JP2016517789A - ジオメトリにマッチされた座標グリッドを使用したx線画像再構成のアーチファクト低減 - Google Patents

ジオメトリにマッチされた座標グリッドを使用したx線画像再構成のアーチファクト低減 Download PDF

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Abstract

X線装置10の画像データを処理する方法であって、関心対象22からの複数の2次元投影画像32を受け取るステップであって、投影画像は、それぞれ異なるビュー角度において関心対象20にX線を透過させることによって取得されたものである、ステップと、複数の2次元投影画像32から、透過されるX線20のジオメトリに適応される座標グリッド50に関して3次元生画像ボリューム36を生成するステップと、2次元デコンボルーションを3次元生画像ボリューム36のスライス52に適用することによってデコンボルブされた3次元画像40を生成するステップと、スライス32が座標グリッド50に適応される。

Description

本発明は、X線装置の画像データを処理する方法、コンピュータプログラム及びコンピュータ可読媒体、並びにX線装置に関する。
X線トモシンセシスは、多くの臨床アプリケーションにおいて新たに用いられているモダリティであり、例えば、マンモグラフィイメージングにおいては、従来の投影ビューよりマイクロカルシフィケーション及び病変のより良好な視覚化を与える。
X線トモシンセシスは、例えば乳房のような関心対象の場合、制限されたビュー角度レンジ内のそれぞれ異なるビュー角度から制限された数の投影画像が取得される特別な種類のX線イメージング技法とみなされることができる。これから、3次元画像が計算される。
しかしながら、制限されたビュー角度レンジは、貧弱なz解像度をもたらしうる。方法は、それゆえ、完全な3次元イメージング技法ではなく、しばしば「2+1/2次元」のイメージングと呼ばれる。
例えば、国際公開第2012/001572A1号公報はトモシンセシスシステムを示している。
フィルタ補正逆投影(FBP)又はより洗練された反復的統計的方法を含む広範囲な画像再構成技法がすでに提案されている。しかしながら、概して、これらの方法は、制限された角度システムジオメトリからアーチファクトを受ける。2次元デコンボリューションは、25年以上前にコンピュータートモグラフィの分野で提案されており、例えば"P. Dhawan, R.M. Rangayyan, and R. Gordon: Wiener filtering for deconvolution of geometric artifacts in limited-view image reconstruction. Proc. SPIE 515, 168-172 (1984)"を参照されたい。しかしながら、コンピュータートモグラフィにおける幾何学的アーチファクトの抑制の他の方法における進歩は、デコンボルーション方法がそれ以来追求されていないという状況である。
より少ないアーチファクト、より高いコントラスト及びより良好な焦点深度を有するトモシンセシス画像を生成する必要がありうる。より少ない計算力だけを用いてこのような画像を生成する必要がありうる。
これらの必要は、独立請求項の主題によって達成される。他の例示的な実施形態は、従属請求項及び以下の記述から明らかである。
本発明の見地は、X線装置の画像データを処理する方法に関する。本発明の他の見地は、プロセッサ上で走るとき、上述の方法を実施するように適応されるコンピュータプログラム、及びこのようなプログラムが記憶されるコンピュータ可読媒体である。
本発明の一実施形態によれば、方法は、関心対象からの複数の2次元投影画像を受け取るステップであって、投影画像は、それぞれ異なるビュー角度に関して関心対象にX線を透過させることによって取得されたものである、ステップと、透過されるX線のジオメトリに適応される座標グリッドに関して複数の2次元投影画像から3次元生画像ボリュームを生成するステップと、2次元デコンボルーションを3次元生画像ボリュームのスライスに適用することによって、デコンボルブされた3次元画像ボリュームを生成するステップであって、スライスは座標グリッドに適応される、ステップと、を含む。
