JP5455903B2

JP5455903B2 - Ｘ線ｃｔ装置

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Inventors: 浩一廣川; 嘉晃菅谷; 大雅後藤
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Description

本発明は、X線CT装置に関する。詳細には、画質及び被曝線量を考慮してスキャン中の照射X線量を制御するX線CT装置に関する。

X線CT装置は、ファンビーム(扇形ビーム)あるいはコーンビーム(円錐形または角錐形ビーム)のX線を被検体に照射し、被検体を透過したX線強度に関する情報である投影データを取得し、この投影データに基づいて被検体内部のX線吸収係数の分布情報を画像化する装置である。

X線CT装置は、離散的なX線管位置(ビュー)において投影データを取得する。X線管1回転あたりのビュー数は、通常、数百から数千に及ぶ。X線CT装置は、被検体の周囲でX線管を回転させながらX線を照射することによりスキャンを行って、1枚の断層像(CT画像)を再構成するために必要なビュー数の投影データを取得する。

X線CT装置のスキャン条件として、X線管電流が一定の場合、X線の照射角度や照射部位によっては線量過多や線量不足になることがある。これに対して、スキャノグラム投影データに基づいてX線管電流を制御し、被曝量抑制及び画質向上を図るX線CT装置が提案されている(例えば、［特許文献1］参照)。

また、スキャノグラム投影データから被検体の楕円断面モデルを算出し、楕円断面の面積及び縦横比からX線管電流値を算出するX線CT装置が提案されている(例えば、［特許文献2］参照)。

特開平7−124152号公報特開2001−043993号公報

しかしながら、特許文献1または特許文献2に開示されるX線管電流(以下、照射X線量という)を最適化する技術では、被検体の呼吸等によりスキャン対象となる臓器が変位する場合を想定していない。そのため、スキャン対象となる臓器が変位した場合には、予め想定した照射X線量が実際に適用すべき照射X線量と一致しないものとなってしまう。

一方、CT画像の画質を向上させたい場合には、相応の大きな照射X線量にて被検体に対してX線を照射する必要がある。そのため照射X線量と画質とのバランスは被曝量を抑制するための照射X線量の制御において重要な課題となっている。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、画質向上と被曝量抑制を両立しつつ、被検体の呼吸等による臓器の変位に応じて照射X線量を制御可能なX線CT装置を提供することを目的としている。

前述した目的を達成するために本発明は、被検体の周囲からX線を照射し、前記被検体を透過したX線量を検出し、検出された前記X線量に基づいて前記被検体の断層像を再構成して出力するX線CT装置において、前記被検体のスキャノグラム投影データを用いて前記被検体の断面モデルを生成する断面モデル生成手段と、所望の画質指標値、着目部位の位置、及びその着目部位の体軸方向の推定変位量を入力する入力手段と、前記断面モデル生成手段により生成された断面モデルについて、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンを設定するスキャン計画手段と、前記スキャン計画手段により設定された照射X線量変調パターンに基づいて、照射するX線量を変調するX線制御手段と、を備える。

また、前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、前記入力手段は、前記表示手段により表示された前記スキャノグラム画像上の任意の位置を、着目部位またはその着目部位の推定変位後の位置として夫々操作者に指示入力させるものとし、前記表示手段は、前記入力手段により指示入力された着目部位またはその着目部位の想定変位後の位置を、前記スキャノグラム画像上に明示させる。

また、前記スキャン計画手段は、前記入力手段により入力された前記推定変位量に応じてスキャン範囲を修正し、修正したスキャン範囲で、前記断面モデル生成手段により生成された断面モデルについて、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンを設定する。

また、前記スキャン計画手段は、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンとして、まず前記推定変位量を加味したX線減弱指数を算出し、算出されたX線減弱指数に基づいて照射X線量変調パターンを設定する。

また、前記スキャン計画手段は、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンとして、変位量を推定する前のX線減弱指数を予め算出し、算出されたX線減弱指数に基づいて前記推定変位量を加味した照射X線量変調パターンを算出して、設定する。

また、前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、前記表示手段は、前記スキャン計画手段により修正されたスキャン範囲を、前記スキャノグラム画像上に明示させる。

前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、前記表示手段は、前記スキャン計画手段により前記推定変位量を加味したX線減弱指数が算出された段階で、そのX線減弱指数に対応するグラフを前記スキャノグラム画像と並べて表示させる。

前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、前記表示手段は、前記スキャン計画手段により、前記変位量を推定する前のX線減弱指数及び前記推定変位量を加味した照射X線量変調パターンが算出された各段階で、それぞれ対応するグラフを前記スキャノグラム画像と並べて表示させる。

本発明によれば、画質向上と被曝量抑制を両立しつつ、被検体の呼吸等による臓器の変位に応じて照射X線量を制御可能なX線CT装置を提供できる。

X線CT装置1の全体構成を示す外観図 X線CT装置1のブロック図 X線検出器205及びX線照射について説明する図スキャナ2及びスキャンについて説明する図準備処理実行部405の機能ブロック図 X線CT装置1の準備処理における動作を示すフローチャート着目部位の指定及び想定変位量の入力時における表示画面例着目部位の指定及び想定変位量の入力時における表示画面例 X線減弱指数の修正について説明する図 X線減弱指数の修正について説明する図 X線減弱指数の修正について説明する図臓器の変位を想定した仮想的なスキャノグラム画像717の表示例照射X線量変調パターンを直接修正する場合の準備処理の流れを示すフローチャート照射X線量変調パターン(管電流変調パターン)の修正について説明する図

