コヒーレント散乱コンピュータ断層撮影法
コヒーレント散乱Ｘ線からの既知の再構成法は非厳密再構成法を使用する。本発明によると、散乱Ｘ線光子の波数ベクトル移動量ｑの比較的幅広いスペクトルが収集される。投影データは、ｘ−ｙ−ｑ空間における線積分として解析され、投影データは、いかなる線源軌道に沿った収集にも対応するように再ソートされる。これにより、厳密螺旋形再構成アルゴリズムが適用され、冗長データがより良い画質を得るために使用されることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、扇ビームが関心の対象に当てられるコヒーレント散乱（coherent-scatter）コンピュータ断層撮影法（ＣＳＣＴ）の分野に関する。特に、本発明は、コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータ処理装置、関心の対象を検査するコンピュータ断層撮影装置、コンピュータ断層撮影データの再構成を実行する方法及びコンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許公報ＵＳ４７５１７２２号は、ビームの方向に関して１°ないし１２°の角度内のコヒーレント散乱放射線の角度分布のレジストレーションの原理に基づく装置を記載している。米国特許公報ＵＳ４７５１７２２号に記載されているように、弾性散乱放射線の主な部分は、１２°未満の角度内に集中しており、前記散乱放射線は、明確な最大値を持つ特徴的な角度依存性を持ち、前記明確な最大値の位置は照射される物質自体により決定される。小さな角度におけるコヒーレント散乱放射線の強度の分布は、前記物質の分子構造に依存するので、（従来の透光テスト（transillumination）又はＣＴでは区別されることができない）等しい吸収能力を持つ異なる物質は、各物質に典型的なコヒーレント放射線の角度散乱の強度の分布によって区別されることができる。
【０００３】
異なる対象材料を区別するためにこのようなシステムの改良された能力により、このようなシステムは、医療又は工業分野でより多くの応用を見つける。
【０００４】
低角度散乱の主要な成分は、コヒーレント散乱である。コヒーレント散乱は、散乱サンプルの原子配置に依存する干渉効果を示すので、コヒーレント散乱コンピュータ断層撮影法（ＣＳＣＴ）は、原理的に、２次元対象断面を横切る組織の分子構造における空間的変化を撮像する高感度な方法である。
【０００５】
Harding他、“Energy-dispersive x-ray diffraction tomography” Phys. Med. Biol., 1990, Vol.35, No.1, 33-41は、多色性（polychromatic）放射線による対象内で励起されたコヒーレントＸ線散乱の固定角度におけるエネルギ解析に基づく断層撮影法を記載している。この方法によると、放射線ビームは、適切な開口システムを使用して作成され、鉛筆の形を持ち、したがってペンシルビームとも称される。ペンシルビーム源の反対側には、エネルギ解析に適した１つの検出器素子が、関心の対象により変更されたペンシルビームを検出するために配置される。
【０００６】
ＣＴと組み合わせた２次元検出器及び扇ビームの一次ビームを使用するコヒーレント散乱セットアップは、米国特許公報ＵＳ６４７００６７Ｂ１号に記載されている。多色性線源と組み合わせた角度分散セットアップの欠点は、ぼやけた散乱関数であり、これは、例えばSchneider他、“Coherent Scatter Computed Tomography Applying a Fan-Beam Geometry” Proc. SPIE, 2001, Vol.4320, 754-763に記載されている。
【０００７】
医療用撮像又は非破壊試験の分野で競争力のあるモダリティになるために、実装される再構成アルゴリズムは、よい画質及び短い再構成時間の両方を保証するべきである。
【０００８】
これまで、扇ビームＣＳＣＴで収集された投影データは、例えば代数的再構成法（ＡＲＴ）の助けで再構成される。ＡＲＴは、例えば、J. A. Grant他“A reconstruction strategy suited to x-ray diffraction tomography”, J.Opt. Soc. Am A12, 291-300 (1995)により高度に多用途であることが示されている。しかしながら、このような反復的な再構成の計算の複雑性により、このような方法は、比較的長い再構成時間を必要とする。
【０００９】
更に、全ての既知のアプローチは、厳密でない再構成法を適用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、断層撮影データの改良された再構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載された本発明の例示的実施例によると、上記目的は、エネルギ分解検出器素子（energy resolving detector elements）を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴ（コンピュータ断層撮影）データから再構成されるコンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータ処理装置により解決されることができる。更に、前記収集されたＣＴデータ及び前記コンピュータ断層撮影データの少なくとも一方を記憶するメモリが備えられる。また、前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量（wave-vector transfer）を決定し、再構成体積を決定するように適合されたプロセッサも備えられる。再構成体積の寸法は、前記波数ベクトル移動量により決定される。前記波数ベクトル移動量は、前記再構成体積における曲線を表す。この場合、本発明の一態様によると、前記ＣＴデータの再配置は、前記再構成体積内の所望の線源軌道に沿った収集に対応するように実行される。
【００１２】
有利には、本発明のこの例示的実施例によるデータ処理装置は、前記検出器の読み出し部からの画像のような再構成データに対して準厳密（quasi-exact）再構成法を実行することができる。この文脈において、用語“再構成”は、前記検出器からの測定されたデータの読み出しから、例えばディスプレイ又はこれらの読み出しに基づく材料識別のような情報の出力部における実際に再構成されたデータの表示までのステップ又は処理をカバーするものとして理解されるべきである。
【００１３】
再構成空間における曲線又は線積分としての投影データの解析及び使用された放射線源が所望の線源軌道に沿って移動される場合の収集に対応するような前記収集されたＣＴデータの適切な再ソートは、厳密螺旋形再構成アルゴリズムを実現することを可能にすることができる。
【００１４】
換言すると、本発明のこの例示的実施例によると、前記放射線源は、データ収集に対して円のような第１の軌道に添って移動されることができる。この場合、前記データは、前記第１の軌道とは異なってもよい第２の軌道に沿って移動された放射線源を用いて収集されたかのようなデータに対応するように再配置される。前記第２の軌道は螺旋形であってもよい。
【００１５】
請求項２に記載された本発明の他の例示的実施例によると、前記収集されたＣＴデータは、第１の線源運動で収集され、前記データは、第２の異なる線源運動で収集されたデータに対応するように前記再構成体積内に再配置される。例えば、前記第１の線源運動は円であってもよく、前記第２の線源運動は螺旋形であってもよい。前記収集されたＣＴデータのこの再順序付け又は再編成により、例えば、ここに参照により組み入れられるKatsevich “Analysis of an exact inversion algorithm for spiral cone-beam CT”, Phys. Med. Biol., vol. 47, p 2583-2597, 2002に記載されたように当技術分野において既知である厳密螺旋形再構成アルゴリズムは、前記データを準厳密に再構成するために使用されることができる。
【００１６】
請求項３に記載された本発明の他の例示的実施例によると、フィルタ逆投影が、前記再構成体積内の双曲線であることができる曲線に沿って実行される。
【００１７】
本発明の他の例示的実施例によると、前記再構成体積の３つの次元は、波数ベクトル移動量及び放射線源の回転面の２つの線形独立ベクトルにより定められる。更に、前記検出器は、放射線源、例えば多色性Ｘ線源の完全なエネルギスペクトルを達成することを可能にする２次元検出器である。これは、散乱Ｘ線光子の波数ベクトル移動量の比較的幅広いスペクトルを生じる。これにより、冗長データが収集され、前記冗長データはより良い画質を得るために使用されることができる。
【００１８】
請求項５に記載された本発明の他の例示的実施例によると、前記収集されたＣＴデータの再配置が、Johnの方程式（John’s equation）を使用することにより実行される。請求項６に記載された本発明の他の例示的実施例によると、非常に単純な線形方程式が与えられ、これは、前記再構成体積内の螺旋形軌道のデータ収集を実行し、前記コンピュータ断層撮影データの速く、正確な、準厳密再構成を可能にする。
【００１９】
請求項７に記載された本発明の他の例示的実施例によると、Ｘ線源の反対側の検出器ユニットに配置された散乱放射線検出器を持ち、前記散乱放射線源が前記Ｘ線源及び前記散乱放射線検出器の回転軸に平行な方向に前記Ｘ線源により生成された扇形Ｘ線ビームのスライス面に対してオフセットを持つように配置された、コンピュータ断層撮影装置が提供される。前記散乱放射線検出器は、複数のエネルギ分解検出器素子を有する。本発明のこの例示的実施例の一態様によると、前記散乱放射線検出器を使用することにより収集された前記収集されたＣＴデータの再配置は、前記Ｘ線源が前記再構成体積内の所望の線源軌道に沿って移動される場合の収集に対応するように実行される。換言すると、前記収集されたＣＴデータは、前記データ収集中に前記Ｘ線源の実際の運動とは異なり得る前記Ｘ線源及び前記散乱放射線検出器の所望の運動を用いて収集されたかのように再配置される。
【００２０】
有利には、本発明のこの例示的実施例によると、例えばＸ線画像の準厳密螺旋形再構成を実行することができるコンピュータ断層撮影装置が提供される。有利には、これは、改良された画質及び速い再構成を可能にすることができる。
【００２１】
請求項８に記載された本発明の他の例示的実施例によると、前記散乱放射線検出器は、２次元検出器、即ち例えば多色性Ｘ線源の完全なエネルギスペクトルを達成することを可能にすることができる２次元エネルギ分解検出器である。これは、散乱Ｘ線光子の波数ベクトル移動量の比較的幅広いスペクトルを生じることができる。前記再構成体積内の線積分としての投影データの解析、及び螺旋形線源軌道に沿って取られたかのようなデータの再ソートは、厳密螺旋形再構成アルゴリズムを適用することを可能にすることができる。更に、冗長データは、より良い画質を得るために使用されることができる。
【００２２】
請求項９ないし１１は、本発明によるコンピュータ断層撮影装置の他の例示的実施例を与える。
【００２３】
請求項１２に記載された本発明の他の例示的実施例によると、２次元エネルギ分解検出器であってもよいエネルギ分解検出器を用いて収集されたＣＴデータを、螺旋形線源軌道に沿った収集により取られたかのように再配置するステップを有するコンピュータ断層撮影データの再構成を実行する方法が提供される。
【００２４】
有利には、本発明のこの例示的実施例によると、前記データの厳密再構成を可能にする非常に速く効率的な方法が提供されることができ、これは改良された画質を可能にすることができる。
【００２５】
請求項１３及び１４は、本発明による前記方法の他の例示的実施例を与える。
【００２６】
請求項１５に記載された本発明の他の例示的実施例によると、コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムが提供される。本発明による前記コンピュータプログラムは、好ましくは前記データプロセッサのワーキングメモリにロードされる。前記データプロセッサは、したがって、本発明の前記方法を実行するように備えられる。前記コンピュータプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読取可能媒体に記憶されることができる。前記コンピュータプログラムは、WorldWideWebのようなネットワーク上で与えられることもでき、こ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にダウンロードされることができる。
【００２７】
