JP2012527287A - 補間不要な、扇形平行ビーム・リビニング - Google Patents

Abstract

イメージングシステム（１００）の異なる検出器ピクセル（１１３，３３４）の複数の積分期間に対する時間偏差を決定する時間偏差決定器（２０２）と；前記システム（１００）によって前記積分期間において取得された扇形ビームデータを、前記時間偏差に対応する時間オフセットだけシフトするデータシフタ（２０４）と；前記データを平行化するデータ再ソータ（２０６）と；を有する扇形平行ビーム・リビナ（１１４）。

Description

本発明は、一般的に平行ビーム再構成に関し、特にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）に用いられる。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナは、通常、検査領域の回りを縦方向又はＺ軸に回転可能なガントリにマウントされ、Ｘ線（例えば扇形放射線）を放出するＸ線チューブを含む。検出器アレーは、検査領域のＸ線チューブから反対側に角のある弧（angular arc）を張る。この検出器アレーは、検査領域を通過した放射線を検出し、それを表す投影データを生成する。再構成器は、投影データを再構成し、それに対する体積を持つイメージデータを生成する。この体積を持つイメージデータは、スキャンされた被験者すなわち対象を表す１つ以上のイメージを生成する。この再構成器は、再構成アルゴリズム、例えばバックプロジェクション再構成アルゴリズム又は他の再構成アルゴリズムによって投影データを再構成し、フィルタリングされた逆投影（back-projection）再構成アルゴリズムは、扇形ビーム幾何学データ（扇形ビーム再構成）又は、扇形から平行ビームへのリビニング（fan-to-beam re-binning）（平行ビーム再構成）の後平行ビーム幾何学データ、を用いて実行される。扇形ビーム再構成は、不均一な（non-uniform）イメージノイズ伝搬を伴う。平行ビーム再構成は、不均一なイメージノイズの伝搬を緩和させる。

あいにく、平行ビーム再構成は、扇形から平行角度へ（fan-to-parallel angular）の補間を必要とする。そして、この補間は再構成されたイメージの空間的解像度を減少させる。しかも、非強調の補間カーネル（例えば、単純な線形補間）による平行ビーム再構成は、縞画像アーチファクトのレベルを増大させる傾向がある。縞アーチファクトの増大は、補間された平行投影の数を増大させることによって減少させることができる。しかしながら、フィルタリングされ、逆投影される投影の数を増大させることは、再構成を遅くする。強調された補間カーネル（enhancing interpolation kernel）の平行ビーム再構成は、空間解像度のロスを一般的に補償することとなるが、イメージノイズ及び縞アーチファクトの度合いの増大を招く。 本発明の側面は、上述の事項及びその他の事項を取り扱うものである。

１つの側面によれば、イメージングシステムの異なる検出器ピクセルの複数の積分期間に対する時間偏差を決定する時間偏差決定器と；前記システムによって前記積分期間において取得された扇形ビームデータを、前記時間偏差に対応する時間オフセットだけシフトするデータシフタと；前記データを平行化するデータ再ソータと；を有する扇形平行ビーム・リビナ（re-binner）が提供される。

他の実施例によれば、扇形ビームスキャンを実行する方法であって、相互に時間オフセットによってシフトされた、イメージングシステムの異なる検出器ピクセルのための少なくとも２つのデータ取得積分期間に対応する扇形ビームデータを取得するステップと、前記シフトされた積分期間に基づいて、前記扇形ビームスキャンからのデータを平行化するステップと；を有する方法が提供される。

他の実施例によれば、扇形ビームデータを取得するステップと；角度補間なしに、前記扇形ビームデータをパラレルデータに変換するステップと；前記平行ビームデータに基づき、イメージを再構成するステップと；を有する方法が提供される。

本発明は、様々なコンポーネント及びコンポーネントの装置の形態をとることができ、また、様々なステップ及びステップのアレンジの形態をとることができる。図面は、好ましい実施例を例示するためのものであり、発明を限定するものと解釈してはならない。