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

まず、本実施の形態のX線CT装置1の構成について説明する。
図1は、X線CT装置1の全体構成を示す外観図であり、図2は、X線CT装置1のブロック図である。
なお、本実施形態ではX線管が1つの場合について説明するが、本発明は多線源型のX線CT装置にも適用可能である。また、X線CT装置は、被検体全体をカバーするワイドファンビームを照射しつつX線管とX線検出器とが一体となり回転する回転−回転方式(Rotate−Rotate方式)や、電子ビームを電気的に偏向させながらターゲット電極に当てる電子ビーム走査方式(Scanning Electron Beam方式)や、その他の方式のものがあるが、本発明はいずれの方式のX線CT装置にも適用可能である。

図1に示すように、X線CT装置1は、スキャナ2、被検体テーブル3、操作卓4、被検体テーブル3に設けられる天板5、表示装置7、及び操作装置8から構成される。X線CT装置1は、被検体テーブル3上の天板5に固定された被検体6をスキャナ2の開口部に搬入してスキャンすることにより、被検体6内部のX線吸収係数分布情報を取得する。

スキャナ2は、図2に示すようにX線管201、X線管制御装置202、コリメータ203、コリメータ制御装置204、X線検出器205、データ収集装置206、回転板207、回転板駆動装置208、回転制御装置209、及び駆動伝達系210から構成される。

X線管201はX線源であり、X線管制御装置202により制御されて被検体6に対してX線を連続的または断続的に照射する。X線管制御装置202は、X線管201に印加及び供給するX線管電圧及びX線管電流を制御する。

コリメータ203は、X線管201から放射されたX線を、例えばコーンビーム(円錐形または角錐形ビーム)等のX線として被検体6に照射させるものであり、コリメータ制御装置204により制御される。被検体6を透過したX線はX線検出器205に入射する。

X線検出器205は、被検体6を介してX線管201に対向するように配置される。X線検出器205はX線管201から放射されて被検体6を透過したX線を検出し、検出した透過X線データをデータ収集装置206に出力する。X線検出器205の構成については後述する。

データ収集装置206は、X線検出器205に接続され、X線検出器205の個々のX線検出素子211(図3参照；後述)により検出される透過X線データを収集するものである。

回転板207には、X線管201、コリメータ203、X線検出器205、データ収集装置206が搭載される。回転板207は、回転制御装置209によって制御される回転板駆動装置208から、駆動伝達系210を通じて伝達される駆動力によって回転される。

次に、X線CT装置1によるX線照射とスキャンの概略を図3及び図4を参照して説明する。

図3は、X線検出器205及びX線照射について説明する図であり、図4は、スキャナ2及びスキャンについて説明する図である。

上述のX線検出器205は、図3に示すように、複数のX線検出素子211をチャネル方向及び列方向の2次元に配置して構成されている。具体的には、X線検出素子211は、例えばシンチレータとフォトダイオードの組み合わせによって構成されるものであり、チャネル方向に例えば1〜1000個程度、列方向に例えば1〜1000個程度配列されている。これらの複数のX線検出素子211は全体として円筒面状もしくはチャネル方向に折れ線状に湾曲したX線入射面を形成している。各X線検出素子211は被検体6を透過したX線量を検出し、検出した透過X線データをデータ収集装置206に出力する。図3中、[α]で示される角度をファン角度と呼ぶ。ファン角度[α]はコーンビームX線のチャネル方向の広がり角度を表す。また、[γ]で示される角度をコーン角度と呼ぶ。コーン角度[γ]はコーンビームX線の列方向の広がり角度を表す。

X線CT装置1によって被検体6をスキャンする際には、図4に示すように、被検体テーブル3の天板5に載せられた被検体6がスキャナ開口部212に搬入された状態で、コリメータ203の開口幅を所望のコーン角度[γ]に調整し、コーンビームX線を被検体6に照射する。

図2に示す被検体テーブル3は、天板5、テーブル制御装置301、テーブル上下動装置302、及び天板駆動装置303から構成される。

テーブル制御装置301は、テーブル上下動装置302を制御して被検体テーブル3の高さを適切なものにするとともに、天板駆動装置303を制御して天板5を前後動させる。これにより、被検体6がスキャナ2のX線照射空間に搬入及び搬出される。

操作卓4は、表示装置7、操作装置8、システム制御装置401、画像再構成装置402、及び記憶装置404から構成される。操作卓4はスキャナ2及び被検者テーブル3に接続される。

表示装置7は、液晶パネル、CRTモニタ等のディスプレイ装置と、ディスプレイ装置と連携して表示処理を実行するための論理回路で構成され、システム制御装置401に接続される。表示装置7は画像再構成装置402から出力される再構成画像やスキャノグラム画像、並びにシステム制御装置401が取り扱う種々の情報を表示するものである。

