JP2006326175A - Digital x-ray tomography system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の方向から撮影したディジタルX線画像から断層画像を生成するディジタルX線断層撮影装置に関する。 The present invention relates to a digital X-ray tomography apparatus that generates a tomographic image from digital X-ray images taken from a plurality of directions.
いくつかの方向から撮影したX線画像を使って立体画像を生成する技術としてdigital tomosynthesisがある(非特許文献1参照)。 There is digital tomosynthesis as a technique for generating a stereoscopic image using X-ray images taken from several directions (see Non-Patent Document 1).
この技術を使った断層画像の撮影方法がX線デジタル断層撮影である。デジタル断層撮影において、X線マーカを使って各X線画像撮影時のX線管と検出器の位置を算出し、それを用いて結像処理を行うことで結像画像の解像度を向上できることが知られており、上記非特許文献1にも Tuned aperture computed tomographyとして記載されている。ここではこの技術をスキャン軌道キャリブレーションと呼ぶことにする。
A method for taking a tomographic image using this technique is X-ray digital tomography. In digital tomography, it is possible to improve the resolution of an image by calculating the position of the X-ray tube and the detector at the time of each X-ray image acquisition using an X-ray marker and performing an image formation process using it. It is known, and is also described in the above
特許文献1には、脳外科手術の術中に高解像度の画像を得るためにスキャン軌道キャリブレーションを伴った断層撮影を行うための、脳外科用X線マーカフレームおよびそれを用いたスキャン軌道キャリブレーション方法が記載されている。ここでの術中X線断層画像撮影装置は、X線管側と検出器側の筐体に分離に構成され、使用時は撮影対象の位置に対しておのおの所定の位置に設置するといった構成がありえることが前提となっている。
マーカフレームの機能は患部とともにマーカをX線画像に写しこむことで、X線画像撮影時の焦点、検出器位置を測定し、位置補正を行い、結像処理の解像度を向上させることであり、マーカフレームの代表的な構成は下記のようなものである。 The function of the marker frame is to copy the marker together with the affected part to the X-ray image, measure the focus and detector position at the time of X-ray image shooting, perform position correction, and improve the resolution of the imaging process. A typical configuration of the marker frame is as follows.
・患部に対しX線管側と検出器側にマーカが配置されたマーカパネルを設置。
・X線管側のマーカパネルには1.5φ程度の概鉛円柱(または鉛球)を格子状に数cm間隔で配置。
・検出器側のマーカパネルにはは2×6mm程度の概鉛直方体を格子状に数cm間隔で配置。
各マーカの機械的な位置関係が固定されており、それらの位置関係が高い精度でしられている。
-A marker panel with markers on the X-ray tube side and detector side is installed for the affected area.
-About 1.5φ of roughly lead cylinders (or lead spheres) are arranged in a lattice pattern at intervals of several centimeters on the marker panel on the X-ray tube side.
-The marker panel on the detector side has approximately 2x6mm roughly vertical cuboids arranged in a grid at intervals of several centimeters.
The mechanical positional relationship of each marker is fixed, and the positional relationship is made with high accuracy.
また、特許文献1には、これらのマーカフレームを用いたスキャン軌道キャリブレーションの方法が記載されている。その概要は次のとおりである。装置の設置時、X線側筐体と検出器側筐体を所定の位置に設置する。この際、(例えば)レーザ投光器を用いた設置位置ガイド機構が備えられており、これを用いて所定の位置に設置する。この際の位置設置精度はおよそ1cm以内が想定される。その後、撮影を行うとX線管と検出器を移動させながら複数のX線画像が取得される。装置の所定設置位置、マーカの配置位置、X線管と検出器のスキャン軌道が既知であれば、X線画像のどの位置にマーカが撮影されるかを算出することができる。一方、取得されたX線画像からマーカ位置を検出すると、一般には算出されたマーカ位置と検出されたマーカ位置にはズレが存在する。これは、設置位置のずれや、装置の製作精度、検出器やX線管を支持・移動するアーム等の歪、検出器やX線管を動かす制御の誤差などが原因となっている。スキャン軌道(各撮影画像における焦点と検出器の位置)を修正して、もう一度ずれを算出すると、前回のずれとは異なった値となる。そこで、ずれがもっとも小さくなるようにスキャン軌道を修正していけば、実際にX線画像を撮影したときのスキャン軌道すなわち焦点と検出器の位置とを推定することができるはずである。 Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228667 describes a scan trajectory calibration method using these marker frames. The outline is as follows. At the time of installation of the apparatus, the X-ray side casing and the detector side casing are installed at predetermined positions. At this time, an installation position guide mechanism using a laser projector (for example) is provided, which is installed at a predetermined position. The position installation accuracy at this time is assumed to be within about 1 cm. Thereafter, when imaging is performed, a plurality of X-ray images are acquired while moving the X-ray tube and the detector. If the predetermined installation position of the apparatus, the arrangement position of the marker, and the scan trajectory of the X-ray tube and the detector are known, it is possible to calculate at which position of the X-ray image the marker is imaged. On the other hand, when a marker position is detected from the acquired X-ray image, there is generally a difference between the calculated marker position and the detected marker position. This is caused by a shift in the installation position, accuracy in manufacturing the apparatus, distortion of an arm that supports and moves the detector and the X-ray tube, and an error in control of moving the detector and the X-ray tube. When the scan trajectory (the focus and the position of the detector in each captured image) is corrected and the deviation is calculated once again, the value becomes different from the previous deviation. Therefore, if the scan trajectory is corrected so that the deviation is minimized, the scan trajectory when the X-ray image is actually taken, that is, the focus and the position of the detector should be able to be estimated.
