SPECTにおける撮像時間短縮の研究

SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)

における撮像時間短縮に関する研究

守屋 雅光（031-800135-5） 放送大学大学院 文化科学研究科 総合文化プログラム（環境システム科学群） 仙波 純一 教授 吉田 彰 客員教授（広島県立福祉大学） 平成 16 年 12 月

SPECT(single photon emission computed tomography) に お け る 撮 像 時 間 短 縮 の 研 究 学 生 氏 名   守 屋 雅 光 所 属 プ ロ グ ラ ム   総 合 文 化 （ 環 境 シ ス テ ム 科 学 群 ） 学 生 番 号  _{031-8001355-5} 要 旨

一 般 に ， _{SPECT (single photon emission computed} tomography) に お け る 撮 像 時 間 は ， 2 0 分 か ら 3 0 分 程 度 必 要 で あ り ， 撮 像 時 間 の 短 縮 が 望 ま れ て い る ． 従 来 か ら SPECT 撮 像 時 に お け る 収 集 方 向 数 は ， 多 い ほ ど 高 分 解 能 で よ い 画 像 が 得 ら れ る と い う 考 え 方 が 支 配 的 で あ る ． し か し ， こ の 研 究 で は 収 集 方 向 数 を 減 少 さ せ る こ と ， お よ び 画 像 再 構 成 方 法 を 従 来 か ら 用 い ら れ て い る フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 か ら ， 近 年 利 用 可 能 と な っ て き た OS-EM (ordered subsets-expectation maximization) 法 に 変 更 す る こ と に よ り 撮 像 時 間 短 縮 の 可 能 性 を 調 査 し た ． O S - E M 法 は ， 逐 次 近 似 法 の 一 つ で ， 収 集 方 向 数 が 減 少 し て も ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト が 発 生 し な い ，_{SNR (signal to} noise ratio)が よ い 等 の 特 徴 が あ る ． 収 集 方 向 数 を 6 4 か ら 1 6 ま で 減 少 さ せ た と き の S P E C T 画 像 に 対 し て ， 物 理 的 評 価 を 行 な っ た ． 物 理 的 評 価 は ，空 間 分 解 能 ， コ ン ト ラ ス ト ， お よ び ノ イ ズ の _{3 つ の 特 性 に よ り 表 わ さ れ る ．} そ の 結 果 ， 空 間 分 解 能 は ， 両 再 構 成 法 と も 収 集 方 向 数 の 減 少 に

よ り 変 化 し な い ． コ ン ト ラ ス ト ， お よ び ノ イ ズ は ， 収 集 方 向 数 が 極 端 に 少 な い _{1 6 方 向 を 除 き ， 両 再 構 成 法 と も 収 集 方 向 数 に} よ り ほ と ん ど 変 化 し な い ． ま た ノ イ ズ は ， 総 撮 像 時 間 に の み 依 存 し ， 総 撮 像 時 間 が 同 じ 場 合 ，O S - E M 法 の ほ う が ノ イ ズ は 少 な い ． _{さ ら に ， S N R は 両 再 構 成 法 と も 収 集 方 向 数 が 減 少 す る} と 低 下 す る が ， 常 に _{O S - E M 法 の ほ う が 良 好 で あ っ た ． 以 上 の} 結 果 か ら ，_{O S - E M 法 を 用 い る と 収 集 方 向 数 を 減 少 さ せ る こ と} に よ り 撮 像 時 間 短 縮 の 可 能 性 が 示 唆 さ れ た ． 視 覚 的 評 価 は ， 脳 フ ァ ン ト ム 画 像 を 用 い て サ ー ス ト ン の 一 対 比 較 法 に よ り 行 な っ た ． 収 集 方 向 数 _{6 4 （ こ の と き の 相 対 的 総} 撮 像 時 間 を １ と す る ） の 時 ， 両 再 構 成 法 は ， ほ ぼ 同 等 に 評 価 さ れ 最 も 良 好 で あ っ た ．相 対 的 総 撮 像 時 間 を 3/4（ 収 集 方 向 数 4 8 ） と す る と ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 の 評 価 が よ い ． 相 対 的 総 撮 像 時 間 を _{1/2 （ 収 集 方 向 数 3 2 ） と す れ ば ， O S - E M 法 が よ く ， フ} ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 は 最 も 悪 い 評 価 で あ っ た ． す な わ ち ， 撮 像 時 間 が 通 常 の _{1/2 （ 収 集 方 向 数 1/2 ） と な る 撮 像 条 件 の も と で} は ，O S - E M 法 は そ の 特 性 を よ く 発 揮 す る ． し か し な が ら ， 収 集 時 間 が _{3/4 （ 収 集 方 向 数 3/4 ） 程 度 の 撮 像 条 件 で は ， 従 来 か} ら 用 い ら れ て い る フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 が よ い 評 価 で あ っ た ． O S - E M 法 は ， 物 理 的 評 価 で は よ い 評 価 を 得 て い る の で ， 撮 像 時 間 短 縮 に お け る そ の 潜 在 的 能 力 は 高 い と 思 わ れ る ． 一 対 比 較 法 に よ る 評 価 で は ，“ 画 像 の 好 ま し さ ” が 評 価 さ れ て い る の で ， 感 度 _{( sensitivity) や 特 異 度 ( s p e c i f i c i t y ) ， あ る い は} ROC(receiver operating characteristic) 解 析 等 に よ る 他 の 視 覚 評 価 も 必 要 で あ る と 思 わ れ る ．

目次 第1 章 はじめに - - - 1 １−１ 核医学検査とその歴史 １−２ 核医学画像診断装置の発展 １−３ SPECT におけるデータ収集方法 １−４ SPECT 検査の特徴と問題点 １−５ 本研究の意義 第2 章 SPECT 画像再構成法とその特徴 - - - 8 ２−１ フィルタ補正逆投影法

２−２ OS-EM ( ordered subsets-expectation maximization) 法

第3 章 フィルタ補正逆投影法と OS-EM 法による再構成画像の評価 - - - 11 ３−１ 物理的評価

３−１−１ 空間分解能，ノイズ，コントラスト ３−１−２ SNR (signal to noise ratio)

３−２ サーストンの一対比較法による視覚的評価

３−３ SNR と一対比較法の尺度値の関係

第4 章 収集方向数減少にともなう画像の変化 - - - 21 ４−１ ストリーク・フリーエリア (steak free area)

４−２ 臓器内およびその周辺におけるアーチファクト ４−３ 画像歪

４−４ OS-EM 法における subset と iteration の問題

第5 章 まとめ - - - 25

第6 章 今後の課題 - - - 26

謝辞

参考文献 - - - 28

第

1 章   は じ め に

1 - 1 核 医 学 検 査 と そ の 歴 史

  核 医 学 は ， 放 射 性 核 種 _{(radioisotope : RI) の も つ 物 理 的 ・} 化 学 的 特 性 を 利 用 し て ， 生 体 の 生 理 学 的 機 能 ・ 代 謝 診 断 や ， 放 射 線 の 生 物 学 的 作 用 を 利 用 し て 悪 性 腫 瘍 の 治 療 な ど ， 非 密 封 の RI を 診 療 に 応 用 す る 医 学 分 野 で あ る ． 生 体 の 機 能 診 断 で は ， イ ン ビ ボ (in vivo) 検 査 と イ ン ビ ト ロ (in vitro) 検 査 に 大 別 さ れ る ．   イ ン ビ ボ 検 査 で は ，_{R I で 標 識 さ れ た 放 射 性 薬 剤 を 被 検 者 に} 投 与 し ， 特 定 の 臓 器 ， 組 織 に 集 積 し た R I か ら 放 出 さ れ る γ 線 を 体 外 か ら 放 射 線 検 出 器 で 計 測 し ，放 射 性 薬 剤 の 体 内 分 布 や 量 ， お よ び 時 間 的 変 化 か ら 臓 器 ・ 組 織 の 生 体 機 能 を 診 断 す る ． 放 射 線 検 出 器 と し て は ， シ ン チ レ ー シ ョ ン 検 出 器 が 最 も 多 く 用 い ら れ ， 平 面 的 に _{R I 分 布 を 測 定 す る シ ン チ レ ー シ ョ ン カ メ ラ （ シ} ン チ カ メ ラ ）， 被 検 者 の 体 内 の R I 分 布 を 断 層 像 と し て 描 出 す る _{SPECT (single photon emission tomography) な ど が あ る ．} 一 方 ， イ ン ビ ト ロ 検 査 で は ， 放 射 性 薬 剤 を 被 検 者 に 投 与 す る こ と な く ， 生 体 内 に 微 量 に 存 在 す る ホ ル モ ン や タ ン パ ク 質 な ど の 物 質 を 定 量 分 析 す る ． 採 血 や 採 尿 し た 検 体 に _{RI で 標 識 し た 薬} 剤 を 試 験 管 内 で 反 応 さ せ て ， 検 体 中 の 目 的 物 質 を 定 量 す る も の で あ る ．   核 医 学 は ，_{1 8 9 6 年 の Becquerel に よ る 放 射 能 の 発 見 に 起 源} を 持 ち ，1 9 1 3 年 に Hevesy が ト レ ー サ ー 法 を 確 立 し た こ と に

