JP2008530517A - 反復的制約デコンボリューションによる核医学２次元平面画像の復元 - Google Patents

Abstract

医療イメージングシステム１０は、対象からの放射線を検出するために対象受信開口１８に隣接して配置された少なくとも１つの放射線検出ヘッド１６を含む。検出された放射線は、少なくとも１つの初期２次元投影画像μに再構成される。各初期２次元画像μにおける解像度は、システム応答関数の異なる推定値を組み入れることにより拡張された反復的制約デコンボリューションアルゴリズムを使用することにより復元され、前記推定値が前記検出ヘッドと前記検出された放射線の原点との間の異なる距離に対応する。測定された応答関数は、画像の系列を復元するのに使用される。最適な画像は、性能指数で自動的に検索することにより、ユーザの観測により、又は前記システム応答関数を同時に推定し、元の画像を更新するブラインドデコンボリューションを使用することにより決定される。

Description

本発明は、核医学診断イメージングシステム及び方法に関する。単光子放出断層撮影（ＳＰＥＣＴ）システムに関連した応用を見出し、これに関連して記載される。本発明が、陽電子放出断層撮影システム（ＰＥＴ）、コンピュータ断層撮影システム（ＣＴ）、及びＸ線イメージング等のような他のイメージングシステムにも適用可能であると理解される。

核医学イメージングは、患者の生体構造を撮像するために放射線源を採用する。典型的には、放射性医薬品が患者に注入される。放射性医薬品化合物は、予測可能な速度及び特徴的エネルギでガンマ線崩壊する放射性同位体を含む。１つ以上の放射線検出器が前記患者に隣接して配置され、放出される放射線をモニタ及び記録する。時々、前記検出器は、複数の方向からの放出される放射線をモニタするために、前記患者の周りで回転され、又はインデックスを付けられる。検出された位置及びエネルギのような情報に基づいて、体内の放射性医薬品分布が決定され、循環系、選択された器官又は組織における放射性医薬品の取り込み等を調査するために前記分布の画像が再構成される。

従来のシンチレーション検出器において、前記検出器は、大きなシンチレーション結晶又は小さなシンチレーション結晶のマトリクスからなるシンチレータを持つ。いずれの場合にも、前記シンチレータは、センサのマトリクスにより見られる。一般に使用されるセンサは光電子増倍管（ＰＭＴ）である。放射線吸収材料のグリッド状又はハニカム状アレイを含むコリメータは、前記シンチレータと検査されるべき対象との間に配置され、前記シンチレータに衝突する放射線の受容の角度を制限する。前記シンチレータに衝突する各放射線事象（radiation event）は、前記ＰＭＴにより見られる対応する閃光（シンチレーション）を生成する。前記ＰＭＴからの出力に基づいて、ガンマ線カメラは放射線事象をマッピングし、即ち、前記シンチレータに衝突する放射線光線のエネルギ及び位置を決定する。

ＳＰＥＣＴ画像の画質は、前記検出器のカウント感度及び前記コリメータの幾何学的構造により決定される。一般に、コリメータ幾何学的構造、非線形のＰＭＴ応答、及び量子力学的確率等のようなシステムパラメータを含む様々な要因による制限された空間的解像度のため、高画質ＳＰＥＣＴ画像を得ることは難しい。画像ぶれ（image blurring）又は劣化は、一般に、点広がり関数（ＰＳＦ）として表される。

平面（２次元）画像解像度を向上させるために提案された復元手法は、ウィーナフィルタ（Wiener filter）、カウント依存メッツフィルタ（count-dependent Metz filter）、最大エントロピに基づくフィルタ（maximum entropy-based filter）、及びパワースペクトル等化フィルタ（equalization filter）等のような古典的な逆フィルタを採用する。しかしながら、提案された逆フィルタ手法は、前記点広がり関数が深さに依存し、例えばＰＳＦが特定の深さにおいて既知であり、定められていると仮定する。復元方法の１つ、反復的制約デコンボリューション（iterative constrained deconvolution）は、投影間の相関を得るのに前記投影情報を使用することにより３次元ＳＰＥＣＴ画像を再構成するために、未知の点広がり関数を採用するように、又はいわゆるブラインドデコンボリューション（blind deconvolution）に拡張されている。しかしながら、２次元核医学平面画像に対して、このような相関情報は存在しない。

