JP5715335B2 - 任意のスペクトルにおける計算機式断層写真法画像の形成のための順投影 - Google Patents

Description

本発明の技術は一般的には、ディジタル画像の形成に関する。さらに具体的には、この技術は、二重エネルギ走査によって任意の管スペクトルの下で計算機式断層写真法（ＣＴ）画像を形成するための順投影の利用に関する。

二重エネルギ撮像は本質的には、２種のエネルギ・スペクトルにおいて同じ条件の下で同じ目標物の多数の走査を取得するものである。二重エネルギ・システムでは、異なるエネルギ・レベル（又はエネルギ・スペクトル）において多数の走査を実行し、これらの走査を用いて異なる物質を識別する。例えば、軟組織及び他の低密度元素は、骨及びヨード造影剤よりも少ない程度までＸ線を減弱する傾向がある。このように、一方を高管電圧レベル（例えば１１０ｋＶｐ〜１５０ｋＶｐ）とし、他方を低レベル（例えば６０ｋＶｐ〜８０ｋＶｐ）として２回の撮像走査を実行すると、走査されている物質に関して従来のＣＴ走査よりも多くの情報が得られる。

二重エネルギ投影データを用いると、基底物質分解（ＢＭＤ）アルゴリズムを利用して画像を再構成することができる。形成される画像は、１対の選択された基底物質の密度を表わす。物質密度画像に加えて、二重エネルギ投影データを用いると選択された単色エネルギと等価のＸ線減弱係数を有する新たな画像を形成することができる。かかる単色画像は、恰も単色Ｘ線ビームによって被検体から投影データを収集することによりＣＴ画像が形成されたかのようにボクセルの強度値を割り当てた画像を含んでいる。

医用撮像分野では、二重エネルギＣＴ走査はしばしば、約８０ｋＶｐの低エネルギ・レベル及び約１４０ｋＶｐの高エネルギ・レベルにおいて実行される。これらの走査時に得られる画像から基底物質密度画像及び単色画像（すなわち理想的な単色管線源によって計算機式断層写真法走査を実行する効果を表わす画像）を形成することが可能となる。１対の物質密度画像が与えられると、他の基底物質画像対を形成することが可能である。例えば、同じ解剖学的構造の水及びヨード画像から、カルシウム及びガドリニウムのような異なる物質密度画像対を形成することが可能である。同様に、１対の基底物質画像から、各々が特定のエネルギにある１対の単色画像を形成することが可能である。この反対もまた可能であって、すなわち１対の単色画像から１対の基底物質画像を導き、又は異なるエネルギにある１対の単色画像を導くことができる。

しかしながら、時として、実際には追加の走査を行なわずに恰も患者が他の管スペクトルを用いて走査されたかのような画像を形成することが有用な場合もある。例えば、幾つかの例では、この方法は、放射線医が従来の１２０ｋＶｐのエネルギ・レベルにおいて撮像対象を観察することを支援し得る。典型的には、このためには追加の走査を所望のエネルギ・レベルにおいて実行することが必要とされる。このことは、望ましくないレベルの放射線で患者をさらに曝射し得る時間浪費的なステップである。さらに、初期の撮像手順から時間が経過して環境が変化するため、正確に元の二重エネルギＣＴ走査において得られたままの画像を捉えることは不可能である。

結果として、二重エネルギ走査から得られた撮像結果を用いて、恰もＣＴ走査が任意のエネルギ・レベル又はスペクトルにおいて実行されたかのような画像結果を形成する必要性が存在している。

二重エネルギ走査に基づいて物質特性因子を得るように物質分解が行なわれる。例えば、二重エネルギ走査は、物質密度を表わす基底物質対に分解される。すなわち、二重エネルギ走査の各回について撮像対象の物質の減弱値が決定される。例えば、第一のエネルギ・レベル走査での物質（例えば骨）の減弱と、第二のエネルギ・レベル走査での同じ物質の減弱とを用いて、当該物質の減弱値が任意のエネルギ・レベルにおいて算出され得るように当該物質の線減弱係数を得ることができる。幾つかの実施形態では、線減弱特性は、例えば線減弱係数であってよい。

