JP2772289B2 - コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、連続スキャンを行
うコンピュータ断層撮影装置に関し、特に投影データの
収集から断層像を再構成するまでの演算量を少なくで
き、演算時間を短縮できる簡単な構成のコンピュータ断
層撮影装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】放射線として代表的なＸ線を用いた第３
世代のＸ線コンピュータ断層撮影装置においては、被検
体が配置される撮影領域を挟んでＸ線源と円弧状の検出
器とが対向するように配置される。

【０００３】このＸ線コンピュータ断層撮影装置では、
Ｘ線源と検出器との対向した配置関係を保ちながら、所
定の回転中心の周囲をＸ線源と検出器とを回転し、所定
回転角度毎にＸ線源からＸ線を曝射することにより、撮
影領域内の被検体のあるスライスに対する各方向からの
透過Ｘ線に基づく投影データを、検出器，積分器，マル
チプレクサ，Ａ／Ｄ変換器などを有するデータ収集部Ｄ
ＡＳ（Data Acquisition System ）によって収集する。
そして、このデータを画像再構成部に取り込み、画像再
構成のための演算を行なって被検体のスライスの断層像
を得て、この画像をＴＶモニタなどに表示するようにし
ている。

【０００４】最近では、連続スキャンを行ないながらリ
アルタイムで画像を見たいという要求がある。このよう
な要求に答えるべく、各種のリアルタイム画像再構成シ
ステムが開発されている。このように連続スキャン中に
リアルタイムで画像を表示できれば、被検体へ必要以上
にＸ線を曝射しないようにするにはどの回転位置まで撮
影を行なえばよいのか、あるいはどの時間まで撮影すれ
ば良いのかを、画像を見ながら判断できるという診断上
のメリットがある。

【０００５】従来のリアルタイム画像再構成システムの
一例としては、連続スキャンにより収集された投影デー
タに基づき、連続的にしかもリアルタイムで画像を再構
成し、この画像を表示するために複数の再構成ユニット
を備えるものがある。ここでは、少しずつ時間（角度）
がずれた各投影データを各再構成ユニットに取り込み、
これら再構成ユニットによって画像の再構成を行ない、
得られた画像を連続的に表示する。しかしこの装置にあ
っては、多数台の再構成ユニットが必要であり、装置が
大型になるとともに、コストが高い欠点がある。

【０００６】また、他の従来例として、１つの再構成ユ
ニットを用いる装置が特公平１−２３１３６号公報に記
載されている。この装置による画像作成の概略を図１０
を用いて説明する。まず、図１０（ａ）に示すように連
続スキャン中において、Δα（ビューのピッチ）毎に収
集された３６０°分の投影データにより画像Ａを作成す
る。すなわち、図１０（ｂ）に示すように０°から３６
０°−Δαまでの投影データを用いて画像Ａを作成し画
像ＡをＴＶモニタに表示する。

【０００７】次に、図１０（ｃ）に示すようにΔαから
３６０°までの画像Ｂを作成する。この画像Ｂは、画像
Ａから０°における投影データをマイナスにして逆投影
（バックプロジェクション）するとともに、３６０°に
おける投影データを逆投影することにより作成される。

【０００８】次に、図１０（ｄ）に示すように２Δαか
ら３６０°＋Δαにおける画像Ｃは、同様に、画像Ｂか
らΔαにおける投影データをマイナスにして逆投影する
とともに、３６０°＋Δαにおける投影データを逆投影
することにより作成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の装置にあっては、次のような問題があった。連
続回転スキャンはある程度の時間がかかるので、スキャ
ン中に被検体が動いてしまうことがある。この体動は再
構成画像中にアーチファクト（偽像）を発生させてしま
う。

【００１０】したがって、本発明の目的は、連続回転ス
キャンにより得られた投影データから連続的に、しかも
ほぼリアルタイムでアーチファクトの無い断層像を得る
ことができるコンピュータ断層撮影装置を提供すること
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】課題を解決し目的を達成
するために、本発明は被検体の周囲を複数回回転しなが
ら曝射される放射線により得られる複数スライスの投影
データを収集するデータ収集手段と、データ収集手段に
て収集された投影データを放射線の所定回転角度範囲ご
とに再構成演算に供することにより複数の部分画像を生
成する部分画像生成手段と、部分画像を加算することに
より１スライスの断層像を求める手段と、部分画像生成
手段にて部分画像を生成する際に、所定回転角度ごとに
再構成演算に供される投影データに対して、所定回転角
度範囲の中心角度を１としこの中心角度から離れるにし
たがって低減させた重み関数を乗じる手段とを具備する
ものである。