上記の説明中で、装置の設置精度として1cm程度以下が想定されることを述べたが、それは、上記のマーカパネルはマーカが等間隔に配置されており、そのパターンが周期的であるため、装置の設置位置が、所定位置から周期の半分に相当する以上ずれていると、一つ(またはそれ以上)ずれた周期の位置にスキャン軌道が推定されてしまい、かつ、推定が誤っていることを知る手段が無いために、そのキャリブレーション結果を用いて結像処理を実施することとなり、その結果あやまった画像が生成されてしまうという問題がある。 In the above description, it has been stated that the installation accuracy of the apparatus is assumed to be about 1 cm or less, because the marker panel is arranged at equal intervals and the pattern is periodic, If the installation position of the device deviates from the predetermined position by more than half of the cycle, the scan trajectory is estimated at one (or more) cycle of the cycle, and the estimation is incorrect. Since there is no means for knowing, there is a problem that an image forming process is performed using the calibration result, and as a result, an erroneous image is generated.
このように従来では、装置の設置時の位置合わせ(設置位置合わせ)は高い精度であることが要求されるが、反面、高い位置精度で設置位置を合わせることは、設置作業の手間およびその所要時間を増大し使いやすさを損なう結果となる。
本発明の目的は、設置位置合わせの精度が比較的低くてもスキャン軌道キャリブレーションの精度を向上することにある。 An object of the present invention is to improve the accuracy of scan trajectory calibration even when the accuracy of installation positioning is relatively low.
本発明に係るディジタルX線断層撮影装置は、X線管を回転自在に収容するX線管装置と、X線検出器を回転自在に収容するX線検出器装置と、前記X線管装置の前面に取り付けられ、X線高吸収性を有する複数のX線管側マーカを有するX線管側マーカパネルと、前記X線検出器装置の前面に取り付けられ、X線高吸収性を有する複数のX線検出器側マーカを有するX線検出器側マーカパネルと、前記X線管と前記X線検出器とにより複数の撮影方向から撮影された複数のX線画像のデータを記憶する画像記憶部と、前記X線画像内の前記X線管側マーカの像と前記X線検出器側マーカの像とに基づいて前記X線画像ごとに前記X線管と前記X線検出器各々の広域的な位置を計算する広域的位置計算部と、前記X線画像内の前記X線管側マーカの像と前記X線検出器側マーカの像とに基づいて前記X線画像ごとに前記X線管と前記X線検出器各々の局所的な位置を計算する局所的位置計算部と、前記計算された広域的な位置と局所的な位置とに基づいて前記複数のX線画像から断層画像を結像する結像部とを具備する。 A digital X-ray tomography apparatus according to the present invention includes an X-ray tube device that rotatably accommodates an X-ray tube, an X-ray detector device that rotatably accommodates an X-ray detector, and the X-ray tube device. An X-ray tube side marker panel having a plurality of X-ray tube side markers attached to the front surface and having X-ray high absorbency, and a plurality of X-ray detector devices attached to the front surface of the X-ray detector device An X-ray detector side marker panel having an X-ray detector side marker, and an image storage unit for storing data of a plurality of X-ray images taken from a plurality of imaging directions by the X-ray tube and the X-ray detector And the wide area of each of the X-ray tube and the X-ray detector for each X-ray image based on the X-ray tube side marker image and the X-ray detector side marker image in the X-ray image. A wide-area position calculation unit for calculating a correct position, and the X-ray tube side macro in the X-ray image. A local position calculation unit that calculates a local position of each of the X-ray tube and the X-ray detector for each X-ray image based on an image of a mosquito and an image of the X-ray detector side marker; An imaging unit configured to form a tomographic image from the plurality of X-ray images based on the calculated wide-area position and local position.
本発明によれば、設置位置合わせの精度が比較的低くてもスキャン軌道キャリブレーションの精度を向上することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the accuracy of scan trajectory calibration even if the accuracy of installation positioning is relatively low.
