依赖于患者的内在呼吸替代物的CT成像

技术领域

本发明涉及用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法。本发明还涉及适配设备。此外，本发明涉及CT系统。

背景技术

在辐射治疗计划中，CT图像(CT是计算机断层摄影的缩写)用于计算和优化剂量分布图和辐射治疗计划。依赖于肿瘤的位置，如果肿瘤的位置易于运动，则可能需要呼吸阶段相关的重建，以避免对有风险的健康组织和器官的辐射损害。

通过使用关于患者的呼吸运动的信息，可以进行与患者的呼吸运动相关的时间分辨重建，并且从而可以针对目标肿瘤(例如肺部肿瘤)的呼吸诱发的运动而优化辐射治疗计划。

为了能够进行高质量的阶段相关的重建，具有患者的呼吸运动的精确测量结果(所谓的呼吸替代物(respiratory surrogate))是至关重要的。

当前，关于呼吸运动的信息(即所谓的呼吸替代物)由外部设备收集。这样的外部设备可以是：光学系统，其通过相机系统跟踪呼吸运动；或基于张力的系统，其中弹性带围绕患者的胸部安装，并且该基于张力的系统通过内置张力传感器来直接测量呼吸运动。

迄今为止，通过所谓的“呼吸替代物”搜集的呼吸信息仅仅已经被用于CT扫描系统的专用4D(4D＝4维)呼吸扫描模式和协议中。这里，呼吸替代物已经被用于：在扫描期间确定患者的呼吸阶段以便使得能够进行阶段相关的扫描，或者在扫描之后确定患者的呼吸阶段以便基于扫描的原始数据来执行图像数据的阶段相关的重建。

在标准和非呼吸扫描和重建中，根本不记录呼吸替代物。其原因在于，到目前为止，呼吸替代物已经由外部测量系统来记录，该外部测量系统非常复杂并且难以附接到患者。

呼吸命令包含在几乎任何CT协议中。通常，那些命令正好在扫描之前或期间被给出，以便向患者给出如何控制其呼吸的建议，以便避免由于呼吸移动造成的重建图像中的伪影。当前，命令通常是预先记录的语音命令，该预先记录的语音命令可以由CT扫描单元的临床用户来记录和存储。通常，每个临床成像任务(例如心脏、双能量、标准对比和非对比检查)具有其专用命令，这些专用命令由临床用户根据其需要和临床实践预先记录和存储在特定协议中。那些预先记录的命令的缺点是：它们未考虑当前患者的呼吸特性，并且它们不能适于患者的当前呼吸状态。例如，无法检测患者是否遵循命令，这在最坏的情况下可以产生非诊断性图像并且需要重新扫描。

发明内容

因此，本发明底层的问题是改进受患者的呼吸移动影响的CT扫描过程。

该问题通过以下来解决：根据权利要求1的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法、根据权利要求12的适配设备以及根据权利要求13的CT系统。

根据用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法，通过监测内在呼吸替代物来记录患者的呼吸移动。与外在替代物进行对比，内在呼吸替代物被定义为不是通过附加测量(如例如使用标志物或外部成像设备)创建的替代物。直接基于CT成像数据来确定内在呼吸替代物，CT成像数据基于CT原始数据，CT原始数据还可以用于重建4D-CT图像数据。4D-CT图像数据包括随后记录的3D-CT图像的序列。

根据依照本发明的方法，从患者的检查体积采集CT原始数据。然后，优选地，以时间增量与对原始数据的采集并行地，实时地且及时地重建在不同的z位置处的检查体积的后续堆叠的3D-CT图像(3D-CT图像＝三维计算机断层摄影图像)。z位置是CT系统内部的z坐标的值，其中z坐标是z轴的坐标值。z轴是CT系统的旋转部分的旋转轴和/或系统轴。单个堆叠可以包括单个层，即具有单个体素的厚度的层。单个堆叠还可以包括多个层。由于3D-CT图像是以时间增量与对原始数据的采集并行地、实时地且及时地被重建的，所以经重建的图像被实现为准固定图像，其中后续图像被分配给患者的呼吸移动的后续不同阶段。

