JP4237065B2 - ガンマカメラのための複数ポイントソースを用いたエラー修正 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は核医学に関し、特に、複数ポイントソースを使用するガンマカメラアライメントの空間エラーの修正に関する。

核カメラのメカニカルシステム（検出器座標）を有する画像マトリックスシステム（画像座標）のアライメントは、SPECTの画像品質に影響するキーファクターの一つである。この座標がアライメントされてないと、放射性核種イベントの特定された位置に空間的エラーが生じ、再構成された核画像が不明瞭になる。正しい位置に関するイベント取得において、ガンマカメラ検出器に生じるエラーには、３つの並進エラーと３つの回転エラーとがある。並進エラーは、カメラガントリー回転の接線方向、軸方向、半径方向で起こる。回転エラーの回転軸は、ガントリー回転の接線、軸、半径方向とそれぞれ平行である。

現在、ガントリー上の検出器ヘッドをアライメントするために、臨床環境では、単一ポイントソース測定法が使用されている。この方法においては、近似的にポイントソースとみなせる小さな放射核種サンプルがカメラの視界中の軸上でない位置に置かれ、円形のSPECT取得が取得される。プロジェクションの各フレーム上のポイントソースにより形成されるスポットの中心は、フレーム全体の重心と予測される。横方向のポイントソースの空間座標はサインカーブにフレーム上のスポットの中心をフィッティングすることにより予測される。軸方向のポイントソースの空間座標は、その方向の中心位置の平均として予測される。各フレーム位置に対する接線と軸方向の並進エラーは、予測されたポイントソース位置に基づき計算される。

システムに回転エラーがなければ、単一ポイントソース法は、相対的に正確である。しかし、回転エラーが大きくなると、並進エラーと同様に回転エラーを検出できるエラー修正方法が非常に望ましい。

本発明の原理によると、核医学カメラアライメント問題または回転中心（COR）エラーを検出して修正する方法が説明されている。本発明の方法は、アライメントエラーを予測するために視界に複数のポイントソースを使う。好ましい実施形態において、３つ以上のポイントソースが使用される。好ましくは、ポイントソースは、２つのソースが同じ横平面を共有しないように、また、３つのソースが回転軸に平行な斜平面を共有しないように配置される。一の実施形態において、視界に複数のポイントソースを伴うSPECT取得が実行され、システムアライメント情報がプロジェクションデータから抽出される。

好ましい実施形態において、この方法は、ガウシアンサーフェスフィッティングを用いて、検出器の回転角においてフレーム上に各ポイントソースが形成するスポットの中心を抽出する。ポイントソースの空間座標は、横方向でサインカーブに、また軸方向で定数に中心をフィッティングすることにより見つけられる。２つの並進および３つの回転アライメントエラーは、画像化システムのジオメトリの分析に基づき最小二乗法により、各検出器の位置で見つけられる。好ましい方法は、検出器の接線方向および軸方向のエラーを測るだけではなく、複数のポイントソースの単一のSPECT取得から３つの回転エラーすべてを測定する。

図１ａ−１ｆに示すように、ガンマカメラに発生するミスアライメントまたはＣＯＲエラーはたくさんある。これらの図面において、２つの検出器ヘッド１と２は、ｚ軸と一致した十字線により示される回転中心の周りを、ガントリー１０により回転するようにマウントされている。検出器ヘッドは、図１ａにおいて２つの検出器ヘッドの中心から延びる点線のミスアライメントにより示したように、軸方向にミスアライメントを生じる。図１ｂにおいて２つの検出器ヘッドの中心から延びる点線のアライメントがないことによって示されているように、接線方向にミスアライメントが生じる。理想的には両方の点線は、十字線１２の中心でｚ軸と交わらなくてはならない。図１ｃは、非円形の点線により半径エラーを示していて、十字線１２の中心の周りをガントリーにより回転される時に、２つの検出器ヘッドが同じ同心円パスを通らないことを示す。図１ｄにおいて、ヘッド１検出器の検出器表面が、回転のｚ軸に平行でなく、ここで「チルトエラー」と呼ばれる。図１ｅにおいて、ヘッド１検出器の回転エラーがある。ヘッド１の回転軸は、この例ではミスアライメントが生じている。このタイプのエラーは、「アングルエラー」と呼ばれる。図１ｆは検出器表面１４の平面図であり、検出器ヘッドがそのｚ軸との直交アライメントから回転しており、「ツイストエラー」と呼ばれる。従来技術のアプローチは、図１ａと１ｂの並進エラーのみを解決し、検出器ヘッドの各角度セッティングのミスアライメントは一定であると仮定している。

