JP7324115B2 - 物質弁別装置、ｐｃｃｔ装置および物質弁別方法 - Google Patents

Description

本発明は光子計数型検出器等によって取得される複数のエネルギーレベルに分けられた放射線データを用いて被写体内の物質を弁別する物質弁別装置および物質弁別方法に関し、特に物質を弁別するときの演算量の低減に係る。

フォトンカウンティング（Photon Counting）方式を採用する検出器である光子計数型検出器を備えるＰＣＣＴ（Photon Counting Computed Tomography）装置の開発が進められている。光子計数型検出器は、検出器に入射する放射線光子のエネルギーを計測できるので、ＰＣＣＴ装置は従来のＣＴ装置よりも多くの情報を含んだ医用画像を提示できる。例えば複数のエネルギーレベルに分けられた画像であるエネルギーレベル画像や、複数の物質に弁別された画像である物質弁別画像が提示可能である。なお、物質弁別画像は診断に有用であるものの、弁別される物質数が多くなるにつれて画像ノイズが増加する。

特許文献１には、弁別される物質数が多くなっても画像ノイズの増加を抑制するために、第一の物質と第二の物質に弁別された画像ノイズの少ない画像に、三つの物質に弁別された画像から得られる第三の物質の分布である画像を重畳することが開示されている。

特表２０１８－５１５１６０号公報

しかしながら特許文献１では、三つ以上の物質に弁別するときの演算量に対する配慮がなされていない。弁別される物質数が三つ以上である場合、二つの物質に弁別するときに比べて演算量が著しく増大するので、物質弁別画像の提示に長時間を要し診断を妨げかねない。

そこで、本発明の目的は、複数のエネルギーレベルに分けられた放射線データを用いて三つ以上の物質に弁別するときの演算量を低減可能な物質弁別装置および物質弁別方法を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は、被写体内の物質を弁別する物質弁別装置であって、三つ以上の物質の内のいずれかの物質を他の二つの物質に弁別することにより予め生成される補正データを記憶するデータ記憶部と、複数のエネルギーレベルに分けられた前記被写体の放射線データが入力されるデータ入力部と、異なるエネルギーレベルの放射線データと前記補正データとを用いて、前記三つ以上の物質の内の二つの物質に弁別する二物質弁別を繰り返すことによって前記被写体内を前記三つ以上の物質に弁別する弁別処理部を備えることを特徴とする。

また本発明は、被写体内の物質を弁別する物質弁別方法であって、三つ以上の物質の内のいずれかの物質を他の二つの物質に弁別することにより予め生成される補正データを記憶するデータ記憶ステップと、複数のエネルギーレベルに分けられた前記被写体の放射線データが入力されるデータ入力ステップと、異なるエネルギーレベルの放射線データと前記補正データとを用いて、前記三つ以上の物質の内の二つの物質に弁別する二物質弁別を繰り返すことによって前記被写体内を前記三つ以上の物質に弁別する弁別処理ステップを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数のエネルギーレベルに分けられた放射線データを用いて三つ以上の物質に弁別するときの演算量を低減可能な物質弁別装置および物質弁別方法を提供することができる。

物質弁別装置の全体構成を示す図である。 医用画像撮影装置の一例であるＰＣＣＴ装置の全体構成を示す図である。 複数のエネルギーレベルに分けられたＸ線の一例を示す図である。 実施例１の機能ブロックの一例を示す図である。 実施例１の補正データを作成する処理の流れの一例を示す図である。 実施例１の補正データの作成に用いる計測物質の一例を示す図である。 実施例１の補正データの一例を示す図である。 実施例１の物質弁別の処理の流れの一例を示す図である。 実施例２の補正データを作成する処理の流れの一例を示す図である。 実施例２の補正データの作成に用いる計測ファントムの一例を示す図である。 実施例２の補正データの一例を示す図である。 実施例２の物質弁別の処理の流れの一例を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る物質弁別装置及び物質弁別方法の実施例について説明する。なお、以下の説明及び添付図面では、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、放射線がＸ線である例について述べる。

図１は物質弁別装置１のハードウェア構成を示す図である。物質弁別装置1は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)２、メモリ３、記憶装置４、ネットワークアダプタ５がシステムバス６によって信号送受可能に接続されて構成される。また物質弁別装置１は、ネットワーク９を介して医用画像撮影装置１０や医用画像データベース１１と信号送受可能に接続されるとともに、表示装置７と入力装置８が接続される。ここで、「信号送受可能に」とは、電気的、光学的に有線、無線を問わずに、相互にあるいは一方から他方へ信号送受可能な状態を示す。

ＣＰＵ２は、各構成要素の動作を制御する装置である。ＣＰＵ２は、記憶装置４に格納されるプログラムやプログラム実行に必要なデータをメモリ３にロードして実行し、複数のエネルギーレベルに分けられたＸ線データから物質を弁別する。メモリ３は、ＣＰＵ２が実行するプログラムや演算処理の途中経過を記憶するものである。記憶装置４は、ＣＰＵ２が実行するプログラムやプログラム実行に必要なデータを格納する装置であり、具体的にはＨＨＤ(Hard Disk Drive)やＳＳＤ(Solid state Drive)等である。ネットワークアダプタ５は、物質弁別装置１をＬＡＮ、電話回線、インターネット等のネットワーク９に接続するためのものである。ＣＰＵ２が扱う各種データはＬＡＮ(Local Area Network)等のネットワーク９を介して物質弁別装置１の外部と送受信されても良い。

