JP4079488B2 - 計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出する方法及びシステム - Google Patents

計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出する方法及びシステム Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には計算機式断層写真法(CT)のイメージングに関し、より具体的には、CT走査中に取得された投影データを正規化することに関する。
【0002】
【従来の技術】
少なくとも1つの公知のCTシステム構成では、X線源はファン(扇形)形状のビームを投射し、このビームは、デカルト座標系のX−Y平面であって、一般的に「イメージング平面」と呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。X線ビームは、患者等のイメージングされるべき物体を通過する。ビームは、物体によって減衰された後に、放射線検出器の配列に入射する。検出器配列において受け取られる減衰したビーム放射線の強度は、物体によるX線ビームの減衰量に依存している。配列内の各々の検出器素子は、検出器の位置におけるビーム減衰の測定値である個別の電気信号を発生する。すべての検出器からの減衰測定値を個別に収集して、透過プロファイル(断面)を形成する。
【0003】
公知の第3世代CTシステムでは、X線源及び検出器配列は、X線ビームが物体と交差する角度が一定に変化するように、イメージング平面内でイメージングされるべき物体の周りをガントリと共に回転する。1つのガントリ角度における検出器配列からの一群のX線減衰測定値、即ち、投影データを「ビュー」と呼ぶ。物体の1回の走査は、X線源及び検出器の1回転の間に様々なガントリ角度で形成された一組のビューで構成されている。軸方向走査の場合には、投影データを処理して、物体から切り取られた2次元スライスに対応する画像を構成する。一組の投影データから画像を再構成する1つの方法は、当業界でフィルタ補正逆投影(filtered backprojection)法と呼ばれている。この方法は、1回の走査からの減衰測定値を、「CT数」又は「ハンスフィールド(Hounsfield)単位」と呼ばれる整数に変換し、これらの整数を用いて、陰極線管表示装置上の対応するピクセルの輝度を制御するものである。
【0004】
多数のスライスに要求される全走査時間を短縮するために、「螺旋」(ヘリカル)走査を実行することができる。「螺旋」走査を実行するためには、所定の数のスライスについてのデータが収集されている間に、患者は移動させられる。このようなシステムは、1回のファン・ビーム螺旋走査から単一の螺旋を発生する。ファン・ビームによって精密に撮像された螺旋から投影データが取得され、この投影データから各々の所定のスライスにおける画像を再構成することができる。螺旋走査において取得されたデータから画像を再構成する際に利用することのできる画像再構成アルゴリズムは、例えば、1995年5月9日に出願され、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許出願第08/436,176号に記載されている。走査時間の短縮に加えて、螺旋走査は、コントラストのよりよい制御、任意の位置における改善された画像再構成及びよりよい3次元画像等のその他の利点を提供する。
【0005】
X線源は典型的には、X線管を含んでおり、X線管は焦点に向けてX線を放出する。X線強度、即ち、X線照射量は、X線管に流れているX線管電流に直接的に関連する。X線強度は又、画質に影響を及ぼす。具体的には、検出器素子によって発生される信号は、X線ビームの強度に直接的に関連する。例えば、高強度のX線ビームは強い検出器素子信号を発生する。逆に、低強度のX線ビームは弱い検出器素子信号を発生する。
【0006】
X線管電流、従ってX線強度はしばしば、患者及び検出器素子が過剰なX線照射量を受け取らないように、1回の走査中に変化させられる。このような可変的X線管電流システムの1つが、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許第5,379,333号「CT走査中のX線管電流の変調による可変的な照射線量の投与」("Variable Dose Application By Modulation of X-Ray Tube Current During CT Scanning")に記載されている。1回の走査中にX線管電流を変化させることにより、患者の高減衰領域を走査しているときには高いX線強度を発生し、患者の低減衰領域を走査しているときには低いX線強度を発生することが可能になる。上述したような種々の強度は、種々の強度の検出器素子信号を発生する。