【００１２】本発明のコンピュータ断層撮影装置によれ
ば、連続回転スキャンにより得られたデータから連続的
に、しかもリアルタイムでアーチファクトの無い断層像
を再構成することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るコンピュータ
断層撮影装置の一実施例を説明する。図１は第３世代の
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置を示す概略構成図、図２
はＸ線源１及び検出器３の連続回転により収集される投
影データＰを示す図である。

【００１４】図１において、Ｘ線源１は所定の角度βを
なすＸ線ビームＦＢを被検体２が存在する撮影領域内に
放射するものである。複数の検出器素子３−１〜３−Ｎ
を併設した検出器３は、被検体２を挟んでＸ線源１に対
向配置され、被検体２を透過したＸ線を検出するもので
ある。駆動装置１０は、Ｘ線源１と検出器３とをＸ線源
１と検出器３との対向した配置関係を保ちながら、被検
体２の周囲を連続回転させるものとなっている。なおＸ
線源１は連続回転中にビューのピッチΔα（例えば０．
３６°）毎にＸ線を曝射するものとなっている。

【００１５】図２に示すように角度θはＸ線源１及びＸ
線ビームＦＢの回転角であって、Ｘ線源１及び検出器３
の連続回転移動により１回転毎に３６０°ずつ増加して
いく。

【００１６】ＤＡＳ４は、積分器（図示しない），各検
出器素子３−１〜３−ＮからのＸ線強度データを高速か
つシリアルに取り込むためのマルチプレクサ１１，各Ｘ
線強度データをディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器
１２等を備え、被検体２に対するＸ線源１のピッチΔα
毎のＸ線強度データに基づく投影データＰ（ｍ，ψ，
θ）を収集する。ここで、ｍはＸ線源１の回転数であ
り、回転角度θはＸ線源１の回転角度（ビュー）であ
り、角度ψは図１に示すようにＸ線源１と回転中心Ｏ₁
とを結ぶ直線と、Ｘ線源１と各検出器素子３−ｋとを結
ぶ直線とのなす角度であって角度−β／２から角度＋β
／２の範囲である。図２に示すようにビューのピッチΔ
α毎に投影データＰ（ｍ，ψ，θ）がＤＡＳ４に収集さ
れる。

【００１７】再構成部６はＤＡＳ４からの投影データＰ
（ｍ，ψ，θ）を取り込み、この投影データに基づき画
像再構成のための逆投影演算処理を行なうコンピュータ
６ａと、画像を記憶するためのメモリ６ｂとを有し、ス
ライスの断層像を再構成する。図３は再構成部６の逆投
影演算処理を説明するための図である。

【００１８】再構成部６内部のコンピュータ６ａは、先
ず、図３（ａ）に示すように、ある任意の回転角度θに
おける投影データＰ（ｍ，ψ，θ）を逆投影し、逆投影
データＢＰを得る。そして、得られた逆投影データＢＰ
を最初は逆投影データＱとする（なお逆投影データＱの
初期値は零としている）。

【００１９】次に、図３（ｂ）に示すように、ある任意
の回転角度にΔαだけ角度を加算した回転角度における
投影データＰ（ｍ，ψ，θ）を逆投影し、得られた逆投
影データＢＰを前に得られた逆投影データＱに加算し、
新たな逆投影データＱを得る。コンピュータ６ａは上記
のような加算処理を回転角度θが０°〜３６０°の投影
データＰ（ｍ，ψ，θ）について繰り返し行なってい
る。

【００２０】図４は所定の回転角度（ここでは、１０
°）範囲内で収集される各投影データを逆投影した各逆
投影データを夫々加算することにより部分画像を作成す
る処理を説明するための図である。図４に示すように、
所定の回転角度範囲内の各投影データＰ（ｍ，ψ，θ）
を逆投影し（図中ＢＰ）、前述した図３（ａ）、（ｂ）
にしたがって各逆投影データＢＰ夫々を加算することに
より、部分画像ａ₁ 〜ａ₃₇が得られるものとなってい
る。メモリ６ｂは、各部分画像ａ₁ 〜ａ₃₇を夫々対応す
る番地に記憶するものとなっている。ＴＶモニタ７は１
０°毎の部分画像に基づく３６０°分の画像を角度範囲
１０°に対応する時間でリアルタイムで表示する。

