JP4393137B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、心電同期再構成法のもとで画像を再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体を透過したＸ線の強度に基づいて、被検体についての情報を画像により提供するものであり、疾病の診断、治療や手術計画等を初めとする多くの医療行為において重要な役割を果たしている。

心臓検査は、高い時間分解能を要求する。その対処法の主なものとしては、Ｘ線管の１回転あたりの時間（スキャンスピード）の短縮（高速回転化）と、心電同期再構成法とがある。心電同期再構成法では、例えば３心拍分の投影データを収集する。各心拍から心拍位相の近いデータを切り出してきて、再構成に要する３６０°又は１８０°＋α（α：ファン角）分のデータを揃える。揃えたデータから画像を再構成する。

特開２００３−１６４４４６号公報には、不整脈を除いて、１８０°＋α分のデータを揃え、それによりアーチファクトを軽減する技術が記載されている。この特開２００３−１６４４４６号公報に記載の発明では、予めスライス開始位置とスライス終了位置とを決めておいて、スキャン位置がスライス終了位置に到達した時点でスキャンを終了するようにしている。予め設定したスライス開始位置からスライス終了位置までの間で収集したデータから不整脈のデータを除外して１８０°＋α分のデータを揃えることになるので、１８０°＋α分のデータが何心拍分のデータから集められたものなのかスキャン後でなければ確定できない。従って、予定した時間分解能が得られていない事態が起こり得る。
特開２００３−１６４４４６号公報

本発明の目的は、心電同期再構成法で画像を再構成するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、予定した時間分解能で画像を生成することを実現することにある。

本発明は、データを収集するためにＸ線により被検体を走査するデータ収集手段と、前記被検体の心電波形に基づいて不整脈を検出するとともに、前記データの収集開始以降において、前記不整脈を除く心拍の回数を計数し、前記計数した回数が予定回数に達したとき、前記データの収集完了を判定する判定手段と、前記データの収集完了が判定されたとき、前記走査を終了させるために前記データ収集手段を制御する手段とを具備する。

本発明によると、心電波形に基づいてデータの収集完了を判定するので、必要とされる心拍回数分のデータ収集して予定した時間分解能で画像を生成することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）の実施形態を説明する。なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置には、Ｘ線管と放射線検出器とが１体として被検体の周囲を回転する回転／回転（ROTATE/ROTATE）タイプと、リング状に多数の検出素子がアレイされ、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転する固定／回転（STATIONARY/ROTATE）タイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めている回転／回転タイプとして説明する。また、１スライスの断層像データを再構成するには、被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データが、またハーフスキャン法でも１８０°＋α（α：ファン角）分の投影データが必要とされる。いずれの再構成方式にも本発明を適用可能である。ここでは、ハーフスキャン法を例に説明する。また、入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光をフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の生成及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とが主流である。Ｘ線検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよいが、ここでは、前者の間接変換形として説明する。また、近年では、Ｘ線管とＸ線検出器との複数のペアを回転リングに搭載したいわゆる多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の製品化が進み、その周辺技術の開発が進んでいる。本発明では、従来からの一管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であっても、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であってもいずれにも適用可能である。ここでは、一管球型として説明する。

図１は本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示している。このＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に関する投影データを収集するために構成された架台１を有する。架台１は、Ｘ線管１０とＸ線検出器２３を有する。Ｘ線管１０とＸ線検出器２３は、架台駆動装置２５により回転駆動されるリング状の回転フレーム１２に搭載される。回転フレーム１２の中央部分は開口され、その開口部に、寝台２の天板２ａ上に載置された被検体Ｐが挿入される。被検体Ｐの心電図を検出するために、被検体Ｐには心電計２２が装着される。心電計２２は、インタフェース４２を介して計算機ユニット３に接続される。心電計２２で検出した心電波形データは計算機本体３に取り込まれる。心電計２２は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の構成要素として該装置に組み込まれていてもよいし、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の非構成要素として外部機器であってもよい。

