JP2003528683A - 3dラドン変換のための高速階層的逆投影方法 - Google Patents
3dラドン変換のための高速階層的逆投影方法Info
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Abstract
Description
一部継続出願である、1999年10月15日出願の出願番号09/418,9
33の一部継続出願である。これは、また、1999年6月23日出願の出願番
号09/338,092の一部継続出願である、1999年10月15日出願の
出願番号09/419,415の一部継続出願でもある。ここの全ての特許出願
は、その全体を参照文献として併合する。
元トモグラフィックボリュームを再構成する方法に関する。
する事によって生成される。密度、反射率などの測定を示す、これらの線積分測
定は、次に、未知の対象物を示すボリュームを得るために処理される。このよう
にして得られたデータは、シノグラムに集められ、シノグラムは、処理され、逆
投影され、2次元イメージや3次元ボリュームにされる。
からボリュームを再構成するにおいてキーとなるステップである。3Dラドン変
換は、シンセチックアペチャーレーダ(SAR)、ボリューメトリックマグネチ
ックレゾナンスイメージング(MRI)、コーンビームX線トモグラフィーなど
の既存、及び次期の多くの記述の基盤となるものである。逆投影ステップは、計
算量の立場からは重く、遅い。従って、よりコストが低く、時間のかからない3
Dラドンデータを逆投影する方法が必要である。
ることである。 他の目的は、3Dボリュームデータを逆投影する新規で改良された方法を提供
することである。
知の方法より高速な3Dボリュームデータを逆投影する新規かつ改良された方法
を提供することである。
めに逆投影される。変換は、N3 log2 Nの処理を必要とする。
に小さく分割される。サブシノグラムは、1体積要素程度のボリュームになるま
で、繰り返し小さく分割される。最小のサブシノグラムは、直接アプローチを使
って、逆投影され、複数のサブボリュームに形成され、サブボリュームは、集め
られて、最終的なボリュームに形成される。
ゴリズムであり、正確であるが処理が遅い。第2は、近似の分解アルゴリズムで
あり、精度は劣るが高速処理である。両方のサブディビジョンアルゴリズムを適
切に使用することにより、高精度の逆投影が既存の技術に比べかなり速く計算で
きる。
る。典型的なイメージング装置1(図1)は、頭などの対象物からデータを得る
スキャナ2を含み、レシーバ3に生のデータを送る。データは、再バイニング、
フィルタリングあるいは他の処理を含むことのできるポストプロセッサ4内で処
理される。ポストプロセッサ4は、階層的逆投影(HBP)装置5において、逆
投影されるシノグラムを生成する。HBP5は、ディスプレイ6あるいは、他の
適切な出力装置に示されるイメージを生成する。
ボリューム(3Dの数値の配列)38にマッピングされたシノグラム(3Dの数
の配列)である。この変換への直接的なアプローチにおいては、N5 の処理が必
要とされる。ここで、Nは、入力と出力両方の線形サイズを特徴付けるものであ
る。
を実行する高速な方法である。本発明においては、入力されるシノグラムは、分
解アルゴリズムを使って、複数のサブシノグラムに小さく分解される。サブシノ
グラムは、繰り返し、1体積要素位のボリュームになるまで小さく分割される。
そして、最小のサブシノグラムは、直接アプローチを用いて、逆投影され、複数
のサブボリュームに形成される。サブボリュームは、最終ボリュームを形成する
ように集められる。
アルゴリズムは、厳密なアルゴリズムであり、正確であるが処理が遅く、他のア
ルゴリズムは、近似のアルゴリズムは、正確性に欠けるが高速である。両アルゴ
リズムは、3Dラドン変換に基づいている。
3つの整数でインデックスが付けられ、最初の2つは、角座標を示し、3つ目は
、動径座標におけるサンプルを示す。例えば、Tを動径方向のサンプリング周期
とし、ωm、n において、m、n∈{1、・・・、P}としたとき、g(m、n
、k)=q(ωm、n 、kT)は、3Dラドン変換がサンプリングされるP2 個
の方向である。
計算される。
n∈{0、・・・、P−1}及び、τm,n ∈[−.5、.5]。次に、これは、
次の直接公式によって逆投影される。
ザ関数などの滑らかにする関数である。公式(2)、(3)、及び(4)を組み
合わせることにより、以下の離散化された逆投影を得る。
ラム{g(m、n、k)}をN×N×Nのボリューム{f(i)}にBP、N に
よってマッピングする逆投影処理を示す。公式(5)によってg(ステップ34
