JP5518298B2 - 断層写真法投影データ及び画像データからの呼吸運動抽出 - Google Patents

Description

本発明は一般的には、イメージング・システム及びイメージング方法に関し、さらに具体的には、撮像対象の運動を抽出するシステム及び方法に関する。

多くの医療撮像応用は、患者の呼吸活動の知見を要求する。保息をさせない放射線治療計画撮像及び小児科撮像のような応用は、画像取得工程時の呼吸運動の抽出から恩恵を享受し得る。
米国特許出願第２００４／０２５８２８６Ａ１号

呼吸周期は様々な位相を呈するため、現在の方法体系は外部センサを用いて呼吸活動又は呼吸波形を得ている。かかるシステムの一例は、Varian社の実時間位置管理（ＲＰＭ：Real-Time Position Management）呼吸ゲート制御（呼吸ゲート制御）システムを用いる。Mageras G. et al., Initial clinical evaluation of a respiratory gating radiotherapy system, Engineering in Medicine and Biology Society, 2000, Proceedings of the 22nd Annual International Conference of the IEEE (2000), Volume 3, Pages 2124-2127を参照されたい。ＲＰＭツールは、患者の胸壁に小型の反射性標識を配置して、ビデオ・モニタが標識の位置を追跡する。ビデオ解析及び信号処理のステップが、呼吸周期を通じたセンサの移動に基づいて呼吸波形を生成する。しかしながら、患者の設定及び放射線治療計画のワークフローが複雑化することに加えて、これらの呼吸装置は高価である場合がある。

四次元計算機式断層写真法（４ＤＣＴ）の呼吸ゲート制御は、患者の胸部又は腹部に載置された小型の反射性標識を用いており、この標識は、患者テーブルの足元に配置された赤外線カメラによって検出され得る。呼吸ゲート制御は、撮像のためのＣＴ走査時及び治療時の両方において治療者が患者の呼吸周期を追跡することを可能にする。患者が呼吸すると、標識は患者の呼吸周期に従って上下に変位され、赤外線カメラが標識の位置を記録する。次いで、この情報を用いて、計算機式断層写真法（ＣＴ）画像取得時の患者の呼吸相を決定する。ＣＴ画像が、患者の胸部及び腹部に沿った多数の位置において形成される。次いで、これらのＣＴ画像は赤外線カメラによって記録された情報に従って位相を揃えるように遡及的にソートされる。画像を赤外線カメラの呼吸波形に整合させた結果が四次元（４Ｄ）画像集合となる。この４Ｄ画像集合は、多数の呼吸相の各々について生成される３Ｄ容積画像データ集合と、呼吸周期の全体にわたる肺及び周囲域の画像集合とから成る。この方法は、放射線治療を適正に計画するために呼吸周期の全体にわたって肺及び腹部腫瘍の運動を理解するのに臨床的に適しているため、放射線療法に特に有用である。放射線療法技術が進むにつれて、高品質４Ｄ再構成、及び具現化の容易な呼吸ゲート制御能力が、腫瘍追跡を正確に行なうために、また患者の準備及び計画の時間を最短にするために、重要性を増している。

以上に述べた理由、及び本明細書を精読して理解すると当業者には明らかとなるであろう後述のその他理由から、当技術分野では、実際の呼吸活動に直接関連した投影データから運動を抽出する必要性が存在している。

以上に述べた短所、欠点及び問題を本書で扱っており、これらのことについては、以下の明細書を精読して検討することにより理解されよう。

本発明の手法は、呼吸周期のような動的な運動を生ずる体内組織又は器官の運動を決定する新規の方法及び装置を提供する。具体的には、この手法は、運動を決定するように、取得される投影データを処理する方法及びシステムを提供する。次いで、運動情報を用いて、ゲート制御手法等によってデータ取得又は画像再構成を容易にして、運動に関連するアーティファクトを低減し又は解消することができる。

一観点では、取得される投影データ集合から運動を抽出する方法が提供される。取得される投影データ集合は、監視されている組織の質量中心の経時的変化を追跡することにより、タイミング情報を抽出するように解析される。次いで、位相計算が１又は複数の投影角度からのタイミング情報に対して行なわれる。抽出された運動波形を用いて、ＣＴ検出器システムによって形成されたＣＴ画像を組織の運動に同期させる。

もう一つの観点では、取得される投影データ集合から運動を抽出する方法が提供される。取得される投影データ集合は、監視されている組織の質量中心の経時的変化を追跡することにより、タイミング情報を抽出するように解析される。次いで、ピーク、位相、変化速度の計算が１又は複数の投影角度からのタイミング情報に対して行なわれる。

さらにもう一つの観点では、ＣＴ検出器システムによって取得される投影データから運動を抽出する装置が提供される。プロセッサ、記憶装置、及びソフトウェア手段が組み合わされて、投影データを取得して、監視されている組織の質量中心の経時的変化を追跡する。次いで、ソフトウェア手段による指示を受けて、プロセッサは１又は複数の投影角度においてデータをサンプリングして、呼吸周期を表現する運動波形を発生する。

さらにもう一つの観点では、ＣＴ検出器システムにおける回転式ガントリから運動を抽出する実行可能な命令を有するコンピュータ・アクセス可能な媒体が提供され、実行可能な命令は、投影データを取得して、呼吸周期を表現する運動波形を発生すべく、取得される投影データを処理するようにプロセッサに指示することが可能である。

