JP4250180B2 - 放射線撮像装置およびそれを用いた核医学診断装置 - Google Patents
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Description
これらガンマカメラ装置、SPECT装置では、撮像対象とするγ線のエネルギによって、必要とされるコリメータの形状や検出器の厚みが異なる。汎用的に用いられているγ線源である99mTc(140keV)向けの低エネルギγ線撮像用のパラレルホールコリメータでは、γ線を通過させる開口部の孔径は1〜2mm程度、斜め方向のγ線の入射成分を抑制する放射線通路間の隔壁(セプタ)は0.2〜0.3mm程度と薄く、放射線通路の長さは30〜50mm程度である。
核医学検査技術学 日本放射線技術学会 オーム社、平成14年4月30日
また、前記放射線撮像装置を用いた核医学診断装置は、放射線検出信号を処理し、画像化するデータ処理装置と、を備え、データ処理装置は、1方向からの投影像を画像化する処理において、前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットを用いることを特徴とする。
次に、本発明の第1の実施の形態に係る核医学診断装置であるガンマカメラ装置について、図1および図2を参照しながらまず説明し、続いてSEPCT装置について説明する。
図1に示すように、核医学診断装置1Aは、放射線撮像装置3Aとデータ処理装置5と被検体2を載せるベッド12を含んで構成されている。放射線撮像装置3Aはガントリ10、このガントリ10に保持されたカメラ部11(図中、11A、11B)を含んで構成されている。以下、特別に断らない限り、カメラ部11A、11Bを総称してカメラ部11と称する。
また、図1ではカメラ部11A、11Bは互いに180°対向するように配置してガントリ10に保持されているが、互いに干渉しない範囲で、例えば、互いに90°をなすように配置することも、また、カメラ部11A、11Bを2つ並べて平面状に配置することも可能である。
図2では、総称としてコリメータ30と表示するが、以下の説明では、コリメータ30の形状の違いにより、符号を変えて説明する。
(放射線検出器)
カメラ部11に用いる検出器21の例を、図3から図7を参照(適宜、図2参照)しながら説明する。例えば、図3は、検出器基板23(図2参照)にCdTe半導体を用いた半導体放射線検出器21Aを2次元に配列し、個々の半導体放射線検出器21Aが1つの検出画素を構成している場合を示している。図3において上面側が半導体放射線検出器21Aの入射面21bであり、電圧を印加する電極21a、21cは側面に配置される。従って、1枚の大きな結晶からなるシンチレータと異なり、半導体放射線検出器21Aからの検出信号は、画像ピクセルに対応する検出画素単位で収集される。
次に、図8から図10を参照しながら本実施の形態の特徴であるコリメータ30Aを説明する。
図8の(a)に示すようにコリメータ30Aは、多数の放射線通路31を有し、そのセプタはコリメータ部材30a、30bから構成されている。コリメータ30Aは、回転中心軸X1の周方向(被検体2の体軸の周方向)にはピンホールコリメータのように複数の検出画素を含む多数の放射線通路31を有する形状にコリメータ部材30aが配されており、回転中心軸X1方向(被検体2の体軸方向)にはパラレルホールコリメータのようにコリメータ部材30bが配されている。
以下、コリメータ30A、検出器21の寸法諸元を説明するときに用いる「体軸方向」とは、被検体2の体軸方向を、「周方向」とは、特別に断らない限り被検体2の体軸回りの方向を指す。
放射線通路31の断面形状は検出画素の形状に合わせて矩形である。従って、個々の放射線通路31の矩形の断面の前記回転中心軸X1方向(被検体2の体軸方向)の辺は、放射線通路31に沿って一定長さであり、周方向の辺は、放射線通路31に沿って入射面側の開口部(コリメータ孔)33の断面が絞りこまれ、前記検出器21側に向かって扇形に末広がりとなっている。
図8の(b)に示すように、コリメータ30Aの入射面側から見た開口部33の孔形状は、周方向の幅が狭い矩形であり、(a)におけるA−A矢視断面を示す(c)のように、一つの放射線通路31の検出器21側の開口部35には周方向に3個一列に検出器21が配される(所定のサイズの検出器が回動方向に複数配される)配置関係となっている。
ここでは、検出器21は、CdTe半導体を用いた前記半導体放射線検出器21A、21B、21Cのいずれかである。その外形寸法は、体軸方向および周方向のそれぞれの検出器幅、Wa(図示せず)、Wpが、ともに、例えば1.4mmであり、奥行き長さDが、例えば10mmである。検出器21の奥行き長さDの内部に入射γ線の吸収に対する検出器実効中心PDを仮定する。この検出器実効中心PDは、検出器21の奥行き方向におけるγ線の吸収による減衰の効果により、厳密には奥行き長さDの中央位置よりコリメータ30Aの入射面側寄りである。
コリメータ孔中心Pcの位置において、開口部33の周方向の孔幅Dcpは1.2mm、体軸方向の孔幅Dca(図示せず)は1.4mmである。DcpがDcaより小さいのは後記するSPECT撮像における断層像での分解能の向上を重視したためであり、Dcaと同じ1.4mmでも構わない。
また、回転中心軸X1とコリメータ孔中心Pcとの距離Lは、例えば、100mm、コリメータ孔中心Pcと検出器実効中心PDとの距離Lcは、例えば、50mmである。
φp=2×tan−1[Wp/D] ・・・・・・・・・・・・・(1)
この開口角φpは、図9の(b)に示すように、検出器21の放射線通路31に対して斜めに入射するγ線がおよそ1検出器21内に収まるように設定するために求めた目安である。本実施の形態では検出器21にCdTeを用いているため、NaIシンチレータに比べて放射線の阻止能が高く、奥行き長さDが10mmのCdTeは16mm厚の中高エネルギγ線撮像向けのNaIシンチレータに相当する。検出器幅Wpが1.4mmであるので、開口角φpはおよそ16°となるが、隣接する検出器21への斜め貫通入射を低減するために、検出器21を3個周方向に配列するとし、開口角φp=3.44°に狭めている(図10の(e)参照)。
