能量分辨成像的制作方法

專利名稱：能量分辨成像的制作方法
技術領域：
本申請總體上涉及成像。盡管其在對人體內的摻雜有造影劑的支架成 像方面存在特殊應用，但是其同樣涉及其他的希望區分具有類似的成像對 比度特性的結構的醫學和非醫學應用。
背景技術：
在組織工程學中已經采用了生物細胞、工程化材料和生物化學因子的 組合來使組織生長，所述組織例如軟骨、骨骼和血管。 一種方案包括向人 體內精巧地植入生物相容性的支撐結構，例如支架或可生物降解的印模
(stent),其具有有利的微觀結構和/或種植了特定的生物細胞或生物因子。 這樣的結構提供了促進細胞生長的環境。隨著時間的推移，其將分解并被 人體吸收，新形成的組織將接管其生物和機械機能。所述結構可以由合成
(例如，聚合物和聚酯)或天然(例如，蛋白質和多糖材料)材料形成。 具體的應用包括在膝蓋內生長軟骨。在一種情況下，軟骨支架種植有 適當的細胞，并且將軟骨支架形成為在膝蓋內提供臨時的機械和結構支撐。 將所述支架植入，并且所述支架以一定的速率降解，從而在軟骨細胞生成 出來，并形成能夠通過自身提供支撐的軟骨組織之前提供這樣的支撐。如 果支架沒有得到適當地定位，細胞生長速率或者支架降解速率沒有處于預 期的范圍內，或者新生長的組織不具有預期的機械特性，那么可能達不到 預期的結果。因此，經常希望監測支架的初始位置、后來的支架定位、支 架降解、新的組織生長以及新組織的機械特性。在治療過程中，希望了解 組織生長和支架降解的速率，從而控制在愈合過程的不同階段中膝蓋應當 承受的應力。
一種監測這種特征的方案包括對植入了所述支架的區域進行周期性成 像，并比較由在不同時間獲取的數據生成的圖像。但是，在一些情況下， 支架和感興趣組織在尺寸上相對較小，因而具有類似的成像對比度特性。在其他一些情況下，所述支架是不可見的。因此，通過成像技術監測支架 定位和降解以及組織形成的能力可能不如預期。

發明內容
本申請的各個方面解決了上述和其他問題。
根據一個方面， 一種醫學成像方法包括對指示造影劑標記支架的X 射線投影數據進行能量分辨，其中，所述支架種植有用于生長組織的生物 細胞；以及對能量分辨的投影數據進行重建，以生成指示造影劑標記支架 的能量分辨圖像數據。
根據另一方面，提供了一種含有指令的計算機可讀存儲介質，當計算 機執行所述指令時，所述指令使所述計算機執行下述步驟對指示造影劑 標記支架的X射線投影數據進行能量分辨，其中，所述支架種植有用于生 長組織的生物細胞；以及對能量分辨的投影數據進行重建，以生成指示所 述造影劑標記支架的能量分辨圖像數據。
根據另一方面， 一種醫學成像系統包括能量分辨探測器，其探測一 定能量范圍內的能量并產生能量分辨投影數據；源，其發射穿越檢査區域 和設置在所述檢査區域內的物體的多能輻射，所述物體包括摻雜有造影劑 的細胞生長支撐結構，所述造影劑對應于所述探測器的能量范圍；以及重 建器，其由所述能量分辨投影數據生成指示造影劑的能量分辨圖像數據。
根據另一方面， 一種系統包括用于采用造影劑來標記支架的裝置； 用于對所述支架成像以獲取指示造影劑標記支架的能量分辨X射線投影數 據的裝置；以及用于重建所述圖像數據以生成指示所述造影劑標記支架的 能量分辨x射線圖像數據的裝置。
根據另一方面， 一種細胞生長支撐結構摻雜有這樣的元素，即，對于 醫學成像應用而言，所述元素具有增強所述細胞生長支撐結構相對于周圍 結構的圖像對比度的特性。
在閱讀并理解了下述詳細說明的情況下，本領域技術人員將認識到本 發明的其他方面。


可以通過各種部件或部件布置，以及通過各種步驟或步驟布置實現本 發明。附圖的作用在于對優選實施例進行說明，不應認將其解釋為對本發 明的限制。
圖1示出了一種示范性成像系統；
圖2示出了一種示范性預處理器；
圖3和圖4示出了一種示范性預處理器；
圖5示出了一種示范性成像方法。