始 ま る ．_{1 9 2 5 年 に は Blumgart ら が RI を 用 い て 血 液 循 環 速 度} の 測 定 を 目 的 と す る 最 初 の 臨 床 応 用 的 研 究 を 行 な っ た ．さ ら に ， RI の 生 産 手 段 が 研 究 さ れ ， 1 9 3 1 年 に L awrence が サ イ ク ロ ト ロ ン を 発 明 し ，1 9 3 4 年 に は Joliot ら が 人 工 放 射 能 を 発 見 し た ． サ イ ク ロ ト ロ ン は ， 原 子 炉 で は 生 産 で き な い 中 性 子 不 足 核 種 の 生 産 に は 欠 か せ な い も の で ， 医 学 分 野 に 多 大 な 影 響 を 与 え た ． 1965 年 に S e g r e と Seaborg に よ り 開 発 さ れ た テ ク ネ チ ウ ム (9 9 m_{Tc)は ，核 医 学 イ メ ー ジ ン グ 用 と し て 最 も 広 く 用 い ら れ る R I} と な っ た ． こ れ ら ，RI の 利 用 に よ り ， 体 内 の 生 理 学 的 情 報 が 非 侵 襲 的 に 得 ら れ る と い う 重 要 性 は ， あ ら ゆ る 臓 器 の 局 所 機 能 を 測 定 可 能 に し て い っ た ． 測 定 対 象 が 局 所 機 能 で あ る と い う 点 で ， X 線 CT (computed tomography) や MRI (magnetic resonance imaging) な ど に よ る 形 態 診 断 を 主 と す る 放 射 線 医 学 と は 一 線 を 画 す よ う に な っ た 1 )_．

1 - 2 核 医 学 画 像 診 断 装 置 の 発 展

 _{1 9 5 1 年 に Cassen は ， GM 計 数 器 を 用 い た 最 初 の 直 線 走 査} 型 ス キ ャ ナ を 開 発 し た ． そ の 後 ， 検 出 器 は _{NaI(Tl)に 変 更 さ れ ，} シ ン チ ス キ ャ ナ と し て _{1 9 6 0 か ら 1 9 7 0 年 代 に か け て 臨 床 利 用} さ れ た ． そ の よ う な 中 で ，_{1 9 5 7 年 に Anger に よ っ て 機 械 的 走} 査 を 必 要 と し な い シ ン チ カ メ ラ が 開 発 さ れ た ． 大 視 野 の 検 出 器 で 被 検 者 か ら 放 出 さ れ る γ 線 を と ら え る シ ン チ カ メ ラ の 動 作 原 理 は ， 現 在 の デ ジ タ ル 式 装 置 に お い て も 基 本 的 に 同 様 で あ る ．

こ の 構 造 を _{Fig.1(a)に 示 す ． シ ン チ カ メ ラ は ， コ リ メ ー タ}注 ）_， シ ン チ レ ー タ ， 多 数 の 光 電 子 増 倍 管 等 か ら な る 検 出 器 ， そ れ を 支 え る ガ ン ト リ ， 位 置 演 算 部 ， 波 高 分 析 器 ， デ ー タ 処 理 装 置 な ど か ら な る ． 被 検 体 か ら い ろ い ろ な 方 向 に 放 出 さ れ た γ 線 は ， コ リ メ ー タ を 通 過 す る こ と に よ り 一 定 方 向 か ら の γ 線 に 選 別 さ れ た 後 ， シ ン チ レ ー タ に 入 射 す る ． こ こ で ， γ 線 は 光 電 効 果 な ど に よ り 光 （ 蛍 光 ） に 変 換 さ れ る ． こ の 光 は ， 光 電 子 増 倍 管 に よ り 電 気 信 号 に 変 換 さ れ ， デ ー タ 処 理 装 置 に 送 ら れ る ． 1962 年 ， Kuhl に よ り 断 層 撮 像 を 目 的 と し た 検 出 器 回 転 型 シ ン チ カ メ ラ ， つ ま り _{SPECT 装 置 が 開 発 さ れ た ． 従 来 の シ ン チ} カ メ ラ は ， 体 内 の _{3 次 元 的 な R I の 分 布 を 2 次 元 像 と し て 得 る} の で 不 満 が あ っ た ． そ こ で ， 特 定 断 面 内 の R I の み を 画 像 化 し よ う と 試 み た も の で あ っ た ． し か し ， 画 像 再 構 成 の 技 術 が 不 完 全 で あ っ た た め 普 及 す る に は 至 ら な か っ た ． そ の 後 ， Hounsfiled ら に よ っ て ， X 線 の 投 影 デ ー タ か ら コ ン ピ ュ ー タ に よ る 画 像 処 理 に よ り 人 体 の 断 面 を 画 像 化 す る _{X 線 C T が 実 用} 化 さ れ た ．そ れ 以 後 ，画 像 再 構 成 の 理 論 や 技 術 が 急 速 に 発 展 し ， SPECT 装 置 に も 大 き な 影 響 を 与 え 実 用 化 さ れ た ． 当 初 ， 単 検 出 器 で あ っ た が ，_{2 ∼ 3 台 の 検 出 器 を 有 す る 多 検 出 器 型 装 置 が} 開 発 さ れ ， 高 感 度 ・ 高 分 解 能 画 像 が 画 像 再 構 成 法 の 発 展 と と も に 得 ら れ る よ う に な っ て き た ． ま た ， コ ン ピ ュ ー タ の 進 歩 に よ 注 ） コ リ メ ー タ は ， 被 検 者 の 体 内 か ら あ ら ゆ る 方 向 に 放 出 さ れ る γ 線 の う ち ， 一 定 方 向 の み の γ 線 を 検 出 器 に 入 射 す る よ う に 指 向 性 を も た せ る も の で あ る ． コ リ メ ー タ は ， 鉛 あ る い は タ ン グ ス テ ン 製 で ， 六 角 形 の 孔 が 数 千 か ら 数 万 開 い て い る ． 孔 の 径 は 数 m m で あ る ． 孔 と 孔 の 間 は 隔 壁 と よ ば れ ， 厚 さ は 1 m m 前 後 で あ る ．

り デ ー タ 処 理 装 置 も 飛 躍 的 に 進 歩 し て 今 日 に 至 っ て い る 2 )_{． 単}

検 出 器 の 例 を _{Fig.1(b) に 示 す ． こ れ は 本 研 究 に 用 い た GE} (General Electric)  社 製 Starcam4000i で ， 脳 血 流 S P E C T を 撮 像 し て い る と こ ろ で あ る ．

1 - 3 S P E C T に お け る デ ー タ 収 集 方 法

SPECT 装 置 で は ， F i g . 2 下 側 の よ う に 検 出 器 は ， 被 検 体 の 体 軸 の 回 り を 回 転 し な が ら 投 影 デ ー タ の 収 集 を 行 な う ．一 般 に ， 投 影 デ ー タ は _{2 次 元 で あ る が ， こ こ で は 簡 単 の た め Fig.2 上 側} に 示 す よ う に _{1 次 元 で 表 わ す ．} 検 出 器 は 静 止 し た 状 態 で １ の 位 置 で 投 影 デ ー タ の 収 集 を 行 な い ， θ 回 転 移 動 し 再 び 静 止 し た ２ の 位 置 で 投 影 デ ー タ の 収 集 を 行 な う ． デ ー タ の 収 集 と 検 出 器 の 回 転 を 交 互 に 繰 り 返 し _{3 6 0} 度 の 各 方 向 か ら の 投 影 デ ー タ が デ ー タ 処 理 装 置 （ コ ン ピ ュ ー タ ） に 取 り 込 ま れ る ． こ れ を ス テ ッ プ 回 転 収 集 と い う ． ス テ ッ プ 回 転 収 集 で は ，検 出 器 移 動 中 は デ ー タ の 収 集 は 行 わ れ な い 3 )．

