JP5661624B2 - 三次元回転型ｘ線スキャナシステムの機械的アラインメントに起因するリング・アーチファクトの除去 - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータ断層撮影（CT）用の三次元回転型のX線撮像システムに関し、とりわけ、完全に共通の中心をもってはいない（アイソセントリックではない）三次元回転型のC字状のアームをもつシステムにおいて、実効的な回転中心を決定するため、且つ三次元で再構築されねばならない関心対象の一連の二次元の投影画像を取得するために斯様なCTスキャナシステムを使用するときに起こる、実質的に円状のリング・アーチファクトを除去するための迅速で正確な、且つ数学的に強力な較正方法に関する。このために、C字状のアームをもつ回転型のCTスキャナが用いられ、当該スキャナは、少なくとも1つのX線管により発されたX線ビームに晒される、X線照射に感応する表面をもつ少なくとも1つの放射線検出器を有し、X線管及び検出器の各々が、一連の二次元の投影画像から三次元的に再構築されねばならない関心対象の周りを理想的な円形ではない軌跡に沿って回転する。当該スキャナは、較正用ファントムを複数の異なる投影方向からスキャンするステップと、各投影方向ごとにX線管の焦点スポット及びX線検出器の中心の三次元の位置を算出するステップとによって、幾何学的な較正データを提供するよう用いられる。少なくとも1つのX線管と、少なくとも1つの放射線検出器とが回転する際の回転軸の正確な三次元の位置及び角方位を近似するために、数学的に強力な最小二乗法の適合を複数用いた円回帰技術が使用される。

今日、断層撮影用のX線撮像技術は、臨床診断、工業検査、及び安全のための透視などの異なる分野で広く認められた。医療分野では、専用の高解像度のCT撮像システムが癌研究用の重要で新たなツールとして最近登場した。この理由としてCTスキャナは、（例えば内部器官、心臓血管系、及び/又は何らかの他の組織構造又は病理学的構造など）患者の体の内部にある関心領域を侵襲せずに検査する必須の医療用撮像手段だからである。医療用断層撮像システムは、上記のシステムにより一連の二次元の投影画像を患者の周囲の複数の異なる投影方向から取得し、当該画像は次に、可視化されねばならない体内組織の三次元の再構築画像を作り出すために使われる。

近年、螺旋走査型CT、即ち新世代のCTスキャナの使用と共に今日の回転走査型のCT撮像システムの三次元の撮像能力を利用することにより、放射線専門医は患者の一回の呼吸の間に行う迅速な検査によって、多くの時間を節約することが可能である。マルチ・スライスの螺旋走査型のCTで使われている、従来からある回転ガントリタイプのアイソセントリックな三次元回転型のX線スキャナシステムでは、Ｘ線照射に対して感応する検出器のアレイが、当該検出器のアレイに対して正反対の位置に配置されたＸ線管によって発された扇状又は円錐状のX線ビームに晒され、前記Ｘ線管及び前記検出器のアレイの両方が、患者の周りで連続して回転する回転型のガントリ上に置かれている。侵襲することなく検査されねばならない患者の体の内部の組織ボリュームの三次元画像を再構築するのに使われることが出来る一連の二次元の投影画像を取得するために、Ｘ線管及び検出器アレイが患者の周りで円状の軌跡に沿って回転され、ここで患者は、回転軸に沿って前進する患者テーブルに横たわっている。

エリアビーム型の検出器をもつ三次元撮像システムが、X線管と検出器とを回転の中心軸の周りで円状の経路を描くよう回転させることによって動作した。回転軸が、患者の組織の関心ボリューム又は領域の中心に位置決めされる。X線管と、画像強調器などのX線検出器とが、回転するC字状の支持アセンブリの両端に通常取り付けられている。X線管は、関心領域（ROI）に当たり且つ内部組織によって減衰されるX線を患者に照射する。X線は患者を通過し、患者の内部組織によって減衰され、その後、減衰したX線がX線検出器に衝突する。一連の画像を撮影することによって三次元の画像データが取得され、同時にX線管/C字状のアーム/検出器のアセンブリが、患者の関心領域が中心に置かれている回転軸の周りに回転される。複数の二次元の断面画像が、スキャンされた対象物の三次元画像を作るために処理され、組み合わされる。

従来からある可動するC字状のアーム・アセンブリは、X線管及びX線検出器を当該C字状のアームに取り付けるために、簡単な支持構造と形状とを利用している。当該支持構造はX線管と検出器とをC字状のアームに保持し、X線管と検出器との間の距離を所定の一定距離に維持する。このように、X線管と回転軸との間の距離、及び検出器と回転軸との間の距離は固定され、一定値に留まっている。

現行のC字状のアームをもつＸ線透視撮像システムでは、三次元の断層撮像画像の再構築が、当該C字状のアームを関心対象の周りに、円に準じた円弧でスイープすることによって行われる。交差するアームの動きを用いると、当該円弧は円状であり、これゆえアイソセントリックである（共通の中心をもっている）。例えばC字状のアームを用いて、X線ビームが患者の頭の周りをスイープする（頭の周りに円状の円弧を描くCTスキャン）。ボリューム画像の再構築が、二次元投影のスキャン画像によって行われる。患者テーブルの頭部の周りをスイープし、当該テーブルの頭部に位置決めされたC字状のアームの交差するアームの動きで、スイープ動作が行われる。したがって、対象物は中央に留まる（アイソセントリックな動き）。