【００２１】次にこのように構成された実施例の作用を
説明する。Ｘ線源１と検出器３との対向配置関係を保
ち、かつビューのピッチΔα毎にＸ線源１からＸ線を被
検体２に向けて曝射しながら被検体２の周囲を連続スキ
ャンする。連続スキャンに伴なって被検体２を透過した
Ｘ線は検出器３−１〜３−Ｎによって検出され、Ｘ線強
度データに基づきＤＡＳ４内部のマルチプレクサ１１，
Ａ／Ｄ変換器１２によってビューのピッチΔα毎の投影
データＰ（ｍ，ψ，θ）が収集される。このビューのピ
ッチΔα毎の投影データＰ（ｍ，ψ，θ）は再構成部６
に取り込まれ、コンピュータ６ａによって次のような演
算処理が行なわれる。ここでは、画像をＴＶモニタ７に
例えば回転角度１０°に対応する時間毎に表示する場合
についての演算処理を説明する。

【００２２】まず、図３に示すような演算処理にしたが
って、０°の投影データＰ（ｍ，ψ，０）が逆投影され
て逆投影データＱ₀ が得られ、次に、Δαの投影データ
Ｐ（ｍ，ψ，Δα）が逆投影されて逆投影データＢＰ₁
が得られる。そして、逆投影データＢＰ₁ が逆投影デー
タＱ₀ に加算されて逆投影データＱ₁ が得られる。さら
に、同様に、２Δαの投影データＰ（ｍ，ψ，２Δα）
が逆投影されて逆投影データＢＰ₂ が得られると、逆投
影データＢＰ₂ が逆投影データＱ₁ に加算されて逆投影
データＱ₂ が得られる。このような加算処理がΔα毎に
０°から１０°まで行なわれて部分画像ａ₁ が求められ
る。例えばΔαが０．３６°であれば、部分画像ａ₁ は
次のように表される。

【００２３】ａ₁ ＝ΣＢＰ_j ここで、Σはｊが１から２７の総和演算である。この部
分画像ａ₁ がメモリ６ｂに記憶される。

【００２４】同様に、回転角度１０°から所定の回転角
度範囲内の各投影データが図３に示すような演算処理に
したがって逆投影され、各逆投影データＢＰが加算され
て得られた部分画像ａ₂ 〜ａ₃₇がメモリ６ｂに記憶され
る。

【００２５】次に、メモリより部分画像ａ₁ 〜ａ₃₆が読
み出され、コンピュータ６ａによって次式の演算が行な
われ、画像Ａが求められる。そして回転角度３６０°に
対応する時間でＴＶモニタ７に３６０°分の画像Ａが表
示される。

【００２６】Ａ＝Σａ_i ここで、Σはｉが１から３６についての総和演算であ
る。次に、次式によって画像Ｂが求められ、回転角度３
７０°に対応する時間でＴＶモニタ７に３６０°分の画
像Ｂが表示される。

【００２７】Ｂ＝Ａ−ａ₁ ＋ａ₃₇ このような演算処理を行なえば、部分画像ａ₃₇を作成す
るための５４回の加算処理，５４回の乗算処理と、画像
Ａから部分画像ａ₁ を減算するとともに画像Ａに部分画
像ａ₃₇を加算するという１回の加減算処理とを行なうの
みで、画像Ｂを求めることができる。従来の装置では、
画像Ｂを作成するためにはΔα毎に逆投影データを減算
していたが、本実施例では２つの部分画像を加減算する
のみで良く、少ない計算量で効率良く断層像を再構成で
きる。さらに、メモリ６ｂは投影データを逆投影して得
られた部分画像を記憶するだけであるので、投影データ
を記憶するのに比べて記憶容量は少なくて済み、半導体
メモリによっても実現でき、部分画像の演算を高速にお
こなうことができる。

【００２８】通常の連続回転では毎秒１回転するから、
毎秒３６枚の部分画像を得ることができる。したがっ
て、本実施例の場合には毎秒３６枚の部分画像を表示す
るから、各部分画像がなめらかに繋がり、リアルタイム
で連続して画像を表示することができる。なお実施例で
はａ_i は１０°毎に作成したが、１回転に２秒かかると
すれば、ａ_i を５°ずつ作成すれば、同程度のリアルタ
イム性が確保できる。

【００２９】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
前述した第１の実施例はＸ線源１を回転角度０°の位置
に設定し、この回転角度０°から連続回転するようにし
たが、第２の実施例は、図５に示すように、Ｘ線源１を
回転角度２５°の位置に設定し、この回転角度２５°か
ら連続回転するようにしたものである。図６は図５に示
す連続回転において所定の回転角度範囲内で収集される
各投影データを逆投影した各逆投影データを加算処理す
ることにより部分画像を作成する処理を説明するための
図である。また、メモリ６ｂは回転角度２５°から連続
回転したときにおける各部分画像ａ₃ 〜ａ₃₉を記憶する
ものとなっている。

