JP4248050B2

JP4248050B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置

Info

Publication number: JP4248050B2
Application number: JP25421798A
Authority: JP
Inventors: 克行田口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2018-09-08
Also published as: JP2000083941A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体の断層像データをマルチスライスで得ることのできるＸ線コンピュータ断層撮影装置（以下、ＣＴスキャナと略称する）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＣＴスキャナは、図１１に示すように、扇状のＸ線ビーム（ファンビーム）を発生するＸ線焦点と、ファン状あるいは直線状に複数の検出素子を１列に並べた検出器とを有するいわゆるシングルスライス型ＣＴスキャナが主流である。このＸ線焦点と検出器とを一体として被検体の周囲を回転させながら被検体を通過したＸ線の強度データを検出素子の配列に従って並べたいわゆる投影データを、複数回、例えば１回転で１０００回収集する。この１周分の投影データから断層像データを再構成する。
【０００３】
このようなシングルスライス型ＣＴスキャナよりも広範囲から高速に投影データを収集したいという要求に答えて発明されたのがマルチスライスＣＴスキャナである。このマルチスライスＣＴスキャナでは、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、検出素子列が２列、４列、８列というように複数列備えられていることと、Ｘ線焦点からコーン角の大きなコーンビームが被検体に照射されることとを特徴としている。
【０００４】
上述したシングルスライス型では、投影データを収集しながら、それと同時に再構成処理を行い画像表示をするというリアルタイム処理が、近年、実用化されている。これは、一般的に、ＣＴ透視と呼ばれているものである。
【０００５】
このＣＴ透視は、Ｘ線テレビションシステムと同様に、カテーテル術や、病理検査による鑑別診断のために腫瘍などのターゲットに穿刺針を刺して細胞を採取する針生検術（図１３参照）、さらには、放射線を先端から放射するマイクロニードルを患者に差し込んで患部に近くから放射線照射を行うような放射線手術等に併用してその精度や効率を高めることができるものとして期待されている。
【０００６】
しかし、シングルスライス型ＣＴスキャナでは、スライス面に対して直交する向きに関する針のずれを提供できないので、図１４（ｂ）に示すように断層像上では、ターゲットに針が到達していないで、そのまま針を進入させていけばターゲットに到達するかのように見えてしまうが、実際には、図１４（ａ）に示すように、ターゲットから針が完全にずれてしまっているという事態が起こり得るといった不具合がある。
【０００７】
このような事態を回避するためには、図１５（ａ）に示すように、肋骨などの障害物により針を患者に対して斜めに刺したいときには、図１５（ｂ）に示すように、断層像で針全体を捕らえられるように寝台を傾けるか又は架台を傾斜させることでスライス面を傾けることが行われている。
【０００８】
しかし、傾斜角や作業空間などのさまざまな制約があり、図１５（ｂ）に示すような姿勢を確保できないこともしばしばである。
このようにどうしてもスライス面に対して針を斜めに進めるしかない場合には、図１６に示すように、スライス面と交差する針の一部分を捕らえることしかできない。このため、実際に針がターゲットに正しく向かっているか否かの判断は非常に曖昧になる傾向があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、マルチスライス型のＸ線コンピュータ断層撮影装置において、マルチスライス面に対して斜めに穿刺や治療のための針を進めるときに今の針の位置及び進入方向のままで針がターゲットに到達するか否かを術者が正確に且つ簡易に判断し得る情報を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被検体に関する投影データを多方向から収集し、この投影データに基づいて３次元ボリュームデータ及び断層像データを再構成し表示するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、穿刺針が到達しているスライスでない他のスライスにおける前記穿刺針の到達位置を前記３次元ボリュームデータに基づいて予測する手段と、前記他のスライスに関して再構成された断層像データと、前記穿刺針の到達予測位置を表すマーカデータとを、前記予測した位置に従って合成して表示する手段とを具備する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置を好ましい実施形態により詳細に説明する。なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置には、Ｘ線管と検出器とが１体として被検体の周囲を回転する第３世代と呼ばれるROTATE/ROTATE-TYPE、リング状にアレイされた多数の検出素子が固定され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転する第４世代と呼ばれるSTATIONARY/ROTATE-TYPE等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めているROTATE/ROTATE-TYPEとして説明する。
（第１実施形態）
図１に第１実施形態によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す。Ｘ線管２１と検出器２３とは互いに対向して回転リング２５に登載されている。この回転リング２５は、架台・寝台制御部１３の制御により、定速回転する。尚、説明の便宜上、回転リング２５の回転軸をＺ軸、回転軸に直交する水平軸をＸ軸、回転軸に直交する垂直軸をＹ軸とそれぞれ定義するものとする。
【００１２】
Ｘ線管２１は、Ｘ線制御装置１７に制御される高電圧発生装置１９から高電圧の供給を受けると、Ｘ線を四角錐形に放射するように構成されている。また、検出器２３は、同時に複数スライス分の投影データを検出できるマルチスライス対応であり、例えば図１２に示したように複数の検出素子列が、回転リング２５の回転軸に沿って並列されてなる。ここでは、検出器２３は、１０個の検出素子列から構成されている、つまり被検体の周囲を１周する間に、１０枚のスライスに関する投影データを収集することができるようになっていると仮定する。
【００１３】
データ収集時には、回転リング２５の内側のＦＯＶ(Field of View) に、寝台１６の上に載置された状態で被検体が挿入される。寝台１６は、架台・寝台制御部１３に制御される寝台移動部１５により、Ｚ軸に沿って移動することができるように構成されている。
【００１４】
上記検出器２３には、一般的にＤＡＳ(data acquisition system) と呼ばれているデータ収集部２７が接続されている。このデータ収集部２７は、検出器２２３から周期的に出力される投影データを収集する。この投影データは、投影データ記憶装置２９に一時記憶される。
【００１５】
この投影データ記憶装置２９に記憶されている投影データに基づいて、マルチスライスの１０枚分の断層像データが画像再構成部３１で再構成される。この断層像データは、表示部３５と共に、到達位置予測部３３にも送られる。この投影データの収集から、断層像データの再構成を経て、表示に至るまでの一連の動きは、システム制御部１１の統括的な制御により、実時間動作、いわゆるＣＴ透視で行われる。
【００１６】
到達位置予測部３３は、本実施形態で特徴的な構成要素である。以下に、この到達位置予測部３３の機能及び動作について詳細に説明する。ここでは、病理検査による鑑別診断のために腫瘍などのターゲットに穿刺針を刺してその細胞を採取する針生検術を、ＣＴ透視のもとで行うケースを仮定する。このケースは、被検体は寝台１６の上に載置され、ＦＯＶ内に挿入されていて、この被検体の横に術者が立っているという状況で行われる。まず、術者は、図２に示すように、被検体の体外に穿刺針を保持し、穿刺針をターゲットに対して大まかに位置決めをし、この状態で静止して、ＣＴ透視を実行する。これにより、画像再構成部３１で再構成されたスライスＳ１〜Ｓ１０各々の断層像データが、到達位置予測部３３に送られる。
【００１７】
到達位置予測部３３では、まず、スライスＳ１〜Ｓ１０各々の断層像データに対して所定のしきい値でしきい値処理が行われ、しきい値以上のＣＴ値を持つ画素に値１が与えられ、しきい値未満のＣＴ値を持つ画素に値０が与えられる。しきい値を適当に設定することにより、穿刺針の領域を、画素値１の領域として抽出することができる（図３（ａ）参照）。針は吸収係数が軟部組織や骨等よりも著しく高いので、穿刺針の領域を高精度に抽出できるように、しきい値を設定することは比較的容易である。ここでは、４枚のスライスＳ１〜Ｓ４各々の断層像データから、針領域が抽出されている。
【００１８】