核医学画像の復元は、主に、画像ぶれ又は点広がり関数が放射線崩壊事象とカメラとの間の距離に依存する、例えば深さ依存であるという事実のため、複雑である。結果画像の厳密な点広がり関数は、前記画像が異なる深さからの情報の寄せ集めなので、典型的には未知である。加えて、関心のある器官の深さは、調査ごとに異なる可能性があり、したがって、平面画像の場合に所定の調査に対する点広がり関数を予測するのは難しい。

本発明は、上述の問題等を克服する、新しい及び改良されたイメージング装置及び方法を提供する。

本発明の一態様によると、医療イメージングシステムが開示される。少なくとも１つの放射線検出ヘッドが、対象からの放射線を検出するために対象受信開口（subject receiving aperture）に隣接して配置される。１つの手段は、前記検出された放射線を少なくとも１つの初期２次元投影画像に再構成する。反復的制約デコンボリューション手段は、前記検出ヘッドと前記検出された放射線の原点との間の対応する距離をそれぞれ表す複数のシステム応答関数を用いて各初期２次元画像の解像度を反復的に復元する。

本発明の他の態様によると、医療イメージングの方法が開示される。放射線データが、対象から検出される。前記検出された放射線データは、初期２次元画像に再構成される。前記初期２次元画像内の解像度は、前記検出器ヘッドと前記検出された放射線の原点との間の距離に対応する複数のシステム応答関数を使用する反復的制約デコンボリューションの使用により反復的に復元される。

本発明の１つの利点は、増大された空間的解像度にある。

他の利点は、再構成された２次元画像内のノイズの減少にある。

本発明の他の利点は、前記再構成された画像の増大された精度にある。

本発明の更に他の利点及び利益は、好適な実施例の以下の詳細な記載を読み、理解すると、当業者に明らかになる。

本発明は、様々なコンポーネント及びコンポーネントの構成、並びに様々なステップ及びステップの構成の形を取ることができる。図面は、好適な実施例を説明する目的のみであり、本発明を限定するように解釈されるべきでない。

図１を参照すると、核医学イメージングシステム１０は、典型的には、回転可能なガントリ１４を支持する静止ガントリ１２を含む。１つ以上の検出器ヘッド１６は、回転可能なガントリ１４により運ばれ、関心領域又は検査領域１８から発せられた放射線事象を検出する。各検出器ヘッドは、検出器素子の２次元アレイ又はシンチレータ２０を含む。各ヘッド１６は、各放射線応答を検出器面上の場所（ｘ，ｙ）及びエネルギ（ｚ）を示すデジタル信号に変換する回路２２を含む。シンチレータ２０上の事象の場所は、通常はｘ及びｙ座標と称される２次元（２Ｄ）デカルト座標系において解像及び／又は決定される。しかしながら、他の座標系が考えられる。コリメータ２４は、シンチレータ２０の各検出器素子が放射線を受信することができる方向及び角拡散（angular spread）を制御し、即ちシンチレータ２０は既知の光線に沿ってのみ放射線を受信することができる。したがって、放射線が検出されるシンチレータ２０上の決定された場所及びカメラ１６の角度位置は、各放射線事象が生じた公称光線（nominal ray）を規定する。前記コリメータの制限された高さ、開口の物理的大きさ、検出の物理及び他のシステム因子のため、前記放射線事象から前記検出まで移動した実際の光線の不確定性が存在する。潜在的な光線は、前記検出からの距離とともに広がり、所定の距離において位置不確定性は、点広がり関数（ＰＳＦ）により与えられる。

