JP2004065983A - 計算機式断層写真法データの加重の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査時間を短縮した場合の画質を向上させる。
【解決手段】計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム（１０）は放射線源（１４）とマルチ・スライス検出器アレイ（１８）とを回転式ガントリ（１２）上に含んでいる。画像を再構成する本方法は、複数のガントリ角度及び複数のコーン角度で投影データの複数のビューを取得するように計算機式断層写真法イメージング・システムで対象を螺旋走査する工程（６２）と、コーン角度の絶対値に逆相関する複数のコーン角度依存型加重を生成する工程（６４）と、このコーン角度依存型加重を用いて投影データに加重する工程（６６）とを含んでいる。
【選択図】　　　　図１

Description

　本発明は一般的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）画像再構成の方法及び装置に関し、さらに具体的には、ＣＴシステムで収集されたデータの加重に関する。

　少なくとも一つの公知の計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムは、走査時間を短縮するために高速化したテーブル速度を用いる。テーブル速度を高速化すると、画像再構成空間内の複数の螺旋軌跡に沿って取得されるデータ・サンプルの量が減少する。データ・サンプルの量の減少と複数のコーン・ビーム効果とが相俟って画質の低下した画像が形成される場合がある。

　一観点では、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムを用いて対象の画像を再構成する方法を提供する。ＣＴシステムは放射線源とマルチ・スライス検出器アレイとを回転式ガントリ上に含んでおり、放射線源は、対象を透過させマルチ・スライス検出器アレイに向かって放射線ビームを投射するように構成されている。マルチ・スライス検出器アレイは、対象を透過した放射線の減弱を感知するように構成されている。画像を再構成する本方法は、複数のガントリ角度及び複数のコーン角度で投影データの複数のビューを取得するように計算機式断層写真法イメージング・システムで対象を螺旋走査する工程と、コーン角度の絶対値に逆相関する複数のコーン角度依存型加重を生成する工程と、このコーン角度依存型加重を用いて投影データに加重する工程とを含んでいる。

　他の観点では、対象の画像を再構成する計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムを提供する。この計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムは放射線源とマルチ・スライス検出器アレイとを回転式ガントリ上に含んでおり、放射線源は、対象を透過させマルチ・スライス検出器アレイに向かって放射線ビームを投射するように構成されている。マルチ・スライス検出器アレイは、対象を透過した放射線の減弱を感知するように構成されている。本イメージング・システムは、複数のガントリ角度及び複数のコーン角度で投影データの複数のビューを取得するように計算機式断層写真法イメージング・システムで対象を螺旋走査する工程と、コーン角度の絶対値に逆相関する複数のコーン角度依存型加重を生成する工程と、このコーン角度依存型加重を用いて投影データに加重する工程とを実行するように構成されている。

　さらに他の観点では、計算機式断層写真法（ＣＴ）走査データを収集するコンピュータを提供する。このコンピュータは、複数のガントリ角度及び複数のコーン角度で投影データの複数のビューを取得するように計算機式断層写真法イメージング・システムで対象を螺旋走査し、コーン角度の絶対値に逆相関する複数のコーン角度依存型加重を生成して、このコーン角度依存型加重を用いて投影データに加重するようにプログラムされている。

　幾つかの公知のＣＴイメージング・システム構成においては、放射線源がファン（扇形）形状のビームを投射し、このビームは、デカルト座標系のＸＹ平面であって、一般に「イメージング（撮像）平面」と呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。放射線ビームは患者等の撮像対象を透過する。ビームは対象によって減弱された後に放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイで受光される減弱した放射線ビームの強度は、対象による放射線ビームの減弱量に依存している。アレイ内の各々の検出器素子が、検出器の位置でのビーム減弱の測定値である別個の電気信号を発生する。すべての検出器からの減弱測定値を別個に取得して透過プロファイル（断面）を形成する。

　第三世代ＣＴシステムでは、放射線源及び検出器アレイは、放射線ビームが撮像対象と交差する角度が定常的に変化するように撮像平面内で撮像対象の周りをガントリと共に回転する。一つのガントリ角度での検出器アレイからの一群の放射線減弱測定値すなわち投影データを「ビュー」と呼ぶ。対象の「走査（スキャン）」は、放射線源及び検出器が一回転する間に様々なガントリ角度すなわちビュー角度において形成される一組のビューを含んでいる。