例えば、方法は、トモシンセシスの最中に実施されることができ、限られた数の2次元投影画像だけが、制限されたビュー角度レンジ内で取得されることができる。3次元生画像ボリュームは、フィルタ補正逆投影によって生成されることができ、これは、3次元生画像ボリュームにアーチファクト(すなわち非特異的点拡がり関数)を生成しうる。しかしながら、フィルタ補正逆投影は、ジオメトリマッチされた座標グリッドに関して実施されることができるので、座標系にアラインされるスライス内の点のアーチファクトは、スライス内にのみ位置することができ、個々のスライスの2次元デコンボルーションによって補償されることができる。座標グリッドは、その座標軸がX線イメージングシステムによって生成されるX線ビームとアラインされる場合、X線イメージングシステムのジオメトリにマッチされることができる。
概して、ジオメトリマッチされたグリッドに基づく3次元画像の再構成は、アーチファクトを抑制し、z解像度を高め、及び/又は3次元画像の品質を高めるために、2次元デコンボルーションと組み合わせられることができる。デコンボルブされた3次元画像ボリュームは、更なる処理すなわち更なる反復的再構成ステップのための入力として使用されることができる。
本発明の他の見地は、関心対象の2次元投影画像を取得するように適応されるX線源及びX線検出器であって、X線源及び/又はX線検出器が、それぞれ異なるビュー角度に関して2次元投影画像を取得するように関心対象に対し移動可能である、X線源及びX線検出器と、上述される及び後述されるステップを実施するように適応されるコントローラと、を有するX線装置に関する。
例えば、方法及びX線装置は、マンモグラフィトモシンセシスによるスクリーニング及び診断において使用されることができ、すなわち、関心対象は乳房でありうる。
上述される及び後述される方法のフィーチャは、上述される及び後述されるX線装置のフィーチャでありえ、逆もまた同じであることが理解されなければならない。
本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。
以下、本発明の実施形態が、添付の図面を参照してより詳しく記述される。
本発明の一実施形態によるX線装置を概略的に示す図。 本発明の一実施形態によるX線装置の画像データを処理する方法のフロー図。 図2の方法の間に処理される3次元画像を概略的に示す図。 デカルト座標グリッドを用いて処理された3次元画像を通るスライスを示す図。 デカルト座標グリッドを用いて処理された3次元画像を通るスライスを示す図。 錐体形状の座標グリッドを用いて逆投影された3次元画像を通るスライスを示す図。 錐体形状のグリッドを用いてデコンボルブされる3次元画像を通るスライスを示す図。
原則的に、図面において同一の部分には同じ参照符号が与えられている。
図1は、概略的に、X線管/ソース12及びX線検出器14を有するX線装置/システム10を示す。X線装置は更に、X線装置10を制御するコントローラ16を有することができる。
X線管12及びX線検出器14は、機械的に相互接続されることができ、例えばコントローラ16の制御下において、軸を中心に制限されたレンジ18内で移動可能であり、コントローラは、電気モータのような駆動装置を通じて移動を制御することができる。
X線管12は、関心対象22に透過されるコーン(錐体形状)21の形でX線20又はX線ビーム20を生成することができる。検出器14は、関心対象22の(生の)X線投影画像を取得することができ、コントローラ16によって更に処理されることができる。
X線装置10は、検出器14によって取得されるX線画像に基づいて、コントローラ16によって生成される画像を表示するディスプレイ装置24を有することができる。
特に、X線装置10は、トモシンセシス装置/システム10でありうる。トモシンセシスは、関心対象の複数X線画像が離散的な数のビュー角度から取得されるイメージング技法である。トモシンセシスは、コンピュータートモグラフィと異なり、使用されるビュー角度のレンジ18は、コンピュータートモグラフィにおいて使用される360°をより小さい。断面X線画像は、関心対象22の3次元画像を再構成するために使用される。
制限された角度レンジ18により、トモシンセシスは、図1においてz方向として示されるX線の方向において、制限された深さ解像度を有することができる。
図2は、X線装置10の画像データを処理する方法のフロー図を示す。X線装置10のコントローラ16は、本発明の方法を実施するように適応されることができる。例えば、コントローラ16は、プロセッサ、及びコンピュータプログラムが記憶されるメモリを有することができ、コンピュータプログラムは、プロセッサ上で実行されるとき、上述され以下でも記述される方法の各ステップを実施するように適応される。概して、このようなプログラムは、コンピュータ可読媒体に記憶されることができる。
