JP5099750B2 - 断層撮影装置の画像再構成方法、故障診断方法、断層撮影装置、及び、システムマトリクスの管理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線ＣＴ装置、単一光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）装置、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）装置等の断層撮影装置に用いるのに好適な、断層撮影装置の画像再構成方法、故障診断方法、断層撮影装置、及び、システムマトリクスの管理プログラムに関する。

Ｘ線ＣＴ装置、ＳＰＥＣＴ装置、ＰＥＴ装置等の断層撮影装置は、図１にＰＥＴ装置１０での例を示す如く、物体の物理量（画像）を入力とし、（放射線）検出器１２による計測データを出力とするシステムである。一般に、物体のｊ番目の画素値をｆ_ｊ、ｉ番目の検出器チャンネルの計測値をｇ_ｉとすると、順方向の変換を表わすシステムモデル１４は、システムマトリクス｛ａ_ｉｊ｝を用いて、次式で定義される。

ｇ_ｉ＝Σａ_ｉｊｆ_ｊ …（１）

図において、１６は被検体、１８はベッドである。

画像再構成は、システムモデル１４の逆変換として導出されるため、画像の精度を高めるためには、システムの正確なモデル化が重要となる（非特許文献１参照）。

一方、ＰＥＴ装置用検出器として、特許文献１に、図２に示すような多数の放射線検出器要素から構成される、深さ方向相互作用位置（ＤＯＩ）情報を得ることが可能なブロック検出器（ＤＯＩ検出器とも称する）２０が提案されている。図において、２１〜２４は各層のシンチレータアレイ、２６は受光素子である。

特開２００４−２７９０５７号公報 日本放射線技術学会監修「放射線技術学シリーズ 核医学検査技術学」オーム社 平成１４年４月３０日第１版第１刷１３５‐１４３頁

しかしながら、検出器１２に欠損や不良等のエラーが発生すると、図３の上段に示す如く、システムモデル１４と実際の装置特性が乖離するため、再構成画像に、虚像すなわちアーティファクトが発生して、画質が低下するという問題点を有していた。

近年、断層撮影装置が普及し、医療現場での役割が増している一方、装置の高度化に伴い、検出器数が増加しているため、故障によるリスクが高まると共に、それを避けるためメンテナンス費用が増大する傾向にある。通常、装置に問題が発生した場合、予定している検査をキャンセルし、早急に装置を修理する必要があった。特に、検査後に検出器の故障に気づいた場合は、再検査を余儀なくされる場合もあった。

又、図２に示したようなブロック検出器２０は、図４の上段に示す如く、ブロック端の弁別性能が低いという癖を持っており、これによってもアーティファクトが発生していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、検出器に欠損や不良等のエラーが発生してもエラーの影響を除去して、画像に生じるアーティファクトを低減することを第１の課題とする。

本発明は、又、前記画像再構成方法を利用して、断層撮影装置の故障診断を行なうことを第２の課題とする。

本発明は、断層撮影装置において、一つ又は複数の検出素子に対する計測データにエラーが含まれる場合、図３の下段に示す如く、画像再構成演算において計算もしくは参照するシステムマトリクスを前記エラーに合わせて修正することによって、画像に生じるアーティファクトを低減するようにして、前記第１の課題を解決したものである。

ここで、エラーを含む検出素子の位置情報およびエラーの程度の情報を記憶装置に格納し、画像再構成ソフトウェアの内部において参照することによって、前記システムマトリクスをエラーに合わせて修正することができる。

又、エラーが発生した検出素子に対する計測データを、画像再構成演算を行う前に除去することができる。

又、検出器部、同時計数判定部、データ変換処理部またはデータ加算処理部において、エラーが発生した検出素子に対する計測データを出力させずに除去することができる。

本発明は、又、断層撮影装置において、検査前や検査中に、装置のいずれかの箇所において故障や不調が生じた場合、シミュレーションデータあるいは別の計測データに対して前記の方法を適用して画像再構成を行い、画質を確認することによって、エラーが画像再構成に与える影響をシミュレーションし、装置の修理が必要か、検査の続行が可能かどうかを判定するようにして、前記第２の課題を解決したものである。

