JPWO2004024002A1 - Spiral CT system - Google Patents
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Abstract
重み付け螺旋補正再構成法によって再構成される断層像は周回軸と直交する平面に対して歪んでおり、これがステアステップアーチファクトの原因であることを解明した。本発明では、重み付け螺旋補正再構成法によって再構成された歪んだ断層像を部分化して周回軸に対する各部分の局所平面を求め、これを用いて目的断層像を補間により求め、ユークリッド空間に正確に再配置させることで、断層像をボリュームデータ化した時に生じるステアステップアーチファクトを低減する。It was clarified that the tomographic image reconstructed by the weighted spiral correction reconstruction method is distorted with respect to the plane orthogonal to the orbital axis, which is the cause of the steer step artifact. In the present invention, the distorted tomographic image reconstructed by the weighted spiral correction reconstruction method is segmented to determine the local plane of each part with respect to the orbital axis, and the target tomographic image is obtained by interpolation using this, and is accurately stored in the Euclidean space. By rearranging them, the steer step artifact generated when the tomographic image is converted into volume data is reduced.
Description
本発明は螺旋走査断層撮影装置(螺旋CT装置)に係り、特に螺旋走査中の放射線検出器で検出した投影データから重み付け螺旋補正再構成法を用いて生成された断層像を積み上げたボリューム画像におけるステアステップアーチファクトを補正する技術に関する。 The present invention relates to a helical scanning tomography apparatus (spiral CT apparatus), and more particularly to a volume image obtained by stacking tomographic images generated by using a weighted helical correction reconstruction method from projection data detected by a radiation detector during helical scanning. The present invention relates to a technique for correcting a steer step artifact.
複数列から成る放射線検出器を有する螺旋走査断層撮影装置(以下、多列検出器型断層撮影装置と称す)は、螺旋走査により得られた投影データ配列から断層像を作成する際に、得られた投影データ配列に対し、列毎にチャンネルとビュー要素から成る重み関数を適用して重み付け螺旋補正を行い、得られた螺旋補正データを再構成することで周回軸に垂直な断層像を作成する。しかし、このような多列検出器型断層撮影装置では、再構成した断層像上において体軸方向にステアステップアーチファクトと呼ばれる階段状のアーチファクトが強く発生する場合がある。
米国特許第5,802,134号(国際公開第98/44847号及び特表2000−515411号に対応)に開示された技術によれば、コーンビームアーチファクトと螺旋アーチファクトを除去するため、周回軸に直交した面(以下、アキシャル面という)に対し、傾斜を有する面を定義しておき、これに対応する投影データを抽出し、これを再構成することで傾斜した断層像を故意に複数作成する。その後、これら傾斜した再構成断層像をもとにアキシャル面に平行な断層像(無傾斜像)を補間により生成する。しかし、このように傾斜断層像を作成することによりスループットが上げられない。なお、スループットとはスキャナー1回転あたりのテーブル送り量を示す。2〜4スライスマルチ検出器を使用する装置に適用する場合は、再構成をつかさどる画像装置をハード的に改変せざるを得ない。A helical scanning tomography apparatus (hereinafter referred to as a multi-row detector tomography apparatus) having a radiation detector composed of a plurality of rows is obtained when creating a tomographic image from a projection data array obtained by spiral scanning. A weighted spiral correction is applied to each projection data array by applying a weight function consisting of a channel and a view element for each column, and a tomographic image perpendicular to the rotation axis is created by reconstructing the obtained spiral correction data. . However, in such a multi-row detector tomography apparatus, a staircase artifact called a steer step artifact may occur strongly in the body axis direction on the reconstructed tomographic image.
According to the technique disclosed in US Pat. No. 5,802,134 (corresponding to WO 98/44847 and JP 2000-515411), in order to remove cone beam artifacts and spiral artifacts, A plane having an inclination is defined with respect to an orthogonal plane (hereinafter referred to as an axial plane), projection data corresponding to this is extracted, and a plurality of inclined tomographic images are intentionally created by reconstructing the projection data. . Thereafter, a tomographic image (non-tilted image) parallel to the axial plane is generated by interpolation based on the tilted reconstructed tomographic image. However, the throughput cannot be increased by creating an inclined tomographic image in this way. The throughput indicates the table feed amount per scanner rotation. When applied to an apparatus using a 2-4 slice multi-detector, an image apparatus that controls reconstruction must be modified in hardware.