本発明の方法は、以下により詳しく説明するように、ガンマカメラの視界にポイントソースをマウントまたはつるすことにより実行できる。その後、取得シーケンスが実行され、検出器ヘッドがガントリーによりＣＯＲの周りで回転され、ガンマ線が各検出器位置で検出される。構築された実施形態において、検出器位置は６４−１２８ある。視界におけるポイントソースの位置は、結晶上のガンマ線カウントから検出され、異なる検出器位置におけるポイントソースの位置シフトの位置と角度が計測される。好ましい実施形態において、これらのポイントソースは最小二乗法により分析され、各検出器位置におけるエラーが解消される。検出されたエラーは、ヘッド回転のメカニカルな調整かまたは再構成アルゴリズム中の修正ファクターにより修正される。例えば、結晶上の検出されたガンマ線イベントのｘ、ｙ座標は、ｘ＋Δｘ、ｙ＋Δｙに修正される。好ましくは、これらの修正は、イベントデータが取得されるときにロケーションシフトを修正するために、取得中に行われる。平均修正値を適用することはできるが、好ましくはイベントごとの修正地が使われる。

図２に示したように、ポイントソースが準備される。注射器２０が、毛細管チューブ２４に放射性核種の小さな液滴を入れるために使用される。図に示したとおり、典型的なカメラ画像フィールドにポイントソースを近づけるために、液滴のサイズは４ｍｍ以下であることが望ましく、好ましくは全ての寸法において３ｍｍ以下であることが望ましい。多くのカメラで好適な放射性核種は、放射能レベル１００μＣｉ以上のテクネチウム（Ｔｃ−９９ｍ）であり、好ましくは５００から１０００μＣｉである。ポイントソースはこのように作れば簡単で、コストもかからず、比較的容易に適当に廃棄することができる。

図３ａと３ｂは、カメラ検出器ヘッド３２と３４間の視界にポイントソース１、２、３を効果的に配置した例の軸方向および側面図である。矢印３６は、取得中の検出器ヘッドの回転方向を示す。十字線１２はシステムのｘ、ｙ座標の中心を示し、回転のｚ軸を横切る。例示したポイントソース配置において、ソース１、２、３は、回転ECTスキャン中に各々の角度で両方の検出器により検出される。ソースはいずれも横平面を共有しておらず、すなわち、各ソースはそれ自身のユニークなｚ値を有している。好ましくは、ソースのｚ軸は少なくとも１０ｃｍ離れており、回転のｚ軸から約１０ｃｍの位置に置かれる。好ましくは、軸方向に見たとき、ソースは略均一に分配されている。

本発明の好ましい方法において、３６０°SPECTスタディは、利用可能な最大のマトリクスを用いて視界にあるポイントソースで実行される。ストップの数は６４以上である。各ヘッドの結果は別のスタディとして保存される。

