利用混合式核成像/MR中的核发射数据进行MR分割

摘要

在生成磁共振（MR）衰减图（39）时，分割MR图像以识别患者的身体轮廓、软组织结构和包括骨和/或空气的模糊结构。为了在模糊结构中区分骨和空气，分割同一患者或感兴趣区域的核发射图像（例如PET）。将经分割的功能图像数据与经分割的MR图像数据相关，以在模糊结构中区分骨和空气。分别向经分割的MR图像中的空气体素和骨体素分配适当的辐射衰减值，从增强的经分割的MR图像生成MR衰减图，其中已经对空气和骨之间的模糊进行了分辨。使用MR衰减图以生成衰减校正的核图像，向用户显示该衰减校正的核图像。

说明书

本申请具体应用于组合式PET/MR医疗成像系统。不过，要认识到， 所描述的技术也可以应用于其他诊断系统、其他成像情形或其他诊断技术 中。

在核成像中，穿过受试者的某些伽玛辐射与患者的身体相互作用并被 患者的身体吸收。骨组织和致密组织吸收的伽玛辐射比软组织多，而软组 织吸收的伽玛辐射比空气多（例如，在肺中）。如果未经校正，这些不同量 的辐射衰减可能会引起所得图像中观察到的相对放射性浓度错误地增加或 减少。校正这种衰减通常基于衰减图，即，受试者的图或图像，其中每个 体素值表示患者体内相应组织的相对或绝对辐射衰减属性。

有时将当前市场上诸如正电子发射断层摄影（PET）扫描机或单光子发 射计算机断层摄影（SPECT）扫描机的核扫描机与计算断层摄影（CT）扫 描机相组合。在CT图像中，体素值表示患者体内相应组织的辐射衰减属性。 因此，CT扫描机有时用于为核扫描机生成衰减图。

近来，已提出了组合式核成像/磁共振（MR）成像。MR扫描机对共振 偶极子，尤其是水和脂类的¹H偶极子进行成像。MR图像的体素值和患者 体内相应组织的辐射衰减属性之间没有直接的关联。通过识别与MR体素 相关联的组织以及所识别组织的辐射衰减属性，MR图像可以用来提供衰减 图。但是，在标定中会有模糊，这可能会导致次优的衰减图。例如，常规 MR图像将骨密质显示为暗体素，但是也将空气显示为暗体素，这就使得仅 基于图像强度来区分骨密质和空气出现困难。骨密质具有高辐射衰减属性 而空气具有很低的辐射衰减属性。不正确地分辨这种空气/骨模糊可能会导 致衰减图和最终的PET或SPECT图像中出现潜在的显著误差。

本申请涉及新的和改进的系统和方法，其便于区分MR衰减图中呈现 的骨密质与其他组织或（一个或多个）对象，这克服了上述问题和其他问 题。

根据一个方面，一种便于对磁共振（MR）图像或衰减图中模糊进行分 辨的系统包括：MR重建处理器，其从在MR扫描机扫描受试者期间采集的 原始MR数据生成MR图像；以及功能图像重建处理器，其从在功能图像 扫描机扫描受试者期间采集的功能图像数据生成功能图像。该系统还包括 处理器，所述处理器被编程为：分割所述MR图像以生成经分割的MR图 像，所述经分割的MR图像具有空气/骨模糊区域，其中，空气体素和骨体 素之间的模糊未分辨；分割所述功能图像以生成具有骨区域和其他区域的 经分割的功能图像，以及比较所述经分割的功能图像中的骨区域与所述经 分割的MR图像中的骨/空气模糊区域，以对所述经分割的MR图像中对应 于骨和空气的骨/空气区域中体素之间的模糊进行分辨。所述处理器还被编 程为：在所述经分割的MR图像中向识别出的骨体素分配与骨相符的辐射 衰减值，向识别出的空气体素分配与空气相符的辐射衰减值；以及利用分 配的辐射衰减值生成MR衰减图。

