JP2009106753A - コンピュータ断層撮影装置、再構成処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、サンプリング密度を実質的に高めて、風車アーティファクトを抑制することにある。
【解決手段】本発明のある局面は、フライング焦点を有するＸ線源３と、Ｘ線源からＸ線を検出するように配置されたＸ線検出器５と、検出器から発生された投影データを収集するユニット１１と、投影データに基づいて補間インタレーシング処理とともに画像を再構成するように構成された再構成処理装置１２と、画像を表示する表示装置１４とを具備するコンピュータ断層撮影装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンピュータ断層撮影装置（ＣＴ）に係り、特にインタレース式データアップサンプリングによるＣＴ再構成に関する。

ヘリカルマルチスライスＣＴシステムによって作成される画像は、中間ヘリカルピッチ値と高ヘリカルピッチ値で走査されたときに異なるタイプのアーティファクトを示す。このアーティファクトは、軸方向に大きさが変化する構造物のまわりに明るい領域と暗い領域とが交互に現われる。このアーティファクトの形は、風車の羽根に似ており、従って、「風車（windmill）」アーティファクトと名付けられている。

風車アーティファクトの原因は、検出器による軸方向でサンプリングが不十分なことである。検出器の軸方向のサイズを小さくすることによって軸方向サンプリング（分解能）を高めることができる場合に、風車アーティファクトを減少させることができる。しかしながら、これは、検出器が既に現在の技術レベルによって支援される最小の限界にあるため、実際的な代替策ではない。

検出器のサイズを物理的に小さくせずに軸方向サンプリングを高める１つの方法は、特許文献１に記載され図１に示されたフライング焦点を有するＸ線管を実現することである。Ｒ_EBは、陽極上の半径方向の電子ビームの位置を表わし、陽極の傾斜形状により軸方向の対応する焦点位置ｚ_fsを有する。ＳＯＤはＸ線源−対象物間距離を表し、ＳＤＤはＸ線源−検出器間距離を表している。検出器サイズは、アイソセンタにおける換算サイズｗで取り扱われる。電子ビーム位置Ｒ_EBがＺ軸前後に±ΔＳＯＤだけ振れると、軸方向のｚ_fs＝±δに２つの焦点（実際のＸ線源−対象物間距離ＳＯＤ±ΔＳＯＤとＸ線源−検出器間距離ＳＤＤ±ΔＳＯＤを有する）が生じる。アイソセンタにおける検出器幅の４分の１のオフセットを作成するようにδを計算するときは、次の式に従う（非特許文献１を参照）。

隣り合ったビューの検出器セグメントは、それらの幅の半分重なる。

検出器の幅がｗのままなので、フライング焦点データをそのまま単に逆投影すると、軸方向サンプリング密度は二倍にならず、風車アーティファクトがほとんど減少しない。

同じ用途のための先行技術として、実施態様では、正確であるが、投影データは、縦方向とアジマス方向の両方にリビンニング（rebin）され平行な形状に再サンプリングされ、そして再構成される（非特許文献２と非特許文献１を参照）。非特許文献３では、フライング焦点の平行再構成アルゴリズムの再ビンニングと再サンプリングについて説明している。再ビンニングと再サンプリングは、コーンビーム形状にあまり適していない時間のかかる処理である。また、これは、非フライング焦点の場合と同じ信号対雑音比を得るのに約２倍のビュー数を必要とする。

一般的なゼロインタレーシングの応用例は、デジタル信号のデータ転送速度を高めることである（非特許文献４を参照。これは「ゼロパッキング」とも呼ばれる）。デジタル信号が周期Ｔでサンプリングされる場合、アップサンプリングされたデータ値にゼロを代入し、ＦＦＴを行い、低域フィルタにかけ、次に逆ＦＦＴを行うことによって、データをＮからＴ／Ｎの係数によってアップサンプルすることができる。しかしながら、これにより得られたアップサンプル値は補間値であり、サンプリング密度の真の増大を意味しない。フライング焦点なしに実施された場合は、風車アーティファクトにほとんど影響しない。

