JP5815048B2 - X線ct装置 - Google Patents

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Description

本発明は、X線CT装置に関する。
X線CT(Computed Tomography)装置とは、被写体内部のX線減衰率(X線吸収係数)の違いを、データ処理系を用いて画像として再構成するための装置である。X線CT装置は、被写体にX線を照射するX線源と、被写体を透過したX線を検出するX線検出器とを備える。X線源とX線検出器とは、被写体をはさんで対向配置されており、被写体をはさんで対向配置された関係を保ちながら被写体の周りを回転し、複数の投影方向から被写体のX線透過像データを撮影する。X線CT装置のX線源には、通常、高電圧で加速された電子を陽極に照射してX線を発生させるX線管球が用いられる。また、X線検出器は、一度に広範囲を高速に撮影するためにX線検出素子を2次元状に並べた構造を有している。
X線CT装置の撮影によって得られる投影データには、被写体を非散乱で透過してきたX線(直達X線)強度以外に、被写体などで散乱されたX線(散乱X線)の入射強度の情報も含まれている。X線CT装置では、散乱X線を除去するために、X線検出器のX線源側に、被写体で発生した散乱X線を除去するための散乱線防止グリッドが配置されている。しかし、この方法によってもすべての散乱X線を除去することはできない。このため、ソフトウェアによる散乱X線補正も併せておこなわれている(例えば、下記特許文献1〜3参照)。
特許第4218908号公報 特開2009−82615号公報 特許第3566762号公報
近年、X線CT装置は、X線検出器の多列化にともなって、1回の撮影で被写体を広範囲に撮影することが可能になっている。一方で、X線検出器の多列化によって、被写体へのX線照射幅が広がり、それにともなって散乱X線量が増加することで、再構成画像上に偽像(アーチファクト)が生じて、画質が低下してしまうという問題点がある。とりわけ、骨などのX線の高吸収体が存在する領域を撮影する場合、直達X線由来の検出シグナルに対して散乱X線由来の検出シグナルの割合が相対的に増加し、被写体のX線吸収係数を過小評価してしまう場合がある。
図7は、再構成画像に生じるアーチファクトを模式的に示す説明図である。図7(a)には、低吸収体Lの内部に2つの高吸収体ロッドHが存在する人体模擬構造物(以下、ファントム)を示している。このファントムを撮影した場合、図7(b)に示す再構成画像のように、2つの高吸収体ロッドHの間に、CT値が実際よりも小さく計測されたダークバンドアーチファクトDが観測される。なお、図7において、CT値の大きさをハッチングの間隔(密度)で図示し、CT値が小さいほどハッチングの間隔が短く(密に)なることで図示している。
そこで、本発明は、高精度に散乱X線量を推定して補正することによって、散乱X線に起因する画質低下を防止することができるX線CT装置を提供することを課題とする。
このような課題を解決するために、本発明は、X線焦点からX線を発生するX線源と、前記X線を検出するためのX線検出素子が2次元配列されているX線検出器とが、被写体をはさんで対向配置された関係を保ちながら前記被写体の周りを回転し、複数の投影方向から前記被写体のX線透過像データを撮影する撮影部と、前記撮影部によって撮影された前記X線透過像データに基づいて、前記被写体内部のX線吸収係数分布を推定する内部分布推定部と、前記内部分布推定部によって推定された前記X線吸収係数分布を有する模擬被写体に対して、前記X線の物理相互作用を模擬するモンテカルロシミュレーションを実施して、前記被写体に由来する散乱の点拡がり関数を推定する点拡がり関数推定部と、前記点拡がり関数推定部によって推定された前記点拡がり関数と、前記X線透過像データとを逆畳み込み積分して、前記X線透過像データを補正する補正部と、前記補正部によって補正された前記X線透過像データを用いて、前記被写体のX線吸収係数分布画像を形成する画像化部と、を備え、前記点拡がり関数推定部は、前記2次元配列された前記X線検出素子のうち、所定数の素子の位置である代表素子位置において前記モンテカルロシミュレーションを実施して、当該モンテカルロシミュレーションによって得られた前記代表素子位置間の前記点拡がり関数を補間することによって、前記2次元配列された前記X線検出素子のすべての位置における前記点拡がり関数を推定することを特徴とするX線CT装置である。
