JP4482164B2 - 異なる視点からの一連の画像によるx線撮像方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一連の2次元X線画像が形成され、ディジタル式に記憶され、検査ゾーンに配置される検査対象が異なる視点からX線撮像装置上に投影され、体素(ボクセル)画像値は検査ゾーン内に存在する体素のX線画像の画像値から再構築される、X線撮像方法に関する。本発明はまた、X線撮像方法を実行するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
上述の種類の方法及び装置は、欧州特許出願第492 896号によって既知である。上記出願の中で、X線画像は180°(又はそれ以上)異なる視点から形成される。それでもなお獲得された画像は完全ではない。これは、X線ビームが検査対象の縁を含まず、従って幾つかのX線画像は他のX線画像に存在しない検査対象の構造を含むためである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
体素(以下体素は検査ゾーンの体積部分(ボリューム)の要素を意味すると理解される)画像値を再構築するために、再構築の際にX線画像のデータに加え、検査対象の外形に関する先験的な情報が採用される反復的な方法が使用される。この方法は一方で膨大な計算作業を必要とし、他方では脈管系は全てのX線画像中で造影剤によって満たされていることが前提条件であるため、脈管系の撮像に適していない。この条件は実際には殆ど満足されない。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、「希構造」、即ち造影剤によって満たされた脈管系のように、X線画像の表面積の少しの部分のみを占め、実質的にこの構造を取り囲む領域のX線吸収率よりも高いX線吸収率を有する構造の再構築に適した方法を提供することを目的とする。この方法は、検査ゾーンの小さな部分に対して、元のX線画像よりも明瞭且つ高コントラストの希構造を再生する画像を生成するための方法である。
【0005】
上述の種類の方法に基づき、この目的は、
(a)検査ゾーンの小さい体積部分(サブボリューム)を選択する段階と、
(b)体素が個々のX線画像中でマップされるべき画素の画像値から小さい体積部分の体素に特定的な体素画像値を得る段階と、
(c)画像値を少なくとも1つの合成投影画像に投影する段階とを実行することによって達成される。
【0006】
本発明は、例えば造影剤によって満たされた脈管系といった分散された構造が、脈管系の部分を再生する合成投影画像中で再生されることを可能にする。脈管系の部分は、異なる視点から形成され、上記投影画像を形成するために使用されるX線画像よりも選択可能な小さい体積部分中により明瞭に存在する。この方法によれば、まず小さい体積部分の体素に関連する体素画像値が決定され、これらの体素画像値から選択された小さい体積部分が撮像されるべき合成投影画像が計算される。
【0007】
本発明は以下の要件に基づく。検査ゾーンの小さい体積部分の選択はまず、希構造、又は脈管系がより高い品質で再生されるべき領域を画成する。この領域が小さいほど、計算時間も短くなり、元のX線画像に関する差もより明確となる。続いて、選択された小さい体積部分の体素に関連する体素画像値が再構築される。これらの各体素は、各X線画像中の1つ以上の画素(ここで画素は画像又はX線画像の画像要素を意味すると理解される)の画像値に影響を与える。
【0008】
上記の画素の画像値はまた検査ゾーンの小さい体積部分の外側に配置される体素によって影響を受けるが、そのような外部体素は1つのX線画像中では小さい体積部分内の所与の体素と同じ画素の画像値のみに影響を与える。他のX線画像では外部体素は、小さい体積部分内に存在する体素外の画素の画像値に影響を与える。小さい体積部分内の体素の体素画像値は多数のX線画像中の関連する画素の画像値から得られるが、小さい体積部分の外側に配置される体素は、小さい体積部分内の体素に割り当てられた体素画像値上にのみ小さな影響を与える。ここまでの状況は、スライスの外部に配置された体素がスライス画像中で「ぼやけて」又は不鮮明に再生される従来のX線スライス画像の場合と同様である。
【0009】
続いて、選択された小さい体積部分の体素のみが投影されるべき合成投影画像が計算される。このようにX線画像のうちの1つと同じ又は他の幾何学的パラメータを有しうる投影画像が形成され、従って、本質的に選択された小さい体積部分からの構造のみを再生する。従って、X線画像はまた小さい体積部分内の関心となる脈管構造の解釈を干渉する小さい体積部分の外側の脈管系の鮮明な画像を含むため、小さい体積部分内の脈管系は元のX線画像よりも鮮明に再生される。
【0010】
本発明による方法のためには、投影画像が形成される前に、小さい体積部分に対して決定された体素画像値を記憶する必要がある。小さい体積部分が比較的大きい場合、多数の体素を含むため、体素画像値のために高い記憶容量が必要とされる。