次に、例えば基底物質が水及びヨードである基底物質密度画像を用いて、物質密度、物質減弱係数及びイメージング・システムの既知の特性に基づいて任意のエネルギ・スペクトルにおいて順投影を行なう。例えば、座標（ｘ，ｙ）を有する位置に位置する物質の線減弱係数を識別した後に、任意のエネルギ・スペクトルを構成するエネルギ・レベルを等式に代入することにより、この物質の減弱値が生成され得るように当該位置での当該物質の減弱値を生成することができる。

幾つかの実施形態はまた、任意の管スペクトルの下で得られるＣＴ投影の決定が、物質密度画像又は単色画像を一切形成せずに投影空間において完全に行なわれるようにするための技術を提供する。

本発明の技術の幾つかの実施形態による方法の流れ図である。 本発明の技術の一実施形態に従って任意のエネルギ・レベルにおいて物質密度画像を順投影するシステムの図である。

本発明の技術は、二重エネルギ撮像時に得られる物質密度画像及び既知の物質特性を用いて、任意のエネルギ・スペクトルにおいてＣＴ画像を合成するために順投影手法又は基底物質投影手法を用いるシステム及び方法を説明する。

二重エネルギ撮像を用いると、異なるエネルギ・レベルにおいて取得される２回の別個の走査から得られた情報に基づいて物質密度画像を再構成することが可能である。例えば、低エネルギ・レベルにおいて取得されるＣＴ走査は、走査時の物質の物質特性に基づいて、高エネルギ・レベルにおいて取得される走査とは異なる結果を生ずる。走査対象の物質は、高エネルギ走査よりも低エネルギ走査の方で多くのＸ線を減弱させる。加えて、所与のエネルギ・レベルでは、高密度の物質の方が低密度の物質よりも多くのＸ線を減弱させる。従って、二重エネルギＣＴ走査を用いて画像において物質密度を識別することができ、例えば水及びヨード、カルシウム及びヨード、又は水及びカルシウムのような二つの基底物質画像に分解することができる。

本発明の技術は、二重エネルギ走査時に得られるデータを用いて任意のエネルギ・スペクトルにある合成画像を形成するシステム及び方法を提示する。換言すると、本発明の技術は、第三のエネルギ・スペクトルでの画像の形成を、第三のエネルギ・レベルでの走査を行なわずに提供する。例えば、幾つかの実施形態では、本発明の技術は、８０ｋＶｐ及び１４０ｋＶｐのエネルギ・レベルにおいてそれぞれ二重エネルギ走査を行なった後に、恰も１２０ｋＶｐ、５０ｋＶＰ、２００ｋＶｐ、又は他の任意のレベルのエネルギ・レベルにおいて取得されたかのように見える画像の形成のためのシステム及び方法を提供する。このことは、利用者が読影時に最も好む画像又は最も読み取り易い画像を形成するのを支援することができる。

図１は、本発明の技術の一実施形態に従って実行される方法１００の流れ図である。ステップ１１０では、放射線医又は他の医師のような利用者が低エネルギ走査を行なう。例えば、利用者は８０ｋＶｐにおいて低エネルギ走査を行なうことができる。幾つかの実施形態では、この低エネルギ走査の結果に基づいて物質密度画像が形成される。他の実施形態では、画像を形成せずに走査からの情報が取得される。

