(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面検出器を有し、コーンビームデータを収集して３次元再構成を行なうＸ線コンピュータ断層撮影装置において、
収集された前記コーンビームデータを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されたコーンビームデータのうち、ボクセルごとにコーン角がより小さいデータを逆投影することにより画像を再構成するものであって、逆投影を行なわない円形の領域とその円形領域の外側にある逆投影を行なう領域を決定して逆投影処理を行ない、かつ、この円形の領域境界において重み付け演算によりスムージングを行なうように構成された再構成処理手段とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
【請求項２】
Ｚ軸に沿って焦点を移動させる前後の２回のスキャンによって得られる各々の逆投影データを重みづけ加算する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
【請求項３】
Ｚ軸座標に基づいて、前記円領域の形状を変化させることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に対しコーンビーム状のＸ線を照射し、被検体を透過したＸ線の強度データを測定し、当該測定データに基づく再構成演算処理を行なうＸ線コンピュータ断層撮影装置（以下、「ＣＴ」と略称する）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（１）ファンビームＣＴとコーンビームＣＴ
ファンビームＣＴは、ファンビーム（扇）状のＸ線を照射するものであり、図１３（ａ）に示すように、検出素子１００が一次元方向（チャンネル方向）に配列されたシングルスライス検出器１０１を備える。同図において、ＦはＸ線焦点、αはファンビームのファン角を示している。
【０００３】
コーンビームＣＴは、コーンビーム（四角錐）状のＸ線を照射するものであり、図１３（ｂ）に示すように、検出素子２００が列方向とチャンネル方向の二次元方向に配列された面検出器２０１を備える。同図において、βはコーン角を示している。検出素子２００の列方向はＺ軸（被検体の体軸方向及びスライス方向）に平行となっている。
（２）ファンビーム再構成
ファンビームＣＴにおける画像再構成は、例えば次のようにして行われる。すなわち、被検体の周囲でＸ線管を回転させながらＸ線を照射し、Ｘ線管に対向して配置される検出器で収集した透過Ｘ線強度を基に投影データを得て、所定の補正処理を行なった後、コンボリューション・バックプロジェクション（ＣＢＰ：Convolution Backprojection、畳み込み・逆投影）法によって画像を再構成する。
【０００４】
図１４はＣＢＰ法による再構成処理の流れを示す図である。同図（ａ）において太矢印は被検体を模式的に示している。ＣＢＰ法では、全角度での投影データを収集してその補正を行ない（同図（ｂ））、再構成関数とのコンボリューション演算および全角度での逆投影演算を行なう（同図（ｃ））。なお、同図（ｄ）はある角度での逆投影を示している。
（３）ファンビームにおけるハーフ再構成
画像再構成において、パラレルビームを用いる場合には１８０°のデータが必要であるが、ファンビームを用いる場合には１８０°＋ファン角のデータが必要である。この場合、図１５に示すように焦点位置がＦｓからＦｅまでの角度のデータを収集すれば良く、このように１８０°＋ファン角のデータを用いて画像を再構成する方法はハーフ再構成と称されている。ハーフ再構成は良く知られている画像再構成法であるが、従来のハーフ再構成では、焦点位置ＦｓからＦｅまでの個々の焦点角度で得られたデータを逆投影するに際して、これを画像内の全ピクセル（pixel ：画素）に対して行なうものとなっている。
（４）ＳＰＥＣＴ（核医学診断装置）におけるハーフ再構成