Ｘ線管１０の陰極陽極間には高電圧発生器２１から管電圧が印加され、またＸ線管１０のフィラメントには高電圧発生器２１からフィラメント電流が供給される。管電圧の印加及びフィラメント電流の供給によりＸ線が発生される。Ｘ線検出器２３としては、１次元アレイ型検出器と２次元アレイ型検出器とのいずれを採用してもよい。Ｘ線検出素子は例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正方の受光面を有する。例えば９１６個のＸ線検出素子がチャンネル方向に配列される。この列がスライス方向に例えば４０列並設されたものが２次元アレイ型検出器である。単一の列からなるものが１次元アレイ型検出器である。

一般的にＤＡＳ(data acquisition system) と呼ばれているデータ収集装置２６は、検出器２３からチャンネルごとに出力される信号を電圧信号に変換し、増幅し、さらにディジタル信号に変換する。このデータ（生データ）は架台外部の計算機ユニット３に供給される。計算機ユニット３の前処理ユニット３４は、データ収集装置２６から出力されるデータ（生データ）に対して感度補正等の補正処理を施して投影データを出力する。この投影データは計算機システム３の記憶装置４１に送られ、心電計２２の心電波形データとともにに記憶される。

計算機システム３は、上記前処理ユニット３４及び記憶装置４１とともに、システムコントローラ２９、スキャンコントローラ３０、再構成ユニット３６、ディスプレイ３８、入力器３９、スキャンエキスパートシステム４３、Ｒ波検出部４４、不整脈検出部４５、データ収集完了判定部４６から構成される。再構成ユニット３６は、心電同期再構成法に対応していて、複数心拍から揃えた３６０°又は１８０°＋α分の投影データから画像データを再構成する。Ｒ波検出部４４は、心電波形から特徴波として例えばＲ波を検出する。不整脈検出部４５は、予め決められた不整脈検出条件に従って、検出されたＲ波の間隔から不整脈を検出する。データ収集完了判定部４６は、予め決められたデータ収集完了条件に従って、データ収集開始以後の不整脈を除く心拍の回数を心電波形から計数し、計数した回数が予定回数に達したとき、データの収集完了を判定する。心拍回数の計数方法として、本実施形態では２種類が用意され操作者の指示に応じて選択的に使用される。第１の計数方法では、データ収集開始以後において、不整脈を計数対象から除外し、正常な心拍だけを計数対象として、その回数を累積的に計数するものであり、従って、計数される心拍回数は、連続又は不整脈を挟んで不連続を問わず、データ収集開始以後の正常心拍の合計回数となる。一方，第２の計数方法でも、同様に、データ収集開始以後において不整脈を計数対象から除外し、正常な心拍だけを計数対象とするが、不整脈が生じたときには計数回数をゼロリセットすることで、不整脈を挟まない正常な心拍の連続回数を計数するものである。

図２には、第１の計数方法に対応した本実施形態の動作を示している。まず、データ収集に先立って、Ｓ１において、データ収集完了条件と不整脈検出条件が設定される。これら条件設定はスキャン計画段階で行われる。スキャン計画はスキャンエキスパートシステム４３の支援のもとで設定される。図３にはスキャンエキスパートシステム４３により構築されるスキャン計画画面の例を示している。スキャン計画画面には、患者情報、ガントリ（架台）情報、スキャノグラムイメージとともに、操作者が指定又は選択した撮影部位や検査プランに応じてスキャンエキスパートシステム４３によりプランニングされたスキャン条件、再構成条件及びウインドウ条件が表示される。例えば、スキャン条件として、スキャンモード、スキャン開始位置、スキャン終了位置、米国の食料医薬品局が定めた被曝線量を表す“ＣＴＤＩ”（ＣＴ Dose Index）、管電圧“ｋＶ”、管電流“ｍＡ”、スキャンスピード、スライス数（使用列数）、ヘリカルピッチ、再構成モードが含まれる。スキャン計画画面の下部には、「複写」、「消去」、「一つ戻る」、「確定」と表記されたボタンとともに、「データ収集完了条件」と表記されたボタンとが配置される。

