JP2010155020A - 画像再構成方法およびx線ct装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】CT画像を再構成する際に、ヘリカルスキャンにより収集された投影データのうち再構成面に近いX線ビームによる投影データを確実に活用する。
【解決手段】画素データの再構成アルゴリズム(algorithm)において、対応するX線ビームが再構成面RP上の画素Pを通りそのビュー角度方向が互いに対向する投影データs(αdi,βdi,γdi),s(αci,βci,γci)に乗算すべき加重係数を、その投影データ収集時のX線データ収集系41と再構成面RPとの距離ΔZ+オフセット距離ΔZoffsetの項を用いた数式にて算出する。例えば、投影データs(αdi,βdi,γdi)に乗算する加重係数ωdi=(ΔZci+ΔZoffset)/[(ΔZdi+ΔZoffset)+(ΔZci+ΔZoffset)]。ΔZdi,ΔZciのいずれもが微小な値を取りΔZdi,ΔZciの比が大きく偏っても、ΔZoffsetの存在により一方の加重係数が極端に小さくなる状態を防ぐ。
【選択図】 図6

Description

本発明は、画像再構成方法およびX線CT(Computed Tomography)装置に関する。
従来、X線CTスキャン(scan)により収集された投影データ(data)を基にCT画像を再構成する場合、例えば次に示すような重み付けを含む逆投影演算の一般式を用いてCT画像に対応する再構成面上の画素の画素データを再構成する(例えば、非特許文献1参照)。
Figure 2010155020
この式において、f(x,y,z)は再構成面RP上の画素P(x,y,z)の画素データ、s(α,β,γ)は再構成面RP上の画素P(x,y,z)を通るX線ビーム(beam)による投影データ、g(γ)は再構成関数、×を○で囲んだ記号はコンボリューション(convolution)演算子、αはX線焦点FとX線検出器Dのスライス(slice)方向の中央線とを通る面からのコーン(cone)角、βはX線焦点Fの円軌道上のビュー(view)角度位置、γはファンビーム(fan beam)X線の中心軸からのチャネル(channel)方向の角度、FiはX線焦点FからX線焦点Fの回転中心軸Icまでの距離、Zは画素Pのz座標に依存する所定の値、ω(β,γ)は投影データs(α,β,γ)に乗算する加重係数(重み係数)である。なお、ハーフリコン(half reconstruction)ではβmax−βmin=π+2γm(γm=ファン(fan)状X線ビームのファン角の半分)、フルリコン(full
reconstruction)ではβmax−βmin=2πもしくは2π+2γmとなる。
なお、上記の投影データs(α,β,γ)のうち、ビュー角度方向θが実質的に互いに同一または対向する複数の投影データに乗算する加重係数は、その総和が1になるよう設定する。
ここで、X線CTスキャンをヘリカルスキャン(helical scan)とした場合について考える。この場合、投影データs(α,β,γ)として、対応するX線ビームが再構成面RPの一方の面側から画素Pを通り、その対応するX線ビームを再構成面RPに投影したときの角度方向がビュー角度方向θiである第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)と、対応するX線ビームが再構成面RPの他方の面側から画素Pを通り、その対応するX線ビームを再構成面RPに投影したときの角度方向がビュー角度方向θiと対向するビュー角度方向である第2の投影データs(αci,βci,γci)とを考えることができる。このとき、第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)に乗算するべき加重係数ω(βdi,γdi)と、第2の投影データs(αci,βci,γci)に乗算するべき加重係数ω(βci,γci)とは、例えば次式に従って求めることができる。
Figure 2010155020
この式において、ΔZdiは第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)が収集されるときのX線データ収集系の基準位置(例えば、X線焦点FとX線検出器24の中心とを結ぶ直線とX線データ収集系41の回転軸Icとの交点の位置)と再構成面RPとのz方向における距離、ΔZciは第2の投影データs(αci,βci,γci)が収集されるときのX線データ収集系の基準位置と再構成面RPとのz方向における距離である。なお数式4は、確認の意味で記載している。
"A three-dimensionalweighted cone beam filtered backprojection(CB-FBP) algorithm for imagereconstruction in volumetric CT under a circular source trajectory",Physics In Medicine And Biology, 50(2005),P.3889-3905, Xiangyang tang, JiangHesieh, Akira Hagiwara, et al.
