JP2016523109A - 位相コントラストｃｔを使うことによる単色減衰コントラスト画像生成 - Google Patents

位相コントラストｃｔを使うことによる単色減衰コントラスト画像生成 Download PDF

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Abstract

本発明は、X線位相コントラストイメージングのための方法及び装置に関する。本方法は、以下のステップを有する。測定された位相勾配及び全減衰情報から、電子密度が計算され、全減衰に対する、コンプトン散乱の寄与pCが、電子密度から推定され、全減衰に対する、光電吸収の寄与pPが、全減衰及び寄与pCから推定され、値pC及びppは、コンプトン画像及び光電画像を再構成するために用いられ、これらの2つの画像の線形結合によって、所望のエネルギの単色の画像が、得られる。

Description

本発明は、画像を生成するための方法、画像処理システム、コンピュータプログラム要素、及びコンピュータ読取り可能な媒体に関する。
定量的イメージングへ進むために、3次元X線イメージングにおける増大する関心がある。定量的、単色の画像をもたらすため、求められる一つのルートは、デュアルエネルギ（又はエネルギ分解）収集スキームの使用である。
それ故に、画像生成のための方法、関連する装置、又はシステムに対する必要性が存在し得る。
本発明の目的は、独立請求項の主題によって解決され、更なる実施形態は従属請求項に組み込まれる。本発明の以下に記載された態様は、画像処理システム、コンピュータプログラム要素、及びコンピュータ読取り可能な媒体に等しく適用されることは留意されるべきである。
本発明の第一の態様によれば、画像を生成するための方法であって、
位相勾配及び全減衰情報（すなわち、検出器において実際に測定される減衰）を記録する位相コントラスト画像を受信するステップと;
位相コントラスト画像において記録される、位相勾配情報に基づいて、電子密度画像を計算するステップと;
推定された電子密度から、記録された全減衰に対する、コンプトン散乱の寄与pCを推定するステップと;
減衰に対する、光電散乱の寄与ppを推定するステップと;
特定されたエネルギに対して、pC及びppを基本的に単色の画像に結合するステップと
を有する、方法がもたらされる。
一つの実施例によれば、本方法は、単色の画像をディスプレイデバイス上に表示するステップを更に含む。
一つの実施例によれば、本方法は、新たな所望のエネルギ仕様を含むリクエストに応じて、新たなエネルギのために、先行するステップを繰り返すステップと、新たなエネルギのために、新たな単色の画像をディスプレイデバイス上に表示するステップとを更に含む。
ここにもたらされるpp及びpCのための、受信位相コントラスト画像を分解するステップは、イメージング「チャネル」の両方の上において、すなわち、位相コントラスト画像、及び減衰コントラスト画像において、本質的にビームハードニング効果を除くことになる。これにより、エネルギ積分検出器にさえ、両方のチャネル上における定量的イメージングがもたらされる。スペクトルイメージングにおいて用いられるエネルギ弁別を可能にするフォトンカウンティング検出器は必要とされない。それ故に、提案された方法は、処理の間、生成される画像が、単色の減衰コントラスト画像を生成するために用いられる、ビームハードニング除去とみなされ得る。
一つの実施例によれば、本方法は、視覚化モードためのリクエストに応じて単色の画像を、又はそれに応じて新たな単色の画像をレンダリングするステップと、ディスプレイユニット上において同じ表示を実現するステップとを更に含む。これにより、デュアルエネルギ/スペクトルCTにおいてのみ、以前利用可能であったエネルギ積分検出器を備えるスキャナにバックエンド機能を加えることは可能になる。本方法は、ほとんど任意の、使用され、選択されたエネルギで、「単色の画像」を表示する手段をもたらす。
一つの実施例によれば、視覚化モードは、水-骨画像レンダリング又は水-ヨウ素レンダリングを含む。
一つの実施例によれば、位相コントラスト画像は、エネルギ積分検出器においてレジストレーションされる。
一つの実施例によれば、位相コントラスト画像は、Ｘ線撮影イメージング装置で記録される。
一つの実施例によれば、位相コントラスト画像は、コンピュータ断層撮影、CT、イメージング装置で記録される。
一つの実施例によれば、本方法は、ビームハードニング補正アルゴリズムのフレームワーク内において実行される。これにより、ＣＰＵ時間及び／又メモリリソースが節約され得る。
提案されている本方法は、エネルギ積分X線システム、CT，又は2次元Ｘ線撮影の感度を増やす潜在的な利点を備える、さらなるコントラストメカニズムとして，位相コントラストを使うことを可能にする。
本発明の第二の態様によれば、画像を生成するための画像処理システム方法であって、前記画像処理システムは、位相コントラスト画像を供給するように構成されるイメージング装置と、所望のエネルギ仕様を受け取るためのユーザ入力デバイスと、本発明による方法の何れかの実施例による、位相コントラスト画像を処理するように構成される処理ユニットと、処理ユニットによって計算される単色の画像を表示するためのディスプレイユニットとがもたらされる。
一つの実施例によれば、画像処理システムは、単色の画像をディスプレイデバイス上に表示するように構成される。
