JP5942216B2

JP5942216B2 - Ｘ線ｃｔ装置及び画像処理装置

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Publication number: JP5942216B2
Application number: JP2011225260A
Authority: JP
Inventors: 中西　知; 知中西
Original assignee: Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: CN103167833B; WO2013054737A1; US9008262B2; US20130129037A1; CN103167833A; JP2013081716A

Description

本発明の実施形態は、被検体にＸ線を曝射して断層像の撮影を行うＸ線ＣＴ（Computer Tomography）装置及び該装置によって撮影された画像を処理する画像処理装置に関する。

Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線源およびＸ線検出器を被検体の体軸を中心として回転させるとともに、Ｘ線源にＸ線を被検体に向けて照射させ、被検体を透過したＸ線をＸ線検出器で検出して得られる投影データに基づき断層像を再構成するものであり、疾病の診断、治療や手術計画の立案等を始めとする多くの医療行為において重要な役割を果たしている。

Ｘ線ＣＴ装置で得られる投影データは離散データであるため、多かれ少なかれ再構成画像中にエリアシング（aliasing）アーチファクトが発生する。従来、このようなアーチファクトの発生を防ぐ方法としては、例えば２焦点を有するＸ線源を採用して同一スライス面に係るデータ収集を焦点ごとに実施し、チャンネルピッチを見かけ上１／２にする手法（フライングフォーカル技術）、焦点と回転軸を結ぶ撮影中心線に対してＸ線検出器の中心位置をチャンネルピッチの数分の１の距離だけオフセットする手法（ＱＱオフセット技術）、および、投影データにローパスフィルタ（ＬＰＦ）を適用する手法等が提案されている。

上記フライングフォーカル技術においては、専用のＸ線管球が必要となり、導入が容易ではない。また、ＱＱオフセット技術においては、ＡＤ（Area Detecting）ＣＴのようにコーン角を有する装置の場合、このコーン角周辺では実データと対向データとが同一平面上に存在せず、理想的な対向データが得られない。このような事情から、ローパスフィルタを適用する手法が、エリアシングアーチファクトを低減するための主アプローチとして採用されることが多い。

しかしながら、投影データの全領域に対して一律にローパスフィルタを適用すれば、アーチファクトが低減されるものの、再構成画像の分解能が劣化して粒状性が損なわれるとの問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、簡易な方法により、また、再構成画像の分解能を劣化させずに、再構成画像中のアーチファクトを低減することができるＸ線ＣＴ装置および画像処理装置を提供することである。

一実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、被検体に対してＸ線を曝射するＸ線発生部と、被検体を透過したＸ線を検出して検出信号を出力する複数チャンネル分のＸ線検出素子を所定方向に配列してなるＸ線検出部と、前記複数チャンネル分のＸ線検出素子から出力される検出信号に対応する数値にて構成される投影データを、前記数値の変化量が大きい部分ほど強度を強めて平滑化する画像処理部と、前記画像処理部によって平滑化された複数の投影データを用いて画像を再構成する再構成部と、を備えている。

また、一実施形態に係る画像処理装置は、所定方向に配列された複数チャンネル分のＸ線検出素子が被検体を透過したＸ線を検出した際に出力する検出信号に対応する数値にて構成される投影データを、前記数値の変化量が大きい部分ほど強度を強めて平滑化する画像処理部と、前記画像処理部によって平滑化された複数の投影データを用いて画像を再構成する再構成部と、を備えている。

一実施形態におけるＸ線ＣＴ装置の全体構成を示すブロック図。一実施形態に係るＸ線検出器が有するＸ線検出素子を示す図。一実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の動作を説明するための図。

以下、いくつかの実施形態につき、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する要素については同一の符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

（第１実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
［Ｘ線ＣＴ装置の全体構成］
図１は、本実施形態におけるＸ線ＣＴ装置１の全体構成を示すブロック図である。同図に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１は、架台装置Ａと、コンソール装置Ｂとで構成されている。

架台装置Ａは、被検体にＸ線を曝射し当該被検体を透過したＸ線を検出して投影データ（又は生データ）を取得する。なお、Ｘ線ＣＴシステムの撮影系には、Ｘ線管球と検出器システムとが一体として被検体の周囲を回転する回転／回転(ROTATE/ROTATE) タイプや、リング状に多数の検出素子がアレイされ、Ｘ線管球のみが被検体の周囲を回転する固定／回転(STATIONARY/ROTATE)タイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めている回転／回転タイプのＸ線ＣＴ装置を例として説明する。

