(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーン・ビーム放射線の線源及び検出器配列に関して縦方向に無限界の物体が配向されている計算機式断層写真法イメージング・システムにおいて、前記縦方向に無限界の物体の画像を再構成するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する方法であって、
少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査経路に沿って、前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間に相対的な移動が確立し、所定の軌道が通過横断されているときに、前記物体の測定可能な領域を照射するように前記コーン・ビームを動作させて、前記縦方向に無限界の物体の画像をコーン・ビーム・データとして前記検出器配列に投影するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する工程と、
前記コーン・ビームの形状、前記線源及び前記検出器配列の位置、並びに、前記検出器配列の大きさに基づいて、円錐で両端が終端している円筒によって画定される走査視野を画定するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する工程と、
前記円錐の端部が両端において前記Ｚ方向に検出器セルの１ピッチ分だけ内向きに移動するように前記画定された走査視野を修正するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムの画像再構成プロセッサ・システムが作動する工程と、
前記修正された走査視野内で、前記少なくとも１つの円形走査経路及び前記少なくとも１つの線形走査経路から画像再構成データの１つのセットを形成するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する工程とを備えた縦方向に無限界の物体の画像を再構成する方法。
【請求項２】
前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間の相対的な移動の確立は、
前記コーン・ビーム線源が静止した位置に固定するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する工程と、
前記縦方向に無限界の物体の選択的な回転により円形軌道が確立するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する工程と、
前記縦方向に無限界の物体の線形の移動により線形経路が確立するように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する工程による請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記縦方向に無限界の物体のイメージングされるべき縦方向の範囲の全体がイメージングされるまで、繰り返し円形走査を行うと共に少なくとも１つの線形走査を行うように前記計算機式断層写真法イメージング・システムが作動する工程を更に含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記円筒及び前記円錐の軸は、回転の軸と一致している請求項１に記載の方法。
【請求項５】
コーン・ビーム放射線の線源及び検出器配列に関して縦方向に無限界の物体が配向されている計算機式断層写真法イメージング・システムにおいて、前記縦方向に無限界の物体の画像を再構成するシステムであって、
少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査経路に沿って、前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間の相対的な移動が確立し、所定の軌道が通過横断されているときに、前記物体の測定可能な領域を照射するように動作させられて、前記縦方向に無限界の物体の画像をコーン・ビーム・データとして前記検出器配列に投影するコーン・ビーム放射線の線源と、
前記コーン・ビームの形状、前記線源及び前記検出器配列の位置、並びに、前記検出器配列の大きさに基づいて、円錐で両端が終端している円筒によって画定される走査視野を画定する手段と、
前記円錐の端部が両端において前記Ｚ方向に検出器セルの１ピッチ分だけ内向きに移動するように前記画定された走査視野を修正する手段と、
前記修正された走査視野内で、前記少なくとも１つの円形走査経路及び前記少なくとも１つの線形走査経路から画像再構成データの１つのセットを形成する手段とを備えた縦方向に無限界の物体の画像を再構成するシステム。
