JP6412936B2 - ３次元ｘ線像を撮影する方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線源と、Ｘ線検出器と、Ｘ線吸収特性を制御することができる複数のシャッター素子を有するシャッターマトリクスとを備えるＸ線システムを用いて物体のＸ線像を撮影する方法に関する。

複数のシャッター素子を有するシャッターマトリクスを使用するいくつかのＸ線システムが従来技術から知られている。

ドイツ国特許ＤＥ ６９９ １０ ５２４ Ｔ２は、個別のフィルタ素子の内部にあるＸ線吸収流体の量を変化させることによりＸ線を吸収する能力を調節することができる複数のフィルタ素子で構成されているＸ線フィルタを備えるＸ線試験装置を開示する。このような素子の毛細管の内壁へのＸ線吸収流体の粘着力は、毛細管に印加された電圧の関数である。

撮影対象エリアを画定する固定シャッター配置を有するＸ線システムは、従来技術から知られている。このようなシャッターシステムは、通常は、矩形撮影エリアしか設定できない。

その結果、このようなシステムの欠点は、矩形撮影エリアが現実の対象物体の周りに画定され、対象物体を取り囲む患者の組織が、放射線量負荷が増大されるほどに放射線に晒されることである。

したがって、本発明の目的は、可能な限り少ない放射線量で３次元Ｘ線撮影を可能にさせる、Ｘ線像を撮影する方法を提供することである。

本発明は、Ｘ線源と、Ｘ線検出器と、シャッターマトリクスとを備えるＸ線システムを用いて物体の３次元Ｘ線像を撮影する方法に関する。シャッターマトリクスは、Ｘ線吸収特性を制御することができる複数のシャッター素子を有する。この方法の１つのステップにおいて、物体の少なくとも１つの撮影対象エリアが画定される。この方法の別のステップにおいて、画定された撮影対象エリアを考慮して、様々な回転位置に対するシャッターマトリクスの個別のシャッター素子の設定が計画される。次に、予め定められた回転位置からの多数の２次元Ｘ線像が少なくとも１つの部分的な回転中に、シャッター素子の予め定められた設定値を使用して撮影される。撮影対象エリアの全体的な３次元Ｘ線像が、次に、個別の２次元Ｘ線像から生成される。

３次元Ｘ線像は、例えば、ＤＶＴ Ｘ線像またはＣＴ Ｘ線像である可能性がある。デジタルボリューム断層撮影（ＤＶＴ）方法として知られているものにおいて、または、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）方法として知られているものにおいて、Ｘ線源およびＸ線検出器は、（患者の頭部のような）撮影対象物体の周りの画定された平面の内部で動かされ、２次元Ｘ線像は、様々な方向から生成され、３次元ボリュームは、次のステップにおいて、これらの投影像から計算される。

この計算された３次元Ｘ線像は、その後、スクリーンのようなディスプレイ装置を用いてユーザソフトウェアにおいて表示され得る。その結果、造影は、様々な方向からの投影の連続撮影に基づき、３次元Ｘ線像は、再構成方法を使用して計算され、それぞれのＸ線吸収値が３次元Ｘ線像のボクセルとして知られているものに割り当てられる。

シャッターマトリクスは、たとえば、電気毛管原理に従って機能するシャッター素子を備え、シャッターマトリクスは、各々が一方の端部でＸ線吸収流体に連通している非常に多数の毛細管との束状構造であり、このような毛細管の内壁へのＸ線吸収流体の粘着力は、対応する毛細管に印加された電圧の関数である。このようにして、個別の毛細管は、これらのＸ線吸収能力に関して制御することができる。シャッターマトリクスは、たとえば、寸法が５ｃｍ×５ｃｍである１００行×１００列マトリクス配置を備える可能性がある。たとえば、２００行×２００列マトリクス配置におけるより一層高い解像度は、より高解像度のシャッターマトリクスを可能にさせる。

撮影対象エリアは、たとえば、上顎全体、下顎全体、左顎関節および／または右顎関節である可能性がある。しかしながら、画定された撮影対象エリアは、一群の個別の歯だけを含む可能性もある。

