JP5101045B2 - 歩進−撮影型心臓ctイメージングスキャナ - Google Patents

歩進−撮影型心臓ctイメージングスキャナ Download PDF

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Description

本発明は、一般的に云えば、診断用イメージングに関し、より具体的には、イメージング・ボリューム(画像化対象の三次元領域)をサンプリングするために一連の部分的走査(partial scan)を使用し且つ画像再構成の際に画像混合する心臓イメージング方法及び装置に関するものである。
心臓へ血液を運ぶ血管の狭まり又は狭窄は心臓発作の周知の原因であり、従って、処置を行わないと突然死を招く恐れがある。このような狭窄した血管では、狭窄部の直ぐ下流の領域が速い流速及び/又は複雑な流れパターンを持つことによって特徴付けられることが知られている。一般的に、器官に血液を供給する血管の狭まりは、最終的には、軽くても問題の器官の機能障害を招き、最悪の場合には器官の機能不全を招く。量的な流れデータは患者の診断及び治療に直ぐに役立つことができ、また病気の経過の基本的な理解に有用である。血液の流れを測定するために利用できる手法は多数あり、例えば、投影及びコンピュータ断層撮影(CT)の両方における造影剤の放射線イメージング手法、超音波手法並びに拡医学手法を使用するイメージングに基づいた方法が挙げられる。放射線及び核医学手法では、電離性放射線及び/又は造影剤を使用することがしばしば必要とされる。方法によっては流れ特性について様々な仮定をすることがあり、流れ特性は必ずしも真に生体のものである必要はなく、また血管の断面積又は流れ方向についての知識を必要とするものではない。
CTは血流及び他の心臓データを取得する一手法である。典型的には、CTイメージング・システムでは、X線源から被検体又は対象物へ向けて扇形ビーム又は円錐形ビームを放出する。以下、本書で用いる「被検体」とは、イメージングすることが可能である任意の物を含むものとする。ビームは、被検体によって減弱した後で、放射線検出器のアレイ(配列体)に衝突する。検出器アレイで受け取った減弱した放射線ビームの強度は、典型的には、被検体によるX線ビームの減弱度に依存する。検出器アレイの各々の検出器素子は、その素子で受け取った減弱したビームを表す電気信号を発生する。それらの電気信号は解析のためにデータ処理システムに伝送されて、そこで最終的に画像が生成される。一般的に、X線源及び検出器アレイはイメージング平面内で被検体を中心にしてガントリの周りを回転させる。X線源は典型的にはX線管を含み、X線管は焦点でX線ビームを放出する。X線検出器は、典型的には、該検出器で受け取るX線ビームをコリメートするためのコリメータと、該コリメータに隣接していてX線を光エネルギに変換するためのシンチレータと、隣接したシンチレータからの光エネルギを受け取って、該光エネルギから電気信号を生成するためのフォトダイオードとを含んでいる。 典型的には、シンチレータ・アレイの各々のシンチレータはX線を光エネルギに変換する。各シンチレータは、それに隣接するフォトダイオードへ光エネルギを放出する。各フォトダイオードは光エネルギを検出して、対応する電気信号を発生する。次いで、フォトダイオードの出力は画像再構成のためにデータ処理システムへ伝送される。
CTイメージングは心臓イメージングのために使用されることが多くなってきている。心臓イメージングのためのこのCT実施の増大は、主にCTシステムで現在可能になった比較的高速の走査速度、及び多スライス・データの取得によるものである。従来からのCTシステムは、それより速いこともあるかもしれないが、現在ガントリを0.35秒で一回転させることが可能である。実際に、過去10年間で、時間分解能がほぼ3倍改善された。多スライスCTデータ取得もまた、心臓に関連した診断のための心臓CTイメージングの増大に寄与している。CTシステムは現在では有意な多スライス・データ取得が可能である。
心臓CTイメージングの一用途は冠状動脈イメージング(CAI)である。CAIの目的は画像を取得すること、すなわち、血管の狭まり、病気又は解剖学的構造を検出するために心臓の血管構造を視覚化することである。CAIはしばしば心臓内科医、放射線医師及び他の医師によって、心筋の動的運動を検査して異常を検出するために使用される。小さい血管の狭まり又は狭窄を視覚化するためには、CT走査は、血管及びその周囲における心臓の運動を「凍結」するように高い時間分解能を提供すると共に、検査中の血管の大きさを正確に描写するように高い空間分解能を提供しなければならない。
時間分解能を改善するため、CAI検査は典型的には、ECGモニタを使用して患者から取得された心電図(ECG)信号を用いて実施される。ECGモニタは、患者の胸部、腕及び脚の上に配置した電極を使用して心臓の電気的活動を記録する。ECGモニタは普通、心拍数(heart rate)、心搏リズム、心臓への血液供給の妥当性、心臓発作の存在、心臓肥大、心膜炎、並びに心臓についての薬物及び電解質の効果に関する情報を提供するために使用される。ECG信号はまた、心臓からのCTデータの取得を心臓の時相活動と同期させるように心拍時相データを供給するために使用することができる。より具体的に述べると、CTシステムは、ECG信号を使用して、CT走査中に心拍サイクルの同じ時相でデータを一貫して取得する。そのように行うことにより、画像アーティファクトが低減される。
従来の螺旋CAI走査では、テーブルが比較的遅いペースで、すなわち低ピッチで、連続的に平行移動して、心臓ボリューム全体が適正にカバーされるようにする。このことを図1に例示する。図1で、検出器列の位置を時間の関数として示している。図示のように、心拍サイクルは水平な点線2によって分離されている。検出器列の位置は斜めの実線4によって示されている。これらの線上の全ての点は或る特定のz位置及び特定の時点(従って、特定の投影角度)で取得された単一列の投影を表す。z軸は、図2に示されるように、イメージング用のテーブルの長さに沿って延在する。例示を簡単にするために、4列のシステムを示している。陰影を付したボックス6は、心臓画像のための再構成窓を示す。従って、これらのボックス6は、ユニークな一組の時間間隔及びz位置を表す。各ボックスの幅は、特定の心拍サイクルに対応する再構成によってカバーすることのできるz方向のボリュームを表す。隣接の一組の再構成は、心臓が次の心拍サイクルの同じ心拍時相に達した後にのみ行われる。ガントリ速度及び螺旋ピッチが適切に選択されてない場合、全心臓ボリュームが再構成画像において一様にカバーされない。例えば、テーブルの移動速度が速すぎる(螺旋ピッチが高すぎる)場合、隣り合うボリュームの間に隙間8が存在することになる。小さい隙間は画像空間補間によって満たすことができるが、より大きい隙間ではボリューム表現画像中に不連続やアーティファクトが生じる。これは、典型的な患者における心拍数の変動を考慮するとき特に問題になる。
