JP2006255419A - 対象の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】ＣＴ画像から量子ノイズを除去することを可能にする。
【解決手段】対象の定められた部分範囲を走査する検出器出力データのセットＰが、ｍ（ｍ≧２）個の完全な部分検出器出力データセットＰ’，Ｐ”に分割され、部分検出器出力データは、それぞれ等しい完全な角度範囲をカバーしているが、但し走査密度を１／ｍに低減され、かつ互いに依存しないデータセットを有し、ｍ個の完全な部分検出器出力データセットから、同じ対象範囲を表すｍ個の中間画像が再構成され、ｍ個の中間画像間で相関分析が行なわれ、相関関係のあるデータのみからなり相関関係のないデータを含まない画像データセットが作成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象を走査するために、少なくとも１つのＸ線管が対象に対して相対的に対象およびシステム軸線の周りを回転させられ、少なくとも１つの検出器、とりわけ少なくとも１つの多列検出器によって、Ｘ線の減弱が少なくとも１つのＸ線管の回転中に検出され、検出器出力データとして制御および計算ユニットに出力され、これらの検出器出力データからコンピュータ断層撮影画像が再構成される、対象、とりわけ患者の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に関する。ここでは、対象の２次元スライス画像またはボリュームデータセットを問題にする。

このような方法はさまざまの変形で一般に知られており、基本的には２Ｄ再構成法と３Ｄ再構成法との間に違いがあり、これらの方法は主として患者診断に使用される。患者を走査するために使用される放射線の電離特性およびそれに伴う細胞変性に関する危険により、この方法においては、常にできるだけ少ない線量で検査が行なわれるように努力されている。この使用できる少ない線量により患者を検査する際に、存在する量子ノイズが画質にとって非常に重要になり、画質に不都合な影響を及ぼす。

画質改善のために、一部では、簡単な線形法と違って画像内に含まれる対象の縁部に影響を及ぼすことなくノイズを低減することができる非線形の画像フィルタを使用するが提案されている。一般に、このような知的フィルタは、まず縁部の位置を求め、引続いて適切なフィルタを、例えば検出された縁部に対して平行に適用するために、それぞれのピクセルの２次元または３次元環境における画像特性を利用する。

このような方法は既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この種のノイズ低減方法は次の欠点を有する。

フィルタ処理が１つのステップのみで実行される場合に、十分な低域通過作用を実現するためには、空間的な到達範囲が十分に大きくなければならない。しかしながら、それによって小さな構造が影響を及ぼされるという危惧が増大する。フィルタの到達範囲をできるだけ小さく保ちながらも、ノイズを有効に低減しようとすると、反復式の方法を用いなければならず、これは性能に関しておよび限られた計算容量により実際の使用においては問題がある。

量子ノイズを低減する他の方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この文献の開示内容は、これに関しては、先に挙げた特許文献１に完全に受け継がれている。これには、２次元または３次元の画像におけるノイズ構造の低減方法が示されている。この方法では、同じ対象が、同じジオメトリ条件または定められた手法で変更されたジオメトリ条件のもとで撮影され、引続いて作成された画像の変換が周波数空間内で行なわれ、複数の周波数帯域へ画像を分解することによって周波数に依存する相関関係が求められ、専ら周波数に依存する相関関係から再び新たな画像が逆変換される。これによって、画像の相関関係にないノイズ部分はそのまま残され、逆変換により新たに生じた画像は相関関係のある画像部分、すなわち実際の対象構造に帰すことのできる部分だけを含む。
独国特許出願第１０２００４００８９７９．５−５３号明細書 独国特許出願公開第１０３０５２２１号明細書

本発明の課題は、２つの時間的または空間的にずれた撮影の要求を放棄しながらも、コンピュータ断層撮影画像から量子ノイズを除去することができる方法およびコンピュータ断層撮影装置を提供することにある。

