изображения.

Другое преимущество состоит в том, что легко можно модернизировать существующие сканеры при условии, что сканеры генерируют совместимые данные и имеют совместимый формат данных (например, режим списка).

Другие дополнительные преимущества согласно настоящему изобретению будут оценены специалистами в данной области после прочтения и усвоения следующего подробного описания.

Настоящее изобретение может принимать форму различных компонентов и компоновок из различных компонентов, а также различных этапов и компоновок этапов. Фигуры служат лишь для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны истолковываться как ограничение изобретения.

На фиг.1 приведена схематическая иллюстрация устройства радиологической визуализации в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 представляет собой график, на котором показана скорость счета и тканевая перфузия как функции времени.

Фиг.3 представляет собой блок-схему многократного определения наиболее значимых данных, которые следует использовать для реконструирования в соответствии с настоящим изобретением.

Со ссылкой на фиг.1 устройство 10 диагностической визуализации содержит корпус 12 и опору 14 для субъекта. В корпусе 12 заключена детекторная матрица. Детекторная матрица содержит множество отдельных детекторных элементов 16. Несмотря на то, что один конкретный вариант осуществления описан в отношении сканера позитронно-эмиссионной томографии (PET), следует понимать, что настоящее изобретение также можно использовать в других медицинских применениях, таких как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT), а также рентгеновская астрофизика, гамма-лучевые телескопы, радиография, безопасность и промышленные применения. Как правило, настоящая заявка находит применение в визуализации с помощью рентгеновских лучей, гамма-лучей или заряженных частиц с высокой энергией и пространственной разрешающей способностью. Матрица устроена так, чтобы детекторные элементы 16 располагались смежно с визуализируемой областью 18. Детекторная матрица может представлять собой кольцо детекторов 16, множество колец, одну или несколько раздельных плоских или дугообразных панелей и т.п. В позитронно-эмиссионной томографии (PET), пары гамма-лучей образуются в результате события аннигиляции позитронов в визуализируемой области и расходятся приблизительно в противоположных направлениях. Такое событие может произойти при ядерном распаде ⁸²Rb. Эти гамма-лучи регистрируются парами с небольшой разницей во времени (порядка наносекунд или долей наносекунд) между регистрациями, если один гамма-луч проходит более длинный путь до детектора, чем другой луч. Таким образом, в PET-сканерах детекторные матрицы обычно окружают визуализируемую область.

Перед началом PET-сканирования, субъекту вводят радиофармацевтический препарат. В одном обычном исследовании радиофармацевтический препарат содержит радиоактивный элемент, такой как ⁸²Rb, соединенный с маркерной молекулой. Маркерная молекула связана с областью, подлежащей визуализации, и склонна накапливаться в этой области посредством физиологических механизмов. Например, быстро размножающиеся злокачественные клетки тратят аномально большие количества энергии на самоудвоение. Радиофармацевтический препарат может быть связан с молекулами, такими как молекулы глюкозы или ее аналога, которые типично метаболизируются клетками для получения энергии, эти молекулы собираются в таких областях и на изображении выглядят как «горячие узлы». Такую метку также можно использовать для перфузионной визуализации сердца, поскольку сердце расходует относительно большие количества энергии. Другие способы позволяют наблюдать за меченными молекулами, движущимися по кровеносной системе. В таких способах выгодно метить молекулу, которая абсорбируется тканями организма с небольшой скоростью.

Когда гамма-луч сталкивается с детекторной матрицей, генерируется сигнал времени. Триггерный процессор 20 следит за возникновением всплесков энергии в каждом детекторе 16, например, по площади под кривой импульса, характерной для энергии гамма-лучей, образуемых радиофармацевтическим препаратом. Триггерный процессор 20 проверяет часы 22 и отмечает время попадания каждого обнаруженного гамма-луча на передний край. Отметка времени, оценка энергии и оценка положения сначала используются процессором 24 подтверждения события для того, чтобы определить, являются ли данные о событии достоверными, например, если пара совпадающих событий имеет надлежащую энергию и т.п. Принятые пары определяют линии ответа (LOR). Поскольку гамма-лучи движутся со скоростью света, и если зарегистрированные гамма-лучи прибывают с интервалом более чем несколько наносекунд, то вероятно они не образовались в результате одного и того же события аннигиляции и обычно не учитываются. Синхронизация особенно важна во времяпролетном PET (TOF-PET), поскольку малейшее различие в по существу синхронных совпадающих событиях используется для дальнейшей локализации события аннигиляции на линии ответа (LOR). Поскольку увеличивается точность разрешения событий по времени, то также увеличивается точность локализации события на его линии ответа.

