JP4794238B2 - マルチエナジーｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マルチエナジーＸ線ＣＴ装置（ＣＴ）に関し、特に複数のＸ線エネルギーを用いて収集されたデータからより高精細な断層像を生成することに対して有用な技術に関するものである。

従来のＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線源から扇形上に照射されるＸ線を１列の検出器で検出していたが、近年ではコーン型に照射されるＸ線を多列の検出器で検出マルチスライスＣＴが実用化されている。また検出器の多列化だけでなく薄化も著しい。Ｘ線ＣＴ装置の技術革新は検出器だけにとどまらず、ガントリー回転速度の高速化が進んでおり、短時間で広範囲のデータ収集が可能になってきている。

Ｘ線ＣＴにおいて照射されるＸ線は単色ではなく、ある程度のスペクトル幅（エネルギー幅）を持っている。Ｘ線減弱係数は理論式から算出可能であるが、理論式はＸ線が単一エネルギーであることが前提であるため、スペクトル幅を持ったＸ線を用いた場合、ＣＴ値を正確に算出することは困難である。ＣＴ値の精度を向上させて解像度を向上させるためには、Ｘ線スペクトル幅を狭くし、単色Ｘ線に近い状態にすることが望ましい。これを実現する方法として、サイクロトロンを用いた単色放射光による超高解像度ＣＴが試験的に実現されている。

その他、Ｘ線ＣＴの新技術として、特許文献１には、異なるエネルギースペクトルを持つ２種類のＸ線を照射するマルチエナジーＣＴが提案されている。スペクトル幅を持ったＸ線が被検体を透過する際、低エネルギーのＸ線が多く吸収されるためエネルギーピーク値が高い側にシフトする、いわゆるビームハードニング効果が発生する。ビームハードニング効果は、アーチファクト発生やＣＴ値の精度悪化の原因となることが知られている。マルチエナジーＣＴでは２種のエネルギースペクトルから収集されたデータを用いて、良好なビームハードニング補正が可能になることから、ビームハードニングに起因するアーチファクトの低減が可能になると考えられており、ＣＴ値の精度向上が期待されている。

またマルチエナジーＣＴではコンプトン効果及び光電効果からの別々の減衰を表すデータが得られることから、原子番号と密度とを表す画像を生成可能と考えられており、１種類のエネルギースペクトルを照射するタイプのＣＴでは困難であった骨と造影血管の分離などの応用が期待されている。
特開２００４−１８８１８７号公報

本発明者は、上記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見い出した。単色ではない、スペクトル幅を持ったＸ線を使用するＣＴの場合、ビームハードニング効果によってシェーディングやストリークといったさまざまなアーチファクトが発生する。また１種類のエネルギースペクトルのＸ線のみを使っているため、ビームハードニング効果の補正精度には限界がある。単色放射光によるＣＴでは、ビームハードニングの現象が発生しないことからアーチファクトが発生しにくく、ＣＴ値の精度や画像コントラストの点で利点がある。

しかし単色Ｘ線を発生させるにはサイクロトロンなどの高価で巨大な装置が必要であることから、広く臨床に用いることは難しく、その応用は限定的な範囲に限られる。マルチエナジーＣＴでは複数のエネルギースペクトルで得られたデータから、ビームハードニング効果の効果的な補正や骨と造影血管の分離などの応用が期待されている。しかしその他の応用、特に画像コントラストを向上させようという試みについては十分な検討がなされていない。

本発明の目的は、複数のエネルギースペクトルを用いて収集されたデータから、より高精細でコントラストに優れた断層像を生成可能なＸ線ＣＴ装置を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明に係るマルチエナジーＸ線ＣＴ装置は、第一のエネルギースペクトルのＸ線及び第二のエネルギースペクトルのＸ線を照射するＸ線源と、被検体を透過した前記第一のエネルギースペクトルのＸ線及び第二のエネルギースペクトルのＸ線を検出して第一のエネルギースペクトルの投影データ及び第二のエネルギースペクトルの投影データを出力するＸ線検出器と、前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器の動作を制御する制御手段と、前記第一のエネルギースペクトルの投影データ及び第二のエネルギースペクトルの投影データに基づいて所望する画像を生成する画像処理手段と、前記画像を表示する表示手段と、を備えたマルチエナジーＸ線ＣＴ装置において、前記画像処理手段は、前記第一のエネルギースペクトルの投影データと第二のエネルギースペクトルの投影データとを取得する取得手段と、前記第一のエネルギースペクトルの投影データを再構成して第一再構成像を生成し、かつ前記第二のエネルギースペクトルの投影データを再構成して第二再構成像を生成する再構成手段と、前記第一再構成像と前記第二再構成像との混合比率を算出する混合比率算出手段と、前記第一再構成像と前記第二再構成像とを前記混合比率に従って合成し、合成像を生成する合成像生成手段と、を備える、ことを特徴とする。