一つの実施例によれば、画像処理システムは、ユーザが、更新されたエネルギ仕様を含むリクエストを入力することを可能にし、更新されたエネルギ仕様のための前記リクエストに応じて、pC及びppを単色の画像に結合するステップを繰り返し、更新されたエネルギ仕様のために、更新された単色の画像をディスプレイデバイス上に表示するように構成される。
一つの実施例によれば、画像処理システムは、ユーザが、視覚化モードのためのリクエストを入力することを可能にし、前記リクエストに応じて、単色の画像を、又はそれに従って更新された単色の画像をレンダリングし、ディスプレイデバイス上において同じ表示を実現するように構成される。
一つの実施例によれば、画像処理システムは、ユーザが、水-骨画像レンダリング及び水-ヨウ素レンダリングを含む視覚化モードのためのリクエストを入力することを可能にし、前記リクエストに応じて、単色の画像を、又はそれに従って更新された単色の画像をレンダリングし、ディスプレイデバイス上において同じ表示を実現するように構成される。
一つの実施例によれば、画像処理システムは、エネルギ積分検出器を使って、位相コントラスト画像を記録するように構成される。
一つの実施例によれば、イメージング装置は、コンピュータ断層撮影イメージング装置である。
一つの実施例によれば、画像処理システムは、ビームハードニング補正アルゴリズムのフレームワーク内において本方法の何れかの実施例を実行するように構成される。
本発明の第三の態様によれば、処理ユニットによって実行されるとき、本方法の何れかの実施例を実行するように構成される、画像処理システムの何れかの実施例を制御するためのコンピュータプログラムがもたらされる。
本発明の第四の態様によれば、その上にコンピュータプログラムを記憶しているコンピュータ読取り可能な媒体がもたらされる。
定義
画像データは、画像を構成する個々の画像要素（ボクセル又はピクセル）によってもたらされる各画像値が、各画像要素に対応する、画像化された対象物の部分を通過するとき、特定のエネルギにおける、X線放射線によってもたらされる減衰により、真のインターピクセル/ボクセルスケーリングで、直接変化する場合、ここに「定量的な」と称される。言い換えると、記録された画像値は、歪効果、特にビームハードニング効果を除外して特定のエネルギを有する放射線によってもたらされる減衰のみに関して、全画像の間でスケーリングされる。さらに言い換えると、全画像の間の画像値は、特定のエネルギにおける減衰に関して、互いに比較され得る。
本発明の実施例は、この場合、以下の図面を参照して説明されるであろう。
イメージング構成を示す。 図１による構成において使用される位相コントラストイメージング装置を示す。 画像を生成する方法のためのフローチャートを示す。
図1を参照すると、本発明による、画像処理システムの一つの実施例において使用されるイメージング装置が示される。概して、前記イメージング装置は、X線に基づくＣＴスキャナIMA及び前記スキャナIMAの動作を制御するためのオペレーティングコンソールCON又はワークステーションを含む。
汎用計算システムは、オペレータコンソールCONとしての役割を果たしてもよく、キーボード及び／又はマウス等のような入力デバイス及びディスプレイMのような出力デバイスを含む。コンソールCON上の常駐ソフトウェアにより、オペレータは、X線に基づくＣＴスキャナIMAの動作を制御することが可能になり、例えば、オペレータは、予め生成されているイメージングプロトコルを選ぶことを通じて、直接的又は間接的にイメージングパラメータを選択することが可能になる。（モニタ/スクリーンのような）ディスプレイユニットMは、制御情報を入力することを支援するため、スキャナの動作状態を表示するため、又はスキャナによって供給される画像若しくは供給された画像を画像処理することによって得られる画像を表示するため、コンソールCONに通信可能に結合される。一つの実施例において、前記画像処理をもたらすコンソールCONに通信可能に結合される画像処理ユニットIPももたらされる。概して、処理ユニットIPは、入力部IN、EG、及び出力部OUTインターフェースを含む。画像処理ユニットIPの動作は、図3において以下更に詳細に説明されるであろう。
スクリーンM上に表示されるべき画像のための画像レンダリングは、スクリーンM上に表示をもたらすようにコンソールCONのビデオカードを駆動するために、（図3において以下更に詳細に説明されるように）画像データ及び視覚化情報を受けるように構成される視覚化器VSによる。
スキャナIMAは、静止ガントリによって回転可能に支持される、回転ガントリG及び静止ガントリを含む。回転ガントリ104は、縦方向又はｚ軸について、検査領域のまわりを回転する。検査領域は、回転ガントリGにおける開口部又はボアとして形成される。
寝台のような被験体支持部BD0は、検査領域における対象物又は被験体PATを支持し、スキャンの前に、その間、及び／又はその後に、x、y、及び／又はz軸に対して、被験体又は対象物を位置させるために用いられることができる。
Ｘ線管（「管」）のような放射線ソースXRは、回転ガントリ104によって支持され、検査領域のまわりを回転ガントリGと共に回転し、焦点スポットを介して、検査領域を横切る放射線を放出する。