操作装置8は、例えば、キーボード、マウス、テンキー等の入力装置、及び各種スイッチボタン等により構成され、操作者によって入力される各種の指示や情報をシステム制御装置401に出力する。操作者は、表示装置7及び操作装置8を使用して対話的にX線CT装置1を操作する。例えば、操作装置8は画像再構成装置402によって得られるスキャノグラム画像を基に、後述する画質指標値の所望値の入力操作や、被検体6の呼吸等の影響により体軸方向に変位しやすいと考えられる部位(以下、「着目部位」と呼ぶ)の位置、その着目部位の想定変位量の入力操作を受け付ける。また、スキャンの範囲やスキャン条件等の各種設定値の入力操作を受け付ける。

システム制御装置401は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等により構成されるものであり、スキャナ2内のX線管制御装置202、コリメータ制御装置204、データ収集装置206、及びX線検出器205を制御し、また、被検体テーブル3内のテーブル制御装置301を制御するものである。

また、システム制御装置401は、X線CT装置1のスキャン動作開始前に行われる準備処理を実行するための準備処理実行部405を備える。準備処理実行部405については後述する。

画像再構成装置402は、システム制御装置401の制御によってスキャナ2内のデータ収集装置206が収集したX線投影データを取得する。スキャノグラム撮影時には、データ収集装置206が収集したスキャノグラム投影データを用いてスキャノグラム画像を作成する。また、スキャン時には、データ収集装置206が収集した複数ビューのX線投影データを用いて断層像を再構成する。

記憶装置404は、ハードディスク等により構成されるものであり、システム制御装置401に接続される。記憶装置404には、データ収集装置206が収集したスキャノグラム投影データ404aやスキャノグラム投影データ404aから生成されるスキャノグラム画像404bが記憶される。また、操作装置8から入力されるスキャン範囲404c、スキャン条件404d、所望の画質指標値の目標値404e、着目部位のz位置404f、及び想定変位量404g、スキャン開始前の準備処理において生成される3次元断面モデル404ｈ等が記憶される。また、これらの各種データの他、画像再構成装置402が生成する断層像やX線CT装置1の機能を実現するためのプログラム等を記憶する。

準備処理実行部405は、操作者の操作により操作装置8から入力された指示、及び記憶装置404から読み出したスキャノグラム投影データ404a等に基づいてスキャンの事前計画を作成する。以下、スキャンの事前計画を作成する一連の処理を準備処理と呼ぶ。なお、準備処理は、記憶装置404に記憶されている準備処理プログラムに基づいて実行される。

図5は準備処理実行部405の機能ブロック図である。
図5に示すように、準備処理実行部405は、スキャノグラム画像取得部405a、入力部405b、断面モデル生成部405c、スキャン計画部405d、及びX線制御部405eにより構成される。準備処理に関与する主な構成要素としては、図2に示すシステム制御装置401の他、操作装置8、表示装置7、X線管制御装置202、及びX線検出器205等である。

スキャノグラム画像取得部405aは、被検体6のスキャノグラム画像を取得するために、スキャノグラム撮影を行う。または既に撮影されて記憶装置404に記憶されているスキャノグラム投影データを読み出す処理を実行する。取得したスキャノグラム投影データまたはスキャノグラム画像は被検体6のスライス位置(スキャン範囲)の設定や後述するスキャン条件の入力の際に利用される。

ここで、スキャノグラム画像とは、例えば背面から正面に透過するX線像を1方向から見たものである。スキャノグラム画像を撮影する際は、X線CT装置1はX線管201を回転させずに被検体テーブル3と回転板207とを被検体6の体軸に沿って相対移動させるようにし、被検体6に対して1方向(例えば、背面から正面)からX線を照射してX線検出器205によってスキャノグラム投影データを取得する。X線CT装置1は、取得したスキャノグラム投影データをシステム制御装置401を介して画像再構成装置402に送出する。画像再構成装置402は、スキャノグラム投影データに基づいてスキャノグラム画像を作成し、記憶装置404に記憶するとともに表示装置7に表示する。

入力部405bは、スキャン条件の入力を受け付ける処理を実行する。スキャン条件には、スキャン開始位置、スキャン終了位置、管電圧設定値、管電流設定値、スキャナ1回転あたりの時間(以下、スキャン時間という)、X線コリメーション条件、再構成フィルタ関数の種類、視野サイズ等の各種設定値の他、画質指標値の目標値となる所望の値、着目部位の体軸方向の位置(以下、z位置と呼ぶ)、及び着目部位の想定される変位量(以下、想定変位量と呼ぶ)が含まれる。

具体的には、入力部405bは、上述の各種設定値の入力画面を表示装置7に表示して操作者に対して対話的に各種設定値の入力を促す。また、着目部位やその着目部位の想定変位量を入力させる際には、スキャノグラム画像取得部405aにより取得されたスキャノグラム画像を表示装置7に表示させ、操作装置8によるカーソル操作等にて操作者に指示入力させたり、数値入力枠を表示装置7に表示させて、数値入力させたりする。入力された着目部位の位置や着目部位の想定変位後の位置には、識別ライン等を表示する(図7、図8参照；後述)。

断面モデル生成部405cは、取得したスキャノグラム投影データを用いて被検体6の3次元断面モデルの生成を行う。具体的には、断面モデル生成部405cはスキャノグラム投影データを解析し、被検体6の体軸に沿った任意の位置における推定断面を、例えば水に等価なX線吸収係数を持つ楕円断面としてモデル化する。このモデルは被検体6の体軸に沿った位置に依存して楕円断面の長軸長や短軸長が変化する三次元的なモデルである。以下、この3次元的なモデルを3次元断面モデルという。断面モデル生成部405cは生成した3次元断面モデルを記憶装置404に格納する。

