JP2010099303A - Ｃｔ装置および金属形状抽出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の正確な形状を抽出して、金属アーチファクトを低減する。
【解決手段】Ｘ線ＣＴ装置は、被検体の周囲を回動しながら被検体にＸ線を照射するＸ線照射装置１と、被検体の周囲を回動しながら被検体を透過したＸ線を検出するＸ線撮像装置２と、Ｘ線撮像装置２から得られた画像を処理して被検体の３次元ボクセルデータを得る画像処理装置４とを有する。画像処理装置４は、Ｘ線照射装置１およびＸ線撮像装置２の回動角度毎にＸ線撮像装置２から２次元の投影画像を取得し、投影画像を２値化し、２値化後の投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成し、逆投影ボクセルデータを２値化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線等の放射線を用いて被検体の３次元データ（ボクセルデータ）を得るＣＴ装置に係り、特に金属の正確な形状を抽出して金属アーチファクトを低減する技術に関するものである。

ＣＴ（Computed Tomography ）装置は、光源として通常Ｘ線を使用し、画像処理によって被検体の断面画像あるいは３次元データ（以下ボクセルデータと称す）を得る。このようなＣＴ装置の１つとして、近年、コーンビームＣＴ装置が開発されている。コーンビームＣＴ装置では、コーンビームと呼ばれる円錐状のＸ線ビームを用い、被検体を透過したＸ線を２次元検出器で検出して投影画像を得る。このとき、Ｘ線管と検出器とを被検体の位置を中心として回動させることで複数の投影画像を取得し、これらの投影画像を処理することで被検体のボクセルデータを得ることができる。このコーンビームＣＴ装置では、短時間でボクセルデータを生成することができる。

ところで、投影画像の画像処理は被検体の物質がその原子番号に応じたＸ線の減衰特性を持つことを前提としている。被検体に金属が含まれる場合、金属の原子番号が大きいために、Ｘ線が金属をほとんど透過せず、正しい透過量が計測できない。結果として、正しいボクセルデータが得られず、金属周辺にライン状のノイズが多数発生し、金属部分以外の断面も正しく再現できない。このようなノイズを金属アーチファクトと呼ぶ。金属アーチファクトが生じる理由は、金属がＸ線を吸収してしまうために、被検体のＸ線吸収率の変化が投影データに現れなくなるなどにより、非線形特性を示すからである。金属アーチファクトは、産業用、医療用など、すべてのＣＴにおいて発生するが、特に歯科治療では原子番号が大きい金属を多用するのでその影響が著しい。このため、歯科治療用のＣＴにおいて激しい金属アーチファクトが発生する。金属アーチファクトが発生すると、被検体の正しいボクセルデータが得られず、診断等に支障が発生することが多い。

従来、３次元Ｘ線ＣＴ装置においてアーチファクトを低減する手法としては、特許文献１、特許文献２に開示されたＸ線ＣＴ画像再構成方法が知られている。
特許文献１に開示されたＸ線ＣＴ画像再構成方法は、コーンビームを用いたマルチスライスＣＴに限定される金属アーチファクト低減手法である。この手法では、体軸方向に移動するテーブル上の被検体を複数回スキャンする。そして、スキャン毎に画像を生成し、生成した複数の画像に含まれるデータのうち金属アーチファクトの影響を受けたデータを、影響を受けていない他の画像データによって補完することで、金属アーチファクトを低減するようにしている。しかしながら、特許文献１に開示されたＸ線ＣＴ画像再構成方法では、被検体の内部に複数の金属が存在する場合や金属が比較的大きい場合には、金属の影響を受けていない透過データが不足するので、金属アーチファクトを十分に低減することができないという問題点があった。

また、特許文献２に開示されたＸ線ＣＴ画像再構成方法は、アーチファクトの原因となるＸ線高吸収物体のみをボクセルデータから取り出し、取り出したボクセルデータを再投影処理し、補正用の投影データを求めて再構成処理することで、高吸収物体とそれによるアーチファクトのみのボクセルデータを生成し、このボクセルデータを元のボクセルデータから減算することで、アーチファクトを低減するものである。特許文献２に開示されたＸ線ＣＴ画像再構成方法では、Ｘ線高吸収物体を取り出すために、ボクセルデータから閾値で切り出すことになるので、この閾値設定が十分可能な程度のアーチファクトに対してのみ有効である。通常、金属は激しいアーチファクトを発生するため、閾値で切り出すことはできない。すなわち、特許文献２に開示されたＸ線ＣＴ画像再構成方法では、被検体の骨によるアーチファクトに対応することはできるが、金属アーチファクトを低減することはできない。

特開２０００−１０７１６９号公報 特開平１０−７５９４７号公報

以上のように従来のＸ線ＣＴ装置では、金属の正確な形状を抽出することが難しいので金属アーチファクトを低減することが難しいという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、金属の正確な形状を抽出することができるＣＴ装置および金属形状抽出方法を提供することを目的とする。

