JP5554248B2 - 断層写真の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は例えばＸ線パントモグラムの再構成によって作成可能な、Ｘ線吸収値を有するデジタル三次元ボリュームに基づく断層写真、特にパノラマ断層写真（ＰＡＮ撮影）を作成するための方法に関する。このような断層写真は歯科医の診断用に使用される。

断層写真とは一般に三次元物体の二次元層の写真であると理解されている。三次元データを使用せずに二次元層を生成する特別な方法は画像ぼけ断層撮影（トモシンセシス）である。画像ぼけ断層撮影の特徴は、物体に対してフィルムとＸ線管とを移動した場合に、物体のいわゆる焦点層内のポイントが常にフィルムの同じ位置にあり、それによって鮮鋭に結像されることにある。これに対して、焦点層の外側のポイントは物体に対するＸ線管とフィルムの機械的移動に対応するぼけ曲線としてフィルムに結像される。

三次元断層撮影法との相違は、この場合は層を計算する際の三次元と二次元の投影が作成されるので、全ての物体面が投影軸に対して垂直に対等に表示され、１つの面が例えば重複によって焦点層として特に際立つことがない。

ＥＰ ０ ２７９ ２９４ Ａ１号から、患者の顎のパノラマ断層写真を作成するための歯科医用Ｘ線診断装置が公知である。記載の方法によって、中点が患者の顎に対して垂直である物体内の層を写像できる。その際、パノラマ断層写真を作成するため、Ｘ線管−検出器構造が被写体の周囲を移動され、焦点層の外側にある部分にブラ−がある断層写真を作成するために、ＣＣＤ検出器アレイが移動速度とは異なる周波数で周期的に読み出される。

検出器から適宜に画像情報を読み出すことによって所定の焦点層の画像を作成する代わりに、単一の画像を作成し、所望の層位置に応じてパノラマ断層撮影の後に初めてこの単一画像を重ねることは可能である。しかし、通常使用されている検出器の幅は比較的狭いので、被写体の部分領域しか撮像できず、これらの部分領域から被写体の三次元ボリュームを作成することはできない。これらのいわゆるフルフレームセンサを使用すると、大量の単一画像が作成される。単一画像の数は通常のＰＡＮサイクルで行われるラインクロックに対応し、そのため数千もの単一画像の撮像が行われることになる。

ディジタルコーンビームボリューム・トモグラフィ−ィ（ＤＶＴ）の種類の市販の歯科Ｘ線撮影装置では、所定のｘ−ｙ面でＸ線管と検出器とがヘッドを中心に共に移動される。移動はＸ線管と検出器とが被写体内にあるＺ方向に延びる回転軸を中心に回転するように行われる。この軌道上の異なるＸ線管及び検出器の位置から少なくとも１８０°の角度にわたる回転中にパントモグラフィ−が作成され、次いでそこから三次元ボリュームが計算される。この三次元ボリュームは部位に依存するＸ線吸収値、またはそこから導かれる画像データを含んでいる。

これらの値からパノラマ撮像が作成されるが、これは従来のパノラマ断層写真ではない。それに加えて、三次元ボリューム内の表示される層の状態と厚さが調整または選択され、層に対して垂直な平行Ｘ線照射で加算されたＸ線吸収値が処理された後に画像データとして表示される。これは例えばクリストフ・シュネレの学術論文「パノラマ断層撮影及びコンピュータトモグラフィ−ィのディジタルボリュームトモグラフィ−ィにおけるＸ線露曝の比較」（デュッセルドルフ、ハインリッヒハイネ大学医学部、２００１年、１〜５ページ）及びＣｈ．シャイフェル、Ｐ．Ａ．ライヒャルトの論文「 三次元レントゲンシステム ＧＡＬＩＬＥＯＳ」（ＺＷＲ−ドイツ歯科医学会紀要、２００７年、６１５〜６１７ページ）から公知である。

この場合はオルソパントモグラフィ−で作成されるパノラマ断層写真と類似した画像印象が生じるが、勿論、焦点層の外側の構造は配慮されず、画像ぼけは生じない。
ＥＰ ０ ２７９ ２９４ Ａ１号 「パノラマ断層写真及びコンピュータトモグラフィ−ィのディジタルボリュームトモグラフィ−ィにおけるＸ線露曝の比較」 「 三次元レントゲンシステム ＧＡＬＩＬＥＯＳ」

