JP4901448B2 - X線ct装置 - Google Patents

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    • A61B6/027Arrangements for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis characterised by the use of a particular data acquisition trajectory, e.g. helical or spiral

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Description

本発明は、X線CT(Computed Tomography)装置に関し、特に、造影剤が注入された被検体を撮影するX線CT装置に関する。
造影剤が注入された被検体を撮影するX線CT装置では、モニタリングフェーズ(monitoring phase)における関心領域(ROI: Region of Interest)への造影剤の到達に同期して、ヘリカルスキャン(helical scan)が開始される。その場合、一旦スキャンを開始した後は、進行速度を一定としたヘリカルスキャンが行われる(例えば、特許文献1参照)。ヘリカルスキャンの進行速度は、事前のテストスキャン(test scan)によって求めた造影剤の平均移動速度とされる(例えば、特許文献2参照)。
ヘリカルスキャンでは、進行速度が定速に達した後にデータ収集を行うのが一般的であるが、加速中や減速中もデータ収集を行い、それらのデータから画像を再構成する場合もある(例えば、特許文献3参照)。そのような画像再構成はバリアブルピッチ・リコンストラクション(variable pitch reconstruction)と呼ばれる。
特開平09−327454号公報 特開2005−299015号公報 特開2005−40582号公報
造影剤の移動速度を求めるためにテストスキャンを行うと、造影剤の注入とX線の被曝が2度行われるので被検体にとって負担が大きい。また、本番スキャン時の造影剤の移動速度は、テストスキャンで求めたものとは微妙に異なるため、造影剤を追い越したり造影剤に追い越されたりすることがよくあり、造影撮影を適切に行うことは困難である。
そこで本発明の課題は、造影撮影を適切に行うX線CT装置を実現することである。
課題を解決するための発明は、コーンビームX線源と多列X線検出器を用い、造影剤が注入された被検体について、体軸に沿って設定された撮影範囲の一端側から他端側に向かって進行するヘリカルスキャンを行い、得られた投影データに基づいて画像再構成を行う撮影部とそれを制御する制御部を有するX線CT装置であって、前記制御部は、前記多列X線検出器の検出列のうち、ヘリカルスキャンの進行方向に対して、比較的前側の検出器列に由来するデータと比較的後側の検出器列に由来するデータとの比較に基づいて、前記ヘリカルスキャンの進行速度を制御することを特徴とするX線CT装置である。
前記制御部は、ヘリカルスキャンの進行方向における前記多列X線検出器の前半部分に属する予め定められた検出器列のうちの相対的に前列のものに由来するデータが相対的に後列のものに由来するデータより小さい状態と、ヘリカルスキャンの進行方向における前記多列X線検出器の後半部分に属する予め定められた検出器列のうちの相対的に後列のものに由来するデータが相対的に前列のものに由来するデータより小さい状態との、少なくともいずれか一方が維持されるようにヘリカルスキャンの進行速度を制御する。
前記制御部は、前記多列X線検出器に由来するデータについて、列の並びのnピッチに相当する距離だけ進行するたびに進行前の予め定められた列と進行後の同じ位置に対応する進行方向に対し後側にnピッチずれた列とのデータを比較し、当該比較に基づいてヘリカルスキャンの進行速度を制御する。
前記データの比較は、データの差分を求めることを含み、前記差分のプロファイルが列の並びに対し、一定の位置関係となるようにヘリカルスキャンの進行速度を制御する。
前記データは投影データである。前記データは再構成された画像のデータである。
