JP4542227B2 - 画像アーチファクトを減少させる方法およびシステム - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全般的にはイメージング(画像作成)システムに関し、さらに詳細には、検出器信号の遅延(lag) により生じるアーチファクトを減少させることに関する。
【0002】
【従来の技術】
イメージング・システムの周知の少なくとも1つの構成では、X線源が、デカルト座標系のX−Y平面(一般に「イメージング平面」と呼ばれる)内に位置するようにコリメートされた扇形状のビームを放出する。X線ビームは、たとえば患者などの被検体を透過する。ビームは、被検体によって減衰を受けたのち、放射線検出器のアレイ上に入射する。検出器アレイで受け取った減衰したX線ビームの放射線強度は、被検体によるX線ビームの減衰に依存する。このアレイの各検出器素子は、それぞれの検出器位置でのビーム減衰の計測値に相当する電気信号を別々に発生する。
【0003】
一般にコンピュータ断層撮影(CT)システムと呼ばれる少なくとも1つのタイプのイメージング・システムでは、検出器アレイより得られる一群のX線減衰量計測値(すなわち、投影データ)が「ビュー(view)」と呼ばれている。また、被検体の「スキャン(scan)」は、X線源と検出器が少なくとも1回転する間に、様々な投影角度(すなわち、ビュー角度)で得られるビューの集合からなる。アキシャル・スキャンでは、この投影データを処理し、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。各スライスは、患者撮影域が患者の軸(すなわちZ軸)の方向に概ね2cm未満であり、またガントリの1回転の間に得た984個のビューから収集したデータにより作成されるのが通常である。投影データの組から画像を再構成するための一方法に、当技術分野においてフィルタ補正逆投影法(filtered back projection)と呼ばれるものがある。この処理方法では、スキャンにより得た減衰量計測値を「CT値」、別名「ハウンスフィールド値」という整数に変換し、これらの整数値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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
少なくとも1つの周知のCTシステムは、行と列の形に配置された複数のピクセルを有する大型フラット・パネル・ディジタルX線デバイス(すなわち検出器)を利用してデータを収集する。しかし、こうしたフラット・パネルは、検出器による遅延を免れない。この検出器遅延により、直前のサンプル値からの信号のかなりの部分が後続のサンプル値に対し不正なバイアスとなる。この遅延の大きな原因の一つは、エネルギー・ギャップ内の高密度の電子欠陥に起因する電子のデトラップ(de-trapping) に関係するものである。デトラップ時間は数ミリ秒から、長くは100秒までである。この遅延は不均一であるため、たとえばリング状や帯状のアーチファクトが再構成画像内に生じる。
【0005】
半導体検出器を利用して実質的に「無アーチファクト」の体積画像(volumeric image) を作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。また、イメージングに要する時間を大幅に増加させることなく検出器遅延によるアーチファクトを減少させる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】
上記およびその他の目的は、本発明の実施の一形態では、ディジタル式X線イメージング・システムにおいて、複数のビューから投影データを収集して、隣接するビューの収集期間の合間に検出器残留信号を減少させることにより、達成できる。より具体的に述べると、実施の一形態では、そのイメージング・システムはX線源および少なくとも1つの半導体X線検出器を含む。体積画像を作成するため、X線源とX線検出器のうちの少なくとも一方が被検体の周りを回転する。
特定された各ビューを得るため、X線源からX線検出器に向けてX線が放出され、そのビューに対する投影データが収集される。隣接するビューに対する投影データの収集の合間の非作動期間中は、X線放射を停止し、検出器の各ピクセルを少なくとも一度同時に付勢する。
【0007】
