JP2013186083A - 核医学診断装置および画像処理装置 - Google Patents

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信篤 本村
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Abstract

【課題】表示画素サイズを大きく維持しつつガンマ線の位置情報の劣化を低減させることができる核医学診断装置および画像処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る核医学診断装置10は、被検体に投与された放射性同位元素から放射されるガンマ線を検出するガンマカメラ11、データ収集部12、計数分配部42および画像生成部43を備える。データ収集部12は、ガンマカメラ11の検出結果にもとづいて、ガンマカメラ11の検出面を複数に分割した1次セルごとに、ガンマカメラ11へ入射したガンマ線を光子数として計数する。計数分配部42は、所定数の1次セルにより構成される表示用セルごとに、1次セルと表示用セルとの距離に応じて1次セルの計数値を複数の表示用セルに分配して計数する。画像生成部43は、表示用セルの計数値に応じて表示用セルのそれぞれを表示画素とする画像を生成する。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、核医学診断装置および画像処理装置に関する。
核医学診断装置は、放射性同位元素(Radio Isotope、以下RIという)を含む薬品(血流マーカ、トレーサ)が生体内の特定組織や臓器に選択的に取り込まれる性質を利用して、生体内に分布したRIから放射されるガンマ線を、生体外に配設されたガンマ線の検出器(以下、ガンマカメラという)で検出するようになっている。
ガンマカメラは、たとえば2次元に配列された複数の検出素子により構成される。ガンマカメラは、ガンマカメラにガンマ線が入射する事象(以下、イベントという)が起こるごとに、ガンマ線の入射位置情報(以下、位置情報という)および強度情報を含む検出結果を出力する。
この検出結果は、後処理に利用される。後処理としては、たとえばガンマ線の線量分布を画像化することによる核医学画像の生成処理や、この検出結果を解析することによる体内臓器等の機能の診断などが挙げられる。
特開2009−216716号公報
しかし、ガンマカメラが出力する位置情報をそのまま後処理に利用する場合、後処理であつかうデータ量が多量となるため計算負荷が高くなってしまうほか、カウント数を含むイベントの情報を記憶しておくための記憶媒体として非常に大容量のものが必要となってしまう。
そこで、ガンマカメラの検出結果は、後処理に利用されるにあたり、ガンマカメラから出力される位置情報にもとづいて所定サイズの表示画素単位で入射光子数をカウントするよう加工される場合がある。この場合、後処理には表示画素単位のカウント数が利用される。このとき、表示画素のサイズが小さくなるほど、各表示画素のカウント数が少なくなり、RIの崩壊における放射ガンマ線の統計変動の影響を受けやすくなる。そこで、たとえば半導体型ガンマカメラを用いる場合、互いに隣接する所定数の検出素子(たとえば16×16)を1つの表示画素に対応させ、1つの表示画素のカウント数を所定数の検出素子のカウント数の合計とすることにより、統計変動の影響を低減することができる。
しかし、1つの表示画素のサイズを大きくすると、表示画素内のどの位置にガンマ線が入射したかの情報が失われてしまう。このため、後処理を表示画素単位のカウント数にもとづいて行うと、後処理の精度が悪くなってしまう。
本発明の一実施形態に係る核医学診断装置は、上述した課題を解決するために、被検体に投与された放射性同位元素から放射されるガンマ線を検出する検出器、データ収集部、計数分配部および画像生成部を備える。データ収集部は、検出器の検出結果にもとづいて、検出器の検出面を複数に分割した1次セルごとに、検出器へ入射したガンマ線を光子数として計数する。計数分配部は、所定数の1次セルにより構成される表示用セルごとに、1次セルと表示用セルとの距離に応じて1次セルの計数値を複数の表示用セルに分配して計数する。画像生成部は、表示用セルの計数値に応じて表示用セルのそれぞれを表示画素とする画像を生成する。
