JPH04300527A - Ｃｔ装置で画像を作成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明の分野はコンピュータ断層
撮影であり、更に詳しくはＸ線減衰測定値から医用画像
を作成するために使用されるコンピュータ断層撮影（Ｃ
Ｔ）スキャナである。

【０００２】

【従来の技術】図１に示すように、人体組織の画像を作
成するために使用されるＣＴスキャナには患者台１０が
含まれており、患者台１０はガントリ１２の開口１１の
中に配置することができる。高度にコリメーションされ
たＸ線源１３がガントリ１２の中でその開口１１の片側
に取り付けられ、開口の他方の側に１個以上の検出器が
取り付けられる。患者のスキャン中、開口１１を中心と
してＸ線源１３および検出器１４が回転することにより
、患者を中心とした多数の異なる角度からのＸ線減衰測
定値が得られる。

【０００３】患者の完全な１スキャンはＸ線源１３およ
び検出器１４の離散的な角度位置で得られる一組のＸ線
減衰測定値で構成される。このような測定値の各組は当
業者により「ビュー」（ｖｉｅｗ）と呼ばれ、このよう
な各組の測定の結果は透過プロフィールである。図２に
示すように、Ｘ線源１３は扇状ビームを生じ、これは患
者を通過して検出器配列１４に突き当たる。この配列の
各検出器１４は別々の減衰信号を作成する。すべての検
出器１４からの信号が別々に取得されることにより、指
示された角度方向に対する透過プロフィールが作成され
る。次に、Ｘ線源１３および検出器配列１４が矢印１５
の方向に異なる角度位置まで回転され、そこで次の透過
プロフィールが取得される。

【０００４】各透過プロフィールに対してデータが取得
されると、信号はサンプリング、フィルタリングされ、
コンピュータメモリに記憶される。検出器からの信号は
オーバサンプリングされ、たとえば画像を再構成するの
に必要な数の２倍の数の透過プロフィールが得られる。 次に、減衰測定サンプルがディジタル低域通過フィルタ
リングされ、フィルタリングの出力が画像再構成に必要
な数の透過プロフィールを作成する速度でサンプリング
される。データが取得されるにつれて、これらのステッ
プが実時間で遂行される。

【０００５】このとき結果として得られる透過プロフィ
ールを使って画像が再構成され、この画像は患者を通し
て得られたスライスの解剖学的構造を明らかにする。画
像再構成のためによく用いられている方法には当業者に
よりフィルタ補正逆投影法（ｆｉｌｔｅｒｅｄ　　ｂａ
ｃｋ　　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
）と呼ばれている方法がある。減衰測定値は「ＣＴ数」
または「ハウンズフィールド・ユニット」（Ｈｏｕｎｓ
ｆｉｅｌｄ　　ｕｎｉｔ）と呼ばれる整数に変換され、
これらの整数を使ってＣＲＴディスプレー上の対応する
画素の明るさを制御する。

【０００６】各Ｘ線検出器１４には、シンチレータおよ
び固体ホトダイオードが含まれている。シンチレータに
当たったＸ線は光子を生じ、これらの光子はホトダイオ
ードによって吸収され、ホトダイオードは電流を生じる
。シンチレータは即座に光を放射せず、放射は多指数関
数減衰曲線に従う。実際、放射される光強度の時間依存
性は異なる減衰定数の指数関数の和として正確に模擬す
ることができる。「一次速度」という用語はこれらの指
数関数的な減衰の中で最も早いものを指し、Ｘ線のイン
パルスによって刺激された後に検出器光出力がその初期
値の１／ｅに低下する時間と定義される。

【０００７】検出器配列が患者のまわりを高速回転する
とき、指数関数的な減衰により、相次ぐビューに対する
検出器指示値がぼやける。検出器の応答時間遅れによる
このぼけは「残光」（ａｆｔｅｒｇｌｏｗ）と呼ばれ、
画像分解能のアジマス（ａｚｉｍｕｔｈ　）成分を劣化
させる。 画像領域のアジマス方向１６はイメージング開口１１の
中心からの線１７に垂直になっている。被検者が開口中
心から離れるにつれてぼけの量が増大する。これは中心
からの間隔が大きくなるにつれて、検出器１４にわたっ
て被検者を掃引する速度が事実上大きくなるからである
。

