コンピュータ断層撮影装置及び方法
【課題】本発明の目的は、コンピュータ断層撮影装置及び方法において、逆投影に要する補間処理を効果的に簡素化することにある。
【解決手段】コンピュータ断層撮影方法は、X線源50から逆投影画素を通る線形経路51に対応するX線検出器52上のチャンネル位置Chを決定する段階と、X線源50から逆投影画素Chまでの距離から補間カーネル幅ΔChを決定する段階とを有する。
【解決手段】コンピュータ断層撮影方法は、X線源50から逆投影画素を通る線形経路51に対応するX線検出器52上のチャンネル位置Chを決定する段階と、X線源50から逆投影画素Chまでの距離から補間カーネル幅ΔChを決定する段階とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ヘリカル及び円軌道を用いたX線コンピュータ断層撮影(CT)イメージングに係り、詳細には適応補間を有するCTイメージングに関する。
【背景技術】
【0002】
幾つかの逆投影方法がある。一般的な方法は、図1に示したピクセルドリブン逆投影法(pixel-driven backprojection)である。X線源10から再構成画素の中心(i,j)を通り検出器アレイ12までレイ11が導かれる。レイ11は、チャンネルck上の浮動小数点チャンネルインデックスChi,jで検出器12と交差する。画素に割り当てられる値は、次のように、線源から画素を通る投影線(レイ)が交差する検出器要素の値と、それに隣り合った検出器要素の値との線形補間である。
【0003】
V(i,j)=wk-1・D(ck-1)+wk・D(ck)+wk+1・D(ck+1) (1)
ここで、ckは交差チャンネルであり、wk-1+wk+wk+1=1である。典型的な線形補間の場合、補間カーネル(補間の核(補間関数))の幅ΔChが、1つのチャンネルにおいて固定され、2つの検出器要素だけが使用される(wk-1かwk+1が0である)。wk+1+wk-1=0及びwk=1で最短距離法が実施される。別のピクセルドリブン法は、米国特許第6,724,856号に示されたように、検出器上の補間カーネル位置が常に隣り合うように重みを調整する。
【0004】
ピクセルドリブン法は実施が容易である。しかしながら、欠点は、V(i,j)を計算するために検出器アレイ上への画素の実際の投影が使用されないことである。画素サイズが大きい場合、アレイ上への画素の投影が1チャンネルより大きくなり、すなわちV(i,j)に寄与する検出器要素が少なくなりすぎて、信号対雑音比(SNR)が悪化する。画素サイズが小さい場合、アレイ上への画素の投影が1チャンネルより小さくなり、横方向分解能が低下する。
【0005】
別の逆投影方法は、レイドリブン逆投影法(ray-driven backprojection)である。この技法は、図2に示されており、非特許文献1に記載されている。この場合、逆投影レイ21は、X線源20から検出器アレイ22内の検出器要素の中心(cとして示された)に導かれ、レイ経路において画素に寄与する検出器要素の重みwijcは、画素内のレイの長さから以下のように決定される。
【0006】
V(i,j)=V(i,j)+wijc・D(c) (2)
他のレイドリブン法は、非特許文献2に記載されているように、投影線が交差する各列又は行ごとに2つの画素間で線形補間を実行する。
【0007】
第3の技法であるディスタンスドリブン逆投影法(distance-driven backprojection)は、図3に示したように、画素と検出器要素の境界を共通軸上にマッピングし(センタリングと呼ばれる)、重なりの大きさが逆投影重みとして使用される。X線源30からのレイ31がアレイ32に当たる。特許文献1と非特許文献3を参照されたい。
【0008】
画素33は、半幅δを有する正方形であると仮定され、方形画素のエッジは、X線ビーム31内にあり、X線源30からのX線ビーム31は、共通センタリングx軸上のポイントxpc1及びxpc2に投影される。同様に、検出器cの境界がx軸上の位置xccに投影される。図3において、チャンネル境界cs〜ce+1が、センタリング軸上のxcccs〜xccce+1に投影される。補間カーネル幅は、次のようにxpc1〜xpc2とxcccs〜xccce+1の重なりである。
【数1】
【0009】
この方法の利点は、補間カーネル幅を決定するために検出器上への画素の投影が使用され、それにより画素サイズが大きい場合のSNRが改善され、画素サイズが小さい場合の分解能が改善されることである。この方法の欠点は、チャンネルと画素が両方ともセンタリング軸(一般にy軸又はx軸)上に投影されなければならず、これにより処理が複雑になることである。更に、得られる補間カーネル幅はビューの関数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】米国特許第7,227,982号明細書
【特許文献2】米国特許第6,724,856号明細書
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】Barrett、Harrison及びSwindell、William「Radiological Imaging: The Theory of Image Formation, Detection, and Processing,,」New York:Academic Press, 1981, pp.421-422
【非特許文献2】Joseph P「An improved algorithm for reprojecting rays through pixel images」IEEE Trans. Med. Imaging 1, pp.192-196(1982)