各検出器ヘッドのアライメントエラーは、測定されたポイントソースプロジェクションデータに基づき決定される。この手続きを示すフローチャートが図４に示されている。ポイントソースプロジェクションデータから、各ポイントソースのプロジェクション中心（PSF）が決定される（ステップ５０）。２次元（２D）ガウシアンサーフェスフィットプログラムは、各検出器位置において各ポイントソースのプロジェクション中心を決定するために使用される。ポイントソースのプロジェクションが検出器の一端に近い時、ピークの非対称性による中心決定のエラーを２Dガウシアンサーフェスフィットを用いて最小化できる。図７はこの手続きのフローチャートを示す。ポイントソースプロジェクションの中心、すなわちピークは２つのパスにより正確に決められる。最初に大体の中心が最大ピクセルの位置を探すことにより見つけられる（ステップ６０）。これがおおよそピークの中心であると仮定して、ピークのシグマ（σ）の粗い予測が決定される（ステップ６２）。最大強度ピクセルを中心とし６σのサイズをもつフレームの正方形のサブセットが次のパスでフレームから抽出される、すなわち、サーフェスフィットである（ステップ６４）。σと最大ピクセルの位置を初期値として用い、２Dガウシアンサーフェスフィットプログラムは、抽出されたサブフレームからピークの正確な中心を決定する（ステップ６６、６８）。次のピークの中心を見つけるために、ピーク検出プログラムの最初のパスにループバックする前に、現在のピークのサーフェスフィットがフレームから差し引かれる（ステップ７０）。ピーク検出プログラムは、各フレームから見つかったポイントソースプロジェクション中心のリストを生成する（７２）。

最後のフレームのポイントソース中心が見つかった後、全てのフレームで発見されたソースポイントの数の完全性がチェックされる（ステップ５２）。図６は、この手続きのフローチャートを示す。フレームに発見された中心数のチェックがされる（ステップ８０）。フレームに欠けている点があると、ポイントプロジェクションが視界の外にあるか、またはソースが弱すぎるか取得時間が短すぎることを示している。そのフレームが中心を欠いているとき、中心をマークする（ステップ８２）。フレーム内により多くの点があるときは、取得のノイズレベルが高いからかもしれない。弱いポイントソースまたは短い取得時間は、高いノイズレベルの原因となりやすい。他のフレームのポイントとマッチしない中心は捨てられる（ステップ８４）。全てのフレームがチェックされるまで、この手続きが続く。

すべてのフレームに対してポイントソースプロジェクション中心が見つかった後、ポイントソースの座標は以下の補遺にある式（１６）を用いて決定される（ステップ５４）。各フレームの回転中心アライメントエラーは、補遺の式（１８）を用いて決定できる（ステップ５６）。アライメントエラーは回転アライメントデータの表中に記憶される（５８）。

決定されたアライメントエラーは、ガントリーのメカニカル調整または処理ソフトウェアの修正ファクターを通して、アライメントジオメトリを修正するために使われる。一の典型的な実施形態において、並進エラーEtとEsは、取得ソフトウェアで修正された。検出器アングルエラーεは、検出器ヘッドマウントにおけるコントロールメカニズムで修正することができる。回転エラーzとxは、好ましくは訓練されたサービス要員によりメカニカルに調節される。

補遺

以下に示す式は、空間座標の一つとガンマカメラの検出器の座標との２座標系に基づく。この座標は次のように定義されている：
空間座標はｘ、ｙ、ｚ軸を含む。患者が患者テーブルにヘッドインで仰向けの位置にある時、ｘ軸は患者の水平左向きを指す。ｙ軸は上向きを指す。ｚ軸は患者の水平足方向を指す。空間座標系の原点は、患者テーブルに関して固定されている。

検出器座標はｔ、ｓ軸と検出器アングルを含む。患者がテーブル上でヘッドイン位置にいて、患者の足の方向から見たとき、１２時方向が検出器回転角０°であり、時計回り方向が正である。検出器ヘッドが０°位置にあるとき、検出器のｔ軸は空間座標のｘ軸に平行である。検出器のｓ軸は、空間座標のｚ軸にいつも平行である。検出器座標系のｔ軸は検出器ヘッドに関して固定されている。

アクティビティの分布は空間座標で表現される。計測されたプロジェクションは検出器座標で表現される。

理想的なアライメント
空間座標中の（ｘ０、ｙ０、ｚ０）に理想的なポイントソースが置かれていると仮定する。空間的なアクティビティの分布は次の式で表現される：

このポイントソースを検出器上のパラレルビームコリメータで計測すると、検出器座標中に生成されるプロジェクションは次の式で表現される：

ここで、h(t,s,d)は、ソース−コリメータ間距離dにおける点分離関数であり、Rはコリメータ表面から回転中心までに定義された検出器半径である。

h(t,s,d)がt軸、s軸について対称であると仮定すると、結果のプロジェクションは、検出器空間のポイントソースにより生成されたスポットの中心に対して対称である。それゆえ、重心座標がプロジェクションを表現するために使用できる。

