(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体をＸ線でスキャンして投影データを収集するデータ収集装置と、収集された投影データに基づいて画像を再構成する画像再構成装置とを有するＸ線ＣＴ装置であって、
前記画像再構成装置は、
それぞれ複数のセクタに分割された複数の同心円環によってシステムモデルを構成するシステムモデル構成手段と、
前記システムモデルの個々のセクタのうち１つのビューの各投影線上に位置するセクタによってそのビューのシステムマトリクスを構成するシステムマトリクス構成手段と、
前記１つのビューのシステムマトリクスを変換して他のビューのシステムマトリクスを作成するシステムマトリクス作成手段と、
前記システムマトリクスと投影データを用いてイテラティブ・リコンストラクションにより画像再構成を行う画像再構成手段と、
得られた画像を矩形ピクセルの画像に変換する変換手段と、
を具備することを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
【請求項２】
前記システムマトリクスのエレメントは、前記セクタによって切り取られる投影線の長さである、
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項３】
前記システムマトリクスのエレメントは、前記セクタによって切り取られる投影ストライプの部分的エリアである、
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項４】
前記部分的エリアは正規化されたエリアである、
ことを特徴とする請求項３に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項５】
前記システムマトリクス作成手段は、前記他のビューのシステムマトリクスの作成をイテレーションごとに行う、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項６】
前記イテラティブ・リコンストラクションはオーダード・サブセッツ・エクスペクテーション・マキシマイゼーション(OSEM)である、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１つに記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項７】
前記変換手段は、前記矩形ピクセルの画像への変換をバイリニア・インターポレーションによって行う、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１つに記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項８】
前記投影線はファンビームＸ線に対応する投影線である、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１つに記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項９】
前記投影線はパラレルビームＸ線に対応する投影線である、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１つに記載のＸ線ＣＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像再構成方法およびＸ線ＣＴ(Computed Tomography)装置に関し、特に、イテラティブ・リコンストラクション(iterative reconstruction)による画像再構成方法、および、そのような画像再構成を行うＸ線ＣＴ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線ＣＴ装置やＰＥＴ(Positron Emission Tomography)装置等によって得られた投影データ(data)から画像を再構成する技法の一種として、イテラティブ・リコンストラクションが知られている。
【０００３】
