(57)【要約】  Ｘ線位相コントラストイメージングのためのシステム及び関連する方法が説明される。信号モデルは干渉測定データにフィッティングされる。フィッティング処理は、コンプトン断面積及び光電画像をもたらす。コンプトン断面積及び電子密度の間の比例関係を利用して、フィッティング変数の個数削減を図る。コンプトン画像は一定に至る位相コントラスト画像として採用されてもよい。
2017521167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号処理システムであって：
Ｘ線ビームが試料を通過した後に、干渉Ｘ線イメージングシステムのＸ線感知ディテクタで検出される測定データを受信するための入力ポート；
前記測定データを信号モデルに含めるように構成されるモデル初期化部；
複数のディテクタピクセルについて、前記信号モデルのパラメータを前記測定データに合わせるフィッティング処理を実行するように構成されるモデルフィッティングモジュールであって、前記信号モデルは前記Ｘ線ビームの減衰を表すパラメータを含み、前記パラメータのうち少なくとも何れかは光電効果吸収を説明し、前記パラメータのうち少なくとも何れかはコンプトン散乱を説明し、前記コンプトン散乱のパラメータは前記試料における電子密度の代わりになるものであり、前記信号モデルは、前記コンプトン散乱の関数として、対象物により誘発される位相変化の変調をモデル化する項を含む、モデルフィッティングモジュール；
光電吸収画像又はコンプトン散乱画像としてそれぞれ合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかを出力するように構成される出力ポート；
を有する信号処理システム。
【請求項２】
前記コンプトン散乱画像は、前記電子密度及び／又は位相コントラスト画像に関する情報を提供する、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項３】
前記項は、前記コンプトン散乱のパラメータの空間偏移を含む、請求項１又は２に記載の信号処理システム。
【請求項４】
合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかに基づいて断面積スライス画像を再構築するように構成される再構築部を含む請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の信号処理システム。
【請求項５】
前記フィッティング処理は、隣接するディテクタピクセルの読み込みにより、適合されるコンプトンパラメータの差分により空間微分を近似することを含む、請求項３に記載の信号処理システム。
【請求項６】
前記フィッティング処理は、個々のボクセルに関連する基底関数の微分に基づいて、解析的に微分を形成することを含む、請求項３又は４に記載の信号処理システム。
【請求項７】
前記測定データは、単独の投影方向に沿って取得される、或いは、複数の投影方向から取得される、請求項１ないし６のうち何れか一項に記載の信号処理システム。
【請求項８】
前記のディテクタはエネルギ積分型によるものである、請求項１ないし７のうち何れか一項に記載の信号処理システム。
【請求項９】
２Ｄ投影撮像装置又はコンピュータ断層撮影スキャナであるＸ線撮像システムであって、請求項１ないし８のうち何れか一項に記載の信号処理システムを含む、Ｘ線撮像システム。
【請求項１０】
信号を処理する方法であって：
Ｘ線ビームが試料を通過した後に、干渉Ｘ線イメージングシステムのＸ線感知ディテクタで検出される測定データを受信するステップ；
前記測定データを信号モデルに含めるステップ；
複数のディテクタピクセルについて、前記信号モデルのパラメータを前記測定データに合わせるフィッティングステップであって、前記信号モデルは前記Ｘ線ビームの減衰を表すパラメータを含み、前記パラメータのうち何れかは光電効果吸収を説明し、前記パラメータのうち何れかはコンプトン散乱を説明し、前記コンプトン散乱のパラメータは前記試料における電子密度の代わりになるものであり、前記信号モデルは、前記コンプトン散乱の関数として、対象物により誘発される位相変化の変調をモデル化する項を含む、ステップ；
光電吸収画像又はコンプトン散乱画像としてそれぞれ合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかを出力するステップ；
を有する方法。
【請求項１１】
フィッティングされたパラメータのうち少なくとも１つ又は複数個に基づいて、断面積スライス画像を再構築するステップ；
を有する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記コンプトン散乱画像は、前記電子密度の画像及び／又は位相コントラスト画像を表す、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１０ないし１２のうち何れか一項に記載の方法を、請求項１ないし９のうち何れか一項に記載の信号処理システムに実行させるコンピュータプログラム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のコンピュータプログラムを保存したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号処理システム、信号処理方法、コンピュータプログラムエレメント及びコンピュータ読み取り可能な媒体に関連する。
