JP4508836B2 - コンピュータ断層撮影イメージングシステムにおけるアーチファクトを低減するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングに関し、より具体的には、広幅のボア幾何学的形状を有するこのようなＣＴシステムに特に有用なＣＴシステムにおけるアーチファクトを低減するための方法及び装置に関する。

コンピュータ断層撮影イメージングの多くの臨床用途においては、大きいガントリ開口が有用である。例えば、腫瘍学用途において、大きなボア寸法により、一般的に大きい開口を有する放射線治療機械内への患者の位置付けと同様の方法で患者を位置付けることができる。コンピュータ断層撮影スキャナがインターベンショナル施術の実施を支援するのに使用される場合には、オペレータの患者へのアクセスはボア寸法により制限される。少なくとも１つの公知のコンピュータ断層撮影においては、Ｘ線管及び検出器の両方がアイソセンタから離れて位置付けられ、オペレータのアクセスが大きくなる。しかしながら、開発費用の節約及び調節可能な幾何学的配置の柔軟性のために、元の幾何学的配置用に設計された検出器が使用され、イメージング装置の検出器のアークがＸ線の焦点に対して同心でないようになる。その結果、Ｘ線経路は再構成プロセスによって想定される元の経路ではないので、再構成された画像内に画像アーチファクトが導入される。
米国特許第６５７０９５１号

従って、検出器アレイと放射線源とを有し、前記検出器アレイのアークが前記放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステムの被検体の画像を再構成するための方法が提供される。本方法は、コンピュータ断層撮影イメージングシステムにより被検体をスキャンして投射データセットを得る段階と、補正されたファン角度に応じて投射データセットの幾何学的補正を実行する段階と、補正された投射データセットを用いて画像を再構成する段階とを含む。

本発明の様々な構成はまた、検出器アレイと放射線源とを有し、検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステムの被検体の画像を再構成するための方法を提供する。本方法は、加重関数を適用せずにコンピュータ断層撮影イメージングシステムによるステップアンドシュートスキャンを用いて被検体をスキャンして投射データセットを得る段階と、投射データセットを平行データセットの集合内にリビニングする段階とを含む。画像は平行データセットの集合を用いて再構成される。

本発明の更に別の構成は、検出器アレイと放射線源とを有し、検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステムの被検体の画像を再構成するための方法を提供する。これらの方法は、螺旋又はハーフスキャン収集を用いたコンピュータ断層撮影イメージングシステムにより被検体をスキャンして投射データセットを得る段階を含む。投射データセットは、検出器アレイのアークが放射源の焦点に対して同心である元の幾何学的配置の加重関数ｗから導き出された加重関数ｗ’に従って加重される。本方法は更に、投射データセットを平行データセットの集合内にリビニングする段階と平行データセット集合を用いて画像を再構成する段階とを含む。

本発明の更に別の態様では、検出器アレイと放射線源とを有し、検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステムを提供する。本イメージングシステムは、被検体をスキャンして投射データセットを取得し、補正されたファン角度に応じて投射データセットの幾何学的補正を実行し、補正された投射データセットを用いて画像を再構成するように構成されている。

本発明の更に別の構成では、検出器アレイと放射線源とを有し、検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステムを提供する。本イメージングシステムは、、加重関数を適用せずにステップアンドシュートスキャンを用いて被検体をスキャンして投射データセットを取得し、投射データセトを平行データセットの集合内にリビンし、平行データセット集合を用いて画像を再構成するように構成されている。

本発明の種々の構成は、検出器アレイと放射線源とを有し、検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステムを提供する。本イメージングシステムは、螺旋又はハーフスキャン収集を用いて被検体をスキャンして投射データセットを取得し、検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心である元の幾何学的配置の加重関数ｗから導き出された加重関数ｗ’に従って投射データセットを加重するように構成されている。本イメージングシステムは更に、前記投射データセットを平行データセットの集合内にリビンし、前記平行データセット集合を用いて画像を再構成するように構成されている。

本発明の構成は、大きいガントリボアが望まれる場合の再構成された画像におけるアーチファクトを低減するのに有用である。元の幾何学的配置に対して設計された検出器を用いることが可能であることにより、調節可能な幾何学的配置の柔軟性を維持しながら開発コストが低減される。再構成された画像に導入されるはずの画像アーチファクトが本発明の構成によって低減される。