この課題は独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施態様は従属請求項に示されている。

本発明者は、スキャン実行のデータが均一に複数のデータセットに分割され、これらのデータセットから複数の画像またはボリュームデータセットが再構成され、引続いてこれらの画像もしくはボリュームデータセットが相関分析を施され、相関関係のない画像部分が抑制され、実際に存在する対象構造を含んでいるにちがいない相関関係のある画像部分から画像自体が再び作成されるならば、量子ノイズに関して統計学的に互いに依存しない画像または３次元画像情報を得ることも可能であるということを認識した。この場合に、データセット間の相関関係を決定するために、例えば、位置空間における相互相関関数またはウェーブレット係数を使用することができる。

従って、もはや時間的にずらされた走査または位置的にずらされた走査を行なう必要はなく、唯一のスキャン中にデータの総和が得られ、完全な部分データセットへデータを均一に分割することが必要となるだけである。部分データセットが同じ角度範囲をカバーするならば部分データセットは完全なデータセットである。なぜならば、部分データセットは、存在するデータ素材全体の一部だけを含み、部分データセットの和は再び全体データセットを生じるからであり、個々の部分データセット間に重複は存在してはならず、従って個々の部分データセットには統計学的に互いに依存しないデータが存在する。

この基本思想に従って、本発明者は、少なくとも次の方法ステップを有する対象のコンピュータ断層撮影画像、とりわけ患者のコンピュータ断層撮影画像を作成するための方法を提案する。
対象を走査するために、少なくとも1つのＸ線管が対象に対して相対的に対象およびシステム軸線の周りを回転させられ、
少なくとも1つの検出器、とりわけ少なくとも1つの多列検出器によって、Ｘ線の減弱が少なくとも1つのＸ線管の回転中に検出され、検出器出力データとして制御および計算ユニットに出力され、
定められた角度範囲に亘るビームに対応しかつ対象の定められた部分範囲を走査する検出器出力データのセットが、ｍ（ｍ≧２）個の完全な部分検出器出力データセットに分割され、部分検出器出力データは、それぞれ等しい完全な角度範囲をカバーしているが、ただし走査密度を１／ｍに低減され、かつ互いに依存しないデータセットを有し、
ｍ個の完全な部分検出器出力データセットから、同じ対象範囲を表すｍ個の中間画像が再構成され、
ｍ個の中間画像間で相関分析が行なわれ、
相関関係のあるデータのみからなり相関関係のないデータは含まない画像データセットが作成される。

基本的には、２つよりも多い部分検出器出力データセットを使用し、２つの中間画像データセットを作成することが可能であるが、しかしながら、厳密に２つの中間画像データセットが作成され、これに対して相関分析が適用されるのが最適である。

更に、相関分析のための中間画像は、画像情報が複数の周波数帯域に存在するように変換され、これらが互いに比較され、画像が相関関係のあるデータだけにより再変換されると好ましい。

例えば、ｍ個の中間画像データセット間での相関分析のために相互相関法が実行される。

更に、ｍ個の中間画像データセット間での相関分析のために中間画像データセットに関するウェーブレット変換が行なわれ、相関が同じまたは相異するウェーブレット係数に基づいて評価される。

本方法の特別な適用においては、本方法はスライス画像の算出時に次のように実施される。すなわち、投影角α₁〜α_nを有するｎ個の投影の１つの完全なセットがｍ個の完全な部分投影セットに分割され、各部分投影セットは、それぞれ異なる相前後する投影角から始まるそれぞれｍ番目の投影角を含み、各部分投影セットから１つの中間スライス画像が再構成され、ｍ個の中間スライス画像に対して相関分析が行なわれ、相関関係のあるデータから１つのスライス画像が逆算される。

スライス画像算出の他の変形においては、投影角α₁〜α_nを有するｎ個の投影の１つの完全なセットおよび平行ビームＳ₁〜Ｓ_jの個々の各投影Ｐが、ｍ個の完全な部分投影セットに分割され、各部分投影セットは全ての投影角α₁〜α_nを含むが、ただしそれぞれｍ番目の平行ビームのデータだけに対応し、各部分投影セットから１つの中間スライス画像が再構成され、ｍ個の中間スライス画像に対して相関分析が行なわれ、引続いて相関関係のあるデータから１つのスライス画像が逆算される。

