JP6298451B2 - 画像処理システム及び画像処理方法 - Google Patents

画像処理システム及び画像処理方法

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Description

本願は単光子放出型コンピュータ断層撮影法(single photon emission computed tomography：SPECT)/ポジトロン放出型断層撮影法(positron emission tomography：PET)による画像処理システム等に関連する。
SPECT画像処理システムはガンマ線検出部及びコリメータ部を含み、コリメータ部は検査領域とガンマ線検出部との間に設けられる。コリメータは複数の放射減衰隔壁を有し、所定の角度範囲内で入射するガンマ放射線のみがガンマ線検出部に届くようにする。ガンマ線検出部は、シンチレータ及び光電子倍増管(photomultiplier tube：PMT)のアレイを含み、(例えば、40ないし140keVの範囲内である)診断エネルギ範囲内のエネルギを有するガンマ線を検出するように形成される。
検査領域の周りでガンマ線検出部を回転させることにより、検査領域に対して様々な角度からの画像(群)が取得される。画像(群)は、オブジェクト又は対象の中にあるガンマ線を放出するラジオアイソトープの分布を表現する3次元データを生成するように再構築される。オブジェクト又は対象は、対象者、対象物、被験者、患者、物体等と言及されてもよい。データの空間解像度は、検査領域におけるオブジェクト又は対象と検出部との間の距離の関数として変化し、一般的には、オブジェクト又は対象と検出部との間の距離が短くなるほど解像度は増える。従って、一般に、検出部は検査されるオブジェクト又は対象の近くに配置される。
PETスキャナは、検査領域の周りに設けられた環状のガンマ線検出部(ガンマ線検出リング)を含み、検査領域で生じる電子陽電子崩壊を示す511keVのガンマ線を検出するように形成される。検出部はシンチレータクリスタル及び対応するPMTのアレイを含む。シンチレータクリスタル(scintillator crystal)は、511keVのガンマ線を受信したことに応じてバースト状に光子を生成し(光子は、典型的には可視光の範囲内又はその近辺にある)、バーストの各々は、典型的には、ナノ秒(ns)の数十倍のオーダーの期間の間に、数百ないし数千個のオーダーの発散する光子を含む。
ほとんどの崩壊又は消滅は、ほぼ180度互いに異なる方向に放出される511keVのガンマ線をもたらす。従って、最近のPETスキャナは、レスポンスの線上に(line of response；LOR)ソースを設けている。PMTは光子を対応する電気信号に変換し、同時イベント識別部(coincidence event identifier)は、時間的に同時に(又は近似的に同時に)検出された光子を特定又は指定することにより、同時ガンマ線ペア(coincident gamma pair)を識別する。識別されたペアは、崩壊の空間分布を表すデータを生成するために使用される。数ナノ秒の時間枠の範囲内に届かない光子対は無視される。
SPECTスキャナは、タリウム添加ヨウ化ナトリウム(NaI(TI))を含むシンチレータを有する。この場合における「添加」は「添加されている」又は「ドープされている」等の意味を含む。そのような材料は、一般に、放出された40-140keVのSPECTガンマ線を検出するために適切な光出力、抑制能力(stopping power)(密度)、崩壊時間(デッドタイム(dead time))を有する。更に、SPECTスキャナは、コリメータを使用して、検出されるガンマ線の原点付近の空間情報を取得する。これに対して、PETスキャナは、ルテチウムイットリウムオルソシリケート(LYSO)を含むシンチレータを有し、これは上記のNaI(TI)と比較して低い光出力効率を示すが、高い密度を有し、従って、より高い511keVのエネルギのPETガンマ線に対する優れた高い抑止能力を有し、かつPET同時イベントを測定するための短い崩壊時間を有する。PETスキャナは同時検出を行って(各々の崩壊又は消滅による511keVガンマ線ペアを検出することにより)、ガンマ線を生成する対消滅イベントの原因に関する空間情報を取得する。
