在CT成像方法中同时使用不同的造影剂与流程

本发明涉及一种生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的方法。此外，本发明还涉及一种用于分析患者的检查区域中的形态和/或功能参数的方法，这些形态和/或功能参数被分配给不同造影剂。此外，本发明还涉及一种图像重建设备。此外，本发明涉及一种计算机断层摄影系统。

背景技术：

现代成像方法经常用于生成二维或三维图像数据，这些二维或三维图像数据可以用于对所映像的检查对象进行可视化，而且除此之外还可以用于其他应用。

成像方法经常基于对x射线辐射的捕获，来生成所谓的投影测量数据。例如，可以借助于计算机断层摄影系统(ct系统)，来采集投影测量数据。在ct系统中，布置在台架上的x射线源和相对布置的x射线检测器的组合通常围绕测量空间运行，检查对象(在不限制一般性的情况下，下文被称为患者)位于该测量空间中。在这方面，旋转中心(也被称为“等中心”)与所谓的系统轴线z重合。在一次或多次旋转期间，患者暴露于来自x射线源的x射线辐射，同时投影测量数据或相应的x射线投影数据借助于相对定位的x射线检测器而被捕获，所述数据描述患者在其暴露方向上的x射线衰减。

所生成的投影测量数据(也简称为投影数据)特别依赖于x射线检测器的设计。x射线检测器通常具有多个检测单元，这些检测单元大多以有规律的像素阵列的形式而被布置。这些检测单元分别为碰触检测单元的x射线辐射生成检测信号，这些检测信号在特定时间在x射线辐射的强度和光谱分布方面被分析，以得出关于检查对象的结论，并且生成投影测量数据。

在多种类型的ct成像方法中，利用具有不同x射线能谱的x射线辐射，对患者的同一个检查区域进行多次图像记录。该过程也被称为多能量ct记录。例如，可以利用不同管电压并借助于相继的多个ct图像记录，来实现这种类型的多能量ct记录。如果使用能量敏感的检测器，并且在单个ct图像记录期间，同时记录具有不同有效光谱的x射线衰减数据，则也可以同时实现具有不同能谱的记录。这一过程例如可以借助于量子计数检测器或多层检测器来实现。例如，这些类型的多能量ct图像记录可以用于确定身体物质的组成或检查区域中的不同材料的相应比例。

在计算机断层摄影中，经常使用造影剂来改善解剖结构的对比度的表示，还从所谓的4d映射中识别功能参数。造影剂通常包括具有高原子序数的材料。作为造影剂成分，这样的材料例如是碘、钆、铁、钨等。通常期望使用具有不同分子直径的造影剂。例如，在成像过程中使用细胞外造影剂和血管内造影剂将是有利的。细胞外造影剂具有如下性质：由于分子的大小比较小，细胞外造影剂能够迅速扩散到血管外空间。借助于这些类型的造影剂，可以确定组织或相应血管的渗透性。例如，在存在肿瘤的情况下，血管的孔隙度会发生改变。

另一方面，血管内造影剂保留在血管中，而不扩散到血管外空间，或只能非常缓慢地扩散到血管外空间。因此，相比于细胞外造影剂，血管内造影剂可以用于识别不同的解剖细节和组织渗透性。例如，可以利用血管内造影剂来确定检查区域中的血容量。

目前的常规做法是：连续施用不同的造影剂，并且在不同的时间点(即连续地)记录与不同造影剂相关的图像数据。例如在us2015/0221082a1中描述了这种类型的过程。然而，在连续施用造影剂的情况下，增加了成像所花费的时间。另外，在这种借助于不同造影剂进行连续成像的情况下，无法利用不同造影剂来生成处于相同生物学状态下的图像记录。

还存在这样的方法，其中同时使用多个造影剂，并且借助于所谓的k边缘技术来实现对所捕获的投影测量数据的评估。然而，在该情况下，为了进行精确评估，需要单色x射线束以及具有高级别能量分辨率的x射线探测器。然而，在通常使用的ct系统中，这两个前提条件均未得到满足。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于，提供一种用于生成造影剂辅助ct图像数据的方法以及相应的图像重建设备，通过所述方法和设备，利用多个造影剂而进行的成像得以简化和加速。