ところで、ヘリカルスキャンにおけるヘリカルピッチ(helical pitch)が非常に小さい場合など、距離ΔZdiおよびΔZciが共に微小な値を取るようになると、X線ビームX(αdi,βdi,γdi)とX(αci,βci,γci)とは位置的に略変化のないものとなる。すなわち、これらのX線ビームはいずれも再構成面RPからのずれが殆どなく、このようなX線ビームによる第1および第2の投影データs(αdi,βdi,γdi),s(αci,βci,γci)はいずれも画素データの再構成に有用であり、合わせて使用すれば画質向上が望める。
しかし、上記の加重係数を求める数式によれば、距離ΔZdiとΔZciが共にゼロ(zero)に近い微小な値を取り、かつ、距離ΔZdiとΔZciとの間に比として大きな偏りがある場合、例えばΔZdi=0.0001mm,ΔZci=0.01mm程度である場合には、いずれか一方の投影データに相対的に大きな加重係数が割り当てられ、他方の投影データに相対的に小さな加重係数が割り当てられる。つまり、2つ共に有用な投影データでありながら、ほとんど一方の投影データのみしか再構成に寄与しないこととなり、もう一方の投影データを無駄なく利用することができない。
本発明は、上記事情に鑑み、ヘリカルスキャンにより収集された投影データのうち再構成面に近いX線ビームによる投影データが確実に活用される画像再構成方法およびX線CT装置を提供する。
第1の観点では、本発明は、X線を照射するX線管と被検体の透過X線を検出する少なくとも1つの検出器列を有するX線検出器とを含むX線データ収集系を前記被検体の体軸方向に相対直線移動させながらスキャンを行うヘリカルスキャンにより収集される投影データを用いてCT画像を再構成する画像再構成方法であって、前記CT画像の再構成面と前記データ収集系の基準位置とが前記体軸方向において一致する時刻に対応するビューを含むビュー範囲の投影データを用い、前記再構成面と該投影データのビューに対応する前記X線データ収集系の基準位置との前記体軸方向における距離に基づく重み付けを含む逆投影演算を行うことにより、前記CT画像の画像データを求めるステップを有しており、前記重み付けに、前記距離に正の所定値を加算した距離を前記距離の代わりに用いる画像再構成方法を提供する。
第2の観点では、本発明は、前記重み付けに、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の一方の面側にあるときのビューにおける、前記再構成面上の所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第1の投影データと、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の他方の面側にあるときのビューにおける、前記第1の投影データと実質的に同じまたは逆向きのビュー角度方向で前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第2の投影データとにおける前記所定値を加算した距離の比に基づく重み係数を用いる上記第1の観点の画像再構成方法を提供する。
ここで、「所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる」投影データとは、逆投影した場合に、その所定の画素の画素データの再構成に有効に寄与すると考えられる投影データである。
第3の観点では、本発明は、前記第1の投影データに対する重み係数が、
Figure 2010155020
で示す項を含み、
前記第2の投影データに対する重み係数が、
Figure 2010155020
で示す項を含み、
ΔZcは前記第1の投影データにおける前記距離であり、ΔZdは前記第2の投影データにおける前記距離であり、ΔZoffsetは前記所定値である上記第2の観点の画像再構成方法を提供する。
第4の観点では、本発明は、前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームが、前記再構成面に平行である上記第2の観点または第3の観点の画像再構成方法を提供する。
第5の観点では、本発明は、前記X線検出器が、複数の検出器列を有しており、前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームが、前記再構成面を通る上記第2の観点または第3の観点の画像再構成方法を提供する。
第6の観点では、本発明は、前記所定値が、ヘリカルピッチが大きくなると小さくなる上記第1の観点から第5の観点のいずれか1つの観点の画像再構成方法を提供する。
ここで、「ヘリカルピッチ」とは、X線データ収集系が1回転する間にX線データ収集系が相対直線移動する距離を、スキャン幅(X線管から照射されるX線ビームの、X線データ収集系の回転軸上での幅)で割った値である。
第7の観点では、本発明は、ヘリカルスキャンの最中にヘリカルピッチが変化する可変ピッチヘリカルスキャンにおけるヘリカルピッチに応じて前記所定値が変化する上記第6の観点の画像再構成方法を提供する。
第8の観点では、本発明は、前記逆投影演算が、前記ヘリカルピッチが0.5以下の場合において収集される投影データの重み付けを含む上記第1の観点から第7の観点のいずれか1つの観点の画像再構成方法を提供する。
第9の観点では、本発明は、前記所定値が、前記X線管から照射されるX線ビームの前記体軸方向の幅を前記検出器列の列数で割った幅をdとするとき、d/100以上、30d以下の範囲内である上記第1の観点から第8の観点のいずれか1つの観点の画像再構成方法を提供する。
第10の観点では、本発明は、前記ビュー範囲が、π+前記X線管から照射されるX線ビームのファン角、2π、または2π+前記ファン角のビュー角度分に相当する上記第1の観点から第9の観点のいずれか1つの観点の画像再構成方法を提供する。
第11の観点では、本発明は、前記X線データ収集系の基準位置が、前記X線管のX線焦点と前記X線検出器の中心とを結ぶ直線と前記データ収集系の回転軸との交点の位置である上記第1の観点から第10の観点のいずれか1つの観点の画像再構成方法を提供する。
