JP2006158444A

JP2006158444A - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置

Info

Publication number: JP2006158444A
Application number: JP2004350100A
Authority: JP
Inventors: Katashi Adachi; 確足立
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】本発明の目的は、心電同期再構成で所望の心拍位相を特徴波に対する経過時間で指定する場合において、細動現象等の影響によるＲＲ間隔の変動に起因するバンディングアーティファクトの発生を軽減することにある。
【解決手段】Ｘ線により被検体を走査する走査部１と、走査部により複数心拍にわたる収集されたデータから、被検体の心電波形の特徴波からの経過時間により特定される心拍時相に対応するデータを抽出するデータ抽出部４３と、抽出されたデータに基づいて画像を再構成する再構成部３６とを具備し、データ抽出部は、特徴波間隔が所定時間より長い心拍に対応するデータを対象として特定の心拍時相に対応するデータを抽出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、心電同期再構成法のもとで画像を再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体を透過したＸ線の強度に基づいて、被検体についての情報を画像により提供するものであり、疾病の診断、治療や手術計画等を初めとする多くの医療行為において重要な役割を果たしている。

心臓検査は、高い時間分解能を要求する。その対処法の主なものとしては、Ｘ線管の１回転あたりの時間（スキャンスピード）の短縮（高速回転化）と、心電同期再構成法とがある。心電同期再構成法は、マルチスライスＣＴにおいて循環器領域（心臓）の機能/形態診断を行う場合に利用されている。心電同期再構成法では、複数心拍にわたる投影データを収集する。各心拍から特定の心拍位相の近いデータを切り出してきて、再構成に要する３６０°又は１８０°＋α（α：ファン角）分のデータを揃える。揃えたデータから画像を再構成する。

心電同期させる所望の心拍位相を指定するには、特徴波としての典型的にはＲ波からの経過時間（又は戻り時間）を絶対時間で指定する方式と、Ｒ波と次のＲ波との間隔（ＲＲ間隔という）を１００％に規格化してその期間内の心拍位相をパーセントで指定する方式が利用されている。

診断に際しては、心臓の全体像を把握するために、３次元（３Ｄ）表示や、断面変換（ＭＰＲ）画像が利用されることが多い。それら画像を生成するためには、複数の心拍位相において、心臓が止まっている心拍位相を選択するために複数の心拍位相の心電同期再構成が行われ、ある特定条件（絶対時間、％）が選択されている。選択された後、収集条件によるが１，０００枚近い再構成が行われ、最終的に３Ｄ画像やＭＰＲ画像が得られる。

近年、その心拍位相方式として、パーセントでＲ波間隔内に所望の心拍位相を指定する方式よりもＲ波からの遅れ又は進み時間で指定する方式の方が、最終的に作成される３Ｄ画像やＭＰＲ画像において、アーティファクトが少ないことが分かってきた。アーティファクトとは、３Ｄ画像やＭＰＲ画像上にて、段差（バンディング）のことを示しており、体軸方向に血管や心筋が連続的につながらない状態をいう。更に、そのアーティファクトを生む原因の一つとして、心電同期再構成が適用される被検体の状態がある。それが、細動と呼ばれる現象で、心臓が一定時間で拍動しておらず、ＲＲ間隔が様々にずれることをいう。心電同期再構成を適用する被検体は、細動などの症状を持っているのが普通であり、対処が必要となる。
特開２００４−２７５４４０

本発明の目的は、心電同期再構成で所望の心拍位相を特徴波に対する経過時間で指定する場合において、細動現象等の影響によるＲＲ間隔の変動に起因するバンディングアーティファクトの発生を軽減することにある。

本発明は、Ｘ線により被検体を走査する走査部と、前記走査部により複数心拍にわたる収集されたデータから、前記被検体の心電波形の特徴波からの経過時間により特定される心拍時相に対応するデータを抽出するデータ抽出部と、前記抽出されたデータに基づいて画像を再構成する再構成部とを具備し、前記データ抽出部は、前記特徴波の間隔が所定時間より長い心拍に対応するデータを対象として前記特定の心拍時相に対応するデータを抽出することを特徴とする。

