画像化方法
本発明は、検査対象、特に患者（Ｐ）の画像化検査方法に関する。この方法において、まず検査対象に造影剤（ＫＭ）が投与される。その後にＸ線減弱値の少なくとも２つの空間分布が求められ、それらのＸ線減弱値はそれぞれ局部的Ｘ線減弱係数（μ（ｘ，ｙ））またはこれと線形関係にある量（Ｃ）であり、２つの空間分布は、少なくとも、第１のＸ線スペクトルに基づいて求められた第１の減弱値分布（μ1（ｘ，ｙ））と、第１のＸ線スペクトルとは異なる第２のＸ線スペクトルに基づいて求められた第２の減弱値分布（μ2（ｘ，ｙ））とを含む。その後両減弱値分布の評価により、１つ又は複数の予め定められた原子番号値（Ｚ；Ｚ１，Ｚ２，・・・）の空間分布または検査対象内に予め存在する予め定められていない原子番号値の空間分布（Ｚ（ｘ，ｙ））が求められ、この空間分布は検査対象に投与された造影剤（ＫＭ）の分布に関する情報を含んでいる。空間的原子番号分布は画像内での造影剤（ＫＭ）の表示に使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療目的については特に患者である検査対象の画像化検査方法に関する。この方法は、特に断層撮影法の枠内での適用に、または断層撮影能力のある画像化検査装置、例えばＸ線コンピュータ断層撮影装置での適用に適している。
【０００２】
造影剤は、例えば独国特許出願公開第４４３３５６４号明細書、国際公開第００／１６８１１号パンフレット、独国特許第１０００２９３９号明細書から公知である。
【０００３】
例えばコンピュータ断層撮影法、乳房撮影法、血管撮影法、Ｘ線検査あるいは同等の方法の如きＸ線撮影法の結果は、Ｘ線源からＸ線検出器へ至るＸ線経路に沿ったＸ線減弱の表示（投影画像）である。この減弱はＸ線経路に沿った照射された媒質もしくは材料によってひき起こされるので、減弱はＸ線経路に沿った全てのピクセルの減弱係数を介する線積分として理解することもできる。特に断層撮影法、例えばＸ線コンピュータ断層撮影法においては、いわゆる再構成法により、投影された減弱データから個々のピクセルの減弱係数（μ）へ逆算し、それにより投影画像の単なる評価におけるよりも著しく感度のよい検査を達成することが可能である。
【０００４】
減弱分布の表示のために、減弱係数の代わりに一般に水の減弱係数で正規化された値いわゆるＣＴ値が使用される。これは、測定によって求められた実際の減弱係数μと基準減弱係数μH2Oとから次式に従って算出される。
Ｃ＝１０００×（μ−μH2O）／μH2O ［ＨＵ］ （１）
ＣＴ値Ｃの単位はハンスフィールド［ＨＵ］である。水については値ＣH2O＝０ＨＵが生じ、空気については値ＣL＝−１０００ＨＵが生じる。
【０００５】
両表示は相互に変換可能もしくは等価であるので、以下において、一般的に選ばれた用語「減弱値」または「減弱係数」は減弱係数μならびにＣＴ値を意味する。更に、この発明の説明の事柄関係において用語「材料」および「組織」は交換可能に使用される。医療上の検査の関連における材料とは解剖学的な組織であり、逆に材料検査および安全性検査における組織とは検査対象の任意の材料であると解釈すべきである。
【０００６】
局部的な減弱係数（μ）に基づく画像の表現力が明らかに高められているにもかかわらず、個々のケースでは画像観察時に問題が存在する。つまり、局部的に高められた減弱値は、例えば骨格におけるカルシウムまたは造影剤におけるヨウ素のように高い原子番号の材料に起因するか又は例えば肺結節におけるように高められた軟部密度に起因している。位置ｒ→における局部的な減弱係数μは、エネルギーおよび材料に依存する質量減弱係数
【数１】
および（有効）原子番号Ｚをともなう次の方程式に従って、組織もしくは材料に入射したＸ線エネルギーＥおよび局部的な組織密度もしくは材料密度ρに依存する。
【数２】
【０００７】
従って、有効原子番号Ｚによって決まるような材料のエネルギーに依存したＸ線吸収が材料密度ρによって影響されたＸ線吸収に重なる。従って、化学的にも物理学的にも異なる組成の材料もしくは組織がＸ線画像において同一の減弱値を有し得る。裏を返せば、逆にＸ線撮影の減弱値から検査対象の材料組成を推論することはできない。
【０００８】
この問題の解決のためには、材料特有の値を表示するための方法が必要である。コンピュータ支援の断層撮影法との関連で、互いに異なるＸ線スペクトルまたはＸ線量子エネルギーを画像作成に使用することは、例えば米国特許第４２４７７７４号明細書により公知である。この種の方法は一般に２スペクトルＣＴと呼ばれる。これは減弱係数μの原子番号に基づくエネルギー依存性を利用する、すなわち高い原子番号の材料および組織が低エネルギーのＸ線を低い原子番号の材料および組織よりも明らかに強く吸収するという作用に基づいている。これに対して高いＸ線エネルギーの場合には減弱値は一様化し、おおむね材料密度の関数である。２スペクトルＣＴでは、例えば異なるＸ線管電圧で撮影された画像の差異が算出される。
【０００９】
本説明の関連では、用語「原子番号」は、ほかに指定しない限り、厳密に元素に関連付けた意味で使用しているのではなく、組織もしくは材料の構造に関係した元素の化学的な原子番号および原子量から算出される組織または材料の有効原子番号を意味する。
【００１０】
例えばＷ．Ｋａｌｅｎｄｅｒ氏らが、「“Ｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｋｔｉｖｅ Ｂｉｌｄｇｅｂｕｎｇ ｕｎｄ Ｄｉｃｈｔｅｍｅｓｓｕｎｇ ｍｉｔ ｄｅｒ Ｚｗｅｉ−Ｓｐｅｋｔｒｅｎ−Ｍｅｔｈｏｄｅ，Ｉ．Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ ｕｎｄ Ｍｅｔｏｄｉｋ（２スペクトル法を用いた材料選択的画像化および密度測定、Ｉ．基礎および方法論）”，Ｗ．Ｋａｌｅｎｄｅｒ，Ｗ．Ｂａｕｔｚ，Ｄ．Ｆｅｌｓｅｎｂｅｒｇ，Ｃ．Ｓｕｅｓｓ，Ｅ．Ｋｌｏｔｚ，Ｄｉｇｉｔ．Ｂｉｌｄｄｉａｇｎ．７，１９８７，６６−７７，ゲオルク ティーメ 出版社」において記述しているように、付加的にいわゆる基礎材料分析方法がＸ線撮影に適用される場合に、更に特殊な方法が提案されている。この方法では、検査対象のＸ線減弱値が低エネルギーおよび高エネルギーのＸ線により測定され、得られた値が、例えば（骨格材料のための）カルシウムおよび（軟部組織のための）水のような２つの基礎材料の相応の基準値と比較される。各測定値が両基礎材料の測定値の線形的な重ね合わせであることが仮定される。例えば、検査対象の画像表示の各エレメントについて基礎材料の値との比較から骨格成分および軟組織成分が算出されるので、元の撮影が骨格材料および軟部組織という両基礎材料の表示へ変換される結果となる。
【００１１】
従って、基礎材料分析法もしくは２スペクトル法は、強く異なる原子番号を有する人間および動物の組織における予め定まった解剖学的構造または材料種類の分析もしくは識別に適している。
【００１２】
独国特許出願第１０１４３１３１号明細書から、基礎材料分析よりも優れた感度および表現力を有する方法が知られており、これは例えば高い表現力の機能的なＣＴ画像化を可能にする。これは、Ｘ線装置のスペクトル的に影響を受けている測定データの評価から平均密度ρ（ｒ→）および有効原子番号Ｚ（ｒ→）の空間分布の算出を可能にする。これに関しては、特に検査対象の化学的および物理学的な組成に関して、非常に良好なコントラストが得られる。例えば、組織における原子番号の分布の表示が、とりわけ検査対象の生化学的な組成の認識、今まで密度を一様に表示された器官における化学的構造に基づくコントラスト、ヨウ素等のような身体構成部分の定量的検出および原子番号に基づく石灰化のセグメント化を可能にする。
【００１３】
本発明の課題は、材料または原子番号に依存したＸ線に基づく画像化における感度改善および表現力向上のための新たな可能性をもたらす方法を提供することにある。
【００１４】
この課題は、本発明によれば、
ａ）検査対象に造影剤が投与され、
ｂ）その後にＸ線減弱値の少なくとも２つの空間分布が求められ、それらのＸ線減弱値はそれぞれ局部的なＸ線減弱係数（μ（ｘ，ｙ））またはこれと線形関係にある量（Ｃ）であり、２つの空間分布は、少なくとも、
・第１のＸ線スペクトルに基づいて求められた第１の減弱値分布と、
・第１のＸ線スペクトルとは異なる第２のＸ線スペクトルに基づいて求められた第２の減弱値分布と
を含み、
ｃ）両減弱値分布の評価により、１つ又は複数の予め定められた原子番号値（Ｚ；Ｚ１，Ｚ２，・・・）の空間分布または検査対象内に予め存在する予め定められていない原子番号値の空間分布（Ｚ（ｘ，ｙ））が求められ、この空間分布は検査対象に投与された造影剤の分布に関する情報を含み、
