JP2005058651A - Ｘ線ｃｔシステムならびに画像処理装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検体のサイズに依存することなく、より高画質の断層像を提供すること。
【解決手段】 例えば投影角度０°のときのプロファイルの最大値ｄ_Tおよびプロファイル面積Ｓより幅情報ｄ_wを求める（ステップＳ６）。プロファイル面積Ｓが大きい場合、または、ｄ_T−ｄ_wが０に近い範囲内にあるときは、再構成関数の高周波成分を抑制するように調整を行い（ステップＳ９）、調整後の再構成関数を用いてバックプロジェクションを実行する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被検体にＸ線を複数方向から投影して得られる投影データに基づき、高品質な被検体断層像を提供するためのＸ線ＣＴシステム等における画像処理技術に関する。

Ｘ線ＣＴ（Computerized Tomography）システムは、被検体に複数方向からＸ線を投影するスキャンを行い、被検体を透過した各方向からのＸ線より得られる投影データに基づいて画像再構成処理を行うことによって、診断部位の断層像を提供する。

断層像の画質を改善するために、これまでにさまざまな画像処理技術が提案され、実際に導入されている。例えば、再構成処理の前処理として、あるいは再構成処理の後処理として、断層像に現れるアーチファクトを除去するための補正などが行われる。

しかしながら、上記したような補正処理では画質の改善に限界がある。特に、体格の大きい太った被検体などによるＳ／Ｎの低下した場合に対しては、画像再構成処理後の空間フィルタ処理では画質の改善に限界があり、不自然な画像になってしまう。

そこで、この発明は、被検体の断面積に依存することなく、より高画質の断層像を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、被検体に複数方向からＸ線を照射することで収集された投影データを入力し、その投影データと所定の再構成関数とに基づいて被検体の断層像を生成する画像処理装置に関する。この画像処理装置は、被検体の断面積に対応する情報を取得する取得手段と、取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、前記再構成関数を調整する調整手段と、調整後の再構成関数を用いて被検体の断層像を再構成する再構成手段とを有することを特徴とする。

前記取得手段は、少なくとも１つの投影角度における各Ｘ線パスのＸ線減衰量を示すプロファイルに基づいて前記被検体の断面積に対応する情報を取得することが好ましい。例えば実施形態によれば、被検体の断面積に対応する情報は、少なくとも１つの投影角度のプロファイルにおける最大値と、そのプロファイルがなす面積とに基づいて取得される。この場合、前記調整手段は、前記プロファイルがなす面積とそのプロファイルの最大値との関数で、前記再構成関数の高周波成分を抑制するように調整を行う。

本発明の第２の側面は、被検体に複数方向からＸ線を照射することで収集された投影データを入力し、所定の再構成関数を用いて被検体の断層像を生成する画像処理方法に関し、被検体の断面積に対応する情報を取得する取得ステップ、取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、前記再構成関数を調整する調整ステップ、調整後の再構成関数を用いて被検体の断層像を再構成する再構成ステップを有することを特徴とする。

本発明の第３の側面は、被検体に複数方向からＸ線を照射することで投影データを収集し、収集した投影データと所定の再構成関数とに基づいて被検体の断層像を生成するＸ線ＣＴシステムに関する。このＸ線ＣＴシステムは、被検体の断面積に対応する情報を取得する取得手段と、取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、前記再構成関数を調整する調整手段と、調整後の再構成関数を用いて被検体の断層像を再構成する再構成手段とを有することを特徴とする。

本発明の第４の側面は、コンピュータによって実行されるプログラムに係り、当該コンピュータに、被検体に複数方向からＸ線を照射することで収集された投影データを入力する入力ステップ、被検体の断面積に対応する情報を取得する取得ステップ、取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、所定の再構成関数を調整する調整ステップ、入力した投影データと調整後の再構成関数とに基づいて被検体の断層像を再構成する再構成ステップ、を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、被検体のサイズに依存することなく、より高画質の断層像を提供することができる。

