JP2020185223A - 単色ct画像作成方法、単色ct画像作成装置および単色ct画像作成プログラム - Google Patents

単色ct画像作成方法、単色ct画像作成装置および単色ct画像作成プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】適切な単色CT画像を短時間で自動的に得る。【解決手段】画像処理部22は、複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理して、単色CT画像を得る。第1エネルギーレベルの放射線を照射して得た第1エネルギーレベルCT画像と、第2エネルギーレベルの放射線を照射して得た第2エネルギーレベルCT画像を取得し、取得した第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算し、それぞれの重み付け演算結果における複数の単色CT画像を算出し、複数の単色CT画像のそれぞれについて、高吸収体の周辺領域を周方向において所定の面積ごとに複数の注目領域に分割し、各注目領域の画像データの平均値を用い周辺領域についての標準偏差を算出し、標準偏差が小さい単色CT画像を選択する。【選択図】図1

Description

本発明は、複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理し単色CT画像を得る、単色CT画像の作成に関する。
従来、放射線診断・治療などにおいて、コンピュータ断層撮影(CT:Computed Tomography)装置が広く利用されている。CT装置では、対象(患者)にX線を照射して、その投影画像から断層画像(CT画像)を作成する。
ここで、CT画像においては、各種のアーチファクトにより画像が劣化することが知られている。例えば、生体中に金属などの高吸収体が存在すると、X線のエネルギースペクトルが変化し、または検出器におけるX線強度が十分でなくなり、正しい投影画像が得られなくなる、いわゆる金属(高吸収体)アーチファクトが発生する。この金属アーチファクトは、2種類の管電圧で得たCT画像について重み付け演算を行って仮想単色CT画像(以下、単に単色CT画像という)を得ることで除去することができる。そこで、2つのX線CT画像から単色CT画像を得る機能が、商用X線CT装置に導入されてきている(特許文献1参照)。
WO2014/034618号公報
ここで、単色CT画像を得るためには、2つのCT画像を適切な重みで重み付け演算する必要がある。現状のX線CT装置では、単色CT画像を算出する際の重みは手動で設定する。すなわち、重みを変更しながら、操作者が得られた単色CT画像を視覚的に判断し、適切な重みを選択する。このため、操作者の判断が必要であるとともに、その調整に時間がかかるという問題もあった。
本発明は、適切な単色CT画像を短時間で自動的に得ることを目的とする。
本発明は、複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理して単色CT画像を得る単色CT画像作成方法であって、第1エネルギーレベルの放射線を照射して第1エネルギーレベルCT画像を得、第2エネルギーレベルの放射線を照射して第2エネルギーレベルCT画像を得、得られた第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算し、それぞれの重み付け演算結果における複数の単色CT画像を得、複数の単色CT画像のそれぞれについて、高吸収体領域の周辺領域を周方向において所定の面積ごとに複数の注目領域に分割し、各注目領域の画像データの平均値を用い周辺領域についての標準偏差を算出し、標準偏差が小さい単色CT画像を選択する。
第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算は、重み付け加算であるとよい。
高吸収体の周辺領域は、放射線を照射して得た複数のCT画像において、高吸収体アーチファクトの影響が出る領域に基づいて決定するとよい。
高吸収体の周辺領域は、放射線を照射して得た複数のCT画像において、高吸収体アーチファクトが存在すると推定される領域の周辺における近接領域を除外した領域であるとよい。
本発明は、複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理して、単色CT画像を得る単色CT画像作成装置であって、第1エネルギーレベルの放射線を照射して得た第1エネルギーレベルCT画像と、第2エネルギーレベルの放射線を照射して得た第2エネルギーレベルCT画像を取得し、取得した第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算し、それぞれの重み付け演算結果における複数の単色CT画像を算出し、複数の単色CT画像のそれぞれについて、高吸収体の周辺領域を周方向において所定の面積ごとに複数の注目領域に分割し、各注目領域の画像データの平均値を用い周辺領域についての標準偏差を算出し、標準偏差が小さい単色CT画像を選択する。