【背景技術】
【０００２】
位相コントラストコンピュータ断層撮影(CT)画像及びCTコンプトン吸収断面積画像(これはスペクトル材料分解から得られる)は、それぞれ、位相コントラストイメージングのための高周波レンジ及びスペクトルイメージングのための低周波レンジにおける相対的に大きな画像ノイズを被る。さらには、スペクトル材料分解は、特殊なディテクタハードウェア(特に、フォトンカウンティング及び/又はエネルギ分解ディテクタ)を必要とし、そのようなディテクタは調達するのに高くつく。
【発明の概要】
【０００３】
従って、上記の問題のうち少なくとも一部に対処する代替的な信号処理方法及び関連するシステムに対する要請が存在する。
【０００４】
本発明の課題は、独立請求項に係る事項により解決され、更なる実施形態は従属請求項に組み込まれる。
【０００５】
本発明の以下の説明される側面は、信号処理方法、コンピュータプログラム(エレメント)及びコンピュータ読み取り可能な媒体に等しく適用されることに留意すべきである。
【０００６】
本発明の第1側面によれば、信号処理システムが提供され、信号処理システムは：
X線ビームが試料を通過した後に、干渉X線イメージングシステムのX線感知ディテクタで検出される測定データを受信するための入力ポート；
前記測定データを信号モデルに含めるように構成されるモデル初期化部；
複数のディテクタピクセルについて、前記信号モデルのパラメータを前記測定データに合わせるフィッティング処理を実行するように構成されるモデルフィッティングモジュールであって、前記信号モデルは前記X線ビームの減衰を表すパラメータを含み、前記パラメータのうち少なくとも何れかは光電効果吸収を説明し、前記パラメータのうち少なくとも何れかはコンプトン散乱を説明し、前記コンプトン散乱のパラメータは前記試料における電子密度の代わりになるものであり、前記信号モデルは、前記コンプトン散乱の関数として、対象物により誘発される位相変化の変調をモデル化する項を含む、モデルフィッティングモジュール；
光電吸収画像又はコンプトン散乱画像としてそれぞれ合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかを出力するように構成される出力ポート；
を有する信号処理システムである。
【０００７】
言い換えれば、本願は、(通常的には、個別の位相コントラストイメージングに使用される)干渉イメージングセットアップを利用して、干渉測定データに基づいて、「シミュレーションされる」二重エネルギスペクトルイメージングを実行し、光電吸収画像(光電散乱断面積画像とも言及される)及び/又はコンプトン散乱画像(コンプトン散乱断面積画像とも言及される)のうち少なくとも何れかを取得する。本願で提案されるフィッティング処理において、コンプトン散乱を、モデルにおける電子密度の代替物又は代用として使用し、これにより、2つの量が物理的に関連しているという事実を活用する。さらい言い換えれば、提案される信号モデルでは、コンプトン散乱の寄与は、電子密度の寄与の役割を引き継ぐ。この賢明な置き換え(すなわち、電子密度の代わりにコンプトン散乱を代用すること)は、求めるパラメータ数の削減を可能にし、かつ、このパラメータの削減は出力データにおけるノイズの削減をもたらす。位相コントラスト画像データは、コンプトン散乱画像とともに識別され、イメージングされる対象物とは独立に物理的なコントラストをもたらす。
【０００８】
言い換えれば一実施形態によれば、コンプトン散乱画像は、電子密度及び/又は位相コントラスト画像に関する情報を提供する。コンプトン散乱画像は電子密度を表し、すなわち、試料の電子密度の画像、従って位相コントラスト画像も表す。
【０００９】
測定データにおける位相コントラスト情報は、一実施形態によれば、信号モデルにより説明され、信号モデルは試料により誘発される位相シフトに起因する変調を表現し、その項はコンプトン散乱の変数の空間微分を含む。
【００１０】
一実施形態によれば、システムは、合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかに(すなわち、1つ又は複数個に)基づいて断面積スライス画像である体積ボクセル画像を再構築するように構成される再構築部を含む。
【００１１】
一実施形態によれば、フィッティング処理は、隣接するディテクタピクセル又はピクセルの読み込みに関連する、個々の適合されるコンプトン散乱変数の1つ以上の有限差分により、コンプトン散乱パラメータの空間微分を近似することを含む。隣接するピクセル(所与の任意のピクセルに関する)有限差分による近似は、東映画像を形成することを許容する。コンプトン(又はエネルギ密度又は位相コントラスト)又は光電断面積の体積「スライス」画像が形成されるべき場合、近隣により近似することは、個々のボクセルに関連する適切な基底関数の微分を解析的に形成することにより回避されてもよい。
【００１２】
一実施形態によれば、測定データは、単独の投影方向に沿って取得される、或いは、複数の投影方向から取得される。
【００１３】
一実施形態によれば、ディテクタはエネルギ積分型によるものであり、特に、フォトンカウンティング又はエネルギ分解タイプによるものではない。
【００１４】
