JP6592499B2 - Ｃｔ画像およびｃｔ画像化システムの空間分解能を向上させるための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療における画像化の分野に関し、より詳細には、ＣＴ画像の空間分解能を高めるためのＣＴ画像化システム、装置、および方法に関する。

空間分解能は、断層撮影（ＣＴ）画像化技術における画像品質を測定するための重要な指標である。空間分解能は、画像内で認識できる物体の幾何学的寸法の最小限度を反映し得る。したがって、理論的に言えば、空間分解能が高いほど、画像品質が良好になる。しかしながら、実際のＣＴ画像化システムにおいて、空間分解能は、焦点スポットサイズ、再構成カーネル、検出器サイズ、などの多数の要因によって左右される。

空間分解能を向上させるために、伝統的な方法は、再構成においてコンボリューションカーネルを調整している。ハイパスコンボリューションカーネルは、画像の高分解能をより良好に維持するが、ノイズが大きくなる。ローパスコンボリューションカーネルは、ノイズをより良好に抑制するが、分解能に限界がある。コンボリューションカーネルは、ノイズと分解能とをバランスさせる役割を果たす。しかしながら、コンボリューションカーネルのハイパスは、周波数の限界を有する。それが特定の周波数よりも高い場合、さらなる分解能の向上は、むしろノイズの増大およびアーチファクトの増加を引き起こす一方で、システムの限界周波数は、検出器のサイズおよびサンプリングの方法によって制限される。

空間分解能を向上させる別の方法は、システム内のチューブの二次散乱によって生じる境界ぼけを解決するために主に使用される検出器チャネルの方向のフィルタ処理である。

しかしながら、上述の方法のいずれも、同じ検出器チャネルに対する隣接するサンプリングビューの結合によって引き起こされる画像ぼけを、解決することができない。

したがって、本発明は、データビュー間の結合関係を調べることを意図しており、すなわち特定の検出器について、隣接するビュー間にレイビームが走査する反復領域が存在する。本発明のビュー方向のフィルタ処理の強化は、まさにこの部分の結合関係を除去することで、ビュー方向に生じるぼけの問題を解決する。

本発明の１つの目的は、ＣＴ画像の空間分解能を向上させることができるＣＴ画像およびＣＴ画像化システムの空間分解能を向上させるための新規な装置および方法を提供することにある。

本発明の典型的な実施形態は、ＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法であって、元のＣＴ投影曲線を取得するステップと、元のＣＴ投影曲線上の投影データについて、元のＣＴ投影曲線のチューブサンプリング方向またはテクスチャ方向に、デコンボリューションを実行するステップと、デコンボリューション後の投影データに従って画像を再構成するステップとを含む方法を提供する。

さらに、本発明の典型的な実施形態は、ＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置であって、元のＣＴ投影曲線を取得するための元データ取得モジュールと、元のＣＴ投影曲線上の投影データについて、元のＣＴ投影曲線のチューブサンプリング方向またはテクスチャ方向に、デコンボリューションを実行するためのデコンボリューション処理モジュールと、デコンボリューション後の投影データに従って画像を再構成するための画像再構成モジュールとを備える装置を提供する。

本発明の典型的な実施形態は、ＣＴ画像の空間分解能を向上させるための上述の装置を備えるＣＴ画像化システムをさらに提供する。

他の特徴および態様は、以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲によって明らかになるであろう。

本発明を、添付の図面を参照しつつ、本発明の典型的な実施形態の説明に照らして、より良く理解することができる。

元のＣＴ投影曲線の典型的な概略図である。 本発明の１つの典型的な実施形態によって提供されるＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態における投影データに対して実行されるデコンボリューション演算に使用されるコンボリューションカーネルモデルを例示として示している。 本発明の一実施形態によって提供されるＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置のブロック図である。

