JP5677301B2 - 複数ピクセルｘ線源を使用したコンピュータ断層撮影走査システム及び方法 - Google Patents

Description

例えばカーボンナノチューブ電界放出技術に基づく複数ピクセルｘ線源の最近の進歩により、新しい走査幾何構造を設計して、複数ピクセルｘ線管と、検出器アレイ及びデータ収集電子工学の組合せとの間の費用のバランスを取ることができる。

最近、単一回転単一臓器走査のための画像品質を改善するための新しい走査幾何構造が提案された。しかしながら、提案されているこれらの新しい幾何構造の実施態様は、扱いにくいか、又は実際的ではない。例えば、ガントリー又はテーブルを傾斜させることによって実施される鞍形曲線走査幾何構造が提案された。しかしながら、患者を走査する際にテーブルを前後に傾斜させることは実際的ではなく、ガントリーが高速で回転している間、ガントリーを前後に傾斜させることは機械的にも困難である。定置コンピュータ断層撮影（及び断層合成）走査システムは、従来の回転走査システムと比較すると維持費が安価である利点を有している。しかしながら、電子ビーム走査源を使用してこのようなシステムを実現することは困難である。

従って、複数ピクセルｘ線源を使用した、幾何構造が改善された、改良型画像品質を提供するコンピュータ断層撮影走査システム及び方法が必要である。

対象のコンピュータ断層撮影画像を生成するためのコンピュータ断層撮影走査システムは、複数ピクセルｘ線源と、検出器アレイと、画像再構成システムとを含むことができる。複数ピクセルｘ線源は、ｚ軸に沿って配置され、連続的に活性化されるように適合された複数のピクセルを含むことができ、各ピクセルは、活性化されると、入射する電子に応答して制御可能にｘ線を放射するように構成されている。検出器アレイは、上記ピクセルから放射され、対象を通過したｘ線を検出し、検出されたｘ線からデータを生成するように構成された１行又は複数行のｘ線検出器を含むことができる。画像再構成システムは、ｘ線検出器によって生成されたデータから対象のコンピュータ断層撮影画像を生成するように構成されている。

一実施形態では、コンピュータ断層撮影システムは第３世代のコンピュータ断層撮影システムであってよい。この実施形態では、検出器アレイは、複数の検出器の行を有することができ、この行の数は、単一ピクセルｘ線源を有し、ｚ軸に沿って同じｘ線ビームカバレージを提供するコンピュータ断層撮影走査システムと比較すると少なくなっている。

一実施形態では、各ピクセルは、活性化されると、検出器アレイ全体のｘ線ビームカバレージを有するように構成することができ、コンピュータ断層撮影走査システムは、単一回転単一臓器走査のための鞍形曲線軌道を実施する複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システムであることができる。

一実施形態では、コンピュータ断層撮影システムは定置コンピュータ断層撮影走査システムであってよく、このシステムに対して、複数ピクセルｘ線源により、最小のカバレージを使用して再構成のための数学的要求を満足するｘ線ビーム設計を可能とすることができる。

複数ピクセルｘ線源を含んだ、本願明細書において説明されているシステムを組み込み、且つ、本願明細書において説明されている方法を実施するように適合させることができるコンピュータ断層撮影走査システムの斜視図である。 図１のシステムの断面端面図である。 図１のシステムの半径方向の断面図である。 検出器の行数は少ないが、複数ピクセルｘ線管を使用することによって同じＺカバレージを得る第３世代のヘリカルコンピュータ断層撮影走査システムの概念ブロック図である。 単一回転単一臓器走査アプリケーションのためのＺカバレージを広くするために複数ピクセルｘ線管を使用する複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システムの概念ブロック図である。 複数ピクセルｘ線源を使用した定置コンピュータ断層撮影システムのためのビームラインの概念ブロック図である。

本願開示では、複数ピクセルｘ線源を使用するコンピュータ断層撮影（コンピュータ化された断層放射線写真）走査システム及び方法が説明される。
コンピュータ化された断層放射線写真では、異なる投影角度からの複数のｘ線投影データを収集し、且つ、統合することによって対象の断面画像が再構成される。典型的なコンピュータ断層撮影システムでは、ｘ線源から放射されたｘ線がターゲット対象の一部を通過し、検出器アレイによって検出される。例えばｘ線源及び検出器アレイを対象の周りに回転させることにより、対象のその部分が多くの異なる方向から照射される。スパイラル（即ちヘリカル）コンピュータ断層撮影システムでは、対象がｘ線走査フィールドを通って移動する際に、ｘ線源が検出器アレイと共に連続的に回転し、それにより走査された領域全体に対する連続した一組の投影データが得られる。

検出器アレイは、走査される対象の一部を通過したｘ線ビームの強度を測定し、この操作される対象は、例えば患者の解剖学上の被走査領域であっても、又は空港で走査される１個の旅客手荷物であってもよい。ｘ線ビームによって照射される物質のその部分は、ｘ線の吸収及び散乱のうちの一方又は双方によってビームを減衰させる。従って画像化される量は、対象の被照射部分の重要な領域の内側の減衰係数の空間分布である。画像化される量を較正し、且つ、修正して、被走査物質の質量密度及び原子番号等の被走査物質の物理特性を近似するために、様々な較正及び修正が実施される。検出器アレイは、物質を通過したｘ線の減衰強度を表すデータを生成し、それらを数字化し、且つ、数字化された検出信号を画像再構成システムに送信する。

