JP2006218299A - 心臓のｘ線コンピュータ断層撮影画像の作成方法およびコンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】患者の心電図信号を取出すことなく実行し得る、患者の拍動する心臓のＸ線ＣＴ画像の簡単な作成方法を提供する。
【解決手段】コンピュータ断層撮影システム１を用いた心臓Ｘ線ＣＴ画像の作成方法において、クロックを表示するためクロック発生器８による人口的クロック信号が用いられ、完全なスキャンを介して人工的クロック信号の各サイクル時相中に人工的クロックの複数の異なる時相時点で心臓のテストボリュームデータセットが再構成され、各ボリュームデータセットはその時相時点及びｚ位置と結び付けられており、次いで時間的に隣接し場所的に同一の又は少なくとも同じ断面に属するテストボリュームデータセット間の相関計算を介して相関の最大値が決定され、次いで四次元的に所属する検出器データから画像を形成するボリュームデータセットが計算される。

Description

本発明は、患者の拍動する心臓のＸ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像の作成方法およびコンピュータ断層撮影装置に関する。

ＣＴ画像の最終的な作成のためには、心臓が比較的安静な休止状態にある心臓サイクルの時相部分から取出される検出器データが専ら使用される。これによって、運動による不鮮明さによって質の悪い画像が作成されるのが回避される。同じような方法が文献に開示されており（例えば非特許文献１参照）、その方法においては、心電図信号に基づいて心臓ボリュームを連続する期間に再構成し、層毎に隣接する心時相における画像相関関係を決定するという提案がなされる。この画像相関関係が三次元でｚ/ｔ面（ｚはシステム軸線に相当し、ｔは観察された心時相のパーセント値に相当）を介して記入されると、この四次元表示に心臓の休止時相は相関係数の極値として表れる。そのような極値は既知の計算法によって検出することができ、その結果心臓が休止状態にある心時相時点が決定される。そのようにして見出された休止時相に相当して、検出器データからこの期間に相当したＣＴ画像が再構成される。

この場合、それぞれＣＴ検査のための心電図導出がされなければないことが労力を要する。
マンツケ（Manzke）等著「心臓CT撮像技術のための自動的位相点決定（Automatic phase point determination for cardiac CT imaging）、medical imaging 2004、proc. of SPIE 537巻 690〜699頁

本発明の課題は、患者の心電図信号を取出すことなく実行し得る、患者の拍動する心臓のＸ線ＣＴ画像の簡単な作成方法を見出すことにある。

この課題は請求項１及び請求項１１の特徴により解決される。本発明の有利な実施態様はその他の従属請求項に記載されている。

本発明者は、患者の心電図信号を使用せず、その代わりに各サイクルにおける休止時相の決定を方向付ける人工的クロック信号を使用することが可能であることを認識した。この人工的クロック信号はたしかに患者の心拍数の範囲内にはあるが患者の心拍数と同期してはいないから、前に挙げられた方法の場合のように、スキャンのすべてのサイクルに亘って、どの一般的な心時相時点に心臓が休止状態にあるかを求めることは許されない。むしろ全スキャン時間に亘って、また各人工的サイクルに対して、どの時点に又は正確な時間間隔で休止時相が存在するかを決定しなければならない。このことは、時間的に隣接するＣＴ画像間の予め定められた画像範囲に対して相関係数が計算され相関係数の最大値が求められることによって、スキャンに亘りまた各サイクルに亘っても多数の画像の計算により行われることが可能である。２つの画像間の画像値の相関係数が最大、即ち考察されている範囲の画像間に僅かなおおざっぱな変化のみが存在する場合には、この時間範囲では休止時相から出発することができる。各クロックサイクルのそのようにして見出されたこの時間範囲及びそれに由来する検出器データは、従って質の高いＣＴ画像の最終的な計算のために用いることができる。相関係数を求める際にはさらに、相関値の変化が十分明確になるようにするために、完全なＣＴ画像ではなく、専らＣＴ画像の予め定められた範囲が使用されることが顧慮される。

