JP4424709B2 - 物体の像を形成する方法及びイメージング・システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には、イメージング・システムに関し、より具体的には、物体の立体像を形成するための可変式の角度サンプリングによるアーティファクト補償に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも１つの公知のイメージング・システム構成においては、Ｘ線源がファン（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ＸＹ平面であって、一般に「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ている物体を通過する。ビームは、物体によって減弱された後に、放射線検出器の配列（アレイ）に入射する。検出器アレイの所で受け取られる減弱したビーム放射線の強度は、物体によるＸ線ビームの減弱量に依存している。アレイ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弱の測定値である個別の電気信号を発生する。
【０００３】
計算機式断層撮影（ＣＴ）システムとして広く知られている少なくとも１つの公知の形式のイメージング・システムにおいて、検出器アレイからの一群のＸ線減弱測定値（即ち、投影データ）は「ビュー」と呼ばれる。物体の「走査（スキャン）」は、Ｘ線源及び検出器が少なくとも１回転する間に様々な投影角度（即ち、ビュー角度）において形成される１組のビューで構成されている。アキシャル・スキャン（軸方向走査）においては、投影データを処理して、物体を通過して得られる２次元スライスに対応する像を構成する。典型的には、各々のスライスは、患者の軸又はｚ軸における患者の約２ｃｍ未満の撮像範囲に相当し、ガントリの１回転中の９８４のビューから収集されるデータから形成される。１組の投影データから像を再構成する１つの方法は、当業界でフィルタ補正逆投影（filtered back projection）法と呼ばれている。この手法は、走査からの減弱測定値を「ＣＴ数」又は「ハンスフィールド(Hounsfield)単位」と呼ばれる整数へ変換し、これらの整数を用いて、陰極線管表示器上の対応するピクセルの輝度を制御するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
少なくとも１つの公知のＣＴシステムは、行及び列を成して配列した複数のピクセルを有する大型のフラット・パネル型ディジタルＸ線機器（即ち、検出器）を用いてデータを収集する。しかしながら、このようなフラット・パネルは、読み出し時間が遅く、従って、像を形成するのに必要な時間が増大する。少なくとも１つの公知のＣＴシステムでは、大型のフラット・パネルは、１秒当たり３３のビューを収集する能力しかない。１０秒の走査を用いると、３３０のビューしか収集されず、結果として、他の公知のイメージング・システムに対してガントリの１回転当たりに収集されるビューの数は大幅に減少する。当業界で公知のように、このようなビューのアンダ・サンプリング（サンプリング不足）は、エイリアシング（aliasing）アーティファクトを生ずる。エイリアシング・アーティファクトは、患者の上体の周辺部で最も著しく、脊椎のような高密度要素の鋭い構造に大部分起因して生じている。加えて、脊椎の配向の結果として、最も深刻なストリーク・アーティファクトが患者のｙ軸に平行となっており、Ｘ線源が患者のｙ軸に実質的に整列しているときに最も著しいアンダーサンプリングが生ずることを示している。
【０００５】
ガントリの単一の回転から収集されるデータを利用して、患者の体内の完全な物体の立体像を形成するイメージング・システムを提供することが望ましい。又、エイリアシング・アーティファクトが減少し、走査が妥当な時間内に完了するように、投影角度の関数としてビュー収集速度を変更する上述のようなシステムを提供することが望ましい。
【０００６】
【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、本発明の一形態では、像のエイリアシング・アーティファクトが減少するように、投影データのサンプル間の角度間隔を変更するディジタル式イメージング・システムによって達せられ得る。具体的に述べると、一実施態様では、このイメージング・システムは回転可能なガントリを含んでおり、ガントリは、ディジタル式検出器アレイに向かってＸ線ビームを投射するＸ線源を備えている。ディジタル式検出器アレイは、行及び列を成して配列した複数のピクセルを有するパネル構成として作製されている。ディジタル式検出器アレイは、１回の完全な回転までガントリを回転させることにより患者の体内の物体全体の立体像を形成するように構成されている。
【０００７】
動作時には、患者の走査を行う前に、少なくとも２つの投影角度領域が物体に関して設定される。ガントリが複数の投影角度を通じて回転するにつれて、各々の領域から投影データを収集する角度間隔が変更される。より詳しく述べると、走査を完了するのに要求される時間が最短となり、且つエイリアシング・アーティファクトが減少するように、各々の領域でのビュー・サンプリング速度を変更する。代替的には、ビュー・サンプリング速度を増大させてエイリアシング・アーティファクトを減少させるように、Ｘ線源の回転速度が高密度物体の鋭い構造を含んでいる区域では低下される。これらのような鋭い構造を含んでいない区域では、ビュー・サンプリング速度が低下するように、ガントリの回転速度が増大される。
【０００８】
異なるビュー・サンプリング速度を利用してデータを収集した後に、収集されたビューを表わす投影データを補間して、追加の数のビューを形成する。次いで、これらのビューは、公知の再構成アルゴリズムによって再構成されて、立体像を形成する。
【０００９】