本書では、様々な範囲のシステム、クライアント、サーバ、方法、及びコンピュータ読み取り可能な媒体について記載する。以上の概要に記載される観点及び利点に加えて、図面を参照して以下の詳細な説明を精読することによりさらに他の観点及び利点が明らかとなろう。

以下の詳細な説明では、説明の一部を成す添付図面を参照し、図面では、実施可能な特定の実施形態が説明のために図示されている。これらの実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にするように十分に詳細に記載されており、他の実施形態を利用することも可能であること、並びに実施形態の範囲から逸脱せずに論理的変形、機械的変形、電気的変形及び他の変形を施してよいことが理解されよう。従って、以下の詳細な説明は、制限のためのものと解釈すべきではない。

図１は、医用画像を取得するシステムの全体像のブロック図である。ＣＴイメージング・システム１００は、網又はコンピュータにおいて走行する先進型医療診断撮像アプリケーションを管理する当技術分野での必要性を解決する。ＣＴイメージング・システム１００は、ガントリ１０３、テーブル１０６、制御器１０８、主制御器、及び画像再構成装置１１８を含んでいる。尚、磁気共鳴（ＭＲＩ）イメージング・システム、陽電子放出断層写真法（ＰＥＴ）システム、単光子放出計算機式断層写真法（ＳＰＥＣＴ）システム、超音波システム、又はＸ線システムを含めた他のデータ取得システムも思量される。データ取得システムは、限定しないが画像データ、機能的画像データ、及び時間的画像データを含めたデータを得る。データのさらに他の例としては、三次元関心領域（ＲＯＩ）についての容積情報を含むボクセル・データ、二次元関心領域についての面積情報を含むピクセル・データ、及び空間時間的データ等がある。空間時間的データは、選択された予め決められた時間にわたる面積情報又は容積情報を含む。

ＣＴイメージング・システム１００はガントリ１０３を含んでおり、ガントリ１０３は、Ｘ線源１０２、放射線検出器アレイ１０４、患者支持構造及び患者空洞部を有し、Ｘ線源１０２及び放射線検出器アレイ１０４は、患者空洞部によって離隔されるように正対して配設されている。実施形態の一例では、患者（図示されていない）が患者支持構造に配設され、次いで支持構造は患者空洞部の内部に配設される。Ｘ線源１０２は、患者を透過するように放射線検出器アレイ１０４に向かってＸ線ビームを投射する。実施形態の一例では、Ｘ線ビームは、撮像平面として当業者に公知のデカルト座標系のＸＹ平面内に位置するようにコリメータ（図示されていない）によってコリメートされる。患者を透過することにより減弱された後に、減弱したＸ線ビームは放射線検出器アレイ１０４によって受光される。好適実施形態では、放射線検出器アレイ１０４は複数の検出器素子を含んでおり、検出器素子の各々が、減弱したＸ線ビームを受光して、減弱したＸ線ビームの強度に応じた電気信号を発生する。

加えて、Ｘ線源１０２及び放射線検出器アレイ１０４は、患者支持構造が患者空洞部の内部に配設されたときに患者支持構造を中心としてＸ線源１０２及び放射線検出器アレイ１０４を回転させるように、ガントリ１０３及び患者支持構造に対して回転することができる。Ｘ線投影データは、走査時に患者の周りでＸ線源１０２及び放射線検出器アレイ１０４を回転させることにより得られる。Ｘ線源１０２及び放射線検出器アレイ１０４は、ＣＴイメージング・システム１００に付設されている制御機構１０８と連絡している。制御機構１０８は、Ｘ線源１０２及び放射線検出器アレイ１０４の回転及び動作を制御する。

テーブル制御器１１０、Ｘ線制御器、ガントリ・モータ制御器、ＤＡＳ１１６、画像再構成１１８及び主制御器１２０は同じハードウェア及び能力を有し、各々のそれぞれの装置におけるプログラミングによってのみ制限される。説明の目的のために、全ての制御器が同じハードウェアを有することを前提とすると、一つに対する議論が全てに当てはまる。主制御器１２０は、幾つかの実施形態を具現化し得るときに共に用いられるコンピュータ・ハードウェア及び適当な計算環境を提供する。各実施形態は、コンピュータ実行可能な命令を実行するコンピュータについて説明される。但し、幾つかの実施形態は、コンピュータ実行可能な命令が読み取り専用メモリに実装されているようなコンピュータ・ハードウェアとして専ら具現化される場合もある。また、幾つかの実施形態は、タスクを実行するリモートの装置が通信網を介してリンクされているようなクライアント／サーバ型計算環境において具現化される場合もある。各プログラム・モジュールが、分散型計算環境においてローカル及びリモートの両方のメモリ記憶装置に配置される場合もある。