従来のCAI検査は典型的には、0.1と0.4との間の螺旋ピッチで実施されている。このような螺旋ピッチは通常、タイミングに関して最悪な場合のシナリオに対処するために、すなわち、所与の再構成のために特定の心拍数で完全なボリューム・カバー範囲を保証するために使用される。これは、X線に露出される領域が大幅にオーバーラップするので、患者に対する照射線量がより大きくなることを意味する。すなわち、典型的な螺旋走査の場合にはX線が被検体に向けて連続的に投射されるので、これらのオーバーラップ領域は複数回のX線照射を受ける領域に対応する。CAI検査の際の患者に対する照射線量を低減するために、多数の照射線量低減手法が開発されている。一手法では、X線管への電流を変調して、各心拍動の間に規定される再構成窓の外側で電流が低減されるようにしている。このような手法は照射線量を低減する点で有利であるが、心臓イメージングがCTにおける最大のX線照射線量の用途の1つであることに変わりはない。
心臓CTの際にX線照射線量を低減するために提案された1つの解決策は、通常「半走査(half-scan) 」と呼ばれているものである。半走査イメージングでは、データ取得が複数の半走査に分割され、各半走査はサンプリング・ボリュームのほぼ半分をサンプリングする。しかしながら、典型的には、各半走査は、隣接の半走査に実質的にオーバーラップする空間カバー範囲を持つ。結果として、照射線量は低減されるけれども、それは画像の忠実度が維持されるようにするために有意なほど大きくはない。
従って、X線照射線量を更に低減すると共に、CT画像の時間的及び空間的分解能を改善する心臓イメージング用の装置及び方法を設計することが望ましい。また、データ取得の際の被検体への照射線量を低減するために隣接の部分的走査の空間カバー範囲におけるオーバーラップを低減して、部分的走査データ取得を実施する方法及びシステムを提供することが望ましい。
米国特許第6836529号 米国特許第6721386号
本発明は上述の欠点を克服する心臓CTイメージング用の方法及び装置を対象とする。
本発明は、被検体の心臓領域からCTデータを取得するために複数の離散的な走査位置に被検体を増分的に平行移動させるようにしたイメージング手法を含む。これに関して、現在の走査位置で有効な又は容認可能なデータが取得されるまで、被検体は次の走査位置へ平行移動させない。このようにして、本発明は、データ取得の際に不整脈のような心臓の不整を考慮する。すなわち、異常が検出された場合、被検体は次の走査位置へ平行移動されない。本発明はまた、呼吸ゲート式(gated) CTイメージングのような他の生理事象ゲート式データ取得にも適用可能である。
本発明はまた、イメージング・ボリュームを一連の部分的走査でサンプリングするようにした再構成手法を含む。各部分的走査はイメージング・ボリュームの一部分をサンプリングする。再構成の際、隣接の部分的走査からのデータが、任意の1つの部分的走査だけの場合に生じるようなイメージング・ボリュームの未サンプリング部分を補償するために使用される。
従って、本発明の一面によれば、CTスキャナを開示し、該CTスキャナは、走査対象の被検体にX線を投射するように構成されているX線源と、該X線源によって投射され且つ被検体によって減弱したX線を検出するように構成されているX線検出器アセンブリとを含んでいる。CTスキャナはまた、一対の隣接の部分的走査においてイメージングすべきイメージング・ボリュームを規定し、また第1の部分的走査においてイメージング・ボリュームの全部よりも小さい部分から第1組のCTデータを取得するようにプログラムされているコンピュータを含む。コンピュータは更に、第2の部分的走査においてイメージング・ボリュームの全部よりも小さい部分から第2組のCTデータを取得し、且つ第1及び第2組のCTデータを組み合わせて、イメージング・ボリュームの空間的カバー範囲を持つ複合データ・セットを形成するようにプログラムされている。次いで、コンピュータは複合データ・セットからイメージング・ボリュームのCT画像を再構成する。
本発明の別の面によれば、CTイメージング方法が、そこからCTデータを取得しようとするイメージング・ボリュームを規定する段階と、走査対象の被検体を複数の離散的な走査位置の内の1つへ平行移動させる段階とを含んでいる。本方法は更に、被検体が前記1つの離散的な走査位置に位置決めされている間に一連の部分的走査でCTデータを繰り返し取得する段階と、前記一連の部分的走査で取得されたCTデータを混合(blend) して、再構成のための単一のデータ・セットを形成する段階とを含む。
別の面によれば、本発明は、一組の命令を表すコンピュータ・プログラムが記憶されているコンピュータ読出し可能な記憶媒体を含み、該一組の命令は、コンピュータによって実行されたとき、コンピュータが第1の半走査において第1組の心臓ゲート式CTデータを取得し且つ第2の半走査において第2組の心臓ゲート式CTデータを取得するようにし、第2組の心臓ゲート式CTデータを取得するサンプリング領域の内の一部分が第1組の心臓ゲート式CTデータを取得するサンプリング領域の内の別の部分と隣接するようにする。コンピュータは更に、第1組の心臓ゲート式CTデータを第2組の心臓ゲート式CTデータと比較して重み関数を決定し、該重み関数で第1組の心臓ゲート式CTデータに重み付けするように作動される。コンピュータは次いで、サンプリング領域の画像再構成のために、重み付けした第1組の心臓ゲート式CTデータを第2組の心臓ゲート式CTデータと組み合わせる。
本発明の様々な他の特徴及び利点が以下の詳しい説明及び図面から明らかにされよう。
