JP5602293B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、コーンビーム形Ｘ線発生部とエリア検出部とを装備したボリュームスキャンの可能なＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に装備される寝台の多くは、被検体を載置する天板を片側で支える構造を採用している。この構造は、設置スペースの縮小を可能にし、術者の作業エリアを拡大する優位性があるものの、天板それ自体の自重及び被検体の体重により天板が下方に変形するいわゆる“たわみ”が避けられない。

従来の方法では、天板を支持する機構及び天板自体の剛性を向上させるなどの物理的・機械的に天板のたわみを抑制する対策がとられた。しかし、この対策では、天板を片側で支えている構造上、地球の重力による天板のたわみを軽減することはできても解消することは回避することができない。

それにより、例えばＸ線管等の回転軸（Ｚ軸；被検体の体軸に近似的）にそって位置を変えながらボリュームスキャンを繰り返すとき、そのＺ軸に長く合成した全体画像は、そのボリュームスキャン切替位置に明らかな段差が生じて、不連続な全体画像となってしまう。この問題を解決するのに、天板の位置とたわみ量との関係を事前に測定し、それに応じて画像位置をシフトする方法がよく用いられているが、その解決法では予備スキャンが必要であるなどの非常に手間がかかるといった問題とともに、画像位置のシフト処理では、天板のたわみ量がピクセルピッチの整数倍になることが少なくそのために段差（不連続）を本質的に解消することができない問題もある。

特開２００３−１１５４０７号公報 特開２００７−１５９７１９号公報 特開２００８−３０７４９７号公報

本発明の目的は、天板のたわみによる画像の不連続性を予備スキャンを不要にして本質的に軽減することにある。

本発明のある局面によるＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体を載置する天板を移動可能に片側で支持する構造を有する寝台と、Ｘ線を発生するＸ線発生部と、前記Ｘ線発生部から発生され、前記被検体を透過したＸ線を検出する検出部と、前記Ｘ線発生部と前記検出部とを所定の回転軸回りに回転させる回転機構と、前記検出部の出力に基づいて前記回転軸に沿って連なる複数の３次元画像を再構成する再構成処理部と、前記複数の３次元画像各々から前記天板の天板領域を抽出する天板抽出部と、前記複数の３次元画像のうち隣り合う３次元画像において、一方の３次元画像上の前記天板領域の前端位置と他方の３次元画像上の前記天板領域の後端位置とのズレ量を測定するズレ量測定部と、前記ズレ量に基づいて位置補正しながら前記複数の３次元画像を合成して天板位置の段差が解消された合成画像を発生する合成画像発生部とを具備する。

本発明によれば、天板のたわみによる画像の不連続性を予備スキャンを不要にして本質的に軽減することができる。

本発明の実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図である。 図１のガントリ及び寝台の斜視図である。 本実施形態において、天板位置補正処理のためのプレスキャンによるスキャン領域（３次元領域）を示す図である。 本実施形態に係る天板位置補正処理の流れを示す流れ図である。 図４の天板位置検出処理工程Ｓ１２において、天板領域のＣＴ値をＹ方向に積分した積分値に関するＸ方向のプロファイルを示す図である。 図４のズレ量測定処理工程Ｓ１３において、ボリューム（ｎ）に対するボリューム（ｎ＋１）の天板位置のズレ量を示す図である。 図６の補足図である。 図４のズレ量測定処理工程Ｓ１３の具体的な計算方法の説明を補足する図である。 本実施形態による天板位置補正後の断層像のＺ方向に関する連続性を、天板位置補正前の断層像のＺ方向に関する不連続性と比較して示す図である。

以下、本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置を好ましい実施形態により詳細に説明する。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ROTATE/ROTATE-TYPE、リング状にアレイされた多数の検出素子が固定され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転するSTATIONARY/ROTATE-TYPE等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、ROTATE/ROTATE-TYPEとして説明する。また、画像データを再構成するには、被検体の周囲１周、３６０°分の投影データが、またハーフスキャン法でも１８０°＋ファン角分の投影データが必要とされる。いずれの再構成方式にも本発明は適用可能である。ここでは、３６０°法を例に説明する。また、入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光を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線によるセレン等の半導体内での電子正孔対の生成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主流である。検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよい。さらに、近年では、Ｘ線管とＸ線検出器との複数のペアを回転リングに搭載したいわゆる多管球型のＸ線ＣＴ装置の製品化が進み、その周辺技術の開発が進んでいる。本発明では、従来からの一管球型のＸ線ＣＴ装置であっても、多管球型のＸ線ＣＴ装置であってもいずれにも適用可能である。ここでは、一管球型として説明する。

