JP5355412B2 - Ｃｔ画像形成システム - Google Patents
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Description
本発明は、対象物内の物質の流れを測定するためのＣＴ画像形成システム、ＣＴ方法及びコンピュータプログラムに関する。本発明はさらに、対象物内の物質の流れを測定するための対応の測定装置、測定方法及びコンピュータプログラムに関する。
対象物内の物質の流れを測定するための従来のＣＴ画像形成システムは、Ｘ線を発するＸ線源と、当該対象物を通過した後のＸ線に応じた検出信号を検出する検出ユニットとを用いている。こうした検出信号は、当該対象物の時系列の画像を復元するために復元ユニットにより用いられ、そこでは、当該対象物内の物質の流れを示す流動値が、その対象物の時系列の画像から判定される。これら流動値は、例えば、物質流量又は当該対象物を通じた平均通過時間である。
これら従来のＣＴ画像形成システムを用いることによって、流動値の判定は、当該対象物に対するＸ線の通過に関連した作用により影響を受ける。すなわちＸ線は、当該流動が判定されるべきところの当該物質による影響だけでなく、当該対象物自体による影響も受けるのである。これにより、判定される流動値の質が低下する。
したがって、本発明の目的は、対象物を通じたＸ線の通過に関連した作用による流動値の判定の影響が低減され、これにより、その判定される流動値の質を向上させるＣＴ画像形成システムを提供することである。さらに、対応のＣＴ画像形成方法、対応の測定装置及び対応の測定方法が提供されることになる。
本発明の第１の態様においては、対象物内の物質の流動を判定するためのＣＴ画像形成システムであって、
・多色性Ｘ線を発するための多色性Ｘ線源と、
・当該エネルギ分解された対象物を通過した後のＸ線放射に応じた検出信号を得るためのエネルギ分解Ｘ線検出器と、
・前記検出信号からの物質のｋエッジ成分を測定するための計算ユニットと、
・当該測定されたｋエッジ成分から時系列のｋエッジ画像を復元する復元ユニットと、
・前記時系列のｋエッジ画像から前記対象物内の物質の流動を示す流動値を測定するための流動測定ユニットと、
を有するものが提供される。
・多色性Ｘ線を発するための多色性Ｘ線源と、
・当該エネルギ分解された対象物を通過した後のＸ線放射に応じた検出信号を得るためのエネルギ分解Ｘ線検出器と、
・前記検出信号からの物質のｋエッジ成分を測定するための計算ユニットと、
・当該測定されたｋエッジ成分から時系列のｋエッジ画像を復元する復元ユニットと、
・前記時系列のｋエッジ画像から前記対象物内の物質の流動を示す流動値を測定するための流動測定ユニットと、
を有するものが提供される。
本発明は、当該物質のｋエッジ成分が検出信号から測定され、時系列のｋエッジ画像がこの測定されたｋエッジ成分から復元されるという思想に基づいている。これにより、当該物質だけを含む復元画像が得られる。すなわち、当該対象物自体は、当該画像に含まれない。したがって、当該物質のこれら画像は、当該対象物により乱されない。当該物質だけを含むこれら画像は流動値を測定するために用いられるので、Ｘ線の当該対象物中の通過に関連する作用による流動値の影響が低減させられ、これにより、測定される流動値の質を向上させることになる。
流動測定ユニットは、当該対象物を通じる当該物質の平均通過時間を流動値として測定するように適合させられるのが好ましい。さらに、この流動測定ユニットは、物質流を流動値として測定するよう適合させられることが可能である。この平均通過時間及び物質流は、当該物質だけを含む時系列のｋエッジ画像から測定されるので、平均通過時間及び物質流は、従来のＣＴ画像システムにより測定される対応の値と比較して改善した品質をもって測定可能である。
好適な実施例において、物質は、当該対象物内の流体の中に存在し、流動測定ユニットは、当該流体に対して復元された時系列のｋエッジ画像をキャリブレートし、当該キャリブレートされ復元された時系列のｋエッジ画像から当該対象物内の当該流体の流動を示す流動値を測定するよう適合させられる。かかる復元された時系列のｋエッジ画像は、当該流体に対してキャリブレートされるので、流動値は、当該対象物内の流体の流れを示すものが測定可能となる。これにより、流動値、特に、当該対象物を通じる流体の平均通過時間及び流体流動を、量的に直接測定することが可能となる。対照的に、従来のＣＴかん流システムは、ｘ線の減衰のシフトに基づいた流動の間接的な定量化しかできない。