【０００８】図３は一連のビューに対する与えられた検
出器からの減衰値をプロットしたものであり、ぼけをグ
ラフ表示したものである。実線はイメージングの四角の
対象に対する数個のビューの間の単一検出器１４の出力
を表す。理想的には、検出器データは破線で表されたよ
うなパルスの形状になるべきである。しかし、残光ぼけ
の影響により、波形のへりが丸まって、対象信号が隣接
した数個のビューに及ぶ。ビューを使って画像を再構成
するとき、対象は広がって現れ、鋭い、はっきりしたへ
りが得られない。

【０００９】分解能劣化に対する明白な解決法はＸ線源
および検出器の回転速度を遅くすることである。しかし
、こうすると画像取得と患者の不快感が長引くことにな
る。従来、あるレベルの劣化は許容されてきたが、回転
スキャン周期が短くなり、例えば１秒に近づくと、画像
劣化は不満足なレベルに達する。

【００１０】もう一つの解決法は検出器の光放出を早く
する、例えば、より良い検出器を作ることである。当業
者には周知のように、放出される光の量は通常、その放
出速度とともに少なくなる。光量が少なくなる結果、検
出器出力の統計的変動が大きくなり、雑音の多い画像と
なる。注意しなければならないのは、この代替解決法で
は量子化雑音に比べて電子雑音が無視できるとき本発明
の逆重畳積分（ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）手法と同
程度に画像データに雑音が導入されるということである
。

【００１１】

【発明の概要】本発明は画像再構成に使用される透過プ
ロフィールデータを補償するための手法に関するもので
あり、更に詳しくは画像検出器の残光の影響を相殺する
ように透過プロフィールデータを変更するための手法に
関するものである。

【００１２】Ｘ線検出器の出力信号は放射に対する検出
器の応答を表す第一の核（ｋｅｒｎｅｌ）と重畳積分さ
れた、理想検出器の生じる透過プロフィールデータとし
て表すことができる。したがって、第一の核に対して数
学的に逆である核を決定し、この逆の核を実際の検出器
データと重畳積分して理想的な透過プロフィールデータ
を得ることにより、与えられた検出器からのデータを残
光の影響に対して補償することができる。

【００１３】分解能を劣化させる残光の影響によって画
像の雑音も減衰するので、補償プロセスによって透過プ
ロフィールデータに雑音が再導入される傾向がある。し
たがって、残光の影響を部分的にのみ補償することが望
ましいことがある。この場合、第一の核の変形と得られ
た理想的な透過プロフィールデータを重畳積分すること
により、データに部分的な残光の影響を加えて、分解能
を許容限界内で劣化させるが雑音を充分に減衰して再構
成時に許容し得る画像を生じることができる。

【００１４】

【発明の目的】本発明の一つの目的は検出器残光がＣＴ
スキャナ画像に及ぼす影響を打ち消す方法を提供するこ
とである。

【００１５】本発明のもう一つの目的は画像データに著
しく雑音を再導入することなく、検出器残光がＣＴスキ
ャナ画像に及ぼす影響を打ち消す方法を提供することで
ある。

【００１６】更にもう一つの目的は画像分解能を目立っ
て劣化させることなく通常の検出器でより高速の画像ス
キャニングを可能とする検出器信号処理手法を提供する
ことである。

【００１７】

【実施例の記載】図１、２および４を参照して説明する
と、ＣＴ装置の動作はコンピュータプロセッサ２６およ
びディスクメモリ２７を含むプログラムデータ処理装置
２５によって制御される。ディスクメモリ２７には、患
者のスキャンおよび画像の再構成とディスプレーの際に
コンピュータプロセッサ２６が使用するプログラムが記
憶される。取得されたデータおよび再構成された画像デ
ータもディスクメモリ２７に短期間記憶される。コンピ
ュータプロセッサ２６には、図示するような他の装置要
素への接続に適した入力ポートおよび出力ポートをそな
えた汎用コンピュータ、および米国特許第４，４９４，
１４１号に開示されているような配列プロセッサが含ま
れている。

