JP2015118074A

JP2015118074A - Ｘ線断層撮影装置およびｘ線断層撮影方法

Info

Publication number: JP2015118074A
Application number: JP2013263596A
Authority: JP
Inventors: 近藤　剛史; Takashi Kondo; 剛史近藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25
Also published as: US20150178960A1

Abstract

【課題】従来のものよりも断層像に現れるアーチファクトを低減することが可能なＸ線断層撮影装置を提供する。
【解決手段】被検体を透過したＸ線より周期パターンを形成する回折格子と、Ｘ線を検出する検出器の検出結果に基づいて、被検体の情報を演算する演算手段と、被検体に複数の角度からＸ線を照射するように被検体を回転させ、被検体を検出器の視野から外れるように移動させる回転、移動機構と、を備え、回転、移動機構を作動させて、複数の被検体投影像を取得する過程で、被検体を撮影した後に、被検体を検出器の視野から外れるように移動させ、被検体のない状態で参照投影像を取得し、再び被検体のある状態の被検体投影像を取得し、演算手段により、被検体投影像からＸ線源の照射ムラや検出器の感度ムラの影響を補正する背景補正のための背景像を、複数の参照投影像より算出し、複数の被検体投影像と背景像から、背景補正された被検体断層像を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、断層像の画質を向上させるためのＸ線断層撮影装置およびＸ線断層撮影方
法に関する。

近年、Ｘ線源、検出器、回折格子などからなるＸ線断層撮影装置により、被検体の吸
収情報や位相情報などを持った断層像を得られることが知られている（特許文献１）。
一方、Ｘ線断層撮影装置において、被検体を除いて撮影した参照像を用いて、被検体を撮影した被検体像からＸ線源の照射ムラや検出器の感度ムラなど（以後、背景と呼ぶ）の影響を補正することが一般的に行われている。
本明細書ではこれを背景補正と呼ぶ。背景補正は、参照像と被検体像で同一の背景を持つ場合には、正しく補正することができるが、参照像と被検体像が異なる背景を持つ場合には正しく補正できないことがある。

Ｘ線輝度分布や検出器の感度特性、回折格子の位置などが時間の経過とともに変化するため、背景が時間の経過とともに変化することがある。
このため、参照像を一度しか取得しない場合、複数の投影像を取得する必要がある断層撮影には時間がかかるため、背景補正された投影像や断層像に、補正が不十分であることに起因するアーチファクトが現れることがある。
ここで、本明細書では、被検体を含む状態で取得した投影像を被検体投影像、被検体のない状態で取得した投影像を参照投影像と呼ぶことにする。
従来において、非特許文献１では、背景が時間とともに変化することを考慮し、断層撮影の際に、被検体投影像を合計１，１１９枚取得するのに加えて、被検体投影像を１００枚取得する毎に参照投影像を取得し、アーチファクトを低減する手法が開示されている。

国際公開番号ＷＯ２００４／０５８０７０

ＥｕｒｏｐｅａｎＲａｄｉｏｌｏｇｙ，２３，３８１（２０１３）

背景補正が不十分であることに起因する断層像に現れるアーチファクトを低減することは、上記非特許文献１に記載のように参照投影像を断層撮影中に複数枚取得することである程度は可能であるが、必ずしも十分ではない場合がある。
また、投影像には統計ノイズが含まれるため、参照投影像のＳＮ比が十分でない場合、背景補正をしても断層像にアーチファクトが現れることがある。
本発明は、上記課題に鑑み、従来のものよりも断層像に現れるアーチファクトを低減することが可能となるＸ線断層撮影装置およびＸ線断層撮影方法を提供することを目的とする。

本発明のＸ線断層撮影装置は、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源より射出され、被検体を透過したＸ線より周期パターンを形成する回折格子と、
前記回折格子を透過したＸ線を検出する検出器と、
前記検出器で検出された検出結果に基づいて、前記被検体の情報を演算する演算手段と、
前記被検体に複数の角度からＸ線を照射するように該被検体を回転させると共に、前記被検体を前記検出器の視野から外れるように移動させることが可能に構成された回転、移動機構と、
を備え、前記回転、移動機構を作動させて、前記被検体に複数の角度からＸ線を照射して複数の被検体投影像を取得する過程において、
前記被検体を撮影した後に、前記被検体を前記検出器の視野から外れるように移動させ、該被検体のない状態で参照投影像を取得し、再び前記被検体を前記検出器の視野に入るように移動させ該被検体のある状態の被検体投影像を取得し、
前記演算手段によって、前記被検体投影像からＸ線源の照射ムラや検出器の感度ムラの影響を補正する背景補正のための背景像を、前記複数の参照投影像より算出し、
前記複数の被検体投影像と前記背景像から、前記背景補正された被検体断層像を算出することを特徴とする。
本発明のその他の側面に関しては、発明を実施するための形態で説明する。

