JP4472492B2 - 被検体における元素濃度を位置分解して求める方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線吸収技術を用いて、元素および／または元素結合物からなる被検体における元素および／または元素結合物の濃度を位置分解して求める方法および装置に関する。

例えばコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、マンモグラフィ（乳房撮影法）、アンギオグラフィ（血管撮影法）、Ｘ線検査技術などのＸ線撮影の結果は、まず、投影画像におけるＸ線源からＸ線検出器までのＸ線経路に沿ったＸ線減弱の表示である。この減弱はＸ線経路に沿った被透過材料によって生じさせられるので、減弱とはＸ線経路に沿った全てのボリュームエレメント（ボクセル）の減弱係数にわたる線積分であると理解することもできる。特に断層撮影法、例えばＸ線コンピュータ断層撮影法においては、再構成方法を介して、投影された減弱データから個々のボクセルの減弱係数μへ戻す計算を行い、投影画像の単なる観察の場合よりも非常に繊細な検査を達成することができる。

減弱分布の表示のために、減弱係数の代わりに、一般に水の減弱係数で規格化された値いわゆるＣＴ値が使用される。ＣＴ値は、測定によって求められた実際の減弱係数μおよび基準減弱係数μ_H20から次式に基づいて算出される。
Ｃ＝１０００×（μ−μ_H20）／μ_H20［ＨＵ］
但し、Ｃはハウンズフィールド単位［ＨＵ］でのＣＴ値である。水については値Ｃ_H20＝０ＨＵが生じ、空気については値Ｃ_L＝−１０００ＨＵが生じる。両表示は相互に変換可能もしくは等価であるので、以下において一般的に選んだ用語「減弱値」または「減弱値係数」は減弱係数μもＣＴ値も意味する。

しかしながら、Ｘ線撮影の減弱値から被検体の材料組成を推量することはできない。なぜならば、Ｘ線吸収は材料の有効原子番号によっても決まるし材料密度によっても決まるからである。従って、異なる化学的および物理学的な組成の組織がＸ線像において同一の減弱値を有し得る。

そこで、局所的な減弱係数に基づくＸ線像の表現力を高めるために、互いに異なるＸ線スペクトルまたはＸ線量子エネルギーをＸ線像作成に使用することが知られている（例えば特許文献１参照）。コンピュータ断層撮影の範囲において使用され一般に２スペクトルＣＴとも呼ばれるこの方法は、高い原子番号の材料は低い原子番号の材料よりも低エネルギーＸ線を明らかに強く吸収する。これに対して、高いＸ線エネルギーの場合には減弱値が一様化し、主として材料密度の関数である。従って、異なるＸ線管電圧で撮影されたＸ線像における相違の算出によって、個々の像範囲の基礎をなしている材料に関する追加情報を得ることができる。

付加的に、いわゆる基礎材料分解法がＸ線撮影に適用されるならば、なおも、より特有な表現が得られる。この方法の場合には、被検体のＸ線減弱値が低エネルギーのＸ線と高エネルギーのＸ線とにより測定され、得られた値が、例えば骨格材料のためのカルシウムおよび軟部組織のための水のような２つの基礎材料の相応の基準値と比較される。各測定値は両基礎材料の測定値の線形重ね合わせとして表現できると仮定される。被検体の画像表示の各エレメントについて基礎材料の値との比較から骨格成分および軟部組織成分が算出されるので、元の撮影を両基礎材料の表示へ変換することができる。

更に、基礎材料分解法よりも感度および表現力が優れ、かつ高い表現力の機能的ＣＴ画像形成を可能にする方法が知られている（特許文献２参照）。この方法によれば、密度ρ（ｒ）および有効原子番号Ｚ（ｒ）の空間的分布が、スペクトル的に影響されたＸ線アパーチャの測定データの評価によって算出される。密度の分布と有効原子番号の分布との評価を組み合わせることによって、例えばヨウ素などのような身体成分が定量的に求められ、そして例えば石灰化が原子番号に基づいて分割される。

しかしながら、今まで説明した方法はいずれも、被検体を構成している元素および／または元素結合物の濃度を位置分解して求めることを可能にしていない。
米国特許第４２４７７７４号明細書 独国特許出願公開第１０１４３１３１号明細書

従って、本発明の課題は、元素および／または元素結合物からなる被検体における元素および／または元素結合物の濃度を位置分解して求める方法および装置を提供することにある。

