JP4639143B2 - X線ct装置およびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、X線CT(computed tomography)装置およびその制御方法に関し、さらに詳しくは、心拍同期のヘリカルスキャン(helical scan)により被検体を撮像するX線CT装置およびその制御方法に関する。
X線CT装置で心臓を撮像する場合、心拍信号を収集しながらスキャンを行い、所望の心拍位相におけるハーフスキャン(half scan)分の投影データ(data)を用いて画像を再構成する。スキャンはヘリカルスキャンによって行われ、投影データの収集には多列X線検出器が用いられる。多列X線検出器を用いるX線CT装置は、MDCT(Multi Detector Row CT)とも呼ばれる。
MDCTによる心臓撮影では、連続する複数のスライス位置における断層像の心拍位相が全て同一となるように、また、隣り合うスライス位置間で投影データの欠落が生じないように、ヘリカルピッチは心拍に合わせて設定される(例えば、特許文献1参照)。
また、撮像の時間分解能を向上させるために、ハーフスキャン分の投影データを複数心拍に分けて収集することも行われる。そのようにして収集された投影データに基づく画像再構成は、マルチセクタ・リコンストラクション(Multi−Sector Reconstruction)とも呼ばれる。
特開2005−137390号公報
上記のようなヘリカルスキャンを行う場合、スキャンの途中で心拍が変化すると、ヘリカルピッチが心拍に適合しなくなるので、データの欠落等により品質の良い断層像が得られなくなる。
そこで、本発明の課題は、スキャン中の心拍変化に適応可能なX線CT装置およびその制御方法を実現することである。
上記の課題を解決するためのひとつの観点での発明は、心拍同期のヘリカルスキャンにより被検体の投影データを収集するデータ収集装置と、収集された投影データに基づいて画像を再構成する画像再構成装置と、それらデータ収集装置および画像再構成装置を制御する制御装置とを有するX線CT装置であって、前記制御装置は、ヘリカルスキャン中の心拍の変化に合わせてヘリカルピッチを変化させる第1の制御手段と、ヘリカルピッチの変化中に収集された投影データをも含む投影データに基づいて等間隔な複数のスライス位置における画像を再構成させる第2の制御手段と、を具備することを特徴とするX線CT装置である。
上記の課題を解決するための他の観点での発明は、心拍同期のヘリカルスキャンにより被検体の投影データを収集し、収集された投影データに基づいて画像を再構成するX線CT装置を制御する方法であって、ヘリカルスキャン中の心拍の変化に合わせてヘリカルピッチを変化させ、ヘリカルピッチの変化中に収集された投影データをも含む投影データに基づいて等間隔な複数のスライス位置における画像を再構成させる、ことを特徴とするX線CT装置の制御方法である。
前記ヘリカルピッチの変化は、ヘリカルスキャンの軸方向におけるX線焦点の相対的直線移動速度を変化させることによって行われることが、周方向と軸方向の2つの速度成分のうちの一方のみの制御でよい点で好ましい。
前記相対的直線移動速度の変化は、被検体を支持するテーブルの移動速度を変化させることによって行われることが、X線焦点の相対的直線移動速度の制御が容易な点で好ましい。
前記データ収集装置は、2次元の投影データを収集することが、等間隔な複数のスライス位置における画像の再構成を容易にする点で好ましい。
前記データ収集装置は、多列X線検出器を通じて投影データを収集することが、2次元の投影データが容易な点で好ましい。
上記各観点での発明では、ヘリカルスキャン中の心拍の変化に合わせてヘリカルピッチを変化させ、ヘリカルピッチの変化中に収集された投影データをも含む投影データに基づいて等間隔な複数のスライス位置における画像を再構成させるようにX線CT装置を制御するので、スキャン中の心拍変化に適応可能なX線CT装置およびその制御方法を実現することができる。
以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明は、発明を実施するための最良の形態に限定されるものではない。図1にX線CT装置の構成を模式的に示す。本装置は発明を実施するための最良の形態の一例である。本装置の構成によって、X線CT装置に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。本装置の動作によって、X線CT装置の制御方法に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。
