JP2014232119A - ３次元陽子コンピュータ断層撮影のための高性能計算（ｈｐｃ−ｐｃｔ） - Google Patents

Abstract

【課題】好適な３次元陽子コンピュータ断層撮影のための高性能計算（ＨＰＣ−ＰＣＴ）を提供すること。【解決手段】撮像されるべき物体の第１の側に順番に並んだ２つの追跡検出器と、撮像されるべき物体の反対側に順番に並んだ２つの追跡検出器と、熱量計と、コンピュータクラスタとを含み、追跡検出器がプラスチックシンチレーションファイバを含む、陽子コンピュータ断層撮影（ｐＣＴ）検出器システム。検出器システム内の全ファイバは、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）によって読み出される。源から、２つの追跡検出器を通して、物体を通しておよび物体の周囲に、そして２つの反対側の追跡検出器を通して陽子を放出するステップと、熱量計によって、陽子のエネルギーを検出するステップと、物体を撮像するステップとによって物体を撮像する方法。【選択図】図１

Description

（補助金情報）
本願の研究は、陸軍医療研究物資司令部の部門からの補助金によって一部支援を受けた（補助金第Ｗ８１ＸＷＨ−１０−１−０１７０号）。政府は本発明に権利を有する。

（技術分野）
本発明は、３次元計算に関する。特に、本発明は、陽子コンピュータ断層撮影に関する。

陽子コンピュータ断層撮影（ｐＣＴ）による物体の内部３Ｄ画像の生成は、物体を通して多くの陽子を発射させることによって開始する。各陽子の経路（すなわち、トレース履歴）が記録され、全トレース履歴の集合が、画像を生成するコンピュータプログラムへの入力として使用される。ｐＣＴを通して生成された画像が、Ｘ線を通して生成された画像よりも癌の陽子ベースの治療において有効であるという示唆もある。

陽子トレース履歴から画像を生成するアルゴリズムは、複雑かつ多くの段階を伴う。臨床的に有意義な時間枠内において、陽子ベースの癌治療を適用することができる（例えば、ヒトの頭部または骨盤）、物体の質の高い３Ｄ画像を生成するために必要とされるコンピュータメモリおよび速度は、今日利用可能な最も高性能なデスクトップコンピュータでさえ、その容量を上回る。したがって、陽子トレース履歴から画像をより効果的に作成するためのアルゴリズムの必要性が存在する。

先行技術におけるｐＣＴのための検出器は、より大型の嵩張るプラスチック製の立方体状の管（Ｐｅｍｌｅｒら等）とともに、遥かに大容量を必要とする大型かつ嵩張る光子センサを採用しており、患者の周囲の空間が限定された陽子構台に搭載されるときに問題を呈する。Ｐｅｍｌｅｒらは、放射線撮影を陽子によって行う可能性について説明しており、分析される物体の正面に、単一のＸ−Ｙ平面を、その後にも、単一Ｘ−Ｙ平面を使用した。Ｐｅｍｌｅｒらはまた、真空光電子増倍管、正方形ファイバ、および組み合わせ読み出し情報を使用する。Ａｍａｌｄｉらは、３０個の薄いプラスチックシンチレータの積層による１０ｃｍ×１０ｃｍの撮像領域を有する陽子飛程放射線撮影システムについて説明している。Ｌｏｍａ Ｌｉｎｄａにおける現在のｐＣＴ検出器は、利用可能な領域（９ｃｍ×９ｃｍ）が限定されるシリコンウエハを使用しており、したがって、大領域（２７×３６ｃｍ）を達成するためには重複タイルの集積を必要とする。シリコンウエハから現在生成される最大サイズは１０ｃｍ×１０ｃｍである。タイルは、屋根板状に重複される縁境界とともに設置され、検出器内のデッドスペース、または画像演算の際に「数学的な除去」を必要とする二重の層を生成する。

したがって、また、デッドスペースおよびタイルの配列によって生成される二重の層を排除するｐＣＴのための検出器に対する必要性が残留する。

本発明は、撮像されるべき物体の第１の側に順番に並んだ２つの追跡（２Ｄ）検出器と、撮像される物体べきの反対側に順番に並んだ２つの追跡（２Ｄ）検出器と、熱量計とを含み、追跡検出器が、プラスチックシンチレーションファイバを含む陽子コンピュータ断層撮影（ｐＣＴ）検出器システムを提供する。

