JP2015518972A - Ｘ線スキャンニングシステム用の線源発射パターンの最適化 - Google Patents

Abstract

【課題】 本願は、線源発射パターンを最適化するようにプログラムされた非回転Ｘ線源を有するコンピュータ断層撮影システムを開示する。【解決手段】 一の実施の形態において、ＣＴシステムは、複数の線源からなる固定リングと、オフセットに配置された検出器の固定リングとを使用する高速コーンビームＣＴスキャナである。線源発射パターンは、コントローラによって実現される。コントローラは、Ｘ線源及び検出器の配置がオフセットとなる幾何学的配置に適した線源発射パターンを決定する方法を実行する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１１年２月２４日に出願された同一タイトルの米国仮特許出願第６１／４４６、０９８号の利益を主張する。当該出願は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１１年７月２７日に出願された米国特許出願第１３／１４６，６４５号にも関係する。当該出願は、２０１０年１月２７日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ／２０１０／０５０１２５の３７１国内段階出願であり、２００９年１月２８日に出願された英国出願第０９０１３３８．４号を優先権の基礎とする。上記出願の各々は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１１年１月１３日に出願された米国特許出願第１３／０５４，０６６号にも関係する。当該出願は、２００９年７月１５日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ／２００９／００１７６０の３７１国内段階出願であり、２００８年７月１５日に出願された英国出願第０８１２８６４．７号を優先権の基礎とする。上記出願の各々は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１１年３月１１日に出願された米国特許出願第１３／０６３，４６７号にも関係する。当該出願は、２００９年９月１３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０９／５１１７８の３７１国内段階出願であり、２００８年９月１３日に出願された英国出願第０８１６８２３．９号を優先権の基礎とする。上記出願の各々は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１１年２月２２日に出願された米国特許出願第１３／０３２，５９３号にも関係する。当該出願は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１０年５月２６日に出願された米国特許出願第１２／７８７，９３０号にも関係する。当該出願は、２００９年５月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／１８１，０６８号を優先権の基礎とする。上記出願の各々は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１０年５月２６日に出願された米国特許出願第１２／７８８，０８３号にも関係する。当該出願は、２００９年５月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／１８１，０７０号を優先権の基礎とする。上記出願の各々は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１１年４月１４日に出願された米国特許出願第１３／０８６，７０８号にも関係する。当該出願は、２００９年６月１６日に出願された米国特許第７，９４９，１０１号の継続出願である。上記出願の各々は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１０年６月３日に出願された米国特許出願第１２／７９２，９３１号に関係する。当該出願は、２００９年６月３に出願された米国仮特許出願第６１／１８３，５９１号を優先権の基礎とする。上記出願の各々は、その全体を関連として本願に取りこまれている。

本出願は、２０１２年１月９日に出願された米国特許出願第１３／３４６，７０５号にも関係する。当該出願は、２０１０年７月１３日に出願された米国特許第１２／８３５，６８２号の継続出願であり、２００９年７月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／２２５，２５７号を優先権の基礎とする。上記出願の各々は，その全体が関連として本出願に取りこまれている。

本出願は、２０１０年５月２６日に出願された米国特許出願第１２／７８７，８７８号にも関係する。当該出願は、２００９年５月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／１８１，０７７号を優先権の基礎とする。これは、以下の出願である。

１． ２００９年６月１６日に出願された米国特許出願第１２／４８５，８９７号の一部継続出願であり、当該出願は、２００５年１０月２５日に出願された米国特許出願第１０／５５４，６５６号の継続出願であり、米国特許第７，５６４，９３９号として発行される。当該出願は、２００４年４月２３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０４／０１７２９の３７１国内段階出願であり、２００３年４月２５日に出願された英国出願第０３０９３８７．９号を優先権の基礎とする。

２． ２００９年２月１６日に出願された米国特許第７，９０３，７８９号の一部継続出願であり、当該出願は、２００５年１０月２５日に出願された米国特許第７，５１２，２１５号の継続出願である。当該出願は、２００４年４月２３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ２００４／０１７４１の３７１国内段階出願であり、２００３年４月２５日に出願された英国出願第０３０９３８３．８号を優先権の基礎とする。

３． ２００５年１０月２５日に出願された米国特許第７，６６４，２３０号の一部継続出願である。当該出願は、２００４年４月２３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ２００４／０１７４１の３７１国内段階出願であり、２００３年４月２５日に出願された英国特許出願第０３０９３７１．３号を優先権の基礎とする。

４． ２００８年２月１９日に出願された米国特許出願第１２／０３３，０３５号の一部継続出願であり、米国特許第７，５０５，５６３号として発行される。当該出願は、２００５年１０月２５日に出願された米国特許出願第１０／５５４，５６９号の継続出願であり、米国特許第７，３４９，５２５号として発行される。当該出願は、２００４年４月２３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０４／０１７３２の３７１国内段階出願であり、２００３年４月２５日に出願された英国特許出願第０３０９３７４．７号を優先権の基礎とする。

５． ２０１０年４月１２日に出願された米国特許第７，９２９，６６３号の一部継続出願である。当該出願は、２００８年９月１６日に出願された米国特許出願第１２／２１１，２１９号の継続出願であり、米国特許第７，７２４，８６８号として発行される。当該出願は、２００５年１０月２５日に出願された米国特許１０／５５４，６５５号の継続出願であり、米国特許第７，４４０，５４３号として発行される。当該出願は、２００４年４月２３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０４／０１７５１の３７１国内段階出願であり、２００３年４月２５日に出願された英国特許出願第０３０９３８５．３号を優先権の基礎とする。

６． ２０１０年１月２９日に出願された米国特許第８，０８５，８９７号の一部継続出願である。当該出願は、２００５年１０月２５日に出願された米国特許出願第１０／５５４，５７０号の継続出願であり、米国特許第７，６８４，５３８号として発行される。当該出願は、２００４年４月２３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０４／０１７４７の３７１国内段階出願であり、２００３年４月２５日に出願された英国特許出願第０３０９３７９．６号を優先権の基礎とする。