この課題は、請求項１による方法および請求項５による装置によって解決される。方法および装置の有利な構成は、従属請求項から、あるいは以下における説明および実施例から得られる。

ｎ個の元素および／または元素結合物からなる被検体におけるｎ個の元素および／または元素結合物の濃度を位置分解して求めるための本発明による方法において、Ｘ線装置により同時にまたは次々に、被検体の少なくとも１つ範囲における複数のディジタルＸ線像が、Ｘ線像において同じ位置を表す各画素（ピクセル）についてｍ個の減弱値μ_i（ｉ＝１，・・・ｍ）を得るために、同じジオメトリ条件下でＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ（≧ｎ）個の異なるスペクトル分布で描出される。引続いて、１つまたは複数のピクセルについてそれぞれｍ個の減弱値μ_iから、ｎ個の元素および／または元素結合物の既知のスペクトルの吸収スペクトルｋ_j（Ｅ）とＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ個の異なるスペクトル分布とを考慮して、ｎ個の元素および／または元素結合物の濃度ｃ_jが算出される。

従って、方法の実施のために、スペクトル分布のそれぞれについて、スペクトルの装置関数、すなわちＸ線装置のＸ線スペクトルＳ（Ｅ）と検出器感度Ｄ（Ｅ）との組合せが既知でなければならない。Ｘ線ビームＳ（Ｅ）のスペクトル分布は一般に、使用されたＸ線管の種類および管電圧に依存し、場合によっては付加的に使用されたフィルタに依存する。検出器感度Ｄ（Ｅ）は使用されたＸ線検出器の特性であり、ビームの異なるスペクトルを異なる効率で変換し、従って異なる重み付けをする。これらの装置特有の量は、一度直接に求めてもよいし、あるいは間接的に較正試料の減弱値により求めることもできる。もちろん、この機能を、Ｘ線装置の技術仕様書の管型および検出器型を特徴付けるデータから導き出すこともできる。

複数のディジタルＸ線像が必ずしも次々に、例えば異なる管電圧での撮影として描出されなくてもよい。各Ｘ線管は或る幅を持ったＸ線スペクトルを放射するので、検出器ユニットが相応のスペクトル選択性の構成であるならば、異なるＸ線像を十分にまたは完全に同時描出することができる。このために例えば多数の別々に存在するＸ線検出器アレイを使用するとよい。有利な構成では、異なるスペクトル範囲に基づいて分解された減弱値を供給する量子エネルギー選択性Ｘ線検出器が使用される。この場合、Ｘ線検出器は、Ｘ線の異なるスペクトル範囲すなわち異なるエネルギー範囲を測定する。このために、１次エネルギースペクトルの均等区分、つまり例えば３０〜１４０ｋｅＶを含む１次エネルギースペクトルの場合には、３０〜４０ｋｅＶ，４０〜５０ｋｅＶ，・・・，１３０〜１４０ｋｅＶの間隔で均等区分が行なわれる。

その都度同じジオメトリ条件下で被検体の関心範囲におけるこれらの複数のディジタルＸ線像を描出することによって、Ｘ線像において同じ位置を表す各ピクセルについて、ｍ個の一般に異なる減弱値μ_i（ｉ＝１，・・・ｍ）が得られる。その後、これらのピクセルの少なくとも１つについて、それぞれこのピクセルに属するｍ個の吸収値もしくは減弱値から、スペクトルの装置関数によって表されるｍ個の異なるスペクトル分布とｎ個の元素および／または元素結合物の既知のスペクトルの吸収スペクトルｋ_j（Ｅ）とを考慮して、ｎ個の元素および／または元素結合物の濃度ｃ_j（ｉ＝１，・・・ｎ）が算出される。このために、測定された減弱値がこの濃度と既知もしくは前もって求められた装置関数とにのみ依存することが利用される。個々の元素および／または元素結合物のスペクトルの吸収スペクトルｋ（Ｅ）は容易に文献から得られる。この場合、元素結合物とは、例えば水または合成樹脂のような元素化合物、例えば骨のような身体の固体組成物、あるいは個々の元素の既知の混合物であると解すべきである。いずれの場合にも、これらの材料の吸収スペクトルが被検体内の材料濃度を求めるために使用される。

