JP2011069650A - 放射線断層像撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線源と放射線検出器の対と対象物とを複数回にわたって相対回転させて放射線投影データ繰り返し収集し、その複数回転分のデータを用いて対象物の断層情報構築する放射線断層像撮影装置において、相対回転の軌跡のずれがあっても画質を低下させることがなく、しかも撮影開始から断層情報を得るまでの所要時間を短縮化することのできる放射線断層像撮影装置を提供する。
【解決手段】コンピュータ４を主体とする演算装置により、複数回転させて得た放射線投影データ相互のずれ量を求め、そのずれ量に基づいて逆投影処理におけるパラメータを修正して断層情報の構築に供するとともに、コンピュータ４は並列処理機能を有するものを用い、放射線投影データの収集処理と、その各データのずれ量の算出処理並びに逆投影処理による３次元画像情報の構築を含む数値計算処理とを並列に実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は産業用の放射線断層像撮影装置に関する。

産業用の放射線断層像断層像撮影装置においては、一般に、Ｘ線をはじめとする放射線を発生する放射線源と、その放射線を検出する放射線検出器を対向配置し、これらの間に放射線源と放射線検出器の対と試料ステージとを相対的に回転させ、所定の微小角度ごとに放射線検出器の出力を取り込むことにより、多数の方向からの対象物の放射線投影データを得る（例えば特許文献１参照）。

このような放射線断層像撮影装置において、従来、放射線源と放射線検出器の対と試料ステージとを複数回転にわたって相対回転させ、同一の投影角度での放射線投影データを複数回にわたって繰り返し収集し、各回転における同一角度の投影データを重ね合わせていくことにより、実質的な露光時間を次第に長くしていき、投影データ、つまり放射線透視像のＳ／Ｎが満足するに至った時点で投影データの採取を終了し、断層像を構築する技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。このようにすることで、はじめて断層像を撮像する試料でも、当初から適切な撮影条件のもとに断層像を得ることを可能としている。

特開２００５−３００４３８号公報 特開２００５−１８３１８０号公報

ところで、放射線投影データの再構成演算により対象物の断層像を得るには、一般に、放射線投影データを逆投影する。この逆投影においては、基本的に、放射線源の焦点と放射線検出器の対が、対象物に対してあらかじめ設定されている軌道のもとに相対回転するという前提のもとに放射線投影データを収集し、その前提の軌道をもとにして、収集した放射線投影データを逆投影処理する。

従って、実際の装置が、設定されている軌道とは異なる軌道で相対回転したとすると、再構成演算により得られる断層像の画質に悪影響を及ぼす。すなわち、像が２重になったり、虚像（アーチファクト）の発生の原因となる。特に、回転中心のずれ、つまり撮影時における実際の相対回転軸が、想定されている回転軸に対してずれている場合には、断層像に重大な影響を及ぼす。その他のずれに関しても、同様に虚像（アーチファクト）の原因となる。

相対回転の軌道が設定された軌道と異なる軌道となる原因、つまり回転テーブルの実際の回転中心、あるいは放射線源と放射線検出器の対の実際の回転中心が、設定されている回転中心からずれて一致しなくなる原因としては、機器の強度不足、温度変化などによる部材の変形、放射線源から発生する放射線の位置（焦点位置）の移動などが考えられる。また、同様に、機器の強度不足、温度変化などによる部材の変形などにより、回転テーブルより上の部分（対象物の保持機構や対象物自体、対象物駆動機構等）が移動し、想定された軌道と異なってしまう場合もある。

特に、前記した特許文献２に開示されている技術のように、放射線源と放射線検出器の対と対象物とを、複数回転にわたって相対回転させて放射線投影データを繰り返し収集する場合、回転中心のずれが累積される結果、撮影のための回転数を増大させることによってＳ／Ｎが向上する反面、画質が低下するという問題が生じる。

