(57)【要約】２次元または３次元の時間分解ＣＴフレーム画像が、対象の動的試験中に取得される。合成画像が生成され、この画像を用いて、合成画像における対応値によりこの画像フレームに対して取得された各投影ビューの逆投影を重み付けすることによって、各ＣＴフレーム画像を再構成する。この重み付けされた逆投影法により、アーチファクトのない画像フレームが対象のより少ない投影ビューを用いて生成できる。合成画像は、取得ビューから別々に再構成するか、または動的試験の間に取得されたビューを結合することによって生成されてもよい。
2009500115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置する対象の画像を生成する方法であって、
ａ）前記ＣＴシステムを用いて、前記ＦＯＶ内に位置する前記対象の投影ビューセットを取得するステップ、
ｂ）前記ＦＯＶ内に位置する前記対象の各合成画像画素において減衰値を示す合成画像を、前記ＣＴシステムで生成するステップ、及び
ｃ）前記対象の画像を再構成するステップであって、
ｃ）ｉ）前記セットの各投影ビューを前記ＦＯＶに逆投影し、各画像画素に逆投影された値を、前記合成画像における対応する画素の前記減衰値で重み付けすること、及び
ｃ）ｉｉ）前記画像を生成するために各画像画素に対する前記逆投影値を加算すること
によって再構成するステップ
を含む、ＣＴシステムのＦＯＶ内に位置する対象の画像を生成する方法。
【請求項２】
各画像画素の逆投影値μnが、ステップｃ）ｉ）において以下の式で計算される、請求項１に記載の方法。
【数１】
2009500115.tif 000006
（ここで、Ｐは逆投影される前記投影ビューの値、Ｃnは前記合成画像における対応画素減衰値、μnは前記逆投影経路に沿ったｎ番目の画素減衰値、Ｎは前記逆投影経路に沿った画素の総数である。）
【請求項３】
ステップｂ）が、前記合成画像を編集して、前記合成画像内のオブジェクトを除去し、それによって、前記オブジェクトが前記再構成された画像内に現れるのを大幅に少なくすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記重み付けステップｃ）ｉ）が、前記合成画像からの対応投影ビューを用いて各投影ビューを正規化すること、および前記逆投影値に、前記合成画像の前記対応画素値を乗算することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ｄ）ステップａ）及びｃ）を繰り返して試験中に前記対象を表す一連の画像を再構成すること、及び
ｅ）試験中に前記対象内に生じる変化を表すために前記一連の画像の前記再構成中に前記合成画像を定期的に更新すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記合成画像の前記更新が、ステップａ）で取得された投影ビューを用いて前記合成画像を再構成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記合成画像が、前記対象における選択された生理学的事象を示すゲート制御信号に応じて前記ＣＴシステムを用いてデータを取得することにより生成され、そして
ステップａ）が、前記選択された生理学的事象を示すゲート制御信号に応じて実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記選択された生理学的事象が、前記対象の心臓の心臓位相である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ステップａ）およびｃ）を繰り返して複数の投影ビューセットを取得し、ステップａ）で取得される投影ビューの各セットが取得される投影ビューの他のセットにおいて前記投影ビューとインターリーブされる対応する複数の画像を再構成し、前記合成画像はステップａ）で取得されるインターリーブ投影ビューの結合セットにより生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ステップａ）を実行するときに前記対象の前記位置を検出すること、および前記検出された対象位置と前記合成画像を位置調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＦＯＶが３次元であり、３次元画像が生成され、ステップｃ）で再構成される前記画像Ｉ(x,y,z)が、以下の式で表される、請求項１に記載の方法。
り、
【数２】
2009500115.tif 000007
（ここで、総和（Σ）は前記取得セット内の全投影ビューにわたり、Ｉ(x,y,z)はＦＯＶ画素位置ｘ，ｙ，ｚでの画像値であり、Ｐ(r,θ,φ)はビュー角θ、φで取得されたビューからの逆投影値であり、Ｃ(x,y,z)は前記画素位置ｘ、ｙ、ｚでの前記合成画像値であり、Ｐc（ｒ，θ，φ）は前記ビュー角θ、φでの前記合成画像から投影されたプロファイル値である。）
【請求項１２】
ｄ）造影剤を投与する前に、マスクの各画像画素において前記ＦＯＶ内に位置する前記対象を表すマスク画像を取得すること、
ｅ）ステップａ）及びｂ）を実行する前に、前記対象に造影剤を投与すること、並びに
ｆ）ステップｃ）を実行する前に、前記合成画像から前記マスク画像を減算すること
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記マスク画像および前記合成画像の両方が、投影ビューセットとして取得され、ステップｆ）が、前記マスク画像セットにおける投影ビューを、前記合成画像セットにおける対応する投影ビューから減算することによって実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップｆ）が、前記マスク画像の画素を、前記合成画像の対応画素から減算することによって実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ｄ）投影ビューセットとしてマスク画像を取得すること、
ｅ）ステップａ）及びｂ）を実行する前に前記対象に造影剤を投与すること、並びに
ｆ）ステップｃ）を実行する前にステップｄ）で取得される対応する投影ビューセットにおいて各投影ビューから減算すること
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
ｇ）ステップｃ）を実行する前に前記合成画像から前記マスク画像を減算すること
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ｄ）ステップａ）及びｃ）を繰り返して試験中に前記対象を表す一連の画像フレームを再構成すること、並びに
ｅ）ステップｃ）を実行する前に各画像フレーム投影ビューセットと前記合成画像を位置合わせること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
ｄ）ステップａ）を実行するために用いられるビュー角で、前記合成画像を再投影することを含み、そして
ステップｃ）ｉ）における前記重み付けが、各投影ビュー内の値を、同一ビュー角における前記合成画像の前記投影ビュー内の対応値で割算することによって、各投影ビューを正規化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置する対象の画像を生成する方法であって、
ａ）前記ＣＴシステムを用いて、前記ＦＯＶ内に位置する前記対象の投影ビューセットを取得するステップ、
ｂ）追加の投影ビューセットを取得するためにステップａ）を繰り返すステップであって、前記取得された投影ビューセットが互いにインターリーブされる、前記ステップ、
ｃ）取得された投影ビューから合成画像を再構成するステップであって、当該合成画像が前記ＦＯＶ内に位置する前記対象の各合成画像画素における減衰値を示す、前記ステップ
ｄ）前記対象のフレーム画像を再構成するステップであって、
ｄ）ｉ）前記投影ビューセットの１つにおける各投影ビューを正規化すること、
ｄ）ｉｉ）前記ＦＯＶに各正規化される投影ビューを逆投影すること、
ｄ）ｉｉｉ）前記投影ビューセットに対して前記逆投影された画素値を合計すること、及び
ｄ）ｉｖ）前記合成画像における前記対応画素値で前記合計される画素値を乗算すること
によって再構成するステップ
を含む、ＣＴシステムのＦＯＶ内に位置する対象の画像を生成する方法。
【請求項２０】