以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。

図１は、実施形態に係るＸ線ＣＴシステムの構成を示す図である。

図示の如く、本システムは、被検体へのＸ線照射と被検体（患者）を透過したＸ線を検出するガントリ１００と、ガントリ１００に対して各種動作設定を行うとともに、ガントリ１００から出力されてきたデータに基づいて断層像を再構成し出力（表示）する操作コンソール２００を含む構成である。

ガントリ１００は、その全体の制御をつかさどるメインコントローラ１をはじめ以下の構成を備える。

２ａおよび２ｂは操作コンソール２００との通信を行うためのインタフェース、３はテーブル１１上に横たえた被検体を図面に垂直な方向（一般に患者の体軸の方向に一致する方向であり、以下、ｚ軸方向という。）に搬送するための空洞部を有する回転部であり、その内部には、Ｘ線発生源であるＸ線管４、そのＸ線管４の駆動を制御するＸ線管コントローラ５、Ｘ線の照射範囲を制限するための開口を有するコリメータ６、コリメータ６のｚ軸方向の開口幅を調整するための開口制御モータ７、その開口制御モータ７の駆動を制御する開口制御モータドライバ８が設けられている。

また、回転部３には、コリメータ６および空洞部を経由してきたＸ線管４からのＸ線を検出するための複数（例えば1,000個）の検出チャネルを有するＸ線検出部１４、および、Ｘ線検出部１４の各検出チャネルの出力に基づき投影データとして収集するデータ収集部１５も備える。Ｘ線管４およびコリメータ６とＸ線検出部１４とは、互いに空洞部を挟んで、すなわち、被検体を挟んで、対向する位置に設けられる。回転部３は、その位置関係を維持した状態で空洞部の周りを回転するように構成されている。この回転は、回転モータドライバ１０からの駆動信号により駆動される回転モータ９によって行われる。また、被検体を載置するテーブル１１は、ｚ軸方向への搬送がなされるが、その駆動は、テーブルモータドライバ１３からの駆動信号により駆動されるテーブルモータ１２によって行われる。

メインコントローラ１は、インタフェース２ａを介して受信した各種コマンドの解析を行い、それに基づいて上記のＸ線管コントローラ５、開口制御モータドライバ８、回転モータドライバ１０、テーブルモータドライバ１３、およびデータ収集部１５に対し、各種制御信号を出力することになる。

また、データ収集部１５で収集されたデータは、インタフェース２ｂを介して操作コンソール２００に送出される。

一方、操作コンソール２００は、いわゆるワークステーションであり、図示するように、装置全体の制御を司るＣＰＵ５１、ブートプログラム等を記憶しているＲＯＭ５２、主記憶装置として機能するＲＡＭ５３をはじめ、以下の構成を備える。

ＨＤＤ５４は、ハードディスク装置であって、ここにＯＳのほか、ガントリ１００に各種指示を与えたり、ガントリ１００より受信したデータに基づいて断層像を再構成し、表示するための画像処理プログラムが格納されている。また、ＶＲＡＭ５５は表示しようとするイメージデータを展開するメモリであり、ここにイメージデータ等を展開することでＣＲＴ５６に表示させることができる。５７および５８はそれぞれ、各種設定を行うためのキーボードおよびマウスである。また、５９および６０はガントリ１００と通信を行うためのインタフェースであり、それぞれガントリ１００のインタフェース２ａおよび２ｂに接続される。

実施形態におけるＸ線ＣＴシステムの構成は概ね上記のとおりである。かかる構成のＸ線ＣＴシステムにおいて、投影データの収集は例えば次のように行われる。

まず、被検体を回転部３の空洞部に位置させた状態でｚ軸方向の位置を固定し、Ｘ線管４からのＸ線ビームを被検体に照射し（Ｘ線の投影）、その透過Ｘ線をＸ線検出部１４で検出する。そして、この透過Ｘ線の検出を、Ｘ線管４とＸ線検出部１４を被検体の周囲を回転させながら（すなわち、投影角度（ビュー角度）を変化させながら）複数N（例えば、N=1,000）のビュー方向で、360度分行う。

