JP4818409B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリカルスキャンにより被検体を走査し、得られたデータに基づいて画像データを心電同期再構成法のもとで再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体を透過したＸ線の強度に基づいて、被検体についての情報を画像により提供するものであり、疾病の診断、治療や手術計画等を初めとする多くの医療行為において重要な役割を果たしている。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置を使った動きの速い特に心臓検査では、画像の時間分解能の向上が重要な課題の一である。その課題に対する主要な対処法としては、Ｘ線管の１回転あたりの時間、つまりスキャンスピードの高速化にある。

スキャンスピード以上の時間分解能を実現できる手法として、ハーフ再構成法がある。周知のとおり、ハーフ再構成法は、図８に示すように、操作者が指定した心臓の動きの特定位相、通常、心電図のＰ波から次のＰ波までの心拍周期を１００としてパーセントで表す位置を中心として、Ｘ線管が１８０°＋α（αはファン角度）の範囲を回転する間に収集された投影データとその対向データの補充により画像データを再構成する。このハーフ再構成法では、Ｘ線管が１８０°＋αの範囲を回転するのに要する時間が、当該画像データの時間分解能として認識される。

ハーフ再構成法よりも画像の時間分解能を向上する手法として、セグメント再構成法がある。図９に示すように、セグメント数が３であるセグメント再構成法では、６０°＋α／３の範囲の投影データを連続する又は離散する３心拍の中から集めてきて、１８０°＋αの範囲の投影データを揃えることを特徴としている。このセグメント再構成法の理想的な時間分解能は、Ｘ線管が６０°＋α／３の範囲を回転するのに要する時間として与えられる。

この理想的な時間分解能は、Ｘ線管の回転周期が心拍周期に対して理想的にずれているという特定の状況下でもそれである。心拍周期に対するＸ線管の回転周期のずれが理想的でない殆どのケースでは、その時間分解能は、心拍周期に対するＸ線管の回転周期のずれに応じて低下する。最悪のケースは、Ｘ線管の回転周期と、心拍周期とが完全に同期したときに起こり、そのケースでは、セグメント数が自動的に１、つまりハーフ再構成法に完全に移行してしまい、その時間分解能はハーフ再構成法のそれに一致する。

このようにセグメント再構成法では、時間分解能は、心拍周期に対するＸ線管の回転周期のずれに応じて変動するので、直感的に理解し難い。セグメント再構成法にヘリカルスキャンを併用した場合、実効的なスライス厚に関する制限が加わるので難解である。

特開平９−７５３３８号公報 特開２０００−３４２５７７号公報

本発明の目的は、ヘリカルスキャンにより被検体を走査し、得られたデータに基づいて画像データを心電同期再構成法のもとで再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、被検体の心拍数に応じた実際的な画像データの時間分解能を考慮してスキャン条件を設定することを実現することにある。

本発明のある局面は、ヘリカルスキャンにより被検体を走査し、得られたデータに基づいて画像データを心電同期再構成法のもとで再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、前記被検体の心拍数に基づいて、前記画像データの時間分解能が最も高くなるようにヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせを特定する手段と、前記特定されたヘリカルピッチ及びスキャンスピードとともに、前記画像データの時間分解能が含まれるスキャン計画画面を構築する手段と、前記スキャン計画画面を表示する手段とを具備する。

本発明によれば、ヘリカルスキャンにより被検体を走査し、得られたデータに基づいて画像データを心電同期再構成法のもとで再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、被検体の心拍数に応じた実際的な画像データの時間分解能を考慮してスキャン条件を設定することができる。

本発明の実施形態によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図である。 図１のＸ線検出器の平面図である。 図１の時間分解能データメモリに保持されている時間分解能プロファイルの例を示す図である。 図１のエキスパートシステムに構築されたスキャン計画画面例を示す図である。 図４の“時間分解能（簡易）ボタン”をクリックすることによりポップアップされる簡易な時間分解能ウインドウの例を示す図である。 図５の“詳細ボタン”をクリックすることによりポップアップされる時間分解能グラフウインドウの例を示す図である。 図４の“時間分解能（詳細）ボタン”をクリックすることによりポップアップされる時間分解能ウインドウの例を示す図である。 ハーフ再構成法の説明図である。 セグメント再構成法の説明図である。

