JP4179643B2 - Ｃｔイメージングシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＣＴ（コンピュータ断層撮影）イメージングシステムに関し、更に詳しくは二次元検出器配列体の別々のＸ線検出器からのデータの取得に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在のＣＴ（コンピュータ断層撮影）システムでは、Ｘ線源から扇状のビームを投射し、この扇状のビームを「イメージング平面」と呼ばれるデカルト座標系のｘ−ｙ平面内にあるようにコリメートする。Ｘ線ビームは医療患者のようなイメージング対象物を通過して、一列すなわち一次元配列の放射線検出器に当たる。透過放射線の強度はイメージング対象物によるＸ線ビームの減衰によって左右される。各検出器はビーム減衰の測定値である個別電気信号を発生する。すべての検出器からの減衰測定値が別々に取得されることにより、透過プロフィールが作成される。
【０００３】
従来のＣＴシステムのＸ線源および検出器配列体はイメージング平面内をガントリ上でイメージング対象物のまわりに回転するので、Ｘ線ビームがイメージング対象物と交差する角度は絶えず変化する。与えられた角度で検出配列体から得られる一群のＸ線減衰測定値は「ビュー（ｖｉｅｗ）」と呼ばれる。イメージング対象物の「走査（ｓｃａｎ）」は、Ｘ線源および検出器の一回転の間に異なる角度方向で作成される一組のビューで構成される。二次元走査では、データを処理することにより、イメージング対象物を通して取得された二次元スライスに対応する画像が構成される。二次元データから画像を再構成するために広く行われている方法は当業者によりフィルタ補正逆投影法と呼ばれている。この方法においては、走査により得られた減衰測定値が「ＣＴ数」または「ハウンズフィールド・ユニット（Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ ｕｎｉｔ）」と呼ばれる整数に変換される。陰極線管表示装置上の対応する画素の明るさを制御するために、この整数が使用される。
【０００４】
容積コンピュータ断層（ＶＣＴ）システムすなわち三次元ＣＴシステムでは、扇状ビームがｚ軸に沿っても扇状に広がり、検出器が二次元配列体として構成される。これにより、ｚ軸に沿って配置された複数のスライスについて減衰測定値が取得される。肺のイメージングなどの幾つかの用途では、スライス方向の高分解能が必要とされるので、各Ｘ線検出器のｚ軸に沿った寸法が非常に小さくなければならない。したがって、Ｘ線ビームの減衰が大きくなるような用途では、特に、各検出器からの出力信号が非常に小さくなることがある。その結果、信号対雑音比が下がって、画像品質が著しく低下することがある。この「低信号問題」に対する解決策として、データ取得システム（ＤＡＳ）で使用される前置増幅器に対する雑音についての要求条件をより厳しくし、またより効率のよいＸ線検出器技術を使用する。しかし、これらの解決策の両方とも、システムにかなりの付加的な費用がかかる。Ｘ線量を増大することにより上記問題を解決することもできるが、患者に対する放射線が増大することを考えると、これは望ましい解決策ではない。
【０００５】
【発明の概要】
本発明はＶＣＴシステムに関し、特に前置増幅器に印加する前の検出器信号の選択的組み合わせに関するものである。詳しく述べると、ＶＣＴシステムは、スライス方向に沿って配置された別々の行とインスライス（ｉｎ−ｓｌｉｃｅ）方向に沿って配置された別々の列とに配列された検出器素子の二次元配列体、Ｘ線減衰測定値を受けてディジタル化するための一組の前置増幅器およびアナログ−ディジタル変換器、ならびに各検出器素子に接続されたスイッチ集合体であって、各検出器素子によって得られたＸ線減衰測定値の上記一組の前置増幅器への印加を制御することにより、二次元配列体の隣接した行にある複数の検出器素子によって得られたＸ線減衰測定値が１つの前置増幅器に印加されるようにするスイッチ集合体を含む。
【０００６】