また、本発明は、X線焦点からX線を発生するX線源と、前記X線を検出するためのX線検出素子が2次元配列されているX線検出器とが、被写体をはさんで対向配置された関係を保ちながら前記被写体の周りを回転し、複数の投影方向から前記被写体のX線透過像データを撮影する撮影部と、前記撮影部によって撮影された前記X線透過像データに基づいて、前記被写体内部のX線吸収係数分布を推定する内部分布推定部と、前記内部分布推定部によって推定された前記X線吸収係数分布を有する模擬被写体に対して、前記X線の物理相互作用を模擬するモンテカルロシミュレーションを実施して、前記被写体に由来する散乱X線の分布を推定するX線分布推定部と、前記X線分布推定部によって推定された前記分布に基づいて、前記X線透過像データから前記散乱X線の成分を除去する補正部と、前記補正部によって前記散乱X線の成分が除去された前記X線透過像データを用いて、前記被写体のX線吸収係数分布画像を形成する画像化部と、を備え、前記X線分布推定部は、前記複数の投影方向より少ない数の投影方向である代表投影方向について前記モンテカルロシミュレーションを実施して、当該モンテカルロシミュレーションによって得られた前記代表投影方向間の前記分布を補間することによって、前記複数の投影方向すべての前記分布を推定することを特徴とするX線CT装置である。
本発明によれば、高精度に散乱X線量を推定して補正することによって、散乱X線に起因する画質低下を防止することができるX線CT装置を提供することができる。
第1実施形態に係るX線CT装置の構成を示す説明図である。 検出器モジュールの構造を示す説明図である。 第1実施形態に係るX線CT装置による画像形成処理の概要を示す説明図である。 被写体を模擬する物質の決定方法の一例を示す説明図である。 第2実施形態に係るX線CT装置による画像形成処理の概要を示す説明図である。 モンテカルロシミュレーションの手順の一例を示すフローチャートである。 再構成画像に生じるアーチファクトを模式的に示す説明図である。
以下、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
≪第1実施形態≫
<X線CT装置100の構成>
図1は、第1実施形態に係るX線CT装置100の構成を示す説明図である。以下の説明において、図1中のX軸方向をチャネル方向、Y軸方向をX線焦点方向、Z軸方向をスライス方向とする。図1では、X線CT装置100を、被写体3の体軸方向(スライス方向:Z軸方向)から見たものとして図示している。
X線CT装置100の図示しないガントリの中央部には、被写体3が進入できる開口部2が設けられている。また、X線CT装置100のスキャナ装置には、X線源であるX線管球1と、X線検出器4とが備えられ、開口部2の中心を回転中心軸として、ガントリに回転可能に支持されている。このような構成により、開口部2内の被写体3を回転撮影することが可能となる。
X線源であるX線管球1は、X線管球1内にある有限の大きさを持つX線焦点9からX線を発生する。被写体3をはさんでX線管球1と対向する位置には、X線検出器4が配置される。X線検出器4は、複数の検出器モジュール8に分割されており、それぞれの検出器モジュール8は、X線焦点9を中心として円弧状またはフラットパネル状に配置されるものとする。
図2は、検出器モジュール8の構造を示す説明図である。検出器モジュール8は、X線検出素子6が、セパレータ7を介して、チャネル方向(スキャナ回転方向)およびスライス方向(体軸方向)に対して2次元配列される。これは、1回のX線照射で、被写体3の広範囲なX線透過像データ(投影データ)を得るためである。ここで、X線検出素子6は、例えば、シンチレータとフォトダイオードを組み合わせたものや、放射線を電気信号に変換する半導体で構成され、X線検出素子6へのX線入射強度を計測するものである。また、検出器モジュール8のX線管球1側には、被写体3などで発生した散乱X線を除去するために、散乱線防止グリッド5が配置される。
図1の説明に戻り、X線CT装置100の撮影制御は、ユーザが入力装置104を通して設定したスキャン条件に基づいて、記録装置101、演算装置102を通して、制御装置103によって行われる。回転撮影によって得られた多数の投影データは、記録装置101に記録され、演算装置102で画像処理演算が実行される。そして、画像処理演算後の投影データは、被写体3の断層画像などの情報として出力装置105に表示される。
<X線CT装置100による画像形成処理>
つづいて、X線CT装置100による画像形成処理について説明する。X線CT装置100によって撮影された投影データ(X線透過像データ)には、被写体3に起因する散乱X線が含まれている。このため、X線CT装置100は、一般的な画像処理における画像補正処理の他、撮影ごとに変わる被写体3に起因する散乱X線の分布を考慮した点拡がり関数(PSF:Point Spread Function)を推定し、補正した上で画像を形成する。
図3は、X線CT装置による画像形成処理の概要を示す説明図である。
X線CT装置100は、撮影(F1)によって得られた投影データ(Raw Data)に対して、補正・再構成処理(F2)をおこない、再構成画像(Image)を生成する。なお、F2における補正・再構成処理とは、例えば、感度補正などの一般的な画像補正処理である。
