JP2010204755A - Image processor, image reconstruction system, image processing method, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定物から放出され、または被測定物を透過した光の量に基づいて、被測定物の内部構造の三次元画像を再構成するための画像処理技術に関する。 The present invention relates to an image processing technique for reconstructing a three-dimensional image of an internal structure of a measurement object based on an amount of light emitted from the measurement object or transmitted through the measurement object.
人体などの被測定物を透過したX線、あるいは被測定物から放出されたγ線といった放射線を検出し、その検出結果に基づいて被測定物の内部構造の二次元画像または三次元画像を再構成するための画像処理技術の研究開発が進められている。このような画像処理技術は、X線CT装置(X線コンピュータ断層撮影装置)や陽電子放射断層撮像装置(PET:Positron Emission Tomography)装置で使用されている。 Radiation such as X-rays transmitted through the measurement object such as the human body or γ-rays emitted from the measurement object is detected, and the two-dimensional or three-dimensional image of the internal structure of the measurement object is reproduced based on the detection result. Research and development of image processing technology for configuration is underway. Such an image processing technique is used in an X-ray CT apparatus (X-ray computed tomography apparatus) and a positron emission tomography apparatus (PET).
画像再構成のアルゴリズムとしては、ML−EM(最尤推定−期待値最大化:Maximum Likelihood - Expectation Maximization)法やOS−EM(Ordered Subsets - Expectation Maximization)法などの統計的画像再構成法が広く知られており、OS−EM法は、ML−EM法の一種である。ML−EM法は、たとえば、非特許文献1や非特許文献2に開示されており、OS−EM法は、たとえば、非特許文献3に開示されている。
As image reconstruction algorithms, statistical image reconstruction methods such as ML-EM (Maximum Likelihood-Expectation Maximization) method and OS-EM (Ordered Subsets-Expectation Maximization) method are widely used. The OS-EM method is a kind of ML-EM method. The ML-EM method is disclosed in, for example, Non-Patent Document 1 and
統計的画像再構成法は、逐次近似的なアルゴリズムであり、多大な計算時間を要するという問題がある。計算時間を短縮化してスループットを向上させる高速演算アルゴリズムとしては種々のものが提案されている。たとえば、非特許文献4は、検出器系の幾何学的対称性を利用した高速演算アルゴリズムを提案している。 The statistical image reconstruction method is a successive approximation algorithm and has a problem that it requires a lot of calculation time. Various algorithms have been proposed as high-speed arithmetic algorithms for shortening calculation time and improving throughput. For example, Non-Patent Document 4 proposes a high-speed calculation algorithm using the geometric symmetry of the detector system.
しかしながら、たとえ従来の高速演算アルゴリズムを用いたとしても、計算量が膨大であるので、その計算速度は臨床上実用的であるとは言い難いという問題がある。たとえば、画像を再構成するまでの計算時間が長大であると、診断に要する時間が長くなるので、臨床上実用的であるとは言い難い。 However, even if a conventional high-speed calculation algorithm is used, since the calculation amount is enormous, there is a problem that it is difficult to say that the calculation speed is clinically practical. For example, if the calculation time until the image is reconstructed is long, the time required for diagnosis becomes long, so it is difficult to say that it is clinically practical.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、画像再構成処理を効率的に実行し得、計算速度を大幅に向上させ得る画像処理装置、画像再構成システム、画像処理方法およびプログラムを提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an image processing apparatus, an image reconstruction system, an image processing method, and a program that can efficiently execute image reconstruction processing and can greatly improve the calculation speed. To do.
本発明によれば、被測定物から複数の検出器要素の各々に飛来した光子の光量を示す投影データと、前記被測定物が配置された検出領域の内部に複数のボクセルが立体的に配列された解析モデルと、に基づいて、統計的画像再構成法を用いて前記投影データより前記ボクセルごとのボクセル値を推定する演算処理を反復的に実行して前記被測定物の内部構造の三次元画像を再構成する反復演算部と、
j番目のボクセルを通過した前記光子がi番目の検出器要素で検出される検出確率Cijを示すデータを格納しているパラメータ格納部と、
を備える画像処理装置が提供される。
この画像処理装置は、前記反復演算部が、
(A)前記パラメータ格納部から読み出された検出確率Cijと、前記j番目のボクセルのボクセル値との第一積和演算処理と、
前記検出確率Cijと、前記i番目の検出器要素にかかる前記投影データとの第二積和演算処理と、
を含む前記演算処理を行うとともに、
(B)前記投影データが所定値以下である前記検出器要素に対応する前記ボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップすることを特徴とする。
According to the present invention, projection data indicating the amount of photons flying from the object to be measured to each of the plurality of detector elements, and a plurality of voxels arranged in a three-dimensional manner within the detection region where the object to be measured is arranged And a third order of the internal structure of the object to be measured by repeatedly executing a calculation process for estimating a voxel value for each voxel from the projection data using a statistical image reconstruction method based on the analyzed model. An iterative operation unit for reconstructing the original image;
a parameter storage unit storing data indicating a detection probability C ij at which the photon that has passed through the j th voxel is detected by the i th detector element;
An image processing apparatus is provided.
In this image processing apparatus, the iterative operation unit is
(A) a first product-sum operation process of the detection probability C ij read from the parameter storage unit and the voxel value of the j-th voxel;
A second product-sum operation process of the detection probability C ij and the projection data applied to the i-th detector element;
And performing the arithmetic processing including
(B) The execution of at least one of the first or second product-sum operation processing is skipped for the voxel corresponding to the detector element whose projection data is equal to or less than a predetermined value.
また、本発明の画像処理装置においては、より具体的な態様として、前記反復演算部が、前記投影データが前記所定値以下である検出器要素に対応する前記ボクセルのボクセル値をゼロに設定してもよい。 In the image processing apparatus of the present invention, as a more specific aspect, the iterative operation unit sets a voxel value of the voxel corresponding to a detector element whose projection data is equal to or less than the predetermined value to zero. May be.
また、本発明の画像処理装置においては、より具体的な態様として、前記投影データが前記所定値以下である検出器要素に対応するボクセルの集合であるゼロ領域と、前記投影データが前記所定値よりも大きい前記検出器要素に対応するボクセルの集合である非ゼロ領域と、を含む、ボクセル値の二次元画像を生成する二次元画像生成部と、
前記二次元画像を内包する三次元初期画像を生成し、前記三次元初期画像における前記ゼロ領域に対応するボクセルを決定する三次元初期画像生成部と、
をさらに備え、
前記反復演算部が、前記三次元初期画像における前記ゼロ領域に対応するボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップしてもよい。
In the image processing apparatus of the present invention, as a more specific aspect, a zero region that is a set of voxels corresponding to detector elements whose projection data is equal to or less than the predetermined value, and the projection data is the predetermined value. A two-dimensional image generation unit for generating a two-dimensional image of voxel values, including a non-zero region that is a set of voxels corresponding to the detector elements larger than
Generating a three-dimensional initial image including the two-dimensional image, and determining a voxel corresponding to the zero region in the three-dimensional initial image;
Further comprising
The iterative operation unit may skip execution of at least one of the first or second product-sum operation processing for voxels corresponding to the zero region in the three-dimensional initial image.
また、本発明の画像処理装置においては、より具体的な態様として、前記ボクセルのサイズを複数段階に微細化して前記演算処理を反復的に実行し、
微細化前に前記三次元初期画像における前記ゼロ領域に対応していたボクセルに内包される微細化後のボクセルについて、前記反復演算部が、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップしてもよい。
Further, in the image processing apparatus of the present invention, as a more specific aspect, the arithmetic processing is repeatedly executed by reducing the size of the voxel in a plurality of stages.
For the voxels after miniaturization included in the voxels corresponding to the zero region in the three-dimensional initial image before miniaturization, the iterative operation unit includes at least one of the first or second product-sum operation processing Execution may be skipped.
また、本発明によれば、対向して配置されたシンチレーション検出器の対を前記検出器要素として含む上記記載の画像処理装置を備えるとともに、前記シンチレーション検出器が、前記被測定物から所定方向の両側に放射された光子対を検出する画像再構成システムが提供される。 According to the present invention, there is provided the image processing apparatus as described above including a pair of scintillation detectors arranged opposite to each other as the detector element, and the scintillation detector is arranged in a predetermined direction from the object to be measured. An image reconstruction system is provided that detects photon pairs emitted on both sides.
また、本発明によれば、被測定物から複数の検出器要素の各々に飛来した光子の光量を示す投影データに基づいて、統計的画像再構成法を用いて前記被測定物の内部構造の三次元画像を再構成する画像処理方法が提供される。
この画像処理方法は、(a)前記被測定物が配置された検出領域の内部に複数のボクセルを立体的に配列して解析モデルを生成するモデル生成ステップと、
(b)j番目のボクセルを通過した前記光子がi番目の検出器要素で検出される検出確率Cijと、前記j番目のボクセルのボクセル値との第一積和演算処理をおこなう前方投影ステップと、
(c)前記検出確率Cijと、前記i番目の検出器要素にかかる前記投影データとの第二積和演算処理をおこなう後方投影ステップと、
(d)前記前方投影ステップおよび後方投影ステップを反復的に実行して前記ボクセルごとのボクセル値を推定する反復演算ステップと、
を含むとともに、
前記投影データが所定値以下である前記検出器要素に対応する前記ボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする。
Further, according to the present invention, based on the projection data indicating the amount of photons flying from the object to be measured to each of the plurality of detector elements, the internal structure of the object to be measured using a statistical image reconstruction method. An image processing method for reconstructing a three-dimensional image is provided.
The image processing method includes (a) a model generation step of generating an analysis model by three-dimensionally arranging a plurality of voxels within a detection region where the object to be measured is arranged;
(B) A forward projection step of performing a first product-sum operation process of a detection probability C ij in which the photon that has passed through the j-th voxel is detected by the i-th detector element and a voxel value of the j-th voxel When,
(C) a back projection step of performing a second product-sum operation process of the detection probability C ij and the projection data applied to the i-th detector element;
(D) an iterative calculation step of repeatedly executing the forward projection step and the backward projection step to estimate a voxel value for each voxel;
Including
For the voxel corresponding to the detector element whose projection data is equal to or less than a predetermined value, the execution of at least one of the first or second product-sum operation processing is skipped.
