(57)【要約】【課題】よりロバスト且つスケーラブルにガンマ線の入射位置を決定することにある。【解決手段】本実施形態に係る陽電子放出撮像装置は、取得部と、決定部と、再構成部とを含む。取得部は、複数の検出素子で入射ガンマ線の位置およびエネルギーを表すＰＥＴデータを取得する。決定部は、入射ガンマ線が散乱する場合、前記ＰＥＴデータで表されるエネルギーの正数乗の逆数に基づき前記入射ガンマ線の位置の重み付けを行う逆エネルギー重み付けを用いて、前記入射ガンマ線の推定入射位置を決定する。再構成部は、前記推定入射位置を用いて画像を再構成する。【選択図】      図５
2020060545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の検出素子で入射ガンマ線の位置およびエネルギーを表すＰＥＴデータを取得する取得部と、
入射ガンマ線が散乱する場合、前記ＰＥＴデータで表されるエネルギーの正数乗の逆数に基づき前記入射ガンマ線の位置の重み付けを行う逆エネルギー重み付けを用いて、前記入射ガンマ線の推定入射位置を決定する決定部と、
前記推定入射位置を用いて画像を再構成する再構成部と、
を具備する陽電子放出撮像装置。
【請求項２】
前記決定部は、前記複数の検出素子のうち前記推定入射位置に最も近いシンチレータ結晶の断面領域を細分化し、前記推定入射位置を、前記推定入射位置への測定距離が最も短いサブ結晶の１つとして識別することによって、前記推定入射位置を決定する、請求項１に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項３】
前記決定部は、前記推定入射位置をサブ結晶の１つとして識別することは、仮想サブ結晶のそれぞれの中心から前記推定入射位置までのユークリッド距離である前記測定距離を用いて実行される、請求項２に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項４】
前記決定部は、検出時間ウィンドウ内に発生する前記複数の検出素子でのエネルギーにエネルギーしきい値を適用し、前記検出時間ウィンドウ内に検出された前記エネルギーの２つ以上が前記エネルギーしきい値を超えるときに散乱ガンマ線が検出されたことを決定し、
前記エネルギーしきい値を超える前記エネルギーに対応する検出素子の結晶位置への前記逆エネルギー重み付けの適用を足し合わせ、前記重み付けされた複数の結晶位置を合計することで、前記推定入射位置についての結晶位置の組合せを計算する、
請求項１に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項５】
前記正数乗は、ゼロから１０までの範囲の整数である、請求項１に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項６】
前記推定入射位置は、前記複数の検出素子の結晶グリッドが独立する小数点位置である、請求項２に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項７】
前記決定部は、仮想サブ結晶において前記最も近いシンチレータ結晶を細分化するか否かを決定するための細分化基準を適用することにより、前記推定入射位置を決定する、請求項２に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項８】
前記細分化基準は、前記ＰＥＴデータに関して、前記最も近いシンチレータ結晶に関する推定入射位置の数がカウントしきい値を超える場合、前記最も近いシンチレータ結晶が前記仮想サブ結晶に細分化されることを含む、請求項７に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項９】
前記入射ガンマ線が複数の散乱ガンマ線となるときよりも、前記入射ガンマ線が単一の散乱ガンマ線になる場合、最も近いシンチレータ結晶がより多くの仮想サブ結晶に細分化される、請求項２に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項１０】
前記逆エネルギー重み付けを計算するために用いられる前記エネルギーしきい値に関する最適値および指数ｐに関する最適値を、キャリブレーションデータを用いてキャリブレーションする較正部をさらに具備する、請求項４に記載の陽電子放出撮像装置。
【請求項１１】
複数の検出素子で入射ガンマ線の位置およびエネルギーを表すＰＥＴデータを取得し、
入射ガンマ線が散乱する場合、前記ＰＥＴデータで表されるエネルギーの正数乗の逆数に基づき前記入射ガンマ線の位置の重み付けを行う逆エネルギー重み付けを用いて、前記入射ガンマ線の推定入射位置を決定し、
前記推定入射位置を用いて画像を再構成する、陽電子放出撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽電子放出撮像装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
陽電子放出断層撮影（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＰＥＴ）撮像において、トレーサ物質が患者へと取り込まれ、係る物質の物理的且つ生体分子の特性により、トレーサ物質が患者の身体における特定の位置に集中する。係るトレーサは陽電子を放射し、陽電子が電子と衝突した場合に、ほぼ１８０度離れて移動する二本のガンマ線（５１１ｋｅＶ）を生み出し、消滅イベントの発生という結果になる。
【０００３】
