JP2007271428A - ガンマ線の同時計数方法および核医学診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偶発同時計数の影響を低減し信号対雑音比を向上させたガンマ線の同時計数方法および核医学診断装置を提供する。
【解決手段】核医学診断装置は、ガンマ線を検出する検出器１と、同時計数窓長のパルスを生成するゲート発生器２と、２つのパルスの重なりを検出する論理演算回路３と、被験者の放射能濃度と同時計数における時間窓長とを関係づけるための時間窓長テーブルを記憶した記憶装置４と、時間窓長テーブルを参照し被験者の放射能濃度に応じた時間窓長の値をゲート発生器２に入力する同時計数窓長設定器５と、予測時間放射能曲線発生器６と、予測時間放射能曲線発生器６へ放射性薬剤の投与量などを入力するための入力部７と、を具備し、被験者に投与した放射性薬剤の投与量（放射能濃度）などに対応して、信号対雑音比が大きくなるように時間窓長が変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、偶発同時計数の影響を低減し信号対雑音比を向上させたガンマ線の同時計数方法および核医学診断装置に関する。

核医学診断装置のひとつに、陽電子断層撮像（Positron Emission Tomography; PET）装置があげられる。陽電子断層撮像装置は、陽電子放出核種によって標識された放射性薬剤を被検体（被験者）内に投与し、この放射性薬剤が集積した部位から発生するガンマ線を測定して、放射性薬剤の分布を画像化する。放射性薬剤から放出された陽電子は、近傍の電子と対消滅を起こし、その結果、１８０度反対方向に２つのガンマ線が放出される。この陽電子−電子の対消滅によって発生したガンマ線を、２つの検出器で同時に検出すれば、これらの検出器を結ぶ直線上に放射性薬剤が存在していたことが分かる。これらの同時に検出されたガンマ線の飛跡のデータをもとに、画像再構成を行えば、放射能濃度の分布、すなわち、病巣の状態を画像化できる。

陽電子−電子の対消滅によって発生した２つのガンマ線を判別する方法に同時計数法がある。一般に、ガンマ線の同時計数法は、ガンマ線を検出する複数の検出器と、検出されたガンマ線が同時に検出されたか否かを判定する同時計数回路とで構成される。この同時計数回路において、ある時間窓内に２つのガンマ線が入ってきた場合、２つのガンマ線は同時計数であると判定される。

このときの時間窓長は、通常、検出器における時間分解能の３倍〜４倍の値が用いられ、測定中、この時間窓長は一定であった（非特許文献１参照）。

また、広範囲のエネルギーのガンマ線に対して、同時計数を正しく行うため、検出したガンマ線のエネルギーに応じて時間窓の広さを可変にする方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００５−２４９８０６号公報 Peter E. Valk, et, al. "Positron Emission Tomography: Principles and Practice" pp.115-120, Springer Verlag, 2003.

ガンマ線の同時計数には、ある１つの陽電子−電子の対消滅によって発生した２つのガンマ線によって発生した２つのガンマ線を同時に検出する真の同時計数と、異なる２つの陽電子−電子の対消滅によって、発生元が異なる２つのガンマ線が同時に検出されてしまう偶発同時計数とがある。この偶発同時計数は、測定対象の放射能濃度の二乗に比例することが知られていて、特に放射能濃度が高いとき、非常に大きいノイズ成分となってしまう。

偶発同時計数の大きさは、同時計数の時間窓長に比例することが知られている。そのため、放射能濃度が高いときは、時間窓長を狭く設定することで偶発同時計数を減らすことができる。一方、放射能濃度が低い場合は、偶発同時計数の割合は小さい。このとき、狭い時間窓長で測定を行うと、多くの真の同時計数を数え落としてしまう。

したがって、従来の同時計数法（非特許文献１記載）のように、同時計数の時間窓長を測定中に渡って一定に保つ方法では、放射能濃度が異なると、信号対雑音比が小さくなることがある問題点があった。

また、別の従来の方法（特許文献１記載）では、例えば半導体検出器のような高いエネルギー分解能を有する検出器を用いれば、信号対雑音比の改善が期待できるが、ＰＥＴ装置で一般的なＢＧＯ（Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２）結晶やＬＳＯ（Ｌｕ_２ＳｉＯ_５（Ｃｅ））結晶などを用いた検出器ではエネルギー分解能が比較的低いため、信号対雑音比の改善が難しい問題点があった。

そこで、本発明は、偶発同時計数の影響を低減し信号対雑音比を向上させたガンマ線の同時計数方法および核医学診断装置を提供することを目的とする。

本発明のガンマ線の同時計数方法および核医学診断装置は、被検体に投与した放射性薬剤の量に関する情報に対応して、前記量が多いときは前記時間窓の長さを短く変化させるものであって、その具体的な手段については、本発明による実施形態の詳細な説明を通じて、その技術的思想を表現することとする。なお、例えば、「量が多いときは時間窓の長さを短く」は、「量が少ないときは時間窓の長さを長く」に相当する。