操作者が、「データ収集完了条件」と表記されたボタンをクリックしたとき、スキャンエキスパートシステム４３は、図４に示すデータ収集完了条件ウインドウを構築する。データ収集完了条件ウインドウは、ポップアップで図３のスキャン計画画面上に表示される。当該ウインドウには、データ収集完了条件の設定領域、不整脈検出条件の設定領域、被検体の心電波形と心拍数との表示領域が含まれる。データ収集完了条件としてスキャンエキスパートシステム４３は上述した２種類を用意している。いずれもスキャンを開始してからの不整脈を除く正常な心拍の回数が、予め決めた回数に達したときに、データ収集を完了するものであるが、心拍回数の計数方法に違いがある。一方では、正常心拍の合計回数を計数し、他方の方法では、正常心拍の連続回数を計数するものである。データ収集完了条件の設定領域には、それら計数方法の選択肢が、予定回数の入力欄と共に表示される。心電同期再構成法では、所定の時間分解能を実現するために必要とされるデータ収集を行う心拍回数は、心拍数に応じてほぼ決まる。なお、ＣＴの時間分解能とは、通常では、スキャンスピード、つまり１画像の再構成に用いた投影データの収集時間として定義され得るが、心電同期再構成法では、原則的には、その収集時間をデータ収集した心拍回数で除算した値として得られる。スキャンエキスパートシステム４３は、Ｒ波検出部４４で検出されたＲ波の間隔（心拍周期）の逆数から心拍数を求めて、その心拍数に応じた心拍回数を推奨値として初期的に表示する。操作者は入力器３９を介して必要に応じて推奨値を所望値に変更する。操作者はより高い時間分解能（短い時間幅）を所望するとき、心拍回数を推奨値より高い値に修正し、被検体の負担軽減等考慮して、低い時間分解能でかまわないときには、心拍回数を推奨値より低い値に修正する。

不整脈検出方法として、ここでは、Ｒ波間隔（又は心拍数）の例えば直前１０心拍の平均間隔（又は平均心拍数）に対する変動率を利用する例を説明するが、それに限定されることはなく、任意の方法を採用すればよい。Ｒ波間隔が平均間隔に対して何％以上変動したときに不整脈として検出するか、その変動率の限界を設定することができる。初期候補値としてはＲ波間隔が平均間隔に対して１０％以上変動したときにその心拍を不整脈として検出するようになっているが、もちろん任意の値に修正可能である。以下では、説明の便宜上、心拍の予定回数は３回、変動率の限界が１０％として説明する。

スキャン計画設定が完了した後にデータ収集が開始される（Ｓ２）。データ収集開始とともにデータ収集完了判定部４６は心拍回数（計数値）をゼロ値にリセットする（Ｓ３）。Ｒ波検出部４４は心電計２２からの心電波形データからＲ波を検出する（Ｓ４）。不整脈検出部４４は直前１０心拍分のＲ波平均間隔を計算する（Ｓ５）。不整脈検出部４４は、前回のＲ波時刻からＲ波平均間隔を経過した時刻を中心として平均間隔の１０％の時間幅を有する正常心拍であればＲ波が生起する予定の時間帯を計算する（Ｓ６）。不整脈検出部４４は、図５に示すように、次のＲ波の検出を待機し、検出されたＲ波が当該計算した時間帯内に起きたときは正常心拍と判断し、検出されたＲ波が当該計算した時間帯から外れてそれより前又は後に起きたときには不整脈と判断する（Ｓ７）。

予定した時間帯内にＲ波が到来しなかったとき、データ収集完了判定部４６は心拍回数（計数値）を維持したまま、つまり不整脈は計数対象から除外して、Ｓ４に戻り次のＲ波の検出を待機する。

予定した時間帯内にＲ波が到来したとき、データ収集完了判定部４６は心拍回数（計数値）を１つ増加する（Ｓ８）。つまり正常な心拍だけを計数対象とする。増加した心拍回数が予定した回数（ここでは３）に達したか否かを判定する（Ｓ９）。心拍回数が予定した回数に未達のとき、Ｓ４に戻り次のＲ波の検出を待機する。心拍回数が予定した回数に未達のとき、Ｓ４に戻り次のＲ波の検出を待機する。心拍回数が予定した回数に達したとき、データ収集完了判定部４６はデータ収集の完了を判定し、図６の時刻Ｔｅにおいて、データ収集の完了を表す信号をスキャンコントローラ３０に供給する。データ収集の完了を表す信号を受けたスキャンコントローラ３０は高電圧発生器２１を制御してＸ線を停止させ、架台駆動装置２５を制御して回転を停止させ、データ収集装置２６を制御してデータ収集を停止させる。

