JP6479967B2 - スペクトル投影拡張 - Google Patents

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Description

以下は、概して、スペクトル投影データを処理することに関し、より具体的には、スペクトル検出器及び非スペクトル検出器の両方を含む検出システムの不完全な(truncated)スペクトル投影のセットを拡張することに関連し、コンピュータ断層撮影(CT)への特定の応用を用いて説明される。しかし、以下は、フラットパネル、x線、放射線治療及び/又は他のイメージング応用にも適している。
スペクトル検出器は、エネルギー積分検出器に比べて、価格が比較的高い。費用を減らすために、検出システムは、すべてがスペクトル検出器である代わりに、スペクトル検出器とエネルギー積分検出器との両方を有するハイブリッド検出器アレイを含む。1つの手法では、検出器アレイでは、スペクトル検出器が非対称に存在する。例えば第1のセットの検出器は、スペクトル検出器で、残りの検出器は、エネルギー積分検出器である。スペクトル検出器が、フル視野全体ではなく小さい視野をカバーする本例では、フル視野収集によって、不完全なスペクトル投影のセットがもたらされる。
非対称プロファイルの不完非スペクトル投影を拡張する手法は、Cho他によるPhys. Med. Biol.40、1995、1863−1883頁に説明されている。この手法では、非対称プロファイルは、反対のガントリ角において測定される補完的(又は近似冗長的な)線積分で拡張される。適切なイメージング品質が、軸方向スキャニングモードにおいて、小さい円錐角について達成される。より大きい円錐角(例えば1.5度より大きい)又はより高いピッチ(例えば0.8より大きい)では、非対称に不完全な収集の3D画質は、徐々に劣化する。前者は、Schafer他による「FBP and BPF reconstruction methods for circular X-ray tomography with off-center detector」(Med. Phys. 第38巻(7)、S85−S94、2011)に説明され、後者は、Zamyatin他による「Helical cone beam CT with an asymmetrical detector」(Med. Phys.32、3117−3127 2005)に説明されている。
スペクトルの場合、残念なことに、この問題は、各スペクトルチャネルについて生じる。
方法は、イメージングシステムのハイブリッドデータ検出システムを用いて、放射線を受信するステップを含む。ハイブリッドデータ検出システムは、検査領域の横軸に沿って配置されるスペクトル検出器のセット及び積分検出器のセットを有するハイブリッドデータ検出器アレイを含む。当該方法は更に、スペクトル検出器の第1のセットを用いて、不完全なスペクトル投影のセットを発生させるステップを含む。当該方法は更に、積分検出器のスペクトル投影のセットを推定するステップを含む。当該方法は更に、不完全なスペクトル投影のセットと、推定されたスペクトル投影のセットとを組み合わせるステップを含む。当該方法は更に、スペクトル投影の完全なセットを生成するように、組み合わせられたセットに基づいて、スペクトル投影のセットを推定するステップを含む。当該方法は更に、ボリュメトリック画像データを発生させるように、スペクトル投影の完全なセットを処理するステップを含む。
イメージングシステムは、放射線を放出する放射線源と、放射線を受信するハイブリッド検出器アレイとを含む。ハイブリッド検出器アレイは、スペクトル検出器と、積分検出器とを含む。スペクトル検出器は、ハイブリッド検出器アレイの中心領域に対して非対称に配置される。スペクトル検出器は、不完全なスペクトル投影を発生させる。当該イメージングシステムは更に、積分検出器のスペクトル投影を推定し、スペクトル投影の完全なセットを生成するように、不完全なスペクトル投影と推定されたスペクトル投影とを組み合わせ、ボリュメトリック画像データを発生させるように、スペクトル投影の完全なセットを処理する再構成器を含む。
