JP4421917B2 - Cone beam X-ray CT system - Google Patents
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Description
本発明は、コーンビームX線CT装置に関し、特に画像再構成に必要な装置の幾何学パラメータをより容易に求めることを可能としたコーンビームX線CT装置に関する。 The present invention relates to a cone beam X-ray CT apparatus, and more particularly to a cone beam X-ray CT apparatus that can more easily determine the geometric parameters of an apparatus necessary for image reconstruction.
コーンビームX線CT装置は、X線を円錐状に照射するX線源とこのX線源に対向配置された2次元X線検出器(これはX線イメージインテンシファイアとテレビカメラの組み合わせで構成されるのが通常である)を同一の円軌道上でともに回転移動させながら被検体のX線透過像の回転撮影を行う。この際、被検体は回転撮影における回転中心軸に位置するようにされる。そして2次元X線検出器で取得された2次元X線透過像を基に画像再構成演算を行うことで3次元的X線CT像を得る。このような2次元X線検出器を用いたコーンビームX線CT装置における画像再構成演算のアルゴリズムについては、フェルドカンプの方法が代表的なものとして知られている(例えば非特許文献1)。 The cone beam X-ray CT apparatus is an X-ray source that irradiates X-rays in a conical shape and a two-dimensional X-ray detector arranged opposite to the X-ray source (this is a combination of an X-ray image intensifier and a TV camera). The X-ray transmission image of the subject is rotated while rotating together on the same circular orbit. At this time, the subject is positioned on the rotation center axis in rotational imaging. A three-dimensional X-ray CT image is obtained by performing an image reconstruction calculation based on the two-dimensional X-ray transmission image acquired by the two-dimensional X-ray detector. As an image reconstruction calculation algorithm in a cone beam X-ray CT apparatus using such a two-dimensional X-ray detector, the Feldkamp method is known as a representative (for example, Non-Patent Document 1).
X線CT装置における画像再構成では画像再構成のために座標を必要とする。その座標は、X線源と2次元X線検出器がともに回転する円軌道を含む面である回転軌道面(ミッドプレーンとも呼ばれる)をX線透過像の投影面に仮想的に投影した回転軌道面投影に基づいてその横軸が与えられ、また回転の中心軸を同様に投影した回転中心軸投影に基づいてその縦軸が与えられる。そしてこれら回転軌道面投影と横軸の対応性、および回転中心軸投影と縦軸の対応性の精度が画像再構成の精度に大きく影響する。 Image reconstruction in the X-ray CT apparatus requires coordinates for image reconstruction. The coordinates are rotational trajectories obtained by virtually projecting a rotational trajectory plane (also called a midplane), which is a plane including a circular trajectory in which both the X-ray source and the two-dimensional X-ray detector rotate, onto the projection plane of the X-ray transmission image. The horizontal axis is given based on the surface projection, and the vertical axis is given based on the rotation center axis projection obtained by similarly projecting the rotation center axis. The correspondence between the rotation trajectory plane projection and the horizontal axis and the accuracy of the correspondence between the rotation center axis projection and the vertical axis greatly affect the accuracy of image reconstruction.
そこで回転軌道面と回転中心軸(これらは画像再構成に必要なX線CT装置における幾何学パラメータとも呼ばれる)を高い精度で求める必要がある。原理的にいえばこれら回転軌道面と回転中心軸は、コーンビームX線CT装置の設計データから求めることができる。しかし実際上は製作誤差や装置の部材の変形などがあることから、実際の回転軌道面や回転中心軸は個々の装置ごとに設計データとは異なって現れることになる。このため、その実際の回転軌道面や回転中心軸を装置ごとに試験的な撮影をして求める必要がある。 Therefore, it is necessary to obtain the rotation orbit plane and the rotation center axis (these are also called geometric parameters in the X-ray CT apparatus necessary for image reconstruction) with high accuracy. In principle, the rotation orbit plane and the rotation center axis can be obtained from the design data of the cone beam X-ray CT apparatus. However, in practice, there are manufacturing errors, deformation of the members of the apparatus, and the like, so the actual rotation track surface and the rotation center axis appear differently from the design data for each apparatus. For this reason, it is necessary to obtain the actual rotation track surface and the rotation center axis by taking a test image for each apparatus.
そのような技術として特許文献1に開示の例が知られている。特許文献1の技術では、補正用のファントムを用いた試験撮影を行い、そこで得られたファントムについての画像データから回転軌道面投影と回転中心軸投影を求めるようにしている。より具体的には以下のとおりである。ファントムは、X線に対する吸収の大きな材料で形成の基準点としての球体をX線に対し相対的に吸収の小さな材料で形成の支持体に複数個直線状に配列・支持させて構成する。試験撮影は、このファントムを被検体の配置位置近辺で回転中心軸にほぼ平行になるように配置し、この状態でX線源と2次元X線検出器を通常の撮影の場合と同様に回転させながら一定の回転角度ごとにX線透過像を取得するようにして行う。この試験撮影で得られた各2次元X線透過像を合成すると、その合成画像上でファントムにおける各球体が特定の軌跡を描く。その軌跡は回転軌道面から離れている球体については楕円となる。そしてその楕円の短軸は球体の回転軌道面からの距離に相関し、回転軌道面上の球体については短軸が0となる。つまり回転軌道面上の球体についてはその軌跡が直線となる。このようなファントムにおける球体の楕円軌跡像について、各球体の軌跡楕円の中心を結ぶ線分を求めればそれが回転中心軸投影となり、また各楕円軌跡像の中から短軸が0である直線軌跡像を求めればそれが回転軌道面投影となる。 An example disclosed in Patent Document 1 is known as such a technique. In the technique of Patent Document 1, test photographing using a correction phantom is performed, and the rotation orbital plane projection and the rotation center axis projection are obtained from the image data of the obtained phantom. More specifically, it is as follows. The phantom is configured by arranging and supporting a plurality of spheres as a reference point for formation with a material having a large absorption with respect to X-rays on a support formed with a material with a relatively low absorption with respect to X-rays. In test radiography, this phantom is placed in the vicinity of the subject placement position so as to be substantially parallel to the rotation center axis, and in this state, the X-ray source and the two-dimensional X-ray detector are rotated in the same manner as in normal radiography. The X-ray transmission image is acquired at every fixed rotation angle. When the two-dimensional X-ray transmission images obtained by the test imaging are synthesized, each sphere in the phantom draws a specific locus on the synthesized image. The trajectory is an ellipse for a sphere away from the rotational trajectory plane. The short axis of the ellipse correlates with the distance of the sphere from the rotation orbital plane, and the short axis of the sphere on the rotation orbital plane is zero. In other words, the trajectory of a sphere on the rotational orbit surface is a straight line. For such an elliptical trajectory image of a sphere in a phantom, if a line segment connecting the centers of the trajectory ellipses of each sphere is obtained, it becomes a rotation center axis projection, and a linear trajectory whose minor axis is 0 from each elliptical trajectory image If an image is obtained, it becomes a rotating orbital plane projection.