不揮発性コンピュータ可読媒体は、フロッピーディスク、ハードディスク、USB(ユニバーサルシリアルバス)記憶装置、RAM(ランダムアクセスメモリ)、ROM(リードオンリメモリ)、EPROM(消去可能プログラム可能リードオンリメモリ)又はフラッシュメモリでありうる。揮発性コンピュータ可読媒体は、コンピュータプログラムをダウンロードすることを可能にする例えばインターネットのようなデータ通信ネットワークでありうる。
図2を参照して、ステップ30において、複数のX線投影画像32は、X線管12及びX線検出器14のシステムによって取得され、コントローラ16のメモリに保存されることができる。X線投影画像32は、制限されたレンジ18内で、限られた数の投影画像32によって取得されることができる。
本発明の一実施形態によれば、複数の2次元投影画像32は、ビュー角度の制限された角度レンジ18内においてのみ取得され、レンジは、例えば40°より小さく、30°より小さく、又は20°より小さくなりうる。
本発明の一実施形態によれば、複数の2次元投影画像32は、例えば30より少ない投影画像32を有し、20より少ない投影画像32を有し、又は15より少ない投影画像32を有する。
X線画像は概して、X線装置10又はコントローラ16のメモリに記憶されることができるデジタル画像データによって概して表現されることができる。
通常、X線画像は、X線に対する対象20のX線吸収に関連する強度値を有する。これは、2次元X線画像(例えば投影画像32)及び3次元X線画像(例えば後述される画像36、40、44)のいずれにも当てはまる。
2次元X線画像32は、2次元座標により標識化されるピクセルを含むことができ、及び/又は各ピクセルは、強度値と関連付けられることができる。
ステップ30の終わりに、複数の2次元X線画像32が、コントローラ16において受け取られ記憶されることができる。
本発明の一実施形態によれば、方法は、関心対象22からの複数の2次元投影画像32を受け取るステップを含み、投影画像は、それぞれ異なるビュー角度に関して関心対象20にX線20を透過させることによって取得されたものである。
ステップ34において、コントローラ16は、複数の2次元X線投影画像32から3次元X線生画像ボリューム36を生成する。3次元画像ボリューム36の生成のために、X線装置10のイメージングシステム(X線管12及びX線検出器14)のジオメトリに適応される座標グリッド又は座標系が使用される。
本発明の一実施形態によれば、方法は、透過されるX線20のジオメトリに合わせて適応された座標グリッドに関して、複数の2次元投影画像32から3次元生画像ボリューム36を生成するステップを含む。
図3は、図2の方法の間に処理される3次元画像ボリューム36を概略的に示す。図3には、直交(デカルト)座標グリッド/システム48及びジオメトリにマッチされた座標グリッド/システム50が表示される。
座標グリッド50は、X線装置10のX線20のコーン21に適応される。z座標が大きくなると、それに応じてx座標及びy座標の単位ベクトルも大きくなる。
本発明の一実施形態によれば、座標グリッド50は、直交グリッドに対しコーンを規定する。
座標グリッド50によって規定されるコーンの角度は、X線管/ソース12によって生成されるX線のコーン21の角度と同じでありうる。言い換えると、一定のx及びyの座標線が、関心対象22に透過されるX線にマッチする線に沿って延びる。
本発明の一実施形態によれば、X線20は、点線源12によって生成され、コーンビーム21によって関心対象22に透過され、座標グリッドは、コーンビームに沿って延びる座標線を有する。
概して、3次元X線画像は、3次元座標により標識化されたボクセルを含み、これは、本例ではデカルト座標システムに基づく必要がないが、例えばx及びyの単位ベクトルがzの増加と共に直線的に増加する座標系のようなX線装置のジオメトリに適応された座標系に基づく。各ボクセルは、通常、X線に対して対象20のX線吸収に関する強度値を含むことができる。
3次元X線画像ボリューム36を生成するために、フィルタ補正逆投影又はより洗練された反復的方法が使用されることができる。フィルタ補正逆投影は、コンピュータートモグラフィにおいて良く知られている。しかしながら、コンピュータートモグラフィでは、関心対象の全360°のビュー角度において取得される2次元画像が使用される。