放射線ビームは、ボアのアイソセンタのまわりに集中され、通常、ビームの中心線に対して垂直になり、アイソセンタを通じて延在する、横断再構成平面に対して再構成するために、（スキャナの）概して円形状の視野FoVを規定する。
放射線高感度検出器アレイDは、検査領域の間で、放射線ソースXRの反対側に位置される。検出器アレイDは、検査領域を横断する放射線を検出し、検出された放射線を示す電圧信号又は電流を生成する、セルDCL又は検出器ピクセルの一つ又はそれより多くの列を含む。検出器ピクセルは、一つの実施例による積分検出器を形成するために形成される。
回転可能なガントリの回転（従って少なくともＸ線ソースの焦点スポットの回転であり、-第4世代スキャナにおいて、それは、検出器の少なくとも一部が、何れの回転角に対しても放射線を受け得る、ガントリの内部の全てを整列させるように固定して構成される検出器アレイと共に、ガントリにおいて回転する管だけである）は、一つ若しくはそれより多くのコントローラ及び／又は一つ若しくはそれより多くのドライブシステム（例えば、モータ、連結器等）によってもたらされる。
イメージング実行の間、スキャナが使用されているとき、焦点スポットは、被験体又は対象物のスキャンの間、所与の角周波数で、ボアB及びそれゆえにその中の被験体又は対象物PATのまわりの経路（通常アーク又は完全な円形回転）上において、所定の角範囲に渡って回転する。各々の回転角φに対して、検出器は、前記角における、被験体又は対象物の通過後、焦点スポットによって放出される放射線を検出する。放射線は、被験体又は対象物の通過の間、減衰し、前記減衰は被験体又は対象物のローカル密度に比例する。（前記放射線ビームが形成される）個々の線によって衝突される（焦点スポットに対向する）各々のセルDCLは、簡単に上述された、対応する電気信号を送出することによって応答する。前記信号の集まりはそれから、データ収集システムDAS（図示略）によって、前記減衰を表す各デジタル値に変換される。各々の（X-）線に対する、レジストレーションされたデジタル値の集まりはそれから、所与の収集時間及び投影角θに対して2D（二次元）X線投影画像を形成するデジタル値のアレイにまとめられる。それによって、検出器は、各々の回転角θに対して一つ又はそれより多くの、投影画像の集まりを記録する。
ワークステーションは、各々の軸位置zに対して断面画像（「スライス（画像）」）を生成するために、投影画像（サイノグラム）SGの集まりを再構成することを可能にする、（フィルタ補正逆投影法FBPのような）再構成アルゴリズムを実行するために、再構成器モジュールを含む。軸横断スライス画像の集まりはそれから、適切なレンダラモジュールによって、検査領域及びその中の被験体又は対象物の部分を示すボリュメトリック画像データに結合されることができる。
図1においてさらに示されるように、イメージングスキャナCTは、記録された投影画像から位相シフト勾配を導出することを可能にする位相コントラストイメージング装置PCIを含む。すなわち、物質PATの通過においてX線によって受けられる減衰に加えて、物質PATに介入することによってもたらされる位相シフトφも存在し、その量は、位相勾配によって記述される。
位相コントラストイメージング装置PCIの基本的なコンポーネント、基本的には干渉計は、図2を参照して記述される。図2において、Ｘ線ソースXRは、隣接して配置されるソース格子要素202をもつように表される。ソース格子要素202を貫くX線放射線114は、少なくとも部分的に空間的にコヒーレントになるとみなされ得る。X線放射線XRは個々の波面を有し、波面210aは、対象物108の貫通の前の波面として表され、波面210bは、記載の位相シフトを有する、対象物PATの貫通の後の波面として表される。
ピッチpをもつ位相格子204は、対象物PATの後に配置され、検出器要素104及びアナライザ格子G2206の両方から距離dだけ離れてスペーシングされる。検出器Dはその後、その個々の検出器ピクセル要素116で、位相格子G1204及びアナライザ格子G2206によってもたらされる、X線放射線XRの干渉パターンを検出する。
アクチュエータ要素208は、アナライザ格子G2206を、ソース格子202、位相格子G1204、及びX線検出器104と共にＸ線管XRに対して横方向に変位させるように構成されることが概略的に図示される。しかしながら、アクチュエータ要素208は、変位xに対して、格子要素202、204、及び206の何れにおいても配置され得る。前記アクチュエータは、「位相ステッピング」として知られているものをもたらすために用いられる。位相ステッピングにおいて、少なくとも部分的に空間的にコヒーレントなX線放射線を生成するために使用されるソース格子、位相格子、及びアナライザ格子のうちの一つは、他の格子及びX線検出器要素に対して、その各格子ピッチの分数、例えば、位相ステッピング状態を構成する各格子要素の格子ピッチの４分の１、６分の１、及び８分の１だけ横方向に変位される。画像収集及び横方向変位は、複数の位相コントラスト投影を収集し、共に位相ステッピングシリーズを構成するために、例えば、4、6、又は8回繰り返される。
X線の位相シフトは、X線放射線の経路に沿った、電子密度の積分に直接関係するとみなされてもよい。格子に基づく差動位相コントラストイメージングは、比較的広帯域、例えば、E/E〜10%のＸ線ソースを使用することを可能にし得る。言い換えると、ほぼ単一の波長だけを持つ単色のX線放射線よりも多色のX線放射線が、位相コントラストイメージングのために使用されてもよい。
