JP2006519646A - 放射線写真の記録パラメータを適応させる装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、身体ボリュームのコンピュータ断層撮影放射線写真の画像形成パラメータを適応させる方法に関する。この方法は、低量の放射線（１）により３次元の予備的放射線写真を得るステップと、患者モデル（４）の補助により又は対話動作（３）により予備的放射線写真（２）における関心領域及び所望の画像品質を判定するステップと、最適な画像形成パラメータ（５）を判定するステップと、判定された画像パラメータ（６）を用いてＸ線画像を生成するステップと、を有する。オプションとして、Ｘ線画像は、予備的放射線写真と組み合わされる。

Description

本発明は、身体ボリュームの医学的放射線写真の画像形成パラメータを適応させる方法、さらにはこの方法を実行するために構成された制御装置及びＸ線装置に関する。

米国特許公報ＵＳ６１９５４０９Ｂ１は、コンピュータ断層画像撮影の放射線写真の画像形成位置を適応させる方法を開示しており、そこでは画像化すべき患者の身体ボリュームの予備的画像（pilot image）が最初に形成される。当該画像領域のモデルを得てこれを記憶された患者モデルに適合させるために、その予備的画像から構造情報が得られる。例えば脊柱の輪郭などの患者モデルにおいて知られている関心領域の画像を形成する位置を当該モデルに移すことができる。これにより、実際の身体のうち選択された関心領域の画像を形成するＸ線装置の幾何学的設定状況を決定することができる。画像品質に影響を与えるパラメータの適応化は記述されていない。

普通、例えばコンピュータ援用断層画像撮影スキャナを用いた放射線写真を生成するときは、当該身体の各部についての１組のパラメータ（Ｘ線管の電流、Ｘ線管の電圧など）や調査すべき病気の性質を規定する予め定義されたプロトコルが用いられる。したがって、こうした標準的な設定は、特定の場合、例えば非常に体の大きな患者の場合、又は小さな子供の場合において、ユーザの知識に応じて適応させることができる。過去においては、Ｘ線技術に対する多くの改良が開発されてきた。例えば、適応フィルタ処理（国際特許出願公開ＷＯ０２／１１０６８Ａ１）や、Ｘ線管の電流を変調すること（欧州特許出願公開ＥＰ１１７２０６９Ａ１）により、また、異なるアパーチャ設定での反復スキャンなどにより、放射線量を減らすことが挙げられる。これらの開発は、画像形成プロトコルの定義、特に関心領域の画像品質の最適化における以前から知られている汎用性を持つものである。それでも、この方法の標準プロトコルへの統合は、自由度が沢山あるので難しい。特に、かかる高度な汎用性は、ＣＴシステムのユーザが最小限の放射線量で所望の画像品質をもたらす画像形成プロトコルを定義することを実際上不可能とするものである。

こうした背景に対して、本発明の目的は、身体ボリュームの医学的放射線写真の画像形成パラメータを適応させる手段であって、放射線に対する最小限の被曝で関心領域において所望の画像品質を得ることができるものを提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって、また、請求項１０の特徴を有する制御装置によって、さらには請求項１６の特徴を有するＸ線装置によって達成される。従属請求項には、洗練された有利なものが示される。

本発明による方法は、身体ボリュームの医学的放射線写真の画像形成パラメータを適応させるために用いられ、当該画像形成は、特にコンピュータ断層写真撮影の２次元又は３次元画像形成としうるものである。この方法は、次のステップを有する。

ａ）該当の身体ボリュームの「モデル」又は代表例を得ること。このモデルは、２次元又は３次元データ記録によって象徴的に表される。

ｂ）上述したモデルに基づき又は当該モデル内で関心領域の判定をすること。この判定は、例えばＸ線装置のユーザにより対話式に又は自動的に行うことができる。

ｃ）所定の判断基準に対して最適な当該関心領域の画像形成パラメータを判定すること。ステップａ）によるモデルは、画像形成パラメータを規定するのに用いられるのが好ましい。