より具体的に述べると、この非作動期間中に、検出器の各スキャン線を同時に付勢する。すべてのスキャン線に対する同時付勢により、各ピクセルの残留信号が減少する。この結果、後続のビューに対する投影データを収集するときには、各ピクセルの信号レベルがその時点のビューに関する被検体の減衰をより正確に反映することになる。複数のビューに対して収集した投影データを用いて、被検体の断面像が作成される。
【0008】
上記のイメージング・システムを用いて、検出器遅延によるアーチファクトが減少し、実質的に「無アーチファクト」の体積画像を作成できる。さらに、このシステムによりイメージングに要する時間が大幅に増加することはない。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1および図2を参照すると、「第3世代」のCTスキャナに典型的なガントリ12を含むものとして、コンピュータ断層撮影(CT)イメージング・システム10を示している。ガントリ12は、このガントリ12の対向面上に位置する検出器アレイ18に向けてX線ビーム16を放出するX線源14を含む。X線ビームは、デカルト座標系のX−Y平面(一般に「イメージング平面」と呼ばれる)内に位置させるためのコリメータ(図示せず)によりコリメートされる。検出器アレイ18は、放出され患者22を透過したX線を一体となって検出する(図1には示していない)複数のピクセル(素子)により形成される。各検出器素子は、入射したX線ビームの強度を表す電気信号、すなわち患者22を透過したX線ビームの減衰量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スキャンの間に、ガントリ12およびガントリ上に装着された構成部品は回転中心24の周りを回転する。
【0010】
ガントリ12の回転および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に電力およ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の回転速度およ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内にはDAS(データ収集システム)32があり、これによって検出器素子20からのアナログ・データをサンプリングし、このデータを後続の処理のためにディジタル信号に変換する。画像再構成装置34は、サンプリングされディジタル化されたX線データをDAS32から受け取り、高速で画像再構成を行う。再構成された画像はコンピュータ36に入力として渡され、コンピュータにより大容量記憶装置38内に再構成画像が格納される。
【0011】
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、オペレータからのコマンドおよびスキャン・パラメータを受け取る。付属の陰極線管表示装置42により、オペレータはコンピュータ36からの再構成画像やそ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、オペレータの発したコマンドおよびパラメータを用いて、DAS32、X線制御装置28およびガントリ・モータ制御装置30に対して制御信号や制御情報を提供する。さらにコンピュータ36は、モータ式テーブル46を制御してガントリ12内での患者22の位置決めするためのテーブル・モータ制御装置44を操作する。詳細には、テーブル46により患者22の各部分をガントリ開口48内に通すことができる。
【0012】
図3に示す実施の一形態では、検出器18は、その上に基板114およびシンチレータ118を配置したフォトセンサ・アレイ110を有する、大型フラット・パネル構成とした半導体検出器または放射線イメージャである。シンチレータ118は、入射放射線たとえばX線ビーム16を受け取って吸収するように配置される。シンチレータ118はフォトセンサ・アレイ110と光学的に結合させ、シンチレータ118で発生された光子がフォトセンサ・アレイ110内に通るようにする。フォトセンサ・アレイ110は、フォトダイオードなど複数のフォトセンサ120と、各フォトセンサ120と電気的に結合されたアドレス可能な薄膜トランジスタ(TFT)アレイ130とを含む。実施の一形態では、各フォトセンサ120はアモルファス・シリコン(a−Si)製のフォトダイオード(図示せず)を含む。
【0013】
