JP2008509776A - 回転ｘ線投影の評価のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、投影から投影へ周期的に変化するエネルギーレベルを用いて、異なる方向から回転X線デバイスで生成されたX線投影31-33、41-43の評価のための方法及び検査装置に関する。その変化は、例えば、連続的に変調する管電圧(V)により実現されることができる。２つの異なる3D画像35、45が異なるエネルギーレベルに属するX線投影31-33、41-43から再構築されることができる。そして、その3D画像が、コントラスト差に基づき注目する構造50を分割するため、ボクセル毎に比較されることができる。

Description

本発明は、異なる方向のシーケンスから身体ボリュームのX線投影を生成する回転X線デバイスを備える検査装置と、身体ボリュームの３次元画像を生成する対応する方法とに関する。

米国特許第4,361,901号から、２つ又はそれ以上の異なるレベル間で管電圧を高速に切り替えるための特殊なデザインを備えるX線管が知られている。その切り替えは、X線量子の異なるエネルギーレベルを持つX線投影の生成を可能にする。身体ボリュームにおける異なる物質のエネルギー依存吸収作用により、体における異なる構造がそのX線投影において異なって表される。この効果は、特定の構造、特に造影剤で満たされる血管が高いコントラストで表されるような差分画像を生成するのに使用されることができる。

この状況に鑑み、本発明の目的は、身体ボリュームの異なる構造間の改善された視覚化と識別とのための手段を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の検査装置及び請求項９に記載の方法により達成される。好ましい実施形態が、従属項に開示される。

本発明による検査装置は、以下の要素を有する：

−例えば対象物の周りの(半)円からの連続的な動きの一走査(run)における、異なる方向の(好ましくは順序付けされた)シーケンスから、身体ボリュームのX線投影を取得するよう構成される回転X線デバイス。その投影は、X線量子の周期的に変化するエネルギーレベルを用いて生成される。「変化するエネルギーレベル」は、より厳密に言えば、X線投影を生成するのに使用されるX線のスペクトルが異なることを意味する。そこでは、各スペクトルが特徴的なエネルギーレベル(例えば、スペクトルの平均又は最大エネルギー)に関連付けられることができる。単色X線の場合、スペクトルは例えば、ただ１つのエネルギーを持つ線にまで劣化される。特にエネルギーレベルは、投影から投影へ２つの値の間を行き来して切り替わる場合がある。つまり、奇数シリアル番号での投影に対して第１の値E₁を持ち、偶数シリアル番号での投影に対して第２の値E₂を持つ。

異なる方向のシーケンスから前述のX線デバイスにより生成されるX線投影に基づき、身体ボリュームの少なくとも２つの３次元(3D)画像を再構成する画像処理デバイス、例えばコンピュータ。そこでは、各3D画像の再構成に使用される投影が異なるエネルギーレベルに対応する。更に、画像処理デバイスは、前述の3D画像における対応するボクセルの比較に基づき、例えば血管といった注目する構造を分割(segment)するよう適合される。通常使用されるように(As usual)、「分割(segmentation)」は、本書においては、画像のピクチャ要素(ピクセル、ボクセル)を異なる対象物又はクラスへと分類又は関連付けることを表す。

上述された検査装置は、X線投影又は３次元の再構成ボリュームにおいて非常に低いコントラストのみを持つ身体ボリュームにおける構造を決定し３次元で視覚化することを可能にする。この結果は、回転X線装置における異なるエネルギーレベルを備え、従ってエネルギー依存の3D画像の再構成に適した系列状の投影を生成するX線照射の応用により達成される。その3D画像はインターリーブされた(interleaved)X線投影から得られるので、表された身体ボリュームのジオメトリは非常に同一性が高い(そして、例えば、患者の体の動きが原因で異なることがない)。生成された3D画像間での高い幾何学的な一致は、ボクセル毎にその画像を比較することを可能にし、異なる3D画像における異なるコントラストに基づき、注目する構造を分割することを可能にする。分割は、ボクセルを異なる対象物に関連付けることを意味するので、分割のステップは、減算画像(subtraction image)の通常の生成以上のものを有することにも留意されたい。従って分割手順の結果は、アイソレートされた(isolated)構造又はバイナリ構造、例えば３次元における血管ツリーとすることができる。