表示装置７は、物質弁別装置１の処理結果等を表示する装置であり、具体的には液晶ディスプレイ等である。入力装置８は、操作者が物質弁別装置１に対して操作指示を行う操作デバイスであり、具体的にはキーボードやマウス、タッチパネル等である。マウスはトラックパッドやトラックボール等の他のポインティングデバイスであっても良い。

医用画像撮影装置１０は、被写体の断層画像等の医用画像を取得する装置である。医用画像撮影装置１０は、例えば複数のエネルギーレベルに分けられたＸ線データを取得するＰＣＣＴ（Photon Counting Computed Tomography）装置であり、図２を用いて後述する。医用画像データベース１１は、医用画像撮影装置１０によって取得された複数のエネルギーレベルに分けられたＸ線データ等を記憶するデータベースシステムである。

図２を用いて医用画像撮影装置１０の一例であるＰＣＣＴ装置１００の全体構成を説明する。ＰＣＣＴ装置１００は、入出力部２００と撮影部３００と統括制御部４００を備える。

入出力部２００は、入力装置２１０とモニタ２２０を有する。入力装置２１０は操作者が撮影条件等を入力するときに用いられる装置であり、例えばマウスやキーボードである。モニタ２２０は入力された撮影条件等が出力される表示装置であり、タッチパネル機能を有する場合は入力装置２１０としても用いられる。

撮影部３００は、被写体１０１の投影データを様々な投影角度で取得するために、Ｘ線源３１０、Ｘ線検出器３２０、ガントリ３３０、テーブル１０２、および撮影制御部３４０を備える。なお取得される投影データは、複数のエネルギーレベルに分けられる。

Ｘ線源３１０はＸ線を被写体１０１に照射する装置である。Ｘ線源３１０と被写体１０１との間にはコリメータ３１１が備えられる。コリメータ３１１は、被写体１０１に照射されるＸ線のｚ方向の長さを調節する装置である。

Ｘ線検出器３２０は被写体１０１で散乱せずに透過したＸ線である直接線を検出する装置であり、複数の検出素子３２１を有する。検出素子３２１は、Ｘ線源３１０のＸ線発生点から等距離、例えば１０００ｍｍの距離に１０００個配置される。検出素子３２１はＸ線を検出する素子であり、一つの素子に入射するＸ線の量に応じた電気信号を出力する。検出素子３２１はｘｙ面に配列され、例えば０．５ｍｍ角のサイズを有する。検出素子３２１は、シンチレータ素子とフォトダイオード素子を組み合わせた間接型検出素子でも良いし、ＣｄＴｅに代表される半導体検出素子であっても良い。間接型検出素子では、入射するＸ線によってシンチレータ素子が蛍光を発し、その蛍光がフォトダイオード素子で電気信号に変換される。

検出素子３２１は、入射するＸ線を図３に示すように、複数のエネルギーレベルに分けて検出する。図３には、Ｔ１～Ｔ２、Ｔ２～Ｔ３、Ｔ３～Ｔ４、Ｔ４～Ｔ５、Ｔ５～の五つのエネルギーレベルに分けられて検出されるＸ線が、Ｂｉｎ１、Ｂｉｎ２、Ｂｉｎ３、Ｂｉｎ４、Ｂｉｎ５として示される。なお、複数のエネルギーレベルに分けられて検出されたＸ線から、様々な組み合わせのエネルギーレベルのＸ線が算出されても良い。例えば、Ｂｉｎ１、Ｂｉｎ２、Ｂｉｎ３、Ｂｉｎ４、Ｂｉｎ５のＸ線強度から、Ｂｉｎ１＋Ｂｉｎ２のＸ線強度とＢｉｎ３＋Ｂｉｎ４＋Ｂｉｎ５のＸ線強度とが算出されても良い。

図２の説明に戻る。ガントリ３３０の中央には、被写体１０１が載置されるテーブル１０２を配置するための円形の開口部３３１が設けられる。開口部３３１の直径は例えば７００ｍｍである。ガントリ３３０内には、Ｘ線源３１０とＸ線検出器３２０を搭載し、Ｘ線源３１０とＸ線検出器３２０を被写体１０１の周りで回転させる回転板３３２が備えられる。テーブル１０２は、ガントリ３３０に対する被写体１０１の位置を調整するためにｚ方向に移動する。

撮影制御部３４０は、Ｘ線制御部３４１、ガントリ制御部３４２、テーブル制御部３４３、検出器制御部３４４を有する。Ｘ線制御部３４１はＸ線源３１０に印加される電圧等を制御する。ガントリ制御部３４２は、回転板３３２の回転を制御し、例えば１．０ｓ／回で回転板３３２を回転させる。検出器制御部３４４は、Ｘ線検出器３２０によるＸ線の検出を制御し、例えば０．４度／回でＸ線検出器３２０にＸ線を検出させる。テーブル制御部３４３は、テーブル１０２の移動を制御する。

統括制御部４００は、ＣＰＵ４０１、メモリ４０２、記憶装置４０３を有し、Ｘ線制御部３４１、ガントリ制御部３４２、テーブル制御部３４３、検出器制御部３４４を制御するともに、Ｘ線検出器３２０によって取得された投影データ等に様々な処理を施す。例えば、入力装置２１０にて設定された撮影条件に従って取得された投影データから断層画像を再構成する処理を統括制御部４００が実行する。断層画像はエネルギーレベル毎に再構成されても良い。また再構成された断層画像や再構成処理に用いられた投影データは、モニタ２２０に表示されたり、記憶装置４０３に格納されたりし、エネルギーレベル毎に扱われても良い。

