JP2000504262A - 円及び線のコーン・ビーム断層写真法システムを用いた縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コーン・ビーム放射線の線源及び検出器配列に関して縦方向に無限界の物体が配向されている計算機式断層写真法イメージング・システムにおいて、縦方向に無限界の物体の画像を再構成する方法が提供される。先ず、縦方向に無限界の物体とコーン・ビーム線源との間の相対的な移動が、少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査成分に沿って確立される。コーン・ビームは、所定の軌道が通過横断されているときに物体の測定可能な領域を照射するように動作させられて、縦方向に無限界の物体の画像をコーン・ビーム・データとして検出器配列に投影する。コーン・ビーム形状に対して、走査視野が画定される。この走査について、Ｚ方向の誤差伝播距離が決定される。そして、誤差伝播距離に応じて走査視野の画定が修正され、円形走査経路及び線形走査経路から、画像再構成データの１つのセットが修正後の視野内で発生される。

Description

【発明の詳細な説明】 円及び線のコーン・ビーム断層写真法システムを用いた 縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成 技術分野 本発明は一般的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）のコーン・ビーム画像再構 成の精度及び効率を大幅に改善する方法及び装置に関する。より具体的には、本 発明は、コーン・ビーム断層写真法を用いて縦方向に無限界の物体をイメージン グする上述のような方法及び装置に関する。 発明の分野 現在の計算機式断層写真法（ＣＴ）システムでは、Ｘ線源がファン（fan）形 状のビームを投射し、ビームは、「イメージング平面」と呼ばれるデカルト座標 系のＸ−Ｙ平面内に位置するようにコリメートされている。Ｘ線ビームは、イメ ージングされる物体を通過し、放射線検出器の配列に入射する。透過した放射線 の強度は、物体によるＸ線ビームの減衰に依存しており、各々の検出器は、ビー ム減衰の尺度である個別の電気信号を発生する。すべての検出器からの減衰測定 値は、個別に収集されて、透過プロファイルを形成する。 従来の医用ＣＴシステムでは、線源及び検出器配列は、Ｘ線ビームが物体と交 差する角度が定常的に変化するように、ガントリ上で、イメージング平面内で物 体の周りを回 転させられている。従来の産業用ＣＴの構成では、物体が回転方向及び垂直方向 に可動なプラットフォーム上に載置されており、スキャナが固定されていること もある。コーン・ビーム・イメージングは、物体のＣＴ画像、特に、３次元ＣＴ 画像を構成するのに重要な手法として開発されてきた。この手法によると、コー ン・ビームＸ線源は、所定の軌道又は軌跡を通過横断しながら物体を照射して、 物体の画像をコーン・ビームＸ線データの形態で検出器素子の配列に投影する。 コーン・ビーム・イメージングにおいて、走査経路の形状は本質的な考慮点で ある。単純化及び対称性の見地からは、単一の平面内に位置している円形軌道を 含んでいる軌跡に沿って走査することが望ましい。しかしながら、正確な画像再 構成を行うためには、このような軌道は不十分なコーン・ビーム・データを形成 しがちであることが周知である。 コーン・ビーム投影データから画像再構成を行うための様々な走査形状が開発 されている。その１つの形状では、走査経路は、円形軌道と組み合わせて、円形 軌道の平面に直交する線形経路を含んでいる。このような組み合わせ式の走査経 路は、従来のＣＴガントリの構成によって容易に実現され得るので、実用上多大 な関心を呼ぶものである。組み合わされた円及び線の経路に沿って走査すること により収集されるコーン・ビーム・データを処理すると共にこのデータから画像 を構成するのに用いられる様々なアルゴ リズムが現状で利用可能である。 多くの分野について、イメージングされるべき物体の縦方向の範囲は、スキャ ナによって１回に走査され得る範囲よりも長い。このような物体を、縦方向に無 限界の物体（longitudinally-unbounded object）又は棒状物体（rod-like obje ct）と呼ぶ。コーン・ビーム断層写真法システムの開発において次なる１つの実 用上の考慮点となるのは、縦方向に無限界の物体の一部のみに関心があるときに 、又は検出器の範囲が有限であるため縦方向に無限界の物体の一部しか各回にイ メージングされ得ないときに、縦方向に無限界の物体をどのようにイメージング するかということである。 