また、放射線断層像撮影装置においては、一般に、放射線投影データが揃った後、これらの放射線投影データに対して感度補正、歪み補正、重み付け補正、およびフィルタ処理といった前処理を施した後、その前処理後のデータを用いた逆投影処理により対象物の断層像を得るのであるが、放射線投影データの収集と、その収集した投影データを用いた演算処理とはシリーズに行われる。ここで、コーンビームＸ線ＣＴ装置をはじめとして、コーン状の放射線ビームを用いる断層像撮影装置においては、前処理後のデータを用いて対象物の３次元情報が求められるのであるが、データ量が膨大なものとなるため、投影データの収集、つまりＣＴ撮影の開始から３次元画像情報が得られるまでの所要時間が長くなる。

特に、前記した特許文献２に開示されている技術をコーンビーム状の放射線を用いる断層像撮影装置に適用する場合には、撮影時間と３次元画像情報を得るためのデータ処理時間との合計は相当に長くなってしまうという問題がある。

更に、前記した特許文献２の技術では、放射線投影データの収集のために複数回転にわたって放射線源と放射線検出器の対と対象物とを相対回転させ、各回の回転で得た投影データを互いに同一の投影角度のものどうしを重ね合わせて透視画像を構築し、その透視画像のＳ／Ｎが満足するに至った時点で撮影を停止して断層像の構築を開始するのであるが、断層像のＳ／Ｎが満足しているか否かは最終的な断層像を構築した後でなければ判明しないという問題もある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、放射線源と放射線検出器の対と対象物とを複数回にわたって相対回転させて放射線投影データを繰り返し収集し、その複数回転分のデータを用いて対象物の断層像ないしは３次元画像情報を構築する放射線断層像撮影装置において、相対回転の軌跡のずれがあっても画質を低下させることがなく、しかも撮影開始から断層像ないしは３次元画像情報が得られるまでの所要時間を大幅に短縮化することのできる放射線断層像撮影装置の提供をその課題としている。

また、本発明の他の課題は、複数回転にわたる撮影動作中に、対象物の断層像ないしは３次元画像情報をオペレータが観察することができ、撮影動作の中止の決定を断層像ないしは３次元画像情報から直接的に判断することのできる放射線断層像撮影装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の放射線断層像撮影装置は、互いに対向配置された放射線源と放射線検出器と、これらの放射線源と放射線検出器の間に設けられ、対象物を配置するための試料ステージと、上記放射線源と放射線検出器の対と上記試料ステージとを相対的に回転させる回転機構を備えるとともに、上記放射線源からの放射線を試料ステージ上の対象物に照射しつつ、上記回転機構を駆動して得られる複数の投影角度での放射線投影データを、コンピュータを主体とする演算装置に逐次収集して逆投影処理に供することにより、対象物の断層情報を得る放射線断層像撮影装置において、上記演算装置は、上記回転機構を複数回転にわたって回転させて放射線投影データを収集し、各回の回転で得られる同じ投影角度におけるデータどうしの相互のずれ量を算出して、そのずれ量の算出結果に基づいて上記逆投影処理を行うためのパラメータを修正して各回転で得た放射線投影データを対象物の断層情報の構築に供するとともに、上記演算装置のコンピュータは並列処理機能を有し、上記放射線検出器から放射線投影データを収集するデータ収集処理と、その各データの上記ずれ量の算出処理並びに逆投影処理による３次元画像情報の構築を含む数値計算処理とを、並列に実行することによって特徴付けられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記演算装置のコンピュータは、上記数値計算処理を、あらかじめ設定された投影角度ごとに区分し、区分した各処理内で、複数の処理に分割し、その分割した処理を並列に実行する構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、本発明においては、上記演算装置のコンピュータは、上記区分した各処理内で、感度補正、歪み補正、重み付け補正、フィルタ処理並びに上記ずれ量の算出処理を含む前処理と、逆投影処理とに分割し、その分割した各処理を並列に実行する構成（請求項３）を採用することができる。

