JP4576218B2 - ターゲット角のヒール効果補正のための方法及びシステム - Google Patents

ターゲット角のヒール効果補正のための方法及びシステム Download PDF

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Description

本発明は、一般に、コンピュータ断層撮影(CT)イメージングシステムに関し、より詳細には、ターゲット角のヒール効果補正に関する。
少なくとも幾つかの既知のイメージングシステムにおいては、X線管の線源がX線ビームを投射し、該X線ビームは、患者などの撮像される被検体を透過して、X線検出器横列のアレイ上に衝突する。この技法は医用CTスキャナには極めて有効であるが、マルチスライスCTの場合のように検出器の撮像範囲が大きくなる場合には、幾つかの欠点を有する。複数の検出器横列を含むマルチスライスCTイメージングシステムの出現で、X線束が不均一であること、及びスライス厚が不均一であることの少なくとも2つの主要な欠点が存在する。不均一なX線束はヒール効果を招く可能性があり、不均一なスライス厚は空間分解能の変動を生じる可能性がある。
ヒール効果の影響により、検出器横列全体にわたり画質の差異が生じる可能性がある。例えば、公称7度のターゲット角を有する40mmの立体コンピュータ断層撮影(VCT)検出器は、外側陽極側横列上で5度、及び外側陰極側横列上で9度の有効ターゲット角を有しており、検出器の一方端から他方端までで約20%の強度変動を生じる。ヒール効果によるこの放射線強度の変動がX線検出器横列全体にわたって画質を低下させ、その結果、放射線写真の画質を低下させる。
不均一なスライス厚は、最初に投射された焦点高さが2回目に投射された焦点高さよりも有意に大きい場合に生じる。不均一なスライス厚は、Z軸方向の空間分解能が検出器横列の関数とな
マルチスライスCTにおいては、X線束及び空間分解能の両方が検出器の横列間に有意に変化しないようにシステムを設計することが望ましい。
一つの態様において、X線管のターゲット角のヒール効果を少なくとも部分的に補正する方法が提供される。本方法は、X線源を準備する段階と、該線源からX線を受け取るように位置付けられた複数の検出器横列を有するX線検出器を準備する段階と、不均一であり且つZ軸に沿ったターゲット角の関数である投影ノイズ及び空間分解能のうちの少なくとも1つの均一性を向上させるようにフィルタを用いる段階とを含む。
別の態様においては、被検体をスキャンするイメージングシステムが提供される。本イメージングシステムは、X線源と、該線源からX線を受け取るように位置付けられた複数の検出器横列を有するX線検出器と、X線源及びX線検出器に動作可能に接続されたコンピュータと、を備え、該コンピュータは、不均一であり且つz軸に沿ったターゲット角の関数である投影ノイズ及び空間分解能のうちの少なくとも1つをフィルタ処理して均一性を向上させるように構成されている。
更に別の態様においては、X線管のターゲット角のヒール効果を少なくとも部分的に補正するためのシステムによって実行可能なプログラムが符号化されたコンピュータ可読媒体が提供される。本プログラムは、X線源を準備し、該線源からX線を受け取るように位置付けられた複数の検出器横列を有するX線検出器を準備し、不均一であり且つz軸に沿ったターゲット角の関数である投影ノイズ及び空間分解能のうちの少なくとも1つの均一性を向上させるようにフィルタを用いることをコンピュータに命令するように構成されている。
幾つかの既知のCTイメージングシステム構成においては、X線源が扇状のビームを投射し、該扇状のビームは、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。被検体によって減弱された後、ビームは、放射線検出器のアレイ上に衝突する。検出器アレイで受信される減弱放射線ビームの強度は、被検体によるX線ビームの減弱量に依存する。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生成する。全ての検出器からの強度測定値が個別に収集され、透過プロファイルが生成される。
第三世代CTシステムでは、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撮像対象の被検体の周りをガントリと共に回転する。1つのガントリ角度における検出器アレイからのX線減弱測定値のグループ、即ち投影データは、「ビュー」と呼ばれる。被検体の1つの「スキャン」は、X線源及び検出器が1回転する間に異なるガントリ角度、即ちビュー角度において作成されたビューのセットを含む。
軸方向スキャンでは、投影データは、被検体を通して取得された二次元スライスに対応する画像を構成するよう処理される。投影データのセットから画像を再構成する1つの方法は、当該技術分野ではフィルタ補正逆投影法と呼ばれている。この方法は、スキャンからの減弱測定値を「CT値」又は「ハウンスフィールド単位」(HU)と呼ばれる整数値に変換し、該整数値は、冷陰極管表示装置上の対応する画素の輝度を制御するために用いられる。