提案されるシステムは、2D投影イメージングシステム又はコンピュータ断層撮影法(CT)スキャナシステムに関する恩恵とともに使用されてもよい。本発明は、例えば病院のような診療環境で有用な用途を許容する。より具体的には、本発明は患者の医学的な検査に非常に相応しい。更に、提示される発明は、興行的な環境で有用な用途を許容する。より具体的には、本発明は、非破壊的な検査(例えば、生物学的な試料だけでなく非生物的な試料の組成、構造及び/又は量に関する分析)だけでなく、セキュリティスキャニング(例えば、空港における手荷物のスキャニング等)における用途にも非常に相応しい。
【００１５】
要するに、提案されるシステムは、有利なことに、全体的なデータセットの生成、すなわち電子密度の線積分を有利に回避する。これは、スペクトルCTからのコンプトン画像及び最終的な位相コントラスト画像が僅かなノイズしか含まないという更なる利点を有する。更に有利なことに、スペクトルディテクタを必要とすることなく、位相コントラストCTデータを分解することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明の実施例は以下の図面に関連して説明される：
【図１】微分位相コントラストイメージングのためのイメージング配置を示す図。
【図２】図1における配置のコンポーネントを示す図。
【図３】様々な実施形態による信号処理方法のフローチャートを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図1は、位相コントラストイメージング機能を有するイメージングシステム(特に、微分位相コントラストイメージング(differential  phase  contrast  imaging：DPCI))の基本コンポーネントを示す。
【００１８】
X線放射波XBを生成するX線源XRが存在し、X線放射波XBは、検査領域内の試料(又は検査サンプル)PBを通過した後に、ディテクタの検出ピクセルpxにより検出可能である。カウチのような対象支持部(図示せず)は、検査領域内の試料PB(例えば、患者又は不動の対象物(例えば、手荷物の品目))を支える。
【００１９】
イメージングシステムIMは、3DイメージングのためのCTスキャナであってもよいし、或いは、例えばCアーム型のような簡易な平面投影撮像装置であってもよい。少なくともX線源は、回転可能なガントリに搭載され、1つ又は複数の所望の任意の投影方向で患者を通るX線波を投影する。
【００２０】
位相コントラストイメージング機能は、X線源XR及び放射検知ディテクタDの間に配置される干渉計により行われる。
【００２１】
(非限定的な一実施形態では、タルボタイプ又はタルボロータイプ(Talbot-Lau  type)によるものである)干渉計は、2つの(G1、G2(タルボタイプ))又はそれ以上の、好ましくは、3つの格子G0、G1及びG2(タルボロータイプ)を含む。X線源の側にある第1減衰格子G0は、X線源XRで放出されたX線放射波面に整合し且つその空間コヒーレンスをもたらす周期p0を有する。
【００２２】
(周期p1を有する)位相格子G1は、X線源からdの距離に配置され、以後の下流側で周期p2の干渉パターンをもたらす。干渉パターンはディテクタDにより検出されることが可能である。そのような位相格子を利用することで、コヒーレントでないX線から派生する画像データの生成に加えて、微小角度散乱が可能になり、後者のタイプの像は暗視野像(dark  field  imaging)のようにも言及される。ここで、X線源とディテクタとの間の検査領域内に、(撮像される)サンプルPBが導入されると、干渉パターンの位相がシフトする。干渉パターンシフトΔψは、サンプルPBを通る個々の経路に沿って蓄積される回折に起因して、位相シフトΔΦの勾配に比例し(以下、DCPIと言及される)、この点については、例えば次の報告例がある：F  M  Epple  et  al,  Unwrapping  differential  X-ray  phase  contrast  images  through  phase  estimation  from  multiple  energy  data,  OPTICS  EXPRESS,  2  December  2013,  vol  21,  No  24。言い換えれば、干渉の位相変化を測定すれば、サンプルPBの回折に起因する位相シフトに属するシフト(又は勾配)を取り出すことが可能であるかもしれない。
【００２３】
不都合なことに、干渉パターンの位相シフトは、一般的には、非常に小さすぎるので、空間的に直接的に解像できない。多くのX線ディテクタの分解能はそれを許容しないであろう。従って、この干渉パターン位相シフトを「サンプリング」するために、干渉パターンと同じ周期p2を有する第2減衰格子G2が、格子G1から或る距離に配置される。干渉パターン位相シフト(及び試料PBに起因する位相勾配によるもの)の実際の取り出しは、本願で全て想定されている様々な実施形態による多種多様な方法で達成されることが可能である。
【００２４】
一実施形態では、ディテクタDと少なくとも何れかの格子との間の相対的な動きが、微分位相抽出(differential  phase  extraction)に必要とされる。これは、一実施形態では、「位相ステッピング」により行われることが可能であり、その場合、アクチュエータを利用して、例えば様々な個々の位置にわたってアナライザ格子G2を横に動かし、各ピクセルpxにおける強度を各格子位置で測定する。「横」の動きとは、ここではz軸(図1)に沿うことを意味し、すなわち、放射波XBの伝播方向に垂直な方向であって格子の「溝」方向における動きである。位相ステッピング法については、例えば次の文献に記載されている：