位相コントラストシステムイメージングシステムIMA+PCIの出力は、3種類の画像：減衰コントラスト画像、位相コントラスト画像、及び小角散乱画像から構成される（小角散乱は、X線ビームのコヒーレンスのロスに関連する。それは検出器ピクセルより小さな対象物構造によってもたらされる。しかしながら、小角散乱効果自体についてはここで考慮されないであろう）。すなわち、複数の投影画像の他に、更なる出力が、各々の検出器ピクセル要素に対して、関連する位相勾配を記録する差動位相コントラスト画像の形態で供給される。前記関連する位相勾配は、各ピクセルpxの入力になる各線の物質相互作用によってもたらされる位相シフトを測定する。これは、そのピクセル要素によって検出される位相勾配になる。例えば、S Aマクドナルド、「格子干渉計を使う先端位相コントラストイメージング」、J.シンクロトロンRad(2009)、16、562-572、特にp 564の等式(1)参照。
従来の、エネルギ積分検出器及び多色のＸ線ソースが使われる場合、好ましい実施例のように、減衰コントラスト画像は、ビームハードニングの影響を受け、すなわち、減衰コントラスト画像は定量的にならない。それ故に、上記の位相イメージング装置100によって記録される一つ又はそれより多くの位相コントラスト画像及び一つ又はそれより多くの投影画像に基づいて、ポインタツールPT（マウス又はペン）若しくはキーボード又はタッチスクリーン-インタラクションのような入力デバイスを通じてユーザによって供給され、又はワークステーションCON上で実行される画像処理プロトコルによって自動的に供給される、何れの所望のエネルギ値Eに対しても定量的な単色の画像MCを生成するように構成される、処理ユニットIPがここに提案される。
以下において、記録された画像をもたらし、前記画像プロセッサIPの動作の基礎となる、物理的相互作用をモデル化するためのアプローチが、より詳細に説明される。
最初に、各々の投影角θに対して、放射線信号Ｉが各々の検出器ピクセルpxによって選ばれ、前記信号は、検出器ピクセル/チャネルpxにおいて、近似的に
Figure 2016523109
となる、位相ステッピングxで発振する。
ここで、Aは線の減衰に関係し、φはローカル位相勾配に関係し、V（「可視度」）は小角散乱に関係し、g2は格子G2のピッチに関係し、xは位相ステッピングの間のグリッドG1及びG2の相対変位に関係する。物性の定量値は、フィッティングされた値A、V、φを、ブランクスキャンの間に収集される値A0、V0、φ0に関連付けることによって導出される。ブランク又は「エア」スキャンにおいて、スキャナは、管XRが、実際のイメージング実行の後に使われるべきエネルギスペクトルで、X線ビームを放出するために通電される、較正実行において動作される。ブランクスキャンにおいて、イメージング対象物PATは管及び検出器の間にもたらされないが、対象物は実際のイメージング実行においてもたらされる。前記フィッティングは、収集された信号処理Ｉについて高速フーリエ変換（FFT）を実行することによって、一つの実施例において実現される。フーリエ分解がそれから、Aを、Aの振幅を備えるDC成分としてもたらし、可視度V及び位相φのための基準は、周波数成分ν= 2π/g2になる。各々のピクセルpxは通常、各々のxに対して強度の異なる変動を検出し、値A、V、φωは、各々のピクセルpxに対して別々にフィッティングされる必要があるので、(1)による近似は通常、各々のピクセルpxに対して異なることはここに理解される。
簡単な前述のように、ビームハードニング効果のために、スキャナIMAのX線ビームのスペクトルは、より高いエネルギへシフトし、減衰がエネルギと共に減少するため、それは物質を通る。対象物PATスキャンの間のX線スペクトルのこの変化は、フィッティングされた値が、もはやブランクスキャンの値に直接関連し得ないことを示唆する。全ての3つのパラメータA、V、φのエネルギ依存性が知られている場合（これは、本出願人のWO 2012/029039の仮定である）、ビームハードニングの効果は解決されることができる。これは、減衰が光電効果によって律される、マンモグラフィエネルギ範囲のための合理的な近似になる。
しかしながら、より高いエネルギに対して（例えば一つの実施例においてここに追求される、50-60keVの範囲において）、全減衰に対する、コンプトン散乱の寄与の増加がもたらされる。さらに、減衰に対する、コンプトン散乱及び光電効果の相対的な寄与は、スキャンされる対象物PATに依存するため、先験的に知られていない。
数学的に、本問題は、（線形減衰係数μ（E,l）に対する、光電効果及びコンプトン散乱の寄与をそれぞれ表す）パラメータpp及びpC、並びにモデル:
Figure 2016523109
及び
Figure 2016523109
に従う、異なるグリッド位置xにおける強度測定値からのφ(Ed)の推定問題として定式化されることが可能である。
ここで、
Eは、エネルギ範囲であり;
lは、対象物PATを通じた組織内経路長であり;
Ｉは、イメージング実行において格子位置xで記録される強度であるが、I0は、「エア」又はブランクスキャンにおけるピクセルにおいて記録される強度であり;
Vは、可視度、つまり、干渉パターンの変調深度である。