【0007】
従って、X線強度に拘わらず画質を維持するために、検出器信号、即ち投影データが、画像を形成する前に正規化される。具体的には、各々のビューについて、投影データは、検出器素子に入射するX線の強度に対して正規化される。投影データを正規化するために、検出器配列上で基準(reference)チャンネルを利用することが知られている。基準チャンネルは、物体によって全体的に隠蔽されることのないように、即ち、基準チャンネルが減衰されていないX線を受け取るように、検出器配列の両端に配置されている。各々の基準チャンネルは、検出器素子と同様に、基準チャンネルの位置におけるビーム減衰の測定値である個別の電気信号を発生する。次いで、基準チャンネルによって発生された信号を利用して、検出器配列を横断して発生された信号、即ち投影データを正規化する。
【0008】
しかしながら、基準チャンネルはしばしば、走査中に閉塞(ブロック)された状態になる。具体的には、イメージングされるべき物体又はその他の何らかの物体が、しばしば基準チャンネルを覆い隠す、即ち閉塞するので、その結果、基準チャンネルは減衰されたX線を受け取る。基準チャンネルは、このような状況では、誤った(corrupt)正規化値を発生し、これにより画質が劣化する。明確に述べると、不正確な正規化により、表示される画像にストリーク(縞)及びアーティファクトが出現する。
【0009】
基準チャンネルの閉塞を検出する諸方法が開発されている。これらのような方法は、基準チャンネルの閉塞を検出すると、適当な正規化値を決定し、この決定された値を用いて投影データを正規化するものである。これらのような方法は、大体満足のいくものであるが、典型的には複雑であり、相当な計算機時間及び計算機資源を要求する。公知の諸方法は、ここでは可変的X線管電流走査とも呼ばれる可変的信号強度走査と関連して用いられるときには、とりわけ複雑であり、且つ厄介である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
言うまでもなく、安定的で且つ可変的なX線管電流による走査中に投影データを正確に正規化することが望ましい。又、CTシステムの経費を増大させずに投影データをより効率的に正規化することが望ましい。
【0011】
【課題を解決するための手段】
これらの目的及びその他の目的は、以下のシステムで達成されることができる。即ち、このシステムは、一実施例では、X線管電流を利用して投影データを正規化する。具体的には、一形態では、このシステムは、供給されたX線管電流に従って、期待される基準チャンネル信号Sxを決定する。各々のビューについて、決定された期待される基準チャンネル信号Sxを用いて、投影データを正規化する。より具体的には、一実施例によれば、決定された期待される基準チャンネル信号Sxは、実際の基準チャンネル信号Srと比較される。実際の基準チャンネル信号Srが閾値を上回っていれば、投影データは、実際の基準チャンネル信号Srを用いて正規化される。代替的には、実際の基準チャンネル信号Srが閾値を下回っていれば、投影データは、決定された期待される基準チャンネル信号Sxを用いて正規化される。
【0012】
上述のシステムは、可変的X線源電流走査を含む走査中に収集される投影データを正確に正規化する。このシステムは又、非常に単純であり、基準チャンネルの閉塞を検出することに関連する計算経費を大幅に減少させる。
【0013】
【実施例】
図1及び図2を参照すると、計算機式断層写真法(CT)イメージング・システム10が、「第3世代」CTスキャナにおいて典型的なガントリ12を含んでいるものとして示されている。ガントリ12は、X線源、即ちX線管14を有しており、X線管14は、X線ビーム16をガントリ12の反対側に設けられている検出器配列18に向かって投射する。検出器配列18は、検出器素子20によって形成されており、これらの検出器素子20は一括で、患者22を通過する投射されたX線を検知する。各々の検出器素子20は、入射するX線ビームの強度を表す、従って患者22を通過する際のビームの減衰を表す電気信号を発生する。X線投影データを収集するための1回の走査中に、ガントリ12及びガントリ12に装着された構成部品は、回転中心24の周りを回転する。
【0014】
