JP2001224586A - 画像マッピング方法及びシステム - Google Patents

画像マッピング方法及びシステム

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JP2001224586A JP2001012120A JP2001012120A JP2001224586A JP 2001224586 A JP2001224586 A JP 2001224586A JP 2001012120 A JP2001012120 A JP 2001012120A JP 2001012120 A JP2001012120 A JP 2001012120A JP 2001224586 A JP2001224586 A JP 2001224586A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、C形アームガントリに好適
なイメージスルーマッピングの再構成のための方法及び
システムを提供することにある。 【解決手段】本発明の被検体の画像を再構成する方法
は、被検体の周囲を不規則な軌道で回転するX線源から
のX線を被検体に照射するステップと、露光データを得
るステップと、再構成画像の位置を既知の座標に基づい
てマッピングすることにより露光データから画像を再構
成する画像再構成ステップとを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、コーンビーム形X
線コンピュータ断層撮影の画像再構成の方法及びシステ
ムに係り、特に画像再構成の為にマッピング係数を使っ
た方法及びシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】コーンビーム形X線コンピュータ断層撮
影(CT)は、対象物又は被検体を透過したX線の2次
元投影データから対象物又は被検体の内部を映像化す
る。Feladkamp、Kress、Davisらは、近似的ではある
が、コンピュータを使った効率的なバックプロジェクシ
ョン(逆投影)と呼ばれる画像再構成アルゴリズムを発
表した。これらアルゴリズムは、X線管は対象物や被検
体の周囲の円形軌道に沿って移動すること、及び回転軸
及びX線の中心面が不変であることを前提としている。
【0003】最近、イメージング中に対象物や被検体の
周囲を部分的にだけ回転するC形アームガントリを使っ
て、コーンビーム形CTを実現するという試みがなされ
ている。医用CTにおいては、C形アームガントリは好
ましいものであり、その理由としては、多くの医療スタ
ッフが同時に様々な方向から被検体に接近できることに
ある。さらに、多くの患者がCT機器に取り囲まれるこ
とを好ましいとは思っていないこともその理由としてあ
げられる。また、C形アームガントリは、従来型のCT
機器内部に入らないような比較的大型の対象物の一部分
を映像化するのに適してもいる。
【0004】しかし、C形アームガントリをCTに適用
するには幾つかの問題があった。その最大は、回転中に
C形アームガントリが“ぐらつく”ことにあり、それは
Feladkamp、Kress、Davisらのアルゴリズムの前提を満
たさないのである。振動、重力にによる垂れ下がり、機
械的反動、他の不規則性に由来する“ぐらつき”は、軌
道が円形でない、不規則である、部分的になるといった
事態を招く。その結果、再構成にエラーが生じ、対象物
や被検体内部の特徴を解像できなくなってしまう。それ
でもFeladkampらのバックプロジェクションはC形アー
ムガントリの画像再構成に使われている。
【0005】従来の補正方法は、回転軸及びX線の中心
面が不変であることを前提として開発されており、円形
でない軌道や軌道部分という問題に対しては注力してい
ない。例えば、Picardら(US5,442,674)の教示は、らせ
ん状に配列されたX線を最大限細くするために蜂の巣構
造に形成された3D補正用ファントムを使ってX線座標
系を補正するものである。対象物や被検体の回りの非円
形軌道や軌道部分に対して注力するよりも、システムの
固有のパラメータに目を向けていて、それは完全な円形
軌道を前提としてなされたものである。
【0006】その一方で、非円形軌道や部分的な軌道の
問題を解決しようとする動きもある。Fahrigらは、Med.