従って、本発明による方法により、Ｘ線像のピクセルによって表される特定位置での被検体における元素および／または元素結合物の濃度を求めることができる。簡単なＸ線透視法を使用する場合、被検体を通るＸ線ビームの、ピクセルによって表された経路における平均化された値が得られる。ディジタルＸ線像の描出のためのＸ線ＣＴ装置が使用される本発明による方法の有利な構成においては、このようにして、被検体の検査範囲の各ボリュームエレメント（ボクセル）について、元素および／または元素結合物の濃度を求めることができる。従って、多数のピクセルおよびＸ線像の評価によって、被検体内に含まれる、例えば水、炭素または鉄の如き化学元素または元素結合物の濃度の空間的分布が得られる。これは、被検体として人体を検査する場合、特に窒素、炭素、酸素、水素およびカルシウムという元素である。例えば水や骨のように元素でない吸収スペクトルの使用によって元素結合物の濃度も、このようにして空間分解して求めることができる。もちろん、本発明による方法は、医療技術の分野のみならず、多数の他の技術的用途、例えば材料検査あるいは安全工学にも使用される。この場合、その都度の被検体の元素および／または元素結合物の濃度が求められる。

本発明による方法は、Ｘ線吸収法により測定された元素の減弱係数μが数４で表わされるように以下においてスペクトル重み付け関数ｗ（Ｅ）とも呼ばれる使用Ｘ線装置のスペクトルの装置関数と元素の吸収スペクトルｋ（Ｅ）とに関連することを基礎に置いている。

但し、重み付け関数ｗ（Ｅ）は、放射されたＸ線スペクトルＳ（Ｅ）およびスペクトルの検出器感度Ｄ（Ｅ）とから（０＜Ｄ（Ｅ）＜１）、数５のように得られる。

ｎ個の異なる元素もしくは元素結合物が存在する場合、この関係は、ｍ個の異なるスペクトル分布により得られるｍ個の減弱値μを測定すると、数６のようにマトリックス記述様式にて表される。

但し、Ｍ_ijは数７で表わされる。

この関係により、最大限ｎ≦ｍ個の元素濃度が測定データから求められる。μ_iはｉ＝１〜ｍのｍ個の測定された減弱値であり、ｗ_iはｉ番目のスペクトル測定チャンネルの、すなわちｉ番目のスペクトル分布のスペクトル重み付け関数に相当する。ｋ_j（Ｅ）はそれぞれ化学元素もしくは元素結合物のスペクトルの吸収スペクトルであり、これは文献から既知である。表示されたマトリックス記述様式において元素の濃度つまり元素濃度を次の数８

から解くことができる。

Ｍ_ij ^-1はＭ_ijに対する逆マトリックスであり、これはＸ線装置の装置関数すなわちｗ_i（Ｅ）から算出される。本発明による方法の有利な構成では、この式に基づいて、測定された局所的な減弱値μからの濃度算出が行なわれる。Ｘ線装置のスペクトル重み付け関数ｗ_i（Ｅ）に相当する個々のＸ線像の異なるスペクトル分布は、マトリックスの精密なかつ数値的誤りに対して安定な反転を可能にするために、マトリックスＭ_ijが特異点からできるだけ遠くに離れるように（Ｍ_ij≠０）選ばれるとよい。これは、ｍ個のスペクトル分布もしくはエネルギー間隔のうちの１つのスペクトル分布もしくはエネルギー間隔に被検出元素のＫエッジを含めることによって実現される。なぜならば、スペクトルのこの特性はマトリックスＭ_ijの反転可能性に好影響を及ぼし、それにともなって濃度決定の精度にも好影響を及ぼすからである。

本発明による方法を実施するための装置は、公知のように、Ｘ線ビームを放射する少なくとも１つのＸ線源と、Ｘ線源に対向位置しＸ線源とＸ線検出器との間に配置された被検体のＸ線減弱データを検出する複数のＸ線検出器と、Ｘ線検出器の電気信号をＸ線減弱値に変換する評価ユニットとを備えている。この装置は、濃度を求めるためのモジュールを有し、このモジュールは、同じジオメトリ条件下でＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ≧ｎ個の異なるスペクトル分布で描出された、被検体の少なくとも１つの範囲における複数のディジタルＸ線像において同じ位置を表す少なくとも１つのピクセルについてのｍ個の減弱値から、ｎ個の元素および／または元素結合物の既知のスペクトルの吸収スペクトルｋ_j（Ｅ）とＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ個の異なるスペクトル分布とを考慮して、ｎ個の元素および／または元素結合物の濃度ｃ_jを算出する。
なお、上述のように、被検体の少なくとも１つの範囲における複数のディジタルＸ線像は、同じジオメトリ条件下でＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ≧ｎ個の異なるスペクトル分布で描出される。

