专利名称：将被检对象中血液流动作为时间函数的成像方法
技术领域：
本发明涉及一种将被检对象中血液流动作为时间函数的成像方法，以及一种实现该方法的X射线设备。
EP860696A2公开了一种方法，可以在合成投影图象中显示分布式的结构(如含对比剂的血管系统)。该合成投影图象产生自不同透视角的X射线图象，但在其可选的子空间内所重现的血管系统部分比X射线图象更清晰。这种方法生成的是一种平均时间上的“冻结”图象，不能将血液流动作为时间函数反映。
三维旋转血管照相术在向被检对象血管注入对比剂的过程中，在不同投影的方向得到一组X射线投影图象。采用已知的重建算法，如Keldkamp算法，从这些X射线投影图象中可以得到一个三维图象，该三维图象以一种平均时间的模式反映了空间内的血管系统。在二维血管照相术中，则是生成一个二维的“冻结”的血管系统图象。
然而，在一些应用中，比如脑血管的病理诊断(例如stenoses，动静脉变形等血管异常)，了解和重现作为时间函数的血液流动就很重要了。所以，本发明的目的就是提供一种将被检对象中血液流动作为时间函数的成像方法，以及一种实现该方法的X射线设备。
该方法应当考虑到不能在较短的一段时间内对同一患者反复地注入对比剂这一事实，所以，如果可能的话，该方法应当只注入一次对比剂。另外，该方法应当尽可能地在最短地时间内、采用尽可能小地剂量、获取清晰度尽可能高地图象。
本发明公开的X射线设备达到了上述目标。
本发明是基于对下述事实的认识的一个包含被检对象血管路径信息的二维或三维的图象数据组，可以以一种方式在时间上编码，从而包含作为时间函数的血液流动的信息。本发明涉及的时间编码是通过比较图象数据组和一X射线投影图象序列实现的。该X射线投影图象序列是连续生成的，包含了不同时刻血管中的对比剂的分布信息。由于每个X射线投影图象是分别地同图象数据组比较，即，图象数据组中的每一个图象数值同单个的X射线投影图象中的图象数值进行比较，所以，某种程度上可以确定在同X射线图象对应的单一时刻是图象数据组中的哪部分血管系统含有对比剂。采用适当的方法，这种在时间上编码的图象数据组可以转换成一个或多个以时间函数表征血液流动的图象。
本发明另一方面公开的形式特别适用于二维旋转血管照相术。该形式已经提供了一个二维X射线图象数据组，例如一个先前已生成的或者同步生成的、完全包括了含有对比剂的血管系统的二维X射线图象数据组。在本形式中，在注入对比剂的同时于固定X射线位置获得的实际X射线投影图象是相互相减的，所以，每个差值图象包含了在获得两副相减的X射线投影图象的时刻之间的时段内对比剂所经过的路径信息。这些差值图象将用来对X射线图象数据组做时间编码。
本发明另一方面公开了本发明的另一种形式。这种形式描述了一种比较图象数据组和差值图象的简化可能。为提高图象的精确度，首先，分割一X射线图象数据组为X射线图象子数据组，该子数据组仅仅包含血管的路径信息。然后，对每一个差值图象，比较差值图象中的象素和图象子数据组中的象素，得到一个相关的象素子集，该象素子集中的每一个象素，在相应的X射线图象数据子集中都有同差值图象对应的象素。所以，每个象素子集包含了在指定时刻对比剂的分布信息，并由此可产生一个或多个以时间函数反映血液流动的投影图象。
本发明另一方面公开了一种优选形式。X射线投影图象由不同位置获得。由X射线投影图象产生一个由图象数据组构成的三维X射线图象数据组，所以本形式只有一组在不同位置获得的X射线投影图象，并且所述X射线投影图象包含了时间信息。对所述X射线投影图象中血管分割后，将其同X射线图象数据组比较并在时间上编码。例如，利用已知的X射线设备成像尺寸，计算出伪投影图象，再同实际X射线投影图象进行比较。