イメージングシステムの例を示す図である。 扇形平行ビーム・リビナの例を示す図である。 扇形ビームの幾何学的配置を示す図である。 平行ビームの幾何学的配置を示す図である。 時間偏差の例をグラフとして示す図である。 時間偏差の例をグラフとして示す図である。 時間偏差によるデータシフトをグラフとして示す図である。 アナログのインプリメンテーションを示す図である。 デジタルのインプリメンテーションを示す図である。 図８のタイミングダイヤグラムの例を示す図である。 図９のタイミングダイヤグラムの例を示す図である。 方法の例を示すフローチャートである。

図１は、例示としてＣＴスキャナのイメージングシステムが示されている。イメージングシステム１００は、固定ガントリ１０２及び回転ガントリ１０４を有する。回転ガントリ１０４は、回転可能で、固定ガントリ１０２によって支持されており、回転フレームの回転中心近辺の長手方向すなわちｚ軸に対して検査領域１０６の回りを回転する。放射線源１０８は、例えばＸ線チューブであり、回転ガントリ１０４によって支持されている。放射線源１０８は、放射線を放射し、放射線は、検査領域１０６を通過する。図示した実施例において、ソースコリメータ１１０は、放射された放射線を大まかに扇形の形の放射線ビームとして正しく向ける。このビームは検査領域１０６を通過する。他の実施例において、ソースコリメータ１１０は、放射された放射線を、略円錐形、くさび形等の形に正しく向ける。

放射線感知検出器アレー１１２は、放射線源１０８の反対側に、検査領域１０６を隔てて、角のある弧を張る。図示された検出器アレー１１２は、円柱状の形状をしている。他の実施例において、検出器アレー１１２は、他の適宜の形状を含む。放射線検知検出器アレー１１２は、検出器ピクセル１１３のカラムの１次元又は２次元アレーであり、データ取得の間の複数の積分期間において、検査領域１０６を通過した放射線を検出する。図示の実施例において、検出器アレー１１２は、各々の積分期間（ＩＰ：integration period）において検出された放射線を示す扇形ビーム投影データを生成する。

扇形平行ビーム・リビナ１１４は、検出器アレー１１２によって生成された扇形ビームデータをリビニングし、これから平行ビームデータを生成する。以下に詳述するように、非制限的例示において、このデータは、異なる検出器ピクセル１１３の積分期間の間における時間オフセットに関して修正又は補償される。このようにして、このリビナ１１４は、データを角度補間せずに、データをリビニングすることができる。これによって、リビニングのために角度補間が利用されるスキャナの構成に関連するパフォーマンスの低下（例えば、空間的解像度の低下、縞アーチファクトの増加、計算時間の増加等）を抑えることができる。

再構成装置１１６は、平行ビーム再構成アルゴリズムに基づいて、平行ビーム投影データを再構成し、これを表示する体積を持つイメージデータを生成する。適切な再構成アルゴリズムは、これに限られるわけではないが、近似（approximate）、正確（exact）、及び反復（iterative）再構成アルゴリズムが含まれる。平行ビーム投影データの再構成は、再構成装置１１６が扇形ビーム再構成アルゴリズム及び扇形投影データを利用した構成と比較して、より均一なイメージノイズを呈する。

近似法（approximate method）においては、フィルタリング及び逆投影（back-projection）の前に、補間が不要な（interpolation-free）扇形平行再ソートが実行できる。三次元フーリエ合成に基づく正確法（exact method）においては、逆投影の前に、補間が不要な（interpolation-free）扇形平行再ソート（re-sorting）が実行できる。反復円錐ビームＣＴ再構成においては、補間の前に、扇形平行リビニングを利用することによって、より少ない計算で実行できる。提供された補間の不要な扇形平行再ソートは、補間時間を高速化し、しかも、反復再構成の最大限の利益を維持する。汎用計算機システムがオペレータコンソール１１８として機能する。