本発明は、又、断層撮影装置において、一つ又は複数の検出素子に対する計測データにエラーが含まれる場合、画像再構成演算において計算もしくは参照するシステムマトリクスを前記エラーに合わせて修正するためのエラーを含む検出素子の位置情報およびエラーの程度の情報を記憶装置に格納したことを特徴とする断層撮影装置を提供するものである。

又、画像再構成演算において計算もしくは参照するシステムマトリクスの管理プログラムであって、コンピュータに、断層撮影装置において、一つまたは複数の検出素子に対する計測データにエラーが含まれるか否かを判定する手順と、エラーが含まれる場合、エラーを含む検出素子の位置情報およびエラーの程度の情報を格納した記憶装置を参照して、エラーに合わせてシステムマトリクスを修正し画像に生じるアーティファクトを低減する手順と、を実行させるためのシステムマトリクスの管理プログラムを提供するものである。

本発明によれば、検出器に欠損や不良等のエラーが発生しても、エラーの影響を除去して、画像に生じるアーティファクトを低減することができる。従って、検査をキャンセルする必要が無くなるだけでなく、装置修理の頻度を下げられることから、経済的な効果も大きい。更に、検査後に検出器の故障に気付いた場合でも、画質劣化を後処理で回避することが可能となり、再検査を避けることができる場合もある。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

検出器のエラーによって画質が大きく低下するのは、画像再構成において定義するシステムモデルと現実の装置特性が一致しないためであると考えられる。そこで、本実施形態では、データとシステムモデルの両者からエラー検出器自体を除去することによって、システムモデルのミスマッチを無くす。この際、画像再構成で一般的に用いられているフィルタ補正逆投影（フィルタード・バックプロジェクション：ＦＢＰ）法は、特殊なシステムモデルを取り扱えないため、逐次近似型画像再構成法（例えばＭＬ−ＥＭ法）等、代数的手法または統計的な手法を用いる。

具体的には、図５に示す如く、エラーテーブル１５を用いて、システムモデルのマトリクス要素ａ_ｉｊに重み係数ｗ_ｉをかけてａ_ｉｊ→ｗ_ｉａ_ｉｊに置き換える。ここで、重み係数ｗ_ｉは、エラー検出器ではゼロ、それ以外では１とする。エラー検出器において、エラーの程度が軽微である場合やエラーが確率的に発生する場合は、重み係数ｗ_ｉは、エラーの程度や発生確率などに応じたゼロから１の間の数値としてもよい。

一般的に、検出器エラーの発生箇所は予測できないが、これによって、エラーに合わせてソフトウェアを改変したり、システムマトリクスを再計算することなく簡便にシステムモデルの修正が可能となる。

エラーテーブルの作成手順を図６、作成されたエラーテーブルの一例を図７に示す。

本発明において、エラー検出器に該当するエラーテーブルの要素をゼロに設定する場合、エラー検出器により計測されたデータ（以後エラーデータと称する）の存在は、再構成画像に全く影響を与えないが、図８に示す如く、検出器１２から画像再構成部４０へのデータの流れの中から、エラーデータ自体を除去することによって、システムの効率化及び高精度化を図ることができる。図において、３０はＡ／Ｄ変換部、３２は同時計数判定部（ＰＥＴの場合のみ）、３４はデータ加算処理部、３６はデータ変換処理部、３８はエラーテーブルメモリである。

図８中の放射線は、Ｘ線ＣＴ装置であればＸ線、ＳＰＥＣＴ装置であればγ線、ＰＥＴ装置であれば消滅放射線を指す。検出器１２で計測されると、位置弁別回路等を経て、時間積分された放射線の位置及び量の情報、あるいは１カウント毎の放射線位置情報に変換される。ＰＥＴ装置では、逐次、同時計数判定部３２を経て、消滅放射線を計測した検出器ペアを特定し、それを１カウントとする。この時系列に並んだカウントデータに対し、その後の処理方法としては、（１）直接画像再構成を行なう方法、（２）データ加算処理部３４にてヒストグラムデータに加算した後に画像再構成を行なう方法、（３）データ加算処理部３４にてヒストグラムデータに変換した後に、更にデータ変換処理部３６にて冗長性を抑制するなどデータ変換を施した後に画像再構成を行なう方法が考えられる。