スキャン計画部405dは、断面モデル生成部405cにより生成された3次元断面モデル、及び入力部405bにより入力されたスキャン条件等に基づいて、最適な照射X線量変調パターンを算出する。照射X線量変調パターンとは、スキャンの際に被検体6に対して照射するX線量の一連の経時的な変化を示すパターンである。以下の説明では、照射X線量変調パターンとして、管電流変調パターンを用いる。なお、照射X線量変調パターンは管電流変調パターンに比例するものである。

更に、本実施の形態のX線CT装置1においてスキャン計画部405dは、入力部405bにより入力された画質指標値、着目部位、及び想定変位量に応じて照射X線量変調パターン(管電流変調パターン)を修正する。照射X線量変調パターン(管電流変調パターン)の算出及び修正についての詳細は後述する。また、スキャン計画部405dは、照射X線量を修正してスキャンする場合と修正せずにスキャンする場合との各照射X線量変調パターン(管電流変調パターン)を表す曲線をグラフ化し、表示されているスキャノグラム画像と並べて表示装置7に表示させる。更にスキャン計画部405dは照射X線量変調パターンを算出する過程で算出されるX線減弱指数についても、グラフ化してスキャノグラム画像と並べて表示装置7に表示させるようにしてもよい。

X線制御部405eは、スキャン計画部405dにより算出された照射X線量変調パターンに基づいて、X線管制御装置202を制御し、照射するX線量を最適化する。

次に、図6〜図12を参照しながら、X線CT装置1の動作について説明する。

図6はX線CT装置1の準備処理における動作を示すフローチャートであり、図7及び図8は、着目部位の指定及び想定変位量の入力時における表示画面例である。

図9〜図11はX線減弱指数の修正について説明する図であり、図12は臓器の変位を想定した仮想的なスキャノグラム画像の表示例である。

以下、図6〜図12を参照して、X線CT装置1の実行する準備処理を説明する。本実施の形態のX線CT装置1の準備処理実行部405は、スキャン開始前に準備処理を実行する。すなわち、システム制御装置401は記憶装置404から準備処理実行に関するプログラム及びデータを読み出し、このプログラム及びデータに基づいて準備処理を実行する。

準備処理において、まず準備処理実行部401のスキャノグラム画像取得部405aは、被検体6のスキャノグラム撮影を行い、スキャノグラム投影データを取得する(ステップS101)。スキャノグラム画像取得部405aは取得したスキャノグラム投影データを画像再構成装置402に送出する。画像再構成装置402は、スキャノグラム投影データに基づいてスキャノグラム画像を作成し、記憶装置404に記憶するとともに表示装置7に表示する。

次に入力部405bは、表示装置7にスキャン範囲及びスキャン条件を設定するための入力画面を表示させ、操作者に対してスキャン範囲及びスキャン条件の設定入力を促す。操作者は、表示されているスキャノグラム画像710に基づいて、操作装置8を用いてスキャン範囲及びスキャン条件を設定する(ステップS102〜S105)。ここで、スキャン範囲は、スキャン時における被検体6の体軸方向の位置で表され、具体的にはスキャン開始位置(ステップS103)及びスキャン終了位置(ステップS104)により決定される。スキャン開始位置は一連のスキャンで得られる最初の断層像のz位置、スキャン終了位置は最後の断層像のz位置を意味する。これらの入力データから、体軸方向撮影範囲(z位置)とX線管201の位相角[β](回転板207の位相角)が決定される。

また、スキャン条件は、例えば、天板5の移動ピッチ(ステップS102)、管電圧設定値、スキャン時間、X線コリメーション条件、再構成フィルタ関数の種類、及び視野サイズ等(ステップS105)である。入力部405bは、設定されたスキャン範囲及びスキャン条件を記憶装置404に保存する。

更に、操作者は、操作装置8を用いて、所望の画質指標値の目標値を入力する(ステップS106)。画質指標値としては、例えば画質SD(Standard Deviation)値、CNR(コントラスト−ノイズ比)、所定のCNR下での識別可能径(識別可能な異常陰影の半径)、またはSNR(シグナル−ノイズ比)等が用いられる。以下の説明では、一例として画質SD値を画質指標値として用いることとする。

また、操作者は、操作装置8を用いて着目部位のz位置及び想定変位量を入力する(ステップS107)。想定変位量はz方向(体軸方向)の変位であり、正方向または負方向のいずれであってもよい。

ここで、ステップS107における着目部位のz位置及び想定変位量を入力する際の具体例を図7及び図8を用いて説明する。X線CT装置1はまず、図7(a)に示すようにステップS101で撮影したスキャノグラム画像710を表示装置7に表示するとともに、カーソル712を表示する。カーソル712は表示画面上の任意の位置を指示入力するためのものであり、操作装置8のマウス等のポインティングデバイスを用いて任意の位置に移動できる。図7(a)の段階では、カーソル712により着目部位のz位置の指示入力が行われる。着目部位のz位置が入力されると、X線CT装置1は、図7(b)に示すように、スキャノグラム画像710上の入力されたz位置に着目部位ライン714を表示させる。また、着目部位ライン714の近傍に着目部位記号715として例えば着目部位ライン714のz座標である「z_rg」を表示する。

