JP4282991B2 - 核医療用撮像における有限−角度周波数−距離分解能回復方法 - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の背景］
本発明は、診断用撮像分野に関する。本発明は、核の単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）医療用撮像に関連する特別の適用が見出され、特にそれに関して言及される。しかしながら、本発明は、他の種の侵襲性でない診断用撮像に関連した用途も見出せるであろう。
【０００２】
ここで、診断用画像は、単一若しくは複数のヘッドの核カメラから生成されてきた。典型的には、検査領域内に位置する患者は、放射性医薬品を注入される。核カメラのヘッドは、患者の近傍に配置され、放射性医薬品が監視される。典型的には、ヘッドは、３６０度のデータが獲得されるまで、患者のまわりを数度ずつ増加させながら段階的に移動される。つまり、３６０度にわたる方向に沿った投影データが、収集される。複数ヘッドシステムによれば、各方向に沿った投影は、一のヘッドにより収集され、完全なデータセットに組み込まれるだけでよい。
【０００３】
各検出器ヘッドは、コリメータを保持し、コリメータは、検出器ヘッドが放射線を受けることができる経路を画成する。しかしながら、コリメータの有限の長さ及び寸法に起因して、各検出器ヘッドの増分領域は、実際には、拡張するコーン（円錐）を見ている。従って、検出器ヘッドから離れる方向の患者までの増分深さと共に、検出される放射線事象が起因する領域は広がる。これは、深さに依存するボケや最終的な画像データにおける不確実性を生む。この誤りは、デ・コンボルーション処理が困難な非定常のコンボルーション（畳み込み）である。しかし、患者が全３６０度に亘って見られた時、角度データセットは、２πラジアンで周期的である。完全なデータセットをフーリエ変換によりサンプリング間隔に適合する周波数領域へと変換することによって、非定常デ・コンボルーションは、特に高周波数に対して、定常コンボルーションの問題まで低減される。
【０００４】
これらの先行技術の分解能回復技術は、完全なデータセットに対しては良好に機能するが、心臓撮像は、典型的には、不完全なデータセットを用いて実行される。より具体的には、２つのヘッドのみが放出データを収集し、第３のヘッドが透過データを収集するのに使用される、３個のヘッドのカメラシステムでは、ガントリーは、約１０２度ずつ回転され、約２０４度のみの放出データに相当するものが生成される。先行技術の分解能回復技術は、２πラジアンで周期的でないデータを持つ部分的なデータセットに対して機能しない。
【０００５】
本発明は、上述の問題点等を克服する新規で改善された方法及び装置を実現する。
【０００６】
［発明の概要］
本発明の一局面によれば、診断用撮像方法が提供される。複数の投影データセットが、対象まわりの複数の各角度にて収集される。投影画像は、３６０度より少ない範囲にわたり収集される。分解能回復処理は、投影データセットに対して施される。分解能が回復された投影データセットは、画像表現へと再構成される。
【０００７】
本発明のその他の局面によれば、診断用撮像装置が開示される。少なくとも１つの検出器ヘッドが入射放射線を検出する。検出器ヘッドに搭載されるコリメータは、ヘッドにより受信可能な放射線の経路（軌道）を制限する。可動ガントリーは、検査領域内の対象まわりに検出器ヘッドを移動させる。データ取得手段は、３６０度より少ない範囲に亘る角度増分で検出器ヘッドから投影データセットを取得する。ゼロ充填手段は、実際に収集された投影データセット間に、ゼロが充填されたデータセットを生成し、３６０度のデータセットを生成する。円滑化手段は、実際に収集された投影データセットとゼロが充填されたデータセットとの間の境界を円滑化する。分解能回復処理手段は、円滑化されたデータセットに対して処理を施す。再構成プロセッサは、分解能が回復されたデータセットを３次元画像表現へと再構成する。画像メモリは、３次元画像表現を格納する。
【０００８】
本発明の効果の１つは、限られた角度のデータセットを正確に復元することにある。
【０００９】
本発明のその他の効果は、連続的に走査されたデータセットを復元することにある。
【００１０】
本発明のその他の効果は、臨床的に実行可能な時間で画像データを処理することにある。
【００１１】
本発明の更なるその他の効果は、次の好ましい実施例の詳細な説明を読み理解した際に、当業者に明らかになるだろう。
【００１２】
本発明は、種々の部品及び部品の配列、及びある種々のステップ及びステップの配列の形態で具現化されて良い。図面は、好ましい実施例を図示する目的のものであり、本発明を限定するものでない。
【００１３】
［好ましい実施例の詳細な説明］
図１を参照するに、核カメラシステム１０は、好ましい実施例では３つの検出器ヘッド１２_１，１２_２，１２_３である、複数の検出器ヘッド１２を含む。３つのヘッドの２つは、典型的には、放出データを得るために使用され、一方、第３のヘッドは、透過データを得るために使用される。各検出器ヘッドは、コリメータ１４_１，１４_２，１４_３を含む。好ましい実施例では、コリメータは、対象１６からの放射線を平行な放射線に平行化する。しかし、コリメータは有限のサイズを有しているので、各コリメータにより、対応するコーンに沿って存在する放射線が検出器ヘッドを通過することを許容される。コーンは、検出器ヘッドから患者内の深さと共に広がる。
