JPS59155237A - Ｃｔ画像処理方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、被検体の複数断面について多方向からＸ線等
の投影を行なって多数の投影データを収集し、これらデ
ータ九本づく再構成演算処理にょ＃）Ｘ線吸収率等に対
応した画像情報を得るＣＴ架装置画像処理方式に関する
ものである。

以下、Ｘ線ＣＴ装置を例にと９、本発明全説明するが、
本発明はその他のＣＴ架装置も適用できる。

〔従来技術〕

第１図にＸ＠ＣＴ装置の全体構成図を示す。Ｘ線検出器
１０で得られる多方向からのＸ線投影データ１０１は、
前処理装置１１で対数変換、感度補正等の前処理後、画
像処理装置１２で複数断面像１４の再構成処理か行なわ
れ、最終的にディスプレイ１３に表示される。この再構
成演算は、通常第２図（１）に示す手順で処理が行なわ
れる。即ち、前処理後の投影データ読み込みステップ２
１の後、逆投影による画像のボケを防ぐためにフィルタ
リング演算ステップ２２を行なう。続いて、この演算結
果の逆投影演算ステップ２３を行なうことによって再構
成画像を得、再構成画像表示ステップ２４で結果をディ
スプレイ上に表示する。この画像再構成演算には、汎用
の大型計算機で約１５分、専用のハードウェアでも約３
０秒程度の時間を要する。

上記に示した処理時間は、１断面の再構成時間であシ、
第１図に示す如く、複数断面像１４の再構成画像を得て
３次元的な画像全得ようとすると、多大な処理時間を要
する。例えば、人体の体軸方向における２０ｃｍの厚さ
の全断面像を得ようとすると、Ｘ線ＣＴの１断面は約２
咽であるので、専用ハードウェアでも （２００ｍｍ／　２ｆｉ）　Ｘ　３０秒＝３０００秒（
５０分）という処理時間となシ、実用上問題がある。

つぎに、投影データ作成時の問題点について述べる。

まず、ＣＴの再構成アルゴリズムは次の２種類に大別で
き、 （１）逐次近似法（ＡＲＴ法、ＭＥＭ法）（２）解析的
方法（ＦＢＰ法、ＦＰＴ法）（１）の方法は、繰シ返し
が多いため計算時間が長くまた、現在ＯＣＴ装置で使わ
れている１８０〜３６０の投影データ数の場合には、（
２）の解析的方法に較べて精度が悪いということで使用
されずに、現在の実用機では（２）の解析的方法、中で
もＦＢＰ（ｐｉｌｔｅｒｅｄ　Ｂａｃｋ　ｐｒｏｊｅｃ
ｔｉｏｎ　：フィルタ補正逆投影）法が使われている。

しかしながら投影データ数が少ない場合にはむしろ逐次
近似法の方が精度がよく、特に雑音がのっている場合に
は、Ｍ　ＥＭ　（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｅｎｔｒｏｐｙ　Ｍ
ｅｔｈｏｄ　：最大エントロピー］法が有効であること
が明らかになっている〔信学論ｃＩＪｖｏ］、Ｊ６３−
」」、Ａ９．最大エントロピー法による投影からの画像
再生〕。

ＣＴ撮影時に同時に心・電図全計測し、心臓の同位相の
データだけを用いて画像再構成を行おうとする心電図同
期型ＣＴは、投影データが限られ、心臓の動きによる雑
音が存在するということで、櫂次近似法が適している（
例えば、特願昭５７−８９９３４号参照）。

逐次近似法の弱点である処理時間についてもう少し詳し
く見てみるために逐次近似法の処理手順を第２図（２）
に示す。計測された投影データと推定した画像を基に計
算した投影データとの差異から順次画像を修正していこ
うとするものである。この処理中、ステップ１０２０投
影データの計算にもつとも時間を要する。本計算の高速
比ケはかることが逐次近似法を製品化する場合の重要な
ポイントとなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を改善し、複数断
面ＯＣＴ再構成像、および投影データを高速に得る画像
処理方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的ｔ＆：達成するため本発明ではメモリ間の競合
を生じることなく、多数のプロセッサを並列比し、さら
にそれらプロセラサラトリー状に結合してパイプライン
処理によシ再構成演算をおこなう点、および推定した画
像を空間的に分割し、分割された各画像にプロセッサを
割シ当て投影データ作成演算をおこなう点に特徴がある
。

