JPH11514441A - デュアル・ヘッド・ガンマカメラの解像度向上 - Google Patents

デュアル・ヘッド・ガンマカメラの解像度向上

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JPH11514441A JP9515229A JP51522997A JPH11514441A JP H11514441 A JPH11514441 A JP H11514441A JP 9515229 A JP9515229 A JP 9515229A JP 51522997 A JP51522997 A JP 51522997A JP H11514441 A JPH11514441 A JP H11514441A
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Abstract

(57)【要約】 ポジトロン放射形断層写真およびシングルフォトン放射形コンピュータ断層写真画像の両方を実行するよう組み込み可能な核カメラ・システムにおいて、放射形コンピュータ断層写真画像の解像度を増強する装置および方法を開示する。装置は、ガンマ線と相互作用する結晶(81)を含み、結晶(81)の表面内でシンチレーション事象を生成する。結晶(81)に衝突するガンマ線は、結晶(81)の視野によって制限される入射角を有する。結晶(81)の背後には、各シンチレーション事象によって放出されるフォトンに応答して、各シンチレーション事象の座標値を登録する検出器(80)が配置される。検出器(80)には、検出器(80)によって登録された各座標値の結晶内面ずれ補正値を生成する解像度増強装置が結合されている。次に、結晶内面ずれ補正値を座標値と組み合わせて、ガンマ線が結晶に実際に入るポイントを演算する。

Description

【発明の詳細な説明】 デュアル・ヘッド・ガンマカメラの解像度向上発明の背景 (1)発明の分野 本発明は、核医学システムの分野に関する。特に、本発明はシンチレーション 検出器の信号処理システムに関する。 (2)従来の技術 断層画像を得ることは、核医学システムに使用する画像再構成の一つの方法で ある。断層画像は、3次元物体の選択した面または深さにある構造の2次元表現 である。コンピュータ断層写真技術は、物理的に別個で重複していない個々の面 または「スライス」を使用する。概して、断層面は身体の長軸に対して直角の方 向であるが、面の他の方向も獲得することができる。個々の面を使用し、問題の 組織区間のみからのデータを収集して処理することによって、実際の分布の正確 な表現が獲得され、これは定量核医学研究にとって重要である。 X線コンピュータ断層写真は透過放射線を使用するが、これに対して核医学は 放射された放射線を使用し、したがって核医学技術は一般に放射コンピュータ断 層写真法(ECT)と呼ばれる。ECTには2つの固有のタイプがある。つまり 、通常のガンマ線放射体を使用するシングルフォトン・コンピュータ断層写真法 (SPECT)と、ポジトロン放射体を使用するポジトロン・コンピュータ断層 写真法(PET)である。 シングルフォトンコンピュータ断層写真法(SPECT)を実行するガンマカ メラは、核医学で長い間使用されてきた。Angerがこのようなシステムを1 950年代に提案して開発し、これは画像収集および画像再生のために高速ディ ジタル・コンピュータ・システムを導入して、広範囲に改造され、改良されてき た。SPECT画像形成では、コリメータでガンマ線を結晶上に投射し、コリメ ータの前にある放射能の分布のプロフィルを描くシンチレーションのパターンを 結晶中に生成する。コリメータは、特定の方向に進んだガンマ線のみが検出器に 到達できるようにすることにより、線源の分布の画像を検出器上に投射する。通 常は、特定の狭い入射角(結晶の表面に対してほぼ垂直)のガンマ線が実際に結 晶に貫通し、検出器に到達する。適切な方向に進まないガンマ線は、検出器に到 達する前にコリメータに吸収される。コリメータを使用することは、本来は放射 線を使用するためには効率的でない。検出器に向かって進む潜在的に有用な放射 線の大半が、実際にはコリメータで停止してしまうからである。SPECT画像 は核医学で広範囲に使用され、有利な画像品質を提供するが、コリメータが感度 (すなわち実際に結晶を貫通するガンマ線の数)を低下させ、したがってSPE CTシステムで獲得される画像の全体的な解像度および品質を低下させてしまう 。 ポジトロン放射形断層写真(PET)を実行するカメラも、画像収集および処 理のために比較的高速の検出用電子機器およびコンピュータ・システムの導入と 共に核医学で使用されてきた。PETとSPECTの基本的な違いは、PET画 像では消滅放射線同時検出法(ACD)を使用することである。ACDは、ポジ トロンと普通の電子との消滅後に511keVの2つの陽子が互いに反対方向に 放射された場合に生じる。したがって、このような事象の対が同時にまたは短時 間の間隔で検出された場合のみ、互いに対して180度の方向にある2つの検出 器がこれを記録する。PETシステムの全体的な画像の品質は、SPECTシス テムの画像品質を上回るが、それは主にPET画像がコリメータを使用しないせ いである。コリメータを排除することにより、PETシステムの検出器の感度は 改善され、したがってPETシステムを使用して、腫瘍調査や脳スキャンなど、 SPECTシステムでは実行できない医療診断を実施することができる。 SPECTおよびPET画像は、通常は様々なタイプの医療診断に使用される 。従来技術では、PETおよびSPECT画像に様々なカメラ・システムを導入 して供給する。したがってSPECTおよびPET画像を実施したい施設は、比 較的大きな費用を払って2台の別個のカメラ・システムを取得する必要がある。 したがって、一つに組み込み可能なシステム内で、SPECTおよびPET画像 技術の両方を実施する能力を有する核カメラを提供すると有利であろう。 