第12の観点では、本発明は、X線を照射するX線管と被検体の透過X線を検出する少なくとも1つの検出器列を有するX線検出器とを含むX線データ収集系を前記被検体の体軸方向に相対直線移動させながらスキャンを行うヘリカルスキャンにより投影データを収集するデータ収集手段と、前記収集された投影データを用いてCT画像を再構成する画像再構成手段とを備えるX線CT装置であって、前記画像再構成手段が、前記CT画像の再構成面と前記データ収集系の基準位置とが前記体軸方向において一致する時刻に対応するビューを含むビュー範囲の投影データを用い、前記再構成面と該投影データのビューに対応する前記X線データ収集系の基準位置との前記体軸方向における距離に基づく重み付けを含む逆投影演算を行うことにより、前記CT画像の画像データを求めており、前記重み付けに、前記距離に正の所定値を加算した距離を前記距離の代わりに用いるX線CT装置。
第13の観点では、本発明は、前記画像再構成手段が、前記重み付けに、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の一方の面側にあるときのビューにおける、前記再構成面上の所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第1の投影データと、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の他方の面側にあるときのビューにおける、前記第1の投影データと実質的に同じまたは逆向きのビュー角度方向で前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第2の投影データとにおける前記所定値を加算した距離の比に基づく重み係数を用いる上記第12の観点のX線CT装置を提供する。
第14の観点では、本発明は、前記第1の投影データに対する重み係数が、
Figure 2010155020
で示す項を含み、
前記第2の投影データに対する重み係数が、
Figure 2010155020
で示す項を含み、
ΔZcは前記第1の投影データにおける前記距離であり、ΔZdは前記第2の投影データにおける前記距離であり、ΔZoffsetは前記所定値である上記第13の観点のX線CT装置を提供する。
第15の観点では、本発明は、前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームは、前記再構成面に平行である上記第13の観点または第14の観点のX線CT装置を提供する。
第16の観点では、本発明は、前記X線検出器が、複数の検出器列を有しており、前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームが、前記再構成面を通る上記第13の観点または第14の観点のX線CT装置を提供する。
第17の観点では、本発明は、前記所定値が、ヘリカルピッチが大きくなると小さくなる上記第12の観点から第16の観点のいずれか1つの観点のX線CT装置を提供する。
第18の観点では、本発明は、ヘリカルスキャンの最中にヘリカルピッチが変化する可変ピッチヘリカルスキャンにおけるヘリカルピッチに応じて前記所定値が変化する上記第17の観点のX線CT装置を提供する。
第19の観点では、本発明は、前記逆投影演算が、前記ヘリカルピッチが0.5以下の場合において収集される投影データの重み付けを含む上記第12の観点から第18の観点のいずれか1つの観点のX線CT装置を提供する。
第20の観点では、本発明は、前記所定値が、前記X線管から照射されるX線ビームの前記体軸方向の幅を前記検出器列の列数で割った幅をdとするとき、d/100以上、30d以下の範囲内である上記第12の観点から第19の観点のいずれか1つの観点のX線CT装置を提供する。
第21の観点では、本発明は、前記ビュー範囲が、π+前記X線管から照射されるX線ビームのファン角、2π、または2π+前記ファン角のビュー角度分に相当する上記第12の観点から第20の観点のいずれか1つの観点のX線CT装置を提供する。
第22の観点では、本発明は、前記X線データ収集系の基準位置が、前記X線管のX線焦点と前記X線検出器の中心とを結ぶ直線と前記データ収集系の回転軸との交点の位置である上記第12の観点から第21の観点のいずれか1つの観点のX線CT装置を提供する。
本発明によれば、CT画像の再構成面と投影データのビューに対応するX線データ収集系の基準位置との被検体の体軸方向における距離に基づく重み付けを含む逆投影演算を行うことにより、CT画像の画像データを求める際に、上記重み付けに、上記距離に正の所定値を加算した距離を上記距離の代わりに用いるので、各投影データに対応する上記距離のいずれもが微小な値を取っても、上記所定値の存在により、いずれか一方の加重係数(重み係数)が極端に小さくなる状態を防ぐことができ、ヘリカルスキャンにより収集された投影データのうち再構成面に近いX線ビームによる投影データが確実に活用される。
本実施形態にかかるX線CT装置を示す構成図である。 本実施形態にかかるデータ収集処理を示すフロー図である。 「投影データ収集」、「回転」、「直線移動」、および「X線管およびX線検出器の相対位置」を表すタイムチャートである。 本実施形態にかかる画像再構成処理を示すフロー図である。 本実施形態において抽出される画像再構成用の投影データの一例を示す図である。 ビュー角度方向が互いに対向する投影データの一例を示す図である。 オフセット距離の変化曲線の一例を示す図である。 対応するX線ビームが再構成面に近接する場合におけるビュー角度方向が互いに対向する投影データの一例を示す図である。 対応するX線ビームが再構成面に近接する場合における画素周辺の拡大図である。
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図1は、本実施形態にかかるX線CT装置100を示す構成図である。
このX線CT装置100は、操作コンソール(console)1と、寝台装置10と、走査ガントリ(gantry)20とを具備している。
操作コンソール1は、ユーザ(user)の入力を受け付ける入力装置2と、データ収集のための制御、収集されたデータの処理などを実行する中央処理装置3と、走査ガントリ20で取得した投影データを収集するデータ収集バッファ(buffer)5と、投影データを基に再構成されたCT画像を表示するモニタ(monitor)6と、プログラム(program)やCT画像の画像データ等を記憶する記憶装置7とを具備している。
