JP5730776B2 - 核イメージングシステム及びコリメータシステム - Google Patents
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関連出願との相互参照
本願は、「低線量乳房分子イメージング用コリメータ」と称する２００８年１２月９日出願の米国特許仮出願第６１／１２１，１０８号の利益を主張する。
本願は、「低線量乳房分子イメージング用コリメータ」と称する２００８年１２月９日出願の米国特許仮出願第６１／１２１，１０８号の利益を主張する。
本発明は、イメージングシステム及び方法に関し、特に、乳房分子イメージング用の画素化(pixelated)２検出器型ガンマカメラシステムにおいて所望の視準を提供するシステム及び方法に関する。
スクリーニングマンモグラフィは乳がん発見のための代表的な方法として三十年にわたって用いられており、この方法は乳がんによる死亡率を低下させることが証明されている唯一のスクリーニング法である。しかしながら、スクリーニングマンモグラフィの感度は大きく異なる。マンモグラフィで乳がん検出の失敗が発生する最も重要な要因となるのはＸ線写真の乳房密度である。マンモグラフィの感度を乳房密度の関数として調べる研究では、マンモグラフィの感度が脂肪の多い乳房を有する女性において８７〜９７パーセントであり、非常に高密度の乳房を有する女性において４８〜６３パーセントであることが分かっている。
マンモグラフィに代わる診断には超音波検査や磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）がある。スクリーニング技法としての全乳房超音波検査の有効性はマンモグラフィとそれほど変わらないとされている。ＭＲＩは乳がん検出感度が高くかつ乳房密度に影響されない。しかしながら現在、両乳房ＭＲＩにかかる費用はマンモグラフィの約２０倍であるため、ＭＲＩはスクリーニング技法用としては広く使用されていない。
別の従来技術として陽電子放射マンモグラフィ（ＰＥＭ）が挙げられる。この技術においては、二つの小さな互いに対向する陽電子放射トモグラフィ（ＰＥＴ）検出器を用いて乳房を撮像する。ＰＥＭ技術は非常に優れた解像度を提供するものの、現在利用可能な放射性医薬品であるＦ−１８フルオロデオキシグルコース（Ｆ１８−ＦＤＧ）を用いる場合、患者への要求として、一晩食事をしてはいけない、低血圧でなければならない（このことは糖尿病患者の場合しばしば問題となる）、またＦ１８−ＦＤＧの腫瘍内への適切な摂取のために注射後は１〜２時間待たなくてはならない、などがある。これらのＰＥＴによる検査は費用が高い割に患者に対する準備時間が長いことから有用性が低く、乳房検査用に繰り返し使用することは難しい。
放射性医薬品Ｔｃ−９９ｍ（テクネチウム−９９の準安定性核異性体）セスタミビを用いる乳房の放射性核種イメージング（シンチマンモグラフィ）は、１９９０年代に開発され、以後１０〜１５年の間大きな研究対象であった。この方法は乳房密度に依存しない。数多くのマルチセンター研究により、乳房悪性腫瘍検出におけるシンチマンモグラフィの感度及び特異性は約８５パーセントであることが分かっている。しかしながらこの結果は大きな腫瘍のみに関するものであり、感度は腫瘍の大きさによって顕著に低下することが様々な研究により明らかになっている。大きさが１０〜１５ｍｍより小さい病変の感度は約５０パーセントであることが報告されている。スクリーニングマンモグラフィにより検出された乳がんの３分の１が１０ｍｍよりも小さいという研究結果を考慮すると、上記のような制限は特に重要となる。病気の予後は原発腫瘍の早期発見に依存する。原発部位からのがんの転移は大きさが１５ｍｍ以下の腫瘍の約２０〜３０パーセントで発生する。しかしながら、腫瘍の大きさが１５ｍｍ以上になると、リンパ節陽性疾患の発生率が増加し、患者の約４０パーセントが直径２ｃｍの乳がんの陽性結節を有する。したがって、有用な核医学法に要求されることは、乳がんの一次診断で直径が１５ｍｍよりも小さい腫瘍を確実に検出することである。従来のシンチマンモグラフィはこの要求を満たさないので米国国内では有用な技法とされていない。
従来のシンチマンモグラフィにおける制限を克服しようとする試みにおいて、種々の小視野(field-of-view)ガンマカメラが開発され、この小視野ガンマカメラは従来のマンモグラフィと同様の様式かつ配向で乳房を画像化する。現在市販されている単光子イメージング用の商用システムには、バージニア州にあるＤｉｌｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ Ｎｅｗｐｏｒｔ Ｎｅｗｓ社製のものがある。小さな検出器及び圧縮パドルを用いることにより、１０ｍｍ以下の病変の検出における感度が６７パーセントであることが報告されている。
したがって、乳房組織を画像化するために、種々の放射性核種イメージング技法においてＴｃ−９９ｍセスタミビ又はＴｃ−９９ｍテトロフォスミンなどの放射性医薬品が利用される。少量で投与された場合は体が浴びる放射線量は低いが、大量に投与されると体内に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、患者に与える放射線量を低下させる診断イメージング装置及び方法を提供することが所望される。