【非特許文献3】De Man、Bruno及びBasu、Samit「Distance-driven projection and backprojection in three dimensions」Phys Med Biol 49, pp.2463-2475 (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明の目的は、コンピュータ断層撮影装置及び方法において、逆投影に要する補間処理を効果的に簡素化することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、コンピュータ断層撮影方法であって、X線源から逆投影画素を通る線形経路に対応するX線検出器上のチャンネル位置を決定する段階と、前記X線源から前記逆投影画素までの距離から補間カーネル幅を決定する段階とを有する。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、コンピュータ断層撮影装置及び方法において、逆投影に要する補間処理を効果的に簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】従来のピクセルドリブン逆投影法を示す図である。
【図2】従来のレイドリブン逆投影法を示す図である。
【図3】従来のディスタンスドリブン逆投影法を示す図である。
【図4】本発明の第1実施形態によるシステムの図である。
【図5】隣り合ったビューの可能な軸空間方向を補間ビューと共に示した図である。
【図6】本実施形態による逆投影を示す図である。
【図7】逆投影値の計算を示す図である。
【図8】様々な視野の本実施形態による逆投影を示すグラフである。
【図9】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10A】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10B】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10C】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10D】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10E】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図11】本発明の第2の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下図面を参照して本発明を好ましい実施形態により説明する。本実施形態では、X線源から逆投影画素を通る線形経路(レイ)を使用してX線検出器上にあるチャンネル位置を決定し、X線源から逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定することを含むコンピュータ断層撮影方法を対象としている。また本実施形態では、X線源と、X線源の回転軸zを中心とした円弧方向(チャンネル方向)と、回転軸zと平行なセグメント方向との2方向に関してマトリクス状に配列された複数の検出器要素を有するX線検出器と、検出器で収集されたデータを受け取るように接続され、X線源から逆投影画素までの線形経路上にある検出器上のチャンネル位置を決定しかつX線源から逆投影画素まで距離を使用して補間カーネル幅を決定するように構成された信号処理装置とを備えた装置を対象としている。本実施形態は、コンピュータによって実行されたときX線源から逆投影画素を通る線形経路上にあるチャンネル位置を決定する段階と、X線源から逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定する段階とを含む方法を実行する命令を含むコンピュータ可読媒体も対象としている。
【0017】
図4は、本実施形態によるX線コンピュータ断層撮影イメージング装置を示す。ガントリ1によって構成された投影データ測定システムは、ほぼ円錐形のX線フラックスコーンビームを生成するX線源3と、2次元的に配列された複数の検出器要素、即ち、チャンネル方向に沿って1次元に配列された複数の検出器要素の列(1セグメント)をセグメント方向(回転軸z方向)に複数配列した構造を有する2次元アレイ型X線検出器5とを収容する。X線源3と2次元アレイ型X線検出器5は、回転軸zを中心として回転自在に支持された回転リング2に取り付けられる。X線源3と2次元アレイ型X線検出器5は、寝台6の摺動シート(天板)上に横たわる被検体を挟んで対峙する。2次元アレイ型X線検出器5は、回転リング2上に取り付けられる。各検出器要素が1つのチャンネルに対応する。X線源3からのX線は、X線フィルタ4を介して被検体に導かれる。被検体を透過したX線は、2次元アレイ型X線検出器5によって電気信号として検出される。
【0018】
X線コントローラ8は、高電圧装置7にトリガ信号を供給する。高電圧装置7は、トリガ信号を受け取ったタイミングによりX線源3に高電圧を印加する。これにより、X線源3からX線が放射される。ガントリ/ベッドコントローラ9は、ガントリ1の回転リング2の回転とベッド6の摺動シートの摺動を同期的に制御する。システム全体の制御中枢としてのシステムコントローラ10は、X線コントローラ8とガントリ/ベッドコントローラ9を制御して、被検体から見たときにX線源3が螺旋経路に沿って移動しながらデータを収集するいわゆるヘリカルスキャンを実行する。具体的には、回転リング2が一定の角速度で連続的に回転されると同時にベッド6の摺動シートが一定速度で移動され、X線源3からX線が一定の角度間隔で連続的又は断続的に放射される。X線源は、円形にスキャンされてもよい。
【0019】
2次元アレイ型X線検出器5の出力信号は、各チャンネルのデータ収集ユニット11によって増幅され、デジタル信号に変換されて投影データが作成される。データ収集ユニット11から出力された投影データは、演算処理装置12に供給される。演算処理装置12は、投影データを使用して様々な処理を実行する。演算処理装置12は、詳細は後述するが、補間処理及び逆投影処理を含む画像再構成処理を行う。演算処理装置12は、各ボクセルのX線吸収を反映する逆投影データを決定する。X線コーンビームを使用するヘリカルスキャンシステムでは、イメージング領域(有効視野)は、回転軸を中心とする半径o)の円筒形である。演算処理装置12は、このイメージング領域内で複数のボクセル(3次元画素)を定義し、各ボクセルごとに逆投影データを求める。この逆投影データからコンパイルされた3次元画像データ又は断層撮影画像データは、表示装置14に送られ、そこで、3次元画像又は断層撮影画像として視覚的に表示される。