本发明另一方面公开了另一种特别有吸引力的形式，同样适合于三维旋转血管照相术。该形式要获得两个X射线投影图象序列，第一个在固定X射线位置获得，第二个在不同的X射线位置获得。该操作可以在先后两个时刻进行，也可以在同时进行，前者需要注入两次对比剂，后者需要X射线设备具有两组成像单元。如前所述，从第一组X射线投影图象序列得到具有时间信息的差值图象，从第一组X射线投影图象序列利用已知的重建算法得到一个三维X射线图象数据组。利用差值图象对X射线图象数据组在时间上编码。在这种形式中，将差值图象的形成作为时间信息的载体，具有如下明显的优点差值图象总是仅仅包含对比剂流动(=血液流动)在给定时间间隔内随时间的变化信息。而在直接使用X射线投影图象作为时间信息载体的情况下，则总是包含对比剂在血管系统的总体分布信息，所以该信息很不准确。这也是由于以下事实引起的对比剂在被检测的血管系统扩散的很快，所以在相对接近的时刻里，对比剂分布的变化是相对很小的。
本发明另一方面公开了对图象数据组进行时间编码、比较图象数据组与被分割的X射线投影图象的优选可能。权利要求7公开的方法中一些步骤同EP880109A2公开的方法一致，该方法在本文中予以明确描述和引用，应视为本发明包含该方法。后继的资料公开了一种在由数据组代表的三维物体和物体本身之间进行空间转换的方法。对数据组表征的部分空间，计算得到一个伪投影图象，该伪投影图象同物体本身真实的投影图象进行比较。对计算伪投影图象所使用的参数进行修正，直至获得最优匹配。该方法可以适合的方式同本发明结合，以发扬其优势。
本发明另一方面公开了有关显示时间函数的血液流动的优越形式。比如，时间信息可以转化为颜色代码，所以用一个具有对应颜色代码的图形就可以表示完整的二维或三维数据组。已编码的象素子集或位素子集还可以用连续时间表示，如无限循环，这样就可以制作出血液在血管中流动的形象。从任意角度观察和旋转图象同样是可行的。
本发明另一方面公开了一种适用于本发明的X射线设备。如权利要求11的实施例，该设备还可以包括第二套成像设备。
下面将结合附图详细介绍本发明，其中
图1一种实现本发明所涉及方法的X射线设备；图2本发明所涉及方法的第一种形式的流程图；图3时间编码的示意图；图4本发明所涉及方法的第二种形式的流程图；图5本发明所涉及方法的第三种形式的流程图。
图1是一个X射线设备1，可以对被检对象3(如位于平台4上的患者)生成二维X射线图象。该X射线设备1包括一个X射线源12和一个X射线检测器13,X射线源12和X射线检测器13彼此相对，安装在C型臂10上。C型臂10隶属于支架11，支架11在图中只画出了一部分。C型臂10通过电机(图中未画出)一方面可以绕一垂直轴线旋转，一方面可以绕其中心沿图中双箭头20方向旋转(如在180度范围内旋转)。在此运动中，可以对被检对象3生成多个X射线图象，这些图象具有不同的透视角度，即成像单元12、13位于不同的X射线位置r1、r2、r3。X射线设备1还具有第二个X射线源12’和第二个X射线检测器13’，安装于支持装置11’，可以在一固定的X射线位置r4，对被检对象3生成X射线图象。
X射线检测器13和13’，可以各自由一个X射线图象放大装置构成，该装置连接有一个电视连线，其输出信号被模拟-数字转换器14数字化，并存储在存储器15中。在不同的X射线位置r1,…ri,…rm(图中仅明确画出了位置r1、r2、r3)，成像单元12、13产生的X射线投影图象D1’…Di’…Dim，经过图象处理单元16的处理，可以在显示器18上单独或连续地重现。在对比剂T的离散间隔t，射线单元12’和13’在固定的X射线位置r4得到的X射线图象E0,E1,E2…En，也可以经过图象处理单元16的处理在显示器18上显示。X射线设备中的各个元件由控制单元17控制。
计算单元19，接受X射线投影图象Di和Ej，并由之产生图象，反映被检对象中相关血管的血流的时间变化。该图象也可以在显示器18上显示。