図面は本発明を実施するために現在考えられる好ましい一実施形態を例示する。
図2及び図3について説明すると、コンピュータ断層撮影(CT)イメージング・システム10がX線源14を持つガントリ12を含むものとして示されており、X線源14はガントリ12の反対側に或る検出器アレイ18へ向けてX線ビーム16を投射する。検出器アレイ18は複数の検出器20によって形成され、これらの検出器20は患者22を通過した投射X線を検知する。好ましい実施形態では、検出器アレイ18は、ガントリの一回転で64スライスのデータを取得するために64列の検出器を有する。各々の検出器20は、入射するX線ビームの強度、すなわち、患者22を通過したときの減弱したビームの強度を表す電気信号を発生する。X線投影データを取得するための走査中に、ガントリ12及びその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。
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によって決定される。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とを含んでいる。また制御機構26内にあるデータ取得システム(DAS)32が、検出器20からのアナログ・データをサンプリングして、該データをその後の処理のためにディジタル信号へ変換する。以下に説明するように、コンピュータ36がまた、被検体22の心拍データを取得するために導線35を介して被検体に接続されたECGモニタ33からECG信号を受け取る。コンピュータ36はECG信号を相関させて、心臓領域の時相を決定する。好ましくは、ECG機械33は走査が始まる前にECG記録を得て、データ取得が心拍サイクルのピークとピークとの間の休止期間中に生じるようにタイミングを取ることができるようにする。これらの休止期間中、心臓は比較的静止しており、従って、最終的な再構成画像におけるアーティファクトを最小にするために心拍サイクルのこれらの部分中にデータ取得が生じるのが好ましい。画像再構成装置34がDAS32からサンプリングされディジタル化されたX線データを受け取って、高速の再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ36に入力として印加され、コンピュータは該画像を大容量記憶装置38に記憶させる。
コンピュータ36はまた、キーボードを持つコンソール40を介してオペレータから指令及び走査・パラメータを受け取る。付設された陰極線管表示装置42により、オペレータはコンピュータ36からの再構成画像及び他のデータを観察することが可能になる。コンピュータ36は、オペレータにより供給された指令及びパラメータを使用して、DAS32、X線制御装置28、ECGモニタ33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。その上、コンピュータ36は、患者22及びガントリ12を位置決めするために電動テーブル46を制御するテーブル・モータ制御装置44を動作させる。具体的に述べると、テーブル46はガントリ開口部48の中に患者22の一部分を移動させる。
本発明は、図2〜図3に例示されているシステム又はその等価物に適用可能な心臓CTイメージング手法を対象とする。
従来の心臓CTイメージングでは、螺旋走査が使用されている。螺旋走査は、走査間遅延(inter-scan delay)を有利に除くので普通に採用されている。すなわち、螺旋走査では、テーブルをガントリの開口部の中に平行移動させながら、被検体へ向けてX線を連続的に投射する。その結果、螺旋走査は一般的に、取得位置及びタイミングを独立に選択する融通性がないので、心臓イメージングのような生理事象ゲート式走査に適しているとは云えない。螺旋走査では、テーブルは一定速度で平行移動させ又は割り出される。これは、データ取得中に心拍数に変動を生じる患者の場合には問題になることが分かっている。
次に図4を参照して、本発明の一実施形態に従って複数の離散的な走査位置に増分的に歩進させる手法50を説明する。この手法を心臓イメージングについて説明するが、この手法は他の生理事象ゲート式データ取得に適用可能である。当業者に理解されるように、図4に例示された手法は、CTシステムの1つ以上の処理装置によって実行することのできるコンピュータ・プログラムの一組の命令で具現化することができる。その上、コンピュータ・プログラムは、CDのようなコンピュータ読出し可能な記憶媒体に記憶させるか、又はCTシステムにダウンロード可能であるコンピュータ・データ信号で具現化することができる。
手法50は、心臓CT走査を規定する段階52で開始する。これに関して、ECGモニタの電極が被検体に取り付けられていて、被検体はテーブル上に適切に位置決めされており、テーブルは被検体を縦方向に移動させてガントリ内に定められた開口部に通すように設計されている。段階52で確認された規定に基づいて、段階54で複数の離散的な走査位置を決定する。例えば、CAI検査では、検出器カバー範囲が40mmの場合、離散的な走査位置の数は典型的には4つ又は5つの位置である。すなわち、被検体の心臓のボリューム全体が、典型的には、4つ又は5つの走査位置で走査することができる。ECGデータは、被検体からの段階56で始まるデータ取得全体にわたって連続的に取得される。前に述べたように、CTシステムのコンピュータはECG信号を相関させて、被検体の心臓運動の時相を決定する。これに関して、走査が開始する前に被検体のECG記録の読み出し及び分析を始めて、データ取得が心拍サイクルのピークとピークとの間に生じるようにデータ取得のタイミングを取ることができるようにすることが好ましい。これらの比較的静止した期間中、心臓は動きがなく、従って、モーション・アーティファクトを最小にするために心拍サイクルのこれらの部分中にデータ取得が生じることが好ましい。その後、走査対象の被検体が載置されているテーブルを、第1の走査位置へ割り出す(段階58)。その後、心拍サイクルの所与の時相でCTデータを取得する(段階60)。