また、本発明によれば、被測定物から複数の検出器要素の各々に飛来した光子の光量を示す投影データに基づいて、統計的画像再構成法を用いて前記被測定物の内部構造の三次元画像を再構成する画像再構成処理を情報処理装置に実行させるプログラムが提供される。
このプログラムでは、前記画像再構成処理が、
(a)前記被測定物が配置された検出領域の内部に複数のボクセルを立体的に配列して解析モデルを生成するモデル生成処理と、
(b)j番目のボクセルを通過した前記光子がi番目の検出器要素で検出される検出確率Cijと、前記j番目のボクセルのボクセル値との第一積和演算処理をおこなう前方投影処理と、
(c)前記検出確率Cijと、前記i番目の検出器要素にかかる前記投影データとの第二積和演算処理をおこなう後方投影処理と、
(d)前記前方投影処理および後方投影処理を反復的に実行して前記ボクセルごとのボクセル値を推定する反復演算処理と、
を含むとともに、
前記投影データが所定値以下である前記検出器要素に対応する前記ボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする。
Further, according to the present invention, based on the projection data indicating the amount of photons flying from the object to be measured to each of the plurality of detector elements, the internal structure of the object to be measured using a statistical image reconstruction method. A program for causing an information processing apparatus to execute an image reconstruction process for reconstructing a three-dimensional image is provided.
In this program, the image reconstruction process is
(A) a model generation process for generating an analysis model by three-dimensionally arranging a plurality of voxels within a detection region in which the object to be measured is arranged;
(B) A forward projection process in which a first product-sum operation process is performed between the detection probability C ij at which the photon that has passed through the j-th voxel is detected by the i-th detector element and the voxel value of the j-th voxel. When,
(C) a back projection process for performing a second product-sum operation process on the detection probability C ij and the projection data applied to the i-th detector element;
(D) an iterative calculation process of repeatedly executing the forward projection process and the backward projection process to estimate a voxel value for each voxel;
Including
For the voxel corresponding to the detector element whose projection data is equal to or less than a predetermined value, the execution of at least one of the first or second product-sum operation processing is skipped.
上記発明において、被測定物から検出器要素に光子が飛来するとは、光子と検出器要素との相互作用により光子が検出されることを意味する。また、被測定物から光子が飛来するとは、被測定物の後方から照射された光子が被測定物を透過して検出器要素に飛来する場合と、被測定物を光源として光子が放射される場合とを含む。以下、被測定物から光子が放出される表現した場合、上記の両態様を含む意味である。 In the above invention, the fact that photons fly from the object to be measured to the detector element means that the photon is detected by the interaction between the photon and the detector element. Also, when a photon comes from the object to be measured, a photon emitted from the back of the object to be measured passes through the object to be measured and comes to the detector element, and a photon is emitted using the object to be measured as a light source. Including cases. Hereinafter, when expressing that a photon is emitted from the object to be measured, it means to include both of the above aspects.
なお、本発明の各種の構成要素は、その機能を実現するように形成されていればよく、たとえば、所定の機能を発揮する専用のハードウェア、所定の機能がコンピュータプログラムにより付与された画像処理装置、コンピュータプログラムにより画像処理装置に実現された所定の機能、これらの任意の組み合わせ、等として実現することができる。
また、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
The various components of the present invention need only be formed so as to realize their functions. For example, dedicated hardware that exhibits a predetermined function, image processing in which a predetermined function is provided by a computer program It can be realized as an apparatus, a predetermined function realized in the image processing apparatus by a computer program, an arbitrary combination thereof, or the like.
Further, the various components of the present invention do not have to be individually independent, that a plurality of components are formed as one member, and one component is formed of a plurality of members. That a certain component is a part of another component, a part of a certain component overlaps a part of another component, and the like.
また、本発明の画像処理方法は、複数の工程を順番に記載してあるが、その記載の順番は複数の工程を実行する順番を限定するものではない。このため、本発明の画像処理方法を実施するときには、その複数の工程の順番は内容的に支障しない範囲で変更することができる。
さらに、本発明の画像処理方法は、複数の工程が個々に相違するタイミングで実行されることに限定されない。このため、ある工程の実行中に他の工程が発生すること、ある工程の実行タイミングと他の工程の実行タイミングとの一部ないし全部が重複していること、等でもよい。
In the image processing method of the present invention, a plurality of steps are described in order, but the description order does not limit the order in which the plurality of steps are executed. For this reason, when carrying out the image processing method of the present invention, the order of the plurality of steps can be changed within a range that does not hinder the contents.
Furthermore, the image processing method of the present invention is not limited to being executed at a timing at which a plurality of steps are individually different. For this reason, another process may occur during execution of a certain process, or a part or all of the execution timing of a certain process and the execution timing of another process may overlap.
また、本発明で云う反復的な演算処理は、コンピュータプログラムを読み取って対応するデータ処理を実行できるように、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、I/F(Interface)ユニット、等の汎用デバイスで構築されたハードウェア、所定のデータ処理を実行するように構築された専用の論理回路、これらの組み合わせ、等を用いて実施することができる。
なお、本発明でプログラムに対応した各種動作を情報処理装置に実行させることは、各種デバイスを情報処理装置に動作制御させることを含む意味である。
Further, the repetitive arithmetic processing referred to in the present invention is a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an I, so that a computer program can be read and the corresponding data processing can be executed. It can be implemented using hardware constructed by general-purpose devices such as / F (Interface) units, dedicated logic circuits constructed to execute predetermined data processing, combinations thereof, and the like.
Note that causing the information processing apparatus to execute various operations corresponding to the program in the present invention includes causing the information processing apparatus to control operations of various devices.
さらに、本発明において、データを記憶または格納しているとは、本発明の装置が、少なくとも演算処理を実行するときに、当該データを保持している状態となる機能を有することを意味している。したがって、たとえば、光量を示す投影データや検出確率Cijを示すデータに関しては、本発明の装置が出荷されるときに既に登録されていることの他、出荷されるときには登録されていないこれらのデータが、演算処理の時点で、または演算処理の最中に登録されることも許容する。 Furthermore, in the present invention, storing or storing data means that the apparatus of the present invention has a function of holding the data at least when executing arithmetic processing. Yes. Therefore, for example, projection data indicating the light amount and data indicating the detection probability C ij are already registered when the apparatus of the present invention is shipped, and are not registered when shipped. However, it is allowed to be registered at the time of the arithmetic processing or during the arithmetic processing.
本発明による画像処理技術によれば、飛来した光子の光量を示す投影データが所定値以下である検出器要素に対応するボクセルについて、第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする。これは、光子の飛来しない領域に存在するボクセルに関してはボクセル値を一律に所定値(たとえばゼロ)とみなすことが可能であることによる。そして、第一および第二積和演算処理は統計的画像再構成法による反復的な演算処理における計算量の多い処理である。したがって、上記のボクセルに関して、かかる積和演算処理をスキップすることにより、演算処理の総時間を大幅に短縮することができる。 According to the image processing technique of the present invention, the execution of at least one of the first and second sum-of-products operations is skipped for voxels corresponding to detector elements whose projection data indicating the amount of light of incoming photons is equal to or less than a predetermined value. To do. This is because the voxel value can be regarded as a predetermined value (for example, zero) uniformly for the voxels existing in the region where the photons do not fly. The first and second product-sum operation processes are processes with a large amount of calculation in an iterative operation process using a statistical image reconstruction method. Therefore, with respect to the above voxels, the total time of the arithmetic processing can be greatly shortened by skipping the product-sum arithmetic processing.
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。
図1は、本発明に係る一実施形態の画像再構成システム1および画像処理装置3の概略構成を示す機能ブロック図である。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is appropriately omitted so as not to overlap.
FIG. 1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of an image reconstruction system 1 and an image processing apparatus 3 according to an embodiment of the present invention.
本実施形態の画像再構成システム1は、画像処理装置3と検出部2とを備えている。
画像処理装置3は、反復演算部32とパラメータ格納部39とを備えている。
反復演算部32は、被測定物20から複数の検出器要素(結晶対14:図2を参照)の各々に飛来した光子の光量を示す投影データと、被測定物20が配置された検出領域22の内部に複数のボクセルBx(図7を参照)が立体的に配列された解析モデルと、に基づいて、統計的画像再構成法を用いて投影データよりボクセルBxごとのボクセル値xを推定する演算処理を反復的に実行して被測定物20の内部構造の三次元画像を再構成する。
また、パラメータ格納部39は、j番目のボクセルBxjを通過した光子がi番目のシンチレーション検出器11iで検出される検出確率Cijを示すデータを格納している。
The image reconstruction system 1 of this embodiment includes an image processing device 3 and a
The image processing device 3 includes an
The
The parameter storage unit 39 stores data indicating a detection probability C ij in which a photon that has passed through the j th voxel Bx j is detected by the i th scintillation detector 11 i.
そして、本実施形態の反復演算部32は、パラメータ格納部39から読み出された検出確率Cijと、j番目のボクセルBxjのボクセル値xjとの第一積和演算処理と、検出確率Cijと、i番目の検出器要素にかかる投影データとの第二積和演算処理と、を含む演算処理を行う。
また、本実施形態の反復演算部32は、投影データが所定値以下であるシンチレーション検出器11に対応するボクセルBxについて、第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする。
Then, the
In addition, the
画像再構成システム1は、互いに対向する一対の検出プレート10(10A,10B)を有する対向型PET装置を構成し、被測定物20から放射された放射線の線量を測定して、被測定物20の外形とともにその内部構造の三次元画像を推定(再構成)する。
The image reconstruction system 1 constitutes an opposed PET apparatus having a pair of detection plates 10 (10A, 10B) facing each other, measures the dose of radiation emitted from the measured
検出部2は、互いに対向する検出面12(12A、12B)を有する一対の検出プレート10A,10Bと、これら検出プレート10A,10Bを並進移動または回転移動させる駆動機構41と、を有している。人体などの被測定物20は、これら検出プレート10A,10Bによって挟み込まれる。
The
検出プレート10には、多数のシンチレーション検出器11(11A,11B)が二次元平面内に配列されている。
シンチレーション検出器11の配列の態様は特に限定されず、格子状、千鳥状、またはそれ以外でもよい。本実施形態では、シンチレーション検出器11がX−Y平面に沿って格子状(マトリクス状)に配列された検出プレート10を例示する。
各方向のシンチレーション検出器11の配列数は任意であるが、本実施形態では、X,Y軸方向に沿って、それぞれm個ずつのシンチレーション検出器11が配列されて検出プレート10を構成しているものとする。
On the detection plate 10, a large number of scintillation detectors 11 (11A, 11B) are arranged in a two-dimensional plane.
