JP5264268B2 - 単位面積質量画像の作成方法 - Google Patents
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Description
放射源による放射の発生および放射による検査対象の透視ステップ、
放射による検出装置の作動および検出装置による異なるエネルギー範囲での減弱画像の検出ステップ、
検出装置の後に接続された評価ユニットによる単位面積質量画像の決定ステップ、
を有する単位面積質量画像の作成方法に関する。
WARP,R.J.;DOBBINS,J.T.:Quantitative evaluation of noise reduction strategies in dual-energy imaging:Med.Phys. 30(2),pp.190−198,Feb.2003 HINSHAW,D.A.;DOBBINS III,J.T.:Recent progress in noise reduction and scatter correction in dual−energy imaging:Proc.SPIE,1995,Vol.2432,pp.134−142 FLOYD,C.B.;BAKER,J.A.;LO,J.Y.;RAVIN C.E:Posterior Beam−Stop Method for Scatter Fraction Measurement in Digital Radiography:Investigative Radiology Feb.1992,Vol.27,pp.119−123 ZELLERHOFF,M.;SCHOLZ,B.;RUEHRNSCHOPF,E.−P.;BRUNNER,T.:Low contrast 3D−reconstruction from C−arm data:Proceedings of SPIE.Medical Imaging,2005,Vol.5745,pp.646−655
放射源により放射が発生され、この放射により検査対象が透視され、
放射により検出装置が作動され、この検出装置によって異なるエネルギー範囲での減弱画像が検出され、
対象内の多次元の単位面積質量を異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の減弱値に結合する多次元の減弱関数の逆変換により、対象内の単位面積質量が決定され、
決定された単位面積質量に基づいて減弱画像から単位面積質量画像が作成される
単位面積質量画像の作成方法において、
散乱により生じた2次放射成分が決定され、減弱画像が2次放射成分に関して、減弱によって発生した1次放射成分になるまで補正され、
異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の2次放射成分を決定するために、逆減弱関数の計算時に、散乱放射補正を実行される補正画像範囲について2次放射成分を決定するために使用される単位面積質量と同じ単位面積質量を生じる1次放射成分に関連づけられている2次放射成分が補正画像範囲内で探索される
ことを特徴とする単位面積質量画像の作成方法。(請求項1)。
本発明による方法の有利な実施態様は次の通りである。
・ 補正画像範囲が減弱係数に関して不均一な対象範囲を表し、減弱関数が多次元の単位面積質量に依存している(請求項2)。
・ 異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像内の2次放射成分が、求められた多次元の単位面積質量に基づいて近似的に決定される(請求項3)。
・ 2次放射成分がそれぞれ、多次元の単位面積質量に依存した分布関数によるそれぞれの1次放射成分の畳み込み処理によって求められる(請求項4)。
・ 分布関数が予めモンテカルロシミュレーションにより求められる(請求項5)。
・ 減弱画像内の2次放射成分が、検査対象における散乱の多次元の単位面積質量を考慮するモンテカルロシミュレーションによって求められる(請求項6)。
・ 多次元の単位面積質量の決定後に、2次放射成分が探索され、1次放射成分が補正され、補正された1次放射成分から出発して多次元の単位面積質量が新たに決定される(請求項7)。
・ 不均一な減弱係数を有する画像範囲が、骨または炭化水素を基礎としているプラスチックから作られていない移植組織を含む患者の身体領域に割り当てられている(請求項8)。
・ 補正画像範囲が、異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の個々の画素を有する(請求項9)。
