JP4079472B2 - マルチ・スライス型計算機式断層写真法システムにおいてx線ビームの位置を決定するシステム - Google Patents

マルチ・スライス型計算機式断層写真法システムにおいてx線ビームの位置を決定するシステム Download PDF

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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X線ビームの位置決定に関する。
【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】
公知のCTスキャナは、X線ビームのプロファイルをz軸(患者軸)内で画定する開口を有しているプリ・ペイシェント(pre-patient)・コリメート装置を含んでいる。走査を実行するときには、X線ビームは典型的には、熱、重力及び遠心力の影響で、検出器配列上でz方向に2mmまで移動する。ファン・ビーム(扇形ビーム)がこのように移動すると、検出器での信号強度に影響し、その結果、再構成された画像にアーティファクトが生ずる。
【0005】
公知のCTスキャナは、データ補正を実行して、検出器信号の変動を検出器上のX線ビームのz軸位置の関数として補正する。更に具体的には、マルチ・スライスCTシステムは典型的には、精密な閉ループ型z軸トラッキング(位置修正)・システムを利用して、ビーム・モーションを最低限に抑えると共に、z軸内でのビーム・モーションを補正するz軸補正を行い、投与されるX線量をより有効に活用する。公知のz軸ビーム位置検知装置、即ちz軸オフセット検出器は、金属製の単独ウェッジ又は一連の交互ウェッジを含んでいる。これらのウェッジは、1つ又はそれ以上の検出器チャンネルを覆うように配置されており、有意且つ反復可能な信号変動をz軸の関数として引き起こす。公知のウェッジを用いてファン・ビームの位置を検出することについての詳細は、例えば本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許第4,559,639号「高さ依存の感度を補正したX線検出器」(X-Ray Detector with Compensation for Height-Dependant Sensitivity)に記載されており、本特許は、ここに参照されるべきものである。
【0006】
公知のz軸ビーム位置検知装置は、妥当な成果、例えばアーティファクトの低減を提供するものであるが、ビーム位置の測定の感度及び精度を高めると共にアーティファクトの低減を更に改善することが望ましい。又、システム経費及び処理時間を大幅に増大させることなく、アーティファクトの低減を改善することが望ましい。
【0007】
【発明の概要】
これらの目的及びその他の目的は、検出器データからの又はz位置セルからの信号を利用してビーム位置を表す差信号又は比信号を発生することにより、X線ビームの位置を決定するシステムにおいて達成され得る。次いでこのような差信号又は比信号を用いて、ビームが整列逸脱していてもコリメータによってビームを整列に引き戻すようにプリ・ペイシェント・コリメータを制御することができる。本発明は、トゥー(2)・スライス・システム又はフォー(4)・スライス・システムを含めたマルチ・スライス型計算機式断層写真法システムにおいて特に適用可能である。
【0008】
例えばトゥー・スライス・システムでは、コリメートされたX線ビームは、2つの隣接した第1の検出器セル及び第2の検出器セルに向かって投射される。一般に「ファン・ビーム平面」と呼ばれる平面は、焦点の中心線と、ビームの中心線とを包含している。ビームがその最も望ましい配向に位置しているときには、ファン・ビーム平面は、隣接した各検出器セル上の露出区域の中心線D0 に整列している。
【0009】
第1の検出器セルによって出力される信号の信号強度A及び第2の検出器セルによって出力される信号の信号強度Bは、焦点の位置と関係付けられる。具体的には、ファン・ビームの中心線のz位置は、信号強度A及び信号強度Bを比[(A−B)/(A+B)]に従って関係付けることにより決定され得る。このような比はビーム位置を表しており、この比を用いて、ビームを所望される位置に維持するようにコリメータの調節を制御することができる。
【0010】
上述のシステムは、焦点の移動に極めて敏感であり、焦点の位置を正確に表す信号を発生する。このように高感度且つ高精度であるので、アーティファクトの低減を改善することが容易になる。更に、このようなアーティファクトの低減は、システム経費及び処理時間を大幅に増大させることなく改善され得る。
【0011】
【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及びこれに装着された部材は、回転中心24の周りをデカルト座標系のx−y平面内で回転する。
【0012】
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が、検出器素子20からのアナログ・データをサンプリングして、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。
