JP4436658B2 - ボリューム灌流を計算するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にコンピュータ断層（ＣＴ）イメージングに関し、より具体的には、デジタル面検出器技術を用いて、生体組織の減弱特性の時間的再構成からボリューム灌流を計算するための装置及び方法に関する。

少なくとも１つの公知の「第３世代」ＣＴシステムでは、投影データを、患者の限定された軸線方向被写域内で連続的に收集して、撮像しようとする臓器内の造影剤の取込み及び洗出しを適切に測定する。また、灌流評価のために同時に收集、再構成、及び処理される１６ほどものスライスの投影データは、現行の多数列検出器を用いて得ることができる。公知のＣＴシステムのスキャン速度は、小さいボリュームの臓器内の生体組織の造影剤ダイナミックスをサンプリングするのに適切である。しかしながら、このスキャン速度は、脳のような撮像しようとする臓器全体の造影剤ダイナミックスをサンプリングするのに、ヘリカルスキャンプロトコルが必要であるため、不適切である。
米国特許第６５４６２７８号

１つの様態では、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステムを用いて空間的に静止した臓器内のボリューム灌流を計算するための方法が提供される。この方法は、面検出器が全てのビュー角度においてイメージングシステムの撮像領域内に空間的に静止した臓器を含むように、該面検出装置を位置決めする段階と、ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて、空間的に静止した臓器内の生体組織ダイナミックスを表す複数の投影データを收集する段階と、投影データを処理する段階と、投影データを再構成する段階と、生体組織ダイナミックスを表す再構成した投影データを用いて臓器内のボリューム灌流を計算する段階とを含む。

別の様態では、空間的に静止した臓器内のボリューム灌流を計算するためのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステムが提供される。このＣＴイメージングシステムは、放射線源と、面検出器と、放射線源及び面検出器に動作可能に連結されたコンピュータとを含む。コンピュータは、面検出器が全てのビュー角度においてイメージングシステムの撮像領域内に空間的に静止した臓器を含むように該面検出器を位置決めし、ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて空間的に静止した臓器の生体組織ダイナミックスを表す複数の投影データを收集し、生体組織ダイナミックスを表す投影データを用いて臓器内のボリューム灌流を計算するように構成される。

更に別の様態では、プログラムでエンコードされたコンピュータ可読媒体が提供される。この媒体は、コンピュータに指令して、面検出器が全てのビュー角度においてイメージングシステムの撮像領域内に空間的に静止した臓器を含むように該面検出器を位置決めさせ、ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて空間的に静止した臓器の生体組織ダイナミックスを表す複数の投影データを收集させ、投影データを処理させ、投影データを再構成させ、生体組織ダイナミックスを表す投影データの再構成を用いて臓器内のボリューム灌流を計算させるように構成される。

更に別の様態では、撮像領域を有するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステムを用いて空間的に静止した臓器のデータを収集するための方法が提供される。この方法は、面検出器が全てのビュー角度においてイメージングシステムの撮像領域内に空間的に静止した臓器を含むように該面検出器を位置決めする段階と、ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて空間的に静止した臓器を表す複数の投影データを収集する段階と、收集した投影データをフィルタ処理して信号対ノイズ比を改善したデータを得る段階とを含む。

本明細書に記載する方法及び装置は、面検出器技術を用いて臓器内のボリューム灌流の計算を改善することを可能にするような投影データの収集に関する。ボリューム灌流とは、投影データの再構成により平均通過時間、血液ボリューム、及び／又は血流、又はこれらの量のいずれかの組み合わせを計算して１つの数学的尺度にしたものである。記載した方法は、ＣＴイメージングシステムのガントリスキャン速度のような制約要因を減少させることを可能にする。また、本明細書に記載する方法では、造影剤強調測定でのノイズを減少させるとともに、ガントリスキャン速度に対する時間分解能を改善することを可能にし、それによって灌流計算に用いられるデコンボリューション法の安定性及び正確さを向上させる。