米国特許第6271524号明細書
一側面の実施形態による課題は、SPECT及びPETによる画像処理システムを利用することが可能なシステム及び方法等を提供することである。
一実施形態による画像処理システムは、
検査領域におけるラジオアイソトープから放出された４０ないし１４０ｋｅＶの範囲内のエネルギを有するガンマ線及び５１１ｋｅＶのエネルギを有するガンマ線を検出する一群の検出器モジュールであって、前記５１１ｋｅＶのガンマ線は、同時ペアの５１１ｋｅＶのガンマ線ではない個別的な５１１ｋｅＶのガンマ線が検出されるシングルモードで検出される、一群の検出器モジュールと、
検出されたガンマ線を、５１１ｋｅＶのエネルギのガンマ線に対応する第１のエネルギ範囲及び４０ないし１４０ｋｅＶのエネルギのガンマ線に対応する第２のエネルギ範囲に分類するエネルギ判別部と、
前記５１１ｋｅＶのエネルギのガンマ線を再構築することにより第１の放射性核種の分布の第１画像を生成し、４０及び１４０ｋｅＶの範囲内のエネルギのガンマ線を再構築することにより第２の放射性核種の分布の第２画像を生成する再構築部と
を有する画像処理システムである。
40ないし511keVの範囲内のエネルギを有するガンマ線を検出する検出器アレイを有するSPECT/PET画像処理システムを概略的に示す図。 図1のシステムにおける検出器モジュールの一例を概略的に示す図。 図2の検出器モジュールの結晶配列の一例を概略的に示す図。 図1のシステムにおける検出器モジュールの別の例を概略的に示す図。 図1のシステムにおける検出器モジュールの別の例を概略的に示す図。 少なくとも1つの検出器モジュールが並進及び/又は回転する図1のSPECT/PET画像処理システムの変形例を示す図。 本願で説明されるシステムにおける方法例を示す図。 本願で説明されるシステムにおける別の方法例を示す図。
＜実施の形態の概要＞
本願により開示される実施形態は従来技術に関する課題及びその他の事項に対処する。
一実施形態によるシステムは、
検査領域におけるラジオアイソトープから放出された４０ないし１４０ｋｅＶの範囲内のエネルギを有するガンマ線及び５１１ｋｅＶのエネルギを有するガンマ線を検出する一群の検出器モジュールであって、前記５１１ｋｅＶのガンマ線は、同時ペアの５１１ｋｅＶのガンマ線ではない個別的な５１１ｋｅＶのガンマ線が検出されるシングルモードで検出される、一群の検出器モジュールと、
検出されたガンマ線を、５１１ｋｅＶのエネルギのガンマ線に対応する第１のエネルギ範囲及び４０ないし１４０ｋｅＶのエネルギのガンマ線に対応する第２のエネルギ範囲に分類するエネルギ判別部と、
前記５１１ｋｅＶのエネルギのガンマ線を再構築することにより第１の放射性核種の分布の第１画像を生成し、４０及び１４０ｋｅＶの範囲内のエネルギのガンマ線を再構築することにより第２の放射性核種の分布の第２画像を生成する再構築部と
を有する画像処理システムである。
一実施形態による方法は、
ＳＰＥＣＴモード又はＰＥＴシングルモードで画像処理システムを交互に動作させるステップと、
検査領域周囲のリングに取り付けられた画素化された検出器モジュールにより、動作モードに依存してＳＰＥＣＴデータ又はＰＥＴデータを取得するステップであって、前記検出器モジュールの各々はガンマ線の検出ゾーンを決定するコリメータを有する、ステップと、
取得したデータを再構築することにより、ＳＰＥＣ画像データ又はＰＥＴ画像データを生成するステップと
を有する方法である。
一実施形態によるシステムは、
ＳＰＥＣＴモードの場合には４０ないし１４０ｋｅＶの範囲内のエネルギを有するガンマ線を検出し、ＰＥＴモードの場合には５１１ｋｅＶに近似的に等しいエネルギを有する個別的なガンマ線のみを検出する画素化された検出器モジュールと、
検出されたガンマ線を再構築し、動作モードに応じてＳＰＥＣＴ画像又はＰＥＴ画像を生成する再構築部と
を有するＳＰＥＣＴ／ＰＥＴ画像処理システムである。
＜実施の形態の詳細な説明＞