　アキシャル・スキャン（軸方向走査）では、投影データを処理して、対象を通して得られる二次元スライスに対応する画像を構築する。一組の投影データから画像を再構成する一方法に、当業界でフィルタ補正逆投影法と呼ばれるものがある。この方法は、走査からの減弱測定値を「ＣＴ数」又は「ハンスフィールド（Hounsfield）単位」と呼ばれる整数へ変換し、これらの整数を用いて表示装置上の対応するピクセルの輝度を制御する。

　全走査時間を短縮するために、「ヘリカル」・スキャン（螺旋走査）を行なうこともできる。「ヘリカル」・スキャンを行なうためには、所定の数のスライスのデータが取得されている最中に患者を移動させる。このようなシステムは、単一回のファン・ビーム・ヘリカル・スキャンから単一の螺旋を生成する。ファン・ビームによって悉く写像された螺旋から投影データが得られ、投影データから各々の所定のスライスにおける画像を再構成することができる。

　本書で用いる場合には、単数形で記載されており単数不定冠詞を冠した要素又は工程という用語は、排除を明記していない限りかかる要素又は工程を複数備えることを排除しないものと理解されたい。さらに、本発明の「一実施形態」に対する参照は、所載の特徴を同様に組み入れている他の実施形態の存在を排除しないものと解釈されたい。

　また、本書で用いられる「画像を再構成する」という文言は、画像を表わすデータが生成されるが可視画像は形成されないような本発明の実施形態を排除するものではない。但し、多くの実施形態は１以上の可視画像を形成する（か又は形成するように構成されている）。

　図１はＣＴイメージング・システム１０の見取り図である。図２は図１に示すシステム１０のブロック模式図である。実施形態の一例では、計算機式断層写真（ＣＴ）イメージング・システム１０は、「第三世代」ＣＴイメージング・システムに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２は放射線源１４を有しており、放射線源１４は、Ｘ線コーン・ビーム１６をガントリ１２の対向する側に設けられている検出器アレイ１８に向かって投射する。

　検出器アレイ１８は、各々複数の検出器素子２０を含む複数の検出器行（図示されていない）によって形成されており、検出器素子２０は一括で、患者２２のような対象を透過した投射Ｘ線ビームを感知する。各々の検出器素子２０は、入射放射線ビームの強度を表わし従って対象又は患者２２を透過する際のビームの減弱を表わす電気信号を発生する。マルチ・スライス検出器１８を有するイメージング・システム１０は、対象２２の空間を表わす複数の画像を形成することが可能である。これら複数の画像の各々が空間の別個のスライスに対応する。スライスの「厚み」又はアパーチャは検出器行の厚みに依存している。

　放射線投影データを取得するための一回の走査の間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成部品は回転中心２４の周りを回転する。図２は、検出器素子２０の単一の行（すなわち検出器行一行）のみを示している。しかしながら、マルチ・スライス検出器アレイ１８は、一回の走査中に複数の準平行スライス又は平行スライスに対応する投影データが同時に取得され得るように検出器素子２０の複数の平行な検出器行を含んでいる。

　ガントリ１２の回転及び放射線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御される。制御機構２６は放射線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、放射線制御器２８は放射線源１４に電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングして、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化された放射線データをＤＡＳ３２から受け取って高速画像再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。

　コンピュータ３６はまた、キーボードを有するコンソール４０を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給した指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、放射線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２をガントリ１２内で配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。

　一実施形態では、コンピュータ３６は、フレキシブル・ディスク又はＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な媒体５２から命令及び／又はデータを読み取る装置５０、例えばフレキシブル・ディスク・ドライブ又はＣＤ−ＲＯＭドライブを含んでいる。もう一つの実施形態では、コンピュータ３６はファームウェア（図示されていない）に記憶されている命令を実行する。コンピュータ３６は、本書に記載する機能を実行するようにプログラムされており、従って、本書で用いられるコンピュータという用語は当業界でコンピュータと呼ばれている集積回路のみに限定されている訳ではなく、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ、特定応用向け集積回路、及び他のプログラム可能な回路を広範に指している。

　図３は、対象の画像を再構成する方法６０を示す。実施形態の一例では、投影データに加重する方法６０は、複数のガントリ角度及び複数のコーン角度で投影データの複数のビューを取得するように計算機式断層写真法イメージング・システムで対象を螺旋走査する工程６２と、コーン角度の絶対値に逆相関する複数のコーン角度依存型加重を生成する工程６４と、このコーン角度依存型加重を用いて投影データに加重する工程６６とを含んでいる。