【００３０】例えば、回転角度２５°から連続スキャン
を行なった場合には、第１の実施例と同様に、コンピュ
ータ６ａによって各部分画像を作成する。しかし、ここ
では、回転角度２５°から３０°までの投影データを逆
投影した逆投影データを加算することにより部分画像ａ
₃ ’を作成する。次に、回転角度３８０°から３８５°
までの投影データを逆投影した逆投影データを加算する
ことにより部分画像ａ₃₉’を作成する。そして、回転角
度３０°から回転角度３８０°までは、所定の回転角度
範囲内１０°で収集される各投影データを逆投影した各
逆投影データを加算処理することにより部分画像ａ₄ 〜
ａ₃₈をメモリ４ｂから読み出す。このようにして作成さ
れた各部分画像を次式を用いて夫々加算すると、１枚の
画像Ｃが作成される。

【００３１】Ｃ＝ａ₃ ’＋Σａ_i ＋ａ₃₉’ ここで，Σはｉが４から３８についての総和演算であ
る。このように第２の実施例においても、３６０°分の
画像を、少ない計算量で得ることができる。

【００３２】次に本発明の第３の実施例を説明する。本
実施例は逆投影時に投影データに重み関数をかけること
により、体動によるアーチファクトを低減するものであ
る。第１、第２実施例では、回転角度０°〜１０°の投
影データを逆投影して部分画像ａ₁ を求めているが、第
３実施例では０°〜２０°の投影データＰ（ｍ，ψ，
θ）に図７に示すような重み関数ω₁ （θ）をコンボル
ーション演算して逆投影して得られた部分画像をｂ₁ と
する。重み関数ω₁ （θ）は回転角度θが０°から１０
°のときには、ω₁ （θ）＋ω₁ （θ＋１０°）＝１の
関係を満たすものである。

【００３３】同様に、回転角度θが１０°から３０°に
ついての投影データＰ（ｍ，ψ，θ）に重み関数ω₁
（θ−１０°）をコンボルーション演算し、演算結果を
逆投影することにより、部分画像ｂ₂ を作成する。

【００３４】一般に、回転角度θがｎ×１０°から（ｎ
＋２）×１０°についての投影データＰ（ｍ，ψ，θ）
に重み関数ω₁ （θ−ｎ×１０°）をコンボルーション
演算し、演算結果を逆投影することにより部分画像ｂ
_n+1 を作成する。ここで、ｎは整数である。

【００３５】このような演算処理を行なって作成された
部分画像ｂ₁ ，ｂ₂ ，…，ｂ_n+1 を用いて、次式の演算
処理を行なうと、１枚の完全な画像を得ることができ
る。 Ａ’＝Σｂ_i ここでΣはｉが１から３６の総和演算である。

【００３６】画像Ａ’は回転角度θが０°から３７０°
についての投影データＰ（ｍ，ψ，θ）に次のような重
み関数ω（θ）をコンボルーション演算して逆投影した
画像と等価である。

【００３７】ω（θ）＝Σω（θ−ｎ×１０°） ここで、Σはｎが０から３５について、θが０°から３
７０°についての総和演算である。

【００３８】重み関数ω（θ）は図８に示すような関数
である。このような重み関数ω（θ）を用いて回転角度
θが０°から３７０°についての投影データＰ（ｍ，
ψ，θ）コンボルーション・逆投影して得られる画像
（Ａ’と等価である）は体動によるアーチファクトが少
ないことが知られている。そのため、Σｂ_i により得ら
れる本実施例の断層像Ａ’もアーチファクトの影響を受
けないことがわかる。

【００３９】前述した第１の実施例において作成される
画像Ｂと同様の回転角度３７０°における画像Ｂ’は第
３の実施例においては次式によって作成される。 Ｂ’＝Ａ’−ｂ₁ ＋ｂ₃₇ 上式によって作成される画像Ｂ’も回転角度１０°から
３８０°についての投影データＰ（ｍ，ψ，θ）に重み
関数ω₁ （θ−１０°）をコンボルーション演算し、演
算結果を逆投影することにより作成された画像と等価で
ある。