F.  Pfeiffer  et  al  in  “Phase  retrieval  and  differential  phase-contrast  imaging  with  low-brilliance  X-ray  sources,”  Nature  Phys.  Lett.  2,  258-261  (2006)。
【００２５】
しかしながら、言うまでもなく、位相ステッピングは単なる一例に過ぎず、他の実施形態では、その動きが試料自体の動きであってもよいし、或いは、必要な動きを為すX線ディテクタ(そこに搭載される少なくとも幾つかの格子G1及びG2を有する)のスキャン動作であってもよい。ここで重要なことは、検査領域内に存在する試料PBにより引き起こされる量の回折を含む信号を捕捉することである。
【００２６】
一般に、各ピクセルにおける強度Iは、(一般的には正弦波的に)振動することが分かるであろう。言い換えれば、各ピクセルは、アナライザ格子G2の運動中に、時間の関数として(又は好ましくは様々な格子位置の関数として)様々な強度の時系列を記録する。
【００２７】
各ピクセルpxにおいて振動する強度信号Iは、様々な量のうち特に、干渉パターンの所望の位相シフト及び全体的な減衰(すなわち、部分的な吸収及び部分的な散乱)を「エンコード」している。
【００２８】
X線イメージングシステムがCTスキャナタイプによるものである場合、各ピクセルの強度信号は、様々な投影方向から記録されることになる。イメージングシステムが2D平面投影撮像装置である場合、強度は、所望の投影画像に対する単独の投影方向から取得される。ピクセル毎に(及びCTでは投影方向毎に)記録される強度の集まりは、本願において、干渉投影原データ(interferometric  projection  raw  data)のように言及される。
【００２９】
干渉投影原データは、信号処理システムSPS又はバックエンドに転送され、SPS又はバックエンドは、信号処理モジュールSPを含み、CTの例の場合には、複数の方向からの強度信号を、試料の断面積画像に再構築するための再構築モジュールRECONを含む。
【００３０】
信号処理モジュールSPSは信号処理モジュールSPを含み、信号処理モジュールSPは、以下に詳細に説明される新規な方法で、干渉投影原データを、以下に列挙するもののうち何れかの若しくは複数個の又は全ての画像に、スペクトル的に分解するように動作する：コンプトン散乱断面積又は投影画像、光電吸収断面積又は投影画像、電子密度散乱断面又は投影画像、又は、断面積又は投影暗視野画像。
【００３１】
適切な可視化モジュールは、その後、モニタ又はディスプレイMTにおいて、個々の断面積又は投影画像を可視化するように動作することが可能である。再構築部RECON及び/又は可視化モジュール及びその他の制御モジュールを有する又は有しない信号処理システムが、イメージングシステムのためのオペレータコンソール(図示せず)として応対する汎用コンピュータで運営されてもよい。コンソールは、キーボード及び/又はマウス等のような入力デバイス及びモニタMTに通信可能に結合される。
【００３２】
上述してきたものに直感的には反した方法で、本願は、特にコンプトン又は光電又は電子密度データを取得するためにスペクトル分解を実行するように構築される干渉イメージングを使用することを提案する。ここで決定されるコンプトン画像は、位相コントラスト画像に忠実に一致するに至る。従来のアプローチとは異なり、二重エネルギX線源は不要であり、更に、X線ディテクタはエネルギ積分型によるものであるとすることが可能である。特に、ここではエネルギ分解又はフォトンカウンティングディテクタは必要とされない。
【００３３】
ここで提案されるアプローチは、仮に通常の方法で処理されたならば二重エネルギ分解画像の影響を通常的には被ってしまう高エネルギ周波数画像ノイズ、及び、仮に通常の方法で処理されたならば位相コントラスト画像の影響を通常的には被ってしまう低周波画像ノイズを除去することを可能にする。特に、二重エネルギイメージング又はフォトンカウンティング、エネルギ弁別コンピュータ断層撮影、スペクトルCTによる材料分解は、典型的には、光電効果成分と非常に強い相関があるノイズとともに非常にノイズが多いマテリアル画像(高周波ノイズ)を生成することが知られている。従って、光電効果及びコンプトン効果という通常使用される物理の原理により、これは、コンプトン・マテリアル・ベース画像aCo(r→)から導出される電子密度画像は、光電画像における高周波ノイズと相関しない高レベルの高周波ノイズを特徴付けることを意味する。
【００３４】
【数１】
2017521167.tif 000003
コンピュータ断層撮影では、高周波を増幅するフィルタリングステップを考慮すると、そのようにして取得される電子密度画像も、スペクトルの高周波側の端でノイズパワーのピークを有することになる。
【００３５】
従来の格子に基づく微分位相コントラストイメージングでは、フリンジ位相Φにより測定される順伝搬方向(forward  propagation  direction)に対するX線の偏移は、(ここでの標記ではz方向である)格子の溝方向に垂直な方向の電子密度の線積分の勾配に比例することを根拠として、電子密度を評価することが可能である：
【００３６】
【数２】
2017521167.tif 000004