ｄ）空間的原子番号分布は造影剤の画像化表示に使用される
ことを特徴とする検査対象、特に患者の画像化検査方法によって解決される。
【００１５】
本発明は、造影剤の使用がＸ線コンピュータ断層撮影における機能的画像化の改善を可能にするという考えに基づいている。造影剤は、これまで、吸収時に例えば血液をその組織背景の前へ浮き上がらせるためにだけ使用されてきた。材料または組織の選択的評価は行なわれなかった。更に、本発明は、とりわけ、障りのない投与量または濃度での造影剤の投与によって２つの異なるＸ線スペクトルにより測定可能な原子番号差を得ることができるという認識に基づいている。
【００１６】
本発明による方法では、造影剤の原子番号を予め定めることができる。本方法は、特に冒頭に述べた如き基礎材料分析法と組み合わせることができる。
【００１７】
好ましくは、空間的原子番号分布は２次元または３次元の領域として求められ、それぞれの領域値は当該領域によって代表される位置における局部的原子番号値である。本方法は、特に冒頭に述べた如き独国特許出願第１０１４３１３１号明細書の方法と組み合わせることができる。この独国出願の開示内容、特にそこにおける請求項１乃至７は、本出願に明確に取り込むことができる。
【００１８】
更に、好ましくは、原子番号分布に付加して、それぞれ１つの局部的密度値を再現する領域値を有する他の２次元または３次元の領域が求められる。
【００１９】
画像化のために空間的原子番号分布を使用することは、例えば、造影剤の原子番号の値を例えば含む定められた原子番号間隔からのデータのみを、または定められた原子番号限界値の向こう側からのデータのみを表示する画像が表示されることによって行なうことができる。測定された原子番号値をグレースケールまたカラースケールに変換することも可能であり、造影剤の原子番号の値が際立たせられるか又は着色されるだけでよい。このスケールで画像化して表示することができる。この種の画像には、通常の機能的ではない減弱画像が上または下に重ね合わされるとよい。
【００２０】
特に有利な実施態様によれば、原子番号値を有する求められた領域および密度値を有する求められた領域が、造影剤の局部的濃度または局部的量を算出するために使用される。
【００２１】
造影剤とは、本発明との関係では、検査対象への投与後、特に患者への注入後に吸収時における、すなわちＸ線画像におけるコントラスト改善もしくはコントラスト増強をもたらすあらゆる薬剤であると解釈すべきである。これには、例えばパフュージョン測定時に血管内に、画像中の血管を強調するために投与されるような通常の造影剤も含まれる。しかし、「造影剤」とは、固有にまたは選択的に、例えば鍵−錠の原理に従って検査対象内の特定の個所に沈着または集積し、それによって器官機能の検査を可能にする薬剤でもあると理解される。このような最後に述べた薬剤はいわゆるマーカーまたはトレーサであり得る。かかるマーカーは、例えば、検査すべき目標構造に対する高い親和性を持った生物学的な高分子、例えば抗体、ペプチドまたは糖分子と、Ｘ線画像において良く視認可能である例えば投与された造影剤とから構成される。高分子は、例えばいわゆる「物質代謝標識」として役立ち、全体として物質代謝標識とも呼ばれる造影剤を専ら特定の領域、例えば腫瘍、炎症あるいは他の特定の病巣に集積させる。造影剤は例えば冒頭において挙げたに特許文献から公知である。
【００２２】
好ましくは、２０よりも大きいまたは４０よりも大きい原子番号を有する造影剤が使用される。造影剤は特に８３よりも小さいまたは７０よりも小さい原子番号を有する。
【００２３】
特に好ましい造影剤は、ガドリニウム、ヨウ素、イッテルビウム、ジスプロシウム、鉄および／またはビスマスを含んでいる。
【００２４】
他の有利な実施態様によれば、造影剤は有機化合物、特に脂肪族炭化水素、例えば糖、および／またはアミノ酸またはペプチドを含んでいる。
【００２５】
造影剤は、検査対象の定められた個所または定められた組織部分に選択的に沈着するように形成されているとよい。
【００２６】
有利な実施態様では、造影剤は、範囲１０-4〜１０-7、特に範囲１０-5〜１０-6からなる重量濃度で投与される。
【００２７】
この明細書の関係において使用された用語「Ｘ線スペクトル」は、装置のＸ線源から放射されたＸ線のスペクトル分布のみよりも広義の意味を有する。Ｘ線検出器の側でもＸ線の異なるスペクトル成分が異なる効率で変換され、それにより種々に重み付けされることがある。その結果生じる有効なスペクトル分布がこの明細書では同様にＸ線スペクトルと呼ばれる。
【００２８】
両減弱値分布は必ずしも相前後して２つ画像として異なる管電圧で撮影されなければならないというわけではない。どんなＸ線管も或る幅を持ったスペクトルを放射するので、受信ユニットが相応にスペクトル選択性に構成されていれば、両減弱値分布を十分にまたは完全に同時に撮影することも可能である。このために、例えばＸ線経路内に閉鎖可能なフィルタおよび／または２つの別々に存在するＸ線検出器アレイを使用することもできる。
【００２９】
特に、本方法を実施するための受信ユニットは量子エネルギー選択性のＸ線検出器アレイを装備している。
【００３０】
特に冒頭に述べた独国特許出願第１０１４３１３１号明細書に記載された方法の使用に関しては、第１の減弱値分布における第１の減弱値と密度および原子番号との第１の関数関係、および、第２の減弱値分布において第１の減弱値に対応した第２の減弱値と密度および原子番号との第２の関数関係が求められ、第１の関数関係と第２の関数関係および場合によっては他の関数関係との比較から、空間的原子番号分布が求められ、さらに任意選択的に空間的密度分布が求められると有利である。
【００３１】
少なくとも１つのＸ線スペクトルについて減弱値と密度および原子番号との関数関係を決定することは、較正試料における基準測定により、または物理学的モデルに基づくシミュレーションの形で行なわれる。
【００３２】
他の好ましい実施態様によれば、第１の減弱値分布および他の減弱値分布の対応する各減弱値について減弱値分布を密度分布および原子番号分布へ変換することは、密度および原子番号のための値対の検出に基づいて、その値対が第１のＸ線スペクトルおよび少なくとも１つの他のＸ線スペクトルについてＸ線吸収と密度および原子番号との定められた関数関係を満足するように行なわれる。それにより、１つの画素のための密度および原子番号を、記録されたＸ線吸収値分布の互いに対応するＸ線吸収値の関数関係の交点量として簡単に算出することができる。
【００３３】
原子番号の決定において高い分解能が得られるように、第１のＸ線スペクトルが、第２のＸ線スペクトルの量子エネルギーに対して相対的にＸ線吸収を光効果によって促進する量子エネルギーを有すると好ましい。
【００３４】
本発明の有利な実施態様では、検査対象を記録するためのＸ線スペクトルを変化させるために、Ｘ線管の少なくとも１つの動作パラメータが変えられ、その場合にＸ線源は第１の動作状態において第１のＸ線スペクトルを放射し、第２の動作状態において第１のＸ線スペクトルとは異なる第２のＸ線スペクトルを放射するので、２つのＸ線スペクトル間の高速の交代が可能になる。
【００３５】
更に、検査対象を記録するためのＸ線スペクトルを変化させるために、検出器特性を変化させると好ましい。Ｘ線検出器はＸ線源から受信したＸ線のスペクトル部分範囲を互いに独立した電気信号に変換し、異なるＸ線スペクトルにおけるＸ線吸収の分布の同時記録を可能にする
【００３６】
以下において本発明を次の図を参照しながら実施例に基づいて更に詳細に説明する。
図１は一実施例により本発明による方法のフローチャートを示し、
図２は等吸収線に基づいて異なる組成の材料における同一の減弱値μの実現性を示し、
図３ａは図１による方法の一部として等吸収線を求めるための算出方法について模範的動作のフローチャートを示し、
図３ｂは図１による方法の一部としてＸ線減弱値を材料密度および原子番号の値へ変換するための模範的な流れ図を示し、
図４は２つの異なるＸ線スペクトルにおける組織種類の２つの等吸収線を示す。
【００３７】