ステップ１２０では、利用者は高エネルギ走査を行なう。例えば、利用者は１４０ｋＶｐにおいてＣＴ走査を行なうことができる。本書では参照の目的のために低エネルギ走査を最初に行なうものと記載しているが、本発明の技術は二重エネルギ走査の特定の順序に限定されない。幾つかの実施形態では、別個のＸ線撮像管を用いる、又はインタリーブ取得によって、低エネルギ走査及び高エネルギ走査を同時に行なうことができる。代替的には、幾つかの実施形態では、低エネルギ走査の前に高エネルギ走査を行なうことができる。また、本発明の技術の目的のためには、低エネルギ走査が特定のエネルギ範囲内又は何らかのエネルギ・スペクトルにおいて行なわれることが重要である訳ではない。同様に、高エネルギ走査が特定のエネルギ範囲内において行なわれることが重要である訳ではない。例えば、低エネルギ走査は２０ｋＶｐ、８０ｋＶｐ、１２０ｋＶｐ又は２００ｋＶｐにおいて行なわれてよく、高エネルギ走査は５０ｋＶｐ、１２０ｋＶｐ又は１４０ｋＶｐにおいて行なわれてよい。「高」及び「低」との用語の用法は、単に２種の走査を互いに区別するために用いられており、予め決められたエネルギ・レベルを走査に割り当てる訳ではない。このように、低エネルギ走査は、エネルギ・レベルの高さを問わず２回の走査のうち低い方のエネルギ・レベルで行なわれる走査である。ステップ１１０と同様に、幾つかの実施形態では、高エネルギ走査の結果に基づいて物質密度画像を形成することができるが、他の実施形態では画像を形成せずに走査からの情報を抽出する。

ステップ１３０では、基底物質分解が実行される。二重エネルギ走査での情報を用いて、物質密度を得ることができるように走査対象を二つの物質密度画像に分解することができる。幾つかの実施形態では、例えば画像の形成を行なわずに物質密度投影を得ることができる。二重エネルギＣＴ走査の投影空間処理での基底物質分解によって、物質密度の線積分を表わす基底物質対への目標物の分解が可能となる。換言すると、二重エネルギ走査から得られたデータを、識別される物質に関する減弱値及び既知の特性に基づいて分解して、走査対象の線減弱特性を得ることができる。これらの線減弱特性を用いて、二重エネルギ走査で用いられなかったレベルであっても任意のエネルギ・レベルにおいて物質の減弱値を決定することができる。例えば、第一のエネルギ・レベル及び第二のエネルギ・レベルにおいて取得された走査について検出器において物質によって与えられた減弱値を用いて、任意のエネルギ・レベルにおいて走査されたときに当該検出器においてこの物質についてどのような減弱値になるかを算出することができる。

加えて、撮像工程に影響する因子が得られ、基底物質分解のステップ時に分解されて、撮像対象の全ての物質がこれらの因子を考慮した等式によって表わされ得るようにする。幾つかの実施形態では、基底物質分解ステップ１３０において考慮される因子としては撮像走査ルーチンの技術的因子があり、例えばエネルギ・レベル、撮像検出器特性及び走査角度等である。

幾つかの実施形態では、ボウタイ・フィルタの減弱効果を得ることが有用である場合があり、又は必要である場合もある。ボウタイ・フィルタの減弱効果は、検出器のピクセル位置及び記録されたエネルギ・レベルに依存し得る。さらに、基底物質分解工程によって、エネルギ依存性線減弱特性すなわち走査されている対象の線減弱係数を識別することができる。

方法１００のステップ１３０の幾つかの実施形態によって決定されるさらに他の因子としては、限定しないが、特定の検出器及び特定のガントリ角度での投影レベル、特定の検出器及び特定のガントリ角度において受光された補正済み投影、並びに特定の検出器での補正係数等がある。