可以实现实时重建，因为呼吸周期的持续时间通常在3s到12s的范围内(s是秒的缩写)，其比用于重建3D-CT图像所需的最小量的原始数据的采集和重建的典型时间(即在180°加上X射线束的扇形角的范围内采集原始数据的时间)至少长一个数量级。

此外，基于3D-CT图像来执行自动分割，自动分割优选地是器官分割，其中检查体积的至少一个部分被分割，该至少一个部分优选地是器官。

还可以分割器官以外的某物以便计算呼吸替代物。分割意味着通过根据某个同质性准则来组合相邻像素或体素而生成内容相关的区域。例如，身体的不同部分(例如器官)彼此区分开。因此，可以基于分割出的器官来确定呼吸替代物。然而，还可以想象，例如，腹壁或整个胸部被分割以便得出关于患者的呼吸行为的结论。重建的详细级别必须适合于该任务。重建必须足够详细，以便相关结构仍可识别。

如上所述，优选地基于AI算法(AI是人工智能的首字母缩写)，分割被实现为自动分割。在Yang D、Daguang X、Kevin Zhou S、Georgescu B、Chen M、Grbic S、Metaxas D、Comaniciu D的“Automatic Liver Segmentation Using an Adversarial Image-to-Image Network”(Medical Image Computing and Computer-Assisted intervention-MICCAI 2017：第20届国际会议，魁北克市，QC，加拿大，9月11-13日，会议记录)中描述了这样的自动分割。

通过执行分割，已经奠定了检测呼吸移动的基础。那是因为通过比较自动分割结果的时间样本，利用关于哪个器官被分割以及器官在哪个方向上移动的信息，可以确定呼吸参数，该呼吸参数像是器官的移动方向、位移以及尤其是是否已经采集了完整呼吸周期。该方法对于较大的检测器z覆盖(即具有较高层数的堆叠)将更稳健，因为一个z堆叠的z覆盖越大(z方向是z堆叠的堆叠方向)，自动分割将越容易，因为更延伸的图像段可以用于检测分割。

然后，分割出的部分(优选地是器官或器官的一部分)的呼吸移动被检测并确定为内在呼吸替代物。详细地，分割使得能够确定分割出的部分的依赖于时间的位置或延伸。基于该依赖于时间的位置或延伸，可以确定针对每个堆叠的原始数据的采集的时间间隔的呼吸阶段。

因此，实现了呼吸阶段和采集的原始数据的时间依赖性，其是呼吸替代物的函数。实时地执行所有这些步骤：准固定图像的重建、自动分割和内在呼吸替代物的确定，使得结果可以用于基于患者的内在呼吸替代物来适配CT成像过程。例如，作为一种适配，可以基于所确定的内在呼吸替代物来实现呼吸相关的扫描模式的x射线开/关控制。如稍后所描述的，与所确定的内在呼吸替代物一致地，还可以实现用于生成易于进行呼吸运动的器官的4D-CT图像的阶段相关重建。有利地，可以省略外在的(即传统的)呼吸替代物，这简化了成像过程。与传统方法进行对比，根据本发明的方法不需要外部测量系统，而是可以简单地从测量的CT原始数据推导出呼吸替代物，并且因此可以完全集成到传统CT扫描工作流中。此外，实现了CT成像的实时适配的功能，这提供了在CT成像过程期间灵活且实时反应的优点。例如，在CT成像过程用于监测肿瘤的X射线治疗的情况下，当患者的健康组织无意地被X射线穿透时，实时反应是有必要的，以防止对患者的不必要的健康负担。

根据本发明的适配设备包括用于从患者的检查体积采集CT原始数据的采集单元。此外，适配设备还包括重建单元，重建单元用于(优选地以时间增量与对原始数据的采集并行地、实时地且及时地)在不同的z位置处重建检查体积的后续堆叠的3D-CT图像。适配设备还包括分割单元，分割单元用于基于随后重建的堆叠的3D-CT图像来执行检查体积的至少一个部分的自动分割(优选地是器官分割)。适配设备的部分还有用于将分割出的部分的呼吸移动确定为内在呼吸替代物的替代物确定单元。适配设备还包括用于基于患者的内在呼吸替代物来适配CT成像过程的适配单元。适配单元可以包括重建单元，重建单元用于与患者的呼吸移动一致地重建图像数据。适配单元还可以包括控制功能，控制功能用于以呼吸相关的扫描模式来控制x射线源。适配设备共享根据本发明的方法的优点。

