(57)【要約】  撮像ユニットおよびコンピュータ断層撮影システムが開示されている。撮像ユニットは、選択された放射を放出し、概略の伝播方向を有する拡散された放射を提供するように構成された少なくとも１の放射源を含む放射源ユニットと、開口ユニットおよび概略の伝播方向に対して開口ユニットの下流側に配置された検出器アレイを有する画像収集ユニットとを備える。開口ユニットは、２以上の開口アレイのセットを含み、各開口アレイは、予め設定された開口の配列を有する。開口ユニットは、開口アレイのセットを利用して、対応する収集期間中に放射を収集するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像ユニットであって、
選択された放射を放出し、概略の伝播方向を有する拡散された放射を提供するように構成された少なくとも１の放射源を含む放射源ユニットと、
開口ユニットと、前記概略の伝播方向に対して前記開口ユニットの下流側に配置された検出器アレイとを有する画像収集ユニットとを備え、
前記開口ユニットが、２以上の開口アレイのセットを含み、各開口アレイが、予め設定された開口の配列を有し、前記開口ユニットが、前記開口アレイのセットを利用して、対応する収集期間中に放射を収集するように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像ユニットにおいて、
選択される物体マウントをさらに備え、この物体マウントが、前記放射源と前記画像収集ユニットとの間に配置されて、監視対象の物体の適切な位置を識別するように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項３】
請求項１または２に記載の撮像ユニットにおいて、
当該撮像ユニットが、選択された角度方向のセットから物体を撮像するために回転可能なアームに取り付けられるように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の撮像ユニットにおいて、
前記放射源が、拡散された超音波放射を提供する超音波源であることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の撮像ユニットにおいて、
前記放射源が、Ｘ線、ガンマ線または紫外線を放射することを特徴とする撮像ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の撮像ユニットにおいて、
前記放射源がさらに、送られた放射を拡散するように構成された放射成形要素を含むことを特徴とする撮像ユニット。
【請求項７】
請求項５または６に記載の撮像ユニットにおいて、
放射符号化構造をさらに含み、前記放射符号化構造が、開口の直径と前記検出器アレイの幾何学的解像度のうちの少なくとも一方によって決定される解像度に対して、より大きな空間周波数の周期性を持つ周期的パターンを有するように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の撮像ユニットにおいて、
開口の配列を有する２以上の開口アレイのセットが、予め設定された最大空間周波数よりも低い空間周波数に対して非ヌル透過を有するトータル有効透過関数を提供するように選択されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載の撮像ユニットにおいて、
前記開口ユニットが、選択された空間周波数の透過強度を最適化するために選択された対応する収集期間で、前記開口アレイのセットを動作させるように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の撮像ユニットにおいて、
画像処理モジュールを含む制御ユニットをさらに備え、前記画像処理モジュールが、対応する収集期間で前記開口アレイのセットの各々を通る放射の収集に対応する、画像データピースを前記検出器アレイから受信するとともに、復元される画像データを決定するためにトータル有効透過関数に従って前記画像データピースを処理するように構成され、かつ動作可能であることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１１】
請求項１０に記載の撮像ユニットにおいて、
前記制御ユニットが深度モード選択モジュールをさらに含み、この深度モード選択モジュールが、前記有効透過関数を利用して２以上の深さ分解される透過関数のセットを定義するように構成され、かつ動作可能であり、前記画像処理モジュールが、前記深さ分解される透過関数を利用して対応する２以上の深さに関連して復元される画像データピースをさらに決定し、それによって三次元画像データを生成するように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１２】
請求項１１に記載の撮像ユニットにおいて、
前記制御ユニットが断層撮影モジュールをさらに備え、この断層撮影モジュールが、複数の角度方向から収集されたサンプルのデータに関連する復元された画像データピースを受信し、サンプルの三次元モデルを決定するように構成され、かつ動作可能であることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか一項に記載の撮像ユニットにおいて、
当該撮像ユニットが、心臓カテーテル手術中にＸ線撮像を提供し、放射線漏れを低減することを可能にするように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１４】
請求項１乃至１２の何れか一項に記載の撮像ユニットにおいて、
前記画像収集ユニットが、ガンマ線放射を検出し、それにより陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）および単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）のうちの少なくとも一方を可能にするように構成されていることを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１５】
コンピュータ断層撮影システムであって、
回転可能なフレームに取り付けられ、検査対象の身体が置かれる規定されたプラットフォームの周りで回転するように構成された撮像ユニットを備え、前記撮像ユニットが、
（ａ）予め設定された波長範囲の高エネルギー放射を生成するように構成された少なくとも１の放射源と、前記放射源から放出された放射の経路に配置され、前記プラットフォームに向かって伝播する放射ビームの幅を広げるように構成された拡散器ユニットとを含む放射源ユニットと、
（ｂ）前記放射源からの放射伝播の方向に対して前記プラットフォームの下流側に配置された画像収集ユニットであって、開口（ピンホール）ユニットと、前記放射源から前記開口を通る放射伝播の経路に沿って配置された検出器アレイユニットとを有する画像収集ユニットとを備え、
前記開口ユニットが、複数の予め設定された数の開口アレイの選択されたセットを含み、各開口アレイが、予め設定された開口の配列を有し、前記開口ユニットが、前記開口アレイのセットを利用して、対応する収集期間中に放射を収集するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、
前記開口ユニットが、予め設定された最大空間周波数よりも低い空間周波数に対して非ヌル透過を有するトータル有効透過関数を提供するように選択された開口の配列を有する開口アレイのセットを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載のシステムにおいて、
前記開口ユニットが、選択された空間周波数の透過強度を最適化するために選択された対応する収集期間で、前記開口アレイのセットを動作させるように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１５乃至１７の何れか一項に記載のシステムにおいて、
画像処理モジュールを含む制御ユニットをさらに備え、前記画像処理モジュールが、対応する収集期間に前記開口アレイのセットの各々を通る放射の収集に対応する、画像データピースを前記検出器アレイから受信するとともに、復元される画像データを決定するためにトータル有効透過関数に従って前記画像データピースを処理するように構成され、かつ動作可能であることを特徴とるシステム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、
