JP4347807B2 - 投影データから運動情報を導く方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は一般的には、医療撮像の分野に関し、さらに具体的には、計算機式断層写真法によって心臓組織のような動的な体内組織を撮像する分野に関する。具体的には、本発明は、投影データを用いた体内運動を表わす信号の発生に関する。

計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムは、多数の角度から患者を透過したＸ線ビームの減弱を測定する。これらの測定値に基づいて、コンピュータが、放射線減弱に応じて患者の体内の部分の画像を再構成することができる。当業者には理解されるように、これらの画像は、角度変位した一連の投影画像の別個の検査に基づいている。ＣＴシステムはＸ線投影データを処理して、多数のビュー角度位置での走査対象の線減弱係数の線積分の二次元マップを生成する。次いで、これらのデータを再構成して画像を形成し、画像は典型的にはモニタに表示され、また印刷したりフィルムに再現したりすることもできる。ＣＴ検査によって仮想的な三次元画像を形成してもよい。

ＣＴスキャナは、Ｘ線源からファン形（扇形）又はコーン形（円錐形）のＸ線ビームを投射することにより動作する。Ｘ線ビームをコリメートしてビームの形状及び拡がりを制御することができる。Ｘ線ビームは、患者のような撮像対象を透過するにつれて減弱する。減弱したビームは一組の検出器素子によって検出される。各々の検出器素子が、Ｘ線ビームの減弱の影響を受けた信号を発生し、これらのデータを処理して、Ｘ線経路に沿った対象の減弱係数の線積分を表わす信号を発生する。これらの信号を典型的には「投影データ」又は単に「投影」と呼ぶ。フィルタ補正逆投影法のような再構成手法を用いることにより、これらの投影から有用な画像を形成することができる。次いで、これらの画像を関連付けて関心領域のボリューム・レンダリング（空間表現）を形成してもよい。次いで、患部のような関心領域の位置を、計算機支援式検出（ＣＡＤ）アルゴリズム等によって自動で識別することもできるし、又はさらに慣用的には熟練した放射線医等によって識別することもできる。ＣＴ走査は、特に身体に関する正確な解剖学的情報を表示することから、疾患を診断するに当たって他の形式の手法を凌ぐ幾つかの利点を提供する。さらに、ＣＴ走査は、異常形式の間での識別をより正確に行なう際に医師を支援することができる。

しかしながら、ＣＴ撮像法は、心臓のような動的体内組織を撮像するときには幾つかの問題点を呈し得る。例えば心撮像では、心臓の運動によって投影データに不整合が生じ、再構成の後にはこの不整合によってボケ、縞又は不連続部分のような様々な運動関連画像アーティファクトが生じ得る。具体的には、アーティファクトは、心撮像時に心臓周期の同じ点すなわち同じ時相で取得されていない投影を用いて、ボリューム・レンダリングを構成する画像（１枚又は複数枚）を再構成するときに生じ得る。

従って、心臓運動に伴う画像アーティファクトを回避するために、同じ時相で取得された投影データを再構成して所望の画像を得ることが望ましい。このことは、投影データの取得をゲートする（先行的ゲート）か、又は取得後に投影データを選定する方法（遡行的ゲート）によって達成することができる。例えば遡行的ゲートとは、画像再構成の同じ心搏時相で取得された投影データを選択するものである。典型的には、同時に取得された心電図（ＥＣＧ）信号を用いて、心臓運動の共通時相にある投影データを選択する。一方、先行的ゲートとは、実時間測定及びＥＣＧ信号の解析に応じてＸ線管出力及び投影データ取得等でデータ取得を変調させる、すなわち心臓運動の特定時相における関心のある投影のみを取得して再構成するものである。

しかしながら、ＥＣＧ信号は心筋組織の脱分極及び再分極の測定値であって、組織の運動を実際に表わしている訳ではない。ＥＣＧによって測定される電気的心臓事象は一般的には、心筋の収縮及び運動を示すが、それでもＥＣＧは心臓運動の間接的な指標であるに過ぎない。この関係の間接的な性質のため、ＥＣＧ信号に頼ったゲート法を用いて再構成された画像にはアーティファクトが依然として存在し得る。従って、ゲート法又は他の手法に用いられ、心臓運動に直接関係しており実際の体内運動の知見の利益を享受する指標又は信号を考案できると望ましい。

本発明の手法は、動的運動を生じている体内組織又は器官の運動を決定する新規の方法及び装置を提供する。具体的には、本手法は、運動を決定するために、取得された投影データを処理する方法及びシステムを提供する。次いで、運動情報を用いて、ゲート法等によるデータ取得又は画像再構成を容易にして、運動関連アーティファクトを低減する又は除去することができる。

本手法の一観点では、投影データ集合を選択する方法を提供する。この方法は、投影データ集合を取得するステップを含んでいる。あるアキシャル（軸方向）位置について異なるビュー位置における投影データ集合の０次モーメント、１次モーメント及び２次モーメントの少なくとも一つの集合を算出する。このアキシャル位置における投影データから参照用投影データ集合を選択し、このアキシャル位置における投影データから２以上の比較用投影データ集合を生成する。上述の少なくとも一つのモーメント集合を用いて各々の比較用投影データ集合の参照用投影データ集合に対する相関誤差を導き、相関誤差に基づいて整合用投影データ集合を選択する。

