JP2007508559A - 扇ビーム・コヒーレント散乱コンピュータ断層撮影法 - Google Patents
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Abstract
ＣＳＣＴデータからのデータの再構成は、通常は、長い再構成時間を要する。本発明によると、エネルギ分解検出器素子を用いて収集されたスペクトルを有するＣＳＣＴデータのフィルタ逆投影が提供され、前記フィルタ逆投影は、再構成体積内の波数ベクトル移動量により表される曲線に沿って実行される。有利には、再構成時間が減少されることができる上に、良い画質を可能にする。
Description
本発明は、扇ビームが関心の対象に当てられるコヒーレント散乱（coherent-scatter）コンピュータ断層撮影法（ＣＳＣＴ）の分野に関する。特に、本発明は、ＣＳＣＴデータの再構成を実行するデータ処理装置、関心の対象を検査するＣＳＣＴ装置、ＣＳＣＴデータの再構成を実行する方法及びＣＳＣＴデータの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムに関する。
米国特許公報ＵＳ４７５１７２２号は、ビームの方向に対して１°ないし１２°の角度内のコヒーレント散乱放射線の角度分布のレジストレーションの原理に基づく装置を記載している。米国特許公報ＵＳ４７５１７２２号に記載されているように、弾性散乱放射線の主な部分は、１２°未満の角度内に集中しており、前記散乱放射線は、明確な最大値を持つ特徴的な角度依存性を持ち、前記明確な最大値の位置は照射される物質自体により決定される。小さな角度におけるコヒーレント散乱放射線の強度の分布は、前記物質の分子構造に依存するので、（従来の透光テスト（transillumination）又はＣＴでは区別されることができない）等しい吸収能力を持つ異なる物質は、各物質に典型的なコヒーレント放射線の角度散乱の強度の分布によって区別されることができる。
異なる対象材料を区別するためにこのようなシステムの改良された能力により、このようなシステムは、医療又は工業分野でより多くの応用を見つける。
低角度散乱の主要な成分は、コヒーレント散乱である。コヒーレント散乱は、散乱サンプルの原子配置に依存する干渉効果を示すので、コヒーレント散乱コンピュータ断層撮影法（ＣＳＣＴ）は、原理的に、２次元対象断面を横切る組織の分子構造における空間的変化を撮像する高感度な方法である。
Harding他、“Energy-dispersive x-ray diffraction tomography” Phys. Med. Biol., 1990, Vol.35, No.1, 33-41は、多色性（polychromatic）放射線による対象内で励起されたコヒーレントＸ線散乱の固定角度におけるエネルギ解析に基づく断層撮影法である、エネルギ分散型Ｘ線回折断層撮影法（ＥＸＤＴ）を記載している。この方法によると、放射線ビームは、適切な開口システムを使用して作成され、鉛筆の形を持ち、したがってペンシルビームとも称される。ペンシルビーム源の反対側には、エネルギ解析に適した１つの検出器素子が、関心の対象により変更されたペンシルビームを検出するために配置される。
ＣＴと組み合わせた２次元検出器及び扇ビームの一次ビームを使用するコヒーレント散乱セットアップは、米国特許公報ＵＳ６４７００６７Ｂ１号に記載されている。多色性線源と組み合わせた角度分散セットアップの欠点は、ぼやけた散乱関数であり、これは、例えばSchneider他、“Coherent Scatter Computed Tomography Applying a Fan-Beam Geometry” Proc. SPIE, 2001, Vol.4320, 754-763に記載されている。
医療用撮像又は非破壊試験の分野で競争力のあるモダリティになるために、実装される再構成アルゴリズムは、良い画質及び短い再構成時間の両方を保証するべきである。
これまで、扇ビームＣＳＣＴで収集された投影データは、例えば代数的再構成法（ＡＲＴ）の助けで再構成される。ＡＲＴは、例えば、J. A. Grant他“A reconstruction strategy suited to x-ray diffraction tomography”, J.Opt. Soc. Am A12, 291-300 (1995)により高度に多用途であることが示されている。しかしながら、このような反復的な再構成の計算の複雑性により、このような方法は、比較的長い再構成時間を必要とする。
本発明の目的は、断層撮影データの速い再構成を提供することである。