検査装置のX線デバイスは、軸又は点の周りを回転することができる例えばC型アームのような通常のキャリアに接続される、X線管とX線検出器とを特に有することができる。この種のX線デバイスは、しばしば従来のX線検査室に既に存在する。

異なるエネルギーレベルを持つX線の生成は、例えば、定常照射(constant radiation)の経路におけるフィルタを変化させることなどにより、様々な方法で実現されることができる。好ましくは、変化するエネルギーレベルは、周期的に変化する管電圧を持つX線を生成するよう構成されるX線デバイスのX線管により生成される。すると、高い管電圧が、高いエネルギーのX線量子を生成し、そこでは、所望のエネルギーレベル及びエネルギー変化の時間的コース(course:行路、推移)が管電圧により容易に制御されることができる。

前述の実施形態の第１の特殊な実現によれば、管電圧は、２つ又はそれ以上の電圧レベルの間で連続的に切り替わる。つまり、電圧は、階段状に変化する。

第２の実現によれば、管電圧は、連続的に変調され、例えば、(オフセット付きの)正弦曲線の関数のコースに基づかれる。斯かる連続的な変調は、その生成が一層容易であることができるという利点がある。

検査装置の追加的な発展において、画像処理デバイスは、利用可能なX線投影に基づき３次元画像を再構成するよう構成されることができる(つまり、それらが生成されるエネルギーレベルに関係なく、である)。利用可能なデータの斯かる使用は、高い空間分解能を持つ３次元画像の再構成を可能にする。

前述された装置において、高分解３次元画像は、オプションで、少なくとも１つの低分解能３次元画像又はその２つの低分解能画像から(例えばボクセル毎(per-voxel)に基づき)得られる新たなデータセットでマスクされることができる。そのマスクの後には、高分解能画像の連続的な分割が続く。その新たなデータセットは、多くの単純な場合、２つの低分解能画像間でボクセルワイズ(voxel-wise)の差とすることができる。更に、その新たなデータセットは、高分解能3D画像の一層高い分解能まで分解され調整され、そして、この3D画像を分割するのに使用されることができる。また、その新たなデータセットは、最初により高い分解能へ調整されることができ、分割は、高及び低分解能を持つデータセットから得られる情報に基づかれることができる。上述した手法の利点は、高空間分解能が改善された分割と組み合わせられることができる点である。

その装置は更に、オプションで、再構成された3D画像及び／又はその処理結果、例えば３次元分割画像を表示する表示ユニットを有する。

本発明は更に、身体ボリュームの３次元画像の生成のための方法に関する。その方法は：
−異なる方向のシーケンスからX線投影を生成するステップであって、その投影がX線量子の周期的に変化するエネルギーレベルを用いて(好ましくはインターリーブされて)生成され、結果として異なるX線エネルギーに対応する少なくとも２つの投影データセットを生じさせる、ステップと、
−異なるエネルギーレベルに対応するそのデータセットのX線投影から身体ボリュームの少なくとも２つの３次元画像を再構成するステップと、
−3D画像における対応するボクセルの比較に基づき、注目する構造を分割するステップとを有する。

その方法は、上述された種類の検査装置で実行されることができるステップを一般的な形式で有する。従って、その方法の詳細に関する情報、利点、及び改善の以前の記述が参照されることになる。

本方法の好ましい実施形態によれば、X線照射は、連続的に変調される管電圧を用いてX線管により生成される。

X線投影の生成のために使用される異なるエネルギーレベルの値は、好ましくは、特に注目しており、かつ分割されることになる構造又は材料に対して調整される。特に画像化される身体ボリュームに存在する造影剤の吸収エッジ(Kエッジ)以上のX線量子の少なくとも１つのエネルギーレベルと、それを下回る少なくとも１つの他のエネルギーレベルとを選択することが可能である。この場合、より高いエネルギーレベルを持つX線照射が、造影剤により吸収されることになる。一方、より低いエネルギーレベルを持つ照射は吸収されず、こうして、対応する投影間で高いコントラストを生じさせる。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に述べられる実施形態から明らかとなり、実施形態を参照して説明されることになる。