ＣＴに適用される「ゼロインタリービング」技術は、非特許文献５に記載されている。この技術では、チャネル方向のデータのゼロインタリービングを使用して、横断分解能を改善する光線オフセット技術のより高速なバージョンを実現した。これは、フライング焦点アルゴリズムではなく、また軸方向のサンプリングを高めない。更に、上記手法と同じように、この技術は、平行ジオメトリへの再ビンニングと再サンプリングを必要とする。
米国特許第６，２５６，３６９号 Stierstorfer Flohr "A Reconstruction Procedure for CT Systems with z-Sharp Technology" Proc.8th Annual Meeting on Fully Three Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine, July 2005, pp.28-30 Kachelreiβ, Knaup, Penfβellm and Kalender "Flying Focal Spot in ConeBeam CE" IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.53, No.3, June, 2006, pp.1238-1247 Shechter, Koehier, Altman and Proksa "High-Resolution Images of Cone-Beam Collimated Scans" IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.52, No.1, February, 2005, pp.247-255 Elliot, Douglas, ed., Handbook of Digital Signal Processing: Engineering Applications, Academic Press, Inc., 1987, pp.234-237 Shechter, Koehler, Altman, and Proksa, "High-Resolution images of Cone-Beam Collimated Scans," IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.52, No.1, February, 2005, pp.247-25

本発明の目的は、サンプリング密度を実質的に高めて、風車アーティファクトを抑制することにある。

本発明のある局面は、フライング焦点を有するＸ線源と、前記Ｘ線源からＸ線を検出するように配置されたＸ線検出器と、前記検出器から発生された投影データを収集するユニットと、前記投影データに基づいて補間インタレーシング処理とともに画像を再構成するように構成された再構成処理装置と、前記画像を表示する表示装置とを具備するコンピュータ断層撮影装置を提供する。

本発明によれば、サンプリング密度を実質的に高めて、風車アーティファクトを抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、本実施形態によって処理されるデータを取得するためのＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す。ガントリ１によって構成された投影データ測定システムは、略角錐等のＸ線束のコーンビームを生成するＸ線源３と、２次元的に配列された複数の検出素子、即ち１次元に配列され複数の検出素子からなる検出器素子列を、複数列体軸方向に沿って並べた２次元アレイ型Ｘ線検出器５とを収容する。Ｘ線源３は、フライング焦点を可能に構成されたものであり、電子ビームを偏向制御することにより、回転陽極部上の焦点の位置を移動することができるように構成されている。

Ｘ線源３と２次元アレイ型Ｘ線検出器５は、ベッド６の天板上に乗せられた被検体を挟むように対向して設けられている。２次元アレイ型Ｘ線検出器５は、回転式リング２に取り付けられており、被検体の周囲を回転するように設けられている。各検出器要素は１つのチャンネルに対応する。Ｘ線源３からのＸ線は、Ｘ線フィルタ４を介して被検体に照射される。被検体を透過したＸ線は、２次元アレイ型Ｘ線検出器５によって電気信号として検出される。

Ｘ線コントローラ８は、高電圧発生器７にトリガ信号を供給する。高電圧発生器７は、トリガ信号を受け取ったタイミングでＸ線源３に高電圧を印加する。これによりＸ線源３からＸ線が放射される。ガントリ／ベッドコントローラ９は、ガントリ１の回転式リング２の回転と、ベッド６の天板の被検体（患者）の体軸方向（セグメント方向）に沿った移動を同期的に制御する。システムコントローラ１０は、システム全体の制御を行うように構成され、Ｘ線コントローラ８とガントリ／ベッドコントローラ９を制御し、その結果、被検体から見たときに、Ｘ線源３は、いわゆる螺旋状スキャンを実行し、螺旋経路に沿って移動する。具体的には、回転リング２は、一定の角速度で連続的に回転し、天板は、一定の速度で移動され、Ｘ線は、Ｘ線源３からの一定の角度間隔で連続的または断続的に放射される。

