(57)【要約】  本発明は、患者など関心対象に存在する造影剤などの物質の画像形成をなすＣＴ画像形成システムに関する。限られた技術労力とコストで済みコントラスト増強をなし関心対象の物質の画像形成を可能にするＣＴ画像形成システムを提供するため、多色性Ｘ線放射線４を放出する多色性Ｘ線源２と、対象を通過した後のＸ線放射線４を検出し複数のエネルギビンｂｉにつき複数のエネルギ分解された検出信号ｄｉを供給するエネルギ分解Ｘ線検出器６と、物質のｋエッジ効果、光電効果及びコンプトン効果の合成として検出信号を示す検出信号ｄｉのためのモデルを用い、これら各効果が、対応の成分とともに該検出信号に寄与するものとして、複数のエネルギ分解された検出信号ｄｉについての式体系を解くことにより物質のｋエッジ成分ｋを判定する算出ユニットと、異なる検出器位置について得られる物質の算出されたｋエッジ成分ｋから物質のｋエッジ画像を復元する復元ユニットとを有するＣＴ画像形成システムが提案される。本発明はさらに、対応する画像処理装置及び方法に関する。
2009508616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関心対象に存在する物質の画像形成を行うＣＴ画像形成システムであって、
・多色性Ｘ線放射線を放出するための多色性Ｘ線源と、
・前記対象を通じた後のそのＸ線放射線を検出し複数のエネルギビンについて複数のエネルギ分解された検出信号を供給するエネルギ分解Ｘ線検出器と、
・前記物質のｋエッジ効果、光電効果及びコンプトン効果の組み合わせとして検出信号を示す前記検出信号のためのモデルを用い、これら各効果が、対応する成分とともに前記検出信号に寄与するものとして、前記複数のエネルギ分解された検出信号についての式の体系を解くことにより前記物質のｋエッジ成分を判定するための算出ユニットと、
・異なる検出器位置について得られる前記物質の算出されたｋエッジ成分から前記物質のｋエッジ画像を復元するための復元ユニットと、
を有するシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記エネルギ分解検出器は、少なくとも３つの異なるエネルギビンについて少なくとも３つのエネルギ分解された検出信号を供給するように適応させられる、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記算出ユニットは、前記式の体系を解くための数値法又は最尤法を用いるよう適応させられる、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記算出ユニットは、前記Ｘ線源の放出スペクトル及び前記複数のエネルギビンの各々における前記Ｘ線検出器のスペクトル感度を考慮に入れたモデルを用いるように適応させられる、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記物質は、前記関心対象又は患者の中へ投与される造影剤である、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のＣＴ画像形成システムであって、前記造影剤は、ヨウ素又はガドリニウムを含む、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のＣＴ画像形成システムであって、
前記算出ユニットは、前記複数のエネルギ分解された検出信号のための前記式の体系を解くことにより光電効果成分及び／又はコンプトン効果成分を判定するよう適応させられ、
前記復元ユニットは、異なる検出器位置について得られた算出された光電効果成分及び／又は前記コンプトン効果成分から光電効果画像及び／又はコンプトン効果画像を復元するよう適応させられる、
システム。
【請求項８】
関心対象に存在する物質を画像化するためのＣＴ画像形成システムに用いるための画像処理装置であって、前記画像処理装置は、複数のエネルギビンについて複数のエネルギ分解された検出信号が供給され、前記検出信号は、前記対象物を通じた後の多色性Ｘ線源から放出された多色性Ｘ線放射線を検出するためのエネルギ分解Ｘ線検出器により得られ、当該画像処理装置は、
・前記物質のｋエッジ効果、光電効果及びコンプトン効果の組み合わせとして検出信号を示す前記検出信号のためのモデルを用い、これら各効果が、対応する成分とともに前記検出信号に寄与するものとして、前記複数のエネルギ分解された検出信号についての式の体系を解くことにより前記物質のｋエッジ成分を判定するための算出ユニットと、
・異なる検出器位置について得られる前記物質の算出されたｋエッジ成分から前記物質のｋエッジ画像を復元するための復元ユニットと、
を有する、
画像処理装置。
【請求項９】
関心対象に存在する物質の画像形成を行うＣＴ画像形成システムに用いるための画像処理方法であって、当該画像処理方法は、複数のエネルギビンについての複数のエネルギ分解された検出信号を具備し、前記検出信号は、前記対象を通じた後の多色性Ｘ線源から放出された多色性Ｘ線放射線を検出するためのエネルギ分解Ｘ線検出器により得られ、当該方法は、
