JP2014068717A - Ｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部の回転速度にムラが発生する場合においても、画質の劣化を抑えた高精度な断層画像を得ることが可能なＸ線ＣＴ装置を提供する。
【解決手段】回転部と、データ収集部と、位置検出部と、再構成処理部とを備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置である。回転部は、Ｘ線を発生するＸ線源と、被検体を挟みＸ線源に対向して配置されたＸ線検出器とを有し、被検体の周りを回転しながらスキャンする。データ収集部は、Ｘ線検出器からの信号を受け、あらかじめ決められた所定周期のタイミングごとに投影データを取得する。位置検出部は、少なくともタイミングにおける回転部の回転方向の位置を検出する。再構成処理部は、タイミングで取得された投影データを、当該タイミングで検出された位置を示す位置情報に基づき再構成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線ＣＴ装置の技術に関する。

Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置は、Ｘ線を利用して被検体をスキャンし、収集されたデータをコンピュータにより処理することで、被検体の内部を画像化する装置である。

Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線発生源（例えば、Ｘ線管）とそれに対向配置されたＸ線検出器との対を被検体の周りを回転させながら、Ｘ線発生源から被検体に向けてＸ線を曝射し、被検体を透過したＸ線をＸ線検出器で検出する。このようにして被検体を透過したＸ線の減弱前後を計測することで、被検体内部の吸収分布を計算し、断層画像を生成する。

Ｘ線発生源とＸ線検出器との対は回転ベース（以降では、「回転部」と呼ぶ）に固定設置されており、モーターを使用してこの回転部を回転させることで、この対が被検体の周囲を回転する。被検体の周りを回転しながらＸ線検出器で収集されたＸ線の強弱を示す信号は、１回転中で数百以上に離散化（サンプリング）され投影データとして収集される。このようにして、１回転中における様々な方向（即ち、撮影方向）からの投影データが取得され、これらを再構成することで断層画像が生成される。

１回転中を離散化するタイミング、即ち、各投影データを取得するタイミングは、回転部を回転させる回転速度や投影データの取得条件に応じてあらかじめ決められた内部クロックにより決定される。

特開２０１０−２８４３０１号公報

一方で、Ｘ線発生源及びＸ線検出器が実装された回転部の重量は重く、これを高速（例えば、毎秒３回転）に回転させる必要があるため、質量・慣性モーメントが大きい。そのため、モーターで回転部を等速回転させるためのフィードバック制御に大きなエネルギーを必要とし、投影データのサンプリングのように１回転中を数百分割するための精度を実現するために、回転部を等速回転させるための精度を向上させることは難しい。

これに対して、従来のＸ線ＣＴ装置では、前述のように１回転中を離散化して各投影データが取得された位置（即ち、撮影位置）を、回転部が常に等速で回転するものとして仮定し、この撮影位置に基づき再構成を行っていた。しなしながら、前述のように回転部を高速で等速回転させるのは難しく、回転部の回転速度にはムラ（即ち、回転ムラ）がある。そのため、投影データを再構成するために仮定された撮影位置と、実際に投影データが取得された撮影位置との間にずれが生じ、断層画像の画質を劣化させる場合があった。

この発明の実施形態は、回転部の回転速度にムラが発生する場合においても、画質の劣化を抑えた高精度な断層画像を得ることが可能なＸ線ＣＴ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この実施形態の第１の態様は、回転部と、データ収集部と、位置検出部と、再構成処理部とを備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置である。回転部は、Ｘ線を発生するＸ線源と、被検体を挟みＸ線源に対向して配置されたＸ線検出器とを有し、被検体の周りを回転しながらスキャンする。データ収集部は、Ｘ線検出器からの信号を受け、あらかじめ決められた所定周期のタイミングごとに投影データを取得する。位置検出部は、少なくともタイミングにおける回転部の回転方向の位置を検出する。再構成処理部は、タイミングで取得された投影データを、当該タイミングで検出された位置を示す位置情報に基づき再構成する。

