JP6073593B2 - 核医学診断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、核医学診断装置に関する。

核医学診断装置は、単光子放出断層撮影（Single Photon Emission Computed Tomography：以下ＳＰＥＣＴと呼ぶ）を実行する際に、被検体に投与された放射性医薬品に含まれるシングルフォトン放出核種（ＲＩ）から放出されるガンマ線を検出器により検出し、回転角度毎の投影データを得る。また、核医学診断装置は、これら投影データに対して再構成処理（以下、ＳＰＥＣＴ再構成ともいう）を施すことにより、被検体の断層面内におけるＲＩの濃度分布に対応したＳＰＥＣＴ画像を生成する。

この種の核医学診断装置では、ガンマ線の入射方向を制限するために検出器前面にコリメータが装着されている。コリメータは、例えば六角形の複数の孔が配列されたハニカム構造のように、鉛板に複数の小さな孔を持つ構造を有している。従って、孔の径、コリメータの厚さなどのコリメータ開口の構造に応じてガンマ線入射の制限方向に幅が生じ、ＳＰＥＣＴ画像の位置分解能が劣化してしまう。

これに対し、逐次近似的手法を用いたＳＰＥＣＴ再構成では、コリメータ開口の構造を再構成モデルに組み込むことでＳＰＥＣＴ画像の位置分解能の劣化を改善している。なお、逐次近似的手法には、例えば、最尤推定期待値最大化（maximum likelihood expectation maximization：ＭＬ−ＥＭ）法や、ＭＬ−ＥＭ法を高速化したＯＳ−ＥＭ（ordered subsets expectation maximization：ＭＬ−ＥＭの高速化）法などがある。

Yokoi T, Shinohara H, Onishi H. Performance evaluation of OSEM reconstruction algorithm incorporating three-dimensional distance-dependent resolution compensation for brain SPECT: a simulation study. Ann Nucl Med. 2002;16:11-8.

以上のような逐次近似的手法を用いたＳＰＥＣＴ再構成は、通常は特に問題ないが、本発明者の検討によれば、撮影視野の端では画像情報が不足しているためか、コリメータ開口の補正が適正に行われず、撮影視野の端に筋状のアーチファクトを生じる場合がある。

この種の筋状のアーチファクトは、撮影視野の端を越えてＳＰＥＣＴの信号源（放射性医薬品の集積）が存在する場合に特に顕著に現れる。具体的には、撮影対象のサイズが大きい場合、撮影対象が体躯部の場合などである。

本発明が解決しようとする課題は、コリメータ開口補正を組み込んだ逐次近似的手法を用いたＳＰＥＣＴ再構成の際に、撮影視野の端のアーチファクトを低減し得る核医学診断装置を提供することにある。

実施形態の核医学診断装置は、検出手段、収集手段、拡張手段、再構成手段及び表示手段を備えている。

前記検出手段は、被検体内から放出されたガンマ線をコリメートするコリメータを有し、前記コリメータを通過したガンマ線を検出する。

前記収集手段は、検出手段の出力に基づいて投影データを収集する。

前記拡張手段は、コリメータの最大位置分解能の劣化距離に基づき、前記投影データの端部の画素値を前記最大位置分解能の劣化距離だけ拡張した位置でゼロ値にするように前記投影データに外挿処理を施すことにより、前記収集された投影データの範囲を拡張する。

前記再構成手段は、前記拡張された投影データに再構成処理を施して画像データを生成する。

前記表示手段は、前記画像データを表示する。

一実施形態に係るＳＰＥＣＴ装置の構成を示す模式図である。 同実施形態における位置分解能を説明するための模式図である。 同実施形態における最大位置分解能の劣化距離を説明するための模式図である。 同実施形態における投影データ（拡張前）を示す模式図である。 同実施形態における投影データ（拡張後）を示す模式図である。 同実施形態における撮影視野の拡張を示す模式図である。 同実施形態における外挿処理を説明するための模式図である。 同実施形態における動作を説明するためのフローチャートである。