以下、図面を参照して本発明を実施形態を説明する。
図1、図2、図3に示すように、本実施形態に係るディジタルX線断層撮影装置は、X線管装置30とX線検出器装置40とを有する。X線管装置30とX線検出器装置40は、互いに物理的に分離されそれぞれ別体として構成されている。X線管装置30は、キャスター32の付いたスタンド31により可搬性を有している。スタンド31には、X線管33を収容する筐体34が搭載される。X線管33は、X線中心軸が撮影中心軸SCに対して傾斜する状態で撮影中心軸SCを中心として回転可能に図示しないX線管回転機構部に支持される。X線検出器装置40はキャスター42の付いたスタンド41により可搬性を有している。スタンド41には、X線検出器43を収容する筐体44が搭載される。X線検出器43には、2次元状に配列された複数の固体検出素子を有するフラットパネルデテクタが採用される。X線検出器43は、撮影中心軸SCを中心として回転可能に図示しない検出器回転機構部に支持される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the digital X-ray tomography apparatus according to the present embodiment includes an
X線管装置30の筐体34の前面には、X線管側マーカパネル51が装着される。図4(a)に示すように、X線管側マーカパネル51は、比較的高いX線透過性を有する例えばアクリル樹脂で円形状に形成された基板53に、基板53よりも高いX線吸収率を有する材料として典型的には鉛で、同一の所定形状として典型的には球形に形成された複数のマーカ(X線管側マーカ)52が埋め込まれ又は貼り付けられている。マーカ52はX線画像上で明らかに異なった陰影を持つため、後述の位置合わせ処理において、撮影した画像から閾値処理によりマーカ52の像を容易に抽出することができる。
An X-ray tube
X線管側マーカ52には、その配置の観点から、第1のX線管側マーカ52−1と、第2のX線管側マーカ52−2とに分類される。複数の第1のX線管側マーカ52−1は、縦横に等間隔(間隔を4・dとする、dは単位距離)で規則的に配列される。複数、ここでは4つの第2のX線管側マーカ52−2は、第1のX線管側マーカ52−1の配列規則から外れた位置に配置される。具体的には、第2のX線管側マーカ52−2の(A)は、中心線SCに対して右側に位置する第1のX線管側マーカ52−1に対して距離dで右側に隣り合う位置に配置される。第2のX線管側マーカ52−2の(B)は、中心線SCに対して上側に位置する第1のX線管側マーカ52−1に対して距離dで上側に隣り合う位置に配置される。第2のX線管側マーカ52−2の(C)は、中心線SCに対して左側に位置する第1のX線管側マーカ52−1に対して距離dで左側に隣り合う位置に配置される。第2のX線管側マーカ52−2の(D)は、中心線SCに対して下側に位置する第1のX線管側マーカ52−1に対して距離dで下側に隣り合う位置に配置される。このような複数の第2のX線管側マーカ52−2の配置により、管球位置にかかわらずX線視野(X線束)内に4つの第2のX線管側マーカ52−2の少なくとも一つが含まれ、その一つの第2のX線管側マーカ52−2と、それに近傍する第1のX線管側マーカ52−1との相対的な位置により、X線管側マーカパネル51全体の中でのX線管33の焦点位置が画像毎に特定され得る。
The X-ray
同様に、X線検出器装置40の筐体44の前面にも、X線検出器側マーカパネル61が装着される。図4(b)に示すように、X線検出器側マーカパネル61は、比較的高いX線透過性を有する例えばアクリル樹脂で円形状に形成された基板63に、基板63よりも高いX線吸収率を有する材料として典型的には鉛で、X線管側マーカ52とは相違する所定形状として典型的には円柱形に形成された複数のマーカ(X線管側マーカ)62が埋め込まれ又は貼り付けられている。マーカ62はX線画像上で明らかに異なった陰影を持つため、後述の位置合わせ処理において、撮影した画像から閾値処理によりマーカ62の像を容易に抽出することができる。また、マーカ52と62とは互いに明らかに相違する形状を有するため、X線画像上で容易に区別することができる。
Similarly, the X-ray detector
X線検出器側マーカ62には、その配置の観点から、第1のX線検出器側マーカ62−1と、第2のX線検出器側マーカ62−2とに分類される。複数の第1のX線検出器側マーカ62−1は、縦横に等間隔(間隔を4・gとする、gは単位距離)で規則的に配列される。複数、ここでは4つの第2のX線検出器側マーカ62−2は、第1のX線検出器側マーカ62−1の配列規則から外れた位置に配置される。具体的には、第2のX線検出器側マーカ62−2の(A)は、中心線SCの右側に位置する第1のX線検出器側マーカ62−1に対して右側に距離2・gであって、上側に距離gの位置で隣り合う。第2のX線管側マーカ62−2の(B)は、中心線SCの上側に位置する第1のX線検出器側マーカ62−1に対して上側に距離2・gであって、左側に距離gの位置で隣り合う。第2のX線検出器側マーカ62−2の(C)は、中心線SCの左側に位置する第1のX線検出器側マーカ62−1に対して左側に距離2・gであって、下側に距離gの位置で隣り合う。第2のX線検出器側マーカ62−2の(D)は、中心線SCの下側に位置する第1のX線検出器側マーカ62−1に対して下側に距離2・gであって、右側に距離gの位置で隣り合う。つまり、このような複数の第2のX線検出器側マーカ62−2の配置により、検出器43の位置に関わらず検出器43の検出面内に4つの第2のX線検出器側マーカ62−2の少なくとも一つが含まれ、その一つの第2のX線検出器側マーカ62−2と、それに近傍する第1のX線検出器側マーカ62−1との相対的な位置により、X線検出器側マーカパネル61全体の中での検出器43の位置が画像毎に特定され得る。
The X-ray detector side marker 62 is classified into a first X-ray detector side marker 62-1 and a second X-ray detector side marker 62-2 from the viewpoint of the arrangement. The plurality of first X-ray detector side markers 62-1 are regularly arranged at equal intervals in the vertical and horizontal directions (interval is 4 · g, g is a unit distance). A plurality of (here, four) second X-ray detector side markers 62-2 are arranged at positions deviating from the arrangement rule of the first X-ray detector side markers 62-1. Specifically, (A) of the second X-ray detector side marker 62-2 has a