また、本発明は、複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理して、単色CT画像を得る単色CT画像作成プログラムであって、単色作成プログラムは、コンピュータに、第1エネルギーレベルの放射線を照射して得た第1エネルギーレベルCT画像と、第2エネルギーレベルの放射線を照射して得た第2エネルギーレベルCT画像を取得させ、取得した第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算し、それぞれの重み付け演算結果における複数の単色CT画像を算出させ、複数の単色CT画像のそれぞれについて、高吸収体の周辺領域を周方向において所定の面積ごとに複数の注目領域に分割し、各注目領域の画像データの平均値についての標準偏差を算出し、標準偏差が小さい単色CT画像を選択させる。
本発明によれば、適切な重みを短時間で自動的に決定でき、高吸収体アーチファクトを除去した単色CT画像を効果的に得ることができる。
本実施形態に係るCT画像作成装置を搭載するCT装置100の全体構成を示すブロック図である。 金属領域Metalの周辺を示す図であり、(a)は、注目領域ROI、(b)は周辺注目領域SROIを示す。 最適な単色CT画像を選択する手順を示すフローチャートである。 CT画像の例を示す図であり、(a)は管電圧80−kVでの撮影CT画像、(b)は管電圧110−kVでの撮影CT画像、(a)は管電圧140−kVでの撮影CT画像、(a)は最適化した単色CT画像、(a)はホワイトノイズを付加した場合の最適化した単色CT画像を示す。 注目領域ROIの他の例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
図1は、本実施形態に係るCT画像作成装置を搭載するCT装置100の全体構成を示すブロック図である。
例えば、診断、治療の対象となる患者などの対象物10は、診察台(図示せず)に固定される。対象物10の上方には線源12が配置される。線源12は、放射線を対象物10に照射するものであり、この例ではX線管である。なお、線源12としては、X線の他、γ線などの高エネルギー電磁波を発生するものも採用される。
線源12には、電圧発生部14が接続されており、線源12において放射線を発生するために必要な高電圧が発生され、これが線源12に供給される。この例では、電圧発生部14から供給される電圧により線源12のX線管の管電圧が変更され、放射されるX線のエネルギーレベルが変更される。また、対象物10について所定範囲の断層画像を得るために、対象物10を固定する診察台や線源12は移動(回転および軸方向の移動)できるようになっている。移動制御部16は、これらの移動を制御する。
また、対象物10の下方(線源12と反対側)には、検出器18が配置されており、対象物10を透過した放射線が入射することで、対象物10の透過像が画素ごとの電気信号として得られる。
検出器18には、信号処理部20が接続され、検出器18からの電気信号に基づいて撮影された2次元画像データを順次生成する。すなわち、線源12および検出器18は、対象物10の回りを回転して、360度方向から画像データを取得する。取得された画像データは画像処理部22に供給され、ここで各種処理がなされ、逐次変化する3次元データが構築され、これが記憶部24に記憶される。そして、記憶部24に記憶されたデータに基づき、所望のCT画像を得ることができる。
ここで、本実施形態では、観察したい1つのCT画像について、2つの管電圧(第1エネルギーレベルおよび第2エネルギーレベル)の撮影CT画像を選択し、それらを重み付け加算することによって単色CT画像を作成する。特に、重みを変更しながら複数の単色CT画像を作成し、その中から後述するようにして適切な単色CT画像を選択する。これらの処理は、記憶部24に記憶されているデータを利用して、画像処理部22が行うとよい。なお、少なくとも画像処理部22はコンピュータで構成され、単色CT画像作成処理プログラムを実行することで、記憶部24に記憶されている撮影CTが像を取得しこれらの演算処理を行う。
CT装置100は、制御部30を有しており、電圧発生部14、移動制御部16、信号処理部20、画像処理部22などの動作を制御する。制御部30には、入力部32、出力部34が接続されている。入力部32は、キーボードやタッチパネルからなり、操作者が各種情報を入力する。出力部34は、ディスプレイやプリンタからなり、所望の画像や、文字データを出力する。
「単色CT画像の作成」