また回転中心軸について、それを求めるための他の手法も知られている(例えば特許文献2)。またコーンビームX線CT装置においては、2次元X線検出器を構成するX線イメージインテンシファイアにおけるX線入射面の非平面性に起因する像の歪みを補正する必要もあるが、そのような補正については例えば特許文献3に開示の手法が知られている。
Another method for obtaining the rotation center axis is also known (for example, Patent Document 2). In a cone beam X-ray CT apparatus, it is necessary to correct image distortion caused by non-planarity of an X-ray incident surface in an X-ray image intensifier constituting a two-dimensional X-ray detector. For example, a technique disclosed in
上記のように特許文献1に開示の手法では、複数の球体を直線状に配列して形成したファントムを用い、このファントムの各球体が描く楕円軌跡を基に幾何学パラメータを求めるようにしている。この手法は、例えばガントリ回転型や被検体回転型のコーンビームX線CT装置のように360度の回転撮影データを取得でき、ファントムの球体の軌跡が閉じた楕円になる場合には有効である。しかしコーンビームX線CT装置には、例えばC型アーム構造のように360度の回転撮影データを取得できないものもあり、このようなコーンビームX線CT装置では特許文献1に開示の手法を適用することができない。 As described above, in the technique disclosed in Patent Document 1, a phantom formed by arranging a plurality of spheres in a straight line is used, and a geometric parameter is obtained based on an elliptical locus drawn by each sphere of the phantom. . This method is effective when, for example, 360-degree rotation imaging data can be acquired and the trajectory of the phantom sphere becomes a closed ellipse like a gantry rotating type or subject rotating type cone beam X-ray CT apparatus. . However, some cone beam X-ray CT apparatuses, such as a C-arm structure, cannot acquire 360-degree rotation imaging data, and the technique disclosed in Patent Document 1 is applied to such a cone beam X-ray CT apparatus. Can not do it.
また幾何学パラメータの一つである回転軌道面については、所定の回転角度での撮影ごとにその回転軌道面がずれる可能性もあるが、特許文献1に開示の手法ではこのことが考慮されていない。 In addition, the rotational orbital surface, which is one of the geometric parameters, may be deviated every time shooting is performed at a predetermined rotation angle. However, the method disclosed in Patent Document 1 takes this into consideration. Absent.
本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、コーンビームX線CT装置について、例えばC型アーム構造のように360度の回転撮影データを取得できない場合でも幾何学パラメータ、特に回転軌道面を容易に求めることができるようにすることを目的とし、また所定の回転角度での撮影ごとの回転軌道面のずれを求めることができるようにすることを目的としている。 The present invention has been made in the background as described above, and for a cone beam X-ray CT apparatus, even when rotational imaging data of 360 degrees cannot be acquired as in a C-type arm structure, for example, geometric parameters, It is an object to make it possible to easily obtain the rotation track surface, and to obtain a shift of the rotation track surface for each photographing at a predetermined rotation angle.
本発明は、X線を照射するX線源とこのX線源に対向配置された2次元X線検出器を同一の円軌道上でともに回転させながら、上記X線源と上記2次元X線検出器間に配置された被検体に前記X線源からX線を照射しつつ、前記回転における所定回転角度単位で前記被検体のX線透過像を2次元X線検出器で撮影し、そしてこの撮影で得られた前記X線透過像を基に画像再構成演算を行って3次元的X線CT像を生成するコーンビームX線CT装置において、
前記回転軌道面算出処理は、金属球を直線状に配列して構成された回転軌道面算出用ファントムを前記回転中心軸から所定距離だけ離し、かつ前記ファントムの直線状配列方向が前記回転中心軸に平行に配置した状態で当該回転軌道面算出用ファントムのX線投影像を回転撮影して複数枚の投影像を収集するステップ、前記ステップで得られる複数の投影像を重ね合わせて合成投影像を生成するステップ、前記合成投影像について当該合成投影像上で前記各指標体が描いている軌跡の中で互いに重なり合うことのない軌跡に関するギャップラインを抽出するステップ、および前記ステップで抽出したギャップラインを基に前記回転軌道面の投影像上での座標値を求めるステップを含んでいることを特徴とするコーンビームX線CT装置を開示する。
The present invention relates to the X-ray source and the two-dimensional X-ray while rotating the X-ray source for irradiating the X-ray and the two-dimensional X-ray detector arranged opposite to the X-ray source on the same circular orbit. While irradiating the subject disposed between the detectors with X-rays from the X-ray source, an X-ray transmission image of the subject is taken with a two-dimensional X-ray detector in units of a predetermined rotation angle in the rotation, and In a cone beam X-ray CT apparatus that performs image reconstruction calculation based on the X-ray transmission image obtained by this imaging to generate a three-dimensional X-ray CT image,
The rotation track surface calculation processing is performed by separating a rotation track surface calculation phantom configured by arranging metal balls in a straight line from the rotation center axis by a predetermined distance, and the linear array direction of the phantom is the rotation center axis. The X-ray projection image of the rotational trajectory plane calculation phantom in a state of being arranged in parallel with each other and rotating to collect a plurality of projection images, and superimposing the plurality of projection images obtained in the step, a composite projection image Generating a gap line relating to a trajectory that does not overlap each other in a trajectory drawn on the composite projection image on the composite projection image, and a gap line extracted in the step A cone beam X-ray CT apparatus including a step of obtaining coordinate values on a projected image of the rotating orbital surface based on That.