本発明の例示的実施例の要点は、円形の収集の間に収集されたデータ（即ち、例えば、２次元エネルギ分解検出器からのデータ読み出し）の再ソート又は外挿が、前記データがｘ−ｙ−ｑ空間又は再構成体積における収集に対して実際に使用される異なる線源軌道に沿った収集に対応するように実行されることであると見なされることができる。換言すると、例えば、円形の収集の間に収集されたデータは、螺旋形の線源軌道を用いた収集により取られたかのようにｘ−ｙ−ｑ空間においてデータを表すように再ソート及び／又は外挿される。有利には、これは、螺旋形線源軌道に適合された既知の再構成アルゴリズムが使用されることができるので、準厳密螺旋形再構成を可能にすることができる。更に、本発明の一態様によると、前記放射線源の完全なエネルギスペクトルを達成することを可能にする２次元エネルギ分解検出器が使用されることができ、これは、散乱光子の波数ベクトル移動量の比較的幅広いスペクトルを生じる。有利には、これは、改良された画質及び改良されたデータ再構成を可能にすることができる。
【００２８】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。
【００２９】
本発明の例示的実施例は、以下の図面を参照して以下に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明によるコンピュータ断層撮影の例示的実施例を示す。この例示的実施例を参照して、本発明は、手荷物内の爆発物のような危険な物質を検出する手荷物検査における応用について記載される。しかしながら、本発明が手荷物検査の分野の応用に制限されないが、例えば医療的応用における骨撮像又は組織タイプの識別のような他の医療又は産業的応用において使用されることもできる。
【００３１】
図１に描かれた装置は、多色性の一次扇ビームを用いる場合でさえも、エネルギ分解検出器及び断層撮影再構成と組み合わせて良いスペクトル解像度を可能にする扇ビームＣＳＣＴスキャナである。図１に描かれた前記ＣＳＣＴスキャナは、回転軸２の周りで回転可能なガントリ１を有する。ガントリ１は、モータ３を用いて駆動される。参照符号４は、本発明によると多色性放射線を放射するＸ線源のような放射線源を示す。
【００３２】
参照符号５は、放射線源４から放射された放射線ビームを円錐形放射線ビーム６に形成する第１の開口システムを示す。更に、ダイアフラム又はスリットコリメータからなる他の開口システム９が備えられる。開口システム９は、放射線源から放射される放射線が扇ビーム１１に形成されるようなスリット１０の形式を取る。本発明のこの例示的実施例の変形例によると、第１の開口システム５は省略されることもでき、第２の開口システム９のみが備えられてもよい。
【００３３】
扇ビーム１１は、ガントリ１の中心、即ち前記ＣＳＣＴスキャナの検査領域に配置された手荷物７を貫通し、検出器８に衝突するように向けられる。図１からわかるように、検出器８は、扇ビーム１１のスライス面が検出器８の行又はライン１５と交差するように放射線源４の反対側にガントリ１上に配置される。図１に描かれた検出器８は、夫々複数の検出器素子を有する７つの検出器ラインを有する。上述のように、検出器８は、主放射線検出器１５、即ち検出器８の中央のラインが扇ビーム１１のスライス面内になるように配置される。
【００３４】
図１からわかるように、検出器８は、２種類の放射線検出器ライン、即ち図１の網掛け無しで示される第１の種類の検出器ライン３０及び３４と、エネルギ分解検出器セルからなる検出器ラインとを有する。本発明の一態様によると、これら第１の検出器素子（ライン３０及び３４）は、エネルギ分解検出器素子である。好ましくは、前記エネルギ分解検出器素子は、直接変換（direct-converting）半導体検出器である。直接変換半導体検出器は−シンチレーション無しで−前記放射線を電荷に直接的に変換する。好ましくは、これらの直接変換半導体検出器は、１０％ＦＷＨＭより良いエネルギ解像度を持ち、即ち、ΔＥを前記検出器のエネルギ解像度の半値全幅（ＦＷＨＭ）としてΔＥ／Ｅ＜０．１である。
【００３５】
ライン３０及び３４のこのような検出器セルは、テルル化カドミウム即ちＣｄＺｎＴｅ（ＣＺＴ）ベースの検出器セルであってもよく、両方とも扇ビーム１１のスライス面の外側である。換言すると、両方のエネルギ分解ライン３０及び３４は、回転軸２に平行な方向における前記スライス面からのオフセットを持つようにＸ線源４の反対側にガントリ１において配置される。検出器ライン３０は、図１に描かれた回転軸２の方向について正のオフセットで配置され、ライン３４は、図１に描かれた回転軸２の方向について前記スライス面から負のオフセットで配置される。
【００３６】
検出器ライン３０及び３４は、前記ＣＳＣＴスキャナの検査領域内の手荷物７から散乱された散乱放射線を受け又は測定するように、前記スライス面と平行になり、ガントリ１の回転軸２の正又は負の方向のオフセットで前記スライス面の外になるようにガントリ１において配置される。したがって、以下、ライン３０及び３４は、散乱放射線検出器とも称される。本発明の好適な実施例によると、エネルギ分解ライン３０及び３４は２次元エネルギ分解散乱放射線検出器を形成することに注意しなければならない。換言すると、好ましくは、複数のエネルギ分解ライン３０及び３４はライン１５の両側に配置される。したがって、前記スライス面内に非エネルギ分解ライン１５のみを有し、前記スライス面から離間して配置されたエネルギ分解ラインを有する検出器８は有利であることができる。したがって、以下で用語“散乱放射線検出器”が使用される場合、これは、手荷物７から散乱された光子を受けるように、扇ビーム１１の扇面の外に配置されたエネルギ分解検出器セルの少なくとも２つのラインを持つ如何なる検出器をも含む。
【００３７】
網掛けにより示される検出器８に備えられた第２の種類の検出器ラインはシンチレータセルである。特に、ライン１５は、扇ビーム１１のスライス面内にあり、前記検査領域内の手荷物７により生じた放射線源４により放射された放射線の減衰を測定するように構成される。図１に描かれるように、ライン１５の左右に、シンチレータ検出器セルを含む他の検出器ラインが備えられてもよい。しかしながら、上で示されたように、シンチレータセルを持つ１つの検出器ライン、特に前記スライス面内のライン１５のみが存在してもよく、検出器８の残りのラインはエネルギ分解ラインであってもよい。これにより、２次元エネルギ分解検出器（このような散乱放射線検出器）が備えられることができる。
【００３８】
エネルギ分解ライン３０及び３４に関して既に示されたように、手荷物７により生じた前記スライス面内の扇ビーム１１の一次ビームの減衰を測定するライン１５のみの設備が十分であることができる。しかしながら、エネルギ分解ライン３０及び３４の場合、夫々複数のシンチレータセルを有する複数の検出器ライン３２の設備は、前記ＣＳＣＴスキャナの測定速度を更に増加することができる。以下、用語“一次放射線検出器”は、扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するシンチレータ又は同様な検出器セルの少なくとも１つのラインを含む検出器を参照するために使用される。
【００３９】
本発明の好適な実施例によると、２次元エネルギ分解検出器が備えられるように、複数のエネルギ分解ライン３０及び３４が備えられる。これは、後で画質を向上するために使用されることができる追加の冗長データを集めることを可能にすることができる。更に、これは走査時間を減少することを可能にすることができる。
【００４０】
１つのエネルギ分解ラインを用いて、波数ベクトル移動量に対する完全なスペクトルの一部のみが得られることができる。加えて、前記スペクトルは、前記スライス面又は走査面までの前記検出器ラインの距離により生じる下限値を持ちうる。したがって、２Ｄ（２次元）検出器を使用することは、波数ベクトル移動量のより幅広いスペクトルを生じることができる。特に、前記下限値は、比較的小さな値にシフトされることができる。更に、２Ｄ検出器は冗長データを生じることを可能にすることができる。本発明の例示的実施例の一態様によりこのデータを前処理することにより、これは厳密再構成法に対する入力として使用されることができる。
【００４１】
図１からわかるように、検出器８の検出器セルはライン及び列に配置され、前記列は回転軸２に平行であり、前記ラインは扇ビーム１１のスライス面に平行且つ回転軸２に垂直な平面内に配置される。
【００４２】
開口システム５及び９の開口は、手荷物７の走査領域が扇ビーム１１内であり且つ検出器８が完全な走査領域をカバーするように検出器８の寸法に適合される。有利には、これは、手荷物７に当てられる不要な余剰放射線を防ぐことを可能にする。手荷物７の走査中に、放射線源４、開口システム５及び９、並びに検出器８は、矢印１６で示される方向にガントリ１に沿って回転される。放射線源４、開口システム５及び９、並びに検出器１５を持つガントリ１の回転に対し、モータ３は、計算ユニット１８に接続されたモータ制御ユニット１７に接続される。
【００４３】
図１において、手荷物７は、コンベヤベルト１９上に配置される。上述のように本発明の例示的実施例によると、円形データ収集は、Ｘ線源４が円形線源軌道に沿って配置され、即ち手荷物７の運動無しで回転軸の周りで回転面において回転される場合に実行される。したがって、コンベヤベルト１９は、Ｘ線源４が手荷物７の周りの円形運動（即ち円形収集）を実行して十分なデータ収集を可能にする場合に、前記手荷物が不動であるように動作される。この場合、手荷物７は、たとえばプリセットインクリメントにより移動され、この場合、手荷物７の他のスライスの他の走査は、コンベヤベルト１９が動作されていない間に実行される。
【００４４】
検出器８は計算ユニット１８に接続される。計算ユニット１８は、検出結果、即ち検出器８の検出器素子からの読み出しを受け、検出器８から、即ち扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するライン１５及び３２並びにエネルギ分解ライン３０及び３４からの走査結果に基づいて走査結果を決定する。これに加えて、計算ユニット１８は、モータ３及び２０又はコンベヤベルト１９を用いてガントリ１の運動を調整するためにモータ制御ユニット１７と通信する。
【００４５】
計算ユニット１８は、一次放射線検出器、即ち検出器ライン１５及び３２並びに散乱放射線検出器、即ちライン３０及び３４の読み出しから画像を再構成するように適合される。計算ユニット１８により生成された画像は、インターフェース２２を介してディスプレイ（図１に示されていない）に出力されることができる。
【００４６】
データプロセッサにより実現されることができる計算ユニットは、検出器８の検出器素子から、即ちエネルギ分解ライン３０及び３４並びに扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するライン１５及び３２からの読み出しに対してフィルタ逆投影を実行するように適合されることができる。画像再構成の一部を形成する計算ユニット１８において実行される逆投影は、図７を参照して更に詳細に説明される。
【００４７】
更に、計算ユニット１８は、ライン３０及び３４並びに１５及び３２の読み出しに基づいて手荷物７内の爆発物の検出に対して適合されることができる。これは、これらの検出ラインの読み出しから散乱関数を再構成し、以前の測定の間に決定された爆発物の特徴的測定値を含む表と比較することにより自動的に行われることができる。計算ユニット１８が、検出器８から読み出された測定値が爆発物の特徴的測定値と一致することを決定する場合、計算ユニット１８は、ラウドスピーカ２１を介して警報を自動的に出力する。
【００４８】
特に、計算ユニット１８は、検出器８の読み出しから、特にエネルギ分解ライン３０及び３４の読み出しから収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量の決定を実行するように適合されることができる。図１からわかるように、前記データは、ｘ−ｙ−ｚ空間内の線源軌道に関して円形収集の間に収集される。
【００４９】
この場合、測定されたデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間において線積分として解析され、ここでｑは波数ベクトル移動量であり、ｘ及びｙは放射線源４の回転面における線形独立なベクトルである。この場合、前記測定されたデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間内の螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソート及び外挿され、即ち螺旋形線源軌道に沿って取られたかのように並べ替えられる。この場合、前記データは、前記データが従来の螺旋形再構成アルゴリズム、例えば参照によりここに組み込まれるKatsevich “Analysis of an exact inversion algorithm for spiral cone-beam CT”, Phys. Med. Biol., vol.47, p.2583-2597, 2002に記載された再構成法に適用されることを可能にするように前処理されることができる。最後に、前記データは逆投影される。この逆投影は、波数ベクトル移動量のｘ−ｙ−ｑ空間における双曲線のような曲線に沿って実行されることができる。この動作は、図６を参照して更に詳細に説明される。
【００５０】
図２ないし５の以降の記載の間に、図１で使用されたものと同じ参照番号は、同じ又は対応する要素に対して使用される。
【００５１】