)からのf(i)の計算(図2のステップ38)は、「直接的」で遅い、逆投影
方法である。
ム(ステップ10)g(m、n、k)は、動径方向にシフトされ、切断され(ス
テップ12a〜12h)、
、8}に対するgl (m、n、k)を得る。 δl は、以下で定義される。
ぞれP/2×P/2×O(N)のサイズのgl が、厳密サブディビジョン処理に
よって得られる。
は、再構成の各オクタントに対して一つずつであり、
)される。集積ステップ(ステップ18a〜18h、20)は、fl を単に、最
終的ボリュームのl番目のオクタントにコピーするものである。
テップ22)は、逆投影の前に、「角方向デシメーションステップ」24a〜2
4h(図4のA1 P,N ・・・A8 P,N )によって処理される。この角方向デシメ
ーションステップ24a〜24hは、厳密分解に使用されるシフト及び切断以外
に、以下に説明するように、近似分解で行われる角方向デシメーションを含む。
図3と図4の比較により、処理ステップ(それぞれ、ステップ12aから12h
、及び24a〜24h)の後、扱われるボリュームのサイズが異なることが分か
る。厳密分解においては、ステップ12a〜12hのそれぞれの後の出力は、P
×P×O(N/2)のサイズとなっている。これは、公式(8)の処理が、第3
の座標についてのみシフトと切断を含むからである。
ョンステップを含んでおり、gl は、αを適切に選択された角方向及び動径方向
のスムージングカーネルとしたとき、
率的に計算できるように計算しやすいように選択される。近似サブディビジョン
の処理により、P×P×O(N/2)のサイズのgl を得る厳密サブディビジョ
ンと違って、それぞれがP/2×P/2×O(N/2)のサイズであるgl を得
る。
ノグラムは、再構成の各オクタントに1つであり、νが公式(12)で定義され
るとおりとして
(ステップ28a〜28h、30)は、単に、fl を最終ボリュームのl番目の
オクタントにコピーするものである。
影アルゴリズムにおいては、処理は、出力が1つの体積要素と同じほど小さくな
るまで、全体の分解の代わりに、逆投影ステップ(ステップ14a〜14hある
いは26a〜26h)と共に、反復的に行われる。厳密なサブディビジョン処理
の行われる回数を制御することにより、そして、近似サブディビジョン処理が使
用される回数を制御することにより、逆投影の精度は、計算量の増大と引き替え
に制御することができる。更に、αを小さな台を持つように選択すると仮定する
と、1つの体積要素を示すサブシノグラムに分解するときの本提案の処理のコス
トが約O(N3 log2 N)の処理となる。
構成に高速逆投影アルゴリズムを使用するためには、最初に、近似2次微分カー
ネルによって投影を動径方向にフィルタリングしなければならない。標準の2次
差分カーネル[−1,0,1]がこの実験のため使用された。シンセチック平面
積分投影は、P=256で計算され、再構成ボリュームサイズがN−256であ
った。ディテクタ間隔は、T−0.5に設定された。フィルタリングされたデー
タは、それから、公式(5)と本提案の処理を用いて逆投影された。データは、
高速逆投影に渡される前に、ファクタ2で動径方向にオーバサンプリングされた
。厳密サブディビジョン処理は、アルゴリズムの最初の2ステージについて使用
され、残りのステージは、近似処理が使用された。本発明の処理は、同様の精度
の再構成を生成する直接方法より約200倍高速であった。
ックデータ取得形状をカバーする。標準的な計算手法が本提案の処理の構成を並
び替えるのに適用可能である。これは、ハードウェア、ソフトウェア、あるいは
、これらの任意の組み合わせによっても実装できる。しかし、階層的分解を規定
するアイディア及び、その結果としての反復的アルゴリズム構成は、これらの変
化によって影響を受けない。様々な程度の計算効率においては、当該アルゴリズ
ムは、Nの他の底あるいは、Nの任意の因数の程度で実装可能である。
速く、より少ない計算コストで逆投影できる。 本発明の原理が、特定の装置及び応用に関連して、上記に説明したが、この説
明は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
Claims (23)
- 【請求項1】シノグラム(10)から、3次元電子ボリュームを生成する方
法であって、 シノグラムを複数のサブシノグラムに小さく分割する(12a〜12h)(2
4a〜24h)ステップと、 複数の対応するサブボリュームを生成するために、サブシノグラムのそれぞれ
を逆投影する(14a〜14h)(26a〜26h)ステップと、 電子ボリュームを生成するためにサブボリュームを集積する(20)(30)