本発明では、X線CT装置が、コーンビームX線源と多列X線検出器を用い、造影剤が注入された被検体について、体軸に沿って設定された撮影範囲の一端側から他端側に向かって進行するヘリカルスキャンを行い、得られた投影データに基づいて画像再構成を行う撮影部とそれを制御する制御部を有するX線CT装置であって、前記制御部は、前記多列X線検出器の検出列のうち、ヘリカルスキャンの進行方向に対して、比較的前側の検出器列に由来するデータと比較的後側の検出器列に由来するデータとの比較に基づいて、前記ヘリカルスキャンの進行速度を制御するので、造影撮影を適切に行うX線CT装置を実現することができる。
以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明は、発明を実施するための最良の形態に限定されるものではない。図1にX線CT装置の模式的構成を示す。本装置は本発明を実施するための最良の形態の一例である。本装置の構成によって、X線CT装置に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。
本装置は、ガントリ(gantry)100、テーブル(table)200およびオペレータコンソール(operator console)300を有する。ガントリ100は、テーブル200によって搬入される被検体10を、X線照射・検出装置110でスキャンして複数ビュー(view)の投影データを収集し、オペレータコンソール300に入力する。
オペレータコンソール300は、ガントリ100から入力された投影データに基づいて画像再構成を行い、再構成画像をディスプレイ(display)302に表示する。画像再構成は、オペレータ300内の専用のコンピュータ(computer)によって行われる。画像再構成用のコンピュータとガントリ100およびテーブル200は、本発明における撮影部の一例である。
オペレータコンソール300は、また、ガントリ100とテーブル200の動作を制御する。制御はオペレータ300内の専用のコンピュータによって行われる。このコンピュータは、本発明における制御部の一例である。制御部は画像再構成をも制御する。
オペレータコンソール300による制御の下で、ガントリ100は所定のスキャン条件でスキャンを行い、テーブル200は所定の部位がスキャンされるように、被検体10の位置決めを行う。位置決めは、内蔵する位置調節機構により、天板202の高さおよび天板上のクレードル(cradle)204の水平移動距離を調節することによって行われる。
クレードル204を停止させた状態でスキャンすることにより、アキシャルスキャン(axial scan)を行うことができる。クレードル204を連続的に移動させながら複数回のスキャンを連続的に行うことにより、ヘリカルスキャン(helical scan)を行うことができる。クレードル204を間欠的に移動させながら停止位置ごとにスキャンすることによりクラスタスキャン(cluster scan)を行うことができる。
天板202の高さ調節は、支柱206をベース(base)208への取付部を中心としてスイング(swing)させることによって行われる。支柱206のスイングによって、天板202は垂直方向および水平方向に変位する。クレードル204は天板202上で水平方向に移動して天板202の水平方向の変位を相殺する。スキャン条件によっては、ガントリ100をチルト(tilt)させた状態でスキャンが行われる。ガントリ100のチルトは、内蔵のチルト機構によって行われる。
なお、テーブル200は、図2に示すように、天板202がベース208に対して垂直に昇降する方式のものであってよい。天板202の昇降は内蔵の昇降機構によって行われる。このテーブル200においては、昇降に伴う天板202の水平移動は生じない。
図3に、X線照射・検出装置110の構成を模式的に示す。X線照射・検出装置110は、X線管130の焦点132から放射されたX線134をX線検出器150で検出するようになっている。
X線134は、図示しないコリメータ(collimator)で成形されてコーンビーム(cone beam)のX線となる。X線検出器150は、X線の広がりに対応して2次元的に広がるX線入射面152を有する。X線入射面152は円筒の一部を構成するように湾曲している。円筒の中心軸は焦点132を通る。
X線照射・検出装置110は、撮影中心すなわちアイソセンタ(isocenter)Oを通る中心軸の周りを回転する。中心軸は、X線検出器150が形成する部分円筒の中心軸に平行である。