本発明によると、心電同期再構成で所望の心拍位相を特徴波に対す経過時間で指定する場合において、細動現象等の影響によるＲＲ間隔の変動に起因するバンディングアーティファクトの発生を軽減することができる。

以下、図面を参照して本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の実施形態を説明する。なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置には、Ｘ線管と放射線検出器とが１体として被検体の周囲を回転する回転／回転（ROTATE/ROTATE）タイプと、リング状に多数の検出素子がアレイされ、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転する固定／回転（STATIONARY/ROTATE）タイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めている回転／回転タイプとして説明する。また、１スライスの断層像データを再構成するには、被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データが、またハーフスキャン法でも１８０°＋α（α：ファン角）分の投影データが必要とされる。いずれの再構成方式にも本発明を適用可能である。ここでは、ハーフスキャン法を例に説明する。また、入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光をフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の生成及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とが主流である。Ｘ線検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよいが、ここでは、前者の間接変換形として説明する。また、近年では、Ｘ線管とＸ線検出器との複数のペアを回転リングに搭載したいわゆる多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の製品化が進み、その周辺技術の開発が進んでいる。本発明では、従来からの一管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であっても、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であってもいずれにも適用可能である。ここでは、一管球型として説明する。

本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置では、心電同期させる所望の心拍位相を指定するに、特徴波としての典型的にはＲ波からの経過時間（又は戻り時間、以下では説明の便宜上、経過時間として説明する）を絶対時間で指定する方式を採用している。被検体の心電波形に基づいて、Ｒ波から次のＲ波までの時間（ＲＲ間隔）を計測する。心電同期再構成条件設定時において所定期間にわたって計測した心電波形のＲＲ間隔の最小時間（最短時間）、平均時間、最大時間（最長時間）を求め、それらを心電同期再構成のための所望の心拍時相を特定するＲ波からの経過時間を設定するための参考情報として表示する。最小時間等を求めるに際しては、計測した複数のＲＲ間隔から、細動に対応するＲＲ間隔として所定時間より短いＲＲ間隔を除外する。細動を除外したＲＲ間隔の中の最小時間等を操作者に提示することで、所望の心拍位相に対応するＲ波からの経過時間を適正に設定できる。また、あらかじめエラーが生じないように、入力される経過時間に対して制限をかけることができる。もしくは、入力された数値が、ＲＲ間隔以上の時間でないことを、読み込まれた心拍波形（ＲＲ間隔のみでも良い）から検索し、Ｒ波からの経過時間がＲＲ間隔を超過してしまって、当該経過時間に対応する時刻が当該心拍周期を飛び越えて次の心拍周期にまで至ってしまうという事態が起きないか否かを確認する。所望心拍位相をＲ波からの経過時間で指定する場合においては、心拍波形の固定された領域と変動する領域があることが、前もって読み込まれた心拍波形から抽出されて、それによって、制限を掛けてもよい。この制限により、多数枚の心電同期再構成画像をもとに作成された、診断に利用される３Ｄ画像やＭＰＲ画像にバンディングアーティファクトが出現しなくなり、診断画像作成の信頼性が向上する。

つまり、心電同期再構成における再構成ポイントを設定する際、Ｒ波からの経過時間（Ｒ波より前の時間を設定する方式もある）を絶対時間で設定する。しかし、絶対時間（ｍｓ）を設定する方法では、患者の病気の種類として特に細動により、ＲＲ波間隔が大きくばらつくため、Ｒ波から指定時間を経過した時点がＲＲ波間隔内に設定されずに、次の心拍周期に追い越してしまう状態が発生する。その場合、心電同期再構成すると心臓の全体像を観察したとき帯状のアーティファクトが現れてしまう。そこで、ＲＲ波間隔を追い越さないように経過時間の設定の適正化を支援する。検査前（Ｘ線で走査して投影データを収集するスキャン前）に、患者の心電波形を収集し、ＲＲ波の最小間隔（ｍｓ）を求め、それを参考として絶対時間（ｍｓ）を最小時間に収まるように設定する。再構成に当たっては、設定した経過時間よりも短いＲＲ間隔があった場合、その投影データは心電同期再構成のためのデータ抽出の対象から除外する。