請求項１に記載の本発明の例示的実施例によると、上述の目的は、ＣＳＣＴデータがエネルギ分解検出器素子を用いて収集されたスペクトルを有するＣＳＣＴデータの再構成を実行するデータ処理装置を用いて解決されることができる。前記データ処理装置は、前記ＣＳＣＴデータを記憶するメモリと、フィルタ逆投影を実行するデータプロセッサとを有する。前記データプロセッサは、前記スペクトルを使用して波数ベクトル移動量（wave-vector transfer）を決定し、再構成体積を決定するように適合される。更に、この例示的実施例の一態様によると、幾何学的情報が、前記再構成体積を決定するために使用されることができる。前記再構成体積の寸法（dimension）は、前記波数ベクトル移動量により決定される。したがって、例えば、前記再構成体積の１つの寸法は、前記波数ベクトル移動量により決定されてもよい。前記波数ベクトル移動量は、前記再構成体積において曲線を表す。前記データプロセッサは、前記再構成体積内の前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行するように更に適合される。
本発明のこの例示的実施例によるデータ処理装置において、フィルタ逆投影が、エネルギ分解検出器素子を用いて収集されたスペクトルを有するＣＳＣＴデータに対して実行される。したがって、前記ＣＳＣＴデータの非常に正確且つ速い再構成が実行されることができる。再構成されたデータが画像の形式で表される場合、本発明のこの例示的実施例によるデータ処理装置は、再構成時間を比較的短く保ったまま改良された画質を可能にすることができる。更に、正確な再構成が提供されることができる。
請求項２に記載の本発明の他の例示的実施例によると、スペクトルデータは、放射線源が関心の対象の周りを回転される円形収集の間に収集される。したがって、例えばＣＳＣＴスキャナが、前記データを収集するために使用されることができる。。
請求項３に記載の本発明の他の例示的実施例によると、（前記波数ベクトル移動量により決定される第１の寸法を除く）２つの他の寸法は、前記放射線源の回転面の２つの線形独立なベクトルにより決定される。換言すると、前記再構成体積の２つの他の寸法は、例えば、前記放射線源の位置に関する座標により決定される。
請求項４に記載の本発明の他の例示的実施例によると、減衰の寄与を補償するために前処理が実行される。これは、改良された再構成を可能にすることができる。
請求項５に記載の本発明の他の例示的実施例によると、関心の体積を検査するＣＳＣＴ装置が提供される。本発明のこの例示的実施例によるＣＳＣＴ装置は、Ｘ線源及び散乱放射線検出器を有する検出器ユニットを有する。前記検出器ユニットは、前記関心の対象を受ける検査領域を通って延在する回転軸の周りで回転可能である。前記Ｘ線源は、スライス面で前記検査領域内の前記関心の対象を貫通するように適合された扇形Ｘ線ビームを生成する。前記散乱放射線検出器は、前記検出器ユニットにおいて、前記回転軸に平行な方向において前記スライス面に対してオフセットを持つようにして前記Ｘ線源の反対側に配置される。前記散乱放射線検出器は、１つのラインに配置された複数の第１の検出器素子を有する第１の検出器ラインを含む。前記複数の第１の検出器素子は、エネルギ分解検出器素子又は積分（非エネルギ分解）検出器素子のいずれかである。更に、前記散乱放射線検出器の第１の読み出しに対してフィルタ逆投影を実行するデータプロセッサが設けられ、ここで前記データプロセッサは、前記第１の読み出しを使用することにより波数ベクトル移動量を決定するように適合される。更に、前記データプロセッサは、再構成体積を決定するように適合される。前記再構成体積の寸法は、前記波数ベクトル移動量により決定される。更に、前記波数ベクトル移動量は、前記再構成体積において曲線を表す。更に、前記データプロセッサは、前記再構成体積内の前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行するように適合される。
有利には、本発明のこの例示的実施例によると、減少された再構成時間を可能にし、再構成された画像の改良された画質を可能にするＣＳＣＴ装置が提供されることができる。
前記ＣＳＣＴ装置の他の例示的実施例は、請求項６及び７において提供される。
請求項８に記載の本発明の他の例示的実施例によると、エネルギ分解検出器素子を用いて収集されたスペクトルを有するＣＳＣＴデータの再構成を実行する方法が提供される。この方法によると、波数ベクトル移動量は、前記スペクトルを使用することにより決定される。次いで、再構成体積が決定される。前記再構成体積の寸法は、前記波数ベクトル移動量により決定される。前記波数ベクトル移動量は、前記再構成体積において曲線を表す。本発明のこの例示的実施例の一態様によると、フィルタ逆投影が、前記再構成体積内の前記曲線に沿って実行される。
有利には、この方法は、再構成時間の減少を可能にすることができる。更に、この方法は、例えばＣＳＣＴデータの厳密な再構成を可能にすることができる。
本発明による前記方法の他の例示的実施例は、請求項９ないし１２において提供される。