以下、一実施形態に係る核医学診断装置について図面を用いて説明する。なお、本実施形態に係る核医学診断装置は、逐次近似的手法を用いたＳＰＥＣＴ再構成を行うＳＰＥＣＴ装置に適用されている。

図１は一実施形態に係るＳＰＥＣＴ装置１の構成を示す模式図である。ＳＰＥＣＴ装置１は、互いにケーブル等で接続されるガントリ１０とコンピュータ装置２０とを備える。

ガントリ１０は、円環又は円板状の回転フレーム１２を回転軸ＲＡ周りに回転可能に支持する。回転フレーム１２は、撮影視野ＦＯＶ内の回転軸ＲＡを取り囲むように、前面にコリメータ１３が配置された複数の検出器１４を搭載している。すなわち回転フレーム１２は、コリメータ１３を有する複数の検出器１４を回転軸ＲＡ回りに回転可能に支持する支持機構である。なお撮影視野ＦＯＶには、天板１６に載置された被検体Ｐが含まれている。撮影視野ＦＯＶは撮影領域ＦＯＶと呼んでもよい。回転フレーム１２は、回転駆動部１８からの駆動信号の供給を受けて複数の検出器１４を断続的に回転する。回転フレーム１２は、回転駆動部１８からの駆動信号の供給を受けて所定のタイミング及び所定の回転角度で検出器１４を回転する。具体的には、回転フレーム１２は、収集条件の１つである収集時間だけ停止し、収集時間が過ぎると回転軸ＲＡ周りに所定角度だけ回転し、再び収集時間だけ停止する。所定角度は、収集条件の１つであるビュー数に応じて決定される。なお、ビューとは１の収集時間において収集される投影データの集合である。すなわちビュー数とは、収集回数である。このようにして回転フレーム１２は、停止と回転とを繰り返しながら検出器１４を回転軸ＲＡ周りに１周させる。

コリメータ１３は、ガンマ線遮蔽材からなる複数の隔壁により、検出器１４に対するガンマ線の入射方向を制限する。すなわち、コリメータ１３は被検体Ｐ内から放出されたガンマ線をコリメートする。ここで、隔壁により区分けされた複数の開口は、互いに平行に形成され、ガンマ線の入射面に対して略垂直に形成されている。コリメータ１３はパラレルホールコリメータと呼んでもよい。

この種のコリメータ１３は、図２に示すように、開口としての孔の直径ｄ、孔の長さａ、隔壁の厚さｔ、シンチレータ１５の有効発光面までの距離ｃ、孔の形状による定数Ｋ、点線源（シングルフォトン核種ＲＩ）からコリメータ１３表面までの距離ｂ、コリメータ材質（例、鉛）のガンマ線の減弱係数μに基づき、位置分解能（半値幅）Ｒｇ及び感度ｇが次の（１）式及び（２）式により示される。

Ｒｇ＝ｄ(ａ_e＋ｂ＋ｃ)／ａ_e …（１）
ｇ＝(Ｋｄ²)²／{ａ_e (ｄ＋ｔ)}² …（２）
但し、ａ_e ＝ａ−２μ^-1
位置分解能Ｒｇは、（１）式から分かるように、点線源（ＲＩ）との距離ｂが長いほど劣化する。位置分解能Ｒｇが最大に劣化したときの距離（最大位置分解能の劣化距離）Ｒｇ_maxは、図３に示すように、点線源からコリメータ１３までの距離ｂが最大になった場合（ｂ＝ｂ１＋ｂ２の場合）に対応する。具体的には、最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxは、回転軸ＲＡからコリメータまでの距離ｂ１及び撮影視野ＦＯＶのサイズｂ２に基づき、次の（３）式に示すように、前述した（１）式中の値ｂにｂ１＋ｂ２を代入して得られる。

Ｒｇ_max＝ｄ(ａ_e＋ｂ１＋ｂ２＋ｃ)／ａ_e …（３）
なお、距離ｂ１は、検出器１４の回転半径と呼んでもよい。サイズｂ２は、ＳＰＥＣＴ有効視野サイズ（半径）と呼んでもよい。

