JP3914601B2 - 計算機式断層写真法システム用の計算機 - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には計算機式断層写真法(CT)の作像に関し、更に具体的には、マルチ・スライス型CTシステムにおけるz軸内のX線ビームの較正に関する。
【0002】
【従来の技術】
少なくとも1つの公知のCTシステム構成では、X線源はファン形状のビームを投射し、このビームは、デカルト座標系のX−Y平面であって、一般に「作像平面」と呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。X線ビームは、患者等の被作像物体を通過する。ビームは、物体によって減衰された後に、放射線検出器の配列に入射する。検出器配列において受け取られる減衰したビーム放射線の強度は、物体によるX線ビームの減衰量に依存している。配列内の各々の検出器素子は、検出器の位置におけるビームの減衰量の測定値である個別の電気信号を発生する。すべての検出器からの減衰測定値を個別に収集して、透過プロファイル(断面)を形成する。
【0003】
公知の第3世代CTシステムでは、X線源及び検出器配列は、X線ビームが物体と交差する角度が定常的に変化するように、作像平面内で被作像物体の周りをガントリと共に回転する。1つのガントリ角度における検出器配列からの1群のX線減衰測定値、即ち投影データを「ビュー」と呼ぶ。物体の「走査(スキャン)」は、X線源及び検出器の1回転の間に様々なガントリ角度で形成された1組のビューで構成されている。軸方向走査の場合には、投影データを処理して、物体から切り取られた2次元スライスに対応する画像を構成する。1組の投影データから画像を再構成する1つの方法は、当業界でフィルタ補正逆投影(filtered back projection)法と呼ばれている。この方法は、あるスキャンからの減衰測定値を、「CT数」又は「Hounsfield単位」と呼ばれる整数に変換し、これらの整数を用いて、陰極線管表示装置上の対応するピクセルの輝度を制御する。
【0004】
走査を行うときに、熱、重力及び遠心力の影響で、X線源の焦点は、z(又は患者)方向に近似的に約0.5mm移動する。放出されたX線はz軸コリメータの周りに旋回するので、焦点がz軸で0.5mm移動すると、検出器において ビームは近似的に約±2mm移動する。検出器のz軸感度は、特に検出器セルのエッジでは完全には均一でないので、X線ビームがこのように移動すると、得られる画像に顕著な環状及び帯状のアーティファクトが現れることがある。
【0005】
単一スライス(即ち、1列の検出器セル)型作像システムでは、X線ビームの位置は、当業界でZチャンネルとも呼ばれているz軸位置検知チャンネルを用いて決定される。当業界で周知のように、Zチャンネルと共に、次第に狭まる(attenuating)ウェッジが典型的に用いられている。
各々のチャンネル、即ち各々の検出器セルのゲイン(利得)と、Zチャンネル上の対応するビーム位置とを2つのz軸位置で測定することにより、ZCALベクタとも呼ばれる較正データが得られる。2つのz軸位置は、典型的には約1mm離れている。一方のz軸位置については冷(cold)X線管走査を用い、他方のz軸位置については熱(hot)X線管走査を用いる。次いで、上述した条件、即ち、冷X線管走査及び熱X線管走査の条件に従って各々のチャンネルについて2つのz軸位置で検知されたゲイン同士のゲイン差の勾配を表すZCAL補正ベクタが発生される。
【0006】
走査を行う直前に、空気較正(air calibration)(又は「fastcal 」)が実行される。具体的には、fastcal については、X線管のウォームアップに続いて、1つのビーム位置においてX線ビームによる各々の検出器セルについての平均チャンネル・ゲインが測定される。この1つのビーム位置は、Zチャンネルによって同定される。このビーム位置の付近のゲインは、冷位置での極値にあるよりもむしろ、臨床動作中のゲインと殆ど同じであるものと期待される。ZCAL補正ベクタは測定された平均ゲインに基づいて正規化され、患者の走査中には、fastcal の時点でのビーム位置からのビームの移動距離であってZチャンネルによって決定されるビームの移動距離に関連して期待されるゲイン変化に従って、ZCAL補正ベクタによって各々のチャンネル・ゲインが調節される。