Линии ответа хранятся в буфере 26 хранения событий. В одном из вариантов осуществления линии ответа хранятся в формате режима списка. То есть события хранятся в порядке возникновения во времени, и между ними периодически вставляются индикаторы времени. Альтернативно, события могут иметь индивидуальные отметки времени. Реконструирующий процессор 28 реконструирует все или часть линий ответа в визуальном представлении субъекта с использованием отфильтрованной рирпроекции или других подходящих алгоритмов реконструирования. Анализатор 29 анализирует реконструированное изображение для того, чтобы определить коэффициент качества или другой признак качества изображения. Анализатор 29 индексирует селектор 31 временного окна, чтобы скорректировать временное окно, которое определяет часть реконструированных линий ответа до тех пор, пока качество изображения не будет оптимизировано или не достигнет предварительно выбранного уровня. Этот процесс описан более подробно ниже в данном описании. Затем реконструкцию можно отобразить для пользователя на устройстве 30 отображения, распечатать, сохранить для дальнейшего использования и т.п.

В одном из вариантов осуществления данные о событиях собираются в формате «режим списка». Регистрация релевантных свойств каждого обнаруженного события в список стала распространенной практикой в приложениях эмиссионной томографии и стала известна как сбор и хранение данных в режиме списка. Реконструкционный подход в режиме списка несколькими аспектами отличается от способов в режиме группировки или гистограммы. Сбор данных в режиме списка обеспечивает чрезвычайно высокое разрешение во времени при полном пространственном разрешении и позволяет определять длительности формирования кадра после сбора. Осуществляя сбор данных в формате «режим списка», локализацию взаимодействия можно сохранить с высокой степенью точности и более высокой эффективностью, чем та, что доступна при сборе в режиме кадра. Углы гентри не следует группировать в предпочтительных кадрах, а можно записывать в виде фактического угла, посредством чего устраняя влияние углового размытия при продолжительном сборе. Абсолютное значение энергии взаимодействия может быть записано вместо того, чтобы приписывать значение энергии события одному из ограниченного числа предварительно заданных окон. Таким образом, при увеличении размерности, вместо группировки данные хранятся в списке, в котором они могут быть классифицированы и сохранены с помощью нескольких различных параметров, например, времени приема. Также режим списка может хранить стробирующие сигналы без временной кадровой синхронизации данных до того, как эта информация станет полностью доступной. Результатом является значительное увеличение точности записи проекционных данных при сборе данных в режиме списка, без чрезвычайного увеличения объема запоминающего устройства. Другое преимущество состоит в обеспечении возможности идентифицировать события по времени их возникновения и, что благоприятно для настоящего изобретения, в обеспечении возможности выбора временного окна, в котором наблюдается наиболее оптимальное сочетание контрастности и интенсивности сигнала.

Со ссылкой на фиг.2, наиболее оптимальное качество реконструирования изображения достигается посредством продуманного выбора интервала или окна 33 реконструирования на временном отрезке сбора данных. Во время сбора данных, например, в течение 360 секунд, скорость 32 счета имеет самое высокое значение в начале и снижается к концу. И наоборот, контрастность 34 имеет самое низкое значение в начале сканирования. Реконструируют линии ответа, собранные в выбранном временном окне 33. Начало 36 и/или конец 38 окна избирательно корректируют для того, чтобы оптимизировать баланс между контрастностью и скоростью счета. Конечно, можно задать несколько окон, включая перекрывающиеся окна, и реконструировать изображение для каждого из них.

Теперь на основании фиг.3 предоставлена блок-схема, описывающая оптимизацию изображения. Сначала субъекту вводят радиофармацевтический препарат 40. Проводится сбор 42 данных, и в течение сканирования делаются отметки времени. Длительность сбора данных может варьироваться в зависимости от радиоактивного вещества, использованного для получения событий аннигиляции. В случае ⁸²Rb, сканирование обычно длится приблизительно в течение 6 минут (360 секунд). После этого периода времени, физически останется только одна шестнадцатая от исходного количества ⁸²Rb, и предполагается, что скорость счета станет слишком низкой для того, чтобы ее можно было использовать для диагностики.

После сбора данных происходит выбор 44 окна, которое определено исходной или начальной точкой и крайней или конечной точкой. В одном из вариантов осуществления крайняя или конечная точка 38 выбрана так, чтобы находиться в нескольких секундах от завершения сканирования. Как отмечалось ранее, скорее всего, эти данные обеспечивают наивысшую контрастность реконструированного изображения, поскольку изотопный индикатор был введен достаточно давно, чтобы накопиться в интересующей ткани. Использование данных из самого конца сканирования представляет собой повсеместно применимый подход и его можно использовать, особенно когда о физиологии перфузии субъекта (человека или животного) известно мало.

