JP4718702B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファンビームまたはコーンビームＸ線コンピュータ断層撮影に係り、特に１８０°＋ファン角分の投影データから画像を再構成するＸ線コンピュータ断層撮影に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ファンビームおよびコーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＴ）は、被検体または患者を透過したＸ線のそれぞれ一次元および二次元投影から被検体または患者の内部を再構成する。被検体を透過したＸ線が検出器で受光されるように、Ｘ線源およびＸ線検出器が多様な位置に配設される。検出器は、単独または他の装置と連係して、Ｘ線源および／または検出器の個々の位置について画像データを生成する。画像データはその後、被検体の内部を再構成するために、記憶、操作および／または解析される。ファンビームシステムにおいて、検出器はＸ線検出素子の線状配列を形成するのに対し、コーンビームシステムでは、検出器はＸ線検出素子のアレイを形成する。
【０００３】
Ｘ線源および検出器の旧来の経路は、被検体のまわりの完全な円軌道、すなわち３６０°に沿っている。線源および検出器は、相互に対する一定の分離距離および位置を維持するように機械的に結合され、そして被検体の周囲を回転させられる。
【０００４】
図１に示す通り、Ｘ線源Ｓは、検出器Ｄに向けてＸ線のコーンビームまたはファンビームを放射する。線源Ｓによって放射されたＸ線は、校正用ファントム、患者、被検体、他の対象物といった三次元被検体（図示せず）に入射する。点源Ｓにおいて生成されたＸ線の少なくとも一部は、被検体の内部または周囲を通り、検出器Ｄにおいて受光される。線源Ｓおよび検出器Ｄは、相互に対して固定されており、例えばＣアームガントリーまたはリングガントリー装置の軸Ａに関してほぼ円軌道で回転する。Ｘ線源Ｓの角位置は、この図で、回転軸Ａで終端する任意の半直線Ｌに対する角度βとして例示されている。
【０００５】
被検体に関する線源および検出器の完全な円軌道のいくつかの不利益が、完全軌道自体の性質によって生じる。電気リード線は、被検体のまわりに１回以上の完全な回転を描くことができなければならない。医用ＣＴでは、患者は周回する検出器および線源の内部に入れられなければならないので、医療従事者による患者へのアクセスが妨げられる。さらに、多くの患者は、有意な再構成に十分な画像データを収集するために必要な長い時間ＣＴ機構内に取り囲まれていることを嫌がる。
【０００６】
ファンビームＣＴでは、検出器Ｄは、一般に円弧状に配列された検出素子を有する。コーンビームＣＴでは、検出器Ｄは一般に多少湾曲した曲面に沿って２次元的に配列された検出素子を有する。また、検出素子の曲線および曲面アレイは、検出素子Ｄとしての使用に適する。これらのすべての場合において、検出素子Ｄは、回転軸Ａに直交する平面で幅Ｗの断面積を有するはずである。この特定の実施の形態において、リニアアレイ検出器Ｄの幅の中点は、線源Ｓの中心と軸Ａを通る線Ｎにほぼ位置する。
【０００７】
図１に例示された角γは、線源Ｓと、検出器Ｄを構成している検出素子のマトリックスから選択された１個の検出素子とを結ぶ射線Ｏの中心線Ｎに対する角度を示す。ファンビームＣＴにおいて、角γ_ｍは、中心線Ｎに対して最も大きい（最大）角度の射線Ｍを示しており、この時、射線Ｍに沿って線源Ｓにより放射されたＸ線は検出器Ｄの最端の素子により受光される。射線Ｍの角γ_ｍの物理的限界は、例えば、（例示の通り）検出器Ｄの有限の長さ、線源放射のコリメーション（図示せず）、または線源Ｓによる非全方向性Ｘ線放射（やはり図示せず）によって生じ得る。検出器Ｄの断面積の中点が線Ｎに位置する図１において、軸の一方の側の角γ_ｍは軸の他方の側の角γ_ｍと等しくかつ相対する。線Ｎに対して検出器Ｄを移動させることにより２つのγ_ｍ間のこの関係は変化し、伝統的な幾何学的規則の使用を見込むことができる。
【０００８】
図２（ａ）乃至図２（ｃ）は、任意の半直線Ｌに対する線源の２つの異なる角位置βおよびファンビーム角度γで同一のＸ線透過率が測定される、３個の例示的射線Ｏ_ａ、Ｏ_ｂおよびＯ_ｃを例示している。例示のために、線源の第１の角位置βは、３例全部においてゼロに等しい。図２（ａ）において、射線Ｏ_ａは２回サンプリングされた第１の射線であるのに対し、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、他の位置で２回サンプリングされるそれぞれの射線Ｏ_ｂおよびＯ_ｃを示している。
【０００９】
近年、ファンビームおよびコーンビームＣＴで、ガントリーが被検体または患者の一部の周囲、つまり３６０°未満を回転する部分軌道分の投影データだけで画像再構成を実現しようとする試みがなされている。そのような部分軌道は、完全な円軌道における多くのビューが冗長である、すなわちそれらの画像データはほとんどまたはまったく新しい情報を付与しないことから、被検体の内部の再構成のための完全な画像データを提供することができる。例えば、被検体が不動であり、システムが理想的、すなわち無雑音である場合、線源および検出器の位置を１８０°シフトした位置に切り換えることにより、たとえ第２のビューからの画像データが収集されたとしても、軸を通る射線に沿って新しい情報はいっさい得られないであろう。
【００１０】