選択された小さい体積部分からの全ての体素画像値の記憶は、
(a)小さい体積部分から体素を選択する段階と、
(b)X線画像中で上記体素に関連する画素を決定する段階と、
(c)上記画素に関連する画像値から上記体素に特定的な体素画像値を得る段階と、
(d)体素を少なくとも1つの合成投影画像に投影する段階と、
(e)小さい体積部分の他の体素に対して段階(a)乃至(d)を繰り返す段階とが実行される本発明の更なる望ましい変形によって省かれうる。
【0011】
体素が1つ以上の合成投影画像に投影される段階(d)の後、この体素の体素画像値は投影画像のためにもはや必要とされないため、体素画像値は記憶される必要がない。処理された当該の体素の体素画像値を記憶することのみが必要である。
本発明の望ましい変形では、小さい体積部分の体素に特定的な体素画像値は、個々のX線画像中の体素に関連する画素の画像値の平均を取ることによって得られる。これは体素に関連する画素の画像値から体素画像値を簡単に計算することを可能にする。全てのX線画像中の画素の画像値はこの体素によって大きく影響を受けるため、造影剤によって満たされた血管が存在する体素の体素画像値は実質的に完全に再生される。しかしながら、個々のX線画像中で関連するピクセル上に高吸収率の体素も投影される場合、画像背景を表わす体素(低吸収率)は誤って再構築されうる。しかし、(例えば80個である)適当な数の画像が使用可能であれば、外形のないぼやけが生ずるため、これは悪影響ではない。
【0012】
本発明の更なる変形では、体素に特定的な体素画像値は、個々のX線画像中の体素に関連する画素の画像値を大きさによって順序づけることによって、画素の画像値から得られ、上記順序の中で選択可能な順位を有する画像値が選択される。画像値の順序の中の順位が、中央値と最も高い吸収率に対応する画像値との間にあるよう選択されれば、希構造は明らかに投影画像中に再生される。
【0013】
本発明の更なる変形では、合成投影画像の共通画素上に異なる体素を投影する場合、X線露光中の最も低いX線吸収率に対応する上記体素の体素画像値が画素に割り当てられる。結果として、合成投影画像中の画素の画像値は、最も低い吸収率を有する体素によって決定される。これは通常は希構造を再生する体素であり、それにより希構造は明らかに投影画像中に再生される。
【0014】
本発明の更なる変形では、合成投影画像は、限界を超える全ての画像値が最大値又は最小値に設定されている間、少なくとも部分的に非線形フィルタリング動作を受け、一方残る画像値は最小値と最大値との間の範囲に亘って広がる。限界値が適当に選択される場合、画像背景(即ち希構造が再生されない画像領域)は、例えば希構造(血管)は画像中で黒で表わされる一方で背景は白で再生されるといった方法で、消される。
【0015】
本発明の更なる変形では、患者の脈管系を再生するために、造影剤によって満たされた患者の脈管系を再生する一連のX線画像を形成するよう、X線画像の形成の前に造影剤が注入される。造影剤の注入は血管が希構造として撮像されることを可能にする。更なる変形では、X線画像は、造影剤を含む場合と、含まない場合とについて同じ視点から夫々検査ゾーンを再生するX線画像の対を夫々減算することによって形成される。X線画像は、画像背景が略減算によって除去される減算血管造影法に対応する。
【0016】
本発明の更なる変形では、撮像装置はX線画像の形成中、円弧に沿って、又は異なる角度の幾つかの円弧に沿って移動される。検査ゾーンを取り囲む円弧に沿った撮像装置の移動は非常に簡単に実施されうる。
本発明による方法を実行する装置は、検査対象が異なる視点からX線撮像装置上に投影される一連の2次元X線画像を形成するために検査対象に関して調節可能なX線源及びX線撮像装置を含む第1の撮像装置と、X線画像を記憶する手段と、画像処理動作が実行されるようプログラムされるプログラム可能画像処理手段とからなる装置であって、
上記画像処理動作は、
(a)検査ゾーンの小さい体積部分を選択する段階と、
(b)体素が個々のX線画像中でマップされるべき画素の画像値から小さい体積部分の体素に特定的な体素画像値を得る段階と、
(c)画像値を少なくとも1つの合成投影画像に投影する段階とを含む装置である。
【0017】
本発明の更なる実施例では、X線源及びX線撮像装置が取り付けられており、(例えばモータによって)円形の路に沿って複数の露光位置に変位可能なC字アームが設けられている。この種類の装置は安価に製造されうる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1において、参照番号1は例えば台4の上に配置される患者といった検査対象3の2次元X線画像を形成するよう作動する撮像装置を示す。撮像装置1は、相互に位置合わせされ、円弧10(いわゆるC字アーム)に取り付けられているX線源12及びX線撮像装置13を含む。C字アーム自体は、ジャーナルによって部分的にのみ示されるスタンド11に取り付けられている。C字アーム自体は、一方では垂直軸について回動可能であり、他方で例えば180°に亘って、モータドライブ(図示せず)によって矢印20の方向に中心点について回転可能である。この動きの間に、撮像システム12,13の異なる再生可能な視点又は角度位置(そのうちの幾つかを破線によって図示)から検査ゾーン3,4を再生する複数のX線画像が形成されうる。