図１に示すように、架台装置Ａは、固定部１０、回転部１１、寝台１２、Ｘ線管球１３、Ｘ線検出器１４、データ収集回路（ＤＡＳ）１５、データ伝送部１６、架台寝台駆動部１７、給電部１８、高電圧発生部１９等を有している。

Ｘ線管球１３は、Ｘ線を発生する真空管であり、回転部１１に設けられている。

Ｘ線検出器１４は、被検体Ｐを透過したＸ線を検出するＸ線検出部であり、Ｘ線管球１３に対向する向きで回転部１１に取り付けられている。

図２に示すように、Ｘ線検出器１４は、被検体Ｐの体軸に略直交するチャンネル方向に配列されたＮチャンネル分のＸ線検出素子を、被検体Ｐの体軸に沿うスライス方向にＭ列分設けて構成されている。各Ｘ線検出素子１４ａは、例えばＸ線を光に変換するシンチレータ等の蛍光体と、その光を電荷（電気信号）に変換するフォトダイオード等の光電変換素子とを備えている。

回転部１１には開口部１１０が設けられており、この開口部１１０内に寝台１２が配置されている。寝台１２のスライド天板には被検体Ｐが載置される。架台寝台駆動部１７は、開口部１１０に挿入された被検体Ｐの体軸方向に平行な中心軸のまわりで回転部１１を高速回転させつつ、寝台１２を上記体軸方向に移動させる。このようにして被検体Ｐが広範囲にスキャンされる。

データ収集回路１５は、ＤＡＳチップが配列された複数のデータ収集素子列を有し、Ｘ線検出器１４で検出されたＮチャンネル×Ｍ列の全Ｘ線検出素子に関する膨大なデータ（１ビューあたりのＮチャンネル×Ｍ列分のデータを以下「投影データ」という）を入力し、増幅処理、Ａ／Ｄ変換処理等の後、一括して光通信を応用したデータ伝送部１６を介して固定部１０側に伝送する。

固定部１０には、商用交流電源等の外部電源から動作電力が供給される。固定部１０に供給された動作電力は、例えばスリップリングである給電部１８を介して回転部１１の各部に伝達される。

高電圧発生部１９は、高電圧変圧器、フィラメント加熱変換器、整流器、高電圧切替器等で構成されており、給電部１８から供給される動作電力を高電圧変換してＸ線管球１３に供給する。

次に、コンソール装置Ｂについて説明する。コンソール装置Ｂは、前処理部２０、ホストコントローラ２１、再構成部２２、記憶部２３、入力部２４、画像処理部２５、表示部２６、及びデータ／制御バス３０等を備えている。
前処理部２０は、データ伝送部１６を介してデータ収集回路１５から投影データを受け取り、感度補正やＸ線強度補正を施す。

ホストコントローラ２１は、撮影処理、データ処理、画像処理等の各種処理に関する統括的な制御を行う。
再構成部２２は、所定の再構成パラメータ（再構成領域サイズ、再構成マトリクスサイズ、関心部位を抽出するための閾値等）に基づいて投影データを再構成処理することで、所定のスライス分の再構成画像データを生成する。
記憶部２３は、前処理部２０によって各種補正が施される前後の投影データや再構成画像データ等の各種データを記憶する。
入力部２４は、キーボードや各種スイッチ、マウス等を備え、スライス厚やスライス数等の各種スキャン条件の入力等に用いられる。
画像処理部２５は、前処理部２０から出力された投影データから高周波のノイズを除去するための処理（図３参照）や、再構成部２２により生成された再構成画像データに対しするウィンドウ変換、ＲＧＢ処理等の画像処理を行う。また、画像処理部２５は、オペレータの指示に基づき、任意断面の断層像、任意方向からの投影像、３次元表面画像等のいわゆる疑似３次元画像の生成を行い、表示部２６に出力する。出力された画像データは、表示部２６においてＸ線ＣＴ画像として表示される。
データ／制御バス３０は、各ユニット間を接続し、各種データ、制御信号、アドレス情報等を送受信するための信号線である。

