JP5043017B2 - スペクトルｃｔに対する定量的な材料の分解 - Google Patents

Description

本発明は、オブジェクトの関心領域における成分の定量的な材料濃度を、前記成分に対する既知のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数を用いて決めるためのＣＴシステムに関する。さらに、本発明は上記ＣＴシステムにおいて使用するためのデータ処理装置、及び対応するデータ処理方法にも関する。またさらに、本発明は、前記データ処理方法をコンピュータ上で実施するためのコンピュータプログラムにも関する。

定量的な材料の分解を提供することは既に、これまでにＣＴ（コンピュータ断層撮影）技術の目的であった。いわゆる二重エネルギー解析のためのよく知られた方法は、コントラストを強調させるために異なるエネルギーで収集された画像の減算（又は分割）である。しかしながら、この方法は発見的であり、前記画像の物理的又は生物学的な意味は規定されていない。さらに、二重エネルギーＣＴは、同等の材料組成を持つ２つの画像を示すことが可能である。しばしば用いられる分解は、例えばKalender, W.A. 他著、"Evaluation of a Prototype Dual Energy Computer Tomographic Apparatus. I. Phantom Studies", Medical physics, Vol. 13, No.3, May/June 1986, page 334 to 339に記載されるように、軟組織及び骨の等価物を使用する。しかしながら、骨の画像内にある高い値は、実際に骨が存在していることを意味しているのではない。示される骨及び軟組織の組み合わせは、同じ測定を生じさせることを単に意味している。

上記結果の説明能力は、この方法が幅広い解釈のままであるため、ほんの僅かである。従って、十分な結果を提供する定量的な材料の分割に対する適切な技法が欠けている。

本発明の目的は、定量的な材料の分解の質及び説明能力を向上させるＣＴシステムを提供することである。さらに、対応するデータ処理装置及びデータ処理装置も提供される。

本目的は、
−関心領域からスペクトルＣＴの投影データを収集するための放射線源及び検出器ユニットを有する走査ユニット、
−光電効果及びコンプトン効果の夫々のモデルを用いて前記スペクトルＣＴの投影データセットを分解することにより、光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットを得るためのモデリングユニット、
−前記光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットから、前記関心領域の光電効果画像及びコンプトン効果画像を再構成するための再構成ユニット、並びに
−前記光電効果画像データを成分に対する濃度及び光電減衰係数の累積生産量と同じと見なす、及びコンプトン効果画像データを成分に対する濃度及びコンプトン減衰係数の累積生産量と同じと見なすことにより得られる連立方程式を解くことにより、関心領域における前記成分の濃度を決めるための処理ユニット
を有する請求項１に記載のＣＴシステムにより、本発明に従って達成される。

上記ＣＴシステムにおいて使用するための適当なデータ処理装置及び対応するデータ処理方法は、請求項８及び９に規定されている。前記データ処理方法をコンピュータ上で実行するための記録担体に記憶されるコンピュータプログラムは、請求項１０に規定されている。本発明の好ましい実施例は、従属請求項に規定されている。

本発明は、定量的な材料の分解のためのスペクトルＣＴデータを使用する考えに基づくと共に、さらに関心領域における測定可能な物理的効果の数ｍが、この関心領域にある（ｍ＋１）成分の濃度を決めることが可能である考えにも基づいている。スペクトルＣＴスキャナは、異なるスペクトルコーディングを用いて投影データを収集すると仮定される。これらデータは、オブジェクトの物理的モデルに適している。この物理的モデルは、幾つかの物理的効果、例えばコンプトン効果、光電効果及びＫエッジ(K-edge)効果を含んでいる。Ｋエッジが特定される場合、関連する分解は、オブジェクトの物理的モデルを前記効果の物理的モデルに分割することにより、直接達成される。残っている効果（コンプトン効果及び光電効果）の２つのモデルのパラメタは、残っている多くても３つの成分の混合物を分解することを可能にする。密度ρ_ｉ、原子量Ａ_ｉ及び原子番号Ｚ_ｉを持つ如何なる要素ｉは、
μ_ｉ ^compton（Ｅ）＝Ｋ_１ρ_ｉＡ_ｉ ^-1Ｚ_ｉｆ_ＫＮ（Ｅ）
μ_ｉ ^photo（Ｅ）＝Ｋ_２ρ_ｉＡ_ｉ ^-1Ｚ_ｉ ⁿＥ^-3
のコンプトン及び光電減衰を持つ。