そうした部分軌道の利点は、より容易かつ安価な機械的実現を包含し、医療イメージングの間の患者へのアクセスを可能にし、患者の完全な包囲を必要としない線源および検出器の支持機構を可能にする。それはまた、Ｘ線イメージングの使用を、主に非ＣＴイメージング用途に設計されたそれを、特殊な要請のためのＣＴ画像を得るためにも使用可能にする。
【００１１】
ある特定の部分軌道、すなわち「最小完全データセット」をカバーする軌道の再構成の方法は、デニス・パーカー（Ｄｅｎｎｉｓ Ｐａｒｋｅｒ）により記載されており（「ファンビームＣＴのための最適ショートスキャン畳込み再構成」（”Ｏｐｔｉｍａｌ Ｓｈｏｒｔ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｆａｎｂｅａｍ ＣＴ”）、Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ．９．２５４−２５７，１９８２）、これは参照により本願に採り入れられる。「最小完全データセット」は、従来のコンボリューション形再構成方法において使用できる、等間隔の投影画像データの集合である。「最小完全データセット」は、完全軌道の半分より大きい範囲に及ぶ。すなわち、それは１８０°＋最大ファン角度２γ_ｍの範囲に及び、ここで最大ファン角度２γ_ｍは、Ｘ線源および検出器の回転軸を通る線源から放射された射線に対する（本質的に２次元または３次元の）Ｘ線検出器で受光されるＸ線源により放射された射線の最大角度である。図１は、このことおよび、本発明を説明するために使用する他の用語を略示している。
【００１２】
そのような「最小完全データセット」軌道の使用による１つの不利益は、ある射線が他の射線と同様に２回サンプリングされるということにある。すなわち、ある画像データが、他の画像データと同様に２回収集され、冗長となる。例示的な実例は図２（ａ）乃至図２（ｃ）において図示されている。これは図３においてより良好に例示することができ、ここでは画像データがラドン空間において表現されている。図３の横軸はチャネル角度γに対応し、縦軸はＸ線源の角位置βに対応しており、そして、Ｘ線画像データの集合の実際のラドン空間表現において、ラドン空間の各点のグレーレベルは、ファン角度γおよび線源の角位置βによって規定されるその射線に沿ったＸ線透過率の線積分に対応する。図３は、（図２（ａ）乃至図２（ｃ）に例示したそれらの射線を含む「最小完全データセット」部分軌道の収集において影付き領域により図示されたサンプリングされる射線に関する線源の角位置およびチャネル角度を示している。画像データのそのようなラドン空間表現は公知であり、これらの表現のより完全な解説は、その内容全体が参照により本願と一体となる、ガーバー・ティー・ハーマン（ＧａｂｏｒＴ．Ｈｅｒｍａｎ）著「投影による画像再構成：Ｘ線断層撮影の基礎」（”Ｉｍａｇｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｆｒｏｍ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓ： Ｔｈｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、 Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８０、３６〜３９頁および１６１〜１６５頁）を含め、いくつかの教科書に見ることができよう。一般に、射線ｐ（β，γ）およびｐ（π＋β＋２γ，−γ）に沿った線積分は等価である。画像データの全体の集合が被検体の内部を再構成するために使用される場合、２回収集された画像データは、最終画像の外観を歪ませ、低品質の画像をもたらす。
【００１３】
最小完全データセットによりこの問題を解決するための各種方法および装置が提起され実施されている。画像データは、平行射線データセットに組み換えられ（ｒｅｂｉｎｎｅｄ）、その後解析できるが、それはさらなるコンピュータによる努力および時間を必要とする。ナパーステック（Ｎａｐａｒｓｔｅｋ）はいくつかの代替的方法（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｎｕｃｌ．Ｓｃｉ．ＮＳ−２７，１１１２頁以降，１９８０。これは参照によって本願に採り入れられる。）を記載したが、それらは不適当な結果をもたらした。
【００１４】
パーカーは、発散ビームジオメトリを有するファンビームＣＴにおける最小データ再構成において一定の射線ラインをオーバサンプリングする問題を、オーバサンプリングされたデータについて、重みを与えることによって解決する方法を記載した。これらの重みは、式（１）、すなわち、
ｗ（β，γ）＋ｗ（π＋β＋２γ，−γ）＝１ （１）
を満たすことが要求される。パーカーまたは、クローフォード（Ｃｒａｗｆｏｒｄ）とキング（Ｋｉｎｇ）（「同時的な患者の並進によるコンピュータ断層撮影スキャニング」（”Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｐａｔｉｅｎｔ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ”），Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ．１７，９６７−９８２、１９９０。参照により本願に採り入れられる。）は、それらの重みに関する明示的な公式を与えている。
【００１５】