　図４は、再構成ボクセル７０を通過する様々なコーン角度の射線を示している。再構成ボクセル７０は、異なるコーン角度７６を有する複数の共役射線７２及び７４によってサンプリングされており、共役射線のうち１以上がボクセル７０での再構成値に寄与する。射線７２は射線７４よりも小さいコーン角度αを有しており、従って、射線７４よりも整合性が高い。本書で説明するコーン角度依存型加重の一実施形態では、整合性の高いデータに対して整合性の低いデータよりも大きい加重を割り当てる。低ピッチ走査では、焦点スポットが再構成平面（ＰＯＲ）に十分に近接している場合にのみデータを収集するので全射線が測定される。螺旋ピッチが増大するにつれて、ＰＯＲから最遠に位置する焦点スポットの位置は視野の辺縁に近いボクセルでは全射線を測定しなくなるため、結果的に、高ピッチ走査の場合には何らかのデータを補外し測定データと結合して再構成を生成する。高ピッチ走査は、正規化螺旋ピッチｐを
　　ｐ＞１
と定義した場合の走査と定義される。

　立体ＣＴデータのフェルドカンプ（Feldkamp）再構成は、旧来のアキシャルＣＴ走査の標準的な二次元フィルタ補正逆投影（ＦＢＰ）の摂動である。ガントリの全回転によるアキシャルＣＴ走査は数学的に冗長なデータを収集する。再構成に必要とされるビューの数を減少させることにより走査時間を短縮するために、一群の部分走査加重が開発されてきた。ＣＴシステム定義のファン角度Γを有するファン・ビーム型幾何学的構成では、走査時間は、
　　ｗ（β，γ）＋ｗ（β_c，γ_c）≡１
　　ｗ（β，γ）≡１　∀｜β｜＜（π／２−Γ）
を満たす任意の整合型加重関数ｗ（β，γ）によって（π／２＋Γ）／π分の１だけ短縮させることができる。ここで、（β，γ）及び（β_c，γ_c）は複数の共役射線７２及び７４をパラメータ表現したものである。この加重方式は二次元アキシャル・スキャンについて導き出されたものであってコーン角度に対して独立であるが、この加重方式を螺旋マルチ・スライス・データに応用した例を図５に示す。図示されているのは、標準型ハーフ・スキャン加重を用いて９／８の正規化ピッチで収集された８行×２．５ｍｍのデータの再構成である。一回転の完全なガントリ回転において、焦点スポットはｚ軸に沿って９＊２．５ｍｍ＝２２．５ｍｍだけ平行移動しており、このような低ピッチ走査の場合には比較的僅かなデータ補外しか必要としない。

　利用時について、図５及び図６に示すようなデータを生成するために用いられる部分走査加重を説明する。再構成に用いられる程度のビュー範囲は原点に関して対称であり、β∈［−（π／２＋Γ_ω），（π／２＋Γ_ω）］であり、ここでΓ_ωは利用者定義のファン角度であってΓ_ω≧Γである。共役射線は、下記の関係式に従って互いに関係付けられる。

　　β_c＝β＋π−２γ、及び
　　γ_c＝−γ
ＰＯＲにおける線源ボクセル間距離Ｌは、
　　ＦＳ（β）＝（Ｒｃｏｓβ，Ｒｓｉｎβ，ｔβ）
　　ｖ＝（ｘ，ｙ，ｚ）
　　Ｌ＝｛（Ｒｃｏｓβ−ｘ）²＋（Ｒｓｉｎβ−ｙ）²｝^1/2
と定義され、ここで、
　　ＦＳ（β）はガントリ角度βでの焦点スポット位置であり、
　　Ｒはガントリの回転半径であり、
　　βはガントリ角度であり、
　　ｔ＝ｐＮ×（スライス幅）×（β／２π）であり、
　　ｐは正規化ピッチであり、
　　Ｎはスライスの数であり、
　　ｖはボクセルであり、
　　（ｘ，ｙ，ｚ）はボクセルの座標である。

　Ｌの共役についての線源ボクセル間距離はＬ_c＝２Ｒｃｏｓγ−Ｌであり、ｔａｎα＝（ｚ−ｔβ）／Ｌである。利用者定義のファン角度Γ_ωについては、｜β｜＞（π／２＋Γ_ω）である場合には加重は同等にゼロであり、コーン角度αに反比例する。従って、加重関数の一実施形態は下記のように定義される。

