JP4767677B2 - 組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、検査すべき組織構造の可視化のために１つの造影剤を含んでいる患者のＸ線走査で取得されたデータから、コンピュータ断層撮影の２次元または３次元画像が再構成される、組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法に関する。

基本的にはコンピュータ断層撮影において、特に血管構造表示の際に、画像コントラスト強調のために造影剤を使用し、それによって改善された画像コントラストを発生させ、それにより関心のある組織構造または血管構造をより高いコントラストで画像化できるようにすることは知られている。一般に、大抵は、生物学的な許容性に関して問題のなくはないヨード含有の液状化合物が使用される。一般にかかる造影剤使用後においては、そのように検査された患者において肝機能の数値が使用後何か月も高い。

従って、本発明の課題は、造影剤使用による組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法において、患者侵襲をできるだけ少なくする、つまり造影剤使用量をできるだけ少なくすることにある。

この課題は請求項１の特徴事項によって解決される。本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

本発明者は、コンピュータ断層撮影画像の作成時にＸ線透視された組織の積分吸収特性だけを測定するのでなく、エネルギー固有の吸収も測定し、これらのスペクトルデータをコントラスト改善に利用するならば、ＣＴ検査における必要な造影剤量を著しく低減できることを認識した。

この基本思想にしたがって本発明者は、検査すべき組織構造の可視化のために１つの造影剤を含んでいる患者のＸ線走査で取得されたデータから、コンピュータ断層撮影の２次元または３次元画像が再構成される、組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法であって、少なくとも２つのエネルギースペクトルについて吸収データが測定され、エネルギースペクトルごとにコンピュータ断層撮影の中間画像が再構成され、組織と造影剤との間の異なるエネルギー固有の吸収特性から組織における１つの造影剤の分布が決定される、組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法において、
造影剤分布を決定するために原子番号分布が求められ、少なくとも２つの中間画像から造影剤の分布に関する有意メッセージが算出され、有意メッセージが中間画像の商形成によって算出されることを提案する。

Ｘ線照射された造影剤を含めた被観察組織におけるエネルギー固有の吸収の付加的に得られる情報に基づいて、著しく少ない造影剤投与量で十分にコントラスト豊かな画像を得て、組織における造影剤分布を決定することができる。この範囲において若干高い投与量負担が起きたとしても、その潜在的な被害は、造影剤濃度が減少したことにより生物学的損傷が少なくなったことによって寧ろ大幅に補償される。

更に、本発明者は、造影剤分布を決定するために原子番号分布を求めることを提案する。この方法に関しては、刊行物「ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，Ｖｏｌｕｍｅ ９４，Ｎｏ．３，１．Ａｕｇｕｓｔ ２００３」におけるＢ．Ｊ．Ｈｅｉｓｍａｎｎ，Ｊ．Ｌｅｐｐｅｒｔ，Ｋ．Ｓｔｉｅｒｓｔｏｒｆｅｒによる「“Ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ａｔｏｍｉｃ ｎｕｍｂｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｘ−ｒａｙ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ”（スペクトルＸ線減弱法を用いた密度および原子番号測定）」を参照されたい。更に、本出願人による独国特許出願公開第１０１４３１３１号明細書が挙げられる。両刊行物はこれらの開示内容に関して全内容を本特許出願に引き継がれる。

更に、本発明者は、少なくとも２つの中間画像から造影剤の分布に関する有意性メッセージが算出されることを提案する。有意メッセージは、患者の特定のボリュームまたは特定の位置における造影剤の存在に関する肯定（ハイ）／否定（イイエ）のメッセージにあると好ましい。

例えば有意メッセージは中間画像の商形成によって算出することができ、あるいは中間画像の線形結合によって算出してもよい。

更に、本発明者は、ＣＴ画像表示において、造影剤の存在に関する肯定の有意メッセージを有する画像値が予め定められた画像値、とりわけ最大の画像値または最小の画像値を与えられることを提案する。画像値は最大または最小のグレー値であるとよい。一方、最大の画像値または最小の画像値の代わりに、画像値としてとりわけ画像表示の造影剤の存在に関する肯定的な有意メッセージを有する画像値を有する部分以外の部分において存在しない色度を使用することもできる。典型的にはこれは、グレー値からなるＣＴ表示において造影剤を有する範囲が相応の色付与によって強調されることを意味する。