本発明のこの根本思想に相当して、本発明者は患者の拍動する心臓のＸ線ＣＴ画像の作成方法を提案する。その方法は以下の方法ステップを有する。
・患者を患スキャンするために、少なくとも１つのＸ線源が患者に相対的に患者の周りに回転されるステップ、
・少なくとも１つの検出器によりＸ線の減弱が連続的に検出され、検出器出力データとして制御及び計算ユニットに出力されるステップ、
・患者の特徴的な心拍数に相当する周波数を有する人工的クロック信号が出力されるステップ、
・完全なスキャンを亘って人工的クロック信号の各サイクル時相中に人工的クロックの複数の異なる時相時点で心臓のテストボリュームデータセットが再構成され、各テストボリュームデータセットをその時相時点及びｚ位置に結び付けているステップ、
・予め定められた画像範囲に関して、時間的に隣接し場所的に同一の又は少なくとも同じ断面に属するテストボリュームデータセット間の相関値が計算され、四次元のマトリックスに記入され、相関値の最大値がさがし求められるステップ、
・次いで、相関最大値に導いたテストボリュームデータセットの由来する検出器データセットから最終的なボリュームデータセットが計算されるステップ。

とりわけ、計算容量を低減するために、テストボリュームデータセットが最終的なボリュームデータセットに対して引き下げられた分解能で計算することが提案される。さらに人工的クロック信号は人工的心電図から導出することもできる。

相関値を計算するための予め定められた画像範囲は専ら心臓範囲を含むのが好ましく、その縁は簡単に長方形、正方形によって、又は円形によっても規定され得る。

原則的に本発明による方法はスパイラルスキャンとも逐次スキャンとも関連して用いられ得る。

さらに本発明による方法は、次の３つの異なる再構成法に対して使用することができる。
第１では、心臓サイクルごとに最終的な再構成のためにこの心臓サイクルからのそれぞれ完全な検出器データから１つの画像面が取出され、この画像面のボリュームデータセットに再構成される方法。
第２では、最終的な再構成のために複数の心臓サイクルからの不完全な検出器データが完全な検出器データにまとめられ、次いでこの完全な検出器データからボリュームデータセットが再構成される方法。
第３では、最終的な再構成のために複数の心臓サイクルからの不完全な検出器データが不完全な画像データに再構成され、次いで完全な画像データにまとめられる方法。

これらの上述の変形方法においては、本来の休止時相が人工的クロック信号と関係付けて各サイクル自体について個々に計算される。

上述の根本思想に相当して、本発明者は患者の拍動する心臓のＸ線ＣＴ画像を作成するためのコンピュータ断層撮影装置をも提案する。コンピュータ断層撮影装置は以下の手段を含む。
・少なくとも１つのＸ線源とＸ線の減弱を連続的に検出し検出器出力データとして制御及び計算ユニットに出力する少なくとも１つの検出器とを有する患者の回転スキャンを行うための装置、
・患者の特徴的な心拍数に相当する周波数を有する人工的クロック信号を生成する手段、
・完全なスキャン中および人工的クロック信号の各サイクル時相中に人工的クロックの複数の異なる時相時点で心臓のテストボリュームデータセットを再構成し、各テストボリュームデータセットをその時相時点及びｚ位置に結び付けている手段、
・予め定められた画像範囲に関する時間的および場所的に隣接するテストボリュームデータセット間の相関値を計算し、四次元的マトリックスに記入し、相関値の最大値をも求める手段、
・相関最大値に導いたテストボリュームデータセットの由来する検出器データセットから最終的なボリュームデータセットを計算し三次元画像表示として出力する手段。

上述のコンピュータ断層撮影装置においては、前記手段が少なくとも１つの計算ユニットとプログラム又はプログラムモジュールとからなるシステムを形成し、プログラム又はプログラムモジュールが作動時に上述の方法ステップを実行する。

以下に本発明を好ましい実施例について図面により詳細に説明する。なお以下の符号が用いられる。１：コンピュータ断層撮影システム、２：Ｘ線管、３：検出器、４：システム軸線、５：ハウジング、６：移動可能な患者寝台、７：患者、８：脈拍シミュレーションのためのクロック発生器、９：制御及び計算ユニット、１０：制御及びデータ導線、Prg₁〜Prg_n：コンピュータプログラム

