JP4356061B2 - 投影データに加重する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、計算機式断層写真法（ＣＴ）撮像に関し、さらに具体的には、マルチ・スライスＣＴイメージング・システムを用いて取得される投影データに加重する方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
ファン・ビーム方式のアルゴリズムで再構成される幾つかの公知のマルチ・スライス・ヘリカル・スキャンには、投影サンプリングのコーン・ビーム効果による誤差が存在している。再構成された画像の誤差は、画像ピクセルからシステムのイソセンタまでの距離が増すにつれて増大する。従って、システムのイソセンタの近くに位置するピクセルでは、複数の投影射線が、再構成されるピクセル位置の近くにあるのでコーン・ビーム誤差の量は比較的小さい。しかしながら、システムのイソセンタから離隔して位置するピクセルでは、投影サンプルが通過する位置と、逆投影されるピクセルの位置との間の差が大きく、コーン・ビーム誤差の量が比較的大きい。
【特許文献１】
米国特許第６４２１４１１号
【０００３】
【課題を解決するための手段】
一観点では、投影データに加重する方法を提供する。この方法は、複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域を選択する工程と、この領域を複数の等寸法の小領域に分割する工程と、これら等寸法の小領域に、位置依存型ｚ平滑化加重関数を用いて加重する工程とを含んでいる。
【０００４】
もう一つの観点では、医用イメージング・システムを用いて取得される投影データに加重するコンピュータを提供する。このイメージング・システムは、放射線源と検出器とを含んでいる。コンピュータは、複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域を選択し、この領域を複数の等寸法の小領域に分割して、これら等寸法の小領域に、位置依存型ｚ平滑化加重関数を用いて加重するようにプログラムされている。
【０００５】
さらにもう一つの観点では、投影データに加重する計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムを提供する。このＣＴシステムは、放射線源と、検出器アレイと、これら検出器アレイ及び放射線源に結合されているコンピュータとを含んでおり、コンピュータは、複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域を選択し、この領域を複数の等寸法の小領域に分割して、これら等寸法の小領域に、位置依存型ｚ平滑化加重関数を用いて加重するように構成されている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
幾つかの公知のＣＴイメージング・システム構成においては、Ｘ線源がファン（扇形）形状のビームを投射し、このビームは、デカルト座標系のＸＹ平面であって、一般に「イメージング（撮像）平面」と呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。Ｘ線ビームは患者等の被撮像物体を透過する。ビームは物体によって減弱された後に放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイで受光される減弱した放射線ビームの強度は、物体によるＸ線ビームの減弱量に依存している。アレイ内の各々の検出器素子が、検出器の位置でのビーム減弱の測定値である別個の電気信号を発生する。すべての検出器からの減弱測定値を別個に取得して透過プロファイル（断面）を形成する。
【０００７】
第三世代ＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器アレイは、Ｘ線ビームが被撮像物体と交差する角度が定常的に変化するように撮像平面内で被撮像物体の周りをガントリと共に回転する。一つのガントリ角度での検出器アレイからの一群のＸ線減弱測定値すなわち投影データを「ビュー」と呼ぶ。物体の「走査（スキャン）」は、Ｘ線源及び検出器が一回転する間に様々なガントリ角度すなわちビュー角度において形成される一組のビューで構成される。
【０００８】
アキシャル・スキャン（軸方向走査）では、投影データを処理して、物体を通して得られる二次元スライスに対応する画像を構築する。一組の投影データから画像を再構成する一方法に、当業界でフィルタ補正逆投影法と呼ばれるものがある。この手法は、走査からの減弱測定値を「ＣＴ数」又は「ハンスフィールド（Hounsfield）単位」と呼ばれる整数へ変換し、これらの整数を用いて陰極線管表示器上の対応するピクセルの輝度を制御する。
【０００９】
全走査時間を短縮するために、「ヘリカル」・スキャン（螺旋走査）を行なうこともできる。「ヘリカル」・スキャンを行なうためには、所定の数のスライスのデータが取得されている間に、患者を移動させる。このようなシステムは、シングル・スライスＣＴの場合は一回のファン・ビーム・ヘリカル・スキャンから単一の螺旋を生成する。マルチ・スライスＣＴの場合には、一回のファン・ビーム・ヘリカル・スキャンから多数の螺旋が生成される。ファン・ビームによって悉くマッピングされた螺旋から投影データが得られ、投影データから各々の所定のスライスにおける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、ビュー角度と検出器チャネル番号との関数として収集データに加重する螺旋加重アルゴリズムを用いている。明確に述べると、フィルタ補正逆投影工程の前に、ガントリ角度及び検出器角度の両方の関数である螺旋加重ファクタに従ってデータに加重する。次いで、加重後のデータを処理してＣＴ数を生成すると共に、物体を通して得られる二次元スライスに対応する画像を構築する。