【0007】
トゥー(2)・スライス型作像システムでは、X線検出器は典型的には、z軸方向に互いに隣接して設けられた2列の検出器セルを含んでいる。具体的には、一方の列の検出器セルのエッジが、他方の列の検出器セルのエッジと隣接している。
動作時には、X線ビームは典型的には、X線検出器の隣接し合う検出器セルのエッジの位置に入射する。各々の検出器セルの感度は、当業界で公知のように、典型的には、検出器セルのエッジの領域では非線形である。従って、検出器セルのゲイン変化も又、非線形である。
【0008】
検出器セルの非線形性を排除するために、精密ポスト・ペイシェント・コリメータを用いて、X線ビームの本影(umbra)のみが検出器セルに入射するようなz軸X線ビーム・プロファイルを形成することができる。焦点がz軸上で移動しても、検出器上のX線の強度は変化しないので、これにより差信号誤差及び関連するアーティファクトが回避される。当然、このような構成では、半影(penumbra)及び本影の若干量の端部は使用されない。X線ビームのこれらのような部分が使用されなくても、検出器セルのエッジの領域におけるX線ビームの半影に関連する作像上の問題点を回避するために、患者はやはり、このような無用のX線ビーム部分を発生するのに要求されるX線量にさらされる。
【0009】
投与線量を減少させるために、若干のX線ビームの半影が検出器に入射するのを許容することもできる。しかしながら、このような条件下では優れたZCAL補正が要求される。ポスト・ペイシェント・コリメータを省くことにより患者の線量を減少させることは望ましいが、単一スライス型作像システムとの関連で上述したZCAL補正ベクタは、X線ビームが非線形的な検出器セル領域にわたって移動するので、検出器信号を適切には較正しない。従って、患者の線量を減少させるために、検出器セルのエッジの領域での非線形性を考慮に入れて、較正された減衰データをマルチ・スライス型作像システムにおいて取得し得るようにするZCAL補正ベクタが必要とされている。又、マルチ・スライス型作像システムにおいて、高価な精密ポスト・ペイシェント・コリメータを省くことが望ましい。
【0010】
【発明の概要】
これらの目的及びその他の目的は、以下のシステムで達成され得る。即ち、本システムは一実施例では、ZCAL補正ベクタを決定すると共にZCAL補正ベクタをマルチ・スライス型CTシステムの検出器配列からのチャンネルの出力に対して適用する。更に具体的には、本発明の一実施例によれば、各々の検出器セル、即ち各々のチャンネルについて、複数のz軸位置における信号ゲインが測定される。各々のチャンネルについて、補正多項式Qn が信号変動曲線に対してz軸位置の関数として適用され、補正多項式の値にそのチャンネル信号を乗じたものが動作時のz軸位置の範囲にわたって一定値を生ずるようにする。ビーム位置(Zr )は、各々の位置基準信号(Dr )の関数として測定され、センサ・チャンネルにおけるビームのZ位置及び焦点の位置が決定される。次いで、各々のチャンネルについてのz軸位置及びZCAL補正ベクタが決定される。次いで、ZCAL補正ベクタにチャンネル信号を乗じて、チャンネル信号を較正する。
【0011】
マルチ・スライス型作像システムにおいて、検出器セルのエッジの領域による非線形性が存在していても、上述のZCAL補正ベクタを用いてチャンネル信号を較正することができる。又、このようなZCAL補正ベクタを用いると、マルチ・スライス型作像システムにおいて、高価な精密ポスト・ペイシェント・コリメータの使用が省かれる。
【0012】
【実施例】
図1及び図2を参照すると、計算機式断層写真法(CT)作像システム10は、「第3世代」CTスキャナにおいて典型的なガントリ12を含んでいるものとして示されている。ガントリ12は、X線源14を有しており、X線源14は、X線ビーム16をガントリ12の反対側にある検出器配列18に向かって投射する。検出器配列18は、検出器素子20によって形成されており、これらの検出器素子20は一括で、患者22を通過する投射されたX線を検知する。各々の検出器素子20は、入射するX線ビームの強度、従って、患者22を通過する間でのビームの減衰量を表す電気信号を発生する。X線投影データを収集するための1スキャンの間に、ガントリ12及びガントリ12に装着された構成部品は、回転中心24の周りを回転する。
