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hv:energyofphotonincidentonEPID[MeV]
図5‑2ビ ー ム 軸 直 下 の 検 出 領 域r‑0に お け る1入 射 光 子 エ ネ ル ギ ーhv に 対 す る 吸 収 線 量 △D(hv,0)の 変 化
図5‑3に,入 射 光 子 エ ネ ル ギ ーhvお よ びEPID入 射 点 か ら の 距 離rに 対 す る シ ン チ レ ー タ 層 の 吸 収 線 量 △D(hv,り の 変 化(線 量 広 が り関 数)を 示 す 。 図5‑3に お い て,△D(hv,r)は 検 出 領 域r‑Oに お け る 吸 収 線 量 △D(hv,0)で 正 規 化 し た 。各 検 出 領 域 に お け る 吸 収 線 量 はhvの 増 加 と と も に 大 き く な っ た 。 こ の 線 量 広 が り は,散 乱 光 子 や 反 跳 電 子 に よ る ビ ー ム 軸 か ら 離 れ た 検 出 領 域 へ の エ ネ ル ギ ー 付 与 に よ る も の と 考 え られ る 。hvが1.OMeV以 上 の 場 合,ビ ー ム 軸 か ら2.5mmよ り 内 側 の 検 出 領 域 に お い て,△D(hv,0)に 対 す るM(hv,r)の 比 △D(hv,り/△D(hv,0) は0.5%よ り大 き く な る こ と が 確 認 され た 。 し た が っ て,MV‑X線 で はEPID内 に お け る 線 量 広 が り を 考 慮 す る 必 要 が あ る こ と を 確 認 し た 。
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r:radialdistancefromcenter[cm]
図5‑3入 射 光 子 エ ネ ル ギ ーhvお よ びEPID入 射 点 か ら の 距 離rに 対 す る シ ン チ レ ー タ 層 の 吸 収 線 量 △D(hv,r)の 変 化(線 量 広 が り関 数)
30
5.4小 括
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り,EPIDの 主 要 三 層 の 一 つ で あ る 銅 板 は,高 エ ネ ル ギ ー の 入 射 光 子 か ら 反 跳 電 子 を 生 じ さ せ,ま た 低 エ ネ ル ギ ー 光 子 を フ ィ ル タ リ ン グ す る こ と が 確 認 さ れ た 。 こ れ は,画 像 生 成 効 率 の 向 上 と 画 像 ノ イ ズ の 低 減 に つ な が る 。 ま た,銅 板 か ら の 散 乱 光 子 お よ び 電 子 に よ り,シ ン チ レ ー タ 層 に お け る 線 量 広 が り が 確 認 さ れ た 。
シ ン チ レ ー タ 層 の 各 検 出 領 域 に お け る 吸 収 線 量(線 量 広 が り関 数)△D(hv,り は,hvの 増 加 と と も に 大 き く な っ た た め,こ の 現 象 はMV‑X撮 影 に お い て 無 視 で き な い こ と が 確 認 され た 。 EPIDに 入 射 させ た ペ ン シ ル ビ ー ム の 光 子 エ ネ ル ギ ーhvが1.OMeV未 満 か つ ビ ー ム 軸 か ら2.5 mm以 上 外 側 の 領 域rで は,ビ ー ム 軸 上 の 吸 収 線 量 △D(hv,0)に 対 す る △D(hv,r)の 比 は0.5%
よ り小 さ く な っ た 。 し た が っ て,線 量 広 が り 関 数 の 利 用 に お い て 考 慮 す べ き 半 径 方 向 の 距 離 は2.5mmま で と し た 。
6章 減 算 ・再 投 影 アル ゴ リズム の 有 用 性 評 価
6.1目 的
