JP2010172590A - Ｘ線ｃｔ装置および画像処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 デュアルエネルギー撮影による被検体の物質抑制画像を精度よく求める。
【解決手段】 デュアルエネルギー撮影により得られた管電圧が異なる２つの断層像を重み付け減算処理して、被検体の所定の物質の成分が抑制された物質抑制画像を求める際に、画素ごとに、その画素の位置と対応付けられた重み係数を用いる。重み係数は、例えば、対象となる断層像Ｇにおける画像再構成領域の中心ＩＳＯからの画素ｇまでの距離ｒに応じて変化する、上記所定の物質のデュアルエネルギー比Ｒに基づく値とする。
【選択図】 図９

Description

本発明は、Ｘ線ＣＴ(Computed Tomography)装置および画像処理装置に関し、特にデュアルエネルギー(dual energy)撮影によって得られる画像の処理に関する。

従来、Ｘ線ＣＴ装置により被検体をデュアルエネルギー撮影して得られた、Ｘ線管の管電圧（照射するＸ線のエネルギー分布）が異なる２つの画像を重み付け減算処理することにより、所定の物質の成分が抑制された物質抑制画像（所定の物質の成分を抑制することにより他の物質の成分が強調されることから物質強調画像ともいうが、ここでは、以下、物質抑制画像という呼称で統一する）を求める画像処理方法が知られている（例えば、特許文献１，図５等参照）。

このようにして求められた物質抑制画像は、そのまま画像診断に供されたり、別の画像を求めるための元になる画像として用いられたりする。

特開２００８−１５４７８４号公報

しかし、上記の画像処理方法では、各画素について同一の重み係数を用いて重み付け減算処理するため、被検体に照射されるＸ線ビーム（beam）の線質が空間的な位置によって異なることによる影響が排除されておらず、求める物質抑制画像の精度向上の余地を残している。

本発明は、上記事情に鑑み、デュアルエネルギー撮影により得られた管電圧が異なる２つの画像に基づいて、被検体の物質抑制画像を精度よく求めることが可能なＸ線ＣＴ装置および画像処理装置を提供することを目的とする。

第１の観点では、本発明は、Ｘ線管とＸ線検出器とを有しており、被検体を第１の管電圧と前記第１の管電圧とは異なる第２の管電圧とによりＸ線ＣＴ撮影して投影データを収集する撮影手段と、前記第１の管電圧による投影データに基づく第１の画像と前記第２の管電圧による投影データに基づく第２の画像とを画像再構成する画像再構成手段と、前記第１および第２の画像における互いに対応する画素の画素値同士を、前記画素の位置に応じて異なる重み係数を用いて重み付け減算処理することにより、画像を求める重み付け減算手段とを備えるＸ線ＣＴ装置を提供する。

第２の観点では、本発明は、前記撮影手段が、通過するＸ線の線質を空間的に変化させるＸ線フィルタ（filter）を有しており、前記Ｘ線管から発生するＸ線ビームを、前記Ｘ線フィルタを介して前記被検体に照射する上記第１の観点のＸ線ＣＴ装置を提供する。

第３の観点では、本発明は、前記撮影手段が、Ｘ線吸収特性が異なる複数のＸ線フィルタを有し、前記Ｘ線ビームを前記複数のＸ線フィルタの中から選択されたＸ線フィルタを介して前記被検体に照射しており、前記重み付け減算手段が、前記選択されたＸ線フィルタに応じた重み係数を用いて重み付け減算処理する上記第２の観点のＸ線ＣＴ装置を提供する。

第４の観点では、本発明は、前記重み係数が、前記第１および第２の画像における画像再構成領域の中心から前記対応する画素までの距離に応じて変化する上記第１の観点から第３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５の観点では、本発明は、前記重み係数が、前記画像再構成領域の中心部よりも周辺部の方が大きくなる上記第４の観点のＸ線ＣＴ装置を提供する。

第６の観点では、本発明は、前記Ｘ線検出器が、前記被検体の体軸方向に複数の検出素子列を有しており、前記第１および第２の画像が、前記被検体の体軸方向における前記Ｘ線検出器に対する所定の位置の画像であり、前記重み付け減算手段が、前記所定の位置に応じた重み係数を用いて重み付け減算処理する上記第１の観点から第５の観点のいずれか１つの観点のＸ線ＣＴ装置を提供する。

第７の観点では、本発明は、前記重み係数が、前記撮影手段を用いて前記第１の管電圧によりＸ線ＣＴ撮影した場合に得られる画像の前記対応する画素と同じ位置の画素における前記所定の物質に相当する第１の画素値と、前記撮影手段を用いて前記第２の管電圧によりＸ線ＣＴ撮影した場合に得られる画像の前記対応する画素と同じ位置の画素における前記所定の物質に相当する第２の画素値との比に基づく上記第１の観点から第５の観点のいずれか１つの観点のＸ線ＣＴ装置を提供する。

第８の観点では、本発明は、前記重み付け減算手段が、第１の物質に応じた重み係数を用いる重み付け減算処理により、前記第１の物質の成分が抑制された第１の物質抑制画像を求めるとともに、第２の物質に応じた重み係数を用いる重み付け減算処理により、前記第２の物質の成分が抑制された第２の物質抑制画像を求めており、前記第１の物質抑制画像と前記第２の物質抑制画像とを重み付け加算することにより第３の画像を求める重み付け加算手段をさらに備える上記第１の観点から第７の観点のいずれか１つの観点のＸ線ＣＴ装置を提供する。