【0013】
ガントリ12の回転及びX線源14の動作は、CTシステム10の制御機構26によって制御されている。制御機構26は、X線制御装置28と、ガントリ・モータ制御装置30とを含んでいる。X線制御装置28は、X線源14に対して電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御装置30は、ガントリ12の回転速度及び位置を制御する。制御機構26内に設けられたデータ収集システム(DAS)32は、検出器素子20からのアナログ・データをサンプリングすると共に、後続処理のためにこのデータをディジタル信号に変換する。画像再構成装置34が、サンプリングされてディジタル化されたX線データをDAS32から受け取って、高速画像再構成を行う。再構成された画像は、計算機36への入力として印加され、計算機36は、大容量記憶装置38に画像を記憶させる。
【0014】
計算機36は又、キーボードを有しているコンソール40を介して、オペレータから命令(コマンド)及び走査パラメータを受け取る。付設された陰極線管表示装置42によって、オペレータは、再構成された画像、及び計算機36からのその他のデータを観察することができる。オペレータが供給した命令及びパラメータを計算機36で用いて、DAS32、X線制御装置28及びガントリ・モータ制御装置30に制御信号及び情報を供給する。加えて、計算機36はテーブル・モータ制御装置44を動作させ、テーブル・モータ制御装置44は、モータ式テーブル46を制御して、ガントリ12内で患者22を位置決めする。具体的には、テーブル46は、患者22の部分をガントリ開口48内で移動する。
【0015】
図3は、焦点52から発しているX線を含めて単一スライス(即ち、1列の検出器セル)型作像システム50を示している。X線は、プリペイシェント・コリメータ54によってコリメートされて、検出器セル56の表面に入射している。セル56の下方に、X線ビーム強度プロファイル58及び検出器セルのz軸感度曲線60がグラフ図示されている。加えて、検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置の曲線62も図示されている。
【0016】
単一スライス型作像システム50の場合には、セル56からの出力の較正は、セル56の表面上でのビームのz軸位置に基づいて単純な方式で実行され得る。具体的には、検出器56の表面上の2つの離れたビーム位置についてゲインを測定することができ、このようなデータからZCAL補正ベクタを発生することができる。検出器56の表面の殆どでのゲインは実質的に均一であるので、又、ビームはz軸内で僅か約0.5mmしか移動しないので、ZCAL補正ベクタは単一スライス型システムにおいて妥当な較正を提供する。
【0017】
図4は、焦点72から発しているX線を含めてマルチ・スライス(即ち、1列よりも多い検出器セル)型作像システム70を示している。ビーム72は、プリペイシェント・コリメータ74によってコリメートされて、検出器セル76及び78の表面に入射している。セル76及び78の下方に、X線ビーム強度プロファイル80並びに検出器セルのz軸感度曲線82及び84がグラフ図示されている。加えて、検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置の曲線86及び88も、図示されている。
【0018】
マルチ・スライス型作像システム70の場合には、具体的には曲線82及び84からわかるように、セル76及び78からの出力の較正は、単一スライス型システム50の場合よりも遥かに複雑である。具体的には、X線が検出器セル76及び78のエッジの領域に入射しているので、又、エッジの領域が高度に非線形な感度(曲線82及び84)を有しているので、検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置の曲線86及び88は、高度に非線形になる。このような非線形性のために、特に薄いスライスのX線ビームについて、検出器セルの出力の較正の困難さが増す。
