JPWO2007096936A1 - 断層撮影装置および演算処理プログラム - Google Patents
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Abstract
この発明の断層撮影装置は、フラットパネル型X線検出器(FPD)で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置である点Pおよび投影角度θによって決定された値である(厚みw分のX線が到着する範囲の)幅Lに応じた加算平均で求められたデータRを用いて再構成を行う逆投影演算処理部を備えているので、再構成位置および投影角度θに起因した画像ボケを低減させることができる。
Description
この発明は、3次元の断層画像を取得する断層撮影装置および演算処理プログラムに関する。
従来、この種の装置として、被検体の体軸周りにX線管およびX線検出器を回転させるX線CT(Computed Tomography)装置がある。近年、X線検出器としてフラットパネル型検出器(以下、『FPD』と適宜略記する)を用いて、C型アームによってX線管およびFPDを体軸周りに回転駆動させて、FPDで検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う。なお、X線CTやそれ以外の断層撮影(いわゆる「非CTタイプ」)においても、投影データに対してフィルタリング処理などを行った後に、逆投影演算処理を行う(例えば、特許文献1参照)。
FPDは、検出面にはX線に有感な複数の検出素子が2次元状に配列されて構成されている。このFPDにおいて検出素子ごとの素子サイズは、これまでのガントリタイプのCT専用検出器の素子サイズよりもかなり細かい。したがって、これまでのCTと同等の厚みを持った画像を作成するには、複数の画素を加算して1つの大きな画素とみなして取り扱う必要がある。これについて、従来は、細かく再構成された画像を加算したり、元の画像に対して体軸方向に加算平均フィルタを施した後に再構成を行っている。前者のように細かく再構成された画像を加算するには、たくさんの画像を再構成する必要があり、処理時間が長くなってしまう。そこで、後者のように加算平均フィルタのような加算平均処理を行って、その加算平均処理で求められた値を用いて再構成を行って処理時間を短くする。
特開2002−267622号公報(第5−7頁、図6−8)
しかしながら、後者のように元の画像に対して体軸方向に加算平均フィルタを施した後に再構成を行う場合には、画像ボケを引き起こすという問題点がある。図11および図12を参照して説明する。図11は、被検体の体軸方向に沿ったX線管およびフラットパネル型X線検出器(FPD)の照射状態の模式図であって、図12は、被検体の体軸からみたX線管およびフラットパネル型X線検出器(FPD)の照射状態の模式図である。
なお、体軸z方向に拡がるX線の照射角度を「コーン角」とするとともに、図11および図12のy方向に拡がるX線の照射角度を「ファン角」とし、X線管2とFPD3とを結ぶ軸を「中心軸」とし、体軸zに直交して中心軸を含んだ面を「中央断層面」とし、その中央断層面上において所定の座標軸と中心軸とのなす角度を「投影角度」とする。本明細書では、投影角度に用いられる所定の座標軸として図11および図12のx軸を用いるので、x軸と中心軸とのなす角度を「投影角度」とする。したがって、中心軸とx軸とが平行の場合には投影角度は0°または180°となり、中心軸とy軸とが平行(すなわち中心軸とx軸とが直交)の場合には投影角度は90°または270°となる。また、中央断層面は体軸zに直交したxy平面となる。
上述したコーン角が大きくなっていくと、被検体Mにおいて体軸zに沿った回転中心軸から離れた部分を再構成するときには投影角度に応じて拡大率が異なってしまい、被検体Mにおける同じ厚み(「スライス幅」とも呼ばれる)が実際にはFPD3上では互いに異なる長さにそれぞれ投影される。なお、この厚みは収集すべき体軸z方向の厚みであって、この厚みで1枚分の断層画像が再構成されて作成される。
例えば、図11に示すように、投影角度が0°のときのX線管2およびFPD3を実線で図示するとともに、投影角度が180°のときのX線管2およびFPD3を二点鎖線で図示する。厚みwを有した太線部分で示される部分を通るX線の照射範囲は、投影角度が0°のときには点描のハッチングで示した範囲となり、投影角度が180°のときには左上斜線のハッチングで示した範囲となる。この図11からも明らかなように、投影角度に応じてX線の照射の拡がりが異なり、その結果、同じ厚みであってもFPD3上で投影される範囲が異なる。これは、再構成したい被検体Mの部位(ここでは図11中の太線部分で示される部分)からX線管2までの距離が、例えば投影角度が0°のときと投影角度が180°のときとで異なることによる拡大率の変化に起因する。
一方、ある一定の厚みで被検体Mを次々と輪切りにした断層画像を作成するには、上述したように元の画像に対して体軸z方向に加算平均フィルタを施して求められた値を用いて行っている。この加算平均フィルタを施す場合には、FPD3に代表される検出器上の点は体軸z方向に特定の画素数に固定された状態で加算平均を行っていたので、被検体Mにおいて体軸zに沿った回転中心軸から離れた部分では、投影角度によって再構成する厚みが変わり、画像ボケの原因になる。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、画像ボケを低減させることができる断層撮影装置および演算処理プログラムを提供することを目的とする。
発明者は、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。