本発明は、上記の問題を解決することを目的とする。
本発明は、上記の問題を解決するために、画素化検出器の構造とマッチした(matched)開口部配置を有するコリメータが設けられたガンマカメラシステムを用いて乳房組織をイメージングするシステム及び方法を提供する。コリメータ特性は、軽く圧縮された乳房の平均厚さに基づいて選択されるとともに、許容範囲内の分解能を維持しながら乳房内の放射線感度を高めるよう設定される。このように感度が高いことは放射性医薬品の投与量を低下させ、したがって患者への放射線量を低下させることができる。
本発明は、二以上のガンマカメラのそれぞれに連結したコリメータを有する乳房分子イメージングシステムを提供する。コリメータは放射線吸収材から成るコリメータプレートを有し、該コリメータプレートには間隔をあけて整列配置された複数のチャネルが設けられている。コリメータプレートの上側表面からコリメータプレートの下側表面まで延びるチャネルの長さは、選択された隔壁透過率、線源−コリメータ間距離及びコリメータ材についてコリメータの幾何学的効率がほぼ最大となるよう構成されている。コリメータは複数の隔壁及び複数の検出要素をさらに有し、前記隔壁は隣接するチャネル間に形成されている。前記複数の検出要素の断面形状及び前記複数のチャネルの断面形状は実質的に同じである。
本発明は、さらに、互いの間に対象の一部を収容する領域を画定するよう間隔をあけて配置された二以上のガンマカメラを有する核イメージングシステムとともに使用されるコリメータの製造方法を提供する。各ガンマカメラは整列配置した複数の検出要素が設けられた検出器を有する。前記方法は、放射線吸収材から成るコリメータプレートを形成する工程と、間隔をあけて整列配置した複数のチャネルを作成する工程と、を含む。前記方法は、コリメータプレートの上側表面及びコリメータプレートの下側表面を形成する工程をさらに含み、コリメータプレートの上側表面及びコリメータプレートの下側表面は、コリメータの幾何学的効率の線源−コリメータ間距離に対する関係を用いて計算される距離だけ離れるよう、配置される。
上記の及びその他の本発明の実施形態及び利点は以下に記載される。本明細書は本明細書に添付した図面を参照して記載され、図面は本発明の好ましい実施形態を描写する。これらの実施形態は本発明の全範囲を表わすものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲の項及び発明の詳細な説明の項を参照すべきである。
図１を参照すると、核医薬品を用いる乳房分子イメージング（ＭＢＩ）システム１１０は、対向して配置された二つのガンマカメラ１１２を有する。ガンマカメラの例として、整列したテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）半導体検出要素を有するガンマカメラがあるが、当業者にとって明らかなように、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、タリウム活性化ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ（ＴＩ））、ビスマスゲルマネート（ＢＧＯ）、ガドリニウムシリコンオキサイト（ＧＳＯ）及びルテチウムシリコンオキサイト（ＬＳＯ）シンチレータ結晶検出器などの検出器も同様に使用することができる。特に、互いに対向するガンマカメラ１１２は、上側ガンマカメラ１１２Ｕ及び下側ガンマカメラ１１２Ｌを含む。各ガンマカメラ１１２Ｕ及び１１２Ｌは、例えば、寸法が２０センチメータ（ｃｍ）×１６ｃｍの改造された鉛直型マンモグラフィ用ガントリー１１４に搭載される。一実施例においては、ガンマカメラ１１２は、Ｇａｍｍａ Ｍｅｄｉｃａ社が販売する高性能固体カメラで寸法１．６ｍｍの検出要素を有するＬｕｍａＧＥＭ ３２００Ｓである。ＬｕｍａＧＥＭはカリフォルニア州のＧａｍｍａ Ｍｅｄｉｃａ社の登録商標である。
ガンマカメラ１１２の相対位置はユーザコントロール１１６を用いて調整することができる。具体的には、ガンマカメラアセンブリ１１２は圧縮機構として機能するよう設計されていることが好ましい。したがって、このシステム構成により、乳房内の任意の病変とどちらか一方のガンマカメラ１１２との間の最大距離が合計乳房厚さの半分にまで減少し、これにより画像化時間又は用量を追加せずに小さな病変の発見率を高めることができる。ＭＢＩシステム１１０は、画像を作成するために、ガンマカメラ１１２により取得された信号を処理するプロセッサ１１８を有する。作成された画像は関連するディスプレイ１２０上に表示されてもよい。
画像化工程において、二つのガンマカメラ１１２の間で乳房が圧縮され、コリメーションによって、画像化される対象に投与されたＴｃ−９９ｍセスタミビなどの単光子放射性医薬品から放出される放射線が検出される。ＭＢＩシステム１１０は、１０ｍｍ以下の病変を検出するために、例えば９０パーセント以上の非常に高い感度を有すると認められている。加えて、乳がんを発症する危険性の高い無症状の女性において、例えばＭＢＩシステム１１０を使用するＭＢＩがデジタル及びアナログマンモグラフィと比べて３倍多くのがんを検出したことが多くの研究（患者１０００人を対象）から明らかとなった。さらに最近の研究ではＭＢＩの感度がＭＲＩの感度と同程度であることが分かった。したがって、特に乳がんを発症する危険性の高い女性及び乳房密度の高い女性に対して、ＭＢＩはマンモグラフィの非常に魅力的な代替手段といえる。