使用される技術とは無関係に、回転型のCTスキャナによって複数の異なる投影方向から取得された一連の二次元の投影画像から算出された関心対象の三次元で再構築された画像は、取得されたCT画像の検出された強度値と、可視化されねばならない対象物の予想される減衰係数との間の差異によって生じるCTのアーチファクトによって、しばしば大きく歪む。これは以下で簡潔に説明されるであろう複数の理由に起因する。従来からの断層撮影用X線撮像のような螺旋走査型のCTにおいて依然として存続するこれらのアーチファクトは、再構築されたCT画像の画像品質を非常に劣化させ、診断精度に重要な影響を及ぼす。残念ながら、実際にCT画像中にアーチファクトがあるかどうかを言うことは、この判断はしばしば放射線専門医による判断なので、常に可能ではない。しかしながら重大なアーチファクトがある場合でも、医師は信頼性のある診断をすることがしばしば出来ない。何故ならば、関心のある生体組織が隠されているかも知れないし、又は完全に歪んでいるかも知れないからである。

概して、CTのアーチファクトは4つのカテゴリに分類されることができる。これらは、a) ビーム硬化、光子窮乏、及びアンダーサンプリングによるアーチファクトを含む、物理的な事象に基づくアーチファクト、b) 金属によるアーチファクト及び動きによるアーチファクトを含む、患者ベースのアーチファクト、c) （本発明が関与するアーチファクトのタイプである）検出器の感度及び機械的な安定度によって生じるアーチファクトを含む、スキャナベースのアーチファクト、及びd) 螺旋状の補間に起因して起こる、螺旋状の走査に基づいたアーチファクト、である。したがって、注意深く患者を位置決めし、患者の動きを防止し、スキャン・パラメータの最適な選択をすることがCTのアーチファクトを防ぐ重要なファクタである。

CT画像中の大多数のアーチファクトは縞状の外観として発現し、金属製の対象物、ビーム硬化、光子窮乏、及び/又は対象物の動きによって生じる。一回の読み取りの際に1つの検出器チャンネルの測定値が乱されると、1本の縞が生じる。第三世代の回転型のCTスキャナシステムのX線検出器が較正からはずれた場合に相当する、一回転の間に1つのチャンネルが欠落すると、検出器は各々の角度位置で連続して誤りの多い読み取り結果を与えることになるだろうし、これゆえ、円状のリング・アーチファクトを生じる。

リング・アーチファクトの出現の別の重要な理由は、例えばX線断層撮像を用いて侵襲されることなく検査されねばならない患者の体内の組織領域などの関心対象を三次元で再構築するために回転スキャンを行うことが出来る、コンピュータ断層撮像で使われている従来からあるC字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステムが、完全なアイソセントリックではない、という事実から成る。実際に、機械的な撓み、機械的な遊び、及び機械的なコンポーネントの不完全な位置合わせは、「回転の中心」が回転角によって変化する原因となる。多くの従来から使われているC字状のアームをもつシステムが、当該C字状のアームの公転運動と共に正確な三次元の断層撮像の再構築を行うことが出来ない。何故ならば、X線管及び検出器アレイの軌道が完全にアイソセントリックではないからである。この結果、三次元で再構築されねばならない関心対象の、取得された二次元の投影画像が、アイソセントリックではない撮像円弧に起因して歪んでしまい、医療目的、診断目的、又は手術目的に使用することが出来ない。円状のリング・アーチファクトが疾患構造と混同されることは稀であろうが、これらのアーチファクトは断層撮像画像の診断品質を大きく損なう可能性がある。正確なリング・アーチファクトの検出及び修正のために、実効的な回転中心となっている、当該リング・アーチファクトの中心を非常に正確に知ることが従って最大限重要である。非常に正確にとは、ミリメータ以下のレベルの精度から、特に軟組織の撮像に対しては三次元のボリュームのボクセルサイズまでを意味する。この中心位置は後に、可視化されねばならない対象物の三次元の再構築描画中にあるアーチファクトを除去するために用いられる。完全にアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムを用いて対象物の二次元の投影画像を取得する際にX線管及び検出器アレイのアイソセントリックではない動きに起因して起こる円状のリング・アーチファクトを除去することによって、断層撮像画像の再構築を改善する較正システム及び較正方法が、これ故非常に望まれることであろう。

米国特許公開公報US 2005/0084147 A1は、アイソセントリックではない軌跡に沿って取得された一連の二次元の投影画像に基づいて、関心対象の三次元画像を再構築するための方法を提案している。本願明細書で説明したように、当該方法は仮想のアイソセンタ（共通の中心点）を形成するために、対象物とX線管及びX線に感応する検出器の少なくとも１つとの間の距離を決定し、変化させるステップと、前記対象物の撮像の間、当該対象物を前記仮想のアイソセンタに維持するステップと、前記仮想のアイソセンタが維持されている間に得られた撮像データの拡大率の変化を正規化するステップと、前記画像データと前記正規化された拡大率の変化とに基づいて、前記対象物の画像を再構築するステップと、を含む。ここで開示された方法は、検出器と対象物との間の距離を変化させる間に当該検出器とX線管とを対象物の周りに移動させるために、当該当該検出器及びX線管を含む支持部を円ではない円弧状に移動させるステップを更に含んでいる。