【0013】
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。オペレータが入力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内で移動させる。
【0014】
図3は本発明に従ったX線ビーム位置決定システム50の一実施例の模式図である。システム50は「トゥー(2)・スライス」システムであり、このシステムでは、検出器セルの2つの列52及び54を利用して投影データを取得している。検出器セル56及び58は、投影データの取得に加え、X線ビームのz軸位置を決定するためにも利用されている。
【0015】
更に具体的には、図3に示すように、X線ビーム16は、X線源14(図2)の焦点60から発している。X線ビーム16はプリ・ペイシェント・コリメータ62によってコリメートされ、コリメートされたビーム16は、検出器セル56及び58に向かって投射される。一般に「ファン・ビーム平面」と呼ばれる平面64は、焦点60の中心線と、ビーム16の中心線とを包含している。図3では、ファン・ビーム平面64は、検出器セル56及び58上の露出区域66の中心線D0 に整列している。
【0016】
検出器セル56によって出力される信号の信号強度A及び検出器セル58によって出力される信号の信号強度Bは、焦点60の位置と関係付けられる。具体的には、ファン・ビーム16の中心線64のz位置は、信号強度A及び信号強度Bを比[(A−B)/(A+B)]に従って関係付けることにより決定され得る。このような比は、計算機36(図2)によって決定され得る。次いで、測定されたz位置信号を用いてコリメータ62の位置を調節し、z平面内でのファン・ビーム16の位置を補正することができる。z位置信号を用いてコリメータの位置を調節することは、例えば本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許第4,991,189号「X線ビーム補正のためのコリメート装置」(Collimation Apparatus for X-Ray Beam Correction)に記載されているような方式で行うことができ、本特許は、その全体としてここに参照されるべきものである。
【0017】
1つの特定例として、ビーム16の中心線64が露出区域66の中心線D0 と中心合わせされていれば、セル56からの信号Aとセル58からの信号Bとは近似的に等しいであろう。従って、A−Bは近似的にゼロに等しくなる。故に、比[(A−B)/(A+B)]はゼロに等しい。従って、約ゼロの値が計算機36によって、コリメータ・トラッキング機構68に対して供給され、コリメータ62は調節されない。
【0018】
もう1つの例として、ビーム16の中心線64が検出器56の表面に入射していたら、信号Aは信号Bよりも高い値を有するであろう。従って、比[(A−B)/(A+B)]は正値になる。逆に、ビーム16の中心線64が検出器58の表面に入射していたら、信号Bは信号Aよりも高い値を有するであろう。従って、比[(A−B)/(A+B)]は負値になる。
【0019】
上述の比を用いることにより、zウェッジ検出器と対照すると、ビーム位置の測定の感度及び精度が向上し、その結果、アーティファクトの低減を更に改善することができる。具体的には、1mmのビームについての信号対雑音比、即ち所与のビーム移動に関する信号変化を量子雑音で除したものは、公知のzオフセット検出器よりも5倍良好になると考えられる。更に、このような比を用いると、システム経費及び処理時間を大幅に増大させることなくアーティファクトの低減が改善されると考えられる。
【0020】
図4(A)は、本発明に従ったもう1つの実施例であるX線ビーム位置決定システム100の単純化された模式図である。システム100における構成要素のうちシステム50(図3)における構成要素と同一のものは、図4(A)、図4(B)及び図4(C)において図3と同じ参照番号を用いて指定してある。システム100は「フォー(4)(又はクォド)・スライス」システムであり、このシステムでは、検出器セルの4つの列102、104、106及び108を利用して投影データを取得している。z位置セルとも呼ばれる検出器セル102、104、106及び108は、X線ビームのz軸位置を決定するために利用されている。
【0021】
図4(A)、図4(B)及び図4(C)を参照すると、システム50(図3)と同様に、X線ビーム16は、X線源14(図2)の焦点60から発している。X線ビーム16はプリ・ペイシェント・コリメータ62によってコリメートされ、コリメートされたビーム16は、検出器セル102、104、106及び108に向かって投射される。図4(A)に示すように、一般に「ファン・ビーム平面」と呼ばれる平面110は、焦点60の中心線と、ビーム16の中心線とを包含している。
【0022】
図4(A)では、ファン・ビーム平面110は、検出器セル102、104、106及び108上の露出区域112の中心線D0 に整列している。対向する辺縁セル102及び108は、信号強度A2及びB2をそれぞれ有する信号を発生する。同様に、対向する内側セル104及び106は、信号強度A1及びB1をそれぞれ有する信号を発生する。セル104及び106は典型的には、ビームの本影(umbra)の内部に位置しており、セル102及び108は典型的には、ビームの本影及び半影(penumbra)の両方を受け取っている。
