JP4663150B2 - 関心領域マルチ・スライスｃｔ走査の方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には、ＣＴ撮像の方法及び装置に関し、より具体的には、計算機式断層撮影（ＣＴ）撮像の走査時に患者に照射されるＸ線量を減少させる方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
少なくとも一つの公知の計算機式断層撮影（ＣＴ）イメージング・システム構成においては、Ｘ線源がファン（扇形）形状のビームを投射し、このビームは、デカルト座標系のＸＹ平面であって、一般に「イメージング（撮像）平面」と呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。Ｘ線ビームは患者等の被撮像物体を通過する。ビームは物体によって減弱された後に放射線検出器の配列（アレイ）に入射する。検出器アレイで受け取られる減弱したビーム放射線の強度は、物体によるＸ線ビームの減弱量に依存している。アレイ内の各々の検出器素子が、検出器の位置でのビーム減弱の測定値である別個の電気信号を発生する。すべての検出器からの減弱測定値を別個に取得して透過プロファイルを形成する。
【０００３】
公知の第３世代ＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器アレイは、Ｘ線ビームが物体と交差する角度が定常的に変化するように撮像平面内で被撮像物体の周りをガントリと共に回転する。一つのガントリ角度での検出器アレイからの一群のＸ線減弱測定値すなわち投影データを「ビュー」と呼ぶ。物体の「走査（スキャン）」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すなわちビュー角度において形成される一組のビューで構成される。アキシャル・スキャン（軸方向走査）の場合には、投影データを処理して、物体を通して得られる２次元スライスに対応する画像を構成する。一組の投影データから画像を再構成する一つの方法は、当業界でフィルタ補正逆投影法と呼ばれている。この手法は、走査からの減弱測定値を「ＣＴ数」又は「ハンスフィールド(Hounsfield)単位」と呼ばれる整数へ変換し、これらの整数を用いて陰極線管表示器上の対応するピクセルの輝度を制御するものである。
【０００４】
近年、放射線学者の間ではＣＴ検査時に患者に照射されるＸ線量を減少させることに対する関心が高まっている。例えば欧州では、患者及び操作者が過剰なＸ線照射にさらされる危険性を防止するための厳格な指針が制定されている。ＣＴ撮像が新たに利用されるようになってから、患者へのＸ線照射を制限することへの関心が高まっている。例えば心臓スクリーニングＣＴの場合には、冠状動脈の石灰沈着を検出するために無症候の患者に定期的ＣＴ走査を受けさせる。この形式及びその他の形式のスクリーニング検査では、患者に照射されるＸ線量を最小限に保たなければならない。
【０００５】
従って、ＣＴ撮像走査時に患者が受けるＸ線量を減少させる方法及び装置を提供すると望ましい。より具体的には、心臓のように比較的小さな器官が走査される「関心のある器官（ＯＯＩ）」である場合には常に、ＯＯＩの外部の領域へのＸ線量を最小化すると望ましい。
【０００６】
【発明の概要】
従って、一実施形態では、マルチ・スライス計算機式断層撮影（ＣＴ）イメージング・システムによって物体の関心領域を走査する方法であって、走査時に物体が受ける放射線量を減少させる方法が提供される。この方法は、ＣＴイメージング・システムの放射線ビームを少なくとも第一の領域と第二の領域とを有するファン形状放射線ビームにコリメートする工程であって、第一の領域が第二の領域よりも小さい角度範囲を有するようにする工程と、コリメートされた放射線ビームによって関心領域（ＲＯＩ）を有する物体を走査する工程と、走査時に収集された減弱測定値を用いて物体の画像を再構成する工程とを含んでおり、再構成では、放射線ビームの第二の領域を用いて収集された減弱測定値を利用して、コリメーションによって遮断されたＲＯＩの外部の物体の部分からの投影データを推定する。
【０００７】
