CN111685786B - X射线ct装置、图像重建设备及图像重建方法 - Google Patents

X射线ct装置、图像重建设备及图像重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够获得画质得到提高的CT图像的X射线CT装置。该X射线CT装置(1)具备：X射线照射部，能够围绕载置有被照射体的载置部进行旋转，并且照射X射线；X射线检测部，检测从X射线照射部照射出并穿过被照射体后的X射线；及图像重建部，根据由X射线检测部检测到的X射线图像数据来重建被照射体的断层图像。图像重建部(17)进行如下处理：考虑以规定的大小区划了被照射体的多个三维空间所包括的各个区划中的每单位体积的原子数密度及原子序数来计算出X射线检测部所检测到的X射线中的在多个三维空间的各个空间中散射的散射线成分，并考虑该散射线成分来进行图像的重建。

Description

X射线CT装置、图像重建设备及图像重建方法
本申请主张基于2019年3月15日申请的日本专利申请第2019-048696号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种X射线CT装置、图像重建设备及图像重建方法。
背景技术
以往，作为搭载有进行被照射体的断层图像的重建的X射线CT装置的带电粒子束治疗装置，已知有专利文献1中记载的装置。X射线CT装置向被照射体照射X射线，并由X射线检测部获取基于穿过被照射体的X射线的X射线图像数据。并且，X射线CT装置根据检测到的X射线图像数据来进行图像的重建。
专利文献1：日本特开2014-124206号公报
由X射线检测仪检测的X射线中包含穿过被照射体的直射线和散射线。其中，散射线是图像重建时可能会成为干扰的成分，其有可能会使重建图像的画质下降。
发明内容
鉴于这种问题，本发明的目的在于提供一种能够获得画质得到提高的CT图像的X射线CT装置、图像重建设备及图像重建方法。
为了实现上述目的，本发明的一种实施方式所涉及的X射线CT装置具备：X射线照射部，能够围绕载置有被照射体的载置部进行旋转，并且照射X射线；X射线检测部，检测从所述X射线照射部照射出并穿过所述被照射体后的X射线；及图像重建部，根据由所述X射线检测部检测到的X射线图像数据来重建所述被照射体的断层图像，所述图像重建部进行如下处理：考虑以规定的大小区划了所述被照射体的多个三维空间所包括的各个区划中的每单位体积的原子数密度及原子序数来计算出所述X射线检测部所检测到的所述X射线中的在所述多个三维空间的各个空间中散射的散射线成分，并且考虑该散射线成分来进行所述图像的重建。
如上所述，考虑以规定的大小区划了被照射体的多个三维空间的各个空间中的每单位体积的原子数密度及原子序数来计算出X射线检测部所检测到的X射线中的在多个三维空间的各个空间中散射的散射线成分，并考虑该计算结果来进行图像的重建。通过采用该结构，能够考虑到被照射体内部的组织等而更准确地计算出散射线成分。而且，通过采用考虑如此计算出的散射线成分来进行重建图像的结构，散射线成分少的状态下的重建图像变得可能，因此能够提高所得到的CT图像的画质。
在此，在X射线CT装置为锥形束CT装置时，能够有效地发挥上述作用。在锥形束CT装置中，其视场角变大，受到散射线成分的影响而画质下降的可能性较高。因此，在对锥形束CT装置应用了上述结构的情况下，画质的提高效果进一步提高。
根据本发明，提供一种能够获得画质得到提高的CT图像的X射线CT装置、图像重建设备及图像重建方法。
附图说明
图1是表示组装有本实施方式所涉及的X射线CT装置的带电粒子束治疗系统的图。
图2是表示带电粒子束治疗系统的旋转机架的立体图。
图3是表示X射线CT装置的功能性构成要件的框图。