核医学診断装置の一種であるＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission Computed Tomography）においても、上述したＣＴのものと同様のファンビームにおけるハーフ再構成法があるが、特に画像内のピクセルごとに最適な焦点角度（逆投影角度と称する）Ｆｓ（pixel(r,θ））→Ｆｅ（pixel(r,θ））を求めるハーフ再構成法（以下、「無円法」と称する）が知られている。無円法については、参考文献１（「High spatial resolution reconstruction technique for SPECT using a fan-beam collimator」,IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE,Vol.40,No.4,August1993,pp.1149-1153,T.Ichihara,K.Nambu,N.Motomura ）、あるいは参考文献２（「ＳＰＥＣＴのかかえる諸問題点と利点」、日本放射線技術学会雑誌、第５０巻、第９号、P.1639-1650(P.318-329)、1994年9 月、市原  隆）の第４項「ファンビーム高解像再構成法」（P.327orP.1648 ）において説明されている。
【０００５】
無円法においては、アーチファクトの低減を図るべく、逆投影角度を最適角度よりもやや広げた境界領域におけるスムージング処理が行われることもある。
（５）コーンビーム再構成（Feldkamp再構成法）と再構成可能な領域
コーンビーム再構成には種々の方法があるが、ファンビーム再構成法におけるＣＢＰ法を発展させた、いわゆるFeldkamp再構成と呼ばれる近似的な再構成法が代表的である。 Feldkamp 再構成法については、参考文献３（「Practical cone-beam algorithm 」,J.Opt.Soc.Am.A,1,pp.612-619(1984) Feldkamp L.A.,Davis L.C.and Kress J.W. ）に記載されている。
【０００６】
この方法で再構成可能な領域を３次元的に考察すると、図１６のようになる。すなわちスライス方向に次式（１）で決定されるＨの高さの円筒形の領域のみが再構成可能である。
【０００７】
Ｈ＝２×（ＦＣＤ−ｗ）・ｔａｎβ    …（１）
なお、図１７は、コーンビーム再構成におけるＦＯＶ（Field of View ）を示す図であり、同図（ａ）はＦＯＶを横から見た図、同図（ｂ）はＦＯＶを上から見た図である。
（６）コーンビーム再構成におけるハーフ再構成と再構成可能な領域
ここで、上記（５）において述べたＣＢＰ法によるコーンビーム再構成と上記（３）において述べたハーフ再構成とを組み合わせた場合を考える。この場合は、再構成画像内のピクセルではなく再構成領域内のボクセル（voxel 、容素）を考慮し、再構成領域全体に対して同一焦点角度のデータを利用するものとなるだけであり、再構成可能な領域を表す円筒領域の高さＨは不変である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
（１）再構成可能な領域の拡大
図１６に示した再構成可能な領域（高さＨ）は小さく、無駄な被爆が多いので、再構成可能な領域をより大きくすることが望まれている。
（２）コーン角の影響による画質劣化
前述のように、Feldkamp再構成法は近似的な再構成法であるので、コーン角（図１６のβ）が大きくなると画質劣化が顕著になるという問題点がある。
（３）ハーフ再構成のノイズ対策（Ｓ／Ｎ向上）
ハーフ再構成を行なった場合、各ボクセルあるいはピクセル当たりに逆投影されるデータ数は約半分になるので、Ｓ／Ｎが劣化してしまうという問題点がある。
【０００９】
したがって本発明は、再構成可能な領域の拡大、コーン角の影響による画質劣化の低減、そしてハーフ再構成に起因するノイズ低減を図ったＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明は次のように構成されている。すなわち、本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置は、面検出器を有し、コーンビームデータを収集して３次元再構成を行なうＸ線コンピュータ断層撮影装置において、ボクセルごとに最適となる焦点角度のデータを３次元逆投影すべく、焦点角度とボクセルの座標とに対応して前記３次元逆投影する領域を決定する逆投影領域決定手段を具備することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係るコーンビームＣＴの構成を示すブロック図である。図１において、コーンビームＣＴ１０は、コーンビーム形状のＸ線を照射するためのＸ線管２１と、このＸ線管２１に対し図示しない被検体を挟んで対向配置される面検出器２３とが一体で回転可能な如く架台２５に取り付けられている。Ｘ線管２１には、Ｘ線制御装置１７からの制御により高電圧発生装置１９において発生された高電圧が供給される。またＸ線制御装置１７はシステム制御部１１によって制御される。
【００１２】
