JP4558266B2 - 複数の副画像を用いた画像再構成による円錐ビームctスキャナ - Google Patents

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    • A61B6/4064Apparatus for radiation diagnosis, e.g. combined with radiation therapy equipment with arrangements for generating radiation specially adapted for radiation diagnosis specially adapted for producing a particular type of beam
    • A61B6/4085Cone-beams

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータ断層(CT)イメージング装置に関し、さらに詳細には、2D検出器アレイ内の個々のX線検出器からのデータ収集に関する。
【0002】
【発明の背景】
現在のコンピュータ断層システムの一つでは、X線源は、「画像作成面」と呼ぶデカルト座標系のX−Y平面内に位置するようにコリメートさせた扇形状のビームを投射している。このX線ビームは患者など被検体を通過して、放射線検出器の一つの横列、すなわち1次元アレイ上に入射する。伝達される放射線の強度は、被検体によるX線ビームの減衰に依存しており、このビーム減衰の計測値にあたる別々の電気信号を各検出器により発生させている。検出器のすべてから減衰計測値を別々に収集して透過プロフィールが作成される。
【0003】
従来のCTシステムでは、X線ビームが被検体を切る角度が一定に変化するようにして、線源と検出器アレイをガントリによって画像作成面内で被検体の周りで回転させている。所与の角度において検出器アレイから得られる一群のX線減衰計測値のことを「ビュー」と云い、また被検体の一つの「スキャン(scan)」は、X線源と検出器を一回転させる間に様々な角度方向で作成したビューの組を含んでいる。2Dスキャンでは、被検体を切り出した2次元スライスに対応する画像を構成させるようにデータを処理している。2Dデータから画像を再構成させるために広く通用している方法は、本技術分野においてフィルタ補正逆投影技法(filtered backprojection technique)と呼ぶものである。この処理技法ではスキャンにより得た減衰計測値を「CT値」または「ハウンスフィールド値(Hounsfield unit)」と呼ぶ整数に変換し、この数値を用いて陰極線管ディスプレイ上の対応する画素の輝度を制御している。
【0004】
図1に示すような多重スライス型CTイメージング・システム10の一タイプでは、そのX線ビーム14をz軸の方向にも扇形状に広げて「円錐ビーム(cone beam)」を生成させている。検出器22は複数の検出器横列を有する2次元アレイ20の形に配列させ、z軸に沿って配置された複数のスライスにおける減衰計測値を収集している。逆投影スライス画像は、ボリュメトリック・データからFeldkampアルゴリズムを用いて再構成している。
【0005】
アキシャル・スキャンに対する再構成ボリュームは円筒状の領域となる。図2は、アイソチャンネル面(X線焦点16と検出器アイソチャンネルの両者を通過すると共にz軸と平行な面)の位置におけるそのボリューム・カバー範囲の断面像である。所望の再構成ボリュームは、z軸に沿ったアイソセンタの位置における高さDが検出器の高さに等しいような破線の長方形50で表している。画像再構成の観点からすると、アーチファクトのない再構成を保証するためには、画像内のあらゆるボクセル、すなわち要素(element)をすべての投影によりサンプリングする必要がある。しかし、この条件を満足するボリュームはクロスハッチングした六角形52で示される。実際上は、複数のアキシャル・スキャンにより連続した再構成ボリュームを得るためには、各スキャンに対する再構成ボリュームはクロスハッチングした六角形52の内部に包含された太線の長方形54に限定される。このため、隣接するアキシャル・スキャン間の距離は、z軸に沿ったこの内側の長方形の寸法より大きくすることができない。
【0006】
線源からアイソセンタまでの距離をSで表し、再構成撮影域(x−y)の半径をRで表すと、カバー範囲を連続させるための隣接するアキシャル・スキャン間の距離tは次式、