本発明による方法は、被検体の空間分解された画像を得るＸ線ＣＴ装置と共に使用するのが特に有利である。本発明による方法をコンピュータ断層撮影法と結び付けて使用することによって、被検体における化学元素および／または元素結合物の空間的濃度に関する新規な３次元情報が得られる。既存又は将来のＸ線吸収システムの高められたスペクトル分解能は多くの用途にとって十分な精度を可能にする。

以下において、図面を参照しながら実施例に基づいて本発明方法および装置をもう一度簡潔に説明する。
図１は本発明方法の実施例によるフローチャートを示し、
図２は本発明装置の構成例を概略的に示す。

図１は、本発明方法の実施例によるフローチャートを概略的に示す。この方法では、最初のステップ１において、使用されたＸ線装置、ここではコンピュータ断層撮影装置８の装置関数が決定される。この装置関数ｗ_i（Ｅ）は、Ｘ線源から放射された入力強度Ｓ（Ｅ）のスペクトル分布およびスペクトル検出器感度Ｄ（Ｅ）からなる。個々のＸ線像に対する異なるスペクトル分布を発生させるために管スペクトルＳ（Ｅ）も検出器感度Ｄ（Ｅ）もスペクトル範囲内に区分される。

装置関数ｗ_i（Ｅ）の決定後、逆マトリックスＭ_ij ^-1がステップ３において算出される。このために、被検体の検査されるべき範囲を構成している元素および／または元素結合物の既知の吸収スペクトルが準備される（ステップ２）。被検体が人間である場合、これは、例えば水、炭素、窒素、酸素およびカルシウムという元素（元素結合物）の吸収スペクトルである。

逆マトリックスの算出後、前もって決定されたｍ個の異なる装置関数において描出されるｍ個のディジタルＸ線撮影を得るために、ステップ４において、ここでも同様に簡単に示されたＸ線コンピュータ断層撮影装置８で被検体が検査される。

ステップ５において、コンピュータ断層撮影の場合に必要な画像再構成が検出器から得られた生データに基づいて行われる。生データにおいては、各Ｘ線像について、１つの横断層像内に座標ｘ，ｙを有する減弱値分布μ_i（ｘ，ｙ）が発生させられる（但し、ｉ＝１〜ｍ）。

減弱値μ_i（ｘ，ｙ）から、結局ステップ６において、少なくとも１つのピクセル、すなわち位置ｘ₀，ｙ₀について、減弱値μ_i（ｘ₀，ｙ₀）から、濃度ｃ_jが

によって算出される。

この算出は、本例では、全てのピクセルおよび関心領域の断層像について行われるので、被検体を構成する元素または元素結合物の空間的な濃度分布が得られる。相応に算出された濃度はステップ７においてモニタ上に出力される。この出力は例えばグラフィック表示にて行うこともできる。この場合に、表示を元素ごとに行うことができ、すなわち被検体の各元素および各断層についてこの範囲における元素の濃度分布を表示する画像を出力することができる。他の構成においては次のような対話動作も実行可能にすることができる。すなわち、この対話動作では、使用者が、通常のように相応に選択された横断層像をモニタ上で見ながら、例えばマウスポインタにて横断層像内における画像点もしくは画像範囲をクリックすることによって、グラフィックのユーザインターフェースを介して、この範囲において求められた元素濃度に関する情報の表示を開始させる。

図２は本発明装置の構成例を極めて概略的に示す。この図には、回転するＸ線検出器９を備えたＸ線ＣＴ装置８が示されている。Ｘ線管１０からファン状に放射されたＸ線ビーム１２が定められた角度位置から被検体１１を透過し、最終的に列状に配置された個別検出器からなるＸ線検出器９に当たる。撮影サイクルは、被検体への異なる角度位置での多数のこのような透過を含む。Ｘ線検出器９から供給された電気信号は、評価ユニット１３によってＸ線減弱値に変換される。本例において、この評価ユニット１３は濃度を求めるためのモジュール１４を含んでいる。モジュール１４は、同じジオメトリ条件下でＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ＞ｎ個の異なるスペクトル分布で描出された、被検体の少なくとも１つの範囲における複数のディジタルＸ線像において同じ位置を表す少なくとも１つピクセルについてのｍ個の減弱値から、ｎ個の元素および／または元素結合物の既知のスペクトルの吸収スペクトルｋ_j（Ｅ）とＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ個の異なるスペクトル分布とを考慮して、ｎ個の元素および／または元素結合物の濃度ｃ_jを算出する。ｎ個の元素および／または元素結合物のスペクトルの吸収スペクトルｋ_j（Ｅ）は、この例では記憶装置１５に記憶され、モジュール１４が記憶装置１５から呼び出す。結果は接続されているモニタ１６に表示される。