請求項１３に記載の本発明の他の例示的実施例によると、ＣＳＣＴデータのフィルタ逆投影を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムが提供される。本発明による前記コンピュータプログラムは、好ましくは前記データプロセッサのワーキングメモリにロードされる。前記データプロセッサは、したがって本発明の前記方法を実行するために備えられる。前記コンピュータプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読取可能媒体に記憶されてもよい。前記コンピュータプログラムは、WorldWideWebのようなネットワーク上で与えられることもでき、このようなネットワークから前記データプロセッサのワーキングメモリにダウンロードされることができる。
本発明の例示的実施例の要点は、エネルギ分解検出器ラインにより収集されたデータを処理するフィルタ逆投影が曲線に沿って実行されることであると見なされることができる。前記波数ベクトル移動量に対する散乱光子の依存性は、エネルギ依存性から計算される。前記データは、ｘ−ｙ−ｑ空間のような再構成空間における曲線に沿った線積分として解釈される。本発明の一態様によると、この結果は、１つの照射された対象スライスの空間的に分解された散乱関数を生じる３次元データセットである。本発明は、例えば、医療撮像又は物質解析、例えば手荷物検査に応用されることができる。有利には、非常に速い画像再構成が、例えば、エネルギ分解検出器素子の１行だけが使用されるＣＳＣＴにおいて実行されることができる。
本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照して説明され、明らかになる。
本発明の例示的実施例は、以下の図面を参照して以下に説明される。
図１は、本発明によるＣＳＣＴスキャナの例示的実施例を示す。この例示的実施例を参照して、本発明は、手荷物内の爆発物のような危険な物質を検出する手荷物検査における応用について記載される。しかしながら、本発明が手荷物検査の分野の応用に制限されないが、例えば医療的応用における骨撮像又は組織タイプの識別のような他の医療又は産業的応用において使用されることもできる。
図１に描かれたスキャナは、多色性の一次扇ビームを用いる場合でさえも、エネルギ分解検出器及び断層撮影再構成と組み合わせて良いスペクトル解像度を可能にする扇ビームＣＳＣＴスキャナである。図１に描かれた前記ＣＳＣＴスキャナは、回転軸２の周りで回転可能なガントリ１を有する。ガントリ１は、モータ３を用いて駆動される。参照符号４は、本発明の一態様によると多色性放射線を放射するＸ線源のような放射線源を示す。
参照符号５は、放射線源４から放射された放射線ビームを円錐形放射線ビーム６に形成する第１の開口システムを示す。更に、ダイアフラム又はスリットコリメータからなる他の開口システム９が備えられる。開口システム９は、放射線源４から放射される放射線が扇ビーム１１に形成されるようなスリット１０の形式を取る。本発明のこの例示的実施例の変形例によると、第１の開口システム５は省略されることもでき、第２の開口システム９のみが備えられてもよい。
扇ビーム１１は、ガントリ１の中心、即ち前記ＣＳＣＴスキャナの検査領域に配置された手荷物７を貫通し、検出器８に衝突するように向けられる。図１からわかるように、検出器８は、扇ビーム１１のスライス面が検出器８の行又はライン１５と交差するように放射線源４の反対側にガントリ１上に配置される。図１に描かれた検出器８は、夫々複数の検出器素子を有する７つの検出器ラインを有する。上述のように、検出器８は、一次放射線検出器１５、即ち検出器８の中央のラインが扇ビーム１１のスライス面内になるように構成される。
図１からわかるように、検出器８は、２種類の放射線検出器ライン、即ち図１の網掛け無しで示される第１の種類の検出器ライン３０及び３４と、エネルギ分解検出器セルからなる検出器ラインとを有する。本発明の一態様によると、これら第１の検出器素子（ライン３０及び３４）は、エネルギ分解検出器素子である。好ましくは、前記エネルギ分解検出器素子は、直接変換（direct-converting）半導体検出器である。直接変換半導体検出器は−シンチレーション無しで−前記放射線を電荷に直接的に変換する。好ましくは、これらの直接変換半導体検出器は、１０％ＦＷＨＭより良いエネルギ解像度を持ち、即ち、ΔＥを前記検出器のエネルギ解像度の半値全幅（ＦＷＨＭ）としてΔＥ／Ｅ＜０．１である。
ライン３０及び３４のこのような検出器セルは、テルル化カドミウム即ちＣｄＺｎＴｅ（ＣＺＴ）ベースの検出器セルであってもよく、両方とも扇ビーム１１のスライス面の外側である。換言すると、両方のエネルギ分解ライン３０及び３４は、回転軸２に平行な方向における前記スライス面からのオフセットを持つようにＸ線源４の反対側にガントリ１において配置される。検出器ライン３０は、図１に描かれた回転軸２の方向について正のオフセットで配置され、ライン３４は、図１に描かれた回転軸２の方向について前記スライス面から負のオフセットで配置される。