t≦((S−R)/S)D (式1)
により得られる。
【0007】
したがって、スキャンを受けている患者内の臓器で連続したカバー範囲を得るためには、隣接するスキャン間の距離はアイソセンタの位置における検出器のz軸カバー範囲の約半分に制限される。これにより、そのスキャナのボリューム・カバー能力が大幅に低下する。したがって、その再構成ボリュームをその全体距離Dまで増加させることが望ましい。しかし、これを実施するには投影データの広範な外挿が必要となる、したがって、所望の再構成ボリューム50の各隅にある斑点をつけた三角形領域56及び58は完全なスキャンを受けていないためかなりの画像アーチファクトが導入されてしまう。図2から分かるように、放出体12と検出器アレイ20を図のような向きとした場合、検出器アレイに最も近い隅の領域58はX線ビーム14の範囲内に来る。しかし、この向きでは、放出体12に最も近い隅の三角形領域56はX線ビーム14の範囲外となる。放出体と検出器のアセンブリを180°回転させると(すなわち、図示の位置を反転させると)、隅の領域58がX線ビームの範囲外となり、隅の領域56がビームの範囲内に来る。結果として、隅の三角形領域56及び58は、放出体と検出器アレイの一回の全回転の間で部分的にしかスキャンを受けない。このため、これらの領域に対しては、再構成画像にアーチファクトを発生させるようなデータの外挿が必要となる。
【0008】
したがって、再構成ボリュームの大きさはできるだけ大きくなるように(理想的には、距離Dまで)増大させることが望ましいが、従来の処理を用いてこれを実施すると再構成画像にかなりのアーチファクトを導入させることになる。このため、こうしたアーチファクトを低下させるような代替的な再構成処理法が求められている。
【特許文献1】
米国特許第6269139号
【0009】
【課題を解決するための手段】
コンピュータ断層イメージング・システムは、回転軸の相対する側に配置させた円錐放射線ビームの発生源と多重横列検出器アレイとを含んでいる。本イメージング・システムは、回転軸の周りで線源と検出器を回転させることを含むような画像再構成法を利用している。この回転を行っている間に、複数の投影角度βにおいて多重横列検出器アレイからX線減衰データ・サンプルを収集し、これにより一組の投影データを作成している。
【0010】
この投影データ組に対しては、複数の異なる中心ビュー角度β0においてハーフスキャン画像再構成技法を適用して複数の副画像(sub−image)を作成している。次いで、この複数の副画像は、例えば、重ね合わせ(superimposition)などにより合成させて、被検体の断面像を形成させている。
【0011】
好ましい再構成技法は、投影データの組に重み付けして一組の重み付けデータを作成することを含む。例えば、この重み付け処理は、それぞれの中心ビュー角度β0を中心とする第1の領域範囲内にあるデータ・サンプルに対して第1の重みを適用する。第1の領域の両側に面した事前定義の第2の領域範囲内にあるデータ・サンプルに対しては第2の重みを適用する。投影データ組の残りの部分のデータ・サンプルに対しては第3の重みを適用する。この重み付けデータは、単一スライス型スキャンに対する従来のフィルタを用いてフィルタ処理する。このフィルタ処理済データは、周知の3D逆投影アルゴリズムにより逆投影して複数の副画像を作成し、次いで、最終画像を構築するための荷重関数によってこれら複数の副画像を合成している。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1及び3を参照すると、CTイメージング・システム10は、焦点16から患者18を通過して2次元検出器アレイ20により受け取られるような円錐X線ビーム14を投射するように方向付けしたX線源12を含んでいる。この2次元検出器アレイ20は、患者18を透過したX線14の投影像を検出するように概して垂直な縦列と横列の形で検出器アレイ20の領域を覆うように配列させた多数の検出器素子22を含んでいる。
【0013】
X線源12及び2次元検出器アレイ20は、全体として患者18の内部に位置している回転軸26の周りで回転するようにガントリ24の各側に取り付けてられている。この回転軸26は、その原点が円錐ビーム14内の中心に来るようにしたデカルト座標系のz軸を形成している。したがって、この座標系のx軸とy軸により規定される面によって、回転面、具体的にはガントリ24のガントリ面28、が規定される。
