JP2004309319A - Image reconstruction processing program and recording medium - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image reconstruction processing program capable of performing brain image reconstruction without performing subtraction, when using a twice (or more than twice) divided dose method. <P>SOLUTION: The S/N ratio of a load image in the Tc-99mECD twice divided dose method can be improved by integrating influence of intracerebral residual radioactivity into a calibration expression of a sequential image reconfiguration method. Actually, the influence of the intracerebral residual radioactivity is integrated by adding the total count number y<SB>i</SB><SP>[h-1]</SP>until the preceding time to the denominator of the expression 14. For example, in the case of the twice split dosage, the first-time count number y<SB>i</SB><SP>[1]</SP>is added to the denominator of the expression 14. Namely, when reconfiguring SPECT data in the second time, the brain image reconfiguration can be performed without performing subtraction, by supposing that the intracerebral residual radioactivity y<SB>i</SB><SP>[1]</SP>by first-time dosage exists as a base line in the denominator of the expression 14. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単光子放出コンピュータ断層撮影(Single Photon Emission Computed Tomography : SPECT)または陽電子放出断層撮影(Positron Emission Tomography : PET)測定を行って得られた各SPECT測定データまたは各PET測定データに基づいて、各分割投与後の再構成画像を得る処理をコンピュータを用いて実行する画像再構成処理プログラム等に関する。
【0002】
【従来の技術】
【非特許文献1】西村恒彦、改訂版最新脳SPECT/PETの臨床−脳機能の検査法、第12頁−第17頁、第65頁−第66頁、株式会社メジカルビュー社
【0003】
近年、患者等に大きな負担をかけずに身体内の様子を画像として捕らえ正確な診断を行なうための画像診断機は医療の現場において必須のものとなっている。このような画像診断機には、例えばX線断層写真撮影機(Computer Tomography : CT)、磁気共鳴映像機(Magnetic Resonance Imaging : MRI)、超音波診断機および放射線診断機等がある。これらの画像診断機を用いた画像診断は、患者の病気の早期診断、治療法の選択、治療効果の予測および判定などの機能情報を提供するものとして広く用いられている。
【0004】
核医学の臨床の場においては、例えば非特許文献1に記載されているように患者体内に放射性同位元素(ラジオアイソトープ、Radio Isotope : RI)を導入し、そこから発せられるγ線を利用するSPECTおよびPETがそれぞれの装置を用いることで利用されている。上述の様な医用画像処理装置においては、収集したデータから画像再構成および画像解析等の様々な画像処理ができるように各種のコンピュータ・プログラムが用意されている。
【0005】
Tc(テクネシウム)−99mECD(エチル・システイネイト・ダイマ、ethyl cysteinate dimer )は、脳血流SPECT用の放射性医薬品である短半減期トレーサとして良く利用されている。このトレーサの特徴は、化合物の構成元素の一部をRIで置き換えて目印をつける標識後の安定性が良いことである。脳組織へこのトレーサが取り込まれた後は数分以内に脳内分布が固定するので、長時間、その分布を保つことが特徴的性質である。この特徴的性質を利用して、2回分割投与法(split−dose)とacetazolamide(アセタゾラミド、ACZ)負荷による脳循環予備能を評価するプロトコルとが臨床で使用されている。2回分割投与法とは、非特許文献1に記載されているように、通常1回で使用される投与量のトレーサを2回に分割して投与し、各々条件を変えて連続した2回の脳画像の撮影を行なう方法である。2回目の条件下での局所的脳血流分布の画像は、2回目のSPECTデータ(負荷時)から1回目のSPECTデータ(安静時)をサブトラクション(subtraction)することにより得ることができる。
【0006】
図19は、2回分割投与法の概念を示す。図19(A)は1回目のSPECTデータを示し、図19(B)は2回目のSPECTデータを示す。図19(A)において、符号54は1回目のSPECTデータのプライマリ成分P [1st]であり、52は1回目のSPECTデータの散乱成分S [1st]であり、両者を合わせたy [1st]が1回目のSPECTデータである。図19(B)において、符号64は2回目のSPECTデータの真のプライマリ成分P [2nd true]であり、62は2回目のSPECTデータの真の散乱成分S [2nd true]であり、両者を合わせたものが2回目の真のSPECTデータである。図19(B)に示されるように、2回目のSPECTデータy [2nd]には1回目のECD投与による脳内残留放射能である1回目のSPECTデータy [1st]がベースラインとして加算されている。このため、2回目のSPECTデータy [2nd]は1回目のSPECTデータy [1st]と2回目の真のSPECTデータとを合わせたものとなる。したがって、2回分割投与法における従来の脳画像処理においては、2回目のSPECTデータy [2nd]から1回目のSPECTデータy [1st]をサブトラクションすることにより局所的脳血流分布の再構成画像を得ていた。または再構成画像を生成した後にサブトラクションを行なっていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、2回分割投与法は、2回目のSPECTデータから1回目のSPECTデータをサブトラクションすることによる負荷画像の信号・雑音比(S/N比)が悪化するという問題があった。投与量比が1:1の場合、サブトラクションによって2回目の再構成画像の分散が3倍悪化(すなわち標準偏差がルート3倍悪化)すると言われている。理論的には、投与量比が1:2時に1回目および2回目の再構成画像は同じS/N比になると言われている。このような画像の劣化を避けるためには、全体のECD投与量を増加させる必要があるが、ECD投与量の増加は患者に対する被爆の上昇を招き、検査費用の増加も招くこととなるため好ましいものではない。
【0008】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、2回(または2回以上の)分割投与法を用いる場合に、サブトラクションを行なわずに脳画像再構成を行うことができる画像再構成処理プログラムを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明の画像再構成処理プログラムは、放射性同位元素(Radio Isotope : RI)で標識されたトレーサを所定の組織へL(Lは2以上)回分割投与し、各分割投与後に単光子放出コンピュータ断層撮影(Single Photon Emission Computed Tomography : SPECT)または陽電子放出断層撮影(Positron Emission Tomography : PET)測定を行って得られた各SPECT測定データまたは各PET測定データに基づいて、各分割投与後の再構成画像を得る処理をコンピュータを用いて実行する画像再構成処理プログラムであって、
j(=1〜m)を再構成画像上の画素とし、ここでmは再構成画像上の画素の総数であり、i(=1〜n)を前記所定の組織に投与されたRIから放出された光子が当該光子を検出する検出器へ投影される際の投影データ上の画素とし、ここでmおよびnは予め画素数記録部に記録されており、
ijを再構成画像上の画素jから放出された光子が投影データ上の1画素iで検出される確率とし、ここでcijは予めj=1から前記画素数記録部に記録されたmまでおよびi=1から前記画素数記録部に記録されたnまで検出確率記録部に記録されており、
h=1からLについて、λ [h]を、第h回目の分割投与について用いられる、0回目の逐次近似における再構成画像上の画素jの推定RI濃度とし、ここでλ [h]は予めj=1から前記画素数記録部に記録された画素jの数mまで第h回推定RI濃度初期値記録部に記録されており、
h=1からLについて、y [h]を、第h回目の分割投与後に、投影データ上の1画素iで検出された光子のカウント数とし、ここでy [h]は測定後にi=1から前記画素数記録部に記録された画素iの数nまで第h回測定データ記録部に記録されており、コンピュータに、
第1回目の分割投与後の再構成画像を、k回目の逐次近似における再構成画像上の画素jの推定RI濃度λ [1]を式(1)を用いてk=0から所定の第1収束条件が成立するまで繰返し計算することにより求める第1回再構成画像生成ステップ、
【数8】

Figure 2004309319
ここで、λ [1]は前記第1回推定RI濃度初期値記録部に設定され、cijは前記検出確率記録部に記録され、y [1]は前記第1回測定データ記録部に記録されたものであり、
h=2からLまで、第h回目の分割投与後の再構成画像を、k回目の逐次近似における再構成画像上の画素jの推定RI濃度λ [h]を式(2)を用いてk=0から所定の第2収束条件が成立するまで繰返し計算することにより求める第h回再構成画像生成ステップ、
【数9】
Figure 2004309319
ここで、λ [h]は前記第h回推定RI濃度初期値記録部に設定され、y h]は前記第h回測定データ記録部に記録されたものであるというステップを実行させるための画像再構成処理プログラムである。
【0010】
ここで、この発明の画像再構成処理プログラムにおいて、h=1からLについて、S [h]を第h回目の分割投与後における投影データ上の1画素iにおける散乱補正項とし、ここでS [h]はi=1から前記画素数記録部に記録された画素iの数nまで第h回散乱補正項記録部に記録されており、
【数10】
Figure 2004309319
前記第1回再構成画像生成ステップにおいて式(1)の替わりに式(3)を用い、前記第h回再構成画像生成ステップにおいて式(2)の替わりに式(4)を用いることができる。
【0011】
ここで、この発明の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第1収束条件は、式(5)で求められる値が、
【数11】
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件とすることができる。
【0012】
ここで、この発明の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第2収束条件は、式(6)で求められる値が、
【数12】
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件とすることができる。
【0013】
ここで、この発明の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第1収束条件は、式(7)で求められる値が、
【数13】
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件とすることができる。
【0014】
ここで、この発明の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第2収束条件は、式(8)で求められる値が、
【数14】
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件とすることができる。
【0015】
ここで、この発明のいずれかの画像再構成処理プログラムにおいて、前記検出確率記録部に記録されたcijは、再構成画像上の画素jの投影方向に投影データ上の画素iが存在する場合は1とし、他の場合は0とすることができる。
【0016】
ここで、この発明のいずれかの画像再構成処理プログラムにおいて、前記第1回推定RI濃度初期値記録部に記録されたλ [h]は、予めj=1から前記画素数記録部に記録された画素jの数mまで1と記録しておくことができる。
【0017】
この発明の記録媒体は、本発明のいずれかの画像再構成処理プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0019】
実施の形態1.
