JP4245685B2 - 診断用像形成方法及び装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、診断用の像形成に係る。本発明は、特に、リアルタイム三次元コンピュータ断層撮影像形成の表示に関連して適用されるもので、特にこれについて説明する。
【０００２】
【従来の技術】
心臓カテーテル手法のための手術室のようなある手術室では、投影Ｘ線像形成装置が手術台に関連して設けられる。より詳細には、Ｘ線管即ち発生器とＸ線検出器がＣ字型アームに取り付けられ、このＣ字型アームは、これらＸ線源と検出器との間に患者が通過するように取り付けられる。Ｘ線源及び検出器は、１つのユニットとして回転可能で且つ長手方向に変位することができ、投影像形成のための領域と角度が選択される。外科医がＸ線源及び検出器を適切な位置に配置すると、外科医は、Ｘ線を患者を通してＸ線検出器へ所定の露出時間中送給するようにＸ線管を操作する。検出器で受け取られたＸ線は、投影又は影絵像の電子的な映像データに変換される。投影又は影絵像は、医師が見ることのできるビデオモニタに表示される。
【０００３】
心臓カテーテル手法では、像形成に先立ち、Ｘ線不透過染料が患者の血液中に放出される。これにより得られる影絵像は、血管を黒く示す。血管内のカテーテルについての他の像も形成される。より詳細には、外科医は、カテーテルを患者の中に進め、その手法を停止し、そしてＸ線画像を撮影する。Ｘ線は、数秒以内に電子投影像に変換されて表示される。次いで、外科医は、投影像から、再びその手法を停止して新たな像を発生する前にカテーテルを更にどれほど進ませるかを判断する。外科医が最も新しく形成された投影像とその前の像との両方を見ることができるように多数のモニタがしばしば設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらＸ線システムの１つの欠点は、得られる像が投影像又は影絵像であることである。即ち、患者の全像領域がＸ線検出器に投影され、そして像領域全体が単一の平面に圧縮される。更に詳細な診断像が要求される場合には、そのような像は、施設の別の部分に配置されたＣＴスキャナ又は磁気共鳴像形成装置でしばしば撮影される。従って、三次元の診断像は、一般に、外科手順を開始する若干前に発生される。患者は、更に別の像形成のためにＣＴ又はＭＲＩ装置へ搬送されねばならないので、更に別の像は、一般に、手術中には撮影されない。
【０００５】
Ｃ字型磁石の磁気共鳴像形成装置を手術室内に用いることが提案されている。磁気共鳴像形成装置は、三次元診断像を発生するのに使用される。この診断像に基づき、生検のような外科手術手順が開始される。この生検手順の間に時々付加的な三次元診断像を発生して、患者への生検針の進みを監視することができる。より一般的には、生検針の進みは、診断像とは独立して監視される。針の像は、診断像に重畳される。針が進むにつれて、重畳した像は、適切な位置に針を表示するように電子的に変更される。オペレータが生検手順を前もってプランニングしそして三次元電子データを介して種々の外科手術経路を電子的に試みることのできる種々の軌道プランニングパッケージが提案されている。
【０００６】
この磁気共鳴システムの１つの欠点は、外科手術が現場で即ち強い磁界の中で行われるか、又は患者が磁界中の像形成位置と磁界から離れた外科手術位置との間を前後に移動されることである。
【０００７】
ＭＲＩスキャナではなくてＣＴスキャナを用いて手術室内で診断像を発生することも提案されている。しかしながら、ＣＴスキャナを動作して診断像を得るときには、患者が著しい量の放射線を受ける。生検又は他の外科手術手順の進行を監視するために診断像形成手順が何回も繰り返された場合には、患者が高い累積放射線量を受けることになる。更に、外科医及びオペレータの安全のために、手術室にいる外科医又は他の人間がＸ線不透過シールドの後方に移動する間に外科手術手順が中断される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの特徴によれば、ＣＴスキャナが設けられる。Ｘ線源は、像形成体積の一部分を通して円錐状の放射線ビームを発生する。