そこで、縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成を行うことを可能にするこ とが望ましい。本発明の目的、特徴及び利点は、以下の記載を図面と共に把握す ればより容易に明らかになろう。 発明の概要 本発明は、縦方向に無限界の物体の正確且つ効率的な再構成を可能にする方法 及び装置を提供する。コーン・ビーム断層写真法システムの開発における１つの 重要な実用上の考慮点は、縦方向に無限界の物体の一部のみに関心があるときに 、又は検出器の範囲が有限であるため縦方向に無限界の物体の一部しか各回にイ メージングされ得ないときに、縦方向に無限界の物体をどのようにイメージング するかということである。 本発明は、縦方向に無限界の物体をイメージングするために、円及び線のコー ン・ビーム断層写真法を適用する。ＣＴイメージング・システム、又はコーン・ ビーム放射線源及び平面検出器配列が物体に対して選択的な動きをするように装 着されているその他の構成において、収集された投影データから物体の画像を再 構成するための方法が提供される。先ず、縦方向に無限界の物体とコーン・ビー ム線源との間の相対的な移動が、少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも １つの線形走査経路に沿って確立される。コーン・ビームは、所定の軌道が通過 横断されているときに物体の測定可能な領域を照射するように動作させられて、 縦方向に無限界の物体の画像をコーン・ビーム・データとして検出器配列に投影 する。コーン・ビーム形状に対して走査視野が画定される。この走査について、 Ｚ方向の誤差伝播距離が決定される。そして、誤差伝播距離に応じて走査視野の 画定が修正され、少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査 経路から、画像再構成データの１つのセットが修正後の視野内で発生される。 以下に記載する図面に好ましい一実施例を示すが、本発明の要旨及び範囲から 逸脱することなく他の様々な改変及び代替構成を実現することができる。 図面の簡単な説明 本発明の新規な諸特徴は、請求の範囲に具体的に述べられている。しかしなが ら、本発明自体は、その構成及び動作方法、並びにその目的及び利点に関して、 以下の記載を 図面と共に参照することにより最もよく理解され得る。 図１は、ＣＴコーン・ビーム・イメージング・システムの主要な要素、並びに 関連する円及び線の走査経路を示す概略図である。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、ＣＴコーン・ビーム・イメージング・システム を実現するのに用いられている従来の医用ＣＴイメージング・システム及び従来 の産業用ＣＴイメージング・システムをそれぞれ示している斜視図である。 図３は、本発明によるシステムの走査視野を示している図である。 発明の詳しい説明 円及び線の軌道は、円と、有限の直交する線とから成っている。この円形軌道 及び線形軌道からのコーン・ビーム投影のセットはそれぞれ、 と表される。ここで、 Ｐ_Φ 又は_Z0（Ｙ，Ｚ） が、 として導出された重み付き投影を表しているものとする。本発明は、円及び線の 軌道について、再構成されるべきい かなる関数でも、以下の３つの項の合計として表現され得るという発見に基づい ている。 ｆ（ｒ）＝ｆ_c0（ｒ）＋ｆ_c1（ｒ）＋ｆ₁ （ｒ） ２ ｆ_c0（ｒ）項は、円形に走査されたデータから算出されるものであり、J．Opt． Soc．Am.誌、１９８４年、第６１２頁〜第６１９頁のL．Feldkamp、L．Davis及 びJ．Kressによる論文「実用コーン・ビーム・アルゴリズム」（Practical Cone -Beam Algorithm）に説明されているFeldkamp再構成（後述の式３）に対応して いる。その全体がここに参照される米国特許第５，４００，２５５号は、後述の 式４に定式化されているｆ_c1（ｒ）を、円形に走査されたコーン・ビーム投影デ ータから算出する方法を教示しており、又、ｆ₁ （ｒ）の推定を提案している。 その全体がここに参照される１９９６年６月２５日に出願され本出願と共通の譲 受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０８／６７３，４５３号は更に、 式５を用いて、線形に走査されたコーン・ビーム投影データからｆ₁ （ｒ）を正 確に算出する方法を教示している。逆投影からの（Ｙ₀ ，Ｚ₀ ）は、後述の式６ から導出される。 ここで、 ２１ｚ₀ ｃｏｓΘ＋ｚ₀ ² ｃｏｓ² Θ−ｄ² ｓｉｎΘ ＞０のときに、 ｗ（ｚ₀ ，Θ，１）＝１ これ以外のときに、 ｗ（ｚ₀ ，Θ，１）＝０ ５Ｄ 従来技術は、前述の米国特許第５，４００，２５５号及び同時係属中の米国特許 出願第０８／６７３，４５３号を含め、縦方向に無限界の物体をイメージングす る方法については教示していない。