これは、システムモデル(system model)上の係数の推定分布から作られる投影データを実測の投影データと比較して、両者が一致するまで係数の推定分布を逐次修正するもので、スタティスティカル・リコンストラクション(statistical reconstruction)とも呼ばれる。そのような技法の代表例として、オーダード・サブセッツ・エクスペクテーション・マキシマイゼーション(ordered subsets Expectation Maximization: OSEM)がある。（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】エイ  ラーミン、ティー  ジェー  ラス  および  ヴイ  ソッシ（A, Rahmin, T. J. Ruth, and V. Sossi)、スタデイ  オブ  ア  コンバージェント  サブセッタイズド  リストモード  イー  エム  リコンストラクション  アルゴリズム（Study of a Convergent Subsetized List-mode EM Reconstruction Algorithm)、「ニュークリア  サイエンス  シンポジューム  コンファレンス  レコード、  ２００４  アイ  イー  イー  イー(Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEE)」、２００４年１０月、第６巻、p. 3978-3982
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技法においては、システムモデルとして、係数の空間的配列が直角格子状になっているものが採用される。そのようなシステムモデルに対する画像再構成用のシステムマトリクス(system matrix)は、構造が複雑でデータ量が膨大なものとなるので、その計算はコンピュータ(computer)にとって大きな負荷となる。
【０００５】
このため、図１５の（ａ）に示すように、予め計算したストアド・マトリクス(stored   matrix)を使用するときはメモリ(memory)の消費量が膨大になり、（ｂ）に示すように  、システムマトリクスをそのつど計算しながら画像再構成を行うときは画像再構成時間  が長くなる。また、画像再構成時間を短縮するためにシステムマトリクスを単純化する  と画像の品質が低下する。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、画像再構成時間が短く、メモリの消費量が小さく、画像の品質が良い、イテラティブ・リコンストラクションによる画像再構成方法、および、そのような画像再構成を行うＸ線ＣＴ装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するための第１の観点での発明は、それぞれ複数のセクタに分割された複数の同心円環によってシステムモデルを構成し、前記システムモデルの個々のセクタのうち１つのビューの各投影線上に位置するセクタによってそのビューのシステムマトリクスを構成し、前記１つのビューのシステムマトリクスを変換して他のビューのシステムマトリクスを作成し、前記システムマトリクスと投影データを用いてイテラティブ・リコンストラクションにより画像再構成を行い、得られた画像を矩形ピクセルの画像に変換する、ことを特徴とする画像再構成方法である。
【０００８】
上記の課題を解決するための第２の観点での発明は、被検体をＸ線でスキャンして投影データを収集するデータ収集装置と、収集された投影データに基づいて画像を再構成する画像再構成装置とを有するＸ線ＣＴ装置であって、前記画像再構成装置は、それぞれ複数のセクタに分割された複数の同心円環によってシステムモデルを構成するシステムモデル構成手段と、前記システムモデルの個々のセクタのうち１つのビューの各投影線上に位置するセクタによってそのビューのシステムマトリクスを構成するシステムマトリクス構成手段と、前記１つのビューのシステムマトリクスを変換して他のビューのシステムマトリクスを作成するシステムマトリクス作成手段と、前記システムマトリクスと投影データを用いてイテラティブ・リコンストラクションにより画像再構成を行う画像再構成手段と、
得られた画像を矩形ピクセルの画像に変換する変換手段と、を具備することを特徴とするＸ線ＣＴ装置である。
【０００９】
前記システムマトリクスのエレメントは、前記セクタによって切り取られる投影線の長さであることが、システムマトリクスを簡易化する点で好ましい。
前記システムマトリクスのエレメントは、前記セクタによって切り取られる投影ストライプの部分的エリアであることが、システムマトリクスを精密化する点で好ましい。
【００１０】
前記部分的エリアは正規化されたエリアであることが、エレメントを規格化する点で好ましい。
前記他のビューのシステムマトリクスの作成をイテレーションごとに行うことが、システムマトリクスを適時に作成する点で好ましい。
【００１１】
前記イテラティブ・リコンストラクションはオーダード・サブセッツ・エクスペクテーション・マキシマイゼーション(OSEM)であることが、画像再構成を適切に行う点で好ましい。