つづいて、X線CT装置100の演算装置102は、補正・再構成処理(F2)により生成された再構成画像(Image)を基に、演算装置102(図1参照)上で仮想的に被写体3を模擬する(F3)。そして、F3で模擬した仮想被写体3Aに対して、X線の詳細な物理相互作用を計算可能なモンテカルロシミュレーションを実施する(F4)。これにより、撮影ごとに変わる被写体3の構造を反映した点拡がり関数(PSF)を精度良く推定することが可能となる。なお、散乱X線補正前の再構成画像(Image)には、散乱X線に起因する偽像が存在する可能性がある。しかし、偽像の影響が過度に深刻でなければ、再構成画像から被写体3の内部構造情報を読み取ることは可能である。
演算装置102は、F4において推定した点拡がり関数(PSF)を基に、撮影(F1)によって得られた投影データ(Raw Data)を補正する(F5)。具体的には、投影データから散乱X線成分を除去する。そして、演算装置102は、散乱X線成分除去後の投影データを、あらためて補正・再構成処理する(F6)。これにより、演算装置102において、補正・再構成処理(F2)により生成された再構成画像(Image)と比較して、散乱X線の影響をより低減した良質な再構成画像(New Image)が得られる。なお、F6における補正・再構成処理とは、F2と同様、感度補正などの一般的な画像補正処理である。
<画像形成処理の詳細>
つづいて、図3に示した画像形成処理の各工程の詳細について説明する。
なお、撮影(F1)、補正・再構成処理(F2)および補正・再構成処理(F6)は、一般的なX線CT装置100の撮影および画像補正処理であり、説明を省略する。
(被写体3の模擬:F3)
図3のF3において、X線CT装置100の演算装置102は、再構成画像(Image)を基に、計算機上で仮想的に被写体3を模擬し仮想被写体3Aを生成する。ここで、再構成画像(Image)は、被写体3内部のX線吸収係数の違いをCT値として表現したものである。CT値は、水が0HU、空気が−1000HUになるように規格化されている。一方、モンテカルロシミュレーションで必要になるのは、物質の元素組成と密度であるが、CT値だけからは組成と密度は決定できない。
そこで、X線CT装置100では、組成、密度およびCT値が既知であるいくつかの物質を被写体3を構成する物質としてあらかじめ定義しておき、それらの中間のCT値をとる物質については、定義済み物質の混合物とみなすことによって、被写体3の内部構造(X線吸収係数分布)を模擬する。具体的には、例えば、再構成画像のピクセルごとに、定義済み物質またはそれらの混合物として構成物質を定義する。
図4は、被写体3を模擬する物質の決定方法の一例を示す説明図である。図4(a)に示すように、例えば、空気、水、テフロン(登録商標、以下同じ)を、それぞれCT値−1000HU、0HU、1000HUをとる代表物質とみなし、任意のCT値をとる物質を、これらの混合物として以下のように構成する。なお、図4において、横軸は画素のCT値、縦軸は代表物質の混合割合である。
空気:水:テフロン=100%:0%:0%(CT値≦−1000HUの場合)
空気:水:テフロン=A%:(100−A)%:0%(−1000HU<CT値≦0HUの場合)
空気:水:テフロン=0%:(100−B)%:B%(0HU<CT値≦1000HUの場合)
空気:水:テフロン=0%:0%:100%(1000HU<CT値の場合)
ここで、比率は体積比である。またAおよびBは、下記(式1),(式2)のように示される。
A = −CT値[HU]/1000×100 ・・・(式1)
B = CT値[HU]/1000×100 ・・・(式2)
なお、被写体3の組成がある程度予測可能なら、被写体3に多量に存在する物質を代表物質として選択し、被写体3にほとんど存在しない物質は代表物質として選択しないことによって、精密化、高精度化することが可能である。ただし、任意のCT値を補間可能とするため、代表物質のCT値の範囲は広くすることが望ましい。
また、反対に計算負荷低減のため、CT値が一定範囲にある領域を単一の物質で置き換えてもよい。例えば、図4(b)に示すように、以下のような設定が考えられる。
空気(CT値≦−500HUの場合)
水(−500HU<CT値≦500HUの場合)
テフロン(500HU<CT値の場合)
つぎに、被写体3の形状の模擬について説明する。再構成画像(Image)は、例えば512×512画素のマトリックスとして表現される。これを反映して、演算装置102上でも1スライスあたり512×512のボクセルで被写体3を表わし、各ボクセルに上記方法で決定した構成物質情報を付加する。つまり、仮想被写体3Aは、周囲の空気も含めて直方体状領域の集合として構成される。
なお、被写体3の全体をスキャンする場合を除いて、X線CT装置100で撮影する領域は、被写体3の一部分に限られる。その場合、再構成領域外の被写体3の情報は得られないが、散乱X線は再構成領域外でも相互作用をおこなって、再構成領域内に再帰する可能性もある。そのため、再構成領域外の被写体3の構造も模擬する必要がある。この場合、例えば、再構成領域の周辺画素が示す構造が、視野外にも一様に存在するとみなす方法がとれる。
