JP5858928B2 - Ｘ線ｃｔ装置及び画像再構成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、X線を被検体に照射し、被検体を透過したX線をX線検出器により計測し、多方向からの投影データを再構成することにより被検体の断層像を得るX線CT装置等に関し、特に、画像再構成処理に関するものである。
X線CT装置の撮影によって得られる投影データから断層画像データを生成するための画像再構成法としては、フーリエ変換法、フィルタ補正逆投影法、逐次近似法などが提案されている。
一般的には、計算時間、計算精度、使用メモリ量の観点から、フィルタ補正逆投影法が用いられている。これに対して、逐次近似法は、順投影処理及び逆投影処理を反復的に行うため、計算時間、使用メモリ量が問題とはなるが、ノイズ低減、アーチファクト低減などの特長を有する。そこで、近年、逐次近似法の実用化に向けて、計算時間の短縮、使用メモリ量の低減について検討が進められている。
ところで、マルチスライスCTにおけるフィルタ補正逆投影法としては、拡張フェルドカンプ法、もしくはこれを応用した手法が主に用いられている。この手法は、ランプフィルタやシェップアンドローガンフィルタなどの再構成フィルタを投影データに適用させた後、逆投影処理にて画像に値を埋め込んでいく(積分していく)。逆投影処理としては、線束駆動型(ray-driven)、画素駆動型(pixel-driven voxel-driven)、距離駆動型(distance-driven)が知られている。
ここで、図16を参照しながら、距離駆動型について簡単に説明する。
距離駆動型は、画素境界とビーム境界との間の距離を基準として考える手法である。距離駆動型の逆投影処理では、図16に示すように、画素境界とビーム境界との間の距離を走査していき、ビーム102内に含まれる画素104に投影値を順次埋め込んでいく。距離駆動型の逆投影処理は、例えば、特許文献1において開示されている。
逐次近似法では、初期画像として、フィルタ補正逆投影法によって生成される画像を用いることによって、高速化を図ることができる。従って、逐次近似法によって画像再構成を行う場合にも、フィルタ補正逆投影法を併用できることが望ましい。
また、前述の逆投影処理は、逐次近似法の反復処理においても行われる。従って、フィルタ補正逆投影法及び逐次近似法を併用する場合、同じ手法の逆投影処理を採用することによって、逆投影処理に関して相違がない断層像が得られるとともに、開発コストの低減を図ることができる。
また、X線CT装置では、検出器のチャネル方向に1/4チャネル分のオフセット(「クォーターオフセット」と呼ばれている。)がなされ、対象とする位相のデータと対向位相のデータとのビーム経路がずれるようになっている。その結果、ビームのチャネル方向のサンプリング密度を実効的に向上させることができる。高分解能な画像を得るためには、対向データを含めた最近接ビームから逆投影処理を行えば良い。このような手法は、高分解能再構成(ハイレゾ再構成)と呼ばれている。ハイレゾ再構成は、頭部撮影時(特に、内耳などの微小組織の診断の際)に有用な技術である。
ハイレゾ変換としては、対向挿入法又はデータ補間法が一般的である。データ補間法は、例えば、特許文献2および特許文献3に開示されている。
以上から、逐次近似法によって画像再構成を行う場合であっても、フィルタ補正逆投影法も併用するとともに、同じ手法の逆投影処理を採用することが望ましい。更に、逆投影処理は、ハイレゾ再構成を行えることが望ましい。
特表2005-522304号公報 特開平6-181919号公報 特開平10-314161号公報
距離駆動型では、サンプリング密度を一定に保つことが可能である。また、画素サイズが検出器素子サイズと比較して比較的大きい場合にはノイズ低減につながる。また、均一な逆投影が可能であるため、モアレなどの高周波誤差が生じない。また、データアクセスの連続性が高いため、処理の高速化が可能である。
しかしながら、特許文献1の図6に開示されているように、正方形ウィンドウ又は画素の影の幅を調整し、これらが常に隣接し且つギャップが除去され、これらが事実上連続となるようにする仕組みでは、前述のハイレゾ再構成を行うことができないという問題がある。なぜならば、対象とする位相の投影データを埋め込む際に対向する位相の投影データを考慮していないからである。
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、ハイレゾ再構成が可能な距離駆動型の逆投影処理を実行し、高分解能の断層像を生成できるX線CT装置等を提供することである
前述した目的を達成するために本発明は、ファンビームデータに対してファンパラ変換を行うことによって得られるパラレルビームデータを基にX線CT装置が実行する画像再構成方法であって、処理対象とする位相の前記パラレルビームデータを対象データとし、前記対象データと対向する位相の前記パラレルビームデータを対向データとし、前記対象データに対応する前記対向データの存在の有無を判定し、この判定結果ごとに異なるハイレゾ再構成を行い、前記対象データ、又は、前記対象データ及び前記対向データを用いて、画素境界とビーム境界との間の距離に基づいて逆投影処理を実行し、画像再構成を行うことを特徴とする。
本発明により、ハイレゾ再構成が可能な距離駆動型の逆投影処理を実行し、高分解能の断層像を高速に生成できるX線CT装置等を提供することができる。