上述の実施形態によって、ＣＴ撮像走査時に患者が受けるＸ線量が減少する。心臓のように比較的小さな器官が走査される関心のある器官（ＯＯＩ）となる場合には常に、ＯＯＩの外部でのＸ線量が最小化される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２には、計算機式断層撮影（ＣＴ）イメージング・システム１０が、「第３世代」ＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２はＸ線源１４を有しており、Ｘ線源１４は、Ｘ線ビーム１６をガントリ１２の対向する側に設けられている検出器アレイ１８に向かって投射する。検出器アレイ１８は検出器素子２０によって形成されており、検出器素子２０は一括で、物体２２、例えば患者を通過する投射Ｘ線を感知する。検出器アレイ１８はシングル・スライス構成で作製されていてもよいし、又はマルチ・スライス構成で作製されていてもよい。各々の検出器素子２０は、入射Ｘ線ビームの強度を表わし、従って患者２２を通過する際のビームの減弱を表わす電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得するための１回の走査の間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成部品は、回転中心２４の周りを回転する。
【０００９】
ガントリ１２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によって制御されている。制御機構２６は、Ｘ線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、Ｘ線制御器２８はＸ線源１４に電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２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、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化された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。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、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。
【００１０】
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を介して操作者からコマンド（命令）及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給したコマンド及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、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。加えて、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・モータ制御器４４を動作させて、患者２２をガントリ１２内で配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。
【００１１】
幾つかの形式の検査では、物体２２内部の関心領域（ＲＯＩ）に主に関心が向けられる。物体２２が患者であって、ＲＯＩが比較的小さな関心のある器官（ＯＯＩ）である場合には、ＯＯＩの外部への患者線量を最小化すると特に望ましい。ＯＯＩの外部の投影値は主として断層像の再構成に有用であるので、高速強度減衰再構成フィルタ・カーネルを用いてＯＯＩの内部の優れた画像を形成するためには、これら外部の投影値は極めて正確である必要はないことが分かっている。人体の解剖学的構造は、患者軸に沿って数ミリメートルの範囲では大きな変化がないので、マルチ・スライス・スキャナの投影は行から行にかけて急激に変化する訳ではない。従って、一実施形態では、ＯＯＩの外部では複数の行のうち一つの行で収集された投影情報を用いて、他の行での投影値を推定する。患者は、ＯＯＩの内部の領域についてはすべての行で完全に照射される。ＯＯＩの内部の領域については、検出器全体のうちの小部分のみがＸ線で照射されるに留まる。
【００１２】
図３を参照して例示的な一実施形態について述べると、患者２２をＯＯＩの外部で照射する放射線ビーム１６の領域はプリ−ペイシェント(pre-patient) コリメータ５２によって制限されている。本実施形態でのコリメータ５２は、Ｘ線源１４及びコリメータ５２が共にガントリ１２上で回転するようにＸ線源１４に対して固定した位置で支持されている遮蔽体である。但し、他の実施形態では、調節自在型コリメータ５２を用いる。さらに他の実施形態では、コリメータ５２は放射線ビーム１６の経路から物理的に着脱自在なものとする。
【００１３】