Ｋ_１及びＫ_２は定数であり、ｎは約４の値を持ち、ｆ_ＫＮ（Ｅ）は、いわゆる積分されるクライン・仁科(Klein-Nishina)の関数である。エネルギー非依存性の減衰の寄与は、以後
η_ｉ ^compton＝ρ_ｉＡ_ｉ ^-1Ｚ_ｉ
η_ｉ ^photo＝ρ_ｉＡ_ｉ ^-1Ｚ_ｉ ⁿ
を用いてη_ｉ ^compton及びη_ｉ ^photoと呼ばれる。

相対的な体積濃度ｃ_１、ｃ_２及びｃ_３＝（１−ｃ_１−ｃ_２）を持つ３つの要素が存在する場合、以下の連立方程式が得られる、

この連立方程式は、ボクセル単位で又は関心領域にわたる最小二乗適合を用いて、２つの未知数（ｃ_１及びｃ_２）に対し解かれる。その濃度が決められる材料は、元素、分子又は何らかの既知の混合物である。

好ましい実施例において、その濃度が決められる成分の数は、多くても３つに制限される。従って、これら成分の濃度の決定は、２つの物理的効果だけを考慮すればよいので容易である。しかしながら、他の実施例において、前記成分の数は、多くても４つに制限され、ここで前記成分の少なくとも１つに対するＫエッジ効果が分かり、前記モデリングユニットは、前記少なくとも１つの成分に対応するＫエッジ効果の夫々のモデルを使用することにより、Ｋエッジの投影データセットを追加として得て、それにより前記少なくとも１つの成分の濃度を示すのに適している。従って、追加の成分を考慮することも可能である。有利なことに、既知のＫエッジ効果を持つ前記少なくとも１つの成分は、前記オブジェクトに注入される造影剤、特にヨウ素又はガドリニウムにより示される。これら造影剤は、容易に特定可能なＫエッジ効果を特徴にして、これにより前記追加の成分の濃度を決めることを容易にする。

追加として、本発明は、改良される解析にさらに使用される未知の混合物からなる"スペクトル・フットプリント(spectral footprint)"を測定するのに使用される。造影剤（ＣＡ）を用いた実施例において、ＣＡ及び他の成分例えば血液だけを含む領域、例えば心室を規定することが可能である場合、その領域は前記成分（血液）及びＣＡに分解され、ＣＡの濃度の定量的な測定を可能にする。混合物（血液、ＣＡ）は、他の範囲を分解するためのスペクトル・フットプリントとして使用される。その他の範囲は、例えば血液−ＣＡ混合物、軟組織及びカルシウムに分解されるか、又は血液−ＣＡ混合物、軟組織及び金属に分解される。この分解の質は、前記成分のスペクトル・フットプリントの相違点に依存し、密度及び／又は原子番号の違いが大きい場合、向上する。"スペクトル・フットプリント"を測定することにより、本発明はさらに柔軟性を提供し、３つより多くの成分／副成分がある場合でさえも、前記成分の濃度を決めることを可能にする。

本発明の実施例において、（以後、複合成分と呼ばれる）前記成分の少なくとも１つは、１つ以上の副成分により表される。従って、複合成分は、例えば副成分の混合物に対するコンプトン減衰係数及び光電減衰係数だけが分かり、各副成分に対する係数は分からない場合、その混合物を含むことがある。これはさらに、副成分の形式である関心領域にある要素の総数は、コンプトン減衰係数及び光電減衰係数だけが分かっている事例では、３つに制限されない、若しくは前記成分の少なくとも１つに対しＫエッジ効果が分かっている事例では、４つに制限されない場合、関心領域における複合成分の濃度を決めることが可能である。有利なことに、１つ以上の副成分により表される前記複合成分の前記既知のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数は、前記モデリングユニットにより前記光電効果の投影データセット及び前記コンプトン効果の投影データセットとして夫々得られる。従って、１つ以上の副成分により表される前記少なくとも１つの複合成分のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数が分からない場合であっても、本発明は前記複合成分のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数を決めることにより、関心領域における前記成分の濃度を決めることが可能である。

本発明は、実施例として、図面を参照して詳細に説明される。

第１の実施例は、オブジェクトの関心領域における３つの成分の定量的な材料濃度を決めるための装置及び方法を説明している。前記成分に対するコンプトン減衰係数は及び光電減衰係数は知られている。

図１は、走査ユニット１０２、モデリングユニット１０４、再構成ユニット１０６及び処理ユニット１０８を有する、第１の実施例に従うスペクトルＣＴを示す。前記走査ユニット１０２は、放射線源１０及び検出器ユニット１２を有する。前記モデリングユニット１０４、前記再構成ユニット１０６及び前記処理ユニット１０８は、データ処理装置１１０を構成する。

