JP7656558B2 - Ｐｃｃｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は光子計数型検出器等によって取得される複数のエネルギービンに分けられた投影データに基づいて作成される、被写体内の物質が弁別された物質弁別画像のアーチファクトの補正に関する。

フォトンカウンティング（Photon Counting）方式を採用する検出器である光子計数型検出器を備えるＰＣＣＴ（Photon Counting Computed Tomography）装置は、従来のＣＴ装置よりも多くの情報を含んだ医用画像を提示できる。例えば複数のエネルギービンに分けられた投影データを用いて作成される画像であるエネルギービン画像や、複数の物質に弁別された画像である物質弁別画像が提示可能である。

ところでＸ線ＣＴ画像では、被写体内の骨組織や治療用の金属部材のようなＸ線吸収係数が高い部位においてビームハードニングによるアーチファクト、例えばＸ線吸収係数が高い部位の間のＣＴ値が低くなるダークバンドが発生することがある。ビームハードニングによるアーチファクトは、例えば特許文献１に開示されるような方法によって補正される。

特開２００９－５０４１３号公報

しかしながら特許文献１では、物質弁別画像に生じたダークバンドのようなバンドアーチファクトに対する配慮はなされていない。一方の物質弁別画像にダークバンドが生じるとき、他方の物質弁別画像にはブライトバンドが生じ、一方のバンドアーチファクトに対する補正だけでは不十分である。

そこで本発明の目的は、一方の物質弁別画像のバンドアーチファクトとともに他方の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正可能なＰＣＣＴ装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は、被写体にＸ線を照射することにより複数のエネルギービンに分けられた投影データを取得するＰＣＣＴ装置であって、前記投影データに基づいて作成される複数の物質弁別画像のうちの第一の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正するとともにバンドアーチファクトの補正量である第一補正量を算出する第一補正部と、前記被写体を透過したＸ線の平均エネルギーを算出するエネルギー算出部と、前記第一補正量と前記平均エネルギーとに基づいて算出される補正量である第二補正量を用いて第二の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正する第二補正部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、一方の物質弁別画像のバンドアーチファクトとともに他方の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正可能なＰＣＣＴ装置を提供することができる。

ＰＣＣＴ装置の全体構成を示す図である。 複数のエネルギービンに分けられるＸ線の一例を示す図である。 物質弁別データについて説明する図である。 物質弁別マップの一例を示す図である。 物質弁別画像のバンドアーチファクトについて説明する図である。 実施例１の機能ブロックを示す図である。 実施例１の処理の流れの一例を示す図である。 物質弁別画像の補正処理の流れの一例を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明に係るＰＣＣＴ（Photon Counting Computed Tomography）装置の実施例について説明する。なお、以下の説明及び添付図面では、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１を用いてＰＣＣＴ装置１００の全体構成を説明する。ＰＣＣＴ装置１００は、入出力部２００と撮影部３００と統括制御部４００を備える。

入出力部２００は、入力装置２１０とモニタ２２０を有する。入力装置２１０は操作者が撮影条件等を入力するときに用いられる装置であり、例えばマウスやキーボードである。モニタ２２０は入力された撮影条件等が出力される表示装置であり、タッチパネル機能を有する場合は入力装置２１０としても用いられる。

撮影部３００は、被写体１０１の投影データを様々な投影角度で取得するために、Ｘ線源３１０、Ｘ線検出器３２０、ガントリ３３０、テーブル１０２、および撮影制御部３４０を備える。なお取得される投影データは、複数のエネルギービンに分けられる。

Ｘ線源３１０はＸ線を被写体１０１に照射する装置である。Ｘ線源３１０と被写体１０１との間にはコリメータ３１１が備えられる。コリメータ３１１は、被写体１０１に照射されるＸ線のｚ方向の長さを調節する装置である。