ＰＥＴ撮像システムは、ガンマ線の同時計数ペアを検出するために、患者の周辺に位置した検出器を使用する。検出器の輪は、それぞれ角度から向かってくるガンマ線を検出するために使用することができる。この様にして、ＰＥＴスキャナは、等方性の放射線の捕捉を最大化するために、実質的に円筒形とすることができる。ＰＥＴスキャナは、数千の個別の結晶（例えば、ルテチウムオルトケイ酸塩（ＬＹＳＯ）、又はその他の発光する結晶）から成る場合がある。係る数千の個別の結晶は、個別のシンチレーションイベントから光パルスを計測するための光検出器とともに、モジュールにパッケージ化された二次元シンチレータアレイに配置される。例えば、シンチレータ結晶アレイの個別の素子からの光は、複数の光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）で共有されうるか、又はシンチレータ結晶アレイの素子と一対一の対応を有するシリコン光電子増倍管（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ：ＳｉＰＭ）により検出されうる。
【０００４】
光電子増倍管が光検出器として使用された場合に、発光する結晶素子と個別のＰＭＴとの間の相対的なジオメトリに基づいて、アンガーロジックを使用することができる。係る個別のＰＭＴは、光検出器により計測された相対的なパルスエネルギーを決定する。アンガーロジック／演算及びフラッドマップキャリブレートされたルックアップテーブルを使用することにより、結晶アレイ（つまり、結晶素子）におけるシンチレーションイベントが発生した位置を決定するために、ＰＭＴの相対的なパルスエネルギーが比較される。
【０００５】
トモグラフィー再構成の原理によってトレーサの時空間的分布を再構成するために、各検出されたイベントは、そのエネルギー（つまり生成された光の量）、位置、そしてタイミングについて特徴付けられる。二つのガンマ線を検出することにより、またそれら二つの位置の間に線、つまりＬＯＲ（Ｌｉｎｅ−ｏｆ−Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を引くことにより、オリジナルの消滅の可能性の高い位置を決定することができる。二つのガンマ線間の飛行時間（ＴＯＦ：ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）に基づいた消滅イベントに対するＬＯＲに沿った統計的な分布を決定するために、タイミング情報を使用することもできる。当該処理は、可能性のある相互作用の線を識別することのみであるけれども、これらの線を数多く蓄積することにより、トモグラフィー再構成処理を通して、オリジナルの分布を推定することができる。
【０００６】
単一光子放射コンピュータ断層撮影法（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＳＰＥＣＴ）は、個別の検出器素子（例えば、シンチレータ結晶アレイにおける個別の素子）上のガンマ線入射の立体角を制限するためにコリメータが使用され、ＬＯＲを決定するために同時計数を必要とすることとは違って、単一のガンマ線検出イベントを使用して再構成を可能にするという点を除き、ＰＥＴと同様である。
【０００７】
ＰＥＴ及びＳＰＥＣＴ撮像の両方は、ガンマ線が検出された位置を決定するという能力に依存する。しかし、散乱イベントは、散乱したガンマ線が残りのエネルギーを一つ又は複数のその他の結晶素子において堆積させながら、ガンマ線エネルギーの一部が最初に入射した検出結晶素子において堆積させるという結果になることがあり、どの結晶素子がガンマ線が最初に入射した検出素子であるかに関して曖昧さを生んでしまう。解決すべき位置補正、つまり推定位置の決定における従来的な方法は、少なくとも二つの短所がある。第一に、従来法は、単一の散乱イベント（つまり、ガンマ線エネルギーが一回だけ散乱し、結果的にエネルギーは二つの結晶素子のみで蓄積される）に拘束されるということである。第二に、二つの結晶素子がガンマ線からのほぼ等しいエネルギーを有する場合に、従来法だと失敗することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４６５９９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、ガンマ線がガンマ検出器／カメラにおける複数のシンチレータ結晶素子中に散乱／シェアされた場合に、よりロバスト且つスケーラブルにガンマ線の入射位置を決定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態に係る陽電子放出撮像装置は、取得部と、決定部と、再構成部とを含む。取得部は、複数の検出素子で入射ガンマ線の位置およびエネルギーを表すＰＥＴデータを取得する。決定部は、入射ガンマ線が散乱する場合、前記ＰＥＴデータで表されるエネルギーの正数乗の逆数に基づき前記入射ガンマ線の位置の重み付けを行う逆エネルギー重み付けを用いて、前記入射ガンマ線の推定入射位置を決定する。再構成部は、前記推定入射位置を用いて画像を再構成する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、コンプトン散乱の図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、コンプトン散乱に対する散乱角度の関数として散乱電子及びガンマ線（光子）エネルギーのプロットを示す。
【図２】図２は、一実装例に係るコンプトン散乱に対する散乱角度の関数として散乱横断面のプロットを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、一実装例に係る単一の結晶ブロック及び光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ｔｕｂｅｓ：ＰＭＴ）を有するガンマ線検出器モジュールの図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、一実装例に係るシンチレータ素子のアレイとして配置された結晶のブロックを有し、光検出器としてＰＭＴを使用する、ガンマ線検出器モジュールの図を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、一実装例に係るシンチレータ素子のアレイとして配置された結晶を有し、光検出器としてシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を使用する、ガンマ線検出器モジュールの図を示す。