すなわち、加算平均処理を行って、その加算平均処理で求められた値を用いて再構成を行う場合には、特定の画素数に固定された状態で加算平均を行っていたので、同じ厚みであっても実際には投影角度によって再構成する厚み(すなわち検出器に投影される範囲)が変わり、画像ボケの原因になる。また、検出器に投影される範囲は再構成したい被検体Mの部位(すなわち再構成位置)および投影角度によって決定される。してみれば、従来の特定の画素数に固定された状態での加算平均処理の手法を変えて、再構成位置や投影角度によって決定される値に応じて行えばよい。このような加算平均で求められたデータを用いて再構成を行えば、画像ボケが生じにくいという知見を得た。
このような知見に基づくこの発明は、次のような構成をとる。
すなわち、この発明の断層撮影装置は、3次元の断層画像を取得する断層撮影装置であって、放射線を被検体に照射する照射源と、前記被検体に照射されて透過された前記放射線を検出する検出手段と、前記照射源と検出手段とを結ぶ軸を中心軸とし、その中心軸に直交する軸の1つを体軸とし、その体軸に直交して前記中心軸を含んだ面を中央断層面とし、その中央断層面上において所定の座標軸と中心軸とのなす角度を投影角度としたときに、前記体軸周りに照射源・検出手段、および被検体の少なくともいずれか一方を回転させる回転手段と、検出手段で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置および前記投影角度によって決定された値に応じた加算平均で求められたデータを用いて前記再構成を行う演算処理手段とを備えていることを特徴とするものである。
すなわち、この発明の断層撮影装置は、3次元の断層画像を取得する断層撮影装置であって、放射線を被検体に照射する照射源と、前記被検体に照射されて透過された前記放射線を検出する検出手段と、前記照射源と検出手段とを結ぶ軸を中心軸とし、その中心軸に直交する軸の1つを体軸とし、その体軸に直交して前記中心軸を含んだ面を中央断層面とし、その中央断層面上において所定の座標軸と中心軸とのなす角度を投影角度としたときに、前記体軸周りに照射源・検出手段、および被検体の少なくともいずれか一方を回転させる回転手段と、検出手段で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置および前記投影角度によって決定された値に応じた加算平均で求められたデータを用いて前記再構成を行う演算処理手段とを備えていることを特徴とするものである。
この発明の断層撮影装置によれば、検出手段で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置および投影角度によって決定された値に応じた加算平均で求められたデータを用いて演算処理手段は再構成を行う。従来の特定の画素数に固定された状態での加算平均処理の手法を変えて、再構成位置や投影角度によって決定される値に応じて加算平均を行い、その加算平均で求められたデータを用いて再構成を行うことで、再構成位置および投影角度に起因した画像ボケを低減させることができる。
また、この発明の演算処理プログラムは、3次元の断層画像を取得する工程を含んだ一連の演算処理をコンピュータに実行させるための演算処理プログラムであって、放射線を被検体に照射する照射源と前記被検体に照射されて透過された前記放射線を検出する検出手段とを結ぶ軸を中心軸とし、その中心軸に直交する軸の1つを体軸とし、その体軸に直交して前記中心軸を含んだ面を中央断層面とし、その中央断層面上において所定の座標軸と中心軸とのなす角度を投影角度としたときに、検出手段で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置および前記投影角度によって決定された値に応じた加算平均で求められたデータを用いて前記再構成を行う工程を含む演算処理をコンピュータに実行させることを特徴とするものである。
この発明の演算処理プログラムによれば、検出手段で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置および投影角度によって決定された値に応じた加算平均で求められたデータを用いて演算処理手段は再構成を行う。従来の特定の画素数に固定された状態での加算平均処理の手法を変えて、再構成位置や投影角度によって決定される値に応じて加算平均を行い、その加算平均で求められたデータを用いて再構成を行うことで、再構成位置および投影角度に起因した画像ボケを低減させることができる。
上述したこれらの発明の断層撮影装置および演算処理プログラムにおいて、再構成位置および投影角度によって決定された値の一例は、収集すべき被検体の体軸方向の厚みを透過した放射線が検出手段に投影される範囲であって、その範囲に応じた加算平均で求められたデータを用いて再構成を行うことである。
再構成位置および投影角度によって決定された値の一例が、収集すべき被検体の体軸方向の厚みを透過した放射線が検出手段に投影される範囲の場合には、以下のような例が挙げられる。
かかる場合の一例は、上述した範囲の体軸に沿った方向の幅をLとし、上述した厚みをwとし、体軸に直交する面をxy平面としたときにxy平面に投影された再構成位置の座標をそれぞれX,Yとし、投影角度をθとし、照射源の焦点をFとし、放射線束の中心の検出手段への到達点をDとし、体軸周りの回転の回転中心をOとし、焦点Fから到達点Dまでの距離をFDとし、焦点Fから回転中心Oまでの距離をFOとしたときに、幅LをL=FD×w/(FO−Xcosθ−Ysinθ)なる式で決定することである。
かかる場合の他の一例は、上述した範囲の体軸に沿った方向の幅の上限および下限の境界の値と、検出手段の範囲内に含まれ、所定の間隔でそれぞれ設定された各セルのときに幅の境界に最も近いセルとセルとの境界の値との大小関係で、それぞれを場合分けして加算平均で求められるべきデータへの寄与量を求め、その寄与量に基づいて加算平均を行うことである。
また、寄与量に基づいて加算平均を行う場合では、所定の間隔は整数であって、設定されたセルの座標は整数であるのが好ましい。所定の間隔を整数にすることで場合分けが行い易くなって、加算平均の処理が簡易になる。
なお、この発明の演算処理プログラムにおいて、上述した範囲の体軸に沿った方向への加算平均を幅に応じて行った後に、検出手段上で体軸に直交する方向への加算平均を行うのが好ましい。このように行うことで加算平均の処理が簡易になる。