SPECT画像技術およびPET画像技術の両方を一つの核カメラ・システム 内に結合するために、システムはSPECT画像で使用するシングルフォトン検 出法と、PET画像に使用する消滅放射線同時検出法(ACD)とを実行できな ければならない。カリフォルニア州MilpitasにあるADAC Labo ratoriesが製造するVertexシステムなどの市販されている核カメ ラ・システムは、一つのシステム内でSPECTおよびPET画像形成技術の両 方を実行するこの機能を有する。 SPECTとPET画像形成とを一つのシステムに組み込むことにより、SP ECTおよびPET画像形成の両方に同じコリメータ結晶が使用される。しかし 、異なる核カメラ・システムで実現されるSPECT画像形成とPET画像形成 とは、異なるタイプの結晶を使用する。通常、SPECT画像形成はタリウムN aI(TI)をドープした結晶質ヨウ化ナトリウムで作製した結晶を使用して、 SPECT画像形成のシングルフォトンに十分な停止力を与える。これに対して 独立型の従来技術のPETシステムは、SPECT画像形成で使用する検出器よ り大きい停止力を有する検出器を使用する。PET画像形成に好ましい検出器材 料は、ゲルマニウム酸ビスマス(BGO)である。というのは、高い密度および 原子番号により、ポジトロン放射によって発生した511keVの消滅ガンマ線 に対して十分な停止力を与えることができる。さらに、結晶の元素が格子状アレ イで配置されている。入射ガンマ線がBGO結晶と交差すると、検出器が格子状 結晶構成からガンマ線の実際の交差ポイントを検出することができる。NaI( TI)およびBGOをそれぞれSPECTおよびPET画像形成に好ましい結晶 として述べてきたが、当技術分野で周知の他の結晶で置換してもよい。 しかし、NaI(TI)結晶を、結合したSPECTおよびPETシステムの 場合のように、PET画像形成のBGO結晶の代用とし、コリメータを除去する と、PET画像形成で再構成される画像の解像度および品質が劣化してしまう。 コリメータがないと、入射ガンマ線は、SPECTシステムで使用する狭い範囲 の角度(結晶表面に対してほぼ垂直)ではなく、多種多様な角度でNaI(TI )と交差する。PET画像形成の間にガンマ線がNaI(TI)結晶と相互作用 すると、結晶面からある程度の距離でガンマ線からフォトンへの変換が生じる。 したがって、ガンマ線がある傾斜角度で結晶の表面に衝突すると、検出器による 登 録がわずかの距離だけずれる。つまり、入射角および入射ガンマ線の結晶内の面 のずれが大きくなるほど、点光源の解像度の劣化が大きくなる。したがって、解 像度向上装置を設け、PET画像で再構成される画像の全体的な品質を低下させ るこのタイプの歪みを修正する方法を提供することが望ましい。発明の概要 本発明の目的は、PET画像形成の間に解像度を改良したPETおよびSPE CT画像の両方を実行できる核カメラ・システムを提供することである。 本発明の他の目的は、ガンマ線がNaI(TI)などの結晶と相互作用した場 合に発生する結晶内の面のずれによって生じた歪みを修正することによって、物 体の解像度を向上させることである。 本発明の他の目的は、結晶内の面のずれ値を計算することである。結晶内面の ずれが決定されると、登録した位置を表わす座標値を修正して、結晶内にガンマ 線が実際に入射するポイントを表わすことができる。 PETおよびSPECT画像形成の両方を実行するよう構成できる核カメラ・ システムでポジトロン放射形断層写真(PET)画像の解像度を向上させる装置 について述べる。この装置は、結晶がガンマ線と相互作用して結晶の表面内にシ ンチレーション事象を生成する結晶を含む。結晶に衝突するガンマ線は、結晶の 視野によって制限される入射角を有する。結晶の背後には、シンチレーション事 象によって放出されたフォトンに応答して、シンチレーション事象の座標値を登 録する検出器が配置されている。検出器には、検出器によって登録された座標値 に対して結晶内面のずれの補正値を生成する解像度向上回路が結合されている。 次に、結晶内面のずれ補正値を座標値と組み合わせて、ガンマ線が実際に結晶に 入射するポイントを計算する。 PET(同時)画像形成の解像度を改善する本発明の別の装置について述べる 。この装置は、線源ポイントから生成され、180度離れて放射される一対のガ ンマ線を同時に検出する一対の検出器を含む。各ガンマ線が、検出器の前に配置 された結晶と相互作用してシンチレーション事象が発生する。第1検出器は、第 1結晶内の事象の位置確認を表わす第1アドレス信号を生成し、第2検出器は、 第 2結晶内の事象の位置確認を表わす第2アドレス信号を生成する。第1および第 2アドレス信号を受信し、第1および第2補正値を生成して衝突するガンマ線の 結晶内面のずれ値を補正するように、コンピュータ・システムが一対の検出器に 結合される。次に、コンピュータ・システムは第1および第2アドレス信号を補 正し、画像処理および再構成に使用する画像プロセッサにその補正信号を出力す る。 PET(同時)画像形成可能な核カメラ・システムの解像度を向上させる方法 についても述べる。結晶は、結晶の視野によって制限された角度範囲内の入射角 を有するガンマ線を受け取る。結晶の後部に配置された検出器は、結晶が衝突す るガンマ線と相互作用した時に発生するシンチレーション事象を検出し、シンチ レーション事象の座標値を登録する。座標値が登録された後に、プロセッサが補 正値を生成して、登録された座標値の結晶内面のずれを補正し、次に補正値を登 録座標値と組み合わせて、ガンマ線が実際に結晶に入射するポイントを決定する 。図面の簡単な説明 第1図は、SPECTおよびPET画像の両方を実行できる、本発明のデュア ル・ヘッド・ガンマカメラ・システムの高レベルのブロック図である。 第2図は、デュアル・ヘッド・ガンマカメラ・システムの収集コンピュータの ブロック図である。 第3図は、本発明の結晶表面の軸方向および軸横断方向視野を示す図である。 第4図は、ガンマ線と各結晶の相互作用を示す一対の結晶の横断面図である。 