【0014】
ガントリ24の回転は、ガントリ面28内の任意の基準位置からの角度βにより計測される。角度βは、0〜2πラジアン(360゜)の範囲で変動する。円錐ビームのX線14はガントリ面28から角度Φだけ発散(diverge)すると共に、ガントリ面28に沿っては角度θだけ発散している。2次元検出器アレイ20は、焦点16を中心とする球体の表面の一つのセクションとして配置させており、このアレイ状の検出器素子22は、円錐ビーム14の線束に沿って円錐ビーム14の角度Φ及びθの全体にわたって強度計測値を受け取って計測できるように配列させている。この検出器アレイ20は、インスライス(in−slice)寸法方向に延びる各横列の形に配列させた2Dアレイ状の検出器素子22から構成されている。各横列は、例えば1,000個の別々の検出器素子を含むことがあり、またこのアレイ20は、スライス寸法方向に配置させた16個の横列を含むことがある。検出器22は、そのサンプリング周期にわたって受け取ったX線フラックスに比例する電気信号を発生させている気体式または半導体式の検出器とすることができる。
【0015】
図3を参照すると、CTイメージング・システム10の制御サブシステムは、ガントリ関連制御モジュール30を有しており、この制御モジュール30には、X線源12に電力及びタイミング信号を提供するX線制御装置32、並びにガントリ24の回転速度及び回転位置を制御しているガントリ・モータ制御装置34が含まれる。データ収集システム(DAS)36は、そのデータを採取したΦ、θ及びガントリ角度βの値を保存する一方で、2次元検出器アレイ20から投影データを受け取り、このデータを後続のコンピュータ処理のためにディジタル形式に変換している。X線制御装置32、ガントリ・モータ制御装置34及びデータ収集システム36はコンピュータ38に接続させている。コンピュータ38はさらに、患者テーブル39をz軸26に沿って移動させるモータを駆動するテーブル・モータ制御器37の動作を統御している。
【0016】
コンピュータ38は、投影データを収集かつ操作するようにプログラムした汎用のミニコンピュータ(より詳細には以下で説明することにする)である。コンピュータ38は画像再構成装置40に接続されており、画像再構成装置40は当技術分野で周知の方法に従って高速で画像の再構成を実行している。
【0017】
コンピュータ38は、一般にオペレータによるCTスキャン用パラメータの入力及び再構成画像の表示を可能にしているCRTディスプレイ/キーボードであるようなオペレータ・コンソール42を介してコマンド及びスキャン・パラメータを受け取っている。大容量記憶装置44は動作プログラムを格納するための手段を提供している。
【0018】
データ収集の間では、このCTイメージング・システム10はデータの収集に関して従来の円錐ビーム型システムとして機能している。具体的には、X線放出体12及び検出器アレイ20が回転軸26を軸としてガントリ24の周りで一回の全回転をする際に、テーブル39は静止状態に保たれている。複数の角度位置βの各々において、アレイ20内のすべての検出器22からの減衰データが大容量メモリ44内に格納される。全回転が一回完了すると、コンピュータはテーブル・モータ制御器37に指令してテーブル39をz軸26に沿った別の位置まで進めて患者18に対する別の回転スキャンを実行する。この処理は、患者18の所望の部分を完全にスキャンし終えるまで反復させている。
【0019】
次いで、画像再構成が開始される。本発明のポイントの一つに、その各々が円形スライス画像の一つのウェッジを表している複数の副画像を再構成させる点がある。各副画像は、2πラジアンの全回転の周りで間隔をおいた異なる中心ビュー角度β0においてハーフスキャン再構成技法を用いて作成している。各副画像は、含まれるアーチファクト量が最も少ないハーフスキャン再構成画像のウェッジ部分を構成している。本発明の詳細について、π/3ラジアン、πラジアン、及び5π/3ラジアンの各中心ビュー角度で作成した三つの副画像を利用している例示的な手順を用いて説明することにする。しかし、中心ビュー角度間の間隔を相応に狭めて、これより多くの副画像を利用することも可能である。例えば、0、π/2、π、及び3π/2ラジアンという四つの中心ビュー角度β0を利用してπ/2ラジアンのウェッジを有する四つの副画像を作成することも可能である。アーチファクト軽減は副画像のウェッジ数を増やす程向上するが、これによりフルスライス画像を再構成させるための時間量も増加する。次いで、個々の副画像を継ぎ合わせて、患者を切り取った断面を表すフルスライス画像を形成させている。