本発明のガンマ線の同時計数方法および核医学診断装置によれば、偶発同時計数の影響を低減し信号対雑音比を向上させることができる。

次に、本発明による実施形態について、図面を参照し詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の核医学診断装置は、例えば、陽電子断層撮像装置であって、ガンマ線を検出する検出器１と、同時計数窓長のパルスを生成するゲート発生器２と、２つのパルスの重なりを検出する論理演算装置３と、被験者（被検体）の放射能濃度と同時計数における時間窓長とを関係づけるための時間窓長テーブル（時間窓長情報）を記憶した記憶装置４と、時間窓長のテーブルを参照し被験者の放射能濃度に応じた時間窓長の値をゲート発生器２に入力する同時計数窓長設定器５と、予測時間放射能曲線発生器６と、予測時間放射能曲線発生器６へ放射性薬剤の投与量などを入力するための入力部７と、を具備している。

次に、記憶装置４に記憶させる時間窓長テーブルの作成方法について説明する。
ＰＥＴにおける信号対雑音比（ＳＮ比）を評価する指標として、等価雑音計数（Noise Equivalent Count; NEC）が挙げられる。ここで、真の同時計数をＴ、散乱同時計数をＳ、偶発同時計数をＲ、被験者がＰＥＴ装置の視野内に占める割合（体積率）をｆとすると、等価雑音計数（ＮＥＣ）は、次式で表される。

ＮＥＣ＝Ｔ^２／（Ｔ＋Ｓ＋２ｆＲ）

時間窓長テーブルは、例えば、次のように表される。

放射能濃度 ｜ Ｎ_１ Ｎ_２ Ｎ_３ Ｎ_４ …
時間窓長 ｜ τ_１ τ_２ τ_３ τ_４ …

次に、同時計数における時間窓長が長い場合と短い場合における放射能濃度に対する等価雑音計数の関係について説明する。

図２に模式的に示すように、被験者の放射能濃度（関心領域における放射能濃度）と、計数率との関係について、真の同時計数は、放射能濃度が低い領域では大きくなるが、放射能濃度が高い領域ではあまり大きくならない。しかし、被験者の放射能濃度が高くなるに従って、偶発同時計数は、放射能濃度が低い領域ではあまり大きくならないが、放射能濃度が高い領域では急激に大きくなる。つまり、放射能濃度の高さによって、真の同時計数と、偶発同時計数との比率が異なっている。

図３に模式的に示すように、時間窓長が長い場合および短い場合のいずれも、等価雑音計数は、非常に低い放射能濃度からある放射能濃度まで放射線濃度が高くなるに従って等価雑音計数が大きくなっていき、その放射線濃度からさらに放射線濃度が高くなるに従って小さくなっていく。しかし、図２を参照して説明したことに起因し、時間窓長が短い場合よりも時間窓長が長い場合のほうが、放射能濃度が低いときには等価雑音計数が大きく、放射能濃度が高いときには等価雑音計数が小さい傾向が見られる。

このため、ある放射能濃度において、等価雑音計数が最大になる１つの時間窓長（所定の時間窓長）が存在することが分かる。したがって、放射能濃度が高いときは、時間窓長を比較的短く設定し、放射能濃度が低いときは、時間窓長を比較的長く設定すれば、それぞれの放射能濃度において等価雑音計数を最大にできる。そこで、実験によって、複数の時間窓長について等価雑音計数曲線を求める。そして、これら複数の等価雑音計数曲線から、放射能濃度ごとに最大の等価雑音計数を与える時間窓長を求めて、時間窓長テーブルを作成する。

次に、核医学診断装置に時間窓長を設定する具体例について説明する。
実際には、測定中の放射能濃度そのものを知ることはできないため、測定中の放射能濃度から時間窓長を直接的に求めることはできない。そこで、測定に用いる放射性薬剤の平均放射能曲線（平均Time Activity Curve; 平均ＴＡＣ）から放射能濃度（予測時間放射能曲線）を推定する。

図４に模式的に示すように、ある放射性薬剤の平均時間放射能曲線は、Ｎ人の被験者にこの放射性薬剤を投与して得られた時間放射能曲線の平均値である。平均時間放射能曲線（平均ＴＡＣ）は、ｉ番目の被験者について、時間放射能曲線をＣ_ｉ（ｔ）、この放射性薬剤の投与量をＤ_ｉ、投与してからの時間をｔとすると、次式で表される。