本発明のＣＴ装置は、被検体の周囲を回動しながら前記被検体に放射線を照射する放射線照射手段と、前記被検体を挟んで前記放射線照射手段と対向するように配置され、前記被検体の周囲を回動しながら前記被検体を透過した放射線を２次元検出器によって検出する放射線撮像手段と、前記放射線照射手段および放射線撮像手段の回動角度毎に前記放射線撮像手段から２次元の投影画像を取得する画像取得手段と、前記投影画像を２値化する第１の２値化処理手段と、前記第１の２値化処理手段による２値化後の投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成する逆投影処理手段と、前記逆投影ボクセルデータを２値化する第２の２値化処理手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明のＣＴ装置の１構成例は、さらに、前記第２の２値化処理手段による２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で投影して回動角度毎の２次元の投影画像を得る投影処理手段と、この投影処理手段が生成した投影画像に基づいて金属領域を特定し、前記画像取得手段が取得した投影画像上において前記特定した金属領域を補間する補間処理手段と、この補間処理手段が生成した補間後の投影画像を計算上で再構成して３次元の再構成ボクセルデータを生成する再構成処理手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明のＣＴ装置の１構成例は、さらに、前記再構成処理手段が生成した再構成ボクセルデータと前記第２の２値化処理手段が生成した逆投影ボクセルデータとを合成する合成処理手段を備えることを特徴とするものである。

また、本発明のＣＴ装置の１構成例において、前記第１の２値化処理手段は、金属領域と考えられる所定の閾値以上の領域を第１の値とし、金属以外の領域と考えられる前記閾値未満の領域を第２の値とすることにより、前記画像取得手段が取得した投影画像を２値化することを特徴とするものである。
また、本発明のＣＴ装置の１構成例において、前記第２の２値化処理手段は、前記逆投影ボクセルデータの最大値を閾値として前記逆投影ボクセルデータを２値化することを特徴とするものである。
また、本発明のＣＴ装置の１構成例において、前記補間処理手段は、前記画像取得手段が取得した投影画像上において前記放射線照射手段および放射線撮像手段の回動方向に相当する方向をチャンネル方向としたとき、この投影画像上において前記特定した金属領域を、チャンネル方向に沿った前記金属領域の両端の境界値を用いて補間することを特徴とするものである。
また、本発明のＣＴ装置の１構成例において、前記合成処理手段は、前記合成時において前記逆投影ボクセルデータの金属領域に所定の輝度値を割り当てることを特徴とするものである。

また、本発明の金属形状抽出方法は、被検体の周囲を回動しながら前記被検体に放射線を照射する放射線照射手段と前記被検体の周囲を回動しながら前記被検体を透過した放射線を２次元検出器により検出する放射線撮像手段とによって回動角度毎に２次元の投影画像を取得する投影画像取得手順と、前記投影画像を２値化する第１の２値化処理手順と、前記第１の２値化処理手順による２値化後の投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成する逆投影処理手順と、前記逆投影ボクセルデータを２値化する第２の２値化処理手順とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の金属形状抽出方法の１構成例は、さらに、前記第２の２値化処理手順による２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で投影して回動角度毎の２次元の投影画像を得る投影処理手順と、この投影処理手順で生成した投影画像に基づいて金属領域を特定し、前記画像取得手順で取得した投影画像上において前記特定した金属領域を補間する補間処理手順と、この補間処理手順で生成した補間後の投影画像を計算上で再構成して３次元の再構成ボクセルデータを生成する再構成処理手順とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の金属形状抽出方法の１構成例は、さらに、前記再構成処理手順で生成した再構成ボクセルデータと前記第２の２値化処理手順で生成した逆投影ボクセルデータとを合成する合成処理手順を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の金属形状抽出方法の１構成例において、前記第１の２値化処理手順は、金属領域と考えられる所定の閾値以上の領域を第１の値とし、金属以外の領域と考えられる前記閾値未満の領域を第２の値とすることにより、前記画像取得手順で取得した投影画像を２値化することを特徴とするものである。
また、本発明の金属形状抽出方法の１構成例において、前記第２の２値化処理手順は、前記逆投影ボクセルデータの最大値を閾値として前記逆投影ボクセルデータを２値化することを特徴とするものである。
また、本発明の金属形状抽出方法の１構成例において、前記補間処理手順は、前記画像取得手順で取得した投影画像上において前記放射線照射手段および放射線撮像手段の回動方向に相当する方向をチャンネル方向としたとき、この投影画像上において前記特定した金属領域を、チャンネル方向に沿った前記金属領域の両端の境界値を用いて補間することを特徴とするものである。
また、本発明の金属形状抽出方法の１構成例において、前記合成処理手順は、前記合成時において前記逆投影ボクセルデータの金属領域に所定の輝度値を割り当てることを特徴とするものである。