Edは、設計（又はより一般的に言えば参照）エネルギである。これは、図2の干渉計が、最良の可視度Vで応答するエネルギである。すなわち、設計エネルギは、干渉パターンの観測された変調深度が、それの最大になるエネルギである。この変調深度は、Eq(等式)(1)に関して前述されたように、ブランクスキャンの間、プロービングされ、ブランクスキャンの間に収集されるデータに対する、フィッティングされた値Vによって定量化される。
ここで、
x=グリッド位置;
pp、pC=ビームの減衰に対する、コンプトン散乱及び光電効果の各寄与;
p=g2=格子G2のピッチ;
φ=図2による検出器配線干渉計装置において記録され、イメージャ対象物PATによってもたらされる位相シフト;
fKN =エネルギ範囲におけるコンプトン散乱断面のエネルギ依存性を手短に記述するクライン-ニシナ式
である。
モデル式(2)、(3)は、式(1)の書換えとして理解されることができ、この場合、各々のエネルギに対する各グリッド位置xにおいて検出される強度I（.）は、検出器Dにおいてレジストレーションされる、減衰されたX線ビームのエネルギスペクトルに渡って積分される。
可視度Vのエネルギ依存性は、VI（すなわち、λがX線の波長であり、nが奇数の整数［格子G1がπ格子でない場合、他の、類似した式が適用されてもよい］である場合、関係式
Figure 2016523109
によって格子G1及びG2の間の距離dに関連付けられるタルボット次数n、異なるエネルギにおける格子効率等のような、干渉計セットアップの、知られているエネルギ依存性）及びVo（すなわち、可視度に対する対象物の未知の影響）の積としてモデル化されることができる。
後者のエネルギ依存性は、
Figure 2016523109
としてモデル化されることができる。
以下、図3におけるフローチャートを参照して、画像プロセッサIPによって実行される方法ステップが記述される。本方法は、本出願人が、エネルギ積分検出器において検出されるテープ画像データから単色の画像の生成のためにうまく使用されることができることを発見した、pC及びφ(Ed)の間の知られている関係に関する追加の情報を利用する。
ステップS305において、一つ又はそれより多くの位相コントラスト画像が、画像処理入力ポートINにおいて受信される。
等式.(1)に基づいて、又は（本出願人のWO 2012/029039で記述されるような）ビームハードニング補正のための近似方法を用いることによって、全減衰に対する最初の見積り、小角散乱、及び設計エネルギEdにおける位相勾配は、検出器ピクセルpxの各々の一つにおいて選ばれる放射線信号に対して導出される。
ステップS 310において、位相勾配に対する最初の見積りを使用して、位相勾配の積分、複雑な屈折率δの再構成、又は知られている関係（D・パガニン、「コヒーレントなＸ線光学」、オックスフォード大学出版、2006、第2章における式(2.134)参照）を使用する、電子密度への変換の何れかによって、（検出器DにおけるビームXB入力を形成する）線の各々に沿った電子密度の線積分pは推定されることができる。
Figure 2016523109
ここで：
E =エネルギ;
ρ =求められることが所望される電子密度;
δ = 材料の屈折率;
ε0 =真空の誘電率;
me=電子の質量;
k =エネルギに関連する波数;
c =光速
である。
変換はそれから、通常、図1に関して上述の実際のスキャナIMA収集投影画像と異なる、一組の合成又は推定された投影画像を導出するために、線経路に沿って、数値フォワード投影によってフォローアップされる。代わりに、電子密度マップを計算するため、Ｘ線結晶学から知られているソフトウェアパッケージが有利に使用されてもよい。
ステップS315において、電子密度の線積分は、p = - ln（A/A0）として最初に推定される、線積分pの全減衰に対する、コンプトン散乱の寄与pCを計算するために用いられることができる。従って、ステップS320において、光電効果ppの寄与を導出するために、等式(3)のように、全減衰とpCのための見積との差が使われることができる。pC寄与の計算は、アルバレス他、「X線コンピュータ断層撮影におけるエネルギ選択再構成」、物理学医学生物学、vol 21、No.5、733-744、p 734の2-5 Eqs、特に等式 2において記載される関係に基づいてもよい（アルバレスにおいて、「ρ」は質量密度を示すが、上記等式(5)において、ρは電子密度を示す）。アルバレスの等式(2)、(4)、(5)は、どのように減衰係数がエネルギ項から線形結合（a1,a2）され得るかを記載する。本出願人は、以下の単純化する仮定が精度の過度なロスなしでなされてもよいことを発見した。すなわち、ヒト組織において、比較的低い原子番号を備える元素の優位性は知られているので、アルバレスの線形係数a1,a2において、Z/A〜0.5が問題なく仮定されてもよく、ここで（アルバレス表記法を使用して）、「A」は組織要素の原子量である。また、質量密度は電子密度に比例しており、各々の陽子に対して一つの電子及び一つの中性子が存在する。それ故に、電子密度が得られた場合、ρm =ρe *（mp +mn）により質量密度が近似されてもよく、mp,mnはそれぞれ、陽子及び中性子の質量を示す。