一部の公知のＣＴイメージングシステム構成においては、Ｘ線源が扇形ビームを放射し、該ビームは、一般にイメージング平面と呼ばれるデカルト座標系のＸ−Ｙ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、患者などの撮像される被検体を透過する。ビームは、被検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、被検体によるＸ線ビームの減衰量によって決まる。アレイの各検出器素子は、検出器位置におけるビーム強度の測定値である個別の電気信号を発生する。全ての検出器からの強度測定値を個別に収集して透過プロファイルを形成する。

第３世代ＣＴシステムにおいては、Ｘ線源及び検出器アレイは、Ｘ線ビームが被検体と交差する角度が定常的に変化するようにイメージング平面内で被検体の周りをガントリと共に回転する。１つのガントリ角度での検出器アレイからの一群のＸ線減衰測定値、即ち投影データを「ビュー」と呼ぶ。被検体の「スキャン（走査）」は、Ｘ線源及び検出器が１回転する間に様々なガントリ角度即ちビュー角度において形成されるビューのセットを含む。

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、被検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成する。投影データ集合から画像を再構成する１つの方法に、当該技術分野でフィルタ補正逆投影法と呼ばれるものがある。この方法は、スキャンからの減弱測定値を「ＣＴ数」又は「ハウンスフィールド（Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ）単位」と呼ばれる整数に変換し、これらの整数を用いて冷陰極線管又は他の形式の表示装置上の対応するピクセルの輝度を制御する。

全スキャン時間を短縮するために、「ヘリカル」スキャン（螺旋走査）を実行することができる。「ヘリカル」スキャンを実行するためには、所定の数のスライスのデータを収集しながら患者を移動させる。このようなシステムは、１回の扇状ビームヘリカルスキャンから単一の螺旋を生成する。扇状ビームによってマッピングされた螺旋から投影データが得られ、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。

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、収集したデータにビュー角度及び検出器チャンネル番号の関数として加重する螺旋加重アルゴリズムを用いる。具体的には、フィルタ補正逆投影法の前に、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を加重する。次いで、加重したデータを処理して、ＣＴ数を生成し、被検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成する。

全収集時間を更に短縮するために、マルチスライスＣＴが導入されている。マルチスライスＣＴでは、多数の横列の投影データをあらゆる時間瞬間において同時に収集する。ヘリカルスキャンモードと組み合わせると、このシステムは、単一の螺旋のコーンビーム投影データを生成する。単一スライス螺旋の加重方式と同様に、フィルタ補正逆投影アルゴリズムの前に投影データに加重を乗算する方法を導き出すことができる。

本明細書で使用されているように、単数形で記載され単数を表す数詞が付記された要素又は段階は、排除を明記していない限り、このような要素又は段階の複数を排除するものではないことを理解されたい。更に、本発明の「１つの実施形態」に対する参照は、記載された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するものとして解釈することを意図するものではない。

また、本明細書で使用される「画像を再構成する」という語句は、画像を表すデータが生成されるが可視は生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。しかしながら、多くの実施形態は、少なくとも１つの可視画像を形成（又は形成するように構成される）する。

図１及び図２を参照すると、マルチスライススキャンイメージングシステム、例えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステム１０は、「第３世代」ＣＴイメージングシステムの典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２は放射線源１４を有し、該放射線源は、ガントリ１２の反対側にある検出器アレイ１８に向けて放射線ビーム１６を投射するＸ線管１４（本明細書ではＸ線源１４とも呼ぶ）とすることができる。（本発明の構成は、Ｘ線源又はＸ線放射線に限定するものではないが、図１及び図２に示したＣＴイメージングシステム１０の構成は、Ｘ線源及びＸ線放射線を利用する）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横列（図示せず）によって形成され、該検出器素子は、アレイ１８と線源１４の間の患者２２などの被検体を透過する放射線（即ち、本明細書で説明された構成では、投射Ｘ線）を総合的に感知する。各検出器素子２０は、入射Ｘ線ビームの強度を表し、従って被検体又は患者２２を透過するときのビームの減弱を推定するのに使用することができる電気信号を発生する。Ｘ線投影データを収集するための１回のスキャンの間に、ガントリ１２及び該ガントリに装着されている構成要素は回転中心２４の周りを回転する。図２は、検出器素子２０の単一の横列（即ち１つの検出器横列）だけを示す。しかしながら、マルチスライス検出器アレイ１８は、複数の準平行又は平行スライスに対応する投影データを１回のスキャン中に同時に収集することができるように検出器素子２０の複数の平行な検出器横列を含む。