次に、到達位置予測部３３では、図３（ｂ）に示すように、４枚のスライスＳ１〜Ｓ４各々の断層像データから抽出した針領域を細線化し、得られた４つの線分各々の中点のＸＹ座標を計算する。この４つの中点の座標を、Ｇ１(X(1),Y(1)) 〜Ｇ４(X(4),Y(4)) と表す。なお、中点に代えて、図４に示すように、４枚のスライスＳ１〜Ｓ４の断層像データから抽出した針領域Ｒの重心ＧR を採用してもよく、この場合、細線化処理が不要になる。あるいは、針領域の一端又は両端の座標を採用してもよい。このとき、針の進行方向を入力しておけば、それに対向した端部に設定できる。
【００１９】
次に、到達位置予測部３３では、４つの中点Ｇ１(X(1),Y(1)) 〜Ｇ４(X(4),Y(4)) の列から、穿刺針の進入方向を計算する。具体的には、４つの中点Ｇ１(X(1),Y(1)) 〜Ｇ４(X(4),Y(4)) から最小２乗法により、あるいは両端のスライスＳ１の中点Ｇ１(X(1),Y(1)) とスライスＳ４の中点Ｇ４(X(4),Y(4)) とを結ぶ方法などにより、４つの中点の列を直線（図５（ａ）の点線）で近似する。なお、変形例としては、予め入力してある針形状に合わせて高次曲線で近似するようにしてもよい。
【００２０】
次に、この直線近似により得られた直線方程式から、当該近似直線が任意に設定した再構成領域ＲＲの外枠と交差する点ａ，ｂ各々の座標Ｇａ(X(a),Y(a)) ，Ｇｂ(X(b),Y(b)) を求め、この交差点ａ，ｂ各々の座標Ｇａ(X(a),Y(a)) ，Ｇｂ(X(b),Y(b)) から、第ｎ番目のスライスＳｎ内における針の到達位置Ｇｎ(X(n),Y(n)) を、次の式（１）、（２）に従って、線形補間により計算することができる。
【００２１】
X(n)=(Zn-Zb)/(Za-Zb)×Xa＋(Za-Zn)/(Za-Zb) ×Xb …（１）
Y(n)=(Zn-Zb)/(Za-Zb)×Ya＋(Za-Zn)/(Za-Zb) ×Yb …（２）
なお、Za、Zbはそれぞれ点ａ，ｂのＺ座標であり、Znはｎ番目のスライスＳｎの厚み中心のＺ座標である。ここで、図５（ｂ）に示すように、スライスＳ１〜Ｓ１０の厚み中心のＺ座標Z1,Z2,Z3,Z4 は既知であり、Ｘ座標とＺ座標との関係式（又はＹ座標とＺ座標との関係式）は直線方程式で導くことができるので、この直線方程式に点ａ，ｂのＸ座標（又はＹ座標）X(a)、X(b)を代入することにより、点ａ，ｂのＺ座標Za、Zbを求めることができる。
【００２２】
これらの式（１），（２）により、穿刺針が未だ到達していない他のスライスＳ５〜Ｓ１０各々の到達位置Ｇ５〜Ｇ１０を計算（予測）することができる。
こうして求めた針の到達位置に従って、表示部３５では、他のスライスＳ５〜Ｓ１０の断層像データに、針の到達予測位置を表す赤色あるいは×印のようなマーカーを重ねて(superimpose) 、図６に示すように表示する。図６（ａ）は針がターゲットに対してずれているとき、図６（ｂ）は針がターゲットに対してずれていないときのスライスＳ９の表示例である。
【００２３】
針がターゲットに対してずれているときには、針の向きや位置を修正して、再度、予測した到達位置をマーカーで確認する。針がターゲットに対してずれていないことを確認した後は、そのまま予測する到達位置を見ながら、針の進行方向を微調整しながら針を被検体に刺し入れていく。このように針の到達位置を比較的早い段階で、例えば被検体に差し込む前に確認して、また逐次到達位置を確認しながら針を進めていくことができるので、針を高精度でターゲットに命中させることができるものである。
【００２４】
なお、表示形態としては、図７に示すように、しきい値処理により抽出した針領域を、図６の画像に重ねて表示するようにしてもよく、この場合、針を進めていくに従って針領域が延びていくように見えるので、針の動きを捉えやすくなる。また、表示している断層像に対応するスライスにおける到達位置だけでなく、その前後のスライスの到達位置を、色や形状を変えたマーカーで表示することにより、針の予定経路をより詳細に把握することができるようになる。
（第２実施形態）
図８に、第２実施形態によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示しており、この図８において図１と同じ構成要素には図１と同じ符号を付している。第１実施形態では、断層像データから針領域を抽出し、この中点や重心の列に直線近似をかけて針の進行方向を求めるようにしていたが、第２実施形態は、同様の処理を簡易的にするもので、スライスＳ１〜Ｓ１０各々から投影方向が同一の投影データからしきい値処理により針領域を抽出し、この重心の列に直線近似をかけて針の進行方向をＸ軸とＹ軸に関して個々に求めるというものである。