本発明の画像再構成処理プログラムは、逐次近似型画像再構成法に前回(例えば1回)までのECD投与によるベースラインの影響を予め組み込んだアルゴリズムを用いることが特徴である。そこで、まず逐次近似型画像再構成法について説明する。
【0020】
未知数である体内のRI分布を、収集された投影データから統計的手法により最も可能性の高いケースとして推定する方法として、最尤推定−期待値最大化(Maximum Likelihood − Expectation Maximization : ML−EM)再構成法がある。このML−EM法は最尤推定法と期待値最大化法とを組合せた方法である。ML−EM法は、推定した体内のRI分布から計算した投影データを実際に収集した投影データにできるだけ近づけるように、逐次近似法を用いて体内のRI分布を繰返し修正していく方法である。
【0021】
図1は、最尤推定法の画像再構成への適用を説明するものである。図1において、符号10は脳画像の断層画像、3は断層画像10のマトリクスにおけるRI濃度がλ(MBq)の1画素、30は検出器であり投影データ20上の1画素を示す。cは画素30で光子が検出される検出確率を示し、xは投影データ20上の1画素30(または画素を検出器と考えて、1検出器30)における画素3からの光子の計数を示す。RI濃度がλ(MBq)のRI(画素3)から放出された光子を検出器30(画素30)でn回測定した場合、各測定毎の計数をxiとすると、計数xの最尤推定値は式9で与えられる。
【0022】
【数15】
Figure 2004309319
【0023】
RI濃度λの最尤推定値は式10で与えられる。
【0024】
【数16】
Figure 2004309319
【0025】
次に、RIをn方向の検出器で測定した場合について説明する。図2は、RIをn方向の検出器で測定した場合における最尤推定法の画像再構成への適用を説明するものである。図2で図1と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図2において、符号5は断層画像10のマトリクスにおけるRI濃度がλ(MBq)の1画素j(j=1〜断層画像10のマトリクスにおける画素の総数m)を示す。符号31ないし33は検出器であり各々投影データ20等上の1画素を示す。検出器はn個あるが図面の都合上3個のみ示されている。cij(i=1〜検出器の数nまたは投影データ上の各画素の数n、j=1〜m)は画素j(5)から放出された光子が画素i(または検出器i)で検出される検出確率を示し、xijは画素j(5)から放出され画素i(または検出器i)で検出される光子数を示す。以上の条件の場合、画素j(5)の濃度λの最尤推定値は式11で与えられる。
【0026】
【数17】
Figure 2004309319
【0027】
実際には画素j(5)の周辺にもRIが存在するため、光子数xijは直接測定することはできない。図3は、画素j(5)の周辺のRIを考慮した場合における最尤推定法の画像再構成への適用を説明するものである。図3で図2と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図3において、yは検出器iにおける各画素j(5)等からの計測値の総和(投影カウント)を示す。総和yから光子数xijを推定する必要がある。ここでは最大事後確率推定(MAP推定)を用いると、光子数xijのMAP推定値は式12で与えられる。
【0028】
【数18】
Figure 2004309319
【0029】
つまり、最尤推定法により求めたい未知数である画素j(5)のRI濃度λを検出確率cijと光子数xijとから推定する場合、光子数xijは直接測定できないため、光子数xijのMAP推定値により求めることになる。そこで、式11の右辺の光子数xijに式12の光子数xijのMAP推定値を代入すると式11の2を得ることができる。
【0030】
【数19】
Figure 2004309319
【0031】
式11の2は右辺にもRI濃度λがあるためλについて解けない。このためEM法により逐次式を作成する。λ をk回目の逐次近似における推定値とすると、式11の2より式13を得ることができる。
【0032】
【数20】
Figure 2004309319
【0033】
図4は、式13を用いてRI濃度λを推定する計算例を示す。図4に示されるように、まず投影方向数n=2とし、断層画像のマトリクスサイズを3×3(m=3×3=9)とし、各検出確率cijは投影方向にのみ1とし他の方向へは0と仮定する(ステップS10)。つまり投影方向以外の画素j(5)からは計測されないものと仮定する。図4のステップS12に示されるように、真の値をm=1から9へかけて1ないし9とすると、各投影方向への投影カウント数yは投影方向の画素jの値の総和となる。例えばm=1、4および7の方向では画素jの値は各々1、4、7であるため投影カウント数y=1+4+7=12となる。他の投影カウント数yについても同様であるため、説明は省略する。推定値についてはステップS12に示されるように、m=1から9へかけてλないしλとなる。次に、k=0のすべてのλ を1と仮定して式13により推定計算を行なう(ステップS14)。詳細はステップS16に示されるようになる。例えばλ については、λ =1.0であり、c11λ からc19λ までの総和に関してはc11、c14、c17だけが1であって他は0であり、y11=12×1、y21=6×1であり、c11+c21=2であるため、λ =3.0となる。
【0034】
1回目の推定値としてステップS18に示されるように、m=1ないし9にかけて、λ =3.0、λ =3.5、λ =4.0、λ =4.5、λ =5.0、λ =5.5、λ =6.0、λ =6.5、λ =7.0と求められる。
次に、今求められたλ を用いて式13により同様にλ を求める(ステップS20)。2回目の推定値としてステップS22に示されるように、m=1ないし9にかけて、λ =2.2、λ =2.8、λ =3.3、λ =4.3、λ =5.0、λ =5.8、λ =6.4、λ =7.3、λ =8.1と求められる。以上の計算を指定した回数だけ繰り返す(ステップS24)。具体的には所望の収束条件により繰返しの終了判定を行なう。結果として真の値(または近似値)を求めることができる(ステップS26)。
【0035】
本願発明の画像再構成処理プログラムは、上述した逐次近似型画像再構成法を用いるものである。図5および図6は、本願発明の画像再構成処理プログラムの一連のフローチャートを示す。本フローチャートでは説明の便宜上、分割投与の回数hを2回とする。図5は第1回目(h=1)の分割投与後の再構成画像の生成のフローチャート(第1回再構成画像生成ステップ)であり、図6は図5中のステップS40aから先の処理、すなわち第2回目(h=2)の分割投与後の再構成画像の生成のフローチャート(第2回再構成画像生成ステップ)である。図5に示されるように、まず再構成画像上の画素の総数mと、投影データ上の画素の総数nとを画素数記録部40(後述。図18参照)から読み出す(ステップS30a)。再構成画像上の画素j=1とし(ステップS32a)、上述の繰返しの回数k=0とする(ステップS34a)。再構成画像上の画素jの推定RI濃度λ =を第1回(h=1)推定RI濃度初期値記録部50−1(後述。図18参照)から読み出す(ステップS36a)。投影データ上の画素i=1からnについて、検出確率cijを検出確率記録部42(後述。図18参照)から適宜読み出し、投影データ上の画素iで検出された光子のカウント数y [1]を第1(h=1)回測定データ記録部60−1(後述。図18参照)から適宜読み出して、上述の例のように式13を計算する(ステップS38a)。ただし、分割投与の回数h=1を考慮して式13は式13の2のようになっている。式13の2で[1]はh=1を意味する。
【0036】
【数21】
Figure 2004309319
【0037】
所望の収束条件(第1収束条件)が成立したかどうかを判断し(ステップS40a)、成立していない場合は、繰返しの回数kを1増加し、式13で求められたλ を用いてステップS38aと同様に新たなkにつき式13を計算する。ステップS40aで収束条件が成立した場合は、第1回目(h=1)の分割投与後の再構成画像の生成は終了し、次にAへ進む。
【0038】
図6に示されるように、まず再構成画像上の画素の総数mと、投影データ上の画素の総数nとを画素数記録部40(後述。図18参照)から読み出す(ステップS30b)。このステップS30bはステップS30aと同様であるため省略してもよい。再構成画像上の画素j=1とし(ステップS32b)、上述の繰返しの回数k=0とする(ステップS34b)。再構成画像上の画素jの推定RI濃度λ =を第2回(h=2)推定RI濃度初期値記録部50−2(後述。図18参照)から読み出す(ステップS36b)。投影データ上の画素i=1からnについて、検出確率cijを検出確率記録部42(後述。図18参照)から適宜読み出し、投影データ上の画素iで検出された光子のカウント数y を第2(h=2)回測定データ記録部60−2(後述。図18参照)から適宜読み出して、以下の式14を計算する(ステップS38b)。
【0039】
【数22】
Figure 2004309319
【0040】
本願発明の画像再構成処理プログラムの特徴は、式14の分母中に前回までの総カウント数y [h−1]を加えている点にある。したがって2回分割投与の場合、h=1〜2となるため、式14の分母中に1回目のカウント数y [1]が加えられる。すなわち、2回目のSPECTデータを再構成する際に、式14の分母に1回目の投与による脳内の残留放射能y [1]がベースラインとして存在しているものと考える。3回の分割投与を行なう場合はh=1〜3となるため、式14の分母中に2回目のカウント数y [2]が加えられる。h回の分割投与を行なう場合は、分母中にh−1回目の総カウント数y [h−1]が加えられる。
【0041】
次に、所望の収束条件(第2収束条件)が成立したかどうかを判断し(ステップS40b)、成立していない場合は、繰返しの回数kを1増加し、式14で求められたλ k[h]を用いてステップS38bと同様に新たなkにつき式14を計算する。ステップS40bで収束条件が成立した場合は、第2回目(h=2)の分割投与後の再構成画像の生成は終了する。
【0042】
上述の第1収束条件として、式13の2の分子から分母を引いた差の2乗和(2乗誤差:χ)を用いることができる。例えば第1の収束条件として式15を計算し、式15のχの値が所定の値以下になった時(理想的には0になった時)に、繰返し計算を終了させることができる。
【0043】
【数23】
Figure 2004309319
【0044】
上述の第2収束条件として、式14の分子から分母を引いた差の2乗和(2乗誤差:χ)を用いることができる。例えば第2の収束条件として式16を計算し、式16のχ値が所定の値以下になった時(理想的には0になった時)に、繰返し計算を終了させることができる。
【0045】
【数24】
Figure 2004309319
【0046】
検証.
本願発明の画像再構成処理プログラムの有用性を検証するため、モンテカルロシミュレーションを用いた。モンテカルロシミュレーションでは、(1)「シミュレーション体系の定義」として、楕円球、円柱または楕円柱等の幾何形状を組み合わせることにより人体の体系の区画を定義する。人体形状は数値ファントム化されている場合が多い。(2)「物質データの定義」として所定の元素または水等の分子等を用い、物質に固有の線減弱係数μを仮定する。(3)「線源の定義」として光子、電子等を定義する。(4)「計測体系の定義」として所望の計測体系を定義する。SPECTではγ線の入射方向を制限するために検出器の前面にコリメータ(collimator)を装着している。これらの装置もモンテカルロシミュレーションの中に組み込まれる。
【0047】
モンテカルロシミュレーションでは、140KeVの光子発生に対して、吸収・散乱、コリメータによる分解能の劣化、および統計ノイズをシミュレートした。コリメータは低エネルギーコリメータ(例えばLEHRコリメータ)を想定した。マトリクスサイズは128×128(m=16384)とし、投影方向数n=120とした。ピクセルサイズは3.125mmである。光電ピークを収集するためのメインウィンドウは140KeVを中心とした20%とし、メインウィンドウの下に設定するサブウィンドウは124KeVを中心とした5%とした。数値ファントムは単純な円柱ファントム(18cmφ)を使用し、一様吸収体(μ=0.15cm−1)と仮定した。
【0048】
投影データは、総カウント数が2倍毎に増加するように8種類(1.36、2.70、5.40、10.8、21.6、43.3、86.5Mcounts/slice)作成し、半減期による減衰はないものとした。本シミュレーションでは1回目と2回目との投与量が1:1になるように、2倍毎に増加したデータをペアにしてできる7組の投影データを用いて、上述の式13の2、式14により画像再構成を行った。繰返し回数kは3回、subset=20とした。前処理フィルターはButterworthフィルターを用い、カットオフ周波数fcを0.36[cycles/pixel]、次数を8とした。吸収補正は仮定したμマップ(線減弱係数μを2次元の画像にしたもの)を用いて検出確率に組み込んだ。散乱成分はTriple
Energy Window (TEW)法を用いて推定した。
【0049】
従来の方法(Subtraction法という)と本願発明の画像再構成処理プログラム用いられている方法(Addition法という)との比較は、視認検査(Visual inspection)による評価に加え、円柱ファントムでは中心に設定したROI(5cmφ)内の%COV(=標準偏差/ROI値 ×100%)を計算することによって行った。
【0050】
最適投与量比の評価.