更に、本発明においては、上記感度補正、歪み補正、重み付け補正、フィルタ処理並びに上記ずれ量の算出処理を含む前処理を上記コンピュータのＣＰＵが分担する一方、逆投影処理は当該コンピュータに搭載されているＧＰＵが分担する構成（請求項４）を採用することが望ましい。

そして、本発明においては、上記演算装置のコンピュータは、１回転分の投影データを逆投影処理に供するごとに、その時点で得られている断層情報に基づく像を表示する構成（請求項５）を好適に採用することができる。

本発明は、放射線源と放射線検出器の対と、試料ステージ（対象物）とを相対的に回転させる回転機構の回転が正常であれば、ある投影角度での放射線投影データと、その投影角度から３６０°回転した同じ投影角度での放射線投影データとが、全く同じ投影データとなるはずであることを勘案し、回転機構を複数回にわたって回転駆動して収集した投影データについて、各回転における同一の投影角度のデータどうしのずれ量を求め、そのずれ量に基づいて各投影データの位置に関するパラメータを修正して逆投影処理に供することにより、相対回転の軌道のずれに起因して現れる断層像の不鮮明化を解消するとともに、投影データの収集処理と、上記の投影データのずれの計算や逆投影処理を含む数値計算処理とを並列に実行することにより、断層情報が得られるまでの所要時間の短縮化を計ろうとするものである。

すなわち、例えば２回転目以降の各投影角度のデータについて、１回転目の同じ投影角度でのデータに対するずれ量を算出し、逆投影処理に供するに当たってそのずれ量に基づいて各データの座標（位置）、より詳しくは投影データに基づく透視像上の回転中心の位置と放射線光軸の位置、に関するパラメータを修正する。このようにして得られる断層情報は、実際には相対回転の軌道にずれがあってもそのずれが修正されたうえで各投影データが再構成されることになるため、相対回転のずれに起因する画質の低下は抑制される。また、逆投影処理内部のパラメータで投影データのずれ量を吸収するため、ずれ量の補正に起因する分解能の低下も抑制することができる。

しかも、投影データの収集と、ずれ量の計算並びに逆投影処理を含む数値計算処理とを並列に実行するため、断層情報が得られるまでの所要時間を短縮化することができる。
ここで、このような並列処理は、ＨＰＣ（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）技術を利用した並列処理機能を用いることで実現することができる。例えばＣＥＬＬ（商品名、ＩＢＭ／ＳＯＮＹ／ＴＯＳＨＩＢＡ製）やＣＵＤＡ（商品名、ＮＶＩＤＩＡ製）、あるいはＡＭＤやＩＮＴＥＬ製のマルチコアを用いたＨＰＣの機能を有するコンピュータを演算装置として用いることにより、投影データの収集と、収集した投影データの数値計算処理を並列に実行することができる。

また、請求項２に係る発明のように、数値計算処理についても、投影角度を区分し、その区分ごとに処理を複数に分割し、その分割された処理を並列に実行することで、数値計算処理自体をも短縮化することができる。

ここで、分割する数値計算は、請求項３に係る発明のように、逆投影処理を行うためのＸ線投影データの前処理と、逆投影処理とに分割し、それぞれの処理をベクトル型のＣＰＵと、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とで分担する方法（請求項４）などを採用することができる。

そして、投影データの収集と、ずれ量の計算並びに逆投影処理を含む数値計算処理とを並列に実行するが故に、投影データの収集中に断層情報が得られることになり、従って請求項５に係る発明のように、１回転分の投影データを逆投影処理に供するごとに、その時点で得られている断層情報に基づく像を表示するように構成すれば、オペレータがこれ以上はデータ収集が不要であるか否かを断層像から直接的に判断することが可能となる。