1 - 4 S P E C T 検 査 の 特 徴 と 問 題 点

今 日 ， 核 医 学 に お い て _{SPECT 検 査 は 重 要 な 位 置 を 占 め て い} る ． 脳 血 流 SPECT や 心 筋 SPECT ， あ る い は 腫 瘍 SPECT 等 は 臨 床 で よ く 行 な わ れ て い る ．

と こ ろ で ， 形 態 画 像 で あ る _{X 線 C T は MD (multi-detector} row)CT の 登 場 な ど に よ り 撮 像 時 間 の 大 幅 な 短 縮 が 図 ら れ て い

る ． 例 え ば 胸 部 _{X 線 C T で は ， 初 期 の 装 置 で は 1 0 分 程 度 必 要} で あ っ た 撮 像 時 間 が ， 最 新 の 装 置 で は 数 秒 で 撮 像 が 終 了 し て し ま う ． そ れ に く ら べ ， _{SPECT 装 置 で は ， 単 検 出 器 か ら 多 検 出} 器 装 置 へ の 発 展 や 高 感 度 コ リ メ ー タ な ど が 開 発 さ れ て き て は い る が ， 撮 像 時 間 は _{2 0 分 か ら 3 0 分 程 度 必 要 で あ る ． こ れ は ，} シ ン チ カ メ ラ の 検 出 器 前 面 に 取 り 付 け ら れ て い る コ リ メ ー タ に よ り 大 幅 に 感 度 が 低 下 す る の と ， 被 検 者 に 投 与 す る _{RI の 放 射} 能 が 放 射 線 被 曝 の 観 点 か ら 非 常 に 少 な い た め で あ る ．そ の た め ， 非 常 に ノ イ ズ が 多 く 分 解 能 の 悪 い 画 像 と な っ て い る ． 撮 像 時 間 を さ ら に 長 く す れ ば （ 例 え ば _{1 時 間 以 上 ） ノ イ ズ の 少 な い 画} 像 が 得 ら れ る で あ ろ う が ， 患 者 拘 束 時 間 を 考 え る と 非 現 実 的 で あ る ． 臨 床 現 場 で は ， 撮 像 時 間 の わ ず か な 短 縮 で も 望 ま れ る ． そ こ で ， 装 置 メ ー カ 側 か ら の 撮 像 時 間 短 縮 の ア プ ロ ー チ ば か り で な く ， ユ ー ザ 側 か ら の ア プ ロ ー チ も 重 要 で あ る と 思 わ れ る ．

1 - 4 本 研 究 の 意 義

  本 研 究 は ，SPECT に お け る 撮 像 時 間 短 縮 の ユ ー ザ 側 か ら の ア プ ロ ー チ で あ る ． _{SPECT 装 置 は 高 価 で ， 一 度 設 置 さ れ れ ば} 1 0 年 以 上 使 用 す る こ と に な り ， ハ ー ド ウ エ ア 的 な ア ッ プ グ レ ー ド は 事 実 上 不 可 能 で あ る ． し か し ， ソ フ ト ウ エ ア の 改 良 ， 臨 床 現 場 で の 撮 像 方 法 や 画 像 再 構 成 の 工 夫 に よ り 撮 像 時 間 短 縮 の 可 能 性 は 残 さ れ て い る と 思 わ れ る ． と こ ろ で ，_{SPECT に お い て ， ど の く ら い の 収 集 方 向 数 が 撮} 像 に 必 要 と さ れ る の か に つ い て は ， 過 去 に い く つ か の 論 文 に 示

さ れ て お り ， す で に 定 説 と な っ て い る ． 例 え ば ，_{Larsson ら} 4 ) は ， 空 間 分 解 能 の 観 点 か ら 収 集 方 向 数 _{(M)を 次 の よ う に 表 し て} い る ． N 2 ð M ≈   ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・(1) こ こ で ，_{N は 収 集 画 像 の マ ト リ ッ ク ス 数 （ p i x e l 数 ） で あ る ．} 臨 床 で よ く 用 い ら れ る マ ト リ ッ ク ス 数 は _{6 4 な の で ， N = 6 4 と} す れ ば ，_{M = 1 0 0 と な る ． し か し ， 実 際 に は そ れ よ り も 少 な い} 方 向 数 M = 6 0 か ら 6 4 程 度 が 用 い ら れ て い る ． こ れ は ， 1 0 0 方 向 も の デ ー タ を 収 集 し よ う と す れ ば ， 非 常 に 長 い 撮 像 時 間 と な る の で ， 臨 床 上 非 現 実 的 な た め ， 妥 協 の 結 果 ， こ の よ う な 収 集 方 向 数 が 用 い ら れ て い る も の と 思 わ れ る ．   ま た ，_{B i e s z k ら} 5 )_{は ， ホ ッ ト ロ ッ ド ・ フ ァ ン ト ム （ 陽 性 信} 号 を 持 つ 空 間 分 解 能 評 価 用 試 験 体 ） を 用 い た 実 験 か ら ，_{1 方 向} あ た り の 収 集 計 数 値 が 減 少 し て も ， 収 集 方 向 数 は 多 け れ ば 多 い ほ ど よ い 画 質 が 得 ら れ る と 結 論 付 け て い る ． こ れ ら の 研 究 に よ り ， 現 在 で は “S P E C T に お け る 収 集 方 向 数 は ， 多 け れ ば 多 い ほ ど 高 空 間 分 解 能 で よ い 画 像 が 得 ら れ る ” と い う 考 え 方 が 支 配 的 と な っ て い る ． 一 方 ，_{C a o ら} 6 )_{は ， 一 般 に SPECT に お け る 収 集 方 向 数 は 偶} 数 で ，_{1 8 0 ° 対 向 す る 投 影 デ ー タ を 持 つ の で ， 例 え ば 6 4 方 向} の 投 影 デ ー タ で も 3 2 方 向 の 情 報 し か 持 っ て い な い の と 同 様 で あ る と 述 べ て い る ． そ こ で ， 奇 数 の 収 集 方 向 数 に す る こ と に よ り ， 例 え ば _{6 4 方 向 を 3 3 方 向 に し て ， 1 8 0 ° 対 向 し な い 投 影 デ} ー タ を 収 集 す れ ば ， 少 な い 収 集 方 向 数 で 6 4 方 向 と 同 様 の 画 質

が 得 ら れ る こ と を コ ン ピ ュ ー タ ・ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で 示 し た ． そ し て ， 撮 像 時 間 短 縮 （ 高 速 _{SPECT ） の 可 能 性 を 示 唆 し た ．} し か し ，_{S P E C T に お け る 投 影 デ ー タ は ， 1 8 0 ° 対 向 す る 方 向} で は ， 被 検 体 の 自 己 吸 収 の た め 必 ず し も 等 し く な い ． 従 っ て ， 臨 床 の 装 置 で は ， 必 ず _{1 8 0 ° 対 向 す る 投 影 デ ー タ を 収 集 し ， そ} れ ら を 加 算 す る こ と に よ り 自 己 吸 収 の 影 響 を な く し た 後 ， 再 構 成 を し て い る ．_{C a o ら は ，こ の 影 響 は 無 視 で き る と 述 べ て い る ．} と こ ろ で ， 上 述 の 研 究 で 用 い ら れ て い る 画 像 再 構 成 方 法 は す べ て フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法(filtered back projection: FBP)で あ る ． フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 を 用 い て い る 限 り ， ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト （_{streak artifact ： 線 状 の 偽 像 ） の 発 生 が 根 本} 的 に 大 き な 障 害 と な る ． 実 際 ， こ の ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト を い か に 目 立 た な く す る か が 重 要 な 問 題 と な る ． つ ま り ， ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト を 発 生 さ せ な い た め に は ， 収 集 方 向 数 は 多 け れ ば 多 い ほ ど よ い と い う こ と に な る ． こ れ ら の ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト 発 生 の 典 型 的 状 況 を _{Fig.3(a)∼ (d) に 示} す ． こ れ は ， 線 状 線 源 (line source) を 撮 像 し 再 構 成 し た も の で あ る ． と こ ろ が ， 近 年 開 発 さ れ た _{OS-EM ( ordered} subsets-expectation maximization ) 法 に よ る 再 構 成 を 用 い れ ば ， 収 集 方 向 数 減 少 に 伴 う ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト は ， _Fig.3(e) ∼_{( h )に 示 す よ う に 全 く 発 生 し な い ．（ S P E C T に お け る 画 像 再} 構 成 法 に つ い て は ， 次 章 で 述 べ る ．） フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は ， 収 集 方 向 数 の 減 少 に 伴 い ， 線 源 周 辺 に ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト が 目 立 っ て く る が ，_{O S - E M 法 で は ， そ れ は ま っ た く} 観 察 さ れ な い ． 従 っ て ， 再 構 成 方 法 を O S - E M 法 に 変 更 す れ ば ，