なお統括制御部４００は、物質弁別装置１としても機能させられる。その際、ＣＰＵ４０１はＣＰＵ２に、メモリ４０２はメモリ３に、記憶装置４０３は記憶装置４にそれぞれ対応する。

図４を用いて本実施例の要部について説明する。なおこれらの要部は、専用のハードウェアで構成されても良いし、ＣＰＵ２上で動作するソフトウェアで構成されても良い。以降の説明では本実施例の要部がソフトウェアで構成された場合について説明する。本実施例の要部の説明に先立ち、複数のエネルギーレベルに分けられた投影データから三つの物質を弁別するときに用いられる式について説明する。

複数のエネルギーレベルに分けられた投影データＰ（Ｅ）は、物質Ａ、物質Ｂ、物質Ｃの線減弱係数μ_Ａ（Ｅ）、μ_Ｂ（Ｅ）、μ_Ｃ（Ｅ）を用いることにより次式で表される。

Ｐ（Ｅ）＝－μ_Ａ（Ｅ）ｘ_Ａ－μ_Ｂ（Ｅ）ｘ_Ｂ－μ_Ｃ（Ｅ）ｘ_Ｃ … （１）
ここで、ＥはＸ線のエネルギー、ｘ_Ａ、ｘ_Ｂ、ｘ_Ｃは投影線上での各物質の長さである。

物質弁別とは投影データＰ（Ｅ）から各物質の長さｘ_Ａ、ｘ_Ｂ、ｘ_Ｃを求めることである。物質弁別される物質数の増加にともない、物質数に応じたエネルギーレベル数の投影データが必要になり、三つ以上の物質を一度に弁別するときの演算量は著しく増大する。そこで本実施例では演算量を低減するために、二つの物質に弁別する処理である二物質弁別を繰り返すことによって三つ以上の物質に弁別する。二物質弁別の演算量は、一度に三つ以上の物質に弁別するときの演算量よりも少なく、二物質弁別が繰り返されてもトータルの演算量を低減できる。以降で、物質Ａ、物質Ｂ、物質Ｃの三つの物質に弁別する場合を例として、二物質弁別に用いられる式を導出する。

まず、式（１）に係数α（Ｅ）を導入してμ_Ｃ（Ｅ）ｘ_Ｃの項を書き換えることにより、二物質弁別の形式の次式を得る。

Ｐ（Ｅ）＝－μ_Ａ（Ｅ）（ｘ_Ａ＋（α（Ｅ）μ_Ｃ（Ｅ）／μ_Ａ（Ｅ））ｘ_Ｃ）
－μ_Ｂ（Ｅ）(ｘ_Ｂ＋（（１－α（Ｅ））μ_Ｃ（Ｅ）／ μ_Ｂ（Ｅ））ｘ_Ｃ) … （２）
式（２）と同様に、式（１）に係数β（Ｅ）を導入してμ_Ａ（Ｅ）ｘ_Ａの項を、係数γ（Ｅ） を導入してμ_Ｂ（Ｅ）ｘ_Ｂの項を書き換えることにより次式を得る。

Ｐ（Ｅ）＝－μ_Ｂ（Ｅ）（ｘ_Ｂ＋（β（Ｅ）μ_Ａ（Ｅ）／μ_Ｂ（Ｅ））ｘ_Ａ）
－μ_Ｃ（Ｅ）(ｘ_Ｃ＋（（１－β（Ｅ））μ_Ａ（Ｅ）／ μ_Ｃ（Ｅ））ｘ_Ａ) … （３）
Ｐ（Ｅ）＝－μ_Ｃ（Ｅ）（ｘ_Ｃ＋（γ（Ｅ）μ_Ｂ（Ｅ）／μ_Ｃ（Ｅ））ｘ_Ｂ）
－μ_Ａ（Ｅ）(ｘ_Ａ＋（（１－γ（Ｅ））μ_Ｂ（Ｅ）／ μ_Ａ（Ｅ））ｘ_Ｂ) … （４）
一方、投影データＰ（Ｅ）から物質Ａと物質Ｂを弁別する場合、投影線上での物質Ａ、物質Ｂの長さをＸ_ＡＢ－Ａ、Ｘ_ＡＢ－Ｂとすると次式が成り立つ。

Ｐ（Ｅ）＝－μ_Ａ（Ｅ）Ｘ_ＡＢ－Ａ－μ_Ｂ（Ｅ）Ｘ_ＡＢ－Ｂ … （５）
式（５）と同様に、投影データＰ（Ｅ）から物質Ｂと物質Ｃを弁別する場合や、物質Ｃと物質Ａを弁別する場合、次式が成り立つ。なおＸ_ＢＣ－Ｂ、Ｘ_ＢＣ－Ｃは物質Ｂと物質Ｃに弁別するときの投影線上での物質Ｂ、物質Ｃの長さ、Ｘ_ＣＡ－Ｃ、Ｘ_ＣＡ－Ａは物質Ｃと物質Ａに弁別するときの投影線上での物質Ｃ、物質Ａの長さである。

Ｐ（Ｅ）＝－μ_Ｂ（Ｅ）Ｘ_ＢＣ－Ｂ－μ_Ｃ（Ｅ）Ｘ_ＢＣ－Ｃ … （６）
Ｐ（Ｅ）＝－μ_Ｃ（Ｅ）Ｘ_ＣＡ－Ｃ－μ_Ａ（Ｅ）Ｘ_ＣＡ－Ａ … （７）
そして、式（２）と式（５）、式（３）と式（６）、式（４）と式（７）の各項を対比することにより次式が得られる。

