JP4293303B2

JP4293303B2 - イメージング・システムを較正する方法及び装置

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Publication number: JP4293303B2
Application number: JP2002289353A
Authority: JP
Inventors: ジョン・パトリック・カウフホールド; ジョン・エリック・トカチク; ディンコ・イー・ゴンザレス・トロッター; ジェフリー・ウェイン・エーベルハルト; ジェフリー・エー・トマス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: DE10247535A1; US20030072417A1; JP2003175026A; FR2830741A1; US6632020B2

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的には、イメージング・システムに関し、さらに具体的には、医用イメージング・システムの較正に関する。
【０００２】
少なくとも幾つかの公知のイメージング・システム構成では、放射線源がコーン（円錐）形状のビームを投射し、このビームは患者等の被撮像物体を透過して、放射線検出器の矩形アレイに入射する。幾つかの公知の断層写真合成法（トモシンセシス）システムでは、放射線源はガントリと共に枢軸点の周りを回転して、物体のビューを様々な投影角について取得する。本書で用いる「ビュー」とは単一の投影画像を指しており、又はさらに具体的には、「ビュー」は投影画像を形成する単一の投影放射線写真を指す。また、本書で用いる場合には、検出器の上方の固定した高さにおける被撮像物体の内部構造を表わす単一の再構成（断面）画像を「スライス」と呼ぶ。また、ビューの集合（又は複数のビュー）を「投影データ集合」と呼ぶ。すべての高さについてのスライスの集合（又は複数のスライス）を「被撮像物体を表わす三次元データ集合」と呼ぶ。
【０００３】
被撮像物体を表わす三次元データ集合を再構成する公知の一方法は、単純逆投影又はシフト積算平均法（shift-and-add）として当技術分野で公知である。単純逆投影は、撮像空間にわたって各々のビューを逆投影して、逆投影したビューを平均する。再構成されたデータ集合の「スライス」は、検出器の上方の何らかの着目高さについての逆投影画像の平均を含んでいる。各々のスライスが着目高さでの被撮像物体の構造を表わしており、様々な高さについてのこれらスライスの集合が被撮像物体を表わす三次元データ集合を構成する。代替的には、例えば頭足方向走査（ＣＣ走査）又は内外斜位方向走査（ＭＬＯ）のような二次元走査では、被撮像物体を表わす二次元データ集合を構成する単一のスライスのみを取得する。
【特許文献１】
米国特許第６３１５４４７号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
マンモグラフィ画像の画質を確実に良好にするためには、個々の検出器素子の間の一様性が重要である。さもないと、収集したデータに異常が生ずる虞がある。データ異常の結果として、一般にアーティファクトと呼ばれている画像歪みが生ずる。検出器の一様性は多くの要因に影響を受ける可能性があり、これらの要因としては、放射線損傷、湿分損傷、電磁場、及びシンチレータ材料の感度等があるがこれらに限定されない。この一様性について補正を行なうために、検出器の定期的な較正が必要となる。
【０００５】
較正の少なくとも一つの公知の方法では、既知の腺及び脂肪組織組成の参照測定値集合が必要である。この参照測定値集合を収集するためには、被撮像物体の多数回の走査が必要となる場合がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
イメージング・システムと共に用いられる較正ファントム・システムを提供する。較正ファントム・システムは、第一の高さに第一の表面を有する第一のファントム要素物質ブロックを含んでおり、第一のファントム要素物質ブロックは、第一の減弱係数を有する第一の物質を少なくとも部分的に含んでいる。較正ファントム・システムはまた、第一の高さと異なる第二の高さに第二の表面を有する第二のファントム要素物質ブロックを含んでおり、第二のファントム要素物質ブロックは、第一の減弱係数と異なる第二の減弱係数を有する第二の物質を少なくとも部分的に含んでいる。第一のファントム要素物質ブロック及び第二のファントム要素物質ブロックは検出器上に共存配置されている。
【０００７】
また、放射線源とディジタル検出器とを含んでいるイメージング・システムの較正の方法を提供する。この方法は、第一の高さに第一の表面を有する第一のファントム要素物質ブロックを含む較正ファントム・システムを設ける工程を含んでおり、第一のファントム要素物質ブロックは、第一の減弱係数を有する第一の物質を少なくとも部分的に含んでいる。較正ファントム・システムを設ける工程はまた、第一の高さと異なる第二の高さに第二の表面を有する第二のファントム要素物質ブロックを設ける工程を含んでおり、第二のファントム要素物質ブロックは、第一の減弱係数と異なる第二の減弱係数を有する第二の物質を少なくとも部分的に含んでいる。第一のファントム要素物質ブロック及び第二のファントム要素物質ブロックは検出器上に共存配置されている。この方法はまた、ファントム画像を得るために較正ファントム・システムを撮像する工程と、ファントム画像を処理する工程と、処理済のファントム画像から複数の較正値を抽出する工程とを含んでいる。
【０００８】
