JP4487095B2 - 撮像システムの回顧的心臓ゲーティングを用いた冠状動脈の石灰化の検出 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には撮像に関し、具体的には、撮像システムを用いた冠状動脈の石灰化(Calcification)の検出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム構成と呼ばれる既知の撮像システムの少なくとも１つでは、Ｘ線源は扇状に広がるビームを放出するが、これは、一般的に”撮像面”と呼ぶデカルト座標系ＸＹ平面上に存在する平行光である。Ｘ線ビームは、撮像対象の物体、例えば、患者を通過する。このビームは、その物体によって減衰した後、放射線検出器配列に衝突する。その検出器配列に受信された減衰放射線ビーム強度は、その物体でのＸ線ビームの減衰レベルに依存する。その配列の各検出器は、検出器位置でのビームの減衰レベルの測定値である個々の電気信号を生成する。検出器の全てからの減衰レベルの測定値を個々に求めて、伝送プロファイルを生成する。
【０００３】
周知の第３世代ＣＴシステムでは、Ｘ線源と検出器配列をガントリーによって撮像面内で撮像対象物体の回りを回転させることで、Ｘ線ビームと物体の交差角度を常に変化させる。１つのガントリー角度で検出器配列が取得したＸ線減衰レベル測定値グループ、即ち、投影データを、”ビュー”と呼ぶ。物体の”スキャン”は、Ｘ線源と検出器が１回転するときの異なるガントリー角度、即ち、ビュー角度で得られた複数のビューの組を構成する。軸（アクシャル）スキャンの場合は、投影データを処理して物体から得られた２次元スライス面に対応する画像を生成する。一組の投影データから画像を再構成する方法は、本分野ではフィルタード・バックプロジェクション技術と呼ばれる。この処理により、一回のスキャンで得られた減衰測定値を、ブラウン管ディスプレイ上の対応ピクセルの明るさを制御するために用いる”ＣＴ番号”あるいは”ハーンズフィールド単位”と呼ばれる整数値に変換する。
【０００４】
総スキャン時間を少なくするために、”ヘリカル（らせん状）”スキャンが行われる。”らせん状”スキャンを行うために、患者を動かしながら所定数のスライス・データを獲得する。このシステムでは、扇状に広がるビームによる一回のらせん状スキャンを行って、１つのらせんを生成する。扇状に広がるビームによって作られたこのらせんから投影データを生成する。ここで、この投影データから所定の各スライスの画像を再構成することが可能である。
【０００５】
周知のＣＴシステムでは、らせんスキャンや軸スキャンによって投影データを得て、患者の一部、即ち、臓器の連続フレーム画像を生成する。１フレームは、患者等の撮像物体から取り込まれた二次元スライスに対応する。典型的には、オペレータは、動きに関する画像の劣化を最小にするよう各フレームを生成するのに必要な時間を最小にしようと試みる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
患者の冠状動脈の石灰化を検出するために、患者の心臓の画像が生成され、カルシウム堆積物を識別するための検討が行われる。しかしながら、心臓と血液の動きのため、心臓の画像がぼやける可能性がある。このぼやけが、カルシウム堆積物の領域の識別を困難にしている。
【０００７】
画像のぼやけをへらすために、心臓の動きが最小のときのデータを集める撮像システムを提供することが必要である。また、画像の時間解像度を改善するために、異なる動き量をもつ冗長なデータに異なる重みづけを行うシステムを提供することが望まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これらとその他の目的は、相対的に動きのない期間の画像データを収集し、また、時間応答を改良することによる恩恵と許容できる画像品質を提供する修正半スキャン画像再構成アルゴリズムを備える撮像システムによって達成される。代表的な一実施形態によれば、撮像システムは、ＥＫＧ信号を用いて心臓の拡張期間を確定する。次に、この心臓拡張期間を使って、画像再構成に使われる投影データの終わりを確定する。次に、終わりの点から最小データ期間を引いて、収集された投影データの開始点を確定する。