本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示したブロック図である。 回転部に設けられたスリットと、エンコーダとの概略的な構成を説明するための概略図である。 図２Ａにおいて一部領域を拡大した拡大図である。 投影データが取得されたときの回転部の位置について説明するための図である。 投影データの取得と回転部の位置特定に係る処理を説明するための図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成について、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら説明する。図１Ａに示すように、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線撮影部５００と、投影データ記憶部３１と、再構成処理部３２と、画像データ記憶部３３と、画像処理部３４と、表示制御部３５と、表示部３６とを含んで構成されている。

（Ｘ線撮影部５００）
Ｘ線撮影部５００は、ガントリ１と、高電圧装置２２と、Ｘ線コントローラ２３と、ガントリ／寝台コントローラ２４と、前処理部２５と、スキャン制御部２１とを含んで構成される。ガントリ１は、回転部１１と、Ｘ線源（Ｘ線発生部）１２と、Ｘ線フィルタ１３と、Ｘ線検出器１４と、データ収集部１６とを含んで構成される。Ｘ線検出器１４には、アレイタイプのＸ線検出器を用いてもよい。アレイタイプのＸ線検出器１４には、チャンネル方向にｍ行、及びスライス方向にｎ列のマトリックス状に検出素子が配列されている。

Ｘ線源１２とＸ線検出器１４は、回転部１１上に設置され、スライド式寝台１５の上に横になった被検体（図示せず）を挟んで対向配置されている。Ｘ線源１２はＸ線フィルタ１３を介して被検体に対峙される。Ｘ線コントローラ２３からトリガ信号が供給されると、高電圧装置２２はＸ線源１２を駆動する。高電圧装置２２は、トリガ信号を受信するタイミングでＸ線源１２に高電圧を印加する。これにより、Ｘ線がＸ線源１２で発生され、ガントリ／寝台コントローラ２４は、ガントリ１の回転部１１の回転と、スライド式寝台１５のスライドを同期的に制御する。

また、ガントリ／寝台コントローラ２４は、回転部１１の回転が開始されると、回転部１１の回転方向に沿った位置のうち基準となる位置（例えば、Ｘ線源１２やＸ線検出器１４が設けられた位置）が、あらかじめ決められた位置（例えば、０°の位置や１８０°の位置）となるタイミングで、回転角基準ポジションパルスをデータ収集部１６に通知する。これにより、データ収集部１６は、回転部１１が、１回転中における所定の基準位置に位置するタイミング、換言すると、回転部１１が１回転したタイミングを特定することができる。データ収集部１６の詳細については後述する。

また、回転部１１は、自身の回転方向に沿った位置を検出するための位置検出部１１０を含んで構成されている。一例として、位置検出部１１０は、回転部１１の回転方向に沿って設けられた複数のスリット１１１と、エンコーダ１１２とを含んで構成されている。

ここで、図２Ａ及び図２Ｂを参照する。図２Ａは、回転部１１に設けられたスリット１１１と、エンコーダ１１２との概略的な構成を説明するための概略図である。また、図２Ｂは、図２Ａにおいて領域ＩＩＢで示された部分を拡大した拡大図である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、方向Ｐは、回転部１１の回転方向を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、回転部１１には、回転方向Ｐに沿って複数のスリット１１１が所定の距離ごとに設けられている（即ち、等間隔に設けられている）。

また、回転部１１の回転方向に沿った所定の位置にはセンサ１１２ａが固定されている。回転部１１が回転すると、このセンサ１１２ａが設けられた位置を各スリット１１１が通過する。センサ１１２ａは、例えば、光センサで構成されており、センサ１１２ａを構成する光源からの光が、スリット１１１の有無に基づき遮蔽されるか否かを検出する（換言すると、スリット１１１を検出する）。エンコーダ１１２は、この検出結果を基づきエンコーダパルスをデータ収集部１６に出力する。即ち、センサ１１２ａが設けられた位置を各スリット１１１が通過すると、エンコーダ１１２は、各スリット１１１の検出タイミングにあわせてエンコーダパルスをデータ収集部１６に出力する。このような構成とすることで、データ収集部１６は、エンコーダ１１２から受けたエンコーダパルスの個数に基づき、回転部１１が回転した角度を算出することが可能となる。データ収集部１６の動作については後述する。

