JP4711066B2

JP4711066B2 - コンピュータ断層撮影装置

Info

Publication number: JP4711066B2
Application number: JP2005313242A
Authority: JP
Inventors: 武人岸
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007121094A

Description

本発明は、コーンビーム状の放射線を用いて被写体の３次元像を得るコンピュータ断層撮影装置に関し、更に詳しくは、ヘリカルスキャンにより被写体の放射線透過データを採取する方式のコンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線をはじめとする放射線を用いたコンピュータ断層撮影装置における撮影方式として、従来、コンベンショナルスキャン方式とヘリカルスャキン方式が知られている。コンベンショナルスキャン方式は、互いに対向配置された放射線源と放射線検出器の対と被写体とを、放射線源と放射線検出器の中心を結ぶ直線に対して直交する回転中心軸の回りに、単純に相対的に回転させつつ放射線透過データを採取する方式である。

一方、ヘリカルスキャン方式は、上記の回転と同期して、放射線源と放射線検出器の対と被写体とを、回転中心軸に沿う方向に相対移動させつつ放射線透過データを採取する方式であって、例えば放射線源と放射線検出器の対を回転並びに回転軸方向に移動させる場合には、図６に示すように、これらは回転中心軸Ｒを中心とする螺旋状の軌跡Ｔを描くことからこのような名称が付与されている（例えば特許文献１参照）。

このようなヘリカルスャキン方式においては、図７に回転中心軸Ｒに沿って見た模式的な配置図を示すように、放射線源Ｓと放射線検出器Ｄの受光面の中心とを結ぶ線（放射線光軸）Ｌ上に、これらの対もしくは被写体の回転中心軸Ｒを位置させた状態でスャキンする。その際、ＣＴ撮影可能な領域は図中Ｆで示される範囲となる。

また、ヘリカルスキャン方式においては、図８に示すように、放射線検出器Ｄの回転中心軸Ｒ方向への有効幅両端と放射線源Ｓとをそれぞれ結ぶ線をＥ１およびＥ２とし、相対回転が１回転する前の放射線源Ｓの位置をａ，１回転後の位置をｂとしたとき、１回転する前の上側の線Ｅ１と、１回転した後の線Ｅ２とが交差する点Ｐが、被写体Ｗよりも放射線源Ｓ側に位置することが必要であり、ヘリカルピッチΔはこの条件を満足するように設定される。この条件と、上記した回転中心軸Ｒと放射線源Ｓ並びに放射線検出器Ｄの位置関係を満たすことにより、図７における範囲Ｆ内で、かつ、回転中心軸Ｒに沿った円筒状の領域の放射線透過データが採取され、その領域内の３次元像を構築することができる。
特開２００４−８９７２０号公報

ところで、以上のようなヘリカルスキャン方式によれば、放射線検出器の大きさに比して回転中心軸方向への撮影可能領域が大幅に拡張され、特に人体等の一軸方向に長い被写体の３次元像を得るのに極めて有利である。

しかしながら、回転中心軸に直交する方向へは、放射線検出器の有効幅により撮影可能領域が制限を受ける。このような回転中心軸に直交する方向への撮影可能領域の拡張は、コンベンショナルスキャンにおいては、オフセットスキャン方式として知られている。

オフセットスキャン方式は、図９に回転中心軸Ｒに沿って見た模式図を示すように、回転中心軸Ｒを放射線検出器Ｄの視野内に置くものの、放射線源Ｓと放射線検出器Ｄの受光面の中心とを結ぶ線Ｌに対して、回転中心軸Ｒを逸脱させた位置に配置する撮影方式であって、線Ｌに対する回転中心軸Ｒの逸脱量をＹとすると、撮影可能領域Ｆの直径は、回転中心軸Ｒを線Ｌ上に位置させるノーマルスキャン方式に比して、２Ｙだけ大きくなり、ノーマルスキャンとの比較において、回転中心軸Ｒに直交する方向への放射線検出器Ｄの有効幅が同じであったとしても、撮影可能領域を拡張することができる。