【００２５】
到達位置予測部３７には、図９（ａ）に示すように、スライスＳ１〜Ｓ１０各々に関するＸ軸に平行な投影方向の投影データＰ(Y) と、スライスＳ１〜Ｓ１０各々のＹ軸に平行な投影方向の投影データＰ(X) とが供給される。なお、投影方向は、互いに直交していれば、ＸＹ軸に限定されない。
【００２６】
到達位置予測部３７では、スライスＳ１〜Ｓ１０に関する投影方向Ｘの投影データＰ(Y) 各々に対して所定のしきい値でしきい値処理を行い、針領域を抽出する（図９（ｂ）参照）。次に、到達位置予測部３７では、図９（ｃ）に示すように、４枚のスライスＳ１〜Ｓ４の投影データから抽出した針領域の重心を計算する。次に、到達位置予測部３３では、４つの重心の列に直線近似をかけて、穿刺針のＹ軸に関する進入方向を計算する。このＹ―Ｚ間の直線方程式から、第１実施形態と同様に、第ｎ番目のスライスＳｎ内における針の到達位置（Y(n)）を計算することができる。
【００２７】
同様に、到達位置予測部３７では、スライスＳ１〜Ｓ１０に関する投影方向Ｙの投影データＰ(X) 各々に対して所定のしきい値でしきい値処理を行い、針領域を抽出する（図９（ｄ）参照）。次に、到達位置予測部３７では、図９（ｅ）に示すように、４枚のスライスＳ１〜Ｓ４の投影データから抽出した針領域の重心を計算する。次に、到達位置予測部３３では、４つの重心の列に直線近似をかけて、穿刺針のＸ軸に関する進入方向を計算する。このＸ―Ｚ間の直線方程式から、第ｎ番目のスライスＳｎ内における針の到達位置（X(n)）を計算することができる。
【００２８】
こうして求めた求めた針の到達位置（X(n)，Y(n)）に従って、表示部３５では、他のスライスＳ５〜Ｓ１０の断層像データに、X(n)のラインと、Y(n)のラインとを重ねて(superimpose) 、図１０に示すように表示する。図１０は、ターゲットを横断するスライスＳ９の断層像を表示する例であり、この図１０に示すように、当該スライスＳ９の前後の複数スライスにおける到達ラインも、当該スライスＳ９の到達ラインと色や太さ等の表示態様を変えて表示するようにしてもよい。
【００２９】
このように本実施形態においても、針の到達位置を確認しながら針を進めていくことができるので、針を高精度でターゲットに命中させることができるものである。
【００３０】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。例えば、Feldkamp再構成等のコーンビーム再構成によって、３次元ボリュームデータを得て、この３次元ボリュームデータから針の到達位置を予測する処理にも適用可能である。この場合、３次元ボリュームデータをしきい値処理して針領域を求め、その針領域を３次元関数として直線近似し、その関数から針が到達していない部分における到達位置（通過位置）を予測する方法が考えられる。また、再構成スライス面の数が検出器列の列数よりも、多い場合にも適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、針が到達していないスライス内における針の位置を予測して、このスライスの断層像データと針の到達位置を表すマーカデータとを予測位置に従って合成して表示することができるので、マルチスライス面に対して斜めに穿刺や治療のための針を進めるときに、今の針の位置及び進入方向のままで針がターゲットに到達するか否かを術者が正確に且つ簡易に判断し得る情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るコンピュータ断層撮影装置の構成を示す図。
【図２】針とターゲットとマルチスライス面との位置関係の一例を示す図。
【図３】図１の到達位置予測部に装備された処理機能を示す図であって、（ａ）はしきい値処理により抽出した針領域を示す図、（ｂ）は抽出された針領域を細線化する処理とこの細線化された針領域の中点を計算する処理とを示す図。
【図４】図１の到達位置予測部に装備された処理機能を示す図であって、図３（ｂ）の細線化及び中点計算処理に代わる針領域の重心を計算する処理を示す図。
【図５】図１の到達位置予測部に装備された処理機能を示す図であって、図１の到達位置予測部による中点又は重心点の列を近似した直線から、針が到達していないスライス内における針の到達位置を予測する処理を示す図。
【図６】図１の表示部による表示例を示す図であって、（ａ）は針がターゲットに対してずれている状況の表示例、（ｂ）は針がターゲットに対してずれていない状況下の表示例を示す図。
【図７】図１の表示部による他の表示例を示す図であって、図２のスライスＳ１０の断層像及び針マーカーに、スライスＳ１からＳ４の断層像各々から抽出した針領域を重ねて表示する例を示す図。
