JP4745551B2 - 造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成するための方法及びデバイス - Google Patents
造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成するための方法及びデバイス Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、造影剤に覆われた被検体の３次元画像の再構成に関する。
【０００２】
検査中の患者の内部構造の再構成、特に血管造影画像の再構成（すなわち、造影剤の注入により不透明にした脈管構造の画像の取得）を実施しているような医療分野において、本発明の応用は特に重要である。
【０００３】
【発明の背景】
しかしながら、本発明は、その他の分野、とりわけ、医学的検査と同じタイプの検査が実行される非破壊的工業制御の分野にも応用できる。
【０００４】
医療分野では、被検体（例えば、患者の頭部）の２次元投影画像は、一般に、Ｘ線カメラを被検体の周りに回転させることにより取得している。Ｘ線イメージングでの再構成アルゴリズムには本質的に２つのタイプがある。第１のタイプでは、逆投影及びフィルタ処理による計算や、さらには数次元でのフーリエ変換再構成を規定している。第２のタイプは、代数法とも呼ばれ、反復再構成法に関するものである。こうした代数的アルゴリズムの原理は、例えば、フランス特許出願第８９０３６０６号、同第８９１６９０６号または同第９８０７３７１号に開示されており、これらの出願には、多重分解能ボリュームに対する画像の代数的再構成での反復アルゴリズムの応用について記載されている。
【０００５】
要約して言えば、装置較正を使用して基本的ボリューム要素（すなわち、ボクセル）に分解された観察ボリュームの収集画像の投影面における投影パラメータ（これらの較正パラメータにより投影マトリックスが形成される）を決定した後、代数的画像再構成アルゴリズムを使用してこれらの２次元投影画像から３次元ボリュームを再構成させる。このアルゴリズムの基本原理は、ボリュームの各ボクセルを所定の初期値（例えば、ゼロ値）に初期化すること、並びに、仮想画像を取得するために収集した各画像の面にボクセルを投影する演算、投影ボリューム（仮想画像）と対応する収集画像との差を決定する演算、さらにボリュームのこの差の逆投影演算という３つの演算を多数回反復することである。多数回反復した後、Ｘ線撮影した血管内に注入された造影剤の密度を表す推定値が各ボクセルがごとに取得され、これによりこれらＸ線撮影した血管の地図を３次元で視覚化することが可能となる。
【０００６】
これらの３次元画像は、診断のためであるか、治療処置計画のためであるか、あるいは検査対象の形状及び大きさの評価のためであるかを問わず、神経科医や外科医に対して貴重な支援となる。
【０００７】
一方、こうして再構成したボリューム画像は１つの大きな欠点を有する。現実に、こうした画像では、３次元画像を再構成させる元になる収集２次元画像がほとんど静止状態の造影剤に対して収集されたものであるため、動脈に注入される造影剤の伝播を視覚化することができない。実際に、造影剤がほとんど静止の特性であるため本明細書において「静止(static)」という語を先頭に付けて記載するような３次元画像の再構成では、むしろ、同じ程度の造影剤伝播に対応する画像の組を取得することが追求される。
【０００８】
その結果、こうした再構成では、単に３次元情報及び血流情報（造影剤の伝播）によっては患者の脈管系を解析することができない。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の実施の一形態は、上述した静止３次元画像とは異なり、本明細書において「ダイナミック」と記載するような、被検体内の造影剤伝播を３次元で視覚化することが可能な３次元画像の再構成を対象とする。
【００１０】
本発明の実施の一形態は、造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成する方法であって、［ａ］被検体の周りの異なるイメージング位置に対してそれぞれ取得される、被検体の２次元ディジタル化投影画像の第１の組から被検体の静止３次元画像を再構成（すなわち、再形成）するステップと、［ｂ］同じイメージング位置に対してｎ回の連続する造影剤伝播時刻においてそれぞれ取得される、ｎ個の静止２次元投影画像からなる少なくとも第２の組を収集するステップと、［ｃ］第２の組の静止２次元画像の各々と再構成（すなわち、再形成）した静止３次元画像とから、被検体のダイナミック３次元画像を再構成するステップと、を含む方法を対象とする。
【００１１】
本発明はまた、造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成させるためのデバイスであって、［ａ］被検体の周りの異なるイメージング位置に対してそれぞれ取得された被検体の２次元ディジタル化投影画像の第１の組から、被検体の静止３次元画像を再構成する第１の手段と、［ｂ］ｎ回の連続する造影剤伝播時刻に対応して、同じ第１のカメラ位置からｎ個の静止２次元投影画像からなる少なくとも第２の組を収集する手段と、［ｃ］第２の組の各静止２次元画像から及び再構成した静止３次元画像から、被検体のダイナミック３次元画像を再構成するための第２の手段と、を備えるデバイスを提案する。
【００１２】
本発明はまた、以下で規定する方法の使用に適した、造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成させるためのデバイスに関するものである。
【００１３】
