JP6442243B2 - コンピュータ断層撮影画像再構成のアーチファクト低減の方法および装置 - Google Patents

コンピュータ断層撮影画像再構成のアーチファクト低減の方法および装置 Download PDF

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Description

本発明は、主にコンピュータ断層撮影(CT)に関し、特にCT画像再構成のアーチファクトを低減する方法および装置に関する。
従来、補助診断装置は、磁気共鳴(MR)システム、超音波システム、コンピュータ断層撮影システム、陽電子放射断層撮影(PET)システム、核医学、および他の画像システムのタイプを含む。
例えば、CTシステムにより患者をX線CT像撮影中、X線は、内部構造の特徴や患者の体の関心領域(ROI)の画像化に用いられる。画像化はCTスキャナにより行われる。動作中、撮影物は生データ収集のためスキャンされ、そして生データに基づき画像は再構成される。
金属物質等の高X線吸収特性を有する対象物は、再構成したCT画像においてアーチファクトを引き起こし、よって診断結果に影響する。これらのアーチファクトは、従来の金属アーチファクト低減(MAR)技術を用い低減できる。MARのアルゴリズムは非常に複雑で、その結果は金属の特性(例えば、金属のサイズ、材料、形状)により変化する。
臨床的に、人工膝関節の場合、これは大量の金属部分を備え、またこの金属部分が膝断面の大部分を占めるため、MAR技術を用いても、断層のほんの一部を占める小さい骨のインプラントと比べて、膝の金属アーチファクトは大幅に低減しない。これは医者の診断に影響する。
臨床的に、人工金属頸骨の場合、これは膝断面のほんの一部を占める。MAR技術の利用は、MAR技術を用いる画像再構成において金属周辺のハローイングの発生や、金属部分のいくつかの画像の欠落等、他の問題を引き起こす。
本発明の一実施形態によると、CT画像再構成のアーチファクトを低減する方法が提供される。方法は、次のステップを備える、すなわち、オリジナル再構成画像とオリジナルサイノグラムを得るステップ、オリジナル再構成画像において金属ピクセル比率を判定するステップ、ここで、第一閾値より金属ピクセル比率が大きい場合、次のステップを実行:オリジナル再構成画像に基づくエキスパンド金属テンプレートを生成するステップ(ここで、エキスパンド金属テンプレートは様々なピクセルの二次元または三次元膨張を含む)、金属フリー、エキスパンド金属テンプレートとオリジナルサイノグラムに基づく金属フリー、MAR画像を生成し、エキスパンド金属テンプレートと金属フリー、MAR画像に基づく最終画像を生じるステップ、金属ピクセル比率が第二閾値より小さい場合、次のステップを実行:オリジナル再構成画像に基づくエキスパンド金属テンプレートを生成するステップ、金属フリー、エキスパンド金属テンプレートとオリジナルサイノグラムとの重み付けを含む処理に基づく金属フリー、MAR画像を生成するステップ、および、エキスパンド金属テンプレートと金属フリー、MAR画像に基づく最終画像を生成するステップを備える。
本発明の他の実施形態によると、CT画像再構成のアーチファクトを低減する装置が提供される。装置は、オリジナル再構成画像とオリジナルサイノグラムとを取得する取得手段、オリジナル再構成画像の金属ピクセル比率が、第一閾値より大きいか、第二閾値より小さいかどうか判定する判定手段、エキスパンド金属テンプレートを生成するエキスパンド金属テンプレート生成手段、ここで、第一閾値より金属ピクセル比率が大きい場合、エキスパンド金属テンプレートが様々なピクセルの二次元または三次元膨張を含む、エキスパンド金属テンプレートとオリジナルサイノグラムとに基づき、金属フリー、MAR画像を生成する金属フリー、MAR画像生成手段、ここで、第二閾値より金属ピクセル比率が小さい場合、前述の金属フリー、MAR画像生成は重み付けを含む処理に基づく、および、エキスパンド金属テンプレートと金属フリー、MAR画像に基づく最終画像を生成する最終画像生成手段を備える。
本発明のさらなる実施形態によると、オリジナル再構成画像を生成するためオリジナルデータを取得するようにX線を用い対象物をスキャンするスキャン手段、および、スキャン手段と効果的に接続され、以下をなせるようプログラム可能なプロセッサ:オリジナル再構成画像とオリジナルサイノグラムとを取得すること、オリジナル再構成画像の金属ピクセル比率を判定すること、金属ピクセル比率が第一閾値より大きい場合、次のステップを実行:オリジナル再構成画像に基づくエキスパンド金属テンプレートを生成するステップ、ここで、エキスパンド金属テンプレートは、様々なピクセルの二次元または三次元の膨張を含む、エキスパンド金属テンプレートとオリジナルサイノグラムに基づく金属フリー、MAR画像を生成し、エキスパンド金属テンプレートと金属フリー、MAR画像に基づく最終画像を生成するステップ、金属ピクセル比率が第二閾値より小さい場合、次のステップを実行:オリジナル再構成画像に基づくエキスパンド金属テンプレートを生成するステップ、エキスパンド金属テンプレートとオリジナルサイノグラムの重み付けを含む処理に基づく金属フリー、MAR画像を生成するステップ、および、エキスパンド金属テンプレートと金属フリー、MAR画像に基づき最終画像を生成するステップを備えるCT装置が提供される。
本発明のさらに他の実施形態によると、不揮発性記録媒体に記録された命令を備えるコンピュータプログラム製品が提供され、プロセッサ実行時に、命令が本発明の実施形態に開示する方法のステップを実行する。
本発明のさらに他の実施形態によると、そこに記憶された命令を有する不揮発性記録媒体が提供され、プロセッサ実行時に、命令が本発明の実施形態に開示する方法のステップを実行する。
本開示を十分理解するため、本発明を添付の図面を参照して詳細に記載する。