根据另一方面，一种对MR图像或衰减图中的模糊进行分辨的方法包 括：从在MR扫描机扫描受试者期间采集的原始MR数据生成MR图像； 从在功能图像扫描机扫描受试者期间采集的功能图像数据生成功能图像； 以及分割所述MR图像以生成经分割的MR图像，所述经分割的MR图像 具有空气/骨模糊区域，其中，空气体素和骨体素之间的模糊未分辨。该方 法还包括：分割所述功能图像以生成具有骨区域的经分割的功能图像；将 所述经分割的MR图像中的骨/空气模糊区域与所述分割的功能图像中的骨 区域中的至少一个进行比较，以对所述经分割的MR图像中与骨和空气相 对应的骨/空气区域中体素之间的模糊进行分辨；以及在所述经分割的MR 图像中向识别出的骨体素分配与骨相符的辐射衰减值，向识别出的空气体 素分配与空气相符的辐射衰减值。此外，该方法包括：利用分配的辐射衰 减值生成MR衰减图，利用所述MR衰减图将所述功能图像数据重建成图 像以校正所述功能图像数据中的衰减，以及在显示器上向用户显示所述图 像。

根据另一方面，一种利用核发射数据增强MR衰减图的方法包括：分 割MR图像以识别MR图像中的软组织结构和模糊结构，所述模糊结构包 括骨和空气中的一种或多种；分割核图像以识别所述核图像中的骨结构； 以及在所述经分割的MR图像上叠加分割的核图像。该方法还包括：通过 将所述模糊结构与所述重叠分割核图像中的骨结构进行比较，将所述经分 割的MR图像中的模糊结构识别为骨或空气；在所述经分割的MR图像中 向识别出的骨体素分配第一辐射衰减值，向经分割的MR图像中识别出的 空气体素分配第二辐射衰减值；以及从所述经分割的MR图像生成MR衰 减图。

一个优点是衰减图的可靠性得以改进。

另一个优点在于分辨了受试者中的骨组织和气穴之间的模糊。

本领域的普通技术人员在阅读和理解以下详细描述之后将理解本创新 的更多优点。

本创新可以采取各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤布置的形 式。附图仅仅为了例示各方面，不应被解释为限制本发明。

图1示出了利用单示踪剂或多示踪剂功能（例如，PET，包括它的变型， 例如飞行时间PET（TOF-PET）等）成像以便于生成改进的衰减图的系统， 其中，从解剖学成像模态，尤其是MR，导出衰减图。

图2示出了利用单示踪剂或多示踪剂功能成像来生成改进的衰减图的 方法，其中，从诸如MR的解剖学成像模态中导出衰减图。

图3示出了¹⁸F氟化钠PET全身解剖图像的对比说明。

本创新通过以下方式克服上述问题：使用用于分割骨结构的核发射数 据并将分割的核发射数据与MR图像分割相组合以导出精确的衰减图。首 先生成解剖结构的基于MR的图像，从中可以识别出躯体、肺和各种软组 织的轮廓。尽管可以使用生理学知识来区分肺和骨骼，但是区分气穴和骨 结构，尤其是骨结构中的气穴，仍具有模糊。在本申请中，重建和分割核 发射图像来识别骨结构，将其与经分割的MR图像中模糊的气-骨结构相比 较以消除与区分空气和骨相关的模糊。可以结合单示踪剂或多示踪剂核成 像协议来实施本创新，其中，从诸如MR的解剖学成像模态中导出衰减图。

图1示出了利用单示踪剂或多示踪剂核（例如，PET，包括它的变型， 例如飞行时间PET（TOF-PET）等）成像以便于生成改进的衰减图的系统 10，其中从解剖学成像模态，尤其是MR中导出衰减图。系统10包括MR 扫描机11和功能图像扫描机或核扫描机12。在一个实施例中，MR扫描机 和核扫描机是独立的扫描机。在另一个实施例中，将MR扫描机11和核扫 描机12容纳到单个单元中，例如多模态MR/核扫描机13中。使用MR扫 描机扫描受试者以生成存储在MR扫描数据存储器或缓存14中的原始MR 扫描数据。在一个实施例中，在核扫描之前但是在给患者注射放射性示踪 团剂（例如¹⁸F放射性示踪剂）之后采集MR扫描数据。可以在核扫描之前 或之后执行MR扫描。也使用核扫描机12扫描受试者，以采集存储在核原 始数据存储器或缓存15中的原始核扫描数据。由MR重建处理器16来重 建原始的MR数据，由功能图像重建处理器17来重建原始的核数据。任选 地，功能图像重建处理器17在所采集的核扫描数据上执行散射校正以改进 从中重建的功能图像。该系统还包括图像数据库18，图像数据库18存储了 由MR重建处理器生成的MR图像20以及由核重建处理器生成的功能图像 21。