【００１１】
本書で用いられる場合には、単数形で記載されており単数不定冠詞を冠した要素又は工程という用語は、排除すると明記していない限りかかる要素又は工程を複数備えることを排除しないものと理解されたい。さらに、本発明の「一実施形態」に対する参照は、所載の特徴を同様に組み入れている他の実施形態の存在を排除しないものと解釈されたい。
【００１２】
また、本書で用いられる「画像を再構成する」という文言は、画像を表わすデータが生成されるが可視画像は形成されないような本発明の実施形態を排除するものではない。但し、多くの実施形態は１以上の可視画像を形成する（か又は形成するように構成されている）。
【００１３】
図１及び図２には、マルチ・スライス走査イメージング・システム、例えば計算機式断層写真（ＣＴ）イメージング・システム１０が、「第三世代」ＣＴイメージング・システムに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２はＸ線源１４を有しており、Ｘ線源１４は、Ｘ線ビーム１６をガントリ１２の対向する側に設けられている検出器アレイ１８に向かって投射する。検出器アレイ１８は、複数の検出器素子２０を含む複数の検出器行（図示されていない）によって形成されており、検出器素子２０は一括で、患者２２のような物体を透過する投射Ｘ線を感知する。各々の検出器素子２０は、入射Ｘ線ビームの強度を表わし従って物体又は患者２２を透過する際のビームの減弱を表わす電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得するための一回の走査の間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成部品は、回転中心２４の周りを回転する。図２は、検出器素子２０の単一の行（すなわち検出器行一行）のみを示している。しかしながら、マルチ・スライス検出器アレイ１８は、一回の走査中に複数の準平行スライス又は平行スライスに対応する投影データが同時に取得されるように検出器素子２０の複数の平行な検出器行を含んでいる。
【００１４】
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によって制御されている。制御機構２６はＸ線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、Ｘ線制御器２８はＸ線源１４に電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングして、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って高速画像再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。
【００１５】
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を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給した指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２をガントリ１２内で配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。
【００１６】
一実施形態では、コンピュータ３６は、フロッピー・ディスク（「フロッピー・ディスク」は商標）又はＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な媒体５２から命令及び／又はデータを読み取る装置５０、例えばフロッピー・ディスク・ドライブ（「フロッピー・ディスク」は商標）又はＣＤ−ＲＯＭドライブを含んでいる。もう一つの実施形態では、コンピュータ３６はファームウェア（図示されていない）に記憶されている命令を実行する。コンピュータ３６は、本書に記載する機能を実行するようにプログラムされており、従って、本書で用いる場合には、コンピュータという用語は当業界でコンピュータと呼ばれている集積回路のみに限定されている訳ではなく、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、プログラマブル論理コントローラ、特定アプリケーション向け集積回路、及び他のプログラム可能な回路を広範に指している。
【００１７】
図３は、投影データに加重する方法６０の流れ図である。方法６０は、複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域を選択する工程６２と、この領域を複数の等寸法の小領域に分割する工程６４と、これら等寸法の小領域に、位置依存型ｚ平滑化加重関数を用いて加重する工程６６とを含んでいる。
【００１８】