本開示に係るCT画像システムの構成図である。 図1に示すシステムの略ブロック図である。 本開示の実施形態に係る金属アーチファクト低減技術のプロセスフローチャートを示す。 金属アーチファクト低減技術を用いないオリジナル再構成画像を示す。 従来の金属アーチファクト低減技術を用いて再構成した画像を示す。 本開示の実施形態に係る金属アーチファクト低減技術を用いて再構成した最終画像を示す。 本開示の他の実施形態に係る金属アーチファクト低減技術のプロセスフローチャートを示す。 金属アーチファクト低減技術を用いないオリジナル再構成画像を示す。 従来の金属アーチファクト低減技術を用いて再構成した画像を示す。 本開示の他の実施形態に係る金属アーチファクト低減技術を用いて再構成した最終画像を示す。 本開示の他の実施形態に係る画像再構成用の金属アーチファクト低減装置のブロック図である。
以下に述べる詳細な説明では、本明細書の一部である添付図面を参照し、本発明を実行する特定の実施形態が示されている。実施形態は、当業者が本発明を理解可能なよう十分詳細に記載されている。本発明の様々な実施形態の範囲を逸脱することなく、実施形態は組み合わせ可能であり、あるいは互換的な実施形態を用いることができ、構造的、論理的、電気的な修正形態が可能であると理解されるべきである。それゆえ、以下に述べる詳細な説明は限定的であると理解されるべきでなく、例示的である。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲とその均等物により定められる。
図1および図2を参照すると、ガントリ12を含むX線CT画像システム10が示されている。非限定的な実施形態において、システム10は「第三世代」CTスキャナを備える。ガントリ12は、ガントリ12の反対側の検出装置18にX線ビーム16を投影するX線源14を備える。検出装置18は複数の検出部20とデータ収集システム(DAS)32とを備える。前述の複数の検出部20は、内科患者22を通り投影されたX線を感知する。各検出部20は、X線ビーム(患者に衝突し、よって、患者22を通過する際患者により減じられる)の強度を示すアナログ電気信号を生成する。検出部20は、検出部で受けるX線ビームを視準するコリメータと、コリメータに隣接しX線を光エネルギーに変換するシンチレータと、隣接するシンチレータから光エネルギーを受け、電気的信号をそこから生成するフォトダイオードと、を概して含む。一般的に、シンチレータアレイの各シンチレータは、X線を光エネルギーに変換し、光エネルギーを隣接するフォトダイオードに解放する。各フォトダーオードは光エネルギーを検出し、対応する電気信号を生成する。検出装置18の各検出部20は、個別の電気信号を生成する。電気信号は、衝突放射線ビーム(例えばX線ビーム)の強度を示し、したがって対象物や患者22を通過する際の放射線ビームの減衰の推定に用いられうる。
X線投影データを取得するためスキャン中、ガントリ12とそこに搭載された部品は、回転の中心24の周りを回転する。ガントリ12の回転と、X線源14の動作とは、CTシステム10の制御機構26によって支配できる。制御機構26は、X線源14にパワーとタイミング信号を供するX線コントローラ28と、ガントリ12の回転速度と位置を制御するガントリ・モータ・コントローラ30とを備える。制御機構26のDAS32は、検出部20からアナログデータを収集し、続くプロセス用にアナログデータをデジタル信号に変換する。DAS32の出力は、特定のガントリ回転角度(画角など)で取得した減衰測定における投影データセットを含む。ガントリ12が回転すると、単回転で複数のビューが得られる。単回転は、ガントリ12の360度全ての回転を示す。各ビューは、ビューの対応する角度と、ガントリ12上の特定の位置を有する。
再構成画像は、コンピュータ36の入力として用いられ、大容量記憶装置38で画像を記憶する。
コンピュータ36はまた、命令を受信し、オペレータコンソール40を経てオペレータからパラメータをスキャンする。オペレータコンソール40は、オペレータインターフェースの特定の形態(例えばキーボード、マウス、音声認識コントローラ、あるいは他の適当な入力装置)を有する。関連するディスプレイ42は、オペレータが他のデータとコンピュータ36からの再構成画像を見ることを可能にする。命令とオペレータのパラメータは、DAS32と、X線コントローラ28と、ガントリ・モータ・コントローラ30とに、制御信号と情報を提供するため、コンピュータ36で用いることができる。さらに、コンピュータ36は、患者22とガントリ12とを位置合わせするようモータ付きテーブル46を制御するテーブル・モータ・コントローラ44を操作する。特に、テーブル46は、図1に示すガントリの開口48を通り患者を全体または部分的に動かす。
一実施形態において、コンピュータ36は、コンピュータ可読媒体52(例えば、フロッピーディスク、CD−ROM、DVD、または、ネットワークやインターネット等の他のデジタル源)から命令および/またはデータを読むため、装置50(例えば、CD−ROMドライブ、DVDドライブ、光磁気ディスク(MOD)装置、またはイーサネット装置等のネットワーク接続装置を含む他のデジタル装置)を、すでに開発されたデジタル装置同様に、含む。他の実施形態では、コンピュータ36は、ファームウェア(図示せず)に記憶された命令を実行する。一部の構成では、コンピュータ36および/または画像再構成部34は、ここに述べる機能を実行するようプログラムされる。
次の実施形態で、本開示を説明する例として、膝の投影を用いる。本例では、人工膝を用いる。人工膝の全体はほとんど金属からなり、複雑な三次元構造を有する。例えば、人工膝は一般的に膝蓋骨、大腿骨接続部、頸骨接続部などを備える。金属部は、膝の再構成画像において大きな割合を占める。図4は、金属アーチファクト低減技術を用いず生成したオリジナル再構成画像Iorigを示す。図に示すように多数の細い線があり、また、図に示す金属部分はいくらか膨張しており、実物と一致しない。図5は、従来の金属アーチファクト低減技術を用いて生成した再構成画像Imarを示す。従来の金属アーチファクト低減技術は、例えば、次のステップを備える、すなわち、オリジナル再構成画像Iorigの金属投影エリアを決定するステップと、金属投影エリアの投影値に補間の補正を実行するステップと、オリジナル再構成画像Iorigの再構成を回復するステップと、を備える。図示するように、従来の金属アーチファクト低減技術を用いて生成した再構成画像では、白い細い線がまだ多数あり、図示するように金属部分はわずかに歪む、すなわち、アーチファクトの修正は顕著ではない。複雑な金属構造を有し、再構成画像の大部分を占める金属インプラントにおいて、従来の技術はしばしば金属アーチファクトの低減を十分行えない。