本発明はまた、陽子を、源から、２つの追跡検出器を通して、物体を通しておよび物体の周囲に、そして２つの反対側の追跡検出器を通して放出するステップと、熱量計によって陽子のエネルギーを検出するステップと、物体を撮像するステップとによって物体を撮像する方法を提供する。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
陽子コンピュータ断層撮影（ｐＣＴ）検出器システムであって、
該システムは、
撮像されるべき物体の第１の側に順番に並んだ２つの追跡検出器と、該撮像されるべき物体の反対側に順番に並んだ２つの追跡検出器と、熱量計と、コンピュータクラスタとを含み、該追跡検出器は、プラスチックシンチレーションファイバを含む、システム。
（項目２）
前記プラスチックシンチレーションファイバは、１ｍｍの直径を有する、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目３）
前記プラスチックシンチレーションファイバは、撮像場の全領域をカバーするように、１列に充填される、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目４）
前記撮像場は、２７×３６ｃｍである、項目３に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目５）
前記プラスチックシンチレーションファイバは、平面内に配列され、前記追跡検出器は、少なくとも２つの積層平面を含む、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目６）
前記２つの積層平面は、ＸおよびＹ方向に配向される、項目５に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目７）
前記２つの積層平面間に薄い発泡体状の材料をさらに含む、項目６に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目８）
前記プラスチックシンチレーションファイバは、正方形、円形、および六角形から成る群から選択される断面形状を有する、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目９）
２つのプラスチックシンチレーションファイバが、各ＳｉＰＭに取着される、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１０）
１つのプラスチックシンチレーションファイバが、各ＳｉＰＭに取着される、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１１）
前記追跡検出器は、前記ファイバおよびＳｉＰＭを支持するための支持手段をさらに含む、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１２）
前記プラスチックシンチレーションファイバは、ＰＭＭＡ（ポリ（メタクリル酸メチル））の外装材とともに、ポリスチレンから作製される、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１３）
前記熱量計は、波長シフティング（ＷＬＳ）ファイバに取着されるシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を含む、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１４）
前記熱量計は、シンチレータ板の積層を含み、各シンチレータ板は、１つのＳｉＰＭと、１つのＷＬＳとを含む、項目１３に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１５）
前記コンピュータクラスタは、前記追跡検出器および熱量計によって検出される前記陽子を分析するための分析手段をさらに含む、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１６）
前記分析手段は監督機コンピュータと、複数の作業機コンピュータとを含む、項目１５に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１７）
前記物体を回転させるための回転ステージをさらに含み、前記追跡検出器は、封入体の内側にある、項目１に記載のｐＣＴ検出器システム。
（項目１８）
物体を撮像する方法であって、
該方法は、
陽子を源から放出するステップであって、該陽子を２つの追跡検出器を通して、該物体を通しておよびその周りに、そして２つの反対側の追跡検出器を通して放出する、ステップと、
熱量計によって該陽子のエネルギーを検出するステップと、
該物体を撮像するステップと
を含む、方法。
（項目１９）
前記放出するステップは、前記２つの追跡検出器および２つの反対側の追跡検出器において、前記陽子の位置を決定するステップをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記決定するステップは、前記追跡検出器のＸおよびＹ平面において前記陽子を測定するステップをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
前記追跡検出器は、撮像場の全領域をカバーする１列に充填されたプラスチックシンチレーションファイバを含み、およびシリコン光電子増倍管を含む、項目１８に記載の方法。
（項目２２）
前記熱量計は、波長シフティング（ＷＬＳ）ファイバに取着されたシリコン光電子増倍管を含む、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記撮像ステップは、前記追跡検出器および熱量計から取得されたデータを、メッセージパッシングインターフェース（ＭＰＩ）規格を有する複数のコンピュータおよびグラフィック処理ユニットのクラスタ上で分析することを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２４）
前記撮像ステップは、コンパクトメモリ表現と、３Ｄ画像空間全体を１度に解析することとを含む、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
監督機コンピュータが、等量の陽子履歴を複数の作業機コンピュータおよび該監督機コンピュータに分配するステップと、積分電子密度（ＩＥＤ）および最尤パス（ＭＬＰ）を計算するステップと、解ベクトルを解析してコンピュータ可読メモリ上に記憶するステップと、該解ベクトルのコピーを該監督機コンピュータに送信するステップと、該作業機コンピュータと該監督機コンピュータとの該解ベクトルを組み合わせて、該組み合わされた解ベクトルをコンピュータ可読媒体上に記憶するステップと、該組み合わされた解ベクトルを試験するステップと、該組み合わされた解ベクトルが終了される場合に、前記物体の画像を生成するステップとをさらに含む、項目２３に記載の方法。
（項目２６）
前記組み合わされた解ベクトルが終了されない場合、該組み合わされた解ベクトルを前記作業機コンピュータに伝送し、該組み合わされた解ベクトルが終了されるまで、分配、計算、解析、送信、組み合わせ、試験ステップを繰り返し、そして前記物体の画像を生成する、項目２５に記載の方法。