２次元アレイ型Ｘ線検出器５の出力信号は、各チャネルのデータ収集ユニット１１によって増幅され、デジタル信号に変換されて、投影データとして出力される。本発明では、第１のビュー位置、Ｘ線管の第１の焦点位置に対応する第１の投影データ、第１のビューとは異なる位置の第２のビュー位置、Ｘ線管の第１の焦点位置とは異なる第２の焦点位置に対応する第２の投影データを含むように投影データが収集される。データ収集ユニット１１からの投影データ出力は、処理装置１２に供給される。処理装置１２は、投影データを使用して様々な処理を実行する。処理装置１２は、補間インタレーシング処理（後述する）、逆投影処理、および再構成処理を実行する。補間インタレーシング処理では、上述の第１の投影データと前記第２の投影データを補間インタレーシング処理することにより、元の投影データより分解能の高い投影データを生成する。

Ｘ線コーンビームを使用するヘリカル走査システムでは、撮像領域（有効視野）は、回転軸を中心とする半径o)の円筒形状のものである。装置１２は、この撮像領域内に複数のボクセル（３次元画素）を定義し、各ボクセルごとの逆投影処理を行なう。この逆投影データを使用することによって生成された３次元画像データまたは断層撮影画像データは、表示装置１４に送られ、そこで、３次元画像または断層撮影画像として視覚的に表示される。

図３は、本発明の第１の実施形態による補間インタレーシングアルゴリズムのブロック図である。入力データＰＤ[]は、ログ変換後の畳み込み投影データであり、各補間ビューｖは、入力ビューｖとｖ＋１から作成される。出力パラメータは、次の式で与えられる。

ここで、ＮＳｅｇとＮＳｅｇ_FFSは、セグメントの入出力数であり、β[ｖ]は、ビューｖでの視野角である。

データの補間インタレーシングを次の式８で示す。

ここで、ｎ＝ｉｎｔ（ｓ／２），Ａ＝ｉｎｔ（（ｓ−１）／２）であり、Ｗ_II1とＷ_II2は補間重みであり、ｅｖｅｎ（ｓ）は、ｓが偶数の場合は１であり、ｓが奇数の場合は０である。重みＷ_II1とＷ_II2は、Ｗ_II1＋Ｗ_II2＝１になるように選択される。通常、Ｗ_II1＝０．５とＷ_II2＝０．５を使用するが、他の重みの選択も可能である。また、式（８）で、パラメータｃ、ｓ、ｖはそれぞれ、チャネル方向、セグメント方向、およびビュー方向（Ｘ線管の回転位置を表す方向）の座標を表す。代表的なＣＴシステムでは、検出器は、約１０００チャネル（１つの検出器列当たりの検出器）、６４セグメント（検出器列）を有し、また１回転当たり約１０００ビュー（投影）を収集する。

２つのビューは、式（８）に従って補間され、補間ビューが得られる。装置１２内で実行されるデータ処理および再構成プロセスは、補間済みビューを使用して実行される。補間後、再構成で使用される実効焦点位置（ｚｆｓ_II）とＸ線源−対象物間距離（Ｒ_{EB_II}によって決定される）が公称値であることに注意されたい。

補間関数は、ビューｖおよびｖ＋１の軸方向の配向（orientation）に依存する。２つのビューのフライング焦点の位置により２つの配向が可能である。それらの向きを図４に示す。図４では、分かりやすくするために１行のチャネルを示しているが、補間がすべてのチャネルにわたって等しく実行されることに注意されたい。有効な焦点位置が、連続したビューによって＋δと−δの間で変動するので、配向もビューによって変動する。

補間後に、再構成に使用される実効焦点位置（ｚｆｓ_II）とＸ線源−対象物間距離（Ｒ_{EB_II}によって決定される）が公称値であることに注意されたい。第１の実施形態は、ｚ（軸、セグメント）方向の焦点位置を有するデュアルフライング焦点位置Ｘ線管による補間インタレーシングを含む。また、軸方向と横断（チャネル）方向の両方に４つの焦点を有するＸ線管も存在する。代替の実施形態は、横断チャネル方向のインタレーシングと、軸方向と横断方向両方のインタレーシングを含む。

