JP4266683B2 - マルチスライス型画像再構成のための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンピュータ断層（ＣＴ）イメージングに関し、さらに詳細には、マルチスライス型ＣＴイメージング・システムを用いて作成される画像の撮像アーチファクトを減少させるための方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
周知のヘリカル・アルゴリズムの幾つかでは、スキャナの幾何学情報に基づいて決定されるヘリカル重み付け関数を使用している。換言すると、この重み付け関数はスキャン・プロトコルが同じである限りスキャンごと、あるいは患者ごとに変更されることはない。これらのアルゴリズムは臨床状況では幾分か満足のゆく成績を示しているが、最近の調査により激しい画像アーチファクトが明らかになった。研究によって、既存のアルゴリズムはすべて画像アーチファクトに関して概ね同じ成績を示すことが分かっている。従来では、ｚ軸方向で低域通過フィルタ処理を適用することによってこれらのアーチファクトを抑制している。この低域通過フィルタ処理は、投影空間と画像空間のいずれでも実施することができる。しかしこの方式では、スライス厚さを犠牲にして画像アーチファクトに対処しているに過ぎない。妥当なアーチファクト抑制を達成するためには、スライス厚さが２０％以上低下（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）してしまう。
【特許文献１】
米国特許第６３３２０１３号
【０００３】
【課題を解決するための手段】
一態様では、イメージング・システムを用いて被検体の適応補間投影を生成するための方法を提供する。本方法は、第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成すること、第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成すること、並びに第１の投影と第２の投影の差を取り差分信号を生成すること、を含む。
【０００４】
別の態様では、高速データ収集モードと高品質データ収集モードの少なくとも一方で動作可能なスキャン・イメージングによって被検体の適応補間投影を生成するためのコンピュータを提供する。本コンピュータは、第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成すること、第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成すること、並びに第１の投影と第２の投影の差を取り差分信号を生成すること、を行うようにプログラムされている。
【０００５】
また別の態様では、被検体の適応補間投影を生成するためのコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システムを提供する。本ＣＴシステムは、検出器アレイと、少なくとも１つの放射線源と、該検出器アレイ及び放射線源と結合させたコンピュータと、を含む。本コンピュータは、第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成すること、第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成すること、第１の投影と第２の投影の差を取り差分信号を生成すること、この差分信号を低域通過フィルタを用いてフィルタ処理すること、並びにこのフィルタ処理した差分信号をスケーリング関数にマッピングし適応補間投影を生成すること、を行うように構成している。
【０００６】
【発明の実施の形態】
周知のＣＴイメージング・システムの幾つかの構成では、Ｘ線源は、デカルト座標系のＸ−Ｙ平面（一般に「画像作成面」と呼ばれる）内に位置するようにコリメートされた扇形状のビームを放出する。Ｘ線ビームは、例えば患者などの被検体を透過する。ビームは、この被検体によって減衰を受けた後、放射線検出器のアレイ上に入射する。検出器アレイで受け取った減衰した放射線ビームの強度は、被検体によるＸ線ビームの減衰に依存する。このアレイの各検出器素子は、それぞれの検出器位置でのビーム減衰の計測値に相当する電気信号を別々に発生させる。すべての検出器からの減衰量計測値を別々に収集し、透過プロフィールが作成される。
【０００７】
第３世代ＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器アレイは、Ｘ線ビームが被検体を切る角度が一定に変化するようにして、画像作成面内でこの被検体の周りをガントリと共に回転する。あるガントリ角度で検出器アレイより得られる一群のＸ線減衰量計測値（すなわち投影データ）のことを「ビュー（ｖｉｅｗ）」という。また、被検体の「スキャン・データ（ｓｃａｎ）」は、Ｘ線源と検出器が１回転する間に、様々なガントリ角度、すなわちビュー角度、で得られるビューの集合からなる。
【０００８】
アキシャル・スキャンでは、この投影データを処理し、被検体から切り出した２次元スライスに対応する画像を構成させる。投影データの組から画像を再構成するための一方法に、当技術分野においてフィルタ補正逆投影法（ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｂａｃｋ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）と呼ぶものがある。この処理方法では、スキャンにより得た減衰量計測値を「ＣＴ値」、別名「ハウンスフィールド値」という整数に変換し、これらの整数値を用いて陰極線管ディスプレイ上の対応する画素の輝度を制御する。
【０００９】
全体のスキャン時間を短縮させるため、「ヘリカル（らせん）」スキャンを実行することがある。「ヘリカル」スキャンを実行するには、所定のスライス数に対するデータを収集しながら患者を移動させている。こうしたシステムでは単一ファン・ビームのヘリカル・スキャンを１回行うと、単一らせんが１つ描かれる。ファン・ビームが描いたらせんにより投影データが得られ、これを用いて所定の各スライス位置での画像を再構成することができる。
【００１０】
ヘリカルスキャン用の再構成アルゴリズムは、典型的には、収集したデータに対してビュー角度及び検出器チャンネル指標の関数により重み付けするヘリカル重み付けアルゴリズムを利用している。具体的には、フィルタ補正逆投影処理の前に、データに対してガントリ角度と検出器角の両者の関数であるようなヘリカル重み付け係数に従って重み付けする。次いで、この重み付けしたデータを処理してＣＴ値を生成し、被検体から切り出した２次元スライスに対応する画像を構成させる。別法では、先ず元の投影から新たな投影を補間し、次いで、この新たな投影に対してフィルタ補正逆投影アルゴリズムを用いて再構成画像を作成する。
【００１１】
図１は、８×１．２５ミリメートル（ｍｍ）モードの８スライス型スキャナを１３．４：１のピッチで用いて周知のアルゴリズムにより生成される複数の画像アーチファクトのサイノグラム像である。周知のイメージング・システムの１つでは、周知のマルチスライス型ヘリカル再構成アルゴリズムの１つを使用して、再構成面における一組の投影を推定する。この推定は、一組の補間投影データを物理的に取得すること、あるいはその投影に対してフィルタ補正逆投影の前に重み付けすることのいずれかによって実行することができる。一般化線形ヘリカル（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｌｉｎｅａｒ ｈｅｌｉｃａｌ：ＧＬＨ）、ロウワイズフル（Ｒｏｗ−ｗｉｓｅ−ｆｕｌｌ）、ロウワイズ（Ｒｏｗ−ｗｉｓｅ）、高速部分スキャン（ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐａｒｔｉａｌ ｓｃａｎ：ＨＳＰＳ）、その他などのアルゴリズムは、どちらの形態でも実施することができる。次いで、最終的な画像再構成のためフィルタ補正逆投影アルゴリズムを使用する。
【００１２】
本明細書で使用する場合、単数形で「ａ」や「ａｎ」の語を前に付けて記載した要素やステップは、これに関する複数の要素またはステップも排除していない（これに関する排除を明示的に記載している場合を除く）と理解すべきである。さらに、本発明の「実施の一形態」に関する言及は、記載した特徴を同様に組み込んでいる追加的な実施形態の存在を排除すると解釈されないようにとの意図である。
【００１３】