以下、図面を参照して本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）の実施形態を説明する。なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置には、Ｘ線管と放射線検出器とが１体として被検体の周囲を回転する回転／回転（ROTATE/ROTATE）タイプと、リング状に多数の検出素子がアレイされ、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転する固定／回転（STATIONARY/ROTATE）タイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めている回転／回転タイプとして説明する。また、１スライスの断層像データを再構成するには、被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データが、またハーフスキャン法でも１８０°＋ビュー角分の投影データが必要とされる。いずれの再構成方式にも本発明を適用可能である。ここでは、ハーフスキャン法を例に説明する。また、入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光をフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の生成及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とが主流である。Ｘ線検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよいが、ここでは、前者の間接変換形として説明する。また、近年では、Ｘ線管とＸ線検出器との複数のペアを回転リングに搭載したいわゆる多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の製品化が進み、その周辺技術の開発が進んでいる。本発明では、従来からの一管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であっても、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であってもいずれにも適用可能である。ここでは、一管球型として説明する。

図１は本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示している。このＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に関する投影データを収集するために構成された架台１を有する。架台１は、Ｘ線管１０とマルチスライス型Ｘ線検出器２３を有する。Ｘ線管１０とマルチスライス型Ｘ線検出器２３は、架台駆動装置２５により回転駆動されるリング状の回転フレーム１２に搭載される。回転フレーム１２の中央部分は開口され、その開口部に、寝台２の天板２ａ上に載置された被検体Ｐが挿入される。被検体Ｐの心電図を検出するために、被検体Ｐには心電計２２が装着される。

Ｘ線管１０の陰極陽極間には高電圧発生器２１から管電圧が印加され、またＸ線管１０のフィラメントには高電圧発生器２１からフィラメント電流が供給される。管電圧の印加及びフィラメント電流の供給によりＸ線が発生される。

マルチスライス型Ｘ線検出器２３は、図２に示すように、例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正方の受光面を有する複数のＸ線検出素子２６を有する。例えば９１６個のＸ線検出素子２６がチャンネル方向に配列される。この列がスライス方向に例えば４０列並設される。

一般的にＤＡＳ(data acquisition system) と呼ばれているデータ収集装置２６は、検出器２３からチャンネルごとに出力される信号を電圧信号に変換し、増幅し、さらにディジタル信号に変換する。このデータ（生データ）は架台外部の計算機ユニット３に供給される。

計算機ユニット３の前処理ユニット３４は、データ収集装置２６から出力されるデータ（生データ）に対して感度補正等の補正処理を施して投影データを出力する。この投影データは計算機システム３の記憶装置３７に送られ、心電計２２の心電図データとともにに記憶される。

計算機システム３は、上記前処理ユニット３４及び記憶装置３７とともに、システムコントローラ２９、入力器３９、ディスプレイ３８、スキャンコントローラ３０、再構成ユニット３６、スキャンエキスパートシステム４３、ハートレート検出部４１、時間分解能データメモリ３５、時間分解能発生部４１から構成される。再構成ユニット３６は、ハーフ再構成処理、セグメント再構成処理のいずれにも対応している。ハートレート検出部４１は、心電図データから例えばＰ波周期を同定し、その周期に基づいて被検体Ｐの心拍数を計測する機能を備えている。

時間分解能発生部４１は、スキャンエキスパートシステム４３の要求に従って時間分解能データメモリ３５をアクセスする機能を備えている。例えば、スキャンエキスパートシステム４３から時間分解能の提供要求が、スキャンスピードとヘリカルピッチと心拍数とに関するデータと共に供給されたとき、時間分解能発生部４１は、スキャンスピードとヘリカルピッチと心拍数に対応する時間分解能を特定し、スキャンエキスパートシステム４３に返信する。

