JP5551872B2 - 符号化開口、放射線撮像装置、符号化開口の視界制限方法および放射線画像化方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射線画像化のための方法および装置、特に、診断核医学等に用いられる符号化開口マスク（coded aperture mask）に関する。

放射線画像化において、広範囲の使用が鉛コリメーターでなされている。これらは、検出器または画像化手段、典型的には、ガンマカメラへの平行またはほぼ平行な放射線の伝達を可能とするだけの開口を有するように構成された、鉛で典型的に調製された実質的に格子様のスクリーンである。鉛コリメーターは、一般的に低分解能に苦しみ、分解能を増加させる試みの結果、効率が低下する。この理由のために、符号化開口マスクを用いて、鉛コリメーターを置き換える。

符号化開口マスクは、画像化されているそのタイプの放射線についての高減衰係数を有する材料におけるあるパターンの開口から成る。開口のアレイは、ガンマ線の画像化に用いた場合、タングステンのごとき材料に配置される。典型的には、タングステンは厚みが１〜２ｍｍであり、例えば、診断核医学に用いられた人体のごとき源からのガンマ線を画像化するための事前決定した方法で配置された８８０００個の開口を有する。

符号化開口マスクは、ガンマ線画像化において種々のタイプのコリメーターの代替物として用い得る。開口は、システム［１］のシグナル対ノイズ比（ＳＮＲ）を増加させる潜在性を有し、核医学における画像診断に理論上有利に適用できる。ＳＮＲの増加を操作して、画像解像度を改善できるか、撮像時間を短縮できるか、あるいは患者の放射能の線量を低減できる。

符号化開口マスクは、遠視野画像化条件が保持される天体物理学において広範囲に用いられている。かかる条件は、二次元（２Ｄ）ノイズ無しデータに最適に近い画像の取得を可能にする［２］。しかしながら、核医学の近視野条件は、画像を近視野アーティファクトによって損なわせる。

過去の研究は、核医学の目的に最適である開口を示した［３］。回転した開口で第２の画像を撮り、次いで、Accorsiの方法による２組のデータを合計する［４］ことにより近視野アーティファクトの低下を達成できるが、広範囲の視界にわたり画像化する場合、対象のゴーストは顕著になる。このアプローチは、ＷＯ２００２/０５６０５５にさらに記載されている。

符号化開口の画像化は、源の各点について、開口パターンが検出器に投影されなければならないことを含む。この結果、開口パターンが重なり、各々はパターンを投影した特定の点源の位置および強度により変換および重み付けされた［５］。

理論的には、この取得プロセスは、源を開口パターンで重畳することによりモデル化される。画像は、コード化されたデータを元来の符号化開口パターンと相関させることにより復元される［５］。このパターンは、ユニークな復元が存在するように設計される。

重畳（convolution）は、強度における変化がなく、また点源の画像がピンホールより下に直接的に映って、点源を符号化開口の各ピンホールによって等しく画像化しなければならないことを含む。その復号化手順は、これらの理論的な条件下で正確に機能するが、実際上、重畳モデルは保持されなく、近視野アーティファクトは問題のままである。

ＷＯ２００２/０５６０５５に記載されたように近視野アーティファクトの低減の試みが見込みを示すが、広範囲の視野を画像化する場合、得られる画像は、依然として、かかる近視野アーティファクトを含む。

本発明は、放射線画像化のための方法および装置、特に、診断核医学等に用いられる符号化開口マスクに関する。

本発明により、放射線減衰チューブが、各符号化開口マスクの周囲にその中の開口の軸方向に伸びることを特徴とする符号化開口マスクのアレイを含む放射線撮像装置が提供される。

本発明のさらなる特徴は、各チューブが各々のマスクの両面から伸びる；各チューブが平行な側面を有する；およびマスクが１枚の材料上で支持されることを提供する。

本発明の依然としてさらなる特徴は、アレイが３×３から５×５であり；符号化開口マスクがガンマ線につき復元される；符号化開口マスクがタングステンで調製され、かつチューブが鉛で調製される；タングステンが１〜２ｍｍの厚みを有する；鉛が、１〜２ｍｍの厚みを有する；ならびに各チューブが、アレイの両側で５０ｃｍ以内、好ましくは１０ｃｍ以内で伸びることを提供する。