個別の回転位置に対するシャッターマトリクスの設定値は、その結果、たとえば、画定された撮影対象エリアの外側にある周囲のエリアに投影されなければならないＸ線源からのＸ線が、対応するシャッター素子を用いて完全にマスクされ、撮影対象エリアへ投影されたＸ線だけが通過させられるように、コンピュータを使用して計算される。したがって、シャッター素子の設定値は、各回転位置に対して個別のシャッター素子のため設定される吸収値を備える。

たとえば、１８０°の部分的な回転に対して、２次元Ｘ線像は、１°刻みの回転位置から、すなわち、１８０個の様々な回転位置で撮影される可能性がある。たとえば、０．５°刻みのより小さい回転９０°、または、より大きい回転２７０°が考えられ、２次元Ｘ線像の数が多いほど、より小さいアーティファクト、それ故、より画質の優れた再構成３次元Ｘ線像を生じる。しかしながら、これは、単一像に対する放射線量が同じままである場合、より高い放射線量負荷を伴う。

本方法の利点は、従来方法と比べると、撮影対象エリアだけがＸ線に晒され、それによって、放射線量負荷を最小限に抑えることである。撮影対象エリアを取り囲む組織は、それによって、放射線に晒されない。

本方法の別の利点は、多数の不連続エリアが最小限の放射線量で検出され得ることである。これに対して、従来方法を仮定すると、互いに分離されたエリアは、多数の像において連続的に測定される必要があったであろう。

別の利点は、サブボリュームとして知られているものを撮影する場合、従来のＸ線装置のガントリ機構は、ボリュームの中心が、ガントリ上に配置されたアクチュエータではなく、シャッターマトリックスを介して変位させられるので、著しく簡略化された方法で生成される可能性があることである。

撮影対象エリアは、有利な点として、この像の前に撮影された全体像の中で画定され得る。

物体の全体像は、既に存在し、発明による方法が実行される前に撮影済みである。

撮影対象エリアは、その結果、この全体像の中で手動または自動のいずれかにより、モニタのようなディスプレイ装置を介して、コンピュータ支援方式で画定され得る。

全体像は、有利な点として、２次元光学像、３次元光学像、３次元Ｘ線像、または２次元Ｘ線像である可能性がある。

したがって、全体像は、たとえば、ＤＶＴ像もしくはＣＴ像のような３次元光学像、従来型の２次元Ｘ線像、または、同様に３次元光学像であるが、たとえば、ストライプ投影法に基づく歯科用カメラを用いて撮影され得る３次元光学像である可能性がある。

全体像は、たとえば、単一光学像、または、撮影対象物体を含み、従来型のビデオカメラもしくは立体ビデオカメラを用いて撮影されたビデオ録画である可能性もある。

撮影対象エリアは、有利な点として、入力手段を使用してコンピュータを用いてユーザによって全体像の中において手動で画定され得る。

その結果、ユーザは、（キーボードまたはマウスのような）入力手段を使用して（モニタのような）ディスプレイ装置を介してコンピュータ支援方式により全体像の中で撮影される付随エリアを選択することができる。

撮影対象エリアは、有利な点として、コンピュータを用いて自動的に全体像の中で画定することができ、ある種の所定の解剖学的エリアがコンピュータ支援検索アルゴリズムを使用して認識される。