図２に示されるように、前記走査ユニット１０２は、第１のステップ２０２において、オブジェクト又は前記オブジェクトの関心領域のスペクトルＣＴの投影データを収集する。これを達成するために、前記走査ユニット１０２の前記放射線源１０は、スペクトルエネルギーからなる放射線ビームを前記検出器ユニット１２に向けて放射する。前記検出器ユニット１２は、前記放射線ビームが前記オブジェクトを通過している間に引き起こされる減衰により減少する夫々のエネルギー信号を受信する。この第１の実施例において、検出器ユニット１２は、エネルギー分解Ｘ線検出器により構成される。このようなエネルギー分解Ｘ線検出器が近い将来利用可能となるであろう。従来の二層式検出器又は二重エネルギースキャナを使用することも可能である。検出器ユニット１２により前記スペクトルＣＴの投影データとして収集された前記エネルギー信号は、前記モデリングユニット１０４に供給される。

第２のステップ２０４において、前記モデリングユニット１０４は、光電効果及びコンプトン効果により夫々引き起こされる減衰の空間分布に対応している光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットを得る。前記光電効果の投影データセット及び前記コンプトン効果の投影データセットは、走査ユニット１０２を用いて前記ステップ２０２により収集された前記スペクトルＣＴの投影データセットを分解することにより得られる。測定を含む一般的な物理的モデルは、以下の形式

を持ち、ここでＭ_ｊは、空間感度Ｓ_ｊ（Ｅ）を持つ走査ユニットチャンネルを用いて収集された測定ｊの結果である。この測定は、エネルギー（Ｅ）及び空間（ｘ）依存性の線減衰μ^photo（ｘ，Ｅ）、μ^compton（ｘ，Ｅ）が積分された光線Ｒに沿って行われる。モデリングユニット１０４は、エネルギー非依存性の量

を得る。

第３のステップ２０６において、前記再構成ユニットは、計算された線積分

から２つの画像η^photo（ｘ）及びη^compton（ｘ）を再構成する。

第４のステップ２０８において、前記処理ユニット１０８は、前記関心領域における前記３つの成分を決める。これは、以下の連立方程式

を解くことにより達成される。

η^compton（ｘ）及びη^photo（ｘ）は、上記のように、前記光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットに対応し、これらデータセットは光電効果及びコンプトン効果により引き起こされる減衰の空間分布に対応している。ｃ_１（ｘ）及びｃ_２（ｘ）は、検査すべきポイントでの成分１及び成分２の濃度を夫々表す。第３の成分３の濃度ｃ_３（ｘ）は、関心領域には３つの成分しか存在していないので、１からｃ_１（ｘ）及びｃ_２（ｘ）を引く（ｃ_３（ｘ）＝１−ｃ_１（ｘ）−ｃ_２（ｘ））ことにより得られる。η_１ ^compton（ｘ）、η_２ ^compton（ｘ）及びη_３ ^compton（ｘ）は、前記成分のコンプトン減衰係数に夫々対応し、これら係数は分かっていて、例えば、いわゆるＮＩＳＴ(National Institute of Standards and Technology)テーブルにより取得することが可能である。η_１ ^photo（ｘ）、η_２ ^photo（ｘ）及びη_３ ^photo（ｘ）は、前記成分の光電減衰係数に夫々対応し、これら係数も同様に分かっていて、いわゆるＮＩＳＴテーブルにより得ることが可能である。上記連立方程式は、前記２つの未知数（ｃ_１（ｘ）及びｃ_２（ｘ））に対し解くことができ、そこからｃ_３（ｘ）が決められる。前記３つの成分の前記濃度ｃ_１（ｘ）、ｃ_２（ｘ）、ｃ_３（ｘ）は、ボクセル単位で得られるか、又は関心領域にわたる最小二乗適合を用いて得られる。

第２の実施例は、前記成分に対する既知のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数を備えると共に、前記成分の少なくとも１つに対する既知のＫエッジ効果を備える、オブジェクトの関心領域にある４つの成分の定量的な材料濃度を決めるためのスペクトルＣＴシステムを説明している。この第２の実施例において、既知のＫエッジ効果を備える前記少なくとも１つの成分は、約６０ｋｅＶでＫエッジ効果を持つガドリニウムである。ガドリニウムの減衰スペクトルを表すグラフは、図３において密度当り（ｇ／ｃｍ^３）の減衰（１／ｃｍ）で示される。図３は、干渉性散乱を持つ全体的な減衰Ａ、光電効果により引き起こされる減衰Ｂ及びコンプトン効果（非干渉性散乱）により引き起こされる減衰Ｃを示す。しかし、走査されたオブジェクトにおける他の材料と異なるように利用可能であるＫエッジ効果を持つ他の材料も使用される。これは例えば、約３０ｋｅＶでＫエッジ効果を持つヨウ素のような他の造影剤でもよい。