図２は、図１に描かれたＣＳＣＴ走査システムの幾何学的構成の単純化された概略的表現図を示す。図２からわかるように、Ｘ線源４は、手荷物７を含むような、この場合には直径ｕを持ち、検出器８全体をカバーする扇ビーム１１を放射する。対象領域の直径は、例えば１００ｃｍであってもよい。この場合、扇ビーム１１の角度αは８０°であることができる。このような構成において、Ｘ線源４から前記対象領域の中心までの距離ｖは約８０ｃｍであり、Ｘ線源４からの検出器８、即ち個々の検出器セルの距離は約ｗ＝１５０ｃｍである。
【００５２】
図２からわかるように、本発明の一態様によると、検出器セル又はラインは、前記セル又はラインが異なる散乱角度を有する不所望な放射線を測定することを防ぐためにコリメータ４０を備えることができる。コリメータ４０は、前記線源に向けて焦点を合わせることができるブレード（blades）又はラメラ（lamellas）の形式を取ることができる。前記ラメラの間隔は、前記検出器素子の間隔とは独立に選択されることができる。
【００５３】
図１及び２に描かれた折り曲げられた検出器８の代わりに、平らな検出器アレイを使用することも可能である。
【００５４】
図３は、図１のＣＳＣＴスキャナで使用された検出器の幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。図１を参照して既に説明されたように、検出器８は、１、２又はそれ以上のエネルギ分解検出器ライン３０及び３４、並びに手荷物７により引き起こされた一次扇ビームの減衰を測定する複数のライン１５及び３２を有することができる。図３からわかるように、好ましくは、検出器８は、ライン１５及び３２の１つのライン、好ましくは検出器８の中央のライン１５が扇ビーム１１のスライス面内にあり、これにより一次放射線の減衰を測定するように構成される。矢印４２で示されるように、Ｘ線源４及び検出器８は、円形収集を実行するために異なる角度からの投影を収集するように、回転面において前記手荷物の周りを一緒に回転される。
【００５５】
図３に描かれるように、検出器８は複数の列ｔを有する。
【００５６】
図４は、本発明を更に説明するために図１に描かれた前記ＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。図４において、唯一のライン１５及び唯一のライン３０を有する検出器４６が描かれている。ライン１５は、この場合にはスリットコリメータである開口システム９により形成され及び前記放射線源又はＸ線源４を用いて生成された扇ビーム１１のスライス面内に配置される。ライン１５は、例えばシンチレータセル又は扇ビーム１１の一次ビームの減衰を測定するのに適した他のセルを有し、前記対象領域又は検査領域内の関心の対象により引き起こされた一次扇ビームの減衰の積分測定を可能にする。
【００５７】
図４に描かれたライン３０はエネルギ分解セルを含む。図４からわかるように、ライン３０は、扇ビーム１１のスライス面に平行に、しかし前記面の外に配置される。換言すると、ライン３０は、前記スライス面に平行な面内にライン１５と平行に配置される。
【００５８】
参照番号４４は散乱放射線、即ち前記手荷物のような関心の対象により散乱された光子を示す。図４からわかるように、前記散乱放射線は、前記スライス面を離れ、ライン３０の検出器セルに衝突する。
【００５９】
図５は、図１のＣＳＣＴスキャナの検出器の幾何学的構成の側面図を示す。図５は、図４の側面図を示すように意図されることもできるが、しかしながら、１つのライン３０及び１つのライン１５の設備のみの代わりに、図５において、ライン３０とライン１５との間に複数の検出器ライン３２が備えられる。ライン３０の検出器素子Ｄiはエネルギ分解検出器素子である。検出器素子Ｄiは、前記一次扇ビームのスライス面から固定された距離ａを持つように配置される。本発明の一態様によると、列ｔの各検出器素子Ｄiに対して、及び各投影Φ（図３参照）に対して、強度スペクトルＩ(Ｅ,ｔ,Φ)が測定される。円形の走査経路に沿った複数の投影Φに対するこの測定を実行して、３次元データセットが収集される。各対象画素は３つの座標(ｘ,ｙ,ｑ)により記述される。したがって、本発明の一態様によると、画像を再構成するために、又は前記３次元データセットから他の情報を再構成するために、３Ｄ→３Ｄ再構成法が使用されることができる。
【００６０】
図６は、マルチラインＣＳＣＴスキャナの例示的実施例の概略図を示す。このスキャナは、図１を参照して説明されたものと同一であってもよいエネルギ分解検出器素子の複数のラインを有する検出器４８を備える。放射線源９は、Ｘ線の扇ビームを生成するようにコリメータ手段を備える。検出器４８及び放射線源４９の配置は、検出器４８が中心に焦点を合わせられるようにされる。図６に描かれた図は、ｘ−ｙ面、即ち放射線源４９及び検出器４８の回転面の中から走査処理を更に明確にするために走査面又はスライス面に平行である。図６からわかるように、放射線源４９と検出器４８との間の距離は“ＳＤ”と示され、線源４９と回転の中心４７との間の距離はＳにより示され、散乱中心と検出器４８との間の距離はｄにより示され、放射線を受ける検出器素子と前記走査面又はスライス面との間の距離はａにより与えられ、ｈは検出器４８の高さを示す。
【００６１】
ｚ座標軸は、放射線源４９の回転面の中心における法線、即ち放射線源４９の回転軸である。ｙ座標は前記放射線源の回転面内にある。
【００６２】
図６からわかるように、以下の説明に対し、例えば多色性Ｘ線源４９及びＤ検出器４９を有するＣＳＣＴスキャナが考慮される。前記検出器は、図１を参照して説明されたものと同様であってもよいエネルギ分解検出器素子を有する、又はからなる。放射されるＸ線は、扇ビームが放射線４７の中心の周りの領域に配置された前記関心の対象を放射するようにコリメートされている。
【００６３】
本発明の例示的実施例によると、以下の動作の方法は、ＣＳＣＴデータを再構成するために、即ち検出器８及び４８の読み出しから画像を再構成するために、上記のスキャナ又は図１を参照して記載されたスキャナに適用されることができる。
【００６４】
ステップ１：データは、ｘ−ｙ−ｚ空間における線源軌道について円形収集の間に測定される。換言すると、放射線源４及び４９並びに検出器８及び４８が回転面において関心の対象の周りを回転される間に、読み出しは検出器８又は４８から集められる。前記読み出しは、測定されたデータ又は収集されたＣＳＣＴデータと称される。前記測定されたＣＳＣＴデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間における線積分として解析され、ここでｑは波数ベクトル移動量を表す。前記波数ベクトル移動量の計算は後で記載される。
【００６５】
ステップ２：前記収集されたＣＳＣＴデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソート及び外挿される。
【００６６】
ステップ３：例えば、参照によりここに組み込まれるKatsevich “Analysis of an exact inversion algorithm for spiral cone-beam CT”, Phys. Med. Biol., vol.47, p.2583-2597, 2002に記載されている厳密再構成法のような従来の螺旋形再構成アルゴリズムにより前記データを前処理するために、他のステップが実行されてもよい。
【００６７】
ステップ４：次いで、前記再ソート及び／又は外挿されたデータは逆投影されることができる。この逆投影は、ｘ−ｙ−ｑ空間における曲線に沿って実行されることができる。これらの曲線は、例えば双曲線であってもよい。
【００６８】
この動作、特にステップ２は、以下により詳細に説明される。
【００６９】
ＣＳＣＴは、コヒーレント散乱形式因子Ｆ2(ｑ)を再構成するためにコヒーレント散乱Ｘ線を使用する。コヒーレント散乱Ｘ線に対する微分断面ｄσRayleigh／ｄΩは、
【数４】
により与えられ、ここでｒeは古典論的電子半径を示し、Θは入射Ｘ線と散乱Ｘ線との間の角度を示す。角度Θの光子の偏角（deviation）を引き起こす波数ベクトル移動量ｑは、対応するＸ線光子のエネルギＥ，プランク定数ｈ及び光速ｃを用いて、
【数５】
により規定される。小さな角度、例えばここで０ないし５°の関心の角度構成での散乱に対し、sin(Θ／２)はΘ／２で近似されることができ、式（２）は、
【数６】
と書き下されることができる。
【００７０】
図６によると、散乱角度は、前記検出器からの散乱中心の距離ｄと、走査面からの散乱放射線を受ける前記検出器素子の距離ａとにより与えられ、即ち、
【数７】
である。
【００７１】
式（３）と一緒に、これは、
【数８】
を生じる。
【００７２】
ｘ−ｙ−ｑ空間、式（５）は双曲線を記述する。これらの双曲線は、直線により近似されることができる。幾つかの可能性の中にあるのは、例えば、直線の下の面積が対応する双曲線の面積と一致するような近似である。他の近似がここに記載される。前記直線は、前記関心領域の始点（ｄmax）及び終点（ｄmin）において前記双曲線と交差し、即ち、
【数９】
である。
【００７３】
実際の経路が、ｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソート及び外挿されることができる、図１及び６に描かれたような走査システムが考慮される。仮想的な近隣軌道に対する円形軌道で測定されたデータの外挿は、Johnの方程式を使用することにより行われる。Johnの方程式のアイデアは、３次元空間を通る線積分の空間が４次元であり、したがって、ここに参照により組み込まれるS. K. Patch, “Consistency conditions upon 3D CT data and the wave equation”, Phys. Med. Biol. 47, 2637-2650及び米国特許広報６１７３０３０（１９９９）に記載されるように、対象関数から線積分関数への写像が追加の次元を作成するというものである。
【００７４】
図７ａ及び７ｂは、Johnの方程式のアイデアを更に説明するための概略図である。仮想的な線源位置
に対する図７ｂの線積分は、図７ａに示される
に対する線源位置に対して測定された線積分から外挿される。
【００７５】
これは、参照によりここに組み込まれるS. K. Patch “Computation of unmeasured third-generation VCT views from measured views”, IEEE Trans. Med. Img. MI-21, 801-813に記載されるように測定されたデータから測定されていないもの（unmeasured）を構成するために使用される線積分空間における冗長性を暗示する。Johnの方程式は、参照によりここに組み込まれるM. Defrise, F. Noo, H. Kudo, “Improved 2D rebinning of helical cone-beam CT data using John’s equation”, Proc. 2002 IEEE Nuclear Science and Medical Imaging Symbosium, Norfolk (VA), Paper M10-74に記載されるように幾何学パラメータのセットに対して以下のようにパラメータ化され、
【数１０】
ここでＲは前記仮想的な線源位置から等しい中心までの距離であり、ｕは中心放射線からさらされる検出器列までの扇方向の距離である。線積分はｇにより示され、変数に対する線積分の導関数は添え字により表される。測定された線積分ｇから、線積分
は、
【数１１】
により仮想的な線源位置
に対して外挿されることができる。
【００７６】
したがって、式（７）は
について解かれなければならない。式（７）の
【数１２】
への変形及びｕに関する部分積分は、
【数１３】
を生じ、これは仮想的な線源位置
に対する線積分である。
【００７７】
前記収集及び外挿されたデータは、ここで、ｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソートされることができる。
は、前記走査システムの回転の中心から仮想線源までのベクトルであるとする。前記螺旋形軌道は、
【数１４】
を生じ、ここでαはｘ軸に関する角度線源位置を示す。
【００７８】
特定の範囲において、ｑ∈[ｑmin,ｑmax]の各値は、線型方程式
【数１５】
により表されることができ、これはｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道のデータ収集を果たす。この記述により、再構成処理に対して冗長データを使用するために、螺旋形データ収集に対する開始点としてオフセットα0を規定することが可能である。これは、より良い画質を生じることができる。
【００７９】
上述のステップ１ないし４、特にステップ３は、図１ないし５を参照して記載され且つ描かれたＣＳＣＴスキャナ、図６に描かれたスキャナ及び図９に描かれたデータ処理装置に適用及び実装されることができる。
【００８０】