画像再構成システムは、再構成アルゴリズム及び当分野で知られている他の画像処理技法を実施し、スライス毎に、又は体積毎に対象のコンピュータ断層撮影画像を生成する。ヘリカルコンピュータ断層撮影走査では、Ｎｕｔａｔｉｎｇ Ｓｌｉｃｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（「ＮＳＲ」）アルゴリズム（米国特許第５８０２１３４号に記載されている）等の異なる再構成アルゴリズムが当分野で知られている。再構成アルゴリズムにおける最近の進歩は、A. Katsevich. "Theoretically exact FBP-type inversion algorithm for spiral CT," SIAM J. Appl. Math., 62（6）:2012-2026, 2002 （the "Katsevich"） and Kudo, H., Noo, F.及びDefrise, M., "Quasi-exact filtered backprojection algorithm for long-object problem in helical cone-beam tomography," IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING, VOL. 19, NO. 9, pp. 902-921, SEPTEMBER 2000 （the "Kudo"）において用いられているように、正確に再構成するための完全無欠条件を満足する投影データを走査幾何構造が生成する際の画像品質の改善を可能にしている。これらの参考文献は、参照によりその全体を本願明細書に援用する。

従来のｘ線源は、例えば、電界を介して電子を加速することによってｘ線を生成する熱電子ｘ線管を含むことができる。従来の熱電子ｘ線管には、通常、電子を生成するための電子源（即ちカソード）、及び電界を加速することによって加速された入射電子に応答してｘ線を放射するように適合されたｘ線放射物質を含有したｘ線ターゲット（即ちアノード）が含まれている。電界は、高電圧電源によってｘ線源に提供される電圧によって確立することができる。ｘ線は、加速された電子と、電子及びターゲット物質の原子を構築している核との相互作用によって生成される。生成されたｘ線は、ｘ線ターゲット（即ちアノード）上の、一般に焦点スポットと呼ばれているスポットから放射する。

これらの従来のｘ線源は、単一位置から単一ビームのｘ線を生成する単一ピクセルｘ線源である。最近、複数の位置からｘ線を生成する複数ピクセルｘ線源が開発された。複数ピクセルｘ線源では、ｘ線ビームは、ｘ線ターゲット内の異なる起源即ち位置から生成される。

このような複数ピクセルｘ線源の一例は、カーボンナノチューブ電界放出技術に基づく複数ピクセルｘ線管である。"A multi-beam x-ray imaging system based on carbon nanotube field emitters," Medical Imaging 2006: Physics of Medical Imaging, edited by Michael J. Flynn and Jiang Hsieh, Proceedings of SPIE Vol 6142, 614204 （2006）に、カーボンナノチューブ電界放出器に基づく複数ピクセルｘ線源が記載されている。この参考文献は、参照によりその全体を本願明細書に援用する。

複数ピクセルｘ線源の他の例は、それらに限定されないが、カソードが単一でアノード（即ちｘ線ターゲット）が複数の複数ピクセルｘ線源であって、複数のアノードの各々を介して１つの電子ビームを連続的にスイープさせることによって複数の位置からｘ線が生成され、複数のアノードがただ１つの真空エンクロージャ内に全て構造化された複数ピクセルｘ線源と、カソードが複数の複数ピクセルｘ線源であって、複数のカソードの各々が単一のアノード上の異なるスポットに当たる電子のビームを生成し、複数のカソードの全てが単一真空エンクロージャ内に収納された複数ピクセルｘ線源と、単一ハウジング構造内に収納される複数のｘ線管であって、個々の管がそれぞれ独自の真空エンクロージャを有する複数のｘ線管とを含む。

本願開示では、複数ピクセルｘ線源を使用するコンピュータ断層撮影走査システム及び方法が説明される。このコンピュータ断層撮影走査システム及び方法によれば、走査幾何構造及び画像品質を改善することができ、製造費又は維持費を低減することができる。

図面を参照すると、図１、２、及び３は、それぞれ、コンピュータ断層撮影走査システムの一実施形態の斜視図、端断面図、及び半径方向横断面図を示したものであり、この一実施形態は、少なくとも２つのピクセルを含んだ複数ピクセルｘ線源を組み込んでおり、各ピクセルは、入射する電子に応答してｘ線を放射するように構成且つ配列され、各ピクセルは、互いに独立してｘ線を生成するように別々に制御可能である。

コンピュータ断層撮影走査システム１００はコンベヤシステム１１０を含むことができ、このコンベヤシステム１１０は、コンピュータ断層撮影走査システム１２０の中央開口を通って矢印１１４で示されている方向に対象１１２を連続的に搬送するためのものである。図に示されている実施形態では、対象１１２は旅客手荷物である。コンベヤシステムは、旅客手荷物を支持するための電動機駆動ベルトを含むことができる。図に示されているコンベヤシステム１１０には複数の個別のコンベヤセクション１２２が含まれているが、他の形態のコンベヤシステムを使用することも可能である。

コンピュータ断層撮影走査システム１２０は環状形回転プラットフォーム又はディスク１２４を含むことができ、この環状形回転プラットフォーム又はディスク１２４は、回転軸１２７（図３に示されている）の周りの回転のためのガントリーサポート１２５内に配置され、この回転軸１２７は、旅客手荷物１１２の進む方向１１４に対して平行であることが好ましい。ディスク１２４は、ベルト１１６及び電動機駆動システム１１８、又は他の適切な駆動機構等の任意の適切な駆動機構によって回転軸１２７の周りに駆動され、他の適切な駆動機構とは、１９９５年１２月５日にＧｉｌｂｅｒｔ Ｍｃｋｅｎｎａに発行された「x-ray Tomographic Scanning system」という名称の米国特許第５４７３６５７号に記載されている駆動機構等であり、この特許は本譲受人に譲渡されており、参照によりその全体を本願明細書に援用する。回転プラットフォーム１２４は、中央開口１２６を定めており、コンベヤシステム１１０は、この中央開口１２６を通って旅客手荷物１１２を運ぶ。ｚ軸は、コンベヤの移動する方向、即ちコンベヤシステムを全く移動させることなく走査する場合の回転プラットフォームに対して直角の軸として定められている。