一旦、被検体が第1の走査位置に位置決めされている状態で心拍サイクルの所与の時相でデータを取得すると、取得したCTデータが有効であるか否か判定する(段階62)。有効なデータが取得されなかった場合(段階62、64)、手法50は段階60へ戻って、被検体がまだ第1の走査位置に位置決めされている状態で心拍サイクルの所与の時相でデータを再度取得する。しかしながら、有効なデータが取得された場合(段階62、66)、手法50は段階68へ進んで、追加の走査位置が残っているか否か判定する(段階68)。もしその通りであれば(段階68、70)、テーブルを次の走査位置に割り出す(段階72)。この場合、被検体が該次の走査位置に位置決めされている状態で心拍サイクルの所与の時相でデータを取得する。しかしながら、全ての走査位置でデータを取得した場合(段階68、73)、段階74で走査が終了して、画像が再構成される。
上述したように、手法50は被検体の心臓領域からのゲート式CTデータの取得を対象としており、該手法では、被検体はデータ取得のために複数の走査位置に増分的に平行移動させる。従来のゲート式取得とは対照的に、テーブルの動きは不連続である。すなわち、被検体を離散的な走査位置に位置決めして、被検体からデータを取得し、取得したデータが有効であるか否か決定するための判定を行い、もし有効なら、被検体を次の離散的な走査位置に位置決めする。取得したデータが有効でない場合は、被検体は現在の走査位置にそのまま留まり、データが取得される。この場合、被検体は、現在の走査位置で有効なデータが取得されるまで次の走査位置へ進められない。
更に、好ましい実施形態では、被検体へ向けてのX線投射はデータ取得の際だけ行われる。すなわち、テーブルが一走査位置から次の走査位置へ動かされている期間中は、X線投射を不作動にすることが好ましい。この場合、テーブルの平行移動中はデータが取得されないので、テーブルの平行移動中は被検体へのX線照射が生じない。この点で、手法50は有利なことに、従来の螺旋ゲート式データ取得に比べて患者への放射線照射線量を更に低減する。
次に図5について説明すると、本発明は、被検体を複数の離散的な走査位置に増分的に平行移動させる図4に述べたような手法を対象とするばかりでなく、本発明はまた、受け取ったECG信号中の検出された不規則さ又は異常に基づいて所与の走査位置におけるデータ取得を中断又は一時停止する手法76を含む。図4に関して述べた手法とは独立に手法76について説明するが、当業者には手法76を図4の手法50と関連して実施できることが理解されよう。手法76は心臓CT走査を規定する段階78から始まる。その後、段階78で特定された走査パラメータに基づいて、段階80で複数の離散的な走査位置を決定する。前に述べたように、典型的な患者の心臓をイメージングするためには、4つ又は5つの離散的な走査位置が必要とされる。図4の手法と同様に、段階82でCT走査の開始前にECGデータを取得する。取得したECGデータはCTシステムで使用して、心拍サイクルの所与の時相からのCTデータの取得に相関させる。しかしながら、当業者に理解されるように、ECG信号はまたCTデータの取得中にも取得される。CTデータは被検体が所与の走査位置に位置決めされている状態で心拍サイクルの所与の時相で取得する(段階84)。CTデータを取得している間(段階84)、受け取ったECG信号を監視して、何らかの心拍動の不規則さが生じているか否か判定する(段階86)。もしそうであれば(段階86,88)、所与の走査位置でのデータ取得が一時停止される(段階89)。これに関して、被検体からの心拍サイクルの所与の時相でのデータの取得は次の心拍サイクルに再開される。心拍動の不規則さが検出されなかった場合(段階86,90)、手法76は段階92へ進み、段階92で、走査を続けるべきか、すなわち、残っている走査位置があるか否か判定する。もしそうであれば(段階92,94)、テーブルを次の走査位置に割り出しし(段階96)、該次の走査位置で被検体の心拍サイクルの所与の時相でデータを取得する。次いで、全ての走査位置についてデータが取得されるまで段階84〜段階92が再実行される。全ての走査位置についてデータが取得された場合(段階92,98)、手法76は段階100へ進み、該段階100で、走査が終了し且つ画像が再構成される。
次に図6について説明すると、模範的なECG信号102を示している。ECG信号102は心拍サイクル中の被検体の心臓の動きを図形で例示する。図示のように、心拍サイクル、すなわち心拍動は、典型的には、一対のRピーク104によって規定される。これに関して、単一の心拍動はR−R間隔105によって特徴付けられる。前に述べたように、本発明は患者に対するX線照射線量を有利に低減する。これを達成するため、各R−R間隔105内にデータ取得窓(DAW)106を規定する。従って、X線はデータ取得窓106の間のみ被検体へ向けて投射する。これに関して、R−R間隔105の内の他の期間の間はX線放出を不作動にする。当業者には理解されるように、データ取得窓106は、その間にデータ取得を行うべき心臓の時相に対応する。従って、データ取得を行うべきでない心拍サイクルの時相の間では、X線管は被検体へ向けてX線を投射しないように制御される。更に、その上、データ取得、タイミング及び位置設定は独立に取り扱われるので、ゲーティング(gating)はより効果的である。その上、全ての心拍時相でデータ取得及び再構成を必要とする場合でも、該取得は、カバーされる領域内でX線照射のオーバーラップが必要とされないことを保証する。すなわち、全ての領域が一度だけ走査され、これは、走査ボリュームの大部分が複数回走査される低ピッチ螺旋データ取得とは著しく違う。試験により、従来の低ピッチ螺旋走査と比べて本発明では67%〜83%の照射線量の低減が期待できることが判明した。
次に図7を参照して説明すると、本発明の別の実施形態によれば、アーティファクトを低減するためにオーバーラップするデータ取得を使用する。データ取得108はデータ取得110及びデータ取得112と部分的にオーバーラップする。このオーバーラップは、心臓イメージングにおける2つの主な課題、すなわち、一貫していない心拍数及び円錐形ビームに対処するために利用される。すなわち、典型的な患者では、心拍数が変化する。心拍数108,110,112が比較的一定である場合でも、心臓の動きは心拍サイクル毎に全く同じではない。データ取得108,110,112は異なる心拍サイクルで行われるので、心拍サイクル間の非一貫性は、それに対処していない場合、境界のシフト(偏移)を生じさせる恐れがある。その上、円錐形ビームによるデータ取得の場合、何らかの円錐形ビームに関連したアーティファクトが画像内に存在する恐れがある。このため、オーバーラップした領域108が、領域108〜110をより一貫した態様で「混合(blend) 」するためのツール(手段)を提供する。この混合は画像の再構成の際か又は再構成の後に行う。