根据本发明的CT系统包括：扫描单元，其用于从患者执行CT成像；以及根据本发明的适配设备，其用于使扫描单元的CT成像过程适配于患者的记录的呼吸移动。CT系统共享根据本发明的方法的优点。

根据本发明的适配设备的基本组件在很大程度上可以以软件组件的形式来设计。这尤其适用于适配设备的重建单元、分割单元、替代物确定单元和适配单元，而且还适用于输入接口的部分。然而，原则上，这些组件中的一些组件还可以：以软件支持的硬件(例如FPGA等)的形式来实现，尤其是当涉及特别快速的计算时；或者使用计算机处理器来实现。同样，所需的接口(例如如果只是传送来自其它软件组件的数据的问题)可以被设计为软件接口。然而，它们还可以被设计为由适当软件控制的基于硬件的接口。此外，上述组件的一些部分可以被分布并存储在局部或区域或全局网络或网络和软件的组合(特别是云系统)中。

主要基于软件的实现方式具有这样的优点，即已经使用的CT系统可以容易地通过软件更新来改造，以便以根据本发明的方式工作。在这方面，该目的还通过具有计算机程序的对应计算机程序产品来实现，该计算机程序可以被直接加载到例如CT系统的控制设备的存储器设备中，该计算机程序具有程序段，以便如果在CT系统(特别是控制设备)中执行该程序，则执行根据本发明的方法的所有步骤。除了计算机程序之外，这样的计算机程序产品可以包含：诸如文档的附加组件；和/或包括硬件组件的附加组件，该硬件组件诸如为用于使用软件的硬件密钥(加密狗等)。

为了输运到CT系统和/或为了存储在CT系统上或中，使用计算机可读介质，例如记忆棒、硬盘或一些其它可输运或永久安装的数据载体，在计算机可读介质上存储可以由医学成像系统的计算机单元读入和执行的计算机程序的程序段。计算机单元可以包括例如用于此目的的一个或多个协作微处理器等。

从属权利要求和以下描述各自包含本发明的特别有利的实施例和开发。特别地，一个权利要求类别的权利要求还可以与另一个权利要求类别的从属权利要求类似地被进一步开发。此外，在本发明的范围内，还可以将不同示例性实施例和权利要求的各种特征进行组合，以形成新的示例性实施例。

在根据本发明的方法的一个变型中，CT成像过程的适配包括：基于所确定的内在呼吸替代物对检查体积的4D-CT图像进行事后呼吸阶段相关的4D-CT重建。如上所述，4D-CT图像被定义为例如分配给不同呼吸阶段的多个3D-CT图像的序列。有利地，患者的个体呼吸行为的信息不仅可以用作在实际扫描过程期间用于扫描过程的动态适配的实时信息，而且还可以用作用于在已经完成扫描过程之后的步骤(像图像数据的重建)的信息。因此，与没有呼吸替代物的重建相比，4D-CT图像的图像质量得到改善。

在根据本发明的方法的另一变型中，对后续堆叠的3D-CT图像的重建被非阶段相关地执行。有利地，由于在从其采集原始数据期间后续堆叠几乎不动，所以在采集原始数据的时期处的阶段相关的信息是不必要的。

在根据本发明的方法的另一变型中，基于分割出的部分(优选地分割出的器官)的呼吸移动对内在呼吸替代物的确定包括确定以下信息中的至少一者：

-哪个器官被分割，

-器官在哪个方向上移动，

-器官的位移，

-是否已经采集了完整呼吸周期的原始数据。

上述信息可以用于基于分割出的部分来确定内在呼吸替代物。

为了实现针对内在呼吸替代物的固定图像数据的实时重建，用于确定3D-CT体积的呼吸阶段的时间(该时间是用于确定检查体积的单个堆叠中的内在呼吸替代物的时间)必须小于呼吸周期的时间间隔。优选地，用于确定3D-CT体积的呼吸阶段的时间比对应呼吸周期的时间间隔小至少一个量级(即，是对应呼吸周期的时间间隔的十分之一)。有利地，后续堆叠的经重建的部分3D-CT图像被重建为准固定图像，使得对于后续堆叠的精准重建，不需要观察呼吸移动。