本方法の使用を可能にするような別の手段は、マイクロプロセッサにより実行させるソフトウェア手段である。このソフトウェア手段は、読出し専用メモリ及び／またはディスケットなどのサポートで提供することができる。したがって、本発明はさらに、プロセッサで実行させる際に以下に規定する方法を利用しているプログラムコード手段を備えたコンピュータ・プログラムを提案する。
【００１４】
本発明はさらに、プロセッサにより読み取りが可能であって、プログラムをプロセッサで実行させる際に本方法を適用できるプログラムコード手段を含んでいるような、読出し専用メモリやディスケットなどのサポートを提案する。
【００１５】
本発明のその他の利点及び特徴は、非限定的な使用法及び実施形態に関する詳細な記述、並びに添付の図面を検討することにより明らかとなろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本方法の実施の一形態によれば、本方法は、被検体を取り囲みかつボクセルに分解される仮想ボリュームを生成させるような装置較正を含む。次いで再構成した静止３次元画像は、その各値が仮想ボリュームのボクセルにそれぞれ関連しており、被検体に注入された造影剤の密度に関する対応するボクセルを表している静止推定値と呼ぶ推定値から構成されている。ダイナミック３次元画像は、実際に、ｎ回の造影剤伝播時刻に対応するｎ個の基本３次元画像から構成されている。現在の伝播時刻に対応する現在の基本３次元画像は、（１）被検体に注入された造影剤の密度の静止推定値から、（２）各ボクセルごとに、ボクセルをその上に投影させている現在の伝播時刻に対応する静止２次元画像のピクセル強度から、並びに（３）ピクセルの各々に対して当該ピクセルに関連する観察線に沿って位置する仮想ボリュームのボクセルの密度推定値の積算値から、再構成される。
【００１７】
幾つかの場合では、数本の血管が同じピクセル上に投影されることがあり得る。こうしたケースは、一般に、ボクセル全体の１０％に相当する。これにより、再構成したダイナミック３次元画像の推定は曖昧となる可能性がある。こうした曖昧さは、第２の組のｎ個の２次元画像と異なる観測点から収集した、別系列の静止２次元画像を用いることにより解決できる。
【００１８】
換言すると、別の実施形態では、第１の位置（第２の組の２次元投影画像の収集フェーズに対応する）とは別の同じ第２のカメラ位置に対して、同じ連続する造影剤伝播時刻でそれぞれ収集される第３の組の２次元投影画像の収集フェーズが設けられる。次いで、再形成した静止３次元画像から、第２の組の各画像から、並びに第３の組の各画像から、被検体のダイナミック３次元画像が再構成される。
【００１９】
本発明を限定するものではないが、患者（詳細には、患者の頭部）のダイナミック３次元血管造影画像の再構成に対する本方法の応用について記載する。
【００２０】
特に、図１及び２を参照すると、本発明を適用するために使用可能なイメージング・システムにより、とりわけ、この場合では患者の頭部１の周りでのＸ線源２の回転により得られる２次元収集画像の組ＩＡ１〜ＩＡｍを取得することが可能となる。
【００２１】
血管造影では標準的なことであるが、収集した各画像ＩＡｉは、例えば、脈管構造への造影剤注入の前後に同じ入射角で撮影した２枚のＸ線像に対する標準技法の対数サブトラクションにより取得されるようなサブトラクション画像であり、これらの３次元画像は、記載するように、先ず静止像で次いでダイナミック像で再構成させることが望ましい。
【００２２】
より厳密には、造影剤注入の前と後で、患者の頭部の周りでの回転による２系統を収集する。これを実行するためには、放射線撮影装置により、例えば、概ね１０秒で１９３．５度の回転を２度させて、４．５度ごとに４４枚の２次元画像を収集することができる。画像ＩＡｉの収集は、静止と呼ぶ、すなわち、造影剤伝播に関係しない脈管構造の画像の３次元再構成を目的としている。これらの条件では、造影剤が検査対象血管内でほとんど静止している時点でその収集を行うことが好ましい。
【００２３】
各々の収集した画像ＩＡｉは、「投影面ＰＰｉ」と呼ぶ平面内でＸ線管の反対側に配置した、例えば放射線医学で使用されるルミネセンス増幅器タイプのような２次元放射線検出器から取得される。患者の頭部の周りでの回転により検出器の異なる角度位置で様々な投影面が得られる。
【００２４】
投影面ＰＰｉに対する法線ＸＯｉは、収集画像ＩＡｉの光軸を規定している。検出器は、とりわけ、本発明で使用する画像再構成アルゴリズムを付属のプログラム・メモリ内にソフトウェアとして組み込んでいるマイクロプロセッサに接続させたサンプリング手段と、一般に、別の画像再構成手段など、本方法の使用を可能にしている機能手段のすべてと、を含んだ処理手段３と接続している。
【００２５】
２次元検出器を伴うＸ線源で構成したＸ線イメージング・システムの場合では、収集画像の作成に到るための幾何学演算は、解析する対象を、３次元空間で展開し、その検出面に対応する投影面の空間にあたる２次元空間上に円錐投影することである。様々な円錐投影を完全に記述する幾何学的パラメータが既知である必要がある。これらのパラメータに直接アクセスすること、すなわち、例えば、収集システム上でＸ線源と検出器の間の距離を直接計測することなどによりアクセスすることは、多くの場合不可能であり、また不正確である。
【００２６】
画像作成に到るための幾何学的パラメータに関する間接的な把握をもたらす演算を、イメージング・システムの「較正(calibration) 」と呼ぶ。
【００２７】