検出された各透過Ｘ線は、データ収集部１５でディジタル値に変換されて投影データとしてインタフェース２ｂを介して操作コンソール２００に転送される。これら一連の工程を１つの単位として１スキャンとよぶ。そして、順次ｚ軸方向にスキャン位置を所定量移動して、次のスキャンを行っていく。このようなスキャン方式はコンベンショナルスキャン方式（またはアキシャルスキャン方式）とよばれる。もっとも、投影角度の変化に同期してテーブル１１を所定速度で移動させることでスキャン位置を移動させながら（Ｘ線管４とＸ線検出部１４とが被検体の周囲をらせん状に周回することになる）投影データを収集する、いわゆるヘリカルスキャン方式であってもよい。

操作コンソール２００は、ガントリ１００から転送されてくる投影データをＨＤＤ５４に格納するとともに、例えば、所定の再構成関数とたたみ込み演算を行い、バックプロジェクション処理により断層像を再構成する。ここで、操作コンソール２００は、スキャン処理中にガントリ１００から順次転送されてくる投影データからリアルタイムに断層像を再構成し、常に最新の断層像をＣＲＴ５６に表示させることが可能である。さらに、ＨＤＤ５４に格納されている投影データを呼び出して改めて画像再構成を行わせることも可能である。

以下、本実施形態における操作コンソール２００の処理内容を図２のフローチャートを参照しながら、詳しく説明する。

図２は、実施形態における操作コンソール２００の処理を示すフローチャートである。このフローチャートに対応するプログラムは、ＨＤＤ５４にインストールされている画像処理プログラムに含まれ、ＲＡＭ５３にロードされてＣＰＵ５１によって実行されるものである。

ステップＳ１およびＳ２は、スキャン計画段階にあたる処理で、ステップＳ１では、まず被検体（患者）の撮影部位を選択する。具体的には、例えば、「頭部」、「胸部」、「腹部」、．．．等の候補部位から選択する。また、部位の選択前に、「小児」か「成人」かを選択させるようにしてもよい。ここで選択された部位によって、スキャン範囲、Ｘ線管４に印加する電圧、電流値等の撮影プロトコル（スキャン条件）のデフォルト値が決定されることになる。

次に、ステップＳ２では、スキャン設定として、上記の部位選択によって決定されたデフォルトの撮影プロトコル（スキャン条件）を確認し、必要に応じて手動変更を加えていく。このステップは、スキャン範囲やスライス幅等をビジュアルに決めるための被検体の透視像を得るために、スカウトスキャンとよばれる撮影処理を含んでもよい。

スカウトスキャンとは、ガントリ１００におけるＸ線管４を所定角度に固定したまま、すなわち、Ｘ線の投影角度を固定したまま、被検体を載せたテーブル１１をｚ軸方向に搬送して行われるスキャンをいう。より詳しくは、テーブル１１の移動中、Ｘ線管４を駆動し、Ｘ線検出部１４より１次元の透過Ｘ線強度を順に得て、それを連続して得ることで被検体の２次元Ｘ線像を透視像として得る。

なお、実施形態におけるＸ線ＣＴシステムは、好ましくは、Ｘ線量を決定するＸ線管４に与える電流（管電流）の値を被検体のスキャン位置に応じて自動制御する機能（Auto mA機能とよばれる。）を有する。このAuto mA機能を用いると、Ｘ線減衰量が異なる被検体の部位に応じた適切なＸ線量を設定することができ、無駄な被曝を抑えつつ、良好なＳ／Ｎを有する断層像を得ることができる。

Auto mA機能は、体幅／体厚情報に基づいて各スキャン位置における管電流値を算定するのが一般的である。そのためAuto mA機能を用いる場合には、図３に示すように、Ｘ線管４を被検体の真上にあたる投影角度０°に位置させてのスカウトスキャン、または、Ｘ線管４を被検体の真横にあたる投影角度９０°に位置させてのスカウトスキャン、の少なくともいずれかを行い、図４に示すように、２種類のうちのどちらかの透視像（以下、「スカウト像」という。）を得ることになる。図４の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、投影角度０°のスカウトスキャンによって得られたスカウト像、投影角度９０°のスカウトスキャンによって得られたスカウト像の例を示している。入力されたスカウト像は例えばＲＡＭ５３に格納される。

