JP5864658B2 - 生理学的リストモード核医学イメージングにおけるカウントの最適時間サンプリングのための逆データ再構成 - Google Patents

Description

本出願は画像診断技術に関する。これはリストモードデータ収集を利用する核医学スキャナに特に応用され、それに特に関連して記載される。しかしながら、これは他のトレーサかん流検査にも応用され、前述の用途に必ずしも限定されないことが理解されるべきである。

核医学ダイナミックイメージングで生理学的プロセスをとらえることは、特定のイメージングシステムに対するサンプリングの最適化と、トレーサ取り込みに関与する現象の理解を必要とする複雑なプロセスである。例えば、ルビジウム‐８２（^８２Ｒｂ）注入とＰＥＴイメージングを用いる心かん流検査は、高中性子束、短半減期同位体（約９０秒）、及び血流から^８２Ｒｂを抽出することができる取り込みプロセスを、対象に応じて３０秒という短い間、又は２００秒という長い間、典型的な３６０秒スキャンにおいて動的にイメージングするという難題を兼ね備える。最初は血中に大量のトレーサがあるが、関心領域によって取り込まれる量は少ない。これは大量のデータを生じるがコントラストは不十分である。スキャンにおいて時間が経過するにつれて、より多くのトレーサが関心領域に達して取り込まれ、血中から除去されるが、同時に、トレーサの自然崩壊のために時間が経つにつれて信号強度が弱まる。これはよいコントラストをもたらすが、データ量が少ない。信号強度とコントラストを調和させるイメージングのための最適時間を見つけることは困難である。

再構成画像の品質は、再構成間隔の選択に左右される。９０‐３６０秒といった長い再構成時間間隔を選ぶと、信号強度を最大化することができる、つまり、受信カウントを最大化することができる。これはコントラストを犠牲にする。例えば、心臓をイメージングする際、上記の選択された時間範囲は、心臓の組織によってまだ吸収されていない心室中の血液が依然としてアクティブであり得るため、低コントラストをもたらし得る。初期データは最高計数率を持つため、低計数率の後期データよりも優位に立つ傾向がある。他方で、３００‐３６０秒の窓が選択される場合は、トレーサの大部分が関心のある組織によって吸収されているため、画像はよいコントラストを持つ可能性が最も高い。しかしながら、トレーサの大部分はその時までに崩壊しているため、かなりのノイズがある可能性があり、低イベント計数率につながる。

本出願は、画質を効率的に最適化するためにリストモードデータを活用することができる、新たな改良されたイベント処理法を提供する。

一態様によれば、画像診断装置が提供される。個別の検出器を含む検出器アレイは、患者内の放射能崩壊によって放出される光子を検出する。トリガプロセッサは受信された潜在的イベントにタイムスタンプを割り当てる。イベント検証プロセッサは受信された潜在的イベントに検証基準を適用する。再構成プロセッサは有効イベントをイメージング領域の画像表現に再構成する。性能指数アナライザは性能指数を決定するために再構成画像を解析する。

別の態様によれば、画像診断法が提供される。核崩壊イベントを示すデータ点のセットが収集され、データ点はデータ点が検出された時間に従ってソートされる。時間における基準点が選択される。基準点より前に現れているデータ点から画像表現が再構成される。画像表現に関連する性能指数が決定される。時間間隔が選択され、基準点から遡って適用され、新たな基準点を作る。

別の態様によれば、画像診断法が提供される。放射性崩壊において放出される光子が検出される。受信された潜在的イベントにタイムスタンプが割り当てられる。受信されたイベントに検証基準が適用される。有効イベントがイメージング領域の画像表現に再構成される。再構成画像は性能指数を決定するために解析される。

１つの利点は、核トレーサかん流検査において信号強度と画像コントラストの最適な組み合わせを選択する能力にある。

別の利点は、最高画質が達成されるまで、反復的に再構成画像にデータを追加又は再構成画像からデータを除去する能力にある。

別の利点は、スキャナが互換性のあるデータ生成及びデータ形式（例えばリストモード）を持つならば、現在のスキャナに容易に組み込まれるということである。

本発明のなおもさらなる利点は、以下の詳細な説明を読んで理解することで当業者に理解される。

本発明は、様々な構成部品と構成部品の配置、及び様々なステップとステップの配置で、具体化し得る。図面は好適な実施形態を例示する目的に過ぎず、本発明を限定するものと解釈されてはならない。