图4是用于说明通常的图像重建的方法的图。
图5是用于说明散射线成分的计算方法的图。
图6是表示图像重建部重建被照射体的图像时的控制处理的流程图。
图中：1-X射线CT装置，5-X射线管(X射线照射部)，7-治疗台(载置部)，9-X射线检测仪(X射线检测部)，17-图像重建部，30-被照射体，51-带电粒子束治疗系统，P-患者(被照射体)。
具体实施方式
以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在以下说明中，对相同的要件标注相同的符号，并省略重复说明。
如图1及图2所示，本实施方式的X射线CT装置1组装于带电粒子束治疗系统51(例如，质子束治疗系统)中。带电粒子束治疗系统51例如是对患者P(被照射体)内部的病灶(例如，肿瘤等)照射带电粒子束而进行治疗的装置。带电粒子束治疗系统51具备：加速器52，使带电粒子(例如，氢离子)加速并射出带电粒子束(质子束)；照射部(照射喷嘴)3，向患者P照射带电粒子束；旋转机架13，使照射部3在载置有患者P的治疗台7的周围围绕旋转轴线A进行旋转；及输送线路54，连接加速器52与照射部3并将从加速器52射出的带电粒子束输送至照射部3。
X射线CT装置1是被称作CBCT装置(锥形束CT装置)的类型的CT装置，其用于准确地对准带电粒子束治疗系统51的治疗台7上的患者P的位置的目的。具体而言，在质子束照射治疗之前，使用X射线CT装置1制作躺在治疗台7上的状态下的患者P的断层图像(CT图像)，并根据该CT图像识别患者P的病灶等的位置。通过比较基于该X射线CT装置1的CT图像与预先用其他CT装置制作出的患者P的治疗计划CT图像，进行治疗台7上的患者P的对位。另外，也可以根据由X射线CT装置1制作出的CT图像直接进行治疗台7上的患者P的对位。
X射线CT装置1具备向患者P照射X射线的X射线管5(X射线照射部)、载置患者P的治疗台7(载置部)及检测X射线的X射线检测仪(X射线检测部)9。如图2所示，本实施方式的X射线CT装置1具备两组X射线管5与X射线检测仪9的组合，但是，具有一组X射线管5与X射线检测仪9的组合也可。而且，X射线CT装置1还具备根据由X射线检测仪9检测到的X射线来生成患者P内部的CT图像的图像重建部17。并且，如图3所示，X射线CT装置1还具备对X射线管5、X射线检测仪9、旋转机架13(支承部)及图像重建部17进行控制的控制部10。图像重建部17具备散射成分计算部17a及重建处理部17b。关于图像重建部17的功能，将在后面进行叙述。
如图2所示，X射线管5与X射线检测仪9构成为被上述旋转机架13支承并且能够旋转，X射线管5及X射线检测仪9作为一体围绕旋转轴线A进行旋转。即，X射线管5和X射线检测仪9能够围绕治疗台7进行旋转。另外，在本实施方式中，举例说明X射线管5及X射线检测仪9沿以旋转轴线A为中心的圆形轨道进行旋转的情况。X射线管5向治疗台7照射以该X射线管5为顶点的圆锥状的X射线束(锥形束)。X射线检测仪9为FPD(Flat Panel Detector：平板探测器)，其具有检测来自X射线管5的X射线的大量的检测像素9a。检测像素9a二维地配置于X射线检测仪9中的与上述圆锥状X射线束的圆锥的轴正交的平面上。
X射线管5与X射线检测仪9在旋转机架13上隔着治疗台7配置于彼此相反侧的位置上。从X射线管5照射X射线，穿过治疗台7上的患者P的X射线被X射线检测仪9检测，由此X射线检测仪9获取患者P的X射线图像数据。此时，通过使旋转机架13旋转规定的角度(例如，约180°)，能够在改变投射角度的同时收集与各投射角度相对应的X射线图像数据。并且，此时，用于载置患者P的治疗台7被固定于建筑物地板上的支承装置7a支承，使得患者P与旋转机架13的旋转无关地配置于旋转轴线A的附近。而且，图像重建部17根据由X射线检测仪9收集到的上述X射线图像数据来执行基于规定的运算的图像重建处理，从而生成患者P内部的CT图像。