系统10包括工作站22，工作站22包括输入设备24（例如键盘、鼠标、 指示笔、触摸屏、方向垫、麦克风或任何其他适当的输入设备），经由输入 设备，用户向系统中输入信息。工作站还包括存储器26和处理器28，存储 器26存储并且处理器28执行，计算机可执行指令（例如例程、程序、算 法、软件代码等），用于执行本文中描述的各种功能、方法、流程等。该系 统还包括显示器30，在其上向用户呈现信息。此外，本文中所使用的“模 块”表示一组计算机可执行指令、软件代码、程序、例程或用于执行所描 述的功能的其他计算机可执行单元等，本领域技术人员将会理解。额外地 或可选地，可以手动地执行本文中关于模块所述的一种或多种功能。

存储器可以是存储控制程序计算机可读介质，例如，磁盘、硬盘驱动 器等。常见形式的非暂态计算机可读介质包括，例如，软盘、软碟、硬盘、 磁带、或任何其他磁存储介质，CD-ROM、DVD、或任何其他光学介质， RAM、ROM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、它们的变型，其他存储 器芯片或存储器盒，或任何其他处理器能够从中读取和执行的有形介质。 在该背景下，本文中描述的系统可以实现在或实现为：一个或多个通用计 算机；（一个或多个）专用计算机；编程的微处理器或微控制器以及外围集 成电路元件；ASIC或其他集成电路；数字信号处理器；硬布线电子或逻辑 电路，如分立元件电路；可编程逻辑器件，如PLD、PLA、FPGA、图形卡 CPU（GPU）或PAL；等等。

存储器存储由处理器执行的MR分割模块32以分割患者的MR图像 20，以便于识别不同的组织类型，例如软组织、骨密质、气穴等，并生成 一个或多个经分割的MR图像33。分割模块32还可以包括一个或多个附加 处理器以提高处理速度。在一个实施例中，这种分割是自动的。在另一个 实施例中，使用输入设备24和显示器30手动地或半自动地执行该分割。 不过，当试图区分MR图像中的骨密质和空气时，经分割的MR图像可能 会留下未分辨的模糊。因此，存储器存储有助于分割相同受试者的功能核 图像21的功能图像分割模块34。可以使用输入设备24和显示器30全自动 地、半自动地或手动地执行核图像分割程序。

功能图像分割模块有助于生成一个或多个分割的核发射图像35，其中， 可以将骨，尤其是骨密质与包括空气在内的组织的其余部分，区分开来。 模糊分辨模块36将核图像中分割的骨区域与经分割的MR图像中的空气/ 骨区域相比较，以区分MR图像中的骨和空气，并将适当的辐射衰减值μ 分配给对应的体素。可以用各种方式对分割的核图像中的骨区域和经分割 的MR图像中的骨/空气区域进行比较。为了简化比较，可以使用肺的基本 衰减属性来识别属于空气类别的肺体积。比较骨与骨/空气模糊区域的一种 方法是将骨区域和骨/空气模糊区域叠加，并查看两个区域中相对应的每对 体素。如果在核骨区域和MR空气/骨模糊区域中都有体素，它就被指定为 骨。在另一种方法中，将核骨区域和MR空气/骨模糊区域相减。例如，可 以通过将空气/骨模糊区域用作掩模来分割核图像，以消除在MR图像中不 模糊的核图像的任何体素，即，分割对应于MR图像空气/骨模糊区域的核 图像的第一区域。在空气区域和骨区域之间很容易分割第一区域。从MR 空气/骨模糊区域减核图像骨区域后就只剩下了对应于MR图像中的空气的 体素。例如，可以为骨密质分配1.8的μ值（假定水的μ值为1），可以为 空气分配0.0的μ值。通过这种方式，就提升了在经分割的MR图像中识别 出的组织μ值的精确度。衰减图生成模块38使用精确度提高的μ值信息来 生成一个或多个核发射数据增强的MR衰减图39。要认识到，可以自动地、 半自动地或手动地执行MR图像和/或PET图像的分割。