Phys.27(1)30-38において、その解決策を論じている。
それは、ぐらつきを解消するための機械的な補強であ
り、またぐらつきを後処理で補正するために外部システ
ムで動いている間、機械システムの位置を監視するとい
うものである。彼ら自身の試みは、詳細に論じられてお
り、ガントリの位置を三角法で記述している。この試み
は、1)ガントリの動きに再現性があって、2)軌道ず
れが小さく、3)回転軸に平行な方向、回転の円周の接
線、X線管と検出面とを結ぶ線に直交する方向にぐらつ
く、ことを仮定している。
【0007】非円形軌道や軌道部分でのぐらつきを補正
する試みの他の例として、Wiesent等(US5,706,324)
は、X線断層撮影で被検体と補正用ファントムとを同時
に撮影することを教示している。撮影幾何学の明確な環
状補正用ファントムとあるが、それがどのように実現さ
れるのかについては記述されていない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、C形
アームガントリに好適なイメージスルーマッピングの再
構成のための方法及びシステムを提供することにある。
【0009】本発明の他の目的は、被検体の周囲を非円
形軌道及び部分的に回転するX線源及び検出器を使って
画像再構成を可能にする方法及びシステムを提供するこ
とにある。
【0010】本発明のさらに他の目的は、被検体の周囲
の非円形軌道及びその軌道部分のデータから画像再構成
を可能にする方法及びシステムを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の被検体の画像を
再構成する方法は、被検体の周囲を不規則な軌道で回転
するX線源からのX線を被検体に照射するステップと、
露光データを得るステップと、再構成画像の位置を既知
の座標に基づいてマッピングすることにより露光データ
から画像を再構成する画像再構成ステップとを具備す
る。
【0012】
【発明の実施の形態】図1(a)は本発明システムの構
成図である。このシステムは、C形アームガントリを備
えるコーンビームタイプのCTシステムである。C形ア
ームガントリ1には、X線源装置2とX線検出装置4が
搭載される。X線源装置2から放射されたX線は、寝台
3上の被検体を透過して、X線検出装置4で検出され
る。典型的には、X線検出装置4は、512×512の
行列上に配列されたX線感度素子を有する。X線検出装
置4は、イメージインテンシファイアを備えるものであ
ってもよい。X線検出装置4は、露光データ(透過デー
タ)を発生する。ガントリ1は、天井から吊り下げられ
ていてもよいし、またC形アームの回転、C形アームの
スライド、支柱の回転を組み合わせることによって3軸
に関して移動するようになっていてもよい。また、支柱
は天井に縦横に移動するようになっていてもよい。
【0013】このシステムの動作は、制御処理システム
5とデータ入力システム6とによって制御される。制御
処理システム5は、X線検出装置4からの露光データを
記憶し処理するコンピュータを備え、C形アームの移
動、画像収集及びデータ記憶を含むシステムの動作を制
御し且つそれらの動作を監視する。特に、制御処理シス
テム5は、露光データに基づいて画像を再構成する再構
成処理を実行する。
【0014】データ入力システム6は、システムを操作
し監視するために操作者がデータや命令を入力するため
に設けられる。データ入力システム6は、典型的には、
モニタ、キーボード、及びポインティングデバイスを有
するグラフィカルインターフェースである。再構成され
た画像は、そのモニタに表示される。
【0015】システムが作動すると、X線が放射され、
被検体を透過する。そして透過X線は検出され、露光デ
ータが処理システム5により収集される。画像は、C形
アームの理想的でない動きを補償するための補正係数を
使って、マッピング技法により再構成される。補正係数
は、事前に補正用ファントムを使って取得されていて、
データ収集時に使用される。補正係数は次のように決定
される。
【0016】図1(b)は、CTの幾何学図を単純化し
て示している。点SからX線が放射される。このX線
は、補正用ファントム、被検体、試験用物体、他の関心
物等の3次元の物体Oに入射する。点Sを近似するのに
使われる仮想のX線源は、X線管を含んでいる。点Sで
発生したX線は、物体Oを通過し、また周囲を通過し
て、X線検出装置4で受信される。X線検出装置4は、