本発明は、重み付け螺旋補正再構成法によって再構成された断層像の空間的歪みを補正して、ステアステップアーチファクトの補正された良好な画像を得ることができる螺旋CT装置を提供することを目的とする。
本発明者は、重み付け螺旋補正再構成法が、周回軸方向に広がりを有する放射線の角度(コーン角)を無視したアルゴリズムであるために、撮影によって得られる実効的スライス厚の不均一性や画像の歪みを有することを認識し、これがステアステップアーチファクトの原因であることを解明した。
前記目的を達成するために本発明は、三次元的な広がりを有する円錐状又は角錐状の放射線を照射する放射線源と、対象物を介して前記放射線源に対向配置され、前記対象物を透過する放射線を検出する二次元放射線検出器とを有するスキャナ本体と、前記スキャナ本体の前記放射線源と放射線検出器とを周回軸を中心にして同時回転させるとともに、該スキャナ本体と前記対象物が載置されるテーブルとを前記周回軸の軸方向に相対的に移動させて前記対象物を螺旋走査させるスキャナ駆動手段と、前記対象物の螺旋走査時に前記放射線検出器で検出した二次元の投影データから重み付け螺旋補正再構成法を用いて歪み画像を周回軸方向のスライス毎に再構成する断層像再構成手段を有した螺旋CT装置において、歪み画像を任意の複数に部分化し、部分毎の局所平面を求め、あらかじめ定めた目的断層像上の画素を上記周回軸方向に挟み込む複数の局所平面上から上記画素の平面座標位置に対応するデータを上記画素毎に上記目的断層像上に補間して、そのボリューム画像を得るように構成されたアーチファクト補正手段を有することを特徴としている。
好ましくは、上記周回軸方向のスライス毎に得た歪み画像を任意の領域に部分化するように指示するための入力部を有する。
また好ましくは、上記部分毎の局所平面を求めるにあたり、各部分の再構成に使用した螺旋軌跡の位相範囲を包含する面とほぼ一致する局所平面を選ぶ。
さらに本発明は、上記アーチファクト補正手段の実行プログラム、上記アーチファクト補正手段を搭載した画像処理装置、又は上記アーチファクト補正手段を搭載した画像再構成装置であることを特徴としている。An object of the present invention is to provide a helical CT apparatus capable of correcting a spatial distortion of a tomographic image reconstructed by a weighted helical correction reconstruction method and obtaining a good image in which a steer step artifact is corrected. And
The present inventor has found that the weighted spiral correction reconstruction method is an algorithm ignoring the angle (cone angle) of radiation having a spread in the direction of the rotation axis, so that the non-uniformity of the effective slice thickness obtained by imaging or the image It was clarified that this was the cause of the steer step artifact.
In order to achieve the above object, the present invention provides a radiation source that emits conical or pyramidal radiation having a three-dimensional extension, and is disposed opposite to the radiation source via an object, and transmits the object. A scanner body having a two-dimensional radiation detector for detecting the radiation to be emitted, and the radiation source and the radiation detector of the scanner body are simultaneously rotated about a rotation axis, and the scanner body and the object are mounted on the scanner body. And a two-dimensional projection data detected by the radiation detector during helical scanning of the object. In a helical CT apparatus having a tomographic image reconstruction means for reconstructing a strain image for each slice in the rotation axis direction using a weighted spiral correction reconstruction method, Differentiating, obtaining a local plane for each part, and data corresponding to the plane coordinate position of the pixel from a plurality of local planes sandwiching a pixel on a predetermined target tomographic image in the circumferential axis direction for each pixel It is characterized by having an artifact correcting means configured to interpolate on a tomographic image and obtain a volume image thereof.
Preferably, an input unit is provided for instructing to segment the distortion image obtained for each slice in the circumferential axis direction into an arbitrary region.
Preferably, when determining the local plane for each part, a local plane that substantially matches the plane that includes the phase range of the spiral trajectory used for reconstruction of each part is selected.
Furthermore, the present invention is characterized by being an execution program for the artifact correction means, an image processing apparatus equipped with the artifact correction means, or an image reconstruction apparatus equipped with the artifact correction means.
