JP2006061692A - ３次元コンピュータ断層撮影方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向に分離している線源素子アレイを使用する３次元コンピュータ断層撮影システムにおける軸方向のサンプリングギャップを解決する。
【解決手段】個別のＸ線素子及び検出器を患者又は対象物に対してｚ軸方向に平行移動させる。線源は１回転すると同時に、ｚ軸方向に配置された線源素子同士の間隔に相当する距離だけ軸方向に平行移動する。小さい平行移動動作は、個別の線源の横列位置を通る軸平面が、個別の線源の横列位置と交わる軸平面と区別されることのないように設計される。このことにより、システムのｚ依存と、それに関係するサンプリングの問題を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｚ軸方向（軸方向）において離れている複数のディスクリートなＸ線素子を有する３次元コンピュータ断層撮影システムに使用される走査方法に関する。また、本発明は、個別の線群がｚ軸方向において互いに離れており１列の縦列（column）を形成する線源素子の直線アレイ、又は線源がｚ軸方向において互いに離れており複数の横列（row）を形成する線源素子の２Ｄアレイを有するシステムに関する。

従来、３次元コンピュータ断層撮影（Volumetic Computed Tomography：VCT）システムは、通常、回転軸（ｚ軸）の周囲に線源及び検出器を回転させることにより、複数の角度から画像測定していた。その後、システムの有効範囲内で対象物の３次元形状を作成するために、測定結果はコンピュータ処理によって組み合わせられる。そのようなシステムの多くは、システムが回転する際に、円軌道を移動する単一のｘ線源を有している。そのようなシステムが“コーンビーム”アーチファクトの影響を受けることはよく知られている。これらのアーチファクトを避けるために、あるＶＣＴシステムでは、線源として軸方向に分離している線源素子アレイを使用している。軸方向における線源及び検出器の長さは、ＶＣＴシステムの軸方向の長さを規定する。線源及び検出器の動作が回転に限定されると、軸方向の長さは、軸方向の有効範囲（すなわち、全回転におけるシステムが取得したボリュームの厚さの総計）と一致する。また一方、ＣＴシステムの軸方向の有効範囲は、回転中に線源及び検出器を平行移動させることにより、軸方向の範囲よりも長くすることができる（例えば、ヘリカル走査方法のように）。この場合、全て回転した際のｚ軸方向の平行移動の総計は、一般的にシステムの軸方向の長さに一致する又はそれ以上である。したがって、ヘリカルシステムは、軸方向の有効範囲をより大きくすべく、相対的に大きく平行移動するように設計される。例外は、心臓の動きの時間的データを得るために、ヘリカルピッチを狭くした心スキャンである。

線源素子のアレイを使用するＶＣＴシステムには、線源素子の軸方向位置が離れていることに起因するサンプリングに関する問題があった。高度にコリメートされたシステムでは、サンプリングにギャップが生じる。線源素子列（source element rows）に対応する軸平面（axial plane）では、面内投影測定（in-plane projection）（すなわち、線源及び検出器が両方とも同じ軸平面に存在する場合の測定）と、横断面投影測定（cross-plane projection）（すなわち、線源と検出器が異なる軸平面に存在する場合の測定）との両方が行われる。しかし、線源素子列間の軸平面では、横断面投影測定しか行われない。したがって、線源平面間にある中間面では、画像特性が線源平面とは異なる。言い換えれば、線源素子列のディスクリートなｚ位置が原因で、システムのインパルス応答のｚ依存が存在する。インパルス応答がｚ依存であれば、復元された画像の画質は、ｚ位置によって変化する。すなわち、面内の射線は軸平面の十分なサンプリングに必要である。そのため、線源素子列に対応する軸平面は、線源素子列間の平面よりも正確に復元される。

