(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な運動の所与の観測位相における対象物の断面画像を反復的に再構成するデータ処理ユニットであって、
異なる方向からの対象物の投影と、前記対象物の関連する周期的運動を特徴付ける同時に測定される運動パラメタとを受信する入力モジュールと、
前記投影の前記周期的な運動における位相と前記所与の観測位相との間の時間的距離を決定する処理モジュールと、
サブセット内の前記投影が前記観測位相までの所定の時間的距離の範囲に対応するよう、前記投影をサブセットに仕分ける仕分けユニットと、
各反復において、少なくとも１つのサブセットのすべての投影を処理するアルゴリズムを用いて断面画像の反復的再構成を行う再構成モジュールと、
前記観測位相に対する前記運動パラメタの類似度を前記時間的距離として用いるため、前記類似度の尺度となる重みを、ピークが前記観測位相に対応する点で中心化される関数を用いて、前記運動パラメタに関連付ける重み付けモジュールとを有し、
前記仕分けユニットが、前記投影をサブセットに仕分けるとき、前記重みに基づくグループ化を行う、データ処理ユニット。
【請求項２】
前記投影がX線投影である、請求項１に記載のデータ処理ユニット。
【請求項３】
前記サブセットがほぼ均等なサイズである、請求項１に記載のデータ処理ユニット。
【請求項４】
類似する時間的距離の範囲に対応する投影が、前記関連するサブセットの中でランダムに分配される、請求項１に記載のデータ処理ユニット。
【請求項５】
前記反復的再構成が、ART又はMLアルゴリズムに基づかれ、各反復における画像更新は、選択されたサブセットのすべての投影を用いる、請求項１に記載のデータ処理ユニット。
【請求項６】
回転X線デバイスと、
心電計デバイスと、
前記X線デバイスと前記心電計デバイスとに結合される請求項１乃至５のいずれかに記載のデータ処理ユニットとを有する、検査装置。
【請求項７】
周期的な運動の所与の観測位相における対象物の断面画像を、異なる方向からの前記対象物の投影と、前記対象物の前記関連する周期的運動を特徴付ける運動パラメタの同時測定とに基づき、反復的に再構成する方法において、
前記投影の前記周期的な運動における位相と前記所与の観測位相との間の時間的距離を決定するステップと、
サブセット内の前記投影が前記観測位相までの所定の時間的距離の範囲に対応するよう、前記投影をサブセットに仕分けするステップと、
各反復において、少なくとも１つのサブセットのすべての投影が処理されるよう、前記投影から断面画像を反復的に再構成するステップと、
前記観測位相に対する前記運動パラメタの類似度を前記時間的距離として用いるため、前記類似度の尺度となる重みを、ピークが前記観測位相に対応する点で中心化される関数を用いて、前記運動パラメタに関連付けるステップとを有し、
前記投影がサブセットに仕分けられるとき、前記重みに基づくグループ化が行われる、方法。
【請求項８】
周期的な運動の所与の観測位相における対象物の断面画像の反復的再構成のためのコンピュータプログラムが格納される記録担体であって、前記プログラムが請求項７に記載の方法を実行するよう構成される、記録担体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的な運動の所与の位相、特に所与の心臓位相における対象物の断面画像をその対象物の投影サブセットを用いて反復的に再構成するためのデータ処理ユニット、方法、検査装置及び記録担体に関する。
【背景技術】
【０００２】
CTスキャナのような回転型X線デバイスが、X線源の回転の間、心臓のX線投影を生成するとき、結果として生じる投影は、異なる心臓位相における心臓をキャプチャすることになる。心臓に関連する運動が原因で、単にすべての投影を用いる断層撮影再構成は、心臓のぼやけた断面画像を生み出すことになる。従って、同じ心臓位相に(およそ)対応する投影のみを再構成のために使用するのが普通である。その場合、心臓位相は、例えば、同時に記録される心電計信号により特徴付けられることができる。文献に記載されるように、この手法は例えば、「心臓重み」の導入による標準的な代数再構成技術(ART)アルゴリズムに基づき実現されることができる(T.Nielsen、R.Manzke、P.Proksa、M.GrassによるMed.Phys.