第5図は、点光源の投射した放射プロフィル(すなわち解像度)を示す図であ る。 第6図は、本発明の画像画質向上装置のブロック図である。 第7図は、ガンマ線が結晶と相互作用した時の結晶内面ずれ値を示す図である 。発明の詳細な説明 本発明の以下の詳細な説明では、本発明を完全に理解できるよう、様々な個々 の詳細について述べる。しかし、当業者には本発明はこれらの個々の詳細がなく ても実施できることが明白である。他の場合では、本発明の態様を不必要に曖昧 にしないよう、周知の方法、手順、構成要素、および回路については述べなかっ た。 以下の詳細な説明の一部は、コンピュータ・メモリ内のデータ・ビットの操作 をアルゴリズムおよび記号表現で示す。これらのアルゴリズムの記述および表現 は、データ処理の当業者がその作業の実質を他の当業者に最も効果的に伝達する ために使用する手段である。以下の検討から明白なように、他に特に明記しない 限り、本発明全体を通して、「処理」または「演算する」または「計算する」ま たは「決定する」または「表示する」などの用語を使用する検討は、コンピュー タ・システムまたは同様の電子演算装置の動作および処理について言及し、この 電子演算装置は、コンピュータ・システムのレジスタおよびメモリ内で物理(電 子)量として表わされるデータを操作し、コンピュータ・システムのメモリまた はレジスタまたは他のこのような情報記憶、転送または表示装置内で物理量とし て同様に表わされる他のデータに変換する。 本発明は、PETモードにおける放射性核種の分布の画像を改良した、PET およびSPECTモードの両方で操作できる核カメラ・システムを提供する。本 発明は組み込み可能なカメラ・システム(SPECTまたはPET)との関連で 述べるが、本発明は組み込み可能なカメラ・システムに限定されるものではなく 、独立型PET画像システムに使用してもよい。本発明は、2つ以上の検出器ヘ ッドを有するカメラ・システム内で操作すると有利であることが理解される。第 1図を参照すると、本発明のデュアル・ヘッド核カメラ・システムの高レベル図 が図示されている。本発明の実施形態は、検出器2個のカメラ・システムについ て述べているが、本発明の教示は3個以上の検出器を有するシステムをカバーす るよう拡大できる(例えば、3個および4個のカメラ・システムまで拡大できる )ことが理解される。検出器の対は、180度の構成で図示され、90度の構成 になるよう互いに対して回転することができる。概して、本発明のシステムは、 2次元マトリクスで配置され、結晶81および81’に結合されて光り(例えば 可視フォトン)を受ける複数の光電子増倍管PMTで構成された一対のガンマカ メラ検出器80および80’(「デュアル・ヘッド」)を含む。PMTアレイは 光 検出器を生成する。各検出器、80または80’は同様に構成され、一方の検出 器に関する考察は両方に該当することが理解される。 結晶層81および81’は、タリウム(TI)をドープしたヨウ化ナトリウム (NaI)で構成することができ、通常、SPECT画像形成の間はコリメータ (図示せず)とPMTアレイとの間に配置される。しかし、PET画像形成の間 はコリメータは使用しない。通常、コリメータは幾つかの穴を含み、鉛の隔壁が ハニカム方法で配置されている。コリメータは、特定の方向に進むガンマ線のみ が検出器に到達できるようにすることによって、線源の分布像を検出器80およ び80’上に投射する。本発明の実施形態では、約90度で結晶81および81 ’に衝突するガンマ線のみが、検出器80および80’に検出される。約90度 で進まないガンマ線は、検出器80および80’に到達する前にコリメータに吸 収される。 NaI(TI)結晶81に衝突するガンマ線は、PMTによって検出される幾 つかの可視フォトンを放出する周知のシンチレーション事象を引き起こす。本発 明では、PMTは六角形のパターンで配置される。しかし、PMTの数、そのサ イズおよび構成は、本発明の範囲内で変化することができる。SPECTモード では19個のPMTを使用し、シンチレーション事象を検出する。事象に最も近 いPMTおよび隣接する最も近い最初の6個のリングおよび次にある12個のP MTのリングが、19本のPMT管を構成する。PETモードでは7本のPMT を使用して事象を検出する。この7本のPMT管は、事象にもっとも近い管およ びそれに最も近い隣接の管6本を含む。 事象の検出に使用するPMT管は、検出した光エネルギーの量を表わすアナロ グ信号を供給する。したがって、結晶のポイントAでシンチレーション事象が発 生すると、事象に最も近いPMTが最も多い量の光を受け、したがって最大振幅 の出力信号を与える。PMTによって得られたこれらのアナログ信号は、事象の 位置特定に使用される。本発明では、これらのアナログ信号は検出器80および 80’内の回路でディジタル化される。本発明の範囲内で使用されるガンマカメ ラ検出器80および80’は、ディジタル・ガンマカメラに使用するタイプで、 市販されている幾つかの周知のデザインでよく、したがってこのようなガンマ検 出器の詳細は、本明細書で詳しく考察しない。ディジタル・ガンマカメラは、1 995年9月12日にADAC Laboratoriesに発行された米国特 許第5,449,897号に記載されている。 検出器80および80’は、(例えばECTスキャン操作用の)台87上に載 った物体(患者)1020の周囲の様々な軌道(ECT投射)で検出器80およ び80’を回転することができるガントリ85に搭載される。いずれの構成(1 80または90度)でも、ガンマカメラ技術で周知のように、検出器の対は、幾 つかの投射角度で回転中心の周囲を回転することができる。ガントリ85および 台87はベース89に載っている。検出器の対80および80’は、(例えば全 身のスキャン操作のために)台87を横切る方向にするか、静止画像のために患 者1020上に配置することもできる。 検出器80または80’で事象が検出されると、信号1210および1212 はそれぞれ初期事象検出トリガ・パルスをプログラマブル同時タイミング回路1 050(CTC)に搬送する。