【0020】
図5に、本実施形態による逆投影法の基本ジオメトリを示す。本実施形態による逆投影法は、ヘリカル及び円軌道を用いたスキャンのコーンビーム又はファンビームX線CTで使用されてもよい。この方法は、逆投影位置Chi,jを決定するためにX線源50から画素53の中心(半径Pを有する)を通って検出器52までの線51をたどるピクセルドリブン属性を採用し、画素が円形を有すると仮定してX線源から画素までの距離Lの関数として補間カーネル幅ΔChを適応的に決定する。本実施形態による逆投影は、画素と検出器境界をセンタリング軸上に投影する必要がなく、更に距離ベースの逆投影の利点を維持し、即ち、大きな画素サイズでの信号対雑音比(SNR)が改善され、小さな画素サイズでの分解能が改善される。
【0021】
2次元の実現では、適応カーネルは、X線源の回転軸zを中心とした円弧状のチャンネル方向にのみ適応され、回転軸zと平行なセグメント方向には双線形補間が適用される。チャンネル方向の本実施形態による逆投影は、図6により詳細に示され、この図6では、分かりやすくするためにセグメントが省略されている。画素は、次のように、位置xi,j、yi,jの中心と半径Pの円形を有すると仮定される。
【数2】
【0022】
ここで、FOVは再構成視野であり、MATRIXは再構成画像のマトリクスサイズである。浮動小数点チャンネル位置Chi,j(チャンネル単位)は、ピクセルドリブン法と同じように決定される。
【数3】
【0023】
ここで、Δγは角度チャンネル幅であり、βkはビューkの視野角であり、RはX線源から等角点(アイソセンタ)までの距離であり、ここで、等角点(アイソセンタ)は、ガントリ回転軸である。円形画素の投影は、次の式で与えられる適応チャンネル補間カーネル幅(チャンネル単位)を決定する。
【数4】
【0024】
ここで、
【数5】
【0025】
図7に、チャンネル補間逆投影値の計算を示す。ここで、cは整数であり、逆投影レイが交差するチャンネル数を表わす。この例では、チャンネルインデックスとして、第1のチャンネルがc=0にあり、またチャンネル0とちょうど中心でレイが交差するとき、浮動小数点位置0.5(即ち、チャンネル0の位置の可能な範囲が0.0〜0.9999…である)になるものであると仮定する。他のチャンネルインデックス方式では、0.0にチャンネル0の中心があってもよく、位置の可能な範囲は、−0.5〜+0.49999…である。従って、他のチャンネルインデックス方式が使用される場合、式(5)は、シフト量を追加することによって変更される。
【数6】
【0026】
ここで、PD()は、生(処理前)の投影データであり、PDIは、投影データの補間値であり、cs、c及びceは、整数の開始チャンネルインデックス、中心チャンネルインデックス及び終了チャンネルインデックスであり、以下の式(9)〜(15)の通りである。
【数7】
【0027】
図8は、様々なFOVサイズの補間カーネルΔChの例を、X線源から画素までの距離Lの関数として示す。標準のピクセルドリブン逆投影の場合、ΔChは1.0である。一般に、高い解像度が望ましい場合は、小さな構造を視覚化するときほど小さなFOVが使用される。FOVが240以下と小さい場合、ΔCh<1で分解能が高くなる。これより大きなFOVの場合は、通常、分解能の問題は低い。ここで、ΔCh>1では、補間により多くのチャンネルが使用され、またエイリアシングアーティファクトが減少するため、信号対雑音比が向上する。
【0028】
図9は、視野角の極値β=0°とβ=45°(センタリングプロセスでのDDBPJの極値)における本実施形態(実線)のΔChとディスタンスドリブン逆投影(DDBPJ。点線)のΔChの比較を示す。これらは、FOVの様々な半径における角度画素位置ψの関数として示される。全体的には、本実施形態のΔChは、所定のFOVと画素位置のDDBPJより多少大きいが類似の画質を有する。
【0029】
図8と図9は、本実施形態による方法が、画像に関して従来方式と類似の性能を提供できることを示す。
【0030】
第1の実施形態では、補間カーネル幅は、チャンネル方向に関して決定される。この補間カーネル幅決定方法は、図11に示すように、ボクセルがx(又はy)とzとの平面上でも円形であると仮定し、円形のボクセルをx(又はy)−z面への投影することによってセグメント方向へも適用可能である。Qは、z方向の画素半径であり、再構成スライス間隔と等しい(他の実施形態では、別の方法で計算することができる)。図10A、図10B、図10C、図10D、図10Eはそれぞれ、500、400、320、240及び180のFOVの結果を示す。実線は、本実施形態を表わし、点線は、比較のために、ディスタンスドリブン逆投影を示す。
【0031】
浮動小数点セグメント位置は、次の式によりピクセルドリブン法の場合と全く同じように決定される。
【数8】
【0032】
ここで、zsegは、検出器中心から逆投影セグメント位置までの距離であり、zpは、ビューkにおけるX線源検出器平面から再構成画素のz距離である。円軌道を用いたスキャンの場合、これはビューと無関係であり、ヘリカルスキャンではビューの関数である。浮動小数点セグメント位置Segは、次の式によって与えられる。
【数9】
【0033】
ここで、wは、等角点(アイソセンタ)におけるセグメント幅である。
適応セグメント補間カーネル幅ΔSeg(セグメント単位)は、次の式よって与えられる。
【数10】
【0034】
セグメント逆投影値の計算は、チャンネルの代わりにセグメントを使用して、図7と式(8)でのチャンネルの場合と同じように計算される。
【0035】