図４は、マルチ・スライスＣＴの複数のイソ射線のサンプリング・パターンである。本実施形態の一例では、検出器１８（図１に示す）の各イソ・チャネルの軌跡を投影角度β、及びｚ軸上での検出器１８の位置の両方の関数としてプロットして、図４に示すような複数の斜線を形成している。検出器１８はＭ行を含んでおり、Ｎ：１の螺旋ピッチで走査を行なって複数の投影データを生成する。本実施形態の一例では、検出器１８は８行を含んでおりすなわちＭ＝８であり、７：１の螺旋ピッチで走査を行なっている。
【００１９】
複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域７０を選択する工程６２は、再構成平面（ＰＯＲ）７２の両側の各々で投影角度βについて２π／Ｎの範囲内に位置する複数の投影データ・サンプルを選択することを含んでいる。もう一つの実施形態では、領域７０の寸法は所望の平滑化に基づいて選択される。ＰＯＲ７２は、
β_k＝β_0,k−γ （式１）
において各々の行ｋに交差するサイノグラム空間内の直線として定義される。ここで、
β_0,kは、検出器行ｋのイソ・チャネルが再構成平面に交差する投影角度であり、
γは検出器角度である。
【００２０】
領域７０を複数の等寸法の小領域７４に分割する工程６４は、各々の検出器行の領域７０を四つの小領域７４に分割することを含んでおり、ここで、各々の小領域７４は、図４に示すように、約π／Ｎの投影角度βの範囲をカバーする。もう一つの実施形態では、投影角度βについて２π／Ｎよりも大きい領域７０を選択し、次いで、四つの小領域７４よりも大きい小領域に分割することもできる。
【００２１】
各々の小領域７４は、
β_n,k＝β₀＋（２ｋ−Ｍ−１＋ｎ）π／Ｎ （式２）
に従って定義される二つの境界（β_n,k）７６を含んでいる。ここで、
ｎ＝−２，−１，０，１及び２、並びにｋ＝１，...，Ｍであり、また、
β₀は中心ビューの投影角度であり、
ｋは検出器行番号であり、
Ｍは検出器行の数であり、
ｎは小領域番号であり、
Ｎは螺旋ピッチである。
【００２２】
本実施形態の一例では、共役関係にあるサイノグラム空間内のすべての領域７０が同じ形状を含み、またβ_n,k−γの線によって境界を画定されている。一実施形態では、小領域７４に、位置依存型ｚ平滑化加重関数ｗ_k（γ，β）を用いて加重する工程６６は、二つの条件を満たす加重関数を選択することを含んでいる。加重関数であるｗ_k（γ，β）関数は、小領域の境界に平行なファン角度γの偶関数であり、加重関数ｗ_k（γ，β）は加算単位性を保存している。一実施形態では、加重関数ｗ_k（γ，β）は、
β_n,k−γ≦β＜β_n+1,k−γについて、
ｗ_k（γ，β）＝ｆ_n,k（γ，β）
に従って、各々の小領域７４毎に別個の関数によって表わされる。ここで、
ｆ_n,k（γ，β）は小領域７４のための加重関数であり、
γはファン角度であり、
βは投影角度であり、
ｎは小領域の番号であり、
ｋは検出器行番号である。
【００２３】
上述した二つの条件は、下記の式によって表わすことができる。
【００２４】
ｗ_k（γ，β）＝ｗ_k（−γ，β−γ） （式４）
０≦Δβ＜π／Ｎについて、
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、
ｎは小領域の番号であり、
ｋは検出器行の番号である。
【００２７】
一実施形態では、検出器行ｋ＝１，...，４のための加重関数は、
ｆ_1,k（γ，β−β_1,k）
＝α（γ）η₁（β）／［１＋２α（γ）］ （式６）
ｆ_2,k（γ，β−β_2,k）
＝｛［１−α（γ）］η₂（β）＋α（γ）｝／［１＋２α（γ）］（式７）
ｆ_3,k（γ，β−β_3,k）
＝｛１−［１−α（γ）］η₂（β）｝／［１＋２α（γ）］（式８）
ｆ_4,k（γ，β−β_4,k）
＝α（γ）［１−η₂（β）］／［１＋２α（γ）］ （式９）
と定義され、ここで、
α（γ）＝（｜γ｜＋γ_b）／［２（γ_m＋γ_b）］ （式１０）
η_n（β）＝［β−（β_n,k−γ）］Ｎ／π （式１１）
であり、
γ_b（０≦γ_b＜∞）は、中央チャネルから境界チャネルまでの加重関数の変化を調節するためのパラメータであり、
γ_mはγについての最大検出器角度である。
【００２８】
一実施形態では、γ_bは０．４８に設定される。γ_bが無限大に近づくと、すべてのチャネルにわたって加重関数は一様になる。
【００２９】
図５は、８行型検出器における行の一つの加重関数の像である。図６は、図５に示す加重関数の等高線プロットであって、加重関数がノン・ゼロであるビュー角度の部分集合の全体にわたって、検出器行の一つの加重関数を示す（すべての行とも、βのずれ以外では同一の加重関数を有する）。
【００３０】
図７は、公知の再構成アルゴリズムで再構成した走査である。図８は、本書に記載したアルゴリズムで再構成した走査である。このアルゴリズムは、公知の螺旋補間によるコーン・ビーム画像アーティファクトを有する患者の走査に対して適用された。走査は、図７に示す元の再構成アルゴリズムと、図８に示す位置依存型ｚ平滑化加重関数との両方で再構成された。画質の向上は明らかである。肋骨の近くのストリーキング・アーティファクトが殆ど完全に除去されている。
【００３１】
投影加重関数を用いて位置依存型ｚ平滑化を実行する本書に記載した投影空間手法は、別個の処理を必要としないので計算の簡略化を容易にする。加えて、画像フィルタ処理を可能にするためには各画像が互いに隣接している必要があるという制約を課さずに、任意の位置で画像を形成することができる。