更に別の実施形態に従って、図8を参照して説明すると、ガントリ速度、走査間遅延及びカバー範囲が、ECG信号114で概略して例示されている患者の心拍数に基づいて決定される。本書で述べる歩進−撮影型(step-and-shoot)データ取得の場合、全走査時間はデータ取得時間と走査間遅延とによって規定される。データ取得時間116は、CTデータを収集するために使用される時間であり、また走査間遅延118は、患者又はテーブルを次の位置へ移動させて、患者を走査できる状態にするための時間である。全走査時間が患者の心拍サイクルよりも短いとき、次の走査は患者の心拍サイクル内に何らの隙間を持たせずに開始することが可能である。しかし、全走査時間が心拍サイクルよりも長い場合、走査は次の心拍サイクルに開始することはできない。該次の心拍サイクルはスキップしなければならない。全走査時間が2つの心拍サイクルよりも長い場合、何らデータ取得が行われない2つの無駄なサイクルが存在することになる。ガントリ走査速度を変更し(データ取得時間を変更し)且つテーブルが移動すべき距離の長さを変更(走査間遅延を変更)することによって、無駄に費やされる時間が最小になるように全走査時間を修正することができる。テーブルの移動距離を短くすることが必要である場合、患者に対するX線照射線量を低減するように患者照射前コリメーションを変更することができる。すなわち、テーブルが単一の心拍サイクル内に適合するように移動することのできる最大距離が35mmである場合、一次X線ビームを35mmにコリメートすることによってX線カバー範囲を低減して、すなわち、35mm〜40mmにして、付加的な照射線量が患者に加えられないようにしなければならない。
次に図9及び図10を参照して説明すると、本発明の別の実施形態では、全取得時間を短縮し及び/又は画像品質を改善するために、心臓全体を「順序を狂わせて」走査することができる。例えば、従来の取得では、図9に例示するように、心臓120が頂部から底部まで順次にカバーされている。しかしながら、図10に例示するようにコントラストを最適化するために、所与の走査を中位又は頂部位置から開始して、別の部分を走査する位置へスキップすることが有利なことがある。
更に、心臓の異なる部分を僅かに異なる心拍時相で走査できると考えられる。また周知のように、心臓全体は完全に同期して動くことはない。従って、右心房についての最良の休止時相は左心室にとって最良の位置ではないことがある。そこで、本発明では、各位置を独立に取得できるようにする。従って、解剖学的構造に合わせて取得を調整するように修正を行うことができる。
別の実施形態では、本発明は、隣接の半走査の投射角度の間の関係を所望の関係に維持するようにデータ取得中のガントリ回転速度を制御することを対象とする。半走査イメージングは時間的分解能を改善するための心臓CTイメージング用の通常のイメージング手法である。半走査イメージングでは、π+2γの投射角度にわたる投射が2πの代わりに使用される。ここで、γは検出器の扇形角度である。このような再構成法は下記の式によって特徴付けることができる。
Figure 0005101045
ここで、w(s,β)は半走査重みであり、
w(s,β)=3θ(γ,β)−2θ(γ,β) 式(2)
また、
θ(γ,β)=β/(2γ−2γ) ;θ≦β<(2γ−2γ)のとき、
=1 ;(2γ−2γ)≦β<(π−2γ)のとき、
=(π+2γ−β)/(2γ+2γ)
;(π−2γ)≦β<(π+2γ)のとき、
式(3)
である。
上記の式で、DはX線源とシステムのアイソセンタとの間の距離であり、s及びvは再構成された画素(x,y,z)に従った投射チャンネル位置及び列位置であり、βは投射角度であり、γはsに対応する検出器の扇形角度である。
本書で述べるような歩進−撮影型(step-and-shoot)データ取得の場合、完全にサンプリングされた領域は、検出器アイソセンタ・カバー範囲に等しい高さを持つ円筒形ディスクよりも小さい。すなわち、円錐形ビーム形状は各投射のカバー範囲を、図11に例示されているように、線源近くの所望のボリュームよりも遥かに狭いデータ取得区域を持つ領域に低減する。そこからデータを取得するボリューム122は、単一の半走査では完全にはサンプリングされない。これに関して、第1の半走査の扇形ビーム124では、サンプリング・ボリューム122の内の領域126からデータを取得し損なう。結果として、画像アーティファクトが2πの角度範囲にわたって生じるようになる恐れがある。
歩進−撮影型心臓ゲート式CTデータ取得において画像アーティファクトの発生を低減するために、本発明は更に、一対の相補的な半走査の投射角度の間の差がほぼπラジアンになるように、データ取得中にガントリ回転を制御することを対象とする。すなわち、X線扇形ビームが円錐形ビーム形状であるので、検出器に近い方の領域が、検出器アイソセンタにおけるカバー範囲よりもかなり大きいz範囲をカバーする。従って、2つの投射が(アイソセンタにおいて)一検出器幅分だけ隔たっていて、且つそれらの投射角度がπラジアンだけ異なっていると、サンプリング・ボリューム内にサンプリング隙間は殆ど生じない。このことを図11に例示する。
図示のように、扇形ビーム128によって規定された投射は、扇形ビーム124の投射と相補的な対を形成する。更に、扇形ビーム128は扇形ビーム124の未サンプリング領域126からデータを取り出すと共に、未サンプリング領域130を生じるが、この未サンプリング領域130は扇形ビーム124によってサンプリングされる。心臓ゲート式CTイメージングでは、扇形ビーム124及び128の間に所望の関係を維持することが望ましい。この関係は、ガントリが回転する速度、従ってX線源が回転する速度を制御することによって維持される。更に、ガントリ回転は、CTデータ取得を被検体の心臓の動きと同期させるように制御しなければならない。これを達成するためには、ECGモニタを使用して心臓の運動データを取得する。データ取得より前にECGデータを測定することによって、被検体の心拍数をCTデータの取得の前に確かめることができる。これに関して、ガントリ制御装置又は他の制御装置は、ガントリ回転速度を、2つの隣接の半走査の中心の角度がπラジアンの範囲内で異なるように保証する速度に設定することができる。詳しく述べると、ガントリ制御装置は、下記の式に基づいてガントリ回転速度を設定する。