時間分解能データメモリ３５は、スキャンスピードとヘリカルピッチとに基づいて予め計算又はシュミレートにより取得された複数の時間分解能プロファイルに関するデータを保持している。図３にセグメント再構成に対応する４種類の時間分解能プロファイルの例を示している。時間分解能プロファイルは、心拍数の変化に対する時間分解能の変化を表している。当該時間分解能は、ハーフ再構成又はセグメント再構成処理により再構成される画像データに固有の実効的な時間分解能を表す。ハーフ再構成処理であれば、Ｘ線管１０の１回転に要する時間を表すスキャンスピードに、（１８０°＋α）／３６０°を乗じた時間で単純に与えられる。一方、セグメント再構成処理では、時間分解能は、スキャン条件の中のスキャンスピード及びヘリカルピッチ、さらに被検体の心拍数に依存して決まる。なお、ヘリカルピッチは、Ｘ線管１０が１回転する間に天板２ａが移動する実寸距離、又はその距離をスライス方向の検出器幅で除した指数として定義されるが、ここでは前者の例で説明する。検出器幅とは、検出器２３の全列数又は操作者により指定された使用列数に隣接列の中心点間距離を乗じた長さで与えられる。スキャンスピードとヘリカルピッチとの組み合わせが相違する複数の時間分解能プロファイルに関するデータがＲＯＭ等の時間分解能データメモリ３５に記憶されている。時間分解能データメモリ３５は、時間分解能プロファイルデータを読出し、またスキャンスピードとヘリカルピッチと心拍数とを入力としてそれに対応する時間分解能に関するデータを読み出すことができ、また心拍数を入力として、それに対応するスキャンスピード、ヘリカルピッチ及び時間分解能に関するデータを読み出すことができるようにデザインされている。

スキャンエキスパートシステム４３は、操作者がスキャン計画を決定する作業を支援するために設けられ、再構成モード、ヘリカルピッチ（ＨＰ）、スキャンスピード（ＳＳ）等のスキャン条件の推奨値を決定する機能、決定されたスキャン条件の推奨値、時間分解能、部分的な時間分解能プロファイルを含むスキャン計画画面の構築する。

図４には、スキャンエキスパートシステム４３により初期的に構築されるスキャン計画画面の例を示している。スキャン計画画面には、患者情報、ガントリ（架台）情報、スキャノグラムイメージとともに、操作者が指定又は選択した撮影部位や検査プランに応じてスキャンエキスパートシステム４３によりプランニングされたスキャン条件、再構成条件及びウインドウ条件が表示される。例えば、スキャン条件として、スキャンモード、スキャン開始位置、スキャン終了位置、米国の食料医薬品局が定めた被曝線量を表す“ＣＴＤＩ”（ＣＴ Dose Index）、管電圧“ｋＶ”、管電流“ｍＡ”、スキャンスピード、スライス数（使用列数）、ヘリカルピッチ、再構成モードが含まれる。スキャン計画画面には、「時間分解能（簡易）」と表記されたボタンと、「時間分解能（詳細）」と表記されたボタンとが配置される。

操作者が、「時間分解能（簡易）」と表記されたボタンをクリックしたとき、スキャンエキスパートシステム４３は、時間分解能を簡易に提示するための機能を起動する。スキャンエキスパートシステム４３では、プランニングされたヘリカルピッチ、スキャンスピード、プランニング直前に検出された被検体の心拍数に関するデータを時間分解能発生部４１に送り、それらに対応する時間分解能を要求する。当該要求に呼応して時間分解能発生部４１は、送られてきたヘリカルピッチ、スキャンスピード及び心拍数に従って時間分解能データメモリ３５をアクセスして当該ヘリカルピッチ、スキャンスピード及び心拍数に対応する時間分解能を取得し、スキャンエキスパートシステム４３に返送する。

スキャンエキスパートシステム４３は、図５に示すように、当該ヘリカルピッチ、スキャンスピード、心拍数、それらに対応する時間分解能発生部４１から入手した時間分解能、再構成モードを含む簡易な時間分解能に関するスキャン計画画面（ここでは図４と区別するためにウインドウという）を構築する。このウインドウは、ポップアップで図４のスキャン計画画面上に表示される。当該ウインドウには、「心拍数取得」と表記されたボタンと、「詳細」と表記されたボタンとが含まれる。