第１の実施形態は、フェルドカンプ（Feldkamp）型フィルタ補正逆投影再構成アルゴリズムにより実施されることが好ましい。代替の実施形態は、フライング焦点Ｘ線管によって得られたデータの任意の再構成アルゴリズムで実現することができる。そのような再構成アルゴリズムには、他のフィルタ補正逆投影法アルゴリズム、厳密法（Katsevitchらによって説明されているような）と統計的再構成アルゴリズムがある。

第１の実施形態は、第３世代コーンビーム型ジオメトリで実施される。代替の実施形態は、第４世代ジオメトリのフライング焦点Ｘ線管によって得られたデータの任意のジオメトリ（平行ビームまたは第１、第２世代を含む）により実現することができる。

第１の実施形態は、図１に示したように向けられたフライング焦点Ｘ線管陽極によって実施され、正の焦点位置δは、負のΔＳＯＤと関連付けられる。代替の実施形態は、図１と上下逆の陽極を有するＸ線管を含み、ここで、正の焦点位置δは、正のΔＳＯＤと関連付けられる。

更に２つの代替の修正が可能である。第１に、本実施形態は、逆投影の一部として実施され、第２に、逆投影前の別のプロセスとして実施される。両方のケースでは、インタレーシングは、ポストログされた畳み込みデータに実行される。第１の実施形態の他の修正は、畳み込み前などの処理チェーンの様々な部分への組み込みを含む。

第１の実施形態は、迅速かつ単純であり、固有のＸ線システムジオメトリで動作し、データの再ビンニングまたは再サンプリングを必要とせず、同じ信号対雑音比を得るためにビューの数を２倍にする必要がない。

図５に、第２の実施形態を示す。この実施形態は、ゼロインタレーシング技術を使用する。ＰＤ[]は、ポストログされた畳み込み投影データであり、インタレーシングプロセスによってセグメント幅をｗからｗ_FFSに半分にする他に、投影データのセグメントの数は、ＮＳｅｇからＮＳｅｇ_FFSに２倍にされる。本発明は、ゼロインタレーシングと重み付けゼロインタレーシング（ゼロインタレーシングは、実際には、重みゼロで重み付けされたゼロインタレーシングであるが）の２つの形態で示されたインタレーシングプロセスからなる。インタレーシングされた後で、各ビューは、再構成パラメータとしてｗ_FFS、ＮＳＥＧ_FFS、ＳＯＤ±ΔＳＯＤ、およびＢＰＳｃａｌｅ_ZIとして再構成され、ここで、ＢＰＳｃａｌｅ_ZIは、インタレース値を補償する逆投影倍率である。

図６に、隣り合ったビューのゼロインタレーシングの詳細を示す。ゼロインタレーシング列は、次の式（９）で与えられるような焦点位置ｚ_fsの関数である。

次に、ゼロインタレース投影データは、焦点位置により、ＳＯＤ＋ΔＳＯＤかＳＯＤ−ΔＳＯＤのいずれかで逆投影される。この場合、ＢＰＳｃａｌｅ_ZI＝２／ＢＰＳｃａｌｅを使用しており、ＢＰＳｃａｌｅは、システム（装置１２）によって提供され、管電圧や畳み込みカーネルなどの多くのパラメータに依存する。

図７に重み付けゼロインタレーシングアップサンプリングが示され、次の式（１０）に従って実行される。

図７は、４から８にアップサンプリングされたＮＳｅｇの事例を示し、「Ｐ」は、ｚ_fs＝＋δで取得されたセグメントを表し、「Ｍ」はｚ_fs＝−δで取得されたセグメントを表す。実線は、重み１による補間を表わし、破線は、重みＷ_ZIによる補間を表わす。

Ｗ_ZIを０．０から０．５に変化させて、分解能と風車アーティファクト削減とのトレードオフを制御することができる。Ｗ_ZI＝０．０（ゼロインタレーシング）を選択すると、達成し得る最良の分解能が得られるが、サンプリングパターンが最適でないために、エイリアシングアーティファクトが増大し、風車アーティファクト削減があまり強力でない。Ｗ_ZIを大きくすると風車アーティファクト削減が大きくなるが、分解能が低下する（しかし、分解能は、フライング焦点のない場合と比べて改善されたままである）。Ｗ_ZI＝０．５の場合、サンプリングパターンは、所定の捕捉ジオメトリに最適になり、風車アーティファクトが最も大きく減少する。従って、風車アーティファクトの減少と軸方向分解能の改善を最も両立できるようにＷ_ZIを最適化することができる。