例えば512×512行列に平面的に配列されたX線感
度素子又は他のX線検出手段を有する。
【0017】円錐投影に関連する対象基準点R=(O,
x,y,z)と画像面上の基準点R´=(S,x´,y
´,z´)が定義される。図1(b)は、線源位置Sに
対応する画像面上の投影位置S´を示している。列位置
及び行位置は、検出装置4上に、cとlで表される。ピ
ンクッション状の歪みを補正された補正画像の中で検出
されるビーズの重力中心により、補正用ファントムのN
個の基準点に対応する画像面上での2次元投影位置(c
,l)が、基準点Rの中の既知の3次元座標
(x,y,z)とともに得られる。
【0018】ここで、検出面に直交する線源位置Sを通
る光学軸(主軸)を定義する。この光学軸は、対象物O
内の点と、それに対応する検出面上の投影位置とを表現
するための座標系を規定する基準とされる。検出面上の
全ての点は、光学軸の投影点を検出面に関連付けて表現
することができる。さらに中間点はそれら関連つけた点
から表現される。ここで用語について次のように定義す
る。
【0019】検出面上の点を、列位置cと行位置lとを
持つピクセルと呼ばれる2次元エリア要素として称す
る。線源Sと検出面との間の3次元ボリューム要素とし
ての点を、x座標(x)、y座標(y)、z座標(z)
を持つボクセルと称する。
【0020】図2は、補正用ファントムの一例を示して
いる。補正用ファントムは、本発明による補正係数を得
るための対象物Oとして使われる。そのファントムはPi
card等のUS5,442,674に教示されている。フ
ァントムに埋め込まれているほぼ球状のビーズは、基質
内に並んでいる。その基質内のビーズの位置は既知であ
り、そのビーズと基質との間のX線コントラストは、X
線投影の中でビーズを解像できるほどに十分大きい。ビ
ーズは、X線投影上で特定できるように識別情報をもっ
ている。
【0021】本実施形態で使われる補正ファントムのビ
ーズは、例えば炭化タングステン製であり、らせん状に
配列される。各ビーズの中心は、サブピクセルの精度を
決定する。最大のペレットは、投影上で特定され、残り
のペレットを整列するのに使われる。投影上で整列され
たペレットは、既知の3次元ペレット位置に整合され
る。
【0022】そして、補正用ファントムが検出面P上に
投影されたとき、各球状ビーズの中心に位置するボクセ
ルのxyz座標は、既知であり、また各ビーズの投影中
心に位置するピクセルは列位置c及び行位置lで規定さ
れる。
【0023】x、y、z、c、lは次の関係で与えられ
る。
【0024】
【数11】
【0025】ただし、上付き記号Tは、位置ベクトル
[cl1]と[xyz1]との置き換えを表し、Mは補
正係数としての行列要素m11,m12,m13,m1
4,m21,m22,m23,m24,m31,m3
2,m33,m34を有する補正行列を表している。ま
た、λは、座標系を揃えるためのスケール係数である。
【0026】補正行列(つまり補正係数)は、ビーズご
とに変わるものではない。そして、各ビーズは、線源、
検出器及び補正用ファントムの座標系の中で唯一の位置
を示している。従って、位置が既知である多くのビーズ
を持つファントムを使い、かつ検出面上でのビーズの投
影位置を特定することにより、一連の連立方程式を記述
することができる。適当な数の連立方程式を使うとき、
補正行列及びその補正係数を決定することができる。
【0027】本発明は、X線源装置、X線検出装置、補
正用ファントムの間の位置関係が変動する場合の補正行
列及び補正係数の決定に関する。この試みには本質的な
制約はない。例えばX線源装置とX線検出装置がファン
トムの周囲を円形又は実質的に円形に回転することを制
限するものではない。さらに、X線源装置とX線検出装
置がファントムの周りを完全に周回することを要求する
ものでもない。また、この試みは、被検体にアクセスし
やすく、正確な円形軌道で周回しないC形アームガント
リのCTイメージング装置にも本質的に用いることがで
きる。
【0028】補正行列を構成する補正係数は、次のよう
に求められる。式(1)は、補正用ファントムのN個の
ボリューム要素iに対して、式(2)のように書き換え
られる。
【0029】
【数12】
【0030】(2)の連立方程式は、行列Mの要素を推
定するのに用いられる。行列Mの要素は、円錐投影に関
わる同じ座標系における線形変換を表してれる。従っ