図1に示すように、本装置は、ガントリ(gantry)100、テーブル(table)200、オペレータコンソール(operator console)300および心電計400を有する。ガントリ100は、テーブル200によって搬入される被検体10を、X線照射・検出装置110でスキャンして複数ビューの投影データを収集する。スキャンは、X線照射・検出装置110をガントリ100内で回転させることによって行われる。以下、X線照射・検出装置110の回転をガントリ100の回転ともいう。
ガントリ100で収集された投影データは、オペレータコンソール300に入力される。オペレータコンソール300には心電計400を通じて心拍信号も入力される。オペレータコンソール300はコンピュータ(computer)等のデータ処理装置を内蔵し、入力データおよび心拍信号をメモリ(memory)に記憶する。オペレータコンソール300は、それら投影データおよび心拍信号に基づいて画像再構成を行う。オペレータコンソール300は、本発明における画像再構成装置の一例である。
画像再構成は、所定の心拍位相におけるハーフスキャン分の投影データを用いて行われる。ハーフスキャン分の投影データは、1心拍で収集されたデータまたは複数心拍に分けて収集したデータである。再構成した画像はディスプレイ(display)302に表示される。
オペレータコンソール300は、また、ガントリ100とテーブル200を制御する。オペレータコンソール300による制御の下で、ガントリ100は所定の条件でスキャンを行い、テーブル200は所定の部位がスキャンされるように、撮像空間における被検体10の位置決めを行う。テーブル200の位置情報はオペレータコンソール300にフィーとバック(feed back)される。オペレータコンソール300は、本発明における制御装置の一例である。
被検体10の位置決めは、内蔵する位置調節機構により、天板202の高さおよび天板202上のクレードル(cradle)204の水平移動距離を調節するによって行われる。天板202の高さ調節は、支柱206をベース(base)208への取付部を中心としてスイング(swing)させるによって行われる。
クレードル204を停止させた状態でスキャンすることにより、アキシャルスキャン(axial scan)が行われる。クレードル204を連続的に移動させながらスキャンすることにより、ヘリカルスキャンが行われる。ガントリ100およびテーブル200は、本発明におけるデータ収集装置の一例である。
なお、ガントリ100がテーブル200に沿って直線移動可能な構造になっている場合は、クレードル204の代わりにガントリ100を直線移動させることによりヘリカルスキャンを行ってもよい。
要するに、ヘリカルスキャンの軸方向の直線移動は、ガントリ100とテーブル200間の相対的な移動であればよい。以下、クレードル204を移動させる例について説明するが、ガントリ100を移動させる場合も同様である。
図2に、X線照射・検出装置110の構成を模式的に示す。X線照射・検出装置110は、X線管130の焦点132から放射されたX線134をX線検出器150で検出するようになっている。
X線134は、図示しないコリメータ(collimator)で成形されてコーンビーム(cone beam)X線となっている。X線検出器150は、コーンビームX線の広がりに対応して2次元的に広がるX線入射面152を有する。X線入射面152は円筒の一部を構成するように湾曲している。円筒の中心軸は焦点132を通る。
X線照射・検出装置110は、撮像中心すなわちアイソセンタ(isocenter)Oを通る中心軸の周りを回転する。中心軸は、X線検出器150が形成する部分円筒の中心軸に平行である。
回転の中心軸の方向をz方向とし、アイソセンタOと焦点132を結ぶ方向をy方向とし、z方向およびy方向に垂直な方向をx方向とする。これらx,y,z軸はz軸を中心軸とする直角座標系の3軸となる。z軸はまたヘリカルスキャンの軸でもある。
図3に、X線検出器150のX線入射面152の平面図を模式的に示す。X線入射面152は検出セル(cell)154がx方向とz方向に2次元的に配置されたものとなっている。すなわち、X線入射面152は検出セル154の2次元アレイ(array)となっている。
