JP5405229B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、円軌道コーンビーム再構成機能を有するＸ線コンピュータ断層撮影装置（ＣＴ（Computer Tomography））に関する。

円軌道コーンビーム再構成法は、Feldkampらが提案しているが、この再構成法では、３６０°分の投影データが揃わない領域（マスク領域）が再構成領域の両端部に存在する。そのマスク領域の画質は低い。そのためマスク領域は、画像再構成処理から除外され、画像化されない。マスク領域を無理に再構成しても、歪み・形状再現性の劣化、さらにはＣＴ値シフトが発生する可能性が高い。

本発明の目的は、円軌道コーンビーム再構成法において、マスク領域の画質を向上することにある。

本発明のある局面は、コーンビーム形のＸ線を発生するＸ線管と、被検体を透過したＸ線を検出して投影データを発生する２次元アレイ型のＸ線検出器と、Ｘ線管をＸ線検出器とともに被検体の周囲を回転自在に支持する回転機構と、投影データのうち、１回転分のビュー数の投影データに基づいてフルスキャン画像を再構成するとともに、１回転のビュー数より少ないビュー数の投影データに基づいてショートスキャン画像を再構成する再構成処理部と、フルスキャン画像とショートスキャン画像とに基づいて、前記少ないビュー数に由来するＣＴ値シフトの空間分布を発生するＣＴ値シフトの分布を発生するＣＴ値シフト分布発生部と、ＣＴ値シフトの分布に基づいてショートスキャン画像を補正する補正部とを具備するＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供する。

本発明によれば、円軌道コーンビーム再構成法において、マスク領域の画質を向上することができる。

図１は、本発明の実施形態によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図である。 図２は、図１の再構成処理部による再構成領域の両端部分に関するショートスキャン再構成の説明補足図である。 図３は、図１のＣＴ値シフト画像生成部とショートスキャン画像補正部とによる処理の流れ図である。 図４は、図１のＣＴ値シフト画像生成部とショートスキャン画像補正部とによる処理の詳細な流れ図である。 図５は、本実施形態において、ショートスキャン再構成に用いる投影データの範囲を表すビューレンジを示す図である。

以下、図面を参照して本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の実施形態を説明する。なお、Ｘ線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回転／回転方式と、リング上に多数のＸ線検出器が配置され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転する固定／回転方式とがあり、いずれの方式でも本発明を適用可能である。回転／回転方式に関して、一対のＸ線管とＸ線検出器とが回転フレームに搭載された一管球型と、Ｘ線管とＸ線検出器との対が回転フレームに複数搭載されたいわゆる多管球型とがあるが、いずれの型でも本発明を適用可能である。Ｘ線検出器に関して、被検体を透過したＸ線をシンチレータ等の蛍光体で光に変換してからフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の発生及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とがあるが、本発明はいずれの形を採用してもよい。

図１には本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示している。架台１００は、Ｘ線管１０１を有する。Ｘ線管１０１は、高電圧発生装置からスリップリング機構１０８を経由して管電圧の印加及びフィラメント電流の供給を受け、コーンビーム形のＸ線を発生する。Ｘ線管１０１は、回転軸（Ｚ軸）を中心に回転自在に支持される回転フレーム１０２に、Ｘ線検出器１０５とともに搭載される。回転角検出部１０７は、回転フレーム１０２の回転角を検出するために設けられる。通常、Ｘ線管１０１が頂上にあるとき、回転フレーム１０２の回転角はゼロ度にセットされる。Ｘ線検出器１０３は、回転軸ＲＡをはさんでＸ線管１０１に対向する。回転軸ＲＡを中心として円筒形状の再構成領域が入力装置１１５を介して設定される。

Ｘ線検出器１０３は、Ｘ線管１０１から被検体を透過したＸ線を検出する。Ｘ線検出器１０３は、コーンビームに対応するマルチスライス型または２次元アレイ型である。すなわち、Ｘ線検出器１０３は、回転軸ＲＡにそって並列される複数のＸ線検出素子列を有する。各Ｘ線検出素子列は、回転軸ＲＡに直交する方向にそって一列に配列された複数のＸ線検出素子を有する。