主制御器１２０は、Intel社、Motorola社、Cyrix社及び他の製造者から市販されているプロセッサを含んでいる。主制御器１２０はまた、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、１又は複数の大容量記憶装置１２４、及び様々なシステム構成要素を主制御器１２０の処理ユニットに結合して動作させるシステム・バスを含んでいる。メモリ及び大容量記憶装置は、コンピュータ・アクセス可能な媒体の形式である。大容量記憶装置はさらに明確に述べると、コンピュータ・アクセス可能な不揮発性媒体の形式であり、１又は複数のハードディスク・ドライブ、フレキシブル・ディスク・ドライブ、光ディスク・ドライブ、及びテープ・カートリッジ・ドライブを含み得る。コンピュータ読み取り可能な媒体は、電子式、磁気式、光学式、電磁式、又は赤外線式のシステム、装置又は素子であってよい。例示的であって網羅的でないコンピュータ読み取り可能な媒体の一覧としては、１又は複数の結線を有する電気的接続（電子式）、可搬型コンピュータ・ディスケット（磁気式）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）（磁気式）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）（磁気式）、消去自在型のプログラム可能型読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュ・メモリ）（磁気式）、光ファイバ（光学式）、及び可搬型コンパクト・ディスク読み取り専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）（光学式）等がある。尚、コンピュータ読み取り可能な媒体は、命令が印刷された紙又は他の適当な媒体を含み得ることを特記しておく。例えば、命令は、紙又は他の媒体の光学的走査を介して電子式で捕獲され、次いで編集（コンパイル）され、解釈（インタープリット）され、又は必要に応じて他の適当な態様で処理され、次いでコンピュータ・メモリに記憶され得る。主制御器のプロセッサは、コンピュータ・アクセス可能な媒体に記憶されたコンピュータ・プログラムを実行する。

主制御器１２０は、通信装置を介してインターネット１２６に接続されて通信することができる。インターネット１２６接続は当技術分野で周知である。一実施形態では、通信装置は、当技術分野で「ダイヤルアップ接続」として公知のものを介してインターネットに接続するように通信ドライバに応答するモデムである。もう一つの実施形態では、通信装置は、構内網（ＬＡＮ）に接続されたイーサネット（商標）又は類似のハードウェア・ネットワーク・カードであり、構内網自体が、当技術分野で「直接接続」（例えばＴ１回線等）として公知のものを介してインターネットに接続される。

利用者は、キーボード又はポインティング・デバイスのような入力装置１２２を介して主制御器１２０に命令及び情報を入力する。キーボードは、当技術分野で公知のように主制御器１２０へのテキスト情報の入力を可能にし、実施形態は如何なる特定の形式のキーボードにも限定されない。ポインティング・デバイスは、Microsoft Windows（登録商標）の各バージョンのようなオペレーティング・システムのグラフィック・ユーザ・インタフェイス（ＧＵＩ）によって提供される画面ポインタの制御を可能にする。実施形態は、如何なる特定のポインティング・デバイスにも限定されない。かかるポインティング・デバイスとしては、マウス、タッチ・パッド、トラックボール、遠隔制御及びポイント・スティック等がある。他の入力装置（図示されていない）としては、マイクロフォン、ジョイスティック、ゲーム・パッド、衛星放送アンテナ、又はスキャナ等がある。この説明の目的のために、キーボード及びポインティング・デバイスをユーザ・インタフェイス（ＵＩ）と呼ぶものとする。ＵＩは、利用者が、イメージング・システムの構成要素の任意のもの、上述の各装置の任意のものの内部のアルゴリズム、又はこれらの装置の任意のものの構造若しくはファームウェアと相互作用（対話）することを可能にする。出力装置は表示装置である。表示装置はシステム・バスに接続される。表示装置は、画像、文字、動画及び他の情報を含めた情報の表示を可能にして、コンピュータの利用者による観察に供する。実施形態は、如何なる特定の表示装置にも限定されない。かかる表示装置としては、陰極線管（ＣＲＴ）表示器（モニタ）、及び液晶表示器（ＬＣＤ）のようなフラット・パネル表示器等がある。モニタに加えて、コンピュータは典型的には、プリンタ（図示されていない）のような他の周辺入出力装置を含んでいる。制御器はまた、コンピュータ・アクセス可能な媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び大容量記憶装置１２４に記憶されて、制御器のプロセッサによって実行されるオペレーティング・システム（図示されていない）を含んでいる。オペレーティング・システムの例としては、Microsoft Windows（商標）、Apple MacOS（商標）、Linux（商標）、UNIX（商標）等がある。但し、例は如何なる特定のオペレーティング・システムにも限定されず、かかるオペレーティング・システムの構築及び用法は当技術分野では周知である。

主制御器１２０は、利用者制御可能なポインタを含むグラフィック・ユーザ・インタフェイス（ＧＵＩ）を提供する少なくとも一つのオペレーティング・システムを用いて動作させることができる。主制御器は、少なくとも一つのオペレーティング・システムの内部で走行する少なくとも一つのウェブ・ブラウザ・アプリケーション・プログラムを有して、制御器の利用者がイントラネット、又はユニバーサル・リソース・ロケータ（ＵＲＬ）アドレスによって指定されるインターネットのワールドワイド・ウェブ・ページにアクセスすることを可能にすることができる。ブラウザ・アプリケーション・プログラムの例としては、Netscape Navigator（登録商標）及びMicrosoft Internet Explorer等がある。

実施形態の一例では、制御機構１０８は、Ｘ線源１０２と連絡しているＸ線制御器１１２、ガントリ・モータ制御器１１４、及び放射線検出器アレイ１０４と連絡しているデータ取得システム（ＤＡＳ）１１６を含んでいる。Ｘ線制御器１１２は、Ｘ線源１０２へ電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器１１４はＸ線源１０２及び放射線検出器アレイ１０４の回転速度及び角度位置を制御し、ＤＡＳ１１６は、検出器素子１０４によって発生される電気信号データを受け取って、このデータを後続の処理のためにディジタル信号へ変換する。実施形態の一例では、ＣＴイメージング・システム１００はまた、画像再構成装置１１８、データ記憶装置１２４及び主制御器１２０を含んでおり、処理装置１２０は画像再構成装置１１８、ガントリ・モータ制御器１１４、Ｘ線制御器１１２、データ記憶装置１２４、及び入出力装置１２２と連絡している。ＣＴイメージング・システム１００はまた、患者支持構造の患者空洞部に対する位置を制御するように、主制御器１２０及び患者支持構造と連絡しているテーブル制御器１１０を含み得る。