コンソール１１８に存在するソフトウエアを利用して、オペレータは例えば平行ビーム再構成を採用したスキャニングプロトコルを選択することによって、システム１００のオペレーションを制御することができる。例えばカウチのような患者用台は、検査領域１０６の対象または被験者を支持する。図２を参照すると、非制限的な例示として、リビナ（re-binner）１１４が示されている。上述のように、扇形平行ビーム・リビナ１１４は、各積分期間における検出器ピクセル１１３の間の時間オフセットを修正又は補償する。この時間オフセットは、時間軸に沿った積分時間の位置の再に関連する。

より詳細には、異なるピクセル１１３によって測定された信号は、相互に時間のオフセットを伴って読み取られる。したがって、全ての検出器ピクセル１１３に対して、時間軸に沿った積分時間の位置は、共通ではない。時間偏差決定器２０２は、時間偏差を測定する。これは、時間オフセットに対応するものである。時間偏差を特定する例示的なアプローチは、詳細に後述する。データシフタ２０４は、検出器ピクセルの各々の投影データの値（reading）を、対応する時間偏差だけシフトする。データ再ソータ２０６は、検出器ピクセル１１３の各々の積分期間の間の時間オフセットに対して修正又は補償を行う。この結果として、扇形平行ビーム・リビナ１１４は、角度補間を行わずに投影を平行化する。上述したように、リビニングの間に角度補間を排除することによって、リビニングのために角度補間を採用するよう構成されたスキャナ１００に関連するパフォーマンスの低下（例えば、空間的解像度の低下、縞アーチファクトの増加、計算時間の増加等）を減少させることができる。次の図３及び図４には、非制限的な例示として、角度補間不要の、扇形平行角度リビニングアルゴリズムが示されている。他のアルゴリズムも本明細書には記載されている。

まず図３を参照すると、扇形ビーム幾何学的配置３００が示されている。第１及び第２の連続する扇形ビーム３０２及び３０４は、回転平面３０６において、角度増加（δα）３０８だけ回転方向に互いにオフセットが与えられており、隣接した放射線（例えば、扇形ビーム３０２の放射線３１０及び３１２）は、相互に角度増加（δβ）３１４だけずれている。

扇形角度（β）３１６は、放射線（例えば、扇形３０２の放射線３１８）と、放射線源（例えば、源３２２）から回転の中心３２４までの線（例えば、線３２０）との間のなす角度である。標準極角度（canonic polar angle）（θ）３２６は、放射線（ray）（例えば、扇形３０４の放射線３２８）とｘ軸３３０とのなす角度を示す。

この実施例では、回転ガントリ１０４は、時計回り３３２に回転する。そして、Ｍ個のカラムを有する検出器アレー１１２は、反時計回りに時間経過の順に番号が付される。

図４は、平行ビーム幾何学的配置４００を示している。隣接した平行ビーム（例えば、平行ビーム４０２及び４０４）は、相互に回転面３０６において回転方向に、角度増加（δγ）４０６だけオフセットが与えられている。同様に、Ｍ個の検出器カラム３３４は、時間経過の順に、反時計回りに番号が付されている。

図３及び図４の標記を用いて、放射線（ｆ）の標準極角度（θ）３２６は、以下の通りである。

ここで、放射線（ｆ）は、扇形ビームｎ（ｎ∈｛１，２．．．｝）検出器カラムｍ（ｍ∈｛１，２．．．Ｍ｝）へ到達する。そして、ｍ_ｃは、放射線源と回転中心とを結ぶ線が到達するフラクショナル検出器ピクセル（fractional detector pixel）を表す。扇形平行ビーム・リビニングに対しては、放射線は、検出器ピクセルｍ及び平行投影又はビューｖによってパラメータで表される。この標記を用いて、ビューｖに属する標準角度（canonic angle）（θ）は、以下の通りに表せる。

検出器ピクセルｍに向けて放射された放射線が検出値Ｐ_ｍ，ｖに平行になる、フラクショナル扇形インデクス、すなわち、

は、以下の通りに表せる。

図示された例では、積分期間（integration period）は、スキャンの間、実質的に同じままであるが、時間軸方向における放射線の位置は、複数の検出器ピクセル１１３、３４４の間で様々である。通常の円柱形状のデータ測定システムにおいては、同一のカラムｍに属する検出器ピクセル１１３、３３４（すなわち、回転平面において、同一のフットプリントを有するピクセル１１３、３３４）に対して、時間偏差は一体化（united）している。異なるカラムｍに対する時間偏差は、以下の通り表せる。

