JP2005127837A - Ｓｐｅｃｔ装置及びｓｐｅｃｔ画像再構成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再構成領域を限定する手法を用いてコリメータ開口補正を行い、再構成画像の分解能が劣化することを防止したＳＰＥＣＴ再構成を行なう。
【解決手段】被検体内に投与された核種が放出する放射線がコリメータを介して放射線検出器で検出される。本願に係るＳＰＥＣＴ用画像再構成方法によれば、この検出により得た投影データをＦＢＰ法に基づいて再構成領域に逆投影することにより、当該領域が画像を再構成される。この再構成のときに、前記再構成領域のうちの、当該領域の中心を原点にしたときのコリメータに近い側の半円領域を、その残りの半円領域よりも優先させる重み関数を用いて前記投影データを当該再構成領域に逆投影する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、被検体に投与した核種から放出される放射線を検出して画像を得る核医学診断装置のうち、シングルフォトンＥＣＴ（single photon emission computed tomography: SPECT）と呼ばれる断層撮影法を実行するＳＰＥＣＴ装置に係り、とくに、検出器に設けたコリメータからの距離に依存した解像度の劣化を排除又は抑制した画像再構法を実行するＳＰＥＣＴ装置に関する。

近年のハードウェア及びソフトウェアの技術進歩に相俟って、医用機器としての核医学診断装置も大きな進歩を見せており、とくに、断層面の画像を得るエミッションＣＴ（ＥＣＴ）装置でその感が強い。エミッションＣＴの一形態に、シングルフォトンＥＣＴ（ＳＰＥＣＴ）がある。

このＳＰＥＣＴを実施するＳＰＥＣＴ装置は、基本的に、被検体に投与された核種（ＲＩ）から放出されるγ線を検出するためにγ線の入射方向を制御するコリメータと、このコリメータを通過したγ線を光信号に変換するシンチレータと、このシンチレータから出力される光信号から電気信号に変換する光電子倍増管と、この光電子倍増管から得られたデータを投影データとして蓄積するデータ収集部とを備えたガンマカメラと、このガンマカメラから出力される投影データを再構成することにより被検体内の核種の分布像をＳＰＥＣＴ像として生成する再構成部とを備える。

このＳＰＥＣＴ装置では、コリメータから核種までの距離が大きくなるにつれて、その核種の位置の解像度が劣化するという現象が生じる。このため、かかる解像度の劣化を防止するには、補正（これを、コリメータ開口補正と呼ぶ）が必要である。このコリメータ開口補正を伴った再構成法として、従来、いくつかの方法が使用されている。

その一つは、特許文献１に示すように、「無円法ファンビーム高解像度直接再構成法」と呼ばれる方法である。これは、ファンビームコリメータによる投影データを直接再構成法で再構成するときに、ガンマカメラのコリメータ面に遠い方の再構成領域に無円と呼ばれる、円形の逆投影をしない領域を設定し、残りの領域からのコリメータ開口に因るボケの少ないデータのみを用いて再構成する手法である。

別の再構成法は、非特許文献１及び２に示すように、「ＯＳ−ＥＭ（Ordered subsets-expectation maximization）再構成法（又は、ＭＬ−ＥＭ(maximum likelihood expectation maximization)再構成法）」と呼ばれる手法である。これは、コリメータ開口に因る影響を組み込んだ再構成法であり、具体的には、逐次近似演算の過程にコリメータ開口に因る影響を想定したボケ関数を組み込んで、コリメータ面からの距離に依存した補正、すなわちコリメータ開口補正の機能を含んだ再構成を行うようにしたものである。
特開平４−３７０７８４号公報 映像情報（Ｍ） １９９８年９月 Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１８、１１１８〜１１２３頁、篠原広行 他、「画像再構成法 ＭＬ−ＥＭアルゴリズムの概要と意義」 Hudson HM and Larkin RS: Accelerated image reconstruction using ordered subsets of projection data IEEE Trans Med Imag 1994: MI-13: 601-609