第９の観点では、本発明は、前記第１および第２の物質の一方が水であり、他方がヨウ素である上記第１の観点から第８の観点のいずれか１つの観点のＸ線ＣＴ装置を提供する。

第１０の観点では、本発明は、Ｘ線管とＸ線検出器とを有する撮影手段により、被検体を第１の管電圧と前記第１の管電圧とは異なる第２の管電圧とによりＸ線ＣＴ撮影して収集された投影データに基づいて画像再構成された、前記第１の管電圧による第１の画像と前記第２の管電圧による第２の画像とを受け取る画像受取手段と、前記第１および第２の画像における互いに対応する画素の画素値同士を、前記画素の位置に応じて異なる重み係数を用いて重み付け減算処理することにより、画像を求める重み付け減算手段とを備える画像処理装置を提供する。

本発明によれば、管電圧が異なる２つの画像を、対応する画素ごとにその位置に応じた適正な重み係数を用いて重み付け減算処理することができ、Ｘ線ビームの線質が空間的な位置によって異なることによる影響を低減して、被検体の物質抑制画像を精度よく求めることができる。

本発明の実施例１に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。 走査ガントリ（gantry）の撮影系の主要部をｚ方向に見たときの図である。 走査ガントリの撮影系の主要部をｘ方向に見たときの図である。 中央処理装置の構成を示す図である。 所望の管電圧相当の画像を生成するためのデータ（data）処理の過程を示す図である。 再構成される画像の各スライス（slice）位置を示す図である。 所定の管電圧によるＸ線のスペクトル（spectrum）を示す図である。 所定の物質におけるＸ線フォトンエネルギー（x-ray photon energy）とＸ線吸収係数との関係を示す図である。 画像再構成領域の中心から対象画像までの距離とデュアルエネルギー比との関係を示す図である。 断層像の中央部におけるヨウ素のデュアルエネルギー比の測定例を示す図である。 断層像の周辺部におけるヨウ素のデュアルエネルギー比の測定例を示す図である。 断層像のｚ方向の位置とデュアルエネルギー比との関係を示す図である。 ヨウ素のデュアルエネルギー比における断層像のｚ方向の位置Ｚに対する変化を示す図である。

本発明の実施例１に係るＸ線ＣＴ装置の動作の一例を示すフロー（flow）図である。 本発明の実施例２に係る画像処理装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

実施例１に係るＸ線ＣＴ装置について説明する。このＸ線ＣＴ装置は、デュアルエネルギー撮影により投影データを収集し、収集された投影データに基づいてＸ線管の管電圧が異なる２つの断層像を画像再構成し、これら２つの断層像の重み付け減算処理（加重減算処理ともいう）により、所定の物質の成分が抑制されて別の物質の密度分布を表す２つの物質密度画像（物質抑制画像）を求め、これら２つの物質密度画像の重み付け加算処理（加重加算処理）により所望の管電圧相当の断層像を生成する。そして、その特徴は、これら物質密度画像を求めるための重み付け減算処理に用いる重み係数（加重係数ともいう）を、画素の位置等を含む諸条件によって変化させ、精度のよい物質密度画像を生成することにある。

図１は、実施例１に係るＸ線ＣＴ装置１００の構成を示す図である。

Ｘ線ＣＴ装置１００は、操作コンソール（console）１と、撮影テーブル１０と、走査ガントリ（撮影手段）２０とを具備している。

操作コンソール１は、操作者からの入力を受け付ける入力装置２と、デュアルエネルギー撮影を行うための各部の制御や画像を生成するためのデータ処理等を行う中央処理装置３と、走査ガントリ２０で取得したデータを収集するデータ収集バッファ（buffer）５と、画像を表示するモニタ（monitor）６と、プログラム（program）やデータ等を記憶する記憶装置７とを具備している。

撮影テーブル１０は、被検体４０を載せて走査ガントリ２０の開口部Ｂに入れ出しするクレードル（cradle）１２を具備している。クレードル１２は、撮影テーブル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、被検体４０の体軸方向すなわちクレードル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から発生したＸ線ビームＸｂをコリメート（collimate）して整形するコリメータ（collimator）２３と、コリメータ２３により整形されたＸ線ビームＸｂの線質や強度を調整するＸ線フィルタ部２８と、被検体４０を透過したＸ線ビームＸｂを検出する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）（データ収集装置ともいう）２５と、Ｘ線コントローラ２２，コリメータ２３，ＤＡＳ２５，Ｘ線フィルタ部２８の制御を行う回転部コントローラ２６とが搭載される。本体部２０ａは、制御信号などを操作コンソール１や撮影テーブル１０と通信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続されている。

走査ガントリ２０における撮影系の主要部の構成について説明する。

図２は、撮影系の主要部をｚ方向に見たときの図であり、図３は、撮影系の主要部をｘ方向に見たときの図である。

Ｘ線管２１とＸ線検出器２４とは、図２に示すように、走査ガントリ２０の開口部Ｂを挟むように相対向して配置されている。

Ｘ線管２１は、図３に示すように、陰極フィラメント（filament）２１ｃと回転陽極２１ａとを有しており、陰極フィラメント２１ｃから放出された電子ｅが、電極間に印加された管電圧により加速されて回転陽極２１ａに衝突し、Ｘ線ビームＸｂを発生する。

Ｘ線検出器２４は、図２および図３に示すように、複数のＸ線検出素子２４ｓをチャネル方向ＣＨに配置した検出素子列２４ｒを、スライス方向であるｚ方向に複数有する多列検出器である。なお、本実施例では、Ｘ線検出器２４は、図３に示すように、検出素子列番号ｊをｚ方向に３２Ａ，…，１Ａ，１Ｂ，…，３２Ｂとする６４列分の検出素子列２４ｒを有している。また、各検出素子列２４ｒは、図２に示すように、チャネル番号ｉをチャネル方向ＣＨに１〜１０００とする１０００チャネル分のＸ線検出素子２４ｓを有している。