この原理は、標準的かつ周知であり、３次元空間における周知の幾何学的ファントムを使用してその２次元投影を収集することに基づいている。より厳密には、この較正には以下のステージ、すなわち（１）既知の対象物として、当該対象物に特有のマークを基準として計測した座標によってその空間的位置を知ることができる多数の特性点を提示する較正ファントムを使用するステージ、（２）較正の対象である観測点（または、入射角）の幾何学条件下で当該ファントムの画像を収集するステージ、及び（３）この画像において特性点の投影を識別するステージ、という各ステージが必要である。このためには、収集した投影画像において、対象物の各特性点を結合させてトレース（軌跡）をつくる、すなわち、（４）投影を記述している方程式体系を逆転させ、さらに（５）最終的に、所与の観測点に対する投影パラメータの組を取得する。
【００２８】
よく使用される幾何学的較正ファントムの形状は、その８つの隅にＸ線に対して不透明な金属球を配置した立方体の形状である。較正は当業者には周知の操作であるため、さらに詳細には説明しない。
【００２９】
Ｘ線によるイメージング・システムの自動的幾何学較正に関する周知の一方法としては、フランス特許出願第９３００８０４号に記載された方法などを挙げることができる。簡単に言えば、こうした自動的較正のためにはファントムを使用するが、このファントムでは、イメージング・システムの回転軸（特に、ファントムの軸）に沿って計測される球の高さが、例えばその順列内の球の直列数に伴って単調に増加（または、減少）するように、球を順列内の方々に分散させている。
【００３０】
イメージング・システムの較正により、被検体の周りのカメラの推定平均回転軸Ａｘの決定、並びに線源２の位置や収集した様々な画像の光軸の幾何学的特性の決定が可能となる。較正によりさらに、被検体１を取り囲みかつ基本的ボリューム要素Ｖｉ（すなわち「ボクセル」）に分解できる仮想ボリュームＶＶ（様々な投影円錐の交差箇所）の規定が可能となる。このボリュームＶＶ（したがって、各ボクセルＶｉ）は、以下において較正基準系と呼ぶ基準系において空間的にマークされている。この基準系の軸のうちの１つ（この場合では軸Ｚ）は推定回転軸Ａｘに合併している。ここで、収集画像ＩＡｉを投影させる投影面ＰＰｉは一般に、軸Ｚに平行であることに留意されたい。
【００３１】
較正によりさらに、収集した各画像ＩＡｉに対して投影マトリックスＰｉを規定することができ、これにより、各ボクセルＶｉごとに、対応する収集画像ＩＡｉにおける投影（ピクセル）の座標の決定が可能となる。
【００３２】
ここで、得られた第１の組の投影静止２次元画像ＩＡｉから、いわゆる「静止」３次元画像を再構成するフェーズを、特に図４を参照しながら説明することにする。
【００３３】
再形成した静止３次元画像ＩＦを、典型的には３回の反復の後に出力するために、代数的画像再構成アルゴリズムが画像ＩＡｉ（較正３０及び収集３１の後に取得される）に直接適用される。
【００３４】
ここで使用する画像再構成アルゴリズムの基本原理は、ボリュームのボクセルを所定の初期値（例えば、ゼロ値）に初期化すること、次いで多数回（典型的には、３回）反復すること、からなることを想起されたい。各反復では、収集した各画像ごとに、仮想画像を取得するために収集した各画像の面にボクセルを投影すること、投影ボリューム（仮想画像）と対応する収集画像との間の差を決定すること、並びにボリューム内に当該の差を逆投影すること、が必要である。
【００３５】
一般に、３回の反復の後、座標（ｉ，ｊ，ｋ）の各ボクセルに対して、Ｘ線撮影した血管内に注入された造影剤の密度を表す推定値ｃi,j,k （ここでは静止推定値を用いて表記される）が得られ、これにより、これらのＸ線撮影した血管（画像ＩＦ）の地図を３次元で視覚化することが可能となる。
【００３６】
もちろん、本発明の範囲内では実際上、こうして得られる静止３次元画像ＩＦがここでは再構成したダイナミック３次元画像を得るための中間的ステージ（これについては、以下でさらに詳細に記載する）のみから構成されるため、静止３次元画像ＩＦを必ずしもイメージング・システムの表示スクリーン上で視覚化させる必要はない。
【００３７】
視覚化を希望するならば、当業者は、画像再構成の代数的アルゴリズムの使用に関するより詳細について、上述のフランス特許出願第９８０７３７１号を参照することができる。
【００３８】
第１の組の画像ＩＡｉの収集の外に、第２の組の静止双方向投影画像ＩＢ１〜ＩＢｎ（図３）の収集を実施する。この一連の画像ＩＢｉは、同じ観測点に対応した同じカメラ位置ＰＤＶ１に対して収集される。
【００３９】
したがって、ｎ回の連続する造影剤伝播時刻に対応したｎ個の画像ＩＢｔが収集される。
【００４０】
図５に示すように、収集ステージ５０の間に収集したこれらの画像ＩＢｉから、並びに再形成した静止３次元画像ＩＦから、ステージ５１において脈管構造の３次元ダイナミック画像を再形成している。
【００４１】
ここで、較正の後に収集３１（図４）と収集５０（図５）を実行する順序は、本発明による方法を使用するためには重要でないことに留意されたい。
【００４２】
再形成したダイナミック３次元画像ＩＦＤは、実際には、ｎ個の基本ダイナミック３次元画像から構成されており、その各画像に対して脈管構造内での造影剤の伝播状態を所与の伝播時刻ｔにおいて視覚化することができる。ｎ個の基本３次元画像を連続的に視覚化することにより、脈管構造内での造影剤伝播に対するダイナミックな視覚化が可能となる。
【００４３】
再形成した静止３次元画像に関して上述したのと同様に、再形成したダイナミック３次元画像の視覚化は、各座標（ｉ，ｊ，ｋ）値に対する伝播時刻ｔにおける造影剤密度の推定値により得られる。伝播時刻ｔにおいて妥当な推定値をｃi,j,k （ｔ）で表す。
【００４４】
この推定値は次の式
ｃi,j,k（ｔ）＝［ｃi,j,k ・ｐ（ｔ）］／Ｅ ［１］
で規定される。
【００４５】
上式において、ｃi,j,k は、再形成した静止３次元画像ＩＦの同じボクセルに対する造影剤の静止推定値を意味し、
