JP4509255B2

JP4509255B2 - 透視画像作成方法及び装置

Info

Publication number: JP4509255B2
Application number: JP22701799A
Authority: JP
Inventors: ジアング・シー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: US6061423A; IL131376A; JP2000070257A; IL131376A0; EP0989521A2; EP0989521B1; EP0989521A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像作成技術に関するものであって、更に詳しく言えば、透視画像を作成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置と呼ばれる少なくとも１種の公知撮影装置においては、Ｘ線源から投射された扇形ビームが（一般に「撮影面」と呼ばれる）直交座標系のＸ−Ｙ平面内に位置するようにコリメートされる。このＸ線ビームは撮影すべき被検体（たとえば患者）を通過する。被検体によって減弱させられた後、Ｘ線ビームは放射線検出器アレイに入射する。検出器アレイに入射するＸ線ビームの強度は、被検体によるＸ線ビームの減弱度に依存する。アレイ中の各々の検出器素子は独立の電気信号を生じるが、この電気信号はその検出器位置におけるＸ線ビーム減弱度の測定値である。全ての検出器素子からの減弱度測定値を個別に収集することによって透過プロフィールが得られる。
【０００３】
公知の第三世代ＣＴ装置においては、Ｘ線源及び検出器アレイは撮影面内かつ撮影すべき被検体の周囲でガントリと共に回転する。その結果、Ｘ線ビームが被写体を横切る角度は絶えず変化する。あるガントリ角度において検出器アレイから得られる１群のＸ線ビーム減弱度測定値（すなわち、投影データ）は、「ビュー(view)」と呼ばれる。被検体の「スキャン(scan)」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（又は視角）において得られたビューの集合から成っている。アキシャル(axial) 走査に際しては、投影データを処理することにより、被写体の二次元断面（スライス）に対応する画像が再構成される。投影データの集合から画像を再構成する方法の１つは、当業界においてフィルタ補正逆投影法と呼ばれるものである。この方法によれば、走査から得られた減弱度測定値が「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される。これらの整数を使用することにより、陰極線管ディスプレイ上の対応する画素の輝度が制御される。
【０００４】
全走査時間を短縮するためには、「ヘリカル」走査を行えばよい。「ヘリカル」走査を行うためには、患者を移動させながら所定数の断面に関するデータを収集すればよい。かかる方式によれば、１つの扇形ビームによるヘリカル走査から１つの螺旋が作成される。扇形ビームによって規定された螺旋は投影データを生み出すが、それを用いて各々の所定断面中における画像を再構成することができる。
【０００５】
ＣＴ透視装置においては、ヘリカル走査又はシネ走査によって収集されたデータを使用することにより、たとえば患者の内部の所望位置に針を案内するために役立つ連続した画像フレームを作成することができる。１つのフレームは、撮影された被検体の二次元断面に相当する。詳しく述べれば、投影データをフレーム・レートで処理することにより、被検体の画像フレームが作成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
公知のＣＴ透視装置における一般的な目的は、画像の品質低下を最少限に抑えながらフレーム・レートを高めることにある。フレーム・レートを高めることは多くの利点をもたらすのであって、たとえば、手術を行う医師は生検用針の位置に関してより多くの情報を得ることができる。とは言え、フレーム・レートを高めることは画像の品質低下を最少限に抑えることと両立しないのが通例である。
【０００７】
ＣＴ透視装置の時間遅れ（又は待ち時間）は、再構成アルゴリズムの性質に大きく依存する。たとえば、ある公知のＣＴ透視装置の時間遅れはハーフスキャン画像再構成（ＨＳ）アルゴリズムの場合には小さいが、オーバースキャン画像再構成（ＯＳ）アルゴリズムの場合には大きい。ＯＳアルゴリズムの場合には時間遅れが大きいとは言え、計算の複雑さを考慮してＯＳアルゴリズムが選ばれることもある。詳しく述べれば、ＯＳアルゴリズムにおいて使用される重みはチャンネルに依存しないから、フィルタリング及び重み付けの順序を逆転することができる。その結果、データ集合を複数の部分集合に分割することができ、また各々の部分集合に関して２つの部分画像を作成することができる。その後、様々な部分画像を適当に組合わせることによって最終画像を得ることができる。
【０００８】
ところで、このようなアプローチはＨＳアルゴリズムに拡張することができない。詳しく述べれば、ハーフスキャンの場合の重みはチャンネルに大きく依存する。それ故、フィルタリング及び重み付けの順序を逆転することができない。また、ＨＳの重み関数は視角にも大きく依存する。そのため、前にフィルタリングし逆投影して得られたデータを次の画像の作成のために利用することができない。もし上記のＯＳアルゴリズムと同様な効率でハーフスキャン・アルゴリズムを実行することができれば、ＣＴ透視装置の時間的応答は顕著に向上させることができよう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記及びその他の目的は、本発明の一態様に従えば、ＯＳアルゴリズムに比べて時間的応答が向上するという利点に加えて満足すべき画像品質を与えるような修正ハーフスキャン画像再構成アルゴリズムを含むＣＴ透視装置によって達成することができる。好ましい態様においては、かかるアルゴリズムはガントリ１回転当りの投影データ集合を所定数の部分集合に分割する工程を含んでいる。たとえば、部分集合の数は８であって、各々の部分集合は４５度の角度範囲に広がる投影データを含む。投影データ集合を８つの部分集合に分割することにより、たとえば、毎秒８フレームという画像更新速度を達成することができる。各々の部分集合について２つの部分画像が作成される。すなわち、一方は第１の重みによって重み付けされたもの（Ｔ_iで表示する）であり、また他方は第２の重み（すなわち１）によって重み付けされたもの（Ｕ_i で表示する）である。最終画像（Ｐ_i）は下式に従って作成される。
【００１０】
【数５】