【００１２】
前記矩形ピクセルの画像への変換をバイリニア・インターポレーションによって行うことが、変換を適切に行う点で好ましい。
前記投影線はファンビームＸ線に対応する投影線であることが、ファンビームＸ線による投影データに適応する点で好ましい。
【００１３】
前記投影線はパラレルビームＸ線に対応する投影線であることが、パラレルビームＸ線による投影データに適応する点で好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、それぞれ複数のセクタに分割された複数の同心円環によってシステムモデルを構成し、前記システムモデルの個々のセクタのうち１つのビューの各投影線上に位置するセクタによってそのビューのシステムマトリクスを構成し、前記１つのビューのシステムマトリクスを変換して他のビューのシステムマトリクスを作成し、前記システムマトリクスと投影データを用いてイテラティブ・リコンストラクションにより画像再構成を行い、得られた画像を矩形ピクセルの画像に変換するので、画像再構成時間が短く、メモリの消費量が小さく、画像の品質が良い、イテラティブ・リコンストラクションによる画像再構成方法、および、そのような画像再構成を行うｘＸ線ＣＴ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明は、発明を実施するための最良の形態に限定されるものではない。図１にＸ線ＣＴ装置の模式的構成を示す。本装置は本発明を実施するための最良の形態の一例である。本装置の構成によって、Ｘ線ＣＴ装置に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。
【００１６】
本装置は、ガントリ(gantry)１００、テーブル(table)２００およびオペレータコンソール(operator console)３００を有する。ガントリ１００は、テーブル２００によって搬入される被検体１０を、Ｘ線照射・検出装置１１０でスキャンして複数ビューの透過Ｘ線信号（投影データ）を収集し、オペレータコンソール３００に入力する。ガントリ１００は、本発明におけるデータ収集装置の一例である。
【００１７】
オペレータコンソール３００は、内蔵のコンピュータにより、ガントリ１００から入力された投影データに基づいて画像再構成を行い、再構成した画像をディスプレイ(display)３０２に表示する。オペレータコンソール３００は、本発明における画像再構成装置の一例である。
【００１８】
オペレータコンソール３００は、ガントリ１００とテーブル２００の動作を制御する。オペレータコンソール３００による制御の下で、ガントリ１００は所定のスキャン条件でスキャンを行い、テーブル２００は所定の部位がスキャンされるように、被検体１０の位置決めを行う。位置決めは、内蔵する位置調節機構により、天板２０２の高さおよび天板上のクレードル(cradle)２０４の水平移動距離を調節することによって行われる。
【００１９】
クレードル２０４を停止させた状態でスキャンすることにより、アキシャルスキャン(axial scan)を行うことができる。クレードル２０４を連続的に移動させながら複数回のスキャンを連続的に行うことにより、ヘリカルスキャン(helical scan)を行うことができる。クレードル２０４を間欠的に移動させながら停止位置ごとにスキャンすることによりクラスタスキャン(cluster scan)を行うことができる。
【００２０】
天板２０２の高さ調節は、支柱２０６をベース(base)２０８への取り付け部を中心としてスイング(swing)させることによって行われる。支柱２０６のスイングによって、天板２０２は垂直方向および水平方向に変位する。クレードル２０４は天板２０２上で水平方向に移動して天板２０２の水平方向の変位を相殺する。スキャン条件によっては、ガントリ１００をチルト(tilt)させた状態でスキャンが行われる。ガントリ１００のチルトは、内蔵のチルト機構によって行われる。
【００２１】
なお、テーブル２００は、図２に示すように、天板２０２がベース２０８に対して垂直に昇降する方式のものであってよい。天板２０２の昇降は内蔵の昇降機構によって行われる。このテーブル２００においては、昇降に伴う天板２０２の水平移動は生じない。
【００２２】
図３に、Ｘ線照射・検出装置１１０の構成を模式的に示す。Ｘ線照射・検出装置１１０は、Ｘ線管１３０の焦点１３２から放射されたＸ線１３４をＸ線検出器１５０で検出するようになっている。
【００２３】