接着，对X射线CT装置1的图像重建部17根据由X射线检测仪9收集到的X射线图像数据生成患者P的CT图像(断层图像)的图像重建处理进行说明。在此，生成沿着与旋转轴线A正交的平截面的断层的CT图像。X射线检测仪9将表示由各检测像素9a检测到的X射线强度的检测数据作为电信号而输出给图像重建部17，图像重建部17根据输入的上述检测数据进行规定的图像重建处理，从而得到患者P的CT图像。例如，图像重建部17由按照预先准备的图像重建处理程序而进行动作的计算机构成。图像重建部17所具备的上述散射成分计算部17a及重建处理部17b是通过如上所述的计算机的动作而实现的构成要件。
从X射线管5射出并穿过患者P后的X射线入射于X射线检测仪9所包括的各检测像素9a中。然而，入射于检测像素9a的X射线中包含照射的X射线(一次X射线：直射线)在患者P内彼此作用而产生的散射X射线(散射线)。检测像素9a检测直射线及散射线这两者，因此在X射线图像数据中包含与包括直射线及散射线这两者的X射线强度有关的信息。因此，若图像重建部17进行图像重建处理，则有可能会受到散射线的影响而导致画质下降。
相对于此，在本实施方式所涉及的X射线CT装置1的图像重建部17中，散射成分计算部17a进行确定由各检测像素9a检测到的X射线强度(检测数据)中所包含的散射线成分的处理。接着，在重建处理部17b中推断出各检测像素9a的检测数据中所包含的散射线成分之后，在图像重建处理中进行去掉该推断出的散射线成分的处理。
在散射成分计算部17a的散射线成分的确定中，需要确定入射于各检测像素9a的X射线由哪种成分构成。
首先，参考图4，对通常的图像重建方法(极大似然估计-最大期望算法：ML-EM法)进行说明。在该图像重建处理中使用逐次逼近法。在以往的图像重建的方法中，设定目标函数(似然函数)并找出使该函数最大化的参数x。如图3所示，假设从X射线管5照射的X射线穿过患者P后入射于与X射线检测仪9所包含的特定检测像素9a相对应的检测仪元件d。在此，若将检测仪元件d检测出的X射线强度设为y，则目标函数P(y)可以表示为以下数学式(1)。另外，x表示入射于检测仪元件d的X射线(直射线)的光路上的患者P的特定位置。并且，λ(x)是在检测仪元件d中检测的X射线强度y的期望值，其可以表示为x的函数。
Figure BDA0002404459370000051
此时，若使P(y)最大的x被确定，则P(y)满足以下数学式(2)。
Figure BDA0002404459370000052
并且，若将来自X射线管5的X射线的照射量设为b、将X射线的透射长度设为l、将位置x上的X射线的线衰减系数设为μ(x)，则期望值λ(x)可以表示为以下数学式(3)。
λ(x)＝bexp[-l·μ(x)]…(3)
在以往的方法中，进行如下处理：根据上述数学式来求出位置x上的线衰减系数μ(x)，并根据该线衰减系数来确定患者P的各部的组织等。
然而，实际上，由检测仪元件d检测出的X射线中不仅包括直射线而且还包括散射线。即，实际的测定值y应该是直射线及散射线之和。即，除了上述的有关直射线的期望值λ(x)以外，期望值λ(x)应该表示为直射线与散射线的期望值之和。因此，使用使上述方法(极大似然估计-最大期望算法：ML-EM法)的目标函数凸变换并应用了牛顿法的Convex法。
关于散射线的期望值，参考图5进行说明。在此，着眼于患者P内的特定的三维空间的1个区划(即，体素j)。而且，考虑如下情况：从X射线管5射出的X射线在该特定的体素j中散射后入射于与X射线检测仪9所包含的特定的检测像素9a相对应的检测仪元件i(与检测仪元件d不同的检测仪元件)的情况。