ＭＢＩシステム１１０などを用いる乳房イメージングには種々の放射性医薬品が用いられる。最も一般的な放射性医薬品の一つはＴｃ−９９ｍセステミビであるが、Ｔｃ−９９ｍテトロフォスミンなどのその他のＴｃ−９９ｍ標識放射性医薬品も有用であることが分かっている。これまでの公表された研究においては、通常、約２０〜３０ミリキュリー（ｍＣｉ）のＴｃ−９９ｍ投与量を採用している。放射性医薬品は生体内分布がそれぞれ異なるが、体への実効線量はこれらの放射性医薬品の多くにおいて同等である。例えば、Ｔｃ−９９ｍ標識放射性医薬品を２０ｍＣｉ注入した場合の実効線量は約７〜１０ミリシーベルト（ｍＳｖ）である。この放射線負荷の大きさは、実効線量が約０．７〜１．０ｍＳｖであるスクリーニングマンモグラフィが患者に与える放射線負荷の大きさよりも一桁大きい。したがって、乳がん診断及びスクリーニングの両方でＭＢＩを使用して十分な画像を得るのに必要な放射性医薬品の投与量を減少させることは、当該分野における開発手法及び技法において有利である。
コリメーションシステムは、検出要素を陽子照射から保護するためにＭＢＩシステム１１０などの乳房イメージングシステムに典型的に使用されるが、このようにコリメーションシステムを使用して保護しなければ得られる画像内には大きなノイズが生じてしまう。しかしながら、ノイズから保護するためにコリメータを使用すると、それに対応してガンマカメラの感度が低下する。以下に記載するように、本発明は、全体として符号１２２で示されるコリメーションシステムを有し、該コリメーションシステムは、上側ガンマカメラ１１２Ｕ及び下側ガンマカメラ１１２Ｌとそれぞれ関連する上側コリメータ１２４Ｕ及び下側コリメータ１２４Ｌを有する。
以下、図１のＭＢＩシステムなどと共に使用されるコリメータ設計の最適化について考える。コリメータ性能は、コリメータの孔の断面形状、長さ及び直径などを含む孔寸法、隔壁厚さ並びにコリメータ材料によって特徴づけられる。これらの調整可能な孔寸法を用いて、コリメータ性能の二つの主な評価基準である幾何学的効率及びコリメータ分解能が決定される。すなわち、これらの性能評価基準は、チャネル長さｌ、孔直径又は孔の平行−平行間距離(parallel-to-parallel distance)ｄ、及び隔壁厚さｔによって決定される。これらの寸法は、図２Ａの一例に基づく平行孔コリメータ配置を示す図に示される。
平行孔コリメータの幾何学的効率は、以下の式に基づき記述される。
ここで、Ａholeはコリメータチャネル開口部の開口領域即ち「孔」、Ａunitは格子セルユニットの領域、ｌeは有効チャネル長さであってｌe＝ｌ−２μ−１で表わされる。μは、関心エネルギーについてのコリメータ材料の線減衰係数(linear attenuation coefficient)であって、該関心エネルギーはＴｃ−９９ｍにより生成される光子については約１４０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）である。
六角形型検出素子にマッチした(matched)六角形孔形状については、以下のとおりである。
したがって、（式２）及び（式３）を（式１）に代入すれば前記六角形型検出素子についての幾何学的効率が以下のように導かれる。
同様に、四角形型検出素子の形にマッチした四角形孔形状については以下のとおりである。
したがって、（式５）及び（式６）を（式１）に代入すれば前記四角形型検出素子についての幾何学的効率が以下のように導かれる。
幾何学的効率は単位のない無次元量であるが、臨床的に適切なものとするため、以下の式を使用して、一マイクロキュリー毎の一分間のカウント数（ｃｐｍ／μＣｉ）の単位で表わされる感度に変換される。
ここで、ηは核崩壊毎に放出されるガンマ線の数である。
コリメータの分解能Ｒcは、コリメータ孔の寸法及び線源からコリメータまでの距離（線源−コリメータ間距離）を用いて決定され、下式で形式的に表わされる。
ここで、図２Ａに示すように、ｂは線源からコリメータ表面までの距離である。光電子倍増管に連結されたシンチレ―タ用単結晶を利用する従来のガンマカメラにおいては、システム分解能はコリメータ分解能と検出器固有分解能とを合わせたものであり、前記システム分解能はどちらの分解能成分よりも低い。従来のガンマカメラのシステム分解能Ｒsは下式で定義される。
ここで、Ｒiは検出器固有分解能である。
所望の解像限界において、コリメータの幾何学的効率は、幾何学的分解能をチャネル長さｌの関数ｇ（ｌ）として表わして微分ｄｇ（ｌ）／ｄｌをゼロにすることにより最大化することができる。例えばこのアプローチは（式４）及び（式７）を用いて実施され、これにより六角形孔型コリメータ及び四角形孔型コリメータのそれぞれについてのほぼ最大の幾何学的効率を与えるチャネル長さｌが求まる。（式４）及び（式７）は以下のようにしてチャネル長さｌを用いて表わすことができる。即ち、（式４）及び（式７）の各々を、コリメータ分解能を表わす（式９）と隔壁厚さを表わす以下の（式１１）とに代入する。