【００１８】コンピュータプロセッサ２６の出力ポート
はＸ線制御器２８に接続されており、Ｘ線制御器２８は
Ｘ線源１３の励起を制御する。Ｘ線源１３の高電圧が制
御され、その陰極電流が調節されることにより、正しい
放射線量が与えられる。高電圧および陰極電流は操作者
によって選定される。操作者は操作卓３０を介して所望
の値を入力し、コンピュータプロセッサ２６はそのスキ
ャンプログラムに従ってＸ線の作成を指示する。

【００１９】Ｘ線は前述の通り扇形に発散し、ガントリ
開口１１の反対側に取り付けられた検出器配列１４によ
って受信される。各個別検出器はＸ線源１３から出て開
口１１の中に配置された患者を通る直線径路を横切る単
一の射線（ｒａｙ　）を調べる。Ｘ線源１３からの減衰
されないＸ線を受ける１群の基準検出器も検出器配列の
各端に含まれている。各検出器１４で形成される電流は
アナログ電気信号として集められ、データ取得装置３１
内のアナログーディジタル変換器によりディジタル数に
変換される。信号は順次ディジタル化され、検出器の一
端で始まり、他端で終わる。ディジタル化された信号は
コンピュータプロセッサ２６に入力される。すべての検
出器からのディジタル化された測定値が完全な１つのビ
ューとなる。

【００２０】米国特許第４，１１２，３０３号および第
４，１１５，９６５号にはガントリ構造の詳細が開示さ
れており、米国特許第４，７０７，６０７号には検出器
配列１４の詳細が開示されており、米国特許第４，５８
３，２４０号にはデータ取得装置が開示されている。こ
れらの構成要素の詳細はこれらの特許を参照されたい。

【００２１】「暗電流」の補償、一様でない検出器の感
度と利得の補償、およびスキャン全体を通じてのＸ線ビ
ームの強度の変動の補償を行うため、データ取得装置３
１からのディジタル化された減衰測定値が周知の方法で
前処理される。この後にビーム硬化補正およびデータの
対数形式への変換を行うことにより、各測定値はＸ線ビ
ーム減衰の線積分を表す。この前処理はスキャンを行っ
ているとき実時間で行われる。そして、図５に示すよう
に、各ビューの減衰値３２は二次元なまデータ配列３３
の１行に記憶される。破線３４で示すように、このよう
な各行のデータは単一の角度から見たときのイメージン
グ対象の透過プロフィールを構成する。

【００２２】スキャン完了時に、なまデータ配列３３は
その各行に一つのビューからの透過プロフィール３４を
記憶する。したがって、この配列３３の一つの次元はス
キャンで取得されるビュー数で決まり、他方の次元は各
ビューの間に取得される検出器信号数で決まる。取得さ
れる検出器信号数によって、取得される視野（ｆｉｅｌ
ｄｏｆ　ｖｉｅｗ　）が決まる。実施例では、これには
８５２個迄の検出器信号が含まれる。各検出器信号はな
まデータ配列の線３５のような垂直線に沿ってデータサ
ンプルを生じる。

【００２３】配列３３に記憶されるなまデータは各検出
器の応答時間遅れによって生じる残光効果でそこなわれ
ている。前のＣＴ装置でこれらのなまデータを使用して
画像を再構成すれば、前に述べたように画像の特徴がぼ
かされる。しかし、本発明は残光効果によるアジマス分
解能の劣化を補償する機構を提供する。画像ぼけの補償
機構を決定するため、残光効果を理解する必要がある。 各検出器の実際の出力ｙ（ｔ）は次式で与えられる。

【００２４】 　　　　　　ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ）＊ｇ（ｔ）　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（１）但し、ｘ（ｔ）は理想検出器からの出力を表し、
＊は重畳積分の記号であり、ｇ（ｔ）は検出器応答を表
す。Ｘ線源１３をターンオンし、Ｘ線源を突然止め、検
出器１４の出力を測定することにより、検出器応答ｇ（
ｔ）が測定される。重畳積分は検出器からの一組の指示
値の図３のグラフ表示から明らかである。