Ｘ線検出器３２０は被写体１０１で散乱せずに透過したＸ線である直接線を検出する装置であり、複数の検出素子３２１を有する。検出素子３２１は、Ｘ線源３１０のＸ線発生点から等距離、例えば１０００ｍｍの距離に約１０００個配置される。検出素子３２１はＸ線を検出する素子であり、一つの素子に入射するＸ線の量に応じた電気信号を出力する。検出素子３２１はｘｙ面に配列され、例えば０．５ｍｍ角のサイズを有する。検出素子３２１は、シンチレータ素子とフォトダイオード素子を組み合わせた間接型検出素子でも良いし、ＣｄＴｅに代表される半導体検出素子であっても良い。間接型検出素子では、入射するＸ線によってシンチレータ素子が蛍光を発し、その蛍光がフォトダイオード素子で電気信号に変換される。

検出素子３２１は、入射するＸ線を図２に示すように、複数のエネルギービンに分けて検出する。図２には、Ｔ１～Ｔ２、Ｔ２～Ｔ３、Ｔ３～の三つのエネルギービンに分けられて検出されるＸ線が、ｂｉｎ１、ｂｉｎ２、ｂｉｎ３として示される。なお、複数のエネルギービンに分けられて検出されたＸ線から、様々な組み合わせのエネルギービンのＸ線が算出されても良い。例えば、ｂｉｎ１、ｂｉｎ２、ｂｉｎ３のＸ線強度から、ｂｉｎ１＋ｂｉｎ２のＸ線強度やｂｉｎ２＋ｂｉｎ３のＸ線強度が算出されても良い。

図１の説明に戻る。ガントリ３３０の中央には、被写体１０１が載置されるテーブル１０２を配置するための円形の開口部３３１が設けられる。開口部３３１の直径は例えば７００ｍｍである。ガントリ３３０内には、Ｘ線源３１０とＸ線検出器３２０を搭載し、Ｘ線源３１０とＸ線検出器３２０を被写体１０１の周りで回転させる回転板３３２が備えられる。テーブル１０２は、ガントリ３３０に対する被写体１０１の位置を調整するためにｚ方向に移動する。

撮影制御部３４０は、Ｘ線制御部３４１、ガントリ制御部３４２、テーブル制御部３４３、検出器制御部３４４を有する。Ｘ線制御部３４１はＸ線源３１０に印加される電圧等を制御する。ガントリ制御部３４２は、回転板３３２の回転を制御し、例えば１．０ｓ／回で回転板３３２を回転させる。検出器制御部３４４は、Ｘ線検出器３２０によるＸ線の検出を制御し、例えば０．４度／回でＸ線検出器３２０にＸ線を検出させる。テーブル制御部３４３は、テーブル１０２の移動を制御する。

統括制御部４００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)４０１、メモリ４０２、記憶装置４０３を有し、撮影制御部３４０を制御するともに、Ｘ線検出器３２０によって取得された投影データ等に様々な処理を施す。例えば、入力装置２１０にて設定された撮影条件に従って取得された投影データから断層画像を再構成する処理を統括制御部４００が実行する。断層画像はエネルギービン毎に再構成されても良い。また再構成された断層画像や再構成処理に用いられた投影データは、モニタ２２０に表示されたり、記憶装置４０３に格納されたりし、エネルギービン毎に扱われても良い。さらに組成と厚さが既知である複数の基底物質の組み合わせを撮影することにより、物質弁別画像の作成に用いられる物質弁別データが取得される。