X線ビームの知られている最初のスペクトルと共にpC及びppを使って、検出器Dにおいて記録される、X線ビームの有効スペクトルを導出することが可能である。等式(2)に基づいて、X線に沿った電子密度の線積分のより正確な見積りは推定されることができる。この改善された電子密度推定はそれから、電子密度推定を反復的に改善するように反復ループを規定するために、再びステップS315における最初の推定の代わりに使われることができる。
ステップS325において、値pC及びppは、いわゆる光電画像及びコンプトン散乱画像を再構成するために用いられ、各々は、2つの減衰タイプの各々の一つに（単独で）起因する減衰を記録する。フィルタ補正逆投影法又は反復再構成法が、このタスクのために使われ得る。これらの2つの画像の適切な線形結合によって、「単色の」画像は、所望のエネルギEにおいて、等式(3)の単純な評値によって生成されることができる。各々のピクセル及び投影角に対して、各寄与pC及びppはスカラ値であり、普通の線形減衰係数として測られる。フィルタ補正逆投影法演算子FBP（.）はそれから、各々のピクセル及び投影角に対して、全てのpC及びpp値によって規定される「サイノグラム」に適用される。画像空間における、（それぞれpC及びppに対して）対応するFBP画像は、この場合、全線形減衰係数の「純化された」バージョンを各々表し、この場合、各々は、フォトン電気減衰及びコンプトン散乱によってのみそれぞれもたらされる各減衰を測定する。ユーザによりリクエストされたエネルギEの場合、所望の単色の画像MCはそれから、上記等式(3)により線形結合され得る。
ステップS330において、モニタM上における、このように生成された単色の画像MCの表示がもたらされる。
一つの実施例によれば、（水-骨画像又は水-ヨウ素画像のような）スペクトル画像において用いられる視覚化のモードは、ステップS335において、ユーザリクエストで生成されることができる。たとえば、水-骨分離視覚化は、以下のプロシージャによってなされることができる。すなわち、水及びカルシウム（すなわち、骨）によってもたらされる減衰に対する、光電吸収及びコンプトン散乱の相対的な寄与は知られており、実際、それらは異なる相対的な寄与を有する。一つのアプローチは、それぞれ、水及び骨を通じて異なる経路長によってpC及びppの測定値を「説明する」ことにある。これは各々の検出器ピクセル上でなされるため、選択に基づく物質、この場合、水及び骨のための、完全な「サイノグラム」が構築され得る。同じプロシージャは、画像領域においても適用されることが可能であり、減衰に対する、光電吸収及びコンプトン散乱の同じ相対的な寄与が各々のボクセルに対して有効になる。
視覚化のいろいろな方法をもたらすため、ここに提案される画像プロセッサIPは、視覚化モジュールVSを含む。モジュールは、ステップS325における単色の画像が生成される、特定のエネルギEのためのユーザリクエスト及び／又は水-骨若しくは水-ヨウ素又は他のレンダリングのための視覚化リクエストを受信する。
視覚化モジュールVSは、一つの実施例において、スクリーンM上に表示されるグラフィカルユーザインタフェースGUIを含む。グラフィカルユーザインタフェースは、レンダリングされた一つ又は複数の画像ＭＣが表示される、一つ又はそれより多くの窓を含む。グラフィックユーザインターフェースは、マウス又はその他のようなポインタツールPTを用いた、ユーザによる操作に応答する、スライダウィジット若しくはボタンウィジット又はスクロールメニュー等のような、他のGUIウィジットを含んでもよい。スライダ又はボタンは、所望のエネルギ値E及び／又は所望の視覚化（水-骨等）を調整するように用いられることができる。一つの実施例において、画像プロセッサIPは、ユーザリクエストがレジストレーションされると、前のステップS325-S330及び／又はS335を繰り返すことによって、新たなエネルギ及び／又は視覚化レンダリングリクエストに対して、現在示されている単色の画像を最新のものに更新するために、リアルタイムに効率的に応答する。所望のエネルギ及び／又は視覚化パラメータのための（キーボードのような）テキストに基づく入力手段もここに想定される。
ステップS 315及びS320は、いくつかの実施例において、逆転されることができるので、光電散乱pp 寄与が最初に計算され、それからコンプトン散乱pC寄与が計算されることは、上記からよく理解されるであろう。
単色の画像を生成する記載の方法は、都合のよいことに、本出願人のWO 2012/029039に記載のように、特定の既存のビームハードニングアルゴリズムに対してアドオンとして実施されることができることも上記からよく理解されるであろう。これにより、重複又は類似するステップの少なくともいくつかが両方の目的のために実行されることができ、又は生成されるデータはバッファリング若しくは実行され、さもなければ、データはコーディネートされ、割り当てられ得るので、計算時間を節約することが可能になる。
また、記載の方法が、診断若しくは介入C-アームX線システム又は装置のようなＸ線イメージャに等しく適用され、通常、単一又は少数の画像が、単一又はいくつかの、やや間隔をあけられた投影方向のみに沿って収集されることができることは評価されるであろう。
画像プロセッサ及びその構成要素、特に視覚化器VSは、分散アーキテクチャにおいて構成され、適切な通信ネットワークに接続される、別々のモジュールとして構成され得る。
一つの実施例において、画像プロセッサIPは、専用FPGAsとして、又は物理的に組み込まれたスタンドアロンチップとして構成されてもよい。