コリメータ２３およびＸ線フィルタ部２８は、図２および図３に示すように、Ｘ線管２１と開口部Ｂとの間に配置される。

コリメータ２３は、Ｘ線管２１で発生したＸ線ビームＸｂをチャネル方向およびスライス方向（ｚ方向）にコリメートしてファンビーム状に整形する。

Ｘ線フィルタ部２８は、コリメータ２３により整形されたＸ線ビームＸｂの線質および強度を空間的に調整するビーム形成Ｘ線フィルタを有する。ビーム形成Ｘ線フィルタは、Ｘ線ビームＸｂのチャネル方向における中心部が最も薄く、周辺部に近づくにつれ厚くなる凹面形状を有しており、中心部よりも周辺部の方がＸ線をより吸収するよう設計されている。これにより、円形または楕円形に近い断面形状を有する被検体の体表面に過剰なＸ線が照射されないようにする。

本実施例では、Ｘ線フィルタ部２８は、空間的なＸ線吸収特性が異なる複数のビーム形成Ｘ線フィルタ２８Ｌ，２８Ｍ，２８Ｓを有している。そして、これらの中から被検体の大きさ等に基づいて選択されたいずれかのビーム形成Ｘ線フィルタを、Ｘ線ビームＸｂの照射経路内に挿入する。なお、Ｘ線フィルタ部２８が有するＸ線フィルタは、ビーム形成Ｘ線フィルタに限定されない。

Ｘ線管２１から発生するＸ線ビームＸｂは、コリメータ２３で整形された後、Ｘ線フィルタ部２８で空間的に線質および強度が調整され、開口部Ｂ内に搬送される被検体４０に照射される。被検体を透過したＸ線ビームＸｂは、Ｘ線検出器２４で検出される。

なお、Ｘ線管２１からＸ線ビームＸｂを照射しながら回転部１５を回転中心ＩＳＯの周りに回転させたときに全方向からＸ線ビームが照射される領域が撮像視野ＳＦＯＶである。また、断層像の画像再構成領域は、回転中心ＩＳＯを中心とする撮像視野ＳＦＯＶに含まれる領域である。

図４は、中央処理装置３の構成を示す図である。中央処理装置３は、撮影条件設定部３１と、スキャン制御部３２と、画像再構成部３３と、重み付け減算部３４と、重み付け加算部３５と、表示制御部３６とを有する。なお、これらの構成要素は、中央処理装置３の機能により実現される。

撮影条件設定部３１は、操作者からの入力に応じてデュアルエネルギー撮影の撮影条件を設定する。撮影条件としては、例えば、デュアルエネルギー撮影における設定管電圧である高い管電圧ＨＶ（第１の管電圧）と低い管電圧ＬＶ（第２の管電圧）、撮影に用いるビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬ、撮影範囲、スライス厚、スキャン１回転時間等がある。なお、設定管電圧は、例えば、高い管電圧ＨＶを１４０ｋＶ、低い管電圧ＬＶを８０ｋＶとする。

スキャン制御部３２は、設定された撮影条件に従ってデュアルエネルギー撮影を実行するよう走査ガントリ２および撮影テーブル１０を制御する。例えば、Ｘ線管２１の管電圧を高い管電圧ＨＶ（または低い管電圧）に設定して所定の回転角度であるビュー（view）角度分に相当する複数ビューの投影データを収集し、次いで、Ｘ線管２１の管電圧を低い管電圧ＬＶ（または高い管電圧）に設定して同ビュー角度分に相当する複数ビューの投影データを収集するよう、走査ガントリ２および撮影テーブル１０を制御する。あるいは、Ｘ線管２１の管電圧を１または数ビュー単位にて高い管電圧ＨＶと低い管電圧ＬＶとに繰り返し切り換えながら管電圧毎に所定のビュー角度分に相当する複数ビューの投影データを収集するよう、走査ガントリ２および撮影テーブル１０を制御する。これにより、高い管電圧による所定のビュー角度分に相当する複数ビューの投影データＰHV（view,j,i）と、低い管電圧による所定のビュー角度分に相当する複数ビューの投影データＰLV（view,j,i）とが収集される。ここで、ｖｉｅｗはビュー番号（ｖｉｅｗ＝１，２，…，２０００程度）、ｊは検出素子列番号（ｊ＝３２Ａ，…，１Ａ，１Ｂ，…，３２Ｂ）、ｉはチャネル番号（ｉ＝１，２，…，１０００）である。なお、後者の方法を用いる場合、収集された投影データをビュー方向に重み付け加算処理するなどして、欠落したビューの投影データを補ってもよい。上記所定のビュー角度分は、例えば２π〔ｒａｄ〕、またはπ＋Ｘ線ビームＸｂのファン角α〔ｒａｄ〕である。

画像再構成部３３は、デュアルエネルギー撮影によって収集された投影データを基に高い管電圧の断層像（第１の画像）と低い管電圧の断層像（第２の画像）とを画像再構成する。すなわち、図５に示すように、高い管電圧による投影データＰHV(view,j,i)を基に高い管電圧の断層像ＧHV(x,y,z)を画像再構成し、低い管電圧による投影データＰLV(view,j,i)を基に低い管電圧の断層像ＧLV(x,y,z)を画像再構成する。本実施例では、図６に示すように、回転部１５の回転中心（軸）ＩＳＯ上でＸ線管２１からＸ線検出器２４に照射されるＸ線ビームＸｂの通過領域におけるｚ方向の各位置ｚ１〜ｚ６４を各スライス位置とするスライスＳＬ１〜ＳＬ６４について、高い管電圧の断層像ＧHV(x,y,z)および低い管電圧の断層像ＧLV(x,y,z)（ｚ＝ｚ１，ｚ２，…，ｚ６４）を画像再構成する。なお、画像再構成には、例えば、フィルタ逆投影法（filtered back-projection）等を用いる。