上述した円柱ファントムシミュレーションによって、%COVが1回目と2回目とで同一になる最適投与量比をSubtraction法とAddition法との両方で決定した。2回目と1回目との投与量比を0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0の8種類とし、投与量の総量が常に一定になるようにした。今回の場合、2回目の投影データはどの場合でも5.40Mcounts/sliceとした。再構成条件、および、データ処理は上記と全く同じである。
【0051】
求められた最適投与量比の条件下で、ディジタル化されたHoffmanファントムの1スライスを用いてモンテカルロシミュレーションを行い、Subtraction法とAddition法とで再構成した。灰白質と白質の放射能濃度比を4:1と仮定し、一様吸収体(μ=0.15cm−1)を仮定した。
【0052】
ノイズを含んだベースラインの影響の評価.
上述したように、Addition法(式13の2または14)の分母において、ノイズを含んだベースラインが存在する場合は、ML法による収束性は保証されない。よって、どの程度の誤差を持つのかを検討するために、ディジタル化されたHoffmanファントムを用いて、モンテカルロシミュレーションを行った。1回目(ベースライン)および2回目の総光子数は、投与量比を1:1とし、それぞれの総カウントを6.84Mcounts/slice、13.7Mcounts/sliceとした。式13の2または14による再構成を行なう時のベースラインとして、ノイズフリーの理想的なベースラインを用いた場合と比較するために、32倍の光子数の投影データを作成し規格化して用いた。
【0053】
臨床データ.
3例の臨床データで評価を行った。SPECT測定は東芝GCA−7200で、コリメータはLEGPコリメータを用いた。マトリクスサイズは64×64(m=4096)とし、投影方向数n=60とした。ピクセルサイズは4.3mmである。メインウィンドウは140KeVを中心とした20%とし、メインウィンドウの下に設定するサブウィンドウは122KeVを中心とした8%とした。1回目のECD投与(333MBq)から、5分後に7.5分間のSPECT測定を行った。1回目のSPECT測定直後に2回目のECD投与(222MBq)を行い、最初の投与から12.5分後から2回目のSPECT測定を同一条件で行った。ACZ
(1000mg)の負荷は、1回目のSPECT直前に行った。収集条件・プロトコルの詳細な情報は省略する。
【0054】
データ処理はSubtraction法とAddition法とで画像再構成を行った。繰返し回数kは3回、subset=15とした。前処理フィルターはButterworthフィルター(カットオフ周波数fc=0.24cycles/pixel、次=8)を用いた。吸収補正は、閾値による輪郭抽出を行って一様なμ値(0.14cm−1)を仮定し、検出確率に組み込んで行った。散乱成分の推定は、シミュレーションと同様にTEW法によって行った。ROI解析によりSubtraction法とAddition法との比較を行った。
【0055】
結果.
図7(A)、(B)は、円柱ファントムシミュレーション(総カウント:1.36M counts/slice)による収束特性を示すグラフである。図7(A)、(B)において、横軸は繰返し回数k、縦軸は上述の2乗誤差(χ:1回目は式15、2回目は式16による)である。Subtraction法でもAddition法でも最終的な誤差の絶対値はほぼ同じであったが、収束特性には明らかな違いが見られた。すなわち、Addition法では、2回目のSPECTデータの収束速度がやや遅くなることが明らかになった。しかし、subsetと繰返し回数kの積が20以上では、両者はほぼ同じであり、今回用いた再構成条件では特性の違いはないものと考えられた。
【0056】
図8は、投与量比が1:1の場合の円柱ファントムシミュレーション(2.70Mcounts/slice)による再構成画像の比較である。Subtraction法(図8で左側)では、2回目(2nd)の再構成画像のS/N比が悪いが、一方Addition法(図8で右側)では著しく改善され、その結果として1回目(1st)とほぼ同じ画質になっている。
【0057】
図9(A)、(B)は、投与量比が1:1の場合の総カウント数に対する%COVの変化を示したグラフである。図9(A)、(B)において、横軸はスライス(slice)当たりの総カウント数、縦軸は%COVである。図9(A)に示されるSubtraction法の%COVは、1回目に比べ2回目が明らかに悪く(総カウント2.70Mcounts/sliceの時、1回目で50.4%、2回目で80.5%)、明らかにサブトラクションによる影響がみられる。一方、図9(B)に示されるAddition法では、1回目と2回目の&¥%COVはほぼ同じであり(総カウント2.70Mcounts/sliceの時、1回目で43.1%、2回目で41.4%)、本発明のAddition法の有用性が裏付けられた。Subtraction法の1回目とAddition法の1回目とは、散乱補正が施されていない場合は全く一致するが、本シミュレーションでは散乱補正をしているためにAddition法の方が若干良くなっている。
【0058】
一方、図10は横軸をスライス(slice)当たりの総カウント数、縦軸をROI値の2回目/1回目の比に取った場合の総カウント数に対する変化を示したグラフである。本シミュレーションでは、この比は1.0になるはずであるが、Subtraction法でもAddition法でも、ほぼ仮定した値になった。
【0059】
図11(A)、(B)は横軸を投与量比(2回目/1回目)(実際には発生光子数比)、縦軸を%COVとした場合のSubtraction法とAddition法との比較を示す。図11(A)に示されるようにSubtraction法において、1回目および2回目の%COVが同一になったのは投与量比が約2.0である。一方、図11(B)に示されるようにAddition法において、1回目および2回目の%COVが同一になったのは投与量比が約1.0である。最適投与量における%COVの絶対値は、Subtraction法で約54%、Addition法では約43%であった。最適投与量比においても、Addition法の方がS/N比が良いという結果が得られた。これは、全体の投与量(シミュレーションでは発生光子数)を同一に保っているために、Subtraction法の1回目の投与量はAddition法の投与量の2/3になるためである。
【0060】
図12は最適投与量比におけるSubtraction法、およびAddition法でのHoffmanファントムの再構成画像を示す。図12に示されるように、円柱ファントムシミュレーションの結果と同様に、Addition法(図12の右側)の方がS/N比が良いことがわかる。
【0061】
図13は、図12に示した画像の1回目と2回目との各画素値の散布図を示す。図13(A)、(B)で横軸は1回目SPECTカウントであり、縦軸は2回目SPECTカウントである。図13(A)に示されるように相関係数はSubtraction法でr=0.762となり、図13(B)に示されるようにAddition法でr=0.813となり、Subtraction法のばらつきが大きかった。
【0062】
図14はAddition法の2回目再構成において、1回目の脳内残留放射能のベースラインに、1)ノイズを含んだベースラインの場合(図14の左側)、2)ノイズフリーの理想的なベースラインを用いた場合(図14の右側)の2種類の再構成画像を示す。視覚的評価ではほぼ両者は一致している。
【0063】
図15は、図14の両者の画素値を比較した散布図を示す。図15において横軸は図14のノイズフリーの理想的なベースライン、縦軸は図14のノイズを含んだベースラインである。両者に系統的な誤差は認められなかった。
【0064】
図16は、臨床データに適用した負荷(2回目)の再構成画像での比較を示す。図16で左側はSubtraction法の場合を示し、右側はAddition法の場合を示している。
【0065】
図17は3例の再構成画像にとったROI(1554ROIs)における、2つの方法の比較を示す。図17(A)は1回目(安静時)、図17(B)は2回目(ACZ負荷時)である。図17(A)、(B)において横軸はROIカウント(Addition法)、縦軸はROIカウント(Subtraction法)である。視覚的に評価するとSubtraction法はノイジーな画像であったが、ROI値の比較では、やや2回目のばらつきが存在するものの、大きな違いは見られなかった。
【0066】
以上説明したように、本発明の実施の形態1によれば、逐次型画像再構成法の計算式の中に脳内残留放射能の影響を組み込むことにより、Tc−99mECD2回分割投与法における負荷画像のS/N比を向上させることができる。具体的には、式14の分母中に前回までの総和カウント数y [h−1]を加えることにより脳内残留放射能の影響を組み込んでいる。例えば2回分割投与の場合、式14の分母中に1回目のカウント数y [1]が加えられる。すなわち、2回目のSPECTデータを再構成する際に、式14の分母に1回目の投与による脳内の残留放射能y [1]がベースラインとして存在しているものと考える。本発明の画像再構成処理プログラムによる方法をシミュレーションデータと臨床データとに適用して評価した。その結果、投与量比が1:1の場合でも、1回目と2回目との再構成データのS/N比はほぼ同一となり、従来のSubtraction法に比べS/N比の向上を確認することができた。上述のシミュレーション結果によれば、理想的な投影データをベースラインとした場合と、ノイズを含んだ投影データをベースラインとして用いた場合とで、定量的には差がなかった。以上より、2回(または2回以上の)分割投与法を用いる場合に、サブトラクションを行なわずに脳画像再構成を行うことができる画像再構成処理プログラムを提供することができる。
【0067】
実施の形態2.
上述の実施の形態1における式13の2および式14において、散乱補正を行なうこともできる。分割投与の回数h=1からLについて、S [h]を第h回目の分割投与後における投影データ上の1画素iにおける散乱補正項とする。ここでS [h]はi=1から画素数記録部10に記録された画素iの数nまで第h回散乱補正項記録部に記録されているものとする。この場合、式13の2の替りに式17を用い、式14の替りに式18を用いればよい。
【0068】
【数25】
Figure 2004309319
【0069】
式17および18を用いた場合、散乱補正を考慮した第1収束条件は式19のようになり、第2収束条件は式20のようになる。
【0070】
【数26】
Figure 2004309319
【0071】
実施の形態3.