式（３）は次のように書き換えられる：

軸方向の並進エラー
軸方向の並進エラーがあるとき、ポイントソースの測定されたtとsは次のようになる：

ここでE_s(θ)は、検出器角度θの関数としてのs方向の検出器の並進である。Esが正のときは、図１ａ中のヘッド１により示したように、検出器はsまたはz方向にシフトする。

接線方向の並進エラー
接線方向に並進エラーがあるとき、次のようになる：

ここで、Et(θ)は、検出器角度θの関数としてのt方向の検出器の並進である。図１ｂは、ヘッド１の正のEtを示している。

半径方向の並進エラー
半径方向における並進エラーの効果は、パラレルビームSPECTスタディにおいては無視できる。ファンビーム、コーンビーム、MCDジオメトリシステムにおいては、このエラーは計測可能であり、修正する必要がある。

検出器が回転軸に平行でない（チルトエラー）
チルトエラーがあると、次のようになる：

ここで、ζ(θ)は、検出器角度θの関数としてのｚ軸に関する検出器の回転角度であり、Rはコリメータ表面から測った回転の半径である。u₀は次のように定義される：

チルトエラーの回転軸は、コリメータの表面上にあり、ガントリー回転軸に垂直である。ζが正のとき、検出器表面上で正のsはガントリー回転軸に向かって傾く。図１ｄはヘッド１が正のζを有する場合を示す。

不正確な角度位置（アングルエラー）
アングルエラーがあるとき、次のようになる：

ここでε(θ)はエラーであり、検出器表面が回転軸に向かなくなる。アングルエラーの回転軸はコリメータの表面上で定義され、ガントリー回転軸に平行である。εの方向は、θと同様に定義される。図１ｅは、ヘッド１が正のεを有する場合を示す。

検出器が検出器表面の法線に関して回転している（ツイストエラー）
ツイストエラーがあると、次のようになる：

ここで、x(θ)は、検出器角度θの関数としての検出器表面の法線に関する検出器回転角である。ツイストエラーの回転軸は、検出器表面の中心にあり、表面に垂直である。ガントリー回転軸から検出器の方を見たとき、正のツイストエラーは検出器表面の時計回りの回転の原因となる。

実際の測定は、全てのエラーの組み合わせを含む：

表現を短くするため、θの関数の変数からθを落としたことに注意されたい。

ミスアライメントを測定する仕事は、臨床環境で実行できる測定によって、Et(θ)、Es(θ)、ξ(θ)、ζ(θ)、ε(θ)を決定することである。

ポイントソースの空間座標を予測する
回転エラーはすべて小さいと仮定する。次の条件が成り立つ：

式（１０）は次のように簡略化できる：

ここで、d₀=R-u₀である。視界にn個のポイントソースを置き、各角度位置θにおいて中心t_miとs_miとすると、全ての角度について各点において最小二乗エラーを最小化することにより、ポイントソース(x_i, y_i, z_i)の位置を予測することができる。

ここで、N_pはプロジェクション角度の数、θ_jはプロジェクションjにおけるプロジェクション角度である。次のようになる。

上の方程式を解くと、次のようになる。

各プロジェクション角度でアライメントエラーを予測する
各ポイントソースi(t_i, s_i, u_i)について式（３）と（８）を用いて(t₀, s₀, u₀)を計算できる。t_miとs_miは、式（１３）を用いて(t_i, s_i, u_i)から導ける。次の式を最小化することによりエラーを予測することができる：

ここで、t_miとs_miは式（１３）を用いて(x_i, y_i, z_i)から導くことができる。それゆえ、次のようになる：

上記の一次方程式を解いて、各θについてE_t、E_s、ξ、ζ、εを決定することは簡単である。これらの式はパラレルビームジオメトリについて最適化されているが、ファンビーム、コーンビーム、同時発生モードジオメトリ(coincidence mode geometries)についても、同様なやり方で同様な式を容易に導くことができる。