ｄ）当該判定された最適画像形成パラメータに基づいて身体ボリュームの関心領域のＸ線画像を生成すること。

この説明した方法は、身体ボリュームのモデルを用いることにより関心領域の位置を特定しこれに適合した最適な画像形成パラメータのセットを判定することができるという利点を奏する。したがって、かかるパラメータは、個々のケースに特定して規定されるが、こうした判定により、検査される患者が最低限度の放射線の被曝しか必要としないことになる。

本方法により適応可能な画像形成パラメータには、特に、照射する放射線量、Ｘ線管の電圧、Ｘ線管の電流、Ｘ線装置のアパーチャ設定、Ｘ線装置のフィルタ設定、画像形成期間及び／又は画像形成領域が含まれうる。特に、画像形成パラメータは、生成されるＸ線画像の形態（幾何学的形状及び配置）のみならず画像品質に影響を与えるそれらの変数要素も規定することができる。

ステップａ）による身体ボリュームのモデルを得ることは、色々な方法によって行われうる。第１の実施例によれば、身体ボリュームのモデルが低量の放射線による「予備的な」放射線写真から得られる。好ましくは、この予備的放射線写真は、記録された身体ボリュームの３次元表現を呈する。予備的放射線写真によって、個別の人体組織と厳密に一致するモデルは、患者に最低限の放射量を被曝させることで生成可能であり、このモデルは、その後に関心領域及び最適な画像形成パラメータを規定するために利用可能となる。

上述した予備的放射線写真は、好ましくは本方法のステップｄ）においてＸ線画像を生成するために用いられるので、その中に含まれ放射線への被曝の下で得られる情報は、（低放射量にもかかわらず）失われない。

ステップａ）のもう１つの実施例によれば、身体ボリュームのモデルは、身体ボリュームの記憶された前の放射線写真から得られる。多くのケースでは、前の放射線写真は、検査されるべき患者に対して既にとられたものとなる。そしてこれらは、アーカイブから呼び出すことができるものとなる。これら現存のデータを用いることによって、患者に個別に適合されたモデルを、余分な放射線被曝を伴うことなく得ることができる。

さらに、本方法のステップａ）のために、標準化された患者モデルを用いてもよい。この標準化された患者モデルは、例えば基準の患者の記憶された放射線写真からなるものとすることができ、又は、抽象的な表現で規定された数学的モデルとすることもできる。患者モデルはまた、検査を受ける患者が放射線に被曝される必要なく当該モデルを得ることができるという利点がある。

記憶された患者の放射線写真又は数学的患者モデルによって当該モデルを得るための上述の実施例は、オプションで、身体ボリュームの少なくとも１つの現存の放射線写真に適合される。このような２次元又は３次元放射線写真は、好ましくは極めて低い放射線量しか患者を被曝させずに得られ、現状況に個別に上記モデルを適応させるのに用いられる。

本方法の好適実施例によれば、ステップｄ）において生成される身体ボリュームのＸ線画像は、色々な方向から得られたＸ線投影画像から復元される。この場合のステップｃ）において規定された最適画像形成パラメータは、Ｘ線装置の最小アパーチャ開口の値を含むのが好ましい。かかる開口は、関心領域が、全ての投影画像における当該領域の周囲における規定幅の境界領域と共に検出されるように規定される。この関心領域周囲の境界領域は、当該関心領域内で十分な画質を保証するのに必要である。これは、代表的にはほんの数ミリメートルである。アパーチャ設定は、一方では完全かつ質的に良好な関心領域の画像形成を確実なものとし、他方では、最小化の観点から患者が被曝する放射線を最低限の量に制限することを確実なものとする。

同様に本発明の他の実施例は、Ｘ線画像が色々な方向からのＸ線投影画像から復元されるという事実に基づいている。この場合、Ｘ線管の電流（ステップｃにおいて規定される最適パラメータとしてのもの）は、Ｘ線投影画像の投影方向の関数として変調され、関心領域に基づく画質測定値は、当該投影画像において観測される。このようなＸ線管の電流の変調は、患者を被曝する放射線量をさらに最小化するのに寄与する。何故なら、かかる放射量は、当該方向の関数として、所望の画質を確実にするのに必要なレベルにしか常に設定されないからである。