前記混合比率算出手段は、前記混合比率を、局所物理量に応じて前記第一再構成像及び第二再構成像を構成する１画素ごとまたは前記第一再構成像に設定された第一局所領域及び前記第二再構成像における前記第一局所領域に相当する領域に設定された前記第二局所領域ごとに変更してもよい。

また、前記局所物理量は、前記被検体の部位のＣＴ値または前記第一局所領域及び第二局所領域の画素値の標準偏差であってもよい。

また、前記混合比率算出手段は、前記被検体においてＣＴ値が相対的に高い部位では前記第一再構成像の混合比率を相対的に大きくし、ＣＴ値が相対的に低い部位では前記第二再構成像の混合比率を相対的に大きくしてもよい。

また、前記混合比率算出手段は、前記第一局所領域及び第二局所領域の画素値の標準偏差を算出し、前記標準偏差が相対的に小さい前記第一局所領域又は第二局所領域の混合比率を相対的に大きくしてもよい。

また、前記混合比率算出手段は、前記第一再構成像及び第二再構成像を同一の生体機能を有する組織ごとに分割し、前記組織のＸ線吸収端と前記第一のエネルギースペクトルの実効エネルギーとのエネルギー差と、前記組織のＸ線吸収端と前記第二のエネルギースペクトルの実効エネルギーとのエネルギー差と、に基づいて前記組織毎に混合比率を決定してもよい。

本発明によれば、Ｘ線コンピュータ断層撮影において、複数のエネルギースペクトルを用いて収集されたデータからより高精細でコントラストに優れた断層像を生成できるという効果がある。またこれにより診断能の向上が期待できる。

以下、添付図面に従って本発明に係るＸ線ＣＴ装置の好ましい実施の形態について詳説する。

＜第一実施形態＞
図１は本発明に係るマルチエナジーＸ線ＣＴ装置（以下「Ｘ線ＣＴ装置」と略す。）の好ましい実施の形態を示す図である。本発明に係るＸ線ＣＴ装置１は、ガントリ２を含み、ガントリ２はガントリ２の対向面上に位置するＸ線源３とコリメータ４と検出器アレイ５とを有する。検出器アレイ５は図示しない寝台上の被検体を透過したＸ線を検出する検出器素子６によって形成される。検出器素子６は横列の形、または複数の並列な横列の形に配置されている。各々の検出器素子６は、入射したＸ線ビームの強度、言い換えるとＸ線ビームが被検体を透過した際の減衰を表す電気信号を発生させる。Ｘ線源３からＸ線７が照射された状態でガントリ２が回転中心８を中心にして回転することでＸ線投影データが収集される。ガントリ２やＸ線源３は、Ｘ線ＣＴ装置１の制御部９により制御される。制御部９は、Ｘ線制御手段１０とガントリ制御手段１１とＤＡＳ（データ収集システム）１２を含み、検出器素子６からのアナログ信号はＤＡＳ１２によってデジタル信号に変換される。デジタル化されたＸ線データは画像処理手段１３内の再構成手段１４によって再構成され、画像処理手段１３内の保存手段に格納される。画像処理手段１３はコンピュータなど演算処理装置であり、それぞれのエネルギースペクトルによる再構成像を混合する比率を計算する混合比率算出手段１５と、混合比率算出手段によって算出された混合比率に基づいて合成像を生成する合成像生成手段１６と、ハードディスクなどの保存手段１７と、メモリなどの一時格納手段１８と、マウスやキーボードなどの入力手段１９から構成されている。また図示しないDigital Signal Processor(DSP)やMicroProcessor Unit(MPU)、Central Processing Unit(CPU)の少なくとも１つを備える。画像表示手段２０は、画像処理手段１３と一体化した、あるいは独立したディスプレイなどの表示装置である。図１では制御部９と画像処理手段１３を分離しているが、両者は一体化していてもよい。また再構成手段１４は画像処理手段１３と独立していてもよい。

図２は本発明に係るＸ線ＣＴ装置１の実施の形態における、複数のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した再構成像から、合成像を生成する方法を示した模式図である。第一のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した再構成像（以下「第一再構成像」という）と第二のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した再構成像（以下「第二再構成像」という）とに基づいて混合比率を算出し、この混合比率に基づいて合成像を生成する。図２では第一再構成像から混合比率ｗを算出し、第一再構成像を混合比率ｗの割合で、第二再構成像を（１−ｗ）の割合で混合する。上記では、第一再構成像から混合比率を算出したが、混合比率は第二再構成像から算出してもよく、両方の再構成像から算出してもよい。図２では簡単のため、２つのエネルギースペクトルで投影データを収集する例について示しているが、３つ以上のエネルギースペクトルで収集してもよい。

