JP5670738B2 - 心臓ｃｔにおける無意識呼吸運動の補正 - Google Patents

Description

本出願は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）撮像に関する。本出願は、特に冠動脈血管造影に関して適用され、特にそれに関して説明される。しかしながら、これらの概念は、胸部及び腹部におけるその他のＣＴ応用に関しても適用されるであろう。

ＣＴ冠動脈血管造影法では、患者は一般的に造影剤を注入される。撮像されるべき冠動脈に造影剤が到達すると、ＣＴスキャナは画像データの収集を開始する。全てのデータが共通の呼吸相内で収集されるよう、患者が息を止めてＣＴデータが収集される。データ収集期間中、比較的小さいピッチで高速ヘリカルＣＴスキャンが行われる。データは、選択された心臓位相のデータセットが生成されるように遡及的にゲーティングされる。小さいピッチは十分な量の冗長データを生成するので、選択された心臓位相の外側のデータが廃棄されたとき、選択された心臓位相の完全なデータセットが残る。

この技術は、患者が５−２０秒のデータ収集期間の間息を止めることができる場合にうまくいく。患者がデータ収集期間の全体で息を止めない、あるいは止めることができない場合には、この冠動脈血管造影技術が繰り返されなければならない。しかしながら、造影剤のドーズ量制限により、この処理は後の時点に繰り返されなければならない。典型的に、データは、心運動及び呼吸運動の双方に関して遡及的にゲーティングされてもなお再構成のために選択された心臓及び呼吸の位相の完全なデータセットを作り出すことはできない。むしろ、呼吸サイクルは心サイクルと比較してゆっくりであるため、このデータに心臓及び呼吸の双方のゲーティングを適用すると、冠動脈に沿ったデータのかなりの部分が失われることになる。

本出願は、心臓ＣＴ画像データ収集中に呼吸運動を補正する技術を開示するものである。

一態様に従って、呼吸運動補償を行うＣＴ血管造影方法が提供される。血管の複数のサブボリュームに対応するデータセットが、複数の心サイクルにわたって生成される。サブボリュームデータセットから複数のサブボリューム画像が生成される。サブボリューム画像内で特徴点群が特定される。特定された特徴点群に基づいて、複数のサブボリュームのうちの少なくとも一部に関して呼吸運動ベクトルが計算される。計算された前記呼吸運動ベクトルに従って、サブボリュームデータセットがボリューム表現へと再構成される。

他の一態様に従って、呼吸運動補償を行うＣＴ血管造影装置が提供される。放射線源及び検出器が、複数の心サイクルにわたって、血管の複数のサブボリュームに対応するデータセットを生成する。サブボリューム再構成ルーチン又はプロセッサが、サブボリュームデータセットから複数のサブボリューム画像を生成する。特徴点ルーチン又はプロセッサが、サブボリューム画像内で特徴点群を特定する。呼吸運動ルーチン又はプロセッサが、特定された特徴点群に基づいて、複数のサブボリュームのうちの少なくとも一部に関して呼吸運動ベクトルを計算する。画像再構成ルーチン又はプロセッサが、計算された呼吸運動ベクトルに従って、サブボリュームデータを画像表現へと再構成する。

他の一態様によれば、ＣＴ血管造影装置は、複数の心サイクルの解剖学的領域の複数のサブボリュームに対応するデータセットを生成する手段を含む。或る手段が、サブボリュームデータセットから複数のサブボリューム画像を生成する。或る手段が、サブボリューム画像内で特徴点群を特定する。或る手段が、特徴点群に基づいて複数のサブボリューム画像のうちの少なくとも一部に関して呼吸運動ベクトルを計算する。或る手段が、計算された呼吸運動ベクトルに従って、サブボリュームデータをボリューム画像表現へと再構成する。

１つの利点は、例えば小児患者、呼吸器系疾患を患う患者、及び意識不明の患者など、データ収集中に息を止めることができない、あるいは止めない人に対して心臓ＣＴ血管造影を実行することが可能になることである。

他の１つの利点は、造影剤のドーズ量が最小化されることにある。

他の１つの利点は、ＣＴ血管造影画像が呼吸運動に関して補正されることにある。

以下の詳細な説明を読んで理解することで、更なる利点が当業者に明らかになる。

図面は、単に例示するためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
本出願に従ったＣＴスキャナシステムを例示する図である。 スラブ状の小容積撮像領域を重ねられた冠動脈の一区画を例示する図である。 図２のサブボリューム画像の１つを例示する図である。 図２のサブボリューム画像の他の１つを例示する図である。 図２のサブボリューム画像の更に他の１つを例示する図である。

