JP5771197B2 - 定量化能力が改善されたｐｅｔ検出器システム - Google Patents

Description

本開示は放射線検出器の分野に関する。本開示は特に、放射線の透過又は放射性医薬品を利用した核医学画像装置用の放射線検出器−たとえば平面X線画像装置、放射線天文学等のみならず、単一光子放射断層診断(SPECT)画像装置及び陽電子放出断層診断(PET)画像装置も−と併用される用途に関する。また本開示は、具体的に参照しながら説明される。本発明はまた、他の放射線検出器診断並びに放射線検出器を利用するシステム及び方法にも適用されうることに留意して欲しい。

単一光子放射断層診断(SPECT)においては、放射性医薬品が画像化対象物に与えられ、かつ、1つ以上の放射線検出器アレイ−一般的にはガンマカメラと呼ばれる−が、放射性崩壊事象によって引き起こされる放射線の放出によって放射性医薬品を検出するのに用いられる。典型的には各ガンマカメラは、放射線検出器アレイ及び該放射線検出器アレイの前方に設けられたコリメータを有する。ガンマカメラは、ある範囲の視野角−たとえば180°又は360°の角度範囲−にわたって移動する。その結果としての投影データは、フィルタ補正逆投影、期待値最大化、又は他の画像化手法を用いることによって、画像化対象物内での放射性医薬品の分布像に変換されて良い。有利となるように、放射性医薬品は、選択された細胞組織で濃縮されることで、これらの選択された細胞組織の好適な画像化を行うように設計されて良い。

陽電子放出断層診断(PET)では、放射性医薬品が画像化対象物に与えられ、前記放射性医薬品の放射性崩壊事象が陽電子を生成する。各陽電子は、電子と相互作用することで、2つの反対方向に放射されるガンマ(γ)線を放出する陽電子−電子消滅事象を生成する。一致検出回路を用いることによって、画像化対象物を取り囲む放射線検出の環状アレイは、（複数の）陽電子−電子消滅に対応する同時に反対方向に放射されるガンマ線事象を検出する。2つの一致検出と関連する素子対を結ぶ直線(LOR)は、陽電子−電子消滅事象の位置と交差する。係るLORは、投影データと相似し、かつ2次元像又は3次元像を生成するように再構成されて良い。飛行時間PET(TOF-PET)では、2つの同時γ線検出のわずかな時間差が、LORに沿った消滅事象の特定に用いられる。

平面X線画像化では、放射線源は画像化対象物を照射し、かつ、前記画像化対象物の反対側に設けられた放射線検出器アレイは、透過放射線を検出する。前記画像化対象物内の細胞組織によって放射線が減衰するため、検出された放射線は、前記画像化対象物中の骨又は他の放射線吸収構造の2次元平面表現を供する。そのような透過に基づく画像化は、透過断層診断画像化によって改善される。前記透過断層診断画像化では、X線管又は他の放射線源は、拡張された角度範囲−たとえば180°又は360°の視野角−にわたって透過像又は投影データを供するように移動する。フィルタ補正逆投影又は他の画像再構成を用いることによって、この放射線投影データは、2次元画像又は3次元画像表現に再構成される。

SPECT及びPET放射線検出器は従来、中間導光層を用いることによって、シンチレータ結晶のアレイと光学的に結合する光電子増倍管(PMT)アレイを有していた。シンチレータ結晶は、吸収された放射線粒子を、アンガーロジック（Anger logic）を用いた複数の光電子増倍管によって検出及び特定される光バーストに変換する。放射線検出システムでは、光電子増倍管は、受光強度に比例するアナログ信号を生成するフォトダイオードによって置き換えられた。フォトダイオードは、強い光の状況において光電子増倍管に対する、費用対効果が良く、かつ低電圧の代替物を供する。費用対効果が良くて低電圧の性質を有するアナログフォトダイオードと共に高ゲイン及び安定性の光電子増倍管を取り入れたシリコン光電子増倍管(SiPM)検出器が開発された。

コンプトン散乱、計数率の飽和、及び非線形応答（パイルアップ効果）に起因する事象の位置特定の誤りに悩まされるアンガーロジックを用いるのではなく、画素化されたシンチレータ検出器が提案された。画素化された検出器では、個々のシンチレータ結晶とフォトダイオードの画素とは典型的には1:1で一致する。検出位置は、γ線事象を検出する画素化された検出器の位置によって決定される。