異なるエネルギースペクトルに関する吸収データの決定のために、例えばスペクトルごとに専用のＸ線源が使用されるとよい。これによって、異なる加速電圧を有する２つのＸ線源の使用によって異なる制動放射スペクトルを発生させることが特に簡単である。他方では、Ｘ線陽極用として異なる材料を使用することもでき、すなわち少なくとも２つの異なるエネルギースペクトルについての吸収データの決定のためにスペクトルごとにＸ線源において専用の陽極材料を使用することもできる。異なる陽極材料の使用によって、Ｘ線スペクトルに典型的に存在する強度最大値が異なるエネルギー値で発生するので、スペクトルの明白な区別が可能である。もちろん両方法の組み合わせも使用することができる

更に、陽極材料および造影剤からなる組み合わせが使用され、陽極材料は制動放射スペクトルにおいて強度最大値を有し、造影剤はこの陽極材料から発生された制動放射の強度最大値のエネルギー範囲に吸収最大値を有するならば特に有利である。陽極材料および造影剤のこの選択によって、造影剤の存在がこの固有のエネルギー範囲において高まる吸収により特に良好に認識可能である。

２つの別々のＸ線源の代わりに１つの跳躍焦点（ジャンプフォーカスまたはフライングフォーカルスポットとも呼ばれる）を使用することも可能であり、とりわけ跳躍焦点が両焦点のところでそれぞれ異なる陽極材料を備えているとよい。

本方法の他の変形において本発明者は、少なくとも２つの異なるエネルギースペクトルについての吸収データの決定のためにスペクトルごとに専用の検出器が使用されることも提案する。しかしながら、少なくとも２つの異なるスペクトルエネルギーについての吸収データの決定のために、検出されたＸ線のエネルギースペクトルを少なくとも２つの異なるエネルギーについて分解することができる少なくとも１つの検出器が使用されることでもよい。これによって、単一のＸ線スペクトルおよび単一の検出器を用いて検査対象のエネルギー固有の吸収を決定することができる。エネルギーを分解する検出器により、エネルギー固有に再構成された多数の中間画像を得て、それによってその都度の観察位置における造影剤の存在に関する更に詳しいメッセージを得ることができる。

以下における図面を参照する有利な実施例の説明により、本発明の付加的な特徴および利点を明らかにする。ここでは本発明の直接的な理解のために重要な要素だけが示されていることを指摘しておく。

以下において図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は２つのＸ線管−検出器セットを有するコンピュータ断層撮影装置、
図２は１つの共通な検出器と異なる陽極材料とを有する跳躍焦点システムの概略図、
図３はフィルタによって分離された２つの検出器を備えた焦点−検出器セットの概略図、
図４は９０°の角度ずらされた異なる陽極材料を有する２つの焦点−検出器セット、
図５は有意性決定のためにエネルギー固有の中間画像から商形成を行なう本発明による方法のフローチャート、
図６は有意性決定のためにエネルギー固有の中間画像から商形成を行なう本発明による方法のフローチャート、
図７は有意性決定のためにＲｈｏＺ（ρＺ）ウィンドウイングを行なう本発明による方法のフローチャートを示す。

図においては次の符号が使用されている。１：コンピュータ断層撮影装置、２：第１のＸ線管または第１の焦点、３：第１の検出器、４：第２のＸ線管または第２の焦点、５：第２の検出器、６：ハウジング、７：患者、８：移動可能な患者用寝台、９：システム軸線、１０：コンピュータユニット、Ｐｒｇ₁〜Ｐｒｇ_n：プログラムモジュール、１１：第１の焦点のコーンビーム、１２：第２の焦点のコーンビーム、１４：第１の焦点の陽極材料、１５：第２の焦点の陽極材料、１６：フィルタ、ａ，ｂ，ｃ：定数、Ｂ：中間画像、Ｅ₁，Ｅ₂：エネルギースペクトル、Ｉ：最終画像、Ｓ：有意値、Ｓ（Ｅｘ）：エネルギースペクトルＥｘの検出器データ、μ（Ｅ１），μ（Ｅ２）：エネルギー固有のＣＴ画像。