一旦生成了MR衰减图，就重建所采集的原始功能图像数据以生成校 正的衰减功能图像，其可以在显示器30上显示出来。在另一实施例中，生 成校正的组合式MR和衰减功能图像，并将其在显示器上呈现给用户。

在分割MR和/或功能核图像时，可以采用多种技术中的一种或多种。 例如，存储器26存储由处理器28执行的阈值化模块40，以识别出具有比 预定阈值大（或小）的值或处于预定窗口内的值的体素。额外地或可选地， 存储器存储由处理器执行的区域增长模块42以便于图像分割。另外，存储 器存储基于图集的分割模块44，其有助于使用解剖图像分割的图集，通过 使模型拟合当前图像来分割MR和/或核图像。在另一实施例中，存储器存 储由处理器执行的基于模型的分割模块46，以便于分割MR和/或核图像。 要认识到，可以自动地、半自动地或者手动地执行所述分割技术中的任何 一种技术。

在一个实施例中，功能扫描机是PET扫描机。现有技术中已知，当电 子和正电子相遇时，它们就会湮灭，根据动量守恒原理，发射出两条相反 方向的511keV的伽玛射线。在PET数据采集中，假定两个基本同时的511 keV伽玛射线探测事件源于相同的正负电子湮灭事件，因此该事件发生于 将两个基本同时的511keV的伽玛射线探测事件连接起来的“响应线”（LOR） 的某处。这种响应线有时也被称为投影，所收集的PET数据就被称为投影 数据。在常规PET中，将基本同时的511keV伽玛射线探测事件定义为两 个在选定的短时间窗口内，例如彼此在一纳秒之内发生的511keV的伽玛射 线探测事件。由于探测器元件湮没位置相对于探测器元件的变化，基本同 时的伽玛光子探测事件之间就会发生小的（例如，亚纳秒）时间差。

在另一实施例中，PET扫描机是飞行时间（TOF）PET扫描机。TOF PET 成像利用这一小的时间差，沿响应线对正负电子湮灭事件进行进一步定位。 通常，湮灭事件发生于沿投影线更接近于首先发生伽马射线探测事件的点。 如果两个伽玛射线探测事件在探测器的时间分辨率范围内同时发生，那么 湮灭事件就发生在投影的中点处。

在另一实施例中，功能扫描机是单光子发射计算机断层摄影（SPECT） 扫描机。在SPECT成像中，给被成像的受试者施予一种或多种放射性药物 或放射性同位素，使得如上所述地从其发出发射辐射。使安装在旋转扫描 架上的探测头围绕受试者旋转以从多个方向探测辐射。探测头可以以360 度旋转围绕正在成像的受试者转动，并且随着旋转在多个离散位置进行扫 描。另外，探测头可以沿较小的弧旋转或围绕受试者进行多圈旋转。重建 由探测头接收到的发射投影数据或所测正弦图以生成SPECT图像。所采用 的重建发射数据的重建技术可以包括但不限于，迭代重建、基于傅里叶变 换的重建、滤波后向投影或其他一些合适的重建技术。

在另一实施例中，以列表模式采集核扫描数据。列表模式投影数据通 常包括一列探测到的事件，列表中每个条目都包括诸如探测到事件的时间 以及对应LOR的位置和方向这样的信息。具有TOF能力的扫描机而言，也 提供了沿LOR对的湮没位置的估计。另外，可以对所采集的数据分类或将 其分箱（bin）到正弦图分箱或投影分箱中。

MR扫描机能够生成软组织的详细图像。在MR成像中，利用组织内发 现的各种化合物的特定属性来生成图像，例如最常将水用于该目的。在受 到强的外部磁场的作用时，质子与外磁场对齐，导致净磁矩。由射频RF脉 冲激发后，这种磁化生成可被探测到的射频（RF）信号。RF信号的特征在 于其与磁场强度相关的频率。因此，利用磁场梯度来编码用于从探测到的 信号中重建图像的空间信息。

