JP4409043B2 - トモシンセシスｘ線イメージング・システムにより取得される画像データを再構成するコンピュータ・プログラム及び装置 - Google Patents
トモシンセシスｘ線イメージング・システムにより取得される画像データを再構成するコンピュータ・プログラム及び装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トモシンセシス(tomosynthesis) に関し、より具体的には、トモシンセシス・システムを利用して物体の２次元投影画像を取得し、次いで、コーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影(cone beam volumetric computed tomography)再構成アルゴリズムを用いることにより物体の３次元表現を再構成する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円形（circular）トモシンセシスは、２次元（２Ｄ）投影放射線画像の有限の集合から物体の３次元（３Ｄ）画像を構成することを可能にする。図１は、典型的な円形トモシンセシス・システムのシステム幾何構成を示している。このシステムは、Ｘ線源１と、通常はフィルム・スクリーンである２次元Ｘ線検出器２とを含んでいる。データ取得時には、Ｘ線源１及び検出器２の両方が円軌道を回転し、物体３の投影放射線画像の集合が、離散的な線源位置において検出器２によって取得される。各円軌道は、互いに平行な平面内に位置しており、線源１及び検出器２の運動は、各軌道に沿って反対の方向に位置するものとなる。
【０００３】
一旦、投影放射線画像が得られたら、次いで、これらの画像をディジタル化すると共に互いに対して空間的に平行移動させ、トモシンセシス平面内の構造の像が正確に重なり合うような方式で重ね合わせ（スーパインポーズ）する。トモシンセシス平面外の構造の像は、正確に重なり合わず、結果として、これらの構造の深さ依存性のボケが生ずる。投影放射線画像の相対的な平行移動の量を変化させることにより、トモシンセシス平面の位置を変化させることができる。トモシンセシス平面が変化する毎に、重なり合った構造に対応する画像データがスーパインポーズされ、トモシンセシス平面内の構造の２Ｄ画像が得られる。一旦、物体の２Ｄ画像の完全な集合が得られたら、この２Ｄ画像の集合から物体の３Ｄ画像が形成される。
【０００４】
円形トモシンセシスは、患者を通るコロナル・スライスの方向に高い空間分解能を必要とする臨床応用に極めて有用であり得る。この理由は特に、Ｘ線コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）ではコロナル・スライス方向で高い分解能を得ることが通常難しいことによる。更に、トモシンセシス用の装置は通常、Ｘ線ＣＴに比べて単純であり廉価である。しかしながら、円形トモシンセシス・システムの１つの欠点は、再構成される３Ｄ画像の画質が通常、トモシンセシス平面外の構造のボケのために制限されることである。画質を向上させると共にこの平面外ボケを減少させるために、多くの再構成アルゴリズムが開発されている。例えば、マトリクス反転法に基づくアルゴリズムがこの目的に用いられている。
【０００５】
２Ｄ投影画像を用いて３Ｄ再構成を形成する周知の一手法に、コーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影法（コーン・ビームＶＣＴ）として知られているものがある。図２は、コーン・ビームＶＣＴシステムのシステム幾何構成(geometry)を示している。Ｘ線源４が、物体５にＸ線のコーン（円錐）を投射する。Ｘ線は、ディジタル式検出器６に入射し、検出器６はデータをディジタル化する。検出器６は、線源４が位置する平面に対して平行でない平面に位置する。寧ろ、検出器６は、線源が位置する平面に直交する平面に位置する。
【０００６】
円形トモシンセシスの場合と同様に、検出器６及び線源４の幾何構成と物体５との間に相対的な運動が生ずる。この運動は、線源４及び検出器６を回転させることによるか、又は物体５を回転させることにより、達成することができる。物体の画像は、相対的な運動が生ずる方式に応じて、線源４及び検出器６のいくつかの位置又は物体５のいくつかの位置において取得される。検出器６によって測定された画像強度の２Ｄマップが形成されると同時に、これらの２Ｄマップは公知の画像フィルタ処理手法を用いてフィルタ処理され、次いで、１つ又はこれよりも多い公知のアルゴリズムを用いて再構成され、物体の３Ｄ表現を得る。
【０００７】
コーン・ビームＶＣＴシステムを用いて再構成される３Ｄ画像は、典型的な円形トモシンセシス・システムを用いて得られる再構成画像よりも高い画質を有する。円形トモシンセシス・システムをコーン・ビームＶＣＴシステムで置き換えるのではなく、円形トモシンセシス・システムを用いて得られる画像の品質を向上させると望ましい。円形トモシンセシス・システムをコーン・ビームＶＣＴシステムで置き換えることは、経費及びその他の要因により多くの場合選択肢となり得ない可能性がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、円形トモシンセシス・システムを用いて取得される画像データから再構成される画像の品質を向上させる方法及び装置に対する必要性が存在している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円形トモシンセシス・システムを用いて、評価される物体の２次元Ｘ線投影放射線画像データを収集する方法及び装置を提供する。次いで、収集されたデータは、コーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影（コーン・ビームＶＣＴ）再構成に適した形態へ変換される。
【００１０】