このようなスカウトスキャンを終えると、操作コンソール２００のＣＲＴ５６に表示されるスキャン計画画面にスカウト像が表示され、スキャン範囲やスライス位置を示す線もそれに重畳して表示される。オペレータはこのスカウト像を見ながらスキャン計画を進めることができる。

以上のスキャン計画を経て、ステップＳ３で、オペレータからのキーボード５７またはマウス５８の入力に応じて、設定されたコンベンショナルスキャンまたはヘリカルスキャンの撮影プロトコル（スキャン条件）を含むスキャン指示をガントリ１００に送出する。ガントリ１００はこれに応じて、撮影プロトコル（スキャン条件）に従いスキャンを開始する。

そして、ガントリ１００より転送されてくる各スライス位置の投影データを入力し（ステップＳ４）、その投影データに対し、対数変換、線質硬化（Beam Hardning）補正、Ｘ線検出器の感度補正等の、所定の前処理を行う（ステップＳ５）。

従来の手法によれば、この前処理された投影データとあらかじめ用意された再構成関数とに基づいて画像再構成が行われることになる。その後、再構成処理後のデータに対して、例えば断層像に現れるアーチファクトを除去するための補正処理などが適用される。

しかしながら、上記したような補正処理では画質の改善に限界があり、特に、体格の大きい太った被検体などによるＳ／Ｎの低下した場合に対しては、画像再構成処理後の空間フィルタ処理では画質の改善に限界があり、不自然な画像になってしまう。

そこで、本件発明者は、太った被検体については、断面積の大きさに依存して使用する再構成関数の特性を調整することで画質の改善を図ることを提案する。そのためには、まず、被検体の断面積に対応する情報を取得して、その情報に基づいて被検体の「太っている」程度を求め、その度合で再構成関数の高周波領域を劣化させる。では、それをどのようにして行うのかを、図５を用いて説明する。

図５は、投影角度０°において被検体にＸ線を照射したときに収集される投影データを示す図である。

同図において、Ｘ線管４から強度Ｉ_０のＸ線が、投影角度０°として真上方向から被検体に照射される（同図（ａ））。ＡはＸ線が照射される被検体（テーブル１１に横たわっている）の断層面を示している。Ｘ線検出器１４の各検出チャネル（ｃｈ）では、Ｘ線パスに係る吸収係数の通路積分量だけ減衰した強度ＩのＸ線が投影データとして検出される（同図（ｂ））。これが上記したステップＳ４で操作コンソール２００に入力される。操作コンソール２００では、これをＸ線減衰量を表すかたちに変形するため、次式で示すような対数変換を行う（上記したステップＳ５における前処理として行われる。）。

ｐ＝−ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ_０）

この所定の投影角度における各Ｘ線パスのＸ線減衰量を「プロファイル」という。このプロファイルが同図（ｃ）に示される。このＸ線減衰量を示すプロファイルがなす形状は、おおよそ被検体の断面形状に対応して形成される。したがって、このプロファイルの最大値は概ね体厚ｄ_Tに対応し、各検出チャネルのプロファイル値の合計、（すなわち、プロファイルがなす面積Ｓ）は概ねその被検体の断面の大きさに対応する。

体幅情報ｄ_wは、
ｄ_w＝Ｓ／ｄ_w、または、
ｄ_w＝(Ｓ／ｄ_w)・（π／４）
により得られる。

体厚と体幅との比が１に近くなるほどその断面形状は円に近くなるが、断面形状が円に近く、なおかつプロファイルがなす面積（以下、「プロファイル面積」という。）が大きければ、その被検体は「太っている」度合が大きい。

図２のステップＳ６は、被検体が「太っている」度合を判断する処理ステップである。具体的には、被検体の断面積に対応する情報を取得する。実施形態では、投影角度０°のときのプロファイルの最大値ｄ_Ｔおよびプロファイル面積Ｓのときの幅情報ｄ_wを
ｄ_w＝ｄ_T／Ｓ、または、
ｄ_w＝(ｄ_T／Ｓ）・（π／４）
により求める。