また、本発明は、放射線減衰チューブがマスクから開口の軸方向に伸びることを特徴とする符号化開口マスクを提供する。

本発明のさらなる特徴は、チューブがマスクの両面から伸びる；チューブが平行な側面を有する；符号化開口マスクがガンマ線につき形成される；符号化開口マスクがタングステンで調製され、かつチューブが鉛で調製される；タングステンが１〜２ｍｍの厚みを有する；鉛が１〜２ｍｍの厚みを有する；ならびに、チューブがマスクの両面で５０ｃｍ以内、好ましくは１０ｃｍ以内で伸びることを提供する。

本発明は、マスクと放射線源との間ならびにマスクと検出器との間の双方の放射線減衰材料のチューブの挿入を含む符号化開口マスクの視界を制限する方法をさらに提供する。

本発明のさらなる特徴は、放射線減衰材料のチューブが、マスクと放射線源との間ならびにマスクと検出器との間の双方に挿入される；およびチューブが、放射線源およびマスク、ならびに検出器およびマスク間の意図した距離を実質的に伸ばすことを提供する。

本発明は、符号化開口マスクの視界を制限することを含む放射線画像化におけるアーティファクトを低減する方法を依然としてさらに提供する。

本発明のさらなる特徴は、マスクの寸法を減少させ、符号化開口マスクと放射線源との間ならびにマスクと検出器との間の一方または双方、好ましくは双方に放射線減衰物質のチューブを挿入することにより、視界が制限される；放射線がガンマ線である；検出器がガンマカメラである；放射線源および検出器が、符号化開口マスクの両面から５０ｃｍ未満、好ましくは約１０ｃｍ未満である；およびチューブが、源とマスクとの間ならびに検出器とマスクとの間に各々伸びることを提供する。

本発明のまださらなる特徴は、各マスクがそれと会合するチューブを有する、符号化開口マスクのアレイが存在することを提供する。

（図面の簡潔な記載）
本発明は、図面を参照して、単に例示の方法により記載され、ここに：
図１は、一般的な画像化幾何学を示す略図である；
図２は、幾何学および検出強度間の関係を示すグラフである；
図３は、本発明による放射線撮像装置の１つの具体例の透視図である；
図４は、使用中の図３における放射線撮像装置の側面図である；
図５は、デジタルシェップ−ローガンファントム（Shepp-Logan phantom）の画像である；
図６は、先行技術の方法を用いてシミュレートした遠視野画像である；
図７は、先行技術の方法を用いてシミュレートした近視野画像である；および
図８は、本発明の方法および装置を用いてシミュレートした近視野画像である。

図面の詳細な記載
放射線撮像装置（１）は図３および４に示され、この具体例において、２００ｍｍ×２００ｍｍおよび１ｍｍの厚みであるタングステンの正方形のシート（２）を含む。各６６ｍｍ×６６ｍｍの３×３アレイの符号化開口マスク（３）がシート（２）上で供され、各符号化開口マスク（３）は、完全な符号化開口を供する。放射線減衰チューブ（５）は、各符号化開口マスク（３）の周囲に、シート（２）の両面から開口の軸方向に、かくして、通常、シート（２）に伸びる。

チューブ（５）は、平行な側面を有し、隣接したチューブ（５）が共通の側面を共有するように一体的に形成される。この具体例において、チューブ（５）は、１ｍｍの厚みの鉛で調製され、シート（２）の両面から１０ｃｍ伸びる。

チューブ（５）は、各符号化開口マスク（３）の視界を制限するように機能し、図４に示されるように、装置（１）は、放射線源（１０）（この具体例において患者の頭部）と検出器（１２）（この具体例においてガンマカメラ）との間にシート（２）を挿入することにより用いられる。チューブ（５）は、シート（２）の一側のカメラ（１２）から他側の頭部（１０）に伸びる。結果は、各チューブ（５）の開放端により規定された視界における領域だけが、カメラ（１２）の対応する区域に投影されることである。

画像を多重化する全体の符号化開口は、各マスク（３）により供され、それがチューブ（５）内に配置されるので、その結果は、もはや従来の符号化開口でなく、また、コリメーターでもない。

符号化開口マスクのデザインが、用いられるガンマカメラのピクセルサイズと密接に関係することが理解されるであろう。例えば、５×５アレイの符号化開口マスクを用いることができ、次いで、これらは同じシート（２）サイズにつき高々４０ｍｍ×４０ｍｍになるであろう。放射線減衰チューブは、シート（２）ができるように、いずれの適当な長さも有することができ、鉛またはいずれの適当な材料でも調製できる。また、ガンマ放射線での使用を主として意図したが、その装置および方法は、いずれの他の適当な形態の電磁放射線にも適用できる。