以上に述べたシステムは、ガントリの単一の回転から収集されるデータを用いて、患者の体内の完全な物体の立体断層像を形成する。加えて、投影角度の関数としてビュー・サンプリング速度を変更することにより、エイリアシング・アーティファクトを減少する。具体的には、ある領域ではより高速でビューを収集し、他の領域ではより低速でビューを収集することにより、走査時間を短縮し、エイリアシング・アーティファクトを減少させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２について説明する。同図には、計算機式断層撮影（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回転可能なガントリ１２を含んでいるものとして示されている。一実施例では、Ｘ線源１４が、ガントリ１２に結合されており、ガントリ１２の反対側に設けられているディジタル式検出器アレイ１８に向かってＸ線ビーム１６を投射する。一実施例では、検出器アレイ１８は、行及び列を成して配列した複数のピクセル（図示されていない）を有するパネル構成として作製されている。各々のピクセルは、フォトダイオードのような光センサを含んでおり、光センサは、スイッチング・トランジスタを介して２つの別個のアドレス線、１つの走査線及び１つのデータ線に結合されている。シンチレータ材料（図示されていない）及びピクセル光センサに入射した放射線は、フォトダイオードに跨がる電荷の変化によって、Ｘ線とシンチレータとの相互作用によって発生される光の量として測定される。結果として、各々のピクセルは、患者２２による減弱の後の入射Ｘ線ビーム１６の強度を表すディジタル電気信号を発生する。検出器アレイ１８は、患者２２の体内の物体（即ち器官、例えば心臓（図示されていない））の全体についての立体像を形成するような寸法を有する。様々な実施例において、検出器アレイ１８は、幅（ｘ軸）約４０ｃｍ、高さ（ｚ軸）約２０ｃｍ〜４０ｃｍであり、１秒当たり４０フレームまでの速度で投影データを形成するように構成されている。言うまでもなく、他の実施例では、特定のシステム要請に合わせて検出器アレイ１８の寸法を変更してよい。
【００１１】
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とを含んでおり、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取得システム（ＤＡＳ）３２が、検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングし、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。一実施例では、ＤＡＳ３２は複数のチャネルを含んでおり、多チャネル型ＤＡＳと呼ばれる。
【００１２】
像再構成装置３４が、サンプリングされたディジタルＸ線投影データをＤＡＳ３２から受け取って、高速の像再構成を実行する。再構成された像は、コンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は、大容量記憶装置３８に像を記憶させる。コンピュータ３６は又、キーボードを有しているコンソール４０を介して、操作者からコマンド（命令）及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は、再構成された像、及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給したコマンド及びパラメータは、コンピュータ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、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御装置４４を動作させて、患者２２をガントリ１２内で配置する。具体的には、テーブル４６は、患者２２の各部をガントリ開口４８を通して移動させて、患者２２を適正に配置する。
【００１３】
図３は、ガントリ１２、Ｘ線源１４、検出器アレイ１８及び患者２２の概略図である。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５０の周りを回転する。Ｘ線源１４は、線源１４の焦点５２からＸ線ビーム１６を放出する。Ｘ線ビーム１６は、プリ・ペイシェント・コリメータ（図示されていない）によってコリメートされ、コリメート後のビーム５４が、ビーム１６内部の中心に位置するファン・ビーム軸５６に沿って検出器アレイ１８に向かって投射される。図３に示すように、ファン・ビーム軸５６は、患者２２のＹ軸に関して投影角度βの位置にある。患者２２の走査中に、ガントリ１２が回転するにつれて、Ｘ線ビーム１６は線源１４から放出され、投影データが検出器アレイによって複数の投影角度βから収集される。一実施例では、物体の像を形成するために利用される投影データは、ガントリ１２を完全に１回転させることに収集される、即ち、投影データは０°から３６０°までのβの値について収集される。他の実施例では、投影データはガントリ１２の多数の回転中に収集される。例えば、当業界で公知のように、投影データはヘリカル・スキャン中又はシネ（ＣＩＮＥ）ＣＴスキャン中に収集される。
【００１４】
以上に述べたシステム１０の構造は、限定された数の投影データのサンプル（即ち、ビュー）を収集することにより患者２２の体内の物体（図示されていない）の全体についての立体像が形成されるようにシステム１０を構成し得ることを含め、多くの重要な利点を提供する。サンプルの間の角度間隔を投影角度の関数として変更することにより、システム１０は、走査時間を最短にすると同時に、検出器アレイ１８の限定された応答時間に起因するエイリアシング・アーティファクトを減少させる。より詳しく述べると、ガントリ１２が一連の投影角度を通じて回転するにつれて、各々のビューの間の投影角度の変化量Δβを修正することにより角度間隔が変更される。具体的に、一実施例では、投影データのサンプルを収集する際に、ガントリ・モータ制御装置３０を用いてガントリ１２の回転速度を変更（即ち、調節）することにより、各々のサンプルの間の角度間隔が変更される。ガントリ１２が回転するにつれて、システム１０の制御機構２６は、ガントリ１２の回転速度が投影角度の関数として変更されるように、ガントリ・モータ制御装置３０へ供給される信号を変更する。一定のＤＡＳサンプリング周波数を用いて検出器アレイ１８によって供給された信号を測定すると、ガントリ１２の回転速度の変更によって、ビューの間のΔβが変更される。より詳しく述べると、Ｘ線源１４の回転速度を投影角度の関数として変更することにより、選択された領域（即ち、設定された領域）でのビューの間のΔβは、他の選択された領域（即ち、他の設定された領域）でのビューの間のΔβよりも大きくなるか又は小さくなる。
【００１５】