スキャン制御部２１は、全システムの制御中心を構成し、あらかじめ指定された投影データの取得条件（以降では、「スキャン条件」と呼ぶ場合がある）に基づき、Ｘ線コントローラ２３、ガントリ／寝台コントローラ２４、スライド式寝台１５を制御する。即ち、スキャン制御部２１は、Ｘ線源１２からＸ線を照射している間、被検体の周囲の所定の経路に沿って回転部１１を回転させる。なお、投影データの解像度や分解能は、あらかじめ決められたスキャン条件に基づき決定される。換言すると、要求される解像度や分解能に応じて、スキャン条件があらかじめ決定され、スキャン制御部２１は、このスキャン条件に基づき各部の動作を制御することになる。

また、スキャンの停止が指示されると、スキャン制御部２１は、Ｘ線コントローラ２３、ガントリ／寝台コントローラ２４、スライド式寝台１５を制御して撮影を停止する。

Ｘ線検出器１４を構成する検出素子は、被検体がＸ線源１２と検出素子の間に介在する場合、及び、介在しない場合の双方において、Ｘ線源１２が発生するＸ線の強度を測定することができる。したがって、各検出素子は、少なくとも１つのＸ線強度を測定し、この強度に対応するアナログ出力信号をデータ収集部１６に出力する。

データ収集部１６は、積分アンプと、Ａ／Ｄ変換器とを含んで構成されている。データ収集部１６に含まれる各検出素子からの電気信号は、あらかじめ決められたデータの収集タイミングごとに積分アンプを経由して時分割された後、Ａ／Ｄ変換器によりディジタルの投影データ（以降では、単に「投影データ」と呼ぶ）に変換される。また、このデータの収集タイミングは、例えば、スキャン制御部２１がスキャン条件に基づきあらかじめ算出し、この情報をデータ収集部１６に通知するようにしてもよい。

データ収集部１６は、各投影データが取得されたときの回転部１１の位置、具体的には、Ｘ線源１２及びＸ線検出器１４の位置（即ち、撮影位置）を特定し、この位置を示す位置情報をその投影データに関連付ける。この回転部１１の位置の特定を、従来のＸ線ＣＴ装置では、回転部１１が等速に回転するものとして、回転部１１の回転速度と投影データの収集タイミングとに基づき特定していた。しかしながら、実際には、回転部１１の質量は重く、これを高速（例えば、毎秒３回転）に回転させる必要があるため、質量・慣性モーメントが大きい。そのため、回転部１１を高速で等速回転させるのは難しく、回転部１１の回転速度にはムラ（即ち、回転ムラ）が生じる場合がある。

ここで、図３を参照する。図３は、投影データが取得されたときの回転部１１の位置について説明するための図である。図３における「投影データの取得位置」は、一定周期の収集タイミングで投影データが取得されたときの回転部１１の位置を模式的に示している。また、「パラメタに基づき算出される位置」は、回転部１１が等速回転するものとして、回転部１１の回転速度等のパラメタに基づき算出された各投影データの取得位置を示している。