更に本発明は、前記撮影における回転角度単位ごとの前記回転軌道面の移動量を前記回転軌道面算出処理で求めた前記座標値に相関させて求める回転軌道面移動量算出処理を行えるようにされており、前記回転軌道面移動量算出処理は、単一金属球で構成される回転軌道面移動量算出用ファントムを前記回転軌道面と前記回転中心軸の交点である回転中心に配置した状態で当該回転軌道面移動量算出用ファントムのX線投影像を前記回転角度単位ごとに撮影するステップ、および前記ステップで得られた前記投影像における前記指標体の投影領域を基に前記回転軌道面の移動量を算出するステップを含んでいるコーンビームX線CT装置を開示する。 Furthermore, the present invention is configured to perform a rotation track surface movement amount calculation process that is obtained by correlating the movement amount of the rotation track surface for each rotation angle unit in the photographing with the coordinate value obtained by the rotation track surface calculation process. The rotational trajectory plane movement amount calculation processing is performed in a state where a rotational trajectory plane movement amount calculation phantom composed of a single metal sphere is arranged at the rotation center that is the intersection of the rotational trajectory plane and the rotation center axis. An X-ray projection image of the rotation trajectory surface movement amount calculation phantom is taken for each rotation angle unit, and the rotation trajectory surface of the rotation trajectory surface is based on a projection area of the index body in the projection image obtained in the step. A cone beam X-ray CT apparatus is disclosed that includes a step of calculating a displacement.
本発明では、回転軌道面算出用ファントムの合成投影像で各指標体が描く軌跡の中で互いに重なり合うことのない軌跡に関するギャップラインを利用して回転軌道面を求めるようにしている。このため、同様なファントムを用い、そのファントムにおける基準点(本発明における指標体に相当)の軌跡が楕円状に閉じた軌跡となること利用する特許文献1の手法に比べ、全回転角度が360度に満たない場合でも高い精度で回転軌道面を求めることができるという利点が得られ、また回転軌道面を算出するための処理をより簡易なものにすることができるという利点が得られる。 In the present invention, the rotational trajectory plane is obtained using gap lines relating to trajectories that do not overlap each other in the trajectory drawn by each index body in the composite projection image of the rotational trajectory plane calculation phantom. For this reason, using the same phantom, the trajectory of the reference point (corresponding to the index body in the present invention) in the phantom is an elliptical closed trajectory, and the total rotation angle is 360. Even if it is less than the degree, there is an advantage that the rotating track surface can be obtained with high accuracy, and an advantage that the process for calculating the rotating track surface can be simplified.
また本発明では、撮影における回転角度単位ごとの回転軌道面の移動量を求めることができるようにしているので、回転軌道面をより高い精度で決定することが可能となる。 In the present invention, since the amount of movement of the rotating track surface for each rotation angle unit in photographing can be obtained, the rotating track surface can be determined with higher accuracy.
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図1に本発明の一実施形態によるC型アーム方式のコーンビームX線CT装置の概略構成を示す。図1に見られるようにコーンビームX線CT装置は、被検体3のX線透過像を撮影して計測データを得る計測部50、計測部50を制御する計測部制御手段100、計測部50で得られた計測データを基に3次元的X線CT像を再構成する3次元再構成手段200、および計測部50における後述の回転中心軸や回転軌道面などの幾何学パラメータを求めるための幾何学パラメータ計算手段300を主な要素として備え、さらに計測部50で得られたX線透過像を収集して記録する画像収集手段110および3次元再構成手段200で得られた3次元的X線CT像を表示する画像表示手段210を備えている。以下ではこれらの各要素について、より具体的に説明する。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic configuration of a C-arm type cone beam X-ray CT apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the cone beam X-ray CT apparatus captures an X-ray transmission image of the
計測部50は、被検体3を載せる寝台4、寝台4に載せられた被検体3にX線を照射するX線源1、X線源1からのX線による透過像を撮影する2次元X線検出器5、X線源1と2次元X線検出器5を機械的に接続するC型アーム10、C型アーム10を保持するC型アーム保持体11、C型アーム保持体11を天井に取り付ける天井支持体12、および天井支持体12を図1の状態で前後左右2次元方向に移動可能に支持する天井レール13を備えている。またそのX線源1は、X線を発生するX線管1tおよびX線管1tからのX線の照射方向を円錐状に制御するコリメータ1cからなり、その2次元X線検出器5は、X線透過像を可視光像に変換するX線イメージインテンシファイア5iおよびX線イメージインテンシファイア5iによる可視光像を撮影するテレビカメラ5cからなっている。