ｐ（ｔ）は、伝播時刻ｔにおいて収集し、かつその上に座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルを投影させる画像ＩＢｔのピクセル強度を意味し、
Ｅは、当該ピクセルｐに対して、当該ピクセルｐに関連する観察線に沿って位置している仮想ボリュームＶＶの各ボクセルの静止密度推定値の積算値を意味している。
【００４６】
Ｅは次式
Ｅ＝Σｃi,j,k λi,j,k ｉ，ｊ，ｋ ［２］
により規定される。式［２］において、λi,j,k の値は、座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルが観察線上に位置していない場合には０に等しく、また観察線上に位置している場合には１に等しい。
【００４７】
ここで、所定の観察線に沿って撮影された一連の静止画像に関連する投影マトリックスが既知であるため、ピクセルｐの決定が可能となることに留意されたい。同様に、式［２］の値λもこの投影マトリックスの値から既知となる。
【００４８】
ここで、時刻ｔにおいて座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルにまだ造影剤が到達していない場合、ｃi,j,k （ｔ）の値は小さくなるはずであることに留意されたい。値ｐ（ｔ）が小さい場合、すなわち、投影したピクセルの密度が小さい場合は、したがって式［１］より時刻ｔにおけるボクセルの密度も小さくなることが十分に分かる。
【００４９】
一方、値ｐ（ｔ）が大きい場合には、当該の観察線が、当該の座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルによる密度に食い込む(parasite)ことになるような別の高輝度(luminous)ボクセルと交差していることを意味する。したがって、式［１］によりそのボクセルをそのままの場合と比べてさらに利用しやすく変更している。
【００５０】
座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルに造影剤が到達すると、上述した場合のように、当該のボクセルが造影剤のまだ到達していないボクセルとが重なった場合に、式［１］ではアーチファクトが生成されることがある。
【００５１】
しかし、上述したアーチファクト生成が及ぶ範囲がボリュームの全ボクセルの概ね１０％だけであると考えると、上述の式［１］により、再形成したダイナミック画像に対する極めて良好な推定が可能となる。
【００５２】
しかしながら、こうした曖昧さを解決し、結果として画像のダイナミック再構成を向上させるためには、図６に示すように、第１の系列の画像ＩＢｉに対する観測点と異なる観測点からここに投影される別系列のｎ個の静止２次元画像の収集を行うことができる。画像ＩＢｉ及びＩＣｉはそれぞれ同時に収集される。
【００５３】
この場合では、図５に点線で示すように、ステージ５２において収集した画像ＩＣｉからも、ステージ５１におけるダイナミック３次元画像の再形成を実行する。
【００５４】
次いで、画像ＩＢｉを用いて、時刻ｔにおけるボクセルｉ，ｊ，ｋに対するｃi,j,k （ｔ）の第１の値が計算され、さらに今度は、式［１］を画像ＩＣｉと共に用いることによってｃi,j,k （ｔ）の第２の値が計算される。
【００５５】
そしてここで、座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルに関連するｃi,j,k （ｔ）の最終値は、上述した２つの値のうちの小さい方に等しくなる。
【００５６】
当業者であれば、特許請求の範囲に示した本発明の範囲及び領域を逸脱することなく、構造及び／またはステップ及び／または機能に関して様々な修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被検体の周りの２次元投影画像の組の模式図である。
【図２】２次元投影画像の収集をより詳細に表した略図である。
【図３】同じ観測点から収集される静止投影画像の組の模式図である。
【図４】本方法の実施の一形態の流れ図である。
【図５】本方法の実施の一形態の流れ図である。
【図６】本発明の別の実施形態の模式図である。
【符号の説明】
１ 被検体
２ Ｘ線源
３ 処理手段
Ａｘ カメラの推定回転軸
ＩＡｉ 第１組の静止２次元画像
ＩＢｉ 第２組の静止２次元画像
ＩＣｉ 第３組の静止２次元画像
ＰＤＶ１ 第１のイメージング位置
Ｖｉ ボクセル
ＶＶ 仮想ボリューム
【発明の属する技術分野】
本発明は、造影剤に覆われた被検体の３次元画像の再構成に関する。
【０００２】
検査中の患者の内部構造の再構成、特に血管造影画像の再構成（すなわち、造影剤の注入により不透明にした脈管構造の画像の取得）を実施しているような医療分野において、本発明の応用は特に重要である。
【０００３】
【発明の背景】
しかしながら、本発明は、その他の分野、とりわけ、医学的検査と同じタイプの検査が実行される非破壊的工業制御の分野にも応用できる。
【０００４】
医療分野では、被検体（例えば、患者の頭部）の２次元投影画像は、一般に、Ｘ線カメラを被検体の周りに回転させることにより取得している。Ｘ線イメージングでの再構成アルゴリズムには本質的に２つのタイプがある。第１のタイプでは、逆投影及びフィルタ処理による計算や、さらには数次元でのフーリエ変換再構成を規定している。第２のタイプは、代数法とも呼ばれ、反復再構成法に関するものである。こうした代数的アルゴリズムの原理は、例えば、フランス特許出願第８９０３６０６号、同第８９１６９０６号または同第９８０７３７１号に開示されており、これらの出願には、多重分解能ボリュームに対する画像の代数的再構成での反復アルゴリズムの応用について記載されている。