シンチレータ結晶としてLYSOが用いられる場合では、約30%の放射事象が散乱される。約半分のLORが、少なくとも一端での散乱事象に関連づけられる。つまり、放射事象は、第1画素化されたシンチレータに衝突し、シンチレーションを起こし、かつ他のシンチレーションを起こす第2シンチレータへ向かうようにコンプトン散乱される。散乱された放射線は、さらに他の画素化されたシンチレータにおいてさらなるコンプトン散乱を起こしうる。同様に、アンガーロジックシステムに係る大きな結晶では、単一のγ線事象は、複数のシンチレーションを引き起こすコンプトン散乱であって良い。コンプトン散乱は、位置を曖昧にし、かつ信号の解像度を低下させる。散乱事象は、低振幅であることを特徴とする。散乱事象をフィルタリングすなわち除去することで、30〜50%の再構成用の事象が減少する。複数のコンプトン散乱事象は互いに時間的に近接しているので、PMTに対しては単一のぼやけた信号として現れる恐れがある。

エネルギー窓の設定、パルス形状解析、及び他のフィルタリング法が、空間解像度を改善するように開発されてきた。しかし必要とされる計算時間が増大することは概して、定性的な解析−たとえば画像表現に基づく医師の診断−に対するフィルタリングを制限してしまう。定量化法が利用可能であり、たとえば標準摂取率(SUV)は、癌の処理応答において広く用いられる量化子である。SUV計算の利点は、血液試料を必要としないことである。しかしSUVは、画像のノイズ、不十分な解像度、及び不適切に定められた関心領域によるばらつきが生じやすい。血液試料の測定を必要とする定量的な代替手法である局所摂取率(FUR)と比較して、SUVは、病気の進行度に関して反対の結論を得てしまうことがある。

本発明は、画素化された結晶の読み出しを用いる核医学画像装置の空間解像度の改善及び上述の問題などを解決する診断法の定量化の改善を行うため、新たな改善された方法並びに装置を供する。

第1態様によると、核医学画像化方法が与えられる。当該方法は、検査領域の付近に配置された1つ以上の放射線検出器モジュール上でのガンマ(γ)放射事象を検出する工程を有する。前記の検出された放射事象は、散乱事象と非散乱事象との間で区別され、かつそれに従ってラベル付けされる。前記放射事象はリストモードで記憶される。

他の態様によると、核医学画像化システムは、検査領域からの放射事象を検出する少なくとも1つの放射線検出モジュールを有する。散乱検出器は、散乱放射事象と非散乱放射事象の両方を検出及びラベル付けするように構成される。リストモードメモリは、各対応するラベルが付された前記の検出された放射事象の検出位置を記憶する。

一の利点は、解像度が改善されることである。

他の利点は、パイルアップが減少することである。

他の利点は、定量的な指標を、画像表現から信頼性の高い状態で取り出すことができることである。

他の利点は、信号対雑音比が改善されることである。

本発明のさらに他の利点は、以降の詳細な説明を読んで理解すれば、当業者には明らかである。

画素化されたシンチレータを備える放射線検出器モジュールを利用する核医学画像化システムを概略的に図示している。 画素化されたシンチレータ結晶を備えた放射線検出器モジュールの概略的部分側面図である。 本発明の実施例による核医学画像化システムによって得られた画像を概略的に図示している。

本発明は、様々な構成部品及びその配置並びに工程の構成の形態をとっても良い。図面は、好適実施例を例示する目的に過ぎず、本発明を限定するものと解されてはならない。

図1を参照すると、PET又は他の放射線断層撮像スキャナ8が、画像化領域12からの放射線を受けるように配向する複数の放射線検出器モジュール10を有する。放射線検出器モジュール10は、軸方向に沿って隣接する複数の輪となるように配置される。しかし他の放射線検出器モジュールの配置が用いられても良い。一般的に放射線検出器モジュール10は、断層撮像スキャナ8の筐体14の内部に格納されるので、外部からは見えない。各輪は、最大数百の放射線検出器モジュール10を有する。スキャナの中には、放射線検出器モジュール10からなる輪が1つか供されないものもあるし、最大で5つ以上の輪が供されるものもある。検出器頭頂部は、図1に図示された検出器の輪構造の代わりに用いられても良いことに留意して欲しい。断層撮像スキャナ8は、画像化領域12内の対象物すなわち患者の位置設定を行う対象物支持体16を有する。任意で、支持体16は、放射線検出器モジュール10の輪を略横切る軸方向を直線的に移動可能であることで、拡張された軸方向距離にわたる3次元画像データの取得を補助する。