本発明の他の利点は、付随の図面と関連して検討されるとき、以下の発明を実施するための形態を参照することによってより理解が深まり、容易に認識されるであろう。

図１は、本発明のｐＣＴ検出器システムのレイアウトである。 図２は、本発明の中核概念である、ｐＣＴ検出器システムの３次元表現である。 図３Ａ〜３Ｃは、本発明の追跡検出器の一平面の３次元表現である。 図３Ａ〜３Ｃは、本発明の追跡検出器の一平面の３次元表現である。 図４は、本発明のシステムの３次元表現である。 図５は、スキャナシステムによって、画像を生成するプロセスを示す、流れ図である。 図６Ａは、シリコンストリップ検出器の正面図である。図６Ｂは、検出された陽子ビームのグラフである。 図７は、追跡検出器のファイバの斜視図である。 図８は、熱量計の一部として、シンチレータ板の斜視図である。

本発明は、陽子トレース履歴から３Ｄ画像を生成するための、概して、図１に示されるｐＣＴ検出器システム１０を提供する。ｐＣＴ検出器システム１０は、好ましくは、４つの追跡検出器１２と、熱量計１４と、コンピュータクラスタ（図示せず）とを含む。

追跡検出器１２は、陽子のＸおよびＹ平面における座標を検出するために使用される。各検出器１２は、２つの平面、Ｘ平面およびＹ平面を有し、ファイバ（ストリップ）は、陽子トラックのＸおよびＹ測定のために、適切な方向に配向される。各検出器は、その間に薄い発泡体状の材料を伴って、１つのＸおよび１つのＹ平面を近接して設置することによって加工される。

好ましくは、物体１６の片側に２つ、物体１６の反対側に２つと、撮像される物体１６の周囲に４つの追跡検出器１２が配列される。この配列は、さらに後述される。また、冗長性をもたらすために、物体１６の各側に、３つ以上の追跡検出器１２が存在することもできる。追跡検出器１２は、１列に密接して充填され、撮像場の全領域、好ましくは、２７ｃｍ×３６ｃｍまたは１８ｃｍ×３６ｃｍをカバーする１ｍｍ直径の薄い円形プラスチックシンチレーションファイバ２２を含む。追跡検出器１２は、任意の他の好適なサイズであることができる。ファイバのコアは、好ましくは、ＰＭＭＡ（ポリ（メタクリル酸メチル））の外装材を有するポリスチレンである。追跡検出器１２はまた、陽子の位置を検出するために、適切な電子機器を含み、このデータをコンピュータクラスタに中継する。

陽子撮像のためのシンチレーションファイバの使用は、先行技術において報告されているが、本発明の追跡検出器１２は、従来の検出器よりも高い空間解像度およびより大きな領域カバー率をもたらし、先行技術のタイル構造を排除する。最大６メートルを、死角を伴うことなく、これらのプラスチックシンチレーションファイバ２２によって、カバーすることができる。より小さい円形ファイバ２２は、先行技術デバイスにおいて使用される、より大きな正方形の管に比べて、ミリメートル未満レベルまでの優れた解像度をもたらす。本発明と先行技術との間の決定的な差異の１つは、ＳｉＰＭ（または、固体光電子増倍管）２０を使用する一方、シンチレーションファイバ２２を読み出すことである。従来のデバイスは、光スペクトルの緑色領域における光の感度が不良である、嵩張る真空光電子増倍管の使用に基づいていた。先行技術は、光出力を増加させるために、厚い正方形シンチレーションファイバを使用していた。本発明の追跡検出器１２は、約２倍高い光感度を有するＳｉＰＭ２０を使用して、より薄いファイバ２２の使用を可能にする。

追跡検出器１２は、図１および２に示されるように、２つが、撮像されるべき物体１６の第１の側に順番に並んで設置され、２つが、物体１６の反対側に順番に並んで設置されるように配列される。システム１０の陽子ビームを放出する走査磁石（または、源）１８は、外側追跡検出器１２のいずれかの側の熱量計１４の反対側の位置に位置する。例えば、走査磁石１８は、物体１６の中心から２４０ｃｍに位置することができ、熱量計１４は、物体１６の中心から６５ｃｍであることができる。内側追跡検出器１２は、物体１６の中心から１５ｃｍであることができ、外側追跡検出器１２は、物体１６の中心から３０ｃｍであることができる。他の距離も、必要に応じて使用することができる。