【図４】図４は、一実装例に係る第一の結晶及び第二の結晶それぞれから、二つのエネルギー信号をもたらすコンプトン散乱の例を示す。
【図５】図５は、一実装例に係る、散乱が発生してから位置計測を補正し、補正された陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）データから画像を再構成する方法のフローチャートを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、一実装例に係る位置計測を補正するための結合法を使用して取得された分解能のプロット図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、一実装例に係る単一の散乱イベントに対応する位置計測を補正するために、最も近い結晶中心へと補正された位置を取り巻く、逆エネルギー重み付け法を使用して取得された分解能のプロット図を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、一実装例に係る単一の散乱イベントに対応する位置計測を補正するために、小数点位置を補正された位置として使用する逆エネルギー重み付け法を使用して取得された解分解能のプロット図を示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、一実装例に係る２次の散乱イベントに対応する位置計測を補正するために、小数点位置を補正された位置として使用する逆エネルギー重み付け法を使用して取得された分解能のプロット図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、一実装例に係るＰＥＴスキャナの外観図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、一実装例に係るＰＥＴスキャナの外観図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ガンマ線検出器における陽電子の検出に関し、より具体的には、例えば医用撮像のための陽電子放出断層撮影（ｐｏｓｉｔｒｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＰＥＴ）スキャナ及び単一光子放射断層撮影（single-photon emission computed tomography: SPECT）スキャナにおける、コンプトン散乱の存在下での改善された位置検出に関する。
【００１３】
上述の通り、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）又は単一光子放射コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）を使用する画像再構成の確度は、検出点を決定することができる分解能及び確度に依存する。散乱が何も発生しない場合に、この分解能はシンチレータ結晶のアレイ素子（つまりシンチレータ結晶のアレイにおける、それぞれ光学的に分離した結晶の横断面エリア）のサイズにより典型的に制約を受ける。しかし、ＰＥＴ検出器におけるガンマ線の散乱は、結晶アレイにおける複数の結晶に蓄積されているガンマ線のエネルギーの一部という結果になることがあり、このことはガンマ線の入射点を決定することができる確度を減らすこととなり、分解能が制限される。コンプトン散乱において、ガンマ線（光子）は、荷電（帯電）した粒子（一つの結晶の原子の殻における電子）と相互作用する。光子からのエネルギー及び運動量の一部は、角度φで原子から光子を取り出し、且つ角度θで散乱させる、より低いガンマ線（光子）を生じさせて、電子に変換される。
【００１４】
次に図面を参照しながら、参照番号が数枚の図にわたって同一又は対応する部分を指し示す。図１は、散乱前の入ってくるガンマ線、散乱後の出ていくガンマ線、そして散乱した電子のエネルギー及び運動量の関係を示す。角度φ及びθは、散乱がエネルギー及び運動量保存の法則に従うという事実により、決定される。散乱した電子のエネルギーは、第一の結晶に蓄積される。その上、残りのエネルギーは、出ていくガンマ線により運び出される。結果として、単一の散乱イベントのみが存在する場合に、出ていくガンマ線のエネルギーは、光電子吸収によって、出ていくガンマ線のエネルギーを第二の光子へと変換することで（例えば、光学、紫外線、赤外線スペクトルの波長と共に）第二の結晶に蓄積される。一般的に、これらのエネルギーは、「コンプトンシフト」により関連付けられる。「コンプトンシフト」とは、出ていくガンマ線と入ってくるガンマ線との間の波長差であり、次の式（１）によって与えられる。
【００１５】
【数１】
2020060545.tif 000003
【００１６】
ここでλは初期波長、λ’は散乱後の波長、そしてｈはプランク定数、ｍは電子静止質量、ｃは光の速度、θはガンマ線の散乱角度である。エネルギーは、プランク定数ｈ、つまりＥ＝ｈ／λにより波長と反比例する。図１Ｂは、初期のガンマ線光子エネルギーが５１１ｋｅＶであると仮定して、散乱した光子エネルギー及び電子エネルギーの関係を散乱角度の関数として示す。
【００１７】
図２は、散乱角度θの関数としてコンプトン散乱横断面ｄσ／ｄθに対するプロットの限定されない例を示す。係る散乱横断面ｄσ／ｄθは、大きな散乱角度に比べて、小さな散乱角度θで典型的により大きくなり、第二の結晶とは対照的に、蓄積されたエネルギーのより少ない量を有する結晶が第一の結晶となる可能性をより高くする。この様にして、二番目に高いエネルギー蓄積を有する結晶であるとして、ガンマ線の入射点／検出点を推定するために、二番目に高い信号方法（Second Highest Signal Algorithm）を使用することができる。つまり、平均して、電子は散乱した光子に比べてより低いエネルギーを帯びている。従って、散乱の最も高い可能性に基づいて、「二番目に高い信号方法」とも呼ばれるガンマ線の入射点（結晶ＩＤ）を識別するために、より低いエネルギー蓄積を有する結晶を使用することができる。