７． ２０１１年１月２５日に特許された米国特許第７，８７６，８７９号と、２００８年６月１９日に出願された米国特許出願第１２／１４２，００５号との一部継続出願である。両出願は、２００６年１２月１５日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ２００６／００４６８４の３７１国内段階出願であり、２００５年１２月１６日に出願された英国特許出願第０５２５５９３．０号を優先権の基礎とする。

８． ２０１１年１２月７日に出願された米国特許出願第１３／３１３，８５４号の一部継続出願である。当該出願は、２００９年６月４日に出願された米国特許出願第１２／４７８，７５７号の継続出願であり、米国特許第８，０９４，７８４号として発行される。当該出願は、２００９年２月２日に出願された米国特許出願第１２／３６４，０６７号の継続出願である。当該出願は、２００８年２月１９日に出願された米国特許出願第１２／０３３，０３５号の継続出願であり、米国特許第７，５０５，５６３号として発行される。当該出願は、２００５年１０月２５日に出願された米国特許出願第１０／５５４，５６９号の継続出願であり、米国特許第７，３４９，５２５号として発行される。当該出願は、２００４年４月２３日に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０４／０１７３２の３７１国内段階出願であり、２００３年４月２５日に出願された英国特許出願第０３０９３７４．７号を優先権の基礎とする。さらに、米国特許出願は、２００８年７月１５日に出願された英国特許出願第０８１２８６４．７号を優先権の基礎とする。

９． ２０１０年２月２５日に出願された米国特許出願第１２／７１２，４７６号の一部継続出願である。当該出願は、２００９年２月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／１５５，５７２号と、２００９年２月２５日に出願された英国特許出願第０９０３１９８．０号とを優先権の基礎とする。

上記ＰＣＴ、外国、及び米国出願、及びこれらに関係する適宜の出願の各々は、本発明にその全体を参照として取りこまれている。

本発明は、Ｘ線スキャンニング、特に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）Ｘ線スキャンニングシステムによって生成される画像の改良された復元に関する。

物体の内部の三次元画像は、セキュリティ検査、医療用の診断、プロセスイメージング、及び非破壊検査を含む様々な目的のために、従来のＸ線システムを使用して現在作成されている。複数の異なるシステム構成が、三次元画像を作成するために使用される画像スキャンニングデータを生成するために実際に存在する。

例示的なシステムにおいて、Ｘ線源は、検査下の物体を中心に回転される。線源からのＸ線のコリメートされた扇形のビームは、検査下の物体を通って、線源からは物体の反対側に位置するＸ線検出器の一次元アレイへと通過する。透過Ｘ線データは、多数の角度の各々で収集され、二次元シノグラムを作成する。この情報は、画像復元アルゴリズムを通過して、検査下の物体の二次元断面画像を形成する。

他の例示的なシステムにおいて、Ｘ線源は、Ｘ線を放射のコーンへと放射する。このＸ線は、物体を通過して、線源とは直接対向するＸ線検出器の二次元アレイにまで通過する。線源及び検出器アレイは、検査下の物体を中心に回転され、結果であるＸ線投影データは、三次元画像へと復元される。

他の例示的なシステムにおいて、検査すべき物体は、実質的に線条の軌道に沿って並進され、一方、線源及び検出器アセンブリは、物体の移動軸とは垂直な面内で回転し、改良された三次元画像を形成する。この場合、線源は、物体を中心にヘリカル移動を描き、線源のポイントの軌跡は、物体を中心とするシリンダの表面に位置する。物体が線源及び検出器の面を通過して移動する速度は、線源及び検出器アセンブリが物体を中心に回転する速度に関係する。この速度は、軌跡のピッチとして記載される。

出願人は、新しい世代のＸ線システムを開発した。このシステムは、単一の真空容器内に複数の電子銃と1つ以上の高電圧アノードとを備えたＸ線源を実行する。このシステムにおいて、Ｘ線源は、マルチグリッド制御電子銃の使用を介して、検査下の物体を中心とするＸ線ビームのノンシーケンシャルな移動を許容する。この電子銃は、適宜の選択されたシーケンスにおいて励起される。各線源からの電子ビームは、検査下の物体の周囲に分散するアノードセクションを照射するように向きが決められる。これによって、ノンヘリカル線源の軌道は、ダイナミック及び高スループット物体描画の要件と一致する高速で描かれることが可能となる。さらに、静電制御下の電子銃の高速スイッチングにより、移動部品を使用せずに、Ｘ線管の有効焦点の高速移動と、断層撮影Ｘ線スキャンデータのセットの高速生成とが可能になる。

電子銃の発射シーケンスを適宜構成することにより、Ｘ線投影データの最適なセットが、従来のシステムよりもより高速で収集できる。係るシステムの例を、上記にリストされ関連として本発明に取りこまれている複数の出願の中に開示する。

出願人は、電子銃をシーケンシャルに発射するアプローチを以前記載したが、画像のアーチファクトの生成を回避するために電子銃のシーケンスを最適に発射する改良された方法の開発に対する需要が存在する。

特に、出願人は、Ｘ線源の従来のヘリカル移動が、物体内の投影空間の準最適なサンプリングになり、この限定されたサンプリングにより画像のアーチファクトの必然的な形成になっていたことを認識している。出願人は、さらに、マルチエミッタＸ線源技術の使用によって、ヘリカルスキャンニング幾何学的配置を表さず、且つ改良された三次元画像の生成につながる最適な線源の発射シーケンスを決めることができることを認識した。

一の実施の形態において、本明細書は、長さを有する物体の放射画像を得るためのＸ線画像装置を開示する。当該装置は、物体の周囲に第１のリング状に配置されると共に各々が所定個数のＸ線源を有する複数のＸ線管と、各Ｘ線源の各々を発射パターンに応じてＸ線を放射させるように構成されたコントローラとを有する。各Ｘ線源は、隣接する線源からは等間隔に配置される。各Ｘ線源は、所定放射期間の間Ｘ線を放射する。前記発射パターンによって、長さを有する仮想シリンダの表面上に、Ｘ線源からのＸ線の実質的に均一な分散が生じる。仮想シリンダは、物体の周囲に位置し、仮想シリンダの長さは、物体の長さ以上に長い。Ｘ線源は固定される。