一旦、データが変換されたら、コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムを通常通りに利用して、物体の３Ｄ画像を再構成する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の一実施例による本発明の装置のブロック図である。この装置は、図１を参照して前述したような円形トモシンセシス・システムである。但し、典型的な円形トモシンセシス・システムとは対照的に、論理装置１０によって実行される再構成アルゴリズム１４が、コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムとなっている。論理装置１０によって実行される変換アルゴリズム１３は、円形トモシンセシス・システムによって取得される画像データをコーン・ビームＶＣＴアルゴリズム１４の適用による再構成に適した形態へ変換する。変換アルゴリズム１３及び再構成アルゴリズム１４については、図４及び図５を参照して以下で詳細に述べる。
【００１２】
論理装置１０は典型的には、表示装置１１と通信すると共にシステム・データ記憶部１３と通信するコンピュータを含んでいる。システム・データ記憶部１２は、実行のためにコンピュータ１０によって用いられるデータを記憶している。システム・データ記憶部１２は又、トモシンセシス・システムによって取得された画像データを記憶している。加えて、システム・データ記憶部１２は、アルゴリズム１３及び１４に対応するコード、並びにこれらのアルゴリズムの適用によって再構成された画像データを記憶している。システム・コンピュータ１０は、再構成された画像を表示装置１１に表示することを可能にする。
【００１３】
本発明の装置は、検出器１５を含んでおり、検出器１５は好ましくは、ディジタル式検出器又はイメージ・インテンシファイアである。本発明の装置は、撮像される物体１８を通してＸ線を投射するＸ線源１９を含んでおり、撮像される物体１８は例えば、患者であり得る。検出器１５は、物体１８を通過したＸ線を受け取り、Ｘ線の強度に関する電圧信号を発生する。検出器１５及び線源１９は、それぞれ制御器１６及び１７に電気的に結合されている。制御器１６及び１７は、コンピュータ１０に電気的に結合されている。コンピュータ１０は、制御器１６及び１７に対して指令を出力する。コンピュータ１０からの指令の受領に応答して、制御器１６及び１７は、図１に関連して前述した方式で円軌道を巡って検出器１５及び線源１９を運動させる。
【００１４】
制御器１６及び１７が検出器１５及び線源１９に運動を生ずる方式は、当業者には周知である。前述のように、本発明の装置は好ましくは、Ｘ線画像データを取得するために典型的な円形トモシンセシス・システムを利用する。従って、円形トモシンセシス・システムの動作及びデータ取得処理の動作についての詳細な議論は、簡略化のためにここには記載しない。
【００１５】
制御器１６及び１７によって受け取られた指令は、データ取得が実行されるべき方式に関して制御器１６及び１７に指令する。円軌道に沿った線源１９の特定の位置において、検出器１５によって画像サンプルが取得される。検出器１５は例えば、ディジタル・データベース又はイメージ・インテンシファイアを含んでいる。検出器１５は典型的には、検出器１５に入射したＸ線に応答してアナログの電圧信号を発生し、検出器１５がイメージ・インテンシファイアである場合には、アナログ・ディジタル変換器（図示されていない）がこれらのアナログ電圧信号をディジタルの電圧信号へ変換する。次いで、ディジタルの電圧信号は、処理のためにコンピュータ１０に戻されるが、これについては以下で詳述する。
【００１６】
尚、検出器１５と線源１９と物体１８との間の所要の相対的な運動を生ずるために、検出器１５及び線源１９を移動させる代わりに、撮像される物体１８を移動させてもよいことに留意されたい。又、当業者は、検出器１５及び線源１９に運動を生ずるのに適した多様な機構が利用可能であることを理解されよう。同様に、当業者は、撮像される物体１８に運動を生ずるのに適した多様な機構が利用可能であることを理解されよう。
【００１７】
図３は、検出器１５及び線源１９の運動を制御するためにそれぞれ別個の制御器１６及び１７を図示しているが、２つの制御装置が必要な訳ではない。単一の制御器を用いて検出器１５又は線源１９のいずれかの運動を制御し、検出器１５及び線源１９が結合機構（図示されていない）によって機械的に結合されていてもよい。結合機構は、検出器１５及び線源１９の運動の同期を維持するものとなる。
【００１８】
又、円形トモシンセシス・システムに関する本発明は、いかなる特定の形式又は構成にも限定されていないことに留意されたい。又、本発明は、本発明の処理タスクを実行するいかなる特定のコンピュータにも限定されていない。「コンピュータ」という用語は、ここで用いられる場合には、本発明のタスクを実行するのに必要な演算、即ち計算を実行することが可能な任意の機械を表わすものとする。「コンピュータ」という用語は、構造化された入力を受け取ると共に、所定の規則に従ってこの入力を処理して出力を形成することが可能な任意の機械を表わすものとする。
【００１９】
コンピュータ１０は、全ての計算タスクを実行するマイクロプロセッサ（図示されていない）を含んでいる。システム・データ記憶部１２は、オン・チップ又はオフ・チップのいずれのデータ記憶部であってもよく、即ち、マイクロプロセッサを含んでいる集積回路内又は集積回路外のいずれに設けられていてもよい。マイクロプロセッサ以外の計算装置が本発明の計算を実行してもよく、例えば、応用特定的な集積回路で実行してもよいし、又はディジタル信号プロセッサで実行してもよいことに留意されたい。
【００２０】
更に、本発明の方法は好ましくは、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ（即ち、変換アルゴリズム及び再構成アルゴリズムを実行するマイクロプロセッサ）によって実行されるが、本発明の方法は又、当業者には理解されるように、ハードウェアのみにおいて実行され得ることに留意されたい。
【００２１】
好ましい実施例による本発明の方法を図４の流れ図によって示す。ブロック２１は、画像データ取得処理を示す。一旦、画像データが取得されたら、ブロック２３によって示すように、画像データはシステム・データ記憶部１２に記憶される。次いで、ブロック２５によって示すように、コンピュータ１０がデータ記憶部１２から画像データを読み出す。データがデータ記憶部１２から読み出されるのと同時に、ブロック２７によって示すように、コンピュータ１０は、データをコーン・ビームＶＣＴ再構成に適した形態へ変換する。