スライス画像の代わりにボリュームデータセットが算出される場合、本方法は次のように使用することができる。すなわち、投影角α₁〜α_nを有するｎ個の投影の１つの完全なセットおよび平行ビームＳ₁〜Ｓ_nの個々の各投影Ｐが、ｍ個の完全な部分投影セットに分割され、各部分投影セットは全ての投影角α₁〜α_nを含むが、ただしそれぞれｍ番目の平行ビームのデータだけに対応し、各部分投影セットから１つの中間スライス画像が再構成され、ｍ個の中間スライス画像に対して相関分析が行なわれ、相関関係のあるデータから１つのスライス画像が逆算される。

更に、ｍ個の完全な部分検出器出力データセットから、ｍ個のボリュームデータセットが再構成され、ｍ個のボリュームデータセットに対して相関分析が行なわれ、相関関係のあるデータから１つのボリュームデータセットが逆算されると好ましい。

更に、検出器が多列検出器であり、多列検出器によって対象を走査する際に碁盤縞状に配置された検出器要素の検出器出力データが、２つの完全な部分検出器出力データセットに、次のように、すなわち「白」の領域に相当する各検出器要素が第１の部分検出器出力データセットに割り当てられ、「黒」の領域に相当する各検出器要素が第２の部分検出器出力データセットに割り当てられように組み分けされ、このようにして得られた各部分検出器出力データセットから少なくとも１つの中間画像が再構成され、引続いて、時間的および位置的に同じ対象走査に関する２つの中間画像ごとに相関分析が行なわれ、相関関係のあるデータから１つの画像データセットが算出されると好ましい。

上述の方法は、一方では、対象構造を正確に表示する完全な画像またはボリュームデータセットの算出に適用可能であるが、しかしながら、例えばＳＭＰＲ（Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｐｌａｎｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｔｉｏｎ ；セグメント化多断面再構成）法により知られているように、いわゆる不完全なスライス画像またはボリュームデータセットに本発明による方法を適用することも可能である。従って、一方では、本発明による方法が適用される検出器出力データのセットが由来する角度範囲は少なくとも１８０°を含む。他方では、角度範囲は１８０°よりも小さいセグメントだけを含み、最終的な画像データセットを作成するために、全体として少なくとも１８０°の角度範囲を含むような数の画像データセットが加算されるようにしてもよい。これは、単に、量子ノイズを抑制する既述の方法が対象構造を可視表示する画像に使用可能であるばかりでなく、全体として少なくとも１８０°をもたらす複数の不完全な画像データセットの加算によってはじめて完全な認識可能な画像となるいわゆる不完全なデータセットにも適用可能であることを意味するにすぎない。

更に、本発明による方法は、スパイラル走査にも逐次走査にも結合されて使用可能である。

更に、本発明者は、
少なくとも１つのＸ線管と、Ｘ線の減弱を連続的に検出し検出器出力データを制御および計算ユニットに出力する少なくとも１つの検出器とを備え、対象の周りを回転して走査する走査装置と、
少なくとも１つの計算ユニットと、動作時に上述の方法ステップを実行するプログラムまたはプログラムモジュールとからなるシステムと
を有する、対象、とりわけ患者の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システムも提案する。

本発明の付加的な特徴および利点を以下の図面に基づく有利な実施例の説明から明らかにする。

以下において、図面を参照しながら有利な実施例に基づいて説明する。図面においては本発明の直接的な理解のために重要な要素のみが示されている。
図１は本発明による方法を実施するためのコンピュータ断層撮影装置の概略図を示し、
図２は完全な投影セットによるスライス画像算出に基づく本発明による方法の概略図を示し、
図３は１つの平行投影を２つの完全な部分平行投影へ分割することを示し、
図４は本発明による方法に応じたボクセル走査の分割を示し、
図５は検出器要素の碁盤縞状の配置を有する多列検出器を示す。