残念ながら、最小完全データセット（１８０°＋最大ファン角）と完全軌道（３６０°）以外の中間的な部分軌道のデータを用いて画像を再構成する単純かつ明快な方法および装置は、いまだ開発される余地がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、１８０°＋ファン角度の範囲の投影データ、特にこのファン角度を、検出器の素子配列長により決まる最大ファン角度以外の角度に、簡易に設定することのできる。
【００１７】
本発明の他の目的は、ファン角度の高度に精確な知識を必要としないＣＴイメージングを実行する方法およびシステムを提供することである。
本発明の別の目的は、ガントリー回転とＸ線放射との精密な同期を必要としないＣＴイメージングを実行する方法およびシステムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、スパン角度が最小完全データセット軌道のスパン角度と完全軌道のスパン角度との中間的な部分軌道を用いる画像再構成のための方法およびシステムを提供することである。
本発明のまた別の目的は、Ｓ／Ｎ比の抑制と画像分解能と間の相殺を付与する方法およびシステムを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、ヘリカルコーンビームＣＴにおいて最小完全データセットに関するパーカーの方法を上回る付加的な複雑さをいっさい要求しない、スパン角度が最小完全データセット軌道のスパン角度と完全軌道のスパン角度との中間的な部分軌道を使用する方法およびシステムを提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、ヘリカルコーンビームＣＴにおいてデータ外挿の程度を削除または最小限にしつつ、可能な限り多数のデータを再構成に使用することである。
本発明のさらに別の目的は、完全軌道の使用に匹敵する方法およびシステムを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体の周囲を回転するＸ線を曝射するＸ線源及びこのＸ線源から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器を用いて被検体をスキャンし、投影データを得るデータ収集装置と、前記データ収集装置により収集された１８０°＋ファン角度の範囲の投影データに基づいてハーフスキャン再構成法により画像を再構成する再構成装置とを具備し、前記検出器の素子配列長により決まる最大ファン角度以外の仮想ファン角度を２Γとし、βを前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器の回転中心を通る基準線と、前記Ｘ線源と前記回転中心とを結ぶ線とのなす角度として、ｗ（β，Γ）＋ｗ（π＋β＋２Γ，−Γ）＝１、により決定した重み係数ｗに基づいて前記１８０°＋前記仮想ファン角度の範囲の投影データを重み付けし、この重み付けした投影データに基づいて前記画像を再構成することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の目的は、実際の物理的な最大ファン角度に依存しない「仮想」のファン角度を設定することによって実現され得る。「仮想」ファン角度は、物理的な最大ファン角とは異なる角度に任意に設定可能である。仮想ファン角度を使用して、被検体の内部の再構成において使用されるオーバサンプリングされた射線の重みが計算される。詳細には、そのような仮想ファン角度を使用することにより、１８０°超且つ３６０°以下ではあるが、１８０°＋最大ファン角度より大きい又は小さいスキャン範囲（投影角度範囲）の投影データから画像再構成を実現する。ファン角度を仮想的に設定することで、その仮想ファン角度を従来のハーフスキャン再構成法で採られていた重み係数決定法にそのまま適用することで重み係数を簡易に決定し、投影データについて非一様な重みを好適に且つ簡易に与えることができる。重み付けされたデータは、様々な再構成方法のいずれかに従って画像を再構成するために使用することができる。
【００２１】
図６には、診断用ＣＴガントリーにファンビームＣＴを使用する本発明に従ったシステムの第１の実施の形態を示している。なお、複数の図面にわたって同じ参照番号は同一または対応する部分を示している。本発明を説明するために使用される座標系は図１にしめすそれと共通である。投影データ測定システム、いわゆるガントリー装置は、ほぼ扇形のＸ線束ビームを発生させるＸ線源Ｓと、一列に配列された検出素子よりなるリニアアレイＸ線検出器Ｄとを収容している。Ｘ線源Ｓおよび検出器Ｄは、相互に対向する位置関係で、回転リングガントリーＧに設置されている。被検体ＯＢは、リングガントリーＧ内で滑動可能に支持された寝台Ｂ上に配置される。線源Ｓ（実際にはその焦点）から照射されたＸ線が被検体ＯＢを通過し検出器Ｄに入射すると、検出器ＤはそれらのＸ線の強度に応じた電気信号を発生し、検出器Ｄに含まれるデータ収集部ＤＣによる増幅および符号化の後、制御／処理装置ＣＰに供給される。
【００２２】
図６の実施の形態は、図５とは対照的に、制御／処理装置ＣＰの外部にあるシステム制御装置ＣＳを備える。このシステム制御装置は、ガントリー／寝台制御装置ＣＧＢによる寝台Ｂの並進およびガントリーＧの移動、線源Ｓの（Ｘ線制御装置ＸＲＣおよびＸ線発生装置ＸＲＧと連係した）励起、および、リングガントリーＧの軸まわりの寝台Ｂの回転またはリングガントリーＧが描く軌道に沿った線源Ｓおよび検出器Ｄの回転のいずれか一方を制御する責務を担っている。データは、制御／処理装置ＣＰによって収集、記憶および操作（重みおよび再構成を含む）される。ＣＰからのデータは表示装置ＤＡで表示することができる。