・前記物質のｋエッジ効果、光電効果及びコンプトン効果の組み合わせとして検出信号を示す前記検出信号のためのモデルを用い、これら各効果が、対応する成分とともに前記検出信号に寄与するものとして、前記複数のエネルギ分解された検出信号についての式の体系を解くことにより前記物質のｋエッジ成分を判定するステップと、
・異なる検出器位置について得られる前記物質の算出されたｋエッジ成分から前記物質のｋエッジ画像を復元するステップと、
を有する、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法のステップをコンピュータに実行させるためのプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムであって、当該実行が当該コンピュータプログラムがコンピュータ上において走るときになされるようにしたコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関心対象に存在する物質を画像形成するためのＣＴ画像形成システムに関する。また、本発明は、このようなＣＴ画像形成システムに用いるための画像処理装置及び対応する画像処理方法に関する。さらに、本発明は、コンピュータ上で当該画像処理方法を実現するためのコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
慣例的なＣＴ（コンピュータ断層撮影法）画像形成システムは、Ｘ線の減衰量を測定し、医療用画像形成のために限定的コントラストを提供する。多くの臨床的応用は、当該コントラストを強調するために造影剤を用いている。しかしながら、ＣＴ画像形成システムの情報内容を拡張するのが望ましいと思われる。
【０００３】
ＣＴ画像形成のコントラストを拡張するための２つの周知の技術がある。１つ目の技術は、いわゆる二重エネルギＣＴ画像形成技術であり、例えば、Kalender, W. A.らによる"Evaluation of a prototype dual-energy computed tomographic apparatus. I. Phantom Studies", Medical Physics, Vol. 13, No. 3, May/June 1986, pp. 334-339に記述されている。二重エネルギＣＴは、光電効果及びコンプトン散乱成分のような２つのエネルギ依存型基底関数を測定することができる。異なる基底関数を用いることができるが、当該画像は常に、２つの成分の仮想の線形結合により構成される。
【０００４】
２つ目の技術は、ｋエッジ画像形成であり、当該ｋエッジの概して前と後ろにおいて２つ以上のエネルギにより当該減衰量を測定することにより特定の原子の検出をなすために調整可能な単色性のソースを用いるものであり、これは例えば、H. Elleaune, A. M. Charvet, S. Corde, F. Esteve及びJ. F. Le Basによる"Performance of computed tomography for contrast agent concentration measurements with monochromatic x-ray beams: comparison of K-edge versus temporal subtraction", Phys. Med. Biol. 47 (2002), 3369-3385において記述されている。しかしながら、単色性ソースは、臨床的応用には適さない。何故なら、これらソースは、医療用画像形成のために必要なパワーからかけ離れたパワーレベルを有するに留まるからであり、或いはこれらソースは高エネルギ加速器のシンクロトロン放射を用いるからである。
【０００５】
したがって、主として当該限定されたコントラスト増強及び／又は多大な技術的労力及びコストに起因して、これら既知の技術は、臨床診療には用いられない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
よって本発明の目的は、少ない技術的労力及びコストで済む一方でより大なるコントラスト増強を導きかつ特定の原子のような関心対象に存在する物質（例えば造影剤）の画像形成を可能にするＣＴ画像形成システムを提供することである。さらに、これに対応する画像処理装置及び画像処理方法を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的は、本発明により、請求項１に規定されるようなＣＴ画像形成システムにより達成され、当該システムは、
・多色性Ｘ線放射線を放出するための多色性Ｘ線源と、
・前記対象を通じた後のそのＸ線放射線を検出し複数のエネルギビンについて複数のエネルギ分解された検出信号を供給するエネルギ分解Ｘ線検出器と、
・前記物質のｋエッジ効果、光電効果及びコンプトン効果の組み合わせとして検出信号を示す前記検出信号のためのモデルを用い、これら各効果が、対応する成分とともに前記検出信号に寄与するものとして、前記複数のエネルギ分解された検出信号についての式の体系を解くことにより前記物質のｋエッジ成分を判定するための算出ユニットと、
・異なる検出器位置について得られる前記物質の算出されたｋエッジ成分から前記物質のｋエッジ画像を復元するための復元ユニットと、
を有する。
【０００８】