ステップ１４０では、基底物質分解を通じて得られた二つの物質基底画像によって順投影が行なわれる。代替的には、ステップ１４０の基底物質密度投影は、投影型物質分解を通じて、高ｋＶｐ投影及び低ｋＶｐ投影からの各投影を変換することにより、投影空間において行なわれてもよい。関心のある特定のエネルギ・スペクトルについて投影値が得られる。例えば、ステップ１１０及びステップ１２０において二重エネルギ走査がそれぞれ８０ｋＶｐ及び１４０ｋＶｐのエネルギ・レベルにおいて行なわれる場合に、ステップ１３０において得られる因子に基づいて、ステップ１４０では恰も１２０ｋＶｐにおいて走査されたかのようなＣＴ画像を形成することができる。

幾つかの実施形態では、識別された２種の物質が存在する場合に、画像の順投影を以下の式に従ってモデル化することができる。

式中、
ｍ_１（ｘ，ｙ）は、位置座標ｘ，ｙでの物質１の密度であり、
ｍ_２（ｘ，ｙ）は、位置座標ｘ，ｙでの物質２の密度であり、
ｂ（Ｅ，ｉ）は、エネルギ・レベルＥにおいてボウタイ・フィルタによって与えられる検出器ｉにおいて受光されたときの減弱レベルであり、
μ_１（Ｅ）は、物質１の線減弱係数であり、
μ_２（Ｅ）は、物質２の線減弱係数であり、
ｐ_ｉ（θ）は、ガントリ角度θでの検出器ｉにおける投影であり、
θは、検出器が円弧形であるため各々の検出器素子（ｉ）と管線源とを結ぶ射線間の角度差であり、
ｐ_ｃ，ｉ（θ）は、ガントリ角度θでの検出器ｉにおける補正後投影であり、
Ｓ（Ｅ）は、順投影を算出するときのスペクトル（又はエネルギ・レベル）である（例えば１２０ｋＶｐ）。

幾つかの実施形態では、これらの投影を、例えば水又はヨードのような画像の様々な他の物質の減弱効果について補正する必要がある。但し、水についての較正は問題を生じ得る。というのは、水についての較正は検出器の不完全性及びビーム・ハードニングによる問題を生む場合もあるからである。検出器の不完全性は物質密度画像の形成時に既に盛り込まれているので、本発明の技術の幾つかの実施形態は、式１で得られた投影と共に用いることのできる合成水走査を適用して更新された投影値を与える方法を提供する。幾つかの実施形態では、水又は軟組織によるビーム・ハードニングについて合成スペクトル補正後投影の係数は、以下の式によって得ることができる。

式中、ａ_ｘ（ｉ）は、検出器ｉでの補正係数ｘである。

このように、図１に示すように、方法１００のステップによれば、選択されたスペクトルの下での投影を任意のエネルギ・スペクトルの下での物質密度画像から得ることができ、このとき当該エネルギ・レベルにおいて実際の走査を実行する必要はない。本書で説明した技術は、１２０ｋＶｐでの従来の臨床ＣＴ走査に典型的な画像、又は他の任意のエネルギ・レベルでの画像を提示し得る方法を提供する。

所載のように、本発明の技術の幾つかの実施形態では、事前に行なわれた二重エネルギ走査のステップ１１０及びステップ１２０から事前に形成されている物質密度画像又は単色画像に基づいて、順投影工程を行なうことができる。代替的な実施形態では、選択されたｋＶｐスペクトルについての順投影形成工程を、所載の物質密度画像又は単色画像の形成を行なわずに実行することができる。順投影工程は、高エネルギ走査及び低エネルギ走査から得られた知見によって「投影空間」において実行され得る。換言すると、上述の方法のステップ１１０及びステップ１２０の高エネルギ走査及び低エネルギ走査に基づく物質密度画像又は単色画像が順投影ステップ１４０のために実際に形成される必要はない。

かかる画像を形成する能力は幾つかの利益を提供する。この能力は、画像を特定のエネルギ・レベルから見ることに慣れている利用者にとって有用であり得る。例えば、医師によっては１２０ｋＶｐにおいて取得されたＣＴ画像を見ることを好む又はこのことに慣れていても、画像を取得するのに用いられる二重エネルギ走査工程が１２０ｋＶｐ走査を提供しない場合がある。本発明の技術の手法を適用することにより、利用者は利用者が最も見易いエネルギ・レベルについて正確な形成された画像を得ることができる。