しかし、ユーザーによる長年の診断の実践から、また従来のような通常のＰＡＮ撮像の画像ぼけにも関わらずなお含まれている画像情報により、Ｘ線によって得られる三次元ボリュームが存在する場合でも従来のパノラマ断層写真に相当するレントゲン写真を供給することが望ましいことがある。

三次元ボリュームを生ずるＸ線撮影装置の場合でも断層写真を提供する本発明の基本概念は、三次元ボリュームでオルソパントモグラフィ−ィーの画像ぼけトモグラフィ−ィ−法が再現され、層が三次元ボリュームから抽出されないことで、以前に生じた三次元ボリュームから断層撮影を計算することにある。

特に歯科Ｘ線パノラマ断層写真に適するＸ線吸収値を有するデジタル三次元ボリュームから断層写真を作成するための本発明による方法では、三次元ボリュームが仮想Ｘ線照射源によって仮想的に照射され、発生する仮想画像が仮想検出器によって撮像される。仮想Ｘ線照射源と仮想検出器とは画像ぼけ部分を有する焦点層を形成しつつ、被写体を横切って仮想的に移動される。

その際、物体として三次元ボリュームを撮像する仮想的な撮影手順及び仮想Ｘ線照射源と仮想検出器の相互作用は画像ぼけ部分を有するデジタル断層撮影を作成する従来の手順と対応している。

有利には、構造、特に例えば断層撮影で陰影が形成され、妨害になる脊柱などの解剖学的構造を、シミュレートされた断層写真を作成する前に計算された三次元ボリュームから探索アルゴリズムによって除去することができる。このような構造を除去した後で初めて断層撮影をシミュレートすることによって、観察者によってなお考慮されなければならない構造が明確にされるので画質の改善を達成できる。

それは歯に関する直接的な情報だけだはなく、例えば従来のＰＡＮ撮像の際に補足的に表示されたそれまでに三次元ボリュームから計算されたパノラマ撮像に関してもあてはまる。

照射経路を変更の変更、例えば、Ｘ線照射源内の焦点から発する照射チャンバの代わりに平行なビームからなるビーム束で照射することが、例えばｚ−方向での大きさの歪みを避けるために有効であり得る。

有利には、計算された断層撮影の焦点層の経路を変えることができる。従来の断層撮影の場合は、物体内の所定位置の焦点層の位置は変更できない。

焦点層から仮想焦点、又は焦点−検出器回転面と垂直な仮想検出器までの間隔を変更可能であれば特に有利である。それによって、例えば斜めに生えている歯などの解剖学的構造に撮像を適合させることが可能である。この場合、標準的な撮影は変更されるが、その他の画像情報はそのまま保持される。

有利には、照射チャンバの広がり、及びＸ線照射源と検出器とのシミュレートされた回転速度と組み合わせて、シミュレートされた検出器の幅を変更にすることによって、その他の情報を表示するために表示される焦点層の厚さを変更することができる。

断層写真はパノラマ断層写真であり、仮想Ｘ線照射源及び仮想検出器が患者の身体の周囲ではなく三次元ボリュームの周囲を仮想的に移動する。その際、焦点層までの仮想Ｘ線照射源及び仮想検出器の間隔、及び仮想検出器及び画像ぼけ部分の幅は標準のパノラマ断層写真と対応するものであり得る。この場合は照射角度を考慮に入れることもできる。

更に、仮想Ｘ線照射源と仮想検出器と照射経路のそれぞれの回転中心間の様々な間隔を変更することができる。パノラマ断層写真を作成するために市販の機器は構造的に異なっているので、それぞれの機器で作成されたパノラマ断層写真には機器特有のそれぞれの特殊性がある。三次元ボリュームからパノラマ断層写真を作成する際に、このような機器の特殊性を少なくとも部分的に考慮にいれることができる。

更に、例えば横断断層撮影の場合に、画像ぼけ部分を含む断層撮影として個別撮影も考慮に入れられる。

重要な点は、更に別のＸ線写真を作成せずに、三次元ボリュームを作成するために既存のパントモグラムだけに基づいて断層撮影の全ての変更を行うことができる点にある。

変形形態によれば、仮想断層撮影を実行する前に、更に三次元ボリュームからの探索アルゴリズムを用いて、例えば顎堤骨、及びそこにある歯を解剖学的に調べることによって特徴的な解剖学的構造によって物体内の焦点層の位置を自動的に特定することができる。位置が確認されると、仮想撮影を行うことができる。実際の撮影とは異なり、個人の解剖学的特殊性を常に考慮に入れることができ、所定の標準化された焦点層の外には来ないことが確実になる。