完全にアイソセントリックではないC字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステムを用いる場合、従来技術によるこれまでの再構築法は、通常、非線形の数学的手法を実効的な回転中心を決定するために使用している。これらの方法は、必ずしも最良ではない「解決策」を提供しているという欠点と、（例えばPhilips社の製品XtraVisionの一部であるXperCTの回転スキャンなどの）角度範囲が180度かそれよりも少ないCTスキャンでは働かないという欠点と、一連の二次元の投影画像を取得する際に、X線管と検出器のアレイとが移動する実質的に円状の軌跡である画像取得面に対して完全に直交していない回転軸については言及していないという欠点とを暗示している。

したがって本発明は、完全にアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムを使用する場合に、X線管及び検出器アレイのアイソセントリックではない動きに起因して起こる、スキャナベースの円状のリング・アーチファクトの修正を容易にし、よって、可視化されねばならない関心対象の周りを実質的に円状の軌跡に沿った複数の異なる投影方向から得られた一連の二次元の投影画像の画像データを組み合わせることによって得られた一連のボクセルデータに基づいて算出され、断層撮像的に再構築された三次元画像の画像品質を改善するという目的を目指している。

この目的の観点から本発明の第1の例示的な実施例は、一連のX線撮影された二次元の投影画像中にある実質的に円状のリング・アーチファクトを取り除くための較正方法を引用する。ここで当該二次元の投影画像が、少なくとも1つのX線管と、当該X線管に対して正反対の位置に配置された少なくとも1つの付随するX線検出器とを備えた完全にアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムによって、複数の異なる投影方向から取得される。

この結果、提案された較正方法は、前記X線管及びX線検出器のアレイの各々を、可視化され且つ断層撮像的に再構築されねばならない対象物の周りに円状の軌跡に沿って移動させる際に、較正用ファントムを前記投影方向の各々からスキャンするステップを含む。各投影方向に対して、少なくとも1つのX線管の焦点スポットの三次元の位置と、付随する少なくとも1つのX線検出器の三次元の位置とが、取得された二次元の投影画像から算出される。この後、完全にアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムが回転する際の実効的な回転中心の三次元座標が、算出された三次元の位置データに基づいて実行された三次元の較正手順の結果として得られた一連の幾何学的な較正データから決定される。

この第1の例示的な実施例によれば前記三次元の較正手順は、前記較正用ファントムを前記投影方向の各々からスキャンし、結果として生じる実質的に円状のリング・アーチファクトを、前記回帰円が存在する投影面へと投影する際に得られる実質的に円状のリング・アーチファクトの二次元投影に一番良くフィットする回帰円の半径と中心位置とを算出する円の回帰アルゴリズムに基づいていると予見される。少なくとも1つのX線管の焦点スポットの位置と、少なくとも1つの付随するX線検出器の中心位置とを結んでいる線の各々を所与の分割比によって分割することによって得られた三次元の位置を表す実質的に円状のリング・アーチファクトを形成している一連の点に一番良くフィットする円になる最小二乗法のフィッティング（適合）を、当該円の回帰アルゴリズムは含んでいる。この分割比は、前記投影方向の各々に対して、それぞれの画像の取得時刻における特定の投影角度に対する前記少なくとも1つのX線管の瞬間的な焦点スポット位置と、この時点での回転中心の位置との間の距離、及びこの時刻でのこの投影角度に対する前記少なくとも1つのX線検出器の瞬間的な中心位置と、この時点での回転中心の位置との間の距離の比率によって決定される。三次元の較正手順を用いて算出した結果として得られる回帰円の中心位置は、取得された一連のX線撮影された二次元の投影画像から関心対象を再構築するときに、実質的に円状のリング・アーチファクトの、投影面における実効的な回転中心として、これ以降解釈される。

この第1の例示的な実施例の更なる改善案によれば、結果として得られる回帰円の面と直交するベクトルの方位が、取得した一連のX線撮影された二次元投影画像から関心対象を再構築する際に、実効的な回転軸の方位ベクトルとして解釈されることが予見される。上記によって、この方位ベクトルが、一連の点にフィットさせるための最小二乗法の最適化規範に基づいて算出される。この一連の点は、前記一連のX線撮影された二次元の投影画像を、回帰円を得るために異なる投影方向から取得し、結果として得られた回帰円の面にある法線ベクトルを実効的な回転軸の方位ベクトルとして解釈するときの、一連の離散的な画像取得の所与の回数に対して、異なる角度位置にある少なくとも1つのX線管の焦点スポットの、当該焦点スポットの軌跡上にある前記所与の数の離散的な点と、正反対の位置にある少なくとも1つのX線検出器の中心の、当該検出器の軌跡上にある同数の離散的な点とから成る。

この後実効的な回転中心が、少なくとも1つのX線管の焦点スポットの軌跡面と、少なくとも1つの付随するX線検出器の中心の軌跡面との間の場所にある点として算出される。ここで、上記の点は前記法線ベクトルの方向にあり、言い換えれば前記焦点軌跡面及び前記検出器軌跡面までの距離において、両者の距離比率が前記分割比と等しいところにある。

本発明の第2の例示的な実施例は、少なくとも1つのX線管と、当該X線管に対して正反対の位置に配置された少なくとも1つの付随するX線検出器とを有する完全にアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムによって複数の異なる投影方向から取得された一連のX線撮影された二次元の投影画像から、関心対象を断層撮像的に再構築する方法へと導かれている。ここで前記画像は、前記X線管と前記X線検出器とを前記対象物の周りに2つの円状の軌跡に沿って移動させた際に取得される。本発明によれば、本方法は前記第1の例示的な実施例に関して上で説明された実質的な円状のリング・アーチファクトを取り除くための較正方法を含んでいる。