前記制御ユニットが深度モード選択モジュールをさらに含み、この深度モード選択モジュールが、前記有効透過関数を利用して２以上の深さ分解される透過関数のセットを定義するように構成され、かつ動作可能であり、前記画像処理モジュールが、前記深さ分解される透過関数を利用して対応する２以上の深さに関連して復元される画像データピースをさらに決定し、それによって三次元画像データを生成するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１５乃至１９の何れか一項に記載のシステムにおいて、
前記回転可能なフレームに接続されたモータと、角度選択モジュールを含む制御ユニットとをさらに含み、前記角度選択モジュールが、前記モータを作動させて、前記フレームを複数の角度方向のセットに回転させるように構成され、かつ動作可能であり、前記画像ユニットが、前記角度方向のうちの１または複数において画像データピースを取得するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のシステムにおいて、
前記制御ユニットが断層撮影モジュールをさらに備え、この断層撮影モジュールが、複数の角度方向に関連付けられた復元画像を受信し、サンプルの三次元モデルを決定するように構成され、かつ動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１５乃至２１の何れか一項に記載のシステムにおいて、
当該システムが、心臓カテーテル手術中にＸ線撮像を提供し、放射線漏れを低減することを可能にするように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項１５乃至２１の何れか一項に記載のシステムにおいて、
前記画像収集ユニットが、ガンマ線放射を検出し、それにより陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）および単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）のうちの少なくとも一方を可能にするように構成されていることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線学および医療撮像の分野にあり、特に、患者のコンピュータ断層撮影に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）は、複数の角度方向からのＸ線撮影を利用して、スキャンされた身体の三次元マッピングを可能にする撮像技術である。一般に、従来のＣＴスキャン技術では、様々な方向からそれぞれ撮影された複数のＸ線散乱データ（画像）を取得し、例えばラドン変換により、収集したデータピースを結合して、検査対象の身体の三次元モデルを生成するプロセスを利用している。
【０００３】
対象物を示す画像データを生成するためには、選択された角度方向から身体に向けてＸ線放射の発散ビームを向けて、身体の反対側で散乱された放射を収集することによって、各Ｘ線撮像が収集される。画像データピースは、Ｘ線放射による照明により効果的に対象物の陰影となる。放射線源の発散角と散乱放射を収集するように構成された検出器アレイのサイズ（開口）との関係は、得られた画像データのパラメータを規定する。
【０００４】
例えば、解像度および強度を高めた非光学的な撮像を可能にするいくつかの技術が知られている。
【０００５】
米国特許出願公開第２０１７／０１６３９６１号は、ピンホールベースの撮像で対象領域を撮像する方法およびシステムを記載している。その方法は、複数の所定数の開口アレイの選択されたセットを介して対象領域から入力放射を収集するステップを含み、各アレイが、所定の開口配列を有し、収集期間中に入力放射を収集し、開口アレイの選択されたセットおよび対応する収集期間が、放射収集のトータル有効透過関数を規定し、当該方法がさらに、収集された入力放射から、開口アレイを介してそれぞれ収集された入力放射に対応する所定数の画像データピースを含む画像データを生成するステップと、放射収集のトータル有効透過関数を利用して画像データピースを処理するステップと、対象領域の復元画像を決定するステップとを備える。開口アレイのセットは、好ましくは、トータル有効透過関数が、所定の最大空間周波数よりも低い空間周波数に対して非ヌル透過を提供するように選択される。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１５／０３８１９５８号は、対象領域の三次元データを提供するように構成された撮像システムを記載している。このシステムは、光学ユニットおよび制御ユニットを備える。光学ユニットは、放射収集ユニットおよび検出ユニットを備える。放射収集ユニットは、少なくとも２の放射収集領域をそれぞれ規定する少なくとも２のマスク配置を含み、このマスク配置は、収集された放射に適用される所定の開口配列によって形成される複数の所定数の空間フィルタリングパターンを順次適用して、少なくとも２の収集領域から収集された放射に対応する少なくとも２の要素画像データピースを生成するように構成されている。制御ユニットは、少なくとも２の要素画像データピースを受信および処理して、撮像される領域の三次元配置をそれぞれ一緒に示す複数の少なくとも２の復元された要素画像を決定するように構成されている。
【発明の概要】
【０００７】
従来のＣＴ技術と比較して、一般に放射レベルを増加させることなく、好ましくは減少させながら、解像度を高めて身体の三次元撮像を可能にするコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンのための新規な構成および操作技術に対する必要性が、当技術分野において存在している。
【０００８】
本技術は、コンピュータ断層撮影システムまたは一般的な撮像システムでの使用に適した撮像モジュール構成を提供する。撮像モジュールは、典型的には予め設定された周波数（波長範囲）の放射を生成するように構成された放射源と、放出される放射の経路に配置されて、通過する放射を拡散させ、それにより概略の伝播方向を有する広い放射ビームを生成するように構成された拡散器ユニットとを備える。撮像モジュールは、開口ユニットと検出器アレイとを有する画像収集ユニットを含む。典型的には、放射源ユニットは、検査対象のサンプル（または身体）の上流側に配置され、画像収集ユニットは、放射源ユニットから放出される放射の概略の伝播方向に沿ってサンプル（身体）の下流側に配置される。
【０００９】
開口ユニットは、予め設定された数の開口アレイの選択されたセットを含む可変符号化開口（ＶＣＡ）ユニットとして構成され、各アレイが、開口の予め設定された配列を有する。典型的には、開口ユニットは、開口の選択された配列を有する、２以上の開口アレイまたは３つ以上の開口アレイを含む。ＶＣＡユニットは、各開口アレイの対応する収集期間中に放射を収集するために、様々な開口アレイを利用して画像収集を行うように構成されている。様々な開口アレイ（通常は、２以上の開口アレイのセット）によって収集された画像データピースは、復元される画像データを決定するために、開口アレイに関するデータおよび対応する収集期間に従って一緒に処理される。
【００１０】
この目的のために、本発明の技術および撮像ユニットは、非光学的放射の撮像、すなわち、音波または超音波などの屈折光学系が使用できない放射、Ｘ線およびガンマ線の放射の撮像を提供し、断層撮影および三次元撮像に適した高解像度の撮像を可能にする。本技術は、放射（例えば、Ｘ線、ガンマ線、超音波）を放出するように構成された放射源ユニットと、概略の伝播方向を維持しながら、そこを透過する放射に散乱を導入するように構成された拡散器とを利用する。画像収集ユニットは、ピンホール撮像の概念を利用し、エネルギー効率を向上させる高解像度撮像を提供するように選択されたピンホール／開口アレイのセットを利用する。
【００１１】