【請求項６】
前記縦方向に無限界の物体と前記コーン・ビーム線源との間の相対的な移動を確立は、
前記コーン・ビーム線源が静止した位置に固定することと、
前記縦方向に無限界の物体の選択的な回転により円形軌道が確立することと、
前記縦方向に無限界の物体の線形の移動により線形経路が確立することによる請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記縦方向に無限界の物体のイメージングされるべき縦方向の範囲の全体がイメージングされるまで、繰り返し円形走査を行うと共に少なくとも１つの線形走査を行う手段を更に含んでいる請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記円筒及び前記円錐の軸は、回転の軸と一致している請求項５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は一般的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）のコーン・ビーム画像再構成の精度及び効率を大幅に改善する方法及び装置に関する。より具体的には、本発明は、コーン・ビーム断層写真法を用いて縦方向に無限界の物体をイメージングする上述のような方法及び装置に関する。
発明の分野
現在の計算機式断層写真法（ＣＴ）システムでは、Ｘ線源がファン（fan）形状のビームを投射し、ビームは、「イメージング平面」と呼ばれるデカルト座標系のＸ−Ｙ平面内に位置するようにコリメートされている。Ｘ線ビームは、イメージングされる物体を通過し、放射線検出器の配列に入射する。透過した放射線の強度は、物体によるＸ線ビームの減衰に依存しており、各々の検出器は、ビーム減衰の尺度である個別の電気信号を発生する。すべての検出器からの減衰測定値は、個別に収集されて、透過プロファイルを形成する。
従来の医用ＣＴシステムでは、線源及び検出器配列は、Ｘ線ビームが物体と交差する角度が定常的に変化するように、ガントリ上で、イメージング平面内で物体の周りを回転させられている。従来の産業用ＣＴの構成では、物体が回転方向及び垂直方向に可動なプラットフォーム上に載置されており、スキャナが固定されていることもある。コーン・ビーム・イメージングは、物体のＣＴ画像、特に、３次元ＣＴ画像を構成するのに重要な手法として開発されてきた。この手法によると、コーン・ビームＸ線源は、所定の軌道又は軌跡を通過横断しながら物体を照射して、物体の画像をコーン・ビームＸ線データの形態で検出器素子の配列に投影する。
コーン・ビーム・イメージングにおいて、走査経路の形状は本質的な考慮点である。単純化及び対称性の見地からは、単一の平面内に位置している円形軌道を含んでいる軌跡に沿って走査することが望ましい。しかしながら、正確な画像再構成を行うためには、このような軌道は不十分なコーン・ビーム・データを形成しがちであることが周知である。
コーン・ビーム投影データから画像再構成を行うための様々な走査形状が開発されている。その１つの形状では、走査経路は、円形軌道と組み合わせて、円形軌道の平面に直交する線形経路を含んでいる。このような組み合わせ式の走査経路は、従来のＣＴガントリの構成によって容易に実現され得るので、実用上多大な関心を呼ぶものである。組み合わされた円及び線の経路に沿って走査することにより収集されるコーン・ビーム・データを処理すると共にこのデータから画像を構成するのに用いられる様々なアルゴリズムが現状で利用可能である。
多くの分野について、イメージングされるべき物体の縦方向の範囲は、スキャナによって１回に走査され得る範囲よりも長い。このような物体を、縦方向に無限界の物体（longitudinally-unbounded object）又は棒状物体（rod-like object）と呼ぶ。コーン・ビーム断層写真法システムの開発において次なる１つの実用上の考慮点となるのは、縦方向に無限界の物体の一部のみに関心があるときに、又は検出器の範囲が有限であるため縦方向に無限界の物体の一部しか各回にイメージングされ得ないときに、縦方向に無限界の物体をどのようにイメージングするかということである。
そこで、縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成を行うことを可能にすることが望ましい。本発明の目的、特徴及び利点は、以下の記載を図面と共に把握すればより容易に明らかになろう。
発明の概要
本発明は、縦方向に無限界の物体の正確且つ効率的な再構成を可能にする方法及び装置を提供する。