这一目的通过根据权利要求1所述的一种用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的方法、根据权利要求10所述的一种用于分析患者的检查区域中的被分配给不同造影剂的形态和/或功能参数的方法、根据权利要求12所述的一种图像重建设备以及根据权利要求13所述的一种计算机断层摄影系统而被实现。

在根据本发明的用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的方法中，首先，从检查区域采集至少两组投影测量数据，所述至少两组投影测量数据被分配给不同的x射线能谱。应当理解，关于两组投影测量数据被分配给不同的x射线能谱的这一表述意味着：为了生成不同组的投影测量数据，使用了具有不同x射线能谱的x射线束(这在双能量或相应的多能量ct成像的情况下是常规做法)，或者借助于光谱分辨检测器(例如量子计数检测器)捕获多组投影测量数据，其中不同组的投影测量数据具有不同光谱分量，这也被称为“光谱成像”。在这方面，例如，对于在采集投影测量数据期间检测到的x射线束的x射线能谱而言，这两组中的每一组被分配有该x射线能谱的不同部分。

在记录投影测量数据期间，至少两个不同的造影剂在采集期间同时存在于检查区域中。例如，这些造影剂可以提前(即，在造影剂辅助成像开始之前)被同时施用于患者。在此方面，应将不同的造影剂理解为如下造影剂：在这些造影剂中，负责生成对比度的造影剂成分具有不同的原子量。随后，借助于多材料分解，基于至少两组投影测量数据，来重建至少两个分离的图像数据集。

例如，在phys.med.biol.,1976,vol.21,no.5,733–744,"energy-selectivereconstructionsinx-raycomputerizedtomography"(作者为r.e.alvarez和a.macovski)中描述了这种类型的多材料分解或基础材料分解，以用于根据两个基础材料进行分解。在该方面，两个投影测量数据集或图像数据集被生成，其中为这些数据集确定的衰减值或密度值对应于由相应基础材料引起的衰减或相应基础材料的浓度。在投影测量数据空间以及图像数据空间这二者中，可以进行根据基础材料的分解。例如，这一技术的常规应用使用碘和水或骨骼和水来作为典型的基础材料，其中不同的散射机制(即光电效应和康普顿效应)是相关的。

与此不同，在本发明的方法中，现在两个不同的造影剂被用作基础材料。在这种类型的基础材料分解的情况下，已知在图像数据重建之后，在何处出现何种基础材料的何种浓度。因此，两个分离的图像数据集被生成，其中这两个图像数据集中的每一个再现两个造影剂之一的、空间分辨的浓度分布。

有利地，这种类型的基础材料分解还可以用在使用多色x射线束的情况下，使得与使用单色x射线辐射的先前方法相比，本发明的方法的应用领域更加广泛。此外，对不同造影剂同时进行图像记录能够节省时间，并且允许识别相同生物学状态中的形态信息或功能参数，这些形态信息或功能参数将借助于不同的造影剂而被确定。

在本发明的用于分析患者的检查区域中的形态和/或功能参数的方法中，向不同造影剂分配多个形态和/或功能参数，第一步骤是实现本发明的用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的方法。随后，分别基于不同的图像数据集，来评估形态和/或功能参数，即为所述不同参数确定参数值。形态参数是指待映射的检查区域中的结构和形状。另一方面，功能参数与检查区域中的生理过程有关。有利地，可以针对同时施用的不同造影剂，从分离的图像数据集来确定所述参数或分配给这些参数的相应参数值。因此，与利用不同造影剂对图像进行连续图像记录的情况相比，用于确定参数或相应参数值的数据库恰好同样可靠。然而，有利地，当基于同时过程来捕获测量数据时，时间得以节省，并且有可能是在相同生物状态下的测量。

本发明的图像重建设备具有一个输入接口，该输入接口用于接收来自患者的检查区域的至少两组投影测量数据，这样的至少两组投影测量数据被分配给不同的x射线能谱。在此方面，至少两个不同的造影剂存在于检查区域中。图像重建单元也形成了本发明的图像重建设备的一部分，图像重建单元用于借助多材料分解，基于至少两组投影测量数据来重建至少两个分离的图像数据集，至少两个分离的图像数据集中的每一个图像数据集被分配给至少两个造影剂中的一个造影剂，并且分解的发生所依据的材料是相应的造影剂。