図３は本発明に係るＸ線ＣＴ装置の実施の形態１における、投影データ収集から合成像表示までの処理フローである。

ステップＳ３０１では、まず投影データを収集する（Ｓ３０１）。Ｘ線ＣＴ装置１はマルチエナジー方式のＣＴ装置であり、例えば８０ｋＶｐと１２０ｋＶｐなど複数の電位で作動する複数回のスキャンが、連続式またはインターリーブ式で実行され、投影データが収集される。あるいはＸ線源３と検出器素子６との間に特殊なフィルタを配置して、種々の検出器列が種々のエネルギースペクトルの投影データを収集するようにする。あるいはエネルギー感知型の検出器を使用することで、マルチエナジー方式のＣＴ装置を実現してもよい。

ステップＳ３０２では、再構成手段１４が各々のエネルギースペクトルの投影データについて再構成画像を生成する（Ｓ３０２）。ＤＡＳ１２は、検出器アレイ５が検出した第一のエネルギースペクトルのＸ線の投影データ（以下「第一投影データ」という）と、第二のエネルギースペクトルのＸ線の投影データ（以下「第二投影データ」という）と、を収集し、画像処理手段１３に送出する。画像処理手段１３は、第一投影データと第二投影データとを取得し、再構成手段１４が第一投影データに基づいて第一再構成像を生成する。同じく第二投影データに基づいて第二再構成像が生成される。

ステップＳ３０３では、混合比率算出手段１５が混合比率を算出する（Ｓ３０３）。混合比率の算出方法については後述する。

ステップＳ３０４では、合成像生成手段１６が得られた混合比率を基に合成後の画素値を算出する（Ｓ３０４）。合成後の画素値は次の数１式に従って算出する。

ここでOIMGは合成像を、IMG1は第一のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した第一再構成像における画素値を、IMG2は第二のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した第二再構成像における画素値を、ｗは混合比率をそれぞれ表す。またｗは０〜１の間の実数である。Ｓ３０３〜３０４を画素毎または局所領域毎に繰り返す。

ステップＳ３０５では、合成像生成手段１６が算出された各画素または各局所領域における合成後の画素値をマッピングすることで合成像を生成する（Ｓ３０５）。

ステップＳ３０６では、画像表示手段２０が生成された合成像を表示する（Ｓ３０６）。

次に本発明に係るＸ線ＣＴ装置の実施の形態１における、混合比率の算出方法について説明する。ＣＴ値は一般的に組織によって異なる値を持つ。例えば骨は1000HU程度の、肝臓や脳などの臓器は25〜80HU程度の、脂肪は-100HU程度の、肺野は-800HU程度のＣＴ値を持つ。脳などの臓器は、照射されるＸ線のエネルギーが低いほどＸ線をよく吸収する傾向があり、骨などは照射されるＸ線のエネルギーが高いほどＸ線をよく吸収する傾向があることが知られている。ここで第一のエネルギースペクトルの実効エネルギーを低く設定し、第二のエネルギースペクトルの実効エネルギーを高く設定した場合、エネルギーが低いほどＸ線をよく吸収する傾向がある部位では第一のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した再構成像の成分を強くし、エネルギーが高いほどＸ線をよく吸収する傾向がある部位では第二のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した再構成像の成分を強くして混合することで、コントラスト良好な合成像を得ることができる。つまり例えば図4に示すように混合比率を設定して合成像を生成すればよい。図４のグラフは次の数２式で表される。

ここでTH1は-1000程度、TH2は-200程度、TH3は-100程度、TH4は+80程度、TH5は+160程度、TH6は+1000程度であることが望ましく、TH7は0.1程度であることが望ましい。混合比率は図４および数２式に示した例に限定されるものではなく、エネルギーが低いほどＸ線をよく吸収する傾向がある部位では第一のエネルギースペクトルで収集した第一投影データから生成した第一再構成像の成分を強くし、エネルギーが高いほどＸ線をよく吸収する傾向がある部位では第二のエネルギースペクトルで収集した第二投影データから生成した第二再構成像の成分を強くするような混合比率であれば、任意のカーブ形状および数式でよい。