さらに本明細書で使用する場合、「画像を再構成させる」という言い回しは、本発明に関して画像を表すデータは作成するが観察可能な画像は作成していないような実施形態を排除することを意図したものではない。しかし、多くの実施形態では少なくとも１つの観察可能な画像を作成している（または、作成するように構成している）。
【００１４】
図２及び図３を参照すると、「第３世代」のＣＴイメージング・システムに典型的なガントリ１２を含むものとして、マルチスライス型スキャン・イメージング・システム（例えば、コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム１０）を示している。ガントリ１２は、このガントリ１２の対向面上に位置する検出器アレイ１８に向けてＸ線ビーム１６を放出するＸ線源１４を有する。検出器アレイ１８は、投射され被検体（例えば、患者２２）を透過したＸ線を一体となって検知する複数の検出器素子２０を含む複数の検出器横列（図示せず）により形成される。各検出器素子２０は、入射したＸ線ビームの強度、すなわち、Ｘ線ビームが被検体または患者２２を透過して受ける減衰、を表す電気信号を発生させる。Ｘ線投影データを収集するためのスキャンの間に、ガントリ１２及びガントリ上に装着されたコンポーネントは回転中心２４の周りを回転する。図２には、検出器素子２０の単一の横列（すなわち、１つの検出器横列）のみを示している。しかし、マルチスライス型検出器アレイ１８は検出器素子２０からなる平行な複数の検出器横列を含んでおり、これにより１回のスキャンの間で準平行（quasi-parallel）または平行な複数のスライスに対応する投影データを同時に収集することができる。
【００１５】
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により制御される。制御機構２６は、Ｘ線源１４に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御装置２８と、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御装置３０とを含む。制御機構２６内にはデータ収集システム（ＤＡＳ）３２があり、これによって検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングし、このデータを後続の処理のためにディジタル信号に変換している。画像再構成装置３４は、サンプリングしディジタル化したＸ線データをＤＡＳ３２から受け取り、高速で画像再構成を行う。再構成した画像はコンピュータ３６に入力として与えられ、コンピュータにより大容量記憶装置３８内に格納される。
【００１６】
コンピュータ３６はまた、キーボードを有するコンソール４０を介して、オペレータからのコマンド及びスキャン・パラメータを受け取る。付属の陰極線管ディスプレイ４２により、オペレータはコンピュータ３６からの再構成画像やその他のデータを観察することができる。コンピュータ３６は、オペレータの発したコマンド及びパラメータを用いて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御装置２８及びガントリ・モータ制御装置３０に対して制御信号や制御情報を提供する。さらにコンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御してガントリ１２内での患者２２の位置決めをするためのテーブル・モータ制御装置４４を操作している。詳細には、テーブル４６により患者２２の各部分はガントリ開口４８を通過できる。
【００１７】
実施の一形態では、コンピュータ３６は、例えばフロッピーディスク駆動装置やＣＤ−ＲＯＭ駆動装置など、フロッピーディスク（商標）やＣＤ−ＲＯＭなどコンピュータ読み取り可能な媒体５２から命令及び／またはデータを読み取るためのデバイス５０を含んでいる。別の実施形態では、コンピュータ３６はファームウェア（図示せず）に格納された命令を実行する。コンピュータ３６は本明細書に記載した機能を実行するようにプログラムしている。また、本明細書で使用する場合、コンピュータという語は、単に当技術分野においてコンピュータと呼ばれるこうした集積回路のみに限定するものではなく、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能論理制御装置、特定用途向け集積回路、並びにその他のプログラム可能な回路を広く指し示している。
【００１８】
図４は、高速データ収集モードと高品質データ収集モードの少なくとも一方により動作しているスキャン・イメージング・システム１０を用いて被検体２２の画像を作成する方法６０の流れ図である。方法６０は、第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成すること（６２）、第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成すること（６４）、並びに第１の投影と第２の投影の差を取り差分信号を生成すること（６６）、を含む。
【００１９】
この例示的な実施形態では、本明細書に記載した補間は、物理的補間と投影重み付けの少なくとも一方を含む。第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成すること（６２）は、最近隣２者（ｔｗｏ−ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ）線形補間を用いて第１の投影を生成することを含む。使用に際して、この第１の補間によって良好なスライス−感度プロフィールが生成される。実施の一形態では、高速データ収集モード（すなわち高ヘリカルピッチ）を使用して、２つの隣接する検出器横列（図示せず）間で第１の補間を実施する。別の実施形態では、高品質データ収集モードを使用して、共役サンプル間で第１の補間を実施する。
【００２０】
第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成すること（６４）は、ｚ平滑化フィルタを用いた直線補間、ハニング補間及び高次多項式補間のうちの少なくとも１つを用いることを含む。第２の補間カーネルによって画像補間アーチファクトの抑制が容易になるが、スライス−感度プロフィールの拡大という犠牲を伴う。
【００２１】
図５は、３点式高次多項式で再構成した、図１に図示したのと同じ画像のサイノグラム像である。これらの画像は以下の係数ｗ_nを用いて再構成したものである。
【００２２】
ｑ_n＝ｃ₀＋ｃ₁Δ²＋ｃ₂Δ⁴ 及び ｗ_n＝ｑ_n／（ｑ₁＋ｑ₂＋ｑ₃） （式１）
上式において、ｎ＝１、２または３、ｃ₀＝２、ｃ₁＝−１．１８７７、ｃ₂＝０．１９３２、またΔはサンプルの再構成面からの規格化距離であり実際の距離を検出器開口で割り算した値に等しい。（式１）に図示した補間により作成された画像は、本明細書で上述したように劣化したスライス−感度プロフィールを有する。しかし、図５に示す画像を図１と比較して、このアルゴリズムにより画像アーチファクトの低下が提供されることが分かった。
【００２３】
この例示的な実施形態では、第１の補間に続いて画像を作成するのではなく適応補間方式を使用している。使用にあたり、第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成させる。次いで、第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成させる。次式に従って、第１の補間カーネルを用いて生成した投影と第２の補間カーネルを用いて生成した投影の差を取り差分信号を生成させる。
【００２４】
δｐ（γ，β）＝｜ｐ₁（γ，β）−ｐ₂（γ，β）｜ （式２）
上式において、ｐ₁及びｐ₂は第１及び第２の補間カーネルのそれぞれに関する補間投影である。
【００２５】
この差分信号δｐに対して、次式に従って低域通過フィルタ処理を実行しフィルタ処理した差分信号δｐ’を生成させる。
【００２６】
δｐ’（γ，β）＝δｐ（γ，β）＊ｋ（γ） （式３）
上式において、ｋは低域通過フィルタ・カーネルであり、また＊はコンボリューション演算子を表している。実施の一形態では、その低域通過フィルタ・カーネルは１１素子のボックスカー・フィルタであり、ノイズによる変動の抑制を容易にしている。実施の一形態では、その低域通過フィルタは１次元的である。別の実施形態では、その低域通過フィルタは、横列方向及び投影角度βを含むような２次元フィルタや３次元フィルタを含む（ただし、これに限るものではない）。
【００２７】
このフィルタ処理した差分信号δｐ’は、補間のためにスケーリング関数ｓにマッピングする。実施の一形態では、このマッピング関数は次式のように定義される。
【００２８】
【数３】