実際的な観点から、現在のところ三次元ボリュームが断層撮影の前に既に完全に計算されていることが有意義である。しかし、三次元ボリュームの再構成とは別に、又は再構成の一部として元のパントモグラフィ−に基づいて予め断層写真の作成のシミュレーションを行うこともできる。その場合はパントモグラフィ−から得られた情報を利用して、画像ぼけ部分を含む断層撮影の計算がなされる。

したがって本発明は更に、再構成によって三次元ボリュームを作成するためにパントモグラフィ−から画像ぼけトモグラフィ−断層写真を作成する方法に関するものである。この実施形態では、トモグラフィ−から先ずＸ線吸収値を有する三次元ボリュームを計算し、次いで更に数学的な方法で評価を行う必要がない。それどころか、トモグラフィ−自体が評価され、そのために部分的には再構成から知られている方法ステップに拠ることができ、しかも被写体自体のボリュームを無理に計算する必要がない。その際、焦点層と画像ぼけ部分とを有する断層写真が作成される。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

焦点層を有するパノラマ断層写真を作成するために三次元ボリュームの仮想撮影状態の原理図である。 図１の原理に基づいて作成された断層写真である。 先行技術によるパノラマ断層写真を作成するための原理図である。 図３の先行技術により作成された写真である。 ｚ−方向に変化した焦点層の位置を示す図である。 ｚ−方向に変化した焦点層の位置を示す図である。 狭い検出器と広い検出器とを有する撮影状態を示す図である。

図１Ａには、Ｘ線吸収値に関する情報、又はそこから得られた画像データの形態の顎骨１１及び複数本の歯１２の画像を含む検査対象物としての患者の頭部の三次元ボリューム１が示されている。三次元ボリューム１は患者の頭部２の全体、又は図示のようにその一部だけでもよく、三次元ボリューム１は完全に患者の頭部２内に位置していなくてもよい。この三次元ボリューム１に基づいて、本発明による画像ぼけを含むトモグラフィ−法が可能になり、その際、患者の頭部２の三次元ボリューム１内に延びる焦点層３が再現される。焦点層３は所定の広がり、幅ｔを有する領域に対応しており、簡略にするために線で示すこともできる。

三次元ボリューム１は最適には、パノラマ断層写真の作成に必要な全ての解剖学的特徴を含むように画定される。その上、その他の解剖学的領域、例えば鼻や唇などの柔らかい部位を三次元ボリューム１に含めることもできる。

図１に示すｘ線吸収値を有する三次元ボリューム１は仮想的にこの実施例では三次元ボリューム１の外側にある仮想焦点を有する仮想Ｘ線照射源によって照射され、これも三次元ボリューム１の外側にある幅ｂ０の仮想検出器によって仮想照射チャンバ６の仮想的に弱められたＸ線が捉えられる。

この撮影には、例えば特定の断面積を有する仮想照射チャンバ６のＸ線の照射経路に沿ったＸ線吸収値を仮想Ｘ線照射源４から仮想検出器５に加算することができ、この値は実際の検出器のピクセルの信号値と対応する。その際、必要に応じて、Ｘ線の吸収の非一次関数が考慮に入れられる。

仮想Ｘ線照射源４と仮想検出器５とを三次元ボリューム１の内側に配置することもできる。それによって標準のＰＡＮ写真は通常通りには再現できないものの、従来用いられていたパノラマ画像の代わりにこのＰＡＮシミュレーションを用いることができる。

従来のＰＡＮ写真の作成用に使用されていた顎骨１１に周囲の回転に対応する、シミュレートされた周囲速度での被写体、すなわち三次元ボリューム１の内側の回転中心Ｚを中心とする仮想Ｘ線照射源及び仮想検出器のシミュレートされた回転７によって、シミュレートされたパノラマ断層写真（図２）が作成される。その際、回転中心Ｚは従来のＰＡＮ写真の先行技術から知られているように、シミュレートされた回転７の間に曲線８を辿る。明解にするため、患者が咬み合わせ状態にある場合に患者の頭部２の位置を決める仮想咬合１３が示されている。咬合１３は、この場合はＸ−Ｙ面にある咬合面をも確定する。