コリメータ５２は、放射線ビーム１６のうち第一の比較的厚みのあるコリメート後の領域５６がＯＯＩを包摂するように構成される。（ここで用いる場合には「厚みのある」とはｚ軸寸法を参照している。）コリメータ５２はまた、一実施形態では、検出器１８の複数の行５４のうち１行のみを照射する厚みを有する放射線ビーム１６の第二の比較的厚みのない領域５８を形成する。表現方式を変えて述べると、ファン形状の第一の領域５６は、角度範囲２γを有するファン形状の第二の領域５８よりも小さい角度範囲２γ₀ を有する。（係数２はここでは、後述する幾つかの方程式を単純化するために導入している。）
放射線ビーム１６のコリメーションが走査時に検出器１８に及ぼす効果は、図４を参照するとさらに分かりやすい。（図４には検出器１８の彎曲は示されていない。）放射線ビーム１６の第一の領域５６は、患者２２のＯＯＩ、及び検出器１８の領域６０内の検出器素子２０に入射する。（図４には個々の検出器素子２０は示されていない。）第二の領域５８は、患者２２のＯＯＩの外部の相対的に幅広の部分に入射する。この相対的に幅広の領域からの減弱測定値には、検出器１８の翼形状領域６２及び６４の検出器素子２０からの測定値が含まれる。領域６６は、放射線ビーム１６から、存在するとしても僅かな放射線しか受けない。但し、一実施形態では、領域６６内の少なくとも幾つかの検出器素子２０が放射線ビーム１６の半影から低強度を有する放射線を受ける。単純にするために、ここでの議論及び特許請求の範囲では、放射線ビームのコリメータ「範囲」を測定する際に半影を無視する慣例に従う。従って、放射線ビーム１６の半影は、コリメータが制限するビームのエッジの外部にあるものと考える。
【００１４】
例示的な一実施形態では、検出器１８は８つの行５４（図４には示されていない）を有する８スライス検出器である。領域６２及び６４はそれぞれｚ軸方向に１検出器行５４分の厚みを有する。例示的なもう一つの実施形態では、領域６２及び６４は、ｚ軸方向に１検出器行５４分よりも小さい厚みを有する。図示及び記載とは異なる厚み及び／又は形状の領域６０、６２及び６４を形成するコリメート後の放射線ビームを有する実施形態もある。但し、各々の実施形態において、放射線ビーム１６をコリメートして少なくとも２つの領域５６及び５８を有するファン形状ビームとし、第一の領域が第二の領域よりも小さい角度範囲を有するようにして、ＲＯＩの外部では物体２２の一部のみが放射線照射を受けるようにする。
【００１５】
例示的な一実施形態を取り上げて詳細に考察する。Ｐ（γ，ｋ）は、検出器角度γ及び検出器行ｋについて走査時に検出器１８によって検出される投影データを表わすものとする。検出器行５４の第ｎ検出器行のみがＸ線で完全に照射されて全投影を与える。ＯＯＩの境界に対応する検出器角度をγ₀ と表わすと、全ＯＯＩ領域は（−γ₀ ，γ₀ ）と表わされる。領域５６の角度範囲は、ＯＯＩを見込む角度によって実質的に制限され、領域５８は検出器１８の角度範囲に等しいかこれよりも大きい角度範囲を有する。
【００１６】
イメージング・システム１０によって物体２２を走査して、検出器１８によって減弱データを収集する。検出器行ｋ（ｋ≠ｎ）についての投影データは、下記の方程式によって決定される。
【００１７】
−γ₀＋δ≦γ≦γ₀−δの場合には、
Ｐ（γ，ｋ）＝Ｐ（γ，ｋ）
その他の場合には、
Ｐ（γ，ｋ）＝θ（γ）Ｐ（γ，ｋ）＋［１−θ（γ）］Ｐ（γ，ｎ）
だり、ここで、
θ（γ）＝３ｗ²（γ）−２ｗ³（γ）
であり、また
−γ₀≦γ＜−γ₀＋δの場合には、
ｗ（γ）＝（γ＋γ₀）／δ
−γ₀＋δ≦γ＜γ₀−δの場合には、
ｗ（γ）＝１
γ₀−δ≦γ＜γ₀の場合には、
ｗ（γ）＝（γ₀−γ）／δ
その他の場合には、
ｗ（γ）＝０
であり、さらに、δは移行領域の幅を画定するパラメータである。
【００１８】
この方程式は、一つの行ｎについての投影データを用いて、ＯＯＩの外部のその他の行についての投影データを置き換える。得られる「フェザリング（feathering）及び「ブレンディング（blending）」によって、投影置換時に遭遇する不連続性が主に除去される。他の実施形態では、他の手法を用いて二つの信号をブレンドする。
【００１９】
上の方程式に基づくと、ＯＯＩの外部の投影は、ｎ以外の検出器行についてはゼロの加重関数が与えられる。従って、これらの投影サンプルは最終的な再構成画像には寄与しない。一実施形態では、これらの投影サンプルをデータ収集から除外する。
【００２０】
放射線ビーム１６の半影からの減弱測定値は、物体２２の撮像に利用できる幾分かの情報を提供する。収集したすべての情報を活用することが望ましい。従って、一実施形態では、すべての検出器行からのデータを加算して（対数演算後に）、この和をＯＯＩの外部の投影の推定の基礎として用いる。
【００２１】
