JP5911610B2 - 介入的ｘ線かん流画像化のための定期的造影剤注射とハーモニクスの分析 - Google Patents

Description

本発明は、かん流画像化を支援する装置と、かん流画像化を支援する方法と、かん流画像化用医療用Ｘ線と、コンピュータプログラム要素と、コンピュータ読み取り可能媒体とに関する。

かん流画像化は軟組織中の血流について知るために用いられることがある。

現在、かん流画像化は主に純粋な診断目的で使われており、画像化はクローズドガントリー中に取り付けられた高速回転ＣＴシステムにより行われている。ＣＴスキャナーの画像化モジュールの一連の高速回転中に得られる投影に、トモグラフィック再構成方法を反復的に適用する。

血流に関する知識は、純粋な診断よりも、神経学的介入の計画支援など、介入的場面でも有用である。

血流を画像化する方法は、大きなエリアにわたりかん流がグローバルにマッピングされている特許文献１に記載されている。しかし、空間的解像度が実質的に保存される（例えばＣアームタイプの）低速回転介入的画像化システムのためのトモグラフィック動的かん流画像化方法はまだ無い。

国際公開第ＷＯ２００９／０４０７４２号

それゆえ、異なるかん流画像化システムが必要となる。

本発明の目的は、独立請求項の主題により達成され、さらに別の実施形態は従属請求項に記載されている。

留意点として、本発明の下記の態様は、かん流画像化を支援する方法、かん流画像化を支援する医療用Ｘ線画像化、コンピュータプログラム要素、及びコンピュータ読み取り可能媒体にも等しく当てはまる。

本発明の一態様では、かん流画像化を支援する装置が提供される。該装置は、
造影剤を少なくとも部分的にオブジェクトの少なくとも一領域にかん流しながらオブジェクトの一連の投影画像を取得するかん流画像化セッション中に、オブジェクトの周りにおけるＸ線スキャナーのＸ線源の振動運動の振動数を受け取る入力インタフェースであって、かん流によりそのオブジェクト領域のＸ線減衰信号が得られる。受け取られたＸ線源の振動運動の周波数は前記Ｘ線減衰信号（ＴＡＣ）のサンプリングレートを確定する。撮像された一連の投影画像に渡る一連の画像点は、オブジェクト領域の前記Ｘ線減衰信号（ＴＡＣ）の時間的サンプルを表す、または、前記Ｘ線減衰信号（ＴＡＣ）の時間的サンプルは、一連の投影画像の点に少なくとも部分的にトモグラフィック再構成方法を適用することにより得られる。

本装置は、さらに、受け取ったサンプリング周波数を用いて、可変吐出またはインジェクションレートでオブジェクトに造影剤を送るインジェクタユニットの制御信号を発生する制御ユニットを有する。制御信号は、インジェクタユニットに印加されると、周期的パルス信号に応じて造影剤インジェクションレートを時間的に可変させる。パルス状信号の周期性は、Ｘ線減衰信号サンプルにおける時間的テンポラル信号における時間的信号エイリアシングを緩和するように、サンプリングレートまたは周波数の関数として、コントローラにより計算される。

言い換えれば、造影剤は、１回のボーラスインジェクションではなく所定の反復的かつ周期的にパワーインジェクタ（「ポンプ」）を制御することにより、患者の血管系に注入される。反復されるコントラスト信号は周波数離散スペクトルを有し、１回のボーラスインジェクションの連続的スペクトルとは区別される。反復的インジェクションの仕様は、すなわち周期性とパルス幅は、Ｃアームシステムの速度に合わせて調節される。インジェクションの周期性は、Ｃアームシステムの低回転速度により生じる信号エイリアシングを回避または少なくとも大幅に緩和または無くすように選択される。エイリアシングにより、ＴＡＣサンプルがスプリアス成分としてエイリアシング周波数を含み、それによりその後の再構成のレンダリングとかん流パラメータの推定とが正確でなくなる。言い換えると、かん流画像化を支援する装置は、十分な正確性のレベルで、血流や平均移行時間などの動的かん流パラメータの抽出をさせる特定のコントラストインジェクションプロトコルを用いる。本方法は、反復的前向き／後向きの短いスキャンスイープをできなければならないＣアームベースのＸ線システムの回転速度が遅いことを考慮する。ここに提案するように、コントローラはＣアームのターニングポイントにおける画像撮像ギャップ（すなわち、遅延時間）を考慮するように構成されている。

本装置は、多くのＸ線誘導介入手順のワークフローを改善できる。本装置により、高速回転の画像撮像を必要とせずに、実質的に完全に時間的に解像された定量的かん流画像化ができる。言い換えると、血流の速度を測定する動的かん流パラメータ（例えばＣＢＦ）を求めることができるので、撮像されるのは血中濃度だけであるＣＢＶなどの静的かん流パラメータへの制約はない。

一実施形態では、コントローラは、少なくとも１つのハーモニクスの調整された周波数が、Ｘ線減衰信号サンプルの周波数スペクトル中のエイリアス成分の各周波数から、少なくともユーザが決定できる／予め設定されたマージンだけ異なるように、パルス状のインジェクションレート信号のハーモニクスの少なくとも１つの周波数を調整することにより、エイリアシングを緩和するように構成されている。

一実施形態では、コントローラは、パルス状インジェクションレート信号のハーモニクスのうち選択可能な１つを抑制するように、パルス幅と期間との割合を調整するように構成されている。一実施形態では、比率は第３のハーモニクスを抑制するように１／３である。

一実施形態では、前記コントローラは、前記インジェクタを制御して、前記スキャナーによる前記画像撮像セッションの開始前のフェーズにおいて前記造影剤を投与する。これにより、注入のすぐ後に生じる過渡的フィーチャの記録を回避できる。遅延により、造影剤は、画像撮像が開始される前に落ち着く。