アドレス可能なTFTアレイ130は、通常それぞれがスキャン線131およびデータ線132として知られるアドレス線(131、132)と、複数の電荷保持TFT134とを備える。スキャン線131およびデータ線132は、フォトセンサ・アレイ110が複数のピクセル140に分割されるように、行および列の形に配置される。その際、1つのフォトセンサ120が、各ピクセル140上に配置され、かつ対応する電荷保持TFT134と電気的に結合され、続いて1本のスキャン線131および1本のデータ線132と電気的に結合されるようにする。アドレス可能なTFTアレイ130は、各フォトセンサ120が選択的かつ個別にアドレス可能であるようにする。すなわち、各フォトセンサの出力(図示せず)は、その対応するデータ線132と選択的に電気的結合するようにする。放射線がシンチレータ118上に入射すると、各ピクセルのフォトセンサ120が、フォトダイオードの両端間の電荷の変化により、シンチレータ118とのX線の相互作用により発生された光の量を計測する。この結果、各ピクセル140は、患者22による減衰を受けたのち入射したX線ビーム16の強度を表すディジタル出力電気信号を発生する。この方式では、各フォトセンサ120により投影データが作成される。より具体的には、対応する各フォトセンサ120の出力信号は、各フォトダイオード内に蓄積した電荷がDAS32の入力チャネル(図示せず)に伝送されるように、DAS32と個々に結合される。実施の一形態では、検出器18は40cm×40cmであり、かつ被検体全体に対する投影データが作成できるように構成される。より具体的には、各ピクセル140は概ね200μm×200μmであり、かつ検出器18は2000ピクセル×2000ピクセルのアレイを含む。
【0014】
動作時には、複数の投影角度すなわちビュー角度で投影データを収集することにより、患者22の少なくとも1つの画像が作成される。実施の一形態では、X線源14とX線検出器18のうちの少なくとも一方を患者22の周りに回転させて検出器18から投影データを収集することにより各画像が作成される。より具体的に実施の一形態では、複数のビューからの投影データを収集することにより、患者22の少なくとも一部分に対する体積画像を作成する。検出器アレイ18の速度限界および5秒間のスキャン時間を利用することにより、システム10は、実施の一形態では、互いに概ね1.2度(360度/300ビュー)の間隔での300個のビューからの投影データを収集する。
【0015】
ビューの数と、ビューの位置または間隔とを特定したのち、検出器18を利用して各ビューに対する投影データを収集する。具体的に述べると、実施の一形態では、X線源14とX線検出器18のうちの少なくとも一方を患者22の周りに回転させながら、特定された各ビューに対する投影データを収集する。より具体的には、特定された各ビューに対して、制御機構は付勢信号を線源14に伝送して、X線16が線源14から検出器18に向けて送出されるようにする。検出器18(具体的には、各ピクセル140)への放射により、特定された各ビューに対する投影データが作成される。特定されたビューに対するこの投影データは、次いでDAS32に伝送される。より具体的には、各電荷保持TFT134の電荷がDAS32に伝送される。詳しく述べると、実施の一形態では、その投影データは、検出器18の対応するスキャン線131に作動信号を伝送して、ピクセル140の各行を順次イネーブル(enable)することにより、計測(すなわちサンプリング)される。作動信号を受け取ると、アレイの対応する行にある各電荷保持TFT134の電荷出力信号は、対応するデータ線132を介してDAS32の入力チャネルに伝送され、ついで画像再構成装置34に伝送される。より具体的に述べると、作動信号により、付勢されたスキャン線131に電気的に接続されている各ピクセル140が付勢される。この結果、付勢されたスキャン線131に電気的に接続されている各ピクセル140からの各出力信号が、データ線132を介してDAS32に伝送される。次いで、各スキャン線131を順次付勢して、アレイ110の対応する行の各ピクセル140の出力信号を計測(すなわちサンプリング)することにより、特定されたビュー毎にアレイ110の各行に対してこの手順が反復される。
【0016】