【0020】
図4を参照すると、中心ビュー角度β0=π/3ラジアンの位置で第1のハーフスキャン再構成を実行している。大容量記憶装置44に格納した投影データに対しては、フィルタ処理及び3次元逆投影アルゴリズムを適用する前に、次の関数により重み付けを行っている。
【0021】
【数2】
【0022】
n(γ,β,β0)=3θn 2(γ,β,β0)−2θn 3(γ,β,β0
【0023】
上式において、nは検出器横列の指標(図2参照)、β0はハーフスキャン再構成の中心ビュー角度、γは所与の検出器線束と中心線束27(X線焦点16から検出器アレイ20に至る回転軸26を通過する線(図3参照))との間の角度、またβは投影角度である。投影データに対する重み付けでは、そのデータポイントが中心ビュー角度から遠くにある程アーチファクトを生じる確率が大きくなることに対する補償を行っている。利用する副画像の数が異なれば、利用する荷重関数も異なることがあることを理解されたい。例えば、単一スライス型CT向けに開発されたヘリカル補間(内挿)アルゴリズムまたはヘリカル外挿アルゴリズムを荷重関数として利用することができる。
【0024】
次いで、重み付けした投影データに対して、単一スライス型スキャンまたは円錐ビーム用のFeldkamp再構成に関して通常実施されるような、γ方向に沿ったフィルタ処理を行う。
【0025】
次いで、フィルタ処理済みの投影データに対して円錐ビームに関する3次元逆投影技法を適用し、図4に示した第1の副画像60を生成させる。この第1の副画像60は、中心ビュー角度に向かい合っており、かつアイソセンタを通る当該ビュー角度の軸63を中心としている(すなわち、このウェッジの中心は角度β0+πの位置に来ている)概ね2π/3ラジアンのウェッジ形状の第1の主セグメント62を有している。第1の主セグメント62は、相対的に最小量のアーチファクトを有しており、したがって荷重関数による減衰を受けないボクセルを含んでいる。第1の主セグメント62の各側に面したより小さいウェッジ形状セグメント64内にある画像要素(すなわち、ボクセル)は、第1の主セグメントからの角度距離が増大するのに伴って増加するような量だけ減衰させている。したがって、これらのより小さなウェッジ状セグメント64の画像強度は徐々に低下する。副画像の残りの部分にあるボクセル(クロスハッチングのない部分66)には荷重関数によりゼロ値を割り当てている。
【0026】
ウェッジ形状の副画像の作成に利用できる方式は二つある。その第1の方式は、従来の3次元逆投影技法を使用して2πスライス領域全体を表しているフル画像を作成することである。次いで、このフル再構成画像に対して、副画像領域の所望領域内に入らない情報を抑制するような別の荷重関数(図8に示す)を適用する。所与のボクセルに適用する重みは、そのボクセルの画像内での角度位置の関数である。この荷重関数は、中心ビュー角度と反対側で角度β0+πの位置を中心とさせている。主セグメント62内のボクセルには重み1を適用し、より小さい境界のウェッジ状セグメント64ではそのボクセルが主セグメント62から遠ざかるに従って重みをより小さくしている。フル画像の領域66内にあるボクセルに対しては重みゼロを適用している。
【0027】
第2の方式では、逆投影処理において直接副画像を作成している。この場合、その逆投影は副画像領域に対応する2/3πの領域内のみで実行する。これにより逆投影処理はより複雑となるが、領域66を逆投影していないため計算量をより少なくすることができる。
【0028】
次に、2回目には投影データに対して中心ビュー角度β0にπを用いてこの新規ハーフスキャン逆投影処理を適用する。投影データは重み付けし、フィルタ処理し、さらにハーフスキャン・アルゴリズムを用いて第2の副画像を再構成させている。第2の副画像67(図5に示す)は、この中心ビュー角度の反対側で当該ビュー角度の軸65を中心として概ね2π/3ラジアンのウェッジ形状をした第2の主セグメント68を有している。第2の主セグメント内のボクセルの画像強度は荷重関数により減衰を受けていない。第2の主セグメント68には、より小さな一対のウェッジ形状セグメント69が脇に付けられており、このセグメント69内では第2の主セグメントから遠ざかるに従ってその画像強度を徐々に低下させている。
【0029】