このようなＣＴ画像形成システムに用いられる適切な画像処理装置及び対応の画像処理方法は、請求項８及び９に規定される。コンピュータ上で当該画像処理方法を実現するための記録担体上に記憶可能なコンピュータプログラムは、請求項１０に規定される。本発明の好適実施例は、従属請求項に規定される。
【０００９】
本発明は、慣例的に使用されている多色性Ｘ線源と、恐らくは近い将来利用可能と目されるエネルギ分解Ｘ線検出器とを用いるという発想に基づいている。そして、取り込んだデータの適正な処理により、物質成分（例えば造影剤成分）、当該物質成分を除く光電効果成分及び当該物質成分を除くコンプトン散乱成分を伴う少なくとも３つの画像を復元することができる。特に、Ｘ線検出器は、異なるエネルギビンについてのスペクトル感度を伴うエネルギ分解された多数の検出信号を提供し、エネルギビンは、当該検出信号が利用可能でかつ関心のものであるところの完全なエネルギ範囲の一部となっている。そしてスキャンされる対象は、第１のスペクトルを持つ光電効果、第２のスペクトルを持つコンプトン効果及び第３のスペクトルを持つ関心エネルギ範囲におけるｋエッジを伴う物質の組み合わせとしてモデル化される。各検出信号におけるこれら成分の各々についての密度と長さの積は、当該物質の少なくともｋエッジを得るために解決される離散線形システムとしてモデル化される。そして、異なる検出器の位置について得られる当該物質のｋエッジ成分から、当該物質のｋエッジ画像が、慣例的に使用されている復元方法により復元可能となる。
【００１０】
エネルギ分解Ｘ線検出器は、現在開発中にあり、近い将来において利用可能となると目される。こうした検出器は、一般的には入射光子をカウントし所定のエネルギ範囲における光子の数を示す信号を出力するための原理に基づいて機能している。このようなエネルギ分解検出器は、例えばLlopart, X.らによる"First test measurements of a 64k pixel readout chip working in a single photon counting mode", Nucl. Inst. and Meth. A, 509 (1-3): 157-163, 2003及びLlopart, X.らによる"Medipix2: A 64-k pixel readout chip with 55 mum square elements working in a single photon counting mode", IEEE Trans. Nucl. Sci. 49(5): 2279-2283, 2002に記述されている。好ましくは、このエネルギ分解検出器は、少なくとも３つの異なるエネルギビンについて少なくとも３つのエネルギ分解検出信号を提供するように適合させられる。但し、ＣＴ画像形成システムの感度及びノイズ耐性を増強するために非常に高いエネルギ分解能を有することは有利である。
【００１１】
当該複数のエネルギ分解検出信号の式の体系は、数値法の使用により解決されるのが好ましい。好適な方法は、測定結果の雑音統計を考慮に入れる最尤法である。
【００１２】
さらに好適な実施例では、Ｘ線源の放出スペクトル及び複数のエネルギビンの各々におけるＸ線検出器のスペクトル感度を考慮したモデルが用いられる。これにより、計算される成分の、ひいては復元画像のより高い精度がもたらされる。
【００１３】
好ましくは、本発明によるＣＴ画像形成システムは、医療用画像形成に用いられる造影剤のようなコントラスト媒体の直接的測定のために用いられる。これは、絶対血液量測定又は脳潅流画像形成のようなＣＴ画像形成へ沢山の新しい臨床的特徴を開くものである。これは、血管造影のためのコントラストを増強し、造影剤の充填された管腔と血管内の固まった血小板との区別を可能にすることができる。好適な造影剤は、例えば、ヨウ素、又はより高いエネルギでのｋエッジ効果によりもっと好ましいものとしてはガドリニウムを含む。本発明はさらに、専ら特定の細胞又は他の対象（例えば腫瘍細胞又は線維素など）に合体する患者に投与された特定の造影剤のような特定の物質を示す画像を復元する分子画像形成においても適用可能である。したがって本発明による方法は、関心領域内の
このような細胞の定量的測定に役に立つことができ、或いは用いることができる。
【００１４】
かかる方法は、ｋエッジ画像の他に、光電効果成分及び上述した体系の式を解くことによっても定めることができるコンプトン効果成分の使用により光学効果画像及び／又はコンプトン効果画像も復元される他の実施例においてはさらに好適である。
【００１５】
以下、本発明を、図面を参照してより詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に示されるＣＴシステムは、ｚ方向に平行に延びる回転軸Ｒについて回転可能なガントリを含む。例えばＸ線管の放射線源２は、ガントリ１に実装される。このＸ線源には、Ｘ線源２により生じた放射線から円錐状の放射ビーム４を形成するコリメータ装置３が設けられる。当該放射線は、円筒状検査ゾーン５における関心領域において患者のようなオブジェクト（図示せず）を横切る。検査ゾーン５を横切った後は、Ｘ線ビーム４は、エネルギ分解Ｘ線検出ユニット６上に、この実施例においてはガントリ１上に実装された２次元検出器に入射する。