【００２３】
ここで第１の実施の形態の動作について説明する。図７に示すように、仮想ファン角度は、０°超で、かつ１８０°以下であって、検出器Ｄの素子配列長によって物理的に決まる最大ファン角度２γ_ｍより大きい角度２Γ、または同様に０°超で、かつ１８０°以下であって、最大ファン角度２γ_ｍより小さい角度２Γ´に設定される。従って、スキャンは、少なくとも、１８０°超且つ３６０°以下ではあるが、１８０°＋２Γ、または１８０°＋２Γ´のスキャン範囲（画像再構成に要する投影データを収集するためにＸ線源Ｓが回転する角度範囲）、実際には図８（ａ）の工程７０１に示すように、そのスキャン範囲（１８０°＋２Γ、または１８０°＋２Γ´）以上の例えば１８０°＋２γ_ｍの範囲、ガントリーＧを回転させることによって実行され、その投影角度範囲の投影データが検出器Ｄによって収集され、ファンビームデータが記憶される。
【００２４】
収集された投影データは、工程７０３においてそれぞれ対応する射線に対して決定された重み係数に従って、重み付けされ（工程７０４）、そして重み付けされたデータに基づいて工程７０５において画像が再構成される。装置Ｃは重み係数の決定および畳込み演算を実行する。
【００２５】
工程７０２では、「仮想」ファン角度Γ（又はΓ´）が決定される。なお、以下の説明では主に仮想ファン角度がΓであるとして説明するが、Γ´に設定する場合には、ΓをΓ´に読み替えればそのままΓ´に設定する場合の説明として理解できる。この仮想ファン角度は、線源のスパンを制御するための入力データから決定されるか、または、スキャンピッチといった他のパラメータにもとづき処理装置ＣＰまたは制御装置ＣＳによって選択される。仮想ファン角度２Γは、当該の中間的な部分軌道を記述するために使用できる。この仮想ファン角度２Γは重み係数を決定するために使用され、それらの係数はさらに、投影データをサンプリング数に関わらず一様なデータレベルに揃えるために使用される。重み付けされたデータはさらにそれ自体、多くの再構成方法のいずれかに従って被検体の内部を再構成するために使用される。仮想ファン角度２Γは、スキャン範囲と１８０°との差の２分の１、すなわち、
２Γ＝Δβ （２）
として与えられる。または、仮想ファン角度２Γは、１８０°＋２Γが、１８０°より大きく、しかも収集した投影データのスキャン範囲より小さいが、最小完全データセットの収集のための角度１８０°＋２γ_ｍより大きくなる、または最小完全データセットの収集のための角度１８０°＋２γ_ｍより小さくなるという条件のもとで、任意に選択された角度によって定義することもできる。
【００２６】
仮想ファン角度を使用して決定された重みを使用することにより、図９に示すようにスキャン範囲０＜β＜π＋２Γおよび、−Γ≦γ≦Γの仮想ファン角度で定義される仮想サイノグラムが規定される。これは２Γの仮想ファン角度によるショートスキャンサイノグラムを形成している。全部のβについての新しいラドン空間領域−Γ≦γ≦−γ_ｍおよびγ_ｍ≦γ≦Γは、ゼロの仮想データ値より成る。実際のビーム和値がγ＝γ_ｍ時にゼロになる限り、仮想ファン角度に従って決定された重み係数を冗長投影を有する仮想サイノグラムに適用することにより、適正に再構成することができる。実際の実施では、重み係数がγ_ｍではなくΓにより決定される限り、領域−Γ≦γ＜−γ_ｍおよびγ_ｍ＜γ≦Γは無視できる。選択された重みは式（１）の関係を満たさなければならない。なお、図１０には、仮想ファン角度が２Γ´（Γ´＜γ_ｍ）に設定された場合の仮想サイノグラムを示しており、空間領域−γ_ｍ≦γ≦−Γ´およびΓ´≦γ≦γ_ｍでは、実測した投影データは使用しない。
【００２７】
このアプローチには２つの興味深い限定がある。Δβ＝２γ_ｍの時、仮想サイノグラムは通常のパーカーのショートスキャンサイノグラムに等価である。Δβ＝πの時、それは３６０°（完全軌道）スキャンであるが、全部の等しく式（１）により）重み付けされたビーム和に代わり、反射および重み公式が当てはまる。図９において、点（０，−Γ）、（４Γ，−Γ）および（０，Γ）によって規定されるＲ３および、点（π＋２Γ，−Γ）、（π＋２Γ，Γ）および（π−２Γ，Γ）によって規定されるＲ４の２個の三角領域は一致しており、すべてのビーム和は不均一な重みを受ける。
【００２８】
比較のために、図４は、「最小完全データセット」部分軌道のスパン角度と完全軌道のスパン角度との中間のスパン角度を有する部分軌道によって、画像データのセットの収集において２回サンプリングされる射線に関する線源の角位置およびファン角度を示すラドン空間のサイノグラムである。２回サンプリングされた射線の断片が、線源βの角位置における増大したレンジΔβ−２γ_ｍおよび、その増大したレンジΔβ−２γ_ｍにおける以前にサンプリングされた射線の冗長サンプリングの両者に起因して、増大することが明白になる。
【００２９】
式（１）を満足させるあらゆる重み方式を使用することができる。特定の例は以下の通りである。
【００３０】
【数１】

【００３１】
再構成処理を実行するための多数の従来の方法および装置が存在し、そうした方法を第１の実施の形態において使用することができる。
【００３２】
