(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線システムの画質に影響を与える複数の画質パラメータを決定するためのモデルベースの最適化システムであって、
固定のスペクトル・フィルタおよび焦点に対して最適化された、検出器入射放射線量、コントラスト対ノイズ比、コントラスト、量子ノイズ特性、患者入射線量のいずれかを含む複数の画質パラメータを決定する手段と、
患者サイズ及び最適化された前記複数の画質パラメータを用いて、対応するコントラスト又は、コントラスト対ノイズ比を計算する手段と、
患者サイズ及び計算された前記コントラスト又は、コントラスト対ノイズ比に対応するスペクトル・フィルタおよび焦点を選択する手段と、
患者サイズ、前記対応するスペクトル・フィルタおよび焦点に対して最適化された複数の画質パラメータを生成する手段と、を備えるモデルベースの最適化システム。
【請求項２】
Ｘ線システムの画質に影響を与える複数の画質パラメータを決定するためのモデルベースの最適化システムであって、
固定のスペクトル・フィルタおよび焦点に対して最適化された、検出器入射放射線量、コントラスト対ノイズ比、コントラスト、量子ノイズ特性、患者入射線量のいずれかを含む複数の画質パラメータを決定する手段と、
最小コントラスト・レベル、バックグラウンドのダイナミックレンジに対応したコントラスト・レベル、検出器の最大入射放射線量のいずれかと、照射時間方針の指定と、最大許容患者入射放射線量とを含むパフォーマンス入力を規定する手段と、
照射フレーム率、線源・イメージ間距離、患者サイズに対応した被検体・イメージ間距離、線源・被検体間距離、検出器位置での最大撮影領域のいずれかと、患者厚さの範囲とを含む臨床要件を規定する手段と、
前記Ｘ線システムのＸ線管が照射するＸ線の最小ｋＶｐ、最大ｋＶｐ、最小照射時間、最大照射時間、照射線量率、最小ピーク管電流（ｍＡ）限界のいずれかと、最大ピーク管電流（ｍＡ）とを含むハードウェア制約を規定する手段と、
前記患者厚さの範囲に含まれる患者厚さの各々に対し、規定された前記パフォーマンス入力、前記臨床要件及び前記ハードウェア制約を満たすコントラスト又は、コントラスト対ノイズ比を計算する手段と、
前記最大許容患者入射放射線量に対応する前記Ｘ線管の平均ｍＡを計算する手段と、
前記照射時間方針および前記最大ピーク管電流（ｍＡ）により、前記Ｘ線管のｋＶｐに対して可変の照射時間、患者サイズに対して可変の照射時間を決定する手段と、
患者厚さの各々に対して、計算された前記コントラスト又は、前記コントラスト対ノイズ比に対応するスペクトル・フィルタおよび焦点を選択する手段と、
患者厚さの各々に対して、前記対応するスペクトル・フィルタおよび焦点に対して最適化された複数の画質パラメータを生成する手段と、を備えるモデルベースの最適化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、（蛍光）透視用および記録用Ｘ線収集モードにおける自動的なＸ線技法制御の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画質を最適化するために使用されるＸ線技法は、患者のＸ線放射への曝露を最小にするためにも役立つ。これらの目標はシステムの限界には依存しない。さらに、最適化は実施される医学検査の種類や検査の目的によって様々である。これらの最適な技法は、Ｘ線システムを首尾よく動作させるために必要である。この首尾のよい動作は、Ｘ線システム上で実施される広範な臨床処置や患者サイズに当てはまる。このＸ線システムは、透視用Ｘ線システムや放射線撮影用Ｘ線システムとすることができる。例えば、血管系処置では、ヨウ素で造影した血管を画像化するためには典型的には７０〜９０ｋＶｐの範囲でのｋＶｐ設定が必要である。一方、消化管（ＧＩ）検査は、同じシステム上で実施することが可能であるが、バリウム造影剤を通過させるためにはより高いｋＶｐが好ましい。一般に、格別の画質を提供するために患者サイズに対して最適化すべきパラメータが幾つか存在する。これらのパラメータは、焦点サイズ、スペクトル濾波の使用を経たＸ線ビーム品質、ｋＶｐ、ｍＡ、照射時間、量子ノイズ・レベル（すなわち、１フレームあたりの検出器入射放射線量）、並びに患者の入射放射線量率などである。これらのパラメータの各々は、各ケースごとに特有な最適な設定を有している。