次に、CTCユニット1050は有効事象トリガ 信号を発生し、それぞれ線1240および1242上で操作モード(SPECT またはPET)に応じて検出器80および80’に戻す。線1252上で搬送さ れる信号は、CTCユニット1050に対して適切な操作モード(SPECTま たはPET)を示唆する。検出器が有効事象トリガ信号1240および1242 を使用してその累算器(積分器)を開始(またはリセット)する。それは検出さ れたシンチレーションのエネルギーを累算(積分)するので、これは「有効事象 」トリガ信号と呼ばれる。PETモードでは、検出器80と80’との間で同時 性が検出されないと、積分は開始しない。SPECTモードでは、同時性に関係 なくトリガ事象のたびに各検出器に対して積分が開始する。積分および重心決定 の後、検出器80および80’は、それぞれ線1220および1222上にX、 YおよびZ値を出力する。これらの信号は、検出された事象の「位置決定」を表 わす座標値XおよびY、およびその測定エネルギー値Zを示す。 3個以上の検出器ヘッドを使用する実施形態では、各検出器ヘッドからの事象 検出情報はCTCユニット1050に転送され、これは(PET画像形成モード では)CTC事象検出情報を供給する任意の2個の検出器間の同時性を検出する 。 SPECTモードでは、各検出器はデュアル検出器システムと同様の方法で、非 同時性の事象情報を報告する。 このようなハードウェアの配置は本発明の本質ではないが、ハードウェアはP MTアナログ信号をディジタル化し、X、YおよびZ値を出力するように各検出 器に含まれる。この範囲で、各検出器80および80’は予備増幅およびディジ タル化ハードウェアおよびディジタル事象プロセッサを含む。このハードウェア は、シンチレーション検出器80および80’の内部または外部に配置すること ができる。 バス1220およびバス1222を介して転送される値は、汎用ディジタル・ コンピュータ・システムである収集コンピュータ1055に入力値を与える。収 集コンピュータ1055は各投射角度について検出された各事象の値を記憶して 修正し、次にこの情報を、標準的なユーザ・インタフェースを有する画像プロセ ッサ1060に経路指示する。ユーザ・インタフェースは、どのモードの操作( 例えばSPECTまたはPET)が要求されているか表示するためユーザ入力装 置を提供する。ユーザ入力装置もコンピュータ1055内に配置することができ る。 画像プロセッサ1060では、様々なECT投射角度に伴う事象位置特定デー タがメモリ装置内に記憶される。このデータは、画像情報を生成して密度情報を カウントするために使用され、様々なECT投射角度のマトリクスの形で収集さ れる。画像マトリクスは、通常、様々なECT角度で収集され、次に断層写真再 構成法を用いて再構成が実施されて、器官の3次元画像(「再構成」)を生成す る。画像プロセッサ1060は、カメラ・システムが捕捉した画像を視覚化する ために、表示ユニット1065(ハード・コピー装置を含むことができる)にも 結合される。 本発明は、同時画像形成としても知られる、PET画像形成の間に放射性核種 の分布の解像度を増強する装置および方法を提供する。本発明は、傾斜角度で結 晶に衝突するガンマ線の結晶内面ずれを補正する。通常、SPECT画像の結晶 内面ずれは比較的小さい。というのは、コリメータが、狭い範囲の入射角を有す るガンマ線しかNaI(TI)結晶に衝突させないからである。さらに、ゲルマ ニウム酸ビスマス(BGO)などの別個の結晶を使用する独立型PET画像形成 システムは、別個の結晶という性質のために、入射ガンマ線の結晶内面ずれがな い。しかし、PET画像形成を組み込み可能なSPECT/PET核カメラ・シ ステムに組み込むと、BGO結晶をNaI(TI)結晶で代用することができ、 したがって結晶内面ずれによって解像度が低下する。したがって、衝突するガン マ線の結晶内面ずれの補正は、PET画像にNaI(TI)などの結晶を使用す る場合に最も適切である。 第2図は、検出器1112aおよび1112bに結合された収集コンピュータ 1050のブロック図である。収集コンピュータ1050は、傾斜角度で結晶と 交差するガンマ線によって生じる歪みを補正する役割を有する。収集コンピュー タ1050は、収集コンピュータ1050内で情報を連絡するアドレス/データ ・バス1100と、ほぼ90度で結晶と衝突するガンマ線の線形補正のためにバ ス1100と結合された補正プロセッサ1101と、傾斜角度で結晶に衝突する ガンマ線の結晶内面ずれを補正するためバス1100と結合された解像度増強装 置1111と、プロセッサからの画像情報および指示を記憶するためにバス11 00と結合された、磁気または光ディスク・ドライブなどのデータ記憶装置11 04と、コンピュータのユーザに対して情報を表示するためにバス1100と結 合された表示装置1105(第1図の装置1065のように外部装置でもよい) と、情報およびコマンドの一揃いをプロセッサと連絡するためにバス1100と 結合された英数字キーおよび機能キーを含む英数字入力装置1106と、ユーザ 入力情報およびコマンドの一揃いをプロセッサと連絡するためにバスに結合され たカーソル制御装置1107と、画像プロセッサと連絡するためにバス1100 に結合された高速通信リンク1108とを備える。ハード・コピー装置1109 (例えばプリンタ)も、バス1100に結合してよい。 本発明の収集コンピュータ1050と共に使用される第2図の表示装置110 5(または第1図の表示ユニット1065)は、液晶装置、陰極線管、またはユ ーザにとって認識可能なグラフィック画像および英数文字を生成するのに適した 他の表示装置でよい。カーソル制御装置1107によって、コンピュータのユー ザは、表示装置1105の表示画面上に可視記号(ポインタ)の2次元動作の信 号を動的に送ることができる。