以下で、本開示の好ましい実施形態について詳細に説明する。実施形態の詳細な説明においては、単純かつ簡潔にするために、明細書において実際の実施形態のすべての特徴を詳細に説明することは不可能であることを、指摘しておく。あらゆる実施形態の実際の実施のプロセスにおいては、工学プロジェクトまたは設計プロジェクトのプロセスとちょうど同じように、開発者の具体的な目標を達成するとともに、いくつかのシステム関連またはビジネス関連の制約を満たすために、実施形態ごとにさまざまであろう種々の決定が通常は行われることを、理解すべきである。さらに、このような開発プロセスにおいて成される努力は複雑かつ時間がかかる場合もあるが、本開示において開示される技術内容に基づく設計、製造、および生産などのいくつかの変形は、本開示において開示される内容に関連する当業者にとって単に慣習的な技術手段にすぎず、したがって本開示の開示内容が不充分であるとみなすべきではないと理解することができる。

特に定義されない限り、特許請求の範囲および明細書で使用されるすべての技術用語または科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有するべきである。本出願の明細書および特許請求の範囲における「第１」、「第２」、などの用語は、いかなる順番も、数も、重要性も意味するものではなく、別々の構成要素を区別するために用いられているにすぎない。単数を表す用語（「１つの（ａ、ａｎ）」、など）は、数量の限定を示すものではなく、少なくとも１つが存在することを示すものである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、などの用語は、これらの用語に先立つ要素または物体が、これらの用語に続いて示される要素または物体ならびにそれらの均等物を包含することを意味するが、他の要素または物体を排除するものではない。「結合（ｃｏｕｐｌｅｄ）」または「接続（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」などの用語は、物理的または機械的な接続に限定されるものではなく、直接的または間接的な接続に限定されるものでもない。

本発明の一実施形態は、回転ガントリと画像処理システムとを備えることができるＣＴ画像化システムを提供する。回転ガントリは、検出対象の人体を受け入れることができるように中空構造であり、チューブおよび検出器が、回転ガントリの内側に対向して配置され、回転ガントリは、検出対象の人体の周囲を回転するようにチューブおよび検出器を駆動することができる。チューブは、回転ガントリの回転中に検出対象の人体へとＸ線を放射するために使用され、人体を貫通したＸ線を、検出器によって収集することができる。検出器によって収集されたＸ線は、処理後に画像信号へと変換される。画像処理システムは、検出対象の人体の断層撮影画像を得るべく、画像信号をデータ処理のための元のＣＴ投影データとして受け取るために使用される。

上述の元のＣＴ投影データを、当業者によって一般的に理解されるサイノグラムなど、元のＣＴ投影曲線と呼ぶこともできる。図１が、元のＣＴ投影曲線の典型的な概略図である。図１に示されるように、元のＣＴ投影曲線は、検出器チャネル方向およびチューブサンプリング方向を次元として有する２次元曲線であり、曲線上の各点が、特定のビュー（チューブ収集方向または走査角度を表す）または特定の検出器チャネル上で受信された投影値に対応する。元のＣＴ投影データ、元のＣＴ投影曲線、などは、いずれもこの技術分野において周知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

図２は、本発明の一実施形態によって提供されるＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法のフローチャートである。この方法は、図１の元の投影曲線上の投影データを処理するために使用され、処理後のデータに従って画像の再構成が実行されるときにより高い分解能を得ることができる。

図２に示されるように、ＣＴ画像の空間分解能を高めるための方法は、ステップＳ２１、ステップＳ２３、およびステップＳ２５を含むことができる。

ステップＳ２１において、元のＣＴ投影曲線が取得される。ステップＳ２３において、元のＣＴ投影曲線上の投影データについて、元のＣＴ投影曲線のチューブサンプリング方向またはテクスチャ方向に、デコンボリューションが実行される。ステップＳ２５において、デコンボリューション後の投影データに従って、画像が再構成される。

上述のチューブサンプリング方向、すなわち当業者によって一般的に理解される「ビュー」は、チューブが回転ガントリと一緒に回転しているときにさまざまな走査ビューからＸ線を放射することができるので、インターバルサンプリング時にさまざまなチューブサンプリング方向が存在することを指す。隣接する２つのチューブサンプリング方向における画像信号の取得は、信号の尾引きや重なりなどにより、最終的に再構成される画像のぼけ現象を引き起こす可能性がある。チューブサンプリング方向において分解能が低いという問題を低減または解消するために、ステップＳ２３において、元のＣＴ投影曲線上の投影データについて、チューブサンプリング方向または投影曲線のテクスチャ方向に、デコンボリューションを実行することができる。