【００４０】このように第３の実施例においては、重み
関数を用いて部分画像ｂ₁ ，ｂ₂ ，…を作成しこれらの
部分画像を加算することにより１枚の画像を作成するの
で、前述した第１の実施例と同様な効果を有する。さら
に第３の実施例は、患者の体動によって生じる画像上の
アーチファクトを軽減できる利点がある。

【００４１】なお、重み関数として、例えば図９に示す
ような重み関数ω₂ （θ）であっても良い。この重み関
数ω₂ （θ）は、回転角度θが０°からβの場合は、ω
₂ （θ）＝｛１−ｃｏｓ（θπ／β）｝／２であり、回
転角度θがβからΔαの場合は、ω₂ （θ）＝１であ
り、回転角度θがΔαからΔα＋βの場合は、ω₂
（θ）＝１−ω（θ−Δα）であり、回転角度θが上記
以外の値である場合は、ω₂ （θ）＝０である。

【００４２】このω₂ （θ）は、ω₂ （θ）＋ω₂ （θ
−Δα）＝１を満たす。この場合に部分画像ｂ₁ は、回
転角度θが０°からΔα＋βについての投影データＰ
（ｍ，ψ，θ）に重み関数ω₂ （θ）をコンボルーショ
ン演算して、演算結果を逆投影することにより作成され
る。一般に、部分画像ｂ_k は、回転角度θが（ｋ−１）
ΔαからｋΔα＋βについての投影データＰ（ｍ，ψ，
θ）重み関数ω₂ ｛θ−（ｋ−１）Δα｝をコンボルー
ション演算して演算結果を逆投影することにより作成さ
れる。

【００４３】このような重み関数ω₂ （θ）を用いて作
成した部分画像を加算して得た断層像も体動によるアー
チファクトの少ないものである。本発明は上述した実施
例に限定されず、種々変形して実施可能である。例え
ば、放射線としてＸ線を用いたが、γ線を用いてもよ
い。また、再構成は３６０゜の投影データを用いるフル
再構成を説明したが、１８０゜＋ファン角度の投影デー
タに基づくハーフ再構成を行なってもよい。いわゆる第
３世代のコンピュータ断層撮影装置を説明したが、第４
世代、第５世代の装置にも適用可能である。さらに、パ
ルスＸ線に限らず、連続Ｘ線を用いてもよい。

【００４４】

【発明の効果】本発明のコンピュータ断層撮影装置によ
れば、連続回転スキャンにより得られたデータから連続
的に、しかもリアルタイムでアーチファクトの無い断層
像を再構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るコンピュータ断層撮影装置の第１
の実施例を示す概略構成図。

【図２】Ｘ線源及び検出器の連続回転により収集される
投影データＰを示す図。

【図３】投影データを逆投影した逆投影データの加算処
理を説明するための図。

【図４】所定の回転角度範囲内で収集される投影データ
を逆投影した逆投影データを加算することにより部分画
像を作成する処理を説明するための図。

【図５】任意の角度から連続スキャンを行なった場合の
回転角度を示す図。

【図６】図５に示す連続回転において所定の回転角度範
囲内で収集される投影データを逆投影した逆投影データ
を加算することにより部分画像を作成する処理を説明す
るための図。

【図７】投影データを逆投影する際に用いられる重み関
数ω₁ （θ）の一例を示す図。

【図８】重み関数ω₀ （θ）を示す図。

【図９】重み関数ω₂ （θ）を示す図。

【図１０】従来のコンピュータ断層撮影装置による画像
の再構成処理を説明するための図。

【符号の説明】

１…Ｘ線源、２…被検体、３…検出器、４…ＤＡＳ、６
…再構成部、７…ＴＶモニタ、１１…マルチプレクサ、
１２…Ａ／Ｄ、ＦＢ…Ｘ線ビーム、ＰＤ…投影データ、
ＢＰ…逆投影データ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体の周囲を複数回回転しながら曝射
   される放射線により得られる複数スライスの投影データ
   を収集するデータ収集手段と、 前記データ収集手段にて収集された投影データを放射線
   の所定回転角度範囲ごとに再構成演算に供することによ
   り複数の部分画像を生成する部分画像生成手段と、 前記部分画像を加算することにより１スライスの断層像
   を求める手段と、 前記部分画像生成手段にて部分画像を生成する際に、前
   記所定回転角度ごとに再構成演算に供される投影データ
   に対して、前記所定回転角度範囲の中心角度を１としこ
   の中心角度から離れるにしたがって低減させた重み関数
   を乗じる手段とを具備し、被検体の体動によって生じる
   断層像のアーチファクトを軽減することを特徴とするコ
   ンピュータ断層撮影装置。