前記したピンホールコリメータにおける孔エッジのペネトレーションの問題を低減するためには入射面側、検出器側双方に開口角を持つ図10の(e)のようなタイプが望ましい。
次に、このコリメータ30Aの構成と検出器21の配置による投影像の撮像方法と、核医学診断装置(ガンマカメラ装置)1Aの画像処理部における画像化方法について図11から図18を参照(適宜、図1参照)しながら説明する。
本実施形態ではコリメータ形状が周方向と体軸方向で異なるため、先に本方式の大きな特長である周方向の投影像の撮像方法について説明する。
本実施の形態では図1に示すようにカメラ部11の回転中心軸X1が回転中心軸X2の周方向角度の一つのカメラ位置において、カメラ部11の入射面が回転中心軸X2の径方向に垂直に内方を向いている状態を、回転中心軸X1に対して0°とする。そして、0°を中心にして一方側を+、他方側を−の角度とここでは称する。パラレルホールコリメータを用いたガンマカメラ装置における撮像では、通常、回転中心軸X2の周方向角度の一つのカメラ位置において、カメラ部11の入射面に垂直な方向からのγ線入射成分に対して、検出器21の全面積分の投影(プロジェクション)が得られる。これに対し、本実施の形態の核医学診断装置1Aでは、カメラ部11の入射面が回転中心軸X1に対して0°の状態におけるカメラ部11の入射面に対して、垂直な方向から入射するγ線の成分を「垂直成分」と定義すると、この入射面の角度設定状態において、図11に示すように「垂直成分」以外の周方向に斜めに入射面に向かうγ線成分も含む複数本の異なる方向の投影が得られる。また、例えば、図12に示すコリメータ30Aが回転中心軸X1に対して0°の状態におけるように、前記「垂直成分」はそれぞれの開口部33を通して、各放射線通路31の周方向に配置した検出器21の一つ、例えば、図12中に説明のために検出器IDとして1〜53までの数字をあてがった検出器21のうち、3k(k=1〜17)の検出器IDの検出器21にだけ入射する。
L=m×Lc ・・・・・・・・・・・・・(2)
θp=tan−1(Wp/Lc) ・・・・・・・・・・(3)
ただし、mは1つの開口部33に対応する周方向1列分の検出画素数(この例では3)の倍数を除く整数である。整数としているのは、図中に示している回転中心軸X1の位置が、γ線の入射方向と反対側である検出器側にあってもよいため(m<0を考慮)である。
図12はコリメータ30Aが回転中心軸X1に対して0°の角度位置における検出器21への投影ラインと検出器21の出力分布(撮像分布)、図13は同じく−1.6°の角度位置における検出器21への投影ラインと検出器21の出力分布(撮像分布)、図14は同じく+1.6°の角度位置における検出器21への投影ラインと検出器21の出力分布(撮像分布)であり、ステップ毎に投影ラインを太実線、中太実線、中太破線に分けて示す。
本実施の形態では、開口部33のコリメータ孔中心Pcにおいて、隣接する放射線通路31との間のコリメータ部材30aの厚さは3mmであり、十分なセプタ厚を確保したのと同じ効果がある。高エネルギγ線でもペネトレーションを十分に抑えることができ、かつ、LESHR並みの高分解能の画像を得ることが可能である。MEGP、HEGPコリメータではどんなに時間をかけてもこのような高分解能の画像を得ることはできない。
続いて体軸方向の体軸方向の分布の取得方法については説明する。本実施の形態では、コリメータ30Aは、図8に示すように、体軸方向に対して1検出画素分(体軸方向の検出器幅Wa1.4mm)と同じ開口部33の孔幅Dca(1.4mm)と、1検出画素分のセプタ厚(コリメータ部材30bの厚さ=1.4mm)を有し、2検出画素ピッチ(Wca=2.8mm)で開口部33が並んでいる。したがって、回転中心軸X1の周方向の所定の複数の角度位置で撮像の後、矢印Z1方向にWa=1.4mm分カメラ部11を移動、あるいは矢印Z2方向にWa=1.4mm分ベッド12を移動して、再度、回転中心軸X1の周方向の前記所定の複数の角度位置で撮像することで、コリメータ部材30bの影になっていた部分の投影を取得する。それぞれの取得データにおいてコリメータ部材30bの影に当たる検出器データを削除し、両者を合算することで、コリメータの開口部33の体軸方向の孔幅が1.4mmで体軸方向の孔ピッチも1.4mmの、セプタ厚が無限小仮の想的なコリメータで取得した分布と同様の高空間分解能な分布を得る。
このように本実施の形態の核医学診断装置1Aは、検出画素1つに1つの検出器21が対応し、カメラ部11の入射面の体軸方向に直角向に対しては、回転中心軸X1の複数の角度位置で取得した検出器21の出力を、各角度位置に対応した特定の検出器21の出力を組み合わせ、体軸方向には、カメラ部11をZ1方向に1画素分移動させるか、ベッド12をZ2方向に1画素分移動させて撮像し、体軸方向の1画素分のセプタ厚の影の影響を除去し、完全な垂直投影像を構成できる。
その結果、コリメータ30Aの開口部33の孔径が□1.4mmで、体軸方向および周方向の孔ピッチも1.4mm、つまり、セプタが無限小の仮想的なコリメータで取得した分布と同様の高空間分解能な投影像を得ることができる。
周方向に複数の角度位置で撮像することにより、高空間分解能を維持したまま周方向の孔間隔を広く取ることができ、つまり、周方向のセプタを厚くすることができ、高エネルギγ線撮像において、従来のMEGP、HEGPコリメータではどんなに時間をかけても得られなかった低エネルギγ線と同等のレベルの高空間分解能画像を取得することができる。
なお、回転中心軸X1は、本実施の形態では入射面側に配置するものとしたがそれに限定されない。コリメータ孔中心Pcから検出器21側に式(2)で決める距離Lの位置に設けても良い。