本発明によれば、従来のものよりも断層像に現れるアーチファクトを低減することが可能となるＸ線断層撮影装置およびＸ線断層撮影方法を実現することができる。

本発明の実施形態におけるＸ線断層撮像装置を模式的に示した図。本発明の実施形態における撮影フローを説明する図。本発明の実施例１における背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を示す図。本発明の実施例２における背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を示す図。本発明の実施例３における背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を示す図。本発明の実施例４における背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を示す図。本発明の実施例５により算出された位相断層像を示す図。従来法による背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を示す図。参考例として背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を示す図。

本発明の実施形態では、Ｔａｌｂｏｔ−Ｌａｕ干渉計を用いたＸ線断層撮像装置およびＸ線断層撮影方法の例について説明する。
Ｔａｌｂｏｔ干渉を用いたＸ線撮像装置については、ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，３６，３５５１（２０１１）に記載があるので概略のみ記載する。
図１に本実施形態におけるＸ線断層撮像装置を模式的に示す。
本実施形態のＸ線断層撮像装置は、図１に示すように、Ｘ線源１１０と、Ｘ線源から射出されたＸ線を分割する２次元分割格子である線源格子１２０と、被検体１３０を回転軸に対して回転させる回転機構１４０及び並進移動させる移動機構１９０を備える。
また、Ｘ線源からのＸ線を回折する２次元回折格子である回折格子１５０と、Ｘ線の一部
を吸収する２次元吸収格子である吸収格子１６０と、吸収格子を透過したＸ線を検出する検出器１７０と、検出器の検出結果について演算を行う演算部１８０を備えている。尚、回折格子が形成する干渉パターンを検出器で直接検出できる場合、吸収格子を用いなくても良い。

以下に、上記した各構成について更に説明する。
Ｘ線源１１０からのＸ線は線源格子１２０によって分割される。線源格子１２０を透過したＸ線は被検体設置部に設置された被検体１３０に照射される。
回転機構１４０と移動機構１９０は、これらの機構の作動により回転軸に対して回転でき、複数の角度から被検体にＸ線を照射することを可能にする一方、被検体を検出器の視野から外れるように移動させ、該被検体のない状態にすることを可能にする。
回折格子１５０は、被検体１３０を透過したＸ線を回折する。
回折格子１５０はＸ線の位相を周期的に変化させ、位相基準部と位相シフト部が周期的に配列されている。
回折格子１５０が被検体１３０を透過したＸ線を回折すると、Ｔａｌｂｏｔ距離と呼ばれる所定の距離に干渉パターンを形成する。
尚、本実施形態では、周期パターンは必ずしも一定の周期をもたなくても良い。

吸収格子１６０は、吸収格子上に干渉パターンが形成されるように、回折格子１５０からＴａｌｂｏｔ距離離れた位置に配置される。吸収格子１６０はＸ線吸収部とＸ線透過部とが周期的に配列されている。
吸収部と透過部とが配列された周期は、吸収格子上に形成される干渉パターンの周期とわずかに異なるため、吸収格子１６０を透過したＸ線は、モアレパターンを形成する。
本実施形態では、回折格子１５０と吸収格子１６０により形成されたモアレパターンを検出し、このモアレパターンから被検体１３０の情報を算出する。
検出器１７０はＸ線の強度を検出する画素を有しており、吸収格子１６０を通過したＸ線で形成されたモアレパターンを検出する。

演算部１８０は検出器１７０による検出結果に基づいて、被検体１３０の吸収、位相、散乱情報を算出する。本明細書では被検体の情報の算出にフーリエ変換法（ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，７２，１５６）を用いた。この際、被検体を撮影した検出結果（被検体投影像）と、複数の参照像とを用いて被検体１３０の吸収、位相、散乱情報を算出する。モアレパターンから算出されるこれらの情報を持った投影像を以下では吸収投影像、位相投影像、散乱投影像と呼ぶ。
また、演算部１８０は複数の投影像より断層像を再構成する。
以下では、吸収投影像、位相投影像、散乱投影像より再構成される各断層像を吸収断層像、位相断層像、散乱断層像と呼ぶ。なお、本明細書では画像再構成法としてＦｉｌｔｅｒｅｄＢａｃｋＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ法を用いた。