装置の設計への到達における考慮は以下のとおりであった。近視野アーティファクトの起点の検討は、それらがとりわけ、検出器上の異なる位置に到達する場合に、同じ点源から始まるガンマ線がかなり異なる強度を有するという事実から発生することを示す。

強度Ｉ_ｓを有する点源Ｓから離れた距離ｒ_ｑでの強度Ｉ_ｑは：

により与えられる。

寸法ｗの正方形の検出器上の高さｈでの点源Ｓにつき図１に示される一般的な画像化幾何学を考慮すると、その源および検出器間の最短距離は、検出器の平面に垂直であるｒ_Xにより表される。次いで、可能な最長距離は、ｒ_ｙにより表される。図１から：

最大のＩ_ｑの分数として表現された検出器上のＩ_ｑにおける可能な最大変化は、

により与えられる。

方程式（１）の方程式（４）への代入は：

を与える。

検出器寸法ｗに対する検出器上の源の高さｈである比ｈ／ｗで作動することは有用となる。方程式（２）および方程式（３）の方程式（５）への代入し、パーセンテージとして記載すれば、その最終形態におけるΔＩを与える：

適切にこのツールを用いると、一般的な場合を特定の画像化幾何学に適用できる。図２は、ｘ軸が（検出器からの一定距離の対象についての）視界を示し、一方、ｙ軸が近視野アーティファクトの程度の指標である方程式（６）のグラフ上の解釈を供する。それは、検出強度が、左の近視野の場合から右の遠視野の場合に変化する理由を示し、ここに、ｈ＞＞ｗである。

完全な復元について、強度は同一でなければならない。これは、復号化手順の要求事項である。しかしながら、近視野条件下では、同じ点源から始まるガンマ線は、検出器上の異なる位置に到達する場合にかなり異なる強度を有する。これは近視野アーティファクトの１つの原因である。

今や、符号化開口が核医学における平行孔コリメーターと直接的に比較されるならば、１：１の比で画像化することが必要になるが、しかしながら、この制限は画像化の目的につき適用する必要はない。次いで、このシステムの視界は、検出器と同一寸法のものである。

図２から、検出器上の所与の高さｈについて、強度における変化は、検出器の寸法ｗを減少させることにより操作できることが分かる。今度は、視界の制限は、強度における変化を制限する。次いで、近視野アーティファクトは、より狭い視界につき交換できる。これは、源と検出器との間の符号化開口マスクの周囲の放射線減衰チューブを用いて達成される。複数の制限された視界の符号化開口マスクをマトリックスの形態にて平行して配置することによって、システムの全視界は不変のままである。各々の制限された視界の符号化開口マスクは、例えば、事前に決定した方法で整列された１２０００個の開口を依然として含むであろう。

９０°だけ開口を回転させることを必要とする二次近視野アーティファクトの低減のためのAccorsiの手法［４］は、依然として、容易に行うことができる。マトリックスの各符号化開口またはエレメントを個々に回転させることは、符号化開口の全マトリックスを回転させるのと同一である。

本発明の装置のテストするために、放射線追跡手法に基づき、核医学分野における画像取得を予測できるコンピューター・シミュレータを開発した。デジタルシェップ−ローガンファントム［６］についてのコンピューターシミュレーション結果を図５に示す。

理想的な条件下で、重畳モデルは保持されなければならず、ｈ→∞につれΔＩ→０となる結果、デジタルシェップ−ローガンファントムの完全な画像が生じる（図５）。そのファントムに対する二乗平均平方根誤差の計算は０を与える。結果を表１に要約する。

遠視野の条件について、ｈ＝５０００ｗとすると、重畳モデルは、強度における無視できる変化を与える。シュミレートした画像を図６における補正なくして示す。遠視野の補正［５］の後、二乗平均平方根誤差はほぼ０であろう。

近視野条件下で、ｈは、より小さくなければ、少なくともｗに等しく、ΔＩは、実質的に上昇する。二次近視野アーティファクトの低減のためのAccorsiの方法［４］を適用し、図７は、この先行技術の方法で取得した画像を示す。

同一の近視野条件下で、符号化開口を、システムの全視野が不変のままであるように、前記のごとき３×３アレイの制限された視界の符号化開口マスクと置き換えた。ｗの１／３だけの低下はｈ＝３ｗを与え、ΔＩをその曲線の下部領域の方向に近づく。図８は、Accorsiの方法［４］と併せて本発明の装置および方法を用いて取得した画像を示す。