・ 補正画像範囲内で、異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の画像値が平均化され、平均化された画像値に基づいて2次放射成分が決定される(請求項10)。
・ 補正画像範囲内の2次放射成分から2次放射強度が求められ、2次放射強度が補正画像範囲の外側の画像値から減算される(請求項11)。
・ 補正画像範囲内の2次放射成分に基づいて2次放射強度が算出され、2次放射強度が補正画像範囲の外側の画像値の補正のための補正係数を形成するために利用される(請求項12)。
・ 2次放射成分が、減弱画像上に広がるラスタの補正画像範囲内で決定される(請求項13)。
・ 補正画像範囲の外側の画像値が、隣接する補正画像範囲において決定された2次放射成分に依存して補正される(請求項14)。
図2はタングステンからなる陽極を有するX線管の異なった管電圧で取得された2つの光子スペクトルを示し、
図3は種々の身体構成要素について光子エネルギーに依存した質量減弱係数の推移を示し、
図4は不均一な画像範囲および均一な画像範囲を有する減弱画像を示し、
図5は異なった物質組み合わせの散乱放射強度の依存性を具体的に示すダイアグラムを示し、
図6は異なった管電圧についての水厚さに依存した散乱対1次の割合が描かれているダイアグラムを示し、
図7は散乱放射補正方法の流れ図を示し、
図8は単位面積質量画像の再構成を示すための仮想ファントムの断面図を示し、
図9は図8の仮想ファントムの平面図を示し、
図10は図8および図9のファントムの低エネルギーX線撮影のシミュレーションを示し、
図11は図8および図9のファントムの高エネルギーX線撮影のシミュレーションを示し、
図12は図8および図9の仮想ファントムの図10および図11のX線画像に基づいて再構成された軟部画像を示し、
図13は図8および図9の仮想ファントムの図10および図11のX線画像に基づいて再構成された骨画像を示す。
患者8を透過するX線放射6の信号形成は、主として放出スペクトルQU(E)、すなわち陽極での制動放射として放出される光子の、印加される管電圧Uに依存したエネルギースペクトルと、使用されるスペクトルフィルタの透過度TF(E)およびX線検出器9のスペクトル応答感度ηD(E)とによって決定される。
I1,I2 スペクトルW1(E)またはW2(E)における正規化された測定全強度
P1,P2 正規化された当初は未知の1次強度
S1,S2 正規化された当初は未知の散乱放射強度
以下において詳細に説明する方法では、一般的に次の3つの手順が実行される。
第1の手順により、両スペクトルについての予め与えられた正規化された1次強度値のペアP1,P2から、分離すべき両物質、例えば軟部組織および骨の対応する単位面積質量密度b1,b2が算出される。正規化は、測定された強度値I1,I2を、対応する減弱されていない強度値I1。0,I2。0によって割算することによって行なわれる。この手順は、
更に、第2の手順が実行される。この第2の手順により、両スペクトルでの予め与えられた空間的な1次強度分布P1(x,y),P2(x,y)および/または分離すべき両物質の求められた空間的な単位面積質量密度分布b1(x,y),b2(x,y)から、両スペクトルについての散乱強度分布S1(x,y),S2(x,y)を算出することができる。この手順は、
第3の手順として、散乱ビーム補正アルゴリズムが、
方程式(#1),(#2),(#3)は反復法により解かれる。反復アルゴリズムは3つの部分、すなわち、予め定められた初期値による反復開始と、初期値が変化させられる反復規則と、中断条件とからなる。
先ず、両スペクトルの測定された強度分布I1(x,y),I2(x,y)および減弱されない放射における強度I1.0,I2.0のみが、与えられた強度分布として受け取られる。散乱放射は未だ分かっていないために、補正されていない正規化された強度分布を初期値として設定する。すなわち、
反復規則はインデックスn(n≧0)を有する反復からインデックスn+1を有する次の反復への移行を決定する。以下において、ピクセル座標(x,y)を省略する。この場合に、2次元関数に関係することに注意を払うべきである。
3.3 反復中断
2項において重要な数学的動作式を説明したが、一般論で形式的であり、まだ具体的に説明していない。ここでそれの細部の動作および変形を説明する。