本発明の技術はまた、単色画像の利点を強調して受け入れを促進することができる。例えば、１２０ｋＶｐの画像を形成することが可能であることにより、本発明の技術は利用者に比較基準を提供する。すると、利用者は、単色画像がどの程度、通常慣れている画像である１２０ｋＶｐの画像に匹敵するかを看取することができる。単色画像は本分野では比較的新しい画像形式であるため、比較を看取する能力は、差を明らかにして単色画像の価値の受け入れを促進する。

本発明の技術はまた、ファントム設計に有用であり得る。臨床ファントムは典型的には、人工的環境において何らかの病理を示す意図で設計される。従来の走査（例えば１２０ｋＶｐ）の下で所望のＣＴ数を生ずる（臨床シナリオに見られる値に一致する）物質が識別される。二重エネルギは、ＣＴ減弱値がどのようにエネルギ・レベルに依存しているかを知らせる能力を与えることができるので、一定範囲のエネルギ・レベルにわたって同じ挙動を示す物質を選択して、任意のスペクトル（１２０ｋＶｐ等）の下での減弱値が確かに予測通りであることを確認することが重要となる。本発明の技術はまた、利用者が、特定の臨床的必要に有用であり得る任意のスペクトルにおいて画像を形成することを可能にする。

幾つかの実施形態はまた、任意のエネルギ・レベルにおいて物質密度画像を再構成するシステムを提示する。図２は、本発明の技術による画像を再構成するシステム２００の一実施形態を示す。イメージング・システム２５０が設けられて、本書に記載された方法に従って、例えば二重エネルギ走査を実行することにより対象を走査する。イメージング・システム２５０は、コンピュータ・ワークステーション２１０に直接接続されていてもよいし、又はネットワーク・サーバ２２０を介して複数のワークステーション２１０に接続されていてもよい。コンピュータ・ワークステーション２１０は、実行された撮像手順、例えば二重エネルギ走査からデータを取得し、例えば本発明の技術の方法を適用することにより、任意のエネルギ・レベルにおいて物質密度画像を形成することができる。幾つかの実施形態では、コンピュータ・ワークステーションは、例えば表示器又は他の出力２１４を介して画像及び他の項目を表示することができる。利用者は、キーボード又はマウスのような入力２１２を介してワークステーション２１０と対話することができる。幾つかの実施形態では、ワークステーション２１０は、ハード・ドライブ、データベース、又は情報を保持することが可能なその他形態のメモリのような記憶装置２１６を有し得る。ワークステーション２１０は、イメージング・システム２５０から受け取ったデータを取り込んで、本書に記載された方法を用いて利用者選択のエネルギ・レベルにおいて物質密度画像を形成することのできるプロセッサを有している。

幾つかの実施形態では、ワークステーション２１０は、利用者から入力２１２端末を介して入力された情報又はシステムの記憶装置から入力された情報を用いることができる。例えば、イメージング・システム２５０は、対象の二重エネルギ走査を実行することができる。ワークステーション・プロセッサは、例えば骨及び軟組織のような走査対象の物質を識別することができる。次いで、ワークステーションは、記憶装置２１６から及び／又は利用者によって入力２１２を介して基底物質情報を得ることができる。例えば、利用者は、イメージング・システム２５０によって撮像された患者の名前を入力２１２を介して入力することができる。次いで、ワークステーションは、記憶装置２１６のデータベースを参照して対象において識別された物質の密度に関する情報を得ることができる。例えば、記憶装置２１６には、患者に特定的な情報又は識別された物質に関する一般的な情報が存在し得る。代替的には、利用者が入力２１２を介して物質情報を入力してもよいし、且つ／又はワークステーションが例えば二重エネルギ走査の結果に基づいて物質情報を生成してもよい。