図2を参照すると、放射線検出器モジュールが図示されている。γ線20が放射線検出器モジュール10に衝突するとき、γ線20は、1つ以上の個別の検出器素子22と相互作用することができる。最初にγ線は放射線透過層24を通り抜ける。放射線透過層24は、光子を反射する一方で、γ線を、無視できる程度にしか吸収せずに透過させることが可能である。続いてγ線は、放射線を複数の光子に変換する−つまりシンチレーションを起こす−画素化されたシンチレータ28の個別のシンチレータ結晶26に衝突する。光子は、共通のシリコン基板32上にモノリシックに設けられたフォトダイオードのアレイで構成される光電子検出器30によって検出される。フォトダイオードは、固体の光電子増倍管−たとえばアナログフォトダイオード、デジタルシリコン光電子増倍管(SiPM)等−を有して良い。SiPMは、アナログフォトダイオードに対して安定し、高利得で、かつ低電圧の代替手段を供する。約30%のγ線20’が、光子を生成する第1シンチレータと相互作用し、かつ、より多くの光子を生成する他のシンチレータへ向かうようにコンプトン散乱する。

ほんのわずかな光子しか光電子検出器30には直接衝突しない。光電子検出器30に到達する光子数を増加させるため、各シンチレータ結晶の側壁24は、光反射層34−たとえばテフロン（登録商標）、ビキュイティ（登録商標）等−で覆われる。光反射層はまた、光子が隣接するシンチレータ結晶へ入り込むこと、及び隣接するシンチレータ結晶に対応する光電子検出器によって検出されることを抑制する。光反射スペーサ36は、隣接する光電子検出器間に設けられることで、光子が、前記光電子検出器に衝突することなくシンチレータ結晶から飛び出すのを防止する。散乱の抑制に加えて、シンチレータ結晶を画素化することでパイルアップ効果を減少させ、画像解像度をさらに改善することができる。

光結合層38が、シンチレータ結晶26と光電子検出器28との間に設けられる。光が、屈折率がそれぞれ異なる材料間の境界に到達するとき、その光の一部は透過する一方で、その光の別な一部は、戻されるように反射される。シンチレータ結晶と光電子検出器との間での反射は望ましくないので、反射を抑制するため、光結合層38が間に設けられる。

再度図1を参照すると、核スキャンが開始される前に、支持体16上の患者には、一般的にはタグ分子と結合する放射性元素を含む放射性医薬品が注入される。タグ分子は、画像化される関心領域に関連づけられ、かつ通常の身体的過程を経てその領域内に蓄積しようとする。たとえば、悪性腫瘍の細胞は、異常に大量のエネルギーを消費しようとする。従って放射性元素は通常、典型的には代謝することでエネルギーを生成する分子であるグルコースと結合する。放射性医薬品は係る領域に蓄積し、かつ画像中では「ホットスポット」として現れる。他の手法には、灌流検査法等用の循環系内部に存在するタグ付け分子が含まれる。

放射性医薬品の崩壊から生じるγ線は、環状に配置された放射線検出器モジュール10によって検出される。トリガ回路（図示されていない）は、シンチレーション事象に特有のエネルギーパルス用の光電子検出器28−つまりパルス下で積分された面積−を監視する。タイムスタンプは、タイムスタンプ回路40によって各検出された事象に関連づけられる。トリガ回路及びタイムスタンプ回路もまた、光電子検出器基板に集積されても良い。同時検出器42は、同時発生するγ線の対及び同時発生するγ線の各対によって定められるLORを決定する。同時発生する対は、同時発生する対の検出時間の差異及び既知の視野の直径によって決定される。

LORの検出器の位置及び対応するタイムスタンプは、リストモード形式における単一入力としてリストモードメモリ44に記憶される。散乱検出器46は、同時発生対の検出された放射事象が散乱されるか否かを判断する。非散乱事象とは、1つのシンチレータしか光子を放出しない事象と定義される。散乱検出器は、検出された放射事象が散乱したか否かを示すため、リストモードメモリ内の各入力に1ビットのデータの追加47を行う。まとめると、リストモードメモリ内の各入力は、検出された放射事象の同時発生する対についての、検出時間、検出位置、及び散乱/非散乱ラベルを表す。