Ｘ線検出器１０３の出力は、チャンネルごとにデータ収集回路（ＤＡＳ）１０４によって増幅され、ディジタル信号に変換され、そして例えば非接触型のデータ伝送装置１０５を介して前処理装置１０６に送られ、そこで感度補正等の補正処理を受け、再構成処理の直前段階にあるいわゆる投影データとして投影データ記憶部１１６に記憶される。スキャンコントローラ１１０は、データ収集（スキャン）のために、回転駆動部、高電圧発生装置１０９、データ収集回路１０４等を制御する。

再構成処理部１１９は、３６０度の角度範囲の投影データを用いて画像を再構成するフル再構成処理機能と、３６０度未満で（１８０°＋α）以上の角度範囲の投影データを用いて画像を再構成するショート再構成処理機能とを有する。フル再構成処理方法は、コーンビーム画像再構成法の一つであるフェルドカンプ法(Feldkamp method)が典型的である。フェルドカンプ法は、周知の通り、ファンビームコンボリューション・バックプロジェクション法をもとにした近似的再構成法であり、コンボリューション処理は、コーン角が比較的小さいことを前提として、データをファン投影データと見なして行われる。しかし、バックプロジェクション処理は、実際のレイ(ray)に沿って行われる。つまり、投影データにＺ座標に依存した重みをかけ、その重みをかけた投影データに、ファンビーム再構成と同じ再構成関数をコンボリューションし、そのデータをコーン角を持つ斜めの実際のレイに沿って逆投影する、という手順で画像が再構成される。

ショート再構成処理方法は、ＰＢＳ(Pixel Based Sector Reconstruction)とも呼ばれる方法である。ＰＢＳは、再構成画素を通る複数のレイを決定し、レイに対応する投影データを使って再構成画素のＣＴ値を計算する方法である。ショートスキャン再構成処理では、再構成処理の基になる投影データの数が少ないことを原因として、ＣＴ値が真値からシフトするいわゆるＣＴ値シフト現象が生じる。本実施形態では、このＣＴ値シフトを補正する。

ショートスキャン再構成処理では、図５に例示するように、投影データ記憶部１１６に記憶された投影データから、ショートスキャン再構成処理に使用する投影データの範囲（ビューレンジ）を、Ｚ軸上でのスライス位置と再構成対象の画素の位置とに応じて選択する。ビューレンジは、再構成対象の画素の位置で実際にＸ線の透過に由来する投影データが収集される角度範囲である。

図２に示すように、円柱形の再構成領域の両端部分（Ｚ１〜Ｚ２、Ｚ３〜Ｚ４）におけるマスク領域の各画素ごとにビューレンジが設定される。ビューレンジは、再構成位置のＺ位置と、回転軸（Ｚ）から対象画素までの半径と、ファン角とにより決まる。ビューレンジ内のビュー数は、基本的には、再構成範囲の両端部分各々の最内位置Ｚ２，Ｚ３から最端位置Ｚ１，Ｚ４までにかけて、連続的又は段階的に減少する。最内位置Ｚ２，Ｚ３は、再構成領域の外周と、コーンビームＸ線の辺縁とが交差する部分のＺ位置として定義される。

再構成処理では、マスク領域の存在しない再構成領域の中央部分（Ｚ２〜Ｚ３）においては、再構成に用いるビューの数を、１回転で収集する投影データのビュー数Ｎに設定する。またマスク領域が存在する再構成領域の両端部分（Ｚ１〜Ｚ２、Ｚ３〜Ｚ４）においては、再構成に用いるビューの数は、Ｚ位置に応じて１回転分のビュー数Ｎから、ハーフ再構成に要するビュー数と同等のＮ・（（１８０°＋α）／３６０°）まで低下される。なお、αはファン角である。