上述の方法の変更例では、図８（ｂ）に示すように、まず、仮想ファン角度２Γを選択し（工程７０６）、必要最小限のスキャン範囲１８０°＋２Γについてスキャンを実行する（工程７０７）。図８（ａ）に関して上述した通り、重みは工程７０８において決定され、工程７０９においてデータは重みされる。画像は、同じく上述の通り、重み付けされたデータによって再構成される（工程７１０）。
【００３３】
本発明は、従来のシングルスライスファンビームＣＴシステムに適用することができる。本発明は、画像の信号対雑音比（ＳＮＲ）と時間分解能との間における相殺を与えるために使用できる。βにより定義されるビューは時間上順次的であり、所与のビューに関する全部のビーム和（投影データ）は同時であるので、β軸および時間軸は等価である。従って、画像が、例えば呼吸や心拍による、または造影剤や生検針などの介入医療器具といったスキャンフィールドに導入される外的な動きによって生じた“ぼけ”または他の患者モーションアーチファクトを有する場合、それらのぼけおよびアーチファクト内容は、ビューの数（時間レンジ）を制御することにより再構成において制御することができる。
【００３４】
本発明は、２γ_ｍとπとの間で、すなわち下位の好ましい時間分解能と上位の好ましいＳＮＲとの間における仮想ファン角度を許容することによって、ＳＮＲと時間分解能との間の相殺を可能にする。この実施例に適用される同じ推論は、以下の２つの実施例にも適用できる。
【００３５】
図５を参照すれば、本発明に従ったＣ形アームＸ線撮影装置の第２の実施の形態が例示されている。Ｃ形ガントリーＧには、Ｘ線源ＳおよびＸ線検出器Ｄが相互に対面して設置されている。Ｃアームガントリーシステムは、良好に決定されたファン角度を持たず、ガントリー移動の角度レンジは、測定されるが、制御が難しい。線源の角位置のレンジは、収集される最初のフレームと最後のフレームにおける線源βの角位置の差から計算できる。線源Ｓから放射されたＸ線は寝台Ｂの被検体ＯＢを透過し、検出器Ｄによって検出される。本発明の１つの実施の形態において、寝台Ｂは可動式に支持されており、動きは制御／処理装置Ｃによって制御される。別の実施の形態では、寝台Ｂは、制御／処理装置Ｃによって指示される動き命令の実行の制御および確認のために、位置検出器および／または加速度計（どちらも図示せず）を備えている。
【００３６】
検出器Ｄは照射データを生成し、それらは制御／処理装置Ｃに送信される。ここに例示する通り、ガントリーＧは、ガントリーの角位置および、制御／処理装置Ｃによって指示される動き命令の実行の制御および確認を判断するための内部位置検出器ＰＤを含む、指示・回転機構ＳＭに回転可能に設置されている。あるいはまた、ガントリーＧは、天井取付具から懸下することもでき、Ｃアーム回転、Ｃアーム滑動およびサポートコラムの回転を組み合わせることにより３軸に沿って移動させることもできる。天井設置または床設置のいずれの場合も、支持・回転機構ＳＭは側方および縦方向に移動され得る。Ｃアーム回転は線源の角位置（図１におけるβ）を変化させるために使用され、それらの位置はさらに位置検出器ＰＤによって判定される。ここに例示した実施の形態では、位置検出器ＰＤはＣ形ガントリーの内部にあるが、後述するように、外部にあっても、または制御／処理装置Ｃ内に実施してもよい。
【００３７】
システムの動作は、制御／処理装置Ｃおよびデータ入力装置ＩＡによって制御される。装置Ｃは一般に、データ処理に必要な関数および計算を実行するためにプログラムされたコンピュータまたはワークステーションを備え、装置Ｄからの照射データの記憶および処理および、検出器Ｄからの照射データの重みを取り扱い、Ｃアームの移動、画像取得、データ記憶および、位置検出器Ｄからの線源の角位置（図１におけるβ）を確認するために使用される位置データの受信を含む、システムの動作を制御および監視する。制御／処理装置Ｃはさらに、再構成処理装置ＲＰによって照射データから画像を再構成するために、再構成処理を実行する。制御／処理装置Ｃは、特に検出器Ｄにより供給されるデータを記憶するための記憶装置ＭＳを備える。制御／処理装置Ｃはまた、各種計算を実行し、データ重みといった関数を実行するための処理装置ＣＰも含む。
【００３８】
入力装置ＩＡは、システムを動作または監視するためにオペレータがデータまたはコマンドを入力できるようにする。装置ＩＡは一般に、モニタ、キーボードおよびポインティングデバイスを備えるグラフィカルインタフェースとしてよい。また、再構成された画像は、例えばモニタおよび／またはプリンタを含むものとしてよい、表示装置ＤＡに表示され得る。
【００３９】
線源の角位置を決定するための最も普通の部類の装置は、支持・回転機構ＳＭに内部設置されるか、または線源Ｓを保持するＣアームガントリーＧを作動させる他の装置である。図５には、内部位置検出器ＰＤとして例示されている。回転角度を測定するための好ましい装置は、回転エンコーダである。
【００４０】
図５のシステムは、概ね図８（ａ）および図８（ｂ）に図示するようにして動作する。図１によって指示された通り、多数の射線に関するデータ収集は、ファンビームまたはコーンビームＣＴによって同時に実行できる。仮想ファン角度２Γはスキャン前に選択されるか、またはΓを選択した後に、スキャンをスキャン範囲（１８０°＋２Γ）を最小範囲として実行するようにしてもよい。再構成処理を実行するための多数の方法および装置が存在する。例えば、フェルドカンプ（Ｆｅｌｄｋａｍｐ）とデイビス（Ｄａｖｉｓ）およびクレス（Ｋｒｅｓｓ）が記載した方法（「実用コーンビームアルゴリズム」（”Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｃｏｎｅ−Ｂｅａｍ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ”），Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ１，６１２〜６１９，１９８４）は、被検体の内部の再構成のための仮想コーンビーム角度重み射線により使用できる。
