JP6452733B2 - 高エネルギー電子ビームによるラジオグラフィおよびコンピュータ断層撮影 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、ＣＯＭＰＵＴＥＤ ＴＯＭＯＧＲＡＰＨＹ ＷＩＴＨ ＨＩＧＨ−ＥＮＥＲＧＹ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＢＥＡＭＳと題する、２０１４年６月１６日出願の米国特許仮出願第６２／０１２，８５４号の米国特許法１１９条（ｅ）の利益を主張する。上記の出願の内容全体が参照により本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす。

分野
本開示は、一般に、医学および産業用途のためのラジオグラフィおよびコンピュータ断層撮影の分野に関する。

関連技術の記載
コンピュータ断層撮影（ＣＴ：Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、３次元対象物の特定の物理的特性の再構成を許容し、この再構成を対象物の２次元断面または「断層撮影」像のアレイとして配列して表示する。かかる再構成は、対象物を透過する適切に構成されたエックス線または粒子放射線によって容易にできる。かかる放射線の検出およびかかるデータの処理は、かかる２次元画像の再構成を容易にすることができる。

ラジオグラフィは、不均一な組成の不透明な対象物の内部構造を見ることを許容する。

本明細書に開示されるいくつかの実施形態は、一般に、高エネルギー電子を用いて断層撮影および／またはラジオグラフィ像を生成するシステムおよび方法に関する。従来のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）は、エックス線を利用し、エックス線吸収の線積分を測定して、これらの線積分から不均質な対象物のフォトン線減弱係数の３Ｄマップを再構成できる。いくつかの実施形態では、対象物を透過して統計学的に予測可能な経路上を進む高エネルギー電子をＣＴイメージングへの新規なアプローチに用いることができる。この技術を電子ＣＴ（ｅＣＴ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＣＴ）と称することができる。

従来のラジオグラフィは、エックス線の不均一なビームを対象物の方へ向わせるステップと、対象物の内部構造の重ね合わされた２Ｄ表現を提供するために対象物によるエックス線の吸収を検出するステップとを含む。いくつかの実施形態では、例えば、患者における生体組織のような、対象物の内部構造の１つ以上の２Ｄ投影像を生成するために、高エネルギー電子を用いることもできる。この技術を電子ラジオグラフィ（ｅ−ラジオグラフィ）と称することができる。

イメージング・システムは、生体組織または他の対象物の３Ｄコンピュータ断層撮影像および／または２Ｄラジオグラフィ像を発生させるために、高エネルギー電子を低線量レベルで用いることができる。いくつかの実施形態では、ノズルが高エネルギー電子の供給源をイメージング・ターゲットへ向わせて、検出器システムがイメージング・ターゲットと相互作用する電子の物理量を検出する。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムがイメージング・ターゲット内で個々の電子が辿った推定経路を計算し、イメージング・ターゲットのデジタル化画像のボクセルと個々の電子との間の相互作用を決定して、個々の電子とボクセルとの間の決定された相互作用に少なくとも部分的に基づいてイメージング・ターゲットのデジタル化画像を再構成できる。イメージング・ターゲットは、以下には限定されないが、生体組織、ヒト、小児患者、小動物、および産業用途に用いられるような他の対象物を含むことができる。

高エネルギー電子のビームは、約１０ＭｅＶ以上の典型的なエネルギー・レベルをもつ電子を含むことができ、異なる実施形態では、２００ＭｅＶ以下、またはより大きい透過能を必要とするある一定の用途に対して２００ＭｅＶ超の異なるエネルギー・レベルにすることができる。電子の供給源は、いくつかの実施形態ではコントローラによって制御でき、コントローラは、以下には限定されないが、一連の１つ以上のビームを放出するステップおよび／または送達されることになる電子の全線量を修正するステップを含む機能を行うことができる。いくつかの実施形態において、電子の全線量は、フレームごとに１０から１０００に及ぶことができる。

検出器システムは、高感度であり、以下には限定されないが、位置、軌跡、および／または運動量を含む物理量を検出できる。検出器システムは、いくつかの実施形態では、参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２００７年１０月２９日出願の「Ｐｌａｓｍａ Ｐａｎｅｌ Ｂａｓｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」と題する米国特許第７，６８３，３４０（Ｂ２）号、および参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２０１３年３月２２日出願の「Ｐｌａｓｍａ Ｐａｎｅｌ Ｂａｓｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」と題する米国特許出願公開第２０１３／０２８４８８４（Ａ１）号に記載された放射線検出器と少なくともいくつかの点で同様にできる。他のタイプの検出器も用いることができる。検出器システムは、いくつかの実施形態では、参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２０１１年２月１１日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」と題する米国特許出願公開第２０１１／０２２０７９４（Ａ１）号に記載されるような、ｐＣＴのために開発されたものと同様にできる。

コンピュータシステムは、随意的に、物理的記憶デバイスに結合できる。コンピュータシステムは、いくつかの実施形態では、ハードウェア・プロセッサ・リソースと、ハードウェア・プロセッサ・リソースに推定電子経路を計算させ、相互作用量を決定させて、３Ｄ画像を再構成させるために実行できる命令とを備えることができる。

ｅＣＴ再構成アルゴリズムは、いくつかの実施形態では画像再構成問題への全離散化アプローチの使用を許容することができる。このアプローチは、記録されたデータに基づいて対象物内で個々の電子が辿った実際の経路に対応する推定経路を計算するステップを含む。電子の相互作用量および推定経路は、対象物中の電子の通過が連立方程式Ａｘ＝ｂとして表されるか、または表すことが可能であるように配列され、ここでｘは、対象物と関連付けられたあるパラメータの分布であり、ｂは、対象物中のそれらの各経路に沿った相互作用から生じた電子の相互作用量を表し、Ａは、ｂをもたらすためにｘに作用する演算子である。連立方程式は、複数の解を有するように構成できる。いくつかの実施形態において、連立１次方程式に対する解が決定され、決定された解に基づいて対象物パラメータ分布が計算されて、計算された対象物パラメータ分布に少なくとも部分的に基づいて対象物のコンピュータ断層撮影像が生成される。相互作用量は、いくつかの実施形態では電子ビームの強度の減衰および／または個々の電子によって失われるエネルギーおよび／または小角散乱および／または大角散乱を記述することができる。対象物パラメータは、いくつかの実施形態では電子ビームの強度を減衰させる傾向および／または相対的阻止能および／または散乱能および／または大角散乱事象の尤度に対応することができる。演算子Ａは、対象物中の電子の推定経路についての情報を含む。演算子Ａの要素は、いくつかの実施形態では対応するボクセルにおける選択された電子の推定交差長に対応することができ、ここで推定交差長は、対象物中の電子の実際の経路の非直線性を考慮するため、および連立１次方程式が複数の解を有することを許容するために、対応するボクセルにおける選択された電子の推定経路の直線近似として計算される。Ａの要素は、いくつかの実施形態では選択された電子が対応するボクセルにおいて大角散乱事象を経験した尤度に対応することができる。

いくつかの実施形態において、ｅＣＴ再構成アルゴリズムは、反復再構成アルゴリズムの種類から選択された１つ以上のアルゴリズムを用いることができる。ある一定の実施形態において、この方法は、連立方程式に対する初期解を推定するステップを含む。方法は、反復して、現在の解に摂動を与えることによって許容解を計算するステップと、許容解が対象物パラメータ分布の再構成と関連付けられたある量に関して現在の解より優れた特性を有するならば、許容解をより優れていると指定するステップを行うことによって、複数の解のうちでより優れた解を探すことをさらに含むことができる。対象物パラメータ分布の再構成と関連付けられた量は、再構成された対象物パラメータ分布の全変動を備えることができる。方法は、選択されたより優れた解に基づいて対象物パラメータ分布を計算するステップを含むことができる。

いくつかの実施形態において、解は、離散的対象物ベクトルｘの摂動を受けた要素を１つ以上のハイパースラブ（ｈｙｐｅｒｓｌａｂ）上へ反復して投影することによって決定できる。離散的対象物ベクトルｘの摂動を受けた要素は、メリット関数の勾配に対応する摂動を用いて離散的対象物ベクトルｘに摂動を与えるステップと、投影アルゴリズムを用いて摂動を受けたｘを１つ以上のハイパースラブ上へ投影するステップであって、投影アルゴリズムが有界な摂動に対してレジリエントである、投影するステップと、摂動を受けたｘに対するメリット関数の値を計算するステップとによって、１つ以上のハイパースラブ上へ投影される。摂動を受けたｘに対するメリット関数値が離散的対象物ベクトルｘに対するメリット関数より優れているときには、より優れた解を見出すために、摂動を受けることになるベクトルとして現在の摂動を受けたｘを用いることによってこの処理を少なくとも１度繰り返すことができる。メリット関数は、対象物パラメータの再構成と関連付けることができて、対象物パラメータ分布の全変動を備える。