当技術分野では、変位の所定の方向または形態の 動作について信号を送ることができるトラックボール、フィンガ・パッド、マウ ス、ジョイスティックまたは英数字入力装置1105上の特殊キーを含め、カー ソル制御装置の多くの具体例が知られている。キーボード1106、カーソル制 御装置1107、表示装置1105およびハード・コピー装置1109は、画像 プロセッサ1060に関連するユーザ・インタフェースを含む。 PETモードで操作中は、同時ウィンドウ内の各検出器1112aおよび11 12bから、座標値X、Yおよびエネルギー情報Zが生成される。シンチレーシ ョン検出器1112aおよび1112bによって検出されたX、Y座標は、シン チレーション事象が発生した結晶内のポイントと対応する。X座標は、結晶の軸 横断方向視野に沿ったシンチレーション事象の位置に対応し、Y座標は結晶の軸 方向視野に沿ったシンチレーション事象の位置に対応する。第3図は、放射性核 種を注入され、器官の一方からガンマ線を放射している患者310に対して、検 出器1112aおよび1112bの軸横断方向視野および軸方向視野の図を示す 。長方形310は、検出器1112aまたは1112bの一方の視野を表わす。 第3図によると、結晶の軸方向視野は矢印320で図示され、患者の頭から足へ 向く方向であり、軸横断方向の視野は矢印330で図示され、患者の右から左へ またぐ方向である。検出器1112aおよび1112bは第3図の長方形の視野 を有するが、本発明は長方形の表面区域を有する検出器に限定されるものではな い。 検出された2ポイントの座標値XおよびYは、検出器1112aおよび111 2bによって登録され、それぞれ線1000aおよび1000bを介して収集コ ンピュータ1055へと出力される。補正プロセッサ1101、解像度増強装置 1111、および通信装置1108は、収集コンピュータ1055内に含まれる 。収集コンピュータ1055が、この座標値XおよびYの対から、入射ガンマ線 の入射の軸方向および軸横断方向角度を演算する。ポジトロンの相互作用(シン チレーション事象)の位置は、検出された2ポイントを結ぶ線上にある。結晶内 面ずれがある場合、シンチレーション検出器1112aおよび1112bによっ て登録されるX、Y座標は、実際には、入射するガンマ線の実際の交差ポイント を現わさない。さらに、線源ポイント(すなわち器官内で放射線を放射する位置 ) は、180度離れて方向づけられた検出器1112aと1112bとの間の中心 線に沿っていず、画像の再構成時に結晶内面ずれによって線源ポイントが歪むか 不鮮明になる。 本発明の実施形態では、検出器1112aおよび1112bによって登録され た座標値XおよびYは、線1000aおよび1000bを介して補正プロセッサ 1101に出力される。補正プロセッサ1101は座標X、Yを修正して、コリ メータの解像度および固有解像度を改善する。SPECT画像の場合のように、 コリメータを使用する時はコリメータの穴を通過するガンマ線によって特定量の 歪み(または不鮮明さ)が生じる。コリメータの穴の直径は、(妥当なコリメー タの効率を獲得するために)比較的大きくなければならず、したがって少なくと も穴の直径の大きさだけ画像が不鮮明になる。さらに、固有解像度は、光電子増 倍管(PMT)におけるフォトンの分布の統計的変動であり、これは結晶に衝突 するガンマ線に特定量の歪みを生じる。したがって、補正プロセッサ1101は 座標値XおよびYを修正し、新しい座標値X’およびY’をバス1100に出力 する。次に、座標値X’およびY’は解像度増強装置1111によって修正され 、入射ガンマ線の結晶内面ずれを補正する。上述したように、結晶内面ずれは、 ガンマ線の入射角がNaI(TI)などの結晶と傾斜角度で交差した場合に生じ る。したがって、本発明はPETおよびSPECT画像の両方を実行する核カメ ラ・システムにおけるPET画像に特に関係がある。 解像度増強装置1111は、PET画像の結晶内面ずれ値を演算するプロセッ サである。第6図によると、解像度増強装置は、中央処理ユニット(CPU)6 0およびランダム・アクセス・メモリ(RAM)62を備えたコンピュータ・シ ステム60でよい。本発明の一実施形態では、CPU60は100MHzで動作 するペンティアムTMプロセッサである。CPU60は、命令を実行して情報を処 理するためにバス63に結合され、RAM62は情報を記憶してCPU60に命 令するためにバス63に結合される。 RAM62は、検出器1112aおよび1112bのそれぞれが登録した各シ ンチレーション事象の座標値X’およびY’を記憶する。座標値X’およびY’ は、検出器1112aまたは1112bの一方が記録した座標値XおよびYと同 じでよいか、あるいは座標値XおよびYの修正版でもよい。CPU60は、X’ およびY’座標値の結晶内面ずれ値ΔXおよびΔYを生成する。結晶内面ずれ値 ΔXおよびΔYの対は、同時画像に関係するポジトロンと電子の相互作用ごとに 発生する。したがって、ΔXは結晶の軸横断方向視野に対する入射ガンマ線のず れ値であり、ΔYは結晶の軸方向視野に対する入射ガンマ線のずれ値である。ず れ値ΔXおよびΔYが演算されると、その値は座標値X’およびY’と結合され る。本発明の一実施形態では、ずれ値ΔXおよびΔYは座標値X’およびY’に 加算され、したがって補正座標値(X’+ΔX)および(Y’+ΔY)が画像プ ロセッサに出力される。 このタイプの補正は、ガンマ線の入射角が増加するにつれ極めて重要になる。 というのは、結晶内面ずれは入射角が増加するにつれ増加するからである。本発 明の実施形態では、軸横断方向視野は軸方向視野より大きく、したがって最も顕 著な結晶内面ずれは軸横断方向視野に沿って発生する。本発明や両方の視野に当 てはまる。 第4図は、180度離れて配置された結晶410および412の断面図を提供 し、ポイント401でポジトロンと電子との消滅によって生じた一対のガンマ線 に対する結晶内面ずれを図示するのに使用される。線420は、結晶410およ び412の軸方向または軸横断方向視野を表わす。線430は結晶410および 412の深さまたは厚さTを表わし、線440は結晶410と412との間の距 離Dを表わす。