【００２５】検出器残光によって生じる劣化を除去する
数学的手段は各検出器に対する減衰値を検出器応答関数
ｇ（ｔ）の逆である関数ｈ（ｔ）と重畳積分することで
構成し得るということを式（１）は示唆している。この
関係は次式で与えられる。

【００２６】 　　　　　　ｇ（ｔ）＊ｈ（ｔ）＝δ（ｔ）　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（２）但し、δ（ｔ）はディラック（Ｄｉｒａｃ）のデ
ルタ関数である。したがって、なまデータは次のように
逆重畳積分によって補正することができる。

【００２７】 　　　　　　ｘ（ｔ）＝ｙ（ｔ）＊ｈ（ｔ）　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（３）検出器応答関数ｇ（ｔ）を重畳積分核と考えれば
、関数ｈ（ｔ）はその逆重畳積分核である。

【００２８】検出器の応答ｇ（ｔ）は次式で与えられる
。

【００２９】

【数３】 但し、ｊは減衰時定数の数であり、ａｉ　は減衰時定数
τｉ　で検出器内で放出される光の部分である。検出器
応答ｇ（ｔ）に対して測定されたデータは最小自乗法の
ような数値的方法を使って式（４）の形に当てはめるこ
とができる。減衰時定数の中で最も短いものは「一次速
度減衰時定数」と呼ばれ、通常、放出される光の大部分
と分解能劣化の大部分の説明となる。一次速度減衰時定
数τだけを考えれば、検出器の応答ｇ（ｔ）は次式のよ
うに簡略化される。

【００３０】

【数４】 式（５）は各検出器１４からの信号が連続であると仮定
している。しかし、ディジタル回路およびコンピュータ
を使って信号を処理し、画像を再構成するために、各検
出器信号は周期的にサンプリングされ、別々のビューに
ディジタル化される。その結果、各検出器出力信号は連
続でないが、一連の離散減衰値となる。

【００３１】一次速度減衰時定数だけを考えれば、ビュ
ー番号ｎに対する検出器から読み取られた減衰値ｙｎ　
は式（１）の重畳積分表現を展開することによって次式
のように表すことができる。

【００３２】

【数５】 但し、△ｔはビューとビューとの間の時間であり、ｙｎ
−１　は前のビューに対する実際の検出器減衰値を表す
。

【００３３】劣化した実際の検出器減衰値ｙｎ　は事実
上、理想減衰値ｘｎ　を巡回フィルタリングすることに
よって生じる。逆に、理想減衰値ｘｎ　は次式で示すよ
うに、劣化した減衰値の２項逆重畳積分によって求める
ことができる。

【００３４】

【数６】 式（７）に示した関数をなまＸ線減衰値に適用すること
により、検出器残光の影響について補正された減衰値の
配列を生じることができる。この数学的演算は本質的に
なまＸ線減衰値をＸ線検出器応答関数の逆関数と重畳積
分するものである。図４および５を参照して説明すると
、配列３３に記憶された各検出器に対するビューの組が
式（７）に従ってコンピュータプロセッサ２６によって
処理されることにより、補正された値の対応する組が作
成される。各ビューに対する補正された減衰値が作成さ
れると、これは補正されたデータ配列３６の要素として
ディスクメモリ２７に記憶される。次に、補正されたデ
ータ配列３６の中の補正された減衰値が逆投影によるよ
うな通常のやり方で処理されることにより、画像が再構
成される。

【００３５】検出器残光による画像のアジマス分解能劣
化には、雑音も減少するという有益な副作用もある。画
像雑音は検出器からの量子雑音とデータ取得装置で生じ
る電子雑音の複合物である。分解能劣化と同様、検出器
残光によって生じる雑音減衰の程度はイメージング開口
１１の中心からの距離の関数である。アジマス分解能劣
化の補償は、この雑音減衰を妨害して検出器データに雑
音を再導入するという逆効果がある。