ところが、このようなオフセットスキャンとヘリカルスキャンを組み合わせると、被写体の３次元像を構築するための放射線透過データが不足するため、このような撮影方式は実現されておらず、結局、ヘリカルスキャン方式は、前記したように回転中心軸方向への撮影可能領域は拡張するものの、それに直交する方向への視野は放射線検出器の同方向への有効幅の制約を受ける。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、回転中心軸方向およびそれに直交する方向の双方に撮影可能領域を拡張することのできるコンピュータ断層撮影装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明のコンピュータ断層撮影装置は、コーンビーム状の放射線を発生する放射線源と、その放射線源からの放射線光軸（ｘ軸）に直交する平面（ｙ−ｚ平面）に広がりを持つ２次元放射線検出器とが互いに対向配置され、これらの放射線源と放射線検出器の間には被写体を配置するためステージが設けられているとともに、上記放射線源と放射線検出器の対と、上記ステージとを、放射線光軸に直交する回転中心軸（ｚ軸）の回りに相対回転させると同時に、その１回転当たりに一定の距離ずつ上記回転中心軸（ｚ軸）の方向に上記放射線源と放射線検出器の対とステージとを相対移動させつつ被写体の放射線透過データを採取するスキャン制御手段と、採取した放射線透過データを用いて被写体の３次元像を構築する再構成演算手段を備えたコンピュータ断層撮影装置において、上記放射線光軸（ｘ軸）および回転中心軸（ｚ軸）の双方に直交する方向（ｙ軸方向）に上記放射線検出器を移動させる検出器移動制御手段を備え、この検出器移動制御手段は、放射線検出器を、その移動前後で当該放射線検出器の有感面が上記ｙ軸方向に一部重畳する少なくとも２箇所で、かつ、上記放射線光軸を挟んでその両側を対称にカバーする位置に位置決めするように構成され、上記スキャン制御手段は、上記放射線検出器の各位置決めされた状態で上記スキャン動作を実行するとともに、上記再構成演算手段は、上記放射線検出器の各位置で採取された放射線透過データを用いて、被写体の３次元像を構築することによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記検出器移動制御手段は、上記放射線検出器が、当該検出器のｙ軸方向有効幅の一端部が上記放射線光軸上にある位置を含めて、偶数箇所に放射線検出器を位置決めする構成（請求項２）を採用することができる。

また、本発明においては、上記に代えて、上記検出器移動制御手段は、上記放射線検出器が、当該検出器のｙ軸方向有効幅の中央が上記放射線光軸上にある位置を含めて、奇数箇所に放射線検出器を位置決めする構成（請求項３）を採用することもできる。

そして、本発明においては、上記再構成演算手段は、上記放射線検出器からの放射線透過データのうち、放射線検出器の移動前後で互いに重畳する部分のデータについては、それぞれの位置で採取したデータに重みを付したうえで加算して用いるとともに、その重みは、それぞれの位置における放射線検出器のｙ軸方向有効幅中心ほど重くする構成（請求項４）を好適に採用することができる。

本発明は、放射線検出器を回転中心軸（ｚ軸）および放射線光軸（ｘ軸）の双方に直交する方向（ｙ軸方向）に移動させ、複数の位置においてそれぞれヘリカルスキャンを行うことにより、放射線検出器のｙ軸方向への有効幅を実質的に拡張し、ｙ軸方向への撮影可能領域を拡張しようとするものである。

すなわち、放射線検出器をｙ軸方向にずらすと、前記した図７に示す条件を満たさなくなり、３次元像を構築するための放射線透過データが不足する。しかしながら、例えば図２に示すように、放射線光軸Ｌを挟んでその両側に互いの有効幅が一部重畳するような位置Ａ，Ｂに位置決めし、それぞれの位置決め状態でヘリカルスキャンを実行して採取した放射線透過データの合計は、放射線検出器として実際に使用しているものに対してｙ軸方向への有効幅が約２倍近いＣの領域をカバーすることのできる放射線検出器を用いて、前記した図７で示した条件を満足するように位置決めした状態で一度のヘリカルスキャンを行って得られる放射線透過データと同等となる。よって各位置においてヘリカルスキャンを行って得た放射線透過データを用いることにより、ｙ軸方向には図２においてＣで示される領域の有効幅を持つ検出器を用いた場合と同等の３次元像を構築することができる。

ここで、放射線検出器の位置決めの仕方は、上記図２のように、つまり請求項２に係る発明のように、放射線光軸Ｌ上に放射線検出器のｙ軸方向有効幅の端部を位置させる状態を含めて偶数の位置に位置決めしてもよいし、図５に例示するように、つまり請求項３に係る発明のように、放射線検出器のｙ軸方向中心部を放射線光軸Ｌ上に位置させる状態を含めて奇数の位置に位置決めしてもよい。