図１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す図である。ガントリ１００には、回転支持機構が収容される。回転支持機構は、回転リング１０２と、回転リングを回転軸Ｚを中心として回転自在に支持するリング支持機構とからなる。回転リングには、Ｘ線管１０１が搭載される。Ｘ線管１０１は、高電圧発生装置１０９からスリップリング１０８を経由して管電圧の印加及び管電流の供給を受けて、焦点からＸ線を放射する。Ｘ線管１０１のＸ線放射窓にはコリメータユニット１１８が取り付けられている。コリメータユニット１１８は、Ｘ線管１０１からのＸ線を四角形に制限する。コリメータユニット１１１により、Ｘ線は、コーンビーム形（角錐形）に成形される。

回転リング１０２には、Ｘ線管１０１と、２次元アレイ型又は多列型とも称されるエリアＸ線検出器１０３が搭載されている。エリア検出器１０３は、回転軸Ｚを挟んでＸ線管１０１に対峙する位置及びアングルで取り付けられる。エリア検出器１０３は、複数のＸ線検出素子を有している。なおここでは単一のＸ線検出素子が単一のチャンネルを構成するものとして説明する。複数のチャンネルは、回転軸Ｚに平行な方向（スライス方向）と、回転軸Ｚに直交し、且つＸ線焦点を中心として緩やかにカーブする円弧方向（チャンネル方向）との２方向に関して２次元状に配列される。このような２次元の検出素子配列を有するエリア検出器１０３は、チャンネル方向に関して１列に配列された検出素子を、スライス方向に関して複数列並べることで構成するようにしてもよいし、検出素子がＭ×Ｎのマトリクスに配列されてなる複数のモジュールを配列することで構成するようにしてもよい。撮影又はスキャンに際しては、Ｘ線管１０１とエリア検出器１０３との間の円筒形の撮影領域内に、被検体が挿入される。

エリア検出器１０３の出力には、一般的にＤＡＳ(Data Acquisition System) と呼ばれるデータ収集回路１０４が接続されている。このデータ収集回路１０４には、エリア検出器１０３の各チャンネルの電流信号を電圧に変換するＩ−Ｖ変換器と、この電圧信号をＸ線のばく射周期に同期して周期的に積分する積分器と、この積分器の出力信号を増幅するアンプと、このプリアンプの出力信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル・コンバータとが、チャンネルごとに設けられている。

このデータ収集回路１０４から出力されるデータ（純生データ(pure raw data)）は、磁気送受信又は光送受信を用いた非接触データ伝送装置１０５を経由して、前処理部１０６に伝送される。前処理部１０６は、この純生データに対して前処理を施す。前処理には、例えばチャンネル間の感度不均一補正処理、Ｘ線強吸収体、主に金属部による極端な信号強度の低下又は信号脱落を補正する処理等が含まれる。この前処理部１０６から出力される再構成処理直前のデータ（生データ(raw data)又は投影データと称される、ここでは投影データという）は、データ収集した時のビューアングルを表すデータを関連付けられて、磁気ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリを備えた投影データ記憶部１１２に記憶される。

なお、投影データとは被検体を透過したＸ線の強度に応じたデータ値の集合であり、ここでは説明の便宜上、各ビューポイントごとにワンショットで略同時に収集したビューアングルが同一である全チャンネルにわたるひとそろいの投影データを投影データセットと称する。また、ビューアングルは、Ｘ線管１０１が回転中心軸Ｚを中心として周回する円軌道上の各位置を、回転軌道の最上部の位置をゼロ°として３６０°の範囲の角度で表したものである。なお、投影データセットの各チャンネルのデータは、ビューアングル、コーン角、チャンネル番号で識別される。