图2图示了利用单示踪剂或多示踪剂核成像来生成增强衰减图的方法， 其中从解剖学成像模态，尤其是MR中导出衰减图。在80，将MR扫描数 据采集和重建为MR图像，用于：（a）分割，以及（b）与PET图像组合以 生成同时表示患者解剖和功能信息的组合图像。在一个实施例中，在给患 者注射放射性示踪剂团剂（例如¹⁸F放射性示踪剂或放射性药物）之后采集 MR扫描数据。在82，分割MR图像以识别身体轮廓、肺和软组织等，空 气/骨模糊区域可以是骨或空气，例如骨密质结构中的气穴。在84，利用注 射的单示踪剂或多示踪剂采集相同受试者的发射数据，并将其重建以生成 一阶发射图像，即，没有衰减校正的发射图像。在86，分割一阶发射图像 以分割骨，尤其是基于¹⁸F示踪剂的摄取的骨密质结构。在88，通过比较 在发射图像分割中识别出的骨区域的体素和MR图像的空气/骨模糊区域中 相对应的体素，来对MR图像中空气和骨体素之间的模糊进行分辨。在90， 为经分割的MR图像中识别出的解剖结构分配和/或校正辐射衰减值μ，以 导出精确的衰减图。例如，诸如脂肪、肌肉、内脏等的软组织，可以具有 分配的大约1.0的μ值，并且该值从经分割的MR图像确定。骨密质具有大 约1.8的μ值，而空气具有大约0.0的μ值。不过，由于使用经分割的MR 图像不能准确地区分空气和骨密质，因而采用所分割的发射图像来对它们 之间的模糊进行分辨，然后在MR图像中给发射图像中识别出的骨密质组 织分配1.8的μ值，而给MR图像中的空气体素分配0.0的μ值。在92，正 如从分割的发射图像所确定地，使用校正的μ值生成改进的MR衰减图。 在94，使用衰减图重建原始的PET数据，并将其显示给用户。在96，任选 地生成PET/MR叠加图像并将其显示给用户，叠加图像包括使用衰减图重 建的PET图像和已经分辨了骨/空气模糊的MR图像。

在一个实施例中，在82的MR图像分割和/或在86的PET图像分割可 以使用多种技术中的任何一种，包括但并不限于，阈值化、区域增长、基 于图集的方法、模型适配或者以上一种或多种方法与经验推理的组合等。

在另一实施例中，为了在86导出更好的骨密质结构识别，使用从发射 数据重建的发射图像，其中，发射数据是用注射的增强骨结构的诸如¹⁸F氟 化钠的放射性示踪剂采集的。在另一实施例中，采用多示踪剂注射。在另 一实施例中，使用吸入示踪剂（例如，氙气等）。

在另一实施例中，迭代地执行该方法。例如，可以采集和采用多个核 图像和/或多个MR图像来改进MR衰减图，其中，每一个后继的衰减图都 相对于上一个得到改进，并采用其在PET图像的一个或多个图像中校正衰 减。

图3示出了¹⁸F氟化钠PET解剖图像的对比说明。左边示出了原始的 PET图像100。根据本文中所述的一个或多个方面，右边是显示了使用阈值 分割法已识别出的分割骨结构的改进图像110。可以采用分割PET图像110 来准确区分经分割的MR图像中的骨和空气。在一个实施例中，将分割PET 图像110叠加到经分割的MR图像上，使分割PET图像中识别的骨体素与 经分割的MR图像中模糊体素对准。通过这种方式，将MR图像中对应的 模糊体素分辨为骨体素并给其分配适当的μ值。将剩余的模糊MR体素判 定为空气体素。

要认识到，尽管结合使用核发射数据分辨MR图像分割中骨密质和空 气之间模糊以增强MR衰减图精确度描述了以上系统和方法，但它们不限 于此。而是，可以采用描述的系统和方法，利用设计成由模糊组织类型吸 收的适当放射示踪剂来分辨任何组织类型之间的模糊。

已经参考几个实施例描述了该创新。他人在阅读和理解以上详细描述 之后可能想到修改和变更。应当将本创新解释为包括所有这样的修改和变 更，只要它们在权利要求或其等价方案的范围之内。