ｅＣＴは、以下には限定されないが、心臓イメージング、肺がんのスクリーニング、乳がんのスクリーニング、腎臓または胆嚢結石の検出、および歯科用パノラマＣＴ画像を含む医療用途に商業的な可能性を有する。高エネルギー電子を用いたイメージングは、従来のイメージング方法に優る著しい線量および分解能優位性を提示する。例えば、ｅＣＴ心臓スクリーニングは、動きアーチファクトを取り除き、時間的精度を改善して、生きている心臓組織の動画像を発生できる。さらにまた、乳がんのｅＣＴスクリーニングは、微小石灰化を検出するために用いることができ、乳がんを発症する遺伝的リスクがより高い女性をシリアル・イメージングにより追跡することを許容できて、肺がんのｅＣＴスクリーニングは、結節を検出して生きている肺組織の動画像を発生させるために用いることができる。

エネルギー検出器をもつ高エネルギー電子ＣＴのいくつかの実装のシミュレーションを示す。 ２０ｃｍの水スラブにおけるシミュレートされた１５０ＭｅＶの１次および２次電子の飛跡およびそれらの３次スプライン近似を示す。図２Ａは、弾性クーロン散乱を受けた飛跡をシミュレートする。図２Ｂは、より複雑な飛跡をシミュレートする。 電子の最尤経路（ＭＬＰ：ｍｏｓｔ ｌｉｋｅｌｙ ｐａｔｈ）を用いた行列の形成を示す。 入射および出射位置検出器をもつ高エネルギー電子ＣＴのいくつかの実装のシミュレーションを示す。 散乱点のシミュレートされた再構成を示す。 ２０ｃｍの水スラブを横切る２００ＭｅＶの陽子および１５０ＭｅＶの電子によって水の１ｃｍの層において粒子ごとに付与される平均線量のグラフを示す。

１９７０年代初頭以来、エックス線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）が電離放射線を用いた好ましい断層イメージング・モダリティへ発展してきた。エックス線ＣＴを用いた診断手順が余りに広く用いられたので、米国および欧州ではそれが診断手順からの電離放射線への年間被曝の主要な誘因となった。線量効率がより高いＣＴスキャナの開発には進展が見られたが、新しいＣＴ技術、例えば、スパイラルＣＴおよび多検出器ＣＴ（ＭＤＣＴ：ｍｕｌｔｉｄｅｔｅｃｔｏｒ ＣＴ）の導入が米国の人口におけるエックス線ＣＴからの年間被曝を過去１５年にわたってさらに増加させた。

現在、エックス線ＣＴは、患者への電離放射線の線量、および患者の周りでエックス線源を機械的に高速度で回転させる必要性によって決定づけられる達成可能な時間分解能の両方の観点から、その技術的な限界に近づいていると感じられる。最近になって、エックス線を生成するリング状ターゲットの周りで電子ビームを電磁的に移動させることによってエックス線ＣＴの速度を増加させることが提案された。「電子ビームＣＴ」（ＥＢＣＴ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ＣＴ）と称されるこの技術では、エックス線管のタングステン陽極の周りでエックス線点源が電子的に掃引される。ＥＢＣＴは、依然としてエックス線を透過性放射線として用いる。ＥＢＣＴは、冠状動脈における石灰沈着の検出のために特に開発されたもので、ＥＢＣＴ心臓スキャンは、ＭＤＣＴスキャンに優るいくらかの速度および線量優位性を提供するが、それらの臨床用途は制限され、一般には受け入れられていない。

１９６０年代初頭に、現代のエックス線ＣＴ再構成の父の一人であるアラン・コーマック（Ａｌｌａｎ Ｃｏｒｍａｃｋ）は、患者に対する線量が５〜１０分の１と低いＣＴイメージングを許容する医療用断層イメージングのためにα粒子および陽子のような重荷電粒子を提唱した。１９６０年代における陽子のラジオグラフィへの最初の応用は、エネルギー損失ラジオグラフィに基づいた。１９７０年代には、ＣＥＲＮ（スイスにおける欧州原子核研究機構）の研究者が対象物の三次元再構成を得るために陽子の核散乱を用いるアイディアを探究した。このアプローチの下では、入射および散乱粒子の軌跡を再構成するために複数の粒子検出器が陽子ビームへの単一の曝露からの散乱を検出する。組織における最小限の散乱に起因して、これらの調査者は、大角散乱点を決定するために外挿された入射および出射軌跡の交点を専ら用いた。陽子ＣＴ（ｐＣＴ：ｐｒｏｔｏｎ ＣＴ）技術は、現在、広範な開発が進められているが、陽子加速器のサイズが大きくコストが法外なため、低強度の高エネルギー陽子ビームを発生させる安価でコンパクトな加速器を用いる新規な技術が出現しない限り、診断医療用途を見出す可能性は低い。これらの初期の研究者はいずれも断層イメージングのための電子の可能性を開示しなかった。

電子は、しかしながら、細胞より小さいレベルで断層イメージングに用いられてきた。電子は、微細な検体のイメージングに適用された長い歴史を有する。例えば、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）は、超薄試料を画像化するために用いられ、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）は、微細な試料の凹凸像を得るために用いられる。電子顕微鏡は、試料の２Ｄ投影像を作り出すために電子のビームを用いる。電子断層撮影（ＥＴ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、異なるビュー方向における多数の投影から３Ｄ画像を再構成することによって３Ｄ構造をサブミクロン・スケールで画像化するＴＥＭから生じた技法である。

ｐＣＴおよびＥＴ技術の出現にも係らず、生物学的イメージングのための電子の使用は、長らくサブミクロン・スケールに限られたままであった。１９７０年代の電子断層撮影における初期の研究者は、電子を用いた生体試料のイメージングが有機物質の放射線損傷を引き起こすことを認識した。高電子線量は、とりわけ、タンパク質構造を損傷しかねず、一方で低電子線量は、空間分解能が極めて不十分な画像を作り出す。厚い試料のイメージングほど、画像に十分なデータをもたらすためにより高い電子線量を必要とする。電子断層撮影における技術的進歩にも係わらず、約１ミクロンより厚い生体試料に必要な電子線量は、依然として容認できないレベルの放射線損傷につながり、従って、電子断層撮影のための標本の厚さは、約１ミクロンに制限される。

陽子は、ＣＴイメージングに用いられてきたが、電子は、陽子と電子との間のいくつかの重要な違いのためにこれまで実行可能な選択肢ではなかった。電子は、陽子に比べて約２０００分の１の軽さである。質量のこの大きな違いに起因して、電子および陽子は、非常に異なって物質と相互作用する。例えば、最も重要なことに、電子は、陽子よりずっと散乱を受けやすく、従って、一般に、電子の経路の湾曲は、陽子よりずっと大きい。陽子の経路が通常は比較的直線状であるのに対して、電子の経路は、曲線状であり、ジグザグ状でさえありうる。この散乱は、ノイズおよび不十分な空間分解能の要因になり、さらに、イメージングに十分なデータを得るためにより高い線量を必要としかねない。電子は、陽子よりずっと多くの非弾性、または制動放射相互作用を経験し、これらが化学結合の破壊（従って、放射線損傷）およびノイズの要因となる。電子断層撮影の既知の原理をＣＴイメージングに適用すると、安全な放射線線量と十分な解像度との間の容認できないアンバランスにつながるであろう。特に、平方オングストローム当たり２０電子未満の線量は、生体標本に対して十分に無害と考えられるが、ノイズの多い画像を作り出す。電子断層撮影に適用される現在の解決法−染色、クライオ顕微鏡法、および／または複数の同一ユニットからの画像の平均化は、ＣＴイメージングでは実行できない。

しかしながら、電子の挑戦的な特性を本発明によって克服するか、または有利に利用できる。例えば、いくつかの実施形態では、散乱に対する電子のより大きい感度を高エネルギー電子ビームおよび高感度検出器システムと結び付けたときに、極低線量イメージングおよびラジオグラフィを可能にするのに有利でありうる。さらに、電子のより大きい散乱にも係わらず、高エネルギー電子は、組織等価媒質内で同じ飛程をもつ陽子の約２倍多く散乱するに過ぎず、いくつかの実施形態では適切な再構成アルゴリズムによってこれを考慮できる。このように、ｅＣＴによって妥当な空間分解能が可能である。そのうえ、より大きい散乱角は、いくつかの実施形態では散乱特性を再構成するのに適したアルゴリズムを用いてこれらの特性における小さい変動を画像化するときに有利でありうる。さらにまた、電子ビームは、発生させて加速することがより重い荷電粒子よりはるかに容易であり、必要なのは、ずっとより高速かつ安価にできる、ずっと強力でないステアリング磁石である。