この技術は、従来のＸ線撮像装置と比較して、エネルギー効率と撮像解像度の点で、最適化された効率で非光学的な撮像を提供することが可能である。これは、（例えばＣＴシステムなどのＸ線撮像に使用される）従来の非光学撮像技術が、放射源から検出器ユニットに向かって伝播する放射を利用し、撮像される物体／サンプルによる放射の陰影または部分的な陰影を利用しているのに対し、本技術は、伝播方向が僅かに異なる複数の放射成分を利用する撮像を提供することに主眼が置かれているためである。この目的のために、放射源ユニットに使用される拡散器は、放射を散乱させて、複数の異なる空間周波数（または異なる伝播方向）を有する成分を導入し、それにより検査対象の身体／サンプルの適切な撮像を可能にするために提供されている。
【００１２】
さらに、本技術に係る画像収集ユニットは、選択された開口／ピンホールのセットを含む、開口アレイのセットを利用する。特定の距離を空けた２以上の開口を使用することで、対応する２以上の視点での撮像を提供して、三次元画像データを抽出することが可能となる。これにより、画像収集のインスタンスを利用して三次元画像データを再構成することが可能となる。より具体的には、従来のＣＴ撮影技術では、検査対象の身体の三次元画像データを再構成するために、複数の方向から撮像されたＸ線陰影を収集する必要があったが、本技術では、単一の方向からの画像収集に基づいて、特定の三次元再構成を提供することができる。これにより、従来のＣＴ技術と比較して、より少ない数の撮像方向を用いて効率的なスキャンが可能となり、それに応じて放射強度を低減させることができる。そのようなエネルギーの低減は、検査対象の身体または身体部分に応じて、５分の１〜２分の１になり得る。
【００１３】
すなわち、本発明は、広範な一態様によれば、撮像ユニットを提供し、この撮像ユニットが、選択された放射を放出し、概略の伝播方向を有する拡散された放射を提供するように構成された少なくとも１の放射源を含む放射源ユニットと、開口ユニットおよび概略の伝播方向に対して開口ユニットの下流側に配置された検出器アレイを有する画像収集ユニットとを備え、開口ユニットが、２以上の開口アレイのセットを含み、各開口アレイが、予め設定された開口の配列を有し、開口ユニットが、開口アレイのセットを利用して、対応する収集期間中に放射を収集するように構成されている。
【００１４】
撮像ユニットはさらに、物体マウントをさらに備えることができ、この物体マウントが、放射源と画像収集ユニットとの間に配置されて、監視対象の物体の適切な位置を識別するように構成されている。
【００１５】
いくつかの実施形態によれば、撮像ユニットが、選択された角度方向のセットから物体を撮像するために回転可能なアームに取り付けられるように構成されている。
【００１６】
いくつかの実施形態によれば、放射源が、拡散された超音波放射を提供する超音波源であってもよい。いくつかの他の実施形態によれば、放射源が、Ｘ線、ガンマ線または紫外線放射源であってもよい。
【００１７】
いくつかの実施形態によれば、放射源がさらに、送られた放射を拡散するように構成された放射成形要素を含むことができる。
【００１８】
撮像ユニットは、１または複数の放射符号化構造体をさらに含むことができ、放射符号化構造体が、開口直径と検出器アレイの幾何学的解像度のうちの少なくとも一方によって決定される解像度に対して、より大きな空間周波数の周期性を持つ周期的パターンを有するように構成されている。
【００１９】
いくつかの実施形態によれば、２以上の開口アレイのセットが、予め設定された最大空間周波数よりも低い空間周波数に対して非ヌル透過（non-null transmission）を有するトータル有効透過関数（total effective transmission function）を提供するように選択された開口の配列を有するように構成されるようにしてもよい。
【００２０】
開口ユニットは、選択された空間周波数の透過強度を最適化するために選択された対応する収集期間で、開口アレイのセットを動作させるように構成することができる。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、撮像ユニットが、画像処理モジュールを含む制御ユニットをさらに備えるか、またはこの制御ユニットに関連付けることができ、画像処理モジュールが、対応する収集期間で開口アレイのセットの各々を通る放射の収集に対応する、画像データピースを検出器アレイから受信するとともに、復元される画像データを決定するためにトータル有効透過関数に従って画像データピースを処理するように構成され、かつ動作可能である。
【００２２】
制御ユニットはさらに深度モード選択モジュールを含むことができ、この深度モード選択モジュールが、有効透過関数を利用して２以上の深さ分解される透過関数のセットを定義するように構成され、かつ動作可能であり、画像処理モジュールが、深さ分解される透過関数を利用して対応する２以上の深さに関連して復元される画像データピースをさらに決定し、それによって三次元画像データを生成するように構成されている。
【００２３】
制御ユニットは、断層撮影モジュールをさらに備えることができ、この断層撮影モジュールが、複数の角度方向からサンプルより収集されたデータに関連する復元される画像データピースを受信し、サンプルの三次元モデルを決定するように構成され、かつ動作可能である。
【００２４】
いくつかの実施形態によれば、撮像ユニットは、心臓カテーテル手術中にＸ線撮像を提供し、放射線漏れを低減することを可能にするように構成されるものであってもよい。この構成は、医療従事者への放射線漏れを排除するか、または少なくとも大幅に減少させることができ、それにより心臓カテーテル手術の安全性を向上させることができる。
【００２５】
いくつかの実施形態によれば、画像収集ユニットが、ガンマ線放射を検出し、それにより陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）および単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）のうちの少なくとも一方を可能にするように構成することができる。
【００２６】
本発明は、他の広範な一態様によれば、コンピュータ断層撮影システムが提供され、このシステムが、
回転可能なフレームに取り付けられ、検査対象の身体が置かれる規定されたプラットフォームの周りで回転するように構成された撮像ユニットを備え、この撮像ユニットが、
（ａ）予め設定された波長範囲の高エネルギー放射を生成するように構成された少なくとも１の放射源と、この放射源から放出された放射の経路に配置され、プラットフォームに向かって伝播する放射ビームの幅を広げるように構成された拡散器ユニットとを含む放射源ユニットと、
（ｂ）放射源からの放射伝播の方向に対してプラットフォームの下流側に配置された画像収集ユニットであって、開口（ピンホール）ユニットと、放射源から開口を通る放射伝播の経路に沿って配置された検出器アレイユニットとを有する画像収集ユニットとを備え、
開口ユニットが、複数の予め設定された数の開口アレイの選択されたセットを含み、各開口アレイが、予め設定された開口の配列を有し、開口ユニットが、開口アレイのセットを利用して、対応する収集期間中に放射を収集するように構成されている。
【００２７】
いくつかの実施形態によれば、開口ユニットが、予め設定された最大空間周波数よりも低い空間周波数に対して非ヌル透過を有するトータル有効透過関数を提供するように選択された開口の配列を有する開口アレイのセットを含むことができる。
【００２８】
開口ユニットは、選択された空間周波数の透過強度を最適化するために選択された対応する収集期間で、開口アレイのセットを動作させるように構成することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態によれば、システムが、画像処理モジュールを含む制御ユニットをさらに備えるか、または当該制御ユニットに関連付けることができ、画像処理モジュールが、対応する収集期間に開口アレイのセットの各々を通る放射の収集に対応する、画像データピースを検出器アレイから受信するとともに、復元される画像データを決定するためにトータル有効透過関数に従って画像データピースを処理するように構成され、かつ動作可能である。
【００３０】