図１には本発明による方法の実施例がフローチャートとして示されている。第１ステップ１において患者Ｐにトレーサまたは造影剤ＫＭが例えば血管への注入によってまたは飲み込みによって投与される。その後患者Ｐは、概略的に示されているＸ線コンピュータ断層撮影装置２において、第１のＸ線スペクトルＳ１の評価のもとに並びにこれと同時のまたは後続した第２のＸ線スペクトルＳ２の評価のもとに検査される（第２ステップ３）。両スペクトルはＸ線コンピュータ断層撮影装置２の相応の設定によって選択される。このようにして得られた生データに基づく画像再構成の実行（第３ステップ５）により、各Ｘ線スペクトルＳ１，Ｓ２に対して、例えば座標ｘ，ｙを有する横断面断層画像内における（線形の）Ｘ線減弱係数μの分布μ1（ｘ，ｙ）もしくはμ2（ｘ，ｙ）として減弱値分布が作成される。第４ステップ７において、コンピュータ支援にて、Ｘ線減弱係数の分布μ1（ｘ，ｙ）もしくはμ2（ｘ，ｙ）の原子番号分布Ｚ（ｘ，ｙ）への変換が行なわれる。原子番号分布Ｚ（ｘ，ｙ）は第５ステップ８において造影剤ＫＭの分布をモニタ９へ表示するために利用される。
【００３８】
１０6の水分子に対して１つのＧｄ原子（約９ｐｐｍ重量成分）を有するＧｄを基にしたトレーサの模範的な注入から始めた場合、有効原子番号Ｚ＝７．５２が生じる。この濃度は、水の場合の値Ｚ＝７．４２と対比させて、図３ａ，３ｂによる方法にて検出可能である。図３ａ，３ｂによる方法は第４ステップ７の一部として構成することができる。この方法の詳細は、明確に関連する独国特許出願第１０１４３１３１号明細書に記載されている。
【００３９】
同時に密度分布ρ（ｘ，ｙ）を求める場合、例えば水のような既知の担体媒質であるならばトレーサ物質の濃度を定量的に求めることができる。
【００４０】
造影剤ＫＭの原子番号は、典型的にはＺ＝７．４２を持つ水である基礎材料の原子番号とできるだけ大きな偏差を持たせるべきである。
【００４１】
図３ａ，３ｂによる方法に対する代替として、横断面（ｘ，ｙ）における２つ以上の前もって決定された原子番号値Ｚ１，Ｚ２，・・・の空間分布を求めるために、冒頭に述べた如き従来の基礎材料分析も使用することができる。このような分布は同様に画像内での造影剤ＫＭの表示に使用することができる。
【００４２】
図３ａ，３ｂによる方法の説明に関して、最初に次の説明をしておく。図２の等吸収線１１は全ての値対（ρ，Ｚ）を、定められたＸ線スペクトルにおいて同一の減弱値μもしくはＣと結びつける。図２の表示は、組織もしくは材料の種類および組成に関する情報がＸ線画像の減弱値だけに基づいては導き出せないことを示す。
【００４３】
Ｘ線は、異なる材料によって、且つＸ線のエネルギーに依存して、異なる強さで減弱される。これは異なる材料における異なる減弱メカニズムに起因する。
【００４４】
この説明の関連において原子番号と略称する特定の組織種類の有効原子番号Ｚは、構造に関与している元素の原子番号Ｚi、その原子量Ａiおよびその局部的な材料等価の密度ρiから、例えば
【数３】
で算出される。
【００４５】
純粋なカルシウムについてはＺCA＝２０、水素化カルシウムについては約ＺCaH2≒１６．０４、水については約ＺH2O≒７．４２８が得られる。従って、対象の化学的組成あるいは生化学的組成が原子番号を介して非常に良好に検出可能である。
【００４６】
検査領域における原子番号分布および密度分布の算出のための前提は、その領域に関して撮影ジオメトリが同一であるがしかし適用されたＸ線の異なるエネルギーで作成された少なくとも２つのＸ線撮影である。異なるＸ線エネルギーで記録された２つよりも多いＸ線撮影を使用するならば、Ｚ分解能およびρ分解能を改善することができるが、やはりそれによってＸ線負担が増大する。従って、患者検査の場合この可能性はいつでも与えられるというわけではない。
【００４７】
減弱値に基づく画像データを原子番号および材料密度もしくは組織密度の分布画像へ変換する出発点はＸ線装置の各Ｘ線スペクトルに対する等吸収線の知識である。既に述べたように、Ｘ線スペクトルとは、装置のＸ線源から放射されたＸ線のスペクトル分布の狭義にとらえた概念ではなく、むしろＸ線検出器の側においてＸ線管の放射スペクトルの異なるスペクトル範囲の異なる重み付けを考慮した広義の概念であると解釈すべきである。従って、測定された減弱値はＸ線管から放射されたＸ線スペクトルの直接の減弱と使用されたＸ線検出器のスペクトル効率とから生じる。両値は装置特有の量であり、直接的又は間接的に較正試料の減弱値により求められる。これらは等吸収線の算出の基礎である。
【００４８】
図３ａには一群の等吸収線のモデル化もしくは算出のための３つの方法３００、すなわち理論的モデル化、実験的決定、および実験的に決定されたパラメータによる曲線の較正をともなう理論的モデル化が概略的に示されている。
【００４９】
原理的には、Ｘ線撮影においてＸ線減弱の期間をカバーするために必要である減弱値と同じ多さの等吸収線を求めることができる。その場合に理論上発生する各減弱値について等吸収線を算出する必要はない。算出されなかった等吸収線は必要であれば補間または他の適切な平均化法によって使用することができる。
【００５０】
理論的モデル化の基本ステップは図３ａのフローチャートの左分枝に示されている。まずステップＳ３０２においてパラメータとして使用可能な管電圧を有する装置特有のＸ線放射スペクトルＳ（Ｅ）のデータが読み取られる。このために、Ｘ線のスペクトル分布は前段階において実験的に各個別Ｘ線装置について測定されるか、あるいは特殊なＸ線源タイプに特徴的なデータが使用される。検出器装置関数ｗ（Ｅ）の検出がステップＳ３０３において行なわれる。このためにも、前段階において検出器装置の正確な測定が行なわれるか、あるいはしかし、例えばスペクトルの技術仕様書のような検出器タイプに特徴的なデータが使用される。曲線群Ｃi（ρ，Ｚ）もしくはμi（ρ，Ｚ）の形での等吸収線の算出が物理学的モデルに基づいてステップＳ３０４において行なわれる。この物理学的モデルは、Ｓ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の各重要な組み合わせについて、Ｘ線減弱Ｃiもしくはμiを、異なる原子番号を有する材料に対しておよび異なる材料密度において模擬する。
【００５１】
ステップＳ３０２〜Ｓ３０４の理論的モデル化に対する代替として、等吸収線の曲線群を実験的に求めることもできる。このためにステップＳ３０５において異なる密度および平均原子番号を有する較正材料のＸ線減弱がＸ線装置にてＳ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の異なる重要な組み合わせで測定される。これらの測定値は、ステップＳ３０６における等吸収線の曲線群Ｃiもしくはμiの次の算出のための拠点をなす。
【００５２】
他の代替として、理論的基礎のもとでモデル化された曲線群Ｃiもしくはμiを実験的に求められたＸ線減弱値で較正することができる。ステップＳ３０７において、理論的曲線群の較正に必要な減弱値が、ステップＳ３０５について上述したように、適切な較正材料もしくはファントムを用いてＸ線装置にて測定される。ステップＳ３０２〜Ｓ３０４の純粋な理論的モデル化と違って、この方法の場合には、Ｘ線放射スペクトルＳ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の正確な知識が前提ではなく、ステップＳ３０８において等吸収線の曲線群Ｃiもしくはμiの理論的モデル化のパラメータが前提である。ステップＳ３０９における曲線較正は、ステップＳ３０７において実験的に求められた較正値を用いて、結局、Ｘ線装置のＸ線放射スペクトルおよび検出器装置関数にとって特有であるこれらのパラメータに対する値を定める。
【００５３】
必要なＸ線減弱値およびＳ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の組み合わせについて等吸収線を求めることにより、組織通過時におけるＸ線の減弱値を表わす画像データを、対応する組織における原子番号もしくは材料密度の分布を表わす画像データへ変換するための前提が作り出されている。
【００５４】
課題設定に応じて等吸収線決定のための３つの方法を混合して使用することもできる。例えば実験的に不正確にしか求められない、又は大きな費用でしか求められない、あるいは全く求めることができない値が、理論的モデル化により補充される、あるいは正確に規定される。異なる方法で推定されたデータがステップＳ３１０において統一のあるデータセットに統合され、ステップＳ３１１において画像変換のために準備される。
【００５５】
図３ｂには本発明による方法に適した変換方法３２０が示されている。この方法は、前もって説明した方法３００の１つに基づいて求められてデータセットとしてステップＳ３２１において準備された等吸収線の曲線群に基づいている。