ステップと、 を備えることを特徴とする方法。 - 【請求項2】前記分割ステップは、複数の近似サブ分割(24a〜24h)
を行うことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】前記分割ステップは、複数の厳密サブ分割(12a〜12h)
を行うことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】前記シノグラムは、反復的に、複数のサブシノグラムに分割さ
れ、前記分割ステップは、複数の厳密サブ分割(12a〜12h)及び複数の近
似サブ分割(24a〜24h)を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】前記集積ステップは、反復的に行われることを特徴とする請求
項1に記載の方法。 - 【請求項6】前記電子ボリュームは、トモグラフィックボリュームであるこ
とを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】更に、前記電子ボリュームの精度を向上するために、角方向と
動径方向のオーバサンプリングを行う前処理ステップを備えることを特徴とする
請求項1に記載の方法。 - 【請求項8】前記シノグラムは、各サブシノグラムが望ましいサイズのボリ
ュームになるまで、反復的に分割されることを特徴とする請求項1に記載の方法
。 - 【請求項9】前記サブシノグラムは、1体積要素程度の大きさのボリューム
に対応することを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】前記シノグラムは、フィルタリングされた投影を含むことを
特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項11】前記近似サブ分割ステップ(24a〜24h)は、前記シノ
グラムの動径方向の切断、シフト、角方向デシメーションを含むことを特徴とす
る請求項2に記載の方法。 - 【請求項12】前記厳密サブ分割ステップ(12a〜12h)は、動径方向
の切断及びシフトを含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項13】対象物の3次元電子ボリュームを生成する装置であって、 該対象物のボリュームを表すデータを生成するために、該対象物をスキャンす
る手段(2)と、 複数のフィルタリングされた投影を含むシノグラムを生成するために該データ
を処理する手段(4)と、 該シノグラムを複数のサブシノグラムに分割する手段(5)と、 複数の対応するサブボリュームを生成するために、該サブシノグラムのそれぞ
れを逆投影する手段(5)と、 電子ボリュームを生成するために該サブボリュームを集積する手段(6)と、 該電子ボリュームを表示する手段と、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項14】前記分割する手段は、複数の近似サブ分割を行うことを特徴
とする請求項13に記載の装置。 - 【請求項15】前記近似サブ分割は、前記シノグラムの動径方向の切断、シ
フト及び角方向のデシメーションを含むことを特徴とする請求項14に記載の装
置。 - 【請求項16】前記分割をする手段は、複数の厳密サブ分割を行うことを特
徴とする請求項13に記載の装置。 - 【請求項17】前記厳密サブ分割は、動径方向の切断及びシフトを含むこと
を特徴とする請求項16に記載の装置。 - 【請求項18】前記シノグラムは、反復的に、複数のサブシノグラムに分割
され、前記分割する手段は、複数の厳密サブ分割と複数の近似サブ分割を行うこ
とを特徴とする請求項13に記載の装置。 - 【請求項19】前記集積する手段は、反復的に処理を行うことを特徴とする
請求項13に記載の装置。 - 【請求項20】前記電子ボリュームは、トモグラフィックボリュームである
ことを特徴とする請求項13に記載の装置。 - 【請求項21】前記処理を行う手段は、前記電子ボリュームの精度を上げる
ために、角度方向と動径方向のオーバサンプリングを行うことを特徴とする請求
項13に記載の装置。 - 【請求項22】前記分割する手段は、各サブシノグラムが好ましいサイズの
ボリュームとなるまで、反復的に処理を行うことを特徴とする請求項13に記載
の装置。 - 【請求項23】前記サブシノグラムは、1つの体積要素と同程度の大きさの
ボリュームに対応することを特徴とする請求項20に記載の装置。
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