図８は、前記検出器からの前記散乱中心の距離ｄに依存する波数ベクトル移動量ｑの特性に対する一例を示す。夫々、回転の中心に対する前記線源の距離Ｓは５７０ｍｍに選択され、前記回転の中心に対する前記検出器の距離は４７０ｍｍである。前記回転の中心に対する仮想的な線源の距離Ｒは４７０ｍｍに選択される。前記検出器は、回転の中心において０．７５×０．７５ｍｍ2のサイズを持つ２０行のエネルギ分解素子からなると仮定される。前記Ｘ線源は、２０ないし１６０ｋｅＶのエネルギのスペクトルを生じる。直径１６０ｍｍの対象が前記回転の中心に配置される。許容されるｑの値の範囲は、前記対象のサイズ、前記検出器の寸法及び前記エネルギスペクトルにより規定される。与えられた例において、ｑ∈[０．０３,１．６１]及び全てのｑの値は、式（１２）により記述されることができる。ｑ＝１．０ｎｍ-1における仮想的な線源位置に対する直線は、式（８）による外挿により得られる。
【００８１】
図８からわかるように、散乱中心と検出器との間の距離ｄに依存する波数ベクトル移動量の特性が描かれている。所定のエネルギＥに対し、走査面又はスライス面に対して距離ａを持つ特定の検出器素子は、双曲線により記述されるｑの値の下で前記対象を通る放射線に沿って配置された散乱中心から放射線を受ける。前記直線は、対応する双曲線に対する近似である。Ｅ、ｈ及び前記対象の直径により決定されるｑminないしｑmaxの範囲において、前記波数ベクトル移動量に対するあらゆる値が式（１２）により表されることができる。前記直線は、仮想的な線源位置Ｒにおいて交差する。
【００８２】
図９は、上述のステップ１ないし４を実行するデータ処理装置の例示的実施例を示す。図９からわかるように、中央処理ユニット（ＣＰＵ）又は画像プロセッサ１は、前記検出器からの読み出し又は最後に再構成されたデータを記憶するメモリ２に接続される。前述のように、前記データは、図１及び６に描かれるようなＣＳＣＴスキャナにより収集されることができる。画像プロセッサ１は、更に複数の入出力ネットワーク又は他の診断装置に接続されてもよい。画像プロセッサ１は、更に画像プロセッサ１において計算又は適合された情報又は画像を表示するディスプレイ４（例えばコンピュータモニタ）に接続される。オペレータは、図１に描かれていないキーボード５及び／又は他の入出力装置を介してデータプロセッサ１と相互作用することができる。
【００８３】
上述の本発明は、例えば、医療撮像の分野に応用されてもよい。しかしながら、上述のように、本発明は、非破壊試験又は手荷物検査の分野にも応用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明によるＣＳＣＴスキャナの例示的実施例の概略的表現図を示す。
【図２】コヒーレント散乱放射線の測定に対する図１のＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の概略的表現図を示す。
【図３】図１のＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。
【図４】本発明を更に説明するために図１のＣＳＣＴスキャナの測定の幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。
【図５】図１のＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の側面図の概略的表現図を示す。
【図６】本発明の他の例示的実施例によるマルチラインＣＳＣＴスキャナの概略的表現図を示す。
【図７ａ】Johnの方程式のアイデアを説明する概略図である。
【図７ｂ】Johnの方程式のアイデアを説明する概略図である。
【図８】本発明を更に説明するための散乱中心と検出器との間の距離Ｄに依存する波数ベクトル移動量ｑの特性を示す。
【図９】本発明によるデータ処理装置の例示的実施例の単純化された概略的表現図を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、扇ビームが関心の対象に当てられるコヒーレント散乱（coherent-scatter）コンピュータ断層撮影法（ＣＳＣＴ）の分野に関する。特に、本発明は、コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータ処理装置、関心の対象を検査するコンピュータ断層撮影装置、コンピュータ断層撮影データの再構成を実行する方法及びコンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許公報ＵＳ４７５１７２２号は、ビームの方向に関して１°ないし１２°の角度内のコヒーレント散乱放射線の角度分布のレジストレーションの原理に基づく装置を記載している。米国特許公報ＵＳ４７５１７２２号に記載されているように、弾性散乱放射線の主な部分は、１２°未満の角度内に集中しており、前記散乱放射線は、明確な最大値を持つ特徴的な角度依存性を持ち、前記明確な最大値の位置は照射される物質自体により決定される。小さな角度におけるコヒーレント散乱放射線の強度の分布は、前記物質の分子構造に依存するので、（従来の透光テスト（transillumination）又はＣＴでは区別されることができない）等しい吸収能力を持つ異なる物質は、各物質に典型的なコヒーレント放射線の角度散乱の強度の分布によって区別されることができる。
【０００３】
異なる対象材料を区別するためにこのようなシステムの改良された能力により、このようなシステムは、医療又は工業分野でより多くの応用を見つける。
【０００４】
低角度散乱の主要な成分は、コヒーレント散乱である。コヒーレント散乱は、散乱サンプルの原子配置に依存する干渉効果を示すので、コヒーレント散乱コンピュータ断層撮影法（ＣＳＣＴ）は、原理的に、２次元対象断面を横切る組織の分子構造における空間的変化を撮像する高感度な方法である。
【０００５】
Harding他、“Energy-dispersive x-ray diffraction tomography” Phys. Med. Biol., 1990, Vol.35, No.1, 33-41は、多色性（polychromatic）放射線による対象内で励起されたコヒーレントＸ線散乱の固定角度におけるエネルギ解析に基づく断層撮影法を記載している。この方法によると、放射線ビームは、適切な開口システムを使用して作成され、鉛筆の形を持ち、したがってペンシルビームとも称される。ペンシルビーム源の反対側には、エネルギ解析に適した１つの検出器素子が、関心の対象により変更されたペンシルビームを検出するために配置される。
【０００６】
ＣＴと組み合わせた２次元検出器及び扇ビームの一次ビームを使用するコヒーレント散乱セットアップは、米国特許公報ＵＳ６４７００６７Ｂ１号に記載されている。多色性線源と組み合わせた角度分散セットアップの欠点は、ぼやけた散乱関数であり、これは、例えばSchneider他、“Coherent Scatter Computed Tomography Applying a Fan-Beam Geometry” Proc. SPIE, 2001, Vol.4320, 754-763に記載されている。
【０００７】
医療用撮像又は非破壊試験の分野で競争力のあるモダリティになるために、実装される再構成アルゴリズムは、よい画質及び短い再構成時間の両方を保証するべきである。
【０００８】
これまで、扇ビームＣＳＣＴで収集された投影データは、例えば代数的再構成法（ＡＲＴ）の助けで再構成される。ＡＲＴは、例えば、J. A. Grant他“A reconstruction strategy suited to x-ray diffraction tomography”, J.Opt. Soc. Am A12, 291-300 (1995)により高度に多用途であることが示されている。しかしながら、このような反復的な再構成の計算の複雑性により、このような方法は、比較的長い再構成時間を必要とする。
【０００９】
更に、全ての既知のアプローチは、厳密でない再構成法を適用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、断層撮影データの改良された再構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載された本発明の例示的実施例によると、上記目的は、エネルギ分解検出器素子（energy resolving detector elements）を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴ（コンピュータ断層撮影）データから再構成されるコンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータ処理装置により解決されることができる。更に、前記収集されたＣＴデータ及び前記コンピュータ断層撮影データの少なくとも一方を記憶するメモリが備えられる。また、前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量（wave-vector transfer）を決定し、再構成体積を決定するように適合されたプロセッサも備えられる。再構成体積の寸法は、前記波数ベクトル移動量により決定される。前記波数ベクトル移動量は、前記再構成体積における曲線を表す。この場合、本発明の一態様によると、前記ＣＴデータの再配置は、前記再構成体積内の所望の線源軌道に沿った収集に対応するように実行される。
【００１２】
有利には、本発明のこの例示的実施例によるデータ処理装置は、前記検出器の読み出し部からの画像のような再構成データに対して準厳密（quasi-exact）再構成法を実行することができる。この文脈において、用語“再構成”は、前記検出器からの測定されたデータの読み出しから、例えばディスプレイ又はこれらの読み出しに基づく材料識別のような情報の出力部における実際に再構成されたデータの表示までのステップ又は処理をカバーするものとして理解されるべきである。
【００１３】
再構成空間における曲線又は線積分としての投影データの解析及び使用された放射線源が所望の線源軌道に沿って移動される場合の収集に対応するような前記収集されたＣＴデータの適切な再ソートは、厳密螺旋形再構成アルゴリズムを実現することを可能にすることができる。
【００１４】
換言すると、本発明のこの例示的実施例によると、前記放射線源は、データ収集に対して円のような第１の軌道に添って移動されることができる。この場合、前記データは、前記第１の軌道とは異なってもよい第２の軌道に沿って移動された放射線源を用いて収集されたかのようなデータに対応するように再配置される。前記第２の軌道は螺旋形であってもよい。
【００１５】
請求項２に記載された本発明の他の例示的実施例によると、前記収集されたＣＴデータは、第１の線源運動で収集され、前記データは、第２の異なる線源運動で収集されたデータに対応するように前記再構成体積内に再配置される。例えば、前記第１の線源運動は円であってもよく、前記第２の線源運動は螺旋形であってもよい。前記収集されたＣＴデータのこの再順序付け又は再編成により、例えば、ここに参照により組み入れられるKatsevich “Analysis of an exact inversion algorithm for spiral cone-beam CT”, Phys. Med. Biol., vol. 47, p 2583-2597, 2002に記載されたように当技術分野において既知である厳密螺旋形再構成アルゴリズムは、前記データを準厳密に再構成するために使用されることができる。
【００１６】
請求項３に記載された本発明の他の例示的実施例によると、フィルタ逆投影が、前記再構成体積内の双曲線であることができる曲線に沿って実行される。
【００１７】
本発明の他の例示的実施例によると、前記再構成体積の３つの次元は、波数ベクトル移動量及び放射線源の回転面の２つの線形独立ベクトルにより定められる。更に、前記検出器は、放射線源、例えば多色性Ｘ線源の完全なエネルギスペクトルを達成することを可能にする２次元検出器である。これは、散乱Ｘ線光子の波数ベクトル移動量の比較的幅広いスペクトルを生じる。これにより、冗長データが収集され、前記冗長データはより良い画質を得るために使用されることができる。
【００１８】
請求項５に記載された本発明の他の例示的実施例によると、前記収集されたＣＴデータの再配置が、Johnの方程式（John’s equation）を使用することにより実行される。請求項６に記載された本発明の他の例示的実施例によると、非常に単純な線形方程式が与えられ、これは、前記再構成体積内の螺旋形軌道のデータ収集を実行し、前記コンピュータ断層撮影データの速く、正確な、準厳密再構成を可能にする。
【００１９】
請求項７に記載された本発明の他の例示的実施例によると、Ｘ線源の反対側の検出器ユニットに配置された散乱放射線検出器を持ち、前記散乱放射線源が前記Ｘ線源及び前記散乱放射線検出器の回転軸に平行な方向に前記Ｘ線源により生成された扇形Ｘ線ビームのスライス面に対してオフセットを持つように配置された、コンピュータ断層撮影装置が提供される。前記散乱放射線検出器は、複数のエネルギ分解検出器素子を有する。本発明のこの例示的実施例の一態様によると、前記散乱放射線検出器を使用することにより収集された前記収集されたＣＴデータの再配置は、前記Ｘ線源が前記再構成体積内の所望の線源軌道に沿って移動される場合の収集に対応するように実行される。換言すると、前記収集されたＣＴデータは、前記データ収集中に前記Ｘ線源の実際の運動とは異なり得る前記Ｘ線源及び前記散乱放射線検出器の所望の運動を用いて収集されたかのように再配置される。
【００２０】