可以由以下数学式(4)表示在体素j中散射后入射于检测仪元件i中的X射线的期望值sie-dj。期望值sie-dj表示如下值：由于经过体素j入射于检测仪元件d的X射线在体素j中散射并入射于检测仪元件i，因此在检测仪元件i中检测到的能量e的值。
Figure BDA0002404459370000061
另外，数学式(4)中所包括的各要件如下。
dσc/dΩ：微分散射截面积。σc表示全散射截面积。可以根据提供光散射的散射截面积的克莱因-仁科公式(Klein-Nishina formula)来确定。
Acosφ/Lij 2：检测仪元件i的立体角。A是检测仪元件i的受光面的面积，φ是入射的X射线与检测仪元件i的法线所呈角度且其与散射角θ相同，Lij是从体素j到检测仪元件i为止的距离。
Nj：假设体素j由单一物质构成的情况下的每单位体积的原子数密度。
Zj：假设体素j由单一物质构成的情况下的原子序数。
1-exp(-lij·μj(e’))：X射线在体素j内与患者P反应的概率。lij是入射于检测仪元件i的X射线的相对于体素j的透射长度，e是X射线的能量指数。对具有规定范围的能量的每个X射线赋予了指数。
μj(e’)：体素j中的能量e’的X射线的线衰减系数。
bdexp(-Σld·μ(e’))：X射线从X射线管5透射至体素j为止的概率。Σld是从体素j至检测仪为止的距离。
exp(-Σl’i·μ(e))：X射线从体素j透射至检测仪元件i为止的概率。l’i是从体素j至检测仪元件i为止的透射长度。
数学式(4)是着眼于体素j的散射线成分，但是实际上，在其他体素中也产生散射线，并且入射于检测仪元件i。因此，根据数学式(4)，可以将检测仪元件i所检测到的散射线成分表示为以下数学式(5)。
Figure BDA0002404459370000071
若能够确定由上述数学式(5)表示的散射线成分，则能够得到由检测仪元件i检测的散射线成分的期望值。然而，如数学式(4)所示，散射线成分中包括假设体素j由单一物质构成的情况下的每单位体积的原子数密度Nj和假设体素j由单一物质构成的情况下的原子序数Zj。由于这些是根据患者P体内的组织或病灶的配置而变化的值，因此根据体素可以得到彼此不同的值。
另一方面，上述体素j中的每单位体积的原子数密度Nj及原子序数Zj也出现在直射线的计算中。如数学式(6)所示，线衰减系数μ可以表示为基于光电效应的光电吸收系数μphot、基于康普顿散射的线衰减系数μcompt及基于正负电子对产生(pair creation)的线衰减系数μpair之和。
μ＝μphot+μcomot+μpair…(6)
其中，μpair可以忽略，因此μ可以表示为μphot与μcompt之和。μphot及μcompt分别可以表示为以下数学式(7)及数学式(8)。
Figure BDA0002404459370000072
μcompt＝NZσc…(8)
另外，φ0为汤姆孙散射的总截面积，me为电子质量，c为光速，h为普朗克常数，ν为入射光子的频率。
如上述数学式(7)及数学式(8)所示，μphot及μcompt均为包含N及Z的函数。即，可以说：表示为μphot及μcompt之和的μ也是包含N及Z的函数。因此，若能量确定，则可以使用N、Z并且根据数学式(9)～(11)求出μ。
μ＝μphot+μcompt+μpair＝NjZj 5fphot(E)+NjZjfcompt(E)…(9)
Figure BDA0002404459370000081
Figure BDA0002404459370000082
在此，若将整个系统的目标函数设为Q，则Q可以表示为以下数学式(12)。