一実施形態では、前記装置は、さらに、前記撮像される一連の投影画像を処理し、再構成においてサンプルＴＡＣに基底関数の族のうち少なくとも１つの基底関数をフィッティングすることにより、サンプリングされたＴＡＣから少なくとも１つのハーモニックを抽出するように構成された信号プロセッサをさらに有し、前記基底関数は前記吐出レート信号の少なくとも１つのハーモニックの周波数に対応する。一実施形態では、専用の動的トモグラフィック再構成方法を用いて、関心領域を表す指定画像領域におけるコントラストＴＡＣのフィーチャ（例えば、インジェクション周期性のハーモニクス）を推定する。詳細なＴＡＣの再構成は必要ない。動的トモグラフィック再構成方法は、造影剤インジェクション信号の周期性に関する知識を含む時間的モデルを組み込む。動的トモグラフィック再構成方法は、ＴＡＣの最初のＮハーモニクス（Ｎはユーザ選択可能）を含む（フーリエ）基底関数のモデルを用いるので、専用であると言える。ここに提案の再構成方法は、ＴＡＣのスペクトル的特徴に合わせられる。ＴＡＣハーモニクスが本質的に選択されたボーラスインジェクション周波数の整数倍に対応することが分かったからである。

一実施形態では、前記基底関数の族は線形増加関数を含む。これにより、造影剤の長期的集積を考慮できる。この効果によりＴＡＣにより記録されるコントラストレベルの段階的上昇が観察されたからである。

一実施形態では、前記信号プロセッサは、前記造影剤が前記オブジェクトに供給されるサプライパスを表す画像領域のＴＡＣに前記少なくとも１つの基底関数をちっとさせるように構成され、前記信号プロセッサは、前記画像化されたオブジェクト領域の材料組成をそれぞれ表す少なくとも２つの事前選択されたモデルインパルス応答関数のどれかで前記サプライパスＴＡＣをたたみ込み、前記信号プロセッサは、そのように取得したたたみ込まれた関数のどれかを前記オブジェクト領域のＴＡＣと比較し、前記かん流パラメータ評価器は、前記かん流パラメータの計算のため、前記オブジェクト領域のＴＡＣに予め決められた基準に基づき最もよくフィットするたたみ込まれた関数を用いる。

言い換えると、（例えばＣＢＦ，ＣＢＶ，ＭＴＴを求めるための）かん流分析は、組織中及び動脈領域における推定されたコントラストフィーチャを利用することにより、専用の方法により行われる。一実施形態では、組織応答関数の妥当なモデルを推定されたコントラストフィーチャにフィッティングすることにより、黙示的デコンボリューションアプローチを用いる。

要するに、ここに提案の通り、ＣＴかん流画像化において、１回のボーラスインジェクションに反して、予め決められた周期性で反復的に造影剤注入を用いる。注入の周期性は、時間的信号エイリアシングを回避または少なくとも緩和するために、Ｃアームシステムの回転速度に合わせて調節する。時間的モデルベースの動的トモグラフィック再構成方法を用いて、周期的コントラストインジェクションへの血管系の応答の低次ハーモニクスを抽出する。最後に、かん流分析は、抽出されたコントラストハーモニクスを考慮した黙示的デコンボリューションアプローチに基づく。

上記の装置は、プログラマブルな造影剤ポンプと接続した前後交互の短いスキャン回転撮像をできる任意の介入的Ｘ線Ｃアームシステムと用いることができる。介入時のかん流画像化は、治療計画及び結果管理の分野で特に関心を持たれている。典型的なＣａｔｈｌａｂアプリケーションは、頸動脈ステント留置術、急性発作治療、腫瘍可視化と塞栓、末梢血管疾患の治療及びＳＩＭを含むが、これらに限定されない。

要するに、介入的Ｘ線かん流画像化におけるかん流パラメータを計算するために、周期的造影剤注入信号と、そのハーモニクスの分析をここで提案する。

定義
「介入的」により、ＣアームスキャナなどのＸ線画像化システムは、Ｘ線源／検出器アセンブリの回転が比較的遅い任意の回転画像化システムを意味する。画像化撮像セッション中に、医療従事者が物理的近くで画像化対象に安全に操作を行え、その従事者が負傷するように、回転するコンポーネントにより事故的にぶつかるリスクが無い場合は、遅い。

ここで、「パルス」とは、広く、ゼロでないインジェクションレートを言うものとする。特に、２つの連続するパルス間の期間（「周期性」）と比較して、その幅は、その周期性の１／３またはそれより大きい幅を有する。パルスは周期性に対して幅が狭いとは限定されるべきではない。

「画像セッション」は、確定された回数のスキャンスイープがＸ線イメージャ／スキャナーにより実行され、一連の投影画像が撮像される期間である。投影画像は、所望のかん流パラメータを求めるために、ここに説明するように共に処理される。

添付図面を参照して、本発明の実施形態を以下に説明する。
かん流画像支援装置を含むかん流画像化のためのＸ線スキャナー装置を示す。 画像撮像中の図１の装置の動作を示す。 かん流プロセスと様々な関連信号とを示す図である。 かん流画像支援装置により処理及び生成された周波数領域表示である。 Ｘ線スキャナーと造影剤パワーインジェクタのタイミング図である。 かん流画像化を支援する方法を示すフローチャートである。

図１を参照して、かん流画像化装置１００が示されている。

これは、ＣアームタイプのＸ線イメージャ１０５を含む。Ｘ線イメージャ１０５を用いて、関心臓器１１１の一連のＸ線投影画像Ｐを撮像して、介入を支援する。

一実施形態では、関心臓器は患者１０８の心臓または脳である。

患者１０８は検査台に寝ている。イメージャ１０５はジャーナル軸受けされた剛性Ｃアーム構造１０６を含む。ジャーナルにより、Ｃアーム１４０は、それを通る少なくとも１つの軸の周りに回転可能である。このように、Ｃアーム構造１０６を、関心臓器１１１の周りに様々な回転角アルファで配置できる。

Ｃアームは、一端においてＸ線源１０７を担い、他端においてそのＸ線源１０７に対して対向する空間的関係で検出器１０９を担う。検出器１０９は検出器セルの配列（図示せず）を含む。