Ｘ_ＡＢ－Ａ＝ｘ_Ａ＋（α（Ｅ）μ_Ｃ（Ｅ）／μ_Ａ（Ｅ））ｘ_Ｃ … （８）
Ｘ_ＡＢ－Ｂ＝ｘ_Ｂ＋（（１－α（Ｅ））μ_Ｃ（Ｅ）／ μ_Ｂ（Ｅ））ｘ_Ｃ … （９）
Ｘ_ＢＣ－Ｂ＝ｘ_Ｂ＋（β（Ｅ）μ_Ａ（Ｅ）／μ_Ｂ（Ｅ））ｘ_Ａ … （１０）
Ｘ_ＢＣ－Ｃ＝ｘ_Ｃ＋（（１－β（Ｅ））μ_Ａ（Ｅ）／ μ_Ｃ（Ｅ））ｘ_Ａ … （１１）
Ｘ_ＣＡ－Ｃ＝ｘ_Ｃ＋（γ（Ｅ）μ_Ｂ（Ｅ）／μ_Ｃ（Ｅ））ｘ_Ｂ）… （１２）
Ｘ_ＣＡ－Ａ＝ ｘ_Ａ＋（（１－γ（Ｅ））μ_Ｂ（Ｅ）／ μ_Ａ（Ｅ））ｘ_Ｂ … （１３）
ここで、物質Ｃ単体の投影データＰ_Ｃ（Ｅ）を異なるエネルギーレベルＥ_１とＥ_２において計測した投影データＰ_Ｃ（Ｅ_１）とＰ_Ｃ（Ｅ_２）を、式（５）に代入することにより得られる次の連立方程式を解くことにより、Ｘ_ＡＢ－ＡとＸ_ＡＢ－Ｂが算出される。

Ｐ_Ｃ（Ｅ_１）＝－μ_Ａ（Ｅ_１） Ｘ_ＡＢ－Ａ－μ_Ｂ（Ｅ_１）Ｘ_ＡＢ－Ｂ … （１４）
Ｐ_Ｃ（Ｅ_２）＝－μ_Ａ（Ｅ_２） Ｘ_ＡＢ－Ａ－μ_Ｂ（Ｅ_２）Ｘ_ＡＢ－Ｂ … （１５）
なおμ_Ａ（Ｅ）とμ_Ｂ（Ｅ）には、既知の長さの物質Ａ、物質Ｂに対する投影データＰ_Ａ（Ｅ）、Ｐ_Ｂ（Ｅ）を用いて算出した値や、ＮＩＳＴ（National Institute of Standards and Technology）に公開される理論値が用いられる。なお、エネルギーレベルがＴ１～Ｔ２のような範囲である場合、中央値（Ｔ１＋Ｔ２）／２における線減弱係数や、Ｔ１～Ｔ２でのエネルギースペクトルから求められる平均値における線減弱係数が用いられる。

また長さｘ_Ｃが既知の物質Ｃ単体の投影データＰ_Ｃ（Ｅ）が計測される場合、式（１４）、式（１５）の連立方程式から算出されるＸ_ＡＢ－Ａとｘ_Ａ＝０を式（８）に代入することにより、α（Ｅ）が求められる。求められたα（Ｅ）は補正データとして記憶装置４に格納される。なお式（９）においても、投影データＰ_Ｃ（Ｅ）から算出されるＸ_ＡＢ－Ｂとｘ_Ｂ＝０を代入することにより、α（Ｅ）が求められる。

そしてα（Ｅ）と同様に、長さｘ_Ｂが既知の物質Ｂ単体の投影データＰ_Ｂ（Ｅ）や長さｘ_Ａが既知の物質Ａ単体の投影データＰ_Ａ（Ｅ）と、式（１０）～式（１３）を用いることにより、β（Ｅ）やγ（Ｅ）が求められ、補正データとして記憶装置４に格納される。

α（Ｅ）、β（Ｅ）、γ（Ｅ）が定められた式（８）～式（１３）は、被写体１０１の投影データＰ（Ｅ）の二物質弁別の結果が代入されることにより、被写体１０１内を三つの物質に弁別する処理に使用できる。例えばＸ_ＡＢ－Ａが式（８）に、Ｘ_ＡＢ－Ｂが式（９）に、Ｘ_ＣＡ－Ｃが式（１２）にそれぞれ代入されることよって長さｘ_Ａ、ｘ_Ｂ、ｘ_Ｃに関する連立方程式が得られ、連立方程式から長さｘ_Ａ、ｘ_Ｂ、ｘ_Ｃが求められることにより被写体１０１内が三つの物質に弁別される。なお、ｘ_Ａ、ｘ_Ｂ、ｘ_Ｃに関する連立方程式において、いずれかのエネルギーレベルを他と異なるエネルギーレベルとする。例えば、式（８）と式（９）ではエネルギーレベルＥ_１とし、式（１２）ではエネルギーレベルＥ_２とする。

図４の説明に戻る。本実施例は、データ入力部４１１、弁別処理部４１２を備える。また記憶装置４には、ＰＣＣＴ装置１００で取得された複数のエネルギーレベルに分けられた投影データや補正データα（Ｅ）、β（Ｅ）、γ（Ｅ）が記憶される。以下、各構成部について説明する。

データ入力部４１１には、被写体１０１から得られる複数のエネルギーレベルに分けられた投影データが入力される。データ入力部４１１は、複数のエネルギーレベルに分けられた投影データをＰＣＣＴ装置１００から取得しても良いし、記憶装置４や医用画像データベース１１等に格納される投影データを読み出しても良い。データ入力部４１１に入力された被写体１０１の投影データは弁別処理部４１２に送信される。