优选地，通过减少用于重建检查体积的单个堆叠的3D-CT图像的重建时间T

T

其中T

为了减少重建时间T

还优选地，重建时间T

为了实现更精确的结果，在检查体积的4D-CT图像的4D-CT重建之后，可以附加地基于经重建的检查体积和分割出的部分(例如分割出的器官)来执行内在呼吸替代物的最终计算。

为了在每个z位置处获得针对每个呼吸阶段的完整的原始数据集，针对每个z位置，记录完整呼吸周期的原始数据。如上所述，针对呼吸移动的整个呼吸周期的患者的呼吸移动的知识可以用于将原始数据分配给正确的阶段，用于事后4D-CT阶段相关的重建。

在一个备选变型中，在采集原始数据期间，基于检测到的内在呼吸替代物来检测患者是否恰当地屏住其呼吸，并且在患者未恰当地屏住其呼吸的情况下，

-播放命令以提醒和激励患者进一步屏住呼吸，和/或

-扫描过程被动态地重新参数化。

有利地，可以在扫描过程期间实时地适配患者的行为或扫描过程的控制。

优选地，通过根据所计算的内在呼吸替代物对检查体积的经重建的后续堆叠的3D-CT图像进行分类，来执行检查体积的呼吸阶段相关的4D-CT重建。如果非常粗略地重建的3D-CT图像的分辨率对于目前的医学应用来说足够高，则3D-CT图像可以用作3D-CT图像的序列，即用作4D-CT图像。有利地，不必执行附加的重建来实现呼吸阶段相关的4D-CT重建。仅必须完成对被生成用于确定内在呼吸替代物的后续堆叠的经重建的3D-CT图像进行分类的步骤，使得可以将用于生成4D-CT图像的范围减小至最小。

备选地，通过使用分割结果作为4D-CT图像结果，来执行检查体积的呼吸阶段相关的4D-CT重建。那意味着：通过根据所计算的呼吸替代物对分割出的部分(例如器官)的图像进行分类，生成4D-CT图像(即3D-CT图像的序列)。而且对于该变型，可以取消4D-CT图像的事后重建。换言之，在该变型中，以与实时3D-CT图像可以被重新用作最终重建相同的方式，实时自动分割结果可以被重新使用。在对4D图像序列的分辨率的需求不是那么高的情况下，该备选方案也是适合的。

在另一变型中，在预扫描阶段期间，通过基于所确定的内在呼吸替代物考虑针对给定扫描模式或任务的患者个体呼吸行为，来训练患者针对给定扫描模式或任务最佳地呼吸，可以实现适配。有利地，患者的记录的呼吸行为可以用作反馈回路的反馈信息，以用于针对个体扫描模式或任务来训练患者。

然后，在完成训练阶段之后，在扫描阶段期间，基于内在呼吸替代物来确定患者是否恰当地屏住其呼吸，并且在患者未恰当地屏住其呼吸的情况下，播放命令以提醒并激励患者进一步屏住呼吸。有利地，可以使用患者的行为的反馈来尝试实时地影响患者的呼吸行为，以在患者未精准地遵循呼吸命令的情况下节省当前扫描操作。此外，如果患者看起来不能恰当地屏住呼吸，则还可以(例如通过基于所确定的内在呼吸替代物而增加间距)动态地重新参数化扫描过程。在那种情况下，特别是如果患者未改善其呼吸行为(尽管他已经被劝告这样做)，则可以更改扫描过程，使得原始数据的记录速度增加，使得可以容忍患者的缩短的屏气时间。