ヘリカルＣＴスキャナ１０は患者支持台１２を含んでおり、その周りに、ｘ線管１６及びｘ線検出器１８を担持するガントリー１４が回転可能に取り付けられている。被検体支持台１２とｘ線管１６及び検出器１８とに螺旋運動を行わせる手段が設けられている。図示した実施形態において、この手段は、患者支持台１２を長手方向にガントリー１４を貫いて移動させる駆動部２０を含んでいる。代替的に、静止した患者支持台に対してガントリーが移動されてもよい。この手段は更に、ｘ線管及び検出器を備えたガントリーを被検体支持台の周りで回転させる回転駆動部２２を含んでいる。典型的に、ｘ線管及び検出器を備えたガントリーは、例えば２００−４００ｒｐｍ以上といった比較的速い速度で連続的に回転する。データ収集中、被検体とｘ線源及び検出器との間での相対的な長手方向運動は、例えば０．２のピッチといった比較的小さい相対ピッチを有するように選択される。

ｘ線源１６は円錐ビーム状の放射線を検出器１８に投射し、検出器１８は同時に、画像ボリュームを通る複数の断層（スライス）を検出する。およそ１８０°の回転ごとに、円錐ビームによって定められる小容積から、部分ボリューム（サブボリューム）画像、特に、複数の横断方向のスラブ（平板）を有するスラブ画像を再構成するのに十分な量のデータが生成される。上述の小さいピッチにより、次の数回転にわたるデータから再構成されるサブボリューム画像は、少なくとも部分的に、最初のサブボリューム画像と重なり合うことになる。

検出器と軸方向及び回転方向の位置モニタとからの生成画像データは、バッファ３０に一時的に格納される。心臓ゲーティングプログラム又は装置３２が、例えばＥＫＧ誘導システムなどの心臓モニタ３４から心サイクル信号を受信する。心サイクルが選択位相にあったサブボリュームからのデータが、選択心臓位相データメモリ３６に格納される。複数の心臓位相を撮像する場合、異なる心臓位相にある更なるデータセットを保存するため、１つ以上の更なる心臓位相データメモリ３８が作り出され、あるいは区分けされ得る。

サブボリューム再構成プロセッサ４０が、複数のサブボリュームの各々からのデータを、一連のサブボリューム画像又はスラブ画像４２１、４２２、４２３へと再構成し、これらのサブボリューム画像又はスラブ画像４２_１、４２_２、４２_３は対応するサブボリューム画像メモリ又はスラブ画像メモリ４４に格納される。特徴点ルーチン又はプロセッサ４６が、複数のサブボリューム画像の各々内で共通する特徴点を特定する。呼吸運動ベクトルルーチン又はプロセッサ４８が、メモリ３６からの選択心臓位相データを例えばボリューム冠動脈画像５０’といったボリューム血管造影画像に再構成するときに再構成ルーチン又はプロセッサ５０によって使用される呼吸運動ベクトルを計算する。

図２を参照するに、血管造影画像５０’は、冠動脈５２に沿った一区画を例示している。血管造影画像５０’の長さ方向に沿って複数のサブボリューム５４_１、５４_２、５４_３が印されている。心臓ゲート３２は選択心臓位相内で収集されなかったサブボリュームを排除するので、サブボリューム再構成プロセッサ４０によってサブボリューム画像５４’_１、５４’_２、５４’_３が生成されるサブボリューム群は、血管造影画像５０’に沿って軸方向に等間隔でなく、典型的に異なる重なり具合を有する。

呼吸運動が存在しないとき、複数のサブボリューム画像の各々は空間的に整列されることになる。複数の選択特徴点５６の各々は、典型的に、サブボリューム画像群のうちの２つ以上に現れ、互いに重なり合う。しかしながら、被検体が呼吸を開始すると、サブボリューム画像群は互いに対して移動されることになり、同一の特徴点が、サブボリューム画像群のうちの１つにおいて、他の１つに対して変位されることになる。

図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃを参照するに、３つの例示的な特徴点５６_１、５６_２、５６_３が、各々が当初位置にあるように示されている。サブボリューム画像５４’_１が、被検体が依然として息を止めている間（又は、選択された呼吸サイクルの基準点）に撮影されたものである場合、サブボリューム画像５４_１内に見て取れる特徴点５６_１及び５６_２の位置を基本位置又はターゲット位置と見なすことができる。サブボリューム画像５４’_１のデータが生成された後且つサブボリューム画像５４’_２のデータが取得される前に患者が呼吸を開始すると、特徴点５６_１、５６_２及び５６_３の位置は、サブボリューム画像５４’_２内で、サブボリューム画像５４’_１内でのそれらの位置に対して変化する。この動きは、１つの軸に沿った単純な平面内シフトすなわち平行移動、平面内での２つの軸に対する平行移動、アクシャル方向に対する平行移動、圧縮、又は拡張などであり得る。ベクトル計算ルーチン又はプロセッサ４８は、サブボリューム画像５４’_２内の特徴点群の、基準サブボリューム画像５４’_１内の同じ特徴点群に対する位置的な動きを記述するベクトルを計算する。より多くの特徴点が定められるほど、このベクトルは一層正確に計算され得る。同様に、第３のサブボリューム画像５４’_３のデータが生成されるとき、被検体は、特徴点群をサブボリューム画像５４’_１又は５４’_２内でのそれらの位置に対して移動あるいはシフトさせる更なる他の呼吸状態又は呼吸相にあり得る。ベクトル計算プロセッサ又はルーチン４８は、隣接し重なり合うサブボリューム画像の間での動きを記述するベクトルを直接的に計算し、基準呼吸相とその後の各サブボリューム画像との間での動きを記述するベクトルを、例えばベクトル加法によって、間接的に計算する。

