JP2007029735A - コンピュータ断層撮影システムによるコンピュータ断層画像の作成方法およびコンピュータ断層撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のコーンビームを用いたＣＴにおけるデータ補足をコーンビームに包括的に可能にし、かつアーチファクトを回避する。
【解決手段】大きなファン角を有する第１のコーンビームおよび小さなファン角を有する第２のコーンビームが対象を円状もしくはスパイラル状に走査し、第１のコーンビームが対象内における吸収に基づいてデータセットＡを発生し、第２のコーンビームがデータセットＢを発生し、コンピュータ断層画像を再構成するために小さいコーンビームのデータセットＢが縁部を他のデータによって補足されることにより、拡張されたデータセットＢ＋を形成し、第２の小さいコーンビームの拡張されたデータセットＢ＋および第１の大きいコーンビームのデータセットＡが、畳み込み演算を施されることにより、データセットＢ＋’，Ａ’を形成し、畳み込み演算を施されたデータセットＢ＋’，Ａ’から、その都度、断層画像またはボリュームデータの再構成のための逆投影が行なわれる。
【選択図】図３

Description

本発明は、少なくとも、大きなファン角を有する第１のコーンビームおよび小さなファン角を有する第２のコーンビームが対象を円状もしくはスパイラル状に走査し、第１のコーンビームが対象内における吸収に基づいてＡデータを発生し、第２のコーンビームがＢデータを発生し、コンピュータ断層画像を再構成するために小さいコーンビームのＢデータが縁部を他のデータによって補足されることにより、拡張されたＢ＋データを形成し、第２のコーンビームの拡張されたＢ＋データおよび大きいコーンビームのＡデータが、畳み込み演算を施されることにより、Ｂ＋’データおよびＡ’データを形成し、畳み込み演算を施されたＢ＋’データおよびＡ’データから逆投影が行なわれるコンピュータ断層撮影（ＣＴ）によるコンピュータ断層画像の作成方法、およびコンピュータ断層撮影システムに関する。

角度のずらされた複数のＸ線源を用いたＣＴによるコンピュータ断層画像の作成時に、２Ｄまたは３Ｄ再構成のために個々のＸ線源からのデータを統合し、それにより再構成、すなわちデータ畳み込み処理およびこれ続く逆投影を行なうことは一般に知られている。

更に、対象を完全に走査していないコーンビームのデータセットからの再構成の際に、データの鋭い境界仕切りによって生じたアーチファクトを軽減するために、縁辺に存在する鋭い境界を適切なデータ外挿によって補足することは公知である（例えば、特許文献１参照）。なお、縁辺データのこの種の外挿は単一Ｘ線管−単一検出器システムを用いたＣＴにおいて行なわれている。

複数のコーンビームを有するＣＴシステムの場合におけるそれぞれ他方のコーンビームからの単純なデータ補足は、コンピュータ断層画像の再構成時にアーチファクトをもたらし得る。
独国特許出願公開第１９８５４９１７号明細書

本発明の課題は、複数のずらされたコーンビームを用いたＣＴにおけるデータ補足をコーンビームに包括的に可能にするが、しかし従来技術において発生するアーチファクトを回避する方法を提供することにある。

この課題は、独立の請求項による特徴によって解決される。本方法の有利な実施態様は従属請求項の対象である。

本発明者は、その都度他のコーンビームのデータによって補足されたデータセットを用いて行なわれる畳み込み処理を実施することは再構成にとって好ましいことであるが、しかし畳み込み処理後で本来の逆投影前に、補足されたデータが少なくとも部分的に再び取除かれるべきであることを認識した。

特に、このようなデータ取除きは、補足されたデータがその都度他方のコーンビームの相補データに由来する場合に有利である。なぜならば、これらのデータでは、通常は走査方向に行なわれるフィルタ処理方向がこれらの相補ビームにとって正しくないからである。

この基本思想に従って、本発明者は、角度をずらされた少なくとも２つのＸ線源を有するＣＴシステムによってコンピュータ断層画像を作成するために、少なくとも、大きなファン角を有する第１のコーンビームおよび小さなファン角を有する第２のコーンビームが対象を円状もしくはスパイラル状に走査し、第１のコーンビームが対象内における吸収に基づいてＡデータを発生し、第２のコーンビームがＢデータを発生し、ＣＴ画像の再構成のために小さいコーンビームのＢデータが縁部を他のデータによって補足されることにより、拡張されたＢ＋データを形成し、第２のコーンビームの拡張されたＢ＋データおよび第１の大きいコーンビームのＡデータが畳み込み演算を施されることによりＢ＋’およびＡ’データを形成し、畳み込み演算を施されたＢ＋’およびＡ’データから逆投影が行なわれるＣＴシステムによるコンピュータ断層画像の作成方法において、Ｂデータが大きなコーンビームのＡデータによって補足され、畳み込み処理後でかつ逆投影前に、補足されたデータがＢ＋’データから取除かれることを提案する。