重み付け減算部３４は、高い管電圧の断層像と低い管電圧の断層像とを重み付け減算処理して２つの異なる物質密度画像を求める。すなわち、図５に示すように、高い管電圧の断層像ＧHV(x,y,z)と低い管電圧の断層像ＧLV(x,y,z)とを重み付け減算処理することにより、被検体４０の水の密度分布を表す水密度画像Ｗ（x,y,z）（第１の物質抑制画像）と、被検体４０のヨウ素の密度分布を表すヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）（第２の物質抑制画像）とを求める。本実施例では、スライスＳＬ１〜ＳＬ６４の各々について、水密度画像Ｗ（x,y,z）とヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）（ｚ＝ｚ１，ｚ２，…，ｚ６４）とを求める。

ここで、重み付け減算部３４による重み付け減算処理について詳細に説明する。

図７は、所定の管電圧によるＸ線のスペクトル（エネルギー分布）を示す図である。この図において、ＳＰ80は管電圧８０ｋＶによるＸ線のスペクトル、ＳＰ140は管電圧１４０ｋＶによるＸ線のスペクトルを示す。また、図８は、所定の物質におけるＸ線フォトンエネルギーとＸ線吸収係数との関係を示す図である。この図において、μaは物質ａのＸ線吸収係数、μbは物質ｂのＸ線吸収係数を示す。

Ｘ線のスペクトルは、図７に示すように、そのＸ線を発生するＸ線管の管電圧によって異なる。また、物質のＸ線吸収係数は、図８に示すように、Ｘ線フォトンエネルギーに応じて変化し、その変化曲線は物質を構成する元素の種類またはその組合せによって異なる。

一方、被検体の投影データまたは断層像は、２つの異なる物質の密度分布およびそのＸ線吸収係数により近似的に表現できる。

この近似モデルに基づき、水密度画像Ｗ（x,y,z）とヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）とを求めることができる。つまり、管電圧が異なる２つの画像ＧHV（x,y,z）とＧLV（x,y,z）を、ヨウ素の成分を抑制し、水の成分を強調すべく、ヨウ素に相当する画素の画素値が零になるよう重み付け減算処理することにより、水の密度分布を表す水密度画像Ｗ（x,y,z）を求めることができる。同様に、管電圧が異なる２つの画像ＧHV（x,y,z）とＧLV（x,y,z）を、水の成分を抑制し、ヨウ素の成分を強調すべく、水に相当する画素の画素値が零になるよう重み付け減算処理することにより、ヨウ素の密度分布を表すヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）を求めることができる。

具体的には、例えば次の数式に従って重み付け減算処理を行う。

ここで、ｋwは水密度画像の画素値Ｗ（x,y,z）を水の密度〔ｍｇ／ｍｌ〕を表す値に変換するための変換係数、ｋioはヨウ素密度画像Ｉｏの画素値（x,y,z）をヨウ素の密度〔ｍｇ／ｍｌ〕を表す値に変換するための変換係数、Ｒioは高い管電圧ＨＶと低い管電圧ＬＶとにおけるヨウ素のデュアルエネルギー比、Ｒwは高い管電圧ＨＶと低い管電圧ＬＶとにおける水のデュアルエネルギー比である。

水密度画像Ｗ（x,y,z）を求めるための重み付け減算処理を表す数式１において、低い管電圧の断層像の画素値ＧLV（x,y,z）に乗算する重み係数はｋwであり、高い管電圧の断層像の画素値ＧHV（x,y,z）に乗算する重み係数はｋw・Ｒioである。また、ヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）を求めるための重み付け減算処理を表す数式２において、低い管電圧の断層像の画素値ＧLV（x,y,z）に乗算する重み係数はｋioであり、高い管電圧の断層像ＧHV（x,y,z）の画素値に乗算する重み係数はｋio・Ｒwである。

さらに、デュアルエネルギー比Ｒioは、低い管電圧ＬＶによるＸ線を用いて撮影した場合に得られる断層像ＧＣLV（x,y,z）上のヨウ素に相当する画素値（ＣＴ値）ＧＣio,LV（x,y,z）を、高い管電圧ＨＶによるＸ線を用いて撮影した場合に得られる断層像ＧＣHV（x,y,z）上のヨウ素に相当する画素値ＧＣio,HV（x,y,z）で除算してなる値（画素値の比）としている。また、デュアルエネルギー比Ｒwは、断層像ＧＣLV（x,y,z）上の水に相当する画素値ＧＣw,LV（x,y,z）を、断層像ＧＣHV（x,y,z）上の水に相当する画素値ＧＣw,140（x,y,z）で除算してなる値としている。

これらのデュアルエネルギー比Ｒは、Ｘ線管の管電圧と物質の種類に応じて変化するが、実際にはこれらに加え、次に示すような他の条件に応じても変化する。

第一に、デュアルエネルギー比Ｒは、断層像内の画素の位置に応じて変化し、特に図９（ａ）に示すように、断層像Ｇにおける画像再構成領域の中心ＩＳＯから画素ｇ（x,y,z）までの距離ｒに応じて変化するという特徴を有する。すなわち、デュアルエネルギー比Ｒが同じ値を取る画素の位置を線で繋げると、図９（ｂ）に示すように、画像再構成領域の中心ＩＳＯを中心とする同心円に近い分布として表される。これは、被検体４０に照射されるＸ線ビームＸｂの線質が、チャネル方向ＣＨに変化すること、またはビーム形成Ｘ線フィルタのＸ線透過経路がチャネル方向ＣＨに変化することなどによるものと考えられる。