一部の公知のＣＴイメージングシステム構成においては、Ｘ線源は、扇形ビームを投射し、この扇形ビームは、デカルト座標系のＸ−Ｙ平面内に位置するようにコリメートされており、一般に「イメージング平面」と呼ばれる。Ｘ線ビームは、患者などの撮像しようとする被検体を透過する。ビームは、被検体によって減弱された後、放射線検出器アレイ上に入射する。検出器アレイで受けられた減弱した放射線ビームの強度は、被検体によるＸ線ビームの減弱度により決まる。検出器アレイの各検出器素子は、その検出器位置におけるビーム強度の測定値である個別の電気信号を発生する。全ての検出器からの強度測定値は、個別に収集されて透過プロファイルを生成する。

第３世代のＣＴシステムにおいては、Ｘ線源及び検出器アレイは、Ｘ線ビームが被検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撮像しようとする被検体の周りをガントリと共に回転する。あるガントリ角度での検出器アレイから得られる一群のＸ線減弱測定値、すなわち投影データを、「ビュー（ｖｉｅｗ）」という。被検体の「スキャン」は、撮像しようとする被検体の周りをＸ線源及び検出器が１回転する間に様々なガントリ角度、すなわちビュー角度で得られるビューの集合を含む。

アキシャルスキャンでは、投影データを処理して被検体を透過させて得た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ための１つの方法は、当技術分野においてフィルタ補正逆投影法（ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｂａｃｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）と呼ばれている。この処理方法は、スキャンから得られた減弱測定値を、「ＣＴ値」、又は「ハウンスフィールド単位」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。

全スキャン時間を短縮するために、「ヘリカル」スキャンを行うことができる。「ヘリカル」スキャンを行うためには、所定数のスライスについてのデータを収集しながら、患者を移動させる。このようなシステムは、扇形ビームのヘリカルスキャンによる単一の螺旋を生成する。扇形ビームにより描出された螺旋により投影データが得られ、該投影データから各所定スライスにおける画像を再構成することができる。

ヘリカルスキャンのための再構成アルゴリズムは一般的に、収集されたデータをビュー角度及び検出器チャネル指数の関数として重み付けするヘリカル重み付けアルゴリズムを使用する。具体的には、フィルタ補正逆投影処理に先立って、ガントリ角度及び検出器角度の両方の関数であるヘリカル重み係数に従ってデータを重み付けする。次いで、重み付けされたデータを処理してＣＴ値を生成し、被検体を透過して得られた２次元スライスに対応する画像を構成する。

本明細書で用いる場合、単数形で表記された要素又は段階は、特に除外を明記しない限り、複数の構成要素及び段階を除外するものではないことを理解されたい。更に、本発明の「１つの実施形態」という表現は、言及した特徴も組み込んでいる別の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。

また、本明細書で用いる場合、「画像を再構成する」という語句は、画像を表すデータが生成されるが可視画像は存在しないような本発明の実施形態を排除することを意図するものではない。しかしながら、多くの実施形態では、少なくとも１つの可視画像を生成する（又は生成するように構成される）。

図１及び図２を参照すると、例えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステム１０のようなマルチスライス・スキャン・イメージングシステムは、「第３世代」のＣＴイメージングシステムに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２は、検出器アレイ１８に向けてＸ線ビーム１６を投射するＸ線源１４を有し、該検出器アレイは、ガントリの該Ｘ線源に対向する側にある。検出器アレイ１８は、複数の検出器素子２０を含む複数の検出器列（図示せず）によって形成され、該複数の検出器素子は一体となって患者２２のような被検体を透過する投射されたＸ線を感知する。各検出器要素２０は、入射するＸ線ビームの強度を表す電気信号を生成し、従って、この電気信号をガントリ１２に患者がいないときに測定した電気信号と比較することにより、Ｘ線ビームが被検体又は患者２２を透過する時のビームの減弱度を評価することを可能にする。Ｘ線投影データを収集するためのスキャンの間に、ガントリ１２及び該ガントリ上に取り付けられた構成部品は、回転中心２４の周りで回転する。図２には、単一列の検出器素子２０（すなわち１つの検出器列）のみが示されている。しかしながら、マルチスライス検出器アレイ１８は、複数の平行な検出器列を含み、これにより１回のスキャンの間に複数の準平行又は平行スライスに対応する投影データを同時に収集することができるようになっている。更に、面検出器アレイ１８は、スキャンの間に大きいボリュームに対応する投影データを同時に収集することができるように、多くの列の検出器要素２０を含む。