　　ｗ_q（α，β，γ）＝２ｇ^q／（ｇ^q＋ｇ_c ^q）
ここで、
　　ｇ＝ｍａｘ（０，（（π／２＋Γ_ω）−｜β｜））｜ｔａｎα_c｜
　　ｇ_c＝ｍａｘ（０，（（π／２＋Γ_ω）−｜β_c｜））｜ｔａｎα｜
　　ｑ＞１、
　　αはコーン・ビーム角度であり、
　　βはガントリ角度であり、
　　γはファン・ビーム角度であり、
　　α_cは共役射線のコーン・ビーム角度であり、
　　β_c＝β＋π−２γ、
　　γ_c＝−γ、
　　ΓはＣＴシステムについてのハードウェア定義のコーン角度であり、
　　Γ_ωはファン・ビーム型幾何学的構成についての利用者定義のファン角度であり、
　　Γ_ω≧Γである。

　利用時には、ＰＯＲに位置する完全に整合性のある射線すなわちゼロに等しいコーン・ビーム角度αを有する射線には、完全な加重が与えられる。

　　ｗ_q（０，β，γ）≡２　∀γ，｜β｜＜（π／２−Γ_ω）
　図６、図７及び図８は、完全なガントリ回転及び利用者定義のファン角度Γ_ω＝π／２によって収集されたデータから生ずる結果を示す。図６は、複数のガントリ角度βについて加重関数ｗ_q対ファン角度γのプロットを、１３．４／８の正規化ピッチで８行×２．５ｍｍのデータを収集したものと想定して示す。図６の四つのグラフの各々は、各々のグラフ内に示すように異なる値のガントリ角度βについて加重関数ｗ_q対ファン角度γを示している。図示されているのは、４０ｃｍ視野の再構成に寄与する各々の行毎のコーン角度最小時の加重である。太い実線８０は標準型ハーフ・スキャン加重に対応しており、このハーフ・スキャン加重はコーン角度には依存していない。細い実線８２は測定データに対応しており、破線８４は補外データに対応している。図６では、図７に示す再構成について用いられているよりも多数のビューを再構成に用いている。しかしながら、最初のビュー及び最後のビューは僅かな加重しか与えられておらず、ｗ_q＜２．５ｅ−５であり、すなわちこれらのビューは図５の左上のグラフに示すように再構成には実質的に寄与していない。ガントリ角度βがゼロに近付くにつれて、加重関数ｗ_qは補外された行よりも測定された行に対してより大きく加重する傾向を持つ。

　図７は、標準型ハーフ・スキャン加重を用いて１３．４／８の正規化ピッチで収集された８行×２．５ｍｍのデータに対して実行された再構成を示す。図８は、コーン角度依存型加重を用いて１３．４／８の正規化ピッチで収集された８行×２．５ｍｍのデータに対して実行された再構成を示す。図８に示すように、本書に記載するようなコーン角度依存型加重方式を用いて生成された再構成は画質が向上しており、特に構造９０及び構造９２の近くではハーフ・スキャン加重を用いて生成された図７に示す構造９０及び構造９２よりも画質が向上している。

　代替的な実施形態では、加重関数ｗ（α，β，γ）をパーカー（Parker）の部分走査加重に基づくものとする。

　　ｗ（α，β，γ）＝［Ｐ（β，γ）^p（ｃｏｔα）^2a］
　　　　／［Ｐ（β，γ）^p（ｃｏｔα）^2a＋Ｐ（β_c，γ_c）^p（ｃｏｔα_c）^2a］
ここで、
　　ａ≧０、
　　ｐ＝検出器行の数に対して正規化した螺旋ピッチであり、
　　Ｐ（β，γ）^pはパーカーの部分走査加重の関数であり、
　　αはコーン・ビーム角度であり、
　　βはガントリ角度であり、
　　γはファン角度であり、
　　α_cは共役射線のコーン・ビーム角度であり、
　　β_c＝β＋π−２γであり、
　　γ_c＝−γである。

　利用時には、Ｐ（β，γ）^p＝１のときにはｗ（α，β，γ）＝１であり、Ｐ（β，γ）^p＝０のときにはｗ（α，β，γ）＝０である。また、ａ＝０で且つｐ＝１のときにはｗ（α，β，γ）＝Ｐ（β，γ）^pである。アキシャル・スキャンの場合には、ｐ＝０であり、従って、ｗ（α，β，γ）はコーン角度αの関数であってパーカーの部分走査加重Ｐ（β，γ）に対して独立である。中心平面を再構成する場合には、α＝α_c＝０であるので、ｗ（α，β，γ）＝１／２となる。アキシャル・スキャン用の部分走査加重を生成するためには、ｗ（α，β，γ）を算出するときにｐをゼロから正値まで増大させる。加重関数ｗ（α，β，γ）は平滑で、且つ
　　ｗ（α，β，γ）＋ｗ（α，β，γ）≡1
を満たす整合型加重関数である。