しかしながら、上述したコリメータ開口補正のうち、「無円法ファンビーム高解像度直接再構成法」の場合、ファンビーム収集による投影データを再構成する手法であり、パラレルビーム収集による投影データは何等考慮されていなかった。

また、「無円法ファンビーム高解像度直接再構成法」は、ファンビームに基づく投影データを直接、再構成するものであるため、人体のγ線の減弱を補正することは困難であった。

一方、前述したＯＳ−ＥＭ再構成法（又は、ＭＬ−ＥＭ再構成法）は、減弱補正を組み込むことができるが、その代わりに、演算量が膨大になり、再構成に要する処理時間が長くなり、ルーチン検査には不向きになる。

そこで、本発明は、上述したＳＰＥＣＴ装置の現状に鑑みてなされたもので、パラレルビーム収集による投影データに対して、その画像再構成時に、「無円法ファンビーム高解像度直接再構成法」のように再構成領域を限定する手法を用いてコリメータ開口補正を行い、再構成画像の分解能が劣化することを防止したＳＰＥＣＴ装置及びＳＰＥＣＴ画像再構成方法を提供することを、第１の目的とする。

さらに、本発明は、上述した目的と同時に、再構成時に減弱補正を行なうことができ、また、ＯＳ−ＥＭ再構成法（又は、ＭＬ−ＥＭ再構成法）と比べて、処理時間も短くて済むＳＰＥＣＴ装置及びＳＰＥＣＴ画像再構成方法を提供することを、第２の目的とする。

上述した第１の目的を達成するために、本発明の１つの態様に係るＳＰＥＣＴ用画像再構成方法によれば、被検体内に投与された核種が放出する放射線をコリメータを介して放射線検出器で検出して、この検出により得た投影データをＦＢＰ法に基づいて再構成領域に逆投影することにより、当該領域の画像を再構成するＳＰＥＣＴ用画像再構成方法において、前記再構成領域のうちの、当該領域の中心を原点にしたときのコリメータに近い側の半円領域を、その残りの半円領域よりも優先させる重み関数を用いて前記投影データを当該再構成領域に逆投影することを特徴とする。また、本発明よれば、これと同等の機能を発揮する構成を備えたＳＰＥＣＴ装置も提供される。

上述した第２の目的を達成するために、本発明の別の態様に係るＳＰＥＣＴ用画像再構成方法によれば、被検体内に投与された核種が放出する放射線をコリメータを介して放射線検出器で検出して、この検出により得た投影データをＣｈａｎｇ逐次近似法に基づいて再構成領域の画像を再構成するＳＰＥＣＴ用画像再構成方法において、前記再構成領域のうちの、当該領域の中心を原点にしたときのコリメータに近い側の半円領域を、その残りの半円領域よりも優先させる重み関数を用いて前記投影データから減弱補正マップを求め、この減弱補正マップを用いてＣｈａｎｇ逐次近似法に基づいて前記再構成領域の画像を再構成することを特徴とする。また、本発明よれば、これと同等の機能を発揮する構成を備えたＳＰＥＣＴ装置も提供される。

本発明によれば、上述した１つの態様に係る構成によって、パラレルビーム収集による投影データに対して、その画像再構成時に、「無円法ファンビーム高解像度直接再構成法」のように再構成領域を限定する手法を用いてコリメータ開口補正を行い、再構成画像の分解能が劣化することを防止することができる。

また、上述した別の態様に係る構成によって、上述の効果に加え、再構成時に減弱補正を行なうことができ、また、ＯＳ−ＥＭ再構成法（又は、ＭＬ−ＥＭ再構成法）と比べて、処理時間も短くて済む。