かかる流体は、人間又は動物の体の血液とすることができる。これにより、例えば、人又は動物の体の中の血液（特に脳内の血液）の平均通過時間及び／又は流動を測定することが可能となる。したがって、例えば、脳血流（ＣＢＦ；cerebral blood flow）を測定することができる。
エネルギ分解Ｘ線検出器は、複数のエネルギビンに対して複数のエネルギ分解検出信号を供給するよう適合させられ、当該計算ユニットは、当該物質のｋエッジ効果、光電効果及びコンプトン効果の組み合わせであって各効果が対応の成分により検出信号に寄与するところの組み合わせとして当該検出信号を表す当該検出信号のモデルを用いて、複数のエネルギ分解検出信号の連立方程式を解くことによって当該物質のｋエッジ成分を判定するように適合させられる。特に、Ｘ線検出器は、多数のエネルギ分解された検出信号に異なるエネルギビンを供給し、その異なるエネルギビンを、異なるスペクトル感度を有するものとし、特に各エネルギビンを、当該検出信号が利用可能でかつ関心のあるものとする完全なエネルギ範囲の一部とする。そして、スキャンされた対象物は、第１のスペクトルによる光電効果、第２のスペクトルによるコンプトン効果及び第３のスペクトルによる関心エネルギ範囲内のｋエッジを伴う物質の組み合わせとしてモデル化される。各検出信号における当該成分の各々についての濃度・長さの積は、少なくとも当該物質のｋエッジ成分を求めるために解かれる離散線形システムとしてモデル化される。そして、異なる検出器位置に対して得られる物質のｋエッジ成分から、当該物質のｋエッジ画像を従来の復元方法により復元することができる。
複数のエネルギ分解された検出信号の連立方程式は、数値的方法を用いることによって解かれるのが好ましい。好適な方法は、当該測定値の雑音統計を考慮に入れた最尤法である。
他の好適な実施例において、Ｘ線源の放出スペクトル及び複数のエネルギビンの各々におけるＸ線検出器のスペクトル感度を考慮したモデルが用いられる。そうすると、計算された成分と、これによる、復元された画像及び測定された流動値の精度が高くなる。
当該物質は、優先的に、対象物、特に人又は動物の体に投入された造影剤とされる。これにより、人又は動物の体の流動値、例えば人の体の器官を通じる血液の平均通過時間又は血流量を測定することが可能となる。
請求項１０及び１２には、対応のＣＴ画像形成方法及び対応のコンピュータプログラムが規定される。請求項９，１１及び１３には、対象物内の物質の流動を測定するための対応の測定装置、対応の測定方法及び対応のコンピュータプログラムが規定される。従属請求項には、本発明の好適実施例が規定される。
本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下に説明される実施例に基づいて詳しく説明される。
本発明によるＣＴ画像形成システムの図。
対象物内の物質の流れを測定するためのＣＴ画像形成方法の実施例を示すフローチャート。
多色性Ｘ線源の典型的なスペクトルを示す図。
光電効果、軽視効果及び対象物内物質の典型的なスペクトルを示す図。
図１に示されるＣＴ画像形成システムは、ｚ方向に平行に延びる回転軸Ｒを中心に回転することのできるガントリ１を含む。放射線源２、例えばＸ線管は、ガントリ１に実装されている。このＸ線源には、Ｘ線源２により発せられた放射線から円錐形の放射線ビーム４を形成するコリメータ装置３が設けられる。他の実施例において、コリメータ装置３は、例えば扇状などの他の形状を有する放射線ビームを形成するように適合させられることができる。
放射線は、患者などの対象物（図示せず）を、円筒状の検査ゾーン５における関心領域において横断する。検査ゾーン５を横断した後、Ｘ線ビーム４は、エネルギ分解Ｘ線検出ユニット６、この実施例ではガントリ１に実装される２次元検出器に入射する。他の実施例においては、エネルギ分解Ｘ線検出ユニットを１次元検出器とすることができる。