一実施例では、第１の投影角度範囲（即ち、領域）と、少なくとも第２の投影角度範囲（即ち、領域）とが設定される。より詳しく述べると、一実施例では、脊椎等の高密度要素の鋭い構造の軸が患者２２のＹ軸と実質的に平行であるものと決定された場合に、第１の投影角度領域の中心は、鋭い構造の軸（即ち、Ｙ軸）に沿って近似的に整列するものとして設定される。一実施例では、第１の投影角度範囲の中心ＣFPARは０°に等しく、第２の投影角度範囲の中心ＣSPARも又、鋭い構造の軸に沿って整列しており１８０°に等しく、即ち、ＣSPARはＣFPAR＋１８０°に等しい。第１及び第２の投影角度領域を設定した後に、第１の投影角度範囲及び第２の投影角度範囲の外側の区域として第３の投影角度範囲が設定される。他の実施例では、任意の数の領域を設定し、各々の領域（即ち、範囲）毎にビュー・サンプリング速度を変えてもよい。
【００１６】
以上のように各領域、即ち鋭い構造の軸に沿って整列した第１及び第２の投影角度領域並びに第３の領域を設定した後に、ガントリ１２は一連の投影角度を通じて回転する。より詳しく述べると、一実施例では、ガントリ１２が第１の投影角度領域及び第２の投影角度領域の範囲内を回転する際には、選択された数のビューが各々の領域から収集されるように、第１のガントリ回転速度が用いられる。ガントリ１２が回転を続け、投影角度が第１及び第２の投影角度領域の範囲内に最早含まれなくなり、第３の投影角度領域に入ったら、ガントリ１２の回転速度は、第１の回転速度に等しくない第２の回転速度に変更される。３つの投影角度領域を有する一実施例では、第３の領域についての第２の回転速度は、各々のビューの間のΔβが増大するように変更される。より詳しく述べると、システム１０は、βが第１又は第２の投影角度領域内にあるときにはビュー・サンプリング速度を増大させることによりエイリアシング・アーティファクトを減少させ、第３の投影領域ではビュー・サンプリング速度を第２のビュー・サンプリング速度まで低下させる。
【００１７】
もう１つの実施例では、ガントリ１２の回転速度は、投影角度の関数として連続的に変えられる（即ち、変更される）。例えば、一実施例では、ガントリの回転速度は、回転速度がＣFPAR及びＣSPARの位置で最低となり、第３の領域の中心で最高の回転速度となるように、投影角度の関数として連続的に変更される。
【００１８】
例えば、第１及び第２の投影角度範囲の中心がそれぞれ０°及び１８０°に等しいと設定され、検出器アレイ１８が１秒当たり３３のビューを形成し、１０秒の走査が用いられる場合には、ガントリ１２の完全な１回転の間に３３０までのビューを形成することができる。第１及び第２の投影角度領域の中心の両側で３０°ずつの範囲を用いると、第１の範囲は−３０°から＋３０°までに等しく、第２の範囲は１５０°から２１０°までに等しい。第３の投影角度範囲は、第１の領域及び第２の領域の外側に位置する区域、即ち、３０°≦β≦１５０°及び２１０°≦β≦３３０°として画定される。
【００１９】
０°の走査開始角度を用いると、ガントリ１２は、βが３０°に等しくなるまでは、第１のビュー・サンプリング速度が１回転当たり３２８のビューとなるように回転する。βが第１の投影角度範囲を超えて３０°よりも大きくなると、ガントリ１２の速度は、３０°を超え１５０°に満たない投影角度範囲では１回転当たり２４７のビューという第３のビュー・サンプリング速度まで増大する。１５０°〜２１０°の第２の投影範囲では、ガントリ１２の速度は、第２のビュー・サンプリング速度が１回転当たり３２８のビューとなるように低下する。２１０°を超え３３０°に満たない投影角度では、ガントリ１２の速度は、１回転当たり２４７のビューという第３のビュー・サンプリング速度が用いられるように増大する。βが３３０°に等しくなると、ガントリ１２の回転速度は、投影データが１回転当たり３２８のビューという第１のビュー・サンプリング速度で収集されるように低下する。ガントリ１２による回転の完了時には、２７４のビューの投影データが収集されている。
【００２０】
もう１つの実施例では、ビュー・サンプリング速度は、検出器アレイ１８のサンプリング周波数を変更（即ち、調節）することにより、変更される。より詳しく述べると、ガントリ１２が回転するにつれて、ＤＡＳ３２のサンプリング周波数が、投影角度の関数として変更される。ＤＡＳ３２のサンプリング周波数を変更する結果として、所定の領域でのビューの間のΔβは、他の領域でのビューの間のΔβよりも大きいか又は小さくなる。具体的には、ビュー・サンプリング速度を増大させるためには、ＤＡＳサンプリング周波数を増大させる。ビュー・サンプリング速度を低下させるためには、ＤＡＳサンプリング周波数を減少させる。
【００２１】
もう１つの実施例では、重み付け関数を用いて患者２２の動きを最小化すると、像を形成するために収集される必要のあるビューの数を更に減少させることができる。重み付け関数は、一実施例では、走査の開始時及び終了時の近くで収集される投影データの寄与をゼロ近くまで減少させると共に、共役（conjugate ）の投影データの寄与を増大させるという特性を有する。詳しく述べると、一実施例では、走査の開始時及び終了時から収集された投影データに適用される重みは約ゼロとし、走査の中間期に適用される重みは約２とし、残りの投影データに適用される重みは１に近似的に等しくする。他の実施例では、当業界で公知の方法に従って投影データに適用される重みを変更してもよい。
【００２２】
最終像に対する開始時及び終了時の投影データの寄与が限定される結果として、エイリアシング・アーティファクトを増大させずに走査の開始時及び終了時でのビュー・サンプリング速度を低下させることができる。具体的には、第１の投影角度領域を走査の開始時及び終了時の近くであるものと設定し、第２の投影角度を残りの投影角度を含むものとして設定することにより、エイリアシング・アーティファクトを増大させずに第１の投影角度領域でのサンプリング速度を低下させることができる。従って、収集されるビューの数が一定のままであるならば、走査を完了するのに要求される時間を短縮することができる。代替的には、走査時間が一定のままであるならば、第２の投影角度領域でのビュー・サンプリング速度を増大させて、画質を向上させることもできる。
【００２３】