Ｘ線１３４は、図示しないコリメータ(collimator)で成形されて左右対称なコーンビーム(cone beam)またはファンビーム(fan beam)のＸ線となっている。Ｘ線検出器１５０は、Ｘ線の広がりに対応して２次元的に広がるＸ線入射面１５２を有する。Ｘ線入射面１５２は円筒の一部を構成するように湾曲している。円筒の中心軸は焦点１３２を通る。
【００２４】
Ｘ線照射・検出装置１１０は、撮影中心すなわちアイソセンタ(isocenter)Ｏを通る中心軸の周りを回転する。中心軸は、Ｘ線検出器１５０が形成する部分円筒の中心軸に平行である。
【００２５】
回転の中心軸の方向をｚ方向とし、アイソセンタＯと焦点１３２を結ぶ方向をｙ方向とし、ｚ方向およびｙ方向に垂直な方向をｘ方向とする。これらｘ，ｙ，ｚ軸はｚ軸を中心軸とする回転座標系の３軸となる。
【００２６】
図４に、Ｘ線検出器１５０のＸ線入射面１５２の平面図を模式的に示す。Ｘ線入射面１５２は検出セル(cell)１５４がｘ方向とｚ方向に２次元的に配置されたものとなっている。すなわち、Ｘ線入射面１５２は検出セル１５４の２次元アレイ(array)となっている。なお、ファンビームＸ線を用いる場合は、Ｘ線入射面１５２は検出セル１５４の１次元アレイとしてよい。
【００２７】
個々の検出セル１５４はＸ線検出器１５０の検出チャンネル(channel)を構成する。これによって、Ｘ線検出器１５０は多チャンネルＸ線検出器となる。検出セル１５４は、例えばシンチレータ(scintillator)とフォトダイオード(photo diode)の組合せによって構成される。
【００２８】
図５に、オペレータコンソール３００による画像再構成のプロセス(process)の概要を示す。本プロセスによって、画像再構成方法に関する本発明を実施するための最良の形態の一例が示される。各プロセスは、内蔵のコンピュータによって実行される。
【００２９】
図５に示すように、プロセス１０１でイテラティブ・リコンストラクションを行い、プロセス１０３で補間を行って画像を出力する。プロセス１０１でのイテラティブ・リコンストラクションは、例えばオーダード・サブセッツ・エクスペクテーション・マキシマイゼーション(OSEM)によって行われる。これにより、画像再構成を適切に行うことができる。
【００３０】
なお、イテラティブ・リコンストラクションは、OSEMに限らず、マルティプリカティブ・アルジェブレイック・リコンストラクション(multiplicative algebraic reconstruction: MART)やパラボロイダル・サロゲート・コーディネイト・ディセント(paraboloidal surrogate coordinate descent: PSCD)等によって行ってもよい。以下、OSEMによる画像再構成について説明するが、MARTやPSCDによる画像再構成も同様になる。
【００３１】
イテラティブ・リコンストラクションには、投影データとプロセス１０５で計算されたシステムマトリクスが用いられる。システムマトリクスの計算には、予め記憶されている部分マトリクスが用いられる。
【００３２】
部分マトリクスについて説明する。その前に、部分マトリクスの前提となるシステムモデルについて説明する。図６にシステムモデルの模式的構成を示す。図６に示すように、システムモデルは複数の同心円環で構成される。
【００３３】
各円環は等角度のセクタ(sector)に分割されている。分割の角度はビューの角度ステップ(step)に等しいかまたはその整数倍である。なお、分割数は全円環を通じて同一である必要はなく、外側のものほど多くしてもよい。このようにすることにより、セクタの長さをシステムモデル全体にわたってほぼ均一にすることができる。また、円環の幅も同一である必要はなく個々に異ならせてもよい。
【００３４】
このようなシステムモデルに関する１つのビュー（ビュー番号をｉとする）の投影は、ソース(source)から放射状に伸びる複数の投影線によって得られる。これら投影線は、例えばファンビーム(fan beam)Ｘ線を形成する個別Ｘ線に相当する。ファンビームＸ線の中心ビームに相当する投影線は、システムモデルの中心を通り、かつ、円環を分割する複数の半径のうちの１つに垂直である。このような投影線を用いることにより、ファンビームＸ線による投影データに適応することができる。
【００３５】
ファンビームＸ線の代わりにパラレルビーム(parallel beam)Ｘ線が用いられるときは、複数の投影線はすべて平行となり、かつ、円環を分割する半径のうちの１つに垂直となる。このような投影線を用いることにより、パラレルビームＸ線による投影データに適応することができる。以下、放射状の投影線の例で説明するが、平行投影線の場合も同様である。