【0019】
X線撮像装置13はX線画像増倍器でありうる。このX線画像増倍器にはテレビジョン回路が接続され、その出力信号はメモリ15に記憶されるようアナログ・ディジタル変換器14によってディジタル化され、それにより検査の終了時には一連のX線画像が完全に記憶されることになる。これらのX線画像は、画像処理ユニット16によって処理されうる。形成された画像(..D-1.Di .Di+1 .Di+2 ... )は、個々の画像、又は一連の画像としてモニタ18上に表示されうる。X線装置の個々の構成要素は制御ユニット17によって制御される。
【0020】
図2は、画像処理ユニット16又は制御ユニット17によって実行される一連の段階を示す図である。初期化(100)の後、造影剤注入の後にC字アーム10は中心点に対して段階的に回転され、同時に検査対象及びその中に存在する造影剤で満たされた血管を再生するm個(例えばm=100)のX線画像からなるX線画像系列が得られる。全てのX線画像中で脈管系の全ての部分が満たされているわけではないことに注意すべきである。造影剤は、まだ当該のセグメントに達していないか、又は既にこれらのセグメントを離れていることがある。一連の露光の間に撮像システムが180°以上の角度範囲を移動したときでさえ、完全な再構築をする(例えばフィルタリングされた逆投影)ために十分なデータセットは獲得されない。更に、少なくとも幾つかのX線画像では、撮像システムは検査対象を完全に再生しない。
【0021】
例えば頭蓋冠といった大きな構造の画像のみがX線画像中の脈管系に均一に重ね合わされる場合、1つのX線画像系列を形成することで充分である。しかしながら、例えば頸脊髄といった小さな構造が血管の画像上に不規則に重ね合わされる場合、減算血管造影法を実行することが望ましい。造影剤の注入の前、又は後に、同じ視点から同じ対象を再生するが、脈管系を含まない更なるX線画像系列が形成される。脈管系が含まれていないのは、造影剤がまだ注入されていないか、又は造影剤が既にもう画像中では目に見えなくなるほど分散されているためである。続いて、対応する2つのX線画像系列は相互に差し引かれ、画像背景は両方の画像系列中で同じであるため脈管系のみが残る。このようにして形成された減算画像は以下X線画像とも称される。
【0022】
更に、1つのX線画像系列の代わりに、C字アームが毎回±α(例えばα=30°)傾斜されるときの2つのX線画像系列を形成することが有利である。従って、2つのX線画像系列のうちの1つの中のC字アームの平面上に配置されており、従って再生されえない構造を再生することも可能である。
最初の処理段階101では、更に、撮像装置の不完全性(例えばディスプレイスクリーンの湾曲及び他の画像欠陥)による誤差、又はC字アームが慣性の力によって再生可能に歪められたことによる全ての誤差が修正される。
【0023】
次の処理段階102では、例えば動脈瘤といった診断に関する構造を含む小さい体積部分が選択される。この選択はユーザが、望ましくは90°だけずらされた2つのX線画像系列中に、例えばカーソルによって診断に関連する領域をマークすることによって相互作用的に実行されうる。このようにして規定された小さい体積部分Tは、座標xj ,yj ,zj (1≦j≦n)によって空間の中で表わされるn個の体素からなる。
【0024】
続く段階の間、小さい体積部分Tの最初の体素Vj が選択される。段階104において、第1のX線画像中のこの体素に関連する画素Bi 、即ちX線露光中に当該の体素が投影されるべき画素が決定される。一方では体素の位置は小さい体積部分の選択によって決定され、他方でX線画像形成中の撮像システム12,13の位置は正確に既知であるため、そのような決定が可能である。
【0025】
段階105において、例えば算術的平均値の計算によって決定された画素に関連する画像値bi の体素画像値vj への寄与が決定される。体素の投影がX線画像中の幾つかの画素を覆うこともある。その場合、これらの幾つかの画素の画像値の平均が取られるべきである。しかしながら、画素が体素の投影によって部分的にのみ覆われることもある。この発生は、当該の体素の画像値の対応する領域に関する重み付けによって考慮されうる。
【0026】
ステップ104及び105からなるループはm回実行され、体素に関連する画素は、m個のX線画像の異なる画像が得られるたびに決定される。ループ104,105がm回実行された後、様々なX線画像中の体素に関連する画素の画像値の算術的平均値に対応する合計値が獲得される。
