JP2008278922A - Ｘ線ｃｔ撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影画像データのダイナミックレンジの調整機能を有するＸ線ＣＴ撮影装置を得る。
【解決手段】撮影開始（Ｓ１０１）により、被写体を乗せた回転台は所定の回転速度で回転を始める（Ｓ１０２）。Ｘ線曝射を開始すると（Ｓ１０３）、異なる解像度を有する２つの領域を持つ二次元Ｘ線センサにより被写体の画像データの収集を行う（Ｓ１０４）。所定数の画像データが収集されるまで撮像が継続され、所定角度毎に撮像された画像データの収集が完了し、回転台の回転を終了する（Ｓ１０５）。
画像データの再構成を行い、再構成画像データを構成する。再構成は二次元Ｘ線センサの第１の領域から出力した電気信号に基づいて第１の再構成画像データを構成し、第２の領域から出力した電気信号に基づいて、第２の再構成画像データを構成する（Ｓ１０６）。そして、第１の再構成画像データと第２の再構成画像データを一定の比率で合成する（Ｓ１０７）。
【選択図】図５

Description

本発明は、２つの異なる領域で特性が異なるＸ線センサを使用するＸ線ＣＴ撮影装置に関するものである。

近年、大画面のデジタルデータを取得するために、Ｘ線撮影用の二次元Ｘ線センサとしても使用されるＦＰＤ（Flat Panel Detector）の開発が進んでいる。特に単純撮影用に、４３ｃｍ・４３ｃｍの大受光面を有する二次元Ｘ線センサを用いた撮影装置が実用化されている状況にある。

また、二次元Ｘ線センサの開発技術の向上もあり、三次元画像データを撮像するＸ線撮影装置として、コーンビームを用いたＣＴ（Computed Tomography）撮影装置が開発されている。Ｚ方向にも広がったコーンビームと称するＸ線ビームを用い、このコーンビームを二次元Ｘ線センサで受像するものである。ファンビームを用いたＣＴ撮影装置に比較して、コーンビームでは１回転での走査で被写体を撮影できる範囲が広いため、回転数が少なくて済み、撮影の効率化が図れる利点がある。しかし、ファンビームを用いたＣＴ撮影装置でも、コーンビームを用いた従来のＣＴ撮影装置でも、Ｘ線センサの特性はその何れの領域でも同一である。

また、二次元Ｘ線センサを用いたＸ線撮影装置では、Ｘ線を電気信号に変換できる範囲であるダイナミックレンジ、つまりＸ線センサが画像信号として変換できるＸ線量の最小値と最大値の比率に制限がある。このため、Ｘ線センサの受光面に到達するＸ線が低線量であれば、Ｓ／Ｎが悪化しＸ線を電気信号として再現できなくなる。逆に、Ｓ／Ｎ特性を上げるために、Ｘ線センサの受光面に到達するＸ線を高線量とすると、センサ出力が飽和又はオーバフローし、Ｘ線画像を電気信号として再現できなくなる。

従って、被写体を撮影する場合に、被写体を透過したＸ線量の最大値と最小値の比がＸ線センサのダイナミックレンジを越えると、そのＸ線センサでは被写体全体を電気信号として再現することが困難になる。

この問題を解決する方法として、特許文献１のように被写体の形状に従って、Ｘ線検出器の感度に分布を持たせる撮影装置が開示されている。

また、Ｘ線センサの出力が飽和又はオーバフローしているときに、その飽和又はオーバフローが生ずる前後のセンサ出力の立ち上がり又は減衰領域の信号から、当該飽和又はオーバフロー領域における推定出力を算出する。そして、これらの定常出力と推定出力を合成して、画像データを作成する撮影装置が特許文献２に開示されている。

特開平６−２５４０８２号公報 特開２００３−２０９７４６号公報

被写体には、肺領域のようにＸ線の透過率が良いが細かな臓器で構成されている領域と、腹部のようにＸ線の透過率が悪いが比較的大きな臓器で構成されている領域がある。また、解像度を上げるとＸ線センサの開口率は下がり、同一の受光Ｘ線量に対するＳ／Ｎが悪化する。逆に、Ｓ／Ｎを改善するためにセンサの開口率を上げると解像度が低下する。