【００５６】
変換は画素ごとに行なわれる。以下においては、異なるＸ線スペクトルでしかし同一の撮影ジオメトリで撮影された２つのＸ線画像に基づくＸ線減弱値分布の変換から出発する。これは本発明による変換を実施するための最小限の前提条件である。しかしながら、２つよりも多い異なるＸ線エネルギー分布において２つよりも多いＸ線撮影を使用することもできる。
【００５７】
変換すべき１つの画素の選択がステップＳ３２２において行なわれ、次のステップＳ３２３においてこの画素のための減弱値Ｃ1もしくはμ1が第１のＸ線画像から読み取られ、Ｃ2もしくはμ2が第２のＸ線画像から読み取られる。続くステップＳ３２４において、第１のＸ線撮影のために使用されたＸ線スペクトルＳ1（Ｅ）および検出器装置関数ｗ1（Ｅ）並びに第２のＸ線画像のための対応する値Ｓ2（Ｅ），ｗ2（Ｅ）が照会される。これらの値は、それぞれの減弱値に割り付けられた等吸収線の次の選択のためのパラメータを形成する。この場合に、スペクトル分布Ｓi（Ｅ）もしくはｗi（Ｅ）は、間接的にも、例えば使用された管電圧Ｕ1もしくはＵ2ないしはＸ線検出器の動作パラメータの照会を介して求めることができる。
【００５８】
ステップＳ３２５において、ステップＳ３２１において準備されている等吸収線のデータセットから、パラメータＳ1（Ｅ），ｗ1（Ｅ）において条件Ｃ1もしくはμ1を満足する第１の曲線と、パラメータＳ2（Ｅ），ｗ2（Ｅ）において条件Ｃ2もしくはμ2を満足する第２の曲線とが選択される。このようにして得られた第１の等吸収線１１および第２の等吸収線４１の例が図４に示されている。
【００５９】
両曲線１１，４１の交差量としての交点４２がステップＳ３２６において算出される。曲線交点４２は例えば局部的線形変換法または反復式交点検出法によって求められる。両曲線１１，４１は同じ画素について、従って被検査組織の同じ部分範囲について２つの異なる減弱値を表わすので、両減弱値は同じ材料種類もしくは組織種類によって生じさせられなければならない。従って、曲線交点４２の座標（ρ，Ｚ）は画素を割り当てられるべき組織部分範囲の材料密度および原子番号を再現する。
【００６０】
最後に、ステップＳ３２７において、このようにして求められた原子番号値Ｚが原子番号分布に相応の画素値として書き込まれ、ステップＳ３２８において、同様に、求められた材料密度値ρが密度分布に書き込まれる。ステップＳ３２２〜Ｓ３２８は、残りの全ての画素に対して、最終的な画像出力がステップＳ３２９において行なわれるまで繰り返される。この場合にステップＳ３２４は飛ばしてもよい。なぜならばスペクトル分布Ｓi（Ｅ）もしくはｗi（Ｅ）は1つの画像における全ての画素について同一であるからである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による方法の実施例を示す流れ図
【図２】異なる組成の材料における同一の減弱値μの出現を説明するための等吸収線を示すダイアグラム
【図３ａ】図１による方法の一部として等吸収線を求めるための算出方法について示す模範的動作のフローチャート
【図３ｂ】図１による方法の一部としてＸ線減弱値を材料密度および原子番号の値へ変換するための模範的な流れ図
【図４】２つの異なるＸ線スペクトルにおける１つの組織種類の２つの等吸収線を示すダイアグラム
【符号の説明】
【００６２】
１ 第１ステップ
２ Ｘ線コンピュータ断層撮影装置
３ 第２ステップ
５ 第３ステップ
７ 第４ステップ
８ 第５ステップ
９ モニタ
１１ 等吸収線
４１ 等吸収線
４２ 交点
Ｚ 有効原子番号
ρ 密度
ＫＭ 造影剤
Ｓ１ Ｘ線スペクトル
Ｓ２ Ｘ線スペクトル
μ1（ｘ，ｙ） Ｘ線減弱係数分布
μ2（ｘ，ｙ） Ｘ線減弱係数分布
Ｚ（ｘ，ｙ） 原子番号分布
ＫＭ（ｘ，ｙ） 造影剤分布
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療目的については特に患者である検査対象の画像化検査方法に関する。この方法は、特に断層撮影法の枠内での適用に、または断層撮影能力のある画像化検査装置、例えばＸ線コンピュータ断層撮影装置での適用に適している。
【０００２】
造影剤は、例えば独国特許出願公開第４４３３５６４号明細書、国際公開第００／１６８１１号パンフレット、独国特許第１０００２９３９号明細書から公知である。
【０００３】
例えばコンピュータ断層撮影法、乳房撮影法、血管撮影法、Ｘ線検査あるいは同等の方法の如きＸ線撮影法の結果は、Ｘ線源からＸ線検出器へ至るＸ線経路に沿ったＸ線減弱の表示（投影画像）である。この減弱はＸ線経路に沿った照射された媒質もしくは材料によってひき起こされるので、減弱はＸ線経路に沿った全てのピクセルの減弱係数を介する線積分として理解することもできる。特に断層撮影法、例えばＸ線コンピュータ断層撮影法においては、いわゆる再構成法により、投影された減弱データから個々のピクセルの減弱係数（μ）へ逆算し、それにより投影画像の単なる評価におけるよりも著しく感度のよい検査を達成することが可能である。
【０００４】
減弱分布の表示のために、減弱係数の代わりに一般に水の減弱係数で正規化された値いわゆるＣＴ値が使用される。これは、測定によって求められた実際の減弱係数μと基準減弱係数μH2Oとから次式に従って算出される。
Ｃ＝１０００×（μ−μH2O）／μH2O ［ＨＵ］ （１）
ＣＴ値Ｃの単位はハンスフィールド［ＨＵ］である。水については値ＣH2O＝０ＨＵが生じ、空気については値ＣL＝−１０００ＨＵが生じる。
【０００５】
両表示は相互に変換可能もしくは等価であるので、以下において、一般的に選ばれた用語「減弱値」または「減弱係数」は減弱係数μならびにＣＴ値を意味する。更に、この発明の説明の事柄関係において用語「材料」および「組織」は交換可能に使用される。医療上の検査の関連における材料とは解剖学的な組織であり、逆に材料検査および安全性検査における組織とは検査対象の任意の材料であると解釈すべきである。
【０００６】
局部的な減弱係数（μ）に基づく画像の表現力が明らかに高められているにもかかわらず、個々のケースでは画像観察時に問題が存在する。つまり、局部的に高められた減弱値は、例えば骨格におけるカルシウムまたは造影剤におけるヨウ素のように高い原子番号の材料に起因するか又は例えば肺結節におけるように高められた軟部密度に起因している。位置ｒ→における局部的な減弱係数μは、エネルギーおよび材料に依存する質量減弱係数
【数１】
および（有効）原子番号Ｚをともなう次の方程式に従って、組織もしくは材料に入射したＸ線エネルギーＥおよび局部的な組織密度もしくは材料密度ρに依存する。
【数２】
【０００７】
従って、有効原子番号Ｚによって決まるような材料のエネルギーに依存したＸ線吸収が材料密度ρによって影響されたＸ線吸収に重なる。従って、化学的にも物理学的にも異なる組成の材料もしくは組織がＸ線画像において同一の減弱値を有し得る。裏を返せば、逆にＸ線撮影の減弱値から検査対象の材料組成を推論することはできない。
【０００８】
この問題の解決のためには、材料特有の値を表示するための方法が必要である。コンピュータ支援の断層撮影法との関連で、互いに異なるＸ線スペクトルまたはＸ線量子エネルギーを画像作成に使用することは、例えば米国特許第４２４７７７４号明細書により公知である。この種の方法は一般に２スペクトルＣＴと呼ばれる。これは減弱係数μの原子番号に基づくエネルギー依存性を利用する、すなわち高い原子番号の材料および組織が低エネルギーのＸ線を低い原子番号の材料および組織よりも明らかに強く吸収するという作用に基づいている。これに対して高いＸ線エネルギーの場合には減弱値は一様化し、おおむね材料密度の関数である。２スペクトルＣＴでは、例えば異なるＸ線管電圧で撮影された画像の差異が算出される。
【０００９】
本説明の関連では、用語「原子番号」は、ほかに指定しない限り、厳密に元素に関連付けた意味で使用しているのではなく、組織もしくは材料の構造に関係した元素の化学的な原子番号および原子量から算出される組織または材料の有効原子番号を意味する。
【００１０】