また、カメラ部11の駆動機構が、入射面の体軸方向に直角方向の平行移動が可能なように対応していれば、体軸方向の撮像方式を周方向に適用してもよい。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る核医学診断装置であるガンマカメラ装置について、図23から図26を参照しながら説明する。
本実施の形態の核医学診断装置1Bの放射線撮像装置3Bは、基本的に第1の実施の形態と同じであるが、カメラ部11(図中、11A、11B)がガントリ10に保持される部分の可動方向と、コリメータの形状および検出器の配置が第1の実施の形態と異なる。本実施の形態では、カメラ部11のガントリ10に保持される部分が、回転中心軸X1(第1の回転中心軸)と、カメラ部11の入射面の中心を通る入射面と垂直の軸と直交し、回転中心軸X1に直交する回転中心軸X3(第3の回転中心軸)を有し、矢印R1および矢印R3で示す方向に回動可能となっているとともに、ガントリ10の中心部分の円筒形の開口部14の回転中心軸X2(第2の回転中心軸)を回転の中心として、前記開口部14周囲を矢印R2のように旋回(公転)可能となっている。図23中、カメラ部11Aの回転中心軸X1と回動方向を示す矢印R1を示すが、カメラ部11Bも同様である。
その他は、第1の実施形態と同じである。第1の実施形態と同じ構成については、同一符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施の形態におけるコリメータ30Bの構造を図24の(a)の部分斜視図で示す。本実施の形態におけるコリメータ30Bは、第1の実施の形態のように回転中心軸X1の周方向(被検体2の体軸の周方向)だけでなく、回転中心軸X1の軸方向(被検体2の体軸方向)にもピンホールコリメータを複数並べて配置した形状をしており、コリメータ部材30c、30dにより構成されている。
なお、コリメータ部材30c、30dは、鉛、またはタングステン製であり、特に開口部33近傍は孔形状を維持する観点からも硬度の高いタングステンを用いることが望ましい。
(b)はコリメータ30Bを入射面側から見た図であり、開口部33は、最狭隘部分で周方向の孔幅Dcp、体軸方向の孔幅Dcaも1.2mm、つまり、コリメータ孔中心Pcの位置において□1.2mmの矩形の孔を有し、周方向にも体軸方向にも4.2mmのピッチWcp、Wcaで配列されている(図25、図26参照)。(c)は(a)におけるC−C矢視でコリメータ30Bの検出器21側を見た図であり、1つの放射線通路31に対して検出器21が体軸方向および周方向に検出器幅Wp、Waのピッチで3×3に配列されている(図25、図26参照)。検出器21は、第1の実施の形態と同じであり、CdTe半導体を用い、外形寸法は周方向の検出器幅Wpおよび体軸方向の検出器幅Waが、例えば、共に1.4mmである(図25、図26参照)。
図25、図26に示すように回転中心軸X1とコリメータ孔中心Pcとの距離Lおよび回転中心軸X3とコリメータ孔中心Pcとの距離L1は、例えば、それぞれ同じ100mm、コリメータ孔中心Pcと検出器実効中心PDとの距離Lcは、例えば50mmである。
次に、このコリメータ30Bの構成と、検出器21の配置を用いた核医学診断装置(ガンマカメラ装置)1Bの作用と画像再構成方法を簡単に説明する。
第2の実施の形態では、カメラ部11の回転中心軸X1が、回転中心軸X2の周方向角度の一つのカメラ位置において、カメラ部11の入射面が回転中心軸X2の径方向に垂直に内方を向いている状態を、回転中心軸X1および回転中心軸X3に対する周方向0°として、回転中心軸X1に対して0°を中心にして−1.6°、0°、+1.6°の角度位置で撮像するとともに、それに、第1の実施の形態におけるZ1方向のカメラ部11の1.4mm幅の移動、もしくはZ2方向のベッド部12の1.4mm幅の移動を組み合わせる替わりに、回転中心軸X3の周方向への回動を組み合わせる。
回転中心軸X3の周方向への回動は、0°を中心にして−1.6°、0°、+1.6°の角度位置で撮像する。
そこで、本実施の形態は、コリメータ30Bの開口部33の位置を周方向および体軸方向にずらすために回転中心軸X1および回転中心軸X3に対して0°を中心にして所定のステップ幅θp、または、ステップ幅θaだけ回動させた位置でも撮像し、それぞれのカメラ位置で「垂直成分」による検出器21の出力(撮像分布)を集めることを特徴としている。
L1=n×Lc ・・・・・・・・・・・・・(4)
θa=tan−1(Wa/Lc) ・・・・・・・・・・・・(5)
ただし、nは1つのコリメータ孔に対応する体軸方向1列分の検出画素数(この例では3)の倍数を除く整数。整数としているのは、図中に示している回転中心軸X3の位置が、γ線の入射方向と反対側である検出器側にあってもよいため(n<0を考慮)である。
以上のように本実施の形態の放射線撮像装置3Bによれば、周方向に対して第1の実施の形態で得られた効果が体軸方向でも得ることができる。また、周方向と体軸方向の空間分解能が等しいため、周方向および体軸方向に対して、高エネルギγ線撮像において低エネルギγ線撮像と同程度の高空間分解能の撮像ができる。その結果、放射線通路31間のセプタの投影面積分の感度低下がなく、感度の低下の生じない核医学診断装置を提供することができる。
同様に、本実施の形態の図26において回転中心軸X3位置から距離L1だけ離れたコリメータ孔中心Pcでの検出器21と平行な平面で、投影ラインが検出器幅Wa間隔で並ぶようにステップ幅θaを設定すれば、距離L1を式(4)で決める整数nの値を変えても、例えばL1を図26に示す100mmではなく、50mmや200mmにしても、同様に1.4mm間隔の投影像が得られる。
なお、回転中心軸X1および回転中心軸X3は、本実施の形態では入射面側に配置するものとしたがそれに限定されない。コリメータ孔中心Pcから検出器21側に式(4)で決める距離Lおよび距離L1の位置に設けても良い。また、距離Lと距離L1は、同じ値であってもよいし、異なる値であっても良い。