X線CT装置の構成図 ファンビームにおける対象ビームと対向ビームの形状を比較する図 パラレルビームにおける対象ビームと対向ビームの形状を比較する図 第1の逆投影処理の流れを示すフローチャート 第2の逆投影処理の流れを示すフローチャート 逆投影位相幅と対向データの有無の関係を示す図 対向挿入法を示す図 0挿入法を示す図 データ補間法を示す図 距離駆動型の逆投影処理を説明する図 従来の窓関数を示す図 矩形形状の窓関数を示す図 台形形状の窓関数を示す図 三角形形状の窓関数を示す図 本発明の窓関数を説明する図 距離駆動型を説明する図
本発明の実施形態につき説明する。
本発明のX線CT装置は、ファンビームデータに対してファンパラ変換を行うことによって得られるパラレルビームデータを基に画像再構成を行うX線CT装置であって、処理対象とする位相の前記パラレルビームデータを対象データとし、前記対象データと対向する位相の前記パラレルビームデータを対向データとし、前記対象データに対応する前記対向データの存在の有無を判定する判定部と、前記判定部による判定結果ごとに異なるハイレゾ再構成を行い、前記対象データ、又は、前記対象データ及び前記対向データを用いて、画素境界とビーム境界との間の距離に基づいて逆投影処理を実行し、画像再構成を行う画像再構成部と、を具備する。
また、前記対象データ、又は、前記対象データ及び前記対向データに対応する投影値が画素値に対して寄与する割合を示す窓関数を決定する決定部、を更に具備し、前記画像再構成部は、前記決定部によって決定される前記窓関数の形状を適用して逆投影処理を実行する。
また、前記決定部は、前記判定部によって前記対向データが存在すると判定された場合には、前記対象データ及び前記対向データのいずれか一方に関する前記窓関数の形状と、もう一方に関する前記窓関数を上下反転させた形状が、互いに点対称となるように、それぞれの前記窓関数を決定する。
また、前記決定部は、前記対象データ及び前記対向データに関する前記窓関数の形状を矩形とする。
また、前記決定部は、前記対象データ及び前記対向データに関する前記窓関数の形状として、三角形、台形及び矩形を選択可能とする。
また、前記画像再構成部は、逐次近似法における反復処理の初期画像をフィルタ補正逆投影法によって生成し、前記初期画像に基づいて逐次近似法における反復処理を実行する。
また、前記逆投影処理は、前記画素境界とビーム境界との間の距離に応じて画素値の重み付けを行う。
また、本発明の他の実施形態につき説明する。
本発明の画像再構成方法は、ファンビームデータに対してファンパラ変換を行うことによって得られるパラレルビームデータを基にX線CT装置が実行する画像再構成方法であって、処理対象とする位相の前記パラレルビームデータを対象データとし、前記対象データと対向する位相の前記パラレルビームデータを対向データとし、前記対象データに対応する前記対向データの存在の有無を判定する判定ステップと、前記判定ステップによる判定結果ごとに異なるハイレゾ再構成を行い、前記対象データ、又は、前記対象データ及び前記対向データを用いて、画素境界とビーム境界との間の距離に基づいて逆投影処理を実行し、画像再構成を行う画像再構成ステップと、を含む。
次に、これら本発明の実施形態につき図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。
最初に、図1を参照しながら、X線CT装置1の構成を説明する。
X線CT装置1は、例えば、マルチスライスCT装置である。スキャン方式は、例えば、ローテート-ローテート方式(第3世代)である。X線CT装置1は、スキャナ2と操作ユニット3と寝台7とによって構成される。
スキャナ2が、操作ユニット3による指示に従って、寝台7に戴置される被検体4のスキャン処理を行う。
スキャナ2は、X線発生装置5、コリメータ6、検出器8、中央制御装置11、X線制御装置12、スキャナ制御装置13、高電圧発生装置14、コリメータ制御装置15、寝台制御装置16、寝台移動計測装置17、駆動装置18、プリアンプ19、A/Dコンバータ20等によって構成されている。
操作ユニット3は、入出力装置31、演算装置32等によって構成されている。入出力装置31は、表示装置33、入力装置34、記憶装置35等を含む。演算装置32は、再構成演算装置36、画像処理装置37等を含む。
操作ユニット3における入力装置34は、マウス、キーボード、タッチパネル等によって構成され、寝台移動速度情報や再構成位置など計測パラメータ、再構成パラメータを入力する。表示装置33は、液晶ディスプレイ等のディスプレイ装置によって構成される。
記憶装置35は、ハードディスクや各種の記憶媒体のドライブ装置によって構成される。
ユーザは、操作ユニット3における入力装置34から撮影条件(寝台移動速度、管電流、管電圧、スライス位置等)や再構成条件(再構成法、ハイレゾ処理のON/OFF、画像スライス厚、逆投影位相幅、関心領域、再構成画像マトリクスサイズ、再構成フィルタ関数、逐次近似処理の最大反復回数や収束条件等)を入力する。
中央制御装置11は、入力される指示に基づいて、X線制御装置12、スキャナ制御装置13、寝台制御装置16に対して撮影に必要な制御信号を送り、撮影スタート信号を受けて撮影を開始する。
撮影が開始されると、X線制御装置12によって高電圧発生装置14に制御信号が送られ、高電圧がX線発生装置5に印加され、X線発生装置5からX線9が被検体4に照射される。同時に、スキャナ制御装置13から駆動装置18に制御信号が送られ、X線発生装置5、検出器8、プリアンプ19等を搭載するガントリが、被検体4の周りを周回する。