The
この計測部50におけるX線源1と2次元X線検出器5は、被検体3の撮影に際して、C型アーム10の回転により、ともに同一の円軌道上で回転移動させられる。この回転移動については、画像再構成に際して用いられる幾何学パラメータが存在する。すなわちC型アーム10の回転によるX線源1と2次元X線検出器5の回転における円軌道を含む面である回転軌道面(ミッドプレーン)7、C型アーム10の回転における回転中心軸8、および回転中心軸8と回転軌道面7の交点である回転中心9である。これらは、上述のように、原理的には計測部50の設計データから定まるものであるが、実際的には計測部50の製作誤差や部材の変形などがあることから、個々の装置の計測部50ごとに設計データとは異なって現れることになる。このため、実際の計測部50における回転軌道面7や回転中心軸8を装置ごとに試験的な撮影をして求める必要がある。
The X-ray source 1 and the two-
計測部制御手段100は、回転中心軸8で回転するC型アーム10の回転(この回転はプロペラ回転と呼ばれる)を制御する撮影系回転制御手段101、天井支持体12の天井レール13上での位置を制御してC型アーム10の被検体3の体軸方向に対する位置を2次元的に制御する撮影系位置制御手段102、X線管1tに流す管電流のON、OFFなどを制御するX線照射制御手段103、寝台4の位置を制御して被検体3の回転中心軸8に対する位置を制御する被検体位置制御手段104、および2次元X線検出器5によるX線透過像の撮影を制御する撮影系制御手段105を主な要素として備えている。
The measuring unit control means 100 includes an imaging system rotation control means 101 that controls the rotation of the C-
3次元再構成手段200は、計測部制御手段100による制御の下で計測部50により撮影され、画像収集手段110で収集・記録されたX線透過像を基に画像再構成演算を行って3次元的X線CT像を得る。そのために3次元再構成手段200は、前処理手段201、画像歪み補正手段202、フィルタリング手段203、および逆投影手段204を備えている。
The three-
前処理手段201は、画像収集手段110で収集・記録されたX線透過像をX線吸収係数の分布像に変換する手段である。この前処理手段201での処理には周知の手法を用いることができる。本実施形態では、まず被検体3と寝台4を撮影視野内に配置しない状態で空気のX線透過像を撮影し、そのX線透過像における各画素データに対して自然対数変換演算を施す。それから寝台4に載せた被検体3のX線透過像を撮影し、そのX線透過像における各画素データに対して自然対数変換演算を施す。そしてこれら自然対数変換演算が施された両画像の差分を取ることにより、被検体3および寝台4のX線吸収係数分布像を得る。
The
画像歪み補正手段202は、X線イメージインテンシファイア5iでX線透過像を可視光像に変換する際に、X線イメージインテンシファイア5iのX線入射面(検出面)が非平面であることに起因して画像に生じる歪みを補正する手段である。この画像歪み補正手段202での処理には、例えば上記特許文献3に記載の手法を用いることができる。その具体的内容については後述する。
When the X-ray image intensifier 5i converts the X-ray transmission image into a visible light image, the image
フィルタリング手段203は、X線CT画像再構成におけるフィルタリング処理を行う周知の手段である。 The filtering means 203 is a well-known means for performing filtering processing in X-ray CT image reconstruction.
逆投影手段204は、フィルタリング処理後の画像データに対して、上記非特許文献1のフェルドカンプ法を用いて逆投影演算を行う手段であり、3次元的X線CT像を生成する。生成した3次元的X線CT像は画像表示手段210に表示される。
The backprojection means 204 is a means for performing a backprojection operation on the image data after filtering processing using the Feldkamp method of Non-Patent Document 1 and generates a three-dimensional X-ray CT image. The generated three-dimensional X-ray CT image is displayed on the
幾何学パラメータ計算手段300は、3次元再構成手段200で画像再構成を行う際に必要となる計測部50の幾何学パラメータを求める手段である。幾何学パラメータ計算手段300が扱う幾何学パラメータには、図1における回転軌道面7と回転中心軸8、それにX線イメージインテンシファイア5iによる画像の歪みである。そのために幾何学パラメータ計算手段300は、画像歪み補正テーブル生成手段320、画像歪み補正テーブル保管手段330、回転軌道面算出手段350、回転軌道面移動量算出手段370、および回転中心軸計算手段390を備えている。以下、幾何学パラメータ計算手段300におけるこれらの各要素について具体的に説明する。
The geometric
画像歪み補正テーブル生成手段320は、上述の画像歪み補正手段202で使用する画像歪み補正テーブルを生成する。その画像歪み補正テーブルの生成については上記特許文献3に詳しく説明されている。以下ではその概略について説明する。画像歪み補正テーブルの生成では、図2に示すようなホールチャート20を用いる。ホールチャート20は、X線に対する吸収の大きな材料で形成した板材に格子状配列で多数の小さなホール20hを穿設して形成されている。画像歪み補正テーブルを生成するには、まず、X線イメージインテンシファイア5iの前面にホールチャート20を固定し、このホールチャート20のX線投影像をホールチャート歪み投影像として撮影する。次いで、この撮影で得られたホールチャート歪み投影像に前処理手段201による処理を施してから投影像の投影面におけるホール20hの投影位置を検出する。それから、この検出したホール20hの投影位置を、ホールチャート20が歪みなく投影面に投影された場合を仮想したホール20hの仮想投影位置に位置するように変換する計算をホール20hごとに行って画像歪み補正テーブルを生成させる。
The image distortion correction
画像歪み補正テーブル保管手段330は、画像歪み補正テーブル生成手段320で生成した画像歪み補正テーブルを磁気ディスクなどに格納し、またその格納した画像歪み補正テーブルを、画像歪み補正手段202がX線透過像の歪みを補正する際に読み出す機能を負っている。
The image distortion correction