線源12からの放射線のエネルギーレベルは、制御部30からの指令に応じた電圧が電圧発生部14から出力されることによって制御される。本実施形態においては、対象物10を移動(線源12および検出器18の回転軸の方向に移動)して得る撮影を2種類のエネルギーレベル(第1エネルギーレベルおよび第2エネルギーレベル)の放射線によって行う。この2種類の撮影は、対象物10を移動しながら順次行ってもよいし、1種類のエネルギーレベルでの撮影を終了した後、再度対象物10を移動しながら他の種類のエネルギーレベルでの撮影を行ってもよい。
2種類のエネルギーレベルでの撮影が終了した場合には、それぞれの撮影画像データが記憶部24に記憶される。そこで、これら撮影画像データから所望の撮影CT画像を作成することができ、この際にエネルギーレベルの異なるだけで他は同一の撮影CT画像を作成する。これらは、記憶部24に記憶される。
そして、入力部32からの指令に基づき、1つのCT画像を特定し、この特定されたCT画像と、対応するエネルギーレベルの異なるCT画像を記憶部24から読み出し、画像処理部22において重み付け加算する。
「高吸収体領域(金属領域)の周辺領域についての処理」
金属は放射線の高吸収体であり、金属の周囲に高吸収体アーチファクト(金属アーチファクト)が生じる。そこで、この金属アーチファクトを除去するために、2つのCT画像の重み付け加算を行う。そして、この重みは、金属周囲を取り囲む領域を複数に分割した注目領域ROIの平均値の分散度合いである標準偏差を評価値として、標準偏差が最も小さくなるように選択する。なお、金属領域は、CT画像において容易に認識できる。
図2(a)は、金属領域Metalとその周辺の扇状の注目領域ROIを示す。この例では、周辺注目領域SROIが24の注目領域ROIに分割されている。従って、注目領域ROIは、金属領域Metalの中心から円周方向30度ずつの幅を有する。図2(b)には、金属領域Metalとその周囲の周辺注目領域SROIを示す。
「標準偏差を用いた重み付け演算」
図3は、最適な単色CT画像を選択する手順を示すフローチャートである。まず、撮影CT画像の中から、金属領域Metalを抽出する(S11)。これは、1つの撮影CT画像における画素毎のCT値の変化からエッジを検出することなどによって行えばよい。なお、複数の撮影CT画像から金属領域Metalを検出してもよく、1つであればエネルギーレベル(管電圧)の高い方の画像から検出するとよい。
金属領域Metalが抽出された場合、この周縁から数画素分を近接領域として抽出し(S12)、近接領域から外側に向けて拡大し周辺注目領域SROIを形成する(S13)。
ここで、必ずしも近接領域を設定しなくてもよいが、金属領域Metalが周辺領域に入ったり、入らなかったりすると、後述する標準偏差の誤差が大きくなるため、近接領域抽出して周辺注目領域SROIから除外するのがよい。なお、近接領域をあまり大きくすると金属アーチファクトが存在する領域が少なくなり、評価の精度が落ちるため、周辺の放射方向数画素を近接領域に設定するとよい。また、金属領域Metalから周辺領域に拡大してから、近接領域を削除して周辺注目領域SROIを形成してもよい。
周辺注目領域SROIは、金属アーチファクトが存在する領域に対応する領域(金属アーチファクトが存在すると推定される領域)であることが好ましいが、その領域より若干小さくても、若干大きくてもよい。例えば、金属領域Metalの直径が1cm程度の場合に、その周囲数cmの厚みのドーナツ状の領域を周辺注目領域SROIにするとよい。
このように、周辺注目領域SROIが設定された場合、これを円周方向において等分割して扇台形状の複数の注目領域ROIを形成する(S14)。1つの金属領域Metalについてその周辺の分割領域である注目領域ROIが得られた場合には、重みについての最適演算処理を行う(S15)。
S15の最適演算では、選択した2つの撮影CT画像について、両者の和が1となるようにしながら、一方の重みを−9→10、他方の重みを10→−9の範囲で段階的に変化させ、それぞれの重みでの重み付け加算した単色CT画像を作成する(S15−1)。そして、得られた重み付けの異なる単色CT画像のそれぞれについて注目領域ROIごとに画像データ(CT値)の平均値を算出し(S15−2)、得られた各ROIの平均値についての標準偏差を算出する(S15−3)。そして、最も標準偏差の小さい単色CT画像を選択し(S15-4)、選択された単色CT画像を出力部34に表示する(S16)。
ここで、各種の撮影CT画像を用い、検証したところ、このような重み付け演算結果に従って選択された、標準偏差が最小の単色CT画像が金属アーチファクトの影響を除去した最適な単色CT画像であることが確認された。
このように、本実施形態では、多数の異なる重み付け加算により得られた単色CT画像について、注目領域ROIを用いて評価をして、自動的に適切な単色CT画像を得ることができる。
「実施例」
図4は、対象物10としてA SUN NUCLEAR COMPANY のGAMMEXファントムを採用し、General Electric CompanyのCT装置Optima CT 580W を用いて得られたCT画像である。