Ｘ線源から像形成体積を横切って配置された二次元の検出器アレーは、像形成体積を横断したＸ線を受け取り、そしてそのＸ線をデジタルデータへと変換する。回転駆動装置は少なくともＸ線源を像形成体積のまわりで回転し、そして直線駆動装置は患者支持体とＸ線源を互いに対して長手方向に移動する。このようにして、円錐状の放射線ビームが像形成体積のまわりを螺旋状に進む。再構成プロセッサは、二次元アレーからのデータを体積像表示へと再構成し、これは、体積診断像メモリに記憶される。メモリアクセス回路は、この診断像メモリをアクセスし、選択された像データを、人間が読めるモニタに表示するために引き出す。
【０００９】
本発明の別の特徴によれば、診断像形成方法が提供される。扇状の放射線ビームが像形成領域のまわりで回転されそして長手方向に変位され、円錐状ビームの頂点が像形成領域に対して螺旋経路を移動するようにされる。円錐状の放射線ビームが検出されて、二次元の像データへと変換される。この像データは、像形成領域における対象物の一部分の体積像表示へと再構成される。この体積像表示の一部分が読み出されて、人間が読み取れる表示へと変換される。体積像表示は、回転、検出及び再構成段階と同時に読み出されて、体積像表示がリアルタイムで更新されそして読み出されるようにされる。
本発明の１つの効果は、像をリアルタイムで発生できることである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による診断用の像形成に使用されるＣＴスキャナは、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。
体積ＣＴスキャナ組立体１０は、円錐状の放射線ビーム１４を発生するＸ線管１２を備えている。この円錐状の放射線ビームは、対象者の像形成領域を通過した後に、二次元検出器アレー１６に当たる。この二次元検出器アレーは、好ましくは、検出素子の二次元アレーを含み、その各々は、受け取った放射線の強度をそれに対応するデータ信号へと変換する。Ｘ線管１２及び放射線検出器１６は、共通のガントリ１８に取り付けられる。モータ２０は、ガントリを好ましくは連続的に回転する。位置エンコーダ２２は、回転中に像形成領域に対するＸ線源及び検出器の角度位置を表す一連の位置出力を発生する。
【００１１】
対象者は、患者支持体即ち寝台に載せられる。駆動モータ２６は、患者支持体２４及びガントリ１８を互いに対して長手方向に移動する。モータ２６が患者支持体を移動するときは、患者支持体は、患者が出入りに便利なように容易に位置設定される。一方、モータ２６がガントリ１８を患者支持体に対して移動するように取り付けられるときは、患者支持体は、患者に対して行われる介入外科手術手順を簡単にするために走査中に静止状態に保たれる。好ましくは、モータ２６は、円錐状の放射線ビームが患者に対して螺旋経路を進むように像形成中に患者支持体とガントリとの間に繰り返しの前後の長手方向移動を生じさせる。この繰り返しの長手方向移動が短いときは、進行中の介入手順と同時に患者を像形成することができる。このようにして、長手方向に細長い像形成領域２８が画成される。
【００１２】
像再構成プロセッサアレー３０は、検出器アレー１６からの電子データを体積像表示へと再構成し、これは、対象者の体積像メモリ３２に記憶される。好ましい実施形態においては、検出器アレー１６は、検出器の二次元方形格子である。患者の軸に垂直な各線にある検出器が単一の切片を効果的に検出する。回転及び長手方向移動中に、この切片は、当然、螺旋経路に沿って移動する。前処理回路３４は、検出器からのデータに対してフィルタ及び他の従来の前処理を実行し、そして検出器を切片により再構成プロセッサアレー３０の個々の再構成プロセッサ３０1 、３０2 ・・・３０n へと分類する。プロセッサの各々は、再構成された像情報を同じ体積メモリ３２に記憶する。各再構成プロセッサは、他のプロセッサにより再構成される領域に重畳する螺旋領域からのデータを再構成することを理解されたい。複数のプロセッサからの再構成されたデータが合成されて、体積像の各ピクセルが形成される。同じ体積メモリへの多数のアクセスを容易にするために、体積メモリは、高速マルチアクセスのビデオメモリであるのが好ましい。２つのプロセッサが同じメモリセルに同時に書き込むのを防止するために各プロセッサからのデータを一時的に記憶するバッファが意図される。螺旋型ＣＴスキャナ組立体からのデータを三次元の体積診断像へと再構成するのに適した再構成アルゴリズムが、米国特許第５，３９６，４１８号；第５，４８５，４９３号；及び第５，５４４，２１２号と、米国特許出願第０８／４９７，２９６号とに開示されている。多数の再構成プロセッサ間におけるデータの他の振り分けも意図される。