画像化セッション中、Ｘ線源１０７からＸ線が放射される。Ｘ線は関心臓器１１１を通り、検出器１０９で検出される。Ｘ線はＸ線ビームｐにより構成されている。

各Ｘ線ビームｐは、関心対象１１１を通りそれにぶつかって減衰する。検出器１０９の個別検出器セルで検出されるのはこの減衰したＸ線ビームである。

Ｘ線ビームが関心領域１１１にぶつかる入射角（「投影方向」または「ビュー」）は回転またはアンギュレーション角αにより決まる。実際には、Ｃアームは複数の軸の周りに回転でき、実際のビューは角（α、β、・・・）のタプルにより決まる。各個別Ｘ線ビームｐが経験する減衰の程度は、光線ｐが通る組織のタイプと量に依存する。減衰した各Ｘ線ビームｐは、検出器セルに当たり、そこで減衰の程度に反比例する電気信号を発生する。あたるＸ線ビームｐに対して各検出器セルにおいて発生する電気信号は、データ取得モジュールを介して、減衰に応じて変化する対応グレー値をエンコーディングした画素値に変換される。画素値ｉ，ｊは、行列を形成し、ある投影方向αで時刻ｔ_ｉに撮られた一連の投影画像Ｐ（α，ｔ_ｉ）として格納される。

一連の投影画像Ｐは、画像撮像セッション中に撮像される。各個別投影画像は、図２に示したように、弧またはアクションα_ｍｉｎ−α_ｍａｘ内の異なる投影方向に沿った各スキャンスイープｄｓ_ｉに対して、撮像される。一連の投影画像ＰはデータベースＤＢに格納される。投影画像ＰはＤＩＣＯＭフォーマットで格納できる。ＤＩＣＯＭフォーマットは、各投影画像について、撮像された投影方向を、その撮像時刻ｔと共にエンコードしたメタデータを含む。

画像撮像の前及び間に、パワーインジェクタ１３５を介して、患者１０８の血液に造影剤を投与し、関心臓器または少なくともその一部に造影剤をかん流させる。組織における造影剤の放射線不透明性は、関心領域１１１を形成する軟組織のみの放射線不透明性より高い。画像化セッションにおける時間の経過により、一インジェクタ１３５アクションサイクルにおいて投与される造影剤の量（「ボーラス」）は、関心領域１１１中に集積し、その濃度は時間的に変化するので、ボーラス造影剤のフットプリント（smeared out footprint）を形成するグレー値画素も、一連の投影画像Ｐにわたって同様に変化する。造影剤のため、Ｃアームの一スキャンスイープｄｓ_ｉで撮像される各投影画像において、関心領域１１１の投影ビューまたはフットプリントが、異なる投影方向α_ｍｉｎ≦α≦α_ｍａｘに沿ってエンコードされる。造影剤を運ぶ血液は、サプライパスＳＰ、例えば動脈を介して関心領域１１１まで流れ、それにより関心領域１１１中に造影剤を分散させる。

かん流画像化システム１００の全体的動作は、医療専門家による命令を受けるコンソールを有するワークステーション１２０により制御されている。

かん流画像化システム１００はさらに造影剤注入インジェクタポンプ１３５の動作を制御するように構成された制御部１３０を有する。一連の投影画像Ｐ（α，ｔ_ｉ）に記録された造影剤の「フットプリント」を処理し追跡して、一連の投影画像から時間的かつ空間的情報を抽出する信号プロセッサ１４０もある。スペクトル情報はかん流パラメータ評価器１５０に送られる。かん流パラメータ評価器１５０では、複数の関連かん流パラメータが計算され、ワークステーション１２０に送られる。ＣＢＦ（脳血流）、ＣＢＶ（脳血液量）、ＭＴＴ（平均通過時間）などのかん流パラメータは、臨床的に関連するかん流の側面を記述する。一組のかん流パラメータを画面１７０上の好適な図で見るようにレンダリングして、医療専門家が関心臓器１１１の機能に関する医学的関連性のある手がかりをそのパラメータから求めることができるようにできる。インジェクタ制御部１３０、信号プロセッサ１４０、及びかん流パラメータ評価器１５０の動作を、特に図４と図５を参照して、詳しく説明する。

図１のコンポーネント１３０、１４０、１５０は、分散アーキテクチャで構成され、好適な通信ネットワークに接続された別々のモジュールとして示した。コンポーネントは専用ＦＰＧＡや配線で接続されたスタンドアロンのチップとして構成されてもよい。しかし、これは単なる一実施形態である。別の実施形態では、コンポーネントはワークステーション１２０内にありソフトウェアルーチンとして実行されている。コンポーネントは、Ｍａｔｌａｂ（登録商標）やＳｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標）などの好適な科学的コンピューティングプラットフォームにプログラムされ、ライブラリ中にあるＣ＋＋やＣのルーチンに変換され、ワークステーション１２０により呼ばれるとリンクされる。
ここで、動作中のスキャナ１０５の正面図を示す図２を参照する。投影画像Ｐ（α、ｔ_ｉ）は、角範囲α_ｍｉｎ−α_ｍａｘの間で前後にスイープして往復運動しているＣアーム１０６により撮像される。

図５の下にある時間対角度を示す図は、前後方向のスイープが交互に替わる６回の画像撮像スイープｄｓ_１−６のシーケンスの例として、ワークステーション１２０がＣアーム１０６によりスイープされる弧（angular arch or swath）の端点α_ｍｉｎとα_ｍａｘとにおいてトグル信号を発生することを示している。各投影画像Ｐ（α，ｔ_ｉ）の時間インデックスｔ_ｉは、Ｃアームがビューα_０をとる各スイープｄｓ_ｉにおけるタイミングを示す。Ｃアームが前向きまたは後無機のスイープ中にあるビューα_０を繰り替えとるには、時間ｔ_ｉ−ｔ_ｉ＋１がかかる。これはサンプリング時間であり、スキャナー１０６が使うサンプリングレートを決定する。

一連の動的スイープｄｓ_ｉの介し前の準備段階において、静的スイープｓｓが実行される。関心臓器１１１には１つの静的スイープｓｓ中には造影剤がまだ無いが、一連の動的スイープｄｓ_ｉ中には造影剤がある。静的スイープにおいて撮像される投影画像を用いて、動的スイープｄｓ_ｉにおいて撮像される画像を背景修正（background-correct）する。

撮像された投影画像Ｐ（α、ｔ_ｉ）は、ワークステーション１２０またはデータベースＤＢに格納される。投影画像Ｐは数値的画素値の行列ｉ，ｊにより構成されている。各画素値は、その画素要素により表される臓器の点における造影剤による減衰を記述する。