収 集 方 向 数 を 減 ら す こ と に よ り ，撮 像 時 間 の 短 縮 が 期 待 さ れ る ． 撮 像 時 間 を 短 縮 す る に は ， 収 集 方 向 数 を 減 少 さ せ る ， あ る い は 収 集 方 向 数 は 変 え な い で _{1 方 向 あ た り の 収 集 時 間 を 短 縮 す} る 方 法 が 考 え ら れ る ． 本 研 究 で は 収 集 方 向 数 を 減 少 さ せ る こ と に 注 目 し ， 撮 像 時 間 の 短 縮 の 可 能 性 を 調 査 し た ．

第

2 章  S P E C T 画 像 再 構 成 法 と そ の 特 徴

2 - 1 フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法

過 去 ２ ０ 年 以 上 ，_{S P E C T の 画 像 再 構 成 法 は ， フ ィ ル タ 補 正} 逆 投 影 法 が 用 い ら れ て き た ． こ の 方 法 は ，X 線 CT で 用 い ら れ て い る の と 同 様 の 方 法 で あ る ． 被 検 体 か ら 放 出 さ れ た γ 線 の 投 影 デ ー タ を 多 方 向 か ら 検 出 器 で 測 定 し ， そ の デ ー タ を 逆 投 影 す る こ と に よ り 断 面 像 を 得 る 方 法 で あ る ． こ の 様 子 を ，_{Fig.4 に} 示 す ． 単 純 に 逆 投 影 を す る と ， 本 来 _{RI の 存 在 し な い と こ ろ に} も RI が あ る よ う に 再 構 成 さ れ る の で ， フ ィ ル タ （_{Ramachandran フ ィ ル タ ） を 用 い て 補 正 す る ． こ の 時 ， 高} 周 波 成 分 が 強 調 さ れ る の で ， さ ら に 低 周 波 通 過 型 フ ィ ル タ （_{Butterworth フ ィ ル タ 等 ） を 用 い て 高 周 波 ノ イ ズ 成 分 を 抑 制} す る ． こ の 方 法 の 欠 点 は ，_{RI の 高 集 積 部 位 が あ る と ， そ の 周} 辺 に ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト が 発 生 す る こ と で あ る ． こ れ が 存 在 す る と ， 検 査 目 的 臓 器 の 観 察 が 困 難 と な る ． ま た ， 収 集 方 向 数 が 不 充 分 で ア ン ダ ー サ ン プ リ ン グ と な る と ， 周 辺 に エ リ ア シ ン グ (aliasing) に よ る ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト が 目

立 つ よ う に な る ． し か し な が ら ， こ の 方 法 は 計 算 時 間 が 短 い の が 利 点 で あ る ． コ ン ピ ュ ー タ の 処 理 能 力 が 現 在 よ り も 低 か っ た _{2 0 年 ほ ど 前 で} も ， 十 分 に 実 用 に 耐 え る こ と が で き た の で ，SPECT 登 場 以 来 長 年 に わ た り 臨 床 の 場 で 用 い ら れ て き た ．

2 - 2 O S - E M ( o r d e r e d s u b s e t s - e x p e c t a t i o n

m a x i m i z a t i o n ) 法

近 年 ， コ ン ピ ュ ー タ の 高 速 化 に 伴 い ， 逐 次 近 似 法 に よ る 画 像 再 構 成 が 臨 床 で 利 用 可 能 と な っ て き た ． こ の 方 法 は ， 原 理 的 に は 以 前 か ら 知 ら れ て い た が ，計 算 時 間 が 非 常 に 長 く 必 要 と さ れ ， 臨 床 の 場 で 用 い る こ と は で き な か っ た ． こ の 方 法 を 簡 単 に 説 明 す る と ， ま ず 初 期 画 像 と し て 適 当 な 初 期 値 を 与 え ， 各 投 影 方 向 に 計 算 上 の 投 影 デ ー タ を 作 る ． こ の 投 影 デ ー タ と 実 際 に 測 定 さ れ た 投 影 デ ー タ と を 比 較 し て ， す べ て の 画 素 _{(pixel) に 対 し} て 修 正 を 行 な い, 修 正 画 像 を 作 成 す る ． こ の 修 正 画 像 を 初 期 画 像 に 置 き 換 え て ， 再 び 投 影 デ ー タ を 作 り ， 実 際 の 投 影 デ ー タ と 比 較 し 修 正 画 像 （ 修 正 方 法 に は ， 加 算 ， 乗 算 ， 最 小 二 乗 法 等 を 用 い た 方 法 が 提 案 さ れ て い る ．） を 作 成 す る ． こ れ ら の 操 作 を 何 回 か 繰 り 返 し_{, 修 正 画 像 を 作 成 し ， 一 定 の 条 件 を 満 た せ ば 繰} り 返 し を 終 了 し て 最 終 画 像 を 得 る ． 逐 次 近 似 法 の 中 で ， 最 尤 推 定 − 期 待 値 最 大 化 _(ML-EM: maximum likelihood-expectation maximization ) 法 は ， 統 計 学 的 手 法 に よ り R I 分 布 を 推 定 す る 方 法 で あ る ． 特 に ， O S - E M

( ordered subsets- expectation maximization ) 法 は M L - E M 法 を 高 速 計 算 す る ア ル ゴ リ ズ ム で ， 投 影 デ ー タ を い く つ か の グ ル ー プ_{(subset) に 分 割 し て 適 当 な 順 番 で 使 用 す る ． 例 え ば ，} Fig.5 に 示 す よ う に ， 投 影 デ ー タ 数 が 2 4 で subset が 6 の 場 合 ， １ つ の _{subset は 4 つ の 投 影 デ ー タ か ら な る ． ま ず ， 1 つ め の} subset の ４ つ の 投 影 デ ー タ か ら す べ て の 画 素 に 対 し て 修 正 を 行 な う ． そ の 修 正 画 像 を 初 期 画 像 に 置 き 換 え ，_{2 つ め の subset} の _{4 個 の 投 影 デ ー タ を 用 い て 修 正 を 行 な い 再 投 影 し ， 再 び 修} 正 画 像 を 作 成 す る ． そ れ を 繰 り 返 し す べ て の subset に 対 し て 計 算 す る と _{1 回 の 繰 り 返 し 計 算 が 終 了 し た こ と に な る ． 1 回 の} 繰 り 返 し 計 算 に 要 す る 時 間 は _{M L - E M 法 と 同 じ で あ る が ，} subset の 数 だ け 再 構 成 画 像 が 更 新 さ れ て い く の で 収 束 に 要 す る 時 間 が 短 縮 さ れ る ． _{subset 数 や 逐 次 近 似 の 繰 り 返 し 計 算 回} 数_{(iteration)を 決 定 す る 理 論 は な く 経 験 的 に 決 め ら れ て い る ．} O S - E M 法 に よ り 得 ら れ る 画 像 は ， subset と iteration の パ ラ メ ー タ の 組 合 せ で 変 化 す る ． 脳 血 流 _{SPECT に お い て こ れ ら の} パ ラ メ ー タ を 変 化 さ せ た 場 合 を Fig.6 に 示 す ． subset と iteration の 値 が 少 な い と ボ ケ た 画 像 に な る ． ま た ， subset 数 が 多 く _{iteration 数 が 少 な い と 画 像 歪 が 観 察 さ れ る ． さ ら に ，} 必 要 以 上 に こ れ ら の 値 を 大 き く す る こ と は 計 算 時 間 の 延 長 と な り 実 用 的 で な い ．_{Fig.6 に お い て ， 視 覚 的 に subset=8 ，} iteration=4 を 用 い た O S - E M 法 の 画 像 が フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 と 視 覚 的 に ほ ぼ 同 等 で あ る と 判 断 さ れ た の で ， 以 下 の 検 討 で は ， 特 に 断 り の な い 限 り す べ て _{subset=8 と iteration=4 の 値} を 用 い た ．