検出器ライン３０及び３４は、前記ＣＳＣＴスキャナの検査領域内の手荷物７から散乱された散乱放射線を受け又は測定するように、前記スライス面と平行になり、ガントリ１の回転軸２の正又は負の方向のオフセットで前記スライス面の外になるようにガントリ１において配置される。したがって、以下、ライン３０及び３４は、散乱放射線検出器とも称される。２つのエネルギ分解ライン３０及び３４の設備の代わりに、例えばライン３０のみのような、エネルギ分解検出器素子を含む１つのラインのみを設けることも効率的であるかもしれないことに注意すべきである。更に、２つのエネルギ分解ライン３０及び３４のみを設ける代わりに、３、４又はそれ以上の数のエネルギ分解ラインを設けることも可能である。したがって、以下で用語“散乱放射線検出器”が使用される場合、これは、手荷物７から散乱された光子を受けるように、扇ビーム１１の扇面の外に配置されたエネルギ分解検出器素子の少なくとも１つのラインを有する如何なる検出器をも含む。
網掛けにより示される検出器８に備えられた第２の種類の検出器ラインはシンチレータセルである。特に、ライン１５は、扇ビーム１１のスライス面内にあり、前記検査領域内の手荷物７により引き起こされる放射線源４により放射された放射線の減衰を測定するように構成される。図１に描かれるように、ライン１５の左右に、シンチレータ検出器セルを含む他の検出器ラインが備えられてもよい。
エネルギ分解ライン３０及び３４に関して既に示されたように、１つのエネルギ分解ライン３０又は３４のみの設備が十分である場合、手荷物７により引き起こされる前記スライス面内の扇ビーム１１の一次ビームの減衰を測定するライン１５のみの設備が十分である。しかしながら、エネルギ分解ライン３０及び３４の場合、夫々複数のシンチレータセルを有する複数の検出器ライン３２の設備は、前記ＣＳＣＴスキャナの測定速度を更に増加することができる。以下、用語“一次放射線検出器”は、扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するシンチレータ又は同様な検出器セルの少なくとも１つのラインを含む検出器を参照するために使用される。
図１からわかるように、検出器８の検出器セルはライン及び列に配置され、前記列は回転軸２に平行であり、前記ラインは扇ビーム１１のスライス面に平行且つ回転軸２に垂直な平面内に配置される。
開口システム５及び９の開口は、手荷物７の走査領域が扇ビーム１１内であり且つ検出器８が完全な走査領域をカバーするように検出器８の寸法に適合される。有利には、これは、手荷物７に当てられる不要な余剰放射線を防ぐことを可能にする。手荷物７の走査中に、放射線源４、開口システム５及び９、並びに検出器８は、矢印１６で示される方向にガントリ１に沿って回転される。放射線源４、開口システム５及び９、並びに検出器１５を持つガントリ１の回転に対し、モータ３は、計算ユニット１８に接続されたモータ制御ユニット１７に接続される。
図１において、手荷物７は、コンベヤベルト１９上に配置される。手荷物７の走査中に、ガントリ１が手荷物７の周りで回転し、コンベヤベルト１９は、ガントリ１の回転軸２に平行な方向に沿って手荷物７を移動する。これにより、手荷物７は螺旋形走査経路に沿って走査される。コンベヤベルト１９は、走査中に停止されることもでき、これにより単一のスライスを測定することもできる。
検出器８は計算ユニット１８に接続される。計算ユニット１８は、検出結果、即ち検出器８の検出器素子からの読み出しを受け、検出器８から、即ち扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するライン１５及び３２並びにエネルギ分解ライン３０及び３４からの走査結果に基づいて走査結果を決定する。これに加えて、計算ユニット１８は、モータ３及び２０又はコンベヤベルト１９を用いてガントリ１の運動を調整するためにモータ制御ユニット１７と通信する。
計算ユニット１８は、一次放射線検出器、即ち検出器ライン１５及び３２並びに散乱放射線検出器、即ちライン３０及び３４の読み出しから画像を再構成するように適合される。計算ユニット１８により生成された画像は、インターフェース２２を介してディスプレイ（図１に示されていない）に出力されることができる。
データプロセッサにより実現されることができる計算ユニットは、検出器８の検出器素子から、即ちエネルギ分解ライン３０及び３４並びに扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するライン１５及び３２からの読み出しに対してフィルタ逆投影を実行するように適合されることができる。画像再構成の一部を形成する計算ユニット１８において実行される逆投影は、図７を参照して更に詳細に説明される。
更に、計算ユニット１８は、ライン３０及び３４並びに１５及び３２の読み出しに基づいて手荷物７内の爆発物の検出に対して適合されることができる。これは、これらの検出ラインの読み出しから散乱関数を再構成し、以前の測定の間に決定された爆発物の特徴的測定値を含む表と比較することにより自動的に行われることができる。計算ユニット１８が、検出器８から読み出された測定値が爆発物の特徴的測定値と一致することを決定する場合、計算ユニット１８は、ラウドスピーカ２１を介して警報を自動的に出力する。