回転の中心軸の方向をz方向とし、アイソセンタOと焦点132を結ぶ方向をy方向とし、z方向およびy方向に垂直な方向をx方向とする。これらx,y,z軸はz軸を中心軸とする回転座標系の3軸となる。
図4に、X線検出器150のX線入射面152の平面図を模式的に示す。X線入射面152は検出セル(cell)154がx方向とz方向に2次元的に配置されたものとなっている。すなわち、X線入射面152は検出セル154の2次元アレイ(array)となっている。
個々の検出セル154は、X線検出器150の検出チャンネル(channel)を構成する。これによって、X線検出器150は多チャンネルX線検出器となる。検出セル154は、例えばシンチレータ(scintillator)とフォトダイオード(photo diode)の組合せによって構成される。
x方向における検出セル154の並びを列とすると、z方向にはこの列が複数個並ぶ。これによって、X線検出器150は多列X線検出器となる。X線検出器150は、本発明における多列X線検出器の一例である。
本装置による造影撮影について説明する。図5に、造影撮影のフローチャート(flow chart)を示す。造影撮影は、オペレータコンソール300による制御の下で遂行される。図5に示すように、ステップ(step)501で撮影範囲を設定する。撮影範囲の設定は、オペレータにより、オペレータコンソール300を通じて行われる。これによって、例えば、図6に示すような撮影範囲Lが設定される。撮影範囲Lは被検体10の体軸上の位置Aから位置Bまでの範囲である。
ステップ503で、造影剤検出位置を設定する。造影剤検出位置の設定は、オペレータにより、オペレータコンソール300を通じて行われる。あるいは、撮影範囲Lの設定に伴って自動的に設定しても良い。これによって、例えば、図6に示すような造影剤検出位置aが設定される。以下、造影剤検出位置を単に検出位置ともいう。検出位置aは、造影剤の流路の最上流である。検出位置aは撮影範囲外に設定される。なお、検出位置aは撮影範囲の先頭位置Aに設定しても良い。
ステップ505で、ベーススキャン(base scan)を行う。ベーススキャンは、被検体10に造影剤を注入しない状態で、検出位置aにおいて行われ、それによって、検出位置aの断層像12が得られる。
ステップ507で、ROIを設定する。ROI設定は、オペレータにより、オペレータコンソール300を通じて行われる。これによって、断層像12について、例えば、ROI14が設定される。このROIは、造影剤の通過が予想される体内部位である。ここでは、ROIの設定を1つとしているが、ROIの設定数は複数として良い。
ステップ509で、モニタリングスキャン(monitoring scan)を行う。モニタリングスキャンは、被検体10への造影剤注入とともに開始される。モニタリングスキャンは、検出位置aにおいて行われる。これによって、断層像12が得られる。
ステップ511で、CT値が閾値を越えたか否かを判定する。判定はオペレータコンソール300によって行われる。CT値はROI14のCT値である。閾値は、ROI14に造影剤が流入しないときのCT値より大きく、造影剤が流入したときのCT値より小さい値が予め定められている。
CT値が閾値を越えないときは、ステップ509に戻ってモニタリングスキャンを継続する。これによって断層像12が更新され、それについて、ステップ511でのCT値の判定が行われる。CT値が閾値を越えない間は、ステップ509,511の動作が繰り返される。
造影剤が検出位置aに到達し、ROI14のCT値が閾値を越えると、そのことがステップ511で判定される。すなわち、検出位置aへの造影剤の到達が検出される。造影剤の到達を検出したことにより、ステップ513に移行する。
ステップ513で、トラッキングスキャン(tracking scan)を行う。トラッキングスキャンは、スキャン位置を造影剤の存在する箇所に常に一致させて行うヘリカルスキャンである。スキャン位置を造影剤が存在する箇所に一致させるために、造影剤の流速が大きいところではヘリカルスキャンの体軸方向の進行速度を上げ、造影剤の流速が小さいところではヘリカルスキャンの体軸方向の進行速度を下げる。このようなスキャンは、オペレータコンソール300による制御の下で行われる。