平均時間放射能曲線が投与量によって規格化されているため、予測時間放射能曲線は、平均時間放射能曲線に投与量を乗じることによって求めることができる。なお、図４の測定時間は、左端（測定時間が０）が投与直後を示し、測定時間の経過とともに放射性薬剤が関心領域に集積し、壊変によりやがて放射能を失っていく様子を示している。

予測時間放射能曲線発生器６は、^１８Ｆ−フルオロデオキシグルコース（^１８Ｆ−fluorodeoxyglucose; １８ＦＤＧ）、^１１Ｃ−メチオニン（^１１Ｃ−methionine）、^１１Ｃ−ラクロプライド（^１１Ｃ−raclopride）など、複数の代表的な放射性薬剤の平均時間放射能曲線を記憶している。入力部７から予測時間放射能曲線発生器６へ放射性薬剤の名称およびその投与量を入力すると、この予測時間放射能曲線発生器６は、記憶している平均時間放射能曲線から、図５に示す予測時間放射能曲線を作成する。

同時計数窓長設定器５は、予測時間放射能曲線発生器６が作成した予測時間放射能曲線に基づいて、測定時間ごとに、記憶装置４に記憶させた時間窓長テーブルを参照して時間窓長を求め、ゲート発生器２にこの時間窓長を設定する。

なお、図４に示すグラフと図５に示すグラフとの違いは、図４に示すグラフでは、縦軸方向に示す放射能濃度を放射性薬剤の投与量で除して、正規化して示していることである。

次に、本実施形態の同時計数法による測定手順について説明する。
測定を開始する前に、使用する放射性薬剤の名称、その投与量、薬剤投与されてから測定開始までの時間Ｔ_Ｓを、入力部７から予測時間放射能曲線発生器６へ入力し、予測時間放射能曲線を作成させる。ここで、^１１Ｃ−ラクロプライド（^１１Ｃ−raclopride）などの動態解析を行う場合には、ダイナミック収集（Dynamic収集）が必要であり、放射性薬剤を投与してすぐに測定を開始するため、時間Ｔ_Ｓは０分とする。一方、１８ＦＤＧを投与してから１時間後にスタティック収集（Static収集）を開始する場合には、時間Ｔ_Ｓは例えば６０分とする。

予測時間放射能曲線発生器６は、入力された時間Ｔ_Ｓと作成した予測時間放射能曲線とを同時計数窓長設定器５へ出力する。
同時計数窓長設定器５は、時間Ｔ_Ｓ以降の予測時間放射能曲線と記憶装置４に記憶されている時間窓長テーブルとを参照し、最適な時間窓長を測定時刻ごとに設定する。

測定が開始されると、ガンマ線が検出器１で検出され、検出器１からの検出信号がゲート発生器２へ入力される。検出器１からの検出信号が入力されると、ゲート発生器２は、同時計数窓長設定器５によって最適に設定された時間窓長のパルスを発生する。

論理演算装置３は、２つのゲート発生器２から発生されたパルスが時間的に重なっているか否かを判定し、重なっていると判定した場合、２つのガンマ線は同時計数として計測されたこととなり、これを示すパルス出力がなされる。

本実施形態のガンマ線の同時計数方法および核医学診断装置によれば、次の効果が得られる。
（１）偶発同時計数の影響を低減し、真の同時計数に対する感度を向上させることにより、信号対雑音比を改善できる。
（２）放射性薬剤の放射能濃度に対応して時間窓長を設定するため、検出器１のエネルギー分解能に依存することなく、ＢＧＯ結晶やＬＳＯ結晶などを検出器１に用いたすべてのＰＥＴ装置に適用できる。
（３）半導体検出器のようにエネルギー分解能が高い検出器１を用いて、ガンマ線のエネルギーに応じ時間窓の長さを可変にする方法を同時に組み合わせて使用することが可能であり、この場合、さらなる信号対雑音比（ＳＮ比）の改善が期待できる。

本発明による実施形態の核医学診断装置を示すブロック構成図である。 放射能濃度と計数率との関係を示すグラフである。 放射能濃度に対する等価雑音計数（ＮＥＣ）の関係を示すグラフである。 平均時間放射能曲線（放射性薬剤の投与量で正規化した放射能濃度と測定時間との関係）を示すグラフである。 予想時間放射能曲線（ある放射性薬剤の投与量における放射能濃度と測定時間との関係と測定時間との関係）を示すグラフである。

符号の説明

１ 検出器
２ ゲート発生器（同時計数回路）
３ 論理演算装置（同時計数回路）
４ 記憶装置
５ 同時計数窓長設定器（同時計数回路）
６ 予測時間放射能曲線発生器
７ 入力部

Claims (14)