図３に示した状況では、課題に述べたように、撮影視野ＦＯＶの端を越えて点線源（ＲＩ）が存在し、筋状のアーチファクトがＳＰＥＣＴ画像に生じる場合がある。本実施形態では、後述する投影データの拡張により、筋状のアーチファクトの低減を図っている。

検出器１４は、例えばＮａＩシンチレータ１５に光電子増倍管やフォトダイオードが取り付けられてなる検出素子が２次元状に配列された検出器、またはＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）といった化合物半導体片にバイアス電極と信号電極とが取り付けられてなる検出素子が２次元状に配列された検出器である。各検出素子は、収集制御部２８からの制御信号に応じて、被検体Ｐに投与されたシングルフォトン放出核種（ＲＩ）から放出されてコリメータ１３を通過したシングルフォトンのガンマ線を検出し、ガンマ線のフォトン数に応じたアナログの電気信号を生成する。このようにして検出器１４は、被検体の周囲を回転しながら放射線を繰り返し検出し、電気信号を繰り返し生成する。生成された電気信号は、コンピュータ装置２０に収容される位置信号生成部２２とエネルギー信号生成部２４とに供給される。

なお、本実施形態において検出器１４の数は、１以上であれば幾つでも構わないが、以下の説明を具体的に行なうため、検出器１４は２つであるとする。

また、ＳＰＥＣＴ装置１には、上述のように、回転軸ＲＡ周りに回動可能に設けられた数個の検出器を回転させることによりデータを収集する回転タイプの他に、回転軸周りに固定的に設けられた多数の検出器によりデータを収集する固定タイプがある。本実施形態におけるＳＰＥＣＴ装置は、回転タイプとして説明するが固定タイプであってもよい。

コンピュータ装置２０は、位置信号生成部２２、エネルギー信号生成部２４、データ収集部２６、収集制御部２８、前処理部３０、再構成処理部３２、及び画像処理装置４０を備える。

位置信号生成部２２は、各検出器１４からの電気信号をデジタル変換する。そして位置信号生成部２２は、デジタル変換された電気信号に基づいてガンマ線の入射位置を計算し、計算された入射位置を表す位置信号を生成する。

エネルギー信号生成部２４は、各検出器１４からの電気信号をデジタル変換する。そしてエネルギー信号生成部２４は、デジタル変換された電気信号に基づいてガンマ線のエネルギーを表すエネルギー信号を生成する。エネルギー信号は、１つの収集時間において検出器１４により検出された電気信号のカウント数に依存する。

データ収集部２６は、データを蓄積しておくための収集メモリを有する。データ収集部２６は、位置信号生成部２２からの位置信号に対応する収集メモリ上のアドレスを特定し、特定されたアドレスにエネルギー信号生成部２４からのエネルギー信号を蓄積する。このように位置信号に関連付けられたエネルギー信号は、投影データと呼ばれている。データ収集部２６は、収集制御部２８からの制御信号に応じて、再構成処理に必要なビュー分の投影データ、例えば、３６０度分の投影データを収集する。

ここで、位置信号生成部２２、エネルギー信号生成部２４及びデータ収集部２６は、検出器１４の出力に基づいて投影データを収集する収集手段を構成している。

収集制御部２８は、収集条件に応じて回転駆動部１８や検出器１４、データ収集部２６に制御信号を供給し、被検体内のＲＩから放出されたガンマ線をＳＰＥＣＴ収集する。収集条件とは、例えば、ビュー数や、ビュー毎の収集時間、収集拡大率等である。そして収集制御部２８は、再構成処理に必要なビュー分の投影データ、例えば、３６０度分の投影データをデータ収集部２６に収集させる。

前処理部３０は、ＳＰＥＣＴ装置において一般的に行なわれている前処理と、本実施形態に係る前処理とを、収集された投影データに施す。ここで、一般的に行なわれている前処理としては、回転中心補正や散乱腺補正、均一性補正などがある。本実施形態に係る前処理としては、収集された投影データの範囲を拡張するための外挿処理がある。