本 章 で は,4章 に お い て 提 案 し た 減 算 ・再 投 影 ア ル ゴ リ ズ ム を ポ ー タ ル 画 像 に 適 用 し,そ の 有 用 性 を 評 価 す る こ と を 目 的 と す る 。EPID入 射 光 子 は,3D‑CT画 像 を 用 い たMonteCarlo
(MC)シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り詳 細 に サ ン プ リ ン グ す る 。 ま た,各 ピ ク セ ル の 吸 収 線 量D(x, y)は,5章 よ り取 得 し た 線 量 広 が り関 数 △D(hv,r)を 用 い て 算 出 す る 。
本 処 理 法 はMCシ ミ ュ レー シ ョ ン を 介 し て い る た め,ヒ ス ト リ ー 数 に 依 存 し た 処 理 画 像 の 画 質 の 変 化 が 考 え られ る 。 ま た,weightfactorwの 増 加 に よ り コ ン トラ ス ト強 調 が 期 待 さ れ る が,同 時 に 画 像 ノ イ ズ の 増 加 が 懸 念 さ れ る 。 し た が っ て 本 章 で は,ヒ ス ト リ ー 数,weightfactor wの 増 減 お よ び 線 量 広 が り 関 数 △D(hv,r)の 有 無 な ど,減 算 ・再 投 影 処 理 に お け る パ ラ メ ー タ
を 変 化 さ せ て,画 像 処 理 前/後 の ポ ー タ ル 画 像 のsignaltonoiseratio(SNR)や 画 像 コ ン ト ラ ス トを 比 較 す る 。 ま た,減 算 ・再 投 影 処 理 に お け る 適 切 な パ ラ メ ー タ に つ い て 調 査 す る 。
6.2方 法
6.2.1ポ ー タ ル 画 像 と3D‑CT画 像 の 取 得
図6‑1に,患 者 を モ デ ル と し た 胸 部 フ ァ ン ト ム(N‑lLUNGMAN,KyotoKagaku)の 外 観 を 示 す 。 胸 部 フ ァ ン ト ム の 右 肺 野 内 に は,模 擬 腫 瘍 と し て 水 等 価 の 球(直 径2cm)を 挿 入 し た 。 MV‑X線 撮 影 に は,リ ニ ア ッ ク(Clinac21EX,VarianMedicalSystem)とEPID(PortalVision
a‑S500,VarianMedicalSystem)を 用 い た 。EPIDの マ ト リ ク ス サ イ ズ お よ び ピ ク セ ル サ イ ズ は そ れ ぞ れ512×384,0.784mm×0.784mmで あ る 。MV‑X線 撮 影 に お い て,線 源 一回 転 軸 問 距 離 (sourcetoaxisdistance;SAD),線 源 一検 出 器 問 距 離(sourcetodetectordistance;SDD)は そ れ ぞ れ1000mm,1400mmに 設 定 し,照 射 野 はEPID上 で30cm×25cmに な る よ う に 設 定 し た 。 6MV‑X線 を 胸 部 フ ァ ン ト ム に5monitorunit照 射 し,胸 部 フ ァ ン ト ム の ポ ー タ ル 画 像 を 取 得
し た 。
ま た,光 子 サ ン プ リ ン グ の た め のMCシ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 用 い る3D‑CT画 像 は,SymbiaT2 (SeimensHealthcare)に よ り 取 得 し た 。 マ ト リ ク ス サ イ ズ は512×512×512,ボ ク セ ル サ イ ズ は0.7mm×0.7mm×1.Ommに 設 定 し た 。
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図6‑1胸 部 フ ァ ン トム の 概 観
6.2.2MCシ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 用 い たEPID入 射 光 子 の サ ン プ リ ン グ