図２ないし７の以降の記載の間、図１で使用されたものと同じ参照番号は、同じ又は対応する要素に対して使用される。
図２は、図１に描かれたＣＳＣＴ走査システムの幾何学的構成の単純化された概略的表現図を示す。図２からわかるように、Ｘ線源４は、手荷物７を含むような、この場合には直径ｕを持ち、検出器８全体をカバーする扇ビーム１１を放射する。対象領域の直径は、例えば１００ｃｍであってもよい。この場合、扇ビーム１１の角度αは８０°であることができる。このような構成において、Ｘ線源４から前記対象領域の中心までの距離ｖは約８０ｃｍであり、Ｘ線源４からの検出器８、即ち個々の検出器セルの距離は約ｗ＝１５０ｃｍである。
図２からわかるように、本発明の一態様によると、検出器セル又はラインは、前記セル又はラインが異なる散乱角度を有する不所望な放射線を測定することを防ぐためにコリメータ４０を備えることができる。コリメータ４０は、前記線源に向けて焦点を合わせることができるブレード（blades）又はラメラ（lamellas）の形式を取ることができる。前記ラメラの間隔は、前記検出器素子の間隔とは独立に選択されることができる。
図１及び２に描かれた折り曲げられた検出器８の代わりに、平らな検出器アレイを使用することも可能である。
図３は、図１のＣＳＣＴスキャナで使用された検出器の幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。図１を参照して既に説明されたように、検出器８は、１、２又はそれ以上のエネルギ分解検出器ライン３０及び３４、並びに手荷物７により引き起こされた一次扇ビームの減衰を測定する複数のライン１５及び３２を有することができる。図３からわかるように、好ましくは、検出器８は、ライン１５及び３２の１つのライン、好ましくは検出器８の中央のライン１５が扇ビーム１１のスライス面内にあり、これにより一次放射線の減衰を測定するように構成される。矢印４２で示されるように、Ｘ線源４及び検出器８は、異なる角度からの投影を収集するように、前記手荷物の周りを一緒に回転される。
図３に描かれるように、検出器８は複数の列ｔを有する。
図４は、本発明を更に説明するために図１に描かれた前記ＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。図４において、唯一のライン１５及び唯一のライン３０を有する検出器４６が描かれている。ライン１５は、この場合にはスリットコリメータである開口システム９により形成され及び前記放射線源又はＸ線源４を用いて生成された扇ビーム１１のスライス面内に配置される。ライン１５は、例えばシンチレータセル又は扇ビーム１１の一次ビームの減衰を測定するのに適した他のセルを有し、前記対象領域又は検査領域内の関心の対象により引き起こされた一次扇ビームの減衰の積分測定を可能にする。
図４に描かれたライン３０はエネルギ分解セルを含む。図４からわかるように、ライン３０は、扇ビーム１１のスライス面に平行に、しかし前記面の外に配置される。換言すると、ライン３０は、前記スライス面に平行な面内にライン１５と平行に配置される。
参照番号４４は散乱放射線、即ち前記手荷物のような関心の対象により散乱された光子を示す。図４からわかるように、前記散乱放射線は、前記スライス面を離れ、ライン３０の検出器セルに衝突する。
図５は、図１のＣＳＣＴスキャナの検出器の幾何学的構成の側面図を示す。図５は、図４の側面図を示すように意図されることもできるが、しかしながら、１つのライン３０及び１つのライン１５のみの設備の代わりに、図５において、ライン３０とライン１５との間に複数の検出器ライン３２が備えられる。ライン３０の検出器素子Ｄiはエネルギ分解検出器素子である。検出器素子Ｄiは、前記一次扇ビームのスライス面から固定された距離ａを持つように配置される。本発明の一態様によると、列ｔの各検出器素子Ｄiに対して、及び各投影Φ（図３参照）に対して、スペクトルＩ(Ｅ,ｔ,Φ)が測定される。円形又は螺旋形の走査経路に沿った複数の投影Φに対するこの測定を実行して、３次元データセットが収集される。各対象画素は３つの座標(ｘ,ｙ,ｑ)により記述される。したがって、本発明の一態様によると、画像を再構成するために、又は前記３次元データセットから他の情報を再構成するために、ここに参照により組み込まれるドイツ特許公報第ＤＥ１０２５２６６２．１に記載されたもののような３Ｄ→３Ｄ再構成法が使用されることができる。
空間座標（ｘ,ｙ）に基づいて、検出器８に対する各対象ボクセルＳiの距離ｄは、計算ユニット１８を用いて計算される。この場合、計算ユニット１８は、以下の式、
Θ＝atan(ａ／ｄ) （式１）
の空間及び各対象ボクセルＳiに対する散乱角度Θを計算する。
Θ＝atan(ａ／ｄ) （式１）
の空間及び各対象ボクセルＳiに対する散乱角度Θを計算する。
この場合、この計算に基づいて、計算ユニット１８は、以下の式、
ｑ＝(Ｅ／(ｈｃ))sin(Θ／２) （式２）