なお、Ｘ線ＣＴ装置１のうち、画像処理部２５や再構成部２２等の画像処理に関わる構成要素によって、本実施形態に係る画像処理装置が構成される。

次に、上記のような構成のＸ線ＣＴ装置１（又は、画像処理装置）の動作について説明する。
図２に示すようなＸ線検出器１４で撮影された投影データに基づき再構成される画像中には、主にチャンネル方向へのアンダーサンプリングに起因したエリアシングアーチファクトが発生する。

このアーチファクトを除去すべく、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、Ｎチャンネル分のＸ線検出素子１４ａから出力される検出信号に対応する数値にて構成される投影データを、上記数値の変化量が大きい部分ほど強度を強めて平滑化し、平滑化された後の複数の投影データを用いて画像を再構成する。このような動作につき、図３のフローチャートを用いて具体的に説明する。
図示したフローチャートに示す処理は、例えば医師や技師が入力部２４を操作してＸ線撮影の実行を指令したことに応じて開始される。

処理開始当初において、先ずホストコントローラ２１が架台寝台駆動部１７を制御して回転部１１を回転させるとともに、給電部１８及び高電圧発生部１９を介してＸ線管球１３に電圧を供給してＸ線を発生させ、被検体Ｐをスキャンする（ステップＳ１）。このとき、複数のビュー（撮影角度）におけるＮチャンネル×Ｍ列の投影データがデータ収集回路１５及びデータ伝送部１６等を介して前処理部２０に送られ、各種補正を経て記憶部２３に記憶される。

次に、再構成画像に現れる上記アーチファクトを除去すべく、ステップＳ１にて記憶部２３に記憶された各ビューの投影データの各列（１〜Ｍ）の数値群それぞれに対し、ステップＳ２〜Ｓ４の処理が実行される。

すなわち、先ず画像処理部２５は、処理対象である列のチャンネル方向におけるエッジの強度（当該列を構成する数値の変化量）を抽出する（ステップＳ２）。ここで、処理対象である列の各数値を入力データIn[ch]（ch＝１〜Ｎ）と表せば、当該入力データIn[ch]の各部分におけるエッジ強度Edge[ch]は、以下の（１）式にて表される。

ただし、この例にとらわれず、ステップＳ２においてはチャンネル方向への入力データIn[ch]の変化量を抽出できれば、如何なる方法を用いてもよい。また、エッジ強度を抽出する処理は、ＨＰＦ（High Pass Filter）処理とも解釈でき、ノイズの影響を受け易い。これに鑑み、エッジ強度抽出の前処理として、各投影データにチャンネル方向へのＬＰＦ（Low Pass Filter）処理を施してもよい。

エッジ強度Edge[ch]を得た後、画像処理部２５は、入力データIn[ch]に施すＬＰＦ処理の強度を決定する（ステップＳ３）。ここでは、ステップＳ２で得たエッジ強度Edge[ch]の値が大きい部分ほど強く入力データIn[ch]が平滑化されるようなＬＰＦ強度S[ch]を求める。具体的には、エッジ強度Edge[ch]をＬＰＦ強度S[ch]に変換する変換関数を予め定義し、その関数に従ってＬＰＦ強度S[ch]を求めればよい。上記変換関数は、エッジ強度Edge[ch]に応じてＬＰＦ強度S[ch]が単調増加するものであれば如何なる関数でもよいが、本実施形態では以下の（２）式で表されるシグモイド関数を用いる。

ここで、ａ，ｂは、再構成画像におけるアーチファクト低減の効果が最大、かつ粒状性の劣化等の弊害が最小となるように、実験的、経験的、あるいは理論的に定められたパラメータである。

ＬＰＦ強度S[ch]を得た後、画像処理部２５は、当該ＬＰＦ強度S[ch]を使用して入力データIn[ch]に対し、ＬＰＦ処理を施す（ステップＳ４）。
本実施形態におけるＬＰＦ処理では、入力データIn[ch]と、ガウシアンフィルタとのコンボリューションによって、ステップＳ４におけるＬＰＦ処理を実現する。

ガウシアンフィルタを用いる場合、ガウス分布の分散を、ＬＰＦ強度S[ch]に比例させる。すなわち、各チャンネルch（＝１〜Ｎ）に応じた分散をV[ch]と表せば、以下の（３）式にてガウシアン形状が決定される。

