JP4805447B2

JP4805447B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置

Info

Publication number: JP4805447B2
Application number: JP2000315508A
Authority: JP
Inventors: 確足立; 俊裕利府
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2020-10-16
Also published as: JP2002119504A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高いＸ線吸収係数の部位を通過したローカウントデータを画像再構成に有効に活用し得るＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、Ｘ線コンピュータ断層撮影法は、被検体にＸ線を照射し、そのＸ線透過量を多方向から測定し、断面内の各点のＸ線吸収係数を計算することにより濃淡画像を作成する手法である。これは生体内部が様々な組織から構成され、それぞれにＸ線吸収係数が一定ではないことを利用しているものといえるが、骨等のＸ線吸収係数が著しく高いところでは、検出器に入るＸ線量が著しく低く、それに伴うＳ／Ｎの低下が無視できないことがある。
【０００３】
さらに、Ｘ線は被検体内で指数関数的に減衰し、その一方で、検出器ではこのように指数関数的に減衰したＸ線をその透過線量に比例した信号を出力することから、Ｘ線通路上のＸ線吸収係数の総和である投影データを得るためには、検出器の出力を対数変換にかけることが必須とされるが、この対数変換では、低値、つまりＸ線吸収係数の比較的高いＸ線通路を通ってきたＸ線を受けるチャンネルの低い検出器出力（ローカウントデータ）に対する対数増幅率が、Ｘ線吸収係数の低いＸ線通路を通ってきたチャンネルの検出器出力に対する対数増幅率よりも著しく高くなり、従ってもともと低いＳ／Ｎがさらに悪化してしまい、これにより画像上に横縞状のローカウントアーチファクトが発生することがあった。
【０００４】
このため従来では、入力が所定値（例えば１）よりも低い場合、その対数出力を使用していなかった又は使用できなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的高いＸ線吸収係数の部位を通過したローカウントデータを画像再構成に有効に活用し得るＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に向かってＸ線を発生するＸ線管と、前記被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、前記検出器の出力信号に対してＡ／Ｄ変換、対数変換及び感度補正を含む前処理を施すことにより投影データを生成するとともに、前記投影データから前記対数変換によるローカウントアーチファクト成分を推定し、前記抽出したローカウントアーチファクト成分に基づいて前記投影データを補正する前処理部と、前記投影データから前記対数変換によるローカウントアーチファクト成分を推定する手段と、前記推定したローカウントアーチファクト成分に基づいて前記投影データを補正する補正部と、前記補正された投影データに基づいて、断層像データを再構成する再構成部とを具備し、前記ローカウントアーチファクト成分を推定するために、前記投影データを指数変換し、その指数データを対数変換して得たデータを、前記指数データに定数を加算してから対数変換して得たデータから差分することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置を実施形態により説明する。なお、コンピュータ断層撮影装置には、Ｘ線管とＸ線検出器とが１体として被検体の周囲を回転するROTATE/ROTATE-TYPE、リング状にアレイされた多数の検出素子が固定され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転するSTATIONARY/ROTATE-TYPE等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めているROTATE/ROTATE-TYPEとして説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１に、第１実施形態に係るコンピュータ断層撮影装置の構成をブロック図により示している。架台１００は、架台駆動部１０７により所定方向に回転駆動されるリング状の回転体１０２を有している。この回転体１０２には、Ｘ線管１０１とＸ線検出器１０３とが対向して搭載されている。