【０００５】
要約して言えば、装置較正を使用して基本的ボリューム要素（すなわち、ボクセル）に分解された観察ボリュームの収集画像の投影面における投影パラメータ（これらの較正パラメータにより投影マトリックスが形成される）を決定した後、代数的画像再構成アルゴリズムを使用してこれらの２次元投影画像から３次元ボリュームを再構成させる。このアルゴリズムの基本原理は、ボリュームの各ボクセルを所定の初期値（例えば、ゼロ値）に初期化すること、並びに、仮想画像を取得するために収集した各画像の面にボクセルを投影する演算、投影ボリューム（仮想画像）と対応する収集画像との差を決定する演算、さらにボリュームのこの差の逆投影演算という３つの演算を多数回反復することである。多数回反復した後、Ｘ線撮影した血管内に注入された造影剤の密度を表す推定値が各ボクセルがごとに取得され、これによりこれらＸ線撮影した血管の地図を３次元で視覚化することが可能となる。
【０００６】
これらの３次元画像は、診断のためであるか、治療処置計画のためであるか、あるいは検査対象の形状及び大きさの評価のためであるかを問わず、神経科医や外科医に対して貴重な支援となる。
【０００７】
一方、こうして再構成したボリューム画像は１つの大きな欠点を有する。現実に、こうした画像では、３次元画像を再構成させる元になる収集２次元画像がほとんど静止状態の造影剤に対して収集されたものであるため、動脈に注入される造影剤の伝播を視覚化することができない。実際に、造影剤がほとんど静止の特性であるため本明細書において「静止(static)」という語を先頭に付けて記載するような３次元画像の再構成では、むしろ、同じ程度の造影剤伝播に対応する画像の組を取得することが追求される。
【０００８】
その結果、こうした再構成では、単に３次元情報及び血流情報（造影剤の伝播）によっては患者の脈管系を解析することができない。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の実施の一形態は、上述した静止３次元画像とは異なり、本明細書において「ダイナミック」と記載するような、被検体内の造影剤伝播を３次元で視覚化することが可能な３次元画像の再構成を対象とする。
【００１０】
本発明の実施の一形態は、造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成する方法であって、［ａ］被検体の周りの異なるイメージング位置に対してそれぞれ取得される、被検体の２次元ディジタル化投影画像の第１の組から被検体の静止３次元画像を再構成（すなわち、再形成）するステップと、［ｂ］同じイメージング位置に対してｎ回の連続する造影剤伝播時刻においてそれぞれ取得される、ｎ個の静止２次元投影画像からなる少なくとも第２の組を収集するステップと、［ｃ］第２の組の静止２次元画像の各々と再構成（すなわち、再形成）した静止３次元画像とから、被検体のダイナミック３次元画像を再構成するステップと、を含む方法を対象とする。
【００１１】
本発明はまた、造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成させるためのデバイスであって、［ａ］被検体の周りの異なるイメージング位置に対してそれぞれ取得された被検体の２次元ディジタル化投影画像の第１の組から、被検体の静止３次元画像を再構成する第１の手段と、［ｂ］ｎ回の連続する造影剤伝播時刻に対応して、同じ第１のカメラ位置からｎ個の静止２次元投影画像からなる少なくとも第２の組を収集する手段と、［ｃ］第２の組の各静止２次元画像から及び再構成した静止３次元画像から、被検体のダイナミック３次元画像を再構成するための第２の手段と、を備えるデバイスを提案する。
【００１２】
本発明はまた、以下で規定する方法の使用に適した、造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成させるためのデバイスに関するものである。
【００１３】
本方法の使用を可能にするような別の手段は、マイクロプロセッサにより実行させるソフトウェア手段である。このソフトウェア手段は、読出し専用メモリ及び／またはディスケットなどのサポートで提供することができる。したがって、本発明はさらに、プロセッサで実行させる際に以下に規定する方法を利用しているプログラムコード手段を備えたコンピュータ・プログラムを提案する。
【００１４】
本発明はさらに、プロセッサにより読み取りが可能であって、プログラムをプロセッサで実行させる際に本方法を適用できるプログラムコード手段を含んでいるような、読出し専用メモリやディスケットなどのサポートを提案する。
【００１５】
本発明のその他の利点及び特徴は、非限定的な使用法及び実施形態に関する詳細な記述、並びに添付の図面を検討することにより明らかとなろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本方法の実施の一形態によれば、本方法は、被検体を取り囲みかつボクセルに分解される仮想ボリュームを生成させるような装置較正を含む。次いで再構成した静止３次元画像は、その各値が仮想ボリュームのボクセルにそれぞれ関連しており、被検体に注入された造影剤の密度に関する対応するボクセルを表している静止推定値と呼ぶ推定値から構成されている。ダイナミック３次元画像は、実際に、ｎ回の造影剤伝播時刻に対応するｎ個の基本３次元画像から構成されている。現在の伝播時刻に対応する現在の基本３次元画像は、（１）被検体に注入された造影剤の密度の静止推定値から、（２）各ボクセルごとに、ボクセルをその上に投影させている現在の伝播時刻に対応する静止２次元画像のピクセル強度から、並びに（３）ピクセルの各々に対して当該ピクセルに関連する観察線に沿って位置する仮想ボリュームのボクセルの密度推定値の積算値から、再構成される。