本発明の一実施形態に係る核医学診断装置および画像処理装置の一例を示すブロック図。 (a)はシンチレータ型検出器の一構成例を示す断面図、(b)は半導体型検出器の一構成例を示す断面図。 1次セルと表示用セルとの関係の一例を示す説明図。 従来の表示用セルのカウント数の計数方法を説明するための図。 ガンマ線の入射位置と、この入射位置が属する表示用セルを含む複数の表示用セルの中心と、の関係の一例を示す説明図。 1次セルと表示用セルとの距離に応じて設定される重み付けパターンの例を3つ示す説明図。 図3に示す例における位置P1にガンマ線が入射した場合の計数分配部による計数分配の様子の一例を示す説明図。 図3に示す例における位置P1、P2、P3にガンマ線が入射した場合の計数分配部による計数分配の様子の一例を示す説明図。 図1に示す制御部のCPUにより、表示画素サイズを大きく維持しつつガンマ線の位置情報の劣化を低減させる際の手順を示すフローチャート。
本発明に係る核医学診断装置および画像処理装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本実施形態に係る核医学診断装置および画像処理装置は、SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)やPET(Positron Emission Tomography)などのガンマカメラを備えた各種装置に適用することが可能である。
図1は、本発明の一実施形態に係る核医学診断装置10および画像処理装置13の一例を示すブロック図である。
核医学診断装置10は、ガンマカメラ11、データ収集部12および画像処理装置13を有する。なお、画像処理装置13はデータ収集部12とデータ送受信可能に接続されていればよく、同一の部屋や建屋に設けられずともよい。
図2(a)はシンチレータ型検出器の一構成例を示す断面図であり、(b)は半導体型検出器の一構成例を示す断面図である。
ガンマカメラ11は、被検体に薬品に含まれて投与されたテクネシウムなどの放射性同位元素から放射されるガンマ線を検出する検出器である。ガンマカメラ11としては、シンチレータ型検出器を用いてもよいし、半導体型検出器を用いてもよい。
シンチレータ型検出器を用いてガンマカメラ11を構成する場合は、図2(a)に示すように、ガンマカメラ11は、ガンマ線の入射角度を規定するためのコリメータ21、コリメートされたガンマ線が入射すると瞬間的な閃光を発するシンチレータ22、ライトガイド23、シンチレータ22から射出された光を検出するための2次元に配列された複数の光電子増倍管24、およびシンチレータ用電子回路25などを有する。
シンチレータ22は、たとえばタリウム活性化ヨウ化ナトリウムNaI(Tl)により構成される。
シンチレータ用電子回路25は、ガンマ線が入射する事象(イベント)が発生するごとに、複数の光電子増倍管24の出力にもとづいて複数の光電子増倍管24により構成される検出面内におけるガンマ線の入射位置情報(位置情報)および強度情報を生成しデータ収集部12に出力する。この位置情報は、検出面内の2次元座標の情報であってもよいし、あらかじめ検出面を複数の分割領域(以下、1次セルという)に仮想的に分割しておき(たとえば1024×1024個に分割しておき)、どの1次セルに入射があったかを示す情報であってもよい。
一方、半導体型検出器を用いてガンマカメラ11を構成する場合は、図2(b)に示すように、ガンマカメラ11は、コリメータ21、コリメートされたガンマ線を検出するための2次元に配列された複数のガンマ線検出用半導体素子(以下、半導体素子という)26および半導体用電子回路27などを有する。
半導体素子26は、たとえばCdTeやCdZnTe(CZT)により構成される。
半導体用電子回路27は、ガンマ線が入射する事象(イベント)が発生するごとに、半導体素子26の出力にもとづいて位置情報および強度情報を生成しデータ収集部12に出力する。この位置情報は、複数の半導体素子26(たとえば1024×1024個)のうちのどの半導体素子26に入射したかを示す情報である。
すなわち、ガンマカメラ11は、イベントごとに位置情報および強度情報を出力する。また、位置情報は、1次セルのどの位置にガンマ線が入射したかを示す情報および検出面内の2次元座標の情報の少なくとも一方である。以下の説明では、ガンマカメラ11が位置情報として1次セルのどの位置にガンマ線が入射したかを示す情報を出力する場合の例について示す。