本発明の手法及び装置によって、患者へのＸ線量の相当な減少が実現する。例えば、心臓の研究において、患者の心臓の大部分は２５ｃｍ視野（ＦＯＶ）の内部に容易に納まる。５０ｃｍＦＯＶのスキャナの場合には、患者の心臓の走査は検出器セルのうち約５８％を用いる。８スライス・スキャナについては、ＯＯＩの外部では１つの検出器行のみを照射用に選択すると（事実、１つの検出器行の端数分の照射しか必要でない）、追加照射されるＸ線領域は全検出器チャネルの５％に過ぎない。従って、領域５８が２５ｃｍＦＯＶと本質的に同じ拡がりの角度範囲を有するような実施形態では、全線量の減少量は、近似的に１．００−０．５８−０．０５＝０．３７すなわち３７％となる。
【００２２】
本発明の方法及び装置を検証するために、３：１ピッチを有するヘリカル・スキャン・モードでショルダー・ファントムを走査した。ショルダー・ファントムは、再構成を行ないたい中心領域の外部に最も稠密な骨が存在しているので、「最悪の例」の条件を代表するものとして選択された。この実験では、δは２０チャネル幅とした。３０ｃｍＦＯＶの外部ではすべての行についての投影（但し、検出器の中心に隣接する１行を除く）を切り捨てた。次いで、式１を適用して全投影を生成した。次いで、画像を再構成した。比較のために、ＣＴイメージング・システムの全ＦＯＶ（このシステムの場合には５４．７°）を利用した画像、及び３０ｃｍＦＯＶを利用したが切り捨てを行なわない画像の二つの他の画像を形成した。目視では、式１を適用して切り捨てを行なった画像と他の二つの画像との間には画像の差は観察されなかった。３０ｃｍＦＯＶについて、イメージング・システムの全ＦＯＶを利用した画像及び切り捨てを行なった画像から差画像を形成した。この差画像は可視構造を全く示さなかった。
【００２３】
以上に述べた実施形態では、第一のビーム領域５６は、完全走査される領域６０がイソセンタ２４に関して対称となるようにコリメートされた。すなわち、選択された領域は−γ₀ ＜γ＜γ₀ であった。他の実施形態では、第一のビーム領域５６を非対称に走査するので、完全走査される領域６０は非対称となる。例えば、第一のビームが−γ₁ ＜γ＜γ₀ としてコリメートされ、ここでγ₁ ≠γ₀ とする。このアプローチの利点は、二つの境界が整列しないので移行領域の影響が最小限に留まることである。
【００２４】
もう一つの実施形態では、第二の領域５８をコリメートして、図５に示すように、翼６２及び６４の両方ではなく一つの側翼６２又は６４のみを有するようにする。少なくとも３６０°の走査を行なって、一つの側翼、例えば側翼６２からの投影データを画像再構成に用いて、欠落している側翼、例えば側翼６４からの情報を埋める。
【００２５】
さらに他の実施形態では、ＲＯＩについてはＲＯＩの外部の領域よりも厚みのある領域を走査するようなシングル・スライス・スキャナに本発明を適用する。図３及び図４を再び参照して一実施形態について述べると、検出器１８はｚ軸方向に一つの検出器行のみを有する。ビーム１６は相対的に厚い第一の領域５６と、相対的に薄い第二の領域５８とを有するようにコリメートされる。走査時には、ＲＯＩは相対的に厚い第一の領域５６において走査される。他の実施形態では、テーブル４６を走査の間で番号付けしながら複数回の走査を行なって、ＲＯＩの画像の複数の画像を再構成する投影データを取得する。但し、これら複数回の走査のうち何回かの走査は、縮小した角度範囲を有するように放射線ビームをコリメートして行なう。縮小した角度範囲は例えば、ＲＯＩと同じ拡がりを有するものとする。放射線ビームの全角度を用いて１回以上の走査時に取得されたデータを利用して、縮小した角度範囲の放射線ビームを用いて行なわれた走査で欠落した情報を供給する。
【００２６】
本発明の様々な実施形態についての以上の説明から、ＯＯＩを走査する際に、画質を殆ど犠牲にせずに患者への放射線量の減少が達成されることは明らかである。本発明の具体的な実施形態を詳細に記載し図解したが、これらの記載及び図解は説明及び例示のみのためのものであって、限定のためのものであると解釈すべきでないことを明瞭に理解されたい。加えて、ここに記載したＣＴシステムは、Ｘ線源及び検出器の両方がガントリと共に回転する「第３世代」システムである。個々の検出器素子を補正して所与の放射線ビームに対して実質的に一様の応答を与えるようにすれば、検出器がフル・リング型の静止式検出器であってＸ線源のみがガントリと共に回転するような「第４世代」システムを含めたその他の多くのＣＴシステムを用いてよい。さらに、ここに記載したシステムはアキシャル・スキャンを行なっているが、本発明をヘリカル・スキャンを行なうシステムに用いてもよい。従って、本発明の要旨及び範囲は、特許請求の範囲及び法的な同等物によってのみ制限されるものとする。
【００２７】