光 子 輸 送MCシ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 介 す る 減 算 ・再 投 影 処 理 の た め の プ ロ グ ラ ム は,Qt5.2.l toolkit(C++)を 用 い て 開 発 し た 。 図6‑2に3D‑CTデ ー タ を 用 い た 光 子 サ ン プ リ ン グ の 概 要 を 示 す 。MV‑X線 撮 影 に お い て,EPIDに 対 す る 散 乱 光 子 の 影 響 は 患 者 の 体 型 や 照 射 部 位 に よ り 異 な る 。 よ っ て,MCシ ミ ュ レ ー シ ョ ン コ ー ド に は 患 者 の3D‑CTデ ー タ を モ デ リ ン グ し,患 者 体 内 を 透 過 あ る い は 散 乱 し てEPIDへ 入 射 す る 光 子 を 詳 細 に 追 跡 可 能 と し た 。 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ジ オ メ ト リ は,実 際 のMV‑X線 撮 影 と 同 条 件 に す る た め,SADlOOOmm,SDDl400mm,
照 射 野 サ イ ズ はEPID上 で30cm×25cmと し た 。ま た,光 子 の カ ッ トオ フ エ ネ ル ギ ー は10keV と し た 。MCシ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り,本 処 理 法 に 必 要 と さ れ る 一 次 光 子 の エ ネ ル ギ ー とEPID 入 射 座 標(hVp,x,ア)お よ び 散 乱 光 子 の エ ネ ル ギ ー とEPID入 射 座 標(hv、,x,ア)を そ れ ぞ れ 取 得 し た 。
さ ら に,散 乱 光 子 は コ ン プ ト ン 散 乱 し な か っ た と 仮 定 し 一 次 光 子 と し てEPIDに 再 投 影 し た 。 こ れ に よ り,再 投 影 光 子 の エ ネ ル ギ ー とEPID入 射 座 標(hv,,x,y)を 取 得 し た 。
34
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3.ScoringPrimaryor scatterphotonenergy andcoordinateson theEPID.
伽,・x・ ア)or伽 、・x・ア)
6.Scoringcoordinates andreprojecting photonenergyon theEPID.
(hv,,X,ア)
図6‑23D‑CTデ ー タ を 用 い た 光 子 サ ン フ.リ ン グ の 概 要
6.2.3線 量 広 が り 関 数 を 用 い た 減 算 処 理
減 算 ・再 投 影 処 理 に 用 い る 各 ピ ク セ ル(κ,ア)にお け る 吸 収 線 量D(x,ア)は,EPID内 で の 粒 子 の 広 が り を 考 慮 す る た め,線 量 広 が り 関 数 △D(hv,り を 用 い て 算 出 し た 。5章 で 記 述 し た よ う に, 本 処 理 法 で はM(hv,r)の 線 量 広 が り は2.5mmま で を 考 慮 し た 。
減 算 処 理 で は,6.2.2に お い て サ ン プ ル し た 各 光 子 の エ ネ ル ギ ーhvお よ びEPID入 射 点(κ,y) の 情 報 を も と に,EPID入 射 点 を 中 心 と し た 半 径25mmの 円 に 含 ま れ る 各 ピ ク セ ル へ 線 量 広 が り 関 数 △D(hv,り を 累 積 し た 。 こ れ に よ り,一 次 光 子 に よ る 吸 収 線 量Dp(κ,ア)お よ び 散 乱 光 子 に よ る 吸 収 線 量D,(x,y)を 算 出 し た 。 そ の 後,4章 の 式(4.2)に 従 っ て 散 乱 光 子 に よ る 吸 収 線 量D、(κ,ア)をシ グ ナ ルP、(κ,ア)に変 換 し,式(4.3)に 従 っ て 原 画 像 の シ グ ナ ルP。(κ,y)か らP、(κ,y) を 減 算 す る こ と に よ り,一 次 光 子 に よ る シ グ ナ ルPp(κ,ア)を 取 得 し た 。