また、放射線検出器の各位置決め状態においてｙ軸方向に互いに重畳する部分の放射線透過データの取扱いについては、請求項４に係る発明のように、各位置における放射線検出器のｙ軸方向中心ほど大きな重みを付して相互に加算して用いることにより、データのスムーズな接合ができ、３次元像上での違和感をほぼ無くすることができる。

本発明によれば、回転中心軸方向に撮影可能領域を拡張することのできるヘリカルスキャン方式のコンピュータ断層撮影装置において、その回転中心軸に直交する平面上での撮影可能領域を拡張することができ、比較的小さな有効幅を有する放射線検出器を用いても極めて広い３次元領域の撮影可能領域を得ることができる。

また、請求項４に係る発明のように、放射線検出器の各位置決め状態において重畳する部分の放射線透過データについて、各位置での放射線検出器の中心ほど重みを付して両位置における放射線透過データを加算して用いることによって、放射線検出器の各位置決め状態におけるデータの接合がスムーズなものとなり、得られた３次元像に接合に起因する違和感をほぼ無くすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明をＸ線ＣＴ装置に適用した実施の形態の構成図であり、機械的構成を表す模式的正面図と、要部のシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。また、図２は本発明の実施の形態の機械的構成の模式的平面図である。

Ｘ線発生装置１はそのＸ線焦点１ａからコーンビーム状のＸ線を発生し、Ｘ線検出器２は例えばフラットパネルディテクタ等の２次元Ｘ線検出器であり、これらは互いに対向するように配置されている。

Ｘ線発生装置１とＸ線検出器２の間に、被写体Ｗを配置するためのステージが設けられており、この例においてステージは、被写体Ｗを搭載して、Ｘ線光軸Ｌ（ｘ軸）方向に直交する回転中心軸Ｒ（ｚ軸）の回りに回転を与える回転テーブル３と、その回転テーブル３をＸ線光軸Ｌ（ｘ軸）方向に移動させるテーブルｘ方向移動機構４と、そのテーブルｘ方向移動機構４並びに回転テーブル３を、回転中心軸Ｒ（ｚ軸）に沿う方向に移動させるテーブルｚ方向移動機構５によって構成されている。

そして、Ｘ線検出器２は、検出器移動機構６に支持されており、この検出器移動機構６の駆動によりＸ線光軸Ｌおよび回転中心軸Ｒの双方に直交する方向（ｙ軸方向）に移動させることができる。この例においては、図２に示すように、Ｘ線検出器２は、そのｙ軸方向への有効幅の一端部近傍がＸ線光軸Ｌ上に位置してその有感面が図中Ａで示すｙ軸方向領域をカバーする状態と、その状態に対してＸ線光軸Ｌを挟んでｙ軸方向に対称の位置、つまりｙ軸方向への有効幅の他端部近傍がＸ線光軸Ｌ上に位置してその有感面が図中Ｂで示すｙ軸方向領域をカバーする状態の間で移動可能となっている。領域ＡとＢでは、図中δで示される僅かな領域が互いに重複している。

回転テーブル３は回転テーブル駆動回路１１からの駆動信号により駆動制御され、また、テーブルｘ方向移動機構４はｘ方向駆動回路１２からの駆動信号により、更に、テーブルｚ方向移動機構５はｚ方向駆動回路１３によって駆動制御される。そして、検出器移動機構６は、検出器移動駆動回路１４からの駆動信号によって駆動制御される。

これらの回転テーブル駆動回路１１、テーブルｘ方向駆動回路１２、テーブルｚ方向駆動回路１３および検出器駆動回路１４は、制御部１５の制御下に置かれている。制御部１５には、ジョイスティックやマウス、キーボード等のオペレータが指令を与えるための操作部１６が接続されており、この操作部１６を操作することによって、回転テーブル３、テーブルｘ方向移動機構４、テーブルｚ方向移動機構５および検出器移動機構６を任意に駆動制御することができるとともに、ＣＴ撮影時には以下に示す動作のもとに自動的に回転テーブル３とテーブルｚ方向移動機構５、並びに検出器移動機構６が駆動制御される。このＣＴ撮影時におけるＸ線検出器２からの各画素出力は、再構成演算部１７に刻々と取り込まれる。再構成演算部１７では、以下に示すＣＴ撮影動作中に取り込んだＸ線透過データを用いて、被写体Ｗの３次元像を構築し、表示器１８に表示する。なお、制御部１５および再構成演算部１７は、実際にはコンピュータとその周辺機器によって構成されている。