下面将结合附图2中本发明所涉及方法的第一种形式的流程图来说明本发明。初始化(步骤100)和注入对比剂后，C型臂绕其中心做步进旋转，同时生成m个X射线图象Di(例如m=100)，该X射线图象反映了在不同的透视角度下被检对象3和图象内含有对比剂的血管的形态(步骤101)。X射线图象Di构成一个三维的X射线图象数据组K。
同时或稍后的时刻(另一对比剂注入后)，在步骤102中，成像单元12’和13’在固定的透视角度得到又一组X射线图象Ej。在步骤103，一方面对(诸如由成像设备缺陷和C形臂的几何变形造成的)错误成像予以校正，一方面利用已知的算法生成三维重建图象R。步骤104从所述重建图象R生成重建子图象R’，子图象R’主要包括或只包括被检区域内血管的路径信息，包括以其空间坐标位为特征的q个位素(Voxel)Vk。
下来的步骤105，从连续的X射线图象Ej-1和Ej生成相应的差值图象Fj，这些差值图象仅仅包含在X射线图象Ej-1和Ej之间的时间过程内对比剂运动的路径信息。
接下来，每个差值图象Fj同重建子图象R’比较，使后者在时间上编码。为此，在步骤106中，重建子图象R’中q个位素(Voxel)Vk将被投影到单个差值图象Fj，即，从重建子图象R’计算得到一个伪投影图形，同单个差值图象Fj进行比较。在计算过程中，必须知道成像单元12’和13’的几何数据，以确保伪投影图象的坐标系统和X射线投影图象Ej、差值图象Fj的坐标系统一致。
比较重建子图象R’中的位素Vk(或伪投影图象中的象素)和单个差值图象Fj，如果同重建子图象中的位素Vk相对应的差值图象Fj包含一个相应的象素，则对重建子图象R’中的位素Vk做标记。在步骤107中标记过位素结合称为位素子集Lj。
在简化模式中，该过程可以描述为，步骤106和107可以检测出，在X射线投影图象Ej-1和Ej形成的时间间隔内，对比剂流入了血管系统的哪个部分，流出了血管系统的哪个部分，并且将同这些血管系统各个部分相对应的重建子图象R’中的位素Vk做标记，合并为位素子集Lj。这些步骤要对每一个差值图象重复一次，一共执行n次。将产生n个位素子集Lj，并在步骤108中从中产生一个或多个图象B以反映作为时间函数的血液流动。例如，可以在总图中以不同颜色来代表不同位素子集Lj中的位素。
步骤106将结合图3再次予以说明。当经过一些步骤后，仅仅包含血管结构信息的重建子图象R’从X射线投影图象Di中确立后，重建子图象R’中的象素Vk被投影到差值图象Fj上。对第一幅差值图象F1的投影中，位素V1沿投影线21投影到象素P1。当表征一个位素或象素是血管系统的一部分的灰度值被检测到时(比如灰度值大于或小于一个给定的阈值)，就可以认定在差值图象F1中存在一个相应的象素P1同V1对应。也就是意味着在同差值图象F1对应的时间间隔中，位素V1所代表的血管系统的部分中含有对比剂。所以，如箭头22所示，位素V1被标记。
同样，位素V2投影到象素P2也被做标记。位素V3投影到象素P3，由于P3(或其代表的被检对象的相应部分)在差值图象F1中没有对比剂，所以不做标记。
同理，重建子图象R’中的所有位素Vk(或者至少代表血管系统的所有位素)都同每个差值图象Fj进行比较并标记。在本例中，同差值图象F1比较后只有V1合V2被标记，形成位素子集L1,L1可以在本方法结束时形成的三维重建图象中以第一种颜色表示。所以位素子集L1包含了在X射线投影图象E0和E1形成的时间间隔内的所有的含有对比剂的位素。
重建子图象R’也可以通过与图2所示不同的其他的方式得到，比如相减血管照相术。为此，在不同的X射线位置，成像单元12,13生成两个序列的X射线投影图象，即，一次注入对比剂，一次没有对比剂。每次同一X射线位置得到的两个X射线投影图象相减，重建得到希望的重建子图象R’。