Ｘ線管２１から発生するＸ線ビームＸｂは、Ｘ線管２１を構成する回転陽極２１ａの構造に起因して、図２に示すように、チャネル方向ＣＨの中心部では軟らかいＸ線ビームＸｓとなり、チャネル方向ＣＨの周辺部では硬いＸ線ビームＸｈとなることが知られている。軟らかいＸ線ビームとは、低いＸ線エネルギー成分が多い、すなわちＸ線実効エネルギーが比較的低いＸ線ビームのことであり、硬いＸ線ビームとは、高いＸ線エネルギー成分が多い、すなわちＸ線実効エネルギーが比較的高いＸ線ビームのことである。また、ビーム形成Ｘ線フィルタは、Ｘ線フォトンエネルギーが低いＸ線の吸収量が多く、チャネル方向ＣＨの周辺部に近いほどそのフィルタの厚さが増してＸ線の吸収量が増えるため、ビーム形成Ｘ線フィルタを通過したＸ線ビームＸｂは、さらにこの傾向が強くなると考えられる。

なお、一例として、ヨウ素が中央部あるいは周辺部に配置されたファントムを撮影した場合における、管電圧８０ｋＶと１４０ｋＶの断層像の中央部におけるヨウ素のデュアルエネルギー比Ｒioの測定例を図１０に、管電圧８０ｋＶと１４０ｋＶの断層像の周辺部におけるヨウ素のデュアルエネルギー比Ｒioの測定例を図１１に示す。この測定例では、ヨウ素のデュアルエネルギー比Ｒioは、断層像の中央部（ｒ＝０ｃｍ）で１．７０、断層像の周辺部（ｒ＝２５ｃｍ）で１．８０となり、距離ｒが大きくなるとデュアルエネルギー比Ｒioも大きくなる傾向があることが分かる。

第二に、デュアルエネルギー比Ｒは、撮影に使用するビーム形成Ｘ線フィルタの種類、すなわちその形状やＸ線吸収特性に応じて変化するという特徴を有する。ビーム形成Ｘ線フィルタの種類が異なれば、そのフィルタが有する空間的なＸ線吸収特性も異なるため、ビーム形成Ｘ線フィルタを通過したＸ線ビームＸｂの線質も空間的に変化するからである。

第三に、デュアルエネルギー比Ｒは、図１２に示すように、重み付け減算処理の対象となる断層像の、Ｘ線検出器２４に対するｚ方向の位置Ｚに応じて変化するという特徴を有する。Ｘ線管２１から発生するＸ線ビームＸｂは、Ｘ線管２１を構成する回転陽極２１ａの構造に起因して、図３に示すように、ｚ方向の陰極フィラメント２１ｃ寄りの周辺部においては軟らかいＸ線ビームＸｓとなり、ｚ方向の回転陽極２１ａ寄りの周辺部においては硬いＸ線ビームＸｈとなることが知られている。デュアルエネルギー比Ｒにおける断層像のｚ方向の位置Ｚに対する依存性は、このようなＸ線ビームＸｂのｚ方向における線質の違いによるものと考えられる。

なお、一例として、ヨウ素のデュアルエネルギー比Ｒioにおける断層像のｚ方向の位置Ｚに対する変化を図１３に示す。デュアルエネルギー比Ｒは、この例で示すように、断層像のｚ方向の位置Ｚがフィラメント陰極２１ｃ側から回転陽極２１ａ側へ近づくにつれて大きくなる傾向があることが分かる。

本実施例では、被検体４０の水密度画像Ｗ（x,y,z）および要素密度画像Ｉｏ（x,y,z）を精度よく求めるため、デュアルエネルギー比Ｒに関するこれらの特徴を考慮して、次のような構成を取る。

記憶装置７は、物質の種類Ｍと、管電圧ＨＶ，ＬＶと、ビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬと、断層像のｚ方向の位置Ｚ（これにスライス厚を加えてもよい）とによる組合せ別に、断層像における各画素の座標（x,y）または断層像における画像再構成領域の中心ＩＳＯから各画素までの距離ｒとデュアルエネルギー比Ｒとの関係を表す情報ＲＴを記憶する。

組合せを構成する各要素の選択肢としては、例えば、物質Ｍ＝水，ヨウ素、管電圧ＨＶ，ＬＶ＝（１４０ｋＶ，８０ｋＶ），（１２０ｋＶ，６０ｋＶ）、ビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬ＝２８Ｌ，２８Ｍ，２８Ｓ、断層像のｚ方向の位置Ｚ＝ｚ１，ｚ２，…，ｚ６４などとする。

また、各組合せ毎の情報ＲＴとしては、例えば、断層像における画素とその画素でのデュアルエネルギー比Ｒとを画素毎に対応付けて表す情報とする。また例えば、デュアルエネルギー比Ｒを、断層像の中心部から周辺部に向かって連続的にあるいは段階的に大きくなるものとして規定する情報とする。すなわち、低い管電圧の断層像と高い管電圧の断層像との重み付け減算処理に用いる重み係数を、断層像の中心部より周辺部の方が大きくなるように設定する。デュアルエネルギー比の情報ＲＴの形式は、数式でもテーブル（table）でもよい。

なお、デュアルエネルギー比Ｒの値は、ヨウ素や水などの物質がｘｙ平面内の各位置に配置されたファントム（phantom）を、実際に走査ガントリ２０を用いて撮影することにより得られた断層像の画素値から求めたり、理論計算に基づくシミュレーションによって求めたりすることができる。上記の情報ＲＴは、このようにして求めた値に基づいて決定することができる。この際、多項式近似などの計算方法を用いて決定してもよい。