図5に示すように、本実施形態のディジタルX線断層撮影装置は、制御部1を中心として、データ/制御バス23に、制御部1、インタフェース3、画像記憶部5、対数演算部7、マーカ抽出部9、広域的位置計算部13、局所的位置計算部15、再構成部17、画像処理部19、表示部21が接続されてなる計算機装置を有する。画像記憶部5には、X線検出器43から出力され、そして対数演算部7で対数演算にかけられた複数のX線画像のデータが記憶される。複数のX線画像は相互に、撮影時におけるX線管33の位置、X線検出器43の位置、X線管33の方向の少なくとも一つが相違する。なお、X線画像には、被検体の像と共に、複数のマーカ52,62の像が含まれる。マーカ抽出部9は、しきい値処理によりX線画像ごとにマーカ52,62の像領域を抽出する機能を備えている。広域的位置計算部13は、第2のX線管側マーカ52−2と、それに近傍する第1のX線管側マーカ52−1との相対的な位置により、X線管側マーカパネル51全体の中でのX線管33の焦点の広域的位置を画像毎に特定する。つまり、画像に映っている第2のX線管側マーカ52−2が、A,B,C,Dのいずれであるかを画像毎に特定する。また、広域的位置計算部13は、第2のX線検出器側マーカ62−2と、それに近傍する第1のX線検出器側マーカ62−1との相対的な位置により、X線検出器側マーカパネル61全体の中でのX線検出器43の広域的位置を特定する。つまり、画像に映っている第2のX線検出器側マーカ62−2が、A,B,C,Dのいずれであるかを特定する。局所的位置の計算処理についての詳細は後述する。
As shown in FIG. 5, the digital X-ray tomography apparatus according to the present embodiment includes a
局所的位置計算部15は、広域的位置計算部13によるX線管33の広域的位置及びX線検出器43の広域的位置と、第1のX線管側マーカ52の像と第1のX線検出器側マーカ62の像とのズレとに基づいて、X線管33の焦点の局所的位置とX線検出器43の局所的位置とを画像毎に計算する。広域的位置の計算処理についての詳細は後述する。
The local position calculation unit 15 includes the wide-area position of the
再構成部17は、位置計算部13、15でX線画像毎に計算されたX線管33の焦点の局所位置、X線検出器43の位置に基づいて、複数のX線画像から単一又は多段の断層画像のデータ(ボリュームデータ)を再構成する。画像処理部19は、再構成された断層画像から、表示のための2次元画像、例えば任意断面の断層画像を生成する。生成された断層画像等は表示部21のディスプレイに表示される。
Based on the local position of the focal point of the
以下に位置計算部11による位置計算処理について説明する。例えばX線管33側のマーカパネル51に取り付けたマーカ52のそれぞれの位置関係は、次のような表をあらかじめ作っておくことで計算機読み取り可能な形で記憶しておく。
The position calculation process by the
第1のX線管側マーカ52−1の配置表
マーカ#1:x1 y1 z1
マーカ#2:x2 y2 z3
マーカ#3:x3 y3 z3
・・・
マーカ#N:xN yN zN
第2のX線管側マーカ52−2の配置表
マーカA:xA yA zA
マーカB:xB yB zB
マーカC:xC yC zC
マーカD:xD yD zD
(xi, yi, zi) (i=1..N)はi番目のマーカ52−1の座標値である。これらの数値は設計図面の上で適当なわかりやすい位置(マーカパネル51の中央など)に原点を取って読み取って作成する。同様に、検出器43側のマーカ配置表も同様に作成しておく。
Arrangement table of first X-ray tube side marker 52-1
Marker # 1: x1 y1 z1
Marker # 2: x2 y2 z3
Marker # 3: x3 y3 z3
...
Marker #N: xN yN zN
Arrangement table of second X-ray tube side marker 52-2
Marker A: xA yA zA
Marker B: xB yB zB
Marker C: xC yC zC
Marker D: xD yD zD
(xi, yi, zi) (i = 1..N) is the coordinate value of the i-th marker 52-1. These numerical values are created by reading the origin at a suitable and easy-to-understand position (such as the center of the marker panel 51) on the design drawing. Similarly, a marker arrangement table on the
撮影に際しては、制御部1の制御のもとで、X線管33が中心線SCの回りを連続的又は断続的に回転しながらX線パルスの発生が繰り返される。制御部1の制御のもとで、X線検出器43は、X線管33の回転に同期して中心線SCの回りを連続的又は断続的に回転しながら、X線パルスの発生に同期して電荷蓄積/信号読み出し/リセットが繰り返される。
During imaging, generation of X-ray pulses is repeated while the
撮影された画像各々からマーカ52、62の像がマーカ抽出部9で抽出される。X線画像に写った円形マーカおよび線分形マーカを図6に例示する。図6の画像において、矢印で示した位置には、等間隔でない配置の広域的位置情報を持つ第2のマーカ52−2,62−2が画像化されている。この画像に次の処理を適用することで2種のマーカ(円形のX線管側マーカ52−2の像、長方形のX線検出器側マーカ62−2)が区別され、画像中の各マーカ位置を求めることができる。
Images of the
1. フィルタ処理
2. 閾値処理、連結領域ラベリング処理
3. 面積、円形度、縦横比、密度の算出
4. 算出した各値によるマーカ判別処理(この過程で円形マーカ52−2と線分マーカ62−2とが区別される)
5. マーカ位置算出処理(この結果、各マーカの位置情報が数値的に得られる)
まず、広域的位置情報の抽出処理について説明する。なお、ここでは円形マーカ(X線管側マーカ52−2の像)だけを例に説明するが、線分マーカ(X線検出器側マーカ62−2)の場合も同様である。
1. Filtering
2. Threshold processing, connected area labeling processing
3. Calculation of area, circularity, aspect ratio, density
4. Marker discrimination processing based on each calculated value (circular marker 52-2 and line segment marker 62-2 are distinguished in this process)
5. Marker position calculation processing (As a result, the position information of each marker is obtained numerically)
First, the wide area position information extraction process will be described. Here, only the circular marker (image of the X-ray tube side marker 52-2) will be described as an example, but the same applies to the case of the line segment marker (X-ray detector side marker 62-2).