再構成処理装置48は、全てのLOR−散乱したものもそうでないものも−を、第1画像メモリ50内に記憶された第1画像表現に再構成し、かつ散乱していないLORを、第2画像メモリ51内に記憶された第2画像表現に再構成する。定量化処理装置52は、選ばれた関心領域/構造の1つ以上の指標を定量化する。指標は、関心領域/構造の体積、計数率、標準摂取率(SUV)を有して良い。関心領域/構造は、グラフィカルユーザーインターフェース又は表示装置54を用いる医療者によって選択される。グラフィカルユーザーインターフェース又は表示装置54は、医療者が、走査シーケンス及びプロトコル、再構成法、表示画像データ等を選択するのに利用可能なユーザー入力装置を有する。TOF-PETシステムでは、再構成処理装置はまた、タイムスタンプ回路50から、各LORについての飛行時間の情報を得る。

図3を参照すると、画像結合器56は、第1画像表現60と第2画像表現62とを結合することで、同時表示される結合画像64を生成する。たとえば、複数の画像は各異なる色で重ね合わせられ、第2画像表現62のホットスポットの外形が第1画像表現60上に重ね合わせられ、かつ第1画像表現60と第2画像表現62は、同一スケールで並べて表示されて良い。

検出された散乱放射事象と検出された非散乱放射事象に対応する素子対を結ぶ直線を用いて再構成された検査領域の第1画像表現60は、良好なノイズ統計を有するが、低解像度である。検出された非散乱放射事象に対応する素子対を結ぶ直線を用いて再構成された検査領域の第2画像表現62は、良好な解像度を有するので、弱いホットスポットしか示さないが小さな損傷の検出も可能である。よって各々は相補的な情報を供する。定量化処理装置は、第2画像表現62又は結合画像64のいずれかから1つ以上の指標を抽出する。その指標は、グラフィカルユーザーインターフェース又は表示装置54上の定量化された画像表現と一緒に表示されて良い。

他の実施例では、検査領域の第1画像表現は、検出された散乱放射事象及び非散乱放射事象に対応する素子対を結ぶ直線を用いて再構成される。医療者は、第1画像表現内の関心部分体積又は構造−たとえば疑わしい損傷−を選択する。第2画像表現は、検出された非散乱放射事象に対応する素子対を結ぶ直線−前記部分体積を貫通する−のみを用いて再構成されることで、前記部分体積の高解像度画像を生成する。結合画像表現は、様々な形態をとって良い。たとえば前記部分体積の非散乱画像は、前記第1画像内の部分体積に置き換えられて良い。定量化処理装置は、前記第2画像表現又は結合画像表現のいずれかから1つ以上の指標を抽出する。その指標は、グラフィカルユーザーインターフェース又は表示装置上の定量化された画像表現と一緒に表示されて良い。

Claims (11)

1. 核医学画像化方法であって：
   検査領域の付近に配置された1つ以上の放射線検出器モジュール上でのガンマ(γ)放射事象を検出する手順であって、各放射線検出器モジュールが、複数の光学的に分離したシンチレータ結晶で構成される画素化された読み出しシンチレータを備え、かつ
   各光学的に分離したシンチレータ結晶は、光電子検出器と光学的に結合する、手順；
   前記の検出された放射事象を、前記シンチレータのうちの2つ以上が光子を放出する散乱事象と、前記シンチレータのうちの1つのみが光子を放出する非散乱事象とで区別する手順；
   前記の検出された放射事象を、散乱ラベル又は非散乱ラベルのうちのいずれか1つとしてラベル付けする手順；
   前記放射事象をリストモードで記憶する手順；
   散乱事象と非散乱事象の両方としてラベル付けされた前記の検出された放射事象を用いることによって、低解像度である前記検査領域の第1画像表現を再構成する手順；及び、
   非散乱事象としてラベル付けされた前記の検出された放射事象を用いることによって、高解像度である前記検査領域の第2画像表現を再構成する手順；
   を有する方法。
2. 検出された同時発生する放射事象の対を検出する手順；及び、
   各同時発生する放射事象の対に対応する素子対を結ぶ直線を決定する手順；
   をさらに有する、請求項1に記載の方法。
3. 核医学画像化方法であって：
   検査領域の付近に配置された1つ以上の放射線検出器モジュール上でのガンマ(γ)放射事象を検出する手順であって、各放射線検出器モジュールが、複数の光学的に分離したシンチレータ結晶で構成される画素化された読み出しシンチレータを備え、かつ
   各光学的に分離したシンチレータ結晶は、光電子検出器と光学的に結合する、手順；
   前記の検出された放射事象を、前記シンチレータのうちの2つ以上が光子を放出する散乱事象と、前記シンチレータのうちの1つのみが光子を放出する非散乱事象とで区別する手順；
   前記の検出された放射事象を、散乱ラベル又は非散乱ラベルのうちのいずれか1つとしてラベル付けする手順；
   前記放射事象をリストモードで記憶する手順；
   前記リストモード内に記憶された前記散乱ラベルが付された放射事象と非散乱ラベルが付された放射事象を用いることによって、前記検査領域の第1画像表現を再構成する手順；
   前記第1画像表現内の関心部分体積を選択する手順；及び、
   前記の選択された関心部分体積に対応する、前記リストモード内に記憶された非散乱放射事象を用いることによって、前記関心部分体積を、第2画像表現に再構成する手順；
   を有する方法。
4. 少なくとも1つの指標に基づいて、前記関心部分体積から定量的データを抽出する手順をさらに有する、請求項3に記載の方法。
5. 前記指標が、体積、計数率、及び標準摂取率(SUV)から選択される、請求項4に記載の方法。
6. 複数の光学的に分離したシンチレータ結晶で構成される画素化されたシンチレータ、及び、各々が前記シンチレータ結晶のうちの1つと光学的に結合する複数の光電子検出器を有する、検査領域からの放射事象を検出する少なくとも1つの放射線検出器モジュール；
   前記シンチレータのうちの2つ以上が光子を放出する散乱事象と、前記シンチレータのうちの1つのみが光子を放出する非散乱放射事象の両方を検出及びラベル付けする散乱検出器；
   