ガントリ12の回転及びX線源14の動作は、CTシステム10の制御機構26によって制御されている。制御機構26は、X線制御装置28と、ガントリ・モータ制御装置30とを含んでいる。X線制御装置28は、X線源14に対して電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御装置30は、ガントリ12の回転速度及び位置を制御する。制御機構26内に設けられているデータ収集システム(DAS)32は、検出器素子20からのアナログ・データをサンプリングし、後続処理のためにこのデータをディジタル信号に変換する。画像再構成装置34が、サンプリングされてディジタル化されたX線データをDAS32から受け取って、高速画像再構成を実行する。再構成された画像は、計算機36への入力として印加され、計算機36は、大容量記憶装置38に画像を記憶させる。
【0015】
計算機36は又、キーボードを有しているコンソール40を介して、オペレータからの命令(コマンド)及び走査パラメータを受け取る。付設された陰極線管表示装置42によって、オペレータは、再構成された画像、及び計算機36からのその他のデータを観測することができる。オペレータが供給した命令及びパラメータは、計算機36によって用いられて、DAS32、X線制御装置28及びガントリ・モータ制御装置30に制御信号及び情報を供給する。加えて、計算機36はテーブル・モータ制御装置44を動作させ、テーブル・モータ制御装置44は、モータ式テーブル46を制御して、ガントリ12内で患者22を位置決めする。具体的には、テーブル46は、患者22の部分をガントリ開口48を通して移動させる。
【0016】
検出器配列18は更に、投影データを正規化するための少なくとも1つの基準チャンネル(図1及び図2には示されていない)を含んでいる。各々の基準チャンネルは典型的には、検出器配列18に隣接して配置されている。具体的には、各々の基準チャンネルは、基準チャンネルが、減衰されていないX線をX線ビーム16から受け取るように、検出器18の端部50及び52のうちの一方に隣接して配置されている。各々の基準チャンネルは、X線に応答して、基準信号を発生し、この基準信号を用いて投影データを正規化する。
【0017】
しかしながら、上で説明したように、基準チャンネルはしばしば、例えば患者22によって閉塞(ブロック)され、従って、減衰されたX線を受け取る。このような状況では、基準チャンネルは誤った正規化値を発生し、これにより画質が低下する。従って、誤った正規化値の発生を抑制するために、基準チャンネルの閉塞を検出することが望ましい。又、基準チャンネルが閉塞されているときに、適当な基準信号を発生することが望ましい。
【0018】
図3及び図4は、基準チャンネルの閉塞を検出すると共に適当な基準信号を発生する公知のアルゴリズムによる一連の処理工程を示す流れ図である。このアルゴリズムは、典型的には計算機36において実行されるが、DAS32において実行されてもよい。このアルゴリズムは、次の6つの別個の処理工程を含んでいる。即ち、(1)オフセットを減じて、左及び右についてのゲインの正規化された平均値を形成する。(2)検出器配列の両側に絶対的閉塞があるかを検査する。(3)左及び右についての相対的チャンネル閉塞があるかを検査する。(4)両側での絶対的閉塞について、置換を行う。(5)相対的チャンネル遮断について、置換を行う。即ち、このときには両側ともが絶対的に閉塞されているのではない。(6)z−チャンネルの置換を行う。図3では、j及びiの各インデクスは、ビュー・インデクス及びチャンネル・インデクスをそれぞれ表している。
【0019】
図3に、オフセットを減じて、左及び右についてのゲインの正規化された平均値を形成するという第1の工程が示されている。同様に、検出器配列の両側に絶対的閉塞があるかを検査するという第2の工程が図3に示されている。左及び右についての相対的チャンネル閉塞があるかを検査するという第3の工程も、図4に示されている。
【0020】
絶対的閉塞が検出されたならば、図4に示すように、工程4に従って適当な置換用基準信号が発生される。しかしながら、相対的閉塞が検出されており、且つ両側ともが絶対的に閉塞されているのではなければ、図4に示すように、工程5に従って、異なる適当な置換用基準信号が発生される。次いで、工程4又は工程5のいずれかにおいて発生された適当な置換用基準信号は、工程6において、閉塞された基準信号の代わりに置換される。
【0021】