第3の実施形態では、方法は、チャンネル方向とセグメント方向の両方に同時に実施することができる。これは、3次元の場合であり、ここでは円形画素は、半径Sを有する球状ボクセルである。式(6〜15)は、P=Sのチャンネル方向の投影を計算するために使用され、式(16〜22)は、Q=Sのセグメント方向を計算するために使用される。この実施形態は、フルコーンビーム検出器に使用することができる。
【0036】
本実施形態は、前述の様々な動作と機能をコンピュータを実行させるように記憶されたプログラムを含むコンピュータ可読媒体の形で実施されてもよい。
【0037】
以上の教示を鑑みて本実施形態の多数の他の修正及び変形が可能である。この文書と式は、湾曲した検出器アレイに関して作成された。例えば、平坦又は他の形状の検出器アレイを実施することができる。従って、添付の特許請求の範囲内で、本発明が本明細書に具体的に述べた方法以外の方法で実施されてもよいことを理解されたい。
【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明は、コンピュータ断層撮影装置及び方法において、逆投影に要する補間処理の分野に利用可能性がある。
【符号の説明】
【0039】
7…発生器、8…X線コントローラ、9…ガントリ/ベッドコントローラ、10…システムコントローラ、11…データ収集装置、12…処理装置、14…表示装置。
【技術分野】
【0001】
本発明は、ヘリカル及び円軌道を用いたX線コンピュータ断層撮影(CT)イメージングに係り、詳細には適応補間を有するCTイメージングに関する。
【背景技術】
【0002】
幾つかの逆投影方法がある。一般的な方法は、図1に示したピクセルドリブン逆投影法(pixel-driven backprojection)である。X線源10から再構成画素の中心(i,j)を通り検出器アレイ12までレイ11が導かれる。レイ11は、チャンネルck上の浮動小数点チャンネルインデックスChi,jで検出器12と交差する。画素に割り当てられる値は、次のように、線源から画素を通る投影線(レイ)が交差する検出器要素の値と、それに隣り合った検出器要素の値との線形補間である。
【0003】
V(i,j)=wk-1・D(ck-1)+wk・D(ck)+wk+1・D(ck+1) (1)
ここで、ckは交差チャンネルであり、wk-1+wk+wk+1=1である。典型的な線形補間の場合、補間カーネル(補間の核(補間関数))の幅ΔChが、1つのチャンネルにおいて固定され、2つの検出器要素だけが使用される(wk-1かwk+1が0である)。wk+1+wk-1=0及びwk=1で最短距離法が実施される。別のピクセルドリブン法は、米国特許第6,724,856号に示されたように、検出器上の補間カーネル位置が常に隣り合うように重みを調整する。
【0004】
ピクセルドリブン法は実施が容易である。しかしながら、欠点は、V(i,j)を計算するために検出器アレイ上への画素の実際の投影が使用されないことである。画素サイズが大きい場合、アレイ上への画素の投影が1チャンネルより大きくなり、すなわちV(i,j)に寄与する検出器要素が少なくなりすぎて、信号対雑音比(SNR)が悪化する。画素サイズが小さい場合、アレイ上への画素の投影が1チャンネルより小さくなり、横方向分解能が低下する。
【0005】
別の逆投影方法は、レイドリブン逆投影法(ray-driven backprojection)である。この技法は、図2に示されており、非特許文献1に記載されている。この場合、逆投影レイ21は、X線源20から検出器アレイ22内の検出器要素の中心(cとして示された)に導かれ、レイ経路において画素に寄与する検出器要素の重みwijcは、画素内のレイの長さから以下のように決定される。
【0006】
V(i,j)=V(i,j)+wijc・D(c) (2)
他のレイドリブン法は、非特許文献2に記載されているように、投影線が交差する各列又は行ごとに2つの画素間で線形補間を実行する。
【0007】
第3の技法であるディスタンスドリブン逆投影法(distance-driven backprojection)は、図3に示したように、画素と検出器要素の境界を共通軸上にマッピングし(センタリングと呼ばれる)、重なりの大きさが逆投影重みとして使用される。X線源30からのレイ31がアレイ32に当たる。特許文献1と非特許文献3を参照されたい。
【0008】
画素33は、半幅δを有する正方形であると仮定され、方形画素のエッジは、X線ビーム31内にあり、X線源30からのX線ビーム31は、共通センタリングx軸上のポイントxpc1及びxpc2に投影される。同様に、検出器cの境界がx軸上の位置xccに投影される。図3において、チャンネル境界cs〜ce+1が、センタリング軸上のxcccs〜xccce+1に投影される。補間カーネル幅は、次のようにxpc1〜xpc2とxcccs〜xccce+1の重なりである。
【数1】
【0009】
この方法の利点は、補間カーネル幅を決定するために検出器上への画素の投影が使用され、それにより画素サイズが大きい場合のSNRが改善され、画素サイズが小さい場合の分解能が改善されることである。この方法の欠点は、チャンネルと画素が両方ともセンタリング軸(一般にy軸又はx軸)上に投影されなければならず、これにより処理が複雑になることである。更に、得られる補間カーネル幅はビューの関数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】米国特許第7,227,982号明細書
【特許文献2】米国特許第6,724,856号明細書
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】Barrett、Harrison及びSwindell、William「Radiological Imaging: The Theory of Image Formation, Detection, and Processing,,」New York:Academic Press, 1981, pp.421-422
【非特許文献2】Joseph P「An improved algorithm for reprojecting rays through pixel images」IEEE Trans. Med. Imaging 1, pp.192-196(1982)