好適実施形態によれば、患者は患者支持構造に配設され、次いで患者支持構造は患者空洞部の内部に配設されるように主制御器１２０を介して操作者によって配置される。ガントリ・モータ制御器１１４は、Ｘ線源４及び放射線検出器アレイ６を患者に対して回転させるように主制御器１２０を介して運転される。Ｘ線制御器１１２は、コリメート後のＸ線ビームを放射線検出器アレイ１０４に向かって、従って患者に向かって放出して投射することをＸ線源１０２に行なわせるように、主制御器１２０を介して運転される。Ｘ線ビームは、減弱したＸ線ビームを生成するように患者を透過して、減弱したＸ線ビームは放射線検出器アレイ１０４によって受光される。

検出器素子１０４は、減弱後のＸ線ビームを受光して、減弱後のＸ線ビームの強度に応じた電気信号データを発生し、この電気信号データをＤＡＳ１１６へ連絡する。次いで、ＤＡＳ１１６はこの電気信号データをディジタル信号へ変換して、ディジタル信号及び電気信号データの両方を画像再構成装置１１８へ連絡し、画像再構成装置１１８は高速画像再構成を実行する。次いで、この情報は主制御器１２０へ連絡され、主制御器１２０は画像をデータ記憶装置１２４に記憶させて、ディジタル信号を画像として出力装置１２２を介して表示する。主制御器１２０に連絡される情報をＲＯＩ画像データと呼ぶ。実施形態の一例によれば、出力装置１２２は、複数の離散的なピクセル要素を有する表示スクリーンを含んでいる。

図２は、図１のＣＴ検出器システム１００によって取得される投影データから運動を抽出する装置２００のシステム全体像を示す。このシステムは、ＣＴ検出器システム（２０２）、プロセッサ２０４、記憶装置２０６、及びＣＴ検出器システム２０２からの投影データに対して解析を実行するオブジェクト２１０を有するソフトウェア装置２０８を含んでいる。ソフトウェア・オブジェクト２１０は、所望の一組の投影角度での投影データのサンプリングを実行する。さらに、マスク演算子のようなオブジェクトが、投影データを切り取り（クロップ又はトランケート）して画像の不要領域を除去することができる。さらに、各ソフトウェア・モジュールは、同じ投影角度及び／又は共役投影角度対からの投影の経時的変化を追跡して、呼吸周期（呼吸波形）のピーク、位相及び速度を導き出すことができる。呼吸周期を用いて画像データを呼吸周期の静止期に同期させ、モーション・アーティファクトを回避することができる。これにより、呼吸を制御することに困難を感じる患者が自由呼吸時にデータを収集させることを可能にし、走査室において呼吸周期を追跡する感知装置を収容する必要性をなくすことができる。

図３は、投影データから運動を抽出する全体的な概念を示す。図示によれば、図５の動作５０２によって示すように、マルチ・スライス検出器ＣＴシステムの螺旋運転又は容積測定ＣＴシステムの運転等によって投影データが取得される。参照番号３０２は、取得される投影データから導かれるアキシャル・スライスである。投影データは、利用可能な呼吸周期にわたって解析／処理３０４を施される。螺旋取得の場合には、投影データは、当業者に周知のように、測定された投影データ及び螺旋補間手法によって生成される補間された投影データの両方を含み得る。投影データの全て又は一部を、マスク演算子を施すことにより解析することができる。具体的には、関心領域に対応する投影データの部分集合が識別されて抽出され得る場合には、後続の解析をこの部分集合に限定してよい。投影データの部分集合の解析は、完全な投影データ集合の解析に比較して関心領域において優れた信号対雑音比を提供し得る。質量中心が、参照番号３０６に示すように呼吸周期に相関を有する。呼吸運動は相対的に低速（分当たり呼吸１０回〜２０回）であり、ガントリ機構は相対的に高速に回転する（回転当たり１秒以下）ので、呼吸周期はＣＴ検出器システム１００によって正確に捕獲され得る。

図４は、デカルト座標４０２において表わされている投影データ、及びサイノグラム４１０として表わされている投影データを示す。ガントリ・アセンブリ１１４の被検体の周りでの回転から、検出器素子（図示されていない）によって視角範囲θにわたって取得されたＸ線データが得られる。典型的な検出器アレイ１０４は、８８８個の個別の素子等のように数百個の個別の検出器素子を含み得る。アレイ１０４は、Ｘ線源１０２から予め決められた距離（ｍ）を隔ててガントリに配置されている。線源１０２の円形経路は、予め決められた距離に比例した半径を有する。これらのパラメータの特定の値は本発明にとっては重要でなく、周知のＣＴシステム設計原理に応じて変化してよい。ガントリ１１４について１回の完全なガントリ回転は、例えば９８４の視角を含み得る。これにより、線源１０２は、９８４の異なる方向（θ）から相次いで被検体を照射するように配置され、検出器アレイ１０４は各々の視角（θ）においてＸ線データを発生し、この視角から別個の投影ビューについての投影データが取得される。デカルト投影データ４０２では、ｘ軸はＣＴ検出器チャネル４０４であり、ｙ軸は減弱値４０４である。各々の検出器素子（チャネル４０４）が、Ｘ線ビームの減弱の影響を受けた信号を発生し、これらのデータは、Ｘ線経路に沿った対象の減弱係数の線積分を表わす信号を発生するように処理される。これらの信号を典型的には、投影データ又は単に投影と呼ぶ。チャネル番号α（＝１，２，…，α）は、各々の検出器横列のチャネルに与えられる連番である。