シミュレートされた回転７中に、仮想検出器５は真の検出器の制御に対応して、厚さｔを有し、焦点層３の外側に画像ぼけを有する焦点層３が作成されるように外側に移動され、すなわち画像データが生成される。

実際のＣＣＤ検出器のクロックでは、特に検出器に撮像される画像全体が１行づつ移動される。このクロック移動がＸ線照射源−検出器システムの移動方向と逆に行われると、画像の焦点層３内の物点は常に同じポイントに結像され、一方、焦点層の外側の物点は画像の上方を移動し、したがってぼける。

三次元ボリューム１内にある不都合な構造９、例えば脊柱又はその反対側にある顎堤骨は、シミュレートされたＰＡＮ写真が作成される前に消滅させることができる。

図１Ｂには図１Ａに示す仮想照射チャンバ６に沿った断面図が概略的に示されている。仮想照射チャンバ６はこのＸ−Ｚ面でも仮想照射源４の焦点から仮想検出器５の方向にも広がっていることが分かる。

仮想照射チャンバ６の代わりに、平行ビーム６’からなるビーム束で仮想照射することも可能であり、その場合は、Ｘ線照射源の焦点は想像上では対応する大きさに形成され、平行なビームを照射する。写真の具体的な作成とは異なり、パノラマ断層写真のこのような計算上の作成も容易に可能である。

図２にはこの方法によって作成された断層写真１０が示されており、それが従来のパノラマ断層写真の情報内容と類似しており、脊柱は除去されたことが当業者には容易に分かる。

図３に歯、先行技術によりパノラマ写真を作成する原理図である。空間的な広がりから見て図１の焦点層３を含む、患者の頭部２のデジタル三次元ボリューム１内に画定された部分領域１４に基づいて、この部分領域１４だけの仮想照射が行われ、残りの三次元ボリューム１は考慮されない。仮想Ｘ線照射源１５と仮想検出器１６とは経路１７に沿って部分領域１４の流れに対して垂直に移動し、そこで生じた投影は全体図１８でパノラマ写真として示される。図４を参照。

しかし、図４に示された写真には焦点層の外側の画像情報の画像ぼけ部分がないので、当業者にとっては本来の意味での断層写真ではない。

図５Ａには、焦点層のＺ方向への位置をどのようにして変更可能であるかが焦点層３の中心面によって示されている。焦点層３の中心面は顎堤骨に沿ってＸ−Ｙ方向に湾曲して延びており、図示した例では更にＺ方向にも変化している。このような経路は、患者の歯３５、３６がＸ−Ｙ面に対して傾斜している場合に適しており、詳細が図５Ｂに示されている。

この場合、Ｘ−Ｙ面は患者の頭部２の咬合面と一致し、線３１は咬合面内の焦点層の中心面に対応している。線３２は咬合面の上部の焦点層の中心面に対応しており、したがってＺ方向に上方にずれている。

図５Ｂには顎骨１１内にある歯３５、３６の領域にある焦点層３の経路がＸ−Ｚ面での断面図として示されている。Ｚ方向での焦点層の中心面が歯３５、３６の経路を辿り、したがって焦点層３は湾曲し、そのためＺ方向でのＺ軸との間隔ｒが変化していることが分かる。

仮想の照射中、仮想Ｘ線照射源４は歯３５、３６の内側に配置され、仮想照射チャンバ６は顎骨１１を内側から外側に照射する。仮想検出器５自体も湾曲して形成されているが、まっすぐでもよく、かつ／又は焦点層３に中心面との間隔をより大きくとってはい費されてもよい。

図６には、検出器の幅が変更可能であり、焦点層の厚さｔを左右することができる原理図が示されている。

幅ｂ１からｂ３を有し、検出器の幅に応じて調整された仮想Ｘ線照射源４の仮想照射チャンバ６４〜６６を有する異なる３つの検出器６１、６２、６３が示されている。このような配置で、ここでは単に線として示されている焦点層３に厚さｔを、シミュレートされた回転中に変更することができる。パノラマ断層写真を撮影するための従来のＸ線撮影装置ではそれは不可能である。従来のパノラマ断層写真の場合は検出器の幅がメーカーによって異なるので、検出器の幅が適応可能であることによって、メーカー特有の標準写真を作成することができる。