【0019】
本発明は、一側面では、マルチ・スライス型システムにおける検出器セルの出力を較正する方法である。このような較正は、X線の半影が検出器セルのエッジ領域に入射しないようにする高価な精密ポスト・ペイシェント・コリメータの使用を要求することなく達成される。その代わりに、一側面では、本発明はマルチ・スライス型システムに適切なZCAL補正ベクタを発生する。
【0020】
更に具体的には、本発明の一実施例によれば、各々の検出器セル、即ち各々のチャンネルについて、多数のz軸位置における信号ゲインが測定される。z軸ビーム位置は例えば、1995年12月21日に出願され、本出願と共通の譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第08/576,066号「マルチ・スライス型計算機式断層写真法のための改良されたz軸X線ビーム位置センサ」(Improved Z-Axis X-Ray Beam Position Sensor For Multi-Slice Computed Tomography)(出願人控番号第15CT4342)に記載されたセンサのようなz軸ビーム位置センサ(又はZチャンネル)によって測定される。位置センサは、Zチャンネルの位置でビーム位置(Zr )のみを決定する。
【0021】
図5、図6及び図7を参照すると、各々のチャンネル又は検出器セル76及び78は、コリメータ74の形状、焦点72の位置及びファン・ビーム内での検出器チャンネルの位置に依存して異なるz軸内のX線ビーム位置を有している。検出器セル76及び78を含んでいる検出器90は、図6に明瞭に示されているように彎曲しており、z位置(Zn )は、図7に示すように、各々のチャンネル76及び78についてz軸に沿った点であって、X線ビームがFWHM(半値幅)の強度にあるような点である。
【0022】
多数のz軸位置における各々のチャンネル76及び78の信号、即ちゲインを決定するために、コリメータ74は、較正走査中に1組のz軸の位置を通じて、例えば0.02mm区切りで−0.2mmから+0.2mmまで、インデクス付けされる。X線管が熱するにつれて焦点の位置が変化するので、較正中の焦点位置の変化を測定すると共に補正するために、一連の較正操作の最後にコリメータ74を基準位置に復帰させる必要がある。
【0023】
各々のチャンネル76及び78についてのz位置(Zn )は、以下に述べるように焦点の位置に関係付けられる。
n =(C−f)dn /sn +f (1)
Z=検出器上でのビームの位置
f=z軸内での焦点の位置
C=z軸内でのコリメータ点の位置
d=検出器から焦点までの距離
s=X線源からコリメータまでの距離
n=チャンネル・インデクス
各々のチャンネルについて、補正多項式Qn が信号変動曲線に対してz軸位置の関数として適用され、補正多項式の値にそのチャンネル信号を乗じたものが動作時のz軸位置の範囲にわたって一定値を生ずるようにする。補正多項式(Qn )は、以下の通りである。
【0024】
n =an +bnn +cnn 2… (2)
n =Zの関数としてのチャンネル・ゲインの逆数
ビーム位置(Zr )は、以下の方程式に従って各々の位置基準信号(Dr )の関数として測定される。
r =ar +brr +crr 2… (3)
r =差信号Dr の関数としてのZ検知チャンネルにおけるz位置
従って、センサ・チャンネルにおけるビームのZ位置は、方程式(3)によって決定される。焦点の位置は、
f=(Zr −C(dr /sr ))/(1−(dr /sr )) (4)
によって決定される。ここで、コリメータの位置C及び基準チャンネルについてのビームのz軸位置Zr は既知である。
【0025】
次いで、各々のチャンネルについてのz軸位置が方程式(1)に従って決定され、ZCAL補正ベクタが方程式(2)に従って決定される。次いで、ZCAL補正ベクタにチャンネル信号を乗じて、チャンネル信号を較正する。
上述のZCAL補正ベクタは、マルチ・スライス型作像システムにおいて、検出器セルのエッジの領域による非線形性が存在していても、このようなベクタを用いてチャンネル信号を較正することができるという重要な利点を提供する。又、このようなZCAL補正ベクタを用いると、マルチ・スライス型作像システムにおいて、高価な精密ポスト・ペイシェント・コリメータの使用が省かれる。