【０００９】
一実施形態では、修正半スキャン画像再構成アルゴリズムは冗長な投影データに重み付けを非一様に行う。特に、心臓の動きのない期間に収集されたデータには大きな重みが与えられる。
【００１０】
上述の撮像システムでは、心臓の動きが最小の区間での投影データを用いる。さらに、本システムでは、異なる動き量の冗長データに非一様な重み付けを行って、画像の時間解像度を改善する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１と図２には、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）による撮像システム１０が、”第３世代”ＣＴスキャナーを代表するガントリー１２を備えるものとして示されている。ガントリー１２は、ガントリー１２の反対側の検出器配列１８の方向へＸ線ビーム１６を放出するＸ線源１４を備える。検出器配列１８は、内科の患者２２を通り抜ける放出Ｘ線をセンスする複数の検出器要素２０によって構成される。各検出器要素２０は、当てられるＸ線ビームが患者２２を通過するときのそのＸ線ビーム強度とビームの減衰を示す電気信号を生成する。Ｘ線投影データを得るためのスキャン中に、ガントリー１２とその上に搭載された構成要素は回転中心２４の回りを回転する。
【００１２】
ガントリー１２の回転と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線源１４と、ガントリー１２の回転速度と位置を制御するガントリー・モータ・コントローラ３０とに電力／タイミング信号を供給するＸ線コントローラ２８を備える。制御機構２６のデータ取得システム（ＤＡＳ）３２は、検出器要素２０からアナログデータをサンプリングし、以後の処理のためにそのデータをデジタル信号に変換する。画像再構成器３４は、サンプリングされデジタイズされたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取り、高速に画像再構成を行う。再構成された画像は、大容量記憶装置３８に画像を格納するコンピュータ３６に対する入力として与えられる。
【００１３】
また、コンピュータ３６は、キーボードを備えるコンソール４０を介してオペレータからコマンドとスキャニング・パラメータを入力する。関連のブラウン管ディスプレイ４２により、オペレータは再構成画像とコンピュータ３６からの他のデータを観察することができる。コンピュータ３６は、オペレータによって供給されたコマンドとパラメータを用いて、ＤＡＳ３２とＸ線コントローラ２８とガントリー・モータ・コントローラ３０に制御信号と情報を提供する。さらに、コンピュータ３６は、ガントリー１２に患者２２を位置付ける動力テーブル４６を制御するテーブル・モータコントローラ４４を動作させる。特に、テーブル４６により患者２２の一部分を移動させて、ガントリー開口部４８を通過させる。
【００１４】
ここで述べるタイミング／画像再構成アルゴリズムは、画像再構成部３４によって実行される。しかしながら、そのアルゴリズムは、コンピュータ３６等の撮像システムの他の構成要素でも実行可能である。また、ここでは、システム１０は例としてのみ説明されており、以下で述べるタイミング／画像再構成アルゴリズムを、他の形態の撮像システムの多くと共に実行することができることを理解していただきたい。
【００１５】
動作中、撮像システム１０は、規定された条件あるいは状態で物体の少なくとも１つの画像を生成する構成を備える。一実施形態では、冠状動脈の石灰化（ＣＡＣ）の検出の手助けをするために、システム１０を使って患者の心臓の複数の連続画像を生成する。具体的には、投影データと対応の心臓データを集めたあと、システム１０は、心臓の比較的動作がにぶい期間に対応する投影データの一部を選択することで画像データを生成する。次に、半スキャン重みづけ関数に基づいて、選択された投影データの重みづけを行う。
【００１６】