【００１８】
単一の散乱イベントにおいて、二番目に高いエネルギーに比べてより少ないエネルギーを検出する検出器は、（例えば、シンチレータ結晶間及び／又は結晶と検出器素子との間に配置された光ガイドの不完全な光シールディングが原因で）不慮の光共有が原因であるかもしれない。二番目に高い方法は、多重散乱イベントを処理するために備えられていない。下記で述べられる通り、多重散乱（例えば、第二次及びより高次の散乱）の原因を説明するための方法に対して、エネルギーしきい値は、電荷／光共有、ノイズ、又はエネルギーしきい値を下回るその他の交絡信号から結果として生じる検出器チャネルでのパルスからの散乱ガンマ線から生じる異なるパルスエネルギーに適用することができる。
【００１９】
上記の通り、図２は、任意のユニットにおけるコンプトン散乱横断面ｄσ／ｄΩを、第一（第二）の結晶に蓄積された規格化されたエネルギーＥ１（Ｅ２）と共に示す。一つの結晶におけるエネルギーがガンマ線の総５１１ｋｅＶエネルギーの約３７％（つまり領域I）を下回る限り、二番目に高い信号法は正しい結果を与えることだろう。しかし、図２にも示されている通り、二番目に高い信号が総エネルギーの３７％を上回る場合に、曖昧さが生じる。その曖昧さとは、散乱イベントは、二番目に高い信号がオリジナルのガンマ線の入射点に対応する領域IIに相当するものなのか、或いは第一の最も高い信号がオリジナルのガンマ線の入射点に対応し且つ二番目に高い方法が落ち込む領域IIIに相当するかどうかである。従って、二番目に高い信号法は、散乱した光子が電子と同様のエネルギーを有する領域II及び領域IIIの間の曖昧さに支配されるということである。誤認を減らす一つの方法として、エネルギーしきい値を使用する連結法を使用することであり、二番目に高い信号法がこのしきい値に比べてより高い場合に、第二のより高い信号というよりも、最も高い信号に対応する結晶は、オリジナルの一次ガンマ線が検出器へと入射した結晶（ＩＤ）として特定される。そうでなければ、二番目に高い信号に対応する結晶は、二番目に高い信号法と同じ様に結晶ＩＤとして特定される。
【００２０】
連結法も二番目に高い信号もどちらも、多重散乱イベントを処理するために備えられていない。
【００２１】
ここに説明された方法は、もう一つのアプローチを使用する、つまり逆エネルギー重み付けである。逆重み付けは、二番目に高い信号及び連結法を知らせる上記見識の多くに依存するが、逆重み付け法は、よりシンプル且つよりロバストなアプローチを適用し、入射ガンマ線からのエネルギーが多重散乱イベントをもたらし、三つ以上の結晶においてガンマ線エネルギーが蓄積する、多重散乱検出イベントに一般化することができる。更に、逆エネルギー重み付けは、推定の確度を改善するために、結晶ＩＤに対する小数点位置の使用又はサブ結晶ＩＤの使用、のどちらかを適用することができる。ここで、「小数点」位置とは、その位置が、最も近い結晶（例えば、最も近い結晶の中心）に取り巻いているもの、又は次に述べる通り仮想的なサブ結晶（仮想サブ結晶）に取り巻いているものから独立することができる。つまり、特定の実行例において、推定された位置は、結晶に基づいた離散化したグリッドに対して、又は仮想サブ結晶への結晶の細分化に対して丸められているが、その他の実行例においてはグリッドするよう離散化されたこととは対照的に、推定された位置は任意の実数（つまり、「小数点」位置）とすることができる。
【００２２】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、幾つかの実行例に従ってガンマ線検出器（「ガンマカメラ」とも呼ばれる）を示す。図３Ａにおいて、シンチレータ結晶は、単一のモノリシックブロックであり、光検出器のアレイによって検出することができる、第二の光子へとガンマ線光子を変換するシンチレーションイベントの位置は、光電子倍増管（ＰＭＴ）としてここでは示される。係るシンチレーションイベントの位置は、アンガーロジックを使用して決定することができる。
【００２３】
図３Ｂにおいて、シンチレータは、別個の結晶の周期的なアレイに分けられた状態へと切り分けられ、且つ結晶アレイの個別の素子間の反射壁によって光学的に分離されている。光検出器がＰＭＴの場合に、ＰＭＴ間の光共有は、結晶を出た後に発生し、シンチレーションイベントは、アンガーロジックを使用してシンチレータアレイの個別の素子間で区別することができる。アンガーロジックは、おおよその位置を決定するために、ＰＭＴ信号中の割合を使用し、その後フラッドマップキャリブレーションは、これらおおよその位置を、結晶アレイの個別の指数へとマップするルックアップテーブルを生成するために使用することができる。
【００２４】
図３Ｃにおいて、各結晶素子からの光は、個別のシリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）によって検出される。それぞれの光検出器を有する各結晶を用いて、光検出器中の光共有を減らすことができる。更に、それぞれの光検出器を有する各結晶は、単一の検出モジュール（例えば、近くの結晶間のコンプトン散乱を区別すること）における異なる結晶で発生する同時シンチレーションイベント間の区別を可能にすることにより、分解能の向上をもたらす。
【００２５】
長年にわたり、ＰＥＴに対して最も一般的に使用された光子検出器は、ＰＭＴであった。ＰＭＴは、印加された電界を通して加速され、ダイノードのカスケードと相互作用することで増幅された、入ってくる光の光電子への変換を許容する、仕事関数を備える光電陰極材料を有する真空管である。結果的な電流は、初期的なシンチレーション光子の数と比例しており、従ってＰＥＴ光子によるシンチレーション結晶に蓄積されたエネルギーと比例する。