【０００３】
さらに、Ｘ線システムの動作範囲および／またはその地域の規制要件の許容域内で最適な技法を決定しようとすると、ある程度の複雑さが加わる。これは必ずしも、Ｘ線システムの限界と独立した真の最適条件と同じ技法である必要はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
画質を最適化するためのシステムおよび方法を有することが望ましい。さらに、臨床上の画像作成要件を満たしながら画質を最適化することが望ましい。最後に、システムのハードウェアおよび地域の規制要件の境界内で動作させながら画質を最適化することが望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
画質最適化のためのＸ線技法を提供する。最適なＸ線技法は、画質に影響を与えるものであって、任意の応用に対して使用するように正確に予め決定できる。Ｘ線システムのコンピュータ・シミュレーションにより、Ｘ線技法の最適化を迅速かつ効率的に実施することができる。この最適化は、目下の医学的処置に重点をおいた複数の画質パラメータに対して実施することができる。
【０００６】
モデルベースの（即ち、モデルに基づいた）最適化は、最適な画質パフォーマンスを得るためのＸ線技法を決定するために使用される。モデルベースの最適化を達成するための第１のステップは、固定のスペクトル・フィルタおよび焦点に対して最適化された技法を決定して基本軌道(basic trajectory)を規定することである。次いで、スペクトル・フィルタおよび焦点が患者サイズに対して最適化される。決定した最適化された技法、並びに患者サイズに対して最適化されたスペクトル・フィルタおよび焦点を使用して、基本軌道セレクタ・テーブル（最適化されたスペクトル・フィルタ／焦点を指示する表）、並びに関連する基本軌道を含む機能軌道(functional trajectory) が生成される。
【０００７】
したがって、本発明により画質の調整および最適化を提供することができる。Ｘ線技法を決定するためのモデルベースの最適化により、透視応用や放射線撮影応用に対する最適な画質を達成できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
画質に影響を与えるパラメータとしては、ｋＶｐ、照射時間、画像レセプターの入射放射線量または照射線量率、焦点などがある。Ｘ線ビームのスペクトル品質を制御するために使用するパラメータもまた、画質に影響を与える。本明細書に示す最適化技法では、臨床環境（処置、患者のサイズ、等）に関する様々な様相に対する知見、並びにそのＸ線システムおよび動作原理（Ｘ線量子の物理的特性）に関する完全な記述が必要である。この知見を使用して、システムのハードウェアの所与のセット上で実行される画像作成状況の各々に対して達成可能な技法が最適化される。最適化の結果は、Ｘ線照射制御システムに対して、機能軌道の形式で、すなわち患者のサイズ（厚さ）に対して最適化された技法の形で出力することができる。これにより、システムの制約および規制要件に従いながら、任意の医学的処置に対する最適な画質を一貫して提供することができる。これらの軌道は、データ・ファイルを介して、または必要に応じてリアルタイムで最適化を実行して、先験的に作成かつ管理することができる。
【０００９】
ここで図面について説明すると、図１は透視機能および放射線撮影機能の双方を有するＸ線システム１０を表している。図示したシステム１０は、アナログ検出器、すなわち、イメージ・インテンシファイア１２と、ビデオ・カメラ２８とを使用している。しかし、本明細書に記載した同じモデルをディジタル検出器を有するシステムに適用することもできる。
【００１０】
図１では、Ｘ線管１４が発生させたＸ線をイメージ・インテンシファイア１２が受け取る。Ｘ線管１４は、陽極１６および陰極１８の関連構造を有している。さらに関連しているものとして、フィラメント・コントローラ１７および高電圧変圧器１９がある。このＸ線はコリメータ２０によりコリメートされる。被検体を透過して伝搬する前に、このＸ線をスペクトル・フィルタ２２により濾波することがある。被検体は、典型的には患者２４である。最後に、このＸ線は、鉛製の散乱線除去格子２６を通過させたのちに、イメージ・インテンシファイア１２により受け取られる。画像はカメラ２８を介して伝送され、モニタ３０に出力される。様々な制御および選択機能は、照射管理ブロック３２、応用例データベース３４およびオペレータ・コンソール選択３６と関連付けられている。システムの幾何学構造に関連する追加のパラメータとしては、線源・イメージ間距離（ＳＩＤ）４２、線源・被検体間距離（ＳＯＤ）４０、および被検体・イメージ間距離（ＯＩＤ）３８などがある。