図1は、本発明の一実施の形態による螺旋走査断層撮影装置の概略を示すブロック構成図であり;
図2は、従来技術による画像作成を示すフローチャートであり;
図3(a)、3(b)及び3(c)は、重み付け螺旋補正法の原理と空間的歪みに関して示す模式図であり;
図4は、本発明の実施例にかかわり、図1に示した螺旋走査断層撮影装置におけるステアステップアーチファクト補正の処理を示すフローチャートであり;
図5(a)及び5(b)は、重み付け螺旋補正法によって生成される実効的な局所平面を示す斜視図であり;
図6(a)及び6(b)は、螺旋軌跡と傾斜した局所平面の軌跡を示す特性図であり;
図7(a)及び7(b)は、歪み画像を複数の局所平面に部分化すること及び各部分の再構成に必要な投影データの位相範囲を示す図であり;
図8(a)から8(d)は、空間的歪みの補正の概念図であり;
図9は、歪み画像を2方向から見た側面図であり;
図10は、部分である傾斜した局所平面がz軸と交わる点を求める方法を示す図であり;
図11は、図10をz軸方向からみた図であって局所平面の延長線がz軸上の位置Z0で交わることを示す図であり;
図12は、xyz座標とtvz座標の関係を示すグラフであり;
図13は、局所平面上の画素値I(x,y,z)の補正のために、2つの局所平面上、近傍の(x,y)に位置する画素値Im(xm,ym)とIn(xn,yn)から補間でI(x,y,z)を求める概念図である。FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a helical scanning tomography apparatus according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a flowchart illustrating image creation according to the prior art;
3 (a), 3 (b) and 3 (c) are schematic diagrams showing the principle of the weighted spiral correction method and spatial distortion;
FIG. 4 is a flowchart showing a steer step artifact correction process in the spiral scanning tomography apparatus shown in FIG. 1 according to the embodiment of the present invention;
5 (a) and 5 (b) are perspective views showing the effective local plane generated by the weighted spiral correction method;
6 (a) and 6 (b) are characteristic diagrams showing a spiral trajectory and an inclined local plane trajectory;
FIGS. 7 (a) and 7 (b) are diagrams showing the phase range of projection data necessary for segmenting a distortion image into a plurality of local planes and for reconstruction of each part;
8 (a) to 8 (d) are conceptual diagrams of spatial distortion correction;
FIG. 9 is a side view of the distorted image viewed from two directions;
FIG. 10 is a diagram illustrating a method for obtaining a point where a tilted local plane as a portion intersects the z-axis;
Figure 11 is an diagram showing the extension of the local plan a view of the FIG. 10 from the z-axis direction intersect at a position Z 0 of the z-axis;
FIG. 12 is a graph showing the relationship between xyz coordinates and tvz coordinates;
FIG. 13 shows pixel values I m (x m , y m ) located at (x, y) in the vicinity on two local planes in order to correct the pixel value I (x, y, z) on the local plane. ) And I n (x n , y n ) are conceptual diagrams for obtaining I (x, y, z) by interpolation.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による螺旋走査断層撮影装置の概略構成図である。
この螺旋走査断層撮影装置は、多列検出器型断層撮影装置であり、放射線(X線)を発生させるX線発生装置1と、発生されたX線をコリメートするコリメータ2と、患者テーブル3上の被検体4に照射されたX線を検出する多列X線検出器5と、X線発生装置1と多列X線検出器5とを有するスキャナ本体を、周回軸を中心にして連続回転させるとともに、スキャナ本体と患者テーブル3とを周回軸の軸方向に相対的に連続移動させるスキャナ駆動装置6と、スキャナをコントロールするための条件が入力可能であり、スキャナをコントロールするスキャナコントローラ7と、スキャナコントローラ7内に設置されたコリメータ2をコントロールするコリメータコントローラ8と、前処理/画像再構成処理や各種の解析処理を行う画像処理装置9と、X線発生装置1に高電圧を供給する高電圧発生装置10と、表示装置11とから構成されている。画像処理装置9は、本発明に係るステアステップアーチファクト補正を実行するためのステアステップアーチファクト補正手段9aを含んでいる。
X線発生装置1からはコリメータ2を介して三次元的な広がりを有する円錐状又は角錐状のX線が、患者テーブル3上の被検体4の関心領域に照射される。被検体4を透過したX線は、多列X線検出器5によって検出され、投影データとして画像処理装置9に出力される。画像処理装置9は、入力した投影データから重み付け螺旋補正再構成法を使用して断層像を再構成するとともに、スライス位置の異なる各断層像に対し、空間的な歪みを補正してステアステップアーチファクトの補正された良好な画像を得る。この補正の詳細については後述する。
図2は、既述の米国特許第5,802,134号(国際公開第98/44847号及び特表2000−515411号に対応)に開示された技術による画像作成手順を示すフローチャートである。これは、本発明での基礎アルゴリズムである重み付け螺旋補正法とは異なるアルゴリズムを採用している。
