JP6132843B2 - コンピュータ断層撮影画像処理方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータ断層撮影画像処理方法及びシステムに関する。

用語「コンピュータ断層撮影（ＣＴ）」は、通常、対象の物理的被写体の内部構造の本質的に望まれる見え方を表す１つ以上の画像が、その被写体のそれぞれの幾何学的な投影を表す画像の対応するセットからコンピュータ計算されることを意味する。

被写体の投影画像を取得するために、断層撮影の撮像装置は、（ｉ）被写体を検出するための粒子または電磁輻射の線源と、（ｉｉ）その結果としてのプローブ−被写体相互作用を測定するための検出器と、（ｉｉｉ）線源／検出器の構成要素と被写体の間の相対的な向きを変えるための手段とを要求する。それゆえ、画像のセットを構成する投影画像は、線源／検出器の構成要素と被写体の間の、それぞれの相対的な向きにおいて取得されたプローブ−被写体相互作用の測定を表す。これらの方向は、通常、線源及び検出器が被写体に対する特定の軌道に追従するように選択され、軌道は、線源と検出器の間の幾何学的配置に依存する。そのような軌道の例は、円形、らせん形、及びサドル形の軌道を含む。

一度、それぞれの様々な相対的な向きにおける２次元の投影画像のセットが取得されると、本明細書ではトモグラムという、対応するデータセットを生成するように、再構成アルゴリズムが２次元の投影画像のセットに適用される。トモグラムは、３次元空間における被写体の外部及び内部の特徴を表す。トモグラムを入力として用いると、表示ソフトウェアは、本質的にユーザが望む方法において被写体を可視化するように使用されることができ、回転する半透明な被写体、任意の方向に沿った被写体を通した静的および動的な断面などといったものを含む。このような「再構成された」画像は、本明細書ではトモグラフィック画像という。

Ｘ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）は、物質および長さ単位の幅広い範囲において、複雑な内部構造の非破壊的な調査を可能にする。ＣＴは、生物学、地質学、及び材料科学などの各分野における新しい適用が直ちに見出される、急速に進展している技術である。マイクロスケールの特徴のＣＴ画像を生成することができるＣＴシステムは、従来技術では、マイクロＣＴシステムと呼ばれる。現行の、従来技術で研究室主体のマイクロＣＴシステムは、通常、ボクセル辺長２〜３ミクロンによる２０４８^３ボクセルを含む高品質のトモグラムを生成するために、対象のサンプルまたは被写体のＸ線投影データを取得するのに８〜１２時間を費やす。

しかしながら、多くの応用において、対象の特徴は、小さ過ぎてこの空間解像度を備えるマイクロＣＴにおいて鮮明に解像できない。例えば、図１は、２．５μｍボクセル（エッジ）サイズを備えるトモグラムからのマイクロＣＴの断面（左側の画像）を、同一の領域の０．７μｍピクセル寸法を備える走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像（右側の画像）と比較する。ＳＥＭ画像において視認可能なサンプルの開いた領域は、マイクロＣＴ画像において鮮明に解像されておらず、サンプルの間隙率の精密な定量的解析に対して後者の使用を除外する。後述するように、マイクロＣＴの空間解像度は、顕著により長い取得時間の浪費で改善できる。しかしながら、より長い取得時間は、一画像当たりの費用を増大させるとともにスループットを減少させ、商業的環境におけるマイクロＣＴシステムにとって一般的に望ましくない。

許容可能な取得時間を維持しながら増大した解像度を達成することは、研究室主体の円錐ビームのマイクロＣＴシステムにとって主要な挑戦である。マイクロスケール以下の解像度のためには、既存のＣＴシステムおよび方法は、画像の忠実度を落とさないよう信号対雑音比（ＳＮＲ）を維持するために、延長した取得時間を要求する。しかしながら、削減した取得時間は、試料のスループットを改善し得、それゆえ商業的応用の範囲においてマイクロＣＴ撮像の魅力を増大させる。

高解像度撮像および信号対雑音比
研究室主体の円錐ビームのマイクロＣＴシステムの画像の解像度を増大させるときの主要な障害は、放射線分解能と、Ｘ線源のスポットサイズと、投影データの信号対雑音比（ＳＮＲ）との間の関係性である。半影効果により、放射線分解能に対する下限は、Ｘ線源のスポットの直径である。しかしながら、Ｘ線の流束は、大まかには、線源のスポットエリアに比例する。したがって、２の倍数で分解能を増大させるためには、線源のスポットエリア、さらには結果としてＸ線の流束を、４の倍数で減少させなければならない。正確に構成される（すなわち量子限界の）検出器における画像ノイズに対する支配的な寄与は、有限の光子数から生じるショットノイズ（すなわち静的ノイズ）である。投影データのＳＮＲは、検出器の各ピクセルで検出されるＸ線光子の数の二重根に比例する。それゆえ、与えられたＳＮＲを維持して分解能を２倍にするためには、取得時間は、４倍長くなければならない。高分解能では、このような２乗則の関係性は許容できないほど長い取得時間を招き、高解像度の撮像も、システムの構成要素に厳しい安定性の要求を課す。

Ｘ線のチューブは、一般的には、殆ど２πステラジアンの立体角に渡って等方的に近いＸ線のビーム流束を生成する。減少するＳＮＲを緩和するための最も簡単な方法は、検出器を線源のより近くに動かすことであり、これによってＸ線ビームのより大きな割合を捉える。しかしながら、このことは、高い円錐角での撮像システムの動作を意味し、図２にて示されるシステムの幾何学的配置から明らかとなるものである。

データの十分性
上述のように、トモグラム及びトモグラフィック画像は、直接取得されるのではなく、試料の取得した投影画像のセットから再構成される。Ｘ線源および検出器（或いは等価的に、サンプル）は、所定の軌道に沿って移動し、そのため各投影画像は様々な投影角度で収集される。トモグラムを再構成するために用いられるアルゴリズムは、投影を収集するために用いられる軌道に大きく依存する。