【非特許文献3】De Man、Bruno及びBasu、Samit「Distance-driven projection and backprojection in three dimensions」Phys Med Biol 49, pp.2463-2475 (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明の目的は、コンピュータ断層撮影装置及び方法において、逆投影に要する補間処理を効果的に簡素化することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、コンピュータ断層撮影方法であって、X線源から逆投影画素を通る線形経路に対応するX線検出器上のチャンネル位置を決定する段階と、前記X線源から前記逆投影画素までの距離から補間カーネル幅を決定する段階とを有する。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、コンピュータ断層撮影装置及び方法において、逆投影に要する補間処理を効果的に簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】従来のピクセルドリブン逆投影法を示す図である。
【図2】従来のレイドリブン逆投影法を示す図である。
【図3】従来のディスタンスドリブン逆投影法を示す図である。
【図4】本発明の第1実施形態によるシステムの図である。
【図5】隣り合ったビューの可能な軸空間方向を補間ビューと共に示した図である。
【図6】本実施形態による逆投影を示す図である。
【図7】逆投影値の計算を示す図である。
【図8】様々な視野の本実施形態による逆投影を示すグラフである。
【図9】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10A】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10B】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10C】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10D】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図10E】様々な視野における本実施形態による逆投影とディスタンスドリブン逆投影との比較を示すグラフである。
【図11】本発明の第2の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下図面を参照して本発明を好ましい実施形態により説明する。本実施形態では、X線源から逆投影画素を通る線形経路(レイ)を使用してX線検出器上にあるチャンネル位置を決定し、X線源から逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定することを含むコンピュータ断層撮影方法を対象としている。また本実施形態では、X線源と、X線源の回転軸zを中心とした円弧方向(チャンネル方向)と、回転軸zと平行なセグメント方向との2方向に関してマトリクス状に配列された複数の検出器要素を有するX線検出器と、検出器で収集されたデータを受け取るように接続され、X線源から逆投影画素までの線形経路上にある検出器上のチャンネル位置を決定しかつX線源から逆投影画素まで距離を使用して補間カーネル幅を決定するように構成された信号処理装置とを備えた装置を対象としている。本実施形態は、コンピュータによって実行されたときX線源から逆投影画素を通る線形経路上にあるチャンネル位置を決定する段階と、X線源から逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定する段階とを含む方法を実行する命令を含むコンピュータ可読媒体も対象としている。
【0017】
図4は、本実施形態によるX線コンピュータ断層撮影イメージング装置を示す。ガントリ1によって構成された投影データ測定システムは、ほぼ円錐形のX線フラックスコーンビームを生成するX線源3と、2次元的に配列された複数の検出器要素、即ち、チャンネル方向に沿って1次元に配列された複数の検出器要素の列(1セグメント)をセグメント方向(回転軸z方向)に複数配列した構造を有する2次元アレイ型X線検出器5とを収容する。X線源3と2次元アレイ型X線検出器5は、回転軸zを中心として回転自在に支持された回転リング2に取り付けられる。X線源3と2次元アレイ型X線検出器5は、寝台6の摺動シート(天板)上に横たわる被検体を挟んで対峙する。2次元アレイ型X線検出器5は、回転リング2上に取り付けられる。各検出器要素が1つのチャンネルに対応する。X線源3からのX線は、X線フィルタ4を介して被検体に導かれる。被検体を透過したX線は、2次元アレイ型X線検出器5によって電気信号として検出される。
【0018】
X線コントローラ8は、高電圧装置7にトリガ信号を供給する。高電圧装置7は、トリガ信号を受け取ったタイミングによりX線源3に高電圧を印加する。これにより、X線源3からX線が放射される。ガントリ/ベッドコントローラ9は、ガントリ1の回転リング2の回転とベッド6の摺動シートの摺動を同期的に制御する。システム全体の制御中枢としてのシステムコントローラ10は、X線コントローラ8とガントリ/ベッドコントローラ9を制御して、被検体から見たときにX線源3が螺旋経路に沿って移動しながらデータを収集するいわゆるヘリカルスキャンを実行する。具体的には、回転リング2が一定の角速度で連続的に回転されると同時にベッド6の摺動シートが一定速度で移動され、X線源3からX線が一定の角度間隔で連続的又は断続的に放射される。X線源は、円形にスキャンされてもよい。
【0019】