ステップｃ）およびｄ）が、追加のフレーム画像を生成ために繰り返され、ステップｃ）で前記合成画像を再構成するために使用される前記取得された投影ビューが、前記対象において時間経過と共に生じる変化を反映するように更新される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記対象のマスク画像を取得および再構成すること、ステップａ）を実行する前に前記対象に造影剤を注入すること、及びステップｃ）で生成される前記合成画像から前記マスク画像を減算することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
回転軸に沿って配置される複数のＸ線源を有するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置する対象の画像を生成する方法であって、
ａ）各Ｘ線源を用いて複数の画像フレームを取得するステップであって、各画像フレームが前記対象の投影ビューセットを含み、各セットの前記投影ビューが前記他のセットにおける前記投影ビューとインターリーブされる、前記ステップ、
ｂ）複数の前記投影ビューセットにおけるインターリーブ投影ビューから各Ｘ線源に対して領域合成画像を再構成するステップ、
ｃ）この領域に対応する前記投影ビューおよびこの領域に対する前記合成画像を使用して１つの領域から画像フレームを再構成するステップ、
ｄ）追加の領域画像フレームを再構成するためにステップｃ）を繰り返すステップ、及び
ｅ）前記画像フレームを生成するために前記領域画像フレームを結合するステップ
を含む、回転軸に沿って配置される複数のＸ線源を有するＣＴシステムのＦＯＶ内に位置する対象の画像を生成する方法。
【請求項２３】
ステップｃ）が、
ｃ）ｉ）この領域に対応する各投影ビューを正規化すること、
ｃ）ｉｉ）前記ＦＯＶに各正規化された投影ビューを逆投影すること、
ｃ）ｉｉｉ）前記領域の各画素においてステップｃ）ｉｉ）で生成された逆投影された値を合計すること、及び
ｃ）ｉｖ）前記領域に対して前記合成画像の前記対応画素値を用いて前記逆投影された値を重み付けすること
を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
各領域に対してマスク画像を取得すること、
ステップａ）を実行する前に前記対象に造影剤を投与すること、及び
ステップｂ）は前記対応する領域マスク画像を各領域合成画像から減算すること
を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
コンピュータ断層撮（ＣＴ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内の対象の複数の画像フレームを生成する方法であって、
ａ）複数の低線量の画像フレームを取得するステップであって、各画像フレームが前記対象の投影ビューセットを含む、前記ステップ、
ｂ）前記投影ビューを結合することにより前記取得される画像フレームから合成画像を再構成するステップ、
ｃ）各画像フレームを再構成するステップであって、
ｃ）ｉ）前記合成画像から得られる情報を使用して各画像フレーム投影ビューを正規化すること、
ｃ）ｉｉ）各正規化される投影ビューを逆投影すること、
ｃ）ｉｉｉ）逆投影値を合計すること、及び
ｃ）ｉｖ）前記合成画像を用いて逆投影値を重み付けすること
により再構成するステップ
を含む、ＣＴシステムのＦＯＶ内の対象の複数の画像フレームを生成する方法。
【請求項２６】
各低線量の画像フレームが、ラドン空間をアンダーサンプルする投影ビューから構成され、前記各取得された低線量の画像フレームの投影ビューが、他の取得された低線量の画像フレームにおける前記投影ビューとインターリーブされ、前記合成画像が、実質的にすべの前記インターリーブ投影ビューによりステップｂ）において再構成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
各低線量の画像フレームが、低減されたＸ線ビーム強度を用いて取得される投影ビューから構成され、前記合成画像が、前記同一ビュー角で取得される前記投影ビューの実質的に全てを平均することによりステップｂ）において再構成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）のフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置する組織の潅流画像を取得する方法であって、
ａ）前記ＣＴシステムを用いて完全にサンプリングされる前記組織の十分な線量のマスク画像を取得するステップ、
ｂ）造影剤を投与するステップ、
ｃ）前記ＣＴシステムを用いて前記組織の一連の低線量の画像フレームを取得するステップ、
ｄ）各画像フレーム投影ビューを生成するために、ステップｂ）で取得される画像フレーム投影ビューから、ステップａ）で取得されるマスク画像投影ビューを減算するステップ、
ｅ）複数の前記画像フレームから各画像フレーム投影ビューを結合し、これらから合成画像を再構成するステップ、及び
ｆ）潅流画像を再構成するステップであって、
ｆ）ｉ）各画像フレーム投影ビューを取得される画像フレームから前記ＦＯＶに逆投影し、各画像画素に逆投影された値を前記合成画像の前記対応画素値で重み付けすること、及び
ｆ）ｉｉ）各画像画素に対する前記逆投影値を合計すること
によって再構成するステップ
を含む、ＣＴのＦＯＶ内に位置する組織の潅流画像を取得する方法。
【請求項２９】
各画像画素の逆投影値μnが、ステップｆ）ｉ）において以下の式で計算される、請求項２８に記載の方法。
【数３】
2009500115.tif 000008
（ここで、Ｐは逆投影される前記投影ビューの値、Ｃnは前記合成画像における対応画素の減衰値、μnは前記逆投影経路に沿ったｎ番目の画素の減衰値、Ｎは前記逆投影経路に沿った画素の総数である。）
【請求項３０】
ステップｆ）ｉ）における前記重み付けが、前記合成画像から対応投影ビューを用いて各画像フレームの投影ビューを正規化すること、および前記逆投影値に、前記合成画像の前記対応画素を乗算することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
ステップｃ）が、前記他の画像フレームに対して取得された前記投影ビューとインターリーブされる、アンダーサンプルされた投影ビューセットとして各画像フレームを取得することにより実行される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
ステップｃ）が、低減されたＸ線ビーム強度を用いて各画像フレームを取得することにより実行される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
ステップｅ）が、様々なビュー角で取得される各投影ビューをデータセット画像フレームに結合し、そして前記結合されたデータセットを使用して前記合成画像を再構成することにより実行される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
ステップｅ）が、前記同一ビュー角で取得される画像フレームの各投影ビューを平均し、そして前記平均された画像フレームの各投影ビューを使用して前記合成画像を再構成することにより実行される、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００５年７月８日付で出願された発明の名称「アンダーサンプルされた時間分解ＭＲ画像のための逆投影再構成法(BACKPROJECTION  RECONSTRUCTION  METHOD  FOR  UNDERSAMPLED  TIME-RESOLVED  MR  IMAGING)」の米国特許仮出願第６０／６９７，６０７号、２００５年９月１４日付で出願された発明の名称「ＣＴ画像の逆投影再構成法（Backprojection  Reconstruction  Method  For  CT  Imaging）」の米国特許仮出願第６０／７１６，８６５号、および２００５年１１月２３日付で出願された発明の名称「低線量ＣＴ画像の逆投影再構成法（Backprojection  Reconstruction  Method  For  Low  Dose  CT  Imaging)」の米国特許仮出願第６０／７３９，５５４号に基づいている。
