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【発明の名称】 Ｘ線画像を形成するための方法及び装置
【発明者】 【氏名】ミヒャエル グラス

【氏名】ジールド リチャード ケムカース
【要約】 【課題】異なる軌跡（Ｔ１，Ｔ２）に沿って連続的に収集される少なくとも２つの一連の投影データセット（Ｐ１，Ｐ２）から形成される３Ｄデータセット（Ｓ１，Ｓ２）からできるだけアーチファクトの無いＸ線画像を形成する。

【解決手段】一連の投影データセットを収集する間の患者の動きを中和するため、或る３Ｄデータセット（Ｓ１）のボクセルが選択され、適切な類似性尺度で他の３Ｄデータセット（Ｓ２）におけるボクセル位置が決定されるように、３Ｄデータセットの互いに関する空間位置を表す変換規則（Ｆ）を決定する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 異なる軌跡に沿って連続的に得られる少なくとも２つの一連の投影データセット、各一連の投影データセットから形成される各３Ｄデータセット、及び変換規則からＸ線画像を形成する方法であって、前記変換規則が、３Ｄデータセットの互いに関する空間内の位置を表すものであって、１つの３Ｄデータセットのボクセルが選択され、他の３Ｄデータセットにおける前記ボクセルの位置が適切な類似性尺度により決定されるようにするものであり、前記Ｘ線画像が前記変換規則により結合される３Ｄデータセットから形成される方法。
【請求項２】 前記変換規則を決定するために、３Ｄデータセットのサブ体積毎に複数のボクセルが選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】 前記変換規則を決定するために、重要な画像情報を含む個々のサブ体積が選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】 平均絶対差、平均２乗差、２重相関又はピアソンの線形相関が前記類似性尺度として用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】 前記投影データセットが、ＣアームＸ線装置又はコンピュータトモグラフ装置により得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】 とりわけ請求項１に記載された方法を実行するＸ線装置であって、前記Ｘ線装置が、検査される物体の周囲に、異なる軌跡に沿う複数の一連の投影データセットを収集するためのＸ線検出器及びＸ線源を含むとともに、各一連の投影データセットから３Ｄデータセットを形成するための再構成ユニットと、演算ユニットとを含み、前記演算ユニットは、３Ｄデータセットの互いに関する空間内の位置を表す変換規則が、或る３Ｄデータセットのボクセルを選択し、適切な類似性尺度により他の３Ｄデータセットにおけるボクセルの位置を決定することにより決定されるように構成され、Ｘ線画像が前記変換規則により結合される３Ｄデータセットから形成されることを特徴とするＸ線装置。
【請求項７】 前記Ｘ線装置が、ＣアームＸ線装置又はコンピュータトモグラフ装置であることを特徴とする請求項６に記載のＸ線装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、異なる軌跡に沿って連続的に得られる少なくとも２つの一連の投影データセット、各一連の投影データセットから形成される各３ＤデータセットからＸ線画像を形成する方法に関する。本発明は、この方法を実行するために特に適したＸ線装置にも関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の方法及び装置はヨーロッパ特許出願公報ＥＰ８６０６９６Ａ２から既知である。この文献では、ＣアームＸ線装置により、２つの半円の軌跡に沿って２つの一連の投影データセットが得られる。これら軌跡は互いに６０°の角度で延在している。各一連の投影データセットは各３Ｄデータセットを形成し、このデータから各再構成画像を形成することができる。単一の３Ｄデータセットは完全で正しい再構成をするのに適切なデータを含んでおらず、この再構成の間にアーチファクトが生じるため、二つ（又はそれ以上の）３Ｄデータセットは、重み付けられて加算されることにより結合される。所望の画像は、結果として得られたデータから再構成により形成される。この画像にはアーチファクトはほとんど生じない。