精密なトモグラム又はトモグラフィック画像を再構成するためには、取得した投影データは、被写体について完備な情報を含むべきである。３Ｄ断層撮影のためのデータの完備性は、初めに非特許文献１によって扱われた。非特許文献１は、完備な情報を収集できることを保証する取得軌道のための一般的な判定基準を定式化した。この判定基準を満たす軌道は、従来技術において完備な軌道と呼ばれる。しかしながら、当業者は、軌道の完備性は再構成されるトモグラムのボリュームに依存すると理解する。それゆえ、本明細書において用語「完備な軌道」は、再構成されたトモグラムの少なくとも実質的な断片に対して非特許文献１の判定基準を満たすものとして規定される。

単一の閉じた円形軌道は、３Ｄ再構成のための完備なデータを提供しない。サンプリング密度に関わらず、そのような軌道に沿って収集されたデータは、被写体を再構成するために必要な全ての情報を含まず、そのため近似の再構成のみが可能である。円錐角が小さい限り、円形軌道に沿って取得する投影データは、殆ど完備である（例えば、５°未満の円錐角は、通常、許容される）。しかしながら、損失するデータの量は、円錐角が大きくなるほど増大する。

完備な軌道は、円形に、当該円形の平面と直交する線要素を加えることにより、達成できる。他のそのような完備な軌道は、らせん形、およびサドル形を含む。このような（そして他の完備な）軌道に沿って収集された投影データは、（理論的に）厳密な再構成のための十分な情報を提供する。実際に、理論的に厳密な再構成アルゴリズムは、幾つか知られている。厳密な再構成は、ノイズおよび有限のサンプリングなどの因子によって、実践的には達成されていないが、そうであっても、再構成にて基礎となる反転公式における近似による系統誤差を取り除くために、理論的に厳密な再構成の方法を使用することが望ましい。

完備な軌道を使用することで、原理的には、断層撮影の撮像装置は、任意に大きい円錐角で動作することができ、検出器を物理的に可能な限り線源に近付ける可能性を開拓する。任意の高さの被写体を撮像できるという、さらなる利点により、らせん形は特に興味深い。多数の既知の再構成方法は、らせん形軌道に沿って取得された投影データからトモグラムを生成することができ、代数的再構成方法（ＡＲＴ）及び同時逐次再構成方法（ＳＩＲＴ）などの近似逐次的方法、並びに理論的に厳密なカッツェビッチ（Ｋａｔｓｅｖｉｃｈ）の１ＰＩ反転公式に基づく、フィルタ処理した逆投影型の再構成方法、又は近似的Ｆｅｌｄｋａｍｐ−Ｄａｖｉｓ−Ｋｒｅｓｓ（ＦＤＫ）再構成方法のらせん変形を含む。

幾つかのＣＴシステムの既存の形式は、（サブ）マイクロメートル単位の分解能を達成できる。例えば、超微細フォーカスシステムは、Ｘ線の生成のために走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を活用する。しかしながら、超微細フォーカスシステムは、略３０ｋＶまでのＸ線のみを生成し、サブミリメートル単位の試料の直径に制限される。更には、試料が真空チャンバ内に配置されるので、超微細フォーカスシステムは、実験的装備に容易に適合できない。

Ｘ線レンズに基づくシステムは、線源からのＸ線の流束を増大させるために、集光レンズを使用する。このようなシステムも、強いＸ線に対してフレネルゾーンプレートに要求される高いアスペクト比により、低いＸ線エネルギーに制限される。良好な分解能は、非常に小さい検出器要素を用いることにより達成され、非常に薄いシンチレータを要求する。結果として、Ｘ線光子のうちの小さい割合しか検出されず、このようなシステムにおいて比較的高いＸ線の流束にも関わらず長い取得時間を招いてしまう。

微細フォーカスシステムは、第３の代替手段である。微細フォーカスシステムは、超微細フォーカスシステムのように、Ｘ線光学に依存しない。だが、微細フォーカスシステムは、超微細フォーカスシステムよりも、使用できるＸ線のエネルギーの範囲と、その結果としてどのような被写体が画像化できるかの双方に、一層多大な柔軟性を提供する。真空チャンバが必要ないためである。更には、Ｘ線源と検出器の間の伝播経路は、完全に開放しており、補助の実験装備が要求されるときに、そのようなシステムを理想的に適用させることとなる。

第４の構成形式は、サンプルが線源よりも検出器に近く配置される準平行構成であり、１に近い幾何学的倍率を与えるものである。このような幾何学的配置は、任意の線源のスポットサイズに対して、微細フォーカス構成よりも一層高い放射線分解能を可能にし、より一層高い流束を備える線源が使用できることとなる。しかしながら、より大きい線源とサンプル間の距離は、より小さい円錐角の使用を要求し、実践的には、サンプルに入射するＸ線の流束が劇的には改善しないこととなる。第二に、高い分解能では薄いシンチレータを使用しなければならず、結果、現代の大型平面パネル検出器では６０％を超える検出効率に比較して、典型的には５％未満という非常に低いＸ線の検出効率となる。

以下の議論は、専ら微細フォーカスシステム形式を検討する。

従来の微細フォーカスのマイクロＣＴシステムは、円形軌道を用いる、レンズ自在の微細フォーカス構成であり、再構成は、Ｆｅｌｄｋａｍｐ−Ｄａｖｉｓ−Ｋｒｅｓｓ（ＦＤＫ）アルゴリズムによって実行される。このシステムは、単一の回転ステージを要求するに過ぎず、卓越した簡素性と信頼性を提供する。しかしながら、上述のとおり、円形軌道に沿って投影データを収集することは、被写体に関して完備な情報を提供せず、５°を超えるＸ線ビームの円錐角を備える撮像には適さない。それゆえ、許容可能なＳＮＲを達成するために、長い取得時間が用いられる。同一の制限は、Ｘ線の生成のために走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を活用する、円形軌道の超微細フォーカスシステムに当てはまる。

ＳｋｙＳｃａｎ社によって製造される商業的ならせん形のマイクロＣＴシステムは、微細フォーカスのらせん形軌道およびＦＤＫ再構成を用いる。上述のとおり、らせん形軌道は完備である。しかしながら、ＦＤＫ再構成アルゴリズムの近似的性質は、データの取得が並の或いは小さいらせん形のピッチでのみ実行できることを意味し、長い被写体をスキャンする場合に長い取得時間を必要としてしまう。