本発明によれば、放射線源と放射線検出器の対と、対象物を配置する試料ステージとを複数回にわたって相対回転させ、各回転において複数の角度で投影データを収集し、その収集した投影データを用いた逆投影処理によって対象物の断層情報を得るとともに、その逆投影処理に用いる投影データは、各回転で採取した同じ角度のものどうしのずれ量を算出し、その算出結果を用いて逆投影処理に供する際の座標のパラメータを修正するので、相対回転の軌道が次第にずれていったとしても、そのずれの累積に起因する断層像の画質低下を抑制することができる。

しかも、投影データの収集処理と、ずれ量の計算並びに逆投影処理とを並列に実行するため、複数回転にわたって投影データを収集しながら、その間に逐次断層情報が構築されていくことになり、撮影開始から最終的に断層情報が得られるまでの所要時間を大幅に短縮化することができる。

また、投影データの収集中に断層情報が得られることを利用して、１回転分の投影データの逆投影処理を完了するごとに、対象物の断層情報に基づく断層像や３次元画像情報を表示することにより、オペレータによるデータ収集の中断の判断を正確に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態の構成図である。 本発明の実施の形態におけるコンピュータによる処理の仕方を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態におけるデータの流れ模式的に示す図である。 本発明の実施の形態における投影データのずれの求め方の例の説明図である。

１ Ｘ線発生装置
２ Ｘ線検出器
３ 試料ステージ
４ コンピュータ
５ 操作部
６ 表示器
７ Ｘ線コントローラ
８ 軸制御部
Ｗ 対象物

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明をコーンビームＸ線ＣＴ装置に適用した構成図を示すものであり、Ｘ線発生装置１はそのＸ線光軸が水平方向を向くように配置され、そのＸ線発生装置１に水平方向に対向してＸ線検出器２が設けられている。そして、これらの間に、対象物Ｗを搭載するための試料ステージ３が設けられている。この例においては、試料ステージ３がＸ線光軸に直交する鉛直の回転軸Ｒを中心として回転する。また、この試料ステージ３は移動機構（図示略）の駆動によりＸ線光軸を含む互いに直交する３軸方向に移動させることができ、この移動により撮影倍率や撮影範囲等を設定することができる。また、Ｘ線発生装置１はコーンビーム状のＸ線を発生し、Ｘ線検出器２は２次元Ｘ線検出器である。

ＣＴ撮影は、Ｘ線発生装置１からのＸ線を対象物Ｗに向けて照射しつつ、試料ステージ３を回転させ、その微小回転角度ごとにＸ線検出器２の出力を収集することによって行われる。

すなわち、ＣＴ撮影中においては、試料ステージ３の微小回転角度ごとにＸ線検出器２の出力がコンピュータ４に取り込まれ、各投影角度でのＸ線投影データとしてメモリもしくはハードディスクに記憶されていく。この例においては、試料ステージ３は複数回転にわたって回転し、コンピュータ４は複数回転分の投影データを記憶する。

コンピュータ４は、以上のように収集した各角度でのＸ線投影データを、後述するような前処理を施すとともに、基準となる回転、ここでは１回転目、におけるＸ線投影データに対し、２回転目以降のＸ線投影データのずれ量を算出した後、逆投影処理することにより、対象物Ｗの３次元画像情報を求めるプログラムが書き込まれている。この演算プログラムの実行は、後述するタイミングで行われる。このようにして得られた対象物Ｗの３次元画像情報はコンピュータ４のメモリないしはハードディスクに記憶される。

コンピュータ４には、キーボード、マウス、ジョイスティック等からなる操作部５が接続されており、この操作部５を操作することにより、記憶している対象物Ｗの３次元画像情報に基づき、任意の平面に沿った断層像をＭＰＲ表示したり、あるいはＶＲ表示等によって３次元像として表示器６に表示することができる。

コンピュータ４は、また、Ｘ線発生装置１に対して供給すべき管電流や管電圧を制御するＸ線コントローラ７を制御下に置いているとともに、試料ステージ３の回転機構並びに移動機構についても、軸制御部８を介して制御する。このような制御に関する指令や設定等についても、前記した操作部５の操作で行うことができる。