以下詳細に説明する。
図１は本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示している。このＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に関する投影データを収集するために構成された架台（走査部）１を有する。架台１は、Ｘ線管１０とＸ線検出器２３を有する。Ｘ線管１０とＸ線検出器２３は、架台駆動装置２５により回転駆動されるリング状の回転フレーム１２に搭載される。回転フレーム１２の中央部分は開口され、その開口部に、寝台２の天板２ａ上に載置された被検体Ｐが挿入される。被検体Ｐの心電波形を検出するために、被検体Ｐには心電計２２が装着される。心電計２２は、計算機本体３のＥＣＧ処理部４２に接続される。心電計２２で検出された心電波形データは計算機本体３のＥＣＧ処理部４２に取り込まれ処理される。心電計２２は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の構成要素として該装置に組み込まれていてもよいし、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の非構成要素として外部機器であってもよい。

Ｘ線管１０の陰極陽極間には高電圧発生器２１から管電圧が印加され、またＸ線管１０のフィラメントには高電圧発生器２１からフィラメント電流が供給される。管電圧の印加及びフィラメント電流の供給によりＸ線が発生される。Ｘ線検出器２３としては、１次元アレイ型検出器と２次元アレイ型検出器とのいずれを採用してもよい。Ｘ線検出素子は例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正方の受光面を有する。例えば９１６個のＸ線検出素子がチャンネル方向に配列される。この列がスライス方向に例えば４０列並設されたものが２次元アレイ型検出器である。単一の列からなるものが１次元アレイ型検出器である。

一般的にＤＡＳ(data acquisition system) と呼ばれているデータ収集装置２６は、検出器２３からチャンネルごとに出力される信号を電圧信号に変換し、増幅し、さらにディジタル信号に変換する。このデータ（生データ）は架台外部の計算機ユニット３に供給される。計算機本体３の前処理部３４は、データ収集装置２６から出力されるデータ（生データ）に対して感度補正等の補正処理を施して投影データを出力する。この投影データは計算機本体３の記憶装置３７に送られ、心電計２２の心電波形データとともに記憶される。例えばタイムコードにより投影データは心電波形データと関連付けられる。

計算機本体３は、上記前処理部３４、ＥＣＧ処理部４２及び記憶装置３７とともに、システムコントローラ２９、スキャンコントローラ３０、再構成部３６、ディスプレイ３８、入力器３９、心電同期再構成条件設定支援システム４１、データ抽出部４３から構成される。再構成ユニット３６は、心電同期再構成法に対応していて、複数心拍から揃えた３６０°又は１８０°＋α分の投影データから画像データを再構成する。ＥＣＧ処理部４２は、心電波形から特徴波として例えばＲ波を検出するとともに、ＲＲ間隔を計算する。データ抽出部４３は、架台１により複数心拍にわたって収集され、記憶装置３７に記憶されている投影データから、Ｒ波からの経過時間により特定される心拍時相に対応する投影データを抽出する。再構成部３６は、データ抽出部４３で抽出された投影データに基づいて画像を再構成する。データ抽出部４３は、Ｒ波の間隔が所定時間より長い心拍に対応する投影データを対象として特定の心拍時相に対応するデータを抽出する。心電同期再構成条件設定支援システム４１は、Ｒ波からの経過時間の操作者による設定を支援するために、被検体に関するスキャン前の任意期間内のＲＲ間隔の最短時間と、平均時間と、最長時間とを提示する。また、心電同期再構成条件設定支援システム４１は、Ｒ波からの経過時間が、最短時間より長いとき、警告を発生する。最短時間は、細動に対応する所定のＲＲ間隔より短いＲＲ間隔を除外した中から決定される。

