JP4414410B2 - 画像再構成方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像再構成方法に関し、特に畳み込み積分法における逆投影プロセスのウェイトの決定を利用し、三次元方向データの獲得により、画像再構成のコントラストを向上させる、二次元撮像により表される三次元撮像データの再構成方法に関する。

現代の人類の生活、飲食及び仕事の形態の変化において、文明的な病気も次々と現れ、今世紀最大の疾病と称される癌の患者は次第に増加し、現在人類の天敵となっている。
但し、多くの癌症状は早期に発見することが可能となり、治癒率も向上している。科学技術の恩恵に賜り、現在の分子生物と画像工学の結合は、多くの非侵入性の画像検出装置を生み、致命的な疾病に対する早期発見の機会を増やすことができ、これらの検出装置内で更に高感度の特質を具えたPET（Positron Emission Tomography）が画像検出の重要な役割を担っている。

PETは、陽電子放出核種を利用し、体内に存在する或いは利用が必要な代謝分子、例えばブドウ糖、アミノ酸等を合成した陽電子標識リガンドを静脈注射により体内に入れ、PETにより体内の異変がないかを検査する。陽電子（β⁺）は正電荷を有し、陽電子放出核種が体内を移動した後、負電荷と対消滅し（annihilation）し、エネルギー量５１１ｋｅＶ、１８０度反対方向のγ線を発生する。この時、PET検出器は同時計数方式によりγ線を検出する。γ線は検出器上のクリスタルにより可視光に変換し、光電子倍増管により電気信号に増幅変換される。デジタル化した後の検出信号は更にデータをバインド、リバインド、画像再構成等の処理を実施した後、γ線分布画像が生成される。

公知の技術において、図1に示すように、陽電子と負電子が崩壊する時、同時に１８０度反対方向のエネルギービームを発生し、エネルギービームの沿線はLOR（Line of Response）１２と呼ばれる。検出器１０、１１を通してLOR１２上の崩壊イベント反応を検出し、同一LOR１２上の計数（counting）値は1つ増加する。スキャン時間内に、同一LOR１２上に累計して複数回の計数反応がある可能性があり、図１において、崩壊イベントの発生点はLOR１２線上の如何なる点にてあることも可能であるが、公知の技術では発生点を判断する場合に、崩壊イベントの発生点はLOR１２の中心点上に仮定される。

上述の方式はH.Uchida等の「Nuclear Instruments and Methods in Physics Research」定期刊行内の公開論文「A compact planar positron imaging system」に掲載される焦点面画像再構成方法に見ることができる。この方式は、二次元平面のスキャン画像を構成することができるが、但し発生源の三次元位置情報が得られない。又、アメリカ合衆国特許第5793045号掲載の記事によれば、異なる重み付けをされた検出器が同時計数イベントのエネルギーを検出し、例えば陽電子の崩壊により発生するγ線エネルギー領域は重み付けされ、画像再構成に有利になるが、但しこの方式は、二次元平面画像採光性の技術である。前述の公知の技術は、各放射源の位置に対し効果的な判別をすることができないのである。更に、複数個の放射源を有する物に対しては、画像のコントラストが悪くなる。

アメリカ合衆国特許6804325号掲載のものはMLEM（Maximum Likelihood Expectation Maximization）畳み込み積分演算を行って、二次元画像を通して三次元画像を再構成する技術であり、更に逆投影の方法を利用した画像再構成も掲載されているが、この方法は、逆投影を実行する時に、各イベントの発生点の確率を同等と仮定して画像再構成を実行している。

上述のように、製造コストの低減、或いは旋転スキャン時間の短縮の為の平面撮像は、三次元のＺ軸方向の位置情報が欠如しており、従って三次元画像の画像再構成方法を表すことにより平面撮像の公知の技術において発生する問題を解決し、更に精密でコントラストの高い画像を提供し、腫瘍の位置検出を補助し、早期発見、早期治療を促進する必要がある。
特開２００５−１２１６７３号公報 特開２００５−１６４６０９号公報

本発明は、畳み込み積分計算を利用して画像再構成の逆投影する時、各立体画素の重み付け値が、第三次元Ｚ方向の位置情報を獲得して、再構成画像のコントラストを向上させる、二次元平面撮像により三次元画像を表す画像再構成方法を提供することを目的とする。