典型的には、撮像されるべき対象は、１つ以上の放射性医薬品又は放射性同位体を注入され、カウチ２６により支持される検査領域１８内に配置される。このような同位体の少数の例は、Ｔｃ−９９ｍ、Ｇａ−６７及びＩｎ−１３１である。前記対象内の前記放射性医薬品の存在は、前記対象からの放出放射線を生成する。放射線は、１つ以上の選択された投影方向において投影放出データを収集するために検査領域１８の周りで回転される又は角度的にインデックスを付けられることができる検出器ヘッド１６により検出される。前記投影放出データ、例えば場所（ｘ，ｙ）及び／又はエネルギ（ｚ）並びに（例えば角度位置リゾルバ２８から得られる）検査領域１８の周りの各検出器ヘッド１６の角度位置（θ）は、データメモリ３０に記憶される。各選択された投影方向からの投影データは、投影画像を再構成する画像プロセッサ４０に運ばれ、前記投影画像は、投影画像メモリ４２に記憶される。

２次元解像度復元プロセッサ４４は、全身骨スキャン、腫瘍スキャン及び他のスキャンにより生成されたような２次元画像を復元する。以下により詳細に記載されるように、前記画像は、デコンボリューションによりぶれ除去される（de-blurred）か、又は再フォーカスされる（refocused）。前記ぶれ又は点広がり関数は、前記放射線事象と検出器２０との間の距離に依存する。図２において、３つの点線源ａ、ｂ及びｃが、異なる深さｄ１、ｄ２及びｄ３において図示される。点ｂ及びｃからの放射線データは、同じ検出器面積において収集される。しかしながら、点ｂの点広がり関数ｈ_bは、点ｃの点広がり関数ｈ_cより幅広い。これは、点広がり関数が深さに依存することを示し、例えば点線源ｂから検出器２０までの距離ｄ２は、点線源ｃから検出器２０までの距離ｄ３より大きい。

図１を再び参照すると、解像度復元された２次元画像は、２次元画像メモリ４８に記憶される。ビデオプロセッサ５０は、画像ディスプレイ５２に表示するために最適化された２次元画像を処理する。

一実施例において、３次元再構成プロセッサ６０は、２次元画像メモリ４８からの２次元画像を体積画像表現に処理する。前記画像表現は、ビデオプロセッサ５０による操作のために３次元画像メモリ６２に記憶され、ビデオモニタ又はプリンタ等のような画像ディスプレイ５２に表示される。

図１を参照し続け、更に図３を参照すると、反復プロセッサ又はプロセス７０は、既知の深さを持つ点広がり関数を使用することにより元の画像μに対して反復的制約デコンボリューションアルゴリズム又はプロセスを使用する。より具体的には、関数手段７２は、情報データベース７４から入力に基づいて異なる深さに対する点広がり関数ｈ₁，ｈ₂，...，ｈ_nの系列を決定する。好ましくは、点広がり関数ｈ₁，ｈ₂，...，ｈ_nは、イメージングに使用されるコリメータ２４の幾何学的構造及び前記対象に投与される前記同位体の少なくとも１つに基づいて決定される。もちろん、ユーザが、オペレータインターフェースステーション７８のキーボード及びマウス等のような入力手段７６を使用することによりオンザフライで点広がり関数ｈ₁，ｈ₂，...，ｈ_nを決定するために前記情報を提供することができることも考えられる。固定（fixed）手段又はプロセッサ８０は、復元された画像λ₁，λ₂，...，λ_μの系列を生成するために各個別の点広がり関数（ｈ₁，ｈ₂，...，ｈ_n）に対する元の画像μに反復的制約デコンボリューションアルゴリズム又はプロセス（ＩＣＤ）を適用する。

好ましくは、固定プロセッサ８０は、最尤（ＭＬ）アルゴリズムを実施する。

ここでｈは既知の点広がり関数であり、
ｚ及びｌは前記画像に対する画素インデックスを表し、
μは前記元の画像を示し、
λ^(k)はｋ番目の反復における復元された画像であり、
ｉは前記画像内のｉ番目の画素を表す。