システム１２０には、以下でその一実施形態をより完全に説明する複数ピクセルｘ線源１２８、及び検出器アレイ１３０が含まれている。複数ピクセルｘ線源１２８及び検出器アレイ１３０は、プラットフォーム１２４の直径の正反対の側に配置されている。検出器アレイ１３０は、１行又は複数行の検出器を含むことができる。

システム１２０には、更に、検出器アレイ１３０によって生成される信号を受け取り、且つ、処理するためのデータ収集システム（ＤＡＳ）１３４、及びｘ線管１２８に電力を供給するか、さもなければｘ線管１２８の動作を制御するためのｘ線管制御システム１３６が含まれている。また、システム１２０は、データ収集システム１３４の出力を処理し、システム１２０を動作させ、且つ、制御するために必要な信号を生成するためのコンピュータ化システム（図示せず）を備えていることが好ましい。コンピュータ化システムは、生成された画像を始めとする情報を表示するためのモニタを含むことも可能である。また、システム１２０には、例えば放射がガントリー１２５を越えて伝搬するのを防止するための、鉛から製造することができるシールド１３８が含まれている。

以下でより完全に説明されるように、複数ピクセルｘ線源１２８には、間隔を隔てた少なくとも２つの個別のピクセルが含まれており、これらのピクセルから個々に制御されるｘ線ビームを独立して創成し、且つ、生成することができる。図１〜３に一括して１３２で示されているこれらのビームは、三次元画像視野を通過し、搬送システム１１０は、この三次元画像視野を通って旅客手荷物１１２を運ぶ。画像視野に配置された旅客手荷物が通過すると、検出器アレイ１３０は、個々のビーム１３２を受け取ることができる。次に、検出器アレイは、対象１１２の露出部分の密度を表す信号を生成する。従ってビーム１３２は、空間の走査体積を定めている。

プラットフォーム１２４は、その回転軸１２７の周りに回転し、それにより、コンベヤシステム１１０が中央開口１２６を通って対象を連続的に運ぶ際に、ｘ線源１２８及び検出器アレイ１３０が対象１１２の周りに円軌道で運ばれ、対応する複数の投影角度で複数の投影が生成されることになる。複数エネルギー走査モードが構成されると、制御システム１３６は、ｘ線管１２８のピクセルの各々への異なる電圧の印加を個別に制御する。次に、検出器アレイ１３０は、様々な投影角度におけるｘ線スペクトルの異なるエネルギーレベルに対応するデータを受け取る。

図４は、本願開示の一実施形態によるコンピュータ断層撮影走査システム４００の概念ブロック図である。コンピュータ断層撮影走査システムには、ｘ線検出器の行数を少なくし、且つ、ｚ軸（即ち回転軸）に沿って同じｘ線ビームカバレージを提供するために複数ピクセルｘ線源が使用されている。

コンピュータ断層撮影走査システム４００は、ｘ線源及び検出器アレイが自由に回転するガントリーに取り付けられる第３世代のヘリカル又はスパイラルコンピュータ断層撮影システムであってもよい。従来のヘリカルコンピュータ断層撮影システムでは、走査システムを介して回転軸（ｚ軸）に沿って走査している間、テーブルが患者（又は他の対象）を滑らかに移送し、ｘ線ビームが走査される患者（又は他の対象）に対してヘリカル経路を追従するようにしている。このような従来のヘリカルコンピュータ断層撮影システムでは、スリップリングを使用して電力及びデータのオン及びオフを回転ガントリーに伝達することができ、ｘ線管に供給するのに十分に強力であるがガントリー上に設置するのに十分に小型であるスイッチモード電源を使用することができる。

図に示されている実施形態では、コンピュータ断層撮影走査システム４００には複数ピクセルｘ線源４１０が含まれている。複数ピクセルｘ線源４１０には、ｚ軸に沿って配置された複数のピクセル４１５が含まれている。複数ピクセルｘ線源４１０内のこれらの複数のピクセルの各々は、連続的に活性化される。個々のピクセルは、活性化されると、入射する電子に応答して制御可能にｘ線を放射する。本願開示の一実施形態では、複数ピクセルｘ線源は、１つ又は複数のカーボンナノチューブ電界放出ｘ線管を含むことができる。カーボンナノチューブ電界放出ｘ線管は、複数のカーボンナノチューブ電界放出カソードを含むことができ、それらの各々は、ｘ線ビームの１つのピクセルを生成するために、１つのアノード位置にねらいを定めた電子ビームの１つのピクセルを提供する。

本願開示の他の実施形態では、複数ピクセルｘ線源は、１つ又は複数のカーボンナノチューブ電界放出ｘ線管を含むことができる。カーボンナノチューブ電界放出ｘ線管は、複数のカーボンナノチューブ電界放出カソードを含むことができ、それらの各々は、ｘ線ビームの１つのピクセルを生成するために、１つのアノード位置にねらいを定めた電子ビームの１つのピクセルを提供する。

本願開示の他の実施形態では、複数ピクセルｘ線源は、複数の真空エンクロージャを含むことができ、それらの各々にはアノード及びカソードが含まれており、また、それらの各々はｘ線源のピクセルである。言い換えると、この実施形態では、複数ピクセルｘ線源は、単一ハウジング構造内に収納され、独自の真空エンクロージャを個々に有する複数のｘ線管を含むことができる。