【００２６】
シンチレータブロックをセグメントすることにより（例えば、多くの小さなＳｉＰＭを使用する、又は位置敏感ＰＭＴの特性を生かす、例えばアンガーロジックを使用して）、光子検出の位置を決定することができる。図３Ｂ及び３Ｃで、サイズにおいて数ミリメートルである小さな個別のシンチレーション結晶は、多重光検出器へと結合されうるブロック／モジュールにびっしりと詰められている。
【００２７】
図４は、第一の結晶におけるコンプトン散乱を経た入射ガンマ線が、第二の結晶において蓄積されている残りのエネルギーという結果になる、非限定例を示す。第一及び第二の結晶は、その後第一及び第二のエネルギー信号を生成する対応するＳｉＰＭでの光電子吸収を用いて、個別に第二の光子を生み出す。図１Ｂと一致して、散乱角度は小さく、また第一のエネルギー信号におけるエネルギーは、第二のエネルギー信号におけるエネルギーと比べて小さい。
【００２８】
図５は、ＰＥＴスキャナから放射データを処理するための方法２００のフローチャートの非限定例を示す。
【００２９】
方法２００のステップ２１０において、例えばプロセッサの取得機能により、光検出器からの信号は、ＰＥＴデータ２０５として取得される。ＰＥＴデータ２０５は、複数の検出素子での入射ガンマ線の位置およびエネルギーを表す。特定の実行例において、ガンマ検出器における全ての結晶に対する光信号は、光／信号共有を減らすために分離され、各検出器素子は、生成された電荷／電流を個別に読み出す個別のＳｉＰＭを有する。
【００３０】
方法２００のステップ２２０において、すぐ近くの結晶からの所定の時間ウィンドウ内における信号は、散乱したイベントへとグループ分けされる。各信号は、その結晶（中心）位置及びエネルギーを有する、つまりＸｉ→及びＥiである。以下、上付きの矢印は、ベクトルを示す。
特定の実行例において、例えばプロセッサの決定機能により、所定の時間ウィンドウ内で検出された複数のエネルギーが所定のしきい値Ｅｍｉｎに比べてより高いエネルギーである場合、散乱ガンマ線が検出されたと決定される。なお、しきい値Ｅｍｉｎは、イベントの位置を推定するために使用されるようにして、個別の検出器素子からの信号に適用される。
【００３１】
方法２００のステップ２３０において、例えばプロセッサの決定機能により、入射ガンマ線の初期相互作用点は、逆エネルギー重み付けを使用して推定することができる。言い換えれば、逆エネルギー重み付けを用いて入射ガンマ線の推定入射位置を決定する。重みは、正の実数である指数ｐ（例えば、０〜１０までの範囲における整数）まで引き上げられた逆エネルギーである。従って、入射ガンマ線の初期相互作用点は、次の式（２）によって推定することができる。
【００３２】
【数２】
2020060545.tif 000004
【００３３】
ここでＸｉ→はｉ番目の結晶素子の位置、Ｅｉはｉ番目の結晶素子の計測されたエネルギー、そしてＥｉＰは、エネルギーＥｉを、正の実数である指数ｐで累乗することにより得られるエネルギーである。計測されたエネルギーＥｉは、例えば検出器素子によって計測された生エネルギーとすることができる。代わりに、計測されたエネルギーＥｉは、計測されたエネルギーに対する生データから導出された、較正された／補正された値とすることができる。つまり、計測されたエネルギーＥｉは、キャリブレートされた及び／又は補正された、前又は後の生データのどちらかに計測されたエネルギー値とすることができる。
【００３４】
方法２００のステップ２４０において、例えばプロセッサの再構成機能により、画像２５０は、推定入射位置が決定されたＰＥＴデータから再構成される。係る画像再構成は、当業者に理解されている通りの方法に基づいたリストモード又はサイノグラムを使用して実行することができる。更に、画像再構成は、逆投影法、フィルタ補正逆投影法、フーリエ変換ベースの画像再構成法、逐次画像再構成法、マトリクス逆画像再構成法、統計的画像再構成法を使用して、又はデータ忠実項（例えば、対数尤度ベースのデータ忠実項）及び正則化項（例えば、全変分最小化又はエッジ保存正則化）を有する目的関数を最適化することにより、実行することができる。
【００３５】
特定の実行例において、再構成アルゴリズムは、粗い粒子のカウントが結晶中心に存在するだろうと仮定する。この場合に、Ｘ→は最も近い結晶中心へと丸めることができる。
【００３６】
特定の実行例において、再構成アルゴリズムは、サブ結晶分解能を使用して適用することができる。例えば、プロセッサの決定機能により、結晶素子は、より細かい分解能を提供するために、結晶の断面領域を、例えば四分の一に細分化することができ、またより細かいサブ結晶ＩＤへと細分化し、入射ガンマ線の推定入射位置への測定距離が最も短い（近い）サブ結晶ＩＤとして識別することで、結晶ＩＤを丸めるまたは変換することができ、推定入射位置を決定することができる。測定距離は例えば、仮想サブ結晶のそれぞれの中心から推定入射位置までのユークリッド距離である。当該方法を用いて、スキャナはより小さい、仮想的な結晶として取り扱うことができる。イベント位置における不確実性に依存して、４×４ｍｍの結晶は、四つの２×２ｍｍの結晶又は十六個の１×１ｍｍ結晶へ（或いは更にもっと）分割することができる。
【００３７】
サブ結晶ＩＤによりもたらされるより細かい分解能を使用して画像再構成が実行された場合に、画像再構成アルゴリズムは、物理的な結晶サイズがまるで小さいかのように、仮想結晶及び再構成画像のより小さなサイズに基づいたシステムモデルを使用することが可能である。別のアプローチは、正確に推定されたイベント位置（つまり、小数位置／点）を使用して画像を再構成するために、リストモード再構成フレームワークを使用することである。
【００３８】
特定の実行例において、再構成アルゴリズムは、最も近い結晶中心又はサブ結晶ＩＤに対して丸めることなく、位置Ｘ→に対する小数位置を使用してもよい。例えば、リストモード再構成におけるＸ→に対して計算された正確な値は、再構成において使用することができる。