ここで、Ｃは、再構成画像におけるアーチファクト低減の効果が最大、かつ粒状性の劣化等の弊害が最小となるように、実験的、経験的、あるいは理論的に定められたパラメータである。なお、（２）（３）式によれば、エッジ強度Edge[ch]が大きい部分ほど大きい値の分散V[ch]が求まることになる。

入力データIn[ch]にＬＰＦ処理を施した結果を出力データOut[ch]とし、ガウシアン（ガウス関数）の平均μ＝０.０とすると、出力データOut[ch]は、以下の（４）式のように、In[ch]とガウシアン（Gaussian）とのコンボリューションにて表される。

なお、ＬＰＦ強度S[ch]＝０の場合には、ガウシアンを定義できないため（４）式によるＬＰＦ処理を行わない。

画像処理部２５は、ステップＳ４において（３）（４）式に基づく演算を行うことで出力データOut[ch]を求め、求めた出力データOut[ch]を記憶部２３に記憶する。なお、処理対象の入力データ（本実施形態ではIn[ch]）とガウシアンとのコンボリューションの具体的な演算手法は画像工学の分野において周知であるため、（４）式による演算過程の説明は省略する。

ステップＳ１にて記憶部２３に記憶された各ビューにおける投影データの各列（１〜Ｍ）の成分それぞれに対してステップＳ２〜Ｓ４の処理を実行し終えると、再構成部２２が記憶部２３に記憶されたＬＰＦ処理適用後の各ビューにおける投影データ（上記Out[ch]からなる投影データ）を用いて、所定の再構成手法により再構成画像データを生成し、生成したデータを記憶部２３に記憶する。（ステップＳ５）。

その後、記憶部２３に記憶された再構成画像データに基づき、画像処理部２５が任意断面の断層像、任意方向からの投影像、疑似３次元画像等を生成し、表示部２６に出力する（ステップＳ６）。出力された画像データは、表示部２６においてＸ線ＣＴ画像として表示される。以上で当該フローチャートに示した一連の処理が完了する。

以上説明したように、本実施形態においては、データ収集回路１５で収集された投影データの各列（１〜Ｍ）について、チャンネル方向へのエッジ強度Edge[ch]を抽出し、抽出したエッジ強度に応じたＬＰＦ強度S[ch]を求め、求めたＬＰＦ強度S[ch]に比例する値を分散V[ch]としたガウシアンフィルタと、入力データIn[ch]とのコンボリューションを行うことにより出力データOut[ch]を求める。

このようなＬＰＦ処理を投影データに施すと、投影データがチャンネル方向への変化が大きい箇所ほど強度を強めて平滑化される。すなわち、エリアシングアーチファクトの発生原因となる箇所は強力に平滑化され、他の部分に関しては原データの値が極力維持される。このようなＬＰＦ処理後の投影データに基づき再構成された画像においては、エリアシングアーチファクトが軽減乃至は消滅する。また、エリアシングアーチファクトと無関係の箇所においてはＬＰＦ処理の強度が弱いために画像の粒状性が維持されるので、分解能が不必要に劣化することはない。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、ガウシアンフィルタとのコンボリューションを用いるのではなく、入力データIn[ch]と入力データIn[ch]にＬＰＦ処理を施したデータとを重み付け加算することにより、出力データOut[ch]を得る点で、第１の実施形態と異なる。

図１，図２に示した構成および図３に示した処理の流れは第１の実施形態と同様である。ただし、ステップＳ４において、画像処理部２５は、以下の手順で出力データOut[ch]を得る。

すなわち、先ず画像処理部２５は、入力データIn[ch]に対して一律にＬＰＦ処理を施す。このＬＰＦ処理を施した結果をＬＰＦデータLPF_In[ch]と表す。このＬＰＦ処理には、例えば入力データIn[ch-1]、In[ch]、In[ch+1]を０.３、０.４、０.３の比率で重み付け加算したものをＬＰＦデータLPF_In[ch]とする３点フィルタのコンボリューションを採用する。ただし、ここでのＬＰＦ処理は、チャンネル方向へのshift-invariant型のものであれば如何なる手法を用いてもよい。

次に、画像処理部２５は、以下の（５）式のように、ステップＳ３にて得たＬＰＦ強度S[ch]に基づく重みで入力データIn[ch]とＬＰＦデータLPF_In[ch]とを加算することにより、出力データOut[ch]を求める。