追跡検出器１２は、図３Ａ−３Ｃに示されるように、先行技術に使用されるような光電管の代わりに、信号増幅のために、プラスチックシンチレーションファイバ２２に取着される低コストのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）２０の使用を含む。ＳｉＰＭ２０は、連続的カバー率を提供し、タイル構造の影響を排除する。ＳｉＰＭは、光電管と対照的に、磁気によって影響を受けない。ＳｉＰＭは、歴史的には、粒子検出器内で使用されてきた。ＳｉＰＭは、本質的に、高速であって、事象間において約１００ナノ秒の解析時間である。したがって、この設計は、従来の検出器システムよりも遥かに高いデータ取得率を可能にする。プラスチックシンチレーションファイバ２２は、正方形（図７に示される）、円形、または六角形の断面形状を有することができる。ＳｉＰＭ２０を伴う追跡検出器１２は、２つのシンチレーションファイバ２２を同時に含むことができ、代替として、１つのファイバ２２を１つのＳｉＰＭ２０のために使用することができる。好ましくは、ファイバ２２直径は、０．７５ｍｍ−１ｍｍの範囲内にある。ファイバ２２は、陽子がその厚さを横断するときに光を生成するポリスチレンシンチレーションファイバであることができる。ファイバ２２の２つの層は、１つの層とは対照的に、検出効率を増加させる。ファイバ２２の別の直交二重層は、空間内に陽子の２Ｄ座標を有するために、含まれることができる。図３Ａ−３Ｂに示されるように、追跡検出器は、ＳｉＰＭのための機械的支持部２４、ならびにシンチレーションファイバ２２の設置のための支持としての役割を果たす、Ｒｏｈａｃｅｌｌ支持部２６を含むことができる。追跡検出器１２を生成するために、当技術分野において周知の任意の他の支持部を使用することができる。

追跡検出器１２の一実施例では、２７×３６ｃｍ^２の領域（飛翔部分）が、カバーされる。シンチレーションファイバ２２の選定された直径が１ｍｍである場合、２７０個のファイバ、２７０個のＳｉＰＭ、および２７０個の電子機器のチャネルが必要とされる。これは、１投影のみ（Ｘ）に対して該当する。２Ｄ平面は、ＸおよびＹ投影（２７０＋３６０＝６３０チャネル）を含む。総追跡検出器１２は、約６３０×４＝２５２０チャネルを含む。

図６Ａは、本発明の追跡検出器１２の側面図を示す。この検出器１２において、シリコンストリップの２つの層が存在する。ＳｉＰｍｓ２０に接続するシリコンセンサは、８９．５ｍｍ×８９．５ｍｍであり、ストリップのピッチは、２３８μｍおよび４００μｍ厚である。各層のストリップは、６つのＡＳＩＣ^＊６４ストリップに個々に接続される。図６Ｂは、ＸおよびＹ座標を用いて追跡検出器１２によって検出される陽子ビームの図を示す。

熱量計１４は、源１８から放出される陽子エネルギーを検出するために使用される。直径１．２ｍｍを有するＳｉＰＭ２０は、１．２ｍｍ波長シフタ（ＷＬＳ）ファイバ３６を通して、読み出し情報（デジタルまたはアナログ）を提供することができる。熱量計１４内で使用されるＳｉＰＭ２０は、追跡検出器１２内で使用されるものと同一種類であることができる。熱量計１４は、図８に示されるように、３ｍｍのシンチレータ板３４の積層（少なくとも２つ）に配列することができる。この場合、チャネルの総数は、約１２０である。これは、以下によって達することができる。１つのシンチレータ板３４は、１つのＷＬＳファイバおよび１つのＳｉＰＭを含む。板の総数は、１２０である。したがって、１２０枚の板、１２０個のＷＬＳファイバ、１２０個のＳＩＰＭ、および電子機器の１２０個のチャネル（１２０個のチャネル）が存在する。熱量計１４はさらに、適切な電子機器を含み、データをコンピュータクラスタに中継することができる。

先行技術デバイス（Ａｍａｌｄｉ、Ｐｒｅｍｉｅｒ）では、異なる組み合わせの読み出し情報システムが使用された。ＳｉＰＭとシンチレータファイバおよびＳｉＰＭとＷＬＳファイバの組み合わせにおける使用は、以前はなかった。Ａｍａｌｄｉらは、熱量計読み出し情報のためにＳｉＰＭおよびＷＬＳファイバを使用したが、ガス光電子増倍管が、追跡検出器として使用された。Ｐｒｅｍｉｅｒらは、シンチレーションファイバを読み出すための真空光電子増倍管と、熱量計を読み出すための真空光電子増倍管を使用した。記載された両方の場合、標的システム名は、放射線撮影である一方、本発明は、３Ｄ断層撮影である。