ガントリ１２上の構成要素の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御される。制御機構２６は、Ｘ線源１４に電力とタイミング信号とを供給するＸ線コントローラ２８と、ガントリ１２上の構成要素の回転速度及び位置を制御するガントリモータコントローラ３０とを含む。制御機構２６内のデータ収集システム（ＤＡＳ）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、該データを後続の処理のためにデジタル信号に変換する。画像再構成装置３４は、サンプリングされてデジタル化された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。この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、記憶装置３８内に該画像を記憶させる。画像再構成装置３４は、特定化されたハードウエア、又はコンピュータ３６で実行されるコンピュータプログラムとすることができる。

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を介してオペレータから指令及びスキャンパラメータを受け取る。付随する冷陰極線管又は他の形式の表示装置４２によって、オペレータはコンピュータ３６からの再構成された画像及び他のデータを観察することができる。オペレータが与えた指令及びパラメータは、コンピュータ３６によって使用されて、ＤＡＳ３２、Ｘ線コントローラ２８及びガントリモータコントローラ３０に制御信号及び情報を供給する。更に、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コントローラ４４を作動させて患者２２をガントリ１２内で位置付ける。具体的には、テーブル４６は、ガントリの開口４８を通して患者２２の各部分を移動させる。

１つの実施形態では、コンピュータ３６は、例えばフレキシブル・ディスク・ドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、光磁気ディスク（ＭＯＤ）装置、或いはコンピュータ可読媒体５２（フレキシブル・ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）又は他のデジタルソース（ネットワーク又はインターネットなど）並びに開発中のデジタル手段からの命令及び／又はデータを読み取るためのネットワーク接続デバイス（イーサネットデバイスなど）（「イーサネット」は商標）を含む他の何らかのデジタルデバイスといった大容量記憶装置５０を含む。別の実施形態では、コンピュータ３６は、ファームウェア（図示せず）内に記憶されている命令を実行する。コンピュータ３６は、本明細書で説明される機能を実行するようにプログラムされており、本明細書で使用されるコンピュータという用語は、当該技術分野でコンピュータと呼ばれている集積回路に限定されず、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、特定用途向け集積回路、及び他のプログラム可能な回路を広範に意味しており、これらの用語は、本明細書では互換的に使用されている。上述の特定の実施形態は、第３世代ＣＴシステムを示すが、本明細書に記載する方法は、第４世代ＣＴシステム（静止型検出器−回転式Ｘ線源）及び第５世代ＣＴシステム（静止型検出器及び静止型Ｘ線源）にも同等に適用可能である。更に、本発明の利点は、ＣＴ以外のイメージング診断装置にももたらされることが企図される。更に、本明細書に説明された方法及び装置は医療環境において説明されているが、この本発明の利点は、工業環境、或いは、例えば限定ではないが、空港又は輸送センターにおける手荷物走査システムなどの輸送環境に一般に使用されるシステムなどの非医用イメージングシステムにももたらされることが企図されている。

本発明の種々の構成において図３を参照すると、本発明の技術的効果は、１つ又は複数の画像のアーチファクトが低減された患者又は被検体２２の１つ又は複数の画像の生成にある。この技術的効果は、ユーザがＣＴイメージングシステム１０を利用して被検体又は患者２２をスキャンし、ＣＴイメージングシステム１０を作動させてスキャンされた被検体の画像を再構成することによって達成される。

本発明の幾つかの構成において、第１のガントリ開口４８寸法を有する第１のＣＴイメージングシステム１０の幾何学的配置に対して以前に設計された検出器アレイ１８は、異なるガントリ開口４８寸法を有する第２のＣＴイメージングシステム１０で利用される。第２のＣＴイメージングシステム１０において、Ｘ線源１４及び検出器アレイ１８の両方は、第１のＣＴイメージングシステム１０のガントリに対してアイソセンタ５４から離れた追加の距離に位置付けられ、これによりオペレータのアクセスが大きくなる。このような位置調整により、イメージング装置１０の検出器アレイ１８のアーク５６がＸ線の焦点と同心にならないようになる。例えば、Ｘ線源１４の焦点は、第１の点５８から第２の点６０まで移動し、アイソセンタ５４と一直線上にある検出器アレイ１８の中心は、第３の点６２から第４の点６４まで移動する。従って、本発明の幾つかの構成は、再構成する前に元の扇状ビーム１６データを平行データセット集合にリビンして幾何学的な補正を扇状ビームデータセットに適用するようにする。図３、図４，及び図５を参照すると、リビニングプロセスは、次式で記述される関係によって定義されるラインに沿う元の扇状ビーム１６シノグラムを補間する段階を含む。