基本的には、スペクトルW1(E),W2(E)における正規化された1次強度に関して、質量減弱係数α1(E)=(μ1/ρ1)(E),α2(E)=(μ2/ρ2)(E)を有する2つの放射線学的に異なる物質の場合に、X線ビームが透過する単位面積質量密度b 1 ,b 2 [g/cm 2 ]に依存して、
散乱放射分布の決定のために、例えば既に述べた畳み込みモデルの一般化またはモンテカルロ法を使用することができる。
文献「ZELLERHOFF,M.;SCHOLZ,B.;RUEHRNSCHOPF,E.−P.;BRUNNER,T.:“Low constant 3D reconstruction from C−arm data.”:Proceedings of SPIE.Medical Imaging,2005,Vol.5745,pp.646−655」に基づく畳み込みモデルの場合には、散乱放射分布が次の数式、すなわち
基本的には、各反復ステップにおいて新たに評価される現在の両物質厚さ分布b1(x,y),b2(x,y)対する散乱放射分布を直接的にモンテカルロ法により算出することも考えられ得る。もちろん、モンテカルロシミュレーションは非常に計算費用がかかるので、モンテカルロ法の使用は高い計算能力を必要とする。
散乱放射補正は、減算によっても乗算によって行なうことができる。この場合にそれぞれ2つのスペクトルを補正することができる。
ついては、
I1'(x,y)=I1(x,y)/I1.0
I2'(x,y)=I2(x,y)/I2.0
が当てはまる。
の場合に関しては、式(#10b)に従う乗算による補正は式(#10a)に従う減算による補正に移行する。
散乱放射の空間的な分布は、ノイズは別として一般に平らであり、したがって低周波数である。これは、検出器面上の非常に僅かな個所における散乱放射を個々の点ごとにまたは関心範囲において決定することで十分であることを意味する。したがって、最も簡単な近似は2次放射強度についての適切な一定の平均値である。
ーを示す)について、散乱放射強度の対応する値対S- 1,S- 2(“S- 1,S- 2”において“−”は“S”の上に付されたバーを示す)が反復法によって決定される。ここにおいて使用されるオーバラインは概算された値、平均化された値であること表し、あるいはそれどころか一定値であることさえも表す。
ここに記載されている散乱放射補正方法はそれぞれ、検査対象の少なくとも近似的に決定された3次元ボリューム画像を用いることなく減弱画像に基づいて散乱放射成分を決定する再現可能な方法である。本方法においては、むしろ、異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像によって用いることのできる付加的な情報が散乱放射成分を評価するために使用される。
これまでに説明した方法のほかに、個々の減弱画像についてそれぞれ個別の散乱放射補正を行ない、その後得られた1次放射強度に基づいて式(#1)による逆変換を行なうことも可能である。例えば、低エネルギー減弱画像および高エネルギー減弱画像についてそれぞれ1つの空間的な低周波の散乱放射分布が決定されて、低エネルギー減弱画像または高エネルギー減弱画像の減弱値から差し引かれるとよい。
図8ないし図13に基づいて、減弱画像からの単位面積質量画像の再構成を具体的に示す医用画像化の例を説明する。
散乱放射補正を含めた反復サイクルによって物質分離の精度が明白に向上する。
2 X線管
3 陰極
4 陽極
5 電子ビーム
6 X線放射
7 前置フィルタ
8 患者
9 X線検出器
10 評価ユニット
11 表示ユニット
12 X線スペクトル(管電圧70kV)
13 X線スペクトル(管電圧120kV)
14 水の質量減弱曲線
15 脂肪組織の質量減弱曲線
16 骨組織の質量減弱曲線
17 カルシウムの質量減弱曲線
18 よう素の質量減弱曲線
19 Kエッジ
20 減弱画像
21 均一な画像範囲
22 不均一な画像範囲
23 補正範囲
24 補正範囲
25 1次放射曲線
26 散乱放射分布
27 散乱放射分布
28 1次強度に対する散乱強度の比率を示す曲線
29 1次強度に対する散乱強度の比率を示す曲線
30 値の割り当て
31 逆変換
32 評価
33 補正
34 質問
35 ファントム
36 軟部組織
37 腫瘍組織
38 骨組織
39 低エネルギー範囲におけるX線画像
40 高エネルギー範囲におけるX線画像
41 軟部画像
42 骨画像
Claims (15)
- 異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像に基づいて単位面積質量画像を作成する方法であって、