架台・寝台制御部１３は架台２５の図示しない架台回転部を制御することによりＸ線管２１及び面検出器２３を回転駆動する一方、寝台移動部１５を制御することにより被検体が載置される寝台１５ａをＺ軸方向に移動させる。
【００１３】
面検出器２３にはデータ収集部２７が接続されている。データ収集部２７は、システム制御部１１による制御に従い、面検出器２３の検出器出力に基づいて被検体の多方向からの投影データを得る。データ収集部２７によって得られた投影データは画像再構成部３１に送られるとともに、以降において説明する画像再構成処理に供される。画像再構成部３１における再構成処理によって得られた被検体の画像は表示部３３によって表示される。
【００１４】
図２は、画像再構成部３１の詳細な構成を示すブロック図である。
画像再構成部３１は、制御装置５０と、メモリ装置５１と、逆投影演算装置５４とによって構成されている。メモリ装置５１は、逆投影領域テーブル５２、データ記憶部５３から成る。制御装置５０は、メモリ装置５１のデータ記憶部５３から所要のデータを読み出し、コンボリューションなど所定の処理を行なった後に逆投影演算装置５４に対して出力する。また制御装置５０は、メモリ装置５１の逆投影領域テーブル５２から該当するビューの逆投影領域テーブルを読み出して逆投影演算装置５４に対し出力する。逆投影演算装置５４は、制御装置５０から出力されたデータ及び逆投影領域テーブルに従って、所定の領域への逆投影演算を行なう。その演算結果はメモリ装置５１のデータ記憶部５３に記憶される。
【００１５】
ここで、本発明の特徴点に係る無円Feldkamp再構成法について説明する。
先ず図３に示すように、ある焦点位置Ｆから照射したビームの“質”を考えた場合、ボクセルＡを通過するビームはコーン角が大きいので質が悪く、ボクセルＢを通過するビームはコーン角が小さいので質が良い。ＳＰＥＣＴ装置におけるコリメータ精度によるデータの質の変化等とは原因が異なるがコーンビームＣＴにおいても類似の結果となる。
【００１６】
そこで、図４（ａ）に示すように任意のボクセルＣに対してＦｓ（Ｃ）からＦｅ（Ｃ）までの焦点から逆投影する。図４（ａ）はボクセルＣに対する最適な投影角度を示している。
【００１７】
これを任意の焦点位置から考えた場合、図４（ｂ）に示すように焦点Ｆと回転中心Ｏとを結んだ線分を直径とする円（“無円”と称する）と、その外側の領域（“彼岸”と称する）を考え、当該焦点位置からのデータを“彼岸”に逆投影する。
【００１８】
再度、任意のボクセルＣから考えると、図５に示すように、焦点ＦｓからＦｅまでの間にボクセルＣは“彼岸”領域に含まれていることが分かる。
この再構成領域“彼岸”を三次元的に描くと図６に示す通りとなる。
【００１９】
結果として、図７に示すように、再構成可能領域Ｈ（図１６参照）のほぼ倍になるようなＨ’を得ることができる。このときＨ’は次式（２）によって表される。
【００２０】
Ｈ’＝２×ＦＣＤ・ｔａｎβ
＝ＦＣＤ／（ＦＣＤ−ｗ）×Ｈ            …（２）
さらに本実施形態では、三次元逆投影する領域をやや広げ、境界領域でのデータに重み付け演算によるスムージング処理を施す。これにより逆投影する領域（“彼岸”）と逆投影しない領域（“無円”の中）との明瞭な境界に起因して起こるアーチファクトを低減することができる。
【００２１】
また、“無円”と称した逆投影境界領域を真円形ではなく、図８（ｂ）又は（ｃ）に示すように楕円形にし、データの質が余り変わらない領域には逆投影を行なうように構成しても良い。
【００２２】
ここで、１回転→被写体移動→１回転の繰り返しによるボリュームスキャンを行う場合を考える。従来の３６０°のデータによる３次元再構成による場合には、図９（ａ）に示すように１回の移動距離がＨになってしまう。
【００２３】
一方、本実施形態は、ボクセルごとに最適なデータとなる焦点角度のデータを逆投影して３次元再構成するものであり、このため３次元逆投影する領域を焦点角度とボクセルの座標（ここでは２次元座標）に対応して決定するようにしているので、図９（ｂ）に示すように、１回の移動距離をＨ’にすることが可能となり、高速に広範囲を撮影することが可能となる。
【００２４】
また、全ボクセルにわたって逆投影する焦点角度が同じであっても、以下の条件下においては再構成画像にいわゆる「ドーミング」が生じてしまう。
(1) 逆投影回数（ビュー数）がボクセルによって異なること
(2) 逆投影する際にコンボリューションデータに対して、焦点−ボクセル間の距離の２乗の逆比すなわち１／（距離）2 を乗じること