本発明の一実施形態によれば、3次元の生画像ボリューム36は、座標グリッド50に関して2次元投影画像32のフィルタ補正逆投影によって生成される。
シフト加算(shift-and-add、SAA)のような他の技法と比較して、フィルタ補正逆投影は、通常、よりシャープな点拡がり関数(PSF)を与える。点拡がり関数は、点のような関心対象22に対するX線装置10のイメージングシステムの応答、すなわち点のような関心対象22からX線装置によって生成される画像、を記述することができる。
フィルタ補正逆投影及び反復的再構成(後述のステップ40を参照)は、通常、デカルト座標グリッド48上で実施される。
しかしながら、この例では、図4A及び図4Bに示されるように、点拡がり関数は、デカルト座標グリッド48にアラインされない。
図4A及び図4B(並びに図5及び図6)は、z方向(ここで、zはX線の主要な方向として規定される)と平行な3次元画像を通るスライスを示す。例えば、y座標は、このようなスライスを生成するために固定され保持されることができる。図4A乃至図6のすべては、15の投影を有する、すなわち15の2次元X線投影画像32を有する例を示す。
図4A及び図4Bは、デカルト座標グリッド48に関するフィルタ補正逆投影の点拡がり関数60を示す。非常に小さい対象の再構成された3次元画像(点拡がり関数)は、中心スライス(図4A)だけでなく、隣接するスライス(図4B)にも延在する。
図5は、X線装置のジオメトリにマッチされた座標グリッド50に関して、点のような対象のフィルタ補正逆投影の点拡がり関数62を示す。図5は、点のような対象を含むスライスを示す。完全な点拡がり関数62が、このスライス内に位置する。グリッドジオメトリをビームジオメトリ(例えば錐体形状のグリッド)に適応させることは、単一スライスに点拡がり関数62を集中させることを可能にしうる。
更に、ジオメトリにマッチされたグリッド50により、点拡がり関数は、読み出し方向(すなわちz方向)に沿って空間的により一定でありうる。点拡がり関数62は、平面になりうるが、そのz解像度は改善しないことがある。
図5に示される点拡がり関数62は、3次元画像ボリューム36におけるフィルタ補正逆投影のアーチファクトとみなされることができる。
本発明の一実施形態により、アーチファクト及び/又は点拡がり関数は扇形である。
ステップ38において、デコンボルブされた3次元画像40が、逆投影された3次元画像ボリューム36から生成される。
3次元でデコンボルーションを実施することは可能である。しかしながら、3次元のデコンボルーションは、計算要求が多く、大きい決定中の方程式系のためノイズ及びアーチファクトを受けやすく、それゆえ、実際には実行可能でない。
しかしながら、本方法により、デコンボルーションは、2次元でのみ実施される。トモシンセシス(及び一般にコンピュータートモグラフィ)のデコンボルーションの一般的な問題は、点拡がり関数60が空間依存でありうることである。それゆえ、周波数ドメインに基づくアプローチ(例えばWienerデコンボルーション)は問題がありうる。その代わりに、画像ドメインに基づくデコンボルーションが必要とされうる。
本方法を用いることにより、フィルタ補正逆投影再構成トモシンセシス画像のデコンボルーションは、ジオメトリにマッチされたグリッド50上でスライスごとに処理することによって可能になりうる。このアプローチは、フィルタ補正逆投影によって提供される非常によりシャープな点拡がり関数62を利用することができ、2次元でのみ動作することができる。本方法により、数値問題の条件は、大幅に緩和されることができる。
図2に示すように、フィルタ補正逆投影及びデコンボルーションは、コーンビーム21のジオメトリとアラインされる座標グリッド48に関して実施される。このようなジオメトリにおいて、点拡がり関数62は、座標グリッド50のスライスにほぼ完全にアラインされることができ、それにより、2次元デコンボルーションが、完全な3次元X線画像40を回復するために適用されることができる。
例えば、2次元デコンボルーションは、ビーム20のX線と平行であるスライス52内で実施されることができる。これは、例えば座標x又はyの一方がスライス52内で一定に保持される場合である。
本発明の一実施形態によれば、3次元の生画像ボリューム36のスライス52は、座標グリッド50に関して一定の座標値を有する。
本発明の一実施形態によれば、方法は、2次元デコンボルーションを3次元生画像ボリューム36のスライス52に適用することによって、デコンボルブされた3次元画像40を生成するステップを含み、スライス52は、座標グリッド50に適応されたものである。