さらに、放射線源とディジタル検出器とを含んでいるイメージング・システムの較正のためにコンピュータによって実行可能なプログラムで符号化されているコンピュータ読み取り可能な媒体を提供する。このプログラムは、較正ファントム・システムを撮像すべくコンピュータに指示するように構成されており、較正ファントム・システムは、第一の高さに第一の表面を有する第一のファントム要素物質ブロックを含んでおり、第一のファントム要素物質ブロックは、第一の減弱係数を有する第一の物質を少なくとも部分的に含んでいる。較正ファントム・システムはまた、第一の高さと異なる第二の高さに第二の表面を有する第二のファントム要素物質ブロックを含んでおり、第二のファントム要素物質ブロックは、第一の減弱係数と異なる第二の減弱係数を有する第二の物質を少なくとも部分的に含んでいる。第一のファントム要素物質ブロック及び第二のファントム要素物質ブロックは検出器上に共存配置されている。プログラムはまた、ファントム画像を取得し、ファントム画像を処理して、処理済のファントム画像から複数の較正値を抽出すべくコンピュータに指示するように構成されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１について説明する。実施形態の一例では、ディジタル・イメージング・システム１０が、マンモグラフィ断層画像合成法において患者の乳房１２等の被撮像物体１２を表わす三次元データ集合を生成する。システム１０は、Ｘ線源１４のような放射線源と、複数の投影角１８からビューを収集する１以上の検出器アレイ１６とを含んでいる。明確に述べると、一実施形態では、システム１０は、Ｘ線のコーン形状のビームを投射する放射線源１４を含んでおり、ビームは物体１２を透過して検出器アレイ１６に入射する。各々の角度１８で得られたビューを用いて、複数のスライスすなわち検出器１６に平行な複数の平面２０に位置する構造を表わす画像を再構成することができる。検出器アレイ１６は、乳房１２等の関心のある物体全体についての画像を形成するように行及び列を成して配列した複数のピクセル（図示されていない）を有するパネル構成として作製されている。一実施形態では、検出器アレイ１６は心臓検出器アレイ１６であり、物体１２は心臓１２である。各々のピクセルがフォトダイオードのような光センサを含んでおり、光センサは切り換えトランジスタを介して二つの別個のアドレス線、一つの走査線及び一つのデータ線に結合されている。シンチレータ材料及びピクセル光センサに入射した放射線は、ダイオードに跨がる電荷の変化によって、Ｘ線とシンチレータとの相互作用による発光の量の測定値を与える。結果として、各々のピクセルが、検出器アレイ１６に入射したＸ線ビームの物体１２による減弱の後の強度を表わす電気信号を発生する。一実施形態では、検出器アレイ１６は約２０ｃｍ×２０ｃｍであって、関心のある物体、例えば乳房１２の全体についてのビューを生成するように構成される。代替的には、検出器アレイ１６は、所期の用途に応じて可変的な寸法を有する。加えて、検出器アレイ１６の個々のピクセルもまた、所期の用途に応じて任意のサイズを有していてよい。
【００１０】
一実施形態では、再構成される三次元データ集合は、検出器アレイ１６に平行な複数の平面に対応するスライスとして構成されずに、より一般的な態様で構成される。他の実施形態では、再構成されるデータ集合は、単一の二次元画像、又は一次元関数のみから成っている。さらに他の実施形態では、検出器１６は平面以外の形状を有する。
【００１１】
一実施形態では、放射線源１４及び検出器アレイ１６は、物体１２に対して、且つ互いに対して可動である。さらに明確に述べると、放射線源１４及び検出器アレイ１６は、撮像空間の投影角１８を変化させるように並進可能となっている。放射線源１４及び検出器アレイ１６は、投影角１８がいかなる鋭角投影角又は斜位投影角にもなり得るように並進可能となっている。
【００１２】
放射線源１４の動作は、イメージング・システム１０の制御機構２８によって制御されている。制御機構２８は、放射線制御器３０とモータ制御器３２とを含んでおり、放射線制御器３０は放射線源１４に電力信号及びタイミング信号を供給し、モータ制御器３２は放射線源１４及び検出器アレイ１６のそれぞれの並進速度及び位置を制御する。制御機構２８内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３４が、後続の処理のために検出器１６からのディジタル・データをサンプリングする。画像再構成器３６が、サンプリングされてディジタル化された投影データ集合をＤＡＳ３４から受け取って本書に記載するような高速画像再構成を実行する。再構成された被撮像物体１２を表わす三次元データ集合はコンピュータ３８への入力として印加されて、コンピュータ３８は大容量記憶装置４０に三次元データ集合を記憶させる。画像再構成器３６は、本書に記載する諸機能を実行するようにプログラムされており、本書で用いる「画像再構成器」という用語は、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル・ロジック・コントローラ、特定用途向け集積回路、及び他のプログラム可能な回路を指すものとする。
【００１３】
コンピュータ３８はまた、入力装置を有するコンソール４２を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。陰極線管表示器及び液晶表示器（ＬＣＤ）のような表示器４４によって、操作者は再構成された三次元データ集合及びコンピュータ３８からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給する指令及びパラメータはコンピュータ３８によって用いられて、ＤＡＳ３４、モータ制御器３２及び放射線制御器３０に制御信号及び情報を供給する。
【００１４】