【図８】本発明の第２実施形態に係るコンピュータ断層撮影装置の構成を示す図。
【図９】図８の到達位置予測部による投影データを用いて針の到達位置を予測する処理を示す図。
【図１０】図８の表示部による表示例を示す図。
【図１１】シングルスライス型対応の検出器とＸ線ビームの形状とを示す図。
【図１２】マルチスライス型対応の検出器とＸ線ビームの形状とを示す図。
【図１３】従来のシングルスライスによる断層像の表示例を示す図。
【図１４】従来のシングルスライスの不具合の説明図。
【図１５】（ａ）はスライス面に対して針を斜めに進める必要のある状況を示す図、（ｂ）は針に対して平行になるように傾斜されたスライス面を示す図。
【図１６】スライス面に対して斜めに針を進める状況下で撮ったマルチスライスの断層像を示す図。
【符号の説明】
１１…システム制御部、
１３…架台・寝台制御部、
１５…寝台移動部、
１６…寝台、
１７…Ｘ線制御装置、
１９…高電圧発生装置、
２１…Ｘ線管、
２３…Ｘ線検出器、
２５…回転リング、
２７…データ収集部、
２９…収集データ記憶部、
３１…画像再構成部、
３３…到達位置予測部、
３５…表示部。

Claims

被検体に関する投影データを多方向から収集し、この投影データに基づいて３次元ボリュームデータ及び断層像データを再構成し表示するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、
穿刺針が到達しているスライスでない他のスライスにおける前記穿刺針の到達位置を前記３次元ボリュームデータに基づいて予測する手段と、
前記他のスライスに関して再構成された断層像データと、前記穿刺針の到達予測位置を表すマーカデータとを、前記予測した位置に従って合成して表示する手段とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
被検体に関する投影データを多方向から収集し、この投影データに基づいて断層像データを再構成し表示するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、
複数のスライスの断層像データからＣＴ値に基づいて複数の穿刺針領域を抽出する手段と、
前記抽出した複数の穿刺針領域から針の位置及び進入方向を計算する計算手段と、
前記計算した穿刺針の位置及び進入方向に基づいて、前記穿刺針が到達しているスライスでない他のスライス内における針の位置を予測する手段と、
前記他のスライスに関して再構成された断層像データと、前記穿刺針の到達予測位置を表すマーカデータとを、前記予測した位置に従って合成して表示する手段とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記計算手段は、前記抽出した複数の穿刺針領域を細線化する手段と、前記細線化した複数の穿刺針領域の複数の中点を計算する手段と、前記複数の中点を直線により近似することにより前記穿刺針の位置及び進入方向を計算する手段とを有することを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記計算手段は、前記抽出した複数の穿刺針領域の複数の重心点を計算する手段と、前記複数の重心点を直線により近似することにより前記針の位置及び進入方向を計算する手段とを有することを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
被検体に関する投影データを多方向から収集し、この投影データに基づいて断層像データを再構成し表示するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、
複数のスライスに関する同じ方向からの投影データから強度に基づいて複数の穿刺針領域を抽出する手段と、
前記抽出した複数の穿刺針領域から穿刺針の位置及び進入方向を計算する計算手段と、
前記計算した前記穿刺針の位置及び進入方向に基づいて、前記穿刺針が到達しているスライスでない他のスライス内における針の位置を予測する手段と、
前記他のスライスに関して再構成された断層像データと、前記穿刺針の到達予測位置を表すマーカデータとを、前記予測した位置に従って合成して表示する手段とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記計算手段は、前記抽出した複数の穿刺針領域の複数の重心点を計算する手段と、前記複数の重心点を直線により近似することにより前記穿刺針の位置及び進入方向を計算する手段とを有することを特徴とする請求項５記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。