本発明は様々な構成要素、構成要素の配置、様々なステップ、一連のステップのような様々な形態をとることが可能である。図面は好ましい実施形態を例示する目的で示されているに過ぎず、本発明を限定するように解釈してはならない。
図1はSPECT/PET画像処理システム100を概略的に示す。システム100は、基礎部104に取り付けられた閉じた環状のリング102を含み、リング102は検査領域106を規定する開口(全身スキャンが可能である程度に大きな口)を有する。複数の検出器モジュール1081、．．．、108I、．．．、108N(まとめて「108」と言及される場合がある)はリング102に取り付けられている。図示の実施形態は3つのモジュール108(N=3)を含み、リングに沿って互いに約120度ずれた角度オフセットを有する。別の実施形態では、より多い又はより少ないモジュール108がリングに均等又は不均等な間隔で取り付けられてもよい。ただ1つのリングしか示されていないが、システム100はz軸方向に沿ってそのようなリングを1つ以上含んでよいことが理解されるべきである。検出器モジュール108の各々は、画素化されたシリコン光子倍増管(silicon photomultiplier：SiPM)のようなフォトセンサアレイ112に光学的に結合されたシンチレータクリスタル(又はシンチレータ結晶)110の2次元配列を含む。「画素」は「ピクセル」等と言及されてもよい。「画素化された」は「画素で形成された」等と言及されてもよい。図示の実施形態では、シンチレータクリスタル110はタリウム添加ヨウ化セシウム(CsI(TI))を含む。CsI(TI)はNaI(TI)と比較して高い光出力効率を有するが、かなり遅い崩壊時間を有する。しかしながら、画素化されたSiPMは遅い崩壊時間を許容し、その理由は、光子を受ける個々の画素は、結果のデッドタイム(dead time)に委ねられ、PMT方式の場合と同程度に大きな領域のシンチレータではないからである。CsI(TI)はガンマ線を適切に抑制する能力(密度)も有する。モジュール108は40keVないし511keVの範囲内の放射を少なくとも検出し、従って、SPECT画像処理(例えば、40keVないし140keVの範囲内の放射を利用する)及びPET画像処理(例えば、約511keVの放射を利用する)の双方の放射を検出する。
モジュール108の各々にはコリメータ114が取り付けられている。図2は扇形状の開口202又は検出ゾーンを有するコリメータ114の一例を示し、扇状の開口202はピンホール204及び検出器モジュール108に伸びる(図2におけるピンホール等のサイズは説明の便宜上示されているに過ぎない)。この形態の場合、206で示されている経路範囲内を進む光子は、検査領域108からピンホール204を通ってシンチレータ結晶110を照射し、206の範囲外の経路208を進行する光子はコリメータ114により減衰させられる。図3は、一群の正方形結晶110の例を示す。他の実施形態では、結晶110は、6角形、長方形(四角形)、8角形、及び/又はその他の形状であってもよい。結晶110を照射する光子の原点の位置は、シンチレータ結晶110の2次元配列に属する何れの結晶(3021,1，．．．，3021,n，．．．，302m,1，．．．，302m,n)が照射されるかに基づいて決定できる。
図4はコリメータ114の別の例を示す。この例の場合、コリメータ114は複数の矩形の隔壁302を含み、複数の矩形の隔壁302は複数の矩形の開口304又は検出ゾーンを規定するように配置される(これらのサイズは説明の便宜上のものにすぎない)。この形態の場合、306で示されている経路範囲内を進む光子は、検査領域108から開口304を通ってシンチレータ結晶110を照射し、308で示される経路を進行して隔壁302に衝突する光子は、コリメータ114により減衰させられる。同様に、結晶110を照射する光子の原点の位置は、シンチレータ結晶110の2次元配列に属する何れの結晶(3021,1，．．．，3021,n，．．．，302m,1，．．．，302m,n)が照射されるかに基づいて決定できる。