具體實施例方式
參考圖1 ， x射線成像設備100包括x射線管或源104以及x射線敏感 探測器108。 x射線源104生成并發射輻射，所述輻射穿越檢查區域112并 照射探測器108。
探測器108包括由x射線輻射傳感器或探測器像素構成的矩陣。適當 的探測器108包括平板探測器。在圖示的實施例中，探測器108測量入射 光子的能量，并計量多個能量范圍或能量組(bin)中的每者內的入射光子 的數量。或者，可以以單獨或者組合的方式采用多個閃爍或直接轉換探測 器或者其他能量分辨技術實現所述能量分辨探測器。探測器108將所探測 到的能量轉換成指示所探測到的能量的電信號，以生成投影數據。
通過支撐臂116的可移動C形部分懸置源104和探測器108。源104 和探測器108隨支撐臂116 —起移動，而且所述源104和探測器108具有 落在彼此之上的空間取向，從而使源104發射的輻射橫穿檢査區域112，撞 擊在探測器108上。支撐臂116具有可移位構件120，其在弧形套管構件 124內發生位移。所述可移位構件120沿第一和第二方向128發生位移，從 而使源104和探測器108圍繞檢査區域112旋轉。套管構件124樞軸耦合 至結構132，并圍繞樞軸136樞軸轉動。使套管構件124圍繞樞軸136樞軸 轉動將使支撐臂116移動經過一角距離，從而使源104和探測器108圍繞 樞軸136和檢査區域112旋轉。
將結構132以可操作的方式連接至墻壁、天花板、地面、固定儀器、 移動儀器或其他支撐。在一種情況下，這一連接包括一個或多個能夠進行 樞軸轉動、旋轉或沿對應的軸平移的中間結構。這樣的樞軸轉動、旋轉和
8平移運動實現了多個自由度，從而使源104和探測器108圍繞檢查區域112 形成各種取向。在一種情況下，使可移動的部件有利地樞軸轉動、旋轉和 平移將使所述部件相互協調地移動，從而使源104和探測器108圍繞檢査 區域112旋轉，由此從多個不同的角位置獲取x射線投影。所述數據獲取 的角范圍使得在至少一百八十(180)度加一扇角的角度上獲得投影。在這 樣的角范圍上獲取數據為三維旋轉x射線重建提供了完整數據集。
患者支座140支撐處于檢查區域112內的物體、患者或其他對象。患 者支座140是可移動的，從而在檢查區域內引導所述物體、患者或其他對 象。在一些應用當中，將支撐構件140移到檢查區域(112)之外，并在沒 有所述支撐構件140的情況下將所述對象定位在檢查區域112內。
能量預處理器144處理投影數據，從而提供具有預期的譜特征的投影 數據。通往能量預處理器144的輸入包括指示在探測器108的能量范圍內 探測到的能量的能量分辨探測器信號。
重建器148對所述投影數據進行重建，以生成圖像數據。對對應于單 個x射線投影的圖像數據加以處理，以生成二維圖像，對對應于在不同角 位置獲取的多個投影的圖像數據加以處理，以生成三維圖像。在一種情況 下，采用定量技術生成圖像，在所述技術中，對針對特定能量組的能量測 量結果加以處理，以顯示能量處于所述圖像中的所述組的能量范圍內的所 探測到的光子的相對濃度。在另一種情況下，采用衰減系數和能量選擇的 組合來標記所述圖像內的預期材料。
采用通用計算機充當操作員控制臺152。控制臺152包括諸如監視器或 顯示器的人類可讀輸出儀器以及諸如鍵盤和鼠標的輸入儀器。存在于控制 臺152上的軟件允許操作員控制掃描儀100。在一種情況下，這樣的控制包 括選擇掃描協議、調整掃描參數、啟動、暫停和終止掃描以及其它的通過 (例如)圖形用戶界面(GUI)與掃描儀100交互。