国際特許出願第ＡＵ２０１１／０００３８号明細書

Ｈ．Ｋ．Ｔｕｙ著，"Ａｎ ｉｎｖｅｒｓｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｃｏｎｅ−ｂｅａｍ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ"ＳＩＡＭ Ｊ Ａｐｐｌ．Ｍａｔｈ，ｖｏｌ．４３，ｐｐ．５４６−５５２，１９８３年 Ａ．Ｋａｔｓｅｖｉｃｈ著，"Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｅｘａｃｔ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｂａｃｋｐｒｏｇｅｃｔｉｏｎ−ｔｙｐｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｓｐｉｒａｌ ＣＴ"ＳＩＡＭ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈ，ｖｏｌ．４３，ｐｐ．２０１２−２０２６，２００２年

原理的には、厳密な反転公式に基づく再構成方法は、任意に高い円錐角での断層撮影の画像処理を行うために使用でき、それゆえ小さいピッチに限定されない。しかしながら、本発明者は、高いピッチでは、らせん形軌道の特有の非対称性が、取得した投影のセットが画像化した被写体のむらのある空間的なサンプリングを示すことを伴うと見出した。これにより、実質的に非均一な空間解像度を備えるトモグラムを招来し、そのため実用性を損なってしまう。

一つ以上の従来技術の困難を緩和するコンピュータ断層撮影画像処理方法およびシステムを提供する、或いは少なくとも実用的な代替物を提供することが望まれる。

本発明の或る実施形態に応じて、
それぞれの様々な、放射線と被写体の相対的な向きに対して被写体を貫通した放射線を検出することによって、被写体の投影画像を取得するステップと、
被写体のトモグラムを生成するように、投影画像を処理するステップと含み、
放射線は、発散ビームの形態において被写体を貫通し、
様々な、放射線のビームと被写体の相対的な向きは、被写体に沿ったビームの２つ以上の完備な軌道を規定し、
完備な軌道は、被写体を通したビームの発散による、生成したトモグラムの一部における空間解像度の劣化を低減するように、互いにオフセットする、
コンピュータ断層撮影画像処理方法が提供される。

前記処理するステップは、トモグラムにおいて空間解像度における変動を低減させることができる。

或る実施形態において、様々な、放射線のビームと被写体の相対的な向きは、２つ以上の完備な軌道を規定する単一の軌道を規定する。すなわち、単一の軌道は、２つ以上の完備な軌道を含む。他の実施形態においては、２つ以上の完備な軌道は、独立に取得される。

或る実施形態において、２つ以上の完備な軌道は、らせん形軌道である。或る実施形態において、２つ以上の完備な軌道は、１８０°の差で互いにオフセットする２つのらせん形の完備な軌道を含む。

或る実施形態において、
前記投影画像を処理するステップは、
２つ以上の完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、対応する第１のトモグラムであって、各々の前記第１のトモグラムの空間解像度が対応する完備な軌道に応じて被写体の内部の空間位置によって変動する、第１のトモグラムを生成するように処理するステップと、
空間解像度における変動が少なくとも部分的に補償される更なるトモグラムを生成するように、第１のトモグラムを処理するステップとを含む。

或る実施形態において、更なるトモグラムは、第１のトモグラムの選択した部分を結合することによって生成される。

或る実施形態において、更なるトモグラムは、第１のトモグラムの重み付けをした結合として生成される。或る実施形態において、その重みが同一である。他の実施形態において、その重みは、更なるトモグラムの各部分が、第１のトモグラムの対応する部分のうちの最も鮮明な部分と実質的に対応するように決定される。

本発明の或る実施形態は、
被写体の投影画像のセット、または被写体の投影画像のセットから生成されるトモグラムにアクセスするステップであって、
各々の前記投影画像のセットが、被写体に対する放射線のビームの対応する完備な軌道を用いて取得されており、
被写体を通したビームの発散が、対応するトモグラムの部分における空間解像度、または投影画像の対応するセットから生成されるトモグラムの部分における空間解像度を劣化させる、但し、そのようなトモグラムが、対応する完備な軌道に応じて生成される場合に、である、
アクセスを行うステップと、
空間解像度における劣化を低減するように、トモグラムまたは投影画像のセットから更なるトモグラムを生成するステップとを含む、
コンピュータ断層撮影画像処理方法を提供する。

本発明の或る実施形態は、
それぞれの様々な、被写体に対する放射線のビームの完備な軌道を用いて取得される被写体の投影画像のセットにアクセスするステップであって、
被写体を通したビームの発散が、それぞれの投影画像のセットから生成されるそれぞれのトモグラムの部分における空間解像度を劣化させ得る、但し、そのようなトモグラムが、それぞれの完備な軌道に応じて生成される場合に、である、
アクセスを行うステップと、
空間解像度における劣化が低減されるトモグラムを生成するように、投影画像のセットを処理するステップとを含む、
コンピュータ断層撮影画像処理方法を提供する。

或る実施形態において、トモグラムは、厳密な、或いは近似的なフィルタ処理された逆投影型の方法を用いて投影画像から生成される。他の実施形態において、トモグラムは、逐次近似法を用いて投影画像から生成される。

本発明は、上述のいずれか１つの処理方法の実行のために構成される、コンピュータの実行可能なプログラム命令が格納された、少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能な記録媒体をも提供する。

本発明の或る実施形態は、上述のいずれか１つの処理方法の実行のために構成される、コンピュータプログラムプロダクトが格納された、コンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。

本発明の或る実施形態は、上述のいずれか１つの処理方法を実行するように構成されるコンピュータ断層撮影画像処理システムを提供する。

本発明の或る実施形態に応じて、
それぞれの様々な、放射線と被写体の相対的な向きに対して被写体を貫通した放射線を検出することによって生成される、被写体の投影画像を取得するように構成されるデータの取得モジュールと、
被写体のトモグラムを生成するべく、投影画像を処理するように構成されるトモグラムの生成部とを含み、
放射線は、発散ビームの形態において被写体を貫通し、
様々な、放射線のビームと被写体の相対的な向きは、被写体に沿ったビームの２つ以上の完備な軌道を規定し、
完備な軌道は、被写体を通したビームの発散による、生成したトモグラムの一部における空間解像度の劣化を低減するように、互いにオフセットする、
コンピュータ断層撮影画像処理システムが提供される。