使用されたコンピュータ支援検索アルゴリズムは、従来型のパターン認識アルゴリズムおよび／またはセグメンテーションアルゴリズムである可能性がある。

既知の検索アルゴリズムにおいて、物体は、構造を照合するため分割され、検索される。パターン認識手続は、たとえば、後続のステップ、すなわち、前処理、特徴の獲得、特徴の単純化、および特徴の分類を含む可能性がある。処理中に、不必要なまたは無関係の像データの成分が除去される。特徴の獲得において、ある種の特徴は、像を特徴のある歯もしくは顎骨のデータベースのようなデータベースからの既知モデルと比較することにより像データから取得される。自動的な比較は、変形関数および拡大縮小を使用して行われ、比較ファクタは、像データから作成されたモデルとデータベースから作成された拡張モデルとの間の分散を計算することにより決定される。特徴が簡略化されるとき、どの特徴がクラスの分割に適切であるか、および、どれを省略することができるかを決定するためにチェックが行われる。詳しくは、取得された歯および顎骨の標本は、この方法に適切であり、取得された特徴は、看過される可能性がある。分類の最後のステップにおいて、歯および特徴のある顎骨の形のような本質的な認識特徴は、切歯、臼歯、歯根および顎骨のような関連したクラスに分割される。特徴の獲得において、格子分析、クラスター分析、およびパターン照合のような既知の方法が使用され得る。

撮影対象エリアは、予備選択において画定され得る点で有利であり、Ｘ線源、Ｘ線検出器およびシャッターマトリクスの互いに相対的な既知の位置関係を使用して、ならびに、データメモリに記憶された患者のモデルの寸法を使用して、患者の頭部のある種の解剖学的構造が撮影対象エリアとして付加的なステップにおいて画定される。

その結果として、データベースに記憶された頭部モデルが撮影対象エリアを画定するために使用されるので、事前の全体像は、不要である。このプロセスにおいて、たとえば、撮影対象上顎または下顎の形状に対応する頭部モデルの上顎または下顎ができる限り正確に選択され得る。

撮影対象エリアは、有利な点として、少なくとも１つの解剖学的構造を含む可能性がある。

その結果として、撮影対象エリアは、上顎、下顎、または一群の歯のような少なくとも１つの解剖学的構造を含む。

解剖学的構造は、有利な点として、上顎、下顎、右顎関節および／または左顎関節、または、これらの部分構造である可能性がある。

その結果として、撮影対象であるそれぞれの解剖学的構造だけが選択される。

シャッターマトリクスのシャッター素子のための設定値は、有利な点として、回転中に撮影対象である解剖学的構造に合わせて調節することができ、撮影対象である解剖学的構造（たとえば、下顎）は、前の回転位置からの少なくとも１つの前の２次元Ｘ線像の中で検出され、シャッター素子の設定値は、その後、後の回転位置からの後のＸ線像のため、前の回転位置の前のＸ線像からの検出された解剖学的構造の寸法に合わせて調節される。

シャッター素子の設定値は、その結果、前の回転位置の２次元Ｘ線像の関数として各回転位置に対して計算される。新しい回転位置のための個別のシャッター素子の設定値は、再構成プロセスを使用して計算され得る。Ｘ線源、Ｘ線検出器、シャッターマトリクスおよび画定された撮影対象エリアの間の既知の位置関係は、このようにして、新しい回転位置においてＸ線をマスクすべきシャッター素子、または、Ｘ線を通過させるべきシャッター素子がどれであるかを計算するために使用される。

前の回転位置のＸ線像において画定された解剖学的構造を検出するセグメンテーションプロセスは、シャッター素子の設定値が新しい回転位置に対して計算されるときにも使用される可能性がある。その結果として、選択された解剖学的構造は、それ故に、回転中に各回転位置で検索され、シャッター素子がこれに応じて設定される。このことは、２次元Ｘ線像の中の解剖学的構造が全体像として選択され、その結果、選択された解剖学的構造の寸法が１方向だけで分かる場合、選択された解剖学的構造は、回転中に各回転位置に対して撮影された２次元Ｘ線像の中で段階的に決定され、シャッターマトリクスがこれに応じて調節される、という利点がある。Ｘ線システムに対する（患者の頭部のような）物体の僅かな動きは、回転中に補償される可能性もある。利点は、したがって、上顎または下顎のような撮影対象である解剖学的構造の寸法が完全に分かっている必要はなく、造影中に各回転位置に対して段階的に決定される、ということである。