これらの段階は図3に図示される。この図は、xを整数値とすると、3つのX線画像Di-x ,Di 及びDi+x に対するX線源(Xi-x ,Xi 及びXi+x )の位置を示し、X線撮像平面Di-x ,Di 及びDi+x によって撮像装置の関連する位置を示す。選択された体素Vj の位置、及び体素Vj から離れて配置され、選択された小さい体積部分の外側に配置される更なる体素V0 の位置もまた図示されている。個々のX線画像中に体素が投影されるべき画素(Bi-x ,Bi 及びBi+x )もまた図示されている。
【0027】
体素Vj 及びV0 はX線画像Di の中で重ね合わされることがわかる。しかしながら、体素Vj 及びV0 は他のX線画像中では重ね合わされない。従って、実質的に全ての画像値(画像Di について得られたもの以外)はV0 と独立である。体素Vj に対する体素画像値vj は全てのX線画像の画像値から得られるため、ニューサンス体素V0 の効果は全体としては小さいままである。
【0028】
ループ104,105がm回実行された後に獲得される値は、段階106においてその体素画像値vj として体素Vj に割り当てられた算術平均値に対応する。
算術平均値を計算する代わりに、個々のX線画像中で体素に関連する画像値を大きさによって順序づけ、例えば中央値又は別の値といった所与の値をこの順序から選択することが可能である。しかしながら、前条件として、様々なX線画像中の体素Vj に関連する全ての画像値が記憶されねばならない。
【0029】
体素Vj に関連する体素画像値vj の上述のような再構築の後、体素Vj (及び続いて小さい体積部分Tの全ての他の体素)が投影されるべき合成投影画像(又は幾つかの投影画像)が計算される。この合成投影画像の投影パラメータ(即ち投影が基準として用いるX線源及び撮像装置の位置)は、X線画像のうちの1つのパラメータと同一であり得る。しかしながらそこからずれたパラメータもまた使用されうる。このため、段階107においてその体素画像値が前もって決定された体素Vj の合成投影画像への寄与が決定される。このため、段階107において、合成投影画像中で体素Vj が投影される最初の画素が決定される(図4参照)。この画素に対して、体素Vj の体素画像値によって形成される寄与は同じ段階で決定される。最初に投影画像の全ての画像値pは最大X線強度(「白」)に対応する値に設定されうる。合成投影画像の前もって決定された画素Pj に対して、体素画像値vj と、前の実行の間に当該の画素に対して決定された画像値pj-1 (p0 は最大X線強度に対応する)とを比較することによって投影画像値が得られる。体素画像値vj がより低いX線強度に対応すれば、値pj-1 はそれによって置換され、そうでなければ値pj-1 は保持される。
【0030】
破線によって示されるように、他の合成投影画像、又は更なる幾つかの合成投影画像が計算されれば、段階107は繰り返される。
続いて、ループ103乃至107は小さい体積部分Tの他の体素に対して再び、即ち小さい体積部分の中に体素が存在する回数だけ実行される。
小さい体積部分からの体素のうちの幾つかは、既に体素Vj が投影された同じ画素Pj 上に投影されることが分かる。画素Pj 上に投影される全ての体素に関連する体素画像値vj 、又は最小放射線量に対応する体素画像値は、段階107をn回実行することによって投影画像Pの中の画素に割り当てられる。この場合、上記の体素のいずれか1つでも造影剤によって満たされた血管に対応するならば、この血管の体素画像値は最終的に関連する投影画像値pを決定すると仮定されうる。従って、段階102において選択された小さい体積部分T内の脈管系を再生する合成投影画像P(又は幾つかの合成投影画像)は、段階103乃至107がn回実行された後に計算されている。この合成投影画像Pはモニタ18上に表示されうる。これにより方法の実行は完了する(ブロック109)。
【0031】
上述より、体素画像値vj は段階107の後にはもはや必要とされないことが明らかである。従って、体素画像値の記憶は本来必要ではない。しかしながら、投影画像に対する投影パラメータが、診断に関する領域が充分に明瞭に再生されないように選択されている場合は、体素画像値は再び決定されねばならず、従って再構築方法は長くなる。これは、方法が完了するまで選択された小さい体積部分の全ての体素画像値を記憶することによって防ぐことができる。しかしながら、これは体素画像値を記憶するために十分大きな容量を有するメモリを必要とする。段階102において選択された小さい体積部分Tが比較的大きければ、かなりの記憶容量が必要となる。
【0032】
方法が大きな(部分的な)体積部分に対して適用される場合、膨大な計算が必要となる。この計算量は、体積部分を少なくとも2つの小さい体積部分に細分化し、方法を各小さい体積部分に対して実行し、次に小さい体積部分を共通の合成投影画像に投影することによって減少されうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による方法を実行するための装置を示す図である。