更に、メーカー特有の特殊性を再現するために、Ｘ線照射源から出る照射チャンバ用のメーカー特有の照射角度を考慮することもできる。

パノラマ断層写真の他に横断断層写真（ＴＳＡ写真）を作成することもでき、この場合は物体に対する移動は別の構成になっているが、焦点層を生じる画像のぼかしは行われる。

ＰＡＮ写真、又はＴＳＡ写真の場合、例えば大きさの比率に最初に適応させるため、焦点層の位置を自由に選択することができ、又は所定の位置用に事前選択できる。更に、解剖学的構造を利用して位置を自動的に定めることもできる。

１ デジタル三次元ボリューム
２ 患者の頭部
３ 焦点層
４ 仮想Ｘ線照射源
５ 仮想検出器
６ 仮想照射チャンバ
７ 仮想Ｘ先行及び仮想検出器５のシミュレートされた回転
８ シミュレートされた回転７中に回転中心Ｚが辿る曲線
９ 不都合な構造
１０ 断層写真
１１ 顎骨
１２ 歯
１３ 咬合
１４ デジタル三次元ボリューム１の部分領域
１５ 仮想Ｘ線照射源
１６ 仮想検出器
１７ 仮想Ｘ線照射源１５と仮想検出器１６とがそれに沿って移動する経路
３１ 咬合面内の焦点層３の中心面
３２ 咬合面の上部の焦点層の中心面
３５ 歯
３６ 歯
６１ 仮想検出器
６２ 仮想検出器
６３ 仮想検出器
６４ 仮想検出器６１の幅ｂ１に対応する仮想照射チャンバ
６５ 仮想検出器６２の幅ｂ２に対応する仮想照射チャンバ
６６ 仮想検出器６３の幅ｂ３に対応する仮想照射チャンバ
ｂ１ 仮想検出器５又は６１の幅
ｂ２ 仮想検出器６２の幅
ｂ３ 仮想検出器６３の幅
ｒ 焦点層３とＺ軸との間隔
Ｚ シミュレートされた回転７の回転中心

Claims (9)

1. Ｘ線吸収値を含むデジタル３次元体積（１）から、歯科用Ｘ線パノラマ断層撮影法に従って断層画像（１０）を作成する方法であって、被写体としての前記３次元体積（１）は、仮想Ｘ線源（４；１５）を用いて仮想的に照射され、仮想的に発生する画像は、仮想検出器（５；１６；６１，６２，６３）を用いて撮影され、前記仮想Ｘ線源（４；１５）と前記仮想検出器（５；１６；６１，６２，６３）とが、ボケ部分を有する鮮明層（３）を形成しながら、前記被写体の側を通って仮想的に移動されることを特徴とする方法。
2. 造影のために前記３次元体積（１）から前記断層画像（１０）を作成する前に、望ましくない構造（９）が取り除かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記断層画像（１０）を作成する前に又は間に、前記鮮明層（３）の位置を調節できることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記鮮明層（３）から前記仮想Ｘ線源（４；１５）若しくは前記仮想検出器（５；１６；６１，６２，６３）までの間隔を、Ｘ線源−検出器−回転面に垂直に変更できることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 撮影される鮮明層（３）の厚さ（ｔ）を変えるために、前記仮想検出器（５；１６；６１，６２，６３）の幅（ｂ０；ｂ１，ｂ３，ｂ４）、仮想照射線扇（６；６４，６５，６６）の扇状の広がり、及び前記仮想Ｘ線源（４；１５）と前記仮想検出器（５；１６；６１，６２，６３）との模擬された回転速度を変更できることを特徴とする請求項１〜４のうちの１項に記載の方法。
6. 前記断層画像（１０）が、パノラマ断層画像であることを特徴とする請求項１〜５のうちの１項に記載の方法。
7. 前記鮮明層（３）から前記仮想Ｘ線源（４；１５）及び前記仮想検出器（５；１６；６１，６２，６３）までの間隔、前記仮想検出器（５；１６；６１，６２，６３）の幅（ｂ０；ｂ１，ｂ２，ｂ３）、及びボケ部分が、標準的なパノラマ断層画像に対応していることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記断層画像（１０）が、個別の歯の画像であることを特徴とする請求項１〜５のうちの１項に記載の方法。
9. 前記断層撮影を行う前に、探索アルゴリズムを利用して、前記３次元体積（１）から、特徴のある解剖学的構造に基づいて、被写体内に前記鮮明層（３）の位置が自動的に設定されることを特徴とする請求項１〜８のうちの１項に記載の方法。
   

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