再構成処理部１１４は、ビューアングルが３６０°又は１８０°＋ファン角の範囲内の投影データセットに基づいて、フェルドカンプ法又はコーンビーム再構成法により略円柱形の再構成範囲の３次元画像データ（ボリュームデータ）を再構成する機能を有する。さらに再構成処理部１１４は、例えばファンビーム再構成法（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ともいう）又はフィルタード・バックプロジェクション法により２次元画像データ（断層画像データ）を再構成する機能を有する。フェルドカンプ法は、コーンビームのように再構成面に対して投影レイが交差する場合の再構成法であり、コーン角が小さいことを前提として畳み込みの際にはファン投影ビームとみなして処理し、逆投影はスキャンの際のレイに沿って処理する近似的画像再構成法である。コーンビーム再構成法は、フェルドカンプ法よりもコーン角エラーが抑えられる方法として再構成面に対するレイの角度に応じて投影データを補正する再構成法である。これら再構成法では、逆投影処理において、直交３軸（ｘ，ｙ，ｚ）で表現された再構成処理座標系が用いられる。

実際的には、再構成処理座標系上の各点に対応する投影データがビューアングル、コーン角、チャンネル番号から特定され、事前にこれら再構成処理座標系上の各点と、それに対応する投影データのビューアングル、コーン角、チャンネル番号との対応関係が事前に決定され、ＲＯＭ化される。このＲＯＭへの読み出し制御を変更することにより、再構成処理座標系上の各点と、それに対応する投影データのビューアングル、コーン角、チャンネル番号との対応関係を任意に変更して、実質的に再構成処理座標系の原点移動を実現することができる。

天板位置検出部１１３は、３次元画像から生成した天板を横断するｘｙ面に関する２次元画像（断層像）から、天板の短軸中心点を含む所定サイズで局所領域を抽出する。２次元画像のＹ軸は天板のたわみ方向に対応する。天板位置検出部１１３は、局所領域内の全てのＹ座標点について個々に、天板の短軸方向に相当するＸ軸方向に関してＣＴ値を積算する。積算値のＹ軸方向に関する変化を積算値プロファイルという。天板位置検出部１１３は、積算値プロファイルから最大値を特定し、そのＹ座標を、当該断面の天板たわみ方向に関する天板位置として検出する。

ズレ量測定部１１７は、天板位置検出部１１３で検出した天板位置と、基準位置との距離をズレ量として測定する。典型的には、被検体の体軸に略平行な回転軸にそって離散的又は連続的に連なる複数の３次元領域をスキャンするとき、複数の３次元領域中の最も天板支持位置に近い特定の３次元領域内の２次元画像から検出した天板位置にズレ量測定部１１７により基準位置は設定される。

ズレ量補正部１１９は、ズレ量測定部１１７で測定されたズレ量に基づいて再構成処理座標系上の原点位置を実質的に補正して、再構成処理部１１４で３次元画像を再構成させる。具体的には、ズレ量補正部１１９は、再構成処理座標系上の原点位置を実質的に補正するために、ズレ量測定部１１７で測定されたズレ量に基づいて、投影データ記憶部１１２から再構成処理部１１４への投影データの読み出しアドレスを、天板位置のズレを補正するように変更する。

図３には本実施形態においてボリュームスキャンによる複数のスキャン領域（複数の３次元領域ＶＳ）を示している。図４には本実施形態の天板位置ズレ補正処理方法の手順を示している。図３に示すように、ホストコントローラ１１０の制御のもとで、Ｘ線管１０１及びエリア検出器１０３が被検体の周囲を連続的に回転する。この連続回転のもと、コンベンショナルスキャンがその位置を離散的に変位しながら複数回繰り返される。コンベンショナルスキャンは、Ｘ線管１０１及びエリア検出器１０３の連続回転と並行して天板が連続的に移動しながら投影データセットの収集を繰り返すヘリカルスキャンと異なり、天板の移動と停止を繰り返し、各停止位置で少なくとも３６０度分の投影データセットの収集を少なくとも１回実行する。天板の所定距離移動及び停止を伴って投影データセットの収集が断続的に繰り返される。１回あたりの天板の移動距離は、典型的には、１回のスキャンで再構成可能な３次元領域ＶＳのＺ軸方向の幅に一致される。この場合、複数の３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）は連続する。もちろん、１回あたりの天板の移動距離を３次元領域ＶＳのＺ軸方向の幅より短くてもよく、その場合、複数の３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）は部分的にオーバーラップする。また、１回あたりの天板の移動距離を３次元領域ＶＳのＺ軸方向の幅より長くてもよく、その場合、複数の３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）はギャップを有する。