て、式(2)は式(3)に書き換えられる。
【0031】
【数13】
【0032】行列要素m34は、座標系の一単位として
扱われ、従って式(3)は式(4)のように書き換えら
れる。
【0033】
【数14】
【0034】式(4)において、(c、l)は
投影画像から得られるビーズの中心を表している。これ
ら式は、式(5),(6)のように行列の形に置き換え
ることができる。
【0035】
【数15】
【0036】式(5),(6)は、次のように一般化で
きる。
【0037】
【数16】
【0038】ただし、Aは、正方行列ではなく、(N×
7)である。Nは、方程式の数(補正用ファントムのビ
ーズの中の使われるビーズの数)であり、Cは、オリジ
ナルの補正行列Mの7個の要素(補正係数)からなるベ
クトルである。式(5),(6)各々の中に補正係数は
7個だけなので、補正行列Mを求めるためには、7個の
連立方程式が2セットあればよい。式(5),(6)に
示した2セットの連立方程式を使って式(8)に従って
ベクトルCを求める。
【0039】
【数17】
【0040】補正係数m31,m32,m33は、連立
方程式(5)と(6)の両方に与えられているので、様
々な解法が利用可能である。第1の解法としては、式
(5)と(6)の差を概算し、それらを組み合わせて2
N個の連立方程式を解くものである。これにより補正行
列Mを求めることができる。この補正行列Mは、投影と
対象物との関係を定義するために、式(1)の中で使う
ことができるその代わりに、式(6)の中のm312,
m32,m33,m34は、式(9)に示す補正係数m
41,m42,m43,m44に置き換えられる。これ
により式(5)と(6)は個別に解くことができる。こ
れにより大きな行列を反転することから丸み誤差が生じ
るが、コンピュータで扱い易くなる。式(5)と(6)
とを別々に扱うことで、2つの補正ベクトルが生じる。
第1の補正ベクトルは、ピクセルの列位置とボクセルの
xyz座標との関係を表しており、式(5)により与え
られる。なお、m312,m32,m33,m34は、
従来技術の補正行列Mの行列要素に完全に対応してはい
ない。第2の補正ベクトルは、ピクセルの行位置とボク
セルのxyz座標との関係を表しており、式(9)によ
り与えられる。
【0041】
【数18】
【0042】補正行列Cの値が得られると、再投影点の
画像座標(c、l)は、式(10),(11)
を使って既知の位置(x,y,z)から計
算できる。
【0043】
【数19】
【0044】式(4)は、2つの目的のために式
(5),(6)を分割する前に解かれる。第1の目的
は、式(5),(6)によりm31,m32,m33か
ら得られる値を等しくし、その第2は、大きな行列を反
転する代わりに、小さな行列を反転することで丸み誤差
を解消する。しかし、式(3),(4)から得られるm
31,m32,m33の値は相違する。それは、式
(7)の中の式(4)のmの30番台をmの40番台に
置き換えることで解決する。その代わりに、変数間の関
係を良好にする次の式から行列要素を解くようにしても
よい。
【0045】
【数20】
【0046】式(10)、(11)は、11個のパラメ
ータだけを使って式(13)、(14)のように書き換
えることができる。
【0047】
【数21】
【0048】上述した方法によって得られる補正係数の
一例を図3乃至図12に示している。これら補正係数
は、フレーム番号として示されるガントリの様々な位置
でC形アームシステムを対象にして得られる。
【0049】本発明の方法において、補正係数は、ガン
トリの全てのxyz座標に対して決定される。マッピン
グにより、被検体のボクセルごとに最適なデータの場所
を決定することができる。画像は、C形アームガントリ
の歪みなく正確に再構成される。
【0050】図14は、本発明の方法及びシステムで再
構成された頚動脈の画像を示している。この画像は、血
流に造影剤を注入して得たものである。この画像には、
フェルドカンプ(Feldkamp)再構成法等の従来法をC形ア
ームガントリに適用する際に生じるような歪み及びアー
チファクトは生じていない。
【0051】第2実施形態において、テイラー(Taylor)
展開と近似をマッピングに使うことで、画像ボクセルに
対応するデータフレーム上の行列位置を特定する。式
(13)、(14)に示すように、近似により次のよう
に再構成演算を単純化することができる。この近似はm