【００１４】
検出器ヘッドのそれぞれは、検出器ヘッドを横切る横断方向及び患者の長手若しくはＺ方向で検出器ヘッドの面上に座標を決定する再構成システム２０_１，２０_２，２０_３を含む。単一の向きの検出器ヘッドでは、シンチレーション事象は、所定の時間間隔で収集され、投影画像再構成が生成される。所定のデータ取得持続時間の後、回転ガントリー２２は、全ての３つの検出器ヘッドを、短い角度距離、例えば３度ずつ同時に回転させる。新たな位置では、各検出器ヘッドは、その他の投影画像を収集する。角オリエンテーションモニタ２４は、各角度データ収集位置における各ヘッドの角度方向の向き（アンギュラーオリエンテーション）を決定する。
【００１５】
データ取得システム３０は、投影画像のそれぞれを受信し、各投影画像が取られた際の角度の指示を受信する。このデータは、縦（ｚ）、横（ｓ）及び角度（φ）の座標系で、３次元メモリ３２に格納される。
【００１６】
図１及び図２を参照するに、回転ガントリー２２は、心臓撮像のため１０２度に亘って検出器ヘッドを回転させる。１０２度に亘る回転は、２つのカメラヘッドにより収集される約２０４度相当の放出データ１１０を生成する。各データセットは、同一の角度増分、例えば３度で収集される。図２は、２０４度と３６０度の間でデータが収集されていない不完全なデータセットを示す。同時に、第３のカメラは、１０２度のガントリー回転に亘り透過データを収集する。
【００１７】
図２及び図１の参照を続けるに、分解能回復システム４２は、角度変位寸法分解能回復システムを含み、軸方向の寸法に対する分解能増大サブシステムを選択的に含む。角度方向（φ）における分解能回復システムは、ゼロ充填プロセッサ５０を有し、これは、ゼロの大きさの投影データセット１１２を２０４度と３６０度の間に各３度間隔で生成する。このようにして、２πラジアンで周期的な関数が形成される。ギブスのリンギングを防止すべく、実際に収集されたデータ１１０とゼロ充填データ１１２との間の、実際に収集されたデータ１１０の各端部での突然の不連続が、円滑化プロセッサ５６により円滑化される。端点の大きさは、それぞれ半分にされ、修正されたデータ点１１４，１１６が生成される。選択的に、各端部の幾つかの点に亘る他の円滑化関数が実行されてもよい。
【００１８】
フーリエ変換プロセッサ６０は、データを周波数領域に変換する。フーリエ変換は、角度方向の次元でのゼロ充填点を含む全てのサンプリング点にマッチングするように選択される。定常デ・コンボルーションプロセッサ６２は、周波数空間データを処理する。周波数空間では、デ・コンボルーション問題は、特に高周波数に対して、定常デ・コンボルーション問題に帰着する。高周波数は、緻密な細部に対応するので、高周波数が、最適化されるべき分解能に対応する。追加のデ・コンボルーション４６が、選択的に、Ｚ方向の画像分解能を改善するために実行されても良い。データがデ・コンボルーション処理された後、逆フーリエ変換プロセッサ６４が、周波数領域からのデータを実空間に変換して戻す。選択的には、３次元メモリ６６が、投影データの分解能回復データを格納する。再構成プロセッサ６８は、フィルタ後の逆投影、反復的再構成、若しくは他の公知な技術を用いて投影データセットを再構成し、最終画像を３次元画像メモリ７０に格納する。ビデオプロセッサ７２は、再構成された画像の所定部を引き出し、ビデオモニタ、ＣＣＤディスプレイ、アクティブマトリックス等のような人間可読モニタ７４上での表示のために、それを適切なフォーマットに変換する。
【００１９】
一の代替実施例では、可動ガントリー２２は、検出器ヘッドを連続的に回転させる。検出器ヘッドは連続的に回転するが、データ取得システム３０は、収集したデータを規則的な角度間隔、例えば３度で区分けする。データは３度の回転に亘り収集されるので、更なるボケ成分が存在する。以下で詳説する如く、定常デ・コンボルーションプロセッサ６２は、連続的な動きによって生ずるボケに対してフーリエ空間データをデ・コンボルーション処理し、数度に亘り収集されたデータを、あたかもそれが同一角度で正確に収集されたかのように扱う。
【００２０】
図３を参照し、分解能回復システムの詳細を考察するに、動作原理は、２次元且つ円軌道で説明されるが、３次元への一般化は、簡単明瞭であり、また、非円軌道への一般化は、当業者に知られている。第３の次元、ｚ、は、ｘ−ｙ軸により画成される平面に垂直である。スキャナは、ラドン（Ｒａｄｏｎ）変換座標のシノグラム（ｓｉｎｏｇｒａｍ）座標である座標（ｓ、φ）でデータを収集する。ボケ若しくは劣化の無い対象ｏのラドン変換は、ｓに垂直な軸、ｔに沿った線積分である。核医療断層撮影装置では、対象ｏは、ポイント応答関数ｇによってぼかされる。このプロセスは、ｓでコンボルーションによりモデル化される。ボケの量は、深さｔに依存する。従って、ボケ関数は、ｇによるｏの非定常コンボルーションである。結果は、ボケたラドン変換ｐである。限られた角度の断層撮影では、スキャナのこの動作が次式により表わされる。
【００２１】
【数４】