　様々な特定の実施形態によって本発明を記載したが、当業者であれば、特許請求の範囲の要旨及び範囲内にある改変を施して本発明を実施し得ることを理解されよう。

ＣＴイメージング・システムの実施形態の見取り図である。 図１に示すシステムのブロック模式図である。 対象の画像を再構成する方法を示す図である。 ボクセルを通過する様々なコーン角度の射線を示す図である。 標準型ハーフ・スキャン加重を用いて９／８の正規化ピッチで螺旋走査されたデータの再構成を示す図である。 様々なガントリ位置βについて加重対γを示す図である。 標準型ハーフ・スキャン加重を用いて１３．４／８の正規化ピッチで螺旋走査されたデータの再構成を示す図である。 コーン角度依存型加重を用いて１３．４／８の正規化ピッチで螺旋走査されたデータの再構成を示す図である。

符号の説明

　１０　ＣＴシステム
　１２　ガントリ
　１４　放射線源
　１６　放射線コーン・ビーム
　１８　検出器アレイ
　２０　検出器素子
　２２　患者
　２４　回転中心
　２６　制御機構
　４２　表示器
　４６　モータ式テーブル
　４８　ガントリ開口
　５０　媒体読み取り装置
　５２　媒体
　６０　対象の画像を再構成する方法
　７０　再構成ボクセル
　７２、７４　共役射線
　７６　コーン角度
　８０　標準型ハーフ・スキャン加重
　８２　測定データ
　８４　補外データ
　９０、９２　構造

Claims (5)

1. 　対象（２２）を透過させマルチ・スライス検出器アレイ（１８）に向かって放射線ビームを投射するように構成されている放射線源（１４）と、前記対象を透過した前記放射線の減弱を感知するように構成されているマルチ・スライス検出器アレイとを回転式ガントリ（１２）上に含んでおり、前記対象の画像を再構成する計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム（１０）であって、
   　複数のガントリ角度及び複数のコーン角度で投影データの複数のビューを取得するように計算機式断層写真法イメージング・システムで対象を螺旋走査する工程（６２）と、
   　コーン角度の絶対値に逆相関する複数のコーン角度依存型加重を生成する工程（６４）と、
   　前記コーン角度依存型加重を用いて前記投影データに加重する工程（６６）とを実行するように構成されている計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム。
2. 　前記投影データに加重する前記工程は、測定データ及び補外データに加重する工程を含んでいる請求項１に記載のイメージング・システム（１０）。
3. 　前記補外データよりも前記測定データに大きく加重する工程をさらに含んでいる請求項２に記載のイメージング・システム（１０）。
4. 　複数のガントリ角度及び複数のコーン角度で投影データの複数のビューを取得するように計算機式断層写真法イメージング・システムで対象（２２）を螺旋走査する前記工程（６２）は、
   　　ｐ＞Ｎ
   であるような正規化ピッチｐで対象を螺旋走査する工程をさらに含んでおり、ここで、Ｎは検出器行の数である請求項１に記載のイメージング・システム（１０）。
5. 　複数のコーン角度依存型加重を生成する前記工程（６４）は、
   　　ｗ_q（α，β，γ）＝２ｇ^q／（ｇ^q＋ｇ_c ^q）
   に従って複数のコーン角度依存型加重を生成する工程を含んでおり、ここで、
   　　ｇ＝ｍａｘ（０，（（π／２＋Γ_ω）−｜β｜））｜ｔａｎα_c｜
   　　ｇ_c＝ｍａｘ（０，（（π／２＋Γ_ω）−｜β_c｜））｜ｔａｎα｜
   　　ｑ＞１、
   　　αはコーン・ビーム角度であり、
   　　βはガントリ角度であり、
   　　γはファン・ビーム角度であり、
   　　α_cは共役射線のコーン・ビーム角度であり、
   　　β_c＝β＋π−２γ、
   　　γ_c＝−γ、
   　　Γは当該計算機式断層写真法システムについてのハードウェア定義のコーン角度であり、
   　　Γ_ωはファン・ビーム型幾何学的構成についての利用者定義のファン角度であり、
   　　Γ_ω＞Γである、
   請求項１に記載のイメージング・システム（１０）。