本発明によれば、放射線照射手段および放射線撮像手段の回動角度毎に放射線撮像手段から２次元の投影画像を取得し、投影画像を２値化し、２値化後の投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成し、逆投影ボクセルデータを２値化することにより、金属のみの逆投影ボクセルデータを得ることができる。その結果、本発明では、従来よりも金属の正確な３次元形状を抽出することができ、金属アーチファクトを低減することができる。

また、本発明では、２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で投影して回動角度毎の２次元の投影画像を取得し、この投影画像に基づいて金属領域を特定し、画像取得手段が取得した投影画像上において特定した金属領域を補間し、補間後の投影画像を計算上で再構成して３次元の再構成ボクセルデータを生成することにより、金属が存在しない被検体のボクセルデータを得ることができる。

また、本発明では、再構成処理手段が生成した再構成ボクセルデータと第２の２値化処理手段が生成した逆投影ボクセルデータとを合成することにより、金属アーチファクトが少なく、かつ金属が正確な形状で重畳された被検体のボクセルデータを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示すブロック図である。
Ｘ線ＣＴ装置は、被検体の周囲を回動しながら被検体にＸ線を照射するＸ線照射装置１と、被検体を挟んでＸ線照射装置１と対向するように配置され、被検体の周囲を回動しながら被検体を透過したＸ線を検出するＸ線撮像装置２と、Ｘ線照射装置１とＸ線撮像装置２とを制御する制御装置３と、Ｘ線撮像装置２から得られた画像を処理して被検体の３次元データ（ボクセルデータ）を得る画像処理装置４と、画像処理装置４が生成した被検体のボクセルデータを表示する表示装置５とを有する。

図２はＸ線照射装置１によるＸ線投影処理とＸ線撮像装置２によるＸ線撮像処理とを説明する図である。本実施の形態では、コーンビームＣＴ装置を例に挙げて説明する。
Ｘ線照射装置１は、検査対象の患者（以下、被検体と呼ぶ）１００に対して円錐状のＸ線１０１を照射するＸ線管１０と、被検体１００を通る体軸であるＺ軸を回動軸としてＸ線管１０が被検体１００の周囲を回動するようにＸ線管１０を駆動する駆動機構（不図示）とから構成される。

Ｘ線撮像装置２は、被検体１００を挟んでＸ線管１０と対向するように配置され、Ｘ線管１０から放射されたＸ線１０１を検出する検出器２０と、Ｚ軸を回動軸として検出器２０が被検体１００の周囲を回動するように検出器２０を駆動する駆動機構（不図示）とから構成される。検出器２０は、図２に示すチャンネル方向（体周方向）１０２とＺ軸方向（体軸方向）に多数の検出素子２００が２次元状に配置された構造からなる。

図３は本実施の形態のＸ線ＣＴ装置の動作を示すフローチャートである。最初に、制御装置３は、Ｘ線管１０と検出器２０とが被検体１００の周囲を回動するように、Ｘ線照射装置１とＸ線撮像装置２とを制御する。検出器２０には、Ｘ線管１０から放射されたＸ線が直接もしくは被検体１００を通って入射するので、検出器２０の出力からはＸ線の透過率を示す投影画像データが得られる。ここでは、検出器２０の検出素子２００が２次元状に配置されているため、２次元の投影画像データが得られる。

画像処理装置４は、２次元投影画像データをＸ線管１０および検出器２０の回動角度毎に収集する（図３ステップＳ１００）。なお、実際には、回動角度毎に連続的に投影画像データを収集するのではなく、所定の回動ステップ角毎に投影画像データを収集することになる。コーンビームＣＴでは、１周分の投影画像データを収集した時点で撮影が終了する。

図４は画像処理装置４の構成例を示すブロック図である。画像処理装置４は、データを記憶する記憶部４０と、Ｘ線照射装置１およびＸ線撮像装置２の回動角度毎にＸ線撮像装置２から２次元の投影画像を取得する画像取得手段となる投影画像変換部４１と、投影画像を２値化する２値化処理部（第１の２値化処理部）４２と、２値化後の投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成する逆投影処理部４３と、逆投影ボクセルデータを２値化する２値化処理部（第２の２値化処理部）４４と、２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で投影して回動角度毎の２次元の投影画像を得る投影処理部４５と、投影処理部４５が生成した投影画像に基づいて金属領域を特定し、投影画像変換部４１が取得した投影画像上において特定した金属領域を補間する補間処理部４６と、補間処理部４６が生成した補間後の投影画像を計算上で再構成して３次元の再構成ボクセルデータを生成する再構成処理部４７と、再構成処理部４７が生成した再構成ボクセルデータと２値化処理部４４が生成した逆投影ボクセルデータとを合成する合成処理部４８と、合成処理部４８が生成した再構成ボクセルデータを表示用の画像に変換して表示装置５に表示させる表示出力部４９とから構成される。