寝台装置10は、被検体40を載せて走査ガントリ20のボア(bore)Bに入れ出しするテーブル(table)12を具備している。テーブル12は、寝台装置10に内蔵するモータ(motor)で昇降および水平直線移動される。なお、ここでは、テーブル12の直線移動方向をz方向、鉛直方向をy方向、z方向およびy方向に垂直な水平方向をx方向とする。
走査ガントリ20は、回転部15と回転部15を回転可能に支持する本体部20aとを有する。回転部15には、X線管21と、X線管21を制御するX線コントローラ(controller)22と、X線管21から照射されるX線ビームを整形するコリメータ(collimator)23と、X線検出素子がチャネル方向(当該X線ビームの広がり方向)に複数配置されてなる検出器列をz方向に複数配列してなるX線検出器24と、X線検出器24の出力を投影データに変換して収集するDAS(Data Acquisition System)25と、X線コントローラ22,コリメータ23,DAS25の制御を行う回転部コントローラ26とが搭載される。X線管21およびX線検出器24はX線データ収集系41を構成する。本体部20aは、制御信号などを操作コンソール1や寝台装置10とやり取りする制御コントローラ29を具備する。回転部15と本体部20aとは、スリップリング(slip ring)30を介して電気的に接合している。
なお、DAS25は、ビュー毎に、投影データが収集されたときのX線管21の円軌道上のビュー角度位置βとテーブル12のz方向の位置とを、その収集した投影データに付帯してデータ収集バッファ5に送る。これにより、X線データ収集系41の幾何学的位置関係を基に、X線検出器24の各検出素子に対応する投影データが、撮像空間においてどの位置関係にあるX線ビームによるものかを特定することができる。
なお、走査ガントリ20および中央処理装置3は、本発明におけるX線データ収集手段の一例である。また、中央処理装置3は、本発明における画像再構成手段の一例である。
図2は、データ収集処理を示すフロー(flow)図である。
ここでは、可変ピッチヘリカルスキャンにより投影データを収集する。このスキャンは、ヘリカルピッチが変化する間においても投影データを収集するヘリカルスキャンである。ここでは、テーブル12を基準にしたときのz方向における直線移動開始点Zsから直線移動終了点Zfまでを走査ガントリ20が相対直線移動し、直線移動開始点Zsおよび直線移動終了点Zfにおいて走査ガントリ20の滞留時間を設けて投影データを収集する。
ステップ(step)A1では、ユーザにより設定されたパラメータ(parameter)を基に滞留時間τなどを含むスキャン条件を設定する。滞留時間τは、例えば回転部15の1回転時間Rに相当するτ1とする。
ステップA2では、例えば図3の時刻t0に示すように、「投影データ収集」を開始する。
ステップA3では、例えば図3の時刻t0に示すように、X線管21とX線検出器24で構成されるX線データ収集系41を搭載する回転部15の「回転」を開始する。
ステップA4では、回転部15のテーブル12に対する直線移動方向を往路方向(ここでは+z方向)に設定する。
ステップA5では、例えば図3の時刻t0〜t1に示すように滞留時間τ1だけ待つ。つまり、回転部15の「回転」だけさせ、直線移動はさせないで、滞留時間τ1だけ投影データを収集する。
ステップA6では、例えば図3の時刻t1に示すように、テーブル12の「直線移動」を開始する。
ステップA7では、例えば図3の時刻t1〜t2に示すように、テーブル12を加速させる。この間においても投影データを収集する。
ステップA8では、例えば図3の時刻t2〜t3に示すように、テーブル12を一定速度V1で直線移動させる。この間、投影データを収集する。
ステップA9では、直線移動の開始点または終了点の近傍に達したかを判定し、達していなければ達するまで直線移動を継続させ、達していればステップA10に進む。
ステップA10では、例えば図3の時刻t3〜t4に示すように、テーブル12を減速させる。この間においても投影データを収集する。
ステップA11では、例えば図3の時刻t4に示すように、テーブル12の「直線移動」を終了する。
ステップA12では、例えば図3の時刻t4〜t5に示すように滞留時間τ1だけ待つ。つまり、回転部15の回転だけさせ、直線移動はさせないで、滞留時間τ1だけ投影データを収集する。
ステップA13では、予定のデータ収集が終了してないならステップA13へ進み、終了したならステップA14へ進む。
ステップA14では、テーブル12の移動方向を反転する。そして、ステップA6に戻ってデータ収集を継続する。すなわち、前回の終了点を今回の開始点とし、前回の開始点を今回の終了点とし、前回と反対方向にテーブル12を直線移動させながら投影データを収集する。
ステップA15では、例えば図3の時刻t9に示すようにX線管21とX線検出器24により構成されるX線データ収集系41を搭載する回転部15の「回転」を終了する。
ステップA16では、例えば図3の時刻t9に示すように「投影データ収集」を終了する。
図4は、画像再構成処理を示すフロー図である。
ステップB1では、画像再構成するCT画像のフェーズ(phase)Piを指定する。ここでフェーズPiは、ヘリカルスキャンを連続的に行うときのフェーズあるいはパス(pass)を意味しており、1回目の往路をフェーズP1、1回目の復路をフェーズP2、2回目の往路をフェーズP3、2回目の復路をフェーズP4・・・となるように定義する。ステップB1では、例えば、このステップB1が実行される毎に、フェーズを1つずつ時系列順に指定する。なお、ユーザが1または複数の任意のフェーズあるいはフェーズの範囲を設定し、その中でフェーズを順次指定するようにしてもよい。
ステップB2では、画像再構成するCT画像のスライス位置Zjを指定する。例えば、直線移動開始点Zs側のイメージ拡張領域Rs、直線移動範囲Rm、および直線移動終了点Zf側のイメージ拡張領域Rfの全領域をスライス位置設定領域とする。そして、このステップB2が実行される毎に、上記のスライス位置設定領域において端からz方向に所定のスライス間隔でスライス位置を順次指定する。なお、ユーザが1または複数の任意のスライス位置あるいはスライス範囲を設定し、その中で順次指定するようにしてもよい。
ステップB3では、フェーズPiにおけるスライス位置ZjのCT画像を画像再構成するのに用いる投影データPDpi,zjを、例えば次の方法により抽出する。