好ましくは、観測される必要のあるＸ線放射線の最大量も、本方法のステップｃ）における最適画像形成パラメータの決定に考慮される。このような最大放射量は、例えばある種の病気の場合又は特定の器官に対して規定することができ、所望の画像形成品質よりも高い優先順位とすることができる。

本発明はさらに、身体ボリュームのＸ線画像を生成するＸ線装置の制御装置に関し、この制御装置は、次の構成要素を有する。

・前記身体ボリュームのモデルを得るモデルユニット、
・前記モデルユニットによって提供されたモデルに基づいて関心領域を決定する規定ユニット、
・前記規定ユニットによって決定された関心領域の最適画像形成パラメータを決定するパラメータ決定ユニット、
である。

この制御装置は、例えばデータ及びプログラムメモリを有するデータ処理ユニット（コンピュータ、マイクロプロセッサ）によって形成されるようにしてもよい。これは、上述した方法を実行するのに用いられ、その利点を奏するものとすることができる。当該制御装置は、当該方法の上述した変形形態を実行することもできるように構成されるのが好ましい。

特に、この制御装置は、ユーザインターフェース（キーボードやマウス、モニタ、ディスクなど）を含み、かかるインターフェースを介してユーザが当該制御装置にデータを供給し当該制御装置からデータを受け取ることができるようにしてもよい。このユーザインターフェースは、ユーザが対話形式で関心領域を規定することができるように当該規定ユニットとの対話動作を許容するように構成されるのが好ましい。

さらに、この制御装置は、Ｘ線放射源及び／又はＸ線検出器の接続のためのインターフェースを含むようにしてもよい。このインターフェースを介して、制御装置は上記デバイスからデータ（特にＸ線検出器からの生（未処理）の画像形成データ）をその後に受信し、当該デバイスへ情報及び制御コマンドを伝送することができる。

当該制御装置はさらに、Ｘ線画像を形成するよう（生の）Ｘ線データを処理するための、当該モデルユニットに結合される画像処理ユニットを有するものとしてもよい。このモデルユニットへの結合により、例えば予備的放射線写真などのモデルユニットからの情報を当該処理において考慮に入れることができる。

パラメータ決定ユニットにより規定される画像形成パラメータは、特に適用された放射線量、Ｘ線管の電圧、Ｘ線管の電流、アパーチャ設定、フィルタ設定、画像形成期間及び／又は画像形成領域とすることができる。

本制御装置のモデルユニットは、オプションとして、低量の放射線により好ましくは３次元の予備的放射線写真から身体ボリュームのモデルを得るように構成される。

本発明はさらに、Ｘ線画像を生成するＸ線装置に関し、次の構成要素を有する。

・Ｘ線束を発生するＸ線放射線源と、
・患者の当該身体に通した後のＸ線放射線の局部的に分解された測定のためのＸ線検出器と、
・当該画像生成を制御し得られる放射線写真を処理するために前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器に結合されるデータ処理ユニットと、
を有する。

前記データ処理は、次のステップを実行するように構成される。

・前記身体ボリュームのモデルを得るステップと、
・前記モデルに基づいて関心領域を判定するステップと、
・前記関心領域の最適画像形成パラメータを判定するステップと、
・前記最適画像形成パラメータに基づいて前記身体ボリュームの関心領域のＸ線画像を生成するステップと、
である。

このＸ線装置は、上記方法を実行するのに用いてその利点を奏するようにすることができる。Ｘ線装置又はそのデータ処理ユニットは、当該方法の変形形態を実行することもできるように構成されるのが好ましい。

以下、本発明を図面に示される実施例（但し、これに限定されない）を参照して説明する。

図１は、Ｘ線画像の画像形成プロトコルを適応させるための本発明による方法の連続したステップを示している。以下では、コンピュータ援用断層写真術の場合を例示により検討するものであるが、本方法はこれに限定されない。また図１は、対応の方法ステップが実行可能な制御装置の構成要素を破線で示している。この制御装置は、本例においては特に、関連のデータ及びプログラムメモリを持つデータ処理ユニットとすることができる。本制御装置の種々の構成要素は、本例ではデータ処理ユニット上を走るプログラムの色々なモジュールによって形成される。