【０００３】異なる軌跡に沿った一連の投影データセットの収集は、通常、時間的に連続して行われる。その後の結合及び再構成において、投影データセット、又はこのデータセットから形成される３Ｄデータセットの互換性を最適にするため、例えば患者等の検査される物体はデータ収集の間動かないことが要求される。個々の一連の投影データセットの収集の間、特に検査される物体の位置は常に同一にすべきであり、検査される物体の直進又は回転の動きはできるだけ小さくすべきである。しかしながら、実際に患者を検査する間に、上記の動きを小さくするということを完全に成し遂げることはほとんどできないため、投影データセットを収集する間、Ｘ線画像を例えば模型で再生することも知られている。斯かる模型は、整合の取れた３Ｄデータセットが得られるように、微細な調整に対して用いることができる。この操作はユーザにより行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】それ故に、本発明は、ユーザが微細な調整を行わなくても３Ｄデータセットを結合することができる方法を提供することを目的とする。本発明は、この目的に適するように構成されたＸ線装置を提供することも目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】これらの目的は、請求項１に開示された方法及び請求項６に開示されたＸ線装置により達成される。
【０００６】本発明は、検査される同一の物体は全ての３Ｄデータセットで再生され、それ故に、個々の構成を全ての３Ｄデータセットでトレースすることができるという事実の認識に基づいている。本発明では、この事実は、第１の３Ｄデータセットの少なくとも１つのサブ体積のボクセル画像値を選択し、これらの値を他の３Ｄデータセットから求め、これらのことから変換規則を得るために用いられる。この変換規則は、個々の３Ｄデータセットを形成する間に直進又は回転動作が生じる場合、この動作を表すものである。一般的に、サブ体積Ｖ２は自動的に選択される。第１の３Ｄデータセットから選択されるボクセルを他の３Ｄデータセットから探すときには、他の３Ｄデータセットから対応するボクセルを発見するための適切な類似性尺度が用いられる。
【０００７】所望の精度に依存して、この方法は、３Ｄデータセットにより表される全体積に渡ってできるだけ分配されるべき適正な数のボクセルを用いて実行することができる。発見された１つ又は複数の変換規則は、検査される物体の動きを補正し、３Ｄデータセットを整合し、これらのデータセットを完全なデータセットが形成されるように結合し、このデータセットから所望の画像を形成するために用いられる。本発明の方法によれば、模型物体又はＸ線画像で再生される他のマーカを利用しなくても、前述の内容を実現することができる。本発明の方法は、自動的に、つまりユーザが介在しなくても実行することができる。
【０００８】請求項２及び３では、変換規則を決定するために、３Ｄデータセットの各サブ体積におけるいくつかのボクセル及び／又は重要な画像情報を含む個々のボクセルが有利に選択される。
【０００９】請求項４に示された関数が類似性尺度として用いられることが好ましい。しかしながら、他の方法も実現可能である。
【００１０】本発明に係る方法は、主にＣアームＸ線装置に用いられるが、コンピュータトモグラフ装置にも用いることができる。本発明は、円錐形のＸ線ビームを含むコンピュータトモグラフ装置又はＸ線装置に用いることもできる。
【００１１】請求項６には、Ｘ線源、Ｘ線検出器、再構成ユニット及び演算ユニットを含む本発明に係るＸ線装置が開示されている。
【００１２】本発明は、図を参照しながら以下に詳細に記載されている。
【００１３】