本手法のもう一つの観点では、投影データ集合を選択するコンピュータ・プログラムを提供する。このコンピュータ・プログラムは、１以上のコンピュータ読み取り可能な媒体上で提供されてよく、投影データ集合を取得するルーチンを含んでいてよい。プログラムはまた、あるアキシャル位置について異なるビュー位置における投影データ集合の０次モーメント、１次モーメント及び２次モーメントの少なくとも一つの集合を算出するルーチンを含んでいてよい。加えて、プログラムは、このアキシャル位置における投影データから参照用投影データ集合を選択するルーチンと、このアキシャル位置における投影データから２以上の比較用投影データ集合を生成するルーチンとを含んでいてよい。また、上述の少なくとも一つのモーメント集合を用いて各々の比較用投影データ集合の参照用投影データ集合に対する相関誤差を導くルーチンと、相関誤差に基づいて整合用投影データ集合を選択するルーチンとが存在していてよい。

本手法のさらにもう一つの観点では、ＣＴ画像解析システムを提供する。このＣＴ画像解析システムは、放射線流を放出するように構成されているＸ線源と、放射線流を検出して放射線流に応じて１以上の信号を発生するように構成されている検出器とを含んでいてよい。検出器は複数の検出器素子を含んでいてよい。システムはまた、Ｘ線源を制御して、データ取得システムを介して検出器素子の１以上から投影データ集合を取得するように構成されているシステム制御器と、投影データ集合を受け取るように構成されているコンピュータ・システムとを含んでいてよい。コンピュータ・システムはさらに、あるアキシャル位置について異なるビュー位置における投影データ集合の０次モーメント、１次モーメント及び２次モーメントの少なくとも一つの集合を算出するように構成されていてよい。加えて、コンピュータ・システムは、このアキシャル位置における投影データから参照用投影データ集合を選択し、このアキシャル位置における投影データから２以上の比較用投影データ集合を生成するように構成されていてよい。コンピュータ・システムはさらに、上述の少なくとも一つのモーメント集合を用いて各々の比較用投影データ集合の参照用投影データ集合に対する相関誤差を導き、相関誤差に基づいて整合用投影データ集合を選択するように構成されていてよい。

本手法のさらに他の観点では、ＣＴ画像解析システムを提供する。このＣＴ画像解析システムは、放射線流を放出するように構成されているＸ線源と、放射線流を検出して放射線流に応じて１以上の信号を発生するように構成されている検出器とを含んでいてよい。検出器は複数の検出器素子を含んでいてよい。システムはまた、Ｘ線源を制御して、データ取得システムを介して検出器素子の１以上から投影データ集合を取得するように構成されているシステム制御器と、投影データ集合を受け取るように構成されているコンピュータ・システムとを含んでいてよい。加えて、システムは、あるアキシャル位置について異なるビュー位置における投影データ集合の少なくとも一つのモーメント集合を算出する手段を含んでいる。システムはまた、このアキシャル位置における投影データから参照用投影データ集合を選択する手段と、このアキシャル位置における投影データから２以上の比較用投影データ集合を生成する手段とを含んでいる。システムはさらに、上述の少なくとも一つのモーメント集合を用いて各々の比較用投影データ集合の参照用投影データ集合に対する相関誤差を導く手段と、相関誤差に基づいて整合用投影データ集合を選択する手段とを含んでいる。

本手法のもう一つの観点では、一組の投影から運動信号を発生する方法を提供する。この方法は、低速で回転する面積型検出器及びコーン・ビーム放射線源を介して投影データ集合を取得するステップを含んでいる。各々のビュー位置について投影データ集合の０次モーメントを算出して合算運動信号を形成する。周波数特性に基づいて合算運動信号を劣化性（corruptive）信号と所望の運動信号とに分離する。

本手法のさらにもう一つの観点では、一組の投影から運動信号を発生するコンピュータ・プログラムを提供する。このコンピュータ・プログラムは、１以上のコンピュータ読み取り可能な媒体上で提供されてよく、低速で回転する面積型検出器及びコーン・ビーム放射線源を介して投影データ集合を取得するルーチンを含んでいてよい。プログラムはまた、各々のビュー位置について投影データ集合の０次モーメントを算出して合算運動信号を形成するルーチンと、周波数特性に基づいて合算運動信号を劣化性信号と所望の運動信号とに分離するルーチンとを含んでいてよい。

本手法のさらにもう一つの観点では、ＣＴ画像解析システムを提供する。このＣＴ画像解析システムは、放射線流を放出するように構成されているコーン・ビームＸ線源と、放射線流を検出して放射線流に応じて１以上の信号を発生するように構成されている面積型検出器とを含んでいてよい。検出器は複数の検出器素子を含んでいてよい。システムはまた、コーン・ビームＸ線源及び面積型検出器を低速で回転させて、データ取得システムを介して検出器素子の１以上から投影データ集合を取得するように構成されているシステム制御器を含んでいてよい。ＣＴ画像解析システムはまた、投影データ集合を受け取るように構成されているコンピュータ・システムを含んでいてよい。コンピュータ・システムはさらに、各々のビュー位置について投影データ集合の０次モーメントを算出して合算運動信号を形成し、周波数特性に基づいて合算運動信号を劣化性信号と所望の運動信号とに分離するように構成されていてよい。

本手法のさらにもう一つの観点では、ＣＴ画像解析システムを提供する。このＣＴ画像解析システムは、放射線流を放出するように構成されているコーン・ビームＸ線源と、放射線流を検出して放射線流に応じて１以上の信号を発生するように構成されている面積型検出器とを含んでいてよい。検出器は複数の検出器素子を含んでいてよい。システムはまた、コーン・ビームＸ線源及び面積型検出器を低速で回転させて、データ取得システムを介して検出器素子の１以上から投影データ集合を取得するように構成されているシステム制御器を含んでいてよい。ＣＴ画像解析システムは、投影データ集合を受け取るように構成されているコンピュータ・システムを含んでいてよい。ＣＴ画像解析システムはまた、合算運動信号を形成する手段と、周波数特性に基づいて合算運動信号を劣化性信号と所望の運動信号とに分離する手段とを含んでいてよい。