The arrangement of the
The number of
シンチレーション検出器11は、シンチレータ結晶(図示せず)と、シンチレータ結晶の内部で放射線が消失することにより発生する蛍光を受光する受光素子(図示せず)とを有している。
検出プレート10A,10Bの対向する検出面12は、シンチレータ結晶の端面の集合により構成されている。各シンチレータ結晶は面一に配置され、検出面12は平坦に形成されている。
本実施形態のシンチレータ結晶は、検出面12を構成する端面が正方形をなす四角柱をなしている。ただし、シンチレータ結晶の端面の形状および寸法はこれに限られるものではない。
そして、本実施形態は、対向するシンチレーション検出器11Aと11Bとの組み合わせごとに、被測定物20からの放射線の飛来を検出する。
The
The opposing detection surfaces 12 of the
The scintillator crystal of the present embodiment is a quadrangular prism whose end surface constituting the
And this embodiment detects the radiation of radiation from the to-
すなわち、本実施形態の画像再構成システム1は、対向して配置されたシンチレーション検出器11の対(結晶対14)を、検出器要素として備えている。そして、シンチレーション検出器11では、被測定物20から所定方向の両側に放射された光子対を検出する。
That is, the image reconstruction system 1 according to the present embodiment includes a pair of scintillation detectors 11 (crystal pair 14) arranged to face each other as a detector element. The
駆動機構41は、画像処理装置3に組み込まれた制御部40からの制御信号に従って、一対の検出プレート10A,10Bを駆動する機能を有する。本実施形態では、駆動機構41は、検出プレート10A,10Bの間の間隔を狭めたり、一対の検出プレート10A,10BをX軸の周りに回転させたり、一対の検出プレート10A,10BをX軸方向に移動させたりすることができる。
したがって、本実施形態の画像再構成システム1は、駆動機構41の駆動により、一対の検出面12A、12Bの間隔が可変である。したがって、検出プレート10A,10Bに挟み込まれた被測定物20は検出面12A、12Bに押圧されて拡幅する。画像再構成システム1では、かかる押圧状態の被測定物20から飛来する放射線を受光する。
ユーザは、キーボードやポインティングデバイスなどの入力操作部51を通じて制御部40に指示を出すことにより、駆動機構41に検出プレート10A,10Bを駆動させることができる。
The
Therefore, in the image reconstruction system 1 of the present embodiment, the distance between the pair of detection surfaces 12A and 12B is variable by driving the
The user can cause the
被測定物20の内部には、陽電子を発生させる放射性同位元素(RI:Radioactive Isotope)が分布している。たとえば、被測定物20が人体や動物などの被検体であれば、この被検体に放射性同位元素を投与することで放射線同位元素を被測定物20内に分布させることができる。陽電子は、放射性同位元素の崩壊過程で発生する。陽電子が被測定物20内の電子と相互作用して消滅すると、約511keVのエネルギーを持つ2本のガンマ線(光子対)が発生し、これらガンマ線は互いに反対方向に放出される。よって、陽電子が消滅した地点に関して点対称性を有する一対のシンチレーション検出器11A,11Bが、それぞれ、当該2本のガンマ線をほぼ同時に検出することとなる。よって、光子対をそれぞれ検出した一対のシンチレーション検出器11A,11Bを結ぶ線上に、陽電子が消滅した地点が存在する。
Radioactive isotopes (RI) that generate positrons are distributed inside the object to be measured 20. For example, if the object to be measured 20 is an object such as a human body or an animal, the radioisotope can be distributed in the object to be measured 20 by administering a radioisotope to the object. Positrons are generated in the decay process of radioisotopes. When a positron interacts with an electron in the object to be measured 20 and disappears, two gamma rays (photon pairs) having an energy of about 511 keV are generated, and these gamma rays are emitted in opposite directions. Therefore, the pair of
シンチレーション検出器11A,11Bに用いられるシンチレータ結晶は、X線やガンマ線などの高エネルギー放射線の光子を、よりエネルギーの低い多数の光子(蛍光)に変換する結晶体である。この種の結晶体としては、たとえば、BGOやLSOなどの公知の結晶体を使用すればよい。
検出プレート10A,10Bが備える受光素子は、シンチレーション検出器11A,11Bで生成された蛍光出力を増幅し、電気信号に変換する。その電気信号は、ケーブルなどの転送手段(図示せず)を介して、光子を検出したシンチレーション検出器11A,11Bの番地情報とともに、画像処理装置3の投影データ生成部31に転送される。
The scintillator crystal used in the
The light receiving elements included in the
投影データ生成部31は、検出プレート10A,10Bから転送された電気信号に基づいて、結晶対14ごとに検出した光子を計数し、この計数結果に基づいて、結晶対14(検出器要素)毎の投影データ(実測投影データ)を生成する。この実測投影データは、メモリ37内のデータ記憶部38に格納される。
The projection
図2は、実測投影データyを説明するための模式図である。被測定物20内の投影線上の陽電子消滅地点(線源)21から所定方向の両側に放射された光子は、検出プレート10A,10Bのシンチレーション検出器11A,11Bでそれぞれほぼ同時に検出される。
線源21は被測定物20のほぼ全体に分布しており、光子は被測定物20のほぼ全体から、さまざまな方向に対して放射される。そして、癌細胞のように活性の高い部位に線源21は高密度で集中しているため、癌細胞を挟む結晶対14では光子が多く検出される。
図2に示すように、特定のシンチレーション検出器11Bに着目した場合、検出プレート10Aを構成する各シンチレーション検出器11Aのうち、線源21を挟むシンチレーション検出器11A1と、線源21を挟まないシンチレーション検出器11A2とが存在する場合がある。
他のシンチレーション検出器11Bに関しても同様である。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the actually measured projection data y. Photons emitted from the positron annihilation point (ray source) 21 on the projection line in the object to be measured 20 to both sides in a predetermined direction are detected almost simultaneously by the
The radiation source 21 is distributed over almost the entire object to be measured 20, and photons are emitted from almost the entire object to be measured 20 in various directions. Since the radiation source 21 is concentrated at high density in a highly active site such as a cancer cell, many photons are detected in the
As shown in FIG. 2, when focusing on a specific scintillation detector 11B, among the
The same applies to the other scintillation detectors 11B.
投影データ生成部31(図1を参照)は、対向するシンチレーション検出器11A,11Bで所定の時間差内に光子を検出したことを検知すると、かかるシンチレーション検出器11A,11Bの組み合わせに相当する結晶対14i(iは結晶対の番号)について、当該光子の光量を積算してカウントする。かかる計測を所定時間に亘っておこなうことにより、結晶対の番号ごとの実測投影データy(実測投影データyi)を求めることができる。
そして、積算された実測投影データyiの分布に基づいて、統計的画像再構成法を用いることにより線源21の分布密度が再構成され、もって癌細胞23の有無およびその位置が推定される。
When the projection data generation unit 31 (see FIG. 1) detects that the photons are detected within a predetermined time difference by the opposing
The distribution density of the radiation source 21 is reconstructed by using a statistical image reconstruction method based on the accumulated distribution of the actually measured projection data y i , and the presence and position of the
図1に示す反復演算部32は、被測定物20が配置された検出領域22の内部に複数のボクセルBx(立方形状または長方形状などの微小な立体要素、図7を参照)が立体的に配列された解析モデル25を利用して画像再構成処理を実行する。
反復演算部32は、データ記憶部38から実測投影データyiを読み出し、統計的画像再構成法に従って、この実測投影データyiを用いてボクセルBx毎の放射能濃度に相当するボクセル値xを推定する演算処理を反復的に実行する。
これにより、被測定物20の内部構造の断層画像または三次元画像を再構成する機能を有している。本実施形態では、ボクセル値の三次元画像に基づいて、二次元画像である断層画像を出力することを含めて、三次元画像の再構成という。
The
The
This has a function of reconstructing a tomographic image or a three-dimensional image of the internal structure of the
本実施形態では、統計的画像再構成法として、典型的なML−EM法を使用することができる。ただし、使用可能な統計的画像再構成法はこれに限定されるものではない。 In the present embodiment, a typical ML-EM method can be used as the statistical image reconstruction method. However, the statistical image reconstruction method that can be used is not limited to this.
反復演算部32は、前方投影算出部33、後方投影算出部34および濃度算出部35という機能ブロックを有する。これらの機能ブロックは、ML−EM法に従って処理を反復的に実行する。ML−EM法では、以下の推定式(1)が使用される。
The
ただし、推定式(1)中のCjは、次式(1A)で与えられる。 However, C j in the estimation formula (1) is given by the following formula (1A).
上記推定式(1)中、kは反復回数であり、xj (k)はk回目の処理におけるj番目のボクセルBxjの放射能濃度(ボクセル値x)である。yiはi番目の結晶対(結晶対14i)による検出結果に基づいて得られた、上述の実測投影データの値(投影値)である。
本実施形態の画像再構成システム1の場合、検出プレート10は、シンチレーション検出器11がX,Y軸方向に沿ってそれぞれm個ずつ配列されて構成されている。したがって、検出プレート10はそれぞれm2個のシンチレーション検出器11を有している。そして、シンチレーション検出器11の組み合わせである結晶対14はm4組だけ存在し、iの最大値はm4となる。
In the estimation formula (1), k is the number of iterations, and x j (k) is the radioactivity concentration (voxel value x) of the j-th voxel Bx j in the k-th process. y i is a value (projection value) of the above-mentioned measured projection data obtained based on the detection result by the i-th crystal pair (crystal pair 14 i ).
In the case of the image reconstruction system 1 of the present embodiment, the detection plate 10 is configured by arranging
また、xj (k+1)は、(k+1)回目の処理におけるj番目のボクセルBxjにおける放射能濃度である。よって、k回目のボクセル値xj (k)から、(k+1)回目のボクセル値xj (k+1)が算出される。
ここで、xj (k)の初期値xj (0)は、正の実数であるかぎりどのような値に設定されても、反復回数kを十分に大きく設定して演算処理を反復的に行うことで、所定の確度の三次元画像を再構成することができる。
X j (k + 1) is the radioactivity concentration in the j-th voxel Bx j in the (k + 1) -th processing. Therefore, the k-th voxel value x j (k), is (k + 1) -th voxel values x j (k + 1) is calculated.
Here, the initial value x j (0) of x j (k) is set to any value as long as it is a positive real number. By doing so, a three-dimensional image with a predetermined accuracy can be reconstructed.