装置は、命令を格納するメモリと、命令を実行するプロセッサとを含む。当該プロセッサは、命令の実行に反応して、スペクトル検出器及び積分検出器を含む検出器アレイから、不完全なスペクトル投影及び積分投影を受信し、積分検出器に対するスペクトル検出器の補完的スペクトル投影に基づいて、積分検出器のスペクトル投影を推定し、スペクトル投影の完全なセットを生成するために、不完全なスペクトル投影及び推定されたスペクトル投影を組み合わせる。
本発明は、様々なコンポーネント及びコンポーネントの配置、並びに、様々なステップ及びステップの配置の形を取る。図面は、好適な実施形態を例示するためだけのものであり、本発明を限定すると解釈されるべきではない。
図1は、スペクトル投影エクステンダを含む再構成器を有する例示的なイメージングシステムを示す。 図2は、スペクトル検出器及びエネルギー積分検出器の両方を有する例示的なハイブリッド検出器アレイを示す。 図3は、スペクトル検出器及びエネルギー積分検出器の両方を有する別の例示的なハイブリッド検出器アレイを示す。 図4は、スペクトル投影エクステンダの一例を示す。 図5は、図2のハイブリッド検出器アレイの一例の欠測投影の一例を示す。 図6は、図2のハイブリッド検出器アレイの一例の補完的投影の一例を示す。 図7は、本明細書に説明される一実施形態による方法を示す。
図1は、コンピュータ断層撮影(CT)スキャナといった例示的なイメージングシステム100を概略的に示す。
イメージングシステム100は、回転式ガントリ102と、固定式ガントリ104とを含む。回転式ガントリ102は、固定式ガントリ104によって回転可能に支持される。回転式ガントリ102は、長手軸、即ち、z軸に対して、検査領域106の周りを回転する。イメージングシステム100は更に、回転式ガントリ102によって回転可能に支持される、例えばX線管といった放射線源108を含む。放射線源108は、検査領域106の周りを、回転式ガントリ102と共に回転し、検査領域106を横断する放射線を放出する。
イメージングシステム100は更に、ハイブリッド検出システム110を含む。ハイブリッド検出システム110は、放射線源108の反対側で、検査領域106の向こう側に配置される。ハイブリッド検出システム110は、z軸方向に沿って配置された一列又は複数列の検出器を有する1又は2次元アレイ112を含む。1又は2次元アレイ112は、検査領域106の横(x/y)軸に沿って配置されるスペクトル(マルチエネルギー)検出器とエネルギー積分(非スペクトル)検出器との組み合わせを含む。
図2及び図3は、アレイ112の非限定的な例を示す。図2では、検出器アレイ位置1から検出器アレイ位置αXまでの第1の検出器サブ領域202に、スペクトル検出器204があり、検出器アレイ位置αX+1から検出器アレイ位置Xまでの第2のサブ領域206に、エネルギー積分検出器208がある。ここで、Xは、1つの列における検出器素子の数を示し、2よりも大きい正の整数であり、また、αは、100%よりも少ない百分率である。この構成では、スペクトル検出器204は、検出器アレイ112の中心領域214について非対称に配置されている。
図2では、第1のサブ領域202は、小視野(SFOV)210をカバーする。小視野210は、例えば頭部スキャン、心臓スキャン等のフルカバレッジを提供する。第1のサブ領域202と第2のサブ領域206との組み合わせが、大視野(LFOV)212のカバレッジを提供する。大視野212は、例えば肩、腹部等のフルカバレッジを提供する。図3では、第1及び第2の検出器サブ領域202及び206は反対にされ、したがって、エネルギー積分検出器208は、位置1から位置αXに及び、スペクトル検出器204は、位置αX+1から位置Xに及ぶ。
図1、図2及び図3を参照するに、ハイブリッド検出システム110は、スペクトルモード及びエネルギー積分モードで動作する。エネルギー積分モードでは、SFOV210及びLFOV212について、少なくとも180度(180°)+ファン角の後に、吸収投影の完全なセットが収集される。スペクトルモードでは、SFOV210について、少なくとも180度(180°)+ファン角の後に、スペクトル投影の完全なセットが収集されるが、LFOV212については収集されない。LFOV212については、第2のサブ領域206によってカバーされる領域について、スペクトル投影が欠測しているため、スペクトル投影は不完全である。