個々の検出セル154はX線検出器150の検出チャンネル(channel)を構成する。これによって、X線検出器150は多チャンネルX線検出器となる。検出セル154は、例えばシンチレータ(scintillator)とフォトダイオード(photo diode)の組み合わせによって構成される。
このようなX線検出器150は、x方向をチャンネル方向とし、z方向を列方向として、多列X線検出器とも呼ばれる。チャンネル数は例えば1024、列数は例えば64である。X線検出器150が多列X線検出器であることにより、2次元の投影データを一挙に取得することができ、能率の良いスキャンを行うことができる。
図4に、ヘリカルピッチの概念を示す。図4は、ヘリカルスキャンの1回転により、X線焦点132がz軸方向に距離dだけ移動した状態を示す。距離dは、ガントリ100とテーブル200の間の相対的な直線移動距離である。ヘリカルピッチは、距離dをX線検出器150のz軸方向の幅Dで正規化したものとして与えられる。すなわち、ヘリカルピッチはd/Dで与えられる。
本装置の動作を説明する。図5に、本装置の動作のフローチャート(flow chart)を示す。図5に示すように、ステップ(step)501で、撮像条件入力を行う。撮像条件入力は、操作者によるオペレータコンソール300の操作によって行われる。これによって、管電圧、管電流、ガントリ回転速度、スキャン開始位置と終了位置、撮像の心拍位相、画像再構成条件等が入力される。
ステップ503で、心拍入力を行う。心拍は心電計400からの入力信号に基づいてディスプレイ302に表示されており、操作者はその表示にしたがって心拍を入力する。心拍は例えば心拍数で表される。なお、心拍は心拍周期で表すようにしてもよい。両者は互いに逆数の関係にある。以下、心拍数に着目して説明するが、心拍周期に着目する場合は逆数で考えればよい。
ステップ505で、ヘリカルピッチ設定を行う。ヘリカルピッチ設定は、心拍入力に連動してオペレータコンソール300によって自動的に行われる。オペレータコンソール300は、心拍と最適ヘリカルピッチの対応関係を予め記憶しており、それに基づいてヘリカルピッチを設定する。
心拍と最適ヘリカルピッチの対応関係は、例えば図6に示すようになる。このような対応関係は、過去の撮像実績からの帰納等によって定められる。図6の(a)はハーフスキャン分の投影データを1心拍で収集する場合であり、(b)はハーフスキャン分の投影データを2心拍に分けて収集する場合である。図6に示すように、最適ヘリカルピッチは、心拍が速くなるほど大きくなる。
同一心拍に対する最適ヘリカルピッチは、ガントリ回転速度によって異なる。このため、ガントリ回転速度をパラメータ(parameter)とする複数通りの対応関係がある。図6では、ガントリ回転速度を1回転当たりの回転時間で表す。このような関係が、数表あるいは数式としてメモリに記憶されている。
ステップ507で、ヘリカルスキャンを実行する。これによって、スキャン開始位置からヘリカルスキャンが開始され、投影データの収集が行われる。ヘリカルスキャンは息止め状態で行われる。
ヘリカルスキャンは最適ヘリカルピッチで行われる。すなわち、被検体10を載せたクレードル204の移動速度は最適ヘリカルピッチに相当する速度となるように制御される。本書では、クレードル204の移動速度をテーブル移動速度ともいう。クレードルが固定されていて、ガントリが移動する場合はガントリの移動速度となる。
ステップ509で、心拍計測を行う。心拍計測はヘリカルスキャンに並行して行われる。これによって、ヘリカルスキャン中の心拍の現在値が得られる。
ステップ511で、ヘリカルピッチは現在の心拍に最適か否かを判定する。判定には、図6に示した対応関係が利用される。
最適と判断したときは、ステップ513で、スキャンコンプリート(scan complete)か否かを判定する。ヘリカルスキャンがスキャン終了位置まで達したときにスキャンコンプリートとなるが、そうでないときはスキャンコンプリートでないと判定し、ステップ509に戻って心拍計測を行う。この間ヘリカルスキャンが続行される。
ヘリカルピッチが現在の心拍に最適であり、かつスキャンコンプリートでない間は、ステップ509−513の動作が繰り返される。これによって、当初設定のヘリカルピッチでのスキャンが継続される。