【００２２】
ブロック２７によって示す変換処理時に、データは、円形トモシンセシス幾何構成の水平検出器平面から、コーン・ビームＶＣＴ幾何構成の仮想(virtual) 垂直検出器平面のデータへ変換される。この変換処理時に、データは又、垂直検出器平面における検出器素子間隔の非一様性について補正される。次いで、コンピュータ１０は、ブロック２９によって示すように、コーン・ビームＶＣＴ再構成を行う。データを変換すると共に、仮想垂直検出器平面における検出器素子間隔の非一様性について変換後のデータを補正する工程は、図５を参照して以下で詳述する。
【００２３】
コーン・ビームＶＣＴ再構成は、当業界で周知である。コーン・ビーム再構成を行うための周知のアルゴリズムの１つに、Feldkampのコーン・ビーム再構成アルゴリズムがある。フィルタ処理及び逆投影のコード・セグメントについてのFeldkampアルゴリズムの修正を含め、図４のブロック２９によって示すコーン・ビームＶＣＴ再構成を行うのに適した他の形式のアルゴリズムも又、当業界で公知である。Feldkampアルゴリズムは、１９８４年６月のJ. Opt. Soc. Am.誌、分冊Ａ、第１巻、第６号のL. Feldkamp、L. Davis及びJ. Kressによる論文「実用コーン・ビーム・アルゴリズム（Practical Cone-Beam Algorithm）」に開示されている。
【００２４】
このアルゴリズムは又、A. Kak及びM. Slaneyによる教科書「コンピュータ断層撮影イメージングの原理（Principles of Computerized Tomographic Imaging）」にも開示されている。当業者は、本発明がコーン・ビームＶＣＴ再構成を実行するいかなる特定のアルゴリズムにも限定されていないことが理解されよう。Feldkampアルゴリズム及びその他のＶＣＴ再構成アルゴリズムは当業界で周知であるので、このようなＶＣＴ再構成アルゴリズムが、本発明に従って収集されるデータに適用される方式については、簡略化のためにここには記載しない。当業者は、このようなアルゴリズムがどのように適用されるかを理解されよう。
【００２５】
典型的なコーン・ビームＶＣＴシステムは、撮像される物体を通してＸ線のコーンを投射するＸ線源を利用する。これらのＸ線を捕獲するために、典型的なコーン・ビームＶＣＴシステムの検出器は、円形トモシンセシス・システムの検出器が配置されている平面に直交する平面に配置される。現状で利用可能なコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムは、この方式で配置された検出器によって取得されたデータを扱うように設計されている。本発明の方法は、円形トモシンセシス用検出器によって取得されたデータを見かけ上コーン・ビームＶＣＴ検出器によって収集されたかのようなデータへ変換することを可能にする。この変換処理は、仮想垂直検出器平面における検出器素子間隔の非一様性について変換後のデータを補正する処理を含んでおり、この処理について図５を参照して以下に述べる。
【００２６】
限定のためではなく例を掲げるために述べると、Ｘ線源１９が、円軌道３６上の特定の位置（ｘ，ｙ，ｚ）＝（ｘ0，０，０）に位置している。検出器１５は、線源１９が回転する平面に平行な平面に配置されている。検出器１５は、高さｚ＝ｚt に位置している。検出器１５は、走査されている物体（図示されていない）のＸ線透過強度データを収集する。本発明は、水平検出器１５によって収集されたデータを、図５の参照番号３５を付した平面である仮想垂直検出器平面のデータへ変換する。水平検出器１５の各々の行３８が、仮想垂直検出器平面３５の行３９へ変換される。水平検出器１５の行３８及び仮想垂直検出器平面３５の行３９は、ｙ軸に対して平行となっている。
【００２７】
検出器素子間隔Δt を有する水平検出器１５について、水平検出器１５のｋ番目の行は、高さｚv,kに位置する仮想垂直検出器平面３５の行へ変換される。ここで、ｚv,k は、次の式によって定義される。
【００２８】
ｚv,k ＝ｚtＤ／（Ｄ−ｋΔt） （式１）
ここで、ＤはＸ線源１９の位置から仮想垂直検出器平面３５までのｘ軸に沿っての距離である。垂直検出器上のｋ番目の行と（ｋ−１）番目の行との間の垂直（ｚ方向）間隔Δz,k は、次の式によって定義される。
【００２９】
Δz,k ＝ｚv,k−ｚv,k-1 （式２）
＝（ｚv,k／（Ｄ−（ｋ−１）Δt））・Δt （式３）
仮想垂直検出器平面３５における行データの検出器素子間隔（ｙ方向）Δy,k は、次の式によって定義される。
【００３０】
Δy,k ＝（ｚv,k／ｚt）・Δt （式４）
当業者には理解されるように、水平検出器１５のｘ方向及びｙ方向における検出器素子間隔は均等でなくてもよいことに留意されたい。
【００３１】
一旦、データが以上の式に従って水平検出器１５から仮想垂直検出器平面３５へ変換されたら、データは、仮想垂直検出器平面３５における検出器素子間隔の非一様性について補正される。次いで、例えばFeldkampアルゴリズムのようなコーン・ビームＶＣＴ再構成用のアルゴリズムを用いて、物体の３Ｄ画像を再構成することができる。
【００３２】
水平検出器１５からのデータが仮想垂直検出器平面３５のデータへ変換されるときには、仮想垂直検出器平面３５の検出器素子間隔は完全には一様とならない。現在用いられているＶＣＴ再構成アルゴリズムは、一様な検出器素子間隔を有する検出器によって収集されるデータを扱うように設計されている。従って、Feldkampアルゴリズムのような「出来あい（off-the-shelf）」のＶＣＴ再構成アルゴリズムを用いて３Ｄ画像を再構成する前に、画像データを処理して検出器素子間隔の非一様性を補償しなければならない。
【００３３】
コンピュータ１０は、変換後のデータに対応する仮想垂直検出器平面３５の各々の検出器素子から水平検出器１５を介して線源１９まで射線を引くことにより、検出器素子間隔の非一様性を補正することを目的とするステップ２７の部分を実行する。次いで、射線が水平検出器１５のどの検出器素子に交差するかについてコンピュータ１０によって判定を行う。次いで、交差した検出器素子の強度値及び交差した検出器素子を包囲する複数の検出器素子の強度値をコンピュータ１０によって用いて、仮想垂直検出器平面３５の対応する検出器素子に対して割り当てられる強度値を補間する。