この処理時点までに取得された動き情報は、時間ドメインにおいて疎らである。或る特定のサブボリュームの動きベクトルは、再構成に用いられるデータの時間間隔の中央に対応する。Ｄ．Ｓｃｈａｆｅｒ、Ｊ．Ｂｏｒｇｅｒｔ、Ｖ．Ｒａｓｈｅ、Ｍ．Ｇｒａｓｓの「Ｍｏｔｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ａｎｄ ｇａｔｅｄ ｃｏｎｅ ｂｅａｍ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｂａｃｋ−ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ３−Ｄ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｘ−ｒａｙ ａｎｇｉｏｇｒａｐｈｙ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ、２００６年、第２５巻、第７号、ｐ．８９８−９０６に記載されるように方法を用いる後の動き補償再構成では、時間的な補間が実行される。

必要に応じて、呼吸状態を測定する呼吸モニタ６０が設けられる。この呼吸状態の測定結果は、バッファ３０に伝達され、サブボリュームデータの一部として記録される。収集データの呼吸状態を知ることにより、同様の呼吸状態にて収集されたサブボリューム群を、同様の呼吸運動補正ベクトルを有すると仮定し、対応する呼吸運動ベクトルを計算するために共に使用することができる。呼吸運動ベクトルはまた、サブボリューム画像群の各々の間で決定された動きベクトル群を、呼吸サイクルの全体又は関連部分にわたる時間又は呼吸相に対する動きを記述する呼吸運動ベクトル又はテンソルへと補間することができる。

画像再構成プロセッサ４８は、スラブ又はサブボリュームデータ３６からのスラブ又はサブボリュームのデータを、決定された呼吸運動ベクトルに従って、ボリューム画像メモリ６４に格納されるボリューム画像表現５０’へと再構成する。例えば、再構成プロセッサは、各サブボリューム又は測定された呼吸相に対応する計算された呼吸運動ベクトルに従って決定された、メモリ３６からのサブボリュームデータの対応するボクセル群又は光線群から、ボリューム画像の各ボクセルの見積もりすなわち再構成を行う。

例えばキーボード又はマウスなどのユーザ入力装置６９の制御下にあるビデオプロセッサ６６が、ボリューム画像メモリ７４から適当なデータを選択し、モニタ７０上での表示のために、断層画像、立体描画、又はその他の適当な画像を生成する。

好適な実施形態を参照しながら本発明を説明した。以上の詳細な説明を読んで理解した者は改良及び改変に想到し得る。本発明は、添付の請求項の範囲又はその均等範囲に入る限りにおいて、そのような全ての改良及び改変を含むとして解釈されるものである。

Claims (15)