次いで、X線CT装置1は、図7(c)に示すように想定変位量を入力するための入力枠716を表示装置7に表示する。図7(c)に示す例では、入力枠716は「想定変位量＊＊mm」のように表示され、数値入力を促すものである。

また図8に別の具体例を示す。図8(a)は図7(a)と同様に、スキャノグラム画像710とカーソル712とが表示されている。カーソル712を用いて操作者により着目部位のz位置が入力されると、X線CT装置1は、図8(b)に示すように、着目部位ライン714及び着目部位記号715を表示する。その後、更にカーソル712を用いて着目部位の想定変位後の位置([z_rg_e]位置)が指示入力されると、その想定変位後の位置に想定変位後ライン718を表示するとともに、想定変位後記号719として例えば想定変位後ライン718のz座標である「z_rg_e」を表示する。ここで、想定変位量[z_d]は、次の式で表される。

z_d＝z_rg_e−z_rg
入力部405bは、入力された画質指標値、着目部位のz位置、及び想定変位量を記憶装置404に保存する。

次に、断面モデル生成部405cは記憶装置404からスキャノグラム投影データを読み出し、スキャノグラム投影データの解析処理を行う(ステップS108)。また、断面モデル生成部405cは記憶装置404に記憶されている基準人体モデルのデータに基づいて、被検体6の3次元断面モデルを生成する(ステップS109)。

そして、スキャン計画部405dは、記憶装置404に記憶されているスキャン範囲、スキャン条件、所望の画質指標値、着目部位のz位置、及び想定変位量に応じたスキャン計画の作成を行う。

以下のスキャン計画作成の説明において、準備処理実行部405は想定変位量に適応した照射X線量変調パターンを得るための演算を順次実行していくが、この例では照射X線量変調パターンの一例として、管電流変調パターンを用いている。

まずスキャン計画部405dは、スキャンのz位置及びX線管201の位相角[β]毎のX線減弱指数Tを算出する(ステップS110)。

X線減弱指数Tとは、X線透過経路に沿ったX線吸収係数分布の積分値である。X線透過経路とは、3次元断面モデルの楕円断面の中心を通るX線の経路をいう。3次元断面モデルの、z位置における楕円断面に対して位相角[β]から入射するX線についてのX線減弱指数Tの演算結果をT(z，β)と表す。X線減弱指数Tは、ステップS109において生成した3次元断面モデルに基づいて求められる。スキャン計画部405dは記憶装置404から3次元断面モデルを読み出してこの3次元断面モデルについてのX線減弱指数T(z，β)を算出する。

次に、スキャン計画部405dは、ステップS110で算出したX線減弱指数T(z，β)を、着目部位のz位置[z_rg]及び想定変位量[z_d]に基づいて修正する。修正後のX線減弱指数をTc(z，β)と表す(ステップS111)。
修正後のX線減弱指数Tc(z，β)は式(1)を用いて算出される。

ここで、X線減弱指数Tc(z，β)の算出について図9を用いて説明する。
図9において、[z_s]はスキャン開始位置、[z_e]はスキャン終了位置を示し、スキャン開始位置[z_s]からスキャン終了位置[z_e]の範囲がスキャン範囲である。図9の例では、指定された着目部位[z_rg]と想定変位後の着目部位の位置とがスキャン範囲内にある。

図9(a)中のグラフg1内に示される曲線はステップS110において算出されたX線減弱指数T(z，β)である。なお、グラフg1のz軸はスキャノグラム画像のz軸(体軸)に対応しており、グラフのz位置とスキャノグラム画像上のz位置とも対応しているものである。以下、図9〜図12、及び図14のグラフについても同様である。

図9(a)において、スキャノグラム画像710とグラフg1とを対比すると、着目部位[z_rg]近傍でX線減弱指数が増大する曲線を描いている。図9(b)中のグラフg2において、実線で示す曲線は修正後のX線減弱指数Tc(z，β)、点線で示す曲線は修正前のX線減弱指数T(z，β)である。上述の式(1)によって算出されるTc(z，β)は、スキャノグラム画像710と対比すると想定変位後の着目部位に、より近いz位置でX線減弱指数が増大する曲線を描くように修正されている。

また、図10では、着目部位の位置が想定変位後にスキャン範囲から逸脱する例を示している。図10(a)中のグラフg3内に示される曲線はステップS110において算出されたX線減弱指数T(z，β)である。図9(a)と同様にスキャノグラム画像710と対比すると着目部位[z_rg]近傍でX線減弱指数が増大する曲線を描いている。一方、図10(b)に示すように、着目部位[z_rg]から想定変位後の着目部位の位置が当初のスキャン範囲を逸脱している場合は、まず、スキャン開始位置[z_s]を式(2)を用いて修正し、[z_s2]とする。

その後、ステップS110で算出したX線減弱指数T(z，β)を式(3)を用いて修正する。

図10(b)中のグラフg4において、実線で示す曲線は修正後のX線減弱指数Tc(z，β)、点線で示す曲線は修正前のX線減弱指数T(z，β)である。スキャノグラム画像710と対比すると、図9の場合と同様に、修正後のX線減弱指数Tc(z，β)は、想定変位後の着目部位位置により近い位置でX線減弱指数が増大する曲線を描くように修正されている。