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により制御される。制御機構２６は、Ｘ線源１４に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御装置２８と、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御するガントリモータ制御装置３０とを含む。制御機構２６内の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、後続の処理のために該データをデジタル信号に変換する。画像再構成装置３４が、サンプリングされデジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受けて高速画像再構成を行う。再構成された画像は、コンピュータ３６に入力として供給され、コンピュータ３６は、該画像を大容量記憶装置３８に格納する。画像再構成装置３４は、専用のハードウェアとすることができ、或いはコンピュータ上で動作するソフトウェアとすることができる。

コンピュータ３６はまた、キーボードを有するコンソール４０を介してオペレータから指令及びスキャンパラメータを受ける。付随する陰極線管表示装置４２により、オペレータは再構成された画像及びコンピュータ３６からの他のデータを観察することができる。オペレータが供給する指令及びパラメータは、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与える。また、コンピュータ３６は、テーブルモータ制御装置４４を動作させてモータ式テーブル４６を制御し、ガントリ１２内に患者２２を位置決めする。具体的には、テーブル４６により、患者２２の一部がガントリ開口４８を通って移動する。

１つの実施形態においては、コンピュータ３６は、フレキシブルディスク又はＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ可読媒体５２から命令及び／又はデータを読み取るための、例えばフレキシブルディスクドライブ又はＣＤ−ＲＯＭドライブのような装置５０を含む。別の実施形態においては、コンピュータ３６は、ファームウエア（図示せず）内に格納された命令を実行する。コンピュータ３６は、本明細書で説明する機能を実行するようにプログラムされるが、本明細書で用いる場合、「コンピュータ」という用語は、当該技術分野においてコンピュータと呼ばれるそのような集積回路だけに限定されるものではなく、広義に、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途向け専用集積回路、及び他のプログラマブル回路を指しており、本明細書においてはこれらの用語は互換可能に用いられる。また、医療用の設定で記載しているが、本発明の利点は、これに限定されないが例えば空港又は鉄道駅などの交通センタで一般的に用いられる、これに限定されないが例えば手荷物スキャンＣＴシステムのような工業用ＣＴシステムを含む全てのＣＴシステムに対してもたらされる。

図３は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステム１０を用いて空間的に静止した臓器内のボリューム灌流を計算するための方法６０を示すフローチャートである。方法１０は、面検出器１８が全てのビュー角度においてイメージングシステムの撮像領域内に空間的に静止した臓器を含むように、該面検出器１８を位置決めする段階６２と、ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて、空間的に静止した臓器内の生体組織ダイナミックスを表す複数の投影データを収集する段階６４と、投影データを用いて生体組織の造影剤ダイナミックスの再構成を生成する段階６６と、生体組織ダイナミックスを表す投影データの再構成を用いて臓器内のボリューム灌流を計算する段階６８とを含む。

使用時には、脳のような空間的に静止した臓器２２は、面検出器１８が全てのビュー角度においてイメージングシステムの撮像領域内に空間的に静止した臓器を含むように、放射線源１４と該面検出器１８との間に位置決めされる、即ち、面検出器１８は、全てのビュー角度において脳２２の撮像領域を含むように位置決めされる。１つの実施形態では、面検出器１８から放出された複数の信号がデジタル化され、また複数列の面検出器１８は、該面検出器１８の読出しのサンプリング頻度が、例えば１２０フレーム／秒となるようにデジタル化される。一部の面検出器読み出し方式では、４列の検出器データ１８がデジタル化電子装置に同時に多重通信される場合には、２秒間のスキャンで１回転当たり、空間的に静止した臓器の９６０のビューを收集することができる。システム１０は、各撮像位置での空間的に静止した臓器２２内の造影剤の取込み及び洗出しを測定する投影データのサンプリング頻度が、面検出器１８を含むガントリ１２が０．５回転／秒の速度で回転する場合に、ほぼ２秒であるように、シネモードで動作される。