【００２９】
上式において、ｔ_low及びｔ_highは選択したしきい値である。
【００３０】
実施の一形態では、１３．４のピッチで８×１．２５ｍｍを用いる場合、ｔ_low＝５００及びｔ_high＝１０００とすると適応補間投影Ｐ_iは次式のように定義される。
【００３１】
ｐ_i（γ，β）＝［１−ｓ（γ，β）］ｐ₁（γ，β）＋ｓ（γ，β）ｐ₂（γ，β） （式５）
実施の一形態では、次いでフィルタ補正逆投影処理の前に、適応補間投影にハーフスキャン重み（ただし、これに限らない）などの追加の重みを適用する。
【００３２】
別の実施形態では、差分投影に基づいて新たな投影を生成させるために別の方法を使用することができる。例えば、非線形関数を用いてｐ₁とｐ₂を合成することができる。
【００３３】
さらに別の実施形態では、３つ以上の投影を補間させ、複数の差分投影を算出する。これらの差分投影に基づいて、画像再構成のための最終の投影を生成させる。本明細書で上述したのと同じ表記を使用して、ｋ個の補間投影ｐ₁、ｐ₂、．．．、ｐ_kを生成することができる。元の投影を様々なカーネルを用いて補間することによって各投影を生成する。例えば、ｐ₁は線形補間カーネルを用いて生成させ、またｐ₂からｐ_kまでは別のパラメータをもつ（式１）により記述される補間カーネルを用いて生成させる。新たな投影を生成した後、次式に基づいて差分信号δｐ_jを生成する。
【００３４】
δｐ_j＝｜ｐ₁（γ，β）−ｐ_j（γ，β）｜ （式６）
最終の補間投影は、差分信号によりその重み付け係数が決定されるような次式のような投影の重み付け総和となる。
【００３５】
【数４】