幾つかの器官の動的特性が呼吸周期の決定に影響を及ぼし得る場合が存在する。図３は、ピーク吸気時のアキシャル・スライスの一例を示す。ｚ方向での肝臓の運動３０８のため、胸壁高さの僅かな変化は質量中心型のアプローチ単独では検出が困難である。スライスのｘ次元及びｙ次元の質量中心は、ｚ次元での肝臓の運動３０８によって支配される。呼吸信号が最も顕著である関心領域の外部の部分に対する質量中心解析に着目したアプローチを図４に示す。これらの投影は、中心部分が除去されている。肝臓（図３）からの干渉が解消されている。このことは、各々の投影の内側の部分をマスクすることにより達成される。このマスクは、図４に示すように、各々の固定された投影角度について算出される。投影をマスクするときの下限となる閾値が設定される。この場合には、最大投影値の約３５％が用いられる。得られた閾値投影データを図４に示す。これにより、質量中心計算を胸壁の運動に着目したものとすることができ、内側部分４０８はマスク除去される。肝臓の運動を除去した投影データがサイノグラム４１２として表わされている。

前節では、一実施形態の動作のシステム・レベルの全体像を説明した。本節では、一連の流れ図を参照してかかる実施形態の特定の方法について説明する。流れ図を参照してこれらの方法を説明することにより、当業者は、コンピュータ読み取り可能な媒体からの命令を実行する適当な処理装置においてこれらの方法を実行するような命令を含むプログラム、ファームウェア又はハードウェアを開発することが可能になる。同様に、サーバ・コンピュータのプログラム、ファームウェア又はハードウェアによって実行されるこれらの方法もまた、コンピュータ実行可能な命令で構成されている。方法５００〜６００は、図１のコンピュータ若しくは主制御器１２０のようなコンピュータにおいて走行するプログラムによって、又はかかるコンピュータの一部であるファームウェア若しくはハードウェアによって実行されるものである。

図５は、投影データから運動を抽出する一実施形態による方法５００の流れ図である。方法５００は、実際の呼吸活動に直接関係する運動を投影データから抽出する当技術分野での必要性を解決する。

方法５００は、動作５０２において投影データの取得から開始する。取得される投影データ５０２は一般的には、Ｘ線減弱を生ずる各特徴の位置を算出するのに十分な情報が与えられるように選択される。例えば、ガントリ回転当たり１０００の投影を取得したＣＴ投影データを考える。この場合には、多数回のガントリ回転が取得時に生じていれば１０００の投影角度の各々を経時的に追跡することができる。このように、ガントリの１回の単一回転において単一の投影データ集合（１０００の投影）が取得される。目標は呼吸周期を捕獲することにあるので、多数の投影データ集合を取得する必要がある。多数の投影データ集合を取得するためには、等しい回数のガントリ回転が必要である。ガントリ機構が相対的に高速で回転する（回転当たり１秒以下）場合には、呼吸周期を捕獲するのに７回の回転周期で十分である。つまり、単一の回転は１０００の投影を発生し、７回周期のガントリ回転は７０００の投影（７回転×１０００投影／回転）を発生する。一旦、動作５０２において投影データ集合が取得されたら、制御は動作５０４へ進み、さらなる処理を行なう。

動作５０４では、運動を示すタイミング情報が投影データから抽出される。タイミング情報の抽出は、様々な角度からの投影の質量中心（ＣＭ）から得られる。ＣＭ出力の単位は、検出器縦列番号である。例えば、準備後の走査データは約９００個の検出器チャネルを有するので、各々の投影のＣＭは一般的には、４００〜５００の範囲になる。図４の参照番号４０２及び４０６を参照されたい。尚、この例は一次元ＣＭ値のみであり、座標の組ではないことを特記しておく。この例は、投影角度に直交する方向でのＣＭ計算である。このＣＭ計算を時間の関数であるi（ｔ）と呼ぶことができる。用いられる一次元の離散的なＣＭ式は、下式の通りである。

式中、ｔはカレントの取得に入る時刻である。典型的には、投影空間はｐ（ｘ，φ）と表わされるが、多数回のガントリ回転及び対象運動を伴うここでの例ではｐ（ｘ，ｔ）を用いることを特記しておく。投影角度φはまた、ｔと共に周期的に変化する。得られるＣＭ関数i（ｔ）を図７の参照番号７０２に示す。図７の参照番号７０２に示すように、i（ｔ）は全ての投影角度に広がり、ξ（ｔ）の計算は周期的なガントリ回転によって支配されることを特記しておく。一旦、タイミング情報が抽出されたら、制御は動作５０６へ進み、さらなる処理を行なう。