利用時には、関心のある物体１２がシステム１０の視野内に位置するように、すなわち放射線源１４と検出器アレイ１６との間に延在する撮像空間内に乳房１２が配置されるように患者を配置する。次いで、少なくとも二つの投影角１８から乳房１２のビューを取得して、関心のある空間の投影データ集合を生成する。これらの複数のビューは、断層画像合成用投影データ集合に相当している。次いで、収集された投影データ集合を利用して、三次元データ集合、すなわち撮像されている乳房１２の三次元放射線写真表現に相当する走査されている乳房１２についての複数のスライスを形成する。放射線源１４を起動して放射線ビームが第一の投影角４６で照射されるようにした後に、検出器アレイ１６を用いてビューを収集する。次いで、放射線ビームの中心軸４８が第二の投影角４９に変化するように線源１４の位置を並進させることによりシステム１０の投影角１８を変化させると共に、検出器アレイ１６の位置を乳房１２がシステム１０の視野内に依然として位置するように変化させる。放射線源１４を再び起動して、第二の投影角４９についてビューを収集する。その後、後続の任意の数の投影角１８について同じ手順を繰り返す。
【００１５】
図２は、較正ファントム・システム５０の実施形態の一例の遠近図である。この較正ファントム・システム５０は非一体型で、検出器１６上に共存配置されている少なくとも第一のファントム要素物質ブロック５４と少なくとも第二のファントム要素物質ブロック５６とを含めた複数のファントム要素５２を含んでいる。第一のファントム要素物質ブロック５４は、第一の高さ６０に第一の表面５８を有しており、乳房の等価物質６２のような第一の物質６２を少なくとも部分的に含んでいる。第一のファントム要素物質ブロック５４はまた、第一の減弱係数を有している。第二のファントム要素物質ブロック５６は、第一の高さ６０とは異なる第二の高さ６６に第二の表面６４を有しており、第二の乳房の等価物質６８のような第二の物質６８を少なくとも部分的に含んでいる。第二のファントム要素物質ブロック５６はまた、第一の減弱係数とは異なる第二の減弱係数を有している。
【００１６】
利用時には、較正ファントム・システム５０は、複数の隣接する行７０及び隣接する列７２を成して配列されている複数のファントム要素５２を含んでいる。一実施形態では、第一のファントム要素物質ブロック５４及び第二のファントム要素物質ブロック５６は、減弱係数が小さくなる順序で配置される。もう一つの実施形態では、第一のファントム要素物質ブロック５４及び第二のファントム要素物質ブロック５６は、高さが低くなる順序で配置される。較正ファントム・システム５０全体の減弱係数のプロファイルは設計上の選択肢であり、図２に示したものに必ずしも対応していなくてもよいので、代替的に、何らかの他の構成で配列した複数のファントム要素５２を用いてもよい。一実施形態では、ファントム要素５２は、ファントム要素５２がＸ線源１４の視野内に位置するように検出器１６上に共存配置されている。一実施形態では、減弱性の最も小さい物質が、実際の人体の乳房において最小のＸ線減弱を有するものと予期される脂肪の等価組織に対応する。また、減弱性の最も大きい物質が、人体の乳房に正常な状態で発生する非石灰化組織のうち最大のＸ線減弱を有すると予期される腺／乳房塊状組織の等価組織に対応する。代替的な実施形態では、リン酸カルシウム又はシュウ酸カルシウムの等価組織のように減弱係数のさらに高い物質を用いてもよい。
【００１７】
図３は、図２に示すファントム要素５２の実施形態の一例の遠近図であり、ファントム要素５２は、放射線遮蔽板８０と、要素物質ブロック８２とを含んでいる。放射線遮蔽板８０は、要素物質ブロック８２に接触しており放射線ビームの減少を容易にする。代替的な実施形態では、ファントム要素５２は放射線遮蔽板８０を含まない。
【００１８】
一実施形態では、放射線遮蔽板８０は実質的に矩形である。代替的には、放射線遮蔽板８０は実質的に方形、楕円形又は円形である。放射線遮蔽板８０は実質的に中実又は一様であり、幅８６を有する開口８４を含んでいる。放射線遮蔽板８０はまた、長さ８８、第一の表面９０、第二の表面９２、及び第一の表面９０と第二の表面９２との間で測定される厚み９４を有している。幅８６、長さ８８及び厚み９４は、放射線遮蔽板８０の所期の用途に応じて可変的に選択される。一実施形態では、第一の表面９０及び第二の表面９２は実質的に平行であり、開口８４は第一の表面９０から放射線遮蔽板８０を貫通して第二の表面９２まで延在している。代替的には、放射線遮蔽板８０は実質的に中実又は一様であり、意図的に設けた開口、内部空隙又は内部通路を有さない。一実施形態では、開口８４は実質的に円形であり、０．５ｍｍ〜５ｍｍの直径を有しているが、較正ファントム要素、当座の較正業務、及び所望の散乱拒絶に適した任意の直径を用いてよい。代替的には、開口８４は、放射線遮蔽板８０の所期の用途に応じて可変的に選択される。代替的な実施形態では、放射線遮蔽板８０は複数のスリットを含んでいる（図示されていない）。一実施形態では、放射線遮蔽板８０は、鉛、タングステン、及びアルミニウム等の金属物質９６を含んでいるが金属物質はこれらに限定されない。金属物質９６は、Ｘ線減弱の向上又は低下を容易にするように選択される。一実施形態では、放射線遮蔽板８０は要素物質ブロック８２を実質的に被覆している。代替的には、放射線遮蔽板８０は要素物質ブロック８２の一部を被覆している。他の実施形態では、放射線遮蔽板８０は要素物質ブロック８２を全く被覆していない。
【００１９】
要素物質ブロック８２は実質的に中実又は一様であり、意図的に設けた内部空隙又は内部通路を有さない。一実施形態では、要素物質ブロック８２は実質的に矩形である。代替的な実施形態では、要素物質ブロック８２は実質的に方形、球形、又は楕円の断面を有する形状である。要素物質ブロック８２は、幅１００、長さ１０２、第一の表面１０４、第二の表面１０６、及び第一の表面１０４と第二の表面１０６との間で測定される高さ１０８を含んでいる。高さ１０８は所期の用途に応じて可変的に選択される。一実施形態では、第一の表面１０４及び第二の表面１０６は実質的に平行である。一実施形態では、要素物質ブロック８２は、乳房の等価物質を含んでいるが、これに限定されない。代替的には、要素物質ブロック８２は実際の組織を含んでいる（図示されていない）。一実施形態では、放射線遮蔽板８０は要素物質ブロック８２に摩擦力で結合して、較正時の放射線遮蔽板８０の取り外しを容易にする。