〔発明の実施例〕

まず、処理手順のフローを示す第３図に基づいて本発明
による再構成演算の原理説明を行なう。

ＣＴ装置よシ得られる多数の投影データを用いる再構成
演算は、投影データ単位に独立して実行することができ
る。従って、第３図に示す如く、ステップ３０で読み込
んだ投影データ音ステップ３１で多数台（この例では８
台）のプロセッサに割υ当て、ステップ３００で以下の
多段（この例では４段）処理をおこなう。まず、第１段
では、ステップ３２でフィルタリング演算と担当部分に
関する逆投影演算？８台のプロセッサＰ１〜Ｐ８で並列
に実行する。次に、第１段で得られた部分逆投影データ
を全て加算する処理が必要である。

この処理を実行するために、第１段の２個のプロセッサ
の演算結果金ステップ３３で、第２段のプロセッサｐｍ
−Ｐｄに転送し、第２段のステップ３４で転送されてき
たデータの逆投影加算ケ行なう。加算結果？ステップ３
５でプロセッサＰＡ。

ｐＢに転送する。

第３段のステップ３６で転送さｎてきたデータの逆投影
加算をおこなう。第２段の場合と同様にして、加算結果
をステップ３７でプロセッサＰＸに転送する。このよう
にして段が進むにつれ、プロセッサの数は減ってゆき、
最終的に第４段におけるステップ３８でプロセッサｐｘ
にょシ全投影データの逆投影加算をおこない、ステップ
３９で再構成像の書込みをおこなってすべての処理が終
了する。

本発明では、上記に述べた各段の演算処理と股間の転送
処理全同時に行ない、さらに各段の演算時間と転送時間
をほぼ等しくなるように設定し、各段をパイプライン処
理することによシ再構成演算の高速化全図っている。即
ち、第４図に示すようにステップ３１〜３９の処理をオ
ーバシップすることによシ結果的に１スライスあたり１
単位処理時間（３テツプ３１〜３９の各々の処理時間）
で結果を得ることができる。

つぎに、本発明による再構成演算の実施例を第５図〜第
９図によシ説明する。

第５図は、Ｘ線ＣＴ装置５１、外部記憶装置５２、画像
処理袋［５３を含む、医用画像処理システムの全体構成
図である。

通常、Ｘ線投影データは、ＣＴ装置５１よシ入出力イン
ターフエースヶ介して画像処理袋＃５３の共有メモリ５
４に入力される。次に、管理プロセッサ５５の指示によ
シ、あるいは、ナ１〜≠ｎの各ＰＥ　（Ｐｒｏｃｅｓｓ
ｏｒ　Ｅｌｅｍｅｎｔ）　５６が独立に、共有メモリバ
ス５７を介して、自己の分担する投影データケアクセス
し、第６図に示すメモリイ＝ｙｐ−フエ−ｙ、６１　ｋ
介してローカルメモリ６２に取シ込む。各ＰＥには、第
６図に示す如く主に積和演算全高速に実行するＩ　Ｐ　
（Ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｌ　６３、逆投影演算
を高速に実行するＢ　Ｐ　（Ｂａｃｋ　Ｐｒｏｊｅｃｔ
ｏｒ　ｌ　６４　ｋ接続する。

フィルタリング、逆投影演算ケ行なうには、ローカルメ
モリ６２内の投影データ金バス６５奮介してＩＰ内の画
像メモリへ転送し、処理後再びローカルメモリへ転送す
ることにょシ行なう。この際、ＣＰＵ６６は、各転送の
制御、処理シークンス制御等の統括管理を行なう。