Если известно больше, то можно выбрать более значимые точки. Например, при визуализации сердца с использованием ⁸²Rb, 200 секунд должно хватить для здоровых человеческих субъектов. В более общем смысле, если известно время, в течение которого физиология субъекта должна находиться в неизменном состоянии в отношении измеряемой переменной, то окно может быть выбрано так, чтобы точно или приблизительно совпадать с этим временем. Кроме того, может существовать параметр, который позволяет отличать промежуточное состояние от конечного статического состояния. В качестве примера, при визуализации сердца с использованием ⁸²Rb, соотношение активности миокарда и тока крови (например, полость желудочка) должно представлять собой индикатор этого процесса.

Затем реконструируется 46 базовое изображение. В одном из вариантов осуществления базовое изображение реконструируется с использованием данных из начальной точки и до конца сканирования. Это базовое изображение включает данные высококонтрастных импульсов счета, но если начальную точку установить на более позднее время, то количество импульсов счета будет мало, что приведет к низкому отношению сигнала к шуму. Производится оценка базового изображения для того, чтобы определить коэффициент 48 качества. В одном из вариантов осуществления коэффициент качества представляет собой отношение контрастности к шуму. Конечно, рассматриваются и другие коэффициенты качества, такие как необработанное число импульсов в единицу времени и другие.

При заданном точно указанном коэффициенте качества базового изображения осуществляется корректировка 50 начальной точки, например, она перемещается ближе к началу для того, чтобы увеличить число импульсов счета с целью улучшения точно указанного коэффициента качества. Линии ответа в увеличенной области окна прибавляются к линиям ответа, которые были использованы для реконструирования базового изображения, и реконструируется 52 обновленное изображение. После реконструирования обновленного изображения коэффициент качества повторно вычисляется для нового обновленного изображения 54. Если коэффициент качества улучшается или остается неизменным в рамках некоторых выбранных статистических пределов теста, что показано в виде блока 56 принятия решения на фиг.3, то начальное событие может быть дополнительно скорректировано (например, передвинуто на небольшой период времени назад, с использованием бинарного поиска или выбранного алгоритма оптимизации) и процесс повторяется. Изображение, которое достигает наилучшего коэффициента качества, используется для дальнейшего анализа 58, отображения, интерпретации или сохраняется для дальнейшего использования. Начальный и конечный момент времени также отображаются для пользователя, поскольку время захвата может обладать значительной диагностической ценностью.

Таким же образом необязательно может быть скорректирована конечная точка окна. Данные в конце сканирования могут быть менее значимыми в силу меньшего числа импульсов счета. Конечная точка окна может быть сдвинута назад во времени, и реконструируется 52 обновленное изображение. Новый коэффициент качества снова повторно вычисляется 54 до тех пор, пока он не перестанет улучшаться. Оптимизация конечной точки может происходить или до, или после оптимизации начальной точки. В ходе описанного процесса выбора окна, окно 33 может быть отображено для пользователя для того, чтобы пользователь мог использовать его в качестве помощи при анализе, количественном определении или диагностике. Оптимизированное окно 33 также может быть использовано системой в качестве параметра в компьютеризованном диагностировании, поскольку время захвата и эффективность могут отражать процессы и функционирование организма.

В одном из вариантов осуществления вышеописанный процесс автоматизирован и выполняется анализатором 29. Подразумевается, что могут быть приняты различные уровни пользовательского ввода для того, чтобы помочь в принятии решения. Например, начальный и/или конечный момент времени может быть установлен пользователем с использованием пользовательского ввода 60. Например, пользователь может перетащить начальный и конечный индикаторы времени на дисплее, аналогично тому, что изображено на фиг.2. Пользователь может получать подсказки для принятия решения о том, улучшился ли коэффициент качества конкретного изображения по отношению к его предшественнику. Когда анализатор 29 принимает решение о том, какое изображение является лучшим, он может представить его и несколько предыдущих и последующих изображений пользователю для просмотра. В этом варианте осуществления процесс остается по большей части автоматизированным, но в дополнение возможен пользовательский анализ. Необходимые уровни пользовательского ввода и обратной связи могут быть выбираемыми, а также могут обладать возможностью включения или выключения по желанию.

В альтернативном варианте осуществления данные могут накапливаться не в формате режима списка. Этот вариант осуществления влечет за собой дополнительную проблему сортировки событий по времени после того, как они уже были сгруппированы, что требует дополнительных вычислительных мощностей и времени.