検出器２０から収集した回動角度毎の２次元投影画像データは、記憶部４０に格納される。記憶部４０に格納された２次元投影画像データの各画素は、個々の検出素子２００にそれぞれ対応しており、Ｘ線の透過率を示している。投影画像変換部４１は、記憶部４０に格納された２次元投影画像データの各画素がＸ線の透過率を示す値からＸ線の吸収率を示す値になるように、２次元投影画像データを変換する（図３ステップＳ１０１）。同時に、投影画像変換部４１は、２次元投影画像データを対数変換する。

記憶部４０に格納された２次元投影画像は、Ｘ線管１０から扇形に広がるファンビームによる投影画像であるため、平行ビームによる投影画像に直す必要がある。そこで、投影画像変換部４１は、ステップＳ１０１で変換処理した後の２次元投影画像を、平行ビームを仮定した２次元投影画像に変換する（ステップＳ１０２）。このファンビーム−平行ビーム変換では、複数の投影画像から同じ方向のビームを補間によって作り出すことで、ファンビームによる投影画像を平行ビームによる投影画像に変換する。投影画像変換部４１は、以上のような変換処理を回動角度毎に収集された２次元投影画像の各々に対して行う。投影画像変換部４１が変換した２次元投影画像は、記憶部４０に格納される。

図５にステップＳ１０１の変換処理を行う前の２次元投影画像の１例を示す。図５の投影画像は、被検体１００の頭部、特に口付近を投影して得たものである。図５では、各画素がＸ線の透過率を示しており、Ｘ線の透過率が高くなるほど白色に近くなる。
図５の２次元投影画像に対して透過率−吸収率変換を行った後の２次元投影画像を図６に示す。図６では、各画素がＸ線の吸収率を示しており、Ｘ線の吸収率が高くなるほど白色に近くなる。図６において、最も白く輝いている部分は歯の治療跡であり、金属が使用されている。

次に、２値化処理部４２は、投影画像変換部４１が変換した２次元投影画像の各画素に対して閾値以上を「１」、閾値未満を「０」とする閾値処理を行い、２次元投影画像を２値化する（図３ステップＳ１０３）。ここでの２値化は、投影画像からＸ線の吸収率が飽和している領域を金属の影響を受けたものとして抽出する。飽和領域の閾値は、脊椎や頭骨が背景にくると変動するが、金属周辺の輝度の変化率は保存される。そこで、２値化処理部４２は、差分ヒストグラム法を用いて輝度の変化率が大きな領域を特定し、この領域の輝度の平均値を閾値として投影画像を２値化すればよい。あるいは、脊椎や頭骨が背景にくる場合とそうでない場合を考慮して、閾値を背景の輝度などで適応的に変動させる他の２値化アルゴリズムを用いても良い。

この２値化により、被検体１００の内部に存在する金属がほぼ完全に「１」となる。図６に示した２次元投影画像を差分ヒストグラム法によって２値化した後の２次元投影画像を図７に示す。なお、値が「１」の領域には金属以外の領域が含まれる可能性があるが、後述する処理で金属以外の領域を削除できるので、値が「１」の領域に金属以外の領域が含まれていても構わない。２値化処理部４２は、以上のような変換処理を回動角度毎に収集された２次元投影画像の各々に対して行う。２値化後の投影画像は、記憶部４０に格納される。

続いて、逆投影処理部４３は、２値化後の２次元投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間中の投影角度毎に向きの異なる円錐状の領域に単純逆投影することにより、逆投影ボクセルデータを生成する（図３ステップＳ１０４）。単純逆投影は、Ｘ線管１０と検出器２０とが回動しながら被検体１００の投影データを取得するのと逆の処理を計算にて行うものである。この逆投影ボクセルデータは、被検体１００のボクセルデータに相当するものである。

図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は単純逆投影の原理を説明する図である。ただし、図８（Ａ）〜図８（Ｄ）では、記載を容易にするため、検出器２０が１次元状に配置された検出素子２００からなる場合、すなわち１次元投影画像が得られる場合について記載している。図８（Ａ）の１０３は金属である。図８（Ａ）に示すような状態でＸ線管１０から照射されたＸ線を検出器２０で検出すると、図８（Ｂ）のような投影画像７０が得られる。前述のとおり、Ｘ線管１０と検出器２０とが被検体１００の周囲を回動すると、回動角度毎に投影画像７０が得られる。次に、図８（Ｃ）に示すように投影画像７０を回動角度毎に３次元空間に逆投影し、逆投影した各画像を重ね合わせて加算すると、図８（Ｄ）に示すような逆投影ボクセルデータ７１が得られる。

