JP7015781B2 - 多重エネルギー(二重エネルギーを含む)コンピュータ断層撮影(ct)イメージングを行うための方法および装置 - Google Patents
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Description
本特許出願は、Photo Diagnostic Systems,Inc.およびWilliam A.Worstell他によって、METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING DUAL ENERGY COMPUTED TOMOGRAPHY(CT) IMAGINGについて、2015年7月24日に出願された、係属中の先の米国仮特許出願第62/196,422号(代理人整理番号PDSI-1仮)の利益を主張し、同特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
コンピュータ断層撮影(CT)
とりわけ、医療およびセキュリティ分野における主要なイメージングモダリティとして、コンピュータ断層撮影(CT)が出現した。CTイメージングシステムは一般に、様々な位置から対象(たとえば、身体または容器)内にX線を当て、対象を通過するX線を検出し、次いで対象の内部(たとえば、患者の解剖学的構造または容器の中身)の三次元(3D)データセットおよび3Dコンピュータモデルを構築するように検出されたX線を処理することによって動作する。3Dデータセットおよび3Dコンピュータモデルは次いで、対象の内部(たとえば、患者の解剖学的構造または容器の中身)の画像(たとえば、スライス画像、3Dコンピュータ画像など)を提供するように視覚化され得る。
ビームハードニング
実際には、X線管装置35は典型的に多色X線源である、すなわち、X線管装置35は典型的に、異なるエネルギーの範囲でX線を放出する種類のX線管を備える。しかしながら、多色X線源からのX線ビームがスキャンされている対象を通過するにつれて、低エネルギーX線光子が、一般に高エネルギーX線光子より容易に減衰される。したがって、多色X線源からのX線ビームは、それが対象を通過するにつれて、そのスペクトルのより低エネルギー部分を優先的に失う。これは、X線ビームのより低エネルギー部分を大幅に減衰させることができる骨および金属などの高原子番号物質に関する特有の問題であり、(とりわけ)2つの高減衰物質間で(たとえば、高原子番号を有する2つの物質間で)画像アーチファクトを発生させることがある。この現象は、時に「ビームハードニング」と称される。ビームハードニングを補正しようと、各種のアルゴリズムが開発されてきたが、そのようなアルゴリズムには一般に、それらが、一定の仮定がなされること(たとえば、多色X線源が、X線管が発熱するにつれて変化しない固定スペクトルを有すること、X線吸収スペクトルが、理想とされる形状を有すること、など)を必要とするという事実がある。
二重エネルギーCT
X線減衰は一般に、(i)スキャンされている対象による放射線の散乱、および/または(ii)スキャンされている対象による放射線の吸収によってもたらされる。主にこれらの2つの作用の原因となる機構は、コンプトン散乱および光吸収である。コンプトン散乱および光吸収は、(a)X線における光子のエネルギー、および(b)スキャンされている対象の組成に従って変化する。この理由で、2つの異なるX線エネルギー(すなわち、「二重エネルギー」)でとられる測定値が、スキャンされている対象における異なる物質間を区別するために使用され得ると認識されてきた。これらの2つの異なる測定されたX線エネルギーは、必ずしも単色測定値に限定されるわけではなく、実際には、2つの測定値は、低および高エネルギーの広範囲にわたってとられる(すなわち、低エネルギー多色測定値が二重エネルギースキャンのX線エネルギーの一方として使用され、高エネルギー多色測定値が二重エネルギースキャンのX線エネルギーの他方として使用される)。