図３は、かん流プロセスと様々な関連信号とを示す図である。ここで発生されるインジェクションレート信号ＩＳ（「ボーラス信号」）は、その各「パルス」Ｉ_ｉが１つのボーラス（bolus）を表す周期的信号であり、造影剤の総量が繰り返されるボーラスで供給される。インジェクションレート信号ＩＳは、インジェクションレートがどう変わるかを記述する時系列である。その曲線の下の面積は、注入される造影剤の総量の尺度である。造影剤は、関連供給経路ＳＰを介して、例えば臓器１１１の局所的血管系につながる動脈を介して、領域（関心臓器）に供給される。関心臓器は、ボーラス（bolus）とインターラクトして、それによりボーラス信号を、局所的時間減衰曲線ＴＡＣ_ｉ，ｊ族に「歪ませる」。そのため、ＴＡＣはボーラス入力信号ＩＳに対して特定臓器応答信号を形成すると言われることがある。

一実施形態では、各ローカルＴＡＣ_ｉ，ｊのサンプルＴＡＣ_ｉ，ｊ［ｔ］は、撮像された一連の投影画像Ｐ（α_０，ｔ_ｉ）にわたり、対応する一組の画像要素ｉ，ｊ（画素の近傍）により与えられる。異なる投影画像の画像要素ｉ，ｊは、一連の投影画像Ｐ（α_０，ｔ_ｉ）の各画像の撮像中に、関心臓器の基本的に同じ点を通ったペンシルＸ線ビームにより生じた場合、「対応する」。言い換えると、一連の画像にわたり同じ行と列を有する画像要素は、関心臓器の一部を表す画像要素ｉ，ｊのＴＡＣ_ｉ，ｊサンプルを構成する。信号プロセッサ１４０は、再構成により、ＴＡＣサンプルを「投影空間」から３次元空間のＴＡＣサンプルに変換するように構成されている。

信号プロセッサ１４０の動作に関連して後でより詳細に説明するように、「投影空間」のこのＴＡＣサンプルは、３次元空間のサンプルＴＡＣ_ｉ，ｊ［ｔ］に変換される。３次元サンプルＴＡＣは、投影画像Ｐ（α_０，ｔ_ｉ）に動的トモグラフィック法を適用したとき、中間結果として得られる一群のボクセルから得られる。３次元サンプルＴＡＣは、投影画像Ｐ（α_０，ｔ_ｉ）に動的トモグラフィック法を最初に少なくとも部分的に適用することにより、一連のボクセルの形式で得られる。

高速回転標準ＣＴシステムと対比して、介入的Ｘ線画像化システムは、速度及び動きの範囲に関して回転能力に限界があるオープンＣアームデバイス上に取り付けられている。スキャナー１０５の介入的システムとしての機械的構成のため、Ｃアーム１０６の動作は制限され、投影画像撮像セッションの間にいわゆる「ショートスキャン」運動を遅くし、その動作範囲α_ｍｉｎ−α_ｍａｘは半円回転より少し大きい。

長時間にわたりこの角度範囲のカバレッジを繰り返した場合、Ｃアーム１０６は、各スキャンスイープの終わりにその回転方向をひっくり返さねばならず、前後を切り替えるスイープモードが実行される。さらに、Ｃアーム１０６の回転速度は、一般的には遅く、１回のショートスキャンスイープに例えば５．５秒かかる。前向きと後ろ向きのスイープｄｓ_ｉ，ｄｓ_ｉ＋１の間で方向を変える時に、追加的遅延４０５として２．５秒（典型値）かかる。すなわち、Ｃアームには各スイープの後に長いポーズがある。

よって、８ｓ＜ｔ_ｉ−ｔ_ｉ＋１＜１６ｓであり、Ｃアーム１０６がある角度ビューイング位置α_０に繰り返し到達するのに８秒ないし１６秒かかる。時間的サンプリングに関して、このようにサンプリングレートが低い（０．０６２５Ｈｚないし０．１２５Ｈｚ）と、ＴＡＣの高速な動力学を撮像するには十分ではなく、１回の（そしてここで説明するように繰り返すものではない）ボーラス造影剤インジェクションのみを使わねばならない。１回のボーラスインジェクション後の動脈中の典型的なＴＡＣの連続的周波数スペクトルは、０．１Ｈｚまでの大きな信号成分を含んでいる。例えば、P. Montes著「Dynamic Cone-beam Reconstruction for Perfusion Computed Tomography」(PhD thesis, Univ. Heidelberg, (2006))を参照されたい。この場合、時間的信号エイリアシングのため、上記の通り現在のＣアームの限界があるため、ＴＡＣの厳密なリカバリーはできない。

かかる典型的な動脈ＴＡＣについて、従来のナイキストのサンプリング定理によれば、正確なＴＡＣ再構成のためにはシステムの最低サンプリングレートが０．２Ｈｚとなり、これはＣアームシステムの（遅延を含む）最大スイープ時間が２．５秒であることに対応する。介入的状況ではかかる高速回転のＣアームシステムは現在のところ現実的ではない。

全体的動作
第１のステップで、画像化セッション中に繰り返し投与されたボーラスで（コントローラ１３０により制御された）インジェクタ１３５により患者の血管系に投与されたＸ線不透過造影剤の空間的分布を時間的に（例えば、４０秒間）追跡することにより、血流画像化が実施される。図３を参照して説明したように、一実施形態では、信号プロセッサ１４０によりボーラストラッキングが行え、動的トモグラフィック再構成方法をインプリメントできる。その中間結果は、生成された体積画像中の各ボクセルの、造影剤時間減衰曲線ＴＡＣ、またはその何らかの特徴、例えばそのハーモニクスである。
第２のステップでは、組織インパルス応答関数を求めるために、軟組織におけるＴＡＣを動脈投与ＴＡＣに対するデコンボリューションにより規格化する。デコンボリューションステップには、関心領域における造影剤ＴＡＣの正確な推定が必要である。最終ステップでは、線形システム理論により、組織インパルス応答関数の分析により、一組のかん流パラメータ（脳血流（ＣＢＦ）、脳血液量、（ＣＢＶ）、平均トランジット時間（ＭＴＴ））を計算する。３つのステップのそれぞれについて以下に詳しく説明する。