終了手段８２は、予め選択された反復回数、前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の平均コントラスト、及び前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の標準画素偏差（standard pixel deviation）等のような所定の基準に基づいて反復プロセス７０を終了する。

画像最適化手段８４は、好ましくは自動的に、所定の最適化解像度基準を使用して前記復元された画像の系列λ₁，λ₂，...，λ_μから最良の画像を選択又は最適化し、例えば前記画像は、コントラスト対ノイズ比、信号対ノイズ比又は特定の周波数成分を最大化することにより最適化される。復元された２次元画像は、２次元画像メモリ４８に記憶される。

もちろん、前記最適化が、前記ユーザにより視覚的に実行されることも考えられる。最初の画像が各点広がり関数ｈに対して復元された又は再フォーカスされた後に、前記復元された画像の各々は、２次元画像メモリ４８に記憶される。最適な再フォーカスの異なる深さにそれぞれ対応する前記復元された画像の系列は、ディスプレイ５２に表示される。好ましくは、前記ユーザは、前記系列をスクロールして前記ユーザの鑑賞嗜好を選択する。このプロセスの間の表示は、観察することが望ましい体の一部の深さに基づいて顕微鏡をフォーカスするのと同様である。例えば、関心のある器官がカメラ１６の近くに配置される場合、小さな深さを持つ点広がり関数が、より良い質の画像を生じるのに対し、前記関心のある器官がカメラから離れている他の状況において、大きな深さを持つ点広がり関数が、より良い質の画像を生じる。

図１を参照し続け、更に図４を参照すると、反復プロセッサ７０は、仮定された又は未知の点広がり関数ｈ₁の使用により元の画像μに前記反復的制約デコンボリューションアルゴリズムを適用する。より具体的には、関数手段７２は、点広がり関数ｈ₁の近似を推定する。点広がり関数ｈ₁の完全な情報は未知であるので、ブラインドデコンボリューション手段又はプロセス又はプロセッサ８６は、近似された点広がり関数ｈ₁で開始して元の画像μにいわゆるブラインドコンボリューションを適用する。再規定（redefine）関数プロセッサ又は手段８８は、前記点広がり関数を推定し、再規定画像プロセッサ又は手段９０は、同時に前記画像を復元する。終了手段８２は、ブラインドデコンボリューションプロセス８６をモニタすることにより、復元された画像λが受け入れられる画質であるかどうかを決定する。この好適な実施例において、終了手段８２は、前記画像の平均コントラストが所定の閾値より上であるか、標準画素偏差が所定の標準画素偏差より上であるか、及び予め選択された反復回数が実行されたかの１つを決定する。結果の最適に復元された画像λは、２次元画像メモリ４８に記憶される。好ましくは、ブラインドデコンボリューション手段８６は、ノイズを増幅しすぎずに及び／又は間違った人工的フィーチャを作ることなく前記画像のコントラストを向上する。前記点広がり関数の厳密な情報を知る必要がないので、このようなブラインドデコンボリューションプロセス８６は有利である。ブラインドで復元された点広がり関数は、ノイズ汚染がなく、前記点広がり関数が測定された場合でなく、むしろデータセット内に実際に存在する歪に基づくので、実験的に測定されたものより正確である。結果として、ブラインドで復元された点広がり関数を使用して復元された画像は、よりロバストであり、統計的により正確である。

好ましくは、ブラインドデコンボリューションプロセス８６は、最尤（ＭＬ）アルゴリズムを実施し、画像λ及び点広がり関数ｈは各反復において同時に推定される。

ここでｈ^(k)はｋ番目の反復における推定された点広がり関数であり、
ｚ及びｌは前記画像に対する画素インデックスを表し、
μは前記元の画像を示し、
λ^(k)はｋ番目の反復における復元された画像であり、
ｉは前記画像内のｉ番目の画素を表す。

このデコンボリューションプロセスは、図示の単純性のために投影画像全体に関連して記載されている。もちろん、単一の画像が、領域に基づいて最適化されることができ、複数の領域の各々が、異なる点広がり関数に対して最適化される。このように、関心のある浅い器官を持つ領域及び関心のある深い器官を持つ同じ画像の他の領域は、両方とも最適に及び解像度的に復元されることができる。