図８（Ｃ）では投影画像７０を２次元空間に逆投影しているが、実際には図９に示すようにＸ線管１０と検出器２０の回動に伴って回動する円錐台状の３次元空間８０に逆投影するので、逆投影データも３次元のデータ（ボクセルデータ）になる。図９における８１は回動中心である。逆投影処理部４３によって生成された逆投影ボクセルデータは、記憶部４０に格納される。逆投影ボクセルデータから得られる被検体１００の断面画像の１例を図１０に示す。３次元の逆投影ボクセルデータは、被検体１００の２次元の断面画像をＺ軸方向に沿って平行に並べたものと見なすことができる。図１０はこれらの断面画像の１枚を示すものである。このときの逆投影ボクセルデータは、図７に示した２次元投影画像を含む複数の２次元投影画像の単純逆投影によって生成されたものである。

２値化処理部（第２の２値化処理部）４４は、逆投影処理部４３が生成した逆投影ボクセルデータの各ボクセルに対して閾値以上を「１」、閾値未満を「０」とする閾値処理を行い、逆投影ボクセルデータを２値化する（図３ステップＳ１０５）。ステップＳ１０３の２値化で金属領域を全て「１」として抽出できていれば、多くの角度からの逆投影が重なることにより、金属領域は逆投影ボクセルデータにおいて最大値（Ｘ線の吸収率が最大）をとり、２値化後の投影画像に含まれていた金属以外の領域は最大値よりも低い値をとる。

したがって、基本的には逆投影ボクセルデータの最大値を閾値として２値化すれば、金属領域を正確に抽出することができる。ただし、実際には金属のエッジ部分でボクセルの値が最大値よりも若干低い値となるので、２値化の閾値は逆投影ボクセルデータの最大値よりも若干低い値とすることが望ましい。２値化処理部４４は、以上のような２値化処理を、逆投影ボクセルデータを構成する断面画像毎に行う。この２値化処理により、金属のみの逆投影ボクセルデータを得ることができる。２値化処理部４４が生成した２値化後の逆投影ボクセルデータは、記憶部４０に格納される。図１０に示した断面画像を２値化した後の断面画像を図１１に示す。また、図１１に対応する２値化後の逆投影ボクセルデータを図１２に示す。

次に、投影処理部４５は、２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で円錐状の視野に３次元投影して、回動角度毎の２次元投影画像を得る（図３ステップＳ１０６）。この投影処理は、２値化後の逆投影ボクセルデータを被検体と仮定して、Ｘ線管１０と検出器２０とが回動しながら被検体１００の投影データを取得するのと同じ処理を計算にて行うものである。この計算により、実際の投影と同様に回動角度毎に２次元投影画像が得られる。

ここで得られる２次元投影画像は、後述する線形補間領域を特定するためのものであるので、２値化後の逆投影ボクセルデータにおいて値が「１」となっている金属領域のＸ線吸収率と２値化後の逆投影ボクセルデータにおいて値が「０」となっている金属以外の領域のＸ線吸収率とはそれぞれ任意の値でよく、金属領域が白色（吸収率が最大）、金属以外の領域が黒色（吸収率が最低）となるような投影を行えばよい。投影処理部４５が生成した２次元投影画像は、記憶部４０に格納される。投影処理によって得られる２次元投影画像の１例を図１３に示す。図１３の画像は、図６と同じ回動角度の画像を計算で得たものである。図１３によれば、金属領域を正確に抽出できていることが分かる。

次に、補間処理部４６は、ステップＳ１０６で投影処理部４５が生成した２次元投影画像に基づいて金属領域を特定し、ステップＳ１０２で投影画像変換部４１が生成した２次元投影画像上において上記特定した金属領域に相当する領域を、チャンネル方向（Ｘ線管１０と検出器２０の回動方向に相当する方向）に沿って補間する（図３ステップＳ１０７）。なお、補間処理としては線形補間、多項式補間、ウエブレット補間などが知られているが、何れの補間処理を採用してもよい。

図１４は２次元投影画像の線形補間処理を説明する図であり、投影画像変換部４１が生成した２次元投影画像の１例を示す図である。上記のとおり、投影処理部４５が生成した２次元投影画像においては金属領域が白色、金属以外の領域が黒色となっているので、補間処理部４６は金属領域を容易に特定できる。また、図１４の２次元投影画像では、縦方向がチャンネル方向である。