1. 呼吸運動補償を行うＣＴ血管造影装置であって：
   円錐ビーム状の放射線を生成する放射線源、及び複数の心サイクルにわたって血管の複数のサブボリュームに対応するデータセットを生成する検出器；
   被検体支持台；
   前記被検体支持台の周りを回転するように前記放射線源及び前記検出器が搭載された回転ガントリー；
   前記円錐ビーム状の放射線を前記被検体の周りで螺旋経路に沿って回転させる手段；
   前記サブボリュームデータセットから複数のサブボリューム画像を生成するサブボリューム再構成ルーチン又はプロセッサであり、隣接し合うサブボリューム画像は重なり合う部分を有する、サブボリューム再構成ルーチン又はプロセッサ；
   前記サブボリューム画像の前記重なり合う部分内で特徴点群を特定する特徴点ルーチン又はプロセッサ；
   特定された前記特徴点群に基づいて前記複数のサブボリュームのうちの少なくとも一部に関する呼吸運動ベクトルを計算する呼吸運動ルーチン又はプロセッサ；及び
   計算された前記呼吸運動ベクトルに従って、前記サブボリュームデータセットをボリューム画像表現へと再構成する画像再構成ルーチン又はプロセッサ；
   を有する装置。
2. 共通の心臓位相にあるサブボリュームデータセットを選択する心臓ゲート、
   を更に含む請求項１に記載の装置。
3. 前記被検体の心サイクルを監視する心臓モニタ；及び
   収集された前記サブボリュームデータセットを、監視された前記心サイクルに従ってゲーティングする心臓ゲート；
   を更に含む請求項２に記載の装置。
4. 前記被検体の呼吸サイクルを監視する呼吸モニタを更に含み、前記呼吸運動ルーチン又はプロセッサは、前記呼吸運動ベクトルを計算する際に、監視された前記呼吸サイクルを用いる、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の装置。
5. 前記データセットを格納するメモリを更に含み、前記サブボリューム再構成ルーチン又はプロセッサは、前記メモリから各データセットを取り出して前記サブボリューム画像へ再構成し、前記画像再構成ルーチン又はプロセッサは、前記メモリからデータを取り出し、ヘリカルスキャン再構成アルゴリズムを用いて、該データを前記ボリューム画像表現へと再構成する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記ボリューム画像表現の少なくとも一部を、ヒトが読み取り可能な表示に変換するモニタ、
   を更に含む請求項１乃至５の何れか一項に記載の装置。
7. 前記サブボリューム画像は、１８０°のデータセットから再構成されるスラブ画像である、請求項１乃至６の何れか一項に記載の装置。
8. 呼吸運動補償を行うＣＴ血管造影装置の作動方法であって、該装置は、放射線源及び検出器が搭載された回転ガントリーと、サブボリューム再構成ルーチン又はプロセッサと、特徴点ルーチン又はプロセッサと、呼吸運動ルーチン又はプロセッサと、画像再構成ルーチン又はプロセッサとを含み、当該方法は：
   前記回転ガントリーに搭載された前記放射線源及び前記検出器により、被検体の複数のサブボリュームに対応するデータセットを生成するステップであり：
   円錐ビーム状の放射線を被検体の周りで回転させるステップと、
   前記被検体の前記サブボリュームを通過した放射線から放射線減衰データを収集するステップと、
   螺旋軌道に沿って前記サブボリュームが生成されるよう、前記被検体及び前記円錐ビーム状の放射線を互いに対して長手方向に移動させるステップと
   を含む、データセットを生成するステップ；
   前記サブボリューム再構成ルーチン又はプロセッサにより、前記サブボリュームデータセットから、複数のサブボリュームスラブ画像を生成するステップであり、隣接し合うサブボリュームスラブ画像は重なり合う部分を有する、ステップ；
   前記特徴点ルーチン又はプロセッサにより、前記サブボリュームスラブ画像の前記重なり合う部分内で特徴点群を特定するステップ；
   前記呼吸運動ルーチン又はプロセッサにより、特定された前記特徴点群に基づいて、前記複数のサブボリュームのうちの少なくとも一部に関する呼吸運動ベクトルを計算するステップ；及び
   前記画像再構成ルーチン又はプロセッサにより、計算された前記呼吸運動ベクトルに従って、前記サブボリュームデータセットをボリューム画像表現へと再構成するステップ；
   を有する方法。
9. 前記呼吸運動ベクトルを計算するステップは：
   複数の前記サブボリュームスラブ画像の各々内で、特定された前記特徴点群の位置の変化を評価するステップ
   を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記装置の心臓モニタにより、前記被検体の心サイクルを監視するステップ；及び
    前記装置の心臓ゲートにより、収集された前記サブボリュームデータセットを、監視された前記心サイクルに従ってゲーティングするステップ；
    を更に含む請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記装置の呼吸モニタにより、前記被検体の呼吸サイクルを監視するステップ；及び
    前記呼吸運動ルーチン又はプロセッサにより、前記呼吸運動ベクトルを計算する際に、監視された呼吸相を用いるステップ；
    を更に含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記装置のモニタにより、前記ボリューム画像表現の少なくとも一部を、ヒトが読み取り可能な表示に変換するステップ、
    を更に含む請求項８乃至１１の何れか一項に記載の方法。
13. 請求項８乃至１２の何れか一項に記載の方法を実行するようにプロセッサを制御するプログラムが格納されたコンピュータ読み取り可能記録媒体。
14. 請求項８乃至１２の何れか一項に記載の方法を実行するようにプログラムされた１つ以上のプロセッサを含むＣＴ装置。
15. 被検体支持台；
    回転ガントリー；
    前記回転ガントリーに搭載され、前記被検体支持台に向けて円錐ビーム状の放射線を生成するｘ線発生器；
    前記被検体支持台上の被検体を通過後の前記円錐ビーム状の放射線を検出する放射線検出器；及び
    前記円錐ビーム状の放射線を前記被検体の周りで螺旋経路に沿って回転させる機構；
    を更に含む請求項１４に記載のＣＴ装置。

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