この反復的制約デコンボリューション手法は、３次元画像において解像度を復元するのに使用されることができる。一実施例において、前記反復的制約デコンボリューションは、３次元体積応答関数を使用することにより３次元画像再構成の後に３次元画像に適用される。他の実施例において、前記反復的デコンボリューションは、ＳＰＥＣＴ再構成の前に各２次元投影に適用される。更に他の実施例において、前記反復的デコンボリューションは、３次元ＳＰＥＣＴ再構成プロセスに組み込まれる。

本発明は、好適な実施例に関連して記載されている。明らかに、先行する詳細な記載を読み、理解すると、修正及び変更が他に思いつくだろう。本発明は、添付の請求項又は同等物の範囲内に入る限り全てのこのような修正及び変更を含むと解釈されることが意図される。

イメージングシステムの概略図である。 ３つの点に対する点広がり関数を概略的に図示する。 イメージングシステムの一部の概略図である。 イメージングシステムの他の部分の概略図である。

Claims (23)

1. 対象からの放射線を検出するために対象受信開口に隣接して配置された少なくとも１つの放射線検出ヘッドと、
   前記検出された放射線を少なくとも１つの初期２次元投影画像に再構成する手段と、
   前記検出ヘッドと前記検出された放射線の原点との間の対応する距離をそれぞれ表す複数のシステム応答関数を用いて各初期２次元画像の解像度を反復的に復元する反復的制約デコンボリューション手段と、
   を有する医療イメージングシステム。
2. 前記反復的手段が、
   前記初期２次元画像にブラインド反復的制約デコンボリューションアルゴリズムを適用するブラインド手段であって、初期システム応答関数が画像解像度復元デコンボリューションの反復的繰り返しにおいて調整される、当該ブラインド手段、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ブラインド手段が、
   反復的に前記２次元画像を再規定する手段と、
   反復的に前記システム応答関数を再規定する手段であって、前記画像を再規定する手段が、前記２次元画像を反復的に復元し、前記関数を再規定する手段が、前記システム応答関数を同時に反復的に再規定するような当該関数を再規定する手段と、
   を更に含む、請求項２に記載のシステム。
4. 予め選択された反復回数と、
   前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の平均コントラストと、
   前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の標準画素偏差と、
   の少なくとも１つに基づいて前記ブラインド手段による前記２次元画像及び前記システム応答関数の再規定を終了する手段、
   を更に含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ブラインドデコンボリューションが、前記復元された２次元画像及び前記応答関数を同時に推定するために統計的推定アルゴリズムを使用し、前記統計的推定アルゴリズムが、
   最尤、
   最大事後、
   共役勾配、
   及び
   ベイジアン、
   の少なくとも１つである、請求項２に記載のシステム。
6. 前記複数のシステム応答関数が、関数手段により生成され、各システム応答関数が、前記検出ヘッドと前記検出された放射線の原点との間の複数の距離の各々に対応し、前記反復的手段が、
   前記初期２次元画像に対して復元された２次元画像の系列を生成するために前記システム応答関数の各々に対する前記初期２次元画像に固定反復的制約デコンボリューションアルゴリズムを適用する手段、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 予め選択された反復回数と、
   前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の平均コントラストと、
   前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の標準画素偏差と、
   の少なくとも１つに基づいて前記固定反復的制約デコンボリューション手段を適用するステップを終了する手段、
   を更に含む、請求項６に記載のシステム。
8. 最適な解像度復元画像を選択するために前記復元された２次元画像の系列を最適化する手段と、
   ユーザが見ることができるフォーマットで前記最適な解像度復元画像を表示するモニタと、
   を更に含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記最適化する手段が、
   コントラスト対ノイズ比の最大化と、
   信号対ノイズ比の最大化と、
   の一方により前記復元された画像の系列を最適化する、請求項８に記載のシステム。
10. ユーザが前記復元された画像の系列をスクロールするのに用いるユーザ入力手段及びディスプレイ、
    を更に含む、請求項７に記載のシステム。
11. 前記関数手段に情報を提供する情報データベースであって、前記情報に基づいて前記関数手段が前記複数のシステム応答関数を生成し、前記情報が、