【００２０】
要素物質ブロック８２はブロック８２の高さ１０８にわたって減弱スペクトルμ_i（Ｅ）を含んでおり、すなわち減弱係数はフォトン・エネルギＥの関数となっている。ここで、ＥはＸ線フォトン・エネルギであり、μ_iは単一のＸ線のスペクトルにおける減弱係数である。一実施形態では、幅１００及び長さ１０２は較正を容易にするように可変的に選択される。例えば、散乱カーネル効果のため、最小の高さ１０８を有するファントム要素５２を、底面積（footprint）すなわち検出器上での要素領域が最小となるように機械加工することができる。代替的には、ファントム要素５２は矩形でなくてもよく、すなわち「尖鋭化（pointed）」させ、線源焦点に対するファントム要素５２の指向を容易にして、ファントム要素５２の特定の幾何学的形状を変化させることを容易にしてもよい。ファントムを図示の設計から「歪ませる（warp）」（刈り込む（shear））ことも可能であり、既知の幾何学的形状による較正業務に有用な場合がある。
【００２１】
図４は、較正ファントム・システムの実施形態のもう一つの例の遠近図である。較正ファントム・システム１１０は一体型であり、複数のファントム凸部１１２を含んでいる。各々のファントム凸部が、第一の高さ１１６にある第一の表面１１４と、第一の高さ１１６とは異なる第二の高さ１２０にある第二の表面１１８とを含んでいる。較正ファントム・システム１１０は、乳房の等価物質１２２等の物質１２２の空間的に変化する勾配を用いて作製されている。一実施形態では、較正ファントム・システム１１０は射出成形され、すなわち成分ポリマー濃度の混成を射出時にわたって制御して、物質の組成が空間的に変化するようにするが、他のアプローチでも較正ファントムに類似の特性を与えることができる。
【００２２】
利用時には、医療の臨床現場で見受けられる所期の乳房の厚み変化に近似的に一致するように高さ１１６及び高さ１２０を選択する。例えば、選択される最小の高さは約３ｃｍであり、最大の高さは約７ｃｍであってよい。代替的には、較正の目的に応じて、高さ分布のあらゆる任意の標本を用いてよい。
【００２３】
図５は、方法１３０の流れ図であり、方法１３０は、較正ファントム・システムを設ける工程１３２と、１以上のファントム画像を形成するために較正ファントム・システムを医用イメージング・システム１０（図１に示す）によって撮像する工程１３４と、１以上のファントム画像を処理する工程１３６と、１以上の処理１３６済のファントム画像から複数の較正値を抽出して較正曲線を作成する工程１３８とを含んでいる。
【００２４】
較正ファントム・システムを設ける工程１３２は、較正ファントム・システム５０（図２に示す）及び較正ファントム・システム１１０（図４に示す）を設けることを含んでいる。代替的には、較正ファントム・システム５０の複数の代替的な実施形態を設けてもよい。
【００２５】
１以上のファントム画像を形成するために較正ファントム・システム５０を医用イメージング・システム（図１に示す）によって撮像する工程１３４は、放射線源１４（図１に示す）と検出器アレイ１６（図１に示す）との間に較正ファントム・システム５０を配置する工程１４０と、１以上のファントム画像について画像取得パラメータを設定する工程１４２と、１以上のディジタル画像及び１以上のフィルム・スクリーン画像を取得する工程１４４とを含んでいる。一実施形態では、較正ファントム・システム５０を配置する工程１４０は、較正ファントム・システム５０が放射線源１４と検出器アレイ１６との間に位置するように較正ファントム・システム５０を並進、回転及び傾斜させることを含んでいる。一実施形態では、較正ファントム・システム５０は、公知の散乱防止グリッド（図示されていない）に接触する。代替的には、散乱防止グリッドを用いずに、較正ファントム・システム５０を検出器アレイ１８上に配置する。他の実施形態では、較正ファントム・システム５０を放射線源１４と検出器アレイ１６との間の一点に懸吊する。さらにもう一つの実施形態では、圧迫板（図示されていない）又は他の何らかの装置を用いて、較正ファントム・システム５０を放射線源１４と検出器アレイ１６との間に配置する。採用されている任意の特定のＸ線手法に応じて画像取得パラメータを設定１４２する場合に、パラメータとしては（１）陽極物質、（２）フィルタ物質、（３）ｋＶｐ（発生したフォトン・エネルギのピーク・キロ電子ボルト）、及び電荷の尺度であるｍＡｓがある。陽極物質の典型的な選択肢は、（ａ）モリブデン、（ｂ）ロジウム、又は（ｃ）タングステンである。フィルタ種別は任意の物質であってよい。典型的には、フィルタは（ａ）モリブデン又は（ｂ）ロジウムである。但し、マンモグラフィ・エネルギ範囲にあるフィルタ物質の他の選択肢として、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、及びルーサイト（Lucite）がある。マンモグラフィ・エネルギについてのｋＶｐは典型的には１５ｋｅＶ〜４９ｋｅＶである。ｍＡｓは典型的には４ｍＡｓ〜２５０ｍＡｓである。これら四つの変数すなわちフィルタ、陽極、ｋＶｐ、及びｍＡｓの各々に一つずつの選択が「取得パラメータ集合」を構成しており、このパラメータ集合が現場で「Ｘ線手法」と呼ばれるものの一つの例を記述する。例えば、Ｒｈ／Ｒｈ、Ｍｏ／Ｒｈ又はＭｏ／Ｍｏ（フィルタ／陽極の三種の組み合わせ）手法を、ｋＶｐを２０〜４０（２１の選択肢）とし、またｍＡｓを５０、６０、７０、８０、９０、又は１００（６つの値）のいずれかとして用いると、操作者は可能性としては３×２１×６＝３７８の異なるＸ線手法からの選択を行なうことができる。１以上のファントム画像を取得するためには１以上の手法が必要である。１以上のファントム画像は、較正ファントム・システム５０を配置した後に取得される。ディジタル及びフィルム・スクリーン画像を取得する工程１４４は、二重エネルギ・マンモグラフィのような多数のエネルギで、フィルタと陽極との多数の組み合わせで複数の画像を取得することを含んでいる。例えば、較正ファントム・システム５０を用いる場合に、較正手順は、２０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）〜４０ｋｅＶでフィルタ／陽極の一定数の異なる組み合わせでの取得を含み得る。各々の較正ファントム・システム５０毎に１以上のファントム画像を処理する工程１３６は、本書に記載した画像取得方法においてファントム要素５２の特定の配列及び構成について特別に構成することができる。代替的には、本書に記載したすべての撮像方法に較正ファントム・システム１１０を用いてもよい。