しかし、従来のＸ線ＣＴ撮影装置では、領域ごとに適切な撮影が実施できない。このため、胸部撮影に使用するためには解像度を上げる必要があり、腹部領域では胸部と比較して低解像度の撮影で済むにも拘らず、高解像度のセンサを使用するために解像度を下げた場合に比較して、Ｘ線量を多く被写体に照射する必要がある。

特許文献１に記載される技術をＸ線ＣＴ撮影装置に適用すると、照射Ｘ線中で相対的に被写体が回転するため、回転角ごとに感度分布を変更する必要があり、現実的でない。一方、特許文献２に記載されている飽和又はオーバフロー領域における推定出力を算出する方法では、仮に各投影画像においては僅かな推定誤差であっても、断層再構成の原理上、再構成画像に対して大きな影響を与える可能性がある。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、投影画像データのダイナミックレンジの調整機能を有するＸ線ＣＴ撮影装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るＸ線ＣＴ撮影装置の技術的特徴は、Ｘ線照射手段から被写体に照射されたＸ線を電気信号に変換するＸ線センサと、前記Ｘ線照射手段及び前記Ｘ線センサに対して、前記被写体を相対的に回転する回転手段とを備え、前記Ｘ線センサは少なくとも２つの領域を有し、前記少なくとも２つの領域に同一の強度、線質のＸ線を照射したときに前記Ｘ線センサから出力される電気信号の大きさが前記領域によって異なるようにしたことにある。

本発明に係るＸ線ＣＴ撮影装置では、Ｘ線センサの少なくとも２つの異なる領域からそれぞれ異なる特性の電気信号を得ることができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例のＸ線ＣＴ撮影装置のブロック回路構成図を示している。Ｘ線照射手段であるＸ線管１の出射側には、Ｘ線の強度又は線質を変更する付加フィルタ２が付設され、その前方に被写体Ｐを介して二次元Ｘ線センサ３が配置されている。回転駆動装置４には回転台５が設けられ、回転台５には被写体Ｐを支持する支柱６が設けられている。二次元Ｘ線センサ３の出力はデータ収集回路７、画像処理回路８、再構成回路９を経て表示パネル１０に接続されている。また、制御回路１１の出力はＸ線管１、回転駆動装置４、データ収集回路７、画像処理回路８に接続され、制御回路１１には操作パネル１２の出力が接続されている。

Ｘ線管１及び二次元Ｘ線センサ３は互いに対向して配置され、回転軸Ｏを中心として同期して回転することにより撮像装置が構成され、これらは図示しない機構により上下動可能とされている。特に本実施例では、回転軸上に位置する被写体Ｐに対して左右空間でＸ線の強度又は線質を変更するように構成されている。二次元Ｘ線センサ３はＸ線照射領域内で回転する被写体Ｐを透過したＸ線像を受けて、順次に電気信号に変換する。

図２において、付加フィルタ２は２つの領域２ａ、２ｂに境界線２ｃを境に分離されている。また、二次元Ｘ線センサ３も２つの領域３ａ、３ｂに境界線３ｃを境界として分離されている。線分ＬはＸ線管１の焦点と境界線２ｃ、３ｃのそれぞれの中点を結ぶものであり、この線分Ｌ上を鉛直方向の回転軸Ｏが交叉する。付加フィルタ２の境界線２ｃ及び回転軸Ｏを含む平面と二次元Ｘ線センサ３が交叉する線が境界線３ｃと一致している。