ポジトロンと電子との相互作用ポイントは、線源ポイントとも呼 ばれ、中心線に沿ってポイント401に位置する。ポジトロンと電子の相互作用 から放射される2本のガンマ線は、応答線402に沿ってほぼ反対方向に生成さ れる。放射されるガンマ線の一方は、ポイント403aで結晶410と交差し、 ポイント404aでシンチレーション事象を生成する。放射される第2のガンマ 線は、ポイント403bで結晶412と交差し、ポイント404bでシンチレー ション事象を生成する。ポイント403a、403b、404aおよび404b は、すべてポイント401で発生するポジトロンと電子の相互作用の応答線40 2に沿って位置している。αは、それぞれポイント403a、404bで結晶4 10および412と交差するガンマ線対の入射角である。 ポジトロンと電子との相互作用がポイント401で発生した場合、実際に結晶 410に入るポイントは403aであるが、結晶410の背後に配置された検出 器は入射ポイントを視野420に対してポイント404aで発生したように登録 する。したがって、結晶410に実際に入るポイント403aと検出器が登録し た入射ガンマ線のポイント404aとの間には、視野420に沿ってずれ(Δ1 )がある。さらに、実際に結晶412に入るポイントは403bであるが、検出 器は入射ポイントが視野420に沿ってポイント404bで発生するよう登録す る。したがって、Δ2は、実際に結晶412に入りポイント403bと検出器が 登録するポイント404bとのずれである。つまり、Δ1はポイント403aと 405aとの差、Δ2はポイント403bと405bとのずれである。登録され た位置(404aおよび404b)は、実際に入るポイント(403aおよび4 03b)から特定の距離Δ1およびΔ2だけずれているので、Δ1およびΔ2は 、結晶内ずれ値とも呼ばれる。 結晶内面ずれを演算し、登録された座標値XおよびYを補正してずれを考慮に 入れると、放射性核種分布の画像の解像度が増強される。線源ポイント401は 中心線に沿って位置し、したがって結晶内面ずれΔ1およびΔ2はほぼ等しく、 検出器はガンマ線が結晶と交差するポイントをポイント405aおよび405b で登録する。線をポイント405aからポイント405bまで引くと、線は線源 ポイント401を通り、したがって視野420に沿った線源ポイントの登録値か ら、線源ポイントの位置を決定することができる。しかし、このタイプの補正は 、線源ポイント401が応答線402に沿った中央(つまり中心線)に位置する 場合に最も当てはまるが、結晶410と412の中間に位置しないと当てはまら ない。線源ポイント406が応答線402に沿った距離rに位置し、中心線から 離れている場合、検出器は、ガンマ線が視野420に沿ってポイント405aお よび405bで結晶に衝突することも感知する。この場合、405aから405 bへ線を引くと、この線407は線源ポイント406と交差せず、したがって線 源ポイント406の位置を正確に決定することができず、線源ポイント406の 解像度が下がる。線源ポイントの解像度が下がるにつれ、線源ポイントの再構成 画像が不明瞭になる。 同時に検出された各シンチレーション事象について結晶内面ずれ値を生成する ことにより、各線源ポイントの解像度を改善することができ、これによって再構 成される画像の全体的品質を改善することができる。第5図は、線源ポイントの 解像度を図示したものである。周波数分布曲線50は、ポイント51に平均値を 有する線源ポイントの、投射された放射線プロフィルを表わす。半値全幅FWH Mは、2つのポイント52aと52b間で測定され、強度が平均値の2分の1に なる場所を示す。解像度の線源ポイントとは、検出器に投射された放射線の線源 ポイントからの放射線プロフィルのFWHMと定義される。したがって、FWH Mが増加するにつれて解像度が下がり、点光源がさらに歪む。結晶内面ずれを補 正することによって、FWHMが減少し、解像度が増強される。 本発明の実施形態では、CPU60はPET画像形成の間に以下の方法でずれ 値Δを生成する。ずれ値Δは、検出器410または412の軸横断方向または軸 方向視野に沿った結晶内面ずれを表わす。この例証では、ずれ値Δは結晶412 の軸横断方向視野に沿って測定され、したがってずれ値ΔXと呼ばれる。 第4図に戻ると、ΔXは線源ポイント406に対して演算される。ポジトロン および普通電子の消滅は、線402に沿って反対方向に2つの510keVフォ トンを放射する線源ポイント406で発生する。同時に、または狭い間隔で検出 された事象のこれらの対のみが、検出器410および412によって登録され、 これは互いに対して180度に方向づけられる。ガンマ線が実際に結晶412に 入るポイントは403bであるが、検出器はポイント404bを実際に入るポイ ントとして登録する。さらに、ガンマ線が実際に結晶410に入るポイントは4 03aであるが、検出器はポイント404aを実際に入るポイントとして登録す る。したがって、線源ポイント406は、検出器にとって、405bから405 aに投射された応答線407に沿って位置するように見える。結晶410と41 2との間の距離Dは線440によって示され、ポイント405aと405bとの 間の距離Cは線450によって示されている。応答線407、距離Dおよび距離 Cに基づき、結晶面410および412に対して角度φが演算される。入射角φ は、次式θ(C)=TAN-1(D/C)から演算することができる。しかし、応 答線402に沿って放射されたガンマ線の入射角はαに等しく、入射角φはずれ 値ΔXの演算に使用する入射角αに十分近い概算値である。 角度φを演算したら、第7図のパラメータLおよびDOIも演算することがで きる。第7図は、ガンマ線と交差する前面70aおよびPMTの前に配置された 背面70bとを有する結晶412の断面を表わす。Lはガンマ線が応答線402 に沿って結晶412の結晶面内に進む距離を表わし、403bと415との間の こでTは結晶412の厚さである。