重み付け減算部３４は、抑制しようとする物質の種類Ｍと、設定された管電圧ＨＶ，ＬＶと、撮影に使用されたビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬと、重み付け減算処理の対象となる断層像のｚ方向の位置Ｚとによる組合せに応じたデュアルエネルギー比の情報ＲＴ（Ｍ，ＨＶ，ＬＶ，ＦＬ，Ｚ）を記憶装置７から読み出す。次いで、高い管電圧の断増像ＧHV（x,y,z）と低い管電圧の断層像ＧLV（x,y,z）との間で互いに対応する画素ごとに、その画素の位置に応じたデュアルエネルギー比Ｒを、先に読み出したデュアルエネルギー比の情報ＲＴ（Ｍ，ＨＶ，ＬＶ，ＦＬ，Ｚ）に基づいて特定する。そして、特定したデュアルエネルギー比Ｒを、上記の数式１および数式２に示すような重み付け減算処理の数式に代入して、対応する画素の画素値同士を重み付け減算処理する。つまり、重み付け減算部３４は、物質の種類Ｍ，管電圧ＨＶ，ＬＶ、Ｘ線フィルタの種類ＦＬ、断層像のｚ方向の位置Ｚ、および画素の座標（x,y）あるいは距離ｒに応じた重み係数を用いて重み付け減算処理を行う。

重み付け加算部３５は、２つの異なる物質密度画像を重み付け加算処理して他の管電圧相当の断層像（第３の画像）を求める。すなわち、図５に示すように、水密度画像Ｗ（x,y,z）とヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）とを重み付け加算処理することにより、所望の管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）を求める。本実施例では、スライスＳＬ１〜ＳＬ６４の各々について、管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）（ｚ＝ｚ１，ｚ２，…，ｚ６４）を求める。

管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）は、例えば次の数式に従って重み付け加算処理を行うことにより求めることができる。

ここで、ｋｅＶ１は管電圧ＮＶによるＸ線の実効エネルギー、μw（keV1）は実効エネルギーｋｅＶ１における水のＸ線吸収係数、μio（keV1）は実効エネルギーｋｅＶ１におけるヨウ素のＸ線吸収係数、ｋｃは管電圧ＮＶ相当の断層像の画素値をＣＴ値を表す値に変更するための変更係数である。なお、ＣＴ値は、周知の通り、物質のＸ線吸収の程度を示す値であり、空気のＣＴ値は−１０００〔ＨＵ〕、水のＣＴ値は０〔ＨＵ〕で表される。

管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）を求めるための重み付け加算処理を表す数式５において、水密度画像Ｗ（x,y,z）に乗算する重み係数はｋｃ・μw（keV1）であり、ヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）に乗算する重み係数はｋｃ・μio（keV1）である。

表示制御部３６は、高い管電圧の断層像ＧHV（x,y,z）、低い管電圧の断層像ＧLV（x,y,z）、水密度画像Ｗ（x,y,z）、ヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）、管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）等を操作者の求めに応じて、あるいは自動でモニタ６の画面に表示するための制御を行う。

これより、本発明の実施例１に係るＸ線ＣＴ装置の動作について説明する。

図１４は、本発明の実施例１に係るＸ線ＣＴ装置の動作の一例を示すフロー図である。

ステップ(step)ＳＴ１では、撮影条件を設定する。ここで、撮影条件設定部３１が、操作者が入力装置２を介して入力した情報を基に、デュアルエネルギー撮影に必要な撮影条件を設定する。

ステップＳＴ２では、設定された撮影条件に従ってデュアルエネルギー撮影を行う。ここで、スキャン制御部３２が、撮影条件に従って走査ガントリ２０と撮影テーブル１０とを制御してデュアルエネルギー撮影を実行し、低い管電圧による投影データＰLV（view,j,i）と高い管電圧による投影データＰHV（view,j,i）とを収集する。

ステップＳＴ３では、画像再構成処理を行う。ここで、画像再構成部３３が、スライスＳＬ１〜ＳＬ６４の各々について、低い管電圧による投影データＰLV（view,j,i）に基づいて低い管電圧の断層像ＧLV（x,y,z）を画像再構成するとともに、高い管電圧による投影データＰHV（view,j,i）に基づいて高い管電圧の断層像ＧHV（x,y,z）を画像再構成する。

ステップＳＴ４では、重み付け減算処理を行う。ここで、重み付け減算部３４が、抑制しようとする物質の種類Ｍと、設定された高い管電圧ＨＶおよび低い管電圧ＬＶと、撮影に使用されたビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬと、重み付け減算処理の対象となる断層像のｚ方向の位置Ｚとによる組合せに応じたデュアルエネルギー比の情報ＲＴ（Ｍ，ＨＶ，ＬＶ，ＦＬ，Ｚ）を記憶装置７から読み出す。次いで、高い管電圧の断層像ＧHV（x,y,z）と低い管電圧の断層像ＧLV（x,y,z）との間で互いに対応する画素ごとに、その画素の位置に応じたデュアルエネルギー比を、先に読み出したデュアルエネルギー比の情報ＲＴ（Ｍ，ＨＶ，ＬＶ，ＦＬ，Ｚ）に基づいて特定する。そして、その対応する画素の画素値同士を、数式１または数式２に従って重み付け減算処理する。これにより、スライスＳＬ１〜ＳＬ６４の各々について、水密度画像Ｗ（x,y,z）およびヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）を求める。

ステップＳＴ５では、重み付け加算処理を行う。ここで、重み付け加算部３５が、スライスＳＬ１〜ＳＬ６４の各々について、数式５に従って、水密度画像Ｗ（x,y,z）とヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）とを重み付け加算処理することにより、所望の管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）を求める。

ステップＳＴ６では、表示制御部３６が、モニタ６を制御して、求められた管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）をモニタ６の画面に表示させる。

このように、実施例１に係るＸ線ＣＴ装置１００によれば、高い管電圧の断層像ＧHV（x,y,z）と低い管電圧の断層像ＧLV（x,y,z）とを、画素の位置を含む諸種の条件に応じたデュアルエネルギー比Ｒを考慮した適正な重み係数を用いて重み付け減算処理することができ、被検体に照射するＸ線ビームＸｂの線質が空間的な位置よって異なることによる影響を低減して、被検体の水密度画像Ｗ（x,y,z）やヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）などの物質密度画像、さらには所望の管電圧相当の断層像ＧNV（x,y,z）を精度よく求めることができる。