代わりの実施例において、画像プロセッサIP及びその構成要素は、その上のソフトウェアルーチンとして走っているワークステーションCONに常駐する。画像プロセッサIP及びその構成要素は、Matlab(r)又はSimulink(r)のような適切な科学計算プラットフォームにおいてプログラミングされてもよく、それから、ライブラリにおいて保管され、ワークステーションCONのオペレーティングシステムによって呼び出されるときにリンクされるC++又はCルーチンに変換されてもよい。
本発明のもう一つの例示的な実施形態では、上記の実施形態のいずれかに基づく方法の方法ステップを、適切なシステム上で実行するよう適応されていることを特徴とするコンピュータプログラム又はコンピュータプログラム要素が提供される。
したがって、コンピュータプログラム要素は、コンピュータユニット上に記憶されてもよい。該コンピュータユニットも本発明の実施形態の一部であってもよい。このコンピューティングユニットは、上記の方法のステップを実行する又はその実行を誘起するよう適応されていてもよい。さらに、上記の装置のコンポーネントを動作させるよう適応されていてもよい。コンピューティングユニットは、自動的に動作するよう、及び／又はユーザの命令を実行するよう適応されることができる。コンピュータプログラムがデータプロセッサの作業メモリにロードされてもよい。該データプロセッサはこうして、本発明の方法を実行するよう装備されてもよい。
本発明のこの例示的な実施形態は、最初から本発明を使うコンピュータプログラム及び更新により既存のプログラムを本発明を使用するプログラムに変えるコンピュータプログラムの両方をカバーする。
さらに、コンピュータプログラム要素は、上記の方法の例示的な実施形態のプロシージャを満たすためのすべての必要なステップを提供できてもよい。
本発明のあるさらなる例示的実施形態によれば、CD-ROMのようなコンピュータ可読媒体が提示される。ここで、コンピュータ可読媒体上にはコンピュータプログラム要素が記憶されており、該コンピュータプログラム要素は先の節で記述されている。
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又は他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体又は固体媒体のような好適な媒体上で記憶及び／又は頒布されてもよいが、インターネット又は他の有線もしくは無線の遠隔通信システムを介してなど他の形で頒布されてもよい。
しかしながら、コンピュータプログラムは、ワールド・ワイド・ウェブのようなネットワーク上で呈示されてもよく、そのようなネットワークからデータプロセッサの作業メモリ中にダウンロードされることができる。本発明のあるさらなる例示的実施形態によれば、コンピュータプログラム要素をダウンロードのために利用可能にするための媒体が提供され、該コンピュータプログラム要素は本発明の前記の実施形態の一つに基づく方法を実行するよう構成される。
本発明の実施形態が種々の主題を参照して述べられていることを注意しておく必要がある。特に、いくつかの実施形態は方法型の請求項を参照して記述され、一方、他の実施形態は装置型の請求項を参照して記述される。しかしながら、当業者は、上記及び以下の記述から、特に断わりのない限り、一つの型の主題に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、異なる主題に関係する特徴間の任意の組み合わせも本願で開示されていると考えられることがわかるであろう。しかしながら、特徴の単なる寄せ集め以上の相乗効果を提供するあらゆる特徴が組み合わせられることができる。
本発明は図面及び以上の記述において詳細に図示され、記述されているが、そのような図示及び記述は、制約するものではなく、例解又は例示するものと考えられる。本発明は開示される実施形態に限定されない。図面、本開示及び付属の請求項の吟味から、開示される実施形態への他の変形が、特許請求される発明を実施する際に当業者によって理解され、実施されることができる。
請求項において、「有する／含む」の語は他の要素やステップを排除するものではなく、単数形の表現は複数を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に記載されているいくつかの項目の機能を充足してもよい。ある種の施策が互いに異なる従属請求項において記載されているというだけの事実が、それらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項に参照符号があったとしても、範囲を限定するものと解釈すべきではない。
ステップS325において、値pC及びppは、いわゆる光電画像及びコンプトン散乱画像を再構成するために用いられ、各々は、2つの減衰タイプの各々の一つに（単独で）起因する減衰を記録する。フィルタ補正逆投影法又は反復再構成法が、このタスクのために使われ得る。これらの2つの画像の適切な線形結合によって、「単色の」画像は、所望のエネルギEにおいて、等式(3)の単純な評価によって生成されることができる。各々のピクセル及び投影角に対して、各寄与pC及びppは無次元値であり、線形減衰係数に対する光電及びコンプトン散乱寄与の線積分を表す。フィルタ補正逆投影法演算子FBP（.）はそれから、各々のピクセル及び投影角に対して、全てのpC及びpp値によって規定される「サイノグラム」に適用される。画像空間における、（それぞれpC及びppに対して）対応するFBP画像は、この場合、全線形減衰係数の「純化された」バージョンを各々表し、この場合、各々は、フォトン電気減衰及びコンプトン散乱によってのみそれぞれもたらされる各減衰を測定する。ユーザによりリクエストされたエネルギEの場合、所望の単色の画像MCはそれから、上記等式(3)により線形結合され得る。