【００１１】
式中、Ｎはガントリ１回転当りの各データ集合から分割される部分集合の数である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び２について説明すれば、「第三世代」のＣＴスキャナを表わすガントリ１２を含むコンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置１０が示されている。ガントリ１２は、それの反対側に配置された検出器アレイ１８に向けてＸ線ビーム１６を投射するＸ線源１４を含んでいる。検出器アレイ１８は、患者２２を通過した投射Ｘ線を同時に検知する検出器素子２０から構成されている。各々の検出器素子２０は電気信号を生じ、この電気信号は入射Ｘ線ビームの強度を表わし、従って患者２２を通過した際のＸ線ビームの減弱度を表わす。Ｘ線投影データを得るための走査に際しては、ガントリ１２及びその上に取付けられた構成部品が回転中心２４の回りに回転する。
【００１３】
ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴ装置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に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御器２８と、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御器３０とを含んでいる。制御機構２６中のデータ収集装置（ＤＡＳ）３２は検出器素子２０からアナログ・データをサンプリングし、そして以後の処理のためにかかるデータをディジタル信号に変換する。画像再構成装置３４は、サンプリングされディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受信して、高速の画像再構成を行う。再構成された画像はコンピュータ３６に入力として送られ、そして大容量記憶装置３８中に保存される。
【００１４】
コンピュータ３６にはまた、キーボードを有する制御卓４０を介して操作者から命令及び走査パラメータが送られる。付属した陰極線管ディスプレイ４２により、操作者はコンピュータ３６からの再構成画像及びその他のデータを観察することができる。操作者から送られる命令及びパラメータは、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給するためにコンピュータ３６によって使用される。更にまた、コンピュータ３６は検査台モータ制御器４４を動作させ、それによってガントリ１２内に患者２２を配置するための電動検査台４６を制御する。詳しく述べれば、検査台４６はガントリの開口４８を通して患者２２の各部を移動させる。
【００１５】
ここに記載される画像再構成アルゴリズムは、通例、画像再構成装置３４によって実行される。とは言え、かかるアルゴリズムは撮影装置のその他の構成要素（たとえばコンピュータ３６）において実行することもできる。また、ここに記載された装置１０は例示を目的としたものに過ぎないのであって、下記の画像再構成アルゴリズムはその他各種の撮影装置に関連しても実行し得ることを理解すべきである。
【００１６】
図３は、ＨＳサンプリング・パターンのラドン空間図を示している。上方及び下方の三角形の陰影部は、余分のサンプリング・ペアを表わしている。アーティファクトの無い再構成を保証するため、余分のサンプルには適当な重み付けを行う必要がある。かかる関数の一例を下記に示す。
【００１７】
【数６】