前述したように、回転部１１の回転速度にはムラが生じる場合がある。そのため、図３のＷ１１及びＷ１２に示すように、時間的に等間隔で取得された投影データの各位置は、必ずしも距離的に等間隔に並ぶとは限らない。これに対して、「パラメタに基づき算出される位置」に示すように、従来のＸ線ＣＴ装置では、回転部１１が等速回転するものとして各投影データの取得位置を特定している。このように動作させると、図３に示すように、位置θ１で取得された投影データＤ１が、位置θ２で取得されたものとして、後述する再構成処理部３２に再構成処理される。この投影データの取得位置のズレ（即ち、θ２−θ１）により、再構成される画像データにノイズが発生する場合がある。そこで、本実施形態に係るデータ収集部１６は、投影データが取得されたタイミング（即ち、各収集タイミング）における回転部１１の位置を特定し、この位置を示す位置情報を各投影データに関連付ける。以下に、このデータ収集部１６の動作について説明する。

データ収集部１６は、回転部１１が回転方向に沿った基準位置に位置するタイミング、即ち、回転部１１が１回転するタイミングで、ガントリ／寝台コントローラ２４から回転角基準ポジションパルスを受ける。即ち、この回転角基準ポジションパルスにより、データ収集部１６は、回転部１１の位置が基準位置となったタイミングを認識する。また、データ収集部１６は、エンコーダ１１２からエンコーダパルスを遂次受ける。データ収集部１６は、回転基準ポジションパルスを受けたタイミングを基準として、エンコーダ１１２から受けるエンコーダパルスの個数を計測することにより、所定のタイミングにおける回転部１１の位置を特定する。具体的には、例えば、スリット１１１が回転部１１の回転方向に沿って１°の間隔で設けられており、回転角基準ポジションパルスが、回転部１１（例えば、Ｘ線源１２）が０°の位置のときに出力されるものとする。あるタイミングにおいて、データ収集部１６は、回転基準ポジションパルスを受けてからエンコーダパルスを３０回受けたとすると、このタイミングにおける回転部１１の位置は、０°＋1°×３０＝３０°だけ回転した位置となる。

上記のようにして、データ収集部１６は、各投影データが取得されるタイミングごと（即ち、収集タイミングごと）に回転部１１の位置を特定する。例えば、図４は、データ収集部１６による投影データの取得と、回転部１１の位置特定に係る処理を説明するための図である。図４の例では、回転角基準ポジションパルスに対応するタイミングｔ０を基準として、所定の周期のタイミングｔ１１〜ｔ１６で、投影データＤ１１〜Ｄ１６を取得する場合を示している。例えば、データ収集部１６は、タイミングｔ１１において投影データＤ１１を取得する。データ収集部１６は、このとき回転部１１の位置θ１１を、回転角基準ポジションパルスを受けたタイミングｔ０から、投影データＤ１１が取得されたタイミングｔ１１までに受けたエンコーダパルスの数に基づき算出する。データ収集部１６は、このようにして算出された回転部１１の位置を示す位置情報を、投影データＤ１１に関連付ける。同様にして、データ収集部１６は、タイミングｔ１２〜ｔ１６で取得される投影データＤ１２〜Ｄ１６それぞれについて、回転部１１の位置θ１２〜θ１６を特定し、特定された位置を示す位置情報を関連付ける。

なお、回転部１１の位置を特定可能であれば、上述したような、回転基準ポジションパルスを受けたタイミングを基準として、受けたエンコーダパルスの数（即ち、検出されたスリット１１１の数）に基づき特定する方法に限定はされない。例えば、回転部１１の回転方向に沿って、それぞれ形状の異なるスリットを設け、これらをセンサで検出することで、検出されたスリットの形状に基づき回転部１１の位置を直接的に特定してもよい。また、スリットに限らず、例えば、バーコードのようにそれぞれを識別可能なマークを設け、これを検出する構成としてもよい。