【連邦政府の委託研究の記載】
【０００２】
本発明は、米国国立衛生試験所によって認められた認可番号第ＨＬ０７２２６０に基づいて、政府の支援でなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【発明の背景】
【０００３】
本発明は、コンピュータ断層撮影、さらに詳細にはコンピュータ断層撮影（「ＣＴ」）システムを使用して取得される投影データから画像を再構成する方法および装置に関する。
【０００４】
コンピュータ断層撮影システムでは、Ｘ線源が「画像平面」と称されるデカルト座標系のＸ−Ｙ平面内にあるように平行化扇形ビームを投影する。Ｘ線ビームは、内科患者などのイメージ化されるオブジェクトを透過し、放射線検出器アレイに衝突する。透過放射線の強度はオブジェクトによるＸ線ビームの減衰量に依存し、各検出器はビーム減衰量の測定基準である個々の電気的信号を生成する。全ての検出器からの減衰量測定値は個々に取得され、「透過プロファイル」または「減衰プロファイル」または「投影」と称される結果が生成される。
【０００５】
従来のＣＴシステムにおけるＸ線源および検出器アレイは、オブジェクトと交差するＸ線ビームの角度が安定的に変化するように、画像平面内で、オブジェクト周りをガントリ上で回転される。所与の角度における検出器アレイからの透過プロファイルは、Ｘ線源および検出器が１回転する間のそれぞれの角度配向で生成されるビューセットを備えるオブジェクトの「ビュー」または「スキャン」と称される。２Ｄスキャンでは、データを処理して、オブジェクトを通して取得される２次元のスライスに対応する画像を構成する。２Ｄデータから画像を再構成する一般的な方法は、当分野ではフィルタ補正逆投影技術と称される。この画像再構成処理は、スキャン中に取得される減衰量の測定値を「ＣＴ数」または「ハウンスフィールド単位」と呼ばれる整数に変換し、この整数はディスプレイ上で対応画素の輝度を制御するために用いられる。
【０００６】
フィルタ補正逆投影法の画像再構成方法は取得された透過プロファイルからＣＴ画像を再構成するために使用される最も一般的な技術である。図５に示されるとおり、取得された各Ｘ線透過プロファイル１００は、フィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）１０２を通るプロファイル１００における各Ｘ線の総計１０４を、Ｘ線の総計１０４を生成する矢印１０６で示されるのと同一のＸ線経路に沿って投影することによって、ＦＯＶ１０２上に逆投影される。ＦＯＶ１０２内のＸ線の総計１０４を投影する際に、本発明者らは、対象に関する先験的な情報を何ら有しておらず、ＦＯＶ１０２内のＸ線減衰量が均一であり、Ｘ線の総計は、Ｘ線経路が通る各画素に均等に分布していると仮定する。例えば、図５では、Ｘ線経路１０８は単一の透過プロファイル１００における単一のＸ線の総計１０４に対して示されており、Ｘ線経路はＦＯＶ１０２内のＮ個の画素を通過する。これらのＸ線の総計１０４の減衰値（Ｐ）は、これらのＮ個の画素間で均等に分割される。
【数４】
2009500115.tif 000003
ここで、μnはＮ個の画素を有するＸ線経路内のｎ番目の画素に割り当てられる減衰値である。
【０００７】
明らかに、ＦＯＶ１０２の減衰量は均一であるという仮定は正しくない。しかし、当分野で周知のとおり、各透過プロファイル１００に対してある一定の補正がなされ、十分な数のプロファイルが対応する数の投影角で取得されるならば、この誤った仮定により生じる誤差が最小限になり、画像アーチファクトが抑制される。画像再構成の典型的なフィルタ補正逆投影法では、２ＤＣＴ画像における画像アーチファクトを適切に抑制するために４００から１０００のビューが必要である。
【０００８】
多数のビューを取得するのに必要な時間が利用できない多数の臨床用途が存在する。時間分解血管造影法では、例えば、一連の画像は造影剤が関心対象の領域に流れ込むときに取得される。各画像は造影剤の流れを描写する一連のスナップショットを取得するために、可能な限り高速に取得される。この利用は特に、運動アーチファクトを抑制するために心臓ゲート制御を要求する冠状動脈または他の血管をイメージ化する場合に有効である。
【０００９】
コンピュータ回転血管造影法（ＣＲＡ）では、例えば、Ｆａｈｒｉｇ、ＬｏｗｎｉｅおよびＨｏｌｄｓｗｏｒｔｈにより述べられているコンピュータ回転血管造影システム「Ｃアームシステムを利用する真の３Ｄコンピュータ断層撮影回転血管造影図の生成；生体外および生体内の先行試験結果(Use  of  a  C-Arm  system  to  generate  True  3D  Computed  Tomography  Rotational  Angiograms；Preliminary  in  vitro  and  In  vivo  Results.)」（R．Fahrig，S．Lownie，and  DW  Holdsworth，AJNR  18：1507-154，September  1997）が造影剤の取り込み中に３次元画像セットを取得するために使用される。動的試験において高い時間分解能を実現するために、この装置を用いて可能な限り高速で取得される３次元データセットを取得することが望ましいため、各画像に対して１２０の投影角またはビューのみが取得される。これはナイキストのサンプリング定理によって要求される数より大幅に少ない。その結果、単一データセットから再構成される血管造影図はストリーク・アーチファクトを含む。これらのストリーク・アーチファクトは、この造影剤注入方法により提供される血管コントラストの低減の理由から、静脈内の血管造影法に対するこのＣＲＡの使用を除外する。
【００１０】
Ｘ線ＣＴを用いる別の問題点はスキャン中に対象が曝露されるＸ線線量である。より高い分解能およびアーチファクトのない画像を取得するためには、十分に高いＸ線ビーム強度で多くのビューを取得することにより所望の信号対雑音比（ＳＮＲ）で画像を再構成する必要がある。線量レベルは、ビーム強度を低下することによりまたは取得されるビューの数を減らすことにより低減されてもよいが、いずれの方法も再構成される画像のＳＮＲを低下させる。
【発明の要約】
【００１１】
本発明は、ＣＴ画像を再構成するための新しい方法、特に、改良された逆投影方法である。合成画像は、イメージ化される対象の先験的な情報を提供するために取得され、再構成される。この合成画像は取得される画像の逆投影中に使用され、逆投影された減衰データの配分を重み付けする。結果的に、高品質ＣＴ画像が、対象のより少ない投影ビューを用いてまたはより低いＸ線線量を用いて取得される投影ビューを使用して再構成できる。
【００１２】
本発明の発見は、仮定の均一減衰プロファイルの代わりにＦＯＶ１０２内のＸ線減衰プロファイルの先験的情報が逆投影処理において使用される場合、より少ない減衰プロファイルを用いて高品質のＣＴ画像を生成できることである。例えば、図６を参照すると、ＦＯＶ１０２の減衰プロファイルは、血管１１０、１１２などの構造体を含むことが知られ得る。この事例では、逆投影Ｘ線経路１０８がこれらの構造体を貫通するとき、各Ｘ線経路画素におけるＸ線の総計１０４のより正確な配分が、その画素位置で既知の減衰プロファイルの関数として配分に重み付けすることによって達成される。結果的に、Ｘ線の総計１０４の大部分が、図６の例において、構造体１１０および１１２と交差するＸ線経路画素に配分される。Ｎ個の画素を有する逆投影Ｘ線経路１０８に対して、これは以下の式で表すことができる。
【数５】
2009500115.tif 000004
ここで、ＰはＸ線の総計減衰値であり、Ｃnは逆投影Ｘ線経路に沿ったｎ番目の画素における先験的な合成画像の減衰値である。
式（２）の分子は、合成画像における対応する減衰値を用いた各画素に重み付けし、分母はその値を正規化して、全ての逆投影されたＸ線の総計が処理により所与の等しい重みとなるようにしている。
【００１３】
正規化は、逆投影後に各画素で個々に行われることができるが、多くの臨床用途では、逆投影前にＸ線の総計の減衰値Ｐを正規化する方がはるかに容易であることに留意すべきである。この場合、Ｘ線の総計Ｐは、同じビュー角における合成画像を通して投影における対応する値ＰCで割ることによって正規化される。各ビュー角に対して正規化されたＸ線の総計Ｐ／ＰCは逆投影され、合算されて非限定の画像を形成し、結果として得た非限定の画像はその後合成画像を乗算される。