なお、SPECT装置としての最適な使用法と詳細は第3の実施形態で述べるが、第1の実施の形態および第2の実施の形態における核医学診断装置1A、1Bは、平面投影画像を生成するガンマカメラ装置としてだけではなく、原理上断層画像を生成するSPECT装置としても使用できる。その場合に、前記高分解能の平面投影画像と同じ高分解能のSPECT画像(断層画像)を得るには、カメラ部11の入射面を回転中心軸X2と平行に保ち、回転中心軸X2回りに後記する式(7)にもとづく所定のステップ幅θSPECTの角度位置にカメラ部11を位置決めして1つの投影方向の撮像するときに、さらに、回転中心軸X1に対して−θp、0°、+θpのそれぞれの角度位置にカメラ部11を回動し位置決めして撮像する。このようにして、カメラ部11を回転中心軸X2回りに旋回させて撮像を続け、また、その後、ベッド12をZ2方向に検出画素分の距離(=検出器幅Wa)移動させることを交互に繰り返す。
回転中心軸X2回りの所定の角度位置における撮像を行なう際の、カメラ部11の回転中心軸X2回りの旋回と、回転中心軸X1回りの所定角度への回動の順は、前記に限らず、カメラ部11を所定の回転中心軸X1回りの角度位置に固定して、回転中心軸X2回りの撮像後に、別の所定の回転中心軸X1回りの角度位置に固定して、回転中心軸X2回りの撮像をするという順でも良い。
このSPECT装置としての用法の場合、データ処理装置5はその記憶部に、回転中心軸X2回りの1角度位置に対して、回転中心軸X1の−θp、0°、+θp角度位置の3つの撮像データセットを記憶し、回転中心軸X2回りの1角度位置におけるガンマ線のカメラ部11の入射面への前記「垂直成分」を回転中心軸X1の−θp、0°、+θp角度位置の3つの撮像データセットから抽出して断層画像の画像化処理をする。つまり、データ処理装置5の画像処理部は、回転中心軸X2回りの1角度位置に対する回転中心軸X1の−θp、0°、+θp角度位置のデータセットからカメラ部11の入射面への前記「垂直成分」を抽出して、回転中心軸X2回りの1角度位置に対するサイノグラムデータセットとし、記憶部に記憶する。それを各回転中心軸X2回りの角度位置に対して行い、回転中心軸X2回りの全周分のサイノグラムデータのセットを記憶部に蓄積し、その後、蓄積された回転中心軸X2回りの全周分のサイノグラムデータのセットにもとづいて、SPECT画像(断層画像)を生成する。
次に、本発明の第3の実施の形態に係る核医学診断装置であるSPECT装置について、最適な使用方法を図27および図28を参照しながら説明する。
本実施の形態の核医学診断装置1Cの放射線撮像装置3Cは、基本的に第1の実施の形態と同じであるが、カメラ部11が第1の実施の形態の矢印Z1で示す方向の移動はしない点、コリメータ30Cの形状と撮像方法の点で第1の実施の形態と異なる。同じ構成については、同一符号を付し、重複する説明を省略する。
開口部33の周方向の孔幅Dcp体軸方向の孔幅Dcaは、それぞれ、例えば、1.2mm、1.4mmである。開口部33の周方向のピッチWcp、体軸方向のピッチWcaはそれぞれ、例えば、4.2mm、2.8mmである。
検出器21は、CdTe半導体を用いたものであり、外形寸法は第1の実施の形態と同じ、周方向の検出器幅Wp、体軸方向の検出器幅Waともに、例えば、1.4mmであり、検出器21の奥行き長さDは、例えば、10mmである。
LSPECT=m’×Lc ・・・・・・・・・・・・・(6)
θSPECT=θp=tan−1(Wp/Lc)≒Wp/Lc ・・・・・(7)
ただし、m’は1つの開口部33に対応する周方向1列分の検出画素数(この例では3)の倍数を除く自然数である。この理由は、例えば、m’=3にすると、回転中心軸X2回りのステップ幅θSPECTの角度位置で撮像すると、所定の角度位置の前後の角度位置におけるカメラ部11の入射面への斜めの投影ラインの周方向位置が、前記所定の角度位置におけるカメラ位置の正面方向の投影ラインと重なってしまうためである。
通常のパラレルホールコリメータを用いたSPECT撮像においては、カメラ部11の回転中心軸X2に対する1つのカメラ位置である角度位置(回転ステップ)につき、カメラ部11の入射面に垂直なγ線成分の投影(プロジェクション)が得られる。本実施の形態では、第1の実施の形態において図11から図15で説明したように、一つのカメラ位置で周方向に複数本の異なる方向の投影ラインのγ線成分が1つの放射線通路31に入射可能であり、その個々の投影ラインに対応する検出器21に撮像分布が得られる。カメラ部11の入射面に垂直な投影ラインのγ線成分は、周方向に飛び飛びの位置の検出器21において得られる。
N=π・D/2Sa ・・・・・・・・・・・(8)
なお、ピクセルサイズをSa(mm)は、必ずしも検出器サイズWpと等しくする必要はない。
このときのステップ幅の最大値θmax(rad)は次式(9)から求まる。
θmax=2π/N=4Sa/DFOV ・・・・・・(9)
基本的にはステップ幅の最大値θmax以下の角度ステップでサイノグラムデータを収集する必要がある。今、回転中心軸X2を中心としたカメラの回転半径をLSPECTとするとDFOV=2LSPECTであり、θmaxは次式のように書き改められる。
θmax=2Sa/LSPECT ・・・・・・・・・(10)
これ以下の角度でサンプリングすることが、ピクセルサイズSaで画像再構成するための要件である。
したがって、本実施の形態において画像再構成を行うための条件は、θSPECT=θp≦θmax、すなわち、式(7)、式(10)から次式のようになる。
LSPECT≦(2Sa/Wp)×Lc ・・・・・・(11)
Rt=(Rs2+Sa2)1/2=(Ri2+Rg2+Sa2)1/2 ・・・・・(12)
Rs=(Ri2+Rg2)1/2 ・・・・・・・・・(13)
ただし、Riは検出器21の固有分解能、Rgはコリメータ30Cの幾何分解能である。