一方、被検体4が載置される寝台7が、寝台制御装置16からの制御信号に従って、静止(ノーマルスキャン時)、又は被検体4の体軸方向に平行移動(らせんスキャン時)を行う。X線9は、コリメータ6により照射領域が制限され、被検体4内の各組織において吸収(減衰)され、被検体4を通過し、検出器8によって検出される。検出器8によって検出されるX線9は、電流に変換され、プリアンプ19によって増幅され、A/Dコンバータ20によってデジタルデータに変換され、LOG変換され、キャリブレーションが行われて投影データ信号として演算装置32に入力される。
演算装置32に入力される投影データ信号は、再構成演算装置36によって行われる画像再構成処理の入力データとなる。再構成画像は、記憶装置35に保存され、表示装置33によってCT画像として表示される。もしくは、画像処理装置37によって画像処理がなされた後、表示装置33によってCT画像として表示される。
ここで、X線CT装置1による撮影処理と画像再構成処理の概要について説明する。
X線CT装置1では、スキャナ2に接続される操作ユニット3の入力装置34から入力される撮影条件に基づき、X線発生装置5であるX線管に管電圧、管電流が印加される。
また、X線CT装置1では、印加される管電圧に応じたエネルギーの電子が陰極から放出され、放出された電子がターゲット(陽極)に衝突することによって、電子エネルギーに応じたエネルギーのX線9がX線管のX線源から照射される。照射されるX線9は、被検体4を透過し、透過する被検体4内の物質(組織)のX線減弱係数に応じて減衰するX線9をX線源に対向する位置に配置される検出器8によって受光し、投影データを得る。
フィルタ補正逆投影法の場合、X線CT装置1の再構成演算装置36は、投影データに再構成フィルタを重畳してフィルタ補正投影データを得て、フィルタ補正投影データに対して、撮影条件によって決定され断層像の位置によらずビュー方向に略同一の形状の重み(以下、「ビュー重み」という。)を加重しながら逆投影(画像再構成)することによって、被検体4内部のX線減弱係数の分布図として非破壊的に断層像を画像化する。
X線CT装置1の検出器8は、広範囲を短時間に撮影することを目的として、周回方向の1次元に配置される1次元検出器(「単列検出器」、「シングルスライス」とも言う。)を周回軸方向に拡張した2次元検出器(「多列検出器」、「マルチスライス検出器」とも言う。)を採用しても良い。一般に、検出器8が周回方向の1次元に配置されるX線CT装置1は「シングルスライスCT」、2次元に配置されるX線CT装置1は「マルチスライスCT」と呼ばれる。シングルスライスCTでは、X線発生装置5(X線源)から扇状に広がるX線ビームが照射され、マルチスライスCTでは、検出器8に合わせてX線発生装置5(X線源)から円錐状、もしくは角錐状に広がるX線ビームが照射される。
X線CT装置1では、寝台7に載置される被検体4の周りを周回しながらX線照射が行われる。この際、寝台7が固定され、X線発生装置5(X線源)が被検体4の周りを円軌道状に周回する撮影は、「ノーマルスキャン」や「アキシャルスキャン」などと呼ばれる。また、寝台7が移動し、X線発生装置5(X線源)が被検体4の周りをらせん軌道状に周回する撮影は、「らせんスキャン」や「ヘリカルスキャン」などと呼ばれる。
また、逐次近似法の場合、X線CT装置1は、初期画像としてフィルタ補正逆投影法にて生成される画像を用いることが高速化のために優位である。逐次近似法における反復処理では、X線CT装置1は、高周波誤差等の理由により距離駆動型の逆投影処理を適用する方が優位である。距離駆動型の逆投影処理に基づきハイレゾ再構成を行うことによって、フィルタ補正逆投影法と逐次近似法の反復処理において、同じ方式の逆投影処理を適用することができる。これによって、逆投影処理に関して相違がない断層像が得られるとともに、開発コストの低減を図ることができる。
次に、図2、図3を参照しながら、本発明の実施の形態におけるファンパラ変換の必要性について説明する。
図2に示すように、ファンビームは、周回軸方向から見て扇状の広がりを有する。ファンビームの場合、距離駆動型の逆投影処理では、1本のビームを三角形状として扱うことになる。この場合、対象ビームと対向ビームの形状を比較すると、図2に示すように両者の形状が異なる為、対象ビームに加えて、対向ビームに関するデータを用いるハイレゾ再構成を行うことができない。
一方、図3に示すように、パラレルビームは、周回軸方向から見て平行であり、等間隔となる。パラレルビームの場合、距離駆動型の逆投影処理では、1本のビームを矩形形状として扱うことになる。この場合、対象ビームと対向ビームの形状を比較すると、図3に示すように両者の形状が一致する為、後述する「0挿入法」によって対向ビームに関するデータを利用し、ハイレゾ再構成を行うことができる。
従って、再構成演算装置36は、ファンビームデータからパラレルビームデータへの変換処理であるファンパラ変換を行い、ファンパラ変換後のパラレルビームデータに基づいて画像再構成処理を行う。尚、ファンパラ変換処理は、公知の技術を用いれば良い。
以下では、処理対象とする位相のパラレルビームデータを対象データとし、対象データと対向する位相のパラレルビームデータを対向データとする。
次に、図4〜図6を参照しながら、本発明の実施の形態における逆投影処理について説明する。尚、逆投影処理以外の処理については、公知の技術を用いれば良い為、説明を省略する。
X線CT装置1の再構成演算装置36は、フィルタ補正逆投影法及び逐次近似法を併用し、共に距離駆動型の逆投影処理を採用する。フィルタ補正逆投影法では、再構成演算装置36は、図4に示す第1の逆投影処理を実行する。逐次近似法では、再構成演算装置36は、図4に示す第1の逆投影処理又は図5に示す第2の逆投影処理を実行する。尚、逐次近似法では、再構成演算装置36は、逆投影処理を繰り返し実行する。