【００１３】
介入外科手術のために、付加的な三次元診断像が発生される。特に、好ましい実施形態については、外科手術用器具の三次元像が発生され、これらの像が診断像に重畳される。介入外科手術用の器具は、一般に、比較的高いＸ線阻止能力をもつ金属又は他の材料で構成され、そしてこれら器具は形状が比較的簡単で且つ人間の解剖学的部位より構造的な複雑さが著しく低いので、相当に低い解像度のＸ線像形成技術でも使用できる。特に、好ましい実施形態では、Ｘ線管制御器４０が、Ｘ線管１２を選択された間隔でオン及びオフにゲート作動する。好ましい実施形態においては、Ｘ線管は、１秒当たり約１２回オン及びオフにゲート作動される。ガントリ１８が１回転当たり０．５秒で回転するときには、Ｘ線管が、対象者のまわりで約６０°ごとにオンにゲート作動される。更に、Ｘ線管制御器４０は、著しく低いパワー設定でＸ線管を動作する。パワー設定値は、選択された外科手術器具の三次元像表示を再構成するに充分な解像度を与える考えられる最低のパワーに選択される。
【００１４】
生検針ガイド４４及び生検針４６のような外科手術器具４２は、患者支持体に取り付けられる。ガイドを多数の角度方向のいずれか１つに配置できそして挿入尖端（通常はガイドの一端）を対象者のまわりで自由に選択できるように、適当な機械的相互接続が与えられる。針が動くときを監視するために運動検出器４８が生検針に関連して取り付けられる。運動に従属するＸ線管ゲート作動制御回路５０は、外科手術用器具が例えば１秒の選択された時間中動かなかったときに、Ｘ線管制御器４０がＸ線管をオンにゲート作動するのを阻止する。更に、ゲート作動制御器５０は、外科手術器具の動きの最新の速度を決定する。器具がゆっくりと動くときは、ゲート作動制御器５０は、制御回路４０がＸ線管をあまり頻繁にオンにゲート作動しないようにし、例えば、Ｘ線管が１つおきの６０°位置でオンにゲート作動されるのを防止する。
【００１５】
Ｘ線管がオンにゲート作動されるたびに、前処理回路３４は、Ｘ線検出器アレーをサンプリングし、そして再構成プロセッサのアレーへデータを供給する。任意であるが、スレッシュホールドフィルタ５２がデータをフィルタする。より詳細には、この再構成プロセスは、外科手術用器具のみの像を再構成して、解剖学的情報に重畳するものである。解剖学的情報の再構成は、効果的でない。というのは、高解像度の既に発生された解剖学的診断像に重畳するための過剰な情報を形成することになるからである。従って、外科手術器具を透過しないＸ線がゼロ又は基線データ値に設定された出力値をもつようにスレッシュホールドが設定される。再構成プロセッサ３０のアレーは、外科手術器具の三次元像表示を再構成し、この像表示は、約１／１２秒ごとにＸ線管がオンにゲート作動されるたびに更新される。最新の再構成された器具像表示が、器具の体積像メモリ５４に記憶される。
【００１６】
別の選択肢として、Ｘ線管を６０°又は他の間隔で全パワーでパルス付勢し、生理学的体積メモリ３２を更新するための生理学的診断データを発生することができる。生理学的データメモリの更新は、例えば、循環系の閉塞を取り除く手順又はＸ線で測定可能な生理学的変化を生じさせる他の介入手順に適用することができる。
【００１７】
スレッシュホールド回路５６は、器具メモリの再構成像における器具に起因しない何らかの生理学的情報、人工産物又は他の情報を除去する。軌道回路５８は外科手術器具の軌道を計算する。再び生検針の例に戻ると、ガイドにおける生検針の位置は、その軌道を直線に固定する。軌道回路は、直線に続いて生検針の中心を投影し、そして軌道表示、例えば生検針の前から延びる異なるカラーの破線又は実線を形成する。
【００１８】