【００１４】
高度に限定的な３Ｄ逆投影の実施態様が、ビュー角θとφで特徴付けられる単一の３Ｄ投影ビューに対して、図１４に示されている。この投影ビューは、軸１６に沿って逆投影され、逆投影軸１６に沿った距離ｒにおいてラドン平面２１に広がる。投影信号値がフィルタ処理され、連続したラドン平面に、軸１６に沿って均一に配分されるフィルタ補正逆投影法の代わりに、投影信号値が、合成画像における情報を用いて、ラドン平面２１に配分される。図１４の例における合成画像は、血管１８および２０を含む。重み付けされた減衰値が、合成画像内の対応する位置ｘ、ｙ、ｚでの値に基づいて、ラドン平面２１内の画像位置ｘ、ｙ、ｚに置かれる。これは、対応する合成画像の画素値と逆投影されたＸ線の総計値Ｐとの簡単な乗算である。次に、この積は、合成画像の対応画像空間投影ビューからのＸ線の総計減衰値でこの積を割算することによって正規化される。３Ｄ再構成に対する式は以下になる。
【数６】
2009500115.tif 000005
ここで、総和（Σ）は、再構成される画像フレームにおける全投影であり、特定のラドン平面内のｘ、ｙ、ｚ値は、その平面に対する適正なｒ、θ、φ値における投影のＸ線の総計値Ｐ（ｒ，θ，φ）を用いて算出される。Ｐc（ｒ，θ，φ）は、合成画像からの対応するＸ線の総計の減衰値であり、Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）(r,θ,φ)は、（ｒ，θ，φ）での合成画像値である。
【００１５】
本発明の別の発見は、先験的な情報が利用可能な多数の臨床ＣＴ用途が存在し、合成画像を再構成し、これを用いて画像の再構成を強化できることである。一連の時間分解画像が動的試験で取得され、各画像フレームを極めて限定された取得ビューセットを用いて再構成して、試験の時間分解能を増すことができる。本発明の極めて限定的な逆投影再構成法を採用するため、このような各画像フレームのビューセットは、他の画像フレームに対して取得されたビューでインターリーブされる。多数の画像フレームが取得された後、十分な数のそれぞれのインターリーブビューを用いて、高品質の合成画像を再構成できる。
【００１６】
本発明の別の目的は、画像ＳＮＲを大幅に低下することなくより低いＸ線線量で画像が取得できることである。本発明の極めて限定的な逆投影法において高いＳＮＲ合成画像を使用することにより、より低線量の投影ビューセットから再構成される画像フレームのＳＮＲは大幅に向上する。例えば、組織に流れ込む造影剤が繰り返しイメージングされる潅流試験では、高ＳＮＲ合成画像が取得されてもよく、一連の低線量の画像フレームが試験中に取得されてもよい。高ＳＮＲ合成画像を用いて各画像フレームを再構成することにより、各画像フレームのＳＮＲは大幅に向上する。
【００１７】
本発明の前述のおよび他の目的および利点は、以下の説明から明らかであろう。説明においては、本明細書の一部を形成する本発明の好ましい実施態様を説明する目的で示されている添付図面を参照する。このような実施態様は本発明の全範囲を必ずしも表さないが、特許請求の範囲に対しておよび本発明の範囲を解釈するために参照される。
【好ましい実施態様の詳細な説明】
【００１８】
最初に図１および図２を参照すると、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージングシステム１０は「第３世代」ＣＴスキャナを表すガントリ１２を含む。ガントリ１２はガントリの反対側の検出器アレイ１６に対してＸ線１４の扇形ビームまたは円錐形ビームを投影するＸ線源１３を有する。検出器アレイ１６は患者１５を透過する投影されたＸ線を全体で検知する多数の検出器素子１８により形成される。各検出器素子１８は、患者を透過するときに衝突するＸ線ビームの強度、したがってビームの減衰量の強度を表す電気信号を生成する。Ｘ線投影データを取得するスキャン中に、ガントリ１２およびそこに装着された構成要素は患者１５内に位置する回転の中心１９周りを回転する。
【００１９】
ガントリの回転およびＸ線源１３の作動はＣＴシステムの制御機構２０により管理されている。制御機構２０はＸ線源１３に電力およびタイミング信号を提供するＸ線制御装置２２およびガントリ１２の回転速度および位置を制御するガントリモータ制御装置２３を含む。制御機構２０のデータ取得システム（ＤＡＳ）２４は検出器素子１８からアナログデータをサンプリングし、後続の処理のためにデータをディジタル信号に変換する。画像再構成装置２５はＤＡＳ２４からサンプリングされディジタル化されたＸ線データを受け取り、本発明の方法による高速画像再構成を実行する。再構成された画像は大容量記憶装置２９に画像を保存するコンピュータ２６への入力として利用される。
【００２０】
コンピュータ２６はまた、キーボードを有するコンソール３０を介してオペレータから命令およびスキャンパラメータを受け取る。結合されたブラウン管ディスプレイ３２により、オペレータはコンピュータ２６から再構成された画像および他のデータを観察できる。オペレータ供給の命令およびパラメータはコンピュータ２６により使用され、ＤＡＳ２４、Ｘ線制御装置２２およびガントリモータ制御装置２３に制御信号および情報を提供する。加えて、コンピュータ２６は電動式テーブル３６を制御するテーブルモータ制御装置３４を操作して、ガントリ１２内に患者１５を位置合わせする。
【００２１】
図３を参照すると、本発明を利用できるＣＴスキャナの第２の実施態様は、２次元検出器４４およびＸ線源４２が装着されているＣアーム４０を備える。ここで、先と同様に、患者４２はテーブル４６上に位置合わせされる。Ｃアーム４０は基部４５に回転可能に取り付けられ、３次元画像の生成のためのデータが、Ｘ線源４２および検出器４４を画定された軸４７周りで回転することにより取得される。図３に示されたタイプのＣＴスキャナは、「Ｃアームシステムを利用する真の３Ｄコンピュータ回転血管造影図の生成：生体外および生体内の先行試験結果(Use  of  a  C-Arm  system  to  generate  True  3D  Computed  Tomography  Rotational  Angiograms；Preliminary  in  vitro  and  In  vivo  Results.)」（R．Fahrig，S．Lownie，and  DW  Holdsworth，AJNR  18：1507-154，September  1997）に記載されるとおり、血管造影法には特に有効である。
【００２２】
上述のＣＴシステムでは、単一のＸ線源がスキャン中に対象の周りを回転し、取得された各画像フレームの時間分解能は実質角度によりガントリを回転するのに必要とされる時間により制限される。アンダーサンプルされるデータセットが取得されるとき、取得される投影ビューが等間隔になり、全角度範囲にわたるようにされる必要がある。アンダーサンプルされたデータセット内の取得された投影ビューが等間隔であるとき、点広がり関数は極めて優れており、アーチファクトはＦＯＶの中心からある一定の距離で発生するだけであることが判明している。
【００２３】
動的試験において極めて高い時間分解能を得るために、極めて短い時間フレーム内で等間隔の各投影ビューセットを取得することが必要である。これは図７に示されたＣＴシステムを用いて達成される。ＦＯＶ１００周りで単一のＸ線源を移動させるのでなく、個別のＸ線源１０２のセットがＦＯＶ１００の周りに均一に配置される。静止した２Ｄ検出器リング１０４もまたＦＯＶ１００の周りに配置され、検出器のセクタは１つのＸ線源１０２について点線１０６により示されるとおり、ＦＯＶ１００の反対側のＸ線源１０２により生成される１つの投影ビューを受信し、測定する。例えば、Ｒｏｂｂ，Ｒ．Ａ．、Ｅ．Ａ．Ｈｏｆｆｍａｎ、Ｌ．Ｊ．Ｓｉｎａｋ、Ｌ．Ｄ．ＨａｒｒｉｓおよびＥ．Ｌ．Ｒｉｔｍａｎにより述べられているＭａｙｏ  Ｃｌｉｎｉｃの動的空間再構成などのシステム、「高速３次元Ｘ線コンピュータ断層撮影：動的空間再構成(High-Speed  Three-Dimensional  X-ray  Computed  Tomography：The  Dynamic  Spatial  Reconstructor)」，Proceedings  of  the  IEEE  71：308-319（march）1983が、この目的に使用されてもよい。
【００２４】