【００２６】
図６は、１以上のファントム画像を処理する工程１３６を含む方法１３０（図５に示す）の一部の流れ図である。１以上のファントム画像を処理する工程１３６は、１以上のファントム画像を前処理する工程１５０と、１以上の前処理済の画像の散乱カーネルを推定する工程１５２と、１以上の散乱カーネル推定値を用いて散乱を補正する工程１５４と、１以上の散乱補正した画像を用いてＸ線ピクセル雑音を推定する工程１５６とを含んでいる。
【００２７】
１以上のファントム画像を前処理する工程１５０は暗フレーム補正を含んでいてよく、すなわちファントム画像取得の前にＸ線放射線が存在しない状態でＸ線走査を取得する。「暗フレーム」画像は、ファントム画像から減算することができる。代替的には、画像をゲイン補正してもよいし、又は独立に補正、すなわち検出器アレイ１６に対するＸ線入射角の影響について操作者が補正してもよい。ゲイン補正及び独立補正を用いて、検出器アレイ１６全体での放射線源１４の可変的な線束を考慮する。利用時には、陽極から特定のディジタル検出器ピクセルまでの角度、又はフィルム・スクリーンの場合にはフィルムの特定の位置までの角度の余弦に関する関数を用いて、個々のピクセル（図示されていない）上での実効的な線束を算出することができる。
【００２８】
１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２は、放射線遮蔽板８０（図３に示す）、並びに較正ファントム・システム５０及び較正ファントム・システム１１０等の複数の較正ファントム・システムを用いることを含んでいる。代替的には、１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２を放射線遮蔽板８０を用いずに行なってもよい。さらに明確に述べると、散乱防止グリッドを含むイメージング・システム及び散乱防止グリッドを含まないイメージング・システム等の異なるイメージング・システム構成において、散乱カーネル推定を調節して散乱及び一次Ｘ線事象の減少量を補償することができる。さらに、散乱防止グリッドを除去して検出器１６上で直接取得される画像及び放射線源１４の近くで取得される画像のように異なるファントム要素構成における散乱及び一次Ｘ線事象の減少量に従って散乱カーネル推定を調節してもよい。実施形態の一例では、１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２は、要素物質ブロック８２の表面を覆って延在しており開口８４を含む放射線遮蔽板８０を用いてファントム画像を取得することを含んでいる。
【００２９】
一実施形態では、１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２はまた、開口８６の下での一次線に対応するピークの位置を決定すること、散乱カーネルの台（support）すなわち何らかの小さい定数よりも大きい値を有するカーネル位置を推定すること、並びにファントム要素５２についての事前情報すなわち物質ブロックの高さ、開口直径、ファントム要素５２の配列、ファントム要素５２の構成すなわち散乱グリッドの有無、検出器１６の上方に懸吊されているのか又は検出器１６上に直接位置しているのか、及び他の幾何学的効果についての情報を用いることを含んでいる。散乱カーネルを推定する工程１５２はまた、ファントム要素の検出器上での底面積の任意の部分集合に対するフーリエ及び空間領域のような複数のデコンボリューション手法を用いて、散乱カーネルの形状、振幅、及び一次Ｘ線事象の振幅を推定することを含んでいる。散乱Ｘ線事象とは、陽極で検出器１６に向かって放出されたフォトンが物質を透過するＸ線軌跡の間に、Ｘ線軌跡が直線から実質的に逸脱するように物質ブロック内の原子核から逸れて偏向していることを意味する。本書では陽極から放出されて検出器に入射するその他すべてのＸ線フォトンを一次線と呼ぶ。
【００３０】
他の実施形態では、１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２は、要素物質ブロック８２の一部を覆って延在しており開口８２を含む放射線遮蔽板８０を用いて複数のファントム画像を取得することにより行なわれる。１以上の前処理済の画像の散乱カーネルを推定する工程１５２はまた、ファントム要素５２の配列及び構成に基づく事前情報を用いて散乱事象のエッジの位置又は散乱及び一次事象のエッジの位置を推定し、一次事象エッジの位置を用いてエッジ拡がり関数を推定して、散乱カーネルの事前情報又は散乱カーネルの特性を画定する物理学的情報を用いて散乱カーネルを推定することを含んでいる。
【００３１】
さらにもう一つの実施形態では、１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２は、放射線遮蔽板８０を用いずに複数のファントム画像を取得することを含んでいる。１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２はまた、純粋に散乱性である事象と、散乱Ｘ線フォトン及び一次Ｘ線フォトンの組み合わせによる事象との間でエッジ位置を推定すること、複数の乳房等価物質６２及び６８の間でエッジ位置を推定すること、並びに複数の乳房等価物質ファントム要素の高さ６６及び６０の間でエッジ位置を推定することを含んでいる。エッジ情報は、ファントム位置測定値から事前に利用可能となっている場合もある。散乱カーネル推定はまた、複数のエッジ位置を用いて散乱カーネルの台を推定し、カーネルの台の推定値を用いて一次及び散乱Ｘ線事象の空間的に変化する複数の寄与を推定して、散乱放射線及び一次放射線の観測値から一次推定の逆問題を解くことを含んでいる。