図４は、陽子暴露の間、物体１６を保持および回転させる回転ステージ２８を有するシステム１０を示す。

この検出器の一意的特徴は、再構築された画像内にアーチファクトを生成し得る死角または重複検出器を伴うことなく、大きい領域のカバー率を含むことである。この解決策は、シリコンストリップ検出器を使用する従来のアプローチよりも優れた信号対雑音比をもたらす。したがって、シリコン光電子増倍管に取着されたシンチレーションファイバは、背景雑音を減少させ、より鮮明な画像を制定し、撮像のための患者への線量を低減させる。これは、２００万／秒の速度で陽子を記録し、撮像時間を患者撮像に対して容認可能な時間である１０分未満まで短縮する初のｐＣＴ検出器である。

本発明は、陽子を、源から２つの追跡検出器を通して、物体を通しておよび周囲に、そして２つの反対側の追跡検出器を通して放出するステップと、熱量計によって陽子を検出するステップと、物体を撮像するステップとによる物体を撮像する方法を提供する。

より具体的には、陽子は、源１８（走査磁石）から、２つの追跡検出器１２を通して、撮像される物体１６を通しておよびその周りに、そして付加的な２つの追跡検出器１２を通して放出され、最後に、エネルギー検出器（すなわち、熱量計１４）（図１）を通過する。十分なエネルギーの陽子は、人体を貫通することができ、追跡検出器１２の入射および出射に応じて追跡することができる。陽子のＸおよびＹ位置が測定され、追跡検出器１２のそれぞれのＸおよびＹ平面上で検出される。好ましくは、システム１０は、４つの検出器またはこれらのファイバ追跡器の８つの平面を含み、各平面を通って通過するのに伴って、各陽子トラックの位置を記録する。撮像される物体１６は、２つの検出器１２が、画像の各側にあるように位置する。検出器１２は、動作の間、物体の３６０度を周りを回転する。

３Ｄ陽子コンピュータ断層撮影画像の生成は、メモリ内に記憶される多数の陽子履歴からのデータを必要とする。先行技術において実装された独立型汎用目的グラフィカル処理ユニット（ＧＰＧＰＵ）ワークステーション上で実行される従来のコンピュータプログラムは、コンピュータメモリ上の要求によって制約されていた。本明細書に説明されるアプローチは、再構築が、複数のワークステーションで同時に実行されるのと同様に、コンピュータメモリに関する要求に限定されない。

検出器および熱量計から記録された結果として生じたデータは、コンピュータクラスタ上の画像再構築ソフトウェアプログラムにフィードされ、高解像度画像を照射後１０分以内に形成可能にすることができる。

コンピュータプログラムは、メッセージパッシングインターフェース（ＭＰＩ）規格に照らして書かれる。ＭＰＩ規格に照らしてプログラムを書くことは、単一コンピュータとは対照的に、多くのコンピュータのクラスタ上でプログラムを起動することを可能にする。プログラムは、約７６８個のＣＰＵ（コンピュータ）に加えて、９６個のＧＰＵ（グラフィック処理ユニット）上で起動されることができる。このように、多くのコンピュータの組み合わされたメモリおよび演算能力を同時に担うことが可能であって、したがって、実質的に、プログラムを起動するためにかかる時間を（数桁も）短縮し、プログラムが撮像することができる課題サイズ（画像空間のサイズおよび画像の鮮明度によって測定される）を増加させる。したがって、熱量計１４から取得されるデータは、この規格を有する複数のコンピュータのクラスタ上で分析することができる。

また、コンピュータのメモリ内に画像を生成するために必要とされる情報を記憶するためのコンパクトな方法も開発された。このコンパクト設計は、問題を解決するために必要とされるメモリを数桁も削減する。独立型ワークステーション上で実行される、先行技術に実装された従来のコンピュータプログラムは、そのプログラムが必要とするコンピュータメモリの量によって制約されていた。

対照的に、コンパクトメモリ表現は、コンピュータプログラムを配備し、３Ｄ画像空間全体を１度に解析することを可能にする。これは、先行技術において使用された「スライスおよびアセンブル」技法と比較して、より多くの陽子のトレース履歴からの情報を使用することを可能にするので、より高い品質の画像をもたらす。

本発明の新しいコンピュータプログラムは、陽子療法によって治療される癌患者のための高品質３Ｄ内部画像を生成可能である。最も着目すべきは、新しいコンピュータプログラム、具体的には、ＭＰＩの追加およびコンパクトメモリ表現の２つの新規技法は、任意の他の周知の方法よりも高速で高品質な画像を生成することが可能であって、実際、そのように高速であることによって（すなわち、１０分間未満）、プログラムは、今日の癌の陽子治療において使用されるＸ線生成画像を補強またはそれに取って代わるために使用することができるだけではなく、医療ケア提供者が、そのような画像に対して新しい用途を見出し、患者に送達されるケアの品質を改善する（例えば、陽子療法による患者の治療直前に、１セット以上の画像を生成し、治療計画を精緻化する）ことができる。ｐＣＴ撮像およびこの新しいコンピュータプログラムは、陽子療法によって治療される世界的癌患者すべてに対して、画像を生成するための最新技術となり、したがって、事実上の標準となり得る。