１つの画像フレームはこのＣＴシステムを用いて、０．５ミリ秒のシーケンスで順次に各Ｘ線源１０２を起動し、検出器１０４から減衰プロファイルを読み取ることにより取得される。完全な画像フレームは取得するためにわずか８ミリ秒を要するだけであり、Ｘ線源１０２のリングはその後、インターリーブ投影プロファイルの次のフレームを取得するために小さい角度で回転する。
【００２５】
上述のようなスキャナは、対象のコントラスト増強動的試験中に時間分解血管造影図を生成するために使用されてもよい。最初の回転は、連続的に取得される画像からの骨の影響およびアーチファクトを除去するために使用できる、注入前マスクを取得するために実行される。注入前マスクデータが取得された後、造影剤、好ましくはヨウ素が注入される。ヨウ素は通常の動脈注入により注入できるが、好ましくは静脈内に導入され、これにより患者に対する処置の侵襲性および不快性を低減する。次に、時系列のコンピュータ断層撮影血管造影（ＣＴＡ）画像を取得し、体内の関心対象の選択された領域をイメージ化する。イメージ化される血管系に造影剤が到達する正確なタイミングよりむしろ、ＣＴＡ動的試験手法は造影剤の投与中に一連の画像フレームを取得することである。その後、医師は、一連の画像のうちのどの画像が関心対象の血管系を最適に描写しているかを選択できる。画像の品質および分解能に加えて、ＣＴＡ動的試験の重要な基準は、画像を取得できる速度である。これは時間分解能と称され、より高い時間分解能に関する試験により、関心対象の血管系におけるピークのコントラストを備える画像が取得される可能性が増加する。
【００２６】
時間分解能は、ＣＴＡ動的試験の各画像フレームに対して取得される投影数を低減することにより増す。各画像フレームに対して取得された投影は他の画像フレームに対して取得される投影とインターリーブされる場合、投影を結合することによって高品質の合成画像を再構成できる。図４を参照すると、例えば、Ｍ個の投影が半径Ｒを有するｋ空間容積を完全にサンプリングするために要求される場合、これらのＭ個の投影はインターリーブされる等間隔の投影ビューセットに分割され、および各セットは画像フレームを取得するために使用されてもよい。第１投影ビューセットのサンプリング軌跡は、例えば点線２３０により示され、第２セットは点線２３２により示され、第３セットは線２３４により示され、およびＭ個のインターリーブされた投影が取得されるまで必要とされる数の画像データセットに対して同様に示される。Ｍ個の取得された投影は半径Ｒに対してｋ空間を完全にサンプリングし、高品質の合成画像を再構成するために使用される。その後合成画像は、本発明の極めて限定的な逆投影法を用いて、それぞれのインターリーブされる投影ビューセットから時間分解画像フレームを再構成するために使用される。
【００２７】
目的がＸ線線量を減少することにある場合、同一手段がまた使用されてもよい。各画像フレームはより少ない投影ビュー、したがってより少ないＸ線線量を用いて取得される。別に発生する画像ＳＮＲの低下は、高いＳＮＲ合成画像からＳＮＲを伝達する極めて限定的な逆投影法により回避される。
【００２８】
特に図８を参照すると、本発明の１つの実施態様が示されており、本実施態様では、選択された生理学的事象が対象内で発生するときに一連の時間分解画像フレームが取得される。この事例では、生理学的事象はＥＣＧモニタにより生成される心臓ゲート制御信号により示される対象の心周期の位相である。最初に、プロセスブロック３００で示されているとおり、造影剤注入前にマスク画像が取得される。時間は、手順におけるこの時点では重要な要素ではなく、完全に十分にサンプリングされる取得は、心臓ゲート制御信号の受信後に、選択された心臓位相で実行される。
【００２９】
マスク画像が取得された後、造影剤はプロセスブロック３０２で示されるとおり注入される。その後、造影剤が関心対象の領域に流れ込むとき、一連のフレーム画像が取得されるループに入る。１つの心臓ゲート制御された画像フレームが、プロセスブロック３０４で示されるとおり、マスク画像と同一心臓位相で取得される。図７の複数Ｘ線源システムでは、例えば、完全な画像フレームは単一の８ミリ秒取得で取得されてもよく、その後Ｘ線源１０２はプロセスブロック３０６で示されるとおり、別のインターリーブ位置に回転する。最後の画像フレームが決定ブロック３０８に示されるとおりに取得されると、手順の取得段階は完了し、画像再構成が始まる。
【００３０】
時間分解された画像フレームを再構成する前に、プロセスブロック３１０に示されるとおり、高分解能合成画像が再構成される。これは、取得された画像フレーム全ての中のインターリーブ投影を使用する従来のフィルタ補正逆投影再構成法である。画像フレームがインターリーブビュー角で取得されるため、全体としてｋ空間の完全なサンプリングを提供し、従来の画像再構成法を用いてアーチファクトのない合成画像を生成できる。合成画像は各画像フレームを再構成するために使用されるため、プロセスブロック３１２に示されるとおり、合成画像から造影剤投与前のマスク画像を減算することにより合成画像を「編集」して、静止組織を除去する。加えて、次の極めて限定的な画像再構成手順に対してスパース(sparse)データセットを提供するために、各取得された画像フレーム内の個々の投影ビューは、その投影ビューから減算されるマスク画像からの対応する投影ビューを有する。
【００３１】
次に一連の時間分解画像フレームが再構成されて表示される。画像フレームを備える限定されたビューセットは、プロセスブロック３１４に示されるとおり、本発明の極めて限定的な逆投影法を使用して逆投影されるループに入る。図９に関して以下により詳細に述べられているとおり、最後の画像フレームが決定ブロック３１８に示されるとおり決定されるように再構成されるまで、３１６に示されるとおり各画像フレームは処理される。再構成された画像フレームはその後、プロセスブロック３２０に示されるとおり表示されてもよい。ユーザは画像フレームシーケンス全体を再生して、関心対象の血管系への造影剤の流入を観察してもよく、またはユーザは最良の診断情報を示す１つまたは複数の画像フレームを選択してもよい。
【００３２】
画像ＳＮＲを改善するため連続的な画像フレームを結合してもよく、３Ｄ画像フレームが生成されるとき、２ＤのＭＩＰ投影画像は通常３Ｄ画像フレームから生成される。
【００３３】
上述の実施態様では、合成画像はスキャンの動的段階中に取得されるインターリーブ投影セットを用いて生成される。全ての取得された投影セットは合成画像を生成するために使用されてもよく、スキャンの動的段階が長い時間にわたって延びるとき、これは同一投影角度で取得される１つまたは複数の投影セットを含んでもよい。このような事例では、繰り返される投影ビューにおける対応する値は、ＳＮＲを改善するために平均される。
【００３４】
他方では、全ての取得されたインターリーブ投影セットより少ない投影セットを用いて合成画像を再構成する臨床用途もある。例えば、造影剤が使用されるとき、対象は動的試験中のそれぞれの時間においてかなり異なって見える。対象におけるこの変化を反映するために、全ての取得された投影セットより少ない投影セットを用いて複数の合成画像を再構成し、これにより、合成画像が変化する対象について最新状態を維持するようにしてもよい。ＣＴＡスキャンのこの変形形態は図１０に示されており、ブロック２４５〜２５２は、動的試験中に生じる、連続画像フレームの取得を示している。再構成される次の画像フレームがブロック２４９で示される場合、更新された合成画像は、ｎ＝３個の先に取得した画像フレームに現在の画像フレームを結合することによって生成される。さらに詳細には、プロセスブロック２５２で示されるとおり、ｎ個先の画像フレームと現在の画像フレームに対してインターリーブされたｋ空間投影ビューが結合されて、プロセスブロック２５４で示されているとおり、更新された合成画像はこれらの投影セットだけから再構成される。プロセスブロック２１２で示されるとおり、画像フレーム２４９の後続の極めて限定された逆投影中に、更新された合成画像が用いられる。
【００３５】
さらに図１０を参照すると、更新された合成画像は、このようにｎ個先に取得された画像フレームと、試験されている対象の現在の状態を最も正確に反映した現在の画像フレームとのウィンドウによって形成される。変化が対象内で比較的低速で生じる場合、ｎの値を大きくして先に取得した画像フレームをより多く含むようにすることができる。これは結果的に、更新された合成画像の質を向上させる。一方、対象内の変化が高速で生じる場合、ｎはわずかｎ＝１個の画像フレームまで低減しても、イメージ化される対象の真の状態を正しく反映できる。したがって、一方における高いＳＮＲと、他方における動的変化のより正確な描写との間のトレードオフは、ｎの選択に起因する。