図18は、上述した実施の形態を実現するための本発明のコンピュータ・プログラムを実行するコンピュータの内部回路70を示すブロック図である。図18に示されるように、CPU72、ROM74、RAM76、画像制御部78、コントローラ86、入力制御部90および外部インタフェース(Interface : I/F)部92はバス82に接続されている。図18において、上述の本発明のコンピュータ・プログラムは、ROM74、ディスク84aまたはCD−ROM84n等の記録媒体(脱着可能な記録媒体を含む)に記録されている。ディスク84a等には、画素数記録部40、検出確率記録部42、第h回推定RI濃度記録部50−h、第h回測定データ記録部60−h等が記録されている。本発明のコンピュータ・プログラムは、ROM74からバス82を介し、またはディスク84a若しくはCD−ROM84n等の記録媒体からコントローラ86を経由してバス82を介しRAM76へロードされる。画像制御部78は脳画像データをVRAM80へ送出し、ディスプレイ等の表示装置である表示部45はVRAM80から送出された脳画像データに基づいて脳画像を表示する。VRAM80は表示部45の一画面分のデータ容量に相当する容量を有している画像メモリである。入力操作部88は画像処理装置44に入力を行うためのマウス、テンキー等の入力装置であり、入力制御部90は入力操作部88と接続され入力制御等を行う。外部I/F部92は、例えばインターネット等の外部の通信網(不図示)と接続する際のインタフェース機能を有している。
【0072】
上述のようにCPU72が本発明のコンピュータ・プログラムを実行することにより、本発明の目的を達成することができる。当該コンピュータ・プログラムは上述のようにCD−ROM84n等の記録媒体の形態でコンピュータCPU72に供給することができ、当該コンピュータ・プログラムを記録したCD−ROM84n等の記録媒体も同様に本発明を構成することになる。当該コンピュータ・プログラムを記録した記録媒体としては上述された記録媒体の他に、例えばメモリ・カード、メモリ・スティック、DVD、光ディスク、FD等を用いることができる。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の画像再構成処理プログラムによれば、逐次型画像再構成法の計算式の中に脳内残留放射能の影響を組み込むことにより、Tc−99mECD2回分割投与法における負荷画像のS/N比を向上させることができる。具体的には、式14の分母中に前回までの総カウント数y [h−1]を加えることにより脳内残留放射能の影響を組み込んでいる。例えば2回分割投与の場合、式14の分母中に1回目のカウント数y [1]が加えられる。すなわち、2回目のSPECTデータを再構成する際に、式14の分母に1回目の投与による脳内の残留放射能y [1]がベースラインとして存在しているものと考える。本発明の画像再構成処理プログラムによる方法をシミュレーションデータと臨床データとに適用して評価した結果、投与量比が1:1の場合でも、1回目と2回目との再構成データのS/N比はほぼ同一となり、従来のSubtraction法に比べS/N比の向上を確認することができた。上述のシミュレーション結果によれば、理想的な投影データをベースラインとした場合と、ノイズを含んだ投影データをベースラインとして用いた場合とで、定量的には差がなかった。以上より、2回(または2回以上の)分割投与法を用いる場合に、サブトラクションを行なわずに脳画像再構成を行うことができる画像再構成処理プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】最尤推定法の画像再構成への適用を説明する図である。
【図2】RIをn方向の検出器で測定した場合における最尤推定法の画像再構成への適用を説明する図である。
【図3】画素j(5)の周辺のRIを考慮した場合における最尤推定法の画像再構成への適用を説明する図である。
【図4】式13を用いてRI濃度λを推定する計算例を示す図である。
【図5】第1回目(h=1)の分割投与後の再構成画像の生成の流れを示すフローチャートである。
【図6】第2回目(h=2)の分割投与後の再構成画像の生成の流れを示すフローチャートである。
【図7】円柱ファントムシミュレーション(総カウント:1.36M counts/slice)による収束特性を示すグラフである。
【図8】投与量比が1:1の場合の円柱ファントムシミュレーション(2.70Mcounts/slice)による再構成画像の比較を示す図である。
【図9】投与量比が1:1の場合の総カウント数に対する%COVの変化を示すグラフである。
【図10】横軸をスライス(slice)当たりの総カウント数、縦軸をROI値の2回目/1回目の比に取った場合の総カウント数に対する変化を示すグラフである。
【図11】横軸を投与量比(2回目/1回目)(実際には発生光子数比)、縦軸を%COVとした場合のSubtraction法とAddition法との比較を示す図である。
【図12】最適投与量比におけるSubtraction法、およびAddition法でのHoffmanファントムの再構成画像を示す図である。
【図13】図12に示した画像の1回目と2回目との各画素値の散布図である。
【図14】Addition法の2回目再構成において、1回目の脳内残留放射能のベースラインに、ノイズを含んだベースラインの場合とノイズフリーの理想的なベースラインを用いた場合の2種類の再構成画像を示す図である。
【図15】図14の両者の画素値を比較した散布図である。
【図16】臨床データに適用した負荷(2回目)の再構成画像での比較を示す図である。
【図17】3例の再構成画像にとったROI(1554ROIs)における、2つの方法の比較を示す図である。
【図18】本発明のコンピュータ・プログラムを実行する画像処理装置44等のコンピュータの内部回路70を示すブロック図である。
【図19】2回分割投与法の概念を示す図である。
【符号の説明】
3,5 画素、 10 断層画像、 20 投影データ、 30,31,32,33 検出器、 40 画素数記録部、 42 検出確率記録部、 50−h第h回推定RI濃度初期値記録部、 52,62 散乱成分、 54,64 プライマリ成分、 60−h 第h回測定データ記録部、 70 内部回路、 72 CPU、 74 ROM、 76 RAM、 78 VRAM、 80 画像制御部、 82 バス、 84a ディスク、 84n CD−ROM、 86 コントローラ、 88 入力操作部、 90 入力制御部、 92 外部I/F部。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a single photon emission computed tomography (SPECT) or a positron emission tomography (Position emission tomography: PET) based on each SPECT measurement data obtained by performing PET measurement data or each PET measurement data based on the measurement. The present invention also relates to an image reconstruction processing program that executes a process of obtaining a reconstructed image after each divided administration using a computer.
[0002]
[Prior art]
[Non-patent Document 1] Tsunehiko Nishimura, Revised version of the latest brain SPECT / PET clinical-brain function test method, page 12-page 17, page 65-page 66, Medical View Inc.
[0003]
2. Description of the Related Art In recent years, an image diagnostic apparatus for capturing an image of the inside of a body as an image without imposing a large burden on a patient or the like and performing an accurate diagnosis has become essential in a medical field. Such image diagnostic apparatuses include, for example, an X-ray tomography apparatus (Computer Tomography: CT), a magnetic resonance imaging apparatus (Magnetic Resonance Imaging: MRI), an ultrasonic diagnostic apparatus, and a radiation diagnostic apparatus. Image diagnosis using these image diagnostic machines is widely used as providing functional information such as early diagnosis of a patient's disease, selection of a treatment method, prediction and determination of a treatment effect, and the like.
[0004]
In a clinical field of nuclear medicine, for example, as described in Non-Patent Document 1, a radioisotope (Radio Isotope: RI) is introduced into a patient's body, and SPECT that uses γ-rays emitted therefrom is used. And PET are used by using respective devices. In the medical image processing apparatus as described above, various computer programs are prepared so that various image processing such as image reconstruction and image analysis can be performed from collected data.
[0005]
Tc (technesium) -99m ECD (ethyl cysteinate dimer) is frequently used as a short half-life tracer which is a radiopharmaceutical for cerebral blood flow SPECT. A feature of this tracer is that the stability after labeling, in which a part of the constituent elements of the compound is replaced with RI and marked, is good. Since the distribution in the brain is fixed within a few minutes after this tracer is taken into the brain tissue, it is a characteristic feature that the distribution is maintained for a long time. Taking advantage of this characteristic property, a split-dose method and a protocol for evaluating cerebral circulatory reserve due to acetazolamide (acetazolamide, ACZ) load have been clinically used. As described in Non-Patent Document 1, a twice-dose administration method is to administer a tracer of a dose usually used at one time in two divided doses, and to continuously administer two times under different conditions. This is a method of taking a brain image of the subject. The image of the local cerebral blood flow distribution under the second condition can be obtained by subtracting the first SPECT data (at rest) from the second SPECT data (at rest).
[0006]
FIG. 19 shows the concept of the two-dose administration method. FIG. 19A shows the first SPECT data, and FIG. 19B shows the second SPECT data. In FIG. 19A, reference numeral 54 denotes a primary component P of the first SPECT data.i [1st]And 52 is the scatter component S of the first SPECT datai [1st]And y is the sum of the twoi [1st]Is the first SPECT data. In FIG. 19B, reference numeral 64 denotes a true primary component P of the second SPECT data.i [2nd true]And 62 is the true scattering component S of the second SPECT datai [2nd true]The combination of the two is the second true SPECT data. As shown in FIG. 19B, the second SPECT data yi [2nd]Shows the first SPECT data y, which is the residual radioactivity in the brain due to the first ECD administration.i [1st]Is added as a baseline. Therefore, the second SPECT data yi [2nd]Is the first SPECT data yi [1st]And the second true SPECT data. Therefore, in the conventional brain image processing in the twice-dose administration method, the second SPECT data yi [2nd]First SPECT data yi [1st]By subtracting, the reconstructed image of local cerebral blood flow distribution was obtained. Alternatively, subtraction is performed after generating a reconstructed image.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the two-dose administration method has a problem that the signal-to-noise ratio (S / N ratio) of the load image is deteriorated by subtracting the first SPECT data from the second SPECT data. When the dose ratio is 1: 1, it is said that the variance of the second reconstructed image is reduced by a factor of 3 (that is, the standard deviation is reduced by a factor of 3) due to the subtraction. It is theoretically said that when the dose ratio is 1: 2, the first and second reconstructed images have the same S / N ratio. In order to avoid such image deterioration, it is necessary to increase the total ECD dose. However, an increase in the ECD dose results in an increase in exposure to the patient and an increase in examination cost, which is preferable. Not something.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and to perform brain image reconstruction without performing subtraction when using twice (or two or more) divided administration methods. It is another object of the present invention to provide an image reconstruction processing program which can perform the following.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An image reconstruction processing program according to the present invention provides a radioisotope (Radio Isotope: RI) -labeled tracer L (L is 2 or more) divided doses to a predetermined tissue, and a single photon emission computed tomography after each divided dose. Based on each SPECT measurement data or each PET measurement data based on each SPECT measurement data or each PET measurement data obtained by performing single photon emission computed tomography (SPECT) or positron emission tomography (PET) measurement. An image reconstruction processing program that executes the process of obtaining by using a computer,
Let j (= 1 to m) be the pixel on the reconstructed image, where m is the total number of pixels on the reconstructed image and release i (= 1 to n) from the RI administered to the given tissue The photon is a pixel on the projection data when projected to a detector that detects the photon, where m and n are recorded in the pixel number recording unit in advance,
cijIs the probability that a photon emitted from pixel j on the reconstructed image is detected at one pixel i on the projection data, where cijAre previously recorded in the detection probability recording unit from j = 1 to m recorded in the pixel number recording unit and from i = 1 to n recorded in the pixel number recording unit,
For h = 1 to L, λj 0 [H]Is the estimated RI density of pixel j on the reconstructed image in the 0th successive approximation used for the h-th divided administration, where λj 0 [H]Are previously recorded in the h-th estimated RI density initial value recording unit from j = 1 to the number m of the pixels j recorded in the pixel number recording unit,
For h = 1 to L, yi [H]Is the count number of photons detected at one pixel i on the projection data after the h-th divided administration, where yi [H]Are recorded in the h-th measurement data recording unit from i = 1 to the number n of the pixels i recorded in the pixel number recording unit after the measurement.