(仮想被写体3Aに対するモンテカルロシミュレーションの実行:F4)
つづいて、演算装置102上に模擬した仮想被写体3Aに対するモンテカルロシミュレーション(図3のF4)について説明する。X線CT装置100の演算装置102は、モンテカルロシミュレーションによって、演算装置102上に再現した被写体3に対して実際の撮影と同様のX線投影をおこなった場合の投影データを求める。このとき、被写体3以外の条件、例えば、X線源(X線管球1、X線焦点9)やX線検出器4などの装置構造についても、実際の構造に準じて演算装置102上に模擬しておく。
X線CT装置100は、モンテカルロシミュレーションによって、ペンシル状X線ビームを模擬の被写体3に照射し、X線入射方向に対するX線検出器4面上でのX線強度分布(点拡がり関数p)を求める。計測された投影データg(ch,sl)、散乱X線のない理想投影データt(ch,sl)、点拡がり関数p(ch,sl)とし、これらのフーリエ変換をそれぞれG(CH,SL)、T(CH,SL)、P(CH,SL)とすると、下記(式3)および(式4)の関係が成り立つことが知られている。ここでCH、SLはそれぞれch方向、sl方向の周波数成分を表す。
g=t*p ・・・(式3)
G=T・P ・・・(式4)
ここで、*は畳み込み積分、・は積を表す。なお変数表示は省略した。
逆フーリエ変換をFで表わせば、求める理想投影データtは下記(式5)で与えられる。
t=F[G/P]=g*F[1/P] ・・・(式5)
この方法を逆畳み込み積分法と呼ぶ。
散乱X線の拡がり方は、被写体3の部位や撮影角度方向θ'に依存して変化する。ペンシルビームの入射方向にある検出素子6の位置を(ch'、sl')とすると、X線入射方向(撮影角度方向)依存性をあらわにした点拡がり関数pは、下記(式6)であらわせる。
p(ch,sl,ch',sl',θ') ・・・(式6)
X線CT装置100では、点拡がり関数は比較的緩やかに変化するものと仮定し、計算高速化のため、いくつかの代表投影角度・検出素子6位置(ch',sl',θ')についてのみ点拡がり関数を求める。例えば、X線検出器4をチャネル方向に10分割し、各領域の中央にある検出素子6位置(ch',sl')について点拡がり関数を計算する。求めた点拡がり関数と(式5)から、各領域における理想投影データtが得られる(F5)。
また、代表投影角度・位置の点拡がり関数pから、中間投影角度・位置の点拡がり関数を補間により推定することもできる。この場合、点拡がり関数pは、例えば、代表位置からの距離(|ch|)の関数として、C・EXP(−D・|ch|)でフィッティングし、係数CとDとして求めて、この係数に対してデータ補間を実施する。ここでEXPは指数関数を表わす。
なお、モンテカルロシミュレーションの統計量不足にともなう高周波成分を取り除くため、点拡がり関数の分布あるいはフィッティングパラメータ分布に、平滑化処理を実施してもよい。平滑化処理は、例えば、チャネル方向やスライス方向、投影角度方向へ、データの移動平均をとることによっておこなう。このような方法により、X線CT装置100は、全投影角度方向について理想的投影tデータを求め、あらためて画像形成を実施する。これにより、散乱X線の影響のない良質な画像が得られる。
以上説明したように、第1実施形態に係るX線CT装置100では、被写体3の再構成画像を基に、被写体3に由来する散乱の点拡がり関数を推定するので、被写体3に応じた構造の変化を再現することができる。これにより、X線CT装置100は、点拡がり関数を精度高く推定することができ、散乱X線に起因する画質低下を低減することができる。また、第1実施形態に係るX線CT装置100によれば、物理相互作用を厳密に模擬可能なモンテカルロシミュレーションを用いるので、点拡がり関数をより精度高く推定することができる。
また、第1実施形態に係るX線CT装置100は、投影角度を代表角度方向にのみに限定し、X線検出素子6を代表する位置に限定してシミュレーションをおこなって点拡がり関数を求め、他の投影角度、他のX線検出素子6位置の点拡がり関数を補間によって求めることで、散乱X線補正に要する計算時間を大幅に短縮することができる。さらに、第1実施形態に係るX線CT装置100は、計算によって得られた点拡がり関数の分布あるいはそのフィッティングパラメータ分布を平滑化処理するので、統計変動に起因する高周波ノイズを除去することができ、計算時間の短縮および過補正や誤補正の抑制を図ることができる。すなわち、第2実施形態に係るX線CT装置100によれば、現実的な計算時間内で、散乱X線の影響のない良質なCT画像を得ることができる。
≪第2実施形態≫
第1実施形態では、代表点における点拡がり関数を推定することによって、散乱X線補正をおこなった。第2実施形態では、モンテカルロシミュレーションにより散乱X線の分布を推定して、散乱X線補正をおこなった。なお、第2実施形態において、X線CT装置100の構成(図1、図2参照)については、第1実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