例えば、開始角度を９０°とし、第１の投影角度範囲の中心を９０°とし、第１の投影角度領域を６０°として用いると、６０°〜１２０°の第１の投影角度領域についてのみ、より低速の第１のサンプリング速度が用いられる。結果として、投影データは、第１の投影角度領域ではガントリの１回転当たり３２８のビューというサンプリング速度で収集され得るが、第２の投影角度領域での投影データは、１回転当たり４９２というビュー・サンプリング速度で収集される。
【００２４】
収集された投影データを用いて、システム１０は、公知の再構成アルゴリズムを用いて像を形成する。より詳しく述べると、走査の完了時に、検出器アレイ１８によって収集された投影データは、少なくとも２つの異なるビュー・サンプリング速度を有する所定の数の全ビューを含んでいる。一実施例では、ビューのこの総数を、得られる投影での角度増分Δβが一様となるように、公知の補間アルゴリズムによって増大させてもよい。例えば、１回転当たり３２８及び４９２のビューという角度間隔を有する投影データ・サンプルを補間して、１回転当たり９８４のビューとする。
【００２５】
もう１つの実施例では、収集された投影データを補間して、ビューからビューへのより平滑な移行を保証する。より詳しく述べると、収集されたビューは移行点においては、次のビューとの補間によって決定される。他の実施例では、線形補間、より高次の補間、又は周波数領域でのゼロ充填を用いて、公知の再構成アルゴリズムが用いられ得るように所望の数までビューの数を増大させてもよい。
【００２６】
もう１つの実施例では、ビュー・サンプリング速度又は角度間隔は、投影角度の関数として連続的に変更される（即ち、変えられる）。より詳しく述べると、ビュー・サンプリング速度は、収集されるビューの数を更に減少させ得るように、連続的に変更される。例えば、鋭い構造の軸が患者のＹ軸に実質的に平行であるような上述の実例を用いると、投影角度が３６０°に近付くにつれて、ビュー・サンプリング速度は、投影角度が３６０°に等しくなるときの最大値まで連続的に増大する。投影角度が３６０°（即ち、０°）よりも大きくなるにつれて、ビュー・サンプリング速度は、投影角度が９０°に等しくなるまで連続的に低下する。詳しく述べると、一実施例では、０°〜９０°の範囲では、ガントリ１２の速度は、最高速度が９０°の所で生ずるように、連続的に増大する。一旦、投影角度が９０°よりも大きくなれば、ガントリ１２の速度は、投影角度が１８０°に等しいときの最低値まで連続的に低下する。ガントリ１２が１８０°から２７０°まで回転するにつれて、ガントリ速度は、２７０°の所で生ずる最高速度まで増大する。２７０°から３７０°では、ガントリ速度は３６０°での最低速度まで低下する。
【００２７】
もう１つの実施例では、ビュー・サンプリング速度を患者の大きさ又は関心領域（ＲＯＩ）の寸法に基づいて調節してもよい。例えば、ＲＯＩが小さい場合には、ビュー・サンプリング速度を低下させることができる。加えて、角度サンプリングが減少する結果としての空間分解能の低下は、再構成アルゴリズムに用いられる畳み込みカーネルの周波数応答を修正することにより、少なくとも部分的に補償することができる。
【００２８】
以上に述べたシステムは、ガントリの単一の回転から収集されるデータを用いて、患者の体内の完全な物体の立体断層像を形成する。加えて、投影角度の関数としてビュー・サンプリング速度を変更することにより、エイリアシング・アーティファクトが減少する。具体的には、ある領域ではより高速のビューを収集し、他の領域ではより低速のビューを収集することにより、エイリアシング・アーティファクトが減少する。
【００２９】
本発明の様々な実施例に関する以上の記述から、発明の目的が達せられたことは明らかである。本発明を詳細に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り、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、代替的な実施例では、イメージング・システム１０は、回転式Ｘ線源及び固定式検出器アレイを有する「第４世代」システムとして構成されていてもよい。Ｘ線源が複数の投影角度を通じて回転する速度を変更することにより、各サンプルの角度間隔が変更される。従って、本発明の要旨は、特許請求の範囲によって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】図１に示すシステムのガントリの概略図である。
【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 検出器アレイ
２０ 検出器素子
２２ 患者
２４、５０ 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 データ取得システム（ＤＡＳ）
３４ 像再構成装置
３６ コンピュータ
３８ 大容量記憶装置
４０ コンソール
４２ 陰極線管表示器
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
５２ 焦点
５４ コリメート後のＸ線ビーム
５６ ファン・ビーム軸
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には、イメージング・システムに関し、より具体的には、物体の立体像を形成するための可変式の角度サンプリングによるアーティファクト補償に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも１つの公知のイメージング・システム構成においては、Ｘ線源がファン（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ＸＹ平面であって、一般に「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ている物体を通過する。ビームは、物体によって減弱された後に、放射線検出器の配列（アレイ）に入射する。検出器アレイの所で受け取られる減弱したビーム放射線の強度は、物体によるＸ線ビームの減弱量に依存している。アレイ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弱の測定値である個別の電気信号を発生する。
【０００３】