【0023】
信号強度A1、A2、B1及びB2は、焦点60の位置に関係付けられる。具体的には、焦点60のz位置は、信号強度A1、A2、B1及びB2を差[(A2/A1)−(B2/B1)]に従って関係付けることにより決定され得る。このような差は、計算機36(図2)によって決定され得る。
1つの特定例として、引き続き図4(A)を参照すると、ビーム16の中心線110が露出区域112の中心線D0 と中心合わせされていれば、セル102からの信号A2とセル108からの信号B2とは近似的に等しく、セル104からの信号A1とセル106からの信号B1とは近似的に等しいであろう。故に、差[(A2/A1)−(B2/B1)]は近似的にゼロに等しくなる。従って、約ゼロの値が計算機36によって、コリメータ・トラッキング機構68に対して供給され、コリメータ62は調節されない。
【0024】
もう1つの例として、図4(B)を参照すると、ビーム16の中心線110がシフトして、ビーム16の大部分が図示のようにセル106及び108の表面に入射するようになると、信号強度B2は信号強度A2を上回るであろう。同様に、このシフトが十分に大きいためにセル104が溢れ(flood)なくなれば、信号強度B1は信号強度A1を上回るであろう。従って、差[(A2/A1)−(B2/B1)]は負値になる。
【0025】
図4(C)を参照すると、差[(A2/A1)−(B2/B1)]が負ならば、例えば負の値が計算機36によって、コリメータ・トラッキング機構68に対して供給され、コリメータ62は調節されて、ビーム16をより望ましい整列に引き戻す。従って、図4(C)に示すように、焦点60が露出区域112の中心線D0 に整列していなくても、ビーム16は、ビーム16の中心軸110が中心線D0 に向かうようにして、露出区域112に実質的に整列する。
【0026】
更にもう1つの実施例によれば、本実施例は図示していないが、ビーム16の中心線110がシフトして、ビーム16の大部分がセル102及び104の表面に入射するようになると、信号強度A2は信号強度B2を上回るであろう。同様に、このシフトが十分に大きいためにセル106が溢れなくなれば、信号強度A1は信号強度B1を上回るであろう。従って、差[(A2/A1)−(B2/B1)]は正値になる。例えば正の値が計算機36によって、コリメータ・トラッキング機構68に対して供給され、コリメータ62は調節されて、ビーム16をより望ましい整列に引き戻す。
【0027】
図5は、図4(A)、図4(B)及び図4(C)に示したX線ビーム位置決定システム100の更に詳細な模式図である。具体的には、図5によると、検出器(又はデータ)セル102、104、106及び108は、z軸位置(又はz検知)配列150内に設けられている。第2の配列152は、投影データを収集するために用いられている。勿論、システム100内に更なる検出器配列を用いることもできる。
【0028】
システム100を差動半影検出器システム(differential penumbra detector system)と呼ぶことができ、このシステムでは、外側のデータ・セル102及び108は、ビーム16の半影内に位置するように選択されている。内側のデータ・セル104及び106は、ビーム16の本影内に位置するように選択されている。前述のように、信号強度A1、A2、B1及びB2は、焦点60の位置に関係付けられている。具体的には、焦点60のz位置は、信号強度A1、A2、B1及びB2を差[(A2/A1)−(B2/B1)]に従って関係付けることにより決定され得る。このような差は、計算機36(図2)によって決定され得る。
【0029】
システム100の更なる利点は、ブロック(遮蔽)された信号についての性能が向上することである。具体的には、検知セル102、104、106及び108が患者の解剖学的構造によってブロックされているときに発生される位置誤差が低減する。なぜなら、ブロックする解剖学的構造は、半影セル102及び108についても、又、本影セル104及び106についても同じようにブロックするからである。従って、相対的な信号誤差が低減する。
【0030】
図6は差信号対焦点z位置を表すグラフである。このグラフは、システム100についての検出器セル応答を模擬することにより作成された。グラフに示すように、曲線の勾配が急なので、焦点がミリメータの単位で少しでも整列逸脱すれば、差[(A2/A1)−(B2/B1)]は大幅に変化する。このように高感度且つ高精度であるので、アーティファクトの低減を改善することが容易になる。更に、このようなアーティファクトの低減は、システム経費及び処理時間を大幅に増大させることなく改善され得る。
【0031】
勿論、更に一貫した焦点位置対差信号応答を得るために、セル102、104、106及び108の出力を較正することもできる。例えば、信号A1を(ga1×a1)と等しくなるように設定することができ、ここで、ga1はセル104のゲイン(利得)補正係数であり、a1はセル104によって出力される生の信号に等しい。同様に、信号B1を(gb1×b1)と等しくなるように設定することができ、ここで、gb1はセル106のゲイン補正係数であり、b1はセル106によって出力される生の信号に等しい。セル104及びセル106の両者がビーム本影によって完全に溢れているときに、A1=B1となるようにゲイン補正係数ga1及びgb1を選択すればよい。