以下、本発明の係るＳＰＥＣＴ装置及びＳＰＥＣＴ画像再構成方法の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態に係るＳＰＥＣＴ装置の構成の概要を示す。同図に示すように、このＳＰＥＣＴ装置は、架台１１、前処理装置１２、画像再構成装置１３、表示器１４、入力器１５、及びデータ収集制御装置１６を備える。なお、図１において、参照符号Ｆは仮想焦点を示す。

このうち、架台１１は、被検体Ｐに投与された核種（ＲＩ）から放出されるγ（ガンマ）線に対応した信号を投影データとして検出するための、検出面を有するガンマカメラ２０を備える。このガンマカメラ２０は、例えば前述したシンチレータを用いた２次元の検出部を有し、検出面に入射するγ線を検出し、その検出信号を処理して２次元画素領域（検出面）の投影データを収集することができる。なお、このガンマカメラ２０は、半導体セルを２次元アレイ状に配列した検出部を備えた構成であってもよい。

このガンマカメラ２０検出面には、コリメータ２１が取り付けられている。ガンマカメラ２０及びコリメータ２１は、一体に被検体の周囲を回転しながら、その３６０度の方向からγ線を検出できるように支持されている。なお、ガンマカメラは、必ずしも１台である必要はなく、複数台のガンマカメラを備えて、３６０度の方向を、それぞれのガンマカメラで分担して担当し、全体として、３６０度の方向から検出できればよい。

このガンマカメラ２０による投影データの収集は、データ収集制御装置１６により制御されて行われる。データ収集制御装置１６は、入力器１５から与えられる所望のデータ収集条件に基づいてガンマカメラ２０によるデータ収集動作を制御できるようになっている。

ガンマカメラ２０で２次元検出されたγ線に対応した投影データは、前処理装置１２に送られ、その内蔵メモリに一時的に格納される。この前処理装置１２は、格納した投影データに所定の前処理（均一性補正、回転中心補正、前処理フィルタリングなど）を施した後、そのデータを画像再構成装置１３に送る。画像再構成装置１３は、送られてきた投影データに、後述する再構成処理を施してＳＰＥＣＴ画像を得る。このＳＰＥＣＴ画像は、表示器１４により適宜な態様で表示される。オペレータは、入力器１５を操作して、ＳＰＥＣＴ撮影に必要な情報、例えばデータ収集、前処理、再構成、逆投影などに関する各種の条件を装置に与えることができる。

次に、この実施形態で実行される再構成処理を説明する。

この再構成処理は、減弱補正を行わない場合であって、再構成する領域を限定した逆投影法（限定領域逆投影法）をパラレルビーム収集の投影データに適用して高解像度のＳＰＥＣＴ画像を提供するものである。

かかる再構成は、前処理装置１２及び画像再構成装置１３が協働して図２に示す手順の元に実行される。なお、この前処理装置１２及び画像再構成装置１３で実行される機能は、一つのコンピュータ装置などの演算装置に持たせるようにしてもよい。

最初に、前処理装置１２及び画像再構成装置１３は、入力器１５を介してオペレータから与えられた操作情報に基づいて処理条件を設定する（ステップＳ１）。この処理条件には、再構成の処理範囲の設定、前処理フィルタ等の前処理要素のパラメータ設定などが含まれる。

次いで、前処理装置１２は、ガンマカメラ１２により収集して、当該装置１２のメモリに記憶されている投影データを読み出す（ステップＳ２）。

次いで、前処理装置１２により、投影データに前処理が施される（ステップＳ３）。この前処理により、均一性補正、回転中心補正、前処理用のフィルタリングなどがなされる。

次いで、画像再構成装置１３により、収集データのサイノグラムデータが作成され（ステップＳ４）、再構成フィルタ（Ramachandran, Shepp&Loganなどのフィルタ）とのコンボリューションが実行される（ステップＳ５）。

次いで、画像再構成装置１３により、限定領域逆投影時に用いる重み関数が作成される（ステップＳ６）。この重み関数は、投影データの再構成領域のうち、その領域中央の位置を中心に、コリメータの近接する側（投影データ側）の半円領域では高い重みを有し、且つ、その領域に対向する反対側（対向投影データ側）の半円領域で低い重みを有する。