或る実施形態において、トモグラムの生成部は、
完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、対応する第１のトモグラムを生成するように処理するように構成され、
各々の前記第１のトモグラムの空間解像度は、
対応する完備な軌道に応じて被写体の内部の空間位置によって変動し、
トモグラムの生成部は、
空間解像度における変動が低減され、或いは少なくとも部分的に補償される更なるトモグラムを生成するように第１のトモグラムを処理するように構成される。

地質学的なコアのサンプルの同一の領域の、従来のマイクロＣＴ画像（左側の図）と、ＳＥＭ画像（右側の図）とを含み、サンプルの間隙率の定量的解析を妨げる、従来のマイクロＣＴの相対的に劣った空間解像度を実証する。 Ｘ線源によって生成される円錐状のＸ線ビームが、検出器上で投影画像を生成するように、対象の被写体又はサンプルを通して伝導される断層撮影の撮像装置の写真画像である。 図２に一例を示すような、らせん形の完備な軌道を用いる断層撮影の撮像装置の幾何学的パラメータを説明する概略図である。 円形軌道（左側の画像）と、らせん形軌道（右側の画像）のための地質学的なコアのサンプルの同一の部分を示す再構成されたトモグラムのスライスの画像を含む。 １８０°の差で互いにオフセットするらせん形の完備な軌道に対する地質学的なコアのサンプルの対応するトモグラムの横断面の（左側の）画像と、拡大した同一の部分の（右側の）画像とを含み、放射線源に最も近いサンプルの部分が、放射線源からより遠い領域よりも良好な空間解像度を有することの観測を説明する。 ピクセルのエッジに平行な直交方向におけるビームの発散による、各検出器ピクセルの寸法と、サンプルの反対側上でのサンプルの対応する領域のサイズとの間の関係性の概略図である。 単一のらせん形の完備な軌道に対して（左側の画像）と、１８０°の差で互いにオフセットする２つのらせん形の完備な軌道の平均に対しての、再構成されたトモグラムのスライスにおける円筒状のサンプルの領域のための平均した線源との距離における変動を表す画像を含む。 図９においてより高い拡大倍率で示す選択した矩形領域を示すトモグラムのスライスの画像である。 図８において示した選択した領域に対応する、各トモグラムの３つの拡大した部分を含み、上段及び中段の画像は、１８０度の差で互いにオフセットする単一のらせん形軌道に沿って取得される投影から生成されるトモグラムに由来し、下段の画像は、上段及び中段の画像を生成するために用いられるらせん形軌道の双方に対する投影画像からの、同一の重み付けの寄与から生成されるトモグラムに由来する。 断層撮影画像処理方法の実施形態のフローチャートである。 コンピュータ断層撮影画像処理システムのコンピュータシステムのブロック図である。

本発明の幾つかの実施形態が、例示のみを意図して、添付図面を参照して本明細書において記載される。添付図面においては、同様の参照符号は、同様の要素に付される。

本発明の或る実施形態を、マイクロメートルスケール又はナノメートルスケールの、小さい被写体のコンピュータ断層撮影のための断層撮影の撮像装置の形態において以下に記載する。上記各実施形態において、小さい被写体は円筒状の地質学的なコアのサンプルなどであり、円錐状のＸ線ビームを用いる。しかしながら、本明細書に記載の処理方法は、様々な断層撮影の方法及び装置の幅広い範囲で、一般的に適用可能であると理解されるべきであり、如何なる特定の、装置のタイプ、（粒子を含む）放射線のタイプ、被写体のタイプ、または長さのスケールに、一般的に限定されないと理解されるべきである。

図２，３に示すように、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置またはシステムは、Ｘ線源２０２と、サンプルステージ２０４と、検出器２０６とを含む。Ｘ線源２０２は、サンプルステージ２０４に載せられた被写体２１０を通して検出器２０６に伝導される、円錐状のＸ線ビームを生成する。円錐角３０２及び扇角（扇形の中心角）３０４は、線源２０２を中心に検出器２０６までで定められる鉛直方向及び水平方向の半角として、それぞれ規定される。検出器２０６は、Ｘ線を照射されると可視光を生成するシンチレータと、シンチレータの背後に、シンチレータによって生成されるシンチレーションの空間的配置の２次元画像を表す画像データを生成するＣＣＤまたは非結晶シリコン平面パネルセンサとを含む。これにより、検出器２０６は、被写体２０１を通して伝導したＸ線に関する二次元画像またはＸ線の強度のマップを生成する。よく理解されるように、これらの各画像は、被写体２１０を通して検出器２０６に伝導したＸ線の方向に沿って投影された画像として、被写体２１０の外部および内部双方の構造的特徴を示す。検出器２０６によって生成された画像データは、図１１に示すように、後続の処理のためのシステムのコンピュータシステム１５００において、バイナリデータの形式にて格納される画像１５３６のセットとして取得される。上記の画像は、連続的に取得され、連続する画像の間で、サンプルステージ２０４が、小さい角度でサンプル又は被写体２１０を回転させるように（さらに、らせん形のスキャンの場合、小さい鉛直距離でサンプル又は被写体２１０を並進させるようにも）作動される。そのため、上記の画像は、被写体２１０を通した様々な幾何学的投影を提供する。上記のステップは、サンプルが少なくとも１８０°＋扇角の回転を施されるまで繰り返され、そして、投影画像の完備なセットが取得されることとなる。らせん形のスキャンの場合、サンプル又は被写体２１０が、サンプル／被写体２１０の対象の領域に対して完備な情報が取得されることとなる十分な直線並進および回転を施されるまで、上記のステップは、繰り返される。収集した段階的な、被写体２１０とＸ線ビームの相対的移動によって表される経路は、従来技術では「スキャン軌道」（または、簡略して単純に「軌道」）と呼ばれ、投影画像１５３６は当該軌道に沿ってそれぞれの配置で取得されている。