また、上述した加算平均は、重み付けのない加算平均であってもよいし、重み付け加算平均であってもよい。
上述したこれらの発明の断層撮影装置および演算処理プログラムにおいて、放射線の一例はX線である。
この発明に係る断層撮影装置および演算処理プログラムによれば、従来の特定の画素数に固定された状態での加算平均処理の手法を変えて、再構成位置や投影角度によって決定される値に応じて加算平均を行い、その加算平均で求められたデータを用いて再構成を行うことで、再構成位置および投影角度に起因した画像ボケを低減させることができる。
2 … X線管
3 … フラットパネル型検出器(FPD)
4 … C型アーム
12 … 逆投影演算処理部
θ … 投影角度
P … (再構成の対象となる)点
R … データ
L … (厚み分のX線が到達する範囲の)幅
w … 体軸方向の厚み(スライス幅)
Ax … 中心軸
z … 体軸
O … 回転中心
M … 被検体
3 … フラットパネル型検出器(FPD)
4 … C型アーム
12 … 逆投影演算処理部
θ … 投影角度
P … (再構成の対象となる)点
R … データ
L … (厚み分のX線が到達する範囲の)幅
w … 体軸方向の厚み(スライス幅)
Ax … 中心軸
z … 体軸
O … 回転中心
M … 被検体
フラットパネル型X線検出器(FPD)で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置である点Pおよび投影角度θによって決定された値である(厚みw分のX線が到着する範囲の)幅Lに応じた加算平均で求められたデータRを用いて再構成を行う。従来の特定の画素数に固定された状態での加算平均処理の手法を変えて、再構成位置や投影角度θによって決定される値に応じて加算平均を行い、その加算平均で求められたデータを用いて再構成を行うことで、再構成位置および投影角度θに起因した画像ボケを低減させるという目的を実現した。
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。図1は、実施例に係る断層撮影装置の概略構成およびブロック図である。
断層撮影装置は、図1に示すように、被検体Mを載置する天板1と、被検体Mを挟んで互いに対向されたX線管2およびフラットパネル型検出器(FPD)3とX線管2およびFPD3を支持するC型アーム4とを備えている。X線管2は、この発明における照射源に相当し、FPD3は、この発明における検出手段に相当する。
天板1は、図1の紙面に垂直な体軸z方向に水平移動可能に構成されているととともに、鉛直(図1中のx軸)方向に昇降移動可能に構成されている。C型アーム4は被検体Mの体軸z周りに回転するように構成されている。C型アーム4がこのように回転することで、それに支持されたX線管2およびFPD3を被検体Mの体軸z周りに回転させる。このように回転させながら、X線管2は被検体Mに向けてX線を照射し、FPD3は、そのX線管2から被検体Mに照射されて透過されたX線を検出して一群の投影データを取得する。なお、C型アーム4をy軸方向にも回転するように構成し、X線管2およびFPD3を体軸z方向に傾斜させてもよいし、C型アームを体軸z方向に水平移動可能あるいは鉛直方向に昇降移動可能に構成してもよい。C型アーム4は、この発明における回転手段に相当する。
この他に、断層撮影装置は、FPD3で出力された一群の投影データに対してフィルタリング処理や逆投影演算処理などの処理を行うデータ処理部10と、FPD3で出力された一群の投影データやデータ処理部10で処理されたデータなどを記憶する記憶部20と、オペレータが入力設定を行う入力部30と、投影データや断層画像などを表示するモニタ40と、これらを統括制御する制御部50とを備えている。
データ処理部10は、FPD3で出力された一群の投影データに対して所定のフィルタリング処理を施すフィルタリング処理部11と、フィルタリング処理後の投影データに対して所定の逆投影演算処理を施して断層画像を再構成する逆投影演算処理部12とを備えている。逆投影演算処理部12は、この発明における演算処理手段に相当する。
記憶部20は、ハードディスクなどに代表される記憶媒体で構成されている。本実施例では、FPD3で出力されたフィルタリング処理前の投影データや、フィルタリング処理部11でフィルタリング処理が施されたフィルタリング処理後の投影データや、逆投影演算処理部12で逆投影演算処理が施されて再構成された断層画像を記憶部20に書き込んで記憶し、必要に応じて記憶部20から読み出す。
入力部30は、オペレータが入力したデータや命令を制御部50に送り込む。入力部30は、マウスやキーボードやジョイスティックやトラックボールやタッチパネルなどに代表されるポインティングデバイスで構成されている。制御部50や上述したフィルタリング処理部11や逆投影演算処理部12は、中央演算処理装置(CPU)などで構成されている。
なお、各種の断層撮影を行うためのプログラム等を制御部50やフィルタリング処理部11や逆投影演算処理部12などのCPUが実行することでそのプログラムに応じた断層撮影をそれぞれ行う。特に、フィルタリング処理部11や逆投影演算処理部12は、フィルタリング処理や逆投影演算処理に関するプログラムを実行することで、そのプログラムに応じたフィルタリング処理や逆投影演算処理をそれぞれ行う。逆投影演算処理に関するプログラムは、この発明における演算処理プログラムに相当する。
次に、FPD3について、図2を参照して説明する。図2は、FPD3の検出面の模式図である。FPD3は、平らな検出面を有する。本実施例では、検出面は平面視、正方形である。FPD3は、図2に示すように、その検出面にはX線に有感な複数の検出素子dが行列状に配列されている。たとえば、縦30cm×横30cm程の広さの検出面に、縦1536個×横1536個の検出素子dが配列されている。
