JP2009538203A - 半サイクルクローズド型螺旋軌道を有する円錐ビームｃｔ - Google Patents

Abstract

断層撮影装置（１０）は、放射線源（２０）と、少なくとも１つの放射線感知検出器（３０）と、再構成システム（４０）とを含んでいる。放射線源（２０）はｚ軸（１６）に沿って移動し、撮像領域（３２）の周りでの放射線源（２０）の回転周波数の約半分の周波数を有する撮像領域（３２）の周りの放射線源（２０）の約二回転に一致して、開始位置へと戻る。少なくとも１つの放射線感知検出器（３０）は、放射線源（２０）により放射されて撮像領域（３２）内の関心ボリューム（５２）を横断した放射線を検出し、検出された放射線を表すデータを生成する。再構成システム（４０）は、検出されたデータを再構成し、関心ボリューム（５２）内の被検体の画像を生成する。

Description

本発明は医用撮像システムに関する。本発明は特に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、より具体的には、放射線検出器を効率的に用いて関心ボリューム（ＶＯＩ）の実質的に完全なサンプリングを得るＣＴ撮像手法に適用される。

円錐ビームＣＴでは、ＶＯＩを再構成するために、ＶＯＩの完全なデータセット又はサンプリングが用いられ得る。撮像領域の周りの円形（又はアクシャル）放射線源軌道（経路、軌跡など）を用いる従来の円錐ビームＣＴスキャン技術は、完全なサンプリングを提供することができない。代わりに、得られるデータセットは、標本ＶＯＩへの何れかの端部でのサンプリングが不完全であるという点で完全ではない。円形軌道を用いて完全なサンプリングを実現する一手法は、複数の円形スキャン及び／又はラインスキャンを実行した後に、これらのスキャンを組み合わせることである。

代替的な一手法においては、ＶＯＩの完全なサンプリングを達成するために、サドル（鞍）状の放射線源軌道が使用される。このようなサドル状軌道は非特許文献１に記載されている。しかしながら、サドル状軌道の場合、放射線検出器のｚ方向の幅が、円形軌道の場合に用いられる検出器幅より大きくなってしまう。これは、より大きい放射線源軌道のためである。故に、サドル状軌道で完全なサンプリングを達成することは、検出器効率の低下という犠牲を伴う。検出器サイズの増大は、ＣＴシステムを製造するコストの全体的な上昇をもたらし得る。放射線検出器はこのようなシステムの総コストのうち、かなり大きい割合を占めるからである。
Pack等、「Investigation of a saddle trajectory for cardiac CT imaging in cone-beam geometry」、2004年、Phys. Med. Biol.、第49巻、第11号、p.2317-2336

従来技術に伴う上述の問題を鑑みるに、これら及びその他の問題を軽減しながら、ＶＯＩを再構成するために使用する完全なＶＯＩサンプリングを収集する改善技術が依然として望まれる。

一態様に従って、放射線源、少なくとも１つの放射線感知検出器、及び再構成システムを有する断層撮影装置が開示される。放射線源はｚ軸に沿って移動し、撮像領域の周りでの当該放射線源の回転周波数の約半分の周波数を有する撮像領域の周りの当該放射線源の約二回転に一致して、開始位置へと戻る。前記少なくとも１つの放射線感知検出器は、放射線源により放射されて撮像領域内の関心ボリュームを横断した放射線を検出し、検出された放射線を表すデータを生成する。再構成システムは、検出されたデータを再構成し、関心ボリューム内の被検体の画像を生成する。

図１を参照するに、医用撮像システム１０が例示されている。医用撮像システム１０は様々な技術を用いて、検出器を効率的に使用しながら、被検体の関心領域又は関心ボリュームの好適データと、それからの、関心領域又は関心ボリュームの画像スライス群、多次元レンダリング表示又はその他表示とを収集する。例えば、医用撮像システム１０は、被検体の周りの１つ以上の異なるｘ線源軌道、経路、軌跡などを用いながら、被検体を照射し、透過放射線、散乱放射線などを検出することができる。このような軌道の例には、円形（又はアクシャル）、円形／ライン状、サドル状、楕円形、螺旋セグメント状、半サイクルクローズド型螺旋状、及び／又はこれらの派生形や、その他の軌道経路が含まれる。