ここで、
【００２２】
【外１】

は、（ｓ、ｔ）軸に関する２次元単位ベクトルである。
【００２３】
【数５】

対象内のｘに位置するポイント源は、ポイント源投影を有するだろう。
【００２４】
【数６】

ここで、｜Ｊ｜は、（ｘ、ｙ）から（ｓ、ｔ）への座標の変化のヤコビアンであり、回転であるので１に等しい。式（３）の２次元のフーリエ変換は、次式である。
【００２５】
【数７】

φ積分は、定常位相（静止相）の原理、高周波数で
【００２６】
【外２】

の正確な値に漸近的に収束する当業者に知られている近似処理を用いて評価される。式（４）において、解は、ポイント源の位置に依存しないことに注意されたい。従って、それは、如何なるポイント源若しくは重み付けされたポイント源の収集に適用可能である。
【００２７】
更に、走査円弧が、３６０度若しくは２πラジアンより小さい値に限定される場合、定常位相の基本結果は、距離ｔが次式で与えられるとして、
【００２８】
【数８】

変化しない。これは、各距離が各平な投影画像で表わされるからである。これにより、式（４）の積分区間を円弧若しくは一連の互いに素な（不連続な）円弧により置換でき、式（５）は、依然として良好な近似を保持する。
【００２９】
動作時、デジタル化された３次元データセットｐ（ｓ_ｊ、ｚ_ｊ、φ_ｊ）が収集される。デジタル化は、各座標のサンプル空間での均等の増分を保証する。例えば、角度の増分ｍは、Ｎを整数とした場合、間隔
【００３０】
【外３】

で取られる。
【００３１】
深さ依存のポイント応答関数ｇ（ｓ、ｚ、ｔ）が得られる。走査が、間隔［φ_ｕ、φ_ｖ］により記述される、限られた角度円弧に亘る時、デジタル入力データセットは、次のプロセスに従って形成される。
【００３２】
【数９】