制御ユニットはさらに深度モード選択モジュールを含むことができ、この深度モード選択モジュールが、有効透過関数を利用して２以上の深さ分解される透過関数のセットを定義するように構成され、かつ動作可能であり、画像処理モジュールが、深さ分解される透過関数を利用して対応する２以上の深さに関連して復元される画像データピースをさらに決定し、それによって三次元画像データを生成するように構成されている。
【００３１】
いくつかの実施形態によれば、システムは、回転フレームに接続されたモータユニットと、角度選択モジュールを含む制御ユニットとをさらに含むことができ、角度選択モジュールが、モータを作動させて、フレームを複数の角度方向のセットに回転させるように構成され、かつ動作可能であり、画像ユニットが、角度方向のうちの１または複数において画像データピースを取得するように構成されている。
【００３２】
制御ユニットは、断層撮影モジュールをさらに備えることができ、この断層撮影モジュールが、複数の角度方向に関連付けられた復元画像を受信し、サンプルの三次元モデルを決定するように構成され、かつ動作可能である。
【００３３】
いくつかの実施形態によれば、システムは、心臓カテーテル手術中にＸ線撮像を提供し、放射線漏れを低減することを可能にするように構成することができる。
【００３４】
いくつかの実施形態によれば、画像収集ユニットは、ガンマ線放射を検出し、それにより陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）および単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）のうちの少なくとも一方を可能にするように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本明細書に記載の主題をより良く理解し、それが実際にどのように実施され得るのかを例示するために、添付の図面を参照しながら、非限定的な例として実施形態を説明する。
【図１】図１は、本発明のいくつかの実施形態に係るコンピュータ断層撮影システムでの使用に適した撮像ユニットを示している。
【図２】図２は、複数の開口を利用する撮像技術を例示している。
【図３】図３は、本発明のいくつかの実施形態に係る放射源および拡散器要素を含む放射源ユニットを例示している。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に係る深さ分解情報および超解像度を得ることを可能にする放射符号化パターンを例示している。
【図５】図５Ａ〜図５Ｆは、従来のＸ線撮影と比較した、本発明のいくつかの実施形態に係る放射源サンプルの撮像結果を例示している。
【図６】図６Ａ〜図６Ｃは、三次元単純物体のシミュレートされた断層撮影再構成を示し、図６Ａは物体構造を示し、図６Ｂは、８の角度方向で従来技術を用いて再構成された物体を示し、図６Ｃは、３の角度方向で本発明の技術を用いて再構成された物体を示している。
【図７】図７Ａ〜図７Ｃは、三次元の僅かに複雑な物体のシミュレートされた断層撮影再構成を示し、図７Ａは物体構造を示し、図７Ｂは、１５の角度方向で従来技術を用いて再構成された物体を示し、図７Ｃは、１０の角度方向で本発明の技術を用いて再構成された物体を示している。
【図８】図８Ａ〜図８Ｃは、単一の角度方向に基づく本発明の技術を用いたＸ線の物体の再構成を示している。
【図９】図９Ａ〜図９Ｈは、０、４５、９０、１３５度の角度方向からの本発明の技術に係る未加工の検出器データおよび再構成画像を示している。
【図１０】図１０は、図９Ｂ、図９Ｄ、図９Ｆおよび図９Ｈの画像データピースを用いた物体の断層撮影再構成を示している。
【図１１】図１１Ａおよび図１１Ｂは、従来のＸ線撮像と比較した、本技術を用いた撮像を例示している。
【図１２】図１２Ａ〜図１２Ｋは、追加の実験セットアップおよび対応する結果を示し、図１２Ａは、セットアップ構成を示し、図１２Ｂは、撮像のための様々な角度を示し、図１２Ｃ、図１２Ｅ、図１２Ｇおよび図１２Ｉは、様々な角度に対する物体の相対的な向きを示し、図１２Ｄ、図１２Ｆ、図１２Ｈおよび図１２Ｊは、視点に応じた対応する再構成画像を示し、図１２Ｋは、４つの角度の撮像方向すべてに基づいて完全に再構成されたモデルの画像を示している。
【図１３】図１３Ａ〜図１３Ｃは、選択された距離および向きで２本の釘を撮像した追加の実験結果を示し、図１３Ａは、７２の視野角から得られた再構成モデルの画像を示し、図１３Ｂは、釘の断面グラフを示し、図１３Ｃは、再構成から得られた物体プロファイルを要約している。
【図１４】図１４Ａ〜図１４Ｄは、１８秒間（図１４Ａ）および４２秒間（図１４Ｂ）の従来の単一ピンホール技術を用いたガンマ線源の画像、１８秒以内に収集されたガンマ線源の未加工（図１４Ｃ）および再構成（図１４Ｄ）画像を示している。
【図１５】図１５Ａ〜図１５Ｃは、ガンマ線源の画像の断面図である。図１５Ａおよび図１５Ｂは、それぞれ１８秒および４２秒の露出で単一ピンホール撮像によって取得された画像を示し、図１５Ｃは、１８秒の総露出時間内で本技術を用いて収集された再構成画像の断面を示している。
【図１６】図１６Ａ〜図１６Ｃは、直径２ｍｍ（図１６Ａ）および４．４５ｍｍ（図１６Ｂ）の単一ピンホールを介して収集されたガンマ線源の画像、および直径２ｍｍのピンホールでＶＣＡを用いて収集された本技術による再構成画像（図１６Ｃ）を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
上述したように、本技術は、従来技術と比較して、放射を低減して断層撮影を最適化するために、可変符号化開口（ＶＣＡ）撮像技術を利用している。図１を参照すると、放射源ユニット２００および画像収集ユニット３００を含み、典型的にはサンプルマウント１１０上に配置された物体１２０を撮像するように構成された撮像ユニット１００が示されている。放射源ユニット２００は、概して、放射（例えば、Ｘ線、ガンマ線、またはいくつかの実施形態では超音波）を放射するように構成された放射源２２０と、この放射源２２０と画像収集ユニットとの間の放射伝播の概略の経路内に配置された放射成形ユニット２４０とを含む。放射成形ユニット２４０は、概して拡散器要素を含み、さらに、後述するように、周期的な波面パターンで放射場をパターン化するように構成された符号化ユニットも含むことができる。典型的には、放射源ユニット２００は、放射の漏れを防止するための適切な壁、またはバリア配列も含む。また、放射源ユニットは、当該放射源ユニット２００から撮像用の放射を放出するのを選択的に開閉するように構成されたシャッタユニットを含むことができる。なお、図１では、図面の簡略化のために、壁／バリアおよびシャッタユニットは特に示されていない。
【００３７】
画像収集ユニット３００は、放射源ユニット２００からの放射伝播の経路に沿って、物体１２０の反対側に配置されている。画像収集ユニット３００は、開口アレイのセット、例えば３２０ａ〜３２０ｃを含む可変符号化開口（ＶＣＡ）ユニット３２０と、ＶＣＡユニット３２０を通過する放射成分を収集し、それぞれの画像データ（未加工の画像データ）の対応する１または複数のピースを生成するように構成された検出器アレイ３４０とを含む。ＶＣＡユニット３２０は、対応する収集期間に、衝突する放射を収集するために、様々な開口アレイを選択的に使用するように構成されている。例えば、３つの開口アレイが使用される場合、単一の画像の取得プロセスは、通常、開口アレイ３２０ａを使用して画像部分を取得する第１の期間と、開口アレイ３２０ｂを使用して画像部分を取得する第２の期間と、開口アレイ３２０ｃを使用して画像部分を取得する第３の期間とを含む。通常、ＶＣＡユニット３２０は、開口アレイのセットを含み、各開口アレイが、少なくとも部分的に非周期的な配列で配置された開口の配列を有する。各アレイは、所望の画像強度および放射レベルを提供するために、選択された画像取得時間部分に使用される。
【００３８】