コンピュータ断層撮影走査システム４００には、更に、検出器アレイ４２０が含まれている。検出器アレイ４２０には、１行又は複数行のｘ線検出器４２５が含まれている。ｘ線検出器は、ピクセルから放射され、対象を通過したｘ線を検出し、且つ、検出されたｘ線からデータ（対象の軸方向のスライスを通過したｘ線の減衰係数の空間分布に関するデータ）を生成する。画像再構成システム（図示せず）は、ｘ線検出器によって生成されるデータを使用して対象のコンピュータ断層撮影画像を生成する。

コンピュータ断層撮影走査システム４００には、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイのためのガントリー又はサポート（図示せず）が含まれている。サポートは、対象が走査されている間、ｘ線源及び検出器アレイをｚ軸の周りに回転させる。

コンピュータ断層撮影走査システム４００は、更に、ピクセルを連続的に活性化させるコントローラを含むことができる。コントローラは、ピクセルの連続的な活性化のタイミングを制御し、即ち、タイミングシーケンスに従って複数のピクセルを連続的に活性化させる。また、コントローラは、ピクセル毎にｘ線放射の継続期間、強度、及びエネルギーレベルを制御する。

一実施形態では、コントローラは複数のピクセルを連続的に活性化させるように更に構成することができ、単一ピクセルｘ線源を有する複数検出器行コンピュータ断層撮影ヘリカル走査システムによって達成されるｚ軸に沿ったｘ線ビームカバレージ及びデータカバレージと比較して、ｚ軸に沿って同じｘ線ビームカバレージが実質的に達成され、画像再構成システムに使用されるヘリカル再構成アルゴリズムのための同様のデータカバレージが生成されるようにしている。

図に示されている実施形態には、単一ピクセルｘ線源の代わりに複数ピクセルｘ線源が使用されているため、ｚ軸に沿って同じｘ線ビームカバレージを提供するために複数の行の検出器を備えた単一ピクセルｘ線源を使用する複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システムと比較すると、検出器アレイ内の検出器の行数を少なくすることができる。このような複数ピクセル源及び単一検出器行構成によれば、異なる検出器行間の散乱効果が抑制され、この散乱効果は、単一ピクセルｘ線源を使用する従来の複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システムに生じているものである。

図４に示されている実施形態では、コンピュータ断層撮影走査システム４００には単一行のｘ線検出器が含まれており、複数ピクセルｘ線源にはＮ個の複数のピクセルが含まれている。コンピュータ断層撮影走査システム４００は、Ｎ行のｘ線検出器及び単一ピクセルｘ線源を有する複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システムと比較すると、１回転毎に同じｘ線ビームカバレージをｚ軸に沿って提供する。従来の第３世代のヘリカルコンピュータ断層撮影走査には、図４の左側に示されているように、複数の行の検出器を備えた１つのｘ線源が使用されている。図４に示されている実施形態では、複数ピクセルｘ線源４１０が使用されている。１回転毎にｚ軸に沿った同じｘ線ビームカバレージで、（例えば図４の右側に示されているように単一行の検出器まで）検出器の行数を少なくすることができる。

この方法によれば、Ｎ＝２４行等の複数行Ｎ検出器アレイ走査システムを備えた１つのｘ線源を、１行の検出器を備えた、Ｎ＝２４ピクセル等の複数ピクセルＮｘ線源に構成することができる。他の実施形態では、検出器アレイには、多数のＮ１行のｘ線検出器が含まれており、複数ピクセルｘ線源にはＮ２個の複数のピクセルが含まれており、Ｎ１×Ｎ２＝Ｎである。これらの実施形態では、コンピュータ断層撮影走査システムは、単一ピクセルｘ線源及びＮ行のｘ線検出器を有する複数行検出器コンピュータ断層撮影走査システムの場合と同じｘ線ビームカバレージをｚ軸に沿って提供するように適合されている。言い換えると、本願開示の異なる実施形態は、Ｎ＝Ｎ_１×Ｎ_２になるよう、ｘ線源の数Ｎ_１及び検出器の行数Ｎ_２に対するＮの係数の任意の異なる組合せを使用することができ、例えばＮ_１＝８、Ｎ_２＝３を使用することができる。

これらの構成では、検出器行のｘ線ピクセル活性化タイミング及び間隔は、単一ピクセルｘ線源を有する複数行検出器コンピュータ断層撮影走査システムと比較して同じｘ線ビームカバレージが保証されるように構成される。隣接する検出器行と検出器行の間、又は隣接するｘ線ピクセルとｘ線ピクセルの間に大きな間隔を構成することにより、単一ピクセルｘ線源を有する複数検出器行コンピュータ断層撮影ヘリカル走査システムと比較して、同じｘ線ビームカバレージをｚ軸に沿って得ることができ、また、画像再構成システムに使用されるヘリカル再構成アルゴリズムのための同様のデータカバレージを生成することができる。

ｘ線源及び検出器アレイが回転している間、ｚ軸に沿ったｘ線ビームカバレージに影響を及ぼすことなくコンピュータ断層撮影走査システムの検出器アレイ内のｘ線検出器行の数を少なくする方法が開示される。この方法は、Ｎ１個の複数のピクセルを有する複数ピクセルｘ線源及び多数のＮ２行のｘ線検出器を提供するステップを含むことができる。この方法は、更に、単一ピクセル源及び複数のＭ行のｘ線検出器を有するコンピュータ断層撮影走査システムの場合と同じｘ線カバレージを提供するために、ｚ軸に対して実質的に平行な方向に沿って連続的にピクセルを活性化させるステップを含むことができ、Ｍ＝Ｎ１×Ｎ２である。