Ｘ線管１０１は、高電圧発生部１０９からスリップリング１０８を介して高電圧パルスの供給を受け、Ｘ線をファン状に発生する。このＸ線は撮影領域ＦＯＶに配置されている被検体を透過して、Ｘ線検出器１０３に入射する。周知のとおり、Ｘ線は、被検体を通過する際、その通路上に在る骨や軟部組織それぞれが有する固有のＸ線吸収係数に相当する分だけ指数関数的に減衰を受け、Ｘ線検出器１０３に入射する。Ｘ線検出器１０３は、多チャンネル型であり、例えばＸ線管１０１の焦点を中心として円弧状に配列された複数の検出素子を装備していて、入射Ｘ線を一定のサンプリング周波数で検出する。これにより入射Ｘ線は所定角度ごとにその線量に応じた電気信号（電流信号）に変換される。なお、Ｘ線検出素子の配列方向をチャンネル方向と称し、また各サンプリング時点でのＸ線管１０１の位置（角度）をビュー角と称し、ビュー角の変化の向きをビュー方向と称する。
【０００９】
Ｘ線検出器１０３で検出された信号は、データ収集回路１０４で電圧信号に変換され、増幅され、そしてディジタル信号に変換された後、光又は磁気的な非接触データ伝送部１０５を介して前処理部１０６に送られる。なお、通常、データ伝送速度を高めるために、データは例えば低い１６ビット数に圧縮され、また例えば低いチャンネル数に圧縮される。そして伝送後に、前処理部１０６で、データはもとのビット数にデコードされ、またもとのチャンネル数に伸張される。
【００１０】
上述したように、Ｘ線は生体内で指数関数的に減衰を受けているので、そのＸ線通路上の吸収係数の総和、つまり投影情報を得るためには対数変換を行う必要がある。前処理部１０６では、デコード及び伸張と共に、ローカウント側のＤＣ値加算を伴って対数変換も行う。さらに、前処理部１０６では、データ収集回路１０４でのＤＣノイズ（主にＤＡＳのドリフト成分とＤＡＳの固体ノイズとからなる）を除去するオフセット補正、リファレンス用検出素子で検出したリファレンスデータで収集データを補正することによりＸ線出力の時間的な変動に起因するビュー角変化による信号ばらつきを解消するためのリファレンス補正、予め収集しておいた水ファントムのデータを収集データから引き算することにより検出器１０３のチャンネル間の感度差を抑制して水のＣＴ値を基準のゼロとするデータを作成するための水補正等の各種補正処理を行われる。
【００１１】
なお、前処理部１０６への入力データ、つまり対数変換及び補正処理の前段階にあるデータを純生データと称し、前処理部１０６からの出力データ、つまり対数変換及び補正処理を受けた後の再構成処理直前段階にあるデータを生データと称して、両者を明確に区別する。
【００１２】
前処理部１０６から出力される生データは、ローカウント補正部１１２でローカウント補正を受けた後、再構成部１１４に送られる。再構成部１１４では、ローカウント補正を受けた生データに基づいて断層像データを再構成する。この断層像データは表示装置１１６に送られ、そこで断層像として表示される。
【００１３】
ホストコントローラ１１０は、スキャン、データの受け渡し及びデータ処理を含む装置全体の動作を制御するために設けられている。
【００１４】
上述したローカウント補正部１１２は、本発明で最も特徴的な構成要素である。以下、ローカウント補正部１１２について詳細に説明する。まず、ローカウントとは、Ｘ線吸収係数の比較的高い骨等の多いＸ線通路を通ってきたＸ線は、Ｘ線吸収係数の比較的低い軟部組織等の多いＸ線通路を通ってきたＸ線よりも、強く減衰を受けており、このように強く減衰を受けた弱いＸ線を検出するチャンネルの低い出力に対応している。図２には、主にスライス幅と管電流とで決まるＸ線入力に対するＤＡＳ１０４の出力の関係を表している。信号成分が低くて、検出器１０３のフォトダイオードやＤＡＳ１０４のノイズが支配的なＳ／Ｎが低い領域では、ＤＡＳ出力がノイズに依存して非常に不安定になり、入出力が非線形の関係を示す。この非線形性を示す範囲は、図２ではローカウントの信号成分を殆ど含まず、ノイズ成分が支配的で、そのために非線形性が強く現れるＡ領域と、ローカウントの信号成分を若干含んではいるが、非線形性が比較的弱いものの依存として現れているＢ領域とに分けて示しており、従来では、非線形性を示す領域全体、つまりＡ領域だけでなく、Ｂ領域も含めて、使用できなかった。一方、本発明では、Ａ領域は、前処理のオフセット補正で除去するものの、Ｂ領域のデータ（ローカウントデータ）を画像再構成に活かすことを実現している。
【００１５】
このローカウントデータのＳ／Ｎは、上述したように、非常に低いものである。さらにこのローカウントデータは、対数変換の特性上、つまり対数変換における増幅率がハイカウントの場合のそれに比べて非常に高く、従ってＳ／Ｎの低さがさらに強調されてしまい、その結果、画像上では、骨等の強いＸ線吸収体の後方で横縞上のアーチファクトを発生させてしまう。このため、従来では、この対数変換時にローカウントデータまでゼロ値又はその近似値に変換して、ローカウントデータの画像再構成に対する寄与率を極端に低減することで対処していた。