計算機式断層撮影（ＣＴ）システムとして広く知られている少なくとも１つの公知の形式のイメージング・システムにおいて、検出器アレイからの一群のＸ線減弱測定値（即ち、投影データ）は「ビュー」と呼ばれる。物体の「走査（スキャン）」は、Ｘ線源及び検出器が少なくとも１回転する間に様々な投影角度（即ち、ビュー角度）において形成される１組のビューで構成されている。アキシャル・スキャン（軸方向走査）においては、投影データを処理して、物体を通過して得られる２次元スライスに対応する像を構成する。典型的には、各々のスライスは、患者の軸又はｚ軸における患者の約２ｃｍ未満の撮像範囲に相当し、ガントリの１回転中の９８４のビューから収集されるデータから形成される。１組の投影データから像を再構成する１つの方法は、当業界でフィルタ補正逆投影（filtered back projection）法と呼ばれている。この手法は、走査からの減弱測定値を「ＣＴ数」又は「ハンスフィールド(Hounsfield)単位」と呼ばれる整数へ変換し、これらの整数を用いて、陰極線管表示器上の対応するピクセルの輝度を制御するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
少なくとも１つの公知のＣＴシステムは、行及び列を成して配列した複数のピクセルを有する大型のフラット・パネル型ディジタルＸ線機器（即ち、検出器）を用いてデータを収集する。しかしながら、このようなフラット・パネルは、読み出し時間が遅く、従って、像を形成するのに必要な時間が増大する。少なくとも１つの公知のＣＴシステムでは、大型のフラット・パネルは、１秒当たり３３のビューを収集する能力しかない。１０秒の走査を用いると、３３０のビューしか収集されず、結果として、他の公知のイメージング・システムに対してガントリの１回転当たりに収集されるビューの数は大幅に減少する。当業界で公知のように、このようなビューのアンダ・サンプリング（サンプリング不足）は、エイリアシング（aliasing）アーティファクトを生ずる。エイリアシング・アーティファクトは、患者の上体の周辺部で最も著しく、脊椎のような高密度要素の鋭い構造に大部分起因して生じている。加えて、脊椎の配向の結果として、最も深刻なストリーク・アーティファクトが患者のｙ軸に平行となっており、Ｘ線源が患者のｙ軸に実質的に整列しているときに最も著しいアンダーサンプリングが生ずることを示している。
【０００５】
ガントリの単一の回転から収集されるデータを利用して、患者の体内の完全な物体の立体像を形成するイメージング・システムを提供することが望ましい。又、エイリアシング・アーティファクトが減少し、走査が妥当な時間内に完了するように、投影角度の関数としてビュー収集速度を変更する上述のようなシステムを提供することが望ましい。
【０００６】
【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、本発明の一形態では、像のエイリアシング・アーティファクトが減少するように、投影データのサンプル間の角度間隔を変更するディジタル式イメージング・システムによって達せられ得る。具体的に述べると、一実施態様では、このイメージング・システムは回転可能なガントリを含んでおり、ガントリは、ディジタル式検出器アレイに向かってＸ線ビームを投射するＸ線源を備えている。ディジタル式検出器アレイは、行及び列を成して配列した複数のピクセルを有するパネル構成として作製されている。ディジタル式検出器アレイは、１回の完全な回転までガントリを回転させることにより患者の体内の物体全体の立体像を形成するように構成されている。
【０００７】
動作時には、患者の走査を行う前に、少なくとも２つの投影角度領域が物体に関して設定される。ガントリが複数の投影角度を通じて回転するにつれて、各々の領域から投影データを収集する角度間隔が変更される。より詳しく述べると、走査を完了するのに要求される時間が最短となり、且つエイリアシング・アーティファクトが減少するように、各々の領域でのビュー・サンプリング速度を変更する。代替的には、ビュー・サンプリング速度を増大させてエイリアシング・アーティファクトを減少させるように、Ｘ線源の回転速度が高密度物体の鋭い構造を含んでいる区域では低下される。これらのような鋭い構造を含んでいない区域では、ビュー・サンプリング速度が低下するように、ガントリの回転速度が増大される。
【０００８】
異なるビュー・サンプリング速度を利用してデータを収集した後に、収集されたビューを表わす投影データを補間して、追加の数のビューを形成する。次いで、これらのビューは、公知の再構成アルゴリズムによって再構成されて、立体像を形成する。
【０００９】
以上に述べたシステムは、ガントリの単一の回転から収集されるデータを用いて、患者の体内の完全な物体の立体断層像を形成する。加えて、投影角度の関数としてビュー・サンプリング速度を変更することにより、エイリアシング・アーティファクトを減少する。具体的には、ある領域ではより高速でビューを収集し、他の領域ではより低速でビューを収集することにより、走査時間を短縮し、エイリアシング・アーティファクトを減少させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２について説明する。同図には、計算機式断層撮影（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回転可能なガントリ１２を含んでいるものとして示されている。一実施例では、Ｘ線源１４が、ガントリ１２に結合されており、ガントリ１２の反対側に設けられているディジタル式検出器アレイ１８に向かってＸ線ビーム１６を投射する。一実施例では、検出器アレイ１８は、行及び列を成して配列した複数のピクセル（図示されていない）を有するパネル構成として作製されている。各々のピクセルは、フォトダイオードのような光センサを含んでおり、光センサは、スイッチング・トランジスタを介して２つの別個のアドレス線、１つの走査線及び１つのデータ線に結合されている。シンチレータ材料（図示されていない）及びピクセル光センサに入射した放射線は、フォトダイオードに跨がる電荷の変化によって、Ｘ線とシンチレータとの相互作用によって発生される光の量として測定される。結果として、各々のピクセルは、患者２２による減弱の後の入射Ｘ線ビーム１６の強度を表すディジタル電気信号を発生する。検出器アレイ１８は、患者２２の体内の物体（即ち器官、例えば心臓（図示されていない））の全体についての立体像を形成するような寸法を有する。様々な実施例において、検出器アレイ１８は、幅（ｘ軸）約４０ｃｍ、高さ（ｚ軸）約２０ｃｍ〜４０ｃｍであり、１秒当たり４０フレームまでの速度で投影データを形成するように構成されている。言うまでもなく、他の実施例では、特定のシステム要請に合わせて検出器アレイ１８の寸法を変更してよい。