本出願にかかる核医学イメージング装置の概略図である。 計数率と組織かん流を時間の関数として示すグラフである。 本出願にかかる、再構成に使用されるべき最も重要なデータの繰り返し測定のフロー図である。

図１を参照すると、画像診断装置１０は筐体１２と対象支持体１４を含む。筐体１２内には検出器アレイが囲まれている。検出器アレイは複数の個別の検出器素子１６を含む。特定の一実施形態は陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）スキャナに関して記載されるが、本出願は他の医学的応用、例えば単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、及びｘ線天体物理学、ガンマ線望遠鏡、ｘ線写真術、セキュリティ、及び工業用途においても有用であることが理解されるべきである。一般に、本出願は、ｘ線、ガンマ線、又は高エネルギーで高空間分解能の荷電粒子のイメージングに応用される。該アレイは、検出器素子１６がイメージング領域１８に隣接して配置されるように配置される。検出器アレイは、検出器１６のリング、多重リング、１つ以上の個別の平面又は円弧状パネルなどであることができる。陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）においては、ガンマ線のペアがイメージング領域において陽電子消滅イベントによって生成され、大体反対方向に進む。こうしたイベントは^８２Ｒｂの核崩壊から生じ得る。これらのガンマ線はペアとして検出され、一方のガンマ線が検出器に達するまで他方よりも遠くまで進む場合、検出間にわずかな時間差を伴う（ナノ秒又はその何分の１かのオーダー）。従って、ＰＥＴスキャナにおいて、検出器アレイは典型的にはイメージング領域を取り囲む。

ＰＥＴスキャンが始まる前に、対象は放射性医薬品を注入される。ある一般的な検査において、放射性医薬品はタグ分子に結合した^８２Ｒｂなどの放射性元素を含む。タグ分子はイメージングされるべき領域に関連し、生体プロセスを通してそこに集まる傾向がある。例えば急速に増殖している癌細胞は自身を複製するのに異常に高いエネルギーを消費する傾向がある。放射性医薬品は、細胞がエネルギーを生成するために典型的に代謝する、グルコースなどの分子、又はそのアナログに結合されることができ、これはこうした領域内で集まり、画像中に"ホットスポット"として現れる。心臓は比較的大量のエネルギーを消費するため、こうしたタグは心かん流イメージングにおいても有用である。他の技術は循環系を流れるタグ付き分子を観察する。こうした技術においては、体の組織によってすぐに吸収されない分子をタグ付けすることが有利である。

ガンマ線が検出器アレイに衝突するとき、時間信号が生成される。トリガプロセッサ２０は、エネルギースパイク、例えばパルス下積分面積、放射性医薬品によって生成されるガンマ線のエネルギーの特性、について各検出器１６を観察する。トリガプロセッサ２０はクロック２２をチェックし、検出されたガンマ線の各々に、立ち上がり受信時間スタンプでスタンプする。タイムスタンプ、エネルギー推定、及び位置推定は、イベントデータが有効であるかどうか、例えばイベントのペアが一致するかどうか、適切なエネルギーを持つかどうかなどを決定するために、イベント検証プロセッサ２４によって最初に使用される。認められたペアはｌｉｎｅｓ ｏｆ ｒｅｓｐｏｎｓｅ（ＬＯＲ）を規定する。ガンマ線は光の速度で進むため、検出されたガンマ線が数ナノ秒よりも多く離れて到達する場合、これらはおそらく同じ消滅イベントによって生成されなかったと思われ、通常は切り捨てられる。ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ ＰＥＴ（ＴＯＦ‐ＰＥＴ）においては、実質的に同時の一致イベントにおけるわずかな違いが、ＬＯＲに沿って消滅イベントの位置をさらに特定するために使用されるので、タイミングが特に重要である。イベントの時間分解能がより正確になるにつれて、イベントの位置がそのＬＯＲに沿って特定されることができる精度も正確になる。