データ収集部12は、ガンマカメラ11の出力をリストモードで収集する。リストモードでは、位置情報、強度情報、ガンマカメラ11と被検体との相対位置を示す情報(ガンマカメラ11の位置や角度など)、およびデータ収集時刻がイベントごとに収集される。
ガンマカメラ11が位置情報として1次セルのどの位置にガンマ線が入射したかを示す情報を出力する場合、データ収集部12はさらに、ガンマカメラ11の検出面を複数に分割した1次セルごとに、ガンマカメラ11へ入射したガンマ線を光子数として計数する。
画像処理装置13は、図1に示すように、制御部31、表示部32、入力部33および記憶部34を有する。
制御部31は、CPU、RAMおよびROMをはじめとする記憶媒体などにより構成され、この記憶媒体に記憶されたプログラムに従って画像処理装置13の処理動作を制御する。
制御部31のCPUは、ROMをはじめとする記憶媒体に記憶された画像処理プログラムおよびこのプログラムの実行のために必要なデータをRAMへロードし、このプログラムに従って、表示画素サイズを大きく維持しつつガンマ線の位置情報の劣化を低減させるための処理を実行する。
制御部31のRAMは、CPUが実行するプログラムおよびデータを一時的に格納するワークエリアを提供する。制御部31のROMをはじめとする記憶媒体は、画像処理装置13の起動プログラム、画像処理プログラムや、これらのプログラムを実行するために必要な各種データを記憶する。
なお、ROMをはじめとする記憶媒体は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、CPUにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。
表示部32は、たとえば液晶ディスプレイやOLED(Organic Light Emitting Diode)ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、制御部31の制御に従って核医学診断画像などの各種情報を表示する。
入力部33は、たとえばキーボード、タッチパネル、テンキーなどの一般的な入力装置により構成され、ユーザの操作に対応した操作入力信号を制御部31に出力する。
記憶部34は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、CPUにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。記憶部34は、制御部31により制御されて表示用セルごとの計数値を記憶する。
図1に示すように、制御部31のCPUは、画像処理プログラムによって、少なくともエネルギー判定部41、計数分配部42、画像生成部43および生理パラメータ算出部44として機能する。この各部41〜44は、RAMの所要のワークエリアを、データの一時的な格納場所として利用する。なお、これらの機能実現部は、CPUを用いることなく回路などのハードウエアロジックによって構成してもよい。
エネルギー判定部41は、データ収集部12からリストモードデータのうち少なくとも位置情報および強度情報を取得し、波高弁別を用いて所定の強度を有するイベントのみを抽出するとともに所定のエネルギーウインドウ内のエネルギーを有するイベントのみを抽出し、抽出したイベントの位置情報を計数分配部42に与える。
ここで、表示用セルについて説明する。
データ収集部12により収集された位置情報は、検出面内の2次元座標の情報または1次セルの位置の情報である。しかし、ガンマ線の線量分布を画像化することによる核医学画像の生成処理や、この生理パラメータの算出処理などを行う際にデータ収集部12により収集された位置情報をそのまま用いると、後処理であつかうデータ量が多量となるため計算負荷が高くなってしまうほか、カウント数を含むイベントの情報を記憶しておくための記憶媒体として非常に大容量のものが必要となってしまう。
この弊害を防ぐためには、所定数の1次セル(たとえば16×16)を1つの2次セル(以下、表示用セルという)としてあつかうとよい。表示用セルのカウント数を所定数の1次セルのカウント数の合計とすることにより、後処理であつかうデータ量を減らすことができるため計算処理速度を向上させることができ、カウント数を含むイベントの情報を記憶しておくための記憶部34の記憶容量を削減することができる。また、1つのセルあたりのカウント数を増やすことができるため統計変動の影響を低減することができる。