【００１１】
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とを含んでおり、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取得システム（ＤＡＳ）３２が、検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングし、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。一実施例では、ＤＡＳ３２は複数のチャネルを含んでおり、多チャネル型ＤＡＳと呼ばれる。
【００１２】
像再構成装置３４が、サンプリングされたディジタルＸ線投影データをＤＡＳ３２から受け取って、高速の像再構成を実行する。再構成された像は、コンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は、大容量記憶装置３８に像を記憶させる。コンピュータ３６は又、キーボードを有しているコンソール４０を介して、操作者からコマンド（命令）及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は、再構成された像、及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給したコマンド及びパラメータは、コンピュータ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、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御装置４４を動作させて、患者２２をガントリ１２内で配置する。具体的には、テーブル４６は、患者２２の各部をガントリ開口４８を通して移動させて、患者２２を適正に配置する。
【００１３】
図３は、ガントリ１２、Ｘ線源１４、検出器アレイ１８及び患者２２の概略図である。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５０の周りを回転する。Ｘ線源１４は、線源１４の焦点５２からＸ線ビーム１６を放出する。Ｘ線ビーム１６は、プリ・ペイシェント・コリメータ（図示されていない）によってコリメートされ、コリメート後のビーム５４が、ビーム１６内部の中心に位置するファン・ビーム軸５６に沿って検出器アレイ１８に向かって投射される。図３に示すように、ファン・ビーム軸５６は、患者２２のＹ軸に関して投影角度βの位置にある。患者２２の走査中に、ガントリ１２が回転するにつれて、Ｘ線ビーム１６は線源１４から放出され、投影データが検出器アレイによって複数の投影角度βから収集される。一実施例では、物体の像を形成するために利用される投影データは、ガントリ１２を完全に１回転させることに収集される、即ち、投影データは０°から３６０°までのβの値について収集される。他の実施例では、投影データはガントリ１２の多数の回転中に収集される。例えば、当業界で公知のように、投影データはヘリカル・スキャン中又はシネ（ＣＩＮＥ）ＣＴスキャン中に収集される。
【００１４】
以上に述べたシステム１０の構造は、限定された数の投影データのサンプル（即ち、ビュー）を収集することにより患者２２の体内の物体（図示されていない）の全体についての立体像が形成されるようにシステム１０を構成し得ることを含め、多くの重要な利点を提供する。サンプルの間の角度間隔を投影角度の関数として変更することにより、システム１０は、走査時間を最短にすると同時に、検出器アレイ１８の限定された応答時間に起因するエイリアシング・アーティファクトを減少させる。より詳しく述べると、ガントリ１２が一連の投影角度を通じて回転するにつれて、各々のビューの間の投影角度の変化量Δβを修正することにより角度間隔が変更される。具体的に、一実施例では、投影データのサンプルを収集する際に、ガントリ・モータ制御装置３０を用いてガントリ１２の回転速度を変更（即ち、調節）することにより、各々のサンプルの間の角度間隔が変更される。ガントリ１２が回転するにつれて、システム１０の制御機構２６は、ガントリ１２の回転速度が投影角度の関数として変更されるように、ガントリ・モータ制御装置３０へ供給される信号を変更する。一定のＤＡＳサンプリング周波数を用いて検出器アレイ１８によって供給された信号を測定すると、ガントリ１２の回転速度の変更によって、ビューの間のΔβが変更される。より詳しく述べると、Ｘ線源１４の回転速度を投影角度の関数として変更することにより、選択された領域（即ち、設定された領域）でのビューの間のΔβは、他の選択された領域（即ち、他の設定された領域）でのビューの間のΔβよりも大きくなるか又は小さくなる。
【００１５】
一実施例では、第１の投影角度範囲（即ち、領域）と、少なくとも第２の投影角度範囲（即ち、領域）とが設定される。より詳しく述べると、一実施例では、脊椎等の高密度要素の鋭い構造の軸が患者２２のＹ軸と実質的に平行であるものと決定された場合に、第１の投影角度領域の中心は、鋭い構造の軸（即ち、Ｙ軸）に沿って近似的に整列するものとして設定される。一実施例では、第１の投影角度範囲の中心ＣFPARは０°に等しく、第２の投影角度範囲の中心ＣSPARも又、鋭い構造の軸に沿って整列しており１８０°に等しく、即ち、ＣSPARはＣFPAR＋１８０°に等しい。第１及び第２の投影角度領域を設定した後に、第１の投影角度範囲及び第２の投影角度範囲の外側の区域として第３の投影角度範囲が設定される。他の実施例では、任意の数の領域を設定し、各々の領域（即ち、範囲）毎にビュー・サンプリング速度を変えてもよい。
【００１６】
以上のように各領域、即ち鋭い構造の軸に沿って整列した第１及び第２の投影角度領域並びに第３の領域を設定した後に、ガントリ１２は一連の投影角度を通じて回転する。より詳しく述べると、一実施例では、ガントリ１２が第１の投影角度領域及び第２の投影角度領域の範囲内を回転する際には、選択された数のビューが各々の領域から収集されるように、第１のガントリ回転速度が用いられる。ガントリ１２が回転を続け、投影角度が第１及び第２の投影角度領域の範囲内に最早含まれなくなり、第３の投影角度領域に入ったら、ガントリ１２の回転速度は、第１の回転速度に等しくない第２の回転速度に変更される。３つの投影角度領域を有する一実施例では、第３の領域についての第２の回転速度は、各々のビューの間のΔβが増大するように変更される。より詳しく述べると、システム１０は、βが第１又は第２の投影角度領域内にあるときにはビュー・サンプリング速度を増大させることによりエイリアシング・アーティファクトを減少させ、第３の投影領域ではビュー・サンプリング速度を第２のビュー・サンプリング速度まで低下させる。