線形補間は、図１４に示すように投影画像変換部４１が生成した２次元投影画像上において金属領域と金属以外の領域との境界１４０の値と、チャンネル方向に沿って境界１４０と対向する境界１４１の値とを用いて、境界１４０と境界１４１との間の画素の値を補間するものである。金属領域と金属以外の領域との境界１４０、１４１の値として用いるのは、より正確にはチャンネル方向に沿って境界の外側に存在する金属以外の領域の画素のうち、直近に存在する画素の値である。このような線形補間により、金属が存在しない２次元投影画像を生成することができる。補間処理部４６は、投影画像変換部４１が回動角度毎に生成した２次元投影画像の各々に対して線形補間処理を、投影処理部４５が生成した同じ回動角度の２次元投影画像を用いて行う。線形補間後の２次元投影画像は、記憶部４０に格納される。図１４に示した２次元投影画像を線形補間した後の２次元投影画像を図１５に示す。

再構成処理部４７は、補間処理部４６が生成した線形補間後の２次元投影画像を、周知の画像再構成法により回動角度毎に計算上で３次元空間に逆投影することにより、再構成ボクセルデータを生成する（図３ステップＳ１０８）。本実施の形態ではコーンビームＣＴで代表的なＦＤＫ（Feldcamp-Davis-Kress ）法を使用する。なお、ＦＤＫ法の詳細は、文献「Feldkamp, L. A., Davis, L. C., Kress, J. W., "Practical cone-beam algorithm" J. Opt. Soc. Am. A1 612-619 (1984)」に開示されている。

図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）はＦＤＫ法の原理を説明する図である。ただし、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）は、検出器２０が１次元状に配置された検出素子２００からなる場合、すなわち１次元投影画像が得られる場合を示しており、２次元の画像の再構成手法であるＦＢＰ（Filtered Back Projection）法を説明するものであるが、ＦＤＫ法はＦＢＰ法の投影領域を円錐状の立体に修正したものであるので、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）を用いてＦＢＰ法を説明する。

ＦＢＰ法は、上記の単純逆投影とは異なり、２次元投影画像をフィルタ処理し、図１６（Ａ）に示すようにフィルタ処理した投影画像１６０を回動角度毎に円錐状の３次元空間に逆投影し、逆投影した各ボクセルデータを重ね合わせて加算して図１６（Ｂ）に示すような断面画像１６１から成るボクセルデータを得る。具体的には、投影画像をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）により周波数空間に変換し、周波数空間上でフィルタ処理を適用し、逆ＦＦＴで実空間に戻して逆投影し、逆投影した各ボクセルデータを重ね合わせて加算する。こうして、金属が存在しない２次元投影画像を再構成することで、金属が存在しない３次元の再構成ボクセルデータを得ることができる。再構成処理部４７が生成した再構成ボクセルデータは、記憶部４０に格納される。

合成処理部４８は、再構成処理部４７が生成した再構成ボクセルデータと２値化処理部４４が生成した逆投影ボクセルデータとを対応する画素毎に重ね合わせることにより、最終的な再構成ボクセルデータを生成する（図３ステップＳ１０９）。金属が存在しない再構成ボクセルデータと金属のみの逆投影ボクセルデータとを合成することにより、金属が存在する再構成ボクセルデータ（被検体１００のボクセルデータ）を得ることができる。この合成時において逆投影ボクセルデータの金属領域には所定の輝度値を割り当てる。被検体１００の断面画像において金属領域は金属であることが分かればよいので、逆投影ボクセルデータにおいて値が「１」となっている金属領域に割り当てる輝度値は任意の値でよい。合成処理部４８が生成した再構成ボクセルデータは、記憶部４０に格納される。

表示出力部４９は、合成処理部４８が生成した再構成ボクセルデータを表示装置５が表示できる画像に変換して表示装置５に表示させる（図３ステップＳ１１０）。画像の変換手法としては、例えば３次元のボクセルデータから２次元画像を作成するボリュームレンダリング（VR:volume rendering ）法、ボクセルデータから面を抽出して描画するサーフェスレンダリング（SR:surface rendering）法、ボクセルデータに対し任意の視点方向に投影処理を行い、投影経路中の最大値を投影面に表示する最大値投影法（MIP:maximum intensity projection）などがある。
以上で、Ｘ線ＣＴ装置の動作が終了する。