本発明の第3の例示的な実施例は、コンピュータ断層撮影で使われる完全にアイソセントリックではないC字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステムに専念しており、当該システムは前記第1の例示的な実施例に関して上で説明された較正方法を実施するよう適応された較正ユニットを有している。これに加え、提案されているC字状のアームをもつシステムは当該較正ユニットと相互作用する再構築ユニットを有し、当該再構築ユニットは前記第2の例示的な実施例に関して上で説明された再構築法を実施するよう適応されている。

最後に本発明の第4の例示的な実施例は、組込まれた際に、前記第1の例示的な実施例に関して上で説明された方法を実施するためのコンピュータ・プログラムであって、前記第3の例示的な実施例に関して上で説明されたようなC字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステムを較正するための較正ユニット上で走るコンピュータ・プログラムに関する。本発明の有利な態様として前記コンピュータ・プログラムは、組込まれた際に、前記第2の例示的な実施例に関して上で説明された方法を実行するソフトウェア・ルーチンであって、前記第3の典型的な実施例に関して説明されたC字状のアームをもつ三次元回転型のX線撮像システムの再構築ユニット上で走るソフトウェア・ルーチンを有することが更に挙げられる。

本発明のこれらの有利な態様及び他の有利な態様が、これ以降説明される実施例及び添付の図に関する例の態様にて明らかにされることであろう。

従来技術から知られている断層撮影X線画像用の可動するC字状のアームをもつ回転型のX線スキャナシステムの、従来からある機構構成を示す。 図1aに例示された可動するC字状のアームをもつ回転型のX線スキャナシステムの動作を制御するために必要とされる信号のフローを例示する、概観的なブロック線図を示す。 回転角度によって回転中心の変動が生じる、可動するC字状のアームをもつ回転型のX線スキャナシステムの機構部品の不完全な位置合わせに起因して発生した円状のリング・アーチファクトによって、劣化した体の横断面のスキャンを示す。 較正が外れている1つのX線検出器を有する、完全にアイソセントリックな第三世代の三次元回転型のX線スキャナシステムを使った画像の取得セッションの間の、円状のリング・アーチファクトの形成を例示する。 理想的にアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムのX線管の焦点スポットが移動するときの、完全に円状ではない軌跡の1/2と、前記X線管と反対の位置に配置されたX線照射に感応する検出器の中心が移動するときの、対応する完全に円状ではない軌跡の1/2とを示す立体線図である。ここで前記軌跡は、較正用ファントムと、本願明細書で説明された較正方法の結果として得られた対応する実効的な回転中心及び実効的な回転軸の位置及び角方位とにより決定される。 二次元の投影面に投影された（太線でプリントされた大きな半径をもつ半円である）焦点の軌跡を形成している一連の点と、（太線でプリントされた小さな半径をもつ半円である）検出器の軌跡を形成している更なる一連の点と、最小二乗法の最適化規範による、それぞれの軌跡に最も良くフィットする対応する回帰円と、を示す二次元の線図である。 図4bの二次元の線図の、算出された実効的な回転中心の近くのエリアの拡大版を示し、これにより、上述した二次元の投影面に投影された、最小二乗法の最適化規範による回帰円とフィットする僅かに円に似たアーチファクトを形成している一連の点を示す。 本発明による較正方法及び三次元の再構築方法を例示するフロー図の前半を示す。 本発明による較正方法及び三次元の再構築方法を例示するフロー図の後半を示す。

以下に、本発明の上記の例示的な実施例による、請求された較正方法及びC字状のアームをもつ三次元回転型のX線撮像システムが、添付の図面を参照しながら特別な改善点に関して更に詳細に説明されることであろう。

図1aでは、関連した従来技術（例えば米国特許公開公報US2002/0168053 A1で開示された、など）から知られている、断層撮影用X線撮像に用いられる可動するC字状のアームをもつ回転型のX線スキャナシステム100aの、従来からの機構構成が示されている。図示されたCTシステムは、C字状のアームCAの両端に配置されたX線源SとX線検出器Dとを有する。当該C字状のアームCAは、水平なプロペラ軸PAと、当該プロペラ軸と直交するC字状のアームの垂直軸LAAとの回りに回転可能であるよう、C字状のアームの取り付け部Mを用いて、軸支持にて取り付けられている。したがって、前記X線源及びX線検出器が、直交する座標軸x、y、zにまたがる静止三次元デカルト座標システムのy軸、及び/又はz軸の回りに回転角度（それぞれθ1又はθ2）だけ回転することができ、ここで、x軸はC字状のアームの軸CAAの向きをもち、y軸は患者テーブル面（z-x面）と直交する垂直軸であり、z軸はプロペラ軸PAの向きをもつ。したがって、図1aの面（y-z面）に対して垂直な方向を示しているC字状のアームの軸線CAAは、C字状のアーム・アセンブリの共通の中心（アイソセンタ）ICを通過する。X線源Sの焦点スポット位置と、X線検出器Dの中心の位置との間のまっすぐな接続線は、プロペラ軸PA及びC字状のアームの軸線CAAと、アイソセンタICの座標で交差する。C字状のアームCAは、アイソセンタICの座標でプロペラ軸PA及びC字状のアームの軸CAAと交差するL字状のアームの、y軸の方向をもつ軸LAAの回りに回転可能なように、L字状のアームLAにより軸支されている。コントロールユニットCUが、関心対象の周りの規定された軌跡に沿ってX線源S及びX線検出器Dを移動させるために使われる少なくとも2台のモータの動作を連続して制御するために備えられている。C字状のアームCAがL字状のアームの軸LAA又はプロペラ軸PAのまわりを回転するとき、当該C字状のアームCAによってカバーされる球面軌道（検査範囲）内にあるアイソセンタICのエリアに、当該関心対象が配置される。図1aから、X線検出器D及びX線源SをもつC字状のアームCAが当該C字状のアームの軸CAAの周りに回転することができ、同時にこのC字状のアームの取り付け部Mがプロペラ軸PAの周りに回転して、検査されねばならない関心対象の投影像が取得されることが容易に理解されることができる。