しかしながら、ここに開示される発明によっ て、前述の円及び線の軌道についての前述の同時係属中の出願と同じ再構成アル ゴリズムを用いて、縦方向に無限界の物体をセクションごとに（section by sec tion）イメージングすることができるようになる。 図１について説明する。同図には、円筒形の又は縦に長い仮想的な空間１８内 に含まれている物体１０の画像を再構成すると共に表示するコーン・ビーム・イ メージング・システムの主要な構成要素が示されている。コーン・ビームＸ線源 １２が、物体１０を照射するように配置されており、これにより、離散的な検出 器素子（詳細には図示されていない）のマトリクス配列を含んでいる付設された 平面型検出器配列１６に、物体１０の画像１４を表すコーン・ビーム・データを 投影する。このコーン・ビーム投影データは、物体に入射するＸ線光子の形態を 有しており、検出器配列１６のそれぞれの検出器素子によって感知される。この ようにして、平面型検出器１６は、アナログ形態のコーン・ビーム投影データを 形成する。このようなデータは、データ収集システム（ＤＡＳ）２０に結合され 、ＤＡＳ２０は、それぞれの検出器素子からのアナログ・データをサンプリング して、このデータを後続の処理のためにディジタル形態に変換する。ディジタル 化された投影データは、 画像再構成プロセッサ・システム２２に結合され、画像再構成プロセッサ・シス テム２２は、投影データに演算を施して、物体１０の画像を再構成する。再構成 された画像は、可視的な形態として表示され、例えば、画像表示装置２４によっ て表示されることができる。 図１は更に、物体１０を巡るコーン・ビーム線源１２の円形の移動の軌道２６ を示している。このような軌道は、中央平面２８、即ち、円筒１８を貫通する平 面内に位置している。典型的な医用ＣＴ構成では、検出器配列１６は、線源１２ と共に移動するように制約されているので、物体１０は、線源１２と検出器配列 １６との間に配置された状態を維持する。コーン・ビーム投影データは、線源１ ２が円形軌道２６を通過横断するにつれて、線源１２の連続した位置又はビュー 角度について検出器配列１６によって収集される。Ｚ軸３０が、中央平面２８と 直交する関係で物体１０を通過していると共に、物体１８内の点Ｏにおいて中央 平面と交差している。線源１２は、点Ｔにおいて円形軌道２６と接していると共 に円形軌道２６の平面及び中央平面２８と直交する関係に配向している線形軌道 経路３４に沿って移動することができる。 この走査経路は、従来のＣＴシステムによって容易に実現され得る。図２（Ａ ）を参照すると、同図には、ガントリ３８と、テーブル４０とを実質的に含んで いる従来の医用ＣＴシステムが示されている。図２（Ｂ）は、走査されるべき物 体を支持する回転可能なプラットフォームを備え た従来の産業用ＣＴシステムを示している。図２（Ａ）では、ガントリ３８にボ ア（中孔）４２が設けられており、テーブル４０ａは、イメージングのために患 者４４ａ等の縦方向に無限界の物体４４を支持している。勿論、当業者には、縦 方向に無限界の物体は、例えば、図２（Ｂ）のタービン・ブレード４４ｂ等の航 空機用部品を含め、多数の公知の物体のいずれであってもよいことが明らかであ ろう。 図２（Ａ）について説明を続ける。テーブル４０ａは、べース４６ａと、ベー ス４６ａ上で摺動可能であり物体４４ａをＺ軸に沿って線形に移動させることの できる物体支持部材４８とを含んでいる。このように、テーブル４０ａは、ボア ４２を通して物体４４ａを挿入し、ボア内で物体の選択されたセクション５０ａ を位置決めするように動作することができるので、この選択されたセクション５ ０ａを貫通する画像を取得することができる。このように、物体４４ａは、物体 のセクション５０ａを含み得る。 図２（Ａ）では、線源１２及び検出器配列１６は、ボア４２の相対向する側で 、回転可能なガントリ３８に装着されている。従って、円形軌道２６は、ガント リ３８の選択的な回転によって確立されることができる。線形経路３４は、線源 １２及び配列１６が静止した状態にあるときに物体支持部材４８が線形に移動す ることにより確立され得る。代替的には、線形経路は、Ｚ軸に沿って平行移動す るガントリを装着することにより確立されることもできる。 図２（Ｂ）では、ブラットフォーム４０ｂは、物体４４ ｂを支持するための回転可能なベース４６ｂを含んでいる。これにより、線形走 査の繰り返しで構成される連続した垂直線に沿った円形走査の繰り返しが可能に なる。