【００１７】
幾つかの場合では、数本の血管が同じピクセル上に投影されることがあり得る。こうしたケースは、一般に、ボクセル全体の１０％に相当する。これにより、再構成したダイナミック３次元画像の推定は曖昧となる可能性がある。こうした曖昧さは、第２の組のｎ個の２次元画像と異なる観測点から収集した、別系列の静止２次元画像を用いることにより解決できる。
【００１８】
換言すると、別の実施形態では、第１の位置（第２の組の２次元投影画像の収集フェーズに対応する）とは別の同じ第２のカメラ位置に対して、同じ連続する造影剤伝播時刻でそれぞれ収集される第３の組の２次元投影画像の収集フェーズが設けられる。次いで、再形成した静止３次元画像から、第２の組の各画像から、並びに第３の組の各画像から、被検体のダイナミック３次元画像が再構成される。
【００１９】
本発明を限定するものではないが、患者（詳細には、患者の頭部）のダイナミック３次元血管造影画像の再構成に対する本方法の応用について記載する。
【００２０】
特に、図１及び２を参照すると、本発明を適用するために使用可能なイメージング・システムにより、とりわけ、この場合では患者の頭部１の周りでのＸ線源２の回転により得られる２次元収集画像の組ＩＡ１〜ＩＡｍを取得することが可能となる。
【００２１】
血管造影では標準的なことであるが、収集した各画像ＩＡｉは、例えば、脈管構造への造影剤注入の前後に同じ入射角で撮影した２枚のＸ線像に対する標準技法の対数サブトラクションにより取得されるようなサブトラクション画像であり、これらの３次元画像は、記載するように、先ず静止像で次いでダイナミック像で再構成させることが望ましい。
【００２２】
より厳密には、造影剤注入の前と後で、患者の頭部の周りでの回転による２系統を収集する。これを実行するためには、放射線撮影装置により、例えば、概ね１０秒で１９３．５度の回転を２度させて、４．５度ごとに４４枚の２次元画像を収集することができる。画像ＩＡｉの収集は、静止と呼ぶ、すなわち、造影剤伝播に関係しない脈管構造の画像の３次元再構成を目的としている。これらの条件では、造影剤が検査対象血管内でほとんど静止している時点でその収集を行うことが好ましい。
【００２３】
各々の収集した画像ＩＡｉは、「投影面ＰＰｉ」と呼ぶ平面内でＸ線管の反対側に配置した、例えば放射線医学で使用されるルミネセンス増幅器タイプのような２次元放射線検出器から取得される。患者の頭部の周りでの回転により検出器の異なる角度位置で様々な投影面が得られる。
【００２４】
投影面ＰＰｉに対する法線ＸＯｉは、収集画像ＩＡｉの光軸を規定している。検出器は、とりわけ、本発明で使用する画像再構成アルゴリズムを付属のプログラム・メモリ内にソフトウェアとして組み込んでいるマイクロプロセッサに接続させたサンプリング手段と、一般に、別の画像再構成手段など、本方法の使用を可能にしている機能手段のすべてと、を含んだ処理手段３と接続している。
【００２５】
２次元検出器を伴うＸ線源で構成したＸ線イメージング・システムの場合では、収集画像の作成に到るための幾何学演算は、解析する対象を、３次元空間で展開し、その検出面に対応する投影面の空間にあたる２次元空間上に円錐投影することである。様々な円錐投影を完全に記述する幾何学的パラメータが既知である必要がある。これらのパラメータに直接アクセスすること、すなわち、例えば、収集システム上でＸ線源と検出器の間の距離を直接計測することなどによりアクセスすることは、多くの場合不可能であり、また不正確である。
【００２６】
画像作成に到るための幾何学的パラメータに関する間接的な把握をもたらす演算を、イメージング・システムの「較正(calibration) 」と呼ぶ。
【００２７】
この原理は、標準的かつ周知であり、３次元空間における周知の幾何学的ファントムを使用してその２次元投影を収集することに基づいている。より厳密には、この較正には以下のステージ、すなわち（１）既知の対象物として、当該対象物に特有のマークを基準として計測した座標によってその空間的位置を知ることができる多数の特性点を提示する較正ファントムを使用するステージ、（２）較正の対象である観測点（または、入射角）の幾何学条件下で当該ファントムの画像を収集するステージ、及び（３）この画像において特性点の投影を識別するステージ、という各ステージが必要である。このためには、収集した投影画像において、対象物の各特性点を結合させてトレース（軌跡）をつくる、すなわち、（４）投影を記述している方程式体系を逆転させ、さらに（５）最終的に、所与の観測点に対する投影パラメータの組を取得する。
【００２８】
よく使用される幾何学的較正ファントムの形状は、その８つの隅にＸ線に対して不透明な金属球を配置した立方体の形状である。較正は当業者には周知の操作であるため、さらに詳細には説明しない。
【００２９】
Ｘ線によるイメージング・システムの自動的幾何学較正に関する周知の一方法としては、フランス特許出願第９３００８０４号に記載された方法などを挙げることができる。簡単に言えば、こうした自動的較正のためにはファントムを使用するが、このファントムでは、イメージング・システムの回転軸（特に、ファントムの軸）に沿って計測される球の高さが、例えばその順列内の球の直列数に伴って単調に増加（または、減少）するように、球を順列内の方々に分散させている。
【００３０】
イメージング・システムの較正により、被検体の周りのカメラの推定平均回転軸Ａｘの決定、並びに線源２の位置や収集した様々な画像の光軸の幾何学的特性の決定が可能となる。較正によりさらに、被検体１を取り囲みかつ基本的ボリューム要素Ｖｉ（すなわち「ボクセル」）に分解できる仮想ボリュームＶＶ（様々な投影円錐の交差箇所）の規定が可能となる。このボリュームＶＶ（したがって、各ボクセルＶｉ）は、以下において較正基準系と呼ぶ基準系において空間的にマークされている。この基準系の軸のうちの１つ（この場合では軸Ｚ）は推定回転軸Ａｘに合併している。ここで、収集画像ＩＡｉを投影させる投影面ＰＰｉは一般に、軸Ｚに平行であることに留意されたい。