、2005における「Cardiac cone-beam CT volume reconstruction using ART」、T. NielsenらによるRSNA 2004で発表された科学論文「Feasibility Study of Iterative Reconstruction for Helical Cardiac Cone-Beam CT」を参照)。心臓重みは、心電計信号を用いて、注目する所与の観測位相(例えば、心臓収縮位相又は心臓拡張位相)に対する心臓位相の類似度を定量化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
反復的再構成アルゴリズムの速度を向上させるために、すべての利用可能な投影をランダムにサブセットに分割すること、及び各反復ステップにおいて、画像更新の計算のためサブセットのすべての投影を同時に用いることが更に提案された(結果として、基本的なアルゴリズムに対する「順序付けサブセット」変形版を生じさせた)。
【０００４】
上記状況に鑑み、本発明の目的は、心臓のような周期的に運動する対象物の断面画像の反復的再構成を改善するための手段を提供することにある。特に、画像アーチファクトを減らしつつ、サブセットに基づく方法と同じくらい高速な再構成をもたらすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、請求項１に記載のデータ処理ユニット、請求項８に記載の検査装置、請求項９に記載の方法、及び請求項１０に記載の記録担体により実現される。好ましい実施形態は、従属項に開示される。
【０００６】
第１の側面によれば、本発明は、対象物の周期的な運動でのユーザ所与の観測位相において、周期的に運動する対象物の断面画像を反復的に再構成するためのデータ処理ユニットに関する。斯かる対象物の典型的な例は、心臓の鼓動(及び呼吸)が原因で周期的に動く患者の心臓であるが、本発明はこの用途に限定されるものではない。データ処理ユニットは基本的に、適切なソフトウェアと共に中央処理ユニット、メモリ、I/Oインタフェース等といった通常の要素を備えるコンピュータである。データ処理ユニットは、専用のハードウェア及び／又はソフトウェアにより実現されることができる以下のモジュールを有する。
【０００７】
a)  異なる方向から生成された対象物の投影の受信及び同時に測定された運動パラメタの受信のための入力モジュールであって、運動パラメタが、関連する投影が生成された時間での対象物の周期的運動を特徴づけるような、入力モジュール。その投影は、特に、対象物のX線投影であってよく、その運動パラメタは、特に、患者の心臓の鼓動を特徴付ける心電計信号であってよい。
【０００８】
b)  同じサブセットに入れられるすべての投影が、対象物の周期的な運動の同じ又は類似する位相に対応するような態様で、入力モジュールにより受信される投影をサブセットに仕分ける仕分けモジュール。従って、１つのサブセットのすべての投影は、所与の観測位相に対する(およそ)同じ類似度又は距離を持つ。
【０００９】
c)  各反復ステップにおいて少なくとも１つの対応するサブセットのすべての投影を同時に処理する反復的アルゴリズムによる対象物の断面画像の反復的な再構成のための再構成モジュール(処理されたサブセットは通常反復ステップから反復ステップへと変化する)。反復ステップにおいて、投影は、通常観測位相に対する距離が増加され、より少ない重み／影響度を持つ。
【００１０】
上述のデータ処理ユニットは、周期的に動く対象物の断面画像の高速な再構成を可能とする。なぜなら、それは、各反復ステップにおいて複数の投影を同時に処理するからであり、投影の運動パラメタを考慮するからである。更に、そのデバイスは、知られた手法と比べてより少ないアーチファクトで高い画像品質を実現する。この改善は、反復ステップで使用されるサブセットをランダムに投影で満たすのではなく、それらが類似する運動位相の投影のみを有するという順序付けされた態様で満たすことにより実現される。
【００１１】