さて、コンピュータ４はＨＰＣ技術を利用したものであり、複数のＣＰＵを備えたマルチコアＣＰＵとＧＰＵを搭載し、前記したＣＴ撮影によりＸ線投影データを収集するデータ収集処理と、その収集したデータを用いた数値計算により対象物Ｗの３次元画像情報を得る数値計算処理とを並列に処理する。図２にそのコンピュータ４の処理の仕方を模式的にブロック図で示す。

データ収集処理Ａは、前記したＣＴ撮影により得られる各ビュー（各投影角度）におけるＸ線検出器２からの出力を、キャプチャーボードＡ１を介してＤＭＡＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ）Ａ２を通じてＲＡＭ等のメモリもしくはハードディスクへの書き込み処理Ａ３を行う。

一方、数値計算処理Ｂにおいては、これを逆投影前処理Ｂａと、ずれ量検出処理Ｂｂ、および逆投影処理Ｂｃに分割し、所定のビュー数ごとに並列に処理を実行する。すなわち、例えばＣＴ撮影のビュー数が６００であるとすると、ビュー数が１２に達するごとに、その１２ビュー分のＸ線投影データを読み出して逆投影前処理Ｂａに供し、その逆投影前処理を完了した１２ビュー分のデータについて、ずれ量検出処理Ｂｂに供した後、逆投影処理Ｂｃに供する。ここで、ずれ量検出処理Ｂｂは、１回転目に採取したＸ線投影データについては省略し、２回転目以降のＸ線投影データについて、１回転目のデータを基準として、同一の投影角度のものどうしを比較することによって行われる。

逆投影前処理Ｂａにおいては、ＣＴ撮影により書き込まれたＸ線投影データのうち、１２ビュー分ずつメモリもしくはハードディスクから読み出し処理Ｂａ１を行い、これをメモリ（ワークアリア）Ｂａ２に記憶し、その記憶したデータに対して感度補正および歪み補正処理Ｂａ３を施した後、重みづけ処理Ｂａ４およびＦＦＴ等によるフィルタ処理Ｂａ５に付する。

ずれ量検出処理Ｂｂは、前記したように２回転目以降のデータについて行うものであり、図４に模式的に示すように、１回転目の各投影角度のデータを基準として、２回転目以降に採取したデータを、同一投影角度どうしで比較し、１回転目の投影データに対する２回転目以降の投影データのｘ方向およびｙ方向へのずれ量δｘおよびδｙを求める。このずれ量δｘ，δｙは、以下の逆投影処理Ｂｃにおけるパラメータの修正に供される。ここで、投影データのずれ量の検出方法は特に限定されるものではないが、例えば投影データである透視像をずらしながら、画像の一致度を計測する方法などの一般的な画像処理を採用することができる。

逆投影処理Ｂｃにおいては、以上の逆投影前処理Ｂａを完了した１２ビュー分のデータについて、グラフィックメモリ（ＧＭＥＭ）へのコピー処理Ｂｃ１を施し、これをグラフィックメモリＢｃ２に格納し、逆投影演算処理Ｂｃ３に供する。この逆投影演算処理Ｂｃ３においては、２回転目以降のデータについては、上記したずれ量検出処理Ｂｂにより検出されたｘ，ｙ方向へのずれ量δｘ，δｙに基づき、Ｘ線透視像上の回転中心をδｘだけ変更するとともに、Ｘ線光軸位置をδｙだけ変更して処理を実行する。

以上の逆投影処理Ｂｃの実行により、対象物Ｗの３次元画像情報が得られることになるが、３６０°分のデータの収集と逆投影処理を終了するごとに、換言すれば１回転分のデータの逆投影処理を完了するごとに、前記した操作部５で指定されている平面に沿った断層像をグラフィックメモリからＲＡＭにコピーし、表示器６に表示する。