【００４１】
本発明は、回転型ＣＴだけでなく、回転角が制限されているＣアームガントリーシステムに適用することができる。両者とも、デジタルサブトラクションアンジオグラフィ（ＤＳＡ）撮像装置であり、前者は天井設置型であり、後者は床設置型である。これらの両方のガントリーは、収集される各フレーム（デジタル化される患者のテレビ状スナップショット）について角度（直近１０分の１度まで）を記録する。従って、再構成が開始される時、収集された最初のフレームおよび最後のフレームの角度は既知である。この差がレンジであり、２Γ＋πである。上記の東芝のシステムでは、実際上３台のコンピュータが使用される。１台はデータ取得を扱い、１台はＣＴ再構成を扱い、第３のものは表示を扱う。
【００４２】
本発明に従った方法は、パーカーが記載したような方法に付加的な複雑さを導入することなく、ファンビームおよびコーンビームデータのＣＴ再構成に冗長データを包含できるようにする。上記の検討はファンビーム照射を説明するために簡略化したが、コーンビーム照射にも等しく適用可能であることに留意しなければならない。コーンビーム照射では、ビームは、図１において定義されたようなファン角度で検出素子の本質的に二次元アレイを照射するために矩形断面を有するようにコリメートされる。
【００４３】
診断用ＣＴガントリーにヘリカルコーンビームＣＴを使用する本発明に従ったシステムの第３の実施の形態が図６に示されている。この場合、投影データ測定システムは、Ｘ線束のほぼ円錐形ビームを発生させるＸ線源Ｓおよび、一般に４列の検出素子である検出素子のエリアアレイより成る二次元アレイＸ線検出器Ｄを収容している。
【００４４】
図６のコーンビームシステムもまた、概ね図８（ａ）および図８（ｂ）に図示するようにして動作する。図１によって指示された通り、多数の射線に関するデータ収集は、コーンビームＣＴによって同時に実行できる。仮想ファン角度２Γは事前に選択され、スキャンはこの角度レンジを収める（または超える）か、またはスキャンを実行した後に仮想ファン角度を選択することもできる。
【００４５】
診断用ＣＴガントリーのヘリカルコーンビームの場合、本発明は、データがまったく存在しない場合に外挿することなくより多くのデータを使用可能にする。例えば、ボクセルが小体積の被検体を表現すると考える。多くの従来のアルゴリズムは、Ｘ線源位置の焦点からボクセルを経て検出器までのビーム和の逆投影を必要とする。異なるボクセルはコーンビームにおいて各様にある。１つの線源位置から（所与のスライスの）ボクセルの全部を通り逆投影しようと試みるアルゴリズムは、検出器に当たるビーム和および外れるビーム和を含んでおり、当たり外れの位置は、ヘリカルピッチ（１回転あたりの天板移動距離）および撮像領域ＦＯＶに依存する。ＦＯＶは「視野」を表す。本発明では、より多くの線量データが使用され、結果的に外挿を最小限に維持するか、またはそれを完全に排除する。
【００４６】
本発明は、４９．２°の最大ファン角度を有するコーンビームマルチスライスＣＴ装置に適用される。ヘリカルピッチは、仮想ファン角度２Γの選択のための１つのパラメータとして使われる。β_１（ｘ，ｙ）をｘ，ｙのピクセルがコーンビームに入る時のガントリー角度とし、β_２（ｘ，ｙ）をｘ，ｙのピクセルがコーンビームを出る時のガントリー角度とする。β＝０をスライスが焦点と整列する時のガントリー角度と定義すれば、全部のβ_１は０より小さく、全部のβ_２は０より大きい。画像の円対称のため、最大のβ_１の大きさは最小のβ_２と同じであり、同一のピクセルｘ，ｙにおいてではないが、逆もまたそうである。
【００４７】
仮想ファン角度（２Γ又は２Γ´）は、アイソセンタピクセル（ｘ，ｙ＝０，０）がコーンビーム内にある角度レンジにもとづくことができる。アーチファクトは、データ外挿のためにアイソセンタより小さいガントリー角度レンジのコーンビームにあるような領域のスライスを生じ得る。その場合、ファン角度は、データ外挿が必要ではないように選択しなければならない。このことは、通常のスライス方向およびヘリカルピッチにおける各視野ＦＯＶに関して、２Γについて以下の条件を与える。
【００４８】
【数２】

【００４９】
１１４．６°が４９．２°＝２×１１４．６°−１８０°を満たしていることに留意されたい（ここで、４９．２°はスキャナの実際のファン角度である）。データ外挿を行わないようにするために、２Γは４９．２°より大きくなければならない。以下の表は、スキャナの５個のＦＯＶおよび３個のあり得るヘリカルピッチに関するそれらの知見の要約である。斜字体の項目は、再構成された画像の数ピクセルについてデータ外挿を有するはずである。
【００５０】
【表１】

【００５１】
ヘリカルピッチは、線源の１回転の間における台の行程を、アイソセンタとして投影された際の検出器の全幅で割ったものとして決定される。
【００５２】