このようなデータ補足およびこれに続くデータ削減によって、さもなければ発生するアーチファクトを減少させることができる。

基本的にはデータセットＢの補足のために、同じビーム方向を有するデータセットＡのデータだけが使用されるか、または同じビーム方向および相補ビーム方向を有するデータセットＡが使用されてもよい。畳み込み処理後でかつ逆投影前に再び取除かれるべきデータに関しては、全ての補足されたデータがデータセットＢ＋’から取除かれてもよいし、あるいはデータセットＡの相補ビームに由来する補足されたテップデータのみがデータセットＢ＋’から取除かれてもよい。

実施される再構成はボクセルごとの３Ｄ再構成であってもよいし、あるいは平面に関する２Ｄ再構成が行なわれてもよい。２Ｄ再構成の場合、付加的にデータセットＢ＋’から取除かれたデータが畳み込み処理されたデータセットＡ’からのデータによって置換されなければならない。

更に、データセットＢがデータセットＡのデータによって補足される際、ｚ軸に対するビームの異なる傾斜が無視される。同様に、データセットＢの補足のためにデータセットＡからの補間されたデータを使用してもよい。

更に、補足されたデータセットＢ＋において、データセットＢのデータとデータセットＡからの補足データとの間の移行部でおだやかな移行を得るための重み付けが行なわれる。

本発明よれば、元のデータセットＡ，Ｂの畳み込み処理の結果とは異なったやり方がなされる。すなわち、これらのデータセットが逆投影前に再び全データセットに統合されるか、またはデータセットごとに逆投影が行なわれ、この結果により全画像が作成される。

後者の場合には、データセットＡ’およびデータセットＢ＋’（−）により、場合によっては更なるデータ補足をともなって、それぞれ別々に逆投影が行なわれ、重み付けによって１つの共通な画像が作成される。この場合に、小さいコーンビームＢの測定視野の移行範囲において移行重み付けが行なわれると好ましい。

最初に述べた場合にしたがえば、これは、Ａ’データおよび場合によっては継続処理されたＢ＋’（−）データにより共通な２Ｄ逆投影が行なわれることであり、このために両データセットは逆投影の前に重み付けによって１つのデータセットＡ∪Ｂに統合可能である。付加的に、小さいコーンビームＢの測定視野のデータの移行範囲において移行重み付けが行なわれるとよい。

３Ｄ再構成の場合については、Ａ’データおよび場合によっては継続処理されたＢ＋’（−）データによりボクセルごとに共通な３Ｄ逆投影が行なわれ、場合によっては両データセットがボクセルごとの逆投影の前に重み付けによって１つの新たなデータセットに統合されるとよい。

上述の方法に応じて、本発明者は、対象の断層画像を表示するために、大きなファン角を有する第１のコーンビームおよび小さなファン角を有する第２のコーンビームを形成し、対象を円状もしくはスパイラル状に走査し、かつ検出器出力データを発生させる少なくとも２つの角度をずらされたＸ線源を備え、第１のコーンビームが対象内における吸収に基づいてデータセットＡを発生し、第２のコーンビームがデータセットＢを発生し、それらのデータセットが計算および制御ユニットにおいて記憶されたコンピュータプログラムまたはプログラムモジュールにより処理されて対象の断層画像を形成する公知のコンピュータ断層撮影システムを、記憶されたコンピュータプログラムまたはプログラムモジュールが上述のステップを動作時に実行するプログラムコードを有することによって改善することを提案する。

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本発明を更に詳細に説明する。ここでは本発明の理解のために必要な特徴だけが示されている。
図１は２組のＸ線管−検出器セットを有するＣＴシステムの３Ｄ表示概略図を示し、
図２は２組のＸ線管−検出器セットを有するＣＴシステムのガントリの概略断面図を示し、
図３は２Ｄ再構成のための２つのコーンビームからのデータセットの組み合わせの概略図を示し、
図４は小さいコーンビームおよび大きいコーンビームからのデータセットを用いた平行逆投影およびその結果の統合の変形を示し、
図５は両コーンビームからの畳み込み処理されたデータセットの統合およびそのようにして得られた共通なデータセットから１つの結果への逆投影の変形を示す。