【００３４】
補間処理は、上述の検出器素子の群の強度値を平均して平均強度値を得るといった単純なものであってよく、次いで、この平均強度値は、仮想垂直検出器平面３５の対応する検出器素子に割り当てられる。当業者は、この目的に適した複数の異なる補間方式を理解されよう。
【００３５】
尚、図４のブロック２７によって示すタスクは、コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムとは別個のコードによって実行されてもよいことに留意されたい。当業者は、ブロック２７によって示すタスクを実行するのに必要なコードを設計し得る方式を理解されよう。又、既存のコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムを修正して、通常のコーン・ビームＶＣＴ再構成タスクを実行することに加え、ブロック２７によって示すタスクを実行するようにし得ることに留意されたい。このことは、仮想垂直検出器平面３５における検出器素子間隔の非一様性を考慮に入れてコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムのフィルタ処理及び逆投影の部分を修正することにより達成される。当業者は、既存のコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムをこのような仕方で修正し、これらの作用全てを実行するようにし得る方式を理解されよう。
【００３６】
更に、当業者は、本発明は図３〜図５を参照して以上に述べた実施例に限定されていないことを理解されよう。又、当業者は、以上に述べた実施例に対して本発明の範囲内にある改変を加え得ることを理解されよう。更に、患者をイメージングすることに関連して本発明を議論したが、本発明は又、例えば、プリント回路基板をイメージングする等の工業的な用途にも適用され得ることに留意されたい。当業者は、このような目的に本発明をどのように利用したらよいかを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来の円形トモシンセシス・システムのシステム幾何構成の図である。
【図２】典型的な従来のコーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影（コーン・ビームＶＣＴ）システムのシステム幾何構成の図である。
【図３】一実施例による本発明の装置のブロック図である。
【図４】図３に示す装置によって、撮像される物体の３Ｄ表現を再構成する本発明の一実施例による本発明の方法を示す流れ図である。
【図５】円形トモシンセシス・システムの水平検出器によって収集されたデータを仮想垂直検出器平面のデータへ変換するために図４の流れ図によって示す方法によって実行される変換処理を説明する図である。
【図６】図４と同様な流れ図である。
【符号の説明】
１５ 水平検出器
１８ 撮像される物体
１９ Ｘ線源
３５ 仮想垂直検出器平面
３６ 円軌道
３８ 水平検出器上の行
３９ 仮想垂直検出器平面上の行
【発明の属する技術分野】
本発明は、トモシンセシス(tomosynthesis) に関し、より具体的には、トモシンセシス・システムを利用して物体の２次元投影画像を取得し、次いで、コーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影(cone beam volumetric computed tomography)再構成アルゴリズムを用いることにより物体の３次元表現を再構成する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円形（circular）トモシンセシスは、２次元（２Ｄ）投影放射線画像の有限の集合から物体の３次元（３Ｄ）画像を構成することを可能にする。図１は、典型的な円形トモシンセシス・システムのシステム幾何構成を示している。このシステムは、Ｘ線源１と、通常はフィルム・スクリーンである２次元Ｘ線検出器２とを含んでいる。データ取得時には、Ｘ線源１及び検出器２の両方が円軌道を回転し、物体３の投影放射線画像の集合が、離散的な線源位置において検出器２によって取得される。各円軌道は、互いに平行な平面内に位置しており、線源１及び検出器２の運動は、各軌道に沿って反対の方向に位置するものとなる。
【０００３】
一旦、投影放射線画像が得られたら、次いで、これらの画像をディジタル化すると共に互いに対して空間的に平行移動させ、トモシンセシス平面内の構造の像が正確に重なり合うような方式で重ね合わせ（スーパインポーズ）する。トモシンセシス平面外の構造の像は、正確に重なり合わず、結果として、これらの構造の深さ依存性のボケが生ずる。投影放射線画像の相対的な平行移動の量を変化させることにより、トモシンセシス平面の位置を変化させることができる。トモシンセシス平面が変化する毎に、重なり合った構造に対応する画像データがスーパインポーズされ、トモシンセシス平面内の構造の２Ｄ画像が得られる。一旦、物体の２Ｄ画像の完全な集合が得られたら、この２Ｄ画像の集合から物体の３Ｄ画像が形成される。
【０００４】
円形トモシンセシスは、患者を通るコロナル・スライスの方向に高い空間分解能を必要とする臨床応用に極めて有用であり得る。この理由は特に、Ｘ線コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）ではコロナル・スライス方向で高い分解能を得ることが通常難しいことによる。更に、トモシンセシス用の装置は通常、Ｘ線ＣＴに比べて単純であり廉価である。しかしながら、円形トモシンセシス・システムの１つの欠点は、再構成される３Ｄ画像の画質が通常、トモシンセシス平面外の構造のボケのために制限されることである。画質を向上させると共にこの平面外ボケを減少させるために、多くの再構成アルゴリズムが開発されている。例えば、マトリクス反転法に基づくアルゴリズムがこの目的に用いられている。
【０００５】
