Результат интеллектуальной деятельности: РАСШИРЕНИЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ПОЛЯ ОБЗОРА ПРИ РАДИОНУКЛИДНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

2420-179104RU/019

Область техники

Настоящее изобретение относится к медицинским системам и способам визуализации. Настоящее изобретение особенно применимо в сочетании с мультимодальными системами, например системами позитронной эмиссионной томографии (РЕТ)/компьютерной томографии (СТ). Следует понимать, что настоящее изобретение применимо также в различных сочетаниях однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT), компьютерной томографии (СТ), позитронной эмиссионной томографии (РЕТ), ядерной магнитно-резонансной томографии и т.п.

Предшествующий уровень техники

В мультимодальных системах томографии применяют по меньшей мере два разных метода визуализации для определения местоположения или измерения различных компонентов в пространстве объекта. В системах РЕТ/СТ система визуализации РЕТ создает изображения с высокой метаболической активностью в теле вместо создания изображений окружающей анатомии. Изображения, сканированные методом СТ (в дальнейшем СТ-изображения) дают врачу возможность видеть внутренние структуры в теле человека. Перед сканированием методом РЕТ/СТ пациент получает дозу радиоактивного медицинского препарата. Радиоактивный медицинский препарат переносится кровью и концентрируется в по меньшей мере одном органе-мишени или заданной области и вызывает акты аннигиляции, которые испускают позитроны. Во время сканирования следы распространения испускаемого излучения определяются системой, создающей изображение распределения радиоактивного медицинского препарата в пациенте. Изображение может показывать кровеносную систему и/или относительное поглощение радиоактивного медицинского препарата различными областями или органами. Объединение анатомических данных СТ-изображения с метаболическими данными РЕТ-изображения в РЕТ/СТ-изображении дает врачам визуальную информацию для определения, присутствует ли заболевание, локализации и протяженности заболевания и для отслеживания скорости распространения заболевания. Системы РЕТ/СТ особенно полезны в сложных для лечения областях (например, в зоне головы и шеи, средостении, брюшной полости после операции) и при локализации зоны лечения у пациентов проходящих лучевую терапию и химиотерапию.

Данные СТ-изображения можно использовать для коррекции ослабления, дополнительно улучшающей РЕТ-изображения. Коррекция ослабления в традиционных системах РЕТ может предусматривать сканирование передачи, при котором внешний просвечивающий источник радиоактивного излучения поворачивается вокруг поля обзора (POV) и измеряет ослабление при просвечивании обследуемой области в двух сценариях, в которых пациент отсутствует и, затем, пациент присутствует в исследуемой области. Соотношение двух значений применяют для коррекции на неравномерные плотности, которые могут вызывать шум изображения, артефакты изображения, деформацию изображения и могут закрывать важные детали.

Системы РЕТ/СТ используют данные передачи методом СТ для составления карты разностей плотностей ослабления по всему телу, применяемой для коррекции на поглощение испускаемых фотонов. Коррекция ослабления на основе СТ использует низкий статистический шум, высокую скорость сбора данных, защищенность от помех, связанных с введенным радиоактивным изотопом, и исключение аппаратных средств источника радиоактивной передачи.

Алгоритмы коррекции рассеяния также могут использовать карту ослабления, полученную методом СТ (в дальнейшем СТ-карту ослабления). Алгоритмы коррекции рассеяния моделируют распределение рассеяния на основе СТ-карты передачи ослабления и эмиссионных данных РЕТ. После вычета вклада рассеяния данные РЕТ реконструируют для формирования изображений со скорректированным рассеянием.

Общеизвестен подход к исследованиям сердца с использованием радионуклидной визуализации. Исследования коронарной перфузии и жизнеспособности тканей миокарда обычно выполняют методом однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT), но РЕТ дает преимущество, так как помехи ослабления, создаваемые грудной клеткой и диафрагмой, можно легче корректировать с использованием карт ослабления на основе трансмиссионных сканированных изображений. Оба способа радионуклидной визуализации имеют недостаток, заключающийся в ограниченном поле обзора, что особенно справедливо для динамических исследований сердца с применением РЕТ, когда данные получают только в одном положении стола. Ограниченное пространственное разрешение осложняет оценки рассеяния и избыточную оценку радиоактивности за пределами поля обзора, так как упомянутая радиоактивность за пределами поля обзора не измеряется. Например, при исследовании сердца печень, которая находится в непосредственной близости от сердца, получает большие количества радиоактивного индикатора и создает избыток радиоактивности в области сердца. При полных исследованиях тела избыток радиоактивности можно скорректировать с применением алгоритмов частичной объемной коррекции; однако проблемы возникают, когда источник избытка радиоактивности частично или полностью исключен из поля обзора. Кроме того, обратное рассеяние от печени за пределами поля обзора невозможно моделировать в моделирования методом однократного рассеяния (SSS).