ＬＯＲはイベント記憶バッファ２６に記憶される。一実施形態において、ＬＯＲはリストモード形式で記憶される。つまり、イベントは周期的に挿入される時間表示とともに時間的順序で記憶される。あるいは、イベントは個別にタイムスタンプされることができる。再構成プロセッサ２８は、フィルタ逆投影又は他の適切な再構成アルゴリズムを用いて、ＬＯＲの全部又は一部を対象の画像表現へ再構成する。アナライザ２９は性能指数又は画質の他の指標を決定するために再構成画像を解析する。アナライザ２９は、画質が最適化されるまで、又は事前に選択されたレベルに達するまで、再構成されるＬＯＲの部分を規定する時間窓を調節するために、時間窓セレクタ３１にインデックスを付ける。このプロセスは以下でより詳細に記載される。そして再構成はユーザに対して表示装置３０上に表示され、印刷され、後で使用するために保存されることなどができる。

一実施形態において、イベントデータは"リストモード"形式で収集される。検出されたイベントの各々の関連特性をリストに記録することは、放出断層撮影用途において一般的な方法になっており、リストモードデータ収集及び記憶として知られている。リストモード再構成法は、ビン化（ｂｉｎｎｅｄ）又はヒストグラム化モード法とはいくつかの点で異なる。リストモードデータ収集は完全な空間分解能とともに極めて高い時間分解能をもたらし、収集後にフレーム期間が決定されることを可能にする。リストモード形式でデータを収集すると、フレームモード収集で実現可能な程度よりもはるかに効率的に、高い精度まで相互作用位置が記憶されることができる。ガントリ角度は所定フレームにビン化される必要がなく、実際の角度として記録されることができ、その結果連続収集に伴う角度ブレの影響を除去する。イベントのエネルギーを限られた数の所定窓のうちの１つに帰する代わりに、相互作用の実際のエネルギーが記録されることができる。このようにして次元を増加すると、データはリストに記憶され、ここで、ビンの代わりに、例えば受信時間などの複数の異なるパラメータによって並べられ、ソートされることができる。リストモードはまた、この情報が完全に利用可能になる前に、データの時間的フレーミング無しにゲート信号を記憶することもできる。その結果、記憶空間の大幅な増加無しに、リストモード収集で投影データを記録する忠実度が著しく増加する。別の利点は、イベントをその発生時間によって特定する能力であり、本出願にとって有利なことに、コントラストと信号強度の最適な組み合わせが観察される時間窓を選択することができることである。

図２を参照すると、データ収集の期間内での再構成間隔すなわち窓３３の賢明な選択により、再構成画像の最適品質が実現される。データ収集中、例えば３６０秒の間、計数率３２は始めに最も高く、終りに近づくにつれて減少する。反対に、コントラスト３４はスキャンの始めに最も低い。選択可能な時間窓３３において収集されるＬＯＲが再構成される。窓の始め３６及び／又は終り３８は、コントラストと計数率のバランスを最適化するために選択的に調節される。勿論、重複する窓を含む、複数の窓が規定されることができ、各々に対して画像が再構成される。

ここで図３を参照すると、画像最適化を説明するフローチャートが提供される。まず、対象に放射性医薬品が注入される（４０）。データが収集され（４２）、スキャン中にタイムスタンプされる。データ収集の時間は、消滅イベントを生じるために使用される放射性物質によって異なることができる。^８２Ｒｂの場合、スキャンは通常は約６分（３６０秒）続く。この期間において、物理学的に^８２Ｒｂの元の量の１／１６しか残らず、計数率は低すぎて診断上有用でなくなってしまっていることが予想される。

データが収集された後、初期又は開始点、及び終末又は終了点によって規定される窓が選択される（４４）。一実施形態において、終末又は終了点３８は、スキャンの終わりから数秒であるように選択される。前述の通り、トレーサは関心のある組織にかん流するために十分な時間を与えられているので、このデータは最高コントラストの画像再構成をもたらす可能性が最も高い。スキャンの最後の最後からのデータを用いることは、普遍的に適用可能な方法であり、かん流に関して対象（人又は動物）の生理学についてほとんどわかっていないときには特に有用である。