任意であるが、仮想シリンダの長さは、物体の長さに距離を加算したものに等しい。前記距離は、０ｍｍから１００ｍｍまでの範囲内にある。発射パターンによって、Ｘ線源は、ノンシーケンシャルオーダでＸ線を放射する。発射パターンによって、Ｘ線源はノンヘリカルパターンでＸ線を照射する。発射パターンは、回転不変である。

任意ではあるが、Ｘ線画像装置は、複数のボクセルを有する復元容量を画定する。Ｘ線は、複数の角度で復元容量の各ボクセルと交差する。前記複数の角度は、０から３６０度までの範囲に亘り、実質的に均一に分散している。Ｘ線画像装置は、更に、物体の周囲に第２のリング状に配置された複数のセンサを有する。複数のセンサは、物体を通過した後の複数のＸ線源から放射されたＸ線を検出する。センサは、所定の軸に沿ってＸ線源からはオフセットされて配置されている。

他の実施の形態において、本明細書は、長さを有する物体の放射画像を取得するＸ線画像装置を開示する。当該装置は、各々が所定数のＸ線源を有する複数のＸ線管と、前記Ｘ線源の各々に放射パターンに応じてＸ線を放射させるように構成されているコントローラと、を有する。各Ｘ線源は、所定放射期間の間、Ｘ線を放射する。Ｘ線源は、物体の移動方向と直交する平面内で円形パターンに配置される。前記発射パターンによって、前記線源は、回転不変なシーケンスでＸ線を発射する。動作中、Ｘ線管は固定されている。

任意であるが、物体は、２５０ｍｍ／ｓから５００ｍｍ／ｓまでの範囲内の速度を有するコンベヤベルトに載って移動する。発射パターンによって、長さを有する仮想シリンダの表面上に、Ｘ線源からのＸ線の均一な分散が生じる。仮想シリンダは、物体の周囲に配置され、仮想シリンダの長さは、物体の長さ以上に長い。仮想シリンダの長さは、物体の長さに距離を加算したものに等しい。当該距離は、０ｍｍから１００ｍｍの範囲内である。

任意ではあるが、Ｘ線画像装置は、さらに、投影データを生成する複数の検出器を有する。コントローラは、前記投影データに基づいて発射パターンを変更する。任意ではあるが、Ｘ線画像装置は、更に、投影データを生成する複数の検出器を含む。線源と検出器とは、組み合わせることにより、マルチフォールド・シンメトリを呈する。

他の実施の形態において、本明細書は、物体をスキャンするために、複数のボクセルを有し、復元容量を画定するＸ線画像装置を開示する。装置は、複数のＸ線管を有し、各Ｘ線管は、所定個数のＸ線源を含む。各Ｘ線源は、所定放射期間中、Ｘ線を放射する。動作中、Ｘ線源は、固定されている。Ｘ線源は、面内に配置されている。複数の検出器を有する。検出器は、線源の面と平行な少なくとも１つの面内に配置されている。検出器及び線源は、同一面内には無い。検出器は、投影データを生成する。前記Ｘ線源の各々を発射パターンに応じてＸ線を放射させるように構成されたコントローラを有する。
前記発射パターンによって、Ｘ線源は、複数の角度で復元容量の各ボクセルと交差するＸ線を放射する。前記複数の角度は、０度から３６０度までの範囲に亘り実質的に均一に分散される。

任意ではあるが、発射パターンによって、長さを有する仮想シリンダの表面に亘り、Ｘ線源からＸ線の均一な分散を生じさせる。仮想シリンダは、物体の周囲に配置され、仮想シリンダの長さは、物体の長さ以上に長い。仮想シリンダの長さは、物体の長さに距離を加えたものに等しい。前記距離は０ｍｍから１００ｍｍまでの範囲内にある。投影データを使用した復元方法の実行のためのデータストレージ要件は、シーケンシャル又はヘリカル発射パターンから生成された投影データを使用する復元方法の実行のためのデータストレージ要件よりは少ない。投影データを使用する復元方法の実行のためのコンピュータプロセッシングパワー要件は、シーケンシャル又はヘリカル発射パターンから生成される投影データを使用する復元方法の実施のためのコンピュータプロセッシングパワー要件よりも少ない。

本明細書の上記及び他の実施の形態は、以下に提供する図面や詳細な説明により詳細に記載する。

本発明との使用に適したＸ線エミッタを示す。 図１に示すような多数のエミッタユニットを含む本発明によるＸ線画像システムのブロック図である。 本発明の第２の実施の形態によるＸ線画像システムのレイアウトの構成図である。 本発明の第３の実施の形態によるＸ線画像システムのレイアウトの構成図である。 リアルタイム断層撮影（ＲＴＴ）システムの例示的な幾何学的配置を示す。 シリンダの表面の規則的格子上の線源の位置を示す。 ヘリカル形態を使用したサンプリングパターンの第１のプロットを示す。 本願にて開示された方法によって生成された発射パターンを使用するサンプリングパターンの第２のスロットを示す。 様々な発射パターンに対する投影濃度のプロフィールのグラフを示す。

本明細書は、複数の実施の形態に関する。以下の開示は、当業者が本発明を実施することができるように提供される。本明細書で使用される言語は、特定の実施の形態の一般的な否認として解釈すべきではなく、又は、使用されている用語の意味を超えて請求項を限定するために使用されない。本明細書にて定義される一般的な原理は、本発明の請求項の範囲から逸脱せずに、他の実施の形態や適用例に対し適用される。また、使用される用語や表現は、例示的な実施の形態を記載する目的のためであり、限定するものとして考慮すべきではない。このように、本発明には、多数の代替例、変更例、及び開示された原理及び特徴と一致する等価例を包囲する最大の権利範囲が与えられるべきである。明確さを目的として、本発明に係る技術分野において周知の技術的材料に関する詳細は、本発明を必要以上に不明確にしないようにするために、詳細には記載しない。