β＝β_０−γ （１）
式中、β_０はアイソレイ６６の角度であり、γは検出器ファン角度、及びβは投射角度である。Ｘ線管１４及び検出器アレイ１８を図６に示すように後退させると、各検出器素子２０に対応するファン角度は、検出器アレイ１８の公称設計に対して変更される。一般に、新しいＸ線管１４位置６０を基準とする新しい角度γ’は、検出器アレイ１８の真の焦点６８に対する基準である元の角度γよりも小さい。２つの角度γ及びγ’は、次式で記述される関係によって関係付けられる。

式中Ｒは元の幾何学的配置（同様に検出器アレイ１８のアーク半径）における線源１４から検出器素子２０までの距離であり、Δｓ及びΔｄは、それぞれＸ線源１４及び検出器素子２０が後退した距離である。従って、図７を参照すると、幾つかの構成においてファンビームから平行ビームへのリビニングが、次式に記述される式によって表されるラインに沿って発生する。

β＝β_０−γ’ （３）
本発明の幾つかの構成は、平行サンプルが均等に間隔を置いて配置されるように該平行サンプルをリサンプリングする。即ち、アイソセンタ５４からの各線束の距離が求められて、各サンプルが均等な空間に補間される。アイソセンタ５４までの各線束の距離ｔは、次式に記述される関係に従って求められる。

ｔ＝（γ＋Δｓ）ｓｉｎγ’ （４）
式中γは、元の幾何学的配置におけるＸ線源１４からアイソセンタ５４までの距離である。リビニング中、検出器アレイ１８の番号ｓは、次式に記述された関係に従ってアイソセンタ５４からの距離ｔにより求められる。

式中、Δγは元の幾何学的配置における隣接する検出器素子２０間のファン角度である。調節することにより、図８と図９との間の対比によって示されるように、画像アーチファクト及び歪みが除去又は有意に低減される。

扇状ビーム再構成方式を使用した幾つかの構成では、上記関係は、扇状ビームデータを均等に間隔を置いて配置された扇状ビームデータセットに最初に補間することによって補正されたファン角度γ’に従って、扇状ビームデータセットに対して幾何学的補正を施すのに使用される。逆投影法が新しい幾何学的配置に従って実行される。

上述の本発明の構成は、加重関数を適用しないステップアンドシュートスキャンに用いることができると共に、加重関数を適用するステップアンドシュートモードを利用する構成とすることができる。ヘリカル収集又はハーフスキャンにおいて加重関数を必要としない構成においては、アーチファクトを回避するために元の加重関数は調節される。例証として、図１０は、螺旋の重みに対して適切な調節を行わずに再構成されたヘリカル収集データを示す。画像アーチファクトがかなり明白である。

元の幾何学的配置を有するイメージング装置１０で用いた加重関数を、ｗ（γ、β、ｎ）で表す（ここで、ｎは検出器アレイ１８の横列番号を示す。）と、新しい加重関数ｗ’は、γをγ’に置き換えることによって元の関数から導き出される（ここでγ’は式（２）で定義される）。

ｗ’＝ｗ（γ’、β、ｎ） （６）
図１１は、適切な加重関数を用いて再構成された同じスキャンを示しており、シェーデングアーチファクトが除去又は実質的に低減されていることを証明している。

上述の本発明の構成は、扇状ビームデータセットを使用するＣＴイメージングシステム１０のシングルスライス構成となっている。しかしながら、本発明の多くの構成は、マルチスライス検出器アレイ１８を使用した場合のマルチスライスコーンビームデータセットにも有用である。本明細書で説明した式及び関係は、シングルスライス構成及びマルチプルスライス構成、並びに扇状ビームデータセット及びコーンビームデータセットの両方に同等に適用される。従って、本発明のより一般的な構成は、扇状ビームデータセット又はコーンビームデータセットのいずれかを制限するものではなく、投射データセットに対する動作として説明することができる。