総スキャン時間を短縮するために、「螺旋」スキャンを実行することができる。「螺旋」スキャンを実行するために、所定数のスライスに対するデータが収集される間、患者が移動される。このようなシステムは、ファンビーム螺旋スキャンから単一の螺旋を生成する。ファンビームによってマッピングされた螺旋が投影データをもたらし、該投影データから各所定のスライスの画像を再構成することができる。
螺旋スキャン用の再構成アルゴリズムは通常、収集されたデータをビュー角度及び検出器チャンネル番号の関数として重み付けする螺旋重み付け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、データは、ガントリ角度及び検出器角度の両方の関数である螺旋重み付け係数に従って重み付けされる。次いで、重み付けされたデータを処理して、CT値を生成すると共に被検体を通して取得された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、複数列の投影データが、あらゆる時間的瞬間において同時に収集される。螺旋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。シングルスライス螺旋重み付け方式と同様に、フィルタ補正逆投影アルゴリズムの前に投影データに重み付けを乗算する方法を導き出すことができる。
本書で用いる場合には、単数形で記載されており単数不定冠詞を冠した要素又は工程という用語は、排除を明記していない限りかかる要素又は工程を複数備えることを排除しないものと理解されたい。更に、所載の方法及びシステムの「一実施形態」に対する参照は、所載の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しないものと解釈されたい。
また、本書で用いられる「画像を再構成する」という表現は、画像を表わすデータが生成されるが可視画像は形成されないような所載の方法及びシステムの実施形態を排除するものではない。但し、多くの実施形態は少なくとも1つの可視画像を形成する(又は形成するように構成されている)。
図1及び図2を参照すると、「第三世代」CTイメージングシステムを代表するガントリ12を含む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が示されている。ガントリ12は、ガントリ12の反対側の検出器アレイ18に向けてX線16のビームを投射するX線管14(本明細書においてはX線源14とも呼ばれる)を有する。検出器アレイ18は、アレイ18と線源14間の患者22などの被検体を透過する投射X線を全体的に感知する複数の検出器素子20を含む複数の検出器横列(図1及び図2には示さず)によって形成されている。各検出器素子20は、衝突するX線ビームの強度を表す電気信号を生成し、従って、ビームが被検体又は患者22を透過する際のビームの減弱量を推定するために用いることができる。X線投影データを収集するためのスキャン中、ガントリ12及びその中に取り付けられた構成要素が回転の中心24の周りを回転する。図2には、単一の横列の検出器素子20(即ち、検出器横列)だけを示している。しかしながら、マルチスライス検出器アレイ18は、1回のスキャン中に複数の準並行なスライス又は平行なスライスに対応する投影データを同時に収集することができるように、複数の平行な検出器横列の検出器素子20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に電力及びタイミング信号を供給するX線制御装置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制御装置30とを含む。制御機構26内のデータ収集システム(DAS)32は、検出器素子20からのアナログデータをサンプリングし、後続の処理のために該データをデジタル信号に変換する。画像再構成装置34は、DAS32からサンプリングされデジタル化されたX線データを受け取り、高速画像再構成を実行する。再構成された画像は、入力としてコンピュータ36に印加され、コンピュータ36が、画像を記憶装置38内に格納する。画像再構成装置34は、コンピュータ36上で実行する専用ハードウェア又は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。関連する冷陰極管表示装置42により、オペレータは、コンピュータ36から再構成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、DAS32、X線制御装置28、及びガントリモータ制御装置30に制御信号並びに情報を提供するためにコンピュータ36によって使用される。更に、コンピュータ36は、ガントリ12内に患者22を位置付けるための電動式テーブル46を制御するテーブルモータ制御装置44を動作させる。詳細には、テーブル46が、ガントリ開口部48を通って患者22の部位を移動させる。