シャッターマトリクスのシャッター素子のための設定値は、有利な点として、各回転位置に対して、像単位で、段階的に解剖学的構造に合わせて調節される可能性がある。

その結果として、シャッターマトリクスの設定値は、各回転位置に対して段階的に調節される。

シャッターマトリクスは、有利な点として、１つの平面内に配置されたシャッター素子の配置である可能性がある。

その結果、シャッターマトリクスは、たとえば、１００行１００列シャッター素子からなるシャッター配置を有する可能性がある。

シャッターマトリクスは、有利な点として、１行の中に配置されたシャッター素子の直線配置である可能性がある。

シャッター素子は、たとえば、１００個のシャッター素子の直線配置を有する可能性がある。

第１の撮影対象エリアから分離されたさらなる第２の撮影対象エリアは、有利な点として、前記第１の撮影対象エリアに加えて画定される可能性があり、シャッターマトリクスのシャッター素子は、第１の撮影対象エリアおよび第２の撮影対象エリアが同時に撮影されるように制御される。

その結果として、２つ以上の空間的に分離された、撮影対象エリアまたは撮影対象ボリュームは、３次元Ｘ線像に同時に撮影される可能性がある。シャッターマトリクスは、画定されたエリアまたはボリュームを横切るビームだけが物体に到達するように制御される。残りのＸ線は、あらゆるエリアが個別に測定されなければならない従来の方法と比べて、Ｘ線像の照射線量全体が削減されるようにマスクされる。

本発明は、図面を参照して説明される。図面は、以下のとおりである。
３次元Ｘ線像を撮影する方法を明確にする略図を示す。 シャッター素子が第１の回転位置にあるシャッターマトリクスの略図を示す。 シャッター素子が第２の回転位置にあるシャッターマトリクスの略図を示す。 シャッター素子が第３の回転位置にあるシャッターマトリクスの略図を示す。 シャッター素子が第４の回転位置にあるシャッターマトリクスの略図を示す。

図１は、Ｘ線源４と、矩形Ｘ線検出器５と、支持アーム６と、シャッターマトリクス７とを備えるＸ線システム３を用いて患者の頭部のような物体２の３次元Ｘ線像１を撮影する方法を明確にする略図を示す。Ｘ線源４およびＸ線検出器５は、支持アーム６の反対側の端部に配置され、この支持アームは、支持アーム６が支持アーム６に取り付けられたＸ線源４、Ｘ線検出器５およびシャッターマトリクス７と共に（×印として示された）共通回転軸８の周りに回転するようにＸ線システム３の中に位置している。少なくとも部分的な回転中に、Ｘ線源４は、第１の円軌道９に沿って第２の回転位置１０、第３の回転位置１１、そして、第４の回転位置１２まで動かされる。その結果、Ｘ線検出器５は、第２の軌道１３に沿って回転させられる。第１の回転位置１４から始めて、シャッターマトリクス７は、このようにして同様に、支持アーム６と一緒に第２の回転位置１５、第３の回転位置１６、そして、第４の回転位置１７まで動かされる。