【００３６】
動的スキャンが完了した後にフレーム画像が再構成される場合、合成画像を更新するのに用いられる取得画像フレームのウィンドウを拡大して、現在の画像フレームの後に取得された画像フレームを含むようにすることができる。例えば、再構成される画像フレームは、現在の画像フレームの前後に取得されたほぼ等しい数の他の画像フレームに、ウィンドウ内で中心合わせできる。または、現在の画像フレームは、ウィンドウの始まりで取得されてもよい。取得した画像フレームのこの後処理においては、多数の異なる画像フレームを再構成することができ、その場合、ウィンドウサイズと、現在の画像フレームに対するウィンドウの位置との両方を変更することにより、最良の結果を達成してもよい。
【００３７】
合成画像がスキャンの動的取得段階前に取得される投影から再構成されてもよい、臨床用途もある。これは図１１に示されており、高分解能および高いＳＮＲの合成画像がプロセスブロック２６０で示される手順の開始時に取得され、プロセスブロック２６２で示されるとおり、従来のフィルタ補正逆投影法を用いて再構成される。その後、画像フレームが可能な限り高速で取得されて表示されるループに入る。
【００３８】
画像フレームはプロセスブロック２６４で示されるとおり、上述の最小数の投影ビューで取得される。プロセスブロック２６６で示されるとおり、これらの投影は、対象の並進および回転運動を測定するために、合成画像と位置合わせまたは位置調整される。この運動情報を用いて合成画像を移動させ、合成画像が対象の現在の位置に位置合わせされるようにし、次に、プロセスブロック２６８に示されるとおり、画像フレームは極めて限定的な逆投影法で位置調整された合成画像を使用して再構成される。プロセスブロック２７０に示されるとおり、フレーム画像は表示されてもよく、システムは決定ブロック２７２で分岐して、プロセスブロック２７４に示されるとおり、次のフレーム画像を取得する。８ミリ秒内でフレーム画像を取得する図７のＣＴシステムが本発明の本実施態様を実行するために使用される場合、対象の略リアルタイムの画像を提供するために使用されるコンピュータの能力に依存して、フレーム画像は１秒当たり最大１２５フレームの速度で生成できる。
【００３９】
特に図９を参照すると、画像フレームは、本発明の極めて限定的な逆投影法を用いて上述の実施態様の全てにおいて再構成される。本発明を用いて画像フレームを再構成する多数の様々な方法が存在するが、好ましい実施態様では、重み付けされる逆投影の前に正規化を実行する。プロセスブロック３２６および図１５で示されるとおり、現在の画像フレームにおける全ての減衰プロファイルＰに対して、対応する合成画像減衰プロファイルＰCが同一ビュー角において計算される。合成画像のこの再投影は、例えば「コンピュータ断層撮影の原理、設計、アーチファクトおよび最近の進歩(Computed  Tomography  Principles，Design，Artifacts，and  Recent  Advances)」（Jiang  Hsich  SPIE  Press，2003，Chapter  3）に開示されているような、ラドン変換である。
【００４０】
次に、各画像フレーム減衰プロファイルがプロセスブロック３２８で正規化され、プロセスブロック３３０で逆投影され、プロセスブロック３３２で非限定の画像フレームと加算されるループに入る。さらに詳細には、画像フレーム減衰プロファイルは、各減衰Ｘ線の総計Ｐを、同一ビュー角における合成画像の再投影内の対応する減衰Ｘ線の総計ＰCで割算することにより正規化される。この正規化された減衰プロファイルは、次に、いずれのフィルタリングも実行することなく、従来の方法で逆投影される。結果として得られる非限定の画像値は、現在の画像フレームに対する他の減衰プロファイルから逆投影される画像値と加算される。
【００４１】
決定ブロック３３４で決定されるとおり、現在の画像フレームに対して最後の減衰プロファイルが処理されると、再構成された非限定の画像フレームはプロセスブロック３３８で示されるとおり、合成画像を使用して限定される。これは非限定の画像フレームの画素が合成画像の対応画素値と乗算される従来のマトリックス乗算である。従来の画像再構成法と異なり、本発明の再構成方法が使用される場合、必要とされる投影ははるかに少なく、その結果画像フレームは極めて高速に生成できる。画像アーチファクトは、アンダーサンプリングのため抑制され、合成画像のより高いＳＮＲは再構成された画像フレームに伝達される。
【００４２】
本発明が多くの様々なタイプのＸ線ＣＴシステムにおいて、および多くの様々な臨床用途において利用できることは理解されるべきである。画像フレームが最小の投影データで高速に生成されなければならない場合、本発明は特に有利である。用途によっては、合成画像は高い分解能およびＳＮＲで個々に取得されてもよいのに対して、他の用途では、合成画像は時間が重要なスキャンの動的段階中に取得される投影から生成されてもよい。
【００４３】
Ｘ線線量が重要な問題であり得る臨床用途は潅流イメージングである。この臨床手順では、マスク画像が取得され、その後造影剤が対象に投与される。造影剤が関心対象の組織（例えば腫瘍または動脈閉塞の領域内の組織）に流れ込むとき、一連の画像が取得され、この画像から組織の健全性に関連するパラメータを計算できる。従来の画像再構成法を用いる通常のスキャンでは、４００個の投影ビューが、マスク画像および造影剤が組織に流れ込むときに取得される２０から５０個の画像フレームのそれぞれに対して取得されることがある。これは莫大なＸ線曝露であり多くの小児科用途に対して過大であると考えられている。
【００４４】
図１または図３に開示されたシステムのいずれかを使用する本発明による潅流試験は、図１２に示されている。最初の回転は、プロセスブロック４００に示されるとおり、注入前マスクを取得するために実行される。このマスク画像は十分なＸ線線量で取得される。注入前マスクデータが取得された後、プロセスブロック４０２に示されるとおり、造影剤が投与される。造影剤は通常の動脈注入を介して注入され得るが、好ましくは静脈内に導入され、これにより患者に対する処置の侵襲性および不快性を低減する。
【００４５】
プロセスブロック４０４に示されるとおり、その後一連の画像フレームが低線量で取得される。第１の好ましい実施態様では、これはガントリを回転し、および回転中に低減された数の投影ビューを取得することにより達成される。例えば、４００個の投影ビューが通常のスキャン中に取得され得るのに対して、４０個の投影ビューのみがこの低線量の取得中に取得される。決定ブロック４０８で決定されるとおり、これは、所望の画像フレームの全てが取得されるまで、プロセスブロック３０６で示されるとおり繰り返される。しかし、４０個のビューが各画像フレームに対して取得されてもよいが、これらは異なるビューである。さらに詳細には各画像フレームに対して取得される投影ビューは等間隔であり、他の画像フレームに対して取得される投影ビューとインターリーブされる。
【００４６】
本実施態様における各画像フレームは、低減した数の投影ビュー（例えば４０個のビュー）から構成される。結果的に、対象が受けるＸ線線量は、完全にサンプリングされる画像（例えば４００個のビュー）が各画像フレームで取得される場合に受けるＸ線線量のわずか１０分の１である。
【００４７】
この問題に対する第２の方法では、各画像フレームは、４００個の完全な投影ビューセットとして取得される。しかし、この方法では、Ｘ線源によって発生されるＸ線ビームの強度を低減することにより、より低いＸ線線量が対象に送出される。これは通常、Ｘ線管電流を低減することにより達成される。当然ながら、この方法でＸ線ビームの強度を低減することにより、結果として得られる再構成された画像のＳＮＲは対応する量により低下すると予測される。しかし、以下に説明される極めて限定的な逆投影法を実行することにより、失われたＳＮＲが回復される。
【００４８】