図２には、本実施形態に係る心電同期再構成条件の設定手順を示している。なお、心電同期再構成条件には、所望の心拍位相に対応するＲ波からの経過時間（心拍同期時間という）と、心電同期再構成でデータ抽出の対象から除外されるＲＲ間隔の下限値とが含まれる。まず、心電同期再構成条件設定支援システム４１は、図３に例示する心電同期再構成条件設定ウインドウを表示する（Ｓ１１）。心電同期再構成条件設定ウインドウには、上記所望の心拍位相に対応するＲ波からの経過時間（心拍同期時間）の入力欄と心電同期再構成のデータ抽出から除外するＲＲ間隔の下限の入力欄とともに、細動か否かを識別するためのＲＲ間隔の上限の入力欄、所定期間内のＲＲ間隔の平均の表示欄、所定期間内のＲＲ間隔の最小（最短）の表示欄、所定期間内のＲＲ間隔の最大（最長）の表示欄が、心電波形とともに含まれる。「計測」を記されたボタンがクリックされると、心電波形の計測が開始される（Ｓ１２）。心電波形の計測と並行して、ＥＣＧ処理部４２で繰り返しＲ波が検出され、またＲＲ間隔が繰り返し計測される（Ｓ１３）。心電同期再構成条件設定支援システム４１は、計測されたＲＲ間隔を、細動間隔の上限と比較する（Ｓ１４）。細動間隔の上限は、図３に示すように３００ミリ秒（ｍｓｅｃ）に初期設定されているが、操作者が任意の値に変更可能である。計測されたＲＲ間隔が、細動間隔の上限より長いことは、細動ではない可能性が高いことを意味している。計測されたＲＲ間隔が、細動間隔の上限より短いことは、それが細動である可能性が高いことを意味している。細動間隔の上限より短いＲＲ間隔は、ＲＲ間隔の平均、最小（最短）、最大（最長）の計測対象から除外される（Ｓ１５）。それにより細動の影響を受けないで精度の高いＲＲ間隔の平均、最小、最大が計測され得る。図４の例では、ＲＲ１４，ＲＲ１５，ＲＲ１６が除外される。Ｓ１２〜Ｓ１５の処理はＥＣＧ計測開始から所定時間経過するまでの期間、繰り返される（Ｓ１６）。

心電同期再構成条件設定支援システム４１により、当該所定期間内であって、細動間隔の上限より短いＲＲ間隔を除く複数のＲＲ間隔からその平均、最小、最大が決定される（Ｓ１７）。細動間隔が除外されているので、細動によるＲＲ間隔の平均、最小、最大の精度が高い。決定されたＲＲ間隔の平均、最小、最大は、心電同期再構成条件設定支援システム４１により、図５に示すように数値で表示される（Ｓ１８）。また、心電同期再構成条件設定支援システム４１により、最小のＲＲ間隔が、心電同期再構成でデータ抽出の対象から除外されるＲＲ間隔の下限の初期値として表示される（Ｓ１９）。ＲＲ間隔の下限は任意の値に変更可能である。

操作者は、決定されたＲＲ間隔の平均、最小、最大を参照して、所望の心拍位相に対応するＲ波からの経過時間（心拍同期時間）を入力する。入力した心拍同期時間が、最小のＲＲ間隔を超えているとき（Ｓ２０でＮＯ）、図６に例示するように、心電同期再構成条件設定支援システム４１により、「心拍同期時間がＲＲ間隔の最小を超えています。再設定してください。」との警告メッセージが表示される（Ｓ２１）。心拍同期時間がＲＲ間隔の最小を超えていることは、Ｒ波から当該時間を経過した時点が、当該起点となったＲ波を含む心拍周期を追い越して、次の心拍周期に外れてしまうという事態が起こりうることを意味している。この事態は予定した心拍位相から著しく外れた心拍位相のデータが集められてしまうので、帯状のアーティファクトが顕著に表れてしまう。

入力した心拍同期時間が、最小のＲＲ間隔よりも短いとき（Ｓ２０でＹＥＳ）、図７に例示するように、「決定」ボタンがクリック可能な状態になる。「決定」ボタンがクリックされたとき、所望の心拍位相に対応するＲ波からの経過時間（心拍同期時間）と、心電同期再構成でデータ抽出の対象から除外されるＲＲ間隔の下限値とが設定される（Ｓ２２）。この設定で当該動作は終了する。

所望の心拍位相に対応するＲ波からの経過時間（心拍同期時間）と、心電同期再構成でデータ抽出の対象から除外されるＲＲ間隔の下限値とが設定された後、操作者からのトリガを待ってスキャンが開始される。つまり、回転フレーム１２とともにＸ線間１０及びＸ線検出器２３が被検体周囲を回転しながらＸ線が連続的又は断続的に曝射され、被検体を投下したＸ線がＸ線検出器２３で繰り返し検出される。また、スキャン中継続して、心電計２２により被検体の心電波形が計測される。収集されたデータは心電波形データとともに記憶装置３７に記憶される。