２Ｄ投影画像を用いて３Ｄ再構成を形成する周知の一手法に、コーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影法（コーン・ビームＶＣＴ）として知られているものがある。図２は、コーン・ビームＶＣＴシステムのシステム幾何構成(geometry)を示している。Ｘ線源４が、物体５にＸ線のコーン（円錐）を投射する。Ｘ線は、ディジタル式検出器６に入射し、検出器６はデータをディジタル化する。検出器６は、線源４が位置する平面に対して平行でない平面に位置する。寧ろ、検出器６は、線源が位置する平面に直交する平面に位置する。
【０００６】
円形トモシンセシスの場合と同様に、検出器６及び線源４の幾何構成と物体５との間に相対的な運動が生ずる。この運動は、線源４及び検出器６を回転させることによるか、又は物体５を回転させることにより、達成することができる。物体の画像は、相対的な運動が生ずる方式に応じて、線源４及び検出器６のいくつかの位置又は物体５のいくつかの位置において取得される。検出器６によって測定された画像強度の２Ｄマップが形成されると同時に、これらの２Ｄマップは公知の画像フィルタ処理手法を用いてフィルタ処理され、次いで、１つ又はこれよりも多い公知のアルゴリズムを用いて再構成され、物体の３Ｄ表現を得る。
【０００７】
コーン・ビームＶＣＴシステムを用いて再構成される３Ｄ画像は、典型的な円形トモシンセシス・システムを用いて得られる再構成画像よりも高い画質を有する。円形トモシンセシス・システムをコーン・ビームＶＣＴシステムで置き換えるのではなく、円形トモシンセシス・システムを用いて得られる画像の品質を向上させると望ましい。円形トモシンセシス・システムをコーン・ビームＶＣＴシステムで置き換えることは、経費及びその他の要因により多くの場合選択肢となり得ない可能性がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、円形トモシンセシス・システムを用いて取得される画像データから再構成される画像の品質を向上させる方法及び装置に対する必要性が存在している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円形トモシンセシス・システムを用いて、評価される物体の２次元Ｘ線投影放射線画像データを収集する方法及び装置を提供する。次いで、収集されたデータは、コーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影（コーン・ビームＶＣＴ）再構成に適した形態へ変換される。
【００１０】
一旦、データが変換されたら、コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムを通常通りに利用して、物体の３Ｄ画像を再構成する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の一実施例による本発明の装置のブロック図である。この装置は、図１を参照して前述したような円形トモシンセシス・システムである。但し、典型的な円形トモシンセシス・システムとは対照的に、論理装置１０によって実行される再構成アルゴリズム１４が、コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムとなっている。論理装置１０によって実行される変換アルゴリズム１３は、円形トモシンセシス・システムによって取得される画像データをコーン・ビームＶＣＴアルゴリズム１４の適用による再構成に適した形態へ変換する。変換アルゴリズム１３及び再構成アルゴリズム１４については、図４及び図５を参照して以下で詳細に述べる。
【００１２】
論理装置１０は典型的には、表示装置１１と通信すると共にシステム・データ記憶部１３と通信するコンピュータを含んでいる。システム・データ記憶部１２は、実行のためにコンピュータ１０によって用いられるデータを記憶している。システム・データ記憶部１２は又、トモシンセシス・システムによって取得された画像データを記憶している。加えて、システム・データ記憶部１２は、アルゴリズム１３及び１４に対応するコード、並びにこれらのアルゴリズムの適用によって再構成された画像データを記憶している。システム・コンピュータ１０は、再構成された画像を表示装置１１に表示することを可能にする。
【００１３】
本発明の装置は、検出器１５を含んでおり、検出器１５は好ましくは、ディジタル式検出器又はイメージ・インテンシファイアである。本発明の装置は、撮像される物体１８を通してＸ線を投射するＸ線源１９を含んでおり、撮像される物体１８は例えば、患者であり得る。検出器１５は、物体１８を通過したＸ線を受け取り、Ｘ線の強度に関する電圧信号を発生する。検出器１５及び線源１９は、それぞれ制御器１６及び１７に電気的に結合されている。制御器１６及び１７は、コンピュータ１０に電気的に結合されている。コンピュータ１０は、制御器１６及び１７に対して指令を出力する。コンピュータ１０からの指令の受領に応答して、制御器１６及び１７は、図１に関連して前述した方式で円軌道を巡って検出器１５及び線源１９を運動させる。
【００１４】
制御器１６及び１７が検出器１５及び線源１９に運動を生ずる方式は、当業者には周知である。前述のように、本発明の装置は好ましくは、Ｘ線画像データを取得するために典型的な円形トモシンセシス・システムを利用する。従って、円形トモシンセシス・システムの動作及びデータ取得処理の動作についての詳細な議論は、簡略化のためにここには記載しない。
【００１５】
制御器１６及び１７によって受け取られた指令は、データ取得が実行されるべき方式に関して制御器１６及び１７に指令する。円軌道に沿った線源１９の特定の位置において、検出器１５によって画像サンプルが取得される。検出器１５は例えば、ディジタル・データベース又はイメージ・インテンシファイアを含んでいる。検出器１５は典型的には、検出器１５に入射したＸ線に応答してアナログの電圧信号を発生し、検出器１５がイメージ・インテンシファイアである場合には、アナログ・ディジタル変換器（図示されていない）がこれらのアナログ電圧信号をディジタルの電圧信号へ変換する。次いで、ディジタルの電圧信号は、処理のためにコンピュータ１０に戻されるが、これについては以下で詳述する。
【００１６】