回転軌道面算出手段350は、計測部50の回転軌道面7を求める手段である。ここで、回転軌道面7は、上述のように、X線源1と2次元X線検出器5の回転における円軌道を含む面と定義することができるが、以下のように定義することもできる。被検体上の点(x、y、z)に着目する。回転によりX線源と点(x、y、z)との距離が変化するために、2次元X線検出器の検出面(投影面)への投影点は、遠近法の原理から分るように、一般に上下方向に移動する。しかしX線源の焦点を含み回転中心軸に垂直な面では、回転でX線源と点(x、y、z)との距離が変化しても2次元X線検出器の検出面での投影点の上下方向の移動は生じない。このようなX線源の焦点を含み回転中心軸に垂直な面は、すなわち回転軌道面であり、したがって回転軌道面は、X線源の焦点を含み回転中心軸に垂直な面と定義することもできる。
The rotating track
回転軌道面7を求めるには図3に示すような金属球を連結した形状の金属球配列ファントム30を回転軌道面算出用ファントムとして用いる。金属球配列ファントム30は、X線に対する吸収の大きな材料、具体的には例えばタングステン、白金、あるいは鉄−ニッケル−クロム合金などの金属材料で形成した指標体である金属球30bを複数個、X線に対し相対的に吸収の小さな材料、具体的は例えばアクリル樹脂や塩化ビニル樹脂などの合成樹脂材料で棒状ないし線状、あるいはチェーン状に形成の支持体30sに直線状に配列・支持させて構成される。
In order to obtain the rotation track surface 7, a metal
このような金属球配列ファントム30を用いて回転軌道面7を求めるには、まず、回転中心軸8に対して所定の位置関係で配置した金属球配列ファントム30のX線投影像を回転撮影する。その回転撮影はX線源1と2次元X線検出器5を計測部50の全回転角度まで回転させながら所定回転角度単位(回転角度ピッチ)ごとに行う。金属球配列ファントム30の回転中心軸8に対する位置関係は、各金属球30bに後述するような軌跡を描かせるために、回転中心軸8に対して平行であり、回転中心軸8に対して適切な間隔Sだけ離れた位置である。
In order to obtain the rotation orbit plane 7 using such a metal
上記の条件で金属球配列ファントム30の撮影を行うと一定枚数のX線投影像が得られるので、これを重ね合わせて合成投影像を作成する。本実施形態のC型アーム方式のコーンビームX線CT装置では全回転角度が200度であるが、仮に360度まで撮影を行ったとした場合の合成投影像の例を図4に示す。図4の投影像では横軸31をu、縦軸32をvとしてある。図4に見られるように、投影像において各金属球30bは軌跡33を描く。なお、後に説明するように回転軌道面7は撮影角度ごとに移動を生じる。このため実際には軌跡33は図のようなきれいな線分となるものでないが、ここでは理想化して描いてある。
When the metal
軌跡33は、上述の回転軌道面7の定義に関して説明した投影点の上下移動と同様の原理から楕円ないし楕円の一部となり、その短軸長は金属球30bの回転軌道面7に対する位置関係に相関し、回転軌道面7上では0となる。つまり回転軌道面7上にある金属球30bについては軌跡33が直線となる。したがって軌跡33は、金属球配列ファントム30における金属球30bの間隔を適切に設定すると、回転軌道面7の近辺を除いて互いに重なり合う状態にすることができる。すなわち回転軌道面7の近辺ではギャップライン(分離線)34を生じて軌跡33がこのギャップライン34で互いに分離される状態になり、その他の部分では軌跡33が互いに重なり合う状態にすることができる。本発明ではこのことを利用して回転軌道面7を求める。具体的には、図4の例のような投影像からギャップライン34、34を検出し、そのギャップライン34、34の間の中間線として回転軌道面7を求める。このような本発明の手法を可能とするには、上述のように金属球30bの間隔を適切に設定する必要がある。その適切な間隔は、回転軌道面7の近辺でギャップライン34が数本程度生じ、その他の部分では軌跡33が互いに重なり合うことになるような間隔と規定することができ、後述するような本実施形態のコーンビームX線CT装置における仕様の場合には、例えば4mm程度が適切な間隔となる。
The
このような本発明における手法を上記の特許文献1における手法と比較すると以下のことがいえる。特許文献1の手法では、回転軌道面を求めるのに、本発明における金属球配列ファントム30と同様なファントムを用いるが、そのファントムにおける基準点(本実施形態における金属球30bに相当)の軌跡が楕円状に閉じた軌跡となること利用し、その楕円軌跡についてそれぞれ短軸長を算出し、それが0となる楕円軌跡を回転軌道面として求めるようにしている。このため基準点の軌跡が閉じた楕円となることを必要とし、本実施形態のC型アーム方式コーンビームX線CT装置のように全回転角度が360度に満たない場合には回転軌道面を高い精度で求めることができなくなる。また回転軌道面を求めるための計算処理が複雑になる。これに対して本発明における手法では、ギャップラインを利用するようにしているため、全回転角度が360度に満たない場合でも高い精度で回転軌道面を求めることができ、しかもその計算処理を特許文献1の手法におけるそれよりも簡易に済ませることができるようになる。
When such a method in the present invention is compared with the method in Patent Document 1, the following can be said. In the method of Patent Document 1, a phantom similar to the metal
上記のようにして求める回転軌道面は、所定の回転角度ピッチごとに繰り返す撮影で得られる複数枚のX線投影像の合成を通して求められるもので、各撮影についての平均の回転軌道面であり、回転角度状態がそれぞれ異なる各撮影における回転軌道面は平均の回転軌道面に対して若干の移動(ずれ)を生じるのが実際である。このため、より高い精度で回転軌道面を求めるには回転撮影における回転角度ごとの回転軌道面の移動を測定し、それを反映させる必要がある。これに必要な処理を行うのが回転軌道面移動量算出手段370である。 The rotational trajectory plane obtained as described above is obtained through the synthesis of a plurality of X-ray projection images obtained by repeated imaging for each predetermined rotation angle pitch, and is the average rotational trajectory plane for each imaging, Actually, the rotational orbital surface in each photographing with different rotation angle states slightly moves (displaces) with respect to the average rotational orbital surface. For this reason, in order to obtain the rotation track surface with higher accuracy, it is necessary to measure the movement of the rotation track surface for each rotation angle in the rotation imaging and reflect it. The rotational track surface movement amount calculation means 370 performs processing necessary for this.