ここで、α(E)はエネルギに依存する比例定数である。微分位相コントラストイメージングは電子密度の勾配に敏感であるので、位相データからの従来の再構築は、ランプフィルタ(従来の吸収に基づくフィルタ逆伝搬で使用される)ではなくヒルベルトフィルタを含み、ランプフィルタはそのように取得される電子密度画像において(CTでは変則的に)比較的高い低周波ノイズを有する。
【００３７】
すなわち、従来の二重スペクトルイメージング及び従来の位相コントラストCTイメージングは何れも、望まれない高周波ノイズ又は低周波ノイズを有するエネルギ密度画像を生成してしまう。
【００３８】
本願では、コンプトン効果及び回折の双方が同じ物理量(すなわち、電子密度)によって決定されるという物理的洞察を利用して、イメージング結果におけるノイズを減らすことが提案される。本願では、その物理的な洞察を、共通のフォワード信号モデル(以下の数式(3))に統合し、同じものを用いて所望のコンプトン、光電、電子密度又は暗視野画像データを取得することを提案する。
【００３９】
微分格子ベースの位相ステッピング(differential,  gratings-based  phase-stepping)の間で予想される強度測定に対するスペクトルフォワードモデルは、次のように書ける：
【００４０】
【数３】
2017521167.tif 000005
数式Eq.(1)において、Φ〜，s(E)，μPh(E)，μCo(E)，V(E)，fDC(E)，α(E)は、それぞれ、ソーススペクトル、スペクトル測定のディテクタ感度関数、光電効果及びコンプトン効果のエネルギ減衰依存性、干渉計の視界、X線の散乱及び回折を記述している。これらのパラメータの関数依存性は既知である又は容易に設定されることが可能である。フォトンカウンティングディテクタ又はエネルギ積分ディテクタの場合、それぞれ、S(E)=E又は=1である。単独フレームに対するエネルギ選択フォトンカウンティングディテクタの場合、複数のビンの感度関数Sm(E)は、フレーム毎に1つを読み取るディテクタのために、単独のS(E)に置換される。好ましくは、ディテクタはエネルギ積分型によるものである。
【００４１】
APh，ACo，(∂Ae/∂z)，Ωは関心のある物理量を記述し、すなわち、光電吸収、コンプトン散乱、z軸方向の電子密度変化の勾配、及び、(暗視野画像に関連する)試料の散乱パワーについての(X線源から個々のディテクタピクセルへの所与の投影方向又は経路に関する)線積分を記述する。
【００４２】
関数F(...)は、位相ステッピングの際にディテクタで測定されるX線強度の特定の変調を記述し、三角関数(例えば、正弦関数)で近似されることが可能である。上記の洞察を数式に当てはめると、次のように表現することが可能である：
【００４３】
【数４】
2017521167.tif 000006
これは、ケース(1)の場合、次のように表現することが可能である：
【００４４】
【数５】
2017521167.tif 000007
特に、対象物により誘発される位相変化の変調をモデル化する項F()は、電子密度線積分の代わりにコンプトン吸収線積分を含む。言い換えれば、コンプトン情報が、電子密度情報の代わり又は代理として役立っている。(1)と比較して簡易な(3)は、様々な方法で活用されることが可能である。コンピュータ断層撮影に関する例、及びプロジェクションイメージングに関する例という2つの実施例が以下において説明される。
【００４５】
図2に関し、本願で提案される二重スペクトル処理システムは、入力ポートIN、出力ポートOUT、モデルイニシャライザMI及びモデルフィッターMFを含む。概して、干渉投影原データ(すなわち、ピクセル毎に及び(CTでは)投影方向毎に変動する強度)は、入力ポートINで受信される。モデルイニシャライザMIは、そのように受信されたデータを、数式(3)又はそれと数学的に等価なものに関するモデルの関数表現に含める。特に、初期化は、個々の強度Iを、数式(3)の右辺に等しくすることを含む。初期化は、Φ〜，S，V，α，fDC，μPh及びμCoの値を、数式(3)の右辺に含めることも含む。後述した量は、較正イメージングによって取得されることが可能であり、減衰係数は一般に既知であり、エネルギ依存性はルックアップテーブルから取得されることが可能である或いはそこから補間されることが可能である。例えば最小二乗又は最尤(ML)法のような適切な数値計算技術を利用して、所望の画像データパラメータ(すなわち、ピクセル/投影方向に関する線積分APh，ACo及びΩ)は、受信した干渉測定データに対して適合させられる。フィッティング処理の結果、個々の線積分は2D投影画像として出力される、或いは、各方向に対する個々の投影画像は、試料の断面積スライス画像を再構築するために再構築部RECONに転送されることが可能である。特に、個々の線積分から再構築されるコンプトン投影画像又はスライスは、(場合によっては、数式(2)に関する適切な変換の後に)電子密度の画像として出力されることが可能である。
【００４６】
図3には、本願で提案される信号処理が詳細に説明されるフローチャートが示されている。フローチャートA)は投影イメージングの実施例を説明しており、フローチャートB)はCT断層撮影法の実施例を説明している。
【００４７】
先ず、フローチャートA)の投影イメージングに関し、ステップS305において、干渉投影原データが受信される。
【００４８】
ステップS310において、干渉投影原データが、数式(3)又は数学的に等価なものに関するフォワードモデルに含められる。
【００４９】