コーン・ビーム断層写真法システムの開発における１つの重要な実用上の考慮点は、縦方向に無限界の物体の一部のみに関心があるときに、又は検出器の範囲が有限であるため縦方向に無限界の物体の一部しか各回にイメージングされ得ないときに、縦方向に無限界の物体をどのようにイメージングするかということである。
本発明は、縦方向に無限界の物体をイメージングするために、円及び線のコーン・ビーム断層写真法を適用する。ＣＴイメージング・システム、又はコーン・ビーム放射線源及び平面検出器配列が物体に対して選択的な動きをするように装着されているその他の構成において、収集された投影データから物体の画像を再構成するための方法が提供される。先ず、縦方向に無限界の物体とコーン・ビーム線源との間の相対的な移動が、少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査経路に沿って確立される。コーン・ビームは、所定の軌道が通過横断されているときに物体の測定可能な領域を照射するように動作させられて、縦方向に無限界の物体の画像をコーン・ビーム・データとして検出器配列に投影する。コーン・ビーム形状に対して走査視野が画定される。この走査について、Ｚ方向の誤差伝播距離が決定される。そして、誤差伝播距離に応じて走査視野の画定が修正され、少なくとも１つの円形走査経路及び少なくとも１つの線形走査経路から、画像再構成データの１つのセットが修正後の視野内で発生される。
以下に記載する図面に好ましい一実施例を示すが、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく他の様々な改変及び代替構成を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
本発明の新規な諸特徴は、請求の範囲に具体的に述べられている。しかしながら、本発明自体は、その構成及び動作方法、並びにその目的及び利点に関して、以下の記載を図面と共に参照することにより最もよく理解され得る。
図１は、ＣＴコーン・ビーム・イメージング・システムの主要な要素、並びに関連する円及び線の走査経路を示す概略図である。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、ＣＴコーン・ビーム・イメージング・システムを実現するのに用いられている従来の医用ＣＴイメージング・システム及び従来の産業用ＣＴイメージング・システムをそれぞれ示している斜視図である。
図３は、本発明によるシステムの走査視野を示している図である。
発明の詳しい説明
円及び線の軌道は、円と、有限の直交する線とから成っている。この円形軌道及び線形軌道からのコーン・ビーム投影のセットはそれぞれ、
0004212118.tif 000002
と表される。ここで、
ＰΦ又はz0（Ｙ，Ｚ）
が、
0004212118.tif 000003
として導出された重み付き投影を表しているものとする。本発明は、円及び線の軌道について、再構成されるべきいかなる関数でも、以下の３つの項の合計として表現され得るという発見に基づいている。
ｆ（ｒ）＝ｆc0（ｒ）＋ｆc1（ｒ）＋ｆl（ｒ）
２
ｆc0（ｒ）項は、円形に走査されたデータから算出されるものであり、J. Opt. Soc. Am.誌、１９８４年、第６１２頁〜第６１９頁のL. Feldkamp、L. Davis及びJ. Kressによる論文「実用コーン・ビーム・アルゴリズム」（Practical Cone-Beam Algorithm）に説明されているFeldkamp再構成(後述の式３）に対応している。その全体がここに参照される米国特許第５，４００，２５５号は、後述の式４に定式化されているｆc1（ｒ）を、円形に走査されたコーン・ビーム投影データから算出する方法を教示しており、又、ｆl（ｒ）の推定を提案している。その全体がここに参照される１９９６年６月２５日に出願され本出願と共通の譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０８／６７３，４５３号は更に、式５を用いて、線形に走査されたコーン・ビーム投影データからｆl（ｒ）を正確に算出する方法を教示している。逆投影からの（Ｙ0，Ｚ0）は、後述の式６から導出される。
0004212118.tif 000004
0004212118.tif 000005
従来技術は、前述の米国特許第５，４００，２５５号及び同時係属中の米国特許出願第０８／６７３，４５３号を含め、縦方向に無限界の物体をイメージングする方法については教示していない。しかしながら、ここに開示される発明によって、前述の円及び線の軌道についての前述の同時係属中の出願と同じ再構成アルゴリズムを用いて、縦方向に無限界の物体をセクションごとに（section by section）イメージングすることができるようになる。