このようなドーミングによる画質劣化を低減するためには、例えば円筒のように均一なファントムを予めスキャンして再構成しておき、そのドーミングの程度から補正係数を算出して再構成画像に乗じることにより、再構成画像のボクセル値の信頼性を向上できる。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態に係るコーンビームＣＴにおける無円Feldkamp再構成によれば、ボクセルごとに最適なデータとなる焦点角度のデータを逆投影して３次元再構成するようにし、このため３次元逆投影する領域を焦点角度とボクセルの座標（ここでは２次元座標）に対応して決定するようにしているので、１回の移動距離を拡大することができ、高速に広範囲を撮影することが可能となる。
【００２６】
また、三次元逆投影する領域をやや広げ、境界領域でのデータに重み付け演算によるスムージング処理を施すことにより、逆投影する領域（“彼岸”）と逆投影しない領域（“無円”の中）との明瞭な境界に起因して起こるアーチファクトを低減することができる。
【００２７】
なお、本実施形態の変形例として、ボクセルごとではなく、ある領域ごとに逆投影する焦点角度を設定するようにしても良い。また本実施形態においては、ボリュームスキャンを行なうものとして説明したが、ヘリカルスキャンを行なうように構成しても良い。この場合、例えば上記Ｈ’をヘリカルピッチにする。
【００２８】
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態は、スライス方向に沿って無円の形状を変形させ、３６０°領域と無円領域との切り分けを行なうようにした装置に関する。当該コーンビームＣＴシステムの最大コーン角βが余り大きくない場合、中心付近の高さＨの領域を通常の３６０°分のデータで再構成しても画質は充分に良い。また、逆投影する焦点角度は広い方が、つまり逆投影するデータ数が多い方が画像のＳ／Ｎは向上する。
【００２９】
図１６から明らかなように、図７に示した再構成可能な領域のうち、中心付近の高さＨの領域は３６０°のデータを使って３次元逆投影できる。そこで、図１０（ａ）に示すように再構成可能な領域Ｈ’をスライス方向に沿って２つの領域（領域Ａ，Ｂ）に分割し、領域Ａについては３６０°のデータを用いた通常の３次元構成を行ない、一方領域Ｂは第１実施形態において述べたように、ボクセルごとに最適化した焦点角度の１８０＋ファン角度のデータによる３次元再構成を行うようにする。このため、本実施形態では画像再構成部３１の逆投影領域テーブル５２をＺ軸座標依存としている。
【００３０】
したがって、３次元逆投影する領域を焦点角度とボクセルの座標（ここではＺ軸座標を含む３次元座標）に対応して決定するようにしているので、再構成領域を拡大できるとともにＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３１】
なお、上述のように領域ＡとＢで再構成可能領域を厳密に２分割せず、図１１あるいは図１２に示すようにＺ座標に従って無円形状（境界）をなめらかに変化させても良い。
【００３２】
また、領域Ｂでは図１０（ｂ）に示すようにＺ座標に従って無円形状を変化させ、領域Ａは３６０°のデータを使って逆投影しても良い。
なお、第２実施形態においても、第１実施形態で述べたように、三次元逆投影する領域の境界をやや広げ、境界近傍のデータにスムージングを施すようにしても良い。
【００３３】
（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態は２回のスキャンで得られる無円領域を重ねて重みづけ加算するようにした装置に関する。第２実施形態において説明したように、領域Ａで３６０°のデータを用いた逆投影を行なう場合、領域ＡとＢとの境界においてＳ／Ｎの差が生じる。
【００３４】
そこで、図９（ｃ）に示すように１回の移動距離をあえてＨよりも大きく且つＨ’よりも小さく、例えばＨ”とする。このとき再構成領域は、Ｆ（ｋ）およびＦ（ｋ＋１）によるスキャンで得られる３６０°のデータで再構成される領域Ａ（ｋ）およびＡ（ｋ＋１）と、Ｆ（ｋ）およびＦ（ｋ＋１）によるスキャンで得られるデータであって第２実施形態の方法で再構成される領域Ｂ（ｋ）およびＢ（ｋ＋１）と、２つのスキャンで重複する領域Ｃ（ｋ，ｋ＋１）に分類される。
【００３５】
ここで、領域Ｃ（ｋ，ｋ＋１）では、Ｆ（ｋ）のスキャンで得られるデータを第２実施形態の無円法を用いて逆投影した結果と、Ｆ（ｋ＋１）のスキャンで得られるデータを同様に逆投影したデータとを、Ｚ座標に依存した重みで重みづけ加算して再構成する。重みづけ加算は、必要な焦点角度分の逆投影演算を行ったデータ（すなわちボクセルデータ）の加算でも良いし、１つの焦点角度（１ビュー）の逆投影演算のデータの加算でも良く、またはコーン角の差を無視し、逆投影演算前のコンボリューションデータの加算であっても良い。