第１のステップ１又はモデルユニット２０において、３次元の予備的放射線写真は、検査されるべき身体ボリュームのモデルを得るように、低量の放射線により記録又は復元される。

次のステップ２では、この予備的放射線写真から診断上関連する関心領域（図２の符号１２を参照）が規定される。さらに、所望の画質がこの関心領域に対して規定され、これを例えば最大放射量を指定することによってなされるようにしてもよい。この関心領域及び画質は、Ｘ線装置のオペレータにより対話式に規定可能である（ステップ３）。或いは、これらを、用途特有の所定領域及び画質パラメータを有する記憶された所定の患者モデルであって例えば柔軟性のある登録処理（P. Rosch et al.,“Robust 3D deformation field estimation by template propagation”，Proc. of MICCAI 2000, LNCS 1935参照）によって予備的放射線写真へ適応させられるものを補助として、ステップ４により規定することもできる。ステップ２，３及び４は、制御装置の規定ユニット２１において実行される。

放射量を低減しつつ同時に所望の画質を保証するために、基準プロトコルに含まれる画像形成パラメータは、ステップ５又はパラメータ決定ユニット２２において、決定された情報を用いて最適化される（以下参照）。このようにして決定された最適画像形成パラメータは、その後ステップ６において実際のＸ線画像の発生における基礎として用いられる。

ステップ７又は画像処理ユニット２３においては、ステップ６からのＸ線画像の出力データがステップ１において低量の放射線で得られたデータとオプションとして組み合わされ、最終的Ｘ線画像が復元される。

規定された関心領域における画質の最適化の他に、画像を得る間は特定の器官に対する放射量を低減又は制限することも重要になる。この情報は、図１のステップ２に考慮されるものとすることができる。そして当該画像形成プロトコルの後続の適応及び最適化は、画質と特定器官の放射量低減との妥協点に、又は関心領域における最大達成可能な画質になるように行われる一方、同時に全ての領域における放射量制限を満足するものとされる。

モデルは、アーカイブからの前に得られた断層写真撮影の患者の画像を用いることにより、又は基準の患者からの断層写真撮影データを用いることによりステップ１において得ることもできる。これら２つのケースにおいて、例えば関心領域などの当該モデルにつき対話式に規定されたデータは、診断中、患者に適応させられなければならない。これは、例えば異なる角度で生成されている１つ又は２つの予備的画像によって行うことができ、ここでの予備的画像は、前の患者のデータに対し（第１のケース）又は基準データに対し（第２のケース）、２次元的に又は３次元的に適応させられるものとする（G.P. Penney, J.A. Little, J. Weese, D.L.G. Hill, D.J. Hawkes, “Deforming a preoperative volume to represent the intraoperative scene”, Comput. Aided Surg. 2002, 7(2), 63; G.P. Penney, J. Weese, J.A. Little, P. Desmedt, D.L.G. Hill, D.J. Hawkes, “A comparison of similarity measures for use in 2D-3D medical image registration”, IEEE Trans. Med. Imag. 1998, 17(4), 586）。

上記方法における重要なステップは、ステップ５における最適化された画像形成パラメータの決定である。この最適化ステップ５の多くの可能な実施例の１つを以下に例を挙げてより詳しく説明する。

この点につき図２は、矢印１４の方向に回転するＣＴスキャナの円形視野１１を示しており、このＣＴスキャナは患者の身体１０を含んでいる。身体１０の中には、グレーで示された関心領域１２があり、この関心領域が検査され詳しく（排他的に）画像化される。説明を簡単にするため、図２は平行なＸ線を有する形態及び単一の断面画像の取得を示している。Ｘ線放射線Ｘは、水平面に対して角度θをもって身体ボリューム１０を通過する。ある完全なＸ線スキャンにおいては、このような一連の投影画像は、投影角θの１８０°の間隔にわたり生成される。個々の投影画像は、投影関数ｐ（θ，ξ）によって表され、ξは、視野１１の中心点Ｍ（同時にＣＴスキャンの回転中心）を通る放射線に対して測定される距離である。コンピュータ断層写真撮影の画像形成の狙いは、全ての投影方向θの投影画像ｐから画像形成領域の画像ポイントｆ（ｘ，ｙ）を復元することであり、ここでのｘ及びｙは、当該視野の中心点Ｍに対する座標である。次の式（欧州特許出願公開ＥＰ１１７２０６９Ａ１参照）