如上所述，能量預處理器144處理來自探測器108的投影數據，以提 供具有預期的譜特征的投影數據。在一種實現方式中，參考圖2，預處理器 144采用k邊緣(k-edge)成像技術生成指示對象內存在的造影劑或其他物 質的投影數據。通往能量預處理器144的輸入包括指示在多個能量范圍或 能量組內探測到的能量的能量分辨探測器信號山、d2......di。就k邊緣探測而言，i優選大于等于二 (2)。探測信號di表現出了第i個能量組或范圍bi 的譜靈敏度Di(E)。此外，多色輻射源104的發射譜T(E)通常是已知的。
在一種實現方式中，建模單元204將對象建模成具有譜P(E)的光電效 應、具有譜C(E)的康普頓效應以及k邊緣處于感興趣能量范圍內并具有譜 K(E)的物質(例如，造影劑)的組合。可以根據下述關系將所述分量中的 每者的密度長度乘積，具體而言，將每一探測信號di中的光電效應分量p、 康普頓效應分量c和k邊緣分量k的密度長度乘積建模成離散的線性系統:
方程1 = p五.r(￡). D, (￡) (/ '+ c C(￡) + ;t.
在對于至少三個能量范圍或能量組b" b2、 b3而言，至少可以得到三個
探測信號山、d2、 d3的情況下，形成由至少三個方程構成的具有三個未知數
的方程組，可以在計算單元208中采用已知的數值方法解出所述方程組。
之后可以通過常規重建方法單獨地或結合地采用所得的結果，具體而言采
用分量p、 c、 k重建預期分量的圖像。
盡管一般來講三個能量范圍或能量組bi足以確定分量p、 c、 k了，但
是通常可以通過提高輸入信號的能量分辨率，例如，通過提高范圍或組bi 的數量來獲得改善的靈敏度和噪聲魯棒性。
圖3和圖4提供了兩個例子，其中，系統100對摻雜有造影劑的物體 成像，所述造影劑的特征能量對應于探測器108的能量范圍。在這一例子 中，所述物體是諸如設置在人的膝蓋304內的支架308的細胞生長支撐結 構。所述支架308由人工(或合成)或天然材料或上述兩者的組合而形成， 并種植有適當的、可生長形成感興趣組織的生物細胞，在這一例子中，所 述組織為膝蓋軟骨。
根據一個實施例，形成所述支架的天然聚合物為瓊脂糖、藻酸鹽、透 明質酸、殼聚糖、膠原、明膠、絲或其組合。用于形成所述支架的合成材 料包括聚己內酯、聚羥基乙酸、聚乳酸、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚富馬 酸丙二醇酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚馬來酸、聚對二氧環己酮、聚碳酸亞 丙基酯、聚3-羥基丁酸酯、聚3-羥基戊酸酯及其共聚物。對所述天然或合 成材料進行處理，從而形成具有有利于生物細胞的生長的宏觀或微觀結構 特性的支架，例如，所述特性為空間形式、機械強度、密度、孔隙度、孔 隙尺寸、孔隙分布和孔隙連通性。所述處理方法包括溶劑澆注/微粒瀝濾、氣體起泡、纖維結合、相態分離、熔融模塑、乳液冷凍干燥和各種諸如三 -t-維測繪、機器人微型組裝的自由實體制造技術。應當認識到，在另一例 子中，所述物體為可再吸收的印模等。
采用各種技術以造影劑對支架308進行摻雜或處理。例如，在采用人 造材料形成支架時，可以包含造影劑，并使之與所述人造材料合成，從而 同時起到形成和標記所述支架的作用。通過這種方式，可以通過共價鍵或 離子鍵將造影劑連接至所述人造材料。也可以在無需共價或離子連接的情 況下，在所述支架的形成過程中，使造影劑物理俘獲(或溶解)在所述人 造材料中。或者，可以在形成所述支架之后將造影劑移植到這種支架上。 可以通過諸如化學鍵合的鍵合技術實現所述移植，在所述技術中，使造影 劑的元素與所述支架的元素鍵合。在由天然材料形成支架時，在支架形成 過程中，如上文所述，將造影劑移植到所述支架上，或者使之俘獲在所述 天然支架材料內。
采用釓(Gd)標記支架308。釓(Z=64)具有處于大約五十(50)千 電子伏特(keV)上的K邊緣，其處于診斷能量譜內，所述診斷能量譜通常 處于大約四十(30)到大約一百七十(170) keV的范圍內。由源104發射 的具有足夠的能量(所具有的能量大于等于釓的k殼層結合能)的光子與 釓的k殼層電子之間的光電相互作用導致了光子的吸收和光電子的發射， 從而在k殼層留下空位空穴。