次に、このＸ線断層撮影装置を用いた撮影の条件について説明する。本実施形態のＸ線断層撮影装置は、被検体を１つ以上投影角度で撮影した後に、被検体を検出器の視野から外し、被検体が検出器の視野から外れた状態で参照投影像を取得する。参照投影像を取得した後に、再度被検体を検出器の視野にいれ、参照投影像を取得する前の投影角度と異なる投影角度で被検体を撮影する。移動機構１９０によって被検体を検出器の視野に入れたり、外したりを行い、回転機構に１４０によって投影角度の変更を行う。被検体としてホルマリン固定されたマウスの腎臓を緩衝液で満たしたエッペンドルフチューブに入れたものを用いた場合を例に、本実施形態のＸ線断層撮影装置が行う撮影について具体的に説明をする。
被検体としたエッペンドルフチューブは水で満たしたプラスチック容器内に沈められてお
り、エッペンドルフチューブだけが回転されるようになっている。
被検体を回転軸まわりに０．５度回転させる度に撮影を行い、被検体投影像を合計３６０枚取得した。以下では各被検体投影像をＳ₁、Ｓ₂、・・・、Ｓ₃₆₀と呼ぶ。また、被検体
を３０度回転させる度に、被検体を検出器の視野から外して撮影し、参照投影像を合計７枚取得した。
以下では各参照投影像をＲ₁、Ｒ₂、・・・Ｒ₇と呼ぶ。すなわち、Ｒ₁〜Ｒ₆の取得はそれ
ぞれＳ₁、Ｓ₆₁、Ｓ₁₂₁、Ｓ₁₈₁、Ｓ₂₄₁、Ｓ₃₀₁を撮影する直前に行われ、またＲ₇はＳ₃₆₀
の撮影の直後に取得した。
撮影フローを図２に示す。

以下の実施例で、種々の方法を用いて参照投影像より背景像を算出し、算出した背景像を用いた背景補正の効果を示す。以下では被検体像Ｓ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・３６０）の背景補正に用いる背景像をＢ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・３６０）と呼ぶ。
なお、以下の実施例では、被検体投影像からＸ線源の照射ムラや検出器の感度ムラの影響を補正する背景補正のための背景像を、複数の参照投影像より算出し、
該複数の被検体投影像と前記背景像から、該背景補正された被検体断層像を算出する例を中心に説明するが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
例えば、被検体投影像の総数を参照投影像の総数の２倍とし、この複数の被検体像および複数の参照投影像より、背景補正された被検体断層像を算出するようにしてもよい。
また、アーチファクト低減の効果をみるための参考例として、被検体投影像を１枚取得する毎に参照投影像を取得し、取得した３６０枚の被検体投影像と３６０枚の参照投影像から被検体断層像を算出した。
図９（ａ）、図９（ｂ）に、上記参考例での方法で背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を示す。
以下実施例では、この参考例におけるサイノグラムおよび断層像を参考にアーチファクトの低減度合いを比較する。
なお、サイノグラムとは投影像を投影角度毎に順に並べたものであり、横軸に検出器の位置をとり、縦軸に角度をとる。また、本明細書において位相断層像とは複素屈折率の実部の二次元分布をあらわす。
ここでは、Ｔａｌｂｏｔ−Ｌａｕ干渉計を用いたＸ線断層撮像装置を例にしているが、本発明はこの実施形態に限定されない。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、被検体投影像Ｓ_ｎの背景補正のために用いる背景像Ｂ_ｎを参照投影像Ｒ_ｍより、以下の［数１］に示すように算出した。
すなわち、背景像は全参照投影像の平均である。この背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を図３（ａ）、図３（ｂ）に示す。
また、比較のための従来法として背景補正に用いる背景像Ｂ_ｎを、以下の［数２］に示すように算出した。
上記従来法のこの背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を図８（ａ）、図８（ｂ）に示す。
従来法では１枚の参照投影像を背景像として用いているため、サイノグラムに縦のライン状ノイズが強く出ているのが、本手法では複数の参照投影像から背景像を算出しているため統計ノイズが減りサイノグラムのライン状ノイズが減少している。その結果、位相断層像においても円弧状のアーチファクトが従来法に比べて低減しており、上記参考例における図９（ｂ）の位相断層像の画質に近づいている。
また、位相断層像内に黒枠で示した参照領域の標準偏差は従来法では１．２４×１０^−９であるのに対して提案手法では０．８３×１０^−９であった。
゜