<X線CT装置100による画像形成処理>
第2実施形態に係るX線CT装置100による画像形成処理について説明する。X線CT装置100によって撮影された投影データ(X線透過像データ)には、被写体3に起因する散乱X線が含まれている。このため、X線CT装置100は、一般的な画像処理における画像補正処理の他、撮影ごとに変わる被写体3に起因する散乱X線の分布を推定し、補正した上で画像を形成する。
図5は、第2実施形態に係るX線CT装置による画像形成処理の概要を示す説明図である。
撮影(F1)、補正・再構成処理(F2)および仮想的な被写体3の模擬(F3)は、第1実施形態に係るX線CT装置100による画像形成処理と同様であり、説明を省略する。
F3で模擬した仮想被写体3Aに対して、X線の詳細な物理相互作用を計算可能なモンテカルロシミュレーションを実施する(F7)。これにより、撮影ごとに変わる被写体3の構造を反映した散乱X線分布(Scat.Dist.)を精度良く推定することが可能となる。なお、散乱X線補正前の再構成画像(Image)には、散乱X線に起因する偽像が存在する可能性がある。しかし、偽像の影響が過度に深刻でなければ、再構成画像から被写体3の内部構造情報を読み取ることは可能である。
演算装置102は、F7において推定した散乱X線分布を基に、撮影(F1)によって得られた投影データ(Raw Data)を補正する(F8)。具体的には、投影データから散乱X線成分を除去する。そして、演算装置102は、散乱X線成分除去後の投影データを、あらためて補正・再構成処理する(F9)。これにより、演算装置102において、補正・再構成処理(F2)により生成された再構成画像(Image)と比較して、散乱X線の影響をより低減した良質な再構成画像(New Image)が得られる。なお、F9における補正・再構成処理とは、F2と同様、感度補正などの一般的な画像補正処理である。
<画像形成処理の詳細>
つづいて、図5に示した画像形成処理の各工程の詳細について説明する。
なお、撮影(F1)、補正・再構成処理(F2)および補正・再構成処理(F9)は、一般的なX線CT装置100の撮影および画像補正処理であり、説明を省略する。また、被写体3の模擬(F3)は第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
(仮想被写体3Aに対するモンテカルロシミュレーションの実行:F7)
つづいて、演算装置102上に模擬した仮想被写体3Aに対するモンテカルロシミュレーション(図5のF7)について説明する。X線CT装置100の演算装置102は、モンテカルロシミュレーションによって、演算装置102上に再現した被写体3に対して実際の撮影と同様のX線投影をおこなった場合の投影データを求める。このとき、被写体3以外の条件、例えば、X線源(X線管球1、X線焦点9)やX線検出器4などの装置構造についても、実際の構造に準じて演算装置102上に模擬しておく。
モンテカルロシミュレーションでは、X線焦点9からX線を多数の光子として放射させる。X線のエネルギは、あらかじめ計測した各スキャン条件におけるエネルギスペクトルに基づいて各光子に分配される。各光子が受ける相互作用は、確率によって記述され、相互作用の有無は擬似乱数を用いて決定する。X線の関与する代表的な物理過程としては、例えば、コンプトン散乱、レーリー散乱、光電効果、特性X線放射過程などがある。
モンテカルロシミュレーションにおいても、実際の撮影と同様に、仮想空間上でX線源(X線管球1、X線焦点9)とX線検出器4が被写体3の周りを回りながら複数の角度方向から撮影をおこない、計算によって投影データを求める。このとき、モンテカルロシミュレーションでは、X線と被写体3との相互作用の有無を知ることができるので、X線検出器4への直達X線の入射強度と散乱X線の入射強度とを、それぞれ別個に求めることができる。
このように、仮想被写体3Aに対してモンテカルロシミュレーションを実行することにより、被写体3を考慮した散乱X線分布(Scat.Dist.)を精度良く推定することが可能となる。
つぎに、モンテカルロシミュレーションにおける計算高速化方法について説明する。実際のCT撮影では、スキャン条件にもよるが、1回転あたり1000枚分程度の投影データを用いて画像を再構成している。すなわち、実際の撮影では、1回転あたり1000回程度、異なる角度方向から撮影をおこなっている。
一方、X線CT装置100の演算装置102がおこなうシミュレーションでは、実際の撮影回数よりも少ない数の代表角度方向の投影データのみをシミュレーションで求めている。これは、散乱X線の分布は、直達X線の分布に比べて比較的変化が緩やかであるため、いくつかの代表角度方向の投影データに含まれる散乱X線分布から、他の角度方向の散乱X線分布を推定することが可能なためである。このように、代表角度方向のみに投影シミュレーションをおこなうことによって、シミュレーションに要する計算時間を短縮することができる。