本発明の以上の利点及び特徴並びに他の利点及び特徴は、図面と共に以下の詳細な説明を参照すると明らかとなろう。

図１は、画像データを取得して処理するイメージング・システム１０を線図で示す。図示の実施形態では、システム１０は、本発明の手法に従ってＸ線投影データを取得し、投影データを画像に再構成して、画像データを表示及び解析のために処理するように設計されている計算機式断層写真法（ＣＴ）システムである。図１に示す実施形態では、イメージング・システム１０は、コリメータ１４に隣接して配置されているＸ線源１２を含んでいる。この実施形態例では、Ｘ線源１２は典型的にはＸ線管である。

コリメータ１４は、患者１８のような被検体が配置されている領域を放射線流１６が透過することを可能にする。放射線流１６は一般的には、後述する検出器アレイの構成及び所望のデータ取得方法に応じてファン形であってもよいしコーン形であってもよい。放射線の一部２０が被検体を透過し又は被検体の周囲を通過して、参照番号２２で全体的に示す検出器アレイに入射する。アレイの検出器素子が、入射したＸ線ビームの強度を表わす電気信号を発生する。これらの信号を取得して処理し、被検体の体内の特徴の画像を再構成する。

線源１２は、ＣＴ検査系列のために電力信号及び制御信号の両方を供給するシステム制御器２４によって制御される。さらに、検出器２２がシステム制御器２４に結合されており、システム制御器２４は検出器２２において発生される信号の取得を指令する。システム制御器２４はまた、ダイナミック・レンジの初期調節及びディジタル画像データのインタリーブ等のような様々な信号処理作用及びフィルタ処理作用を実行することができる。一般的には、システム制御器２４は、検査プロトコルを実行して取得されたデータを処理するようにイメージング・システムの動作を指令する。ここでの例では、システム制御器２４はまた、汎用又は特定応用向けディジタル・コンピュータ、コンピュータによって実行されるプログラム及びルーチンや構成設定パラメータ及び画像データを記憶する付設のメモリ・サーキットリ、並びにインタフェイス回路等を典型的な基本要素とする信号処理サーキットリを含んでいる。

図１に示す実施形態では、システム制御器２４は線形配置サブシステム２６及び回転サブシステム２８に結合されている。回転サブシステム２８は、Ｘ線源１２、コリメータ１４及び検出器２２が患者１８の周囲を一回転又は多数回回転することを可能にする。尚、回転サブシステム２８はガントリを含み得ることを理解されたい。このように、システム制御器２４を用いてガントリを動作させることができる。線形配置サブシステム２６は、患者１８又はさらに明確に述べると患者テーブルが線形変位することを可能にする。このように、患者テーブルはガントリの内部を線形で移動して患者１８の特定区域の画像を形成することができる。上述のシステムの実施形態は第三世代ＣＴスキャナであるが、本書で記載する心臓運動を表わす信号を発生する方法は、全ての先端世代のＣＴシステムに適用することができる。

加えて、当業者には理解されるように、放射線源は、システム制御器２４の内部に配設されているＸ線制御器３０によって制御され得る。具体的には、Ｘ線制御器３０は、Ｘ線源１２に電力信号及びタイミング信号を供給するように構成されている。また、モータ制御器３２を用いて、回転サブシステム２８及び線形配置サブシステム２６の動きを制御することができる。

さらに、システム制御器２４はまた、図示のようにデータ取得システム３４を含んでいる。この実施形態例では、検出器２２はシステム制御器２４に結合されており、さらに具体的にはデータ取得システム３４に結合されている。データ取得システム３４は、検出器２２の読み出し電子回路によって収集されたデータを受け取る。データ取得システム３４は典型的には、検出器２２からサンプリングされたアナログ信号を受け取って、データをディジタル信号へ変換して、コンピュータ３６による後の処理に供する。

コンピュータ３６は典型的には、システム制御器２４に結合されている。データ取得システム３４によって収集されるデータをコンピュータ３６へ伝達して後の処理及び再構成に供することができる。コンピュータ３６は、コンピュータ３６によって処理されたデータ又はコンピュータ３６によって処理されるデータを記憶することのできるメモリ３８を含んでいるか又はかかるメモリ３８と通信することができる。尚、かかる例示的なシステム１０が、多量のデータを記憶する任意の形式のメモリを用いてよいことを理解されたい。さらに、メモリ３８は取得システムに位置していてもよいし、又は後述するデータ、処理パラメータ及びルーチンを記憶した遠隔構成要素を含んでいてもよい。

コンピュータ３６はまた、システム制御器２４によって可能になる諸特徴すなわち走査動作及びデータ取得を制御するように構成されていてよい。さらに、コンピュータ３６は、典型的にはキーボード及び他の入力装置（図示されていない）を備えた操作者ワークステーション４０を介して操作者から命令及び走査パラメータを受け取るように構成されていてよい。これにより、操作者は入力装置を介してシステム１０を制御することができる。このように、操作者は再構成画像及びコンピュータ３６からのシステムに関連するその他のデータを観察して、撮像を開始する等を行なうことができる。