【図2】本発明による方法の個々の処理段階の実行を示すフローチャートである。
【図3】体素画像値の決定を示す図である。
【図4】合成投影画像への体素の投影を示す図である。
【符号の説明】
1 撮像装置
3 対象
4 台
10 C字アーム
11 スタンド
12 X線源
13 X線撮像装置
14 アナログ・ディジタル変換器
15 メモリ
16 画像処理ユニット
17 制御ユニット
18 モニタ
Claims (12)
- 一連の2次元X線画像が形成され、ディジタル式に記憶され、検査ゾーン内に配置される検査対象を異なる見方から透視したX線がX線撮像装置上に投影され、体素画像値は検査ゾーン内に存在する体素に対するX線画像の画像値から再構築される、X線撮像方法であって、
(a)検査ゾーンにおける選択且つ位置付け用に、検査対象における小さい体積部分が存在している段階と、
(b)体素が個々のX線画像中でマップされるべき画素の画像値から小さい体積部分の体素に特定的な体素画像値を得る段階と、
(c)画像値を少なくとも1つの合成投影画像に投影する段階と、
を有することを特徴とする方法。 - (d)小さい体積部分から体素を選択する段階と、(e)X線画像中で該体素に関連する画素を決定する段階と、(f)該画素に関連する画像値から該体素に特定的な体素画像値を得る段階と、(g)体素を少なくとも1つの合成投影画像に投影する段階と、(h)小さい体積部分の他の体素に対して段階(d)乃至(g)を繰り返す段階とからなることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- 小さい体積部分の体素に特定的な体素画像値は、個々のX線画像中の体素に関連する画素の画像値の平均を取ることによって得られることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- 体素に特定的な体素画像値は、個々のX線画像中の体素に関連する画素の画像値を大きさによって順序づけることによって、画素の画像値から得られ、該順序の中で選択可能な順位を有する画像値が選択されることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- 合成投影画像の共通画素上に異なる体素を投影する場合、X線露光中の最も低いX線吸収率に対応する該体素の体素画像値が画素に割り当てられることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- 合成投影画像は、限界を超える全ての画像値が最大値又は最小値に設定されている間、少なくとも部分的に非線形フィルタリング動作を受け、一方残る画像値は最小値と最大値との間の範囲に亘って広がることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- 患者の脈管系の再生用に、造影剤によって満たされた患者の脈管系の再生用の一連のX線画像を形成するよう、X線画像の形成の前に造影剤が注入されることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- X線画像は、造影剤を含む場合と、含まない場合とについて同じ視点から夫々検査ゾーンを再生するX線画像の対を夫々減算することによって形成されることを特徴とする請求項7記載のX線撮像方法。
- 撮像装置はX線画像の形成中、円弧に沿って、又は異なる角度の幾つかの円弧に沿って移動されることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- 比較的大きな部分的な体積部分を撮像する場合、該体積部分は少なくとも2つの小さい体積部分に細分化され、方法は各小さい体積部分に対して実行され、小さい体積部分は共通の合成投影画像に投影されることを特徴とする請求項1記載のX線撮像方法。
- 検査対象を異なる見方から透視したX線がX線撮像装置上に投影される一連の2次元X線画像を形成するために検査対象に関して調節可能なX線源及びX線撮像装置を有する第1の撮像装置と、X線画像を記憶する手段と、画像処理動作が実行されるようプログラムされるプログラム可能画像処理手段とからなる請求項1記載の方法を実行する装置であって、該画像処理動作は、(a)検査ゾーンにおける選択且つ位置付け用に、検査対象における小さい体積部分が存在している段階と、(b)体素が個々のX線画像中でマップされるべき画素の画像値から小さい体積部分の体素に特定的な体素画像値を得る段階と、(c)画像値を少なくとも1つの合成投影画像に投影する段階とを有する装置。
- X線源及びX線撮像装置が取り付けられており、円形の路に沿って複数の露光位置に変位可能なC字アームが設けられていることを特徴とする、請求項11記載の装置。
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