シャッターマトリクス７は、Ｘ線吸収特性を制御することができる複数のシャッター素子を有する。制御は、ケーブル接続部２０を介して制御データをシャッターマトリクス７に送信するコンピュータ１９を用いて行われる。データは、データマトリクス７とコンピュータ１９との間で無線転送される可能性もある。シャッターマトリクス７のシャッター素子１８は、たとえば、Ｘ線吸収流体が充填された毛細管である可能性があり、毛細管の内壁へのＸ線吸収流体の粘着力は、対応する毛細管に印加された電圧の関数である。この方法の第１のステップにおいて、破線で描かれ、本例では、下顎に対応する撮影対象エリア２１は、全体像３１から、または、代替的に、データベースからの頭部モデルから選択される。全体像２２は、たとえば、この方法が実行される前に撮影された、患者の２次元Ｘ線像、３次元光学像、または３次元Ｘ線像である可能性がある。その後、シャッターマトリクス７の個別のシャッター素子１８の設定値は、画定された撮影対象エリア２１（すなわち、下顎）を考慮して、第１の回転位置１４に対してコンピュータ１９を用いて計算される。黒色で印を付けられた第１のシャッターマトリクスエリア２２のシャッター素子１８は、できる限り低いＸ線吸収速度を有するように制御され、第１のシャッターマトリクスエリア２２の外側にある第２のシャッターマトリクスエリア２３の内部にある残りのシャッター素子１８は、Ｘ線吸収速度ができる限り高くなるように制御される。このようにして、第２のシャッターマトリクスエリア２３の内部にＸ線源４によって放射されたＸ線２４は、マスクされ、第１のシャッターマトリクスエリア２２の内部に放射されたＸ線２４は、物体２へ通過させられる。その結果として、画定された撮影対象エリア２１、すなわち、図示された事例では、下顎だけが透過Ｘ線２５に晒される。Ｘ線検出器５を用いて撮影された第１の２次元Ｘ線像のＸ線データは、その後、ケーブル接続部２６を介して、または、代替的に無線でコンピュータ１９に送信される。第１の回転位置１４から撮影された第１の２次元Ｘ線像は、その後、コンピュータ支援検索アルゴリズムを使用して、画定されるエリア２１（すなわち、下顎）を探して検索される可能性がある。第１の２次元Ｘ線像からの下顎２１の寸法または輪郭は、次に、第２の回転位置１５に対するシャッターマトリクス７の設定値を計算するために使用される。その後、Ｘ線源４は、シャッターマトリクス７と一緒に第２の回転位置１５へ動かされる。シャッターマトリクス７のシャッター素子１８は、次に、第１のシャッターマトリクスエリア２２がＸ線を通過させ、第２のシャッターマスクエリア２３がＸ線をマスクして、撮影Ｘ線２５だけが物体２へ通過するように制御される。Ｘ線検出器５は、次に、第２の回転位置１５において第２の２次元Ｘ線像を撮影し、Ｘ線データをコンピュータ１９に送信する。下顎２１は、検索アルゴリズムを使用してこの場合も第２の２次元Ｘ線像の中で検出される。その後、シャッターマトリクス７の設定値が第３の回転位置１６に対して計算される。第３の２次元Ｘ線像は、第３の回転位置１６から同様にさらに撮影され、第４の２次元Ｘ線像は、第４の回転位置１７から同様に撮影される。この方法の最後のステップにおいて、モニタ２７を用いて表示された下顎２１の完全な３次元Ｘ線像１が再構成によって回転位置１４、１５、１６および１７の個別の２次元Ｘ線像から生成される。全体像２２の中で撮影対象エリア２１を選択し、および、３次元Ｘ線像１の中でナビゲートすることは、キーボード２８およびマウス２９のような入力手段を使用してカーソル３０を介してユーザによって手動で行われ得る。したがって、本方法によれば、撮影対象エリア２１（すなわち、下顎）の３次元Ｘ線像１が生成され、下顎の周囲の組織は、放射線に晒されることなく、それによって、患者の放射線量負荷を最小限に抑える。

図２は、シャッター素子１８と一体となったシャッターマトリクス７の略図を示し、シャッター配置は、２５行２５列のシャッター素子からなる矩形配置として描かれている。１００行１００列またはより一層多くのシャッター素子からなるシャッター配置も使用される可能性があり、シャッターマトリクス７のより高い解像度という利点がある。

撮影対象エリア２１、すなわち、下顎は、図１からの第１の回転位置１４の視点で表されている。シャッターマトリクス７は、（黒色で印が付けられた）第１のシャッターマトリクスエリア２２の内部にあるシャッター素子１８がＸ線を通過させ、第２のシャッターマトリクスエリア２３の内部にある残りのシャッター素子１８がＸ線をマスクするように制御された。

図３は、第２の回転位置１５における下顎２１およびシャッターマトリクス７を示し、図４は、第３の回転位置１６におけるこれらを示し、図５は、第４の回転位置１７におけるこれらを示す。略図は、このようにして、シャッターマトリクスが物体２の周りの回転中に制御される方法を明確にするために使用される。したがって、２次元Ｘ線像が撮影され、シャッターマトリクス７の調節は、多数の回転位置１４、１５、１６および１７に対して行われ、回転位置は、たとえば、１°から５°の刻みで調節可能である。３次元Ｘ線像に対して、たとえば、６０°と１８０°との間の部分的な回転は、十分である。