    前記対象に投与された同位体の名称と、
    コリメータの幾何学的構造と、
    の少なくとも１つを含む、当該情報データベース、
    を更に含む、請求項７に記載のシステム。
12. 前記固定反復的制約デコンボリューションが、前記復元された２次元画像を推定するのに統計的推定アルゴリズムを使用し、前記統計的推定アルゴリズムが、
    最尤、
    最大事後、
    共役勾配、
    及び
    ベイジアン、
    の少なくとも１つである、請求項６に記載のシステム。
13. 対象からの放射線データを検出するステップと、
    前記検出された放射線データを初期２次元画像に再構成するステップと、
    前記検出ヘッドと前記検出された放射線の原点との間の距離に対応する複数のシステム応答関数を使用する反復的制約デコンボリューションの使用により前記初期２次元画像における解像度を反復的に復元するステップと、
    を有する医療イメージングの方法
14. 前記方法が、初期システム応答関数を任意に割り当てるステップを更に含み、前記反復的に復元するステップが、
    前記初期システム応答関数で開始して前記初期２次元画像にブラインド反復的制約デコンボリューションアルゴリズムを適用するステップと、
    前記デコンボリューションされた画像と前記システム応答関数とを同時に反復的に再規定するステップと、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 予め選択された反復回数と、
    前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の平均コントラストと、
    前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の標準画素偏差と、
    の少なくとも１つに基づいて前記２次元画像及び前記システム応答関数を再規定するステップを終了するステップ、
    を更に含む、請求項１４に記載の方法
16. 前記復元するステップが、
    更新された２次元画像及び更新された応答関数を同時に推定するために最尤、最大事後、共役勾配及びベイジアンの少なくとも１つを含む統計的推定アルゴリズムを使用するステップ、
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記解像度を反復的に復元するステップが、
    復元された２次元画像の系列を生成するために、前記検出ヘッドと前記検出された放射線の原点との間の複数の距離の１つにそれぞれが対応する複数のシステム応答関数の各々に対する前記初期２次元画像に固定反復的制約デコンボリューションアルゴリズムを適用するステップ、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記解像度を反復的に復元するステップが、更新された２次元画像を推定するために最尤、最大事後、共役勾配及びベイジアンの少なくとも１つを含む統計的推定アルゴリズムを使用する、請求項１７に記載の方法。
19. 予め選択された反復回数と、
    前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の平均コントラストと、
    前記画像の少なくとも選択された領域内の所定の標準画素偏差と、
    の少なくとも１つに基づいて前記固定反復的制約デコンボリューションアルゴリズムを適用するステップを終了するステップ、
    を更に含む、請求項１７に記載の方法。
20. コントラスト対ノイズ比の最大化と、
    信号対ノイズ比の最大化と、
    の少なくとも一方により前記復元された２次元画像の系列を最適化するステップ、
    を更に含む、請求項１９に記載の方法。
21. 人間に読み取り可能なフォーマットで前記復元された２次元画像の系列を表示するステップ、
    を更に含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記表示するステップが、
    最適な解像度復元の効果的な深さにより前記画像を順番に逐次的に表示するステップと、
    オペレータ制御下で、最適な画像を選択するために前記画像の系列を通して往復的に移動するステップと、
    を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記対象の周りの複数の角度位置において前記放射線を検出するステップと、
    各角度位置に対応する初期２次元画像を再構成するステップと、
    各初期２次元画像に対して前記解像度を反復的に復元するステップを繰り返すステップと、
    前記角度位置の各々に対して最適解像度復元２次元画像を選択するステップと、
    前記最適解像度復元２次元画像から、３次元画像表現を再構成するステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。

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