弁別処理部４１２は、データ入力部４１１から受信した被写体１０１の投影データと記憶装置４に記憶される補正データとを用いて、二つの物質に弁別する処理を繰り返すことによって被写体１０１内を三つ以上の物質に弁別する。弁別処理部４１２が使用する補正データは、厚さと材質が既知の単一物質を用いて予め作成される。

図５を用いて、本実施例の補正データを作成する処理の流れの一例について説明する。なお、図５では、三つの物質の弁別に用いられる補正データを作成する場合について説明する。

（Ｓ５０１）
材質及び厚さが既知の三つの物質、例えばアルミニウム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリルの投影データがＰＣＣＴ装置１００によって計測される。これらの物質以外にも、水やカルシウム等の人体構成物質や、ヨード造影剤やインプラントに用いられるチタン等の人体内に入れられる物質が計測されても良い。さらにｋエッジイメージングを行うために、金等の造影剤が計測されても良い。なお計測される物質が液体である場合、液体を封入する密閉容器が用いられるので、密閉容器の影響が補正されることが好ましい。

図６に、投影データが計測される物質である計測物質１０３の一例を示す。計測物質１０３は、例えば厚さ５ｃｍの平板であり、開口部３３１内に配置される。平板の厚さは物質毎に変更されても良い。Ｘ線源３１０とＸ線検出器３２０との間には、計測物質１０３以外は配置されないことが好ましい。計測物質１０３が開口部３３１内に配置された状態で回転板３３２を回転させずに、複数のエネルギーレベルに分けられた投影データが計測される。計測物質１０３が平板である場合、各検出素子３２１の投影線上の長さは、投影線と平板とがなす角度に応じて異なるので、各検出素子３２１において適宜補正される。

また各検出素子３２１の投影線上の長さが等しくなるように、湾曲させた形状の計測物質１０３が用いられても良い。さらに、計算機上の仮想の計測物質を用いたモンテカルロシミュレーションによって、材質と厚さが既知である単一物質の投影データが取得されても良い。モンテカルロシミュレーションを用いる場合、計測物質として水のような液体を単体で扱うことができる。

（Ｓ５０２）
物質弁別装置１はＳ５０１で計測された投影データを、計測された物質以外の二つの物質に弁別し、補正データを作成する。具体的な手順を、アルミニウムの投影データＰ_{アルミニウム}（Ｅ）をＰＴＦＥとアクリルに弁別する場合について説明する。なお式（１）～式（１５）において、物質ＡをＰＴＥＦ、物質Ｂをアクリル、物質Ｃをアルミニウムとする。

まず既知の厚さのアルミニウム単体について計測された複数のエネルギーレベルの投影データＰ_{アルミニウム}（Ｅ_１）とＰ_{アルミニウム}（Ｅ_２）を式（５）に代入して、式（１４）と式（１５）のような連立方程式を得る。次に得られた連立方程式から、Ｐ_{アルミニウム}（Ｅ）をＰＴＦＥとアクリルに弁別したときの長さＸ_{ＰＴＦＥアクリル-ＰＴＦＥ}とＸ_{ＰＴＦＥアクリル-アクリル}をそれぞれ算出する。なおμ_ＰＴＦＥ（Ｅ）やμ_アクリル（Ｅ）は、別途計測されるＰＴＦＥ単体やアクリル単体の投影データＰ_ＰＴＦＥ（Ｅ）やＰ_アクリル（Ｅ）から算出される。そして算出されたＸ_{ＰＴＦＥアクリル-ＰＴＦＥ}、ｘ_ＰＴＦＥ＝０、アルミニウム単体の厚さを式（８）に代入することにより、α（Ｅ）が求められ、補正データとして記憶装置４に格納される。なおμ_{アルミニウム}（Ｅ）はＰ_{アルミニウム}（Ｅ）から算出される。

そして、アルミニウム単体の投影データＰ_{アルミニウム}（Ｅ）から補正データα（Ｅ）が求められる場合と同様に、ＰＴＦＥ単体の投影データＰ_ＰＴＦＥ（Ｅ）から補正データβ（Ｅ）が、アクリル単体の投影データＰ_アクリル（Ｅ）から補正データγ（Ｅ）が各々求められる。補正データα（Ｅ）、β（Ｅ）、γ（Ｅ）は、エネルギーレベル毎及び検出素子３２１毎に求められ、図７に示すテーブルのように格納される。

以上の処理の流れによって、三つの物質の内のいずれかの物質を他の二つの物質に弁別することにより、三つの物質に弁別するときに用いられる補正データが生成される。なお弁別される物質数は、図５にて説明した三つに限定されず四つ以上に拡張可能であり、その数に応じて補正データの数も拡張される。

図８を用いて、被写体１０１の投影データから三つの物質を弁別する本実施例の処理の流れの一例について説明する。

（Ｓ８０１）
ＰＣＣＴ装置１００の統括制御部４００は、被写体１０１を撮影するための条件である撮影条件を受け付ける。撮影条件は、操作者によって入力装置２１０から入力され、例えば、Ｘ線源３１０の管電流と管電圧、コリメータ３１１の開き幅、被写体１０１の体軸方向における撮影範囲、回転板３３２の回転速度等が含まれる。また、予め登録された複数の撮影条件の中の一つが選択されることによって、撮影条件が設定されても良い。