【0026】
トゥー・スライスよりも多いスライスのCTシステムに関して(上述のシステム70は、トゥー・スライス型システムである。)、コリメータ・システムの形状が、少量の半影が動作時のz軸移動範囲にわたって外側の検出器列に常に入射することを許容するならば、信号変動対z軸ビーム位置は、トゥー・スライス型CTシステムのビーム曲線と同様になる。このように、上述のZCAL補正アルゴリズムは、トゥー・スライス型システムで有用であるばかりでなく、トゥー・スライスよりも多いスライスを有するマルチ・スライス型CTシステムにも使用することができる。
【0027】
更に具体的には、図8は、焦点102から発しているX線を含めてフォー(4)・スライス型作像システム100を模式的に示している。ビームは、プリペイシェント・コリメータ104によってコリメートされて、検出器セル106、108、110及び112の表面に入射している。最も外側のセル106及び112の下方に、これらのセル106及び112についてのX線ビーム強度プロファイル114並びに検出器セルのz軸感度曲線116及び118がグラフ図示されている。加えて、検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置の曲線120及び122も図示されている。
【0028】
図8に示すように、少量の半影が、動作時のz軸移動範囲にわたって外側の検出器列106及び112に入射している。その結果、信号変動対ビームのz軸位置(曲線120及び122)は、トゥー・スライス型CTシステムのビーム曲線と同様になるので、上述のZCAL補正を用いることができる。しかしながら、ビーム・モーションによって半影が最も外側の検出器セル106及び112を逸れて移動すれば、これ以上の移動があっても検出器106及び112からの信号に実質的に何の変化ももたらさなくなるような不連続点、即ち、屈曲部(knee)124及び126が現れる。この点では、検出器配列は本影で完全に溢れて(flood)いる。非常に高い次数の関数であっても、実際的なZCAL補正ベクタを実現してアーティファクトを回避するのに十分な正確さでこの曲線の形状の鋭い変化を画定することは、一般に不可能である。
【0029】
しかしながら、このような場合には、較正中に屈曲部124及び126のz軸ビーム位置を、7点箱型フィルタ(seven point box car filter)で補正された1組の信号対ビーム位置チャンネル・データにおける最大値の0.99倍を超える第1の点として同定することができる。次いで、多項式補正関数を、屈曲部までの且つ屈曲部を含めた彎曲部分に対してのみ適用することができる。補正多項式及びz軸位置の不連続点は、各々のチャンネルについて記憶される。患者の走査中には、ビーム位置が屈曲部よりも上方にあるか下方にあるかによって、各々のチャンネルに多項式の値又は定数のいずれかによる補正が適用される。
【0030】
本発明の様々な実施例に関する以上の記述から、本発明の目的が達成されたことは明らかである。本発明を詳細にわたって記述すると共に図示したが、これらは説明及び例示のみを意図したものであって、限定のためのものであると解釈してはならないことを明瞭に理解されたい。例えば、ここに記載したCTシステムは、X線源と検出器との両者がガントリと共に回転するような「第3世代」システムである。しかしながら、検出器が全環状の静止式検出器であって、X線源のみがガントリと共に回転するような「第4世代」システムを含めて他の多くのCTシステムを用いることができる。従って、本発明の要旨は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】CT作像システムの見取り図である。
【図2】図1に示すシステムのブロック模式図である。
【図3】X線ビーム及び検出器セルの模式図であって、X線ビーム強度プロファイル、検出器セルのz軸感度、及び検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置を含めた図である。