尚、検出器１５と線源１９と物体１８との間の所要の相対的な運動を生ずるために、検出器１５及び線源１９を移動させる代わりに、撮像される物体１８を移動させてもよいことに留意されたい。又、当業者は、検出器１５及び線源１９に運動を生ずるのに適した多様な機構が利用可能であることを理解されよう。同様に、当業者は、撮像される物体１８に運動を生ずるのに適した多様な機構が利用可能であることを理解されよう。
【００１７】
図３は、検出器１５及び線源１９の運動を制御するためにそれぞれ別個の制御器１６及び１７を図示しているが、２つの制御装置が必要な訳ではない。単一の制御器を用いて検出器１５又は線源１９のいずれかの運動を制御し、検出器１５及び線源１９が結合機構（図示されていない）によって機械的に結合されていてもよい。結合機構は、検出器１５及び線源１９の運動の同期を維持するものとなる。
【００１８】
又、円形トモシンセシス・システムに関する本発明は、いかなる特定の形式又は構成にも限定されていないことに留意されたい。又、本発明は、本発明の処理タスクを実行するいかなる特定のコンピュータにも限定されていない。「コンピュータ」という用語は、ここで用いられる場合には、本発明のタスクを実行するのに必要な演算、即ち計算を実行することが可能な任意の機械を表わすものとする。「コンピュータ」という用語は、構造化された入力を受け取ると共に、所定の規則に従ってこの入力を処理して出力を形成することが可能な任意の機械を表わすものとする。
【００１９】
コンピュータ１０は、全ての計算タスクを実行するマイクロプロセッサ（図示されていない）を含んでいる。システム・データ記憶部１２は、オン・チップ又はオフ・チップのいずれのデータ記憶部であってもよく、即ち、マイクロプロセッサを含んでいる集積回路内又は集積回路外のいずれに設けられていてもよい。マイクロプロセッサ以外の計算装置が本発明の計算を実行してもよく、例えば、応用特定的な集積回路で実行してもよいし、又はディジタル信号プロセッサで実行してもよいことに留意されたい。
【００２０】
更に、本発明の方法は好ましくは、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ（即ち、変換アルゴリズム及び再構成アルゴリズムを実行するマイクロプロセッサ）によって実行されるが、本発明の方法は又、当業者には理解されるように、ハードウェアのみにおいて実行され得ることに留意されたい。
【００２１】
好ましい実施例による本発明の方法を図４の流れ図によって示す。ブロック２１は、画像データ取得処理を示す。一旦、画像データが取得されたら、ブロック２３によって示すように、画像データはシステム・データ記憶部１２に記憶される。次いで、ブロック２５によって示すように、コンピュータ１０がデータ記憶部１２から画像データを読み出す。データがデータ記憶部１２から読み出されるのと同時に、ブロック２７によって示すように、コンピュータ１０は、データをコーン・ビームＶＣＴ再構成に適した形態へ変換する。
【００２２】
ブロック２７によって示す変換処理時に、データは、円形トモシンセシス幾何構成の水平検出器平面から、コーン・ビームＶＣＴ幾何構成の仮想(virtual) 垂直検出器平面のデータへ変換される。この変換処理時に、データは又、垂直検出器平面における検出器素子間隔の非一様性について補正される。次いで、コンピュータ１０は、ブロック２９によって示すように、コーン・ビームＶＣＴ再構成を行う。データを変換すると共に、仮想垂直検出器平面における検出器素子間隔の非一様性について変換後のデータを補正する工程は、図５を参照して以下で詳述する。
【００２３】
コーン・ビームＶＣＴ再構成は、当業界で周知である。コーン・ビーム再構成を行うための周知のアルゴリズムの１つに、Feldkampのコーン・ビーム再構成アルゴリズムがある。フィルタ処理及び逆投影のコード・セグメントについてのFeldkampアルゴリズムの修正を含め、図４のブロック２９によって示すコーン・ビームＶＣＴ再構成を行うのに適した他の形式のアルゴリズムも又、当業界で公知である。Feldkampアルゴリズムは、１９８４年６月のJ. Opt. Soc. Am.誌、分冊Ａ、第１巻、第６号のL. Feldkamp、L. Davis及びJ. Kressによる論文「実用コーン・ビーム・アルゴリズム（Practical Cone-Beam Algorithm）」に開示されている。
【００２４】
このアルゴリズムは又、A. Kak及びM. Slaneyによる教科書「コンピュータ断層撮影イメージングの原理（Principles of Computerized Tomographic Imaging）」にも開示されている。当業者は、本発明がコーン・ビームＶＣＴ再構成を実行するいかなる特定のアルゴリズムにも限定されていないことが理解されよう。Feldkampアルゴリズム及びその他のＶＣＴ再構成アルゴリズムは当業界で周知であるので、このようなＶＣＴ再構成アルゴリズムが、本発明に従って収集されるデータに適用される方式については、簡略化のためにここには記載しない。当業者は、このようなアルゴリズムがどのように適用されるかを理解されよう。
【００２５】
典型的なコーン・ビームＶＣＴシステムは、撮像される物体を通してＸ線のコーンを投射するＸ線源を利用する。これらのＸ線を捕獲するために、典型的なコーン・ビームＶＣＴシステムの検出器は、円形トモシンセシス・システムの検出器が配置されている平面に直交する平面に配置される。現状で利用可能なコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムは、この方式で配置された検出器によって取得されたデータを扱うように設計されている。本発明の方法は、円形トモシンセシス用検出器によって取得されたデータを見かけ上コーン・ビームＶＣＴ検出器によって収集されたかのようなデータへ変換することを可能にする。この変換処理は、仮想垂直検出器平面における検出器素子間隔の非一様性について変換後のデータを補正する処理を含んでおり、この処理について図５を参照して以下に述べる。
【００２６】