図1aに例示された可動するC字状のアームをもつ回転型のX線スキャナシステム100aの動作を制御するために必要な信号のフローを例示している概観的なブロック線図100bが、図1bに示されている。図1bの概観的なブロック線図では、検出器エレメントDの1つの行（即ち、1つの検出器の行）のみが示されている。しかしながら、引用記号DAにより図示されるマルチ・スライスの検出器アレイは、複数の平行に準じたスライス又は平行なスライスに対応する投影データが、スキャンの間に同時に取得されることができるよう、検出器エレメントDの複数の平行な行を有する。代替的にはエリア検出器が、円錐状のビーム・データを取得するために利用できる。X線源Sの動作は、コントロールユニットCUにより実行されるCTシステム100aの制御メカニズムにより支配される。コントロールユニットCUは、電力とタイミング信号とをX線源Sへ提供するX線コントローラCtrを備えている。前記コントロールユニットCUに属するデータ取得システムDASは、アナログデータを検出器エレメントDからサンプリングし、当該データを以降の処理のためにデジタル信号へと変換する。画像再構築器IRは、サンプリングされデジタル化されたX線データをデータ取得システムDASから受信し、高速で画像再構築を行う。再構築された画像は、当該画像を大容量記憶デバイスStに格納するワークステーションWSへの入力として使用される。画像再構築器IRは、ワークステーションWSにある専門のハードウェアでもよいし、このコンピュータにより実行されるソフトウエアプログラムでもよい。当該ワークステーションWSはまた、ユーザ・インターフェース又はグラフィカル・ユーザ・インタフェース（GUI）を介して信号を受信する。具体的には前記コンピュータは、幾つかの構成では、キーボード及びマウス（図示せず）を含むオペレータ・コンソールOCからコマンド及びスキャン用パラメータを受信する。付随するディスプレイDIS（例えば、陰極線源ディスプレイ）は、オペレータがワークステーションWSからの再構築された画像及び他のデータを観察することを許容する。オペレータが供給したコマンド及びパラメータは、制御信号と情報とを、電動化された患者テーブルPTと通信してX線コントローラCtr、データ取得システムDAS、及び（「移動コントローラ」とも呼ばれる」）テーブルモータ・コントローラMCに提供するために、ワークステーションWSにより使用される。当該テーブルモータ・コントローラMCは、患者Ptを正確に位置決めするよう前記患者テーブルを制御する。幾つかの構成では、ワークステーションWSは（「メディア読取器」とも呼ばれる）記憶デバイスMR、例えばフロッピーディスク・ドライブ、CD-ROMドライブ、DVDドライブ、光磁気ディスク（MOD)デバイスを有するか、又は、命令及び/又はデータを、例えばフロッピーディスク、CD-ROM若しくはDVDなどコンピュータで読み取り可能な媒体CRMから読み取るために、Ethernetデバイスなどのネットワークに接続するデバイスを含む何らかの他のデジタルデバイスを有する。

図2は、完全にアイソセントリックではない可動するC字状のアームをもつ回転型のX線スキャナシステムの機構部品の不完全な位置合わせに起因して（より正確には、X線管の焦点と、当該X線管から発されたX線ビームにより晒され照射された、X線照射に感応する検出器又は検出器アレイとを不完全に位置合わせすることに起因して）発生した複数の同心円状のリング・アーチファクトRA1、RA2、RA3、及びRA4によって劣化した人体の横断面のスキャンを示し、この不完全な位置合わせは、回転角度に応じて回転中心の変動を生じる。回転軸が、2本の直交する座標軸x及びyにまたがる横断面の撮像面（x-y面）に対する完全な法線ではないので、三次元的に再構築された関心対象のスライスごとに回転中心が異なっている（図4c参照）。

図3では、完全にアイソセントリックな第三世代の三次元回転型のX線スキャナシステムを用いた画像取得セッションの間の円状のリング・アーチファクトRAの形成を例示している概観図を示す。当該スキャナシステムは回転型のX線管Sを有し、同X線管の焦点スポットは、関心対象と（図示せず）、X線管と共に回転し前記X線源と反対の位置に配置されたX線照射に感応する検出器アレイDAとの周りを、円状の軌跡T_Fに沿って画像取得面内を移動し、ここで、前記検出器アレイDA内に含まれる1つのX線検出器D_iの較正が外れている。上で既に説明したように、斯様な円状のリング・アーチファクトRAは、理想的なアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムのX線管とX線検出器とによって、当該X線管の焦点スポットとX線検出器の検出中心とが完全に円状ではない焦点軌跡T_Fに沿って移動したとき、又は完全に円状ではない検出器の軌跡T_CDにそって移動したときにそれぞれ取得された一連の二次元の投影画像のボクセルデータから関心対象を三次元的に再構築する場合にも起きる。