Краткое изложение существа изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагается новая и усовершенствованная диагностическая система визуализации, которая может количественно оценивать значительные количества радиоактивности за пределами поля обзора радионуклидной визуализации, что устраняет вышеупомянутые и другие недостатки.

В соответствии с одним аспектом предлагаемая комбинированная система визуализации состоит из первой системы визуализации и системы радионуклидной визуализации. Первая система визуализации сконфигурирована с возможностью получения структурных данных по меньшей мере одной анатомической структуры в первом поле обзора. Система радионуклидной визуализации сконфигурирована с возможностью получения функциональных данных по меньшей мере одной анатомической структуры во втором поле обзора, при этом второе поле обзора меньше, чем первое поле обзора, при этом первое поле обзора включает в себя второе поле обзора. Реконструирующий процессор сконфигурирован с возможностью реконструкции функциональных данных, полученных системой радионуклидной визуализации, скорректированных для по меньшей мере одного из артефактов избытка радиоактивности и обратного рассеяния, на основании структурных данных, полученных первой системой визуализации.

В соответствии с другим аспектом предлагается способ применения комбинированной системы визуализации, который содержит этап получения структурных данных по меньшей мере одной анатомической структуры в первом поле обзора с помощью первой системы визуализации. Функциональные данные по меньшей мере одной анатомической структуры во втором поле обзора получают системой радионуклидной визуализации, при этом, второе поле обзора меньше, чем первое поле обзора. Функциональные данные корректируют для по меньшей мере одного из артефактов избытка радиоактивности и обратного рассеяния на основании структурных данных, полученных первой системой визуализации, и восстанавливают.

Одно из преимуществ заключается в том, что в функциональных РЕТ-изображениях можно реализовать более высокое отношение сигнала к шуму.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения будут ясны для специалистов со средним уровнем компетентности в данной области техники после чтения и изучения нижеприведенного подробного описания.

Изобретение может быть выполнено в форме различных компонентов и схем расположения компонентов и различных этапов и схем расположения этапов. Чертежи предназначены только для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не подлежат истолкованию в смысле ограничения изобретения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 схематически изображает комбинированную систему РЕТ/СТ с расширением поля обзора на основе модели;

Фиг. 2 изображает вид СТ-сканирования, на котором вся печень находится в поле обзора;

Фиг. 3 изображает три вида во время динамического исследования перфузии пациента с использованием NH3;

Фиг. 4 изображает событие обратного рассеяния за пределами поля обзора, которое дает ложное совпадающее событие в детекторах ядерных излучений;

Фиг. 5 изображает график, который количественно оценивает избыточную радиоактивность. Область с однородной радиоактивностью (◊) представлена на изображении в виде сглаженного профиля (+);

Фиг. 6 изображает блок-схему последовательности операций способа комбинированной визуализации.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Как показано на фиг. 1, диагностическая система 10 визуализации 43 может выполнять рентгеновскую компьютерную томографию (СТ) и радионуклидную визуализацию, например, методом РЕТ или SPECT. Диагностическая система 10 визуализации содержит первую систему визуализации, в показанном варианте осуществления, СТ-сканер 12, размещенный внутри первого гентри 14. Отверстие 16 задает первую область 18 исследования СТ-сканера 12. Матрица детекторов 20 излучения размещена на поворотном гентри 22, выполненном с возможностью приема проходящего излучения от рентгеновского источника 24, размещенного напротив детекторов 20 на поворотном гентри 22. Следует понимать, что предполагается также возможность применения других методов визуализации.

Вторая система визуализации, в показанном варианте осуществления, РЕТ-сканера 26 размещена внутри второго гентри 28, который ограничивает отверстие 30 для вмещения пациента. Следует понимать, что предполагается также возможность применения метода SPECT или других методов визуализации. Неподвижное кольцо детекторов 34 излучения расположено вокруг отверстия 30 для ограничения второй области 32 области исследования или области исследования методом РЕТ.

Два гентри 14, 28 расположены один вблизи другого и использую общую опору 36 для пациента, которая перемещается вдоль продольной оси между двумя областями 18, 32 исследования по направляющему или проводящему устройству 38 опоры для пациента. Электродвигатель или другой приводной механизм (не показанный) обеспечивает продольное перемещение и вертикальную регулировку опоры в областях 18, 32 исследования. В показанном варианте осуществления гентри РЕТ 28 перемещается вдоль направляющего устройства 40 для гентри для сокращения времени перехода между системами 12, 26 визуализации. Закрытая схема расположения между гентри уменьшает вероятность движения пациента и ошибок несовмещения, проистекающих из увеличения времени сканирования. Предполагается также возможность установки систем СТ и РЕТ на одном общем гентри с общей областью исследования.