【本発明の実施の形態】図１に示すＣアームＸ線装置１は、このＣアーム２０の一端に取り付けられたＸ線管２と、このＣアーム２０の他端に取り付けられたＸ線検出器３とを含む。このＸ線管２は円錐形のＸ線ビーム１４を発生する。このＸ線ビーム１４は、例えば、検査領域内の患者テーブル４に寝かされた患者等の検査される物体１３に照射され、この物体１３に照射されたＸ線ビーム１４は２次元Ｘ線検出器３に入射する。Ｘ線管２及びＸ線検出器３は、Ｃアーム２０に備えられたレール７を介してｙ軸を中心に回転可能である。複数のアーム及びリンク５，６によるサスペンションのため、Ｃアーム２０の位置を異なる方向に変えることができる。例えば、Ｃアーム２０はｘ，ｙ及びｚ軸を中心に回転可能である。
【００１４】Ｘ線を異なる位置から投影しデータを収集するための動きは制御ユニット８により制御される。得られた投影は再構成ユニット９に供給される。この再構成ユニット９は、軌跡に沿って得られた一連の投影から、各３Ｄデータセット及びこのデータセットから構成可能な再構成画像を形成する。次に、このような３Ｄデータセット又は再構成画像は演算ユニット１０に供給される。この演算ユニット１０は、本発明の方法に従って、個々の３Ｄデータセットの間の変換規則（又は変換用の変換パラメータ）を決定し、この変換規則により３Ｄデータセットから所望のＸ線画像を最終的に決定する。この所望のＸ線画像はモニタ１１に表示される。
【００１５】図２は、２つの軌跡Ｔ１及びＴ２を表す概略図を示す。各軌跡は、投影データセットを収集する間、Ｘ線検出器３の検出器表面の中心が通過する経路を示す。それ故に、軌跡は、各投影を行うときの全Ｘ線位置に渡って延在する曲線である。図示されている例では、軌跡Ｔ１及びＴ２はそれぞれ半円を描き、２α＝９０°の角度で傾いている。第１の３Ｄデータセットは軌跡Ｔ１に沿って得られる投影から形成されるのに対し、第２の３Ｄデータセットは軌跡Ｔ２に沿って得られる投影から形成される。これらデータセットの整合を取るために、つまり、第１の一連の投影と第２の一連の投影とを行っている間に患者が直進又は回転しないようにするために、以下に図３を参照しながら詳細に記載されるようなやり方で、２つの３Ｄデータセットの間の変換規則が決定される。
【００１６】図３に示すブロック図には、ブロック２０１及び２０２において、投影Ｐ１（α１）及びＰ２（α２）２つのセットが開始点として記号で示されている。これら２つのセットは、基準面を基準にそれぞれ角度α１及びα２で延在する２つの軌跡Ｔ１及びＴ２に沿って得られる。ブロック２１１及び２１２において、各３ＤデータセットＳ１，Ｓ２が投影データセットＰ１，Ｐ２から形成される。
【００１７】次に、ブロック２２において、２つの３ＤデータセットＳ１，Ｓ２から変換規則が決定され、２つのデータセットの一方（又は双方）に（例えばＳ１に）適用される。
【００１８】変換規則は例えば以下のようにして得られる。
ａ） サブ体積Ｖ１（つまり、３Ｄデータセットにより再生される体積の一部）のボクセル（例えば１６×１６×１６）が、２つの３Ｄデータセットの１つ、例えばデータセットＳ１から選択される。この選択は、例えば、できるだけ高いコントラストを有するサブ体積（この場合は、サブ体積におけるボクセル画像値がこれらの平均値からできるだけ離れている）を選択することにより、自動的に行うことができる。
ｂ） 次に、そのサブ体積Ｖ１におけるボクセルの座標ｘ１を、例えば以下の関係式に従って変換する。
【数１】

ここで、ｘ１，ｘ２，ｕ，ｔはベクトルであり、ツ は、原点を中心とした座標系の回転についての座標変換を表す回転マトリックスである。上記ベクトルのうちのベクトルｘ１のみが既知である（これは、ボクセルと座標の原点とを接続するベクトルである）。ベクトルｕは回転の中心となる点の座標を表し、ｔはボクセルの変換に対応するベクトルである。結果として得られるベクトルｘ２は、第２の３Ｄデータセットにより表される体積におけるボクセルの座標を表す。サブ体積の全ボクセルが変換されると、第２のデータセットＳ２において同じ大きさのサブ体積Ｖ２が得られる。
ｃ） 次に、サブ体積Ｖ２のボクセル画像値と、第１の３ＤデータセットＳ１のサブ体積Ｖ１のボクセル画像値との間の相関関係が、類似性尺度により評価される。次に、第２のデータセットから選択されたサブ体積の位置及び／又は方向が（ｕ，ｔ等の変化により）変化し、このサブ体積とサブ体積Ｖ１との間の類似性が類似性尺度により評価される。これらステップは、３ＤデータセットＳ１のサブ体積Ｖ１に最も相関があるサブ体積が３ＤデータセットＳ２から見つかるまで繰り返し行われる。そして、関連する変換パラメータ（ｕ，ｔ又はツ ）により変換規則が規定される。