【００３９】
その上、ＰＥＴデータ処理及び画像再構成ワークフローにおける様々な処理は、結晶及びサブ結晶レベルで様々に実行することができる。つまり、同じ分解能（例えば、結晶対サブ結晶分解能）を使用して全ての処理を実行する必要はない、ということである。更に、ＰＥＴスキャナにおける様々な検出器素子にわたる統計的／カウントレートの変化に基づいて、幾つかの検出器素子は、その他（例えば、より低いカウント、又はより乏しい統計を有する）が結晶レベルでの分解能がある一方で、サブ結晶レベルでの分解能がある。
【００４０】
よって、仮想サブ結晶において最も近いシンチレータ結晶を細分化するか否かを決定するための細分化基準を設けてもよい。この理由は、例えば、ポアソンカウンティング統計における標準偏差は、カウントされた光子（即ちガンマ線）の平均数の平方根である。従って、一端的に同時計数カウント数の低いＰＥＴスキャナの端に近い検出器素子について、結晶素子を、サブ結晶のうちの、カウントの対応細区分を含むサブ結晶に細分化することは、信号対ノイズ比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を低下させる可能性がある。その為、これらのエッジ検出器結晶に対して結晶をサブ結晶ＩＤへと細分化しない方が有利であるともいえる。また、多数のカウントを有するＰＥＴスキャナのより中心に近い結晶に対しては、ＳＮＲにおける変化は、サブ結晶ＩＤへと細分化することにより提供された空間的な精度の増加が原因で、画質に対する改善を顕著に認めるほどではないことがある。その為、所定の再構成において異なるアプローチは、ＰＥＴスキャナ全体にわたり位置する異なる結晶に対応する同時計数カウント及び位置計測に対して適応することができる。結果的に、結晶内で様々な領域へと分割されるべき検出器ペアでの十分なカウントがある場合において、画質は改善することが見込まれる。
【００４１】
特定の実行例において、結晶効率正規化は、ジオメトリックな正規化がより小さな結晶サイズ（例えば、サブ結晶ＩＤ）に基づくことができる一方で、オリジナルの結晶サイズを使用することがある。これは、全ての小さな仮想結晶は単一で、より大きな物理的な結晶の部分である制約を組み込むことがある。
【００４２】
特定の実行例において、細分化基準は、最も近いシンチレータ結晶に関する推定入射位置でのカウント数が、しきい値（カウントしきい値ともいう）を超える場合、最も近いシンチレータ結晶が仮想サブ結晶に細分化されるという基準であってもよい。つまり、所定のカウント数に比べてより多く記録された結晶に対して、より小さな仮想結晶（例えば、サブ結晶ＩＤ）を使用し、且つその他の結晶に対して完全な（フルの）結晶サイズを使用することを含む。当該アプローチにおいて再構成法は、位置の確実性改善を最大限活用するために、可変の結晶サイズを考慮するための柔軟なシステムモデルを使用する。
【００４３】
その上、散乱の異なる次数は、異なる統計的な特性を有することになる。例えば、第一次（つまり、一度散乱しているガンマ線）は、第二次散乱（つまり、二度散乱しているガンマ線）及びより高次の散乱に比べて、より頻繁に発生する。この様にして、ＳＮＲを犠牲にすることなく、結晶は、より高次の散乱ができることに比べて、位置計測を決定するためにより小さな（より多くの）仮想のサブ結晶へと細分化することができる。その為、特定の実行例において、位置決定は、第一次散乱の位置を決定するための仮想サブ結晶のより細かい分解能と、第二次そしてより高次の散乱の位置を決定するための仮想サブ結晶のより粗い分解能と、を使用して実行される。例えば、より高次散乱の全てで結晶を細分化することなく、結晶は第一次散乱を決定するための４×４グリッドを使用する細分化とすることができ、また結晶は第二次散乱を決定するための２×２グリッドを使用する細分化とすることができる。つまり、決定された位置Ｘ→に対して最も近いシンチレータ結晶は、結晶が多重の散乱イベント（つまり、第二次そしてより高次の散乱）に対するのに比べて単一の散乱イベント（つまり、第一次散乱）に対するより多くの仮想サブ結晶へと細分化される、言い換えれば、最も近いサブ結晶へと丸められる。
【００４４】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、連結アルゴリズムを逆重み付けアルゴリズムと比較しながら、分解能結果を示す。これらの分解能結果は、Ｅｍｉｎ＝８０ｋｅＶの最小エネルギーしきい値及び４．１４×４．１４×２０ｍｍ３の結晶サイズを使用する、コリメートされた５１１ｋｅＶガンマ源を使用して生成されたものである。図６Ａは、連結アルゴリズムに対して、半径ｒ＝√（ｘ２＋ｙ２）と同様に、Ｘ方向及びＹ方向における二乗平均平方根（ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ：ＲＭＳ）の誤差を示す。これは、第一の結晶が二番目に大きな信号方法によって決定された、しきい値エネルギーを下回る関数として描かれている。同様に、図６Ｂは、決定された位置が最も近い結晶の位置に対して丸められる場合に、逆重み付け法が単一の散乱イベントに対して適用されたときのＲＭＳ誤差を示す。逆エネルギー重みは、横軸上に表示された重み指数として示されている指数ｐにまで引き上げられる。図６Ａ及び６Ｂを比較することで分かる通り、逆重み付け法はよりシンプル且つよりロバストなだけでなく、約ｐ≒２の指数で発生する検出器素子のこの特定の配置に対する最適な分解能を伴い、連結アルゴリズムに比べてより良い分解能も生み出す。図６Ｃは、図６Ｂの最も近い結晶に対して丸めることとは対照的に、検出位置に対する小数値を使用して更に改善された分解能を示す。検出器素子のこの特定の配置に対する最適な分解能は、約ｐ≒１．５の指数で発生する。図６Ｄは、より高次の散乱、つまり三つの結晶が８０ｋｅＶの最小しきい値に比べてより大きなエネルギーを記録する場合に対する分解能を示す。連結法は、より高次の散乱を処理するよう備えられていないので、連結法についての比較には意味がない。当然、より高次の散乱に対する分解能は、第一次散乱に比べて僅かに乏しいが、半径に対して６．５ｍｍＲＭＳは、連結アルゴリズムを使用する第一次散乱に対して達成された５．５ｍｍの分解能に近い。