【００３６】
各投影線は、システムモデルにおける特定のセクタをそれぞれ通過する。ここで、ｊ番目の投影線が通過する任意の１つのセクタ（強調して表示）に着目すると、部分マトリクスは、１つのビューの全投影線を通じてのこのようなセクタの集まりとして定義される。これはまた、ビューｉについてのシステムマトリクスともなる。このような部分マトリクスの、全ビューを通じての集まりがシステムマトリクスである。以下、部分マトリクスを単にマトリクスともいう。
【００３７】
システムマトリクスのエレメント(element)は、１つのセクタによって切り取られる投影線ｊの長さａijで与えられる。このようにすることにより、システムマトリクスを簡易化することができる。
【００３８】
エレメントは、投影ストライプ(strip)ｋが１つのセクタ（強調して表示）によって切り取られる部分的エリアａikで与えてもよい。このようにすることにより、システムマトリクスを精密化することができる。
【００３９】
図７に部分的エリアの詳細を示す。網掛けした部分が、セクタによって切り取られた投影ストライプの部分的エリアである。このエリアの大きさは、この部分の面積Ｓikを
【００４０】
【数１】
0005162143.tif 000002
のように正規化して表すのがよい。ここで、ｌtopおよびｌbottomは、それぞれ、セクタに関するストライプｋのソース側およびその反対側の弧の長さである。このようにすることにより、エレメントを規格化することができる。
【００４１】
図８によって部分マトリクスの特質を説明する。図８の（ａ），（ｂ）は、引き続く２つのビュー１，２において、投影線ｊがシステムモデルを通過する状態をそれぞれ示す。ただし、ここでは、簡単のためにビューの全数を８とする。
【００４２】
図８の（ａ）、（ｂ）に示すように、投影線ｊは、ビュー１ではセクタ１を通過し、ビュー２ではセクタ２を通過する。システムモデルにおけるセクタの分割角度がビューの角度ステップに等しいので、ビュー１，２における投影線ｊ上のセクタ１，２の位置は全く同じになる。
【００４３】
したがって、ビュー２において投影線ｊがセクタ２を通過する状態は、ビュー１において投影線ｊがセクタ１を通過する状態と全く同じになる。このため、ビュー２についての部分マトリクスのエレメントａ'ijは、ビュー１についての部分マトリクスのエレメントａijと同一の値を持つ。
【００４４】
同様な関係がビュー１，２の間で全ての投影線について成立し、かつ、他の全てのビュー３，４，５，６，７，８に対しても成立する。これによって、部分マトリクスの構造は、ビュー番号以外は全てのビューについて同一となるので、１つのビューの部分マトリクスを予め計算して記憶しておけは、それを変換することによって残りの全ての部分マトリクスを作成することができる。セクタによって切り取られた投影ストライプの部分的エリアをエレメントとする場合も同様である。
【００４５】
図９に、画像再構成のさらに詳細なプロセスを示す。図９に示すように、プロセス５０１で、初期化並びに投影データとマトリクスの読み込みを行う。マトリクスは予め計算されてメモリに記憶されている。このマトリクスは部分マトリクスすなわち１ビュー分のシステムマトリクスである。このため、その計算はコンピュータにとって大きな負担にはならず、かつ、それを記憶するにも大してメモリを消費しない。
【００４６】
プロセス５０３で投影データのサブセットを選択し、プロセス５０５でサブセット用のマトリクスを求める。サブセット用のマトリクスは、メモリから読み出した部分マトリクスからの計算によって求められる。この計算は単純な変換であるからコンピュータの負担は軽少である。
【００４７】
プロセス５０７で、OSEMの１回のイテレーションを行い、プロセス５０９でイテレーション継続の要否を判定し、必要と判定したときはプロセス５０３に戻る。そして、プロセス５０３における投影データのサブセットの選択、プロセス５０５におけるマトリクス計算、プロセス５０７におけるイテレーションを順次行う。このようにして、イテラティブ・リコンストラクションによる画像再構成が行われる。サブセットのマトリクスの計算をイテレーションごとに行うので、システムマトリクスを適時に作成することができる。
【００４８】
プロセス５０９でイテレーション不要と判定したときは、プロセス５１１で補間演算を行う。補間演算は、再構成画像が図１０の左側に示すように、セクタ形のピクセル(pixel)を持つ画像となるので、それを右側のように矩形のピクセルを持つ画像に変換するために行われる。補間演算には、例えばバイリニア・インターポレーション(bilinear interpolation)が利用される。これによって、画像変換を適切に行うことができる。なお、補間演算は、バイリニア・インターポレーションに限らず、適宜の補間アルゴリズム(algorithm)を用いてよい。