図においては次の符号が用いられている。１：２つのＸ線管を有するＣＴシステム、２：第１のＸ線管、３：第１の検出器、４：第２のＸ線管、５：第２の検出器、６：ＣＴハウジング、７：ＣＴシステムにおける開口、８：移動可能な患者用寝台、９：システム軸線、１０：制御および計算ユニット、１１：Ａシステムの大きなコーンビーム、１２：Ａシステムの大きな測定視野、１３：Ｂシステムの小さいコーンビーム、１４：Ｂシステムの小さい測定視野、１５：画像、Ａ：Ａシステムのデータ、Ｂ：Ｂシステムのデータ、Ｄ_A：Ａシステムの検出器、Ｄ_B：Ｂシステムの検出器、Ｆ_A：Ａシステムの焦点、Ｆ_B：Ｂシステムの焦点、Ｐ：患者、Ｐｒｇ₁〜Ｐｒｇ_n：コンピュータプログラム、α：投影角、β_A：Ａシステムのファン角、β_B：Ｂシステムのファン角、Ｉ〜ＶＩ：ステップ。

図１は、ガントリ上に取付けられた２組のＸ線管−検出器セットを有するコンピュータ断層撮影システム１を模範的に示す。コンピュータ断層撮影システム１はＣＴハウジング６からなり、このハウジング６内に２つのＸ線管２，４が存在し、これらのＸ線管２，４に対向して検出器３，５が配置されている。Ｘ線管−検出器セット２，３はＸ線管−検出器セット４，５よりも小さいコーンビームを有する。

移動可能な患者用寝台８上には患者Ｐが存在し、患者Ｐはシステム軸線９に沿って開口７を通してＸ線管−検出器セットの回転中心に送り込むことができる。本来の走査は、逐次かつ円状に行なわれるか、または患者の連続送り込みのもとで患者に対して相対的にスパイラル状に行なわれる。

コンピュータ断層撮影システム１の制御は制御および計算ユニット１０によって行なわれ、この制御および計算ユニット１０には、本発明による方法を実施するために使用されるコンピュータプログラムＰｒｇ₁〜Ｐｒｇ_nが記憶されており、動作時に使用可能である。

図１によるこのようなシステムのガントリの断面が図２に示されている。この図は、第１のコーンビーム１１を形成する焦点Ｆ_Aを有する第１のＸ線管−検出器セットを示し、コーンビーム１１は対向配置された検出器Ｄ_Aに入射し、周方向への回転によって回転中心における測定視野１２を走査する。第１のＸ線管−検出器セットに対して約９０°ずらされて、焦点Ｆ_Bを有する第２のＸ線管−検出器セットが配置されており、これは同じガントリへの固定により同じ回転方向を有する。焦点Ｆ_Bはコーンビーム１３を形成し、コーンビーム１３は対向配置されている検出器Ｄ_Bに入射し、回転により測定視野１４を走査する。

第１のコーンビーム１１は、第２のコーンビーム１３のファン角β_Bよりも遥かに大きいファン角β_Aを有する。従って、焦点Ｆ_Aに属する測定視野１２も焦点Ｆ_Bの測定視野１４よりも遥かに大きい。

このようなＣＴシステムにより、Ｂシステムの小さい測定視野１４を上回る対象が検査される場合には、再構成のためのＢシステムのデータの畳み込み処理の際にエッジアーチファクトが発生する。なぜならば、縁辺における減弱が零に低下せず、むしろ鋭いエッジを成すからである。既に述べたように、どんな場合にも畳み込み処理の前にデータ補足が行なわれなければならない。本発明による場合には、このデータ補足が他のコーンビーム１１、すなわちＡシステムに由来するデータによって行なわれる。

この場合に、Ｂ検出器の不足している各ビームのために、一方ではビームの方向が合致するかもしくはその際に正しい方向を有する相補ビームが使用されるように、他方ではビームのｚ位置がＢ検出器からのビームのｚ位置にできる限りよく一致しなければならないように、Ａ検出器のビームが探索される。ビームが傾斜させられている場合、ｚ位置がビーム長全体にわたって等しくないので、比較のために、例えば、ｚ軸に対する距離が最小である点におけるビームのｚ位置が利用される。

この方法の場合、ｚ軸に対するビームの異なる傾斜が無視される。留意すべきことは、いずれにせよデータ補足がここに示された方法では基本的に概算的に行なわれることである。すなわち、正確な補足ビームが存在しない場合には、使用されたデータが相応に補間されるとよい。

両データ範囲の間、すなわち元のデータ範囲と補足されたデータ範囲との間における険しい移行を回避するために、円滑な移行関数、例えばコサイン関数による重み付けを使用することは有意義である。