合成処理部４８によって生成され、表示出力部４９によって表示用に変換された再構成ボクセルデータの画像表示の１例を図１７に示す。また、再構成ボクセルデータから、ある面を抽出した断面画像を図１８に示す。
図１９は従来のＸ線ＣＴ装置によって得られた再構成ボクセルデータの画像表示の図、図２０は図１９の再構成ボクセルデータから得た断面画像を示す図である。この再構成ボクセルデータは、図１７、図１８の場合と同じ被検体から得たボクセルデータである。図１９、図２０から明らかなように従来のＸ線ＣＴ装置では、金属アーチファクトが発生しているのに対し、図１７、図１８に示した本実施の形態の再構成ボクセルデータの画像および断面画像では、金属アーチファクトを大幅に低減できていることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、２次元投影画像を２値化し、２値化後の２次元投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成し、逆投影ボクセルデータを２値化することにより、金属のみの逆投影ボクセルデータを得ることができる。その結果、本実施の形態では、従来よりも正確に金属の形状を特定することにより金属アーチファクトを低減することができる。また、本実施の形態では、２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で投影して回動角度毎の２次元の投影画像を取得し、この投影画像に基づいて金属領域を特定し、投影画像変換部４１が生成した投影画像上において特定した金属領域を補間し、補間後の投影画像を計算上で再構成して３次元の再構成ボクセルデータを生成することにより、金属が存在しない被検体の３次元ボクセルデータを得ることができる。さらに、本実施の形態では、再構成処理部４７が生成した再構成ボクセルデータと２値化処理部４４が生成した逆投影ボクセルデータとを合成することにより、金属アーチファクトが少なく、かつ金属が正確な形状で重畳された被検体の３次元ボクセルデータを得ることができる。

金属アーチファクトは、再構成ボクセルデータ上で強力なノイズとなるため、再構成ボクセルデータの画像処理に多大な悪影響を及ぼす。例えば再構成ボクセルデータを用いて、位相限定法を用いた位置決め、類似度計測などを行う場合、大きな問題となることが明確であるため、金属アーチファクト低減は、ＣＴにより得られる画像を用いた画像処理に多大な効果をもたらすと考えられる。近年、Ｘ線以外の放射線を用いた透過による物体内部の観測方法の研究が進んできている。放射線の具体例としては、超音波、テラヘルツ光、電波（ミリ波）などが挙げられる。これらにおいても、その透過を遮蔽する物質に対しては同様の問題が発生すると思われるため、このような放射線を用いる場合にも、本発明は有効であると考えられる。

なお、本実施の形態では、コーンビームＣＴ装置に適用する場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば被検体のテーブルを動かしながら連続的にスキャンするヘリカルスキャン方式に本発明を適用することも可能である。

また、本実施の形態の画像処理装置４は、ＣＰＵ、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明したような処理を実行する。

本発明は、医療用や産業用などにおけるＣＴの画像処理技術に適用することができる。

本発明の実施の形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態におけるＸ線投影装置によるＸ線投影処理とＸ線撮像装置によるＸ線撮像処理とを説明する図である。 本発明の実施の形態に係るＸ線ＣＴ装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るＸ線ＣＴ装置の画像処理装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における２次元投影画像の１例を示す図である。 図５の２次元投影画像に対して透過率−吸収率変換を行った後の２次元投影画像を示す図である。 図６の２次元投影画像を差分ヒストグラム法によって２値化した後の２次元投影画像を示す図である。 本発明の実施の形態における単純逆投影の原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態における単純逆投影の原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態における逆投影ボクセルデータを構成する断面画像の１例を示す図である。 図１０の断面画像を２値化した後の断面画像を示す図である。 本発明の実施の形態における２値化後の逆投影ボクセルデータの１例を示す図である。 本発明の実施の形態の投影処理によって得られる２次元投影画像の１例を示す図である。 本発明の実施の形態における２次元投影画像の線形補間処理を説明する図である。 図１４の２次元投影画像を線形補間した後の２次元投影画像を示す図である。 ＦＤＫ法の原理を説明する図である。 本発明の実施の形態における再構成ボクセルデータの画像の１例を示す図である。 図１７の再構成ボクセルデータから面を抽出して得た断面画像を示す図である。 従来のＸ線ＣＴ装置によって得られた再構成ボクセルデータの画像を示す図である。 図１９の再構成ボクセルデータから面を抽出して得た断面画像を示す図である。

符号の説明

１…Ｘ線照射装置、２…Ｘ線撮像装置、３…制御装置、４…画像処理装置、５…表示装置、１０…Ｘ線管、２０…検出器、４０…記憶部、４１…投影画像変換部、４２…２値化処理部（第１の２値化処理部）、４４…２値化処理部（第２の２値化処理部）、４３…逆投影処理部、４５…投影処理部、４６…補間処理部、４７…再構成処理部、４８…合成処理部、４９…表示出力部、１００…被検体、１０１…Ｘ線、２００…検出素子。

Claims (14)