まず、ステップS1で入力装置から計測パラメータの設定を行い、続いてステップS2で設定された計測パラメータを基に螺旋スキャンをする。ステップS3では傾斜平面を定義し、ステップS4で傾斜平面に対応した投影データを抽出し、ステップS5で抽出した加重関数を加重し螺旋補正投影データを作成し、ステップS6で傾斜面を再構成し、ステップS7で傾斜面を補間してアキシャル面を生成する。
図3(a)、3(b)及び3(c)は、重み付け螺旋補正再構成法の原理と空間的歪みの発生に関する模式図である。図中、50は周回軸を示す。図3(c)のように空間的歪みを有する画像の局所平面24が取得する目的の断層像22と局所的にφ[rad]ずれている状態を示す。図中S0とS2はX線源を示し、S1は22と24の再構成位置を示す。
重み付け螺旋補正再構成法では、図3(a)に示すようにコーン角を有する各ビームに対し、図3(b)に示すようにコーン角を無視し、各列の中心ビームを周回軸と交わる位置において直交し、周回軸方向に平行に配列されるビームとして扱うため、再構成された画像は、周回転上の各位置ごとに異なる歪み、つまり焦点の周回位相(ビュー)、テーブル送り速度、重み関数、実効スライス厚の不均一性や画像の歪みなどに起因した空間的歪みを生じる。そこで再構成により得られる断層像の平面は、その断層像の再構成に使用された全てのX線ビームの寄与率により決定される。こうして再構成された各断層像を積み上げたボリューム画像とした場合、例えば、MPR(Multi−Planer Reconstruction)や、ボリュームレンダリングされた画像などにおいては、各断層像の周回転軸方向における空間的歪みの不連続性が、ステアステップアーチファクトとして現れる。
本実施例ではこのようなステアステップアーチファクトを補正するため、螺旋走査により得られた投影データ配列から重み付け螺旋補正再構成によって得られた断層撮影像に対し、計測条件および重み関数から断層撮影像の実効的な空間的歪み量を算出し、この実効的な空間的歪み量を基に断層像を補正(ユークリッド空間に正確に再配置)することでステアステップアーチファクトが補正された画像を得るようにしている。
図4は、重み付け螺旋補正再構成法により再構成された断層像(再構成画像)におけるステアステップアーチファクトを補正する処理手順を示すフローチャートである。
ステップS11〜S14により重み付け螺旋補正再構成法により再構成画像を得た後、ステップS15〜S19によりに示したステアステップアーチファクト補正手段9aによってステアステップアーチファクト補正を行う。
ステップS15で予め設定した条件を元に再構成画像の傾斜角度を空間的歪み量として算出手段により算出し、続くステップS16〜S19ではこの算出手段によって算出した空間的な歪みを基に補正手段によって画像を補正する。
補正手段による空間的な歪みの補正は、図に示すようにステップS16で最終的に空間的歪みを補正して得たい断層像(以下目的断層像という)のz位置を決定し、ステップS17で目的断層像上の各ボクセル(x,y,z)を含む歪み画像の周回軸(z軸)上の位置を算出することで、その周回転方向のスライス位置を特定する。次に、ステップS18で先に特定したスライス位置に近接する歪み画像(特定したスライス位置を挟む2枚以上の再構成画像)の実際のz軸上の位置を算出し、ステップS19で、前記2枚の再構成画像の各位置(x,y)上の画素値を、前記z軸上の位置関係で補間して目的断層像上のボクセル(x,y,z)の画素値を算出する。
なお、空間的歪みは歪み画像上の部分毎にアキシャル面に対して傾斜した局所平面の集合として捉える。以下、再構成画像の歪みの算出方法について説明する。
図5(a)及び5(b)を参照してX線を照射するX線源(焦点)の周回軸回り方向の位相をθ[rad]、焦点と周回軸間の距離をsodとすると、焦点位置S(θ)=(XS(θ),YS(θ),ZS(θ))は、数式(1)で表される。
尚、数式(1)上で、tableは、焦点が螺旋軌跡30に沿って360度周回したときのスキャナと患者テーブル3との相対的な移動量[mm/2π]である。数式(1)におけるz方向成分は、tableを定数とすると、図6(a)に示すように位相θに対して比例した直線で表される。
周回軸(z軸)に対し垂直な面に対してφ[rad]傾斜したある局所平面を考え、焦点の周回軸回り方向の位相をθ[rad]とする。また、周回軸からの距離をr、位相をθiとすると、ある傾斜した局所平面を伸長した面Islant(x,y,z)=Islant(r,θi)は、数式(2)で表される。
数式(2)におけるz方向成分は、φ及びrを定数とすると、図10(b)に示すように周回軸回りの位相に対して正弦的に変化する曲線で表される。
上記数式(1)及び数式(2)により、焦点軌跡(θ=θi)とある局所平面(r=sod)の周回軸方向の絶対誤差Zerrは、数式(3)で表される。
図7(a)に歪み画像をどのように部分として把えるかを示す。図ではある歪み画像を4行4列のマトリックスに分割して16の部分に分けている。この分割数分の傾斜した局所平面が作られるので、分割数を多くすると後の補間の精細さも向上し、目的断層像の画質が向上する。これら部分の形状には制限はなく、四辺形に限らず他の多角形や円等でも良い。
ここで歪み画像の生成時そのそれぞれの部分に寄与した実効的な投影データの位相範囲をそれぞれ±α[rad]とすると、数式(4)が得られる。
なお、図7(b)を参照して、部分101と102で、その部分の画像再構成に寄与した実効的投影データの位相範囲は、それぞれ−α101からα101と−α102からα102となる。部分101を再構成するには−α101からα101までの位相角(180°以上)が必要であるが、部分102を再構成するには−α102からα102までの位相角(180°未満)で足りる様子がわかる。このように部分毎にαは異なってくる。なお、ここでいう部分は、歪み画像の局所平面に対応する。
局所平面の傾斜角φ[rad]は、数式(4)を変形することにより、数式(5)で表される。
なお、実際に適用する場合、α=±π/2、およびα=0の3点にて焦点軌跡30と局所平面が交わるとすると、局所平面の傾斜角φ[rad]は、次の数式(6)で表わすこともできる。
ここで、φは、重み関数を考慮せずに求めたが、φは重み関数を考慮することによってより正確に算出してもよい。この場合、処理時のビーム形状(ファンビーム、パラレルビーム)やスライス厚を考慮にいれる方が望ましい。
図8(a)から8(d)は、空間的歪みを有する歪み画像(傾斜した局所平面の集合)から空間的歪みのない画像を得るための補正方法を示す概念図である。図8(a)中、30はX線管1の螺旋軌跡を、41、42、43はX線ビームを示す。図8(b)及び8(c)中、51と52は歪み画像を側面から見たものを、241、242、243は歪み画像51の部分である傾斜した局所平面を、同じく251、252、253は歪み画像52の部分である傾斜した局所平面を示す。
前述したように重み付け螺旋補正再構成法による歪み画像の局所平面は、アキシャル面に対して傾斜しているが、従来は、アキシャル面と平行な1枚の平面として扱われていたため、再構成画像を積み上げて作成したボリューム画像には図8(b)や8(c)の歪み画像51や52のような空間的歪みが生じている。図8(d)は、上記のように空間的歪みを有する各再構成画像222、221、22、223、224を再配置した空間的な歪みのないボリューム画像を示している。
次に、図8(b)や8(c)に示すボリューム画像を、図8(d)に示すボリューム画像222、221、22、223、224になるように再配置する方法について説明する。
図8(a)において、周回軸上にて交差するX線ビーム41、42、43などの照射によって生成された歪み画像は、X線ビームのベクトルにほぼ沿った部分化ができる。ここでは簡単のために歪み画像の傾斜した局所平面241、242、243に部分化することを考える。部分化を細かくするほど目的断層像の精細さが向上し、粗くするほど処理速度があがるので、目的に合わせて適宜部分化の程度を決定する。なお、図8は側面図であるため局所平面241、242、243の3つに部分化しているように見えるが、実際は2次元平面上で部分化するので、より多い数に部分化される。