本发明的计算机断层摄影系统具有一个扫描单元和一个根据本发明的图像重建设备，扫描单元用于从患者的检查区域采集投影测量数据，图像重建设备用于基于所捕获的投影测量数据来重建图像数据。

本发明的图像重建设备的多个基本部件可以大部分以软件部件的形式被实现。这特别涉及图像重建单元。然而，原则上，该部件也可以部分地以软件支持的硬件(例如fpga等)的形式被实现，特别是在涉及特别快速的计算时更是如此。同样，例如如果仅仅是从其他软件部件获取数据，则所需接口可以被实现为软件接口。然而，这些接口也可以被实现为通过适当软件激活的、由硬件构成的接口。

大部分基于软件的实施方式的优点是：迄今为止已经使用的计算机断层摄影系统也可以通过软件更新的方式被容易地改装，以便以本发明的方式进行操作。在这方面，可以通过具有计算机程序的相应计算机程序产品来实现本发明的目的，计算机程序可以被直接加载到计算机断层摄影系统的存储器设备中，计算机程序具有程序段，当程序在计算机断层摄影系统中执行时，程序段执行本发明的方法之一的所有步骤。这种类型的计算机程序产品可以适当包括与计算机程序并存的附加成分，例如文档和/或附加部件，附加部件包括硬件部件，例如用于使用软件的硬件密钥(加密狗等)。

为了传送到计算机断层摄影系统和/或在计算机断层摄影系统上或中存储，可以使用计算机可读介质，例如记忆棒、硬盘驱动器或一些其它可移动或永久安装的数据载体，在计算机可读介质上存储计算机程序的程序段，这些程序段可以被读入计算机断层摄影系统的算术逻辑单元中，并被算术逻辑单元执行。为此，算术逻辑单元可以具有例如一个或多个互操作微处理器等。

本发明的进一步特别有利的实施例和变形由从属权利要求以及以下描述产生，一种权利要求类别的独立权利要求还可以类似地被变形为另一权利要求类别的从属权利要求或描述部分，特别是各实施例或相应变体的各个特征也可以被组合，以形成新的示例性实施例或变体。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的一个实施例中，至少两个不同的造影剂具有不同分子大小。具有不同分子大小的造影剂可以用于同时确定不同的解剖细节和组织渗透性。有利地，与连续过程的情况相比，该操作可以在更短的时间内被实现。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的特别实用的实施例中，为了注射在采集投影测量数据期间使用的造影剂，为各个造影剂选择相同的时间点或彼此紧密相邻的时间点。有利地，可以通过该程序来实现不同造影剂同时出现在检查区域中，使得可以同时针对两个造影剂进行检查区域的图像记录。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的实施例中，双材料分解被用作多材料分解。双材料分解在恰好为两个造影剂的应用中是有意义的，原因在于分配给两个不同造影剂的功能或形态参数或相应参数值因而可以被同时确定。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的备选实施例中，三材料分解被用作多材料分解。三材料分解在恰好为三个造影剂的应用中是有意义的，原因在于分配给三个不同造影剂的功能或形态参数或相应的参数值因而可以被同时确定。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的实施例中，投影测量数据的采集在静态图像记录的上下文中实现。静态图像记录可以例如用于识别血容量图像。血容量图像例如可以用于确定组织异常和样品切除位置。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的备选变形中，投影测量数据的采集在动态图像记录的上下文中实现。在动态图像记录中，可以确定更复杂的功能变量，例如渗透性或流动性。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的特殊实施例中，至少两个造影剂中的第一造影剂包括细胞外造影剂，并且至少两个造影剂中的第二造影剂包括血管内造影剂。细胞外造影剂通常具有小的分子大小，因此能够迅速扩散到血管外空间。例如，可以利用这种类型的造影剂来确定血管的孔隙度。血管内造影剂具有较大的分子尺寸，并因此保留在血管中，而不扩散到血管外空间或者仅非常缓慢地扩散到血管外空间。