図1を参照するに、イメージングシステム100は更に、投影を再構成し、ボリュメトリックデータを生成する再構成器114を含む。スペクトルLFOV収集のために、再構成器114は、第2のサブ領域206のスペクトル投影を推定するスペクトル投影エクステンダ116を含む。第1のサブ領域202の不完全なスペクトル投影と、第2のサブ領域206の推定スペクトル投影との組み合わせが、スペクトルLFOV収集のスペクトル投影の完全なセットを提供する。したがって、推定スペクトル投影は、LFOV収集の投影の完全なセットを生成するように、不完全なスペクトル投影を拡張する。
以下により詳細に説明されるように、1つの非限定的な事例において、スペクトル投影エクステンダ116は、第1のサブ領域202からの補完的スペクトル投影と第2のサブ領域206からのエネルギー積分測定結果とに基づいて、第2のサブ領域206のスペクトル投影を推定する。この手法は、当該手法が省略されている構成とは異なり、軸方向スキャニングにおけるより大きい円錐角(例えば1.5度より大きい)及び/又はヘリカルスキャニングのより高いピッチ(例えば0.8より大きい)を含む非対称スペクトル検出器プロファイルに適している。スペクトル投影エクステンダ116は、エネルギー積分モード及びSFOVスペクトルモードには使用されない。
再構成器114は、一時的媒体は含まず、物理的メモリ及び/又は他の非一時的媒体を含むコンピュータ可読記憶媒体に埋め込まれるか又はコード化されるコンピュータ実行可能命令を実行するプロセッサ(例えば中央処理演算ユニット(CPU)、マイクロプロセッサ等)を介して実現可能である。再構成器114は更に、搬送波、信号等といった一時的媒体によって運ばれるコンピュータ実行可能命令を実行することも可能である。再構成器114は、(図示されるように)イメージングシステム100の一部であっても、それとは別箇であってもよい。
イメージングシステム100は更に、例えばスキャニングの前、スキャニングの間及び/又はスキャニングの後に、検査領域106内で被験者を支持するカウチといった被検者支持体118を含む。
イメージングシステム100は更に、オペレータコンソール120として機能し、モニタといった人間が読み取り可能な出力デバイスと、キーボード、マウス等といった入力デバイスとを含むコンピュータシステムを含む。コンソール120は、オペレータが、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)及び/又は別の手段を介して、スキャナ100とインタラクトすることを可能にする。例えばユーザは、入力デバイスを使用して、LFOV及びスペクトルモードを含むイメージングプロトコルといったイメージングプロトコルを選択することができる。
例示的な一般事例において、検出器素子のスペクトル測定は、N個の異なる測定を含み、それぞれ、異なるエネルギービンに対するものであり、また、異なるスペクトル感度を用いる。これは、式1
に示されるように、表すことができる。ここで、Iは、i番目の強度測定を表し、S(E)は、測定の実効スペクトル感度を表し、ψ(E)は、放射線源エネルギー発光スペクトルであり、μ(E)は、吸収のエネルギー依存性を表す。
サブ領域202における検出器204の測定されたスペクトル減衰は、式2
に示されるように表すことができる。また、対応するエネルギー積分測定結果は、式3
に示されるように表すことができる。この場合、各スペクトルチャネルの割合は、式4
に示されるように計算することができる。サブ領域206における各エネルギー積分測定結果I208について、スペクトル情報
は、式5
に示されるように、サブ領域202からの対応する光線のスペクトルの割合
を使用して推定することができる。
図4は、再構成器114及びスペクトル投影エクステンダ116の一例を示す。本例では、N=2であり、2つのスペクトルビンは、光電子及びコンプトン散乱ベースにマッピングされる。別の実施形態では、N>2であり、また、スペクトルビンは、光電子、コンプトン散乱及び/又は他のベースを含むことができる。
スペクトル検出器204によって行われるスペクトル測定について、再構成器114は、式6
及び式7
にそれぞれ基づいて光線における光電子効果による実効吸収Pと、コンプトン散乱による実効吸収Cとを決定する。ここで、I及びIは、低及び高輝度測定結果であり、μ(E)及びμ(E)は、吸収のエネルギー依存性であり、S(E)及びS(E)は、実効スペクトル感度である。