【００１１】
上記の技法設定を最適化するために、本最適化スキームは、単純な代数学的規則または過去の選択傾向に依っている。これらの設定は、典型的にはシステムの種類に従って展開され、処置の目的、システムの構成あるいは規制要件が変更された際には再展開、すなわち再学習させる。この処理は、試行錯誤に基づいて行うことができるが、極めて長時間を要しかつ時間がかかり過ぎる可能性がある。さらに、これらの規則は、単純な関数あるいは単純な曲線当てはめとなる傾向があり、より複雑な実際の挙動では必要な最適化のポイントを見落とすことがある。
【００１２】
本明細書において、Ｘ線技法の軌道を生成するための２段階式の方法を提示する。この方法により、照射制御システム（以下、機能軌道という）で使用するように画質を最適化する。こうした照射制御システムは、１９９９年７月１２日出願の米国特許出願第０９／３５１７５５号に記載されており、参照によりその全体を本明細書に組み入れる。この機能軌道は、Ｘ線スペクトルのモデルベースの最適化プラットフォームを使用している。評価される患者サイズに対して最適化されたＸ線技法（ｋＶｐ、ピークｍＡ、照射時間、検出器の入射放射線量、Ｘ線ビームの品質［スペクトル・フィルタ］および焦点）が、この照射制御システムで用いられる。等価な患者のサイズ（以下、患者サイズという）は、目的とする人体の実際の解剖構造と同じＸ線減衰を有する厚さのアクリル樹脂である。
【００１３】
典型的には、Ｘ線照射シーケンス（任意の連続する画像からなるグループ）の各々に先だって、先ず第１に決定すべきことは、最適な画質を得るにはどの焦点およびスペクトル・フィルタを使用すべきかということである。前に行った照射または患者の解剖構造の情報から、開始時点の患者サイズは既知である。次の照射シーケンスは、通常はこの動作点の周りで患者サイズの比較的小さい幅内で実施することになり、これにより最適な焦点およびスペクトル・フィルタをこの情報を使用して選択することができる。具体的な軌道の実施にあたっては、最適なスペクトル・フィルタおよび焦点は機能軌道において表現することができる。最適なスペクトル・フィルタおよび焦点は、例えば、図２の表に示す基本軌道セレクタ・テーブルなどの表で表現することができる。この具体的な表において、焦点およびスペクトル・フィルタにはコード化した値を割り当てている。
【００１４】
基本軌道セレクタ・テーブル以外に、本明細書で示す機能軌道は複数の基本軌道からなるグループを包含している。これを図３の表で示す。照射シーケンス（一連の多くの画像からなるグループ）が開始されると、照射制御システムは具体的なスペクトル・フィルタ／焦点の１つの組み合わせに対して最適化されたＸ線技法のセットを利用する。その理由は、焦点およびスペクトル・フィルタは典型的にはそのシーケンスの間は固定の構成であるためである。ある基本軌道は、患者サイズに対応し、この具体的な焦点／スペクトル・フィルタの組み合わせに対して最適化された技法の線源に関する１つの具体的な実施となっている。ユーザにより、患者サイズが、焦点／スペクトル・フィルタのこの組み合わせが（基本軌道セレクタ・テーブルの指示に照らして）最適でないような患者サイズにまで変更された場合であっても、このシステムにより引き続き受容可能な画質をもつ画像を提供することができる。このことは目下の基本軌道で指摘できる。しかし、このシステムは最適な基本軌道（すなわち最適な焦点／スペクトル・フィルタの組み合わせ）を使用した場合に得られるような最適な画質を提供することはできない。
【００１５】
以下に関する方法を備えていることが、この最適化技法の重要な利点の１つである。この方法は、最適な各基本軌道（すなわち焦点／スペクトル・フィルタ）の間での切り替え方法に関する知見を使用することを含んでいる。この方法はさらに、最適化された技法からなる完全なセットを維持しておくことを含んでいる。この完全なセットは、具体的なスペクトル・フィルタ／焦点の選択に関して患者範囲の全体に及んでいる。