図１は、第１のＸ線管２とこの第１のＸ線管２に付設された第１の検出器３とを備えたコンピュータ断層撮影装置１を示す。これに対して９０°の角度ずらされて、第２のＸ線管４および第２の検出器５を有する第２の焦点−検出器システムがガントリ内に配置されている。患者７が移動可能な患者用寝台８上に存在する。患者用寝台８は患者走査時にシステム軸線９に沿って移動される。コンピュータ断層撮影装置１の制御は概略的に示されているコンピュータユニット１０によって行なわれ、受信された検出器データの評価はプログラムモジュールＰｒｇ₁〜Ｐｒｇ_nによって実行される。

ここに示された２重の焦点−検出器セットは模範例にすぎない。例えば図２および図４に概略的に示されているような他の変形も同様に使用可能である。

図２は、異なる陽極材料１４，１５上に配置されている両焦点２，４より構成されている跳躍焦点からなる組み合わせの概略図を示す。焦点２，４から第１のコーンビーム１１および第２のコーンビーム１２が出射し、１つの共通の検出器３に入射する。これらの両跳躍焦点２，４は、一方ではそれらの異なる陽極材料１４，１５に基づいて異なるエネルギースペクトルを有するＸ線を放射する。付加的に、一方の焦点から他方の焦点への跳躍時に同時に異なる加速電圧に切り換えることもできるので、異なる陽極材料に付加して、またはそれによってのみ、異なる制動放射スペクトルが発生される。

他の変形が図３に示されている。ここでは１つの共通の焦点２から出射して典型的なエネルギースペクトルを有するＸ線ビーム１１が発生される。このビームはまず第１の検出器３に入射し、この検出器３において第１のエネルギースペクトルを有する検出器出力データが測定される。引き続いてスペクトルはその下に配置されたフィルタ１６によるフィルタ処理を受け、その後、その下にある第２の検出器５に入射する。フィルタ処理によってスペクトルの低エネルギー成分が除かれるので、第２の検出器５はＸ線の高エネルギー成分だけを検出し、それによって異なるスペクトルエネルギーに関係する被照射検査対象の異なる吸収が決定される。

更に、図４には図１の２重の焦点−検出器セットが概略的に示されている。ここでは、Ｘ線管が２つの異なる陽極材料１４，１５および／または異なる加速電圧で動作させられるので、異なるエネルギースペクトルを有する２つのコーンビーム１１，１２が生じ、両コーンビーム１１，１２はそれぞれ対向する検出器３，５によって受信されて評価される。

図５〜図７にはエネルギー固有の検出器データの本発明による評価が概略的に示されている。図５は、まず２つのエネルギースペクトルＥ１，Ｅ２についてそれぞれエネルギー固有の検出器データＳ（Ｅ１），Ｓ（Ｅ２）のためのスキャンが行なわれる様子を示す。引続いて両エネルギースペクトルについてエネルギー固有のＣＴ画像μ（Ｅ１），μ（Ｅ２）が算出される。エネルギー固有のＣＴ画像μ（Ｅ１），μ（Ｅ２）の画像値の商形成｛ｃ×μ（Ｅ１）／μ（Ｅ２）｝によって中間画像Ｂが算出される（なお、ｃは定数）。引続いて、その都度の観察位置において結果画像Ｂのその都度のピクセル値またはボクセル値から、この位置に有意な造影剤が存在するどうかが決定され、とりわけ値０または１を有する有意値Ｓ＝ｆ（Ｂ）として記録される。基本的には血管の表示のために有意値を空間的に画像表示Ｉ内に表示することで十分である。付加的に画像表示ＩとＣＴ表示μ（Ｅ１）および／またはμ（Ｅ２）との重ね合わせ（オーバーラッピング）を行ない、例えば有意値１において通常のＣＴ表示の色付与を行なうことができる。更に、色付与時にＣＴ画像内に存在する明／暗値を維持することができる。