図5は第1及び第2の隔壁を含むハイブリッドコリメータ114の例を示し、第1の隔壁402は、SPECT画像処理に関して高い解像度をもたらし、第2の高密度の隔壁404と織り交ぜられ、第2の隔壁404はPET画像処理に関して十分な抑止能力をもたらす。一般に、隔壁402は隔壁404と比較して相対的に薄い。この形態の場合、モジュール108の各々はSPECT及びPET画像処理の双方に関して形成される。円錐形状の検出ゾーン及び/又は他の検出ゾーン等のような他の形状の検出ゾーンを有するコリメータ114も本願で考慮されている。
変形例において、モジュール108の一部分である第1群のモジュールがSPECT画像処理だけのために形成され、モジュール108の一部分である第2群のモジュールがPET画像処理だけのために形成されてもよい。この形態の場合、モジュール108は環状のリング102に取り付けられることが可能であり、第1群のモジュール(2つのペア、又は3つ組等)の後に第2群のモジュール(2つのペア、又は3つ組等)が続き、その後に第1群のモジュール(2つのペア、又は3つ組等)が続き、以下同様に続く。専用のPETモジュールのシンチレーション材料は、CsI(TI)、タリウムドープヨウ化ナトリウム(NaI(TI))、セリウムドープ臭化ランタン(LaBr3(TI))、及び/又はその他のシンチレーション材料を含むことが可能である。専用のPETモジュールを利用して取得されるデータは、シングルモード及び/又は同時検出モード又は一致検出モード(coincident detection mode)で再構築されることが可能である。
光子の進行経路又はコリメーションを変えるために、異なるコリメータが自動的に及び/又は手作業で代わる代わる使用されることが可能である点が、理解されるべきである。更に、異なるコリメータが、異なる形状の検出ゾーンを規定するように使用されてもよい。
図1を再び参照すると、汎用コンピュータがオペレータの制御板又はコンソールを提供している。コンソール118は、モニタやディスプレイ等のような視覚的な出力装置(人により読み取られることが可能な出力装置)、及び、キーボードやマウスのような入力装置を含む。コンソール118に常駐するソフトウェアはオペレータがスキャナの処理を制御できるようにする。これは、動作モード120を特定することを含み、動作モードはSPECT動作モード122及びPET動作モード120のうちの少なくとも1つを含む。すなわち、システム100は、従来の又は他のSPECTスキャンが実行されるSPECTモード122で動作することが可能であり、単独の511keVのガンマ線(511keVの同時ガンマ線のペアではない)が検出されるPET(シングル)モード124で動作することが可能であり、或いは、SPECT及びPETが同時に実行されるSPECT及びPET動作モード122、124の組み合わせで動作することが可能である。
再構築部126は、取得されたSPECTデータを再構築するSPECT再構築部128と、取得されたPET動作モード120の内データを再構築するPET再構築部130とを含む。エネルギ判別部132は、検出された光子を様々なエネルギのビン(bin)に判別(分類)し、SPECT及びPET同時スキャンによるデータを分離する。
図6はSPECT/PET画像処理システム100の変形例を概略的に示し、モジュール108が環状リング102に可動に取り付けられている。この例の場合、少なくとも1つのモジュール108が、部材(又は手段)118により、リング102に対して可動に取り付けられ、検査領域106に近付く又は遠ざかるように半径方向に移動するように形成されている。SPECTの場合、空間解像度又は空間分解能は、モジュール108と対象又はオブジェクトとの間の距離の関数であり、距離が短くなるほど増加する。PETの場合、検出位置精度は、モジュール108と対象又はオブジェクトとの間の距離の関数であり、距離が長くなるほど増加する。代替的又は追加的に、少なくとも1つのモジュール108は、リング102に対して回転可能に取り付けられ、円弧を描くように回転するように形成され、検出ゾーンを掃引し、対象のゾーンを形成してもよい。回転制御部602は、モジュール108を回転させる回転駆動システム604を制御し、並進制御部606は、モジュール108を移動させる並進駆動システム608を制御する。