放射源(2)により放射(6)が発生され、この放射(6)により検査対象(8)が透視され、
放射(6)により検出装置(9)が作動され、この検出装置(9)によって異なるエネルギー範囲での減弱画像が検出され、
対象(8)内の多次元の単位面積質量を異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の減弱値に結合する多次元の減弱関数の逆変換により、対象(8)内の単位面積質量が決定され、
決定された単位面積質量に基づいて減弱画像から単位面積質量画像が作成される
単位面積質量画像の作成方法において、
散乱により生じた2次放射成分(26,27)が決定され、減弱画像が2次放射成分(26,27)に関して補正され、
異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の2次放射成分(26,27)を決定するために、逆減弱関数の計算時に、散乱放射補正を実行される補正画像範囲(23,24)について2次放射成分(26,27)を決定するために使用される単位面積質量と同じ単位面積質量を生じかつ減弱によって発生した1次放射成分(25)に関連づけられている2次放射成分(26,27)が補正画像範囲(23,24)内で探索される
ことを特徴とする単位面積質量画像の作成方法。 - 補正画像範囲(24)が減弱係数に関して不均一な対象範囲を表し、減弱関数が多次元の単位面積質量に依存していることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像内の2次放射成分(26,27)が、求められた多次元の単位面積質量に基づいて近似的に決定されることを特徴とする請求項2記載の方法。
- 2次放射成分(26,27)がそれぞれ、多次元の単位面積質量に依存した分布関数によるそれぞれの1次放射成分(25)の畳み込み処理によって求められることを特徴とする請求項3記載の方法。
- 分布関数が予めモンテカルロシミュレーションにより求められることを特徴とする請求項4記載の方法。
- 減弱画像内の2次放射成分(26,27)が、検査対象(8)における散乱の多次元の単位面積質量を考慮するモンテカルロシミュレーションによって求められることを特徴とする請求項3記載の方法。
- 多次元の単位面積質量の決定後に、2次放射成分(26,27)が探索され、1次放射成分(25)が補正され、補正された1次放射成分(25)から出発して多次元の単位面積質量が新たに決定されることを特徴とする請求項2乃至6の1つに記載の方法。
- 不均一な減弱係数を有する画像範囲(24)が、骨または炭化水素を基礎としているプラスチックから作られていない移植組織を含む患者(8)の身体領域に割り当てられていることを特徴とする請求項2乃至7の1つに記載の方法。
- 補正画像範囲(23,24)が、異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の個々の画素を有することを特徴とする請求項1乃至8の1つに記載の方法。
- 補正画像範囲(23,24)内で、異なるエネルギー範囲において撮影された減弱画像の画像値が平均化され、平均化された画像値に基づいて2次放射成分が決定されることを特徴とする請求項1乃至9の1つに記載の方法。
- 補正画像範囲(23,24)内の2次放射成分から2次放射強度が求められ、2次放射強度が補正画像範囲(23,24)の外側の画像値から減算されることを特徴とする請求項1乃至10の1つに記載の方法。
- 補正画像範囲(23,24)内の2次放射成分に基づいて2次放射強度が算出され、2次放射強度が補正画像範囲(23,24)の外側の画像値の補正のための補正係数を形成するために利用されることを特徴とする請求項1乃至11の1つに記載の方法。
- 2次放射成分が、減弱画像上に広がるラスタの補正画像範囲(23,24)内で決定されることを特徴とする請求項1乃至12の1つに記載の方法。
- 補正画像範囲(23,24)の外側の画像値が、隣接する補正画像範囲(23,24)において決定された2次放射成分に依存して補正されることを特徴とする請求項13記載の方法。
- 請求項1乃至14の1つに記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする減弱画像の撮影装置。
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