前記データ変換処理部３６での処理としては、ＰＥＴ装置の例では、３次元収集データを、体軸方向の冗長性に着目して２次元モード収集データに圧縮するフーリエ・リビニング（ＦＯＲＥ）法（M. Defrise, P. E. Kinahan, D. W. Townsend, et al., "Exact and approximate rebinning algorithms for 3-D PET data,“ IEEE Trans. Med. Imag., vol. 16, pp. 145-158, 1997.参照）や、検出器深さ位置（ＤＯＩ）情報を含むＰＥＴデータを、ＤＯＩ方向の冗長性を抑制してデータサイズを圧縮するＤＯＩコンプレッション（ＤＯＩＣ）法（T. Yamaya, N. Hagiwara, T. Obi, et al., "DOI-PET Image Reconstruction with Accurate System Modeling that Reduces Redundancy of the Imaging System," IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 50, No. 5, pp. 1404-1409, 2003.参照）等が挙げられる。

データ変換処理部３６では、いずれの方法においても、変換の過程で正常なデータとエラーデータが混同し、エラーデータが拡散されてしまう可能性がある。

本発明によるデータ除去は、エラーテーブルを参照するなどして、予め指定されたエラー検出器に係るデータを除去することを指し、図８中の４２Ａから４２Ｄまでの４箇所のうち、いずれかにデータ除去部４２を実装することができる。

４２Ｄにてデータ除去を行なった場合、除去したエラーデータの分だけ、画像再構成部４０にて処理するデータ量が削減するため、画像再構成計算が高速化される効果はあるが、データ変換処理部３６における正常データとエラーデータの混同は避けられない。

４２Ｃにてデータ除去を行なった場合、データ変換処理部３６における正常データとエラーデータの混同を避けることができるため、画像再構成計算の高速化に加えて、エラー排除の精度を高められる。

４２Ｂ更には４２Ａにて、より上流でエラー除去を実装すれば、上記の効果に加えて、システムを流れるデータ量自体を削減できることから、装置のダイナミックレンジを拡大することができる。

図９に、ＰＥＴ装置において、エラー除去手法を実施した例の構成を、図１０に、その手順を示す。

このＰＥＴ装置は、円周方向に２４個、体軸方向に５個、計１２０個のブロック検出器２０を有する。

各検出器ブロックは、１６行１６列４段に配列した１０２４個のシンチレータ（放射線検出素子）からなる。図１１に例示する如く、消滅放射線が検出器２０で検出されると、アナログ信号（アナログデータＡＤ）が出力され、演算回路３０ａにて、デジタルデータに変換された後、回路内のメモリに保持される、図１２に例示するような位置・エネルギルックアップテーブル（ＬＵＴ）３０ｂを参照して、各々の放射線の位置及びエネルギの情報であるシングルカウントデータＳＤに変換される。

各検出器からのシングルカウントデータＳＤは、同時計数回路３２ａに送られ、各々一対の消滅放射線の飛跡を示すシンチレータペアの番地情報であるリストモードデータＬＤに変換される。同時計数回路３２ａでは、ペアを探索するブロック検出器２０の範囲を定義した、図１３に例示するような同時計数ＬＵＴ３２ｂを回路内のメモリに保持し、これを参照して行なう。

リストモードデータＬＤは、例えばＤＯＩコンプレッション（ＤＯＩＣ）法に基づいて、ＤＯＩＣ変換部３６ａでシンチレータペアの番地を変換した後、ヒストグラム化処理３７にて、ヒストグラムデータＨＤに変換される。ＤＯＩＣ変換は、図１４に例示するような変換先のシンチレータペアのインデックス情報を格納した、図１５に例示するようなＤＯＩＣ−ＬＵＴ３６ｂを参照して行なう。画像再構成は、このヒストグラムデータＨＤを元にして計算を行なう。