ここで図4aを参照すると、本発明で説明され請求されている較正方法の範囲で限定されたように、三次元回転型のX線スキャナシステムのX線管Sの焦点スポットが通過する完全に円状ではない焦点軌跡T_Fの1/2と、X線照射に感応する検出器Dの中心が通過する完全に円状ではない検出器軌跡T_CDの対応する1/2とを描いている立体線図が示されている。当該検出器Dは前記X線管の正反対の位置に配置されており、前記X線管から発されたX線ビームに晒され照射される。上述の通り、前記軌跡は較正用ファントムを用いて三次元で決定される。ここで説明された方法の結果として、実効的な回転中心

の位置ベクトル

（ここでO は、3つの直交する座標軸x、ｙ、及びｚをもつ静止三次元デカルト座標システムの原点である）と、実効的な回転軸（即ち「実効的なアイソセンタ」）の方位ベクトル

とが得られる。ここで後者は、上記の座標軸にまたがる三次元のベクトル空間内で直線

として描かれている。

図4bでは、二次元の投影面（x'-y'面）に投影され（ここでは、検出器の軌跡面と同一面上であるとして例示的に描かれている）焦点の軌跡面によって与えられたとされるものを示す、二次元の線図が描かれている。当該線図は、前記焦点の軌跡T_F（太線でプリントされた大きな半径を有する半円）を形成している一連の点と、前記検出器の軌跡T_CD（太線でプリントされた小さな半径を有する半円）を形成している別の一連の点とを示している。更にまた最小二乗法の最適化規範に従う、焦点の軌跡に最もよくフィットする回帰円RC_Fと、検出器の軌跡に最もよくフィットする対応する回帰円RC_Dとがこの二次元線図で表されている。点P_F（t＝tn）及び点P_CD（t＝tn）は、X線管の焦点スポット及び前記X線照射に感応する検出器Dの中心の、離散的な画像取得時刻

での瞬間的な位置を表わしており、ここでt₀は、画像取得セッションの開始時刻であり、△tは、三次元回転型のC字状のアームをもつスキャナシステムのX線管SとX線検出器Dとを、断層撮像的に再構築され且つ可視化されねばならない関心対象の周りに回転させるときに、2つの隣接する投影方向から2つの連続した二次元投影画像を取得する間のスキャン間隔を意味する。

図4cは、図4bの二次元線図の、算出された実効的な回転中心

の近くのエリアの拡大版を示し、これにより、焦点の軌跡面（x'-y'面）に投影された、最小二乗法の最適化規範による回帰円RCとフィットする僅かに円に似たアーチファクトを形成している一連の点を示している。例えば、

及びF. Haklにより発行された文書「物理学におけるデータ分離のための非決定性法の学習、テクニカル・レポートNo.903」（コンピュータ・サイエンス研究所（チェコ共和国、科学アカデミー）、2003年12月、ftp://ftp.cs.cas.cz/pub/reports/v903-03.pdf)、で説明されている方法が、この課題を線形化するために使うことができる。この方法の結果として、前記回帰円RCの中心M_RC及び半径r_RCが得られ、中心座標は、三次元回転型のC字状のアームをもつスキャナシステムの実効的な回転中心（「実効的なアイソセンタ」）として解釈されることができる。本出願で開示したように、本発明によれば前記一連の点は、
− 各投影方向ごとに（したがって各画像取得時刻tnごとに）X線の焦点から検出器の中心まで、直線の接続線を描くステップと、
− X線管の焦点スポット位置P_F（t＝tn）及びX線検出器の中心位置P_CD（t＝tn）を接続している線の各々を、分割比

によって分割するステップと、によって得られる。ここで

は、時刻t＝tnでの前記X線管の瞬間的な焦点スポット位置P_F（t＝tn）及び時刻t＝tnでのそれぞれの投影角に対する回転中心の現在位置の間の距離と、前記X線検出器の瞬間的な中心位置P_CD（t＝tn）及び、この瞬間でのこの投影角に対する現在の回転中心の間の距離との比率によって、投影方向ごとに決定される。結果として得られた実質的に円状のリング・アーチファクトの重心位置に相当する回帰円RCの中心M_RCが、このようにC字状のアームをもつシステムの実効的な回転中心

として解釈されることができる。図4cから容易に理解できるように（図4cでは焦点の回帰円RC_F の中心M_F及び検出器の回帰円M_Dの中心RC_Dによって与えられる「焦点の重心位置」及び「検出器の重心位置」と、それぞれが呼ばれている）全ての焦点位置と検出器位置とに対するフィッティング（適合）の中心が、算出された回帰円RCの中心位置M_RCによって与えられる実効的な回転中心

と必ずしも一致するわけではない。算出された回帰円RC_F及び同RC_Dは、これらの円の中心M_F及びM_Dが、一致しない別々の点として描かれているので同心である必要はないことも図4cから読み取れる。