2次元アレイ型X線検出器5の出力信号は、各チャンネルのデータ収集ユニット11によって増幅され、デジタル信号に変換されて投影データが作成される。データ収集ユニット11から出力された投影データは、演算処理装置12に供給される。演算処理装置12は、投影データを使用して様々な処理を実行する。演算処理装置12は、詳細は後述するが、補間処理及び逆投影処理を含む画像再構成処理を行う。演算処理装置12は、各ボクセルのX線吸収を反映する逆投影データを決定する。X線コーンビームを使用するヘリカルスキャンシステムでは、イメージング領域(有効視野)は、回転軸を中心とする半径o)の円筒形である。演算処理装置12は、このイメージング領域内で複数のボクセル(3次元画素)を定義し、各ボクセルごとに逆投影データを求める。この逆投影データからコンパイルされた3次元画像データ又は断層撮影画像データは、表示装置14に送られ、そこで、3次元画像又は断層撮影画像として視覚的に表示される。
【0020】
図5に、本実施形態による逆投影法の基本ジオメトリを示す。本実施形態による逆投影法は、ヘリカル及び円軌道を用いたスキャンのコーンビーム又はファンビームX線CTで使用されてもよい。この方法は、逆投影位置Chi,jを決定するためにX線源50から画素53の中心(半径Pを有する)を通って検出器52までの線51をたどるピクセルドリブン属性を採用し、画素が円形を有すると仮定してX線源から画素までの距離Lの関数として補間カーネル幅ΔChを適応的に決定する。本実施形態による逆投影は、画素と検出器境界をセンタリング軸上に投影する必要がなく、更に距離ベースの逆投影の利点を維持し、即ち、大きな画素サイズでの信号対雑音比(SNR)が改善され、小さな画素サイズでの分解能が改善される。
【0021】
2次元の実現では、適応カーネルは、X線源の回転軸zを中心とした円弧状のチャンネル方向にのみ適応され、回転軸zと平行なセグメント方向には双線形補間が適用される。チャンネル方向の本実施形態による逆投影は、図6により詳細に示され、この図6では、分かりやすくするためにセグメントが省略されている。画素は、次のように、位置xi,j、yi,jの中心と半径Pの円形を有すると仮定される。
【数2】
【0022】
ここで、FOVは再構成視野であり、MATRIXは再構成画像のマトリクスサイズである。浮動小数点チャンネル位置Chi,j(チャンネル単位)は、ピクセルドリブン法と同じように決定される。
【数3】
【0023】
ここで、Δγは角度チャンネル幅であり、βkはビューkの視野角であり、RはX線源から等角点(アイソセンタ)までの距離であり、ここで、等角点(アイソセンタ)は、ガントリ回転軸である。円形画素の投影は、次の式で与えられる適応チャンネル補間カーネル幅(チャンネル単位)を決定する。
【数4】
【0024】
ここで、
【数5】
【0025】
図7に、チャンネル補間逆投影値の計算を示す。ここで、cは整数であり、逆投影レイが交差するチャンネル数を表わす。この例では、チャンネルインデックスとして、第1のチャンネルがc=0にあり、またチャンネル0とちょうど中心でレイが交差するとき、浮動小数点位置0.5(即ち、チャンネル0の位置の可能な範囲が0.0〜0.9999…である)になるものであると仮定する。他のチャンネルインデックス方式では、0.0にチャンネル0の中心があってもよく、位置の可能な範囲は、−0.5〜+0.49999…である。従って、他のチャンネルインデックス方式が使用される場合、式(5)は、シフト量を追加することによって変更される。
【数6】
【0026】
ここで、PD()は、生(処理前)の投影データであり、PDIは、投影データの補間値であり、cs、c及びceは、整数の開始チャンネルインデックス、中心チャンネルインデックス及び終了チャンネルインデックスであり、以下の式(9)〜(15)の通りである。
【数7】
【0027】
図8は、様々なFOVサイズの補間カーネルΔChの例を、X線源から画素までの距離Lの関数として示す。標準のピクセルドリブン逆投影の場合、ΔChは1.0である。一般に、高い解像度が望ましい場合は、小さな構造を視覚化するときほど小さなFOVが使用される。FOVが240以下と小さい場合、ΔCh<1で分解能が高くなる。これより大きなFOVの場合は、通常、分解能の問題は低い。ここで、ΔCh>1では、補間により多くのチャンネルが使用され、またエイリアシングアーティファクトが減少するため、信号対雑音比が向上する。
【0028】
図9は、視野角の極値β=0°とβ=45°(センタリングプロセスでのDDBPJの極値)における本実施形態(実線)のΔChとディスタンスドリブン逆投影(DDBPJ。点線)のΔChの比較を示す。これらは、FOVの様々な半径における角度画素位置ψの関数として示される。全体的には、本実施形態のΔChは、所定のFOVと画素位置のDDBPJより多少大きいが類似の画質を有する。
【0029】
図8と図9は、本実施形態による方法が、画像に関して従来方式と類似の性能を提供できることを示す。
【0030】
第1の実施形態では、補間カーネル幅は、チャンネル方向に関して決定される。この補間カーネル幅決定方法は、図11に示すように、ボクセルがx(又はy)とzとの平面上でも円形であると仮定し、円形のボクセルをx(又はy)−z面への投影することによってセグメント方向へも適用可能である。Qは、z方向の画素半径であり、再構成スライス間隔と等しい(他の実施形態では、別の方法で計算することができる)。図10A、図10B、図10C、図10D、図10Eはそれぞれ、500、400、320、240及び180のFOVの結果を示す。実線は、本実施形態を表わし、点線は、比較のために、ディスタンスドリブン逆投影を示す。
【0031】
浮動小数点セグメント位置は、次の式によりピクセルドリブン法の場合と全く同じように決定される。
【数8】
【0032】
ここで、zsegは、検出器中心から逆投影セグメント位置までの距離であり、zpは、ビューkにおけるX線源検出器平面から再構成画素のz距離である。円軌道を用いたスキャンの場合、これはビューと無関係であり、ヘリカルスキャンではビューの関数である。浮動小数点セグメント位置Segは、次の式によって与えられる。
【数9】
【0033】
ここで、wは、等角点(アイソセンタ)におけるセグメント幅である。