まず、フェーズPiにおけるスライス位置Zjの基準ビューCVpi,zjを求める。基準ビューCVpi,zjは、データ収集系41の基準位置TLが、フェーズPiにおけるスライス位置Zjと一致する時刻に収集された投影データのビューである。データ収集系41の基準位置TLは、例えば、X線管12のX線焦点FとX線検出器24の中心とを結ぶ直線と、X線データ収集系41の回転軸Icとの交点の位置であり、通常、X線焦点Fのz方向における位置である。なお、ここでは、データ収集系41の基準位置TLは、便宜上、被検体40あるいはテーブル12に対する相対位置とする。
次に、基準ビューCVpi,zjを中心とする所定のビュー角度FR分のビュー範囲における複数検出器列分の投影データのうち、スライス位置Zjに対応する再構成面を貫くパス(path)を通るX線ビームによる投影データを、投影データPDpi,zjとして抽出する。ここで、所定のビュー角度FRは、例えば、π+2γm(γm=X線管12から照射されるX線ビームのファン角の半分)、2π、2π+2γmに相当する。
ここで、上記の方法により抽出される投影データの具体例について、図5を用いて説明する。図5の上段は、直線移動開始時刻および直線移動終了時刻におけるX線管21およびX線検出器24を模式的に表したものであり、図5の下段は、収集された全ビューの投影データPDの一例を模式的に表したものである。図5の下段において、横軸はz方向の位置Z、縦軸はビュー番号(時刻に比例する)Viewを表している。投影データは、ビュー番号毎に、X線データ収集系41の被検体40に対する基準位置TLを中心に検出器幅W分、すなわち複数検出器列分が収集される。
例えば、フェーズP1における直線移動開始点Zs近傍のスライス位置Z1については、フェーズP1におけるスライス位置Z1に対応するビューCVp1,z1を基準ビューとする。そして、その基準ビューを中心とする所定のビュー角度FR分のビュー範囲の投影データCPp1,z1のうち、スライス位置Z1に対応する再構成面を貫くパス(path)を通るX線ビームによる投影データを、投影データPDp1,z1として抽出する。
また例えば、フェーズP1における直線移動範囲Rmの中央付近のスライス位置Z2については、フェーズP1におけるスライス位置Z2に対応するビューCVp1,z2を基準ビューとする。そして、その基準ビューを中心とする所定のビュー角度FR分のビュー範囲の投影データCPp1,z2のうち、スライス位置Z2に対応する再構成面を貫くパスを通るX線ビームによる投影データを、投影データPDp1,z2として抽出する。
ステップB4では、再構成面RP上の全画素の中から1つの画素Pを指定する。なお、このステップB4を2回目以降に実行するときは、それまでに指定していない画素を指定する。
ステップB5では、画素データを再構成するのに必要なビュー角度分の各ビュー角度方向の中から1つのビュー角度方向θiを指定する。なお、このステップB5を2回目以降に実行するときは、それまでに指定していないビュー角度方向を指定する。
ステップB6では、投影データPDpi,zjの中で、対応するX線ビームが再構成面RPの一方の面側から画素Pまたはその近傍の位置を通り、その対応するX線ビームを再構成面RPに投影したときの角度方向がビュー角度方向θiと同一のまたは対向する方向である第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)を特定する。ここで、αはX線焦点FとX線検出器21のスライス方向の中央線とを通る面からのコーン角、βはX線焦点Fのビュー角度位置、γはX線管12から照射されるファン状のX線ビーム中心線からのチャネル方向(当該X線ビームの広がり方向)の角度である。例えば、図6に示すようなX線ビームX(αdi,βdi,γdi)による投影データs(αdi,βdi,γdi)を特定する。
ステップB7では、対応するX線ビームが再構成面RPの他方の面側から画素Pまたはその近傍の位置を通り、その対応するX線ビームを再構成面RPに投影したときの角度方向がビュー角度方向θiと同一のまたは対向する方向である第2の投影データs(αci,βci,γci)を特定する。例えば、図6に示すようなX線ビームX(αci,βci,γci)による投影データs(αci,βci,γci)を特定する。
ステップB8では、第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)と第2の投影データs(αci,βci,γci)とを加重加算(重み付け加算)するときに用いる加重係数を、次式に従って求める。
Figure 2010155020
これらの式において、ω(βdi,γdi)は第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)に乗算する加重係数、ω(βci,γci)は第2の投影データs(αci,βci,γci)に乗算する加重係数である。また、ΔZdiは第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)が収集されるときのX線データ収集系41の基準位置TLであるZdiと再構成面RPとのz方向における距離、ΔZciは第2の投影データs(αci,βci,γci)が収集されるときのX線データ収集系41の基準位置TLであるZciと再構成面RPとのz方向における距離である。また、ΔZoffsetはオフセット距離(正の所定値)であり、ここではヘリカルピッチHをパラメータに持つ関数である。例えば、ヘリカルピッチHが大きくなると、オフセット距離ΔZoffsetは小さくなるよう変化する。このときのオフセット距離ΔZoffsetの変化曲線は、連続的に変化する曲線でもよいし、段階的に変化する曲線でもよい。また、ヘリカルピッチHが一定値を下回るあるいは上回るときに、オフセット距離ΔZoffsetが一定値となるよう変化する曲線でもよい。
図7は、オフセット距離ΔZoffsetの変化曲線の一例を示す図である。オフセット距離ΔZoffsetは、例えば図7に示すように、ヘリカルピッチHが0(ゼロ)からH1まで変化するときに、オフセット距離ZoffsetはΔZ0offsetから0(ゼロ)まで変化し、ヘリカルピッチHがH1より大きいときに、オフセット距離はΔZoffset=0(ゼロ)で一定となる。