【００１６】
本発明のローカウントデータ補正は、ローカウントアーチファクトを引き起こすローカウントアーチファクト成分を推定し、そのローカウントアーチファクト成分を生データから除去することで、ローカウントデータをハイカウントデータと同等に画像再構成に活用し得るデータに補正することを実現するものである。
【００１７】
図３には、ローカウント補正部１１２の動作手順をフローチャートで示している。まず、生データＤ０は、指数関数的に変換される（Ｓ１）。この指数値データＤ１は、２系統に分配される。その一方の系統では、指数値データＤ１は、対数的に変換される（Ｓ４）。その対数値データＤ４は差分ステップ（Ｓ５）に与えられる。他方の系統では、指数値データＤ１は、所定の定数ＤＣ値が加算され（Ｄ２）、そしてその加算された指数値データＤ２が対数的に変換される（Ｓ３）。その対数値データＤ３から対数値データＤ４が差分される（Ｓ５）。
【００１８】
ここで、差分データＤ５について、ローカウント側とハイカウント側とで比較すると、図４（ａ）に示すように、対数変換では、ローカウントデータ（Ｄ１）の増幅率がハイカウントデータ（Ｄ１０１）のそれよりも高く、このためローカウントデータ（Ｄ１）に対応する差分データＤ５は、ハイカウントデータ（Ｄ１０５）に対応する差分データＤ１０５よりも、明らかに高値を示す。この差分データＤ５をチャンネル方向に関してみると、図４（ｂ）に示すように、値の高いところはローカウントに対応し、値の低いところは、対数変換の増幅率の低いハイカウントに対応している。
【００１９】
こうして得られた差分データＤ５は、チャンネル方向とビュー方向との空間的な２次元方向でスムージング（平滑化）にかけられる（Ｓ６）。これにより、ローカウントアーチファクトを引く起こすノイズ成分（ローカウントアーチファクト成分）、つまり対数変換によりハイカウントよりも強く増強された検出器１０３のフォトダイオードやＤＡＳ１０４のノイズ成分を推定することができる。
【００２０】
なお、この平滑化は、２次元に限定されることはなく、チャンネル方向とビュー方向とのいずれか一方の１次元方向だけでもかまわない。発明者の実験によると、チャンネル方向にだけ１次元スムージングをかけた場合、２次元スムージングをかけた場合よりも画質が向上するケースもあった。また、チャンネル方向にだけ１次元スムージングをかける場合、ビュー単位で補正処理が可能になり、対数変換の部分のみの並行処理でローカウントアーチファクト補正が実現できるという効果もある。従って、実際の装置としては、チャンネル方向とビュー方向との空間的な２次元スムージングと、チャンネル方向だけの１次元スムージングとを操作者が任意に選択可能となっており、またこのスムージングのフィルタ特性も自由に又は規定された幾つかの選択肢から自由に選択可能となっている。この選択方法としても、撮影対象部位の選択により、それに対応したフィルタ特性が設定されるようになっている。
【００２１】
最後に、対数値データＤ３からこの平滑値データＤ６が差分される（Ｄ７）。これにより、ＤＣ値加算によるＣＴ値シフトを補正すると共に、ローカウントアーチファクト成分が比較的高い精度で除去された生データＤ７が生成される。
【００２２】
図５（ａ）には、本発明のローカウント補正をかけないで得た断層像を示しており、この断層像には横縞状のローカウントノイズが発生し、一方、図５（ｂ）、図５（ｃ）には、本発明のローカウント補正をかけて得た断層像を示しており、ローカウントノイズが明らかに抑圧されていることが分かる。
【００２３】
このように本実施形態によれば、ローカウントノイズを選択的に抑圧して、比較的高いＸ線吸収係数の部位を通過したローカウントデータを画像再構成に有効に活用して、ローカウントデータを除去することによる情報欠落を防止することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
上述した第１実施形態はローカウント補正を前処理の後段階に在る生データに対して行った。しかし、ローカウント補正は、前処理段階で行うようにしてもよい。第２実施形態は、ローカウント補正を前処理段階で行うことに対応している。
【００２５】
図６は、第２実施形態に係るコンピュータ断層撮影装置の構成をブロック図により示している。図６において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。第１実施形態と相違するのは、前処理部１１５である。本実施形態では上述したようにこの前処理部１１５においてローカウント補正を行う。
【００２６】