コンピュータプログラムがさらに、以下の実施例１に説明されており、コードの実施例は、実施例２に示されている。概略すると、監督機コンピュータは、等量の陽子履歴を複数の作業機コンピュータおよび監督機コンピュータ自体に分配する。積分電子密度（ＩＥＤ）および最尤パス（ＭＬＰ）が、コンピュータそれぞれによって計算される。解ベクトルが解析され、コンピュータのそれぞれの中のコンピュータ可読メモリ上に記憶される。作業機コンピュータからの解ベクトルのコピーが、監督機コンピュータに送信され、組み合わされ、コンピュータ可読媒体上に記憶される。組み合わされた解ベクトルは、監督機コンピュータによって試験され、組み合わされた解ベクトルが終了したと決定される場合、画像が物体から生成される。組み合わされた解ベクトルが、終了していないと決定される場合、組み合わされた解ベクトルは、作業機コンピュータに伝送され、前述のステップはそれぞれ、組み合わされた解ベクトルが、監督機コンピュータによって、終了されたと決定され、画像が、物体から生成されるまで繰り返される。

図５は、本発明の一般的プロセスの流れ図を示す。陽子検出プロセスは、最終行に示され、追跡検出器１２および熱量計１４からのデータは、並列プロセッサおよび前述のアルゴリズムを使用して、上から分析される。最後に、概して、ＣＴ画像のような画像が生成される。

したがって、このアプローチの利点は、画像を生成するために必要とされる時間およびメモリの両方を、それぞれ、数桁も大幅に削減することである。時間および空間の両方におけるこれらの劇的な削減は、画像が生成される方法を変化させるだけではなく、また、癌療法において使用することができる方法も変化させる。

本発明はさらに、以下の実験的実施例を参照することによって、詳細に説明される。これらの実施例は、例示の目的のためだけに提供され、別様に規定がない限り、限定として意図されるものではない。したがって、本発明は、以下の実施例に限定されるものといかようにも解釈されるべきではなく、むしろ、本明細書に提供される教示の結果、明白となる、あらゆる変形例を包含するものと解釈されるべきである。

（実施例１）
ブロック法のためのメモリおよびＣＰＵ数の評価
２０１０年３月
（１ アプローチ）
ストリング平均化法を実装するために我々が提案した解決策は、ＭＰＩとともに、一組の作業機プロセスを使用するものであって、１台の作業機が監督機として指定される。監督機は、陽子履歴を読み出し、全作業機にわたってそれを均一に分配し、それぞれのための均等な分担を保存する。履歴のその部分から、各作業機は、（１回だけ）ＩＥＤおよびＭＬＰを計算し、ボクセル空間全体を表すその解ベクトルを初期化する（すなわち、各作業機は、解全体のうちのその独自のコピーを有する）。

次いで、プログラムは、以下の反復ループに入る：
１．各作業機は、そのＩＥＤおよびＭＬＰを使用して、その解のコピーを修正する。これは、その独自の停止基準を有する反復プロセスである；
２．監督機ではない各作業機は、その解のコピーを監督機に送信する；
３．監督機は、全他の作業機からの解ベクトルを収集し、独自のものと組み合わせ、組み合わされた解ベクトルを試験する。組み合わされた解が、「終了」である場合、監督機は、全他の作業機に終了を通知する。「終了ではない」場合、監督機は、組み合わされた解ベクトルを全ての他の作業機にブロードキャストし、次に、監督機とともに、次の反復のためのその開始点としてそれを使用する。

（２ 入力パラメータ）
撮像空間および計算リソースを特徴付ける以下の入力パラメータ
平面検出器パラメータ
Ｐ_ｈ，Ｐ_ｗ それぞれ、平面検出器の高さおよび幅（例えば、ｉｎ ｃｍ）
Ｐ_ｒ 検出器ストリップの解像度（例えば、２３８μ）撮像パラメータ
Ｉ_ａ 撮像陽子が発射される離散角度（３６０°）の数
ボクセル空間パラメータ
Ｖ_ｈ，Ｖ_ｗ、Ｖ_ｄ それぞれ、ボクセル空間の高さ、幅、および奥行（例えば、ｉｎ ｃｍ）
Ｖ_ｒ 画像の所望の解像度（例えば、１ｍｍ）
Ｖ_ｓ ＭＬＰ画像解像度オーバーサンプリング率（例えば、２）
Ｖ_ｐ ボクセルあたりの陽子、すなわち、各ボクセルを進行する撮像陽子の数計算リソースパラメータ
Ｍ プロセスあたりのメモリ
ｆ 単精度浮動小数点を記憶するためのバイト数
ｐ ポインタを記憶するためのバイト数
を定義する。