付加フィルタ２の領域２ａ、２ｂは、それぞれ厚みが異なる銅金属（Ｃｕ）で構成されている。これにより、付加フィルタ２を透過したＸ線の透過強度が領域２ａと２ｂで異なり、二次元Ｘ線センサ３の領域３ａ、３ｂに到達する単位時間当りのＸ線量が異なる。透過Ｘ線の強度を変更するための構成は上記に限定されることなく、例えば領域２ａ、２ｂを構成する金属の種類を変えてもよい。この場合に、付加フィルタ２によりＸ線の強度又は線質の何れかが変更される。また、２つの異なるパワーのＸ線管１を用意することでも、二次元Ｘ線センサ３に到達するＸ線の線量又は線質、線量及び線質が異なるように構成することも可能である。

回転台５は回転駆動装置４によりＸ線が照射される被写体Ｐを乗せて、回転軸Ｏを中心として回転する。実施例では、被写体Ｐが回転するようにしているが、被写体Ｐを固定し、回転軸Ｏを中心にＸ線管１及び二次元Ｘ線センサ３を回転するようにすることもできる。

データ収集回路７は二次元Ｘ線センサ３から送付される電気信号を、データ収集回路７内のＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換して、画像データ、投影画像データ等のデジタルデータとして画像処理回路８に供給する。ここで、Ａ／Ｄ変換器を二次元Ｘ線センサ３内に備えることも可能であり、データ収集回路７は画像データを保存するメモリの機能をも有している。

二次元Ｘ線センサ３では、複数の撮像素子が所定時間の電荷を積分蓄積し、蓄積終了後に電気信号として出力し、画像データとしてＡ／Ｄ変換され、電荷の蓄積と掃き出しの組み合わせ毎に画像データが生成される。特に、回転型のＸ線ＣＴ撮影装置では所定の回転角度毎に、画像データを順次に取得する必要があるため、回転角度に同期して蓄積時間を制御する。

Ａ／Ｄ変換器の入出力特性を変更することで、Ｘ線センサ３の単位体積当りに照射されるＸ線の線量と、Ｘ線センサ３から出力される電気信号との関係のゲイン特性を調整することもできる。このゲイン特性とは、Ｘ線センサ３の単位体積当りに照射されるＸ線の線量と、Ｘ線センサ３の１撮像素子から出力された電気信号をＡ／Ｄ変換した後のデジタルデータの画素値との関係であり、デジタルデータをソフト的に変換してもよい。

画像処理回路８はデータ収集回路７からの画像データに対して、オフセット補正処理やゲイン補正処理、ＬＯＧ変換等の前処理を行う。再構成回路９は複数の画像データから、断面画像データ、三次元ボクセルの再構成画像データを再構成し、また各種の演算処理を行い画像データを再構成する。更に、再構成回路９は例えばフィルタ処理、逆投影処理等を行い、再構成画像データを再構成する。

再構成画像データを生成する方法はどのような方法を用いてもよいが、フィルタ処理ではラマチャンドラン関数或いはシェップローガン関数が一般的である。また、フィルタ処理された画像データは逆投影され、このアルゴリズムは例えばフェルドカンプのアルゴリズムを使用するが、これに限定されるものではない。逆投影が完了して再構成画像データが生成されると、断面等は表示パネル１０に表示される。

制御回路１１はＸ線ＣＴ撮影装置の全体を制御する。このようなＸ線ＣＴ撮影装置において、図示しないメインメモリには、制御回路１１での処理に必要な各種のデータなどが記憶されると共に、制御回路１１の作業用としてのワークメモリが含まれている。制御回路１１はメインメモリを用いて、操作パネル１２からの操作に従った装置全体の動作制御等を行う。

ここで、画像処理回路８及び再構成回路９はソフトウエアにより構成することも可能である。この場合には、制御回路１１が供給されたプログラムコードを実行することにより、前述の機能が実現される。また、各回路にサブＣＰＵを設け各回路が自立的に処理を実行するように構成することも可能である。

二次元Ｘ線センサ３のゲイン特性は、Ｘ線センサ３の撮像素子が同一であっても、蛍光体による領域３ａ、３ｂでＸ線を光に変換することによっても変更することができる。このような蛍光体としては、ＣＳＩやＧＯＳ等があり、撮像素子の受光部に貼り付けることができる。