図１は、マルチエミッタＸ線源１０を示す。Ｘ線源１０では、アノード３２が電子銃１８のセットによって照射され、アセンブリ全体が真空容器２５内に配置されている。各電子源は、電位によって制御されている。この電位は、一連の制御ピン３０を介して電子銃アセンブリに印加されている。共通フォーカスポテンシャル２８は、各電子銃管の焦点を制御して、アノードの熱的負荷に対して画像における空間解像度のバランスをとる。当業者は、他の電子銃配置を、アノード領域を選択的に照射するように構成し、さらに、係る実施の形態の全てが、本願の権利範囲内でカバーされることを理解する。

マルチフォーカスＸ線管１０は、セラミックフォーマ１２及び電子銃、すなわちエミッタ素子１８を有する。エミッタ素子１８は、フォーマの側部１４、１６の間に延在する。グリッドワイヤ形状の多数のグリッド素子２０が、フォーマ１２に支持され、エミッタ素子１８に垂直でありながらも、２つの側部１４、１６の間のギャップを跨がるように延びているが、それと平行な面内にある。フォーカシングワイヤの形状をした多数のフォーカシング素子２２が、エミッタ素子に対しグリッドワイヤの反対側で別の面内で支持されている。フォーカシングワイヤ２２は、グリッドワイヤ２０と平行であり、グリッドワイヤと同じ間隔で互いに離間配置されている。各フォーカシングワイヤ２２は、グリッドワイヤ２０の対応するものと直線的に配置されている。

ソース１０は、エミッタユニット２５のハウジング２４内に封じ込められ、フォーマ１２は、ハウジングのベース２４ａの上に支持されている。フォーカシングワイヤ２２は、２つのサポートレール２６ａ、２６ｂに接して支持されている。サポートレール２６ａ、２６ｂは、エミッタ素子１８と平行に延び、フォーマ１２からは離間している。サポートレールは、ハウジングのベース２４ａに装着されている。サポートレール２６ａ、２６ｂは、伝導性を有し、全てのフォーカシングワイヤ２２は、一緒に電気的に接続されている。サポートレール２６ａの１つは、コネクタ２８に接続される。コネクタ２８は、ハウジングのベース２４ａを介して突出し、フォーカシングワイヤ２２との電気的接続を提供する。グリッドワイヤ２０の各々は、フォーマの一側部１６より下方に延び、対応する電気的コネクタ３０に接続されている。電気的コネクタ３０は、グリッドワイヤ２０の各々に対して別々の電気的接続を提供する。

アノード３２は、ハウジングの側壁部２４ｂ、２４ｃの間に支持されている。アノードは、エミッタ素子１８と平行に延びる。故に、グリッド及びフォーカシングワイヤ２０、２２は、エミッタ素子１８とアノード３２との間を延びる。アノードへの電気的コネクタ３４は、ハウジングの側壁部２４ｂを通過して延びる。

エミッタ素子１８は、フォーマの端部にて支持され、ハウジング内のさらなるコネクタ３６、３８を介して供給される電流によって加熱される。

一の位置から電子ビームを生成するために、１対の隣接するグリッドワイヤ２０を、引き抜きポテンシャルに接続することができる。引き抜きポテンシャルは、素子１８に対してポジティブであり、残りのグリッドワイヤは、ブロッキングポテンシャルに接続されている。ブロッキングポテンシャルは、素子１８に対してネガティブである。電子を引き出すために使用されるワイヤ２０の対を選択することによって、電子ビームの位置を選択することができる。Ｘ線は、アノード３２から電子が衝突した部位で放射されるので、Ｘ線源の位置も、電子を引き出すグリッドワイヤの対を選択することによって、選ぶことができる。フォーカシング素子２２は、全て、グリッドワイヤ２０に対して正電位に維持されるので、適宜のグリッドワイヤ対の間からか引き出された電子も、その間を通過し、フォーカシング素子２２の対応する対によってフォーカスされる。

図２は、マルチエミッタＸ線管ベースのＸ線画像システムに適した制御システムを示す。このシステムにおいて、正確なタイミングが、グリッド制御システムと、Ｘ線センサアレイからのデータの獲得との間で維持される。なお、グリッド制御システムは、照射されるべきアノードの領域を決定する。画像復元エンジンは、２次元投影データを、オペレータの検査のための３次元データセットへと結合する。

Ｘ線スキャナ５０は、従来の幾何学的配置に配置され、中心のスキャナ軸Ｘを中心にアーク状に配置されたエミッタユニット２５のアレイを有し、スキャナ軸Ｘに向けてＸ線を放射するように向きが向けられている。センサのリング５２は、エミッタの内部に配置され、向きがスキャナ軸に向けて内側に向けられている。センサ５２及びエミッタユニット２５は、軸Ｘに沿って互いにオフセットされ、故に、エミッタユニットから放射されたＸ線は、エミッタユニットに最も近いセンサの傍らを通って物体を通過し、最も離れて位置する複数のセンサによって検出される。各線源からのＸ線を検出するセンサ５２の個数は、管内２５の各線源の部位から放射されるＸ線の扇形の幅に依存する。スキャナは、制御システムによって制御される。この制御システムは、図２において機能ブロックによって表現される多数の機能を操作する。

システム制御ブロック５４は、画像ディスプレイユニット５６、Ｘ線管制御ブロック５８及び画像復元ブロック６０を制御して、これらのユニット５６、５８、６０からデータを受け取る。Ｘ線管制御ブロック５８は、焦点制御ブロック６２と、グリッド制御ブロック６４と、高電圧供給６８とを制御する。焦点制御ブロック６２は、エミッタユニット２５の各々においてフォーカスワイヤ２２の電位を制御する。グリッド制御ブロック６４は、各エミッタユニット２５での個々のグリッドワイヤ２０の電位を制御する。高電圧供給６８は、エミッタブロックの各々のアノード３２に電力を供給し、エミッタ素子１８に電力を供給する。画像復元ブロック６０は、センサ制御ブロック７０を制御して、このブロック７０からデータを受け取る。センサ制御ブロック７０は、次に、センサ５２を制御してこのセンサ５２からのデータを受け取る。