図３が、本発明の一実施形態における投影データのデコンボリューション演算に使用されるコンボリューションカーネルモデルを典型的に示している。図３に示されるように、コンボリューションカーネルは、改良されたコンボリューションカーネルであり、すなわちステップＳ２３において、デコンボリューションが、この改良されたコンボリューションカーネルによって元のＣＴ投影曲線上の投影データについてさらに実行される。

上述のコンボリューションカーネルは、予め設定された経験値である。例えば、コンボリューションカーネルは、その長さが検出器のサイズ特性によって決定されるマトリクスであってよく、マトリクス内の要素の振幅差は、画像の空間分解能の向上の程度に応じて決定される。さまざまな要素の値のコンボリューションカーネルと空間分解能およびノイズとの間の対応関係を、多数回の実験を通して得ることができ、より高い空間分解能およびより低いノイズに対応するコンボリューションカーネルが、最終的に選択される。

さらに、上述のコンボリューションカーネルの和は、１に等しく、すなわちマトリクス内の要素の値の和は、１である。このようにして、画像のＣＴ値に対する過剰調整によって引き起こされる画像のＣＴ値の過剰ドリフトが回避される。

随意により、ステップＳ２３において、デコンボリューションを、元のＣＴ投影曲線上の投影データについて、以下の式（１）

に従って実行することができ、
ここで、ｐ’は、デコンボリューション後の投影データであり、ｐは、元のＣＴ投影曲線上の投影データであり、ｉｄｅｔは、検出器チャネル方向における座標値であり、ｉｖｉｅｗは、チューブサンプリング方向における座標値であり、ｉｒｏｗは、層走査方向における座標値であり、ｎは、所定の自然数であり、ｋｅｒｎｅｌは、コンボリューションカーネルであり、コンボリューションカーネルの長さは、２＊ｎ＋１である。

例えば、説明のために、図１の元の投影データおよび図３のコンボリューションカーネルを例とすると、図３において、ｎは１であり、コンボリューションカーネルの長さは３であり、コンボリューションカーネルは［−０．１，１．２，−０．１］であり、ここで、ｋｅｒｎｅｌ１は−０．１であり、ｋｅｒｎｅｌ２は１．２であり、ｋｅｒｎｅｌ３は−０．１であり、その合計は１（−０．１＋１．２−０．１＝１）である。図１のビュー方向（縦軸）に沿ってコンボリューション演算を行い、１００番目のチャネルおよび検出器の６番目の列の９９番目の収集角度について画素のＣＴ値を得る場合、ｉｒｏｗ＝６、ｉｄｅｔ＝１００、およびｉｖｉｅｗ＝９９として、以下の式
ｐ’（１００，９９，６）＝ｐ（１００，９８，，６）＊（−０．１）＋ｐ（１００，９９，６）＊１．２＋ｐ（１０１，９８，６）＊（−０．１）
によって計算を行うことができる。

図１の曲線のテクスチャ方向（曲線の流れ方向）に沿ってコンボリューション演算を行い、１００番目のチャネルおよび検出器の６番目の列の９９番目の収集角度について画素のＣＴ値ｐ’（１００，９９，６）を得る場合、以下の式
ｐ’（１００，９９，６）＝ｐ（９９，１００，，６）＊（−０．１）＋ｐ（１００，９９，６）＊１．２＋ｐ（１０１，１００，６）＊（−０．１）
によって計算を行うことができる。

当業者であれば、ＣＴ画像化は、以下の手順、すなわち前処理、画像再構成、および後処理を含み得ることを、理解すべきである。前処理は、元のＣＴ投影データに対するチャネル較正、暗電流較正、ビーム硬化較正、などの処理の実行を含む。画像再構成は、上述の較正されたデータに対する周波数ドメインにおけるコンボリューションフィルタ処理および逆投影などを含む。後処理は、再構成された画像に対するアーチファクト除去などの処理の実行を含む。