在根据本发明的方法的另一变型中，在扫描阶段期间，如果基于从内在呼吸替代物导出的记录的呼吸行为检测到扫描结果可能不足并且不能避免重新扫描，则在早期终止扫描过程。有利地，如果当前扫描过程很可能将导致医学图像具有不足的图像质量，则可以节省扫描资源和时间资源。

此外，在扫描阶段期间，可以基于内在呼吸替代物来检测患者是否恰当地屏住其呼吸。在患者未恰当地屏住其呼吸的情况下，可以停止扫描过程，并且可以在允许患者停止屏住呼吸的相关z位置处执行扫描过程的暂停。在那种情况下，在暂停之后，指示患者再次执行屏气，并且在停止扫描过程的z位置处，或在患者仍然恰当地屏住其呼吸的位置处，继续扫描过程。有利地，尽管患者暂时不能恰当地遵循医学成像系统的呼吸命令，但是可以节省当前的扫描过程。

在根据本发明的方法的另一变型中，在扫描后的阶段中，基于从内在呼吸替代物导出的记录的呼吸曲线来分析个体呼吸行为。在检测到在扫描阶段期间患者未恰当地遵循呼吸命令的情况下，如果预期出现严重伪影，则建议重新扫描。有利地，可以基于关于患者的呼吸行为的反馈信息来自动地执行是否必须重复扫描的决定。在那种情况下，可以取消基于恶化的原始数据的重建，并且因此可以节省时间资源和医学检查能力。

此外，在根据本发明的方法的一个变型中，基于记录的呼吸行为，来自动确定如何适配医学成像过程。那意味着：基于内在呼吸替代物的信息，来决定执行哪个措施或上述措施的哪个组合以改进扫描过程。可以使用经典的信号处理方法或借助于基于深度学习的算法来实现针对该决定的分析。例如，呼吸曲线的分析可以通过某种人工神经网络来完成。

附图说明

下面再次参考附图解释本发明。在各个附图中，相同的组件被提供有相同的附图标记。

附图通常不是按比例的。

图1示出了流程图，该流程图图示根据本发明的一个实施例的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法，

图2示出了关于患者的示意性视图，其中内部器官由于患者的呼吸移动而移动，

图3示出了关于由成像体积包括的、具有内部器官的多个堆叠的示意性视图，

图4示出了流程图，该流程图图示根据本发明的第二实施例的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法，

图5示出了流程图，该流程图图示根据本发明的第三实施例的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法，

图6示出了流程图，该流程图图示根据本发明的第四实施例的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法，

图7示出了关于根据本发明的一个实施例的适配设备的示意性视图，

图8示出了根据本发明的一个实施例的包括图7中示出的适配设备的CT系统。

具体实施方式

图1示出了流程图100，该流程图100图示用于依赖于患者P的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法。在步骤1.I中，从患者的检查体积采集CT原始数据RD。当计算机断层摄影系统处于操作中时，X射线源在X射线检测器的方向上发射X射线，其中X射线穿透患者，并由X射线检测器以记录的原始数据RD或测量信号的形式传输。在采集期间，X射线源和X射线检测器的组合以螺旋方式围绕CT系统的z轴移动(如图8所示)，并从所有径向方向采集原始数据。

在步骤1.II中，以时间增量T

在步骤1.III中，基于经重建的后续堆叠ST

因此，在步骤1.IV中，基于检测到和分割出的器官L的移动，分割出的器官L的呼吸移动被检测并确定为内在呼吸替代物IRS。

在步骤1.V中，重建整个检查体积V，其中通过根据所计算的呼吸替代物IRS对检查体积V的经重建的堆叠ST

图2示出了关于患者P的示意性俯视图20，其中内部器官L由于患者P的呼吸移动而移动。在图2中，示出了患者P的腹部部分中的肝脏L。示出了针对两个不同呼吸阶段的肝脏L，一次用实线，一次用虚线。从图2可以看出，肝脏L在这两个呼吸阶段之间在移动方向D上移动，并且图示了由中心点P

在图3中，图示了由具有内部器官L的检查体积V包括的多个堆叠ST

在图4中，示出了流程图400，流程图400图示根据本发明的第二实施例的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法。步骤4.I至4.V对应于图1中的步骤1.I至1.V，因此不再描述。在步骤4.VI中，基于分配给检查体积V的不同堆叠ST