限定のためではなく例を掲げるために述べると、Ｘ線源１９が、円軌道３６上の特定の位置（ｘ，ｙ，ｚ）＝（ｘ0，０，０）に位置している。検出器１５は、線源１９が回転する平面に平行な平面に配置されている。検出器１５は、高さｚ＝ｚt に位置している。検出器１５は、走査されている物体（図示されていない）のＸ線透過強度データを収集する。本発明は、水平検出器１５によって収集されたデータを、図５の参照番号３５を付した平面である仮想垂直検出器平面のデータへ変換する。水平検出器１５の各々の行３８が、仮想垂直検出器平面３５の行３９へ変換される。水平検出器１５の行３８及び仮想垂直検出器平面３５の行３９は、ｙ軸に対して平行となっている。
【００２７】
検出器素子間隔Δt を有する水平検出器１５について、水平検出器１５のｋ番目の行は、高さｚv,kに位置する仮想垂直検出器平面３５の行へ変換される。ここで、ｚv,k は、次の式によって定義される。
【００２８】
ｚv,k ＝ｚtＤ／（Ｄ−ｋΔt） （式１）
ここで、ＤはＸ線源１９の位置から仮想垂直検出器平面３５までのｘ軸に沿っての距離である。垂直検出器上のｋ番目の行と（ｋ−１）番目の行との間の垂直（ｚ方向）間隔Δz,k は、次の式によって定義される。
【００２９】
Δz,k ＝ｚv,k−ｚv,k-1 （式２）
＝（ｚv,k／（Ｄ−（ｋ−１）Δt））・Δt （式３）
仮想垂直検出器平面３５における行データの検出器素子間隔（ｙ方向）Δy,k は、次の式によって定義される。
【００３０】
Δy,k ＝（ｚv,k／ｚt）・Δt （式４）
当業者には理解されるように、水平検出器１５のｘ方向及びｙ方向における検出器素子間隔は均等でなくてもよいことに留意されたい。
【００３１】
一旦、データが以上の式に従って水平検出器１５から仮想垂直検出器平面３５へ変換されたら、データは、仮想垂直検出器平面３５における検出器素子間隔の非一様性について補正される。次いで、例えばFeldkampアルゴリズムのようなコーン・ビームＶＣＴ再構成用のアルゴリズムを用いて、物体の３Ｄ画像を再構成することができる。
【００３２】
水平検出器１５からのデータが仮想垂直検出器平面３５のデータへ変換されるときには、仮想垂直検出器平面３５の検出器素子間隔は完全には一様とならない。現在用いられているＶＣＴ再構成アルゴリズムは、一様な検出器素子間隔を有する検出器によって収集されるデータを扱うように設計されている。従って、Feldkampアルゴリズムのような「出来あい（off-the-shelf）」のＶＣＴ再構成アルゴリズムを用いて３Ｄ画像を再構成する前に、画像データを処理して検出器素子間隔の非一様性を補償しなければならない。
【００３３】
コンピュータ１０は、変換後のデータに対応する仮想垂直検出器平面３５の各々の検出器素子から水平検出器１５を介して線源１９まで射線を引くことにより、検出器素子間隔の非一様性を補正することを目的とするステップ２７の部分を実行する。次いで、射線が水平検出器１５のどの検出器素子に交差するかについてコンピュータ１０によって判定を行う。次いで、交差した検出器素子の強度値及び交差した検出器素子を包囲する複数の検出器素子の強度値をコンピュータ１０によって用いて、仮想垂直検出器平面３５の対応する検出器素子に対して割り当てられる強度値を補間する。
【００３４】
補間処理は、上述の検出器素子の群の強度値を平均して平均強度値を得るといった単純なものであってよく、次いで、この平均強度値は、仮想垂直検出器平面３５の対応する検出器素子に割り当てられる。当業者は、この目的に適した複数の異なる補間方式を理解されよう。
【００３５】
尚、図４のブロック２７によって示すタスクは、コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムとは別個のコードによって実行されてもよいことに留意されたい。当業者は、ブロック２７によって示すタスクを実行するのに必要なコードを設計し得る方式を理解されよう。又、既存のコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムを修正して、通常のコーン・ビームＶＣＴ再構成タスクを実行することに加え、ブロック２７によって示すタスクを実行するようにし得ることに留意されたい。このことは、仮想垂直検出器平面３５における検出器素子間隔の非一様性を考慮に入れてコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムのフィルタ処理及び逆投影の部分を修正することにより達成される。当業者は、既存のコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムをこのような仕方で修正し、これらの作用全てを実行するようにし得る方式を理解されよう。
【００３６】
更に、当業者は、本発明は図３〜図５を参照して以上に述べた実施例に限定されていないことを理解されよう。又、当業者は、以上に述べた実施例に対して本発明の範囲内にある改変を加え得ることを理解されよう。更に、患者をイメージングすることに関連して本発明を議論したが、本発明は又、例えば、プリント回路基板をイメージングする等の工業的な用途にも適用され得ることに留意されたい。当業者は、このような目的に本発明をどのように利用したらよいかを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来の円形トモシンセシス・システムのシステム幾何構成の図である。
【図２】典型的な従来のコーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影（コーン・ビームＶＣＴ）システムのシステム幾何構成の図である。
【図３】一実施例による本発明の装置のブロック図である。
【図４】図３に示す装置によって、撮像される物体の３Ｄ表現を再構成する本発明の一実施例による本発明の方法を示す流れ図である。
【図５】円形トモシンセシス・システムの水平検出器によって収集されたデータを仮想垂直検出器平面のデータへ変換するために図４の流れ図によって示す方法によって実行される変換処理を説明する図である。
【図６】図４と同様な流れ図である。
【符号の説明】
１５ 水平検出器
１８ 撮像される物体
１９ Ｘ線源
３５ 仮想垂直検出器平面
３６ 円軌道
３８ 水平検出器上の行
３９ 仮想垂直検出器平面上の行
Claims (11)