また、最新の複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システム、例えば３２０−スライス・コンピュータ断層撮影走査システムを使用した画像品質改善は、単一回転単一臓器走査アプリケーションのためにｚ軸に沿ったカバレージを広くするための複数ピクセルｘ線管を使用して実施することも可能であり、この単一回転単一臓器走査アプリケーションは、それらに限定されないが、心臓画像化及び肝臓画像化を含むことができる。この方法によれば、データは、正確に再構成するための完全無欠条件を満足することができる。

図５は、本願開示の他の実施形態による、複数ピクセルｘ線源を使用する改良型複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システム５００の概念ブロック図である。この改良型複数検出器行コンピュータ断層撮影走査システム５００には、単一回転単一臓器コンピュータ断層撮影走査アプリケーション、例えば心臓コンピュータ断層撮影画像化及び肝臓画像化のためにｚ軸に沿ったカバレージを広くするための複数ピクセルｘ線源が使用されている。

コンピュータ断層撮影システム５００には複数ピクセルｘ線源５１０が含まれている。複数ピクセルｘ線源５１０には、ｚ軸に沿って配置された複数のピクセル５１５が含まれている。個々のピクセルを連続的に活性化させ、入射する電子に応答して制御可能にｘ線を放射することができる。

コンピュータ断層撮影システム５００には、更に、複数の行のｘ線検出器５２２を有する検出器アレイ５２０が含まれており、即ち検出器アレイ５２０は２Ｄ（二次元）アレイである。検出器アレイ５２０内の検出器５２２は、ピクセルから放射され、対象を通過したｘ線を検出し、且つ、検出されたｘ線からデータを生成するように構成されている。画像再構成システム（図示せず）は、ｘ線検出器によって生成されるデータから対象のコンピュータ断層撮影画像を生成する。コンピュータ断層撮影走査システム５００は、更に、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイのためのガントリーサポート（図示せず）を含むことができ、このガントリーサポートは、対象が走査されている間、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイをｚ軸の周りに回転させる。

コンピュータ断層撮影走査システム５００は、更に、ピクセルを連続的に活性化させ、且つ、ピクセルの連続的な活性化のタイミング、並びにピクセルによって放射されるｘ線ビームの継続期間及び強度を制御するコントローラ（図示せず）を含むことができる。

例えば図５に参照番号５４１、５４２、及び５４３によって示されているように、複数ピクセルｘ線源内の個々のピクセル５１５は、活性化されると、検出器アレイ全体に及ぶｘ線カバレージを有するように構成されている。一実施形態では、複数スリットコリメータを使用することによってｘ線ピクセル毎にこのようなカバレージを構成することができる。言い換えると、ｘ線源の個々のピクセルは、一度で検出器アレイ全体に及ぶｘ線カバレージを有しており、画像再構成のためのデータの完全無欠条件を満足するよう、１回転のデータ毎にｘ線源を制御することができ、それにより画像品質が改善される。

図５に示されている実施形態では、コントローラは、複数ピクセルｘ線源５１０及び検出器アレイが３６０度回転している間に、検出器アレイ内の検出器によって画像再構成システムのための一組の完全なデータが生成される方法で複数ピクセルｘ線源内のピクセルを制御している。

単一回転単一臓器コンピュータ断層撮影走査における画像品質を改善する方法は、複数のピクセルを有する複数ピクセルｘ線源、及び複数の行のｘ線検出器を含んだ検出器アレイを提供するステップを含むことができ、複数ピクセルｘ線源内の個々のピクセルは、ピクセルが活性化されると、検出器アレイ全体に及ぶｘ線ビームカバレージを有している。この方法は、更に、対象が走査されている間、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイをｚ軸の周りに回転させるステップを含むことができる。この方法は、更に、ピクセルを連続的に活性化させるステップであって、検出器アレイ内の検出器によって画像再構成システムのための一組の完全なデータが生成されるやり方で、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイがｚ軸の周りを３６０度回転している間に、入射する電子に応答して活性化された個々のピクセルが制御可能にｘ線を放射するようにするステップを含むことができる。

一実施形態では、コントローラは、移送テーブル（即ちコンベヤ）又は回転ガントリーを傾斜させることなく複数ピクセルｘ線源のための鞍形軌道走査幾何構造を実施するやり方で、複数ピクセルｘ線源内のピクセルを活性化させることができる。例えば、２００４年にＰａｃｋらによって提案された鞍形様軌道の実施態様は、複数ピクセルｘ線源を使用することにより、テーブル又はガントリーを傾斜させることなく構築することができる。コンピュータ断層撮影画像化のための鞍形軌道については、例えば、Jed D Pack, Frederic Noo, and H Kudo, "Investigation of saddle trajectories for cardiac CT imaging in cone-beam geometry," Phys. Med. Biol. 49 （2004） 2317-2336 （the "Pack reference"）に記載されている。Ｐａｃｋ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅは、参照によりその全体を本願明細書に援用する。

この実施形態では、コントローラは、更に、鞍形軌道が複数ピクセルｘ線源のために実施され、走査中、ｘ線源、検出器アレイ及び被走査対象が何れも、ｚ軸に沿ったいかなる運動にも係合しない走査幾何構造を実施するやり方で、複数ピクセルｘ線源内のピクセルを活性化させるように構成することができる。