【００１６】
ここで図４および図５を参照すると、最適化処理に関する２つの一般的なステップをフローチャートの形式で示している。図４において、ステップ４４〜５２は固定のスペクトル・フィルタおよび焦点に対して最適化された技法を決定するために実行される。このフォーマットは基本軌道として知られている。図５において、ステップ５４〜６４は患者サイズに対応してスペクトル・フィルタおよび焦点の選択を最適化するために実行される。さらに、ステップ５４〜６４は対応する基本軌道を組み合わせ、かつ図２の基本軌道セレクタ・テーブルを作成することにより、機能軌道を生成させるためにも使用される。
【００１７】
図４において、ブロック４４の機能は一次最適化方針を選択することである。一次最適化方針の選択はこの最適化処理の開始点である。この方針は、最適化処理の最高レベルの画質目標にあたる。このプラットフォームによってモデル化される任意の物理的パラメータは、典型的には患者サイズに対応したパラメータにより選択可能である。パラメータの例としては、参照番号４５で示すような、固定の検出器入射放射線量、固定のコントラスト対ノイズ比（ＣＮＲ）方針、固定のコントラスト、固定の量子ノイズ特性、固定の患者入射線量などがある。
【００１８】
方針の各々は異なる利点を有するようにし、臨床処置のニーズに適合するように調整することができる。システム上で実施する処置の各種類に対応して様々な方針を選択することができることがこの最適化方法の有益な点の１つである。
【００１９】
図４について続いて説明すると、最適化処理のステップ４６において、パフォーマンス入力が規定される。このパフォーマンス入力としては、参照番号４７に示すように、追加の画質目標および軌道パフォーマンスに関する臨床要件などがある。先ず第１に、画質入力は軌道の画質パフォーマンスを指定するデータとすることができる。これには例えば、一次最適化方針に対する目標値、患者サイズに対応した照射時間方針の指定、最小コントラスト・レベル、バックグラウンドのダイナミックレンジに対応したコントラスト・レベル、最大許容患者入射放射線量（規制要件と異なる場合）、検出器の最大入射放射線量などがある。
【００２０】
第２に、臨床要件には、その軌道に関する臨床上重要な目標が記述されている。これには例えば、視覚化された被検体の規定（被検体の厚さおよび組成）、照射フレーム率、患者厚さの範囲、臨床上重要なシステムの幾何学構成のパラメータ（患者サイズに対応した線源・イメージ間距離、患者サイズに対応した被検体・イメージ間距離、線源・被検体間距離）、検出器位置での最大撮影領域などがある。
【００２１】
ステップ４８において、システムのハードウェアおよび制約を規定している。このステップはこのモデルベースの最適化プラットフォームの重要な利点を際立たせている。すなわち、システムの動作範囲および規制要件を画質の最適化処理に取り込む能力である。これにより、システムのハードウェアの許容する最大パフォーマンスが各軌道によって提供されることが保証される。システムのハードウェア構成、ハードウェアの制約および規制要件を記述するための入力としては、例えば、参照番号４９で示すような各要素がある。これらの要素としては、発生装置の動作範囲（最小／最大のｋＶｐ、最小／最大の照射時間、照射線量率）などがある。この要素としては、さらに、最小および最大ピーク管電流（ｍＡ）限界（Ｘ線管寿命の最適化に基づく）がある。さらには、Ｘ線管の種類（ターゲットの角度および組成）もある。さらに、Ｘ線ビーム経路内のＸ線管材料もある。利用可能な焦点およびスペクトル・フィルタに関する記述もまた一要件となる。さらに、検出器特性（有効層の厚さおよび層材料）並びに散乱線除去格子特性もまた要件である。さらに、最大患者入射放射線量率の規制、並びに組織の吸収線量の限界もまた要件である。
【００２２】