図7に、トラッキングスキャンの技法の一例を示す。図7に示すように、被検体10の血流中に造影剤700が存在し、それがX線検出器150に投影されている。X線検出器150については、前半部分の2つの列A1,A2と、後半部分の2つの列B1、B2が注目列として予め設定されている。前半部分の2つの列A1,A2のうち、A1は相対的に前列でありA2は相対的に後列である。後半部分の2つの列B1,B2のうち、B1は相対的に前列でありB2は相対的に後列である。なお、列の前後関係はヘリカルスキャンの進行方向を基準とする。
列A1,A2には造影剤700の先頭部分が投影される。先端部分における造影剤700の濃度分布に対応して、列A1の投影データは列A2の投影データよりも小さくなる。列A1の投影データから再構成された画像データと列A2の投影データから再構成された画像データについても同様な関係が成立する。
列B1,B2には造影剤700の後尾部分が投影される。後尾部分における造影剤700の濃度分布に対応して、列B2の投影データは列B1の投影データよりも小さくなる。列B2の投影データから再構成された画像データと列B1の投影データから再構成された画像データについても同様な関係が成立する。
トラッキングスキャンにおいては、このような状態が常に維持されるようにヘリカルスキャンの進行速度が制御される。すなわち、列A1,A2,B1,B2の投影データまたは画像データの大小関係を監視し、A1<A2とB1>B2が同時に成立するように、ヘリカルスキャンの進行速度が制御される。これによって、スキャン位置が造影剤の所在と常に一致するヘリカルスキャン、すなわち、トラッキングスキャンが行われる。なお、速度制御は、A1<A2とB1>B2のいずれかが維持されるように行っても良い。
図8に、トラッキングスキャンの技法の他の例を示す。図8は、X線検出器150の受光面における造影剤700の投影を示している。図8の(a)はjビュー(view)における投影である。このビューでは、投影像が列1から列Kまでかかっている。(b)はその後のj’ビューにおける投影である。このビューでも、投影像は列1から列Kまでかかっている。なお、列番号はヘリカルスキャンの進行方向に沿って昇順となるように付与されている。
(a)と(b)の時間差は、ヘリカルスキャンがX線検出器150の列の並びの1ピッチに相当する距離だけ進行する時間である。この時間差は次式で与えられる。
Figure 0004901448
ここで、
Δth:列の間隔
v:体軸方向の進行速度
である。
jビューとj’ビューの間のビュー数差は次式で与えられる。
Figure 0004901448
ここで、uは次式で与えられる。
Figure 0004901448
ここで、
J:1スキャンの全ビュー数
T:スキャンタイム
である。
jビューの投影データとj’ビューの投影データについて差分を求める。なお、j’ビューの投影データとしては、jビューからΔjビュー後の投影データが採用される。差分は、データ収集位置が同一なもの同士で求められる。両ビューは、データ収集位置がX線検出器150の列の並びの1ピッチ分だけずれているので、差分は進行方向とは反対方向に1ピッチずらした列同士で求められる。すなわち、jビューのk列の投影データについては、j’ビューのk−1列の投影データとの差分が求められる。ここで、kは2,3,・・・,Nである。
これによって、図9に示すような、列の並びに沿った差分の分布が得られる。投影データの代わりに画像データを用いた場合も同様になる。本書では、列の並びに沿った差分の分布を、差分のプロファイル(profile)という。
ヘリカルスキャンの進行速度は、プロファイルが列の並びに関して常に一定の位置関係となるように制御される。これによって、スキャン位置が造影剤の所在と常に一致するヘリカルスキャン、すなわち、トラッキングスキャンが行われる。なお、差分を求めるための列のピッチ差は、1に限らず任意の整数nとして良い。また、ヘリカルスキャンの進行速度は、プロファイルの面積が常に一定となるように制御しても良い。
トラッキングスキャンによって収集された投影データに基づいて、ステップ515で、バリアブルピッチ・リコンストラクションを行う。バリアブルピッチ・リコンストラクションの要点は、テーブルの加減速によってヘリカルピッチが連続的に変化するときでも、テーブル位置座標の各瞬時値に基づいて、等間隔に設定された複数の画像再構成位置におけるX線透過方向をそれぞれ求め、それに合致する投影データを用いて画像再構成を行うことにある。