Ｐａｃｋ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅに記載されているように、二次元検出器アレイ（複数の検出器行を含む）を使用して、ｘ線源が走査される対象に対して所与の軌道に沿って移動している間、画像再構成システムのための２Ｄセットのデータを収集することができる。検出器によって生成されるデータは、対象中の重要な領域の内側のｘ線の減衰係数の空間分布に関係している。Ｐａｃｋ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅに記載されているように、減衰係数のこのような空間分布を正確に再構成するためには、ｘ線源軌道及び検出器アレイの両方が特定の制約を満足しなければならない。被走査対象中の重要な領域を再構成するための完全なデータを提供するためには、検出器アレイ５２０を所与の特定のｘ線源軌道に対して十分に広くしなければならない。

鞍形軌道についての以下の数学的定義は、Ｐａｃｋ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅに提供されている。ｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、続けて２回微分することができ、且つ、以下の全ての条件を満足する２つの任意の関数ｆ（ｘ）及びｇ（ｙ）を考える。

全てにおいてｆ”（ｘ）＞０；ｆ’（０）＝０；ｆ（０）＜０、及び、
全てにおいてｇ”（ｙ）＜０；ｇ’（０）＝０；ｇ（０）＝−ｆ（０）。
次に、鞍形軌道が表面Ｓ１及びＳ２の交点における曲線として定義され、Ｓ１及びＳ２は、以下のように定義される。

Ｓ１＝｛（ｘ，ｙ，ｚ）：ｚ＝ｆ（ｘ）｝、及び
Ｓ２＝｛（ｘ，ｙ，ｚ）：ｚ＝ｇ（ｙ）｝
それらの交差が鞍形軌道を定めている表面Ｓ１及びＳ２は、このように、適切な関数ｆ（ｘ）及びｇ（ｙ）から定義される。

本願開示の一実施形態では、鞍形軌道は、鞍形曲線実施態様のための以下の特殊な関数を使用することによって数学的にパラメータ化することができる。
α（λ）＝［Ｒｃｏｓλ，Ｒｓｉｎλ，ｈｃｏｓ２λ］
上の式で、α（λ）はｘ線源軌道であり、λはビュー角度であり、Ｒはｘ線源からアイソセンターまでの距離であり、ｈは、Ｚ方向の複数ピクセルｘ線源カバレージの距離の半分であり、ｈｃｏｓ２λは、ｈｃｏｓ２λを離散化した場合に、ビュー角度に対してターンオンさせるべきｘ線ピクセルを規定している。上で説明した、複数ピクセルｘ線源を使用した改良型コンピュータ断層撮影走査システムは、ｘ線源、検出器アレイ、テーブル及び患者のうちの一方又は双方をｚ軸に沿ったいかなる運動にも係合させる必要なく、正確に画像を再構成するための完全無欠条件を満足する投影データを得ることができる。

鞍形軌道を回転ガントリー又はコンベヤを傾斜させることなくコンピュータ断層撮影システムで実施する方法は、複数のピクセルを有する複数ピクセルｘ線源、及び複数の行のｘ線検出器を含んだ検出器アレイを提供するステップを含むことができ、複数のピクセルの各々は、ピクセルが活性化されると、検出器アレイ全体に及ぶｘ線カバレージを有するように構築され、且つ、配列される。この方法は、更に、対象が走査されている間、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイをｚ軸の周りに回転させるステップを含むことができる。この方法は、更に、ピクセルを連続的に活性化させるステップであって、画像再構成システムに使用される正確な再構成アルゴリズムのためのデータ完全無欠条件を満足するやり方で、入射する電子に応答して活性化された個々のピクセルが制御可能にｘ線を放射するようにするステップを含むことができる。Ｋａｔｓｅｖｉｃｈ、Ｓｕｄｏ又はＰａｃｋに記載されている例えば１つ又は複数の正確な再構成アルゴリズムを使用して、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイがｚ軸の周りを３６０度回転している間に、走査の画像品質を改善することができる。

定置コンピュータ断層撮影では、創造的幾何構造も同じく複数ピクセルｘ線源を利用することができる。定置コンピュータ断層撮影走査システムの場合、回転させる必要がないため、走査システムが配置される空間（一例として空港のチェックポイント）の制約に適合させるために、異なる形状のビームラインを設計することができる。また、コンピュータ断層撮影画像再構成に必要であるのは、走査視野内における全てのポイントに対して１８０°のｘ線ビームカバレージのみである。従来の第３世代のコンピュータ断層撮影の場合、これは、１８０°＋ファン角度の最小収集を意味している。一方、複数ピクセルｘ線源の場合、図６に示されているビームライン構成を使用して数学的要求事項を満足することができる。

図６は、複数ピクセルｘ線源を使用する定置コンピュータ断層撮影システム６００のためのビームラインの概念ブロック図である。コンピュータ断層撮影システム６００は、空港でチェックされる旅客手荷物又はキャリーオンバッグをスクリーニングするための長方形の開口を含むことができる。コンピュータ断層撮影システム６００は、複数ピクセルｘ線源及び該複数ピクセルｘ線源に対して回転しない検出器アレイを含むことができる。コンピュータ断層撮影システム６００は、更に、走査中、ｚ軸（長方形の開口に対して直角）に沿って対象を移送するように構成されたコンベヤ６３０を含むことができる。コンピュータ断層撮影システム６００は、更に、複数ピクセルｘ線源内のピクセルによるｘ線放射のタイミング、強度、及び継続期間を制御するコントローラ（図示せず）を含むことができる。

コンピュータ断層撮影システム６００は、更に、ｘ線検出器によって生成されるデータから対象のコンピュータ断層撮影画像を生成するように構成される画像再構成システム（図示せず）を含むことができ、必要であるのは、走査視野内における全てのポイントに対して１８０度のｘ線ビームカバレージのみである。