有利には、本発明のこの例示的実施例によると、例えばＸ線画像の準厳密螺旋形再構成を実行することができるコンピュータ断層撮影装置が提供される。有利には、これは、改良された画質及び速い再構成を可能にすることができる。
【００２１】
請求項８に記載された本発明の他の例示的実施例によると、前記散乱放射線検出器は、２次元検出器、即ち例えば多色性Ｘ線源の完全なエネルギスペクトルを達成することを可能にすることができる２次元エネルギ分解検出器である。これは、散乱Ｘ線光子の波数ベクトル移動量の比較的幅広いスペクトルを生じることができる。前記再構成体積内の線積分としての投影データの解析、及び螺旋形線源軌道に沿って取られたかのようなデータの再ソートは、厳密螺旋形再構成アルゴリズムを適用することを可能にすることができる。更に、冗長データは、より良い画質を得るために使用されることができる。
【００２２】
請求項９ないし１１は、本発明によるコンピュータ断層撮影装置の他の例示的実施例を与える。
【００２３】
請求項１２に記載された本発明の他の例示的実施例によると、２次元エネルギ分解検出器であってもよいエネルギ分解検出器を用いて収集されたＣＴデータを、螺旋形線源軌道に沿った収集により取られたかのように再配置するステップを有するコンピュータ断層撮影データの再構成を実行する方法が提供される。
【００２４】
有利には、本発明のこの例示的実施例によると、前記データの厳密再構成を可能にする非常に速く効率的な方法が提供されることができ、これは改良された画質を可能にすることができる。
【００２５】
請求項１３及び１４は、本発明による前記方法の他の例示的実施例を与える。
【００２６】
請求項１５に記載された本発明の他の例示的実施例によると、コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムが提供される。本発明による前記コンピュータプログラムは、好ましくは前記データプロセッサのワーキングメモリにロードされる。前記データプロセッサは、したがって、本発明の前記方法を実行するように備えられる。前記コンピュータプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読取可能媒体に記憶されることができる。前記コンピュータプログラムは、WorldWideWebのようなネットワーク上で与えられることもでき、こ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にダウンロードされることができる。
【００２７】
本発明の例示的実施例の要点は、円形の収集の間に収集されたデータ（即ち、例えば、２次元エネルギ分解検出器からのデータ読み出し）の再ソート又は外挿が、前記データがｘ−ｙ−ｑ空間又は再構成体積における収集に対して実際に使用される異なる線源軌道に沿った収集に対応するように実行されることであると見なされることができる。換言すると、例えば、円形の収集の間に収集されたデータは、螺旋形の線源軌道を用いた収集により取られたかのようにｘ−ｙ−ｑ空間においてデータを表すように再ソート及び／又は外挿される。有利には、これは、螺旋形線源軌道に適合された既知の再構成アルゴリズムが使用されることができるので、準厳密螺旋形再構成を可能にすることができる。更に、本発明の一態様によると、前記放射線源の完全なエネルギスペクトルを達成することを可能にする２次元エネルギ分解検出器が使用されることができ、これは、散乱光子の波数ベクトル移動量の比較的幅広いスペクトルを生じる。有利には、これは、改良された画質及び改良されたデータ再構成を可能にすることができる。
【００２８】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。
【００２９】
本発明の例示的実施例は、以下の図面を参照して以下に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明によるコンピュータ断層撮影の例示的実施例を示す。この例示的実施例を参照して、本発明は、手荷物内の爆発物のような危険な物質を検出する手荷物検査における応用について記載される。しかしながら、本発明が手荷物検査の分野の応用に制限されないが、例えば医療的応用における骨撮像又は組織タイプの識別のような他の医療又は産業的応用において使用されることもできる。
【００３１】
図１に描かれた装置は、多色性の一次扇ビームを用いる場合でさえも、エネルギ分解検出器及び断層撮影再構成と組み合わせて良いスペクトル解像度を可能にする扇ビームＣＳＣＴスキャナである。図１に描かれた前記ＣＳＣＴスキャナは、回転軸２の周りで回転可能なガントリ１を有する。ガントリ１は、モータ３を用いて駆動される。参照符号４は、本発明によると多色性放射線を放射するＸ線源のような放射線源を示す。
【００３２】
参照符号５は、放射線源４から放射された放射線ビームを円錐形放射線ビーム６に形成する第１の開口システムを示す。更に、ダイアフラム又はスリットコリメータからなる他の開口システム９が備えられる。開口システム９は、放射線源から放射される放射線が扇ビーム１１に形成されるようなスリット１０の形式を取る。本発明のこの例示的実施例の変形例によると、第１の開口システム５は省略されることもでき、第２の開口システム９のみが備えられてもよい。
【００３３】
扇ビーム１１は、ガントリ１の中心、即ち前記ＣＳＣＴスキャナの検査領域に配置された手荷物７を貫通し、検出器８に衝突するように向けられる。図１からわかるように、検出器８は、扇ビーム１１のスライス面が検出器８の行又はライン１５と交差するように放射線源４の反対側にガントリ１上に配置される。図１に描かれた検出器８は、夫々複数の検出器素子を有する７つの検出器ラインを有する。上述のように、検出器８は、主放射線検出器１５、即ち検出器８の中央のラインが扇ビーム１１のスライス面内になるように配置される。
【００３４】
図１からわかるように、検出器８は、２種類の放射線検出器ライン、即ち図１の網掛け無しで示される第１の種類の検出器ライン３０及び３４と、エネルギ分解検出器セルからなる検出器ラインとを有する。本発明の一態様によると、これら第１の検出器素子（ライン３０及び３４）は、エネルギ分解検出器素子である。好ましくは、前記エネルギ分解検出器素子は、直接変換（direct-converting）半導体検出器である。直接変換半導体検出器は−シンチレーション無しで−前記放射線を電荷に直接的に変換する。好ましくは、これらの直接変換半導体検出器は、１０％ＦＷＨＭより良いエネルギ解像度を持ち、即ち、ΔＥを前記検出器のエネルギ解像度の半値全幅（ＦＷＨＭ）としてΔＥ／Ｅ＜０．１である。
【００３５】
ライン３０及び３４のこのような検出器セルは、テルル化カドミウム即ちＣｄＺｎＴｅ（ＣＺＴ）ベースの検出器セルであってもよく、両方とも扇ビーム１１のスライス面の外側である。換言すると、両方のエネルギ分解ライン３０及び３４は、回転軸２に平行な方向における前記スライス面からのオフセットを持つようにＸ線源４の反対側にガントリ１において配置される。検出器ライン３０は、図１に描かれた回転軸２の方向について正のオフセットで配置され、ライン３４は、図１に描かれた回転軸２の方向について前記スライス面から負のオフセットで配置される。
【００３６】
検出器ライン３０及び３４は、前記ＣＳＣＴスキャナの検査領域内の手荷物７から散乱された散乱放射線を受け又は測定するように、前記スライス面と平行になり、ガントリ１の回転軸２の正又は負の方向のオフセットで前記スライス面の外になるようにガントリ１において配置される。したがって、以下、ライン３０及び３４は、散乱放射線検出器とも称される。本発明の好適な実施例によると、エネルギ分解ライン３０及び３４は２次元エネルギ分解散乱放射線検出器を形成することに注意しなければならない。換言すると、好ましくは、複数のエネルギ分解ライン３０及び３４はライン１５の両側に配置される。したがって、前記スライス面内に非エネルギ分解ライン１５のみを有し、前記スライス面から離間して配置されたエネルギ分解ラインを有する検出器８は有利であることができる。したがって、以下で用語“散乱放射線検出器”が使用される場合、これは、手荷物７から散乱された光子を受けるように、扇ビーム１１の扇面の外に配置されたエネルギ分解検出器セルの少なくとも２つのラインを持つ如何なる検出器をも含む。
【００３７】
網掛けにより示される検出器８に備えられた第２の種類の検出器ラインはシンチレータセルである。特に、ライン１５は、扇ビーム１１のスライス面内にあり、前記検査領域内の手荷物７により生じた放射線源４により放射された放射線の減衰を測定するように構成される。図１に描かれるように、ライン１５の左右に、シンチレータ検出器セルを含む他の検出器ラインが備えられてもよい。しかしながら、上で示されたように、シンチレータセルを持つ１つの検出器ライン、特に前記スライス面内のライン１５のみが存在してもよく、検出器８の残りのラインはエネルギ分解ラインであってもよい。これにより、２次元エネルギ分解検出器（このような散乱放射線検出器）が備えられることができる。
【００３８】
エネルギ分解ライン３０及び３４に関して既に示されたように、手荷物７により生じた前記スライス面内の扇ビーム１１の一次ビームの減衰を測定するライン１５のみの設備が十分であることができる。しかしながら、エネルギ分解ライン３０及び３４の場合、夫々複数のシンチレータセルを有する複数の検出器ライン３２の設備は、前記ＣＳＣＴスキャナの測定速度を更に増加することができる。以下、用語“一次放射線検出器”は、扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するシンチレータ又は同様な検出器セルの少なくとも１つのラインを含む検出器を参照するために使用される。
【００３９】
本発明の好適な実施例によると、２次元エネルギ分解検出器が備えられるように、複数のエネルギ分解ライン３０及び３４が備えられる。これは、後で画質を向上するために使用されることができる追加の冗長データを集めることを可能にすることができる。更に、これは走査時間を減少することを可能にすることができる。
【００４０】
１つのエネルギ分解ラインを用いて、波数ベクトル移動量に対する完全なスペクトルの一部のみが得られることができる。加えて、前記スペクトルは、前記スライス面又は走査面までの前記検出器ラインの距離により生じる下限値を持ちうる。したがって、２Ｄ（２次元）検出器を使用することは、波数ベクトル移動量のより幅広いスペクトルを生じることができる。特に、前記下限値は、比較的小さな値にシフトされることができる。更に、２Ｄ検出器は冗長データを生じることを可能にすることができる。本発明の例示的実施例の一態様によりこのデータを前処理することにより、これは厳密再構成法に対する入力として使用されることができる。
【００４１】
図１からわかるように、検出器８の検出器セルはライン及び列に配置され、前記列は回転軸２に平行であり、前記ラインは扇ビーム１１のスライス面に平行且つ回転軸２に垂直な平面内に配置される。
【００４２】
開口システム５及び９の開口は、手荷物７の走査領域が扇ビーム１１内であり且つ検出器８が完全な走査領域をカバーするように検出器８の寸法に適合される。有利には、これは、手荷物７に当てられる不要な余剰放射線を防ぐことを可能にする。手荷物７の走査中に、放射線源４、開口システム５及び９、並びに検出器８は、矢印１６で示される方向にガントリ１に沿って回転される。放射線源４、開口システム５及び９、並びに検出器１５を持つガントリ１の回転に対し、モータ３は、計算ユニット１８に接続されたモータ制御ユニット１７に接続される。
【００４３】
図１において、手荷物７は、コンベヤベルト１９上に配置される。上述のように本発明の例示的実施例によると、円形データ収集は、Ｘ線源４が円形線源軌道に沿って配置され、即ち手荷物７の運動無しで回転軸の周りで回転面において回転される場合に実行される。したがって、コンベヤベルト１９は、Ｘ線源４が手荷物７の周りの円形運動（即ち円形収集）を実行して十分なデータ収集を可能にする場合に、前記手荷物が不動であるように動作される。この場合、手荷物７は、たとえばプリセットインクリメントにより移動され、この場合、手荷物７の他のスライスの他の走査は、コンベヤベルト１９が動作されていない間に実行される。
【００４４】
検出器８は計算ユニット１８に接続される。計算ユニット１８は、検出結果、即ち検出器８の検出器素子からの読み出しを受け、検出器８から、即ち扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するライン１５及び３２並びにエネルギ分解ライン３０及び３４からの走査結果に基づいて走査結果を決定する。これに加えて、計算ユニット１８は、モータ３及び２０又はコンベヤベルト１９を用いてガントリ１の運動を調整するためにモータ制御ユニット１７と通信する。
【００４５】
計算ユニット１８は、一次放射線検出器、即ち検出器ライン１５及び３２並びに散乱放射線検出器、即ちライン３０及び３４の読み出しから画像を再構成するように適合される。計算ユニット１８により生成された画像は、インターフェース２２を介してディスプレイ（図１に示されていない）に出力されることができる。
【００４６】