回転軌道面移動量算出手段370による回転軌道面の移動量の算出では、回転軌道面移動量算出用ファントムを用いる。回転軌道面移動量算出用ファントムは、金属球配列ファントム30における金属球30bと同様な金属球(指標体)一つで構成される。このような1個の金属球による単一金属球ファントムを用いて回転軌道面の移動量を求めるには、図1における回転中心9にファントムである金属球を配置し、その回転撮影を行う。回転中心9に金属球を配置するのは撮影角度方向によってX線管1tと金属球との距離が変化することのないようにするためである。
In the calculation of the movement amount of the rotation track surface by the rotation track surface movement amount calculation means 370, a rotation track surface movement amount calculation phantom is used. The rotational track surface movement amount calculation phantom is composed of one metal sphere (index body) similar to the
図5に回転軌道面移動量の算出についての概念図を示す。投影画像41は回転軌道面算出手段350で求まった平均回転軌道面に対して移動のない場合であり、金属球の投影像40は平均の回転軌道面上にある。一方、投影画像42は、平均回転軌道面に対して移動を生じている場合であり、金属球の投影像43は移動量mvだけ平均回転軌道面に対して移動している。このような比較により、移動量mvを1投影ごとに算出することができる。なお各投影画像においては横方向uについても金属球の投影像の投影位置に移動を生じる場合もあるが、これは金属球の配置位置が実際の回転中心9からずれていることに起因するもので、回転軌道面の移動とは関係ないので考慮する必要はない。
FIG. 5 shows a conceptual diagram about the calculation of the amount of movement of the rotating track surface. The projected
回転中心軸計算手段390は、図1における回転中心軸8を求める。この回転中心軸計算手段390における手法には上記の特許文献2に記載の手法を好ましいものとして用いる。その概略は以下のとおりである。棒状の支持体にX線吸収係数の大きい1本の金属線を張って形成したワイヤーファントムを回転中心軸8に平行に配置して回転撮影を行い、その再構成画像における金属線の鮮明度を評価関数とし、その評価関数が最適となるようにすることで、回転中心軸8の投影面における投影座標値を求める。
The rotation center axis calculation means 390 obtains the
ここで、本実施形態におけるC型アーム方式コーンビームX線CT装置の仕様例を挙げると以下のとおりである。X線管1tと回転中心軸8の距離は800mm、回転中心軸8とX線イメージインテンシファイア5iのX線入射面の距離は400mm、検出器面の大きさは400mm、画像サイズは1024×1024(走査線数)、そして検出器ピッチは0.4mmである。またC型アーム10の回転角度は、最大で200度である。すなわち図1の状態を被検体3に対して0度とし、回転の開始位置が被検体3に対して−100度の位置にあり、回転の終了位置が被検体3に対して+100度となるようにされている。またC型アーム10の回転速度は1秒当たり40度で、したがって1スキャンの時間は5秒となる。
Here, a specification example of the C-arm type cone beam X-ray CT apparatus in the present embodiment is as follows. The distance between the X-ray tube 1t and the
以下では本実施形態のC型アーム方式コーンビームX線CT装置による撮影における動作の概要について説明する。撮影に入ると、まず撮影系回転制御手段101はC型アーム10の回転を開始する。回転加速期間を経た後、X線照射制御手段103がX線管1tにX線を発生させ、撮影系制御手段105がテレビカメラ5cによる可視光像の撮影を開始する。X線管1tから照射されたX線は被検体3を透過した後、X線イメージインテンシファイア5iへ入射する。X線透過像はX線イメージインテンシファイア5iで可視光像に変換され、テレビカメラ5cに取り込まれる。テレビカメラ5cはX線透過像をビデオ信号に変換し、そのビデオ信号がA/D変換を経た後、デジタル画像データとして画像収集手段110に記録される。テレビカメラ5cの標準走査モードは毎秒30フレーム、走査線数1024である。C型アーム10の回転角度ピッチは1.33度で、5秒間に150枚のX線透過像を取得する。200度の回転撮影が完了すると、X線照射制御手段103はX線管5tのX線発生を終了し、撮影系回転制御手段101はC型アーム10の回転を停止する。
Hereinafter, an outline of operations in imaging by the C-arm type cone beam X-ray CT apparatus of the present embodiment will be described. When shooting is started, first, the shooting system rotation control means 101 starts to rotate the C-
3次元再構成手段200は、以上のような撮影に並行し、あるいは撮影が終了した後に、画像収集手段110からデジタル画像データを読み出し、後述する3次元再構成処理によって被検体3の3次元的X線CT像の再構成演算を行う。これで得られた3次元的X線CT像は画像表示手段210に表示される。なお画像表示手段210には、画像収集手段110に記録されたX線透過像を直接表示することも可能である。
The three-
次に、本発明において主要な特徴的事項である幾何学パラメータ計算手段300における処理の内容をより具体的に説明する。図6に幾何学パラメータ計算手段300における幾何学パラメータ計算処理の流れを示す。まず、ホールチャート20をX線イメージインテンシファイア5iの前面に固定して回転撮影を行い、画像収集手段110により各撮影角度におけるホールチャート歪み投影像の収集を行う(ステップS310)。収集するホールチャート歪み投影像は、本実施形態の場合であれば上述のように150枚となる。
Next, the contents of processing in the geometric parameter calculation means 300, which is a main characteristic item in the present invention, will be described more specifically. FIG. 6 shows a flow of geometric parameter calculation processing in the geometric parameter calculation means 300. First, the
次いで、ステップS310で得られた150枚のホールチャート歪み投影像を基に、画像歪み補正テーブル生成手段320により画像歪み補正テーブルの計算を行い(ステップS320)、それを画像歪み補正テーブル保管手段330に保管する(ステップS330)。画像歪み補正テーブル保管手段330に保管された画像歪み補正テーブルは、画像歪み補正手段202によるX線透過像の画像歪みの補正に用いられる。
Next, based on the 150 hall chart distortion projection images obtained in step S310, the image distortion correction table is calculated by the image distortion correction table generating means 320 (step S320), and the image distortion correction table storage means 330 is calculated. (Step S330). The image distortion correction table stored in the image distortion correction
ステップS340では金属球配列ファントム30を用いた回転撮影を行う。この回転撮影は、図3に示すように、金属球配列ファントム30を回転中心軸8に対して平行で、回転中心軸8に対して適切な間隔Sだけ離れた位置に配置して行い、これで得られる金属球配列ファントム30の投影像を画像収集手段110で収集する。適切な間隔Sは、幾何学系(X線管5tと回転中心軸8の距離、回転中心軸8と2次元X線検出器5の距離、および検出器面の大きさ)に依存するが、本実施形態の場合、回転中心軸8から70〜120mmとするのが適当である。
In step S340, rotational imaging using the metal
次いで、ステップS340で得られた金属球配列ファントムの投影像を基に、回転軌道面算出手段350により回転軌道面7の投影像上での座標値を決定する(ステップS350)。ここで求められた回転軌道面7の投影座標値は、逆投影手段204によりX線透過像から3次元的X線CT像を再構成する際に用いられる。 Next, based on the projected image of the metal sphere array phantom obtained in step S340, the coordinate value on the projected image of the rotating track surface 7 is determined by the rotating track surface calculating means 350 (step S350). The projection coordinate value of the rotation orbit plane 7 obtained here is used when the back projection means 204 reconstructs a three-dimensional X-ray CT image from the X-ray transmission image.