図3は、本開示の実施形態に係る金属アーチファクト低減技術のプロセスフローチャートである。まず、ステップ302で、オリジナル再構成画像Iorigと、オリジナルサイノグラムIorig sinとを取得する。オリジナル再構成画像Iorigと、オリジナルサイノグラムIorig sinとは、画像再構成部34でDAS32の投影データの再構成後に入力されてもよく、あるいは大容量記憶装置38から取得、またはコンピュータ36から取得してもよい。ステップ303で、総ピクセル数に対する金属ピクセル数の比率が、第一閾値より大きいか、第二閾値より小さいか判定すること、比率が第一閾値を超える場合、プロセスはステップ304を実行し、または、比率が第二閾値より小さい場合、プロセスは図7に示すステップ702を実行する。この判定は、ピクセル値が4000より大きいピクセル統計に単純に基づける。第一と第二閾値は、実験結果に応じて、手作業で決定できる。好ましくは、第一閾値は第二閾値より大きい。もちろん、第一閾値は第二閾値と等しくてもよい。本例は、人工膝の投影を用いるため、第一閾値を金属ピクセル比率が超えることは明らかであり、よってプロセスはステップ304を実行する。
総ピクセル数に対し金属ピクセル数の比率が第一閾値を超える場合、ステップ304で、オリジナル金属テンプレートIorig metalを、例えば次のように生成する:オリジナル画像のピクセルのピクセル値(CT値とも呼ぶ)が4000より大きい場合、これを金属ピクセルとみなし、そうでなければ、これを非金属ピクセルとみなす。金属ピクセルを1にセットし、非金属ピクセルを0にセットする。そして、ステップ306で、2Dエキスパンド金属テンプレートを生成するため、オリジナル金属テンプレートは第一膨張を受ける。この膨張は次のようになされる:オリジナル画像のピクセルのピクセル値(CT値)が4000より大きい場合、前述のピクセルの座標を(i,j)と仮定すること、そして、(i+1,j),(i−1,j),(i,j+1),(i,j−1),(i+1,j+1),(i+1,j−1),(i−1,j+1),(i−1,j−1)のピクセルを全て1にセットする、すなわち、(i,j)周辺の8点全てを金属としてセットする。次に、ステップ308で、2Dエキスパンド金属テンプレートにおいて、金属ピクセル(i,j)を中心とする20×20ピクセル矩形を用いて、矩形の境界が金属か、すなわち、前述の矩形の金属ピクセルが他の部分の金属ピクセルの近くに位置するか、また、矩形の金属ピクセル数が30より少ないか、を判定する。上述の二つの判定の少なくとも一つの結果がネガティブな場合、ステップ310において、前述のオリジナル金属テンプレートのピクセルで3D膨張を実行する。あるいは、上述の二つの判定の結果がともにポジティブな場合、ステップ312で、前述のオリジナル金属テンプレートのピクセルに2D膨張を適用する。2Dエキスパンド金属テンプレートの全ピクセルをカバーするため、このプロセスは繰り返される、すなわち、ステップ314で、まだ覆われていない金属ピクセルがあるかを判断し、仮にある場合、ステップ308を繰り返す、仮にない場合、様々なピクセルの2Dまたは3D膨張を含む金属テンプレートを取得するためこのプロセスは終了し、そして後のステップを続ける。ステップ316で、金属サイノグラムを取得するため、生成したエキスパンド金属テンプレート上に正投影を実行する。そして、ステップ318で、補間サイノグラムを生成するため、金属サイノグラムとオリジナルサイノグラムに補間を実行する。次に、ステップ320で、金属フリー、MAR画像を生成するため、補間サイノグラム上に逆投影を実行する。最終的に、ステップ322で、様々なピクセルの2Dまたは3D膨張を含む金属テンプレートと、金属フリー、MAR画像(上で取得した)とを、最終再構成画像Ifinalを取得するため加える。
生成した最終再構成画像Ifinalを図6に示す。細い線状のアーチファクトが十分除去されており、金属部分の画像が実物を反映していることが明らかにわかる。
次の実施形態において、さらに、本開示を説明する例として膝の投影を用いる。しかしながら、本例では、人工膝の代わりに人工頸骨を用いる。人工頸骨は金属でできており、膝の再構成画像において、金属部分は非常に小さい割合を占める。図8は、従来の金属アーチファクト低減技術を用いず生成したオリジナル再構成画像Iorigを示す。図9は、従来の金属アーチファクト低減技術を用いて生成した再構成画像Imarを示す。従来の金属アーチファクト低減手段は、例えば、次のステップを備える:オリジナル再構成画像Iorigの金属投影エリアを判定するステップと、金属投影エリアの投影値で補間の修正を実行するステップと、オリジナル再構成画像Iorigの再構成を回復するステップと、を備える。図に示すように、従来の金属アーチファクト低減技術を用いて生成した再構成画像では、図示の金属部分はわずかに歪む、すなわち、アーチファクトの補正は顕著でない。再構成画像の非常に小さい割合を占める金属インプラントにとって、従来技術はしばしば金属アーチファクトを十分低減できない。
図7は、本開示の他の実施形態に係る金属アーチファクト低減技術のプロセスフローチャートである。上述の人工頸骨を用いる例を参照すると、総ピクセル数に対する金属ピクセル数の比率が第二閾値より小さい場合、ステップ702において、オリジナル金属テンプレートIorig metalを、例えば次の方法で生成する:オリジナル画像のピクセルのピクセル値(CT値とも呼ぶ)が4000より大きい場合、これを金属ピクセルとみなし、そうでなければ、これを非金属ピクセルとみなす。金属ピクセルを1にセットし、非金属ピクセルを0にセットする。ステップ704において、オリジナル金属テンプレートは膨張を受け、エキスパンド金属テンプレート(通常2Dエキスパンド金属テンプレート)を生成する。膨張は次のようになされる:オリジナル画像のピクセルのピクセル値(CT値)が4000より大きい場合、前述のピクセルの座標を(i,j)と仮定すること、そして、(i+1,j),(i−1,j),(i,j+1),(i,j−1),(i+1,j+1),(i+1,j−1),(i−1,j+1),(i−1,j−1)のピクセルを全て1にセットする、すなわち、(i,j)周辺の8点を全て金属としてセットする。次に、ステップ706において、金属サイノグラムを取得するため、生成したエキスパンド金属テンプレート上に正投影を実行する。そして、ステップ708で、補間サイノグラムを生成するため、金属サイノグラムとオリジナルサイノグラムに補間を実行する。次に、ステップ710で、混成サイノグラムを取得するため、金属サイノグラムと、オリジナルサイノグラムと、補間サイノグラムとを重み付けする。