次に、フィルタリング処理部11や逆投影演算処理部12について、図3〜図6を参照して説明する。図3は、フィルタードバックプロジェクション:Filtered Back Projection(以下、『FBP』と適宜略記する)法のアルゴリズムを説明するための模式図であって、図4は、フィルタリング処理部での一連の処理を説明するための模式図であって、図5は、フィルタリング処理部の各フィルタ関数を示す特性図であって、図6は、フィルタリング処理後の投影データを仮想の3次元格子群に逆投影演算処理することを説明するための模式図である。
図3に示すように、上述したフィルタリング処理および逆投影演算を組み合わせた方法(すなわちFBP法)のアルゴリズムは、下記(1)式、(2)式として表される。図3に示すように、異なる投影角度θからの複数の投影データQに基づいて、立方体P(r)を再構成することになる。
ただし、P(r)は、再構成される立方体(3次元ボリュームデータ)の位置rでの画素データである。Y(r),Z(r)は、位置rの画素がFPD3の検出面上に投影される点の座標である。Qは、投影角度θでのFPD3の検出面上の投影データである。gyは、FBPのフィルタ関数と呼ばれ、後述する|ω|(絶対値オメガ)のフィルタ関数である。Wは、X線束の広がりの影響を補正するための係数である。
フィルタリング処理部11は、一群の投影データに対して所定のフィルタリング処理を施す。ここでは、フーリエ空間で行うフィルタリング処理(図4に示す|ω|(絶対値オメガ)フィルタリング処理)について説明するものとする。以下に、フィルタリング処理部11での|ω|フィルタリング処理について説明する。
フィルタリング処理部11は、例えばFPD3の検出素子dの行ごとの横方向に1次元フーリエ変換を行い、フーリエ面像SCF(i,ω)を生成する1次元フーリエ変換部と、1次元フーリエ変換したフーリエ面像SCF(i,ω)に対して|ω|フィルタリングを施す|ω|フィルタリング部と、この|ω|フィルタリング部で|ω|フィルタリングした後のフーリエ面像SCF´(i,ω)を1次元逆フーリエ変換して実空間データに戻す1次元逆フーリエ変換部とを備えている。
|ω|フィルタリング部は、図4に示すように、1次元フーリエ変換したフーリエ面像SCF(i,ω)の行方向に高周波領域を低減させて高周波ノイズ分を抑制するフィルタとデータ収集走査形態に依存するフィルタとにより構成される|ω|フィルタを備えている。なお、上述のデータ収集走査形態に依存するフィルタは、フィルタリング後のフーリエ面像SCF´(i,ω)を1次元逆フーリエ変換する際に、直流成分が強調されて生成されるのを抑制しており、直流成分が強調されることに起因する偽像(アーティファクト)を低減させる。
ここで、1次元フーリエ空間でのフィルタリング処理について説明する。1次元フーリエ空間でフィルタリング処理を行うことは、数学的には下記(3)式で示される。
SCF´(i,ω)=SCF(i,ω)×M(ωi) … (3)
なお、SCF´(i,ω)は、上述したようにフィルタリング処理された後のフーリエ面像であり、M(ωi)は上述した|ω|フィルタリング部のフィルタ特性を示す関数である。
なお、SCF´(i,ω)は、上述したようにフィルタリング処理された後のフーリエ面像であり、M(ωi)は上述した|ω|フィルタリング部のフィルタ特性を示す関数である。
なお、M(ωi)は、上述した2つのフィルタ特性を表す関数の積として下記(4)式のように表される。
M(ωi)=Mi(ωi)・Mω(ωi) … (4)
上記(4)式に示した各フィルタ関数系の典型例について、以下に示す。
上記(4)式に示した各フィルタ関数系の典型例について、以下に示す。
Mi(ωi)は、図5(a)に示すようなフィルタ特性を有しており、下記(5)〜(7)式で表される。
Mi(ωi)=1 (ωi<CFR−WFR/2である場合) … (5)
Mi(ωi)={1−sin((ωi−CFR)・π/WFR)}/2
(CFR−WFR/2<ωi<CFR+WFR/2である場合)
… (6)
Mi(ωi)=0 (CFR+WFR/2<ωiである場合) … (7)
ただし、高周波成分を図5(a)に示すような滑らかに減衰する正弦波状関数型にした。CFRはカットオフ周波数であり、WFRはフィルタ強度の遷移全周波数幅である(図5(a)を参照)。このMi(ωi)は、1次元フーリエ空間での高周波成分を削除するものである。
Mi(ωi)={1−sin((ωi−CFR)・π/WFR)}/2
(CFR−WFR/2<ωi<CFR+WFR/2である場合)
… (6)
Mi(ωi)=0 (CFR+WFR/2<ωiである場合) … (7)
ただし、高周波成分を図5(a)に示すような滑らかに減衰する正弦波状関数型にした。CFRはカットオフ周波数であり、WFRはフィルタ強度の遷移全周波数幅である(図5(a)を参照)。このMi(ωi)は、1次元フーリエ空間での高周波成分を削除するものである。
Mω(ωi)は、図5(b)に示すようなフィルタ特性を有しており、下記(8)式で表される。
Mω(ωi)=|ωi| … (8)
なお、図5(a)、図5(b)には、横軸の正方向の特性のみを図示しているが、横軸の負方向の特性は、縦軸を中心に横軸の正方向の特性を線対称させたものと同じであるので、図示を省略している。
なお、図5(a)、図5(b)には、横軸の正方向の特性のみを図示しているが、横軸の負方向の特性は、縦軸を中心に横軸の正方向の特性を線対称させたものと同じであるので、図示を省略している。
図4に戻って、1次元逆フーリエ変換部は、|ω|フィルタリング部で|ω|フィルタリングした後のフーリエ面像SCF´(i,ω)を1次元逆フーリエ変換して実空間データに戻して、逆フーリエ変換後の投影像SC´(i,j)を生成する。
次に、逆投影演算処理部12は、フィルタリング処理後の投影データに対して所定の逆投影(バックプロジェクション:BP)(以下、『BP』と適宜略記する)演算処理を施してBP像(3次元ボリュームデータ)を生成する。このBP像を生成することで断層画像を再構成する。従来の手法と比較して説明すると、図6に示すように、走査各位置で検出された被検体Mの関心領域についてのフィルタリング処理後の一群の投影データを、撮影された被検体Mの仮想的に設定される3次元格子群Kの所定の格子点に逆投影して、関心領域の3次元ボリュームデータを生成することによる断層画像の再構成を行う。ここでは上述したBP像を生成する。