実施例２に係る画像処理装置について説明する。この画像処理装置は、Ｘ線ＣＴ装置１００からデュアルエネルギー撮影により得られた低い管電圧の断層像と高い管電圧の断層像とを入力され、管電圧が異なるこれら２つの断層像の重み付け減算処理により、被検体の水の密度分布を表す水密度画像と被検体のヨウ素の密度分布を表すヨウ素密度画像とを求め、これら２つの物質密度画像の重み付け加算処理により所望の管電圧相当の断層像を生成する。

図１５は、実施例２に係る画像処理装置１０２の構成を示す図である。

画像処理装置１０２は、ワークステーション（workstation）等で構成されており、その機能として、データ受取部（画像受取手段）５０と、重み付け減算部３４と、重み付け加算部３５と、表示制御部３６とを有する。

データ受取部５０は、Ｘ線ＣＴ装置１００からデュアルエネルギー撮影により得られた高い管電圧の断層像ＧHV（x,y,z）と低い管電圧の断層像ＧLV（x,y,z）とを受け取る。

また、データ受取部５０は、Ｘ線ＣＴ装置１００から重み付け減算部３４による重み付け減算処理に用いる重み係数を特定するための情報を受け取る。本実施例では、このような情報として、抑制しようとする物質の種類Ｍと、設定された管電圧ＨＶ，ＬＶと、撮影に使用されたビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬと、重み付け減算処理の対象となる断層像のｚ方向の位置Ｚとの組合せに応じたデュアルエネルギー比の情報ＲＴ（Ｍ，ＨＶ，ＬＶ，ＦＬ，Ｚ）を受け取る。

重み付け減算部３４は、高い管電圧の断層像ＧHV（x,y,z）と低い管電圧の断層像ＧLV（x,y,z）との間で互いに対応する画素ごとに、その画素の位置に応じたデュアルエネルギー比Ｒを、先に読み出したデュアルエネルギー比の情報ＲＴ（Ｍ，ＨＶ，ＬＶ，ＦＬ，Ｚ）に基づいて特定する。そして、その対応する画素の画素値同士を、実施例１にて説明した数式１または数式２に従って重み付け減算処理する。これにより、水密度画像Ｗ（x,y,z）およびヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）を求める。

重み付け加算部３５は、実施例１にて説明した数式５に従って、水密度画像Ｗ（x,y,z）とヨウ素密度画像Ｉｏ（x,y,z）とを重み付け加算処理することにより、所望の管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）を求める。

表示制御部３６は、画像処理装置１０２が有する不図示のモニタを制御して、求められた管電圧ＮＶ相当の断層像ＧNV（x,y,z）をそのモニタの画面に表示させる。

このように、実施例２に係る画像処理装置１０２によれば、実施例１に係るＸ線ＣＴ装置１００と同様に、Ｘ線ビームの線質が空間的な位置によって異なることによる影響を低減して、被検体の物質密度画像や所望の管電圧相当の断層像を精度よく求めることができる。また、このような画像を、Ｘ線ＣＴ装置が設置された場所とは異なる場所で生成することができ、これらの画像の取扱いについて自由度が広がる。

なお、従来、被検体の物質密度画像を生成する他の方法として、デュアルエネルギー撮影により得られた高い管電圧による投影データと低い管電圧による投影データとを重み付け減算処理して新たな投影データを生成し、その新たな投影データに基づいて物質密度画像を再構成する方法が知られている。また、この方法を用いる場合に、被検体に照射するＸ線ビームＸｂの線質が空間的な位置によって異なることによる影響を低減するため、投影データ空間において補正を行う方法も知られている。しかしながら、この方法は、データ処理量が多く、計算機に負担が掛かり、目的の画像が高速に得られない。

一方、実施例１，２のように、投影データから、一旦、高い管電圧の断層像と低い管電圧の断層像とを画像再構成し、これらを重み付け減算処理して被検体の物質密度画像を求める方法は、データ処理量が比較的少なく、目的の画像を高速に得ることができる。しかしながら、この方法において、被検体に照射するＸ線ビームＸｂの線質が空間的な位置によって異なることによる影響を低減する方法は、これまで確立されていなかった。

従って、実施例１に係るＸ線ＣＴ装置１００、実施例２に係る画像処理装置１０２は、被検体の物質密度画像を”精度よく”かつ”高速に”得ることができるという優れた効果を発揮する。

なお、上記の実施例１，２に関しては、種々の変形が可能である。

実施例１では、単一のＸ線管を用いてデュアルエネルギー撮影を行っているが、Ｘ線の照射方向が互いに異なる複数のＸ線管を用いてデュアルエネルギー撮影を行ってもよい。この場合、第１のＸ線管は高い管電圧が設定され、第２のＸ線管は低い管電圧が設定されてもよい。

また、実施例１では、デュアルエネルギー撮影におけるスキャン方式をアキシャルスキャン（axial scan）としているが、これをヘリカルスキャン（helical scan）としてもよい。

また、実施例１，２では、重み付け減算処理を行う被検体の物質密度画像として、水密度画像とヨウ素密度画像を用いているが、この組合せに限定されない。例えば、水密度画像とカルシウム（calcium）密度画像の組合せ、ヨウ素密度画像とカルシウム密度画像の組合せであってもよい。

また、実施例１，２では、所望の管電圧相当の断層像を求めているが、物質密度画像だけでも画像診断における有用な資料となるので、上述の重み付け加算処理を実行しないで物質密度画像だけを求めてもよい。