例えば、図３（ａ）に示すように、再構成領域の中心で０．５の重みを有し、その重みを、かかる中心から投影データ側及び対向投影データ側それぞれに重み１及び０まで所定の傾斜で直線的に変化させる直線型の重み関数であってもよい。また、同図（ｂ）に示すように、再構成領域の中心で０．５の重みを有し、その重みを、かかる中心から投影データ側及び対向投影データ側それぞれに重み１及び０までコサインカーブに沿って変化させるｃｏｓ型の重み関数であってもよい。

さらに、画像再構成装置１３により、前述したように作成された重み関数を用いて、限定領域逆投影が実行される（ステップＳ７）。この限定領域逆投影の概念を図４に示す。同図にて説明されるように、各投影方向に対して、再構成領域の画素毎に、逆投影データに重み付け関数を掛け合わせ、その乗算結果を再構成領域の各画素に足し込まれる。この結果、投影データ（すなわちコリメータ）に近い半円領域の画素（すなわち体表に近い領域の画素）ほど、その投影データの影響を強く受けるように重み付けされながら逆投影されて、再構成されたＳＰＥＣＴ画像が得られる。

このステップＳ４〜Ｓ７の処理は、指定スライス数分のＳＰＥＣＴ画像の限定領域逆投影に基づく再構成が完了するまで繰り返される（ステップＳ８）。

このように、本実施形態に係るＳＰＥＣＴ装置は、コリメータに近い被検体部位からの投影データが、それよりも遠い被検体部位からの投影データよりも多くの情報を有していることを利用しており、その近い被検体部位からの投影データの優位性を重み関数で引き出したものである。従来の通常のＦＢＰ法のように、情報量の大小に関わらず、同じ扱いをする（つまり、従来の場合の重みは一定である）ことはせず、再構成する領域に応じて重みを変えることで、コリメータ開口に起因した画像分解能の劣化を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図１、５〜９を参照して説明する。

この第２の実施形態に係るＳＰＥＣＴ装置は、ハードウェアの面では、前述した図１に示す装置と同様に構成される。しかしながら、前処理装置１２及び画像再構成装置１３により協働して実行される処理の内容が異なる。

本実施形態では、前述した「限定領域逆投影法」に「Ｃｈａｎｇの逐次近似法」を用いた、投影データを再構成する処理が実行される。

かかる再構成は、前処理装置１２及び画像再構成装置１３が協働して図５，６に示す手順の元に実行される。なお、この前処理装置１２及び画像再構成装置１３で実行される機能は、一つのコンピュータ装置などの演算装置に持たせるようにしてもよい。

最初に、前処理装置１２及び画像再構成装置１３は、入力器１５を介してオペレータから与えられた操作情報に基づいて処理条件を設定する（図５、ステップＳ１１）。この処理条件には、再構成の処理範囲の設定、前処理フィルタ等の前処理要素のパラメータ設定、減弱マップ（測定対象におけるγ線の減弱係数の分布を表す画像）の選択などが含まれる。

次いで、前処理装置１２は、ガンマカメラ１２により収集して、当該装置１２のメモリに記憶している投影データを読み出す（ステップＳ１２）。

次いで、前処理装置１２により、パラレルビーム収集の投影データに前処理が施される（ステップＳ１３）。この前処理により、均一性補正、回転中心補正、前処理用のフィルタリングなどがなされる。

次いで、画像再構成装置１３により、サイノグラムデータが作成される（ステップＳ１４）。

さらに、画像再構成装置１３により、再構成の限定領域を決める重み関数が第１の実施形態と同様に作成される（ステップＳ１５：図８参照）。

さらに、画像再構成装置１３により、選択された減弱マップから限定領域減弱補正マップが作成される（ステップＳ１６）。この作成には、３６０度分の投影データを使用するが、被検体の体表に近い半円分の画像再構成領域のみの減弱分を求める。