推定式(1)において、Cijは、j番目のボクセルBxjから飛来した光子対がi番目の結晶対14iで検出される確率(検出確率)である。ボクセルBxjから飛来した光子対が結晶対14iに入射する数は、検出確率Cijに依存することが知られている。検出確率CijとCjの値は、予め算出されたうえでパラメータ格納部39に格納されている。
In the estimation formula (1), C ij is a probability (detection probability) that a photon pair flying from the j-th voxel Bx j is detected by the i-
検出確率Cijは、行列(「システムマトリクス」と呼ばれる。)のi行j列目の要素とみなすことができる。検出確率Cijの値には、散乱や減衰などの物理的要因を組み込むことが可能であるが、本実施形態では、検出確率Cijの値は、i番目の結晶対14iに対するj番目のボクセルBxjの幾何学的位置のみにより定めることができる。
検出確率Cijの値には、レイトレース法(Ray-tracing method)や、モンテカルロシミュレーション法(Monte Carlo simulation method)等によって求まる値を設定することができる。
The detection probability C ij can be regarded as an element in the i-th row and j-th column of the matrix (referred to as “system matrix”). The value of the detection probability C ij is susceptible to incorporate physical factors such as scattering and attenuation, in the present embodiment, the value of the detection probability C ij is, j th for the i-th crystal pairs 14 i It can be determined only by the geometric position of the voxel Bx j .
As the value of the detection probability C ij, a value determined by a ray-tracing method, a Monte Carlo simulation method, or the like can be set.
次に、画像処理装置3の動作として実現される本実施形態の画像処理方法(以下、本方法という)を説明する。 Next, the image processing method of the present embodiment (hereinafter referred to as the present method) realized as the operation of the image processing apparatus 3 will be described.
まず、本方法の概要について説明する。
本方法は、被測定物20から複数の検出器要素(結晶対14)の各々に飛来した光子の光量を示す投影データに基づいて、統計的画像再構成法を用いて被測定物20の内部構造の三次元画像を再構成する方法である。
この本方法は、
(a)被測定物20が配置された検出領域22の内部に複数のボクセルBxを立体的に配列して解析モデルを生成するモデル生成ステップと、
(b)j番目のボクセルBxjを通過した光子がi番目の結晶対14iで検出される検出確率Cijと、j番目のボクセルBxjのボクセル値xjとの第一積和演算処理をおこなう前方投影ステップと、
(c)検出確率Cijと、i番目の結晶対14iにかかる投影データとの第二積和演算処理をおこなう後方投影ステップと、
(d)前方投影ステップおよび後方投影ステップを反復的に実行してボクセルBxごとのボクセル値xを推定する反復演算ステップと、
を含む。
そして、本方法は、投影データが所定値以下である結晶対14に対応するボクセルBxについて、第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする。
First, an outline of this method will be described.
This method uses the statistical image reconstruction method based on projection data indicating the amount of photons flying from the device under
This method is
(A) a model generation step for generating an analysis model by three-dimensionally arranging a plurality of voxels Bx in the
(B) First product-sum operation processing of a detection probability C ij in which a photon that has passed through the j-th voxel Bx j is detected by the i-
(C) a back projection step of performing a second product-sum operation process of the detection probability C ij and the projection data concerning the i-
(D) an iterative operation step of repeatedly executing the forward projection step and the backward projection step to estimate a voxel value x for each voxel Bx;
including.
Then, this method skips execution of at least one of the first and second product-sum operation processes for the voxel Bx corresponding to the
また、本方法は、(e)被測定物20を押圧して拡幅させた状態で光子の光量を測定する実測ステップをさらに含む。
The method further includes (e) an actual measurement step of measuring the amount of photons in a state where the device under
つぎに、図面を参照して本方法をより詳細に説明する。
図3は、ML−EM法による処理手順を概略的に示すフローチャートである。
図4は、二次元画像の作成処理(ステップS12)の具体的な手順を示すフローチャートである。
図5は、三次元初期画像の作成出力(ステップS13)の具体的な手順を示すフローチャートである。
図6は、画像再構成処理(ステップS14およびS15)の具体的な手順を示すフローチャートである。
Next, the method will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 3 is a flowchart schematically showing a processing procedure by the ML-EM method.
FIG. 4 is a flowchart showing a specific procedure of the two-dimensional image creation process (step S12).
FIG. 5 is a flowchart showing a specific procedure for generating and outputting a three-dimensional initial image (step S13).
FIG. 6 is a flowchart showing a specific procedure of the image reconstruction process (steps S14 and S15).
ステップS10では、反復演算部32は、パラメータ格納部39から、検出確率{Cij}と係数{Cj}とを読み出す。
続けて、反復演算部32は、データ記憶部38から実測投影データ{yi}を読み出す(ステップS11)。なお、本実施形態では、検出確率{Cij}、係数{Cj}および実測投影データ{yi}が最初に一括して読み出されるが、これに限定されず、必要なときに読み出されてもよい。
In step S < b > 10, the
Subsequently, the
続けて、反復演算部32は、放射能濃度に相当するボクセル値{xj}の値を初期化するため、実測投影データyiに基づいて作成される二次元画像、および二次元画像に基づいて作成される三次元初期画像を作成する(ステップS13、S14)。
反復演算部32は、その後、ボクセルサイズの大きな概略モデルを用いた画像再構成処理(ステップS15)と、ボクセルサイズを微細化した精細モデルを用いた画像再構成処理(ステップS16)とを実行する。
なお、本方法では、ボクセルサイズを二段階に微細化して画像再構成処理をおこなう態様を例示的に説明するが、微細化の段階はこれに限られず三段階以上としてもよい。
また、ボクセルサイズの微細化は、本発明においては任意であり、単一の解析モデルのみを利用して画像再構成処理をおこなってもよい。
Subsequently, the
Thereafter, the
In this method, an example in which the image reconstruction processing is performed by reducing the voxel size in two stages will be described as an example. However, the stage of miniaturization is not limited to this and may be three or more stages.
Further, miniaturization of the voxel size is optional in the present invention, and image reconstruction processing may be performed using only a single analysis model.
まず、画像再構成処理(ステップS15、S16)について、その具体的な手段を、図6を参照して説明する。かかる画像再構成処理に好適に用いられる初期画像として本実施形態で作成される三次元初期画像については後述する。 First, specific means for the image reconstruction process (steps S15 and S16) will be described with reference to FIG. The three-dimensional initial image created in this embodiment as an initial image that is preferably used for such image reconstruction processing will be described later.
図6を参照すると、先ず、反復演算部32は、反復回数の上限を適切な値に設定する(ステップS140)。
概略モデルによる画像再構成処理(以下、「概略再構成処理」という場合がある。)で設定される反復回数k1と、精細モデルによる画像再構成処理(以下、「精細再構成処理」という場合がある。)で設定される反復回数k2とは、互いに同一でも相違してもよい。
また、反復回数k1とk2の値、およびその大小関係も任意であるが、演算処理の総所要時間を短縮して同レベルの精度の画像再構成をおこなう観点からは、k1をk2よりも大きく設定するとよい。
Referring to FIG. 6, first, the
The number of iterations k1 set in the image reconstruction process based on the schematic model (hereinafter sometimes referred to as “schematic reconstruction process”) and the image reconstruction process based on the fine model (hereinafter referred to as “fine reconstruction process”). The number of iterations k2 set in step 2) may be the same as or different from each other.
In addition, the values of the number of iterations k1 and k2, and the magnitude relationship between them, are arbitrary, but from the viewpoint of reducing the total time required for the arithmetic processing and performing image reconstruction with the same level of accuracy, k1 is larger than k2. It is good to set.
図1の前方投影算出部33は、次式(2)に従い、検出確率Cijと、推定濃度に相当するボクセル値xj (k)との積和演算(第一積和演算)を実行して前方投影値piを算出する(ステップS141)。
The forward
推定式(1)中で演算量の多大な部分が、式(2)により与えられる前方投影データの値(前方投影値)piの計算である。
前方投影算出部33は、上式(2)の第一積和演算を、複数のスレッド(グループ)に分解して並列演算により実行してもよい。
A large part of the calculation amount in the estimation formula (1) is the calculation of the forward projection data value (forward projection value) p i given by the formula (2).
The forward
上記ステップS141の処理が終了した後、図1の後方投影算出部34は、次式(3)に従い、実測投影データyiと前方投影値piの逆数との積qiを算出するとともに、検出確率Cijと当該積qiとの第2の積和演算(第二積和演算)を実行して後方投影値Djを算出する(ステップS142)。
After the process of step S141 is completed, the back
この後方投影値Djの計算も、前方投影値の算出と同様に非常に演算量の多い部分である。 The calculation of the rear projection value D j is also a part with a large amount of calculation, like the calculation of the front projection value.
そして、濃度算出部35は、後方投影値Djを用いて、(k+1)回目の推定濃度に相当するボクセル値xj (k+1)(=Dj×xj (k))を算出する(ステップS143)。その後、反復回数k(k1、k2)が上限に達したか否かを判定し(ステップS144)、反復回数kが上限に達するまで、上記ステップS141〜S144の手順を繰り返し実行する。最終的に反復回数kが上限に達したとき(ステップS144のYES)は、図3のフローチャートに戻って、概略再構成処理(ステップS14)または精細再構成処理(ステップS15)を終了する。
Then, the
そして、濃度算出部35は、ボクセル値{xj}を出力する(ステップS16)。
And the density |
表示制御部36は、濃度算出部35から出力されたボクセル値{xj}から三次元画像を生成する。生成画像は、二次元断層画像または三次元画像としてディスプレイ50に表示させることができる。あるいは、濃度算出部35から出力されたボクセル値{xj}は、メモリ37に記憶されてもよい。
The
<三次元初期画像作成処理>
ここで、従来の統計的画像再構成法では、ボクセル値の初期値として、すべてのボクセルに対して正の値を設定し、ボクセル値xj (k)の反復演算をすべてのボクセルBxjに関しておこなっていた。
しかし、上述のように、(k+1)回目の推定濃度に相当するボクセル値xj (k+1)は、k回目の推定濃度に相当するボクセル値xj (k)に後方投影値Djを乗じて算出される。したがって、ひとたびxj (k)がゼロになったボクセルでは、かりに以降の反復演算をおこなったとしてもボクセル値はゼロが繰り返される。
<Three-dimensional initial image creation processing>
Here, in the conventional statistical image reconstruction method, a positive value is set for all voxels as the initial value of the voxel value, and the iterative operation of the voxel value x j (k) is performed for all the voxels Bx j . I was doing it.
However, as described above, the voxel value x j (k + 1) corresponding to the (k + 1) -th estimated density is obtained by multiplying the voxel value x j (k) corresponding to the k-th estimated density by the rear projection value D j. Calculated. Therefore, once a voxel in which x j (k) has become zero, even if the subsequent iterative operation is performed, the voxel value is zero.