に基づいて波数ベクトル移動量パラメータｑを計算し、ここでｈはプランク定数、ｃは光速、Ｅは光子エネルギである。
ｑ＝(Ｅ／(ｈｃ))sin(Θ／２) （式２）
に基づいて波数ベクトル移動量パラメータｑを計算し、ここでｈはプランク定数、ｃは光速、Ｅは光子エネルギである。
この場合、上の方程式により計算された波数ベクトル移動量パラメータｑに基づいて、且つ（減衰補正に対する）前記一次放射線検出器の読み出し及び散乱放射線データに基づいて、計算ユニット１８は、画像を決定することができ、又は前記対象スライス内の材料を識別することができる。
図６は、散乱過程をより良く説明するために図１のスキャナの幾何学的構成を示す。図６からわかるように、前記散乱過程は、散乱放射線４４が扇ビーム１１のｘ−ｙ面の外に散乱するように散乱中心で起こる。円柱４７は、放射線源４が周りで回転する対象を象徴する。
以下、上述のように計算ユニット１８又は図８に描かれるデータ処理装置において実行されることができる本発明の例示的実施例によるフィルタ逆投影が、更に詳細に説明される。
小さな角度、即ち０°ないし約５°の角度を持つ散乱に対して、sin(Θ／２)はΘ／２により近似されることができる。これにより、式２は以下のように書かれることができる。
ｑ≒(Ｅ／(ｈｃ))(Θ／２) （式３）
ｑ≒(Ｅ／(ｈｃ))(Θ／２) （式３）
例えば図６からわかるように、散乱角度は、前記散乱中心から前記検出器までの距離ｄと、走査面又は扇ビーム面に対する夫々の検出器素子又はラインの距離ａとに基づいて決定されることができる。したがって、式３は以下のように書かれることができる。
tanΘ≒Θ＝ａ／ｄ （式４）
tanΘ≒Θ＝ａ／ｄ （式４）
式３及び式４の組み合わせは、
ｑ＝(Ｅ／(ｈｃ))(ａ／(２ｄ)) （式５）
を与える。
ｑ＝(Ｅ／(ｈｃ))(ａ／(２ｄ)) （式５）
を与える。
式５は、以下、再構成体積と称される、ｘ−ｙ−ｑ空間における双曲線のような曲線を記述する。この場合、本発明の一態様によると、フィルタ逆投影は、これらの双曲線又は他の対応する曲線に沿って実行される。
換言すると、上述のように、波数ベクトル移動量ｑは、スペクトルＥを使用することにより決定される。この場合、再構成体積が決定される。
本発明の一態様によると、前記再構成体積は、前記放射線源の回転面又は扇ビーム面における座標ｘ及びｙにより決定される。座標ｘ及びｙはベクトルにより表されることができる。好ましくは、これらのベクトルは線形及び独立なベクトルである。
前記再構成体積の第３の寸法は、波数ベクトル移動量ｑ自体により決定され、したがってｘ−ｙ−ｑ再構成体積を形成する。式５に示されるように、前記波数ベクトル移動量は、前記再構成体積において双曲線のような曲線を表す。この場合、本発明によると、前記フィルタ逆投影は、前記再構成体積内の前記曲線に沿って実行される。
本発明の一態様によると、フィルタリングは、例えば、ここに参照により組み込まれるKak他により“Principles of Computerized Tomographic Imaging” (IEEE, New York, 1988)に記載されたように実行される。
式１ないし５で記述されたフィルタ逆投影の前に、即ち再構成の前に、減衰の寄与を補償するために散乱投影データの前処理ステップが実行されることができる。以下、変数α及びβは、ｘ軸に関する角度線源位置及びＸ線の扇ビーム内の扇角度を示す。更に、ｌ0は前記Ｘ線源から前記散乱中心までの距離である。
因子Ａ(α,β,０,ｌ0)は、前記線源から相互作用点ｘ0までの経路に沿った入射放射線の減衰を計上する。因子Ｂ(α,β,ａ,ｌ0)は、出て行く放射線に対する類似した減衰である。本発明の一態様によると、特に、前記散乱放射線の経路に沿った減衰が散乱角度に独立であり、残留一次ビームの減衰に等しく、Ｂ(α,β,ａ,ｌ0)＝Ｂ(α,β,０,ｌ0)であると仮定される。
これは、小さな散乱角度、即ちおよそ０°ないし５°の範囲の散乱角度の場合に当てはまる。また、これは、理想的な空間的解像度に対して当てはまるが、ｚ軸に沿った減衰のあまり強くない変化には当てはまらない。減衰補正に対して、透過強度Ｉtrans及び中心面の検出器素子（即ち一次放射線検出器、検出器ライン１５）は、単純な透過型ＣＴの場合に考慮され、入射放射線の強度Ｉ0及び一定の幾何学的効率ＥCT(α,β,０)＝Ａ／Ｇ2を用いて、
Ｉtrans(α,β,０,ｌ0)＝Ｉ0(α,β,０)Ａ(α,β,０,ｌ0)×Ｂ(α,β,０,ｌ0)ＥCT(α,β,０)
である。ここでＧ及びＡは、前記Ｘ線源から焦点が中心にある検出器までの距離及び単一の検出器素子の面積を夫々示す。
Ｉtrans(α,β,０,ｌ0)＝Ｉ0(α,β,０)Ａ(α,β,０,ｌ0)×Ｂ(α,β,０,ｌ0)ＥCT(α,β,０)
である。ここでＧ及びＡは、前記Ｘ線源から焦点が中心にある検出器までの距離及び単一の検出器素子の面積を夫々示す。