なお、投影角度０°のときのプロファイルは、ステップＳ４で入力した投影データから抽出してもよいし、スカウトスキャンが行われていれば、ステップＳ２におけるスカウトスキャンで得られらた透視像データを用いてもよい。

ステップＳ９では、所定の再構成関数（再構成カーネル、フィルタ関数等ともよばれる）を調整する。実施形態では、図６（ａ）で示されるような空間周波数空間での基本関数Ｋ_１（ω）、同図（ｂ），（ｃ）で示されるような修正関数Ｋ_２（ω）、Ｋ_３（ω）を組み合わせて再構成関数を実現する。（ａ），（ｂ），（ｃ）の各関数は例えばＨＤＤ５４に記憶されている。

同図（ａ）における基本関数Ｋ_１（ω）は、次式で表される。

（ｂ）の修正関数Ｋ_２（ω）は、高周波成分を抑制するための修正関数であり、具体的には次式で表される。

また、（Ｃ）の修正関数Ｋ_３（ω）は、（ｂ）とは逆に高周波成分を強調するための修正関数であり、具体的には次式で表される。

そして、再構成関数Ｋ（ω）は、次式で表される。

Ｋ（ω）＝scale・Ｋ_１（ω）・Ｋ_２（ω）・Ｋ_３（ω）
ただし、scaleは所定のスケーリング係数である。

このように、再構成関数をその基本関数と、周波数特性を修正するための修正関数とに分けて記憶すれば、再構成関数の高周波成分の抑制または強調を、修正関数に対する簡単なパラメータの修正で実現することができる。

さて、以下、このステップＳ９における再構成関数の調整方法について具体例を説明する。ここでは被検体が「太っている」度合に応じて、高周波成分を抑制するように調整を行う。そうすることで断層像のＳ／Ｎを劣化させないようにする。

あらかじめ設定されたプロファイル面積の閾値Ｓthを定めておく。撮影プロトコル（スキャン条件）により定められた部位の再構成関数のωr, ωdについて、以下の調整を行う。

（１）Ｓth≧Ｓの場合、
ωr＝ωr、ωd＝ωd で変化させない。
（２）Ｓth＜Ｓの場合、
ωr＝Ｋ・ωr、ωd＝Ｋ・ωd
ここで、Ｋ＝exp(-k(S/Sth)ⁿ)・exp(-l(|dw-dT|/√S)^m)である。
ただし、k, l, m, nは定数である。

次のステップＳ８では、投影データと上記のように調整された再構成関数との重畳積分を行う。そして、ステップＳ９で、バックプロジェクションを行うことで断層像が再構成され、ステップＳ１０でその断層像がＣＲＴ５６に表示される。

このように、実施形態によれば、被検体の断面積に対応する情報が取得される。より具体的には、いずれか１つの投影角度（例えば０°）におけるプロファイルの最大値ｄ_Tと、少なくともいずれかのプロファイルの面積Ｓとに基づいて、被検体の断面積に対応する情報Ｓ、ｄ_T、ｄ_wが取得される。そして、これらの情報に基づいて再構成関数の周波数特性が調整される。このように再構成関数を調整することによって、被検体が「太っている」場合でも従来の補正処理に比して断層像の画質が改善される。

なお、上述した実施形態では、再構成関数の周波数特性を調整するようにしたが、あらかじめ周波数特性の異なる再構成関数を複数種類用意しておき、被検体の断面積に応じた再構成関数を選択して使用するような構成としてもよいであろう。

また、上述の実施形態と異なる再構成関数の高周波領域低減方法で、プロファイル面積Ｓの大きな場合（太った被検体の場合）に周波数特性調整を行ってもよい。

また、以上説明した実施形態によれば、本発明はＸ線ＣＴシステムにおける操作コンソール２００の制御処理によって実現されたが、この操作コンソール２００とは独立してスクリーニング検査等のための画像観察用端末（Dr's console）を上記システムに接続し、上述した処理をこの端末に行わせることももちろん可能である。操作コンソール２００および上記画像観察用端末の構成自体は汎用の画像処理装置（ワークステーションやパーソナルコンピュータ等）で実現できるものであるので、上述のとおり、ソフトウェアを同装置にインストールし、それでもって実現することが可能である。