心拍はスキャン中に変化することがしばしばある。心拍が変化すると、当初設定のヘリカルピッチが最適でないものとなる。そのようなときは、ステップ511で、ヘリカルピッチは現在の心拍に最適でないと判定される。
この判定に基づいて、ステップ515で、ヘリカルピッチ変更を行う。ヘリカルピッチ変更は、図6に示した関係から、心拍の現在値に最適なヘリカルピッチを特定し、そのようなヘリカルピッチとなるように、テーブル速度を制御することによって行われる。
これによって、ヘリカルスキャンは、新たなヘリカルピッチでのスキャンとなる。ヘリカルピッチ変更はオペレータコンソール300による制御の下で行われる。ヘリカルピッチ変更を制御するオペレータコンソール300は、本発明における第1の制御手段の一例である。
ステップ509,511,515の動作ループは、高心拍になるほど短い時間間隔で繰り返すのがよい。そのようにすることにより、心拍変化への高速な対応が可能になる。
図7に、心拍の変化に対応したヘリカルピッチの変更の一例を示す。図7では、心拍の経時的な推移を実線のグラフ(graph)で表し、それに対応するヘリカルピッチの推移を破線のグラフで表す。
スキャンは息止めしている間に行われる。心拍は息止め開始とともに変化することが多い。ヘリカルピッチはそれに追従して変化する。投影データ収集は、このようなヘリカルピッチの変化中にも行われる。
このとき、ヘリカルピッチの増減に応じて、管電流を増減するようにしてもよい。これによって、ヘリカルピッチのいかんに関わらず被検体10のX線被曝量を一定にすることができる。ヘリカルピッチが大きいほどより大きな管電流を与える必要があるためである。
ヘリカルスキャンがスキャン終了位置に達すると、ステップ513でスキャンコンプリートと判定し、ステップ517で、等間隔画像再構成を行う。等間隔画像再構成は、ステップ501で入力された画像再構成条件に基づいて行われる。
等間隔画像再構成は、ヘリカルピッチの変化中に収集された投影データをも用いて行われる。ヘリカルピッチの変化中に収集された投影データをも用いた等間隔画像再構成には、特開2005−40582号公報によって公知なバリアブルピッチ・リコンストラクション(variable pitch reconstruction)の技法が用いられる。
この技法の要点は、テーブルの加減速によってヘリカルピッチが連続的に変化するときでも、テーブル位置座標の各瞬時値に基づいて、等間隔に設定された複数の画像再構成位置におけるX線透過方向をそれぞれ求め、それに合致する投影データを用いて画像再構成を行うことにある。
図8は、画像再構成の主要部をなす3次元逆投影処理の詳細を示すフローチャートである。
画像再構成される画像はz軸に垂直なxy平面に3次元画像再構成される。以下の再構成領域Pはxy平面に平行なものとする。
ステップS61では、断層像の画像再構成に必要な全ビュー(すなわち、例えばハーフスキャン分のビュー)中の一つのビューに着目し、再構成領域Pの各画素に対応する投影データDrを抽出する。
図9(a),図9(b)に示すように、xy平面に平行な512×512画素の正方形の領域を再構成領域Pとし、y=0のx軸に平行な画素列L0,y=63の画素列L63,y=127の画素列L127,y=191の画素列L191,y=255の画素列L255,y=319の画素列L319,y=383の画素列L383,y=447の画素列L447,y=511の画素列L511を列にとると、これらの画素列L0〜L511をX線透過方向に多列X線検出器150の面に投影した図10に示す如きラインT0〜T511上の投影データを抽出すれば、それらが画素列L0〜L511の投影データDr(view,x,y)となる。ただし、x,yは断層像の各画素(x,y)に対応する。
X線透過方向は、X線管130のX線焦点と各画素と多列X線検出器150との幾何学的位置によって決まるが、X線検出器データD0(view,j,i)のz座標z(view)がテーブル直線移動z方向位置Ztable(view)としてX線検出器データに添付されて判っているため、加速・減速中のX線検出器データD0(view,j,i)でもX線焦点、多列X線検出器のデータ収集幾何学系の中において、X線透過方向を正確に求めることができる。