データプロセッサにより実現されることができる計算ユニットは、検出器８の検出器素子から、即ちエネルギ分解ライン３０及び３４並びに扇ビーム１１の一次放射線の減衰を測定するライン１５及び３２からの読み出しに対してフィルタ逆投影を実行するように適合されることができる。画像再構成の一部を形成する計算ユニット１８において実行される逆投影は、図７を参照して更に詳細に説明される。
【００４７】
更に、計算ユニット１８は、ライン３０及び３４並びに１５及び３２の読み出しに基づいて手荷物７内の爆発物の検出に対して適合されることができる。これは、これらの検出ラインの読み出しから散乱関数を再構成し、以前の測定の間に決定された爆発物の特徴的測定値を含む表と比較することにより自動的に行われることができる。計算ユニット１８が、検出器８から読み出された測定値が爆発物の特徴的測定値と一致することを決定する場合、計算ユニット１８は、ラウドスピーカ２１を介して警報を自動的に出力する。
【００４８】
特に、計算ユニット１８は、検出器８の読み出しから、特にエネルギ分解ライン３０及び３４の読み出しから収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量の決定を実行するように適合されることができる。図１からわかるように、前記データは、ｘ−ｙ−ｚ空間内の線源軌道に関して円形収集の間に収集される。
【００４９】
この場合、測定されたデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間において線積分として解析され、ここでｑは波数ベクトル移動量であり、ｘ及びｙは放射線源４の回転面における線形独立なベクトルである。この場合、前記測定されたデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間内の螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソート及び外挿され、即ち螺旋形線源軌道に沿って取られたかのように並べ替えられる。この場合、前記データは、前記データが従来の螺旋形再構成アルゴリズム、例えば参照によりここに組み込まれるKatsevich “Analysis of an exact inversion algorithm for spiral cone-beam CT”, Phys. Med. Biol., vol.47, p.2583-2597, 2002に記載された再構成法に適用されることを可能にするように前処理されることができる。最後に、前記データは逆投影される。この逆投影は、波数ベクトル移動量のｘ−ｙ−ｑ空間における双曲線のような曲線に沿って実行されることができる。この動作は、図６を参照して更に詳細に説明される。
【００５０】
図２ないし５の以降の記載の間に、図１で使用されたものと同じ参照番号は、同じ又は対応する要素に対して使用される。
【００５１】
図２は、図１に描かれたＣＳＣＴ走査システムの幾何学的構成の単純化された概略的表現図を示す。図２からわかるように、Ｘ線源４は、手荷物７を含むような、この場合には直径ｕを持ち、検出器８全体をカバーする扇ビーム１１を放射する。対象領域の直径は、例えば１００ｃｍであってもよい。この場合、扇ビーム１１の角度αは８０°であることができる。このような構成において、Ｘ線源４から前記対象領域の中心までの距離ｖは約８０ｃｍであり、Ｘ線源４からの検出器８、即ち個々の検出器セルの距離は約ｗ＝１５０ｃｍである。
【００５２】
図２からわかるように、本発明の一態様によると、検出器セル又はラインは、前記セル又はラインが異なる散乱角度を有する不所望な放射線を測定することを防ぐためにコリメータ４０を備えることができる。コリメータ４０は、前記線源に向けて焦点を合わせることができるブレード（blades）又はラメラ（lamellas）の形式を取ることができる。前記ラメラの間隔は、前記検出器素子の間隔とは独立に選択されることができる。
【００５３】
図１及び２に描かれた折り曲げられた検出器８の代わりに、平らな検出器アレイを使用することも可能である。
【００５４】
図３は、図１のＣＳＣＴスキャナで使用された検出器の幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。図１を参照して既に説明されたように、検出器８は、１、２又はそれ以上のエネルギ分解検出器ライン３０及び３４、並びに手荷物７により引き起こされた一次扇ビームの減衰を測定する複数のライン１５及び３２を有することができる。図３からわかるように、好ましくは、検出器８は、ライン１５及び３２の１つのライン、好ましくは検出器８の中央のライン１５が扇ビーム１１のスライス面内にあり、これにより一次放射線の減衰を測定するように構成される。矢印４２で示されるように、Ｘ線源４及び検出器８は、円形収集を実行するために異なる角度からの投影を収集するように、回転面において前記手荷物の周りを一緒に回転される。
【００５５】
図３に描かれるように、検出器８は複数の列ｔを有する。
【００５６】
図４は、本発明を更に説明するために図１に描かれた前記ＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。図４において、唯一のライン１５及び唯一のライン３０を有する検出器４６が描かれている。ライン１５は、この場合にはスリットコリメータである開口システム９により形成され及び前記放射線源又はＸ線源４を用いて生成された扇ビーム１１のスライス面内に配置される。ライン１５は、例えばシンチレータセル又は扇ビーム１１の一次ビームの減衰を測定するのに適した他のセルを有し、前記対象領域又は検査領域内の関心の対象により引き起こされた一次扇ビームの減衰の積分測定を可能にする。
【００５７】
図４に描かれたライン３０はエネルギ分解セルを含む。図４からわかるように、ライン３０は、扇ビーム１１のスライス面に平行に、しかし前記面の外に配置される。換言すると、ライン３０は、前記スライス面に平行な面内にライン１５と平行に配置される。
【００５８】
参照番号４４は散乱放射線、即ち前記手荷物のような関心の対象により散乱された光子を示す。図４からわかるように、前記散乱放射線は、前記スライス面を離れ、ライン３０の検出器セルに衝突する。
【００５９】
図５は、図１のＣＳＣＴスキャナの検出器の幾何学的構成の側面図を示す。図５は、図４の側面図を示すように意図されることもできるが、しかしながら、１つのライン３０及び１つのライン１５の設備のみの代わりに、図５において、ライン３０とライン１５との間に複数の検出器ライン３２が備えられる。ライン３０の検出器素子Ｄiはエネルギ分解検出器素子である。検出器素子Ｄiは、前記一次扇ビームのスライス面から固定された距離ａを持つように配置される。本発明の一態様によると、列ｔの各検出器素子Ｄiに対して、及び各投影Φ（図３参照）に対して、強度スペクトルＩ(Ｅ,ｔ,Φ)が測定される。円形の走査経路に沿った複数の投影Φに対するこの測定を実行して、３次元データセットが収集される。各対象画素は３つの座標(ｘ,ｙ,ｑ)により記述される。したがって、本発明の一態様によると、画像を再構成するために、又は前記３次元データセットから他の情報を再構成するために、３Ｄ→３Ｄ再構成法が使用されることができる。
【００６０】
図６は、マルチラインＣＳＣＴスキャナの例示的実施例の概略図を示す。このスキャナは、図１を参照して説明されたものと同一であってもよいエネルギ分解検出器素子の複数のラインを有する検出器４８を備える。放射線源９は、Ｘ線の扇ビームを生成するようにコリメータ手段を備える。検出器４８及び放射線源４９の配置は、検出器４８が中心に焦点を合わせられるようにされる。図６に描かれた図は、ｘ−ｙ面、即ち放射線源４９及び検出器４８の回転面の中から走査処理を更に明確にするために走査面又はスライス面に平行である。図６からわかるように、放射線源４９と検出器４８との間の距離は“ＳＤ”と示され、線源４９と回転の中心４７との間の距離はＳにより示され、散乱中心と検出器４８との間の距離はｄにより示され、放射線を受ける検出器素子と前記走査面又はスライス面との間の距離はａにより与えられ、ｈは検出器４８の高さを示す。
【００６１】
ｚ座標軸は、放射線源４９の回転面の中心における法線、即ち放射線源４９の回転軸である。ｙ座標は前記放射線源の回転面内にある。
【００６２】
図６からわかるように、以下の説明に対し、例えば多色性Ｘ線源４９及びＤ検出器４９を有するＣＳＣＴスキャナが考慮される。前記検出器は、図１を参照して説明されたものと同様であってもよいエネルギ分解検出器素子を有する、又はからなる。放射されるＸ線は、扇ビームが放射線４７の中心の周りの領域に配置された前記関心の対象を放射するようにコリメートされている。
【００６３】
本発明の例示的実施例によると、以下の動作の方法は、ＣＳＣＴデータを再構成するために、即ち検出器８及び４８の読み出しから画像を再構成するために、上記のスキャナ又は図１を参照して記載されたスキャナに適用されることができる。
【００６４】
ステップ１：データは、ｘ−ｙ−ｚ空間における線源軌道について円形収集の間に測定される。換言すると、放射線源４及び４９並びに検出器８及び４８が回転面において関心の対象の周りを回転される間に、読み出しは検出器８又は４８から集められる。前記読み出しは、測定されたデータ又は収集されたＣＳＣＴデータと称される。前記測定されたＣＳＣＴデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間における線積分として解析され、ここでｑは波数ベクトル移動量を表す。前記波数ベクトル移動量の計算は後で記載される。
【００６５】
ステップ２：前記収集されたＣＳＣＴデータは、ｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソート及び外挿される。
【００６６】
ステップ３：例えば、参照によりここに組み込まれるKatsevich “Analysis of an exact inversion algorithm for spiral cone-beam CT”, Phys. Med. Biol., vol.47, p.2583-2597, 2002に記載されている厳密再構成法のような従来の螺旋形再構成アルゴリズムにより前記データを前処理するために、他のステップが実行されてもよい。
【００６７】
ステップ４：次いで、前記再ソート及び／又は外挿されたデータは逆投影されることができる。この逆投影は、ｘ−ｙ−ｑ空間における曲線に沿って実行されることができる。これらの曲線は、例えば双曲線であってもよい。
【００６８】
この動作、特にステップ２は、以下により詳細に説明される。
【００６９】
ＣＳＣＴは、コヒーレント散乱形式因子Ｆ2(ｑ)を再構成するためにコヒーレント散乱Ｘ線を使用する。コヒーレント散乱Ｘ線に対する微分断面ｄσRayleigh／ｄΩは、
【数４】
により与えられ、ここでｒeは古典論的電子半径を示し、Θは入射Ｘ線と散乱Ｘ線との間の角度を示す。角度Θの光子の偏角（deviation）を引き起こす波数ベクトル移動量ｑは、対応するＸ線光子のエネルギＥ，プランク定数ｈ及び光速ｃを用いて、
【数５】
により規定される。小さな角度、例えばここで０ないし５°の関心の角度構成での散乱に対し、sin(Θ／２)はΘ／２で近似されることができ、式（２）は、
【数６】
と書き下されることができる。
【００７０】
図６によると、散乱角度は、前記検出器からの散乱中心の距離ｄと、走査面からの散乱放射線を受ける前記検出器素子の距離ａとにより与えられ、即ち、
【数７】
である。
【００７１】
式（３）と一緒に、これは、
【数８】
を生じる。
【００７２】
ｘ−ｙ−ｑ空間、式（５）は双曲線を記述する。これらの双曲線は、直線により近似されることができる。幾つかの可能性の中にあるのは、例えば、直線の下の面積が対応する双曲線の面積と一致するような近似である。他の近似がここに記載される。前記直線は、前記関心領域の始点（ｄmax）及び終点（ｄmin）において前記双曲線と交差し、即ち、
【数９】
である。
【００７３】
実際の経路が、ｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソート及び外挿されることができる、図１及び６に描かれたような走査システムが考慮される。仮想的な近隣軌道に対する円形軌道で測定されたデータの外挿は、Johnの方程式を使用することにより行われる。Johnの方程式のアイデアは、３次元空間を通る線積分の空間が４次元であり、したがって、ここに参照により組み込まれるS. K. Patch, “Consistency conditions upon 3D CT data and the wave equation”, Phys. Med. Biol. 47, 2637-2650及び米国特許広報６１７３０３０（１９９９）に記載されるように、対象関数から線積分関数への写像が追加の次元を作成するというものである。
【００７４】
図７ａ及び７ｂは、Johnの方程式のアイデアを更に説明するための概略図である。仮想的な線源位置
に対する図７ｂの線積分は、図７ａに示される
に対する線源位置に対して測定された線積分から外挿される。
【００７５】