スキャン終了後において、データ抽出部４３は、記憶された投影データから、被検体の心電波形のＲ波から指定した時間を経過した時点に対応するデータを抽出して、１スライスの断層像データを再構成するために必要とされる被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データが、またはハーフスキャン法の１８０°＋α（α：ファン角）分の投影データを揃える（図９参照）。データ抽出に際しては、データ抽出部４３は、ＲＲ間隔の下限として典型的には図２のＳ１７で計算した最小のＲＲ間隔より短いＲＲ間隔のデータを、データ抽出対象から除外する。図８に例示するように、ＲＲ３１，ＲＲ３２，ＲＲ３３それぞれのＲ波から指定した時間を経過した時点（ｔ３１，ｔ３２，ｔ３３）のデータは抽出しない。抽出されたデータに基づいて再構成部３６は画像データを再構成する。データ除外が発生したときは、データ抽出部４３は、データ除外が発生したこととともに、データ除外が発生した心拍が何周期発生したかについて表示する。

以上のように本実施形態によれば、所望の心拍位相に対応するＲ波からの経過時間（心拍同期時間）を、事前計測したＲＲ間隔の最小（最短時間）より短く設定することができるので、Ｒ波から当該時間を経過した時点が、当該起点となったＲ波を含む心拍周期を追い越して、次の心拍周期に外れてしまうという事態の発生を抑制して、帯状のアーティファクトの発生を軽減できる。また、細動を除いたＲＲ間隔を参考にしてＲ波からの経過時間を設定できるので、所望の心拍位相を高精度に設定できる。さらに、任意のＲＲ間隔より短いＲＲ間隔のデータはデータ抽出から除外される、つまり再構成処理には用いられないので、所望の心拍位相に近いデータから画像の再構成を行うことができる。以上のように、本実施形態では、細動現象等の影響によるＲＲ間隔の変動に起因するバンディングアーティファクトの発生を総合的に軽減することができる。

（変形例）
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。さらに、上記実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されてもよい。

本発明の実施形態によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図。本実施形態による心電同期再構成の条件設定手順を示す流れ図。図２のＳ１１に対応する画面例を示す図。図２のＳ１５の補足図。図２のＳ１８，Ｓ１９に対応する画面例を示す図。図２のＳ２１に対応する画面例を示す図。図２のＳ２２に対応する画面例を示す図。本実施形態による心電同期再構成に際して除外されるデータを示す図。本実施形態による心電同期再構成の概要を示す図。

符号の説明

１…架台、２…寝台、３…計算機ユニット、１０…Ｘ線管、１２…回転フレーム、２１…高電圧発生器、２２…心電計（ＥＣＧ）、２３…Ｘ線検出器、２５…架台駆動装置、２６…データ収集装置、２９…システムコントローラ、３０…スキャンコントローラ、３４…前処理ユニット、３６…再構成ユニット、３７…記憶装置、３８…ディスプレイ、３９…入力器、４１…心電同期再構成条件設定支援システム、４２…ＥＣＧ処理部、４３…データ抽出部。

Claims

Ｘ線により被検体を走査する走査部と、
前記走査部により複数心拍にわたる収集されたデータから、前記被検体の心電波形の特徴波からの経過時間により特定される心拍時相に対応するデータを抽出するデータ抽出部と、
前記抽出されたデータに基づいて画像を再構成する再構成部とを具備し、
前記データ抽出部は、前記特徴波の間隔が所定時間より長い心拍に対応するデータを対象として前記特定の心拍時相に対応するデータを抽出することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記所定時間の操作者による設定を支援するために前記被検体に関する任意期間内の特徴波間隔の最短時間を提示する心電同期再構成条件設定支援部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記心電同期再構成条件設定支援部は、前記特徴波からの経過時間が、前記最短時間より長いとき、警告を発生することを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記心電同期再構成条件設定支援部は、細動に対応する所定の特徴波間隔より短い特徴波間隔を除外した中から前記最短時間を決定することを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記心電同期再構成条件設定支援部は、前記最短時間とともに平均時間と最長時間との少なくとも一方を提示することを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。