逆投影スケーリング係数もＷ_ZIの関数である。

第２の実施形態は、ｚ（軸、セグメント）方向の焦点位置を有する２つのフライング焦点位置Ｘ線管によるゼロインタレーシングまたは重み付けゼロインタレーシングを組み入れる。また、軸方向と横断（チャネル）方向に４つの焦点を有するＸ線管も存在する。第２の実施形態の修正は、横断チャネル方向のインタレーシングと、軸方向と横断方向両方のインタレーシングを含む。

第２の実施形態は、フェルドカンプ型フィルタ補正逆投影再構成アルゴリズムで実施されることが好ましい。フライング焦点Ｘ線管により得られるデータの任意の再構成アルゴリズムを使用することができる。そのような再構成アルゴリズムには、他のフィルタ補正逆投影アルゴリズム、厳密法（Katsevitchらにより述べられているような）、および統計的再構成アルゴリズムがある。

第２の実施形態は、第３世代コーンビーム型ジオメトリで実施される。また、第４世代ジオメトリのフライング焦点Ｘ線管により得られたデータの任意のジオメトリ（平行ビームまたは第１、第２世代を含む）を第２の実施形態と共に使用することができる。

この実施形態は、図１に示したように向けられたフライング焦点Ｘ線管陽極によって実施され、ここで、正の焦点位置δは、負ΔＳＯＤと関連付けられる。代替の実施形態は、図１と上下逆の陽極を有するＸ線管を含み、ここで、正の焦点位置δは、正のΔＳＯＤと関連付けられる。

アルゴリズムは、（１）逆投影の一部として実施されるものと、（２）逆投影前の別のプロセスとして実施されるものの２つの修正が可能である。両方の事例で、インタレーシングは、ポストログされた畳み込みデータに実行される。他の代替の実施形態は、畳み込み前など処理チェーンの様々な部分への組み込みを含む。

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。

フライング焦点ジオメトリを示す図である。 本発明によるシステムの図である。 本発明の第１の実施形態によるインタレーシング処理の図である。 隣り合ったビューの軸方向空間の配向を得られた補間ビューと共に示す図である。 本発明の第２の実施形態によるインタレーシング処理の図である。 投影データのゼロインタレーシングを示す図である。 重み付けしたゼロインタレーシングアップサンプリングを示す図である。

符号の説明

７…発生器、８…Ｘ線コントローラ、９…ガントリー／ベッドコントローラ、１０…システムコントローラ、１１…データ収集ユニット、１２…処理ユニット、１４…表示装置。

Claims (13)

1. 回転陽極部上の第１の焦点位置と第２の焦点位置を移動可能に構成されたＸ線源と、
   前記Ｘ線源からＸ線を検出するように配置されたＸ線検出器と、
   第１のビュー位置で、第１の焦点位置に対応する第１の投影データを収集し、第１のビューとは異なる位置の第２のビュー位置で、第２の焦点位置に対応する第２の投影データを収集する収集するユニットと、
   前記第１の投影データと前記第２の投影データを補間インタレーシング処理することにより、前記第１の投影データと前記第２の投影データより分解能の高い投影データを生成し、その分解能の高い投影データを再構成処理して画像を生成する再構成処理手段と、
   前記画像を表示する表示装置とを具備するコンピュータ断層撮影装置。
2. Ｘ線フライング焦点を有するＸ線源と、
   前記Ｘ線源からＸ線を検出するように配置されたＸ線検出器と、
   前記検出器から発生された投影データを収集するユニットと、
   前記投影データに基づいて補間インタレーシング処理とともに画像を再構成するように構成された再構成処理装置と、
   前記画像を表示する表示装置とを具備するコンピュータ断層撮影装置。
3. 前記再構成処理装置は、
   

   