従って、サンプリング理論を用い、ガントリ１２の特定の位置での投影データが、低頻度量でありかつナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）サンプリング定理に従うと仮定すると、各ビュー角度におけるあらゆる時点での投影データを計算して再構成することができる。従って、撮像しようとする空間的に静止した臓器２２内の造影剤ダイナミックスは、あらゆる時点で計算することができる。１つの実施形態では、方法６０を用いて、少なくとも１つの公知の灌流アルゴリズムの処理段階を項目別に記す。また、面検出器１８が、空間的に静止した臓器２２の投影データを同時に完全に測定するため、ボリューム灌流解析を行うことができる。１つの実施形態では、サンプリングした投影データを、フィルタ処理し、いずれかの時間に補間することにより、特定の時点での投影データを生成するのに複数の収集データを用いることになるため、信号処理技術を用いてノイズを減少させ、時間分解能を改善することが可能になる。

１つの実施形態では、ガントリ１２の速度を減少させて処理段階を実行することにより、再構成に用いるビューを増加させることが可能になる。別の実施形態では、第１の列数より少ない幾らかの列数をデジタル化することによって面検出器１８の軸線方向被写域を縮小することにより、再構成に用いるビューを増加させることができる。別の実施形態では、面検出器データ１８の第１の列数より大きい列数を多重化しかつデジタル化することによって面検出器１８の軸線方向分解能を低下させることにより、再構成に用いるビューを増加させることができる。

例示的な実施形態では、システム１０は、造影剤ダイナミックスの再構成の時間分解能を高めること及び投影データでの信号対ノイズ比を増大させることを含み、それによって再構成画像の画質を改善するようなボリューム灌流測定値の計算を可能にする。システム１０はまた、面検出器技術を用いることにより灌流計算のための軸線方向被写域を増大させることを可能にする。また、投影データを特定の時点に補間し、従ってＣＴ再構成の投影データの時間平均が最小になる。また、補間工程において用いられて投影画像の造影剤ダイナミックスを解像する信号処理によっても、ノイズ測定値の減少が可能になる。

図４は、撮像領域を有するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステムを用いて空間的に静止した臓器のデータを収集するための方法８０を示すフローチャートである。この方法８０は、面検出器が空間的に静止した臓器を全てのビュー角度において撮像領域内に含むように、該面検出器を位置決めする段階８２と、ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて、空間的に静止した臓器を表す複数の投影データを収集する段階８４と、收集した投影データをフィルタ処理して、信号対ノイズ比が改善されたデータを得る段階８６と、投影データをいずれかの時点に補間する段階８８と、フィルタ処理時間解像投影データを再構成する段階９０と、生体組織ダイナミックスを表す投影データの再構成を用いて臓器内のボリューム灌流を計算する段階９２とを含む。この方法８０は更に、收集した投影データを選択した頻度でフィルタ処理する段階を含む。この方法８０におけるフィルタ処理する段階８６及び補間する段階８８のいずれかは、特定の撮像用途によっては、任意的に省略することができる。

従って、システム１０により、ボリューム灌流測定を向上させることが可能になり、ヒト生体組織の造影剤ダイナミックスの再構成における時間分解能が向上するとともに投影データにおける信号対ノイズ比が改善され、それによって再構成の画質が改善され、ヒト生体組織での灌流評価が向上する。