これを説明するため、図9には歪み画像の側面を直交する2方向から見た図が示される。図中、歪み画像51は図8(b)と同じ側面から見た図であり、歪み画像56はこれと直交する側面から見た図である。これら2つの側面図からわかるように、歪み画像は3次元的に複雑にうねった形状をしている。また、そのうねりは多種多様である。そこで、このような歪み画像を2次元座標上複数の部分に分割して、それぞれを傾いた局所平面に置き換えることで目的断層像のz軸方向の補正が可能になる。
たとえば、図8(b)の側面図で考えた場合、歪み画像51の部分化に当っては、局所平面242が歪み画像51のもっともくびれた部分、すなわちz軸との交点を通過するようにその位置を特定し、局所平面241と243は、局所平面242の端部を始点として歪み画像51の面積を上下に2分するような線分として決定する。部分化した個々の局所平面は必ずしも同じ形と面積である必要は無いので、図8(b)及び8(c)上で局所平面241、242、243の長さが一致するとは限らない。歪み画像52の傾斜した局所平面251、252、253も同様に決定する。
図8(c)において、図8(b)で求めた局所平面241、242、243の組と局所平面251、252、253の組を抽出して表示したが、その他の歪み画像を構成する局所平面の組も同様に決定する。たとえば、図8(c)において、目的断層像22を得たいときは、少なくとも2つの歪み画像51と52から得た局所平面241と局所平面251上の目的断層像22上のボクセルIに(x,y)位置上対応するボクセルImとInのデータから補間でIの目標データを取得する。局所平面242と252間および局所平面243と253間でも同様に補正していくことで目的断層像22の全面に渉りデータを補間して歪みのない画像を得る。同様に目的断層像221、222、223、224も画素ごとにそれらを挟み込む少なくとも2つの歪み画像の局所平面から補間していくことで取得していき、最終的に空間歪みのないボリューム画像を得ることができる。
なお、重み付け螺旋再構成法の場合、目的断層像上のある画素を生成するにあたり、周回軸方向にずれた位置の投影データを使用することがある。このため、周回軸方向に伸長した像が得られることがある。たとえば、従来技術では、図8(d)の目的断層像223を作成するにあたり、図8(b)の局所平面251、252、253を含む歪み画像52を目的断層像223と擬制しているため実際は図8(c)の251上Inの位置にある情報があたかも223の左端部にあるかのように画像化されてしまう。本実施例によれば、周回軸方向においてより実際の位置に近い場所に像が作られるよう投影データを扱うため、このような伸縮を補正できる。
図10には、局所平面253が周回軸と直交する座標軸tに対してφの角度を有し、z軸と点Z0で交わる様子が示してある。
図11に示すように周回軸(z軸)に垂直な面(アキシャル面)に対して、φ[rad]傾斜した局所平面の延長面がz軸と交わる位置をZ0、このZ0の位置に対応するX線焦点の位相をθ[rad]、焦点が1回転したときのスキャナと患者テーブル3との相対的な移動量をtable[mm/2π]とすると、焦点位相θは、数式(7)に示すようにZ0を変数とする関数で表すことができる。
次に、周回軸を通り焦点一周回軸方向に垂直な面(周回軸方向をz軸、z軸に垂直な方向で局所平面の勾配方向をt軸、とするtz平面(図10参照))と局所平面が成す傾斜直線の方程式を算出すると、数式(8)となる。
ここで、図12に示すようにt軸及びz軸に垂直な焦点一周回軸方向の軸をv軸とすると、xy座標上の位置は、θ回転したtv座標上では、数式(9)で表される。
数式(8)に数式(9)を代入すると、数式(10)となる。
よって、位置(t,v,z)を通る局所平面のz軸上の位置Z0は、数式(10)を変形した数式(11)によって表すことができる。
ただし、数式(11)上のθ(Z0)は、数式(7)に示したようにZ0・2π/tableである。
になるまで複数回(例えば、5回)繰り返し演算して求める。
尚、数式(12)のZ0の肩文字は繰り返し演算における繰り返し回数を示している。
次に、図13を参照して、周回軸上の位置がZm0 <Z0<Zn0であり、それぞれ画素Im(xm,ym)、In(xn,yn)の集合からなる2枚の局所平面241、251からz方向の補間処理により画素I(x,y)の集合からなる目的断層像22を求める。ここでは、記述が複雑になるのを防ぐために2枚の局所平面241、251の画素値を線形的に補間して目的断層像22の画素値を算出する例を説明するが、3枚以上の画像を用いて多点補間により算出してもよいし、また非線形的に補間してもよい。
位置(x,y)に対応する局所平面241と251のz軸上の位置zm,znを、前述した局所平面の位置Z0を求めた数式(11)と同様に、数式(13)により算出する。
ここで、局所平面241上画素Im及び局所平面251上画素In上の座標を(xm,ym),(xn,yn)とし、(x,y)との対応について考えると、次の数式(14)のように表される。
目的断層像上の位置(x,y,z)における画素値I(x,y,z)は、局所平面上画素Im,Inのz軸上の位置zm,znと、目的断層像のz軸上の位置zとに基づいて位置zm,znを通る局所平面上の位置(x,y)における画素値Im(xm,ym),In(xn,yn)を使用してI(x,y,z)を補間することにより、数式(15)により算出することができる。
上記のようにして目的断層像のすべての位置の画素値I(x,y,z)を求め、画像を得る。同様にして、目的断層像のz軸上の位置毎に、同断層像を構成するすべての画素値を求めることで、空間的な歪みが補正されたボリューム画像を得ることができる。
ここで、目的断層像の作成に際し、同断層像1スライス当たりに必要なスライス数について考えると、歪み画像1スライスの関心領域(直径がFOV(Field of View)の円)における周回軸方向への広がり幅width_Zは、width_Z=FOV・tanφであるから、周回軸上における再構成間隔をrPitch、目的断層像を局所平面から内挿補間により生成するために必要なスライス数をnSliceとすると、スライス数nSliceは、数式(16)で表すことができる。
このようなステアステップアーチファクト補正手段9aを採用することによって視覚的な検証を行った結果、ステアステップアーチファクトは殆ど見られなかった。
なお、本実施の形態は、2以上のいかなる列数で構成される多列X線検出器または平面X線検出器にも適用可能であり、如何なる螺旋ピッチ(3や4などの整数値に限定されるものではなく、1.5や2.5などといった小数値)にも対応することができる。また本実施の形態では、ステアステップアーチファクト補正手段はいかなる画像処理装置や画像再構成装置にも搭載可能であり、ハードウェアの追加なしにソフトウェアとして提供可能である。
さらに本実施の形態では、空間的歪みによって生じる周回軸方向の物体の大きさが実際よりも大きくなったり小さくなったりする現象を防ぐことができる。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a helical scanning tomography apparatus according to an embodiment of the present invention.
This helical scanning tomography apparatus is a multi-row detector tomography apparatus, and includes an
The