O S - E M 法 の お も な 利 点 は ， (1) 再 構 成 値 が 負 に な ら な い ，(2) 低 カ ウ ン ト 領 域 で の _{SNR(signal to noise ratio)が よ い ， (3) 高} 集 積 部 位 か ら の ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト が な い ，_{(4) 測 定} 系 で 起 こ り う る 物 理 現 象 を 織 り 込 ん で お く こ と に よ り ， さ ま ざ ま な 補 正 が で き る な ど で あ る 3 ) 7 )_{． 特 に ，(2) ， (3)の 理 由 に よ} り ，_{O S - E M 法 に よ る 画 像 再 構 成 を 利 用 す れ ば ， フ ィ ル タ 補 正} 逆 投 影 法 を 用 い た 場 合 よ り ， 短 時 間 で の 撮 像 の 可 能 性 が 予 測 さ れ る ．

第

3 章   フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 と O S - E M 法 に よ る 再

構 成 画 像 の 評 価

3 - 1 物 理 的 評 価

3 - 1 - 1 空 間 分 解 能 ， ノ イ ズ ， コ ン ト ラ ス ト

さ て ， 収 集 方 向 数 が 減 少 す る と ，S P E C T 画 像 の 画 質 は ど の よ う に 変 化 す る の で あ ろ う か ． こ の 画 質 の 変 化 を 調 べ る た め に は ， 再 構 成 画 像 の 画 像 評 価 を 行 な う 必 要 が あ る ． 画 像 評 価 法 に は 画 像 の 特 徴 量 を 測 定 器 等 を 用 い て 計 測 し ， 得 ら れ た デ ー タ を 解 析 し て 評 価 す る 方 法 （ 物 理 的 評 価 ， 客 観 的 評 価 と 呼 ば れ る ） と ， 人 が 画 像 を 見 て 評 価 す る 方 法 （ 視 覚 的 評 価 ， 心 理 的 評 価 ， 心 理 物 理 的 評 価 ， 主 観 的 評 価 等 と 呼 ば れ る ） が あ る ． こ こ で は ， ま ず 物 理 的 評 価 を 行 な う ．_{SPECT 画 像 を 含 む 放} 射 線 画 像 の 画 質 は 空 間 分 解 能 ， コ ン ト ラ ス ト ， そ し て ノ イ ズ と

い う _{3 つ の 基 本 的 概 念 に よ り 特 徴 付 け ら れ る ．} 空 間 分 解 能 は ， ２ つ の 微 小 な 被 写 体 を 分 離 し 区 別 で き る 最 小 の 大 き さ と 定 義 で き る ．例 え ば ，通 常 の _{X 線 写 真 で は 約 0.01mm ，} X 線 C T で は 約 0.5mm 程 度 ， そ し て S P E C T 装 置 で は 約 10mm ∼_{15mm 程 度 の 空 間 分 解 能 で あ る ． こ の 概 念 は ， 放 射 線 画 像 に} お い て 広 く 用 い ら れ て い る が 他 の 定 義 も あ る ． そ れ は ， 点 像 強 度 分 布 関 数_{(point spread function)で あ る ． 非 常 に 小 さ な 点 で} あ る 被 写 体 を 撮 像 し ， そ の 点 像 の 画 像 強 度 を 位 置 の 関 数 で 表 す 曲 線 （ プ ロ フ ィ ル カ ー ブ と い う ） と す る ． こ れ を 点 像 強 度 分 布 関 数 と す る ． 理 想 的 に は ， 撮 像 さ れ た 点 は 同 じ 大 き さ で 観 察 さ れ る は ず で あ る が ， 実 際 に は 撮 像 系 に よ り ボ ケ が 生 じ ， よ り 大 き な 点 と し て 観 察 さ れ る ． こ の ボ ケ の 程 度 を 特 徴 づ け る 量 と し て ， 半 値 幅_{(full width at half maximum : FWHM)， あ る い は} 1/10 幅 (full width at tenth maximum : FWTM)が 用 い ら れ る ． FWHM は ， 点 像 強 度 分 布 関 数 の 強 度 が 最 大 値 の 1/2 に な る と き の 幅 で あ る ． 同 様 に _{F W T M は ，1/10 に な る と き の 幅 で あ る ．} こ れ ら の 値 が 小 さ い ほ ど 空 間 分 解 能 が よ い と い う こ と に な る 8 )． SPECT 装 置 で は ， 測 定 を 容 易 に す る た め に ， 点 像 の 代 わ り に 線 状 線 源_{(line source)を 用 い る ． こ れ は ， 点 線 源 の 作 成 が 技} 術 的 に 難 し く ， 計 数 値 に 関 し て も 点 線 源 よ り も 有 利 で あ る か ら で あ る ． こ の 線 状 線 源 に 直 交 す る よ う に プ ロ フ ァ イ ル カ ー ブ を 作 成 し ，F W H M お よ び F W T M を 得 る ． 内 径 約 1mm の チ ュ ー ブ に 放 射 線 源₍9 9 m_{Tc 水 溶 液 ) を 封 入 し 線 状 線 源 と し ， 検 出 器 回} 転 中 心 に 配 置 し て 撮 像 し た ． 撮 像 し た デ ー タ は ，_{GE 社 製 ワ ー} ク ス テ ー シ ョ ン e N T E G R A に 転 送 し 画 像 再 構 成 し た ． こ の よ

う に し て 得 ら れ た _{S P E C T 装 置 の 空 間 分 解 能 を Fig.7(a)か ら (d)} に 示 す ． シ ン チ カ メ ラ に 低 エ ネ ル ギ ー 用 汎 用 型 _{(low energy} general purpose: LEGP)コ リ メ ー タ を 装 着 し ， 6 4 ×6 4 マ ト リ ッ ク ス(1pixel=5.40mm) で 撮 像 し た ． シ ン チ カ メ ラ で は ， 検 出 器 と 被 検 体 の 距 離 が 離 れ る と 空 間 分 解 能 は 悪 く な る の で_{, 回 転} 中 心 で の 値 は _{SFOV(scan field of view) 内 の 平 均 的 な 空 間 分 解} 能 を あ ら わ す ．_{Fig.7(a)か ら (d) に よ り ， 空 間 分 解 能 は ， フ ィ ル} タ 補 正 逆 投 影 法 ，_{O S - E M 法 と も 収 集 方 向 数 に 依 存 し な い こ と} が 明 ら か で あ る ． ま た ，Fig.7(a)， (b) か ら F W H M は ， O S - E M 法 が フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 よ り 低 値 で 良 好 な 傾 向 を 示 す が 両 者 の 間 で 統 計 的 な 有 意 差 は 認 め ら れ な い ．_{Fig.7(c)，(d )か ら F W T M} は ，O S - E M 法 が フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 よ り 低 値 で 良 好 で あ る ． 各 収 集 方 向 数 毎 に 両 再 構 成 方 法 間 で ｔ 検 定 を 行 な っ た ． 収 集 方 向 _{6 4 に お い て X 方 向 ， Y 方 向 で そ れ ぞ れ p<0.05， p<0.01 で} 有 意 差 が 認 め ら れ た ． 収 集 方 向 _{4 8 で は X 方 向 に お い て p<0.01} で ， 収 集 方 向 _{3 2 で も X 方 向 に お い て p<0.01 で 有 意 差 が 認 め} ら れ た ． な お ， こ れ ら の 再 構 成 法 に お い て ， 前 処 理 フ ィ ル タ な ど は 使 用 し て い な い ． 以 上 ， ま と め る と ， フ ィ ル タ 逆 補 正 投 影 法 と _{O S - E M 法 の 空 間 分 解 能 を 比 べ る と ， O S - E M 法 が わ ず か} に 良 好 で あ り ，_{F W T M に お い て 統 計 的 有 意 差 が み ら れ る 場 合} が あ る ． 式(1) の 解 釈 と し て ， 収 集 方 向 数 が 少 な い （ サ ン プ リ ン グ 角 度 が 大 き い ） と _{S P E C T 画 像 の 分 解 能 が 悪 く な る と い う 解 釈 が} あ る 9 )_{． し か し ， 今 回 の 測 定 か ら そ の よ う な 結 果 は 導 き 出 す こ} と は で き な か っ た ．Joseph ら 1 0 )は ，S P E C T の 分 解 能 に 影 響