なお、X線CT装置1は、図9及び図10に示す例のようにスキャノグラム画像710とグラフg1、g2(またはグラフg3、g4)とを、X線減弱指数T(z，β)またはTc(z，β)を算出する都度それぞれ表示装置7に表示させるようにしてもよい。この場合、操作者は表示装置7に表示される修正前と修正後のX線減弱指数をスキャノグラム画像710と対比しながら確認できる。

また、図11のグラフg5に示す例のように、ステップS110でX線減弱指数を一定に保つ範囲の開始位置[z_m]を操作者が直接指定するようにしてもよい。グラフg5中、実線は修正後のX線減弱指数、点線は修正前のX線減弱指数である。図11に示す例では、グラフg5に示すように、ステップS110で算出されたX線減弱指数T(z，β)が最大値となるz位置を、X線減弱指数を一定に保つ範囲(以下、一定範囲という)の開始位置[z_m]として指定している。X線減弱指数の修正時には、その一定範囲の開始位置[z_m]から着目部位[z_rg]までの範囲をX線減弱指数の値を一定に保つように設定する。また、着目部位[z_rg]からスキャン開始位置[z_s]までの範囲のX線減弱指数Tc(z，β)については、修正前のX線減弱指数の[z_m]から[z_s−(z_rg−z_m)]までの範囲におけるX線減弱指数T(z，β)をz方向に平行移動する。

図11に示す例のように、X線減弱指数の最大値付近の値に保つ範囲が大きくなるように修正すれば、着目する部位(臓器)が変位したとしても、その修正された範囲のX線減弱指数は十分大きく、それに対応する照射X線量も十分大きいため、十分な画質を達成することができる。

以上の説明のようにX線減弱指数を修正した段階で、スキャン計画部405dは図12に示すように、臓器の変位を想定した仮想的なスキャノグラム画像717を表示装置7に表示させるようにしてもよい。

図12には、被検者6のスキャノグラム画像710と、仮想スキャノグラム画像717と、グラフg6と、が示されている。仮想スキャノグラム画像717は、着目部位の臓器(ここでは肝臓)が想定変位量[z_d]だけ変位した状態を表すものであり、スキャノグラム画像710及び想定変位量に基づいて、画像を加工して生成できる。また。グラフg6の点線で表す曲線は修正前のX線減弱指数T(z，β)であり、実線で表す曲線は修正後のX線減弱指数Tc(z，β)である。

準備処理実行部405は、ステップS111が終了し、修正後のX線減弱指数を算出した段階で、想定変位量に基づいてスキャノグラム画像710に対して着目部位となる臓器を移動させたり、形状を変形させるなどの加工を施し、仮想スキャノグラム画像717を生成する。また準備処理実行部405は生成した仮想スキャノグラム画像717を表示装置7に表示させる。

図12のように、スキャノグラム画像710と仮想スキャノグラム画像717とを並べて表示させ、さらに、グラフg6のように、修正前と修正後の各X線減弱指数の曲線を識別可能に表示させることにより、着目部位の変位を視認できるようになる。また、変位に応じて修正されたX線減弱指数のグラフをスキャノグラム画像710、717と対比して確認できる。そのため、操作者は着目部位の変位に応じてX線量が最適に制御されることを表示画面上で明瞭に把握できる。

次に、スキャン計画部405dは、以上の処理によって算出したX線減弱指数Tcから、入力されたスキャン開始位置、スキャン終了位置、天板移動ピッチ、及びスキャン時間に基づいて、X線減弱指数Tcの関数をTc＝Tc(z，β)から時間tの関数Tc＝Tc(t)に変換する(ステップS112)。

また、スキャン計画部405dはスキャン時間tの関数で表される管電流変調パターンI(t)を算出する(ステップS113)。以下、管電流変調パターンI(t)の算出について詳述する。

まずスキャン計画部405dはビュー単位の管電流値i_ｖ(m)を算出する。
以下の説明において、[M]はz位置における断層像Img(z)を再構成するために使用するビュー数であり、[N]は1回転あたりのビュー数であり、[m]は便宜的なビュー番号m(0≦m≦M−1)である。

なお、使用するビュー数[M]は、1回転あたりのビュー数[N]と必ずしも等しくない。また、Tc_maｘ(0：M−1)は、ビュー番号mの範囲(0≦m≦M−1)におけるX線減弱指数Tcの最大値である。

ビュー番号[m]に対する管電流値i_ｖ(m)は、Tc_max(0：M−1)における基準管電流値[i_ref]を対応させると仮定した場合、式(4)で表すことができる。

一方、画像ノイズ分散値Vは、X線減弱指数Tcの関数として式(5)のように表される。

ここで、式(5)において、スキャナ2が1回転する時間[trot]は基準時間[trot_ref]に等しく、その間はX線減弱指数Tcが一定値であると仮定している。また、管電圧として[xv]、管電流値[i]として基準管電流値[i_ref]を用いたと仮定する。さらに、1回転中のビュー数[N_ref]に均等な重み付けをして、再構成フィルタ関数[g]を用い、画像厚[thk]を基準画像厚[thk_ref]として再構成したものとする。