Некоторые радиофармацевтические препараты абсорбируются различными типами тканей организма с различными скоростями. Таким образом, оптимальные изображения для различных частей организма могут иметь разные опорные точки. Таким образом, может быть отображено множество оптимизированных изображений. В качестве другой альтернативы, может быть отображена серия киноизображений, которые показывают захват и вымывание с течением времени. Временное окно, соответствующее каждому киноизображению, может быть оптимизировано аналогичным образом.

Изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления. Модификации и изменения могут стать очевидными после прочтения и понимания предшествующего подробного описания. Предполагается, будет толковаться, что настоящее изобретение включает все такие модификации и изменения в такой мере, в какой они ограничены объемом приложенной формулы изобретения или ее эквивалентами.

1. Устройство диагностической визуализации, содержащее:
детекторную матрицу для приема событий от визуализируемой области (18);
триггерный процессор (20) для присвоения отметки времени принятым событиям;
реконструирующий процессор (28), выполненный с возможностью реконструкции корректируемой части событий в представлении изображения;
анализатор (29), выполненный с возможностью анализа реконструированного представления изображения для того, чтобы определить параметр, указывающий качество изображения, и коррекции корректируемой части подтвержденных событий для реконструкции в последующем представлении изображения в соответствии с определенным параметром до тех пор, пока значение определенного параметра представления изображения не будет представлять собой оптимизированное или превышающее выбранный порог, и
селектор (31) временного окна, управляемый анализатором (29) для того, чтобы корректировать временное окно (33), которое определяет события, подлежащие реконструкции.

2. Устройство диагностической визуализации по п.1, в котором определенный параметр представляет собой коэффициент качества, основанный на выбранном параметре представления изображения.

3. Устройство диагностической визуализации по любому из пп.1 или 2, дополнительно содержащее буфер (26) хранения событий, выполненный с возможностью хранения подтвержденных событий в списке, сортируемом по времени приема события.

4. Устройство диагностической визуализации по п.3, дополнительно содержащее:
дисплей (30) для отображения по меньшей мере временного окна (33) пользователю.

5. Способ диагностической визуализации, содержащий этапы, на которых:
собирают набор информационных точек, указывающих принятые события ядерного распада;
создают отметки времени для принятых событий;
выбирают временное окно, которое определяет события, подлежащие реконструкции, при этом события находятся в пределах корректируемой части собранных информационных точек;
реконструируют представление изображения из корректируемой части собранных информационных точек;
анализируют представление изображения для того, чтобы определить значение параметра, указывающего качество представления изображения; и
корректируют временное окно в соответствии с определенным значением параметра и реконструируют события в скорректированном временном окне в последующее представление изображения до тех пор, пока значение параметра представления изображения не будет представлять собой оптимизированное или превышающее выбранный порог.

6. Способ по п.5, в котором этап определения параметра содержит этап, на котором:
определяют коэффициент качества представления изображения.

7. Способ по п.6, дополнительно содержащий этап, на котором:
сравнивают коэффициент качества последующего представления изображения с коэффициентом качества предыдущего представления изображения, и если коэффициент качества для последующего представления изображения выше или равен коэффициенту качества предыдущего представления изображения, то повторяют дополнительное корректирование части собранных информационных точек, которые используются для реконструирования следующего представления изображения.

8. Способ по п.6, в котором коэффициент качества представляет собой отношение контрастности к шуму в представлении изображения.

9. Способ по любому из пп.5-8, дополнительно содержащий этап, на котором:
сортируют информационные точки по времени обнаружения.

10. Способ по п.9, дополнительно содержащий этапы, на которых:
анализируют последующие представления изображений для того, чтобы определить значение параметра, указывающего качество второго представления изображения;
в ответ на значения параметров последующего и предыдущего представления изображения, указывающих на то, что последующее изображение лучше, чем предыдущее изображение, корректируют временное окно (33) и генерируют другое представление изображения.

11. Способ по п.10, в котором временное окно имеет начальную точку и конечную точку, и дополнительно содержит этап, на котором:
в ответ на то, что последующее изображение лучше, чем предыдущее представление изображения, начальную точку перемещают в направлении начала сканирования.

12. Способ по п.10, в котором многократно повторяют этапы корректирования, реконструирования и анализа.

13. Способ по любому из пп.10-12, дополнительно содержащий этап, на котором:
отображают окно (33) для пользователя.

14. Способ по любому из пп.10-12, дополнительно содержащий этап, на котором:
анализируют окно (33) для того, чтобы оказать помощь в чем-то одном из: диагностики, количественного определения или измерения физиологического процесса.

15. Система радиологической визуализации, содержащая процессор, запрограммированный на управление системой радиологической визуализации для осуществления способа по любому из пп.5-8 или 10-12.

16. Машиночитаемый носитель, на котором записано программное обеспечение для управления процессором для осуществления способа по любому из пп.5-8 или 10-12.