图4显示了本发明的另一种形式。图4同图2所示形式的最大区别在于它只需要一组X射线投影图象Dj，不需要固定X射线角度的投影图象序列Ej，所以也不需要第二组成像单元12’和13’。步骤200到203同图2相比，除了省略了步骤102，其他同步骤100到104一样。
在接下来的步骤204中，X射线投影图象Dj被分割，在单个的图象Di中表征血管结构的象素被挑选出来，单独表现在分割后的X射线投影图象Di’中，而其他的象素，诸如代表背景或其他器官，则被略去。比如，这种操作可以通过确定一个阈值来执行，当图象数值大于或小于该阈值，表示图象为含有对比剂的血管，相反情况则在通常情况下是其他物体的图象。
然后，被分割的X射线投影图象Di’将逐一同重建子图象R’比较，即，被分割的X射线投影图象Di’中的象素Pi同重建子图象R’中的位素Vk比较。此操作同图3所示对单个差值图象Fj的操作过程相同。步骤206和207中使用同以上所述同样的方法建立位素子集Lj和图象B，以反映时间函数的血液流动。本方法结束于步骤208。
同图2所示的形式相比，本形式具有以下优点只需要一组成像单元(12,13)，只需要一组X射线投射图象Di。然而，在步骤204中对图象Di的分割，在实际操作中可能具有难度并导致不准确。另外，被分割的X射线投影图象Di’同差值图象Fj的信息内容是不同的，差值图象Fj代表的是在一时间间隔内作为时间函数的血液流动的变化情况，而被分割的X射线投影图象Di代表的是含有对比剂的血管系统的全部区域。
本发明的第三种形式将结合图5予以说明。在步骤300开始后，在步骤301中得到一个二维X射线图象数据组H,X射线图象数据H可以是一个单独的反映了含有对比剂的全部血管系统的X射线投影图象,也可以是由多个X射线投影图象合成的图象，图象数据组H还可以是以前就获得的。在步骤302，(注入对比剂后)成像单元12和13在固定X射线位置得到一个X射线投影图象序列Ej。同时或稍后，二维X射线图象数据组H被分割，使被分割的二维X射线图象数据组H’仅仅含有血管结构。
在步骤304，通过相减两个连续获得的X射线投影图象Ej-1和Ej，得到差值图象Fj,Fj包含的信息同前述。然后，这些差值图象Fj分别同被分割的二维X射线图象数据组H’比较，即，每个差值图象Fj中的象素P1同分别同被分割的二维X射线图象数据组H’中的象素Pk比较。为此，X射线投影图象Ej和二维X射线图象数据组必须是同一成像单元在同一X射线角度下获得的。步骤305中的这种比较，在步骤306中对应每个差值图象Fj形成一个相关的象素子集Mj，该象素子集Mj类似于前述的位素子集Lj，包含了在一定时间间隔内，对比剂流如某部分血管和对比剂流出某部分血管的信息。
重复步骤305和306n次后，整个被分割的二维X射线图象数据组H’被时间编码，一个或多个图象B被显示，以表征时间函数的血液流动，然后，本方法结束(步骤308)。
前述X射线设备和形式，仅仅是本发明的举例说明。该X射线设备也可以是其他结构的。本方法的单个步骤(如获得X射线投影图象)，也可以在实际中通过其他方式实现。
权利要求
1．一种将被检对象(3)中血液流动作为时间函数的成像方法，该方法包括以下步骤a)在被检对象(3)的血管中注入对比剂，获得一组X射线投影图象(Di；Ej)；b)获得一个反映被检对象(3)血管路径的图象数据组(H；K)；c)对X射线投影图象(Di；Ej)中的注入对比剂的血管区域进行分割；d)通过比较图象数据组(H；K)和已分割的X投影图象(Dj’；Fj)，将数据组(H；K)按时间编码；e)从按时间编码的图象数据组(H’；R’)得到一个或多个时间函数的血液流动图象(B)并将其显示出来。
2．如权利要求1所述方法，其特征在于X射线投影图象(Ej)于固定X射线位置(r4)获得；图象数据组为一个二维X射线图象数据组(H)；为分割X射线投影图象(Ej)，由每两个连续的X射线投影图象(Ej)分别产生一个差值图象(Fj)；通过比较二维X射线图象数据组(H)和差值图象(Fj)进行时间编码。