Как также показано на фиг. 1, опора 36 для пациента позиционирует пациента или объект исследования, подлежащего(щий) визуализации, в первой области 18 исследования для формирования обзорного СТ-изображения СТ-сканером 12. При исследовании сердца обзорное изображение составляет около 250 мм в осевом направлении и охватывает грудную клетку для включения сердца 42 и печени 44. Полученные опорные данные сохраняются в буфере 50 данных и обрабатываются реконструирующим процессором 52 системы СТ для формирования визуального СТ-изображения (Фиг. 2) и затем записываются в блок 54 памяти СТ-изображений.

Опора для пациента перемещает объект исследования в область 32 исследования системы РЕТ. Применительно к исследованию сердца опора для пациента совмещает сердце объекта исследования с полем обзора системы РЕТ, обычно цилиндрическим, 180 мм в диаметре, на основании обзорного СТ-изображения. Полученные данные РЕТ сохраняются в буфере 56 данных.

По данным РЕТ формируется карта ослабления блоком 58 коррекции ослабления, который применяется реконструирующим процессором 60 РЕТ-изображений для формирования визуального РЕТ-изображения, скорректированного на ослабление (Фиг. 3). Анатомическая карта формируется блоком 62 выделения анатомических структур, который выделяет анатомическую форму или контуры органа(ов) интереса за пределами поля обзора, с использованием таких методов, как сегментация, анализ основных компонентов или подобных методов. При исследовании сердца анатомическая форма печени или других органов с высокой радиоактивностью моделируется блоком 62 выделения анатомических структур и используется для расширения эффективного поля обзора визуального РЕТ-изображения с целью коррекции изображения. Процессор 64 слияния выставляет, точно совмещает или объединяет визуальное РЕТ-изображение, скорректированное для ослабления, и анатомическую карту и экстраполирует значения интенсивности РЕТ-изображения на выделенные органы за пределами фактического поля обзора РЕТ, чтобы сформировать теоретическое расширение поля обзора РЕТ (Фиг. 4). Данные расширенного поля обзора РЕТ применяются блоком 66 коррекции избытка радиоактивности и блоком 68 моделирования рассеяния для создания наборов скорректированных данных, подлежащих использованию реконструирующим процессором 70, который формирует визуальное скорректированное РЕТ-изображение, которое затем записывается в блок 72 памяти изображений.

В отличие от РЕТ-изображения на фиг 3, на котором печень 44 показана в усеченном виде, на объединенном изображении, представленном на фиг 4, показана вся печень. Всей печени присвоено то же самое значение интенсивности, которое обнаружено на участке печени, выявленном на РЕТ-изображении на фиг. 3. Другие органы со значительными компенсациями индикатора можно обрабатывать аналогичным образом. Затем объединенное изображение выполняет функцию расширенного РЕТ-изображения, на котором печень показана не в усеченном виде. Затем расширенное изображение, представленное на фиг. 4, применяется в блоке 66 коррекции избытка радиоактивности и блоке 68 моделирования рассеяния для обеспечения коррекции на избыток радиоактивности и рассеяние. Коррекцию избытка радиоактивности и рассеяния можно выполнять либо для данных проекций из буфера 56, либо для изображения, скорректированного на ослабление, из реконструирующего процессора 60 РЕТ-изображений.

Реконструированные визуальные скорректированные РЕТ-изображения, объединенные РЕТ- и СТ-изображения и другие данные отображаются на графическом пользовательском интерфейсе 74. Графический пользовательский интерфейс 74 содержит также устройство пользовательского ввода, которое врач-клиницист может использовать для управления системой визуализации, чтобы выбирать последовательности и протоколы сканирования, комбинации объединенных изображений и т.п. Графический пользовательский интерфейс отображает также предварительно скорректированные и скорректированные изображения параллельно для верификации и/или дополнительной ручной коррекции.

Любое реальное устройство отображения имеет ограниченное пространственное разрешение, которое можно описать в виде полной ширины на полувысоте (FWHM) изображения точечного источника. Ограниченное разрешение подразумевает явление, которое называют «эффектом размывания». В конечном изображении данный эффект приводит к присвоению радиоактивности областям, не обладающим радиоактивностью.

Как показано на фиг. 5, когда область 82 с высокой радиоактивностью находится близко к другой области, какая-то часть радиоактивности избыточно передается 84 в прилегающие области. Передачу 84 избытка радиоактивности можно моделировать, если область 82 находится в поле обзора. В примере с печенью или сердцем печень фактически находится в поле обзора в объединенном изображении на фиг. 4. В технике известны алгоритмы коррекции избытка радиоактивности, когда весь вносящий вклад орган находится в поле обзора.