図3は、1次セルと表示用セルとの関係の一例を示す説明図である。また、図4は従来の表示用セルのカウント数の計数方法を説明するための図である。
なお、図3および図4には、1次セルが25×25個のセルにより構成され、各1次セルの位置がX=1、2、・・・、25およびY=1、2、・・・25の組み合わせで識別される場合の例について示した。また、図3および図4には、5×5個の1次セルを1つの表示用セルとしてあつかう場合の例について示した。この場合、表示用セルは5×5個のセルにより構成される。また、各表示用セルの位置はs=1、2、・・・、5およびt=1、2、・・・、5の組み合わせで識別されるものとする。
たとえば、イベントが3回あり、各イベントの1次セルにおける入射位置がP1(X,Y)=(11,13)、P2(X,Y)=(12,14)、P3(X,Y)=(11,15)である場合を考える。この場合、従来の方法では、P1〜P3のイベントは、すべて全て(s,t)=(3,3)の表示用セルで発生したものとしてあつかわれる。
従来の方法では、イベントごとにガンマ線が入射したセルにカウント数が1ずつ計数される。このため、上記例では(s,t)=(3,3)の表示用セルの計数値(カウント数)は3となる(図4参照)。
しかし、1つの表示用セルのサイズを大きくすると、表示用セル内のどの位置にガンマ線が入射したかの情報は全く失われてしまう。このため、後処理を表示用セル単位のカウント数にもとづいて行うと、後処理の精度が悪くなってしまう。これは、表示用セルのカウント数を、表示用セルに含まれる1次セルのカウント数の単なる合計としていることが要因である。
そこで、計数分配部42は、所定数の1次セルにより構成される表示用セルごとに、1次セルと表示用セルとの距離に応じて1次セルの計数値を複数の表示用セルに分配して計数する。すなわち、計数分配部42は、ガンマ線が入射した1次セルを含む表示用セルに加えて、他の表示用セルにも計数値を分配する。このとき、1度のイベントで分配される計数値の合計が所定の数(たとえば1)となるようにしておくとよい。
計数の分配対象とする他の表示用セルは、ガンマ線が入射した1次セルが属する表示用セル(図3に示す例では(s,t)=(3,3)のセル)に対して隣接する8個の表示用セルとしてもよいし、これらの8つの表示用セルに隣接する16個の表示用セル(図3では最外周に位置する表示用セル)をさらに加えてもよい。また、隣接する8個の表示用セルを上下左右に隣接する4つの表示用セル((s,t)=(3,2)(3,4)(2,3)(4,3))と頂点で接している4つの表示用セル((s,t)=(2,2)(4,2)(2,4)(4,4))に分け、いずれか一方のみを計数の分配対象とする他の表示用セルとしてもよい。以下の説明では、ガンマ線が入射した1次セル表示用セルに対して隣接する8個の表示用セルを計数の分配対象とする他の表示用セルとする場合の例について示す。
ここで、計数分配部42による計数の分配方法について具体的に説明する。
図5は、ガンマ線の入射位置と、この入射位置が属する表示用セルを含む複数の表示用セルの中心と、の関係の一例を示す説明図である。
計数分配部42は、1次セルと表示用セルとの距離に応じて1次セルの計数値を複数の表示用セルに分配して計数する。1次セルと表示用セルとの距離は、図5に示すように1次セルの中心と表示用セルの中心間距離としてもよいし、1次セルの中心から1次セルに最も近い表示用セルの頂点までの距離としてもよい。なお、ガンマカメラ11が位置情報として検出面内の2次元座標の情報を出力する場合には、1次セルの中心にかえてこの2次元座標を用いればよい。
図6は、1次セルと表示用セルとの距離に応じて設定される重み付けパターンの例を3つ示す説明図である。
1次セルと表示用セルとの距離に応じて1次セルの計数値を複数の表示用セルに分配して計数する際の重み付けは、距離が遠くなるほど重みが小さくなるようにすればよく、具体的な重み付けパターンは任意に設定することができる。たとえば距離に応じて曲線的に(図6のパターンA)または直線的に(パターンB)重みが連続的に減少するようにしてもよいし、段階的に重みが減少するようにしてもよい(パターンC)し、その他の所定の関数に応じて重みが減少にするようにしてもよい。各イベントを同等にあつかう場合、1度のイベントで分配される計数値の合計は所定の数(たとえば1)となるようにしておく。