第一に、2つの異なるX線スペクトルがスキャンされている対象に当てられ得、スキャンされている対象による減衰の差を検出するために、フィルタ無し検出器が使用され得る。したがって、いくつかの二重エネルギーCTイメージングシステムに関しては、システムは、2つの異なる電圧間で迅速に切り替わる単一のX線管を備え、2つの異なるX線電圧でスキャンされている対象による減衰の差を検出するために、フィルタ無し検出器が使用される。しかしながら、この手法は比較的高コストを被る。なぜなら、それが、単一のX線管が2つの異なる電圧によって駆動されることを必要とし、それには一般に、2つの高圧電源か単一の高速スイッチング電源かの提供を必要とするからである。他の二重エネルギーCTイメージングシステムに関しては、システムは、異なる電圧で駆動される(それによって、スキャンされている対象に2つの異なるX線スペクトルを当てる)2つのX線管を備え、2つの異なるX線管/2つの異なるX線管電圧によってスキャンされている対象による減衰の差を検出するために、フィルタ無し検出器が使用される。しかしながら、この手法も比較的高コストを被る。なぜなら、それが2つのX線管の提供を必要とするからである。
第一に、対象は、(i)単一の電圧で駆動されて、多色X線ビームを発生する単一のX線管を備えるX線管装置と、(ii)各検出器が2つの異なるX線エネルギー範囲、すなわち、「高エネルギー測定値」および「低エネルギー測定値」を測定することが可能であるX線検出器装置とを備えるCTイメージングシステムを使用してスキャンされる。これは、従来の「二重フィルタ」検出器を使用して、または本明細書に記載される新規な「単一フィルタ」検出器を使用して行われてもよい。いずれの場合も、そのようなスキャンは、スキャンされている対象のまわりのX線管装置/X線検出器装置の各回転位置に対して、すなわち、各「応答線」に対して、2つの多エネルギー信号gHIGH(「高エネルギー」)およびgLOW(「低エネルギー」)を生成する。一般に、利用可能なスペクトル情報をさらに補足するために使用され得る追加の多エネルギー信号を得るために、追加のフィルタ(またはそれらの機能的等価物)が使用されてもよく、たとえば、多重エネルギーCTを可能にするための3つ以上の多エネルギー信号を生成するために、適切なフィルタリングが提供されてもよい。
乗法因子(それぞれ、「A」または「B」)を得て、多エネルギーデータg(すなわち、それぞれ、gHIGHまたはgLOW)を任意の単一エネルギーの純粋な単色システムに対する予測信号に変換するために、Rおよびg(すなわち、gHIGHまたはgLOW)が次いで、適切なルックアップテーブルのためのインデックスとして使用される。単一エネルギーサイノグラム(GENERGY)は、高フィルタ付き(gHIGH)およびより低フィルタ付きまたはフィルタ無し(gLOW)検出器の両方と関連付けられる応答線を含む応答線ごとに任意の単一のエネルギー(下付き文字「ENERGY」)に対する単一エネルギー信号の集合を含む。関数Rが、特定の比率gHIGH/gLOWまたは、さらに言えば、任意の他の比率である必要はなく、2つの(またはより多くの)異なる種類の検出器チャネルgHIGHおよびgLOWの応答差に感応する任意の関数でもよいことに留意されたい。
さらには、1つまたは複数の単一エネルギー画像(たとえば、I160、I40など)を演算する適切な関数によって、物質組成が得られ得る。
多色X線源と、
多色X線源からのX線を、X線が対象を通過した後に検出するための、ならびに、対象を通過した第1の多色X線スペクトルに関する第1の組の多色エネルギー測定値を提供するための、および、対象を通過した第2の多色X線スペクトルに関する第2の組の多色エネルギー測定値を提供するための検出器と、
(i)第1の組の多色エネルギー測定値および第2の組の多色エネルギー測定値の少なくとも一方を、選択される第1の単色エネルギーレベルでのX線と関連付けられる対応する第1の単色データセットに、および、選択される第2の単色エネルギーレベルでのX線と関連付けられる対応する第2の単色データセットに変換し、
(ii)第1の単色データセットを第1の単色画像に変換し、第2の単色データセットを第2の単色画像に変換し、
(iii)第1の単色画像および第2の単色画像の少なくとも1つを使用して、(a)ビームハードニングアーチファクトがない画像の提供、および(b)対象内の物質特性の同定の提供の少なくとも一方を行う
ように構成されたプロセッサとを備えるシステムが提供される。
対象を通過した第1の多色X線スペクトルに関する第1の組の多色エネルギー測定値を提供し、対象を通過した第2の多色X線スペクトルに関する第2の組の多色エネルギー測定値を提供するステップと、