インジェクタコントローラ１３０の動作
広く言えば、装置１３０は、ボーラスインジェクション信号を調整して、ＴＡＣ信号サンプル中の時間的エイリアシング効果を緩和するように動作する。

繰り返される造影剤インジェクションの周期は、Ｃアームシステムの回転速度により選択される。回転速度によりトモグラフィックシステムのサンプリングレートが決まる。例えば、切り替えられる前向き・後ろ向きのショートスキャンスイープｄｓｉの長さがそれぞれ５．５秒で、スイープ間の遅延が２．５秒であるＣアームの場合、ある角度位置に到達するのに最大で１６秒（＝２×８秒）かかる。これは０．０６２５Ｈｚのサンプリングレートに対応する。造影剤インジェクション周期は、サンプリングにより生じるエイリアシングを回避または少なくとも緩和するように、コントローラ１３０により選択される。方形ボーラスインジェクション信号の例えば２０．５秒の周期は、ｆ_０＝０Ｈｚ，ｆ_１＝０．０４８８Ｈｚ，ｆ_２＝０．０９７６Ｈｚ，ｆ_３＝０．１４６３Ｈｚなどのハーモニクスを有する離散信号スペクトルに対応する。方形ボーラスインジェクションレート信号ＩＳの例を、図５の上部に示した。周期は２つの連続するボーラスパルスＩ_ｉ，Ｉ_ｉ＋１の立ち上がりエッジの間で測定する。最初のボーラスショットすなわちパルスＩ１は、任意的なアイドルフェーズが終わった後に投与され、一方Ｃアームはターンアラウンド点α_ｍｉｎ、α_ｍａｘの一方にある。最初のスイープｄｓ_１が、過渡的造影剤フィーチャの記録を回避するため、沈降フェーズ（settling phase）の後に始まる。この例では、沈降フェーズはボーラスインジェクションフェーズまでの１５秒であり、第１のスイープｄｓ_１は第１のボーラスフェーズＩ_１の立ち上がりエッジの後に始まる。

図４のエイリアシング図に示したように、０次、１次、及び（部分的に）２次のハーモニクス間のエイリアシングのリスクが最小になり、すなわち、ハーモニクスの周波数ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２を示す実線と、エイリアシング成分の周波数を示す十字との間にオーバーラップがなく、ある程度スペクトルリーケージがあっても安全である。ボーラス信号の離散スペクトルは、図４に円で示した。エイリアシング成分は、サンプリングプロセスにより生じ、ボーラス信号スペクトルＩＳをサンプリングＣアーム周波数の整数倍だけシフトすることにより得られる。血管系は一般的にはローパスシステムと見なせるので、（例えば、０．２Ｈｚを超える）高い周波数成分は実際には生じない。図４の周波数軸上の四角形は、回転Ｃアームシステムのサンプリングレートを示している。

コントローラ１３０は、スキャナー１００が投影画像Ｐを撮像するＣアームサンプリングレートを、好適なインタフェース手段を介して受け取る。サンプリングレートは、Ｘ線源が角度動作範囲α_ｍｉｎ−α_ｍａｘ内の任意の投影角α_０を通るまたは再訪するのに要する時間により定義される。パルスＩ_ｉの形状を指定した後、受け取ったＣアームサンプリングレートに基づいて、コントローラ１３０は、フーリエ解析を用いて、ボーラスインジェクション周波数の最初のｎ個のハーモニクスを計算する。計算は、ボーラスインジェクション信号の初期の一時的周波数と、受け取ったＣアームサンプリング周波数とを用いて、図４に示したように、周波数領域表示を構成することにより行われる。指定されたパルス形状を用いて、前記初期ボーラスインジェクション信号の最初のｎ個のハーモニクスを計算し（図４の垂直な実線上の円を参照）、エイリアス成分の周波数の周波数軸上への投影と比較する。エイリアス成分は図１中の十字の格子として示した（負の周波数成分を示したが、対称性のため、計算では考慮する必要はない）。
初期周波数がコントローラ１３０により好適な増分だけインクリメントされ、周波数領域表示が再計算され、ハーモニクス周波数がエイリアス成分周波数と比較される。このプロセスは、最初のｎハーモニクスの各周波数が各エイリアス成分から少なくとも所定マージンΔ_ｍｉｎだけ偏差するまで、計算ループで繰り返される。このように求めた、エイリアス成分周波数から所望のマージンだけ偏差した０次ハーモニクスは、調整済みボーラスインジェクション周波数として出力され、好適なインタフェース手段によりインジェクタユニットに転送される。一実施形態では、上記のインクリメンタルな最適化が画像撮像中に実行される。好ましい実施形態では、最適化は一定回転速度のＣアームの事前校正ステップで行われ、そうして求めたボーラスインジェクション周波数が同様に固定され格納され、このように校正されたＣアームスキャナで、かん流画像化中にパワーインジェクタを制御するため繰り返し用いられる。

図４の波線は、従来のシステムで用いられる１つのボーラスインジェクションの連続スペクトルを示し、これは離散的スペクトルを有する本システムのボーラスインジェクション信号を形成する繰り返しパルストレインと対照的である。垂直の実線は、図５の上部に示したボーラスインジェクション信号のパルストレインのハーモニクスを示し、垂直の太線は、図４で十字で示したエイリアス成分周波数から少なくともΔ_ｍｉｎだけ離れたところにあるハーモニクスの位置を示す。Ｎスペクトル成分に対してＮ＋１スイープを用いると満足のいく結果が得られることが分かっている。スキャンスイープの回数が多ければ多いほど（好ましくは３回以上）、実現できる空間的解像度が大きくなる。

構成されるべきインジェクション信号ＩＳの周期性・周波数が上記の最適化で得られた後、振幅とパルス幅を指定する。ボーラスインジェクション信号が完全に指定され、周波数・周期性、パルス幅、パルス形状及び振幅の好適な制御パラメータを用いてインジェクタユニット１３５を駆動できる。インジェクタユニットは、このように指定されたボーラスインジェクション信号に合わせてインジェクションレートを可変できる。トリガー信号がコントローラによりインジェクタユニット１３０に発行されると、インジェクションが始まる。ボーラスパルスＩ_ｉを有するボーラスインジェクションレート信号ＩＳの例を、図５の上部に示した。

