JP4301866B2 - 物体の画像を再構成する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）撮像に関し、さらに具体的には、ＣＴ放射線源を動作させる方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
少なくとも一つの公知のＣＴイメージング・システムは、ファン・ビーム方式の螺旋アルゴリズムを用いて画像を形成するが、画像はかなりの雑音不均一性及び増大した雑音レベルを含む場合がある。雑音不均一性は主として、螺旋加重とファン・ビーム逆投影の加重関数との間の相互作用によって生ずる。走査視野内での雑音変動は、均一な被走査物体でも二倍を超えて変化し得る。雑音不均一性は、イソセンタから遠ざかるに従って増大し、また三次元再編成後の画像にベネチアン・ブラインド又はゼブラ等の画像アーティファクトを生ずる可能性がある。
【特許文献１】
米国特許第６３２４２４１号
【０００３】
【課題を解決するための手段】
一観点では、物体の画像を再構成する方法を提供する。この方法は、複数の投影データを生成する工程と、投影データを螺旋補間する工程と、螺旋補間した投影データをファン・ビーム形式からパラレル・ビーム形式へリビニング（rebinning、並べ替え）する工程と、パラレル・ビーム形式の投影データを用いて物体の画像を再構成する工程とを含んでいる。
【０００４】
もう一つの観点では、物体の画像を再構成する方法を提供する。この方法は、複数の投影データを生成する工程と、投影データを螺旋補間する工程と、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして元の測定投影の第一の集合をリビニングする工程と、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして補間後の投影の第一の集合をリビニングする工程と、物体の画像を再構成するために元の測定投影の第一の集合と補間後の投影の第一の集合とを結合する工程とを含んでいる。
【０００５】
さらにもう一つの観点では、物体の画像を再構成する方法を提供する。この方法は、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして元の測定投影の第一の集合をリビニングする工程と、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして補間後の投影の第一の集合をリビニングする工程と、物体の画像を再構成するために元の測定投影の第一の集合と補間後の投影の第一の集合とを結合する工程とを含んでいる。
【０００６】
さらにもう一つの観点では、物体の画像を再構成する計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムを提供する。このＣＴシステムは、放射線源と、検出器アレイと、検出器アレイ及び放射線源に結合されているコンピュータとを含んでいる。コンピュータは、複数の投影データを生成し、投影データを螺旋補間し、螺旋補間した投影データをファン・ビーム形式からパラレル・ビーム形式へリビニングして、パラレル・ビーム形式の投影データを用いて物体の画像を再構成するように構成されている。
【０００７】
さらにもう一つの観点では、物体の画像を再構成する計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムを提供する。このＣＴシステムは、放射線源と、検出器アレイと、検出器アレイ及び放射線源に結合されているコンピュータとを含んでいる。コンピュータは、複数の投影データを生成し、投影データを螺旋補間し、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして元の測定投影の第一の集合をリビニングし、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして補間後の投影の第一の集合をリビニングして、物体の画像を再構成するために元の測定投影の第一の集合と補間後の投影の第一の集合とを結合するように構成されている。
【０００８】
さらにもう一つの観点では、物体の画像を再構成するためにコンピュータによって実行可能なプログラムで符号化されているコンピュータ読み取り可能な媒体を提供する。このプログラムは、複数の投影データを生成し、投影データを螺旋補間し、螺旋補間した投影データをファン・ビーム形式からパラレル・ビーム形式へリビニングして、パラレル・ビーム形式の投影データを用いて物体の画像を再構成すべくコンピュータに命令するように構成されている。
【０００９】
さらにもう一つの観点では、物体の画像を再構成するためにコンピュータによって実行可能なプログラムで符号化されているコンピュータ読み取り可能な媒体を提供する。このプログラムは、複数の投影データを生成し、投影データを螺旋補間し、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして元の測定投影の第一の集合をリビニングし、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして補間後の投影の第一の集合をリビニングして、物体の画像を再構成するために元の測定投影の第一の集合と補間後の投影の第一の集合とを結合すべくコンピュータに命令するように構成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