操作者ワークステーション４０に結合されている表示器４２を用いて再構成画像を観察することができる。加えて、操作者ワークステーション４０に結合されていてよいプリンタ４４によって走査画像を印刷してもよい。表示器４２及びプリンタ４４はまた、直接又は操作者ワークステーション４０を介してコンピュータ３６に接続されていてよい。さらに、操作者ワークステーション４０はまた、医用画像保管通信システム（ＰＡＣＳ）４６に結合されていてもよい。尚、ＰＡＣＳ４６は、様々な部署に位置する他者が画像データへのアクセスを得ることができるように、遠隔システム４８、放射線科情報システム（ＲＩＳ）、病院情報システム（ＨＩＳ）、又は内部若しくは外部ネットワークに結合されていてよいことを理解されたい。

さらに、コンピュータ３６及び操作者ワークステーション４０が、標準的な又は特殊目的のコンピュータ・モニタ及び付設されている処理サーキットリを含めた他の出力装置に結合されていてもよいことを理解されたい。また、システム・パラメータを出力する、検査を要求する、及び画像を観察する等のために１以上の操作者ワークステーション４０がシステムにさらに結合されていてもよい。一般的には、システム内に供給されている表示器、プリンタ、ワークステーション及び類似の装置は、データ取得構成要素に対してローカルに位置していてもよいし、施設若しくは病院内の他の箇所、又は全く異なる箇所等で、インターネット及び仮想的私設ネットワーク等のような１以上の構成可変ネットワークを介して画像取得システムに結合されてこれらの構成要素から遠隔に位置していてもよい。

図２を全体的に参照して述べると、本実施形態において用いられるイメージング・システムの例は、ＣＴ走査システム５０であってよい。ＣＴ走査システム５０は、広い二次元的軸方向撮像範囲、高速のガントリ回転速度及び高い空間分解能を提供するマルチ・スライス検出器ＣＴ（ＭＤＣＴ）システムであってよい。代替的に、ＣＴ走査システム５０は、高速又は低速のガントリ回転速度で被検体の体内器官の全体のような空間の撮像を可能にするコーン・ビーム幾何学的構成及び面積型検出器を用いた容積測定型ＣＴ（ＶＣＴ）システムであってもよい。ＣＴ走査システム５０は、図示のように、フレーム５２と、開口５６を有するガントリ５４とを備えており、開口５６を通して患者１８を移動させることができる。フレーム５２及びガントリ５４の開口５６に患者テーブル５８を配置して、典型的には線形配置サブシステム２６（図１参照）によるテーブル５８の線形変位を介して患者１８の移動を容易にすることができる。ガントリ５４は、図示のように、典型的には焦点６２からＸ線を放出するＸ線管である放射線源１２を備えている。心撮像の場合には、放射線流は心臓を含めた患者１８の断面に向かって照射される。

典型的な動作では、Ｘ線源１２は焦点６２から検出器アレイ２２に向かってＸ線ビームを投射する。鉛又はタングステンのシャッタのようなコリメータ１４（図１参照）が典型的には、Ｘ線源１２から照射されるＸ線ビームの寸法及び形状を画定する。検出器２２は一般的には、複数の検出器素子によって形成されており、検出器素子は心臓又は胸部等のような関心のある被検体を透過した又は被検体の周りを通過したＸ線を検出する。各々の検出器素子が、Ｘ線ビームが検出器に入射したときの素子の位置でのＸ線ビームの強度を表わす電気信号を発生する。ガントリ５４は、複数の放射線画像のビューをコンピュータ３６によって収集することが可能なように関心のある被検体の周囲を回転する。

このように、Ｘ線源１２及び検出器２２が回転すると共に、検出器２２は減弱したＸ線ビームのデータを収集する。次いで、検出器２２から収集されたデータに前処理及び較正を施して、走査対象の減弱係数の線積分を表わすようにデータを調整する。処理されたデータは一般に投影と呼ばれ、次いでこのデータをフィルタ補正及び逆投影して、走査された区域の画像を形成することができる。形成された画像は、幾つかのモードで３６０°よりも少ない又は多い投影データを組み入れていてよい。

図１及び図２のシステムによって形成された心画像は、一旦、再構成されると患者１８の心臓を現わす。図２に全体的に示すように、画像６４を表示して、図２の参照番号６６に示すような患者の特徴を示すことができる。疾患状態、さらに一般的には医学的状態又は医学的事象の診断のための従来のアプローチでは、放射線医又は内科医は、再構成画像６４が関心のある特徴を識別しているものと考える。かかる特徴６６としては、関心のある冠状動脈又は狭窄症患部、及び他の特徴が含まれ、これらの特徴は個々の医師の技量及び知識に基づいて画像において識別可能である。他の解析が、様々なＣＡＤアルゴリズムの性能に基づいていてもよい。

当業者には理解されるように、画像６４の再構成は多様な要因によって複雑化し得る。例えば、線源及び検出器が被検体の周囲を回転している間にＣＴシステムはデータを連続的に取得することができるが、検出器素子での信号は離散的な角度位置においてディジタル化される。結果として得られるデータ集合は角度位置の各々で検出器素子に入射した放射線の強度を表わす多量のデータ点を含む。計算効率の理由から、また運動に誘発されるアーティファクトの発生を抑えるために、取得されたデータのうち、部分集合のみすなわち投影データ・ウィンドウ又は投影データ集合のみを用いて画像６４を形成することが望ましい。

投影データ集合は一般的には、Ｘ線減弱を生ずる諸特徴の位置を算出するのに十分な情報が提供されるように選択される。例えば、画像６４の再構成は、１８０°＋ファン角度夾角αのＸ線ビーム１６を包含するガントリの回転時に取得された投影データを用いたハーフ・スキャン再構成アルゴリズムを利用して行なうことができる。ガントリの完全な一回転で取得された投影データを含むデータ集合には冗長性があるため、ハーフ・スキャン投影データ集合は一般的には、画像再構成に十分であり、改善された時間分解能を提供する。再構成はまた、相対的に短い投影データ集合、すなわち組み合わせると画像６４を再構成するのに必要なデータを与えるような１８０°＋α未満の投影データ集合の組み合わせを用いるマルチ・セクタ再構成手法を利用して行なうこともできる。