ここで、ｍｏｄ（ｘ，１）＝ｘ−ｆｌｏｏｒ（ｘ）である。幾つかのスキャナ幾何学的配置においては、この比δα／δβは、整数となる。この場合、偏差は、この比の長さと同じ周期性（periodicity）を持つ。

式ＥＱＵＡＴＩＯＮ１及び４に基づいて、時間偏差のある放射線に対する標準極角度（θ）は、以下の式により表せる。

ここで、時間偏差のある放射線は、上付き文字ｒによって表される。以下の関係、すなわち、

を用いることによって（ここでδγ＝ｋ・δαであり、ｋは整数）、上記ＥＱＵＡＴＩＯＮ５は、統合することができ以下の式が導ける。

これは、ＥＱＵＡＴＩＯＮ７に基づいて、扇形ビーム放射線から平行ビーム放射線を得ることができる。

これは、角度補間を行わずに扇形ビーム放射線を平行ビーム放射線に再ソートする。したがって、扇形平行リビニングが角度補間を行う構成において発生する空間的解像度のロス及び／又はアーチファクトの増加を減少させる。上述の実施例において、異なる検出器列（row）の放射線は、回転平面において同じフットプリントを持つ同じ検出器カラムに対応する。そして、この放射線は、角度増加δβと等角（equiangular）である。上記の点は、検出器ピクセルが独自の扇形角度βを持つ適宜の形の検出器アレーにも適用できると理解できる。比制限的な例として、六角形のアレー、相互に列に対してジグザグ（rows staggered）のアレー、球状のアレー等が挙げられる。

上述のアプローチを適宜の形の検出器アレーに対して一般化すると、本明細書の式におけるビームδβ・（ｍ−ｍ_ｃ）の項は、以下のように置き換えられる。すなわち、δβ・（ｍ−ｍ_ｃ）→β(ｐ)。ここで、ｐは、これは、２次元アレー内の全てのピクセルの１対１対応をカウントしたインデクスの一次元級数（one dimensional series of indices）に含まれる検出器ピクセルインデクスである。この置き換えに基づいて、適宜の形の検出器アレーの時間偏差は以下の式のように表せる。

ＥＱＵＡＴＩＯＮ８において定義された偏差は、焦点（focal spot）が、積分時間のオーダのタイムスケールにおいて変調される（modulated）場合に用いられてもよい。これは、焦点変調（focal spot modulation）の方向に基づいて、決定された方向に沿って一部の放射線を不鮮明にすることが必要となるかもしれない。

図５、図６、図７は、上述のθ_０＝０，ｍ_ｃ＝５．５ 及びδβ／δα＝１／４の場合の比制限的な例を示している。

最初に、図５を参照すると、ｙ軸５０２は、補間時間を単位とした時間偏差を示している。そして、ｘ軸５０４は、検出器カラム（ｍ）を表している。簡潔及び明快にするために、ｍ∈｛１：１０｝に対する時間偏差が示されている。なお、δβ／δα＝１／４の場合には、時間偏差は４個の検出器カラム毎に時間偏差が繰り返される。したがって、時間偏差５０６は、ｍ＝１，５，９，．．．に対応する。そして、時間偏差５０８は、ｍ＝２，６，１０，．．．に対応し、時間偏差５１０は、ｍ＝３，７，．．．に対応し、そして、時間偏差５１２は、ｍ＝４，８，．．．に対応する。図６において、ｙ軸６０２は、ＩＰを単位とした時間軸を表している。そして、ｘ軸６０４は、検出器カラム（ｍ）を表している。なお、ＩＰの時間軸に沿って６０６，６０８，６１０及び６１２の変動（staggering）が存在する。