すべての入力を規定し終えた後、ステップ５０で、スペクトル・ベースのＸ線物理モデルを使用して、患者厚さの各々に対する最適化の計算が開始される。この物理モデルとは、Ｘ線源から検出器で検出されたＸ線量子へのレベル転送モデルである。このモデルには空気中の放射線照射、被検体のコントラスト、およびコントラスト対ノイズ比に対する計算が含まれている。このモデルでは、実際のＸ線管濾波、患者のシミュレーションのためのアクリル樹脂、コントラスト増強用の実際の臨床物質、並びに実際の検出器特性を使用して、検出したＸ線のレベルおよびノイズを計算する。このモデルは、例えば、検出器／システムの変調伝達関数（ＭＴＦ）による量子ノイズやコントラスト低下、検出器の量子検出効率（ＤＱＥ）、半価層（ＨＶＬ）の計算などの項目を含んでいる。このモデルでは、当面の最適化処理に関連した全体の物理的挙動に対応する必要がある。
【００２３】
先ず、ステップ５０において、一次最適化方針の値を満たすために必要な平均ｍＡを決定する。さらに、平均ｍＡに関する任意の限界が組み込まれる。典型的には、ｋＶｐに対応した多くの制約を平均ｍＡの限界の中に定式化することができる。患者の入射放射線量率に関する規制上の制限およびＸ線管の平均電力の限界は、平均ｍＡの限界に容易に変換される。所望であれば、一次最適化基準により指定されたパフォーマンスに到達する能力を制限し、システムのこれらの制約に対応させることができる。
【００２４】
第２に、ステップ５０において、照射時間方針および任意のピークｍＡの制約が適用される。これらにより、ピークｍＡおよび照射時間の最終選択がこの患者サイズおよびｋＶｐの動作点で決定される。例えば、ターゲット表面の損傷を防ぐために、Ｘ線管はさらに、所与のｋＶｐにおける所与の照射に対して使用できるピークｍＡ値に関する制約を備えている。さらに、この技法の別の利点は、多くの異なる方針を同じツールの中に統合できることである。照射時間に関するケースが良い例である。すなわち、多数の照射時間方針を統合することが可能である。これらの方針としては、例えば、固定の照射時間（制約によって無効にされる）、ｋＶｐに対して可変の照射時間、患者サイズに対して可変の照射時間などがある。
【００２５】
ステップ５０の出力に対して、コントラスト、コントラスト対ノイズ比、および患者の入射放射線量が計算される。これらは、それぞれのｋＶｐの値における最適値または最大許容値である。この計算は、最適化の目標または制約限界のいずれかに従って行われる。これらは、各患者厚さに対する特定のハードウェア・レンジで計算される。
【００２６】
基本軌道の最終のステップ５２では、ブロック５０からのデータを取り込み、検討中の患者サイズに対する最適なｋＶｐ点が決定される。このステップは、一次最適化方針に従って様々に実行される。しかし、このステップは、典型的には二次最適化基準を使用する。これは例えば、最小の患者入射放射線量または最大コントラストとすることができる。しかし、ステップ５２では、患者サイズ（並びに、関連するピークｍＡ、照射時間および検出器の入射放射線量）の各々に対する最適なｋＶｐの選択のため一次目標が引き続き維持される。
【００２７】
患者サイズに対して索引付けした最適な技法のこれらのファクタは、固定のスペクトル・フィルタおよび焦点サイズに対して選択される。最適な技法のこれらのファクタは基本軌道として周知である。図３の表では、グループ分けした３つの基本軌道を示してある。
【００２８】
ここで図５を参照すると、機能軌道の最適化を達成するための各ステップを示している。ステップ５４では、基本軌道を入力しており、機能軌道を作成するための第１ステップとなっている。このステップで使用される基本軌道の数は、機能軌道の目標によって異なる。参照番号５５に示すように、基本軌道の各々に対し、関連するスペクトル・フィルタとこれに関連した焦点とが入力される。一例として、典型的には小焦点で動作させる透視法では、入力される基本軌道はＮ個存在している。すなわち、Ｎ個の利用可能なスペクトル・フィルタの各々に対して１つの基本軌道が存在する。心臓に関しては、恐らく、すべての患者サイズに対して固定させた、最小のスペクトル濾波を使用することが最善である。しかし、患者サイズによってその焦点は変更することができる。
【００２９】
決定ブロック５６においては、代表的な良度指数を使用して、検討中のスペクトル・フィルタ／焦点の各組み合わせの中から最適な基本軌道を選択する。具体的な患者厚さに対して、コントラストまたはコントラスト対ノイズ比（ＣＮＲ）のいずれかが使用される。任意選択として、その他の任意の関連する画質パラメータが使用可能である。同じ患者厚さにおける、各基本軌道のコントラストの値またはＣＮＲ値が調べられる。先ず決定がなされるのは、各基本軌道間で検討中の値が等しいか否かについての決定である。これにより次のステップでの処理内容を制御し、最適な基本軌道が選択される。