そのため、投影画像１５３６のセットは、被写体２１０の３次元の外部及び内部の構造的特徴を表すトモグラムを生成するように、再構成ソフトウェアを用いて処理される。この目的を達成するために、種々の再構成方法が利用可能であり、ＡＲＴ及びＳＩＲＴなどの近似逐次的方法と、フィルタ処理した逆投影型の方法の双方が利用可能である。記載の実施形態においては、（非特許文献２に記載の）カッツェビッチの１ＰＩ反転公式が特許文献１に記載のとおりに自動整合処理に組み合わされた、らせん形軌道のための最適化に基づく再構成方法が用いられる。特許文献１の全体は、これにより、参照によって本明細書に明白に組み込まれる。結果としてのトモグラムは、本システムのユーザによって、被写体２１０の内部の構造的特徴を可視化および解析するために、リアルタイムにて動的に回転、およびスライスされ得る、被写体２１０の部分的に透明の表現の形式において表示されることができる。

図２に示すＣＴ装置またはシステムは、被写体の軌道の幅広い範囲を用いてＸ線の投影データを取得可能な高精度のマイクロＣＴ装置である。例えば、図４は、本システムによってらせん形軌道を用いて生成されるトモグラムの横断面（右側の画像）を、従来のマイクロＣＴシステム上で円形軌道を用いて取得したデータから生成したトモグラムの横断面（左側の画像）と対比する。後者は、同一のトモグラムのボリュームを撮像するために、顕著により長いカメラ長を要求する。らせん形軌道のトモグラムの横断面（右側の画像）の空間解像度は、円形軌道のトモグラム（左側の画像）の空間解像度よりも明らかに優れている。

わずかな円錐角に対して、らせん形軌道は良好に作用する。しかしながら、円錐角が増大されるにつれて、再構成された画像における解像度は、再構成された画像の各々の範囲内で非均一となる。この問題を説明するために、図５は、炭酸岩塩の試料の同一の部分の２つのマイクロＣＴ画像を比較しており、それぞれのらせん形軌道を用いて取得したそれぞれのトモグラムからの２つのマイクロＣＴ画像を比較している。唯一の違いは、２つのらせん形のデータ取得軌道の間で、その円筒軸に関して試料を１８０°回転していることである。右側の画像は、それぞれの左側のサンプルの画像において示される選択した領域の拡大図である。下側の拡大図が上側の拡大図に比較して顕著に不鮮明であることは、明らかである。しかしながら、サンプルの反対側付近の領域が検査されると、反対の状況が観測される。一般的な観測は、Ｘ線源に対する距離が投影データの取得中により長かった、サンプルの内部で対応する位置の領域において、画像の空間解像度が低減されるということである。なお、略４ミクロンのボクセル分解能では、空間解像度は、線源のスポットサイズによって制限されない。

再構成の空間解像度における上記の変動の原因は、投影データが被写体の非均一の空間的なサンプリングを表すことである。フィルタ処理した逆投影型の再構成アルゴリズムを導出する場合、投影データは、理論的な点状線源から連続的にサンプリングする検出器への直線に沿ったＸ線の、累積された減衰としてモデル化される。実践的には、検出器のサンプリングは有限である。通常、検出器のピクセルは、マイクロフォーカスのスポットサイズよりも一層長い。現実の投影データは、それゆえ、直線に沿って累積された減衰だけでなく、各検出器のピクセルによって張られる立体角に渡る空間的平均をも表す。この立体角は、（名目上、点状の）線源からの距離が増大するにつれて、進行的により大きい幾何学的領域を占めるので、図６に図示するように、各検出器のピクセルの有限のサンプリングは、各投影を取得する前のサンプルを通した距離を伴うＸ線の減衰のマップの非均一なぼやけを適用することと等価である。図６の左側部分は、Ｘ線の点状線源６０２と、サンプル６１０を貫通した後のゼロ発散のＸ線ビーム６０８によって照らされる領域６０６よりも、そのピクセルが大きくないＸ線の検出器６０４とを備える、理想化されたＣＴ構成を示す。

これに対して、図６の右側は、より現実的なＣＴ構成であり、有限の寸法のＸ線のスポット線源６１２が、検出器６１８の離散的な検出器ピクセル６１６を照らすために、サンプル６１０を貫通する一般的に円錐状のＸ線ビーム６１４を生成する。有限のビーム発散によって、発散ビームの側面寸法（すなわち、伝播方向に直交する寸法）は、線源６１２からの増大する距離とともに増大する。個別の検出器ピクセル６１６の寸法に対応する、ビーム６１４の一般的に矩形の発散する部分を考慮すると、Ｘ線源６１２に近いサンプル６１０のボリュームまたはスライス６１８の側面寸法は、それゆえＸ線源からより遠いサンプル６１０の第２のボリューム６２０の対応する側面寸法よりも小さい。検出器６１２からの増大する距離に伴って、ピクセルサンプルのボリュームの側面寸法が拡大するという結果は、最も高い空間解像度がＸ線源６１２に最も近いサンプルのボリュームまたはスライス６１８から得られ、最も低い空間解像度がＸ線源６１２から最も遠いボリューム６２０から得られることを意味する。

らせん形軌道の特有の非対称性により、非均一のサンプリングは、全体のデータセットが得られても存続する。つまり、幾つかの箇所は、全ての関連する投影を平均されても、他の箇所よりも線源から遠くなる。このような事態となる度合いは、らせん形のピッチと、各箇所における再構成に寄与する投影のサブセットとに依る。カッツェビッチの１ＰＩ反転法を用いる再構成は、極端な場合を表す。この再構成方法は、らせん形の回転運動の半分を占める投影からのデータのみを要求するので、非常に高いピッチの軌道を用いることができ、その結果、長い被写体の非常に高速なスキャンが可能となる。

図７における左側の画像は、（強度または輝度としての）放射線源から再構成されたボリュームの内部の平面における各点への平均距離を表し、その点における再構成に影響を与える全ての投影に渡って平均されている。この画像は、線源から再構成されたボリュームの内部の各点への距離が、再構成に影響を与える全ての投影に渡って平均されるとき、空間的に変動することを、明示的に実証する。このことは、有限の検出器要素によって起きた対応するぼやけ、及びサンプルを通したビームの発散も、空間的に変動してしまうことを意味する。