ステップS315において、数式(3)又は数学的に等価なものに関するモデルが、干渉投影データに合わせられる、すなわち、個々のピクセルで記録される個々の強度に合わせられる。より具体的には、強度の時系列からの強度及び各ピクセルについて、個々の数式(3)が未知の線積分APh，ACo及びΩに関して解かれる。
【００５０】
不都合なことに、投影データ面において、ACo及び(∂ACo/∂z)は、直接的に関連付けられない。これに対処するため、本願は、(z方向における)近隣を使用して、コンプトン線積分ACoの有限差分に対する測定フリンジ位相(measured  fringe  phase)を関連付けることを提案する(すなわち、現在の関心のあるピクセルの近隣のピクセルにより強度が検出される)。言い換えれば、隣接するピクセルのACoに対する近辺の有限差分を計算することにより、微分係数が近似される。
【００５１】
フィッティング処理は適切な数値的/最適化技法により達成され、それらのうち何れが選択されるかは、ディテクタピクセルについて利用可能な強度測定値Iの数によって主に決定される。フィッティングされるパラメータ(数式(3)はフィッティングされる3つのパラメータを要する)と同数の測定値Iが存在する場合、連立同次方程式を解くことが可能である。3つより多い測定値が存在する場合、方程式系は「優決定(over-determined)」となる。この場合、目的関数は数式(3)に基づいて設定される。例えば、目的関数は、測定に関する適切なノイズモデル(例えば、ガウシアン)に基づく最尤関数又は最小二乗残差の何れかであってもよい。所望の線積分を得るために目的関数を最大化又は最小化するために、適切な最適化アルゴリズムが使用されてよい。
【００５２】
ステップS320において、線積分について求められたものが、個々の「光電」及び/又は「コンプトン」及び/又は「暗視野」画像として出力される。特に、コンプトン画像は、数式(2)に関する可能な変換の後に、電子密度画像として出力されることが可能である。
【００５３】
CTの実施例の場合、数式(3)に関するフォワードモデルにおける提案されるコンプトンと電子密度の置換は、特に有利に使用されることが可能であり、特にその理由は、フローチャート3A)の投影イメージングの実施例のような隣接ピクセルの評価が必要とされないからである。コンピュータ断層撮影法に適用される場合、提案される方法は、電子密度及びコンプトン断面積の間の関係により決定される量から(のものである電子密度画像である)画像データセット全体を排除することを可能にする。
【００５４】
フローチャート3B)に関し、ステップS405では干渉投影原データが受信される。
【００５５】
ステップS410において、数式(3)に関するモデルが、ステップS315に関して上述したように初期化される。
【００５６】
ステップS415において、数式(3)が、ステップS315で上述したように線積分に関して各々の投影方向及びピクセルについて解かれるが、ここでは、コンプトン線積分ACoの(z方向に関する)微分係数の近似は必要とされず、再構築ステップS425で以下において詳細に説明されるように、画像空間中のボクセルに関連する基底関数から解析的に求められてよい。
【００５７】
ステップS420において、算出された線積分は、次のステップでの再構築などのような更なる処理のために出力される。
【００５８】
ステップS425において、各々の投影方向に関する線積分は、従来のフィルタリングされた逆伝搬法又は好ましくは反復的な再構築法で、断面積ボクセル画像に再構築されてもよい。反復的再構築は、数式(3)に関するモデルの再構築に直接的なバイアスをかけることを許容する観点から好ましい。
【００５９】
反復的な再構築では、再構築されるべき断面積画像に対する初期推定が使用される。画像空間のうち、推定される断面積に対応するボクセルは、推定される線積分を形成するために、(従来法において、関心のあるそれぞれの投影方向に関して各自のボクセルにわたって加算することにより)順投影される。推定される線積分は、ステップS415に関してフィッティングされた線積分と比較される。相違が存在する場合、適切な更新が適用され、画像空間における断面積画像に関する初期推定を更新する。この順投影及び更新は、以後、要求レベルの収束性が定着するまで反復される。収束性が定着した後又は反復が中断された後、断面積画像の現在の推定は、最終的な結果として出力される。
【００６０】
一実施形態によれば、上述した反復的な再構築法は、例えば2Dカイザーベッセル関数又は他の適切な関数系のような基底関数(ブロブ(blobs))の(線形)結合により、「画像空間」(所定の線積分における「投影空間」とは異なる)における推定された断面積画像を構築する概念を利用している。この点の詳細については、次の文献を参照されたい：T.  Koehler  et  al,  “Iterative  reconstruction  for  differential  phase  contrast  imaging”,  pp  4542-4545,  Med.  Phys.  38  (8),  August  2011(例えば、4543頁、左列、図1)。この文献は全体的に本願のリファレンスに組み入れられる。
【００６１】
微分係数を近似する必要がないという上記の数値的な利点は、画像空間におけるこの基底関数表現に起因する。言い換えれば、推定される画像の各々は、再構築される/推定される画像の各ボクセル位置における基底関数の重ね合わせにより表現され、各々の基底関数には何らかの係数が乗算される。ACoの微分係数は、個々の投影方向における基底関数の解析的な微分係数の線形結合として(単なる近似ではなく)解析的に算出されることが可能である。微分係数を近似することが排除でき、そのような近似は、再構築結果に影響を及ぼすノイズソースとなる可能性がある。