たとえば、検出器18がM×N個(ここで、Mは列数、Nは行数)のピクセルからなるアレイを含む場合、第1のビュー角度で検出器18に向けてX線16を放出することにより、第1のビュー角度に対する投影データが収集される。次いで、ピクセル140の出力信号がDAS32を用いて計測される。具体的には、第1行の作動信号を第1行のスキャン線131を介して付勢したのち、M本のデータ線132の各々により出力信号がDAS32に伝送され、次いで画像再構成装置34に伝送される。次いで、第1行の作動信号は停止されて、第2行の作動信号が印加される。次いで、データ線132の各々での出力信号がDAS32に伝送され、次いで画像再構成装置34に伝送される。第N番目の作動信号が印加されてデータ線132の出力信号がDAS32に伝送されるまで、このプロセスが繰り返される。実施の一形態では、検出器18が2000行を含み、そのサンプリング速度が毎秒60フレームである場合、各行に対する読み出し速度は0.0083ミリ秒となる。
【0017】
特定されたビューに対する投影データを収集し、線源14と検出器18のうちの少なくとも一方を患者22の周りに回転し続けたのち、制御機構26は線源14に伝送する信号を、X線16が線源14から放出されないように変更する。より具体的に述べると、ビュー間の角度範囲が大きいために起こるボケを最小にするため、X線16の放出を決められた期間に限定する。たとえば、分解能要件により1つのビュー内の「スメア(smearing)」が0.6度未満である必要があると決定される場合、線源14は、各投影間の時間間隔の50%の間X線16を放出することになる。
【0018】
たとえば、システム10の分解能要件を満足させるために、各ビューに対して概ね0.5度の間X線源14を作動する必要があると決めた場合、X線源14は0.5度の間作動される。線源14が作動されている時間内に、投影データが検出器18から収集される。その後、X線源14は不作動にされる。より具体的には、その電圧/電流信号が除去される、すなわちX線ビーム16が線源14から放出されないように変更される。
【0019】
実施の一形態では、X線制御装置28は、当技術分野では周知のように電源装置150および切換ユニット(または回路)152を含み、線源14に供給する信号を変更する。電源装置150はX線管14および切換ユニット152に結合され、線源14およびユニット152に信号を供給する。より詳しく述べると、電源装置150からの電圧/電流信号は、線源14の陽極(図示せず)および陰極(図示せず)に供給される。高電圧信号はまた、電源装置150から切換ユニット152に供給される。X線ビーム16を放出すべきである場合、適正な電圧/電流信号がX線源14に伝送される。より具体的には、切換ユニット152に供給される制御信号(図示せず)、たとえばコンピュータ36からの信号を利用することにより、切換ユニット152は線源14に供給する信号を変更する。より具体的に述べると、この制御信号を変更することにより、線源14の制御グリッド(図示せず)に供給する信号が変更され、陽極から陰極まで電子が移動する速度が修正される、したがって、線源14から放出されるX線ビーム16の大きさおよび持続時間が変化する。この結果、特定の時間(すなわち規定された時間)にX線16の放出を始動し停止させることができる。
【0020】
隣接するビューの合間の、X線16が線源14から放出されない期間である「非作動期間」と呼ばれる期間中、各ピクセル140は最後に収集されたビューに対して生成された出力信号の一部分を保持している。この信号を検出器18の「残留信号」と定義する。この残留信号は、たとえばピクセル140からの信号を所望しない期間に、各ピクセル140のスイッチング・デバイス(例えば、FET(図示せず))をターンオフとした後、スイッチング・デバイスの半導体材料(図示せず)内でのバンド間状態のデトラップにより生じる。
【0021】
システム10は、隣接するビューの合間のX線源14が不作動状態にされる時間内(たとえば、非作動期間中)に、残留信号レベルを減少させることにより、残留信号により生じるアーチファクトを減少させる。具体的に実施の一形態では、この非作動期間中に、各検出器18の複数の行を少なくとも一度付勢する(すなわち、作動する)ことにより各ピクセル140の残留信号が減少する。より具体的に述べると、実施の一形態では、作動信号が、各スキャン線131を介して各ピクセル140に少なくとも一度同時に印加される。非作動期間中の利用可能な時間の長さに従って、各スキャン線131を介した作動信号の同時印加は複数回繰り返される。スキャン線131を介した検出器18の同時作動の度毎に、各ピクセル140の残留電荷が減少する。実施の一形態では、電荷保持TFT134の残留電荷は1/S(Sはサンプリング数)に減少する。作動信号の同時印加の結果として、検出器18の各ピクセル140の残留信号は急速に減少する。