シミュレーション結果は、双方の理想的および遠視野の画像化幾何学が符号化開口画像化の理論を支持することを示す。一般的な幾何学の分析により、（表１に示した）デジタルファントムに関する二乗平均平方根誤差はほとんどまたは全くない。

選定された例の近視野幾何学では、強度における変化は実質的に生起される。これは、二乗平均平方根誤差の増加および対象の顕著なゴーストによって映し出され、それは二次近視野アーティファクトの低減のための既存の手法の適用後にさえ生じる。

検出器上の所与の高さｈについて、図２に示される曲線を用いて、制限なくして、制限された視界システムにつき、適当な検出器寸法ｗを判断できる。この例において、分析は、強度における変化が１／３未満に低下するであろうことを示唆する。その増強は、視覚的および二乗平均平方根誤差測定の点からの双方で明らかである。

さらに、図２に関して、曲線は、急速に低下するまで、高レベルのアーティファクトで水平なままであり、非常に低レベルのアーティファクトで平らになることは注目されるであろう。これは、落下が生じる正確な点で視界を操作することが単に重要であることを意味する。曲線の基部では、さらなる視界の減少は、結果を改善しないであろう。同様の曲線は、各々の特定の開口材料、開口の厚みおよびピンホール幅につき存在する。

その結果は、本発明の方法および装置が近視野アーティファクトを成功裡に制限することを示す。さらに、対象のゴーストは相当に低減される。かくして、本発明は、放射線画像化における近視野アーティファクトを低減するための単純であるが、非常に有効な方法および装置を提供する。

参考文献：
［１］ Accorsi, R., Gasparini, F., and Lanza, R. 従来のアンガーカメラでの高分解能核医学平面画像化用の符号化開口：実験結果. IEEE Transactions on Nuclear Science, 48(6):2411-2417, December 2001.
［２］ In 't Zand, J. 高エネルギー天文学における符号化開口画像化. Laboratory for High Energy Astrophysics (LHEA), http://lheawww.gsfc.nasa.gov/docs/cai/coded_intr.html, 1996. 最新アクセス日: 30-03-2004.
［３］ Accorsi, R., Gasparini, F.,およびLanza, R. 核医学画像化における改善されたＳＮＲのための最適な符号化開口パターン． Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A474:273-284, 2001.
［４］ Accorsi, R.,およびLanza, R. 平面符号化開口画像化における近視野アーチファクト低減． Journal of Applied Optics, 40(26):4697-4705, 2001.
［５］ Accorsi, R.、高分解能の医学的および産業的ガンマ線画像化用の近視野符号化開口カメラの設計. PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, June 2001.
［６］ Shepp, L. A.,および Logan, B. F. 頭部断面のフーリエの復元． IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-21(3):21-43, June 1974.

図１は、一般的な画像化幾何学を示す略図である。 図２は、幾何学および検出強度間の関係を示すグラフである。 図３は、本発明による放射線撮像装置の１つの具体例の透視図である。 図４は、使用中の図３における放射線撮像装置の側面図である。 図５は、デジタルシェップ−ローガンファントムの画像である。 図６は、先行技術の方法を用いてシミュレートした遠視野画像である。 図７は、先行技術の方法を用いてシミュレートした近視野画像である。 図８は、本発明の方法および装置を用いてシミュレートした近視野画像である。

Claims (29)