終点の投影フレームは、１／２が乗算され、過剰なリンギング若しくはギブスの現象を防止する。急激なデータの不連続性を円滑化するための他の円滑化関数が実行されてもよい。角度に関するフーリエ変換は、多かれ少なかれ、次元Ｎを有するように選択され、データの周期的な性質を保つ。フーリエ変換プロセッサ６０によって施される改善型投影データｐ_ｉｎの３次元フーリエ変換は、次式で表わされる。
【００３３】
【数１０】

次式のフィルタ関数が定義される。
【００３４】
【数１１】

フィルタ関数は、定常デ・コンボルーション６２を実行するため、雑音低減フィルタやメッツ（Ｍｅｔｚ）フィルタのような規則化された逆フィルタで使用される。逆フーリエ変換プロセッサ６４は、フィルタ後の画像の逆フーリエ変換をとり、改善された分解能を保有する投影データを得る。
【００３５】
連続的な走査の実施例では、カメラは、プログラムされた軌道に従って移動する。好ましい実施例では、３つのヘッドは、患者に依存する複雑な軌道で同時に移動する。連続的な動きは、動きの複雑性を減少させるのに効果的である。しかしながら、連続的な走査は、分解能を悪化させる。好ましくは、定常デ・コンボルーションモジュールは、この悪化した分解能を補償するための要素を含む。
【００３６】
連続的な走査投影データｐ_ｃは、次式のように、段階的撮影（ｓｔｅｐ−ａｎｄ−ｓｈｏｏｔ）による投影データｐに関連する。
【００３７】
【数１２】

フーリエ変換関係は、次式の通りである。
【００３８】
【数１３】

これらの関係は、非円軌道及び有限角度軌道に対しても同様に当てはまる。連続的なサンプリング
【００３９】
【外４】

に対するフィルタ関数は、次式のように、式（１０）から重み付け正弦関数を含むように変形される。
【００４０】
【数１４】

その他の代替実施例によれば、段階的撮像モードでは、実際に収集されたデータの積分は、互いに素であってよい。上述の例のように角度ビューの全てが近接している必要は無い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による核医療用撮像システムの概略図である。
【図２】 非周期的な有限角度データセットを基礎とする、２πラジアンで周期的となる修正型データセットの構成の概略図である。
【図３】 データ取得及び画像再構成で使用される座標系を示す図である。

Claims (19)

1. 診断用撮像装置の収集手段により、対象のまわりの複数の角度のそれぞれにて複数の投影データセットを収集し、投影画像が３６０度より少ない範囲に亘り収集される、データ収集ステップと、
   診断用撮像装置の分解能回復処理手段により、前記投影データセットに対して分解能回復処理を実行する分解能回復ステップと、
   診断用撮像装置の再構成手段により、分解能が回復された投影データセットを画像表現に再構成するステップとを含み、
   前記分解能回復ステップは、少なくとも角度方向の回転の次元で実行され、
   前記分解能回復ステップは、投影データセットにゼロを充填し、ゼロが充填されたデータセットと実際に収集されたデータセットが協働して規則的な角度方向の増分で３６０度の範囲に及ぶようにすることを含む、診断用撮像装置の作動方法。
2. 前記投影データセットが、２０４度の範囲で収集される、請求項１記載の方法。
3. 診断用撮像装置の円滑化手段により、実際に収集されたデータセットとゼロが充填されたデータセットとの間の境界を円滑化する円滑化ステップを更に含む、請求項１記載の方法。
4. 診断用撮像装置の周波数空間変換手段により、円滑化されたデータセットを周波数空間に変換するステップと、
   診断用撮像装置のデ・コンボルーション手段により、前記周波数空間のデータセットを分解能回復フィルタ関数を用いて定常的にデ・コンボルーション処理するデ・コンボルーションステップと、
   診断用撮像装置の画像空間変換手段により、定常的にデ・コンボルーション処理されたデータセットを周波数空間から画像空間に変換するステップとを更に含む、請求項３記載の方法。
5. 診断用撮像装置の回転手段により、対象のまわりに検出器ヘッドを連続的に回転させるステップと、
   診断用撮像装置の区分け手段により、所定の角度増分にわたって収集された投影データを投影データセットに区分けするステップとを更に含み、
   前記デ・コンボルーションステップでは、周波数空間データセットを以下の式によりデ・コンボルーション処理をする、請求項４記載の方法。
   