1. ガンマ線を検出する複数の検出器と、前記検出器によって検出された複数の前記ガンマ線が所定の時間窓内で検出されたものか否かを判定する同時計数回路とを具備した核医学診断装置におけるガンマ線の同時計数方法であって、
   被検体に投与した放射性薬剤の量に関する情報に対応して、前記量が多いときは前記時間窓の長さを短く変化させることを特徴とするガンマ線の同時計数方法。
2. 前記放射性薬剤の量に関する情報として、投与された前記放射性薬剤の放射能濃度に対応して、前記放射能濃度が高いときは、前記時間窓の長さを短く変化させることを特徴とする請求項１に記載のガンマ線の同時計数方法。
3. それぞれの前記放射能濃度において同時計数を行ったときの信号対雑音比が大きくなるような前記時間窓の長さとそのときの前記放射能濃度とが関係づけられた時間窓長情報を記憶し、
   前記時間窓長情報を参照して前記時間窓の長さを変化させることを特徴とする請求項２に記載のガンマ線の同時計数方法。
4. 放射性薬剤の種類と投与量から予測される時間放射能曲線である予測時間放射能曲線を記憶し、
   前記予測時間放射能曲線に基づき測定時間ごとの前記時間窓長情報を参照して、前記信号対雑音比が大きくなるように前記時間窓の長さを変化させることを特徴とする請求項３に記載のガンマ線の同時計数方法。
5. 前記放射性薬剤の量に関する情報として、投与された前記放射性薬剤の測定中の計数率に対応して、前記計数率が高いときは、前記時間窓の長さを短く変化させることを特徴とする請求項１に記載のガンマ線の同時計数方法。
6. それぞれの前記放射能濃度において同時計数を行ったときの信号対雑音比が大きくなるような前記時間窓の長さとそのときの前記放射能濃度とが関係づけられた時間窓長情報を記憶し、
   前記時間窓長情報を参照して前記時間窓の長さを変化させることを特徴とする請求項５に記載のガンマ線の同時計数方法。
7. 放射性薬剤の種類と投与量から予測される時間放射能曲線である予測時間放射能曲線を記憶し、
   前記予測時間放射能曲線に基づき測定時間ごとの前記時間窓長情報を参照して、前記信号対雑音比が大きくなるように前記時間窓の長さを変化させることを特徴とする請求項６に記載のガンマ線の同時計数方法。
8. ガンマ線を検出する複数の検出器と、前記検出器によって検出された複数の前記ガンマ線が所定の時間窓内で検出されたものか否かを判定する同時計数回路とを具備した核医学診断装置であって、
   被検体に投与した放射性薬剤の量に関する情報に対応して、前記量が多いときは、前記時間窓の長さを短く変化させることを特徴とする核医学診断装置。
9. 前記放射性薬剤の量に関する情報として、投与された前記放射性薬剤の放射能濃度に対応して、前記放射能濃度が高いときは、前記時間窓の長さを短く変化させることを特徴とする請求項８に記載の核医学診断装置。
10. それぞれの前記放射能濃度において同時計数を行ったときの信号対雑音比が大きくなるような前記時間窓の長さとそのときの前記放射能濃度とが関係づけられた時間窓長情報を記憶した記憶装置を具備し、
    前記時間窓長情報に従って前記時間窓の長さを変化させることを特徴とする請求項９に記載の核医学診断装置。
11. 放射性薬剤の種類と投与量から予測される時間放射能曲線である予測時間放射能曲線を記憶する予測放射能曲線発生器を具備し、
    前記予測時間放射能曲線に基づき測定時間ごとの前記時間窓長情報を参照して、前記信号対雑音比が大きくなるように前記時間窓の長さを変化させることを特徴とする請求項１０に記載の核医学診断装置。
12. 前記放射性薬剤の量に関する情報として、投与された前記放射性薬剤の測定中の計数率に対応して、前記計数率が高いときは、前記時間窓の長さを短く変化させることを特徴とする請求項８に記載の核医学診断装置。
13. それぞれの前記放射能濃度において同時計数を行ったときの信号対雑音比が大きくなるような前記時間窓の長さとそのときの前記放射能濃度とが関係づけられた時間窓長情報を記憶した記憶装置を具備し、
    前記時間窓長情報に従って前記時間窓を変化させることを特徴とする請求項１２に記載の核医学診断装置。
14. 放射性薬剤の種類と投与量から予測される時間放射能曲線である予測時間放射能曲線を記憶する予測放射能曲線発生器を具備し、
    前記予測時間放射能曲線に基づき測定時間ごとの前記時間窓長情報に従って、前記信号対雑音比が大きくなるように前記時間窓長を変化させることを特徴とする請求項１３に記載の核医学診断装置。

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