本実施形態により、第一再構成像と第二再構成像のうち、画素ごと又は局所領域ごとによりコントラストが高い再構成像の混合比率を高くして合成像を生成することができる。

＜第二実施形態＞
図５は本発明に係るＸ線ＣＴ装置の第二の実施の形態における、投影データ収集から合成像表示までの処理フローである。

ステップ５０１では、まず投影データを収集する（Ｓ５０１）。データ収集の方法については、第一実施形態と同様でよい。

ステップＳ５０２では、再構成手段１４が各々のエネルギースペクトルの投影データについて第一再構成画像及び第二再構成画像を生成する（Ｓ５０２）。

ステップＳ５０３では、混合比率算出手段１５が注目画素または局所領域における実効的な原子番号を算出する（Ｓ５０３）。混合比率算出手段１５は、第一再構成像及び第二再構成像を同一の生体機能を有する組織毎に分割（セグメンテーション）する。マルチエナジーＣＴでは、従来型のＣＴのように全体の減衰係数を得る代わりに、コンプトン及び光電処理からの別々の減衰を表す１対の画像が得られ、実効的な原子番号と密度の情報を得ることができる。この性質を利用すれば組織毎、又は注目画素毎、局所領域毎における実効的な原子番号を得ることが可能である。

ステップＳ５０４では、混合比率算出手段１５がＳ５０３で得られた実効的な原子番号を基に、Ｘ線吸収端を得る（Ｓ５０４）。Ｘ線吸収特性は物質に固有のものであり、実効的な原子番号とその原子からなる物質のＸ線吸収端は１対１対応する。よって実効的な原子番号がわかっていればその物質に対応するＸ線吸収端を把握することが可能である。Ｓ５０４を短時間で終了するには、あらかじめ物質とＸ線吸収端との対応テーブルを生成しておき、そのテーブルを参照するようにすることが望ましい。

ステップＳ５０５では、混合比率算出手段１５が混合比率を算出する（Ｓ５０５）。混合比率の算出方法については後述する。

ステップＳ５０６では、合成像生成手段１６がＳ５０５で得られた混合比率を基に合成後の画素値を算出する（Ｓ５０６）。合成後の画素値の算出方法は第一実施形態と同様でよい。合成像生成手段１６は、Ｓ５０３〜５０６を画素毎または局所領域毎に繰り返す。

ステップＳ５０７では、合成像生成手段１６がＳ５０６で算出された各画素または各局所領域における合成後の画素値をマッピングすることで合成像を生成する（Ｓ５０７）。

ステップＳ５０８では、画像表示手段２０がＳ５０７で生成された合成像を表示する（Ｓ５０８）。

次に本発明に係るＸ線ＣＴ装置の第二実施形態における、混合比率の算出方法について説明する。ここでは第一のエネルギースペクトルの実効エネルギーを低く設定し、第二のエネルギースペクトルの実効エネルギーを高く設定した場合について説明する。第一のエネルギースペクトルの実効エネルギーE1st、第一のエネルギースペクトルの実効エネルギーE2ndとする。また注目画素または局所領域における物質のＸ線吸収端をEROIとする。このとき混合比率ｗは次式によって算出される。

本実施の形態では、第一のエネルギースペクトルの実効エネルギーを低く設定し、第二のエネルギースペクトルの実効エネルギーを高く設定した場合について説明したが、この逆の場合でもよいことは同業者ならば容易に理解されるであろう。

＜第三実施形態＞
図７は本発明に係るＸ線ＣＴ装置の第三実施形態における、投影データ収集から合成像表示までの処理フローである。

ステップ７０１では、まず投影データを収集する（Ｓ７０１）。データ収集の方法については、第一実施形態1及び第二実施形態と同様でよい。

ステップＳ７０２では、再構成手段１４が各々のエネルギースペクトルの投影データについて第一再構成像及び第二再構成像を生成する（Ｓ７０２）。

ステップＳ７０３では、混合比率算出手段１５が注目画素周辺の画素値の局所標準偏差、または局所領域における局所標準偏差を求める（Ｓ７０３）。

ステップＳ７０４では、混合比率算出手段１５が、第一のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した第一再構成像における局所標準偏差（SD1）と、第二のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した第二再構成像における局所標準偏差（SD2）とを比較する（Ｓ７０４）。SD1がSD2より小さい場合には、第一のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した第一再構成像を選択する（Ｓ７０５）。またＳ７０４においてSD1がSD2より大きい場合には、第二のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した第二再構成像を選択する（Ｓ７０６）。

ステップＳ７０７では、合成像生成手段１６が、Ｓ７０５及び７０６によって選択された再構成像における注目画素または局所領域における画素値を合成後の画素値として設定する（Ｓ７０７）。合成像生成手段１６は、Ｓ７０３〜７０７を画素毎または局所領域毎に繰り返す。