第1の組の多色エネルギー測定値および第2の組の多色エネルギー測定値の少なくとも一方を、選択される第1の単色エネルギーレベルでのX線と関連付けられる対応する第1の単色データセットに、および、選択される第2の単色エネルギーレベルでのX線と関連付けられる対応する第2の単色データセットに変換するステップと、
第1の単色データセットを第1の単色画像に変換し、第2の単色データセットを第2の単色画像に変換するステップと、
第1の単色画像および第2の単色画像の少なくとも1つを使用して、(a)ビームハードニングアーチファクトがない画像、および(b)対象内の物質特性の同定の少なくとも一方を提供するステップとを含む方法が提供される。
二重エネルギーコンピュータ断層撮影(CT)イメージングを行うための装置
本発明によれば、またここで図4を見ると、新規な多重エネルギー(二重エネルギーを含む)CTイメージングシステム105が提供される。多重エネルギー(二重エネルギーを含む)CTイメージングシステム105は、以下に述べられることになる場合を除いて、前述された例証的な先行技術のCTイメージングシステム5と実質的に同じである。
多重エネルギー(二重エネルギーを含む)コンピュータ断層撮影(CT)イメージングを行うための方法
本発明によれば、2つ以上の異なる多色X線エネルギーでとられる測定値を使用して、多重エネルギー(二重エネルギーを含む)CTイメージングを提供するための新たな工程も提供される。
より詳細には、二重エネルギーCTイメージングが対象(たとえば、身体または容器)に行われることになるとき、対象は、新規な二重エネルギーCTイメージングシステム105の中央開口部120に配置され、回転ディスク130は、固定ガントリ125のまわりに回転され、X線管装置135は、多色X線ビーム145を放出するように通電され、X線検出器装置140は、X線検出器装置140の各検出器ごとに2つのエネルギー測定値、すなわち、多色「高エネルギー測定値」および多色「低エネルギー測定値」を収集するように作動される。
任意の所与の応答線に対する信号は、フィルタ付き検出器と関連付けられようとフィルタ無し検出器と関連付けられようと(すなわち、それぞれ、gHIGHまたはgLOW)、任意の単一エネルギーの純粋な単色システムに対する予測信号に変換され得る。これは、Rおよびg(gHIGHかgLOWか)がルックアップインデックスとして使用されるルックアップテーブルを使用して、適切な乗数を得て、CT取得多エネルギーサイノグラムg(gHIGHかgLOWか)を合成単一エネルギーサイノグラムGENERGYに変換して達成され、ここで「ENERGY」は任意の単一エネルギーレベル(たとえば、160kevの単一エネルギーでの合成単一エネルギーサイノグラムを表すG160、40kevの単一エネルギーでの合成単一エネルギーサイノグラムを表すG40、など)でもよい。実際には、フィルタ付きおよびフィルタ無しチャネルの応答が異なるので、フィルタ付きおよびフィルタ無しチャネルの各々に対して、別々のテーブルおよび別々のルックアップ値が必要とされる(すなわち、それぞれGENERGYの対応する単色サイノグラムを生成する乗数「AENERGY」および「BENERGY」)。このようにして、応答線ごとに合成単一エネルギー信号レベルが予測されて、フル解像度単一エネルギー合成サイノグラムを生成する。これは、適切な乗数を使用して任意の単一エネルギーに対して行われてもよい。
X線の減衰を決定する基礎となる物理的相互作用は、一般にコンプトン散乱(弱束縛電子と相互作用する)および光電効果(原子殻内の電子との共鳴相互作用)によって特性化される。これらの2つの種類の相互作用の測定強度に強く依存する任意の物理特性が評価され得る。たとえば、物質の質量密度は、物質が構成された原子の種類(光電効果の関数)および体積当たりの原子数(電子密度の関数)に大きく依存しており、複数の合成単一エネルギー画像IHIGH、ILOW(たとえば、I160、I40でありえる)を使用して求められ得る。
単一エネルギーサイノグラムのためのルックアップテーブルの生成
多エネルギーサイノグラムデータから単一エネルギーサイノグラムデータへの変換は、好適な実施形態をルックアップテーブルに一般化して、数学関数として上記されてきた。数学関数および/またはルックアップテーブル内容は、理論計算から、または、経験的データから完全に求められることがありえる。両手法について、目的は、検出器で測定される多エネルギー信号を期待される単一エネルギー信号に変換することである。変換動作が「期待される」単一エネルギー信号を生成することを検証するために、通常は、単純な形状および組成の検査対象を選択することが便利である。ほとんどの実施形態において、「期待される」値は、最良の科学的に導出された値である。我々の本実施形態において、これらの目標値は、国立標準技術研究所(NIST)によって公開されるデータから得られるが、しかし任意の情報源から得られることもありえる。