本発明の一実施形態では、Tは8分の3イン チの厚さである。DOIは相互作用の平均深さであり、ガンマ線が結晶412と 相互作用する(またはシンチレーション事象を生成する)可能性が最も高い結晶 内の位置409を表わす。結晶面70aに対して垂直にポイント409から線が 投射され、したがってDOIはポイント408とポイント409との間の距離で ある。結晶412内のシンチレーション事象は、409で発生する可能性が最も 高いが、シンチレーション事象が正確にポイント409で発生しないこともある 。DOIはNaI(TI)結晶を通過する511keVのガンマ線の減衰A(x )、NaI(TI)結晶の密度ρ、およびNaI(TI)結晶の511keVに おける質量減衰係数μmに関連する。本発明の一実施形態では、μm=0.09 21cm2/gm、ρ=3.67gm/cm3およびA(x)=e- μmρxである 。D る。DOIおよびLが演算されると、結晶内面ずれΔXは、次式ΔX=DOI( θ)*COT(θ)から決定することができる。 ずれ値ΔXおよびΔYを演算したら、これらの値を座標X’およびY’と組み 合わせる。本発明の一実施形態では、ずれ値ΔXおよびΔYを座標値X’および Y’に加算し、したがって補正座標値(X’+ΔX)および(Y’+ΔY)を画 像プロセッサに出力する。 PET画像では、放射されたガンマ線の対の入射角は、これが結晶の軸方向お よび軸横断方向視野のどこかで同時に結晶と交差すると検出される。つまり、P ET画像では、ガンマ線の入射角は結晶410および412の視野420によっ て制限される。さらに、結晶内面ずれが大きくなるほど、解像度が劣化する。S PECT画像では、入射角はコリメータによって非常に狭い範囲(約90度)に 制限され、したがって非常に小さい結晶内ずれしか発生しない。さらに、ゲルマ ニウム酸ビスマス(BGO)などの別個の結晶を使用する独立型PET画像形成 システムは、別個の結晶という性質のために、結晶内面ずれがない。したがって 、本発明のこの解像度増強装置および手順は、タリウムをドープしたヨウ化ナト リウムNaI(TI)などの結晶を使用するSPECTとPETを組み合わせた システムにおけるPET画像形成にとって最も有利である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AT,AU ,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH, CN,CU,CZ,CZ,DE,DE,DK,DK,E E,EE,ES,FI,FI,GB,GE,HU,IL ,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC, LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,M K,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO ,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SK,TJ, TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN (72)発明者 ハインズ,ホレース アメリカ合衆国・95120・カリフォルニア 州・サンホゼ・フォックス スワロー コ ート・962

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.ポジトロン放射形断層写真法において画像の解像度を増強する装置であっ て、 結晶の視野によって制限された角度の範囲内の入射角を有するガンマ線と相互 作用してシンチレーション事象を生成する結晶と、 結晶に接続され、生じたシンチレーション事象の座標値を登録する検出器と、 検出器に接続され、補正値を生成して前記座標値の結晶内面ずれを補正し、さ らにその補正値を座標値と組み合わせて、ガンマ線が実際に結晶に入るポイント を決定する解像度増強装置と を備える装置。 2.シンチレーション事象の座標値がx座標値とy座標値とを有し、x座標が 結晶の軸横断方向視野に沿って位置し、y座標が前記結晶の軸方向視野に沿って 位置する請求項1に記載の装置。 3.補正値がxデルタ値とyデルタ値とを備え、xデルタが、ガンマ線が結晶 に実際に入るポイントと変換ポイントとの間で結晶の軸横断方向視野に沿った距 離であり、yデルタが、ガンマ線が結晶に実際に入るポイントと変換ポイントと の間で結晶の軸方向視野に沿った距離であり、変換ポイントは、ガンマ線が、結 晶内の光のパルスに変換される可能性が最も高い場所である請求項2に記載の装 置。 4.補正値のxデルタおよびyデルタが、ガンマ線の入射角およびガンマ線の エネルギー・レベルに依存する請求項3に記載の装置。 5.結晶がタリウムをドープした結晶質ヨウ化ナトリウムNaI(TI)を含 む請求項1に記載の装置。 6.同時画像形成の解像度を改善する装置で、 線源ポイントから生成され、180度離れて放射される一対のガンマ線を同時 に検出する、第1アドレス信号を生成する第1検出器と第2アドレス信号を生成 する第2検出器と、 第1検出器および第2検出器に接続され、第1検出器および第2検出器からそ れぞれ第1アドレス信号および第2アドレス信号を受信し、さらに、第1補正値 および第2補正値を生成して、それぞれ第1アドレス信号および第2アドレス信 号の結晶内面ずれを補正して画像処理および再構成に使用する補正第1アドレス 信号および補正第2アドレス信号を出力するコンピュータ・システムと を備える装置。 7.第1アドレス信号が、第1x値および第1y値を含み、第2アドレス信号 が第2x値および第2y値を含んで、第1x値が第1検出器の軸横断方向視野に 沿って位置し、第2x値が第2検出器の軸横断方向視野に沿って位置し、第1y 値が第1検出器の軸方向視野に沿って位置し、第2y値が第2検出器の軸方向視 野に沿って位置する請求項6に記載の装置。 8.