各マーカ52の位置情報をもとに、まず、距離4・dで等間隔に規則的に配置されていない第2のマーカ52−2を抽出する。そのためには、検出されたあるマーカ52から他のマーカ52までの距離を算出し、それが距離4・d(実際の画像上での距離4・dに応じた距離であるが説明の便宜上、距離4・dとして説明する)の整数倍などマーカ配置からありえる距離であるかどうかを判定する。ここで、すべてのマーカ52間の間隔が、間隔4・dであれば、すべてのマーカ52が周期的に配置されていることになるが、規則的な位置に配置されないマーカ52−2が存在する場合、そのマーカ52−2から他のマーカ52−1までの距離は距離4・dではなく、dであるはずである。そこで、他のマーカ52に対して間隔4・dから外れているマーカ52−2を選び、そのマーカ52−2を除外して、マーカ間間隔による判定をやり直す。これらを繰り返せば、いずれ、すべてのマーカ52−1が適切な間隔を持つようになる。この過程で、除外されたマーカ52−2は等間隔の位置に無い第2のマーカ52−2と判定される。
Based on the position information of each
次に、図7に示すように、これら等間隔の位置に無いマーカ52−2の各々に対して、近傍の他のマーカ52に対する縦方向および横方向の間隔を調べる。図7では、単位距離dを省略している。マーカ52−1の基準間隔を4・dとしたとき、マーカ52−2の(A)から、マーカ52−1を対象とした横方向の距離は、3, 7, 11, -1, -5, -9, -13(・d)の距離にあるはずである。B,C,Dから他の等間隔マーカ52−1までの距離は、図7の通りになるはずである。等間隔に無いマーカ52−2はすべて等間隔マーカ52−1との縦方向または横方向間隔が異なったパターンになることに注意する。従って、表の間隔と算出した間隔を比較することで、各マーカ52−2がA,B,C,Dのいずれかに該当するか、および、そのいずれであるかを判定でき、実際のマーカ配置の上で、マーカ52−2がA,B,C,Dのいずれと対応するかを特定することができる。A,B,C,Dのいずれと対応するかを特定された抽出マーカ52−2の像の位置は、広域的な位置情報を持つ。
Next, as shown in FIG. 7, for each of the markers 52-2 that are not located at equal intervals, the vertical and horizontal intervals with respect to other
上記において説明する広域的位置情報の抽出のためには、非等間隔のマーカ52−2の配置は4つに限定されることは無く、また、その配置位置も上記のとおりでなくても良いことは容易に推察できるはずである。 In order to extract the wide-area position information described above, the arrangement of the non-uniformly spaced markers 52-2 is not limited to four, and the arrangement positions may not be as described above. That should be easy to guess.
次に局所位置計算について説明する。広域的な位置計算処理の説明に先立って、座標系およびそれらの関係について図8に定義する。
Xs座標系はX線管筐体34のある点(設計上の焦点回転中心)を原点に取った座標系である。
fi座標系はXs座標系に対して平行移動した座標系であり、各プロジェクション毎(撮影毎)に異なる。
TfiXsはそれらの平行移動量を表すアフィン変換行列である。
r0fiは各プロジェクションにおけるfi座標系での焦点位置を表すベクトルである。
Xm座標系は円形マーカのマーカパネル基準点を原点とする座標系である。
TXsXmはマーカパネルがX線発生器筐体のどの位置に配置されるかを表すアフィン変換行列である。
G座標系は撮影領域内のある仮想的な基準点を原点とする座標系である。
TXmGはXm座標系とGとの間の位置関係を表すアフィン変換行列である。
Ds座標系は検出器筐体中の検出器回転中心を原点に取った座標系である。
Dm座標系は、線分マーカのマーカパネル基準点を原点とする座標系である。
TDmDsはDs座標系とDm座標系との位置関係を表すアフィン変換行列である。
Di座標系は、検出器中心位置を原点とする座標系であり、プロジェクション毎に異なる。
Next, local position calculation will be described. Prior to the description of the wide-area position calculation process, the coordinate system and their relationship are defined in FIG.
The Xs coordinate system is a coordinate system in which a certain point (designed focus rotation center) of the
The fi coordinate system is a coordinate system that is translated with respect to the Xs coordinate system, and is different for each projection (for each photographing).
TfiXs is an affine transformation matrix representing the amount of translation.
r0fi is a vector representing the focal position in the fi coordinate system in each projection.
The Xm coordinate system is a coordinate system with the origin of the marker panel reference point of the circular marker.
TXsXm is an affine transformation matrix that represents the position of the marker panel in the X-ray generator housing.
The G coordinate system is a coordinate system whose origin is a virtual reference point in the imaging region.
