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
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Description
【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wnを用いて再構成したものである。
【0022】
qn=c0+c1Δ2+c2Δ4 及び wn=qn/(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、tlow及びthigh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、tlow=500及びthigh=1000とすると適応補間投影Piは次式のように定義される。
【0031】
pi(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、...、pk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pk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δpjを生成する。
【0034】
δpj=|p1(γ,β)−pj(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)
- 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)。 - 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)。
- 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)。
- 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)。 - 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)。
- 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)。
- 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、
pi(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)。 - 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、
tlowを選択した1つのしきい値、
thighを選択した1つのしきい値、とした次式、
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、
pi(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)。
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