「心拍数取得」ボタンがクリックされたとき、スキャンエキスパートシステム４３はハートレート検出部４２に対して被検体Ｐの心拍数に関するデータの提供を要求する。この要求に呼応してハートレート検出部４２は心電計２２を起動し、例えば５秒の所定期間にわたる被検体Ｐの心電図データを取得する。ハートレート検出部４２は心電図データから特徴波、例えばＰ波を同定し、Ｐ波−Ｐ波間の時間幅、つまり心拍周期から心拍数をＰ波ごとに計算し、心拍数に関するデータとしてスキャンエキスパートシステム４３に供給する。

実際には、被検体の心拍数は一定ではなく変動する。スキャンエキスパートシステム４３では、心拍数に関するデータから、５秒の中の平均心拍数（又は中央値）を検出する。スキャンエキスパートシステム４３は、検出した平均心拍数を、プランニングされたヘリカルピッチ、スキャンスピードに関するデータとともに、それらに対応する時間分解能の提供を時間分解能発生部４１に対して要求する。時間分解能発生部４１は、当該平均心拍数、プランニングされたヘリカルピッチ及びスキャンスピードに対応する時間分解能を時間分解能データメモリ３５から取得し、スキャンエキスパートシステム４３に返送する。

スキャンエキスパートシステム４３は、プランニングされたヘリカルピッチ、スキャンスピード、平均心拍数、それらに対応する時間分解能発生部４１から受信した時間分解能、再構成モード、さらには心拍数の時間変化を表すグラフとともに、スキャン計画画面（ここでは図４と区別するためにウインドウという）を構築する。このウインドウは、ポップアップで図４のスキャン計画画面上に表示される。

「詳細」と表記されたボタンがクリックされたとき、スキャンエキスパートシステム４３は、プランニングされたヘリカルピッチ及びスキャンスピードに対応する時間分解能プロファイルのデータの提供を時間分解能発生部４１に要求する。時間分解能発生部４１は、メモリ３５から、プランニングされたヘリカルピッチ及びスキャンスピードに対応する時間分解能プロファイルのデータを読み出して、、スキャンエキスパートシステム４３に返信する。スキャンエキスパートシステム４３は、受信した時間分解能プロファイルから、平均心拍数を中心とした所定幅の部分的な時間分解能プロファイルを切り取って、図６のウインドウを構築する。図６の例では、平均心拍数６７を中心として前後５心拍の幅で部分的な時間分解能プロファイルが生成されている。このウインドウには、平均心拍数を中心とした所定幅の部分的な時間分解能プロファイルが含まれる。

実際の作業としては、操作者は、現在のプランニングされたヘリカルピッチ、スキャンスピード、さらに被検体の平均心拍数に応じた時間分解能を数値又はプロファイルで確認する。確認した時間分解能が所望の時間分解能に比べて低い場合、または確認した時間分解能が所望の時間分解能に比べて過剰に高い場合、図４のスキャン条件設定画面に戻り、ヘリカルピッチとスキャンスピードの少なくとも一方を変更する。変更後、「時間分解能（簡易）」ボタンをクリックし、さらに必要に応じて「心拍数取得」ボタン、「詳細」ボタンをクリックすることで、変更したヘリカルピッチとスキャンスピードに応じて更新された時間分解能を図５又は図６のウインドウ上で確認することができる。このような作業を繰り返すことで、所望とする時間分解能を実現するヘリカルピッチとスキャンスピードを設定することができる。

図４に戻り、当該スキャン条件設定画面上の「時間分解能（詳細）」ボタンがクリックされたとき、スキャンエキスパートシステム４３は、まず、ハートレート検出部４２に対して被検体Ｐの心拍数に関するデータの提供を要求する。この要求に呼応してハートレート検出部４２は心電計２２を起動し、検査対象の被検体に対して操作者が指定した最長の息止め時間、例えば３０秒の所定期間にわたる被検体Ｐの心電図データを取得する。この最長の息止め時間は、ヘリカルスキャンのスキャン時間の上限として設定される。ハートレート検出部４２は心電図データから心拍数をＰ波ごとに離散的に計算し、心拍数に関するデータとしてスキャンエキスパートシステム４３に供給する。スキャンエキスパートシステム４３では、心拍数に関するデータから、３０秒の中の最低心拍数、最高心拍数、平均心拍数（又は中央値）を検出する。

スキャンエキスパートシステム４３は、メモリ３５に保持されている全てのヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせに関する、検出した最低心拍数から最高心拍数までの範囲の部分的な時間分解能プロファイル（複数）を時間分解能発生部４１を経由して又はメモリ３５から取得する。