図面においては次の符号が使用される。１：コンピュータ断層撮影装置、２：Ｘ線管、３：検出器、４：システム軸線、５：走査装置、６：移動可能な患者寝台、７：患者、８：走査装置における開口、９：制御および計算ユニット、１０：制御およびデータ線、１１，１１'：中間画像、１２：相関部分の決定、１３：相関部分の合成、１４：ノイズ除去された画像、１５，１５'：中間ボリュームデータセット、１６：ノイズ除去されたボリュームデータセット、Ｐ：完全な投影、Ｐ'，Ｐ"：完全な部分投影、Ｐｒｇ₁〜Ｐｒｇ_n：プログラムまたはプログラムモジュール、Ｓ：ボクセルを通る完全なビームセット、Ｓ_x：ビーム、Ｓ'，Ｓ"：完全なビーム、Ｖ：ボクセル、α₁〜α₂：角度。

図１はコンピュータ断層撮影システム１の概略図を示す。コンピュータ断層撮影システム１は、ガントリを備え、ガントリの上に配置されたＸ線管２と対向する検出器３とを有する走査装置５からなる。Ｘ線管２と検出器３との間には開口８があり、この開口８内に、移動可能な患者寝台６上にいる患者７がシステム軸線４に沿って送り込まれ、その際に走査される。コンピュータ断層撮影システムの制御は制御および計算ユニット９によって行なわれ、制御および計算ユニット９は制御およびデータ線１０を介して走査装置５に接続され、患者寝台６の送りも制御する。患者７の走査時に検出器３により取得される検出器出力データは、制御およびデータ線１０を介してコンピュータ９に導かれ、そこにおいて、あるいは場合によっては他の計算システムにおいてコンピュータプログラムにより再構成されるので、患者のスライス画像表示またはボリューム表示を計算ユニットの画面に出力することができる。

図２には、同一スライスからｎ個の投影角α₁〜α_nに亘るｎ個の投影の１つの完全なセットが撮影されている方法の一変形が示されている。このｎ個の投影は図２の上部に角度α₁〜α_nによって示されている。一般性の制限なしにここでは整数であるべきである平行投影のこれらの全ての角度α₁〜α_nから、２つの完全な投影部分セットが形成される。この場合に、奇数のインデックスを有する投影が第１の完全な投影部分セットに取入れられ、偶数のインデックスを有する投影が第２の完全な投影部分セットに取入れられる。両投影から、左の方に向けられた矢印および右の方に向けられた矢印によって示されているように、中間スライス画像１１，１１’が再構成される。これに続いて、記号１２によって示されているように、スライス画像間の相関部分が求められ、方法ステップ１３により相関部分の合成が実行され、それによりノイズ除去された画像１４が作成される。

中間画像を算出するために、存在する検出器データを分割する他の変形が図３に概略的に示されている。これは、平行ビームＳ₁〜Ｓ_jの多数の検出器データからなる１つの投影Ｐがどのようにして２つの完全な部分投影Ｐ’，Ｐ”に分割されるかを示す。奇数のインデックスを有するビームに由来するデータは完全な部分投影Ｐ’に割り当てられ、偶数のインデックスを有するビームに由来するデータは完全な部分投影Ｐ”に割り当てられる。この方法は全ての投影角α₁〜α_nに対して行なわれるので、引続いて投影から２つの中間画像１１，１１’を再構成することができる。これらの中間画像１１，１１’から、相関分析１２および後続の相関部分の合成１３を介して、完成画像１４が算出もしくは再変換される。

図４はボクセル基準の再構成への本発明による方法の適用を模範的に示す。ここでは、ボクセルＶを透過し、１８０°半回転に相当するビームＳ₁〜Ｓ_kが示されている。ボクセルごとの再構成の場合、それぞれ１つのボクセルを透過する複数のビームを有する多数のこの種のビームセットから、検査対象の個々のボクセル値が再構成される。

本発明による方法は、この場合にも、図４に概略的に示されているように、１つのボクセルＶの各ビームセットＳ、厳密にはこれによって生じた検出器データセットが、ビームセットＳ’，Ｓ”に対応する完全な部分データセットに分割される。部分ビームセットＳ’，Ｓ”に対応する完全な部分検出器データセットの和から、ボクセルごとにボリュームデータセット１５，１５’が算出され、これらのボリュームデータセット間で、方法ステップ１２により、どの部分が互いに相関関係にあるかが決定され、引続いて方法ステップ１３において相関部分の合成によってノイズを除去されたボリュームデータセットが発生される。