半サイクルクローズド型螺旋軌道を用いると、医用撮像システム１０は、（例えば、１８０°再構成法によって）ＶＯＩの画像を生成するために、関心ボリューム（ＶＯＩ）の完全なデータセット、すなわち、完全なサンプリングを（例えば、単一の非連続的でない動作にて）収集することができる。この収集は、検出器を効率的に使用すること（例えば、ｚ軸方向の検出器幅を最小化する等）、ガントリーの回転数（ひいては、スキャン時間及び／又は患者被曝量）を低減すること、及び／又は再現しやすさを増大させること、とともに達成され得る。

図示のように、医用撮像システム１０はＣＴスキャナ１２を含んでいる。ＣＴスキャナ１２は、ｚ軸１６を中心にして回転する回転式ガントリー１４を含んでいる。回転式ガントリー１４は１つ以上のｘ線管１８を支持しており、ｘ線管１８は、１つ以上の放射線源２０の例えば焦点などの１つ以上の位置にて、少なくとも１つの放射線ビーム（例えば、円錐状、扇状など）を発生する。これら焦点の１つ以上は、ガントリー１４の周囲でのｘ線管１８の回転中に複数の位置に急にシフトあるいは偏向し得るという点で、動的であってもよい。

一例において、放射線源２０は少なくともｚ軸１６方向に移動可能である。この移動は、ｘ線管１８をｚ軸に沿って物理的あるいは機械的に移動させること、従って、放射線源２０をｚ軸１６に沿ってスイープすることによって達成されてもよいし、且つ／或いはｘ線管１８の電子ビームを、それがｚ軸に沿った様々な位置でｘ線管１８の陽極に突き当たるように偏向させることによって電子的に達成されてもよい。ｘ線管１８及び放射線源２０のｚ軸１６に沿った物理的な移動は、所望の放射線源軌道又は軌跡が得られるように、ガントリー１４の回転運動と協調させられる。ガントリー軌道記憶部２２はスキャナ１２の軌道経路を格納する。図示のように、好適軌道は、より詳細に後述する半サイクルクローズド螺旋（half-cycle closed helical；ＨＣＣＨ）軌道２４と、必要に応じてのその他の軌道とを含む。

ガントリー１４はまたｘ線感知検出器３０を支持している。ｘ線感知検出器３０は、ｘ線源１８に対向する或る角度の弧を定め、ｘ線源１８との間に撮像領域３２を画成するように、ガントリー１４に配置されている。図示のように、検出器３０は第３世代構成にて配置されている。しかしながら、ここでは、第４世代、静止ソースシステム、電子ビームスキャナ、及び／又はその他のシステム配置構成を含むその他の検出器配置も意図される。検出器３０の各々は、１つ以上の単一スライス領域又はマルチスライス領域を含んでいる。検出器３０は、放射線源２０から放射されて撮像領域３２を横断した放射線を検出し、複数の光線に沿った検出放射線を表す対応出力信号を生成する。

ＣＴスキャナ１２は更に、撮像領域３２内で被検体を支持する被検体（又は患者）支持体３４を含んでいる。支持体３４は静止したものであってもよいし、ｘ軸、ｙ軸及び／又はｚ軸の方向に移動可能なものであってもよい。このような移動は、支持体３４を移動させることによって操作者が被検体を撮像領域３２内の好適位置に導くこと、又は所望のスキャン軌跡又は軌道を生成するように、支持体３４をガントリー１４と連携させて移動（例えば、チルト、ｚ方向など）させることを可能にする。

計算システム３６は、操作者とスキャナ１２との相互作用、及び／又はスキャナ１２の制御を円滑化する。計算システム３６は、例えばワークステーション、デスクトップコンピュータ、タワーコンピュータ、ノート型コンピュータ等のコンピュータとし得る。一例において、計算システム３６は、アプリケーションを実行し、且つ／或いはスキャナ１２と通信を行うハードウェア、ファームウェア及び／又はソフトウェアを含む、別個の汎用システムである。他の一例においては、計算システム３６はスキャナ１２の専用コンソールである。