FIG. 2 is a flowchart showing an image creation procedure according to the technique disclosed in the above-mentioned US Pat. No. 5,802,134 (corresponding to International Publication No. 98/44847 and Special Table 2000-515411). This employs an algorithm different from the weighted spiral correction method which is the basic algorithm in the present invention.
First, in step S1, measurement parameters are set from the input device, and then a spiral scan is performed based on the measurement parameters set in step S2. In step S3, an inclined plane is defined, projection data corresponding to the inclined plane is extracted in step S4, the weighting function extracted in step S5 is weighted to generate spiral corrected projection data, and the inclined plane is reconstructed in step S6. In step S7, an inclined surface is interpolated to generate an axial surface.
3A, 3B, and 3C are schematic diagrams relating to the principle of the weighted spiral correction reconstruction method and the generation of spatial distortion. In the figure,
In the weighted spiral correction reconstruction method, for each beam having a cone angle as shown in FIG. 3A, the cone angle is ignored as shown in FIG. The reconstructed image is treated as a beam that is orthogonal at the intersecting position and arranged in parallel in the direction of the rotation axis. Therefore, the reconstructed image has different distortions at each position on the rotation, that is, the rotation phase (view) of the focus, and the table feed speed. And spatial distortion due to non-uniformity of weight function, effective slice thickness, image distortion, and the like. Therefore, the plane of the tomographic image obtained by reconstruction is determined by the contribution ratio of all the X-ray beams used for the reconstruction of the tomographic image. When the volume images obtained by stacking the respective tomographic images thus reconstructed are, for example, MPR (Multi-Planer Reconstruction) or volume-rendered images, the spatial distortion in the circumferential rotation axis direction of each tomographic image. Discontinuities appear as steer step artifacts.
In this embodiment, in order to correct such a steer step artifact, the tomographic image obtained from the projection data array obtained by the helical scan by the weighted helical correction reconstruction is compared with the measurement condition and the weight function. An effective spatial distortion amount is calculated, and an image in which the steer step artifact is corrected is obtained by correcting the tomographic image based on the effective spatial distortion amount (accurately rearranged in the Euclidean space). ing.
FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure for correcting a steer step artifact in a tomographic image (reconstructed image) reconstructed by the weighted spiral correction reconstruction method.
After obtaining a reconstructed image by the weighted spiral correction reconstruction method in steps S11 to S14, the steer step artifact correction means 9a shown in steps S15 to S19 performs the steer step artifact correction.
Based on the conditions set in advance in step S15, the inclination angle of the reconstructed image is calculated as a spatial distortion amount by the calculation means. In subsequent steps S16 to S19, the correction means calculates the spatial distortion calculated by the calculation means. Correct the image.