これは、U. van Stevendaal他、“A reconstruction algorithm for coherent scatter computed tomography based on filtered back-projection”(Med. Phys. 30, 9, September 2003)による再構成アルゴリズムに対して入力される散乱投影データＰD(α,β,ａ)を導き、
であり、但し全体の効率ξ(α,β,ａ,ｌ0)＝Ｅeff(α,β,ａ,ｌ0)／ＥCT(α,β,０)、即ち
であり、ここでＥeff(α,β,ａ,ｌ0)は、面外（off-plane）検出器素子に対する幾何学的効率因子である。
有利には、コヒーレントに散乱されたＸ線の投影データは、減衰の寄与に関して補正されることができない。更に、全体の効率は、より正確に前記投影データに重み付けするために導入される。
図７は、様々なエネルギに対する前記波数ベクトル移動量と前記対象内の位置（ここでは回転の中心“ＣｏＲ”からの距離）との間の関係を示す。距離ａは２０ｍｍであり、ＣｏＲと前記検出器の中心との間の距離は約５００ｍｍである。図８からわかるように、放射線が２０ないし１６０ｋｅＶの範囲において検出される場合、４００ｍｍの直径を持つ対象に対して、完全なデータセットが、０．５ないし１．８ｎｍ-1の波数ベクトル移動量に対して得られることができる。特に材料識別の場合、材料識別に使用される構造のほとんどはこの範囲内であるので、この範囲は有利である。
図８は、例えば、図６及び上述の前処理を参照して記載されたものと同じ態様で、ＣＳＣＴデータのフィルタ逆投影を実行するデータ処理装置の例示的実施例を示す。図８からわかるように、中央処理ユニット（ＣＰＵ）又は画像プロセッサ１は、図１に描かれたもののようなＣＳＣＴスキャナにより収集されることができるＣＳＣＴデータを記憶するメモリ２に接続される。画像又はデータプロセッサは、複数の入出力、ネットワーク、又はＭＲ装置のような診断装置に接続されてもよい。データプロセッサ１は、データプロセッサ１において計算された又は適合された情報又は画像を表示するディスプレイ４（例えばコンピュータモニタ）に更に接続される。オペレータは、キーボード５又は図１には描かれていない他の出力装置を介してデータプロセッサ１と相互作用することができる。
上で示されたように、前記データプロセッサは、ＣＴスキャナのエネルギ分解検出器素子により決定されたスペクトルを使用することにより波数ベクトルを決定することに関連するフィルタ逆投影を実行するように適合される。この場合、再構成体積が決定され、前記再構成体積の１つの寸法は前記波数ベクトル移動量により決定され、残りの２つの寸法は、前記ＣＴスキャナの放射線源の回転面又は扇ビーム面における位置座標により決定されることができる。上の式５に示されるように、前記波数ベクトル移動量は、前記再構成体積において双曲線のような曲線として解釈されることができる。この場合、前記フィルタ逆投影は、前記再構成体積内の前記曲線に沿って実行される。
有利には、本発明は、非常に速い再構成を可能にする。画像が前記ＣＳＣＴデータから再構成される場合、前記画像は改良された画質を持つことができる。上述のように、エネルギ分解検出器素子の１行のみを設ければ十分であり得る。しかしながら、１行より多いエネルギ検出器素子を用いて、ｑ値のより幅広いスペクトルが収集されることができ、走査時間は減少されることができる。
Claims (13)
- ＣＳＣＴデータの再構成を実行するデータ処理装置において、前記ＣＳＣＴデータがエネルギ分解検出器素子を用いて収集されたスペクトルを有し、前記データ処理装置が、前記ＣＳＣＴデータを記憶するメモリと、フィルタ逆投影を実行するデータプロセッサとを有し、前記データプロセッサが、以下の動作、即ち、前記スペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積において曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記再構成体積において前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行する動作とを実行するように適合される、データ処理装置。
- 前記スペクトルは、放射線源が回転面において関心の対象の周りで回転される円形収集の間に収集される、請求項１に記載のデータ処理装置。
- 前記再構成体積が、前記回転面の２つの線形独立ベクトルにより更に決定される、請求項２に記載のデータ処理装置。
- 前記エネルギ分解検出器が、関心の対象により散乱された散乱放射線を測定するように構成され、前記ＣＳＣＴデータが、前記関心の対象により減衰された一次放射線に関する情報を更に有し、減衰の寄与を補正する前処理が実行される、請求項１に記載のデータ処理装置。
