JP2021168914A

JP2021168914A - 断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法

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Publication number: JP2021168914A
Application number: JP2021065995A
Authority: JP
Inventors: 陳思▲ウィ▼; Sih-Yu Chen; 李致賢; Jhih-Shian Lee; 陳雅蓁; Ya-Chen Chen
Original assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Current assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2041-04-08
Also published as: TWI820411B; US20230290021A1; TW202137936A; CN113520432A; EP3895620A1; US20210319599A1; US11954768B2; US11694374B2; JP7177882B2

Abstract

【課題】外部の生理学的モニタリング装置に接続する必要のない断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法を提供することである。【解決手段】断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法は、（ａ）複数の投影画像を様々な角度で取得するために、第１軸に沿って周期的に移動し、（ｂ）前記第１軸に垂直な第２軸の方向に沿って画素値を合計することにより、前記第１軸上の複数の投影曲線を取得する、（ｃ）前記投影画像上の標的ゾーンを決定するステップと、前記標的ゾーンの前記第１軸上の中心位置は、前記第１軸上の前記投影曲線において最大の変動を持つ位置に対応し、（ｄ）各々の前記投影画像上の前記標的ゾーン内の全画素値のパラメータ値を算出し、前記標的の移動周期曲線を取得するステップと、（ｅ）前記標的の前記移動周期曲線に応じて、前記画像再構成のために前記移動周期内で同じ状態にある前記投影画像を選択するステップとを備える。【選択図】図２

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年４月１３日に出願された米国仮出願第６３／００９，１６８号の利益を主張する。当該出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法に関する。より具体的には、断層画像撮影システムにおける画像に基づいたゲーティング方法に関する。

断層画像撮影システムには、コンピュータ断層画像撮影（ＣＴ）、ポジトロン放出断層画像撮影（ＰＥＴ）、単一光子放射型コンピュータ断層画像撮影（ＳＰＥＣＴ）などが含まれる。ＣＴスキャンを実行すると、投影画像をさまざまな角度で収集するように、Ｘ線を放射して１８０度（又はそれ以上、又はそれ以下）の画像データを取得するために、光源（Ｘ線など）と検出器は検出対象の周りを定期的に移動する。投影画像に基づいて、画像再構成をコンピュータによって実行し、検出対象の断面断層画像を形成する。また、検出対象の３次元画像は、複数の断層画像で構成されている。

検出対象が生体の場合、検出対象の臓器（肺、心臓など）が呼吸や心拍により定期的に動くことがある。従って、様々な角度における投影画像内の検出対象の臓器は、静的なものではない。そのため、形成される断層画像は、臓器の動きによってぼやけてしまうことがある。

臓器の周期的な動きによる画像のぼやけを防ぐために、ゲーティング技術が開発されている。従来ゲーティング技術は、プロスペクティブゲーティング技術であり、以下のように説明される。

プロスペクティブゲーティング技術では、断層画像撮影システムは外部の生理学的モニタリング装置、例えば心電計（ＥＣＧ）や圧電センサ等と接続する必要がある。断層画像撮影システムは、特定の期間の投影画像を取得するために、生理学的信号と同期する。図１に、断層画像撮影におけるプロスペクティブゲーティングの一例を示す。破線で囲んだ期間中のみ、投影画像を取得することに注意されたい。従って、同じ生理学的期間の下で取得した様々な角度の投影画像は、画像再構成に利用される。これにより、特定の生理状態の断層画像が得られ、断層画像上の動きによるぼやけた画像を低減することができる。但し、このプロスペクティブゲーティング技術の欠点は、断層画像撮影システムを外部の生理学的モニタリング装置に接続する必要があるため、コストが大幅に増加することである。加えて、断層画像撮影システムと生理学的モニタリング装置を同期させることも技術的な課題である。

従って、従来の欠点を解消するために、断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法を提供することが求められている。

本開示の目的は、断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法を提供することである。断層画像撮影を実行すると、投影画像を連続的に取得する。投影画像をすべて集めた後、その特性に応じて投影画像を処理する。特に、同じ生理状態での投影画像を選択する。従って、本開示の断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法では、断層画像撮影システムを外部の生理学的モニタリング装置と接続する必要はない。