【0022】
たとえば、検出器18が2000列×2000行のピクセル140からなるアレイを含み、作動信号が2000本のスキャン線131のすべてに対し20回(すなわちの0.0083ミリ秒毎に1回の割で)同時に印加される場合、非作動期間中に電荷保持TFT134の残留信号は当初の強度の概ね5%まで減少する。
【0023】
実施の一形態では、各ビューに対して収集される投影データの正確さは、遅延補正値を利用して補正される。より具体的には、各スキャン線131を同時に作動する回数に基づき、遅延補正値を決定し収集した投影データと組み合わせることにより、残留信号より生じる画像アーチファクトをさらに減少させることができる。様々な実施の形態では、その遅延補正値は、各検出器18に対する実際の履歴データ、評価済みの値、あるいは数学的推定値に基づく。
【0024】
非作動期間の終了時に、特定された各ビューに対する投影データを収集し終えるまで、各ビューに対して上記のプロセスを繰り返す。次いで、当技術分野において周知の方法により、収集した投影データを利用して、たとえば患者22の一部分など被検体の少なくとも1つの画像を作成する。より具体的に実施の一形態では、被検体の断面像が投影データから作成される。別の実施形態では、補正した投影データを利用して被検体の画像を作成する。
【0025】
上記のシステムにより、半導体検出器アレイの電荷保持により生じるアーチファクトが減少する。詳しく述べると、検出器アレイの各スキャン線を同時に付勢することにより、検出器の残留信号が減少する。
【0026】
本発明を、様々な具体的な実施形態に関して記載してきたが、当業者であれば、本発明は特許請求の範囲の精神および範囲の域内にある変更を伴う実施が可能であることを理解するであろう。たとえば、本発明はCTシステムで使用するように記載したが、本発明は他の多くのタイプのイメージング・システムで実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ディジタル式イメージング・システムの外観図である。
【図2】図1に示すシステムのブロック図である
【図3】図1に示すX線検出器の略図である。
【符号の説明】
10 CTイメージング・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 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 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
110 フォトセンサ・アレイ
114 基板
118 シンチレータ
120 フォトセンサ
130 TFTアレイ
131 スキャン線
132 データ線
134 電荷保持TFT
140 ピクセル
150 電源装置
152 切換ユニット

Claims (14)

  1. 被検体の周りを連続して複数回回転し、前記被検体に向かってX線ビームを放出するためのX線源と少なくとも1つの半導体X線検出器とを含み、前記連続して複数回回転するX線ビームに基づいて複数の断面像を作成するイメージング・システムにおいて、画像アーチファクトを減少させる方法であって、
    少なくとも1つの作動信号を各検出器に印加することにより、前記X線ビームが1回転する間に複数のビューに対する投影データを収集するステップと、
    隣接するビューについての投影データの収集の合間にX線源を不作動にするステップと、
    前記合間に、少なくとも1つの作動信号を各検出器に印加するステップと、
    前記複数のビューに対する投影データを用いて前記被検体の1つの断面像を作成するステップと、
    を含む、前記方法。
  2. 複数のビューに対する投影データを収集する前記ステップが、各ビューを特定するステップと、X線源を作動して、各検出器を用いて特定された各ビューに対する投影データを収集するステップとを含む請求項1に記載の方法。
  3. X線源を作動して、各検出器を用いて特定された各ビューに対する投影データを収集する前記ステップが、X線源からX線ビームを放出すべきか否かを決定するステップと、X線ビームを放出すべきである場合に、電圧/電流信号をX線源に供給するステップとを含む請求項2に記載の方法。
  4. 各検出器がM行N列のアレイの形に配置された複数のピクセルを含んでおり、前記少なくとも1つの作動信号を各検出器に印加する前記ステップが各検出器の各ピクセルに作動信号を印加するステップを含む請求項に記載の方法。