以上のように本計数方法によると、不整脈を含まない正常な心拍に対応するデータを確実に必要回数分収集することができ、心電同期再構成法において予定した時間分解能を達成できる。

図７には第２の計数方法の手順を示している。第１の計数方法との相違点としては、第１の計数方法では、不整脈が生じたとき、それまでの心拍回数（計数値）を維持し、その計数値から継続して次の正常心拍を計数するもので、それにより正常心拍が連続的に予定回数生じたときはもちろん、不整脈を挟んで不連続に正常心拍が予定回数生じたときにもデータ収集完了を判定する。しかし、第２の計数方法では、不整脈が生じたとき（Ｓ７）、Ｓ３に戻り、それまでの心拍回数（計数値）をゼロリセットし、改めて正常心拍の計数を開始するものである。それにより図８に示すように、正常心拍が連続的に予定回数生じたときに限り、データ収集完了が判定される。

なお、データ収集完了判定部４６は、上述の説明では、不整脈が生じたとき、その不整脈を計数対象から除外し、次の正常心拍から計数を再開するものであるが、不整脈が生じたとき、その不整脈を計数対象から除外するのはもちろん、不整脈に続く次の心拍が正常心拍であっても、その心拍を計数対象から除外し、更にその次の心拍から計数を再開するようにしてもよい。そのように計数を、不整脈とその次の心拍の間、休止することで、例えば心拍期間は正常であるが、不整脈により次の心拍の心電波形（心臓の動き）が乱れているような事態を予防的に回避することができる。

（変形例）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されてもよい。

Ｓ&Ｓ（スキャン&スキャン：複数スライス位置を連続的にコンベンショナルスキャン）を実施し、ハーフ再構成（セグメント数１）をする場合、不整脈が検出された時、次のスライス位置に移行しないで、同じ位置を再度スキャンする。

本発明の実施形態によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図。 本実施形態の第１計数方法に対応した動作を示す流れ図。 図１のエキスパートシステムに構築されたスキャン計画画面の例を示す図。 図３の“データ収集完了条件”のボタンをクリックすることによりポップアップされるデータ収集完了条件設定ウインドウの例を示す図。 図２のＳ７の補足図。 図２のＳ１０で判定されるデータ収集完了時点Ｔｅを示す図。 本実施形態の第２計数方法に対応した動作を示す流れ図。 図７のＳ１０で判定されるデータ収集完了時点Ｔｅを示す図。

符号の説明

１…架台、２…寝台、３…計算機ユニット、１０…Ｘ線管、１２…回転フレーム、２１…高電圧発生器、２２…心電計（ＥＣＧ）、２３…Ｘ線検出器、２５…架台駆動装置、２６…データ収集装置、２９…システムコントローラ、３０…スキャンコントローラ、３４…前処理ユニット、３６…再構成ユニット、３８…ディスプレイ、３９…入力器、４１…記憶装置、４２…心電計インタフェース、４３…スキャンエキスパートシステム、４４…Ｒ波検出部、４５…不整脈検出部、４６…データ収集完了判定部。

Claims (7)

1. データを収集するためにＸ線により被検体を走査するデータ収集手段と、
   前記被検体の心電波形に基づいて不整脈を検出するとともに、前記データの収集開始以降において、前記不整脈を除く心拍の回数を計数し、前記計数した回数が予定回数に達したとき、前記データの収集完了を判定する判定手段と、
   前記データの収集完了が判定されたとき、前記走査を終了させるために前記データ収集手段を制御する手段とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記判定手段は、前記データの収集開始以降において、前記不整脈を除く心拍の合計回数を計数することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記判定手段は、前記データの収集開始以降において、前記不整脈を除く心拍の連続回数を計数することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記判定手段は、前記不整脈が検出されたとき、前記不整脈の次の心拍を除いて心拍の回数を計数することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
5. 前記データの収集完了条件の入力画面を作成する手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
6. 前記入力画面には、前記心拍の回数として合計回数と連続回数とのいずれを計数するかを選択する選択肢が含まれることを特徴とする請求項５記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
7. 前記入力画面には、前記被検体の心拍数に応じた前記予定回数の候補が含まれることを特徴とする請求項５記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

Images