図７において、ｙ軸７０２は、δβを単位とした標準角度（canonical angle）θを表している。そして、ｘ軸７０４は、検出器カラム（ｍ）を表している。回転していない放射線の値θが、７０６に示されている。簡潔にするために、回転していない放射線に対するθの値は、省略されている。平行ビームデータ内の放射線に対する値θは、７０８に示されている。カラムに依存する時間偏差５０８ないし５１２は、７０６から７０８に値をシフトさせる。

図８及び図９は、本明細書において説明するアプローチの非制限的インプリメンテーションの例を示している。２つの図において、時間オフセットは、フロントエンド検出器を制御する電子回路によって実行される。これは、ＩＰの制御された遅延を、関連する必要なピクセルに追加することによって達成される。

図８は、比制限的なアナログインプリメンテーション８００を示している。図示されたインプリメンテーションによって、アナログ遅延制御信号８０２が、時間偏差（例えば、本明細書に記載され決定された時間偏差）に基づいて、アナログ遅延回路８０４の各々の適切な遅延を設定する。遅延回路は、入来するＩＰ信号８０６を遅延させる。図１０は、図８のインプリメンテーションのための、対応する遅延タイミングのダイヤグラムを示している。ｙ軸１００２は、ＩＰ信号を表している。そして、ｘ軸１００４は、時刻を表している。図示するように、異なるカラムに対するＩＰ信号は、遅延１００６_１，１００６_２，．．．１００６_ｎ，によって遅延される。遅延回路は、アナログタップ遅延又はキャパシタの注入電流制御によって設定することができる。図９は、比制限的なデジタルインプリメンテーション９００を示している。図示されたインプリメンテーションにおいて、入来するデジタルＩＰ信号９０２は、ハイスピードクロック９０６に基づいて、シフトレジスタ９０４を介してシフトすることによって遅延させられる。シフトされた信号は、スイッチング回路９０８によってスイッチされ、チャネル９１０に入力される。図１１は、図９のインプリメンテーションのための、対応する遅延タイミングのダイヤグラムを示している。ｙ軸１１０２は、ＩＰ信号を示し、ｘ軸１１０４は、時刻を示す。図示するように、異なるカラムのＩＰ信号は、クロック１１０８に基づいて、１１０６_１，１１０６_２，．．．１１０６_ｎによって遅延させられる。

遅延制御の正確性及び／又は反復が、所定の閾値より低いインプリメンテーションにおいては、名目上の偏差に対する放射線各々の偏差の変動が、格納され扇形平行リビニングにより利用される。リビニングは、これらの偏差に基づく重みを用いて補間を実行する。

図１２は、方法を示している。

１２０２において、放射線源１０８から放射された扇形ビームによって被験者又は対象がスキャンされる。

１２０４において、扇形ビーム放射線は、検出器アレー１１２の複数の検出器カラムによるスキャンの間に、複数の積分期間のために検出される。

１２０６において、検出された放射線のための検出器アレー１１２によって、扇形ビーム投影データが生成される。

１２０８において、検出器ピクセル（１１３）の積分期間に対する時間偏差が特定される。１２２０において、本明細書に記載されているように、角度補間無しで、時間偏差に基づいて、扇形ビーム投影は、平行ビーム投影に変換される。１２１２において、平行ビームデータは、平行ビーム再構成アルゴリズムを利用して、再構成装置１１６によって再構成される。

上述の実施例は、コンピュータ可読の命令によりインプリメントされることができる。これは、コンピュータプロセッサにより実行された場合に、プロセッサが本明細書に記述された行為を実行する。この場合、命令は、関連するコンピュータ可読の記録媒体に格納され、あるいは、関連するコンピュータに対してアクセスさせることができる。

本発明が、様々な実施例と共に記載された。変更及び変形は、本明細書を読んだ者が実行することができる。本発明は、添付の請求項の技術的範囲及びその均等物に包含される限りにおいて、このような変更及び変形の全てを含むものと解釈されなければならない。

Claims (20)