プラットフォーム４０ｂは又、矢印４５によって示すように垂直方向に移 動することも可能であり、円及び線の走査の線形の部分を実行することができる 。典型的な産業用ＣＴの構成では、物体４４は、固定された線源１２及び配列１ ６に対して移動する。勿論、当業者には、産業用の応用において医用ＣＴ構成と 同様に線源が回転してもよいことは明らかであろう。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）でわかるように、多くの分野について、イメージン グされるべき物体の縦方向の範囲は、スキャナによって１回に走査され得る範囲 よりも長く、即ち、縦方向に無限界の物体の一部のみが関心の対称になり得る。 結果的に、図２（Ｂ）に示すように、縦方向の範囲の全体がイメージングされる まで、円及び線の走査が繰り返し取得される。 ここで図３を見ると、複数の領域の組み合わせ５０が、所与の線源位置Ｓ１に おいて測定可能な領域の断面を示している。測定可能な領域は、Ｅとして示され ている検出器の範囲及び走査形状によって主として決定されている。このシステ ムの走査ＦＯＶ（視野）は領域５２として示されており、本発明によれば、円形 軌道２６上のすべての線源位置でのすべての測定可能な領域が重なった領域とし て走査ＦＯＶを画定することができる。従って、走査ＦＯＶは、 円錐で両端が終端している円筒によって画定される。尚、円筒及び円錐の軸は回 転の軸と一致している。走査ＦＯＶの断面を、区域５４として示す。円筒の半径 は、検出器の平面内での範囲及び走査形状によって画定される。頂部及び底部の 円錐は、上部円錐角β_max 及び下部円錐角β_min によって画定される。 一般には、縦方向に無限界の物体によって誘導される誤差は、頂部及び底部か ら内向きに伝播して、ＦＯＶの頂部の層及び底部の層での再構成をコンタミネー ト（汚染）する可能性がある。コンタミネートされる層の深さをコンタミネーシ ョンの深さと呼び、これは、Ｚ方向の誤差伝播距離によって決定される。異なる 再構成アルゴリズムによって異なる演算子が採用されるので、コンタミネーショ ンの深さは相異なるものになる。例えば、式１の各々の項のコンタミネーション の深さを調べることができる。第１項、即ち、Feldkamp再構成のコンタミネーシ ョンは、Ｚ方向の演算が要求されないので、ゼロである。第２項のコンタミネー ションの深さは、差分演算子がＺ方向に適用されているので、検出器Ｚセル・ピ ッチの２分の１である。数値解析を用いると、第３項のコンタミネーションの深 さは、１つ分の検出器Ｚセル・ピッチであることを証明することができる。コン タミネートされている層の最大の深さは、１つ分の検出器Ｚセル・ピッチである ので、これらのコンタミネートされた層は、その円錐の端部が両端において１つ 分の検出器Ｚセル・ピッチ分だけ内向きに移動するように 走査ＦＯＶの画定を僅かながら修正することにより、排除することができる。こ のように、この断層写真法システム及び同時係属中の米国特許出願第０８／６７ ３，４５３号に記載されている再構成アルゴリズムを用いると、修正後の走査Ｆ ＯＶの内部では、縦方向に無限界の物体の問題によってｆ（ｒ）の再構成がコン タミネートされることが一切なくなる。従って、走査ＦＯＶの円錐の各端部を検 出器セルの１つ分のＺピッチ分だけ内向きに移動させることにより画定される各 々のセクションによって、縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成を達成する ことができる。 本発明の正確な領域再構成手法によれば、円及び線のコーン・ビーム走査シス テムを、単純な回転走査及び並進走査によって実現することができる。円形走査 は、イメージングされるべき物体を回転させることにより達成され得るので、線 源及び検出器のアセンブリを固定したままにしておくことができると共にシステ ムの整列性を攪乱せずに済む。並進走査中に、有限の寸法を有している検出器の 測定可能領域を越えて再構成関心領域（ＲＯＩ、Region of Reconstruction Int erest）が移動することによる付加的な切り取り（トランケーション）の問題も 又、本発明の手法によって排除される。縦方向に無限界の物体は、セクションご とにイメージングされ得る。２つの隣接したセクションの間で、これら２つのセ クションの間にギャッブを形成しないようにしながら重なりを最小化した状態で 最大のＺ変位を選択することにより、走査速度を最大化することがで きる。 従って、本発明は、縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成を提供する。本 発明は、例えば、医療用途から産業用途にわたる諸分野における計算機式断層写 真法（ＣＴ）コーン・ビーム画像再構成を含め、多くの分野で有用である。