The reconstructed image after the first divided administration is converted to the estimated RI density λ of pixel j on the reconstructed image in the k-th successive approximation.j k [1]A first reconstructed image generation step of repeatedly calculating from equation (1) from k = 0 until a predetermined first convergence condition is satisfied;
(Equation 8)
Figure 2004309319
Where λj 0 [1]Is set in the first estimated RI concentration initial value recording section, and cijIs recorded in the detection probability recording unit, and yi [1]Is recorded in the first measurement data recording unit,
From h = 2 to L, the reconstructed image after the h-th divided administration is converted to the estimated RI density λ of the pixel j on the reconstructed image in the k-th successive approximation.j k [H]H-th reconstructed image generation step of repeatedly calculating from k = 0 until a predetermined second convergence condition is satisfied using Expression (2).
(Equation 9)
Figure 2004309319
Where λj 0 [H]Is set in the h-th estimated RI concentration initial value recording unit, and yi [ h]Is an image reconstruction processing program for executing the step of being recorded in the h-th measurement data recording section.
[0010]
Here, in the image reconstruction processing program of the present invention, for h = 1 to L, Si [H]Is the scattering correction term at one pixel i on the projection data after the h-th divided administration, where Si [H]Are recorded in the h-th scattering correction term recording unit from i = 1 to the number n of the pixels i recorded in the pixel number recording unit;
(Equation 10)
Figure 2004309319
Equation (3) can be used in place of Equation (1) in the first reconstructed image generation step, and Equation (4) can be used in place of Equation (2) in the h-th reconstructed image generation step. .
[0011]
Here, in the image reconstruction processing program according to the present invention, the predetermined first convergence condition is such that a value obtained by Expression (5) is:
(Equation 11)
Figure 2004309319
The condition may be equal to or less than a predetermined value.
[0012]
Here, in the image reconstruction processing program according to the present invention, the predetermined second convergence condition is such that a value obtained by Expression (6) is:
(Equation 12)
Figure 2004309319
The condition may be equal to or less than a predetermined value.
[0013]
Here, in the image reconstruction processing program according to the present invention, the predetermined first convergence condition is such that a value obtained by Expression (7) is:
(Equation 13)
Figure 2004309319
The condition may be equal to or less than a predetermined value.
[0014]
Here, in the image reconstruction processing program according to the present invention, the predetermined second convergence condition is such that a value obtained by Expression (8) is:
[Equation 14]
Figure 2004309319
The condition may be equal to or less than a predetermined value.
[0015]
Here, in any one of the image reconstruction processing programs of the present invention, c recorded in the detection probability recording unitijCan be set to 1 when the pixel i on the projection data exists in the projection direction of the pixel j on the reconstructed image, and can be set to 0 otherwise.
[0016]
Here, in any one of the image reconstruction processing programs according to the present invention, the λ recorded in the first estimated RI density initial value recording unit is stored.j 0 [H]Can be previously recorded as 1 from j = 1 to the number m of pixels j recorded in the pixel number recording unit.
[0017]
A recording medium according to the present invention is a computer-readable recording medium recording any one of the image reconstruction processing programs according to the present invention.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
Embodiment 1 FIG.
The image reconstruction processing program according to the present invention is characterized by using an algorithm in which the influence of the baseline by the previous ECD administration up to the previous time (for example, once) is incorporated in the successive approximation type image reconstruction method in advance. Therefore, the successive approximation type image reconstruction method will be described first.
[0020]
As a method of estimating the unknown RI distribution in the body as the most likely case from the collected projection data by a statistical method, a maximum likelihood estimation-expected value maximization (Maximum Likelihood-Expectation Maximization: ML-EM) is used. There is a reconstruction method. This ML-EM method is a method combining the maximum likelihood estimation method and the expectation value maximization method. The ML-EM method is a method of repeatedly correcting the RI distribution in the body by using the successive approximation method so that the projection data calculated from the estimated RI distribution in the body is made as close as possible to the actually collected projection data.
[0021]
FIG. 1 illustrates the application of the maximum likelihood estimation method to image reconstruction. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a tomographic image of a brain image, 3 denotes one pixel having a RI density of λ (MBq) in the matrix of the tomographic image 10, and 30 denotes a detector, which is one pixel on the projection data 20. c indicates a detection probability that a photon is detected at the pixel 30, and x indicates a count of photons from the pixel 3 in one pixel 30 (or one pixel 30 assuming that the pixel is a detector) on the projection data 20. . When the photon emitted from the RI (pixel 3) having the RI concentration of λ (MBq) is measured n times by the detector 30 (pixel 30), the maximum likelihood estimation value of the count x is defined as xi where xi is a count for each measurement. Is given by equation 9.
[0022]
[Equation 15]
Figure 2004309319
[0023]
The maximum likelihood estimation value of the RI concentration λ is given by Expression 10.
[0024]
(Equation 16)
Figure 2004309319
[0025]
Next, a case where RI is measured by an n-direction detector will be described. FIG. 2 illustrates application of the maximum likelihood estimation method to image reconstruction when RI is measured by an n-direction detector. In FIG. 2, the portions denoted by the same reference numerals as those in FIG. In FIG. 2, reference numeral 5 indicates that the RI density in the matrix of the tomographic image 10 is λ.j(MBq) indicates one pixel j (j = 1 to the total number m of pixels in the matrix of the tomographic image 10). Reference numerals 31 to 33 denote detectors, each of which indicates one pixel on the projection data 20 or the like. Although there are n detectors, only three are shown for the sake of illustration. cij(I = 1 to the number n of the detectors or the number n of each pixel on the projection data, j = 1 to m), the photon emitted from the pixel j (5) is detected by the pixel i (or the detector i). X indicates the detection probabilityijDenotes the number of photons emitted from pixel j (5) and detected at pixel i (or detector i). Under the above conditions, the density λ of the pixel j (5)jIs given by equation 11.
[0026]
[Equation 17]
Figure 2004309319
[0027]
Actually, since RI exists also around the pixel j (5), the number of photons xijCannot be measured directly. FIG. 3 illustrates the application of the maximum likelihood estimation method to image reconstruction when considering the RI around the pixel j (5). In FIG. 3, the portions denoted by the same reference numerals as those in FIG. In FIG. 3, yiDenotes the total sum (projection count) of the measurement values from each pixel j (5) in the detector i. Sum yiFrom the number of photons xijNeeds to be estimated. Here, when the maximum posterior probability estimation (MAP estimation) is used, the number of photons xijIs given by Equation 12.
[0028]
(Equation 18)
Figure 2004309319
[0029]
That is, the RI density λ of the pixel j (5), which is an unknown to be obtained by the maximum likelihood estimation method,jIs the detection probability cijAnd the number of photons xijAnd the number of photons xijCannot be measured directly, so the number of photons xijFrom the MAP estimated value. Therefore, the number of photons x on the right side of Equation 11ijThe number of photons x in Equation 12 isijBy substituting the MAP estimated value of the above, 2 of Expression 11 can be obtained.
[0030]
[Equation 19]
Figure 2004309319
[0031]
Equation 2 in Equation 11 indicates that the RI concentration λjBecause λjI can not solve Therefore, a sequential equation is created by the EM method. λj kIs the estimated value in the k-th successive approximation, Expression 13 can be obtained from Expression 11-2.
[0032]
(Equation 20)
Figure 2004309319
[0033]
FIG. 4 shows the RI concentration λjA calculation example for estimating is shown. As shown in FIG. 4, first, the number of projection directions is set to n = 2, the matrix size of the tomographic image is set to 3 × 3 (m = 3 × 3 = 9), and each detection probability cijIs assumed to be 1 only in the projection direction and 0 in other directions (step S10). That is, it is assumed that measurement is not performed from the pixel j (5) other than the projection direction. As shown in step S12 in FIG. 4, if the true value is from 1 to 9 from m = 1 to 9, the projection count number y in each projection directioniIs the sum of the values of pixel j in the projection direction. For example, in the direction of m = 1, 4, and 7, the values of the pixel j are 1, 4, and 7, respectively, so the projection count number yi= 1 + 4 + 7 = 12. Other projection count number yiIs also the same, and the description is omitted. As shown in step S12, the estimated value is λ from m = 1 to 9.1Or λ9Becomes Next, for all k = 0, λj 0Is assumed to be 1 and the estimation calculation is performed by Expression 13 (Step S14). Details are as shown in step S16. For example, λ1 1For λ1 0= 1.0 and c11λ1 0From c19λ9 0For the sum up to11, C14, C17Is only 1 and the others are 0, y1c11= 12 × 1, y2c21= 6 × 1 and c11+ C21= 2, λ1 1= 3.0.
[0034]
As shown in step S18 as the first estimated value, from m = 1 to 9, λ1 1= 3.0, λ2 1= 3.5, λ3 1= 4.0, λ4 1= 4.5, λ5 1= 5.0, λ6 1= 5.5, λ7 1= 6.0, λ8 1= 6.5, λ9 1= 7.0.
Next, λj 1Similarly, λj 2Is obtained (step S20). As shown in step S22 as the second estimation value, from m = 1 to 9, λ1 2= 2.2, λ2 2= 2.8, λ3 2= 3.3, λ4 2= 4.3, λ5 2= 5.0, λ6 2= 5.8, λ7 2= 6.4, λ8 2= 7.3, λ9 2= 8.1. The above calculation is repeated a specified number of times (step S24). More specifically, it is determined whether or not the repetition is completed according to a desired convergence condition. As a result, a true value (or an approximate value) can be obtained (step S26).