計算システム３６によって実行されるソフトウェアアプリケーションは、操作者がスキャナ１２の動作の設定及び／又は制御を行うことを可能にする。例えば、操作者は計算システム３６とやり取りして、スキャンプロトコルを選択すること、スキャンの開始、停止及び終了を行うこと、画像を閲覧すること、ボリューム画像データを操作すること、データの様々な特徴（例えば、ＣＴ値、ノイズ等）を測定すること等々を行うことができる。計算システム３６は、スキャンパラメータに基づいてスキャナ１２を制御するコントローラ３８と通信を行う。この通信は、スキャナ１２を特定のスキャンプロトコルに設定且つ／或いは制御するために、コンピュータ可読命令を伝達することを含み得る。例えば、このような命令は、ｘ線管の電圧及び電流、放射線源及びｘ線管の位置、放射線源軌道などのパラメータを含んでいてもよい。

検出器３０によって収集されたデータは再構成システム４０に伝達される。再構成システム４０はデータを再構成して、被検体のスキャン領域を表すボリュームデータを生成する。再構成システム４０はスキャナ１２の専用システムであってもよいし、別個の汎用コンピュータであってもよい。また、再構成システム４０は、以下に限られないが例えばコンボルバやバックプロジェクタ等のサブシステム（図示せず）が、同一システムの部分であるか、別々のサブシステム又はコンピュータにまたがって分散されるかである、集積システム、分散システムの何れか又は双方であってもよい。

再構成システム４０によって生成されたボリューム画像データは画像プロセッサ４４によって処理される。一例において、画像プロセッサ４４はスキャンされた生体構造の画像を生成し、この画像は、表示され、フィルム化され、アーカイブされ、処置中の臨床医に伝送され（例えば、電子メール化される等）、その他の撮像モダリティからの画像と融合され、更に処理され（例えば、測定ユーティリティ、可視化ユーティリティ、及び／又は専用可視化システムによって）、記憶部４２に格納され、等々する。

図２は、ガントリーの二回転にわたる上述のＨＣＣＨ軌道２４の典型的な軌道、経路、軌跡などを例示している。図２において、ｘ線管１８の放射線源２０はｚ軸１６に沿って移動し、ガントリー１４が撮像領域３２の周りを回転するとき、螺旋軌道４８を辿る。放射線源２０は、ガントリーの二回転すなわち７２０°回転の後に自身の開始位置に戻る（すなわち、螺旋を閉じる）ように、連続動作にてｚ軸１６に沿って双方向に移動（スイープ）する。故に、放射線源２０は、ガントリーの各回転すなわち３６０°回転を有する動作の半サイクルをかけて螺旋状に移動し、ガントリーの二回転後に閉じる。

ＨＣＣＨ軌道４８の周期性により、機械ベースの放射線源スイープの実現（例えば、ｘ線管１８の物理的移動による）は、ｘ線管１８は比較的低速で移動され得るため、サドル状軌道のようなその他の軌道経路より有用なものになる。ｚ軸１６に沿ったｘ線管１８の移動の加速度及び／又は速度の相違を補償することには、様々なハードウェア及び／又はソフトウェア技術を用いることができる。

図３は、ｚ軸１６方向のＨＣＣＨ軌道経路４８を、ガントリーの回転角（°）の関数として、７２０°の範囲で示している。経路４８は、図３においては滑らかな連続関数（正弦関数）として示されているが、ここでは、好ましくはないものの例えば不連続、三角形などのその他の経路も意図される。より詳細に後述するように、ＶＯＩの完全なサンプリングは、およそ１と１／４回転、すなわち、約４５０°回転にわたって収集されたデータで達成される。

図４は、ガントリーの二回転（例えば、５８又は６０で開始し、６０又は５８まで３６０°進み、その後、５８又は６０まで３６０°戻る）の間にｚ軸１６に沿ってＨＣＣＨ経路４８を辿る放射線源２０の典型的なプロファイル５０を示している。円筒形のＶＯＩ５２の完全なサンプリングのため、放射線源軌道４８は図示のようにＶＯＩ５２を取り囲む。ＶＯＩ５２を収集するための検出器３０各々のおおよその範囲（すなわち、ｚ軸幅）は、ｘ線ビームの光線５４によって定められ、５６で示される。放射線源軌道４８は、ＶＯＩ５２内の実質的に全てのボクセルの１８０°再構成のため、ｚ軸方向で検出器を効率的に使用する。非限定的な例として、１２０ｍｍ長さのＶＯＩにＨＣＣＨ放射線源軌道４８を用いる場合、スポットスイープはおよそ２１０ｍｍの検出器の範囲で約２２６．５ｍｍとなる。同一のＶＯＩにサドル状軌道を用いる場合には、検出器の範囲は約３２８ｍｍまで増大することになる。