なお、このときのオフセット距離ΔZoffsetの変化範囲は特に限定されないが、例えば、スキャン幅(X線管12から照射されるX線ビームの回転軸Ic上でのz方向の幅)WをX線検出器24の検出器列数で割った幅をdとするとき、0(ゼロ)〜20dの範囲内で変化させるとよい。例えばスキャン幅40mm、検出器列64列の場合にはd=0.625mmであるから、オフセット距離Zoffsetは0〜13.5mmの範囲内で変化させる。
また、距離ΔZdi,ΔZciとヘリカルピッチHは、投影データに付帯する情報、すなわちその投影データが収集されたときのX線焦点Fのビュー角度位置βとX線データ収集系41の基準位置TLとを基に算出する。ヘリカルピッチHは、例えば第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)が収集されたときと第2投影データs(αci,βci,γci)が収集されたときとの間における、X線焦点Fのビュー角度位置の変化量ΔβとX線データ収集系41の基準位置TLの変化量ΔTLとを基に算出する。
ステップB9では、次式のように、第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)と、第2の投影データs(αci,βci,γci)とを、ステップB8で求めた加重係数を用いて加重加算することにより、ビュー角度方向θiの投影データsdciを作成する。
Figure 2010155020
ステップB10では、予定しているビュー角度方向の投影データ作成が終了したかを判定し、終了していればステップB11に進み、終了していなければステップB5に戻る。
ステップB11では、作成した各ビュー角度方向θiの投影データを逆投影処理して、画素Pの画素データを再構成する。なお、ステップB5〜B11の、重み付けを含む逆投影演算処理をまとめて一般化した式で表すと次式のようになる。なお、実際の画素データを再構成する処理は、上記の手順に限定されず、アルゴリズムによって種々の形態が考えられる。
Figure 2010155020
再び説明するが、この式において、f(x,y,z)は再構成面RP上の画素P(x,y,z)の画素データ、s(α,β,γ)は再構成面RP上の画素P(x,y,z)またなその近傍の位置を通るX線ビームによる投影データ、g(γ)は再構成関数、×を○で囲んだ記号はコンボリューション演算子、αはX線焦点FとX線検出器24のスライス方向の中央線とを通る面からのコーン角、βはX線焦点Fのビュー角度位置、γはファン状X線ビームの中心線からのチャネル方向の角度、RはX線焦点Fから回転中心軸Icまでの距離、Zは画素Pのz座標に依存する所定の値、ω(β,γ)は投影データs(α,β,γ)に乗算する加重係数である。なお、ハーフリコンではβmax−βmin=π+2γm、フルリコンではβmax−βmin=2πもしくは2π+2γmとなる。
ステップB12では、予定している画素の画素データ再構成が終了したかを判定し、終了していなければステップB4に進み、終了していればフェーズPiにおけるスライス位置ZjのCT画像の画像再構成が完了し、ステップB13に進む。
このようにCT画像を画像再構成すると、例えば図5のスライス位置Z1のCT画像を再構成する場合のように、小さいヘリカルピッチでヘリカルスキャンして収集された投影データを基に画像再構成する場合などにおいても不都合が生じない。
図8は、距離ΔZdi,ΔZciが共にゼロに近い微小な値を取り、かつ距離ΔZdiとΔZciとの間に比として大きな偏りがある場合における、第1の投影データs(αdi,βdi,γdi)および第2の投影データs(αci,βci,γci)を示す図である。また、図9は、図8の画素P周辺の拡大図である。
すなわち、図8および図9に示すように、距離ΔZdi,ΔZciが共にゼロに近い微小な値を取り、かつ距離ΔZdiとΔZciとの間に比として大きな偏りがある場合であっても、オフセット距離ΔZoffsetの存在により、いずれか一方の投影データに相対的に大きな加重係数が割り当てられることがない。
また、オフセット距離ΔZoffsetがヘリカルピッチHに応じて変化するので、距離ΔZdi,ΔZciが共にゼロに近い微小な値を取る可能性の大きさに応じた適正なオフセット距離ΔZoffsetを設定することができる。特に、ヘリカルピッチHが大きいときは距離ΔZdi,ΔZciが共にゼロに近い微小な値を取る可能性は低くなると考えられるので、ヘリカルピッチHが大きくなるに従ってオフセット距離ΔZoffsetが小さくなる設定は好適な例の一つである。
図4に戻り、ステップB13では、予定しているスライス位置についてCT画像の画像再構成が終了したかを判定し、終了していない場合にはステップB2に進み、終了している場合にはステップB14に進む。
ステップB14では、予定しているフェーズについてCT画像の画像再構成が終了したかを判定し、終了していない場合にはステップB1に進み、終了している場合には画像再構成処理を終了する。
このように、本実施形態によるX線CT装置100によれば、CT画像の再構成面と投影データのビューに対応するX線データ収集系41の基準位置TLとのz方向における距離ΔZに基づく重み付けを含む逆投影演算を行うことにより、CT画像の画像データを求める際に、上記重み付けに、上記距離ΔZにオフセット距離(正の所定値)ΔZoffsetを加算した距離を上記距離ΔZの代わりに用いるので、各投影データに対応する上記距離ΔZのいずれもが微小な値を取っても、オフセット距離ΔZoffsetの存在により、いずれか一方の加重係数(重み係数)が極端に小さくなる状態を防ぐことができ、ヘリカルスキャンにより収集された投影データのうち再構成面に近いX線ビームによる投影データが確実に活用される。その結果、CT画像のSN比(signal-noise ratio)をよくすることができ、CT画像の画質を向上させることができる。
また、従来の加重係数の数式では、ヘリカルピッチがゼロに近づいて、計測される距離ΔZcおよびΔZdがゼロ若しくはゼロに非常に近い値を取ると、ゼロ割りと呼ばれる状態になり、適正な加重係数が算出されない。一方、本実施形態によれば、加重係数の数式に含まれるオフセット距離ΔZoffsetの存在がゼロ割りの状態を防ぐので、適正な加重係数を算出することができる。