π−Γ≦β−β≦π+Γ 式(4)
ここで、Γはπからの許容可能な変化を記述するパラメータであり、β及びβは隣接の半走査の中心投射角度である。Γについて複数の値を使用することができ、好ましい一実施形態では、π/4の値が使用される。Γは、画像品質と心拍数の変動に対するロバスト性との間の釣り合いを満足させる値を持つように選択するのが好ましい。π/4より大きいΓの値を使用することができると考えられるが、π/4以下のΓの値を使用するのが好ましい。これに関して、隣接の半走査の間での中心投射角度はほぼπラジアンだけ異なるのが好ましい。
これまでガントリの完全な一回転を一対の半走査に分割した場合について本発明を説明したが、当業者にはガントリの完全な一回転を複数の部分的走査に分割してよいことが理解されよう。これに関して、ガントリ回転は、画像アーティファクトを低減するために隣接の部分的走査の中心投射角度の間の所望の関係が維持されるように制御される。
次に図12について説明すると、部分的走査に特に適用できるデータ取得及び画像再構成手法のプロセスを記述している方法を例示する。以下に説明するように、この再構成プロセスでは、隣接の部分的走査すなわち半走査の寄与分を組み合わせて、単一の部分的走査において見過ごされた領域すなわち未サンプリング領域を補償する。例示の目的で、この再構成手法を半走査の場合について説明するが、該手法は他の種類の部分的走査に拡張できることは勿論である。
このイメージング手法132は段階134で始まり、段階136において複数の部分的走査でイメージング・ボリュームをサンプリングする。前に述べたように、隣接の半走査の中心角度が(π−Γ,π+Γ)によって規定される範囲内で異なるのが好ましい。幾つかの投影データ・セットがサンプリング・ボリュームから取得された後、以下に述べるように、各投影データ・セットは重み付け及びリビンニング(rebinning) 処理を受ける。
手法132は、次に、処理のために投影データ・セットを選択する(段階138)。次いで、選択した投影データ・セットについて列毎の扇形から平行へのビーム・リビンニングを行う(段階140)。これに関して、投影データ・セットp(s,ν,β) について、隣接の投影サンプルp(s’,ν’,β’) を検査する(段階142)。ここで、|β−β’|=nπであり、nは奇数である。隣接の投影データ・セットの比較から、重み関数を決定する(段階144)。詳しく述べると、ν及びν’を比較することによって、重み関数ξ(x,y,z) が再構成の逆投影段階の際に下記の式で表されるように規定される。
ξ(x,y,z)
=[ε(x,y,z)]/[ε(x,y,z)+ε(x,y,z)]
式(5)
ここで、
ε(x,y,z) =0 ;|ν|>ν+Δのとき、
=1−|ν−ν|/Δ ;ν≦ν<ν+Δのとき、
=1 ;|ν|<νのとき、
式(6)
である。
εも同様に規定される。次いで、この重み関数を、選択したデータ・セットに適用し(段階146)、選択した投影データ・セットの画像を下記の再構成方程式に従って再構成する(段階148)。
Figure 0005101045
本手法は次いで段階150へ進み、処理すべき追加の投影データ・セットがあるか否か判定する。もしあれば(段階150,152)、各投影データ・セットについて段階138〜148を繰り返す。全ての投影データ・セットが処理されたときは(段階150,154)、隣接の再構成の和から最終的な画像を再構成する(段階156)。この再構成プロセスは段階158で終了する。
上述のプロセスは生の投影データの処理に関して説明したが、上述のプロセスは等価的に画像空間において実行することができると考えられる。すなわち、単一の半走査データ・セットの各々の再構成画素について品質係数η(x,y,z)が規定される。品質係数は次のように規定することができる。
Figure 0005101045
ここで、
φ(ν,β)=0 ;|ν|≦νのとき、
=|ν−ν|/Δ ;ν<ν<ν+Δのとき、
=1 ;|ν|≧ν+Δのとき、
式(9)
である。
ここで、サンプリングが完全である、すなわち、サンプリング不足のない中心領域では、η=0であることに注意されたい。有意なサンプリング不足を生じる領域では、ηは大きくなる。最終的な再構成画像は、下記の方程式によって規定されるように2つの隣り合う半走査画像の組合せである。
Figure 0005101045
以上、隣り合う歩進−撮影型走査の間で走査のオーバーラップが無いことに関して本発明を説明した。この代わりに、画像品質を高めるためにオーバーラップを与えるように半走査を規定することができると考えられる。これに関して、画像再構成の際にオーバーラップした領域で付加的な画像混合を実施することができると考えられる。
また、本発明は半走査又は他の部分的走査に加えてセクタをベースにした走査に適用可能とすることができると認められる。これに関して、被検体の位置は数個の心拍サイクルにわたって固定したままにする。各サイクル内に所要の投影データ・セットの一部分を取得する。走査速度が心拍数と同期するように選択されているとき、複数の心拍サイクルにわたって非冗長な投影を取得することができる。再構成プロセスの際に、これらの取得したデータ・セットを混合して、完全な1つのデータ・セットを形成する。この方策は時間的分解能の改善を可能にする。この代わりに、各心拍サイクルにわたって検出器カバー範囲の一部分にテーブルを割り出すことができる。該一部分は、再構成のために必要とされるセクタの数によって決定される。例えば、2セクタ取得を使用するときは、テーブルが各心拍サイクルにおいてスキャナ・カバー範囲の大体50%動かされる。
ここで、上述の取得が、心臓の複数の時相を走査することを必要とする取得モードに容易に拡張できることを理解されたい。このようなプロトコルでは、テーブルを次の位置に割り出す前に、全ての心拍時相についての投影データを取得するまでX線はオンにする。例えば、拡張末期の時相及び収縮末期の時相で患者を走査することが可能である。データ取得の際、これらの2つの時相に対応するデータ・セットは、テーブルを次の位置へ動かす前に取得する。