最初に、フィルタ補正逆投影法によって、再構成演算装置36が図4に示す第1の逆投影処理を実行する場合について説明する。
再構成演算装置36は、撮影条件を基に、各対象データに対応する対向データの存在の有無を判定し、どこからどこまでの位相範囲に対向データが存在するかを算出する(ステップ11)。すなわち、再構成演算装置36は、撮影条件から再構成画像の1スライス分を生成するために使用可能な逆投影位相幅を算出する。
具体的には、再構成演算装置36は、フェルドカンプ再構成のように、体軸方向のX線ビーム傾斜が考慮される再構成において、以下のようにパラレルビームデータから逆投影位相幅を算出する。
Figure 0005858928
ここで、Fは逆投影位相幅、Δdrowは列方向検出器素子サイズ、Nrowは検出器列数、SIDは線源-周回中心間距離、Tは寝台移動速度、SDDは線源-検出器間距離、FOVは有効視野サイズ、x0はX方向の再構成中心位置、y0はY方向の再構成中心位置、FOVxはX方向のFOVサイズ、FOVyはY方向のFOVサイズである。なお、ここでは逆投影位相幅を撮影条件から上式を用いて算出したが、これに限定されず、事前に算出しておいた逆投影位相幅を用いてもよく、再構成条件として入力装置から直接設定してもよい。また、投影データを検出器列方向に外挿によりデータ拡張することを前提とし、上式から算出される値よりも大きく設定してもよい。
図6には、逆投影位相幅と対向データの有無の関係が図示されている。41a、41b、41c、41dは、それぞれ、逆投影位相幅を示している。42a、42bは、それぞれ、対向データが存在しない位相を示している。
図6(a)は、逆投影位相幅が180度の場合、図6(b)は、逆投影位相幅が180度〜360度の場合、図6(c)は、逆投影位相幅が360度の場合、図6(d)は、逆投影位相幅が360度以上の場合の一例を示している。
図6(a)に示すように、逆投影位相幅41aが180度の場合、対向データが存在しない位相42aは180度分となり、全ての位相において対向データが存在しない。
また、図6(b)に示すように、逆投影位相幅41bが270度の場合、対向データが存在しない位相42bは90度分となる。
また、図6(c)に示すように、逆投影位相幅41cが360度の場合、対向データが存在しない位相は0度分となり、全ての位相において対向データが存在する。また、図6(d)の場合も同様である。
図4の説明に戻る。再構成演算装置36は、対向データが存在する位相範囲に対しては、後述する0挿入法(図8参照)のハイレゾ変換を行い、対向データが存在しない位相範囲に対しては、後述するデータ補間法(図9参照)を用いたハイレゾ変換を行う。そして、再構成演算装置36は、2倍サンプリング化されたハイレゾ投影データを作成する(ステップ12)。シングルスライスCTの場合、対向データが存在する位相範囲に対して、後述する対向挿入法(図7参照)のハイレゾ変換を行っても良い。
また、再構成演算装置36は、ビュー重みを算出し(ステップ13)、ハイレゾ投影データに対してフィルタ補正処理を行う。そして、再構成演算装置36は、フィルタ補正されたフィルタ補正ハイレゾ投影データを用いて、後述する距離駆動型の逆投影処理(図11参照)を行い、再構成画像を生成する(ステップ14)。
次に、逐次近似法によって、再構成演算装置36が図4に示す第1の逆投影処理を実行する場合について説明する。
再構成演算装置36は、撮影条件を基に、各対象データに対応する対向データの存在の有無を判定し、対向データが存在する位相範囲を算出する(ステップ11)。
図4に示す第1の逆投影処理の方法は、対向データの存在有無を判定(ステップ11)した後、逐次近似再構成法で画像を生成する場合における反復処理時の逆投影処理では、再構成演算装置36は、パラレルビーム投影データの対向データが存在する位相範囲に対して0挿入法を用いたハイレゾ変換を行い、対向データが存在しない位相範囲に対しては、データ補間法を用いたハイレゾ変換を行うことで2倍サンプリングのパラレル・ハイレゾ投影データを作成し(ステップ12)、ビュー重みを算出し(ステップ13)、パラレル・ハイレゾ投影データを距離駆動型の逆投影により画像を生成する(ステップ14)。
また、図4に示す第1の別の逆投影処理の方法は、対向データの存在有無を判定(ステップ11)した後、逐次近似再構成法で画像を生成する場合における反復処理時の逆投影処理では、再構成演算装置36は、パラレルビーム投影データの対向データが存在する場合、しない場合ともにデータ補間法を用いたハイレゾ変換を行い(ステップ12)、パラレル・ハイレゾ投影データを得、ビュー重みを算出し(ステップ13)、距離駆動型の逆投影処理(ステップ14)を行う。
次に、逐次近似法によって、再構成演算装置36が図5に示す第2の逆投影処理を実行する場合について説明する。
再構成演算装置36は、撮影条件を基に、各対象データに対応する対向データの存在の有無を判定し、対向データが存在する位相範囲を算出する(ステップ21)。
図5に示す第2の逆投影処理の方法は、対向データの存在有無を判定(ステップ21)した後、逐次近似再構成法で画像を生成する場合における反復処理時の逆投影処理では、再構成演算装置36は、ビュー重みを算出し(ステップ22)、パラレルビーム投影データの対向データが存在する位相範囲に対して、画素と検出器素子のうちの一方に対する検出器素子の窓寸法を対向データが存在しない場合の半分のサイズに設定する距離駆動型のハイレゾ逆投影処理を行うことにより画像を生成する(ステップ23)。シングルスライスCTの場合、対向データが存在する位相範囲に対して、後述する対向挿入法(図7参照)のハイレゾ変換を行っても良い。