Zeffectiveまたは他の物質特性を求めるためのルックアップテーブルの生成
単一エネルギーサイノグラムデータ(すなわち、gENERGY、たとえば、g160、g40などでありえる)および単一エネルギー画像データ(すなわち、IENERGY、たとえば、I160、I40などでありえる)と物質特性との間の変換は、数学関数である。好適な実施形態において、この関数は表形式に還元される。テーブル内の値は、物質の既知の物理特性から、または、データの経験的分析から導出され得る。好適な実施形態において、テーブルは経験的に導出される。たとえば、様々な平均原子番号(Zeffective)の試料がスキャンされる。2つの単一エネルギー画像(たとえば、I160、I40)の比率は、Zeffective値を返すテーブルへのインデックスとして使用される。したがって、テーブル値を発生するために、画像比率およびZeffective値は、試料物質に対して記録される。6つの試料物質からのデータが収集されて、最良適合関数Zeff(画像比率)が求められる。
変更
本開示に鑑みて、本発明のなおさらなる実施形態が当業者にとって明らかであろうことが認識されるであろう。本発明が、決して本明細書に開示および/または図面に図示される特定の構成に限定されるのではなく、本発明の範囲内で任意の変更または等価物を含むことが理解されるべきである。
Claims (16)
- 対象の画像を提供するための多重エネルギーコンピュータ断層撮影(CT)イメージングシステムであって、
多色(polychromatic)X線源であって、前記多色X線源が、単一の電圧で駆動されて、多色X線ビームを生成する単一のX線管を備えるものと、
前記多色X線源からのX線を、前記X線が対象を通過した後に検出するための、ならびに、前記対象を通過した第1の多色X線スペクトルに関する第1の組の多色エネルギー測定値を提供するための、および、前記対象を通過した第2の多色X線スペクトルに関する第2の組の多色エネルギー測定値を提供するための検出器と、
(i)前記第1の組の多色エネルギー測定値および前記第2の組の多色エネルギー測定値の少なくとも一方を、選択される第1の単色エネルギーレベルでのX線と関連付けられる対応する第1の単色データセットに、および、選択される第2の単色エネルギーレベルでのX線と関連付けられる対応する第2の単色データセットに変換し、
(ii)前記第1の単色データセットを第1の単色画像に変換し、前記第2の単色データセットを第2の単色画像に変換し、
(iii)前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の少なくとも1つを使用して、(a)ビームハードニングアーチファクトがない画像の提供、および(b)前記対象内の物質特性の同定(identification)の提供の少なくとも一方を行う
ように構成されたプロセッサと、
を備え、
前記検出器が、第1の区間(section)および第2の区間を備え、さらに、前記第1の組
の多色エネルギー測定値が、前記多色X線源と前記検出器の前記第1の区間との間に第1のフィルタを位置決めすることによって提供され、前記第2の組の多色エネルギー測定値が、前記多色X線源と前記検出器の前記第2の区間との間に第2のフィルタを位置決めすることによって提供され、
前記第1の組の多色エネルギー測定値および前記第2の組の多色エネルギー測定値の前
記少なくとも一方が、ルックアップテーブルを使用して、対応する第1の単色データセットに、および、対応する第2の単色データセットに変換され、
前記ルックアップテーブルのインデックスが、
(i)前記第1の組の多色エネルギー測定値および前記第2の組の多色エネルギー測定値の少なくとも一方と、
(ii)前記第1の組の多色エネルギー測定値と前記第2の組の多色エネルギー測定値との間の差に感応する(sensitive to)関数とを含み、
前記ルックアップテーブルのインデックスが、
(i)前記第1の組の多色エネルギー測定値および前記第2の組の多色エネルギー測定値の少なくとも一方と、