【００３６】
本実施形態の変形例として、重み付け加算の際の重みを一定値あるいはＺ座標依存ではなく、焦点角度依存にする、あるいはボクセルごとで可変とする、など適宜変更可能である。
【００３７】
このような第３実施形態によれば、再構成可能な領域を重ね合わせる、すなわちボクセルごとあるいは領域ごとに最適化した焦点角度の２回転分のデータを逆投影するようにしているので、ハーフ再構成に起因するＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず種々変形して実施可能である。例えば、３次元逆投影領域の決定にあたっては、本発明の手法を用いた上で、実際の逆投影演算を下記のいずれか、あるいは他の方法と組み合わせて良い。
［１］“センタリング面を用いた逆投影法”
［２］“直接逆投影法”
［３］“コーンパラ変換による逆投影法”
あるいは、１ビューの２次元投影データをスライス方向にコンボリューションした後に３次元逆投影するなど、Feldkamp再構成を応用した、逆投影演算を用いたさまざまな３次元再構成法が知られており、本発明は少なくとも逆投影演算を用いる種々の３次元画像再構成法に対して適用可能であり、Feldkamp再構成法に限定されるものではない。
また、本発明はＣＴのみに限定されず、ＳＰＥＣＴ、ＰＥＴなど種々のモダリィティにも適用可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば再構成可能な領域の拡大、コーン角の影響による画質劣化の低減、そしてハーフ再構成に起因するノイズ低減を図ったＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るコーンビームＣＴの概略構成を示すブロック図。
【図２】上記第１実施形態に係る画像再構成部の詳細構成を示すブロック図。
【図３】上記第１実施形態に係るＸ線ビームのパスと同一平面における個々のピクセル間の関係を示す図。
【図４】上記第１実施形態に係るボクセルＣに対する最適な逆投影角度を示す図。
【図５】上記第１実施形態に係る“無円”および“彼岸”を示す図。
【図６】上記第１実施形態に係る“彼岸”を三次元的に示す図。
【図７】上記第１実施形態に係る再構成可能領域を示す図。
【図８】上記第１実施形態に係る“無円”の形状の変形例を示す図。
【図９】上記第１実施形態に係るボリュームスキャンにおける再構成可能領域を示す図。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る再構成可能領域を示す図。
【図１１】上記第２実施形態に係る“無円”の形状の変形例を示す図。
【図１２】上記第２実施形態に係る“無円”の形状の変形例を示す図。
【図１３】本発明の従来例に係るファンビームＣＴの検出器の構成を示す図。
【図１４】本発明の従来例に係るＣＢＰ法による再構成処理の流れを示す図。
【図１５】本発明の従来例に係るハーフ再構成における焦点角度を示す図。
【図１６】本発明の従来例に係るFeldkamp再構成法における再構成可能領域を三次元的に示す図。
【図１７】本発明の従来例に係るコーンビーム再構成におけるＦＯＶを示す上面図及び側面図。
【符号の説明】
１０…コーンビームＣＴ
１１…システム制御部
１３…架台・寝台制御部
１５…寝台移動部
１７…Ｘ線制御装置
１９…高電圧発生装置
２１…Ｘ線管
２３…面検出器
２５…架台
２７…データ収集部
３１…画像再構成部
３３…表示部
【図１】
0003788846.tif 000002
【図２】
0003788846.tif 000003
【図３】
0003788846.tif 000004
【図４】
0003788846.tif 000005
【図５】
0003788846.tif 000006
【図６】
0003788846.tif 000007
【図７】
0003788846.tif 000008
【図８】
0003788846.tif 000009
【図９】
0003788846.tif 000010
【図１０】
0003788846.tif 000011
【図１１】
0003788846.tif 000012
【図１２】
0003788846.tif 000013
【図１３】
0003788846.tif 000014
【図１４】
0003788846.tif 000015
【図１５】
0003788846.tif 000016
【図１６】
0003788846.tif 000017
【図１７】
0003788846.tif 000018