図７にその前処理部１１５の動作手順をフローチャートで示している。まず、データ収集回路１０４からの純生データＤ００は、もとのビット数にデコードされ（Ｓ１１）、オフセット補正を受け（Ｓ１２）、そしてもとのチャンネル数に伸張される（Ｓ１３）。その伸張データＤ０３は、２系統に分配される。その一方の系統では、伸張データＤ０３は、最低値を例えば１にクリップされ（Ｓ１９）、そして対数的に変換される（Ｓ２０）。なお、対数変換前にＤＣ値加算をローカウント側に施す方式では、この加算範囲の上限しきい値が自動的に計算される。その対数値データＤ１０はリファレンス補正（Ｓ２１）と水補正（Ｄ２２）を受けてから差分ステップ（Ｓ２３）に与えられる。
【００２７】
他方の系統では、伸張データＤ０３は、所定の定数ＤＣ値が加算され（Ｄ１４）、そして最低値を例えば１にクリップされ（Ｓ１５）、そして対数的に変換される（Ｓ１６）。その対数値データＤ０６はリファレンス補正（Ｓ１７）と水補正（Ｄ１８）を受けてから差分ステップ（Ｓ２３）に与えられる。
【００２８】
そして、この差分ステップＳ２３において、主にローカウントアーチファクト成分を取り出すために、定数加算を含む系統の対数値データＤ０８から他系統の対数値データＤ１２が差分される。
【００２９】
こうして得られた差分データＤ１３は、ローカウントアーチファクト成分を推定するために、チャンネル方向とビュー方向との空間的な２次元方向でスムージング（平滑化）にかけられる（Ｓ２４）。なお、この平滑化も、第１実施形態の場合と同様に、２次元に限定されることはなく、チャンネル方向とビュー方向とのいずれか一方の１次元方向だけでもかまわない。そして、最後に、対数値データＤ０８からこの平滑値データＤ１４が差分される（Ｄ１５）。これにより、ローカウント補正を受けた生データＤ１５が生成される。
本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００３０】
（第３実施形態）
本第３実施形態は、第２実施形態の場合と同様に、ローカウント補正を前処理段階で行うものであり、装置構成は図６と同様である。前処理部の処理手順が第２実施形態とは若干相違し、つまり、第１実施形態では伸張データＤ０３を最低値を例えば１にクリップする処理を２系統で別々に行っていたが、本第３実施形態では、図８に示すように、伸張データＤ０３を２系統に分配する前段階で、クリップ処理（Ｓ２６）を行い、つまりクリップ処理を２系統で共通化して、そしてこのクリップされた伸張データＤ１６に対して系統ごとの処理を行うようになっている。その他の処理は第２実施形態と等価である。
【００３１】
（第４実施形態）
本第４実施形態は、第２、第３実施形態の場合と同様に、ローカウント補正を前処理段階で行うものであり、装置構成は図５と同様である。前処理部の処理手順が第３実施形態とは若干相違し、つまり、第３実施形態では、差分データＤ１３に対してチャンネル方向とビュー方向との空間的な２次元方向でスムージングをかけるようになっていたが、本実施形態では、図９に示すように、チャンネル方向の１次元だけに平滑化を行うようになっている（Ｓ２７）。その他の処理は第３実施形態と等価である。
【００３２】
このように平滑化は２次元でなくても、チャンネル方向の１次元だけにかけるようにしてもよい。
【００３３】
（第５実施形態）
本第５実施形態は、第２、第３、第４実施形態の場合と同様に、ローカウント補正を前処理段階で行うものであり、装置構成は図６と同様である。前処理部の処理手順が第４実施形態とは若干相違し、つまり、第４実施形態では、水補正処理を系統ごとに別々に行っていたが、本実施形態では、図１０に示すように、ローカウント補正の差分処理（Ｓ２５）の後処理（Ｓ２８）として行うようになっている。その他の処理は第４実施形態と等価である。
【００３４】
このように水補正は、ローカウント補正後に行うようにしてもよい。
【００３５】
（第６実施形態）
本第６実施形態は、第２、第３、第４、第５実施形態の場合と同様に、ローカウント補正を前処理段階で行うものであり、装置構成は図６と同様である。前処理部の処理手順が第５実施形態とは若干相違し、つまり、第５実施形態では、リファレンス補正処理を系統ごとに別々に行っていたが、本実施形態では、図１１に示すように、ローカウント補正の差分処理（Ｓ２５）の後処理（Ｓ２９）として行うようになっている。その他の処理は第４実施形態と等価である。
【００３６】
このようにリファレンス補正は、ローカウント補正後に行うようにしてもよい。
【００３７】
（変形例）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的高いＸ線吸収係数の部位を通過したローカウントデータを画像再構成に有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成図。