図３を用いて、物質弁別画像の作成に用いられる物質弁別データ５２０について説明する。物質弁別データ５２０は、組成と厚さが既知である複数の基底物質からなる較正部材５１０を用いて取得される複数種類のＸ線エネルギースペクトルである。較正部材５１０は、例えばＸ線焦点５０１を中心とする円弧形状で均一な厚さを有する第一基底物質５１１と第二基底物質５１２が組み合わされたものである。第一基底物質５１１には実効原子番号が比較的小さい物質、例えばアクリルやポリエチレン等が用いられ、第二基底物質５１２には、実効原子番号が比較的大きい物質、例えばアルミニウムやカルシウム混合物、ヨード混合物、錫等が用いられる。なお第一基底物質５１１と第二基底物質５１２はそれぞれ複数の異なる厚さを有する。例えば第一基底物質５１１の厚さがＪ種類、第二基底物質５１２の厚さがＫ種類であれば、Ｊ×Ｋ種類の較正部材５１０が用いられ、各組み合わせについてＸ線エネルギースペクトルが検出素子３２１毎に取得される。図３ではＪ＝３、Ｋ＝３であるので、９種類のＸ線エネルギースペクトルが物質弁別データ５２０として示される。なお物質弁別データ５２０は、被写体１０１の撮影に先立って、予め取得される。

取得された物質弁別データ５２０は、例えば図４に示される物質弁別マップ５２１として記憶装置４０３に格納されても良い。図４に例示される物質弁別マップ５２１は、０ｍｍ～２００ｍｍの厚さのアクリルと０ｍｍ～８ｍｍの厚さのアルミニウムとが組み合わせられた較正部材５１０を透過したＸ線が三つのエネルギービンに分けられて検出された結果である。なお物質弁別マップ５２１は、図４に例示されるテーブルに限定されず、グラフや数式等で表されても良い。

物質弁別データ５２０を用いて、物質弁別画像を作成する手順について説明する。撮影部３００によって様々な投影角度で取得される被写体１０１の投影データは、検出素子３２１毎にＸ線エネルギースペクトルを有する。そこで物質弁別データ５２０のＸ線エネルギースペクトルの中から、検出素子３２１毎のＸ線エネルギースペクトルに最も形状が近いものが探索され、探索されたＸ線エネルギースペクトルに対応する基底物質の厚さの組合せが取得される。すなわち、第一基底物質５１１がアクリルであり、第二基底物質５１２がアルミニウムであれば、様々な投影角度において検出素子３２１毎にアクリルの厚さとアルミニウムの厚さが得られ、アクリルの投影データとアルミニウムの投影データが求められる。そして、求められた基底物質毎の投影データから基底物質毎の断層画像を再構成することにより、物質弁別画像が作成される。

図５を用いて、物質弁別画像に生じるバンドアーチファクトについて説明する。図５には、Ｘ線吸収係数が高い部位を含む被写体を模擬するファントム５３０の投影データを用いて作成される物質弁別画像として、アルミニウム画像５４０とアクリル画像５５０が示される。ファントム５３０は、円柱形状のアクリル５３２の中にロッド状のアルミニウム５３１を含むものである。アルミニウム５３１はＸ線吸収係数が高い部位を模擬するものである。アクリル５３２はＸ線吸収係数が高い部位以外の部位を模擬するものである。

アルミニウムの分布を示す画像であるアルミニウム画像５４０には、ファントム５３０の中のアルミニウム５３１に対応するアルミニウム領域５４１だけが表示されるはずである。しかしながらＸ線吸収係数が高い部位に対応するアルミニウム領域５４１の間に、周辺より画素値が低いバンドアーチファクトであるダークバンド５４２が発生する。またアクリルの分布を示す画像であるアクリル画像５５０では、アクリル５３２に対応するアクリル領域５５１の画素値が均一なはずである。しかしながらアルミニウム５３１に対応する領域の間に、周辺よりも画素値が高いバンドアーチファクトであるブライトバンド５５２が発生する。ダークバンド５４２やブライトバンド５５２が含まれる医用画像は診断精度の低下をもたらす。