図６は、図５と同様に、まず２つのエネルギースペクトルＥ１，Ｅ２についてそれぞれ検出器データＳ（Ｅ１），Ｓ（Ｅ２）のためのスキャンが行なわれ、引続いて両エネルギースペクトルについてエネルギー固有のＣＴ画像μ（Ｅ１），μ（Ｅ２）が算出される様子を示す。今回は、中間画像Ｂが、ピクセル値またはボクセル値のその都度の観察位置におけるＣＴ画像μ（Ｅ１），μ（Ｅ２）のエネルギー固有のＣＴ画像値の、定数ａ，ｂによって重み付けされた和{ａ×μ（Ｅ１）＋ｂ×μ（Ｅ２）}から求められ、この位置に有意な造影剤が存在するか否かが調べられる。引続いて、とりわけ値０または１を有する局所的な有意値Ｓ＝ｆ（Ｂ）が決定される。この場合にも基本的には血管の表示のためには有意値Ｓ＝ｆ（Ｂ）だけを空間的に画像表示Ｉに表示することで十分である。付加的に、同様に、画像表示ＩとＣＴ表示の１つμ（Ｅ１）および／またはμ（Ｅ２）との重ね合わせ、またはＣＴ表示の１つにおける有意な個所の強調が行なわれる。

同様にしてＲｈｏＺ（ρＺ）ウィンドウイングによる造影剤の空間分布の決定および表示が行なわれる。この場合には、図７に概略的に示されているように、ＣＴ画像μ（Ｅ１），μ（Ｅ２）のエネルギー固有の吸収値から、既述の刊行物「ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，Ｖｏｌｕｍｅ ９４，Ｎｏ．３，１．Ａｕｇｕｓｔ ２００３」におけるＢ．Ｊ．Ｈｅｉｓｍａｎｎ，Ｊ．Ｌｅｐｐｅｒｔ，Ｋ．Ｓｔｉｅｒｓｔｏｒｆｅｒによる「“Ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ａｔｏｍｉｃ ｎｕｍｂｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｘ−ｒａｙ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ”（スペクトルＸ線減弱法を用いた密度および原子番号測定）」および独国特許出願公開第１０１４３１３１号明細書にしたがって、観察位置における被照射材料の原子番号Ｚに対する近似尺度であるＲｈｏＺ（ρＺ）値が求められる。造影剤として、典型的なかつ周囲組織とは明白に異なる平均Ｚ値を有する薬剤が選択されるならば、１つの予め定められた範囲、すなわち１つの値ウィンドウにおけるＲｈｏＺ値が減少しても、観察位置における造影剤の存在を極めて確実に決定することができる。この場合に有意値０または１は、いわゆるＲｈｏＺ値の位置分布を反映する中間画像Ｂに基づいて決定される。更なる評価および表示は図５および図６の方法に対応する。

本発明による方法は２つのエネルギー固有のＣＴ画像の検出に限定されるのではなく、特にエネルギーを分解する検出器を使用する場合には、多数の個別エネルギーまたはエネルギースペクトルを考察して、有意値Ｓ＝ｆ（Ｂ）の形成に利用することができる。

本発明の上述の特徴はその都度述べた組み合わせのみならず、本発明の枠を逸脱することなく、他の組み合わせまたは単独状態にて使用可能である。

以上のとおり、本発明によれば、患者のＣＴ画像のエネルギー固有の再構成によって、造影剤と組織との間のエネルギー固有の吸収差を考察することにより、患者内の造影剤分布の決定を同時に非常に少ない造影剤使用のもとで可能にする造影剤使用により組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法が提供される。