動作中、スキャンすべき物体は、軸Ｘに沿って通過され、Ｘ線ビームは、Ｘ線管２５から物体を通過するように向きが向けられる。各スキャンニングサイクルにおいて、各管２５における各線源の位置は、一度使用され、物体が軸Ｘに沿って移動する度にスキャンニングサイクルは繰り返される。各線源の位置は、扇形のＸ線を生成する。このＸ線は、物体を通過した後、複数のセンサ５２によって検出される。

前の出願において、出願人は、管２５内の線源の位置からのＸ線放射の順番は、Ｘ線管への熱的負荷を最小限にするように選択されるべきものとして記載した。これは、各線源の位置が隣り合わないように、故に、前の線源の位置と次の線源の位置とから離れるように、放射の順番を決めることによって達成される。以下に記載するように、本明細書は、管２５内の線源の位置からのＸ線放射の順番を決める改良されたアプローチを開示する。

Ｘ線画像システムの様々な構成が、本願の権利範囲によってカバーされる。例えば、図３は、物体復元空間が、領域７５によって画定され、一連のリニアＸ線管セクション６０、６１、６２、６３、６４によって照射されるシステムを示す。各リニアＸ線管セクションは、一続きの個別のＸ線源放射部位、すなわち、７０、７１、７２、７３、７４を含む。各Ｘ線管において線源は、１、２、３、４、５とラベルが付され、所定のシーケンスでＸ線を発射する。

図４は、復元領域８６が、線源部位８０のアレイによって包囲され、検出器８２のリングが線源部位を含む面に隣接する面に配置されているシステム構成を示す。Ｘ線源８０は、軸Ｘを中心に離間配置され、センサ８２は、線源８０から軸方向にオフセットされている。線源８０の１つがＸ線ビーム８４を放射するとき、このビームは、発散し、物体８６を通過して、複数個のセンサ８２に到達する。線源部位８０の各々からＸ線を検出するために必要とされるセンサ８２が既知のとき、共通の検出器を必要としないという仮定の下に、同時にＸ線を放射する線源の位置を選択できる。例えば、２４個の線源位置８０と、２４個のセンサ８２とがあり、各線源位置が５つのセンサを必要とする場合、９０度の間隔で物体の周囲に離間配置された４つのセンサ８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄが同時に使用される。

本出願において、非回転Ｘ線源を有するコンピュータ化断層撮影システムが、線源の発射パターンを最適化するためにプログラムされる。一の実施の形態において、ＣＴシステムは、高速コーンビームＣＴスキャナであり、このシステムは、複数線源の固定リングと、オフセット配置された検出器の固定リングとを使用する。線源発射パターンは、コントローラによって実現される。コントローラは、プロセッサと、複数のプログラマチックインストラクションを記憶するメモリとを有する。インストラクションは、本発明に開示される線源発射パターンを実行するためにプログラムされる。プロセッサがインストラクションを実行するとき、コントローラによって、Ｘ線源は、所定の線源発射パターンに従いＸ線を発射する。

非回転Ｘ線源を有するコンピュータ化断層撮影システムは、改良されたスキャンニング時間を含む、特定の長所をもたらす。その理由は、スキャンすべき物体の周囲を線源が物理的に回転することによって生じるタイムシンクが排除されるからである。しかしながら、Ｘ線源及び検出器の幾何学的配置は、図５に示すような、距離ε₁ ５０１の分だけｚ方向にオフセットされているので、従来の回転ガントリＣＴシステムにおいて使用される画像復元手順を、この幾何学的配置に適用することはできない。線源発射パターンを決定する方法は、Ｘ線源および検出器の幾何学的配置がオフセットされている幾何学的配置に適用される。故に、当該方法は、必要とされている。

図５を参照すると、Ｚa及びＣaは、それぞれ、ｚ軸に沿った軸を有する半径ａのシリンダと、その境界とを表す。関数ｆは、物体を表し、Ｚa, l ５０２に接してサポートされていると仮定する。Ｚa, l ５０２は、有限の長さｌのＺａの部分集合であり、原点に中心が配置されている。可能な線源及び検出器位置のセットは、Ｃb ５０３及びＣd ５０４によってそれぞれ与えられる。なお、「ａ＜ｄ＜ｂ」である。「ε₂＞ε₁＞０」は、ｚ方向における線源−検出器のオフセットを表す。次に、複数個の線源の位置

に対し、アクティブ検出器領域Ｄx ５０６は、ε₁ ５０１、ε₂ ５０５及び角度範囲−γ、γ ５０７によって画定されるＣ_dの部分集合である。

幾何学的配置は、シフト−不変であると仮定され、故に、アクティブ検出器領域は、適宜の線源位置

の視点からみると同じである。適宜の

を考慮すると、Πα、xは、ｘを含み、更に、ｘでＣbと接する線にｘを含む横断面と交差する面であるとする。この面は、複数の

ユニット２−領域に対し、方程式ｙ．α＝ｓを有する。

Ｌα、xは、ｘ及びｚ軸と交差するΠα、xの中の線であるとする。オフセットε₁、ε₂は、適宜の

に対し、面Πα’、x内の全ての放射線が、αの適宜のスモールネイバーフッドの中でα’に対し、Ｌα’、xに平行であり且つｆのサポートと交差し、さらに、測定されるように、

が存在する。

従って、線源の部位ｘは、距離ε₁だけ検出器の２次元アレイの下方端部から離れ、さらに、距離ε₂だけ同一の検出器アレイの上方端部から離れた面内に位置する。検出器アレイのセクションは、回転軸及びスキャン領域の中心と交差する面から、±γ ５０７の距離だけ離れて延びている。線源は、シリンダＣb ５０３の表面上の部位を占有しながらも、検出器は、シリンダＣd ５０４の表面上にある。物体は、シリンダＺa,l ５０２内に含まれている。物体は、スキャンの間、ｚ軸に沿って移動する。