【００３２】
様々な特定的実施形態によって本発明を説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲の要旨及び範囲内にある改変を施して本発明を実施し得ることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴイメージング・システムの見取り図である。
【図２】図１に示すシステムのブロック模式図である。
【図３】投影データに加重する方法の流れ図である。
【図４】検出器位置及び投影角度の関数としての検出器サンプリング・パターンの図である。
【図５】検出器行のうち一行についての加重関数の図である。
【図６】図５に示す加重関数の等高線プロットである。
【図７】公知の再構成アルゴリズムで再構成した走査の図である。
【図８】本発明で提案した再構成アルゴリズムで再構成した走査の図である。
【符号の説明】
１０ ＣＴ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 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
４２ 表示器
４６ モータ式テーブル
４８ ガントリ開口
５０ 媒体読み取り装置
５２ 媒体
６０ 投影データに加重する方法
７０ 選択される領域
７２ 再構成平面（ＰＯＲ）
７４ 小領域
７６ 境界

Claims (6)

1. 放射線源（１４）と検出器（１８）とを含み、ＣＴイメージング・システム（１０）を用いてマルチ・スライス・ヘリカル・スキャン方式により取得される複数の投影データ・サンプルであって、各々の投影データ・サンプルが投影角度と検出器位置に対応付けらる前記投影データ・サンプルに加重し、ファン・ビーム方式のアルゴリズムで画像の再構成を行うコンピュータ（３６）であって、
   前記複数の投影データ・サンプルの投影角度と検出器位置で規定される平面で領域（７０）を選択し（６２）、
   該領域を複数の等寸法の小領域（７４）に分割して（６４）、
   該等寸法の小領域の各々に対応する特有の位置依存型ｚ平滑化加重関数を各々の等寸法の小領域の投影データ・サンプルに適用して加重する（６６）ようにプログラムされているコンピュータ（３６）。
2. 複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域（７０）を選択する（６２）ために、前記コンピュータは、再構成平面の両側の各々で投影角度βについて２π／Ｎ（Ｎは螺旋ピッチ）の範囲内に位置する複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域を選択するようにさらにプログラムされている請求項１に記載のコンピュータ（３６）。
3. 前記コンピュータは、
   β_ｎ，ｋ＝β_０＋（２ｋ−Ｍ−１＋ｎ）π／Ｎ
   に従って前記小領域（７４）の境界を画定するようにさらにプログラムされており、ここで、
   ｎ＝−２，−１，０，１及び２、並びにｋ＝１，...，Ｍであり、また、
   β_０は中心ビューの投影角度であり、
   ｋは単一の検出器行であり、
   Ｍは検出器行の数であり、
   ｎは小領域番号であり、
   Ｎは螺旋ピッチである請求項１に記載のコンピュータ（３６）。
4. 前記コンピュータは、前記小領域（７４）に平行なファン角度γの偶関数であって当該加重の加算が一単位となるような加重関数を選択するようにさらにプログラムされている請求項１に記載のコンピュータ（３６）。
5. 複数の投影データ・サンプルを含んでいる領域（７０）を選択する（６２）ために、前記コンピュータは、
   ｗ_ｋ（γ，β）＝ｗ_ｋ（−γ，β−γ）
   ０≦Δβ＜π／Ｎについて、
   に従って加重関数を選択するようにさらにプログラムされており、ここで、
   γはファン角度であり、
   Δβは投影角度の変化であり、
   ｎは小領域（７４）の番号であり、
   ｋは検出器行の番号である請求項４に記載のコンピュータ（３６）。
6. 前記等寸法の小領域（７４）に、位置依存型ｚ平滑化加重関数を用いて加重する（６６）ために、前記コンピュータは、
   ｆ_１，ｋ（γ，β−β_１，ｋ）
   ＝α（γ）η_１（β）／［１＋２α（γ）］
   ｆ_２，ｋ（γ，β−β_２，ｋ）
   ＝｛［１−α（γ）］η_２（β）＋α（γ）｝／［１＋２α（γ）］
   ｆ_３，ｋ（γ，β−β_３，ｋ）
   ＝｛１−［１−α（γ）］η_２（β）｝／［１＋２α（γ）］
   ｆ_４，ｋ（γ，β−β_４，ｋ）
   ＝α（γ）［１−η_２（β）］／［１＋２α（γ）］
   に従って前記等寸法の小領域に位置依存型ｚ平滑化加重関数を用いて加重するようにさらにプログラムされており、ここで、
   βは投影角度であり、
   β_ｎ，ｋは小領域境界であり、
   γはファン角度であり、
   α（γ）＝（｜γ｜＋γ_ｂ）／［２（γ_ｍ＋γ_ｂ）］
   η_ｎ（β）＝［β−（β_ｎ，ｋ−γ）］Ｎ／π
   であり、
   γ_ｂ（０≦γ_ｂ＜∞）は、中央チャネルから境界チャネルまでの加重関数の変化を調節するためのパラメータであり、
   γ_ｍはγについての最大検出器角度である請求項１に記載のコンピュータ（３６）。