JP4777346B2 - 灌流調査のための検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、体ボリュームにおける動的過程、特に、灌流の調査のための検査装置及び方法、並びに前記方法の実行のためのソフトウェアを有する記録担体に関する。

患者の体ボリュームにおける灌流過程の調査は、心臓血管疾患の診断のために必要である。そのような灌流の調査は、典型的には、カテーテルを介する又は静脈への造影剤のボーラスの注入と、血管系及び周囲の組織における前記ボーラスの広がりを示す一連のＸ線投影の生成とを有する。脳の血管ツリーのような複雑な血管ツリーにおいては、しかしながら、血管一組において取得される二次元投影に基づく観察過程を調べることは困難である。このことは、特に、注意深い診断のために、優れたコントラスト分解能の三次元断層撮影画像を必要とする。

それ故、本発明の目的は、動的過程、特に、複雑な血管系及び周囲の組織における灌流の多面的調査のための手段を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の検査装置により、請求項９に記載の方法により及び請求項１０に記載の記録担体により達成される。好適な実施形態については、従属請求項に開示されている。

本発明にしたがった検査装置は、体ボリュームにおける動的過程の調査のために用いられることが可能である。以下の説明で焦点を当てる非常に重要な（しかし、それに限定されない）実施例は、患者の血管系における灌流の調査である。検査装置は、Ｘ線源を有するＸ線装置と、オブジェクトに関連して移動することができるＸ線検出器と、生成される画像データを制御する且つ評価するようにＸ線装置に結合されているデータ処理システム（コンピュータ）とを有する。検査装置は、次の段階を実行するように適合されている。
ａ） 所定期間中に、軌道に沿った体ボリュームの一連のＸ線投影の生成であって、データ処理システムの制御下でＸ線装置により達成される、生成。“軌道に沿った投影シリーズ”は、体ボリュームの特定点がマッピングされる投影方向が前記点及び軌道の両方を横切ることを意味する。そのような投影は、体ボリュームの方へのＸ線の出射の間にＸ線源が前記軌道に沿って移動する場合に実現されることが可能である。
ｂ） 体ボリュームの時間的に一連の三次元（３Ｄ）画像の再構成であって、各々の３Ｄ画像の再構成は、上記の所定期間において、接続されている時間ウィンドウの間に生成された前記一連のＸ線投影からの投影の副集合に基づいている、再構成。更に、時間ウィンドウは、それらが重なり合い、又は、更に適切には、各々の時間ウィンドウについて、部分的に重なり合う、少なくとも１つの他の時間ウィンドウが存在するように、選択される。それらの時間ウィンドウは、例えば、同じサイズを有することが可能であり、そのサイズの小さい割合だけ互いに対してシフトされることが可能である。

検査装置は、その過程が三次元画像において視覚化されるため、複雑な区間的環境、例えば、患者の脳における灌流のような動的過程の調査を可能にする。そのような３Ｄ画像の再構成は、三次元（適切な）再構成方法についての十分に異なる投影の取得及び装置の連続的移動を可能にするＸ線を内のための軌道の適用により可能である。更に、重なり合う時間ウィンドウにおける一連の投影の評価は、基本過程の観察のために必要であり、利用可能なデータを最適に使用することができる高時間分解能を与える。重なり合う時間ウィンドウにおける動的過程の一連の画像の評価については、文献“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｌｉｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃａｒｔｅｓｉａｎ ｓａmｐｌｉｎｇ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＭＲＩ”，ｂｙ ｄ’Ａｒｃｙ ＪＡ，Ｃｏｌｌｉｎｓ ＤＪ，Ｒｏｗｌａｎｄ ＩＪ，Ｐａｄｈａｎｉ ＡＲ，Ｌｅａｃｈ ＭＯ，ＮＭＲ ｉｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｖｏｌ．１５，ｎｏ．２，ｐｐ．１７４−１８３，Ａｐｒｉｌ ２００２において、“スライディングウィンドウ方法”として記載されている。

検査装置は、患者の血管系への制御された増影剤の注入のための注入装置を更に有することが可能である。その注入装置は、医療スタッフにより手動で制御されるように適合されることが可能である。代替として、前記注入装置は、データ処理システムにより結合され、それにより制御されることが可能である。制御された注入の使用は、検査装置を患者における灌流調査に適したものとする。

Ｘ線装置は、好適には、例えば、Ｃ字型アームを介して互いに固定的に結合され、球の表面上又はその表面の一部の上を一般に移動させられるＸ線源及び検出器を有する。この場合、前記球の中心に位置付けられた体ボリュームの投影は、異なる方向から生成され、それ故、適切な三次元再構成方法のために必要なデータを与える。