高エネルギー電子ＣＴ（ｅＣＴ）は、低線量の高エネルギー電子を高感度検出器と結びつけて、非常に低い照射で散乱を検出して生体組織、そして最も重要なことに、ヒトの３Ｄ画像を再構成する。約２０ＭｅＶと約２００ＭｅＶとの間のエネルギーをもつ高エネルギー電子は、１０ｃｍと５０ｃｍとの間の水等価飛程を有する。高エネルギー電子の飛程は、以下には限定されないが、ヒトの四肢、頭部、体、小動物、または医療もしくは他の目的、例えば、空港におけるセキュリティ目的のスクリーニングのための産業対象物を含む、対象物の断層撮影像を取得することを許容することができる。例えば、いくつかの実施形態では、全頭部スキャンのためにｅＣＴによって送達されるフレームごとに１ｍｍ^２当たり約１００電子で１８０フレームの線量をミリシーベルト（ｍＳｖ：ｍｉｌｌｉ−Ｓｉｅｖｅｒｔ）未満のオーダとし、エックス線ＣＴと比較して１０と１００との間の線量優位性を提供することができる。画像化される対象物によっては、ｅＣＴ線量をずっとより低くすることができ、かつわずかに１フレームを必要とすることができて、はるかに大きな線量優位性を提供する。

医療イメージングのために陽子の代わりに電子を用いることは、第１に、エックス線に優る陽子の線量優位性を維持するか、もしくは改善することさえできるため、第２に、陽子イメージングに必要とされる大きな陽子加速器およびさらに大きな陽子ガントリとは対照的に、コンパクトな電子加速器およびガントリを実現することがずっと容易なために非常に魅力的である。そのうえ、そのコンパクトさに起因して、電子加速器をいくつかの実施形態ではガントリと一体化するか、またはガントリ上に直接に配置することができる。コンパクトな高エネルギー（＞５０ＭｅＶ）電子源の技術は、過去２０年にわたって著しく進歩し、医療用途の出発点に到達した。１００〜１５０ＭｅＶの電圧勾配を今や最新のクライストロンで実現できて、コンパクトなテーブルトップ・サイズのレーザ駆動電子源の開発が進められている。このように、今日の技術を用いて非常にコンパクトな電子ラジオグラフィおよびＣＴ装置を構築できるであろう。

いくつかの実施形態において、３Ｄ画像を生成するためのシステムは、画像化される対象物中をプローブとして通過する（約１０ＭｅＶから約２００ＭｅＶの）高エネルギー電子、飛跡およびエネルギー損失の積分、または各１次電子の他の物理量を登録する検出器システム、および再構成アルゴリズムを用いたイメージング・ソフトウェアを含むコンピュータシステムからなるか、またはそれらを備える。

電子源
次の例、すなわち、高勾配Ｘバンド線形加速器、レーザプラズマ加速器、マイクロトロン、およびリサーキュレーティング・ライナックのような様々な実施形態において、高エネルギー電子の様々な供給源を用いることができる。

電子ビームを約１０から約２００ＭｅＶの範囲で生成できる多種多様な加速器タイプがあり、いくつかの最近の進歩は、かかる加速器がＣＴガントリに収まりうるところまで加速器のサイズを縮小した。例えば、高勾配Ｘバンド線形加速器は、１００ＭｅＶ／ｍの勾配を今や日常的に高い信頼性で達成できて、いくつかの実施形態では、２〜３ｍの長さのライナック構造をｅＣＴガントリ中で用いることを可能にする。レーザプラズマ加速器は、エネルギー＞１００ＭｅＶをもつエネルギー幅の狭い電子ビームを作り出す能力を示し、いくつかの実施形態ではｅＣＴシステム中でこれらを用いることができる。かかる供給源に用いられるレーザは、着実によりコンパクトで安価になってきている。最後に、いくつかの実施形態において用いることができる多数のリサーキュレーティング加速器トポロジー、例えば、マイクロトロンおよびリサーキュレーティング・ライナックがある。これらは、偏向電磁石を用いるために典型的により重いが、このエネルギー範囲では十分に検証済みかつ比較的低コストのソリューションあり、ｅＣＴシステムに使用できるであろう。

いくつかの実施形態において、コントローラは、電子源による電子の放出を制御するように構成される。コントローラは、１つ以上のフレームを発生させるために、電子源に一連の１つ以上の電子ビームを放出させるように構成できる。コントローラは、随意的に、電子ビーム（単数または複数）のエネルギー・レベル、線量、および／または他の物理量を修正するようにも構成できる。例えば、フレームごとに、ビームは、平方ミリメートル当たり約１００電子以下、平方ミリメートル当たり１５０電子以下、平方ミリメートル当たり２００電子以下、平方ミリメートル当たり５００電子以下、平方ミリメートル当たり１０００電子以下、平方ミリメートル当たり８０電子以上、平方ミリメートル当たり５０電子以上、平方ミリメートル当たり３０電子以上、平方ミリメートル当たり１０電子以上、平方ミリメートル当たり約５０および５００電子の間、および／または他の前述値のいずれかの間の線量を送達するように構成できる。コントローラは、従って、ビームごとの線量、およびビームの数を設定することによって電子の全線量を修正するように構成できる。

いくつかの実施形態において、電子源は、画像化される対象物に対して移動可能にできる。例えば、電子源は、画像化される対象物の周りで回転可能にできる。電子源のこの可動性は、異なるビュー角を提供することによって３Ｄ画像の空間分解能および精度を改善できる。

いくつかの実施形態では、電子加速器を画像化される対象物を取り巻く静止したマルチポート装置として構築し、従って、システムから任意の可動部分をなくして高掃引速度を得ることができる。後者の設計は、とりわけ、心臓への適用に価値がありうるＣＴのスピードアップを提供できる。延いては、短いスキャン時間が心臓の動きのように本質的に速いプロセスのＣＴイメージングを許容する。

検出器システム
荷電粒子に対する最新の追跡型検出器の（１００％に近い）高検出効率は、エックス線ＣＴと比較して著しい線量優位性に寄与できる。

高エネルギーｅＣＴスキャナの検出器システムは、いくつかの実施形態では個々の１次電子の履歴をリアルタイムで記録できる。各１次電子について記録されるデータは、最初の運動エネルギー、電子の入射座標、出射座標、入射方向、出射方向、１次粒子の残留エネルギー、および任意の記録された２次粒子の残留エネルギーのうちの１つ以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、以下には限定されないが、個々の電子の位置、軌跡、および／または運動量を含む量を導出するために検出器システムから記録されたデータを用いることができる。

高エネルギーｅＣＴスキャナの検出器システムは、いくつかの実施形態では入射電子線ビームの方向に沿って低積分密度をもつ検出器を利用できる。いくつかの実施形態では、検出器の水等価厚を１０ミリメートル以下にできる。低積分密度の検出器ほど、画像データにおけるノイジネスの要因になる電子と検出器の原子との間の散乱相互作用の尤度を減少させる。

高エネルギーｅＣＴスキャナの検出器システムは、異なる実施形態では異なる幾可学的形状を有することができる。例えば、かかる幾可学的形状は、以下には限定されないが、フラットパネル、画像化される対象物の周りのリング、または異なる形状に曲げられる能力を含むことができる。フレキシブルな幾可学的形状は、より大きい空間的範囲にわたる電子の検出およびデータ記録の改善を可能にする。

高エネルギーｅＣＴスキャナの検出器システムは、いくつかの実施形態では参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２０１１年２月１１日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」と題する米国特許出願公開第２０１１／０２２０７９４（Ａ１）号に記載されるような、ｐＣＴのために開発されたものと同様にできる。いくつかの実施形態において、システムは、前部および後部Ｓｉマイクロストリップ・テレスコープを備える検出器、および残留エネルギー測定としてのプラスチックシンチレーション・エネルギー検出器を利用できる。

高エネルギーｅＣＴスキャナの検出器システムは、いくつかの実施形態では、以下には限定されないが、スキャンされる対象物を横切る電子の入射および出射点ならびに方向を含む物理量を粒子ごとに登録する前部および／または後部追跡検出器を含むことができる。このシステムは、いくつかの実施形態では後部検出器を含むことができ、電子の入射点および方向が、例えば、ペンシル・ビームを対象物にわたってスキャンすることによって十分な精度で知られていれば、前部検出器をもたない。このシステムは、いくつかの実施形態では１つより多いフレームのために対象物を取り巻く検出器リングとすることができる。検出器は、いくつかの実施形態では、参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２００７年１０月２９日出願の「Ｐｌａｓｍａ Ｐａｎｅｌ Ｂａｓｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」と題する米国特許第７，６８３，３４０（Ｂ２）号、および参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２０１３年３月２２日出願の「Ｐｌａｓｍａ Ｐａｎｅｌ Ｂａｓｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」と題する米国特許出願公開第２０１３／０２８４８８４（Ａ１）号に記載された放射線検出器と同様にできる。いくつかの実施形態において、検出器は、電子のガイガー・ミュラー型計数管として独立に動作する画素の高密度アレイをもつプラズマパネル・センサを利用できる。