適応セグメント補間カーネル幅ΔSeg(セグメント単位)は、次の式よって与えられる。
【数10】
【0034】
セグメント逆投影値の計算は、チャンネルの代わりにセグメントを使用して、図7と式(8)でのチャンネルの場合と同じように計算される。
【0035】
第3の実施形態では、方法は、チャンネル方向とセグメント方向の両方に同時に実施することができる。これは、3次元の場合であり、ここでは円形画素は、半径Sを有する球状ボクセルである。式(6〜15)は、P=Sのチャンネル方向の投影を計算するために使用され、式(16〜22)は、Q=Sのセグメント方向を計算するために使用される。この実施形態は、フルコーンビーム検出器に使用することができる。
【0036】
本実施形態は、前述の様々な動作と機能をコンピュータを実行させるように記憶されたプログラムを含むコンピュータ可読媒体の形で実施されてもよい。
【0037】
以上の教示を鑑みて本実施形態の多数の他の修正及び変形が可能である。この文書と式は、湾曲した検出器アレイに関して作成された。例えば、平坦又は他の形状の検出器アレイを実施することができる。従って、添付の特許請求の範囲内で、本発明が本明細書に具体的に述べた方法以外の方法で実施されてもよいことを理解されたい。
【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明は、コンピュータ断層撮影装置及び方法において、逆投影に要する補間処理の分野に利用可能性がある。
【符号の説明】
【0039】
7…発生器、8…X線コントローラ、9…ガントリ/ベッドコントローラ、10…システムコントローラ、11…データ収集装置、12…処理装置、14…表示装置。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コンピュータ断層撮影方法であって、
X線源から逆投影画素を通る線形経路に対応するX線検出器上のチャンネル位置を決定する段階と、
前記X線源から前記逆投影画素までの距離から補間カーネル幅を決定する段階とを有するコンピュータ断層撮影方法。
【請求項2】
前記カーネル幅を前記X線検出器上への前記逆投影画素の投影として決定する段階をさらに有する請求項1に記載の方法。
【請求項3】
位置xi,j、yi,jを中心とする円形を有する前記画素の半径Pを次の式により決定する段階と、
【数11】
ここで、FOVは再構成視野であり、MATRIXは再構成画像マトリックスサイズであり、
前記位置Chi,jを次の式により決定する段階と、
【数12】
ここで、Δγは、角度チャンネル幅であり、βkは、ビューkにおける視野角であり、Rは、前記X線源から等角点(アイソセンタ)までの距離であり、
前記カーネル幅ΔChi,jを次の式で決定する段階と、
【数13】
をさらに有する請求項1に記載の方法。
【請求項4】
逆投影値PDIを次の式により計算する段階を、
【数14】
さらに有する請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記カーネル幅に反比例する逆投影値を決定する段階をさらに有する請求項1に記載の方法。
【請求項6】
X線源とセグメントを有するX線検出器とを備えたシステムで使用されるコンピュータ断層撮影方法であって、
前記X線検出器のセグメント位置を決定する段階と、
前記検出器の中心から逆投影セグメント位置までの第1の距離と、前記X線源と前記検出器によって定義された平面からの再構成画素の第2の距離との関数として、セグメントカーネル幅を決定する段階とを有するコンピュータ断層撮影方法。
【請求項7】
前記セグメント位置Segを次の式により決定する段階を
【数15】
さらに有する請求項6に記載の方法
【請求項8】
X線源と、
チャンネルとセグメントを有するX線検出器と、
前記検出器で収集されたデータを受け取るように接続され、前記X線源から逆投影画素までの線形経路上にある前記検出器上のチャンネル位置を決定し且つ前記X線源から前記逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定するように構成された信号処理装置とを具備するコンピュータ断層撮影装置。
【請求項9】
前記信号処理装置は、前記カーネル幅と反比例する逆投影値を決定するように構成された請求項8に記載の装置。
【請求項10】
前記検出器は、セグメントを含み、
前記信号処理装置は、前記検出器の中心から逆投影セグメント位置までの第1の距離と、X線源と検出器によって定義された平面からの再構成画素の第2の距離との関数としてセグメントカーネル幅を決定するように構成された請求項8に記載の装置。
【請求項11】
前記信号処理装置は、前記カーネル幅と反比例する逆投影値を決定するように構成された請求項10に記載の装置。
【請求項12】
前記信号処理装置は、前記検出器上への前記逆投影画素の投影として前記カーネル幅を決定するように構成された請求項10に記載の装置。
【請求項13】
コンピュータで読み取り可能なコンピュータ可読媒体であって、前記命令は、コンピュータによって実行されたときに、
X線源から逆投影画素まで線形経路上にあるチャンネル位置を決定する段階と、
前記X線源から前記逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定する段階とを含む方法を実行するコンピュータ可読媒体。
【請求項14】
前記方法は、更に、
位置xi,j、yi,jを中心とする円形を有する前記画素の半径Pを、次の式により決定する段階と、
【数16】
である請求項13に記載のコンピュータ可読媒体
【請求項15】
前記方法は、更に、
逆投影値PDIを次の式により計算する段階と、
【数17】
請求項13に記載の媒体。
【請求項16】
前記カーネル幅と反比例する逆投影値を決定する段階を含む請求項13に記載の媒体。
【請求項17】
前記命令が、コンピュータによって実行されたときに、
X線検出器のセグメント位置を決定する段階と、
前記検出器の中心から逆投影セグメント位置までの第1の距離と、前記X線源と検出器によって定義された平面から再構成画素の第2の距離との関数としてセグメントカーネル幅を決定する段階とを含む方法を実行するコンピュータ可読媒体。