データ収集部１６は、位置情報が関連付けられた投影データ（例えば、図４における投影データＤ１１〜Ｄ１６）を前処理部２５に出力する。

なお、データ収集部１６は、収集タイミングごとに取得された投影データＤ１１〜Ｄ１６と、これらに対応する位置情報とに基づき、他の位置における新たな投影データを生成してもよい。具体的には、データ収集部１６は、少なくとも異なる２つの位置で取得された投影データを比較し、これらの投影データ間の変化の度合いから、その２つの位置の間の位置における投影データを生成（補間）すればよい。例えば、図４における補正投影データＤ２１〜Ｄ２５は、このようにして生成された投影データの一例を示している。例えば、データ収集部１６は、位置θ１１及びθ１２の間の位置θ２１における補正投影データＤ２１を、位置θ２１から位置θ１１及びθ１２のそれぞれまでの距離の比率と、投影データＤ１１及びＤ１２とに基づき生成する。同様にして、データ収集部１６は、位置θ２２〜θ２５における補正投影データＤ２２〜Ｄ２５を生成すればよい。

なお、位置θ２１〜θ２５を所定の距離ごとに（即ち、それぞれが等間隔に並ぶように）特定することで、補正投影データＤ２１〜Ｄ２５を、回転方向に沿って等間隔に並んだ位置のそれぞれにおける投影データとして取得することが可能となる。データ収集部１６は、投影データＤ１１〜Ｄ１６に替えて、この補正投影データＤ２１〜Ｄ２５を前処理部２５に出力するように動作させてもよい。

また、データ収集部１６は、回転方向に沿って等間隔に並んだ位置θ２１〜θ２５を特定し、投影データＤ１１〜Ｄ１６の中にこれらの位置に対応する投影データが存在する場合には、これを用いてもよい。この場合には、データ収集部１６は、対応する投影データが存在しない位置について、補正投影データを生成すればよい。

このように、回転方向に沿って等間隔に並んだ位置における投影データを出力することで、例えば、後述する再構成処理部３２による再構成処理の計算量が低減され処理負荷を軽減することが可能になる。

また、データ収集部１６は、投影データＤ１１〜Ｄ１６のうちのいずれかの投影データを、他の位置に対応する１以上の投影データと、この１以上の投影データに対応する位置情報とに基づき補正してもよい。例えば、デュアルエナジー方式の場合には、ハイとローの投影データを交互に取得する。このようにして取得された投影データのうち、ハイ及びローうちの一方で取得された投影データを、他方の投影データで補正して出力してもよい。このとき、データ収集部１６は、各投影データに対応する位置情報に基づき、それらの投影データが取得された位置を正確に特定することが可能なため、高い精度で投影データの補正を行うことが可能となる。

前処理部２５は、データ収集部１６から送られてくる投影データに対して感度補正等の処理を施す。前処理部２５は、補正された投影データを投影データ記憶部３１に記憶させる。投影データ記憶部３１は、取得された投影データを記憶するための記憶部である。なお、前述した補正投影データの生成は、この前処理部２５による補正処理の後に行ってもよい。この場合には、前処理部２５による補正処理が施された投影データに基づき、補正投影データが生成される。

（再構成処理部３２）
再構成処理部３２は、投影データ記憶部３１に記憶された投影データを読み出す。再構成処理部３２は、投影データに関連付けられた位置情報を読み出し、この位置情報を基に撮影位置（即ち、その投影データが取得されたときのＸ線源１２及びＸ線検出器１４の位置）を特定する。再構成処理部３２は、この撮影位置に基づき投影データに対して再構成処理を施す。具体的には、再構成処理部３２は、例えば、Ｆｅｌｄｋａｍｐ法と呼ばれる再構成アルゴリズムを利用して、読出した投影データを逆投影して画像データ（断層画像データやボリュームデータ）を生成する。断層画像データの再構成には、例えば、２次元フーリエ変換法、コンボリューション・バックプロジェクション法等、任意の方法を採用することができる。ボリュームデータは、再構成された複数の断層画像データを補間処理することにより作成される。ボリュームデータの再構成には、例えば、コーンビーム再構成法、マルチスライス再構成法、拡大再構成法等、任意の方法を採用することができる。