上述のステップＳ２１で取得される元のＣＴ投影曲線は、前処理されていないデータであってもよいし、少なくとも１つの前処理によって処理されたデータであってもよく、すなわちステップＳ２３は、前処理段階の前に実行されてもよいし、前処理段階において実行されてもよく、例えば、ステップＳ２３は、前処理段階の中間ステップまたは最終ステップの役割を果たすことができる。ステップＳ２５は、画像再構成段階において実行されてもよい。この段階において、デコンボリューション後の上述のデータについて、最初に周波数ドメインにおけるコンボリューションフィルタ処理を行い、次いで逆投影を行うことができる。

したがって、ステップＳ２５は、デコンボリューション後の投影データの逆投影の実行を含むことができ、逆投影前の周波数ドメインにおけるデコンボリューション後の投影データのコンボリューションフィルタ処理の実行をさらに含むことができる。

図４は、本発明の一実施形態によって提供されるＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置のブロック図である。図４に示されるように、この装置は、元データ取得モジュール４１と、デコンボリューション処理モジュール４３と、画像再構成モジュール４５とを備える。元データ取得モジュール４１は、元のＣＴ投影曲線を取得するために使用される。デコンボリューション処理モジュール４３は、元のＣＴ投影曲線上の投影データについて元のＣＴ投影曲線のチューブサンプリング方向またはテクスチャ方向にデコンボリューションを実行するために使用される。画像再構成モジュール４５は、デコンボリューション後の投影データに従って画像を再構成するために使用される。

随意により、上述のデコンボリューション処理モジュール４３は、改良されたコンボリューションカーネルによって元のＣＴ投影曲線上の投影データのデコンボリューションを実行する。随意により、コンボリューションカーネルは、予め設定された経験値であり、コンボリューションカーネルの和は、１に等しい。

具体的には、デコンボリューション処理モジュール４３は、上述の式（１）に従い、元のＣＴ投影曲線上の投影データについてデコンボリューションを実行する。

随意により、画像再構成モジュール４５は、デコンボリューション後の投影データについて逆投影を実行するための逆投影ユニットを備える。

随意により、画像再構成モジュール４５は、逆投影に先立って周波数ドメインにおいてデコンボリューション後の投影データについてコンボリューションフィルタ処理を実行するためのフィルタ処理ユニットをさらに備える。

本発明の実施形態によるＣＴ画像化システムは、ＣＴ画像の空間分解能を向上させるための上述の装置を備えることができ、特に、ＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置は、ＣＴ画像化システムの上述の画像処理システムに配置されてよい。

伝統的な方法においては、画像再構成のプロセスにおいて、周波数ドメインにおけるコンボリューションフィルタ処理および逆投影が、前処理された元のＣＴ投影データに対して直接実行され、空間分解能は、コンボリューションカーネルの選択によって改善されるが、検出器の限界周波数によって制限されるとおり、空間分解能が限界を達成する場合に、周波数ドメインにおけるコンボリューションフィルタ処理がさらに実行されると、空間分解能は、むしろ増加したノイズによって覆い隠されてしまう。本発明の実施形態においては、デコンボリューションが、元のデータについてチューブサンプリング方向に最初に実行されるため、チューブサンプリング方向における信号の尾引きや重なりなどが、逆投影の前に元のデータにおいて補正され、したがって画像再構成の実行時に逆投影がより正確な元のデータに基づいて実行され、結果としてチューブサンプリング方向においてより高い空間分解能を有するＣＴ画像が得られる。試験により、伝統的な方法と比較して、本発明の実施形態は、少なくとも１ｐ／ｃｍだけ空間分解能を改善でき、より高い信号対雑音比を有することができる。

いくつかの典型的な実施形態を上述のように説明してきたが、種々の変更が依然として可能であることを、理解されたい。例えば、記載した技術が異なる順序で実行される場合、ならびに／あるいは記載したシステム、アーキテクチャ、装置、または回路の構成要素が異なるやり方で組み合わせられ、さらには／もしくは追加の構成要素もしくは同等物によって置換または補足される場合でも、依然として適切な結果が達成され得る。したがって、他の実施態様も、特許請求の範囲の保護範囲に含まれる。