Избыточная передача радиоактивности вследствие частичных объемных эффектов происходит между объектами, которые приблизительно в 3 раза меньше, чем FWHM (полная ширина на полувысоте) системы визуализации. В настоящее время значения FWHM находятся в диапазоне приблизительно 6-7 мм для РЕТ и большем диапазоне для SPECT. Например, диафрагма разделяет печень и перикард, сумку, которая вмещает сердце. Диафрагма имеет толщину меньше чем 5 мм, и перикард имеет толщину, приблизительно, 1 мм; следовательно, будет иметь место избыточная передача радиоактивности от печени к сердцу, так как данные органы разделены расстоянием около 5 мм.

Как также показано на фиг 4, событие 86 радиоактивного испускания может рассеиваться 88 за пределами поля обзора вследствие комптоновского рассеяния. Если как нерассеянный γ-луч от события РЕТ, так и рассеянный γ-луч детектируются в поле обзора, то такое событие может проявляться как нормальное событие РЕТ, происходящее на линии между двумя точками детектирования. Обратное рассеяние можно моделировать известными в технике методами. Однако моделирование требует знания о структуре, которая рассеивает γ-лучи. Когда данная структура находится за пределами поля обзора, структуру невозможно смоделировать. И, вновь, при использовании объединенного изображения, представленного на фиг 4, структуры, расположенные за пределами поля обзора РЕТ, становятся известными, что позволяет работать алгоритмам моделирования.

Как показано на фиг. 6, при исследованиях сердца методом РЕТ, например исследованиях перфузии или жизнеспособности, печень поглощает большие количества радиоактивного медицинского препарата. Из-за ограничения поля обзора РЕТ может иметь место избыточная передача радиоактивности от печени к сердцу. В таком случае в объект исследования вводят радиоактивный медицинский препарат на этапе 90, например РОО (флюородиоксиглюкозу), аммиак или подобный препарат. После периода поглощения объект исследования помещают в СТ-сканер и получают обзорное сканированное изображение с небольшой дозой всего сердца и печени на этапе 92, затем данные изображения реконструируют для формирования визуальных изображений на этапе 94 с использованием известных способов. Визуальные СТ-изображения используют для совмещения сердца с полем обзора РЕТ на этапе 96. Затем сердце объекта исследования помещают в поле обзора РЕТ и, на этапе 98, получают данные РЕТ всего сердца и частично исключенной печени. Визуальные СТ-изображения используют для определения коэффициентов коррекции ослабления, которые организуют на этапе 100 для формирования карты ослабления, которую используют для реконструкции визуального РЕТ-изображения, скорректированного на ослабление, на этапе 102. В ходе отдельной процедуры выделяют анатомическую форму печени из визуальных СТ-изображений. Анатомическая карта печени формируется на этапе 104 посредством приведения к масштабу анатомического представления печени для согласования энергии эмиссии РЕТ-сканера и посредством присвоения радиоактивности радиоактивного медицинского препарата печени. Радиоактивность печени можно присваивать на основании радиоактивности печени, частично исключенной из визуального РЕТ-изображения, скорректированного на ослабление, или с использованием оценки значения. В предположении, что печень характеризуется однородным поглощением, поле обзора РЕТ можно теоретически расширить с использованием анатомической карты. Затем формируют визуальное изображение с расширенным полем обзора посредством точного совмещения при объединении анатомической карты печени и визуального РЕТ-изображения сердца, скорректированного на ослабление. На этапе 106 известные способы коррекции избытка радиоактивности и рассеяния применяют к визуальному изображению с расширенным полем обзора и затем скорректированные визуальные изображения реконструируют на этапе 108. В другом варианте осуществления анатомическую форму частично исключенной печени можно выделять из изображений, скорректированных на ослабление. Частичную анатомическую форму можно сопоставлять с базой данных или моделью для оценки остальной формы печени. Затем полученную оценкой анатомическую форму печени приводят к масштабу и объединяют с визуальным РЕТ-изображением, скорректированным на ослабление и затем корректируют с учетом избытка радиоактивности и рассеяния.

В другом варианте осуществления, если для анатомической структуры, которая частично исключена из поля обзора РЕТ, принято неоднородное поглощение, то коррекцию рассеяния и коррекцию избытка радиоактивности можно применять во время реконструкции РЕТ-изображения на основании частичной анатомической структуры в пределах поля обзора РЕТ.

Выше приведено описание изобретения со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Специалистами, после прочтения и изучения вышеприведенного подробного описания, могут быть созданы модификации и изменения. Однако следует понимать, что настоящее изобретение подлежит интерпретации как включающее в себя все подобные модификации и изменения в той степени, в которой они не выходят за пределы объема притязаний прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.