このため、本方法においては、反復演算部32は、実測投影データyiが所定値以下である結晶対14に対応するボクセルBxのボクセル値xjをゼロに設定する。そして、ボクセル値xjがゼロに設定されたボクセルBxjに関しては、前方投影ステップ(ステップS141)における前方投影算出部33による第一積和演算処理(上式(2))、または後方投影ステップ(ステップS142)における後方投影算出部34による第二積和演算処理(上式(3))の少なくとも一方の実行をスキップする。
これにより、反復演算部32による演算処理の総所要時間の短縮を図っている。
Therefore, in this method,
As a result, the total time required for the calculation processing by the
図1に示すように、本実施形態の画像処理装置3は、実測投影データyiが所定値以下である結晶対14に対応するボクセルBxに対して、ボクセル値xjの初期値xj (0)としてゼロを与える初期値設定部60を有する。
As shown in FIG. 1, the image processing apparatus 3 according to the present embodiment has an initial value x j ( of a voxel value x j for a voxel Bx corresponding to a
初期値設定部60は、二次元画像生成部61と三次元初期画像生成部62とを備えている。
図7を参照して、初期値設定部60の機能を説明する。
The initial
The function of the initial
初期値設定部60は、上記モデル生成ステップ(a)として、検出プレート10A,10Bに挟まれた検出領域22の内部に複数のボクセルBxが立体的に配列された解析モデル25を作成する。三次元初期画像生成部62を作成するにあたり、本方法では、ボクセルBxのセルサイズとシンチレーション検出器11のサイズとを一致させている。
なお、本方法においては、検出プレート10A,10Bに挟まれた全領域を検出領域22とし、かつ検出領域22の全体をボクセルBxで分割して解析モデル25を構成しているが、本発明はこれに限られない。検出プレート10A,10Bで挟まれた領域の一部を検出領域22としてもよく、解析モデル25を検出領域22の一部領域に対応して生成してもよい。
As the model generation step (a), the initial
In this method, the entire area sandwiched between the
図7(a)は解析モデル25および検出領域22の斜視図である。同図に示すように、本実施形態ではボクセルBxの形状を立方体とする。検出プレート10A,10BをX−Y平面内に設置し、シンチレーション検出器11A,11Bの配列方向をX軸およびY軸方向とする。すなわち、検出プレート10A,10Bは、Z軸方向に対向している。
また、本方法では、検出領域22に対してX,Y,Z軸方向にm個ずつのボクセルBxを配列するものとする。
FIG. 7A is a perspective view of the analysis model 25 and the
In this method, it is assumed that m voxels Bx are arranged in the X, Y, and Z axis directions with respect to the
図7(b)は解析モデル25および被測定物20の斜視図である。同図に示すように、被測定物20は検出領域22の内部にセットされる。同図では、検出プレート10A,10Bは図示を省略している。
被測定物20としては、被験者の乳房を例示する。乳房は、ほぼ回転対称形をなすことを特徴とする部位である。具体的には、半球状または回転楕円体(半体)をなしている。
ただし、本実施形態の画像再構成システム1では、被験者のリンパ節を含む領域や、胃や肝臓などの内臓を含む領域などの人体、または他の物体を被測定物20とすることもできる。
被測定物20は、その回転軸AXをX軸またはY軸方向に一致させて、検出プレート10A,10Bにて挟持する。同図では、回転軸AXをX軸方向に一致させている。
FIG. 7B is a perspective view of the analysis model 25 and the
The
However, in the image reconstruction system 1 of the present embodiment, a human body such as a region including a subject's lymph node, a region including a visceral organ such as a stomach or a liver, or another object can be used as the
The
ここで、図2を参照して上述したように、投影データ生成部31は、被測定物20から放射される光子の光量を結晶対14iごとに積算して実測投影データyiを計測する(実測ステップ(e))。かかる計測は、駆動機構41を駆動して検出プレート10A,10Bの対向間隔を調整して、被測定物20を検出プレート10A,10Bで押圧して拡幅させた状態でおこなう。
これにより、自然状態における被測定物20のZ軸方向投影図よりも広い領域において光子が検出されることとなる。一方、癌細胞23は被測定物20の内部に存在する。このため、被測定物20を押圧することにより、被測定物20における癌細胞23の周囲領域を拡大した状態で実測投影データyiを測定することとなる。よって、後述する三次元初期画像26の非ゼロ領域26NZは癌細胞23を十分に内包することとなり、被測定物20のうち線源21(図2を参照)が含まれる可能性のある領域に対してボクセル値xjの初期値をゼロと誤設定してしまうことがない。
Here, as described above with reference to FIG. 2, the projection
As a result, photons are detected in an area wider than the Z-axis direction projection of the
二次元画像生成部61は、実測投影データyiが所定値以下である結晶対14iに対応するボクセルBxの集合であるゼロ領域24ZAと、実測投影データyiが所定値よりも大きい結晶対14iに対応するボクセルBxの集合である非ゼロ領域24NZと、を含む、ボクセル値xjの二次元画像24を作成する。
The two-dimensional
図4を参照して、二次元画像生成部61による二次元画像の作成処理(図3におけるステップS12)を具体的に説明する。
With reference to FIG. 4, the two-dimensional image creation processing (step S12 in FIG. 3) by the two-dimensional
二次元画像生成部61は結晶対14を順番に指定する(ステップS120)。本実施形態の検出プレート10はシンチレーション検出器11をそれぞれm2個ずつ備えており、結晶対14はm4組存在する。
次に、二次元画像生成部61は、指定された結晶対14iに関する実測投影データyiをデータ記憶部38から読み出す(ステップS121)。
The two-dimensional
Next, the two-dimensional
二次元画像生成部61は、実測投影データyiのゼロ判定をおこない(ステップS122)、ゼロの場合は(ステップS122:No)次の結晶対14iに関する処理をおこなう。
実測投影データyiのゼロ判定においては、所定の微小な閾値を設定し、実測投影データyiが閾値以下の場合には、再構成される画像に与える影響が無視できる程度にゼロに近接する(実質的にゼロである)ものとして、実測投影データyiをゼロと判定してもよい。以下、実測投影データyiまたはボクセル値xjの値がゼロであるとは、当該値がゼロの場合と、実質的にゼロの場合とを含むものとする。
The two-dimensional
In the zero determination of the measured projection data y i , a predetermined minute threshold is set, and when the measured projection data y i is equal to or less than the threshold, the measured projection data y i is close to zero so that the influence on the reconstructed image can be ignored. The measured projection data y i may be determined to be zero as being (substantially zero). Hereinafter, the value of the measured projection data y i or the voxel value x j being zero includes the case where the value is zero and the case where the value is substantially zero.
そして、実測投影データyiが非ゼロの場合(ステップS122:Yes)、当該結晶対14iを構成するシンチレーション検出器11A,11Bの間に線源21が存在することが分かる。二次元画像生成部61は、結晶対14iに挟まれるボクセルBxjのうち、Z軸方向の中間位置に存在するものに対して、当該実測投影データyiの値を加算する(ステップS123)。
本実施形態の検出プレート10は、シンチレーション検出器11が平面的に平坦に配置されているため、結晶対14iの中間位置は、検出プレート10AのZ高さと,検出プレート10BのZ高さの中間に存在する二次元平面27を描く。
これにより、当該二次元平面27を構成するボクセルBxjに対して非ゼロのボクセル値xjが設定される。
Then, when the actually measured projection data y i is non-zero (step S122: Yes), it is understood that the radiation source 21 exists between the
In the detection plate 10 of this embodiment, since the
Thereby, a non-zero voxel value x j is set for the voxel Bx j constituting the two-
二次元画像生成部61は、iがm4に至るまで、上記処理を繰り返す(ステップS124)。
これにより、シンチレーション検出器11A,11Bの中間高さに配置されたボクセルBxjのうち、結晶対14での検出確率の高いものに対して、大きなボクセル値xjが設定される。
The two-dimensional
As a result, a large voxel value x j is set for a voxel Bx j arranged at an intermediate height between the
そして、二次元画像生成部61は、積算されたボクセル値xjを係数{Cj}で除するなどの適宜演算をおこない、二次元画像24の濃度値を算出する(ステップS125)。
Then, the two-dimensional
図7(c)は、かかる二次元作成処理により生成された二次元画像24の一例を示す斜視図である。
二次元画像24には、濃度値がゼロであるゼロ領域24ZAと、濃度値が非ゼロである非ゼロ領域24NZとが存在する。
そして、二次元画像24の非ゼロ領域24NZにおける複数のボクセル値xjは、実測投影データyiの値に応じて互いに相違する。すなわち、本方法では、二次元平面27上のボクセルBxに対して、ステップS123において実測投影データyiの値を積算していくため、実測投影データyiの大小が二次元画像24の画素濃度値として反映される。
そして、二次元画像24の非ゼロ領域24NZのうち、画素濃度値の大きい領域(高濃度領域28)は、線源21が密集した癌細胞23(図2を参照)を二次元平面27に投影した形状に相当する。
FIG. 7C is a perspective view showing an example of the two-dimensional image 24 generated by the two-dimensional creation process.
The two-dimensional image 24 includes a zero area 24ZA where the density value is zero and a non-zero area 24NZ where the density value is non-zero.