【００１７】
もう１つの実施例では、ガントリ１２の回転速度は、投影角度の関数として連続的に変えられる（即ち、変更される）。例えば、一実施例では、ガントリの回転速度は、回転速度がＣFPAR及びＣSPARの位置で最低となり、第３の領域の中心で最高の回転速度となるように、投影角度の関数として連続的に変更される。
【００１８】
例えば、第１及び第２の投影角度範囲の中心がそれぞれ０°及び１８０°に等しいと設定され、検出器アレイ１８が１秒当たり３３のビューを形成し、１０秒の走査が用いられる場合には、ガントリ１２の完全な１回転の間に３３０までのビューを形成することができる。第１及び第２の投影角度領域の中心の両側で３０°ずつの範囲を用いると、第１の範囲は−３０°から＋３０°までに等しく、第２の範囲は１５０°から２１０°までに等しい。第３の投影角度範囲は、第１の領域及び第２の領域の外側に位置する区域、即ち、３０°≦β≦１５０°及び２１０°≦β≦３３０°として画定される。
【００１９】
０°の走査開始角度を用いると、ガントリ１２は、βが３０°に等しくなるまでは、第１のビュー・サンプリング速度が１回転当たり３２８のビューとなるように回転する。βが第１の投影角度範囲を超えて３０°よりも大きくなると、ガントリ１２の速度は、３０°を超え１５０°に満たない投影角度範囲では１回転当たり２４７のビューという第３のビュー・サンプリング速度まで増大する。１５０°〜２１０°の第２の投影範囲では、ガントリ１２の速度は、第２のビュー・サンプリング速度が１回転当たり３２８のビューとなるように低下する。２１０°を超え３３０°に満たない投影角度では、ガントリ１２の速度は、１回転当たり２４７のビューという第３のビュー・サンプリング速度が用いられるように増大する。βが３３０°に等しくなると、ガントリ１２の回転速度は、投影データが１回転当たり３２８のビューという第１のビュー・サンプリング速度で収集されるように低下する。ガントリ１２による回転の完了時には、２７４のビューの投影データが収集されている。
【００２０】
もう１つの実施例では、ビュー・サンプリング速度は、検出器アレイ１８のサンプリング周波数を変更（即ち、調節）することにより、変更される。より詳しく述べると、ガントリ１２が回転するにつれて、ＤＡＳ３２のサンプリング周波数が、投影角度の関数として変更される。ＤＡＳ３２のサンプリング周波数を変更する結果として、所定の領域でのビューの間のΔβは、他の領域でのビューの間のΔβよりも大きいか又は小さくなる。具体的には、ビュー・サンプリング速度を増大させるためには、ＤＡＳサンプリング周波数を増大させる。ビュー・サンプリング速度を低下させるためには、ＤＡＳサンプリング周波数を減少させる。
【００２１】
もう１つの実施例では、重み付け関数を用いて患者２２の動きを最小化すると、像を形成するために収集される必要のあるビューの数を更に減少させることができる。重み付け関数は、一実施例では、走査の開始時及び終了時の近くで収集される投影データの寄与をゼロ近くまで減少させると共に、共役（conjugate ）の投影データの寄与を増大させるという特性を有する。詳しく述べると、一実施例では、走査の開始時及び終了時から収集された投影データに適用される重みは約ゼロとし、走査の中間期に適用される重みは約２とし、残りの投影データに適用される重みは１に近似的に等しくする。他の実施例では、当業界で公知の方法に従って投影データに適用される重みを変更してもよい。
【００２２】
最終像に対する開始時及び終了時の投影データの寄与が限定される結果として、エイリアシング・アーティファクトを増大させずに走査の開始時及び終了時でのビュー・サンプリング速度を低下させることができる。具体的には、第１の投影角度領域を走査の開始時及び終了時の近くであるものと設定し、第２の投影角度を残りの投影角度を含むものとして設定することにより、エイリアシング・アーティファクトを増大させずに第１の投影角度領域でのサンプリング速度を低下させることができる。従って、収集されるビューの数が一定のままであるならば、走査を完了するのに要求される時間を短縮することができる。代替的には、走査時間が一定のままであるならば、第２の投影角度領域でのビュー・サンプリング速度を増大させて、画質を向上させることもできる。
【００２３】
例えば、開始角度を９０°とし、第１の投影角度範囲の中心を９０°とし、第１の投影角度領域を６０°として用いると、６０°〜１２０°の第１の投影角度領域についてのみ、より低速の第１のサンプリング速度が用いられる。結果として、投影データは、第１の投影角度領域ではガントリの１回転当たり３２８のビューというサンプリング速度で収集され得るが、第２の投影角度領域での投影データは、１回転当たり４９２というビュー・サンプリング速度で収集される。
【００２４】
収集された投影データを用いて、システム１０は、公知の再構成アルゴリズムを用いて像を形成する。より詳しく述べると、走査の完了時に、検出器アレイ１８によって収集された投影データは、少なくとも２つの異なるビュー・サンプリング速度を有する所定の数の全ビューを含んでいる。一実施例では、ビューのこの総数を、得られる投影での角度増分Δβが一様となるように、公知の補間アルゴリズムによって増大させてもよい。例えば、１回転当たり３２８及び４９２のビューという角度間隔を有する投影データ・サンプルを補間して、１回転当たり９８４のビューとする。
【００２５】
もう１つの実施例では、収集された投影データを補間して、ビューからビューへのより平滑な移行を保証する。より詳しく述べると、収集されたビューは移行点においては、次のビューとの補間によって決定される。他の実施例では、線形補間、より高次の補間、又は周波数領域でのゼロ充填を用いて、公知の再構成アルゴリズムが用いられ得るように所望の数までビューの数を増大させてもよい。
【００２６】