3．如权利要求2所述方法，其特征在于分割二维X射线图象数据组(H)得到X射线图象数据子集(H’)，该子集包含血管路径信息；X射线图象数据组子集(H’)的象素(Pk)投影到差值图象(Fj)；在相关差值图象(Fj)中具有对应象素(P1)的X射线图象数据组子集(H’)中的象素(Pk)被赋予到一象素子集(Mj)中；由象素子集(Pj)产生一个或多个二维投影图象(B)。
4．如权利要求1所述方法，其特征在于由不同X射线位置(r1,r2,r3)产生X射线投影图象(Dj)；图象数据组是一个三维X射线图象数据组(K)，并由所述X射线投影图象(Dj)产生。
5．如权利要求1所述方法，其特征在于由固定X射线位置(r4)产生X射线投影图象序列(Ej)；由不同X射线位置(r1,r2,r3)产生另一X射线投影图象序列(Di)；图象数据组是一个三维X射线图象数据组(K)，并由所述X射线投影图象序列(Di)产生；为分割X射线投影图象(Ej)，由每两个连续的X射线投影图象(Ej)分别产生一个差值图象(Fj)；
6．如权利要求4或5所述方法，其特征在于由三维X射线图象数据组(K)产生一个三维重建图象(R)；由三维重建图象(R)产生一个重建子图象(R’)，重建子图象(R’)仅包含血管信息；通过比较重建子图象(R’)和被分割的X射线投影图象(Ej’；Fj)进行时间编码。
7．如权利要求6所述方法，其特征在于为比较重建子图象(R’)和被分割的X射线投影图象(Ej’；Fj)，重建子图象(R’)中的位素(Vk)被投影到被分割的X射线投影图象(Ej’；Fj)；对应每个被分割的X射线投影图象(Ej’；Fj)，确定一个位素子集(Lj)；在相关被分割的X射线投影图象(Ej’；Fj)中具有对应象素(P1)的位素(Vk)被赋予到一位素子集(Lj)中；由位素子集(Lj)产生一个或多个三维重建图象(B)。
8．如权利要求3或7所述方法，其特征在于在投影图象(B)或重建图象(B)中，以不同颜色代表象素子集(Pj)或位素子集(Lj)。
9．如权利要求3或7所述方法，其特征在于由象素子集(Pj)或位素子集(Lj)产生重建图象(B)，并且重建图象(B)以快速连续的方式连续显示。
10．一种实现权利要求1所述方法的X射线设备，该设备包括一个具有一X射线源(12)和一X射线检测器(13)的成像单元(1)，用于在被检对象(3)的血管中注入对比剂时，获得一组X射线投影图象(Di；Ej)，并用于获得一个反映被检对象(3)血管路径的图象数据组(H；K)；一个计算单元19，用于将注入对比剂的X射线投影图象(Dj；Ej)中的血管区域进行分割，并用于通过比较图象数据组(H；K)和已分割的X投影图象(Dj’；Fj)，将数据组(K)按时间编码；一个显示设备，用于显示从按时间编码的图象数据组(H’；R’)得到的一个或多个时间函数的血液流动图象(B)。
11．一种如权利要求10所述的X射线设备，其特征在于成像单元包括第一组X射线源(12)和X射线检测器(13)，用于由固定X射线位置(r4)产生第一组二维X射线投影图象序列(Ej)；成像单元包括第二组X射线源(12’)和X射线检测器(13’)，用于由不同X射线位置(r1,r2,r3)产生第二组X射线投影图象序列(Ej)。
全文摘要
本发明涉及一种将被检对象(3)中血液流动作为时间函数的成像方法，该方法包括以下步骤a)在被检对象(3)的血管中注入对比剂，获得一组X射线投影图像(D
文档编号G06T13/00GK1317292SQ0110135
公开日2001年10月17日 申请日期2001年1月2日 优先权日2000年1月5日
发明者R·H·科佩, E·P·A·克洛茨, M·H·库恩, J·奥普德·贝克 申请人:皇家菲利浦电子有限公司