図１は本発明方法を実施するための１つの例のコンピュータ断層撮影装置１を示す。コンピュータ断層撮影装置１はハウジング５を備え、そのハウジング５内には、円形状に回転するＸ線管２と対向する多列検出器３とを有するガントリが存在する。さらに患者寝台６上に横たわる患者７はスキャンのためにコンピュータ断層撮影装置１の開口中に運び入れられる。スキャン中にＸ線管２は患者７の周りを円形状に動き、システム軸線４の方向への患者７の相対運動が行われ、その結果患者７に対してスパイラルスキャンが行われるか、又は患者はスキャン停止中に逐次の前方移動によって患者に対して相対的にＸ線管の多数の純粋に円形の運動でスキャンされることも可能である。コンピュータ断層撮影装置１の制御は、制御及び計算ユニット９により制御及びデータ導線１０を介して行われる。制御及びデータ導線１０を介して、検出器３により集められたデータも制御及び計算ユニット９に送られる。制御及び計算ユニット９は内部メモリ及び計算プロセッサを持っており、それらを介してコンピュータ断層撮影装置を制御し集められたデータを評価するためのプログラムPrg₁〜Prg_nが実行される。さらに制御及び計算ユニット９にはデータ入力のためのキーボード及びデータ表示のためのモニタが接続されている。

さらに制御及び計算ユニット９にはクロック発生器８が接続され、このクロック発生器は人工的な心電図信号として使用される。心臓スキャンを実施する際には、検出器データが集められ、人工的クロックに対する検出器データの時間的な関係が固持される。引続き、おおまかな分解能で多数のＣＴスライス画像又はボリュームデータセットが計算され、また冠状断面の予め定められた範囲に関して、時間的にずらされたおおまかな画像の相関値が計算される。低い相関値はある画像から次の画像への大きな変化、従って運動状況を示し、一方高い相関値は検査された範囲の静止状態、従って休止時相を示す。

その際、実際の心臓リズムと人工的クロックとの間に生じる絶えず変化する時相ずれに基づいて、休止時相が存在するサイクル時相に関する一般化された情報は得られないことが指摘される。各サイクルに対して休止時相範囲は別々に求められなければならない。

休止時相の時間範囲が求められると、専らそこで集められたデータが最終的なそして今や高分解能のボリュームデータセット又はスライス画像の計算のために使用される。再構成のためにこれらの検出器データを使用することは種々の方法で行うことができる。例えば、十分に速いサンプリング率の場合、画像はそれぞれただ１つのサイクルのデータから取出すことができる。しかしながら、完全な検出器データを得て画像データを再構成するために、２つ又はそれ以上のサイクルから検出器データが組み立てられることもできる。さらに、求められた休止時相から不完全な検出器データ（π回転より少ない回転からのデータ）を先ず不完全な画像またはボリュームデータセットに再構成し、次いで複数のサイクルからのそれらの不完全な画像又はボリュームデータセットを完全な画像又はボリュームデータセットに、場合によっては重み付けされて、組み立てることもできる。

これらのすべての変形において、公知の方法に対する重要な利点は、検査のために心電図電極の費用のかかる取付をしなくてよいこと、また心電図信号を読み出すことに伴う問題、例えば必要となる長い導線及びそれに伴う電磁放射や患者の筋収縮による信号歪み等の問題が回避される点にある。

従って全体として本発明によれば、クロックを表示するために人工的クロック信号が用いられ、完全なスキャンを介して人工的クロック信号の各サイクル時相中に人工的クロックの複数の異なる時相時点で心臓のテストボリュームデータセットが再構成され、そのテストボリュームデータセットはそれぞれそれらの時相時点及びそれらのｚ位置に結び付けられており、次いで時間的に隣接し場所的には同一の又は少なくとも同じ断面に属するテストボリュームデータセット間の相関計算を介して相関の最大値が決定され、次いで四次元空間に属する検出器データから画像を形成するボリュームデータセットが計算される心臓Ｘ線ＣＴ画像の作成方法及びＣＴ装置が提案される。