すなわち、再構成領域の全領域の減弱補正マップを求めるときと同様に、投影角度毎に、減弱マップの画素位置に対する減弱を演算する。図７（ａ）は、円筒型ファントムの対する投影角度０度のおける減弱分布を示す。この減弱分布に、図８に示す重み関数（図７（ｂ）参照）を乗じることで、再構成の限定領域に対する減弱分布を求める（図７（ｃ）参照）。このようにして３６０度分の減弱分布を求め、これを、図９（ａ）に模式的に示すように、相互に加算平均することで、その断面の減弱分布が演算される。この減弱分布が求められると、この減弱分布から演算により減弱補正マップが求められる。

この一連の準備が終ると、画像再構成装置１３により、Ｃｈａｎｇの逐次近似法を用いた、減弱補正を伴う限定領域画像再構成が実行される（ステップＳ１７）。

この画像再構成の処理の概要を図６に示す。最初に、０次近似の再構成が行なわれる（ステップＳ１７Ａ）。この再構成は、減弱補正を行なわずに限定角領域逆投影により再構成された画像の画素値を２倍して、この画像に限定領域減弱マップを掛け合わせることで実行される。

次いで、投影データが作成される（ステップＳ１７Ｂ）。これは、ｎ次の近似像から、減弱マップに基づく減弱を加味した投影データを３６０度分、作成することで実行される。この投影データの作成においては、通常のＣｈａｎｇ逐次近似法と同様に、全ての再構成領域のデータが同じ重みで加算される。

次いで、誤差データが算出される（ステップＳ１７Ｃ）。つまり、オリジナルの投影データから、上述の如く算出した投影データを画素毎に差分することで演算される。

この後、誤差データが、再構成で用いたコンボリューション関数を用いてコンボリューションされる（ステップＳ１７Ｄ）。さらに、誤差データが再構成される（ステップＳ１７Ｅ）。すなわち、減弱補正無しの限定角領域逆投影により再構成された再構成像の画素値の２倍にし、この再構成像に限定領域減弱補正マップが掛け合わされる。

さらに、直前の次数の再構成データに、誤差データを再構成したデータが加算される（ステップＳ１７Ｆ）。このステップＳ１９Ｂ〜Ｓ１９Ｆの処理は、指定された次数の分だけ繰り返される（ステップＳ１７Ｇ）ので、指定次数分の処理が終わると、各スライスの指定次数までの信号成分を反映させた最終的なＳＰＥＣＴ画像が得られる。

なお、図５におけるステップＳ１４〜Ｓ１７の処理は、指定されたスライス枚数分だけ繰り返して実行され、各スライスの減弱補正を行なったＳＰＥＣＴ画像が得られる（ステップＳ１８）。

このように、本発明に係る、重み関数を用いた限定領域逆投影法をＣｈａｎｇ逐次近似法に適用することで、前述した第１の実施形態で得られた作用効果に加えて、適確に減弱補正を行なうことができ、高品質のＳＰＥＣＴ画像を提供することができる。このため、従来の無円法ファンビーム高解像度ＳＰＥＣＴ再構成法が直面していた減弱補正の実行が難しいという状況を打破できる。また、ＯＳ−ＥＭ再構成法（又は、ＭＬ−ＥＭ再構成法）と比べて、処理時間も短くて済むという利点もある。

本発明の実施形態に係るＳＰＥＣＴ装置の概要を説明するブロック図。 第１の実施形態に係る再構成処理の概要を説明するフローチャート。 重み関数を例示するグラフ。 第１の実施形態に係る逆投影を説明する図。 第２の実施形態に係る再構成処理の概要を説明するフローチャート。 第２の実施形態に係る再構成処理の中で実行される減弱補正再構成をより詳細に説明するフローチャート。 限定領域減弱補正マップの作成を説明する図。 重み関数の一例を説明するグラフ。 限定領域減弱補正マップの作成を説明する別の図。