ステップＳ７０８では、合成像生成手段１６がＳ７０７で算出された各画素または各局所領域における合成後の画素値をマッピングすることにより合成像を生成する（Ｓ７０８）。

ステップＳ７０９では画像表示手段２０が生成された合成像を表示する（Ｓ７０９）。

本実施の形態により、第一再構成像及び第二再構成像のうち、より画像ノイズが少ない画像を選んで合成像を生成することができる。そのため、画像ノイズが少ない合成像を生成・表示し、診断能の向上に寄与することができる。

本発明のＸ線ＣＴ装置の構成図 複数のエネルギースペクトルで収集した投影データから生成した再構成像から、合成像を生成する方法の説明図 第一実施形態の処理の流れを説明するフローチャート 第一実施形態における混合比率の決定方法の説明図 第二実施形態の処理の流れを説明するフローチャート 第二実施形態における混合比率の決定方法の説明図 第三実施形態の処理の流れを説明するフローチャート

符号の説明

1…Ｘ線ＣＴ装置 2…ガントリ 3…Ｘ線源 4…コリメータ 5…検出器アレイ 6…検出器素子 7…Ｘ線 8…回転中心 9…制御部 10…Ｘ線制御手段 11…ガントリ制御手段 12…ＤＡＳ 13…画像処理手段 14…再構成手段 15…混合比率算出手段 16…合成像生成手段 17…保存手段 18…一時格納手段 19…入力手段 20…画像表示手段

Claims (4)

1. 少なくとも二以上のエネルギースペクトルのＸ線を照射するＸ線源と、
   被検体を透過した前記各エネルギースペクトルのＸ線を検出して各エネルギースペクトルの投影データを出力するＸ線検出器と、
   前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器の動作を制御する制御手段と、
   前記各エネルギースペクトルの投影データに基づいて所望する画像を生成する画像処理手段と、
   前記画像を表示する表示手段と、
   を備えたマルチエナジーＸ線ＣＴ装置において、
   前記画像処理手段は、
   前記各エネルギースペクトルの投影データを取得する取得手段と、
   前記各エネルギースペクトルの投影データ毎に再構成して、前記各エネルギースペクトルに対応した再構成像を生成する再構成手段と、
   前記各再構成像に含まれる組織毎、注目画素毎、又は局所領域毎に実効的な原子番号を算出し、その原子番号に対応するＸ線吸収端に基づいて、前記各再構成像の混合比率を算出する混合比率算出手段と、
   前記各再構成像を前記混合比率に従って合成し、合成像を生成する合成像生成手段と、を備える、
   ことを特徴とするマルチエナジーＸ線ＣＴ装置。
2. 前記混合比率算出手段は、前記各再構成像を同一の生体機能を有する組織毎に分割し、当該分割された組織の中から選択された注目組織における実効的な原子番号を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマルチエナジーＸ線ＣＴ装置。
3. 前記Ｘ線源は、第一のエネルギースペクトルのＸ線及び前記第一のエネルギースペクトルの実効エネルギーよりも相対的に実効エネルギーが高い第二のエネルギースペクトルのＸ線を照射し、
   前記Ｘ線検出器は、前記被検体を透過した前記第一のエネルギースペクトルのＸ線及び前記第二のエネルギースペクトルのＸ線を検出して第一のエネルギースペクトルの投影データ及び第二のエネルギースペクトルの投影データを出力し、
   前記取得手段は、前記第一のエネルギースペクトルの投影データと第二のエネルギースペクトルの投影データとを取得し、
   前記再構成手段は、前記第一のエネルギースペクトルの投影データを再構成して第一再構成像を生成し、かつ前記第二のエネルギースペクトルの投影データを再構成して第二再構成像を生成し、
   前記混合比率算出手段は、前記第一再構成像と前記第二再構成像との混合比率wを下式（１）により算出する、
   

   

   但し Ｅ _ＲＯＩ ：前記Ｘ線吸収端
   Ｅ _１ＳＴ ：前記第一のエネルギースペクトルの実効エネルギー
   Ｅ _２ｎｄ ：前記第二のエネルギースペクトルの実効エネルギー
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチエナジーＸ線ＣＴ装置。
4. 前記実効的な原子番号と、その原子番号に相当する物質のＸ線吸収端と、を対応付けた対応テーブルを格納する格納手段を更に備え、
   前記混合比率算出手段は、前記対応テーブルを参照して、前記原子番号に対応するＸ線吸収端を求める、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のマルチエナジーＸ線ＣＴ装置。

Images