【００１７】
ガントリ１は、好ましくは一定ではあるもののモータ７により調整可能な角速度で駆動される。他のモータ８は、対象物、例えば検査ゾーン５における患者テーブル上に配置させられた患者を、回転軸Ｒすなわちｚ軸の方向に平行に変位させるために設けられる。これらモータ７，８は、例えば放射線源２及び検査ゾーン５が螺旋状の軌道に沿って互いに相対移動するように、制御ユニット９により制御される。但し、対象物又は検査ゾーン５が動かされず、Ｘ線源２だけが回転するようにすることも可能である。
【００１８】
検出器６により取り込まれたデータは、画像処理のため、特に対象物（例えば患者）における造影剤のような物質のｋエッジ画像の復元処理のための画像処理装置１０に供給される。このようなｋエッジ画像は、臨床診療において望まれる。何故なら、当該画像は、特定の情報を搬送し、医療用画像において高いコントラストを呈し、これにより或る所望の用途を可能にするからである。復元された画像は、最終的に、当該画像を表示するディスプレイ１１に供給されることができる。また、画像処理装置は、制御ユニット９により制御されるのが好ましい。
【００１９】
以下では、本発明により提案される画像処理をより詳しく説明する。画像処理装置１０への入力は、複数の、最も少なくて３つのエネルギビンについてのエネルギ分解された検出信号ｄｉである。これら検出信号ｄｉは、ｉ番目のエネルギビンｂｉのスペクトル感度Ｄｉ（Ｅ）を示す。さらに、多色性Ｘ線管２の放出スペクトルＴ（Ｅ）は、一般に知られている。この画像処理装置において、特に算出ユニット１２において、その後、そのスキャンされた対象物は、スペクトルＰ（Ｅ）を伴う光電効果、スペクトルＣ（Ｅ）を伴うコンプトン効果及び関心エネルギ範囲におけるｋエッジ及びスペクトルＫ（Ｅ）を伴う物質（例えば造影剤）の線形結合としてモデル化される。
【００２０】
図２には、炭素に対するスペクトルＰ（Ｅ），Ｃ（Ｅ）及びＴ（Ｅ）が模範例として示される。図３には、ガドリニウムのｋエッジを含むエネルギ依存性スペクトルが示される。したがって、各検出信号ｄｉにおける、成分の各々、特に光学効果成分ｐ、コンプトン効果成分ｃ及びｋエッジ成分ｋについての密度長さ積は、離散線形系において、
ｄｉ＝∫ｄＥＴ（Ｅ）Ｄｉ（Ｅ）（ｐＰ（Ｅ）＋ｃＣ（Ｅ）＋ｋＫ（Ｅ））
としてモデル化される。
【００２１】
少なくとも３つの検出信号ｄ１〜ｄ３は、少なくとも３つのエネルギビンｂ１〜ｂ３について利用可能であるので、少なくとも３つの式の体系が、かくして算出ユニット１２において既知の数値法により解くことのできる３つの未知数を有して形成される。３つを超える数のエネルギビンが利用可能である場合、測定結果の雑音統計を考慮に入れた最尤法を用いるのが好ましい。そして当該結果、特に成分ｐ，ｃ及びｋを、復元ユニット１３において、慣例的に使用されている復元方法により所望の成分画像を復元するよう、特にｋエッジ画像を復元するために用いることができる。
【００２２】
概して、３つのエネルギビンで十分である。但し、感度及びノイズ耐性を向上させるためには、高いエネルギ分解能、すなわち、より多くのエネルギビンのための多くの検出信号を有することが好ましい。
【００２３】
図４は、シミュレーションのために用いられる数学ファントムを示している。このファントムは、水の充填されたシリンダを有する。このシリンダは、異なる濃度の造影剤（概して５７８．７ｇ／ｍｏｌの分子量を有するガドジアミド（gadodiamide）Ｃ１６Ｈ３１ＧｄＮ５Ｏ８）を有する７つの小さめのシリンダを有する。このファントムを用いて、スペクトルＣＴ測定のコンピュータシミュレーションが行われている。得られたデータは、本発明の方法に従って処理されている。図５には、結果が示される。
【００２４】
図５Ａは、Ｇｄのｋエッジ画像を示している。図５Ｂは、水だけを示すのが良い算出された水画像を示している。図５Ａから分かるように、アーチファクトにかからわらず、ｋエッジ画像は、小さいシリンダにおける造影剤の異なる濃度を非常に適正に示している。水画像（図５Ｂ）の小さいシリンダにおける異なるグレー値は、造影剤により変位させられなかった残りの水部分を示している。
【００２５】
本発明は、患者に投与される造影剤の直接の測定を可能にする。したがって、上述したような臨床診療における数多くの用途は、単色性Ｘ線源のような高い技術的努力の必要性を伴うことなく可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるＣＴシステムの概略図。
【図２】炭素に対する光電効果及びコンプトン効果についての光子エネルギにおける線減衰係数の例を示す図。
【図３】ガドリニウムに対するｋエッジ効果を含む光電効果についての光子エネルギにおける線減衰係数の例を示す図。
【図４】シミュレーションに用いられる数学ファントムを示す図。
【図５Ａ】図４に示されるファントムを用いて得られるシミュレーション結果を示す図。
【図５Ｂ】図４に示されるファントムを用いて得られるシミュレーション結果を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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