【図4】X線ビーム及び2つの(即ち、ツウィン)検出器セルの模式図であって、X線ビーム強度プロファイル、検出器セルのz軸感度、及び検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置を含めた図である。
【図5】ツウィン検出器セルと、セルに関するX線ビームのz軸位置とを示す模式図である。
【図6】直線的なコリメータ及び彎曲した検出器セル配列を示す図である。
【図7】X線ビーム(中心)位置対検出器セル(即ち、チャンネル)位置を示す図である。
【図8】X線ビーム及び4つの検出器セルの模式図であって、X線ビーム強度プロファイル、最も外側の各セルのz軸感度、及び最も外側の各検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置を含めた図である。
【符号の説明】
10 CTシステム
12 ガントリ
14 X線源
16 X線ビーム
18 検出器配列
20 検出器素子
22 患者
24 回転中心
26 制御機構
28 X線制御装置
30 ガントリ・モータ制御装置
32 データ収集システム(DAS)
34 画像再構成装置
36 計算機
38 大容量記憶装置
40 コンソール
42 陰極線管表示装置
44 テーブル・モータ制御装置
46 モータ式テーブル
48 ガントリ開口
50 単一スライス型作像システム
52、72、102 焦点
54、74、104 プリペイシェント・コリメータ
56、76、78、106、108、110、112 検出器セル
58、80、114 X線ビーム強度曲線
60、82、84、116、118 検出器セルのz軸感度曲線
62、86、88、120、122 検出器セルの信号対X線ビームのz軸位置の曲線
70 トゥー・スライス型作像システム
90 検出器
100 フォー・スライス型作像システム
124、126 屈曲部

Claims (6)

  1. X線源(14)と、少なくとも2つの検出器チャンネル(76、78)を有している検出器配列(18)とを含んでいる計算機式断層写真法システム(10)用の計算機(36)であって、
    該計算機(36)は、投影データを較正するように構成されていると共に、各々の検出器チャンネル(76、78)について、多数のz軸位置における信号ゲインを決定し、
    補正多項式Qnを信号変動曲線に対してz軸位置の関数として適用し、前記補正多項式の値にそのチャンネルの信号ゲインを乗じたものが動作時のz軸位置の範囲にわたって一定値を生ずるようにし、
    各々の検出器チャンネル(76、78)についてのz軸ビーム位置(Zr )決定し、
    各々のチャンネルの信号ゲインに前記補正多項式を乗じて、各々のチャンネルの信号ゲインを較正するようにプログラムされている計算機式断層写真法システム(10)用の計算機(36)。
  2. 前記z軸ビーム位置(Zr )は、z軸ビーム位置センサにより測定されている請求項1に記載の計算機(36)。
  3. 前記計算機式断層写真法システム(10)は更に、コリメータ(74)を含んでおり、各々の検出器チャンネル(76、78)について、多数のz軸位置における信号ゲインを決定するときに、前記コリメータ(74)は、較正走査中に1組のz軸位置を通じてインデクス付けされている請求項2に記載の計算機(36)。
  4. 各々の検出器チャンネル(76、78)についての前記z軸位置(Zn )は、Zn =(C−f)dn /sn +fにより前記X線源の焦点(72)の位置に関係付けられており、ここで、Z=検出器上でのビームの位置f=z軸内での焦点の位置C=z軸内でのコリメータ点の位置d=検出器から焦点までの距離s=線源からコリメータまでの距離n=チャンネル・インデクスである請求項1に記載の計算機(36)。
  5. 前記補正多項式Qn は、Qn =an +bn Zn +cn Zn2…であり、ここで、Qn は、Zの関数としてのチャンネル・ゲインの逆数である請求項4に記載の計算機(36)。
  6. 前記焦点(72)の位置は、f=(Zr −C(dr /sr ))/(1−(dr /sr ))
    により決定されている請求項に記載の計算機(36)。
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