全ての従来技術の厳密な再構成方法は、有限の検出器要素に対する考察なしに発展してきた。その結果、これらは、放射線の発散ビームを用いて、らせん形軌道に沿って取得された投影データセットに固有の、空間的に変動する被写体のサンプリングを考慮していない。本明細書において記載される処理方法は、この知見に基づいており、トモグラムにわたり均一な、或いは少なくともより均一な空間解像度を生成する。このことは究極的には、産業及び学術機関からの末端使用者に、高解像度の３Ｄ撮像をより扱いやすくさせ、高度の明瞭性及び詳細性を伴って試料の構造を観測するためのより良いツールを提供する。

図７から明らかなように、放射線源により近い領域は、サンプリングによって誘発されるぼやけのより一層小さい度合いで、投影データから再構成されることとなる。従来技術の再構成方法は、一定のボクセルサイズを有するグリッド上で再構成することにより、回転軸での拡大に対応して、平均的に線源から遠い領域（ぼやけて見える領域）に対して小さすぎるボクセルサイズを用いる一方、平均的に線源に近い領域（鮮明に見える領域）に対して大きすぎるボクセルサイズを用いる。

均一な解像度を備える高品質のトモグラムを達成するために、本明細書に記載される再構成の処理方法は、ビームの発散及びサンプルを通した線源との距離の変動に対して補償するために、余剰なデータを使用する。

以上のらせん形軌道の実用性のもとで、記載の実施形態は、（１８０°の差で）２つの互いにオフセットするらせん形軌道を使用する。しかしながら、当業者にとって、他の実施形態において、２つよりも多い軌道（例えば、回転角３６０／ｎ°の差で互いにオフセットする、ｎ個のらせん形軌道）が使用できること、及び他の可能な軌道の幅広い種類が、使用できることは自明である。他の可能な軌道の幅広い種類は、上述のような完備な軌道の他の形式を含む。実際、軌道が同一の形式であることは、実践的にはこのようにすることが簡便ではあるが、必ずしも必要ではない。

図７における右側の画像は、左側の画像と同一対象ではあるが、それぞれのらせん軌道に沿って取得したデータから別個に再構成された、２つのトモグラムから画像を生成することにより、線源との距離が有効に平均されている。明らかに、本処理は、単一のらせん形のトモグラム（左側の画像）よりも一層、均一な線源との距離の分布を提供する。そのため、投影データデットは、被写体のより空間的なサンプリングをも表す情報を含む。結果として、より均一な空間解像度を有するトモグラムを生成するように、このようなデータセットを処理することが可能である。

当業者にとって、多重の完備な軌道を用いて取得した投影画像は、種々の方法において結合できることは自明である。或る実施形態において、最も単純でかつ簡便には、分離したトモグラムは、各軌道のためのそれぞれの画像のセットから再構成され、その結果としてのトモグラムが結合される。しかしながら、これに代わる実施形態では、簡便さは損ねるが、投影画像は、中間のトモグラムを生成することを要求せず、「補正した」トモグラムを生成するように、直接、処理される。

或る実施形態においては、単一のトモグラムが、個別のトモグラムの重み付けされた平均として生成される。最も単純な重み付けのスキームは、各トモグラムに同一の重みを割り当てることである。図８は、トモグラムのスライスの再構成された画像を示し、重畳した矩形の選択部８０２は、図９に拡大して示されるサンプルの選択した領域を示す。図９における３つの画像は、上記の領域と同一であるが３つの異なるトモグラムからの画像を示す。上段および中段の画像は、それぞれの投影画像のセットから生成される各トモグラムに由来しており、そのセットは、１８０度の差で互いにオフセットされる、それぞれの単一のらせん形軌道に沿って取得されている。これら２つの画像の厳密な比較は、サンプルの選択した領域における空間解像度が、中段の画像よりも上段の画像において実質的により良いことを示唆する。中段の画像において、放射線ビームの発散は、平均して、Ｘ線源からサンプルの選択した領域に到達するまでに、上段の画像に対してよりもさらに進んでいる。

下段の画像は、上段及び中段の画像を生成するために用いた双方のらせん形軌道に対するトモグラムからの、同一の重み付けの寄与から生成されるトモグラムに由来する。明らかに、予想されるとおりこの画像における空間解像度は、上側の２つの画像の空間解像度の中間である。上記の手法において生成される画像の空間解像度はトモグラム内部の位置から実質的に独立しているという利点があるにも関わらず、このようになっている。画像の鮮明度をさらに向上するために、或る実施形態においては、（可能な限り、領域間で比較的小さい重み付けの重複を伴って）各トモグラムから選択的に、或いは圧倒的に最も鮮明な領域だけを含むために、そしてそれ故、最終的なトモグラムの内部の領域の全てにおいて、実質的に最良の実現可能な空間解像度を提供するために、非均一な重み付けのスキームが、トモグラムを結合することに用いられる。以上の２つの選択肢は、可能な重み付けのスキームの連続したつながりが存する間の極端な場合を表し、最終的な再構成における各点に対してまだらな空間的なサンプリングを示す投影データの影響を低減させることとなる。これにより、最終的なトモグラムの空間解像度の均一性が実質的に改善される。

より均一な再構成結果を提供することに加えて、多重の軌道を用いるマイクロＣＴ画像処理は、特許文献１に記載されるオートフォーカス整合処理の役に立つ。例えば、２つの１８０°でオフセットしたらせん形軌道のためのデータセットは、被写体２１０の対向する側面から選ばれる、対をなす投影を含む。これにより、如何なる幾何学的ハードウェアの不整合も、逆投影の結果のミスマッチとなり、そのため、ぼやけた画像として検出される。