再構成器114は、式8
にそれぞれ基づいて、スペクトル検出器204の第1のサブ領域202の非スペクトル測定結果(エネルギー積分測定と等しい)を決定する。ここで、Iは、組み合わされた(積分と同義)測定結果であり、S(E)=S(E)+S(E)である。第2のサブ領域206について、再構成器114は、スペクトル投影を推定するために、スペクトル投影エクステンダ116を使用する。この一例を次に示す。
スペクトル投影エクステンダ116は、第2のサブ領域206の積分光線に補完的である第1のサブ領域202からのスペクトル光線を特定する補完的光線特定器402を含む。検討下の2つの光線を明瞭に区別するために、式8に従って測定された積分光線は、ここでは、直接光線と呼ぶ。図5を軽く参照するに、第1のサブ領域206の例示的な欠測スペクトル測定502が示される。図6は、第2のサブ領域201からの補完的なスペクトル測定602を示す。
スペクトル投影エクステンダ116は更に、補完的光線について、光電子効果及びコンプトン散乱による実効吸収Pcr及びCcrを決定する補完的光線実効吸収決定器404を含む。一事例では、補完的光線実効吸収決定器404は、Choマッチングを使用する。Choマッチングの一例は、Cho他によるPhys. Med. Biol.40、1995、1863−1883頁に説明されている。
Choマッチングアルゴリズムは、検出器システムのデザインによって、デュアルレイヤピクセルによって測定された光線であるベストマッチする補完的光線の幾何学的位置を特定する。したがって、補完的光線について、線積分Pcr及びCcrは、分解を介して直接的に入手可能であるか、又は、幾何学的情報は、正しいI及びIをもたらし、分解が、これらのデータに対して行われる。
スペクトル投影エクステンダ116は更に、第2のサブ領域206について、式9
に基づいて、光電子効果による実効吸収xPcrと、コンプトン散乱による実効吸収xCcrとを推定するスペクトル実効吸収推定器406を含む。ここで、Iは、積分測定結果であり、xは、スケール係数であり、Pcrは、補完的光線の実効光電子吸収であり、Ccrは、補完的光線の実効コンプトン散乱吸収である。
スペクトル実効吸収推定器406は、式9を使用して、全吸収を(xを推定するために、1つの測定結果I及び1つのパラメータしかないため、今度は、明確な問題である)積分測定結果Iにマッチさせる値であるように、スケール係数xを決定する。スペクトル実効吸収推定器406は、直接光線の推定実効光電子吸収及び推定実効コンプトン散乱吸収として、xPcr及びxCcrを出力する。
再構成器114は、推定実効吸収xPcr及びxCcrを、LFOV212の実効吸収P及びCとして使用して、LFOV212のスペクトルデータの完全セットを生成する。再構成器114は、P及びCを処理して、より大きい視野212のスペクトル画像データを生成する。
変形例では、再構成器114は、Pcr及びCcrの両方ではなく、PcrのCcrに対する(又はその反対の)比率のみを決定し、その比率を使用して、欠測スペクトルデータを推定する。
別の変形例では、再構成器114は、式10
及び式11
に示されるように、強度比に基づいて、スペクトル強度を推定する。ここで、
及び
は、より低い及びより高い補完的光線強度測定結果である。式10及び式11は、2ビンを使用する例について、式4及び5と同様である。
別の変形例では、再構成器114は、式12
及び式13
に示されるように、強度比に基づいて、スペクトル強度の対数を推定する。
図7は、本明細書に説明される実施形態による方法を示す。本例では、N=2であり、2つのスペクトルビンは、光電子及びコンプトン散乱ベースにマッピングされている。別の実施形態では、N>2であり、スペクトルビンは、光電子、コンプトン散乱及び/又は他のベースを含んでよい。
当然ながら、下記のステップの順序は、例示を目的とし、限定ではない。したがって、本明細書では他の順序も考えられる。更に、ステップのうちの1つ以上が、省略されても、及び/又は、1つ以上の他のステップが含められてもよい。
702において、イメージングシステムの放射線源によって放出される放射線が、検出器アレイに沿って非対称に配置されるスペクトル検出器のセットと、積分検出器のセットとを含むハイブリッド検出器アレイによって検出される。