これは、参照によりここに組み込まれるS. K. Patch “Computation of unmeasured third-generation VCT views from measured views”, IEEE Trans. Med. Img. MI-21, 801-813に記載されるように測定されたデータから測定されていないもの（unmeasured）を構成するために使用される線積分空間における冗長性を暗示する。Johnの方程式は、参照によりここに組み込まれるM. Defrise, F. Noo, H. Kudo, “Improved 2D rebinning of helical cone-beam CT data using John’s equation”, Proc. 2002 IEEE Nuclear Science and Medical Imaging Symbosium, Norfolk (VA), Paper M10-74に記載されるように幾何学パラメータのセットに対して以下のようにパラメータ化され、
【数１０】
ここでＲは前記仮想的な線源位置から等しい中心までの距離であり、ｕは中心放射線からさらされる検出器列までの扇方向の距離である。線積分はｇにより示され、変数に対する線積分の導関数は添え字により表される。測定された線積分ｇから、線積分
は、
【数１１】
により仮想的な線源位置
に対して外挿されることができる。
【００７６】
したがって、式（７）は
について解かれなければならない。式（７）の
【数１２】
への変形及びｕに関する部分積分は、
【数１３】
を生じ、これは仮想的な線源位置
に対する線積分である。
【００７７】
前記収集及び外挿されたデータは、ここで、ｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道に沿った収集に対応するように再ソートされることができる。
は、前記走査システムの回転の中心から仮想線源までのベクトルであるとする。前記螺旋形軌道は、
【数１４】
を生じ、ここでαはｘ軸に関する角度線源位置を示す。
【００７８】
特定の範囲において、ｑ∈[ｑmin,ｑmax]の各値は、線型方程式
【数１５】
により表されることができ、これはｘ−ｙ−ｑ空間における螺旋形軌道のデータ収集を果たす。この記述により、再構成処理に対して冗長データを使用するために、螺旋形データ収集に対する開始点としてオフセットα0を規定することが可能である。これは、より良い画質を生じることができる。
【００７９】
上述のステップ１ないし４、特にステップ３は、図１ないし５を参照して記載され且つ描かれたＣＳＣＴスキャナ、図６に描かれたスキャナ及び図９に描かれたデータ処理装置に適用及び実装されることができる。
【００８０】
図８は、前記検出器からの前記散乱中心の距離ｄに依存する波数ベクトル移動量ｑの特性に対する一例を示す。夫々、回転の中心に対する前記線源の距離Ｓは５７０ｍｍに選択され、前記回転の中心に対する前記検出器の距離は４７０ｍｍである。前記回転の中心に対する仮想的な線源の距離Ｒは４７０ｍｍに選択される。前記検出器は、回転の中心において０．７５×０．７５ｍｍ2のサイズを持つ２０行のエネルギ分解素子からなると仮定される。前記Ｘ線源は、２０ないし１６０ｋｅＶのエネルギのスペクトルを生じる。直径１６０ｍｍの対象が前記回転の中心に配置される。許容されるｑの値の範囲は、前記対象のサイズ、前記検出器の寸法及び前記エネルギスペクトルにより規定される。与えられた例において、ｑ∈[０．０３,１．６１]及び全てのｑの値は、式（１２）により記述されることができる。ｑ＝１．０ｎｍ-1における仮想的な線源位置に対する直線は、式（８）による外挿により得られる。
【００８１】
図８からわかるように、散乱中心と検出器との間の距離ｄに依存する波数ベクトル移動量の特性が描かれている。所定のエネルギＥに対し、走査面又はスライス面に対して距離ａを持つ特定の検出器素子は、双曲線により記述されるｑの値の下で前記対象を通る放射線に沿って配置された散乱中心から放射線を受ける。前記直線は、対応する双曲線に対する近似である。Ｅ、ｈ及び前記対象の直径により決定されるｑminないしｑmaxの範囲において、前記波数ベクトル移動量に対するあらゆる値が式（１２）により表されることができる。前記直線は、仮想的な線源位置Ｒにおいて交差する。
【００８２】
図９は、上述のステップ１ないし４を実行するデータ処理装置の例示的実施例を示す。図９からわかるように、中央処理ユニット（ＣＰＵ）又は画像プロセッサ１は、前記検出器からの読み出し又は最後に再構成されたデータを記憶するメモリ２に接続される。前述のように、前記データは、図１及び６に描かれるようなＣＳＣＴスキャナにより収集されることができる。画像プロセッサ１は、更に複数の入出力ネットワーク又は他の診断装置に接続されてもよい。画像プロセッサ１は、更に画像プロセッサ１において計算又は適合された情報又は画像を表示するディスプレイ４（例えばコンピュータモニタ）に接続される。オペレータは、図１に描かれていないキーボード５及び／又は他の入出力装置を介してデータプロセッサ１と相互作用することができる。
【００８３】
上述の本発明は、例えば、医療撮像の分野に応用されてもよい。しかしながら、上述のように、本発明は、非破壊試験又は手荷物検査の分野にも応用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明によるＣＳＣＴスキャナの例示的実施例の概略的表現図を示す。
【図２】コヒーレント散乱放射線の測定に対する図１のＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の概略的表現図を示す。
【図３】図１のＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。
【図４】本発明を更に説明するために図１のＣＳＣＴスキャナの測定の幾何学的構成の他の概略的表現図を示す。
【図５】図１のＣＳＣＴスキャナの幾何学的構成の側面図の概略的表現図を示す。
【図６】本発明の他の例示的実施例によるマルチラインＣＳＣＴスキャナの概略的表現図を示す。
【図７ａ】Johnの方程式のアイデアを説明する概略図である。
【図７ｂ】Johnの方程式のアイデアを説明する概略図である。
【図８】本発明を更に説明するための散乱中心と検出器との間の距離Ｄに依存する波数ベクトル移動量ｑの特性を示す。
【図９】本発明によるデータ処理装置の例示的実施例の単純化された概略的表現図を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータ処理装置において、前記コンピュータ断層撮影データが、エネルギ分解検出器素子を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴデータから再構成され、前記収集されたＣＴデータ及び前記コンピュータ断層撮影データの少なくとも一方を記憶するメモリが設けられ、少なくとも以下の動作、即ち前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積における所望の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作とを実行するように適合されたプロセッサが設けられるデータ処理装置。
【請求項２】
前記収集されたＣＴデータは、放射線源が第１の線源軌道に沿って移動される収集の間に収集され、前記収集されたＣＴデータが、前記第１の線源軌道とは異なる前記再構成体積内の第２の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置され、前記第１の線源軌道が円形であり、前記第２の線源軌道が螺旋形である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項３】
前記プロセッサが、更に、前記再構成体積内の前記曲線に沿ったフィルタ逆投影を実行するように適合される、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項４】
前記再構成体積が、更に、回転面の２つの線形独立なベクトルにより決定され、前記検出器が２次元検出器である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項５】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作が、Johnの方程式を使用することにより実行される、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項６】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作が、以下の式、
【数１】
を使用することにより実行され、ここでｑは前記波数ベクトル移動量であり、
はＸ線源の仮想的な位置であり、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、αは回転面における前記Ｘ線源の角度位置を示し、Ｅは対応するＸ線光子のエネルギであり、ｄは前記対応するＸ線光子の散乱中心から前記検出器までの距離を示し、ｄmin及びｄmaxは前記再構成体積内の前記曲線の関心領域の始点及び終点である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項７】
関心の対象を検査するコンピュータ断層撮影装置において、前記コンピュータ断層撮影装置が、Ｘ線源及び散乱放射線検出器を持つ検出器ユニット並びにデータプロセッサを有し、前記検出器ユニットが前記関心の対象を受ける検査領域を通って延在する回転軸の周りで回転可能であり、前記Ｘ線源がスライス面において前記検査領域内の前記関心の対象を貫通するように適合された扇形Ｘ線ビームを生成し、前記散乱放射線検出器が、前記検出器ユニットにおいて前記回転軸に平行な方向に前記スライス面に対するオフセットを持つようにして前記Ｘ線源と反対側に配置され、前記散乱放射線検出器が複数の第１の検出器素子を含み、前記複数の第１の検出器素子がエネルギ分解検出器素子であり、前記データプロセッサが、少なくとも以下の動作、即ち前記散乱放射線検出器を使用することにより収集されたスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記Ｘ線源が前記再構成体積内の所望の線源軌道に沿って移動される収集に対応するように前記収集されたＣＴデータを再配置する動作とを実行するように構成される、コンピュータ断層撮影装置。
【請求項８】
前記散乱放射線検出器が２次元検出器である、請求項７に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項９】
前記散乱放射線検出器が前記関心の対象から散乱された散乱放射線を受けるように構成されるように、前記散乱放射線検出器が、前記検出器ユニットにおいて前記回転軸に沿ったオフセットを持つようにして前記スライス面に平行且つ前記スライス面の外に前記Ｘ線源の反対側に配置され、前記収集されたＣＴデータは、前記Ｘ線源が第１の線源軌道に沿って移動される収集の間に収集され、前記収集されたＣＴデータが、前記第１の線源軌道とは異なる前記再構成体積内の第２の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置され、前記第１の線源軌道が円形であり、前記第２の線源軌道が螺旋形である、請求項７に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項１０】
前記収集されたＣＴデータは、放射線源が回転面において関心の対象の周りを回転される円形の収集の間に収集され、前記プロセッサが、更に、前記再構成体積内の前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行するように適合され、前記再構成体積が、更に、前記回転面の２つの線形独立なベクトルにより決定される、請求項７に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項１１】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作が、以下の式、
【数２】
を使用することにより実行され、ここでｑは前記波数ベクトル移動量であり、
はＸ線源の仮想的な位置であり、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、αは回転面における前記Ｘ線源の角度位置を示し、Ｅは対応するＸ線光子のエネルギであり、ｄは前記対応するＸ線光子の散乱中心から前記散乱放射線検出器を含む検出器までの距離を示し、ｄmin及びｄmaxは前記再構成体積内の曲線の関心領域の始点及び終点である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項１２】
コンピュータ断層撮影データの再構成を実行する方法において、前記コンピュータ断層撮影データが、エネルギ分解検出器素子を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴデータから再構成され、前記方法が、前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定するステップと、再構成体積を決定するステップであって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定するステップと、前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積における所望の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置するステップとを有する方法。