代表角度方向は、ランダムもしくは等角度間隔に選んでもよいが、散乱X線分布を限られた計算時間内で精度よく再現するために、例えば以下のように選択してもよい。
図6は、モンテカルロシミュレーションの手順の一例を示すフローチャートである。
ステップS1において、演算装置102は、あらかじめ決められた初期投影角度(例えば0度、90度、180度、270度)について、上述したモンテカルロシミュレーションをおこない、散乱X線分布を計算する。
ステップS2において、演算装置102は、散乱X線量の変化の大きさを、下記(式7)にしたがって計算する。
下記(式7)において、datascat(ch,sl,θ)は、検出器1回転あたりに得られる散乱X線分布を表し、チャネル方向X線検出素子6の位置(ch)、スライス方向のX線検出素子6の位置(sl)、投影角度(θ)の関数として表わされる。ただし、ch、sl、θは離散的変数である。
Figure 0005815048
ステップS3において、演算装置102は、散乱X線量の変化の大きさが最大となる区間を求める。
ステップS4において、演算装置102は、ステップS3で求めた区間中に投影角度を設定し、上述したモンテカルロシミュレーションをおこない、散乱X線分布を計算する。
例えば、投影角度θ1からθ2の間で上記(式7)の変化が最大値を示した場合(S3)、演算装置102は、つぎの投影角度として、例えば、(θ1+θ2)/2をとり、再度モンテカルロシミュレーションをおこなって散乱X線分布を計算する(S4)。
ステップS5において、演算装置102は、要求される統計精度を満たすまで、または、許容される計算時間を超えるまで(S5・No)、ステップS2に戻り、以降の処理をくり返す。そして、要求される統計精度を満たす、または、許容される計算時間を超えると(S5・Yes)、ステップS6に進む。
ここで、モンテカルロシミュレーションに要する時間は、要求精度によって変わる。散乱X線補正を実施するに当たり、ユーザは、入力装置104を通して、モンテカルロシミュレーションに用いるX線統計量もしくは計算時間を任意に設定することができる。また、ユーザは、モンテカルロシミュレーションを任意のタイミングで中断することができる。ユーザによってシミュレーションが中断された場合、X線CT装置100は、中断までに計算が完了しているデータを用いて散乱X線補正をおこなう。
ステップS6において、演算装置102は、ステップS1およびステップS4で得られた散乱X線分布に対して補間処理および平滑化処理をおこない、本フローチャートによる処理を終了する。
ステップS6の補間処理については、上記処理で得られた散乱X線分布は、投影角度方向に対して実測より少ないデータ数を持つため、中間角度データを補間するためにおこなう。データの補間方法としては、例えばスプライン補間法やラグランジュ補間法などが知られている。また、ステップS6の平滑化処理は、モンテカルロシミュレーションの統計量不足にともなう高周波成分を取り除くためにおこなう。平滑化処理は、例えば、チャネル方向やスライス方向、投影角度方向へ、データの移動平均をとることによっておこなう。
(散乱X線分布を用いた散乱X線補正:F8)
つぎに、F7において推定した散乱X線分布を基に、撮影(F1)によって得られた投影データ(Raw Data)を補正する散乱X線補正(図5のF8)の詳細について説明する。X線CT装置100の演算装置102は、シミュレーションによって得られた散乱X線分布を用いて、撮影で得られた投影データから散乱X線の寄与を差し引く。
具体的には、演算装置102は、下記(式8)に示す計算によって散乱X線補正をおこなう。下記(式8)において、DATAは撮影で得られた投影データ、DATArefは撮影で得られた投影のリファレンスデータ(例えば、端部に位置するX線検出素子6の出力の平均データ)、datascatは計算で得られた散乱X線分布データ、datatotal refは計算で得られた全X線分布(=直達X線分布+散乱X線分布)のリファレンスデータであり、変数の表示は省略した。αは補正強度を表す定数である。なお計測データは、X線非照射時の出力(オフセット値)が0になるように補正されているものとする。
Figure 0005815048
また、演算装置102は、下記(式9)に示す計算によってエアデータ(被写体3を空気とした場合の出力値)の散乱X線補正もおこなう。下記(式9)において、AIRは被写体3を空気として撮影した際の投影データである。また、各添え字の意味は上記(式8)と同様である。
Figure 0005815048
上記(式8)および(式9)で算出した値を用いて、演算装置102は、X線検出素子6の感度補正(エア補正と呼ぶ)を下記(式10)によっておこなう。
NewData/NewAir・・・(式10)
演算装置102は、上記(式10)で示した散乱X線補正およびエア補正後のデータを基に、再び画像再構成をおこなう。これにより、X線CT装置100は、散乱X線の影響のない良質な画像をユーザに提供することができる。