本発明を種々の具体的な実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。本明細書では、第３世代のＣＴイメージングシステムを詳細に述べたが、第４世代のＣＴシステム（静止検出器及び回転Ｘ線源）及び第５世代のＣＴシステム（静止検出器及び静止Ｘ線源）を用いて、本発明の方法、イメージングシステム、及びプログラムでエンコードされたコンピュータ可読媒体を実施することもできる。また、本明細書で記載した信号処理法を、現行のＣＴシステムと共に用いて、投影データの信号対ノイズ比を改善しまた造影剤ダイナミックスの時間分解能を向上させ、それによって脳などの臓器内の造影剤ダイナミックスの再構成画像の画質を改善することができる。これらの方法を用いて、患者の生体組織内の造影剤ダイナミックスの再構成画像において同じ画質を得ながら、患者に投与する電離放射線の線量を減少させて患者の安全性を向上させることができる。

ＣＴイメージングシステムの絵画図。 図１に示したシステムの概略ブロック図。 コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステムを用いて、空間的に静止した臓器内のボリューム灌流を計算するための方法を示すフローチャート。 コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステムを用いて、空間的に静止した臓器のデータを収集するための方法を示すフローチャート。

符号の説明

１０ コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステム
１２ ガントリ
１４ Ｘ線源
１８ 検出器アレイ
２０ 検出器素子
２２ 患者
４６ モータ式テーブル
４８ ガントリ開口

Claims (6)

1. 空間的に静止した臓器内のボリューム灌流を計算するためのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステム（１０）であって、
   放射線源（１４）と、
   面検出器（１８）と、
   前記放射線源及び前記面検出器に動作可能に連結されたコンピュータ（３６）と、
   を含み、前記コンピュータが、
   前記面検出器が全てのビュー角度において該イメージングシステムの撮像領域内に前記空間的に静止した臓器を含むように、該面検出器を位置決めし（６２）、
   該ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて、前記空間的に静止した臓器内の生体組織ダイナミックスを表す複数の投影データを収集し（６４）、
   前記投影データを用いて前記生体組織の造影剤ダイナミックスの再構成を生成し（６６）、
   前記生体組織ダイナミックスを表す前記投影データを用いて前記臓器内のボリューム灌流を計算する（６８）、ように構成されており、
   前記コンピュータ（３６）が、前記複数の投影データを特定の時点に補間（８８）することにより、改善された時間分解能で再構成を生成することを可能にするように更に構成されていることを特徴とする、
   ことを特徴とするＣＴイメージングシステム（１０）。
2. 前記面検出器が該イメージングシステムの撮像領域内に前記空間的に静止した臓器を含むように該面検出器（１８）を位置決めするために、前記コンピュータが、前記面検出器が脳の撮像領域を含むように該面検出器を位置決めするように更に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＴイメージングシステム（１０）。
3. 該ＣＴイメージングシステムをシネモードで動作させて、前記空間的に静止した臓器内の前記生体組織ダイナミックスを表す複数の投影データを収集することが、該ＣＴイメージングシステムを動作させることを含み、前記コンピュータ（３６）が、該ＣＴシステムをシネモードで動作させて、各撮像位置での前記空間的に静止した臓器内の造影剤の取込み及び洗出しを測定する投影データを適切な頻度でサンプリングするように、前記空間的に静止した臓器内の前記生体組織ダイナミックスを表す複数の投影データを収集するように更に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＴイメージングシステム（１０）。
4. 前記コンピュータ（３６）が、前記面検出器（１８）の多数列を多重化するように更に構成されることを特徴とする、請求項１に記載のＣＴイメージングシステム（１０）。
5. 前記コンピュータ（３６）が、各ビュー角度での前記投影データをフィルタ処理（８６）することにより、改善された画質で再構成を生成することを可能にするように更に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＴイメージングシステム（１０）。
6. 各ビュー角度での前記投影データをフィルタ処理（８６）することにより、前記患者（２２）へ適用する放射線量を減少させることを可能にすることを特徴とする、請求項５に記載のＣＴイメージングシステム（１０）。
   
   

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