エネルギ分解Ｘ線検出器は、例えば、入射した光子を数えるという原則に基づいて機能し、或る特定のエネルギ領域におけるエネルギ当たりの光子の数を示す信号を出力する。このようなエネルギ分解検出器は、例えば、Llopart, X.氏らの "First test measurements of a 64k pixel readout chip working in a single photon counting mode", Nucl. Inst. and Meth. A, 509 (1-3): 157-163, 2003及びLlopart, X.氏らの "Medipix2: A 64-k pixel readout chip with 55 mum square elements working in a single photon counting mode", IEEE Trans. Nucl. Sci. 49(5): 2279-2283, 2002に記述されている。
ガントリ１は、モータ７により好ましくは一定だが調整可能な角速度で駆動される。他のモータ８は、対象物、例えば検査ゾーン５における患者テーブル上に置かれた患者を、回転軸Ｒすなわちｚ軸の方向に平行に移動させるために設けられる。これらモータ７，８は、例えば、放射線源２及び検査ゾーン５が螺旋状の軌道に沿って相対的に移動するように制御ユニット９によって制御される。但し、対象物又は検査ゾーン５は移動されず、Ｘ線源２が回転させられる、すなわちＸ線源２が対象物に対して円形の軌道に沿って移動することが好ましい。
検出器６により得られるデータは、対象物内の物質の流れを測定するための、特に対象物内の流れを示す流動値を測定するための測定装置１０に供給される。これら流動値は、例えば、平均通過時間又は当該対象物を通じる物質流量とすることができる。対象物が例えば人間の脳である場合、この測定装置は、脳血流及び脳平均通過時間を測定するように適合可能である。流動値は、当該流動値を表示するための表示ユニット１１に最終的に供給されるようにすることができる。表示ユニット１１は、対象物内の特定の領域に対応する単一の流動値又は平均流動値を表示することができ、表示ユニット１１は、２次元又は３次元画像を示し、各画像要素すなわち各画素又は各ボクセルは、それぞれ、対応の画像要素に対応する対象物内の位置における流動値を示す。したがって、表示ユニット１１は、流動値の画像を示すのが好ましい。
測定装置１０は、検出器６により得られる検出信号からのｋエッジ成分を測定するための計算ユニット１２を有する。測定装置１０はさらに、測定されたｋエッジ成分から時系列のｋエッジ画像を復元するための復元ユニット１３を有し、測定装置１０は、時系列のｋエッジ画像から対象物内の流量を示す流動値を測定するための流動測定ユニット１４を有する。また、測定装置１０は、優先的に、制御ユニット９により制御される。
以下では、本発明による対象物内の当該流動を測定するためのＣＴ画像形成方法の実施例を図２に示されるフローチャートについてより詳細に説明する。
ステップ１０１において、Ｘ線源２は、回転軸Ｒ又はｚ方向の回りを回転し、対象物は動かない。すなわち、Ｘ線源２は、対象物近辺の円形軌道に沿って移動する。他の実施例において、Ｘ線源２は、対象物に対して、他の軌道、例えば螺旋状の軌道に沿って動くことができる。Ｘ線源２は、中に物質が存在する対象物を横断するＸ線の放射線を発する。この物質は、例えば、このステップ１０１の前に投入されたヨウ素又はガドリニウムに基づいた造影剤である。対象物は、例えば人又は動物の体であり、造影剤は、例えば人又は動物の体の血管に投入されている。対象物及び対象物内の物質を通過したＸ線は、検出信号を発生する検出器６により検出される。したがって、ステップ１０１において、検出信号が得られる。
ステップ１０２において、検出信号は、測定装置１０の計算ユニット１２に伝送される。計算ユニット１２は、検出信号から物質のｋエッジ成分を測定する。このことは、ここでより詳しく説明する。