ａ‐ｆは、２検出器ヘッドガンマカメラがぶつかるかもしれない回転中心（COR）のミスアライメントのタイプを示す図である。 ポイントソースサンプルの準備を示す図である。 ａ、ｂは、視界にポイントソースの配置を示す図である。 ポイントソースプロジェクションから検出器ヘッドのためのCOR値を決める方法のフローチャートである。 フレーム中のポイントソースプロジェクションの中心を決める方法のフローチャートである。 フレーム中の点プロジェクション数の完全性をチェックする方法のフローチャートである。

Claims (16)

1. ガンマカメラシステムの検出されたイベントロケーションの精度を調整する方法であって、
   前記カメラの視界に複数のポイントソースを置き、
   複数の検出器位置から前記ポイントソースからのイベントデータを取得し、
   並進および回転アライメント調整をするために前記イベントデータを処理し、
   前記並進および回転アライメント調整により調整されたガンマカメラ画像情報を作ることを含むことを特徴とする方法。
2. 前記複数のポイントソースを置くことは、前記カメラの視界に３つのポイントソースを置くことを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記複数のポイントソースを置くことは、前記カメラの視界に、各々放射性核種サンプルを含む３つの毛細管チューブを置くことを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 前記イベントデータを処理することは、軸方向および接線方向のうち少なくとも一つにおいて並進調整をするため、およびチルトエラー、アングルエラー、ツイストエラーのうち少なくとも一つのための回転調整をするために、前記イベントデータを処理することを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 前記複数のポイントソースを置くことは、どの２つのポイントソースも同一横平面を共有せず、どの３つのポイントソースも回転軸に平行な斜平面を共有しないように、前記カメラの前記視界に複数のポイントソースを置くことを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. 前記イベントデータを取得することは、複数の検出器位置についてポイントソースプロジェクションデータを作るためにSPECT取得を実行することを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. 前記イベントデータを処理することは、ガウシアンサーフェスフィッティングを用いてフレームの各ポイントソースの中心を抽出することを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. 前記イベントデータを処理することは、横方向においてサイン曲線に、または軸方向において定数に、前記中心をフィッティングすることにより、ポイントソースの空間座標を決定することをさらに含むことを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 前記イベントデータを処理することは、前記ガンマカメラジオメトリに基づき、最小二乗法により、並進および回転アライメントエラーを作ることを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
10. 検出器ヘッドの並進と回転におけるエラーを補正できるガンマカメラシステムであって、
    視界を定める複数の検出器ヘッドと、
    前記視界に置かれた複数のポイントソースと、
    前記ポイントソースからイベントデータを取得する間、検出器を異なる検出器ヘッド位置に動かすように動作するガントリーと、
    並進および回転エラー情報を作るため、前記複数のポイントソースからの前記イベントデータを処理するように動作するイベントデータプロセッサと、
    前記エラー情報により補正されたガンマカメラ画像を作るように動作する画像プロセッサとが設けられたガンマカメラシステム。
11. 前記複数のポイントソースは３つのポイントソースを含むことを特徴とする請求項１０記載のガンマカメラシステム。
12. 前記ポイントソースは、どの２つのポイントソースも同じ横平面を共有せず、どの３つのポイントソースも回転軸に平行な斜平面を共有しないように置かれていることを特徴とする、請求項１０記載のガンマカメラ。
13. 前記イベントデータプロセッサは、複数の異なる検出器ヘッド位置の各々について並進および回転エラー情報を作るように動作することを特徴とする、請求項１０記載のガンマカメラシステム。
14. 前記イベントデータプロセッサはポイントソースプロジェクションデータプロセッサを含むことを特徴とする、請求項１０記載のガンマカメラシステム。
15. 前記イベントデータプロセッサは表面または曲線フィッティングプロセッサを含むことを特徴とする、請求項１０記載のガンマカメラシステム。
16. 前記イベントデータプロセッサは、軸方向エラー項と接線方向エラー項のうち少なくとも一つを作り、チルトエラー項、アングルエラー項、ツイストエラー項のうち少なくとも一つを作るプロセッサを含むことを特徴とする、請求項１０記載のガンマカメラシステム。

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