通過以釓標記支架308，能夠采用對應的組合(binned)能量數據增強 圖像內的支架308相對于周圍生物組織的圖像對比度。 一般而言，生物組 織主要包括低原子序數元素(例如，氫(H)， Z-l;碳(C)， Z-6;氮(N)， Z=7;氧(O)， Z=8)，所述元素具有相對較低的k殼層結合能，因而將生 成相對較少的特征x射線。此外，對于組織內的光電吸收而言，所述特征 能量通常完全被物體所吸收，而未被探測器108探測到。因而對應于這一 能量組的圖像數據在很大程度上指示了釓。
在操作當中，對處于圖3所示的非負重位置或休息(resting)位置的支 架308成像，或者對處于圖4所示的負重位置或受到應力的位置的支架308 成像。所得到的圖像反映了造影劑的狀態，進而反映了當時受到成像的支 架308的狀態。可以采用這一數據確定造影劑標記支架308在膝蓋內的空間位置。通過比較處于非負重條件下的圖像數據或圖像和處于負重條件信 息下的圖像數據，能夠推導出有關所述支架的機械特性的信息。通過在一 個或多個不同的時間間隔內獲取數據，由此生成的圖像數據或圖像代表了
支架308在不同的時刻的狀態。這一數據能夠指示支架308是否移動到了 不同的位置上。此外或或者，這一數據提供了有關支架特征隨時間變化的 信息。例如，隨著支架308上的細胞的生長而形成了軟骨，支架308發生 降解。通過在不同的時間對支架308成像，能夠隨著時間的推移對支架308 的降解進行跟蹤。由于支架降解與細胞或組織生長有關，因而能夠采用不 同時間周期之間的支架降解量描述不同的時間周期內的細胞生長特征。
參考圖5，現在將描述與示范性的對比度增強成像法相關的操作。
在附圖標記504處，將物體合適地定位到檢査區域內，所述物體包括 摻雜具有預期特性的造影劑的支架。
在508處，在圍繞物體的不同角位置獲取若干個投影，以提供完整的 用于重建的能量分辨投影數據集。
在512處，對投影數據進行重建以生成圖像數據。如上所述，可以由 所述圖像數據生成圖像，并采用所述圖像確定造影劑的空間位置，進而確 定物體內的支架308的空間位置。
在516處，如果需要的話，在下一時間周期內獲得另一投影集，并由 其生成圖像數據。應當認識到能夠獲取對應于M個不同時間周期的N個投 影數據集。
在520處，采用對應于不同周期的圖像數據隨著時間的推移而監測物 體內的支架308的空間位置、支架降解和細胞生長。 可以設想各種變型。
在舉例說明的實施例中，采用釓標記支架308。在其他實施例中，作為 替代，采用碘(I) Z=53、鋇(Ba) Z=56、鑭(La) Z=57、金(AU) Z=79 或者其他具有預期的k殼層結合能或者發射具有預期的特征能量的光子的 元素對支架標記。
文中描述的技術也可以適用于其他成像模態，其包括但不限于計算機 斷層成像(CT)和磁共振成像(MRI)。就CT系統而言，類似地，采用釓、 碘、鋇、鑭、金等標記支架308。采用基于CT的系統的一個優點是提高了對比度分辨率。就MRI系統而言，采用釓、氧化鐵或其他具有預期特性的 材料標記支架308。
可以通過能量分辨探測器108以外的手段獲得譜信息。例如，也可以 采用生成具有預期的譜特征的x射線源和/或有選擇地穩固或者改變輻射的 譜特征的時變或其他濾波器。在Fessler等人的WO 03/071483A2中描述了 這樣一種方法，該方法在不采用能量分辨探測器的情況下，通過迭代法從 以不同的譜獲取的投影實現了能量分辨重建。
此外，還可以實現其他能夠識別諸如造影劑的感興趣物質或者能夠提 供預期的材料分離的處理技術。根據所述技術，可以在(例如)希望分離 所獲取的投影數據的分量或者希望內插能量分辨數據的情況下，采用指示 了三(3)個能量范圍或能量組的數據。