計算ユニット１２への入力は、複数の、最少でも３つのエネルギビンに対してのエネルギ分解された検出信号ｄｉである。これら検出信号ｄｉは、ｉ番目のエネルギビンｂｉのスペクトル感度Ｄｉ（Ｅ）を示す。さらに、多色性Ｘ線管２の放出スペクトルＴ（Ｅ）は、一般に知られているか、又はステップ１０１の前に測定可能である。図３には、多色性Ｘ線管のこのような放出スペクトルＴ（Ｅ）の例が概略的に示される。測定装置、特に計算ユニット１２において、検出信号ｄｉの発生は、スペクトルＰ（Ｅ）による光電効果、スペクトルＣ（Ｅ）によるコンプトン効果及び関心のエネルギ範囲及びスペクトルＫ（Ｅ）におけるｋエッジを伴う物質の線形の組み合わせとしてモデル化される。
図４には、スペクトルＰ（Ｅ），Ｃ（Ｅ）及びＫ（Ｅ）が模範的に示される。
検出信号の発生を、次の一次方程式によりモデル化することができる。
di=∫dET(E)Di(E)exp[-(ρphotoP(E)+ρcomptonC(E)+ρk-edgeK(E,))] (1)
ここで、ρphoto，ρcompton，ρk-edgeは、それぞれ、光電成分、コンプトン成分及びｋエッジ成分の密度・長さの積である。
di=∫dET(E)Di(E)exp[-(ρphotoP(E)+ρcomptonC(E)+ρk-edgeK(E,))] (1)
ここで、ρphoto，ρcompton，ρk-edgeは、それぞれ、光電成分、コンプトン成分及びｋエッジ成分の密度・長さの積である。
少なくとも３つの検出信号ｄ１，ｄ２，ｄ３は、少なくとも３つのエネルギビンｂ１，ｂ２，ｂ３のために利用可能であるので、少なくとも３つの式の連立方程式は、３つの密度・長さの積であり、これにより計算ユニット１２において既知の数値的方法により解くことができる３つの既知数を有して形成される。３を超える数のエネルギビンが利用可能である場合、測定値の雑音統計を考慮に入れた最尤法を用いるのが好ましい。一般的に、３つのエネルギビンで十分である。但し、感度及びノイズロバスト性を向上させるためには、より多くのエネルギビンのためのより多くの検出信号を有するのが好ましい。
ステップ１０３において、測定されたｋエッジ成分すなわち密度・長さの積ρk-edgeは、復元ユニット１３に伝送される。Ｘ線源２が対象物に対して動くので、検出信号及びこれに伴う測定された密度積ρk-edgeは、異なる角度方向において対象物及び物質を横断したＸ線に対応する。したがって、ｋエッジ画像は、密度・長さの積ρk-edgeのフィルタ処理された逆投影のような慣例的なＣＴ復元方法を用いることにより復元可能である。取込ステップ１０１は、対象物内の同じ位置の時系列のｋエッジ画像を復元することができるように行われる。このことは、例えば、Ｘ線管２が当該対象物周辺の円形軌道に沿って移動し、少なくとも関心フィールドに対して画像のグループが復元可能となる検出信号を取り込むために十分に長い時間期間にわたり検出信号を取り込み、当該グループの画像が対象物内の同じ位置を異なる時点で示すものであることを意味している。このようなグループは、対象物特に対象物の視野の領域の時系列のｋエッジ画像、すなわち４次元画像データセットである。
ステップ１０４において、対象物内の物質に対してｋエッジ画像がキャリブレートされる。特に、この物質は、対象物内の流体の中に存在し、ｋエッジ画像は、対象物内の流体に関してキャリブレートされる。この対象物を人間又は動物の体、又は脳のような体の一部とし、流体を血液とするのが好ましい。キャリブレーションは、１つ又は複数の画像要素、すなわち流体にのみ対応する画素又はボクセルを有する画像領域を選択することによって行うことができる。対象物の対応の領域のボリュームが既知であるので、この領域内の流体の体積も既知である。さらに、対象物のこの領域内の画像要素の値は、この領域内の物質の量に関係する。したがって、ｋエッジ画像に示される流体体積と物質の量との直接の関係を判定することができる。この関係は、ｋエッジ画像をキャリブレートしこれら画像が各画像要素すなわち各画素又はボクセルにおける流体体積を示すようにするために用いることができる。このキャリブレーションは、復元ユニット１３又は流動測定ユニット１４により行うことができる。単一の例として、画像要素における復元された物質濃度がｃｓである場合、及びこの画像要素における流体体積がＶである場合、復元される４次元画像データセットの各値はＶ／ｃｓが乗ぜられ、当該４次元画像データセット、すなわち時系列のｋエッジ画像をキャリブレートするようにしている。