放射線源２０が１サイクルを通じて移動し、ガントリーの二回転の後に開始位置まで戻るとき、放射線は検出器３０によって検出される。７２０°相当量の検出データの全て又は部分集合が、画像を再構成するために使用される。例えば、各ボクセルは、少なくとも１８０°に扇角を足し合わせた角度から再構成されることができる。ＶＯＩ５２内の全ボクセルを再構成するため、約１と１／４回転から収集されたデータの部分集合が使用される。故に、１８０°再構成法を実行するとき、再構成システム４０は、ガントリーの二回転にわたって収集された検出データの好適部分を使用して画像を再構成する。すなわち、二回転にわたって収集されたデータの所望の部分集合が、再構成のために選択され得る。他の一例においては、７２０°相当量のデータは１８０°再構成法には必要とされないので、再構成のために十分なデータが収集された後にｘ線管１８をターンオフしてもよい。

データが収集されると、ＶＯＩ５２を画像化するためにボクセル依存型の１８０°再構成法が実行され得る。投影の平行リビニング（parallel rebinning）後、所与の放射線源角の対でＶＯＩ５２と交差するｐｉ面を特定することが可能である。この放射線源角の対の間の視界の１８０°範囲を用いて、交差されたボクセル群が再構成される。各１８０°再構成に対し、必要に応じて、データの各部分集合の最初及び最後における動きの差を最小化するため、１８０°に扇角を足し合わせた角度に相当する量を超えるデータを用いてもよい。例えば、相異なる時点で取得された重複データは平均化してもよい。

図５は、医用撮像システム１０を用いて被検体をスキャンするための非限定的な一手法を示している。参照符号６２にて、操作者は、計算システム３６によって実行されるスキャナソフトウェアアプリケーションとやり取りし、撮像領域３２内の被検体をスキャンするよう、スキャナ１２の動作を設定且つ／或いは制御する。この例では、操作者が、１８０°再構成を用いるスキャンプロトコル等を直接的あるいは間接的に選択することによって、１８０°再構成法を選択したと仮定する。また、選択された手順において、放射線源２０は、ｘ線源１８を機械的に移動（例えば、物理的移動）させることによって、且つ／或いは（ガントリー軌道記憶部２２に格納された）ＨＣＣＨ軌道２４を通るように、生成されたビームを電気的にスイープすることによって、ｚ軸に沿って移動されると仮定する。上述のように、ＨＣＣＨ軌道２４を用いると、放射線源２０は、螺旋経路を移動してガントリーの二回転後に螺旋軌道を閉じる（すなわち、自身の開始位置に戻る）ように、連続動作にてｚ軸１６に沿って双方向に移動する。計算システム３６は、この情報及びその他の情報をコントローラ３８に伝達する。

参照符号６４にて、制御システム３８は、ＨＣＣＨ軌道２４を通るように放射線源２０を移動させるための命令及び／又はパラメータを含む制御コマンドを、スキャナ１２に伝達する。上述のように、放射線源２０の移動は、機械的あるいは電子的な技術によって達成される。参照符号６６にて、スキャナ１２は制御コマンドの下で動作し、放射線源２０はｘ線ビームを生成しながらＨＣＣＨ軌道２４を通って移動する。参照符号６８にて、検出器３０は放射された放射線を検出し、それを表す信号を生成する。参照符号７０にて、再構成部４０は選択された１８０°再構成法に基づいて信号を再構成し、画像プロセッサ４４は再構成されたデータを処理し、対応する画像を生成する。上述のように、画像を再構成するために、７２０°相当量のデータの全て又は部分集合が使用される。約１と１／４回転のガントリー回転に相当するデータにより、画像を再構成するための完全なデータセットが提供される。画像は記憶部４２に格納され、且つ／或いは、操作者による視覚的な観察のために計算システム３６に与えられ、フィルム化され、更に処理され、等々されることができる。

ここで説明したシステム、方法、及び／又はそれらの派生形は、例えば心臓等の部分的臓器撮像及び／又は全臓器撮像の用途、心臓や脳などの血流撮像の用途、並びにその他の用途を含む、低性能、中性能、及び／又は高性能のシステムで用いられ得る。

好適な実施形態を参照しながら本発明を説明してきた。当然ながら、以上の詳細な説明を読み、理解した者は改良及び改変に想到し得る。本発明は、添付の特許請求の範囲に入る限りにおいて、そのような全ての改良及び改変を含むとして解釈されるものである。