従って、本発明は、走査対象の被検体を受け入れるための開口部を持つ回転可能なガントリと、該開口部を通って前後に動かすことの可能なテーブルとを有するCTイメージング・システムを含む。該システムはまた、テーブル上に配置された被検体を第1のデータ取得位置へ動かすように構成されている制御装置を有する。この制御装置は更に、第1のデータ取得位置にある被検体からのイメージング・データの取得を、被検体の心拍サイクルと協調させるように構成されている。更に、制御装置は、第1のデータ取得位置で取得されたイメージング・データが容認できると見なされた場合だけ、第1のデータ取得位置とは異なる被検体データ取得位置へ被検体を進めるように構成されている。
本発明は更に、心臓CTイメージング方法を含み、該方法では、複数の離散的なデータ取得位置の内の第1のデータ取得位置に被検体を位置決めする。次いで、被検体を第1のデータ取得位置に位置決めした状態で、ゲート式CTデータのデータ・セットを被検体の心臓領域から取得する。本方法は更に、データ・セットが有効であるか判定する段階と、有効である場合は、被検体を第1のデータ取得位置とは異なる第2のデータ取得位置に位置決めする段階とを含む。データ・セットが無効である場合、本方法は更に、被検体を第1のデータ取得位置に位置決めした状態で、ゲート式CTデータのデータ・セットを被検体の心臓領域から再取得する段階を含む。
本発明はまた、一組の命令を表すコンピュータ・プログラムがその上に記憶されているコンピュータ読出し可能な記憶媒体で具現化される。該一組の命令は、コンピュータによって実行されたとき、CTシステムのテーブル上に位置決めされた走査対象の被検体を複数の離散的な走査位置に増分的に平行移動させるようにコンピュータを動作させる。コンピュータは更に、各走査位置で生理事象ゲート式CTデータを取得し、且つ各走査位置でデータ取得中の走査対象被検体の生理的運動を監視するように動作させられる。該一組の命令は更に、走査位置に位置決めされているときの走査対象被検体からのデータ取得中に走査対象被検体の生理的運動の不規則さが検出された場合、該走査位置での走査対象被検体からのデータ取得を中断するように、コンピュータを動作させる。
本発明は更に、内部に配置されたX線源を持つと共に、その中に走査対象の被検体を配置した開口部の周りを回転するように構成された回転可能なガントリを含んでいるスキャナを対象とする。スキャナは更に、走査対象の被検体から心臓運動データを取得するように構成されているECGモニタと、ガントリの完全な一回転を複数の部分的走査に分けて規定するように構成されている制御装置とを有する。制御装置は更に、隣接の部分的走査の中心投射角度が大体πラジアンだけ異なるようにガントリを回転させる構成を有する。
また本発明では、走査対象の被検体を受け入れるための開口部を含む回転可能なガントリと、回転可能なガントリ内に配置され且つCTデータ取得の際に被検体にX線の扇形ビームを投射するように構成されているX線源とを有するものとして、CTイメージング・システムも開示する。本システムは更に、開口部を通って前後に動かすことの可能なテーブルと、一対の相補的な半走査でサンプリング領域から心臓ゲート式CTデータを取得するようにプログラムされているコンピュータとを含んでいる。コンピュータは更に、一つの半走査でのX線の中心投射角度が相補的な半走査でのX線の中心投射角度からほぼπラジアンだけ異なるように、サンプリング領域からのCTデータ取得中に回転可能なガントリをガントリ速度で回転させるようにプログラムされている。
CTイメージング方法もまた開示する。本方法は、データ取得のために走査対象被検体を平行移動させるべき複数の離散的な走査位置を規定する段階と、走査対象被検体が離散的な走査位置に位置決めされているときに環状の回転経路に沿って走査対象被検体の周りを所定の回転速度で一連の投射角度にX線源を回転させる段階とを含む。本方法は更に、X線源の各一回転を第1の半走査及び第2の半走査に分けて規定する段階と、第1の半走査の各投射角度について、第2の半走査の相補的な投射角度を規定する段階とを含む。本方法はまた、第1の半走査の投射角度が第2の半走査の相補的な投射角度からほぼπラジアンだけ異なるように、X線源の回転速度を制御する段階も含む。
また、CTスキャナを開示する。CTスキャナは、走査対象の被検体にX線を投射するように構成されているX線源と、X線源によって投射されて被検体によって減弱したX線を検出するように構成されているX線検出器アセンブリとを含む。CTスキャナはまた、一対の隣接の部分的走査においてイメージングすべきイメージング・ボリュームを規定し、且つ第1の部分的走査においてイメージング・ボリュームの全部よりも小さい部分から第1組のCTデータを取得するようにプログラムされているコンピュータを含む。コンピュータは更に、第2の部分的走査においてイメージング・ボリュームの全部よりも小さい部分から第2組のCTデータを取得し、且つ第1及び第2組のCTデータを組み合わせてイメージング・ボリュームの空間的カバー範囲を持つ複合データ・セットを形成するようにプログラムされている。次いで、コンピュータは複合データ・セットからイメージング・ボリュームのCT画像を再構成する。
また、CTイメージング方法も開示する。本方法は、そこからCTデータを取得しようとするイメージング・ボリュームを規定する段階と、走査対象の被検体を複数の離散的な走査位置の内の1つに平行移動させる段階とを含んでいる。本方法は更に、被検体が前記1つの離散的な走査位置に位置決めされている間に一連の部分的走査でCTデータを繰り返し取得する段階と、前記一連の部分的走査で取得されたCTデータを混合(blend) して、再構成のための単一のデータ・セットを形成する段階とを含む。