本開示の一態様によれば、断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法が提供される。その方法は、断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法であって、（ａ）複数の投影画像を様々な角度で取得するために、対象の断層画像撮影を行うステップと、前記投影画像内の前記対象の標的は、第１軸に沿って周期的に移動し、（ｂ）前記投影画像の各々において、前記第１軸に垂直な第２軸の方向に沿って画素値を合計することにより、前記第１軸上の複数の投影曲線を取得するステップと、（ｃ）前記投影画像上の標的ゾーンを決定するステップと、前記標的は前記標的ゾーン内に投射され、前記標的ゾーンの前記第１軸上の中心位置は、前記第１軸上の前記投影曲線において最大の変動を持つ位置に対応し、（ｄ）各々の前記投影画像上の前記標的ゾーン内の全画素値のパラメータ値を算出し、及び、前記投影画像の前記パラメータ値に応じて前記標的の移動周期曲線を取得するステップと、（ｅ）前記標的の前記移動周期曲線に応じて、前記画像再構成のために前記移動周期内で同じ状態にある前記投影画像を選択するステップとを備える。

従来のプロスペクティブゲーティング方法において、断層画像撮影を実行するタイミングについて模式的に示している。本開示のゲーティング方法において、断層画像撮影を実行するタイミングについて模式的に示している。様々な角度から撮影した投影画像を模式的に示している。様々な角度から撮影した投影画像、及び、対応する投影曲線を模式的に示している。本開示のゲーティング方法で取得した呼吸曲線を模式的に示している。本開示の一実施形態に係る断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法のフローチャートを模式的に示している。

本開示について、以下の実施形態を参照してより具体的に説明する。本開示の好ましい実施形態に関する以下の説明は、全てを網羅している訳ではなく、また、以下の詳細な説明において開示されるそのままの形態に本発明を限定するものでもない。

本開示の断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法は、レトロスペクティブゲーティング方法を利用している。断層画像撮影を実行すると、図２に示すように、破線で囲んだ期間中、投影画像を連続的に取得する。特に、本開示は、呼吸や心拍による臓器の周期的な動きによるぼやけた画像を回避するために、ゲーティングにレトロスペクティブゲート断層画像撮影システムを利用している。

断層画像撮影を実行すると、様々な角度で投影画像を収集するように、Ｘ線などの光源と検出器は、検出対象物の周りを定期的に移動する。検出対象が生体の場合、呼吸や心拍などで検出対象の臓器が周期的に動くことがある。そのため、様々な角度での投影画像は静的なものではない。例えば、検出対象がマウスの場合、図３は様々な角度で撮影したマウスの投影画像を示している。光源と検出器は、破線で示した回転軸に対し回転する。マウスの横隔膜は、実線で囲んだゾーンに位置しているが、その位置は予め手動で定めており、更に修正する必要がある。様々な投影画像では、呼吸により横隔膜が上向き、又は下向きに動いていることが確認できる。

それぞれの投影画像が対応する呼吸状態を把握するには、投影画像上の臓器の位置や呼吸によって影響を受けるゾーンを検出する必要がある。検出対象物の中で周期的に移動する標的として横隔膜を例にとり、横隔膜の位置の算出方法を以下に説明する。

検出対象の断層画像撮影を行うために、光源と検出器は回転軸の周りを回転する。断層画像撮影を実行すると、様々な角度の投影画像を連続的にする。投影画像の数はＮ枚であり、正の整数であり、その数は投影画像に基づいて形成される断層画像に要求される画質に応じて決定する。例えば、Ｎが大きければ大きいほど、断層画像のＳ／Ｎ比が良くなる（つまり断層画像の画質が良くなる）。図４は、２つの異なる角度における２つの投影画像を模式的に示したものである。図４に示すように、回転軸は第１軸ｓと平行であり、投影画像内の横隔膜は第１軸ｓに沿って上方向、又は下方向に移動している。第２軸ｔは第１軸ｓと垂直である。