動作５０６では、呼吸周期を表わす運動波形を発生するようにタイミング情報を処理する。各々の固定された共役投影角度対についてのＣＭ波形を抽出するために、i（ｔ）は各々の所望の投影角度対に従ってサンプリングされる。サンプリングの共役性のため、各々の投影角度対から発生される信号についてガントリ回転当たり２個のサンプル点が入手可能である。これにより、ＣＭは投影角度φに垂直な軸についての時間の関数として与えられ、この関数をi（ｔ）と呼ぶものとする。定性的には、φが水平の投影角度を表わしているときに、このプロットから基本的な呼吸波形が判明することが理解されよう。このサンプリングは、広い範囲の投影角度にわたって多数のi_φ（ｔ）波形を発生する。これら多数の波形は、多くの方法を用いて処理され組み合わされ得る。投影角度が一様な増分で収集されている場合には、これらの投影角度は単純にＣＭサンプリング点に対して再サンプリングされて、加算され得る。これにより、極めて信頼性の高い出力呼吸波形が生成される。

図６は、投影データから運動を抽出して、抽出された運動をＣＴ画像に同期させるように適用する一実施形態による方法６００の流れ図である。方法６００は、実際の呼吸活動に直接関係する投影データから運動を抽出する当技術分野での必要性を解決する。

方法６００は、投影データの取得から開始する。動作５０２について上に示したような投影データが、ＣＴシステム１００においてガントリ１１４を回転させることにより取得される。取得される投影データ集合６０２は、一つの時間点での呼吸周期の特性を表わす投影情報を含む。検出器１０４を連続回転させることにより、周期性情報（ガントリの回転）を用いて、図５の動作５０４に示すように、関心領域での質量中心（ＣＭ）の周期性を抽出することができる。一旦、投影データが動作６０２において取得されたら、制御は動作６０４へ進み、さらなる処理を行なう。

動作６０４では、取得された投影データからタイミング情報が抽出される。タイミング情報は時間変化性の信号であるので、信号の様々な特性（振幅、位相、変化速度）は、関連する撮像データと同期させるのに有用である。前述のように、時間変化性の信号は、ＣＴ検出器システムによって監視されている組織のスライスの内外に出入りする呼吸流を表わす信号となり得る。このタイミング情報は、投影データ６０２を１又は複数の投影角度においてサンプリングすることにより決定され得る。この方法は、同じ投影角度又は共役投影角度（回転式ガントリ）からの多数の投影を利用して、運動を追跡する。タイミング情報が抽出された後に、制御は動作６０６へ進み、さらなる処理を行なう。

動作６０６では、タイミング情報を様々な投影角度においてサンプリングする。エッジ検出、質量中心解析、投影和追跡、相関型の各アプローチ、及び一連の他のアプローチを具現化することができる。但し、投影差が、固定された投影角度及び選択随意で１８０°だけ異なる投影角度を意味する共役投影角度対について経時的に追跡されるとの概念はいずれの場合でも同じである。ＣＴでは、このアプローチは、ガントリ回転当たり１回ずつ、共役投影を用いる場合には２回ずつ、取得される固定された投影角度を経時的に解析するものとなる。明らかな延長として、別個の信号を多くの投影角度について経時的に抽出することができ、次いで、これらの信号をまとめて処理して運動信号を導き出すことができる。約２７０°及び約９０°での投影データのサンプリング、並びに２７０°及び９０°での共役サンプリングは、呼吸周期の正確な波形を反映した十分な量の連続的なデータ点を与える筈である。一旦、サンプル呼吸周期が決定されたら、制御は動作６０８へ進み、さらなる処理を行なう。

動作６０８では、ＣＴ画像を呼吸周期に同期させる。タイミング情報が処理されて呼吸相の運動に対する所望の時間的な対応が与えられた後に、撮像データを運動に同期させる。加えて、健全な組織への照射を低減するために、抽出された運動を呼吸ゲート制御に用いることができる。すなわち、腫瘍が照射場の範囲内に納まることを保証するために付加される余裕分（マージン）を、呼吸ゲート制御を用いることにより低減することができ、これにより、照射される健全な組織の比率を小さくすることができる。上述のように、処理は、運動の開始、他の位相の開始又は運動時の時間的事象のような時刻値を与えてもよいし、何らかの種類のトリガー信号を与えてもよい。撮像データの同期は、トリガー信号出力を用いて撮像データの取得を開始することにより先行的に行なわれてもよいし、運動の開始の時刻値を撮像データ又は内部ゲート制御に関連する時刻スタンプに対して比較することにより遡及的に行なわれてもよい。米国特許出願第２００４／０２５８２８６Ａ１号のP. Salla, G. Avinash, S. Sirohey, and T. Panによる“Systems and methods for retrospective internal gating”を参照されたい。この米国特許出願第２００４／０２５８２８６Ａ１号の開示を参照によりその全体として本出願に援用する。ＣＴ画像を呼吸周期に同期させた後に、制御は動作６１０へ進み、さらなる処理を行なう。

動作６１０では、ＣＴ画像を表示し、又は適当な媒体に生成する。具体的には、利用者は、先ずユーザ・インタフェイス１２２を用いて、画像再構成の手段１１８から出力される再構成画像を表示させることができ、第二に、主制御器１２０にとって有用なパラメータを画定して、利用者によって利用され得る画像を形成するために再構成画像から関心領域を抽出することができる。ユーザ・インタフェイス１２２は、ウィンドウ及び仮想的ボタンを含んでいる。利用者は、ウィンドウを用いて再構成画像、及び利用者によって再構成画像に対して実行された動作の結果を記憶した目標画像を表示させることができる。各々の再構成画像が、対応する目標画像に関連する。