スキャンエキスパートシステム４３は、取得した各時間分解能プロファイルごとに、３０秒内で離散的に取得した複数の心拍数が対応する複数の時間分解能を特定し、その特定した複数の時間分解能の合計又は平均を計算する。そして、複数の時間分解能プロファイルの中から、計算した時間分解能の合計又は平均が、最も高い、つまり最も短い所定数、ここでは３つの時間分解能プロファイルを選択する。スキャンエキスパートシステム４３は、選択した３つの時間分解能プロファイルに対応するヘリカルピッチとスキャンスピードを含む図７に例示するウインドウを構築する。このウインドウでは、選択した３つの時間分解能プロファイルに対応するヘリカルピッチとスキャンスピードが、撮影範囲をヘリカルピッチで除して得られるスキャン時間（撮影時間とも言う）とともに、時間分解能の高い順番で第１乃至第３の候補として提供される。当該ウインドウにはさらに、最長息止め時間、平均心拍数、最低心拍数、最高心拍数が、選択した３つの時間分解能プロファイルから切り取った最低心拍数と最高心拍数との範囲に限定した３つの部分的な時間分解能プロファイルのグラフが含まれる。これら３つの候補の中から操作者はそれぞれの時間分解能を確認の上、希望するプランを選択することができる。必要に応じて「息止め試行」を表記されたボタンをクリックすることで、心拍数検出から図７の表示までの作業を、被検体の息止め練習を兼ねて、何度でも繰り返すことができる。

以上のように本実施形態によれば、被検体の心拍数に応じた実際的な画像データの時間分解能を確認してスキャン条件、ここではスキャンスピードとヘリカルピッチを設定することができ、また逆に時間分解能の高いスキャンスピードとヘリカルピッチの候補の中から所望とするスキャンスピードとヘリカルピッチを設定することができる。

（変形例）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されてもよい。

本発明は、ヘリカルスキャンにより被検体を走査し、得られたデータに基づいて画像データを心電同期再構成法のもとで再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置の分野に利用可能性がある。

１…架台、２…寝台、３…心電計（ＥＣＧ）、４…造影剤インジェクタ、５…架台インタフェース、６…寝台インタフェース、７…インジェクタインタフェース、８…心電計インタフェース、９…データ／制御バス、１０…入力デバイス、１１…スキャンエキスパートシステム、１２…システム制御部、１３…再構成処理部、１４…リアルプレップ処理部、１５…データ記憶部、１６…表示部、１７…計算機システム。

Claims (6)

1. ヘリカルスキャンにより被検体を走査し、得られたデータに基づいて画像データを心電同期再構成法のもとで再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、
   前記被検体の心拍数に基づいて、前記画像データの時間分解能が最も高くなるようにヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせを特定する手段と、
   前記特定されたヘリカルピッチ及びスキャンスピードとともに、前記画像データの時間分解能が含まれるスキャン計画画面を構築する手段と、
   前記スキャン計画画面を表示する手段とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. ヘリカルスキャンにより被検体を走査し、得られたデータに基づいて画像データを心電同期再構成法のもとで再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、
   前記被検体の心拍数に基づいて、前記画像データの時間分解能が最も高くなるヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせに関する複数の候補を特定する手段と、
   前記特定された複数の候補それぞれのヘリカルピッチ及びスキャンスピードとともに、前記特定された複数の候補それぞれに対応する前記画像データの時間分解能が含まれるスキャン計画画面を構築する手段と、
   前記スキャン計画画面を表示する手段とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記ヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせは、前記被検体から離散的に取得した複数の心拍数に対応する複数の時間分解能の合計又は平均が最も高くなるように特定されることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記ヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせに関する複数の候補は、前記被検体から離散的に取得した複数の心拍数に対応する複数の時間分解能の合計又は平均が最も高くなるように特定されることを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
5. 前記ヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせは、前記被検体の息止め時間の上限以内で時間分解能が最も高くなるように特定されることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
6. 前記ヘリカルピッチとスキャンスピードとの組み合わせに関する複数の候補は、前記被検体の息止め時間の上限以内で時間分解能が最も高くなるように特定されることを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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