【0032】
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。同様に、ここに記載したシステムは、トゥー・スライス、フォー・スライス及びシックス(6)・スライスのシステムであったが、あらゆるマルチ・スライス・システムを用いることができる。更に、コリメータ・トラッキング・システムについて詳述したが、あらゆる公知のコリメータ・トラッキング・システムを用いることができる。更に、あらゆる焦点再配置システム又はあらゆる検出器再配置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】本発明に従ったX線ビーム位置決定システムの一実施例の模式図である。
【図4】図4(A)、図4(B)及び図4(C)は、本発明に従ったX線ビーム位置決定システムのもう1つの実施例の模式図である。
【図5】図4(A)、図4(B)及び図4(C)に示すX線ビーム位置決定システムの更に詳細な模式図である。
【図6】差信号対焦点z位置を示すグラフである。
【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、100 X線ビーム位置決定システム
52、54、102、104、106、108 検出器セル列
56、58 検出器セル
60 焦点
62 プリ・ペイシェント・コリメータ
64、110 ファン・ビーム平面
66、112 露出区域
68 コリメータ・トラッキング機構
150 z軸位置検知配列
152 第2の配列

Claims (3)

  1. マルチ・スライス型計算機式断層写真法システム(10)においてX線ビームの位置を決定し、調整するシステム(50)であって、前記計算機式断層写真法システム(10)は、焦点(60)を有しているX線源(14)と、z軸に沿って変位した少なくとも2つの列の検出器セル(52、54)を備えるマルチスライス検出器とを含んでおり、前記X線源(14)は、z軸に沿ってX線ビームを発生しており、
    前記ビーム位置を決定し、調整するシステム(50)は、
    前記X線源(14)からのX線ビームがプリ・ペイシェント・コリメータに向かうように前記X線源(14)に対して位置決めされた調整可能な前記プリ・ペイシェント・コリメータと、
    前記コリメータと接続し、前記コリメータの位置を調整するコリメータ・トラッキング機構(68)と、
    前記検出器セル(52、54)からの信号を受け取り、前記コリメータ・トラッキング機構(68)に制御信号を供給する計算機(36)とを備えており、
    前記計算機(36)は、第1の前記列(52)に設けられた第1の検出器セル(56)と、第2の前記列(54)に設けられた第2の検出器セル(58)とから個別の信号を取得し、
    該個別の信号の強度からビーム位置を決定し、
    決定したビーム位置に基づいて前記コリメータの位置を制御する制御信号を前記コリメータ・トラッキング機構(68)に制御信号を供給するように構成されており、
    前記計算機式断層写真法システム(10)は、z軸に沿って変位した少なくとも4つの列の検出器セル(102、104、106、108)を有しており、前記ビーム位置決定システム(100)は、第1の前記列に設けられた第1の検出器(104)と、第2の前記列に設けられた第2の検出器(102)と、第3の前記列に設けられた第3の検出器(106)と、第4の前記列に設けられた第4の検出器(108)とから個別の信号を取得し、該個別の信号の強度からビーム位置を決定するように構成されており、
    前記第1の検出器(104)からの信号は、強度A1を有しており、前記第2の検出器(102)からの信号は、強度A2を有しており、前記第3の検出器(106)からの信号は、強度B1を有しており、前記第4の検出器(108)からの信号は、強度B2を有しており、
    前記強度A1、A2、B1及びB2からのビーム位置の決定は、関係式[(A2/A1)−(B2/B1)]を用いて行われているマルチ・スライス型計算機式断層写真法システム(10)においてX線ビームの位置を決定するシステム(50)。
  2. 前記第1の検出器(104)の一部は、前記第3の検出器(106)の一部に隣接しており、前記第1及び第3の検出器(104、106)は、前記X線ビームの本影の内部に実質的に位置するように配置されている請求項に記載のシステム(100)。
  3. 前記第2の検出器(102)の一部は、前記第1の検出器(104)の一部に隣接しており、前記第4の検出器(108)の一部は、前記第3の検出器(106)の一部に隣接しており、前記第2及び第4の検出器(102、108)は、前記X線ビームの半影の内部に実質的に位置するように配置されている請求項に記載のシステム(100)。
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