このようにして、再構成処理部３２は、あらかじめ決められた再構成条件に基づき、読み出された投影データに対して再構成処理を施して、画像データを再構成する。

再構成処理部３２は、再構成された画像データを画像データ記憶部３３に記憶させる。画像データ記憶部３３は、画像データを記憶するための記憶部である。

（画像処理部３４）
画像処理部３４は、再構成された画像データを画像データ記憶部３３から読み出す。画像処理部３４は、あらかじめ決められた画像処理条件に基づき、タイミングごとの画像データそれぞれに対して画像処理を施すことで医用画像をそれぞれ生成する。画像処理部３４は、生成された医用画像を表示制御部３５に出力する。

（表示制御部３５）
表示制御部３５は、画像処理部３４から医用画像を受ける。表示制御部３５は、この医用画像を所定の表示態様で表示部３６に表示させる。

以上のように、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、投影データの収集タイミングにおける回転部１１の位置を特定し、その投影データを特定された回転部１１の位置に基づき再構成する。このような構成とすることで、このＸ線ＣＴ装置は、回転部１１の回転速度にムラが生じた場合においても、各投影データの取得位置を正確に特定できるため、高分解能な画像を生成することが可能となる。また、必ずしも回転部１１を等速回転させる必要がないため、回転ムラの制御に係る大規模な装置（例えば、モーターやインバーター）を用いる必要が無くなり、装置の規模及びコストを低減することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載されたその均等の範囲に含まれる。

１ ガントリ
１１ 回転部
１２ Ｘ線源
１３ Ｘ線フィルタ
１４ Ｘ線検出器
１５ スライド式寝台
１６ データ収集部
２１ スキャン制御部
２２ 高電圧装置
２３ Ｘ線コントローラ
２４ ガントリ／寝台コントローラ
２５ 前処理部
３１ 投影データ記憶部
３２ 再構成処理部
３３ 画像データ記憶部
３４ 画像処理部
３５ 表示制御部
３６ 表示部
１１０ 位置検出部
１１１ スリット
１１２ エンコーダ
１１２ａ センサ
５００ Ｘ線撮影部

Claims (5)

1. Ｘ線を発生するＸ線源と、被検体を挟み前記Ｘ線源に対向して配置されたＸ線検出器とを有し、前記被検体の周りを回転しながらスキャンする回転部と、
   前記Ｘ線検出器からの信号を受け、あらかじめ決められた所定周期のタイミングごとに投影データを取得するデータ収集部と、
   少なくとも前記タイミングにおける前記回転部の回転方向の位置を検出する位置検出部と、
   前記タイミングで取得された前記投影データと、当該タイミングで検出された前記位置を示す位置情報とに基づき再構成処理を施すことで画像データを生成する再構成処理部と、
   を備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
2. 前記回転部は、前記回転方向に沿って等間隔に複数のスリットが設けられ、
   前記位置検出部は、前記回転方向の所定の位置を基準として、前記スリットの数を計測し、計測された前記スリットの数に基づき前記位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
3. 前記データ収集部は、前記回転方向に沿った少なくとも２つの異なる位置のそれぞれで取得された前記投影データと、当該投影データそれぞれに対応する前記位置情報とに基づき、前記２つの位置の間に存在する他の位置における新たな投影データを生成し、
   前記再構成処理部は、前記新たな投影データを含む前記投影データを、当該投影データに対応する位置情報に基づき再構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸ線ＣＴ装置。
4. 前記データ収集部は、前記回転方向に沿った所定の距離ごとに前記回転方向に沿った位置を特定し、特定された当該位置に対応する前記投影データが存在しない場合に、当該位置を前記他の位置として、前記新たな投影データを生成することを特徴とする請求項３に記載のＸ線ＣＴ装置。
5. 前記データ収集部は、１以上の前記投影データと、当該投影データが取得されたタイミングに対応する前記位置情報とに基づき、前記回転方向に沿った前記位置のうち、当該位置情報が示す位置とは異なる他の位置で取得された投影データを補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸ線ＣＴ装置。

Images