一の実施の形態において、システムは、物体内の投影空間の一様なサンプリングを提供する最適な線源発射シーケンスを実行するので、画像のアーチファクトは最小限になる。ここで、システムは、投影空間の均一なサンプリングを要求する制約を適用する。これは、以下の式によって要約される。

式(1)において、Ｎ_sは、システム内の線源の個数、ｋは発射線源間の増加数、及びｉは、投影番号である。なお、ヘリカルスキャンではｋ＝１となる。

ｋの最適値を見つけるために、対象は、図６に示すような、線源部位の均一に分散する三角メッシュ６００で、シリンダＣb ５０３の表面にフィットすることである。ここで、ｋの計算のために適した式のセットは、以下のようになる。

但し、ｄは隣接する線源の間の距離であり、ｐ_zは、ｚピッチであり、ｋ^-1は、Ｎ_sを法とする逆数であり、ｌ₁、ｌ₂、ｌ₃は、各三角形の三辺の長さである。

三角格子をできる限り正三角形にするために、ｋ^-1の値は、ｌ₁、ｌ₂、ｌ₃の標準偏差を最小限にするように選択される。次に、ｋの値は、ｋ^-1をこの値にできるだけ近づけるように選択される。その理由は、ｋの全ての値は、Ｎ_sを法とする逆数を有しないためである。

特に、システムが、Ｓ＝s₁, ....s_sによって表されるディスクリートな線源のセットを有する場合、期間１回転の発射の順序は、シーケンス.....,φ(1), ....., φ(S); .....,の周期的拡張として定義される。これは、複数の関数

によって決定される。

この定義は、任意の期間Ｒ回転の発射順序をカバーするために一般化される。上述の如く、発射の順序は、ＲＴＴシステム内の物理的線源がオン及びオフに切り替えられるシーケンスを決定する。特定の発射順序φに対し、ｉは１からＳに変化するので、線源Ｓ_φ(1),.....,Ｓ_φ(S)は、シーケンスでスイッチされる。

必要とはされないが、全ての線源を使用する発射パターン、すなわち、関数φが全反射となる（すなわち{1, ,S}の置換）となる発射順序を作成するのが好ましい。これは、全ての線源が使用され、用語回転の使用を正当化することを保証する。その理由は、物理的な線源s₁,....,s_Sからの投影のフルセットは、従来のＣＴスキャナのガントリの完全回転とは、概念的には類似するが、しかし、実質的には技術的に異なるからである。この限定と、発射順序が期間１回転を有するという仮定とを考慮し、普遍性の損失が無ければ、任意の発射順序に対し、φ(1)＝１の慣習を採用できる。

Ｓ個の線源を有するＲＴＴシステムに対し、関数φによって定義される発射順序は、複数の固定整数ｋに対して

であれば、順序１は、回転的に不変であると言われている。

これを幾何学的に解釈すると、これは、複数の線源ｓ_iの視点から、システムが線源ｓ_i+1に移動すれば、１の線源に対する３次元空間内の他の全ての線源の位置は、変化しないことを意味する。言い換えれば、システムは、マルチフォールドシンメトリ（multi-fold symmetry）を有すれば回転不変（rotationally invariant）である。例示的な用途において、システムは、２４回対称（24 fold symmetry）を呈する検出器及びセンサの構成を有する。

順番１回転不変発射順序は、以下の形式の関数φによって与えられる。

ここで、ｋはjＳjと互いに素となる整数であり、常時、期間１回転である。

順番１回転不変発射順序の特別なケースは、シーケンシャル発射順序である。これは、古典的な単一ヘリカル線源軌道とすると、同一性マッピングfi(i)=iによって簡単に定義される期間１発射順序である。

高次回転不変発射順序は、１回転よりも大なる期間に亘って必然的に定義され、上記の順序１の事例の一般化として見ることができる。この場合、整数ｋは、gcd(k;Ns)＞１となるように選択される。ｍ＝gcd(k;Ns)であれば、式(5)によって作成されるシーケンスは、あらゆるＮ_S/ｍ線源を繰り返す。これを回避するために、ｋと互いに素となり且つ加えられたあらゆるＮ_S/ｍ線源を獲得する第２のインクリメントｑが導入される。ｑ＝１であれば、これは、関数φ_rによって表される。

に対し、以下のように定義される。

なお、[.]は、負の無限大演算子に向けた四捨五入である。係る発射順序は、しばし、「マルチらせん」と称される。その理由は、マルチ線源に対しヘリカル軌道を定義するものとして見ることができるからである。

発射順序の選択は、実行される復元アルゴリズムによってある範囲にまで指図される。線源軌道の複数の選択を想定する分析的なアルゴリズムが使用される場合、発射パターンは、その軌道に近づくべきである。完全な一般性の中で発射順序を最適化する問題を考慮するために、発射順序の選択とは独立した方法が必要とされる。

一の実施の形態において、仮想シリンダの表面に等間隔に離間配置されたサンプリング格子を作成する発射順序が選択される。仮想シリンダは、好ましくは、スキャンすべき物体の長さを超える距離に、データ収集装置が物体の中の全ての点をカバーすることが可能となる十分な長さを加算したものを画定する。一の実施の形態において、仮想シリンダは、物体の長さに、１０、５０、又は１００ｍｍ又は適宜のインクリメントなどの追加の距離が加算された長さを有する。好ましい実施の形態において、ゼロが仮想シリンダの中心点となる座標系を使用して、シリンダの長さは物体の長さ±５０ｍｍに等しい。発射パターンは、シリンダ表面の均一な線源カバレッジが達成されるように最適化される。すなわち、シリンダ表面のポイント間の距離は、全方向において隣接する線源のポイント間の長さと可能な限り等しくなるように最適化される。好ましくは、均一な線源のカバレッジを仮想シリンダの全長に適用する。式(5)の順序−１回転不変発射順序によって、シリンダ表面に正三角形のサンプリング格子に近くなる発射順序が、構成され得る。