幾つかの公知のＣＴイメージング・システム構成においては、放射線源がファン（扇形）形状のビームを投射し、このビームは、デカルト座標系のＸ−Ｙ平面であって、一般に「イメージング（撮像）平面」と呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。放射線ビームは患者等の被撮像物体を透過する。ビームは物体によって減弱された後に放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイで受光される減弱した放射線ビームの強度は、物体による放射線ビームの減弱量に依存している。アレイ内の各々の検出器素子が、検出器の位置でのビーム減弱の測定値である別個の電気信号を発生する。すべての検出器からの減弱測定値を別個に取得して透過プロファイル（断面）を形成する。
【００１１】
第三世代ＣＴシステムでは、放射線源及び検出器アレイは、放射線ビームが被撮像物体と交差する角度が定常的に変化するように撮像平面内で被撮像物体の周りをガントリと共に回転する。一つのガントリ角度での検出器アレイからの一群の放射線減弱測定値すなわち投影データを「ビュー」と呼ぶ。物体の「走査（スキャン）」は、放射線源及び検出器が一回転する間に様々なガントリ角度すなわちビュー角度において形成される一組のビューを含んでいる。
【００１２】
アキシャル・スキャン（軸方向走査）では、投影データを処理して、物体を通して得られる二次元スライスに対応する画像を構築する。一組の投影データから画像を再構成する一方法に、当業界でフィルタ補正逆投影法と呼ばれるものがある。この手法は、走査からの減弱測定値を「ＣＴ数」又は「ハンスフィールド（Hounsfield）単位」と呼ばれる整数へ変換し、これらの整数を用いて表示装置上の対応するピクセルの輝度を制御する。
【００１３】
全走査時間を短縮するために、「ヘリカル」・スキャン（螺旋走査）を行なうこともできる。「ヘリカル」・スキャンを行なうためには、所定の数のスライスのデータが取得されている間に、患者を移動させる。このようなシステムは、一回のファン・ビーム・ヘリカル・スキャンから単一の螺旋を生成する。ファン・ビームによって悉く写像された螺旋から投影データが得られ、投影データから各々の所定のスライスにおける画像を再構成することができる。
【００１４】
本書で用いる場合には、単数形で記載されており単数不定冠詞を冠した要素又は工程という用語は、排除すると明記していない限りかかる要素又は工程を複数備えることを排除しないものと理解されたい。さらに、本発明の「一実施形態」に対する参照は、所載の特徴を同様に組み入れている他の実施形態の存在を排除しないものと解釈されたい。
【００１５】
また、本書で用いられる「画像を再構成する」という文言は、画像を表わすデータが生成されるが可視画像は形成されないような本発明の実施形態を排除するものではない。但し、多くの実施形態は１以上の可視画像を形成する（か又は形成するように構成されている）。
【００１６】
図１はＣＴイメージング・システム１０の見取り図である。図２は図１に示すシステム１０のブロック模式図である。実施形態の一例では、計算機式断層写真（ＣＴ）イメージング・システム１０は、「第三世代」ＣＴイメージング・システムに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２は放射線源１４を有しており、放射線源１４は、Ｘ線コーン・ビーム１６をガントリ１２の対向する側に設けられている検出器アレイ１８に向かって投射する。一実施形態では、放射線源１４は、放射線源１４の複数の位置（本書では放射線源１４の焦点（spots）とも呼ぶ）から検出器１８に向かって、検出器１８が反転コーン・ビーム形状を受光するように複数のコーン・ビーム１６を投射する二次元放射線源である。
【００１７】
検出器アレイ１８は、複数の検出器素子２０を含む複数の検出器行（図示されていない）によって形成されており、検出器素子２０は一括で、患者２２のような物体を透過する投射Ｘ線ビームを感知する。各々の検出器素子２０は、入射放射線ビームの強度を表わし従って物体又は患者２２を透過する際のビームの減弱を表わす電気信号を発生する。放射線投影データを取得するための一回の走査の間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成部品は、回転中心２４の周りを回転する。図２は、検出器素子２０の単一の行（すなわち検出器行一行）のみを示している。しかしながら、マルチ・スライス検出器アレイ１８は、一回の走査中に複数の準平行スライス又は平行スライスに対応する投影データが同時に取得され得るように検出器素子２０の複数の平行な検出器行を含んでいる。
【００１８】