この重み付けは次のように実行する:
差forig-metalを得るため、金属サイノグラムfmetalをforigから減じること、および、次の係数coefを計算するため差を補間サイノグラムfinterpolationと比較すること:
このときTは以下である:
パラメータp1とp2は、金属サイノグラムの最大値fmaxと最小値fminを用いて計算される:
ここで、αとβは実験により得られ、αが0.35、βが0.95の場合最良の画質が得られる。このときtは以下のように計算される:
次に、重みwは以下のように計算される:
ここで、Wmaxは値0.5に固定され、f(v,c,r)は、ビューv、チャネルc、ローrの投影値を示す;
混成サイノグラムfblendを得るため上述の重みを用いて重み計算を行う:
次に、ステップ712で、金属フリー、MAR画像を取得するため、混成サイノグラム上で逆投影を行う。最後に、ステップ714で、最終再構成画像Ifinalを得るため、エキスパンド金属テンプレートと、上で取得した金属フリー、MAR画像とを加える。
生成した最終再構成画像Ifinalを図10に示す。明らかにハローイングが除去され、金属部分の画像が変化していないことがわかる。
図11は、本開示の複数の実施形態に係る画像再構成用の金属アーチファクト低減装置のブロック図である。CT画像再構成で、アーチファクトを低減する装置1100は、取得手段1101と、比較手段1102と、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103と、金属フリー、MAR画像生成手段1104と、最終画像生成手段1105とを備える。取得手段1101は、少なくとも比較手段1102と、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103と、金属フリー、MAR画像生成手段1104と、接続される。エキスパンド金属テンプレート生成手段1103はさらに、少なくとも金属フリー、MAR画像生成手段1104と接続される。最終画像生成手段1105は、少なくともエキスパンド金属テンプレート生成手段1103と、金属フリー、MAR画像生成手段1104とに、接続される。図11において、図面の簡略化のため、複数の手段は互いに接続されている。しかしながら、後述の機能を実現する限り、この様々な手段は、他の可能な方法で接続できることに留意されるべきである。さらに、複数の機能は、一つの装置において組み合わせ可能であり、各手段は、機能を実行するようさらに複数の手段に分けることもでき、また、同一手段が一より多くシステムにあってもよい。
取得手段1101は、主にオリジナル再構成画像とオリジナルサイノグラムの取得に用いられる。比較手段1102は、主にオリジナル再構成画像の金属ピクセル比率が第一閾値より大きいか、第二閾値より小さいかの判定に用いられる。エキスパンド金属テンプレート生成手段1103は、比較手段1102の結果に応じて、そのオリジナル金属テンプレート生成手段11031を用いるオリジナル金属テンプレート、または、その第一膨張テンプレート生成手段11032により実行される2D膨張を経る2Dエキスパンド金属テンプレート、または、その第二膨張テンプレート生成手段11033により実行される2Dと3D混合の膨張を経る様々なピクセルの2Dまたは3D膨張を含む金属テンプレート、の生成に主に用いられる。金属フリー、MAR画像を取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104は、次のように主に用いられる:金属サイノグラムを生成するため、生成したエキスパンド金属テンプレート上に正投影を実行するように、その正投影手段11041を用いること、補間サイノグラムを生成するため、金属サイノグラムとオリジラルサイノグラムとの補間に、その補間手段11042を用いること、または、混成サイノグラムを取得するため、金属サイノグラム、オリジナルサイノグラム、および補間サイノグラムの重み付けを実行するように、その混成手段11043を用いること、そして、金属フリー、MAR画像を取得するため、補間サイノグラムまたは混成サイノグラム上に逆投影を実行するように、その逆投影手段11044を用いること。最終画像を生成するため、最終画像生成手段1105は、最終的に生成したエキスパンド金属テンプレートと、金属フリー、MAR画像とを加えることに主に用いられる。
まず、取得手段1101は、オリジナル再構成画像Iorigと、オリジナルサイノグラムIorig sinとを取得する。オリジナル再構成画像Iorigと、オリジナルサイノグラムIorig sinとは、画像再構成部34でDAS32の投影データの再構成後に入力されてもよく、あるいは、大容量記憶装置38から取得、または代わりに、コンピュータ36から取得されてもよい。比較手段1102は、総ピクセル数に対する金属ピクセル数の比率が、第一閾値より大きいか、第二閾値より小さいか判定する。この判定は、ピクセル値が4000より大きいピクセル統計に単に基づいてよい。第一と第二閾値は、実験結果により手作業で決定できる。好ましくは、第一閾値は第二閾値より大きい。