第3回目には格納した投影データに対してハーフスキャン逆投影処理を適用し、中心ビュー角度β0=5π/3の位置で再構成させた図6に示す第3の副画像70を作成する。第3の副画像72は、中心ビュー角度の軸73を中心として中心ビュー角度の反対側にあるような2π/3ラジアンのウェッジである第3の主セグメント72を有している。第3の主セグメント内のボクセルの画像強度は荷重関数による減衰を受けていない。第3の主セグメント72には、より小さい一対のウェッジ形状セグメント71が脇に付けられており、このウェッジ形状セグメント71内では第3の主セグメントから遠ざかるに従ってその画像強度を徐々に低下させている。これら三つの副画像に対する荷重関数は、これら三つの関数の和が再構成関心領域内において1(unity)になるという性質をもっている。
【0030】
この三つの副画像60、67及び70のすべてを形成させた後、コンピュータはこれらを合成し、図7に示す最終のフルスライス画像74を形成させている。本質的には、これら三つの副画像を互いに重ね合わせている。そのデータが重み付けを受ける方式であるため、得られる結果は、あたかも主セグメント62、68及び72を切り取って互いに隣接させて配置し最終のフルスライス画像にしているようになっている。この重ね合わせによってより小さいウェッジ状セグメント64、69及び71が重ね合わされて主セグメント62、68及び72の間の移行部に羽部を形成(feather)している。
【0031】
再構成した各副画像の品質は中心ビューの中心線束に対応する位置において最良となることを理解すべきである。画質は、当該中心線から離れるに従って徐々に劣化する。したがって、その画質は、その各々がより小さなウェッジ角を有するようなより多数の副画像を用いることによって向上することになる。例えば、五つの副画像により作成した合成画像の画質は、三つの副画像により作成した合成画像と比べより高くなることになる。しかし、このことは、画質と計算時間との間のトレードオフに関わってくる。
【0032】
上述した説明は、主に、本発明の好ましい実施の一形態に対するものである。本発明の範囲内にある様々な代替形態に関して幾つかの注意を述べているが、当業者であれば恐らく本発明の実施形態の開示から現在明らかであるような追加の代替形態を実現できるものと予期される。例えば、副画像の作成のために、ハーフスキャン重みではなく、ヘリカル荷重関数を用いることができる。さらに、上述のスキームを検出器の外側横列の近傍の画像スライスのみに適用することが可能である。検出器中心面の近くの領域では、単一横列の補間を使用することができる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲から決定すべきであり、上述の開示により限定すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】CTイメージング・システムのガントリの外観図である。
【図2】従来の円錐ビーム多重スライス型CTイメージング・システムでのボリューム・カバー範囲の低下を表した図である。
【図3】本発明を利用することができるCTイメージング・システムのブロック概要図である。
【図4】本発明に従って再構成した三つの副画像である。
【図5】本発明に従って再構成した三つの副画像である。
【図6】本発明に従って再構成した三つの副画像である。
【図7】副画像から組み上げたフルスキャン画像である。
【図8】副画像作成のための一技法で利用される荷重関数のグラフである。
【符号の説明】
10 多重スライス型CTイメージング・システム
12 X線源、X線放出体
14 X線ビーム、円錐X線ビーム
16 X線焦点
18 患者
20 2次元アレイ、検出器アレイ
22 検出器、検出器素子
24 ガントリ
26 回転軸
27 中心線束
28 ガントリ面
30 ガントリ関連制御モジュール
32 X線制御装置
34 ガントリ・モータ制御装置
36 データ収集システム(DAS)
37 テーブル・モータ制御器
38 コンピュータ
39 患者テーブル
40 画像再構成装置
42 オペレータ・コンソール
44 大容量メモリ、大容量記憶装置
50 所望の再構成ボリューム
52 条件を満足するボリューム
54 各スキャンに対する再構成ボリューム
56 隅の三角形領域
58 隅の三角形領域
60 第1の副画像
62 第1の主セグメント
63 アイソセンタを通るビュー角度の軸
64 ウェッジ形状セグメント
65 ビュー角度の軸
66 残りの部分
67 第2の副画像