具体的には、一実施形態では、あるタイミングアルゴリズムを用いるシステム１０は、心電計（ＥＫＧ）信号の状態を計測する、即ち、測定することによって患者２２の心臓の状態、即ち、様子を検出する。ＥＫＧ信号は、例えばコンピュータ３６等のシステム１０に与えられ、また、心臓筋に関する時間対電気的活動を代表するものである。図３では、ＥＫＧ信号波形は、心臓収縮状態、即ち、心臓収縮期間と心臓拡張状態、即ち、心臓拡張期間とを含む一周期を示す。と、のが示されている。ＥＫＧ信号でＱ，Ｒ，Ｓとラベル付けされた部分は、ＱＲＳ複合部と呼ばれる。ここで、Ｒ特徴、即ち、Ｒ波は、ＥＫＧ信号全体の中で最も目立つものであり、また、最も振幅が大きい特徴をもつものである。典型的には、心臓の周期は、Ｒ波から始まり、次のＲ波まで続くものとして定義される。
【００１７】
心臓の機能は、心臓収縮と心臓拡張と呼ばれる２つの異なる周期により特徴づけされる。心臓収縮では、心臓の筋肉が左心室の容量を収縮させることでその中身を大動脈弁を介して押し出す。左心室は収縮して血液を押し出すので、心臓収縮の終わりでは左心室は最小容量となる。心臓拡張の終わりでは押し出される血液で満たされるために、左心室は最大容量となる。心臓拡張期間中、心臓は比較的動作が鈍くなり、その制限された動きの結果、その期間に収集されたデータから生成された画像は鮮明となる。
【００１８】
特に、対応する投影データと心臓のデータ、即ち、ＥＫＧ信号、特に、Ｒ波はシステム１０を用いて連続的に収集される。一実施形態では、ＥＫＧ信号の状態によって確定される心臓拡張状態にある心臓に対応する投影データを画像再構成の際に用いる。具体的には、心臓の周期はかなり一定であるので、ＥＫＧ信号のＲ波部分を用いて、再構成の際に使われるデータ周期あるいは時間の終わりを確定する。データ点の終わりは、使われる投影データ部分の終わりを規定するものであり、Ｒ波が第１の状態、例えば、低電圧レベルから第２の状態、例えば、ある規定された電圧レベル、即ち、選ばれた電圧レベル以上の値に移行するときに確定される。Ｒ波の第２状態は、心臓の拡張状態の終わりを示す。
【００１９】
次に、システム１０を用いて集められたデータの一部が、あるスキャン速度を含むスキャン変数に基づいてコンピュータ３６によって選択される。次に、
データ期間の終わりから最小データ区間を引くことによって、再構成のさいに使われるデータ点、即ち、データ時間の始め、即ち、開始点を求める。例えば、一実施形態では、ガントリーの１秒間の高速回転スキャンでは、最小データ期間は凡そ０．６秒となる。データ点の終わりを時間Ｅと呼ぶと、データ点の開始点は値（Ｅ−０．６）に等しい。一実施形態では、オフセット、即ち、誤差を加算あるいは減算することによって、Ｒ波の遷移、即ち、低レベルから高レベルへの遷移に相関するＥ値が導かれる。
【００２０】
使用する投影データを決めたあと、半スキャン重み付け関数あるいはアルゴリズムを用いて物体画像を生成する。投影データのラドン空間表現を示す図４に示されているように、陰影付けされた上と下の三角形は、投影データの始めと終わりの部分を示す。具体的には、陰影付けされた上と下の三角形は、冗長データの第１のデータ組と第２のデータ組をそれぞれ示す。画像の時間解像度を改善し、動きの影響を減らすために、修正半スキャンアルゴリズムが使われる。一実施形態では、修正半スキャンアルゴリズムでは、投影データに不均等な重み付けを行う。具体的には、冗長データを識別したあと、修正半スキャンアルゴリズムでは、不均一な重みを冗長データに適用する。特に、第１の重みは第１のデータ組に与えられ、第２の重みは第２のデータ組に与えられる。特に、第１のデータ組が心臓の動きのほとんどないデータ含む一実施形態では、第１の重みは第２の重みよりも大きい。
【００２１】
修正半スキャンアルゴリズムによる投影データの重み付けのあと、周知の画像生成アルゴリズム、例えば、フィルタード・バックプロジェクションにより画像が生成される。
【００２２】
上述の撮像システムでは、心臓の動きが最小のときの投影データを用いる。さらに、そのシステムでは、異なる動き量をもつ冗長データに不均等な重み付けを行うことで、画像の解像度を改良する。
【００２３】