Claims (11)

1. Ｘ線源（４）と、Ｘ線検出器（５）と、データ処理システム（１９）と、Ｘ線吸収特性を制御することができる複数のシャッター素子（１８）を有するシャッターマトリクス（７）と、を備えるＸ線システム（３）を用いて物体（２）の３次元Ｘ線像（１）を撮影する方法であって、
   前記物体（２）の少なくとも１つの第１の撮影対象エリア（２１）が画定され、前記シャッターマトリクス（７）の個別の前記シャッター素子（１８）のための設定値は、前記画定された第１の撮影対象エリア（２１）を考慮して、様々な回転位置（１４，１５，１６，１７）に対して予め定められ、
   複数の２次元Ｘ線像が前記シャッター素子（１８）の前記予め定められた設定値を使用して少なくとも１つの部分的な回転（９）の間に予め定められた前記回転位置（１４，１５，１６，１７）から撮影され、
   前記第１の撮影対象エリア（２１）の全体的な３次元Ｘ線像（１）は、個別の前記２次元Ｘ線像から生成され、
   前記第１の撮影対象エリア（２１）から空間的に離れている少なくとも１つの第２の撮影対象エリアが前記第１の撮影対象エリア（２１）に加えて画定され、前記シャッターマトリクス（７）の前記シャッター素子（１８）は、２つ以上の空間的に離れたエリアを同時に撮影するために、前記第１の撮影対象エリア（２１）および前記少なくとも１つの第２の撮影対象エリアが同時に撮影されるように制御されることを特徴とし、
   前記シャッターマトリクス（７）は、１つの平面内のシャッター素子（１８）の配置であることを特徴とする、方法。
2. 前記第１の撮影対象エリア（２１）は、前記３次元Ｘ線像が撮影される前に撮影された全体像（３１）の中で決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記全体像（３１）は、２次元光学像、３次元光学像、２次元Ｘ線像、または３次元Ｘ線像であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. ユーザが入力手段（２８，２９）を使用してコンピュータ（１９）によって前記全体像（３１）の中で前記第１の撮影対象エリア（２１）を手動で画定することを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記第１の撮影対象エリア（２１）は、ある種の所定の解剖学的エリア（２１）がコンピュータ支援検索アルゴリズムを用いて認識されるコンピュータ（１９）によって自動的に前記全体像（３１）の中で画定されることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
6. 前記第１の撮影対象エリア（２１）は、頭部モデルのある種の解剖学的構造が、前記Ｘ線源（４）、前記Ｘ線検出器（５）および前記シャッターマトリクス（７）の互いに相対的な既知の位置関係を使用して、および、データメモリに記憶された患者のモデルの寸法を使用して、前記第１の撮影対象エリア（２１）として画定される予備選択において画定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の撮影対象エリア（２１）は、少なくとも１つの解剖学的構造を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記解剖学的構造は、上顎、下顎（２１）、右顎関節および／または左顎関節、または、この解剖学的構造の一部分であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記シャッターマトリクス（７）の前記シャッター素子（１８）のための前記設定値は、少なくとも部分的な回転中に撮影対象である解剖学的構造（２１）に合わせて調節され、前記撮影対象である解剖学的構造（２１）は、前の回転位置（１４）からの少なくとも１つの前の２次元Ｘ線像の中で検出され、前記シャッターマトリクス（７）の前記シャッター素子（１８）のための前記設定値は、その後、後の回転位置（１５）からの後のＸ線像のため、前記前の回転位置（１４）の前記前のＸ線像からの前記検出された解剖学的構造（２１）の寸法に合わせて調節されることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記シャッターマトリクス（７）の前記シャッター素子（１８）のための前記設定値は、各回転位置（１４，１５，１６，１７）に対して、像単位で、段階的に前記解剖学的構造（２１）に合わせて調節されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記シャッターマトリクスは、単一の行内のシャッター素子の直線状配置であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。

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