２つのＸ線管−検出器セットを有するコンピュータ断層撮影装置の概略図 １つの共通な検出器と異なる陽極材料とを有する跳躍焦点システムの概略図 フィルタによって分離された２つの検出器を備えた焦点−検出器セットの概略図 ９０°の角度ずらされた異なる陽極材料を有する２つの焦点−検出器セットの概略図 有意性決定のためにエネルギー固有の中間画像からの商形成を行なう本発明による方法のフローチャート 有意性決定のためにエネルギー固有の中間画像からの商形成を行なう本発明による方法のフローチャート 有意性決定のためにＲｈｏＺウィンドウイングを行なう本発明による方法のフローチャート

符号の説明

１ コンピュータ断層撮影装置
２ 第１のＸ線管または第１の焦点
３ 第１の検出器
４ 第２のＸ線管または第２の焦点
５ 第２の検出器
６ ハウジング
７ 患者
８ 移動可能な患者用寝台
９ システム軸線
１０ コンピュータユニット
１１ 第１の焦点のコーンビーム
１２ 第２の焦点のコーンビーム
１４ 第１の焦点の陽極材料
１５ 第２の焦点の陽極材料
１６ フィルタ
Ｐｒｇ₁〜Ｐｒｇ_n プログラムモジュール
ａ，ｃ，ｄ 定数
Ｂ 中間画像
Ｅ１ エネルギースペクトル
Ｅ２ エネルギースペクトル
Ｉ 最終画像
Ｓ 有意値
Ｓ（Ｅｘ） エネルギースペクトルＥｘの検出器データ
μ（Ｅ１） エネルギー固有のＣＴ画像
μ（Ｅ２） エネルギー固有のＣＴ画像

Claims (10)

1. 検査すべき組織構造の可視化のために１つの造影剤を含んでいる患者のＸ線走査で取得されたデータから、コンピュータ断層撮影の２次元または３次元画像が再構成される、組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法であって、
   少なくとも２つの異なるエネルギースペクトル（Ｅ１，Ｅ２）について吸収データが測定され、エネルギースペクトル（Ｅ１，Ｅ２）ごとにコンピュータ断層撮影の中間画像（μ１，μ２）が再構成され、組織と造影剤との間の異なるエネルギー固有の吸収特性から組織における１つの造影剤の分布が決定される、組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法において、
   造影剤の分布を決定するために原子番号分布が求められ、
   少なくとも２つの中間画像（μ１，μ２）から造影剤の分布に関する有意メッセージ（Ｓ）が算出され、
   有意メッセージ（Ｓ）が中間画像の商形成（ｃ×μ１／μ２、ｃは定数）によって算出される
   ことを特徴とする組織構造のコンピュータ断層撮影画像の作成方法。
2. ＣＴ画像表示において、造影剤の存在に関する肯定的な有意メッセージ（Ｓ）を有する画像値が予め定められた画像値を与えられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記予め定められた画像値は最大または最小のグレー値であることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記予め定められた画像値は、画像表示の造影剤の存在に関する肯定的な有意メッセージ（Ｓ）を有する画像値を有する部分以外の部分において存在しない色度であることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 少なくとも２つの異なるエネルギースペクトル（Ｅ１，Ｅ２）についての吸収データの決定のためにスペクトルごとに専用のＸ線源が使用されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 少なくとも２つの異なるエネルギースペクトル（Ｅ１，Ｅ２）についての吸収データの決定のためにスペクトルごとにＸ線源において専用の陽極材料が使用されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 陽極材料および造影剤からなる組み合わせが使用され、陽極材料は制動放射スペクトルにおいて強度最大値を有し、造影剤はこの陽極材料から発生された制動放射の強度最大値のエネルギー範囲に吸収最大値を有することを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 跳躍焦点が使用されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 少なくとも２つの異なるエネルギースペクトル（Ｅ１，Ｅ２）についての吸収データの決定のためにスペクトルごとに専用の検出器が使用されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. 少なくとも２つの異なるエネルギースペクトル（Ｅ１，Ｅ２）についての吸収データの決定のために、検出されたＸ線のエネルギースペクトルを少なくとも２つの異なるエネルギーについて分解することができる少なくとも１つの検出器が使用されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。

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