【００４５】
更に、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、分解能が逆エネルギー重み付けが引き上げられた指数ｐの選択により影響を受けることがあることを示す。つまり、指数ｐに対する最適値は、例えばプロセッサの較正機能により、キャリブレーションデータを用いたキャリブレーションを通して、経験的に決定することができる。同様に、最小エネルギーしきい値Ｅｍｉｎに対する最適値も、キャリブレーションデータを用いたキャリブレーションを通して経験的に決定することができる。
【００４６】
図７Ａ及び図７Ｂは、方法２００を実行することができるＰＥＴスキャナ８００の非限定例を示す。当該ＰＥＴスキャナ８００は、長方形の検出器モジュールとしてそれぞれが構成された、多数ガンマ線検出器（ｇａｍｍａ−ｒａｙ  ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ：ＧＲＤｓ）（例えば、ＧＲＤ１、ＧＲＤ２からＧＲＤＮまで）を含むＰＥＴスキャナ８００を含む。一実行例に従って、検出器リングは、４０個のＧＲＤを含む。別の実行例では、ＧＲＤが４８個存在するものもあり、そしてＰＥＴスキャナ８００に対しより大きなボアサイズを作るために、さらに多くの数のＧＲＤが使用される。
【００４７】
各ＧＲＤは、ガンマ線を吸収し且つシンチレーション光子を放出する、個別の検出器結晶の二次元アレイを含む場合がある。シンチレーション光子は、こちらもＧＲＤ内に配置された光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）の二次元アレイによって検出することができる。検出器結晶のアレイとＰＭＴとの間にライトガイドを設けることが可能である。
【００４８】
代わりに、シンチレーション光子は、シリコン光電子倍増管（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ：ＳｉＰＭ）のアレイにより検出することができ、各個別の検出器結晶は、個別のＳｉＰＭを有することがある。
【００４９】
各光検出器（例えば、ＰＭＴ又はＳｉＰＭ）は、シンチレーションイベントが発生した時を示すアナログ信号と、検出イベントを生み出しているガンマ線のエネルギーと、を作り出すことができる。その上、一つの検出器結晶から放出された光子は、一つ以上の光検出器によって検出される可能性があり、また、各光検出器で生み出されたアナログ信号に基づいて、検出イベントに対応する検出器結晶は、例えばアンガーロジック及び結晶デコードを使って決定することができる。
【００５０】
図７Ｂは、被検体ＯＢＪから放出されたガンマ線を検出するために配置された、ガンマ線（γ線）光子計数検出器（ＧＲＤ）を有するＰＥＴスキャナシステムの概略図を示す。当該ＧＲＤは、そして各ガンマ線検出に対応する、タイミング、位置、そしてエネルギーを測定することが可能である。一実行例において、ガンマ線検出器は、図７Ａ及び図７Ｂに示されている様に、リング状に配置されている。検出器結晶は、シンチレータ結晶とすることができる。係るシンチレータ結晶は、二次元アレイに配置された個別のシンチレータ素子を有し、当該シンチレータ素子は任意の公知のシンチレートする物質とすることができる。ＰＭＴは、アンガー計算及びシンチレーションイベントの結晶デコーディングを可能にするために、各シンチレータ素子からの光が多重ＰＭＴによって検出されるようにして配置されてもよい。
【００５１】
図７Ｂは、ＰＥＴスキャナ８００の配置例を示しており、図７Ｂには、天板８１６に横たわる画像化される予定の被検体ＯＢＪと、被検体周辺及び天板８１６を囲うように配置されたＧＲＤ１からＧＲＤＮまでのＧＲＤモジュールと、がある。ＧＲＤは、ガントリ８４０に固定して接続された円形構成要素８２０に固定して接続されている場合がある。ガントリ８４０は、ＰＥＴ撮像装置のいくつもの部分を格納する。ＰＥＴ撮像装置のガントリ８４０は、被検体ＯＢＪと天板８１６とが通過できるような開口と、ＧＲＤによって検出可能な消滅イベントのために被検体ＯＢＪから反対方向に放出されるガンマ線と、ガンマ線のペアについての同時計数を決定するために使用することが可能なタイミング及びエネルギー情報と、を含む。
【００５２】
図７Ｂにおいて、ガンマ線検出データの収集、格納、処理、そして分配用の回路及びハードウェアも示される。回路とハードウェアとは、プロセッサ８７０、ネットワークコントローラ８７４、メモリ８７８、そしてデータ取得システム（ＤＡＳ）８７６とを含む。ＰＥＴ撮像装置は、ＧＲＤからの検出測定結果をＤＡＳ８７６、プロセッサ８７０、メモリ８７８、ネットワークコントローラ８７４へ送信するデータチャネルも含む。データ取得システム８７６は、検出器からの検出データの取得、デジタル処理、そして送信を制御することができる。一実行例において、ＤＡＳ８７６は、寝台の天板８１６の移動を制御する。プロセッサ８７０は、ここで述べられたような、検出データからの画像再構成、検出データの前再構成処理、画像データの後再構成処理等、を含む機能を実行する。
【００５３】