本明細書に記載される多重の軌道の処理の、特有の利点は、それらの処理が、取得時間を増大することなしに、増大した空間解像度を提供することである。実践的には、任意のマイクロＣＴ撮像装置およびその構成（単一または多重の軌道のいずれを用いるか）のための取得時間は、結果としてのトモグラムの信号対雑音比がその要求される目的に対して十分であるように選択される。しかしながら、多重の軌道が用いられる場合、各個別の投影画像は、１つだけの軌道が用いられる場合よりも多いノイズを有し得るが、それにも関わらず最終的なトモグラムにおいて同一のノイズを提供する。例えば、２つの相補的な軌道上で同じ重点を設定する重み付けのスキームが採用されると、双方の軌道を用いるときに要求される画像毎の取得時間は、単一の軌道のみを用いるときに要求される取得時間の半分である。そのため、総取得時間は、軌道の数とは実質的に独立であり、それにも関わらず、多重の軌道が投影画像を取得するために用いられるとき、空間解像度は実質的に改善される。

当業者によって理解されるように、本明細書に記載され、図１０にて図示される断層撮影画像処理方法は、種々の様々な形態において実現されることができるが、最も簡便には、１つ以上のソフトウェアモジュールの、コンピュータの実行可能なプログラム命令の形態において実現され得る。これに応じて、記載の実施形態において、断層撮影の撮像装置は、図１１に示すように、インテルＩＡ−３２又はＩＡ−６４に基づくコンピュータシステムなどの標準的なコンピュータシステム１５００を含む。断層撮影画像処理方法は、コンピュータシステム１５００によって実行され、コンピュータシステム１５００に関連付けられた非揮発性（例えば、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ）ストレージ１５０４上に格納される、１つ以上のソフトウェアモジュール１５２６〜１５３４のプログラム命令として実現される。しかしながら、少なくとも断層撮影画像処理方法の一部が、代替的に１つ以上の専用のハードウェアコンポーネントとして実現できることは明らかである。専用のハードウェアコンポーネントは、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などである。

コンピュータシステム１５００は、標準的なコンピュータのコンポーネントを含み、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１５０６と、少なくとも１つのプロセッサ１５０８と、外部インタフェース１５１０，１５１２，１５１４とを含み、バス１５１６によって全て相互接続される。外部インタフェースは、少なくとも１つがキーボード１５１８、及び例えばマウス１５１９などのポインティングデバイスに接続されるユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インタフェース１５１０と、例えばインターネット１５２０などの通信ネットワークにシステム１５００を接続するネットワークインタフェースコネクタ（ＮＩＣ）１５１２と、トモグラフィック画像を見るための、例えばＬＣＤパネルのディスプレイ１５２２などの表示装置に接続される、ディスプレイアダプタ１５１４とを含む。

システム１５００は、幾つかの他のソフトウェアモジュール１５２４〜１５３４も含み、例えばリナックス（登録商標）、アップル社のＯＳＸ、又はマイクロソフトウィンドウズ（登録商標）などのオペレーティングシステム１５２４と、データの取得モジュール１５２６と、トモグラムの再構成モジュール１５３０と、トモグラムの結合モジュール１５３４と、データの可視化モジュール１５３２と、任意にはデータの解析モジュール１５２８とを含む。データの取得モジュール１５２６は、サンプルの回転及び並進ステージ２０４を制御し、検出器２０６からのデータを受信し、それぞれ互いにオフセットする完備な軌道に対する投影画像１５３６のセットとして受信したデータを格納する。任意には、データの解析モジュール１５２８は、本システムの撮像する構成要素２０２，２０４，２０６の不整合パラメータのための値を決定するように、特許文献１に記載される整合処理を実行し、これによって補正された投影画像１５３８の対応するセットを生成する。どちらの場合も、投影画像１５３６又は１５３８は、再構成モジュール１５３０によって、それぞれの完備な軌道に対する再構成されたトモグラム１５４０を生成するように処理される。最後に、トモグラムの結合モジュール１５３４は、トモグラム１５４０の各領域に対して最良の実現可能な空間解像度（或いはこれに代えて、少なくともより均一な空間解像度）を提供するべく、個別のトモグラム１５４０の選択した部分から最終的なトモグラム１５４２を提供するように、トモグラム１５４０を結合する。そうして、データの可視化モジュール１５３２は、ユーザの制御下でリアルタイムにて、再構成されたトモグラフィック画像１５４４を生成するように、最終的なトモグラム１５４２を処理する。

当業者にとって、コンピュータシステムによって実行される処理が、放射線のビームを対象の被写体又はサンプルに沿って所望の軌道に追従させる、放射線源２０２とＣＴスキャン装置の制御、および／または線源との距離における変動が少なくとも部分的に補償される最終的なトモグラムを生成するための、結果としての投影画像の処理を含み得ることは明らかである。

通常、上記の機能の双方は、コンピュータシステム１５００の制御下で実行されるが、或る実施形態においてこれに該当する必要がないことは、明らかである。例えば、被写体の軌道及びデータの取得を制御する１つのコンピュータシステムと、さらに別の、最終的なトモグラム１５３８を生成するように投影画像を処理する、本質的に独立したコンピュータシステムとが在ってもよい。さらには、上記処理方法は、各完備な軌道に対して対応するトモグラム１５４２を生成することと、このとき、線源との距離における変動が、トモグラムの内部で空間解像度の均一性を改善するように、少なくとも部分的に補償される、最終的なトモグラム１５４２を生成するように、結果としてのトモグラム１５４０を処理する、或いは結合することとを含み得る。最終的なトモグラム１５４２を生成するための、個別のトモグラム１５４０の処理は、その他のステップと独立して、独立したコンピュータシステム上で実行されてもよい。

多数の変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者にとって明らかである。

本明細書における、如何なる先行文献（又はそれから導かれる情報）への参照、または如何なる周知事項への参照も、上記先行文献（又はそれから導かれる情報）または周知事項が、本明細書に関して注力する技術分野において共通の一般的な知識を形成することの承認または自認、若しくは示唆の如何なる形態として取り扱われるものではなく、そして取り扱われるべきでない。

２０２ Ｘ線源
２０４ サンプルステージ
２０６ 検出器
１５００ システム
１５２４ オペレーティングシステム
１５２６ データの取得モジュール
１５２８ データの解析モジュール
１５３０ トモグラムの再構成モジュール
１５３４ トモグラムの結合モジュール
１５３２ データの可視化モジュール

Claims (19)

