JP4846937B2 - マルチスライス型ｃｔスキャンのハイピッチ再構成 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全般的にはコンピュータ断層（ＣＴ）イメージングに関し、さらに詳細には、マルチスライス型イメージング・システムを用いてＣＴイメージング・データを作成するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも１つの周知のコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システムの構成では、Ｘ線源は、デカルト座標系のＸＹ平面（一般に「画像作成面」と呼ばれる）内に位置するようにコリメート（Collimate）された扇形状のビームを放出する。Ｘ線ビームは、例えば患者などの画像作成しようとする対象を透過する。ビームは、この対象によって減衰を受けた後、放射線検出器のアレイ上に入射する。検出器アレイで受け取った減衰したビーム状放射線の強度は、対象によるＸ線ビームの減衰に依存する。このアレイの各検出器素子は、それぞれの検出器位置でのビーム減衰の計測値に相当する電気信号を別々に発生させる。すべての検出器からの減衰量計測値を別々に収集し、透過プロフィールが作成される。
【０００３】
周知の第３世代ＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器アレイは、Ｘ線ビームが画像を作成しようとする対象を切る角度が一定に変化するようにして、画像作成面内でこの画像作成対象の周りをガントリと共に回転する。あるガントリ角度で検出器アレイより得られる一群のＸ線減衰量計測値（すなわち投影データ）のことを「ビュー（ｖｉｅｗ）」という。また、画像作成対象の「スキャン・データ（ｓｃａｎ）」は、Ｘ線源と検出器が１回転する間に、様々なガントリ角度またはビュー角度で得られるビューの集合からなる。
【０００４】
アキシャル・スキャンでは、この投影データを処理し、画像作成対象を透過させて得た２次元スライスに対応する画像を構成する。投影データの組から画像を再構成するための一方法に、当技術分野においてフィルタ補正逆投影法（ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｂａｃｋ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）と呼ぶものがある。この処理方法では、スキャンにより得た減衰量計測値を「ＣＴ値」、別名「ハウンスフィールド（HounsField）値」という整数に変換し、これらの整数値を用いて陰極線管ディスプレイ上の対応するピクセルの輝度を制御する。
【０００５】
マルチスライスのために要する全体のスキャン時間を短縮させるため、「ヘリカル（らせん）」スキャンを実行することがある。「ヘリカル」スキャンを実行するには、所定のスライス数だけのデータを得る間、患者をガントリの回転と同調させてｚ軸方向に移動させる。こうしたシステムでは単一ファン・ビームのヘリカル・スキャンを１回行うと、単一らせんが１つ描かれる。ファン・ビームが描いたらせんに沿って投影データが得られ、これを用いて所定のスライス各位置での画像が再構成される。スキャン時間の短縮の外にも、ヘリカルスキャンによって、注入する造影剤のより有効な使用、希望する位置での画像再構成の改善、３次元画像の向上などその他の利点が提供される。
【０００６】
Ｘ線ビームは、Ｘ線源から、患者体軸（すなわち、ｚ軸）におけるＸ線ビーム・プロフィールを規定している患者前置コリメータを通過させて投射される。このコリメータは、典型的には、その内部に開口を有するＸ線ビームを限定するためのＸ線吸収材料を含む。周知のＣＴイメージング・システムの少なくとも１つでは、スキャン・モード及び対応する再構成法は、３：１及び６：１のヘリカルピッチに対して実施される。６：１ヘリカルピッチ・モードは、そのカバーする体積範囲が大きく、また、そのスキャンが３：１ヘリカルピッチ・モードの場合と比べｚ軸に沿ってより高速であるため、「高速」モードと呼ばれる。しかし、この高速モードで使用されるスキャン及び再構成技法は、さらに大きなヘリカルピッチ（例えば、８：１以上のピッチ）のスキャンには適当でないことが分かっている。これらの技法が適当でないとされている幾つかの理由のうちの１つは、６：１の高速モードでは、８：１以上のピッチではもはや一般に有効でないような共役サンプリング対を使用しているためである。
【０００７】
周知の高速モードの問題を説明するためには、変数の数、並びにこれらとＣＴイメージング・システムの幾何学構成との関係を規定することが役立つ。β_k（ｋ＝１、．．．、４）により、検出器横列ｋが再構成面と交差する投影角度が表されるとしてみる。さらに、β_k-（ｋ＝１、．．．、４）によりπだけ進んでいるβ_kに対する共役サンプルの投影角度を表し、β_k-＝β_k−π−２γとしてみる。同様に、β_k+によりπだけ遅れているβ_kに対する共役サンプルの投影角度を表し、β_k+＝β_k＋π−２γとしてみる。
【０００８】