この式から、ピクセルサイズSaは小さいほど総合空間分解能Rtがシステム分解能Rsに近づき、画質はよくなるが、Saを小さくすると回転ステップ数が増えることになり、データの収集時間(撮像時間)が長くなる。通常、SPECT画像のピクセルサイズSaは、サンプリング定理からの要求として、システム分解能Rsの1/2以下の値にする必要がある。ピクセル型検出器ではない、従来のシンチレータ検出器では、ピクセルサイズSaはシステム分解能Rsの1/2の値に近いピクセルサイズSaになる所定のマトリクスサイズ(例えば、128×128マトリクス)を選択することで決められている。このマトリクスサイズではピクセルサイズSaは、4mm程度となる。
このときのθSPECT=θp、は第1の実施の形態と同じ1.6度であり、画像再構成の要件のステップ幅の最大値θmaxをも満たし、回転中心軸X2周りの1周の撮像に対してパラレルホールコリメータと同等の条件である。
さらにSa=3Wp(=4.2mm)とした場合は、LSPECT≦6Lcとなり、Lc=50mmとすると、LSPECT=300mmとなり、体が入る大きさを確保することができ、高エネルギγ線撮像でも従来のLEHRと同程度の画像を得ることができる。
本実施の形態の核医学診断装置1Cは検出画素1つに1つの検出器21が対応しており、検出器21の離散化した位置情報と、隣接する検出器21への入射を無視しうる範囲内で、斜めの入射γ線を回転ステップ毎に時分割して再構成することで、分解能を落とさずにコリメータ30Cの開口部33の数を少なくできる。その結果、隣接する孔と孔との間隔が広いため、十分なセプタ厚を確保したのと同じ効果を有し、ペネトレーションを十分に抑えることで、高エネルギγ線でも高分解能を達成しうる。
このように本発明の最大の効果としては、コリメータをγ線のエネルギによって変える必要性の本質的要因であったセプタ厚の影響が排除できる、すなわち、撮像対象とするγ線エネルギに依存しないコリメータとなり、高エネルギγ線撮像でも低エネルギγ線用の高分解能コリメータ同等の空間分解能を得ることができる点にある。
また、セプタによって生じていたデッドスペース分の入射面積のロスがなくなり、感度も向上する。もちろん、セプタの陰影による感度ムラは生じない。
本実施の形態によれば、開口部33を小さくすることができるため、周方向および体軸方向に対して、高エネルギγ線撮像において低エネルギγ線撮像と同程度の高空間分解能の撮像ができる。
次に、本実施の形態における第1の変形例を説明する。変形例では本実施の形態で用いたコリメータ30Cの代わりに、第2の実施の形態における図24に示すコリメータ30Bに近い形状のもので1つの放射線通路31に対して検出器21が体軸方向および周方向に検出器幅Wp、Waのピッチで3×3に配列されているが、長さLcが異なるコリメータを用いる。その結果、入射面側の開口角φ1P、φ1a、検出器側の開口角φp、φa、角度θpが第2の実施の形態における値と異なる。開口部33の周方向の孔幅Dcp体軸方向の孔幅Dcaは、例えば、1.2mmである。開口部33の周方向のピッチWcp、体軸方向のピッチWcaは、例えば、4.2mmである。
検出器21は、CdTe半導体を用いたものであり、外形寸法は第1の実施の形態と同じ、周方向の検出器幅Wp、体軸方向の検出器幅Waともに、例えば、1.4mmであり、検出器21の奥行き長さDは、例えば、10mmである。
しかし、その撮像結果は、第3の実施の形態において被検体2を載せているベッド12を1画素単位、つまり、ここでは1.4mmで体軸方向に移動し、カメラ部11を体軸周囲に旋回させて撮像することで、検出器21単位で撮像した画像と同じになる。
また、開口部33の孔形状を矩形として説明してきたが、それに限定されるものではなく、円形または楕円形でも良い。ただし、検出器21内に撮像に寄与しない部分ができるため、矩形の孔にするのが望ましい。さらに、コリメータ30A、30B、30C、30Dの放射線通路31の体軸方向および周方向の配置を方形格子の配列としたがそれに限定されるものではない。例えば、体軸方向に周方向のピッチWcpの半値幅だけ交互にずらして配置して、三角格子の配列としても良い。
次に、第1の実施の形態におけるコリメータ30Aの構造を低エネルギγ線撮像用に適用する場合の第4の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態および第3の実施の形態の核医学診断装置において、次に説明するような低エネルギγ線用のコリメータを組み合わせて用いるものである。
図31に示すようにコリメータ30Eは、図8に示す高エネルギγ線用のコリメータ30Aを低エネルギγ線用に適用したものであり、コリメータ部材30bの厚さが0.2mm、開口部33は周方向のピッチWcpが4.2mm、体軸方向のピッチWcaが1.4mmとなっている。低エネルギγ線の撮像を行なう場合に、第1の実施の形態、第3の実施の形態の核医学診断装置のコリメータ30A、30Cの代わりに適用可能である。
次に、本発明の第5の実施の形態を説明する。本実施の形態では、第1から第4の実施の形態における核医学診断装置におけるコリメータ30A〜30Eの代わりに図32から図35に示すような構造のコリメータを適用する。
第1の実施の形態から第4の実施の形態におけるコリメータ30A〜30Eでは、放射線通路31をする側壁全体がγ線を遮蔽する遮蔽金属材料、例えば、鉛、タングステン等のコリメータ部材30a、30bまたはコリメータ部材30c、30dで構成されていたがこれに限定されるものではない。以下に、低エネルギγ線用を例に、コリメータが後記する初段コリメータ部材、中段コリメータ部材、終段コリメータ部材を重ねて構成されたものを説明する。低エネルギγ線用であるため、検出器奥行き長さ5mm(NaIシンチレータでおよそ8mm相当)にしてある。
また、より薄いコリメータ部材を放射線通路31用の孔径を変えて多数用意し、多層に積層しても良い。その場合、放射線通路31用の孔自体にテーパーをつけずとも所要の開口角のコリメータを作ることが出来る。