The plurality of voxel values x j in the non-zero region 24NZ of the two-dimensional image 24 are different from each other according to the value of the measured projection data y i . That is, in this method, the value of the measured projection data y i is added to the voxel Bx on the two-
In the non-zero region 24NZ of the two-dimensional image 24, a region with a high pixel density value (high concentration region 28) projects cancer cells 23 (see FIG. 2) in which the radiation sources 21 are densely projected onto the two-
つぎに、三次元初期画像生成部62は、二次元画像24を内包する三次元初期画像26を作成し、三次元初期画像26におけるゼロ領域26ZAに対応するボクセルを決定する。
Next, the three-dimensional initial
三次元初期画像26の形状は特に限定されるものではない。本方法では、第一の例として、二次元画像24を軸回転してなる三次元初期画像26を三次元初期画像生成部62が作成する場合を説明する。図8(a)は、本方法により作成された三次元初期画像26を示す斜視図である。
The shape of the three-dimensional initial image 26 is not particularly limited. In the present method, as a first example, a case will be described in which the three-dimensional initial
三次元初期画像26は、二次元平面27上において非ゼロ領域24NZおよびゼロ領域24ZAにより構成された二次元画像24のボクセルBxを回転軸AXまわりに180度または360度回転させたものである。
検出領域22に立体的に存在するボクセルBxのうち、二次元平面27におけるゼロ領域24ZAを構成するボクセルの回転位置に対応するものについては、いずれもボクセル値xjをゼロに設定する。
そして、二次元平面27における非ゼロ領域24NZを構成するボクセルの回転位置に対応するものについては、いずれもボクセル値xjを非ゼロの値に設定する。かかる非ゼロの設定値については限定されないが、二次元画像24における画素濃度値の濃淡を三次元初期画像26に対しても反映することにより、統計的画像再構成法に基づく画像再構成演算の収束を早めることができる。
The three-dimensional initial image 26 is obtained by rotating the voxel Bx of the two-dimensional image 24 formed by the non-zero region 24NZ and the zero region 24ZA on the two-
Of sterically present voxel Bx in the
Then, for those corresponding to the rotational position of the voxels constituting the non-zero regions 24NZ in the two-
図5を参照して、三次元初期画像生成部62による三次元初期画像の作成処理(図3におけるステップS13)を具体的に説明する。
With reference to FIG. 5, the three-dimensional initial image creation processing (step S13 in FIG. 3) by the three-dimensional initial
三次元初期画像生成部62は、X軸方向およびY軸方向ごとに、二次元画像24の各画素に関し、当該画素の座標値と画素濃度値との積算値の総和を算出する(ステップS130)。
つぎに、三次元初期画像生成部62は、上記総和を、X軸方向またはY軸方向の実測投影データyiの総量によって除することにより、各軸方向における画素濃度値の重心座標(Gx,Gy)を求める(ステップS131)。
そして、三次元初期画像生成部62は、二次元画像24の回転軸AXとして、重心座標(Gx,Gy)を通り、X軸に平行な直線を設定する。具体的には、y=Gy、z=m/2の直線が回転軸AXとなる。
The three-dimensional initial
Next, the three-dimensional initial
Then, the three-dimensional initial
三次元初期画像生成部62は、ボクセルBxを順番に指定して、当該ボクセルBxjと回転軸AXとのY−Z平面内における距離を算出する(ステップS132)。
本方法では、検出領域22に対してX,Y,Z軸方向にm個ずつのボクセルBxが配列されているため、ボクセルBxは全部でm3個存在することとなる。したがって、たとえばj=1からm3までの引数によってボクセルBxを順に指定する。
The three-dimensional initial
In this method, since m voxels Bx are arranged in the X, Y, and Z axis directions with respect to the
そして、三次元初期画像生成部62は、当該ボクセルBxjのボクセル値xjとして、回転軸AXからの距離がこれと等しい二次元画像24上のボクセルBxのボクセル値xを代入して与える(ステップS133)。これにより、二次元画像24におけるゼロ領域24ZAの回転位置に存在するボクセルBxには初期値xj (0)としてゼロが与えられる。そして、二次元画像24における非ゼロ領域24NZの回転位置に存在するボクセルBxには初期値xj (0)として非ゼロの値が与えられる。
かかる処理により、二次元画像24における画素濃度値が回転軸AXまわりに与えられて三次元初期画像26が作成される。
なお、解析モデル25内の任意のボクセルBxjに関して、回転軸AXからの距離が等しい二次元平面27上のボクセルBxは、回転軸AXから±Y軸方向に2つ存在する場合がある。かかる場合、当該ボクセルBxjに対して、二次元平面27上のどちらのボクセルBxのボクセル値xjを与えてもよい。
Then, the three-dimensional initial
With this processing, the pixel density value in the two-dimensional image 24 is given around the rotation axis AX, and the three-dimensional initial image 26 is created.
Note that there may be two voxels Bx on the two-
ここで、二次元画像24を回転軸AXまわりに回転してなる回転立体は円柱形状となるため、立方体状の解析モデル25のうちY軸およびZ軸成分の絶対値の大きいボクセルBxは当該円柱形状よりも外側に位置することとなる。かかるボクセルBxに関しても、被測定物20の外部領域にあたるとして、本方法では初期値xj (0)にゼロを与える。
Here, since the rotating solid formed by rotating the two-dimensional image 24 about the rotation axis AX has a cylindrical shape, the voxel Bx having a large absolute value of the Y-axis and Z-axis components in the cubic analysis model 25 is the cylinder. It will be located outside the shape. Regarding this voxel Bx, assuming that it corresponds to the external region of the
三次元初期画像生成部62は、ボクセル値xjの初期値xj (0)の設定を、すべてのボクセルBxjに対しておこなう(ステップS134)。
The three-dimensional initial
そして、図3のステップS14に戻り、反復演算部32は、三次元初期画像26におけるゼロ領域26ZAに対応するボクセルについて、前方投影ステップ(ステップS141:図6を参照)または後方投影ステップ(ステップS142)における第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする。
Then, returning to step S14 in FIG. 3, the
本方法においては、三次元初期画像26のゼロ領域26ZAと非ゼロ領域26NZとの境界を、被測定物20の外表面と一致させる、または被測定物20の外表面の僅かに外側に設定することが好ましい。これにより、被測定物20の外表面を含むボクセルに関しては積和演算処理の反復演算を行い、被測定物20の外部領域に関する積和演算処理をスキップすることで、画像再構成の品質と演算時間をバランスして改善することができる。
ここで、被測定物20が軸対称形状の場合、三次元初期画像26の各ボクセルBxjの初期値xj (0)として、被測定物20を内包する最小の領域に対して非ゼロの値を設定することにより、積和演算処理のスキップ回数が最大化されるため好適である。
In this method, the boundary between the zero region 26ZA and the non-zero region 26NZ of the three-dimensional initial image 26 is set to coincide with the outer surface of the
Here, when the
これに対し、被測定物20の形状が軸対称形状ではない場合、または被測定物20の形状が不特定である場合については、三次元初期画像生成部62は、二次元画像24を二次元平面27に直交する方向(Z方向)に掃引してなる三次元初期画像26を作成するとよい。これにより、被測定物20を含むボクセルBxjの初期値xj (0)として、誤ってゼロを設定してしまうことがない。
図8(b)は、三次元初期画像26の第二の例を示す斜視図である。本例では、矢印にて示すように、二次元平面27の非ゼロ領域24NZをZ軸方向に引き出して、柱状の三次元初期画像26を作成している。これにより、一般的形状の被測定物20を内包する立体形状が特定され、かかる立体形状を一部または全部に有するボクセルBxを非ゼロ領域26NZに設定することができる。
On the other hand, when the shape of the device under
FIG. 8B is a perspective view showing a second example of the three-dimensional initial image 26. In this example, as indicated by an arrow, a non-zero region 24NZ of the two-
また、本方法においては、三次元初期画像生成処理(ステップS13)で作成される三次元初期画像26として、図8(a)に示す軸対称形状と、同図(b)に示す柱状とを選択可能としてもよい。
すなわち、本実施形態の三次元初期画像生成部62は、作成する三次元初期画像26のタイプを指定する入力情報を受け付ける指定入力部(入力操作部51)と、入力操作部51が受け付けた入力情報に基づいて、二次元画像24を軸回転してなる三次元初期画像26、または二次元画像24を当該二次元平面に直交する方向に掃引してなる三次元初期画像26、のいずれかを作成してもよい。
これにより、被測定物20が軸対称形状に近似できるときは三次元初期画像26を軸対称形状とし、被測定物20がその他の形状である場合には三次元初期画像26を柱状とすることができる。
Further, in this method, as the three-dimensional initial image 26 created in the three-dimensional initial image generation process (step S13), the axially symmetric shape shown in FIG. 8A and the columnar shape shown in FIG. It may be selectable.
That is, the three-dimensional initial
Thus, when the
本方法の二次元画像作成処理(ステップS12)の場合、二次元画像24を構成するボクセル値xjがゼロ領域24ZAに設定されるのは、当該ボクセルBxを間に挟んで対向する結晶対14のすべてについて実測投影データyiの計測値がゼロの場合である。すなわち、図2に示すように、シンチレーション検出器11A1と11Bとの間には線源21が存在するため、当該結晶対14iに関する実測投影データyiは非ゼロとなり、当該結晶対14iの中間位置に存在するボクセルBxは二次元画像24において非ゼロ領域24NZに属することとなる。
In the case of the two-dimensional image creation process (step S12) of the present method, the voxel value x j constituting the two-dimensional image 24 is set in the zero region 24ZA because the
一方、図2に示すシンチレーション検出器11A2と11Bとの間には線源21が存在しないため、当該結晶対14iに関する実測投影データyiはゼロとなり、当該結晶対14iの中間位置に存在するボクセルBxjは二次元画像24においてゼロ領域24ZAに属することとなる。
そして、本方法の場合、二次元画像24を構成する任意のボクセルBxjの初期値xj (0)にゼロが設定されるのは、当該ボクセルBxjを挟むすべての結晶対14にかかる実測投影データyiがゼロの場合である。
すなわち、ボクセルBxに対応する複数の異なる結晶対14iにかかる実測投影データyiが、いずれも所定の閾値以下である場合に、ボクセルBxjについて第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行がスキップされる。
Meanwhile, since the radiation source 21 is not present between the scintillation detector 11A2 and 11B shown in FIG. 2, the measured projection data y i related to the
In the case of this method, the initial value x j (0) of an arbitrary voxel Bx j constituting the two-dimensional image 24 is set to zero because the measurement is performed on all crystal pairs 14 sandwiching the voxel Bx j. This is a case where the projection data y i is zero.
That is, when the measured projection data y i applied to a plurality of different crystal pairs 14 i corresponding to the voxel Bx are all equal to or less than a predetermined threshold value, at least one of the first or second sum-of-products operation processing is performed on the voxel Bx j . Execution is skipped.
したがって、任意のボクセルBxを挟む結晶対14の一つにおいて、確率的な揺らぎによって光子がたまたま検出されなかったとしても、当該ボクセルBxjを挟む他の結晶対14iのいずれかにおいて所定の閾値以上の光量が検出された場合は、当該ボクセルBxの初期値xj (0)には非ゼロの値が設定される。このため、前方投影ステップ(ステップS141)や後方投影ステップ(ステップS142)をおこなうべきボクセルBxに関する演算処理が誤ってスキップされることはない。 Therefore, even if no photon happens to be detected by stochastic fluctuation in one of the crystal pairs 14 sandwiching an arbitrary voxel Bx, a predetermined threshold value is set in any of the other crystal pairs 14 i sandwiching the voxel Bx j. When the above light quantity is detected, a non-zero value is set as the initial value x j (0) of the voxel Bx. For this reason, the arithmetic processing regarding the voxel Bx which should perform a front projection step (step S141) and a back projection step (step S142) is not skipped accidentally.