下記数式（１）によれば、角度θの異なるＮ枚の投影画像Ｐ_θｔｓでは、各投影画像内の第２軸ｔ方向に沿った画素値を合計することにより、Ｎ個の投影曲線Ｃ_θｔｓが得られる。Ｎ枚の投影画像がそれぞれ撮影される全ての角度θにおいて、最初の角度と最後の角度の差は１８０度より大きいことが好ましいが、これに限定されるものではない。更に、下記数式（１）において、Ｔは投影画像内の第２軸ｔ方向の画素数である。

図４を例にとると、対応する投影画像の横に投影曲線が示されている。投影曲線は、各投影画像の画素値の合計と第１軸ｓに沿った位置との関係を表す曲線である。特に、投影曲線上の各点は、画素値の合計と第１軸ｓ上の位置に対応しており、ここでの画素値の合計は、その位置に対応する第２軸ｔ方向に沿ったすべての画素値の合計である。即ち、対応する投影曲線を取得するために、各投影画像は第１軸ｓに沿って投影される。

そして、投影画像上で横隔膜が位置する横隔膜ゾーン（標的ゾーン）を更に決定する。横隔膜ゾーンは、第１軸ｓ上の投影曲線において最大の変動を持つ位置に対応する第１軸上の中心位置を持つ。例えば、投影画像は、第１軸ｓに沿って複数の列を持つ画素値の行列とみなす。投影曲線を取得するために各列の画素値を合計し、画素値の合計が最大の変動を持つ列が横隔膜ゾーンの中心位置になる。一実施形態では、Ｎ個の投影曲線Ｃ_θｔｓにおいて、時系列に沿って変動係数、又は標準偏差を算出し、最大の変動係数、又は最大の標準偏差を持つ第１軸ｓ上の位置が横隔膜ゾーンの第１軸ｓ上の中心位置になる。図４に示すように、投影画像の横隔膜ゾーンは、第２軸ｔに平行な実線で囲まれた部分として自動的に印がつけられる。具体的には、実線で囲まれた大きさは、一般的な横隔膜の大きさに基づいて予め決められているが、これに限定されるものではない。横隔膜ゾーンの中心位置が一度決まれば、横隔膜ゾーンを囲まれた部分として自動的に印をつけることができる。

回転中も検出対象は常に撮像範囲内にあるため、第２軸ｔに沿って画素値を合計することで、回転によるズレを回避することができる。従って、次ステップで取得する呼吸曲線はより正確なものになる。

横隔膜ゾーンを決定すると、各投影画像上の横隔膜ゾーン内の全画素値のパラメータ値（例えば、最大値、最小値、平均値、中央値、総和値、四分位値）を算出する。そして、パラメータ値に応じて、横隔膜の移動周期曲線、即ち呼吸曲線を取得する。例えば、横隔膜の移動周期曲線は、パラメータ値と時間との関係を表すグラフ、又はパラメータ値と投影画像のシリアル番号との関係を表すグラフである。

図５に示すように、角度を変えて撮影したＮ枚の投影画像のパラメータ値に応じて、呼吸曲線を取得することができる。呼吸周期内で同じ状態にある投影画像（呼吸周期内で同じタイミングで撮影された投影画像）を画像再構成のために選択し、横隔膜断層画像の精細度を向上させている。例えば、白丸で示したタイミングにおける投影画像を画像再構成のために選択したり、黒丸で示したタイミングにおける投影画像を画像再構成のために選択したりする。図５は、横軸は投影画像の時間、又はシリアル番号、縦軸は画素値のパラメータ値を表している。

図６は、本開示の一実施形態に係る断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法のフローチャートを模式的に示したものである。上述の説明に基づき、本開示の断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法は、図６に示すステップを含むように一般化することができる。

まず、ステップＳ１では、複数の投影画像を様々な角度で取得するために、対象の断層画像撮影を行う。投影画像内の対象の標的は、光源および検出器の回転軸と平行な第１軸に沿って周期的に移動する。

そして、ステップＳ２では、各投影画像において、第１軸に直交する第２軸方向に沿って画素値を合計することにより、複数の投影曲線を取得する。

そして、ステップＳ３では、投影画像上の標的ゾーンを決定する。標的は標的ゾーン内に投影され、標的ゾーンの第１軸上の中心位置は、第１軸上の投影曲線において最大の変動を持つ位置に対応している。一実施形態では、投影曲線において、時系列に沿って変動係数、又は標準偏差を算出し、最大の変動係数、又は最大の標準偏差を持つ位置が標的ゾーンの中心位置になる。