放射線検出器の幅を少なくとも効率的に使用する放射線源軌道を有する、典型的な医用撮像システムを例示する図である。 ガントリーの二回転にわたる典型的な半サイクルクローズド型螺旋（ＨＣＣＨ）放射線源軌道を例示する図である。 ｚ軸方向のＨＣＣＨ軌道を、ガントリーの回転角（°）の関数として例示する図である。 ｚ軸方向のＨＣＣＨ経路の典型的なプロファイルを例示する図である。 ＨＣＣＨ放射線源軌道を用いて被検体をスキャンする一手法を例示する図である。

Claims (20)

1. ｚ軸に沿って移動する放射線源であり、撮像領域の周りでの当該放射線源の回転周波数の約半分の周波数を有する撮像領域の周りの当該放射線源の約二回転に一致して、開始位置へと戻る放射線源；
   前記放射線源から放射されて撮像領域内の関心ボリュームを横断した放射線を検出し、検出された放射線を表すデータを生成する、少なくとも１つの放射線感知検出器；及び
   前記関心ボリュームの画像を生成するように前記データを再構成する再構成システム；
   を有する断層撮影装置。
2. 前記検出された放射線は前記関心ボリュームの完全なサンプリングに相当する、請求項１に記載の装置。
3. 前記再構成システムは、撮像領域の周りの前記放射線源の少なくとも１と１／４回転にわたって収集されたデータを用いて、前記関心ボリュームを再構成する、請求項１に記載の装置。
4. 前記放射線源が撮像領域の周りを回転するときに辿る軌道である半サイクルクローズド型螺旋軌道を格納するガントリー軌道記憶部、を更に含む請求項１に記載の装置。
5. 前記再構成システムは１８０°再構成法を用いて前記データを再構成する、請求項１に記載の装置。
6. 前記放射線源は、当該放射線源を形成するｘ線源をｚ軸方向に物理的に移動させることによって、ｚ軸に沿って移動する、請求項１に記載の装置。
7. 前記放射線源はｚ軸に沿って電子的にスイープされる、請求項１に記載の装置。
8. 前記放射線源は連続動作にてｚ軸に沿って移動し、閉じた経路を形成する、請求項１に記載の装置。
9. 前記少なくとも１つの放射線感知検出器は、心臓スキャン及び血流スキャンのうちの少なくとも一方の画像を再構成するためのデータを取得する、請求項１に記載の装置。
10. ｚ軸に沿って放射線源を移動させる段階であり、前記放射線源によって放射されたビームが撮像領域の周りを回転する周波数の約半分の周波数で前記放射線源が開始位置に戻る閉じた螺旋経路にて前記放射線源を移動させる段階；
    前記放射線源から放射されて撮像領域を横断した放射線を検出する段階；
    検出された放射線を表すデータを生成する段階；及び
    前記データから、撮像領域内の被検体の画像を再構成する段階；
    を有する、コンピュータ断層撮影における再構成方法。
11. 前記放射線源を移動させること及び前記ビームを回転させることは、撮像領域の周りでの前記ビームの二回転にわたって調整される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記検出された放射線は、撮像領域内の被検体の関心ボリュームの完全なデータセットに相当する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記画像を再構成するために前記データの部分集合を使用すること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
14. 前記画像を生成するために、撮像領域の周りの前記放射線源の１と１／４回転に相当するデータを再構成すること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
15. 半サイクルクローズド型螺旋軌道を通るように前記放射線源を移動させること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
16. 前記画像を生成するために１８０°再構成法を使用すること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
17. 前記放射線源を移動させるために、ｚ軸に沿ってｘ線源を物理的に移動させること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
18. 前記放射線源を電子的にスイープすること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
19. 心臓スキャン及び血流スキャンのうちの少なくとも一方の画像を再構成するために使用される放射線を検出すること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
20. ｚ軸に沿って放射線源を移動させる手段であり、撮像領域の周りでの前記放射線源の回転周波数の約半分の周波数で前記放射線源を移動させる手段；
    少なくとも１と１／４回転にわたって前記放射線源から放射された放射線を検出し、検出された放射線を表すデータを生成する手段；及び
    前記データを用いて、撮像領域内に位置する関心ボリューム内の各ボクセルを再構成する手段；
    を有する装置。

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