第２の実施例は、前記第２のステップ２０４において、前記モデリングユニット１０４がＫエッジ効果により引き起こされる減衰に対応するＫエッジの投影データセットを追加として得るのに適している点で第１の実施例と異なっている。前記Ｋエッジの投影データセットは、以下のように
μ^total（Ｅ）＝μ^photo（Ｅ）＋μ^compton（Ｅ）＋μ^K-edge（Ｅ）
光電効果、コンプトン効果及びＫエッジ効果の夫々のモデルを用いて前記走査ユニット１０２により収集された前記スペクトルＣＴの投影データを分解することにより得られる。

上述した一般的な物理的モデルは、関連する造影剤の吸収を伴って拡張される。

ガドリニウムの一般的なスペクトルμ^K-edge（Ｅ）が図３に示されている。それは密度毎の吸収で示される。混合物におけるガドリニウムｃ_４（ｘ）の相対濃度は、モデリングユニット１０４により計算される第３のモデルパラメタとなる。光子及びコンプトン効果の投影データに関しては、その結果は、線積分

で示される。再構成ユニット１０６は、ｃ_４（ｘ）を計算することにより追加の再構成を行う。ガドリニウム、すなわち前記第４の成分の前記光電効果画像、前記コンプトン効果画像及び前記濃度ｃ_４（ｘ）は、前記処理ユニット１０８に供給される。

さらに、この第２の実施例において、前記第４のステップ２０８で、前記処理ユニット１０８は、前記関心領域に残っている３つの成分の濃度を決めるのに適している。これは、以下の連立方程式

を解くことにより達成される。

同じ変数は、実施例１における変数と同じ用語を示す。追加として、ｃ_４（ｘ）は前記第４の成分の濃度を表す。第３の成分３の濃度ｃ_３（ｘ）は、関心領域には４つの成分しか存在していないので、１からｃ_１（ｘ）、ｃ_２（ｘ）及びｃ_４（ｘ）を引く（ｃ_３（ｘ）＝１−ｃ_１（ｘ）−ｃ_２（ｘ）−ｃ_４（ｘ））ことにより得られる。上記連立方程式は、２つの未知数（ｃ_１（ｘ）及びｃ_２（ｘ））に対し解くことができ、そこからｃ_３（ｘ）が決められる。前記４つの成分の前記濃度ｃ_１（ｘ）、ｃ_２（ｘ）、ｃ_３（ｘ）及びｃ_４（ｘ）は、ボクセル単位で得られるか、又は関心領域にわたる最小二乗適合を用いて得られる。

第３の実施例は、１つ以上の副成分、例えば元素、分子又は混合物により表される成分（以後、複合成分と呼ばれる）成分のいわゆるスペクトル・フットプリントを決めるためのＣＴシステムを説明している。副成分は、何らかの理由、例えば材料に対する光電減衰係数、コンプトン減衰係数又はＫエッジ効果のどれも分からないので、材料の混合物に対する少なくとも光電減衰係数及びコンプトン減衰係数が決められる材料を意味している。スペクトル・フットプリントは、前記成分の濃度を決める前に、前記ＣＴシステムにより決められた前記複合成分の光電減衰係数及びコンプトン減衰係数を意味している。

第３の実施例は、２つの異なる方法で達成される。第１の方法は、前記成分のサンプルを撮像するために前記ＣＴ装置を使用することである。この場合、再構成される画像η^photo（ｘ）及びη^compton（ｘ）は、前記複合成分のスペクトル・フットプリントを表し、他の検査において３又は４つの成分のうち１つを夫々表すのに使用される。第２の方法は、前記複合成分の均一な分布を含む再構成画像において関心領域を選択することである。この範囲における前記画像η^photo（ｘ）及びη^compton（ｘ）の平均値は、他の範囲において解析するためのスペクトル・フットプリントとして使用される。

上記実施例の特徴を組み合わせること、並びにこのようにして複数の成分の濃度を決める及び／又は前記成分の濃度が分かっている場合、同時に複数の成分のスペクトル・フットプリントを決めることが可能である。例えば、実施例３及び実施例２は、関心領域において、未知の成分及び既知の光電減衰係数、コンプトン減衰係数及びＫエッジ効果、例えばＣＡを持つ成分が存在する場合、未知の成分のスペクトル・フットプリントを決めるために併用される。