以上の本発明の様々な実施形態の説明から、本発明の目的が達成されたことは明らかである。本発明を図示して詳細に説明してきたが、前述のことが図示と例のみによって表されているがこれに制限されるものではないことを明確に理解すべきである。さらに、ここで記述されるＣＴシステムは、Ｘ線源と検出器の両方をガントリーで回転させる”第３世代”システムである。検出器が完全リング型静止検出器であり、また、もし、個々の検出器要素が、所定のＸ線ビームに対して実質的に均一な応答を行うように調整されるなら、Ｘ線源だけをガントリーで回転させる”第４世代”システムを含む他の多くのＣＴシステムを使うことが可能である。従って、本発明の精神と範囲は添付の請求項によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図1は、ＣＴ撮像システムの斜視図である。
【図２】 図2は、図１のシステムのブロック図である。
【図３】 図３は、ＥＫＧ信号波形である。
【図４】 図４は、修正半スキャンのラドン空間図である。

Claims (7)

1. Ｘ線源と、前記Ｘ線源に位置決めされたＸ線検出器と、前記検出器から収集されたデータから再構成された画像を表示するディスプレイとを備え、物体の画像を生成するコンピュータ断層撮影システムであって、
   物体の規定状態を確定し、
   前記規定状態中の投影データを選択し、
   半スキャン重み付け関数により投影データの重み付けを行い、
   前記重み付けされたデータから前記規定状態の画像データを生成する構成を備え、
   前記規定状態の投影データを選択するために、前記システムは、
   データ点の終わりを確定し、
   所定のデータ期間を確定し、
   データ点の終わり−所定のデータ期間に対応する開始データ点を確定する構成を備えることを特徴とするシステム。
2. 前記物体は患者の心臓であり、前記物体の前記規定状態を確定するために、前記システムは、前記心臓の拡張状態を確定する構成を備えることを特徴とする請求項１のシステム。
3. 前記撮像システムは心電計の信号と接続しており、前記心臓の拡張状態を確定するために、前記システムは前記心電計の信号のＲ波状態を確定する構成を備えることを特徴とする請求項２のシステム。
4. 前記Ｒ波状態を、前記拡張状態の終わりを示すデータ点の終わりを確定するために使用する構成を備えることを特徴とする請求項３のシステム。
5. 前記規定状態は前記物体の動きが最小となる状態であり、
   半スキャン重み付け関数に基づいて投影データの重み付けを行い、
   前記システムは、冗長データを識別し、
   前記半スキャン重み付け関数は、前記物体の動きの量に応じて、識別された前記冗長データに非一様に重み付けするように変更された半スキャン重み付け関数であることを特徴とする請求項１のシステム。
6. 前記冗長データは選択された前記投影データの始めの部分の第１のデータ組と選択された前記投影データの終わりの部分の第２のデータ組を備え、前記冗長データに非一様に重み付けするために前記システムは、前記物体の動きが少ない期間にいずれかが取得されたかに応じて、前記第１のデータ組と前記第２のデータ組のいずれかにより大きい重みを与える構成を備えることを特徴とする請求項５のシステム。
7. 物体の規定状態を確定し、前記規定状態での投影データを選択し、半スキャン重み付け関数に基づいて投影データの重み付けを行い、前記重み付けされたデータから前記規定状態に対する画像データを生成するようにプログラムされたプロセッサを備え、
   前記規定状態の投影データを選択するために、前記プロセッサは、データ点の終わりを確定し、所定のデータ期間を確定し、開始データ点を確定するようにプログラムされており、
   前記物体は患者の心臓であり、前記物体の前記規定状態を確定するために、前記プロセッサは、前記心臓の拡張状態を確定するようにプログラムされており、
   前記プロセッサは心電計の信号と接続しており、前記心臓の拡張状態を確定するために、前記プロセッサは前記心電計の信号のＲ波状態を確定するようにプログラムされており、
   前記Ｒ波は、第１の状態と第２の状態を備え、前記第２の状態は、前記心臓の前記拡張状態の終わりを示す手助けをし、データ期間の終わりを確定するために、前記プロセッサは、前記Ｒ波が前記第１の状態からオフセットをプラス又はマイナスした前記第２の状態へ遷移する点を用いてデータ点の終わりを確定するようにプログラムされており、
   前記開始データ点は、データ点の終わり−所定のデータ期間に対応することを特徴とするを特徴とする撮像システム。

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