は、図１の方法のステップ５の最適画像形成パラメータを決定する具体的方法を得るために用いることができる。変数σ^２（ｘ，ｙ）は、この場合、フィルタコアｋ（ξ）を持つフィルタ処理された戻り投影のケースにおける復元画像ｆ（ｘ，ｙ）のノイズである。変数Ｉ（θ，ξ）は、画像形成中のＸ線管の電流を表し、投影角θの依存性により、放射線量を最小化するようにＸ線管の電流の変調が検出される。座標ξ上のＸ線管電流Ｉの（仮想の）依存性は、アパーチャ１３ａ，１３ｂ又はフィルタの効果や、与えられた投影方向θにおける投影画像ｐ（θ，ξ）内の放射線強度における出力のばらつきを考慮する。

フィルタコアｋ（ξ）は、その引数の値｜ξ｜が増大するにつれ急峻に減少するので、関心領域１２から離れる規定の距離ｒよりも大なるＸ線強度は、関心領域１２におけるノイズを著しく増大させることなく大幅に減らすことができる。この背景に対して、以下に説明するように関心領域１２の関数として２つの半透明アパーチャ１３ａ，１３ｂの位置を規定することができる。

図２は、所定の投影角θに対する座標ξ_ｌ（θ）及びξ_ｒ（θ）の２つのＸ線を示しており、それぞれその左及び右側において関心領域１２に接している。当該座標の２つの絶対値の大なる方は、規定された投影角θ_ｍｉｎにおける最小値ξ_ｍｉｎを呈する。すなわち、

さらに、関心領域１２のポイントＱが呈しうるＣＴスキャンの回転中心Ｍからの最大距離ｄ_ｍａｘが判定される。

２つの変数ξ_ｍｉｎ及びｄ_ｍａｘ並びに復元画像におけるＸ線放射量をほぼ無視することのできる距離ｒを用いて、２つのアパーチャ１３ａ，１３ｂの位置が次のように判定される。

これらアパーチャ位置ｐ１及びｐ２を用いて、角度範囲［θ_ｍｉｎ，θ_ｍｉｎ＋１８０°］からの投影は、角度位置θ_ｍｉｎの矢印１４の方向におけるＸ線管の回転の間にＸ線管の電流をオンに切り換え、位置θ_ｍｉｎ＋１８０°に達したときに再度オフに切り換えることにより得られる。

画像の品質σ^２における特異点によって表される復元画像内の部分的アーチファクトは、得られるデータを完全なものとすべく、画像形成プロトコルを設計し最適化するために用いられた、図１のステップ１において低放射量で得られた予備的画像を用いることによって回避可能となる。

これまで述べた方法は、個々の患者へのプロトコルの適応、画質パラメータの局部的規定及びＣＴ画像形成中に用いられる放射線量の局部的制限を可能とする画像形成プロトコルを最適化する手段を提供するものである。先ず、低量の放射線に患者を被曝させながら予備的画像又は３Ｄ画像が得られる。これら画像内で、診断上関連する領域及び所望の画質が規定される。そして画質を保証しつつ放射量を減らすために、この情報を用いて、例えばアパーチャ設定やＸ線管の電流の変調などの基準プロトコルの画像形成パラメータを最適化することができる。結果として得られる画像形成プロトコルは、最終的に画像生成及び復元処理のために用いられる。最初のステップにおいて発生された低量の放射線での予備的な画像形成は、最後の画像の復元に用いることができる。本方法では、３次元モデルが用いられるので、画像形成パラメータ及び放射量を投影平面内及び垂直方向の双方においてこの目的のために最適化することができるので有利である。このように、例えば放射量削減を必要とする構造（例えば頭部スキャンの場合の眼部）に十分に配慮することができる。