本発明方法の実施例によるフローチャート 本発明装置の構成例を示す概略図

符号の説明

１ 装置関数の指定および確定
２ 元素の吸収スペクトルの準備
３ 逆マトリックスの算出
４ ディジタルＸ線像の表示
５ ｍ個の減弱値μ_i（ｘ，ｙ）の発生
６ 濃度ｃ_jの算出
７ 算出された濃度の出力
８ Ｘ線ＣＴ装置
９ Ｘ線検出器
１０ Ｘ線源
１１ 被検体
１２ Ｘ線ビーム
１３ 評価ユニット
１４ モジュール
１５ 記憶ユニット
１６ モニタ

Claims (5)

1. ｎ個の元素および／または元素結合物からなる被検体におけるｎ個の元素および／または元素結合物の濃度を位置分解して求める方法において、
   Ｘ線装置（８）により同時にまたは次々に、被検体（１１）の少なくとも１つの範囲における複数のディジタルＸ線像が、Ｘ線像において同じ位置を表す各ピクセルについてｍ個の減弱値μ_iを得るために、同じジオメトリ条件下でＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ（≧ｎ）個の異なるスペクトル分布で描出され、
   少なくとも１つのピクセルについてそれぞれｍ個の減弱値μ_iから、ｎ個の元素および／または元素結合物の既知のスペクトルの吸収スペクトルｋ_j（Ｅ）とＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ個の異なるスペクトル分布とを考慮して、ｎ個の元素および／または元素結合物の濃度ｃ_jが次式に従って算出され、
   

   

   この式において、Ｍ _ij は、
   

   

   であり、ｗ _i は，
   

   

   によって与えられているｉ番目のスペクトル分布についてのスペクトル重み付け関数を表すことを特徴とする被検体における元素濃度を位置分解して求める方法。
2. ディジタルＸ線像は、Ｘ線装置（８）から放射されたＸ線ビームのＸ線スペクトルの少なくともほぼ均等な区分を表わす検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ個のスペクトル分布で描出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ｍ個のスペクトル分布は、ｎ個の元素および／または元素結合物のうちの１つの元素および／または元素結合物の少なくとも１つのＫエッジがｍ個のスペクトル分布のうちの１つのスペクトル分布に含まれるように選ばれていることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. Ｘ線像はＸ線ＣＴ装置（８）により描出されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 被検体（１１）におけるｎ個の元素および／または元素結合物の濃度を位置分解して求める装置において、
   Ｘ線ビームを放射するＸ線源（１０）と、Ｘ線源（１０）に対向位置し到来Ｘ線ビームを位置分解して検出するＸ線検出器（９）と、Ｘ線検出器（９）の電気信号を減弱値に変換する評価ユニット（１３）とを備え、
   評価ユニット（１３）は濃度を求めるためのモジュール（１４）を有し、
   このモジュール（１４）は、同じジオメトリ条件下でＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ（≧ｎ）個の異なるスペクトル分布で描出された、被検体（１１）の少なくとも１つの範囲における複数のディジタルＸ線像において同じ位置を表す少なくとも１つのピクセルについてのｍ個の減弱値μ _i から、ｎ個の元素および／または元素結合物の既知のスペクトルの吸収スペクトルｋ_j（Ｅ）とＸ線ビームＳ（Ｅ）および／または検出器感度Ｄ（Ｅ）のｍ個の異なるスペクトル分布とを考慮して、ｎ個の元素および／または元素結合物の濃度ｃ_jを次式に従って算出し、
   

   

   この式において、Ｍ _ij は、
   

   

   であり、ｗ _i は，
   

   

   によって与えられているｉ番目のスペクトル分布についてのスペクトル重み付け関数を表すことを特徴とする被検体における元素濃度を位置分解して求める装置。

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