上述のアルゴリズムは、図示のように、厄介で且つ複雑である。更に、アルゴリズムを実行している間に相当な計算経費及び計算時間が費やされる。これらの計算経費及び計算時間は、このアルゴリズムが、可変的X線管電流走査と関連して実行されているときに、大幅に増大する。
本発明の一実施例によれば、X線源電流を用いて、基準チャンネルの閉塞を判断すること、及び許容可能な置換用基準信号を発生することの両方を行う。このアルゴリズムは、非可変的X線管電流システム及び可変的X線管電流システム等の特定の走査システムに向けられたものでは一切ない。むしろ、このアルゴリズムは、走査中であっても、これらのようなシステムと組み合わせて用いることができる。又、このアルゴリズムを、X線管以外のX線源を有しているイメージング・システムにおいて用いてもよいことを理解すべきである。更に、このアルゴリズムは、計算機36で実行され、例えばDAS32を制御して、所望の基準チャンネル信号を用いて投影データを正規化し得ることを理解すべきである。他の実現方法も勿論、可能である。
【0022】
図5は、本発明の一実施例による一連の処理工程を示す流れ図である。各々のビューについて、そのビューの取得中に供給されているX線管電流が決定される(工程60)。決定されたX線管電流は、前述したように、そのビューの取得中に発生されたX線ビーム16の強度に関連している。供給されたX線管電流を知るために、例えば、X線制御装置28(図1)はX線管電流を表す信号を発生するように構成されている。加えて、計算機36(図1)は、X線制御装置28からの信号を入力(図示されていない)を介して受け取ると共にX線管電流の測定値を同定するように、X線制御装置28に接続されている。X線管電流の決定は、他の実現方法によって行うこともできる。
【0023】
次いで、決定されたX線管電流を用いて、期待される基準信号Sxが決定される(工程62)。X線管14に供給される電圧が安定であるようなCTシステム10では、基準信号Sxは、以下の式に従って決定される。
Sx=mAm×nrm (1)
ここで、
mAmは、供給されたX線管電流であり、
nrmは、較正された基準チャンネル信号係数(ファクタ)である。
具体的には、nrmは、
nrm=Sr/mAm (2)
となるように較正されている。
ここで、Srは、基準チャンネルによって発生された実際の基準チャンネル信号である。nrmは、例えば、CTシステム10の空気較正(air calibration)中に較正され得る。CTシステムの空気較正中にnrmを較正することで、空気較正に対して計算時間又は計算経費を付加するようなことはないものと考えられる。
【0024】
供給されたX線管電流mAmは、期待される基準信号Sxを決定する前にフィルタ処理される。フィルタ処理は、公知の方法によって実行されることができ、mAmの値が実際の基準チャンネル信号Srの応答に近似的に一致するようにすることができる。
期待される基準信号Sxを決定した後に、投影データが正規化される(工程64)。具体的には、決定された期待される基準信号Sxを用いて、投影データを正規化する。より明確に述べると、閾値係数Thを同定し、期待される基準信号Sxに乗じて、閾値Th×Sxを発生する。閾値係数Thは、一実施例では0.8であり、例えば計算機36のメモリに記憶され得る。実際の基準チャンネル信号Srは、閾値Th×Sxと比較される。SrがTh×Sxよりも小さいならば、基準チャンネルは閉塞されているものと想定され、従って、実際の基準信号Srは不正確であるものと想定される。このため、投影データを正規化するためにはSrではなくSxが利用される。基準信号を用いた正規化手法は公知である。
【0025】
代替的には、SrがTh×Sxよりも大きいならば、基準チャンネルは閉塞されていないものと想定され、従って、実際の基準チャンネル信号Srは実質的に正確であるものと想定される。このため、SrがTh×Sxよりも大きいときには、投影データは、公知の投影データ正規化方法に従って、実際の基準チャンネル信号Srを利用することにより正規化される。
【0026】
上述のアルゴリズムは、基準チャンネルの閉塞を正確に検出すると共に許容可能な置換用基準信号を発生する極めて単純で且つ効率的な方法を提供する。このアルゴリズムは又、公知のアルゴリズムに要求されていた計算経費よりも少ない計算経費で実行され得る。
本発明のもう1つの実施例として、X線管14に供給される電圧が変化する場合には、基準信号Sxは、以下の式に従って決定される。
【0027】
Sx=mAm×mKv2 ×nrm (3)
ここで、
mAmは、供給されたX線管電流であり、
mKvは、X線管に供給された電圧であり、
nrmは、較正された基準チャンネル信号係数である。