画像フレームが上述の低線量の方法のいずれかを用いて取得された後に、プロセスブロック４１０で示されるとおり、取得されたマスク投影ビューが減算される。これは、同一ビュー角で取得されたマスク画像投影における対応する減衰値の、各取得された画像フレーム投影ビューにおける減衰値からの減算である。結果として得られる画像フレーム投影ビューは試験される組織への投影剤の潅流によって発生する、Ｘ線の減衰量の差を示す。
【００４９】
潅流画像を再構成する前に、プロセスブロック４１２に示されるとおり、高分解能合成画像が再構成される。これは、取得された画像フレームの全てからのそれぞれの投影ビューを使用する従来のフィルタ補正逆投影再構成法である。画像フレームが第１の実施態様においてインターリーブビュー角で取得されるため、全体としてラドン空間の完全なサンプリングを提供し、アーチファクトのない高ＳＮＲ合成画像が標準的な再構成法を用いて生成できる。上述の第２の方法では、各画像フレームについて取得される対応する低線量のビューは平均化され、１つの完全な低線量のビューセットから別に生成される合成画像に比べて高いＳＮＲ合成画像を実現する。
【００５０】
次に、一連の時間分解潅流画像フレームが再構成されて表示される。画像フレームを備える限定されたそれぞれのビューセットは、プロセスブロック４１４で示されるとおり、上述の図９に示されている極めて限定的な方法を用いて逆投影されるループに入る。決定ブロック４１８で決定されるとおり、各潅流画像フレームは、４１６に示されるとおり最後の潅流画像フレームが再構成されるまで、再構成される。プロセスブロック４２０で示されるとおり、次に、再構成された潅流画像フレームは表示されるか、またはさらに処理されて組織の健全性を示す画像を提供してもよい。
【００５１】
本発明の極めて限定的な画像再構成方法を用いることにより、合成画像の高いＳＮＲはそれぞれ再構成された画像フレームに伝達される。このように、各画像フレームは患者に対して大幅に少ないＸ線線量を用いて取得されてもよい。この特定の実施態様では、全体のＸ線線量は、従来の潅流イメージング方法のほぼ１０分の１に低減される。
【００５２】
スパイラルコンピュータ断層撮影（ＣＴ）はＣＴについての比較的新しい方法であって、対象がＣＴガントリを通して進められる間に連続的なデータ収集を可能にする。Ｘ線源および検出器は、ビューが連続的なビュー角で取得されると同時に対象の周りを回転され、対象がガントリを通して軸方向に低速で移動される。これは連続したＸ線減衰データ容積を提供する。このデータから、任意の厚さの複数の連続または重複スライスが再構成でき、または３Ｄ画像容積が再構成できる。スパイラルＣＴ血管造影法（ＣＴＡ）では、造影剤物質のＩＶ注入後に適切な遅延を選択することにより、血管構造を選択的に視覚化できる。これは血管腔、狭窄および病変の優れた視覚化を提供する。取得されたデータはその後、３Ｄ視覚化技術（ボリュームレンダリング、最大強度投影（ＭＩＰ）および陰影付き表面表示）を使用して表示され、血管系の画像を提供することができる。従来の血管造影法と異なり、ＣＴＡは３次元であり、したがって、閲覧者により高い自由度を提供して、様々な視点から血管系を見ることを可能にする。
【００５３】
スパイラルＣＴＡに伴う１つの問題は、テーブルの移動のタイミングが関心対象の血管系を通る造影剤ボルスの移動と一致しなければならないことである。この「ボルス追跡」問題は、一部の血管が「遅れた充填」とされ、ピークのコントラスト強調の達成が困難であるときに、より難しくなる。
【００５４】
この問題の解決法は、対象の運動軸（ｚ軸）に沿って分散された複数のＸ線源を有するＣＴシステムにおいて本発明を使用し、造影剤の流入中に関心対象の全体の３Ｄ容積を連続的にスキャンできるようにすることである。この能力を提供するＣＴシステムは図１３Ａおよび図１３Ｂに示されている。
【００５５】
特に図１３Ａを参照すると、検出器アレイ５１６はＸ線源５１３と対向する行および列に配置された検出器素子５１８の２次元アレイである。検出器素子５１８は従来のシンチレーション型Ｘ線検出器であってもよいが、また秒当たり少なくとも３０フレームの読出し速度を可能にする、イオン化型またはＣＺＴ検出器であってもよい。好ましい実施態様では、検出器アレイはｚ軸に沿って１２５ｃｍ延び、ｚ軸に沿って２０４８個の検出器素子およびガントリ回転方向に１０２４個の素子を含む。
【００５６】
検出器アレイ５１６の反対側にＸ線源５１３があり、この好ましい実施態様では、このＸ線源は電子銃５４０および陽極アセンブリ５４２から構成される。図１３Ｂに最も詳しく示されるとおり、陽極アセンブリは、モータ５４６による回転のために取り付けられるタングステンなどの高Ｚ材料から作られる円筒陽極５４４から構成される。心臓用途に対しては、陽極５４４は３０ｃｍの長さを有し、ガントリの中心を通って延びるｚ軸５１９にほぼ平行に位置合わせされる。
【００５７】
静止した患者の前のコリメータ５４８は回転する陽極５４４に近接して取り付けられる。コリメータ５４８はＸ線を遮蔽する金属から構成され、陽極５４４の全長に沿って等間隔の下向きに延びる楔形ローブ５５０を含む。陽極セグメントはローブ５５０間で露出され、電子ビームが陽極セグメントの１つに衝突すると、Ｘ線の円錐形ビーム５５２が生成され、隣接するコリメータローブ５５０の間から広がり、円筒形のＦＯＶ５５４に入る。電子ビームを高速で移動させて、露出された陽極セグメントのいずれかに衝突させ、これにより、円錐形ビーム５５２をｚ軸に沿って様々な方向に電子的に移動させることができる。陽極アセンブリ５４２もまたガントリが回転するとき、ＦＯＶ５５４周りで回転される。これにより、陽極アセンブリが生成する円錐形ビーム５５２は、任意のビュー角でＦＯＶ５５４と交差できる。図１３Ｂに示されるとおり、円錐形ビーム５５２の中心Ｘ線は点線５５６により表され、円筒形のＲＯＩ面とこの中心Ｘ線の交差点はスキャン点５５８であり、ＦＯＶ５５４のスキャンはスキャン点５５８の経路により定義できる。言い換えると、ＦＯＶ５５４のスキャンパターンは、矢印５６０により示される円筒形のＦＯＶ５５４の周りの円周方向のスキャン点５５８の移動により、および矢印５６２により示されるｚ軸の軸方向に沿ったスキャン点の移動により定義される。
【００５８】
図１３Ａを参照すると、陽極アセンブリ５４２および電子銃５４０は排気された気密性ハウジング（図示せず）で囲まれている。電子銃５４０は、銃５４０からの電子ビーム５６４が陽極アセンブリ５４２に衝突し、ＦＯＶ５５４の方向に向くＸ線円錐形ビームを生成するように配置される。電子銃５４０は、例えば加熱されたフィラメントを含む電子発生源（図示せず）を含み、電子ビーム５６４形状に形成され、陽極アセンブリ５４２と電子銃５４０との間で維持される加速電圧により陽極アセンブリ５４２の方向に吸引される電子を発生する。電子銃５４０内の静電プレートまたは磁気ヨーク（図示せず）は電子ビーム５６４を偏向し、陽極アセンブリ５４２の全長に沿った任意の位置に電子的に操縦できる。このように、電子ビーム５６４を高速で操縦して、ｚ軸範囲に沿って配置された陽極セグメントの任意の１つに衝突させることができる。この偏向は、Ｘ線円錐形ビームの焦点のほぼ同時のｚ軸移動を提供し、円錐形ビームの焦点はｚ軸に沿ってそれぞれの陽極セグメントに移動する速度の唯一の制限は、任意の１つのセグメントにおいて十分に長く留まり、使用される検出器素子５１８に対して十分なＸ線が生成できるようにする必要があることである。現在利用可能なＣＴスキャナで使用される検出器素子は秒当たり３０の割合で個々の減衰量測定を取得できるが、この測定速度は将来に大幅に増加することが予測される。秒当たり９００フレームを読み出すＡ９１２２６６素子検出器アレイが、例えば、Ｓａｉｔｏらによる「３Ｄ  ＣＴ  ４ＤＣＴに対する広面積の２Ｄ検出器(Large  Area  2D  Detector  For  3D  CT  4DCT)」（Medical  Imaging  2001：Physics  of  Medical  Imaging，Proceedings  of  the  SPIE  Vol.4320（2001））に開示されている。
【００５９】
好ましい実施態様では単一の電子銃５４０が使用されているが、当業者には個別の電子銃が陽極アセンブリ５４２の各ｚ軸の陽極セグメントに対して使用されてもよいことは理解されるべきである。単一の電子ビームを操縦してｚ軸に沿ってスキャンするのでなく、この代替の実施態様では、個別の電子ビームは、指示されたとおりにオン／オフを切り替えて、ｚ軸に沿ってＸ線円錐形ビームの焦点を移動させる。