前記問題を解決するために、本発明は、回転中に、ｚ軸方向（回転軸方向）において、線源を対象物に対して平行移動させるステップを含む新規な走査方法を提供する。すなわち、線源は１回転すると同時に、軸方向に配置された線源素子同士の間隔に相当する距離だけ軸方向に平行移動する。したがって、標準的なヘリカル走査方法とは対照的に、１回転したときの平行移動の総量は、システムの軸方向の長さではなく、一般に軸方向における各線源素子の間隔に相当する。

ｚ軸方向の移動は、その開始位置がディスクリートなＸ線素子列（discrete source element rows）である軸平面が、前記ディスクリートな（個別の）Ｘ線素子列間の位置から開始される軸平面と区別されないように設計されている。このことにより、システムのｚ依存と、それに関係するサンプリングの問題を減少させる。

走査方法の好ましい実施形態は、図１に示すように、アノードＸ線源アレイ１００と検出器アレイ１０２とを使用した３次元コンピュータ断層撮影システムにより実施される。動作中は、Ｘ線源１００から出射されたＸ線１０４は対象物１０６（例えば患者の体）を透過し、画像を作成すべく検出器１０２により検出される。線源１００及び検出器１０２は、線源及び検出器を回転軸１０８（ｚ軸又は軸方向ともいう）の周りに同時に回転させるガントリー（図示しない）に固定される。小さな角度で回転させると、他の画像が取得される。このプロセスはその後、回転の総計がΔθとなるまで、Ｎ個の異なる回転角について繰り返される。そして、様々な角度で取得された画像は、対象物の３次元形状を作成するために、コンピュータ処理により組み合わされる。回転の総計Δθは、好ましくは１８０度以上である。また、図１に示すＸ線は発散（divergent）していないように見えるが、実際の射線はｚ方向又は横軸方向に発散しているのが測定されている。Ｎの値は、線源アレイ及び検出器アレイの大きさ、並びに横方向の発散によって決定される。典型的な実施形態では、Δθが小さな角度となるように、Ｎは約１００である（すなわち、３６０度以上の回転によって、画像は１００の異なる角度で収集される）。

Ｘ線源１００は、好ましくは、例えば線源素子１１０のような、個別のＸ線源素子アレイである。この記載において、アレイという用語は、１次元の直線アレイ（linear array）と、２次元の平面アレイ（planar array）又は円筒型アレイ（cylindrical array）を含むと定義される。そのようなアレイは、少なくとも１つの、システムの回転軸（ｚ軸）１０８と平行に配置されている個別のＸ線源素子１１０の縦列（column）と、システムの回転軸１０８と垂直に配置されている複数の横列（row）の線源素子１１０を有する。ここで留意すべきは、１次元の直線アレイの場合は、各横列は１つの線源素子１１０しか持たないということである。線源素子１１０は、個別の間隔Δｓ（好ましくは均一である）の間隔を空けて、アレイ１００の縦列（column）及び横列（row）に配置される。典型的な市販されている線源アレイ１００の個別の間隔Δｓは、約３ｍｍ以上である。円筒型アレイの場合は、線源素子列は線ではなく円弧状となる。最初の横列と最後の横列との軸方向距離は、Ｓで示される。したがって、線源アレイは、Ｓ／Δｓ＋１個の線源列を有する。なお、図１に示すアレイは縦列及び横列の線源の数が少ないが、図１は単に説明目的のものであることに留意されたい。ある実施形態では、線源の横列は６０列であり、縦列は２００列である。線源素子間の好ましい間隔は約３ｍｍである。

ＶＣＴシステムの軸平面は、ｚ軸に垂直なｘｙ平面と定義される。隣り合った線源平面１１２及び１１４などの線源平面（source plane）は、線源列を含んでいる軸平面に相当する。したがって、線源平面は、線源列の距離Δｓ（一般的に３ｍｍ又はそれ以上）と等しい距離間隔を有している。線源平面１１２と１１４と間の平面１１６などの中間平面（intermediate plane）は、線源素子列間の軸平面である。