デコンボルーションを実施するために、あらゆるスライス52が、点拡がり関数及び/又はフィルタ補正逆投影によって生成されるアーチファクト62にマッチするカーネル関数を用いてデコンボルブされることができる。カーネル関数は、空間的に変化し得る。
本発明の一実施形態によれば、3次元の生画像ボリューム36の各スライス52は、2次元カーネル関数を用いてデコンボルブされる。
原則的に、カーネル関数は、点拡がり関数62に等しいものでありうる。
カーネル関数によるデコンボルーションの後、点拡がり関数62は、理想的には、図6に示される点関数64又は点のような関数64にマップされる。言い換えると、デコンボルーションは、点のような対象を点拡がり関数62に投射する変換の逆変換とみなされることができる。
本発明の一実施形態によれば、カーネル関数は、3次元生画像ボリューム36の再構成中に関心対象22の点のような部分から生成されるスライス52内のアーチファクトを、点のような部分に対応するスライス52内の点に戻すようにマップするよう適応される。
要するに、本方法によれば、X線装置10に関する幾何学的情報及びより正確に言うと点拡がり関数62が、デコンボルーションによって完全な3次元画像40を回復するために使用される。デコンボルーションは、デコンボルーションを2次元の問題に変えるために、座標グリッド50(例えば錐体形状のグリッド)上で実施されることができる。2次元デコンボルーションは、それらのよりシャープな点拡がり関数を利用して、フィルタ補正逆投影を通じて再構成される3次元トモシンセシス画像に適用されることができる。全体として、特に角度ビューレンジが小さい場合、方法は、トモシンセシスにおいて大幅に改善された深さ解像度を促進することができ、アーチファクトを低減することができる。本方法によって提供される改善されたz解像度は、図4Aと比較して図6に示されることができる。
任意のステップ40において、デコンボルーションの後に得られる3次元画像36が、反復的再構成の開始画像として使用されることができる。言い換えると、反復的に再構成された3次元画像44は、デコンボルブされた3次元画像36から生成されることができる。
本発明の一実施形態により、方法は、デコンボルブされた3次元画像40を反復的に再構成するステップを含む。
反復的な再構成の間、3次元画像40は、2次元画像に前方投影され、2次元画像32と比較されることができる。これらの差から、ステップ34の間の3次元画像36の生成及び/又はステップ38の間のデコンボルーションにおけるエラーが、算出され補正されることができる。前方投影及び比較は、新しく生成され補正された3次元画像44上で複数回、すなわち反復的に実施されることができる。
深さ解像度の改善が、反復的再構成問題のヌル空間内にありえ、ゆえに繰り返しの間維持されるので、反復的な再構成は、特に有利でありえる。更に、ノイズ及びデコンボルーションアーチファクトは、反復アプローチによって改善されることができる。
ステップ46において、3次元画像40、44のスライスが、表示装置24に表示されることができる。例えばz方向と直交しうるこのようなスライスは、3次元画像40又は44から再構成される2次元画像とみなされることができる。
本発明の一実施形態によれば、方法は、デコンボルブされ又は再構成された3次元画像40を通るスライスに基づいて、再構成された2次元画像を生成するステップを含む。
本発明の一実施形態によれば、方法は、表示装置24上に再構成された2次元画像を表示するステップを含む。
本発明は、図面及び上述の記述に詳しく示され記述されているが、このような図示及び記述は、制限的なものではなく、説明的又は例示的なものとして考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に非制限的である。開示された実施形態の他の変更は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、当業者によって、請求項に記載の本発明を実施する際に理解され達成されることができる。請求項において、「含む、有する(comprising)」という語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を除外しない。単一のプロセッサ又はコントローラ又は他のユニットが、請求項に列挙される幾つかのアイテムの機能を実現することができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項の任意の基準サインは、スコープを制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (15)