一実施形態では、コンピュータ36は、デバイス50、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)デバイス、或いはフレキシブルディスク、CD−ROM、DVD若しくはネットワーク又はインターネット、並びに今後開発されることになるデジタル手段のような別のデジタルソースといったコンピュータ可読媒体52から命令及び/又はデータを読み取るイーサネットデバイス(「イーサネット」は商標)などのネットワーク接続デバイスを含む任意の他のデジタルデバイスを含む。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)内に格納された命令を実行する。コンピュータ36は、本明細書で説明する機能を実行するようにプログラムされており、本明細書において使用する用語「コンピュータ」は、単に当該技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路のみに限定されず、広くコンピュータ、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、プログラム可能論理制御装置、特定用途向け集積回路、及び他のプログラム可能回路を意味するものであり、これらの用語は、本明細書において互換的に使用される。上述の特定の実施形態は第三世代CTシステムを指すが、本明細書に説明する方法は、第四世代CTシステム(静止型検出器−回転式X線源)及び第五世代CTシステム(静止型検出器及びX線源)に同等に適用される。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生じることが企図される。更に、本明細書に説明する方法及び装置は、医療環境において説明されているが、本発明の利点は、産業環境、或いは、例えば、限定ではないが、空港又は他の輸送センタ用の手荷物スキャンシステムのような輸送環境に一般に用いら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る。
本明細書に述べるのは、一実施形態においては非固定フィルタを用いて、X線検出器横列による放射線測定値の標準偏差の均一性を向上させることによって、ヒール効果を少なくとも部分的に補正する方法及び装置である。
図3〜図5を参照すると、X線管14は、陰極コイル102及びターゲット104を含む。一般に、電子106は、X線管14内でコイル102からターゲット104まで移動する。電子106は、異なる位置においてターゲット104と接触し、検出器18及び検出器横列20に向けてターゲット14を離れる際に異なる角度でX線16を放出させる。具体的には図3において、電子106は、実際の焦点長L114に沿ってスキャン計画112に対して浅い角度α110でターゲット14の表面108に接触する。投射された焦点の高さh116は、L114にsin(α)を乗じたものに等しく、
h=Lsin(α) (1)
である。
従って、実際の焦点長L114は投射された焦点の高さh116よりも有意に大きいという結果が得られる。2つの主要な影響がある。1つは、Z軸方向(図4に示す)におけるスライス全体にわたる不均一なX線束であり、もう1つは不均一なスライス厚(図5に示す)である。
図4に、複数のX線ビーム16、ターゲット角ξ120、及び交差部122の平均深さを示す。複数のX線ビーム16は、第1のX線ビーム124と第2のX線ビーム126を含む。ターゲット104から放出されたX線124は、ターゲット104内で第1の距離d130を移動した後にターゲット104を出る。これは、X線126がターゲット104を出る前にターゲット104内を移動する第2の距離d132よりも短い距離である。d132はd130よりも大きいので、X線126は、X線124よりも更に減弱されてターゲット104を離れる。この減弱量の差がヒール効果である。その結果、X線束の強度は、X線16及びターゲット表面108によって形成されるターゲット角ξ120の関数として変化する。ターゲット角ξ120と検出器横列20との間に1対1の関係がある場合には、X線の強度は、各検出器横列20と共に単調に変化する。一般に、より小さいターゲット角ξ120は、低下したX線束強度に対応する。
図5は、スライス厚の不均一性を示している。上記で検討したように、電子106は、異なる位置においてターゲット104と接触し、検出器18及び検出器横列20に向けてターゲット14を離れる際に異なる角度でX線16を放出する。スライス厚の不均一性は、投射された焦点の高さh116(図3に示す)のばらつきによって生じる。図5に具体的に示すように、投射された焦点の高さh140は、投射された焦点の高さh142よりも有意に大きい。これは、検出器横列20の関数としてのZ軸方向における空間分解能ということになる。
マルチスライスCTにおいては、投影ノイズと密接に関連するX線束と空間分解能との両方が検出器の横列間で有意に変化しないようにシステムを設計することが望ましい。ヒール効果の影響を十分に理解するために、システムの空間分解能を推定する簡単なモデルを用いる。より複雑なモデルを用いてもよいが、全体としての結果に変化はない。一般に、Z方向のシステムの空間分解能s(z)は、投射された焦点の関数h(z)と投射された検出器のアパーチャ関数d(z)との畳み込み積分である。