【００３１】
較正によりさらに、収集した各画像ＩＡｉに対して投影マトリックスＰｉを規定することができ、これにより、各ボクセルＶｉごとに、対応する収集画像ＩＡｉにおける投影（ピクセル）の座標の決定が可能となる。
【００３２】
ここで、得られた第１の組の投影静止２次元画像ＩＡｉから、いわゆる「静止」３次元画像を再構成するフェーズを、特に図４を参照しながら説明することにする。
【００３３】
再形成した静止３次元画像ＩＦを、典型的には３回の反復の後に出力するために、代数的画像再構成アルゴリズムが画像ＩＡｉ（較正３０及び収集３１の後に取得される）に直接適用される。
【００３４】
ここで使用する画像再構成アルゴリズムの基本原理は、ボリュームのボクセルを所定の初期値（例えば、ゼロ値）に初期化すること、次いで多数回（典型的には、３回）反復すること、からなることを想起されたい。各反復では、収集した各画像ごとに、仮想画像を取得するために収集した各画像の面にボクセルを投影すること、投影ボリューム（仮想画像）と対応する収集画像との間の差を決定すること、並びにボリューム内に当該の差を逆投影すること、が必要である。
【００３５】
一般に、３回の反復の後、座標（ｉ，ｊ，ｋ）の各ボクセルに対して、Ｘ線撮影した血管内に注入された造影剤の密度を表す推定値ｃi,j,k （ここでは静止推定値を用いて表記される）が得られ、これにより、これらのＸ線撮影した血管（画像ＩＦ）の地図を３次元で視覚化することが可能となる。
【００３６】
もちろん、本発明の範囲内では実際上、こうして得られる静止３次元画像ＩＦがここでは再構成したダイナミック３次元画像を得るための中間的ステージ（これについては、以下でさらに詳細に記載する）のみから構成されるため、静止３次元画像ＩＦを必ずしもイメージング・システムの表示スクリーン上で視覚化させる必要はない。
【００３７】
視覚化を希望するならば、当業者は、画像再構成の代数的アルゴリズムの使用に関するより詳細について、上述のフランス特許出願第９８０７３７１号を参照することができる。
【００３８】
第１の組の画像ＩＡｉの収集の外に、第２の組の静止双方向投影画像ＩＢ１〜ＩＢｎ（図３）の収集を実施する。この一連の画像ＩＢｉは、同じ観測点に対応した同じカメラ位置ＰＤＶ１に対して収集される。
【００３９】
したがって、ｎ回の連続する造影剤伝播時刻に対応したｎ個の画像ＩＢｔが収集される。
【００４０】
図５に示すように、収集ステージ５０の間に収集したこれらの画像ＩＢｉから、並びに再形成した静止３次元画像ＩＦから、ステージ５１において脈管構造の３次元ダイナミック画像を再形成している。
【００４１】
ここで、較正の後に収集３１（図４）と収集５０（図５）を実行する順序は、本発明による方法を使用するためには重要でないことに留意されたい。
【００４２】
再形成したダイナミック３次元画像ＩＦＤは、実際には、ｎ個の基本ダイナミック３次元画像から構成されており、その各画像に対して脈管構造内での造影剤の伝播状態を所与の伝播時刻ｔにおいて視覚化することができる。ｎ個の基本３次元画像を連続的に視覚化することにより、脈管構造内での造影剤伝播に対するダイナミックな視覚化が可能となる。
【００４３】
再形成した静止３次元画像に関して上述したのと同様に、再形成したダイナミック３次元画像の視覚化は、各座標（ｉ，ｊ，ｋ）値に対する伝播時刻ｔにおける造影剤密度の推定値により得られる。伝播時刻ｔにおいて妥当な推定値をｃi,j,k （ｔ）で表す。
【００４４】
この推定値は次の式
ｃi,j,k（ｔ）＝［ｃi,j,k ・ｐ（ｔ）］／Ｅ ［１］
で規定される。
【００４５】
上式において、ｃi,j,k は、再形成した静止３次元画像ＩＦの同じボクセルに対する造影剤の静止推定値を意味し、
ｐ（ｔ）は、伝播時刻ｔにおいて収集し、かつその上に座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルを投影させる画像ＩＢｔのピクセル強度を意味し、
Ｅは、当該ピクセルｐに対して、当該ピクセルｐに関連する観察線に沿って位置している仮想ボリュームＶＶの各ボクセルの静止密度推定値の積算値を意味している。
【００４６】
Ｅは次式
Ｅ＝Σｃi,j,k λi,j,k ｉ，ｊ，ｋ ［２］
により規定される。式［２］において、λi,j,k の値は、座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルが観察線上に位置していない場合には０に等しく、また観察線上に位置している場合には１に等しい。
【００４７】
ここで、所定の観察線に沿って撮影された一連の静止画像に関連する投影マトリックスが既知であるため、ピクセルｐの決定が可能となることに留意されたい。同様に、式［２］の値λもこの投影マトリックスの値から既知となる。
【００４８】
ここで、時刻ｔにおいて座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルにまだ造影剤が到達していない場合、ｃi,j,k （ｔ）の値は小さくなるはずであることに留意されたい。値ｐ（ｔ）が小さい場合、すなわち、投影したピクセルの密度が小さい場合は、したがって式［１］より時刻ｔにおけるボクセルの密度も小さくなることが十分に分かる。
【００４９】