本発明の他の好適な実施形態にしたがって、軌道は閉じている。この場合、Ｘ線装置は、異なる時間に同じ又は類似する方向からの投影を生成している間に、軌道に沿って繰り返して移動することができる。

軌道は平面的、例えば、弧であり、その弧に沿って、Ｘ線装置は連続的に前後に進められる。その軌道はまた、非平面的であり、好適には、適切な再構成アルゴリズムの適用を可能にする形を有することが可能である。非平面的軌道は特に、方位角及び極角方向における振幅の重ね合わせにより生成されることが可能である。

特定の時間ウィンドウに属し、３Ｄ画像の再構成のために用いられる軌道の各々の副集合は、好適には、非常に大きいので、適切な再構成方法の適用が可能である。それ故、高コントラスト及び高精度を有する３Ｄ画像が得られる一方、この種類の保証のための最小の副集合に対する制限は、時間ウィンドウに対応する時間点における状態と３Ｄ画像の適切な相関性にある。

３Ｄ画像の生成のための適切な再構成方法がそれらの高精度のために選択される一方、勿論、粗い方法を用いることもまた、可能である。更に、３Ｄ画像の再構成は、直接反転方法により又は当業者に知られている反転再構成方法により達成されることが可能である。

特定の３Ｄ画像の再構成のために用いられる副集合又は時間ウィンドウにおける投影は異なる時間点からもたらされ、それ故、動的過程の異なる状態において観察された体ボリュームを表す。時間ウィンドウが、動的過程の時間スケールに比べて短い場合、時間ウィンドウ中の過程の変化は無視することが可能であり、時間ウィンドウから再構成される３Ｄ画像は、特定の基準時間点、例えば、時間ウィンドウの中間点と関連付けられることが可能である。本発明の他の実施形態にしたがって、副集合の投影は、前記基準点までの時間的距離に対応する重み付け係数を用いる再構成方法に適用される。基準時間点に対して時間的に閉じた投影は、その場合、前記基準時間点から遠い投影より大きい再構成における重みを与えられ、そのことは、後者は、基準時間点に対して非常に変化した状態にある動的過程を示し得るためである。

３Ｄ画像のための再構成方法は、冗長度補償関数を使用することが可能である。この場合、連続する副集合に属する２つの軌道部分のためのそのような冗長度補償関数の差が、対応する３Ｄ画像を更新するように好適に用いられる。

本発明は、体ボリュームにおける動的過程の調査のための方法であって、次のような段階を有する方法を更に有する。
ａ） （平面的又は好適には非平面的）軌道に沿った体ボリュームのＸ線投影のシリーズを所定期間中に生成する段階。
ｂ） 体ボリュームの３Ｄ画像の時間シーケンスを再構成する段階であって、各々の３Ｄ画像は前記シリーズからの投影の副集合に基づいていて、副集合は前記期間中の時間ウィンドウに属し、前記時間ウィンドウは重なり合う、段階。

その方法は、一般に、上記の種類の検査装置を用いて実行することができる段階を有する。それ故、その方法の詳細、有利点及び改善についての更なる情報については、上記記載を参照することができる。

更に、本発明は、記録担体、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク又はコンパクトディスク（ＣＤ）を有し、その記録担体において、体ボリュームにおける動的過程の調査のためのコンピュータプログラムが記憶されていて、前記プログラムは上記方法を実行するように適合されている。

本発明の上記の及び他の特徴は、以下に詳述する実施形態を参照することにより明らかになり、理解できるであろう。

以下、本発明について、例示としての添付図の支援を伴って説明する。

図１は、患者１の灌流調査のために用いられることが可能である本発明にしたがった検査装置の原理図である。その装置は、図示している実施例においては、Ｘ線源１１を有する従来のシステムである回転式Ｘ線装置１０と、Ｃ字型アーム１２を介して固定的に接続されたＸ線検出器１３とを有する。Ｘ線装置は、Ｘ線源１１及び検出器１３が球（又は、球の少なくとも一部）の表面を移動し、常に互いに全く対向するように、空間における点の周りで回転されることができる。それ故、その球の中心における体ボリューム、例えば、患者１の脳又は心臓の投影が異なる方向から生成される。

図２は、典型的なＸ線装置１０の移動中の、Ｘ線源１１及び検出器１３により追従される、典型的な閉じた非平面軌道Ｔを透視して及び投影して示している。全ての軌道Ｔは、中心Ｃを有する球（図示せず）の表面にある。軌道Ｔの各々の点は、極角φ及び方位角θにより球座標（中心としてＣを用いている）で表現されることが可能である。軌道ＴにおけるＸ線装置１０の移動中の前記極角φ及び方位角θの時間的経路について、基本的には、図３の上の２つの図に示している。θにおける振幅の大きさが０である場合、円（ビームのファン角度＋１８０°より大きい）の弧に対応する平面軌道が得られ、その平面軌道に沿って、Ｘ線装置１０は前後に繰り返して進められる。