１周分の投影データが揃うマスク領域の存在しない再構成領域の中央部分（Ｚ２〜Ｚ３）と、両端部分（Ｚ１〜Ｚ２、Ｚ３〜Ｚ４）の各スライスの中央円形部分とでは、全ビューＮの投影データがフルスキャン再構成処理に供給される。一方、両端部分（Ｚ１〜Ｚ２、Ｚ３〜Ｚ４）のマスク領域では、Ｎより少ないＺ位置に応じたビュー数の投影データがショートスキャン再構成処理に供給される。フルスキャン／ショートスキャン再構成処理は、フェルドカンプ再構成法／ＰＢＳ法に従って、選択された投影データに基づいて再構成領域内の画像データを再構成する。

ＣＴ値シフト画像生成部１２１は、フルスキャン画像と、ショートスキャン画像とに基づいて、ショートスキャン再構成処理により生じるマスク領域のＣＴ値シフトの空間分布（以下、ＣＴ値シフト画像という）を発生する。具体的には、図３、図４に示すように、フルスキャン画像と、ショートスキャン画像とが差分され、円環状の差分画像が発生される。フルスキャン画像とショートスキャン画像とはともに、組織や骨などの被写体の陰影を同等に含んでいる。フルスキャン画像は、歪みを多く含み、逆にＣＴ値シフトはあまり含まない。一方、ショートスキャン画像は、歪みをあまり含まないが、ＣＴ値シフトを多く含む。従って、差分画像には、歪みと、ＣＴ値シフトとが残存する。

さらに、差分画像に残存する歪みは、その発生原理上、絶対値が非常に高い。従って、ＣＴ値シフト画像生成部１２１の閾値処理機能は、上限閾値と下限閾値とを設け、差分画像の中で上限閾値を超過する画素の画素値を除去、つまりゼロ値に置換し、同様に下限閾値を下回る画素の画素値を除去、つまりゼロ値に置換する。

さらにＣＴ値シフト画像生成部１２１のＣＴ値シフト抽出処理機能は、歪みを除去された差分画像に対して、２次元ガウスフィルタリングなどのローパスフィルタリング処理を施して、残留している組織像や歪みなどの空間的な高周波成分を軽減し、ＣＴ値シフト成分を抽出（強調）して、最終的にＣＴ値シフト成分が支配的な円環状のＣＴ値シフト画像を生成する（推定する）。

ショートスキャン画像補正部１２３では、ＣＴ値シフト画像をショートスキャン画像に加算又は減算することにより、ＣＴ値シフトを軽減したショートスキャン画像を生成する。補正したショートスキャン画像に、中央円形部分に相当するフルスキャン画像部分を合成することにより、マスク領域を歪み・形状再現性の劣化、さらにＣＴ値シフトの発生を抑えたショートスキャン画像が得られる。

このように本実施形態では、円軌道コーンビーム再構成法において、マスク領域が部分的にも存在する再構成領域の両端部分では、再構成に用いるビュー数をＺ位置に応じて徐々に減少させることにより、マスク領域を歪み・形状再現性の劣化が発生する可能性を抑えることができ、さらにその処理によるＣＴ値シフトをフルスキャン画像とショートスキャン画像とから得て、それによりショートスキャン画像を補正することで、ＣＴ値シフトの発生も抑えることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのまま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構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、円軌道コーンビーム再構成法を適用する分野に利用可能性がある。

１００…架台、１０１…Ｘ線管、１０２…回転フレーム、１０３…Ｘ線検出器、１０４…データ収集回路（ＤＡＳ）、１０５…データ伝送装置、１０６…前処理装置、１０７…回転角検出部、１０８…スリップリング機構、１１０…スキャンコントローラ、１０９…高電圧発生装置、１１５…入力装置、１１６…投影データ記憶部、１１７…投影データ選択部、１１９…再構成処理部、１２１…ＣＴ値シフト画像生成部、１２３…ショートスキャン画像補正部１２３。

Claims (18)