[0035]
An image reconstruction processing program according to the present invention uses the above-described successive approximation type image reconstruction method. 5 and 6 show a series of flowcharts of the image reconstruction processing program of the present invention. In this flowchart, the number h of divided doses is set to two for convenience of explanation. FIG. 5 is a flowchart (first reconstructed image generation step) of generating a reconstructed image after the first (h = 1) divided administration, and FIG. 6 is a flowchart of the processing after step S40a in FIG. That is, this is a flowchart (second reconstructed image generation step) of generating a reconstructed image after the second (h = 2) divided administration. As shown in FIG. 5, first, the total number m of pixels on the reconstructed image and the total number n of pixels on the projection data are read from the pixel number recording unit 40 (described later; see FIG. 18) (step S30a). The pixel j on the reconstructed image is set to 1 (step S32a), and the number of repetitions k is set to k = 0 (step S34a). Estimated RI density λ of pixel j on reconstructed imagej k [ 1 ]Is read from the first (h = 1) estimated RI concentration initial value recording unit 50-1 (described later; see FIG. 18) (step S36a). For pixels i = 1 to n on the projection data, detection probability cijIs read out from the detection probability recording unit 42 (described later; see FIG. 18), and the count y of photons detected at the pixel i on the projection datai [1]Is read out from the first (h = 1) -times measurement data recording unit 60-1 (described later; see FIG. 18), and Expression 13 is calculated as in the above-described example (step S38a). However, in consideration of the number of divided doses h = 1, Expression 13 is expressed as Expression 13-2. In [2] of Expression 13, [1] means h = 1.
[0036]
(Equation 21)
Figure 2004309319
[0037]
It is determined whether or not a desired convergence condition (first convergence condition) is satisfied (step S40a). If not, the number of repetitions k is increased by one, and the λ obtained by Expression 13 is determined.j 1 [ 1 ]Is used to calculate Equation 13 for a new k in the same manner as in Step S38a. When the convergence condition is satisfied in Step S40a, the generation of the first (h = 1) reconstructed image after the divided administration is completed, and the process proceeds to A.
[0038]
As shown in FIG. 6, first, the total number m of pixels on the reconstructed image and the total number n of pixels on the projection data are read from the pixel number recording unit 40 (described later; see FIG. 18) (step S30b). Step S30b is the same as step S30a and may be omitted. The pixel j on the reconstructed image is set to 1 (step S32b), and the number of repetitions k is set to k = 0 (step S34b). Estimated RI density λ of pixel j on reconstructed imagej k [ 2 ]Is read from the second (h = 2) estimated RI concentration initial value recording unit 50-2 (described later; see FIG. 18) (step S36b). For pixels i = 1 to n on the projection data, detection probability cijIs read out from the detection probability recording unit 42 (described later; see FIG. 18), and the count y of photons detected at the pixel i on the projection datai [ 2 ]Is read from the second (h = 2) times measurement data recording unit 60-2 (described later; see FIG. 18), and the following Expression 14 is calculated (step S38b).
[0039]
(Equation 22)
Figure 2004309319
[0040]
The feature of the image reconstruction processing program of the present invention is that the total count yi [H-1]The point is to add. Therefore, in the case of two divided doses, h = 1 to 2, so that the first count number y in the denominator of Expression 14 is obtained.i [1]Is added. That is, when reconstructing the second SPECT data, the residual radioactivity y in the brain due to the first administration is added to the denominator of Equation 14i [1]Is considered to exist as a baseline. In the case where three divided doses are performed, h = 1 to 3; therefore, the second count number y in the denominator of Expression 14 is obtained.i [2]Is added. If h divided doses are given, the total count y of the (h-1) th time in the denominatori [H-1]Is added.
[0041]
Next, it is determined whether or not a desired convergence condition (second convergence condition) is satisfied (step S40b). If not, the number of repetitions k is increased by one, and the λ obtained by Expression 14 is determined.j k [h]Is used to calculate Equation 14 for a new k in the same manner as in step S38b. If the convergence condition is satisfied in step S40b, the generation of the reconstructed image after the second (h = 2) divided administration is completed.
[0042]
As the above-mentioned first convergence condition, the sum of squares of the difference obtained by subtracting the denominator from the numerator of Equation 13 (square error: χ2) Can be used. For example, Equation 15 is calculated as the first convergence condition, and2When the value of is less than or equal to a predetermined value (ideally, when it becomes 0), iterative calculation can be terminated.
[0043]
(Equation 23)
Figure 2004309319
[0044]
As the above-described second convergence condition, the sum of squares of the difference obtained by subtracting the denominator from the numerator of Expression 14 (square error: χ2) Can be used. For example, Equation 16 is calculated as the second convergence condition, and χ2When the value becomes equal to or less than a predetermined value (ideally, when it becomes 0), the repetitive calculation can be terminated.
[0045]
[Equation 24]
Figure 2004309319
[0046]
Verification.
In order to verify the usefulness of the image reconstruction processing program of the present invention, Monte Carlo simulation was used. In the Monte Carlo simulation, (1) As a “definition of a simulation system”, a section of a human body system is defined by combining geometric shapes such as an elliptical sphere, a cylinder, and an elliptic cylinder. The human body shape is often converted into a numerical phantom. (2) A predetermined element or a molecule such as water is used as the “definition of substance data”, and a linear attenuation coefficient μ specific to the substance is assumed. (3) Photons, electrons, and the like are defined as “definition of the radiation source”. (4) A desired measurement system is defined as “definition of measurement system”. In SPECT, a collimator is mounted on the front of the detector in order to limit the direction of incidence of gamma rays. These devices are also incorporated into the Monte Carlo simulation.
[0047]
In the Monte Carlo simulation, absorption / scattering, degradation of resolution by a collimator, and statistical noise were simulated for 140 KeV photon generation. The collimator was assumed to be a low energy collimator (for example, a LEHR collimator). The matrix size was 128 × 128 (m = 16384), and the number of projection directions was n = 120. The pixel size is 3.125 mm. The main window for collecting photoelectric peaks was 20% centered on 140 KeV, and the sub-window set below the main window was 5% centered on 124 KeV. The numerical phantom uses a simple cylindrical phantom (18 cmφ) and has a uniform absorber (μ = 0.15 cm).-1).
[0048]
Eight types (1.36, 2.70, 5.40, 10.8, 21.6, 43.3, 86.5 Mcounts / slice) of projection data are created so that the total count number increases every two times. However, there was no decay due to half-life. In this simulation, using the seven sets of projection data that can be paired with the data increased every two times so that the doses of the first and second doses are 1: 1, the above-mentioned Expression 13-2 and Expression 2 are used. 14, image reconstruction was performed. The number of repetitions k was set to 3 and subset = 20. As the pre-processing filter, a Butterworth filter was used. The cutoff frequency fc was 0.36 [cycles / pixel], and the order was 8. The absorption correction was incorporated into the detection probability using the assumed μ map (two-dimensional image of the linear attenuation coefficient μ). The scattering component is Triple
Estimation was performed using the Energy Window (TEW) method.
[0049]
The comparison between the conventional method (referred to as Subtraction method) and the method using the image reconstruction processing program of the present invention (referred to as Addition method) is based on the evaluation by the visual inspection, and the center is set in the cylindrical phantom. The calculation was performed by calculating% COV (= standard deviation / ROI value × 100%) within the ROI (5 cmφ).
[0050]
Evaluation of optimal dose ratio.
By the above-described cylindrical phantom simulation, the optimal dose ratio at which the% COV becomes the same between the first time and the second time was determined by both the subtraction method and the addition method. The dose ratio between the second and first doses was set to eight types of 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, and 4.0, and the The total amount was always constant. In this case, the second projection data was 5.40 Mcounts / slice in any case. The reconstruction conditions and data processing are exactly the same as above.
[0051]
Under the conditions of the determined optimal dose ratio, Monte Carlo simulation was performed using one slice of the digitized Hoffman phantom, and reconstructed by the Subtraction method and the Addition method. Assuming that the radioactivity concentration ratio between gray matter and white matter is 4: 1, a uniform absorber (μ = 0.15 cm-1) Was assumed.
[0052]
Evaluate the effects of a noisy baseline.
As described above, in the denominator of the Addition method (2 or 14 of Expression 13), if there is a baseline including noise, convergence by the ML method is not guaranteed. Therefore, in order to examine the degree of error, a Monte Carlo simulation was performed using a digitized Hoffman phantom. The total number of photons for the first (baseline) and the second time was a dose ratio of 1: 1 and the total counts were 6.84 Mcounts / slice and 13.7 Mcounts / slice, respectively. In order to compare with the case where an ideal noise-free baseline is used as the baseline when performing the reconstruction according to 2 or 14 in Equation 13, projection data having 32 times the number of photons is created, standardized, and used. Was.
[0053]
Clinical data.
Evaluation was performed on clinical data of three cases. SPECT measurement was performed using Toshiba GCA-7200, and a LEGP collimator was used as a collimator. The matrix size was 64 × 64 (m = 4096), and the number of projection directions n = 60. The pixel size is 4.3 mm. The main window was set to 20% centering on 140 KeV, and the subwindow set below the main window was set to 8% centering on 122 KeV. After 5 minutes from the first ECD administration (333 MBq), a 7.5 minute SPECT measurement was performed. A second ECD administration (222 MBq) was performed immediately after the first SPECT measurement, and a second SPECT measurement was performed under the same conditions 12.5 minutes after the first administration. ACZ
A load of (1000 mg) was performed immediately before the first SPECT. Detailed information on collection conditions and protocols is omitted.
[0054]
In the data processing, the image was reconstructed by the subtraction method and the addition method. The number of repetitions k was set to 3 and subset = 15. As a pre-processing filter, a Butterworth filter (cutoff frequency fc = 0.24 cycles / pixel, next = 8) was used. The absorption correction is performed by performing contour extraction based on a threshold to obtain a uniform μ value (0.14 cm-1) Was assumed and incorporated into the detection probability. The scattering component was estimated by the TEW method as in the simulation. The ROI analysis was used to compare the subtraction method and the addition method.
[0055]
result.
FIGS. 7A and 7B are graphs showing convergence characteristics obtained by a cylindrical phantom simulation (total count: 1.36 M counts / slice). 7A and 7B, the horizontal axis represents the number of repetitions k, and the vertical axis represents the square error (χ2The first time is given by Equation 15, and the second time is given by Equation 16.) Although the absolute value of the final error was substantially the same in both the subtraction method and the addition method, a clear difference was observed in the convergence characteristics. That is, it has been clarified that the convergence speed of the second SPECT data is slightly reduced in the Addition method. However, when the product of the subset and the number of repetitions k is 20 or more, the two are almost the same, and it is considered that there is no difference in the characteristics under the reconstruction conditions used this time.