総ピクセル数に対する金属ピクセル数の比率が第一閾値を超える場合、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103のオリジナル金属テンプレート生成手段11031は、オリジナル金属テンプレートIorig metalを、例えば次のように生成する:オリジナル画像のピクセルのピクセル値(CT値とも呼ぶ)が4000より大きい場合、これを金属ピクセルとみなし、そうでなければ、これを非金属ピクセルとみなす。金属ピクセルを1にセットし、非金属ピクセルを0にセットする。そして、2Dエキスパンド金属テンプレートを生成するため、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103の第一膨張テンプレート生成手段11032により、第一膨張をオリジナル金属テンプレートに適用する。第一膨張は次のようになされる:オリジナル画像のピクセルのピクセル値(CT値)が4000より大きい場合、前述のピクセルの座標は(i,j)と仮定すること、そして、(i+1,j),(i−1,j),(i,j+1),(i,j−1),(i+1,j+1),(i+1,j−1),(i−1,j+1),(i−1,j−1)のピクセルを全て1にセットする、すなわち、(i,j)周辺の8点を全て金属としてセットする。次に、ステップ308で、2Dエキスパンド金属テンプレートにおいて、金属ピクセル(i,j)を中心とする20×20ピクセル矩形を用いて、矩形の境界が金属か、すなわち、前述の矩形の金属ピクセルが他の部分の金属ピクセルの近くに位置するか、また、矩形の金属ピクセル数が30より少ないか、を判定する。上述の二つの判定の少なくとも一つの結果がネガティブな場合、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103の第二膨張テンプレート生成手段11033により、前述のオリジナル金属テンプレートのピクセルに3D膨張を適用する。あるいは、上述の二つの判定の結果がともにポジティブな場合、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103の第二膨張テンプレート生成手段11033により、前述のオリジナル金属テンプレートのピクセルに2D膨張を適用する。様々なピクセルの2Dまたは3Dエキスパンド金属テンプレートを取得するため、このプロセスを繰り返し、2Dエキスパンド金属テンプレートの全ピクセルをカバーする。次に、金属サイノグラムを取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104の正投影手段11041により、生成したエキスパンド金属テンプレート上に正投影を実行する。そして、補間サイノグラムを取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104の補間手段11042により、金属サイノグラムとオリジナルサイノグラムに補間を実行する。次に、金属フリー、MAR画像を取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104の逆投影手段11044により、補間サイノグラム上に逆投影を実行する。最終的に、最終再構成画像Ifinalを取得するため、上で取得した様々なピクセルの2Dまたは3D膨張を含む金属テンプレートと、金属フリー、MAR画像とを、最終画像生成手段1105によって加える。
生成された最終再構成画像Ifinalを図6に示す。細い線状のアーチファクトが十分除去されており、金属部分の画像が実物を反映していることが明らかにわかる。
総ピクセル数に対する金属ピクセルの比率が第二閾値より小さい場合、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103のオリジナル金属テンプレート生成手段11031は、オリジナル金属テンプレートIorig metalを例えば次の方法で生成する:オリジナル画像におけるピクセルのピクセル値(CT値とも呼ぶ)が4000より大きい場合、これを金属ピクセルとみなし、そうでなければ、これを非金属ピクセルとみなす。金属ピクセルを1にセットし、非金属ピクセルを0にセットする。そして、エキスパンド金属テンプレート(通常2Dエキスパンド金属テンプレート)を生成するため、エキスパンド金属テンプレート生成手段1103(例えば、その第一膨張テンプレート生成手段11032)により、オリジナル金属テンプレートに膨張を適用する。膨張は次のようになされる:オリジナル画像のピクセルのピクセル値(CT値)が4000より大きい場合、前述のピクセルの座標を(i,j)と仮定すること、そして、(i+1,j),(i−1,j),(i,j+1),(i,j−1),(i+1,j+1),(i+1,j−1),(i−1,j+1),(i−1,j−1)のピクセルを全て1にセットする、すなわち、(i,j)周辺の8点全てを金属としてセットする。次に、金属サイノグラムを取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104の正投影手段11041により、生成したエキスパンド金属テンプレート上に正投影を実行する。そして、補間サイノグラムを取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104の補間手段11042により、金属サイノグラムとオリジナルサイノグラムに補間を実行する。次に、混成サイノグラムを取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104の混成手段11043により、金属サイノグラムと、オリジナルサイノグラムと、補間サイノグラムとを重み付けする。
この重み付けは次のようになされる:
差forig-metalを得るため、金属サイノグラムfmetalをforigから減じること、および、次の係数coefを計算するため差を補間サイノグラムfinterpolationと比較すること:
このときTは以下である:
パラメータp1とp2は、金属サイノグラムの最大値fmaxと最小値fminを用いて計算される:
ここで、αとβは実験により得られ、αが0.35、βが0.95の場合最良の画質が得られる。このときtは以下のように計算される:
次に、重みwは以下のように計算される:
ここで、Wmaxは値0.5に固定され、f(v,c,r)は、ビューv、チャネルc、ローrの投影値を示す;
混成サイノグラムfblendを得るため上述の重みを用いて重み計算を行う:
次に、金属フリー、MAR画像を取得するため、金属フリー、MAR画像生成手段1104の逆投影手段11044によって混成サイノグラム上に逆投影を行う。最後に、最終再構成画像Ifinalを取得するため、エキスパンド金属テンプレートと、上述の得られた金属フリー、MAR画像とを、最終画像生成手段1105により加える。