ガントリ１２の回転及び放射線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御されている。制御機構２６は放射線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、放射線制御器２８は放射線源１４に電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングして、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化された放射線データをＤＡＳ３２から受け取って高速画像再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。
【００１９】
コンピュータ３６はまた、キーボードを有するコンソール４０を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給した指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、放射線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２をガントリ１２内で配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。
【００２０】
一実施形態では、コンピュータ３６は、フレキシブル・ディスク又はＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な媒体５２から命令及び／又はデータを読み取る装置５０、例えばフレキシブル・ディスク・ドライブ又はＣＤ−ＲＯＭドライブを含んでいる。もう一つの実施形態では、コンピュータ３６はファームウェア（図示されていない）に記憶されている命令を実行する。コンピュータ３６は、本書に記載する機能を実行するようにプログラムされており、従って、本書で用いられるコンピュータという用語は当業界でコンピュータと呼ばれている集積回路のみに限定されている訳ではなく、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ、特定応用向け集積回路、及び他のプログラム可能な回路を広範に指している。
【００２１】
図３は、物体２２の画像を再構成する方法の一例６０である。方法６０は、複数の投影データを生成する工程６２と、投影データを螺旋補間する工程６４と、螺旋補間した投影データをファン・ビーム形式からパラレル・ビーム形式へリビニングする（すなわちファン−パラレル・リビニング）工程６６と、パラレル・ビーム形式の投影データを用いて物体２２の画像を再構成する工程６８とを含んでいる。
【００２２】
本書に記載する投影データ・リビニング方法を実行すると幾つかの利点がある。マルチ・スライス螺旋再構成では、画像を構成するためにはすべての検出器行からの投影データが必要であるので、リビニング工程をすべての投影データについて行なわなければならない。例えば、１６行検出器構成の場合には、１６行の検出器行すべてからの投影データを処理する必要がある。利用時には、加重及び加算工程の後に単一の投影集合だけがリビニングされる。さらに、加重及び加算処理では、一回転だけ離隔した投影データが自動的に加算されて、投影加重工程の終了時に単一の投影を形成する。高画質（ＨＱ）モードで収集された多数の螺旋データの場合は、投影の数は典型的には、検出器の一回転分よりも多い。さらにｚ平滑化演算を行なうと、投影の数は、単一回転の投影の数よりも２倍〜４倍まで容易に増大し得る。結果的に、リビニングされる投影の数は、加重工程の後にリビニングを行なうと大幅に減少する。本書に記載するように、ファン−パラレル・リビニング６８はさらに、β方向での補間及びγ方向での補間に分割することができる。一実施形態では、β補間を螺旋加重工程と結合することができる。もう一つの実施形態では、β補間及びγ補間の両方を螺旋補間６６の後に実行することもできる。再構成過程は線形であるので、いずれのアプローチでも形成される最終的な画像は同じである。方法６０はまた、少なくとも一つの公知のファン・ビーム構成に比べてリビニングの後の投影の数を減少させることを促進する。本書に記載する再構成方法を用いると、投影の最小角度範囲は１８０°であるが、少なくとも一つの公知のファン・ビーム投影の角度範囲は１８０°＋ファン角度である。典型的なＣＴ走査形状では、ファン角度は５０°〜６０°である。従って、本書に記載する方法を用いると、少なくとも一つの公知のファン・ビーム・アルゴリズムに比べてフィルタ補正及び逆投影されるビューの数が約３０％節減される。
【００２３】
一実施形態では、投影データをファン−パラレル・リビニングする工程６６は、高次補間アルゴリズムを用いて検出器チャネル方向（γ）に投影データをファン−パラレル補間する工程を含んでおり、ここで高次補間アルゴリズムは例えば四次ラグランジュ・アルゴリズム等であるがこれに限定されない。検出器チャネル方向（γ）に投影データをファン−パラレル補間する工程は、半径方向分解能に効果を及ぼすので、高周波数内容の改善を促進する。また、投影データをファン−パラレル補間する工程は、検出器チャネル方向のアルゴリズムと異なる補間アルゴリズムを用いてビュー方向（β）に投影データを補間する工程も含んでいる。一実施形態では、ビュー方向（β）に投影データをファン−パラレル補間する工程は、線形補間を用いてビュー方向（β）に投影データを螺旋補間する工程を含んでいる。ビュー方向（β）に投影データをファン−パラレル補間する工程は、計算効率の向上を促進する。一実施形態では、単一のビューについての補間をすべての検出器チャネルにわたって行なうのではなく、固定した一つの検出器チャネル（γ）に対応するすべての投影サンプルについてβ補間を行なって、補間係数の再計算の回避を促進する。例えば、開始投影をβ＝０に設定する場合（異なる角度で開始する投影データ集合の場合には単純な定数を加算すれば議論全体が同じく成立する）には、第ｋ投影の投影角度はβ＝ｋΔβとなる。すると、検出器角度γでの第ｋパラレル投影について投影角度β_p（ｋ）は、