従っ て、本発明は、一般的なイメージング分野について正確で且つ計算効率のよい再 構成を提供する。 本発明の好ましい実施例をここに図示すると共に記載してきたが、当業者には 、このような実施例が例示の目的のみで示されていることが明らかであろう。当 業者には、本発明から逸脱することなく多くの変形、変更及び置換が想到される であろう。従って、本発明は、請求の範囲の要旨によってのみ限定されるものと する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． コーン・ビーム放射線の線源及び検出器配列に関して縦方向に無限界 の物体が配向されている計算機式断層写真法イメージング・システムにおいて、 前記縦方向に無限界の物体の画像を再構成する方法であって、 少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査経路に沿って、 前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間の相対的な移動を確 立する工程と、 所定の軌道が通過横断されているときに前記物体の測定可能な領域を照射する ように前記コーン・ビームを動作させて、前記縦方向に無限界の物体の画像をコ ーン・ビーム・データとして前記検出器配列に投影する工程と、 前記コーン・ビームの形状に対する走査視野を画定する工程と、 前記走査についてのＺ方向の誤差伝播距離を決定する工程と、 前記走査視野の前記画定を誤差伝播距離に従って修正する工程と、 前記修正された走査視野内で、前記少なくとも１つの円形走査経路及び前記少 なくとも１つの線形走査経路から画像再構成データの１つのセットを形成する工 程とを備えた縦方向に無限界の物体の画像を再構成する方法。 ２． 前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間の相対的 な移動を確立する工程は、 前記コーン・ビーム線源を静止した位置に固定する工程 と、 前記縦方向に無限界の物体の選択的な回転により円形軌道を確立する工程と、 前記縦方向に無限界の物体の線形の移動により線形経路を確立する工程とを更 に含んでいる請求項１に記載の方法。 ３． 前記縦方向に無限界の物体のイメージングされるべき縦方向の範囲の 全体がイメージングされるまで、繰り返し円形走査を行うと共に少なくとも１つ の線形走査を行う工程を更に含んでいる請求項１に記載の方法。 ４． 走査視野を画定する工程は、両端に円錐を備えて終端している円筒に より前記走査視野を画定する工程を更に含んでおり、前記円筒及び前記円錐の軸 は、回転の軸と一致している請求項１に記載の方法。 ５． コーン・ビーム放射線の線源及び検出器配列に関して縦方向に無限界 の物体が配向されている計算機式断層写真法イメージング・システムにおいて、 前記縦方向に無限界の物体の画像を再構成するシステムであって、 少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査経路に沿って、 前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間の相対的な移動を確 立する手段と、 所定の軌道が通過横断されているときに前記物体の測定可能な領域を照射する ように動作させられて、前記縦方向に無限界の物体の画像をコーン・ビーム・デ ータとして前記検出器配列に投影するコーン・ビームと、 該コーン・ビームの形状に対する走査視野と、 前記走査についてのＺ方向の誤差伝播距離と、 前記走査視野の前記画定を誤差伝播距離に従って修正する手段と、 前記修正された走査視野内で、前記少なくとも１つの円形走査経路及び前記少 なくとも１つの線形走査経路から画像再構成データの１つのセットを形成する手 段とを備えた縦方向に無限界の物体の画像を再構成するシステム。 ６． 前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間の相対的 な移動を確立する手段は、 前記コーン・ビーム線源を静止した位置に固定する手段と、 前記縦方向に無限界の物体の選択的な回転により確立される円形軌道と、 前記縦方向に無限界の物体の線形の移動により確立される線形経路とを更に含 んでいる請求項５に記載のシステム。 ７． 前記縦方向に無限界の物体のイメージングされるべき縦方向の範囲の 全体がイメージングされるまで、繰り返し円形走査を行うと共に少なくとも１つ の線形走査を行う手段を更に含んでいる請求項５に記載のシステム。 ８． 前記走査視野は、両端に円錐を備えて終端している円筒により画定さ れている走査視野を含んでおり、前記円筒及び前記円錐の軸は、回転の軸と一致 している請求項５に記載のシステム。