【００１８】
ただし、
【００１９】
【数７】

【００２０】
式中、γは、扇形ビーム中の特定の射線(ray) が、ＣＴ装置の等角点(isocenter) と交わる中心射線に対して成す角度であり、また、βはガントリ角度である。重みはチャンネルに大きく依存するから、投影データはフィルタリングの前に重み関数によって重み付けを行わなければならない。また、２つの三角形の陰影部は１８０度の投影視角範囲を占めている。すなわち、フィルタリング及び重み付けの動作のために切換えることができるのは投影データ集合全体の約２０％に過ぎない。
【００２１】
このような困難を克服するためには、高速ＣＴ透視画像再構成用の修正ハーフスキャン・アルゴリズム（ＭＨＳ）を使用することができる。ＭＨＳに関するラドン空間は、図４に示されるごとくに分割される。２つの三角形の陰影部は、一様でない重みを有する元の視角範囲の半分しか占めない。
この場合の重みは下記の通りである。
【００２２】
【数８】

【００２３】
直線β＝γ_m−γ 及びβ＝π＋γ_m−γ の位置では、重み関数はγに関して微分可能でない。かかる不連続性によって引起こされる画像のアーティファクトを抑制するため、境界を横切ってフェザリング(feathering)を使用することができる。なお、不連続性に関係する画像のアーティファクトを抑制するためには、２０チャネルのフェザリング距離で十分であると考えられる。
【００２４】
ＭＨＳの重み関数は、下記の性質を有している。
【００２５】
【数９】

【００２６】
それ故、上方の三角形の重みは、下方の三角形の重みを１から差引くことによって求めることができる。すなわち、上方の三角形の重みを有する部分画像を求めるためには、２つの部分画像を求めればよい。それらは、下方の三角形の重みによって重み付けされた部分画像、及び重み１によって重み付けされた部分画像である。これら２つの部分画像から求められる差分画像は、上方の三角形から直接に求められる部分画像と同一である。
【００２７】
上記のごとき重み付けを考慮しつつ、下記の画像再構成アルゴリズムを使用することができる。詳しく述べれば、ガントリ１回転当りの投影データ集合が先ず８つの部分集合に分割される。その場合、各々の部分集合は４５度の角度範囲に広がる投影データを含む。投影データ集合を８つの部分集合に分割することにより、毎秒８フレームという画像更新速度を達成することができる。代替的に、投影データ集合を６０度の部分集合に分割することにより、毎秒６フレームの画像再構成速度を達成することもできるし、また所望のフレーム・レートに対応するその他の大きさの部分集合に分割することもできる。
【００２８】
各々の部分集合に関し、２つの部分画像が作成される。一方は下方（又は上方）の三角形の重みによって重み付けされた部分画像（Ｔ_iで表示する）であり、また他方は重み１によって重み付けされた部分画像（Ｕ_iで表示する）である。最終画像（Ｐ_i）は下記の式に従って作成することができる。
【００２９】
【数１０】