図１について説明する。同図には、円筒形の又は縦に長い仮想的な空間１８内に含まれている物体１０の画像を再構成すると共に表示するコーン・ビーム・イメージング・システムの主要な構成要素が示されている。コーン・ビームＸ線源１２が、物体１０を照射するように配置されており、これにより、離散的な検出器素子（詳細には図示されていない）のマトリクス配列を含んでいる付設された平面型検出器配列１６に、物体１０の画像１４を表すコーン・ビーム・データを投影する。このコーン・ビーム投影データは、物体に入射するＸ線光子の形態を有しており、検出器配列１６のそれぞれの検出器素子によって感知される。このようにして、平面型検出器１６は、アナログ形態のコーン・ビーム投影データを形成する。このようなデータは、データ収集システム（ＤＡＳ）２０に結合され、ＤＡＳ２０は、それぞれの検出器素子からのアナログ・データをサンプリングして、このデータを後続の処理のためにディジタル形態に変換する。ディジタル化された投影データは、画像再構成プロセッサ・システム２２に結合され、画像再構成プロセッサ・システム２２は、投影データに演算を施して、物体１０の画像を再構成する。再構成された画像は、可視的な形態として表示され、例えば、画像表示装置２４によって表示されることができる。
図１は更に、物体１０を巡るコーン・ビーム線源１２の円形の移動の軌道２６を示している。このような軌道は、中央平面２８、即ち、円筒１８を貫通する平面内に位置している。典型的な医用ＣＴ構成では、検出器配列１６は、線源１２と共に移動するように制約されているので、物体１０は、線源１２と検出器配列１６との間に配置された状態を維持する。コーン・ビーム投影データは、線源１２が円形軌道２６を通過横断するにつれて、線源１２の連続した位置又はビュー角度について検出器配列１６によって収集される。Ｚ軸３０が、中央平面２８と直交する関係で物体１０を通過していると共に、物体１８内の点Ｏにおいて中央平面と交差している。線源１２は、点Ｔにおいて円形軌道２６と接していると共に円形軌道２６の平面及び中央平面２８と直交する関係に配向している線形軌道経路３４に沿って移動することができる。
この走査経路は、従来のＣＴシステムによって容易に実現され得る。図２（Ａ）を参照すると、同図には、ガントリ３８と、テーブル４０とを実質的に含んでいる従来の医用ＣＴシステムが示されている。図２（Ｂ）は、走査されるべき物体を支持する回転可能なプラットフォームを備えた従来の産業用ＣＴシステムを示している。図２（Ａ）では、ガントリ３８にボア（中孔）４２が設けられており、テーブル４０ａは、イメージングのために患者４４ａ等の縦方向に無限界の物体４４を支持している。勿論、当業者には、縦方向に無限界の物体は、例えば、図２（Ｂ）のタービン・ブレード４４ｂ等の航空機用部品を含め、多数の公知の物体のいずれであってもよいことが明らかであろう。
図２（Ａ）について説明を続ける。テーブル４０ａは、ベース４６ａと、ベース４６ａ上で摺動可能であり物体４４ａをＺ軸に沿って線形に移動させることのできる物体支持部材４８とを含んでいる。このように、テーブル４０ａは、ボア４２を通して物体４４ａを挿入し、ボア内で物体の選択されたセクション５０ａを位置決めするように動作することができるので、この選択されたセクション５０ａを貫通する画像を取得することができる。このように、物体４４ａは、物体のセクション５０ａを含み得る。
図２（Ａ）では、線源１２及び検出器配列１６は、ボア４２の相対向する側で、回転可能なガントリ３８に装着されている。従って、円形軌道２６は、ガントリ３８の選択的な回転によって確立されることができる。線形経路３４は、線源１２及び配列１６が静止した状態にあるときに物体支持部材４８が線形に移動することにより確立され得る。代替的には、線形経路は、Ｚ軸に沿って平行移動するガントリを装着することにより確立されることもできる。
図２（Ｂ）では、プラットフォーム４０ｂは、物体４４ｂを支持するための回転可能なベース４６ｂを含んでいる。これにより、線形走査の繰り返しで構成される連続した垂直線に沿った円形走査の繰り返しが可能になる。プラットフォーム４０ｂは又、矢印４５によって示すように垂直方向に移動することも可能であり、円及び線の走査の線形の部分を実行することができる。典型的な産業用ＣＴの構成では、物体４４は、固定された線源１２及び配列１６に対して移動する。勿論、当業者には、産業用の応用において医用ＣＴ構成と同様に線源が回転してもよいことは明らかであろう。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）でわかるように、多くの分野について、イメージングされるべき物体の縦方向の範囲は、スキャナによって１回に走査され得る範囲よりも長く、即ち、縦方向に無限界の物体の一部のみが関心の対称になり得る。結果的に、図２（Ｂ）に示すように、縦方向の範囲の全体がイメージングされるまで、円及び線の走査が繰り返し取得される。