したがって、本発明の機能処理をコンピュータで実現するための、コンピュータにインストールされるプログラム自体および、そのプログラムを格納した記録媒体そのものも本発明を実現するものである。つまり、本発明の特許請求の範囲には、本発明の機能処理を実現するためのプログラム自体および、そのプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も含まれる。

プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、光ディスク（CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD等）、光磁気ディスク、磁気テープ、メモリカード等がある。

その他、プログラムの供給方法としては、インターネットを介して本発明のプログラムをファイル転送によって取得する態様も含まれる。

実施形態におけるＸ線ＣＴシステムのブロック構成図である。 実施形態における操作コンソールの処理を示すフローチャートである。 実施形態におけるスカウトスキャンの処理を説明するための図である。 実施形態におけるスカウトスキャンによって得られる被検体透視像の一例を示す図である。 被検体にＸ線を照射したときに収集される投影データのようすを示す図である。 実施形態における再構成関数の構成を示す図である。

Claims (11)

1. 被検体に複数方向からＸ線を照射することで収集された投影データを入力し、その投影データと所定の再構成関数とに基づいて被検体の断層像を生成する画像処理装置であって、
   被検体の断面積に対応する情報を取得する取得手段と、
   取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、前記再構成関数を調整する調整手段と、
   調整後の再構成関数を用いて被検体の断層像を再構成する再構成手段と、
   を有することを特徴とする画像処理装置。
2. 前記取得手段は、少なくとも１つの投影角度における各Ｘ線パスのＸ線減衰量を示すプロファイルに基づいて前記被検体の断面積に対応する情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記取得手段は、少なくとも１つのプロファイルにおける最大値と、プロファイルがなす面積とに基づいて、前記被検体の断面積に対応する情報を取得することを特徴とする請求項２に記載の画像処理装置。
4. 前記調整手段は、前記プロファイルがなす面積とそのプロファイルの最大値との関数で、前記再構成関数の高周波成分を抑制するように調整を行うことを特徴とする請求項３に記載の画像処理装置。
5. 被検体に複数方向からＸ線を照射することで収集された投影データを入力し、所定の再構成関数を用いて被検体の断層像を生成する画像処理方法であって、
   被検体の断面積に対応する情報を取得する取得ステップと、
   取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、前記再構成関数を調整する調整ステップと、
   調整後の再構成関数を用いて被検体の断層像を再構成する再構成ステップと、
   を有することを特徴とする画像処理方法。
6. 前記取得ステップは、少なくとも１つの投影角度における各Ｘ線パスのＸ線減衰量を示すプロファイルに基づいて前記被検体の断面積に対応する情報を取得することを特徴とする請求項５に記載の画像処理方法。
7. 前記取得ステップは、少なくとも１つの投影角度の各プロファイルにおける最大値と、プロファイルがなす面積とに基づいて、前記被検体の断面積に対応する情報を取得することを特徴とする請求項６に記載の画像処理方法。
8. 前記調整ステップは、前記プロファイルがなす面積とそのプロファイルの最大値との関数で、前記再構成関数の高周波成分を抑制するように調整を行うことを特徴とする請求項７に記載の画像処理方法。
9. 被検体に複数方向からＸ線を照射することで投影データを収集し、収集した投影データと所定の再構成関数とに基づいて被検体の断層像を生成するＸ線ＣＴシステムであって、
   被検体の断面積に対応する情報を取得する取得手段と、
   取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、前記再構成関数を調整する調整手段と、
   調整後の再構成関数を用いて被検体の断層像を再構成する再構成手段と、
   を有することを特徴とするＸ線ＣＴシステム。
10. コンピュータに、
    被検体に複数方向からＸ線を照射することで収集された投影データを入力する入力ステップ、
    被検体の断面積に対応する情報を取得する取得ステップ、
    取得した前記被検体の断面積に対応する情報に基づいて、所定の再構成関数を調整する調整ステップ、
    入力した投影データと調整後の再構成関数とに基づいて被検体の断層像を再構成する再構成ステップ、
    を実行させるためのプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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