他の適切に閉じた非平面軌道の実施例については、文献“Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ ｆｏｒ Ｃ−Ａｒｍ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｐｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｔｒｕｎｃａｔｅｄ Ｃｏｎｅ−Ｂｅａｍ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓ”（Ｈ．Ｓｃｈｏｍｂｅｒｇ，３Ｄ−２００１−Ｔｈｅ Ｓｉｘｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｆｕｌｌｙ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｐｐ．２２１−２２４）に記載されていて、この文献の援用により本発明の説明の一部を代替する。

図１は、モニタ３１及びキーボード３３のような入力装置が接続されているコンピュータ３２を有するデータ処理システム３０を更に示している。コンピュータ３２は、暴露を制御し、生成される投影を評価するように、Ｘ線装置１０に更に接続されている。コンピュータ３２は、下で詳細に説明する機能を実現するように、中央演算処理装置、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェース等を適切なソフトウェアと共に有する。コンピュータ３２は、Ｘ線装置１０により生成される異なる方向からの投影から患者１の目標領域の三次元（３Ｄ）画像を、特に再構成することが可能である。それらの３Ｄ画像は、この場合、ユーザのためにモニタ３１に表示されることが可能である。

更に、図１は、例えば、増影剤が、制御された方法で患者の血管系に注入することができる注入装置２０を示している。典型的には、注入システムは、増影剤を有するモータ駆動されるシリンジと、患者の体にそのシリンジから進み、血管系における対象領域で停止するカテーテルとを有する。注入装置２０は、コンピュータにより制御されることができる及び／又はコンピュータにその機能についてのデータを送信することができるように、手動で制御される又はコンピュータ３２に結合されることが可能である。

患者１の血管系における灌流のような動的過程を調べるように、上記の検査装置は、スライディングウィンドウ再構成原理と結び付いた平面的又は非平面的元軌道のための適切な再構成方法を用いることにより、適切な時間的分解能についての３Ｄボリューム情報に繋がる方式で用いられる。灌流の撮像についての図２におけるもののような閉じた非平面の取得軌道Ｔを用いることを提案している。コーンビーム投影データは、連続的なシステムの移動を用いて、複数回、その閉じた軌道Ｔをカバーすることにより、灌流過程が生じる時間間隔の間に取得される。投影取得のサンプリングは、時間経過において、一定である又は変動することが可能である。その取得は、高時間分解能を確実にするように、最大システム速度で行われる。

複数回、その軌道Ｔをカバーする全シリーズの生成された投影は、図３においてΛで印を付けられている（各々のドットは１つの投影を表す）。その軌道は、各々、特定の時間ウィンドウに対応し、対象ボリュームの適切な再構成を可能にするに好適に十分に大きい、重なり合う副集合Λ_ｉに副分割されることが可能である。それらの副集合／時間ウィンドウは、時間ドメインにおける等しい又は可変の間隔を伴って選択される。

シリーズΛの各々の副集合Λ_ｉに対して、適切な再構成方法が適用され、例えば、その方法であって、３Ｄ Ｒａｄｏｎデータの冗長度を補正方法で考慮する、方法については、文献“Ａ ｃｏｎｅ−ｂｅａｍ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｓｉｎｇ ｓｈｉｆｔ−ｉｎｖａｒｉａｎｔ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｅ−ｂｅａｍ ｂａｃｋ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ”，ｂｙ Ｍ．Ｄｅｆｒｉｓｅ，Ｒ．Ｃｌａｃｋ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｅｄ．Ｉｍａｇ．，ｖｏｌ．１３，ｎｏ．１，ｐｐ．１８６−１９５，Ｍａｒｃｈ １９９４に記載されている。例えば、Ｘ線源の軌道がパラメータλでパラメータ化されている場合、投影取得のための各々の元位置はベクトルζ（λ）で表される。そのような元位置から測定されるＲａｄｏｎ面は、その場合、標準的なベクトルζにより特徴付けられ、即ち、その面にある全てのベクトル