ヘリカルピッチ１でスキャンされる５００ｍｍの被検体を再構成する場合、アイソセンタから２００ｍｍ未満のあらゆるピクセルにはいかなるデータ外挿も存在しない（ＦＯＶが４００ｍｍ、ヘリカルピッチ１の場合の２Γの項目は４９．２°より大きいので）。同様に、１．２５のピッチでは、１２０ｍｍ未満のあらゆるピクセルにはいかなるデータ外挿も存在しないが、アイソセンタから１２０ｍｍ超の一部のピクセルはデータ外挿を使用するであろう。
【００５３】
この場合、本発明に従った方法は雑音が少なくなるはずである。ハーフスキャニング（ＨＳ）に比べて、改善は以下により与えられる。
【００５４】
ＨＳによる雑音／ＭＨＳによる雑音は、
（１８０＋２Γ／１８０＋４９．２）^１／２ （６）
で与えられる。
【００５５】
しかし、再構成時間は、逆投影する付加的なビューのため、以下の分だけ長くなる。
３６０／１８０＋２Γ （７）
スケーリングを一定に維持するために、最終画像は以下の付加的なスケールファクタを必要とするかもしれない。
１８０＋２Γ／１８０＋４９．２ （８）
本発明は、画像における微妙な輪郭の像コントラストといった所要の画像特性を提供するヘリカルピッチにもとづく仮想角度を選択することを設ける。
【００５６】
本発明はまた、上述の各種関数および計算を実行するためのソフトウエアとしても実施できる。ソフトウエアは、図５の処理装置Ｃまたは図６のシステム制御装置ＣＳもしくは処理装置ＣＰに記憶される。ソフトウエアは、コンピュータプログラム製造物として本発明を実施するためにディスクにインストールすることもできる。
【００５７】
明らかに、本発明の多数の修正および変更が上記の教示に照らして可能である。例えば、本発明は、記録媒体に記憶されたソフトウエアという形態で、すなわちコンピュータプログラム製造物として実施され得る。従って、添付特許請求の範囲内において、本発明はここに特定的に記載したものと別様に実施し得ることを理解しなければならない。
【００５８】
例えば、上述した仮想ファン角度を適用したハーフスキャン再構成法は、特開平８−１８７２４０号公報に記述されているＡＳＳＲにも適用可能である。ＡＳＳＲは、マルチヘリカルＣＴにおいて、実際に収集した投影データから任意に設定した仮想平面に対応するＸ線パス（射線）の投影データを近似的に求め、この近似した投影データから画像を再構成するもので、例えば仮想平面をＸ線源のヘリカル軌道に沿って斜めに設定することでその斜断面の画像を再構成することを実現する再構成方法であり、この再構成にも、上記仮想ファン角度を適用したハーフスキャン再構成法を適用することができる。
【００５９】
また、上述した仮想ファン角度を適用したハーフスキャン再構成法は、ダイナミックＣＴにも適用可能である。ダイナミックＣＴは、Ｘ線源を複数回転しながら、１枚の画像再構成に必要なスキャン範囲を、３０°あるいは６０°といった１８０°未満の所定角度ずつシフトしながら移動させ、その各々のスキャン範囲内の投影データから、回転角速度にほとんど依存しないで、１８０°未満の所定角度の回転に要する短時間の間隔だけ時間が少しずつ移動した、つまり非常に時間分解能の高い連続的な画像を再構成する手法であり、この手法にも、上記仮想ファン角度を適用したハーフスキャン再構成法を適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、１８０°＋ファン角度の範囲の投影データ、特にこのファン角度を、検出器の素子配列長により決まる最大ファン角度以外の角度に、簡易に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明するために使用される座標系を例示する図。
【図２】（ａ）は「最小完全データセット」部分軌道の収集のための範囲とする角度に等しいかまたはそれより大きい角度を範囲とする軌道に沿って２回サンプリングされる線源の各種角位置βにおける例示的射線の略図、（ｂ）は「最小完全データセット」部分軌道の収集のための範囲とする角度に等しいかまたはそれより大きい角度を範囲とする軌道に沿って２回サンプリングされる線源の各種角位置βにおける例示的射線の略図、（ｃ）は「最小完全データセット」部分軌道の収集のための範囲とする角度に等しいかまたはそれより大きい角度を範囲とする軌道に沿って２回サンプリングされる線源の各種角位置βにおける例示的射線の略図。
【図３】「最小完全データセット」部分軌道の収集において２回サンプリングされる射線に関する線源の角位置およびファン角度を示すラドン空間のサイノグラムを示す図。
【図４】「最小完全データセット」部分軌道のスパン角度と完全軌道のスパン角度との中間のスパン角度を有する部分軌道によって画像データセットの収集において２回サンプリングされる射線に関する線源の角位置およびファン角度を示すラドン空間のサイノグラムを示す図。
【図５】本発明の１つの実施の形態に従ったＣアームガントリー装置を示す図。
【図６】本発明の別の実施の形態に従ったヘリカルコーンビーム装置を示す図。
【図７】本発明により設定される２種の仮想ファン角度を示す図。
【図８】本発明によるスキャンから画像再構成までの手順を示す図。
【図９】スキャン範囲０＜β＜π＋Δβおよび、−Γ≦γ≦Γ（この時、２Γは本発明の仮想ファン角度である）の仮想サイノグラム（ラドン空間におけるグラフ）を示す図。
【図１０】スキャン範囲０＜β＜π＋Δβおよび、−Γ´≦γ≦Γ´（この時、２Γ´は本発明の仮想ファン角度である）の仮想サイノグラム（ラドン空間におけるグラフ）を示す図。
【符号の説明】
Ｓ…Ｘ線源、
Ｄ…リニアアレイＸ線検出器、
Ｇ…回転リングガントリー、
Ｂ…寝台、
ＯＢ…被検体、
ＤＣ…データ収集部、
ＣＰ…制御／処理装置。

Claims (10)