好ましくは、発射順序は、360度の範囲に亘って、且つ物体の長さに沿って、復元容量の各ボクセルと交差するＸ線の角度の均一な分散を得るように選択される。ここで、角度は、横断面へのＸ線の投影において、線源に対する検出器の角度を意味するように取られる。例えば、７６８個の線源を備えたシステムに対し、これらの特性の両方を満足する発射順序は、式(4)にｋ＝３５を代入することによって与えられる。

シリンダＣbの表面での線源の位置のセクションを図７(a)及び(b)に示す。図７(a)は、ｋ＝１の時の線源の位置のセット、すなわち従来のヘリカルスキャン発射パターンが、カバーされない表面の大領域を示しつつ、表面を横切るラインを描くことを示す。対照的に、図７(b)は、モデル化されたシステムに対し、３５のｋ値線源インクリメントを使用する線源位置の三角マップドアレイを示す。

このノンヘリカル線源軌道の実用的なインパクトを理解するために、図８に示すデータを考慮する。図８は、物体を通過する１のライン（ｚ軸と垂直な投影容量の中心に位置するライン）に沿った投影密度のプロファイルを示し、ビームの中に物体の無い状態を示す。グラフ８０５は、スタンダードヘリカルスキャン幾何学的配置に対する投影ライン密度を介したプロファイルを示す。これは、投影密度の相当の非均一性を証明し、ストリーキングなどの復元画像アーチファクトにつながる。対照的に、グラフ８１０は、ここに記載する方法を使用して得られた、より均一な投影密度を示し、投影データをサンプリングするときのエラーによるアーチファクトの殆ど無い、かなりきれいな復元画像を生成する。

さらに、最適化発射パターンは、本発明に開示する方法により、復元方法の改良された実施を可能とし、より特別には、シーケンシャルやヘリカルパターンなどの従来の発射パターンに対し、本発明にて開示する発射パターンによって生成された投影データへの、特定の復元アルゴリズムの実行のための、データストレージ要件やコンピュータ化プロセッシングパワー要件を最小限にする。復元アルゴリズムは、ＡＲＴ、線形方程式のセットを解く方法、反復線形方程式の解法、又は方程式のシステムを直接解く適宜の復元方法などである。

本発明にて開示する方法は、多数の効果を有する。第一に、画像復元アルゴリズムの精度は、クリティカルに、投影密度の均一性に極めて依存する。例えば、代数的復元方法は、利用可能な方程式と同程度に良好であるのみである。均一にサンプルされた投影空間は、代数的復元に対し、方程式の最良に可能なセットを与え、高スキャン速度での高品質な３次元画像の生成を可能とする。例えば、固定Ｘ線源を有するＣＴシステムが、移動コンベヤベルトが組み込まれたバッグやカーゴスキャナとして構成される場合、高品質３次元画像を、コンベヤベルトの速度が、２５０ｍｍ／ｓや５００ｍｍ／ｓなど、２００ｍｍ／ｓよりも速い場合であっても生成することができる。

第二に、線源の発射順序は、測定された投影データに直接応答して変化させることができる。例えば、爆発性材料からなる薄いシートの検出において、シートの長さに沿ったＸ線の減衰は、シートの厚みを介したＸ線の減衰よりも相当大きい。このように、必要であれば、シートの面を通過する投影を犠牲にすると、シートの長端部に近い方向の投影密度は、効果的に増加する。

第三に、スキャンシステムは、マルチパス能力を備える。当該システムにおいて、第１スキャンは、本発明にて開示される均一に分散する線源の発射パターンによって、物体に対し行われる。さらなるスキャンが、スキャン全体の投影密度のバランスを取るために、例外的なＸ線減衰の領域を緩和するために、修正された線源の発射軌道で行われる。従って、特定のスキャンに対する線源の発射パターンは、前のスキャンから得られた画像データに基づいてダイナミックに変更可能である。

第四に、Ｘ線スキャンシステムは、マルチフォールド放射状シンメトリを呈するように選択された線源及び検出器のセットを備えている。ここで、均一なサンプリングが、依然達成されるが、画像復元プロセスは、各シンメトリの順番で１回、複数回再使用される係数の小さなセットの使用によって簡単にされる。

第五に、多くの場合、シーケンシャル発射順序やヘリカルパターンにて発生する、領域が非常に高密度又は非常に低密度のＸ線でスキャンされることを回避できる。フィード速度が十分に高い場合、これらの領域は、実際にゼロ空間を作成する。しかしながら、本発明にて開示されるような最適化された発射順序に対し、Ｘ線密度の分散は、より均一であり、領域と交差するＸ線の角度の分散も、より均一である。シーケンシャルな発射順序により、角度の非常に狭小な範囲から照射される復元容量内に領域が存在する。本発明にて記載される最適化された発射順序により、領域と交差するＸ線の角度の分散は、より均一になり、データ復元における限定された角度タイプのアーチファクトを減らす。

要するに、スイッチされた線源及びオフセット検出器の幾何学的配置を使用するＣＴスキャナに対し、従来のヘリカル線源軌道は、最適なものとはほど遠い。優れた結果は、シリンダの表面上に線源ポイントの均一な格子のサンプリングを与える発射順序を使用することによって、得られる。

上記実施の形態は、本発明のシステムの多数の用途を例示したにすぎない。例えば、７６８個の線源を有するシステムは、ｋ＝３５を有するが、３８４、４５０又は９００の線源を備えたシステムは、異なるｋの値を有しても良い、すなわち、サンプリングの角度分散、またはｚピッチに依存して、３８４個の線源を備えたシステムは、値２５のｋを有しても良いことを理解すべきである。本発明の実施の形態をいくつか記載したが、本発明は、特許請求の範囲の記載から逸脱せずに多数の形態で実施されることを理解すべきである。故に、本発明の実施の形態は、例示であって、限定的に解釈すべきではない。また、本発明は、添付の請求項に記載された範囲内での変更が可能である。