- 関心の対象を検査するＣＳＣＴ装置において、前記ＣＳＣＴ装置が、Ｘ線源及び散乱放射線検出器を持つ検出器ユニットと、前記散乱放射線の第１の読み出しに対してフィルタ逆投影を実行するデータプロセッサとを有し、前記検出器ユニットが、前記関心の対象を受ける検査領域を通って延在する回転軸の周りで回転可能であり、前記Ｘ線源が、スライス面において前記検査領域内の前記関心の対象を貫通するように適合された扇形Ｘ線ビームを生成し、前記散乱放射線検出器が、前記検出器ユニットにおいて前記回転軸に平行な方向において前記スライス面に対するオフセットを持つようにして前記Ｘ線源の反対側に配置され、前記散乱放射線検出器が、１ラインに配置された複数の第１の検出器素子を有する第１の検出器ラインを含み、前記複数の第１の検出器素子が、エネルギ分解検出器素子であり、前記データプロセッサが、以下の動作、即ち、前記第１の読み出しを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積において曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記再構成体積内の前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行する動作とを実行するように適合される、ＣＳＣＴ装置。
- 前記散乱放射線検出器は、前記検出器ユニットにおいて、前記散乱放射線源が前記関心の対象から散乱された散乱放射線を受けるように配置されるように、前記回転軸に沿ってオフセットを持つようにして前記スライス面の外に且つ前記スライス面に平行に前記Ｘ線源の反対側に配置され、前記ＣＳＣＴ装置が一次放射線検出器を更に有し、前記一次放射線検出器が、前記関心の対象により減衰された一次放射線を受けるように前記検出器ユニットにおいて前記Ｘ線源の反対側に前記スライス面内に配置され、前記データプロセッサが、前記一次放射線検出器の第２の読み出しを使用することにより減衰の寄与を補正する前処理を実行する、請求項５に記載のＣＳＣＴ装置。
- 前記再構成体積が、波数ベクトル移動量寸法及び前記回転面の２つの線形独立ベクトルにより更に決定される、請求項５に記載のＣＳＣＴ装置。
- ＣＳＣＴデータの再構成を実行する方法において、前記ＣＳＣＴデータがエネルギ分解検出器素子を用いて収集されるスペクトルを有し、前記方法が、前記スペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定するステップと、再構成体積を決定するステップであって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積において曲線を表す、当該再構成体積を決定するステップと、前記再構成体積内の前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行するステップとを有する方法。
- 前記スペクトルは、放射線源が回転面において関心の対象の周りで回転される円形収集の間に収集される、請求項８に記載の方法。
- 前記再構成体積が、前記回転面の２つの線形独立ベクトルにより更に決定される、請求項９に記載の方法。
- 前記エネルギ分解検出器が、関心の対象により散乱された散乱放射線を測定するように配置され、前記ＣＳＣＴデータが、前記関心の対象により減衰された一次放射線に関する情報を更に有し、減衰の寄与を補正する前処理が実行される、請求項８に記載の方法。
- スライス面において検査領域内の前記関心の対象を貫通する扇形Ｘ線ビームを生成するようにＸ線源を作動するステップと、１ラインに配置された複数の第１のエネルギ分解検出器素子を有する第１の検出器ラインを有する散乱放射線検出器を用いて散乱放射線の積分エネルギ測定を実行するステップと、前記散乱放射線検出器からエネルギ測定値を読み出すステップと、前記関心の対象を含む検査領域を通って延在する回転軸の周りで前記Ｘ線源及び前記散乱放射線検出器を回転するステップとを更に有する、請求項８に記載の方法。
- ＣＳＣＴデータの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムにおいて、前記ＣＳＣＴデータがエネルギ分解検出器素子を用いて収集されるスペクトルを有し、前記コンピュータプログラムが、以下の動作、即ち、前記スペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積において曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記再構成体積内の前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行する動作とを前記データプロセッサに実行させるコンピュータプログラム。
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Also Published As
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| WO2005036147A1 (en) | 2005-04-21 |
| US20070019782A1 (en) | 2007-01-25 |
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