6.2.4線 量 広 が り 関 数 を 用 い た 再 投 影 処 理
再 投 影 処 理 で は,散 乱 光 子 お よ び 再 投 影 光 子 一 つ あ た りの シ グ ナ ル ムP、,△P,の 算 出 過 程 に 線 量 広 が り関 数 △D(hv,r)を 用 い た 。 散 乱 光 子 の 入 射 点 か ら 半 径2.5mmの 円 に 含 ま れ る 各 ピ ク セ ル の △P、を 算 出 す る た め,式(4.4)に お け る 全 散 乱 光 子 に 対 す る 一 散 乱 光 子 の 吸 収 線 量 の 比 △D(hv,)/D,は,線 量 の 広 が り を 考 慮 し てM(hv、,り/D、 に 置 き 換 え た 。算 出 し た △P、は,式(4.5) に 示 す 一 散 乱 光 子 に 対 す る 一 再 投 影 光 子 の 吸 収 線 量 の 比 △D(hv,)/△D(hVs)に よ っ て 再 投 影 光 子 一 つ あ た り の シ グ ナ ル ムP
rに 変 換 さ れ る 。 線 量 広 が り を 考 慮 し た 場 合,吸 収 線 量 比
△D(hv,)/△D(hVs)は 入 射 点 か ら の 距 離7に 依 存 し て 変 化 す る 。 し た が っ て,再 投 影 光 子 の 入 射 点 か ら 半 径rの 円 に 含 ま れ る 各 ピ ク セ ル の △Prは,△D(hv,)/△D(hv、)をM(hv,,り/△D(hv,,り に 置 き 換 え る こ と に よ り算 出 し た 。 そ の 後,算 出 し た △Prを 各 ピ ク セ ル に 累 積 す る こ と に よ り,再 投 影 光 子 に よ る シ グ ナ ルP,(x,y)を 取 得 し た 。 最 後 に,式(4.6)に 従 い,散 乱 光 子 成 分 を 除 去 し た シ グ ナ ルPp(κ,y)とweightfactorwに よ り調 整 し た 再 投 影 光 子 の シ グ ナ ルwP,(κ,ア)を 合 算 し,
コ ン ト ラ ス ト強 調 画 像P、(x ,y)を 取 得 し た。
6.2.5ヒ ス ト リ ー 数 に 対 す るSNRと 処 理 時 間
提 案 し た 減 算 ・再 投 影 処 理 で は,MCシ ミ ュ レ ー シ ョ ン か ら 取 得 し た 光 子 情 報 と線 量 広 が り 関 数 △D(hv,r)を 組 み 合 わ せ る こ と に よ っ て,実 際 のEPID内 に お け る シ ン チ レ ー タ 層 へ の エ ネ ル ギ ー 付 与 を 再 現 し た 。 本 処 理 で は,MCシ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お け る ヒ ス ト リ ー 数 が 不 足 し た 場 合,画 像 ノ イ ズ の 増 加 に よ る 画 質 の 悪 化 が 懸 念 さ れ る 。 一 方,ヒ ス ト リ ー 数 を 増 加 さ せ た 場 合 は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 長 時 間 を 要 す る 。 そ こ で,線 量 広 が り 関 数 △D(hv,り の 有/
36
無 や ヒ ス ト リ ー 数 を 変 化 さ せ て 処 理 画 像 のSNRを 評 価 し,ま た 同 条 件 に お け る 処 理 時 間 の 計 測 を 行 う こ と に よ り,本 処 理 法 に お け る 最 適 な パ ラ メ ー タ を 調 査 し た 。
SNRの 評 価 は,Kaimら に よ る 手 法 を 用 い て 次 式 に よ り算 出 し たlo)。 算 出 に 用 い た リ フ ァ レ ン ス 領 域 を 図6‑3内 の(a)と し て 示 す 。
Pr。f
lSNR1一
σref
(6.1)