β_p（ｋ）＝ｋΔβ−γ＝Δβ（ｋ−γ／Δβ） （１）
となり、ここで、
ｋは位置番号であり、
βはビュー方向であり、
Δβは隣接したビューの間でのβの角度増分であり、
γは検出器チャネル方向に沿った検出器角度であって、イソチャネルをγ＝０とする。
【００２４】
利用時には、Δβは定数であり番号ｋは整数であるので、補間の唯一の変化は端数部分であるγ／Δβによるもののみとなる。固定した一つの検出器チャネルについては、量γ／Δβは定数である。従って、すべてのビューについて補間係数を再計算する必要はなくなるが、各々の検出器チャネル毎に一回ずつ再計算される。
【００２５】
一実施形態では、螺旋加重６４処理とファン−パラレル・リビニング６６処理とを結合して、計算及びハードウェアの制約に対する要求を軽減することができる。例えば、ファン−パラレル・リビニング６６工程を、βでの補間及びγでの補間等であるがこれに限定されない２以上の演算に分割することができる。これら二つの補間工程は独立であるので、各補間工程を実行する順序は可換である。すなわち、γでの補間をβ補間の前に生成してもよいし後に生成してもよい。βでの補間では、演算をさらに加重演算とシフト演算に分割することができる。式（１）に基づけば、量γ／Δβは整数部分と小数部分とを含んでいる。利用時には、小数部分を用いて補間係数を計算し、整数部分はビュー番号のシフトを促進する。従って、螺旋加重及びβ補間を別個に実行するのではなく、螺旋加重及びβ補間加重を結合することができる。これらの演算の後にシフト演算を行なって、γ／Δβの整数部分を処理する。β補間の小数部分は行の部分集合に対して行なうことができる。すなわち、β補間の小数部分を、当該投影角度についての螺旋加重がノン・ゼロである検出器行のみに適用する。異なる検出器行からの同じ角度の投影に螺旋／β補間加重を乗算した後に、これらの投影を単純加算によって結合して単一の投影を形成することができる。一旦、各行が結合されたら、補間の整数／シフト部分を行なうことができる。行の結合の前にシフト演算を行なうほうが望ましい場合には、シフト演算もまた行の部分集合に対して行なってよい。行の結合とシフト演算とは独立であり、すなわちこれらの演算をどの順序で行なってもよい。γ補間は、独立した工程として実行してもよいし、或いは第一段階としてフィルタ補正ループに組み入れてもよい。
【００２６】
図４は、ファン・ビーム・アルゴリズムで再構成した患者走査である。図５は、本書に記載するパラレル・ビーム・アルゴリズムで再構成した図４に示す同じ患者走査であり、雑音性能の改善を示している。図６は複数の最大強度投影（ＭＩＰ）画像であって、ファン・ビーム・アルゴリズムで形成したもの（最上図）、及び本書に記載するパラレル・ビーム・アルゴリズムで形成したもの（最下図）であり、図６の最上図に示す雑音変調による複数の平行な細長い縞が、パラレル・ビーム・アルゴリズムを用いることにより図６の最下図に示すように実質的に除去されていることを示している。
【００２７】
走査速度を高めるために、ガントリの一回転で収集することのできるビューの数はしばしば制限されている。従って、本書に記載する適応型ビュー補間方法を用いて、測定ビューの間で追加のビューを補間してビュー・エイリアシングを減少させることができる。補間後のビューを用いると、隣接したビューの間の角度間隔は最早一様でなくなっており、ファン−パラレル・リビニング工程に複雑さが加わる。
【００２８】
図７は、補間後のビューを用いて物体２２の画像を再構成する方法８０である。方法８０は、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして元の測定投影の第一の集合をリビニングする工程８２と、少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして補間後の投影の第一の集合をリビニングする工程８４と、物体２２の画像を再構成するために元の測定投影の第一の集合と補間後の投影の第一の集合とを結合する工程８６とを含んでいる。逆投影は加算過程であるので、次いで、別個の補間を自動的に結合して最終的な画像を形成することができる。
【００２９】
方法６０及び方法８０は、少なくとも一つの公知のファン・ビーム再構成方法に比べて約２分の１の雑音低減の提供を促進する。さらに、方法６０及び方法８０は、螺旋三次元構成した画像のベネチアン・ブラインド・アーティファクトの除去を促進すると共に、座標計算の改善を促進し、これにより、容易な座標計算、及び逆投影の加重工程の省略によってハードウェアの節減を可能にする。例えば、異なる行の投影の結合及び一回転だけ離隔した投影の結合から計算効率が得られる。従って、ファン・ビーム再構成用の加重アルゴリズムをすべて変更する必要はないという事実からアルゴリズム開発効率が得られる。