（Ｓ８０２）
統括制御部４００が、Ｓ８０１にて設定された撮影条件に従って、Ｘ線制御部３４１、ガントリ制御部３４２、テーブル制御部３４３、検出器制御部３４４を制御することによって、被写体１０１の撮影が実行される。具体的な撮影手順について説明する。

まず被写体１０１がテーブル１０２上に載置される。その後、統括制御部４００がテーブル制御部３４３にテーブル１０２の移動を指示することにより、ガントリ３３０の撮影位置に被写体１０１が配置される。被写体１０１の配置が完了した後、統括制御部４００がガントリ制御部３４２に回転板３３２の回転を指示することにより、Ｘ線源３１０とＸ線検出器３２０が被写体１０１の周りを回転し始める。

回転板３３２が定速回転に達すると、統括制御部４００がＸ線制御部３４１にＸ線源３１０からのＸ線照射を指示するとともに、検出器制御部３４４にＸ線検出器３２０によるＸ線検出を指示する。Ｘ線検出器３２０によって検出された検出データは複数のエネルギーレベルに分けられて記憶装置４０３に格納される。さらに、統括制御部４００がテーブル制御部３４３にテーブル１０２の移動を指示することによって、Ｓ８０１にて設定された撮影範囲において、様々な投影角度からの投影データが取得される。

撮影範囲の撮影が終了すると、統括制御部４００はＸ線源３１０からのＸ線照射とＸ線検出器３２０によるＸ線検出を停止させるとともに、テーブル１０２を所定の位置に戻す。

以上の撮影手順により、被写体１０１の投影データが様々な投影角度から複数のエネルギーレベルに分けられて取得され、記憶装置４に格納される。なお、記憶装置４や医用画像データベース１１に格納された投影データを用いて物質弁別がなされる場合は、Ｓ８０１とＳ８０２の処理は実行されなくても良い。

（Ｓ８０３）
データ入力部４１１に、複数のエネルギーレベルに分けられて取得された投影データが入力される。データ入力部４１１に入力される被写体１０１の投影データＰ_被写体（Ｅ）は、Ｓ８０２にて取得されたデータでも良いし、予め記憶装置４等に格納されたデータでも良い。データ入力部４１１は、入力された投影データＰ_被写体（Ｅ）を弁別処理部４１２に送信する。

弁別処理部４１２は、投影データＰ_被写体（Ｅ）に対して二物質弁別を複数回実施し、二物質弁別によって得られたデータを用いて、三つの物質の投影線上の各長さの算出、すなわち三物質弁別を実行する。具体的な手順を、三つの物質がアルミニウム、ＰＴＦＥ、アクリルである場合を例として説明する。なお式（１）～式（１５）において、物質ＡをＰＴＥＦ、物質Ｂをアクリル、物質Ｃをアルミニウムとする。

まず式（５）～（７）の中の少なくとも二つを用いて投影データＰ_被写体（Ｅ）に対して二物質弁別を少なくとも二回実行する。例えば、Ｐ_被写体（Ｅ）に対して、式（５）を用いてＰＴＦＥとアクリルに弁別したときの各長さＸ_{ＰＴＦＥアクリル-ＰＴＦＥ}とＸ_{ＰＴＦＥアクリル-アクリル}を算出し、式（７）を用いてアルミニウムとＰＴＦＥに弁別したときの長さＸ_{アルミニウムＰＴＦＥ-アルミニウム}とＸ_{アルミニウムＰＴＦＥ-ＰＴＦＥ}を算出する。

次に式（８）にＸ_{ＰＴＦＥアクリル-ＰＴＦＥ}と補正データα（Ｅ）を、式（９）にＸ_{ＰＴＦＥアクリル-アクリル}と補正データα（Ｅ）を、式（１２）にＸ_{アルミニウムＰＴＦＥ-アルミニウム}と補正データγ（Ｅ）を、それぞれ代入することによって、長さｘ_ＰＴＦＥ、ｘ_アクリル、ｘ_{アルミニウム}に関する連立方程式を得る。補正データα（Ｅ）、γ（Ｅ）は記憶装置４から読み出され、連立方程式に含まれるμ_ＰＴＦＥ（Ｅ）、μ_アクリル（Ｅ）、μ_{アルミニウム}（Ｅ）は、補正データの作成時に取得されたＰ_ＰＴＦＥ（Ｅ）、Ｐ_アクリル（Ｅ）、Ｐ_{アルミニウム}（Ｅ）から算出されても良いし、理論値が用いられても良い。ただし、連立方程式の中の少なくとも一つの式は、他の式とは異なるエネルギーレベルが用いられる。

そして得られた連立方程式から長さｘ_ＰＴＦＥ、ｘ_アクリル、ｘ_{アルミニウム}が求められることよって、三物質弁別がなされる。

以上の手順が実行されることにより、投影角度毎の各投影データがＰＴＦＥ、アクリル、アルミニウムの三つの物質に弁別される。弁別された結果である物質毎の投影データは、記憶装置4に格納される。

なお、Ｐ_被写体（Ｅ）に対する二物質弁別として、式（６）を用いたアクリルとアルミニウムとの弁別が実行されても良い。式（６）が用いられた場合は、Ｘ_{アクリルアルミニウム-アクリル}とＸ_{アクリルアルミニウム-アルミニウム}が算出されるので、三物質弁別のための連立方程式には式（１０）と式（１１）の少なくとも一方が用いられる。