ステップ１０５において、流動測定ユニット１４は、キャリブレートされた時系列の画像を受信し、受信した時系列の画像から対象物内の流動を示す流動値を測定する。キャリブレートされた画像が対象物内の異なる位置でかつ異なる時点における血液の値を直接示すので、これらキャリブレートされた画像は、物質の流動を直接示す。
キャリブレートされた画像から、すなわち測定された物質の流動からの流動値の測定は、よく知られている。これら流動値は、例えば、平均通過時間、脳血流量又は脳血液量である。流動値の測定は、例えば、 "Dynamic CT Measurement of Cerebral Blood Flow: A Validation Study", Aleksa Cenic, Darius G. Nabavi, Rosemary A. Craen, Adrian W. Gelb and Ting-Yim Lee, American Journal of Neuroradiology 20:63-73 (1999)に記述されている。
以上、本発明を、図面及び上の記述に詳しく示しかつ説明したが、このような図示や説明は、例示するため又は典型例を示すためであって限定的なものではないと解されるべきものである。本発明は、開示した実施例に限定されるものではない。
当該対象物は、対象物全体又は対象物の一部のみとすることができる。対象物のこの部分を、関心フィールドとすることができ、これは例えばユーザにより予め規定される。
対象物をいずれの対象物とすることができ、この対象物は技術的な対象物とすることができる。さらに、流体は、対象物内の何らかの流体とすることができる。特に、ＣＴ画像形成システムは、技術的対象物内の流体、例えば水又は油に関連した流動値を測定するように適合させられることもできる。
開示した実施例に対する他の改変は、図面、開示内容及び添付の請求項の検討から、請求項記載の発明を実施するに際し当業者により理解されかつ生み出されうるものである。
「有する」なる文言は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数表現は複数を排除しない。或る特定の特徴が相互に異なる従属請求項に挙げられているという点は、これら特徴の組み合わせが活用できないことを意味するものではない。
コンピュータプログラムは、光学記憶媒体又は他のハードウェアの一部と一緒に又は当該一部と共に供給される固体媒体のような適切な媒体において記憶／配布されうるものであるが、インターネット又は他の有線若しくは無線の電気通信システムを介するなどの他の形態でも配布されうるものである。
請求項における参照符号は、その範囲を限定するものと解釈してはならない。
Claims (13)
- 対象物内の物質の流動を測定するためのＣＴ画像形成システムであって、
多色性Ｘ線を発するための多色性Ｘ線源と、
前記対象物を通過した後のＸ線に応じた検出信号を得るためのエネルギ分解Ｘ線検出器と、
前記検出信号からの物質のｋエッジ成分を測定するための計算ユニットと、
当該測定されたｋエッジ成分から時系列のｋエッジ画像を復元する復元ユニットと、
前記時系列のｋエッジ画像から前記対象物内の流動を示す流動値を測定するための流動測定ユニットと、
を有するシステム。 - 請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記流動測定ユニットは、流動値として前記対象物を通じる前記物質の平均通過時間を測定するよう適合させられる、システム。
- 請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記流動測定ユニットは、流動値として前記物質を測定するよう適合させられる、システム。
- 請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記物質は、前記対象物内の流体の中に存在し、前記流動測定ユニット又は前記復元ユニットは、前記流体に関して当該復元された時系列のｋエッジ画像をキャリブレートし、当該キャリブレートされた復元された時系列のｋエッジ画像から前記対象物内の前記流体の前記流動を示す流動値を測定するよう適合させられる、システム。