符号の説明

１１ 架台
１２ 前処理装置
１３ 画像再構成装置
１４ 表示器
１５ 入力器
２１ ガンマカメラ
２２ コリメータ
Ｐ 被検体

Claims (8)

1. 被検体内に投与された核種が放出する放射線をコリメータを介して放射線検出器で検出して、この検出により得た投影データをＦＢＰ法に基づいて再構成領域に逆投影することにより、当該領域の画像を再構成するＳＰＥＣＴ用画像再構成方法において、
   前記再構成領域のうちの、当該領域の中心を原点にしたときのコリメータに近い側の半円領域を、その残りの半円領域よりも優先させる重み関数を用いて前記投影データを当該再構成領域に逆投影することを特徴とするＳＰＥＣＴ画像再構成方法。
2. 前記重み関数は、前記画像再構成領域の原点に関して前記コリメータに近い側の半円領域から前記残りの半円領域にかけて徐々に重みが低下するように設定した重み関数であることを特徴とする請求項１に記載のＳＰＥＣＴ画像再構成方法。
3. 前記重み関数は、前記重みの低下の度合いが直線的に変化する重み関数又はコサイン曲線に沿って変化する重み関数の何れかであることを特徴とする請求項２に記載のＳＰＥＣＴ画像再構成方法。
4. 被検体内に投与された核種が放出する放射線をコリメータを介して放射線検出器で検出して、この検出により得た投影データをＣｈａｎｇ逐次近似法に基づいて再構成領域の画像を再構成するＳＰＥＣＴ用画像再構成方法において、
   前記再構成領域のうちの、当該領域の中心を原点にしたときのコリメータに近い側の半円領域を、その残りの半円領域よりも優先させる重み関数を用いて前記投影データから減弱補正マップを求め、
   この減弱補正マップを用いてＣｈａｎｇ逐次近似法に基づいて前記再構成領域の画像を再構成することを特徴とするＳＰＥＣＴ用画像再構成方法。
5. 前記重み関数は、前記画像再構成領域の原点に関して前記コリメータに近い側の半円領域から前記残りの半円領域にかけて徐々に重みが低下するように設定した重み関数であることを特徴とする請求項４に記載のＳＰＥＣＴ画像再構成方法。
6. 被検体内に投与された核種が放出する放射線をコリメータを介して検出する放射線検出器を備え、この放射線検出器により検出された投影データをＦＢＰ法に基づいて再構成領域に逆投影して当該領域の画像を再構成するように構成したＳＰＥＣＴ装置において、
   前記再構成領域のうちの、当該領域の中心を原点にしたときのコリメータに近い側の半円領域を、その残りの半円領域よりも優先させる重み関数を作成する手段と、この重み関数を用いて前記投影データを当該再構成領域に逆投影する手段とを備えたことを特徴とするＳＰＥＣＴ装置。
7. 前記重み関数は、前記画像再構成領域の原点に関して前記コリメータに近い側の半円領域から前記残りの半円領域にかけて徐々に重みが低下するように設定した重み関数であることを特徴とする請求項６に記載のＳＰＥＣＴ装置。
8. 被検体内に投与された核種が放出する放射線をコリメータを介して検出する放射線検出器と、この放射線検出器により検出された投影データをＣｈａｎｇ逐次近似法に基づいて再構成領域の画像を再構成するようにしたＳＰＥＣＴ装置において、
   前記再構成領域のうちの、当該領域の中心を原点にしたときのコリメータに近い側の半円領域を、その残りの半円領域よりも優先させる重み関数を用いて前記投影データから減弱補正マップを求める手段と、
   この減弱補正マップを用いてＣｈａｎｇ逐次近似法に基づいて前記再構成領域の画像を再構成する手段とを備えたことを特徴とするＳＰＥＣＴ装置。

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