を 与 え る の は ， 各 々 の 収 集 方 向 に お け る 投 影 デ ー タ を サ ン プ リ ン グ す る サ ン プ リ ン グ 間 隔 ， す な わ ち _{p i x e l 寸 法 で あ る（ Fig.2} に お け る Δ_{d ） と 述 べ て い る の で 収 集 方 向 数 と 空 間 分 解 能 の 間} に は 関 係 が な い と 思 わ れ る ． コ ン ト ラ ス ト は ， 画 像 上 で 関 心 の あ る 領 域 と そ の 周 囲 の バ ッ ク グ ラ ウ ン ド の 相 対 的 な 信 号 強 度 の 差 で あ る ． コ ン ト ラ ス ト が 高 い （ 大 き い ） と ， 信 号 は ， よ り 強 調 さ れ 観 察 し や す く な る ． 逆 に コ ン ト ラ ス ト が 低 い （ 小 さ い ） と ， 信 号 は 観 察 し に く く な る ． バ ッ ク グ ラ ウ ン ド の 信 号 強 度 を D₁， 関 心 領 域 の 信 号 強 度 を _D2 と す れ ば ， コ ン ト ラ ス ト_{( C ) は ，} C = (D2- D1) / D1 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・(2) と な る ． コ ン ト ラ ス ト の 測 定 に は ，SPECT 用 脳 フ ァ ン ト ム （_{IB-10 型 ， 京 都 科 学 社 製 ） を 用 い た ． こ の フ ァ ン ト ム の 写 真} を _{Fig.8 に 示 す ． こ の フ ァ ン ト ム は ， 尾 状 核 ， 被 殻 ， 視 床 を 含} む 灰 白 質 ， 白 質 ， お よ び 脳 室 部 分 か ら 構 成 さ れ る ． 灰 白 質 と 白 質 の 放 射 能 濃 度 比 が 約 ４ ： １ に な る よ う に 9 9 m_{Tc 水 溶 液 を 調 整} し 充 填 し た 1 2 )．Fig.9(a)に 示 す よ う に ， 視 床 部 分 を 含 む よ う に Ｘ 方 向 に プ ロ フ ァ イ ル カ ー ブ を 作 成 し た ．_{Fig.9(b) に お い て 基} 底 核 部 分 の 計 数 値 を _D2， そ の 周 辺 部 の 計 数 値 を _D1 と し ， 式₍₃₎ よ り コ ン ト ラ ス ト を 求 め た ． 同 様 に し て 求 め た 脳 内 ５ 箇 所 の 平 均 コ ン ト ラ ス ト と 収 集 方 向 数 の 関 係 を _{Fig.9 に 示 す ． 収 集 方 向} 数 1 6 以 外 は ， O S - E M 法 の 方 が コ ン ト ラ ス ト は 高 い ． ま た ， O S - E M 法 に お い て ， コ ン ト ラ ス ト は 収 集 方 向 数 に よ り 変 化 し な い が ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は _{1 6 方 向 で 高 値 と な る ． こ} の 原 因 は ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は ， 方 向 数 が 少 な く な る と

ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト が 発 生 し ， そ の 影 響 で コ ン ト ラ ス ト が 高 値 と な る た め と 思 わ れ る ．   ノ イ ズ と は ， 測 定 さ れ た 画 像 デ ー タ の バ ラ ツ キ ， 精 （ 密 ） 度 で あ る ．少 な い γ 線 フ ォ ト ン の 数（ 情 報 量 ）で 作 成 さ れ た S P E C T 画 像 は バ ラ ツ キ が 大 き く ノ イ ズ が 多 い ． 一 方 ， 多 く の γ 線 フ ォ ト ン の 数 か ら な る _{S P E C T 画 像 は 精 度 が 高 く ノ イ ズ が 少 な い ．} ノ イ ズ に は ， 検 出 器 の 不 均 一 さ や 電 子 回 路 の 電 気 的 ノ イ ズ な ど も 含 ま れ る ． ノ イ ズ は ， 均 一 な 信 号 を 撮 像 し ， そ の 部 分 の 信 号 強 度 の 変 動 と し て と ら え る こ と が で き る ． そ の 指 標 と し て 標 準 偏 差 が あ る が ， こ れ は ， 信 号 強 度 依 存 性 が あ る の で ， そ の 平 均 値 で 標 準 偏 差 を 除 し た 変 動 係 数_{(coefficient of variation : CV)} で 表 わ す ． つ ま り ， CV= σ/m ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・₍₃₎ こ こ で ， σ は 標 準 偏 差 ，_{m は 信 号 の 平 均 値 で あ る} 1 )_{．  1 方 向 あ た り の 投 影 デ ー タ の 計 数 値 （ projection count） と} 再 構 成 画 像 の 計 数 値_{(reconstruction count)の 関 係 を ， 収 集 方} 向 数 を パ ラ メ ー タ と し て F i g . 1 0 に 示 す ． こ れ は 円 柱 フ ァ ン ト ム を 用 い て 調 べ た 結 果 で あ る が ，_{1 方 向 あ た り の 計 数 値 と 収 集} 方 向 数 の 積 が 等 し け れ ば ， 再 構 成 画 像 の 計 数 値 は 等 し く な る ． 例 え ば ， １ 方 向 あ た り の 計 数 値 が _{50(count/pixel) で 収 集 方 向} 数 が _{6 4 の 場 合 と １ 方 向 あ た り の 計 数 値 が 100(count/pixel)で} 収 集 方 向 数 が 3 2 の 場 合 で は ， 再 構 成 さ れ た 画 像 の 計 数 値 は ， ど ち ら も 約 _{40(count/pixel) で 等 し い ． こ の 時 ， 両 収 集 方 法 の} 総 収 集 時 間 は 検 出 器 回 転 移 動 に 必 要 な 時 間 （ こ の 間 ， デ ー タ 収 集 は 行 な わ れ な い ） を 無 視 す れ ば 等 し く な る ． ま た ， １ 方 向 あ

た り の 計 数 値 と そ の 収 集 時 間 は 比 例 関 係 に あ る の で ， 再 構 成 画 像 の 計 数 値 は 総 デ ー タ 収 集 時 間 に 比 例 す る ． 再 構 成 画 像 の 計 数 値 と _{C V 値 の 関 係 を Fig.11 に 示 す ． 計 数} 値 が 多 い ， つ ま り 収 集 時 間 が 長 い ほ ど C V 値 は 低 値 と な り ノ イ ズ は 減 少 す る ． ま た ， 全 体 的 傾 向 と し て ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 よ り _{O S - E M 法 が C V 値 は 低 値 で あ る ． 計 数 値 （ つ ま り 収 集} 時 間 ） が 同 じ な ら ば ， フ ィ ル タ 逆 投 影 法 よ り _{O S - E M 法 が ノ イ} ズ は 約 _{2 0 ∼ 25% 少 な い ． こ れ は ， 同 じ ノ イ ズ レ ベ ル の 画 像 を} 得 る な ら ば ，O S - E M 法 を 用 い れ ば 収 集 時 間 の 短 縮 が 可 能 で あ る こ と を 示 し て い る ． 収 集 方 向 数 _{1 6 の O S - E M 法 の C V 値 は ，} 極 端 に 低 値 で あ り ， い わ ゆ る “ は ず れ 値 ” で あ る ． こ の 理 由 は ， O S - E M 法 に お け る subset の 値 が 8 な の で ， 1 つ の subset に 振 り 分 け ら れ る 投 影 デ ー タ の 方 向 数 は _{2 と な る ． 従 っ て ， 収} 集 方 向 数 ２ と い う 非 常 に 少 な い 方 向 数 で 再 構 成 が 行 わ れ て い る た め ，_{i t e r a t i o n = 4 で は 十 分 に 収 束 せ ず ボ ケ た 画 像 と な る た め} と 思 わ れ る ．   以 上 ， 放 射 線 画 像 系 の 物 理 的 特 性 で あ る ３ つ の 要 素 ， 空 間 分 解 能 ， コ ン ト ラ ス ト ， ノ イ ズ に つ い て 調 査 し た ．

3 - 1 - 2 S N R ( s i g n a l t o n o i s e r a t i o )

  放 射 線 画 像 系 の 性 能 は ， 3 つ の 要 素 で 表 わ さ れ る こ と は す で に 述 べ た が ， こ れ ら は 互 い に _{trade-off の 関 係 に あ る ． 系 の} 特 性 を 総 合 的 に 評 価 す る 指 標 の 一 つ と し て _{SNR(signal to} noise ratio)が あ る ． こ れ は ， 電 気 通 信 系 で 用 い ら れ る の と 類