投射された焦点の関数h(z)は点検出器を仮定することにより得られ、一方、投射された検出器のアパーチャは、点X線源を仮定することにより得られる。z方向のシステムの空間分解能s(z)は、スライス感度プロファイル(SSP)と呼ばれることが多い。焦点の関数と検出器のアパーチャ関数を矩形関数によって近似すると、SSPの半値全幅(FWHM)は、2つの投射関数の大きいほうのFWHMに等しくなる。同様に、ゼロ値全幅(FWZM)は、2つの投射関数の幅の合計となる。
図6は、SSPのFWHM210及び2つの投射関数のFWZM220を示すグラフ200である。グラフ200は、SSPの有意な不均一性を明瞭に示している。FWHM210及びFWZM220は、アイソセンタにおける0.525mmの検出器アパーチャ(検出器横列間に0.1mmのタングステン線を有する0.625mmの検出器ピッチ)、中央平面で測定した1.2mmの公称焦点高さ、アイソセンタでの40mmの検出器撮像範囲、及び7°のターゲット角において計算された。
X線束の不均一性の検討は、交差部の平均深さ、平均X線光子エネルギ、及び対応するターゲットの減弱特性の推定を必要とすることから、より複雑である。アイソセンタにおける7度のターゲット角及び40mmの撮像範囲において、検出器の一方端から他端までの強度変動は約20%であることが確認されている。
発明者らによる解析結果では、SSPがターゲット角ξ120(図4に示す)と共に増大し、一方、投影ノイズはターゲット角ξ120と共に減少することを示している。検出器横列20全体にわたる両方の変動を低減することが望ましい。変動を低減する1つの手法は、適応フィルタ処理の利用である。一般に、低域通過フィルタの適用は空間分解能を低下させ、それと同時にノイズを減少させる。発明者らは、その特性が検出器横列20の関数として変化する非固定フィルタ(Zに沿った)を設計することができる。即ち、平滑化の量は、ターゲット角ξ120の関数として減少する。FWHM220及びFWZM230は同じようには変化しないので、フィルタカーネルの形状もまた、両方の特性の均一性が満たされるように変更する必要がある。初期SSP、s(z)及び目的SSP関数、t(z)の両方が既知であるので、このようなフィルタを設計する技法はよく知られている。例えば、目的応答関数を最大ターゲット角ξ120の初期SSP関数として設定することができる。その後、フィルタ処理関数f(z)は、以下の関係を満たす既知の信号処理技法によって導出することができる。
例えば、最もよく知られた技法の1つは、ウィナフィルタである。平滑化の量は、ターゲット角ξ120(図4に示す)の減少と共に増大する。従って、ノイズの低減量もまた、ターゲット角ξ120の減少と共に増大する。これは、等価光子束の増大につながる。図7は、フィルタ処理後に得られたFWHM310及びFWZM320を示すグラフ300である。z全体にわたって両方のパラメータが更に均一である点に留意されたい。同時に、検出器20の一方端(図4に示す)から他方端までの等価光子束の増大330は、約20%である。線束減少が約20%であった先の検討を考慮すれば、投影において結果として生じるノイズは、フィルタ処理によってより均一になる。
目的関数t(z)は、最大ターゲット角ξ120のSSPと異なるように選択することができる。例えば、目的関数は、中央横列のSSPとして選択することができる。この場合、中央横列よりも大きいターゲット角ξ120に対するフィルタ関数は、高域通過フィルタである。中央横列よりも小さいターゲット角ξ120に対するフィルタ関数は、低域通過フィルタである。その結果、より大きいターゲット角ξ120の横列で収集された投影に対してはノイズレベルが増大し、より小さいターゲット角ξ120の横列で収集された投影に対してはノイズレベルが減少する。
代替的に、フィルタ処理機能は、SSPではなくX線束に基づいて決定することができる。先の分析に基づき、X線束はターゲット角ξ120の減少と共に減少することが分かっている。従って、フィルタ関数のセットは、これらが全ての検出器横列にわたって投影ノイズを均一にするように導出される。例えば、3点フィルタを用いて、近接する3つの検出器横列の投影に基づいて最終投影を生成することができる。検出器横列k−1、k、及びk+1に対するフィルタ係数をwk−、w、wk+で示し、検出器横列kに対する正規化X線束レベルη(基準横列は正規化線束レベルが1である)に対し、フィルタは以下の関係を満たす必要がある。
k−+w +w k+=η (4)
或いは、フィルタ設計は、X線束及びSSPの組み合わせに依存することができる。例えば、中央横列よりも大きいターゲット角ξ120に対してはX線束に基づいてフィルタが決定され、中央横列よりも小さいターゲット角ξ120に対してはSSP関数に基づいてフィルタが決定される。
非固定フィルタの適用は、不均一な検出器サイズと組み合わせることができる。即ち、マルチスライス検出器は、検出器のアパーチャが列毎に変化するように設計することができる。この組み合わせにおいては、X線束の均一性及びシステム応答は、両方の技法によって達成される。従って、より緩やかなフィルタ設計が可能となる。