本発明の更なる発展形によれば、再構成モジュールで行われる反復再構成は、アパーチャ関数(aperture function)を用いて処理された投影に重み付けをする(weight)。アパーチャ関数は、現実のアパーチャまたはコリメータが、マルチピクセル検出器の測定に与える効果をシミュレーションする。特に、検出器ユニットの複数の行及び列を備えるアレイ(ピクセル)を有するマルチ行検出器により生成された投影と組み合わせて適用されることができる。その場合、アレイの周辺に存在する行により生成された信号は、好ましくは、中央行による信号より少ない重みが与えられる(米国特許第6 775 346号参照)。
【００１２】
類似位相の投影サブセットに投影を所望するよう仕分けることを容易にするため、データ処理ユニットは、好ましくは、運動パラメタに重みを関連付けるステップを実行するよう構成される重み付けモジュールを有する。その場合、重みは、所与の観測位相に対する運動パラメタの類似度を測定する。この類似度は、例えば、その運動パラメタの出現と対象物のある運動サイクルにおける観測位相の出現との時間的距離により定量化されることができる。別の手法においては、類似度は観測位相のパラメタ値と考慮対象のパラメタ値との差により定量化されることができる。運動パラメタに重みを関連付けた後、サブセットは、同一又は類似する重みを持つ対応するパラメタを備える投影で容易に満たされることができる。更に、その重みは、投影の影響を定量化するため反復において使用されることができる。
【００１３】
好ましくは、再構成処理の間の各反復ステップがおよそ同じ数の投影を処理するよう、仕分け処理により生成されるサブセットは均等なサイズである。サブセットの通常のサイズは、ピッチ、回転あたりの投影数、及び投影の総数に依存する。サブセットは、各画像値が各サブセットにおいて、0より大きな心臓重みを持つ5から1000の投影、好ましくは15から200の投影により照らされるよう選択される。
【００１４】
典型的な場合、特定の運動位相に対応する利用可能な投影の数は、生成されるサブセットの(所望の)サイズより大きく、従って、そのサブセットにおけるすべての投影が同じ運動位相に対応するような幾つかのサブセットが存在することになる。斯かる状況において、関連するサブセットのうちの特定の運動位相の利用可能な投影をランダムに分配することが好ましい。
【００１５】
複数の異なる反復再構成アルゴリズムが、文献で述べられてきた。本書で適用される反復再構成は、特に、代数再構成技術(ART) (R.Gordon、R.Bender及びG.T.Hermanによる「Algebraic reconstruction techniques (ART) for three-dimensional electron microscopy and x-ray photography」、J.Theor、Biol.、29:471-481、1970参照)又は最尤(ML)アルゴリズム(K.Lange及びJ.A.Fesslerによる「Globally convergent algorithms for maximum a posteriori transmission tomography」、IEEE Transaction on Image Processing、4(10):1430-1450、1995)に基づかれる。各画像更新ステップは、選択されたサブセットの投影、つまり類似する運動位相に対応する投影を用いる。
【００１６】
本発明は、以下の要素を有する検査装置に更に関する。
【００１７】
異なる方向から対象物のX線投影を生成する回転X線デバイス。X線デバイスは、特にCTスキャナ、好ましくは、ヘリカルコーンビームCTスキャナとすることができる。ヘリカルコーンビームCTスキャナにおいて、X線源は、コーンビームを対応する検出器及びX線源上に投影し、検出器において、検査される対象物に対して相対的ならせん運動をなす。これは、ボリュームデータの高速な取得を可能にし、従って心臓検査に特に適している。
【００１８】
−  X線投影の生成のため、患者からの心電計信号を同時に測定するための心電計デバイス。心電計信号を用いて、心臓位相が各投影に対して知られたものとなる。
【００１９】
−  X線デバイス及び心電計デバイスに結合され、かつ、上述した原理に基づくようデザインされるデータ処理ユニット。こうして、データ処理ユニットは、特に、生成された投影を類似する運動位相のサブセットに仕分けし、反復ステップにおいてサブセットの投影を用いて、断面画像を反復的に再構成するよう構成される。
【００２０】