似 の 概 念 で ， 被 検 体 が ど の 程 度 良 好 に 観 察 で き る か を 表 わ す ． SNR は ， 信 号 を ノ イ ズ で 除 し た も の で ， 次 の よ う に 定 義 さ れ る ． SNR=(D2-D1)/σ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・(4) こ こ で ，_D1 は 信 号 強 度 ，_D2 は バ ッ ク グ ラ ウ ン ド の 信 号 強 度 ， σ は 信 号 の 標 準 偏 差 で あ る 8 )_． 本 研 究 で _{S N R を 測 定 す る た め に ， 次 の よ う な 測 定 系 を 考 案} し た ． 直 径 約 _{20cm の 円 柱 容 器 内 中 央 部 に 直 径 約 8cm の 円 柱} 容 器 を 配 置 し た ． ま ず ， 中 央 部 容 器 に 9 9 mTc 水 溶 液 を 入 れ た ． 中 央 部 容 器 以 外 の 部 分 は ，中 央 部 の 約 _{1/2 の 放 射 能 濃 度 の} 9 9 m_Tc で 満 た し た ． こ こ で は ， 中 央 部 が 信 号 部 分 （ 陽 性 信 号 ）， そ の 周 辺 が バ ッ ク グ ラ ウ ン ド と な る ．S P E C T で は ， 信 号 は 陽 性 信 号 ば か り で な く 陰 性 信 号 の 場 合 も あ る ．例 え ば ， 脳 血 流 _{S P E C T} で は ， 癲 癇 の 焦 点 部 分 は 高 血 流 と な り 陽 性 像 と な る が ， 脳 梗 塞 部 位 で は 陰 性 信 号 と な る ． そ こ で ， 信 号 部 分 で あ る 中 央 部 の 放 射 能 濃 度 を 周 囲 の 約 _{1/2 に し た 場 合 （ 陰 性 信 号 ） も 調 査 し た ．} 式(5) を 用 い て 計 算 し た S N R と 収 集 方 向 数 の 関 係 を F i g . 1 2 に 示 す ． フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 ，_{O S - E M 法 と も 収 集 方 向 数 が 減} 少 す る と 陽 性 信 号 ， 陰 性 信 号 と も _{S N R は 低 値 と な る ． 陽 性 信} 号 と 陰 性 信 号 の 平 均 _{S N R で 比 較 す る と ， 常 に O S - E M 法 の 方} が フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 よ り す ぐ れ て い る ． 以 上 ， 前 述 の 物 理 的 評 価 の 結 果 を ま と め た も の を T a b l e 1 に 示 す ．

3 - 2 サ ー ス ト ン の 一 対 比 較 法 に よ る 視 覚 的 評 価

 _{S P E C T 画 像 の 画 質 を 評 価 す る た め に ， 前 述 の 空 間 分 解 能 ，} コ ン ト ラ ス ト ， ノ イ ズ ， そ し て _{S N R を 調 査 し た ． し か し ， 画} 像 の 最 終 的 な 評 価 は ， 人 間 （ 観 察 者 ） の 感 覚 で 行 わ れ る の で ， 視 覚 的 評 価（ あ る い は 主 観 的 評 価 ， 心 理 的 評 価 ） も 必 要 で あ る ． こ れ は ， 物 理 的 評 価 で は ， 人 間 の 認 識 ・ 情 緒 を 把 え る こ と が で き な い か ら で あ る ． 視 覚 的 評 価 に は い く つ か の 方 法 が あ る が ， こ こ で は 統 計 的 官 能 検 査 法 で あ る サ ー ス ト ン の 一 対 比 較 法 を 用 い た 1 3 )．   サ ー ス ト ン の 方 法 で は ， あ る 刺 激 を も つ _{n 個 の 試 料 を 比 較} し よ う と す る と き ，_{n 個 か ら 2 個 ず つ 取 り 出 し て 観 察 者 に 提 示} す る ． 観 察 者 は ， 対 に さ れ た 2 個 の 試 料 を あ る 一 定 の 観 点 か ら 比 較 判 断 し ， 両 者 に 優 劣 を つ け る ． そ の 判 断 は ， 二 範 疇 で 行 わ れ ， 試 料 間 の 優 劣 の 差 の 大 き さ は 無 視 さ れ る ． 全 体 で nC2=n(n-1)/2 組 の 結 果 を 総 合 し て ， 個 々 の 試 料 の 心 理 学 的 尺 度 値 が 求 め ら れ ， 試 料 の 刺 激 を 数 値 化 （ 尺 度 化 ） す る こ と が で き る ．   サ ー ス ト ン は ， 比 較 判 断 に は 誤 差 が 伴 う も の と し て ， こ れ を 確 率 的 な も の と 考 え た ． つ ま り ， 観 察 者 に 刺 激 _Sj と _Sk を 観 察 さ せ た と き ，_Sj に 対 す る 観 察 者 の 時 刻 _{t で の 知 覚 反 応 を Rj t} と す る と _{Rj t} は 時 刻 _{t の 変 化 に 伴 い 一 定 で は な く 確 率 的 に 変 動 す} る ． サ ー ス ト ン は そ の 分 布 を 平 均 値 が R_j， 標 準 偏 差 が σ_j の 正 規 分 布 に 従 う も の と し た ．_Sk に つ い て も 同 様 で あ る ．_{R 尺 度} 上 で _Rj＞_Rk で あ れ ば ， 正 規 分 布 す る 二 つ の 変 数 の 差 も ま た 正 規 分 布 す る か ら ，R_j-R_k も 正 規 分 布 に 従 い ，

k j jk 2 k 2 j jk k j R Z 2r R − = σ +σ − σσ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・(5) と な る ． こ こ で ， Rj，Rk： 刺 激 Sj と Sk に 与 え ら れ た 心 理 学 的 知 覚 反 応 の 平 均 値 Zj k：Rj＞Rk と な る 確 率 p(Rj > k) の と き の 単 位 正 規 分 布 の か ら の 偏 差 率 σ_j， σ_k： 分 布 _{Rj t}と _{Rk t} の そ れ ぞ れ の 標 準 偏 差 rj k：Rj t と Rk t と の 間 の 相 関 係 数 (5)式 が サ ー ス ト ン の 比 較 判 断 の 法 則 に 基 づ く 公 式 で あ る ． 実 験 的 に 確 率 _p(Rj＞_{Rk)を 求 め て Zj k} を 得 る ． 視 覚 評 価 に 用 い た 試 料 は ， 脳 フ ァ ン ト ム を 用 い て _{6 種 類 作} 成 し た ． (Table 2) 投 影 デ ー タ が 1 方 向 あ た り 平 均 100count/pixel と な る よ う に 収 集 時 間 を 調 整 し た ． 収 集 方 向 数 は _{3 2 ， 4 8 ， 6 4 で ， 収 集 し た 投 影 デ ー タ は ， フ ィ ル タ 補 正 逆} 投 影 法 ， お よ び _{O S - E M 法 で 再 構 成 し た ． こ の と き ， 吸 収 補 正} や 散 乱 線 補 正 は 行 な わ な か っ た ． フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は ， 前 処 理 フ ィ ル タ と し て Butterworth （ 遮 断 周 波 数 0.50cycle/cm） を ， O S - E M 法 で は ， 後 処 理 フ ィ ル タ と し て 同 じ く _{Butterworth（ 遮 断 周 波 数 0.50cycle/cm ） を 用 い た ． 総} 収 集 時 間 は ， 収 集 方 向 数 _{6 4 を 基 準 収 集 時 間 １ と す る と ， 収 集} 方 向 数 _{4 8 は 総 収 集 時 間 3/4 ，収 集 方 向 数 3 2 で は 総 収 集 時 間 1/2} と な る ．（ 簡 単 の た め 検 出 器 の 移 動 時 間 は 無 視 し た ．） こ れ ら 作 成 し た 試 料 の 例 を _{Fig.13 に 示 す ． こ れ ら 6 種 類 の 画 像 は ， レ} ー ザ ー イ メ ー ジ ャ ー （_{Fuji FM-DPL ） を 用 い て フ ィ ル ム ( F u j i} DI-ALc)に 出 力 し て シ ャ ウ カ ス テ ン 上 で 観 察 し た ． 観 察 者 は 診