本発明によるＣＴシステムのブロック図。 本発明によるデータ処理方法のフローチャート。 ガドリニウムの減衰スペクトルを表すグラフ。

Claims (10)

1. オブジェクトの関心領域における成分の定量的な材料濃度を、前記成分に対する既知のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数を用いて決めるためのＣＴシステムにおいて、
   −前記関心領域からスペクトルＣＴの投影データを収集するための放射線源及び検出器ユニットを有する走査ユニット、
   −光電効果及びコンプトン効果の夫々のモデルを用いて前記スペクトルＣＴの投影データセットを分解することにより、光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットを得るためのモデリングユニット、
   −前記光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットから、前記関心領域の光電効果画像及びコンプトン効果画像を再構成するための再構成ユニット、並びに
   −前記光電効果画像データを前記成分に対する前記濃度及び前記光電減衰係数の累積生産量と同じと見なす、及び前記コンプトン効果画像データを前記成分に対する前記濃度及び前記コンプトン減衰係数の累積生産量と同じと見なすことにより得られる連立方程式を解くことにより、前記関心領域における前記成分の濃度を決めるための処理ユニット
   を有するＣＴシステム。
2. 前記成分の数は、多くても３つに制限される請求項１に記載のＣＴシステム。
3. 請求項１に記載のＣＴシステムにおいて、前記成分の少なくとも１つに対する既知のＫエッジ効果を持つ前記成分の数は、多くても４つに制限され、前記モデリングユニットは、前記少なくとも１つの成分に対応するＫエッジ効果の夫々のモデルを使用することにより、Ｋエッジの投影データセットを追加として得て、それにより前記少なくとも１つの成分の濃度を示すのに適しているＣＴシステム。
4. 前記少なくとも１つの成分は、前記オブジェクトに注入される造影剤により示される請求項３に記載のＣＴシステム。
5. 前記造影剤はヨウ素又はガドリニウムである請求項４に記載のＣＴシステム。
6. 前記成分の少なくとも１つは、１つ以上の副成分により表され、
   前記副成分は、１つ以上の副成分の混合物に対するコンプトン減衰係数及び光電減衰係数だけが分かり、各副成分に対する係数は分からないものである、請求項１乃至５の何れか一項に記載のＣＴシステム。
7. 前記少なくとも１つの成分の前記既知のコンプトン減衰係数及び前記光電減衰係数は、前記モデリングユニットにより前記光電効果の投影データセット及び前記コンプトン効果の投影データセットとして夫々得られる請求項６に記載のＣＴシステム。
8. オブジェクトの関心領域における成分の定量的な材料濃度を、前記成分に対する既知のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数を用いて決めるためのＣＴシステムに使用するデータ処理装置であり、走査ユニットから得られた、前記関心領域のスペクトルＣＴの投影データを供給するデータ処理装置において、
   −光電効果及びコンプトン効果の夫々のモデルを用いて前記スペクトルＣＴの投影データセットを分解することにより、光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットを得るためのモデリングユニット、
   −前記光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットから、前記関心領域の光電効果画像及びコンプトン効果画像を再構成するための再構成ユニット、並びに
   −前記光電効果画像データを前記成分に対する前記濃度及び前記光電減衰係数の累積生産量と同じと見なす、及び前記コンプトン効果画像データを前記成分に対する前記濃度及び前記コンプトン減衰係数の累積生産量と同じと見なすことにより得られる連立方程式を解くことにより、前記関心領域における前記成分の濃度を決めるための処理ユニット
   を有するデータ処理装置。
9. オブジェクトの関心領域における成分の定量的な材料濃度を、前記成分に対する既知のコンプトン減衰係数及び光電減衰係数を用いて決めるためのＣＴシステムに使用するデータ処理方法であり、走査ユニットから得られた、前記関心領域のスペクトルＣＴの投影データを供給するデータ処理方法において、
   −光電効果及びコンプトン効果の夫々のモデルを用いて前記スペクトルＣＴの投影データセットを分解することにより、光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットを得るステップ、
   −前記光電効果の投影データセット及びコンプトン効果の投影データセットから、前記関心領域の光電効果画像及びコンプトン効果画像を再構成するステップ、並びに
   −前記光電効果画像データを前記成分に対する前記濃度及び前記光電減衰係数の累積生産量と同じと見なす、及び前記コンプトン効果画像データを前記成分に対する前記濃度及び前記コンプトン減衰係数の累積生産量と同じと見なすことにより得られる連立方程式を解くことにより、前記関心領域における前記成分の濃度を決めるステップ
   を有するデータ処理方法。
10. コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるとき、請求項９に記載の方法のステップをコンピュータに行わせるコンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。

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