以上説明を行なったのは、第３図における第１段につい
てである。以下では、第２段以降の逆投影加算処理につ
いて、第６図、第７図、第８図によシ説明？加える。第
２段目以降の処理を進めてゆくためには、各ＰＥ間でデ
ータ転送を行なう必要がある。そのために各ＰＥは、第
６図に示すようなＰＥ間インターフェース６７を複数個
持つ。

ＰＥ間インターフェース６７は、転送処理と内部演算を
同時に実行するためにチャネル機能を持ち、ローカルメ
モリ６２中のデータを独立に転送できる。本ＰＥ間イン
ターフェース６７によりＰＥ間を接続した例を第７図に
示す。こζでは、各ＰＥが格子状に接続されているが、
ＣＴ再構成演算時には太線で示す接続が必要となる。

次に、第７図の構成で、第３図における２段目以降のト
リー状の逆投影処理の実行手順を述べる。

第８図において、ブロック８１〜８４は、それぞれ第３
図における第１段〜４段目の処理を行なう部分である。

分割さくた投影データ金１段目に対応するブロック８１
のプロセッサエレメント群８５によってフィルタリング
、逆投影処理をする。

次に、２段目に対応するブロック８２に転送するのであ
るが、この時、〕・ツチングされたプロセッサエレメン
ト８６は、スルー通信、即ち通過する状態にあらかじめ
設定することによシ、格子状の接続形体であるにもかか
わらず、第３図と同様なトリー接続処理形体を取ること
ができる。以下、３段目に対応するブロック８３．４段
目に対応するブロック８４全実行し、この例ではＰＥが
８台なので、合計４段ですべての逆投影加算を終了する
。上記スルー通信を実現するために必要なＰＥ間インタ
ーフェース方式について、第９図に基づき説明する。

第９図において、９１〜９４は、各ＰＥ’ｒ表わす。又
、９５〜９８はＰＲ間インターフェース、９９〜９０１
は、各ＰＥのローカルメモリとする。

本図で、Ｐ　Ｅ　９４のローカルメモリ９９からＰＥ９
４のローカルメモリ９０１ヘデータケ転送する場合を考
える。ローカルメモリ９９にあるデータは、インターフ
ェース９５を通じ、ＤＭＡ転送によって転送され、イン
ターフェース９６へ到達するが、９６は点線で示すよう
にインター７エース内であらかじめ経路が設定されてお
シ、そのままインターフェース９７へ送出される。９７
も９６と同様に設定されているのでデータは、結局イン
ターフェース９８に直接転送され、最後にローカルメモ
リ９０１へ取シ込まれることになる。

最後に、第４図で示したパイプライン処理を実現するた
めの条件ケ示しておく。

（１）ステップ３１；共有メモリから各プロセッサエレ
メントへ投影データ を転送するための処理時間 は、バス５７の転送速度金 ｔＴＭとし、１スキヤン投影 データサイズをＭＲ−ＭＲ とすれば、（ＭＲ−ＭＲ・ ｔＴＭ）で表わされる。

（２）ステップ３２ＨＰＥｎ台時の１スライス当たシフ
ィルタリング、逆投 影演算時間は、今１台の ＰＥ（具体的にはＩＰ十ＢＰ の構成）を用いた時の処理 時間音ＴＲとすれば、（’Ｊ’Ｒ ／ｎｌとなる。