【００６２】
上記の説明から分かるように、コンピュータ断層撮影法では、モデル(3)に関する簡略化は速やかになされる。コンプトン断面積aCo(r→)及び電子密度ρe(r→)に関する画像を別々にモデリングするのではなく、例えば、モデル(3)に基づく反復的な再構築技法の間に、唯1つの画像が考慮されることを必須とする。電子密度線積分に対して、別途、変数をフィッティングすることの排除は、モデル(1)に基づく技法と比較して改善されたノイズパフォーマンスをもたらす。それは、再構築が数式(3)に直接的に基づいている場合に非常に有益である。この種の再構築は、個別の位相抽出(すなわち、“Epple”の文献における数式(1a)及び(1b)或いは“Pfeiffer”の論文で提案されているようにピクセル毎の個別的なフーリエ分析)を実行せず、従って計算時間を節約することが可能である。
【００６３】
電子密度及びコンプトン断面積の(定常的になるまでの)同定は、スペクトルディテクタ(すなわち、フォトンカウンティング及び/又はエネルギ分析を行うもの)を必要とすることなく、(例えば位相ステッピング又は他の方法で取得される)測定される干渉(CT)データを基礎的な要素へ分解すること(光電/コンプトン)を許容する点は、本願で強調される。
【００６４】
本発明の他の実施形態では、コンピュータプログラム又はコンピュータプログラム要素が提供され、そのコンピュータプログラム等は、適切なシステムにおいて、上記の実施形態のうち何れかに従う方法の方法ステップを実行するように構成されることにより特徴付けられる。
【００６５】
コンピュータプログラム要素は、従って、コンピュータユニットに保存され、コンピュータユニットは本発明の実施形態の一部を為してもよい。コンピューティングユニットは、上記の方法のステップを実行する又は実行することを含むように構成される。更に、コンピュータプログラム要素は、上記の装置のコンポーネントを操作するように構成されてもよい。コンピューティングユニットは、ユーザの命令を自動的に処理する及び/又は実行するように構成されることが可能である。コンピュータプログラムは、データプロセッサのワーキングメモリにロードされてもよい。データプロセッサは、本発明の方法を実行するように装備されてもよい。
【００６６】
本発明の実施形態は、本発明を当初から適切に使用するコンピュータプログラム、及び、既存のプログラムを本発明を使用するプログラムに更新することによるコンピュータプログラムの双方をカバーする。
【００６７】
更に、コンピュータプログラム要素は、上記の方法による実施形態の手順を実行するために必要な全てのステップを提供することが可能であってもよい。
【００６８】
本発明の更なる実施形態によれば、CD-ROMのようなコンピュータ読み取り可能な媒体が提供され、コンピュータ読み取り可能な媒体は、そこに保存されるコンピュータプログラム要素を有し、コンピュータプログラム要素については上述したとおりである。
【００６９】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又はその一部分として提供される光ストレージ媒体又はソリッドステート媒体のような適切な媒体に保存及び/又は分配されてもよいが、例えば、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システム等のような他の形態で分配されてもよい。
【００７０】
しかしながら、コンピュータプログラムは、ワールドワイドウェブのようなネットワークで提供され、そのようなネットワークからデータプロセッサのワーキングメモリへダウンロードされることも可能である。本発明の別の実施形態によれば、コンピュータプログラム要素をダウンロード可能にする媒体が提供され、コンピュータプログラム要素は、本発明による上記の実施形態のうち何れかに従う方法を実行するように構成される。
【００７１】
本発明の実施形態は様々な対象事項に関連して説明されていることに留意を要する。特に、ある実施形態は方法の形式の請求項に関連して説明されるが、別の実施形態は装置の形式の請求項に関連して説明される。しかしながら、当業者は、上記及び下記の記述から、別段の言及がない限り、ある形式の対象事項に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、異なる対象事項に関連する特徴どうしの任意の組み合わせも本願で開示されていると考えられることを、把握するであろう。更に、全ての特徴は、特徴の単なる寄せ集めを上回る相乗効果を提供するように組み合わせられることが可能である。
【００７２】
本発明は上記の説明及び図面により詳細に記述及び説明されてきたが、そのような説明及び記述は例示的又は具体例であって限定ではないように解釈される。本発明は開示された実施形態に限定されない。開示される実施形態に対する他の変形例は、明細書、図面及び特許請求の範囲から、請求項に係る発明を実施する当業者により理解され実現されることが可能である。