図7は、図3に示す例における位置P1にガンマ線が入射した場合の計数分配部42による計数分配の様子の一例を示す説明図である。
位置P1(X,Y)=(11,13)にイベントが発生した場合、計数分配部42は、まず、位置P1が属する1次セルの中心から、位置P1が属する表示用セルの中心およびその周囲の8つの表示用セルの中心までの距離を算出する。次に、計数分配部42は、これらの距離に応じて各表示用セルに対する重みを決定し、計数を配分する。図7には、重みを距離の逆数で決定する場合の例について示した。この結果、図7から明らかなように、従来の方法では単に表示用セル(s,t)=(3,3)にカウント数1が与えられるところ、周囲の表示用セルに対しても計数(カウント数)が分配される。
図8は、図3に示す例における位置P1、P2、P3にガンマ線が入射した場合の計数分配部42による計数分配の様子の一例を示す説明図である。
図7に示した計数分配処理を繰り返すことにより、図8の最下部に示すように、各表示用セルに対して分配された計数が積算される。位置P1〜P3は表示用セル(s,t)=(3,3)の内部の比較的左下部に集中している。一方、図8の最下部に示すように、計数分配部42による計数の分配の結果、表示用セル(s,t)=(3,3)の周囲の表示用セルのうち左、下、および左下の表示用セルの計数値が他の周囲の表示用セルに比べて比較的高くなっていることがわかる。
図4と図8の最下部とを比較して明らかなように、計数分配部42による計数の分配によって、表示用セルのサイズを大きく維持しつつ、ガンマ線の位置情報の劣化を低減させることができる。
なお、リストモードデータを利用する場合、全てのイベントが終了してから事後的に計数分配を行ってもよい。この場合、1次セルごとにすでにカウント数が累計されているため、計数分配部42は、1次セルごとに、累計されたカウント数を周囲の表示用セルに分配してもよい。このとき、分配されるカウント数は1ではなく累計カウント数とする。
計数分配部42は、この分配した表示用セルの計数値を記憶部34に記憶させる。
画像生成部43は、計数分配部42により分配された表示用セルの計数値に応じて、表示用セルのそれぞれを表示画素とする画像を生成し、表示部32に表示させる。具体的には、画像生成部43は、表示用セルの計数値に応じて各表示セルに対応する画素の輝度や色彩を決定し、ユーザにとって視認性の高い画像を生成する。
生理パラメータ算出部44は、計数分配部42により計数された表示用セルごとの計数値にもとづいて、血流をはじめとする生理パラメータを算出する。生理パラメータは、たとえばユーザにより入力部33を介して指示された各種設定値にもとづいて算出される。この生理パラメータは、体内臓器等の機能の診断に利用することができる。
図9は、図1に示す制御部31のCPUにより、表示画素サイズを大きく維持しつつガンマ線の位置情報の劣化を低減させる際の手順を示すフローチャートである。図9において、Sに数字を付した符号は、フローチャートの各ステップを示す。
まず、ステップS1において、エネルギー判定部41は、データ収集部12からリストモードデータのうち少なくとも位置情報および強度情報を取得する。
次に、ステップS2において、エネルギー判定部41は、波高弁別を用いて所定の強度を有するイベントのみを抽出するとともに、所定のエネルギーウインドウ内のエネルギーを有するイベントのみを抽出する。
次に、ステップS3において、計数分配部42は、表示用セルごとに、ガンマ線の入射位置(1次セルまたは2次元座標)と表示用セルとの距離に応じて複数の表示用セルに計数を分配する。
次に、ステップS4において、計数分配部42は、表示用セルごとに分配した計数値を記憶部34に記憶させる。
以上の手順により、表示画素サイズを大きく維持しつつガンマ線の位置情報の劣化を低減させることができる。
本実施形態に係る核医学診断装置10および画像処理装置13は、ガンマカメラ11が出力する位置情報にもとづいて大きなサンプリングサイズを有する表示用セルに計数を割り当てる際に、入射位置が属する表示用セルに加え、この表示用セルの周辺の表示用セルにも入射位置からの距離に応じて計数値を分配する。このため、本実施形態に係る表示用セルごとの計数値は、従来の表示用セルごとの計数値に比べ、より詳細な入射位置情報を内包したものとすることができる。したがって、表示用セルを用いた画像生成処理や生理パラメータ算出処理などの後処理の精度を向上させることができる。