一方、値ｐ（ｔ）が大きい場合には、当該の観察線が、当該の座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルによる密度に食い込む(parasite)ことになるような別の高輝度(luminous)ボクセルと交差していることを意味する。したがって、式［１］によりそのボクセルをそのままの場合と比べてさらに利用しやすく変更している。
【００５０】
座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルに造影剤が到達すると、上述した場合のように、当該のボクセルが造影剤のまだ到達していないボクセルとが重なった場合に、式［１］ではアーチファクトが生成されることがある。
【００５１】
しかし、上述したアーチファクト生成が及ぶ範囲がボリュームの全ボクセルの概ね１０％だけであると考えると、上述の式［１］により、再形成したダイナミック画像に対する極めて良好な推定が可能となる。
【００５２】
しかしながら、こうした曖昧さを解決し、結果として画像のダイナミック再構成を向上させるためには、図６に示すように、第１の系列の画像ＩＢｉに対する観測点と異なる観測点からここに投影される別系列のｎ個の静止２次元画像の収集を行うことができる。画像ＩＢｉ及びＩＣｉはそれぞれ同時に収集される。
【００５３】
この場合では、図５に点線で示すように、ステージ５２において収集した画像ＩＣｉからも、ステージ５１におけるダイナミック３次元画像の再形成を実行する。
【００５４】
次いで、画像ＩＢｉを用いて、時刻ｔにおけるボクセルｉ，ｊ，ｋに対するｃi,j,k （ｔ）の第１の値が計算され、さらに今度は、式［１］を画像ＩＣｉと共に用いることによってｃi,j,k （ｔ）の第２の値が計算される。
【００５５】
そしてここで、座標ｉ，ｊ，ｋのボクセルに関連するｃi,j,k （ｔ）の最終値は、上述した２つの値のうちの小さい方に等しくなる。
【００５６】
当業者であれば、特許請求の範囲に示した本発明の範囲及び領域を逸脱することなく、構造及び／またはステップ及び／または機能に関して様々な修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被検体の周りの２次元投影画像の組の模式図である。
【図２】２次元投影画像の収集をより詳細に表した略図である。
【図３】同じ観測点から収集される静止投影画像の組の模式図である。
【図４】本方法の実施の一形態の流れ図である。
【図５】本方法の実施の一形態の流れ図である。
【図６】本発明の別の実施形態の模式図である。
【符号の説明】
１ 被検体
２ Ｘ線源
３ 処理手段
Ａｘ カメラの推定回転軸
ＩＡｉ 第１組の静止２次元画像
ＩＢｉ 第２組の静止２次元画像
ＩＣｉ 第３組の静止２次元画像
ＰＤＶ１ 第１のイメージング位置
Ｖｉ ボクセル
ＶＶ 仮想ボリューム
Claims (5)
- 造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成する方法であって、（ａ）被検体の周りの異なるイメージング位置に対してそれぞれ取得される、被検体の２次元ディジタル化投影画像の第１の組（ＩＡｉ）から被検体の静止３次元画像（ＩＦ）を再構成する（３３）ステップと、（ｂ）同じ第１のイメージング位置（ＰＤＶ１）に対してｎ回の連続する造影剤伝播時刻においてそれぞれ取得される、ｎ個の静止２次元投影画像からなる少なくとも第２の組（ＩＢｉ）の収集フェーズ（５０）のステップと、（ｃ）第２の組の静止２次元画像（ＩＢｉ）の各々と再構成した静止３次元画像（ＩＦ）とから、被検体のダイナミック３次元画像（ＩＦＤ）を再構成する（５１）ステップと、を含む方法。
- 被検体を取り囲みかつボクセル（Ｖｉ）に分解される仮想ボリューム（ＶＶ）を生成させること、次いで再構成した静止３次元画像（ＩＦ）は、その各値が仮想ボリュームのボクセルにそれぞれ関連しており、被検体に注入された造影剤の密度に関する対応するボクセルを表している静止推定値（ｃi,j,k）から構成されていること、前記ダイナミック３次元画像（ＩＦＤ）は実際にｎ回の造影剤伝播時刻に対応するｎ個の基本３次元画像から構成されていること、並びに、（１）被検体に注入された造影剤の密度の静止推定値（ｃi,j,k）から、（２）各ボクセル（ｉ，ｊ，ｋ）ごとに、該ボクセル（ｉ，ｊ，ｋ）をその上に投影させている現在の伝播時刻に対応する静止２次元画像のピクセル強度（ｐ（ｔ））から、（３）前記ピクセルの各々に対して、当該ピクセルに関連する観察線に沿って位置する仮想ボリュームのボクセルの密度推定値の積算値（Ｅ）から、現在の伝播時刻に対応する現在の基本３次元画像を再構成すること、を特徴とする装置較正（３０）のステップを含む、請求項１に記載の方法。
- 造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成させるためのデバイスであって、（１）被検体の周りの異なるイメージング位置に対してそれぞれ取得される、被検体の２次元ディジタル化投影画像の第１の組（ＩＡｉ）から、被検体の静止３次元画像（ＩＦ）を再構成するための第１の手段（３）と、（２）ｎ回の連続する造影剤伝播時刻に対応して、同じ第１のイメージング位置からｎ個の静止２次元投影画像からなる少なくとも第２の組（ＩＢｉ）を収集するための手段と、（３）第２の組の各静止２次元画像から、及び再構成した静止３次元画像から被検体のダイナミック３次元画像を再構成するための第２の手段（３）と、を備えるデバイス。
- 前記請求項１または２に記載の方法を使用するために、造影剤に覆われた被検体のダイナミック３次元画像を再構成させるためのデバイス。
- プロセッサで実行させる際に前記請求項１または２に従った方法を利用しているプログラムコード手段を備えるコンピュータ・プログラム。
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