各線源素子１１０は、検出器アレイ又は検出器アレイの一部に向けて伝播させるべく、線源素子で生成されたＸ線１０４を制限するコリメータ（図示せず）を有している。特に、コリメータは線源素子１１０のＸ線１０４を制限して、線源素子１１０から検出器アレイ１０２の少なくとも１つの素子（好ましくは多くの素子）へ伝播する方向に方向付ける。さらに、図１示したシステムでは、各線源からの伝播線は、１つの線源平面（すなわち面内の射線）の中に含まれる。また一方、本発明は、線源素子から複数の検出列（面内及び横断面射線の両方）に向かって伝播線するシステムにも適用できる。

検出器１０２は、線源１００から伝播され、あるものは対象物１０６を通過したＸ線１０４の測定結果を得る。好ましくは、検出器１０２は、検出素子１１８などの検出素子の１次元又は２次元アレイである。検出器アレイ１０２は、回転軸１０８に対して平行に方向付けられた１つ以上の縦列（column）と、前記縦列に対して垂直に方向付けられた複数の横列（row）を有している。直線アレイの場合は、各横列は１つの素子のみを有する。２次元アレイの横列は円弧又は直線に形成される。検出素子１１８は、好ましくは、約１ｍｍ又はそれ以下の均一な間隔Δｄ（一般的に、線源素子間の間隔Δｓ未満である）を有している。図１に示した横列及び縦列が少数の検出器アレイは、説明目的のものであることに留意されたい。ある実施形態では、検出器は１１４の横列と４８の縦列を有している。上述したＶＣＴシステムに使用するのに適している検出器及び線源素子は、NexRay（Los Gatos, California）から入手できる。

線源平面１１２，１１４などの線源平面の点は、面内及びの横断面投影測定の両方によってサンプリングされる。また、中間面１１６の点は、横断面投影測定によってのみサンプリングされる。その結果、線源列の個別の間隔Δｓが原因で、ｚ依存のシステムのインパルス応答が存在する。従来のシステムは、このｚ依存のインパルス応答は、復元画像の画質において、対応するｚ依存の変化をもたらす。すなわち、線源平面は面内の射線を利用できるが、中間面は利用できない。したがって、線源平面は、中間面よりも正確に復元される。

このサンプリング問題を解決するために、本発明の実施形態は、ガントリーの回転中に、線源を対象物に対してｚ軸方向（回転軸）に平行移動させる走査方法を提供する。すなわち、線源及び検出器が１回転すると、線源及び検出器は同時に、距離Δｚだけｚ軸方向に平行移動する。距離Δｚは、線源素子の軸方向の間隔Δｓとほぼ同じである。言い換えれば、Δｚの値は、Δｓの分数（例えば、１／４又はそれ以上）と等しい、又はΔｓの小さい倍数（例えば、４又はそれ以下）と等しい。したがって、ヘリカル走査方法とは対照的に、１回の回転における平行移動の総量Δｚは、システムＳの軸方向の長さの総量ではなくて、おおよそ個別の線源素子の間隔Δｓに相当する。例えば、１回の回転における平行移動の総量は、ｚ方向における線源間の間隔Δｓと等しい（すなわち、約３ｍｍ又はそれ以上である）。これは好ましい平行移動だが、線源間隔が整数倍のｎΔｓ（ｎは小さい正の倍数）である他の平行移動を用いることもできる。一例として、ｎ＝１の場合を考える。ガントリーは、１回の回転中に角度の総和Δθまで、Ｎ個の異なる回転角で回転する。このとき、ガントリーは、平行移動距離の総和Δｚまで、Ｎ個の異なる平行移動位置に平行移動する。したがって、それぞれ異なるサンプリング角度及び位置の間では、ガントリーはΔθ／Ｎの角度で回転し、Δｚ／Ｎの距離だけ平行移動する。これは、ｋ＝１，２，…，Ｎの一連の回転角ｋΔθ／Ｎ、及び対応する平衡移動距離Δｚ／Ｎに対して行われる。当然のことながら、平行及び回転は、別々のステップ又は連続動作である。