図4(a)は管電圧80−kV、(b)は管電圧120−kV、(a)は管電圧140−kVでの撮影CT画像である。なお、GAMMEXファントムには、金属として、1つだけチタンを埋め込んでいる。図4(a)−図4(c)において、輝いて見える(周辺にアーチファクト)が見える丸がチタンの画像である。なお、対象物10に利用したGAMMEXファントムは、水を模擬した基体に骨等を模擬した挿入物を埋め込んだもので、挿入物が基体とは異なる明度になっている。この画像では、吸収が大きいものが白くなっている。
図4(d)は、本実施形態による最適化演算、すなわち80−kV(図4(a))の撮影CT画像と140−kV(図4(c))の撮影CT画像を重み付け加算して得られた複数の単色CT画像の中で図2(a)に示された24の注目領域ROIの平均値の標準偏差SDMADが最小になるように決定された最適な単色CT画像である。また、図4(e)は、処理対象となるCT画像にランダムなホワイトノイズを付加した場合において同様にして得た最適な単色CT画像である。
図4(a)−図4(e)の各CT画像における、注目領域ROIの平均値の標準偏差SDMAD、周辺注目領域SROIの標準偏差SDSROIは、(a):93.588,128.286、(b):35.357,50.363、(c):26.579,37.643、(d):7.343,18.687、(e):7.597,30.961である。
このように、撮影CT画像では、標準偏差SDMAD,SDSROIはともに管電圧が高いものほど小さくなる。また、図4(d)の本実施形態の手法による標準偏差SDMADを最小とした単色CT画像によれば、標準偏差SDSROIも撮影CT画像よりも十分小さくなっており、金属アーチファクトが除去されていることがわかる。
そして、ホワイトノイズを付加した図4(d)における標準偏差SDMAD,SDROIをみると、標準偏差SDSROIは、ホワイトノイズの影響で65%程度上昇しているが、標準偏差SDMADは3−4%しか上昇していない。これより、本実施形態で利用する、注目領域ROIの平均値を用いる標準偏差SDMADは、ホワイトノイズの影響が小さく、ホワイトノイズがあっても適切な重みを算出できることがわかる。すなわち、標準偏差SDMADが最小の単色CT画像を選択することによって、ホワイトノイズの影響に依存せず、金属アーチファクトを除去した画像を選択できる。
このように、本実施形態によれば、2つの撮影CT画像から適切な重み付け加算を選択して、金属アーチファクトの影響が抑制された単色CT画像を自動的に得ることができ、これに要する時間は3秒程度である。従来は、手動で最適な画像を選ぶ必要があり、少なくとも15秒程度は必要であり、5倍程度の時間短縮が可能である。なお、本実施形態の方法は、高性能のコンピュータを使用することで、さらに時間の短縮は可能であり、操作者は実質的に待つことなく即時に適切な単色CT画像をみることができるといえる。
本実施形態によれば、放射線診断・治療において、金属アーチファクトの影響が最小化されるような画像が即座に自動的に提示される。このため、アダプティブ放射線治療(ART:Adaptive Radiotherapy、即時適合型放射線治療)に特に有効と考えられる。すなわち、治療時点での適切なCT画像が即時に得られるため、治療期間中の体形変化や病巣の大きさの変化、臓器の位置変化などにより放射線の照射が初期の計画通りにならない場合でも、その時のCT画像を利用して治療期間の途中から再計画を行い、より適切な治療を続けることができる。
「注目領域への分割」
上述の例では、金属領域Metalについて円形とした。しかし、金属は円形には限らない。このような場合には、例えば金属領域の接線に垂直な方向に一定距離伸ばして、金属領域の周辺に沿って周辺注目領域SROIを設定し、得らえた周辺注目領域SROIを注目領域ROIに分割すればよい。例えば、周辺注目領域SROIの面積を所望の分割数で除算してROI面積を設定し、任意の基準位置(放射方向の線)から決定したROI面積毎に個別の注目領域ROIを設定すればよい。
この場合、金属領域Metalの重心を基準として、幅(中心角)を広げていき、設定されたROI面積毎に注目領域ROIを設定することができる。また、図5に示すように、金属の周縁に対し直角な方向に1つの境界線を設定し、ROI面積毎にもう一方の境界線を設定してもよい。
「最適化演算」
上述の例では、重み付け演算において、重みを所定の間隔で分割し、それぞれの注目領域ROIの平均値に基づいた標準偏差SDMADを計算して、標準偏差SDMADが最小になる重み付けの単色CT画像を選択する最適演算を行った。しかし、1度の演算ではなく、分割間隔を順次狭くする方法を採用してもよい。例えば、最も標準偏差の小さい方から2つを選択し、その2つの間をさらに分割し、最小の標準偏差の重みを決定するなどの手段を採用することができる。また、重み付け加算ではなく、重み付け乗算などを採用としてもよい。