704において、積分検出器のセットに対して、スペクトル検出器のセットの補完的スペクトル投影のセットが特定される。
706において、補完的スペクトル投影のセットに対して、実効光電子吸収及び実効コンプトン散乱吸収が決定される。
708において、補完的スペクトル投影のセットの実効光電子吸収及び実効コンプトン散乱吸収が、積分検出器のセットの強度測定結果に基づいてスケーリングされる。
710において、積分検出器のセットの実効光電子吸収及び実効コンプトン散乱吸収が、スケーリングされた実効光電子吸収及び実効コンプトン散乱吸収に基づいて推定される。
712において、スペクトル検出器のセットの実効光電子吸収及び実効コンプトン散乱吸収が決定される。
714において、積分検出器のセットの推定された実効光電子吸収及び実効コンプトン散乱吸収と、スペクトル検出器のセットの実効光電子吸収及び実効コンプトン散乱吸収とが処理されて、ボリュメトリック画像データが生成される。
上記は、コンピュータプロセッサによって実行されると、当該プロセッサに上記ステップを実行させる、コンピュータ可読記憶媒体上にエンコードされる又は埋め込まれるコンピュータ可読命令によって実施される。更に又は或いは、コンピュータ可読命令の少なくとも1つは、信号、搬送波又は他の一時的媒体によって運ばれてもよい。
本発明は、好適な実施形態を参照して説明された。上記詳細な説明を読み、理解した者は、修正態様及び変更態様を思いつくであろう。本発明は、すべてのそのような修正態様及び変更態様を、添付の請求項又はその等価物の範囲内にある限り、含むと解釈されることを意図している。

Claims (14)

  1. 検査領域の横軸に沿って配置されるスペクトル検出器のセット及び積分検出器のセットを有するハイブリッドデータ検出器アレイを含み、前記スペクトル検出器は、前記ハイブリッドデータ検出器アレイの中心領域に対して非対称に配置されている、イメージングシステムのハイブリッドデータ検出システムによって、放射線を受信するステップと、
    前記スペクトル検出器の第1のセットを用いて、不完全なスペクトル投影のセットを発生させるステップと、
    前記積分検出器のセットについて、前記スペクトル検出器のセットから補完的スペクトル投影のセットを決定するステップと、
    前記補完的スペクトル投影のセットについて、実効第1エネルギービン吸収と、実効第2エネルギービン吸収とを決定するステップと、
    前記補完的スペクトル投影のセットの前記実効第1エネルギービン吸収と、前記実効第2エネルギービン吸収とに基づいて、前記積分検出器のスペクトル投影のセットを推定し、推定された前記スペクトル投影のセットに前記積分検出器のセットの強度測定結果をマッチさせるように、スケール係数を推定するステップと、
    前記不完全なスペクトル投影のセットと、前記推定されたスペクトル投影のセットとを組み合わせるステップと、
    スペクトル投影の完全なセットを生成するように、前記組み合わせられたセットに基づいて、スペクトル投影のセットを推定するステップと、
    ボリュメトリック画像データを発生させるように、前記スペクトル投影の完全なセットを処理するステップと、
    を含む、スペクトル投影拡張のための方法。
  2. 前記実効第1エネルギービン吸収は、実効光電子吸収であり、前記実効第2エネルギービン吸収は、実効コンプトン散乱吸収である、請求項1に記載の方法。
  3. 強度測定結果をマッチさせるために、前記積分検出器のセットの前記強度測定結果に基づいて、前記補完的スペクトル投影のセットの前記実効第1エネルギービン吸収と、前記実効第2エネルギービン吸収とをスケーリングするステップと、
    スケーリングされた前記実効第1エネルギービン吸収と、スケーリングされた前記実効第2エネルギービン吸収とに基づいて、前記積分検出器の前記スペクトル投影のセットを推定するステップと、
    を更に含む、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記積分検出器のセットの前記実効第1エネルギービン吸収及び前記実効第2エネルギービン吸収を、それぞれ、スケーリングされた前記実効第1エネルギービン吸収及びスケーリングされた前記実効第2エネルギービン吸収として推定するステップを更に含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記補完的スペクトル投影のセットの実効第1エネルギービン吸収の実効第2エネルギービン吸収に対する比率を決定するステップと、