このようにして出力データOut[ch]を求めた場合であっても、チャンネル方向への数値変化が大きい箇所ほど強度を強めて投影データが平滑化されるので、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（変形例）
ステップＳ２においてエッジ強度Edge[ch]を抽出する手法、ステップＳ３においてエッジ強度Edge[ch]からＬＰＦ強度S[ch]を導出する手法、および、ステップＳ４においてＬＰＦ強度S[ch]に応じた強度にて投影データ（In[ch]）にＬＰＦ処理を施す手法は、上記各実施形態にて開示したものに限られない。これらの手法は、当業者が想起し得る種々の手法にて置換することが可能である。

上記各実施形態ではＮチャンネル×Ｍ列のＸ線検出器１４を備えるＸ線ＣＴ装置１を例示したが、Ｘ線検出素子が１列のみ（Ｍ＝１）のＸ線検出器を備えるいわゆるシングルＣＴに対しても、図３のフローチャートに示した手法を適用することが可能である。

上記各実施形態では、Ｘ線ＣＴ装置１内の画像処理部２５や再構成部２２によって図３のフローチャートに示すステップＳ２〜Ｓ６の処理等が実行されるとした。しかしながら、Ｘ線ＣＴ装置１とは別途の画像処理装置にてこれらの処理の一部または全てを実行するようにしてもよい。この場合、上記画像処理装置としては、パーソナルコンピュータや病院内のネットワークに接続されたサーバ、あるいはステップＳ２〜Ｓ６の処理の一部または全てを実行させるべく構成された専用のコンピュータシステム等の種々の装置を採用し得る。また、このような画像処理装置にて処理するための投影データは、Ｘ線ＣＴ装置１の記憶部２３に記憶されたものを読み出すようにしてもよいし、当該画像処理装置に設けられた記憶部に記憶されたもの、あるいはＣＤ−ＲＯＭやＵＳＢメモリ等の記憶媒体に記憶されたものを読み出すようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…Ｘ線ＣＴ装置、Ａ…架台装置、Ｂ…コンソール装置、Ｐ…被検体、１３…Ｘ線管球、１４…Ｘ線検出器、１４ａ…Ｘ線検出素子、２２…再構成部、２５…画像処理部、In[ch]…入力データ、Edge[ch]…エッジ強度、S[ch]…ＬＰＦ強度、V[ch]…分散、Out[ch]…出力データ、LPF_In[ch]…ＬＰＦデータ

Claims

被検体に対してＸ線を曝射するＸ線発生部と、
被検体を透過したＸ線を検出して検出信号を出力する複数チャンネル分のＸ線検出素子を所定方向に配列してなるＸ線検出部と、
前記複数チャンネル分のＸ線検出素子から出力される検出信号に対応する数値にて構成される投影データを、前記数値のチャンネル方向における変化量が大きい部分ほど強度が強まるよう平滑化する画像処理部と、
前記画像処理部によって平滑化された複数の投影データを用いて画像を再構成する再構成部と、
を備えていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
前記画像処理部は、前記投影データに対し、前記変化量が大きい部分ほど分散の値を大きくしながらガウシアンフィルタを適用することにより、前記投影データを平滑化することを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
前記画像処理部は、前記投影データを一律に平滑化したデータを求め、このデータの各数値と前記投影データの対応する各数値とを、前記変化量が大きい部分ほど前記投影データ側の重みを小さくしながら加算することで、前記投影データを平滑化することを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
所定方向に配列された複数チャンネル分のＸ線検出素子が被検体を透過したＸ線を検出した際に出力する検出信号に対応する数値にて構成される投影データを、前記数値のチャンネル方向における変化量が大きい部分ほど強度が強まるよう平滑化する画像処理部と、
前記画像処理部によって平滑化された複数の投影データを用いて画像を再構成する再構成部と、
を備えていることを特徴とする画像処理装置。
前記画像処理部は、前記投影データに対し、前記変化量が大きい部分ほど分散の値を大きくしながらガウシアンフィルタを適用することにより、前記投影データを平滑化することを特徴とする請求項４に記載の画像処理装置。
前記画像処理部は、前記投影データを一律に平滑化したデータを求め、このデータの各数値と前記投影データの対応する各数値とを、前記変化量が大きい部分ほど前記投影データ側の重みを小さくしながら加算することで、前記投影データを平滑化することを特徴とする請求項４に記載の画像処理装置。