ここで、二次元Ｘ線センサ３は解像度の大きい領域を構成する素子と、解像度の小さい領域を構成する素子とで構成されている。図３は１つ分の撮像素子の開口率と解像度との関係の説明図である。領域Ｓａ、Ｓｂは電荷を蓄積するコンデンサなどで構成され、残りの領域が受光部Ｐａ、Ｐｂである。領域Ｓａ、Ｓｂの大きさは小さいほど開口率を上げることができるが、縮小するには限界がある。このため、撮像素子（Ｐｂ，Ｓｂ）の開口率は、撮像素子（Ｐａ，Ｓａ）の開口率よりも大きくなっている。

同一線量を受光した場合には、開口率の大きな撮像素子（Ｐｂ，Ｓｂ）の方がＳ／Ｎは撮像素子（Ｐａ，Ｓａ）と比較して良くなる。つまり、撮像素子（Ｐｂ，Ｓｂ）で構成される低解像度側の領域である領域Ｓｂのほうが、Ｘ線に対する感度が高くなっている。

図４は解像力が異なる短冊状の小領域の撮像素子を接合して、解像力が異なる大領域のＸ線センサ３とした場合の説明図である。このように、短冊状の小領域のセンサを接合することで、領域３ａ、３ｂで解像度が異なる二次元Ｘ線センサ３が構成される。また、この場合に小領域のセンサ同士の間隔に差を与えても解像度が異なるようにすることができる。

図５は撮影動作のフローチャート図である。撮影開始（ステップＳ１０１）の指令が操作パネル１２から入力されると、制御回路１１を介して回転台５は所定の回転速度で回転を始める（ステップＳ１０２）。ここで、制御回路１１は回転駆動装置４から発生される図示しないエンコーダ信号を監視し、所定の一定速度及び角度に到達したかを確認する。

所定の速度及び角度に到達した時点で、Ｘ線管１に信号を送りＸ線曝射を開始し（ステップＳ１０３）、Ｘ線は付加フィルタ２を介して被写体Ｐに曝射される。同時に、二次元Ｘ線センサ３による画像データの収集をデータ収集回路７を介して行う（ステップＳ１０４）。回転台５が所定の回転角度を回転し、所定数の画像データが収集されるまで撮像が継続される。所定角度毎に撮像された画像データの収集が完了すると、回転台５の回転を終了する（ステップＳ１０５）。

次に、再構成回路９で画像データの再構成を行い、２系統の再構成画像データを構成する。ここで、再構成は二次元Ｘ線センサ３の例えば高解像度である領域３ａから出力した電気信号に基づいて第１の再構成画像データを構成し、低解像度である領域３ｂから出力した電気信号に基づいて、第２の再構成画像データを構成する（ステップＳ１０６）。そして、対応する第１の再構成画像データと第２の再構成画像データを一定の比率で合成する。具体的には、第１の再構成画像データに係数ｋ１を乗算し、第２の再構成画像データにｋ２に乗算する。そして、乗算した画像データを加算する（ステップＳ１０７）。

図６において、Ｘ線管１からのＸ線ｘは略平行線として被写体Ｐに照射され、Ｘ線管１はＸ線ｘが略平行線となるように被写体Ｐから離れた位置に配置されている。Ｘ線ｘは広がりファン角を実際には有しているが、説明のために平行線として説明する。

Ｘ線管１が位置ａにあり、回転軸Ｏに対して対向する二次元Ｘ線センサ３は被写体Ｐに対して相対的に位置ｂにある。このときのＸ線の経路をＡとする。次に、Ｘ線管１が位置ｂにあり、回転軸Ｏに対して対向するＸ線センサ３は位置ａにあるときのＸ線の経路をＢとする。経路ＡとＢは回転軸Ｏから同距離にあるものとする。

つまり、二次元Ｘ線センサ３の領域３ａ上の経路Ａを経由するＸ線を受ける撮像素子は、１８０度回転して経路Ｂを経由するＸ線を受ける。これは他の撮像素子も同様であり、Ｘ線センサ３が３６０度回転することで、領域３ａの出力だけで再構成領域の第１の再構成画像データを得ることができることを示している。同様に、Ｘ線センサ３が３６０度回転することで、領域３ｂの出力だけで再構成領域の第２の再構成画像データを得ることができる。