通常、開口アレイ３２０ａ〜３２０ｃのセットは、予め設定された最大空間周波数よりも低い空間周波数に対して非ヌル透過を有する、開口アレイのセットのトータル有効透過関数を提供するように選択される。より具体的には、開口の総数が露出時間内に所望の放射強度を可能にして十分に明るい画像を提供するように選択され、かつ異なる開口アレイのアレイの配置が異なる透過関数を有するように、開口アレイのセットが構成される。通常、２以上の開口の配列の透過関数は、ゼロ透過を有する１または複数の空間周波数（透過範囲内）によって特徴付けられることに留意されたい。したがって、開口アレイは、各アレイが異なる空間周波数に対してゼロ透過を有するように選択され、それにより、解像度限界内のすべての空間周波数に対してゼロではない有効なトータル透過関数を提供する。このような解像度の限界は、開口の寸法によって決まる。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態では、開口アレイのセットは、以下のように、撮像の選択されたパラメータに従って構成することができる。物体面または物体プラットフォーム１１０の位置、像面／検出器アレイ３４０の位置、および撮像のための所望の最大解像度に応じて、ピンホールの寸法（ピンホール／開口直径）を決定する。画像の明るさ、エネルギー効率および開口直径に基づいて、ＶＣＡユニット３２０で使用される開口の望ましい総数を決定する。ＶＣＡユニット３２０が解像度限界まで有効な透過を提供する空間周波数の範囲を決定する。第１の開口アレイの配列を選択し、その配列は、選択された配置の所望の寸法の１または複数の開口を含む。第１の開口アレイの開口配列の透過関数を決定し、第１の開口アレイの透過が予め設定された閾値未満である１または複数の空間周波数を識別し、それによって空間周波数の第１のセットを規定する。第１の開口アレイとは異なる選択された配列で所望寸法の１または複数の開口を含む、１または複数の追加の開口アレイの配列を選択する。追加の開口アレイは、各アレイの開口配列が空間周波数の第１のセットの少なくとも一部の透過を提供するように、構成される。通常は、１つのアレイによるゼロ透過（zero transmission）を有する各空間周波数に対して、１または複数の他のアレイが非ゼロ透過（non-zero transmission）を有し、それによって解像度限界内のすべての空間周波数の透過を可能にするように、追加の１または複数の開口アレイが選択される。開口アレイの選択プロセスは、３以上の開口アレイを提供するように進めることができる。アレイの総数で開口の総数を割ると、時間単位あたりの所望の明るさの係数が提供される。
【００４０】
開口アレイ３２０ａ〜３２０ｃの選択されたセットは、アレイ間の露出時間比に関する情報と組み合わせて、対応する透過関数を定義する。より具体的には、空間周波数（ｕ，ｖ）に関する各開口アレイの透過関数Ｆ（ｕ，ｖ）は、次のようにして推定することができる。
2021520972.tif 000003
ここで、Ｎはアレイ内の開口の数であり、ｄ（ｘ）およびｄ（ｙ）はアレイ内の開口の位置を示している。トータル有効透過関数は、様々な開口アレイの透過関数と、それぞれの露出時間に関するデータに基づいて、次のように決定することができる。
2021520972.tif 000004
ここで、Ｌは使用される開口アレイの数であり、ｔｌはアレイｌの露出時間である。上述のように、単一の開口アレイの透過関数Ｆ（ｕ，ｖ）は、通常、異なる開口を透過した光成分の干渉により、１または複数の空間周波数に対してゼロ透過を提供する。開口アレイのセット（３２０ａ〜３２０ｃ）は、各開口アレイが異なる空間周波数に対してゼロ透過を有し、それにより単一の開口の寸法（典型的には最小開口サイズ）によって規定される解像度限界内のすべての周波数に対して非ゼロ透過を有するトータル有効透過関数Ｇ（ｕ，ｖ）を提供するように選択される。各開口アレイの露出時間ｔｌを選択することで、トータル有効透過関数をさらに変更することができ、それにより、例えば、特定の空間周波数に対してより大きな透過率を提供し、サンプルの所望の特徴に従って収集される画像を調整することができる。
【００４１】
一般に、撮像ユニット１００は、制御ユニット５００を含むか、または制御ユニットに関連付けることができる。制御ユニットは、少なくとも画像処理モジュール５２０を含み、この画像処理モジュールは、画像データピースを受信し、収集されたデータピースを処理して、再構成された画像データを提供するように構成されている。この目的のために、制御ユニット５００は、ストレージユーティリティ５４０も含むか、またはストレージユーティリティと接続可能となっている。ストレージユーティリティ５４０は、様々な開口アレイ３２０ａ〜３２０ｃの透過関数Ｆｌ（ｕ，ｖ）に関する予め記憶されたデータ、および選択された露出時間スキームなどの追加データを保持する。
【００４２】
処理モジュール５２０は、時間露出スキームを決定／選択するために動作することができ、それに応じて、上述したように、トータル有効透過関数Ｇ（ｕ，ｖ）に関するデータを取得することができる。処理モジュールは、トータル有効透過関数を利用して、収集された画像データピースを処理し、それにより再構成される画像データを決定する。例えば、そのような処理は、以下により、トータル有効透過関数に従って、収集された画像データのフーリエ再構成を利用することができる。
2021520972.tif 000005
ここで、Ｓ（ｕ，ｖ）は、フーリエ平面で再構成された画像データであり、Ｓｌａｒｒａｙは、開口アレイｌによって収集された画像データであり、ｔｌは、アレイｌの対応する収集時間であり、Ｇ−１は、空間周波数領域におけるトータル有効透過関数Ｇ（ｕ，ｖ）の逆数である。
【００４３】
これに関連して、システム１００は、予め設定された露出時間プロトコル（すなわち、開口アレイのセットについての予め設定された露出時間ｔｌのセット）に基づいて動作するように、あるいはサンプル特性、オペレータの好みなどに応じて選択された露出時間ｔｌの選択されたセットに基づいて動作するように構成できることに留意されたい。したがって、制御ユニット５００には、ストレージユーティリティ５４０に格納された１または複数の露出時間プロトコルに関連付けられたトータル有効透過関数Ｇ（ｕ．ｖ）の１または複数の変化量に関するデータが予め提供されるようにしてもよい。代替的または追加的には、ストレージユーティリティ５４０は、各開口アレイの透過関数Ｆｌ（ｕ，ｖ）に関するデータを事前にロードするようにしてもよく、処理モジュール５２０は、各開口アレイ３２０ａ〜３２０ｃの選択された露出時間に応じて、トータル有効透過関数Ｇ（ｕ，ｖ）を決定するように構成され、かつ動作可能であってもよい。
【００４４】
一般に、撮像ユニット１００は、身体１２０の指定された位置（選択された軸）を中心とする経路ＲＭに沿って回転するように構成された回転可能なフレームに取り付けることができる。回転可能なフレームは、検査対象の身体１２０に対して、または一般にサンプル保持プラットフォーム１１０に対して、撮像ユニット１００の向きを変化させるように構成されており、それにより、複数の角度方向から検査対象の身体１２０を撮像することができ、身体１２０の断層撮影および三次元表現の構築を可能にする。これにより、例えばＸ線ベースのコンピュータ断層撮影（ＣＴシステム）で使用されるように、三次元画像データの再構成のために複数の角度方向からの画像データの収集が可能になる。
【００４５】
上述したように、ＶＣＡユニットの開口アレイの使用により、単一の角度方向から画像データを収集しながら三次元画像データを抽出する画像再構成が可能になる。これは、開口アレイ３２０ａ〜３２０ｃが間隔を空けて配置された多数の開口を含んで、僅かに異なる撮像方向を効果的に提供することで、達成することができる。この目的のために、本技術は、各開口アレイ内の開口の相対的な位置を考慮しながら、収集された画像データの処理を利用することができる。図２は、単一の角度方向の撮像に基づいて三次元データを抽出するための１つの技術を示し、図３は、放射の符号化パターンを利用する１つの他の技術を示している。
【００４６】
図２に示すように、物体１２０の１つの点（ｘ１，ｚ１）からの散乱に関連付けられた放射成分Ｒ１１、Ｒ１２は、開口アレイ３２０を透過して検出器アレイ３４０に到達し、ｄ２、ｄ３としてマークされた特定の点で収集された信号を形成する。物体１２０の異なる位置（ｘ２，ｚ２）に関連付けられた放射成分Ｒ２１、Ｒ２２は、開口アレイ３２０を透過して、位置ｄ１、ｄ４で検出器アレイ３４０に到達する。
【００４７】