また図34のように初段コリメータ部材37aに連なる中段コリメータ部材37b、37c、終段コリメータ部材37zを長さの短いパラレルホールコリメータと同じ形状とし、それを重ねても良い。図34では、コリメータ部材間のスペーサ部材38を省略して示してある。また、スペーサ部材38を介さず直接コリメータ部材37a〜37zを段積みして構成しても良い。
従来のように検出器21毎にパラレルホールコリメータの放射線通路31を形成する構造ではないので、放射線通路31の数も少なく、機械加工で孔を開けた鉛板を組み合わせて製造することができ、ピクセル型の半導体放射線検出器21の特長を生かす有効なコリメータが実現できる。それほど高いγ線エネルギでなければ、放射線通路31の側壁を全て遮蔽金属材料で構成する必要はない。遮蔽能力が足りればステンレス等でも構わない。また、複数枚に分割することで加工が容易になるし、スペーサ部材38を使用することでコリメータの重量を低減できる。スペーサ部材38と、初段コリメータ部材37a、中段コリメータ部材37b、37c、・・・、終段コリメータ部材37z等との接続は、容易である。また、鉛等の柔らかくて精度の維持が困難な遮蔽金属材料では比較的硬い樹脂で挟み込むことで強度と形を維持できる。
特に、コリメータ37Cでは、中段コリメータ部材37a、37b、終段コリメータ37zは放射線通路31を形成する孔が大きく、長さも短いパラレルホールの形状であり製造しやすい。また初段コリメータ部材37aは、厚みがそれほど厚くならず、セプタも厚いので十分製造可能である。
次に、以上の第1〜第5の各実施の形態に適用するコリメータとピクセル型の半導体放射線検出器21の組み合わせによる分解能について説明する。
従来のNaIシンチレータのSPECT装置ではγ線の位置計測には複数の光電子増倍管の出力信号から重心演算により放射線検出位置を決定する。すなわち、アナログ的な位置出力を持った計測装置である。シンチレータは9mm〜15mm程度の厚みがあり、入射γ線が反応したシンチレーション光分布と光電子増倍管による重心演算による統計的なばらつきのために検出器自身の空間分解能(固有分解能)は約3mmが限界である。
このようにピクセル型の検出器21を用いたSPECT装置、ガンマカメラ装置は検出器幅を小さくすることにより、シンチレータの固有分解能の限界3mm台よりも小さくすることができる。これらの装置のシステム分解能Rsは前記した式(13)で決まる。
固有分解能のよさ生かす方法としては、ピクセルマッチドのパラレルもしくはファンビームコリメータを用いた近接撮像やセプタのないピンホールコリメータを用いる方法がある。
しかし、前記第5の実施の形態に記述した構成のコリメータ37A〜37Cを適用すれば、高分解能のコリメータが容易に実現できる。
2 被検体
3A、3B、3C 放射線撮像装置
5 データ処理装置
10 ガントリ
11A、11B カメラ部
12 ベッド
13 表示装置
14 開口部
21 放射線検出器
21A、21B、21C、21D 半導体放射線検出器(放射線検出器)
21E シンチレータ検出器(放射線検出器)
21a、21c、21e 電極
21b 入射面
21d 共通電極
21g シンチレータ
21h フォトダイオード
23 検出器基板
24 ASIC基板
25 集積回路(ASIC)
26 シールド筐体
27 FPGA
30、30A、30B、30C、30D、30E コリメータ
30a、30b、30c、30d コリメータ部材
31 放射線通路
33 開口部
35 開口部
37A、37B、37C、37D コリメータ
37a 初段コリメータ部材
37b、37c、37d、37e、37f、37g、37h、37i 中段コリメータ部材
37z 終段コリメータ部材
38 スペーサ部材
70 点線源
71 体積線源
Claims (22)
- 第1の回転中心軸を中心に回動可能なカメラ部を備え、該カメラ部は、その入射面側に複数の放射線通路が形成されたコリメータと、各放射線通路に対して放射線通路を通過する放射線を検出する複数の放射線検出器と、を有する放射線撮像装置において、
前記コリメータの放射線通路は、前記放射線検出器側に向かって断面が、末広がりとなる形状であって、
前記放射線検出器は、所定のサイズのものが各放射線通路に対して前記回動方向に複数配置されており、
前記カメラ部は、1方向からの投影像を撮像する際に、前記回動方向における前記放射線検出器のサイズに応じて設定された前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像することを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記コリメータの放射線通路を形成する側壁のうち、少なくとも前記放射線通路の断面が前記放射線検出器に向かって末広がりとなる形状である壁面側が、放射線を遮蔽する複数枚の遮蔽金属からなるコリメータ部材を多段に配置した構成、または放射線を遮蔽する複数枚の遮蔽金属からなるコリメータ部材を多層に重ねた構成であることを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。
- 前記コリメータの放射線通路は、前記放射線の入射面側の開口部断面が矩形に絞りこまれ、前記放射線検出器側に向かって断面が、前記第1の回転中心軸の軸方向に対しては平行で、かつ、前記第1の回転中心軸の周方向に対しては扇形に末広がりとなる形状であって、
各前記放射線通路に対して平面状に配列された前記放射線検出器は、前記軸方向に1列、前記周方向には所定の複数列配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の放射線撮像装置。 - 前記第1の回転中心軸は、前記カメラ部の前記放射線検出器の配列面と、前記コリメータの複数の開口部の位置する面である開口部面と、の距離Lcの整数m倍の距離Lだけ前記開口部面から離れた位置にあり、