本発明の一般的な目的は、電子雑音が量子統計雑音に対してかなりの大きさとなって画像品質を低下させる恐れのあるＶＣＴ用途に於ける低信号問題を克服することである。この状況下では、スイッチ集合体は、隣接した検出器素子によって作成された減衰測定値を組み合わせることにより、電子チャネル雑音に対する信号レベルを増大させる。これはスライス方向の分解能を下げることがあるが、これが雑音の増大ほどの問題ではない多数の用途がある。
【０００７】
本発明のもう１つの目的は、スライス方向の分解能の損失を最小にしながら、信号対雑音比を大きくすることである。これは、１つの行の検出器素子によって得られた測定値をその両側の内の一方の側の行にある検出器素子によって得られた測定値と組み合わせた１つのビューを取得し、次いで該１つの行の検出器素子によって得られた測定値を他方の側の行にある検出器素子によって得られた測定値と組み合わせた別の１つのビューを取得することによって達成される。このサンプリング手法を、本明細書では「検出器ウォブリング（ｗｏｂｂｌｉｎｇ）」と呼ぶ。これを使用することにより、画像の分解能をあまり下げることなく低信号問題が解決される。検出器ウォブリングを焦点ウォブリングと組み合わせて使用すると、二次元投影データの最適サンプリングが行われる。
【０００８】
【好ましい実施態様の説明】
図１および図２に示すように、ＣＴシステム１０はＸ線源１２を含み、Ｘ線源１２は焦点１６からＸ線の円すい状ビーム１４を患者１８に向けて投射して二次元検出器配列体２０で受けられるように配置されている。二次元検出器配列体２０は多数の検出器素子２２を含み、これらの検出器素子２２は、患者１８を通過するＸ線１４の投影画像を検出するために互いにほぼ垂直な列と行とに配列されている。
【０００９】
Ｘ線源１２および二次元検出器配列体２０は、ガントリ２４上に対向して取り付けられ、ほぼ患者１８の中に位置している回転軸２６を中心として回転する。回転軸２６は、原点が円すい状ビーム１４の中心にあるデカルト座標系のｚ軸を構成する。したがって、この座標系のｘ軸およびｙ軸によって規定される平面は、回転平面、詳しくはガントリ２４のガントリ平面２８を規定する。
【００１０】
ガントリ２４の回転は、ガントリ平面２８内の任意の基準位置からの角度γによって測定される。角度γは０ラジアンと２πラジアン（３６０°）との間で変化する。Ｘ線の円すい状ビーム１４は、ガントリ平面２８から角度φだけ広がり且つガントリ平面２８に沿って角度θだけ広がる。二次元検出器配列体２０は、焦点１６を中心とする球の表面の一部分として配置され、その検出器素子２２は円すい状ビーム１４の角度φおよびθ全体に亘って円すい状ビーム１４の射線（ｒａｙ）を受けて該射線に沿ったＸ線強度を測定するように配列される。
【００１１】
図１に示すようにＣＴスキャナ１０の制御系は、ガントリと結合された制御モジュール３０を有している。制御モジュール３０には、電力およびタイミング信号をＸ線源１２に供給するＸ線制御器３２、ガントリ２４の回転速度および位置を制御するガントリ電動機制御器３４、およびデータ取得システム（ＤＡＳ）３６が含まれている。データ取得システムは、二次元検出器配列体２０からの投影データを受け、データを後のコンピュータ処理のためディジタル形式に変換するとともに、データを取得したときのビームの角度φ、θおよびガントリ角度γの値を保持する。Ｘ線制御器３２、ガントリ電動機制御器３４およびデータ取得システム３６はコンピュータ３８に接続されている。
【００１２】
コンピュータ３８は、後で詳細に説明するように投影データを取得して操作するようにプログラミングされた汎用ミニコンピュータである。コンピュータ３８は画像再構成器４０に接続されている。画像再構成器４０は、当業者に知られている方法に従って高速画像再構成を行う。
コンピュータ３８は操作卓４２を介して指令および走査パラメータを受ける。操作卓４２は一般に、ＣＲＴ表示装置およびキーボードであり、これにより操作者はＣＴ走査のためのパラメータを入力し、再構成された画像を表示することができる。大容量記憶装置４４が、オペレーティングプログラムを記憶するための手段を提供する。
【００１３】