診断像選択プロセッサ６０は、オペレータにより表示像の特性を選択するのに使用される。例えば、オペレータは、この技術で知られたように、表示されるべき患者を通る切片、軌道に平行な切片、軌道に直交する切片、３つの直交軸に沿った１組の整合された切片、カーブした切断平面を通る切片、三次元レンダリング等を選択することができる。像選択回路６０は、一対のメモリ読み取り回路６２ａ、６２ｂが診断像メモリ３２及び器具体積メモリ５４の対応するボクセルから像データを読み取るようにさせる。像重畳回路６４は、生理学的像と、器具像と、軌道とを合成する。映像プロセッサ６６は、合成された像を、ビデオモニタ６８に表示するための適当なフォーマットに変換する。好ましくは、トラックボール７０又は他のデータ入力装置が像選択プロセッサ６０に接続され、オペレータが選択された切片、切片の向き等を素早く切り換えられるようにする。
【００１９】
好ましくは、軌道回路５８は軌道を投影し、そして診断ゲージを与える。より詳細には、ＣＴスキャナシステム１０の既知の大きさから、軌道回路は、軌道に沿った距離を例えばｍｍで決定する。トラックボール７０を用いて、オペレータは、軌道に沿った点を指定し、そして投影回路は、生検針又は他の外科手術器具の端からその指定された点までの距離を決定し、そしてこの距離をビデオモニタ６８に表示する。
【００２０】
別の選択肢として、像セレクタ６０は、更にオペレータが目標の生理学的構造体を選択しそして指定できるようにする。より詳細には、像選択回路は、選択された切片又は他の像を呼び出す。オペレータは、トラックボールを用いて、目標とする生理学的構造体、例えば、生検されるべき腫瘍へとカーソルを移動する。指定された目標ボクセルのＣＴ番号が像セレクタプロセッサ６０により検索される。領域成長回路８０は、生理学的像メモリの指定の目標ボクセルに対する各隣接ボクセルをその検索されたＣＴ番号と比較し、それが実質的に同じＣＴ番号を有するかどうか決定する。各ボクセルに対する隣接ボクセルを実質的に同じＣＴ番号でチェックすることにより、領域成長プロセッサ８０は、全て実質的に同じＣＴ番号を有するボクセルのグループを三次元で決定する。同じＣＴ番号をもつ組織が仮定され、オペレータオーバーライドを受け、共通の生理学的エンティティとされる。目標着色回路８２は、領域成長プロセッサ８０により指定されたピクセルが独特のカラーで表示されるようにする。このようにして、目標とする生理学的エンティティが外科医に対して容易に識別される。
【００２１】
患者の像と器具の像との整列を確保するために、複数の放射線不透過マーカーが患者に固定されるのが好ましい。３つの金属ビードのようなマーカーは、生理学的及び器具の両方の再構成像においてはっきり見える。ビードを形成する材料は既知であるから、それらの放射線吸収特性も既知である。従って、生理学的像及び器具の像は、マーカーを位置決めするように容易にスレッシュホールド処理することができる。像整列プロセッサ７２は、２つの像におけるマーカーの位置を比較する。マーカーが整列ずれしていることを像整列アルゴリズムが見つけると、メモリ読み取り回路６２ａ及び６２ｂで読み取られるアドレスを適当なオフセット又は回転で調整する。このようにして、たとえ対象者が動いても、器具の像は、像データと自動的に整列保持される。
【００２２】
これらのマーカーの使用は、生理学的診断像を器具像とは異なる時間又は場所で得ることができるようにする。同様に、他の像形成様式及びＸ線において見ることのできるマーカーは、磁気共鳴、超音波、原子核、Ｘ線及び他の形式の像のような他の形式の像形成装置で診断像を発生できるようにする。同様に、他の像形成様式で発生された診断像は、第３の体積メモリに記憶することができる。従って、像制御器６０は、同時表示のために他の像と同時に他の像形成様式に対し体積メモリから対応する像を引き出す。器具像は、他の像形成様式の診断像及び螺旋式ＣＴ診断像に重畳することができる。
【００２３】
外科手術の場所で外科医に多数の像を与えると共に、離れた場所に像を与えるために、付加的なメモリ読み取り回路、ビデオ回路及びモニタを設けることができる。