（３）ステップ３３ｉＰＥ間の転送時間は、ＰＥ間イン
ターフェースの転送 速度１　ｔ　ＴＰとすると、（ＭＲ ・ＭＲ−ｔＴＰ）となる。

（４）ステップ３４；各段における逆投影の加算時間は
、ＩＰの加算時間４ ｔＡＤＤとすれば、（ＭＲ・ ＪＩＪＲ−ｔＡＤＤｌとなる。

ステップ３５以降は、上記（３１，（４１のくり返しと
なるので説明ケ省く。

従って、各処理時間？等しくするということは、ＭＲ”
　・ｔ　ＴＭ＝’ｌ’　Ｒ／　ｎ！ＭＲ”　Ｈｔ　ＴＰ
＝ＭＲ２Ｈｔ　Ａ　Ｄ　Ｄの条件を満たせば良いことに
なる。実除に数値を入れてみると、 ｎ＝６４台、ＭＲ＝２５６．ＴＲ＝５秒の時ｔ　ＴＭ！
ｔ　ＴＰ！ｔ　ＡＤＤ＝＝ｌ、２μｓ従って、共有メモ
リバス５７およびＰＲ間インターフェースの転送速度は
、ＩＭＨ′ｚで良く、各ＰＥ内の加算時間は、平均１．
２μｓで処理できれば良い、ＭＲ＝５１２の時には、Ｔ
Ｒ＝５秒×４＝２０秒として、計算すると、上記と同様
の結果となる。この時の１スライス当シの処理時間は、
Ｍ　Ｒ＝２５６の時、約８０ｍ５．ＭＲ＝５１２で約３
２０ｍ５となシ実時間に近い処理が可能となる。

尚、本再構成演算装置において、各ＰＥは基本的に同一
構成ケ採っているため、特定のＰＲの故障時には、他の
プロセッサでバックアップ全敗れることは容易に類推で
きる。

つぎに、第１θ図に基づいて、本発明による投影データ
作成演算の原理説明をおこなう。

投影データの計算は、次式に従って行う。

ここで、↑ｌｊ：ｃＴ画像の推定値 Ｗｌｊｌｒ：放射線（β、γ）が画素（１゜Ｊ）を横切
る長さ β：投影角度 γ：センナ位置 すなわち、角度方向βから照射されたＸ線のセン？ｒで
の投影データは、線源１０１とセンサ間を結んだ線上を
通過する画素の値とその画素を横切った距離の重みを乗
じた和で表わされる。距離Ｗｌｊ／ｌｒは、４変数の関
数でデータ賞が多くなシすぎテーブル化することができ
ない。そこで各ｇ（β、ｒ）毎に、Ｗｌｊｉ計算する必
要が６ｊｌ）非常に時間を要する。そこで、画面金たと
えば、第１’１図に示す様にブロック化を行う。各ブロ
ックにおいては、他ブロックには無関係にブロック内だ
けで重みＷｌｊ　’ｉ計算することができ、線量の累計
もブロック内だけであらかじめ計算できる。必要なデー
タが順次隣接したブロックから送られてくれは、その値
にブロック内で計算した結果全累算し、また隣接したブ
ロックに順次送シ出して行けば、最終的に投影データが
求まる。

つぎに、本発明による投影データ作成演算の実施例を第
１２図と第１３図によシ説明する。第１２図は本発明の
一実施例の構成を示すブロック図である。４１は、投影
データを計測するＣＴスキャナ部、４．２は、バスとス
キャナ部金接続するインターフェイス部、４３は各プロ
セッサと共有メモリ全接続する共有バス、４４は、シス
テム全体全制御するコントローラ、４５は、計算した投
影データを保存するための共有メモリである。

３１１〜３４４は、各ブロックに分けられた画面の投影
データを計算する処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒＥｌ　
ｅｍｅｎ　ｔ−−・Ｐ　Ｅと略す）である。

処理装置３１１〜３４４の構成図を第１３図に示す、す
べて同一構成である。装置のコントロール全行うＣＰＵ
５１、重み計算および積和演算會行うＩ　ｐ　（Ｉｍａ
ｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　）　５２、累計結果全格納
するローカルメモリ５３、隣接するＰＥへデータを転送
するためのインターフェース（Ｉ／Ｆ）５４と？パスラ
イン５５に接続して構成される。

以上の構成における本発明の実施方法を第１１図を参考
にしながら説明する。

まず、第１２図のコントローラが角度βを各ＰＥにバス
４３及びＰＥ間Ｉ／Ｆ　５４　’に通して知らせる。こ
れにたいし、各ＰＥは一斉に各担当ブロックにおいて、
ＩＰ５２ｉ用いて投影データ計算を行う。投影データは
ブロック間にまたがって計算する必要があるが、とシあ
えず各ブロック内部だけで計算？行う。