【図２】本実施形態において、ローカウントデータを説明するために、Ｘ線入力に対するＤＡＳ出力の関係を示す図。
【図３】図１のローカウント補正部の動作説明図。
【図４】図３の補足図。
【図５】第１実施形態によるローカウントアーチファクト抑制効果を、従来画像と比較して示すための中間調画像。
【図６】本発明の第２実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成図。
【図７】図６の前処理部の動作説明図。
【図８】本発明の第３実施形態による前処理部の動作説明図。
【図９】本発明の第４実施形態による前処理部の動作説明図。
【図１０】本発明の第５実施形態による前処理部の動作説明図。
【図１１】本発明の第６実施形態による前処理部の動作説明図。
【符号の説明】
１００…架台、
１０１…Ｘ線管、
１０２…回転リング、
１０３…Ｘ線検出器、
１０４…データ収集回路、
１０５…非接触データ伝送部、
１０６…前処理部、
１０７…架台駆動部、
１０８…スリップリング、
１０９…高電圧発生部、
１１０…ホストコントローラ、
１１２…ローカウント補正部、
１１４…再構成部、
１１５…入力装置。

Claims

被検体に向かってＸ線を発生するＸ線管と、
前記被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、
前記検出器の出力信号に対してＡ／Ｄ変換、対数変換及び感度補正を含む前処理を施すことにより投影データを生成する前処理部と、
前記投影データから、前記検出器の出力信号に対する前記前処理の対数変換により前記投影データに生じるローカウントアーチファクト成分を推定し、前記推定したローカウントアーチファクト成分に基づいて前記投影データを補正する補正部と、
前記補正された投影データに基づいて、断層像データを再構成する再構成部とを具備し、
前記補正部は、前記ローカウントアーチファクト成分を推定するために、前記投影データを指数変換して得た指数データを対数的に変換して得た第１データを、前記投影データを指数変換して得た指数データに定数を加算してから対数的に変換して得た第２データから差分して差分データを得て、前記差分データを前記第２データから引き算することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記差分データを空間的に平滑化することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
被検体に向かってＸ線を発生するＸ線管と、
前記被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、
前記検出器からデータ収集回路を介して供給される純生データを対数変換し、前記対数変換して得たデータを感度補正して第１の生データを生成すると共に、前記純生データに定数を加算し、対数変換し、感度補正することにより第２の生データを生成し、前記第１の生データと前記第２の生データとの差分データから、前記純生データに対する対数変換により前記第１の生データに生じるローカウントアーチファクト成分を推定し、前記推定したローカウントアーチファクト成分を前記第２の生データから引き算する前処理部と、
前記補正された第２の生データに基づいて、断層像データを再構成する再構成部とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記差分データを空間的に平滑化することを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記差分データを、前記検出器に装備される複数の検出素子の配列方向に関して１次元で平滑化することを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記差分データを、前記検出器に装備される複数の検出素子の配列方向と、前記被検体に対する前記Ｘ線の向きの変化を表すビュー方向との２次元に関して平滑化することを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記前処理部では、前記対数変換の前段階で前記純生データと前記純生データに定数を加算したデータそれぞれの最低値を所定値にクリップすることを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記前処理部では、前記純生データに定数を加算する前段階で、前記純生データの最低値を所定値にクリップすることを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記感度補正は、水のＣＴ値を基準値にそろえる水補正であることを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。