高エネルギーｅＣＴスキャナの検出器システムは、いくつかの実施形態では粒子エネルギー検出器と電子入射および／または出射箇所検出器との組み合わせにできる。

再構成アルゴリズム
ｅＣＴ再構成アルゴリズムは、いくつかの実施形態では画像再構成問題への全離散化アプローチの使用を許容することができる。このアプローチは、記録されたデータに基づいて対象物内で個々の電子が辿った実際の経路に対応する推定経路を計算するステップを含み、推定経路は、実際の経路の推定値を提供する。電子の相互作用量および推定経路は、対象物中の電子の通過が連立方程式Ａｘ＝ｂとして表されるか、または表すことが可能であるように配列され、ここでｘは、対象物と関連付けられたあるパラメータの分布であり、ｂは、対象物中のそれらの各経路に沿った相互作用から生じた電子の相互作用量を表し、Ａは、ｂをもたらすためにｘに作用する演算子である。相互作用量は、いくつかの実施形態では小角散乱および／または大角散乱を記述できる。対象物パラメータは、いくつかの実施形態では相対的阻止能および／または散乱能および／または大角散乱事象の尤度に対応することができる。演算子Ａは、対象物中の電子の推定経路についての情報を含む。連立方程式は、複数の解を有するように構成できる。いくつかの実施形態において、連立１次方程式に対して解が決定され、決定された解に基づいて対象物パラメータ分布が計算されて、計算された対象物パラメータ分布に少なくとも部分的に基づいて対象物のコンピュータ断層撮影像が生成される。

ｅＣＴ再構成アルゴリズムは、反復再構成アルゴリズムの種類から正当に開発されたアルゴリズムの応用をさらに利用できる。方法は、連立方程式に対する初期解を推定するステップを含む。方法は、複数の解のうちで１つ以上の許容解を探すステップをさらに含み、各許容解は、既存の解に摂動を与えることによって得られ、対象物パラメータ分布の再構成と関連付けられたある量に関して、既存の解の摂動なしに得られた別の解と比較して、より優れた特性を有する。方法は、１つ以上の許容解のうちの選択された１つに基づいて対象物パラメータ分布を計算するステップをさらに含む。

最尤経路再構成
ｅＣＴ再構成アルゴリズムは、いくつかの実施形態では最尤経路（ＭＬＰ：ｍｏｓｔ ｌｉｋｅｌｙ ｐａｔｈ）のコンセプトを利用できる。いくつかの実施形態において、ｅＣＴに関するＭＬＰは、参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２０１１年２月１１日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」と題する米国特許出願公開第２０１１／０２２０７９４（Ａ１）号に記載されるような、ｐＣＴのために開発されたコンセプトと同様にできる。いくつかの実施形態ではｅＣＴ再構成アルゴリズムを最新の高性能コンピューティング・ハードウェア上に実装できて、このハードウェアは、検出器のデータフローを対象物の電子密度および原子組成によってはグレースケール値をもつ対象物の時系列の３Ｄ画像セットに変換し、結果として、内部対象物構造を時間の関数（４Ｄ ＣＴ）として提供する。ｅＣＴを用いてデータを短いタイムスケールで取得して処理できることは、ヒトの心臓のように動く対象物の高い時間分解能でのイメージングを許容する。

ｅＣＴのコンセプトをテストする予備検討を水ファントムおよびスキャナ中を通過する高エネルギー電子のコーンビームを用いて行うために、Ｇｅａｎｔ４検出器シミュレーション・ツールキットが用いられた。スキャナは、前部および後部Ｓｉマイクロストリップ・テレスコープおよび残留エネルギー測定としてプラスチックシンチレーション・エネルギー検出器を備える。シミュレートされたセットアップが図１に示される。図１は、１００ＭｅＶの電子の平行２Ｄビーム、ライン１０１、Ｓｉテレスコープ面、ライン１０２、０．５ｃｍ厚のアクリル・シェルで囲まれた１５ｃｍ厚の水ファントム、ライン１０３、および５段エネルギー／飛程検出器、ライン１０４を示す。図１におけるように、いくつかの実施形態では電子をすべての追跡面で検出して、次に、それらのエネルギー（または残留飛程）をエネルギー／飛程検出器で測定できる。残留飛程および散乱（角度および空間変位）量の両方がターゲット対象物に関する統合情報を提供できて、その情報から２Ｄまたは３Ｄ画像を再構成できる。

弾性クーロン散乱のみを受けた１５０ＭｅＶの電子の個々の飛跡は、いくつかの実施形態では３Ｄ３次スプライン近似を用いることによって、２０ｃｍの水ファントムの中心において１ｍｍオーダの空間分解能で再構成できる。いくつかの実施形態では、参照によりその内容全体が組み込まれて本出願の一部をなす、２０１１年２月１１日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」と題する米国特許出願公開第２０１１／０２２０７９４（Ａ１）号に記載されるような、ｐＣＴ再構成のためにすでに開発されたＭＬＰフォーマリズムを用いてさらなる改善を提供できる。簡略化された３次スプライン・アプローチを用いて得られる分解能は、同じ水ファントムおよび２００ＭｅＶの陽子ビームに対して約０．５ｍｍであるｐＣＴに関する経路分解能より約２倍悪いに過ぎない。この予想外の結果は、粒子の偏向における差が陽子および電子に対する多重散乱に起因して比較的小さいことで説明できる。偏向は、粒子の運動量および速度の積に逆比例し、２００ＭｅＶの陽子ではこの積が１５０ＭｅＶの電子に比べて２倍未満である。２０ｃｍの水スラブを通過するシミュレートされた電子の飛跡およびそれらの再構成された経路が数例、図２（ａ）に示される。

図２は、２０ｃｍの水スラブにおけるシミュレートされた１５０ＭｅＶの１次および２次電子の飛跡、ライン２０１、ならびにそれらの３Ｄ３次スプライン近似、ライン２０２を示す。図２の縦軸が横軸に対して２倍拡大されていることに留意すべきである。図２Ａは、弾性クーロン散乱のみを受けた飛跡２０１をそれらのスプライン近似２０２によって約１ｍｍの分解能までよくフィッティングできることを示す。図２Ｂは、追加の高エネルギー制動放射フォトン、ライン２０３、および電子‐陽電子対、ライン２０４を伴うより複雑な飛跡を示す。スプライン近似された飛跡２０２は、これらのケースでは元の飛跡２０１、２０３、および２０４から著しく外れる。右下の電子は、下流トラッカーでさらなる散乱を受け、水スラブからの出口におけるシミュレートされた飛跡の外挿と真の飛跡との間の不一致につながる。

Ｇｅａｎｔ４検出器シミュレーション・ツールキットは、高エネルギー（１０ＭｅＶから２００ＭｅＶ）電子ビームおよび現実的なファントムならびに検出器セットアップ幾可形状をシミュレートすることによって新しいｅＣＴモダリティの詳細なコンピュータ・モデルを提供し、スキャナ・ハードウェアにおける、ならびに画像化される対象物における物理的相互作用プロセスの特性、タイプおよび頻度を詳細に検討できる。これらのシミュレーションをよく知られた電子輸送特性（エネルギー損失、飛程、制動放射スペクトル、対生成など）および既存の実験データと比較できる。（仮想的）ｅＣＴスキャナの実証されたＧｅａｎｔ４モデルを用い、人体型頭部および体部ファントムの完全なＣＴスキャンをシミュレートして現実的なデータを生成できる。

再構成の方法論は、いくつかの実施形態では高エネルギー電子の基礎をなす物理的プロセスおよびそれらの特性、例えば、１次電子の衝突および放射エネルギー損失、散乱角分布、ならびに稀な相互作用プロセスの確率による、粒子の飛跡の解析およびカテゴリ化を組み込むことができる。シミュレーションは、水、医療物理学における標準参照物質、および標準的なヒト組織（軟組織および骨）で行うことができる。いくつかの実施形態において、ＭＬＰ再構成の準備は、基礎をなす物理的プロセスに従って１次電子の飛跡を分類するステップを伴う。例えば、いくつかの実施形態において、図２Ａに示されるように、電子が小角散乱のみを受けたのであれば、３次スプラインを用いた簡単な近似をＭＬＰに利用できるが、一方で図２Ｂに示されるように、飛跡の比較的大きい偏向につながる大きい制動放射事象を伴う電子飛跡のケースでは、別のより進んだモデルを用いることができる。

いくつかの実施形態では、例えば、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれて本出願の一部をなす、２０１１年２月１１日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」と題する米国特許出願公開第２０１１／０２２０７９４（Ａ１）号に記載されるような、陽子コンピュータ断層撮影のために開発されたシステム、方法、構成要素および／またはアプローチをｅＣＴのために利用できる。個々の粒子の残留エネルギーから、例えば、キャリブレーション手順を通じて、粒子が水のスラブを横切った場合に観測されたのと同じ平均エネルギー損失につながったであろう各粒子の水等価経路長（ＷＥＰＬ：ｗａｔｅｒ−ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｐａｔｈ ｌｅｎｇｔｈ）を推測できる。数学的に、エネルギー損失ＷＥＰＬは、水に対する相対的な阻止能（ＲＳｔＰ：ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｔｏｐｐｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）の積分に等しく、実際にはエネルギーに依存せず、それゆえに、粒子ごとの平均エネルギー損失を参照物質としての水と比較して記述する特有の組織特性に等しい。