（３ メモリ制約およびプロセス数）
本項では、プロセスＭあたりのメモリによって制約される、Ｈ_ｗで示す各作業機が処理することができる履歴の数を計算し、Ｈ_ｗおよび履歴の総数から、問題を解決するために、Ｐによって示されるプロセスが必要とされる数を決定する。

指数および計数。計数のために必要とされる最小数のバイトを計算し、また、種々の離散化空間を指数化するための反復的必要性が見出された。したがって、表記の便宜上、これらの用語を
・Ｖ；ボクセル空間内のボクセル数
・ｂ_ｖ；線形化されたボクセル空間を指数化するために必要とされるバイト数
・ｂ_ｐｈおよびｂ_ｐｗ；それぞれ、寸法Ｐ_ｈおよびＰ_ｗを指数化するために必要とされるバイト数
・ｂ_Ｉａ；離散発射角度を指数化するために必要とされるバイト数

のように定義した。

入力。各陽子履歴は、４つの＜ｘ，ｙ＞タプル（各検出器平面に対して１つ）、入力および出力エネルギー（Ｅ_ｉｎおよびＥ_ｏｕｔ）、および投影角度から成る１１−タプルによって特徴付けられる。これらの値は、４つの＜ｘ、ｙ＞タプルそれぞれに加えて、最後の３つの値に対する３つの浮動小数のために、ｂ_ｐｈ＋ｂ_ｐｗバイトのストレージを必要とする。各履歴は、ファントム（すなわち、空間カービング）の３−Ｄ表面を決定するように処理される。このプロセスでは、ボクセル空間は、各ボクセルに対して１つの要素と、アレイによって表され、アレイの要素は、ファントムが、それぞれ、ボクセルを占有するか、または占有しない場合、設定あるいはクリアされる。最初に、アレイへのアクセス時間を短縮するために、ビットではなく、バイトによって、各ボクセルを表すことを選択した。したがって、各作業機に対して処理された入力投影履歴を記憶するために必要とされる、メモリ（Ｉ_ｍ）は、

となる。

ＩＥＤ。各陽子履歴は、浮動小数として記憶される積分電子密度（ＩＥＤ）を計算するために使用される。各作業機に対してＩＥＤ（ＩＥＤ_ｍ）を記憶するために必要とされるメモリは、

である。

ＭＬＰ。各陽子履歴は、陽子が通過したそれらのボクセスを識別することによって、陽子の最尤パス（ＭＬＰ）を計算するために使用される。略線形の軌道と仮定して、単一陽子の経路によって「接触される」ボクセル集合は、総ボクセル空間と比較して、非常に小さく、したがって、スパース表現が適切である。最初に、線形化されたボクセル空間内のその指数によって、ボクセルを識別することによって、陽子の経路内の各ボクセルをリスト化することを選択した（すなわち、各指数値に対して、ｂ_ｖバイトを必要とする）。陽子履歴データは、いくつかの異なる角度のそれぞれから、多くの撮像陽子を発射することによって生成された。再び、略線形の軌道と仮定して、単一の陽子が通過するであろうボクセルの上限は、ボクセル空間立方体を通る対角線（ｌ_ｄ）の長さから合理的に概算することができる^１）（すなわち、

）。陽子履歴は、所望の撮像解像度およびＭＬＰオーバーサンプリング率によって決定される解像度（すなわち、ステップサイズｓ）において評価される（すなわち、

）。陽子が通過するそれらのボクセルの識別に加え、最終画像の品質は、また、各ボクセルを通る陽子経路の弦長の評価を記録することによっても、改善することができることが示された（すなわち、「接触された」それらのボクセルを単に識別するのとは対照的である）。最初に、弦長、ボクセル立方体寸法（Ｖ_ｈ，Ｖ_ｗ，Ｖ_ｄ）の関数としての浮動小数点数、および発射角度の評価を計算することを選択する。陽子履歴が、一組の作業機プロセスにわたってどのように分割されるかに関して、何ら仮定することなく（例えば、作業機は、単一発射角度、あるいは多くのまたは全部の発射角度から、全履歴を受信してもよい）、それを生成した弦長および角度をその角度から発射された陽子のボクセル指数に「接続」する単純メモリレイアウトが、以下のように、並行して、弦長のベクトルおよび２つの付加的ベクトルを維持する。
・弦長−これは、各離散発射角度に対して計算された弦長を記録する、浮動小数のベクトルである（すなわち、長さ＝Ｉ_ａ）。
・発射角度指数−これは、各陽子履歴が発射された角度を記録する、弦長の第１のベクトルに対する整数指数のベクトルである（すなわち、長さ＝Ｈ_ｗ）。
・ボクセル指数アレイ−これは、各陽子履歴が、陽子がその経路上で「接触した」ボクセル指数のベクトル（評価長Ｉ_ｄ）をポイントする、ポインタのベクトルである（すなわち、長さ＝Ｈ_ｗ）。