例えばＷ．Ｋａｌｅｎｄｅｒ氏らが、「“Ｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｋｔｉｖｅ Ｂｉｌｄｇｅｂｕｎｇ ｕｎｄ Ｄｉｃｈｔｅｍｅｓｓｕｎｇ ｍｉｔ ｄｅｒ Ｚｗｅｉ−Ｓｐｅｋｔｒｅｎ−Ｍｅｔｈｏｄｅ，Ｉ．Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ ｕｎｄ Ｍｅｔｏｄｉｋ（２スペクトル法を用いた材料選択的画像化および密度測定、Ｉ．基礎および方法論）”，Ｗ．Ｋａｌｅｎｄｅｒ，Ｗ．Ｂａｕｔｚ，Ｄ．Ｆｅｌｓｅｎｂｅｒｇ，Ｃ．Ｓｕｅｓｓ，Ｅ．Ｋｌｏｔｚ，Ｄｉｇｉｔ．Ｂｉｌｄｄｉａｇｎ．７，１９８７，６６−７７，ゲオルク ティーメ 出版社」において記述しているように、付加的にいわゆる基礎材料分析方法がＸ線撮影に適用される場合に、更に特殊な方法が提案されている。この方法では、検査対象のＸ線減弱値が低エネルギーおよび高エネルギーのＸ線により測定され、得られた値が、例えば（骨格材料のための）カルシウムおよび（軟部組織のための）水のような２つの基礎材料の相応の基準値と比較される。各測定値が両基礎材料の測定値の線形的な重ね合わせであることが仮定される。例えば、検査対象の画像表示の各エレメントについて基礎材料の値との比較から骨格成分および軟組織成分が算出されるので、元の撮影が骨格材料および軟部組織という両基礎材料の表示へ変換される結果となる。
【００１１】
従って、基礎材料分析法もしくは２スペクトル法は、強く異なる原子番号を有する人間および動物の組織における予め定まった解剖学的構造または材料種類の分析もしくは識別に適している。
【００１２】
独国特許出願第１０１４３１３１号明細書から、基礎材料分析よりも優れた感度および表現力を有する方法が知られており、これは例えば高い表現力の機能的なＣＴ画像化を可能にする。これは、Ｘ線装置のスペクトル的に影響を受けている測定データの評価から平均密度ρ（ｒ→）および有効原子番号Ｚ（ｒ→）の空間分布の算出を可能にする。これに関しては、特に検査対象の化学的および物理学的な組成に関して、非常に良好なコントラストが得られる。例えば、組織における原子番号の分布の表示が、とりわけ検査対象の生化学的な組成の認識、今まで密度を一様に表示された器官における化学的構造に基づくコントラスト、ヨウ素等のような身体構成部分の定量的検出および原子番号に基づく石灰化のセグメント化を可能にする。
【００１３】
本発明の課題は、材料または原子番号に依存したＸ線に基づく画像化における感度改善および表現力向上のための新たな可能性をもたらす方法を提供することにある。
【００１４】
この課題は、本発明によれば、
ａ）検査対象に造影剤が投与され、
ｂ）その後にＸ線減弱値の少なくとも２つの空間分布が求められ、それらのＸ線減弱値はそれぞれ局部的なＸ線減弱係数（μ（ｘ，ｙ））またはこれと線形関係にある量（Ｃ）であり、２つの空間分布は、少なくとも、
・第１のＸ線スペクトルに基づいて求められた第１の減弱値分布と、
・第１のＸ線スペクトルとは異なる第２のＸ線スペクトルに基づいて求められた第２の減弱値分布と
を含み、
ｃ）両減弱値分布の評価により、１つ又は複数の予め定められた原子番号値（Ｚ；Ｚ１，Ｚ２，・・・）の空間分布または検査対象内に予め存在する予め定められていない原子番号値の空間分布（Ｚ（ｘ，ｙ））が求められ、この空間分布は検査対象に投与された造影剤の分布に関する情報を含み、
ｄ）空間的原子番号分布は造影剤の画像化表示に使用される
ことを特徴とする検査対象、特に患者の画像化検査方法によって解決される。
【００１５】
本発明は、造影剤の使用がＸ線コンピュータ断層撮影における機能的画像化の改善を可能にするという考えに基づいている。造影剤は、これまで、吸収時に例えば血液をその組織背景の前へ浮き上がらせるためにだけ使用されてきた。材料または組織の選択的評価は行なわれなかった。更に、本発明は、とりわけ、障りのない投与量または濃度での造影剤の投与によって２つの異なるＸ線スペクトルにより測定可能な原子番号差を得ることができるという認識に基づいている。
【００１６】
本発明による方法では、造影剤の原子番号を予め定めることができる。本方法は、特に冒頭に述べた如き基礎材料分析法と組み合わせることができる。
【００１７】
好ましくは、空間的原子番号分布は２次元または３次元の領域として求められ、それぞれの領域値は当該領域によって代表される位置における局部的原子番号値である。本方法は、特に冒頭に述べた如き独国特許出願第１０１４３１３１号明細書の方法と組み合わせることができる。この独国出願の開示内容、特にそこにおける請求項１乃至７は、本出願に明確に取り込むことができる。
【００１８】
更に、好ましくは、原子番号分布に付加して、それぞれ１つの局部的密度値を再現する領域値を有する他の２次元または３次元の領域が求められる。
【００１９】
画像化のために空間的原子番号分布を使用することは、例えば、造影剤の原子番号の値を例えば含む定められた原子番号間隔からのデータのみを、または定められた原子番号限界値の向こう側からのデータのみを表示する画像が表示されることによって行なうことができる。測定された原子番号値をグレースケールまたカラースケールに変換することも可能であり、造影剤の原子番号の値が際立たせられるか又は着色されるだけでよい。このスケールで画像化して表示することができる。この種の画像には、通常の機能的ではない減弱画像が上または下に重ね合わされるとよい。
【００２０】
特に有利な実施態様によれば、原子番号値を有する求められた領域および密度値を有する求められた領域が、造影剤の局部的濃度または局部的量を算出するために使用される。
【００２１】
造影剤とは、本発明との関係では、検査対象への投与後、特に患者への注入後に吸収時における、すなわちＸ線画像におけるコントラスト改善もしくはコントラスト増強をもたらすあらゆる薬剤であると解釈すべきである。これには、例えばパフュージョン測定時に血管内に、画像中の血管を強調するために投与されるような通常の造影剤も含まれる。しかし、「造影剤」とは、固有にまたは選択的に、例えば鍵−錠の原理に従って検査対象内の特定の個所に沈着または集積し、それによって器官機能の検査を可能にする薬剤でもあると理解される。このような最後に述べた薬剤はいわゆるマーカーまたはトレーサであり得る。かかるマーカーは、例えば、検査すべき目標構造に対する高い親和性を持った生物学的な高分子、例えば抗体、ペプチドまたは糖分子と、Ｘ線画像において良く視認可能である例えば投与された造影剤とから構成される。高分子は、例えばいわゆる「物質代謝標識」として役立ち、全体として物質代謝標識とも呼ばれる造影剤を専ら特定の領域、例えば腫瘍、炎症あるいは他の特定の病巣に集積させる。造影剤は例えば冒頭において挙げたに特許文献から公知である。
【００２２】
好ましくは、２０よりも大きいまたは４０よりも大きい原子番号を有する造影剤が使用される。造影剤は特に８３よりも小さいまたは７０よりも小さい原子番号を有する。
【００２３】
特に好ましい造影剤は、ガドリニウム、ヨウ素、イッテルビウム、ジスプロシウム、鉄および／またはビスマスを含んでいる。
【００２４】
他の有利な実施態様によれば、造影剤は有機化合物、特に脂肪族炭化水素、例えば糖、および／またはアミノ酸またはペプチドを含んでいる。
【００２５】
造影剤は、検査対象の定められた個所または定められた組織部分に選択的に沈着するように形成されているとよい。
【００２６】
有利な実施態様では、造影剤は、範囲１０-4〜１０-7、特に範囲１０-5〜１０-6からなる重量濃度で投与される。
【００２７】
この明細書の関係において使用された用語「Ｘ線スペクトル」は、装置のＸ線源から放射されたＸ線のスペクトル分布のみよりも広義の意味を有する。Ｘ線検出器の側でもＸ線の異なるスペクトル成分が異なる効率で変換され、それにより種々に重み付けされることがある。その結果生じる有効なスペクトル分布がこの明細書では同様にＸ線スペクトルと呼ばれる。
【００２８】
両減弱値分布は必ずしも相前後して２つ画像として異なる管電圧で撮影されなければならないというわけではない。どんなＸ線管も或る幅を持ったスペクトルを放射するので、受信ユニットが相応にスペクトル選択性に構成されていれば、両減弱値分布を十分にまたは完全に同時に撮影することも可能である。このために、例えばＸ線経路内に閉鎖可能なフィルタおよび／または２つの別々に存在するＸ線検出器アレイを使用することもできる。
【００２９】
特に、本方法を実施するための受信ユニットは量子エネルギー選択性のＸ線検出器アレイを装備している。
【００３０】
特に冒頭に述べた独国特許出願第１０１４３１３１号明細書に記載された方法の使用に関しては、第１の減弱値分布における第１の減弱値と密度および原子番号との第１の関数関係、および、第２の減弱値分布において第１の減弱値に対応した第２の減弱値と密度および原子番号との第２の関数関係が求められ、第１の関数関係と第２の関数関係および場合によっては他の関数関係との比較から、空間的原子番号分布が求められ、さらに任意選択的に空間的密度分布が求められると有利である。