第1補正値がx成分およびy成分を含み、したがってx成分が第1信号の 第1x値に加算され、y成分が第1信号の第1y値に加算され、第2補正値がx 成分およびy成分を含み、したがってx成分が第2信号の第2x値に加算され、 y成分が第2信号の第2y値に加算される請求項7に記載の装置。 9.第1補正値のx成分および第2補正値のx成分が、ガンマ線対のエネルギ ー・レベルと、第1検出器および第2検出器のそれぞれの軸横断方向視野に沿っ たガンマ線の対の入射角とに依存し、第1補正値のy成分および第2補正値のy 成分が、ガンマ線対のエネルギー・レベルと、第1検出器および第2検出器のそ れぞれの軸方向視野に沿ったガンマ線対の入射角とに依存する請求項8に記載の 装置。 10.結晶がタリウムをドープした結晶質ヨウ化ナトリウムNaI(TI)を 含む請求項6に記載の装置。 11.核カメラ・システムであって、 線源が生成し、コリメータを通過せずに入射した複数のガンマ線と相互作用す るよう配置された一対の結晶と、 それぞれの結晶対の一方と結合され、相互作用中に結晶のそれぞれから放射さ れる複数のフォトンに応答して、相互作用の座標値を記録する一対の検出器と、 検出器対に結合されて検出器のそれぞれから座標値を受信するプロセッサとを 備え、検出器のそれぞれからの座標値に応答して、プロセッサが、結晶内面ずれ によって生じた解像度の歪みを補正し、画像処理および再構成のために新しい座 標値を出力する核カメラ・システム。 12.結晶対のそれぞれが、タリウムをドープしたヨウ化ナトリウムNaI( TI)の層である請求項11に記載の核カメラ・システム。 13.プロセッサが、各座標値の補正値を生成し、次に補正値を座標値と組み 合わせることによって解像度の歪みを補正する請求項12に記載の核カメラ・シ ステム。 14.プロセッサによって生成された補正値が、複数のガンマ線のいずれかの 入射角およびエネルギー値の関数、結晶対の複数のパラメータ、および結晶対間 の距離である請求項13に記載の核カメラ・システム。 15.結晶対の複数パラメータが、結晶のそれぞれの厚さ、結晶のそれぞれの 質量減衰係数、結晶のそれぞれの密度、複数のガンマ線が結晶のそれぞれを通過 する運動の関数としての減衰、および結晶のそれぞれの軸方向および軸横断方向 視野を含む請求項14に記載の核カメラ・システム。 16.同時画像形成が可能な核カメラ・システムの解像度を増強する方法であ って、 (a)結晶の視野によって制限される角度の範囲内で入射角を有するガンマ線 を受信するステップと、 (b)シンチレーション事象を検出するステップと、 (c)シンチレーション事象の座標値を登録するステップと、 (d)補正値を生成して座標値の結晶内面ずれを補正するステップと、 (e)補正値を座標値と組み合わせて、ガンマ線が結晶に実際に入るポイント を決定するステップと を含む方法。 17.登録するステップ(c)が、 (i)結晶の軸横断方向視野に沿ってx座標値を登録するステップと、 (ii)結晶の軸方向視野に沿ってy座標値を登録するステップとを含む請求 項16に記載の方法。 18.生成するステップ(d)が、 (i)結晶の軸横断方向視野に沿って、ガンマ線が結晶に実際に入るポイント と変換ポイントとの間の距離であるxデルタ値を生成するステップを含み、変換 ポイントは、ガンマ線が結晶内の光のパルスに変換される可能性が最も高い場所 であり、さらに、 (ii)結晶の軸方向視野に沿って、ガンマ線が結晶に実際に入るポイントと 変換ポイントとの間の距離であるyデルタ値を生成するステップを含む請求項1 6に記載の方法。 19.xデルタを生成する(i)ステップが、 (i)結晶の軸横断方向視野に沿ってガンマ線の入射角を測定するステップと 、 (ii)結晶に垂直な面に投射された、ガンマ線と結晶との相互作用の平均深 さを決定するステップと、 (iii)相互作用の平均深さおよびガンマ線の入射角に依存するxデルタ値 を生成するステップを含む請求項18に記載の方法。 20.yデルタを生成する(i)ステップが、 (i)結晶の軸方向視野に沿ってガンマ線の入射角を測定するステップと、 (ii)結晶に対して垂直の面に投射された、ガンマ線と結晶との相互作用の 平均深さを決定するステップと、 (iii)相互作用の平均深さおよびガンマ線の入射角に依存するyデルタ値 を生成するステップを含む請求項18に記載の方法。 21.核カメラ・システムであって、 視野によって制限された角度の範囲内で入射角を有するガンマ線と相互作用す る結晶手段と、 結晶手段内のシンチレーション事象を検出し、シンチレーション事象の座標値 を登録する検出器手段と、 補正値を生成して座標値の結晶内面ずれを補正し、補正値を座標値と組み合わ せてガンマ線が結晶手段に実際に入るポイントを決定する補正手段と を備える核カメラ・システム。 22.検出器手段が、結晶手段の軸横断方向視野に沿ったx座標値と、結晶手 段の軸方向視野に沿ったy座標値とを有する座標値を登録する、請求項21に記 載の核カメラ・システム。 23.補正手段が、結晶手段の軸横断方向視野に沿って、ガンマ線が結晶手段 に実際に入るポイントと変換ポイントとの間の距離であるxデルタ値を生成し、 変換ポイントが、ガンマ線が結晶手段内の光のパルスに変換される可能性が最も 高い場所であり、補正手段が、結晶手段の軸方向視野に沿って、ガンマ線が結晶 手段に実際に入るポイントと変換ポイントとの間の距離であるyデルタ値を生成 する請求項21に記載の核カメラ・システム。 24.生成手段が、結晶手段の軸横断方向視野に沿ってガンマ線の入射角を測 定して、結晶手段に対して垂直の面に投射された、ガンマ線と結晶手段との相互 作用の平均深さを決定することによりxデルタ値を生成し、生成手段が、結晶手 段の軸方向視野に沿ってガンマ線の入射角を測定して、結晶手段に対して垂直の 面に投射された、ガンマ線と結晶手段との相互作用の平均深さを決定することに よってyデルタ値を生成する請求項23に記載の核カメラ・システム。
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