ここで、図２Ａに示すように、ｗは一つの孔から別の孔までガンマ線が移動する最短経路長さであり、これはｅ-μw≦βによって隔壁透過βと関連づけられる。このようにして六角形孔型コリメータ及び四角形孔型コリメータについて分解能により制限される幾何学的効率が得られ下式で表わされる。
六角形孔型コリメータ及び四角形孔型コリメータについての最大幾何学的効率を与える最適チャネル長さｌoptは、（式１２）及び（式１３）の微分値をそれぞれゼロにすることにより得られる。（式１２）及び（式１３）の両方について下式が導かれる。
この最適チャネル長さｌopt、最適孔直径ｄopt、及び最適隔壁厚さｔoptも、同様にして、以下のように計算される。
（式１４）〜（式１６）を合わせて用いることで、一般的最適化コリメータ孔寸法が記述される。この一般的最適化は従来のガンマカメラにおいては有用であるが、コリメータをいわゆる「画素化」検出器に連結する場合における影響については考慮していない。画素化検出器は得られる画像内の単一画素に対応する複数の検出要素を有する。画素化検出器を用いることにより各コリメータ孔が各検出要素と直接整列したマッチしたコリメータ設計が可能となる。
マッチしたコリメータを有する画素化カメラの場合、各コリメータ孔及びこれに対応する検出要素がその他の孔及び検出要素ユニットから独立するよう、検出要素がコリメータ孔にマッチされる。このような構成では、システム分解能は単にコリメータ分解能のみによって決定され、これにより従来の六角形孔設計よりも高い空間分解能が得られる。画素化検出器とマッチしたコリメータについてのコリメータ分解能方程式はやや異なる表現で表わされる。具体的には、補正係数ρが盛り込まれ、古典的コリメータ分解能方程式が以下のように調整される。
補正係数ρは、孔形状、角度の平均化(angular averaging)及び検出器−線源対チャネル長さ比などの種々の要因を含む。線源−コリメータ間距離ｂが約３ｃｍの場合、補正係数ρの値は、四角形孔型コリメータ及び六角形孔型コリメータについてそれぞれ約０．９３８及び約０．８６７である。（式１７）はマッチしたコリメータのコリメータ分解能を計算するために用いられる。
マッチしたコリメータを画素化システムとともに使用することの利点は、システム分解能の向上だけでなく、各検出要素の端にある小さな不使用部分が孔の領域にさらされずコリメータ隔壁によって覆われることにより幾何学的効率が増大する点である。さらに、隔壁が検出要素と整列していることにより、六角形コリメータ孔と四角形検出要素の不一致（非マッチ）に起因するエイリアジングパターン発生の可能性が減少する。
マッチしたコリメータ設計の構成のいくつかにおいては、コリメータ挌子ユニットの寸法（ｄ＋ｔ）が各検出要素の寸法又は画素寸法に等しい。しかしながら、その他の構成においては、各検出要素の寸法がコリメータチャネルの開口部にマッチする。（式１４）〜（式１６）について、上記の最適孔寸法を求めるために反復法を用いる。例えば反復法は通常二つのタスクを実行する。まず孔寸法の可能な組み合わせを決定し、その後決定された孔寸法のどの組み合わせが最大幾何学的効率又は最大感度となるか評価する。
孔寸法の考えられる組に対する別の制約は隔壁透過ｗに関する。隔壁透過は星状のパターンを生じたりコントラストを低下させたりして画質を低下させる。以下に示すシカゴ大学透過基準を満たす場合にはコリメータはそのような透過アーチファクトを実質的に生じない。
ここで、Ｐは孔パターンに依存する透過パラメータである。四角形整列配置における四角形コリメータ孔について、Ｐ＝Ｐsq＝１２．５７±０．５３であり、（式１８）は以下のようになる。
（式１９）の不等式を用いることによりｌ及びｄの最小値及び最大値が決定され、これらの値の範囲内にある孔寸法の全ての組もまた確実に上記制約を満たす。
コリメータ設計の一つの条件は、得られるコリメータ分解能Ｒcが所望の閾分解能以上であることである。閾値Ｒcの一例は約５．０ｍｍ及び約７．５ｍｍである。感度と分解能との間にはトレードオフが生じることから、コリメータ分解能Ｒcを固定して特定の分解能Ｒcについて幾何学的効率を計算する。
古典的コリメータ理論では、（式１）から明らかなように、幾何学的効率は線源の位置及び線源からコリメータ表面までの距離に依存しないと仮定する。しかしながら、この仮定は、線源がコリメータ表面から非常に近い位置にある場合は正しくない。特に、コリメータの性能を決定するコリメータの視野及び方程式は、一つの線源が隣接する孔内で検出される距離以上の距離にのみ適用される。この最小距離は、図２Ｂにおいてｂminで示される。図２Ｂに示される一例に基づくコリメータ設定及びその単純形状から、下式を用いて線源−コリメータ間最小距離ｂminが計算される。
ｂminよりも短い線源−コリメータ間距離については、幾何学的効率及びコリメータ分解能はコリメータ隔壁に対する線源の位置に大きく依存する。線源が一つの孔の真上にある場合、幾何学的効率は下式に基づき減少する。
またこの場合コリメータ分解能は距離に依存せずかつチャネル長さの寄与を受けずに孔直径のみを用いて決定される。一方で、線源が隔壁の真上に位置する場合、幾何学的効率は距離と共に増大するが分解能は比較的変化しない。