<画像再構成処理>
初期値xj (0)が設定されたボクセルBxjは、検出確率Cij、係数Cjおよび実測投影データyiを用いた統計的画像再構成法により、ボクセル値xjが推定される。
初期値xj (0)としてゼロが与えられたボクセルBxjでは、上式(2)で算出される前方投影値piは常にゼロとなる。
さらに、初期値xj (0)としてゼロが与えられたボクセルBxjは、対応する実測投影データyiがゼロであったことに起因するため、上式(3)で算出される後方投影値Djもゼロとなる。
したがって、第一積和演算にかかるステップS141の冒頭において、前方投影算出部33はボクセルBxjのゼロ判定をおこなう。そして、ボクセルBxjがゼロである場合には、図6における第一積和演算(ステップS141)および第二積和演算(ステップS142)をともにスキップする。
<Image reconstruction processing>
The voxel value x j is estimated by the statistical image reconstruction method using the detection probability C ij , the coefficient C j, and the actually measured projection data y i for the voxel Bx j for which the initial value x j (0) is set.
In the voxel Bx j to which zero is given as the initial value x j (0) , the forward projection value p i calculated by the above equation (2) is always zero.
Furthermore, since the voxel Bx j given zero as the initial value x j (0) is caused by the fact that the corresponding actually measured projection data y i is zero, the back projection value calculated by the above equation (3) D j is also zero.
Therefore, at the beginning of step S141 related to the first product-sum operation, the forward
ここで、高解像度の三次元画像を再構成するためには、ボクセルサイズを微細化することが求められる。
本方法では、画像再構成処理(ステップS14およびS15)において、反復演算部32は、ボクセルBxのサイズを複数段階に微細化して演算処理を反復的に実行する。
そして、微細化前に三次元初期画像26におけるゼロ領域26ZAに対応していたボクセルBxに内包される微細化後のボクセルBxjについて、反復演算部32は、第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする。
Here, in order to reconstruct a high-resolution three-dimensional image, it is required to reduce the voxel size.
In this method, in the image reconstruction process (steps S14 and S15), the
The
すなわち、本方法では、概略再構成処理(ステップS14)の反復演算と、精細再構成処理(ステップS15)の反復演算とを、異なる解析モデル25を用いて行う。
図9(a)は、概略再構成処理に用いる解析モデル25(概略モデル251)のボクセル配置を示す斜視図である。そして、同図(b)は、精細再構成処理に用いる解析モデル25(精細モデル252)のボクセル配置を示す斜視図である。
精細モデル252におけるボクセルBx(ボクセルBx2)は、概略モデル251におけるボクセルBx(ボクセルBx1)の辺長を各軸方向に二分の一としたものである。
したがって、精細モデル252は、概略モデル251に対して八倍のボクセル数で構成され、各軸方向に関して二倍の解像度にて被測定物20の内部構造の三次元画像を再構成することができる。
精細モデル252を構成するボクセルBx2は、各軸方向に隣接する他のボクセルとあわせた合計8個が、概略モデル251のボクセルBx1の個々に対応する。すなわち、ボクセルBx1とボクセルBx2とは、1:N(Nは2以上の整数)で対応する。
That is, in this method, the iterative operation of the rough reconstruction process (step S14) and the iterative operation of the fine reconstruction process (step S15) are performed using different analysis models 25.
FIG. 9A is a perspective view showing the voxel arrangement of the analysis model 25 (schematic model 251) used for the rough reconstruction process. FIG. 5B is a perspective view showing the voxel arrangement of the analysis model 25 (fine model 252) used for the fine reconstruction process.
The voxel Bx (voxel Bx2) in the fine model 252 is obtained by halving the side length of the voxel Bx (voxel Bx1) in the general model 251 in each axial direction.
Therefore, the fine model 252 is configured with eight times the number of voxels as compared with the schematic model 251, and can reconstruct a three-dimensional image of the internal structure of the
A total of eight voxels Bx2 constituting the fine model 252 together with other voxels adjacent in the respective axial directions correspond to the individual voxels Bx1 of the schematic model 251. That is, voxel Bx1 and voxel Bx2 correspond by 1: N (N is an integer of 2 or more).
また、精細モデル252においては、検出領域22の内部が各軸方向に2m個のボクセルで分割されることになる。そして、個々のシンチレーション検出器11に対して4個のボクセルが対応する。
Further, in the fine model 252, the inside of the
本方法では、概略モデル251により高速で第一および第二積和演算を実行して得られたボクセルBx1のボクセル値xjを、精細モデル252による第一および第二積和演算の初期値としてボクセルBx2に与える。
したがって、概略再構成処理の初期値xj (0)としてゼロが与えられたボクセルBx1に包含されるボクセルBx2に関しては、精細再構成処理の初期値として引き続きゼロが与えられる。
これにより、実測投影データyiがゼロである結晶対14iに対応する三次元初期画像26のゼロ領域26ZAに含まれるボクセルBx2に対しては、精細再構成処理における第一および第二積和演算がスキップされるため、精細再構成処理の総所要時間を抑制することができる。
In this way, a voxel value x j of the voxels Bx1 obtained by executing the first and second product-sum operation at a high speed by schematic model 251, as the first and the initial value of the second product-sum operation by definition model 252 Give to voxel Bx2.
Therefore, regarding the voxel Bx2 included in the voxel Bx1 to which zero is given as the initial value x j (0) of the rough reconstruction process, zero is continuously given as the initial value of the fine reconstruction process.
Thus, for the voxel Bx2 included in the zero region 26ZA of the three-dimensional initial image 26 corresponding to the
なお、精細モデル252においては、一つのシンチレーション検出器11に対して、4個のボクセルが対応する。ここで、上式(3)に示す実測投影データyiに関しては、投影データ生成部31により生成されて概略再構成処理に供された投影値をそのまま用いてもよく、またはボクセルBx2に対応して投影値を内挿補間した補間データを用いてもよい。
また、検出確率Cijおよび係数Cjに関しては、精細モデル252のボクセルBx2に対応して予め算出された値を用いる。
In the fine model 252, four voxels correspond to one
For detection probability C ij and coefficient C j , values calculated in advance corresponding to voxel Bx2 of fine model 252 are used.
なお、本方法においては、概略モデル251のボクセルBx1と精細モデル252のボクセルBx2とが1:Nで対応する場合を例示したが、本発明はこれに限られない。すなわち、概略モデル251のボクセルBx1と精細モデル252のボクセルBx2とをM:N(MはNよりも小さな2以上の整数)で対応させてもよい。
この場合、概略再構成処理で求められたボクセルBx1ごとのボクセル値xjを、ボクセルBx1およびボクセルBx2の位置関係に基づいて適宜内挿補間して、ボクセルBx2の初期値を求めるとよい。
In this method, the case where the voxel Bx1 of the general model 251 and the voxel Bx2 of the fine model 252 correspond by 1: N is exemplified, but the present invention is not limited to this. That is, the voxel Bx1 of the general model 251 and the voxel Bx2 of the fine model 252 may be associated with each other by M: N (M is an integer of 2 or more smaller than N).
In this case, the voxel values x j for each voxel Bx1 obtained in schematic reconstruction process, and during the interpolation appropriately based on the positional relationship of the voxel Bx1 and voxel Bx2, may determine the initial value of the voxel Bx2.
ところで、図1の画像処理装置3の機能ブロック31〜36の全部または一部は、半導体集積回路などのハードウェアで実現されてもよいし、あるいは、不揮発性メモリや光ディスクなどの記録媒体に記録されたプログラムまたはプログラムコードで実現されてもよい。このようなプログラムまたはプログラムコードは、機能ブロック31〜36の全部または一部の処理を、CPUなどのプロセッサを有するコンピュータに実行させるものである。
Incidentally, all or part of the
また、データ記憶部38やパラメータ格納部39は、揮発性メモリまたは不揮発性メモリなどの記録媒体(たとえば、半導体メモリや磁気記録媒体)と、この記録媒体に対してデータの書込と読出を行うための回路やプログラムとで構成することができる。データ記憶部38やパラメータ格納部39は、予め記録媒体の所定の記憶領域上に構成されていてもよいし、あるいは、画像処理装置3の動作時に割り当てられた適当な記憶領域上に構成されてもよい。 In addition, the data storage unit 38 and the parameter storage unit 39 perform recording and reading of data to and from a recording medium such as a volatile memory or a non-volatile memory (for example, a semiconductor memory or a magnetic recording medium). And a circuit or a program for this purpose. The data storage unit 38 and the parameter storage unit 39 may be configured in advance on a predetermined storage area of the recording medium, or may be configured on an appropriate storage area assigned when the image processing apparatus 3 is operated. Also good.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
たとえば、上記実施形態では、画像再構成処理の初期値xj (0)を設定するために三次元初期画像26を作成しているが、これに限られない。たとえば、画像処理装置3が、実測投影データyiが閾値以下である結晶対14iに挟まれるボクセルBxの番号iをすべて記憶しておき、当該ボクセルBxjに関する第一または第二積和演算処理をスキップしてもよい。 For example, in the above embodiment, the three-dimensional initial image 26 is created in order to set the initial value x j (0) of the image reconstruction process, but the present invention is not limited to this. For example, the image processing apparatus 3, the measured projection data y i is stores all the number i of voxels Bx sandwiched crystal pairs 14 i is equal to or less than the threshold, the first or second product-sum operation on the voxel Bx j Processing may be skipped.
また、上記実施形態では、ボクセル値xjの初期値xj (0)としてゼロを設定する態様を例示したが、これに限られない。所定のボクセルBxに対して、予め定めた特定のフラグ値を初期値xj (0)として与え、前方投影算出部33または後方投影算出部34にてボクセル値xjとフラグ値との一致判定をおこなってもよい。
In the above embodiment has illustrated the manner of setting zero as the initial value x j (0) of the voxel values x j, it is not limited thereto. A predetermined specific flag value is given as an initial value x j (0) to a predetermined voxel Bx, and the front
また、上記実施形態では、一対の検出プレート10A,10Bを使用し、これら検出プレート10A,10Bの検出面は平面であったが、これらに限定されるものではない。図1に示す検出部2に代えて、連続的に分布する単一の検出面12あるいは3個以上の検出面12を有する検出装置を使用してもよい。また、検出面12の形状は平面に限定されるものではなく曲面であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although a pair of
上記実施形態では、画像処理装置3は対向型PET装置に適用されたが、これに限定されるものではない。画像処理装置3は、X線CT装置などの他の検出装置にも適用することが可能である。
X線CT装置の場合、検出部2は必ずしも対向する一対の検出プレート10を備えてはいない。この場合、光源より照射されて被測定物20を透過するX線の光量を、複数の位置にて検出プレート10で測定する。そして、被測定物20に対する既知の入射強度と、検出プレート10における検出強度が実質的に等しい検出器要素を検出することにより、当該検出プレート10の位置と光源との間に被測定物20が存在しないことが知得される。そして、かかる不存在領域に配置されたボクセルBxの初期値xj (0)をゼロに設定することにより、X線CT装置に関しても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, the image processing apparatus 3 is applied to the opposed PET apparatus, but is not limited to this. The image processing apparatus 3 can also be applied to other detection apparatuses such as an X-ray CT apparatus.