以下、簡単のために、第１１図中のライン３５について
投影データを求める場合ケ考える。周辺の開始ＰＥ（こ
の場合は３１３）は、積和結果を、ライン３５でつなが
っているＰＥ３２３へ送る。

この場合、結果の頭には、ライン識別用コードをつけて
おくことはいうまでもない。

ＰＥ３２３は、あらかじめ計算してあったライン３５の
累計結果’ｅ、ＰＥ３１３から送られてきた結果と累算
し、その結果をさらに隣接するＰＥ３２４へ送る。以下
順次送シ込み、最終的にＰＥ３４４が共有バス４３ケ通
して、共有メモリ４５へ書き込む。

これらの処理は、エライン毎に行われるのではなく、ブ
ロックに含まれるラインすべてについて同時に行われる
。すべてのラインについて行われたことを、コントロー
ラ４４が確認すると、次の角度β′を各ＰＥに知らせ、
以下、すべての角度について同じことゲ繰シ返す。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明にもとづく再構成演算によれ
ば、並列化された各プロセッサにおいて、一旦各プロセ
ッサ内のローカルメモリ内に格納された処理データは、
各ＰＥで独立に処理を行なうことができるため、メモリ
間の競合を生じることなく高速な画像再構成演算を実現
できる。又、内部処理と各ＰＥ間転送処理全同時に、し
かもほぼ等しい処理時間で実行するように設定すること
によシ、パイプライン処理を実現できる。

上記に述べる特徴によシ、３次元的再構成処理。

等において、再構成すべき画像数の増加にもかかわらず
、本構成の処理方式をとれば、処理時間は大巾に短縮さ
れる。ちなみに、人体の体軸方向２０ｃｒｎの厚さの全
断面全処理する時間は、１断面を約２鰭とすると、２５
６Ｘ２５６のサイズでＰＥ＝６４台の時、 （２００ｍｍ／２ｍ）Ｘ８０ｍｓ＝８秒５１２Ｘ５１２
サイズで （２００ｍ／２ｍｌＸ３２０ｍｓ＝３２秒となる。

また、本発明にもとづく投影データ作成演算によれば、
並列化された各プロセッサで使用するデータは、一旦各
プロセッサ内のローカルメモリ内に格納されると、その
内部処理と隣接メモリとの送受信のみで処理を行えるの
で、メモリ間の競合？生じることもなく高速に投影デー
タを計算することかでさる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＸ線ＣＴによる再構成処理早順ケ示す図、第２
図（１）は再構成演算自答の処理フローケ示す図、第２
図（２）は投影データ作成演算の処理フロー’に示す図
、第３図は本発明に基づく再構成演算の概略処理フロー
を示す図、第４図は再構成演算のパイプライン処理全説
明するための図、第５図は本発明の具体的全体システム
構成を示す図、第６図は本発明による再構成演算を実施
するＰＥの構成例を示す図、第７図はパイプライン接続
構成例を示す図、第８図はＰＥの格子接続系でトリー接
続処理を実現するための方式ケ示す図、第９図はスルー
通信の実現方式を示す図、第１θ図は投影データ計算の
原理金示す図、第１１図は画面のブロック分割の一例ケ
示す図、第１２図は本発明による投影データ作成におけ
る画像処理部のブロック図の一例を示す図、第１３図は
本発明による投影データ作成演算を実行するＰＥのブロ
ック図の一例である。 １０・・・Ｘ線ＣＴ装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．被検体について多方向からの投影を行なって多数の
   投影データ全収集するＣＴ架装置おいて、再構成演算を
   多数台のプロセッサに並列分散し、かつトリー状にパイ
   プライン処理することを特徴とするＣＴ画像処理方式。
2. ２．被検体について多方向からの投影を行って多数の投
   影データを収集し、このデータに基づく再構成処理をお
   こなうＣＴ画像処理装置において、推定画像を空間的に
   分割し、それぞれにプロセッサを割当て、分割された空
   間の投影データを計算しその結果を順次隣接するプロセ
   ッサに送シ込むことを特徴とするＣＴ画像処理方式。