【請求項１３】
前記収集されたＣＴデータは、放射線源が第１の線源軌道に沿って移動される収集の間に収集され、前記収集されたＣＴデータが、前記第１の線源軌道とは異なる前記再構成体積内の第２の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置され、前記第１の線源軌道が円形であり、前記第２の線源軌道が螺旋形であり、前記検出器が２次元検出器である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置するステップが、以下の式
【数３】
を使用することにより実行され、ここでｑは前記波数ベクトル移動量であり、
はＸ線源の仮想的な位置であり、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、αは回転面における前記Ｘ線源の角度位置を示し、Ｅは対応するＸ線光子のエネルギであり、ｄは前記対応するＸ線光子の散乱中心から前記検出器までの距離を示し、ｄmin及びｄmaxは前記再構成体積内の曲線の関心領域の始点及び終点である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータ断層撮影データが、エネルギ分解検出器素子を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴデータから再構成され、前記コンピュータプログラムが、前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積における所望の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作とを前記データプロセッサに実行させるコンピュータプログラム。
【請求項１】
コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータ処理装置において、前記コンピュータ断層撮影データが、エネルギ分解検出器素子を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴデータから再構成され、前記収集されたＣＴデータ及び前記コンピュータ断層撮影データの少なくとも一方を記憶するメモリが設けられ、少なくとも以下の動作、即ち前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積における所望の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作とを実行するように適合されたプロセッサが設けられるデータ処理装置。
【請求項２】
前記収集されたＣＴデータは、放射線源が第１の線源軌道に沿って移動される収集の間に収集され、前記収集されたＣＴデータが、前記第１の線源軌道とは異なる前記再構成体積内の第２の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置され、前記第１の線源軌道が円形であり、前記第２の線源軌道が螺旋形である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項３】
前記プロセッサが、更に、前記再構成体積内の前記曲線に沿ったフィルタ逆投影を実行するように適合される、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項４】
前記再構成体積が、更に、回転面の２つの線形独立なベクトルにより決定され、前記検出器が２次元検出器である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項５】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作が、Johnの方程式を使用することにより実行される、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項６】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作が、以下の式、
【数１】
を使用することにより実行され、ここでｑは前記波数ベクトル移動量であり、
はＸ線源の仮想的な位置であり、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、αは回転面における前記Ｘ線源の角度位置を示し、Ｅは対応するＸ線光子のエネルギであり、ｄは前記対応するＸ線光子の散乱中心から前記検出器までの距離を示し、ｄmin及びｄmaxは前記再構成体積内の前記曲線の関心領域の始点及び終点である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項７】
関心の対象を検査するコンピュータ断層撮影装置において、前記コンピュータ断層撮影装置が、Ｘ線源及び散乱放射線検出器を持つ検出器ユニット並びにデータプロセッサを有し、前記検出器ユニットが前記関心の対象を受ける検査領域を通って延在する回転軸の周りで回転可能であり、前記Ｘ線源がスライス面において前記検査領域内の前記関心の対象を貫通するように適合された扇形Ｘ線ビームを生成し、前記散乱放射線検出器が、前記検出器ユニットにおいて前記回転軸に平行な方向に前記スライス面に対するオフセットを持つようにして前記Ｘ線源と反対側に配置され、前記散乱放射線検出器が複数の第１の検出器素子を含み、前記複数の第１の検出器素子がエネルギ分解検出器素子であり、前記データプロセッサが、少なくとも以下の動作、即ち前記散乱放射線検出器を使用することにより収集されたスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記Ｘ線源が前記再構成体積内の所望の線源軌道に沿って移動される収集に対応するように前記収集されたＣＴデータを再配置する動作とを実行するように構成される、コンピュータ断層撮影装置。
【請求項８】
前記散乱放射線検出器が２次元検出器である、請求項７に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項９】
前記散乱放射線検出器が前記関心の対象から散乱された散乱放射線を受けるように構成されるように、前記散乱放射線検出器が、前記検出器ユニットにおいて前記回転軸に沿ったオフセットを持つようにして前記スライス面に平行且つ前記スライス面の外に前記Ｘ線源の反対側に配置され、前記収集されたＣＴデータは、前記Ｘ線源が第１の線源軌道に沿って移動される収集の間に収集され、前記収集されたＣＴデータが、前記第１の線源軌道とは異なる前記再構成体積内の第２の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置され、前記第１の線源軌道が円形であり、前記第２の線源軌道が螺旋形である、請求項７に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項１０】
前記収集されたＣＴデータは、放射線源が回転面において関心の対象の周りを回転される円形の収集の間に収集され、前記プロセッサが、更に、前記再構成体積内の前記曲線に沿ってフィルタ逆投影を実行するように適合され、前記再構成体積が、更に、前記回転面の２つの線形独立なベクトルにより決定される、請求項７に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項１１】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作が、以下の式、
【数２】
を使用することにより実行され、ここでｑは前記波数ベクトル移動量であり、
はＸ線源の仮想的な位置であり、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、αは回転面における前記Ｘ線源の角度位置を示し、Ｅは対応するＸ線光子のエネルギであり、ｄは前記対応するＸ線光子の散乱中心から前記散乱放射線検出器を含む検出器までの距離を示し、ｄmin及びｄmaxは前記再構成体積内の曲線の関心領域の始点及び終点である、請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項１２】
コンピュータ断層撮影データの再構成を実行する方法において、前記コンピュータ断層撮影データが、エネルギ分解検出器素子を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴデータから再構成され、前記方法が、前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定するステップと、再構成体積を決定するステップであって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定するステップと、前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積における所望の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置するステップとを有する方法。
【請求項１３】
前記収集されたＣＴデータは、放射線源が第１の線源軌道に沿って移動される収集の間に収集され、前記収集されたＣＴデータが、前記第１の線源軌道とは異なる前記再構成体積内の第２の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置され、前記第１の線源軌道が円形であり、前記第２の線源軌道が螺旋形であり、前記検出器が２次元検出器である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積内の螺旋形線源軌道に沿った収集に対応するように再配置するステップが、以下の式
【数３】
を使用することにより実行され、ここでｑは前記波数ベクトル移動量であり、
はＸ線源の仮想的な位置であり、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、αは回転面における前記Ｘ線源の角度位置を示し、Ｅは対応するＸ線光子のエネルギであり、ｄは前記対応するＸ線光子の散乱中心から前記検出器までの距離を示し、ｄmin及びｄmaxは前記再構成体積内の曲線の関心領域の始点及び終点である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
コンピュータ断層撮影データの再構成を実行するデータプロセッサ用コンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータ断層撮影データが、エネルギ分解検出器素子を有する検出器を使用することにより収集された少なくとも１つの部分的なスペクトルを有する収集されたＣＴデータから再構成され、前記コンピュータプログラムが、前記少なくとも１つの部分的なスペクトルを使用することにより波数ベクトル移動量を決定する動作と、再構成体積を決定する動作であって、前記再構成体積の寸法が前記波数ベクトル移動量により決定され、前記波数ベクトル移動量が前記再構成体積内の曲線を表す、当該再構成体積を決定する動作と、前記収集されたＣＴデータを前記再構成体積における所望の線源軌道に沿った収集に対応するように再配置する動作とを前記データプロセッサに実行させるコンピュータプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２００７−５０８５６０（Ｐ２００７−５０８５６０Ａ）
【公表日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３４８６３（Ｐ２００６−５３４８６３）
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００４／０５１９６８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０３６４６７
【国際公開日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【出願人】（５９００００２４８）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 (12,071)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００４／０５１９６８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０３６４６７
【国際公開日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【出願人】（５９００００２４８）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 (12,071)
【Ｆターム（参考）】
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