１０ Ｘ線源
２５ Ｘ線管
５０ スキャナ
５２ センサ
５４ コントローラ
８２ 検出器

Claims (20)

1. 長さを有する物体の放射線画像を取得するＸ線画像装置であって、
   ａ．前記物体の周囲に第１のリング状に配置され、各々が所定個数のＸ線源を有する複数のＸ線管と、
   ｂ．前記Ｘ線源の各々を発射パターンに応じてＸ線を放射させるように構成されているコントローラと、
   を有し、
   各Ｘ線源は、隣接する線源とは等間隔で離間配置され、
   各Ｘ線源は、所定の放射期間中にＸ線を放射し、
   前記発射パターンは、長さを有する仮想シリンダの表面に亘って、Ｘ線源からのＸ線の実質的に均一な分散を生ぜしめ、
   前記仮想シリンダは、前記物体の周囲に配置され、前記仮想シリンダの前記長さは、前記物体の長さ以上であることを特徴とするＸ線画像装置。
2. 前記仮想シリンダの前記長さは、前記物体の長さに距離を加算したものに等しく、前記距離は、０ｍｍから１００ｍｍまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
3. 前記Ｘ線源は、固定されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
4. 前記発射パターンによって、Ｘ線源はノンシーケンシャルオーダでＸ線を放射することを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
5. 前記発射パターンによって、Ｘ線源は、ノンヘリカルパターンにＸ線を放射することを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
6. 前記発射パターンは、回転不変であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
7. Ｘ線画像装置は、複数のボクセルを含む復元容量を画定し、
   Ｘ線は、複数の角度で前記復元容量の各ボクセルと交差し、
   前記複数の角度は、０度から３６０までの角度に亘り実質的に均一に分散していることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
8. 前記物体の周囲に第２のリング状に配置された複数のセンサをさらに有し、前記複数のセンサは、前記複数のＸ線源から放射されて前記物体を通過した後のＸ線を検出し、前記複数のセンサは、所定の軸に沿って前記Ｘ線源からオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線画像装置。
9. 長さを有する物体の放射線画像を取得するＸ線画像装置であって、
   ａ．各々が所定個数のＸ線源を有すると共に、各Ｘ線源が所定放射期間内にＸ線を放射する複数のＸ線管と、
   ｂ．前記Ｘ線源の各々に発射パターンに応じてＸ線を放射させるように構成されているコントローラと、
   を有し、
   前記複数のＸ線源は、前記物体の移動方向に対し垂直な面内において円形パターンに配置され、
   前記発射パターンによって、前記Ｘ線源は、回転不変のシーケンスでＸ線を放射することを特徴とするＸ線画像装置。
10. 動作中、前記Ｘ線管は固定されていることを特徴とする請求項９に記載のＸ線画像装置。
11. 前記物体は、２５０ｍｍ／ｓから５００ｍｍ／ｓまでの範囲の速度を有するコンベヤベルトに載って移動することを特徴とする請求項９記載のＸ線画像装置。
12. 前記発射パターンによって、長さを有する仮想シリンダの表面に亘ってＸ線源からのＸ線の均一な分散が生じ、
    前記仮想シリンダは、前記物体の周囲に配置され、前記仮想シリンダの長さは、前記物体の長さ以上であることを特徴とする請求項９に記載のＸ線画像装置。
13. 前記仮想シリンダの前記長さは、前記物体の長さに距離を加算したものに等しく、前記距離は、０ｍｍから１００ｍｍまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１２に記載のＸ線画像装置。
14. 投影データを生成する複数の検出器をさらに有し、
    前記コントローラは、前記投影データに基づいて前記発射パターンを変更することを特徴とする請求項９に記載のＸ線画像装置。
15. 投影データを生成する複数の検出器をさらに有し、
    前記Ｘ線源及び前記検出器は、組み合わされて、マルチフォールドシンメトリを呈することを特徴とする請求項９に記載のＸ線画像装置。
16. 復元容量を画定し、複数のボクセルを含み、物体をスキャンするＸ線画像装置であって、
    ａ．各々が所定個数のＸ線源を含む複数のＸ線管と、
    ｂ．複数の検出器と、
    ｃ．前記Ｘ線源が発射パターンに応じてＸ線を放射するように構成されているコントローラと、
    を有し、
    各Ｘ線源は、所定の放射期間の間Ｘ線を放射し、動作中、前記Ｘ線源は固定され、前記Ｘ線源は面内に配置され、
    前記複数の検出器は、前記Ｘ線源の面と平行な少なくとも１つの面内にあり、
    前記検出器と前記Ｘ線源とは、同一面上に無く、
    前記検出器は、投影データを生成し、
    前記発射パターンによって、前記Ｘ線源は、複数の角度で前記復元容量の各ボクセルと交差するＸ線を放射し、
    前記複数の角度は、０度から３６０度の範囲に亘り実質的に均一に分散していることを特徴とするＸ線画像装置。
17. 前記発射パターンは、長さを有する仮想シリンダの表面に亘って前記Ｘ線源からのＸ線の実質的に均一な分散を生ぜしめ、
    前記仮想シリンダは、前記物体の周囲に配置され、
    前記仮想シリンダの前記長さは、前記物体の長さ以上であることを特徴とする請求項１６に記載のＸ線画像装置。
18. 前記仮想シリンダの長さは、前記物体の長さに距離を加算したものに等しく、前記距離は、０ｍｍから１００ｍｍまでの範囲内であることを特徴とする請求項１７に記載のＸ線画像装置。
19. 前記投影データを使用する復元方法の実行のためのデータストレージ要件は、シーケンシャル又はヘリカル発射パターンから生成された投影データを使用する復元方法の実行のためのデータストレージ要件より小さいことを特徴とする請求項１６に記載のＸ線画像装置。
20. 投影データを使用する復元方法の実行のためのコンピュータプロセッシングパワー要件は、シーケンシャル又はヘリカル発射パターンから生成された投影データを使用する復元方法の実行に対するコンピュータプロセッシングパワー要件よりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載のＸ線画像装置。
    

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