1. それぞれの様々な、放射線と被写体の相対的な向きに対して被写体を貫通した放射線を検出することによって、被写体の投影画像を取得するステップと、
   被写体のトモグラムを生成するように、投影画像を処理するステップとを含み、
   放射線は、発散する円錐ビームの形態において被写体を貫通し、
   様々な、放射線のビームと被写体の相対的な向きは、被写体に沿ったビームの２つ以上の完備な軌道を規定し、
   完備な軌道は、被写体を通した円錐ビームの発散による、生成されるトモグラムの各部の中での空間解像度の劣化を低減するように、互いにオフセットし、
   完備な軌道は、対応する再構成されたトモグラムの少なくとも実質的な断片に対してＴｕｙの判定基準を満たすものとして規定され、
   前記処理するステップは、
   （ａ）２つ以上の完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、対応する第１のトモグラムであって、各々の前記第１のトモグラムの前記空間解像度が対応する完備な軌道に応じて被写体の内部の空間位置によって変動する、第１のトモグラムを生成するように処理するステップと、
   前記空間解像度における変動が低減され、或いは少なくとも部分的に補償される更なるトモグラムを生成するように、第１のトモグラムを処理するステップとを含む、
   または
   （ｂ）２つ以上の完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、直接、前記空間解像度における変動が低減され、或いは少なくとも部分的に補償されるトモグラムを生成するように処理するステップを含む
   コンピュータ断層撮影画像処理方法。
2. 前記処理するステップは、トモグラムにおいて空間解像度における変動を低減させる、
   請求項１に記載の処理方法。
3. 様々な、放射線のビームと被写体の相対的な向きは、２つ以上の完備な軌道を含む単一の軌道を規定する、
   請求項１又は２に記載の処理方法。
4. ２つ以上の完備な軌道は、独立に取得される、
   請求項１又は２に記載の処理方法。
5. ２つ以上の完備な軌道は、らせん形軌道である、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の処理方法。
6. ２つ以上の完備な軌道は、互いにオフセットするらせん形軌道を含む、
   請求項５に記載の処理方法。
7. ２つ以上の完備な軌道は、前記完備な軌道の個数ｎ（≧２）に基づく３６０／ｎ度の差で互いにオフセットするｎ個のらせん形の完備な軌道を含む、
   請求項５に記載の処理方法。
8. 前記投影画像を処理するステップは、
   ２つ以上の完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、対応する第１のトモグラムであって、各々の前記第１のトモグラムの空間解像度が対応する完備な軌道に応じて被写体の内部の空間位置によって変動する、第１のトモグラムを生成するように処理するステップと、
   空間解像度における変動が低減され、或いは少なくとも部分的に補償される更なるトモグラムを生成するように、第１のトモグラムを処理するステップとを含む、
   請求項１〜７のいずれか１つに記載の処理方法。
9. 更なるトモグラムは、第１のトモグラムの選択した部分を結合することによって生成される、
   請求項８に記載の処理方法。
10. 更なるトモグラムは、第１のトモグラムの重み付けをした結合として生成される、
    請求項８又は９に記載の処理方法。
11. 重みが同一である、請求項１０に記載の処理方法。
12. 重みは、更なるトモグラムの各部分が、第１のトモグラムの対応する部分のうちの最も鮮明な部分と実質的に対応するように決定される、
    請求項１０に記載の処理方法。
13. トモグラムは、厳密な、或いは近似的なフィルタ処理された逆投影型の方法を用いて投影画像から生成される、
    請求項１〜１２のいずれか１つに記載の処理方法。
14. トモグラムは、逐次近似法を用いて投影画像から生成される、
    請求項１〜１２のいずれか１つに記載の処理方法。
15. 前記円錐ビームの放射線は、単一の放射線源から出射される
    請求項１〜１４のいずれか１つに記載の処理方法。
16. 請求項１〜１５のいずれか１つに記載される処理方法の実行のために構成される、コンピュータの実行可能なプログラム命令が格納された、少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
17. それぞれの様々な、放射線と被写体の相対的な向きに対して被写体を貫通した放射線を検出することによって生成される、被写体の投影画像を取得するように構成されるデータの取得モジュールと、
    被写体のトモグラムを生成するべく、投影画像を処理するように構成されるトモグラムの生成部とを含み、
    放射線は、発散する円錐ビームの形態において被写体を貫通し、
    様々な、放射線のビームと被写体の相対的な向きは、被写体に沿ったビームの２つ以上の完備な軌道を規定し、
    完備な軌道は、被写体を通した円錐ビームの発散による、生成されるトモグラムの各部の中での空間解像度の劣化を低減するように、互いにオフセットし、
    完備な軌道は、対応する再構成されたトモグラムの少なくとも実質的な断片に対してＴｕｙの判定基準を満たすものとして規定され、
    前記トモグラムの生成部は、
    （ａ）２つ以上の完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、対応する第１のトモグラムであって、各々の前記第１のトモグラムの前記空間解像度が対応する完備な軌道に応じて被写体の内部の空間位置によって変動する、第１のトモグラムを生成するように処理して、
    前記空間解像度における変動が低減され、或いは少なくとも部分的に補償される更なるトモグラムを生成するように、第１のトモグラムを処理するように構成される、
    または
    （ｂ）２つ以上の完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、直接、前記空間解像度における変動が低減され、或いは少なくとも部分的に補償されるトモグラムを生成するように処理するように構成される
    コンピュータ断層撮影画像処理システム。
18. トモグラムの生成部は、
    完備な軌道のそれぞれに対する投影画像を、対応する第１のトモグラムを生成するように処理するように構成され、
    各々の前記第１のトモグラムの空間解像度は、
    対応する完備な軌道に応じて被写体の内部の空間位置によって変動し、
    トモグラムの生成部は、
    空間解像度における変動が低減され、或いは少なくとも部分的に補償される更なるトモグラムを生成するように第１のトモグラムを処理するように構成される、
    請求項１７に記載のコンピュータ断層撮影画像処理システム。
19. 前記円錐ビームの放射線は、単一の放射線源から出射される
    請求項１７又は１８に記載のコンピュータ断層撮影画像処理システム。

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