【００３０】
式中、Ｎは各データ集合から分割される部分集合の数である。
上記のごとき修正ハーフスキャン・アルゴリズムは、重み関数における対称性を利用したものであって、満足すべき画像品質を確保しながら毎秒８フレームの速度で画像の再構成を可能にする。その結果、かかる修正ハーフスキャン・アルゴリズムはＣＴ透視用途におけるハーフスキャン重み付けの使用を可能にし、それにより、ＯＳアルゴリズムに比べて時間的応答が向上するという利点に加えて、満足すべき画像品質を有する画像を作成することができる。
【００３１】
本発明の様々な実施の態様に関する上記の説明によれば、本発明の目的が達成されることは明らかである。上記に本発明が詳しく記載されているとは言え、その説明は本発明の例示を目的としたものに過ぎないのであって、本発明の範囲を制限するものと解すべきでない。従って、本発明の範囲はもっぱら前記特許請求の範囲によって制限されることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴ装置の絵画的斜視図である。
【図２】図１に示された装置の概略ブロック図である。
【図３】元来のハーフスキャンに関するラドン空間図である。
【図４】修正されたハーフスキャンに関するラドン空間図である。
【符号の説明】
１０コンピュータ断層撮影装置
１２ガントリ
１４Ｘ線源
１６Ｘ線ビーム
１８検出器アレイ
２０検出器素子
２２患者
２６制御機構
２８Ｘ線制御器
３０ガントリ・モータ制御器
３２データ収集装置（ＤＡＳ）
３４画像再構成装置
３６コンピュータ
３８大容量記憶装置
４０制御卓
４２陰極線管ディスプレイ
４４検査台モータ制御器
４６電動検査台

Claims

対称性を有するハーフスキャン重み関数に従って投影データの重み付けを行い、そして得られた重み付きデータから部分画像用の画像データを作成するようにプログラムされたプロセッサを含み、
前記投影データの重み付けを行うため、前記プロセッサがガントリ１回転当りの投影データ集合を所定数の部分集合に分割するようにプログラムされている、コンピュータ断層撮影装置。
前記部分集合の数が所望のフレーム・レートに対応している請求項１記載のコンピュータ断層撮影装置。
少なくとも２つの部分画像が作成される場合において、１つの部分画像（Ｔi）に関するデータは第１の重みによって重み付けされ、かつ別の部分画像（Ｕi ）に関するデータは第２の重みによって重み付けされる請求項１記載のコンピュータ断層撮影装置。
前記第２の重みが１である請求項３記載のコンピュータ断層撮影装置。
最終画像Ｐi が

（式中、Ｎはガントリ１回転当りの各データ集合から分割される部分集合の数である）に従って作成される請求項３記載のコンピュータ断層撮影装置。
前記ハーフスキャン重み関数が式
ｗ（γ，β）＝１−ｗ（γ，π＋β）
によって表わされる条件を満足し、
ここで、γは、扇形ビーム中の特定の射線が、前記コンピュータ断層撮影装置のイソセンタと交わる中心射線に対して成す角度であり、
βはガントリ角度である、請求項１乃至５のいずれかに記載のコンピュータ断層撮影装置。
Ｘ線源、前記Ｘ線源と整列したＸ線検出器、前記Ｘ線源と前記Ｘ線検出器との間に配置すべき患者検査台、並びに前記Ｘ線検出器によって収集されたデータから再構成された画像を表示するためのディスプレイを更に含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のコンピュータ断層撮影装置。
前記コンピュータ断層撮影装置がＣＴ透視装置である、請求項１乃至７のいずれかに記載のコンピュータ断層撮影装置。
透視走査に際して収集されたデータを用いて画像を作成するための方法において、
対称性を有するハーフスキャン重み関数に従って投影データの重み付けを行う工程、及び得られた重み付きデータから部分画像用の画像データを作成する工程を含み、
少なくとも２つの部分画像が作成される場合において、１つの部分画像（Ｔi）に関するデータは第１の重みによって重み付けされ、かつ別の部分画像（Ｕi ）に関するデータは第２の重みによって重み付けされる、方法。
最終画像Ｐi が

（式中、Ｎは各データ集合から分割される部分集合の数である）に従って作成される請求項９記載の方法。