33が非常に小さくなるという仮定を元にしている。図
13にはm33のグラフを示している。このグラフから
該仮定が実証される。
【0052】
【数22】
【0053】式(15)、(16)は、乗算を使わず、
加算によりソフトウェア上で実行される。従って画像再
構成の演算時間を短縮できる。z演算が最内ループにあ
ること及びzは一定の増分Δzで増加することを仮定す
ると、式(15)、(16)は次のように書き換えられ
る。
【0054】
【数23】
【0055】本発明は、上述した実施形態に限定される
ものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施することが可能である。例えば、本
発明は、コンピュータプログラム等の記録媒体に記録さ
れたソフトウェアでも実現可能である。
【0056】
【発明の効果】本発明によれば、C形アームガントリに
好適なイメージスルーマッピングの再構成のための方法
及びシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明によるC形アームガントリを示
す図、(b)はCTシステム幾何学の概略図。
【図2】本発明の方法で使われる補正用ファントムを示
す図。
【図3】様々なガントリ位置での補正係数m11を示す
グラフ。
【図4】様々なガントリ位置での補正係数m12を示す
グラフ。
【図5】様々なガントリ位置での補正係数m13を示す
グラフ。
【図6】様々なガントリ位置での補正係数m14を示す
グラフ。
【図7】様々なガントリ位置での補正係数m21を示す
グラフ。
【図8】様々なガントリ位置での補正係数m22を示す
グラフ。
【図9】様々なガントリ位置での補正係数m23を示す
グラフ。
【図10】様々なガントリ位置での補正係数m24を示
すグラフ。
【図11】様々なガントリ位置での補正係数m31を示
すグラフ。
【図12】様々なガントリ位置での補正係数m32を示
すグラフ。
【図13】様々なガントリ位置での補正係数m33を示
すグラフ。
【図14】本発明により再構成された画像を示す中間調
画像。
【符号の説明】
1…C形アームガントリ、 2…X線源装置、 3…寝台、 4…X線検出装置、 5…処理システム、 6…データ入力システム。

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検体の画像を再構成する方法におい
    て、 前記被検体の周囲を不規則な軌道で回転するX線源から
    のX線を前記被検体に照射するステップと、 露光データを得るステップと、 再構成画像の位置を既知の座標に基づいてマッピングす
    ることにより前記露光データから前記画像を再構成する
    画像再構成ステップとを具備する方法。
  2. 【請求項2】 前記X線源は、C形アームのぐらつき、
    重力によるたわみ、及び振動の少なくとも1つにより不
    規則な軌道で前記被検体の周囲を略円形に回転する開放
    型C形アームガントリに搭載される請求項1記載の方
    法。
  3. 【請求項3】 既知の座標から補正係数を発生し、 前記画像再構成ステップで、前記補正係数を使う請求項
    1記載の方法。
  4. 【請求項4】 既知の位置(x,y,z
    に基づいて再投影点の画像座標(c,l)を、 【数1】 ただし、m11、m12、・・・m44は補正係数であ
    る、により決定する請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記補正係数を、 【数2】 ただし、c、lはそれぞれエリア要素iの列位
    置、行位置であり、x ,y,zはそれぞれ
    対応するボリューム要素iのx座標、y座標、z座標で
    ある、により決定する請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 既知の位置(x,y,z
    に基づいて再投影点の画像座標(c,l)を、 【数3】 ただし、m11、m12、・・・m34は補正係数であ
    る、により決定する請求項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記補正係数を、 【数4】 ただし、c、lはそれぞれエリア要素iの列位
    置、行位置であり、x ,y,zはそれぞれ
    対応するボリューム要素iのx座標、y座標、z座標で