ここで、このコンベンショナルスキャンの繰り返しで収集された投影データセットは、天板位置補正処理と最終的な診断用画像の再構成処理とで共用されるものであり、天板位置補正処理のためのスキャンは不要である。

コンベンショナルスキャンの繰り返しで全ての３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）に関して全ての投影データセットの収集が完了すると、画像再構成処理がなされる（Ｓ１１）。画像再構成処理では、再構成処理部１１４により、３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）各々について、ビューアングルが３６０°又は１８０°＋ファン角の範囲内の投影データセットに基づいて典型的にはコーンビーム再構成法により、図８に示すように、略円柱形の再構成範囲（ＶＳ１−ＶＳ４に等価領域）の３次元画像データ（ボリュームデータ）Volume(1)−Volume(4)が再構成される。この再構成処理は、再構成処理部１１４に既定の直交３軸（ｘ，ｙ，ｚ）で表現された再構成処理座標系上でなされる。

３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）にそれぞれ対応するボリュームデータVolume(1)−Volume(4)からそれぞれ、天板位置検出部１１３により、各３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）内で天板の片側支持位置に最も近い断面位置に関する２次元画像（断層像）２Ｄｓ（１）−２Ｄｓ（４）と、各３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）内で天板の片側支持位置から最も遠い断面位置に関する２次元画像２Ｄｅ（１）−２Ｄｅ（４）が生成される。この処理は断面変換処理（ＭＰＲ）と呼ばれる処理である。

ここで、上述では、Ｓ１１において、ボリュームデータVolume(1)−Volume(4)を再構成して、それぞれのボリュームデータをVolume(1)−Volume(4)から断面変換処理により、２次元画像２Ｄｓ（１）−２Ｄｓ（４）、２Ｄｅ（１）−２Ｄｅ（４）を生成したが、再構成処理部１１４において、ボリュームデータVolume(1)−Volume(4)を再構成しないで、３次元領域ＶＳ（１）−ＶＳ（４）各々の所定位置の断面に関して、ファンビーム再構成法又はフィルタード・バックプロジェクション法により直接的に２次元画像２Ｄｓ（１）−２Ｄｓ（４）、２Ｄｅ（１）−２Ｄｅ（４）を再構成するようにしてもよい。

次に、天板位置検出部１１３により、２次元画像２Ｄｓ（１）−２Ｄｓ（４）、２Ｄｅ（１）−２Ｄｅ（４）各々から、閾値処理により天板領域が抽出され、そして図５に示すように、抽出された天板領域の短軸中心点を含む所定サイズの局所領域が抽出される。天板位置検出部１１３により、局所領域内の全てのＹ座標点について個々に、天板の短軸方向に相当するＸ軸方向に関してＣＴ値が積算される。図５には、積算値のＹ軸方向に関する変化を積算値プロファイルを例示している。天板位置検出部１１３では、この積算値プロファイルから最大値を特定し、そのＹ座標を、当該断面の天板たわみ方向に関する天板位置Ｙｓ１−Ｙｓ４、Ｙｅ１−Ｙｅ４として検出する。

次に、ズレ量測定部１１７では、天板位置検出部１１３で検出した天板位置と、基準位置との距離をズレ量として測定する（Ｓ１３）。典型的には、図７に示すように、複数の３次元領域中の最も天板支持位置に近い特定の３次元領域ＶＳ（１）内の２次元画像２Ｄｅ（１）から検出した天板位置Ｙｅ１が基準位置に設定される。図６、図８に示すように、３次元領域ＶＳ（１）の天板位置を基準として、３次元領域ＶＳ（２）−ＶＳ（４）の天板位置のズレ量が測定される。３次元領域ＶＳ（２）−ＶＳ（４）の天板位置のズレ量Ｃｏｒ（２）−Ｃｏｒ（４）は次の通り計算される。
Ｃｏｒ（２）＝Ｙｅ０−Ｙｓ１
Ｃｏｒ（３）＝（Ｙｅ１−Ｙｓ２）＋Ｃｏｒ（２）
Ｃｏｒ（４）＝（Ｙｅ２−Ｙｓ３）＋Ｃｏｒ（３）
つまり、隣り合う第１、第２の３次元領域において、第１の３次元領域の後端での天板位置Ｙｅと、第２の３次元領域の前端での天板位置Ｙｓとのズレ量を、初期ズレ量Ｃｏｒ（２）に累積的に加えていくことで、各３次元領域のＸＺ面の長軸画像を合成した合成画像上での天板位置の段差を解消又は軽減することができる。