回転全体の間のｚ方向における小さい平行移動動作は、個別の線源の横列位置を通る軸平面が、個別の線源の横列位置と交わる軸平面と区別されることのないように設計される。このことにより、システムのｚ依存及びそれに関連するサンプリング問題を無くすることができる。したがって、Ｎ個の移動位置は、総距離Δｚの範囲内で、均一な間隔であることが好ましい。

複数の線源素子を有するシステムによって、３次元画像を復元するためには、従来のコンピュータアルゴリズムは、取得したデータを標準的なジオメトリ（例えば、平行光線投影）に層間変換（rebin）する。本発明に係る走査方法に使用するためには、アルゴリズムは、線源及び検出器が正確な平行移動させる。そして、各射線のジオメトリを計算するために（rebinning）している間、この平行移動は行われる。

本発明の走査方法は、一般に、ｚ方向の個別の場所に位置する複数の素子から成る線源を有する任意のＶＣＴシステムに適用される。そのようなシステムは様々な設計が可能である。例えば、図２は、直線検出器アレイ２００（すなわち、検出素子は１列の縦列である）及び平面線源アレイ２０２を有するＶＣＴシステムを示す。線源素子２０４は、Ｘ線２０６を直線検出器アレイ２００に向けて方向付けるコリメータを有している。図２に示すシステムでは、線源素子の横列から出射されるＸ線２０６は、全て１つの検出素子に集中する。また、本発明は、線源から出射されるＸ線が複数の検出器の横列に向かうシステムにも適用される。図２に示すシステムは、その他の点は、図１に示したシステムと同一である。

別々の線源の横列を有するＶＣＴシステムの他の例を図３に示す。このシステムでは、検出器アレイ３０２は平面アレイであり、線源アレイ３００は直線アレイである。各線源素子は、線源から出射されたＸ線３０４を直線検出器アレイに向けて方向付けるコリメータを有している。このシステムでは、Ｘ線は線源平面内で扇形ビームにコリメートされる。また一方、本発明は、Ｘ線がコーンビームにコリメートされるシステムにも適用できる。図３に示すシステムは、その他の点は、図１に示したシステムと同一である。

図４に示すＶＣＴシステムでは、線源アレイ４００及び検出器アレイ４０２は両方とも直線アレイである。図４のシステムでは、横方向に広がる横列を検出できないが、ｚ方向への発散を検出できる。このシステムは１列の縦列の線源しか有していないので、３Ｄ復元のためのデータを収集するためには、線源及び検出器を回転軸の周りを回転させるだけではなく、横方向に平行移動させる。また、全く回転しないＶＣＴシステム（例えば、電子線ＣＴスキャナー）を構成することも可能である。これらのスキャナーの標的リングは、それぞれ、ｚ方向に離れているＸ線線源である。線源及び検出器が対象物の周囲を同一又は異なる円筒状に包み込むＶＣＴスキャナーを構成することも考えられる。本発明は、これらの機械的な回転を必要としないが、ｚ軸方向に互いに離れた線源を有するシステムに使用することができる。

また、図４に示すように、システムの動作を制御するコンピュータ４０４は、データを収集し、対象物４０８の３次元形状を復元するためにデータを分析する。３次元形状の様々なレンダリングは、随意的にディスプレイ４０６に表示される。コンピュータ４０４は、線源アレイ４００からＸ線を出射するタイミングを制御し、線源４００及検出器４０２の角度及びｚ平行移動の動作を制御し、検出器４０２からの画像データの取得及び保存を調整し、対象物４０８の３次元データを復元するために画像データを処理し、表示するのに適した復元された３次元形状から生じたレンダリングされた画像スライス又は他の画像を生成する。図１〜３に示した、各ＶＣＴシステムは、異なる線源及び検出器の設計に関係することを以外は、同じのコンピュータシステムを有している。