【００３０】
ステップ５８および６０において、最適な基本軌道が選択される。検討中の患者サイズにおいてそのＣＮＲ値が各基本軌道で異なる場合には、最適な基本軌道の選択に影響が及ぶ。例えば、先ず、最大のＣＮＲ値にある値を選択することに基づくことがある。逆に、検討中の患者サイズにおいてＣＮＲ値が各基本軌道で等しいこともある。次いで、最適な基本軌道の選択は二次最適化基準により実行される。この二次最適化基準は、最小の患者入射放射線量または最大コントラストを有する基本軌道とすることができる。また別法として、任意の画質パラメータとすることもできる。
【００３１】
各患者サイズにおける最適な基本軌道を選択した後（したがって、最適なスペクトル・フィルタまたは焦点が選択された後）、ステップ６２が実行される。ステップ６２において、例えば、図２の例示的な表などの基本軌道セレクタ・テーブルが作成され、機能軌道内に包含される。このテーブルにより、患者サイズに対応して使用すべき焦点またはスペクトル・フィルタが実際に指示される。参照番号６１で示す患者厚さに関するループは、ステップ５６から６２までをループにしている。
【００３２】
最後に、ステップ６４において、機能軌道の作成が達成される。Ｘ線技法の最適化技法によりこの作業が行われる。次いで、この最適化技法により、Ｘ線製品上の照射制御システムで使用される機能軌道が提供される。このステップに含むことができるものとしては、データ・ヘッダを生成すること、このヘッダをステップ６２で作成した基本軌道セレクタ・テーブルとリンクさせること、並びに関連する基本軌道を編成することなどがある。
【００３３】
この処理が、軌道を先験的に作成することに最も容易に適用される唯一の具体的な実現形態であることは、当業者であれば理解するであろう。リアルタイム・システムでは、この処理は、具体的な患者サイズに対する要求に基づき、必要に応じて実行させることになる。
【００３４】
本発明に関し好ましい実施の形態を参照しながら記載してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更が可能であると共に、本発明の各要素は等価物により代用可能であることは当業者であれば理解するであろう。さらに、多くの修正形態により、本発明の範囲を逸脱することなく具体的な状況または素材を本発明の教示に適応させることができる。したがって、本発明を実行するように企図されたベストモードとして開示した具体的な実施形態に、本発明を限定しようという意図ではない、逆に、本発明は本特許請求の範囲の範疇に入るすべての実施形態を包含するという意図である。
【図面の簡単な説明】
【図１】透視機能および放射線撮影機能の双方を有する、本発明を組み込んだＸ線システムのブロック図である。
【図２】基本軌道セレクタ・テーブルを表す図表である。
【図３】基本軌道からなるグループを示した図表である。
【図４】基本軌道を作成するための最適化処理の第１のステップの特徴を表したフローチャート／ブロック図である。
【図５】機能軌道を作成するための最適化処理の第２のステップの特徴を表したフローチャート／ブロック図である。
【符号の説明】
１０  Ｘ線システム
１２  イメージ・インテンシファイア
１４  Ｘ線管
１６  陽極
１７  フィラメント・コントローラ
１８  陰極
１９  高電圧変圧器
２０  コリメータ
２２  スペクトル・フィルタ
２４  患者
２６  散乱線除去格子
２８  ビデオ・カメラ
３０  モニタ
３２  照射管理ブロック
３４  応用例データベース
３６  オペレータ・コンソール選択
３８  被検体・イメージ間距離（ＯＩＤ）
４０  線源・被検体間距離（ＳＯＤ）
４２  線源・イメージ間距離（ＳＩＤ）
【図１】
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【図２】
0004570111.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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