マッチしたコリメータにおいては、ＭＢＩシステム１１０の分解能Ｒs及びコリメータ分解能Ｒcは同等であり、したがってＭＢＩシステム１１０の分解能Ｒsがコリメータ特性によって正確に決定される。
所望のコリメータ孔及びチャネル寸法は可変入力パラメータのために選択及び制約される。これらのパラメータには、選択されたコリメータ材に関係する線減衰係数μ、平均乳房圧縮に効果的に関係する線源−コリメータ間距離ｂ、検出要素の寸法ｐ、及び所望のコリメータ分解能Ｒcが含まれる。コリメータの幾何学的効率はこれらのパラメータを用いて決定され、コリメータ感度の測定単位に変換されて、正確な感度が達成される。要求されるコリメータ分解能Ｒcを超えずに感度を最大化する設計は、コリメータ製造における設計として特定、選択される。
通常、二つのコリメータ設計パラメータが最適化される。第一のパラメータは、線源−コリメータ間距離ｂが例えば上側コリメータ表面から約３．０〜３．５ｍｍでありかつ与えられた所望コリメータ分解能Ｒcが例えば５．０ｍｍであるときの、選択された検出要素寸法ｐに対する最適コリメータチャネル長さｌoptである。第二のパラメータは、上記の要件を満たしかつ感度を最大化する検出器についての最適固有検出要素寸法である。
従来、市販されている小視野ガンマカメラシステム（Ｄｉｌｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社、Ｇａｍｍａ Ｍｅｄｉｃａ−Ｉｄｅａｓ社、Ｄｉｇｉｒａｄ社から発売されているものなど）は、検出器内のピクセレーションの構造に一致しないコリメーション開口部構造又は孔構造を有する。例えば、図３Ａを参照すると、既存の小視野ガンマカメラシステムは、例えば大きなヨウ化ナトリウム結晶を採用する従来のガンマカメラに従来用いられている六角形孔型コリメータを採用している。この既存の設計は、四角形状の個々の検出要素２２８を有する検出器２２６の上に配置された六角形状孔２２４を有するコリメータ２２２を採用している。コリメータ孔の形状及び検出要素の形状が異なることに加えて、コリメータ２２２の孔２２４は、検出器２２６の検出要素２２８に対してずれて設けられている。これらの形状及び配列における非マッチは、四角形画素化構造を有する検出器において最良でない。なぜならば、画素化検出器の感度が低下し、隣接する検出要素間の境界線における境界効果が増大するからである。
図３Ｂを参照すると、本発明は、コリメータ孔の断面形状をガンマカメラの検出要素の形状にマッチさせることにより、得られる画像の感度、分解能及びノイズ間のバランスを両立させる新規のコリメータ及び検出器設計を提供する。例えば四角形孔２３４を有するコリメータ２３２が提供される。さらに、孔２３４の寸法は四角形検出要素２３８を有する検出器２３６とマッチするよう構成されている。したがって、四角形孔型コリメータ２３２の各孔２３４は検出要素２３８と整列する。このようにして検出要素の有用性が増大して分解能及び感度が向上する。同時に、このマッチした孔及び検出器設計は、四角形孔及び検出要素に対して記述され、コリメータ孔の断面形状がその他の整列した検出要素のピクセレーション構造にマッチすることが望ましいと考えられる。例えば、コリメータ孔の断面形状とピクセレーション構造とをマッチさせる場合、円形状パターン、三角形状パターン又はそれらの組み合わせ、例えば円形状のコリメータ孔の領域が円形状の検出要素とマッチしかつ三角形状のコリメータ孔の領域が三角形状の検出要素とマッチするパターン、を採用してもよい。
図４Ａを参照すると、例えば図４Ａの断面が図３Ｂに示される構成のガンマカメラ３００は、コリメータ３０２及び検出器３０４を有する。コリメータ３０２は、放射線吸収材を用いて形成されるコリメータプレート３０６を有する。放射線吸収材として、例えば、線減衰係数μが約１４０ｅＶの光子エネルギーについて毎センチ約２６．３２（２６．３２ｃｍ-1）である鉛、及び線減衰係数μが約１４０ｅＶの光子エネルギーについて毎センチ約３４．４８（３４．４８ｃｍ-1）であるタングステンが挙げられる。当業者にとって明らかであるように、コリメータプレート３０６はその他の放射線吸収材から形成されてもよい。コリメータプレート３０６は、上側表面３０８及び下側表面３１０を有する。コリメータプレート３０６には複数のチャネル３１２が形成され、該チャネル３１２はコリメータプレート３０６の上側表面３０８からコリメータプレート３０６の下側表面３１０へと長軸３１４に沿って延びる。したがってコリメータプレート３０６の厚さは各チャネル３１２の長さに相当する。各チャネル３１２は内表面３１６を有する。円形状の断面を有するチャネル３１２においては内表面３１６は一つの端のみ有するが、例えば四角形状の断面を有するチャネル３１２においては内表面３１６は四つの端を有する。コリメータプレート３０６の上側表面又は下側表面において各チャネル３１２により形成される開口は、「孔」又は「開口部」と称される。チャネル３１２の内表面３１６の端と隣接するチャネル３１２の内表面３１６の端との間に位置するコリメータプレート３０６の一部であって、各チャネル３１２の長軸３１４に垂直でかつ該長軸３１４同士を結ぶ直線に沿うコリメータプレート３０６の一部は、一般的に隔壁３１８と称される。