本発明の他の変形は、検査対象、例えば患者の走査時に直ちに検出器出力データを、図５に示されているように、多列検出器の個々の検出器要素の碁盤縞状の区分に応じて分割することにある。行ごとにおよび列ごとにずらされた検出器要素からの検出器データが、その都度２つの完全な部分データセットに割り振られる。図示の多列検出器は、多数の同じ検出器要素を持った多列検出器である。検出器要素の割り振りを識別するために、検出器要素は、図において碁盤縞のように、黒もしくは白の検出器領域として示されている。もちろん、本発明は、ここに示されているような同じ面積を有する検出器要素に決して限定されないことに注意すべきである。本発明によれば、測定された検出器データが白もしくは黒の検出器要素に由来する検出器データへ分割され、引続いて、公知のあらゆる再構成法に従って、スライス画像またはボリュームデータセットの再構成を行なうことができる。これによって、相関法によって互いに比較することができる２つの統計学的に互いに依存しない画像データセットが発生するので、引続いて、専ら相関関係にあるデータからなる画像を算出することができる。

もう一度指摘しておくに、同じ対象の多数の画像の相関関係のあるデータの具体的な算出は、特許文献２に説明されており、この算出方法は内容全体について本出願に受け継がれる。

本発明の上述の特徴は、その都度述べた組み合わせのみならず、本発明の範囲を逸脱することなしに、他の組み合わせでも、あるいは単独でも使用可能であることは自明である。

本発明による方法を実施するためのコンピュータ断層撮影装置の概略図 完全な投影セットによるスライス画像算出に基づく本発明による方法の概略図 １つの平行投影を２つの完全な部分平行投影へ分割することを示す概略図 本発明による方法に応じたボクセル走査の分割を示す概略図 検出器要素の碁盤縞状の配置を有する多列検出器を示す概略図

符号の説明

１ コンピュータ断層撮影装置
２ Ｘ線管
３ 検出器
４ システム軸線
５ 走査装置
６ 移動可能な患者寝台
７ 患者
８ 走査装置における開口
９ 制御および計算ユニット
１０ 制御およびデータ線
１１，１１’ 中間画像
１２ 相関部分の決定
１３ 相関部分の合成
１４ ノイズ除去された画像
１５，１５’ 中間ボリュームデータセット
１６ ノイズ除去されたボリュームデータセット
Ｐ 完全な投影
Ｐ’，Ｐ” 完全な部分投影
Ｐｒｇ₁〜Ｐｒｇ_n プログラムまたはプログラムモジュール
Ｓ ボクセルを通る完全ビームセット
Ｓ_x ビーム
Ｓ’，Ｓ” 完全なビーム
Ｖ ボクセル
α₁〜α_n 角度

Claims (14)