以上の本発明の実施の形態によると、２回転目以降のＸ線投影データは、１回転目のＸ線投影データと同一の投影角度のものどうしが比較され、そのずれ量が求められ、そのずれ量に基づいて逆投影処理におけるパラメータを修正するので、回転機構による回転中心が当初位置からずれても、そのずれの累積による断層像の画質の低下を抑制することができる。

しかも、ＣＴ撮影によるＸ線検出器２からの出力を収集する処理と、その収集したデータを用いて逆投影処理を行う数値計算処理とを並列に実行し、かつ、その数値計算処理においては、感度補正等の逆投影前処理と、ずれ量の検出処理、および逆投影処理とを並列に実行するので、従来のこれらの処理をシリーズで行うこの種の装置に比して、ＣＴ撮影から断層像が得られるまでの所要時間を大幅に短縮化することができる。

更に、１回転分のデータ収集と逆投影処理を完了した時点で、それまでの処理結果に基づく断層像が表示器６に表示されるため、オペレータはその画像をみながら、十分なＳ／Ｎが得られているか否かを直接的に視認することができ、撮影動作の続行／中断を的確に判断することが可能となる。

なお、以上の実施の形態においては、Ｘ線発生装置とＸ線検出器の対に対して試料ステージを回転させた例を示したが、Ｘ線発生装置とＸ線検出器の対を試料ステージを中心として回転させる構成を採用し得ることは勿論である。

Claims (5)

1. 互いに対向配置された放射線源と放射線検出器と、これらの放射線源と放射線検出器の間に設けられ、対象物を配置するための試料ステージと、上記放射線源と放射線検出器の対と上記試料ステージとを相対的に回転させる回転機構を備えるとともに、上記放射線源からの放射線を試料ステージ上の対象物に照射しつつ、上記回転機構を駆動して得られる複数の投影角度での放射線投影データを、コンピュータを主体とする演算装置に逐次収集して逆投影処理に供することにより、対象物の断層情報を得る放射線断層像撮影装置において、
   上記演算装置は、上記回転機構を複数回転にわたって回転させて放射線投影データを収集し、各回の回転で得られる同じ投影角度におけるデータどうしの相互のずれ量を算出して、そのずれ量の算出結果に基づいて上記逆投影処理を行うためのパラメータを修正して各回転で得た放射線投影データを対象物の断層情報の構築に供するとともに、
   上記演算装置のコンピュータは並列処理機能を有し、上記放射線検出器から放射線投影データを収集するデータ収集処理と、その各データの上記ずれ量の算出処理並びに逆投影処理による３次元画像情報の構築を含む数値計算処理とを、並列に実行することを特徴とする放射線断層像撮影装置。
2. 上記演算装置のコンピュータは、上記数値計算処理を、あらかじめ設定された投影角度ごとに区分し、区分した各処理内で、複数の処理に分割し、その分割した処理を並列に実行することを特徴とする請求項１に記載の放射線断層像撮影装置。
3. 上記演算装置のコンピュータは、上記区分した各処理内で、感度補正、歪み補正、重み付け補正、フィルタ処理並びに上記ずれ量の算出処理を含む前処理と、逆投影処理とに分割し、その分割した各処理を並列に実行することを特徴とする請求項２に記載の放射線断層像撮影装置。
4. 上記感度補正、歪み補正、重み付け補正、フィルタ処理並びに上記ずれ量の算出処理を含む前処理を上記コンピュータのＣＰＵが分担する一方、逆投影処理は当該コンピュータに搭載されているＧＰＵが分担することを特徴とする請求項３に記載の放射線断層像撮影装置。
5. 上記演算装置のコンピュータは、１回転分の投影データを逆投影処理に供するごとに、その時点で得られている断層情報に基づく像を表示することを特徴とする請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の放射線断層像撮影装置。

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