[发明专利]图像分析

说明书

技术领域

本发明涉及图像分析。更具体来说，本发明涉及一种用于医学诊断的改进的图像分析技术，所述医学诊断例如利用正电子发射断层摄影(PET)图像数据。

背景技术

现在有各种医学成像技术帮助临床医师诊断例如由于疾病的解剖或机能表现而导致的病理状态。许多所述技术会产生一个图像帧序列，所述图像帧序列可以被用来向临床医师突出显示患者的解剖和/或机能属性的各种时间变化。

举例来说，可以执行磁共振成像(MRI)扫描、功能磁共振成像(fMRI)扫描、计算机断层摄影(CT)扫描或者单光子发射计算机断层摄影(SPECT)扫描来提供一个图像帧序列，其中所述图像帧序列显示出患者的解剖结构(例如心脏或脑部)随时间的变化。例如可以在单次扫描期间以及/或者在接连数次医院访问期间执行的多次扫描之间检测任何所述时间变化。

作为另一个例子，PET成像可以被用来获得一个图像帧序列，所述图像帧序列例如显示出患者的器官(比如脑部)的生理机能属性如何随着时间变化。

PET是一种已知的成像技术，其利用断层摄影来通过计算机生成身体内的机能过程的三维图像或图，这是作为在被合并到生物化学物质中的人为引入的放射性核素发生衰变并释放正电子时检测伽玛射线的结果而实现的。对于从所述正电子的湮灭检测到的光子的分析被用来生成所述断层摄影图像帧，可以利用色标来对所述断层摄影图像帧进行量化以便显示出所述生物化学物质在组织中的扩散，由此指示新陈代谢和/或生理过程的定位。

举例来说，在PET中所使用的放射性核素可以是短寿期放射性同位素，比如氟18、氧15、氮13和碳11(其半衰期的范围从大约110分钟到大约20分钟)。所述放射性核素可以被合并到生物化学物质中，比如通常由身体所使用的化合物，其例如可以包括糖、水和/或氨。所述生物化学物质随后可以被注入或者吸入到身体中(例如到血流中)，在身体中所述物质(例如糖)变得集中在感兴趣的组织内，并且所述放射性核素通过发射正电子而发生衰变。所述正电子与附近的电子发生碰撞从而产生伽玛射线光子，所述光子可以被检测到并且被记录下来，从而表明所述放射性核素被身体吸收到何处。该数据集可以被用来探索及描绘人体内的解剖信息、生理信息以及新陈代谢信息当中的一项或多项。

由于可以对所述对象施用的放射能的量的限制、所述放射性核素的通常短的半衰期以及特定记录系统的有限灵敏度，动态PET数据通常伴有相当高的噪声水平。另一个限制因素是感兴趣分子的新陈代谢分解，这会降低信号并且增大噪声。不管所使用的放射性核素或者所实施的扫描类型如何，上述因素连同与所述目标的高非特异性结合水平以及健康区域与病理区域之间在目标表示方面的有时小的差异成为可能使得难以对动态PET数据进行分析的因素。这意味着对于由临床医师分析及显现解剖结构和病理来说，多个单独的图像帧通常不是最优的。

相应地开发了许多技术来尝试改进从PET扫描产生的动态时序图像帧的图像质量。

用于在动态PET数据中降低噪声并且进行定量估计的标准方法之一是取得整个序列或其一部分的图像帧的总和、平均值(或均值)。然而虽然经过求和、平均值/均值处理的图像在降低噪声方面可能是有效的，但是这种方法导致抑制了在具有不同动力学行为的区域之间所检测到的差异，从而降低了不重要的临床特征与潜在地重要的临床特征之间的对比度。

用于分析动态PET数据的另一种方法使用动力学建模，生成参数化图像，旨在提取出具有能够增强正常区域与病理区域之间的区分的特定动力学属性的区域。

用于进行参数估计的一种所述动力学建模方法被称作Patlak方法(或者有时被称作Gjedde方法)[1]。沿着经过修改的时间绘制目标区域与参考放射能浓度的比值的曲线，所述修改的时间是通过将直到所选时间的参考放射能浓度的时间积分除以该时间处的放射能浓度而获得的。如果能够把示踪剂累积描述为不可逆的，则示踪剂动力学的Patlak图形表示就变为一条直线，其斜率与累积速率成比例。这种方法可以很容易被单独应用于动态成像帧序列中的每一个像素，并且允许生成代表所述累积速率的参数化图像。

但是在使用动力学建模时所遇到的一个问题在于，所生成的参数化图像的质量很差，同时图像的噪声也相当大。在这方面，诸如所述Patlak方法[1]之类的动力学建模方法无法在测量来自所述动态数据的生理参数的过程中使得信噪比(SNR)最优化。

还存在基于其他类型的建模的用于生成参数化图像的替换方法。比如因素分析或谱分析中的Logan曲线图、分室建模或分量提取[2]。还提出了其他替换技术[3]，比如其中利用迭代两阶段(ITS)方法的基于群体的方法。