Figure BDA0002404459370000083
由于目标函数Q中包含μ(x)，因此可以使用上述式将目标函数Q表示为N、Z的函数。若利用该函数并且使用牛顿法建立逐步逼近公式，则N及Z可以表示为以下数学式(13)及数学式(14)。
Figure BDA0002404459370000084
Figure BDA0002404459370000085
另外，fphot及fcompt对应于上述数学式(10)及数学式(11)。
通过使用上述数学式(13)及数学式(14)，能够计算出体素j中的Nj、Zj。而且，使用该Nj、Zj并根据数学式(4)可以计算出来自体素j的散射线成分。若分别计算出各体素中的N、Z，则能够计算出来自各体素的散射线成分。即，可以根据数学式(5)计算出检测仪元件i所检测出的散射线成分。
通过进行上述一系列计算，能够计算出各检测像素9a(上述检测仪元件)检测出的X射线中的散射线成分，因此能够计算出从各检测像素9a的检测值中排除了散射线的影响的准确的物理参数。
接着，参考图6的流程图，对图像重建部17重建被照射体30的图像时的控制处理进行说明。
首先，图像重建部17从X射线检测仪9获取各个投影角度上的X射线图像数据(步骤S10)。接着，图像重建部17从所获取的X射线图像数据中推断出各体素的N、Z。根据所推断出的N、Z，散射成分计算部17a针对每个投影角度和每个检测像素计算出散射线成分(步骤S20)。作为散射线成分的计算方法，例如可以使用上述的方法。另外，散射成分的计算需要图像重建后的图像，因此，每进行一次图像重建处理的反复计算就进行散射成分的计算。接着，在重建处理部17b中，从X射线检测仪9所获取的X射线图像数据中去除散射线成分(步骤S30)。针对各个投影角度下拍摄到的多个X射线图像数据的各个X射线图像数据按照包含在该图像数据中的各个检测像素进行上述S20及S30的处理。然后，在重建处理部17b中，使用去除散射线成分之后的X射线图像数据来进行图像的重建(步骤S40)。由此，完成重建的图像，并结束图6所示的处理。
接着，对本实施方式所涉及的X射线CT装置1的作用和效果进行说明。
如上所述，在X射线CT装置1中，考虑以规定的大小区划了被照射体(即，患者P)的多个三维空间所包括的各个区划(在上述实施方式中，对应于体素)中的每单位体积的原子数密度N及原子序数Z来计算出X射线检测仪9(X射线检测部)所检测到的X射线中的在各个三维空间中散射的散射线成分，并考虑该计算结果来进行图像的重建。通过采用这种结构，能够考虑到被照射体内部的组织等而准确地计算出散射线成分。而且，通过采用考虑如此计算出的散射线成分来进行重建图像的结构，散射线成分少的状态下的图像重建变得可能，因此能够提高所得到的CT图像的画质。
在使用了带电粒子束治疗系统的患者的治疗等中，为了应对治疗期间中的患者P(被照射体)内部的病灶的移动或变形，使用X射线CT装置等来确定患者P内部的病灶的位置等，并进行治疗计划的调整。作为为了该治疗计划的调整而对患者P内部进行测量的方法，可以使用搭载于带电粒子束治疗系统上的X射线CT装置。然而，搭载于带电粒子束治疗系统上的X射线CT装置的以往的使用方法用于照射带电粒子束时的患者的定位，其并不要求具有能够利用于治疗计划的调整的程度的画质。
相对于此，在本实施方式所涉及的X射线CT装置中，着眼于X射线CT装置的X射线检测仪检测到的X射线中包含的散射线成分明显有助于画质的下降的情况，实现了高精度地计算出散射线成分。尤其，由于采用考虑以规定的大小区划了患者P的多个三维空间的各个空间中的每单位体积的原子数密度N及原子序数Z而计算出散射线成分的结构，因此能够考虑到包括病灶等在内的患者P的内部组织而计算出散射线成分。因此，与迄今为止研究的减少散射线成分的方法相比，更高精度地计算出散射线成分并考虑其结果进行图像重建变得可能。其结果，能够进一步减小散射线成分的影响，能够提高重建后的图像的画质。