生成した最終再構成画像Ifinalを図10に示す。明らかにハローイングが除去され、金属部分の画像が変化していないことがわかる。
ここで用いた「a」または「an」という用語は、単一または複数の両方を意味することが意図される。別段の指示がない限り、「or」という用語は、非排他的な「or」を意味する。
さらにここで用いた言い回し「再構成画像」は、(可視画像に代わりり)画像を表現するデータを生成する本発明の実施形態を除くことを意図するものではない。したがって、「画像」という用語は、概して可視画像と可視画像が示すデータを指す。しかしながら、いくつかの実施形態は、少なくとも一つの可視画像を生成する(あるいは生成するようになされる)。
本発明の操作環境は、16スライスX線CTシステムに関し記載されている。しかしながら、当業者は、本開示がマルチスライス構成システム、および、操作中に移動または「ジッタ」フォーカス可能なシステムにも適用可能であることを理解するであろう。さらに、本開示は、X線の検出および変換に対して記載されている。しかしながら、当業者は、本開示が他の高周波電磁エネルギーの検出および変換に適用可能であることもさらに理解するであろう。上述の特定の実施形態は第三世代CTシステムに関して記載したが、ここに記載した方法はまた、第四世代CTシステム(例えば、回転するX線源を備える固定型検出器)や、第五世代CTシステム(例えば、固定型検出器およびX線源)に適用されてもよい。加えて、CT(MRI、SPECT、PET等)以外の画像診断法に本開示の利点が生じると考えられる。
様々な実施形態、またはその構成要素は、コンピュータシステムの一部として実行されてもよい。コンピュータシステムは、コンピュータ、入力装置、ディスプレイユニット、そして例えばインターネットにアクセスするためのインターフェースを含んでもよい。マイクロプロセッサは、接続バスと接続される。コンピュータは、メモリもまた含んでもよい。メモリはランダム・アクセス・メモリ(RAM)およびリード・オンリー・メモリ(ROM)を含んでもよい。コンピュータシステムは、ハードディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ等のリムーバブル記憶装置、または光学ドライブである記憶装置をさらに含んでもよい。記憶装置は、コンピュータプログラムや他の命令をコンピュータシステムに読み込むため、他の同様の装置でも用いられうる。
本開示の様々な実施形態において、ここで記載するCT画像再構成のアーチファクト低減方法を、プロセス機器の形態で表した。プロセス機器の典型的な例としては、多目的コンピュータ、プログラミングマイクロプロセッサ、デジタル信号処理(DSPs)、マイクロコントローラ、周辺機器の集積回路素子、および、ここに記載の方法ステップを実施可能な他の装置(devices)や装置設備(device arrangements)を含む。
ここで用いる「コンピュータ」という用語は、技術的にコンピュータを示す集積回路に限定されず、マイクロコントローラを用いるシステム、縮小命令セットコンピュータ(RISC)、特定用途向け集積回路(ASIC)、論理回路、また、ここに記載する機能を実行可能な他の様々な回路やプロセッサ、を含むどのようなプロセッサベースまたは非プロセッサベースシステムを含んでもよい。上述の例は、単なる例示であり、「コンピュータ」という用語の定義および/または意味をなんら制限することを意図しない。コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル・ロジック・コントローラ、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路が、ここで互換可能に用いられる。
プロセスメカニズムは、一つまたは複数の記憶素子(既知のコンピュータ使用可能媒体)に記憶された命令セット(例えば、方法ステップに対応)を実行する。メモリ素子は、プロセス機器において、データベースや物理的記憶素子の形態をとれる。メモリ素子はまた、必要なデータまたは他の情報として保持できる。物理メモリは、例えば、電気的、磁気的、光的、電磁気的、赤外線、または半導体の、システム、機器、装置、または伝搬媒体であってもよいが、これに限定されない。物理メモリのさらに具体的な例は、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)、リード・オンリー・メモリ(ROM)、消去およびプログラム可能なリード・オンリー・メモリ(EPROMまたはフラッシュメモリ)、ハードディスクドライブ(HDD)、ならびにCD−ROMメモリ(CDROM)を含んでもよいが、これに限定されない。これらのメモリのタイプは例示のためだけのものであり、よって、コンピュータプログラムを記憶するため利用可能なメモリのタイプは限定されない。
命令セットは、特定の操作を実行するためプロセス機器に命じる様々な命令(本開示の様々な実施形態のプロセス等)を含んでもよい。命令セットは、ソフトウェアプログラムの形態であってよい。ソフトウェアは、システムソフトウェアや応用ソフトウェアの様々な形態であってよい。さらにソフトウェアは、独立プログラム、さらに大きいプログラムのプログラムモジュール、またはいくつかのプログラムモジュールのセットであってよい。ソフトウェアはまた、オブジェクト指向プログラミングの形態のモジュール化プログラムデザインを含んでもよい。プロセス機器は、ユーザの命令に対する入力データ、先のプロセスの結果、または他のプロセス機器から送られたリクエストを実行できる。
本発明の様々な実施形態において、CT再構成におけるアーチファクト低減の方法は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせにより実行可能である。例えば、本開示の様々な実施形態で供される方法は、ソフトウェアにおいて標準のプログラム言語(例えばC,C++,Javaなど)を用いることで実行可能である。ここで用いる「ソフトウェア」や「ファームウェア」という用語は互換的に使用可能であり、コンピュータにより実行されるメモリに記憶されたいかなるコンピュータプログラムを含んでもよい。