在图5中，描绘了流程图500，流程图500图示根据本发明的第三实施例的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法。

步骤5.I至5.IV对应于步骤1.I至1.IV，并且在本文中不重复描述。在步骤5.V中，基于对内在呼吸替代物IRS的检测，确定患者P是否恰当地屏住其呼吸HBP。在患者正确地遵循一些预定命令的情况下(这在图5中用“y”表示)，则过程继续到步骤5.VI，其中执行基于所确定的内在呼吸替代物IRS对检查体积V的呼吸阶段相关的4D-CT重建4D-CT-R。在患者P未恰当地屏住其呼吸的情况下(这在图5中用“n”表示)，则在步骤5.VII中，播放命令RI以提醒并激励患者P进一步屏住呼吸。备选地或附加地，扫描过程被动态地重新参数化，使得扫描过程适于患者的检测到的呼吸移动。因此，在第三实施例中，内在呼吸替代物IRS附加地用于控制患者P的预定呼吸行为。

在图6中，描绘了流程图600，流程图600图示根据本发明的第四实施例的用于依赖于患者的个体呼吸行为而执行CT成像过程的方法。步骤6.I至6.IV对应于步骤1.I至1.IV，并且在本文中不重复描述。在步骤6.V中，通过根据所计算的呼吸替代物IRS对分割出的器官L的体积进行分类，来执行检查体积V的呼吸阶段相关的4D-CT重建4D-CT-R(L)。那意味着：直接基于所采集的原始数据RD对4D-CT图像的附加重建被省略。替代地，最终的图像序列(即4D-CT图像)是通过体积的分类组合来实现的，该体积是堆叠ST

在图7中，示意性地图示了根据本发明的一个实施例的以重建设备70的形式的适配设备。重建设备70包括用于从患者P的检查体积V采集CT原始数据RD的采集单元71。所采集的原始数据RD被传输到第一重建单元72，第一重建单元72用于以时间增量与对原始数据的采集并行地、实时地且及时地重建在不同z位置处的检查体积V的后续堆叠ST

图8示出了计算机断层摄影系统1的示意性表示，计算机断层摄影系统1包括如在图7的上下文中详细讨论的根据本发明的一个实施例的重建设备70。该装置包括还被称为扫描单元2的机架，扫描单元2具有还被称为机架框架的静止部分3，并且具有可以绕系统轴旋转的、还被称为转子或鼓的部分4。旋转部分4具有成像系统(X射线系统)，该成像系统包括彼此相对地布置在旋转部分4上的X射线源6和X射线检测器7。当计算机断层摄影系统1处于操作中时，X射线源6在X射线检测器7的方向上发射X射线8，穿透测量对象P(例如患者P)，并且结果由X射线检测器7以记录的测量数据或测量信号的形式传输。

在图8中，还可以看到用于定位患者P的患者台9。患者台9包括床基10，在床基10上布置有患者支撑板11，该患者支撑板11被提供用于实际定位患者P。患者支撑板11可以相对于床基10在系统轴z的方向上(即在z方向上)被调整，使得它进入开口12，使得患者P可以被引入到扫描单元2的开口12中，以用于记录来自患者P的X射线投影。利用成像系统记录的X射线投影的计算处理或基于X射线投影的测量数据或测量信号的截面图像、3D图像或3D数据集的重建在计算机断层摄影设备1的图像计算机13中被执行，其中截面图像或3D图像可以被显示在显示设备14上。图像计算机13还可以被设计为用于控制成像过程的控制单元，以用于控制扫描单元2以及特别是扫描单元2的成像系统。图像计算机13还包括如在图7的上下文中描述的重建设备70。

以上描述仅仅是本公开的优选实施例，而不旨在限制本公开，并且在本公开的精神和原理内做出的任何修改、等同替换、改进等应当被包括在本公开的保护范围内。

此外，使用不定冠词“一”或“一个”不排除所提及的特征还可以存在若干次。同样，术语“单元”或“设备”不排除它由若干组件组成，该若干组件还可以是空间分布式的。