ＲＳｔＰを再構成するために、ＭＬＰを推定できる。ｅＣＴに関して、いくつかの実施形態では水中で電子がガウス近似を有する確率密度分布で散乱されると仮定できる。従って、粒子の元の方向および箇所に対するその偏向をいくつかの実施形態では２変量ガウス分布で記述できて、ＭＬＰをベイジアン・アプローチに基づいて推測できる。いくつかの実施形態では同様のアプローチを散乱ＷＥＰＬ、すなわち、平均すると出射の際に観測される粒子の散乱角の分散につながるであろう水中の等価経路長の測定のために用いることができる。散乱ＷＥＰＬは、水に対して相対的な散乱能の積分に等しく、その積分からＲＳｔＰを再構成できる。

いくつかの実施形態では、ＭＬＰのコンセプトを画像再構成への離散化アプローチに利用できる。図３は、いくつかの実施形態におけるように、ＭＬＰを用いた行列Ａの形成を示し、行列要素ａ_ｉ，ｊは、ｉ番目の粒子のｊ番目のボクセルとの交差長に対応する。いくつかの実施形態では対象物を最初からデジタル化できて、対象物の未知の阻止能値のｍ次元ｘベクトルを形成する。ＭＬＰもいくつかの実施形態ではデジタル化できて、行列の行ベクトル｛ａ_ｉ，ｊ｝と表され、ここでｉは、電子のインデックス（ｉ＝１，２．．．ｎ）であり、ｊは、対象物ボクセルのインデックス（ｊ＝１，２．．．ｍ）である。いくつかの実施形態ではこれらのベクトルからなるｎ×ｍ行列Ａは、１次連立方程式：Ａｘ＝ｂの「システム行列」であり、ここで要素ａ_ｉ，ｊは、ｉ番目の粒子の履歴経路とｊ番目のボクセルとの交差の長さ（弦長）に対応し、ｘは、未知のｍ次元画像ベクトルであり、ｂは、その要素ｂ_ｉが積分ＲＳｔＰ、すなわち、ｉ番目の電子経路に沿って測定されたＲＳｔＰに対応するｎ次元ベクトルである。

標的核の核クーロン場で偏向された荷電粒子は、放射エネルギー（制動放射）を放出する。相対論的粒子では、制動放射が粒子質量に逆比例し、それゆえに、より重い粒子（陽子）より軽い粒子（電子）にとってずっと重要である。制動放射に起因するエネルギー転移は、衝突パラメータ（入射粒子と標的核との間の距離）に対して逆３次依存性を有する。これが意味するのは、いくつかの実施形態では大部分の電子の「連続的な」小さいエネルギー損失および角度偏向とは異なって取り扱うことができる、大きいエネルギー転移および偏向が比較的稀にしかない事象であろうということである。

いくつかの実施形態において、最尤経路再構成のための方法論は、何もない、単一、または複数の大角制動放射散乱事象を伴う電子の飛跡を分類するために飛跡パターン認識を使用できる。いくつかの実施形態では２つ以上の大角散乱事象を伴う飛跡を再構成から除外できる。いくつかの実施形態では、（図２Ｂにおけるように）経路上の単一の大角散乱を伴う事象について変曲点の確率モデルを開発できて、この点より前のＭＬＰセグメントは、ＭＬＰアプローチによってモデリングできる。（図２Ａにおけるような）連続的なエネルギー損失および散乱を伴う事象については、確立されたＭＬＰ方法または近似（例えば、３次スプライン）をいくつかの実施形態において使用できる。

いくつかの実施形態において、最尤経路計算の精度は、トラッカーに対する対象物の境界が既知であるときに大幅に改善できる。対象物の境界は、例えば、レーザに基づく光学的表面スキャンから推測できるであろう。それらのスキャニング・システムが患者位置決め追跡のために開発されて、市販されている。

３Ｄ電子散乱再構成
ｅＣＴ再構成アルゴリズムは、いくつかの実施形態では、散乱能、すなわち、高エネルギー電子を用いたイメージングに基づいて画像化される対象物の対象物中の各ボクセルが電子を散乱する能力を利用できる。患者における組織または注目される他の対象物における物質の散乱能は、対象物を備える元素の原子番号（Ｚ）および局所的な密度変化に依存して大きく異なりうる。医療用途では、このことが、例えば、カルシウム、もしくは他の高Ｚ物質または軟組織ではあるが肺のような低密度物質中に埋め込まれた物質の存在に基づいて組織を識別することを許容するであろう。臨床用途の例は、現在、エックス線マンモグラフィを用いて行われている乳腺腫瘍における石灰化の検出、集中的喫煙履歴に起因してリスクが高い人における初期肺がんの検出、冠動脈疾患の早期検出、または腎臓および胆嚢結石の検出を含む。本提案の方法を機能ｅＣＴまたは心臓イメージング、例えば、超高速３Ｄ冠動脈造影への適用に向けて強化するために、エックス線イメージングでよく用いられる、造影剤を用いることも可能である。

いくつかの実施形態において、散乱再構成は、電子が比較的より大きい角度で散乱するボクセルの箇所の再構成に基づき、この散乱は、周囲のボクセルより高いＺおよび／または密度をもつボクセルにおいてより高い確率で発生する。かかる大角散乱事象をボクセルを横切る電子の数に対して規格化して相対数を再構成すると、密度およびＺ番号が異なるボクセル間の良好なコントラストの区別につながるであろう。対象物が主要物質または組織（例えば、女性の***のケースでは軟組織）からなると仮定して、電子の入射および出射箇所ならびに方向から、飛跡セグメントを推定できる。いくつかの実施形態では、出射および入射方向の差が電子の散乱角を定義し、この角度が、対象物の厚さおよび仮定された組成ならびに主要な多重クーロン散乱組成によって決定される閾値より大きければ、単一の大きな散乱事象が発生したと仮定できる。この事象の最尤箇所は、スキャンされた対象物中に再構成された飛跡セグメントによって推測できる。これらの２つの直線は、一般に、３次元的に交差しないであろうが、入射方向に垂直な面によって与えられる最接近深さを有するであろう。再構成された飛跡セグメントが交差する、この面内に位置する対象物ボクセルに大角散乱事象に関する最尤箇所が割り当てられることになろう。かかる事象の数を各ボクセルでスコア付けすると、電子散乱能の３Ｄ再構成を許容し、この３Ｄ再構成は、電子ビーム方向に垂直な面内で最も高い空間分解能を有するであろう。

図４は、Ｇｅａｎｔ４に基づくモンテカルロシミュレーション・モデルによって代表されるような、３Ｄ電子散乱再構成を利用するｅＣＴ機器のコンセプト表現を示す。この図は、検出器と対象物とを通して追跡された単一の電子を示す。２対の２Ｄ位置敏感型検出器は、一方の対がファントムより前、他方がファントムの後に位置して、大角散乱の箇所を再構成するために用いることができる個々の電子の飛跡セグメントを登録する。挿入部（図５）は、散乱点再構成の詳細を示す。

いくつかの実施形態では、散乱再構成のアプローチを画像再構成への離散化のアプローチに利用できる。生体組織のデジタル化画像のための行列Ｃを形成できて、行列要素ｃ_ｉ，ｊは、ｉ番目の電子がデジタル化画像のｊ番目のボクセルにおいて大角散乱事象を経験した尤度に対応する。いくつかの実施形態では対象物を最初からデジタル化できて、対象物の未知の大角散乱能のｍ次元ｘベクトルを形成する。散乱能もいくつかの実施形態ではデジタル化できて、行列の行ベクトル｛ｃ_ｉ，ｊ｝として表され、ここでｉは電子のインデックス（ｉ＝１，２．．．ｎ）であり、ｊは、対象物ボクセルのインデックス（ｊ＝１，２．．．ｍ）である。いくつかの実施形態ではこれらのベクトルからなるｎ×ｍ行列Ｃは、１次連立方程式：Ｃｘ＝ｂの「システム行列」であり、ここで要素ｃ_ｉ，ｊは、ｉ番目の粒子の履歴経路とｊ番目のボクセルとの交差の長さに対応し、ｘは、未知のｍ次元画像ベクトルであり、ｂは、その要素ｂ_ｉがｉ番目の電子経路に沿って測定された大角散乱に対応するｎ次元ベクトルである。