なお、例えば画素列L0をX線透過方向に多列X線検出器150の面に投影したラインT0のように、ラインの一部が多列X線検出器150のチャネル方向の外に出た場合は、対応する投影データDr(view,x,y)を「0」にする。また、z方向の外に出た場合は投影データDr(view,x,y)を補外して求める。
このように、図11に示すように、再構成領域Pの各画素に対応する投影データDr(view,x,y)を抽出できる。
図8に戻り、ステップS62では、投影データDr(view,x,y)にコーンビーム再構成加重係数を乗算し、図12に示す如き投影データD2(view,x,y)を作成する。
ここで、コーンビーム再構成加重係数w(i,j)は以下の通りである。ファンビーム画像再構成の場合は、一般に、view=βaでX線管130の焦点と再構成領域P上(xy平面上)の画素g(x,y)とを結ぶ直線がX線ビームの中心軸Bcに対してなす角度をγとし、その対向ビューをview=βbとするとき、以下のようになる。
Figure 0004639143
再構成領域P上の画素g(x,y)を通るX線ビームとその対向X線ビームが再構成平面Pとなす角度を、αa,αbとすると、これらに依存したコーンビーム再構成加重係数ωa,ωbを掛けて加算し、逆投影画素データD2(0,x,y)を求める。この場合、以下のようになる。
Figure 0004639143
なお、コーンビーム再構成加重係数の対向ビーム同士の和は、以下のようになる。
Figure 0004639143
コーンビーム再構成加重係数ωa,ωbを掛けて加算することにより、コーン角アーチファクトを低減することができる。
例えば、コーンビーム再構成加重係数ωa,ωbは、次式により求めたものを用いることができる。なお、gaはビューβaの加重係数、gbはビューβbの加重係数である。
ファンビーム角の1/2をγmaxとするとき、以下のようになる。
Figure 0004639143
例えば、ga,gbの1例として、max[ ]を値の大きい方を採る関数とすると、以下のようになる。
Figure 0004639143
また、ファンビーム画像再構成の場合は、更に距離係数を再構成領域P上の各画素に乗算する。距離係数はX線管130の焦点から投影データDrに対応する多列X線検出器150の検出器列j,チャネルiまでの距離をr0とし、X線管130の焦点から投影データDrに対応する再構成領域P上の画素までの距離をr1とするとき、(r1/r0)2である。
ステップS63では、図13に示すように、予めクリアしておいた逆投影データD3(x,y)に、投影データD2(view,x,y)を画素対応に加算する。
ステップS64では、断層像の画像再構成に必要な全ビュー(すなわち、例えばハーフスキャン分のビュー)について、ステップS61〜S63を繰り返し、図13に示すように、逆投影データD3(x,y)を得る。
このように、2次元投影データを用いた3次元逆投影を行うことにより、スキャン中のヘリカルピッチの変化に無関係に、等間隔な複数の再構成画像を得ることができる。また、ヘリカルピッチが心拍の変化に追従して動的に最適化されているので、複数の画像の心拍位相は全て同一となり、しかも、データの欠落がない。
等間隔画像再構成はオペレータコンソール300による制御の下で行われる。等間隔画像再構成を制御するオペレータコンソール300は、本発明における第2の制御手段の一例である。
本装置において、ヘリカルピッチの変化は、ヘリカルスキャンの軸方向におけるX線焦点の相対的直線移動速度を変化させることによって行われるので、ヘリカルスキャンの周方向と軸方向の2つの速度成分のうちの一方のみの制御でよい。
相対的直線移動速度の変化は、被検体を支持するテーブルの移動速度を変化させることによって行われるので、X線焦点の相対的直線移動速度の制御が容易である。
発明を実施するための最良の形態の一例のX線CT装置の構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態の一例のX線CT装置におけるX線照射・検出装置の構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態の一例のX線CT装置におけるX線検出器のX線入射面の構成を示す図である。 ヘリカルピッチの概念を示す図である。 発明を実施するための最良の形態の一例のX線CT装置の動作の一例を示すフローチャートである。 心拍と最適ヘリカルピッチの対応関係を示すフローチャートである。 心拍の変化に対応したヘリカルピッチの変更の一例を示す図である。 画像再構成の主要部をなす3次元逆投影処理のフローチャートである。 画像再構成領域とそれを透過するX線との幾何学的関係を示す図である。 X線検出器のX線入射面に投影された画像再構成領域を示す図である。 画像再構成領域におけるデータDrの配置を示す図である。 画像再構成領域におけるデータD2の配置を示す図である。 画像再構成領域におけるデータD2の加算を示す図である。