ただし、
a(xv)は管電圧[xv]に依存する定数
b(xv、g)は管電圧[xv]と再構成フィルタ関数[g]に依存する定数

であり、a(xv)、b(xv、g)は記憶装置404に予め格納しておく。

前述の式(4)で表される管電流値[i_ｖ(m)]を用いた場合の画像ノイズ分散予測値V^＊は式(7)で表される。

ここで式(7)のw(m)は各ビューに対して適用されるビュー方向重みである。ビュー方向重みは再構成に使用するビュー数[M]が1回転あたりのビュー数[N]と異なる場合や、被検体6の動きによるアーチファクトを補正する場合に用いられる(G.Wang 他「Half-Scan Cone-Beam X-ray Microtomography Formula」 Journal of Scanning Microscopies Vol.16，216-220(1994)、特開平08−280664号公報)。

また、[trot]、[thk]は、これから実行するスキャンに対するスキャン条件404dの設定値であり、[trot]はスキャナ2が1回転する時間、[thk]は画像厚である。

なお、使用ビュー数[M]が1回転あたりのビュー数[N]と等しい場合は、

とすることにより、いわゆるフルスキャン再構成を行うこともできる。

ここで、操作者が入力した画像SD値の所望値[SDtgt]から定まる所望画像ノイズ分散値[Vtgt](SDtgtの二乗値)と、式(7)の画像ノイズ分散予測値V^＊と、から、実際に適用すべき管電流値i_a(m)は式(9)のように定められる。

以上のようにして、操作者が入力した画像SD値の所望値を各z位置の断層像において実現するための一連の管電流値(以下、管電流変調パターンという)を決定することができる。この管電流変調パターンをIとすると、管電流変調パターンIはスキャン開始後の経過時間[t]の関数I(t)として表すことができる(ステップS112)。

すなわち、ステップS112においてスキャン計画部405dは、3次元断面モデルに基づいてX線管201から照射されるX線量をビューごとに変化させる管電流標準変調曲線[i_ｖ(m)]を設定する。また、設定された管電流標準変調曲線[i_ｖ(m)]に対応するX線量を照射した場合の画像ノイズ分散予測値V^＊と、画像SD値の所望値[SDtgt]から定まる所望画像ノイズ分散値Vtgtと、の比に基づいて上述の管電流標準変調曲線[i_ｖ(m)]を修正する。それにより、上述の画像SD値の所望値[SDtgt]を達成するための、最適な照射X線量(管電流値)を示す管電流変調曲線[i_a(m)]を決定する。そして、この決定された管電流変調曲線[i_a(m)]に基づいて、管電流変調パターンI(t)を変調する。

スキャン計画部405dは、決定された管電流変調パターンI＝I(t)を記憶装置404に保存する。X線制御部405eは、スキャン実行時に被検体6の撮影部位に応じて上述の管電流変調パターンIを順次呼び出し、X線管制御装置202を介してスキャン中の管電流を制御する。

以上説明したように、本実施の形態のX線CT装置1は、実際のスキャンの前に、被検体6のスキャノグラム投影データを用いて3次元断面モデルを生成し、所望の画質指標値や着目部位のz位置、着目部位の想定変位量を入力し、3次元断面モデル、入力された画質指標値、着目部位、及び想定変位量に適した照射X線量変調パターン(管電流変調パターン)を設定する。そして設定された照射X線量変調パターン(管電流変調パターン)に基づいて被検体6に照射するX線量を制御する。そのため呼吸等により着目部位に変位が生じても、適切な画質を確保できる。よって、画質向上と被曝量抑制を両立しつつ、被検体6の呼吸等による臓器の変位に応じて照射X線量を制御できる。

また、入力された前記推定変位量に応じて、スキャン範囲の開始位置及び終了位置のうち少なくともいずれか一方を修正し、修正したスキャン範囲で、適切な照射X線量変調パターンを設定する。よって、呼吸等による変位によって当初設定したスキャン範囲から着目部位が逸脱した場合にも、スキャンを範囲を自動修正し、かつ最適な照射X線量変調パターンを算出して、最適なX線量でスキャンできる。

また、X線CT装置1は、表示装置7に被検体6のスキャノグラム画像710を表示させ、操作者はこのスキャノグラム画像710上の任意の位置を、着目部位またはその着目部位の推定変位後の位置としてカーソル712等によりそれぞれ指示入力できるので、入力操作が容易である。更に、着目部位またはその着目部位の想定変位後の位置は各段階でスキャノグラム画像710上に明示されるので、対話的な操作が可能となる。

また、X線CT装置1は、算出した照射X線量変調パターンをグラフ化してスキャノグラム画像710と並べて表示させたり、入力された着目部位について、想定変位量に応じて移動または形状を変形させた仮想的なスキャノグラム画像717を生成し、表示させるので、操作者は変位に応じた最適な照射X線量変調パターンを容易かつ明瞭に確認できる。

なお、上述の例では、はじめにX線減弱係数を修正することにより、想定変位後の照射X線量変調パターンを求めるものとしたが、照射X線量変調パターン(管電流変調パターン)を直接修正することにしてもよい。

図13は、管電流変調パターンを直接修正する場合の準備処理の流れを示すフローチャートであり、図14は、管電流変調パターンの修正について説明する図である。

図13のフローチャートにおいて、ステップS201〜ステップS210の一連の処理は図6のフローチャートに示すステップS101〜ステップS110のと同様である。

すなわち、準備処理において、X線CT装置1は、まずスキャノグラム撮影を行い、次に操作者にスキャン条件(天板移動ピッチ、管電圧設定値、スキャン時間、X線コリメーション条件、再構成フィルタ関数の種類、視野サイズ等)、スキャン範囲(スキャン開始位置、スキャン終了位置)等を入力させ、また、所望の画質指標値、着目部位のz位置、想定変位量を入力させる。また取得したスキャノグラム投影データに基づいて被検体6の3次元断面モデルを生成し、その3次元断面モデルに基づいてX線減弱指数T(z，β)を算出する(ステップS201〜ステップS210)。