mKvの指数、即ち2は、例えばX線制御装置28(図1)によって供給される電圧に従って選択されている。具体的には、指数は、期待されるX線管電圧の近くにおいて正確になるように、経験的に導き出され得る。
【0028】
値nrmは、
nrm=Sr/(mAm×mKv2 ) (4)
となるように較正される。
次いで、決定された期待される基準信号Sxを用いて投影データを正規化する。具体的には、閾値係数Thを同定し、期待される基準信号Sxに乗じて、閾値Th×Sxを発生する。閾値係数Thはここでも、例えば0.8であってもよい。実際の基準チャンネル信号Srは、閾値Th×Sxと比較される。SrがTh×Sxよりも小さいならば、基準チャンネルは閉塞されているものと想定され、従って、実際の基準信号Srは不正確であるものと想定される。このため、投影データを正規化するためにはSxが利用される。
【0029】
代替的には、SrがTh×Sxよりも大きいならば、基準チャンネルは閉塞されていないものと想定され、従って、実際の基準チャンネル信号Srは実質的に正確であるものと想定される。このため、このような状況では、投影データを正規化するためには実際の基準チャンネル信号Srが利用される。
上述のアルゴリズムは、X線管電圧が変化する場合であっても、基準チャンネルの閉塞を正確に検出すると共に許容可能な置換用基準信号を発生する極めて単純で且つ効率的な方法を提供する。このアルゴリズムは又、公知のアルゴリズムに要求されていた計算経費よりも少ない計算経費で実行され得る。
【0030】
本発明の更にもう1つの実施例では、投影データを正規化するために、期待される基準信号Sxが常に用いられる。この実施例では、Sxを実際の基準チャンネル信号Srと比較する工程は省かれ、従って、投影データを正規化することに関する効率及び精度が更に向上する。
本発明の様々な実施例に関する以上の記述から、本発明の目的が達成されたことは明らかである。本発明を詳細にわたって記述すると共に図解したが、これらは説明及び例示のみを意図したものであるのであって、限定のためのものであると解釈してはならないことを明瞭に理解されたい。例えば、ここに記載したCTシステムは、X線源と検出器との両者がガントリと共に回転するような「第3世代」システムである。しかしながら、検出器が全環状(フル・リング)の静止式検出器であって、X線源のみがガントリと共に回転するような「第4世代」システムを含めて他の多くのCTシステムを用いることができる。更に、X線管電流を、例えば、計算機36ではなくDAS32によって決定してもよい。同様に、計算を、計算機36ではなくDAS32において実行してもよい。加えて、閾値係数Thが0.8以外であってもよい。従って、本発明の要旨は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】CTイメージング・システムの見取り図である。
【図2】図1に示すシステムのブロック概略図である。
【図3】基準チャンネルの閉塞を検出すると共に適当な基準信号を発生する公知のアルゴリズムによる一連の処理工程を示す流れ図である。
【図4】基準チャンネルの閉塞を検出すると共に適当な基準信号を発生する公知のアルゴリズムによる一連の処理工程を示す流れ図である。
【図5】本発明の一実施例による一連の処理工程を示す流れ図である。
【符号の説明】
10 CTシステム
12 ガントリ
14 X線源
16 X線ビーム
18 検出器配列
20 検出器素子
22 患者
24 回転中心
26 制御機構
28 X線制御装置
30 ガントリ・モータ制御装置
32 データ収集システム(DAS)
34 画像再構成装置
36 計算機
38 大容量記憶装置
40 コンソール
42 表示装置
44 テーブル・モータ制御装置
46 モータ式テーブル
48 ガントリ開口
50、52 検出器配列の両端

Claims (12)

  1. X線ビームを放出して関心のある物体を走査するX線源を含んでいる計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出する方法であって、前記システムは、前記物体の画像を再構成するために投影データを用いており、前記システムは更に、前記X線ビームにより入射されたときに実際の基準チャンネル信号を発生するように構成されている基準チャンネルを含んでおり、
    供給されたX線源電流を決定する工程と、
    期待される基準信号を決定する工程とを備えており、