特に図３に示すように検出器配列体２０は、インスライス方向に沿って延在する行に配列された検出器素子２２の二次元配列体で構成される。各行はたとえば１０００個の別々の検出器素子を有することができ、配列体２０はスライス方向に沿って配置された１６行を有することができる。検出器素子２２は、サンプル期間にわたって受けたＸ線束に比例した電気信号を生じるガスまたは固体の検出器素子とすることができる。インスライス分解能が０．５ｍｍ、スライス分解能が１．０ｍｍで、１つのスライスがシステムのアイソセンタ（ｉｓｏｃｅｎｔｅｒ）にある場合、各検出器素子２２はアイソセンタでわずか０．５ｍｍ² の面積を有するに過ぎない。その結果、特にＸ線が患者によって大きく減衰される場合には、検出器素子により得られる減衰測定値信号は非常に小さい。電子雑音が量子雑音よりずっと大きいこの「光子不足」状態は、本発明が扱う主要な問題である。
【００１４】
やはり図３に示されるように、配列体２０の１列内の各検出器素子２２はデータ取得システム３６の１つのチャネルに接続された入力リード線４６に、電子スイッチ（図示しない）を介して接続される。各チャネルには、低レベル減衰測定値を受けて増幅する前置増幅器５０、および増幅された測定値をディジタル化するアナログ−ディジタル変換器５１が含まれている。スイッチ制御器集合体５２が、検出器素子２２の対応する行の電子スイッチに接続された一組の行作動線５３を駆動する。これらの行作動線５３に生じる信号により、各行の検出器素子２２により得られた減衰測定値がデータ取得システム３６に順次印加される。これが図４（Ａ）に例示されており、相次ぐサンプル期間の間に配列体２０の各行が順次作動され、作動された行の各検出器素子２２によって得られた減衰測定値がデータ取得システム３６の１つのチャネルに印加される。
【００１５】
本発明の教示するところによれば、コンピュータ３８が制御バス５４を介してスイッチ制御器集合体５２を動作させて、異なるシーケンスで検出器配列体２０から減衰測定値を取得させ、これにより複数の隣接した検出器素子２２からの減衰測定値を組み合わせて前置増幅器５０の電子雑音レベルより十分大きいレベルまで信号を上昇させることができる。
【００１６】
たとえば、図４（Ｂ）に示す第一の走査シーケンスでは、スイッチ制御器集合体５２が各サンプル期間の間に一対の隣接した行を作動する。測定値は一度に２つづつデータ取得システム３６に印加されるので、信号レベルは２倍となり、信号対雑音比が改善される。具合の悪いことに、この方法ではスライス方向に沿った検出器素子２２の大きさが実効的に２倍になるので、スライス方向の分解能が半分に小さくなる。それにもかかわらず、光子不足が問題になる用途では、画像品質の改善は分解能の劣化を補って余りある。
【００１７】
本発明のもう１つの実施例では、画像品質の劣化を最小にしつつ、光子不足の問題に対処する。これは、２つの組のビューを取得することにより達成される。第１組のビューは、行ｎ内の検出器素子の信号を行ｎ−１内の隣接する検出器素子の信号と組み合わせることにより取得される。第２組のビューは、行ｎ内の同じ検出器素子の信号を行ｎ＋１内の隣接する検出器素子の信号と組み合わせることにより取得される。その結果、信号対雑音比を改善するために信号を組み合わせても、サンプル間の距離が僅か１つの検出器素子の部分に過ぎないので、スライス方向の分解能はあまり劣化しない。このように検出器素子の測定値を組み合わせて、各サンプルの実効位置を一方の側に動かし、次いで他方の側に動かす方法を、本明細書では「検出器ウォブリング」と呼ぶ。
【００１８】
普通の状況下では、分解能をあまり下げないで信号対雑音比をこのように改善することは、走査時間を伸ばすことなく行える。しかし、走査時間の増大を許容できるときには、検出器ウォブリングを平面内焦点ウォブリングと組み合わせることにより更なる改善を得ることができる。図６に示すように平面内焦点ウォブリングは、まずＸ線管１２上の１つの焦点Ｐ₁ から出てくる扇状ビームを使用して第１のビューを取得した後、Ｘ線管１２上の第２の焦点Ｐ₂ を使用して第２のビューを取得することにより行われる。ビュー相互間のガントリの回転は、Ｐ₁ からＰ₂ への変位がガントリの回転による変位を相殺するようにされる。したがって、２つのビューは同じビュー点から取得され、信号を組み合わせることができる。