［実施例２］
実施例２では、各被検体投影像Ｓ_ｎの背景補正のために用いる各背景像Ｂ_ｎを各参照投影像より、以下の［数３］に示すように算出した。
ｃ_ｍ（ｍ＝１，２、・・・、７）は重み付け係数であり、被検体投影像と各参照投影像との撮影時間間隔に応じて重み付けした平均として背景像を算出している。背景像の算出に全参照投影像を用いる点で実施例１と同様だが、被検体投影像の撮影から時間が経過している参照投影像ほど背景像への寄与を小さくしている。
時間の経過とともに背景が変化する場合は、本手法でその影響を低減できる。この背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を図４（ａ）、（ｂ）に示す。
従来法と比べてサイノグラムのライン状ノイズが低減した結果、断層像の円弧状アーチファクトが低減している。
また、位相断層像内に黒枠で示した参照領域の標準偏差は０．８５×１０^−９であった。

［実施例３］
実施例３では、各被検体投影像Ｓ_ｎの背景補正のために用いる各背景像Ｂ_ｎを各参照投影像より、以下の［数４］に示すように算出した。
本実施例では、被検体投影像が撮影されてからの撮影時間間隔が短い２または３枚の参照投影像から背景像を算出する。背景が時間の経過とともに大きく変化する場合には、背景の変化の影響と統計ノイズとのバランスを考慮する必要があるため本手法が有効である。この背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を図５（ａ）、（ｂ）に示す。
従来法と比べてサイノグラムのライン状ノイズが低減した結果、断層像の円弧状アーチファクトが低減している。
また、位相断層像内に黒枠で示した参照領域の標準偏差は１．０６×１０^−９であった。

［実施例４］
実施例４では、各被検体投影像Ｓ_ｎの背景補正のために用いる各背景像Ｂ_ｎを各参照投影像より、以下の［数５］に示すように算出した。
本実施例では、被検体投影像が撮影されてからの撮影時間間隔が短い２枚の参照投影像から背景像を算出する。
本手法では、重み付け係数の組み合わせが、各被検体投影像それぞれに対して固有である点である。サイノグラムのライン状ノイズの原因の一つとして、同一の参照投影像で連続する複数の被検体投影像の背景補正を行うことが挙げられる。
従って、各被検体投影像をそれぞれ固有の背景像で背景補正を行う本手法でこの影響が低減できる。この背景像を用いて背景補正した被検体投影像より算出したサイノグラムと位相断層像を図６（ａ）、（ｂ）に示す。
従来法と比べてサイノグラムのライン状ノイズが低減した結果、断層像の円弧状アーチファクトが低減している。
また、位相断層像内に黒枠で示した参照領域の標準偏差は１．０７×１０^−９であった。

［実施例５］
実施例５では、複数の異なる方法で算出した被検体断層像同士を組み合わせて新たな被検体断層像を算出する例について説明する。
これにより参照領域の標準偏差が改善される。本実施例では、実施例３と実施例４で算出した２枚の位相断層像の平均を算出する。
図７に算出された位相断層像を示す。位相断層像内に黒枠で示した参照領域の標準偏差は１．０５×１０^−９であった。