    前記期待される基準信号を決定する工程は、基準チャンネル信号係数を決定する工程を含んでいる計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出する方法。
  2. 前記期待される基準信号を用いて前記投影データを正規化する工程を更に含んでいる請求項1に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出する方法。
  3. 前記期待される基準信号を決定する工程は更に、前記基準チャンネル信号係数を較正する工程と、較正された該基準チャンネル信号係数と、前記供給されたX線源電流とを乗じる工程とを含んでいる請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出する方法。
  4. 計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステムであって、前記計算機式断層写真法システムは、X線ビームを放出すると共に関心のある物体を走査するX線源を含んでおり、前記計算機式断層写真法システムは、前記物体の画像を再構成するために投影データを用いており、前記計算機式断層写真法システムは更に、少なくとも1つの基準チャンネルを含んでおり、該基準チャンネルは、前記X線ビームにより入射されたときに実際の基準チャンネル信号を発生するように構成されており、供給されたX線源電流を決定し、期待される基準信号を決定するように構成されており、基準チャンネル信号係数を決定するように更に構成されている計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  5. 前記期待される基準信号を用いて前記投影データを正規化するように更に構成されている請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  6. 前記期待される基準信号を決定するために、前記基準チャンネル信号係数を較正するように更に構成されている請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  7. 較正された前記基準チャンネル信号係数は、
    nrm=Sr/mAm
    であり、
    Srは、前記実際の基準チャンネル信号であり、
    mAmは、供給されたX線管電流であり、
    nrmは、較正された基準チャンネル信号係数である請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  8. 前記期待される基準信号は、
    Sx=mAm×nrm
    であり、
    Sxは、前記期待される基準チャンネル信号であり、
    mAmは、前記供給されたX線源電流であり、
    nrmは、前記較正された基準チャンネル信号係数である請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  9. 較正された前記基準チャンネル信号係数は、
    nrm=Sr/(mAm×mKv2
    であり、
    Srは、前記実際の基準チャンネル信号であり、
    mAmは、前記供給されたX線源電流であり、
    mKvは、前記X線源に供給された電圧であり、
    nrmは、前記較正された基準チャンネル信号係数である請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  10. 前記期待される基準信号は、
    Sx=mAm×mKv2×nrm
    であり、
    Sxは、前記期待される基準チャンネル信号であり、
    mAmは、前記供給されたX線管電流であり、
    mKvは、前記X線管に供給された電圧であり、
    nrmは、較正された基準チャンネル信号係数である請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  11. 前記期待される基準信号を前記実際の基準チャンネル信号と比較するように更に構成されている請求項に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
  12. 閾値係数を同定し、該閾値係数と、前記期待される基準信号とを乗じて、閾値を発生し、発生された該閾値を前記実際の基準チャンネル信号と比較するように更に構成されている請求項11に記載の計算機式断層写真法システムにおいて基準チャンネルの閉塞を検出するシステム。
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