   前記投影データを補間し、
   ここで、補間データＰＤ_II［ｃ，ｓ，ｖ］は、投影データＰＤ［ｃ，ｓ，ｖ］から生成され、ｃはチャネルであり、ｓはセグメントであり、ｖはビューであり、ｎ＝ｉｎｔ（ｓ／２），Ａ＝ｉｎｔ（（ｓ−１）／２）、Ｗ_II1とＷ_II2は補間重みであり、ｅｖｅｎ（ｓ）は、ｓが偶数の場合に１であり、ｓが奇数の場合に０である請求項２に記載のコンピュータ断層撮影装置。
4. 前記補間重みＷ_II1とＷ_II2は、Ｗ_II1＋Ｗ_II2＝１になるように選択される請求項３に記載のコンピュータ断層撮影装置。
5. 前記補間重みＷ_II1＝０．５とＷ_II2＝０．５である、請求項３に記載のコンピュータ断層撮影装置。
6. 前記補間インタレーシング処理は、ゼロインタレーシングアップサンプリング処理を含み、
   

   

   により前記投影データを補間し、
   ここで、補間データＰＤ_ZI［ｃ，ｓ’，ｖ］は、投影データＰＤ［ｃ，ｓ，ｖ］から生成され、ｃはチャネルであり、ｓはセグメントであり、ｖはビューであり、ｚ_fsは実効焦点位置であり、δは実効焦点偏差である請求項２に記載のコンピュータ断層撮影装置。
7. 前記補間インタレーシング処理は、重み付けゼロインタレーシングアップサンプリング処理を含み、
   

   

   により前記投影データを補間し、
   ここで、補間データＰＤ_ZIw［ｃ，ｓ’，ｖ］は、投影データＰＤ［ｃ，ｓ，ｖ］から生成され、ｃはチャネルであり、ｓはセグメントであり、ｖはビューであり、ｚ_fsは実効焦点位置であり、δは実効焦点偏差であり、Ｗ_ZIは重みである請求項２に記載のコンピュータ断層撮影装置。
8. 被検体にフライング焦点を有するＸ線源からのＸ線を照射する段階と、
   前記Ｘ線から投影データを収集する段階と、
   前記投影データに基づいて補間インタレーシング処理とともに画像を再構成する段階と、
   前記画像を表示する段階とを有するコンピュータ断層撮影装置の再構成処理方法。
9. 前記補間インタレーシング処理は、
   

   

   により実行され、
   ここで、補間データＰＤ_II［ｃ，ｓ，ｖ］は、投影データＰＤ［ｃ，ｓ，ｖ］から生成され、ｃはチャネルであり、ｓはセグメントであり、ｖはビューであり、ｎ＝ｉｎｔ（ｓ／２），Ａ＝ｉｎｔ（（ｓ−１）／２）、Ｗ_II1とＷ_II2は補間重みであり、ｅｖｅｎ（ｓ）は、ｓが偶数の場合に１であり、ｓが奇数の場合に０である請求項８に記載の方法。
10. 前記補間重みＷ_II1とＷ_II2を、Ｗ_II1＋Ｗ_II2＝１になるように選択する段階をさらに有する請求項９に記載の方法。
11. 前記補間重みＷ_II1＝０．５とＷ_II2＝０．５を選択する段階をさらに有する請求項９に記載の方法。
12. 前記補間インタレーシングを実行する段階は、
    

    

    によりゼロインタレーシングアップサンプリングを実行する段階を有し、
    ここで、補間データＰＤ_ZI［ｃ，ｓ’，ｖ］は、投影データＰＤ［ｃ，ｓ，ｖ］から生成され、ｃはチャネルであり、ｓはセグメントであり、ｖはビューであり、ｚ_fsは実効焦点位置であり、δは実効焦点偏差である請求項８に記載の方法。
13. 前記補間インタレーシング処理を実行する段階は、
    

    

    により、重み付けゼロインタレーシングアップサンプリングを実行する段階を有し、
    ここで、補間データＰＤ_ZIw［ｃ，ｓ’，ｖ］は、投影データＰＤ［ｃ，ｓ，ｖ］から生成され、ｃはチャネルであり、ｓはセグメントであり、ｖはビューであり、ｚ_fsは実効焦点位置であり、δは実効焦点偏差であり、Ｗ_ZIは重みである、請求項８に記載の方法。

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