As shown in the figure, the correction of the spatial distortion by the correction means is performed by determining the z position of the tomographic image (hereinafter referred to as the target tomographic image) to be finally obtained by correcting the spatial distortion in step S16, and in step S17. By calculating the position on the rotation axis (z axis) of the distortion image including each voxel (x, y, z) on the target tomographic image, the slice position in the circumferential rotation direction is specified. Next, the actual position on the z-axis of the distorted image (two or more reconstructed images sandwiching the identified slice position) close to the previously identified slice position in step S18 is calculated. In step S19, the 2 The pixel value of each voxel (x, y, z) on the target tomographic image is calculated by interpolating the pixel value on each position (x, y) of the reconstructed images in the position relation on the z axis.
Spatial distortion is regarded as a set of local planes inclined with respect to the axial plane for each part on the distortion image. Hereinafter, a method for calculating the distortion of the reconstructed image will be described.
5 (a) and 5 (b), if the phase around the rotation axis of the X-ray source (focal point) that irradiates X-rays is θ [rad], and the distance between the focus and the rotation axis is sod, The focal position S (θ) = (X S (θ), Y S (θ), Z S (θ)) is expressed by Equation (1).
In Equation (1), “table” is a relative movement amount [mm / 2π] between the scanner and the patient table 3 when the focal point is rotated 360 degrees along the
Considering a certain local plane inclined by φ [rad] with respect to a plane perpendicular to the rotation axis (z-axis), the phase of the focus around the rotation axis is defined as θ [rad]. Further, when the distance from the rotation axis is r and the phase is θ i , a plane I slant (x, y, z) = I slant (r, θ i ) obtained by extending a certain inclined local plane is expressed by the following equation (2). It is represented by
The z-direction component in Equation (2) is represented by a curve that changes sinusoidally with respect to the phase around the rotation axis as shown in FIG. 10B, where φ and r are constants.
From the above formulas (1) and (2), the absolute error Z err in the rotation axis direction of the focal plane (θ = θ i ) and a certain local plane (r = sod) is expressed by formula (3).
FIG. 7A shows how a distortion image can be grasped as a part. In the figure, a certain distorted image is divided into a matrix of 4 rows and 4 columns and divided into 16 parts. Since local planes inclined by the number of divisions are created, increasing the number of divisions also improves the accuracy of later interpolation and improves the image quality of the target tomographic image. The shape of these portions is not limited, and is not limited to a quadrilateral, but may be other polygons or circles.
Here, when the phase range of effective projection data that contributes to the respective portions at the time of generation of the distorted image is ± α [rad], Expression (4) is obtained.
Referring to FIG. 7B, the phase ranges of effective projection data that contributed to the image reconstruction of the
The inclination angle φ [rad] of the local plane is expressed by Expression (5) by modifying Expression (4).
In actual application, if the
Here, φ is obtained without considering the weight function, but φ may be calculated more accurately by considering the weight function. In this case, it is desirable to consider the beam shape (fan beam, parallel beam) and slice thickness during processing.
FIGS. 8A to 8D are conceptual diagrams showing a correction method for obtaining an image having no spatial distortion from a distortion image having a spatial distortion (a set of inclined local planes). In FIG. 8A, 30 indicates a spiral locus of the
As described above, the local plane of the distorted image obtained by the weighted spiral correction reconstruction method is inclined with respect to the axial plane. However, conventionally, the distortion plane is treated as a single plane parallel to the axial plane. In the volume image created by stacking the images, spatial distortions such as the
Next, a method for rearranging the volume images shown in FIGS. 8B and 8C so as to become the
In FIG. 8A, a distortion image generated by irradiation of X-ray beams 41, 42, 43 and the like intersecting on the rotation axis can be partially divided along the vector of the X-ray beam. Here, for the sake of simplicity, it is considered that the distortion image is partially divided into inclined
In order to explain this, FIG. 9 shows a view of the side surface of the distorted image viewed from two orthogonal directions. In the figure, the distorted
For example, in the case of the side view of FIG. 8B, when the
In FIG. 8C, the set of
In the case of the weighted spiral reconstruction method, when generating a certain pixel on the target tomographic image, projection data at a position shifted in the rotation axis direction may be used. For this reason, an image extended in the direction of the rotation axis may be obtained. For example, in the prior art, in creating the target
FIG. 10 shows a state in which the
As shown in FIG. 11, the position where the extended surface of the local plane inclined by φ [rad] intersects the z axis with respect to the plane (axial plane) perpendicular to the rotation axis (z axis) is Z 0 , and this Z 0 position When the phase of the X-ray focus corresponding to is θ [rad] and the relative movement amount of the scanner and the patient table 3 when the focus is rotated once is table [mm / 2π], the focus phase θ is expressed by the formula ( As shown in 7), it can be expressed by a function having Z 0 as a variable.
Next, a plane that passes through the rotation axis and is perpendicular to the focal rotation axis direction (the tz plane where the rotation axis direction is the z axis, the direction perpendicular to the z axis is the gradient direction of the local plane is the t axis (see FIG. 10)) When the equation of the inclined straight line formed by the local plane is calculated, Equation (8) is obtained.
Here, as shown in FIG. 12, assuming that the axis in the direction of the focal round axis perpendicular to the t-axis and the z-axis is the v-axis, the position on the xy coordinate is expressed by Equation (9) on the tv coordinate rotated by θ. expressed.