1. イメージングシステムの異なる検出器ピクセルの複数の積分期間に対する時間偏差を決定する時間偏差決定器と；
   前記システムによって前記積分期間において取得された扇形ビームデータを、前記時間偏差に対応する時間オフセットだけシフトするデータシフタと；
   前記データを平行化するデータ再ソータと；
   を有する扇形平行ビーム・リビナ。
2. 扇形ビームデータの読み取り値は、連続する平行ビーム投影によって平行化される、請求項１記載の扇形平行ビーム・リビナ。
3. 扇形ビームデータは、角度補間なしに再ソートされる、請求項１又は２記載の扇形平行ビーム・リビナ。
4. 特定の検出器ピクセルの時間偏差は、前記検出器ピクセルの扇形角度に基づく、請求項１ないし３のうちいずれか１項記載の扇形平行ビーム・リビナ。
5. 前記扇形角度は、回転平面における２つの仮想の線のフットプリントの間の角度を表し；第１の仮想の線は、前記システムの放射線源と前記システムの回転の中心とを接続しており、第２の仮想の線は、前記放射線源と前記検出器ピクセルとを接続する、請求項４記載の扇形平行ビーム・リビナ。
6. 前記異なる検出器ピクセルは、適宜の形状をなす検出器アレーの一部である、請求項１ないし５のうちいずれか１項記載の扇形平行ビーム・リビナ。
7. 同じ扇形角度を有するビーム放射線に対して、同じ時間オフセットが利用される、請求項１ないし５のうちいずれか１項記載の扇形平行ビーム・リビナ。
8. 前記検出器ピクセルにおける前記時間オフセットの依存は、周期性である、請求項７記載の扇形平行ビーム・リビナ。
9. 前記周期性は、積分期間の間の放射線源角度の増加と、連続する検出器ピクセルの間の増加する扇形角度と、の間の関係に基づく、請求項８記載の扇形平行ビーム・リビナ。
10. 当該扇形平行ビーム・リビナは、平行ビーム逆投影に基づく、近似、正確、及び反復再構成アルゴリズムのうち少なくとも１つを利用する再構成装置の一部である、請求項１ないし９のうちいずれか１項記載の扇形平行ビーム・リビナ。
11. 相互に時間オフセットによってシフトされた、イメージングシステムの異なる検出器ピクセルのための少なくとも２つのデータ取得積分期間に対応する扇形ビームデータを取得するステップと、
    前記シフトされた積分期間に基づいて、前記扇形ビームスキャンからのデータを平行化するステップと；
    を有する方法。
12. 前記検出器ピクセルの扇形角度に基づいて、検出器ピクセルの時間オフセットを決定するステップと；
    前記時間オフセットに基づき、検出器ピクセルのための前記積分期間をシフトするステップと；
    を更に有する請求項１１記載の方法。
13. 前記検出器ピクセルは、円筒形状の検出器アレーの一部である、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 同じ扇形角度を持つ放射線に対して同じ時間オフセットを利用するステップ、を更に有する請求項１３記載の方法。
15. 前記検出器ピクセルに対する前記時間オフセットの依存は、周期性である、請求項１４記載の方法。
16. 前記周期性は、積分期間の間の放射線源の角度増加と、連続する検出器ピクセル間の増加する扇形角度と、の間の関係に基づく、請求項１５記載の方法。
17. 平行ビーム投影データの平行ビューの間の角度増加は、積分期間内の放射線源の角度増加の整数倍と、実質的に同じである、請求項１１ないし１６のうちいずれか１項記載の方法。
18. 近似、正確、及び反復平行ビーム再構成アルゴリズムのうち少なくとも１つによって、平行ビーム投影データを再構成するステップ、を更に有する請求項１１ないし１７のうちいずれか１項記載の方法。
19. 扇形ビームデータを取得するステップと；角度補間なしに、前記扇形ビームデータをパラレルデータに変換するステップと；前記平行ビームデータに基づき、イメージを再構成するステップと；を有する方法。
20. 前記扇形ビームデータをパラレルデータに変換するステップは、前記イメージングシステムの異なる検出器ピクセルに対する積分期間の間の時間偏差に対応するオフセットだけ前記扇形ビームデータをシフトするステップを有する、請求項１９記載の方法。
    

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