TXmG is an affine transformation matrix representing the positional relationship between the Xm coordinate system and G.
The Ds coordinate system is a coordinate system with the origin of rotation of the detector in the detector housing as the origin.
The Dm coordinate system is a coordinate system with the origin of the marker panel reference point of the line segment marker.
TDmDs is an affine transformation matrix representing the positional relationship between the Ds coordinate system and the Dm coordinate system.
The Di coordinate system is a coordinate system with the center position of the detector as the origin, and is different for each projection.
TDsDiはDs座標系とDi座標系の位置関係を表すアフィン変換行列である。 TDsDi is an affine transformation matrix that represents the positional relationship between the Ds coordinate system and the Di coordinate system.
上記のアフィン変換行列TfiXs, TDsDi, TXsXm, TXmG, TGDm, TDmDsが決定すれば、マーカパネル51に配置された非等間隔配置のX線マーカ52−2が、各々検出器上のどこに投影されるか(設計上のマーカ座標Pk)を算出することができる。
If the above affine transformation matrixes TfiXs, TDsDi, TXsXm, TXmG, TGDm, and TDmDs are determined, the X-ray markers 52-2 arranged at non-uniform intervals arranged on the
・設計上のマーカ座標 Pk(k=1,2,・・・,Nm)
Nmは配置されたX線マーカ52の個数である。Pkはマーカフレーム座標系により表される(ここでは非等間隔配置のマーカ52−2の座標を表す)。
・ Designed marker coordinates P k (k = 1, 2,..., N m )
N m is the number of
一方、撮影したX線画像に写ったマーカ52を画像処理により抽出しその位置を求める。
・抽出したマーカ座標q’ ik(i=1,2,・・・,Np)
Npはプロジェクション数。以降の説明では常に添え字iはプロジェクション番号を表す。(k=1,2,・・・Ne(i))
Ne(i)はプロジェクションiの画像から抽出されたX線マーカの個数。
q’ ikは検出器座標系により表される(ここでは非等間隔配置の抽出マーカ座標を表す)。
On the other hand, the
Extracted marker coordinates q ′ ik (i = 1, 2,..., N p )
N p is the number of projections. In the following description, the subscript i always represents the projection number. (k = 1, 2, ... N e (i))
N e (i) is the number of X-ray markers extracted from the image of projection i.
q ′ ik is represented by the detector coordinate system (here, the extracted marker coordinates are arranged at non-uniform intervals).
仮に、実際に撮影したときの焦点と検出器43の位置が設計上の位置と全く同じであると仮定すると、マーカパネル51に取り付けられた位置Pkのマーカ52は、プロジェクションiにおいて検出面43上の位置P’ ikに投影され、抽出したマーカ位置q’ ikとの2乗誤差
(2乗誤差sは投影されたマーカ位置と検出されたマーカとの検出面上の距離の2乗平均値)は、0となる。P’ ikおよびq’ ikのx,y座標が検出器43上の横方向、縦方向の座標値であることに注意する。しかし、実際には焦点と検出器の位置には誤差があり、マーカ52の配置にも製作誤差があるため、2乗誤差は平均的なずれ距離を反映した値として算出される。
(The square error s is the mean square value of the distance on the detection surface between the projected marker position and the detected marker) is zero. Note that the x and y coordinates of P ′ ik and q ′ ik are the coordinate values in the horizontal and vertical directions on the
広域的位置あわせでのフィッティング処理過程では、まず、TfiXs, TDsDi, TXsXm, TXmG, TGDm, TDmDsとして設計上の値を用いて、設計上のマーカ座標Pkを算出し、実際にマーカ52を撮影した画像から抽出したマーカ位置q’ ikとの2乗誤差sを算出する。
In the fitting process in the wide-area alignment, first, the design marker coordinates Pk are calculated using the design values as TfiXs, TDsDi, TXsXm, TXmG, TGDm, and TDmDs, and the
次に、2乗誤差sがなるべく小さくなるように、TXsXm, TXmG, TGDm, TDmDsを修正していくフィッティング処理を行う。この処理には一般に知られている最適化手法を利用することができる。この過程で、TfiXs, TDsDiは定数である。最終的に得られたTXsXm, TXmG, TGDm, TDmDsと定数TfiXs, TDsDiは、焦点、および検出器が両マーカパネル51に対してどの位置にあったか、およびX線管筐体34と検出器筐体44とがどの位置関係にあったかを表す。
Next, a fitting process for correcting TXsXm, TXmG, TGDm, and TDmDs is performed so that the square error s becomes as small as possible. For this processing, a generally known optimization method can be used. In this process, TfiXs and TDsDi are constants. The finally obtained TXsXm, TXmG, TGDm, TDmDs and constants TfiXs, TDsDi are the focal point and the position of the detector with respect to both
次に局所的位置合わせ処理について説明する。局所的位置合わせの過程では、等間隔配置のマーカ52−1のみ、あるいは非等間隔配置のマーカ52−2を含んだマーカ52の抽出結果を使って、各プロジェクションにおけるX線焦点および検出器43の位置を推定する。ここでは、設計上のマーカ座標Pkおよび抽出したマーカ座標q’ ikは上記等間隔配置のマーカ52−1あるいは非等間隔配置のマーカ52−2を含んだマーカ52の座標を表す。
Next, the local alignment process will be described. In the process of local alignment, the X-ray focus and
局所的位置あわせでのフィッティングの過程では、まず、TfiXs, TDsDi, TXsXm, TXmG, TGDm, TDmDsとして広域的位置あわせで得られた値を用いて、マーカ座標Pkを算出し、実際にマーカ52を撮影した画像から抽出したマーカ位置q’ ikとの2乗誤差sを算出する。 In the process of fitting by local alignment, first, marker coordinates P k are calculated using the values obtained by wide-range alignment as TfiXs, TDsDi, TXsXm, TXmG, TGDm, and TDmDs. The square error s with the marker position q ′ ik extracted from the image taken is calculated.