「標準偏差」
上述の例では、評価値として「標準偏差」を用いた。しかし、ばらつきが最小となる評価値として用いるのであれば、分散を用いても同一の結果が得られるため、分散を用いてもよい。
「分野」
本実施形態によるCT画像作成は、医療分野だけでなく、材料分析など各種の分野においても使用できる。
「重み付け演算の対象」
上述の実施形態では、2つの撮影CT画像を対象として、重み付け演算を行った。しかし、3以上の撮影CT画像を対象として、重みの組み合わせを変更して最適化演算を行い、最適な組み合わせを決定して、単色CT画像を得てもよい。また、3以上の撮影CT画像について、複数の2つの組み合わせについて、それぞれ最適化演算を行い、得られた最適な単色CT画像の中で一番標準偏差が小さいものを選択してもよい。
10 対象物、12 線源、14 電圧発生部、16 移動制御部、18 検出器、20 信号処理部、22 画像処理部、24 記憶部、30 制御部、32 入力部、34 出力部。

Claims (6)

  1. 複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理して単色CT画像を得る単色CT画像作成方法であって、
    第1エネルギーレベルの放射線を照射して第1エネルギーレベルCT画像を得、
    第2エネルギーレベルの放射線を照射して第2エネルギーレベルCT画像を得、
    得られた第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算し、それぞれの重み付け演算結果における複数の単色CT画像を得、
    複数の単色CT画像のそれぞれについて、高吸収体領域の周辺領域を周方向において所定の面積ごとに複数の注目領域に分割し、各注目領域の画像データの平均値を用い周辺領域についての標準偏差を算出し、標準偏差が小さい単色CT画像を選択する、
    単色CT画像作成方法。
  2. 請求項1に記載の単色CT画像作成方法であって、
    第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算は、重み付け加算である、
    単色CT画像作成方法。
  3. 請求項1または2に記載の単色CT画像作成方法であって、
    高吸収体の周辺領域は、放射線を照射して得た複数のCT画像において、高吸収体アーチファクトの影響が出る領域に基づいて決定する、
    単色CT画像作成方法。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の単色CT画像作成方法であって、
    高吸収体の周辺領域は、放射線を照射して得た複数のCT画像において、高吸収体アーチファクトが存在すると推定される領域の周辺における近接領域を除外した領域である、
    単色CT画像作成方法。
  5. 複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理して、単色CT画像を得る単色CT画像作成装置であって、
    第1エネルギーレベルの放射線を照射して得た第1エネルギーレベルCT画像と、第2エネルギーレベルの放射線を照射して得た第2エネルギーレベルCT画像を取得し、
    取得した第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算し、それぞれの重み付け演算結果における複数の単色CT画像を算出し、
    複数の単色CT画像のそれぞれについて、高吸収体の周辺領域を周方向において所定の面積ごとに複数の注目領域に分割し、各注目領域の画像データの平均値を用い周辺領域についての標準偏差を算出し、標準偏差が小さい単色CT画像を選択する、
    単色CT画像作成装置。
  6. 複数のエネルギーレベルの放射線を照射して得た複数のCT画像について演算処理して、単色CT画像を得る単色CT画像作成プログラムであって、
    単色作成プログラムは、コンピュータに、
    第1エネルギーレベルの放射線を照射して得た第1エネルギーレベルCT画像と、第2エネルギーレベルの放射線を照射して得た第2エネルギーレベルCT画像を取得させ、
    取得した第1および第2エネルギーレベルCT画像について複数種類の重み付け演算し、それぞれの重み付け演算結果における複数の単色CT画像を算出させ、
    複数の単色CT画像のそれぞれについて、高吸収体の周辺領域を周方向において所定の面積ごとに複数の注目領域に分割し、各注目領域の画像データの平均値を用い周辺領域についての標準偏差を算出し、標準偏差が小さい単色CT画像を選択させる、
    単色CT画像作成プログラム。
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