（Ｓ８０４）
物質弁別装置１またはＰＣＣＴ装置１００の統括制御部４００は、Ｓ８０３にて弁別された物質毎の投影データを用いて物質毎の断層画像を再構成する。再構成には、ＦｅｌｄＫａｍｐ法や逐次近似再構成法が用いられる。再構成された物質毎の断層画像は、表示装置７等に表示され、被写体１０１の診断等に用いられる。また物質毎の断層画像は、互いに重畳されて表示されても良い。

以上説明した処理の流れにより、複数のエネルギーレベルに分けられて取得された被写体１０１の投影データから、三つの物質に弁別した物質毎の投影データを得ることができる。なお本実施例の処理の流れでは、比較的演算量が少ない二物質弁別が用いられるので、三つの物質に弁別するときの演算量を低減できる。その結果、三物質弁別に要する演算時間を従来の約三分の一に短縮できた。

なお弁別される物質数は、図８にて説明した三つに限定されず四つ以上に拡張可能であり、その数に応じて連立方程式の数も拡張される。また弁別される物質数をＮとするときＳ８０３にて実行される二物質弁別の回数はＮ－１回以上であれば良い。二物質弁別の回数を制限することにより演算量をさらに低減できる。

実施例1では被写体１０１の投影データを三つ以上の物質に弁別することについて説明した。本実施例では、被写体１０１の画像データを三つ以上の物質に弁別することについて説明する。なお、実施例１と同じ機能を有する構成物については同じ符号を付与して説明を省略する。

図９を用いて、本実施例の補正データを作成する処理の流れの一例について説明する。なお、図９では、三つの物質の弁別に用いられる補正データを作成する場合について説明する。

（Ｓ９０１）
材質及び大きさが既知の三つの物質、例えばアルミニウム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリルの投影データがＰＣＣＴ装置１００によって計測される。これらの物質以外にも、水やカルシウム等の人体構成物質や、ヨード造影剤やインプラントに用いられるチタン等の人体内に入れられる物質が計測されても良い。さらにｋエッジイメージングを行うために、金等の造影剤が計測されても良い。

図１０に、投影データが計測される物質のファントムである計測ファントム１０４の一例を示す。計測ファントム１０４は、例えば直径５ｃｍの円柱形状のファントムであり、開口部３３１の中心に配置される。円柱の直径は物質毎に変更されても良い。Ｘ線源３１０とＸ線検出器３２０との間には、計測ファントム１０４以外は配置されないことが好ましい。計測ファントム１０４が開口部３３１の中心に配置された状態で回転板３３２を回転させながら、複数のエネルギーレベルに分けられた投影データが計測される。

また、計算機上の仮想の計測ファントムを用いたモンテカルロシミュレーションによって、材質と大きさが既知である単一物質の投影データが取得されても良い。モンテカルロシミュレーションを用いる場合、計測ファントムとして水のような液体を単体で扱うことができる。

（Ｓ９０２）
物質弁別装置１またはＰＣＣＴ装置１００の統括制御部４００は、Ｓ９０１にて取得された投影データを用いて物質毎の断層画像を再構成する。再構成には、ＦｅｌｄＫａｍｐ法や逐次近似再構成法が用いられる。

（Ｓ９０３）
物質弁別装置１はＳ９０２で再構成された断層画像の画素値を、Ｓ９０１で計測された物質以外の二つの物質に弁別し、補正データを作成する。断層画像の画素値ｐについては、式（１）の代わりとして次式が成り立つ。

（ｐ＋１０００）μ_水（Ｅ）／１０００
＝μ_Ａ（Ｅ）ｐ_Ａ＋μ_Ｂ（Ｅ）ｐ_Ｂ＋μ_Ｃ（Ｅ）ｐ_Ｃ … （１６）
ここでμ_水（Ｅ）は水の線減弱係数、μ_Ａ（Ｅ）、μ_Ｂ（Ｅ）、μ_Ｃ（Ｅ）は物質Ａ、物質Ｂ、物質Ｃの線減弱係数、ｐ_Ａ、ｐ_Ｂ、ｐ_Ｃは物質Ａ、物質Ｂ、物質Ｃの断層画像の画素値である。

式（１）と式（１６）の対比から、Ｐ（Ｅ）を（ｐ＋１０００）μ_水（Ｅ）／１０００に、ｘ_Ａ、ｘ_Ｂ、ｘ_Ｃをｐ_Ａ、ｐ_Ｂ、ｐ_Ｃに各々読み替えることにより、投影データの場合と同様に、式（５）～式（１３）を用いて補正データα（Ｅ）、β（Ｅ）、γ（Ｅ）が求められる。補正データα（Ｅ）、β（Ｅ）、γ（Ｅ）はエネルギーレベル毎に求められ、図１１に示すテーブルのように格納される。

以上の処理の流れによって、三つの物質の内のいずれかの物質を他の二つの物質に弁別することにより、三つの物質に弁別するときに用いられる補正データが生成される。なお弁別される物質数は、図９にて説明した三つに限定されず四つ以上に拡張可能であり、その数に応じて補正データの数も拡張される。

図１２を用いて、被写体１０１の画像データから三つの物質を弁別する本実施例の処理の流れの一例について説明する。

（Ｓ１２０１）
ＰＣＣＴ装置１００の統括制御部４００は、被写体１０１を撮影するための条件である撮影条件を、Ｓ８０１と同様に、受け付ける。

（Ｓ１２０２）
統括制御部４００が、Ｓ１２０１にて設定された撮影条件に従って、Ｘ線制御部３４１、ガントリ制御部３４２、テーブル制御部３４３、検出器制御部３４４を制御することによって、Ｓ８０２と同様に、被写体１０１の撮影が実行される。本ステップにより、複数のエネルギーレベルに分けられた被写体１０１の投影データが取得される。