エラー指定は、例えばコンソールＰＣ４４の画面から、エラー検出器の番地の情報を入力すると、対応したエラーテーブル１５がメモリ３８に作成されると共に、ＤＯＩＣ−ＬＵＴ３６ｂに、エラー検出器に関わるリストモードデータＬＤを破棄するよう情報を記載する。具体的には、エラーデータのみ、ヒストグラム化処理３７をする際の重み係数をゼロに設定する。本処理は、図８におけるデータ除去部Ｃにおける実装に相当し、画像再構成で処理するデータ量を削減すると共に、ＤＯＩＣ変換３６ａによる正常データとエラーデータの混同を回避する実装である。

図８のデータ除去部Ｄにおける実装例は、図中Ｄに相当し、画像再構成においてヒストグラムデータＨＤを読み込んだ後、画像再構成計算を実行する前に、該当するエラーデータを除去することで実現できる。

図８のデータ除去部４２Ａ及び４２Ｂにおける実装例は、それぞれ図９におけるＡ及びＢにおいて、それぞれ位置・エネルギＬＵＴ３０ｂ若しくは同時計数ＬＵＴ３２ｂに、エラーデータは、その時点で廃棄するよう情報を書き込むことにより実現可能である。データ除去部４２Ａにおける処理手順を図１６に示す。

システムマトリクスの修正による画像のアーティファクトの低減は、検出器エラーに対して万能ではなく、情報の欠落やカウントの低下によって画質劣化が生じる恐れがある。その程度は、エラー検出器の場所や数、エラーの大きさに依存する。そこで、検出器エラーが発生した場合、検査の継続が可能とどうかを判断するために、図１７に示すような手順で、図１８に例示するようにテスト用のデータに擬似的にエラーを発生させ、画像再構成を行なうことによって、図１９（ａ）に例示するように画質を確認することができる。図１９（ｂ）の縦軸は注目領域（ＲＯＩ）の規格化標準偏差（ＮＳＤ）である。

図１９の例では、１箇所のエラーの場合には、画像のアーティファクトが少ないので、検査続行可能であり、８箇所のエラーの場合には、アーティファクトが大きく出ているので、装置要修理と判断することができる。

又、図２で示したようなブロック検出器２０は、ブロック端の弁別性能が低いという癖を持っている。この検出器の癖に対して、該当する検出器をエラー検出器と見做すことで、図４の下段に示す如く、画像の精度を高めることができる。

頭部用ＰＥＴ装置の試作機に本発明を実装し、その効果を調査した。健常者による実験データに、体軸中央の１つの検出器ブロックにランダム値を擬似エラーとして与えた後、３次元の逐次近似型画像再構成法による再構成を行なった。図２０に示すように、検出器のエラーによって再構成画像に発生した強いアーティファクトは、本発明を用いると、エラーの影響を除去した良好な画像が得られた。

検出器が故障した場合を想定し、画像に与える影響及び本発明による補正効果を調べた。まずシミュレーションデータに、１個及び８個の検出器ブロックの出力をゼロにするエリアを与えた後、２次元画像再構成を行なった所、図２１に示すような結果が得られた。この例では、１箇所のエラーではスポットが良好に画像化できているが、８箇所のエラーでは画質が不十分であり、装置の修理が必要であると判断される。

ブロック端の弁別性能が低いという癖を持つブロック検出器に対して、同時計数ペアの検出値のいずれかがブロック端の結晶素子リングとなる全てのデータｂｉｎをエラーｂｉｎとした。即ち、前記頭部用ＰＥＴ装置試作機は、１６結晶素子リング×５ブロック（ブロック間隙間は２結晶素子分）の構造を持つが、これを１４結晶素子×５ブロック（ブロック間隙間は４結晶素子分）と見做すことに相当する。そして、円筒ファントム（直径２０ｃｍ、高さ２６ｃｍ）の実験測定データに対し、３次元の逐次近似型画像再構成法を適用したところ、図４の下段に示すような結果が得られた。図４より、ブロック端の結晶リングを除去することによって、ブロック間（４箇所）のアーティファクトが抑制されていることが分かる。