なお、上記では散乱X線補正後にエア補正を実施した場合を示したが、エア補正後に散乱X線補正を実施することもできる。ただし、この場合には、エアデータに含まれる散乱X線は少ないものとして考慮しない。具体的には、下記(式11)のような演算をおこなう。
Figure 0005815048
以上説明したように、第2実施形態に係るX線CT装置100では、被写体3の再構成画像(Image)を基に散乱X線分布(Scat.Dist.)を推定するので、被写体3に応じた構造の変化を再現することができる。これにより、X線CT装置100は、散乱X線分布を精度高く推定することができ、散乱X線に起因する画質低下を低減することができる。また、第2実施形態に係るX線CT装置100によれば、物理相互作用を厳密に模擬可能なモンテカルロシミュレーションを用いるので、散乱X線分布をより精度高く推定することができる。
また、第2実施形態に係るX線CT装置100は、投影角度を代表角度方向にのみに限定してシミュレーションをおこなって散乱X線分布を求め、他の角度方向の散乱X線分布を補間によって求めるので、散乱X線分布の推定に要する計算時間を大幅に短縮することができる。さらに、第2実施形態に係るX線CT装置100は、計算によって得られた散乱X線分布を平滑化処理するので、統計変動に起因する高周波ノイズを除去することができ、計算時間の短縮および過補正や誤補正の抑制を図ることができる。すなわち、第2実施形態に係るX線CT装置100によれば、現実的な計算時間内で、散乱X線の影響のない良質なCT画像を得ることができる。
≪第3実施形態≫
第1実施形態および第2実施形態では、被写体3に対する計測(撮像:F1)をおこなう度に、仮想被写体3A(X線吸収係数分布)に対するモンテカルロシミュレーションをおこない(F4)、散乱X線分布や点拡がり関数を求めた。第3実施形態では、事前のシミュレーションによって、被写体3を模擬したファントム(模擬被写体)を定義し、第1実施形態または第2実施形態で示した方法により、散乱X線分布または点拡がり関数の分布を詳細に求めておく。これにより、散乱X線補正に要する時間を大幅に短縮することができる。なお、第3実施形態において、X線CT装置100の構成(図1、図2参照)および画像形成処理の流れ(図3,図5参照)については、第1実施形態または第2実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
第3実施形態において、X線CT装置100は、例えば、ファントムとして楕円柱形の水を採用する。楕円柱であれば、変数は長径a、短径bのみである。以下、短径bの代わりに、扁平率f=1−b/aを変数として用いる。X線CT装置100は、実際の被写体3の測定に先立って、さまざまな扁平率fを有する複数の楕円柱に対して、散乱X線分布または点拡がり関数の長径a依存性を求めておく。そして、X線CT装置100は、任意の変数a,fに対する散乱X線分布や点拡がり関数の分布を、補間や関数フィッティングにより求め、データベース化しておく。
実際に被写体3の撮影をおこなう場合、X線CT装置100は、撮影によって得られた再構成画像を基に、被写体3の撮影部位形状を楕円状に近似し、その長径a、扁平率fを測定する。X線CT装置100は、測定された長径a、扁平率fに近似する散乱X線分布または点拡がり関数の分布を、上述したデータベースから選択し、第1実施形態または2で示した方法によって、測定データに対して散乱X線補正を実施する。そして、X線CT装置100は、散乱X線補正後の測定データを用いて画像再構成を実施する。これにより、散乱X線の影響のない良質な画像が得られる。
以上説明したように、第3実施形態に係るX線CT装置100によれば、第1実施形態または第2実施形態に係るX線CT装置100と同様の効果に加え、つぎのような効果が得られる。すなわち、第3実施形態に係るX線CT装置100によれば、計算に長時間を要するモンテカルロシミュレーションを被写体3の撮影前にあらかじめ実行しておくので、散乱X線補正に要する時間を大幅に短縮することができる。
1 X線管球(X線源)
2 開口部
3 被写体
3A 仮想被写体(模擬被写体、X線吸収係数分布)
4 X線検出器
5 散乱線防止グリッド
6 セパレータ
7 X線検出素子
8 検出器モジュール
9 X線焦点
100 X線CT装置
101 記録装置
102 演算装置
103 制御装置
104 入力装置
105 出力装置
F1 撮影(撮影部)
F2 補正・再構成処理
F3 被写体の模擬(内部分布推定部)
F4 仮想被写体に対するモンテカルロシミュレーション(点拡がり関数推定部)
F5 投影データ補正(補正部)
F6 補正・再構成処理(画像化部)
F7 仮想被写体に対するモンテカルロシミュレーション(X線分布推定部)
F8 投影データ補正(補正部)
F9 補正・再構成処理(画像化部)

Claims (5)

  1. X線焦点からX線を発生するX線源と、前記X線を検出するためのX線検出素子が2次元配列されているX線検出器とが、被写体をはさんで対向配置された関係を保ちながら前記被写体の周りを回転し、複数の投影方向から前記被写体のX線透過像データを撮影する撮影部と、