   
6. 前記円滑化ステップは、ゼロを充填された各データセットの近傍の、少なくとも１つの実際に収集された投影データセットの大きさを低減することを含む、請求項３乃至５のうちの何れか１項の方法。
7. 前記大きさの低減は、ゼロを充填された各データセットの近傍の、少なくとも１つの実際に収集された元の投影データセットの各値を半分にする、請求項６記載の方法。
8. 実際に収集されたデータは、実際に収集されたデータとゼロが充填されたデータセットとの間の少なくとも４つの境界で、不連続である、請求項６又は７記載の方法。
9. 前記周波数空間に変換するステップは、実際の収集されたデータセット及びゼロが充填されたデータセットの全体に整合するフーリエ変換を用いて実行される、請求項３乃至５のうちの何れか１項の方法。
10. 前記データ収集ステップは、
    検査領域の対象のまわりに連続的な角度の軌道で検出器ヘッドを移動させるガントリーを連続的に移動させ、
    前記連続的な軌道の間にデータを収集し、当該データを、対象まわりの複数の各角度増分に対応する複数の投影データセットへと分類することを含む、請求項１乃至９のうちの何れか１項の方法。
11. 小さい角度増分は、７度より小さい角度である、請求項１０記載の方法。
12. 前記角度増分は、３度である、請求項１０記載の方法。
13. 前記分解能回復ステップは、連続的な走査に起因するボケに対する補正を含む、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 前記分解能回復ステップは、
    データセットを周波数空間に変換し、
    前記周波数空間データセットに対して、以下のフィルタを用いて定常デ・コンボルーション処理を施し、
    定常的にデ・コンボルーション処理されたデータセットを周波数空間から画像空間に変換することを含む、請求項１３記載の方法。
    

    
15. 収集された投影データを備える投影データセットが、３６０度より少ない範囲に亘る、請求項１４記載の方法において、
    投影データセットに角度回転方向でゼロを充填し、ゼロが充填されたデータセットと実際に収集されたデータセットが協働して３６０度の範囲に亘るようにし、
    実際に収集されたデータセットとゼロが充填されたデータセットとの間の各境界を円滑化し、円滑化されたデータセットが周波数空間へと変換される、方法。
16. 入射放射線を検出する少なくとも１つの検出器ヘッドと、
    前記検出器ヘッドに搭載され、前記検出器ヘッドが受信可能な放射線の経路を制限するコリメータと、
    検査領域内の対象まわりに前記検出器ヘッドを移動させる可動ガントリーと、
    ３６０度より少ない範囲に亘る角度増分で前記検出器ヘッドから投影データセットを取得するデータ取得手段と、
    実際に収集されたデータセット間に、ゼロが充填されたデータセットを生成し、３６０度のデータセットを生成する、ゼロ充填手段と、
    実際に収集されたデータセットとゼロが充填されたデータセットとの間の境界を円滑化する円滑化手段と、
    円滑化されたデータセットに対して処理を行う分解能回復手段と、
    ３次元の画像表現へと、分解能回復処理されたデータセットを再構成する再構成処理手段と、
    ３次元画像表現を記憶する画像メモリ手段とを含む、診断用撮像装置。
17. 前記分解能回復手段は、
    円滑化されたデータセットを周波数空間へと変換するフーリエ変換処理手段と、
    前記周波数空間データセットを分解能回復デ・コンボルーション関数を用いてデ・コンボルーション処理するデ・コンボルーション処理手段とを含み、デ・コンボルーション処理されたデータセットが、周波数空間から画像空間へと変換されて戻される、請求項１６記載の診断用撮像装置。
18. 前記ガントリーは、角度方向に段階的に検出器ヘッドを移動させるものであり、各実際に収集されたデータセットは、角度方向の各一の段階に対応している、請求項１６又は１７記載の診断用撮像装置。
19. 前記ガントリーは、検出器ヘッドを連続的に移動させるものであり、前記データ取得手段は、取得したデータをデータセットに区分けし、前記デ・コンボルーション処理手段は、該データセットに対して、以下の式を用いてデ・コンボルーション処理を行う、請求項１７載の診断用撮像装置。
    

    

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