ガンマカメラ３００の検出器３０４の一部には、整列パターンで配置された複数の検出要素３２０が含まれる。例えば、複数の検出要素３２０は、各検出要素３２０が二以上の他の検出要素３２０に隣接且つ実質的に接触するよう構成されている。このような性質を有する配置の一例は、図３Ａ及び３Ｂに示すような四角形配列パターンである。このタイプの隣接配列構成を用いることにより、チャネル３１２と検出要素３２０の断面形状、しかし寸法ではない、がマッチするよう、コリメータ３００の各チャネル３１２を対応する検出要素３２０にマッチさせることができる。このような構成は、各検出要素３２０の端における小さな不使用部分がチャネル３１２の領域内にさらされるよりもむしろコリメータ隔壁３１８によって覆われるように検出要素３２０を配列する際に有益であり、これにより所望の幾何学効率が達成される。
しかしながら、図４Ｂに示すとおり、検出要素３２０が互いに直接接触している必要はない。かわりに、検出要素３２０は隙間が設けられた配列パターン３３２で構成されていてもよい。このような隙間が設けられた配列構成においては、チャネル３１２及び検出要素３２０の寸法及び断面形状の両方がマッチするようにコリメータ３００の各チャネル３１２が対応する検出要素３２０とマッチするよう設計された隙間３２４を、検出要素３２０同士の間に設けてもよい。
このコリメータと検出要素が互いにマッチした設計は、分解能及び感度を増大させるために望ましいが、実際の分解能はコリメータ３０２の上側表面３０８からの距離と共に減少する可能性がある。したがって、実際には、コリメータ３０２を分解能が向上するよう設計すると、感度が減少する。特に、感度は分解能の二乗に比例して減少するので、分解能が二倍向上すると感度は四分の一となる。このように感度が減少すると光子検出カウント数が低下し画質が不十分となる。検出要素にマッチしたコリメータのチャネル又は孔を用いるガンマカメラの構成において、検出要素の寸法によりチャネル孔の寸法が決定され、したがって分解能と感度との間のトレードオフを調整するためにチャネル長さ及び隔壁厚さが変えられる。このようにして、与えられたコリメータ孔の構造について所望の分解能を達成するためにコリメータチャネル長さ及び隔壁厚さが調整される。
上記したコリメータ３０２を、図１に図示すような２検出器型画素化ガンマカメラシステムに用いてもよい。以下に詳細に記載する設計制約を用いることにより、コリメータの感度が向上し、同時に、最適な結果をもたらすコリメータ特性の組み合わせを決定することにより小さな乳房病変検出のための適切な分解能が維持される。以下に記載するように、ユーザにより調整可能なコリメータシステムが利用されてもよい。ガンマカメラ特性は、画像化される乳房組織の厚さなどの画像化される組織に基づいて変化してもよい。ＭＢＩシステム１１０などの画素化ガンマカメラシステムにおいて、腫瘍のコリメータ表面からの最大距離はガンマカメラ間の距離間隔の半分であってもよい。ＭＢＩ応用における圧縮乳房厚さの平均値は約６ｃｍ程度であり、補足すると圧縮乳房厚さは典型的には約２．５〜１１．５ｃｍである。２検出器型ＭＢＩシステムでは、乳房病変からコリメータ表面までの最大距離は合計乳房厚さの半分であるので、線源−コリメータ間距離として約３ｃｍ及び約６ｃｍの値が信頼性をもって選択され、これらの長さはそれぞれ圧縮乳房厚さの半分の平均値及び合計乳房厚さを表わす。
例として、図５は、ＭＢＩシステム１１０などの２検出器型ガンマカメラシステムにより画像化される乳房４００内にある三つの腫瘍（４０２、４０４、４０６）を示す図である。第一腫瘍４０２及び第三腫瘍４０６は各ガンマカメラ（それぞれ１１２Ｌ及び１１２Ｕ）の十分近くに位置し、得られる画像内で容易に識別できるのに対し、第二腫瘍４０４は乳房４００の中央部に位置しており、したがって何れのコリメータ１２４Ｕ及び１２４Ｌに対しても最大距離に位置している。したがって、空間分解能が識別に十分に足るものであったとしても、第二腫瘍４０４は得られる画像内に現れない可能性がある。
図６Ａ及び６Ｂに、図３Ｂに示される四角形開口部コリメータを用いたガンマカメラシステムのさらなる例に基づく構成６００、６０２を示す。これらの構成において、傾斜した開口６０８、６１０を有するコリメータ６０４、６０６が用いられる。そのような設計は、考えられる数多くの設計バリエーションのうちの一部の例である。これらの構成６００、６０２では、例えば、被覆率が高く、また胸壁の中に入り込むので有利である。図４Ａ及び４Ｂを参照して上に記載されたシステムと同様に、図６Ａ及び６Ｂに図示された構成６００、６０２もまた関連する検出器６１２、６１４の構成に基づいて変化してもよい。すなわち、図６Ａの検出器６１２が隣接した画素を有してもよく、また図６Ｂの検出器６１４が画素間に隙間６１６を有してもよい。