在備選的實現方式中，可以省略能量預處理器144。在這樣的實現方式 中，重建器148可以直接操作能量分辨投影數據。也可以采用對圖像數據 加以操作的基于能量的后處理器識別感興趣物質或者提供預期的材料分 離。
可以通過計算機可讀指令實現能量預處理器144和重建器148,在通過 計算機處理器執行所述指令時，其將使所述處理器執行所描述的技術。在 這種情況下，將所述指令存儲在與相關計算機相關聯或者能夠訪問所述相 關計算機的計算機可讀存儲介質中。所描述的技術未必一定與數據獲取并 行執行。也可以采用與掃描儀100相關聯的一臺(或多臺)計算機執行所 述功能；可以使所述計算機處于遠離所述掃描儀100的位置，并通過諸如 HIS/RIS系統、PACS系統、Internet等適當的通信網絡訪問相關的數據。
盡管上述說明的重點在于對膝蓋成像，但是也可以結合膝蓋軟骨以外 的組織，例如，對應于其他解剖學結構的軟骨、骨骼和血管采用所描述的 技術。
已經參考優選實施例描述了本發明。在閱讀并理解了前述詳細說明的 同時，本領域技術人員可以想到修改和變化。意圖將本發明解釋為包括所 有此類落在所附權利要求及其等同要件的范圍內的修改和變化。
權利要求
1、一種方法，包括對指示造影劑標記支架的x射線投影數據進行能量分辨，其中，所述支架種植有用于生長組織的生物細胞；以及對能量分辨的投影數據進行重建，以生成指示所述造影劑標記支架的能量分辨圖像數據。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述造影劑是碘、釓、鋇、鑭 和金之一。
3、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述支架包括合成或生物材料。
4、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物細胞生長以形成生物 組織。
5、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述投影數據對應于在至少一 百八十度加一扇角上的不同角位置處接連獲取的x射線投影。
6、 根據權利要求1所述的方法，還包括對所述圖像數據進行重建以生 成所述支架的三維圖像。
7、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述支架處于休息位置。
8、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述支架處于受到應力的位置。
9、 根據權利要求1所述的方法，還包括使x射線、源(104)和探測器 (108)圍繞所述支架旋轉，其中，所述探測器(108)探測所述源(104)發射的橫穿檢查區域(112)的輻射，并生成指示所探測到的輻射的投影數 據。
10、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述探測器(108)是探測處 于多個能量范圍內的輻射的能量分辨探測器。
11、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述源(104)發射具有預期 譜特征的輻射。
12、 一種含有指令的計算機可讀存儲介質，在由計算機執行所述指令 時，所述指令使所述計算機執行根據權利要求1所述的方法。
13、 根據權利要求12所述的計算機可讀存儲介質，其中，所述計算機 是x射線系統的控制臺(152)，其中，所述系統包括-輻射源(104)，其發射橫穿檢査區域(112)的x射線；探測器(108)，其探測所發射的橫穿所述檢查區域(116)的輻射并生 成指示所述輻射的投影數據；C形支撐臂(116)，所述源(104)和所述探測器(108)以可操作的方 式耦合至所述C形支撐臂(116)，其中，通過使所述臂(116)角移動而使 所述源(104)和所述探測器(108)圍繞所述支架旋轉；以及部件(144， 148),其對所述投影數據進行能量分辨。