より多くのことがわかる場合、より多くの点が選択されることができる。例えば、心臓イメージングに^８２Ｒｂを用いる場合は、２００秒が健康な人の被験者にとって十分な時間であるはずである。より一般的には、対象の生理学が、測定されるべき変数に関して安定状態にあるはずだということがわかっている時間がある場合、窓はその時間又はおよそその時間であるように選択されることができる。さらに、最終安定状態から中間状態を区別することができるパラメータがあってもよい。再度一実施例において、^８２Ｒｂ心臓イメージングにおいて、血流と比較した心筋活動の比率（例えば心室の空洞）はプロセスの指標となるはずである。

次に、ベースライン画像が再構成される（４６）。一実施形態において、ベースライン画像はスキャンの開始点から終了までのデータを用いて再構成される。このベースライン画像は高コントラストデータカウントを含むが、開始点が遅く設定される場合、カウントのボリュームは低くなり、低い信号対ノイズ比につながる。ベースライン画像は性能指数を決定するために評価される（４８）。一実施形態において、性能指数はコントラスト対ノイズ比である。単位時間当たりの生のイベント数など、他の性能指数が勿論考慮される。

ベースライン画像に対して特定の性能指数を考えると、開始点が調節され（５０）、例えば特定の性能指数を改良する目的でカウント数を増加するために早い時間へ動かされる。窓の増加した領域におけるＬＯＲは、ベースライン画像を再構成するために使用されたＬＯＲに加えられ、更新画像が再構成される（５２）。一旦更新画像が再構成されると、性能指数は新たな更新画像に対して再計算される（５４）。図３の決定ブロック５６として示されるように、性能指数が向上するか、又は検査のいくつかの選択された統計的範囲内で安定なままである場合、開始イベントはさらに調節され得（例えばわずかな期間後方へ動かす、二分探索又は選択された最適化アルゴリズムを用いる）、該プロセスが繰り返される。最良の性能指数を実現する画像は、さらなる解析５８、表示、解釈のために使用され、又は将来の使用のために保持される。取り込み時間が重要な診断価値を持ち得るときは、開始時間と終了時間もまたユーザに表示される。

同じ方法で、窓の終了点が随意的に調節され得る。スキャンの終りにおけるデータは、発生するカウント数が少なくなるにつれて重要でなくなり得る。窓の終了点は時間的に後退させられ、更新画像が再構成される（５２）。新たな性能指数は、向上しなくなるまで再度再計算される（５４）。終了点の最適化は、開始点の最適化の前又は後のいずれかで起こることができる。上記の窓選択プロセス中に、窓３３は、ユーザがそれを解析、定量化、又は診断に役立つために使用することができるように、ユーザに表示されることができる。最適化された窓３３はまた、取り込み時間と効率が生体プロセスと機能を示すことができるように、コンピュータ支援診断におけるパラメータとして、システムによって使用されることもできる。

一実施形態において、上記プロセスは自動化され、アナライザ２９によって実行される。様々なレベルのユーザ入力が、決定を補助するために受け取られることができることが考慮される。例えば、開始及び／又は終了時間はユーザ入力６０を用いてユーザによって設定されることができる。例えば、ユーザは図２に類似したディスプレイにおいて開始及び終了時間表示をドラッグすることができる。ユーザは、性能指数が特定画像においてその前のものに対して向上したかどうかを決定するよう指示され得る。アナライザ２９は、どの画像が最良であるかを決定すると、その画像と、いくつかの前後の画像をユーザへレビューのために提示し得る。この実施形態において、該プロセスはまだ大部分が自動化されているが、補足するユーザ解析を伴う。望ましいユーザ入力とフィードバックのレベルは選択可能であり、自由自在にオン又はオフを切り替えられることができる。

代替的な一実施形態において、データは非リストモード形式でコンパイルされることができる。この実施形態は、イベントが既にビン化された後でそれらを時間によってソートするという追加の問題を提示し、余分な処理能力と時間を必要とする。

いくつかの放射性医薬品は異なる速度で体内の異なる組織タイプによって吸収される。従って、体の異なる部分に対する最適画像は異なる基準点を持ち得る。従って、複数の最適化画像が表示され得る。別の代替例として、取り込みと洗い出しを経時的に示す一連のシネ画像が表示されることができる。シネ画像の各々に対応する時間窓は同じように最適化されることができる。