ステップS360では上述の単一金属球ファントムを用いた回転撮影を行う。この回転撮影は、単一金属球ファントムを図1における回転中心9に配置して行い、これで得られる単一金属球ファントムの投影像を画像収集手段110で収集する。それから、ステップS360で得られた単一金属球ファントムの投影像を基に、回転軌道面移動量算出手段370により、1投影ごとに回転軌道面7の移動量を算出する(ステップS370)。ここで求められた回転軌道面7の移動量は、ステップS350で求められた回転軌道面7の投影像上での平均値と併せて、逆投影手段204によりX線透過像から3次元的X線CT像を再構成する際に用いられる。 In step S360, rotational imaging using the single metal sphere phantom described above is performed. This rotational imaging is performed by placing a single metal sphere phantom at the rotation center 9 in FIG. 1, and a projection image of the single metal sphere phantom obtained by this is collected by the image collecting means 110. Then, based on the projection image of the single metal sphere phantom obtained in step S360, the moving amount of the rotating track surface 7 is calculated for each projection by the rotating track surface moving amount calculating means 370 (step S370). The amount of movement of the rotational orbital surface 7 obtained here is combined with the average value on the projected image of the rotational orbital surface 7 obtained in step S350, and the three-dimensional X-ray image is obtained from the X-ray transmission image by the back projection means 204. Used when reconstructing a line CT image.
ステップS380では上述のワイヤーファントムを回転中心軸8に平行に配置しての回転撮影を行い、その投影像を画像収集手段110で収集する。それから、ステップS380で得られたワイヤーファントムの投影像を基に、回転中心軸計算手段390により、回転中心軸8の投影像上での座標値を決定する。ここで求められた回転中心軸8の投影座標値は、逆投影手段204によりX線透過像から3次元的X線CT像を再構成する際に用いられる。
In step S380, the above-described wire phantom is rotated in parallel with the
以下では回転軌道面算出手段350と回転軌道面移動量算出手段370それぞれでの処置の内容についてさらに具体的に説明する。図7に、図6におけるステップS350で回転軌道面算出手段350によりなされる処理の詳細についての流れを示す。まずステップS351において、図6のステップS340で得られた金属球配列ファントムの投影像に前処理手段201にて前処理を施すことでX線吸収係数の分布像を生成する。それから、金属球配列ファントムの投影像に画像歪み補正手段202にて画像歪み補正を施す(ステップS352)。
In the following, the contents of the treatment in each of the rotating track
ステップS353では、金属球配列ファントムについて収集された150枚の投影像を重ね合わせる。ここで、投影像を重ね合わせる方法としては、150枚の投影像の加算平均をとる方法があり、また金属球により暗くなっている画素を際立たせるために、対応画素ごとに150枚の投影像の最小値を入れていく方法がある。 In step S353, the 150 projection images collected for the metal sphere array phantom are superimposed. Here, as a method of superimposing the projected images, there is a method of taking an average of 150 projected images, and 150 projected images for each corresponding pixel in order to make the pixels darkened by the metal sphere stand out. There is a method of putting the minimum value of.
ステップS354では、ステップS353で得られた金属球配列ファントムの投影重ね合わせ画像に閾値処理を施し、金属球の軌跡が重なり合っていない部分、つまり図4におけるギャップライン34を抽出する。この抽出では、金属球配列ファントム30における金属球30bの配列間隔に応じた数(それは2本以上であるのが通常である)のギャップライン34が抽出される。それから、抽出された複数のギャップライン34におけるv座標の重心値を求め、これを回転軌道面7の投影像上での座標値として出力する(ステップS355)。
In step S354, a threshold value process is applied to the projected superimposed image of the metal sphere array phantom obtained in step S353, and a portion where the trajectories of the metal sphere do not overlap, that is, the
図8に、図6におけるステップS370で回転軌道面移動量算出手段380によりなされる処理の詳細についての流れを示す。まず、ステップS371において、図6におけるステップS360で得られた単一金属球ファントムの投影像に前処理手段201にて前処理を施すことでX線吸収係数の分布像を生成する。それから、単一金属球ファントムの投影像に画像歪み補正手段202にて画像歪み補正を施す(ステップS372)。
FIG. 8 shows a flow of details of the processing performed by the rotational track surface movement amount calculation means 380 in step S370 in FIG. First, in step S371, an X-ray absorption coefficient distribution image is generated by performing preprocessing by the
ステップS373では、ステップS372で得られた単一金属球ファントムの投影像に閾値処理を施し、金属球の投影領域を1投影ごとに抽出する。次いで、抽出した金属球の投影領域それぞれについてv座標の重心値を求める(ステップS374)。そして最後に、ステップS374で求めた1投影ごとの金属球投影領域のv座標重心値を、投影番号ごとの回転軌道面7の投影像上での座標値、あるいは回転軌道面7の投影像上での座標平均値からの移動量としてテーブルに保存する。 In step S373, threshold processing is performed on the projection image of the single metal sphere phantom obtained in step S372, and the projection area of the metal sphere is extracted for each projection. Next, a centroid value of the v coordinate is obtained for each of the extracted projection areas of the metal sphere (step S374). Finally, the v-coordinate centroid value of the metal sphere projection area for each projection obtained in step S374 is the coordinate value on the projection image of the rotation orbit plane 7 for each projection number or on the projection image of the rotation orbit plane 7. Saved in the table as the amount of movement from the coordinate average value at.