いくつかの実施形態において、散乱再構成方法は、ただ１つのフレームを用いた３Ｄ再構成を許容する。他の実施形態では、複数のフレームが画像品質をさらに改善できる。

いくつかの実施形態では、最尤経路再構成を散乱再構成と組み合わせることができる。最尤経路のアプローチは、電子入射および出射箇所から外挿された飛跡に専ら依存するのに比べて散乱再構成の精度を向上させる。最尤経路再構成および散乱再構成を離散化の計算に一緒に適用できる。相互作用量が対象物中のその通過の間の電子の小角散乱および大角散乱を記述できる。対象物パラメータが各ボクセルの相対的阻止能、および各ボクセルにおいて発生する大角散乱事象の尤度に対応できる。

減衰再構成
ｅＣＴ再構成アルゴリズムは、いくつかの実施形態では、画像化されるプローブから出ていく電子ビームの強度に基づき、各電子の経路に沿った密度の積分を利用して、２Ｄ減衰ラジオグラフを発生させることができる。これが可能なのは、入射電子のかなりの部分がスキャンされる対象物中で、特に高Ｚまたは高密度のボクセル中で吸収され、結果として、電子がそれらのボクセルを横切る画像領域に「影」を生成するためである。いくつかの実施形態では、例えば、大角散乱事象とマーク付けされた経路を除いて各ボクセルを交差する最尤経路をカウントすることによって、２Ｄ減衰ラジオグラフを再構成できる。各ボクセルにおける経路のカウントは、入射電子ビームの不均一な強度を考慮に入れるために、ボクセルを交差する入射電子の飛程の数に対して規格化できる。規格化されたボクセル・カウントをボクセル・コラムに沿って入射電子ビーム方向に合計すると、２Ｄ減衰ラジオグラフが得られる。

いくつかの実施形態では、２Ｄ減衰ラジオグラフを組み合わせて、時間分解された２Ｄ減衰ラジオグラフを従来のイメージング方法と比較してずっとより低い放射線曝露で再構成できる。これが可能なのは、２Ｄ減衰ラジオグラフを準リアルタイムで再構成できて、減衰における変化が非常に高い時間分解能で得られるためである。

いくつかの実施形態では、減衰係数を再構成するために、２Ｄ減衰ラジオグラフと投影からの断層撮影再構成のための標準的なアルゴリズム、例えば、フィルタ補正逆投影アルゴリズムとを組み合わせることができる。減衰係数のボクセル和も、ボクセル・コラムに沿ってスキャンされた対象物と同じ物理的厚さの水対象物に関して予想されるであろうボクセル和と比較して表されてもよい。これは、標準的なエックス線ＣＴと同様の電子減衰ＣＴをもたらすことになろう。

いくつかの実施形態では、減衰ラジオグラフを最尤経路再構成および／または３Ｄ散乱再構成と組み合わせることができる。例えば、いくつかの実施形態では、イメージング・ターゲットの輪郭の位置を決めるために２Ｄ減衰ラジオグラフを利用できる。３Ｄ再構成の空間分解能および精度を改善するためにイメージング・ターゲットの箇所および輪郭の知識を利用できる。

再構成の追加的オプション
いくつかの実施形態では、本質的に並列のブロック反復およびストリング平均化投影最適化アルゴリズムを随意的に用いることができる。これらの並列化可能なアルゴリズムは、画像品質を劣化させることがなく、いくつかの実施形態では、かかるアルゴリズムが最小相対誤差を達成するために必要なサイクルをより少なくできる。いくつかの実施形態は、反復投影法を用いて全変動（ＴＶ：ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ）などのような目的（メリット）関数の優位化を許容する優位化（ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｚａｔｉｏｎ）スキームを組み込む。優位化の方法論（ＳＭ：ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ）は、いくつかの実施形態では制約条件のε両立解を見出すように設計された実施可能性探求アルゴリズムを優位化アルゴリズムへ変換することを許容できて、優位化アルゴリズムは、実施可能性を探求するアルゴリズムの保証された特質を損なうことなく、実施可能性探求アルゴリズムに目的関数削減ステップを挿入する。この方法論は、いくつかの実施形態では画像再構成用途の観点から計算効率がよく、かつ有用でありうる。

いくつかの実施形態では、追加の随意的な再構成方法、例えば、カルマン・フィルタ、パターン認識、または機械学習技術を適用できるであろう。

いくつかの実施形態では、大きな離散的制動放射事象が画像再構成品質に悪影響を及ぼすならば、これらの事象を再構成から除外できる。それらの事象が比較的稀なため、特に、初期電子エネルギーをより低くする必要がある小さい（例えば、小児）患者では、結果として生じる線量効率の損失を比較的小さくできる。

開示される実施形態の他の特徴
画像化される対象物に一次粒子ごとに送達される線量は、図６に示されるように、いくつかの実施形態においてｅＣＴではｐＣＴの約２．５分の１にできる。図６は、２０ｃｍの水スラブを横切る２００ＭｅＶの陽子および１５０ＭｅＶの電子によって水の１ｃｍの層で粒子ごとに付与される平均線量のグラフを示す。高エネルギーｅＣＴは、いくつかの実施形態ではｐＣＴに匹敵する画像品質を同様かまたはさらに低い送達線量で提供することができる。相対論的電子の放射線生物学的有効性は、陽子より低く、電子は、かなりより低い核相互作用、延いては、より少ない中性子および高イオン化核フラグメントをイメージング対象物中で生成し、従って、ｅＣＴは、１に等しい線質係数を有することができ、すなわち、ｅＣＴは、エックス線ＣＴと生物学的に同等でありうる。例えば、フレームごとに１ｍｍ^２当たり約１００電子で１８０フレームの全頭部スキャンのために、ｅＣＴによって送達される線量をミリシーベルト（ｍＳｖ）とすることができて（ｂｅ−ｍｉｌｌｉ−Ｓｉｅｖｅｒｔ）、エックス線ＣＴと比較して１０と１００との間の線量優位性を提供する。いくつかの実施形態では、各ビームが画像化される組織に小線量の電子を提供できる。例えば、フレームごとに、ビームは、平方ミリメートル当たり約１００電子以下、平方ミリメートル当たり１５０電子以下、平方ミリメートル当たり２００電子以下、平方ミリメートル当たり５００電子以下、平方ミリメートル当たり１０００電子以下、平方ミリメートル当たり８０電子以上、平方ミリメートル当たり５０電子以上、平方ミリメートル当たり３０電子以上、平方ミリメートル当たり１０電子以上、平方ミリメートル当たり約５０および５００電子の間、および／または他の前述値のいずれかの間の線量を送達できる。より小さい対象物、例えば、四肢および小児患者の画像化ではさらにより大きい線量優位性を期待できる。さらにまた、いくつかの実施形態では、３Ｄ画像の再構成のためにわずかに１フレームで十分であり、さらにより大きい線量優位性を提供する。

いくつかの実施形態では、機能ｅＣＴ（例えば、脳機能イメージング）、または心臓イメージング（例えば、超高速３Ｄ冠動脈造影）への適用に向けて本提案の方法を強化するために、ｅＣＴイメージング・システムと、エックス線イメージングでよく用いられる、造影剤とを組み合わせることもできる。例えば、いくつかの実施形態で、造影剤をｅＣＴイメージングの前に患者に注入できる。造影剤は、異常細胞と正常細胞との間の識別を強化してイメージング・ターゲットの解像度を高めることができる。生体組織の３次元動画像を再構成するために、造影剤を１つ以上のｅＣＴ画像再構成と組み合わせて利用することもできる。

ｅＣＴスキャナのための設計仕様は、いくつかの実施形態では次のパラメータのいずれか１つ以上を扱うことができる、すなわち、
・ｅＣＴ画像の空間およびコントラスト詳細分解能要件。
・密度測定の定量精度。
・画像品質要件を満たすスキャナの線量効率。
・時間分解能要件。
・スキャナのコスト制限および寿命要件。
・必要とされる電子ビーム源パラメータ、例えば、エネルギー範囲、エネルギー広がり、電流、繰り返しなど。
・レート、ビーム・サイズおよび広がり、ならびにこれらのパラメータの安定性。

システムの性能評価に加えて、これらのパラメータを定義すると、いくつかの実施形態では検出器パラメータの実質的な最適化および利用可能な加速器技術の選択を許容することができる。

商業的可能性
電子ビームを用いた電子ＣＴおよび３Ｄラジオグラフィの本提案の方法は、医療および産業用途に大きな商業的可能性を有する。将来の医療用途に関する３つの非限定の例が以下に示される。

心臓イメージング：心臓のより大きい容積または心臓全体を同時にカバーする３Ｄボリュメトリック・イメージングを改善された時間分解能と組み合わせると、エックス線ＣＴを用いた従来のイメージングと比較して放射線曝露がずっとより低く、時間精度がより良好なイメージングを許容するであろう。本提案の方法は、心臓イメージングの既存のワークフローに容易に統合されて、心臓ＣＴをよりコンパクトな機器と患者および職員のより少ない放射線被曝とで置き換えることができる。