1. アレイ形態に形成された複数の符号化開口マスクからなる符号化開口を有する放射線撮像装置であって、
   各符号化開口マスクは、それを貫くパターンの開口を有し、該装置は、前記複数の符号化開口マスクのそれぞれの周囲から前記複数の符号化開口マスクと垂直な軸線方向に伸びる複数の放射線減衰チューブを含むことを特徴とする該装置。
2. 複数の放射線減衰チューブの各々が、各々の符号化開口マスクの両面から伸びる請求項１記載の放射線撮像装置。
3. 複数の放射線減衰チューブの各々が平行な側面を有する請求項１または２記載の放射線撮像装置。
4. 複数の符号化開口マスクが１枚の材料上で支持された請求項１〜３のいずれか１記載の放射線撮像装置。
5. アレイが、３×３〜５×５である請求項１〜４のいずれか１記載の放射線撮像装置。
6. 複数の符号化開口マスクが、ガンマ線での使用のために形成された請求項１〜５のいずれか１記載の放射線撮像装置。
7. 複数の符号化開口マスクがタングステンで調製され、複数の放射線減衰チューブの各々が鉛で調製された請求項１〜６のいずれか１記載の放射線撮像装置。
8. タングステンが１〜２ｍｍの厚みを有し、鉛が１〜２ｍｍの厚みを有する請求項７記載の放射線撮像装置。
9. 複数の放射線減衰チューブの各々が、アレイの両側で５０ｃｍまで伸びる請求項１〜８のいずれか１記載の放射線撮像装置。
10. 複数の放射線減衰チューブの各々が、アレイの両側で１０ｃｍまで伸びる請求項９記載の放射線撮像装置。
11. アレイ形態に形成された複数の符号化開口マスクを有する符号化開口であって、
    各符号化開口マスクは、それを貫くパターンの開口を有し、前記複数の符号化開口マスクのそれぞれの周囲から前記複数の符号化開口マスクと垂直な軸線方向に伸びる複数の放射線減衰チューブを含むことを特徴とする符号化開口。
12. 複数の放射線減衰チューブの各々が、符号化開口マスクの両面から伸びる請求項１１記載の符号化開口。
13. 複数の放射線減衰チューブの各々が平行な側面を有する請求項１１または１２記載の符号化開口。
14. 符号化開口マスクが、ガンマ線での使用のために形成される請求項１１〜１３のいずれか１記載の符号化開口。
15. 符号化開口マスクがタングステンで調製され、複数の放射線減衰チューブの各々が鉛で調製されている請求項１１〜１４のいずれか１記載の符号化開口。
16. タングステンが１〜２ｍｍの厚みを有し、鉛が１〜２ｍｍの厚みを有する請求項１５記載の符号化開口。
17. 複数の放射線減衰チューブの各々が符号化開口マスクの両側で５０ｃｍまで伸びる請求項１１〜１６のいずれか１記載の符号化開口。
18. 複数の放射線減衰チューブの各々が符号化開口マスクの両側で１０ｃｍまで伸びる請求項１７記載の符号化開口。
19. アレイ形態に形成された複数の符号化開口マスクを挿入することを含む符号化開口の視界を制限する方法であって、
    各符号化開口マスクは、放射線源と検出器との間でそれを貫くパターンの開口を有し、前記複数の符号化開口マスクと前記放射線源との間と、前記複数の符号化開口マスクと前記検出器との間の少なくとも一方に、前記複数の符号化開口マスクのそれぞれから前記複数の符号化開口マスクと垂直な軸線方向に伸びる放射線減衰材料の複数の放射線減衰チューブを設けたことを特徴とする該方法。
20. 放射線減衰材料の複数の放射線減衰チューブが、符号化開口マスクのアレイと放射線源との間ならびに符号化開口マスクのアレイと検出器との間の双方に挿入される請求項１９記載の方法。
21. 放射線減衰材料の複数の放射線減衰チューブが、各々、放射線源と符号化開口マスクのアレイとの間ならびに符号化開口マスクのアレイと検出器との間の距離に伸びる請求項２０記載の方法。
22. 符号化開口により放射線源からの放射線を集束させ；次いで
    符号化開口の視界を限定することを含む放射線画像化方法であって、
    前記符号化開口は、アレイ形態で形成された複数の符号化開口マスクからなり、前記複数の符号化開口マスクのそれぞれの周囲から前記複数の符号化開口マスクと垂直な軸線方向に伸びる複数の放射線減衰チューブを含むことを特徴とする該方法。
23. 視界が、符号化開口マスクのアレイと放射線源との間と、符号化開口マスクのアレイと検出器との間の少なくとも一方に放射線減衰材料の複数の放射線減衰チューブを挿入することにより制限されている請求項２２記載の方法。
24. 放射線減衰材料の複数の放射線減衰チューブが、符号化開口マスクのアレイと放射線源との間ならびに符号化開口マスクのアレイと検出器との間の双方に挿入される請求項２２または２３記載の方法。
25. 放射線がガンマ放射線である請求項２２〜２４のいずれか１記載の方法。
26. 検出器がガンマカメラである請求項２５記載の方法。
27. 放射線源および検出器が符号化開口マスクのアレイの両面から５０ｃｍ未満に配置される請求項２２〜２６のいずれか１記載の方法。
28. 放射線源および検出器が、符号化開口マスクのアレイの両側から１０ｃｍ以下に配置される請求項２７記載の方法。
29. 複数の放射線減衰チューブが、符号化開口マスクのアレイから放射線源および検出器まで各々伸びる請求項２２〜２８のいずれか１記載の方法。

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