幾つかの実施形態では、方法５００〜６００は、図２のプロセッサ２０４のようなプロセッサによって実行されるとプロセッサにそれぞれの方法を実行させる一連の命令を表わす搬送波に実装されたコンピュータ・データ信号として具現化される。他の実施形態では、方法５００〜６００は、図２のプロセッサ２０４のようなプロセッサにそれぞれの方法を実行するように指示することが可能な実行可能型命令を有するコンピュータ・アクセス可能な媒体として具現化される。様々な実施形態において、媒体は磁気媒体、電子式媒体又は光学式媒体である。

図７を参照すると、特定の具現化形態７００が、図１及び図２のシステム全体像、並びに図６及び図７に関連して記載された方法に関連して記載されている。曲線７０２、７０８及び７１０は、単一のＸ_{ｆ，ｆｉｌｔ}（ｔ）波形７１２を得る工程を示している。ｘ軸は投影番号であり、ｙ軸は検出器チャネルである。投影データ及びｘ（ｔ）曲線は曲線７０２としてプロットされている。参照番号７０６は、ガントリが２７０°投影角度を通過する各回毎のｘ（ｔ）のサンプルを表わす。参照番号７０４は、９０°投影角度におけるサンプルを表わす。曲線７０８は、２７０°投影角度についてのｘ（ｔ）関数のサンプルのプロットである。曲線７１０は、９０°投影角度についてのｘ（ｔ）関数のサンプルを８８８から差し引いたプロットである。数値８８８は、検出器チャネルの数であるので選択されている。曲線７１２は、曲線７０８及び７１０からの信号を共役サンプリング態様で結合して、オフセットを除去するようにフィルタ処理した結果である。この曲線が、９０°におけるｆについてのＸ_{ｆ，ｆｉｌｔ}（ｔ）の波形となる。

ＣＴ検出器システム１００の装置１２０の構成要素、及び画像再構成器１１８は、コンピュータ・ハードウェア・サーキットリ（図２）として、若しくはコンピュータ読み取り可能なプログラムとして、又は両方の組み合わせとして具現化され得る。もう一つの実施形態では、システム１００は、アプリケーション・サービス・プロバイダ（ＡＳＰ）システムとして具現化され得る。

さらに明確に述べると、コンピュータ読み取り可能なプログラムの実施形態では、Java（商標）、Smalltalk（商標）又はＣ＋＋のようなオブジェクト指向言語を用いてプログラムをオブジェクト指向で構造化することができ、またＣＯＢＯＬ又はＣのような手続き型言語を用いてプログラムを手続き指向で構造化することもできる。ソフトウェア・コンポーネントは、リモート・プロシージャ・コール（ＲＰＣ）、コモン・オブジェクト・リクエスト・ブローカ・アーキテクチャ（ＣＯＲＢＡ）、コンポーネント・オブジェクト・モデル（ＣＯＭ）、分散型コンポーネント・オブジェクト・モデル（ＤＣＯＭ）、分散型システム・オブジェクト・モデル（ＤＳＯＭ）及びリモート・メソッド・インヴォケーション（ＲＭＩ）等のアプリケーション・プログラム・インタフェイス（ＡＰＩ）又はプロセス間通信の手法のような当業者に周知の多くの手段の任意のもので通信することができる。各コンポーネントは、図１のコンピュータ又は主制御器１２０のように１台という少数のコンピュータで実行されるか、或いは構成要素と少なくとも同程度に多い数のコンピュータで実行される。
《結論》
投影データから運動を抽出する方法及び装置について説明した。本書では特定の実施形態を図示して説明したが、当業者は、同じ目的を達成するために考案された任意の構成を図示の特定の実施形態に代えて置換し得ることを認められよう。本出願は、あらゆる適応構成又は変形を網羅するものとする。例えば、実施形態はシネ取得方法の背景で記載されている。一般的には、患者の平行移動からの偏り効果を除去するために低域通過フィルタを端部に適用することにより、同様の手法をヘリカル・スキャン方法に適用することができる。この方法論は、質量中心（ＣＭ）を追跡すること、又はさらに明確に述べると、胸部及び腹部の解剖学的構造の呼吸周期にわたる変化による走査データの変化を追跡することに頼っている。代替的には、患者の胸部に設けられてＣＴ未処理投影データにおいて追跡され得る外部標識を、呼吸相の代用的な標識となるように用いることも思量される。加えて、手続き指向型について説明したが、当業者には、オブジェクト指向型の設計環境又は所要の関係を提供するその他任意の設計環境で具現化形態を形成し得ることを認められよう。具体的には、当業者は、方法及び装置の名称が実施形態を限定するものではないことを容易に認められよう。さらに、実施形態の範囲から逸脱せずに、付加的な方法及び装置を各構成要素に追加したり、構成要素間で作用を再構成したり、将来の機能拡張や実施形態で用いられている物理的装置に対応する新たな構成要素を導入したりすることができる。当業者は、各実施形態が将来の通信装置、異なるファイル・システム及び新たなデータ型に応用可能であることを容易に認められよう。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