（Ｓ１２０３）
物質弁別装置１またはＰＣＣＴ装置１００の統括制御部４００は、Ｓ１２０２にて取得された投影データを用いて被写体１０１の断層画像をエネルギーレベル毎に再構成する。再構成には、ＦｅｌｄＫａｍｐ法や逐次近似再構成法が用いられる。

（Ｓ１２０４）
データ入力部４１１に、エネルギーレベル毎に再構成された被写体１０１の断層画像が入力される。データ入力部４１１に入力される被写体１０１の断層画像は、Ｓ１２０３にて再構成された画像でも良いし、予め記憶装置４等に格納された画像でも良い。データ入力部４１１は、入力された被写体１０１の断層画像を弁別処理部４１２に送信する。

弁別処理部４１２は、被写体１０１の断層画像の画素値に対して二物質弁別を複数回実施し、二物質弁別によって得られた画素値を用いて、三つの物質の画素値の算出、すなわち三物質弁別を実行する。式（１）と式（１６）の対比から、Ｐ（Ｅ）を（ｐ＋１０００）μ_水（Ｅ）／１０００に、ｘ_Ａ、ｘ_Ｂ、ｘ_Ｃをｐ_Ａ、ｐ_Ｂ、ｐ_Ｃに各々読み替えることにより、投影データの場合と同様の手順で三物質弁別できるので、詳細な説明を省略する。

以上説明した処理の流れにより、複数のエネルギーレベルに分けられて取得された被写体１０１の断層画像から、三つの物質に弁別した物質毎の断層画像を得ることができる。なお本実施例の処理の流れでは、比較的演算量が少ない二物質弁別が用いられるので、三つの物質に弁別するときの演算量を低減できる。なお弁別される物質数は、図１２にて説明した三つに限定されず四つ以上に拡張可能であり、その数に応じて連立方程式の数も拡張される。

また投影データの物質弁別をする実施例１ではパイルアップやチャージシェアリングによるＸ線検出器３２０の非線形応答を物質弁別とともに逐次演算によって補正する必要があるのに対し、本実施例では非線形応答の補正と物質弁別を分離可能である。そのため、画像データの物質弁別をする本実施例は実施例１に比べて、物質弁別画像の提示に要する時間を短縮できる。

以上、本発明の物質弁別装置及び物質弁別方法の実施例について説明した。なお、本発明の物質弁別装置及び物質弁別方法は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１：物質弁別装置、２：ＣＰＵ、３：メモリ、４：記憶装置、５：ネットワークアダプタ、６：システムバス、７：表示装置、８：入力装置、１０：医用画像撮影装置、１１：医用画像データベース、１００：ＰＣＣＴ装置、１０１：被写体、１０２：テーブル、１０３：計測物質、１０４：計測ファントム、２００：入出力部、２１０：入力装置、２２０：モニタ、３００：撮影部、３１０：Ｘ線源、３１１：コリメータ、３２０：Ｘ線検出器、３２１：検出素子、３３０：ガントリ、３３１：開口部、３３２：回転板、３４０：撮影制御部、３４１：Ｘ線制御部、３４２：ガントリ制御部、３４３：テーブル制御部、３４４：検出器制御部、４００：統括制御部、４０１：ＣＰＵ、４０２：メモリ、４０３：記憶装置、４１１：データ入力部、４１２：弁別処理部

Claims (8)

1. 被写体内の物質を弁別する物質弁別装置であって、
   三つ以上の物質の内のいずれかの物質を他の二つの物質に弁別することにより予め生成される補正データを記憶するデータ記憶部と、
   複数のエネルギーレベルに分けられた前記被写体の放射線データが入力されるデータ入力部と、
   異なるエネルギーレベルの放射線データと前記補正データとを用いて、前記三つ以上の物質の内の二つの物質に弁別する二物質弁別を繰り返すことによって前記被写体内を前記三つ以上の物質に弁別する弁別処理部を備えることを特徴とする物質弁別装置。
2. 請求項１に記載の物質弁別装置であって、
   弁別される物質数がＮであるとき、前記弁別処理部が繰り返す二物質弁別の回数がＮ－１以上であることを特徴とする物質弁別装置。
3. 請求項１に記載の物質弁別装置であって、
   前記放射線データは前記被写体の投影データであることを特徴とする物質弁別装置。
4. 請求項３に記載の物質弁別装置であって、
   前記補正データはエネルギーレベル毎及び放射線検出器の検出素子毎に取得されることを特徴とする物質弁別装置。
5. 請求項１に記載の物質弁別装置であって、
   前記放射線データは前記被写体の画像データであることを特徴とする物質弁別装置。
6. 請求項５に記載の物質弁別装置であって、
   前記補正データはエネルギーレベル毎に取得されることを特徴とする物質弁別装置。
7. 請求項１に記載の物質弁別装置を備えることを特徴とするＰＣＣＴ装置。
8. 被写体内の物質を弁別する物質弁別方法であって、
   三つ以上の物質の内のいずれかの物質を他の二つの物質に弁別することにより予め生成される補正データを記憶するデータ記憶ステップと、
   複数のエネルギーレベルに分けられた前記被写体の放射線データが入力されるデータ入力ステップと、
   異なるエネルギーレベルの放射線データと前記補正データとを用いて、前記三つ以上の物質の内の二つの物質に弁別する二物質弁別を繰り返すことによって前記被写体内を前記三つ以上の物質に弁別する弁別処理ステップを備えることを特徴とする物質弁別方法。

Images