そして、ステップS210において算出したX線減弱指数T(z，β)について、スキャン計画部405dは、スキャン開始位置、スキャン終了位置、天板移動ピッチ、及びスキャン時間に基づいて、X線減弱指数Tの関数をT＝T(z，β)から時間[t]の関数T＝T(t)に変換する(ステップS211)。次に、図6のステップS113の説明と同様の手順で、上述の式(4)〜式(9)を用いて管電流変調パターンI(t)を算出する(ステップS212)。なお、式(4)〜式(9)におけるTcはTに置き換える。その後、スキャン計画部405dは、算出した管電流変調パターンI(t)を、着目部位のz位置及び想定変位量に応じた管電流変調パターンIc(t)に修正する(ステップS213)。

図14において、[z_s]はスキャン開始位置、[z_e]はスキャン終了位置を示し、スキャン開始位置[z_s]からスキャン終了位置[z_e]の範囲がスキャン範囲である。図14の例では、着目部位[z_rg]と想定変位後の着目部位の位置とがスキャン範囲内にある。

図14(a)中のグラフg7内に示される曲線はステップS212において算出された管電流変調パターンI(t)である。スキャノグラム画像710と対比すると着目部位[z_rg]近傍で管電流値が増大する曲線を描いている。図14(b)中のグラフg8において、実線で示す曲線は修正後の管電流変調パターンIc(t)、点線で示す曲線は修正前の管電流変調パターンI(t)である。

スキャン計画部405dは、図14(b)に示すように、想定変位後の着目部位により近い位置で管電流値が増大するような曲線に管電流変調パターンI(t)を修正する。

以上、本発明に係るX線CT装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。たとえば上述の実施の形態では、ガントリータイプのX線CT装置について説明したがＣアーム型のX線CT装置でもよい。また、当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

1 X線CT装置、2 スキャナ、3 被検体テーブル、4 操作卓、5 天板、6 被検体、7 表示装置、8 操作装置、201 X線管(X線源)、205 X線検出器、401 システム制御装置、405a スキャノグラム画像取得部、405b 入力部、405c 断面モデル生成部、405d スキャン計画部、405e X線制御部、402 画像再構成装置、404 記憶装置、405 準備処理実行部、710 スキャノグラム画像、717 仮想スキャノグラム画像

Claims

被検体の周囲からX線を照射し、前記被検体を透過したX線量を検出し、検出された前記X線量に基づいて前記被検体の断層像を再構成して出力するX線CT装置において、
前記被検体のスキャノグラム投影データを用いて前記被検体の断面モデルを生成する断面モデル生成手段と、
所望の画質指標値、着目部位の位置、及びその着目部位の体軸方向の推定変位量を入力する入力手段と、
前記断面モデル生成手段により生成された断面モデルについて、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンを設定するスキャン計画手段と、
前記スキャン計画手段により設定された照射X線量変調パターンに基づいて、照射するX線量を変調するX線制御手段と、
を備えることを特徴とするX線CT装置。
前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、
前記入力手段は、前記表示手段により表示された前記スキャノグラム画像上の任意の位置を、着目部位またはその着目部位の推定変位後の位置として夫々操作者に指示入力させるものとし、
前記表示手段は、前記入力手段により指示入力された着目部位またはその着目部位の想定変位後の位置を、前記スキャノグラム画像上に明示させることを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
前記スキャン計画手段は、前記入力手段により入力された前記推定変位量に応じてスキャン範囲を修正し、修正したスキャン範囲で、前記断面モデル生成手段により生成された断面モデルについて、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンを設定することを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
前記スキャン計画手段は、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンとして、まず前記推定変位量を加味したX線減弱指数を算出し、算出されたX線減弱指数に基づいて照射X線量変調パターンを設定することを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
前記スキャン計画手段は、前記入力手段により入力された前記画質指標値、前記着目部位の位置、及び前記推定変位量に応じた照射X線量変調パターンとして、変位量を推定する前のX線減弱指数を予め算出し、算出されたX線減弱指数に基づいて前記推定変位量を加味した照射X線量変調パターンを算出して、設定することを特徴とする請求項1に記載のX線CT装置。
前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、
前記表示手段は、前記スキャン計画手段により修正されたスキャン範囲を、前記スキャノグラム画像上に明示させることを特徴とする請求項3に記載のX線CT装置。
前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、
前記表示手段は、前記スキャン計画手段により前記推定変位量を加味したX線減弱指数が算出された段階で、そのX線減弱指数に対応するグラフを前記スキャノグラム画像と並べて表示させることを特徴とする請求項4に記載のX線CT装置。
前記スキャノグラム投影データを用いて生成されるスキャノグラム画像を表示させる表示手段を更に備え、
前記表示手段は、前記スキャン計画手段により、前記変位量を推定する前のX線減弱指数及び前記推定変位量を加味した照射X線量変調パターンが算出された各段階で、それぞれ対応するグラフを前記スキャノグラム画像と並べて表示させることを特徴とする請求項5に記載のX線CT装置。