別の選択肢として、時間を第４の次元として四次元のデータを記憶するように診断メモリ３２が大型化される。このようにして、同じ体積領域の一連の時間的に変位した像が発生されて記憶される。従って、オペレータは、共通の選択された切片又は他の表示フォーマットの一連の時間的に変位した像を映画形態で表示することができる。このような時間に従属した映画式の像形成は、血管造影に特に効果的である。
ここに述べた三次元ＣＴ型蛍光透視の実施形態の効果は、映画式の像形成シーケンスを発生でき、低い放射線線量が可能となり、そしてＸ線蛍光透視、ＣＴ、ＭＲ、原子核及び超音波像形成技術からの像との適合性が得られることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による像形成システムを示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 体積ＣＴスキャナ組立体
１２ Ｘ線管
１４ 円錐状の放射線ビーム
１６ 二次元検出器アレー
１８ ガントリ
２０ モータ
２２ 位置エンコーダ
２４ 患者支持体
２６ 駆動モータ
３０ 像再構成プロセッサアレー
３２ 対象者の体積像メモリ
３４ 前処理回路
４０ Ｘ線管制御器
４２ 外科手術用の器具
４４ 生検針ガイド
４６ 生検針
４８ 運動検出器
５０ ゲート作動制御器
５２ スレッシュホールドフィルタ
５４ 器具の体積像メモリ
６０ 診断像選択プロセッサ
６４ 像重畳回路
７０ トラックボール

Claims (9)

  1. ＣＴスキャナの動作を制御手段によって制御する方法であって、
    Ｘ線源(12)を制御することによって、円錐状の放射線ビームを発生する段階と；
    駆動手段(20，26)を制御することによって、像形成領域のまわりで円錐状の放射線ビームを回転し且つ長手方向に変位して、円錐状ビームの頂点が螺旋経路を進むようにする段階と；
    Ｘ線検出手段(16)を制御することによって、像形成領域を横断した円錐状の放射線ビームを検出して、それを、電子データへと変換する段階と；
    再構成手段(30)を制御することによって、上記電子データを像形成領域における対象物の第１の体積像表示へと再構成する段階と；
    第１の記憶手段 (32) を制御することによって、上記再構成された第１の体積像表示を記憶する段階と；
    駆動手段(20，26)を制御することによって、外科手術用の器具を像形成領域へ移動した後、像形成領域のまわりで円錐状の放射線ビームを回転する段階と；
    Ｘ線検出手段(16)を制御することによって、付加的な電子データを発生する段階と；
    再構成手段(30)を制御することによって、上記付加的な電子データを上記器具の第２の体積像表示へと再構成する段階と；
    第２の記憶手段 (54) を制御することによって、上記再構成された第２の体積像表示を記憶する段階と；
    読み取り手段(62)を制御することによって、上記第２の体積像表示を上記第２の記憶手段 (54) から読み出す段階と；
    読み取り手段(62)を制御することによって、上記読み出された第２の体積像表示に対応する第１の体積像表示の一部分を、上記第１の記憶手段 (32) から読み出す段階と；
    重畳手段(64)を制御することによって、上記第１及び第２の体積像表示の上記読み出された部分を重畳する段階と；
    プロセッサ及び表示手段(66，68)を制御することによって、上記重畳された部分を人間が見ることのできるビデオ表示の形態へと変換する段階と；
    を備え、
    上記第２の体積表示が、上記回転、発生及び再構成段階と同時に読み出され、それによって、上記第２の体積表示がリアルタイムで更新されそして読み出されることを特徴とする方法。
  2. 上記付加的な電子データを発生するときに、上記円錐状の放射線ビームは、像形成領域のまわりを回転するにつれて、上記Ｘ線源(12)を制御することによって周期的にオン及びオフにゲート作動されて、器具の体積表示を更新し、これにより、対象物の像及びそれに重畳する外科手術器具の像の上記人間が見ることのできるビデオ表示は、対象物の像形成領域を通る外科手術器具のリアルタイムの動きを反映する請求項１に記載の方法。