尚、反復処理の入力画像である初期画像は、前述のフィルタ補正逆投影処理によって生成することが望ましい。これによって、反復処理の計算時間を短縮することができる。
次に、図7〜図9を参照しながら、ハイレゾ変換の3つの手法について説明する。3つの手法とは、対向挿入法、0挿入法、データ補間法である。
X線CT装置1では、検出器8のチャネル方向に1/4チャネル分のオフセット(「クォーターオフセット」)がされている。クォーターオフセットによって得られる投影データは、対向データを考慮して再構成することによって高分解能な画像を得ることができる。
クォーターオフセットを利用してハイレゾ再構成を行うためには、対向データが存在する必要がある。シングルスライスCTのアキシャルスキャンの場合は常に対向データが存在するが、マルチスライスCTのらせんスキャンの場合、フェルドカンプ再構成を行うと、使用できるビュー幅が限定され、対向データが一部の位相にしか存在しないことがある。具体的には、寝台移動速度が遅い場合には、逆投影に使用可能な位相幅(ビュー幅)が360度分集まるため、どの位相においても対向データは存在する。一方、寝台移動速度が速い場合には、逆投影に使用可能な位相幅は360度集まらないため、一部の位相しか対向データは存在しない。
一般的には、逆投影可能な位相幅が360度以上集まり、対向データがどの位相においても存在する場合のみ、ハイレゾ再構成を行う。一方、本発明の実施の形態では、逆投影可能な位相幅が360度集まらず対向データが一部しか存在しない場合であっても、可能な限り高分解能な画像を得られる処理を実行する。
(1)対向挿入法
対向挿入法は、例えば360度分の投影データを準備し、対象データの中に対向データを埋め込む(挿入する)ことによって、チャネル数が2倍となり、チャネル間隔が半分である180度分の投影データを生成する方法である。X線CT装置1は、対向挿入法により得られる2倍サンプリング投影データを、チャネル数が2倍の仮想的な検出器によって得られたものと仮定して、フィルタ補正処理を行うことによって、フィルタ補正投影データを得る。そして、X線CT装置1は、フィルタ補正投影データを基に画素中心を通過するビームを最近接ビーム間の補間により生成しながら、180度分の投影データを画素に埋め込む(逆投影する)ことによって高分解能画像を得ることができる。この方法を用いる場合、サンプリングが実効的に2倍となり、対向データを含めて、より近い投影データ間での補間処理が可能であることから、高分解能な画像を生成できる。フィルタ補正逆投影法では、フィルタ補正処理の前にチャネル方向にデータを2倍サンプリング化しておき、より高周波特性にすぐれた再構成フィルタを用いることによって、高分解能化を行うことができる。
具体的には、再構成演算装置36は、図7に示すように、対向データを対象データの対応するチャネル間に挿入(以下、「対向挿入」という。)することにより、チャネル方向のサンプリングを2倍密度化し、その後、180度逆投影を行う。対向挿入法は、対向データが必要であるため、対向データが存在する位相範囲にのみ適用できる。そのため、らせんスキャンの場合、比較的低速のらせんピッチを使用する必要がある。逆投影は180度でよいため、再構成処理の高速化が可能である。
マルチスライスCTによって得られる投影データの場合、画素毎に対向データ(投影データの列位置)が変わるため、対向挿入を行うことができない。そのため、対向挿入法は、シングルスライスCTにおいてのみ用いることができる。対向挿入法の場合、逆投影時には180度分の投影データとなっているため、再構成演算装置36は、ビュー重みを使用せずに逆投影処理を行う。
(2)0挿入法
0挿入法では、再構成演算装置36は、図8に示すように、チャネル間に対向データを挿入する代わりに0データを挿入(以下、「0挿入」という。)することにより、チャネル方向のサンプリングを高密度化し、通常の再構成処理と同じ逆投影位相幅分を逆投影する。0挿入法は、対向データが必要であるため、対向データが存在する位相範囲にのみ適用できる。
0挿入法は、対向挿入法と異なり、単純にチャネル間に0挿入するのみであるため、マルチスライスCTによって得られる投影データに対しても適用可能である。0挿入法では、逆投影位相幅が360度以下の場合、逆投影時にビュー重みを1(「1」は、ビュー重みを使用していない場合と等価である。)、もしくはビュー重みを使用せずに再構成する必要がある。一方、360度以上の場合、公知のビュー重みを使用することができる。ビュー重みを使用することによって、被検体動きによるモーションアーチファクトや、らせんスキャンによるヘリカルアーチファクトを低減することができる。
(3)データ補間法
データ補間法は、例えば360度分の投影データを準備し、対象とする位相の投影データから補間により作成したデータを埋め込むことによって2倍サンプリング化する方法である。X線CT装置1は、データ補間法によってチャネル数が2倍かつチャネル間隔が半分である360度分の投影データを生成し、チャネル数が2倍の仮想的な検出器によって得られたものと仮定して、画素中心を通過するビームを最近接ビーム間の補間により生成しながら、360度分の投影データを画素に埋め込む(逆投影する)ことによって高分解能画像を得ることができる。
具体的には、再構成演算装置36は、図9に示すように、同一位相内においてチャネル間を補間処理することによってサンプリングを2倍密度化し、逆投影位相幅分を逆投影する。データ補間法では、対向データがなくても適用可能であり、らせんスキャンの場合、比較的高速のらせんピッチを使用することができる。また、データ補間法では、0挿入法と同様に補間データをチャネル間に挿入するのみであるため、マルチスライスCTによって得られる投影データに対しても適用可能であり、逆投影時には逆投影位相幅に関わらず、公知のビュー重みを使用することができる。