例えば、いくつかの実施形態において、高エネルギー電子は、心臓組織に向けられ、検出器システムは、コンピュータシステムが動きアーチファクトを最小限に抑える３Ｄ画像を再構成できるように、心臓組織を横切る電子の物理量を検出するように構成される。より具体的には、いくつかの実施形態において、散乱再構成アルゴリズムが最尤経路の再構成とは独立にまたはそれと組み合わせて利用されるときには、１つかまたは少数のフレームのみで３Ｄ画像を発生させるのに十分なデータを収集できる。イメージング・データがこのように非常に短時間に得られ、再構成画像における動きアーチファクトを最小限に抑えて、時間精度を向上させる。

心臓イメージングに適用される電子ＣＴの別の実施形態では、画像データを得るために、測定される心臓周期とは非同期の角速度でフレームが撮られてもよく、画像データの経時的に不連続なセグメントから画像を再構成できる。再構成画像は、心臓周期の選択された部分、例えば、比較的無活動の部分を表現する。

心臓イメージングに適用される電子ＣＴの別の実施形態では、複数のフレームが１心臓周期より短い間隔で撮られてもよく、生きている心臓組織の時間分解された３Ｄ画像を形成するためにこれらのフレームを再構成できる。

結果として生じた画像は、高時間分解能画像を必要とする医療用途、例えば、比較的静かな心臓の高解像度画像を必要とする石灰化のスコア付けに役立つ。３Ｄ心臓イメージングは、例えば、低侵襲心臓手術のためのプラニングを可能にすることによって様々な他の医療用途にも有益でありうる。

乳がんのスクリーニング：低ｋＶエックス線マンモグラフィを用いた***スクリーニングは、認識された利益を有する一方で、重要な不利点、特に、放射線被曝に起因する乳がんのさらなるがんを生じさせるリスクも有する。閉経前の***組織における乳がんのスクリーニングに適用される本提案の方法は、検出効率を維持するが、線量を著しく、おそらく１桁以上低減するであろう。これは、乳がんを発症する遺伝的リスクがより高い女性をシリアル・イメージングによって追跡することを許容するであろう。悪性***病変の特徴は、正常な***内のより高い密度の領域または石灰化の領域である。

例えば、いくつかの実施形態において、高エネルギー電子は、***組織に向けられ、検出器システムは、コンピュータシステムが増加した密度の領域、および／またはカルシウムのような、高Ｚ物質をもつ領域の高空間分解能の３Ｄ画像を再構成できるように、***組織を横切る電子の物理量を検出するように構成される。***ｅＣＴスキャナは、随意的に、患者を腹臥位に支持するための機器を含むことができて、この機器は、１つまたは２つの***が電子ビームに曝露されるように、患者の垂れた***を受け入れるための少なくとも１つの開口部を含む。

***ｅＣＴスキャナは、***イメージングの従来の方法に優る著しい線量優位性を提供する。電子ビームは、スクリーニングされることになる***組織の平方ミリメートル当たり１０００電子未満か、またはおよそ１０００電子に等しい全線量を送達するように構成できる。いくつかの実施形態において、散乱再構成アルゴリズムが最尤経路の再構成とは独立にまたはそれと組み合わせて利用されるときには、１つのフレームのみで高分解能３Ｄ画像を発生させるのに十分なデータを収集できる。他の実施形態では、複数のフレームが、例えば、微小石灰化の分解能を高めることによって画像品質をさらに改善できる。本明細書では、明記される量または数に関して、用語「におよそ等しい」または「約」は、実際の量または数を明記される量または数の５％以内にできることを意味する。

いくつかの実施形態では、***組織に対応する画像データがコンピュータシステムによって準リアルタイム画像を発生させるために利用されてもよく、これらの画像が準リアルタイムで表示されて、それによってバイオプシー、外科、および／または他の処置手技を容易にしてもよい。

肺がんのスクリーニング：低線量ヘリカルＣＴを用いた大規模なスクリーニングの検討は、大部分が長い喫煙履歴に起因して、肺がんを発症するリスクが通常よりはるかに高い集団におけるエックス線ＣＴに基づく肺がんのスクリーニングが命を救う利益を実証した。本提案のイメージング方法は、ずっとより低い放射線曝露で改善された検出率を提供する見込みがあり、肺がんを発症するリスク・レベルが中程度の集団までこの方法をまさに拡張できるであろう。既存のスクリーニング・プロトコルにおけるのと同様に、本方法は、経時的に増殖を示すかまたは新たに生じた小結節に関して両肺のシリアル・スキャニングに用いられるであろう。

例えば、いくつかの実施形態において、高エネルギー電子は、肺組織に向けられ、検出器システムは、コンピュータシステムが結節のような増加した密度の領域、および／または高Ｚ物質をもつ領域の高空間分解能の３Ｄ画像を再構成できるように、肺組織を横切る電子の物理量を検出するように構成される。いくつかの実施形態において、散乱再構成アルゴリズムが最尤経路の再構成とは独立にまたはそれと組み合わせて利用されるときには、１つのフレームのみで高分解能３Ｄ画像を発生させるのに十分なデータを収集できる。他の実施形態では、複数のフレームが、例えば、結節および血管の分解能を高めることによって画像品質をさらに改善できる。

肺組織のイメージングに適用される電子ＣＴのいくつかの実施形態では、複数のフレームが撮られてもよく、生きている肺組織の時間分解された３Ｄ画像を形成するためにこれらのフレームを再構成できる。いくつかの実施形態では、呼吸周期より長い時間間隔にわたってフレームが連続的に取得される。異なる時間に対応する複数の３Ｄ再構成が再構成されて、様々な呼吸信号を用いて呼吸位相ビンへ区分される。他の実施形態では、ｅＣＴスキャナが呼吸信号によってトリガされ、同じ呼吸位相ビン内の画像データがその呼吸位相に対応するＣＴ画像を再構成するために用いられる。

肺ｅＣＴスキャナは、従来の胸部イメージング方法に優る著しい線量優位性を提供する。電子ビームは、スクリーニングされることになる肺組織の平方ミリメートル当たり１０００電子未満か、またはおよそ１０００電子に等しい電子全線量を送達するように構成できる。

本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせで実装できる。ソフトウェアは、汎用コンピュータ、専用プロセッサ、またはそれらの組み合わせにアルゴリズムを実装するように構成されたメモリ（例えば、ソリッドステートメモリ（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ、ＲＡＭ）、光メモリ（例えば、ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなど）、磁気メモリ（例えば、ハードディスクドライブ）などのような、非一時的な有形メモリ）に記憶されたコンピュータ可読命令を含むことができる。例えば、本明細書に開示されたプロセスを実行するために、プロセッサのような１つ以上のコンピューティングデバイスがコンピュータ可読メモリに記憶されたプログラム命令を実行してもよい。ハードウェアは、ステートマシン、１つ以上の汎用コンピュータ、および／または１つ以上の専用プロセッサを含んでもよい。いくつかの実施形態では、システムのハードウェア・プロセッサ・リソースとして１つまたは複数のプロセッサを利用可能にできて、いくつかの実装では、プロセッサが（例えば、ネットワークを介して結合された）異なる箇所にありうる。本明細書ではいくつかのタイプのユーザインタフェースおよびコントロールが説明のために記載されるが、他のタイプのユーザインタフェースおよびコントロールが用いられてもよい。

本明細書において考察された実施形態は、例として示され、本明細書に記載された実施形態には様々な修正を行うことができる。別々の実施形態の文脈で本開示に記載された、いくつかの特徴を単一の実施形態に組み合わせて実装することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈で記載された、様々な特徴を複数の実施形態で別々にまたは種々の適切な部分的組み合わせで実装することができる。さらに、１つの組み合わせに関連して記載された特徴をその組み合わせから削除できて、他の特徴と様々な組み合わせおよび部分的組み合わせで組み合わせることができる。本明細書に開示された実施形態例に様々な特徴を追加できる。さらに、本明細書に開示される実施形態例から様々な特徴を省略することができる。

同様に、動作が図面に示されるかまたは特定の順序で記載されたが、これらの動作を図示されるかまたは記載されたのと異なる順序で行うことができる。示されなかった他の動作を、示されるかまた記載された動作の前、後、もしくはそれらと同時に組み込むことができる。ある一定の状況では、並列処理またはマルチタスク処理を用いることができる。さらに、いくつかのケースでは、様々な組み合わせおよび部分的組み合わせを形成するために図示または考察された動作を省略するかまたは組み換えることができる。

Claims (20)

