[发明专利]D4D‑CT成像方法、设备和系统

说明书

技术领域

本发明涉及CT成像领域，具体而言，涉及一种改进的无设备四维CT(D4D-CT：Device-less 4 dimensional CT)成像的方法、设备和系统。

背景技术

为了消除或者减少呼吸运动引起的伪影对胸腹部脏器CT扫描的影响，并反映胸腹部肿瘤随时间变化的规律，达到准确诊断和治疗的目的，提出了四维CT(4D-CT)的概念，将时间因素纳入CT扫描图像的三维重建中，可形成动态的四维CT图像，即4D-CT。

目前，在CT机上实现胸腹部4D-CT的一般过程是：在图像采集时利用与CT机相连接的呼吸监控系统来监测患者的呼吸运动，同步采集CT图像和呼吸信号，在采集的每层CT图像上均“烙上”在呼吸周期中所处的时间信息(即相位)，然后按相位分别对所有CT图像进行分组和三维重建，其中各相位的三维图像构成一个随时间变化的三维图像序列，即4D-CT。

现有的4D-CT系统主要采用肺活量计来测量患者的呼吸量，用红外摄像装置来测量患者体表随呼吸起伏的高度差，或者用压力传感器等测量患者呼吸导致的压力差，将这些测量信号转换为呼吸周期信号；采集CT图像的方式大多采用电影模式(即CINE模式)，在每个扫描床位处按某个持续时间连续进行CT图像采集，在一个床位完成一次CINE模式扫描之后，CT床行进至下一个扫描床位，重复同样的CINE模式扫描，反复进行，直到覆盖整个需要扫描的范围为止。

上述4D-CT重建方法要求在图像采集过程中，呼吸检测设备必须与CT机进行数据通信，并且要求呼吸信号与CT图像采集同步，并且，由于患者体表监测信号与体内脏器运动不同步，加上呼吸运动重复性较差，因此，有相当多的患者不能顺利进行4D-CT重建。Ruijiang Li等人在“4D CT sorting based on patient internal anatomy”(Phys.Med.Biol.54(2009)4821-4833)一文中提议了一种基于无设备的4D-CT(即D4D-CT)检选方法，通过引用将该论文整体合并于此。Li等人引入了四个内部解剖学特征，即身体面积、肺部面积、空气含量和肺部密度，并且使用又称为空间相关性的量度来选择在每个床位位置的最优内部特征以及基于所选最优内部特征来生成呼吸曲线以进行4D-CT检选。该方法不需要外部呼吸监测设备来同步地记录呼吸运动，在降低成本的同时能够在医疗设备中实现。

但是，在临床应用中，Li等人提议的方法具有以下缺点。

首先，在Li等人的方案中，身体面积表示CT切片中身体轮廓内像素的总数量，肺部面积表示CT切片中肺部内的像素的总数量，肺部密度表示肺部内平均CT数量，而空气含量表示肺部内所有CT数量的总和。因此，Li等人使用的四个内部特征均基于像素数量(在图像分割之后)，并且假定CT切片内的像素数量随患者的呼吸运动同步变化。

然而，如图2所示，在患者心脏区域，一些像素随心脏的扩展或收缩和/或较厚血管的运动而在CT切片中频繁地出现或消失，从而导致CT切片中肺部区域内像素的数量随不同于患者呼吸运动的规律(例如心脏的跳动规律)而减小或增大，从而影响上述四个内部特征的准确性。而且，如果肿瘤位于患者心脏部位，则肿瘤随心脏跳动的运动也将使肿瘤的图像影响到CT切片内的像素数量，同样也会影响上述四个内部特征的准确性。如图1所示，根据Li等人提议的内部特征生成的呼吸曲线与例如外部呼吸监测设备的实时位置管理(RPM)系统记录的基准呼吸曲线存在较大差异。

其次，Li等人使用空间相关性量度来从四个内部特征中为每个床位位置选择工作特征。该量度在一个床位的不同层之间计算每个内部特征的相关值，并根据上述四个内部特征中具有最高相关值的内部特征生成该床位的呼吸曲线。这个量度在多数身体区域中是有效的，但是在某些腹部区域会失效。如图9A与图9B所示，由于腹部内存在过量气体，导致在明显为腹部区域的位置使用了与肺部有关的具有最高相关值的内部特征(例如肺部面积、肺部密度或空气含量)来生成呼吸曲线，从而导致在CT切片中出现如图9A中箭头所示的伪影。

此外，Li等人提议使用幅度或经平滑处理的幅度作为用于检选CT切片的呼吸曲线。但是，从CT切片提取的内部特征的幅度一般存在噪声而且不稳定，简单的平滑处理得不到预期的呼吸曲线。如图1所示，与从上述四个内部特征得到的呼吸曲线均不同程度偏离了基准呼吸曲线，使用这样的呼吸曲线必然造成检选错误，从而在D4D-CT成像中产生图像失真。

因此，需要一种至少克服上述问题的D4D-CT成像的方法、设备和系统。

发明内容