次に、2乗誤差sがなるべく小さくなるように、TfiXs, TDsDiを修正していくフィッティング処理を行う。この処理には一般に知られている最適化手法を利用することができる。この過程で、TXsXm, TXmG, TGDm, TDmDsは定数である。最終的に得られたTXsXm, TXmG, TGDm, TDmDsと定数TfiXs, TDsDiは、各プロジェクションにおいて、焦点および検出器43がどの位置にあったかあったかを表す。
Next, a fitting process for correcting TfiXs and TDsDi is performed so that the square error s becomes as small as possible. For this processing, a generally known optimization method can be used. In this process, TXsXm, TXmG, TGDm, and TDmDs are constants. The finally obtained TXsXm, TXmG, TGDm, and TDmDs and constants TfiXs and TDsDi represent the positions of the focus and the
ここでは、誤検出されたマーカを無視して位置合わせ処理を行う。本位置合わせ過程は基本的に上述フィッティング過程と同一であるが、2乗誤差の算出の際、q’ ikとP’ ikの距離がある距離Dより小さいときのみ2乗誤差の演算結果に両者の位置が反映されるような算出方法を用いる点のみが異なる。例えば、その算出式は次のようなものである。
Dとして大きな値を用いると実質的に、本フィッティング過程は前々節および前節のフィッティング過程と同一となる。本位置合わせ過程は、本発明において必須のものではないが、前々節および前節のフィッティングに加えて(あるいは差し替えて)、本節のフィッティングを実施すると、マーカ抽出の過程で過って抽出されたマーカが存在したとしても、それが全体に対して小さい割合である限り、そのようなマーカは上記の算出式の値に影響しない。従って、本方法によりマーカ抽出の過程での誤りに対して、フィッティング結果が悪影響を受けにくくなるという効果がある。 When a large value is used as D, the fitting process is substantially the same as the fitting process in the previous section and the previous section. This alignment process is not indispensable in the present invention. However, in addition to (or replacing) the previous section and the previous section, if this section fitting was performed, it was excessively extracted in the marker extraction process. Even if a marker exists, such a marker does not affect the value of the above calculation formula as long as it is a small percentage of the whole. Therefore, this method has an effect that the fitting result is not easily affected by an error in the marker extraction process.
次に、結像処理では、X線画像に各種前処理を適用し、それらの処理の結果得られた画像と、算出・補正された各X線画像フレーム毎のX線管および検出器の位置・向きの情報、および結像領域を指定する範囲情報をもとに、結像画像を算出する。 Next, in the imaging process, various pre-processes are applied to the X-ray image, the image obtained as a result of these processes, and the position of the X-ray tube and detector for each calculated / corrected X-ray image frame The imaged image is calculated based on the orientation information and the range information designating the imaged region.
上述では、広域的位置情報の抽出において、非等間隔のマーカ52−2以外のマーカ52−1の対応関係も特定し、これら特定されたすべてのマーカ52を使って、広域的位置あわせを実施する。
In the above description, in the extraction of the wide-area position information, the correspondence relationship of the markers 52-1 other than the non-equally spaced markers 52-2 is also specified, and the wide-area alignment is performed using all the specified
まず、マーカ52−2のA, B, C, Dのいずれかが抽出されているプロジェクションにおいて、それら対応が特定されているマーカ52−2を既特定マーカとして登録する。次に、既特定マーカ52−2以外のマーカ52−1のうち、既特定マーカ52−2から最も近いマーカ52−1を選択し、そのマーカ52−1と既特定マーカ52−2との縦方向および横方向の距離が基準距離dのおよそ何倍であるをもとに、選択したマーカ52と実際のマーカ52との対応を特定する。特定されたマーカ52は、以降、既特定マーカとして扱う。さらに、これら既特定マーカ52から最も近い非既特定マーカ52を選択し、同様の処理をすべてのマーカ52の対応が特定されるまで繰り返す。
First, in the projection in which any of A, B, C, and D of the marker 52-2 is extracted, the marker 52-2 whose correspondence is specified is registered as an already specified marker. Next, the marker 52-1 closest to the specified marker 52-2 is selected from the markers 52-1 other than the specified marker 52-2, and the vertical alignment between the marker 52-1 and the specified marker 52-2 is selected. The correspondence between the selected
本実施例に拠れば、広域的位置合わせに用いるマーカの数が増えるので、位置合わせの精度を向上させることができる。もし、すべてのプロジェクションに対して、上のマーカ対応関係の特定処理を実施することができれば、広域的位置合わせ処理を省略し、特定された対応関係を利用して直接局所的位置合わせ処理を実施することもできる。 According to the present embodiment, since the number of markers used for wide-area alignment increases, the alignment accuracy can be improved. If the above marker correspondence specification processing can be performed for all projections, the global alignment processing is omitted, and the local alignment processing is directly performed using the specified correspondence relationship. You can also