ここで、上記ステップS370での回転軌道面移動量算出処理において1投影ごとにv座標値を求めるからといって、上記ステップS350での回転軌道面算出処理が不要であることを意味しない。すなわち回転軌道面移動量算出処理で求めるのは回転軌道面算出処理で求められる回転軌道面7の平均値からの移動量であって、この移動量を精度よく求めるには、その基となる回転軌道面7の平均値を精度よく決定するための回転軌道面算出処理が必要となる。 Here, just obtaining the v-coordinate value for each projection in the rotation trajectory plane movement amount calculation processing in step S370 does not mean that the rotation trajectory plane calculation processing in step S350 is unnecessary. In other words, what is calculated in the rotation track surface movement amount calculation process is the movement amount from the average value of the rotation track surface 7 calculated in the rotation track surface calculation process. A rotating track surface calculation process for accurately determining the average value of the track surface 7 is required.
本発明では、以上説明したようにして幾何学パラメータ計算手段300により、装置の幾何学パラメータを、より容易に、しかも精度よく決定することができ、これを用いることで、より鮮明な3次元的X線CT像を生成させることが可能となる。また本実施形態における幾何学パラメータ計算手段300あるいはこれに準じた手段を搭載することにより、本実施形態におけるC型アーム方式のコーンビームX線CT装置のように、360度の回転撮影を行えない装置でも鮮明な3次元的X線CT像を再構成することができるようになる。これにより、例えば頭部、腹部等の造影撮影、あるいは歯顎、腰椎、四肢等の整形分野の診断性能を向上させることができる。 In the present invention, as described above, the geometric parameter calculation means 300 can determine the geometric parameters of the apparatus more easily and accurately, and by using this, a sharper three-dimensional image can be obtained. An X-ray CT image can be generated. Further, by mounting the geometric parameter calculation means 300 in this embodiment or a means equivalent thereto, 360-degree rotational imaging cannot be performed unlike the C-arm type cone beam X-ray CT apparatus in this embodiment. The apparatus can reconstruct a clear three-dimensional X-ray CT image. Thereby, for example, contrast imaging of the head, abdomen, etc., or the diagnostic performance in the shaping field such as the tooth jaw, the lumbar vertebra, and the limbs can be improved.
なお本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することができる。例えば、上記実施形態では2次元X線検出器をX線イメージインテンシファイアとテレビカメラの組み合わせで形成するようにしていたが、これに代えて、例えばTFT素子を用いて2次元X線検出器を構成するようにしてもよい。また本発明はC型アーム方式以外のコーンビームX線CT装置にも適用可能であるし、回転撮影の全角度は200度以外の場合にも適用可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can deform | transform variously in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the above embodiment, the two-dimensional X-ray detector is formed by a combination of an X-ray image intensifier and a TV camera. Instead, for example, a two-dimensional X-ray detector using a TFT element is used. You may make it comprise. The present invention can also be applied to cone beam X-ray CT apparatuses other than the C-arm system, and can also be applied to cases where the entire angle of rotational imaging is other than 200 degrees.
本発明のコーンビームX線CT装置は、360度の回転撮影を行えない場合でも高い精度で、しかも容易に回転軌道面を決定することができ、したがってより鮮明な3次元的X線CT像を再構成することができる。このため、例えば頭部、腹部等の造影撮影、あるいは歯顎、腰椎、四肢等の整形分野の診断性能を向上させるのに寄与できる。 The cone beam X-ray CT apparatus of the present invention can easily determine the rotational orbital plane with high accuracy even when 360-degree rotation imaging cannot be performed, and therefore, a clearer three-dimensional X-ray CT image can be obtained. Can be reconfigured. For this reason, it can contribute to improving diagnostic performance in the field of orthopedic imaging such as the jaws, lumbar vertebrae, and extremities, for example, imaging of the head and abdomen.
1 X線源
3 被検体
5 2次元X線検出器
7 回転軌道面
8 回転中心軸
30 回転軌道面算出用ファントム
30b 金属球(指標体)
30s 支持体
33 軌跡
34 ギャップライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
金属球を直線状に配列して構成された回転軌道面算出用ファントムと、このファントムを前記回転中心軸から所定距離だけ離し、かつ前記ファントムの直線状配列方向が前記回転中心軸に平行に配置した状態で当該回転軌道面算出用ファントムのX線投影像を回転撮影して複数枚の投影像を収集する手段と、この収集手段で得られる複数の投影像を重ね合わせて合成投影像を生成する手段と、前記合成投影像について当該合成投影像上で前記各金属球が描いている軌跡の中で互いに重なり合っていない部分であるギャップラインを抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出したギャップラインを基に前記回転軌道面の投影像上での座標値を求める手段と、を含んでいることを特徴とするコーンビームX線CT装置。 An X-ray source for irradiating X-rays, a two-dimensional X-ray detector arranged opposite to the subject with the X-ray source interposed therebetween, and means for rotating both of them around the rotation center axis on the same circular orbit , And irradiating the subject disposed between the X-ray source and the two-dimensional X-ray detector with X-rays from the X-ray source, while the X of the subject is in units of a predetermined rotation angle in the rotation. Cone-beam X-ray CT that captures a line-transmission image with a two-dimensional X-ray detector and generates a three-dimensional X-ray CT image by performing an image reconstruction operation based on the X-ray transmission image obtained by the imaging In the device
A rotating phantom surface calculation phantom configured by linearly arranging metal spheres, the phantom spaced apart from the rotation center axis by a predetermined distance, and the linear arrangement direction of the phantom arranged parallel to the rotation center axis In this state, the X-ray projection image of the rotational trajectory plane calculation phantom is rotated to collect a plurality of projection images, and a plurality of projection images obtained by the acquisition unit are superimposed to generate a composite projection image. means for, extracting means for extracting a gap line is a portion not I overlap if one another in a path which the are the respective metal balls drawn for the synthesis projected image on the composite projection image, extracted by the extraction means A cone beam X-ray CT apparatus comprising: means for obtaining a coordinate value on a projected image of the rotating orbit plane based on the gap line.
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