【００３２】
放射線遮蔽板８０を含む較正ファントム・システム５０を用いる一実施形態では、１以上の前処理済の画像を用いて散乱カーネルを推定する工程１５２は、較正ファントム・システム５０について一次Ｘ線事象のピクセル位置を決定し、空間依存型エッジ検出、閾値処理、及びモルフォロジー演算子の組み合わせを用いて一次Ｘ線の底面積を生成することを含んでいる。
【００３３】
一次Ｘ線の底面積を用い、また散乱カーネルが円形対称であるとの仮定を用いると、カーネル推定手順についてｒ_T（ここでｒはデカルト座標の極形態でありすなわちｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2である）の有用な範囲を決定することができる。一実施形態では、図３を参照すると、ファントム要素５２についてのｒ_Tの範囲は、幅１００を２で除算したもの又は長さ１０２を２で除算したものよりも小さくなる。利用時には、ｒ_Tはまた、ピンホール直径８６を２で除算したもの（ここではｒ_pと呼ぶ）よりも大きくなる。代替的には、ｒ_Tは、特定の較正業務に応じて可変的に選択してよい。
【００３４】
一実施形態では、ｒ_Tの有用な範囲はｒを用いて決定され、ここで、θにわたって平均した平均信号レベルｙ（ｒ，θ）はｒ＝ｒ_pの内部でその平均値のＲ％まで低下するものとする。一実施形態では、散乱カーネル・パラメータの推定のためのｒの有用な範囲はｒ＜ｒ_pであり、ｙ（ｒ，θ）はｒ＜ｒ_pについてはβよりも大きい。例えば、散乱カーネル推定に有用な信号レベルの一つの選択肢は、平均信号レベルがｒ＝ｒ_pの内部でｙ（ｒ，θ）の平均信号レベルのＲ＝５％未満で変化する場合の半径であってよい。
【００３５】
さらに、ｒ_Tの有用な範囲を用いて散乱カーネルのパラメトリック・モデルが決定される。一実施形態では、散乱カーネルのパラメトリック・モデルは、
Ｋ_g（ｒ）
＝ａ₁Ｇ（ｒ；ｏ，σ₁）＋ａ₂Ｇ（ｒ；ｏ，σ₂）＋...ａ_nＧ（ｒ；ｏ，σ_n）（式１）
である。ここで、Ｋ_g（ｒ）は極座標での散乱カーネルのパラメトリック・モデルであり、ｇ（ｘ；μ，σ）は平均μ及び標準偏差σを有するｘについての二次元円対称ガウス関数である。ここに記載するパラメトリック・モデルでは、観測される平均信号は、すべて原点を中心として、異なる振幅ａ_k、及び分散σ_kを有する放射対称ガウス関数のｒ＝ｒ_pの円の内部での定数項の和となる。
【００３６】
もう一つの実施形態では、散乱カーネルのパラメトリック・モデルは、
Ｋ_e（ｒ）＝ａ_eｅｘｐ（−ｒ／λ）（式２）
であり、ここで、Ｋ_e（ｒ）は極座標での散乱カーネルのパラメトリック・モデルであり、ａ_eは空間時間定数λによる放射対称減衰指数関数の振幅である。一実施形態では、Ｋ_e及びＫ_gのみが散乱カーネルのパラメータ化についての唯二つの選択肢となる。代替的な実施形態では、散乱カーネルの空間的に変化する特性を捉える任意のパラメータ化を用いることができる。
【００３７】
一実施形態では、本書に記載した散乱カーネルを用いると、散乱のモデルは、
ｙ_c＝Ｐ＋Ｐ＊Ｋ＋η （式３）
となる。ここで、ｙ_cは観測される画像であり、Ｐは一次Ｘ線すなわち散乱していないＸ線によるフォトン数データの確定的成分であり、Ｋで畳み込みしたＰは確定的であるが未知の散乱フォトン数データ成分であり、ηは系雑音（量子雑音及び電子雑音）である。利用時には、この推定アプローチを一般的な散乱カーネルＫについて用いることができるので、式１及び式２のＫ_e若しくはＫ_gに適用することもできるし、又は他の任意のカーネル表現に適用することもできる。極座標におけるＰの一つのモデルは、ｒ＜ｒ_pではＰ＝βであり、ｒ＞ｒ_pではＰ＝０である。
【００３８】
図７は、ＥＭ散乱カーネル・パラメータ推定を示すプロット図である。一実施形態では、散乱カーネル・パラメータの識別に対して最尤（ＭＬ）推定アプローチを用いる。一実施形態では、一次事象及び散乱事象のＭＬ推定は、期待値最大化（ＥＭ）アルゴリズムを用いて行なわれる。ＥＭアルゴリズムは、Ｅ段階、Ｍ段階、及び初期化の定義を必要とする。
【００３９】
一実施形態では、ＥＭアルゴリズムは、第ｊ回の繰り返しにおいて、この繰り返しでの完全データの期待値β^j＝Ｅ［β｜ｙ_c，Ｋ^j-1］を算出する（Ｅ段階）ことにより決定することができる。ここで、β^jは、Ｅ段階からの一次線に対応するｒ_pの内部の定数信号レベルの推定値である。βは、一次線のみによる観測信号の推定値である。例えば、Ｋ＝式１のＫ_gと設定するとＥ段階はβ^j＝Ｅ［β｜ｙ_c，ａ_k ^j，σ_k ^j］となり、代替的には、Ｋ＝式２のＫ_eと設定するとＥ段階はβ^j＝Ｅ［β｜ｙ_c，ａ_e ^j-1，λ^j-1］となる。β^jが与えられたら、散乱の期待値が与えられたときの散乱カーネル・パラメータの尤度を最大化（Ｍ段階）し、すなわちａ_k ^j，σ_k ^j＝ａｒｇｍａｘｐ（ａ_k ^j-1，σ_k ^j-1｜ｙ_c，α，β）とする。一般的には、Ｅ段階は、散乱カーネルが与えられた場合に一次Ｘ線事象を推定することに対応する。Ｍ段階は、一次事象が既知であると仮定して散乱カーネル特性を推定することに対応する。この概念を図７に示す。
【００４０】
全ＥＭを初期化するために、一次事象の初期推定値を決定する。一実施形態では、この初期化は、
【００４１】
【数１】

【００４２】
であり、ここでβ⁰は開口内での平均フォトン数に対応する。代替的には、散乱カーネルのＭＬ推定値への収束を可能にする任意の初期化を用いてよい。
【００４３】