ファンビームの幾何学構成では、検出器角度γは、図４に示すように、等分線束５０を基準として任意の線束が形成する角度と規定される。さらに詳細には、γ_m＝ｍａｘ（｜γ｜）は最大ファン角度を表している。図５及び６を参照すると、隣接する４つの図形５２、５４、５６、５８は、周知のあるＣＴイメージング・システムの隣接する４つの検出器横列を表している。図形５２は検出器横列１に対する重み付け領域を表している。図形５４、５６及び５８は、それぞれ検出器横列２、３及び４に対するものである。各図形内で名称を付けた領域（Ｒ１、Ｒ２、．．．、Ｒ４）は、投影サンプルに対して重み付け関数を適用する領域である。これらの領域の外部では、重みはすべてゼロに等しい。したがって、これらの領域の外部にある投影データは不要である。
【０００９】
図形５２、５４、５６、５８の各々について、水平軸６０は検出器角度γを表しており、垂直軸６２は投影角度βを表している。したがって、ある具体的なビュー角度におけるファンビームに対応したサンプルは、各図形内の水平線により表現されている。図５を参照すると、領域Ｒ１に関する（検出器横列１に対応する）下側境界は、β₃の共役サンプルを表している。したがって、この境界はβ_3-により規定される。
【００１０】
図５に示すように、６：１での高速収集では、横列１がβ₁（ここで、β₁は横列１が再構成面と交差する投影角度である）から検出器横列幅１つ分離れている場合に、β_3-の等分線束が検出器横列１と交差する。６：１のヘリカルピッチでは、ＣＴイメージング・システムのテーブルは、ガントリの２π回転の間に検出器の厚さの６倍だけ移動する。したがって、検出器厚さ１つ分だけ移動するには２π／６＝π／３だけかかる。（図５では、π／３の厚さは１垂直軸の１目盛りに相当する。）Ｒ２、Ｒ３及びＲ４に対する角度スパンはπ／３であり、検出器厚さ１つ分に相当する。Ｒ１（検出器横列１）のβ_3-で規定される右下領域は、概ね２π／３だけβ₁から離れている、すなわち、検出器横列１が再構成面と交差する点から検出器厚さの概ね２倍だけ離れている。したがって、真のサンプル位置から遠く離れた位置で収集したサンプルを使用して理想のサンプルを推定するが、これにより推定の精度に悪影響を及ぼす。さらに、この同じ問題が、領域Ｒ２（検出器横列２と４に対する）、並びに検出器横列３に対する領域Ｒ１に関しても当てはまる。図６は、８：１のヘリカル再構成に関する対応する高速モードの重み付けパターンを表したものであり、これにより、こうしたより大きなピッチでは問題がさらに深刻となることが分かる。
【００１１】
さらに、周知の６：１高速モード再構成は、一定の共役サンプルが存在することに基づいている。詳細には図５を参照すると、横列２及び４からのサンプルを用いて、横列３及び１からのサンプルの場合と同様に高速モードで補間が実行される。しかし、このモードは８：１以上のヘリカルピッチでのスキャンには適当でない。図６を参照すると、これらのより大きなピッチでは、横列１に対するβ_4-とβ₁の線が交差することは明らかである。同様に、横列４に関するβ₁₊とβ₄に対する線も交差している。線β_4-及び線β₁₊は重みゼロを負い、β₁及びβ₄は重み１を負うことになるので、交差する点に対する重みを決定することができない。
【００１２】
周知の高速モードが８：１以上のピッチに対して適さないとされる別の理由としては、６：１のヘリカルピッチを利用するイメージング・システムでは、β₁、β₂、β₃及びβ₄はπ／３だけ離間するように構成されており、一方２γ_mはπ／３より若干小さいという点がある。８：１のヘリカルピッチを使用する場合には、β₁、β₂、β₃及びβ₄はπ／４だけ離間している。後者の構成では、図６の領域Ｒ１で示すように、その共役領域を検出器がＰＯＲと交差する位置の片側に限局させることができず、２つの領域の境界において重み付け関数の不連続が発生してしまう。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、周知の高速イメージング・モードは、８：１以上のピッチで被検体を画像化するのに適さない。したがって、こうした制約を克服した方法及び装置を提供することが望ましい。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明の実施の一形態では、マルチスライス型コンピュータ断層イメージング・システムを用いて被検体の画像を作成するための方法が提供される。本方法は、投影データを収集するためにマルチスライス型コンピュータ断層イメージング・システムにより被検体をヘリカルスキャンするステップと、並列な投影の組を定式化している投影データの共役サンプルの組を決定するステップと、この共役サンプルを用いて被検体の画像の組を再構成するステップと、を含む。
【００１５】