本発明の上述の特徴は、それぞれ示された組合せのみならず、他の組合せ又は単独構成で、本発明の枠を逸脱することなく使用し得るものであることは明らかである。

本発明の方法を実施するためのコンピュータ断層撮影装置の一例の概略図

符号の説明

１ コンピュータ断層撮影システム
２ Ｘ線管
３ 検出器
４ システム軸線
５ ハウジング
６ 移動可能な患者寝台
７ 患者
８ 脈拍シミュレーションのためのクロック発生器
９ 制御及び計算ユニット
１０ 制御/データ導線
Prg₁〜Prg_n コンピュータプログラム

Claims (12)

1. 患者の拍動する心臓のＸ線コンピュータ断層撮影画像の作成方法において、
   1.1 患者をスキャンするために、少なくとも１つのＸ線源（２）が患者（７）に対して相対的に患者の周りに回転されるステップ、
   1.2 少なくとも１つの検出器（３）によりＸ線の減弱が連続的に検出され、検出器出力データとして制御及び計算ユニット（９）に出力されるステップ、
   1.3 患者（７）の特徴的な心拍数に相当する周波数を有する人工的クロック信号が出力されるステップ、
   1.4 完全なスキャンに亘って人工的クロック信号の各サイクル時相中に人工的クロックの複数の異なる時相時点で心臓のテストボリュームデータセットが再構成され、各テストボリュームデータセットをその時相時点およびｚ位置に結び付けているステップ、
   1.5 予め定められた画像範囲に関して、時間的に隣接し場所的に同一の又は少なくとも同じ断面に属するテストボリュームデータセット間の相関値が計算され、四次元のマトリックスに記入され、相関値の最大値がさがし求められるステップ、
   1.6 次いで、相関最大値に導いたテストボリュームデータセットの由来する検出器データセットから最終的なボリュームデータセットが計算されるステップ、
   を少なくとも、含むことを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影画像の作成方法。
2. テストボリュームデータセットが最終的なボリュームデータセットに対して減ぜられた分解能で計算されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 人工的クロック信号が人工的心電図から導出されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 予め定められた画像範囲が相関値の計算のために専ら心臓範囲を含むことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 予め定められた画像範囲がパターン認識法により決定され、相関値の計算のために専ら心臓範囲を含むことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
6. スパイラルスキャンと関連して使用されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
7. 逐次スキャンと関連して使用されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
8. 心臓サイクルごとの最終的な再構成のために、この心臓サイクルからのそれぞれ完全な検出器データから少なくとも１つの画像面が取出され、この画像面がボリュームデータセットに再構成されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
9. 最終的な再構成のために複数の心臓サイクルからの不完全な検出器データが完全な検出器データにまとめられ、次いでこの完全な検出器データからボリュームデータセットが再構成されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
10. 最終的な再構成のために複数の心臓サイクルからの不完全な検出器データが不完全な画像データに再構成され、次いで完全な画像データにまとめられることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
11. 患者（７）の拍動する心臓のＸ線コンピュータ断層撮影画像を作成するためのコンピュータ断層撮影装置において、
    11.1 少なくとも１つのＸ線源（２）とＸ線の減弱を連続的に検出し検出器出力データとして制御及び計算ユニット（９）に出力する少なくとも１つの検出器とを有する患者の回転スキャンを行うための装置、
    11.2 患者の特徴的な心拍数に相当する周波数を有する人工的クロック信号を生成する手段（８）、
    11.3 完全なスキャン中および人工的クロック信号の各サイクル時相中に人工的クロックの複数の異なる時相時点で心臓のテストボリュームデータセットを再構成し、各テストボリュームデータセットをその時相時点及びｚ位置に結び付けている手段（１０、Prg_x）、
    11.4 予め定められた画像範囲に関する時間的および場所的に隣接するテストボリュームデータセット間の相関値を計算し、四次元的マトリックスに記入し、相関値の最大値をも求める手段（１０、Prg_y）、
    11.5 相関最大値に導いたテストボリュームデータセットの由来する検出器データセットから最終的なボリュームデータセットを計算し三次元画像表示として出力する手段（１０、Prg_z）
    を有することを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。
12. 前記手段が少なくとも１つの計算ユニットとプログラム又はプログラムモジュールとからなるシステムを形成し、プログラム又はプログラムモジュールが作動時に請求項１乃至１０の１つに記載の方法ステップの少なくとも１つを実行することを特徴とする請求項１１記載のコンピュータ断層撮影装置。

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