ＥＭアルゴリズムを用いて、ファントム要素パラメータから利用可能な事前情報を用いたＥＭアルゴリズムの第ｊ回の繰り返しについて、散乱カーネル・モデルのカーネル・パラメータを更新することができる。事前情報は、ピンホール被覆孔が半径ｄｍｍの円であるとするならば、ピンホール中心の直上に点源が位置しておりピクセル・ピッチ＝１００ミクロンであると仮定してｒ_p＝５ｄとなる等の情報を含んでいる。２ｐピクセルの場合等の代替的なピクセル・ピッチ・サイズについても同じ解析を適用することができ、ここで、ｄ及びｐはｍｍ単位でのピンホール直径及びピクセル・ピッチである。ピンホール中心と点源とを結ぶ線が検出器に垂直でない場合の射線については、一次及び散乱Ｘ線底面積に対して適当な幾何学的変換を施す。利用時には、この変換によって、検出器空間において観測される底面積が、ピンホール中心の直上に位置する点源について検出器空間において予期される底面積に歪む。
【００４４】
一実施形態では、所望の忠実度に応じて、第一近似として幾何学的変換を省略することもでき、β^jは、
【００４５】
【数２】

【００４６】
を用いて推定することができる。ここで、ｐ_a（ｒ）はｒ＝０からｒ＝ａまでの幅ａの矩形パルスであり、Ｋは散乱カーネルであり、Ｋ_e、Ｋ_g又は第ｊ回の繰り返しからのその他任意の散乱カーネル推定値をＫとして用いることができる。例えば、Ｋ（ｒ）＝Ｋ_g（ｒ；ａ_i，σ_i）である場合には、ａ_i及びσ_iはＥＭアルゴリズムの前回の繰り返しで推定された散乱カーネルのガウス成分の振幅及び標準偏差の推定値となる。代替的に、Ｋ（ｒ）＝Ｋ_e（ｒ）である場合には、ａ_e及びλは前回の繰り返しから得られた振幅及びλの推定値となる。
【００４７】
Ｍ段階では、Ｅ段階からパラメータ推定で算出された開口を通過する一次放射線の推定値によって不完全データｇの定義が「完全化」されることを必要とする。Ｍ段階は、
【００４８】
【数３】

【００４９】
である。
【００５０】
図示のように、不完全データは、前回の繰り返しでの開口における一次放射線成分の期待値を観測値から減算したものとなる。次いで、散乱カーネル・パラメータの推定に対するＭＬアプローチを用いる。この過程は、フーリエ空間又はウェーブレット空間のような変換空間でアプローチすることもできるし、又は空間領域自体でアプローチすることもできる。一実施形態では、正則化フーリエ解析を用いて散乱カーネルの推定値を先ず求める一アプローチがある。例えば、Ｇ（ω）をｇ^j（ｒ）の空間周波数表現とし、Φ（ω）を開口を通過する一次放射線Ｐの空間周波数推定値であるとすると、理論的な散乱カーネル周波数領域表現は、
【００５１】
【数４】

【００５２】
となる。ここで、τ^-1は逆フーリエ変換を示す。利用時には、散乱カーネル推定は、一次放射線の周波数領域表現Φ（ω）におけるゼロによって複雑化する。公知の正則化アプローチを適用してこの問題点を改善することができる。一実施形態では、Φ（ω）のフーリエ係数について下限値を設定する一アプローチがある。Φ（ω）のフーリエ係数が下限値未満に低下するときには、比における対応する係数をゼロに設定する。このようにして、Ｋ（ｒ）の推定値をΦ（ω）の特定の形態に対して不感受性にする。Ｋ（ｒ）の推定値が与えられれば、すなわちＫ_e及びＫ_gの場合のようにＫが実際にパラメータ化されれば、複数のパラメータ・フィッティング・ルーチンをカーネル・パラメータに適用することができる。代替的には、次回の繰り返しについてのＫ（ｒ）の正則化した推定値を用いることもできる。例えば、複数のＭＬガウス混合フィッティング・ルーチンを適用して、Ｍ段階でのパラメータ推定に対するＥＭアプローチのように、式１における散乱カーネルについてのパラメータを推定することができる。従って、所載のＥＭアプローチは入れ子式ＥＭアプローチとなる。
【００５３】
一実施形態では、追加の制約でアプローチを精密化することができる。例えば、ａ_k＞０と制約し、且つ散乱カーネル平均をゼロに制約すると、関心のあるカーネルに対するパラメータ検索空間が精密化する。この方式でａ_k及びσ_kの組を推定することができる。Ｍ段階に対する代替的なアプローチには、緩和フーリエ解析、エネルギ最小化アプローチ、及び繰り返し式条件付き期待値アプローチがある。代替的には、カーネル・パラメータのＭＬ推定値を与える任意のアプローチを用いてよい。ＥＭ散乱カーネル・パラメータ推定手順を図７に線図で示す。
【００５４】
散乱カーネル推定値を用いて検出器上での一次Ｘ線事象を推定する工程１５４は、本書で前に決定した散乱カーネル推定値、及びファントム要素構成についての事前情報を用いることを含んでいる。一次事象は複数の方法で推定することができる。一実施形態では、散乱推定は必要ではなく、放射線遮蔽板による遮蔽の開口のコリメーションによって開口内部での散乱の寄与が大幅に減少するので、Ｘ線開口の底面積内又は検出器内での平均数データによって一次推定値を近似することができる。代替的には、散乱の寄与は既知であるが散乱カーネル推定値Ｐが特に必要とされない場合には、Ｘ線開口内の平均数データの何らかの部分数を用いて一次放射線の寄与を推定することもできる。代替的には、散乱カーネル推定における一次線の推定に対するＥＭアプローチからのＥ段階の任意の実施形態を用いてもよい。幾つかの実施形態では、散乱を無視することができ、散乱を推定する必要も測定数から減算する必要もない。
【００５５】
１以上の散乱補正した画像を用いてＸ線ピクセル雑音を推定する工程１５６は、一次放射線の寄与及び散乱放射線の寄与の推定値が与えられた場合に、一次放射線の寄与及び散乱放射線の寄与から雑音寄与を推定して、一次線についての雑音を算出することを含んでいる。代替的には、画像から直接雑音パラメータを推定するのではなく、Ｘ線事象のポアソン分布を用いたモデル化によって散乱カーネル領域に予期される雑音を決定することもできる。雑音推定についてのもう一つの代替的な方法は、放射線遮蔽板８０を取り外して、別のＸ線画像を取得し、この画像を用いて雑音を推定するものである。雑音推定についてのもう一つの代替的な方法は、物質ブロック組成の関数として雑音をモデル化し、これらの推定値を用いて組織組成推定値に対するエラー・バー（error bar）を算出するものである。利用時には、画像自体から雑音を推定する場合又は物質ブロック組成に基づいて理論値として推定する場合には、フォトン数の小領域についての標準偏差、分散、ロバスト統計、及びハウスドルフ尺度を含めた複数の尺度を用いて、ばらつきを定量化することができる。