通过这种类型的造影剂，可以在静止状态下对结构进行映像。由于血管内造影剂在血管中循环较长时间，因此它们适于对动脉和静脉二者进行映像。血管内造影剂的进一步应用领域是：检测肠出血、可视化肿瘤血管、测量血容量、测量灌注和检测血管内泄漏。

因此，在该有利的实施例中，仅能利用具有不同分子大小的不同造影剂捕获的形态和功能参数可以被同时确定。

在用于生成来自患者的检查区域的造影剂辅助ct图像数据的本发明方法的特别实用的实施例中，至少两个造影剂被使用，所述至少两个造影剂分别包括以下材料中的至少一项：

-碘，

-钆，

-铁，

-钨。

不同的材料具有不同的原子量，因此也产生不同的光谱吸收行为。所述原子类型分别形成细胞外造影剂或血管内造影剂的一部分。另一方面，如已经提到的，造影剂的扩散行为由造影剂分子的大小限定，负责对比效果的材料的类型对造影剂分子的大小仅造成轻微影响。

在用于分析患者的检查区域中的形态和/或功能参数的本发明方法的优选实施例中，形态和/或功能参数被分配给不同造影剂，这些形态和/或功能参数包括以下参数中的至少一个：

-血容量，

-渗透性，

-血流量。

血容量通过静态图像记录被确定，而诸如渗透性和血流量之类的功能参数借助于动态图像记录被确定，在这样的动态图像记录中，检查区域在预定时间段内的成像中被捕获。

附图说明

以下基于示例性实施例参照附图再次详细说明本发明。在这方面，在各个图中，用相同的附图标记来标注相同的部件，其中：

图1示出了根据本发明示例性实施例的用于生成造影剂辅助ct图像数据的方法的流程图，

图2示出了根据本发明示例性实施例的重建设备的示意性表示，

图3示出了根据本发明示例性实施例的计算机断层摄影系统的示意性表示。

具体实施方式

图1示出了流程图100，该流程图示出了根据本发明示例性实施例的用于生成造影剂辅助ct图像数据的方法。提前(即在方法开始之前)将两个不同造影剂km1、km2大约同时地注射到待检查的患者中，这两个不同造影剂km1、km2具有不同的分子大小，并因而具有不同的扩散行为。在图1所示的示例性实施例中，两个不同造影剂中的第一造影剂km1包括碘，两个不同造影剂中的第二造影剂km2包括钆。在步骤1.i中，一旦两个造影剂大致同时到达检查区域，则开始利用两个不同x射线能谱res1、res2的ct成像方法。此外，在步骤1.ii中，当两个不同造影剂km1、km2同时存在于检查区域中时，从检查区域捕获具有两个不同x射线能谱res1、res2的投影测量数据pmd1、pmd2。在步骤1.iii中，基于这两个投影测量数据集pmd1、pmd2，来确定基础材料投影测量数据集bm-pmd1、bm-pmd2。有利地，在这方面，两个不同造影剂km1、km2在图1所示的示例性实施例中被用作基础材料。为此，基于这两个采集的投影测量数据集pmd1、pmd2，针对每个投影方向来确定造影剂km1、km2的吸收的线性积分a1、a2，从而确定造影剂km1、km2的密度ρ1(x,y,z)、ρ2(x,y,z)。最后在步骤1.iv中，基于两个基础材料投影测量数据集bm-pmd1、bm-pmd2，借助于滤波反投影来重建两个分离的图像数据集bd1、bd2，所述图像数据集分别被分配给两个造影剂km1、km2中的一个造影剂。在步骤1.v中，向用户显示两个不同的图像表示b1、b2，这两个不同的图像表示b1、b2分别基于两个图像数据集bd1、bd2中的一个图像数据集。

图2图示了根据本发明示例性实施例的重建设备20的示意性表示。重建设备20包括一个输入接口21。输入接口21接收来自患者的检查区域的投影测量数据pmd1、pmd2，并将投影测量数据pmd1、pmd2传送到材料分解单元22，其中投影测量数据pmd1、pmd2被分配给不同的x射线能谱，材料分解单元22以前述方式基于所接收的投影测量数据pmd1、pmd2，来生成基础材料投影测量数据集bm-pmd1、bm-pmd2。基础材料投影测量数据集bm-pmd1、bm-pmd2被传送到图像重建单元23，该图像重建单元23基于基础材料投影测量数据集bm-pmd1、bm-pmd2，来重建两个分离的图像数据集bd1、bd2。所确定的图像数据集bd1、bd2经由输出接口24被传送到其它单元，例如数据存储单元或图像显示单元。