前記説明においては、検出器として図２に示すようなブロック検出器が用いられていたが、検出器の構成は、これに限定されず、図２２に例示するような、様々な構成が可能である。図２２（ａ）は、光変換部（シンチレータ）ａ、光電変換部（受光素子）ｂ、取り出し部ｃが全て１つの例、図２２（ｂ）は、光変換部ａが複数で、光電変換部ｂと取り出し部ｃが１つずつの例、図２２（ｃ）は、光変換部ａが１つで、光電変換部ｂと取り出し部ｃが複数の例、図２２（ｄ）は、光変換部ａ、光電変換部ｂ、取り出し部ｃが全て複数の例である。又、半導体放射線検出器を用いても良い。

本発明の原理を説明するための、ＰＥＴ装置での画像再構成におけるシステムモデルの概念図 ブロック検出器の構成例を示す斜視図 ＰＥＴ装置での本発明の概念図 ブロック検出器の癖、及び、本発明による改善を説明するための図 本発明にかかるエラーテーブルを用いた実装例を示す図 同じくエラーテーブルの作成手順を示す流れ図 エラーテーブルの例を示す図 本発明によるエラーデータの除去方法を示す図 エラーデータの除去方法の実施例を示す図 同じく処理手順を示す流れ図 同じく放射線経路の例を示す図 同じく位置・エネルギルックアップテーブルの例を示す図 同じく同時計数ルックアップテーブルの例を示す図 放射線経路の組み合わせの例を示す図 ＤＯＩＣルックアップテーブルの例を示す図 エラーデータの処理手順の他の例を示す図 エラーの程度を予測するシミュレーションの手順を示す流れ図 同じく説明図 同じくエラー検出器と画質の変化の関係の例を示す図 実施例１の概念図 実施例２の概念図 検出器の変形例を示す図

符号の説明

１０…ＰＥＴ装置
１２…（放射線）検出器
１４…システムモデル
１４´…修正システムモデル
１５…エラーテーブル
１６…被検体
２０…ブロック検出器
２１〜２４…シンチレータアレイ
２６…受光素子

Claims (7)

1. 断層撮影装置において、一つ又は複数の検出素子に対する計測データにエラーが含まれる場合、画像再構成演算において計算もしくは参照するシステムマトリクスを前記エラーに合わせて修正することによって、画像に生じるアーティファクトを低減することを特徴とする断層撮影装置の画像再構成方法。
2. エラーを含む検出素子の位置情報およびエラーの程度の情報を記憶装置に格納し、画像再構成ソフトウェアの内部において参照することによって、前記システムマトリクスをエラーに合わせて修正することを特徴とする請求項１に記載の断層撮影装置の画像再構成方法。
3. エラーが発生した検出素子に対する計測データを、画像再構成演算を行う前に除去することを特徴とする請求項１に記載の断層撮影装置の画像再構成方法。
4. 検出器部、同時計数判定部、データ変換処理部またはデータ加算処理部において、エラーが発生した検出素子に対する計測データを出力させずに除去することを特徴とする、請求項３に記載の断層撮影装置の画像再構成方法。
5. 断層撮影装置において、装置のいずれかの箇所において故障や不調が生じた場合、シミュレーションデータあるいは別の計測データに対して請求項１乃至３のいずれかに記載の方法を適用して画像再構成を行い、画質を確認することによって、エラーが画像再構成に与える影響をシミュレーションし、装置の修理が必要か、検査の続行が可能かどうかを判定することを特徴とする断層撮影装置の故障診断方法。
6. 断層撮影装置において、一つ又は複数の検出素子に対する計測データにエラーが含まれる場合、画像再構成演算において計算もしくは参照するシステムマトリクスを前記エラーに合わせて修正するためのエラーを含む検出素子の位置情報およびエラーの程度の情報を記憶装置に格納したことを特徴とする断層撮影装置。
7. 画像再構成演算において計算もしくは参照するシステムマトリクスの管理プログラムであって、
   コンピュータに、
   断層撮影装置において、一つまたは複数の検出素子に対する計測データにエラーが含まれるか否かを判定する手順と、
   エラーが含まれる場合、エラーを含む検出素子の位置情報およびエラーの程度の情報を格納した記憶装置を参照して、エラーに合わせてシステムマトリクスを修正し画像に生じるアーティファクトを低減する手順と、
   を実行させるためのシステムマトリクスの管理プログラム。