    前記撮影部によって撮影された前記X線透過像データに基づいて、前記被写体内部のX線吸収係数分布を推定する内部分布推定部と、
    前記内部分布推定部によって推定された前記X線吸収係数分布を有する模擬被写体に対して、前記X線の物理相互作用を模擬するモンテカルロシミュレーションを実施して、前記被写体に由来する散乱の点拡がり関数を推定する点拡がり関数推定部と、
    前記点拡がり関数推定部によって推定された前記点拡がり関数と、前記X線透過像データとを逆畳み込み積分して、前記X線透過像データを補正する補正部と、
    前記補正部によって補正された前記X線透過像データを用いて、前記被写体のX線吸収係数分布画像を形成する画像化部と、を備え、
    前記点拡がり関数推定部は、
    前記複数の投影方向よりも少ない数の投影方向である代表投影方向について前記モンテカルロシミュレーションを実施して、当該モンテカルロシミュレーションによって得られた前記代表投影方向間の前記点拡がり関数を補間することによって、前記複数の投影方向すべての前記点拡がり関数を推定する
    ことを特徴とするX線CT装置。
  2. X線焦点からX線を発生するX線源と、前記X線を検出するためのX線検出素子が2次元配列されているX線検出器とが、被写体をはさんで対向配置された関係を保ちながら前記被写体の周りを回転し、複数の投影方向から前記被写体のX線透過像データを撮影する撮影部と、
    前記撮影部によって撮影された前記X線透過像データに基づいて、前記被写体内部のX線吸収係数分布を推定する内部分布推定部と、
    前記内部分布推定部によって推定された前記X線吸収係数分布を有する模擬被写体に対して、前記X線の物理相互作用を模擬するモンテカルロシミュレーションを実施して、前記被写体に由来する散乱の点拡がり関数を推定する点拡がり関数推定部と、
    前記点拡がり関数推定部によって推定された前記点拡がり関数と、前記X線透過像データとを逆畳み込み積分して、前記X線透過像データを補正する補正部と、
    前記補正部によって補正された前記X線透過像データを用いて、前記被写体のX線吸収係数分布画像を形成する画像化部と、を備え、
    前記点拡がり関数推定部は、
    前記2次元配列された前記X線検出素子のうち、所定数の素子の位置である代表素子位置において前記モンテカルロシミュレーションを実施して、当該モンテカルロシミュレーションによって得られた前記代表素子位置間の前記点拡がり関数を補間することによって、前記2次元配列された前記X線検出素子のすべての位置における前記点拡がり関数を推定する
    ことを特徴とするX線CT装置。
  3. 前記内部分布推定部は、
    CT値が既知な複数の物質の混合物として前記被写体を模擬することによって前記X線吸収係数分布を推定する
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のX線CT装置。
  4. X線焦点からX線を発生するX線源と、前記X線を検出するためのX線検出素子が2次元配列されているX線検出器とが、被写体をはさんで対向配置された関係を保ちながら前記被写体の周りを回転し、複数の投影方向から前記被写体のX線透過像データを撮影する撮影部と、
    前記撮影部によって撮影された前記X線透過像データに基づいて、前記被写体内部のX線吸収係数分布を推定する内部分布推定部と、
    前記内部分布推定部によって推定された前記X線吸収係数分布を有する模擬被写体に対して、前記X線の物理相互作用を模擬するモンテカルロシミュレーションを実施して、前記被写体に由来する散乱X線の分布を推定するX線分布推定部と、
    前記X線分布推定部によって推定された前記分布に基づいて、前記X線透過像データから前記散乱X線の成分を除去する補正部と、
    前記補正部によって前記散乱X線の成分が除去された前記X線透過像データを用いて、前記被写体のX線吸収係数分布画像を形成する画像化部と、を備え、
    前記X線分布推定部は、
    前記複数の投影方向より少ない数の投影方向である代表投影方向について前記モンテカルロシミュレーションを実施して、当該モンテカルロシミュレーションによって得られた前記代表投影方向間の前記分布を補間することによって、前記複数の投影方向すべての前記分布を推定する
    こと特徴とするX線CT装置。
  5. 前記X線分布推定部は、
    前記代表投影方向の前記分布から前記散乱X線量の変化率が最大となる前記投影方向を推定し、前記変化率が最大となる前記投影方向の前記散乱X線の分布を前記モンテカルロシミュレーションによって求める手続きをくり返して、前記代表投影方向を逐次選択することを特徴とする請求項に記載のX線CT装置。
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