【００３１】
少なくとも１つのＸ線スペクトルについて減弱値と密度および原子番号との関数関係を決定することは、較正試料における基準測定により、または物理学的モデルに基づくシミュレーションの形で行なわれる。
【００３２】
他の好ましい実施態様によれば、第１の減弱値分布および他の減弱値分布の対応する各減弱値について減弱値分布を密度分布および原子番号分布へ変換することは、密度および原子番号のための値対の検出に基づいて、その値対が第１のＸ線スペクトルおよび少なくとも１つの他のＸ線スペクトルについてＸ線吸収と密度および原子番号との定められた関数関係を満足するように行なわれる。それにより、１つの画素のための密度および原子番号を、記録されたＸ線吸収値分布の互いに対応するＸ線吸収値の関数関係の交点量として簡単に算出することができる。
【００３３】
原子番号の決定において高い分解能が得られるように、第１のＸ線スペクトルが、第２のＸ線スペクトルの量子エネルギーに対して相対的にＸ線吸収を光効果によって促進する量子エネルギーを有すると好ましい。
【００３４】
本発明の有利な実施態様では、検査対象を記録するためのＸ線スペクトルを変化させるために、Ｘ線管の少なくとも１つの動作パラメータが変えられ、その場合にＸ線源は第１の動作状態において第１のＸ線スペクトルを放射し、第２の動作状態において第１のＸ線スペクトルとは異なる第２のＸ線スペクトルを放射するので、２つのＸ線スペクトル間の高速の交代が可能になる。
【００３５】
更に、検査対象を記録するためのＸ線スペクトルを変化させるために、検出器特性を変化させると好ましい。Ｘ線検出器はＸ線源から受信したＸ線のスペクトル部分範囲を互いに独立した電気信号に変換し、異なるＸ線スペクトルにおけるＸ線吸収の分布の同時記録を可能にする
【００３６】
以下において本発明を次の図を参照しながら実施例に基づいて更に詳細に説明する。
図１は一実施例により本発明による方法のフローチャートを示し、
図２は等吸収線に基づいて異なる組成の材料における同一の減弱値μの実現性を示し、
図３ａは図１による方法の一部として等吸収線を求めるための算出方法について模範的動作のフローチャートを示し、
図３ｂは図１による方法の一部としてＸ線減弱値を材料密度および原子番号の値へ変換するための模範的な流れ図を示し、
図４は２つの異なるＸ線スペクトルにおける組織種類の２つの等吸収線を示す。
【００３７】
図１には本発明による方法の実施例がフローチャートとして示されている。第１ステップ１において患者Ｐにトレーサまたは造影剤ＫＭが例えば血管への注入によってまたは飲み込みによって投与される。その後患者Ｐは、概略的に示されているＸ線コンピュータ断層撮影装置２において、第１のＸ線スペクトルＳ１の評価のもとに並びにこれと同時のまたは後続した第２のＸ線スペクトルＳ２の評価のもとに検査される（第２ステップ３）。両スペクトルはＸ線コンピュータ断層撮影装置２の相応の設定によって選択される。このようにして得られた生データに基づく画像再構成の実行（第３ステップ５）により、各Ｘ線スペクトルＳ１，Ｓ２に対して、例えば座標ｘ，ｙを有する横断面断層画像内における（線形の）Ｘ線減弱係数μの分布μ1（ｘ，ｙ）もしくはμ2（ｘ，ｙ）として減弱値分布が作成される。第４ステップ７において、コンピュータ支援にて、Ｘ線減弱係数の分布μ1（ｘ，ｙ）もしくはμ2（ｘ，ｙ）の原子番号分布Ｚ（ｘ，ｙ）への変換が行なわれる。原子番号分布Ｚ（ｘ，ｙ）は第５ステップ８において造影剤ＫＭの分布をモニタ９へ表示するために利用される。
【００３８】
１０6の水分子に対して１つのＧｄ原子（約９ｐｐｍ重量成分）を有するＧｄを基にしたトレーサの模範的な注入から始めた場合、有効原子番号Ｚ＝７．５２が生じる。この濃度は、水の場合の値Ｚ＝７．４２と対比させて、図３ａ，３ｂによる方法にて検出可能である。図３ａ，３ｂによる方法は第４ステップ７の一部として構成することができる。この方法の詳細は、明確に関連する独国特許出願第１０１４３１３１号明細書に記載されている。
【００３９】
同時に密度分布ρ（ｘ，ｙ）を求める場合、例えば水のような既知の担体媒質であるならばトレーサ物質の濃度を定量的に求めることができる。
【００４０】
造影剤ＫＭの原子番号は、典型的にはＺ＝７．４２を持つ水である基礎材料の原子番号とできるだけ大きな偏差を持たせるべきである。
【００４１】
図３ａ，３ｂによる方法に対する代替として、横断面（ｘ，ｙ）における２つ以上の前もって決定された原子番号値Ｚ１，Ｚ２，・・・の空間分布を求めるために、冒頭に述べた如き従来の基礎材料分析も使用することができる。このような分布は同様に画像内での造影剤ＫＭの表示に使用することができる。
【００４２】
図３ａ，３ｂによる方法の説明に関して、最初に次の説明をしておく。図２の等吸収線１１は全ての値対（ρ，Ｚ）を、定められたＸ線スペクトルにおいて同一の減弱値μもしくはＣと結びつける。図２の表示は、組織もしくは材料の種類および組成に関する情報がＸ線画像の減弱値だけに基づいては導き出せないことを示す。
【００４３】
Ｘ線は、異なる材料によって、且つＸ線のエネルギーに依存して、異なる強さで減弱される。これは異なる材料における異なる減弱メカニズムに起因する。
【００４４】
この説明の関連において原子番号と略称する特定の組織種類の有効原子番号Ｚは、構造に関与している元素の原子番号Ｚi、その原子量Ａiおよびその局部的な材料等価の密度ρiから、例えば
【数３】
で算出される。
【００４５】
純粋なカルシウムについてはＺCA＝２０、水素化カルシウムについては約ＺCaH2≒１６．０４、水については約ＺH2O≒７．４２８が得られる。従って、対象の化学的組成あるいは生化学的組成が原子番号を介して非常に良好に検出可能である。
【００４６】
検査領域における原子番号分布および密度分布の算出のための前提は、その領域に関して撮影ジオメトリが同一であるがしかし適用されたＸ線の異なるエネルギーで作成された少なくとも２つのＸ線撮影である。異なるＸ線エネルギーで記録された２つよりも多いＸ線撮影を使用するならば、Ｚ分解能およびρ分解能を改善することができるが、やはりそれによってＸ線負担が増大する。従って、患者検査の場合この可能性はいつでも与えられるというわけではない。
【００４７】
減弱値に基づく画像データを原子番号および材料密度もしくは組織密度の分布画像へ変換する出発点はＸ線装置の各Ｘ線スペクトルに対する等吸収線の知識である。既に述べたように、Ｘ線スペクトルとは、装置のＸ線源から放射されたＸ線のスペクトル分布の狭義にとらえた概念ではなく、むしろＸ線検出器の側においてＸ線管の放射スペクトルの異なるスペクトル範囲の異なる重み付けを考慮した広義の概念であると解釈すべきである。従って、測定された減弱値はＸ線管から放射されたＸ線スペクトルの直接の減弱と使用されたＸ線検出器のスペクトル効率とから生じる。両値は装置特有の量であり、直接的又は間接的に較正試料の減弱値により求められる。これらは等吸収線の算出の基礎である。
【００４８】
図３ａには一群の等吸収線のモデル化もしくは算出のための３つの方法３００、すなわち理論的モデル化、実験的決定、および実験的に決定されたパラメータによる曲線の較正をともなう理論的モデル化が概略的に示されている。
【００４９】
原理的には、Ｘ線撮影においてＸ線減弱の期間をカバーするために必要である減弱値と同じ多さの等吸収線を求めることができる。その場合に理論上発生する各減弱値について等吸収線を算出する必要はない。算出されなかった等吸収線は必要であれば補間または他の適切な平均化法によって使用することができる。
【００５０】
理論的モデル化の基本ステップは図３ａのフローチャートの左分枝に示されている。まずステップＳ３０２においてパラメータとして使用可能な管電圧を有する装置特有のＸ線放射スペクトルＳ（Ｅ）のデータが読み取られる。このために、Ｘ線のスペクトル分布は前段階において実験的に各個別Ｘ線装置について測定されるか、あるいは特殊なＸ線源タイプに特徴的なデータが使用される。検出器装置関数ｗ（Ｅ）の検出がステップＳ３０３において行なわれる。このためにも、前段階において検出器装置の正確な測定が行なわれるか、あるいはしかし、例えばスペクトルの技術仕様書のような検出器タイプに特徴的なデータが使用される。曲線群Ｃi（ρ，Ｚ）もしくはμi（ρ，Ｚ）の形での等吸収線の算出が物理学的モデルに基づいてステップＳ３０４において行なわれる。この物理学的モデルは、Ｓ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の各重要な組み合わせについて、Ｘ線減弱Ｃiもしくはμiを、異なる原子番号を有する材料に対しておよび異なる材料密度において模擬する。