図7は方法例を示す。
ステップ702において、画像処理システムはSPECTモードに設定される。
ステップ704において、検出モジュールは、検査領域内の対象又はオブジェクトの中にあるラジオアイソトープから放出されたガンマ線であって40ないし140keVの範囲内のエネルギを有するガンマ線を検出する。ラジオアイソトープは放射性同位体、放射性元素等と言及されてもよい。
ステップ706において、検出されたガンマ線は再構築され、これにより、対象又はオブジェクトの中のラジオアイソトープの分布を示すSPECT画像データを生成する。
ステップ708において、画像処理システムはPETシングルモードに設定する。
ステップ710において、検出モジュールは、検査領域内の対象又はオブジェクトの中にあるラジオアイソトープから放出されたガンマ線であって約511keVのエネルギを有する個別的なガンマ線を検出する。
上述したように、検出モジュールは、40ないし140keVの範囲内のガンマ線及び511keVのガンマ線の双方を検出する個別モジュール、及び/又は、40ないし140keVの範囲内のガンマ線のみ又は511keVのガンマ線のみを検出する個別モジュールを含んでいてもよい。
ステップ712において、検出されたガンマ線が再構築され、これにより、対象又はオブジェクトの中のラジオアイソトープの分布を示すPET画像データを生成する。
図8は方法例を示す。
ステップ802において、画像処理システムは、同時(又は一致)SPECT/PETシングルモードに設定される。
ステップ804において、検出モジュールは、検査領域内の対象又はオブジェクトの中にあるラジオアイソトープから放出されたガンマ線であって40ないし140keVの範囲内のエネルギを有するガンマ線を検出し、かつ、検査領域内の対象又はオブジェクトの中にある異なるラジオアイソトープから放出されたガンマ線であって約511keVのエネルギを有する個別的なガンマ線を検出する。
上述したように、検出モジュールは、40ないし140keVの範囲内のガンマ線及び511keVのガンマ線の双方を検出する個別モジュール、及び/又は、40ないし140keVの範囲内のガンマ線のみ又は511keVのガンマ線のみを検出する個別モジュールを含んでいてもよい。
ステップ806において、
８０６：検出された40ないし140keVのガンマ線は再構築され、これにより、対象又はオブジェクトの中のラジオアイソトープの分布を示すSPECT画像データを生成し、検出された511keVのガンマ線が再構築され、これにより、対象又はオブジェクトの中のラジオアイソトープの分布を示すPET画像データを生成する。
処理の順序は上記の例に限定されないことが理解されるべきである。すなわち、本願では他の順序も想定されている。更に、1つ以上の処理は省略されてもよいし、及び/又は、1つ以上の追加的な処理が含まれてもよい。
上記の実施形態はコンピュータにより読み取られることが可能な(コンピュータ可読)命令により実現されてもよく、命令は、コンピュータにより読み取られることが可能な記憶媒体に保存され、エンコードされ又は組み込まれ、コンピュータプロセッサにより実行される場合に、コンピュータプロセッサに上記の処理を実行させる。追加的又は代替的に、少なくとも1つのコンピュータ可読命令は、信号、搬送波又はその他の伝送媒体で実現されてもよい。
以上、本発明が好適実施形態を参照しながら説明されてきた。上記の詳細な説明を参照及び理解した者にとって、変形例及び代替例も明らかであろう。それらは添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内に包含され、本発明はそのような全ての変形例及び代替例を包含するように考慮されるべきことが、意図されている。

Claims (15)

  1. 検査領域を規定する開口を有する閉じた環状リングと、