一実施形態では、インジェクション信号ＩＳのパルスＩ_ｉの幅は、不要なハーモニクスを抑制するように、インジェクションポンプ１４０のプログラムされた修正により選択できる。例えば、各ボーラスパルスＩ_ｉの幅は、インジェクションの周期性の約１／３に設定でき、ボーラスパルスは６．５秒幅を有し、これは２０．５秒のインジェクション周期性の約１／３である。この場合、コントラスト信号ＩＳの第３ハーモニクス（及びその倍数）は、図４のエイリアシング図から分かるように、抑制される。かかるパルス／周期性比率を選択し構成すると、ゆっくり回転しているＣアームにより生じる信号エイリアシングのリスクがさらに小さくなる。

好ましい実施形態では、パルスの形状は、添付した図４、５に理想的に示したように、概して方形である。このように、周期的な正方形または方形波信号がもたらされる。しかし、三角波など他の信号形状も想定している。（実質的な）三角形状を用いると、高次のスペクトル成分（ハーモニクス）をよりよく抑制またはダンピングできる。しかし、この場合、パワーインジェクタが、三角形の注入レートプロファイルを作れなければならない。

一実施形態では、切り替えられるＣアーム撮像が行われる前に、反復的造影剤インジェクションを開始しなければならない。その開始時に、造影剤の短期過渡フェーズがあり、過渡信号成分を取得するリスクが低減される。

信号プロセッサ１４０のかん流フィーチャ抽出動作
インジェクタを制御する、上記の計算されたボーラスインジェクション信号を用いて、投影画像Ｐ（α、ｔ_ｉ）のシリーズＰがイメージャ１００により撮像され、関心領域を表す関連画像部分のＴＡＣのサンプルとして、送られる。

一実施形態では、信号プロセッサ１００は、関心領域のＴＣＡ全体を再構成するのではなく、そのＴＣＡの一組のフィーチャを抽出するように構成されている。

一実施形態では、コントラストＴＡＣのサンプルから抽出されるのは、最初のｎ個（一般的にはｎ＜４であり、例えばｎ＝３である）の低次信号ハーモニクスのみである。

一実施形態では、Ch.Neukirchen, M.Giordano, S.Wiesner, “An iterative method for tomographic x-ray perfusion estimation in a decomposition model-based approach”, Med. Phys. 37, 6125, (2010)に記載されている反復的動的再構成法や、Ch.Neukirchen, “An Extended Temporal Interpolation Approach for Dynamic Object Reconstruction”, Proc. Fully 3D reconstruction meeting, pp. 379-382, (2011)に記載されている分析的動的再構成法などのモデルベース動的トモグラフィック再構成方法が用いられる。

動的トモグラフィック再構成方法を用いるとき、ＴＡＣサンプルは再構成中に現れる一連のボクセルから得られる。動的トモグラフィック再構成方法の実行中に線積分を評価するとき、一連の投影画像Ｐ（α_０，ｔ_ｉ）の画素は関連ボクセルに「つぶれ（collapsed）」る。この方法は、３次元スライスの完全な再構成が必要でなければ、ＴＡＣ［ｔ］サンプルを形成するのに必要なボクセルが得られると、停止して、ＣＰＵ時間を節約できる。このトモグラフィックボクセルベースのアプローチを用いると、精度が上がるという利益があり、サンプルが連続的ＴＡＣをよりよく表すことができる。

一実施形態では、信号プロセッサ１５０は、基本的にはハーモニックアナライザであるが、ボーラスインジェクション信号の既知の特徴を反映してＴＡＣ［ｔ］サンプルへのフィッティングを行う一組の時間的基底関数を有する時間的モデルとして用いられるように構成される。一実施形態では、ＴＡＣの０次、１次、及び２次のハーモニクスが抽出され、一組の時間的基底関数はボーラスインジェクション信号ＩＳの、対応する三角フーリエ関数、すなわち、図４の例に示したように、０次、１次、及び２次のハーモニクスに対して定数関数、ｆ１＝０．０４８８Ｈｚのサイン及びコサイン、ｆ２＝０．０９７６Ｈｚのサイン及びコサインを含む。

一実施形態では、直線的に立ち上がる時間関数が一組の基底関数に含まれる。線形関数は、インジェクション中に臓器が経験する血管系における長期的な造影剤の集積の効果を近似し、説明する。一般的に、この効果は、ＴＡＣにおいて、コントラストレベルの段階的な増加として明らかとなる。かかる一組の６つの時間的基底関数を最終的に選択すると、時間的に不変であり、時間シフトに依存しないという便利な特性が得られる。インジェクションの開始に対する、切り替えられるＣアーム撮像の正確な開始時間の選択は、クリティカルではない。

一連の投影画像の関連画像部分からのピクセルまたはボクセル情報を用いて、６つの基底関数のパラメータを推定する。パラメータには「重み」（一般化フーリエ係数）が含まれる。上記の例では、線形関数に重みがあり、０次ハーモニクスに重みがあり、１次及び２次ハーモニクスにそれぞれに２つの重み（複素数として表された重みの実部の重みと虚部の重み）があある。少なくとも６回のＣアームスイープの総数は、図５のタイミング図に示したように、（図５の上部の）造影剤投与プロトコルと、（図５の下部の）回転撮像プロトコルとの間に最低必要である。パラメータは、選択された時間的基底関数により貼られる関数空間における、ＴＡＣの「座標」である。基底関数座標を用いて、ＴＡＣの最初の３つのハーモニクスの周波数成分を再構成する。

かん流パラメータ評価器１５０の動作
かん流パラメータ（ＣＢＦ、ＣＢＶ，ＭＴＴ等）は、ＴＡＣの信号ハーモニクスと、ＴＡＣから抽出され信号プロセッサ１４０により事前に再構成及び推定された線形立ち上がり関数とから、かん流パラメータ評価器１５０により計算される。

関心領域を表すすべての画像要素（「組織ボクセル」）について、及び動脈などのサプライパスＳＰを表す画像要素について、同様のＴＡＣハーモニクスも抽出される。動脈ＴＡＣは図２を参照して上で説明した入力関数である。