【００３６】一般的な数学的プロセスとしての逆重畳積
分はよく理解されている。逆重畳積分プロセスによって
信号データに雑音が付加されるということも周知のこと
である。したがって、付加された雑音は逆重畳積分によ
って減少しようとする効果、この場合には分解能劣化の
改善とは逆の効果を信号に及ぼすので、このプロセスは
一般に信号処理に受け入れられていない。本発明者は検
出器からの量子雑音が減衰データの中の支配的な雑音成
分であり、電子雑音は比較的無視できるということを見
出した。したがって、実際の検出器信号データを逆重畳
積分したとき、データに付加される雑音は完全な検出器
からのデータに存在する雑音以下である。したがって、
従来では適用出来ないとされていた逆重畳積分はＣＴス
キャナ検出器からの残光効果を打ち消す際に実用し得る
ことを見出した。

【００３７】結果として得られる画像雑音が無視できる
いくつかの用途では、充分に補正されたデータを直接使
って画像を再構成することができる。しかし、充分に補
正された減衰値から直接再構成される画像はずっと鮮鋭
ではあるが、通常、受け入れ難い雑音レベルを持つこと
になる。したがって、アジマス分解能と画像雑音との間
のかね合いで残光補償の程度を制限することが望ましい
。

【００３８】画像雑音の再導入に対する解決法は残光効
果に対する総補償より小さい補償を与えることである。 この場合、再構成された画像は補正をしない場合に比べ
て鮮鋭になるが、雑音はまだ受け入れ可能なレベルに減
衰される。これを行うため、なまのデータが上記のよう
に処理されることにより、充分に補正された減衰値の配
列が作成される。次に、補正された値を更に処理するこ
とにより、雑音をぼやけさせるのには充分であるが、受
け入れ難く分解能を損なうほど極端でない限定された程
度の分解能劣化が挿入される。式（６）で与えられる関
数に従って充分に補正されたデータを処理することによ
り、雑音除去が行われる。しかし、そこで使用される減
衰時定数τの値は、充分に補正された減衰値を作成した
逆重畳積分プロセスで使用された減衰時定数値より小さ
い値である。充分に補正されたデータに式（６）を使用
する際、減衰定数τのもとの値の半分を使用することが
好ましい。この後続のステップは少し高速の検出器から
の雑音を疑似する。充分に補正された減衰値を作成した
のと同様の手順で、それらの値がディスクメモリ２７の
中の配列から読み出され、式（６）に従ってコンピュー
タプロセッサ２５で処理され、半補正された減衰値の配
列として記憶される。次に、半補正された減衰値を通常
の方法で使用することにより、画像が再構成される。

【００３９】逆重畳積分ー重畳積分の２ステップのプロ
セスを単一の逆重畳積分に変換することも可能である。 この場合、逆重畳積分に使用される核は検出器応答の変
換された逆関数である。したがって、逆重畳積分は理想
検出器から生じるデータを作成しないで、実際に使用し
たものより少し高速の検出器から作成されるデータ、す
なわち上記の半補正された減衰値と同等のものを作成す
る。

【００４０】代案として、逆重畳積分プロセスはデータ
取得装置３１によって遂行される前処理の一部として組
み入れることができる。上記のように、実際の検出器信
号ｙｎ　は事実上、巡回フィルタリングされた理想検出
器信号ｘｎ　である。巡回フィルタ関数の逆は無限イン
パルス応答である。しかし、データ取得装置３１の無限
インパルス応答の代わりに有限インパルス応答フィルタ
を使ってもよいということが実験で確かめられた。本発
明のこの実施例では、なまデータ配列３３を作成するプ
ロセスの一部であるディジタルフィルタリングステップ
の構成要素として残光補償が行われる。

【００４１】本発明のいくつかの実施例を説明してきた
が、この発明の趣旨と範囲を逸脱することなく種々の変
形および変更を行えることが理解される。例えば、本発
明を第三世代のＣＴスキャナとの関係で説明してきたが
、イメージング開口を囲む固定検出器配列および回転す
るＸ線源をそなえた第四世代のＣＴスキャナにも同様に
適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いることができるＣＴ装置の斜視図
である。