すなわち、本実施形態に係る前処理部３０においては、図４に示す如き、収集された投影データに対し、図５に示すように、コリメータ１３の最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxに基づき、投影データの端部の画素値を最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxだけ拡張した位置でゼロ値にするように投影データに外挿処理を施すことにより、収集された投影データの範囲を拡張する。このとき、撮影視野ＦＯＶは、図６に示すように、外挿の方向に沿って拡張される。撮影視野ＦＯＶの端は、投影データの端に対応する。

ここで、外挿処理は、図７に示すように、投影データの端部の画素値と、当該端部の位置を拡張した位置でゼロ値を示す画素値との間を、直線、曲線（例、放物線、正弦波）又は折れ線（例、階段状の線）で結ぶように実行される。最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxは、前述した通り、検出器１４の回転半径ｂ１、ＳＰＥＣＴ有効視野サイズ（撮影視野ＦＯＶの半径）ｂ２、コリメータ１３の材質のガンマ線の減弱係数μ及び孔の高さａに基づき、上記（３）式から決定される。

なお、投影データの端部の画素値は、一つの画素だけだとノイズなどによる影響を受けるので、当該投影データの端部近傍の複数の画素値に基づく平均値算出処理又は低周波通過フィルタ処理により取得してもよい。

再構成処理部３２は、前処理部３０から投影データを読み出し、読み出された投影データに再構成処理を施して、ＳＰＥＣＴ画像のデータを生成する。再構成処理としては、前述同様に、コリメータ開口の構造を再構成モデルに組み込んだ逐次近似的手法を用いている。逐次近似的手法としては、前述したＭＬ−ＥＭ法やＯＳ−ＥＭ法などが適宜、使用可能となっている。

ＳＰＥＣＴ画像のデータは、被検体Ｐの体軸に直交する複数の断面に関して、ＲＩの濃度分布を表している。生成されたＳＰＥＣＴ画像は、収集条件の１つである収集拡大率に応じて拡大されている。生成されたＳＰＥＣＴ画像のデータは、画像処理装置４０に搭載される記憶部４２に供給される。

画像処理装置４０は、記憶部４２、表示部５２、入力部５４、及びシステム制御部５６を備える。

記憶部４２は、ハードディスクや半導体メモリ等からなる記憶装置を含む。記憶部４２は、再構成処理部３２からの複数のＳＰＥＣＴ画像のデータを記憶する。また、記憶部４２は、ＳＰＥＣＴ収集を行なうための制御プログラムや画像処理を行なうための画像処理プログラムを記憶する。

表示部５２は、例えばＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等の表示デバイスを備える。表示部５２は、再構成処理部３２により生成されたＳＰＥＣＴ画像を表示する。

入力部５４は、キーボードやマウス、各種ボタン、タッチキーパネル等の入力デバイスを備える。入力部５４は、ユーザによる入力デバイスの操作により収集条件や収集開始指示、画像処理の開始、ＲＯＩ位置、を入力したりする。

システム制御部５６は、核医学診断装置１の中枢として機能する。具体的には、システム制御部５６は、記憶部４２に記憶されている制御プログラムを読みだしてメモリ上に展開し、核医学診断装置１の各部を制御することによってＳＰＥＣＴ収集を実行する。

次に、以上のように構成されたＳＰＥＣＴ装置の動作について図８のフローチャートを用いて説明する。

被検体Ｐに投与されたシングルフォトン放出核種（ＲＩ）から放出されたガンマ線は、コリメータ１３によりコリメートされる。検出器１４は、コリメータ１３によりコリメートされたガンマ線を検出する（ＳＴ１）。

位置信号生成部２２は、各検出器１４からの電気信号に基づいて、ガンマ線の入射位置を計算し、計算された入射位置を表す位置信号を生成する。

エネルギー信号生成部２４は、各検出器１４からの電気信号に基づいて、ガンマ線のエネルギーを表すエネルギー信号を生成する。

データ収集部２６は、位置信号に対応する収集メモリ上のアドレスを特定し、特定されたアドレスにエネルギー信号を蓄積することにより、投影データを収集する（ＳＴ２）。

前処理部３０は、収集された投影データに前処理を施す。

前処理の際に、前処理部３０は、コリメータ１３の最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxに基づき、投影データの端部の画素値を最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxだけ拡張した位置でゼロ値にするように投影データに外挿処理を施すことにより、収集された投影データの範囲を拡張する（ＳＴ３）。