４１ 元データ取得モジュール
４３ デコンボリューション処理モジュール
４５ 画像再構成モジュール

Claims (15)

1. ＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法であって、
   元のＣＴ投影曲線を取得するステップ（Ｓ２１）と、
   前記元のＣＴ投影曲線上の投影データについて、前記元のＣＴ投影曲線のビュー方向または前記元のＣＴ投影曲線の流れ方向に、デコンボリューションを実行するステップ（Ｓ２３）と、
   前記デコンボリューション後の投影データに従って画像を再構成するステップ（Ｓ２５）と
   を含むＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法。
2. デコンボリューションは、コンボリューションカーネルによって前記元のＣＴ投影曲線上の前記投影データについて実行される、請求項１に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法。
3. 前記コンボリューションカーネルは、予め設定された経験値である、請求項２に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法。
4. 前記コンボリューションカーネルの和は、１に等しい、請求項３に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法。
5. デコンボリューションは、前記元のＣＴ投影曲線上の前記投影データについて、以下の式
   
   に従って実行され、
   ここで、ｐ’は、前記デコンボリューション後の投影データであり、ｐは、前記元のＣＴ投影曲線上の前記投影データであり、ｉｄｅｔは、検出器チャネル方向における座標値であり、ｉｖｉｅｗは、チューブサンプリング方向における座標値であり、ｉｒｏｗは、層走査方向における座標値であり、ｋｅｒｎｅｌは、前記コンボリューションカーネルであり、ｎは、所定の自然数である、請求項４に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法。
6. 前記デコンボリューション後の投影データに従って画像を再構成するステップ（Ｓ２５）は、前記デコンボリューション後の投影データについて逆投影を実行するステップを含む、請求項１に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法。
7. 前記デコンボリューション後の投影データに従って画像を再構成するステップ（Ｓ２５）は、前記逆投影の前に周波数ドメインにおいて前記デコンボリューション後の投影データについてコンボリューションフィルタ処理を実行するステップをさらに含む、請求項６に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための方法。
8. ＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置であって、
   元のＣＴ投影曲線を取得するための元データ取得モジュール（４１）と、
   前記元のＣＴ投影曲線上の投影データについて、前記元のＣＴ投影曲線のビュー方向または前記元のＣＴ投影曲線の流れ方向に、デコンボリューションを実行するためのデコンボリューション処理モジュール（４３）と、
   前記デコンボリューション後の投影データに従って画像を再構成するための画像再構成モジュール（４５）と
   を備えるＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置。
9. 前記デコンボリューション処理モジュール（４３）は、コンボリューションカーネルによって前記元のＣＴ投影曲線上の前記投影データについてデコンボリューションを実行する、請求項８に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置。
10. 前記コンボリューションカーネルは、予め設定された経験値である、請求項９に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置。
11. 前記コンボリューションカーネルの和は、１に等しい、請求項１０に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置。
12. 前記デコンボリューション処理モジュール（４３）は、前記元のＣＴ投影曲線上の前記投影データについて、以下の式
    
    に従ってデコンボリューションを実行し、
    ここで、ｐ’は、前記デコンボリューション後の投影データであり、ｐは、前記元のＣＴ投影曲線上の前記投影データであり、ｉｄｅｔは、検出器チャネル方向における座標値であり、ｉｖｉｅｗは、チューブサンプリング方向における座標値であり、ｉｒｏｗは、層走査方向における座標値であり、ｋｅｒｎｅｌは、前記コンボリューションカーネルであり、ｎは、所定の自然数である、請求項１１に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置。
13. 前記画像再構成モジュール（４５）は、前記デコンボリューション後の投影データについて逆投影を実行するための逆投影ユニットを備える、請求項８に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置。
14. 前記画像再構成モジュール（４５）は、前記逆投影の前に周波数ドメインにおいて前記デコンボリューション後の投影データについてコンボリューションフィルタ処理を実行するためのフィルタ処理ユニットを備える、請求項１３に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置。
15. 請求項８乃至１４のいずれか１項に記載のＣＴ画像の空間分解能を向上させるための装置を備えるＣＴ画像化システム。