【００４９】
図１１に、上記のような画像再構成を行うときの所要時間を、従来方法による画像再構成の所要時間と対比して示す。図１１に示すように、本方法を使用することにより、画像再構成の速度が従来の約４倍ないし２０倍に向上する。
【００５０】
図１２に、ファントム(phantom)の再構成画像を、従来方法と本方法について対比して示す。（ａ）はファントムの実像、（ｂ）は従来方法による再構成画像、（ｃ）は本方法による再構成画像である。本方法により従来方法と変わらない再構成画像が得られていることが明らかである。
【００５１】
図１３に、ファントムの実像、従来方法による再構成画像および本方法による再構成画像の１次元プロファイル(profile)を示す。破線がファントム実像のプロファイルであり、二点鎖線が従来方法による再構成画像のプロファイルであり、実線が本方法による再構成画像のプロファイルである。従来方法による再構成画像および本方法による再構成画像のプロファイルに差がないので二点鎖線と実線は完全に重なっている。
【００５２】
図１４に、３種類のファントムの本方法による再構成画像を、フィルタード・バックプロジェクション(filtered back projection: FBP)による再構成画像と対比して示す。（ａ１）（ａ２）（ａ３）がFBPによる再構成画像、（ｂ１）（ｂ２）（ｂ３）が本方法による再構成画像、（ｃ１）、（ｃ２）、（ｃ３）が差分画像である。本方法によりFBPとほとんど差がない画像が得られていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の一例のＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
【図２】本発明を実施するための最良の形態の一例のＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
【図３】Ｘ線照射・検出装置の構成を示す図である。
【図４】Ｘ線検出器のＸ線入射面の構成を示す図である。
【図５】本発明を実施するための最良の形態の一例のプロセスの概要を示す図である。
【図６】システムモデルとその投影線を示す図である。
【図７】投影ストライプの一部を示す図である。
【図８】引き続く２つのビューにおけるシステムモデルと投影線を示す図である。
【図９】本発明を実施するための最良の形態の一例のプロセスを示す図である。
【図１０】補間による画像の変換を示す図である。
【図１１】本方法と従来方法の再構成時間の対比を示す図である。
【図１２】本方法と従来方法の再構成画像の対比を中間調の写真によって示す図であ    る。
【図１３】本方法と従来方法の再構成画像プロファイルの対比を示す図である。
【図１４】本方法とFBPの再構成画像の対比を中間調の写真によって示す図である。
【００５４】
【図１５】従来方法のプロセスを示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ ： 被検体
１００ ： ガントリ
１１０ ： Ｘ線照射・検出装置
１３０ ： Ｘ線管
１３２ ： 焦点
１３４ ： Ｘ線
１５０ ： Ｘ線検出器
１５２ ： Ｘ線入射面
１５４ ： 検出セル
２００ ： テーブル
２０２ ： 天板
２０４ ： クレードル
２０６ ： 支柱
２０８ ： ベース
３００ ： オペレータコンソール
３０２ ： ディスプレイ
１０１−１０３  プロセス
５０１−５１１  プロセス
【図１】
0005162143.tif 000003
【図２】
0005162143.tif 000004
【図３】
0005162143.tif 000005
【図４】
0005162143.tif 000006
【図５】
0005162143.tif 000007
【図６】
0005162143.tif 000008
【図７】
0005162143.tif 000009
【図８】
0005162143.tif 000010
【図９】
0005162143.tif 000011
【図１０】
0005162143.tif 000012
【図１１】
0005162143.tif 000013
【図１５】
0005162143.tif 000014
【図１２】
0005162143.tif 000015
【図１３】
0005162143.tif 000016
【図１４】
0005162143.tif 000017