これらの概算および単純メモリレイアウト方式に基づいて、各作業機に対するＭＬＰボクセルおよびその弦長（ＭＬＰ_ｍ）を記憶するために必要とされるメモリの上限概算は、

となる。

（注記１）実際は、ＭＬＰ評価は、入力の空間カービング事前処理から生成された入射および出射の３−タプル＜ｘ，ｙ，ｚ＞から開始ならびに終了するであろう。

解ベクトル。解ベクトルは、浮動小数のアレイであって、その長さは、ボクセルＶの数によって決定される。各作業機が、解ベクトル全体のうちのその独自のコピーを維持することに着目し、したがって、各作業機において解ベクトル（Ｖ_ｍ）を記憶するために必要とされるメモリは、

となる。

作業機あたりの履歴。監督機を含む、各作業機は、前述のメモリ構成要素のそれぞれを記憶するために十分な空間を有していなければならないが、しかしながら、入力が処理されると、そのメモは、解ベクトルのために再使用されてもよいことに着目する。

不等式（５）を書き換えると、そのメモリＭによって制約される、各作業機が処理することができる履歴の最大数Ｈ_ｗは、

のように計算することができる。

プロセスの数。ボクセルＶの数およびボクセルＶ_ｐあたりの陽子の数によって、合計でいくつの入力陽子履歴が存在するかが分かる。これは、そのメモリによって制約される、各作業機が処理することができる履歴の最大数Ｈ_ｗと組み合わせて、

Ｐで示すいくつの作業機プロセスが、問題を解決するために必要であるかが分かる。

（４ 事例研究）
ここで、以下の値を使用して、Ｈ_ｗおよびＰを計算する。
Ｐｈ，Ｐｗ＝２０ｃｍ
Ｐｒ＝．２３８ｍｍ
Ｉａ＝１８０
Ｖｈ，Ｖｗ，Ｖｄ＝２０ｃｍ
Ｖｒ＝１ｍｍ
Ｖｓ＝２
Ｖｐ＝１０
Ｍ＝２ＧＢ
ｆ，ｐ＝４バイト
それらの値を得られた不等式（６）に代入する^２）。

事例Ｉ ２８Ｈ_ｗ＋８ｘ１０^６≧３２ｘ１０^６：不等式（８）の書換え

事例ＩＩ ２８Ｈ_ｗ＋８ｘ１０^６＜３２ｘ１０^６：不等式（８）の書換え

事例ＩＩのＶ_ｍ＝３２ｘ１０^６に基づいて、解を記憶するために必要とされるメモリは、入力Ｉ_ｍ＝２８Ｈ_Ｗ＋８ｘ１０^６≒２９ｘ１０^６を記憶するためのメモリの量より大きいため、事例ＩＩに基づいて計算された値Ｈ_ｗ＝７６０，６９２を使用する。その値を式（７）に適用して、

が必要であることが分かった
（注記２）整数で記憶することができるように、値（

）を３から４までに丸めた。

（付録−スプレッドシート用）
不等式（６）から、２つの以下の事例に基づいて、Ｈ_ｗを求める。
事例Ｉ Ｉ_ｍ≧Ｖ_Ｍと仮定して、（６）におけるＨ_ｗを求める。

または、より便宜的表記を使用して表すと以下のようになる。

セクション４からのパラメータを代用して、Ｈ_ｗを以下のように求める。

事例ＩＩ Ｉ_ｍ＜Ｖ_Ｍと仮定して、（６）におけるＨ_ｗを求める。

または、より便宜的表記を使用して表すと、

となる。

セクション４からのパラメータを（１０）に代用して、再び、Ｈ_ｗを以下のように求める^３）。

（注記３）整数で記憶することができるように、値（

）を３から４までに丸めた。

本願を通して、米国特許を含む種々の刊行物が、著者および年度別に、ならびに特許が番号別に参照された。刊行物の全体引用は、以下に列挙される。これらの刊行物および特許の開示は、その全体において、本発明が関わる最新技術をより完全に説明するために、参照することによって本願に組み込まれる。

本発明は、例示的に説明されており、使用された専門用語は、限定ではなく、説明の用語の性質におけるものであることが意図されることを理解されたい。

明らかに、本発明の多くの修正および変形例が、前述の教示に照らして可能である。したがって、添付の請求項の範囲内において、本発明は、具体的に説明される以外にも実践することができることを理解されたい。

Claims (1)

1. 本明細書に記載の発明。