次に、以上の本発明の実施の形態によりオフセットヘリカルスキャンを行う際の動作について述べる。図３にその動作手順を表すフローチャートを示す。

まず、回転テーブル３上に被写体Ｗを載せ、ヘリカルピッチΔとｚ方向へのスキャン範囲を設定するとともに、設定したヘリカルピッチΔとの関連において回転テーブル３のｘ軸方向への位置を前記した図８の条件を満たす位置に位置決めした後、スキャン開始指令を与える。これにより、Ｘ線検出器２は図２に示すＡの領域をカバーする位置に位置決めされ、その状態で１回目のヘリカルスキャンが実行される。すなわち、回転テーブル３を回転させつつ、テーブルｚ方向移動機構５を駆動して、回転テーブル３が１回転する間にに設定されたヘリカルピッチΔ分だけ当該回転テーブル３をｚ方向に移動させる。その間、Ｘ線発生装置１からのＸ線を被写体Ｗに照射し、Ｘ線透過データを再構成演算部１７に取り込んでいく。スキャン範囲が設定された範囲に達すると、回転テーブル３を初期位置に戻すとともに、Ｘ線検出器２を図２にＢで示す領域をカバーする位置に位置決めし、上記と同様の２回目のヘリカルスキャンを実行する。

再構成演算部１７では、Ｘ線検出器２を移動させて実行した２回のヘリカルスキャンにより採取したＸ線透過データを、以下に示すことによって一体化した上で、被写体Ｗの３次元像を構築し、表示器１８に表示する。

すなわち、２回のヘリカルスキャンにより、後述する重複部分δにおけるデータを別にして、時間は前後するものの図２においてＣで示されるｙ軸方向領域のＸ線透過データが得られる。従って、２回のヘリカルスキャンにより、実質的にｙ軸方向への有効幅がＣのＸ線検出器を図７に示されるようにその中心をＸ線光軸Ｌ上に配置した状態でヘリカルスキャンを行った場合と同等の領域のＸ線透過データを得ることができ、従って、２回のヘリカルスキャンで得たＸ線透過データを用いることにより、広い領域の３次元像を構築することができる。

ここで、１回目のヘリカルスキャンでカバーする領域Ａと、２回目のヘリカルスキャンでカバーする領域Ｂとは、前記したようにδで示される領域で重複している。この重複領域δのデータの取扱いについては、以下に示すようにすれば、データのスムーズな接合が可能となる。

すなわち、図４（Ａ），（Ｂ）にグラフを示すように、１回目のスキャンで得たデータと２回目で得たデータのうち、重複領域δ以外の領域のデータは重み係数１を乗じて、つまりそのままデータとして用いるとともに、重複領域のデータについては、１回目および２回目のデータに対して、それぞれ有効幅の中心ほど１に近い値とし、端部ほど０に近い値の重みを付して、同一位置における１回目と２回目のデータどうしを加算する。図４（Ａ）の例は重複領域のデータに乗ずるべき重み係数を、ｙ軸の位置に応じて０〜１．０の直線とした例であり、同図（Ｂ）に示す例は、重複領域のデータに乗ずべき重み係数をｓｉｎ²θとした例である。すなわち、δの範囲の各位置をθで表して０〜π／２とみなし、各位置に対応するθを用いてｓｉｎ²θにより重み係数を決定する。このような重みを付して１回目と２回目の重複領域のデータを加算することにより、各回のスキャンにより得られたデータをスムーズに接合して、上記したようにＣで表される領域をカバーする検出器を用いたヘリカルスキャンと同等のデータを得ることができる。

なお、以上の実施の形態においては、Ｘ線検出器をＸ線光軸Ｌを挟んで互いに対称な２箇所の位置に移動させてそれぞれの位置でヘリカルスキャンを行う例を示したが、更にその両側に移動させるなど、任意の偶数箇所に位置決めしてそれぞれの位置においてヘリカルスキャンを行うこともできる。更に、図５に示すように、Ｘ線検出器のｙ軸方向への有効幅の中心が、Ｘ線光軸Ｌ上に位置する図中Ｄ１で示される領域をカバーする位置と、その両側にそれぞれ重複領域δを介して隣接する領域Ｄ２，Ｄ３をそれぞれカバーする位置の合計３箇所に移動させてそれぞれの位置においてヘリカルスキャンを行うこともでき、更にはその両側に移動させるなど、任意の奇数箇所に位置決めしてそれぞれの位置においてヘリカルスキャンを行うこともできる。