本発明は更に、畳み込み積分計算を利用し画像再構成の逆投影する時、各立体画素の重み付け値が、第三次元Ｚ方向の位置情報を獲得し、検出装置の設計を簡易化し、三次元画像の再構成及びコストの低減を達成する、二次元平面撮像により三次元画像を表す画像再構成方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成する為、本発明の提供する二次元平面撮像により三次元画像を表す画像再構成方法は、被検出物が発生する複数個のLORに対し画像再構成を実行し、各LORは対応する計数値を有し、平面撮像画像再構成方法は下記のステップより構成される：
（ａ）複数個の立体画素がそれぞれ第一輻射活性値（radioactivity）を有する；
（ｂ）各LOR上の立体画素に対し投影領域に投影転換を実行し、測定計数値と比較し複数個の校正計数値を得る；
（ｃ）それぞれLOR上の各立体画素の第一輻射活性値（radioactivity）に対し演算を実行し、各立体画素の重み付け値を得る；
（ｄ）LOR上の各立体画素の重み付け値に従い逆投影を実行し、各LORの校正計数値とLOR上の各立体画素の重み付け値に対し計算を実行し、LOR上の各立体画素の第二輻射活性値を得る；
（ｅ）画像空間を再構成し、各立体画素の第二輻射活性値を第一輻射活性値（radioactivity）にする；
（ｆ）ステップ（ｂ）乃至（ｆ）を反復実行する。

ステップ（ｂ）は更に下記のステップを設けてなることが可能である：
（ｂ１）それぞれLORが通過する立体画素の第一輻射活性値（radioactivity）に対して投影領域への投影転換を実行し、LORの投影計数値を推測する；
（ｂ２）推測計数値と測定計数値を比較し、校正計数値を得る。校正計数値は測定計数値と推測計数値の比になる；

ステップ（ｄ）は更にステップ（ｄ１）を設けることが可能である。
（ｄ１）閾値を設定し、第二輻射活性値が閾値より小さい場合、第二輻射活性値を０にする。

前記重み付け値は、更にLOR上の各立体画素の第一輻射活性値（radioactivity）と推測計数値の和の比であることが可能である。

前記計算は更に下記のステップを設ける：
LOR上の各立体画素の重み付け値と校正計数値を相互に乗算し乗積値を得る；
少なくとも一つのLORの乗積値の累計より第二輻射活性値を得る；
閾値を設定し、第二輻射活性値が閾値より小さい場合、第二輻射活性値は０とする；

本発明の提供する二次元平面撮像により三次元画像を表す画像再構成方法は、畳み込み積分計算を利用して画像再構成を逆投影する時、各立体画素の重み付け値が、第三次元Ｚ方向の位置情報の獲得を達成し、再構成画像のコントラストを向上させ、更に、検出装置の設計を簡易化し、三次元画像の再構成及びコストの低減を達成する。

前述及びその他の技術的内容、特徴、効果に関して、以下に参照図と実施例を用いて詳細に説明する。

図２に示すように、平面撮像画像再構成方法は、被検出物が発生する少なくとも一つのLORで得られた測定計数値に対して再構成を実行し、平面撮像画像再構成方法２は、下記のステップより構成される：ステップ２０では複数個の立体画素により被検出物に対して画像空間を構成し、複数個の立体画素がそれぞれ第一輻射活性値（radioactivity）を有する。

図７に示すように、本発明の方法は如何なる検出器の組み合わせにても応用することが可能であり、少なくとも一つの検出器を具有する。本実施例においては、検出器１０，１１により説明するが、実際の応用はこれに限るものではない。検出器の間には被検出物が置かれ、被検出物は複数の立体画素４０として分割され、画像空間４を構成する。画像空間において、各立体画素４０は第一輻射活性値（radioactivity）を有してなり、第一輻射活性値（radioactivity）は放射能の強度を表する。