    前記閉じた環状リングに取り付けられた一群の検出器モジュールであって、前記一群の検出器モジュールは、検査領域におけるラジオアイソトープから放出された４０ないし１４０ｋｅＶの範囲内のエネルギを有するガンマ線をＳＰＥＣＴモードで検出し及び５１１ｋｅＶのエネルギを有するガンマ線をＰＥＴシングルモードで検出し、前記５１１ｋｅＶのガンマ線は、同時ペアの５１１ｋｅＶのガンマ線ではない個別的な５１１ｋｅＶのガンマ線が検出されるシングルモードで検出される、一群の検出器モジュールと、
    検出されたガンマ線を、５１１ｋｅＶのエネルギのガンマ線に対応する第１のエネルギ範囲及び４０ないし１４０ｋｅＶのエネルギのガンマ線に対応する第２のエネルギ範囲に分類するエネルギ判別部と、
    前記５１１ｋｅＶのエネルギのガンマ線を再構築することにより第１の放射性核種の分布の第１画像を生成し、４０ないし１４０ｋｅＶの範囲内のエネルギのガンマ線を再構築することにより第２の放射性核種の分布の第２画像を生成する再構築部と
    を有する画像処理システム。
  2. 前記一群の検出器モジュールが、４０ないし１４０ｋｅＶの範囲内のガンマ線及び５１１ｋｅＶのガンマ線の双方を検出するように形成されたシングル検出器モジュールを含む、請求項１に記載の画像処理システム。
  3. 前記一群の検出器モジュールが、４０ないし１４０ｋｅＶの範囲内のガンマ線のみを検出するように形成された第１群の検出器モジュールと、５１１ｋｅＶのガンマ線のみを検出するように形成された第２群の検出器モジュールとを含む、請求項１に記載の画像処理システム。
  4. モジュールの放射検出ゾーンを決定するコリメータを有する請求項１〜３のうちの何れか１項に記載の画像処理システム。
  5. 前記放射検出ゾーンが、扇状又は円錐状の形状を有する、請求項４に記載の画像処理システム。
  6. 前記検出器モジュールがシンチレータを有し、前記シンチレータは、少なくとも１つのタリウム添加ヨウ化セシウムのシンチレーション結晶を含む、請求項１〜５のうちの何れか１項に記載の画像処理システム。
  7. 前記検出器モジュールがシンチレータを有し、前記シンチレータは、少なくとも１つの臭化ランタンのシンチレーション結晶を含む、請求項１〜５のうちの何れか１項に記載の画像処理システム。
  8. 少なくとも１つのシンチレーション結晶が、タリウム添加ヨウ化ナトリウムのシンチレーション結晶を含む、請求項６又は７に記載の画像処理システム。
  9. 前記検出器モジュールが、前記検査領域に対して近付く及び遠ざかるように半径方向に可動であるように形成されている、請求項１〜８のうちの何れか１項に記載の画像処理システム。
  10. 前記検出器モジュールが、前記検査領域に対して円弧を描くように回転して検出ゾーンを掃引するように形成されている、請求項１〜９のうちの何れか１項に記載の画像処理システム。
  11. 前記検査領域が矩形の形状を有する、請求項４に記載の画像処理システム。
  12. 前記一群の検出器モジュールが、３つの検出器モジュールを含む、請求項１に記載の画像処理システム。
  13. 前記環状リングがｚ軸方向に１つより多く含まれている請求項１に記載の画像処理システム。
  14. 前記一群の検出器モジュールは、検査領域におけるラジオアイソトープから放出された５１１ｋｅＶのエネルギを有するガンマ線を検出し、前記５１１ｋｅＶのガンマ線は、同時ペアの５１１ｋｅＶのガンマ線が検出されるモードで検出される、請求項１に記載の画像処理システム。
  15. 画像処理システムを動作させるステップであって、４０から１４０ｋｅＶまでのエネルギを有するガンマ線をＳＰＥＣＴモードで検出し及び５１１ｋｅＶのエネルギを有するガンマ線をＰＥＴシングルモードで検出し、前記画像処理システムは、検出器モジュールが所属して検査領域を規定する閉じた環状リングを含む、ステップと、
    検査領域周囲のリングに取り付けられた画素化された検出器モジュールにより、ＳＰＥＣＴデータ及びＰＥＴデータを取得するステップであって、前記検出器モジュールの各々はガンマ線の検出ゾーンを決定するコリメータを有する、ステップと、
    取得したデータを再構築することにより、ＳＰＥＣ画像データ及びＰＥＴ画像データを生成するステップと
    を有する方法。
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