従来の手法では、下記(9´)式にしたがって、線形補間処理とバックプロジェクションとを行う。なお、バックプロジェクション蓄積量をIn (l,m,n)とし、前回までのバックプロジェクション蓄積量をIn-1 (l,m,n)とする。なお、SC´は、フィルタリング処理後に逆フーリエ変換された投影データのことである。
In (l,m,n)=In-1 (l,m,n)+{W11・SC´(I,J)+
W12・SC´(I,J+1)+W21・SC´(I+1,J)+
W22・SC´(I+1,J+1)} … (9´)
なお、投影像の画素間隔を1に規格化して、重み関数W11,W12,W21,W22を設定する。重み関数W11は(1−az )・(1−ay )で表されるとともに、重み関数W12は(1−az )・ayで表され、重み関数W21はaz ・(1−ay )で表され、重み関数W22はaz ・ayで表される。ay,azは、図6のように(I,J)からみたSC´の距離y/z成分となる。
W12・SC´(I,J+1)+W21・SC´(I+1,J)+
W22・SC´(I+1,J+1)} … (9´)
なお、投影像の画素間隔を1に規格化して、重み関数W11,W12,W21,W22を設定する。重み関数W11は(1−az )・(1−ay )で表されるとともに、重み関数W12は(1−az )・ayで表され、重み関数W21はaz ・(1−ay )で表され、重み関数W22はaz ・ayで表される。ay,azは、図6のように(I,J)からみたSC´の距離y/z成分となる。
本実施例のように、再構成位置や投影角度によって決定される値に応じて加算平均を行い、その加算平均で求められたデータを用いて再構成を行う場合には、従来の手法で用いられた上記(9´)式の線形補間処理とバックプロジェクションとが、下記(9)式のように置き換えられる。
In (l,m,n)=In-1 (l,m,n)+R … (9)
上記(9)式は、従来の上記(9´)式の右辺の第2項をデータRに置き換えた式である。データRは、後述するようにR(UQ0)とR(UQ1)との加算平均で求められる。R(UQ0)およびR(UQ1)は、後述するように再構成位置や投影角度によって決定される値である幅Lを用いて求められる。
上記(9)式は、従来の上記(9´)式の右辺の第2項をデータRに置き換えた式である。データRは、後述するようにR(UQ0)とR(UQ1)との加算平均で求められる。R(UQ0)およびR(UQ1)は、後述するように再構成位置や投影角度によって決定される値である幅Lを用いて求められる。
次に、幅と再構成位置と投影角度との関係について、図7、図8を参照して説明する。図7は、z軸方向からみた、幅と再構成位置と投影角度との関係を説明するための模式図であって、図8は、xy平面上からみた、幅と再構成位置と投影角度との関係を説明するための模式図である。
図7、図8に示すように、AxをX線管2とFPD3とを結ぶ中心軸とし、θをx軸と中心軸Axとのなす投影角度とし(上記(1)式、図3も参照)、Oを撮影の対象となる被検体Mの回転中心とし、Pを再構成の対象となる点とし、その点Pの座標をP(XP,YP,ZP)とし、Qを点Pを通ったX線の(FPD3上の)到達点とし、DをX線束中心の(FPD3への)到達点とし、HPを点Pから中心軸Axに垂線を下ろした線とし、HOをその線HPに平行で回転中心Oを通る線とし、HDをFPD3の検出面とし、dを線HOと線HPとの距離とし、wを(体軸z方向の)厚み(スライス幅)とし、Sを点P(XP,YP,ZP)を含むスライスとし、Lを厚みw分のX線が(FPD3に)到達する範囲の幅とする。また、FをX線管2の焦点とし、FDをX線管2の焦点Fから(X線束中心の)到達点Dまでの距離とし、FOをX線管2の焦点Fから回転中心Oまでの距離とする。
なお、説明の便宜上、回転中心Oを原点とし、中心軸Axと検出面HDとは直交するとする。また、中心軸Axは回転中心(原点)Oを通る。(再構成の対象となる)点P(XP,YP,ZP)は、この発明における再構成位置に相当し、幅Lは、この発明における再構成位置および投影角度によって決定された値に相当する。
図8に示すように、点P(XP,YP,ZP)を含むスライスSを、厚み(スライス幅)wで再構成することになる。ある投影角度θであって、ある点P(XP,YP,ZP)のとき、距離dは、θ,X,Yを用いて、下記(10)式で表される。
d=Xcosθ+Ysinθ … (10)
(厚みw分のX線が到達する範囲の)幅Lは、図8に示すように、BP(バックプロジェクション)のためのデータを収集すべき範囲の幅Lでもある。この幅Lは、焦点Fから到達点Dまでの距離FD、焦点Fから回転中心Oまでの距離FO並びに線HOと線HPとの距離dを用いて、下記(11)式で表される。
(厚みw分のX線が到達する範囲の)幅Lは、図8に示すように、BP(バックプロジェクション)のためのデータを収集すべき範囲の幅Lでもある。この幅Lは、焦点Fから到達点Dまでの距離FD、焦点Fから回転中心Oまでの距離FO並びに線HOと線HPとの距離dを用いて、下記(11)式で表される。
上記(1)式を上記(2)式に代入すると、幅Lは、各々の距離FD,FO,dを用いて、下記(12)式で表される。
上記(11)式および上記(12)式から明らかなように、(厚みw分のX線が到達する範囲の)幅Lは、再構成位置に相当する点P(XP,YP,ZP)や投影角度θによって決定される。この幅Lを用いて、R(UQ0)およびR(UQ1)を求め、これらのR(UQ0)とR(UQ1)との加算平均でデータRを求める。
次に、加算平均で求められたデータRを用いた逆投影(BP)演算処理について、図9、図10を参照して説明する。図9は、再構成の対象となる点を通ったX線の到達点の周辺の模式図であって、図10は、図9にフラットパネル型X線検出器(FPD)を併記した模式図である。フラットパネル型X線検出器(FPD)3上の2次元座標として、図9、図10に示すように、uv座標を設定する。FPD3の左上を原点として、右方向をuの正方向とし、下方向をvの正方向とする。