[0056]
FIG. 8 is a comparison of reconstructed images by a cylindrical phantom simulation (2.70 Mcounts / slice) when the dose ratio is 1: 1. In the Subtraction method (left side in FIG. 8), the S / N ratio of the second (2nd) reconstructed image is poor. On the other hand, in the Addition method (right side in FIG. 8), the S / N ratio is significantly improved, and as a result, the first time (1st) The image quality is almost the same as.
[0057]
FIGS. 9A and 9B are graphs showing changes in% COV with respect to the total count number when the dose ratio is 1: 1. 9A and 9B, the horizontal axis represents the total number of counts per slice, and the vertical axis represents% COV. The% COV of the subtraction method shown in FIG. 9A is clearly worse in the second time than in the first time (50.4% at the first time and 80.5 at the second time when the total count is 2.70 Mcounts / slice). %), Which is clearly affected by subtraction. On the other hand, in the Addition method shown in FIG. 9 (B), the &% COV of the first time and the second time are almost the same (when the total count is 2.70 Mcounts / slice, the first time is 43.1%, the second time). 41.4%), confirming the usefulness of the Addition method of the present invention. The first time of the subtraction method and the first time of the addition method completely match when the scattering correction is not performed, but in the present simulation, the addition method is slightly better because the scattering correction is performed.
[0058]
On the other hand, FIG. 10 is a graph showing the change with respect to the total count when the horizontal axis represents the total count per slice, and the vertical axis represents the ratio of the second / first ROI value. In this simulation, this ratio should be 1.0, but the value was almost assumed in both the subtraction method and the addition method.
[0059]
FIGS. 11A and 11B show a comparison between the Subtraction method and the Addition method when the abscissa is the dose ratio (second time / first time) (actually, the ratio of the number of generated photons) and the ordinate is% COV. Is shown. As shown in FIG. 11 (A), in the Subtraction method, the first and second% COV became the same when the dose ratio was about 2.0. On the other hand, as shown in FIG. 11 (B), in the Addition method, the first and second% COV became the same when the dose ratio was about 1.0. The absolute value of% COV at the optimal dose was about 54% by the Subtraction method and about 43% by the Addition method. Also at the optimal dose ratio, the result that the Addition method had a better S / N ratio was obtained. This is because the total dose (the number of generated photons in the simulation) is kept the same, so that the first dose of the Subtraction method is 2/3 of the dose of the Addition method.
[0060]
FIG. 12 shows reconstructed images of the Hoffman phantom by the Subtraction method and the Addition method at the optimal dose ratio. As shown in FIG. 12, it is understood that the Addition method (right side in FIG. 12) has a better S / N ratio, similarly to the result of the cylindrical phantom simulation.
[0061]
FIG. 13 shows a scatter diagram of each pixel value of the first and second times of the image shown in FIG. 13A and 13B, the horizontal axis represents the first SPECT count, and the vertical axis represents the second SPECT count. As shown in FIG. 13A, the correlation coefficient becomes r = 0.762 by the subtraction method, and as shown in FIG. 13B, r becomes 0.813 by the addition method, and the variation of the subtraction method is large. Was.
[0062]
FIG. 14 shows that in the second reconstruction of the Addition method, the first baseline of residual radioactivity in the brain is 1) a baseline including noise (left side of FIG. 14), and 2) an ideal noise-free baseline. 14 shows two types of reconstructed images when a baseline is used (right side in FIG. 14). In visual evaluation, the two are almost the same.
[0063]
FIG. 15 is a scatter diagram comparing the pixel values of both pixels in FIG. In FIG. 15, the horizontal axis is the ideal noise-free baseline in FIG. 14, and the vertical axis is the noise-containing baseline in FIG. No systematic error was observed in either case.
[0064]
FIG. 16 shows a comparison of the reconstructed image of the load (second time) applied to the clinical data. In FIG. 16, the left side shows the case of the Subtraction method, and the right side shows the case of the Addition method.
[0065]
FIG. 17 shows a comparison of the two methods on ROIs (1554 ROIs) for three reconstructed images. FIG. 17A shows the first time (at rest), and FIG. 17B shows the second time (at the time of ACZ load). 17A and 17B, the horizontal axis represents the ROI count (Addition method), and the vertical axis represents the ROI count (Subtraction method). When visually evaluated, the Subtraction method was a noisy image, but in the comparison of ROI values, although there was a slight variation for the second time, no significant difference was found.
[0066]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, by incorporating the effect of residual radioactivity in the brain into the calculation formula of the sequential image reconstruction method, the load in the Tc-99mECD two-dose administration method is reduced. The S / N ratio of an image can be improved. Specifically, in the denominator of Expression 14, the total count yi [H-1]To incorporate the effects of residual radioactivity in the brain. For example, in the case of two divided doses, the first count number y in the denominator of Expression 14i [1]Is added. That is, when reconstructing the second SPECT data, the residual radioactivity y in the brain due to the first administration is added to the denominator of Equation 14i [1]Is considered to exist as a baseline. The method according to the image reconstruction processing program of the present invention was evaluated by applying it to simulation data and clinical data. As a result, even when the dose ratio is 1: 1, the S / N ratios of the first and second reconstruction data are almost the same, and it is confirmed that the S / N ratio is improved as compared with the conventional Subtraction method. Was completed. According to the above simulation results, there was no quantitative difference between the case where ideal projection data was used as the baseline and the case where projection data containing noise was used as the baseline. As described above, it is possible to provide an image reconstruction processing program capable of performing brain image reconstruction without performing subtraction when using two (or two or more) divided administration methods.
[0067]
Embodiment 2 FIG.
In Equations 13-2 and 14 in Embodiment 1 described above, scattering correction can also be performed. For the number of divided doses h = 1 to L, Si [H]Is the scattering correction term for one pixel i on the projection data after the h-th divided administration. Where Si [H]Is stored in the h-th scattering correction term recording unit from i = 1 to the number n of pixels i recorded in the pixel number recording unit 10. In this case, Equation 17 may be used instead of Equation 2 and Equation 18 may be used instead of Equation 14.
[0068]
(Equation 25)
Figure 2004309319
[0069]
When Expressions 17 and 18 are used, the first convergence condition in consideration of the scattering correction is expressed by Expression 19, and the second convergence condition is expressed by Expression 20.
[0070]
(Equation 26)
Figure 2004309319
[0071]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 18 is a block diagram showing an internal circuit 70 of a computer that executes a computer program of the present invention for implementing the above-described embodiment. As shown in FIG. 18, the CPU 72, the ROM 74, the RAM 76, the image control unit 78, the controller 86, the input control unit 90, and the external interface (I / F) unit 92 are connected to the bus 82. In FIG. 18, the above-described computer program of the present invention is recorded on a recording medium (including a removable recording medium) such as the ROM 74, the disk 84a, or the CD-ROM 84n. On the disk 84a and the like, a pixel number recording unit 40, a detection probability recording unit 42, an h-th estimated RI density recording unit 50-h, an h-th measurement data recording unit 60-h, and the like are recorded. The computer program of the present invention is loaded into the RAM 76 from the ROM 74 via the bus 82 or from a recording medium such as the disk 84a or the CD-ROM 84n via the controller 86 via the bus 82. The image control unit 78 sends the brain image data to the VRAM 80, and the display unit 45, which is a display device such as a display, displays the brain image based on the brain image data sent from the VRAM 80. The VRAM 80 is an image memory having a capacity corresponding to the data capacity of one screen of the display unit 45. The input operation unit 88 is an input device such as a mouse and a numeric keypad for inputting to the image processing device 44. The input control unit 90 is connected to the input operation unit 88 and performs input control and the like. The external I / F unit 92 has an interface function for connecting to an external communication network (not shown) such as the Internet, for example.
[0072]
The object of the present invention can be achieved when the CPU 72 executes the computer program of the present invention as described above. The computer program can be supplied to the computer CPU 72 in the form of a recording medium such as a CD-ROM 84n as described above, and a recording medium such as a CD-ROM 84n that stores the computer program also constitutes the present invention. Will be. As the recording medium on which the computer program is recorded, for example, a memory card, a memory stick, a DVD, an optical disk, an FD, or the like can be used in addition to the recording medium described above.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the image reconstruction processing program of the present invention, by incorporating the effect of residual radioactivity in the brain into the calculation formula of the sequential image reconstruction method, the Tc-99mECD in the two-dose administration method can be used. The S / N ratio of the load image can be improved. Specifically, the total count number y up to the previous time in the denominator of Expression 14 isi [H-1]To incorporate the effects of residual radioactivity in the brain. For example, in the case of two divided doses, the first count number y in the denominator of Expression 14i [1]Is added. That is, when reconstructing the second SPECT data, the residual radioactivity y in the brain due to the first administration is added to the denominator of Equation 14i [1]Is considered to exist as a baseline. As a result of applying the method according to the image reconstruction processing program of the present invention to simulation data and clinical data and evaluating the results, the S / N ratio of the first and second reconstruction data was obtained even when the dose ratio was 1: 1. The ratios were almost the same, and it was confirmed that the S / N ratio was improved compared to the conventional Subtraction method. According to the above simulation results, there was no quantitative difference between the case where ideal projection data was used as the baseline and the case where projection data containing noise was used as the baseline. As described above, it is possible to provide an image reconstruction processing program capable of performing brain image reconstruction without performing subtraction when using two (or two or more) divided administration methods.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining application of a maximum likelihood estimation method to image reconstruction.
FIG. 2 is a diagram illustrating the application of maximum likelihood estimation to image reconstruction when RI is measured by an n-direction detector.
FIG. 3 is a diagram illustrating application of the maximum likelihood estimation method to image reconstruction when considering RI around a pixel j (5).
FIG. 4 is a graph showing RI concentration λ using equation 13.jFIG. 9 is a diagram illustrating a calculation example for estimating.
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of generating a reconstructed image after the first (h = 1) divided administration.
FIG. 6 is a flowchart showing a flow of generation of a reconstructed image after the second (h = 2) divided administration.
FIG. 7 is a graph showing convergence characteristics obtained by a cylindrical phantom simulation (total count: 1.36 M counts / slice).
FIG. 8 is a diagram showing a comparison of reconstructed images by a cylindrical phantom simulation (2.70 Mcounts / slice) when the dose ratio is 1: 1.
FIG. 9 is a graph showing the change in% COV with respect to the total count number when the dose ratio is 1: 1.
FIG. 10 is a graph showing a change with respect to the total count when the horizontal axis is the total count per slice and the vertical axis is the ratio of the ROI value to the second / first time.