1. 被検体の周囲を回動しながら前記被検体に放射線を照射する放射線照射手段と、
   前記被検体を挟んで前記放射線照射手段と対向するように配置され、前記被検体の周囲を回動しながら前記被検体を透過した放射線を２次元検出器によって検出する放射線撮像手段と、
   前記放射線照射手段および放射線撮像手段の回動角度毎に前記放射線撮像手段から２次元の投影画像を取得する画像取得手段と、
   前記投影画像を２値化する第１の２値化処理手段と、
   前記第１の２値化処理手段による２値化後の投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成する逆投影処理手段と、
   前記逆投影ボクセルデータを２値化する第２の２値化処理手段とを備えることを特徴とするＣＴ装置。
2. 請求項１記載のＣＴ装置において、
   さらに、前記第２の２値化処理手段による２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で投影して回動角度毎の２次元の投影画像を得る投影処理手段と、
   この投影処理手段が生成した投影画像に基づいて金属領域を特定し、前記画像取得手段が取得した投影画像上において前記特定した金属領域を補間する補間処理手段と、
   この補間処理手段が生成した補間後の投影画像を計算上で再構成して３次元の再構成ボクセルデータを生成する再構成処理手段とを備えることを特徴とするＣＴ装置。
3. 請求項２記載のＣＴ装置において、
   さらに、前記再構成処理手段が生成した再構成ボクセルデータと前記第２の２値化処理手段が生成した逆投影ボクセルデータとを合成する合成処理手段を備えることを特徴とするＣＴ装置。
4. 請求項１記載のＣＴ装置において、
   前記第１の２値化処理手段は、金属領域と考えられる所定の閾値以上の領域を第１の値とし、金属以外の領域と考えられる前記閾値未満の領域を第２の値とすることにより、前記画像取得手段が取得した投影画像を２値化することを特徴とするＣＴ装置。
5. 請求項１記載のＣＴ装置において、
   前記第２の２値化処理手段は、前記逆投影ボクセルデータの最大値を閾値として前記逆投影ボクセルデータを２値化することを特徴とするＣＴ装置。
6. 請求項２記載のＣＴ装置において、
   前記補間処理手段は、前記画像取得手段が取得した投影画像上において前記放射線照射手段および放射線撮像手段の回動方向に相当する方向をチャンネル方向としたとき、この投影画像上において前記特定した金属領域を、チャンネル方向に沿った前記金属領域の両端の境界値を用いて補間することを特徴とするＣＴ装置。
7. 請求項３記載のＣＴ装置において、
   前記合成処理手段は、前記合成時において前記逆投影ボクセルデータの金属領域に所定の輝度値を割り当てることを特徴とするＣＴ装置。
8. 被検体の周囲を回動しながら前記被検体に放射線を照射する放射線照射手段と前記被検体の周囲を回動しながら前記被検体を透過した放射線を２次元検出器により検出する放射線撮像手段とによって回動角度毎に２次元の投影画像を取得する投影画像取得手順と、
   前記投影画像を２値化する第１の２値化処理手順と、
   前記第１の２値化処理手順による２値化後の投影画像を回動角度毎に計算上で３次元空間に単純逆投影して３次元の逆投影ボクセルデータを生成する逆投影処理手順と、
   前記逆投影ボクセルデータを２値化する第２の２値化処理手順とを備えることを特徴とする金属形状抽出方法。
9. 請求項８記載の金属形状抽出方法において、
   さらに、前記第２の２値化処理手順による２値化後の逆投影ボクセルデータを計算上で投影して回動角度毎の２次元の投影画像を得る投影処理手順と、
   この投影処理手順で生成した投影画像に基づいて金属領域を特定し、前記画像取得手順で取得した投影画像上において前記特定した金属領域を補間する補間処理手順と、
   この補間処理手順で生成した補間後の投影画像を計算上で再構成して３次元の再構成ボクセルデータを生成する再構成処理手順とを備えることを特徴とする金属形状抽出方法。
10. 請求項９記載の金属形状抽出方法において、
    さらに、前記再構成処理手順で生成した再構成ボクセルデータと前記第２の２値化処理手順で生成した逆投影ボクセルデータとを合成する合成処理手順を備えることを特徴とする金属形状抽出方法。
11. 請求項８記載の金属形状抽出方法において、
    前記第１の２値化処理手順は、金属領域と考えられる所定の閾値以上の領域を第１の値とし、金属以外の領域と考えられる前記閾値未満の領域を第２の値とすることにより、前記画像取得手順で取得した投影画像を２値化することを特徴とする金属形状抽出方法。
12. 請求項８記載の金属形状抽出方法において、
    前記第２の２値化処理手順は、前記逆投影ボクセルデータの最大値を閾値として前記逆投影ボクセルデータを２値化することを特徴とする金属形状抽出方法。
13. 請求項９記載の金属形状抽出方法において、
    前記補間処理手順は、前記画像取得手順で取得した投影画像上において前記放射線照射手段および放射線撮像手段の回動方向に相当する方向をチャンネル方向としたとき、この投影画像上において前記特定した金属領域を、チャンネル方向に沿った前記金属領域の両端の境界値を用いて補間することを特徴とする金属形状抽出方法。
14. 請求項１０記載の金属形状抽出方法において、
    前記合成処理手順は、前記合成時において前記逆投影ボクセルデータの金属領域に所定の輝度値を割り当てることを特徴とする金属形状抽出方法。