(撮影の対象となる)点Pを通ったX線の(FPD3上の)到達点QのBPの蓄積(バックプロジェクション蓄積量In (l,m,n))に用いるデータRを、図9、図10に示すように、到達点Q(Qの座標は(UQ,VQ))の周囲から計算する。u方向については、UQ0(図9、図10を参照)上のデータであるR(UQ0)とUQ1(図9、図10を参照)上のデータであるR(UQ1)との加算平均で求め、v方向については、幅L分のデータを加算平均で求めることになる。計算手順としては、先にv方向の平均を求めてから、後でu方向の平均を求める方が、計算処理が簡単なので、その計算手順で行うのが好ましい。本実施例では、その計算手順で、以下の説明を行う。もちろん、先にu方向の平均を求めてから、後でv方向の平均を求めてもよい。
図9で考えると、到達点Qを中心に幅L分のFPD3上のデータを考慮すると、楕円で囲った部分の加算平均を求めればよいようにみえる。しかし、厳密には、FPD3の各セルで検出されたX線の総和を、セルの中心の点(図9、図10の○を参照)で代表しているので、幅L分のデータを収集するということは、幅Lがセルに掛かっているか否かを考慮する必要がある。一番上の2つのセルは一部が幅Lの範囲内に含まれている(図10では下側の境界VlowMが幅Lの範囲内に含まれている)ので、これらのセルに関するデータも寄与することになる。下から二番目の2つのセルは、セルの中心の点は幅Lの範囲内に含まれているが、これらのセルの一部が幅Lの範囲外にある(図10では下側の境界VhighMが幅Lの範囲外にある)ので、それらの寄与量を、幅L内に含まれている他のセルの場合よりも減らす必要がある。以下に、寄与量について説明する。
図10に示すように、幅Lの境界のうち、v軸のゼロ側の座標をVlowLとするとともに、正側の座標をVhighLとし、幅Lの境界に最も近いセルとセルとの境界のうち、v軸のゼロ側の座標をVlowMとするとともに、正側の座標をVhighMとする。また、VlowMを挟むデータ点の座標をVlow0,Vlow1とし、同じくVhighMを挟むデータ点の座標をVhigh0,Vhigh1とする。なお、データ点の座標Vlow0,Vlow1,Vhigh0,Vhigh1を整数とする。それ以外の値は、整数以外の実数である。これらの値は、到達点Q(Qの座標は(UQ,VQ))のv座標であるVQを用いて、下記(13)、(14)式で表される。
ただし、上記(13)、(14)式中の||は、||内の実数((13)式ではVQ−L/2、(14)式ではVQ+L/2)を超えない最大の整数である。
以下に、VlowLとVlowM、VhighLとVhighMの大小関係で、Vlow0とVlow1、Vhigh0とVhigh1のデータのデータRへの寄与量が変わるので、それぞれを場合分けして考える。各点のデータの値をPV(u,v)とし、あるu座標Uのときについて考える。図10に示すように、CをFPD3のv方向の一辺の長さとする。
*VlowL<VlowMのとき
BVlow0=[(VlowM−VlowL)/C]×PV(U,Vlow0) … (15)
BVlow1=1.0×PV(U,Vlow1) … (16)
Vlow0のデータは(VlowM−VlowL)/C分だけ寄与し、Vlow1のデータは全て寄与する。したがって、それぞれの寄与量をBVlow0、BVlow1とすると、上記(15)、(16)式のように表される。
BVlow0=[(VlowM−VlowL)/C]×PV(U,Vlow0) … (15)
BVlow1=1.0×PV(U,Vlow1) … (16)
Vlow0のデータは(VlowM−VlowL)/C分だけ寄与し、Vlow1のデータは全て寄与する。したがって、それぞれの寄与量をBVlow0、BVlow1とすると、上記(15)、(16)式のように表される。
*VlowL=VlowMのとき
BVlow0=0.0 … (17)
BVlow1=1.0×PV(U,Vlow1) … (18)
Vlow0のデータは寄与せずに、Vlow1のデータは全て寄与する。
BVlow0=0.0 … (17)
BVlow1=1.0×PV(U,Vlow1) … (18)
Vlow0のデータは寄与せずに、Vlow1のデータは全て寄与する。
*VlowL>VlowMのとき
BVlow0=0.0 … (19)
BVlow1=[[C−(VlowL−VlowM)]/C]×PV(U,Vlow1) … (20)
Vlow0のデータは寄与せずに、Vlow1のデータは[C−(VlowL−VlowM)]/C分だけ寄与する。
BVlow0=0.0 … (19)
BVlow1=[[C−(VlowL−VlowM)]/C]×PV(U,Vlow1) … (20)
Vlow0のデータは寄与せずに、Vlow1のデータは[C−(VlowL−VlowM)]/C分だけ寄与する。
*VhighL<VhighMのとき
BVhigh0=[[C−(VhighM−VhighL)]/C]×PV(U,Vhigh0) … (21)
BVhigh1=0.0 … (22)
同様に、Vhigh0のデータは[C−(VhighM−VhighL)]/C分だけ寄与し、Vhigh1のデータは寄与しない。したがって、それぞれの寄与量をBVhigh0、BVhigh1とすると、上記(21)、(22)式のように表される。
BVhigh0=[[C−(VhighM−VhighL)]/C]×PV(U,Vhigh0) … (21)
BVhigh1=0.0 … (22)
同様に、Vhigh0のデータは[C−(VhighM−VhighL)]/C分だけ寄与し、Vhigh1のデータは寄与しない。したがって、それぞれの寄与量をBVhigh0、BVhigh1とすると、上記(21)、(22)式のように表される。
*VhighL=VhighMのとき
BVhigh0=1.0×PV(U,Vhigh0) … (23)
BVhigh1=0.0 … (24)
Vhigh0のデータは全て寄与し、Vhigh1のデータは寄与しない。
BVhigh0=1.0×PV(U,Vhigh0) … (23)
BVhigh1=0.0 … (24)
Vhigh0のデータは全て寄与し、Vhigh1のデータは寄与しない。