もう１つの実施例では、ビュー・サンプリング速度又は角度間隔は、投影角度の関数として連続的に変更される（即ち、変えられる）。より詳しく述べると、ビュー・サンプリング速度は、収集されるビューの数を更に減少させ得るように、連続的に変更される。例えば、鋭い構造の軸が患者のＹ軸に実質的に平行であるような上述の実例を用いると、投影角度が３６０°に近付くにつれて、ビュー・サンプリング速度は、投影角度が３６０°に等しくなるときの最大値まで連続的に増大する。投影角度が３６０°（即ち、０°）よりも大きくなるにつれて、ビュー・サンプリング速度は、投影角度が９０°に等しくなるまで連続的に低下する。詳しく述べると、一実施例では、０°〜９０°の範囲では、ガントリ１２の速度は、最高速度が９０°の所で生ずるように、連続的に増大する。一旦、投影角度が９０°よりも大きくなれば、ガントリ１２の速度は、投影角度が１８０°に等しいときの最低値まで連続的に低下する。ガントリ１２が１８０°から２７０°まで回転するにつれて、ガントリ速度は、２７０°の所で生ずる最高速度まで増大する。２７０°から３７０°では、ガントリ速度は３６０°での最低速度まで低下する。
【００２７】
もう１つの実施例では、ビュー・サンプリング速度を患者の大きさ又は関心領域（ＲＯＩ）の寸法に基づいて調節してもよい。例えば、ＲＯＩが小さい場合には、ビュー・サンプリング速度を低下させることができる。加えて、角度サンプリングが減少する結果としての空間分解能の低下は、再構成アルゴリズムに用いられる畳み込みカーネルの周波数応答を修正することにより、少なくとも部分的に補償することができる。
【００２８】
以上に述べたシステムは、ガントリの単一の回転から収集されるデータを用いて、患者の体内の完全な物体の立体断層像を形成する。加えて、投影角度の関数としてビュー・サンプリング速度を変更することにより、エイリアシング・アーティファクトが減少する。具体的には、ある領域ではより高速のビューを収集し、他の領域ではより低速のビューを収集することにより、エイリアシング・アーティファクトが減少する。
【００２９】
本発明の様々な実施例に関する以上の記述から、発明の目的が達せられたことは明らかである。本発明を詳細に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り、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、代替的な実施例では、イメージング・システム１０は、回転式Ｘ線源及び固定式検出器アレイを有する「第４世代」システムとして構成されていてもよい。Ｘ線源が複数の投影角度を通じて回転する速度を変更することにより、各サンプルの角度間隔が変更される。従って、本発明の要旨は、特許請求の範囲によって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】図１に示すシステムのガントリの概略図である。
【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 検出器アレイ
２０ 検出器素子
２２ 患者
２４、５０ 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 データ取得システム（ＤＡＳ）
３４ 像再構成装置
３６ コンピュータ
３８ 大容量記憶装置
４０ コンソール
４２ 陰極線管表示器
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
５２ 焦点
５４ コリメート後のＸ線ビーム
５６ ファン・ビーム軸
Claims (10)
- Ｘ線検出器アレイと投影角度に沿って前記検出器アレイに向かってＸ線ビームを投射する回転式Ｘ線源とを含む、物体の像を形成するためのイメージング・システムであって、複数の投影角度を通じて前記Ｘ線源を回転させ、複数の投影データのサンプルを収集し、各々の投影データのサンプルの間の角度間隔を前記投影角度の関数として変更するように構成されているイメージング・システム。
- 前記投影データを用いて前記物体全体の立体断層像を形成するように更に構成されている請求項１に記載のイメージング・システム。
- 各々の投影データのサンプルの間の角度間隔を前記投影角度の関数として変更するために、前記Ｘ線源の回転速度を変更するように構成されている請求項１に記載のイメージング・システム。
- 各々の投影データのサンプルの間の角度間隔を前記投影角度の関数として変更するために、前記検出器アレイのサンプリング周波数を変更するように構成されている請求項１に記載のイメージング・システム。
- 各々の投影データのサンプルの間の角度間隔を前記投影角度の関数として変更するために、第１の投影角度範囲を設定し、第２の投影角度範囲を設定するように構成されている請求項１に記載のイメージング・システム。
- 各々の投影データのサンプルの間の角度間隔を変更するために、前記第１の投影角度範囲では第１の速度で前記Ｘ線源を回転させ、前記第２の投影角度範囲では第２の速度で前記Ｘ線源を回転させるように更に構成されている請求項５に記載のイメージング・システム。
- 前記物体は、鋭い構造を有する少なくとも１つの高密度要素を含んでおり、前記システムは、第１の投影角度領域を設定するために、鋭い構造の軸を決定し、該鋭い構造の軸に沿って近似的に整列するように前記第１の投影角度範囲の中心を選択するように構成されている請求項５に記載のイメージング・システム。
- 前記鋭い構造の軸は患者のｙ軸に整列しており、前記システムは、前記鋭い構造の軸に沿って近似的に整列するように前記第１の投影角度範囲の中心を選択するために、前記患者のｙ軸に近似的に整列するように前記第１の投影角度範囲の中心を選択するように構成されている請求項７に記載のイメージング・システム。
- 第２の投影角度範囲を設定するために、ＣSPAR＝１８０°＋ＣFPARに従って第２の投影角度領域の中心を設定するように構成されており、ここで、ＣSPAR＝前記第２の投影角度領域の中心であり、ＣFPAR＝第１の投影角度領域の中心である請求項５に記載のイメージング・システム。
- 前記投影データに対して重み付け関数を適用するために、前記第１の投影角度範囲から収集された前記投影データに対して第１の重みを適用し、前記第２の投影角度範囲から収集された前記投影データに対して第２の重みを適用するように構成されている請求項５に記載のイメージング・システム。
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