FIG. 11 is a graph showing a comparison between the subtraction method and the addition method when the dose ratio (second time / first time) (actually, the ratio of the number of generated photons) is plotted on the horizontal axis and% COV is plotted on the vertical axis.
FIG. 12 is a diagram showing reconstructed images of a Hoffman phantom by the Subtraction method and the Addition method at the optimal dose ratio.
13 is a scatter diagram of each pixel value of the first and second times of the image shown in FIG. 12;
FIG. 14 shows two types of cases in which a noise-containing baseline and a noise-free ideal baseline are used as the first baseline of residual radioactivity in the brain in the second reconstruction of the Addition method. FIG. 3 is a diagram showing a reconstructed image of FIG.
FIG. 15 is a scatter diagram comparing the two pixel values of FIG. 14;
FIG. 16 is a diagram showing a comparison of a load (second time) applied to clinical data in a reconstructed image.
FIG. 17 is a diagram showing a comparison between two methods in ROIs (1554 ROIs) obtained for three reconstructed images.
FIG. 18 is a block diagram showing an internal circuit 70 of a computer such as an image processing device 44 that executes a computer program of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing the concept of a two-dose administration method.
[Explanation of symbols]
3, 5 pixels, 10 tomographic images, 20 projection data, 30, 31, 32, 33 detector, 40 pixel number recording unit, 42 detection probability recording unit, 50-h h-th estimated RI density initial value recording unit, 52 , 62 scattering components, 54, 64 primary components, 60-h hth measurement data recording section, 70 internal circuit, 72 CPU, 74 ROM, 76 RAM, 78 VRAM, 80 image control section, 82 bus, 84a disk, 84n CD-ROM, 86 controller, 88 input operation unit, 90 input control unit, 92 external I / F unit.

Claims (9)

放射性同位元素(Radio Isotope : RI)で標識されたトレーサを所定の組織へL(Lは2以上)回分割投与し、各分割投与後に単光子放出コンピュータ断層撮影(Single Photon Emission Computed Tomography : SPECT)または陽電子放出断層撮影(Positron Emission Tomography : PET)測定を行って得られた各SPECT測定データまたは各PET測定データに基づいて、各分割投与後の再構成画像を得る処理をコンピュータを用いて実行する画像再構成処理プログラムであって、
j(=1〜m)を再構成画像上の画素とし、ここでmは再構成画像上の画素の総数であり、i(=1〜n)を前記所定の組織に投与されたRIから放出された光子が当該光子を検出する検出器へ投影される際の投影データ上の画素とし、ここでmおよびnは予め画素数記録部に記録されており、
ijを再構成画像上の画素jから放出された光子が投影データ上の1画素iで検出される確率とし、ここでcijは予めj=1から前記画素数記録部に記録されたmまでおよびi=1から前記画素数記録部に記録されたnまで検出確率記録部に記録されており、
h=1からLについて、λ [h]を、第h回目の分割投与について用いられる、0回目の逐次近似における再構成画像上の画素jの推定RI濃度とし、ここでλ [h]は予めj=1から前記画素数記録部に記録された画素jの数mまで第h回推定RI濃度初期値記録部に記録されており、
h=1からLについて、y [h]を、第h回目の分割投与後に、投影データ上の1画素iで検出された光子のカウント数とし、ここでy [h]は測定後にi=1から前記画素数記録部に記録された画素iの数nまで第h回測定データ記録部に記録されており、コンピュータに、
第1回目の分割投与後の再構成画像を、k回目の逐次近似における再構成画像上の画素jの推定RI濃度λ [1]を式(1)を用いてk=0から所定の第1収束条件が成立するまで繰返し計算することにより求める第1回再構成画像生成ステップ、
Figure 2004309319
ここで、λ [1]は前記第1回推定RI濃度初期値記録部に設定され、cijは前記検出確率記録部に記録され、y [1]は前記第1回測定データ記録部に記録されたものであり、
h=2からLまで、第h回目の分割投与後の再構成画像を、k回目の逐次近似における再構成画像上の画素jの推定RI濃度λ [h]を式(2)を用いてk=0から所定の第2収束条件が成立するまで繰返し計算することにより求める第h回再構成画像生成ステップ、
Figure 2004309319
ここで、λ [h]は前記第h回推定RI濃度初期値記録部に設定され、y [h]は前記第h回測定データ記録部に記録されたものであるというステップを実行させるための画像再構成処理プログラム。
A tracer labeled with a radioisotope (Radio Isotope: RI) is divided into L (L is 2 or more) divided doses to a predetermined tissue, and after each divided dose, single photon emission computed tomography (SPECT) is performed. Alternatively, a process of obtaining a reconstructed image after each divided administration is performed using a computer based on each SPECT measurement data or each PET measurement data obtained by performing Positron Emission Tomography (PET) measurement. An image reconstruction processing program,
Let j (= 1 to m) be the pixel on the reconstructed image, where m is the total number of pixels on the reconstructed image and release i (= 1 to n) from the RI administered to the given tissue The photon is a pixel on the projection data when projected to a detector that detects the photon, where m and n are recorded in the pixel number recording unit in advance,
and the probability that the photons emitted from the pixel j in the reconstructed image c ij are detected on a pixel i on the projection data, wherein c ij is recorded from previously j = 1 to the number of pixels recorded portion m And from i = 1 to n recorded in the pixel number recording section are recorded in the detection probability recording section,
For h = 1 to L, let λ j 0 [h] be the estimated RI density of pixel j on the reconstructed image in the 0 th successive approximation used for the h th divided dose, where λ j 0 [ h] are previously recorded in the h-th estimated RI density initial value recording unit from j = 1 to the number m of the pixels j recorded in the pixel number recording unit in advance,
For h = 1 to L, y i [h] is the count of photons detected at one pixel i on the projection data after the h-th divided administration, where y i [h] is i = 1 to the number n of the pixels i recorded in the pixel number recording unit are recorded in the h-th measurement data recording unit.
The reconstructed image after the divided doses of the first round, the estimated RI concentration lambda j k pixel j in the reconstructed image in k-th iterative [1] Equation (1) from k = 0 predetermined by using A first reconstructed image generation step obtained by repeatedly calculating until a first convergence condition is satisfied;
Figure 2004309319
Here, λ j 0 [1] is set in the first estimated RI concentration initial value recording unit, c ij is recorded in the detection probability recording unit, and y i [1] is the first measurement data recording. Is recorded in the department,
from h = 2 to L, and the h-th reconstructed image after the divided doses of the estimated RI concentration lambda j k pixel j in the reconstructed image [h] in the successive approximation of the k-th using the equation (2) An h-th reconstructed image generation step of repeatedly calculating from k = 0 until a predetermined second convergence condition is satisfied;
Figure 2004309319
Here, lambda j 0 [h] is set to the first h times estimated RI concentration initial value recording unit, executes the steps of y i [h] are those recorded in the first h measurements data recording unit Image reconstruction processing program for causing
請求項1記載の画像再構成処理プログラムにおいて、h=1からLについて、S [h]を第h回目の分割投与後における投影データ上の1画素iにおける散乱補正項とし、ここでS [h]はi=1から前記画素数記録部に記録された画素iの数nまで第h回散乱補正項記録部に記録されており、
Figure 2004309319
前記第1回再構成画像生成ステップにおいて式(1)の替わりに式(3)を用い、前記第h回再構成画像生成ステップにおいて式(2)の替わりに式(4)を用いることを特徴とする画像再構成処理プログラム。
In claim 1, wherein the image reconstruction processing program, the L from h = 1, the scatter correction term in 1 pixel i on the projection data S i [h] after divided doses of the h-th, where S i [H] is recorded in the h-th scattering correction term recording unit from i = 1 to the number n of the pixels i recorded in the pixel number recording unit;
Figure 2004309319
Equation (3) is used in place of Equation (1) in the first reconstructed image generation step, and Equation (4) is used in place of Equation (2) in the h-th reconstructed image generation step. Image reconstruction processing program.
請求項1記載の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第1収束条件は、式(5)で求められる値が、
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件であることを特徴とする画像再構成処理プログラム。
2. The image reconstruction processing program according to claim 1, wherein the predetermined first convergence condition is a value obtained by Expression (5):
Figure 2004309319
An image reconstruction processing program, characterized in that the condition is not more than a predetermined value.
請求項1記載の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第2収束条件は、式(6)で求められる値が、
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件であることを特徴とする画像再構成処理プログラム。
2. The image reconstruction processing program according to claim 1, wherein the predetermined second convergence condition is a value obtained by Expression (6):
Figure 2004309319
An image reconstruction processing program, characterized in that the condition is not more than a predetermined value.
請求項2記載の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第1収束条件は、式(7)で求められる値が、
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件であることを特徴とする画像再構成処理プログラム。
3. The image reconstruction processing program according to claim 2, wherein the predetermined first convergence condition is:
Figure 2004309319
An image reconstruction processing program, characterized in that the condition is not more than a predetermined value.
請求項2記載の画像再構成処理プログラムにおいて、前記所定の第2収束条件は、式(8)で求められる値が、
Figure 2004309319
所定の値以下となる条件であることを特徴とする画像再構成処理方法。
3. The image reconstruction processing program according to claim 2, wherein the predetermined second convergence condition is a value obtained by Expression (8):
Figure 2004309319
An image reconstruction processing method, characterized in that the condition is not more than a predetermined value.
請求項1ないし6のいずれかに記載の画像再構成処理プログラムにおいて、前記検出確率記録部に記録されたcijは、再構成画像上の画素jの投影方向に投影データ上の画素iが存在する場合は1とし、他の場合は0とすることを特徴とする画像再構成処理プログラム。In claims 1 to image reconstruction processing program according to any one of 6, c ij recorded on the detection probability recording unit, there is a pixel i on the projection data in the projection direction of the pixel j in the reconstructed image An image reconstruction processing program characterized in that the value is set to 1 when the processing is performed and set to 0 otherwise. 請求項1ないし7のいずれかに記載の画像再構成処理プログラムにおいて、前記第1回推定RI濃度初期値記録部に記録されたλ [h]は、予めj=1から前記画素数記録部に記録された画素jの数mまで1と記録されていることを特徴とする画像再構成処理プログラム。In the image reconstruction processing program according to any one of claims 1 to 7, wherein the first time estimation RI concentration initial value recorded in the recording unit the λ j 0 [h] is the number of pixels recorded in advance from j = 1 An image reconstruction processing program, wherein 1 is recorded up to several m of pixels j recorded in a section. 請求項1ないし8のいずれかに記載のプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体。A computer-readable recording medium on which the program according to claim 1 is recorded.
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