図10は、バリアブルピッチ・リコンストラクションの主要部をなす3次元逆投影処理の詳細を示すフローチャートである。画像再構成される画像はz軸に垂直なxy平面に3次元画像再構成される。以下の再構成領域Pはxy平面に平行なものとする。
ステップS61では、断層像の画像再構成に必要な全ビュー(すなわち、例えばハーフスキャン分のビュー)中の一つのビューに着目し、再構成領域Pの各画素に対応する投影データDrを抽出する。
図11(a),図11(b)に示すように、xy平面に平行な512×512画素の正方形の領域を再構成領域Pとし、y=0のx軸に平行な画素列L0,y=63の画素列L63,y=127の画素列L127,y=191の画素列L191,y=255の画素列L255,y=319の画素列L319,y=383の画素列L383,y=447の画素列L447,y=511の画素列L511を列にとると、これらの画素列L0〜L511をX線透過方向に多列X線検出器150の面に投影した図12に示す如きラインT0〜T511上の投影データを抽出すれば、それらが画素列L0〜L511の投影データDr(view,x,y)となる。ただし、x,yは断層像の各画素(x,y)に対応する。
X線透過方向は、X線管130のX線焦点と各画素と多列X線検出器150との幾何学的位置によって決まるが、X線検出器データD0(view,j,i)のz座標z(view)がテーブル直線移動z方向位置Ztable(view)としてX線検出器データに添付されて判っているため、加速・減速中のX線検出器データD0(view,j,i)でもX線焦点、多列X線検出器のデータ収集幾何学系の中において、X線透過方向を正確に求めることができる。
なお、例えば画素列L0をX線透過方向に多列X線検出器150の面に投影したラインT0のように、ラインの一部が多列X線検出器150のチャネル方向の外に出た場合は、対応する投影データDr(view,x,y)を「0」にする。また、z方向の外に出た場合は投影データDr(view,x,y)を補外して求める。
このように、図13に示すように、再構成領域Pの各画素に対応する投影データDr(view,x,y)を抽出できる。
図10に戻り、ステップS62では、投影データDr(view,x,y)にコーンビーム再構成加重係数を乗算し、図14に示す如き投影データD2(view,x,y)を作成する。
ここで、コーンビーム再構成加重係数w(i,j)は以下の通りである。ファンビーム画像再構成の場合は、一般に、view=βaでX線管130の焦点と再構成領域P上(xy平面上)の画素g(x,y)とを結ぶ直線がX線ビームの中心軸Bcに対してなす角度をγとし、その対向ビューをview=βbとするとき、以下のようになる。
Figure 0004901448
再構成領域P上の画素g(x,y)を通るX線ビームとその対向X線ビームが再構成平面Pとなす角度を、αa,αbとすると、これらに依存したコーンビーム再構成加重係数ωa,ωbを掛けて加算し、逆投影画素データD2(0,x,y)を求める。この場合、以下のようになる。
Figure 0004901448
なお、コーンビーム再構成加重係数の対向ビーム同士の和は、以下のようになる。
Figure 0004901448
コーンビーム再構成加重係数ωa,ωbを掛けて加算することにより、コーン角アーチファクトを低減することができる。
例えば、コーンビーム再構成加重係数ωa,ωbは、次式により求めたものを用いることができる。なお、gaはビューβaの加重係数、gbはビューβbの加重係数である。
ファンビーム角の1/2をγmaxとするとき、以下のようになる。
Figure 0004901448
例えば、ga,gbの1例として、max[ ]を値の大きい方を採る関数とすると、以下のようになる。
Figure 0004901448
また、ファンビーム画像再構成の場合は、更に距離係数を再構成領域P上の各画素に乗算する。距離係数はX線管130の焦点から投影データDrに対応する多列X線検出器150の検出器列j,チャネルiまでの距離をr0とし、X線管130の焦点から投影データDrに対応する再構成領域P上の画素までの距離をr1とするとき、(r1/r0)2である。
ステップS63では、図15に示すように、予めクリアしておいた逆投影データD3(x,y)に、投影データD2(view,x,y)を画素対応に加算する。
ステップS64では、断層像の画像再構成に必要な全ビュー(すなわち、例えばハーフスキャン分のビュー)について、ステップS61〜S63を繰り返し、図15に示すように、逆投影データD3(x,y)を得る。