68 第2の主セグメント
69 ウェッジ形状セグメント
70 第3の副画像
71 ウェッジ形状セグメント
72 第3の主セグメント
73 中心ビュー角度の軸
74 フルスライス画像

Claims (8)

  1. 円錐放射線ビーム(14)の発生源(12)と多重横列検出器アレイ(20)とを回転軸(26)の相対する側に配置して含むコンピュータ断層イメージング・システム(10)を用いることにより被検体(18)の断面像を作成するための方法であって、
    前記発生源(12)及び検出器アレイ(20)を前記回転軸の周りで回転させながら、複数の投影角度βにおいて前記多重横列検出器アレイ(20)からX線減衰データ・サンプルを収集することにより一組の投影データを前記システムが作成する工程と、
    複数の副画像(67、67、70)の数が3つ以上ある、前記複数の副画像(67、67、70)を作成させるように、前記一組の投影データに対して複数の異なる中心ビュー角度β0において投影重み付け画像再構成技法を前記システムが適用し、前記複数の副画像(67、67、70)の各々を再構成する工程と、
    被検体(18)の断面像(74)を形成させるように前記複数の副画像(67、67、70)を前記システムが合成する工程と、を含み、
    前記投影重み付けは、各データポイントが前記中心ビュー角度の近くにあるよりも、前記中心ビュー角度から遠くにあるときに、より小さな重み付けを行い、
    前記合成の工程が、前記被検体の1つの断面像を形成させるように前記複数の副画像(67、67、70)を重ね合わせることを含み、
    前記複数の副画像(67、67、70)の各々は、ウェッジ形状の主セグメントと、該主セグメントの各側に面した、該主セグメントより小さい2つのウェッジ形状の小セグメントを有しており、
    前記小セグメント内では前記主セグメントから遠ざかるに従ってその画像強度を徐々に低下させる荷重関数が適用されており、
    前記荷重関数は、前記複数の副画像(67、67、70)の和が前記断面像(74)内において1になるという性質をもっている、方法。
  2. 前記複数の副画像(67、67、70)の各々を作成する前記工程が、前記一組の投影データに対して荷重関数を適用して一組の合成データを作成する工程と、所与の中心ビュー角度β0を用いて画像再構成アルゴリズムにより前記一組の合成データを処理する工程と、を含んでいる、請求項1に記載の方法。
  3. 前記荷重関数が、前記所与の中心ビュー角度β0の軸上のデータ・サンプルを中心とする前記一組の投影データの第1グループ範囲内のデータ・サンプルに対しては第1の重みを適用しており、該第1グループの各側に面した事前定義の第2グループ範囲内のデータ・サンプルに対しては第2の重みを適用しており、かつ、前記一組の投影データのこれ以外の部分のデータ・サンプルに対しては第3の重みを適用している、請求項2に記載の方法。
  4. 所与のデータ・サンプルに対する第2の重みが該所与のデータ・サンプルと第1グループの間の距離の関数として変動している、請求項3に記載の方法。
  5. nが多重横列検出器アレイ(20)の一つの横列を指定しており、β0がハーフスキャン再構成の中心ビュー角度であり、γが所与の検出器素子(22)とアイソセンタ軸の間の角度であり、かつβが投影角度であるとして、前記荷重関数が次式、
    により規定されている、請求項2に記載の方法。
  6. 投影重み付け画像再構成技法を適用する前記工程がハーフスキャン画像再構成アルゴリズムを利用している、請求項1に記載の方法。
  7. 投影重み付け画像再構成技法を適用する前記工程が、フルスライス画像を生成させると共に該フルスライス画像のうちの一つの領域をそれぞれの副画像として選択することによって各副画像を作成している、請求項1に記載の方法。
  8. 前記X線減衰データ・サンプルの収集は、アキシャル・スキャンにより行われ、該アキシャル・スキャンの再構成ボリュームの前記回転軸方向の高さは((S−R)/S)Dよりも大きく、
    ここで、
    Sは、前記発生源(12)から前記回転軸までの距離、
    Rは、前記再構成ボリュームの半径、
    Dは、前記回転軸における前記検出器アレイ(20)の高さ
    である、請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
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