組織インパルス応答関数のモデルが、線形システム理論に基づき各組織ボクセルＴＡＣについて、黙示的または明示的なデコンボリューションアプローチにより計算される。臓器１１１の生理的特性を考慮して、妥当な組織関数モデルのみを用い、得られた組織インパルス応答関数の形状がこれらの生理的特性により制約される。組織インパルス応答関数の有効モデルパラメータの数は、抽出されたＴＡＣフィーチャの数以下でなければならない。この例では、６つの時間的基底関数を用いる時、最大で６つのモデルパラメータを使う。

一実施形態では、かん流パラメータ評価器１５０は黙示的デコンボリューションを実施する。動脈のために選択された時間的基底関数のみに基づく適切なＴＡＣが、信号プロセッサ１４０により抽出されたハーモニクスから計算される。近似動脈ＴＡＣは一組の妥当な組織インパルス応答によりたたみ込まれ、一組の仮説組織ＴＡＣが得られる。近似的ＴＡＣは関心領域のすべての組織ボクセルについて計算される。各近似的組織ＴＡＣは、生成された一組の仮説からのＴＡＣと比較され、（例えば、最小二乗の意味で）最も近い仮説ＴＡＣが決定される。最も近いＴＡＣに関する組織インパルス応答はデコンボリューションと考えられ、それからかん流パラメータを求めることができる。

ここに提案する方法は、複数のコントラストボーラスのインジェクションの利用を教示するだけではなく、ボーラス信号ＩＳを一定の所定の周期性を有するように調整し、Ｃアームシステムの回転速度の関数として調整する。一定の周期性を有するインジェクションを用いるので、ハーモニクスを制限することにより、推定するパラメータ数を減らせるように、動的再構成中のハーモニクスの分析を用いることができる。必要なスイープ数が減るので、患者へのＸ線量も、同様に減らせる。上記の例では、上に例示した方法により、６スイープだけでハーモニクスを計算する。関連するかん流パラメータをこれらから計算できるからである。ＣＢＶパラメータなどの幾つかのパラメータは、０次ハーモニクスのみから計算でき、ＣＢＶが唯一の関心パラメータである場合、スイープ数を２スイープまで減らすことができる。

図６のフローチャートを参照して、かん流画像化を支援する方法の基本的ステップをまとめる。

ステップＳ５０１において、現在のＣアームサンプリングレートを受け取る。

ステップＳ５０２において、周期的パルス的ボーラスインジェクション信号の周期性／周波数を、受け取ったサンプリングレートの関数として決定する。Ｘ線減衰信号サンプル中の時間的信号エイリアシングを緩和するように、信号を決定する。

この信号は、画像化セッション中に、造影剤が関心臓器を流れるように、造影剤を投与するパワーインジェクタを駆動するものである。

信号の周期性を決定するステップＳ５０２は、パルスの形状を指定するステップを含む。
ステップＳ５０４において、決定されたパルス条のボーラスインジェクション信号を用いてかん流画像化セッションにおいて投影画像を撮像した後、決定されたボーラスインジェクション信号のハーモニクスを考慮したＴＡＣ信号のトモグラフィック再構成用の規定関数を用いることにより、サンプリングされたＴＡＣのハーモニクスを抽出する。

ステップＳ５０６において、抽出されたハーモニクスを用いて、かん流パラメータを計算する。

ステップＳ５０８において、計算されたかん流パラメータを出力する。

一実施形態では、本方法はサンプルレート適応的であり、インジェクションレート信号が新しいＣアームサンプリングレートの受け取りに応じて再計算される。

一実施形態では、周波数、パルス幅、及びパルス形状のＩＳ指定形状は、一定のＣアームサンプルレートに対して事前に計算され、将来の画像化セッションに使うことができる。

本発明の他の一実施形態では、適切なシステムにおいて、上記の実施形態の一つによる方法の方法ステップを実行するように較正されたことを特徴とするコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム要素が提供される。

コンピュータプログラム要素は、コンピュータユニットに記憶されてもよい。コンピュータユニットも本発明の一実施形態の一部であってもよい。このコンピューティングユニットは、上記の方法のステップを実行するまたは実行を誘起するように構成され得る。さらに、上記の装置のコンポーネントを動作させるように構成されていてもよい。コンピューティングユニットは、自動的に動作し、及び／またはユーザの命令を実行するように構成されている。コンピュータプログラムはデータプロセッサのワーキングメモリにロードされる。データプロセッサは、本発明の方法を実行するように構成されている。

本発明のこの実施形態は、初めから本発明を用いるコンピュータプログラムと、アップデートにより本発明を用いるプログラムになる既存のプログラムとの両方をカバーする。
さらに、コンピュータプログラム要素は、上記の方法の実施形態の手順を満たす必要なすべてのステップを提供できる。

本発明のさらに別の一実施形態によると、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読み取り可能媒体が提供され、そのコンピュータ読み取り可能媒体は、前のセクションで説明したコンピュータプログラム要素を記憶したものである。

コンピュータプログラムは、光記憶媒体や他のハードウェアとともに、またはその一部として供給される固体媒体などの適切な媒体に記憶及び／または配布することができ、インターネットや有線または無線の電気通信システムなどを介して他の形式で配信することもできる。
しかし、コンピュータプログラムは、ワールドワイドウェブ等のネットワーク上で提供されてもよく、そのようなネットワークからデータプロセッサのワーキングメモリにダウンロードされてもよい。本発明のさらにべつの実施形態では、コンピュータプログラム要素をダウンロードできるようにする媒体が提供され、そのコンピュータプログラム要素は本発明の上記の実施形態の一つによる方法を実行するように構成されている。

留意すべき点として、本発明の実施形態を、異なる主題を参照して説明する。具体的に、一部の実施形態を方法の請求項を参照して説明し、他の一部の実施形態を装置の請求項を参照して説明する。しかし、本技術分野の当業者は、上記の説明と以下の説明から、特に断らないかぎり、一種類の主題に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、異なる複数の主題に関係する特徴の間の任意の組み合わせも本出願で開示されていると考えられることが分かるであろう。しかし、すべての特徴は組み合わせて、特徴の単なる和以上のシナジー効果を提供することができる。

図面と上記の説明に詳しく示し本発明を説明したが、かかる例示と説明は例であり限定ではない。本発明は開示した実施形態には限定されない。請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び従属項を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。