以下、対応する図面を用い例示を介して本発明が説明される。

図１の左部分には、X線管１２とX線検出器１１とを有する回転X線デバイス１０が概略的に示される。管１２と検出器１１とは、機械的に結合され、デバイス１０の中心に横たわる患者１の周囲を弧１３に沿って回転されることができる。斯かる回転X線デバイス１０の通常の用途は、弧１３に沿って異なる方向から特定のスペクトル又はエネルギーレベルのX線照射を備えるX線投影の生成を有する。その投影は、3D画像を再構成することができる画像処理デバイス２０に送られる(pass on)。投影における血管の視認性を高めるために、X線投影の生成前に、造影剤が患者１の血管系に注入されることができる(「３次元回転血管造影」又は3D-RAと呼ばれる)。

3D-RA画像化における基本的な問題の１つは、造影剤で強調された血管系のボリュメトリックな(volumetric)視覚化及び分割である。神経放射線学の領域において、この問題は極端に解決が難しい。なぜなら、骨の(bony)構造を含むボクセルと造影剤で満たされた血管とに対する値及び空間的な位置がかなり類似する可能性があるからである。純粋な分割法ではうまくいかず、分割と領域成長法(region growing approach)とを組み合わせたものも、これを処理することができない。

上述された問題を解決するために、ここでは、表示から表示へ２つ又はそれ以上の異なるエネルギー間でX線のスペクトルを切り替えることにより実行される3D-RAのX線投影を得ることが提案される。X線エネルギーの斯かる切替えは、特に連続的に変調される管電圧Vにより実現されることができる。そこでは、例えば、電圧が局所最大U₂又は最小U₁又はその中間で選択されるいずれかの電圧を通過する度に画像が生成される。

画像処理デバイス２０は、中央処理ユニット、揮発及び不揮発メモリ、IOインタフェース等の通常の要素と適切なソフトウェアとを有するコンピュータとすることができる。図１において、これらのハードウェア要素は描かれず、デバイス２０により実行される処理ステップの概略的な表現が示される。上述されたように、画像処理デバイス２０は、より高いエネルギー(高管電圧U₂)のX線照射で生成される投影４１、４２、４３、...の(少なくとも１つの)セットと、より低いエネルギー(低管電圧U₁)のX線照射で生成されるX線投影３１、３２、３３、...の第２のセットとを具備する。そして両方のデータセットは、完全なボリューム３５及び４５の再構成にそれぞれ使用されることができる。その3D画像が基づかれるX線投影はインターリーブされるので、3D画像３５、４５は同じジオメトリを表している。しかしながら3D画像３５、４５の生成に使用される異なるエネルギーレベルが原因で、3D画像において異なる構造を表すためのコントラストが、エネルギー依存のX線吸収特性に基づき異なることになる。その後、追加的なステップにおいて、3D画像３５、４５における各ボクセルのこうした異なる値が、骨又は血管のような異なる構造を特徴付けるのに使用される。従って、例えば血管ツリーのような注目する構造が、分割画像５０を生成するため、３次元において分割されることができる。そこでは、その分割の結果が、オプションで、画像処理デバイス２０に結合されるモニタ２１に表示されることができる。

X線投影３１−３３、４１−４３の全体のセットは、オプションで、改良された放射状サンプリング(radial sampling)及び高空間分解能を備える結合された3D画像(図示省略)を再構成するのに使用されることができる。その後更に、低分解能データセット３１−３３、４１−４３(又は例えば3D画像３５、４５から得られる任意の他のデータセット)はそれぞれ、後続する分割のために、高分解能3D画像をマスクするのに使用されることができる。