  3. 上記駆動手段(20，26)を制御することによって、上記像形成領域のまわりの螺旋経路に沿った円錐状の放射線ビームの回転を、選択された時間中継続し；その選択された時間中に、上記再構成手段(30)を制御することによって、電子データを時間的に変位された一連の体積像へと再構成し；上記プロセッサ及び表示手段(66，68)を制御することによって、上記時間的に変位された体積像各々の対応する選択された領域を人間が見ることのできるビデオ表示の形態で順次に表示して、時間に伴う像形成体積内の変化を示す映画式の表示を発生するという段階を備えた請求項１又は２に記載の方法。
  4. 像セレクタ(60)を制御することによって、人間が見ることのできるビデオ表示のボクセルを目標領域として識別し；領域成長手段(80)を制御することによって、三次元像の隣接ボクセルを同じ物質のボクセルについて検査し；上記プロセッサ及び表示手段(66，68)を制御することによって、同じ物質の隣接ボクセルを独特のカラーで人間が見ることのできるビデオ表示の形態で表示して、それにより、表示された像において、対象物内の目標物質をカラーで指示するという段階を備えた請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
  5. 像形成体積(28)のまわりで少なくともＸ線源(12)を回転するための回転駆動装置(20)と、Ｘ線源が像形成体積のまわりで螺旋経路を進むように患者支持体(24)及びＸ線源を互いに対して長手方向に移動するための直線駆動装置(26)と、Ｘ線源から像形成体積を横切って配置され、像形成体積を横断したＸ線を受け取ってそのＸ線をデジタルデータに変換するための検出器アレー(16)と、この検出器アレーからのデジタルデータを像表示へと再構成するための再構成プロセッサ(30)と、その像表示を記憶するための診断像メモリ(32)と、この診断像メモリにアクセスしてそこから選択された像データを引き出し、人間が見ることのできるビデオ表示モニタに表示するためのメモリアクセス回路(62a) とを備え、
    上記Ｘ線源(12)は、像形成体積(28)を通過する円錐状の放射線ビーム(14)を発生し、この円錐状ビームは、像形成体積を螺旋状に進んで、検出器アレー(16)により検出され、体積像表示へと再構成され、
    更に、上記検出器アレーによって検出され上記再構成プロセッサによって再構成されることによって得られた侵襲的外科手術器具の三次元像を記憶するための三次元器具メモリ(54)と、この三次元器具メモリから選択された像データをアクセスするためのメモリアクセス回路(62b) と、上記器具メモリ及び診断像メモリから検索された像を重畳して、診断像上に外科手術用器具が重畳された像を形成するための像合成回路(64)とを備えることを特徴とするＣＴスキャナ。
  6. 第１の予め選択された高い強度のＸ線と、第２の予め選択された低い強度のＸ線とを上記Ｘ線源が選択的に発生するようにさせるＸ線源制御器(40)を備え、第１の高い強度のＸ線は、像形成領域に配置された患者の一部分の診断像データを発生するのに適した強度であり、そして第２の選択された低い強度は、像形成体積に配置された外科手術用器具(46)の三次元像を発生するのに適したものである請求項５に記載の装置。
  7. 対象物に固定されそして器具像及び診断像の両方において再構成される少なくとも３つの整列素子と、これら整列素子が実質的に重畳するように器具像及び診断像を整列させる整列プロセッサ(72)とを備えた請求項５又は６に記載の装置。
  8. 像形成領域の対象物が間欠的放射のみを受けるようにＸ線管をある間隔でオン及びオフに選択的にゲート作動するＸ線管制御器(50)を更に備えた請求項５ないし７のいずれか１つに記載の装置。
  9. 並列接続された複数の再構成プロセッサ(301,302..30 n) を更に備え、これら複数の再構成プロセッサは、体積診断像メモリに記憶するために共通の体積像表示を再構成し、そして更に、上記二次元検出器アレーからのデジタルデータを再構成プロセッサ間に振り分ける前処理回路(34)を備えた請求項５ないし８のいずれか１つに記載の装置。
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