上で説明された方法が、焦点の軌跡面へと投影された前記アーチファクトを形成している前記一連の点の最小二乗法の適合を、当該焦点の軌跡面内にある回帰円に対して引用しているに過ぎない点に留意されたい。実際には、しかしながら、X線管及びX線検出器が取り付けられているC字状のアームの両端部に付与される機械的な剪断力及び曲げモーメントに起因して、及び/又はこれらのシステムコンポーネントの不完全な位置合わせに起因して、（ここではプロペラ軸PAによって例示的に与えられている）真の実効的な回転軸は、体の横断面のスキャンを正確に実行するために必要とされる正確に垂直な画像取得面（x−y面）に対する完全な法線ではない。これ故、もう1つのステップが実行されねばならない。上で説明された手順の更なる改善案によると、提案された方法は、焦点の軌跡T_F上にある焦点スポットの離散的な位置P_F（t＝tn）と、当該スポット位置に対応する検出器の軌跡T_CD上にある検出器の離散的な中心位置P_CD（t＝tn）とからなる一連の点の線形最小二乗法の適合を回帰円に対して三次元で行うステップを含む。得られた回帰円は、この時点で、真の実効的な回転面Eを構成していると解釈されることができる面にある。以下の説明では、当該回転面Eはx"- y"面とも呼ばれている（図示されてはいない）。当該回転面Eの三次元座標が本方法の結果として得られるこの回転面Eに対して垂直なベクトル

、特に長さが1に正規化された法線ベクトル

が次に算出され、真の実効的な回転軸の方向を指しているものと解釈される。これは、したがって、実効的な回転軸の角方位が、それぞれ焦点の軌跡面上又は同一面上の検出器の軌跡面上にある法線ベクトルの角方位である、図4cに図示されている状況とは異なる。

以下の説明では

と呼ばれる真の実効的な回転中心が、この時点で、焦点の軌跡面と検出器の軌跡面との間の場所にある点として見出されることができると、前記改善手順は更に予見する。当該点は、正規化された法線ベクトル

の方向にあり、言い換えれば前記焦点軌跡面及び前記検出器軌跡面までの距離において、両者の距離比率が前記分割比?_n と等しいところにある。したがって

の座標が、回帰円RCの中心M_RCのx"‐y"面への投影により見出されることができる。

本発明による較正方法と三次元の再構築方法とを例示するためのフロー図が、図5に示されている。

当該方法は、新たな画像取得セッションを開始するための（例えば電源オン信号などの）制御コマンドがすでに入力されかどうかを調べるための質問から開始するS1。コマンド入力が生じない限り、当該手順は所与の遅延時間の後、ステップS1のループを継続する。斯様な切換コマンドを受信した後、可視化され且つ断層撮像的に再構築されねばならない対象物の周りに円状の軌跡に沿って前記X線管及びX線検出器の各々が移動したときに、較正用ファントムが前記投影方向の各々からスキャンされるS2。各投影方向ごとに、少なくとも1つのX線管の焦点スポットの三次元の位置と、少なくとも1つの付随するX線検出器Dの三次元の中心位置とが、取得した2次元の投影像から算出されるS3。この後、完全にアイソセントリックではない三次元回転型のX線スキャナシステムが回転する際の実効的な回転中心の三次元の座標と、実効的な回転軸の方位ベクトルとが、算出された三次元の位置データに基づいて実行された三次元の較正手順S4の結果として得られた一連の幾何学的な較正データから決定されるS5、S5'。実行している画像取得セッションを終了するための（例えば電源オフ信号などの）切換コマンドを受信するとS6、取得した二次元の投影像は三次元の再構築処理を受けるS7。当該再構築処理は、実質的に円状のリング・アーチファクトを対応して修正するために、算出された実効的な回転中心の座標を使用、及び/又は、算出された実効的な回転軸の方位ベクトルを使用し、この処理を行わない場合、前記画像取得セッションの間に関心対象の周りを回転しながら、完全にアイソセントリックではない焦点軌跡及び検出器軌跡上をそれぞれ移動する、前記X線管の焦点スポット及び前記X線検出器の中心に起因して、リング・アーチファクトが発生する。切り替えコマンドの入力がない場合、本方法は所与の遅延時間の終了後、ステップS6で再び継続される。

本発明及び上記の例示的な実施例が、例えばXtraVisionのリリース6.2.2のリング・アーチファクト修正モジュールXperCTにより実行されたリング・アーチファクト修正アルゴリズムを実行するためのファントムベースの三次元較正法を使用して、コンピュータ断層撮影で用いられる完全にアイソセントリックではない三次元回転型のX線撮像システムの範囲において、より正確に言うと、三次元の再構築アプリケーションの範囲において、使われている。これにより、提案された方法は200度を超える角度範囲のプロペラスキャン、及び180度を超える角度範囲のロールスキャンの両方に対して非常によく機能することが判明した。

本発明が、図面及び前述の説明にて詳細に例示され説明された一方、斯様な例示及び説明は例示目的又は典型例であると看做され、拘束性はなく、これは本発明が開示された実施例に限定されないことを意味する。図面、開示物、及び添付の請求項の範囲の学習から、開示された実施例に対する他のバリエーションが、請求された本発明を実施する際に当業者により理解され遂行されることができる。請求項において、単語「有する」が他のエレメント又はステップを除外することはなく、不定冠詞「a」又は「an」が複数を除外することはない。特定の手段が相互に異なる複数の従属請求項において、詳述されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われ得ないことを示してはいない。コンピュータ・プログラムは、例えば他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される例えば光記憶媒体又は半導体媒体などの適切な媒体上に記憶又は配布されてもよいが、しかしまた、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介して、他の形で配布されてもよい。請求項中のいかなる引用符号も、本発明の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (11)