前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置のステップ幅θpは、前記放射線検出器の周方向の幅がWpであるとき、θp=tan−1(Wp/Lc)で決まる値であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 - 前記放射線通路の前記周方向側の扇形の開き角度φpが、前記放射線検出器の前記周方向の幅がWp、奥行き長さがDのとき、φp=2×tan−1(Wp/D)以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 前記カメラ部は、
ベッドに載せた被検体の体軸近傍の、該体軸に沿った第2の回転中心軸の回りを、その入射面を前記被検体側に向けて周方向に回動可能であり、
前記第2の回転中心軸の周方向の角度位置を固定することにより前記1方向からの投影像を撮像することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 - 前記カメラ部を有する請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の放射線撮像装置と、
該放射線撮像装置からの放射線検出信号を処理し、画像化するデータ処理装置と、を備え、
該データ処理装置は、1方向からの投影像を画像化する処理において、前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットを用いることを特徴とする核医学診断装置。 - 前記カメラ部を有する請求項6に記載の放射線撮像装置と、
該放射線撮像装置からの放射線検出信号を処理し、画像化するデータ処理装置と、を備え、
該データ処理装置は、前記第2の回転中心軸回りの1角度位置における径方向の、前記カメラ部の入射面に入射する放射線の投影像を、前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットを用いて構成し、断層画像を生成することを特徴とする核医学診断装置。 - さらに、前記第1の回転中心軸に直交する第3の回転中心軸を中心に前記カメラ部は回動可能であり、
前記コリメータの放射線通路は、前記放射線検出器側に向かって断面が、前記第1の回転中心軸の周方向および前記第3の回転中心軸の周方向に対し扇形に末広がりとなる形状であって、
前記放射線検出器は、所定のサイズのものが各放射線通路に対して前記第1の回転中心軸および第3の回転中心軸の前記回動方向に複数配置されており、
前記カメラ部は、1方向からの投影像を撮像する際に、前記第1の回転中心軸を中心とする回動方向における前記放射線検出器のサイズに応じて設定された前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像するとともに、前記第3の回転中心軸を中心とする回動方向における前記放射線検出器のサイズに応じて設定された前記第3の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像することを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記コリメータの放射線通路の断面が前記放射線検出器に向かって末広がりとなる形状である壁面側が、放射線を遮蔽する複数枚の遮蔽金属からなるコリメータ部材を多段に配置した構成、または放射線を遮蔽する複数枚の遮蔽金属からなるコリメータ部材を多層に重ねた構成であることを特徴とする請求項9に記載の放射線撮像装置。
- 前記第1および第3の回転中心軸は、それぞれ前記カメラ部の前記放射線検出器の配列面と前記コリメータの複数の開口部が位置する面である開口部面との距離Lcのそれぞれ整数m倍の距離L、および整数n倍の距離L1だけ前記開口部面から離れた位置にあり、
前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置のステップ幅θpは、前記放射線検出器の前記第1の回転中心軸の周方向の幅がWpであるとき、θp=tan−1(Wp/Lc)であり、
前記第3の回転中心軸に対する複数の角度位置のステップ幅θaは、前記放射線検出器の前記第3の回転中心軸の周方向の幅がWaであるとき、θa=tan−1(Wa/Lc)であることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の放射線撮像装置。 - 前記放射線通路の前記第1の回転中心軸の周方向側の扇形の開き角度φpは、前記放射線検出器の前記第1の回転中心軸の周方向の幅がWp、奥行き長さがDのとき、φp=2×tan−1(Wp/D)以下であり、
前記放射線通路の前記第3の回転中心軸の周方向側の扇形の開き角度φaは、前記放射線検出器の前記第3の回転中心軸の周方向の幅がWa、奥行き長さがDのとき、φa=2×tan−1(Wa/D)以下であることを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 - 前記コリメータの開口部が前記第1の回転中心軸方向および前記第3の回転中心軸方向にも方形格子状に配列されていることを特徴とする請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 前記カメラ部は、
ベッドに載せた被検体の体軸近くの、該体軸に沿った第2の回転中心軸の回りを、その入射面を前記被検体側に向けて周方向に回動可能であり、
前記第2の回転中心軸の周方向角度位置を固定することにより前記1方向からの投影像を撮像することを特徴とする請求項9から請求項13のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 - 前記カメラ部を有する請求項9から請求項14のいずれか1項に記載の放射線撮像装置と、
該放射線撮像装置からの放射線検出信号を処理し、画像化するデータ処理装置と、を備え、