本発明をＸ線ＣＴ装置に適用した実施の形態の構成図であり、機械的構成を表す模式的正面図と、要部のシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。本発明の実施の形態の機械的構成の模式的平面図である。本発明の実施の形態によりオフセットヘリカルスキャンを行う際の動作手順を表すフローチャートである。本発明の実施の形態におけるＸ線検出器の各位置におけるデータのうち、重複部分のデータに乗ずる重み係数の例を示すグラフである。本発明の他の実施の形態におけるＸ線検出器の位置決めの仕方の例の説明図である。ヘリカルスキャン方式の放射線源または放射線検出器の軌跡を被写体上に固定された座標軸上で表現した図である。従来のヘリカルスキャンの放射線源と放射線検出器および回転中心軸の配置の関係を、回転中心軸に沿う方向から見て示す図である。ヘリカルスキャンにより３次元像を構築するために必要なデータを採取するために必要とされる、放射線源および放射線検出器の位置と、ヘリカルピッチの関係を示す図である。コンベンショナルスキャン方式で用いられるオフセットスキャンにおける放射線源と放射線検出器および回転中心軸の配置の関係を、回転中心軸に沿う方向から見て示す図である。

符号の説明

１Ｘ線発生装置
１ａ焦点
２Ｘ線検出器
３回転テーブル
４テーブルｘ方向移動機構
５テーブルｚ方向移動機構
６検出器移動機構
１１回転テーブル駆動回路
１２テーブルｘ方向駆動回路
１３テーブルｚ方向駆動回路
１４検出器移動駆動回路
１５制御部
１６操作部
１７再構成演算部
１８表示器
ＬＸ線光軸
Ｒ回転中心軸
Ｗ被写体

Claims

コーンビーム状の放射線を発生する放射線源と、その放射線源からの放射線光軸（ｘ軸）に直交する平面（ｙ−ｚ平面）に広がりを持つ２次元放射線検出器とが互いに対向配置され、これらの放射線源と放射線検出器の間には被写体を配置するためステージが設けられているとともに、
上記放射線源と放射線検出器の対と、上記ステージとを、放射線光軸に直交する回転中心軸（ｚ軸）の回りに相対回転させると同時に、その１回転当たりに一定の距離ずつ上記回転中心軸（ｚ軸）の方向に上記放射線源と放射線検出器の対とステージとを相対移動させつつ被写体の放射線透過データを採取するスキャン制御手段と、
採取した放射線透過データを用いて被写体の３次元像を構築する再構成演算手段を備えたコンピュータ断層撮影装置において、
上記放射線光軸（ｘ軸）および回転中心軸（ｚ軸）の双方に直交する方向（ｙ軸方向）に上記放射線検出器を移動させる検出器移動制御手段を備え、この検出器移動制御手段は、放射線検出器を、その移動前後で当該放射線検出器の有感面が上記ｙ軸方向に一部重畳する少なくとも２箇所で、かつ、上記放射線光軸を挟んでその両側を対称にカバーする位置に位置決めするように構成され、
上記スキャン制御手段は、上記放射線検出器の各位置決めされた状態で上記スキャン動作を実行するとともに、
上記再構成演算手段は、上記放射線検出器の各位置で採取された放射線透過データを用いて、被写体の３次元像を構築することを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。
上記検出器移動制御手段は、上記放射線検出器が、当該検出器のｙ軸方向有効幅の一端部が上記放射線光軸上にある位置を含めて、偶数箇所に放射線検出器を位置決めすることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置。
上記検出器移動制御手段は、上記放射線検出器が、当該検出器のｙ軸方向有効幅の中央が上記放射線光軸上にある位置を含めて、奇数箇所に放射線検出器を位置決めすることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置。
上記再構成演算手段は、上記放射線検出器からの放射線透過データのうち、放射線検出器の移動前後で互いに重畳する部分のデータについては、それぞれの位置で採取したデータに重みを付したうえで加算して用いるとともに、その重みは、上記放射線検出器のｙ軸方向有効幅中心ほど重くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のコンピュータ断層撮影装置。