【００３０】
パラレル・ビーム再構成の利用は、ファン・ビーム再構成の利用を凌ぐ幾つかの利点を提供する。例えば、パラレル・ビーム再構成は、画像と投影空間との間の写像がパラレル・ビーム形状では遥かに単純であるため、ファン・ビーム再構成よりも計算効率が高い。加えて、ファン・ビーム逆投影に用いられる位置依存型加重関数はパラレル・ビーム逆投影では用いられない。パラレル・ビーム逆投影のもう一つの利点は雑音均一性の向上であり、これにより、三次元螺旋画像でしばしば観察されるベネチアン・ブラインド・アーティファクトのような複数のアーティファクトの低減を促進する。
【００３１】
様々な特定の実施形態によって本発明を記載したが、当業者であれば、特許請求の範囲の要旨及び範囲内にある改変を施して本発明を実施し得ることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴイメージング・システムの見取り図である。
【図２】図１に示すシステムのブロック模式図である。
【図３】再構成アルゴリズムの実施形態の一例を表わす流れ図である。
【図４】ファン・ビーム・アルゴリズムで再構成した患者走査である。
【図５】パラレル再構成アルゴリズムで再構成した図４に記載する患者走査である。
【図６】複数の最大強度投影画像を示す図である。
【図７】再構成アルゴリズムの実施形態の一例を表わす流れ図である。
【符号の説明】
１０ ＣＴシステム
１２ ガントリ
１４ 放射線源
１６ 放射線コーン・ビーム
１８ 検出器アレイ
２０ 検出器素子
２２ 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
４２ 表示器
４６ モータ式テーブル
４８ ガントリ開口
５０ 媒体読み取り装置
５２ 媒体
６０ 画像を再構成する方法
８０ 補間後のビューを用いて画像を再構成する方法

Claims (6)

1. 物体（２２）の画像を再構成する計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム（１０）であって、
   放射線源（１４）と、
   検出器アレイ（１８）と、
   前記検出器アレイ及び前記放射線源に結合されているコンピュータ（３６）とを備えており、該コンピュータは、
   複数の投影データを生成し（６２）、
   該投影データを螺旋補間し（６４）、
   該螺旋補間した投影データをファン・ビーム形式からパラレル・ビーム形式へリビニングして（６６）、
   該パラレル・ビーム形式の投影データを用いて前記物体の画像を再構成する（６８）ように構成されており、
   前記螺旋補間した投影データをファン・ビーム形式からパラレル・ビーム形式へリビニングする（６６）ために、前記コンピュータ（３６）はさらに、
   少なくとも二つのビューの間での角度増分を一様にして元の測定投影の第一の集合をリビニングし（８２）、
   少なくとも二つのビューの間での前記角度増分を一様にして補間後の投影の第一の集合をリビニングして（８４）、
   物体（２２）の画像を再構成するために前記元の測定投影の第一の集合と前記補間後の投影の第一の集合とを結合する（８６）ように構成されている、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム（１０）。
2. 前記コンピュータ（３６）はさらに、
   前記投影データを前処理すると共に較正して、
   前記リビニングした投影データをフィルタ補正及び逆投影するように構成されている請求項１に記載の医用イメージング・システム（１０）。
3. 前記リビニングした投影データをフィルタ補正及び逆投影するために、前記コンピュータ（３６）はさらに、単一のリビニングした投影データ集合をフィルタ補正及び逆投影するように構成されている請求項１に記載の医用イメージング・システム（１０）。
4. 前記投影データをリビニングするために、前記コンピュータ（３６）はさらに、高次補間アルゴリズムを用いて検出器チャネル方向で前記投影データをファン−パラレル補間するように構成されている請求項１に記載の医用イメージング・システム（１０）。
5. 前記投影データをリビニングするために、前記コンピュータ（３６）はさらに、検出器チャネル方向アルゴリズムと異なる補間アルゴリズムを用いてビュー方向で前記投影データをファン−パラレル補間するように構成されている請求項１に記載の医用イメージング・システム（１０）。
6. 前記投影データをリビニングするために、前記コンピュータ（３６）はさらに、
   βｐ（ｋ）＝ｋΔβ−γ＝Δβ（ｋ−γ／Δβ）
   として定義される複数のパラレル・サンプル位置を用いて検出器チャネル方向で前記投影データをファン−パラレル補間するように構成されており、ここで、
   ｋは位置番号であり、
   βはビュー方向であり、
   Δβは隣接したビューの間でのβの角度増分であり、
   γは検出器チャネル方向に沿った検出器角度であって、イソチャネルではγ＝０である、請求項１に記載の医用イメージング・システム（１０）。

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