該データ処理装置は、1方向からの投影像を画像化する処理において、前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットと、前記第3の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットと、を用いることを特徴とする核医学診断装置。 - 前記カメラ部を有する請求項14に記載の放射線撮像装置と、
該放射線撮像装置からの放射線検出信号を処理し、画像化するデータ処理装置と、を備え、
該データ処理装置は、前記第2の回転中心軸回りの1角度位置における径方向の、前記カメラ部の入射面に入射する放射線の投影像を、前記第3の回転中心軸に対して所定の角度位置に固定した状態での前記第1の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットを用いて構成し、断層画像を生成することを特徴とする核医学診断装置。 - ベッドに載せた被検体の体軸回りを回動可能なカメラ部を備え、該カメラ部は、その入射面側に複数の放射線通路が形成されたコリメータと、各放射線通路に対して放射線通路を通過する放射線を検出する複数の放射線検出器と、を有し、
前記体軸回りの回動の中心軸である第2の回転中心軸が前記体軸近傍に体軸に沿って設定され、
前記カメラ部は、被検体の断層画像を撮像する際に、前記第2の回転中心軸を中心に所定のステップ幅θpの複数の角度位置で撮像する放射線撮像装置において、
前記コリメータの放射線通路は、前記放射線検出器側に向かって断面が、末広がりとなる形状であって、
前記放射線検出器は、所定のサイズのものが各放射線通路に対して、前記第2の回転中心軸回りの回動方向に複数配置されており、
前記放射線通路の前記第2の回転中心軸の周方向側の扇形の開き角度φpが、前記放射線検出器の前記周方向の幅がWp、奥行き長さがDのとき、φp=2×tan-1(Wp/D)以下であり、
前記第2の回転中心軸は、前記カメラ部の前記放射線検出器の配列面と、前記コリメータの複数の開口部の位置する面である開口部面と、の距離Lcの自然数m'倍の距離Lだけ開口部面から離れた位置にあり、
前記ステップ幅θpは、前記放射線検出器の周方向の幅がWpであるとき、θp=tan-1(Wp/Lc)で決まる値であることを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記コリメータの放射線通路を形成する側壁のうち、少なくとも前記放射線通路の断面が前記放射線検出器に向かって末広がりとなる形状である壁面側が、放射線を遮蔽する複数枚の遮蔽金属からなるコリメータ部材を多段に配置した構成、または放射線を遮蔽する複数枚の遮蔽金属からなるコリメータ部材を多層に重ねた構成であることを特徴とする請求項17に記載の放射線撮像装置。
- 前記コリメータの放射線通路は、前記放射線の入射面側の開口部断面が矩形に絞りこまれ、前記放射線検出器側に向かって断面が、前記第2の回転中心軸の軸方向に対しては平行で、かつ、前記第2の回転中心軸の周方向に対しては扇形に末広がりとなる形状であって、
各前記放射線通路に対して平面状に配列された前記放射線検出器は、前記軸方向に1列、前記周方向には所定の複数列配置されていることを特徴とする請求項17または請求項18に記載の放射線撮像装置。 - 前記カメラ部を有する請求項17から請求項19のいずれか1項に記載の放射線撮像装置と、
該放射線撮像装置からの放射線検出信号を処理し、画像化するデータ処理装置と、を備え、
該データ処理装置は、前記第2の回転中心軸回りの1角度位置における径方向の、前記カメラ部の入射面に入射する放射線の投影像を前記第2の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットを用いて構成し、断層画像を生成することを特徴とする核医学診断装置。 - さらに、前記カメラ部の入射面の中心を通る前記入射面と垂直の軸と直交し、前記第2の回転中心軸と直角の第3の回転中心軸を中心に前記カメラ部は回動可能であり、
前記コリメータの放射線通路は、前記放射線検出器側に向かって断面が、前記第2の回転中心軸の周方向および前記第3の回転中心軸の周方向に対し扇形に末広がりとなる形状であって、
前記放射線検出器は、所定のサイズのものが各放射線通路に対して前記第2の回転中心軸および第3の回転中心軸の前記回動方向に複数配置されており、
前記放射線通路の前記第3の回転中心軸の周方向側の扇形の開き角度φaは、前記放射線検出器の前記周方向の幅がWa、奥行き長さがDのとき、φa=2×tan-1(Wa/D)以下であり、
前記第3の回転中心軸は、前記カメラ部の前記放射線検出器の配列面と、前記コリメータの複数の開口部の位置する面である開口部面と、の距離Lcの整数n倍の距離L1だけ前記開口部面から離れた位置にあり、
前記放射線検出器の周方向の幅がWaであるとき、θa=tan-1(Wa/Lc)で決まるステップ幅θaで、前記カメラ部は、その入射面を前記被検体側に向けて、前記第3の回転中心軸に対する複数の角度位置で、前記第2の回転中心軸の周方向に前記ステップ幅θpの角度位置で旋回しつつ撮像することを特徴とする請求項17または請求項18に記載の放射線撮像装置。 - 前記カメラ部を有する請求項21に記載の放射線撮像装置と、
該放射線撮像装置からの放射線検出信号を処理し、画像化するデータ処理装置と、を備え、
該データ処理装置は、前記第2の回転中心軸回りの1角度位置における径方向の、前記カメラ部の入射面に入射する放射線の投影像を、前記第2の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットと、前記第3の回転中心軸に対する複数の角度位置で撮像された複数のデータセットと、を用いて構成し、断層画像を生成することを特徴とする核医学診断装置。
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