图3示出了一个计算机断层摄影系统30，其包括图2所示的重建设备20。在这方面，ct系统1基本上包括一个标准扫描单元10，在标准扫描单元10中，投影数据采集单元5在台架11上围绕测量空间12旋转，投影数据采集单元5具有两个检测器16a、16b和两个x射线源15a、15b，两个x射线源15a、15b分别被定位在两个检测器16a、16b的对面。位于扫描单元10前方的是患者支撑设备3或相应的患者台3，该患者支撑设备3或患者台3的上部2(其中患者p位于该上部2上)可以向扫描单元10移动，以便相对于检测器16a、16b而移动患者p通过测量空间12。扫描单元10和患者台3被控制设备31激活，来自控制设备31的采集控制信号as经由标准控制接口33发出，以便按照常规方式根据预定的测量协议来激活整个系统。在螺旋采集的情况下，在测量期间，患者p沿z方向上的移动和x射线源15a、15b的同时旋转产生了x射线源15a、15b相对于患者p的螺旋路径，z方向对应于纵向地穿过测量空间12的系统轴线z。在这方面，对置的检测器16a、16b总是相对于x射线源15a、15b并行地一同行进，以便捕获投影测量数据pmd1、pmd2，然后投影测量数据pmd1、pmd2被用于重建双能量体和/或层图像数据。同样，还可以执行连续测量方法，在连续测量方法中，行进到z方向上的固定位置，然后在旋转、部分旋转或多次旋转期间，在相关的z位置处捕获所需的投影测量数据pmd1、pmd2，以便重建该z位置处的截面图像，或者从针对多个z位置的投影数据重建图像数据。从根本上来说，本发明的方法也能够用于其它ct系统，例如检测器形成完整的环的ct系统。例如，本发明的方法也可以应用于如下系统：所述系统具有非移动的患者台和在z方向上移动的台架(所谓的滑动台架)。

另外，图3示出了造影剂注射单元35，其被设置为提前(即在ct成像方法开始之前)向患者p注射至少两个不同造影剂km1、km2。

由两个检测器16a、16b采集的投影测量数据pmd1、pmd2(也称为原始数据)经由原始数据接口32被传送到控制设备31。在本发明的图像重建设备20中，这些投影测量数据在适当的预处理(例如滤波和/或光束硬化校正)之后，将酌情经历进一步处理，在本示例性实施例中，在控制设备31中，图像重建设备20以软件的形式被实现在处理器上。借助于结合图1描述的重建方法，该图像重建设备20基于投影测量数据pmd1、pmd2重建图像数据bd1、bd2。

然后，重建的图像数据bd1、bd2被传送到图像数据存储单元34，并从图像数据存储单元34被传送到图像显示单元，以进行可视化表示。经由图3中未示出的接口，重建的图像数据bd1、bd2也可以被馈送到连接到计算机断层摄影系统1的网络，例如放射线信息系统(ris)，并且被存储在可在ris处访问的大容量存储器中，或者在连接到ris的打印机或拍摄台上作为图像被输出。因此，数据可以以任何期望的方式经历进一步处理，然后被存储或输出。

图像重建单元20的部件可以大部分或全部以软件元件的形式被实现在适当的处理器上。特别地，这些部件之间的接口还可以纯粹由软件实现。所需要的仅仅是能够访问合适的存储区域，在该合适的存储区域中，数据被适当地保存在缓冲存储器中，并且可以在任何时间再次被调用和更新。

最后应再次注意以下事实：以上详细描述的医疗技术装置和方法仅涉及示例性实施例，本领域技术人员可以以多种方式修改这些示例性实施例，而不脱离本发明的范围。此外，使用量词“一个”或“一”不排除相关特征还可以多次出现的可能性。也不排除被表示为单独单元的、本发明的元件包含多个交互的子部件，在适当的情况下，这些子部件也可以在空间中是分布式的。