特許請求の範囲において、「有する(comprising)」という言葉は他の要素又はステップを排除しておらず、「或る(“a”  or  “an”)」という不定冠詞的な言葉は複数を排除していない。請求項に記載される複数のアイテムの機能を、単独のプロセッサ又は他のユニットが実行してもよい。所定の複数の事項が互いに異なる従属請求項に記載さているという事実は、これらの事項の組み合わせが有利に活用できないことを示してはいない。請求項における如何なる参照符号も、範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【図１】
2017521167.tif 000008
【図２】
2017521167.tif 000009
【図３Ａ）】
2017521167.tif 000010
【図３Ｂ）】
2017521167.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月18日(2017.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号処理システムであって：
Ｘ線ビームが試料を通過した後に、干渉Ｘ線イメージングシステムのＸ線感知ディテクタで検出される測定データを受信するための入力ポート；
前記測定データを信号モデルに含めるように構成されるモデル初期化部；
複数のディテクタピクセルについて、前記信号モデルのパラメータを前記測定データに合わせるフィッティング処理を実行するように構成されるモデルフィッティングモジュールであって、前記信号モデルは前記Ｘ線ビームの減衰を表すパラメータを含み、前記パラメータのうち少なくとも何れかは光電効果吸収を説明し、前記パラメータのうち少なくとも何れかはコンプトン散乱を説明し、前記コンプトン散乱のパラメータは前記試料における電子密度の代わりになるものであり、前記信号モデルは、前記コンプトン散乱の関数として、対象物により誘発される位相変化の変調をモデル化する項を含む、モデルフィッティングモジュール；
光電吸収画像又はコンプトン散乱画像としてそれぞれ合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかを出力するように構成される出力ポート；
を有する信号処理システム。
【請求項２】
前記項は、前記コンプトン散乱のパラメータの空間偏移を含む、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項３】
合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかに基づいて断面積スライス画像を再構築するように構成される再構築部を含む請求項１又は２に記載の信号処理システム。
【請求項４】
前記フィッティング処理は、隣接するディテクタピクセルの読み込みにより、適合されるコンプトンパラメータの差分により空間微分を近似することを含む、請求項２に記載の信号処理システム。
【請求項５】
前記フィッティング処理は、個々のボクセルに関連する基底関数の微分に基づいて、解析的に微分を形成することを含む、請求項２又は３に記載の信号処理システム。
【請求項６】
前記測定データは、単独の投影方向に沿って取得される、或いは、複数の投影方向から取得される、請求項１ないし５のうち何れか一項に記載の信号処理システム。
【請求項７】
前記のディテクタはエネルギ積分型によるものである、請求項１ないし６のうち何れか一項に記載の信号処理システム。
【請求項８】
２Ｄ投影撮像装置又はコンピュータ断層撮影スキャナであるＸ線撮像システムであって、請求項１ないし７のうち何れか一項に記載の信号処理システムを含む、Ｘ線撮像システム。
【請求項９】
信号を処理する方法であって：
Ｘ線ビームが試料を通過した後に、干渉Ｘ線イメージングシステムのＸ線感知ディテクタで検出される測定データを受信するステップ；
前記測定データを信号モデルに含めるステップ；
複数のディテクタピクセルについて、前記信号モデルのパラメータを前記測定データに合わせるフィッティングステップであって、前記信号モデルは前記Ｘ線ビームの減衰を表すパラメータを含み、前記パラメータのうち何れかは光電効果吸収を説明し、前記パラメータのうち何れかはコンプトン散乱を説明し、前記コンプトン散乱のパラメータは前記試料における電子密度の代わりになるものであり、前記信号モデルは、前記コンプトン散乱の関数として、対象物により誘発される位相変化の変調をモデル化する項を含む、ステップ；
光電吸収画像又はコンプトン散乱画像としてそれぞれ合わせられたパラメータのうち少なくとも何れかを出力するステップ；
を有する方法。
【請求項１０】
フィッティングされたパラメータのうち少なくとも１つ又は複数個に基づいて、断面積スライス画像を再構築するステップ；
を有する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記コンプトン散乱画像は、前記電子密度の画像及び／又は位相コントラスト画像を表す、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のうち何れか一項に記載の方法を、請求項１ないし８のうち何れか一項に記載の信号処理システムに実行させるコンピュータプログラム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のコンピュータプログラムを保存したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【国際調査報告】
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