并且，在X射线CT装置1为锥形束CT装置时，能够有效地发挥上述作用。在锥形束CT装置中，由于将FPD用作X射线检测仪，因此具有入射于X射线检测仪的散射线成分变大的特征。因此，由锥形束CT装置进行拍摄并进行重建的CT图像受到散射线成分的影响导致画质下降的可能性较高。换言之，通过进行考虑到散射线成分而进行的图像的重建，画质显著提高。因此，在对锥形束CT装置应用了上述结构的情况下，画质的提高效果进一步提高。
本发明并不只限定于上述实施方式。
例如，在上述实施方式中，对组装于作为带电粒子束治疗系统51的一例的质子束治疗系统中的X射线CT装置1进行了说明，但是，并不只限定于质子束治疗系统，例如，本实施方式所涉及的X射线CT装置1也可以适用于使用了重粒子(重离子)射线、π介子射线等带电粒子束的治疗系统中。并且，X射线CT装置1并不只限于采用安装在带电粒子束治疗系统51等放射线治疗系统中的结构，也可以采用X射线CT装置单体的结构。
并且，在上述实施方式中，对X射线CT装置1是锥形束CT装置的情况进行了说明，但是并不只限于锥形束CT装置。并且，关于X射线CT装置所包括的各部的结构，也可以根据其规格而适当变更。
并且，在上述实施方式中，在将上述目标函数记载为N、Z的函数的基础上，利用使用牛顿法建立逐步逼近公式的方法来确定了N、Z并计算出了散射线成分，然而，散射线成分的计算方法并不只限于上述方法。并且，在计算出了散射线成分之后，作为考虑散射线成分而重建图像时的处理，也可以使用与只去除散射线成分的方法不同的方法(例如，实施某种统计处理等以使散射线成分不给画质带来影响等)。并且，成为计算出N、Z的对象的三维空间并不只限于体素，例如，也可以为组合了多个体素的更大的三维空间。

Claims (4)

1.一种X射线CT装置，其特征在于，具备：
X射线照射部，能够围绕载置有被照射体的载置部进行旋转，并且照射X射线；
X射线检测部，检测从所述X射线照射部照射出并穿过所述被照射体后的X射线；及
图像重建部，根据由所述X射线检测部检测到的X射线图像数据来重建所述被照射体的断层图像，
所述图像重建部进行如下处理：考虑以规定的大小区划了所述被照射体的多个三维空间所包括的各个区划中的每单位体积的原子数密度及原子序数来计算出所述X射线检测部所检测到的所述X射线中的在所述多个三维空间的各个空间中散射的散射线成分，并且考虑该散射线成分来进行所述图像的重建。
2.根据权利要求1所述的X射线CT装置，其特征在于，
所述X射线CT装置为锥形束CT装置。
3.一种X射线CT装置的图像重建设备，其基于穿过被照射体后的X射线的X射线图像数据来重建被照射体的断层图像，所述图像重建设备的特征在于，
所述图像重建设备进行如下处理：考虑以规定的大小区划了所述被照射体的多个三维空间所包括的各个区划中的每单位体积的原子数密度及原子序数来计算出X射线检测部所检测到的所述X射线中的在所述多个三维空间的各个空间中散射的散射线成分，并且考虑该散射线成分来进行所述图像的重建。
4.一种X射线CT装置的图像重建方法，其为基于穿过被照射体后的X射线的X射线图像数据来重建被照射体的断层图像的方法，所述图像重建方法的特征在于，
考虑以规定的大小区划了所述被照射体的多个三维空间所包括的各个区划中的每单位体积的原子数密度及原子序数来计算出X射线检测部所检测到的所述X射线中的在所述多个三维空间的各个空间中散射的散射线成分，并且考虑该散射线成分来进行所述图像的重建。
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