1. 対象物の画像を発生させるためのイメージング・システムであって、前記イメージング・システムは、
   １０ＭｅＶ以上のエネルギーをもつ電子を放出するように構成された高エネルギー電子の供給源と、
   前記システムが動作しているときに前記供給源によって放出された前記電子を前記対象物の方へ向かわせるノズルと、
   前記電子が前記対象物と相互作用する前後の前記電子の少なくとも位置を検出するように構成された検出器システムと、
   プロセッサであって、
   個々の電子の検出位置に少なくとも部分的に基づいて前記対象物内で前記個々の電子が辿った実際の経路に対応する推定経路を計算し、
   前記個々の電子の前記推定経路から前記対象物のデジタル化画像の各画像要素と前記個々の電子との間の相互作用を決定して、
   各画像要素と前記個々の電子との間の前記決定された相互作用に少なくとも部分的に基づいて前記対象物の前記デジタル化画像を再構成する
   ように構成された前記プロセッサと
   を備える、イメージング・システム。
2. 前記対象物は、生体組織を備える、請求項１に記載のイメージング・システム。
3. 前記検出器システムは、前記電子が前記対象物と相互作用した後に前記電子の軌跡を検出するように構成され、前記対象物内で前記電子が辿った前記実際の経路に対応する前記推定経路は、前記個々の電子の検出軌跡に少なくとも部分的に基づく、請求項１に記載のイメージング・システム。
4. 前記検出器システムは、前記電子が前記対象物と相互作用した後に前記電子の運動量を検出するように構成され、前記対象物内で前記電子が辿った前記実際の経路に対応する前記推定経路は、前記個々の電子の検出運動量に少なくとも部分的に基づく、請求項１に記載のイメージング・システム。
5. 前記プロセッサは、
   行列要素ａ_ｉ，ｊがｉ番目の電子と前記デジタル化画像のｊ番目のボクセルとの交差長に対応する前記デジタル化画像のための行列Ａを形成するようにさらに構成された、
   請求項１に記載のイメージング・システム。
6. 前記プロセッサは、
   大角散乱事象を経験したと思われる１つ以上の電子を識別し、
   前記大角散乱事象を経験したと思われる前記電子に関する最尤散乱箇所を計算して、
   行列要素ｃ_ｉ，ｊがｉ番目の電子が前記デジタル化画像のｊ番目のボクセルにおいて大角散乱事象を経験した尤度に対応する、前記デジタル化画像のための行列Ｃを形成する
   ようにさらに構成された、請求項１に記載のイメージング・システム。
7. 高エネルギー電子の前記供給源は、２０ＭｅＶと２００ＭｅＶとの間のエネルギーをもつ電子を放出するように構成された、請求項１に記載のイメージング・システム。
8. 高エネルギー電子の前記供給源による電子の放出を制御するように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１に記載のイメージング・システム。
9. 前記コントローラは、高エネルギー電子の前記供給源に電子を一連の１つ以上の電子ビームで放出させるように構成され、前記１つ以上の電子ビームは、画像化されることになる前記対象物の平方ミリメートル当たりおよそ１０および１０００電子の間の電子の線量を送達するように構成された、請求項８に記載のイメージング・システム。
10. 前記画像は２次元であり、前記画像要素は画素である、請求項１に記載のイメージング・システム。
11. 前記画像は３次元であり、前記画像要素はボクセルである、請求項１に記載のイメージング・システム。
12. 対象物の画像を発生させる医療機器の作動方法であって、前記医療機器の作動方法は、
    １０ＭｅＶより大きいエネルギーをもつ高エネルギー電子を一連の１つ以上の電子ビームで放出するステップと、
    １つ以上の粒子検出器を用いて、前記対象物中を通過する複数の前記電子に関するデータを測定するステップであって、測定データは、個々の電子のための第１および第２の飛跡についての情報を含み、前記第１および第２の飛跡は、それぞれ、前記対象物中のその通過前後の前記電子の軌跡に対応し、前記測定データは、前記対象物中のその通過から生じた個々の電子の相互作用量についての情報をさらに含む、ステップと、
    個々の電子に関して、前記第１および第２の飛跡に少なくとも部分的に基づいて前記対象物内で前記電子が辿った実際の経路に対応する推定経路を計算するステップであって、前記推定経路は、前記実際の経路の推定値を提供する、ステップと、
    個々の電子の前記推定経路から前記対象物のデジタル化画像の各画像要素と前記個々の電子との間の相互作用を決定するステップと、
    各画像要素と個々の電子との間の前記決定された相互作用に少なくとも部分的に基づいて前記対象物の前記デジタル化画像を再構成するステップと
    を備える、医療機器の作動方法。
13. 前記画像は２次元であり、前記画像要素は画素である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記画像は３次元であり、前記画像要素はボクセルである、請求項１２に記載の方法。
15. ラジオグラフィまたはコンピュータ断層撮影を行う医療機器の作動方法であって、前記医療機器の作動方法は、
    電子ビームを放出するステップであって、前記電子ビームは、複数の高エネルギー電子を備える、ステップと、
    １つ以上の粒子検出器を用いて、対象物中を通過する前記複数の電子に関するデータを測定するステップであって、測定データは、個々の電子のための第１および第２の飛跡についての情報を含み、前記第１および第２の飛跡は、それぞれ、前記対象物中のその通過前後の前記電子の軌跡に対応し、前記測定データは、前記対象物中のその通過から生じた個々の電子の相互作用量についての情報をさらに含む、ステップと、
    個々の電子ごとに、前記第１および第２の飛跡に少なくとも部分的に基づいて前記対象物内で前記電子が辿った実際の経路に対応する推定経路を計算するステップであって、前記推定経路は、前記実際の経路の推定値を提供する、ステップと、
    前記対象物中の前記電子の前記通過が連立１次方程式Ａｘ＝ｂとして表されるように前記電子の前記相互作用量および前記推定経路を配列するステップであって、ここでｘは、対象物パラメータ分布を表す離散的対象物ベクトルであり、前記ベクトルｘの各要素が前記対象物中のボクセルにおける前記対象物パラメータ分布の値を表し、ｂは、前記対象物中のそれらの各経路に沿った相互作用から生じた前記電子の前記相互作用量を表すベクトルであり、Ａは、前記ベクトルｂをもたらすために前記ベクトルｘに作用する行列であり、前記行列Ａは、前記対象物中の前記電子の前記推定経路についての情報を有し、前記行列Ａの要素は、対応するボクセルにおける選択された電子の推定交差長に対応し、前記推定交差長は、前記対象物中の前記電子の前記実際の経路の非直線性を考慮するため、および前記連立１次方程式が複数の解を有することを許容するために、前記対応するボクセルにおける前記選択された電子の前記推定経路の直線近似として計算される、ステップと、
    行列要素ｃ_ｉ，ｊがｉ番目の電子がデジタル化画像のｊ番目のボクセルにおいて大角散乱事象を経験した尤度に対応する前記デジタル化画像のための行列Ｃを形成するステップと、
    前記連立１次方程式に対する解を決定するステップと、
    前記決定された解に基づいて前記対象物パラメータ分布を計算するステップと、
    前記計算された対象物パラメータ分布に少なくとも部分的に基づいて前記対象物の画像を発生させるステップと
    を備える、医療機器の作動方法。
16. 対象物パラメータは、前記対象物中の各画像要素の相対的阻止能、前記対象物中の各画像要素の散乱能、前記対象物中の各画像要素において発生する電子ビーム強度の減衰、および前記対象物中の各画像要素において発生する大角散乱事象の尤度のうちの１つ以上の任意の組み合わせに対応する、請求項１５に記載の方法。
17. 生きている臓器組織の画像を発生させるためのシステムであって、前記システムは、
    １０ＭｅＶより大きいエネルギーをもつ電子を放出するように構成された高エネルギー電子の供給源と、
    高エネルギー電子の前記供給源による電子の前記放出を制御して高エネルギー電子の前記供給源に電子を一連の電子ビームで放出させるように構成されたコントローラと、
    前記システムが動作しているときに前記供給源によって放出された前記電子を生きている臓器組織の方へ向かわせるノズルと、
    前記電子が前記臓器組織と相互作用する前後の前記電子の少なくとも位置を検出するように構成された検出器システムと、
    プロセッサであって、反復して、
    個々の電子の検出位置に少なくとも部分的に基づいて対象物内で前記個々の電子が辿った実際の経路に対応する推定経路を計算し、
    個々の電子の前記推定経路から、イメージング対象物のデジタル化画像の各画像要素と前記個々の電子との間の相互作用を決定して、
    各画像要素と個々の電子との間の前記決定された相互作用に少なくとも部分的に基づいて前記イメージング対象物の前記デジタル化画像を再構成する
    ように構成された前記プロセッサと
    を備える、システム。
18. 前記プロセッサは、生きている臓器の動画像を含む前記生きている臓器組織の２次元または３次元画像を反復して再構築するように構成される、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記生きている臓器組織は、ヒトの四肢ならびに心臓の生きている内臓および冠動脈を含めて体、腎臓結石、胆嚢結石、頭部および脳、パノラマ歯科フィーチャ、***、または肺を備え、前記デジタル化画像は、造影剤の有無に係わらず注目される領域を異なって示す、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記内臓は、前記肺であり、前記デジタル化画像は、正常な肺組織または空気とは異なって結節を示唆するより高密度の領域を示す、請求項１９に記載のシステム
    
    

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