動的に運動する組織の画像６４の再構成は、特定の問題点を呈し得る。例えば、心撮像の場合には、運動が最小限となる時相等の同じ心搏時相で収集された投影データ集合を選択することが一般に望ましい。心臓周期の異なる時相で取得されたデータ点を含む投影データ集合は、再構成画像又は一連の隣接する画像を含むレンダリングされた空間に不連続性又は運動に関連するアーティファクトを生じる可能性がある。

これらの運動関連の問題点に対処するために、心搏時相情報を抽出して、投影データ集合の選択を支援することが一般に望ましい。例えば、図３に示すＥＣＧ波形７０のような同時に取得された心電図（ＥＣＧ）データを心臓運動の一般的指標として用いることができる。図示の例では、ＳＴコンプレクス７４に続く波形上の点７２を心臓周期の比較的低運動の時相の指標として用いることができる。従って、点７２を用いて、検出器横列７８によって取得されるデータの投影データ集合７６を選択することができる。例えば、図示の例では、投影データ集合７６は、マルチ・スライス検出器ＣＴシステムによって取得されるデータから選択されるハーフ・スキャン投影データ集合である。次いで、投影データ集合７６を再構成して、ボリューム・レンダリング８０を構成し得るもののような画像６４を形成することができる。

概念的には、ＥＣＧデータを用いて取得された投影データを選択する又は「ゲート」する手法は簡単であるが、実際にはこの手法は、ＥＣＧデータを同時に収集する負荷が加わるため、臨床環境では問題を孕んでいる。さらに、ＥＣＧデータは、心臓組織の実際の運動ではなく心筋組織の脱分極及び再分極を表わす。従って、ＥＣＧデータが心臓運動を正確に表わしている程度にはばらつきがあり得る。結果として、ＥＣＧデータに基づいて選択された投影データ集合が所望の心搏時相で取得された投影データで構成されている場合もされていない場合もあり、再構成画像に運動関連のアーティファクト及び不連続性が依然として存在する可能性があることを意味している。

ＥＣＧデータを用いて投影データ集合を選択することに対する一つの代替的な方法は、投影データ自体に内在する運動情報を用いて同じ心搏時相で取得された投影を選択するものであり得る。例えば、Helgason-Ludwig適合性条件によって決定され得るもののようなサイノグラム無矛盾性を用いて、投影データの内部の運動の存在を判定することができる。図４に示すように、サイノグラム１００は一次元投影ｐθ（ｓ）を積み重ねることにより得られる二次元データ集合ｐ（ｓ，θ）であり、ここでθはデータ取得のビュー角度であり、ｓは検出器素子である。撮像域内の静止点では、サイノグラム１００は、予測され得るようにパラレル・ビームＸ線源についてはシヌソイド形態を実際に有する。同様に、撮像域の内部に運動が存在している場合には、サイノグラム１００はシヌソイド形態から逸脱する。

サイノグラム１００の構造は、サイノグラム１００が一定数のモーメントＭに分解され得ることを示すHelgason-Ludwig適合性条件によって支配されており、このことは次式によって与えられる。
（１） Ｍ_ｋ（θ）＝∫ｓ^ｋＲｆ（ｓ，θ）ｄｓ
式中、ｋはモーメントの次数を与える正の整数であり、ｓは検出器素子であり、θはビュー角度であり、ｆは対象関数であり、Ｒはラドン変換である。Helgason-Ludwig適合性条件によれば、ファン・ビーム・サイノグラムに基づくモーメントＭｋは、ｓｉｎθ及びｃｏｓθについて次数ｋの同次多項式となる。以下で詳述するように、Helgason-Ludwig適合性条件に関連する様々なモーメントを用いて投影データから運動情報を抽出することができ、次いでこの運動情報を用いて、同じ心搏時相での投影データ集合を選択することもできるし、又は他の場合には動的に運動する組織の画像再構成を容易にすることもできる。

《モーメントを用いた再構成集合間の比較》
投影データ集合選択の一手法は、Helgason-Ludwig適合性条件を用いて、参照用投影データ集合の運動特性に最も近接して合致した単一セクタ又はマルチ・セクタ投影データ集合の選択を容易にするものである。具体的には、ガントリ５４の回転時間が患者の心拍数と異なっていて、ビュー位置と心臓周期の時相との間に一貫した対応が存在しない場合には、マルチ・セクタ再構成手法が好ましい。マルチ・セクタ投影データ集合は、ハーフ・スキャン再構成の場合と同様に、ガントリ回転の１８０°＋αの区間にわたって取得された投影データに対応し得る。しかしながら、ハーフ・スキャン投影データ集合が投影データの連続ブロックすなわち単一回のガントリ回転で取得される単一の「セクタ」を含んでいる一方で、マルチ・セクタ投影データ集合は異なる複数の回転で取得される投影データの２以上のセクタで構成され、一つのセクタの終端ビュー角度位置が次のセクタの開始ビュー角度位置に連続して隣接する。