1. 被検体の周囲を回転するＸ線を曝射するＸ線源及びこのＸ線源から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器を用いて被検体をスキャンし、投影データを得るデータ収集装置と、
   前記データ収集装置により収集された１８０°＋ファン角度の範囲の投影データに基づいてハーフスキャン再構成法により画像を再構成する再構成装置とを具備し、
   前記検出器の素子配列長により決まる最大ファン角度以外の仮想ファン角度を２Γとし、βを前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器の回転中心を通る基準線と、前記Ｘ線源と前記回転中心とを結ぶ線とのなす角度として、
   ｗ（β，Γ）＋ｗ（π＋β＋２Γ，−Γ）＝１
   により決定した重み係数ｗに基づいて前記１８０°＋前記仮想ファン角度の範囲の投影データを重み付けし、この重み付けした投影データに基づいて前記画像を再構成することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記仮想ファン角度は、前記最大ファン角度を超え、かつ１８０°以下の範囲のいずれかの角度に設定されることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. Ｘ線を曝射するＸ線源及びこのＸ線源から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器を用いて被検体をスキャンし、投影データを得るデータ収集装置と、
   前記データ収集装置により収集された１８０°＋前記検出器の素子配列長により決まる最大ファン角度を超え、かつ３６０°以下のスキャン範囲の投影データに基づいてハーフスキャン再構成法により画像を再構成する再構成装置と、を具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記スキャン範囲を決定する決定装置と、
   この決定装置によって決定されたスキャン範囲に基づいて、前記データ収集装置より得られた投影データに重み付けを行う重み付け装置とをさらに備えることを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
5. 前記決定装置は、撮像視野ＦＯＶの大きさに応じて仮想ファン角度を設定し、この仮想ファン角度＋１８０°に前記スキャン範囲を設定することを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
6. 前記データ収集装置は、ヘリカルスキャンに対応していることを特徴とする請求項５記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
7. 前記仮想ファン角度は、前記ヘリカルスキャンのピッチに基づいて設定されることを特徴とする請求項６記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
8. Ｘ線を曝射するＸ線源及びこのＸ線源から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器を用いて被検体をスキャンし、投影データを得るデータ収集装置と、
   前記データ収集装置により収集された１８０°＋前記検出器の素子配列長により決まる最大ファン角度を超え、かつ３６０°以下のスキャン範囲の投影データに基づいて画像を再構成するハーフスキャン再構成法と、３６０°のスキャン範囲の投影データに基づいて画像を再構成するフルスキャン再構成法とを選択的に実行可能な再構成装置と、を具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
9. Ｘ線を曝射するＸ線源及びこのＸ線源から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器とを被検体の周囲を回転可能にＣ形アームに保持するＣ形アームガントリー装置と、
   前記Ｃ形アームガントリー装置により収集された１８０°＋ファン角度の範囲の投影データに基づいてハーフスキャン再構成法により画像を再構成する再構成装置とを具備し、
   前記検出器の素子配列長により決まる最大ファン角度以外の仮想ファン角度を２Γとし、βを前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器の回転中心を通る基準線と、前記Ｘ線源と前記回転中心とを結ぶ線とのなす角度として、
   ｗ（β，Γ）＋ｗ（π＋β＋２Γ，−Γ）＝１
   により決定した重み係数ｗに基づいて前記１８０°＋前記仮想ファン角度の範囲の投影データを重み付けし、この重み付けした投影データに基づいて前記画像を再構成することを特徴とするＸ線撮影装置。
10. Ｘ線を曝射するＸ線源及びこのＸ線源から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器を用いて被検体をスキャンし、投影データを得るデータ収集装置と、
    前記データ収集装置により収集された１８０°を越え、且つ３６０°未満であって、１８０°＋ファン角度の範囲以外の角度範囲の投影データに基づいて画像を再構成する再構成装置とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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