P,efは リ フ ァ レ ン ス 領 域 に お け る 平 均 シ グ ナ ル で あ り,σ,efは そ の 領 域 に お け る 標 準 偏 差 を 示 す 。 リ フ ァ レ ン ス 領 域 は,ポ ー タ ル 画 像 内 に お い て シ グ ナ ル の 変 化 が 比 較 的 小 さ い 領 域 と し て 選 択 し た 。
6.2.6weightfactorに 対 す るSNR
再 投 影 処 理 は,4章 の 式(4.7)に 示 す よ う にweightfactorwに よ り シ グ ナ ル の 増 強 が 可 能 な た め,画 像 コ ン トラ ス トの さ ら な る 強 調 が 期 待 で き る 。 し か し本 処 理 はMCシ ミ ュ レL‑一一・シ ョ ン を 介 し て い る た め,シ グ ナ ル の 強 調 に 従 い 統 計 不 足 が 過 大 評 価 さ れ て,ノ イ ズ が 増 加 す る こ と が 懸 念 さ れ る 。 し た が っ て,weightfactorwの 増 加 に 対 す るSNRを 評 価 し た 。
6.2.7画 像 コ ン トラ ス ト
提 案 し た 減 算 ・再 投 影 ア ル ゴ リ ズ ム に よ り ポ ー タ ル 画 像 の コ ン ト ラ ス トが 改 善,強 調 さ れ る こ と を 確 認 す る た め,画 像 処 理 な し の 原 画 像 と 画 像 処 理 後 の 画 像 コ ン ト ラ ス トを 比 較 し た 。 コ ン トラ ス トプ ロ フ ァ イ ルC(κ,ア)は,Kaimら の 手 法 を 用 い て 次 式 に よ り 取 得 し た10).
P@,㌢)‑Pr。fo@
,y)‑
Pr。f
(6.2)
P,efは リ フ ァ レ ン ス 領 域 の 平 均 シ グ ナ ル,P(κ, .y)は図6‑3内 の(b)の 黒 線 に 沿 っ た プ ロ フ ァ イ ル 上 の 各 ピ ク セ ル の シ グ ナ ル を 表 す 。
一'"iq
,
F
̀
② 口
(b)
図6‑3SNRお よ び コ ン トラ ス ト評 価 の た め の
(a)リ フ ァ レ ン ス 領 域(黒 枠)お よ び(b)プ ロ フ ァ イ ル に 沿 っ た ラ イ ン(黒 線)
6.3結 果 と 考 察
6.3.1散 乱 光 子 お よ び 再 投 影 光 子 に よ る ポ ー タ ル 画 像 の 取 得
図6‑4に 散 乱 光 子 の み に よ り取 得 され た 一P、画 像 を示 す 。 原 画 像 の シ グ ナ ル の うち,15.2%
は 散 乱 光 子 に よ っ て 生 成 され る こ と が 明 らか に な っ た 。 ま た,図6‑5にP、 画 像 上 の 黒 線 に 沿 っ た シ グ ナ ル の プ ロ フ ァイ ル を 示 す 。 一 次 光 子 は 主 に骨 構 造 と縦 隔 か ら散 乱 し,散 乱 光 子 の 寄 与 は 画 像 中 心 ほ ど大 き くな る こ とが 確 認 され た 。 これ に対 応 し,P、 画 像 に お け る シ グ ナ ル
も画 像 中 心 に 向 か っ て 大 き くな る こ とが 確 認 され た 。
図6‑6に 示 すP,画 像 は,コ ン プ トン 散 乱 が 生 じ な か っ た と仮 定 し,散 乱 光 子 を 一 次 光 子 し てEPIDに 再 投 影 した 処 理 に よ っ て 取 得 され た 画 像 で あ る。 ま た 図6‑7に,Pr画 像 上 の 黒 線 に 沿 っ た シ グ ナ ル の プ ロ フ ァ イ ル を 示 す 。P、画 像 に お い て 山 な りに分 布 して い た 散 乱 光 子 の シ グ ナ ル は,再 投 影 処 理 に よ っ て 一 次 光 子 と して 再 利 用 され た こ と に よ り,胸 部 構 造 の 描 出 を 可 能 とす る こ とが 明 らか に な っ た 。
38
心 ・
唖 、L∫
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卜嚢.︑.