【００５１】
ステップＳ３０２〜Ｓ３０４の理論的モデル化に対する代替として、等吸収線の曲線群を実験的に求めることもできる。このためにステップＳ３０５において異なる密度および平均原子番号を有する較正材料のＸ線減弱がＸ線装置にてＳ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の異なる重要な組み合わせで測定される。これらの測定値は、ステップＳ３０６における等吸収線の曲線群Ｃiもしくはμiの次の算出のための拠点をなす。
【００５２】
他の代替として、理論的基礎のもとでモデル化された曲線群Ｃiもしくはμiを実験的に求められたＸ線減弱値で較正することができる。ステップＳ３０７において、理論的曲線群の較正に必要な減弱値が、ステップＳ３０５について上述したように、適切な較正材料もしくはファントムを用いてＸ線装置にて測定される。ステップＳ３０２〜Ｓ３０４の純粋な理論的モデル化と違って、この方法の場合には、Ｘ線放射スペクトルＳ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の正確な知識が前提ではなく、ステップＳ３０８において等吸収線の曲線群Ｃiもしくはμiの理論的モデル化のパラメータが前提である。ステップＳ３０９における曲線較正は、ステップＳ３０７において実験的に求められた較正値を用いて、結局、Ｘ線装置のＸ線放射スペクトルおよび検出器装置関数にとって特有であるこれらのパラメータに対する値を定める。
【００５３】
必要なＸ線減弱値およびＳ（Ｅ），ｗ（Ｅ）の組み合わせについて等吸収線を求めることにより、組織通過時におけるＸ線の減弱値を表わす画像データを、対応する組織における原子番号もしくは材料密度の分布を表わす画像データへ変換するための前提が作り出されている。
【００５４】
課題設定に応じて等吸収線決定のための３つの方法を混合して使用することもできる。例えば実験的に不正確にしか求められない、又は大きな費用でしか求められない、あるいは全く求めることができない値が、理論的モデル化により補充される、あるいは正確に規定される。異なる方法で推定されたデータがステップＳ３１０において統一のあるデータセットに統合され、ステップＳ３１１において画像変換のために準備される。
【００５５】
図３ｂには本発明による方法に適した変換方法３２０が示されている。この方法は、前もって説明した方法３００の１つに基づいて求められてデータセットとしてステップＳ３２１において準備された等吸収線の曲線群に基づいている。
【００５６】
変換は画素ごとに行なわれる。以下においては、異なるＸ線スペクトルでしかし同一の撮影ジオメトリで撮影された２つのＸ線画像に基づくＸ線減弱値分布の変換から出発する。これは本発明による変換を実施するための最小限の前提条件である。しかしながら、２つよりも多い異なるＸ線エネルギー分布において２つよりも多いＸ線撮影を使用することもできる。
【００５７】
変換すべき１つの画素の選択がステップＳ３２２において行なわれ、次のステップＳ３２３においてこの画素のための減弱値Ｃ1もしくはμ1が第１のＸ線画像から読み取られ、Ｃ2もしくはμ2が第２のＸ線画像から読み取られる。続くステップＳ３２４において、第１のＸ線撮影のために使用されたＸ線スペクトルＳ1（Ｅ）および検出器装置関数ｗ1（Ｅ）並びに第２のＸ線画像のための対応する値Ｓ2（Ｅ），ｗ2（Ｅ）が照会される。これらの値は、それぞれの減弱値に割り付けられた等吸収線の次の選択のためのパラメータを形成する。この場合に、スペクトル分布Ｓi（Ｅ）もしくはｗi（Ｅ）は、間接的にも、例えば使用された管電圧Ｕ1もしくはＵ2ないしはＸ線検出器の動作パラメータの照会を介して求めることができる。
【００５８】
ステップＳ３２５において、ステップＳ３２１において準備されている等吸収線のデータセットから、パラメータＳ1（Ｅ），ｗ1（Ｅ）において条件Ｃ1もしくはμ1を満足する第１の曲線と、パラメータＳ2（Ｅ），ｗ2（Ｅ）において条件Ｃ2もしくはμ2を満足する第２の曲線とが選択される。このようにして得られた第１の等吸収線１１および第２の等吸収線４１の例が図４に示されている。
【００５９】
両曲線１１，４１の交差量としての交点４２がステップＳ３２６において算出される。曲線交点４２は例えば局部的線形変換法または反復式交点検出法によって求められる。両曲線１１，４１は同じ画素について、従って被検査組織の同じ部分範囲について２つの異なる減弱値を表わすので、両減弱値は同じ材料種類もしくは組織種類によって生じさせられなければならない。従って、曲線交点４２の座標（ρ，Ｚ）は画素を割り当てられるべき組織部分範囲の材料密度および原子番号を再現する。
【００６０】
最後に、ステップＳ３２７において、このようにして求められた原子番号値Ｚが原子番号分布に相応の画素値として書き込まれ、ステップＳ３２８において、同様に、求められた材料密度値ρが密度分布に書き込まれる。ステップＳ３２２〜Ｓ３２８は、残りの全ての画素に対して、最終的な画像出力がステップＳ３２９において行なわれるまで繰り返される。この場合にステップＳ３２４は飛ばしてもよい。なぜならばスペクトル分布Ｓi（Ｅ）もしくはｗi（Ｅ）は1つの画像における全ての画素について同一であるからである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による方法の実施例を示す流れ図
【図２】異なる組成の材料における同一の減弱値μの出現を説明するための等吸収線を示すダイアグラム
【図３ａ】図１による方法の一部として等吸収線を求めるための算出方法について示す模範的動作のフローチャート
【図３ｂ】図１による方法の一部としてＸ線減弱値を材料密度および原子番号の値へ変換するための模範的な流れ図
【図４】２つの異なるＸ線スペクトルにおける１つの組織種類の２つの等吸収線を示すダイアグラム
【符号の説明】
【００６２】
１ 第１ステップ
２ Ｘ線コンピュータ断層撮影装置
３ 第２ステップ
５ 第３ステップ
７ 第４ステップ
８ 第５ステップ
９ モニタ
１１ 等吸収線
４１ 等吸収線
４２ 交点
Ｚ 有効原子番号
ρ 密度
ＫＭ 造影剤
Ｓ１ Ｘ線スペクトル
Ｓ２ Ｘ線スペクトル
μ1（ｘ，ｙ） Ｘ線減弱係数分布
μ2（ｘ，ｙ） Ｘ線減弱係数分布
Ｚ（ｘ，ｙ） 原子番号分布
ＫＭ（ｘ，ｙ） 造影剤分布
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）検査対象に造影剤（ＫＭ）が投与され、
ｂ）その後にＸ線減弱値の少なくとも２つの空間分布（μ1（ｘ，ｙ），μ2（ｘ，ｙ））が求められ、それらのＸ線減弱値はそれぞれ局部的なＸ線減弱係数（μ（ｘ，ｙ））またはこれと線形関係にある量（Ｃ）であり、２つの空間分布（μ1（ｘ，ｙ），μ2（ｘ，ｙ））は、少なくとも、
・第１のＸ線スペクトルに基づいて求められた第１の減弱値分布（μ1（ｘ，ｙ））と、
・第１のＸ線スペクトルとは異なる第２のＸ線スペクトルに基づいて求められた第２の減弱値分布（μ2（ｘ，ｙ））と
を含み、
ｃ）両減弱値分布（μ1（ｘ，ｙ），μ2（ｘ，ｙ））の評価により、１つ又は複数の予め定められた原子番号値（Ｚ；Ｚ１，Ｚ２，・・・）の空間分布または検査対象内に予め存在する予め定められていない原子番号値の空間分布（Ｚ（ｘ，ｙ））が求められ、この空間分布は検査対象に投与された造影剤（ＫＭ）の分布に関する情報を含み、
ｄ）空間的原子番号分布（Ｚ（ｘ，ｙ））は造影剤（ＫＭ）の画像化表示に使用される
ことを特徴とする検査対象、特に患者（Ｐ）の画像化検査方法。
【請求項２】
造影剤（ＫＭ）の原子番号が予め定められていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
空間的原子番号分布が２次元または３次元の領域として求められ、それぞれの領域値が当該領域によって代表される位置（ｘ，ｙ）における局部的原子番号値（Ｚ（ｘ，ｙ））であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
原子番号分布に付加して、それぞれ１つの局部的密度値（ρ（ｘ，ｙ））を再現する領域値を有する他の２次元または３次元の領域が求められることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