*VhighL>VhighMのとき
BVhigh0=1.0×PV(U,Vhigh0) … (25)
BVhigh1=[(VhighL−VhighM)/C]×PV(U,Vhigh1) … (26)
Vhigh0のデータは全て寄与し、Vhigh1のデータは(VhighL−VhighM)/C分だけ寄与する。
BVhigh0=1.0×PV(U,Vhigh0) … (25)
BVhigh1=[(VhighL−VhighM)/C]×PV(U,Vhigh1) … (26)
Vhigh0のデータは全て寄与し、Vhigh1のデータは(VhighL−VhighM)/C分だけ寄与する。
以上に併せて、Vlow0とVhigh1との間のデータは、全て、その比率1.0で寄与する。これらのデータの総和をBinとすると、Binは、下記(27)式で表される。
以上より、データRを求めるために用いられる、あるu座標Uのときのv軸方向の幅L分のデータの平均量をR(U)とすると、R(U)は、下記(28)式で表される。下記(28)式によって、v方向の加算平均が行われる。
上記(28)式で求められたR(U)に対して、図9、図10に示すように、UQ0のときの平均量をR(UQ0)とし、UQ1のときの平均量をR(UQ1)とする。上記(28)式からも明らかなように、R(UQ0)およびR(UQ1)は、再構成位置や投影角度によって決定される値である(厚みw分のX線が到達する範囲の)幅Lを用いて求められる。
そして、データRは、上述のR(UQ0)とR(UQ1)との加算平均で求められる。0≦f≦1の条件をfが満たしたときに、UQがUQ0とUQ1とを、f:1−fに内分するとする。そのとき、データRは下記(29)式で表される。下記(29)式によって、u方向の加算平均が行われる。
R=(1−f)×R(UQ0)+f×R(UQ1) … (29)
このデータRを上記(9)式に用いて、線形補間処理とバックプロジェクションとを行う。
このデータRを上記(9)式に用いて、線形補間処理とバックプロジェクションとを行う。
このように、再構成の対象となる点Pや投影角度θを用いて、上記(11)式および上記(12)式によって厚みw分のX線が到達する範囲の幅Lを求めることで、再構成位置(本実施例では点P)や投影角度θによって決定される値(本実施例では幅L)を求める。そして、この幅L分のデータを上記(28)式による加算平均で求めて、さらにデータRを求めることで、その値に応じて加算平均を行う。そして、このデータRを上記(9)式に用いることで、その加算平均で求められたデータを用いて再構成を行うことになる。
上述した本実施例に係る断層撮影装置によれば、フラットパネル型X線検出器(FPD)3で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置(本実施例では点P)および投影角度θによって決定された値(本実施例では幅L)に応じた加算平均で求められたデータRを用いて逆投影演算処理部12は再構成を行う。従来の特定の画素数に固定された状態での加算平均処理の手法を変えて、再構成位置や投影角度θによって決定される値に応じて加算平均を行い、その加算平均で求められたデータを用いて再構成を行うことで、再構成位置および投影角度θに起因した画像ボケを低減させることができる。
厚みw分のX線が到達する範囲の幅Lは、収集すべき被検体Mの体軸z方向の厚みwを透過したX線がFPD3に投影される範囲でもある。本実施例では、その幅Lに応じた加算平均で求められたデータRを用いて再構成を行っている。
また、上述したように、再構成位置(本実施例では点P)および投影角度θによって決定された値(本実施例では幅L)に応じた加算平均で求められたデータRを用いて再構成を行う演算処理を、コンピュータであるCPU(ここでは逆投影演算処理部12)が実行することでそのプログラムに応じた演算処理を行う。
また、本実施例では、収集すべき被検体Mの体軸z方向の厚みwを透過したX線がFPD3に投影される範囲の体軸zに沿った方向の幅をLとし、体軸zに直交した面であるxy平面に投影された再構成位置である点Pの座標(XP,YP,ZP)をそれぞれX,Yとしたときに、幅Lを上記(12)式(L=FD×w/(FO−Xcosθ−Ysinθ)なる式)で決定すると言い換えられる。
また、本実施例では、上述した範囲の体軸zに沿った方向の幅の上限(ここではVhighL)および下限(ここではVlowL)の境界の値と、FPD3の範囲内に含まれ、所定の間隔でそれぞれ設定された各セルのときに幅の境界に最も近いセルとセルとの境界(ここではVhighM,VlowM)の値との大小関係で、それぞれを場合分け(ここでは上記(15)式〜(26)式を参照)して加算平均で求められるべきデータRへの寄与量を求め、その寄与量に基づいて加算平均を行うと言い換えられる。
また、本実施例のように、寄与量に基づいて加算平均を行う場合では、所定の間隔は整数であって、設定されたセルの座標(ここではVlow0,Vlow1,Vhigh0,Vhigh1)は整数であるのが好ましい。所定の間隔を整数にすることで場合分けが行い易くなって、加算平均の処理が簡易になる。
また、本実施例のように、上述した範囲の体軸zに沿った方向(ここではv方向)への加算平均を幅Lに応じて行った後に、FPD3上で体軸zに直交する方向(ここではu方向)への加算平均を行うのが好ましい。上述したように、このように行うことで加算平均における計算処理が簡易になる。
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
(1)上述した実施例では、放射線としてX線を例に採って説明したが、この発明は、X線以外の放射線(例えばγ線)による断層撮影にも適用することができる。
(2)上述した実施例では、図1に示すようなC型アーム4によってX線管2およびFPD3を被検体Mの体軸z周りに回転させて断層撮影を行ったが、X線管2およびFPD3を収容するガントリを備え、そのガントリの開口部に被検体を進入させて、ガントリ内でX線管2およびFPD3を被検体Mの体軸z周りに回転させて断層撮影を行ってもよい。