図9には、マーカパネル51の他のマーカ配列例を示している。マーカパネル51は、縦横に等間隔2・dに配列された所定数のマーカからなる複数、ここでは4つのサブセット55を有する。4つのサブセット55は、サブセット55内のマーカ52の間隔2・dと異なる間隔として典型的には1/n(nは2以上の整数)の間隔、ここではn=2として間隔dで縦横に配置される。
FIG. 9 shows another marker arrangement example of the
この図9のマーカ配置を持つマーカパネル51を使用し、マーカ抽出を実施するに際して、広域的位置情報を求める。その際、次のようなルールによりマーカ52の対応関係を特定する。隣のサブセット55のマーカ52と隣り合う領域A上のマーカ52と他のマーカ52との縦方向の距離は、基準距離dとの比がおよそ2, 4, 6,...および-1, -3, -5,...のいずれかである。隣のサブセット55のマーカ52と隣り合う領域B上のマーカ52と他のマーカ52との縦方向の距離は、基準距離との比がおよそ1, 3, 5,...および-2, -4, -6のいずれかである。隣のサブセット55のマーカ52と隣り合う領域C上のマーカ52と他のマーカ52との横方向の距離は、基準距離との比がおよそ2, 4, 6,...および-1, -3, -5,...のいずれかである。隣のサブセット55のマーカ52と隣り合う領域Dマーカ52と他のマーカ52との縦方向の距離は、基準距離との比がおよそ1, 3, 5,...および-2, -4, -6のいずれかである。
When the
上記のルールを用いれば、マーカ52からA, B, C, Dのマーカを抜き出すことができる。このようにして抜き出した(例えば)Aマーカは一般に複数である。これら複数のAマーカは、CまたはDマーカとの横方向の距離により、個別に実際のマーカとの対応を特定することができる。Bマーカも同様である。CおよびDマーカはAマーカおよびBマーカとの縦方以降の距離により、対応を特定できる。
If the above rule is used, A, B, C, and D markers can be extracted from the
本実施形態で例示したように、抽出マーカと実際のマーカとの対応関係を特定するためには、等間隔でない別のマーカを配置する方法だけでなく、マーカの配置の工夫によりその目的を達成することができる。 As illustrated in this embodiment, in order to specify the correspondence between the extracted marker and the actual marker, not only the method of arranging another marker that is not equally spaced, but also the purpose of the marker is devised. can do.
なお、本発明は上記実施形態そのまま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構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
30…X線管装置、40…X線検出器装置、31…スタンド、33…X線管、34…筐体、41…スタンド、43…X線検出器、44…筐体、51…X線管側マーカパネル、52…X線管側マーカ、61…X線検出器側マーカパネル、62…X線検出器側マーカ。 30 ... X-ray tube device, 40 ... X-ray detector device, 31 ... Stand, 33 ... X-ray tube, 34 ... Housing, 41 ... Stand, 43 ... X-ray detector, 44 ... Housing, 51 ... X-ray Tube side marker panel, 52 ... X-ray tube side marker, 61 ... X-ray detector side marker panel, 62 ... X-ray detector side marker.
Claims (12)
X線検出器を回転自在に収容するX線検出器装置と、
前記X線管装置の前面に取り付けられ、X線高吸収性を有する複数のX線管側マーカを有するX線管側マーカパネルと、
前記X線検出器装置の前面に取り付けられ、X線高吸収性を有する複数のX線検出器側マーカを有するX線検出器側マーカパネルと、
前記X線管と前記X線検出器とにより複数の撮影方向から撮影された複数のX線画像のデータを記憶する画像記憶部と、
前記X線画像内の前記X線管側マーカの像と前記X線検出器側マーカの像とに基づいて前記X線画像ごとに前記X線管と前記X線検出器各々の広域的な位置を計算する広域的位置計算部と、
前記X線画像内の前記X線管側マーカの像と前記X線検出器側マーカの像とに基づいて前記X線画像ごとに前記X線管と前記X線検出器各々の局所的な位置を計算する局所的位置計算部と、
前記計算された広域的な位置と局所的な位置とに基づいて前記複数のX線画像から断層画像を結像する結像部とを具備することを特徴とするディジタルX線断層撮影装置。 An X-ray tube device that rotatably accommodates the X-ray tube;
An X-ray detector device for rotatably accommodating the X-ray detector;
An X-ray tube side marker panel attached to the front surface of the X-ray tube device and having a plurality of X-ray tube side markers having high X-ray absorption;
An X-ray detector side marker panel attached to the front surface of the X-ray detector device and having a plurality of X-ray detector side markers having high X-ray absorption;
An image storage unit that stores data of a plurality of X-ray images captured from a plurality of imaging directions by the X-ray tube and the X-ray detector;
Wide-range positions of the X-ray tube and the X-ray detector for each X-ray image based on the X-ray tube side marker image and the X-ray detector side marker image in the X-ray image. A global position calculation unit for calculating
Local positions of the X-ray tube and the X-ray detector for each X-ray image based on the X-ray tube side marker image and the X-ray detector side marker image in the X-ray image. A local position calculation unit for calculating
A digital X-ray tomography apparatus comprising: an imaging unit that forms a tomographic image from the plurality of X-ray images based on the calculated wide-area position and local position.
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