ズレ量測定部１１７で測定されたズレ量Ｃｏｒ（２）−Ｃｏｒ（４）に基づいてズレ量補正部１１９では再構成処理部１１４での再構成処理座標系上の原点位置を実質的に補正して、再構成処理部１１４で３次元画像を再構成させる（Ｓ１４）。具体的には、ズレ量測定部１１７で測定されたズレ量に基づいて、投影データ記憶部１１２から再構成処理部１１４への投影データの読み出しアドレスを、天板位置のズレを補正するように変更するものである。

このように各３次元領域の前後で天板位置のズレを測定して補正することで、天板位置補正された４つの３次元画像からそれぞれ各３次元領域のＸＺ面の長軸画像を発生し、それらを合成した合成画像上では、各３次元領域内での天板のたわみを許容しながら、図９に示すように、天板位置の段差が解消又は軽減されることができる。

また、本実施形態では、初期に再構成した３次元画像を単純にシフトしてズレを解消しようとしたものではなく、再構成処理の実質的な原点シフトにより再構成処理を再度実行する。初期に再構成した３次元画像を単純にシフトする場合、ズレ量がピクセルピッチ（ボクセルピッチ）の整数倍でないとき、位置ズレ補正の精度が低下する。しかし、本実施形態では、再構成処理における原点を実質的にシフトして再構成処理を再度実行することにより、そのような精度低下は回避できる。

従来技術では、物理的なたわみの抑制では限界があり、天板の強度を強くするなどにより他への弊害（アーチファクト、ノイズ）が考えられる等の問題があった。また、たわみ量は、スキャン範囲、被写体位置、被写体荷重等、さまざまな要因により変化すると予想されるため、あらかじめ補正テーブル等を持つことも不可能であるといえる。また、これらの方法は二回スキャンするなど、手間がかかるといった問題があったが、本実施形態では、上記、問題を解決して、各CT画像の患者位置ずれをなくし、またユーザーの手間を減らすことができる。

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、天板のたわみによる画像の不連続性を予備スキャンを不要にして本質的に軽減する分野に利用可能性がある。

１２０…天板、１００…ガントリ、１０１…Ｘ線管、１０３…エリア検出部、１０２…回転機構、１１４…再構成処理部、１１３…天板位置検出部、１１７…ズレ量測定部、１１９…ズレ量補正部。

Claims (4)

1. 被検体を載置する天板を移動可能に片側で支持する構造を有する寝台と、
   Ｘ線を発生するＸ線発生部と、
   前記Ｘ線発生部から発生され、前記被検体を透過したＸ線を検出する検出部と、
   前記Ｘ線発生部と前記検出部とを所定の回転軸回りに回転させる回転機構と、
   前記検出部の出力に基づいて前記回転軸に沿って連なる複数の３次元画像を再構成する再構成処理部と、
   前記複数の３次元画像各々から前記天板の天板領域を抽出する天板抽出部と、
   前記複数の３次元画像のうち隣り合う３次元画像において、一方の３次元画像上の前記天板領域の前端位置と他方の３次元画像上の前記天板領域の後端位置とのズレ量を測定するズレ量測定部と、
   前記ズレ量に基づいて位置補正しながら前記複数の３次元画像を合成して天板位置の段差が解消された合成画像を発生する合成画像発生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. 前記複数の３次元画像各々から各々の端断面に関する２次元画像が生成され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２次元画像から抽出した前記天板領域の略中心領域についてＣＴ値を前記天板の短軸方向に関して積分した積分値が最大値を示す位置を前記天板位置として検出することを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記Ｘ線発生部はコーンビーム形のＸ線を発生し、
   前記検出器はエリア検出器であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。