図６に示されているように、コンピュータ断層撮影システムのビームラインは、検出器アレイのみが長方形の開口６５０の一方の面に沿って配置され、且つ、複数ピクセルｘ線源のみが６５０の反対側の長方形の開口６５１のもう一方の面に沿って配置されるように構成され、且つ、配列されている。

長方形の開口の他の２つの面６６１及び６６２に沿って、複数ピクセルｘ線源及び検出器アレイの両方が配置されている。ｘ線源及び検出器のこれらの２つの面が存在しない場合、ビームラインは、定置断層合成走査システムまで減少することになる。

従って複数ピクセルｘ線源を備えた定置コンピュータ断層撮影走査システムによれば、画像再構成のための数学的要求事項を最小のカバレージで満足するｘ線ビームを設計することができる。定置コンピュータ断層撮影走査システムの場合、ガントリーを回転させる必要はなく、また、走査システムの長方形の開口の３つの面に沿って配置されるｘ線源の個々のピクセルの連続活性化タイミングを制御することにより、異なるビュー角度に対応する投影データが得られる。

要約すると、走査幾何構造及び画像品質を改善し、且つ、製造費又は維持費を低減するための複数ピクセルｘ線源を含んだコンピュータ断層撮影システム及び方法について説明した。

上で説明したシステム及び方法は、第３世代のコンピュータ断層撮影走査システムのための検出器の行数を少なくし、それにより検出器アレイ及びＤＡＳ（データ収集システム）の費用を低減することができる。鞍形曲線幾何構造又は正確に再構成するためのデータ完全無欠条件を満足する他の幾何構造の複数ピクセルｘ線管実施態様は、走査システム又は被走査患者のいかなる部分も、ｚ軸に沿って全く運動させる必要なく、単一回転単一臓器走査の画像品質を改善することができる。複数ピクセルｘ線管を備えた定置コンピュータ断層撮影走査システムによれば、画像再構成のための数学的要求事項を最小のカバレージで満足するｘ線ビームを設計することができる。この方法によれば、空港のチェックポイントにおけるキャリーオンバッグのスクリーニング等の特殊なアプリケーションに対する空間有効性を得ることができる。

以下の特許請求の範囲では、単数表現のエレメントに対する参照には、特に言及されていない限り、「１つ且つ１つのみ」を意味することは意図されておらず、むしろ「１つ又は複数」である。本願開示を通して説明されている様々な実施形態のエレメントに対する、当業者に知られているか、又は、今後当業者に知られることになる構造的及び機能的等価物は、全て、参照により明確に本願明細書に援用され、特許請求の範囲に包含されることが意図されている。更に、本願明細書においてなされていない開示は、このような開示が特許請求の範囲に明確に記載されているかどうかに無関係に公共の用に供すべきものであることが意図されている。請求項の要素は、その要素が「ための手段」という表現を使用して明確に記載されていない限り、又は方法の請求項である場合は、その要素が「ためのステップ」という表現を使用して記載されていない限り、米国特許法第１１２条第６段落の規定の下で解釈してはならない。

Claims (15)