- 請求項４に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記流動測定ユニットは、流動値として前記対象物を通じる前記流体の平均通過時間を測定するよう適合させられる、システム。
- 請求項４に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記流動測定ユニットは、流動値として流量を測定するよう適合させられる、システム。
- 請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記エネルギ分解Ｘ線検出器は、複数のエネルギビンについて複数のエネルギ分解された検出信号を供給するよう適合させられ、前記計算ユニットは、前記複数のエネルギ分解された検出信号の連立方程式を、検出信号を表す当該検出信号のモデルを前記物質のｋエッジ効果、光電効果及びコンプトン効果の組み合わせであって各効果が対応の成分により前記検出信号に寄与するものであるところの組み合わせを用いて、解くことによって前記物質のｋエッジ成分を測定するよう適合させられる、システム。
- 請求項７に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記計算ユニットは、前記複数のエネルギビンの各々において前記多色性Ｘ線源の発生スペクトル及び前記エネルギ分解Ｘ線検出器のスペクトル感度を考慮に入れたモデルを用いるよう適合させられる、システム。
- 対象物内の物質の流れを測定する測定装置であって、検出信号が供給され、この検出信号は、前記対象物を通過した後の多色性Ｘ線により発せられたＸ線に応じた検出信号を得るためのエネルギ分解Ｘ線検出器により得られる、測定装置であって、
前記検出信号から前記物質のｋエッジ成分を測定する計算ユニットと、
当該測定されたｋエッジ成分から時系列のｋエッジ画像を復元する復元ユニットと、
前記時系列のｋエッジ画像から前記対象物内の流動を示す流動値を測定する流動測定ユニットと、
を有する測定装置。 - 対象物内の物質の流動を測定するＣＴ画像形成方法であって、
多色性Ｘ線源により多色性Ｘ線を放出するステップと、
エネルギ分解Ｘ線検出器によって前記対象物を通じた後のＸ線に応じた検出信号を得
るステップと、
計算ユニットにより前記検出信号から前記物質のｋエッジ成分を測定するステップと、
復元ユニットにより当該測定されたｋエッジ成分から時系列のｋエッジ画像を復元するステップと、
流動判定ユニットにより前記時系列のｋエッジ画像から前記対象物内の前記流動を示す流動値を測定するステップと、
を有する方法。 - 対象物内の物質の流動を測定するための測定方法であって、検出信号が供給され、この検出信号は、前記対象物を通じた後の多色性Ｘ線源により放出されたＸ線に応じた検出信号を得るためのエネルギ分解Ｘ線検出器により得られる、方法であって、
計算ユニットにより前記検出信号から前記物質のｋエッジ成分を測定するステップと、
復元ユニットにより当該測定されたｋエッジ成分から時系列のｋエッジ画像を復元するステップと、
流動測定ユニットにより前記時系列のｋエッジ画像から前記対象物内の前記流動を示す流動値を測定するステップと、
を有する方法。 - 対象物内の物質の前記流動を測定するためのコンピュータプログラムであって、当該コンピュータプログラムが請求項１に記載のＣＴ画像形成システムを制御するコンピュータにおいて実行されたときに請求項１０に記載の方法のステップをコンピュータに実行させる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。
- 対象物内の物質の流動を判定するためのコンピュータプログラムであって、当該コンピュータプログラムが請求項９に記載の測定装置を制御するコンピュータにおいて実行されるときに請求項１１に記載の方法のステップをコンピュータに実行させる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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