尚、データ補間法では、対象データ間での補間によってサンプリングを高密度化することから、対向挿入法や0挿入法と比較して、空間分解能は劣る。
次に、図10〜図15を参照しながら、図4のステップ14における距離駆動型の逆投影処理、及び、図5のステップ23における距離駆動型のハイレゾ逆投影処理について説明する。
図10には、被検体4を側面から見たときの画素の集合を示す画像平面51に対するX線9の軌跡が示されている。具体的には、X線9がX線発生装置5を出発し、画像平面51を通過し、検出器8に到達するまでの軌跡が示されている。
画素境界52は、X-Z面においてX軸方向に隣接する画素(M1、M2、M3、M4)同士の境界位置を示している。
ビーム境界53は、仮想的なX線ビームの境界位置を示している。ビーム境界53は、検出器8に含まれる検出器素子の中で、X-Z面においてX軸方向に隣接する検出器素子(D1、D2、D3)の境界位置に一致する。ビーム境界53は、処理の便宜上、検出器素子ごとにX線ビームの線束を分割するための仮想的な境界位置である。
Ldetは、画素境界52同士の間隔、すなわち検出器素子のX軸方向の大きさである。通常、Ldetは、全ての検出器素子に対して一定である。
L1は、X-Z面において、検出器素子D1に対応するX線ビームと画素M1が重なるX軸方向の幅を示している。同様に、L2は、X-Z面において、検出器素子D1に対応するX線ビームと画素M2が重なるX軸方向の幅を示している。
ここで、簡略化して考えると、
検出器素子D1の投影値＝(M1の画素値×L1＋M2の画素値×L2)/Ldet
の関係が成り立つと言える。
図11〜図14は、それぞれ異なる窓関数を図示している。
窓関数とは、一般には、ある有限区間以外において0となる関数である。窓関数は、無限に継続している空間の中で、ある有限の空間に、ある特定の形状によって切り出すために用いられる。本発明の実施の形態では、投影が画素に対して寄与する割合(寄与率)、もしくは、その逆を意味する。
再構成演算装置36は、第1の逆投影処理において、対象データに対応する投影値が画素値に対して寄与する割合を示す窓関数を決定する。また、再構成演算装置36は、第2の逆投影処理において、対象データ及び対向データに対応する投影値が画素値に対して寄与する割合を示す窓関数を決定する。
図11は、第1の逆投影処理における窓関数を図示している。図11に示す窓関数54aの形状は矩形であり、隣接する窓関数54aと連続する。つまり、窓関数54aの横幅は、ビーム境界53の横幅と等しい。
図11に示す例では、再構成演算装置36は、画素境界52内に含まれるX線ビームの投影値を積分処理していく。
raw1〜raw5は、検出器素子ごとの投影値55である。sum1、sum2は、画素ごとの画素値56である。
L1は、X-Z面において、投影値55「raw1」を切り出す窓関数54aと画素値56「sum1」に対応する画素が重なるX軸方向の幅を示している。L2は、X-Z面において、投影値55を切り出す窓関数54aと画素値56「sum1」に対応する画素が重なるX軸方向の幅を示している。L3は、X-Z面において、投影値55「raw3」を切り出す窓関数54aと画素値56「sum1」に対応する画素が重なるX軸方向の幅を示している。
また、L4は、X-Z面において、投影値55「raw3」を切り出す窓関数54aと画素値56「sum2」に対応する画素が重なるX軸方向の幅を示している。L5は、X-Z面において、投影値55「raw4」を切り出す窓関数54aと画素値56「sum2」に対応する画素が重なるX軸方向の幅を示している。L6は、X-Z面において、投影値55「raw5」を切り出す窓関数54aと画素値56「sum2」に対応する画素が重なるX軸方向の幅を示している。
第1の逆投影処理の場合、再構成演算装置36は、画素境界とビーム境界との間の距離に基づいて、対象データに含まれる画素に対して、図11に示す窓関数54aの形状を適用して投影値を順次埋め込んでいくことによって逆投影処理を実行し、画像再構成を行う。
例えば、再構成演算装置36は、
sum1＝(raw1×L1＋raw2×L2＋raw3×L3)/Limg
の式によって、画素値56「sum1」に関する逆投影処理を実行する。
また、例えば、再構成演算装置36は、
sum2＝(raw3×L4＋raw4×L5＋raw5×L6)/Limg
の式によって、画素値56「sum2」に関する逆投影処理を実行する。
ここで、より一般的に、再構成演算装置36は、X軸方向の幅の比率ではなく、面積の比率を重みとしても良い。
すなわち、再構成演算装置36は、窓関数54aの高さをd、S1＝d×L1、・・・、S6＝d×L6とし、
sum1＝(raw1×S1＋raw2×S2＋raw3×S3)/(S1＋S2＋S3)
の式によって、画素値56「sum1」に関する逆投影処理を実行しても良い。
また、再構成演算装置36は、
sum2＝(raw3×S4＋raw4×S5＋raw5×S6)/(S4＋S5＋S6)
の式によって、画素値56「sum2」に関する逆投影処理を実行しても良い。
図12は、第2の逆投影処理における窓関数についての第1の例を図示している。図12に示す窓関数54bは、対象データに関するものであり、窓関数54cは、対向データに関するものである。窓関数54b、54cの形状は矩形であり、図11に示す窓関数54aの幅の半分の幅を有する。従って、窓関数54b、54cは、それぞれ、隣接する窓関数54b、54cと連続しない。また、窓関数54b及び窓関数54cは、同じ形状となる。