また、一般的に、X線データ収集系の相対位置の計測値は、その計測系の精度の問題で測定毎に僅かながらばらつくことがある。従来の加重係数の数式では、距離ΔZの真値がゼロ若しくはゼロに非常に近い値であると、その測定値のばらつきにより、加重係数も不安定になる。したがって、距離ΔZの組合せが理論上略同じとなるケース(case)であっても、投影データの収集された時刻が異なれば、算出される加重係数も大きくばらつくことがあり、結果的に再構成画像上にアーチファクト(artifact)を発生させる原因となる。一方、本実施形態によれば、加重係数の数式に含まれるオフセット距離ΔZoffsetの存在が、算出される加重係数のばらつきを抑えるので、再構成画像上に発生するアーチファクトを抑制することができる。
なお、上記の実施形態は本発明の一例であり、種々の変更が可能である。
上記の実施形態では、多列検出器を有するマルチスライス(multi slice)のX線CT装置を例に説明したが、本発明は、検出器列を1列だけ有するシングルスライス(single slice)のX線CT装置にも同様に適用できる。この場合には、ヘリカル補間において、X線データ収集系が再構成面の一方の面側の第1の位置に位置する場合における所定のビュー角度方向にて再構成面と平行であるX線ビームによる第1の投影データsdと、X線データ収集系が再構成面の他方の面側の第2の位置に位置する場合における上記所定のビュー角度方向と同一または対向するビュー角度方向にて再構成面と平行であるX線ビームによる第2の投影データscとを、オフセット距離Zoffsetが挿入された加重係数を用いて加重加算処理する。
また、上記の実施形態では、可変ピッチヘリカルスキャンを行う場合を例に説明したが、ヘリカルピッチが固定のヘリカルスキャンであってもよい。
また、上記の実施形態では、ヘリカルピッチに依存したオフセット距離Zoffsetを用いる方法として、ヘリカルピッチHをパラメータに持つ関数によりオフセット距離Zoffsetを算出する方法を採用しているが、このほかの方法、例えば、ヘリカルピッチとそれに対応するオフセット距離Zoffsetとを対応付けたテーブルを作成して記憶しておき、このテーブルを参照して適切なオフセット距離Zoffsetを選択する方法を採用してもよい。
また、上記の実施形態では、オフセット距離Zoffsetは、ヘリカルピッチに依存するが、ヘリカルピッチに依存しない固定値であってもよい。いずれにしても、オフセット距離Zoffsetの値の設定範囲は正の値であれば特に限定されないが、目安としては、上記の幅dを用いて、d/100以上、30d以下の範囲内で設定するとよい。例えばスキャン幅40mm、検出器列64列の場合にはd=0.625mmであるから、オフセット距離Zoffsetは0より大きく18.725mm以下の範囲内で設定するとよい。
また、上記の実施形態では、ヘリカルピッチは限定されないが、CT画像を再構成する際の投影データの逆投影演算が、ヘリカルピッチが0.5以下の場合において収集される投影データの重み付けを含むときに大きな効果を発揮し、特にヘリカルピッチが0.2以下の場合には、より大きな効果を発揮する。
また、上記の実施形態では、加重加算処理の対象となる投影データが収集されたときのX線データ収集系41と再構成面RPとの距離Z(数式上はβとγで規定される)を考慮して加重係数を求めているが、さらに、対象となる投影データに対応するX線ビームの再構成面RPへの入射コーン角度αを考慮した加重係数を求め、対象となる投影データに乗算するようにしてもよい。
また、上記の実施形態では、1つのビュー角度方向に対して、加重加算処理の対象となる投影データを2つとしているが、3つ以上としても同様の考え方により、適正な加重係数を求めることができる。
100 X線CT装置
1 操作コンソール
2 入力装置
3 中央処理装置
5 データ収集バッファ
6 モニタ
7 記憶装置
10 寝台装置
12 テーブル
15 回転部
20 走査ガントリ
20a 本体部
21 X線管
22 X線コントローラ
23 コリメータ
24 X線検出器
25 DAS
26 回転部コントローラ
29 制御コントローラ
30 スリップリング
40 被検体
41 X線データ収集系
B ボア

Claims (22)

  1. X線を照射するX線管と被検体の透過X線を検出する少なくとも1つの検出器列を有するX線検出器とを含むX線データ収集系を前記被検体の体軸方向に相対直線移動させながらスキャンを行うヘリカルスキャンにより収集される投影データを用いてCT画像を再構成する画像再構成方法であって、
    前記CT画像の再構成面と前記データ収集系の基準位置とが前記体軸方向において一致する時刻に対応するビューを含むビュー範囲の投影データを用い、前記再構成面と該投影データのビューに対応する前記X線データ収集系の基準位置との前記体軸方向における距離に基づく重み付けを含む逆投影演算を行うことにより、前記CT画像の画像データを求めるステップを有しており、
    前記重み付けに、前記距離に正の所定値を加算した距離を前記距離の代わりに用いる画像再構成方法。
  2. 前記重み付けに、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の一方の面側にあるときのビューにおける、前記再構成面上の所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第1の投影データと、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の他方の面側にあるときのビューにおける、前記第1の投影データと実質的に同じまたは逆向きのビュー角度方向で前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第2の投影データとにおける前記所定値を加算した距離の比に基づく重み係数を用いる請求項1に記載の画像再構成方法。
  3. 前記第1の投影データに対する重み係数は、
    Figure 2010155020
    で示す項を含み、
    前記第2の投影データに対する重み係数は、
    Figure 2010155020
    で示す項を含み、
    ΔZcは前記第1の投影データにおける前記距離であり、ΔZdは前記第2の投影データにおける前記距離であり、ΔZoffsetは前記所定値である請求項2に記載の画像再構成方法。
  4. 前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームは、前記再構成面に平行である請求項2または請求項3に記載の画像再構成方法。