従って、本発明の構成は、大きなガントリボアが所望される場合に再構成された画像においてアーチファクトを低減するのに有用であることが理解されるであろう。元の幾何学的配置に対して設計された検出器を使用することが可能であることにより、調節可能な幾何学的配置の柔軟性を維持しながら開発コストが削減される。再構成された画像に導入されるはずの画像アーチファクトが、本発明の構成によって低減される。より一般的には、本発明の構成は、イメージングシステム１０の検出器アレイ１８のアーク５６がＸ線源１４の焦点に対して同心でない多くの場合に有用であることが理解されるであろう。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が請求項の技術思想及び範囲内で変更を実施できることは当業者には明らかであろう。

ＣＴイメージングシステムの図。 図１に示したシステムの概略ブロック図。 検出器とＸ線管の両方がアイソセンタから離れて位置付けられる大きなボア幾何学的配置の図。 追加の変動を示す図３の幾何学的配置の別の図。 元の扇状ビームシノグラムの補間が幾つかの構成のレビニングプロセスにおいて発生するラインを示す図。 焦点が外れたＸ線焦点を示す大きいボア幾何学的配置、即ち各検出器素子に対応するファン角度が検出器アレイの公称設計に対して変更されている図。 各検出器素子に対応するファン角度が変更される幾つかの構成において平行ビームレビニングに対するファンが発生するラインを示す図。 本発明の構成によって行われる補正を利用せずにステップアンドシュートモードによるＣＴイメージングシステムを用いたファントムの従来技術のスキャン。 補正が本発明の構成を用いて行われる図８に類似したファントムのスキャン。 本発明の螺旋加重調整構成を利用しない螺旋体ファントムの従来技術の再構成画像。 本発明の螺旋加重調整構成が適用されている図１０に類似した螺旋体ファントムの再構成画像。

符号の説明

１４ ：新しいＸ線管の位置
１４ ：元のＸ線管の位置
１８ ：新しい検出器アレイの位置
１８ ：元の検出器アレイの位置
５４ ：アイソセンタ

Claims (4)

1. 検出器アレイ（１８）と放射線源（１４）とを有し、前記検出器アレイのアーク（５６）が前記放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステム（１０）の被検体（２２）の画像を再構成するための方法であって、
   前記コンピュータ断層撮影イメージングシステムにより前記被検体をスキャンして投射データセットを得る段階と、
   次式、
   β＝β０−γ’
   式中、γ’は、
   であり、β０は前記放射線源からの放射線ビーム（１６）のアイソレイ（６６）の角度であり、γは検出器ファン角度、βは放射線角度であり、Ｒは検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心である元の幾何学的配置における放射線源から検出器素子（２０）までの距離であり、Δｓ及びΔｄは放射線源と検出器素子とがそれぞれ元の幾何学的配置のそれぞれの位置から移動する距離、で記述される関係によって定義されたラインに沿ってシノグラムを補間することを含む、前記投射データセットを平行データセットの集合にリビンする段階と、
   前記平行データセットが均等に間隔をおいて配置されるように前記平行データセットをリサンプリングする段階と、
   リサンプリングされた前記平行データセット集合を用いて画像を再構成する段階と、
   を含む方法。
2. 加重関数を適用せずに前記コンピュータ断層撮影イメージングシステムによるステップアンドシュートスキャンを用いて前記被検体をスキャンして投射データセットを得る、請求項１記載の方法。
3. 検出器アレイ（１８）と放射線源（１４）とを有し、前記検出器アレイのアーク（５６）が前記放射線源の焦点に対して同心でないコンピュータ断層撮影イメージングシステム（１０）であって、
   被検体（２２）をスキャンして投射データセットを取得し、
   次式、
   β＝β０−γ’
   式中、γ’は、
   であり、β０は前記放射線源からの放射線ビーム（１６）のアイソレイ（６６）の角度であり、γは検出器ファン角度、βは放射線角度であり、Ｒは検出器アレイのアークが放射線源の焦点に対して同心である元の幾何学的配置における放射線源から検出器素子（２０）までの距離であり、Δｓ及びΔｄは放射線源と検出器素子とがそれぞれ元の幾何学的配置のそれぞれの位置から移動する距離、で記述される関係によって定義されたラインに沿ってシノグラムを補間することを含む、前記投射データセットを平行データセットの集合にリビンし、
   前記平行データセットが均等に間隔をおいて配置されるように前記平行データセットをリサンプリングし、
   リサンプリングされた前記平行データセット集合を用いて画像を再構成する、ように構成されているシステム。
4. 加重関数を適用せずにステップアンドシュートスキャンを用いて前記被検体（２２）をスキャンして投射データセット取得する、請求項３記載のシステム（１０）。