図12に示す例では、再構成演算装置36は、窓関数54b、54cの形状を、窓関数54aの幅の半分の幅を有する矩形とし、窓関数54b、54cの位置をX線ビームの中心に設定する(窓関数54b、54cの幅方向の中点と、X線ビームの中心が一致するように、窓関数54b、54cの位置を定める)。そして、再構成演算装置36は、画素境界52内部に含まれる窓関数54b、54cの画素全体に対する面積比率を重みとして投影値55に乗算し、更にビュー重みを投影値55に乗算することによって、対象画素に投影データの積分処理を行う。面積比率を重みとする計算方法は、図11に示す例において説明した計算方法と同様である。
図13は、第2の逆投影処理における窓関数についての第2の例を図示している。図13に示す窓関数54dは、対象データに関するものであり、窓関数54eは、対向データに関するものである。窓関数54d、54eの形状は等脚台形であり、図11に示す窓関数54aの面積の半分の面積を有する。従って、窓関数54d、54eは、それぞれ、隣接する窓関数54d、54eと連続しない。また、窓関数54d及び窓関数54eは、同じ形状となる。
図13に示す例では、再構成演算装置36は、窓関数54d、54eの形状を、窓関数54aの面積の半分の面積を有する等脚台形とし、窓関数54d、54eの位置をX線ビームの中心に設定する(窓関数54d、54eの幅方向の中点と、X線ビームの中心が一致するように、窓関数54d、54eの位置を定める)。そして、再構成演算装置36は、画素境界52内部に含まれる窓関数54d、54eの画素全体に対する面積比率を重みとして投影値に乗算し、更にビュー重みを投影値55に乗算することによって、対象画素に投影データの積分処理を行う。面積比率を重みとする計算方法は、図11に示す例において説明した計算方法と同様である。
図14は、第2の逆投影処理における窓関数についての第3の例を図示している。図14に示す窓関数54fは、対象データに関するものであり、窓関数54gは、対向データに関するものである。窓関数54f、54gの形状は二等辺三角形であり、図11に示す窓関数54aの面積の半分の面積を有する。従って、窓関数54f、54gは、それぞれ、隣接する窓関数54f、54gと底辺の両頂点においてのみ連続する。また、窓関数54f及び窓関数54gは、同じ形状となる。
図14に示す例では、再構成演算装置36は、窓関数54f、54gの形状を、窓関数54aの面積の半分の面積を有する二等辺三角形とし、窓関数54f、54gの位置をX線ビームの中心に設定する(窓関数54f、54gの底辺の中点と、X線ビームの中心が一致するように、窓関数54f、54gの位置を定める)。そして、再構成演算装置36は、画素境界52内部に含まれる窓関数54f、54gの画素全体に対する面積比率を重みとして投影値に乗算し、更にビュー重みを投影値55に乗算することによって、対象画素に投影データの積分処理を行う。面積比率を重みとする計算方法は、図11に示す例において説明した計算方法と同様である。
以下では、窓関数を総称するときは、「54」の符号を付する。
図11に示す例(第1の逆投影処理)は、隣接する窓関数54がビーム境界53の全ての点において連続であり、対向データの埋め込みが考慮されていない。一方、図12〜図14に示す例(第2の逆投影処理)は、隣接する窓関数54がビーム境界53において不連続、または1点のみにおいて連続であり、対向データの埋め込みが考慮されている。従って、図12〜図14に示す例(第2の逆投影処理)は、距離駆動型の逆投影処理においても、対向データを用いるハイレゾ再構成が可能となる。
特に、図12に示す例では、左右方向に順を追って見ていくと、矩形である対象データの窓関数54bと対向データの窓関数54cが交互に存在し、両方が存在する位置はない。これは、対象データと対向データの両方を用いて逆投影処理が実行される画素が無いことを意味する。従って、図12に示す例では、図13や図14の例と比較して、空間分解能を向上させることができる。
また、図13に示す例では、左右方向に順を追って見ていくと、等脚台形である対象データの窓関数54f及び対向データの窓関数54gの傾斜部分(X線ビームの端部付近)では両方存在し、それ以外の部分、すなわちX線ビームの中心付近では一方のみが存在する。対象データと対向データの両方を用いる部分では、画像ノイズを減少させることができることから、図13に示す例では、X線ビームの中心付近では空間分解能を向上させ、X線ビームの端部付近では画像ノイズを減少させることができる。
また、図14に示す例では、左右方向に順を追って見ていくと、二等辺三角形である対象データの窓関数54fと対向データの窓関数54gが常に両方存在する。対象データと対向データの両方を用いる部分では、画像ノイズを減少させることができることから、図14に示す例では、図13や図14の例と比較して、画像ノイズを減少させることができる。

空間分解能を向上させるという意味においては、図12に示す例の窓関数54を用いることが望ましい。
一方、画像ノイズと空間分解能はトレードオフの関係にあることから、診断目的や撮影条件に応じて画像ノイズと空間分解能を調整できるようにしても良い。そこで、X線CT装置1は、入力装置34を介して、空間分解能を向上させるべきか、それとも画像ノイズを減少させるべきかの指示を受け付けるようにする。そして、再構成演算装置36は、入力装置34を介して入力される指示に基づいて、窓関数54の形状として、三角形、台形及び矩形を適宜選択するようにする。