本発明の一実施形態に係る走査方法を実施するの適している、線源アレイ及び検出器アレイが両方とも２次元であるＶＣＴシステムを示す。 本発明の一実施形態に係る走査方法を実施するの適している、線源アレイが２次元であり、検出器アレイが１次元であるＶＣＴシステムを示す。 本発明の一実施形態に係る走査方法を実施するの適している、線源アレイが１次元であり、検出器アレイが２次元であるＶＣＴシステムを示す。 本発明の一実施形態に係る走査方法を実施するの適している、線源アレイ及び検出器アレイが両方とも１次元であるＶＣＴシステムを示す。

Claims (14)

1. ３次元コンピュータ断層撮影方法であって、
   線源からＸ線を放射するステップと、
   対象物を透過するＸ線の透過率を検出器アレイによって測定するステップと、
   Ｘ線の透過率の測定と同時に前記線源及び検出器を軸方向に平行移動距離Δｚだけ平行移動させるステップと
   測定されたＸ線の透過率から前記対象物の一部の３次元形状を復元するステップとを含んでおり、
   前記線源は、隣り合う線源素子が軸方向に配置間隔Δｓ離れている、複数のディスクリートなＸ線素子を有しており、
   前記平行移動距離Δｚは、前記配置間隔Δｓを元にして決定されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記平行移動距離Δｚは、前記配置間隔Δｓの整数倍と等しいことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   測定中の軸方向への平行移動は、実質的に等速で行われることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   測定中及び平行移動中は、前記線源及び検出器を角度Δθで前記対象物の周りを回転させることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、
   前記線源及び検出器の平行移動は、前記線源及び検出器を、互いに一定距離Δｚ／Ｎ離れているＮ番目の平行移動位置に平行移動させることを特徴とする方法。
6. ３次元コンピュータ断層撮影システムであって、
   システムの軸方向に配置間隔Δｓで互いに離れて幾列もの線源が配列された、複数のディスクリートなＸ線素子を有するＸ線源アレイと、
   Ｘ線源検出器アレイと、
   前記線源及び検出器を同時に、前記配置間隔Δｓを元にして決定される平行移動距離Δｚだけ前記軸方向に平行移動させる平行移動手段と、
   前記軸方向における多数の平行移動位置で前記線源及び検出器を使用して、Ｘ線の透過率の測定結果を取得するためのデータ収集手段とを備えることを特徴とするシステム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、
   前記Ｘ線の透過率の測定結果から前記対象物の一部の３次元形状を復元するための画像復元手段をさらに備えることを特徴とするシステム。
8. 請求項６に記載のシステムであって、
   軸方向への平行移動は、実質的に等速で行われることを特徴とするシステム。
9. 請求項６に記載のシステムであって、
   Ｘ線の透過率の測定結果を取得は、前記線源及び検出器を角度Δθで前記対象物の周りを回転させることを特徴とするシステム。
10. 請求項６に記載のシステムであって、
    前記線源及び検出器は同時に、角度Δθ以内の複数の等角の回転角で回転し、それに対応する平行移動距離Δｚ以内の複数の平行移動位置に平行移動することを特徴とするシステム。
11. 請求項６に記載のシステムであって、
    前記平行移動距離Δｚは、配置間隔Δｓを元にして決定されることを特徴とするシステム。
12. 請求項６に記載のシステムであって、
    前記平行移動距離Δｚは、前記配置間隔Δｓの整数倍と等しいことを特徴とするシステム。
13. 請求項６に記載のシステムであって、
    前記平行移動距離Δｚは、前記配置間隔Δｓと等しいことを特徴とするシステム。
14. 請求項６に記載のシステムであって、
    前記平行移動距離Δｚは、最大３ｍｍであることを特徴とするシステム。
    
    

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