図７に調整可能なコリメータシステム７００を示す。具体的には、コリメータシステム７００は可変高さを有し、コリメータプレート７０６の上側表面７０２及び下側表面７０４間の距離がユーザにより選択される。特に、上記したように、通常は二つのコリメータ設計パラメータを最適化することができる。第一パラメータは、例えば上側コリメータ表面から約３．０〜３．５ｃｍの距離である線源−コリメータ間距離ｂについて所望のコリメータ分解能がＲcとなるよう選択された検出要素の寸法ｐについてのコリメータチャネルの最適長さｌoptである。第二パラメータは、上記要件を満たしかつ感度を最大化する、検出器の最適固有検出要素寸法である。前者に関して、可変なコリメータチャネル長さｌoptを有する調整可能コリメータシステム７００を提供することにより、圧縮特性に基づき可変な特定の線源−コリメータ間距離ｂについてコリメータを調整することが可能である。図７に示すように、例えば第一コリメータ部分７０８及び第二コリメータ部分７１０を提供することにより、調整可能コリメータシステム７００が得られる。第一コリメータ部分７０８及び第二コリメータ部分７１０は、例えば、取り外し可能又は積み重ね可能に係合されるとともに追加のコリメータ部分と交換可能に構成されていてもよく、これにより、ユーザは第一コリメータ部分７０８を異なる特性を有する第三コリメータ部分７１２と交換するなどしてコリメータプレート７０６の上側表面７０２と下側表面７０４との間の距離を調整することができる。加えて又はあるいは、第一コリメータ部分７０８及び第二コリメータ部分７１０は、例えばスライド可能に係合されてもよく、これにより一方の部分を他方の部分に対してスライドさせてコリメータプレート７０６の上側表面７０２及び下側表面７０４の間の距離を調整することができる。
したがって、本発明は、核医学イメージングを実行するためのシステム及び方法を提供する。２検出器型ガンマカメラシステムと共に使用するために最適化された平行孔コリメーション配置が記載されている。コリメーション配置は、検出器の各画素がコリメータの孔に形状的にマッチした画素化検出器（テルル化カドミウム亜鉛、多結晶型ヨウ化セシウム又は多結晶型ヨウ化ナトリウムなど）を用いる。マッチするとは、一つの開口部に一つの画素が対応するような比率でコリメーション開口部を画素とマッチさせることを含むが、その他の比率を用いてもよい。コリメーション孔寸法を画素寸法とマッチさせることにより、検出器の放射線に対する感度が向上する。
一実施形態において、乳房分子イメージング（ＭＢＩ）などの核医学高分解能乳房イメージング技術を用いて乳房の組織が画像化される。例えば、「定量的乳房分子イメージング用のシステム及び方法」と称される２００７年１２月１０日に提出された同時係属中の国際特許番号第ＷＯ／２００８／０７３８９７号には、超高分解能検出器が用いられる定量的腫瘍分析を実行するためのシステム、装置及び方法が開示され、該開示はその全体が参照することにより本明細書に盛り込まれる。
方法又は処理内の種々の工程又は動作が記載された順番で実行されてもよく、又は別の順番で実行されてもよい。加えて、一以上の処理又は方法工程を省略してもよく、又は一以上の処理又は方法工程を方法及び処理に追加してもよい。追加の工程又は動作は、方法及び処理の始めに、最後に、又は中間に追加されてもよい。本明細書の開示及び教示に基づき様々な実施形態が可能であることは当業者に明らかである。
本発明は、本明細書中に一以上の好ましい実施形態として記載されているが、当然ながら、その他にも多くの同等の、代替的な、修正された実施形態も、本発明の範囲内において可能である。
Claims (14)
- 二以上の非シンチレーティングガンマカメラと、圧縮機構と、コンピュータ読取可能記憶媒体にアクセスするよう構成されたプロセッサと、前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラのそれぞれに連結されたコリメータと、を有する核イメージングシステムであって、
前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラは、互いの間に対象の一部を収容する平行平面領域を画定するよう間隔をあけて配置され、
前記ガンマカメラは、各々、配列した複数の検出器画素が設けられた検出器を有し、
前記圧縮機構は、少なくとも一つの前記ガンマカメラを軸に沿って動かすよう構成されるとともに、前記対象の前記一部を選択された厚さに圧縮するよう構成され、
前記コンピュータ読取可能記憶媒体には命令が格納されており、該命令が前記プロセッサにより実行されると、該プロセッサが前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラを利用して前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラの間の平行平面領域にある前記対象の前記一部から放出された光子を検出して、前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラから受信したデータに基づいて一以上のイメージングデータセットを作成するよう構成され、
前記コリメータは、放射線吸収材から成るコリメータプレートと、複数の隔壁と、を有し、
前記コリメータプレートには、間隔をあけて整列配置された複数のチャネルが形成され、
前記コリメータプレートの上側表面から前記コリメータの下側表面まで延びる各前記チャネルの長さは、可変であり、選択された隔壁透過、線源−コリメータ間距離及びコリメータ材について、コリメータ分解能を所定値に保ちつつ前記コリメータの幾何学的効率を最大化する長さに調整され、
前記チャネルは、前記複数の検出器画素のうちの対応する検出器画素の断面形状にほぼマッチする四角形状の断面を有する