    前記比率に基づいて、前記積分検出器の前記スペクトル投影のセットを推定するステップと、
    を更に含む、請求項1又は2に記載の方法。
  6. 強度測定結果をマッチさせるために、前記積分検出器のセットの前記強度測定結果に基づいて、前記比率をスケーリングするステップと、
    スケーリングされた前記比率に基づいて、前記積分検出器の前記スペクトル投影のセットを推定するステップと、
    を更に含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記積分検出器のセットの吸収投影のセットを発生させるステップと、
    前記スペクトル検出器のセットから補完的スペクトル投影のセットを発生させるステップと、
    前記吸収投影のセットの前記補完的スペクトル投影のセットに対する比率に基づいて、前記積分検出器のスペクトル投影のセットを推定するステップと、
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記吸収投影のセットの対数の前記補完的スペクトル投影のセットの対数に対する比率に基づいて、前記積分検出器の前記スペクトル投影のセットの対数を推定するステップを更に含む、請求項7に記載の方法。
  9. 前記補完的スペクトル投影のセットを決定するために、Choマッチングを使用するステップを更に含む、請求項1乃至8の何れか一項に記載の方法。
  10. 放射線を放出する放射線源と、
    ハイブリッド検出器アレイの中心領域に対して非対称に配置され、不完全なスペクトル投影を発生させるスペクトル検出器と、積分検出器とを含む、放射線を受信する前記ハイブリッド検出器アレイと、
    前記積分検出器について、前記スペクトル検出器から補完的スペクトル投影のセットを決定し、前記補完的スペクトル投影のセットについて、実効第1エネルギービン吸収と、実効第2エネルギービン吸収とを決定し、
    前記補完的スペクトル投影のセットの前記実効第1エネルギービン吸収と、前記実効第2エネルギービン吸収とに基づいて、前記積分検出器のスペクトル投影のセットを推定し、推定された前記スペクトル投影のセットに前記積分検出器のセットの強度測定結果をマッチさせるように、スケール係数を推定し、
    スペクトル投影の完全なセットを生成するように、前記不完全なスペクトル投影と前記推定されたスペクトル投影とを組み合わせ、
    ボリュメトリック画像データを発生させるように、前記スペクトル投影の完全なセットを処理する再構成器と、
    を含む、スペクトル投影拡張を有するイメージングシステム。
  11. プロセッサは、前記スペクトル検出器から前記積分検出器の補完的スペクトル投影を発生させ、前記補完的スペクトル投影の実効第1エネルギービン吸収と実効第2エネルギービン吸収との比率を決定し、前記積分検出器の強度測定結果に基づいて、前記比率をスケーリングし、スケーリングされた前記比率に基づいて、前記積分検出器の前記スペクトル投影を推定する、請求項10に記載のイメージングシステム。
  12. 前記実効第1エネルギービン吸収は、実効光電子吸収であり、前記実効第2エネルギービン吸収は、実効コンプトン散乱吸収である、請求項11に記載のイメージングシステム。
  13. プロセッサは、前記積分検出器のセットの吸収投影を発生させ、前記吸収投影のセットの前記補完的スペクトル投影のセットに対する比率に基づいて、前記積分検出器のスペクトル投影のセットを推定するか、又は前記吸収投影のセットの対数の前記補完的スペクトル投影のセットの対数に対する比率に基づいて、前記積分検出器の前記スペクトル投影のセットの対数を推定する、請求項10に記載のイメージングシステム。
  14. 命令を格納するメモリと、
    前記命令を実行するプロセッサと、
    を含み、
    前記プロセッサは、前記命令の実行に反応して、請求項1に記載の方法を実施する、装置。
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