このように、2次元投影データを用いた3次元逆投影を行うことにより、スキャン中のヘリカルピッチの変化に無関係に、等間隔な複数の再構成画像を得ることができる。また、ヘリカルピッチが心拍の変化に追従して動的に最適化されているので、複数の画像の心拍位相は全て同一となり、しかも、データの欠落がない。
本発明を実施するための最良の形態の一例のX線CT装置の構成を示す図である。 本発明を実施するための最良の形態の一例のX線CT装置の構成を示す図である。 X線照射・検出装置の構成を示す図である。 X線検出器のX線入射面の構成を示す図である。 造影撮影の動作を示すフローチャートである。 撮影範囲と造影剤検出位置を示す図である。 トラッキングスキャンの技法の一例を示す図である。 トラッキングスキャンの技法の一例を示す図である。 差分のプロファイル示す図である。 画像再構成の主要部をなす3次元逆投影処理のフローチャートである。 画像再構成領域とそれを透過するX線との幾何学的関係を示す図である。 X線検出器のX線入射面に投影された画像再構成領域を示す図である。 画像再構成領域におけるデータDrの配置を示す図である。 画像再構成領域におけるデータD2の配置を示す図である。 画像再構成領域におけるデータD2の加算を示す図である。
符号の説明
10 : 被検体
100 : ガントリ
110 : X線照射・検出装置
130 : X線管
132 : 焦点
134 : X線
150 : X線検出器
152 : X線入射面
154 : 検出セル
200 : テーブル
202 : 天板
204 : クレードル
206 : 支柱
208 : ベース
300 : オペレータコンソール
302 : ディスプレイ

Claims (6)

  1. コーンビームX線源と多列X線検出器を用い、造影剤が注入された被検体について、体軸に沿って設定された撮影範囲の一端側から他端側に向かって進行するヘリカルスキャンを行い、得られた投影データに基づいて画像再構成を行う撮影部とそれを制御する制御部を有するX線CT装置であって、
    前記制御部は、
    前記多列X線検出器の検出列のうち、ヘリカルスキャンの進行方向に対して、比較的前側の検出器列に由来するデータと比較的後側の検出器列に由来するデータとの比較に基づいて、前記ヘリカルスキャンの進行速度を制御する
    ことを特徴とするX線CT装置。
  2. 前記制御部は、
    ヘリカルスキャンの進行方向における前記多列X線検出器の前半部分に属する予め定められた検出器列のうちの相対的に前列のものに由来するデータが相対的に後列のものに由来するデータより小さい状態と、
    ヘリカルスキャンの進行方向における前記多列X線検出器の後半部分に属する予め定められた検出器列のうちの相対的に後列のものに由来するデータが相対的に前列のものに由来するデータより小さい状態との、
    少なくともいずれか一方が維持されるようにヘリカルスキャンの進行速度を制御する
    ことを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
  3. 前記制御部は、
    前記多列X線検出器に由来するデータについて、列の並びのnピッチに相当する距離だけ進行するたびに進行前の予め定められた列と進行後の同じ位置に対応する進行方向に対し後側にnピッチずれた列とのデータを比較し、当該比較に基づいてヘリカルスキャンの進行速度を制御する
    ことを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
  4. 前記データの比較は、データの差分を求めることを含み、前記差分のプロファイルが列の並びに対し、一定の位置関係となるようにヘリカルスキャンの進行速度を制御する
    ことを特徴とする請求項3に記載のX線CT装置。
  5. 前記データは投影データである
    ことを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
  6. 前記データは再構成された画像のデータである
    ことを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
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