加えて、ここで述べた方法は医学的状況で用いられるX線CTシステムに関して記載したが、これらの利点は、磁気共鳴(MR)システム、超音波システム、ポジトロン断層法(PET)、核医学、また、他のタイプの画像システムを容易にできることが期待できる。動作は、特定の臓器や組織(脳、胃、心臓、肺または肝臓等の生体器官、隔膜、胸壁、胸、肋骨、脊柱、胸骨または骨盤等の生物組織、腫瘍、怪我または痛い部位、例えば圧縮骨折、を含む)に適用可能である。
10 X線CT画像システム
12 ガントリ
14 X線源
16 X線ビーム
18 検出装置
20 検出部
22 患者
28 X線コントローラ
30 ガントリ・モータ・コントローラ
32 データ収集システム(DAS)
36 コンピュータ
40 オペレータコンソール
42 ディスプレイ
44 テーブル・モータ・コントローラ
46 モータ付きテーブル
48 開口
1100 CT画像再構成のアーチファクトを低減する装置
1101 取得手段
1102 比較手段
1103 エキスパンド金属テンプレート生成手段
1104 金属フリー、MAR画像生成手段
1105 最終画像生成手段
11031 オリジナル金属テンプレート生成手段
11032 第一膨張テンプレート生成手段
11033 第二膨張テンプレート生成手段
11041 正投影手段
11042 補間手段
11043 混成手段
11044 逆投影手段

Claims (16)

  1. オリジナル再構成画像とオリジナルサイノグラムとを取得すること、および、
    オリジナル再構成画像における金属ピクセルの比率を求めること、
    を備える、コンピュータ断層撮影(CT)画像再構成のアーチファクト低減の方法であって、
    前記金属ピクセルの比率が第一閾値より大きい場合、前記方法は、
    前記オリジナル再構成画像に基づいて、様々なピクセルの二次元または三次元の膨張を含むエキスパンド金属テンプレートを生成すること、
    前記エキスパンド金属テンプレートと前記オリジナルサイノグラムとに基づき、金属フリー、金属アーチファクト低減(MAR)画像を生成すること、および、
    前記エキスパンド金属テンプレートと前記金属フリー、MAR画像とに基づいて、最終画像を生成すること
    を含み、
    前記金属ピクセルの比率が第二閾値より小さい場合、前記方法は、
    前記オリジナル再構成画像に基づいて、エキスパンド金属テンプレートを生成すること、
    前記エキスパンド金属テンプレートと前記オリジナルサイノグラムとの重み付けを含む処理に基づき、金属フリー、MAR画像を生成すること、および、
    前記エキスパンド金属テンプレートと、前記金属フリー、MAR画像と、に基づいて、最終画像を生成すること
    を含む、方法。
  2. 前記エキスパンド金属テンプレートを生成する前記ステップが、前記金属ピクセルの比率が第一閾値より大きい場合、さらに、
    オリジナル金属テンプレートを生成すること、
    二次元エキスパンド金属テンプレートを生成するため、前記オリジナル金属テンプレートの第一膨張を実行すること、および、
    様々なピクセルの二次元または三次元膨張を含む前記エキスパンド金属テンプレートを生成するため、前記二次元エキスパンド金属テンプレートに基づいて、前記オリジナル金属テンプレートの第二膨張を実行すること、
    を備える、請求項1に記載のCT画像再構成のアーチファクト低減の方法。
  3. 前記第二膨張を実行することが、
    前記二次元エキスパンド金属テンプレートにおいて、各金属ピクセルに対して、前記金属ピクセルを中心とする20×20ピクセル矩形を与え、金属が前記20×20矩形の前記境界に存在せず、また、前記20×20矩形内で前記金属ピクセル数が30より大きくない場合、前記オリジナル金属テンプレートの前記金属ピクセルにおいて2D膨張を実行すること、そうでなければ、前記オリジナル金属テンプレートの前記金属ピクセルにおいて3D膨張を実行すること、
    を備える、請求項2に記載のCT画像再構成のアーチファクト低減の方法。
  4. 金属フリー、MAR画像を生成することが、前記金属ピクセルの比率が第一閾値より大きい場合、
    金属サイノグラムを生成するため、前記エキスパンド金属テンプレートに正投影を実行すること、
    補間サイノグラムを生成するため、前記金属サイノグラムと前記オリジナルサイノグラムとを補間すること、および、
    前記金属フリー、MAR画像を生成するため、前記補間サイノグラムに逆投影を実行すること、を備える、請求項1に記載のCT画像再構成のアーチファクト低減の方法。
  5. 金属フリー、MAR画像を生成することが、前記金属ピクセルの比率が第二閾値より小さい場合、
    金属サイノグラムを生成するため、前記エキスパンド金属テンプレートに正投影を実行すること、
    補間サイノグラムを生成するため、前記金属サイノグラムおよび前記オリジナルサイノグラムを補間すること、
    混成サイノグラムを生成するため、前記金属サイノグラム、前記補間サイノグラム、および前記オリジナルサイノグラムを重み付けすること、および、
    前記金属フリー、MAR画像を生成するため、前記混成サイノグラム逆投影を実行すること、
    を備える、請求項1に記載のCT画像再構成のアーチファクト低減の方法。
  6. 前記重み付けすることが、
    差forig-metalを取得するため、前記オリジナルサイノグラムforigから前記金属サイノグラムfmetalを減じ、次に示す係数coefの計算のために前記差を前記補間サイノグラムfinterpolationと比較すること、
    ここでTは、以下である
    前記金属サイノグラムの最大値fmaxおよび最小値fminを用いて2つのパラメータp1およびp2を計算し、
    ここで、αおよびβは実験により取得され、αが0.35、βが0.95であるとするとtは次のように計算され、
    重みwを次のように計算すること、
    ここで、Wmaxは固定値0.5であり、f(v,c,r)はビューv、チャネルc、ローrにおける投影値を示す
    混成サイノグラムfblendを取得するため、前記重みを用いて重み付けを実行すること