【００１９】例えば、類似性尺度として、２つの体積についてのボクセル画像値の平均絶対差ＭＡＤを用いることができる。
【数２】

ここで、ｎは、サブ体積Ｖ１又はＶ２におけるボクセルの数であり、Ｖ１ｉ及びＶ２ｉは、第１のサブ体積Ｖ１及び第２のサブ体積Ｖ２それぞれのｉ番目のボクセルの画像値である。平均絶対差を最小にする代わりに、例えば、２乗の差の平方根を最小にしたり、類似性を適切な相関係数（例えば、相互相関、二重相関又はピアソンの線形相関）により評価することができる。
【００２０】サブ体積から変換パラメータを抽出することにより、３Ｄデータセットの全てのボクセル画像値を利用してこれらのパラメータが決定される場合よりも、計算時間が少なくて済む。しかしながら、精度が悪くなり、ノイズによる影響を受ける。この精度は、各３Ｄデータセットに対して２つ又はそれ以上のサブ体積を考慮し、異なるサブ体積に対して求めた変換パラメータを平均することにより向上させることができる。
【００２１】上記の変換は、検査領域内に存在する検査される物体が剛体であるという仮定に基づいている。しかしながら、この物体は変形可能なものであってもよい。変換パラメータの位置依存性は、いわゆる”弾性マッチング（elastic matching）”法により決定することができる。
【００２２】ブロック２３では、変換に従って互いに対応するボクセル画像値の和を好ましくは重み付けすることにより、変換された３ＤデータセットＳ１及びＳ２から、改善された３ＤデータセットＳを決定する。ボクセル画像値に乗算される重付け係数が大きいと、関連する軌跡Ｔ１又はＴ２により規定される面からのボクセルの距離は小さく（逆の場合も同様である）、ノイズ及びアーチファクトは小さい。なぜならば、上記の面から比較的離れて位置するボクセルにおいては、２つの３ＤデータセットＳ１及びＳ２のアーチファクトがよりはっきりとするからである。
【００２３】図４は、本発明に係るコンピュータトモグラフ装置を示す。円錐形のＸ線ビーム１５を生成するためのコリメータ１９を伴うＸ線源２’及び検出器３’が円環型のガントリ１８に取り付けられている。投影を得るために、Ｘ線源２’及び検出器３’は、ｚ軸に沿って配される検査される物体１３を中心として回転する。この目的のため、ガントリ１８は、制御ユニット８’により制御されるモータドライバ１６により駆動される。得られた投影は、３Ｄデータセット及び演算ユニット１０に供給される再構成画像を形成するための再構成ユニット９に供給される。変換規則の形成及び次のＸ線画像の形成は、上記のＣアームＸ線装置１の場合と同様であるため、これらについては省略する。
【００２４】図示されたＸ線装置は本発明の単なる実施例である。本発明は、複数の３Ｄデータセットから完全なデータセットを形成し、これによりＸ線画像を形成する他のＸ線装置にも適用することができる。図２に示すような軌跡及びその数も単なる例として示されている。投影は別の軌跡に沿って得ることもでき、又は２つ以上の軌跡に沿って得ることもできる。これら軌跡としては、例えば、２つ又は２つ以上の平行となる完全な円の軌跡や、互いに垂直に広がる２つの完全な円の軌跡がある。
【出願人】 【識別番号】５９００００２４８
【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ
【氏名又は名称原語表記】Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｎ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １，５６２１ ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ
【出願日】 平成１３年１月１８日（２００１．１．１８）
【代理人】 【識別番号】１０００８７７８９
【弁理士】
【氏名又は名称】津軽 進 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−２３８８７７（Ｐ２００１−２３８８７７Ａ）
【公開日】 平成１３年９月４日（２００１．９．４）
【出願番号】 特願２００１−１０３１７（Ｐ２００１−１０３１７）