請求項において、「有する（comprising）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（"a" or "an"）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。単一のプロセッサまたはその他のアイテムが請求項に記載した複数のユニットの機能を満たすこともできる。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (15)

1. かん流画像化を支援する装置であって、
   造影剤を少なくとも部分的にオブジェクトの少なくとも一領域にかん流しながら前記オブジェクトの一連の投影画像を取得するかん流画像化セッション中に、前記オブジェクトの周りにおけるＸ線スキャナーのＸ線源の振動運動の振動数を受け取る入力インタフェースであって、前記Ｘ線源の振動運動の受け取られた振動数に基づき前記Ｘ線減衰信号（ＴＡＣ）のサンプリングレートが決まり、取得される一連の投影画像に渡る画像要素は前記オブジェクト領域の前記Ｘ線減衰信号（ＴＡＣ）の時間サンプルを表す、入力インタフェースと、
   受け取られたサンプリングレートを用いて、インジェクタユニットが吐出レートで前記オブジェクトに造影剤を投与する制御信号を発生するように構成された制御ユニットであって、前記制御信号は、前記インジェクタユニットに印加されたとき、造影剤インジェクションレートを周期的パルス信号に応じて時間的に変化させ、パルス信号の周期はＸ線減衰信号サンプル中の時間的信号エイリアシングを緩和するように計算される、制御ユニットとを有する、
   装置。
2. 前記制御ユニットは、少なくとも１つのハーモニクスの調整された周波数が、Ｘ線減衰信号サンプルの周波数スペクトル中のエイリアス成分の各周波数から、少なくともユーザが決定できる／予め設定されたマージンだけ異なるように、パルス状のインジェクションレート信号のハーモニクスの少なくとも１つの周波数を調整することにより、エイリアシングを緩和するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記制御ユニットは、パルス状インジェクションレート信号のハーモニクスのうち選択可能な１つを抑制するように、パルス幅と期間との割合を調整するように構成されている、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 比率は第３のハーモニクスを抑制するように１／３である、
   請求項３に記載の装置。
5. 前記制御ユニットは、前記インジェクタユニットを制御して、前記スキャナーによる画像取得セッションの開始前のフェーズにおいて前記造影剤を投与する、
   請求項１ないし４いずれか一項に記載の装置。
6. 前記装置は、さらに、好ましくはトモグラフィック再構成により前記取得される一連の投影画像を処理し、再構成においてサンプルＴＡＣに基底関数の族のうち少なくとも１つの基底関数をフィッティングすることにより、サンプリングされたＴＡＣから少なくとも１つのハーモニックを抽出するように構成された信号プロセッサをさらに有し、前記基底関数はインジェクションレート信号の少なくとも１つのハーモニックの周波数に対応する、
   請求項１ないし５いずれか一項に記載の装置。
7. 前記基底関数の族は線形増加関数を含む、
   請求項６に記載の装置。
8. 前記装置は、さらに、ＣＢＦ、ＣＢＶ、ＭＴＴのうち少なくとも１つを含む少なくとも１つのかん流パラメータを前記抽出された周波数成分に基づいて計算するように構成されたかん流パラメータ評価器を有する、
   請求項６ないし７いずれか一項に記載の装置。
9. 前記信号プロセッサは、前記造影剤が前記オブジェクトに供給されるサプライパスを表す画像領域のＴＡＣに前記少なくとも１つの基底関数をフィットさせるように構成され、
   前記信号プロセッサは、画像化されたオブジェクト領域の材料組成をそれぞれ表す少なくとも２つの事前選択されたモデルインパルス応答関数のどれかで前記サプライパスＴＡＣをたたみ込み、
   前記信号プロセッサは、そのように取得したたたみ込まれた関数のどれかを前記オブジェクト領域のＴＡＣと比較し、
   前記かん流パラメータ評価器は、前記かん流パラメータの計算のため、前記オブジェクト領域のＴＡＣに予め決められた基準に基づき最もよくフィットするたたみ込まれた関数を用いる、
   請求項６ないし８いずれか一項に記載の装置。
10. 請求項１ないし９いずれか一項に記載の装置と、
    前記Ｘ線スキャナーと、
    前記インジェクタユニットとを含む、
    画像化システム。
11. 請求項１ないし９いずれか一項に記載の装置により制御された時の前記インジェクタユニット。
12. 入力インタフェースと制御ユニットとを有するかん流画像化を支援する装置の作動方法であって、
    少なくとも一領域に造影剤がかん流されたオブジェクトの一連の投影画像を取得するかん流画像化セッションであって、前記かん流画像化セッション中に前記入力インタフェースが受け取ったオブジェクトの周りにおけるＸ線スキャナーのＸ線源の振動運動の振動数に基づき前記Ｘ線減衰信号（ＴＡＣ）のサンプリングレートを決定し、前記領域のＸ線減衰信号（ＴＡＣ）の時間サンプルを表す一連の投影画像に渡る画像要素を取得する、かん流画像化セッションと、
    前記サンプリングレートを用いて、前記制御ユニットが、インジェクタユニットが吐出レートでオブジェクトに造影剤を投与する制御信号を発生するステップとを有し、
    前記制御信号は、インジェクタユニットに印加されたとき、造影剤インジェクションレートを周期的パルス信号に応じて時間的に変化させ、パルス信号の周期はＸ線減衰信号サンプル中の時間的信号エイリアシングを緩和するように制御ユニットにより計算される、
    作動方法。
13. トモグラフィック再構成により、取得された一連の投影画像を処理するステップと、
    基底関数の族の少なくとも一基底関数をサンプリングされたＴＡＣにフィッティングすることにより、前記サンプリングされたＴＡＣから少なくとも１つのハーモニックを抽出するステップであって、前記少なくとも一基底関数は、インジェクションレート信号の少なくとも１つのハーモニックの周波数に対応するステップと、
    ＣＢＦ、ＣＢＶ、ＭＴＴのうち少なくとも１つを含む少なくとも一かん流パラメータを前記抽出された周波数成分に基づき計算するステップとを有する
    請求項１２に記載の作動方法。
14. 処理ユニットに、請求項１２または１３に記載の作動方法のステップを実行させるコンピュータプログラム。
15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能媒体。

Images