本発明の手法では、図５のステップ１１２に示すように、マルチ・スライス検出器ＣＴシステムの螺旋運転又は容積測定型ＣＴシステムの運転等によって投影データ１１０が取得される。ステップ１１４において、あるｚ位置に関連する投影データすなわちアキシャル・スライスが、入手可能な心臓周期にわたって解析される。螺旋取得の場合には、当業者には周知のように、投影データは測定された投影データ、及び螺旋補間手法によって生成される補間された投影データの両方を含んでいてよい。投影データの全て又は一部を後述のようにして解析することができる。具体的には、関心領域に対応する部分集合を識別して抽出することができる場合には、後に行なわれる解析は投影データの部分集合に限定されていてよい。投影データ部分集合の解析は、完全投影データ集合の解析に比べて関心領域において優れた信号対雑音比を与えることができる。

解析時には、図６のステップ１１６に示すように、異なる投影データ・ビューについて、ｚ位置における投影データ１１０について１次以上のHelgason-Ludwigモーメントを算出することができる。例えば、０次モーメント、１次モーメント又は２次モーメントの１以上をｚ位置において各々の投影データ・ビューについて算出することができる。１次よりも高次のモーメントを算出する場合には、複数のモーメントを結合してもよいし又は後の参照のために別個に保持してもよい。モーメントは１種類の次数又は複数の次数の組み合わせの何れであっても、ビュー位置に対してプロットされて、ｚ位置での投影データ内部の運動の簡約表現を与えることができる。例えば、０次モーメントをｚ位置についてビュー位置の関数としてプロットして一つのかかる運動の簡約表現を形成することができる。

次いで、ステップ１２０において、単一セクタ再構成集合又はハーフ・スキャン再構成集合のような参照用投影データ集合１１８をｚ位置の投影データから選択することができる。次いで、ステップ１２４においてマルチ・セクタ投影データ集合（ＭＳＰＤＳ）１２２のような比較用投影データ集合が生成される。各々のＭＳＰＤＳ１２２は、ＭＳＰＤＳ１２２を構成するセクタ数Ｎ、及びＭＳＰＤＳ１２２の第一のビュー・フレームの参照再構成集合１１８の第一のビュー・フレームからのオフセットＯによって記述することができる。従って、セクタ数Ｎは、ＭＳＰＤＳ１２２に組み入れられるデータを取得するのに用いられたガントリの回転数を与える。これらの因子に基づいて、ステップ１２４においてＮ×Ｏ個の数のＭＳＰＤＳ１２２を生成することができる。

ステップ１２６において、比較用投影データ集合、ここではＭＳＰＤＳ１２２を参照用投影データ集合１１８と比較して、何れの比較集合が参照用投影データ集合１１８と同じ時相で取得された投影で構成されているかを判定することができる。具体的には、ｚ位置において各々のビュー・フレームについて算出されたモーメント情報を用いて、運動すなわち時相差に帰属し得る投影データ集合の間の差を表わす相関誤差を決定する。相関誤差を得る一方法は、比較用投影データ集合１２２を構成する投影データに関連する０次モーメントのようなモーメントを参照用投影データ集合１１８のそれぞれのモーメントから減算するものである。例えば、ＭＳＰＤＳ１２２の第一のビューの０次モーメントを参照用投影データ集合１１８の第一のビューの０次モーメントから減算する等を行なうことができる。

これらの差の絶対値の和すなわち相関誤差は、運動に帰属され得る投影データ集合の間の差の尺度を表わす。相関誤差が小さいほど、投影データ集合の間には運動に起因する小さい差が存在し、ゼロの相関誤差は運動関連の差が存在しないことを示す。換言すると、投影データ集合が心臓周期の同じ時相から採取されており、従って投影データ集合の間に殆ど又は全く相関誤差が観測されない場合には、これらの投影データ集合について類似のモーメントが観測される。従って、ステップ１２６に示すように、相関誤差を用いて、参照用投影データ集合１１８に最も近接して合致する比較投影集合（１又は複数）１２２を選択することができる。

選択された投影データ集合１２８は、一つの時間点での心臓周期を特徴付ける投影情報を含んでいる。以上のステップを後述するように繰り返すことにより、図５のステップ１３０に示すように、周期情報を用いて時間的な隣接位置での心臓の周期性を抽出することができる。ｚ方向での患者の移動の既知情報をガントリ回転速度と共に用いて、軸方向心臓スライスの残りを同じ時相で再構成して当該心搏時相での心臓のボリューム・レンダリングを形成することができる。さらに、本書に記載する方法を１以上の他の心搏時相で繰り返して、走査全体での心臓運動を得ることができる。次いで、ステップ１３２に示すように、アキシャル・スライス及び／又は心臓空間の再構成を、心臓運動の脱分極データ若しくは再分極データ又は他の代用測定値に頼らずに所望の時相で実行することができる。

《劣化性信号からの運動信号の分離》
他の手法でも、Helgason-Ludwig適合性条件のような適合性条件を用いて、取得された投影データから有用な運動情報を生成することができる。すると、心臓の例でのＥＣＧデータのような組織運動の間接的な測定値の代わりに運動データを用いることができる。例えば、導かれた運動データを用いて、遡行的ゲート又は先行的ゲートの場合のようなデータ解析又はデータ取得をそれぞれ容易にすることができる。

しかしながら、心臓信号に関連する周期がＣＴガントリ５４に関連する回転周期と類似している場合には、生ずる可能性のある一つの問題点が生ずる。例えば、マルチ・スライス検出器ＣＴシステムでは、ガントリ回転周期は秒当たり２回転程度であり、患者の心拍数は秒当たり０．７５拍〜２拍程度であり得る。ガントリ回転周期と心臓周期とが近い又は重なっている場合には、合算運動データは、所望の心臓運動信号ばかりでなくデータ取得工程に関連する劣化性信号も含んでいる場合がある。具体的には、Helgason-Ludwig適合性条件の０次モーメントから、ガントリの回転周期と同じ周期を有する信号に低周波数変調が発生する。