  1. X線装置の画像データを処理する方法であって、
    前記関心対象からの複数の2次元投影画像を受け取るステップであって、前記複数の2次元投影画像は、それぞれ異なるビュー角度に関して関心対象にX線を透過させることよって取得されたものである、ステップと、
    前記複数の2次元投影画像から、透過されるX線のジオメトリに適応される座標グリッドに関して3次元生画像ボリュームを生成するステップと、
    2次元デコンボルーションを前記3次元生画像ボリュームのスライスに適用することによって、デコンボルブされた3次元画像を生成するステップであって、前記スライスは前記座標グリッドに適応される、ステップと、
    を含む方法。
  2. 前記座標グリッドは、直交グリッドに対し錐体形状を規定する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記X線は、点線源によって生成され、コーンビームにより前記関心対象に透過され、前記座標グリッドは、前記コーンビームに沿って延びる座標線を有する、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記3次元生画像ボリュームは、前記座標グリッドに関して前記2次元投影画像のフィルタ補正逆投影によって生成される、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記3次元生画像ボリュームの前記スライスが、前記座標グリッドに関して一定の座標値を有する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記3次元生画像ボリュームの各スライスが、2次元カーネル関数を用いてデコンボルブされる、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記カーネル関数は、前記3元生画像ボリュームの再構成中に前記関心対象の点のような部分から生成される前記スライス内のアーチファクトを、前記点のようなポイントに対応する前記スライス内の点に戻すようにマップする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記アーチファクトが扇形である、請求項7に記載の方法。
  9. 前記デコンボルブされた3次元画像を開始画像として使用して反復的に再構成を実施するステップを更に含む、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記複数の2次元投影画像は、ビュー角度の制限された角度レンジ内でのみ取得される、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記複数の2次元投影画像は、30より少ない画像を有する、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記デコンボルブされた3次元画像を通るスライスに基づいて、再構成された2次元画像を生成するステップと、
    表示装置上に前記再構成された2次元画像を表示するステップと、
    を更に含む、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の方法。
  13. X線装置の画像データを処理するコンピュータプログラムであって、プロセッサ上で実行されるとき、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法の各ステップを前記プロセッサに実施させるコンピュータプログラム。
  14. 請求項13に記載のコンピュータプログラムが記憶されたコンピュータ可読媒体。
  15. 関心対象の2次元投影画像を取得するように適応されたX線源及びX線検出器であって、前記X線源及び/又は前記X線検出器が、それぞれ異なるビュー角度において前記2次元投影画像を取得するように前記関心対象に対し移動可能である、X線源及びX線検出器と、
    請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法の各ステップを実施するコントローラと、
    を有するX線装置。
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