並列な投影の組を定式化している共役サンプルの組を決定することにより、本発明の実施形態は、６：１を超える（例えば、８：１以上の）ピッチでスキャンした投影データから画像を再構成することを可能にする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照すると、「第３世代」のＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むものとして、コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム１０を示している。ガントリ１２は、このガントリ１２の対向面上に位置する検出器アレイ１８に向けてＸ線ビーム１６を放出するＸ線源１４を有する。検出器アレイ１８は、投射され被検体２２（例えば、患者）を透過したＸ線を一体となって検知する検出器素子２０により形成される。検出器アレイ１８は、単一スライス構成で製作される場合とマルチ・スライス構成で製作される場合がある。各検出器素子２０は、入射したＸ線ビームの強度を表す電気信号を発生させる。Ｘ線ビームは、患者２２を透過すると減衰を受ける。Ｘ線投影データを収集するためのスキャンの間に、ガントリ１２及びガントリ上に装着されたコンポーネントは回転中心２４の周りを回転する。
【００１７】
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により制御される。制御機構２６は、Ｘ線源１４に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御装置２８と、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御装置３０とを含む。制御機構２６内にはデータ収集システム（ＤＡＳ）３２があり、これによって検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングし、このデータを後続の処理のためにディジタル信号に変換する。画像再構成装置３４は、サンプリングされディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取り、高速で画像再構成を行う。再構成された画像はコンピュータ３６に入力として渡され、コンピュータにより大容量記憶装置３８内に格納される。
【００１８】
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、オペレータからのコマンド及びスキャン・パラメータを受け取る。付属の陰極線管ディスプレイ４２により、オペレータはコンピュータ３６からの再構成画像やその他のデータを観察することができる。コンピュータ３６は、オペレータの発したコマンド及びパラメータを用いて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御装置２８及びガントリ・モータ制御装置３０に対して制御信号や制御情報を提供する。さらにコンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御してガントリ１２内での患者２２の位置決めをするためのテーブル・モータ制御装置４４を操作する。詳細には、テーブル４６により患者２２の各部分はガントリ開口４８を通過できる。
【００１９】
本発明の実施の一形態では、並列な投影の組を定式化している共役サンプルを検索する。より具体的には、この実施形態では、β’_k（ここで、ｋ＝１、２、３、４；β’_k＝β_k−γである）により定式化される領域境界を設定する。この表記において、β_kは上で規定したものと同じであり、また図４、５及び６に名称を付したものと同じである。β’_kは図３で各横列に対する２つの領域間の境界として名称を付したものと同じである。したがって、β’₁は、検出器横列１に関する領域Ｒ１と領域Ｒ２の間の境界であり、β_iは検出器横列ｉの等分線束がＰＯＲと交差する投影角度である。対応する並列な線束サンプルβ’_iは、次式で表される。
【００２０】
【数１】

【００２１】
上記数式１において、γは検出器角度である。さらに、β’_i+＝β’_i＋πとβ’_i-＝β’_i−πという量を規定してみる。ＰＯＲ位置での投影を作成するために補間を受ける領域の対Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、図３に示す表記と同様に名称を付けてある。ここでさらに、ｗ_i（β，γ）によって、検出器横列ｉに適用される投影重み付け関数を表現してみる。本発明の実施の一形態において再構成に使用する重み付け関数は次式で表される。
【００２２】
【数２】

【００２３】
【数３】

【００２４】
【数４】

【００２５】
【数５】

【００２６】
重み付け関数ｗ_i（β，γ）の有効性を示すための実験では、４×１．２５ｍｍモードにおいて、肩部ファントームを６：１のヘリカルピッチと８：１のヘリカルピッチとでスキャンしてみた。６：１のヘリカルピッチでは、従来の「高速」再構成モード（すなわち、単一投影のサンプルに相当する共役サンプルを検索して使用する再構成法）を使用した。８：１ヘリカルピッチのスキャンでは、上記数式２〜５を使用する本発明の実施の一形態を利用して再構成した。他の事項が同じであれば、ヘリカルピッチが大きいほど、投影の不整合のためにより顕著な画像アーチファクトが生ずるものと予測される。しかし、８：１ピッチ画像でのアーチファクトのレベルは６：１ピッチ画像のレベルと比べ若干増加していたに過ぎなかった。この結果から、画像アーチファクトの抑制に関する本発明の実施形態の有効性が分かる。別の実験では、６：１ピッチのスキャンを、８：１ピッチのスキャンの再構成で使用した同じ実施形態を利用して再構成してみた。これにより、６：１ピッチのスキャンから得られた画像と８：１ピッチのスキャンの画像とは、画像アーチファクトに関してほとんど遜色がないことが分かった。これにより、ヘリカルスキャンによる画像アーチファクトの抑制に関して、本発明のこの実施形態の有効性が改めて指示された。