    を含む、請求項5に記載のCT画像再構成のアーチファクト低減の方法。
  7. 前記最終画像を生成することが、
    前記最終画像を生成するため、前記エキスパンド金属テンプレートと前記金属フリー、MAR画像とを加えること、を備える、請求項1に記載のCT画像再構成のアーチファクト低減の方法。
  8. 前記第一閾値が前記第二閾値より大きい、請求項1に記載のCT画像再構成のアーチファクト低減の方法。
  9. X線を用いて対象をスキャンしてオリジナル再構成画像を生成するためのオリジナルデータを得るためのスキャナと、
    前記スキャナに動作可能に結合され、オリジナル再構成画像およびオリジナルサイノグラムを取得するとともに前記オリジナル再構成画像における金属ピクセルの比率を求めるようにプログラム可能なプロセッサとを有し、
    前記金属ピクセルの比率が第一閾値より大きい場合、前記プロセッサは、
    前記オリジナル再構成画像に基づいて、様々なピクセルの二次元または三次元の膨張を含むエキスパンド金属テンプレートを生成すること
    前記エキスパンド金属テンプレートと前記オリジナルサイノグラムとに基づき、金属フリー、金属アーチファクト低減(MAR)画像を生成すること、および、
    前記エキスパンド金属テンプレートと前記金属フリー、MAR画像とに基づいて、最終画像を生成すること
    が実行されるように構成され、
    前記金属ピクセルの比率が第二閾値より小さい場合、前記プロセッサは、
    前記オリジナル再構成画像に基づいて、エキスパンド金属テンプレートを生成すること、
    前記エキスパンド金属テンプレートと前記オリジナルサイノグラムとの重み付けを含む処理に基づき、金属フリー、MAR画像を生成すること、および、
    前記エキスパンド金属テンプレートと、前記金属フリー、MAR画像とに基づいて、最終画像を生成すること
    が実行されるように構成される、コンピュータ断層撮影装置。
  10. 前記金属ピクセルの比率が前記第一閾値より大きい場合、前記プロセッサは、前記エキスパンド金属テンプレートを生成することが実行されている間において、
    オリジナル金属テンプレートを生成すること、
    前記オリジナル金属テンプレートの第一膨張を実行して、二次元エキスパンド金属テンプレートを生成すること、および、
    前記二次元エキスパンド金属テンプレートに基づいて前記オリジナル金属テンプレートの第二膨張を実行して、様々なピクセルの二次元または三次元膨張を含む前記エキスパンド金属テンプレートを生成すること、
    が実行されるように構成される、請求項9に記載のコンピュータ断層撮影装置。
  11. 前記二次元エキスパンド金属テンプレートにおいて、各金属ピクセルに対して、前記金属ピクセルを中心とする20×20ピクセル矩形を与え、金属が前記20×20矩形の前記境界に存在せず、また、前記20×20矩形内で前記金属ピクセル数が30より大きくない場合、前記プロセッサは、前記オリジナル金属テンプレートの前記金属ピクセルにおいて2D膨張を実行するように構成され、そうでなければ、前記プロセッサは、前記オリジナル金属テンプレートの前記金属ピクセルにおいて3D膨張を実行するように構成される、請求項10に記載のコンピュータ断層撮影装置。
  12. 前記金属ピクセルの比率が第一閾値より大きい場合、前記プロセッサは、金属フリー、MAR画像を生成することが実行される間において、
    金属サイノグラムを生成するため、前記エキスパンド金属テンプレートに正投影を実行すること、
    補間サイノグラムを生成するため、前記金属サイノグラムと前記オリジナルサイノグラムとを補間すること、および、
    前記金属フリー、MAR画像を生成するため、前記補間サイノグラムに逆投影を実行すること、
    が実行されるように構成される、請求項9に記載のコンピュータ断層撮影装置。
  13. 前記金属ピクセルの比率が第二閾値より小さい場合、前記プロセッサは、金属フリー、MAR画像を生成することが実行される間において、
    金属サイノグラムを生成するため、前記エキスパンド金属テンプレートに正投影を実行すること、
    補間サイノグラムを生成するため、前記金属サイノグラムおよび前記オリジナルサイノグラムを補間すること、
    混成サイノグラムを生成するため、前記金属サイノグラム、前記補間サイノグラム、および前記オリジナルサイノグラムを重み付けすること、および、
    前記金属フリー、MAR画像を生成するため、前記混成サイノグラム逆投影を実行すること、
    が実行されるように構成される、請求項9に記載のコンピュータ断層撮影装置。
  14. 前記重み付けすることが実行される間において、前記プロセッサは、
    差forig-metalを取得するため、前記オリジナルサイノグラムforigから前記金属サイノグラムfmetalを減じ、次に示す係数coefの計算のために前記差を前記補間サイノグラムfinterpolationと比較すること、
    ここでTは、以下である
    前記金属サイノグラムの最大値fmaxおよび最小値fminを用いて2つのパラメータp1およびp2を計算し、
    ここで、αおよびβは実験により取得され、αが0.35、βが0.95であるとするとtは次のように計算され、
    重みwを次のように計算すること、
    ここで、Wmaxは固定値0.5であり、f(v,c,r)はビューv、チャネルc、ローrにおける前記投影値を示す
    混成サイノグラムfblendを取得するため、前記重みを用いて重み付けを実行すること
    が実行されるように構成される、請求項13に記載のコンピュータ断層撮影装置。
  15. 前記最終画像を生成している間において、前記プロセッサは、
    前記最終画像を生成するため、前記エキスパンド金属テンプレートと前記金属フリー、MAR画像とを加えることが実行されるように構成される、請求項9に記載のコンピュータ断層撮影装置。
  16. 前記第一閾値が前記第二閾値より大きい、請求項9に記載のコンピュータ断層撮影装置。
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