【００３６】
図６は、本明細書に記載した適応方式を用いて再構成した、図５に示したのと同じスキャンを表したものである。使用にあたり、この画像アーチファクト抑制能力は、スライス厚さの劣化がない図５に示す抑制能力と概ね等しい。
【００３７】
スライス−感度プロフィールの計測によって、本明細書に記載した適応方式のスライス厚さが第１の補間を用いて得られるスライス厚さと概ね同じであることが分かった。これは第２の補間に比べて２０％の改善となり、これによりこの両補間方式の最良な特性が保持される。このスライス厚さを、フィルタ処理を半値全幅とした表１にまとめている。
【００３８】
【表１】

【００３９】
本発明を具体的な様々な実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本特許請求の範囲の精神及び趣旨の域内の修正を伴って本発明を実施できることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】周知のアルゴリズムにより生成される画像アーチファクトに関する従来技術のサイノグラム像である。
【図２】ＣＴイメージング・システムの外観図である。
【図３】図２に示すシステムのブロック概要図である。
【図４】投影データを重み付けするための方法の流れ図である。
【図５】高次多項式を用いて再構成した画像のサイノグラム像である。
【図６】適応補間を用いて再構成した画像のサイノグラム像である。
【符号の説明】
１０ コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム
１２ ガントリ
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線ビーム
１８ 検出器アレイ
２０ 検出器素子
２２ 被検体、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 コンピュータ
３８ 大容量記憶装置内
４０ コンソール
４２ 陰極線管ディスプレイ
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 データ読み取りデバイス
５２ コンピュータ読み取り可能媒体

Claims (9)