【００２７】
したがって、本発明の実施形態により、少なくとも１つの高速のＣＴ画像再構成方法及び装置に関する制約が克服されること、並びに６：１を超えるヘリカルピッチでより改良された画像を提供できることが分かる。本発明を具体的な様々な実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本特許請求の範囲の精神及び範疇の域内の修正を伴って本発明を実施できることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴイメージング・システムの外観図である。
【図２】図１に示すシステムのブロック概要図である。
【図３】ＣＴイメージング・システムの４つの検出器横列を表している隣接する４つの図形であって、本発明の実施の一形態における８：１のヘリカルピッチでの検出器横列の重み付け領域を表した図である。
【図４】検出器角度γが等分線束を基準として任意の線束が形成する角度として規定されるようなファンビーム幾何学構成を表した図である。
【図５】周知のＣＴイメージング・システムの隣接する４つの検出器横列を表している隣接する４つの図形であって、その各図形が６：１のヘリカルピッチでの検出器横列の重み付け領域を表している図である。
【図６】図５と同趣旨の図であって、８：１のヘリカルピッチでの対応する重み付け領域を表している図である。
【符号の説明】
１０ ＣＴイメージング・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、被検体
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 データ収集システム（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 陰極線管ディスプレイ
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
５０ 等分線束
５２ 検出器横列１に対する重み付け領域
５４ 検出器横列２に対する重み付け領域
５６ 検出器横列３に対する重み付け領域
５８ 検出器横列４に対する重み付け領域
６０ 水平軸
６２ 垂直軸

Claims (9)

1. マルチスライス型コンピュータ断層イメージング・システム（１０）を用いて被検体（２２２）の画像を作成するための方法であって、
   投影データを収集するために、マルチスライス型コンピュータ断層イメージング・システムにより被検体をヘリカルスキャンするステップと、
   共役サンプルがβ _k −γ（ここで、β _k は検出器横列ｋが再構成面と交差する投影角度であり、γは、等分線束（５０）を基準として任意の線束が形成する角度として規定される検出器角度）により規定される共役サンプルの組であって、並列な投影の組を定式化している前記投影データの共役サンプルの組を決定するステップと、
   前記共役サンプルを用いて前記並列な投影に重み付けするステップと、
   前記重み付けした並列投影を用いて被検体の画像の組を再構成するステップと、
   を含む方法。
2. 前記マルチスライス型コンピュータ断層イメージング・システム（１０）が、投影データを収集するように構成した検出器素子（２０）からなる複数の並列な横列を有する検出器（１８）と、スキャン対象の被検体（２２）を透過して検出器に向かう等分線束（５０）を含むＸ線ビーム（１６）を投射するように構成したＸ線源（１４）と、を備えている、
   請求項１に記載の方法。
3. 並列な投影の組から被検体の画像の組を再構成する前記ステップが、前記共役サンプルにより規定される領域対を補間し再構成面（ＰＯＲ）における投影を生成させるステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 投影データを収集するためにマルチスライス型コンピュータ断層イメージング・システム（１０）により被検体（２２）をヘリカルスキャンする前記ステップが、４枚の画像スライスを表す投影データを収集するようにコンピュータ断層イメージング・システムを動作させるステップを含んでおり、
   投影角度βの連続した関数として決定される重み付け関数を再構成しようとする各画像スライスごとに再構成面における投影に対して適用する前記ステップが、
   ｗ_i（β，γ）は検出器横列ｉに適用する投影重み付け関数である、
   γは検出器角度である、
   β_iは検出器横列ｉの等分線束（５０）が再構成面と交差する投影角度である、
   β’_i＝β_i−γは、当該サンプルの投影角度β_iに対応した並列な線束サンプルの角度である、並びに、
   β’_i+＝β’_i＋π及びβ’_i-＝β’_i−πである、として、