図示のように、開口アレイ３２０から異なる距離に位置する物体１２０上の点に関連付けられた、またはその点から散乱された放射成分は、開口アレイからのそれぞれの位置の間の距離に関連付けられた検出器上に異なる像を生成する。この効果は、各開口アレイにおける多数の開口に関連付けられて、複数の方向から物体１２０を効果的に撮像する。より具体的には、図２に示すように、開口アレイから距離ｚ１およびｚ２にそれぞれ位置する位置（ｘ１，ｚ１）および（ｘ２，ｚ２）は、実際には、異なる角度方向でアレイの様々な開口を見る。この効果は、異なる距離でピンホールを通して撮像されたときに、様々な物体の倍率Ｍを変化させる結果として考えられる。
【００４８】
処理モジュール５２０は、撮像システムの寸法および物体の予想される距離、および特定の望ましい深さ解像度、並びに、物体内の異なる距離に関連付けられた対応する異なる有効透過関数に関する予め記憶された所定の情報を利用することができる。処理モジュール５２０は、異なる透過関数のデータピースをさらに利用して、各角度位置で収集された画像データを再構成し、イメージの各角度方向からの三次元データを提供することができる。
【００４９】
このように、開口アレイの異なる開口は、検査対象の物体１２０の僅かに異なる視点を提供し、それによって効果的に立体撮像を提供する。各角度方向について、三次元画像再構成を使用することにより、そのシステムは、従来のＸ線ベースのＣＴシステムと比較して、必要な画像数を減らしながら、物体の高解像度の三次元画像データを提供することが可能になる。必要とされる画像の減少により、本発明の技術は、必要な解像度に応じて、必要な放射線レベルを５分の１〜２分の１に減少させながら、身体部分または臓器の高解像度の三次元モデルリングを提供することが可能になる。
【００５０】
図３を参照すると、放射源ユニット２００の例示的な構成が示されている。上述したように、放射源ユニット２００は、放射（例えば、Ｘ線、ガンマ線、またはいくつかの実施形態では超音波）を放出するように構成された放射源２２０と、放射成形ユニット２４０とを含む。図３の例では、放射成形ユニット２４０は、そこを通過する放射を散乱させて、実質的に均一な放射場を提供するように構成された拡散器要素を含む。放射成形ユニット２４０の拡散器要素は、ダンマン型格子または拡散結晶素子として構成することができ、使用される放射波長に応じて選択することができる。
【００５１】
これに関連して、本明細書に記載の撮像ユニットは、概して、物体から散乱された放射を用いて、検査対象の物体（１２０）を撮像するように構成されている。これは、物体から散乱された放射を収集せずに、典型的には放射が物体を通り抜けることを可能にして、サンプルを通った放射の透過を検出する従来のＸ線およびＣＴ撮像技術と比較される。散乱放射の使用は、典型的には撮像に必要であることにさらに留意すべきである。これは、散乱放射の収集がない場合、物体上の点が、開口アレイ３２０の開口を通って収集されて検出器アレイにより検出される放射成分を提供しない可能性があるためである。
【００５２】
本明細書に記載の撮像ユニットによって提供される撮像解像度は、開口アレイ３２０の開口の直径と検出器アレイ３４０の幾何学的解像度（ピクセル数）の２つの主な要因に従って決定される。撮像ユニット１００は、例えば放射成形ユニット２４０に関連付けられた、１または複数の放射符号化要素を使用して、解像度の改善された（超解像度の）撮像を提供するように構成することもできる。ここで、図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、放射符号化要素２５０が示されている。図４Ａは、横断方向の超解像構成を例示し、図４Ｂは、軸方向の超解像構成を例示している。符号化要素２５０は、典型的には、（例えば、鉛（Ｐｂ）で作られた）放射線遮断／吸収ラインまたはワイヤの周期的な配列として構成することができる。この要素の周期性は、撮像装置の規定される解像度よりも高くなるように選択され、すなわち、ワイヤ間の距離が、開口アレイ３２０の開口のサイズによって規定される解像度よりも小さくなる。
【００５３】
放射符号化要素２５０は、開口アレイを介して物体を撮像する前に通過する放射に、予め選択された既知のパターンの符号化を提供する。様々な方向からの物体の画像を収集しながら、放射符号化要素２５０の符号化パターンを利用することは、様々な観察角度（撮像の角度方向）からの物体の投影を、シフトされた符号化構造によって効果的に増加させることを提供する。より具体的には、様々な観察角度に対する物体の投影は、投影された物体と静的な符号化パターンとの間の相対的なシフトを生成する。これにより、次の式に従って物体の撮像が行われる。
2021520972.tif 000006
ここで、ｂ［ｘ］は周期的な符号化構造を表し、ｏ（ｘ）は物体構造であり、Ｚは、符号化構造と三次元物体の中心との間の距離を表している。
【００５４】
２以上の異なる角度方向（α）からの撮像と、放射符号化要素２５０の高い周期性を使用して、収集された画像データを符号化パターンに従って処理することにより、超解像撮像を提供する。高い周波数の放射符号化要素２５０の使用は、撮像解像度の限界に関してより微細な特徴を有する空間符号化を適用する。この高い空間周波数符号化は、サンプル構造による増加によって、またその周期性により、より低い周波数のパターンとしてキャプチャにより効果的に変換される。このため、収集された画像データは、放射符号化要素２５０のパターンに関連付けられた低周波特徴を含む。対象物に対する異なる方向からの複数の画像データピースの収集と、画像データピースの増加および放射符号化要素２５０のパターンに関連付けられた復号化パターンを適用することによる画像データピースの処理とによって、正しい元のスペクトル位置で高い空間周波数特徴が復元される。
【００５５】
図４Ａの例は、放射符号化要素２５０が物体に向かって伝播する放射の経路内に配置される横断方向の超解像構成を示している。図４Ｂの例は、放射符号化要素２５０が三次元符号化媒体として構成される軸方向の超解像構成を例示している。より具体的には、物体は、符号化媒体内に配置され、各観察角度から符号化媒体２５０は、その深さ情報を符号化する。この構成では、符号化パターンの角度変化が、開口アレイ３２０の複数の開口を用いて形成される。アレイ内の各開口を通って収集された画像部分は、僅かにシフトされた（視差）方向を介した物体の撮像に関連付けられる。より具体的には、符号化媒体２５０によって、開口アレイ３２０の異なる開口を通って収集された放射に関連付けられた異なるシフトされた画像部分が、（それぞれの開口に向かう放射の伝播方向に応じて）異なるパターンで符号化され、処理モジュールが物体の深さ超解像三次元画像を抽出することが可能になる。
【００５６】
図５Ａ〜図５Ｆは、市販のＣＴシステムで使用されている従来のコリメータアレイと、本技術を使用した撮像のエネルギー効率および放射低減を比較した実験結果を示している。図５Ａは、上述したように選択された開口配列を有する３つの開口アレイのセットを介して収集された未加工の画像データを示し、図５Ｂは、本技術を用いて再構成された画像データを示し、図５Ｃは、放射源に関連する放射ピックを中心とする拡大領域を示し、図５Ｄは、単一の開口画像データを示し、図５Ｅは、従来のコリメータプレート撮像技術を用いて収集された画像を示し、図５Ｆは、従来技術を用いて収集された放射源を中心とする拡大領域を示している。
【００５７】
実験データは、以下のパラメータを用いてＳＰＥＣＴカメラユニットを用いて収集した。
・実験用ガンマシステム：ＧＥ  Ｉｎｆｉｎｉａ  ＮＭ
・核検出器：３／８インチ（９．５ｍｍ）の結晶厚、５９個の円形ＰＭＴ−５３×３インチ（７６ｍｍ）および６×１．５インチ（３８ｍｍ）
・使用可能な視野：５４×４０ｃｍ±０．５ｃｍ
・固有の空間解像度：３．９ｍｍ
・ピンホールタングステンインサートの直径（δ）：２ｍｍ、取り込み角度：７５°
・ガンマ線源プレート：５０×５０ｃｍ，同位体：Ｃ０−５７，１０ｍＣｉ
・テストされた物体：１／８インチ（３．１８ｍｍ），５／３２インチ（３．９７ｍｍ），３／１６インチ（４．７７ｍｍ），１／４インチ（６．３５ｍｍ）の解像度を有するガンマバーファントム解像度ターゲット、鉛片、高摂取病巣物体としての放射性点源（同位体：Ｃｏ−５７，６．３６μＣｉ）、低摂取病巣物体としてのコイン
・スキャン時間：６０秒
【００５８】