1. 対象のコンピュータ断層撮影画像を生成するためのコンピュータ断層撮影走査システムであって、
   ｚ軸に沿って配置され、連続的に活性化されるように構成された複数のピクセルを含む複数ピクセルｘ線源であって、各ピクセルは、活性化されると、入射する電子に応答して制御可能にｘ線を放射するように構成された、複数ピクセルｘ線源と、
   １行又は複数行のｘ線検出器を含む検出器アレイであって、前記検出器は、前記ピクセルから放射され前記対象を通過したｘ線を検出し、検出したｘ線からデータを生成するように構成された、検出器アレイと、
   前記ｘ線検出器によって生成された前記データから前記対象の前記コンピュータ断層撮影画像を生成するように構成された画像再構成システムと
   を備え、
   前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器の行は位置決め可能であり、前記複数ピクセルｘ線源の活性化シーケンスは制御可能であり、
   コンピュータ断層撮影走査システムは、前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイのためのサポートを更に備え、前記対象が前記コンピュータ断層撮影走査システムによって走査されている間、前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイが前記ｚ軸の周りに回転するように、前記サポートは構成され、
   前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイの回転中に、前記複数ピクセルｘ線源内のピクセルであって鞍形軌道を通過するピクセルが活性化されるように構成されたコンピュータ断層撮影走査システム。
2. 前記コンピュータ断層撮影走査システムは第３世代のヘリカルコンピュータ断層撮影走査システムである、請求項１に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
3. 前記ピクセルを連続的に活性化させるように構成されたコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記ピクセルの前記連続的な活性化のタイミングを制御し、前記ピクセルの各々によるｘ線放射の継続期間、強度、及びエネルギーレベルを制御するように更に構成された、請求項１に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
4. 前記コントローラは前記複数のピクセルを連続的に活性化させるように更に構成され、それにより、単一ピクセルｘ線源を有する複数検出器行コンピュータ断層撮影ヘリカル走査システムによって達成される前記ｚ軸に沿ったｘ線ビームカバレージ及びデータカバレージと比較して、前記ｚ軸に沿った同じｘ線ビームカバレージが実質的に達成され、前記画像再構成システムに使用されるヘリカル再構成アルゴリズムのための同様のデータカバレージが生成される、請求項３に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
5. 前記コンピュータ断層撮影走査システムは単一行のｘ線検出器を含む、請求項１に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
6. 前記複数ピクセルｘ線源はカーボンナノチューブ電界放出ｘ線管であり、
   前記カーボンナノチューブ電界放出ｘ線管は複数のカーボンナノチューブ電界放出カソードを備え、前記複数のカーボンナノチューブ電界放出カソードの各々は、ｘ線ビームの１つのピクセルを生成するために、１つのアノード位置にねらいを定めた電子ビームの１つのピクセルを提供する、請求項１に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
7. 前記複数ピクセルｘ線源が複数の真空エンクロージャを備え、前記複数の真空エンクロージャの各々は、アノード及びカソードを備え、ｘ線源のピクセルである、請求項１に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
8. 前記複数ピクセルｘ線源は、複数のカソード及び１つの真空エンクロージャの中の単一のアノードを備えた、請求項１に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
9. 対象のコンピュータ断層撮影画像を生成するように構成されたコンピュータ断層撮影システムであって、
   ｚ軸に沿って配置された複数のピクセルを含む複数ピクセルｘ線源であって、各ピクセルは、連続的に活性化され、活性化されると、入射する電子に応答して制御可能にｘ線を放射するように構成された複数ピクセルｘ線源と、
   複数の行のｘ線検出器を備えた検出器アレイであって、前記検出器アレイは前記ｚ軸に対して平行な方向の前記複数ピクセルｘ線源に対して定置であり、前記検出器は、前記ピクセルから放射され、前記対象を通過したｘ線を検出し、検出したｘ線からデータを生成するように構成された、検出器アレイと、
   前記ｘ線検出器によって生成された前記データから前記対象のコンピュータ断層撮影画像を生成するように構成された画像再構成システムと
   を備え、各ピクセルは、活性化されると、前記検出器アレイ全体のｘ線ビームカバレージを有するように構成され、
   前記コンピュータ断層撮影システムは、前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイのためのサポートを更に備え、前記対象が走査されている間、前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイが前記ｚ軸の周りに回転するように、前記サポートは構成され、
   前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイの回転中に、前記複数ピクセルｘ線源内のピクセルであって鞍形軌道を通過するピクセルを活性化させるように構成されたコンピュータ断層撮影走査システム。
10. 前記ピクセルを連続的に活性化させるように構成されたコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記ピクセルの前記連続的な活性化のタイミング、並びに前記ピクセルの各々によるｘ線放射の継続期間、強度、及びエネルギーレベルを制御するように更に構成された、請求項９に記載のコンピュータ断層撮影走査システム。
11. 前記コントローラは、前記画像再構成システムに使用される正確な再構成アルゴリズムのためのデータ完全無欠条件を満足するよう、前記複数ピクセルｘ線源内の前記ピクセルを制御するように更に構成された、請求項１０に記載のコンピュータ断層撮影システム。
12. 鞍形軌道を通過するピクセルを活性化させている間、前記ｘ線源、前記検出器アレイ、及び走査される前記対象は何れも、前記ｚ軸に沿ったいかなる運動にも係合しない、請求項１０に記載のコンピュータ断層撮影システム。
13. 前記鞍形軌道の数学的パラメータ化が、
    α（λ）＝［Ｒｃｏｓλ，Ｒｓｉｎλ，ｈｃｏｓ２λ］
    からなり、α（λ）が示す軌道を通過するピクセルが活性化され、λは前記複数ピクセルｘ線源の回転角度であり、Ｒは前記複数ピクセルｘ線源からアイソセンターまでの距離であり、ｈは前記ｚ軸に沿った前記複数ピクセルｘ線源カバレージの距離の半分であり、ｈｃｏｓ２λは角度λに対する、前記複数ピクセルｘ線源内の活性化するピクセルの位置を規定する、請求項１２に記載のコンピュータ断層撮影システム。
14. 単一回転単一臓器コンピュータ断層撮影走査における画像品質を改善する方法であって、
    ｚ軸に沿って配置された複数のピクセルを有する複数ピクセルｘ線源、及び複数の行のｘ線検出器を含む検出器アレイを提供するステップであって、各ピクセルは、前記ピクセルが活性化されると、前記検出器アレイ全体のｘ線カバレージを有するように構築され配列される、ステップと、
    対象が走査されている間、前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイを前記ｚ軸の周りに回転させるステップと、
    前記ピクセルを連続的に活性化させるステップであって、前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイの回転中に、前記複数ピクセルｘ線源内のピクセルであって鞍形軌道を通過するピクセルを活性化させ、画像再構成システムに使用される正確な再構成アルゴリズムのためのデータ完全無欠条件を満足するやり方で、活性化された各ピクセルが、入射する電子に応答して、制御可能にｘ線を放射するステップと
    を含む方法。
15. 走査中に、回転ガントリー若しくは移送コンベヤを傾斜させることなく、又はｘ線源、検出器アレイ、若しくは走査対象をｚ軸に沿った何らかの運動に関わらせることなく、鞍形軌道をコンピュータ断層撮影システムで実施する方法であって、
    ｚ軸に沿って配置された複数のピクセルを有する複数ピクセルｘ線源、及び複数の行のｘ線検出器を含む検出器アレイを提供するステップであって、各ピクセルは、前記ピクセルが活性化されると、前記検出器アレイ全体のｘ線カバレージを有するように構築され配列される、ステップと、
    前記対象が走査されている間、前記複数ピクセルｘ線源及び前記検出器アレイを前記ｚ軸の周りに回転させるステップと、
    パラメータ化式ｈｃｏｓ２λに従って前記ピクセルを連続的に活性化させるステップであって、前記パラメータ化式ｈｃｏｓ２λは、前記複数ピクセルｘ線源の回転角度λに対する前記複数ピクセルｘ線源内の活性化するピクセルの位置を規定し、ｈが前記ｚ軸に沿った前記複数ピクセルｘ線源カバレージの距離の半分である、ステップと
    を含む方法。

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