は

を満足する。ρ＝ζ（λ）ξを用いる場合、Ｒａｄｏｎ値はＲｆ（ρξ，λ）において生成され、ここで、Ｒは関数ｆのＲａｄｏｎ変換である。１つのＲａｄｏｎ値は、２つ以上の元位置λにより生成される。適切な再構成は、完全なＲａｄｏｎ空間のサンプリング及び適切な冗長度の処理を必要とするため、冗長度補償関数が次式にしたがった反転投影式に導入され
Ｍ_ｉ（ξ，λ）＝１／ｎ_ｉ（ξ，λ） （１）
ここで、ｎ_ｉ（ξ，λ）は、投影の集合Λ_ｉだけ、数回、供給されることができる。離散的実施を可能にする実際的理由のために、Ｍ_ｉ（ξ，λ）の微分可能及び規格化バージョンが反転投影表現において用いられる。

完全な利用可能な投影のシリーズΛ（複数のカバーされた軌道）から、対象ボリュームの適切な再構成を可能にする副集合Λ_ｉ（基準時間点ｔ_ｉにおいて中心合わせされた）は、ここで、適切な冗長度補償関数Ｍ_ｉ（ξ，λ）により選択されることができる。最適な計算の実行のために、２つの軌道間隔の冗長度補償関数の差が、Λ_ｉからのボリューム結果に対して軌道部分Λ_ｉ＋１からもたらされる再構成ボリュームを更新するように用いられることが可能である。この取得方法を用いる場合、時間分解能Δｔ_ｉを有する複数の時間ステップｔ_ｉにおける同じボリュームの適切な再構成が実行可能である。

何れの他の適切で正確な又は適当な再構成方法がまた、用いられることが可能であり、その方法は、非平面的軌道に沿って取得される投影データを処理すること及び優れたコントラスト分解能を与える能力がある。直接の反転スキーム以外にはまた、反復再構成方法を適用することが可能である。

時間分解能を、遠くにあるものより高く基準時間点ｔ_ｉの近くの投影を重み付けする変化時間ゲーティング関数を用いて改善することができる。このスライディングウィンドウ３Ｄ再構成の結果を、目標の構造の３Ｄ灌流分析のための入力として用いることができる。

最後に、本明細書において、用語“を有する”は他の要素を排除するものではなく、単数表現は複数の存在を排除するものではなく、単一の処理器又は他のユニットは幾つかの手段の機能を実現することが可能である。

本発明にしたがった検査装置を示す図である。 斜視図及び３つの直交する投影図として、例示としての閉じた非平面的軌道を示す図である。 ３Ｄ再構成のために用いられる投影の副集合の時間的重なり合いを示す図である。

Claims (7)

1. Ｘ線装置及びデータ処理システムを有する、体ボリュームにおける動的過程の調査のための検査装置であって：
   ａ）閉じた軌道に沿った前記体ボリュームのＸ線投影のシリーズを所定期間中に生成する段階であり、前記軌道が非平面的であり、方位角及び極角方向における独立した振動により生成される、段階；
   ｂ）前記体ボリュームの三次元画像のシーケンスを再構成する段階であり、各々の三次元画像は前記シリーズからの投影の部分集合に基づき、前記部分集合は前記期間における時間ウィンドウに属し、そして前記時間ウィンドウは重なり合う、段階；
   を実行するように適合されていることを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置であって、制御された造影剤の注入のための注入装置を有することを特徴とする検査装置。
3. 請求項１に記載の検査装置であって、前記Ｘ線装置は、互いに固定的に結合され且つ球又は球の一部において移動されるＸ線源と検出器とを有することを特徴とする検査装置。
4. 請求項１に記載の検査装置であって、前記投影の部分集合は、前記三次元画像のシーケンスを再構成するための適切な方法に必要な数の投影を有することを特徴とする検査装置。
5. 請求項１に記載の検査装置であって、前記部分集合の投影が、基準時間点までの時間的距離に対応する重みを有する再構成方法において用いられることを特徴とする検査装置。
6. 体ボリュームにおける動的過程の調査のためのＸ線装置及びデータ処理システムを有した検査装置を制御する方法であって：
   ａ）前記Ｘ線装置によって、閉じた軌道に沿った前記体ボリュームのＸ線投影のシリーズを所定期間中に生成する段階であり、前記軌道が非平面的であり、好適には、方位角及び極角方向における独立した振動により生成される、段階；
   ｂ）前記データ処理システムによって、前記体ボリュームの三次元画像のシーケンスを再構成する段階であり、各々の三次元画像は前記シリーズからの投影の部分集合に基づき、前記部分集合は前記期間における時間ウィンドウに属し、そして前記時間ウィンドウは重なり合う、段階；
   を有することを特徴とする方法。
7. 体ボリュームにおける動的過程の調査のためのコンピュータプログラムが記憶される記録担体であって、前記プログラムは請求項６に記載の方法を実行するように適合されていることを特徴とする記録担体。

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