ダークバンド５４２とブライトバンド５５２の発生は、アルミニウム５３１の直下に位置する検出素子３２１ａに入射するＸ線に含まれる散乱線の割合が、物質弁別データ５２０に含まれる散乱線の割合よりも多いことに起因する。すなわち図５ではアクリル５３２で生じる散乱線の多くが検出素子３２１ａに入射するのに対して、図３では第一基底物質５１１であるアクリルで生じる散乱線が第二基底物質５１２であるアルミニウムに吸収され、検出素子３２１ａに入射する散乱線は比較的少ない。その結果、厚さの組合せが、アルミニウム５３１及びアクリル５３２と第一基底物質５１１及び第二基底物質５１２とで同じであっても、検出素子３２１ａでのＸ線エネルギースペクトルに差異が生じ、物質弁別によって得られる厚さに誤差が生じる。より具体的には、図５でのＸ線エネルギースペクトルは図３に比して低エネルギー側のＸ線強度が若干大きくなるので、実際よりも薄いアルミニウムと、厚いアクリルが求められ、厚さの誤差によってダークバンド５４２とブライトバンド５５２が発生する。なおファントム５３０を透過した後のＸ線の平均エネルギーと、較正部材５１０を透過した後のＸ線の平均エネルギーとの差異は許容範囲内である。

ダークバンド５４２とブライトバンド５５２のうちの一方は、ビームハードニング補正により対処できるものの、他方のアーチファクトには対処できない。そこで実施例１では、一方の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正するときの補正量である第一補正量と、被写体を透過したＸ線の平均エネルギーとに基づいて算出される補正量である第二補正量を用いて他方の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正する。

図６を用いて実施例１の機能ブロックについて説明する。なおこれらの機能ブロックは、専用のハードウェアで構成されても良いし、ＣＰＵ４０１上で動作するソフトウェアで構成されても良い。以降の説明では実施例１の機能ブロックがソフトウェアで構成された場合について説明する。実施例１では、第一補正部６０１、エネルギー算出部６０２、第二補正部６０３が備えられる。以下、各構成部について説明する。

第一補正部６０１は、第一の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正するとともに、第一の物質弁別画像のバンドアーチファクトの補正量である第一補正量を算出する。第一の物質弁別画像のバンドアーチファクトの補正は、任意の方法でよく、例えば特許文献1に記載される方法であっても良い。第一補正量は、バンドアーチファクトを補正した後の物質弁別画像から補正前の物質弁別画像を減算することで求められる。

エネルギー算出部６０２は、被写体１０１を透過したＸ線の平均エネルギーを算出する。平均エネルギーは、バンドアーチファクトを含む物質弁別画像を用いて作成される、特定のＸ線エネルギーにおける画像である仮想単色画像に基づいて算出されても良い。すなわち、複数の仮想単色画像の中から最もバンドアーチファクトが小さい仮想単色画像を抽出し、抽出された仮想単色画像に対応するＸ線エネルギーが平均エネルギーとして算出される。また平均エネルギーは、被写体１０１の投影データのＸ線エネルギースペクトルから算出されても良い。

第二補正部６０３は、第一補正量と平均エネルギーとに基づいて第二補正量を算出するとともに、第二補正量を用いて他方の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正する。第二補正量ＣＯＲ２は、例えば次式を用いて算出される。

ＣＯＲ２＝μ１（Ｅ）・ρ１・ＣＯＲ１／（μ２（Ｅ）・ρ２） … （式１）
ここで、μ１（Ｅ）はＸ線エネルギーＥにおける第一の物質のＸ線減弱係数、ρ１は第一の物質の密度、ＣＯＲ１は第一補正量、μ２（Ｅ）はＸ線エネルギーＥにおける第二の物質のＸ線減弱係数、ρ２は第二の物質の密度であり、Ｅには平均エネルギーが用いられる。

図７を用いて、実施例１の処理の流れの一例についてステップ毎に説明する。

（Ｓ７０１）
統括制御部４００は、撮影制御部３４０を制御して、被写体１０１の投影データを取得する。

（Ｓ７０２）
統括制御部４００は、Ｓ７０１で取得された投影データの物質弁別を行い、第一の物質の投影データと第二の物質の投影データを取得する。物質弁別には、例えば予め取得された物質弁別データ５２０が用いられる。