また、実施例１では、デュアルエネルギー比の情報ＲＴを記憶しておき、読み出されたデュアルエネルギー比Ｒに所定の係数を乗算してなる値を重み係数として用いて重み付け減算処理を行っているが、デュアルエネルギー比Ｒに基づいて定まる重み係数の情報を記憶しておき、読み出された重み係数を用いて重み付け減算処理を行ってもよい。

同様に、実施例２では、Ｘ線ＣＴ装置からデュアルエネルギー比の情報ＲＴを受け取り、そのデュアルエネルギー比Ｒに所定の係数を乗算してなる値を重み係数として用いて重み付け減算処理を行っているが、デュアルエネルギー比Ｒに基づいて定まる重み係数の情報を受け取り、その重み係数を用いて重み付け減算処理を行ってもよい。

なお、実施例１，２において、デュアルエネルギー撮影における２つの設定管電圧の一方を設定可能な最小管電圧とし、他方を設定可能な最高管電圧とすることが好適である。これにより、エネルギー分離度が上がり、ＳＮ比のよい断層像が得られる。一応の目安としては、設定管電圧の一方を６０ｋＶ以上、１００ｋＶ以下とし、他方を１２０ｋＶ以上、１６０ｋＶ以下とする。

なお、実施例１，２では、重み係数を、抑制しようとする物質の種類Ｍと、設定された高い管電圧ＨＶおよび低い管電圧ＬＶと、撮影に使用されたビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬと、重み付け減算処理の対象となる断層像のｚ方向の位置Ｚとに応じて変えているが、ビーム形成Ｘ線フィルタの種類ＦＬと断層像のｚ方向の位置Ｚのいずれか一方または両方を考慮しない形態であってもよい。

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 撮影テーブル
１２ クレードル
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
２８ Ｘ線フィルタ部
２８Ｌ，２８Ｍ，２８Ｓ ビーム形成Ｘ線フィルタ
２９ 制御コントローラ
３０ スリップリング
３１ 撮影条件設定部
３２ スキャン制御部
３３ 画像再構成部
３４ 重み付け減算部
３５ 重み付け加算部
３６ 表示制御部
４０ 被検体
５０ データ受取部
１００ Ｘ線ＣＴ装置
１０２ 画像処理装置
Ｂ 開口部

Claims (10)

1. Ｘ線管とＸ線検出器とを有しており、被検体を第１の管電圧と前記第１の管電圧とは異なる第２の管電圧とによりＸ線ＣＴ撮影して投影データを収集する撮影手段と、
   前記第１の管電圧による投影データに基づく第１の画像と前記第２の管電圧による投影データに基づく第２の画像とを画像再構成する画像再構成手段と、
   前記第１および第２の画像における互いに対応する画素の画素値同士を、前記画素の位置に応じて異なる重み係数を用いて重み付け減算処理することにより、画像を求める重み付け減算手段とを備えるＸ線ＣＴ装置。
2. 前記撮影手段は、通過するＸ線の線質を空間的に変化させるＸ線フィルタを有しており、前記Ｘ線管から発生するＸ線ビームを、前記Ｘ線フィルタを介して前記被検体に照射する請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
3. 前記撮影手段は、Ｘ線吸収特性が異なる複数のＸ線フィルタを有し、前記Ｘ線ビームを前記複数のＸ線フィルタの中から選択されたＸ線フィルタを介して前記被検体に照射しており、
   前記重み付け減算手段は、前記選択されたＸ線フィルタに応じた重み係数を用いて重み付け減算処理する請求項２に記載のＸ線ＣＴ装置。
4. 前記重み係数は、前記第１および第２の画像における画像再構成領域の中心から前記対応する画素までの距離に応じて変化する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＸ線ＣＴ装置。
5. 前記重み係数は、前記画像再構成領域の中心部よりも周辺部の方が大きくなる請求項４に記載のＸ線ＣＴ装置。
6. 前記Ｘ線検出器は、前記被検体の体軸方向に複数の検出素子列を有しており、
   前記第１および第２の画像は、前記被検体の体軸方向における前記Ｘ線検出器に対する所定の位置の画像であり、
   前記重み付け減算手段は、前記所定の位置に応じた重み係数を用いて重み付け減算処理する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＸ線ＣＴ装置。
7. 前記重み係数は、前記撮影手段を用いて前記第１の管電圧によりＸ線ＣＴ撮影した場合に得られる画像の前記対応する画素と同じ位置の画素における前記所定の物質に相当する第１の画素値と、前記撮影手段を用いて前記第２の管電圧によりＸ線ＣＴ撮影した場合に得られる画像の前記対応する画素と同じ位置の画素における前記所定の物質に相当する第２の画素値との比に基づく請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＸ線ＣＴ装置。
8. 前記重み付け減算手段は、第１の物質に応じた重み係数を用いる重み付け減算処理により、前記第１の物質の成分が抑制された第１の物質抑制画像を求めるとともに、第２の物質に応じた重み係数を用いる重み付け減算処理により、前記第２の物質の成分が抑制された第２の物質抑制画像を求めており、
   前記第１の物質抑制画像と前記第２の物質抑制画像とを重み付け加算することにより第３の画像を求める重み付け加算手段をさらに備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＸ線ＣＴ装置。
9. 前記第１および第２の物質の一方は水であり、他方はヨウ素である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のＸ線ＣＴ装置。
10. Ｘ線管とＸ線検出器とを有する撮影手段により、被検体を第１の管電圧と前記第１の管電圧とは異なる第２の管電圧とによりＸ線ＣＴ撮影して収集された投影データに基づいて画像再構成された、前記第１の管電圧による第１の画像と前記第２の管電圧による第２の画像とを受け取る画像受取手段と、
    前記第１および第２の画像における互いに対応する画素の画素値同士を、前記画素の位置に応じて異なる重み係数を用いて重み付け減算処理することにより、画像を求める重み付け減算手段とを備える画像処理装置。

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