１１０：Ｘ線源
１２０：線源格子
１３０：被検体
１４０：機構１
１５０：回折格子
１６０：吸収格子
１７０：検出器
１８０：演算部
１９０：機構２

Claims

Ｘ線源と、
前記Ｘ線源より射出され、被検体を透過したＸ線より周期パターンを形成する回折格子と、
前記回折格子を透過したＸ線を検出する検出器と、
前記検出器で検出された検出結果に基づいて、前記被検体の情報を演算する演算手段と、
前記被検体に複数の角度からＸ線を照射するように該被検体を回転させると共に、
前記被検体を前記検出器の視野から外れるように移動させることが可能に構成された回転、移動機構と、
を備え、
前記回転、移動機構を作動させて、前記被検体に複数の角度からＸ線を照射して複数の被検体投影像を取得する過程において、
前記被検体を撮影した後に、前記被検体を前記検出器の視野から外れるように移動させ、該被検体のない状態で参照投影像を取得し、再び前記被検体を前記検出器の視野に入るように移動させ該被検体のある状態の被検体投影像を取得し、
前記演算手段によって、前記被検体投影像からＸ線源の照射ムラや検出器の感度ムラの影響を補正する背景補正のための背景像を、前記複数の参照投影像より算出し、
前記複数の被検体投影像と前記背景像から、前記背景補正された被検体断層像を算出することを特徴とするＸ線断層撮影装置。
前記演算手段は、前記複数の参照投影像を重み付けして前記背景像を算出することを特徴とする請求項１に記載のＸ線断層撮影装置。
前記複数の参照投影像における各参照投影像を、前記被検体投影像との撮影時間間隔に応じて重み付けして前記背景像を算出することを特徴とする請求項２に記載のＸ線断層撮影装置。
前記演算手段は、前記複数の被検体投影像における各被検体投影像のそれぞれに固有の背景像を、前記複数の参照投影像における各参照投影像より算出することを特徴とする請求項１または請求項３に記載のＸ線断層撮影装置。
前記演算手段は、複数の異なる方法で算出された被検体断層像より新たな被検体断層像を算出することを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載のＸ線断層撮影装置。
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源より射出され、被検体を透過したＸ線より周期パターンを形成する回折格子と、
前記回折格子を透過したＸ線を検出する検出器と、
前記検出器で検出された検出結果に基づいて、前記被検体の情報を演算する演算手段と、
前記被検体に複数の角度からＸ線を照射するように該被検体を回転させると共に、
前記被検体を前記検出器の視野から外れるように移動させることが可能に構成された回転、移動機構と、
を備え、
前記回転、移動機構を作動させて、前記被検体に複数の角度からＸ線を照射して複数の被検体投影像を取得する過程において、
前記被検体を撮影した後に、前記被検体を前記検出器の視野から外れるように移動させ
、該被検体のない状態で参照投影像を取得し、
前記取得される複数の被検体投影像の総数が、前記参照投影像の総数の２倍であり、
前記演算手段によって、前記複数の被検体像および前記複数の参照投影像より、背景補正された被検体断層像を算出することを特徴とするＸ線断層撮影装置。
Ｘ線源より射出され、被検体を透過したＸ線により周期パターンを形成する回折格子を透過したＸ線の少なくとも一部を検出器により検出し、
前記検出器で検出された検出結果に基づいて、前記被検体の情報を演算し被検体断層像を取得するＸ線断層撮影方法であって、
前記被検体を複数の角度から撮影して複数の被検体投影像を取得する過程において、前記被検体を撮影した後に、前記被検体のない状態で参照投影像を取得し、再び前記被検体を前記検出器の視野に入るように移動させ該被検体のある状態の被検体投影像を取得し、
前記被検体投影像からＸ線源の照射ムラや検出器の感度ムラの影響を補正する背景補正のための背景像を、前記複数の参照投影像より算出し、
前記複数の被検体投影像と前記背景像より背景補正された被検体断層像を算出することを特徴とするＸ線断層撮影方法。
前記複数の参照投影像を重み付けして前記背景像を算出することを特徴とする請求項７に記載のＸ線断層撮影方法。
前記複数の参照投影像における各参照投影像を、前記被検体投影像との撮影時間間隔に応じて重み付けして前記背景像を算出することを特徴とする請求項８に記載のＸ線断層撮影方法。
前記複数の被検体投影像における各被検体投影像のそれぞれに固有の背景像を、前記複数の参照投影像における各参照投影像より算出することを特徴とする請求項７または請求項９に記載のＸ線断層撮影方法。
複数の異なる方法で算出された被検体断層像より新たな被検体断層像を算出することを特徴とする請求項７、９、１０のいずれか１項に記載のＸ線断層撮影方法。
Ｘ線源より射出され、被検体を透過したＸ線により周期パターンを形成する回折格子を透過したＸ線の少なくとも一部を検出器により検出し、
前記検出器で検出された検出結果に基づいて、前記被検体の情報を演算し被検体断層像を取得するＸ線断層撮影方法であって、
前記被検体を複数の角度から撮影して複数の被検体投影像を取得する過程において、前記被検体を撮影した後に、前記被検体のない状態で参照投影像を取得し、再び前記被検体を前記検出器の視野に入るように移動させ該被検体のある状態の被検体投影像を取得し、
前記被検体投影像の総数を前記参照投影像の総数の２倍とし、前記複数の被検体投影像と前記複数の参照投影像より、背景補正された被検体断層像を算出することを特徴とするＸ線断層撮影方法。