符号の説明
10 : 被検体
100 : ガントリ
110 : X線照射・検出装置
130 : X線管
132 : 焦点
134 : X線
150 : X線検出器
152 : X線入射面
154 : 検出セル
200 : テーブル
202 : 天板
204 : クレードル
206 : 支柱
300 : オペレータコンソール
302 : ディスプレイ
400 : 心電計

Claims (8)

  1. 心拍同期のヘリカルスキャンにより被検体の投影データを収集するデータ収集装置と、収集された投影データに基づいて画像を再構成する画像再構成装置と、それらデータ収集装置および画像再構成装置を制御する制御装置とを有するX線CT装置であって、
    前記制御装置は、
    ヘリカルスキャンに並行して計測される被検体の心拍が変化したことにより、予め記憶された心拍の範囲と最適な一つのヘリカルピッチとの対応関係に基づいて設定された現在のヘリカルピッチが、当該関係を満たさなくなった場合に、現在のヘリカルピッチが最適でないと判定する手段と、
    前記判定より現在のヘリカルピッチが最適でないと判断された場合に、前記心拍が変化したことによる現在の心拍が前記予め記憶された心拍の範囲と最適な一つのヘリカルピッチとの対応関係を満たすように、前記ヘリカルスキャン中にヘリカルピッチを変化させる第1の制御手段と、
    ヘリカルピッチの変化中に収集された投影データをも含む投影データに基づいて等間隔な複数のスライス位置における画像を再構成させる第2の制御手段と、
    を具備することを特徴とするX線CT装置。
  2. 前記ヘリカルピッチの変化は、ヘリカルスキャンの軸方向におけるX線焦点の相対的直線移動速度を変化させることによって行われる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
  3. 前記相対的直線移動速度の変化は、被検体を支持するテーブルの移動速度を変化させることによって行われる、
    ことを特徴とする請求項2に記載のX線CT装置。
  4. 前記データ収集装置は、2次元の投影データを収集する、
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載のX線CT装置。
  5. 前記データ収集装置は、多列X線検出器を通じて投影データを収集する、
    ことを特徴とする請求項4に記載のX線CT装置。
  6. 心拍同期のヘリカルスキャンにより被検体の投影データを収集し、収集された投影データに基づいて画像を再構成するX線CT装置を制御する方法であって、
    ヘリカルスキャンに並行して計測される被検体の心拍が変化したことにより、予め記憶された心拍の範囲と最適な一つのヘリカルピッチとの対応関係に基づいて設定された現在のヘリカルピッチが、当該関係を満たさなくなった場合に、現在のヘリカルピッチが最適でないと判定し、
    前記判定より現在のヘリカルピッチが最適でないと判断された場合に、前記心拍が変化したことによる現在の心拍が前記予め記憶された心拍の範囲と最適な一つのヘリカルピッチとの対応関係を満たすように、前記ヘリカルスキャン中にヘリカルピッチを変化させ、
    ヘリカルピッチの変化中に収集された投影データをも含む投影データに基づいて等間隔な複数のスライス位置における画像を再構成させる、
    ことを特徴とするX線CT装置の制御方法。
  7. 前記ヘリカルピッチの変化は、ヘリカルスキャンの軸方向におけるX線焦点の相対的直線移動速度を変化させることによって行われる、
    ことを特徴とする請求項6に記載のX線CT装置の制御方法。
  8. 前記相対的直線移動速度の変化は、被検体を支持するテーブルの移動速度を変化させることによって行われる、
    ことを特徴とする請求項7に記載のX線CT装置の制御方法。
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