例えば、空間分解能の向上が指示された場合には、再構成演算装置36は、窓関数54の形状として、矩形を選択する。また、画像ノイズの減少が指示された場合には、再構成演算装置36は、窓関数54の形状として、三角形を選択する。また、空間分解能の向上と画像ノイズの減少の両立が指示された場合には、再構成演算装置36は、窓関数54の形状として、台形を選択する。
ここで、図15を参照しながら、図12〜図14に示す例に共通する性質について説明する。
図12〜図14に示す3つの例は、対象データ及び対向データのいずれか一方に関する窓関数54の形状と、もう一方に関する窓関数54を上下反転させた形状が、互いに点対称となるという共通の性質がある。
図15(a)は、図12に示す例の窓関数54bと窓関数54cが図示されている。図15(a)に示す通り、窓関数54bの形状と、窓関数54cを上下反転させた形状(窓関数54cの場合は矩形である為、上下反転しても形状の変化はない。)が、互いに点対称となっている。
また、図15(b)は、図13に示す例の窓関数54dと窓関数54eが図示されている。図15(b)に示す通り、窓関数54dの形状と、窓関数54eを上下反転させた形状が、互いに点対称となっている。
また、図15(c)は、図14に示す例の窓関数54fと窓関数54gが図示されている。図15(c)に示す通り、窓関数54fの形状と、窓関数54gを上下反転させた形状が、互いに点対称となっている。
このように、より一般には、再構成演算装置36は、前述の共通の性質を有する窓関数54を適用して逆投影処理を実行することによって、距離駆動型の逆投影処理においても、対向データを用いるハイレゾ再構成が可能となる。
以上の記述から、本発明の目的が達成されたことは明らかである。本発明を詳細にわたって記述すると共に図示したが、これらは説明及び例示のみを意図したものであって、これらに限定されるものではない。本発明の要旨は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
1 X線CT装置、 2 スキャナ、 3 操作ユニット、 4 被検体、 5 X線発生装置、 6 コリメータ、 7 寝台、 8 検出器、 9 X線、 31 入出力装置、 32 演算装置、 33 表示装置、 34 入力装置、 35 記憶装置、 36 再構成演算装置、 37 画像処理装置、 41a、41b、41c 逆投影位相幅、 42a、42b、42c 対向データが存在しない位相、 51 画像平面、 52 画素境界、 53 ビーム境界、 54、54a、54b、54c、54d、54e、54f、54g 窓関数、 55 投影値、 56 画素値

Claims (8)

  1. ファンビームデータに対してファンパラ変換を行うことによって得られるパラレルビームデータを基に画像再構成を行うX線CT装置であって、
    処理対象とする位相の前記パラレルビームデータを対象データとし、前記対象データと対向する位相の前記パラレルビームデータを対向データとし、前記対象データに対応する前記対向データの存在の有無を判定する判定部と、
    前記判定部による判定結果ごとに異なるハイレゾ再構成を行い、前記対象データ、又は、前記対象データ及び前記対向データを用いて、画素境界とビーム境界との間の距離に基づいて逆投影処理を実行し、画像再構成を行う画像再構成部と、
    を具備するX線CT装置。
  2. 前記対象データ、又は、前記対象データ及び前記対向データに対応する投影値が画素値に対して寄与する割合を示す窓関数を決定する決定部、
    を更に具備し、
    前記画像再構成部は、前記決定部によって決定される前記窓関数の形状を適用して逆投影処理を実行する請求項1に記載のX線CT装置。
  3. 前記決定部は、前記判定部によって前記対向データが存在すると判定された場合には、前記対象データ及び前記対向データのいずれか一方に関する前記窓関数の形状と、もう一方に関する前記窓関数を上下反転させた形状が、互いに点対称となるように、それぞれの前記窓関数を決定する請求項2に記載のX線CT装置。
  4. 前記決定部は、前記対象データ及び前記対向データに関する前記窓関数の形状を矩形とする請求項3に記載のX線CT装置。
  5. 前記決定部は、前記対象データ及び前記対向データに関する前記窓関数の形状として、三角形、台形及び矩形を選択可能である請求項3に記載のX線CT装置。
  6. 前記画像再構成部は、逐次近似法における反復処理の初期画像をフィルタ補正逆投影法によって生成し、前記初期画像に基づいて逐次近似法における反復処理を実行する請求項3に記載のX線CT装置。
  7. 前記逆投影処理は、前記画素境界とビーム境界との間の距離に応じて画素値の重み付けを行う請求項1に記載のX線CT装置。
  8. ファンビームデータに対してファンパラ変換を行うことによって得られるパラレルビームデータを基にX線CT装置が実行する画像再構成方法であって、
    処理対象とする位相の前記パラレルビームデータを対象データとし、前記対象データと対向する位相の前記パラレルビームデータを対向データとし、前記対象データに対応する前記対向データの存在の有無を判定する判定ステップと、
    前記判定ステップによる判定結果ごとに異なるハイレゾ再構成を行い、前記対象データ、又は、前記対象データ及び前記対向データを用いて、画素境界とビーム境界との間の距離に基づいて逆投影処理を実行し、画像再構成を行う画像再構成ステップと、
    を含む画像再構成方法。
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