   ｗ₁（β，γ）＝
   （β−β’_4-）／（β’₁−β’_4-） （β’_4-≦β＜β’₁の場合）
   （β−β’₂）／（β’₁−β’₂） （β’₁≦β＜β’₂の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   ｗ₂（β，γ）＝
   （β−β’₁）／（β’₂−β’₁） （β’₁≦β＜β’₂の場合）
   （β−β’₃）／（β’₂−β’₃） （β’₂≦β＜β’₃の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   ｗ₃（β，γ）＝
   （β−β’₂）／（β’₃−β’₂） （β’₂≦β＜β’₃の場合）
   （β−β’₄）／（β’₃−β’₄） （β’₃≦β＜β’₄の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   ｗ₄（β，γ）＝
   （β−β’₃）／（β’₄−β’₃） （β’₃≦β＜β’₄の場合）
   （β−β’₁₊）／（β’₄−β’₁₊） （β’₄≦β＜β’₁₊の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   で表される重み付け関数を適用するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 投影データを収集するために被検体（２２）をヘリカルスキャンすること、
   共役サンプルがβ _k −γ（ここで、β _k は検出器横列ｋが再構成面と交差する投影角度であり、γは、等分線束（５０）を基準として任意の線束が形成する角度として規定される検出器角度）により規定される共役サンプルの組であって、並列な投影の組を定式化している前記投影データの共役サンプルの組を決定すること、
   前記共役サンプルを用いて前記並列な投影に重み付けすること、並びに該重み付けした並列投影を用いて画像の組を再構成すること、
   を行うように構成されているマルチスライス型コンピュータ断層システム（１０）。
6. 投影データを収集するように構成した検出器素子（２０）からなる複数の並列な横列を有する検出器（１８）と、スキャン対象の被検体（２２）を透過して検出器に向かう等分線束（５０）を含むＸ線ビーム（１６）を投射するように構成したＸ線源（１４）と、を備える、
   請求項５に記載のシステム（１０）。
7. 並列な投影の組から被検体（２２）の画像の組を再構成するために、前記共役サンプルにより規定される領域対を補間して再構成面（ＰＯＲ）における投影を生成するように構成されている、請求項６に記載のシステム（１０）。
8. 並列な投影の組から被検体（２２）の画像の組を再構成するために、投影角度βの連続した関数として決定される重み付け関数を、再構成しようとする各画像スライスごとに再構成面における投影に対して適用するように構成されている、請求項６に記載のシステム（１０）。
9. 前記システムを被検体（２２）のヘリカルスキャンをするように構成させることが、前記システムを４枚の画像スライスを表す投影データを収集するように構成させることを含むと共に、
   前記システムを、投影角度βの連続した関数として決定される重み付け関数を、再構成しようとする各画像スライスごとに再構成面における投影に対して適用するように構成させることが、前記システムを、
   ｗ_i（β，γ）は検出器横列ｉに適用する投影重み付け関数である、
   γは検出器角度である、
   β_iは検出器横列ｉの等分線束（５０）が再構成面と交差する投影角度である、
   β’_i＝β_i−γは、当該サンプルの投影角度β_iに対応した並列な線束サンプルの角度である、並びに、
   β’_i+＝β’_i＋π及びβ’_i-＝β’_i−πである、として、
   ｗ₁（β，γ）＝
   （β−β’_4-）／（β’₁−β’_4-） （β’_4-≦β＜β’₁の場合）
   （β−β’₂）／（β’₁−β’₂） （β’₁≦β＜β’₂の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   ｗ₂（β，γ）＝
   （β−β’₁）／（β’₂−β’₁） （β’₁≦β＜β’₂の場合）
   （β−β’₃）／（β’₂−β’₃） （β’₂≦β＜β’₃の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   ｗ₃（β，γ）＝
   （β−β’₂）／（β’₃−β’₂） （β’₂≦β＜β’₃の場合）
   （β−β’₄）／（β’₃−β’₄） （β’₃≦β＜β’₄の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   ｗ₄（β，γ）＝
   （β−β’₃）／（β’₄−β’₃） （β’₃≦β＜β’₄の場合）
   （β−β’₁₊）／（β’₄−β’₁₊） （β’₄≦β＜β’₁₊の場合）
   ０ （上記以外の場合）
   で表される重み付け関数を適用するように構成させることを含む、請求項８に記載のシステム（１０）。

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