ことを特徴とする核イメージングシステム。 - 前記コリメータを構成する前記放射線吸収材が、鉛及びタングステンのうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の核イメージングシステム。
- 前記コリメータは、各前記チャネルの長軸が別の前記チャネルの長軸とほぼ平行であり且つ前記複数のチャネルの長軸が前記コリメータの上側表面及び前記コリメータの下側表面の両方に対して垂直である平行孔コリメータであることを特徴とする請求項１記載の核イメージングシステム。
- 前記コリメータは、各前記チャネルの長軸が別の前記チャネルの長軸とほぼ平行であり且つ前記複数のチャネルの長軸が前記コリメータの上側表面又は前記コリメータの下側表面の両方に対して垂直でない傾斜孔コリメータであることを特徴とする請求項１記載の核イメージングシステム。
- 前記コリメータは、前記コリメータプレートの上側表面及び前記コリメータの下側表面の間に延びる前記チャネルの長さがユーザにより選択されるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の核イメージングシステム。
- 前記コリメータプレートは、第二部分に取り付け可能に取り付けられた第一部分を有していることを特徴とする請求項５記載の核イメージングシステム。
- 前記第一部分は、前記第二部分から取り外し可能となるよう構成され、
前記第二部分は、第三部分を収容するよう構成され、
前記第一部分、前記第二部分及び前記第三部分は異なる寸法を有しており、これにより、前記コリメータプレートの上側表面及び前記コリメータプレートの下側表面の間に延びる前記チャネルの長さがユーザにより選択されるよう構成されている
ことを特徴とする請求項６記載の核イメージングシステム。 - 前記コリメータプレートは、第二部分にスライド可能に取り付けられた第一部分を有していることを特徴とする請求項５記載の核イメージングシステム。
- 二以上の非シンチレーティングガンマカメラと圧縮機構とコンピュータ読取可能記憶媒体にアクセスするよう構成されたプロセッサとを有する核イメージングシステムとともに使用するコリメータシステムにおいて、
前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラは、互いの間に対象の一部を収容する平行平面領域を画定するよう間隔をあけて配置され、
前記非シンチレーティングガンマカメラは、各々、配列した複数の検出器画素が設けられた検出器を有し、
前記圧縮機構は、少なくとも一つの前記非シンチレーティングガンマカメラを軸に沿って動かすよう構成されるとともに、前記対象の前記一部を選択された厚さに圧縮するよう構成され、
前記コンピュータ読取可能記憶媒体には命令が格納されており、該命令が前記プロセッサにより実行されると、該プロセッサが前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラを利用して前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラの間の平行平面領域にある前記対象の前記一部から放出された光子を検出して、前記二以上の非シンチレーティングガンマカメラから受信したデータに基づいて一以上のイメージングデータセットを作成するよう構成され、
前記コリメータシステムは、
放射線吸収材から成るコリメータプレートと、
間隔をあけて整列配置する複数のチャネルと、
前記コリメータプレートの上側表面及び前記コリメータプレートの下側表面と、
を含み、
前記コリメータプレートの上側表面から前記コリメータの下側表面まで延びる各前記チャネルの長さは、可変であり、選択された隔壁透過、線源−コリメータ間距離及びコリメータ材について、コリメータ分解能を所定値に保ちつつ前記コリメータの幾何学的効率を最大化する長さに調整され、
前記チャネルは、前記複数の検出器画素のうちの対応する検出器画素の断面形状にほぼマッチする四角形状の断面を有する
ことを特徴とするコリメータシステム。 - 前記複数のチャネルの断面形状と前記複数の検出器画素の断面形状とが互いにほぼ等しいことを特徴とする請求項９記載のコリメータシステム。
- 前記コリメータの分解能と前記検出器画素の分解能とがほぼ一致していることを特徴とする請求項９記載のコリメータシステム。
- 孔形状、角度平均化及び検出器−線源間距離対チャネル長さ比のうちの少なくとも一つを考慮する補正係数を使用して、前記コリメータの分解能を計算することを特徴とする請求項１１記載のコリメータシステム。
- 前記コリメータの分解能を、下式
式中、Ｒcはコリメータ分解能、ρは補正係数、ｄは前記チャネルの四角形の断面形状の一辺の長さ、ｌはチャネル長さ、ｂは前記線源−コリメータ間距離、μは関心エネルギーにおける前記コリメータ材の線減衰係数である
ことを特徴とする請求項１１記載のコリメータシステム。 - 前記コリメータプレートを、互いに取り外し可能に取り付けられた複数の部分から形成することを特徴とする請求項９記載のコリメータシステム。
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