このことが図５（Ａ）に例示されており、図５（Ａ）で、「＋」は一方の焦点での測定値を示し、「０」は他方の焦点での測定値を示す。インスライス間隔すなわち検出器素子２２の「ピッチ」はＳ₁ であり、これは平面内焦点ウォブリングにより実効的に半分になる。距離Ｓ₂ は、上記のように２つの隣接した検出器素子２２からの信号を組み合わせたときのスライス方向のピッチである。平面内焦点ウォブリングの具体化についてのより詳細な説明については、ここに引用する発明の名称「焦点を動かすことができるコンピュータ断層撮影システム」の米国特許第５，１７３，８５２号明細書を参照できる。
【００１９】
検出器ウォブリングをインスライス焦点ウォブリングと組み合わせたとき、システムのサンプリング周波数はスライス方向でもインスライス方向でも２倍になる。また図５（Ｂ）に示すような「斜めウォブリング」により、二次元投影をサンプリングするための最も一様な方法が提供される。したがって、コンピュータ３８の指令のもとにスイッチ制御器集合体５２を動作させることにより、各走査に対する特定の必要条件に合うように信号の強さおよび検出器の分解能を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴイメージングシステムの概略ブロック図である。
【図２】本発明を用いることができるＣＴイメージングシステムの絵画的な斜視図である。
【図３】図２のＣＴイメージングシステムの一部を構成するデータ取得システム（ＤＡＳ）の電気ブロック図である。
【図４】図３のデータ取得システム（ＤＡＳ）がどのように検出器配列体の素子を走査するかを示す説明図である。
【図５】焦点ウォブリングを単独で、また本発明による検出器ウォブリングと組み合わせて用いるときに生じるサンプリングパターンを表す説明図である。
【図６】焦点ウォブリングがどのように実行されるかを示す説明図である。
【符号の説明】
１０ ＣＴシステム
１２ Ｘ線源
２０ 二次元検出器配列体
２２ 検出器素子
３６ データ取得システム
３８ コンピュータ
５０ 前置増幅器
５１ アナログーディジタル変換器
５２ スイッチ制御器集合体
５３ 行作動線

Claims (2)

1. ＣＴイメージングシステムであって、
   Ｘ線源から出てくる光子を受けて、それに比例したアナログの電気信号を発生するための検出器素子の二次元配列体であって、インスライス方向を形成する行とスライス方向を形成する列とに上記検出器素子が配列されている二次元配列体、
   上記二次元配列体の対応する列の検出器素子によって発生されたアナログの電気信号を受けるように接続された一組の前置増幅器を有するディジタル取得システム、
   行作動線を介して上記二次元配列体に接続されたスイッチ集合体であって、制御信号に応動して選択的に１つ以上の行の検出器素子を作動して、それらの電気信号を対応する前置増幅器に印加させるスイッチ集合体、および
   一連のビューで構成される走査を前記ＣＴイメージングシステムに遂行させるコンピュータ手段とを含み、
   各列における検出器素子の連続した行の組の電気信号が列に対応する前置増幅器に同時に印加されるように、前記スイッチ集合体が動作し、
   第１組のビューを取得するために、各列における検出器素子の行ｎ−１の組及び行ｎの組の電気信号が列に対応する前置増幅器に同時に印加され、第２組のビューを取得するために、各列における検出器素子の行ｎの組及び行ｎ＋１の組の電気信号が列に対応する前置増幅器に同時に印加されるように、前記スイッチ集合体が動作する、
   ＣＴイメージングシステム。
2. 上記Ｘ線源が光子を放出する２つの焦点（Ｐ１，Ｐ２）を有し、上記コンピュータ手段が、これらの２つの焦点から交互に出て来る光子群で相次ぐビューを取得し、前記第１の焦点Ｐ１から前記第２の焦点Ｐ２への変位を前記Ｘ線源及び前記二次元配列体が取り付けられたガントリの回転による変位により相殺する平面内焦点ウォブリングを行うように、走査の際に前記Ｘ線源を動作させる請求項１記載のＣＴイメージングシステム。

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