(ii)前記第1の組の多色エネルギー測定値と前記第2の組の多色エネルギー測定値との間の比率とを含む、
システム。 - 前記第1のフィルタおよび前記第2のフィルタの少なくとも1つが、前記多色X線源と前記対象との間に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1のフィルタおよび前記第2のフィルタの少なくとも1つが、前記対象と前記検出器との間に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記検出器が、第1の区間および第2の区間を備え、さらに、前記第1の組の多色エネルギー測定値が、前記多色X線源と前記検出器の前記第1の区間との間に第1のフィルタを位置決めすることによって提供され、前記第2の組の多色エネルギー測定値が、前記検出器の前記第1の区間の出力と前記検出器の前記第2の区間の出力との間の差を計算することによって提供される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1のフィルタが、前記多色X線源と前記対象との間に配置される、請求項4に記載のシステム。
- 前記第1のフィルタが、前記対象と前記検出器との間に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記対応する第1の単色データセットが、第1のサイノグラム(sonogram)を含み、前記対応する第2の単色データセットが、第2のサイノグラムを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記ルックアップテーブルが、前記第1の組の多色エネルギー測定値および前記第2の組の多色エネルギー測定値の前記少なくとも一方を、対応する第1の単色データセットに、および、対応する第2の単色データセットに変換するための少なくとも1つの乗数(multiplier)を提供する、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の前記少なくとも1つが、前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の1つを提示することによってビームハードニングアーチファクトがない画像を提供するために使用される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の前記少なくとも1つが、前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の合成画像を提示することによってビームハードニングアーチファクトがない画像を提供するために使用される、請求項1に記載のシステム。
- 単一エネルギー比率画像IRが、第1の単色画像を、第2の単色画像で、除算すること、即ち、[第1の単色画像]/[第2の単色画像]、によって生成される、請求項10に記載のシステム。
- 前記合成画像の各ボクセル(voxel)が、前記第1の単色画像または前記第2の単色画像
から選択されるボクセルを含む、請求項10に記載のシステム。 - 前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の前記少なくとも1つが、ボクセル値が前記スキャンされた対象の前記物質特性を反映する画像を生成することによって前記対象内の物質の同定を提供するために使用される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の前記少なくとも1つが、ボクセル値が前記スキャンされた対象の電子密度(rho値)を反映する画像を生成することによって前記対象内の物質の同定を提供するために使用される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の単色画像および前記第2の単色画像の前記少なくとも1つが、ボクセル値が前記スキャンされた対象のZeffectiveを反映する画像を生成することによって前記対象内の物質の同定を提供するために使用される、請求項1に記載のシステム。
- 前記検出器が、前記対象を通過した第3の多色X線スペクトルに関する第3の組の多色エネルギー測定値を提供する、請求項1に記載のシステム。
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