ここで図３を見ると、複数の領域の組み合わせ５０が、所与の線源位置Ｓ１において測定可能な領域の断面を示している。測定可能な領域は、Ｅとして示されている検出器の範囲及び走査形状によって主として決定されている。このシステムの走査ＦＯＶ（視野）は領域５２として示されており、本発明によれば、円形軌道２６上のすべての線源位置でのすべての測定可能な領域が重なった領域として走査ＦＯＶを画定することができる。従って、走査ＦＯＶは、円錐で両端が終端している円筒によって画定される。尚、円筒及び円錐の軸は回転の軸と一致している。走査ＦＯＶの断面を、区域５４として示す。円筒の半径は、検出器の平面内での範囲及び走査形状によって画定される。頂部及び底部の円錐は、上部円錐角βmax及び下部円錐角βminによって画定される。
一般には、縦方向に無限界の物体によって誘導される誤差は、頂部及び底部から内向きに伝播して、ＦＯＶの頂部の層及び底部の層での再構成をコンタミネート（汚染）する可能性がある。コンタミネートされる層の深さをコンタミネーションの深さと呼び、これは、Ｚ方向の誤差伝播距離によって決定される。異なる再構成アルゴリズムによって異なる演算子が採用されるので、コンタミネーションの深さは相異なるものになる。例えば、式１の各々の項のコンタミネーションの深さを調べることができる。第１項、即ち、Feldkamp再構成のコンタミネーションは、Ｚ方向の演算が要求されないので、ゼロである。第２項のコンタミネーションの深さは、差分演算子がＺ方向に適用されているので、検出器Ｚセル・ピッチの２分の１である。数値解析を用いると、第３項のコンタミネーションの深さは、１つ分の検出器Ｚセル・ピッチであることを証明することができる。コンタミネートされている層の最大の深さは、１つ分の検出器Ｚセル・ピッチであるので、これらのコンタミネートされた層は、その円錐の端部が両端において１つ分の検出器Ｚセル・ピッチ分だけ内向きに移動するように走査ＦＯＶの画定を僅かながら修正することにより、排除することができる。このように、この断層写真法システム及び同時係属中の米国特許出願第０８／６７３，４５３号に記載されている再構成アルゴリズムを用いると、修正後の走査ＦＯＶの内部では、縦方向に無限界の物体の問題によってｆ（ｒ）の再構成がコンタミネートされることが一切なくなる。従って、走査ＦＯＶの円錐の各端部を検出器セルの１つ分のＺピッチ分だけ内向きに移動させることにより画定される各々のセクションによって、縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成を達成することができる。
本発明の正確な領域再構成手法によれば、円及び線のコーン・ビーム走査システムを、単純な回転走査及び並進走査によって実現することができる。円形走査は、イメージングされるべき物体を回転させることにより達成され得るので、線源及び検出器のアセンブリを固定したままにしておくことができると共にシステムの整列性を攪乱せずに済む。並進走査中に、有限の寸法を有している検出器の測定可能領域を越えて再構成関心領域（ＲＯＩ、Region of Reconstruction Interest）が移動することによる付加的な切り取り（トランケーション）の問題も又、本発明の手法によって排除される。縦方向に無限界の物体は、セクションごとにイメージングされ得る。２つの隣接したセクションの間で、これら２つのセクションの間にギャップを形成しないようにしながら重なりを最小化した状態で最大のＺ変位を選択することにより、走査速度を最大化することができる。
従って、本発明は、縦方向に無限界の物体の正確な領域再構成を提供する。本発明は、例えば、医療用途から産業用途にわたる諸分野における計算機式断層写真法（ＣＴ）コーン・ビーム画像再構成を含め、多くの分野で有用である。従って、本発明は、一般的なイメージング分野について正確で且つ計算効率のよい再構成を提供する。
本発明の好ましい実施例をここに図示すると共に記載してきたが、当業者には、このような実施例が例示の目的のみで示されていることが明らかであろう。当業者には、本発明から逸脱することなく多くの変形、変更及び置換が想到されるであろう。従って、本発明は、請求の範囲の要旨によってのみ限定されるものとする。
【図１】
0004212118.tif 000006
【図２Ａ】
0004212118.tif 000007
【図２Ｂ】
0004212118.tif 000008
【図３】
0004212118.tif 000009