また、本発明は、一組の命令を表すコンピュータ・プログラムが記憶されているコンピュータ読出し可能な記憶媒体を含み、該一組の命令は、コンピュータによって実行されたとき、第1の半走査において第1組の心臓ゲート式CTデータを取得し且つ第2の半走査において第2組の心臓ゲート式CTデータを取得するようにコンピュータを動作させ、第2組の心臓ゲート式CTデータを取得するサンプリング領域の内の一部分が第1組の心臓ゲート式CTデータを取得するサンプリング領域の内の別の部分と隣接するようにする。コンピュータは更に、第1組の心臓ゲート式CTデータを第2組の心臓ゲート式CTデータと比較して重み関数を決定し、該重み関数で第1組の心臓ゲート式CTデータに重み付けするように作動される。コンピュータは次いで、サンプリング領域の画像再構成のために、前記重み付けした第1組の心臓ゲート式CTデータを第2組の心臓ゲート式CTデータと組み合わせる。
本発明を好ましい実施形態について説明したが、明確に述べたものの他に、等価物、代替物、及び変更が特許請求の範囲内で可能であることが認められよう。
従来の心臓CTデータ取得の場合に起こり得るカバー範囲の隙間を例示する、時間とz方向の検出器列位置との間の関係を示すグラフである。 本発明を取り入れたCTシステムの斜視図である。 図2に例示したシステムのブロック構成図である。 本発明による心臓CTデータ取得のプロセスを表す流れ図である。 本発明の別の実施形態による心臓CTデータ取得のプロセスを表す流れ図である。 模範的なECG信号の概略図である。 本発明の別の実施形態によるオーバーラップするデータ取得領域を例示する概略図である。 所与の心拍サイクルに対するデータ取得時間及び走査間遅延を例示する模範的なECG信号の概略図である。 従来の方法での心臓の逐次的走査を例示する概略図である。 本発明の一実施形態に従った心臓の非逐次的走査を例示する概略図である。 一対の相補的な半走査でイメージングされているイメージング・ボリュームを例示する概略図である。 本発明による部分的走査手法のプロセスを表す流れ図である。
符号の説明
2 心拍サイクルを表す線
4 検出器列の位置を表す線
6 再構成窓
8 隣り合うボリューム間の隙間
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 複数の検出器
22 患者
24 回転中心
26 制御機構
33 ECGモニタ
35 導線
48 ガントリの開口部
50 離散的な走査位置に増分的に歩進させる手法
76 データ取得を中断する手法
102 ECG信号
104 Rピーク
105 R−R間隔
106 データ取得窓
108 データ取得
110 データ取得
112 データ取得
114 ECG信号
116 データ取得時間
118 走査間遅延
120 心臓
122 サンプリング・ボリューム
124 扇形ビーム
126 未サンプリング領域
128 扇形ビーム
130 未サンプリング領域

Claims (10)

  1. 回転するガントリに設けられ、走査対象の被検体(22)にX線(16)を投射するように構成されているX線源(14)と、前記X線源(14)によって投射され且つ前記被検体(22)によって減弱したX線を検出するように構成されているX線検出器アセンブリ(18)と、コンピュータ(36)と、を有するCTスキャナ(10)であって、
    前記コンピュータ(36)は、
    一対の隣接の部分的走査(124,128)においてイメージングすべきイメージング・ボリューム(122)を規定し、
    第1の部分的走査(124)において前記イメージング・ボリュームの部分(130)から第1組のCTデータを取得し、
    第2の部分的走査(128)において前記イメージング・ボリュームの他の一部分(126)から第2組のCTデータを取得し、
    前記第1及び第2組のCTデータの取得(84)が測定した心臓運動(114)と同期し、前記第1及び第2の部分的走査の中心投射角度がπだけ異なるように、前記ガントリの回転速度を前記測定した心臓運動(114)に基づいて制御し、
    前記第1及び第2組のCTデータを組み合わせて前記イメージング・ボリューム(122)の空間的カバー範囲を持つ複合データ・セットを形成し、
    前記複合データ・セット(156)から前記イメージング・ボリュームのCT画像を再構成するようにプログラムされていること、
    を特徴とするCTスキャナ(10)。
  2. 前記コンピュータ(36)は更に、前記第2の部分的走査(128)の空間的カバー範囲(126)に部分的にオーバーラップする前記第1の部分的走査(124)についての空間的カバー範囲(130)を規定するようにプログラムされている、請求項1記載のCTスキャナ。
  3. 前記コンピュータ(36)は更に、
    π−Γ≦βA−βB≦π+Γ
    に基づいて前記ガントリの回転速度を設定するようにプログラムされており、
    ここで、Γはπからの許容可能な変化を記述するパラメータであり、βA 及びβB は隣接の半走査の中心投射角度である、請求項1または2に記載のCTスキャナ。
  4. Γ=π/4である、請求項記載のCTスキャナ。
  5. 前記コンピュータ(36)は更に、前記第1及び第2組のCTデータについて列毎の扇形から平行へのビーム・リビンニングを行う(140)ようにプログラムされている、請求項1乃至4のいずれかに記載のCTスキャナ。
  6. 前記コンピュータ(36)は更に、前記第2組のCTデータに基づいて前記第1組のCTデータに重み付けする(146)か前記第1組のCTデータに基づいて前記第2組のCTデータに重み付けする(146)ことの一方を行うようにプログラムされている、請求項記載のCTスキャナ。
  7. 更に、前記被検体(22)の前記心臓運動(114)を監視するECGモニタ(33)が設けられいる、請求項1乃至6のいずれかに記載のCTスキャナ。
  8. 前記コンピュータ(36)は更に、被検体(22)が所与のテーブル位置に固定されている間に前記第1及び第2組のCTデータを取得する(84)ようにプログラムされている、請求項1乃至7のいずれかに記載のCTスキャナ。
  9. 前記コンピュータ(36)は更に、隣接の部分的走査を半走査(124,128)として規定するようにプログラムされている、請求項1記載のCTスキャナ。
  10. 前記コンピュータ(36)は更に、被検体(22)の測定された各心拍サイクル(114)にわたって検出器(18)カバー範囲の一部分だけ前記ガントリの開口部(48)に被検体(22)を平行移動させるようにプログラムされている、請求項1乃至9のいずれかに記載のCTスキャナ。

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