原子番号値（Ｚ（ｘ，ｙ））を有する求められた領域および密度値（ρ（ｘ，ｙ））を有する求められた領域は、造影剤の局部的濃度または局部的量を算出するために使用されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
２０よりも大きい原子番号を有する造影剤（ＫＭ）が使用されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
【請求項７】
４０よりも大きい原子番号を有する造影剤（ＫＭ）が使用されることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
８３よりも小さい、特に７０よりも小さい原子番号を有する造影剤（ＫＭ）が使用されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
【請求項９】
造影剤（ＫＭ）は、ガドリニウム、ヨウ素、イッテルビウム、ジスプロシウム、鉄および／またはビスマスを含んでいることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
造影剤（ＫＭ）は、有機化合物、特に脂肪族炭化水素、例えば糖を含んでいることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
造影剤（ＫＭ）は、アミノ酸またはペプチドを含んでいることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
造影剤（ＫＭ）は、検査対象の定められた個所または定められた組織部分に選択的に沈着するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
造影剤（ＫＭ）は、範囲１０-4〜１０-7、特に範囲１０-5〜１０-6からなる重量濃度で投与されることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の方法。
【請求項１４】
第１の減弱値分布における第１の減弱値と密度および原子番号との第１の関数関係（１１）、および、第２の減弱値分布において第１の減弱値に対応した第２の減弱値と密度および原子番号との第２の関数関係（４１）が求められ、
第１の関数関係（１１）と第２の関数関係（４１）および場合によっては他の関数関係との比較から、空間的原子番号分布が求められ、さらに任意選択的に空間的密度分布が求められることを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の方法。
【請求項１】
ａ）検査対象に造影剤（ＫＭ）が投与され、
ｂ）その後にＸ線減弱値の少なくとも２つの空間分布（μ1（ｘ，ｙ），μ2（ｘ，ｙ））が求められ、それらのＸ線減弱値はそれぞれ局部的なＸ線減弱係数（μ（ｘ，ｙ））またはこれと線形関係にある量（Ｃ）であり、２つの空間分布（μ1（ｘ，ｙ），μ2（ｘ，ｙ））は、少なくとも、
・第１のＸ線スペクトルに基づいて求められた第１の減弱値分布（μ1（ｘ，ｙ））と、
・第１のＸ線スペクトルとは異なる第２のＸ線スペクトルに基づいて求められた第２の減弱値分布（μ2（ｘ，ｙ））と
を含み、
ｃ）両減弱値分布（μ1（ｘ，ｙ），μ2（ｘ，ｙ））の評価により、１つ又は複数の予め定められた原子番号値（Ｚ；Ｚ１，Ｚ２，・・・）の空間分布または検査対象内に予め存在する予め定められていない原子番号値の空間分布（Ｚ（ｘ，ｙ））が求められ、この空間分布は検査対象に投与された造影剤（ＫＭ）の分布に関する情報を含み、
ｄ）空間的原子番号分布（Ｚ（ｘ，ｙ））は造影剤（ＫＭ）の画像化表示に使用される
ことを特徴とする検査対象、特に患者（Ｐ）の画像化検査方法。
【請求項２】
造影剤（ＫＭ）の原子番号が予め定められていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
空間的原子番号分布が２次元または３次元の領域として求められ、それぞれの領域値が当該領域によって代表される位置（ｘ，ｙ）における局部的原子番号値（Ｚ（ｘ，ｙ））であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
原子番号分布に付加して、それぞれ１つの局部的密度値（ρ（ｘ，ｙ））を再現する領域値を有する他の２次元または３次元の領域が求められることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
原子番号値（Ｚ（ｘ，ｙ））を有する求められた領域および密度値（ρ（ｘ，ｙ））を有する求められた領域は、造影剤の局部的濃度または局部的量を算出するために使用されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
２０よりも大きい原子番号を有する造影剤（ＫＭ）が使用されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
【請求項７】
４０よりも大きい原子番号を有する造影剤（ＫＭ）が使用されることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
８３よりも小さい、特に７０よりも小さい原子番号を有する造影剤（ＫＭ）が使用されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
【請求項９】
造影剤（ＫＭ）は、ガドリニウム、ヨウ素、イッテルビウム、ジスプロシウム、鉄および／またはビスマスを含んでいることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
造影剤（ＫＭ）は、有機化合物、特に脂肪族炭化水素、例えば糖を含んでいることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
造影剤（ＫＭ）は、アミノ酸またはペプチドを含んでいることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
造影剤（ＫＭ）は、検査対象の定められた個所または定められた組織部分に選択的に沈着するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
造影剤（ＫＭ）は、範囲１０-4〜１０-7、特に範囲１０-5〜１０-6からなる重量濃度で投与されることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の方法。
【請求項１４】
第１の減弱値分布における第１の減弱値と密度および原子番号との第１の関数関係（１１）、および、第２の減弱値分布において第１の減弱値に対応した第２の減弱値と密度および原子番号との第２の関数関係（４１）が求められ、
第１の関数関係（１１）と第２の関数関係（４１）および場合によっては他の関数関係との比較から、空間的原子番号分布が求められ、さらに任意選択的に空間的密度分布が求められることを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【公表番号】特表２００６−５２０２２３（Ｐ２００６−５２０２２３Ａ）
【公表日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０４５０７（Ｐ２００６−５０４５０７）
【出願日】平成１６年３月２日（２００４．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００４／００２０９４
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０８０３０８
【国際公開日】平成１６年９月２３日（２００４．９．２３）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年３月２日（２００４．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００４／００２０９４
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０８０３０８
【国際公開日】平成１６年９月２３日（２００４．９．２３）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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