収集された画像データに加えて、核検出器のカウント数は、エネルギー効率を示し、それに応じて撮像に使用される放射量が減少していることを示している。これに関連して、従来のコリメータプレートを用いた撮像は、（６０秒のスキャン時間で）検出器で１８０カウントで取得された。本技術のＶＣＡ撮像ユニットは、（同様のスキャン時間で）核検出器の２１００カウントで図５Ａの画像データ（後に再構成して図５Ｂの画像データを提供）を取得した。このように、物体に当たる同程度の放射量で、本技術は、画像データを生成するために約１０倍の放射強度を収集および使用した。これにより、従来技術と比較して、同程度の放射量でより高い輝度（および／またはコントラスト）の画像を生成するか、または放射量を低減して、同程度の輝度の画像を得ることが可能となる。さらに、図５Ａ〜図５Ｃおよび図５Ｅ〜図５Ｆに示すように、本発明のＶＣＡ技術を用いた方が、コントラクトの点で画質を向上させることができる。
【００５９】
本技術のエネルギー効率は、散乱放射の収集を避けながら物体の投影に基づいて撮像する従来のＸ線コリメータ技術と比較して、説明することができる。この目的のために、従来のコリメータ撮像技術で用いられている放射プロファイルは、（放射エネルギー、放射源構造等に応じて）ＮＡ０の標準偏差（ＳＴＤ）を持つガウス角度分布であると仮定している。ここでは、コリメータを通過する角度透過範囲をΔβとする。Ｎｃがコリメータの穴、それぞれの直径がｄｃ、放射の断面積Ａ０であると仮定すると、次のようにコリメータプレートのエネルギー透過が表現される。
2021520972.tif 000007
これに関連して、コリメータは「投影」、すなわち１：１の撮像を行うために使用されることを前提としている。
【００６０】
本技術では、各開口がすべての角度分布を透過し、角度をブロックしない（Δβ＝ＮＡ０を与える）と仮定し、開口アレイセットが総数Ｎｈの開口を有し、各開口について直径ｄｈを有すると仮定する。同様の撮像積分時間とＭの縮小／拡大係数が与えられる。したがって、本技術を用いた撮像のエネルギー効率は、以下のように提供することができる。
2021520972.tif 000008
この場合のエネルギー効率は、縮小／拡大係数Ｍにより１（または１００％）よりも大きくなる可能性があることに留意されたい。これは、エネルギー効率が、同じ検出面積あたりの同じ積分時間あたりに到達するエネルギー量として定義されるためである。このため、同じエネルギーが縮小によってより小さな面積に到達すると、エネルギーの「増幅」係数がもたらされ、効率が１よりも大きくなる可能性がある。
【００６１】
したがって、本技術は、式５および式６に基づいて、次のように、それらの式によって提供される効率の比として与えられるエネルギー効率の改善を提供することができる。
2021520972.tif 000009
簡単にするために、コリメータの穴が開口直径とほぼ同じ、ｄｈ≒ｄｃで、同様の幾何学的解像度を提供すると仮定し、さらに開口とコリメータの穴の総数がＮｈ≒Ｎｃと仮定すると、エネルギー効率が、縮小／拡大Ｍおよび放射収集の角度比ＮＡ０の結果として、２桁増加する可能性がある。
【００６２】
したがって、図１に示す放射成形要素２４０は、好ましくは、放射の有効散乱を増加させるために使用され、例えば、散乱エネルギーを３０％以上に増加させることができる。これにより、コントラストと明るさだけでなく、撮像のエネルギー効率も高めることができる。しかしながら、一般に、散乱を増加させるための拡散器要素２４０の使用は、高エネルギー（例えば、４０ＫｅＶより大きいか、または１２ＫｅＶより大きい）でより効果的である。これは、より低いエネルギーにおいて、放射源２２０および物体自体１２０によって提供される原子散乱が、効率的な撮像を行うのに十分な高さであるためである。このため、本技術のＶＣＡ撮像装置の使用により、撮像の角度方向毎に、２倍の範囲で、いくつかの構成では１０倍に、いくつかの構成では１００倍に、エネルギー効率の増加を提供することができる。
【００６３】
上述したように、本技術は、監視対象の物体または身体の三次元モデルの再構成に必要な画像の数を減らすことも可能にする。より具体的には、上述したように、本技術によれば、単一の角度方向から収集した画像データを用いて三次元データを取得することができる。また、断層撮影の再構成に必要な画像の数を減らすのに加えて、断層撮影処理の特定の調整を行うことも可能である。
【００６４】
図６Ａ〜図６Ｃおよび図７Ａ〜図７Ｃは、本技術と従来技術の物体再構成のシミュレーション結果を示している。図６Ａおよび図７Ａは、再構成に使用した２つの物体を示し、図６Ｂおよび図７Ｂは、８および１５の角投影をそれぞれ使用して従来のラドン変換および逆ラドン変換を用いて再構成されたシミュレートされた物体モデルを示し、図６Ｃおよび図７Ｃは、本技術を用いて３および１０の角方向からそれぞれ収集した画像データを使用して再構成されたシミュレートされた物体モデルを示している。図６Ａおよび図７Ｂに示す物体は、１０×１０×１０の情報点から形成され、そこに衝突する放射との相互作用で異なる三次元の内部構造を含む。図７Ａのより複雑な物体は、図６Ａのより単純な物体と比較して、従来技術および本発明の技術の両方において、より多くの角度方向を用いて再構成された。
【００６５】
再構成のために、本技術は、一連の部分的な三次元データピースおよび断層撮影処理を利用して、三次元モデルを決定する。上述したように、特定の角度方向から収集された各画像データは、それ自体が部分的な三次元データを含んでいる。一連の方向から収集された部分的な三次元データピースの２以上の深さの層をローカライズラドン変換と逆ラドン変換を用いて処理することで、物体の三次元モデルを取り出すことができる。概して、本技術は、角度投影の数の半分で物体モデルの三次元再構成を可能にし、さらに、適切な断層撮影再構成を得るために必要な放射を削減することができる。
【００６６】
図６Ａ〜図６Ｃおよび図７Ａ〜図７Ｃの例に示すように、本技術は、複雑な物体では三次元データの再構成を５０％改善するが、単純な物体では２７０％の改善に達する可能性がある。本技術によれば、物体を撮像するために角度方向を選択することにより、少ない画像数で三次元再構成が可能となり、物体に衝突する放射を低減しながら、選択された精度の画像データを提供することができる。より具体的には、互いに大きな差異を有する異なる角度方向から複数の画像を得ることにより、例えば、−５度、０度、５度の角度方向と比較して、−３０度、０度、３０度の角度方向、または−１５度、０度、１５度の角度方向を用いて、複数の画像を得ることにより、少ない数の角度方向での再構成の最適化が可能となる。図８Ａ〜図８Ｄを参照すると、追加の実験セットアップおよび対応する結果が示されている。図８Ａは、拡散放射源と、吸収μ１の１枚のディスクおよび吸収μ２の２枚のより小さいディスクによって形成された物体とを含むセットアップを示し、放射が、ＶＣＡアレイを形成するマスクおよび検出器アレイによって収集されている。図８Ｂは、図８Ａに例示されるような０度の単一の角度方向に基づく再構成画像を示し、図８Ｃは、４５度の単一の角度方向からの再構成画像を示している。上述したように、本技術によれば、単一の角度方向から収集された画像データを用いて、特定の三次元再構成が可能である。そのような再構成は、図８Ｂに示されており、ここでは、物体の大きいディスク内に小さいディスクの両方が見える。しかしながら、複雑な構造を有するいくつかの物体では、または物体の他の特徴を隠している内部構造の場合には、追加の再構成が好ましいこともある。そのような場合は、図８Ｃに示されており、ここでは、小さいディスクの一方が他方を遮っているときの４５度の角度方向で物体が表示されている。この場合、効果的な再構成のためには、追加の角度方向が必要である。
【００６７】
この目的のために、追加の角度方向が撮像と再構成に使用された。図９Ａ〜図９Ｈは、０度、４５度、９０度、１３５度の角度方向についての検出器データと部分的に再構成された画像を示している。図９Ａおよび図９Ｂは０度の結果を与え、図９Ｃおよび図９Ｄは４５度に対応し、図９Ｅおよび図９Ｆは９０度に対応し、図９Ｇおよび図９Ｈは１３５度の結果を示している。ローカライズされたラドン変換および逆ラドン変換を用いた物体構造の完全な再構成が、図１０に示されている。図９Ａ、図９Ｃ、図９Ｅおよび図９Ｈに示すように、未加工の検出器データは、収集期間中に変更される、開口アレイのセットを介した放射収集によって生じる、特定の重複を有する画像の複製を含む。単一の角度方向から収集されたデータに基づいてそれぞれ再構成された再構成画像が、図９Ｂ、図９Ｄ、図９Ｆおよび図９Ｈに示されている。既述したように、これらの再構成画像は、再構成された処理と、データが物体に対して異なる位置を有する２以上の開口を介して収集されるという事実とに基づいて、特定の深度解像度を提供する。完全な物体再構成は、図１０に示されており、ここでは、物体の内部構造が効率的に解像されている。完全な再構成は、４つの異なる角度方向のみを用いて決定されていることに留意されたい。