Substituting equation (9) into equation (8) yields equation (10).
Therefore, the position Z 0 on the z-axis of the local plane passing through the position (t, v, z) can be expressed by Expression (11) obtained by modifying Expression (10).
However, θ (Z 0 ) in Equation (11) is Z 0 · 2π / table as shown in Equation (7).
It is obtained by repeatedly calculating multiple times (for example, 5 times) until
Note that the acronym for Z 0 in Expression (12) indicates the number of repetitions in the iterative calculation.
Next, referring to FIG. 13, the position on the rotation axis is Z m0 < Z 0 <Z n0 , and a set of pixels I m (x m , y m ) and I n (x n , y n ), respectively. A target
Similar to Equation (11) in which the positions z m and z n of the
Here, the coordinates on the
Position on the object tomogram (x, y, z) the pixel value I in (x, y, z) is the local plane on the pixel I m, the position z m on the z-axis of the I n, and z n, object fault Based on the position z on the z-axis of the image, the pixel values I m (x m , y m ), I n (x n , y) at the position (x, y) on the local plane passing through the positions z m and z n n ) is used to interpolate I (x, y, z), and can be calculated according to equation (15).
As described above, pixel values I (x, y, z) at all positions of the target tomographic image are obtained to obtain an image. Similarly, a volume image in which spatial distortion is corrected can be obtained by obtaining all pixel values constituting the tomographic image for each position on the z-axis of the target tomographic image.
Here, when creating the target tomographic image, considering the number of slices required for each slice of the tomographic image, the distortion image in the region of interest (diameter of FOV (Field of View) circle) in the circumferential axis direction in the one-slice image. Since the spread width width_Z is width_Z = FOV · tanφ, if the reconstruction interval on the rotation axis is rPitch and the number of slices necessary for generating the target tomographic image from the local plane by interpolation is nSlice, the number of slices nSlice can be expressed by Equation (16).
As a result of visual verification by adopting such a steer step
The present embodiment can be applied to a multi-row X-ray detector or a planar X-ray detector having any number of columns of 2 or more, and is limited to any helical pitch (an integer value such as 3 or 4). It is also possible to deal with decimal values such as 1.5 and 2.5. In the present embodiment, the steer step artifact correcting means can be mounted on any image processing apparatus or image reconstruction apparatus, and can be provided as software without adding hardware.
Furthermore, in the present embodiment, it is possible to prevent a phenomenon in which the size of the object in the direction of the rotation axis caused by spatial distortion becomes larger or smaller than the actual size.
以上説明したように本発明による螺旋走査断層撮影装置によれば、あらゆるヘリカルピッチによって得られた投影データから断層撮影像を作成する場合、また作成された断層撮影像から3次元画像を作成する場合、再構成画像の空間的歪みを補正するようにしたため、再構成画像の空間的歪みに依存して発生するステアステップアーチファクトを低減することができる。 As described above, according to the helical scanning tomography apparatus according to the present invention, a tomographic image is created from projection data obtained at any helical pitch, and a three-dimensional image is created from the created tomographic image. Since the spatial distortion of the reconstructed image is corrected, the steer step artifact that occurs depending on the spatial distortion of the reconstructed image can be reduced.
Claims (9)
前記スキャナ本体の前記放射線源と放射線検出器とを周回軸を中心にして同時回転させるとともに、該スキャナ本体と前記対象物が載置されるテーブルとを前記周回軸の軸方向に相対的に移動させて前記対象物を螺旋走査させるスキャナ駆動手段と、
前記対象物の螺旋走査時に前記放射線検出器で検出した二次元の投影データから重み付け螺旋補正再構成法を用いて歪み画像を周回軸方向のスライス毎に再構成する断層像再構成手段を有した螺旋CT装置において、
歪み画像を任意の複数に部分化し、部分毎の局所平面を求め、あらかじめ定めた目的断層像上の画素を上記周回軸方向に挟み込む複数の局所平面上から上記画素の平面座標位置に対応するデータを上記画素毎に上記目的断層像上に補間して、そのボリューム画像を得るように構成されたアーチファクト補正手段を有することを特徴とする螺旋CT装置。A radiation source that emits conical or pyramid-shaped radiation having a three-dimensional extent; and a two-dimensional radiation detector that is disposed opposite to the radiation source via an object and detects radiation that passes through the object. A scanner body having
The radiation source and the radiation detector of the scanner main body are simultaneously rotated around the rotation axis, and the scanner main body and the table on which the object is placed are relatively moved in the axial direction of the rotation axis. Scanner driving means for spirally scanning the object,
A tomographic image reconstruction means for reconstructing a distortion image for each slice in the rotation axis direction from the two-dimensional projection data detected by the radiation detector during spiral scanning of the object using a weighted spiral correction reconstruction method; In spiral CT apparatus,
Data corresponding to the plane coordinate position of the pixel from a plurality of local planes that divide the distortion image into an arbitrary plurality, obtain local planes for each part, and sandwich pixels on a predetermined target tomographic image in the direction of the rotation axis A helical CT apparatus comprising an artifact correction unit configured to interpolate the image on the target tomographic image for each pixel and obtain a volume image thereof.
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