【図２】図１のＣＴ装置で用いられるスキャン方法を図
式的に表した説明図である。

【図３】理想検出器および残光による分解能劣化がある
実際の検出器に対する検出器指示値を示すグラフである
。

【図４】図１のＣＴ装置のブロック図である。

【図５】図１のＣＴ装置によって取得および処理される
データを絵画的に表した流れ図である。

【符号の説明】

１１　　ガントリ１２の開口 １３　　Ｘ線源 １４　　検出器 ２５　　プログラムデータ処理装置 ３１　　データ取得装置

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＣＴ装置で画像を作成する方法に於い
   て、放射線検出器から一組の減衰値を取得するステップ
   、一組の減衰値を放射線検出器のほぼインパルス応答関
   数の逆である関数と重畳積分することにより、第二組の
   値を作成するステップ、上記重畳積分ステップによって
   作成された値から画像を再構成するステップを含むこと
   を特徴とする画像作成方法。
2. 【請求項２】　　上記再構成ステップは、第二組の値を
   逆投影することにより画像を形成する請求項１記載の画
   像作成方法。
3. 【請求項３】　　上記重畳積分ステップは更に、第二組
   の値を放射線検出器のインパルス応答関数の修正型と重
   畳積分することにより第三組の値を作成するステップを
   含み、上記再構成ステップは第三組の値から画像を形成
   する請求項１記載の画像作成方法。
4. 【請求項４】　　上記再構成ステップは、第三組の値を
   逆投影することにより画像を形成する請求項３記載の画
   像作成方法。
5. 【請求項５】　　ＣＴ装置で画像を作成する方法に於い
   て、Ｘ線検出器によって作成される信号を間隔△ｔで周
   期的にサンプリングすることによって第一組のＸ線減衰
   値を取得するステップであって、ｙｎ　が特定のＸ線減
   衰値を表すような第一組Ｘ線減衰値取得ステップ、第一
   組のＸ線減衰データ値から第二組のデータ値を作成する
   ステップであって、各データ値ｘｎ　が次式で与えられ
   、【数１】 ここでτがＸ線検出器の応答減衰時定数である第二組デ
   ータ値作成ステップ、および第二組のデータ値に基いて
   逆投影手法により画像を再構成するステップを含むこと
   を特徴とする画像作成方法。
6. 【請求項６】　　τが継続時間の最も短いＸ線検出器の
   応答減衰時定数である請求項５記載の画像作成方法。
7. 【請求項７】　　更に、第三組のデータ値を作成するス
   テップであって、各データ値ｚｎ　が次式で与えられ、
   【数２】 ここでτ′がＸ線検出器の応答減衰時定数τより小さい
   値である第三組データ値作成ステップを含み、上記画像
   再構成ステップが第三組データ値を逆投影することを含
   む請求項５記載の画像作成方法。
8. 【請求項８】　　τ′が応答減衰時定数τのほぼ半分で
   ある請求項７記載の画像作成方法。
9. 【請求項９】　　残光現象を示す検出器をそなえたＣＴ
   装置で画像を作成するための方法に於いて、対象を通過
   する放射線の量を示す検出器からの信号を取得するステ
   ップ、検出器からの信号をディジタル的にサンプリング
   することにより複数ｎ個（ｎは正整数）の減衰値を作成
   するステップ、ディジタル有限インパルス応答フィルタ
   で減衰値をフィルタリングすることにより残光現象によ
   る影響を補償するステップ、上記フィルタリングステッ
   プの結果をディジタル的にサンプリングすることにより
   複数の減衰サンプルを作成するステップであって、減衰
   サンプル数が数式ｎ／ｍで与えられ、ｍが正整数である
   減衰サンプル作成ステップ、および減衰サンプルから画
   像を再構成するステップを含むことを特徴とする画像作
   成方法。
10. 【請求項１０】　　上記フィルタリングステップが更に
    、減衰値をディジタル低域通過フィルタでフィルタリン
    グすることを含む請求項９記載の画像作成方法。
11. 【請求項１１】　　上記再構成ステップが、減衰サンプ
    ルを逆投影することにより画像を形成する請求項９記載
    の画像作成方法。
12. 【請求項１２】　　ｍの値が１より大きい請求項９記載
    の画像作成方法。