【００６８】
このように、本技術は、開口アレイのセットを使用して１または複数の選択された物体を撮像するように構成された撮像ユニットを利用しており、各画像が、セットの様々な開口アレイを通して収集される。この構成は、断層撮影処理を簡素化し、使用する角度方向の数を減らして完全な三次元構造を決定することを可能にすることができる。これは、単一の角度方向からの各画像を再構成することによって提供され、特定の深さに分解された情報を提供する。本技術は、同等またはそれ以上の画質を得るために身体（サンプル、物体または患者）に放射する放射量をより少くすることを可能にするエネルギー効率によって、Ｘ線やガンマ線のような高エネルギー放射を使用した撮像に有利である。しかしながら、本技術は、可視光および超音波撮像を含む任意の撮像技術に使用することができる。
【００６９】
これに関連して、超音波断層撮影は、放射線吸収剤ではなく音響吸収剤である材料の選択に関連する主な違いを除いて、上述したような実質的に同様の構成を利用できることに留意されたい。そのような超音波断層撮影は、放射線曝露を必要とせずに生体組織の高解像度深度撮像を提供することができ、乳癌の早期発見に大きな関係を有する可能性がある。
【００７０】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムで使用されるような従来のＸ線撮像と比較して、本技術の撮像ユニットを使用した撮像を例示する概略図を示している。上述したように、本技術は、複数の透過マスクを利用し、それが各角度方向の撮像中に変更される。さらに、透過マスクは、選択された特徴の検出を向上させるための撮像目的に応じて、スキャンシステム内で変更することができる。これは、マスクパターンの変更、および各開口アレイの露出時間の変更を使用して行うことができる。各角度方向の画像データの再構成は、開口アレイの構成に基づいて行われる。しかしながら、複数の角度方向を用いた断層撮影再構成は、画像データピースに基づくものであり、撮像に用いられる開口アレイに関するデータを用いる必要はない。また、本技術は、直接投影が収集ユニットの開口アレイによってほぼブロックされる可能性がある撮像に散乱放射を利用していることに留意されたい。
【００７１】
図１２Ａ〜図１２Ｋを参照すると、追加の実験セットアップおよび対応する結果が示されている。図１２Ａおよび図１２Ｂは、拡散されるＸ線放射源２００、物体および平面検出器アレイ３４０を含む実験セットアップの構成を示し、２つの釘によって形成された物体が物体プラットフォーム上に収容され、放射が、３つの開口アレイを含むＶＣＡアレイによって形成された開口ユニット３２０によって収集される。図１２Ｂは、物体を撮像するためのこのセットアップで使用される様々な方向を示している。図示のように、検出器３４０、ＶＣＡマスク３２０およびＸ線源２００は、複数の角度方向からの被検査物体の撮像を可能にするように、その物体の周りの円形経路に沿って回転される。図１２Ｃ〜図１２Ｊは、撮像方向に対する物体の相対的な向きおよびそれぞれの再構成画像を示している。より具体的には、図１２Ｃ、図１２Ｅ、図１２Ｇおよび図１２Ｉは、物体の相対的な向きを示し、図１２Ｄ、図１２Ｆ、図１２Ｈおよび図１２Ｊは、視点に応じた対応する再構成画像を示している。図１２Ｋは、４つの角度の撮像方向すべてを用いた完全に再構成されたモデルの画像を示している。
【００７２】
図１３Ａ〜図１３Ｃは、図１２Ａに示したものと同様のセットアップに従った追加の実験結果を示している。この例では、物体である２本の釘が、寸法１８×２０ｍｍの矩形プラスチックホルダ内に配置されている。釘の頭の直径は２．５ｍｍである。図１３Ａは、７２の視野角から得られた再構成モデルの画像を示し、図１３Ｂは、釘の断面グラフを示し、図１３Ｃは、再構成から得られた物体のプロファイルを要約したものである。この実験例から分かるように、本技術はロバスト性が高く、相対的にコントラストの低い物体や環境条件でも高い撮像精度を得ることができる。
【００７３】
図１４Ａ〜図１４Ｄ、図１５Ａ〜図１５Ｃおよび図１６Ａ〜図１６Ｃを参照すると、本技術によって提供されるエネルギー効率、時間短縮、ＳＮＲおよび解像度の改善を示す追加の例示的な実験結果が示されている。図１４Ａおよび図１４Ｂは、１８秒間および４２秒間の従来の単一ピンホール技術を用いたガンマ線源の画像をそれぞれ示し、図１４Ｃおよび図１４Ｄは、１８秒以内に収集されたガンマ線源の非加工の画像および再構成画像をそれぞれ示している。図示のように、図１４Ｄの再構成画像は、単一のピンホールの撮像と比較して、輝度の目に見える改善を可能にする。
【００７４】
図１５Ａ〜図１５Ｃは、ガンマ線源の画像の断面図を示している。図１５Ａおよび図１５Ｂは、それぞれ１８秒および４２秒の露出を伴う従来の単一ピンホール撮像に関連し、図１５Ｃは、本技術を用いて１８秒の総露出時間内に収集された再構成画像セクションを示している。図示のように、本技術は、１８秒以内の露出で、従来技術において４２秒以内の露出で得られた信号対雑音比を提供することが可能である。
【００７５】
図１６Ａ〜図１６Ｃは、パターン化されたガンマ線源の撮像における解像度の向上を例示したものである。図１６Ａおよび図１６Ｂは、直径２ｍｍ（図１６Ａ）および４．４５ｍｍ（図１６Ｂ）の単一ピンホールを通して収集されたガンマ線源の画像を示している。図１６Ｃは、２ｍｍの同様の直径のピンホールを有するＶＣＡで本技術により収集された再構成画像を示している。図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、大きな直径を使用することにより、画像解像度の低下の代わりに、輝度を増加させることができる。これは、図１６Ｃの画像が、パターン化されたガンマ線源の画像解像度を低下させずに、より高い輝度を提供しているところである。
【００７６】
このように、上述したように、本技術は、光学放射および非光学放射を用いた高効率の撮像を可能にするために、可変符号化開口で撮像することを利用している。本技術により、高効率で低放射の断層撮影に使用可能な改良された撮像システムが可能となる。
【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５Ａ−５Ｃ】
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【図５Ｄ−５Ｆ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図９−３】
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【図９−４】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１２Ｈ】
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【図１２Ｉ】
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【図１２Ｊ】
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【図１２Ｋ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４−１】
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【図１４−２】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【国際調査報告】
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