1. 少なくとも1つのX線管と、当該X線管と同一直径上に配置された少なくとも1つのX線検出器とを備えた三次元回転型のX線スキャナシステムによって、複数の異なる投影方向から取得された一連のX線撮影された二次元の投影画像中にある、円状のリング・アーチファクトを除去する較正方法であって、前記三次元回転型のX線スキャナシステムは、前記X線管の焦点と、前記X線管から発されたX線ビームにより晒され照射される前記X線検出器との不完全な位置合わせを有し、当該較正方法は、
   − 可視化され且つ断層撮像的に再現される対象物の周りを、円状の軌跡に沿って前記X線管及び前記X線検出器の各々が移動するときに、較正用ファントムを前記投影方向の各々からスキャンするステップと、
   − 各投影方向ごとに、前記少なくとも1つのX線管の焦点スポットの三次元における位置、及び前記少なくとも1つのX線検出器の三次元における中心位置を、前記取得した二次元の投影画像から算出するステップと、
   − 前記三次元回転型のX線スキャナシステムが回転する際の回転中心の三次元座標を、前記算出された三次元の位置データに基づいて実行される三次元較正手順の結果として得られる一連の幾何学較正データから決定するステップと、
   を含み、
   前記三次元較正手順が、前記較正用ファントムを前記投影方向の各々からスキャンし、算出される前記X線管の焦点スポットの三次元における位置及び前記X線検出器の三次元における中心位置を、回帰円がある投影面へと投影したときに得られる、前記円状のリング・アーチファクトの二次元投影に最も良くフィットする回帰円の中心位置及び半径を算出する、円の回帰アルゴリズムに基づき、
   前記取得した一連のX線撮影された二次元画像から関心対象を再構築するときに、前記三次元の較正手順を用いて算出した前記回帰円の中心位置が、前記円状のリング・アーチファクトの投影面にある前記実効的な回転中心として解釈される、較正方法。
2. 前記円の回帰アルゴリズムが、前記少なくとも1つのX線管の焦点スポット位置と前記少なくとも1つの付随するX線検出器の中心位置とを接続する線の各々を、所与の分割比によって分割することによって得られる三次元の位置を示す、円状のリング・アーチファクトを形成している、一連の点に最も良くフィットする円になる最小二乗法の適合を含むことを特徴とする、請求項１に記載の較正方法。
3. 前記分割比が、それぞれの画像取得時刻における、前記少なくとも1つのX線管の瞬間的な焦点スポット位置及び前記特定の投影角度に対するこの時刻における前記回転中心の位置の間の距離と、この瞬間におけるこの投影角度に対する前記少なくとも1つのX線検出器の瞬間的な中心位置及びこの時刻における前記回転中心の間の距離との比率によって、前記投影方向の各々に対して決定されることを特徴とする、請求項２に記載の較正方法。
4. 前記取得した一連のX線撮影された二次元の投影画像から関心対象を再構築するときに、結果として得られた前記回帰円の面に直交するベクトルの方位が、前記実効的な回転軸の方位ベクトルとして解釈されることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一項に記載の較正方法。
5. 前記実効的な回転軸の前記方位ベクトルが、一連の点にフィットさせるための最小二乗法の最適化規範に基づいて算出され、当該一連の点が、前記一連のX線撮影された二次元の投影画像を、回帰円を得るために異なる投影方向から取得し、結果として得られた前記回帰円の面にある法線ベクトルを前記実効的な回転軸の方位ベクトルとして解釈するときの、一連の離散的な画像取得の所与の回数に対して、前記焦点スポットの軌跡上にある前記少なくとも1つのX線管の焦点スポットの異なる角度位置における前記所与の数の離散的な点と、正反対に対向する位置にある前記少なくとも1つのX線検出器の中心の、当該検出器の軌跡上にある同数の離散的な点とから成ることを特徴とする、請求項１に記載の較正方法。
6. 前記実効的な回転中心が、前記少なくとも1つのX線管の焦点スポットの軌跡面と、前記少なくとも1つの付随するX線検出器の中心の軌跡面との間の場所にある点として算出され、当該点は前記法線ベクトルの方向にあって、前記焦点軌跡面及び前記検出器軌跡面までの距離において、両者の距離比率が前記分割比に等しいところにあることを特徴とする、請求項５に記載の較正方法。
7. 少なくとも1つのX線管と、前記X線管に対して正反対の位置に配置された少なくとも1つの付随するX線検出器と、を有する三次元回転型のX線スキャナシステムによって複数の異なる投影方向から得られた一連のX線撮影された二次元の投影画像から、関心対象を断層撮像的に再構築するための方法であって、前記三次元回転型のX線スキャナシステムは、前記X線管の焦点と、前記X線管から発されたX線ビームにより晒され照射される前記X線検出器との不完全な位置合わせを有し、
   前記画像が、前記X線管及び前記X線検出器を2つの円状の軌跡に沿って前記対象物の周りに移動させるときに取得され、前記方法が、請求項１乃至６の何れか一項に記載の較正方法を含むことを特徴とする、方法。
8. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の較正方法を実施する較正ユニットを有する、コンピュータ断層撮影法で使用される、C字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステム。
9. 前記較正ユニットと相互作用する再構築ユニットを有し、当該再構築ユニットが、請求項７に記載の再構築方法を実施するよう適応されている、請求項８に記載のC字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステム。
10. 請求項８に記載のC字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステムを較正するための較正ユニットで実行されたときに、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法を実行するためのコンピュータ・プログラム。
11. 請求項９に記載のC字状のアームをもつ三次元回転型のX線スキャナシステムに実装され実行されたときに、請求項７に記載の方法を実行するためのソフトウェア・ルーチンを有する、請求項１０に記載のコンピュータ・プログラム。

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