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吾'・、 ウ し
図6‑4散 乱 光 子 の み で 生 成 さ れ た ポ ・一一・・タ ル 画 像(P、image) お よ び プ ロ フ ァ イ ル に 沿 っ た ラ イ ン(黒 線)
需口bo咽の
1400
1200
1000
800
600
400
‑256 一192‑128‑64064128192256
x.positionattheEPID[pixel]
図6‑5P、 画 像 の シ グ ナ ル の プ ロ フ ァ イ ル
垂
〜 .凄尋 耳駕, 製零
噂編算
㌔︑占'
'ズ・
図6‑6再 投 影 光 子 の み で 生 成 さ れ た ポ ・一一・・タ ル 画 像(Primage) お よ び プ ロ フ ァ イ ル に 沿 っ た ラ イ ン(黒 線)
罵口bD刷の
1400
1200
1000
800
600
400
‑256‑192‑128‑64064128192256
x‑positionattheEPID[pixel]
図6‑7Pr画 像 の シ グ ナ ル の プ ロ フ ァ イ ル
40
6.3.2ヒ ス ト リー 数 に 対 す るSNRと 処 理 時 間 の 評 価
図6‑8に,P。 画 像 に お け る ヒ ス ト リー 数 に 対 す る リ フ ァ レ ン ス 領 域 のSNRを 示 す 。 黒 点 お よ び 白 点 は そ れ ぞ れ 線 量 広 が り 関 数 有 り/無 し の 一P。画 像 のSNRを 示 す 。MCシ ミ ュ レー シ ョ ン の ヒ ス ト リ ー 数 が1.5×lolo以 上 の 時,線 量 広 が り 関 数 △D(hv,r)を 用 い たP。 画 像 のSNRは, 原 画 像 のSNRと ほ ぼ 等 し く な る こ と が 確 認 さ れ た 。 一 方,線 量 広 が り を 考 慮 せ ず に 取 得 し た P。画 像 で は,ヒ ス ト リー 数3.0×1010で さ え も 原 画 像 に 対 し てSNRが2/3程 度 に し か 達 し な か っ た 。 こ の こ と か ら,線 量 広 が り 関 数 △D(hv,,r)は,EPID入 射 光 子 と銅 板 の 相 互 作 用 か ら生
じ た 反 跳 電 子 に よ る 画 像 生 成 効 率 の 向 上 を 再 現 し,ヒ ス ト リー 数 を 低 減 さ せ な が ら もSNRを 向 上 さ せ る こ と が 確 認 さ れ た 。
図6‑9に,P、 画 像 取 得 の た め の ヒ ス ト リ ー 数 に 対 す る 処 理 時 間 を 示 す 。 黒 点 お よ び 白 点 は そ れ ぞ れ 線 量 広 が り 関 数 有 り/無 し の 処 理 時 間 を 示 す 。線 量 広 が り 関 数 △D(hv,,r)を 用 い る こ と に よ りSNRは 向 上 し た が,10%未 満 の 処 理 時 間 の 増 加 が 確 認 さ れ た 。 こ れ は,開 発 コ ー ドに お い て,EPID入 射 点 か ら 半 径rの 円 周 に 含 ま れ る 全 ピ ク セ ル に エ ネ ル ギ ー を 付 与 す る ル ー プ 処 理 が 追 加 さ れ た た め で あ る 。
線 量 広 が り 関 数 △D(hv,,r)を 用 い る こ と に よ り,ヒ ス ト リL‑一一・数 に 対 す る 処 理 時 間 は10%程 度 増 加 し た が,十 分 なSNRを 保 持 し た コ ン トラ ス ト強 調 画 像 は ヒ ス ト リ ー 数1.5×loloの 設 定 で 取 得 可 能 と な っ た 。 こ れ に よ り,△D(hv,,r)の 利 用 は 処 理 時 間 の 効 率 化 に つ な が る こ と が 明 ら か と な っ た 。