【００６０】
図１３Ａをさらに参照すると、外部放射線から検出器アレイ５１６を遮蔽し、これにより所望のＳＮＲを実現するのに必要とされる全体のＸ線線量を低減するために、コリメータ５７０がＦＯＶ５５４と検出器アレイ５１６との間に配置される。コリメータグリッド５７０は間隔を空けた金属壁のセットから構成され、この壁はｚ軸に沿って延び、隣接する検出器素子５１８の間の境界と位置合わせされている。これらの壁は、外部放射源から入る放射線を吸収し、この放射線が検出器素子５１８に衝突するのを防止する。これの目的は、Ｘ線源５１３からのＸ線の入射を許容し、一方でランダム放射線を阻止することである。指定されたＳＮＲの画像に対して必要とされるＸ線線量を低減することに加えて、低減されたＸ線曝露は、円錐形ビームがより高速でｚ軸に沿ってスキャンできることを意味する。
【００６１】
本発明を図１３Ａおよび図１３Ｂの複数Ｘ線源スキャナを使用するＣＴＡスキャンに適用するために、ＦＯＶ５５４は複数の領域に分割される。ｚ軸５１９に沿って配置される円錐形ビームＸ線源のそれぞれに対して１つの領域が存在する。以下に説明されるとおり、個別の合成画像は各領域に対して再構成され、画像フレームは、各領域ごとの領域上でこれらの合成画像を使用して再構成される。
【００６２】
図１６を特に参照すると、図１３Ａおよび図１３Ｂの構造を使用するＣＴＡスキャンにおける第１ステップは、プロセスブロック５７０に示されるとおり、マスク画像を取得することである。これは、各Ｘ線源により取得される３００個以上のビューから構成されるＦＯＶ５５４の完全なスキャンである。３Ｄマスク画像は、例えばＪｉａｎｇ  Ｈｓｉｅｈにより上述の文献の第３章で説明されている、従来の円錐形ビーム再構成法を使用して各領域に対して再構成される。
【００６３】
その後、造影剤がプロセスブロック５７２に示されるとおり投与され、一連の画像フレームは、造影剤がＦＯＶ５５４の血管系を通して流れるとき取得されるループに入る。さらに詳細には、ガントリが回転され、画像フレームが各Ｘ線源位置に対してプロセスブロック５７４に示されるとおり取得される。これは、１８０°のガントリ領域全体にわたって各Ｘ線円錐形ビームのＸ線源に対して取得される３０個の等間隔のビュー角を用いて高度にアンダーサンプルされた取得である。各Ｘ線源はわずかに異なる時間で起動されるため、検出器アレイ５１６が単一アセンブリであるにもかかわらず、各Ｘ線源に対して取得される円錐形ビームデータは分離して維持される。追加の画像フレームは、スキャンが決定ブロック５７８で決定されるとおり完成されるまで、プロセスブロック５７６に示されるとおり取得される。しかし、各追加の画像フレームは、他の取得される画像フレームのビュー角でインターリーブされる様々なビュー角で取得される。結果的に、スキャンの完了時に各円錐形ビームのＸ線源はこのそれぞれの領域に対して完全にサンプリングされた円錐形ビームデータセットを取得する。
【００６４】
プロセスブロック５８０で示されるとおり、各領域に対する合成画像はスキャン中に取得される全てのビューを使用して再構成される。各領域は上述のとおり完全にサンプリングされているため、従来の円錐形ビーム画像再構成法は上述のマスク画像再構成と同様に使用される。プロセスブロック５８２で示されるとおり、領域のマスク画像はその後対応する領域の合成画像から減算される。加えて、よりスパースデータセットを提供するために、取得されるマスクにおける投影ビューは取得される画像フレームにおける対応する投影ビューから減算される。
【００６５】
次に画像フレーム再構成が実行される。プロセスブロック５８４で示されるとおり、１つの領域に対する１つの画像フレームは上述の図９に示された極めて限定的な再構成法を用いて再構成される。これは、対応する領域の合成画像を使用する画像フレームの取得中に１つのＸ線源により取得される制限された数のビューの３次元の限定的な逆投影法である。各時間フレームを形成するために使用される焦点位置の数は小さいが、これは各焦点位置から発出する多数のＸ線経路により補償される。スパース血管造影の３Ｄ容積の再構成または潅流データの良好な結果に関しては、約３００個の焦点位置を用いて取得できる。Ｒ．Ｂｏｕｔｃｈｋｏ、Ｇ．Ｈ．Ｃｈｅｎ、ＣＡ．Ｍｉｓｔｒａｔｔａ、Ｊ．Ｈｓｉｅｈ、Ｓ．Ｋ．ＰａｔｃｈおよびＲ．Ｓｅｎｚｉｇ、Ｚ−Ｓｃａｎの「超高速容積ＣＴスキャナの実現可能性の研究(Feasibility  Study  of  an  Ultra-Fast  Volume  CT  Scanner)」（Fully  3D  meeting，St.Malo，May  2003）。
【００６６】
プロセスブロック５８６で示されるとおり、各領域に対する画像フレームが再構成され、最後の領域が決定ブロック５８８で決定されるとおり処理されると、次の画像フレームはプロセスブロック５９０で示されるとおり再構成される。３次元領域の画像フレームを結合して、ＦＯＶ５５４全体の１つの画像フレームを形成してもよい。最後の画像フレームが決定ブロック５９２で決定されるとおり再構成されると、結合された画像フレームはプロセスブロック５９４で示されるとおり格納され、表示される。
【００６７】
本発明をまた適用できる他の臨床用途が存在する。例えば、冠血流予備能の決定は２つの連続画像フレーム、すなわち一方はジピリダモールなどの血管を拡張させる物質の投与前および他方は血管拡張薬の投与直後の取得を含む。第１時系列の心臓画像はマスク画像の取得および造影剤の注入後に取得される。これらの心臓画像フレームは心臓を流れる造影剤の第１通過中に低線量で取得される。血管拡張薬が投与され、第２の連続の低線量の心臓画像フレームが造影剤の注入後に取得される。合成画像は第１の連続のインターリーブされた心臓画像フレームから再構成され、これは本発明の極めて限定的な逆投影法により第１の連続の各心臓の画像フレームを再構成するために使用される。第２合成画像はその後第２の連続の低線量の心臓画像フレームから再構成される。この第２合成画像は本発明の極めて限定的な逆投影法により第２に連続の各心臓画像フレームを再構成するために使用される。平均通過時間（ＭＴＴ）および血管の血液容量を反映するパラメトリック画像は、各連続の再構成された冠状動脈の画像フレームから計算され、これらは血管拡張薬の投与前後両方において血液の流れのパラメトリック画像を提供するために結合される。血管拡張の前後における血液の流れ速度は、各画像画素および関連付けられた血管床における冠血流予備能の表出である。上述の潅流の試験におけるのと同様に、この血流予備能の画像は臨床的に許容できる画像を生成するために通常要求されるＸ線線量のほぼ１０分の１で取得できる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明を実現するために使用できる第１型のＣＴ装置の斜視図である。
【図２】図１のＣＴ装置を制御するために使用できるＣＴ制御システムのブロック図である。
【図３】本発明を実現するために使用できる第２型のＣＴ装置の斜視図である。
【図４】連続画像フレームにおける投影ビューのインターリーブ取得のグラフ表示である。
【図５】従来の逆投影画像再構成方法の図である。
【図６】本発明による極めて限定的な逆投影画像再構成法の図である。
【図７】本発明を実現するために使用できる第３型のＣＴ装置の図である。
【図８】本発明を実現するための１つの好ましい方法のフローチャートである。
【図９】図８の方法の一部を形成するフレーム画像再構成法のフローチャートである。
【図１０】最新の合成画像を提供するために使用される方法の図である。
【図１１】本発明を実現するための別の好ましい方法のフローチャートである。
【図１２】本発明を実現するためのさらに別の好ましい方法のフローチャートである。
【図１３Ａ】本発明を実現するために使用できる別のＣＴ装置の図である。
【図１３Ｂ】本発明を実現するために使用できる別のＣＴ装置の図である。
【図１４】本発明による３Ｄ逆投影画像再構成の図である。
【図１５】本発明を実現するための１つの方法を実行するために使用される合成画像の再投影ステップの図である。
【図１６】図１３のＣＴ装置を用いて本発明を実現するための別の方法のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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