（Ｓ７０３）
統括制御部４００は、Ｓ７０２で取得された第一の物質の投影データと第二の物質の投影データのそれぞれを再構成することにより、第一の物質弁別画像と第二の物質弁別画像を作成する。

（Ｓ７０４）
統括制御部４００は、Ｓ７０３で取得された第一の物質弁別画像と第二の物質弁別画像を用いて、複数の仮想単色画像を作成する。Ｘ線エネルギーＥにおける仮想単色画像の画素値Ｖは例えば次式を用いて算出される。

Ｖ＝μ１（Ｅ）・ρ１・Ｍ１＋μ２（Ｅ）・ρ２・Ｍ２ … （式２）
ここで、μ１（Ｅ）はＸ線エネルギーＥにおける第一の物質のＸ線減弱係数、ρ１は第一の物質の密度、Ｍ１は第一の物質弁別画像の画素値、μ２（Ｅ）はＸ線エネルギーＥにおける第二の物質のＸ線減弱係数、ρ２は第二の物質の密度、Ｍ１は第二の物質弁別画像の画素値である。

（Ｓ７０５）
統括制御部４００は、Ｓ７０３で取得された第一の物質弁別画像や第二の物質弁別画像、またはＳ７０４で作成された仮想単色画像にバンドアーチファクトが含まれているか否かを判定する。バンドアーチファクトが有る場合はＳ７０６へ処理が進められ、無い場合はＳ７０８へ処理が進められる。バンドアーチファクトの有無は、機械学習によって予め作成された判定器が判定しても良いし、操作者が判定しても良い。

（Ｓ７０６）
統括制御部４００は、物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正する。

図８を用いて、Ｓ７０６での物質弁別画像の補正処理の流れの一例についてステップ毎に説明する。

（Ｓ８０１）
第一補正部６０１は、一方の物質弁別画像のバンドアーチファクト、例えばアルミニウム画像５４０のダークバンド５４２を補正する。バンドアーチファクトは、例えばビームハードニング補正によって補正される。

（Ｓ８０２）
第一補正部６０１は、一方の物質弁別画像のバンドアーチファクトの補正量である第一補正量を算出する。第一補正量は、Ｓ８０１で得られた補正後の画像から補正前の画像であるアルミニウム画像５４０を減算することで算出される。

（Ｓ８０３）
エネルギー算出部６０２は、被写体１０１を透過したＸ線の平均エネルギーを算出する。例えば、Ｓ７０４で作成された複数の仮想単色画像の中から最もバンドアーチファクトが小さい仮想単色画像が抽出され、抽出された仮想単色画像に対応するＸ線エネルギーが平均エネルギーとして算出される。またはＳ７０１で取得された投影データのＸ線エネルギースペクトルから平均エネルギーが算出されても良い。

（Ｓ８０４）
第二補正部６０３は、Ｓ８０２で算出された第一補正量とＳ８０３で算出された平均エネルギーとに基づいて第二補正量を算出する。第二補正量は、例えば（式１）を用いて算出される。

（Ｓ８０５）
第二補正部６０３は、Ｓ８０４で算出された第二補正量を用いて、他方の物質弁別画像のバンドアーチファクト、例えばアクリル画像５５０のブライトバンド５５２を補正する。すなわち、第二補正量が他方の物質弁別画像、例えばアクリル画像５５０に加算されることにより、他方の物質弁別画像のバンドアーチファクトであるブライトバンド５５２が補正される。

図８に例示される補正処理の流れによって、一方の物質弁別画像のバンドアーチファクトとともに他方の物質弁別画像のバンドアーチファクトが補正される。図７の説明に戻る。

（Ｓ７０７）
統括制御部４００は、Ｓ７０６で補正された第一の物質弁別画像と第二の物質弁別画像を用いて仮想単色画像を作成する。仮想単色画像の画素値は例えば（式２）を用いて算出される。