【００５６】
一実施形態では、雑音分散を用いる。所定の画像の小領域を用いると共に、較正ファントムの既知の幾何学的形状すなわちＸ線開口底面積を用いて、散乱雑音寄与及び一次雑音寄与の単純なモデルを用いて雑音を推定することができる。例えば、被覆板８０を用いると、フォトン数雑音を下記の式８を用いて推定することができる。
【００５７】
【数５】

【００５８】
ここでは、変数ｒ_Tを用いて雑音パワー推定に有用な半径を記述している。
【００５９】
１以上の処理済のファントム画像から複数の較正値を抽出して較正曲線を作成する工程１３８は、一次事象及び雑音推定値を用いて較正曲線を作成することを含んでいる。利用時には、各々のファントム要素による検出器における一次Ｘ線事象（フォトン数）を算出する。第ｉの物質ブロックについての減弱係数を下記の関係を用いて推定することができる。
【００６０】
【数６】

【００６１】
ここで、β_i（Ｔ）は特定の物質ブロック組成についての厚みの関数としてのフォトン数データである。例えば、脂肪及び腺の両方についての減弱係数を式９を用いて推定することができる。利用時には、β（Ｔ）の連続形態は既知でないか、又は選択された数の厚みＴにおいてのみ既知である場合があるため、多項式、スプライン、又は式９において導関数の算出に有用なその他の曲線に関数をフィッティングさせるとよい。
【００６２】
様々な特定の実施形態によって本発明を説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲及び要旨の範囲内の改変を施して本発明を実施し得ることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】断層写真法イメージング・システムの見取り図である。
【図２】較正ファントム・システムの実施形態の一例の遠近図である。
【図３】図２に示すファントム・システムのファントム要素の実施形態の一例の遠近図である。
【図４】較正ファントム・システムの実施形態のもう一つの例の遠近図である。
【図５】較正ファントム・システムを撮像することを含む方法の流れ図である。
【図６】ファントム要素を前処理することを含む図５に示す方法の一部の流れ図である。
【図７】ＥＭ散乱カーネル・パラメータ推定を示すプロット図である。
【符号の説明】
１０ディジタル・イメージング・システム
１２被撮像物体
１４放射線源
１６検出器アレイ
１８投影角
２０スライス平面
２８制御機構
４４表示器
４６、４９投影角
４８放射線ビームの中心軸
５０非一体型較正ファントム・システム
５２ファントム要素
５４第一のファントム要素物質ブロック
５６第二のファントム要素物質ブロック
５８第一の表面
６０第一の高さ
６２第一の物質
６４第二の表面
６６第二の高さ
６８第二の物質
７０ファントム要素の行
７２ファントム要素の列
８０放射線遮蔽板
８２要素物質ブロック
８４開口
８６開口の幅
８６遮蔽板の幅
８８長さ
９０第一の表面
９２第二の表面
９４厚み
９６金属物質
１００要素物質ブロックの幅
１０２長さ
１０４第一の表面
１０６第二の表面
１０８高さ
１１０一体型較正ファントム・システム
１１２ファントム凸部
１１４ファントム凸部の第一の表面
１１６第一の高さ
１１８第二の表面
１２０第二の高さ
１２２乳房等価物質
１３０較正の方法

Claims

イメージング・システム（１０）と共に用いられる較正ファントム・システムであって、
第一の高さ（６０）に第一の表面（５８）を有する第一のファントム要素物質ブロック（５４）であって、第一の減弱係数を有する第一の物質（６２）を少なくとも部分的に含んでいる第一のファントム要素物質ブロック（５４）と、
前記第一の高さと異なる第二の高さ（６６）に第二の表面（６４）を有する第二のファントム要素物質ブロック（５６）であって、前記第一の減弱係数と異なる第二の減弱係数を有する第二の物質（６８）を少なくとも部分的に含んでいる第二のファントム要素物質ブロック（５６）とを備えており、
前記第一のファントム要素物質ブロック及び前記第二のファントム要素物質ブロックは検出器（１６）上に共存配置されており、
前記較正ファントム・システムはさらに、
前記第一のファントム要素物質ブロック（５４）の頂部に配置されている第一の放射線遮蔽板（８０）と、
前記第二のファントム要素物質ブロック（５６）の頂部に配置されている第二の放射線遮蔽板と
を備えおり、前記第一及び第二の放射線遮蔽板の各々は、前記第一及び第二の放射線遮蔽板を夫々貫通する開口を有している、
較正ファントム・システム。
前記第一のファントム要素物質ブロック（５４）は実質的に矩形である請求項１に記載の較正ファントム要素物質ブロック。
前記第一の放射線遮蔽板（８０）は実質的に矩形である請求項１に記載の較正ファントム・システム。
前記要素物質ブロック（８２）は乳房等価物質（１２２）を含んでいる請求項１に記載の較正ファントム・システム。
前記第一のファントム要素及び前記第二のファントム要素は、減弱係数が小さくなる順序で共存配置されている請求項１に記載の較正ファントム・システム。
前記放射線遮蔽板（８０）は前記要素物質ブロック（８２）の表面（１０６）を覆って延在している請求項１に記載の較正ファントム・システム。
前記放射線遮蔽板（８０）は金属物質（９６）を含んでいる請求項１に記載の較正ファントム・システム。
前記放射線遮蔽板（８０）は、鉛、タングステン、及びアルミニウムの１以上を少なくとも部分的に含んでいる請求項７に記載の較正ファントム・システム。