14、 一種醫學成像系統，包括-能量分辨探測器(108)，其探測一能量范圍內的能量；源(104)，其發射穿越檢查區域(112)和設置在所述檢査區域內的物體的能量，所述物體包括摻雜有造影劑的細胞生長支撐結構，所述造影劑對應于所述探測器(108)的能量范圍；以及重建器(148)，其由所探測到的能量生成指示所述造影劑摻雜結構的能量分辨數據。
15、 根據權利要求14所述的系統，其中，所述造影劑包括碘、釓、鋇、 鑭、金和氧化鐵之一。
16、 根據權利要求14所述的系統，其中，采用人造材料或天然生物材 料形成所述支撐結構。
17、 根據權利要求14所述的系統，其中，所述支撐結構種植有用于生 長軟骨、骨骼和血管之一的細胞。
18、 根據權利要求14所述的系統，其中，采用k邊緣技術生成能量分 辨投影數據。
19、 根據權利要求14所述的系統，其中，所述源(104)和探測器(108) 在至少一百八十度加一扇角上圍繞所述物體旋轉，并在所述角范圍內的多 個不同角位置處獲取投影數據。
20、 根據權利要求19所述的系統，其中，采用由所述投影數據生成的 圖像數據來生成所述造影劑的三維圖像。
21、 根據權利要求14所述的系統，其中，由所述圖像數據生成圖像， 所述圖像指示所述造影劑摻雜的支撐結構在所述物體內的空間位置。
22、 根據權利要求14所述的系統，其中，在不同時間處獲取的圖像數 據反映所述造影劑摻雜的支撐結構的狀態變化。
23、 根據權利要求22所述的系統，其中，所述狀態變化指示支撐結構 的降解。
24、 根據權利要求22所述的系統，其中，所述狀態變化指示所述支撐 結構在所述物體內的移動。
25、 根據權利要求14所述的系統，其中，所述系統是x射線、計算機斷層成像(CT)系統和磁共振成像(MRI)系統之一。
26、 一種系統，其包括 用于采用造影劑對支架進行標記的裝置；用于對所述支架成像以獲取指示所述造影劑標記支架的能量分辨x射 線投影數據的裝置；以及用于對所述圖像數據進行重建，以生成指示所述造影劑標記支架的能 量分辨x射線圖像數據的裝置。
27、 一種細胞生長支撐結構，其摻雜有這樣的元素，即，在采用醫學 成像系統進行成像時，所述元素具有增強所述細胞生長支撐結構相對于周 圍結構的圖像對比度的特性。
28、 根據權利要求27所述的細胞生長支撐結構，其中，所述制劑具有 處于用來對所述細胞生長支撐結構成像的x射線成像系統的能量譜內的k 殼層結合能。
29、 根據權利要求28所述的細胞生長支撐結構，其中，所述成像系統 的能量譜處于大約四萬電子伏特到大約十七萬電子伏特的范圍內。
30、 根據權利要求27所述的細胞生長支撐結構，其中，所述制劑是釓、 鋇、鑭和金之一。
31、 根據權利要求27所述的細胞生長支撐結構，其中，所述細胞生長 支撐結構是位于患者內的支架。
32、 根據權利要求27所述的細胞生長支撐結構，其中，所述醫學成像 系統是x射線系統、計算機斷層成像系統和磁共振系統之一。
全文摘要
一種醫學成像方法，其包括對指示造影劑標記支架的x射線投影數據進行能量分辨，其中，所述支架種植有用于生長組織的生物細胞；以及對能量分辨的投影數據重建，以生成指示所述造影劑標記支架的能量分辨圖像數據。
文檔編號A61B6/00GK101541241SQ200780043864
公開日2009年9月23日 申請日期2007年11月13日 優先權日2006年11月30日
發明者E·佩特斯, H·達恩克, M·格拉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司