次いで、システムは、ワークステーション２１０のプロセッサを介して自動的に又は利用者の指示によって本書に記載された方法を実行し、利用者によって選択され得る任意のエネルギ・レベル、二重エネルギ走査の結果、及び記憶装置２１６又は入力２１２を介して得られた他のデータに基づいて、物質密度画像を順投影することができる。物質密度画像は、例えば出力２１４を介して表示され得る。

本発明の技術を、本発明が属する技術分野の任意の業者が当該技術を実施することができるように十分、明確、簡潔且つ正確な用語で記載した。以上の記載には本発明の技術の好適実施形態及び実例を説明しており、特許請求の範囲で述べた本発明の主旨又は範囲から逸脱することなく改変を施し得ることを理解されたい。さらに、本発明の技術の特定の要素、実施形態及び応用を図示して説明したが、本開示の範囲を逸脱することなく特に以上の教示及び特許請求の範囲に照らして当業者によって改変が施され得るため、言うまでもなく本発明の技術は以上の要素、実施形態及び応用に限定されないことが理解されよう。さらにまた、存在する場合には図面に示され、また上述されたような実施形態は、単に説明の目的のためのものであり、均等論を含む特許法の原理に従って解釈される特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲を限定するものではないことが理解されよう。さらに、本書に引用された全ての文献を全体として援用する。

２００ 画像を再構成するシステム
２１０ ワークステーション
２１２ 入力
２１４ 出力
２１６ 記憶装置
２２０ ネットワーク・サーバ
２５０ イメージング・システム

Claims (10)

1. 任意のエネルギ・スペクトルにおいて対象の計算機式断層写真法画像を再構成する方法であって、
   第一のエネルギ・スペクトルにおいて前記対象の第一の計算機式断層写真法走査を行なうステップと、
   第二のエネルギ・スペクトルにおいて前記対象の第二の計算機式断層写真法走査を行なうステップと、
   前記対象の第一の基底物質及び第二の基底物質の線減弱特性を得るように、前記第一及び第二の計算機式断層写真法走査に対して基底物質分解を実行するステップと、
   前記第一の基底物質及び前記第二の基底物質の前記線減弱特性に基づいて前記第一及び第二のエネルギ・スペクトルとは異なる任意のエネルギ・スペクトルにおける前記対象の新たな投影を形成するステップと、
   前記新たな投影を再構成して、前記任意のエネルギ・レベルにおける計算機式断層写真法画像を形成するステップと、
   を備える、方法。
2. 任意のエネルギ・スペクトルにおける前記計算機式断層写真法画像の再構成は、前記第一のエネルギ・スペクトル及び前記第二のエネルギ・スペクトルに基づく物質密度画像の前記形成を行なわずに投影空間で行なわれる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第一のエネルギ・レベルは低エネルギ・レベルであり、前記第二のエネルギ・レベルは高エネルギ・レベルである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第一のエネルギ・レベルは８０ｋＶｐである、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記第二のエネルギ・レベルは１４０ｋＶｐである、請求項４に記載の方法。
6. 前記第一又は第二の物質の少なくとも一方は水、ヨード、カルシウムのいずれかである、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記二重エネルギ走査に基づいて少なくとも一つの物質密度画像又は単色画像を形成するステップをさらに含んでおり、前記基底物質の前記線減弱特性は前記少なくとも一つの物質密度画像又は単色画像から得られる、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
8. 少なくとも一つのボウタイ・フィルタが前記二重エネルギ走査において用いられ、前記検出器における前記ボウタイ・フィルタの物質減弱を決定するステップをさらに含んでいる請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 合成水走査を適用することにより、前記第一の位置での前記第一及び第二の物質についての前記検出器における前記模擬された減弱レベルを補正するステップをさらに含んでいる請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 前記任意のエネルギ・レベルは単色エネルギ・レベルである、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
    

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