このとき、前処理部３０は、投影データの端部の画素値を、当該投影データの端部近傍の複数の画素値に基づく平均値算出処理又は低周波通過フィルタ処理により取得してもよい。また、外挿処理は、投影データの端部の画素値と、当該端部の位置から前記最大位置分解能の劣化距離だけ拡張した位置でゼロ値を示す画素値との間を、直線、曲線又は折れ線で結ぶように実行してもよい。

いずれにしても、再構成処理部３２は、拡張された投影データに再構成処理を施してＳＰＥＣＴ画像のデータを生成する（ＳＴ４）。

表示部５２は、ＳＰＥＣＴ画像のデータを表示する（ＳＴ５）。

上述したように本実施形態によれば、検出器１４の出力に基づいて投影データを収集し、コリメータ１３の最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxに基づき、投影データの端部の画素値を当該最大位置分解能の劣化距離Ｒｇ_maxだけ拡張した位置でゼロ値にするように投影データに外挿処理を施すことにより、当該収集された投影データの範囲を拡張し、当該拡張された投影データに再構成処理を施して画像データを生成する構成により、コリメータ開口補正を組み込んだ逐次近似的手法を用いたＳＰＥＣＴ再構成の際に、撮影視野の端のアーチファクトを低減させることができる。

補足すると、本実施形態では、外挿により拡張された投影データにＳＰＥＣＴ再構成処理を施すことから、撮影視野ＦＯＶの端を越えて点線源（ＲＩ）が存在する場合を低減でき、もって、視野端のアーチファクトを低減させることができる。

また、本実施形態では、投影データの端部の画素値を、当該投影データの端部近傍の複数の画素値に基づく平均値算出処理又は低周波通過フィルタ処理により取得する場合、ノイズによる影響を抑制することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ＳＰＥＣＴ装置（核医学診断装置）、１０…ガントリ、１２…回転フレーム、１３…コリメータ、１４…検出器、１５…シンチレータ、１６…天板、１８…回転駆動部、２０…コンピュータ装置、２２…位置信号生成部、２４…エネルギー信号生成部、２６…データ収集部、２８…収集制御部、３０…前処理部、３２…再構成処理部、４０…画像処理装置、４２…記憶部、５２…表示部、５４…入力部、５６…システム制御部、ＦＯＶ…撮影視野、Ｐ…被検体、ＲＡ…回転軸、Ｒｇ…位置分解能、Ｒｇ_max…最大位置分解能の劣化距離。

Claims (3)

1. 被検体内から放出されたガンマ線をコリメートするコリメータを有し、前記コリメータを通過したガンマ線を検出する検出手段と、
   前記検出手段の出力に基づいて投影データを収集する収集手段と、
   前記コリメータの位置分解能が最大に劣化するときの距離に基づき、前記投影データの端部の画素値を前記距離だけ拡張した位置でゼロ値にするように前記投影データに外挿処理を施すことにより、前記収集された投影データの範囲を拡張する拡張手段と、
   前記拡張された投影データに再構成処理を施して画像データを生成する再構成手段と、
   前記画像データを表示する表示手段と
   を具備することを特徴とする核医学診断装置。
2. 請求項１に記載の核医学診断装置において、
   前記拡張手段は、前記投影データの端部の画素値を、当該投影データの端部近傍の複数の画素値に基づく平均値算出処理又は低周波通過フィルタ処理により取得することを特徴とする核医学診断装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の核医学診断装置において、
   前記外挿処理は、前記投影データの端部の画素値と、当該端部の位置から前記距離だけ拡張した位置でゼロ値を示す画素値との間を、直線、曲線又は折れ線で結ぶように実行されることを特徴とする核医学診断装置。

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