劣化性信号及び運動信号を分離し得る一手法は、回転周期が患者の心臓周期と別個になるような速度でガントリ５４を回転させるものである。例えば、十分に高速なガントリ回転速度によって、時間領域又はフーリエ周波数領域の何れでも周波数による心臓運動成分から識別可能な劣化性運動成分が生じ得る。同様に、完了に３秒間以上を要する回転のような低速のガントリ回転によって、合算運動データの心臓運動成分から周波数特性によって分離され得る劣化性運動信号が発生し得る。

例えば、面積型検出器及びコーン・ビーム構成を組み入れた容積測定型ＣＴシステムで低速のガントリ回転を具現化することができる。容積測定型ＣＴ構成の一つの利点は、単一回の回転で心臓のような関心領域の空間全体の投影データが各々のビュー角度で取得されることである。従って、関心空間全体が各々のビュー位置での視野の内部に位置しているため、容積測定型ＣＴシステムはマルチ・スライス検出器システムよりも信号対雑音比が高い。

従って、低速のガントリ回転向きに構成設定されている容積測定型ＣＴシステムを用いて投影データを取得することができる。投影データをHelgason-Ludwig適合性条件のモーメントのような無矛盾性関係を用いて処理して、投影データから心臓運動データを導くことができる。例えば、Helgason-Ludwigの０次モーメントは、あるビュー位置において検出器２２によって取得された全データの線減弱係数の線積分の和に対応する。一般的には、パラレル・ビーム幾何学的構成、静止した対象及び単色のＸ線源の場合には、対象が静止しており各々のビュー位置で同等であるから０次モーメントは全てのビュー位置について等しくなる筈である。しかしながら、動的な対象すなわち視野内で運動を生じている対象では、ビュー位置の関数としての投影データの不整合が０次モーメントの変化になって現われる。これらの変化は、視野内での動的な対象の運動又は構成変化に対応する。従って、変化を解析して動的な対象の運動を導くことができる。

ガントリを低速で回転させながら投影データを取得した場合には、導かれた運動データにおいて時間領域でもフーリエ変換領域でもガントリ回転に関連する劣化性信号を心臓運動信号のような所望の運動信号から分離することができる。例えば、図７には、０次モーメント１５０を表わす信号を示している。モーメント計算から生ずる信号の低周波成分、及び心臓周期の間に心臓の運動から生ずる高周波成分は容易に識別可能である。

図８では、１８秒毎に約１回転する検出器を備えた容積測定型ＣＴシステムを用いて取得された投影データ集合の０次モーメントの離散フーリエ変換１５２の大きさを周波数に対してプロットしている。ガントリ回転に関連する周期すなわち分当たり約３回転に関連する周期を有する低周波数アーティファクト１５４は、変換１５２の心臓部分１５６から容易に識別可能であり分離可能である。

劣化性信号すなわち低周波数アーティファクト１５２の分離の後に、ビュー・フレームの関数として０次モーメントを解析して視野内での組織の運動を経時的に導くことができる。例えば、図９には、０次モーメント１５０が時間に対してプロットされており、走査区間での被撮像心臓の心臓運動を表示している。この情報から、心臓の周期性を決定し、決定した周期性をゲート法等のために投影データの再構成に用いて、所望の心搏時相での画像を再構成することができる。

さらに、心臓のような関心空間に関連した視野の近似的な部分集合が識別される場合には、これらの部分集合に関連する投影データを用いて合算運動データ信号を発生することができる。解析を投影データの部分集合に限定することにより、心臓信号のような所望の運動信号の忠実性を劣化性成分に対してさらに高めることができる。例えば、この部分集合形成工程は、心臓又は他の器官を包囲するイメージング・システムの全視野の内部の小領域を推定して、ガントリ５４の各々のビュー位置について検出器２２上のこの推定された領域の陰影を識別することにより達成され得る。この工程によって、所望の運動信号のさらなる精密化を達成することができる。次いで、運動信号を用いて所望の心搏時相での画像を再構成することができ、又は他の場合には、動的な組織の投影データの時間分解された再構成若しくは取得を容易にすることができる。

当業者には理解されるように、本書に記載した方法は、コンピュータ３６又はＣＴシステム１０のその他のプロセッサ式構成要素による実行が可能な１以上のルーチンとして提供することができる。ルーチンは、磁気媒体又は光媒体のような１以上のコンピュータ読み取り可能な媒体上に記憶させる又はかかる媒体でアクセスされることができ、この媒体はコンピュータ３６又はプロセッサ式構成要素に対してローカルに位置していてもよいし、インターネット又はローカル・エリア・ネットワークのようなネットワーク接続を介して遠隔でアクセス可能であってもよい。さらに、ルーチンへのアクセス又はルーチンの動作は、ＣＴイメージング・システム１０の通常動作の一部として操作者ワークステーション４０を介して操作者に対して提供されていてもよい。

処理画像を形成するのに用いられる本手法の一観点によるＣＴイメージング・システムの形態にある例示的なイメージング・システムの線図である。 本発明の一観点による図１のＣＴシステムの物理的な具現化形態のもう一つの線図である。 心臓空間の再構成に用いられる画像を形成するために、取得されたＸ線投影データを遡行的に選択するのに用いられるＥＣＧ波形の図である。 Ｘ線投影データから導かれるサイノグラムの図である。 本手法の一観点に従って動的組織を表わす画像の再構成のためにデータ集合を選択する適合性条件を用いる一手法を示す流れ図である。 本手法の一観点に従って投影データを解析する一手法を示す流れ図である。 本手法の一観点に従って検出器パネルから取得された投影データ集合の近似的な０次モーメントを取得時間の関数として示すグラフである。 本手法の一観点に従って様々なビュー角度位置で取得された投影データ集合の近似的な０次モーメントの離散的フーリエ変換の大きさを周波数の関数として示すグラフである。 本手法の一観点に従って検出器パネルから取得された投影データ集合の近似的な０次モーメントのフィルタ補正後の形態を取得時間の関数として示すグラフである。