(3)上述した実施例では、検出手段として図2に示すフラットパネル型検出器(FPD)を例に採って説明したが、通常の断層撮影に用いられる検出手段であれば、特に限定されない。
(4)上述した実施例では、加算平均の際に重み付けを行わなかったが、重み付けを行ってもよい。重み付けの関数としては、ガウス型や中心が山型の正規分布型などのように特に限定されない。
以上のように、この発明は、コーン角が大きい断層撮影に適している。
Claims (15)
- 3次元の断層画像を取得する断層撮影装置であって、放射線を被検体に照射する照射源と、前記被検体に照射されて透過された前記放射線を検出する検出手段と、前記照射源と検出手段とを結ぶ軸を中心軸とし、その中心軸に直交する軸の1つを体軸とし、その体軸に直交して前記中心軸を含んだ面を中央断層面とし、その中央断層面上において所定の座標軸と中心軸とのなす角度を投影角度としたときに、前記体軸周りに照射源・検出手段、および被検体の少なくともいずれか一方を回転させる回転手段と、検出手段で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置および前記投影角度によって決定された値に応じた加算平均で求められたデータを用いて前記再構成を行う演算処理手段とを備えていることを特徴とする断層撮影装置。
- 請求項1に記載の断層撮影装置において、前記再構成位置および前記投影角度によって決定された値は、収集すべき被検体の体軸方向の厚みを透過した放射線が前記検出手段に投影される範囲であって、その範囲に応じた加算平均で求められたデータを用いて前記演算処理手段は前記再構成を行うことを特徴とする断層撮影装置。
- 請求項2に記載の断層撮影装置において、前記範囲の体軸に沿った方向の幅をLとし、前記厚みをwとし、前記体軸に直交する面をxy平面としたときにxy平面に投影された再構成位置の座標をそれぞれX,Yとし、前記投影角度をθとし、前記照射源の焦点をFとし、前記放射線束の中心の前記検出手段への到達点をDとし、前記体軸周りの回転の回転中心をOとし、前記焦点Fから前記到達点Dまでの距離をFDとし、前記焦点Fから前記回転中心Oまでの距離をFOとしたときに、前記幅Lを
L=FD×w/(FO−Xcosθ−Ysinθ)なる式で決定することを特徴とする断層撮影装置。 - 請求項2に記載の断層撮影装置において、前記範囲の体軸に沿った方向の幅の上限および下限の境界の値と、前記検出手段の範囲内に含まれ、所定の間隔でそれぞれ設定された各セルのときに前記幅の境界に最も近いセルとセルとの境界の値との大小関係で、それぞれを場合分けして前記加算平均で求められるべきデータへの寄与量を求め、その寄与量に基づいて加算平均を行うことを特徴とする断層撮影装置。
- 請求項4に記載の断層撮影装置において、前記所定の間隔は整数であって、設定された前記セルの座標は整数であることを特徴とする断層撮影装置。
- 請求項1に記載の断層撮影装置において、前記加算平均は重み付け加算平均であることを特徴とする断層撮影装置。
- 請求項1に記載の断層撮影装置において、前記放射線はX線であることを特徴とする断層撮影装置。
- 3次元の断層画像を取得する工程を含んだ一連の演算処理をコンピュータに実行させるための演算処理プログラムであって、放射線を被検体に照射する照射源と前記被検体に照射されて透過された前記放射線を検出する検出手段とを結ぶ軸を中心軸とし、その中心軸に直交する軸の1つを体軸とし、その体軸に直交して前記中心軸を含んだ面を中央断層面とし、その中央断層面上において所定の座標軸と中心軸とのなす角度を投影角度としたときに、検出手段で検出された投影データに対して逆投影演算処理を行って断層画像の再構成を行う際に、その再構成位置および前記投影角度によって決定された値に応じた加算平均で求められたデータを用いて前記再構成を行う工程を含む演算処理をコンピュータに実行させることを特徴とする演算処理プログラム。
- 請求項8に記載の演算処理プログラムにおいて、前記再構成位置および前記投影角度によって決定された値は、収集すべき被検体の体軸方向の厚みを透過した放射線が前記検出手段に投影される範囲であって、その範囲に応じた加算平均で求められたデータを用いて前記再構成を行うことを特徴とする演算処理プログラム。
- 請求項9に記載の演算処理プログラムにおいて、前記範囲の体軸に沿った方向の幅をLとし、前記厚みをwとし、前記体軸に直交する面をxy平面としたときにxy平面に投影された再構成位置の座標をそれぞれX,Yとし、前記投影角度をθとし、前記照射源の焦点をFとし、前記放射線束の中心の前記検出手段への到達点をDとし、前記体軸周りの回転の回転中心をOとし、前記焦点Fから前記到達点Dまでの距離をFDとし、前記焦点Fから前記回転中心Oまでの距離をFOとしたときに、前記幅Lを
L=FD×w/(FO−Xcosθ−Ysinθ)なる式で決定することを特徴とする演算処理プログラム。 - 請求項9に記載の演算処理プログラムにおいて、前記範囲の体軸に沿った方向の幅の上限および下限の境界の値と、前記検出手段の範囲内に含まれ、所定の間隔でそれぞれ設定された各セルのときに前記幅の境界に最も近いセルとセルとの境界の値との大小関係で、それぞれを場合分けして前記加算平均で求められるべきデータへの寄与量を求め、その寄与量に基づいて加算平均を行うことを特徴とする演算処理プログラム。
- 請求項11に記載の演算処理プログラムにおいて、前記所定の間隔は整数であって、設定された前記セルの座標は整数であることを特徴とする演算処理プログラム。
- 請求項9に記載の演算処理プログラムにおいて、前記範囲の体軸に沿った方向への加算平均を前記幅に応じて行った後に、前記検出手段上で体軸に直交する方向への加算平均を行うことを特徴とする演算処理プログラム。
- 請求項8に記載の演算処理プログラムにおいて、前記加算平均は重み付け加算平均であることを特徴とする演算処理プログラム。
- 請求項8に記載の演算処理プログラムにおいて、前記放射線はX線であることを特徴とする演算処理プログラム。
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