1. 高速データ収集モードと高品質データ収集モードの少なくとも一方で動作可能なスキャン・イメージングによって被検体（２２）の適応補間投影を生成するためのコンピュータ（３６）であって、
   第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成すること（６２）、
   第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成すること（６４）、
   前記第１の投影と第２の投影の差を取り差分信号を生成すること（６６）、
   を行うようにプログラムしたコンピュータ（３６）。
2. 前記差分信号を低域通過フィルタを用いてフィルタ処理するようにさらにプログラムした請求項１に記載のコンピュータ（３６）。
3. 前記フィルタ処理した差分信号をスケーリング関数にマッピングし適応補間投影を生成するようにさらにプログラムした請求項２に記載のコンピュータ（３６）。
4. 前記適応補間した投影に追加の重みを付与すること、
   前記適応補間投影をフィルタ補正逆投影すること、
   を行うようにさらにプログラムした請求項１に記載のコンピュータ（３６）。
5. 第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成する（６２）ために、最近隣２者（ｔｗｏ−ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ）線形補間を用いて第１の投影を生成するようにさらにプログラムした請求項１に記載のコンピュータ（３６）。
6. 第１の補間カーネルと異なる第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成する（６４）ために、ハニング補間、直線補間及び高次多項式補間のうちの少なくとも１つを用いて第２の投影を生成するようにさらにプログラムした請求項１に記載のコンピュータ（３６）。
7. 前記フィルタ処理した差分信号をスケーリング関数にマッピングし適応補間投影を生成するために、
   δｐ’（γ，β）をフィルタ処理した差分信号、
   ｔ_lowを選択した１つのしきい値、
   ｔ_highを選択した１つのしきい値、とした次式、
   

   

   に従って前記フィルタ処理した差分信号をスケーリング関数にマッピングするようにさらにプログラムした請求項３に記載のコンピュータ（３６）。
8. 前記フィルタ処理した差分信号をスケーリング関数にマッピングし適応補間投影を生成するために、
   δｐ（γ，β）をスケーリング関数、
   ｐ₁（γ，β）を第１の補間カーネルを用いて生成される第１の投影、
   ｐ₂（γ，β）を第２の補間カーネルを用いて生成される第２の投影、とした次式、
   ｐ_i（γ，β）＝［１−ｓ（γ，β）］ｐ₁（γ，β）＋ｓ（γ，β）ｐ₂（γ，β）
   に従って適応補間投影を生成するようにさらにプログラムした請求項３に記載のコンピュータ（３６）。
9. 高速データ収集モードと高品質データ収集モードの少なくとも一方で動作しているスキャン・イメージング・システム（１０）によって被検体（２２）の適応補間投影を生成するためのコンピュータ（３６）であって、
   第１の補間カーネルを用いて第１の投影を生成すること（６２）、
   第１の補間カーネルと異なり、ハニング補間、直線補間及び高次多項式補間のうちの少なくとも１つを含む第２の補間カーネルを用いて第２の投影を生成すること（６４）、
   前記第１の投影と第２の投影の間で、
   ｐ₁（γ，β）を第１の補間カーネルを用いて生成される第１の投影、
   ｐ₂（γ，β）を第２の補間カーネルを用いて生成される第２の投影、とした次式、
   δｐ（γ，β）＝｜ｐ₁（γ，β）−ｐ₂（γ，β）｜
   に従って差を取り差分信号を生成すること（６６）、
   前記差分信号をフィルタ処理すること、
   前記フィルタ処理した差分信号を、
   δｐ’（γ，β）をフィルタ処理した差分信号、
   ｔ_lowを選択した１つのしきい値、
   ｔ_highを選択した１つのしきい値、とした次式、
   

   

   に従ってスケーリング関数にマッピングし適応補間投影を生成すること、
   適応補間投影であって、
   δｐ（γ，β）をスケーリング関数、
   ｐ₁（γ，β）を第１の補間カーネルを用いて生成される第１の投影、
   ｐ₂（γ，β）を第２の補間カーネルを用いて生成される第２の投影、とした次式、
   ｐ_i（γ，β）＝［１−ｓ（γ，β）］ｐ₁（γ，β）＋ｓ（γ，β）ｐ₂（γ，β）
   に従った適応補間投影の生成を含むような適応補間投影を生成すること、
   前記適応補間した投影に追加の重みを付与すること、
   前記適応補間投影をフィルタ補正逆投影すること、
   を行うようにプログラムしたコンピュータ（３６）。

Images