図２は、上述された検査装置で実行されることができる検査手順のフローチャートを追加的に示す。そこでは、チャートのブロックが以下のステップを表す：
１０１ 表示から表示へ切り替わる２つのエネルギーU₁ < U₂を持つ回転投影を取得するステップ
１０２ すべての投影からの全体ボリュームV_allを3Dコーンビーム再構成するステップ
１０３ U₁で得られる投影からボリューム３５を3Dコーンビーム再構成するステップ
１０４ U₂で得られる投影からボリューム４５を3Dコーンビーム再構成するステップ
１０５ ボリューム３５、４５からボクセル毎にエネルギー依存のコントラスト値を比較するステップ
１０６ コントラスト変化に基づき、造影剤で満たされた血管及び骨としてボクセルを特徴化するステップ
１０７ 特徴化及び追加的なパラメタ(閾値／形状／領域成長)に基づき、造影剤で満たされた血管と骨構造とを分割するステップ
１０８ 骨構造のみを含む分割された高分解能ボリューム：V^B _allを得るステップ
１０９ 血管構造のみを含む分割された高分解能ボリュームV^V _allを得るステップ
１１０ ボリューム又はV^B _all及びV^V _allをそれぞれ視覚化するステップ
１１１ 異なるカラーマップ／重みでのボリューム又はV^B _all及びV^V _allの組み合わされた視覚化をするステップ

最後に、本出願においては、単語「comprising(有する)」は、他の構成要素又はステップを排除するものではないこと、「a」又は「an」は、複数であることを排除するものではないこと、及び単一のプロセッサ又は他のユニットが幾つかの手段の機能を満たすことができることを指摘しておく。更に、請求項における参照記号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

身体ボリュームの3D X線画像における血管の分割のための、本発明による検査装置を概略的に示す図である。 本発明による方法のフローチャートを示す図である。

Claims (11)

1. −周期的に変化するX線量子のエネルギーレベルを用いて、異なる方向のシーケンスから、身体ボリュームのX線投影を生成する回転X線デバイスと、
   −異なる方向のシーケンスから前記X線デバイスにより生成され、かつ、異なるエネルギーレベルに対応するX線投影に基づき、身体ボリュームの3D画像を少なくとも２つ再構成する画像処理デバイスとを有する検査装置であって、該画像処理デバイスが更に、前記3D画像における対応ボクセルの比較に基づき注目する構造を分割する、検査装置。
2. 前記X線デバイスが、軸又は点の周りを回転することができる共通キャリアに結合される、X線管とX線検出器とを有することを特徴とする、請求項１に記載の検査装置。
3. 前記X線デバイスが、周期的に変化する管電圧を備えるX線を生成するX線管を有することを特徴とする、請求項１に記載の検査装置。
4. 前記管電圧が、２つ又はそれ以上のレベル間で順次的に切り替わることを特徴とする、請求項３に記載の検査装置。
5. 前記管電圧が、連続的に変調されることを特徴とする、請求項３に記載の検査装置。
6. 前記画像処理デバイスが、利用可能なすべてのX線投影に基づき、追加的な3D画像を再構成することを特徴とする、請求項１に記載の検査装置。
7. 前記画像処理デバイスが、少なくとも２つの3D画像又は前記画像から得られるデータセットのいずれかを用いるマスクに基づき、前記追加的な3D画像を分割することを特徴とする、請求項６に記載の検査装置。
8. 再構成された3D画像及び／又は前記画像について得られる処理結果の表示のための表示ユニットを有することを特徴とする、請求項１に記載の検査装置。
9. 身体ボリュームの3D画像を生成するための方法において、
   −周期的に変化するX線量子のエネルギーレベルを用いて、異なる方向のシーケンスから、X線投影を生成するステップと、
   −異なるエネルギーレベルに対応する前記X線投影から身体ボリュームの3D画像を少なくとも２つ再構成するステップと、
   −前記3D画像における対応ボクセルの比較に基づき、注目する構造を分割するステップとを有する、方法。
10. X線照射が、連続的に変調される管電圧を備えるX線管により生成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記X線量子の少なくとも１つのエネルギーレベルが、前記身体ボリュームに存在する造影剤の吸収エッジ以上であり、１つのエネルギーレベルは、前記吸収エッジを下回ることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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