    ある、により決定する請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 角度βでの既知の位置(x,y,z)に
    基づいて再投影点の画像座標(c,l)を、 【数5】 により決定する請求項1記載の方法。
  9. 【請求項9】 複数の補正ボリューム要素を有する補正
    用ファントムを撮影するステップと、 前記補正用ファントムの画像の中の複数の補正エリア要
    素を特定するステップと、 前記補正エリア要素を前記補正用ファントムの前記補正
    ボリューム要素にマッチングするステップと、 前記補正エリア要素と前記補正ボリューム要素との間の
    空間的な関係に基づいて複数のマッピング係数を計算す
    るするステップとを具備する請求項1記載の方法。
  10. 【請求項10】 補正係数各々に関連する前記不規則な
    軌道上の複数の位置で前記マッピング係数を計算する請
    求項9記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記再構成ステップは、マッチングさ
    れたボリューム要素とともに、前記複数の補正エリア要
    素からアクティブエリア要素を選択するステップと、 前記アクティブエリア要素と、前記マッチングされたボ
    リューム要素との間の数学的な関係を求めるステップと
    を有する請求項9記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記アクティブエリア要素の列位置と
    行位置を特定し、 前記マッチングされたボリューム要素のx座標、y座
    標、z座標を特定し、 前記列位置及び前記行位置を、前記x座標、前記y座標
    及び前記z座標に対して関連つける請求項10記載の方
    法。
  13. 【請求項13】 画像を再構成する装置において、 X線源と、 前記X線源に対向するX線検出器と、 前記X線検出器の既知の座標に基づいて、前記再構成画
    像の点をマッピングすることによって、前記X線検出器
    により得られた露光データに基づいて前記画像を再構成
    する再構成手段とを具備する装置。
  14. 【請求項14】 前記X線源と前記X線検出器は、C形
    アームのぐらつき、重力によるたわみ、及び振動の少な
    くとも1つによる不規則な軌道で被検体の周囲を略円形
    に回転する開放型C形アームガントリに搭載される請求
    項13記載の装置。
  15. 【請求項15】 前記再構成手段は、既知の位置(x
    ,y,z)に基づいて再投影点の画像座標
    (c,l)を、 【数6】 ただし、m11、m12、・・・m44は補正係数であ
    る、により決定する手段を有する請求項13記載の装
    置。
  16. 【請求項16】 前記再構成手段は、前記補正係数を、 【数7】 ただし、c、lはそれぞれエリア要素iの列位
    置、行位置であり、x ,y,zはそれぞれ
    対応するボリューム要素のx座標、y座標、z座標であ
    る、により決定する手段を有する請求項15記載の装
    置。
  17. 【請求項17】 前記再構成手段は、既知の位置(x
    ,y,z)に基づいて再投影点の画像座標
    (c,l)を、 【数8】 ただし、m11、m12、・・・m34は補正係数であ
    る、により決定する手段を有する請求項13記載の装
    置。
  18. 【請求項18】 前記補正係数を、 【数9】 ただし、c、lはそれぞれエリア要素iの列位
    置、行位置であり、x ,y,zはそれぞれ
    対応するボリューム要素iのx座標、y座標、z座標で
    ある、により決定する手段を有する請求項17記載の装
    置。
  19. 【請求項19】 角度βでの既知の位置(x,y,z)
    に基づいて再投影点の画像座標(c,l)を、 【数10】 により決定する手段を有する請求項13記載の装置。
  20. 【請求項20】 前記再構成手段は、前記既知の座標か
    ら前記再構成画像の位置をマッピングすることにより、
    前記X線検出器で得られた露光データから前記画像を再
    構成するために構成され、前記X線検出器に接続された
    コンピュータを有する請求項13記載の装置。
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