基本的に、本発明による方法は２Ｄ再構成にも３Ｄ再構成にも適用することができる。２Ｄ再構成の場合には畳み込み処理に基づいて取除かれたデータを再び置き換えることが必要である。これに対して、３Ｄ再構成においては補足されたデータなしにリフォーマットを行なうことも可能である。なぜならば、この場合には、いずれにせよ行なわれる正規化を介して置換が行なわれるからである。

図３には、本発明による方法がもう一度概略的に示されている。図３は、列＜Ａ＞，＜Ｂ＞において、ＡシステムもしくはＢシステムに由来する投影のデータセットを示す。Ｂシステムは小さいコーンビームを有する焦点−検出器セットに対応する。行Ｉには、模範例として引用された投影のデータＡ，Ｂが示され、横軸方向に投影角αが取られ、縦軸値はその都度の投影角の減弱値に対応する。

列＜Ｂ＞における小さい測定視野により、当初は限られたデータだけがＢシステムの境界を示す点線の間に存在する。第１のステップにおいて、Ｂシステムには存在しないデータＢが、（列間で交差している両矢印によって示されるように）ＡシステムのデータＡによって置換され、データセットＢ＋を形成する。引き続いて、両側について畳み込み処理が行なわれ、畳み込み処理の結果が行ＩＩＩにおいてデータセットＡ’，Ｂ＋’で示されている。Ｂシステムの本来の測定視野の外側にあるデータが今や逆投影に使用されるので、それから生じるＣＴ画像は、既に述べたように、増加されたアーチファクトを有することになる。従って、Ｂ範囲の外側にある畳み込み処理されたデータをここでもう一度切り取ることが好ましく、行ＩＶに示されているデータＢ＋’（−）が生じる。ここで、本発明によれば、Ａシステムにおいて既に畳み込み処理されたデータＡ’がＢシステムの外側の範囲に使用される。これによってＢ＋’（−）が補足され、その結果列ＶにおいてデータセットＢ＋’（−）＋が生じる。このデータセットＢ＋’（−）＋は例えば２Ｄ再構成における逆投影に使用可能である。

今や、幅広い検出器Ｄ_Aもしくは広く扇形に広げられたコーンビーム１１の検出器データからの畳み込み処理されたデータセットＡ’も、畳み込み処理されかつ補足されたデータセットＢ＋’（−）も利用できるので、種々に逆投影を続行することができる。

図４に示された変形においては、２Ｄ再構成のために、両データセットＡ’，Ｂ＋’（−）＋が一緒にされる。このために多重に存在するデータの範囲において単純な平均値または重み付け平均値が形成されるとよく、単一に存在するデータは直接に引き継がれる。付加的に移行範囲においては移行重み付けも行なわれるとよい。それにより生じるデータセットＡ∪Ｂは次のステップＶＩにおいて逆投影され、それにより画像１５が算出される。

本発明による２Ｄ再構成の他の変形が図５に示されている。図５では両データセットＡ’，Ｂ＋’（−）＋が独立のステップＶＩ_A，ＶＴ_Bにおいて逆投影され、その後初めて共通な画像１５に統合される。統合の際に個々の画像値が平均化または重み付けされ、この場合にも移行範囲において移行重み付けが行なわれるとよい。

ここでは２Ｄ再構成について説明したのと類似の方法をボクセルごとの３Ｄ再構成に転用することができる。異なるファン幅および異なる大きさの走査視野を有する少なくとも２つのコーンビームによる走査に基づく両再構成法において、本発明による方法を使用することができる。

本発明の上述の特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、その都度述べた組み合わせのみならず、他の組み合わせまたは単独にても適用可能であることは自明のことである。

本発明による方法を実施するためのＣＴを示す概略図 図１におけるＣＴのガントリの概略を示す断面図 本発明による方法の第１変形例の説明図 本発明による方法の第２変形例の説明図 本発明による方法の第３変形例の説明図

符号の説明

１ ２つのＸ線管を有するＣＴシステム
２ 第１のＸ線管
３ 第１の検出器
４ 第２のＸ線管
５ 第２の検出器
６ ＣＴハウジング
７ ＣＴシステムにおける開口
８ 移動可能な患者用寝台
９ システム軸線
１０ 制御および計算ユニット
１１ Ａシステムの大きなコーンビーム
１２ Ａシステムの大きな測定視野
１３ Ｂシステムの小さいコーンビーム
１４ Ｂシステムの小さい測定視野
１５ 画像
Ａ Ａシステムのデータ
Ｂ Ｂシステムのデータ
Ｄ_A Ａシステムの検出器
Ｄ_B Ｂシステムの検出器
Ｆ_A Ａシステムの焦点
Ｆ_B Ｂシステムの焦点
Ｐ 患者
Ｐｒｇ₁〜Ｐｒｇ_n コンピュータプログラム
α 投影角
β_A Ａシステムのファン角
β_B Ｂシステムのファン角
Ｉ〜ＶＩ ステップ。