また、境界線３ｃから同一距離にある領域３ａ、３ｂの撮像素子は、１８０度回転したときに、同一の経路のＸ線を受けていることになる。これは、ファン角を有するファンビームで撮影する場合でも同様に考えることができる。

図５のステップ１０６で得られた第１の再構成画像データは、第２の再構成画像データよりも高解像度であるが、係数ｋ１、ｋ２の比率を変えることで、高解像度の画像と低解像度の画像の比率を適宜に変更して加算することができる。また、第１の再構成画像データは第２の再構成画像データよりも高周波成分の比率が高くなっているため、係数ｋ１、ｋ２の比率を変えることで、加算した再構成画像データの高周波成分と低周波成分の比率を調整することができる。

この効果は、Ｘ線の強度及び線質を同一にしても得られ、これにより腹部領域を中心に診察したいときには低周波成分の比率を上げ、胸部を中心に診察したいときには、高周波成分を比率を上げるようにすればよい。

次に、低解像度の領域３ｂでは開口率の高い撮像素子を使用しているため、領域３ａの撮像素子よりも低線量で撮像することが可能である。従って、付加フィルタ２を挿入して低解像側の領域３ｂに到達するＸ線線量を、領域３ａに比較して低線量にすることができる。この場合には、被写体Ｐの被爆線量を更に減少することができる。

低解像度の領域３ｂは例えば内臓などを主として撮像するために用いる場合があり、この場合は内臓の撮像に有効なＸ線の線質を用いたほうが効果的である。高解像度の領域３ａは例えば肺野などを主として撮像するために用いる場合があり、この場合は肺野の撮像に有効なＸ線の線質を用いたほうが効果的である。

従って、領域３ａ、３ｂに到達するＸ線の線質を変更することで、目的とする再構成画像を得ることができる。線質及び線量を変更する場合には、上記の効果を全て有するように構成することができる。

実施例２は実施例１と画像データの加算方法のみが異なる。従って、実施例１と同一の構成には同じ符号を付している。

図７は実施例２におけるＸ線ＣＴ撮影装置の撮影工程を示すフローチャート図である。ステップＳ２０１〜Ｓ２０５までは図５のステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同じである。

画像処理回路８で２系統の画像データを合成することにより、１つの画像データを生成する（ステップＳ２０６）。２系統の画像データとは、二次元Ｘ線センサ３の領域３ａから出力した第１の画像データＤ１と、二次元Ｘ線センサ３の領域３ｂから出力した第２の画像データＤ２である。付加フィルタ２の領域２ａ及び２ｂの材質や厚みを調整することにより、例えば領域３ａには比較的強度の大きな放射線を照射し、領域３ｂには比較的強度の小さな放射線を照射する。

二次元Ｘ線センサの出力特性が線形である場合に、２種類の画像データＤ１とＤ２の間に比例関係が成立し、その比例定数ｋは領域３ａに照射されたＸ線の強度と領域３ｂに照射されたＸ線の強度の比に基づいて定まる。

ただし、この比例関係Ｄ１＝ｋ・Ｄ２が成立するのは、画像データＤ１、Ｄ２共にＸ線センサ３の有効なダイナミックレンジに収まっている場合である。広いダイナミックレンジを持つ被写体Ｐを撮影する場合には、一般にＸ線センサ３の有効なダイナミックレンジに収まらない。強度の大きな放射線が照射された画像データＤ１の一部画素は飽和し、強度の小さな放射線が照射された画像データＤ２の一部画素は、Ｓ／Ｎの悪化により正しい信号を検出できず、比例関係Ｄ１＝ｋ・Ｄ２は成立しない。