図７の被検出物内には立体画素４３の位置に腫瘍が有ると仮定し、被検出物は同位体フッ素１８（¹⁸Ｆ）を注入して酸化ブドウ糖の試験剤と結合させた後、同位体フッ素１８（¹⁸Ｆ）が被検出物内にて崩壊する過程で陽電子を発生し、陽電子と陰電子が相互に崩壊する時、１８０度反対方向へ向うγ線を発生し、検出器がエネルギー量を検出する時間点が一致する時、同一のイベントと判定し、立体画素４３に対しては、各角度にてイベントが発生し、各イベントの沿線はLORと称され、図７ではLOR５０，５１及び５２がこれを代表するが、実際には更に多く存在する。

図６に示すように、本発明の診断法は、畳み込み積分法を利用し、反複して複数回の演算を実施し、投影及び逆投影により画像空間３０及び逆投影領域３１の間に演算を実行し、徐々に画像を再構成する。再構成方法の特徴は逆投影を実行する時、重み付けを利用して逆投影の計算を実行し、重み付けの大きさは各回の畳み込み積分に従い変更される。図６の標記ｋは演算の回数を表し、Ｖｉは図７の各立体画素４０を表す。

図２に示すように、ステップ２１では、各LORに対し投影を実行して測定計数値と比較して各LORの校正計数値を得る。図３及び図４、５に示すように、ステップ２１は下記のステップからなる：

図８に示すように、検出器１０，１１の間に腫瘍がある場合、腫瘍があるｚ軸の位置は異なり、逆投影を実行する時、各位置Ａ，Ｂ，Ｃの重み付けは異なり、本発明を通して決定され、逆投影する時、これらの演算方法によって各位置Ａ，Ｂ，Ｃの重み付けを決定し、逆投影を実行する。例えば、図上の第ｊ列のLOR１２上において、各位置Ａ，Ｂ，Ｃの重み付けはＷ^A _i,j、Ｗ^B _i',j、Ｗ^C _i'',jとなり、その関係は、Ｗ^A _i,j＜Ｗ^B _i',j＜Ｗ^C _i'',jとなる。

図９に示すように、検出器１０，１１は相互に２２０ｍｍの距離を取り、検出器の間には人工器官１３を配置する。人工器官内には二つの放射源を置き、腫瘍９０，９１とし、それぞれ異なる深さに配置して、測定する。
腫瘍９０は、人工器官の中心（ｚ＝０ｍｍ）に配置し、腫瘍９１はｚ＝２０ｍｍの位置上に配置する。更に、本発明の二次元平面撮像の三次元画像再構成方法を利用して画像再構成を実行し、公知の技術の焦点面画像再構成方法と比較する。

図１０に示すように、図１０内の（Ａ）は公知の技術における画像再構成方法によるもので、二次元平面画像であるため、ｚ軸方向の情報は得られない。
図１０の（Ｂ）は本発明の方法によるもので、ｚ＝０ｍｍ及びｚ＝２０ｍｍの画像結果である。これらの結果より明らかなように、本発明の方法は、腫瘍のｚ軸方法の位置を正確に判断でき、公知の技術よりも優れた画像を得ることができる。

図１１は、人工器官内の腫瘍９０、９１は同じ高さに設置してあり、それぞれ公知の技術と本発明を利用した再構築画像の図である。図１１の画像（Ａ）は焦点面を利用して構成した画像であり、画像（Ｂ）は本発明の方法を利用して構成した画像である。図から分かるように、公知の技術で構成される画像から得られる腫瘍９０，９１の大きさ及びコントラストは、本発明の結果に及ばず、本発明の画像再構成方法から得られる画像は公知の技術よりも優れている。

図１２において、実線は本方法から得られる対比曲線を表し、点線は公知の技術から得られる対比曲線を表す。図の矢印の位置に示すように、本発明の画像再構成方法が発生するバックグラウンド放射線活性は焦点面の方式に比較して良好である。本発明の方法から得られる画像コントラストは公知の技術のより得られるコントラストより良好である為、医療検出人員は確実に腫瘍の疑いを判断することができる。

本発明の方法を通して、検出システムの設置を簡易化することができ、例えば、単純に一台の検出器を利用し、本発明の提供する画像再構成方法により、畳み込み積分により画像再構成に重み付けして三次元の画像を獲得し、公知の技術の、リング型検出装置等の高価で体積の大きい等の問題を改善する。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