  5. 各ディジタル検出器がM個の出力信号とN個の作動信号を含んでおり、前記合間に、前記各検出器の各ピクセルに作動信号を印加する前記ステップが、各検出器に対するN個の作動信号のすべてを同時に印加するステップ(a)を含む請求項4に記載の方法。
  6. 前記ステップ(a)を複数回繰り返すステップをさらに含む請求項5に記載の方法。
  7. 前記X線ビームが1回転する毎に300個のビューの投影データが収集され、前記投影データの収集が毎秒60フレームのサンプリング速度で行われる、請求項1乃至6のいずれかに記載の方法。
  8. 各検出器に対して遅延補正値を利用して投影データを補正するステップと、
    補正済みの投影データを用いて被検体の断面像を作成するステップをさらに含む請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
  9. 被検体の周りを連続して複数回回転し、前記被検体に向かってX線ビームを放出するためのX線源と少なくとも1つの半導体X線検出器とを含み、、前記連続して複数回回転するX線ビームに基づいて複数の断面像を作成する、画像アーチファクトを減少させるためのイメージング・システムであって、
    少なくとも1つの作動信号を各検出器に印加することにより、前記X線ビームが1回転する間に複数のビューに対する投影データを収集し、
    隣接するビューについての投影データの収集の合間にX線源を不作動にし、
    前記合間に、少なくとも1つの作動信号を前記の各検出器に印加し、
    前記投影データを用いて前記被検体の1つの断面像を作成するように構成されているイメージング・システム。
  10. 前記システムは、複数のビューに対する投影データを収集するために、各ビューを特定し、前記X線源を作動して、前記の各検出器を用いて特定された各ビューに対する投影データを収集するように構成されており、
    前記X線源を作動して、前記の各検出器を用いて特定された各ビューに対する投影データを収集するために、前記システムは、前記X線源から前記X線ビームを放出すべきか否かを決定し、前記X線ビームを放出すべきである場合に、電圧/電流信号を前記X線源に供給するように構成されている請求項に記載のシステム。
  11. 前記の各検出器がM行N列のアレイの形に配置された複数のピクセルを含んでおり、前記システムは、前記少なくとも1つの作動信号を前記の各検出器に印加するために、前記の各検出器の前記の各ピクセルに作動信号を印加するように構成されており、
    前記の各検出器がM個の出力信号とN個の作動信号を含んでおり、前記システムは、前記の各検出器の前記の各ピクセルに作動信号を印加するために、前記の各検出器に対する前記N個の作動信号のすべてを同時に印加するように構成されている請求項又は10に記載のシステム。
  12. さらに、前記の各検出器に対する前記N個の作動信号のすべてを、複数回同時に印加するように構成されている請求項11に記載のシステム。
  13. さらに、前記の各検出器に対して遅延補正値を利用して前記投影データを補正し、
    前記補正済みの投影データを用いて被検体の断面像を作成するように構成されている請求項乃至12のいずれかに記載のシステム。
  14. 前記X線源と前記検出器とを含む回転するガントリと、
    前記X線源に電力およびタイミング信号を供給するX線制御装置と、
    前記ガントリの回転速度および位置を制御するガントリ・モータ制御装置と、
    前記検出器からのアナログX線データをサンプリングし、ディジタルX線信号に変換するデータ収集システムと、
    前記ディジタル線データを前記データ収集システムから受け取り、前記断面像を生成する画像再構成装置と、
    生成された前記断面像を処理すると共に、前記X線制御装置および前記ガントリ・モータ制御装置に対して制御信号や制御情報を提供するコンピュータと、を備え、
    前記コンピュータが前記X線制御装置に、特定の時間に前記X線ビームの放出を始動し停止させる信号を送出し、
    前記X線ビームが1回転する毎に300個のビューの投影データが収集され、前記投影データの収集が毎秒60フレームのサンプリング速度で行われる、請求項乃至13のいずれかに記載のシステム。
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