なお、プロセッサ８７０は、ここに述べられた方法２００及びそれらの変形例の様々なステップを実行するよう構成することができる。具体的には、プロセッサ８７０は、取得機能、決定機能、再構成機能及び校正機能を含む。プロセッサ８７０は、これらの機能を実行することにより、各項目で説明した機能を実行してもよい。プロセッサ８７０は、特定用途向け集積回路(ＡＳＩＣ)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(ＦＰＧＡ)、又はその他の複合プログラマブル論理デバイス(ＣＰＬＤ)など、個々の論理ゲートとして実行可能な、ＣＰＵ（中央演算処理装置）を備えることができる。ＦＰＧＡ又はＣＰＬＤ実行は、ＶＨＤＬ、ベリログ、又は任意のその他のハードウェア記述言語でコード化されていてもよく、そして当該コードはＦＰＧＡ又はＣＰＬＤにおいて直接電子メモリ内に格納されてもよいし、或いは別箇の電子メモリとして格納されてもよい。更に、メモリは、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）、又はフラッシュメモリ等の不揮発性であってもよい。そしてメモリは、静的又は動的ＲＡＭなど揮発性でもよく、電子メモリの他にもＦＰＧＡ又はＣＰＬＤとメモリとの間の相互作用を管理するためのマイクロコントローラやマイクロプロセッサなどプロセッサが提供されていてもよい。
【００５４】
以上に示した本実施形態によれば、エネルギーの正数乗の逆数による重み付けを行う逆エネルギー重み付けによって、入射ガンマ線の入射位置を推定した推定入射位置を決定することで、エネルギーが大きいほど推定する重心位置への寄与が小さくなり、散乱ガンマ線が検出された位置でのエネルギーよりも入射ガンマ線が検出された位置でのエネルギーが小さいという状態を考慮した重み付けを実施できる。よって、よりシンプル且つよりロバストなアプローチで、入射ガンマ線からのエネルギーが多重散乱して検出される状況においても、入射位置の推定を一般化することができ、推定精度を改善することができる。
さらに、結晶を仮想的に細分化した仮想サブ結晶ＩＤによって推定入射位置をすることで、通常であれば結晶の縁側に入射したガンマ線の検出位置も当該結晶の中心に入射したものとしてみなされるものに対しても、縁側に入射したガンマ線の検出位置を、結晶を分割した仮想サブ結晶ＩＤで割り当てることができ、入射位置の推定精度をさらに改善することができる。
【００５５】
なお、代替的に、プロセッサ８７０におけるＣＰＵは、方法２００の様々なステップを実行するコンピュータ読み取り可能命令のセットを含んでいるコンピュータプログラムを実行することができ、当該コンピュータプログラムは、任意の上述の非一時的電子メモリ及び／又はハードディスクドライブ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＦＬＡＳＨドライブ、又はその他の任意の公知の格納媒体に格納されている。更に、当該コンピュータ読み取り可能命令は、ユーティリティアプリケーション、バックグラウンドデーモン、又はオペレーティングシステムの構成要素、又はそれらの組み合わせで提供されてもよく、米国Ｉｎｔｅｌ（登録商標）社からのＸｅｎｏｎ（登録商標）プロセッサ又は米国ＡＭＤ社からのＯｐｔｅｒｏｎプロセッサ等のプロセッサと、またＭｉｃｒｏｓｏｆｔ  ＶＩＳＴＡ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、Ｓｏｌａｒｉｓ、ＬＩＮＵＸ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ（登録商標）、ＭＡＣ−ＯＳなどのオペレーティングシステムや、当業者にとっては公知のその他オペレーティングシステムがプロセッサと一体となって実行する。さらに、ＣＰＵは、命令を実行するために並行して協同的に動作する、マルチプルプロセッサとして実行されてもよい。
【００５６】
メモリ８７８は、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、ＦＬＡＳＨドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、又は当業者にとって公知のその他の電子格納メディアであってもよい。
【００５７】
米国Ｉｎｔｅｌ社からのインテルイーサネット（登録商標）ＰＲＯネットワークインターフェースカードなど、ネットワークコントローラ８７４は、ＰＥＴ撮像装置の様々な部分間とインターフェースを取ることが可能である。加えて、ネットワークコントローラ８７４は、外部ネットワークとインターフェースを取ることもできる。理解されている通り、外部ネットワークは、インターネットなど公衆ネットワークや、ＬＡＮまたはＷＡＮネットワークなど私的ネットワークや、これらの任意の組み合わせでもよく、ＰＳＴＮまたはＩＳＤＮサブネットワークを含んでもよい。外部ネットワークは、イーサネットワークのように有線で接続されていてもよいし、またはＥＤＧＥや３Ｇ、４Ｇなどの無線セルラーシステムを含むセルラーネットワークのような無線でもよい。また無線ネットワークは、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、または任意のその他の公知の通信の無線方式であってもよい。
【００５８】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００５９】
８００  ＰＥＴスキャナ
８１６  天板
８２０  円形構成要素
８４０  ガントリ
８７０  プロセッサ
８７４  ネットワークコントローラ
８７６  データ取得システム（ＤＡＳ）
８７８  メモリ
【図１Ａ】
2020060545.tif 000005
【図１Ｂ】
2020060545.tif 000006
【図２】
2020060545.tif 000007
【図３Ａ】
2020060545.tif 000008
【図３Ｂ】
2020060545.tif 000009
【図３Ｃ】
2020060545.tif 000010
【図４】
2020060545.tif 000011
【図５】
2020060545.tif 000012
【図６Ａ】
2020060545.tif 000013
【図６Ｂ】
2020060545.tif 000014
【図６Ｃ】
2020060545.tif 000015
【図６Ｄ】
2020060545.tif 000016
【図７Ａ】
2020060545.tif 000017
【図７Ｂ】
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