1. コーンビーム形のＸ線を発生するＸ線管と、
   被検体を透過したＸ線を検出して投影データを発生する２次元アレイ型のＸ線検出器と、
   前記Ｘ線管を前記Ｘ線検出器とともに前記被検体の周囲を回転自在に支持する回転機構と、
   前記投影データのうち、１回転分のビュー数の投影データに基づいてフルスキャン画像を再構成するとともに、１回転のビュー数より少ないビュー数の投影データに基づいてショートスキャン画像を再構成する再構成処理部と、
   前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とに基づいて、前記少ないビュー数に由来するＣＴ値シフトの空間分布を発生するＣＴ値シフト分布発生部と、
   前記ＣＴ値シフトの空間分布に基づいて、前記ショートスキャン画像を補正する補正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。
2. 前記再構成処理部は、再構成領域の両端部分において前記ショートスキャン画像の再構成に用いる投影データのビュー数を回転軸上の再構成位置に応じて変化させ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。
3. 前記ＣＴ値シフト分布発生部は、
   前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とを差分して差分画像を発生する差分画像発生部と、
   前記差分画像を閾値処理にかけて前記ＣＴ値シフト分布を発生する閾値処理部とを有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。
4. 前記ＣＴ値シフト分布発生部は、
   前記ＣＴ値シフト分布をローパルフィルタリングにかけるローパルフィルタ部をさらに有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。
5. 前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とを部分的に合成する合成処理部をさらに備え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。
6. 前記フルスキャン画像の中央部分と前記ショートスキャン画像の円環部分とを合成する合成処理部をさらに備え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。
7. コーンビーム形のＸ線を用いて収集された投影データを記憶する記憶部と、
   １回転分のビュー数の投影データに基づいてフルスキャン画像を再構成するとともに、１回転のビュー数より少ないビュー数の投影データに基づいてショートスキャン画像を再構成する再構成処理部と、
   前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とに基づいて、前記少ないビュー数に由来するＣＴ値シフトの空間分布を発生するＣＴ値シフト分布発生部と、
   前記ＣＴ値シフトの空間分布に基づいて、前記ショートスキャン画像を補正する補正部とを具備することを特徴とする画像処理装置。
8. 前記再構成処理部は、再構成領域の両端部分において前記ショートスキャン画像の再構成に用いる投影データのビュー数を回転軸上の再構成位置に応じて変化させることを特徴とする請求項７記載の画像処理装置。
9. 前記ＣＴ値シフト分布発生部は、
   前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とを差分して差分画像を発生する差分画像発生部と、
   前記差分画像を閾値処理にかけて前記ＣＴ値シフト分布を発生する閾値処理部とを有することを特徴とする請求項７記載の画像処理装置。
10. 前記ＣＴ値シフト分布発生部は、
    前記ＣＴ値シフト分布をローパルフィルタリングにかけるローパルフィルタ部をさらに有することを特徴とする請求項９記載の画像処理装置。
11. 前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とを部分的に合成する合成処理部をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の画像処理装置。
12. 前記フルスキャン画像の中央部分と前記ショートスキャン画像の円環部分とを合成する合成処理部をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の画像処理装置。
13. コーンビーム形のＸ線を用いて収集された投影データのうち、１回転分のビュー数の投影データに基づいてフルスキャン画像を再構成し、
    前記投影データのうち、１回転のビュー数より少ないビュー数の投影データに基づいてショートスキャン画像を再構成し、
    前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とに基づいて、前記少ないビュー数に由来するＣＴ値シフトの空間分布を発生し、
    前記ＣＴ値シフトの空間分布に基づいて、前記ショートスキャン画像を補正することを特徴とする画像発生方法。
14. 再構成領域の両端部分において前記ショートスキャン画像の再構成に用いる投影データのビュー数を回転軸上の再構成位置に応じて変化させることを特徴とする請求項１３記載の画像発生方法。
15. 前記ＣＴ値シフトの空間分布を発生する工程は、
    前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とを差分して差分画像を発生し、
    前記差分画像を閾値処理にかけて前記ＣＴ値シフト分布を発生することを特徴とする請求項１３記載の画像発生方法。
16. 前記ＣＴ値シフトの空間分布を発生する工程は、
    前記ＣＴ値シフト分布をローパルフィルタリングにかけることを特徴とする請求項１３記載の画像発生方法。
17. 前記フルスキャン画像と前記ショートスキャン画像とを部分的に合成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１６記載の画像発生方法。
18. 前記フルスキャン画像の中央部分と前記ショートスキャン画像の円環部分とを合成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１３記載の画像発生方法。

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