図8は、イメージングシステム10を用いてアーチファクトの減少を促進する方法400である。方法400は、X線源を準備する段階410と、線源からX線を受信するように配置された複数の検出器横列を有するX線検出器を準備する段階420と、X線束及び空間分解能が不均一であり且つz軸に沿ったターゲット角の関数である投影ノイズ及び空間分解能のうちの少なくとも1つの均一性を向上させるためにフィルタを用いる段階430とを含む。
X線管のヒール効果を低減するためのこれまでの試みは、X線管のターゲット角の修正に焦点を絞ってきた。この手法は、X線束及びシステム応答の均一性をX線管の効率とトレードするものである。この提案された手法は、このようなトレードオフを解消する。更に、X線管の再設計が除外される。
ヒール効果補正フィルタの例示的な実施形態が、上記に詳細に説明されている。本組立体は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素と独立して且つ個別に用いることができる。
本発明を種々の特定の実施形態の観点から説明してきたが、当業者であれば、請求項の精神及び技術的範囲内の変更を行い本発明を実施することができることが理解されるであろう。
CTイメージングシステムの図。 図1に示すシステムの概略ブロック図。 X線の出力を示す図。 ターゲット角のヒール効果を示す図。 Z軸に沿った投射された焦点の高さの変動を示す図。 計算されたFWHM及びFWZMを示すグラフ。 計算されたFWHM、FWZM、及び適応フィルタ処理後の等価線束を示すグラフ。 ヒール効果の補正を低減する方法の概略ブロック図。
符号の説明
410 X線源を準備する段階
420 線源からX線を受け取るように位置付けられた複数の検出器横列を有するX線検出器を準備する段階
430 不均一であり且つz軸に沿ったターゲット角の関数である投影ノイズ及び空間分解能のうちの少なくとも1つの均一性を向上させるためにフィルタを用いる段階

Claims (7)

  1. 被検体(22)をスキャンするためのイメージングシステム(10)であって、
    X線源(14)と、
    前記線源からX線(16)を受け取るように位置付けられた複数の検出器横列(20)を有するX線検出器(18)と、
    前記X線源及び前記X線検出器に動作可能に接続されたコンピュータ(36)と、
    を備え、
    前記コンピュータは、不均一であり且つz軸に沿ったターゲット角の関数である空間分解能の均一性を向上させるフィルタ処理を行うように設定されていることを特徴とするシステム(10)。
  2. 前記フィルタf(z)が、
    及び、
    に従って決定される場合に、該フィルタは前記空間分解能の均一性を向上させるように構成されており、式中、t(z)は目的空間分解能関数であり、h(z)は投射された焦点の関数であり、d(z)は投射された検出器のアパーチャの関数である請求項に記載のシステム(10)。
  3. 前記フィルタは更に、ターゲット角(120)が中央検出器横列よりも小さい場合に前記空間分解能の均一性を向上させ、前記ターゲット角が前記中央検出器横列よりも大きい場合に前記投影ノイズの均一性を向上させるように構成されている請求項1に記載のシステム(10)。
  4. 前記フィルタは更に、前記ターゲット角(120)が中央検出器横列よりも小さい場合に前記空間分解能の均一性を向上させるように設定されており、前記フィルタf(z)は、
    及び、
    に従って決定される場合に、該フィルタは前記空間分解能の均一性を向上させるように構成されており、式中、t(z)は目的空間分解能関数であり、h(z)は投射された焦点の関数であり、d(z)は投射された検出器のアパーチャの関数である請求項に記載のシステム(10)。
  5. 前記X線源(14)が、陰極コイル(102)及びターゲット(104)を含むX線管を備え、
    前記ターゲットが、前記z軸の方向において、前記X線検出器(18)に対して傾斜した面を有する、請求項1乃至のいずれかに記載のシステム(10)。
  6. X線管のターゲット角のヒール効果を少なくとも部分的に補正するための、システム(10)によって実行可能なプログラムが符号化されたコンピュータ可読媒体(52)であって、
    前記システム(10)が、
    X線源(14)
    前記線源からX線(16)を受け取るように位置付けられた複数の検出器横列(20)を有するX線検出器(18)とを備え
    前記プログラムが、
    不均一であり且つz軸に沿ったターゲット角の関数である空間分解能の均一性を向上させるようフィルタを用いるよう前記コンピュータ(36)に命令するように構成されているコンピュータ可読媒体(52)。
  7. フィルタを用いる段階は、前記フィルタf(z)が、
    及び、
    に従って決定される場合に、前記空間分解能の均一性を向上させるように該フィルタを使用する段階を含み、式中、t(z)は目的空間分解能関数であり、h(z)は投射された焦点の関数であり、d(z)は投射された検出器のアパーチャの関数である、請求項に記載のコンピュータ可読媒体(52)。
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