そこで、例えば予めＸ線センサ３の特性を解析して、低信号側の検出限界Ｌと高信号側の飽和限界Ｈを求めておき、Ｈ＞ｋ・Ｌとなるように比例係数ｋを調節、即ち照射するＸ線の強度比を調節する。これにより、広いダイナミックレンジを持つ１つの画像データＤ３を次のように合成することができる。
Ｄ３＝Ｄ１（信号値＜Ｈ）
＝ｋ・Ｄ２（信号値≧Ｈ）

ここで、比例係数ｋを大きく設定するほど、画像データＤ３のダイナミックレンジが広がることは云うまでもない。

このステップＳ２０６における２系統の画像データは、例えば二次元Ｘ線センサ３の領域３ａ、３ｂのゲイン特性を異なるものとし、Ｘ線の強度を同一とした場合に、ダイナミックレンジを持つ１つの画像データを合成できる。更に、例えばゲイン特性とＸ線強度の両方を異なるものとした場合についても同様である。

最後に、再構成回路９が画像データＤ３から再構成画像データを構成し（ステップＳ２０７）、Ｘ線ＣＴ撮影装置の動作を終了する。

本実施例２によれば、Ｘ線の強度が異なる２系統の画像データを合成することで、ダイナミックレンジの拡張が可能であり、二次元Ｘ線センサ３が備えるダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する被写体の撮影を可能とすることができる。

実施例１のブロック回路構成図である。 付加フィルタを介してＸ線センサにＸ線を照射する説明図である。 Ｘ線センサを構成する素子の開口率と解像度の関係の説明図である。 解像力が異なる短冊状の小領域のセンサを接合して、解像力が異なる大領域のセンサを構成する場合の説明図である。 処理フローチャート図である。 再構成原理の説明図である。 実施例２の処理フローチャート図である。

符号の説明

１ Ｘ線管
２ 付加フィルタ
３ 二次元Ｘ線センサ
４ 回転駆動装置
５ 回転台
７ データ収集回路
８ 画像処理回路
９ 再構成回路
１０ 表示パネル
１１ 制御回路
１２ 操作パネル
Ｐ 被写体

Claims (10)

1. Ｘ線照射手段から被写体に照射されたＸ線を電気信号に変換するＸ線センサと、
   前記Ｘ線照射手段及び前記Ｘ線センサに対して、前記被写体を相対的に回転する回転手段とを備え、
   前記Ｘ線センサは少なくとも２つの領域を有し、前記少なくとも２つの領域に同一の強度、線質のＸ線を照射したときに前記Ｘ線センサから出力される電気信号の大きさが前記領域によって異なるようにしたことを特徴とするＸ線ＣＴ撮影装置。
2. 前記Ｘ線センサの２つの領域の境界線は前記回転手段の回転軸の方向と平行にした請求項１に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
3. 前記Ｘ線センサは複数の撮像素子を有し、境界線を境として前記２つの領域に分け、前記２つの領域において前記撮像素子の間隔が異なるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
4. 前記Ｘ線センサは複数の撮像素子を有し、境界線を境として前記２つの領域に分け、前記２つの領域において前記撮像素子の開口率が異なることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
5. 前記Ｘ線センサは複数の撮像素子を有し、境界線を境として前記２つの領域に分け、前記２つの領域において前記撮像素子のゲイン特性を異なるようにした請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
6. 前記Ｘ線センサの前記２つの領域からのそれぞれの出力に基づいて、２種類の再構成画像データを再構成する再構成手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
7. 前記２種類の再構成画像データの値を一定の比率で加算する加算手段を備えることを特徴とする請求項６に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
8. 前記２種類の再構成画像データで対応する位置の画素値を、それぞれの画素値に基づく比率により加算する加算手段を備えることを特徴とする請求項６に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
9. 前記Ｘ線照射手段の出射側にＸ線の強度又は線質を前記回転手段の回転軸の方向と平行な境界線を境とした左右の空間で異なるようにする付加フィルタを設けたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１つの請求項に記載のＸ線ＣＴ撮影装置。
10. 請求項１〜９のうちの何れか１つの請求項に記載のＸ線センサ。

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