画像形成パラメータを適応させるための本発明による方法のフローチャート。 関心領域及びアパーチャ設定を計算するための関連の変数とともに身体ボリューム内の概略断面図。

Claims (16)

1. 身体ボリュームの医学的放射線写真の画像形成パラメータを適応させる方法であって、
   ａ）前記身体ボリュームのモデルを得るステップと、
   ｂ）前記モデルに基づいて関心領域を決定するステップと、
   ｃ）前記関心領域の最適画像形成パラメータを決定するステップと、
   ｄ）前記最適画像形成パラメータに基づいて前記身体ボリュームの前記関心領域のＸ線画像を生成するステップと、
   を有する方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記画像形成パラメータは、適用される放射線量、Ｘ線管の電圧、Ｘ線管の電流、アパーチャ設定、フィルタ設定、画像形成期間及び／又は画像形成領域を含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記身体ボリュームのモデルは、低量の放射線による３次元の予備的放射線写真から得られる、方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記予備的放射線写真は、前記ステップｄ）におけるＸ線画像の生成に用いられる、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記身体ボリュームのモデルは、前記身体ボリュームの記憶された前回の放射線写真から、又は記憶された患者モデルから得られる、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記身体ボリュームのモデルは、少なくとも１つの現存の放射線写真に適応させられる、方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、前記ステップｄ）におけるＸ線画像は、種々の方向からの投影画像から復元され、前記Ｘ線装置の最小アパーチャ開口は、前記関心領域が全ての投影画像における所定の境界領域とともに検出されるように規定される、方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、前記Ｘ線画像は、種々の方向からの投影画像から復元され、前記Ｘ線管の電流は、前記関心領域に関連する画質測定値が観測されるような前記投影方向の関数として変調される、方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、観測されなければならないＸ線放射線の最大量は、前記ステップｃ）において最適画像形成パラメータを決定するときに考慮される、方法。
10. 身体ボリュームのＸ線画像を生成するＸ線装置の制御装置であって、
    ・前記身体ボリュームのモデルを得るモデルユニットと、
    ・前記モデルユニットによって提供されたモデルに基づいて関心領域を決定する規定ユニットと、
    ・前記規定ユニットによって決定された関心領域の最適画像形成パラメータを決定するパラメータ決定ユニットと、
    を有する、装置。
11. 請求項１０に記載の制御装置であって、前記規定ユニットとの対話動作を許容するユーザインターフェースを備えた制御装置。
12. 請求項１０に記載の制御装置であって、Ｘ線放射線源及び／又はＸ線検出器の接続のためのインターフェースを備えた制御装置。
13. 請求項１０に記載の制御装置であって、Ｘ線データを処理してＸ線画像を形成するために、前記モデルユニットと結合される画像処理ユニットを備えた制御装置。
14. 請求項１０に記載の制御装置であって、前記画像形成パラメータは、適用された放射線量、Ｘ線管の電圧、Ｘ線管の電流、アパーチャ設定、フィルタ設定、画像形成期間及び／又は画像形成領域を含む、制御装置。
15. 請求項１０に記載の制御装置であって、前記モデルユニットは、低量の放射線によって３次元の予備的放射線写真から前記身体ボリュームのモデルを得るよう構成される、制御装置。
16. Ｘ線画像を生成するＸ線装置であって、
    ・Ｘ線放射線源と、
    ・Ｘ線検出器と、
    ・当該画像生成を制御し得られる放射線写真を処理するために前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器に結合されるデータ処理ユニットと、
    を有し、
    前記データ処理ユニットは、
    ・前記身体ボリュームのモデルを得るステップと、
    ・前記モデルに基づいて関心領域を判定するステップと、
    ・前記関心領域の最適画像形成パラメータを判定するステップと、
    ・前記最適画像形成パラメータに基づいて前記身体ボリュームの関心領域のＸ線画像を生成するステップと、
    を有する、
    Ｘ線装置。

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