【請求項18】
前記セグメント位置Segを次の式により決定する段階と、
【数18】
である請求項16に記載の媒体。
【請求項1】
コンピュータ断層撮影方法であって、
X線源から逆投影画素を通る線形経路に対応するX線検出器上のチャンネル位置を決定する段階と、
前記X線源から前記逆投影画素までの距離から補間カーネル幅を決定する段階とを有するコンピュータ断層撮影方法。
【請求項2】
前記カーネル幅を前記X線検出器上への前記逆投影画素の投影として決定する段階をさらに有する請求項1に記載の方法。
【請求項3】
位置xi,j、yi,jを中心とする円形を有する前記画素の半径Pを次の式により決定する段階と、
【数11】
ここで、FOVは再構成視野であり、MATRIXは再構成画像マトリックスサイズであり、
前記位置Chi,jを次の式により決定する段階と、
【数12】
ここで、Δγは、角度チャンネル幅であり、βkは、ビューkにおける視野角であり、Rは、前記X線源から等角点(アイソセンタ)までの距離であり、
前記カーネル幅ΔChi,jを次の式で決定する段階と、
【数13】
をさらに有する請求項1に記載の方法。
【請求項4】
逆投影値PDIを次の式により計算する段階を、
【数14】
さらに有する請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記カーネル幅に反比例する逆投影値を決定する段階をさらに有する請求項1に記載の方法。
【請求項6】
X線源とセグメントを有するX線検出器とを備えたシステムで使用されるコンピュータ断層撮影方法であって、
前記X線検出器のセグメント位置を決定する段階と、
前記検出器の中心から逆投影セグメント位置までの第1の距離と、前記X線源と前記検出器によって定義された平面からの再構成画素の第2の距離との関数として、セグメントカーネル幅を決定する段階とを有するコンピュータ断層撮影方法。
【請求項7】
前記セグメント位置Segを次の式により決定する段階を
【数15】
さらに有する請求項6に記載の方法
【請求項8】
X線源と、
チャンネルとセグメントを有するX線検出器と、
前記検出器で収集されたデータを受け取るように接続され、前記X線源から逆投影画素までの線形経路上にある前記検出器上のチャンネル位置を決定し且つ前記X線源から前記逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定するように構成された信号処理装置とを具備するコンピュータ断層撮影装置。
【請求項9】
前記信号処理装置は、前記カーネル幅と反比例する逆投影値を決定するように構成された請求項8に記載の装置。
【請求項10】
前記検出器は、セグメントを含み、
前記信号処理装置は、前記検出器の中心から逆投影セグメント位置までの第1の距離と、X線源と検出器によって定義された平面からの再構成画素の第2の距離との関数としてセグメントカーネル幅を決定するように構成された請求項8に記載の装置。
【請求項11】
前記信号処理装置は、前記カーネル幅と反比例する逆投影値を決定するように構成された請求項10に記載の装置。
【請求項12】
前記信号処理装置は、前記検出器上への前記逆投影画素の投影として前記カーネル幅を決定するように構成された請求項10に記載の装置。
【請求項13】
コンピュータで読み取り可能なコンピュータ可読媒体であって、前記命令は、コンピュータによって実行されたときに、
X線源から逆投影画素まで線形経路上にあるチャンネル位置を決定する段階と、
前記X線源から前記逆投影画素までの距離を使用して補間カーネル幅を決定する段階とを含む方法を実行するコンピュータ可読媒体。
【請求項14】
前記方法は、更に、
位置xi,j、yi,jを中心とする円形を有する前記画素の半径Pを、次の式により決定する段階と、
【数16】
である請求項13に記載のコンピュータ可読媒体
【請求項15】
前記方法は、更に、
逆投影値PDIを次の式により計算する段階と、
【数17】
請求項13に記載の媒体。
【請求項16】
前記カーネル幅と反比例する逆投影値を決定する段階を含む請求項13に記載の媒体。
【請求項17】
前記命令が、コンピュータによって実行されたときに、
X線検出器のセグメント位置を決定する段階と、
前記検出器の中心から逆投影セグメント位置までの第1の距離と、前記X線源と検出器によって定義された平面から再構成画素の第2の距離との関数としてセグメントカーネル幅を決定する段階とを含む方法を実行するコンピュータ可読媒体。
【請求項18】
前記セグメント位置Segを次の式により決定する段階と、
【数18】
である請求項16に記載の媒体。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図11】
【公開番号】特開2010−115475(P2010−115475A)
【公開日】平成22年5月27日(2010.5.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−146762(P2009−146762)
【出願日】平成21年6月19日(2009.6.19)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【出願人】(594164542)東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年5月27日(2010.5.27)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年6月19日(2009.6.19)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【出願人】(594164542)東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Fターム(参考)】
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