その後、ステップＳ４では、各投影画像上の標的ゾーン内の全画素値のパラメータ値を算出し、投影画像のパラメータ値に応じて標的の移動周期曲線を取得する。

最後に、ステップＳ５では、標的の移動周期曲線に応じて、画像再構成のために移動周期内で同じ状態にある投影画像を選択する。

図２〜５に示す実施形態では、検出対象は生体であり、標的は呼吸によって周期的に動く横隔膜である。図６に示すステップを経て、呼吸周期内で同じ状態にある投影画像を画像再構成のために選択する。その間、断層画像撮影システムを外部の生理学的モニタリング装置と接続する必要はない。

別の実施形態では、標的は心拍によって周期的に動く心臓であってもよく、同様の手法を心臓のゲーティングにも適用可能である。

以上の記述から、本開示は、断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法を提供するものである。断層画像撮影を実行すると、投影画像を連続的に取得する。投影画像がすべて集まったら、その特性に応じて投影画像を処理する。特に、同じ生理状態における投影画像を選び出す。従って、本開示の断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法では、断層画像撮影システムを外部の生理学的モニタリング装置と接続する必要はない。

本開示は、最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられているものについて説明してきたが、開示した実施形態に限定される必要はないことを理解されたい。

Claims

断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法であって、
（ａ）複数の投影画像を様々な角度で取得するために、対象の断層画像撮影を行うステップと、
前記投影画像内の前記対象の標的は、第１軸に沿って周期的に移動し、
（ｂ）前記投影画像の各々において、前記第１軸に垂直な第２軸の方向に沿って画素値を合計することにより、前記第１軸上の複数の投影曲線を取得するステップと、
（ｃ）前記投影画像上の標的ゾーンを決定するステップと、
前記標的は前記標的ゾーン内に投射され、前記標的ゾーンの前記第１軸上の中心位置は、前記第１軸上の前記投影曲線において最大の変動を持つ位置に対応し、
（ｄ）各々の前記投影画像上の前記標的ゾーン内の全画素値のパラメータ値を算出し、及び、前記投影画像の前記パラメータ値に応じて前記標的の移動周期曲線を取得するステップと、
（ｅ）前記標的の前記移動周期曲線に応じて、前記画像再構成のために前記移動周期内で同じ状態にある前記投影画像を選択するステップとを備える、
断層画像撮影システムにおけるゲーティング方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記投影曲線は次式１によって得られ、Ｃ_θｔｓは前記投影曲線であり、Ｔは前記投影画像における前記第２軸の方向の画素数であり、Ｐ_θｔｓは前記投影画像である、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記断層画像撮影を実行すると、前記投影画像を様々な角度で取得するために、光源及び検出器が前記対象の周りを定期的に移動する、方法。
請求項３に記載の方法であって、
前記光源及び前記検出器は、前記第１軸に平行な回転軸に対して回転する、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記投影画像の数は、前記投影画像に基づいて形成される断層画像に要求される画質に応じて決定する、方法。
請求項１に記載の方法であって、
各々の前記投影画像は、前記第１軸に沿って複数の列を持つ画素値の行列とみなし、各列の前記画素値を合計し、前記投影画像内の前記画素値の合計が最大の変動を持つ前記列が、前記標的ゾーンの前記中心位置である、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記投影曲線において、時系列に沿って変動係数、又は標準偏差を算出し、最大の変動係数、又は最大の標準偏差を持つ前記第１軸上の位置が、前記標的ゾーンの前記第１軸上の前記中心位置に対応する、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記パラメータ値は、前記標的ゾーン内の前記画素値の最大値、最小値、平均値、中央値、総和、四分位値のいずれかである、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記標的の前記移動周期曲線は、前記パラメータ値と時間との関係を表すグラフ、又は前記パラメータ値と前記投影画像のシリアル番号との関係を表すグラフである、方法。