公知の技術の画像再構成方法の説明図である。 本発明の二次元撮像画像再構成方法の実施例のフロー図である。 補正計算数値を算出する実施フロー図である。 重み付け値を算出し逆投影を実行するフロー図である。 第二輻射活性値を算出する実施フロー図である。 本発明の二次元撮像画像再構成方法の実施例の概念図である。 画像空間構造の説明図である。 本発明の画像再構成の説明図である。 本発明の試験構造図である。 公知の技術を利用した焦点面画像再構成方法、及び本発明の方法が それぞれZ=0mm及びZ=20mmの位置における画像再構成の結果図である。 人工器官内の腫瘍を同様の高さに放置した時に、それぞれ公知の技術を利用した焦点面画像再構成方法、及び本発明の方法が再構成する画像の図である。 本発明の二次元撮像画像再構成方法と焦点面画像再構成方法の画像対比曲線関係図である。

符号の説明

１０、１１ 検出器
１２ LOR（Line of Response）
１３ 人工器官
２ 容器
２０〜２３ プロセス
２１０〜２１２ プロセス
２２０〜２２１ プロセス
２３０〜２３２ プロセス
３０ 画像空間
３１ 投影領域
４ 画像空間
４０、４３ 立体画素
５０、５１、５２ LOR（Line of Response）
９０、９１ 腫瘍

Claims (7)

1. 被検出物が発生する複数個のLORに対し画像再構成を実行し、各LORは対応する測定計数値を有し、平面撮像画像再構成方法は、
   （ａ）複数個の立体画素がそれぞれ第一輻射活性値（radioactivity）を有し、
   （ｂ）各LOR上の立体画素に対し投影領域に投影転換を実行し、測定計数値と比較し複数個の校正計数値を得て、
   （ｃ）それぞれLOR上の各立体画素の第一輻射活性値（radioactivity）に対して演算を実行し各立体画素の重み付け値を得る
   （ｄ）LOR上の各立体画素の重み付け値に従い逆投影を実行し、各LORの校正計数値とLOR上の各立体画素の重み付け値に対し計算を実行し、各立体画素の第二輻射活性値を得る、
   （ｅ）画像空間を再構成し、各立体画素の第二輻射活性値を第一輻射活性値（radioactivity）とし、
   （ｆ）ステップ（ｂ）乃至（ｆ）を反復実行する、
   上記のステップより構成されることを特徴とした、二次元平面撮像により三次元画像情報を表す再構成方法。
2. 前記ステップ（ｄ）は更に、（ｄ１）閾値を設定し、第二輻射活性値が閾値より小さい場合、第二輻射活性値を０にする、ステップを設けることを特徴とした、請求項１に記載の二次元平面撮像により三次元画像情報を表す再構成方法。
3. 前記校正計数値は測定計数値と推測計数値の比であることを特徴とした、請求項１に記載の二次元平面撮像により三次元画像情報を表す再構成方法。
4. 前記重み付け値は、LOR上の各立体画素の第一輻射活性値（radioactivity）と推測計数値の和の比であることを特徴とした、請求項１に記載の二次元平面撮像により三次元画像情報を表す再構成方法。
5. 前記ステップ（ｂ）は更に、
   （ｂ１）それぞれLORが通過する立体画素の第一輻射活性値（radioactivity）に対して投影領域への投影転換を実行してLORの投影計数値を推測し、
   （ｂ２）推測計数値と測定計数値を比較して校正計数値を得る。校正計数値は測定計数値と推測計数値の比であり、
   上記のステップを設けることを特徴とした、請求項１に記載の二次元平面撮像により三次元画像情報を表す再構成方法。
6. 前記計算は更に、
   （ｄ２）LOR上の各立体画素の重み付け値と校正計数値を相互に乗算して乗積値を得る；
   少なくとも一つのLORの乗積値の累計より第二輻射活性値を得て、
   （ｄ３）閾値を設定し、第二輻射活性値が閾値より小さい場合、第二輻射活性値は０とする、上記ステップを設けることを特徴とした、請求項１に記載の二次元平面撮像により三次元画像情報を表す再構成方法。
7. 前記計算は更に、
   （ｄ４）閾値を設定し、第二輻射活性値が閾値より小さい場合、第二輻射活性値を０にする、ステップを設けることを特徴とした、請求項６に記載の二次元平面撮像により三次元画像情報を表す再構成方法。

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