- 複数の２Ｄ投影画像から３Ｄ画像を形成する装置であって、撮像される物体に向かってＸ線を投射するＸ線源と、該Ｘ線源により投射されたＸ線を検出する検出器とを含んでいる円形トモシンセシス・システムであって、前記検出器は、該検出器に入射した前記Ｘ線に応答して、当該円形トモシンセシス・システムにより取得される画像データに対応する電気信号を発生する、円形トモシンセシス・システムと、前記検出器により発生された前記電気信号を受け取るように構成されていると共に、前記円形トモシンセシス画像データをコーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影（コーン・ビームＶＣＴ）画像データへ変換するように構成されている論理装置と、を備えていることを特徴とする前記装置。
- 前記論理装置は、前記円形トモシンセシス画像データをコーン・ビームＶＣＴ画像データへ変換する変換アルゴリズムを実行するように構成されていると共に、前記３Ｄ画像を形成するために前記変換後の画像データに対して作用するコーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムを実行するように更に構成されているコンピュータである、請求項１に記載の装置。
- 前記円形トモシンセシス・システムの前記検出器は、前記円形トモシンセシス・システムの前記Ｘ線源の軌道の平面に関して平行な平面に配置されており、前記変換アルゴリズムは、前記円形トモシンセシス・システムの前記検出器により収集された前記画像データを前記トモシンセシス用検出器が配置されている前記平面に直交する仮想垂直検出器平面へ変換し、該仮想垂直検出器平面は、コーン・ビームＶＣＴシステムの検出器がコーン・ビームＶＣＴシステムのＸ線源に関して配置されているであろうような平面に対応している、請求項２に記載の装置。
- 前記画像データが前記仮想垂直検出器平面へ変換されるときに、前記円形トモシンセシス・システムの前記検出器のｋ番目の行が、Ｚ軸に沿った垂直高さｚv,kに位置する前記仮想垂直検出器平面の行へ変換され、ここで、ｚv,kは、次の式
ｚv,k＝ｚtＤ／（Ｄ−ｋΔt）
により定義され、ここで、ｚtは前記円形トモシンセシス・システムの前記検出器が配置されている前記平面の前記Ｚ軸に沿っての垂直高さに対応しており、Ｄは前記円形トモシンセシス・システムの前記Ｘ線源の位置から前記仮想垂直検出器平面までのＸ軸に沿っての距離であり、前記Ｘ軸は前記Ｚ軸に直交しており、Δtは前記円形トモシンセシス・システム検出器の検出器素子の検出器素子間隔に対応しており、前記仮想垂直検出器平面における前記画像データの前記ｋ番目の行と（ｋ−１）番目の行との間の前記Ｚ軸に沿っての垂直間隔Δz,kは、
Δz,k＝ｚv,k−ｚv,k-1
＝（ｚv,k／（Ｄ−（ｋ−１）Δt））・Δt
により定義され、前記仮想垂直検出器平面における前記画像データのＹ軸に沿っての検出器素子間隔Δy,kは、次の式
Δy,k＝（ｚv,k／ｚt）・Δt
により定義される、請求項３に記載の装置。 - 一旦、前記画像データが前記仮想垂直検出器平面における画像データへ変換されたら、該変換後の画像データは、前記仮想垂直検出器平面の検出器素子の前記Ｙ軸及びＺ軸に沿った方向での検出器素子間隔のあらゆる非一様性を補正するように前記コンピュータにより処理される、請求項４に記載の装置。
- 前記コンピュータは、以下の補正アルゴリズムを実行することにより、検出器素子間隔のあらゆる非一様性を補正するように前記変換後の画像データを処理し、該補正アルゴリズムは、前記変換後の画像データに対応する前記仮想垂直検出器平面の各々の検出器素子から前記円形トモシンセシス・システムの前記検出器を介して前記円形トモシンセシス・システムの前記Ｘ線源まで射線を引く工程と、該射線が前記円形トモシンセシス・システムの前記検出器のどの検出器素子に交差しているかを決定する工程と、前記仮想垂直検出器平面における各々の対応する検出器素子に割り当てられる強度値を補間するために、前記円形トモシンセシス・システムの前記検出器における前記交差した検出器素子の強度値及び前記交差した検出器素子を包囲する複数の検出器素子の強度値を用いる工程とを実行する、請求項５に記載の装置。
- 前記補正アルゴリズムは、前記仮想垂直検出器平面の前記対応する検出器素子に割り当てられる平均強度値を得るために、前記交差した検出器素子の強度値及び前記交差した検出器素子を包囲する前記複数の検出器素子の強度値を用いることにより、強度値を補間する、請求項６に記載の装置。
- 前記補正アルゴリズムは、前記コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムに含められている、請求項７に記載の装置。
- 前記コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムは、Feldkampアルゴリズムである、請求項７に記載の装置。
- 前記補正アルゴリズムは、前記コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムに含められており、前記コーン・ビームＶＣＴ再構成アルゴリズムは、前記補正アルゴリズムの作用を実行するように修正されたフィルタ処理及び逆投影のコード・セグメントを含んでいる修正されたFeldkampアルゴリズムである、請求項８に記載の装置。
- 撮像される物体を通してＸ線を投射するＸ線源と前記物体を通過したＸ線を検出する検出器とを含んでいる円形トモシンセシス・システムにより取得される複数の２Ｄ投影画像から３Ｄ画像を形成するコンピュータ・プログラムであって、前記検出器は、該検出器に入射した前記Ｘ線に応答して、前記円形トモシンセシス・システムにより取得された画像データに対応する電気信号を発生するように構成されており、当該コンピュータ・プログラムは、コンピュータが読み込み可能な媒体上で実現されていて、以下の構成、即ち、前記円形トモシンセシス画像データをコーン・ビーム立体コンピュータ断層撮影（コーン・ビームＶＣＴ）画像データへ変換する第１のコード・セグメントと、前記３Ｄ画像を形成するために、前記変換後の画像データに対してコーン・ビームＶＣＴ再構成を実行する第２のコード・セグメントとを有していること、を特徴とするコンピュータ・プログラム。
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