Claims (15)

  1. 画像を生成するための方法であって、
    位相コントラスト画像から導出される、全減衰情報及び位相勾配を受信するステップと、
    前記位相コントラスト画像において記録される前記位相勾配情報に基づいて、電子密度画像を計算するステップと、
    前記計算された電子密度から、前記位相コントラスト画像において記録される前記全減衰情報に対する、コンプトン散乱の寄与pCを推定するステップと、
    前記位相コントラスト画像において記録される前記全減衰情報に対する、光電吸収の寄与ppを推定するステップと、
    エネルギ仕様に対して、pC及びppを単色の画像に結合するステップと
    を有する、方法。
  2. 前記単色の画像をディスプレイ装置上に表示するステップ
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  3. 更新されたエネルギ仕様を含むリクエストに応じて、前記更新されたエネルギ仕様のために、先行するステップを繰り返すステップと、前記更新されたエネルギ仕様のために、更新された単色の画像を前記ディスプレイ装置上に表示するステップと
    を更に含む、請求項２に記載の方法。
  4. 視覚化モードためのリクエストに応じて、前記単色の画像を、又はそれに応じて前記更新された単色の画像をレンダリングするステップと、前記ディスプレイ装置上において同じ表示を実現するステップと
    を更に含む、請求項２又は３に記載の方法。
  5. 前記視覚化モードは、水-骨画像レンダリング又は水-ヨウ素レンダリングを含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記位相コントラスト画像を供給するように構成されるイメージング装置と、
    所望の前記エネルギ仕様を受け取るためのユーザ入力デバイスと、
    請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法による前記位相コントラスト画像を処理するように構成される処理ユニットと、
    前記処理ユニットによって計算される前記単色の画像を表示するためのディスプレイ装置と
    を含む、画像処理システム。
  7. 前記単色の画像を前記ディスプレイ装置上に表示する
    ように構成される、請求項２に記載の画像処理システム。
  8. ユーザが、前記更新されたエネルギ仕様を含むリクエストを入力することを可能にし、前記更新されたエネルギ仕様のための前記リクエストに応じて、請求項１に記載のpC及びppを前記単色の画像に結合するステップを繰り返し、
    前記更新されたエネルギ仕様のために、前記更新された単色の画像を前記ディスプレイ装置上に表示する
    ように構成される、請求項６又は７に記載の画像処理システム。
  9. ユーザが、前記視覚化モードのためのリクエストを入力することを可能にし、前記リクエストに応じて、前記単色の画像を、又はそれに従って前記更新された単色の画像をレンダリングし、前記ディスプレイ装置上において同じ表示を実現する
    ように構成される、請求項６乃至８の何れか一項に記載の画像処理システム。
  10. ユーザが、前記水-骨画像レンダリング及び前記水-ヨウ素レンダリングを含む前記視覚化モードのためのリクエストを入力することを可能にし、
    前記リクエストに応じて、前記単色の画像を、又はそれに従って前記更新された単色の画像をレンダリングし、前記ディスプレイ装置上において同じ表示を実現する
    ように構成される、請求項９に記載の画像処理システム。
  11. エネルギ積分検出器を使って、前記位相コントラスト画像を記録する
    ように構成される、請求項６乃至１０の何れか一項に記載の画像処理システム。
  12. 前記イメージング装置は、コンピュータ断層撮影イメージング装置である
    ように構成される、請求項６乃至１１の何れか一項に記載の画像処理システム。
  13. ビームハードニング補正アルゴリズムのフレームワーク内において、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法を実行するように構成される、請求項６乃至１２の何れか一項に記載の画像処理システム。
  14. 処理ユニットによって実行されるとき、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法を実行するように構成される、請求項６乃至１３の何れか一項に記載の画像処理システムを制御するためのコンピュータプログラム。
  15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラムを記憶している、コンピュータ読取り可能な媒体。
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