1. 対象を走査するために、少なくとも1つのＸ線管（２）が対象に対して相対的に対象およびシステム軸線（４）の周りを回転させられ、
   少なくとも1つの検出器（３）によって、Ｘ線の減弱が少なくとも1つのＸ線管（２）の回転中に検出され、検出器出力データとして制御および計算ユニット（９）に出力され、
   定められた角度範囲に亘るビーム（Ｓ_x）に対応しかつ対象の定められた部分範囲を走査する検出器出力データのセット（Ｐ）が、ｍ（ｍ≧２）個の完全な部分検出器出力データセット（Ｐ’，Ｐ”）に分割され、部分検出器出力データは、それぞれ等しい完全な角度範囲をカバーしているが、ただし走査密度を１／ｍに低減され、かつ互いに依存しないデータセットを有し、
   ｍ個の完全な部分検出器出力データセットから、同じ対象範囲を表すｍ個の中間画像（１１，１１’）が再構成され、
   ｍ個の中間画像（１１，１１’）間で相関分析が行なわれ、
   相関関係のあるデータのみからなり相関関係のないデータを含まない画像データセット（１６）が作成される
   ことを特徴とする対象のコンピュータ断層撮影画像の作成方法。
2. 厳密に２個（ｍ＝２）の完全な部分検出器出力データセットが形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 相関分析のための中間画像（１１，１１’）は、画像情報が複数の周波数帯域に存在するように変換され、これらが互いに比較され、ノイズの少ない画像データセット（１４）が１つの中間画像または複数の中間画像（１１，１１’）の相関関係のあるデータだけにより再変換されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ｍ個の中間画像（１１，１１’）間での相関分析のために相互相関法が実行される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. ｍ個の中間画像（１１，１１’）間での相関分析のために中間画像データセットに関するウェーブレット変換が行なわれ、相関が同じまたは相異するウェーブレット係数に基づいて評価される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. 投影角α₁〜α_nを有するｎ個の投影（Ｐ）の１つの完全なセットがｍ個の完全な部分投影セット（Ｐ’，Ｐ”）に分割され、各部分投影セット（Ｐ’，Ｐ”）は、それぞれ異なる相前後する投影角から始まるそれぞれｍ番目の投影角を含み、
   各部分投影セットから１つの中間スライス画像が再構成され、
   ｍ個の中間スライス画像（１１，１１’）に対して相関分析が行なわれ、
   相関関係のあるデータから１つのスライス画像（１４）が逆算される
   ことを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 投影角α₁〜α_nを有するｎ個の投影（Ｐ）の１つの完全なセットおよび平行ビームＳ₁〜Ｓ_nの個々の各投影（Ｐ）が、ｍ個の完全な部分投影セット（Ｐ’，Ｐ”）に分割され、各部分投影セットは全ての投影角α₁〜α_nを含むが、ただしそれぞれｍ番目の平行ビームのデータのみに対応し、
   各部分投影セットから１つの中間スライス画像が再構成され、
   ｍ個の中間スライス画像（１１，１１’）に対して相関分析が行なわれ、
   相関関係のあるデータから１つのスライス画像（１４）が逆算される
   ことを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
8. ｍ個の完全な部分検出器出力データセットからｍ個のボリュームデータセット（１５，１５’）が再構成され、
   ｍ個のボリュームデータセット（１５，１５’）に対して相関分析が行なわれ、
   相関関係のあるデータから１つのボリュームデータセット（１６）が逆算される
   ことを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
9. 検出器（３）が多列検出器であり、多列検出器（３）によって対象を走査する際に碁盤縞状に配置された検出器要素の検出器出力データが、２つの完全な部分検出器出力データセットに、次のように、すなわち「白」の領域に相当する各検出器要素が第１の部分検出器出力データセットに割り当てられ、「黒」の領域に相当する各検出器要素が第２の部分検出器出力データセットに割り当てられように組み分けされ、
   このようにして得られた各部分検出器出力データセットから少なくとも１つの中間画像（１１，１１’）が再構成され、
   引続いて、時間的および位置的に同じ対象走査に関する２つの中間画像（１１，１１’）ごとに相関分析が行なわれ、
   相関関係のあるデータから１つの画像データセットが算出される
   ことを特徴とする請求項２乃至５の１つに記載の方法。
10. 角度範囲は少なくとも１８０°を含むことを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. 角度範囲は１８０°よりも小さいセグメントを含み、最終的な画像データセットを作成するために、全体として少なくとも１８０°の角度範囲を含むような数の画像データセットが加算されることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
12. スパイラル走査と結合されて使用されることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
13. 逐次走査と結合されて使用されることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
14. 少なくとも１つのＸ線管（２）とＸ線の減弱を連続的に検出し検出器出力データを制御および計算ユニット（９）に出力する少なくとも１つの検出器（３）とを備え、対象の周りを回転して走査する走査装置と、
    少なくとも１つの計算ユニットと動作時に請求項１乃至１３の１つに記載のステップを実行するプログラムまたはプログラムモジュール（Ｐｒｇ_x）とからなるシステムと、
    を有することを特徴とする対象の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。