In the case of an X-ray CT apparatus, the
また、上記実施形態では、統計的画像再構成法としてML−EM法が使用されているが、検出確率を用いて前方投影データまたは後方投影データが使用される統計的画像再構成法であればよく、ML−EM法に限定されるものではない。たとえば、OS−EM法やMAP−EM(Maximum A Posteriori - Expectation Maximization)法などのML−EM法の改良版を使用することが可能である。 In the above embodiment, the ML-EM method is used as the statistical image reconstruction method. However, if the statistical image reconstruction method uses the forward projection data or the backward projection data using the detection probability. Well, it is not limited to the ML-EM method. For example, an improved version of the ML-EM method such as the OS-EM method or the MAP-EM (Maximum A Posteriori-Expectation Maximization) method can be used.
さらに、画像再構成処理に用いる実測投影データyiは、上記実施形態のように検出部2で計測して取得してもよく、または記憶媒体から画像処理装置3のデータ記憶部38に取り込んで記憶してもよい。
Further, the measured projection data y i used for the image reconstruction process may be measured and acquired by the
1 画像再構成システム
2 検出部
3 画像処理装置
10 検出プレート
11 シンチレーション検出器
12 検出面
14 結晶対
20 被測定物
21 線源
22 検出領域
23 癌細胞
24 二次元画像
24NZ 非ゼロ領域
24ZA ゼロ領域
25 解析モデル
251 概略モデル
252 精細モデル
26 三次元初期画像
26NZ 非ゼロ領域
26ZA ゼロ領域
27 二次元平面
28 高濃度領域
31 投影データ生成部
32 反復演算部
33 前方投影算出部
34 後方投影算出部
35 濃度算出部
36 表示制御部
37 メモリ
38 データ記憶部
39 パラメータ格納部
40 制御部
41 駆動機構
50 ディスプレイ
51 入力操作部
60 初期値設定部
61 二次元画像生成部
62 三次元初期画像生成部
AX 回転軸
Bx ボクセル
x ボクセル値
y 実測投影データ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (15)
j番目のボクセルを通過した前記光子がi番目の検出器要素で検出される検出確率Cijを示すデータを格納しているパラメータ格納部と、
を備える画像処理装置であって、
前記反復演算部が、
(A)前記パラメータ格納部から読み出された検出確率Cijと、前記j番目のボクセルのボクセル値との第一積和演算処理と、
前記検出確率Cijと、前記i番目の検出器要素にかかる前記投影データとの第二積和演算処理と、
を含む前記演算処理を行うとともに、
(B)前記投影データが所定値以下である前記検出器要素に対応する前記ボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップすることを特徴とする画像処理装置。 Projection data indicating the amount of photons flying from the object to be measured to each of the plurality of detector elements, an analysis model in which a plurality of voxels are three-dimensionally arranged inside the detection region where the object to be measured is disposed, And reconstructing a three-dimensional image of the internal structure of the object to be measured by repeatedly executing a calculation process for estimating a voxel value for each voxel from the projection data using a statistical image reconstruction method. An iterative operation unit;
a parameter storage unit storing data indicating a detection probability C ij at which the photon that has passed through the j th voxel is detected by the i th detector element;
An image processing apparatus comprising:
The iterative operation unit is
(A) a first product-sum operation process of the detection probability C ij read from the parameter storage unit and the voxel value of the j-th voxel;
A second product-sum operation process of the detection probability C ij and the projection data applied to the i-th detector element;
And performing the arithmetic processing including
(B) An image processing apparatus that skips execution of at least one of the first or second product-sum operation processing for the voxel corresponding to the detector element whose projection data is equal to or less than a predetermined value.
前記二次元画像を内包する三次元初期画像を生成し、前記三次元初期画像における前記ゼロ領域に対応するボクセルを決定する三次元初期画像生成部と、
をさらに備え、
前記反復演算部が、前記三次元初期画像における前記ゼロ領域に対応するボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップする請求項1から4のいずれかに記載の画像処理装置。 A zero region that is a set of voxels corresponding to the detector elements whose projection data is less than or equal to the predetermined value, and a non-zero that is a set of voxels corresponding to the detector elements whose projection data is greater than the predetermined value A two-dimensional image generation unit that generates a two-dimensional image of voxel values, including a region,
Generating a three-dimensional initial image including the two-dimensional image, and determining a voxel corresponding to the zero region in the three-dimensional initial image;
Further comprising
The said iterative operation part skips execution of at least one of said 1st or 2nd product-sum operation process about the voxel corresponding to the said zero area | region in the said three-dimensional initial image. Image processing device.
生成する前記三次元初期画像のタイプを指定する入力情報を受け付ける指定入力部と、
前記指定入力部が受け付けた前記入力情報に基づいて、前記二次元画像を軸回転してなる前記三次元初期画像、または前記二次元画像を当該二次元平面に直交する方向に掃引してなる前記三次元初期画像、のいずれかを生成することを特徴とする請求項5に記載の画像処理装置。 The three-dimensional initial image generation unit
A designation input unit for receiving input information for designating a type of the three-dimensional initial image to be generated;
Based on the input information received by the designation input unit, the three-dimensional initial image obtained by axially rotating the two-dimensional image, or the two-dimensional image is swept in a direction orthogonal to the two-dimensional plane. The image processing apparatus according to claim 5, wherein any one of a three-dimensional initial image is generated.
微細化前に前記三次元初期画像における前記ゼロ領域に対応していたボクセルに内包される微細化後のボクセルについて、前記反復演算部が、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップすることを特徴とする画像処理装置。 The image processing apparatus according to any one of claims 5 to 9, wherein the arithmetic processing is repeatedly performed by reducing the size of the voxel in a plurality of stages.
For the voxels after miniaturization included in the voxels corresponding to the zero region in the three-dimensional initial image before miniaturization, the iterative operation unit includes at least one of the first or second product-sum operation processing An image processing apparatus characterized by skipping execution.
前記シンチレーション検出器が、前記被測定物から所定方向の両側に放射された光子対を検出することを特徴とする画像再構成システム。 The image processing apparatus according to any one of claims 1 to 10, comprising a pair of scintillation detectors arranged opposite to each other as the detector element.
The image reconstruction system, wherein the scintillation detector detects a pair of photons emitted from the object to be measured on both sides in a predetermined direction.
(a)前記被測定物が配置された検出領域の内部に複数のボクセルを立体的に配列して解析モデルを生成するモデル生成ステップと、
(b)j番目のボクセルを通過した前記光子がi番目の検出器要素で検出される検出確率Cijと、前記j番目のボクセルのボクセル値との第一積和演算処理をおこなう前方投影ステップと、
(c)前記検出確率Cijと、前記i番目の検出器要素にかかる前記投影データとの第二積和演算処理をおこなう後方投影ステップと、
(d)前記前方投影ステップおよび後方投影ステップを反復的に実行して前記ボクセルごとのボクセル値を推定する反復演算ステップと、
を含むとともに、
前記投影データが所定値以下である前記検出器要素に対応する前記ボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップすることを特徴とする画像処理方法。 An image for reconstructing a three-dimensional image of the internal structure of the object to be measured using a statistical image reconstruction method based on projection data indicating the amount of photons flying from the object to be measured to each of the plurality of detector elements. A processing method,
(A) a model generation step of generating an analysis model by three-dimensionally arranging a plurality of voxels within a detection region in which the object to be measured is arranged;
(B) A forward projection step of performing a first product-sum operation process of a detection probability C ij in which the photon that has passed through the j-th voxel is detected by the i-th detector element and a voxel value of the j-th voxel When,
(C) a back projection step of performing a second product-sum operation process of the detection probability C ij and the projection data applied to the i-th detector element;
(D) an iterative operation step of repeatedly executing the forward projection step and the backward projection step to estimate a voxel value for each voxel;
Including
An image processing method characterized by skipping execution of at least one of the first or second product-sum operation processing for the voxel corresponding to the detector element whose projection data is equal to or less than a predetermined value.
前記画像再構成処理が、
(a)前記被測定物が配置された検出領域の内部に複数のボクセルを立体的に配列して解析モデルを生成するモデル生成処理と、
(b)j番目のボクセルを通過した前記光子がi番目の検出器要素で検出される検出確率Cijと、前記j番目のボクセルのボクセル値との第一積和演算処理をおこなう前方投影処理と、
(c)前記検出確率Cijと、前記i番目の検出器要素にかかる前記投影データとの第二積和演算処理をおこなう後方投影処理と、
(d)前記前方投影処理および後方投影処理を反復的に実行して前記ボクセルごとのボクセル値を推定する反復演算処理と、
を含むとともに、
前記投影データが所定値以下である前記検出器要素に対応する前記ボクセルについて、前記第一または第二積和演算処理の少なくとも一方の実行をスキップすることを特徴とするプログラム。 An image for reconstructing a three-dimensional image of the internal structure of the object to be measured using a statistical image reconstruction method based on projection data indicating the amount of photons flying from the object to be measured to each of the plurality of detector elements. A program for causing an information processing apparatus to execute a reconfiguration process,
The image reconstruction process includes:
(A) a model generation process for generating an analysis model by three-dimensionally arranging a plurality of voxels within a detection region in which the object to be measured is arranged;
(B) A forward projection process in which a first product-sum operation process is performed between the detection probability C ij at which the photon that has passed through the j-th voxel is detected by the i-th detector element and the voxel value of the j-th voxel. When,
(C) a back projection process for performing a second product-sum operation process on the detection probability C ij and the projection data applied to the i-th detector element;
(D) an iterative calculation process of repeatedly executing the forward projection process and the backward projection process to estimate a voxel value for each voxel;
Including
A program that skips execution of at least one of the first and second sum-of-products operations for the voxel corresponding to the detector element whose projection data is less than or equal to a predetermined value.
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