また、表示用セルの計数値を用いて後処理を精度よく行うことができるため、リストデータを用いて後処理を行う場合に比べ、データ量を大幅に減らすことができる。このため、後処理の計算速度を向上させることができるとともに、カウント数を含むイベントの情報を記憶しておくための記憶部34の記憶容量を大幅に削減することができる。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
たとえば、上記説明ではデータ収集部12がリストモードでデータを収集してから計数の分配を行って画像生成等の後処理を行う場合の例について説明したが、データ収集部12はリストモードでデータを収集せずともかまわない。リストモードでデータを収集すれば、データ収集と計数の分配処理を分離することができるため、データ収集速度(計数率)を悪化させるおそれを低減させることができる。
また、画像処理装置13の制御部31の機能としてデータ収集部12の機能が含まれてもよい。
10 核医学診断装置
11 ガンマカメラ
12 データ収集部
13 画像処理装置
26 半導体素子
31 制御部
32 表示部
33 入力部
34 記憶部
42 計数分配部
43 画像生成部
44 生理パラメータ算出部

Claims (7)

  1. 被検体に投与された放射性同位元素から放射されるガンマ線を検出する検出器と、
    前記検出器の検出結果にもとづいて、前記検出器の検出面を複数に分割した1次セルごとに、前記検出器へ入射したガンマ線を光子数として計数するデータ収集部と、
    所定数の前記1次セルにより構成される表示用セルごとに、前記1次セルと前記表示用セルとの距離に応じて前記1次セルの計数値を複数の前記表示用セルに分配して計数する計数分配部と、
    前記表示用セルの計数値に応じて前記表示用セルのそれぞれを表示画素とする画像を生成する画像生成部と、
    を備えた核医学診断装置。
  2. 前記データ収集部は、
    前記検出器の検出結果にもとづいて、前記検出器へガンマ線が入射するごとに前記1次セルごとに計数を行いつつ入射したガンマ線のエネルギーおよび入射時間の情報をあわせて取得するリストモードでデータを収集する、
    請求項1記載の核医学診断装置。
  3. 前記検出器は、
    複数のガンマ線検出用半導体素子により構成された半導体型ガンマカメラであり、
    前記1次セルのそれぞれは、
    前記ガンマ線検出用半導体素子に対応する、
    請求項1または2に記載の核医学診断装置。
  4. 被検体に投与された放射性同位元素から放射されるガンマ線を検出する検出器と、
    前記検出器の検出結果にもとづいて、ガンマ線の入射イベントごとに、前記ガンマ線の入射位置と表示用セルとの距離に応じて複数の前記表示用セルに計数値を分配して前記表示用セルごとに計数する計数分配部と、
    前記表示用セルの計数値に応じて前記表示用セルのそれぞれを表示画素とする画像を生成する画像生成部と、
    を備えた核医学診断装置。
  5. 前記計数分配部により計数された前記表示用セルごとの計数値にもとづいて生理パラメータを算出する生理パラメータ算出部、
    をさらに備えた、
    請求項1ないし4のいずれか1項に記載の核医学診断装置。
  6. 前記計数分配部により計数された前記表示用セルごとの計数値を記憶する記憶部、
    をさらに備えた、
    請求項1ないし5のいずれか1項に記載の核医学診断装置。
  7. 被検体に投与された放射性同位元素から放射されるガンマ線を検出する検出器の検出結果にもとづいて前記検出器の検出面を複数に分割した1次セルごとに前記検出器へ入射したガンマ線を光子数として計数されたデータを取得し、所定数の前記1次セルにより構成される表示用セルごとに、前記1次セルと前記表示用セルとの距離に応じて前記1次セルの計数値を複数の前記表示用セルに分配して計数する計数分配部と、
    前記表示用セルの計数値に応じて前記表示用セルのそれぞれを表示画素とする画像を生成する画像生成部と、
    を備えた画像処理装置。
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