   各対応するラベルが付された前記の検出された放射事象の検出位置を記憶するリストモードメモリ；
   
   前記の検出された散乱放射事象と非散乱放射事象を第1画像表現に再構成し、かつ、前記非散乱放射事象の少なくとも一部を第2画像表現に再構成する再構成処理装置；並びに、
   前記第1画像表現及び前記第2画像表現のうちの一の画像表現内の選択された関心構造の少なくとも1つの指標を定量化する定量化処理装置；
   を有する核医学画像化システム。
7. 前記検査領域からの放射事象を検出するように設けられた複数の放射線検出器モジュール；
   検出された放射事象とタイムスタンプとを関連づけるタイムスタンプ回路；及び、
   検出された放射事象の同時に発生する対を検出し、かつ各同時に発生する対に対応する素子対を結ぶ直線を決定する同時検出器；
   をさらに有する核医学画像化システムであって、
   前記リストモードメモリは、検出された放射事象の同時に発生する対の各々についての検出時間、検出位置、及び散乱/非散乱ラベルを記憶する、
   請求項6に記載の核医学画像化システム。
8. 前記散乱検出器が、前記リストメモリ内に記憶された同時に発生する対を、該同時に発生する対の検出された放射事象がいずれも散乱されない場合には、非散乱事象としてラベル付けし、かつ、少なくとも1つの散乱された放射事象を有する同時発生する対を、散乱事象としてラベル付けする、請求項6又は7に記載の核医学画像化システム。
9. 前記ラベルが、対応するリストモードメモリに与えられる1ビットデータである、請求項6又は7に記載の核医学画像化システム。
10. 前記指標が、体積、計数率、及び標準摂取率(SUV)から選択される、請求項6乃至9のうちいずれか1項に記載の核医学画像化システム。
11. 核医学画像化方法であって：
    検査領域の付近に配置された1つ以上の放射線検出器モジュール上でのガンマ(γ)放射事象を検出する手順であって、各放射線検出器モジュールが、複数の光学的に分離したシンチレータ結晶で構成される画素化された読み出しシンチレータを備え、かつ
    各光学的に分離したシンチレータ結晶は、光電子検出器と光学的に結合する、手順；
    前記の検出された放射事象を、前記シンチレータのうちの2つ以上が光子を放出する散乱事象と、前記シンチレータのうちの1つのみが光子を放出する非散乱事象とで区別する手順；
    前記の検出された事象を、散乱ラベル又は非散乱ラベルのいずれかとしてラベル付けする手順；
    前記の検出された放射事象をリストモード内に記憶する手順；
    前記散乱ラベルが付された放射事象と非散乱ラベルが付された放射事象の両方を用いることによって低解像度である第1画像表現を再構成する手順；
    前記非散乱ラベルが付された放射事象の少なくとも一部を用いることによって高解像度である第2画像表現を再構成する手順；及び、
    前記第1画像表現と第2画像表現又は該第1画像表現と第2画像表現の結合を表示する手順；
    を有する方法。

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