本発明は、周期的な運動の所与の観測位相における対象物の断面画像の反復的な再構成のための方法を更に有する。再構成は、異なる方向から生成された対象物の投影と、対象物の周期的な運動を特徴付ける運動パラメタの同時的測定とに基づかれる。その方法は、以下のステップを有する。
【００２１】
a)  各サブセット内の投影が周期的な運動の類似位相に対応するよう、投影をサブセットに仕分けるステップと、
b)  各反復ステップにおいて、少なくとも１つのサブセットの投影が、同時に処理されるよう、その投影から断面画像を反復的に再構成するステップとを有する。
【００２２】
最終的に、本発明は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、又はコンパクトディスク(CD)といった、周期的な運動の所与の運動位相における対象物の断面画像の反復的な再構成のためのコンピュータプログラムが格納される記録担体を有する。そのプログラムは、上述した種類の方法を実行するよう構成される。
【００２３】
検査装置、方法、記録担体は、上述されたデータ処理ユニットと同様な特徴を持つ。従って、詳細、利点及びそれらの更なる発展形に関する更なる情報に関しては、そのユニットの説明が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のこれら及び他の側面が、以下の実施形態を参照して、明らかとなり、及び説明されることになる。
【００２５】
以下、本発明は、例示を介して、それに対応する図面を用いて説明される。
【００２６】
図１は、本発明による検査装置の主要な要素を概略的に示す。その装置は、この場合特にヘリカルコーンビームCTスキャナである回転X線デバイス３を有する。CTスキャナは、ガントリ５内に、コーンビーム生成のためのX線源４と、X線源４の反対側にあるマルチ行検出器６とを有する。テーブル８の上の患者は、心臓７と共に、ガントリ５の中心に配置される。テーブル８は、患者に対する投影方向のらせん状の動きが実現されることができるよう、回転軸の方向zにおいて連続的に移動されることができる。
【００２７】
X線デバイス３により生成される投影Piは、心臓７の断面図が再構成されるデータ処理ユニット又はコンピュータ１に送信される。
【００２８】
図１は、患者７に付けられる電極を介して心電計信号ECGを記録し、及びそれらをコンピュータ１に通信する心電計デバイス２を更に示す。コンピュータでは、心電計信号が心臓周期の位相を特徴付ける運動パラメタとして用いられる。
【００２９】
図２は、図１のCTスキャナ３の回転の間、異なる方向から生成される投影P1, ...P5の系列を概略的に示す。図２の下の方のラインでは、対応する心電計信号ECGが投影に同期するように図示される。更に、心臓重み付け関数fが図２の真中に図示される。心臓重み付け関数fは、所定の幅を持つピークからなり、そこでは、そのピークがユーザが規定する「観測位相」に対応する各心臓周期のポイントT0, ...で中心化される。関数fのピークは、考慮対象の心臓位相、つまり、投影Piが生成される時間tiが観測位相に対して持つ距離(又は類似度)を測定する。こうして、関数fは、観測位相に対する距離に関して(より正確には、観測位相に対する生成時間tiの距離に関して)、関連する係数fi = f(ti)で投影P1, ...を重み付けするのに使用されることができる。心臓の重みに関する更なる詳細は、文献には見つからない(上述のNielsenら参照)。
【００３０】
大きな領域検出器を備えるヘリカル心臓スキャンの反復的再構成は、例えば、ARTを用いて行われることができる。所望のハードウェア上で反復アルゴリズムを実現することにより再構成の加速が望まれる場合、その再構成は、「同時ART」(SART)へと変更されなければならない。それは、複数の投影を同時に用いて画像を更新する。投影の同時処理を同様に必要とする別の反復アルゴリズムは、最尤(ML)法である。特に、ARTと比較するとMLは好ましい。なぜなら、光子統計量を考慮し、好適な信号対ノイズ比を実現するからである。「順序付けサブセットML」(OSML)と呼ばれるこのアルゴリズムの変形例において、更新ステップは、すべての投影を用いるのではなく、それらのサブセットのみを用いる。
【００３１】