  5. 前記X線検出器は、複数の検出器列を有しており、
    前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームは、前記再構成面を通る請求項2または請求項3に記載の画像再構成方法。
  6. 前記所定値は、ヘリカルピッチが大きくなると小さくなる請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の画像再構成方法。
  7. ヘリカルスキャンの最中にヘリカルピッチが変化する可変ピッチヘリカルスキャンにおけるヘリカルピッチに応じて前記所定値が変化する請求項6に記載の画像再構成方法。
  8. 前記逆投影演算は、前記ヘリカルピッチが0.5以下の場合において収集される投影データの重み付けを含む請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の画像再構成方法。
  9. 前記所定値は、前記X線管から照射されるX線ビームの前記体軸方向の幅を前記検出器列の列数で割った幅をdとするとき、d/100以上、30d以下の範囲内である請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の画像再構成方法。
  10. 前記ビュー範囲は、π+前記X線管から照射されるX線ビームのファン角、2π、または2π+前記ファン角のビュー角度分に相当する請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の画像再構成方法。
  11. 前記X線データ収集系の基準位置は、前記X線管のX線焦点と前記X線検出器の中心とを結ぶ直線と前記データ収集系の回転軸との交点の位置である請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の画像再構成方法。
  12. X線を照射するX線管と被検体の透過X線を検出する少なくとも1つの検出器列を有するX線検出器とを含むX線データ収集系を前記被検体の体軸方向に相対直線移動させながらスキャンを行うヘリカルスキャンにより投影データを収集するデータ収集手段と、前記収集された投影データを用いてCT画像を再構成する画像再構成手段とを備えるX線CT装置であって、
    前記画像再構成手段は、
    前記CT画像の再構成面と前記データ収集系の基準位置とが前記体軸方向において一致する時刻に対応するビューを含むビュー範囲の投影データを用い、前記再構成面と該投影データのビューに対応する前記X線データ収集系の基準位置との前記体軸方向における距離に基づく重み付けを含む逆投影演算を行うことにより、前記CT画像の画像データを求めており、
    前記重み付けに、前記距離に正の所定値を加算した距離を前記距離の代わりに用いるX線CT装置。
  13. 前記画像再構成手段は、前記重み付けに、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の一方の面側にあるときのビューにおける、前記再構成面上の所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第1の投影データと、前記データ収集系の基準位置が前記再構成面の他方の面側にあるときのビューにおける、前記第1の投影データと実質的に同じまたは逆向きのビュー角度方向で前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームによる第2の投影データとにおける前記所定値を加算した距離の比に基づく重み係数を用いる請求項12に記載のX線CT装置。
  14. 前記第1の投影データに対する重み係数は、
    Figure 2010155020
    で示す項を含み、
    前記第2の投影データに対する重み係数は、
    Figure 2010155020
    で示す項を含み、
    ΔZcは前記第1の投影データにおける前記距離であり、ΔZdは前記第2の投影データにおける前記距離であり、ΔZoffsetは前記所定値である請求項13に記載のX線CT装置。
  15. 前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームは、前記再構成面に平行である請求項13または請求項14に記載のX線CT装置。
  16. 前記X線検出器は、複数の検出器列を有しており、
    前記所定の画素またはその近傍の位置を通るX線ビームは、前記再構成面を通る請求項13または請求項14に記載のX線CT装置。
  17. 前記所定値は、ヘリカルピッチが大きくなると小さくなる請求項12から請求項16のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  18. ヘリカルスキャンの最中にヘリカルピッチが変化する可変ピッチヘリカルスキャンにおけるヘリカルピッチに応じて前記所定値が変化する請求項17に記載のX線CT装置。
  19. 前記逆投影演算は、前記ヘリカルピッチが0.5以下の場合において収集される投影データの重み付けを含む請求項12から請求項18のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  20. 前記所定値は、前記X線管から照射されるX線ビームの前記体軸方向の幅を前記検出器列の列数で割った幅をdとするとき、d/100以上、30d以下の範囲内である請求項12から請求項19のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  21. 前記ビュー範囲は、π+前記X線管から照射されるX線ビームのファン角、2π、または2π+前記ファン角のビュー角度分に相当する請求項12から請求項20のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  22. 前記X線データ収集系の基準位置は、前記X線管のX線焦点と前記X線検出器の中心とを結ぶ直線と前記データ収集系の回転軸との交点の位置である請求項12から請求項21のいずれか1項に記載のX線CT装置。
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