本発明は好適な実施形態を参照して記載されている。前述の詳細な説明を読んで理解することで修正と変更が想到され得る。本発明は、こうした修正と変更を、これらが添付の請求項又はその均等物の範囲内にある限り全て含むと解釈されることを目的とする。

Claims (17)

1. 陽電子放出断層撮影スキャナであって、
   イメージング領域からイベントを受信するための検出器アレイと、
   前記受信されたイベントの各々にタイムスタンプを割り当てるためのトリガプロセッサと、
   再構成されるイベントを規定する時間窓を選択する及び調節する時間窓セレクタと、
   前記選択された時間窓におけるイベントを画像表現へ再構成する再構成プロセッサと、
   画質を示すパラメータを決定するために、前記再構成された画像表現を解析し、前記決定されたパラメータに従って前記選択された時間窓を調節するように前記時間窓セレクタを制御する、アナライザと、
   を有し、
   前記再構成プロセッサは前記調節された時間窓におけるイベントを後続画像表現へ再構成する、
   陽電子放出断層撮影スキャナ。
2. 前記決定されたパラメータが、前記画像表現の選択されたパラメータに基づく性能指数である、請求項１に記載の陽電子放出断層撮影スキャナ。
3. 前記イベントを、前記イベントの受信時間によってソート可能なリストモード形式で記憶するイベント記憶バッファをさらに有する、請求項１又は２に記載の陽電子放出断層撮影スキャナ。
4. 少なくとも前記時間窓をユーザへ表示するためのディスプレイをさらに有する、請求項３に記載の陽電子放出断層撮影スキャナ。
5. 陽電子放出断層撮影イメージングの方法であって、
   受信された核崩壊イベントを示すデータ点のセットを収集するステップと、
   前記受信されたイベントに個別にタイムスタンプするステップと、
   時間窓セレクタが、再構成されるイベントを規定する時間窓を選択するステップと、
   前記選択された時間窓におけるイベントから画像表現を再構成するステップと、
   アナライザが、画像表現の品質を示すパラメータの値を決定するために前記画像表現を解析するステップと、
   前記決定されたパラメータの値に従って前記選択された時間窓を調節するように前記アナライザが前記時間窓セレクタを制御するステップと、
   前記調節された時間窓におけるイベントを後続画像表現へ再構成するステップと、
   を有する方法。
6. イベント記憶バッファが前記イベントをリストモード形式で記憶するステップをさらに有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記パラメータを決定するステップが、前記画像表現に対する性能指数を決定するステップを有する、請求項５又は６に記載の方法。
8. 後続画像表現に対する性能指数を、先行画像表現に対する性能指数と比較し、前記後続画像表現に対する性能指数が前記先行画像表現に対する性能指数よりも大きいか又は等しい場合、次の画像表現を再構成するために使用される前記収集されたデータ点の部分をさらに調節することを繰り返すステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記性能指数が前記画像表現のコントラスト対ノイズ比である、請求項７に記載の方法。
10. 前記データ点を検出時間によってソートするステップをさらに含み、前記データ点の部分は調節可能な時間窓の中にある、請求項５乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 第二の画像表現の品質を示すパラメータの値を決定するために前記後続画像表現を解析するステップと、
    前記後続画像が前記先行画像よりもよいことを示す、前記後続画像表現パラメータ及び前記先行画像表現パラメータの値に応じて、前記時間窓を調節し、別の画像表現を生成するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記時間窓が開始点と終了点を持ち、
    前記後続画像が前記先行画像表現よりもよいことに応じて、前記スキャンの始めに向かって前記開始点を動かすステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記パラメータの値を持つ画像表現が、最適化されたものの１つであるか、又は選択された閾値を超えるまで、調節、再構成、及び解析のステップを反復的に繰り返すステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記窓をユーザへ表示するステップをさらに含む、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 生体プロセスの診断、定量化、及び測定のうちの１つに役立つために前記窓を解析するステップをさらに含む、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 請求項５乃至１５のいずれか一項の方法を実行するために核医学イメージングシステムを制御するようにプログラムされたプロセッサを含む、核医学イメージングシステム。
17. 請求項５乃至１５のいずれか一項の方法を実行するようにプロセッサを制御するソフトウェアを有する、コンピュータ可読媒体。

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