（Ｓ７０８）
統括制御部４００は、Ｓ７０６で補正された第一の物質弁別画像や第二の物質弁別画像、またはＳ７０５やＳ７０７で作成された仮想単色画像を記憶装置４０３に保存する。記憶装置４０３に保存された物質弁別画像や仮想単色画像は必要に応じてモニタ２２０に表示され、診断に利用される。

図７に例示される処理の流れによって、バンドアーチファクトが補正された物質弁別画像や仮想単色画像が生成され、診断精度の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施例について説明した。なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１００：ＰＣＣＴ装置、１０１：被写体、１０２：テーブル、２００：入出力部、２１０：入力装置、２２０：モニタ、３００：撮影部、３１０：Ｘ線源、３１１：コリメータ、３２０：Ｘ線検出器、３２１：検出素子、３３０：ガントリ、３３１：開口部、３３２：回転板、３４０：撮影制御部、３４１：Ｘ線制御部、３４２：ガントリ制御部、３４３：テーブル制御部、３４４：検出器制御部、４００：統括制御部、４０１：ＣＰＵ、４０２：メモリ、４０３：記憶装置、５０１：Ｘ線焦点、５１０：較正部材、５１１：第一基底物質、５１２：第二基底物質、５２０：物質弁別データ、５２１：物質弁別マップ、５３１：アルミニウム、５３２：アクリル、５４０：アルミニウム画像、５４１：アルミニウム領域、５４２：ダークバンド、５５０：アクリル画像、５５１：アクリル領域、５５２：ブライトバンド、６０１：第一補正部、６０２：エネルギー算出部、６０３：第二補正部

Claims (6)

1. 被写体にＸ線を照射することにより複数のエネルギービンに分けられた投影データを取得するＰＣＣＴ装置であって、
   前記投影データに基づいて作成される複数の物質弁別画像のうちの第一の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正するとともにバンドアーチファクトの補正量である第一補正量を算出する第一補正部と、
   前記被写体を透過したＸ線の平均エネルギーを算出するエネルギー算出部と、
   前記第一補正量と前記平均エネルギーとに基づいて算出される補正量である第二補正量を用いて第二の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正する第二補正部を備えることを特徴とするＰＣＣＴ装置。
2. 請求項１に記載のＰＣＣＴ装置であって、
   前記エネルギー算出部は、前記第一の物質弁別画像と前記第二の物質弁別画像を用いて作成される複数の仮想単色画像に基づいて、前記平均エネルギーを算出することを特徴とするＰＣＣＴ装置。
3. 請求項２に記載のＰＣＣＴ装置であって、
   前記エネルギー算出部は、前記複数の仮想単色画像の中から最もバンドアーチファクトが小さい仮想単色画像を抽出し、抽出された仮想単色画像に対応するＸ線エネルギーを前記平均エネルギーとすることを特徴とするＰＣＣＴ装置。
4. 請求項１に記載のＰＣＣＴ装置であって、
   前記エネルギー算出部は、前記投影データのＸ線エネルギースペクトルから前記平均エネルギーを算出することを特徴とするＰＣＣＴ装置。
5. 請求項１に記載のＰＣＣＴ装置であって、
   前記第二補正部は、平均エネルギーＥにおける第一の物質のＸ線減弱係数がμ１（Ｅ）、第一の物質の密度がρ１、平均エネルギーＥにおける第二の物質のＸ線減弱係数がμ２（Ｅ）、第二の物質の密度がρ２、第一補正量がＣＯＲ１であるとき、第二補正量ＣＯＲ２を、ＣＯＲ２＝μ１（Ｅ）・ρ１・ＣＯＲ１／（μ２（Ｅ）・ρ２）によって算出することを特徴とするＰＣＣＴ装置。
6. 請求項１に記載のＰＣＣＴ装置であって、
   前記第一補正部は、ビームハードニング補正によって、前記第一の物質弁別画像のバンドアーチファクトを補正することを特徴とするＰＣＣＴ装置。

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