従来の「コンベックスOSML」アルゴリズム(上記K.Langeら参照)においては、n番目の反復ステップにおけるj番目のボクセルμjnに対する更新は、例えば、
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であることがわかる。ここで、di及びYiはそれぞれ、光子カウントの放出数及び観測数である。Aijはi番目の投影の基礎関数の成分であり、fiは、i番目の投影の心臓重みである。Snは、n番目の反復ステップにおいて使用される投影のサブセットを表す(オプションでアパーチャ重みがアーチファクトを減らすのにも使用されることができる)。
【００３２】
反復再構成に関する重要な点は、同時に処理されるサブセットSnに対する表示(投影)の選択である。反復的再構成のための最高の収束速度に近い速度を実現し達成するのに、表示のランダムな選択が容易であることが知られている。しかしながら、研究によれば、心臓の重み付け再構成のためのすべての表示のランダムな組み合わせは、サジタル表示において目に見えるストリークをもたらすことが判明した。これは、１つのサブセットにおける異なる心臓重み付け係数fiで投影P1, ...を組み合わせることに起因する。
【００３３】
上述の問題を避けるために、反復心臓再構成のためのサブセットに対する投影の最適な選択がここでは提案される。斯かる最適なサブセットS1,S2, ...を作成する基本的な手順は以下のようになる。
【００３４】
１．  その心臓重みf1, ...f5に基づき、投影P1, ...をビンにする(bin:グループ化する)。
【００３５】
２．  生成されるべきサブセットS1,S2, ...の合理的なサイズを選択する。合理的な選択は、すべてのサブセットがほぼ均等に満たされるようなされる。
【００３６】
３．  １つ又は複数のサブセットにおいて１つのビン(つまり、類似する心臓重みを持つ投影)からの投影P1, ...でランダムに満たす。図２において、例えば、サブセットS2は、心臓重みが高い投影P2,P5,...(のみ)を含む。
【００３７】
４．  生成されたサブセットS1,S2, ...を用いて画像を再構成する。
【００３８】
上述の手順は、反復が滑らかに収束することを確実にする。類似する心臓重みを持つ表示をグループ化することなしには、SART及びMLは、医療関連画像を再構成することはできない。
【００３９】
図３は、(a)サブセットに対する投影の通常のランダムな選択(左図)と(b)その心臓重みに基づくサブセットS1,S2, ...における投影のグループ化(右図)とを用いる、反復順序付けサブセット最尤(OSML)アルゴリズムによる７回の反復後の再構成された心臓のサジタル表示(レベル280/ウィンドウ30)を示す。
【００４０】
図４は、図３のラインL1及びL2に沿ったラインスキャンをそれぞれ示す。その曲線は、最適なグループ化されたサブセットの滑らかな収束を反映する。この再構成のため、投影は、心臓重みに基づき10のビンにビン化される。480の投影の最大サイズのサブセットが作成され、そこでは、各サブセットが１つのビンからの表示のみを持つ。
【００４１】
最後に、本願において、単語「comprising(有する)」は、他の要素又はステップを排除するものではないこと、単語「a」又は「an」は複数性を排除するものではないこと、及び単一のプロセッサ又は他のユニットが、複数の手段の機能を果たすことができることに留意されたい。本発明は、それぞれ及びすべての新規な特有な特徴並びに特有な特徴のそれぞれ及びすべての組み合わせに存在する。更に、請求項における参照符号は本願発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明による心臓画像の再構成のための検査装置を概略的に示す図である。
【図２】本発明による反復的再構成方法を概略的に示す図である。
【図３】標準的なアルゴリズム(OSML、左)を用いて反復的に再構成される心臓の画像と、本発明による方法(右)を用いて反復的に再構成される心臓の画像とを示す図である。
【図４】図３のラインL1、L2に沿ったラインスキャンを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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