Claims (18)

1. 角度をずらされた少なくとも２つのＸ線源を有するコンピュータ断層撮影システムによってコンピュータ断層画像を作成するために、
   大きなファン角を有する第１のコーンビーム（１１）および小さなファン角を有する第２のコーンビーム（１３）が対象を円状もしくはスパイラル状に走査し、
   第１のコーンビーム（１１）が対象内における吸収に基づいてデータセットＡを発生し、第２のコーンビーム（１３）がデータセットＢを発生し、
   コンピュータ断層画像を再構成するために小さいコーンビーム（１３）のデータセットＢが縁部を他のデータによって補足されることにより、拡張されたデータセットＢ＋を形成し、
   第２の小さいコーンビーム（１３）の拡張されたデータセットＢ＋および第１の大きいコーンビーム（１１）のデータセットＡが、畳み込み演算を施されることにより、データセットＢ＋’，Ａ’を形成し、
   畳み込み演算を施されたデータセットＢ＋’，Ａ’から、その都度、断層画像またはボリュームデータの再構成のための逆投影が行なわれる
   コンピュータ断層撮影システムによるコンピュータ断層画像の作成方法において、
   データセットＢがデータセットＡのデータによって補足され、
   畳み込み処理後でかつ逆投影前に、補足されたデータがデータセットＢ＋’から取除かれる
   ことを特徴とするコンピュータ断層撮影システムによるコンピュータ断層画像の作成方法。
2. データセットＢの補足のために、同じビーム方向を有するデータセットＡのデータだけが使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. データセットＢの補足のために、同じビーム方向および相補的に向けられたビーム方向を有するデータセットＡのデータが使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 全ての補足されたデータがデータセットＢ＋’から取除か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. データセットＡの相補ビームに由来する補足されたテップデータのみがデータセットＢ＋’から取除か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. ボクセルごとの３Ｄ再構成が行なわ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. 平面に関する２Ｄ再構成が行なわれ、データセットＢ＋’から取除かれたデータが畳み込み処理されたデータセットＡ’からのデータによって置換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. データセットＢの補足時にｚ軸に対するビームの異なる傾斜が無視されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. データセットＢの補足のためにデータセットＡからの補間されたデータが使用されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. 補足されたデータセットＢ＋において、データセットＢのデータとデータセットＡからの補足データとの間の移行部でおだやかな移行を得るための重み付けが行なわ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。
11. データセットＡ’およびデータセットＢ＋’（−）によりそれぞれ別々に逆投影が行なわれ、重み付けによって１つの共通な画像が作成されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 小さいコーンビーム（１３）の測定視野（１４）の移行範囲において移行重み付けが行なわれることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. Ａ’データおよびＢ＋’（−）データにより共通な２Ｄ逆投影が行なわ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。
14. 両データセットは逆投影前に重み付けによって１つのデータセットＡ’ Ｂ＋’（−）に統合されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 小さいコーンビーム（１３）の測定視野（１４）のデータの移行範囲において移行重み付けが行なわれることを特徴とする請求項１３又は１４記載の方法。
16. Ａ’データおよびＢ＋’（−）データによりボクセルごとに共通な３Ｄ逆投影が行なわ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。
17. 両データセットが逆投影前に重み付けによって１つのデータセットＡ∪Ｂに統合されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 大きなファン角を有する第１のコーンビームおよび小さなファン角を有する第２のコーンビームを形成し、対象を円状もしくはスパイラル状に走査し、かつ検出器出力データを発生させる少なくとも２つの角度をずらされたＸ線源を備え、第１のコーンビームが対象内における吸収に基づいてデータセットＡを発生し、第２のコーンビームがデータセットＢを発生し、それらのデータセットが計算および制御ユニットにおいて記憶されたコンピュータプログラムまたはプログラムモジュールにより処理されて対象の断層画像を形成するコンピュータ断層撮影システムにおいて、記憶されたコンピュータプログラムまたはプログラムモジュールが、請求項１乃至１７の１つに記載のステップを実行するプログラムコードを有することを特徴とする対象の断層画像を表示するためコンピュータ断層撮影システム。

Images