投影データを取得する実施形態のシステム・レベルの全体像を示す図である。 投影データから運動を抽出する様々な実施形態を実施し得るハードウェア及び動作環境のブロック図である。 質量中心と呼吸相との間の関係を示すシステム・レベルの全体像の図である。 投影データの中心部分を除去した投影強度及びサイノグラムとして表わされる投影データの図である。 投影データから運動を抽出する一実施形態による方法の流れ図である。 投影データから運動を抽出して、捕獲された画像を抽出された運動に同期させる一実施形態による方法の流れ図である。 第一の投影角度においてサンプリングされた投影データ、第二の投影角度においてサンプリングされた投影データ、及び投影データの共役サンプリングの一実施形態による投影データの図である。

符号の説明

１００ Ｘ線イメージング・システム
１０２ Ｘ線源
１０３ ガントリ
１０４ 検出器アレイ
１０６ テーブル
１０８ 制御器
１１０ テーブル制御器
１１２ Ｘ線制御器
１１４ ガントリ・モータ制御器
１１６ データ取得システム
１１８ 画像再構成
１２０ 主制御器
１２２ 入出力装置
１２４ 記憶装置
１２６ インターネット
２００ 処理装置
２０２ ＣＴ検出器システム
２０４ プロセッサ
２０６ 記憶装置
２０８ ソフトウェア
２１０ ソフトウェア・オブジェクト
３００ 呼吸運動
３０２ ＣＴ走査
３０４ 工程
３０６ 呼吸波形
３０８ 器官運動
４００ フィルタ処理工程
４０２ デカルト座標
４０４ チャネル振幅
４０６ ＣＴ走査チャネル
４０８ フィルタ処理後のチャネル
４１０ 全チャネルのサイノグラム
４１２ フィルタ処理後のチャネルのサイノグラム
５００ 方法
５０２ 投影データ取得
５０４ タイミング情報を抽出する
５０６ 波形を生成するように処理する
６００ 方法
６０２ 投影データを取得する
６０４ タイミング情報を抽出する
６０６ 投影角度においてサンプリングする
６０８ 運動に同期させる
６１０ ＣＴ画像を形成する
７００ 波形
７０２ サイノグラム
７０４ サイノグラムの９０°点
７０６ サイノグラムの２７０°点
７０８ 全チャネルについての９０°振幅
７１０ 全チャネルについての２７０°振幅
７１２ 全チャネルについての９０°振幅と２７０°振幅との間の差

Claims (10)

1. 計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器システムにより取得される投影データから運動を抽出する方法（５００）であって、
   運動時に投影データ集合を取得するステップ（５０２）と、
   前記投影データの少なくとも一部から、前記運動を示すタイミング情報を抽出するステップ（５０４）と、
   運動波形を生成するように、前記投影データの少なくとも一部からの前記タイミング情報投影データを処理するステップ（５０６）と
   を備え、
   前記投影データは、測定された投影データ及び螺旋補間手法によって生成される補間された投影データを含み、
   前記処理するステップ（５０６）が、各々の投影の内側の部分をマスクして、前記投影データ集合において呼吸信号が最も顕著である関心領域の外部の部分に対する質量中心解析を行うことを含む
   ことを特徴とする、方法（５００）。
2. 前記投影データ集合は回転式ガントリからの多数の投影（６０６）を含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記タイミング情報を処理するステップは、第一の投影角度において前記投影データ集合をサンプリングするステップ（６０６）を含んでいる、請求項２に記載の方法。
4. 前記タイミング情報を処理するステップは、第二の投影角度において前記投影データ集合をサンプリングするステップ（６０６）を含んでいる、請求項２に記載の方法。
5. 前記タイミング情報を処理するステップは、前記投影データ集合を共役サンプリングするステップ（６０８）を含んでいる、請求項２に記載の方法。
6. 計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器システムにより取得される投影データから運動を抽出する装置であって、
   プロセッサ（２０４）と、
   該プロセッサに結合され、コンピュータ・アクセス可能な不揮発性媒体と
   を備え、前記不揮発性媒体は、
   前記プロセッサにおいて動作可能な命令を有し、
   前記命令は、
   運動時に投影データ集合を取得し（５０２）、
   前記投影データの少なくとも一部から、前記運動を示すタイミング情報を抽出し（５０４）、
   運動波形を生成するように、前記投影データの少なくとも一部からの前記タイミング情報投影データを処理する（５０６）
   ように動作可能であり、
   前記投影データ集合は回転式ガントリからの多数の投影を含んでおり、
   前記投影データは、測定された投影データ及び螺旋補間手法によって生成される補間された投影データを含み、
   前記前記タイミング情報投影データを処理することが、各々の投影の内側の部分をマスクして、前記投影データ集合において呼吸信号が最も顕著である関心領域の外部の部分に対する質量中心解析を行うことを含む
   ことを特徴とする、装置。
7. 前記タイミング情報を処理する動作は、第一の投影角度において前記投影データ集合をサンプリングする動作（６０６）を含んでいる、請求項６に記載の装置。
8. 前記タイミング情報を処理する動作は、第二の投影角度において前記投影データ集合をサンプリングする動作（６０６）を含んでいる、請求項７に記載の装置。
9. 前記タイミング情報を処理する動作は、前記投影データ集合を共役サンプリングする動作（６０８）を含んでいる、請求項７に記載の装置。
10. 前記処理する動作は、前記計算機式断層写真法検出器システムにより形成される計算機式断層写真法画像を前記運動と同期させるために前記運動波形を用いる動作（６１０）を含んでいる、請求項９に記載の装置。