様々な特定の実施形態によって本発明を説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲及び要旨の範囲内で改変を施して本発明を実施し得ることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴイメージング・システムの見取り図である。
【図２】図１に示すシステムのブロック図である。
【図３】図１及び図２のＸ線源、Ｘ線ビーム及び検出器の単純化された略図であって、マルチ・スライス検出器及びプリ−ペイシェントＸ線コリメータを示す略図である。
【図４】図３のコリメート後のＸ線ビームを用いた検出器の部分的照射を示す略図である。
【図５】一つの側翼のみを有するコリメート後のＸ線ビームを用いた検出器の部分的照射を示す略図である。
【符号の説明】
１０ ＣＴシステム
１２ ガントリ
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線ビーム
１８ 検出器アレイ
２０ 検出器素子
２２ 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
２８ Ｘ線制御装置
３０ ガントリ・モータ制御装置
３２ データ取得システム（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 コンソール
４２ 陰極線管表示装置
４４ テーブル・モータ制御装置
４６ モータ式テーブル
４８ ガントリ開口
５２ プリ−ペイシェント・コリメータ
５４ 検出器行
５６ 比較的厚みのある第一の領域
５８ 比較的厚みのない第二の領域
６０ 第一の領域の入射領域
６２、６４ 翼形状領域
６６ 放射線を受けない領域

Claims (3)

1. 放射線ビーム（１６）を発生する放射線源（１４）と、走査時に撮像される物体（２２）を通過した前記放射線ビームの減弱測定値を収集するように構成されている検出器（１８）とを有し、走査時に単一スライスの投影データを取得するように構成されている計算機式断層撮影（ＣＴ）イメージング・システム（１０）において、関心領域走査（ＲＯＩＳ）時の放射線量を減少させる方法であって、前記放射線ビームが相対的に厚い第一の領域（５６）と相対的に薄い第二の領域（５８）とを有するように前記放射線ビームをコリメートする工程と、物体の関心領域（ＲＯＩ）が前記放射線ビームの前記第一の領域において走査されるように、前記コリメートされた放射線ビームにより関心領域（ＲＯＩ）を有する物体を走査する工程と、該走査時に収集された前記減弱測定値を用いて前記物体の画像を再構成する工程と、を含んでいる方法。
2. 走査時に単一スライスの投影データを取得するように構成されており、可動式テーブル（４６）と、放射線ビーム（１６）を発生する放射線源（１４）と、走査時に撮像される物体（２２）を通過した前記放射線ビームの減弱測定値を収集するように構成されている検出器（１８）とを有する計算機式断層撮影（ＣＴ）イメージング・システム（１０）において、関心領域走査（ＲＯＩＳ）時の放射線量を減少させる方法であって、前記テーブルに載置されている物体を複数回にわたって走査する工程であって、前記物体は関心領域（ＲＯＩ）を有しており、前記走査のうち何回かは、縮小した角度範囲を有するように前記放射線ビームをコリメートしている間に行なわれ、少なくとも１回の走査は前記放射線ビームの全角度範囲を用いて行なわれる、走査する工程と、走査の間で前記テーブルに番号付けする工程と、前記放射線ビームの縮小した角度範囲を用いて行なわれた前記走査において欠落した情報を供給するために、前記放射線ビームの全範囲を用いて行なわれた前記少なくとも１回の走査時に取得されたデータを用いて、前記物体の画像を再構成する工程と、を含んでいる方法。
3. 走査時に単一スライスの投影データを取得するように構成されており、放射線ビーム（１６）を発生するように構成されている放射線源（１４）と、走査時に撮像される物体（２２）を通過した前記放射線ビームの減弱測定値を収集するように構成されている検出器（１８）とを備えており、関心領域走査（ＲＯＩＳ）時に放射線量を減少させる計算機式断層撮影（ＣＴ）イメージング・システム（１０）であって、また、前記放射線ビームが相対的に厚い第一の領域（５６）と相対的に薄い第二の領域（５８）とを有するように前記放射線ビームをコリメートし、物体の関心領域（ＲＯＩ）が前記放射線ビームの前記第一の領域において走査されるように、前記コリメートされた放射線ビームにより関心領域を有する物体を走査し、該走査時に収集された前記減弱測定値を用いて前記物体の画像を再構成するように構成されている計算機式断層撮影（ＣＴ）イメージング・システム（１０）。

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