符号の説明

１０ 計算機式断層写真法イメージング・システム
１２ Ｘ線源
１４ コリメータ
１６ 放射線流
１８ 患者
２０ 放射線の一部
２２ 検出器アレイ
２４ システム制御器
２６ 線形配置サブシステム
２８ 回転サブシステム
５０ ＣＴ走査システム
５２ フレーム
５４ ガントリ
５６ 開口
５８ テーブル
６２ 焦点
６４ 画像
６６ 患者の特徴
７０ ＥＣＧ波形
７２ 低運動指標
７４ ＳＴコンプレクス
７６ 投影データ集合
７８ 検出器横列
８０ ボリューム・レンダリング
１００ サイノグラム
１５０ ０次モーメント
１５２ ０次モーメントの離散フーリエ変換
１５４ 低周波数アーティファクト
１５６ 心臓部分

Claims (10)

1. 放射線流（１６、２０）を放出するように構成されているＸ線源（１２）と、
   前記放射線流（１６、２０）を検出して、該放射線流（１６、２０）に応じた１以上の信号を発生するように構成されており、複数の検出器素子を含んでいる検出器（２２）と、
   前記Ｘ線源（１２）を制御して、データ取得システム（３４）を介して前記検出器素子の１以上から投影データ集合（１１０）を取得する（１１２）ように構成されているシステム制御器（２４）と、
   前記投影データ集合（１１０）を受け取り、あるアキシャル位置について異なるビュー位置における前記投影データ集合（１１０）の０次モーメント、１次モーメント及び２次モーメントの少なくとも一つの集合を算出し（１１６）、前記アキシャル位置における前記投影データ（１１０）から参照用投影データ集合（１１８）を選択し（１２０）、前記アキシャル位置における前記投影データ（１１０）から２以上の比較用投影データ集合（１２２）を発生し（１２４）、前記少なくとも一つのモーメントの集合を用いて各々の比較用投影データ集合（１２２）の前記参照用投影データ集合（１１８）に対する相関誤差を導いて、該相関誤差に基づいて整合用投影データ集合（１２８）を選択するように構成されているコンピュータ・システム（３６）と、
   を備えた計算機式断層写真法（ＣＴ）画像解析システム（１０）。
2. 前記検出器（２２）はマルチ・スライス計算機式断層写真法検出器（２２）を含んでいる、請求項１に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
3. 前記比較用投影データ集合はマルチ・セクタ投影データ集合（１２２）を含んでおり、前記コンピュータ（３６）はＮ×Ｏ個までのマルチ・セクタ投影データ集合（１２２）を生成するように構成されている、請求項１に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
4. 前記コンピュータ（３６）は、同等のビュー位置における前記参照用投影データ集合（１１８）の前記モーメントと前記比較用投影データ集合のそれぞれのモーメントとの間の差の絶対値を加算することにより前記相関誤差を導く、請求項１に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
5. 前記コンピュータ（３６）は、最小の相関誤差を有する前記整合用投影データ集合（１２８）を選択する、請求項１に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
6. 前記コンピュータ（３６）はさらに、前記整合用投影データ集合（１２８）から画像を再構成するように構成されている、請求項１に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
7. 前記コンピュータ（３６）はさらに、前記整合用投影データ集合（１２８）から、又は前記整合用投影データ集合（１２８）から再構成された画像から、周期情報を抽出する（１３０）ように構成されている、請求項１に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
8. 前記コンピュータ（３６）はさらに、前記周期情報を用いて前記投影データ集合（１１０）から１枚以上の画像を再構成する（１３２）ように構成されている、請求項７に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
9. 前記コンピュータ（３６）はさらに、２枚以上の再構成画像から空間をレンダリングするように構成されている、請求項８に記載の計算機式断層写真法画像解析システム（１０）。
10. 放射線流（１６、２０）を放出するように構成されているＸ線源（１２）と、
    前記放射線流（１６、２０）を検出して、該放射線流（１６、２０）に応じた１以上の信号を発生するように構成されており、複数の検出器素子を含んでいる検出器（２２）と、
    前記Ｘ線源（１２）を制御して、データ取得システム（３４）を介して前記検出器素子の１以上から投影データ集合（１１０）を取得する（１１２）ように構成されているシステム制御器（２４）と、
    前記投影データ集合（１１０）を受け取るように構成されているコンピュータ・システム（３６）と、
    あるアキシャル位置について異なるビュー位置における前記投影データ集合（１１０）の複数のモーメントの少なくとも一つの集合を算出する手段と、
    前記アキシャル位置における前記投影データ（１１０）から参照用投影データ集合（１１８）を選択する手段と、
    前記アキシャル位置における前記投影データ（１１０）から２以上の比較用投影データ集合（１２２）を発生する手段と、
    前記少なくとも一つのモーメントの集合を用いて各々の比較用投影データ集合（１２２）の前記参照用投影データ集合（１１８）に対する相関誤差を導く手段と、
    該相関誤差に基づいて整合用投影データ集合（１２８）を選択する手段と、
    を備えた計算機式断層写真法（ＣＴ）画像解析システム（１０）。

Images