療 放 射 線 技 師 _{9 名 で ， の べ 観 察 回 数 は 1 4 回 で あ る ． 観 察 を 始} め る 前 に ， 観 察 者 に 各 再 構 成 方 法 ， お よ び 脳 フ ァ ン ト ム 画 像 の 構 造 に つ い て 説 明 し た ． そ し て ， ２ 種 類 の 画 像 を ラ ン ダ ム に 提 示 し ， 脳 S P E C T 画 像 と し て よ り よ い （ 適 切 ） と 思 わ れ る 画 像 を 選 択 す る よ う に 指 示 し た ．_{Zj k} か ら 各 対 象 の 選 好 尺 度 値 を 得 る ． こ れ ら は ， 間 隔 尺 度 な の で ， 最 も 高 値 な も の を _{1 0 0 ， 最 も} 低 値 な も の を _{0 と 数 値 変 換 し た ． こ れ ら の 結 果 を F i g . 1 4 に 示} す ．最 も 評 価 の 高 か っ た の は _{6 4 方 向 の O S - E M 法（ 尺 度 値 1 0 0 ）} で ，6 4 方 向 の フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 も 尺 度 値 9 9 で ほ ぼ 同 等 の 評 価 で あ っ た ． 次 に ， _{4 8 方 向 の フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 が 尺 度} 値 _{9 3 で ，4 8 方 向 の O S - E M 法 は 尺 度 値 6 5 で あ っ た ． 次 に ，3 2} 方 向 の O S - E M 法 の 尺 度 値 が 6 5 で ，最 も 評 価 の 低 か っ た の は ， 尺 度 値 _{0 で あ る 3 2 方 向 の フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で あ っ た ． つ} ま り ， 総 収 集 時 間 を _{3/4 に 短 縮 す る 場 合 で は ， フ ィ ル タ 補 正 逆} 投 影 法 が よ く ，_{1/2 に ま で 短 縮 す る 場 合 で は ， O S - E M 法 が よ} い と い う 結 果 と な っ た ． 尚 ， こ れ ら 得 ら れ た 尺 度 値 の デ ー タ の 内 的 整 合 性 に 問 題 は な か っ た ．

3 - 3  S N R と 一 対 比 較 法 の 尺 度 値 の 関 係

3-2-1 で 求 め た 物 理 的 評 価 の 指 標 で あ る S N R と ， 3-2 で 求 め た 視 覚 的 評 価 の 指 標 で あ る 一 対 比 較 法 の 尺 度 値 の 関 係 を 調 べ た ． こ こ で _{S N R の 値 は ， 陽 性 信 号 と 陰 性 信 号 の S N R の 値 の 平 均} 値 を 用 い た ． そ の 結 果 を _{F i g . 1 5 に 示 す ． S N R と 一 対 比 較 法 の} 尺 度 値 の 間 に は ， 強 い 正 の 相 関 関 係 が あ り ，S N R が 高 い ほ ど

一 対 比 較 法 の 尺 度 値 が 高 い ． し か し な が ら フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 と _{O S - E M 法 と で は ， そ の 傾 向 が 異 な る ． 特 に ， フ ィ ル タ 補} 正 逆 投 影 法 の _{6 4 方 向 と 4 8 方 向 の 一 対 比 較 法 の 尺 度 値 が S N R} 値 に 対 し て 非 常 に 高 値 で あ る ． こ れ は ， 収 集 方 向 数 が あ る 程 度 あ れ ば （ つ ま り ，_{4 8 方 向 以 上 ）， O S - E M 法 よ り も フ ィ ル タ 補} 正 逆 投 影 法 で 再 構 成 さ れ た 画 像 が 観 察 者 に 好 ま れ る 傾 向 が あ る こ と が 示 唆 さ れ る ．

第

4 章   収 集 方 向 数 減 少 に と も な う 画 像 の 変 化

4 - 1 ス ト リ ー ク ・ フ リ ー エ リ ア ( s t r e a k f r e e a r e a )

Bieszk ら 5 )_{に よ れ ば ， 再 構 成 さ れ た デ ー タ の 周 辺 に は ス ト} リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト の な い 領 域 ， す な わ ち ス ト リ ー ク ・ フ リ ー エ リ ア が 存 在 し ， 収 集 方 向 数_{(N) と の 間 に 次 の よ う な 関 係} が あ る ． N=2πRVm ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・(6) こ こ で ，_{R は ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト の 存 在 し な い 再 構} 成 画 像 領 域 の 半 径 ，_Vm は 再 構 成 画 像 の 最 高 空 間 周 波 数 で あ る ． 従 っ て ， 必 要 と さ れ る 収 集 方 向 数 は ， 被 検 体 の 大 き さ と 再 構 成 し よ う と す る 被 検 体 画 像 の 空 間 周 波 数 に 依 存 す る ． 例 え ば ， 脳 血 流 SPECT で は R=14(cm)， 再 構 成 に 用 い る Butterworth フ ィ ル タ の 遮 断 周 波 数 か ら ，_{Vm=0.50(cycle/cm)と す れ ば ，N≒4 4} と な る ．ま た ，体 幹 部 _{SPECT で は R=20(cm)，Vm=0.45(cycle/cm)} と す れ ば ，N≒5 0 と な る ． こ こ で 得 ら れ る ， 収 集 方 向 数 は ， 式

（_{1 ） よ り 得 ら れ る 値 よ り は る か に 少 な く ， 一 般 に 臨 床 で 用 い} ら れ て い る 方 向 数 _{6 4 よ り わ ず か に 少 な い ． し か し ， 式 (6) か ら} 高 分 解 能 な 撮 像 系 で あ れ ば あ る ほ ど ， 必 要 と さ れ る 収 集 方 向 数 は 多 く な る こ と に 注 意 を 要 す る ． つ ま り ， 空 間 分 解 能 の 悪 い 装 置 ほ ど 収 集 方 向 数 減 少 の 可 能 が 示 唆 さ れ る ．  F i g . 3 に 示 す 線 状 線 源 で は ， 線 源 の 周 辺 に は ス ト リ ー ク ・ フ リ ー エ リ ア が 観 察 さ れ る ． 線 状 線 源 を 含 む Ｘ 方 向 の プ ロ フ ァ イ ル カ ー ブ を _{Fig.16 に 示 す ． こ の 領 域 は ， 収 集 方 向 数 1 6 で は} 非 常 に 狭 く ，収 集 方 向 3 2 で は 少 し 拡 大 す る ．収 集 方 向 4 8 と 6 4 で は ， ス ト リ ー ク ・ フ リ ー エ リ ア は さ ら に 広 が り ， 両 者 の 違 い は あ ま り な い よ う に 思 わ れ る ． こ の 領 域 の 範 囲 は ， 式_{(6) か ら} 得 ら れ る 結 果 と ほ ぼ 一 致 す る ．

4 - 2 臓 器 内 お よ び そ の 周 辺 に お け る ア ー チ フ ァ ク ト

収 集 方 向 数 が 減 少 す る と ， 再 構 成 画 像 は ど の よ う に 変 化 す る の か を 脳 フ ァ ン ト ム 画 像 を 用 い て 調 べ た ． 特 に ， 臓 器 部 で の ス ト リ − ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト 発 生 の よ う す を 調 べ る た め に ， 側 頭 部 に 欠 損 部 を 作 成 し た ． 収 集 方 向 数 _{6 4 で 収 集 し た と き の 再 構} 成 画 像 を 基 準 と し て ， 収 集 方 向 数 _{3 2 と 1 6 方 向 の 画 像 を 正 規} 化 し て 差 分 画 像 （_{subtraction image ） を 作 成 し た ． こ れ ら の} 結 果 を F i g . 1 7 に 示 す ． フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は ， 脳 周 辺 部 に ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト に よ る と 思 わ れ る 線 状 の ア ー チ フ ァ ク ト が み ら れ る ． ま た ， 脳 内 部 に も 線 状 ， あ る い は 点 状 の ア ー チ フ ァ ク ト が み ら れ る ．1 6 - 6 4 方 向 の 差 分 画 像 で は ，3 2 - 6 4

方 向 の 差 分 画 像 よ り ア ー チ フ ァ ク ト は 少 な い が ， 線 状 の ア ー チ フ ァ ク ト が 目 立 つ ． 側 頭 部 の 設 け た 欠 損 部 に は ， 明 ら か な ア ー チ フ ァ ク ト は み ら れ な い ． ま た ， 収 集 方 向 が 減 れ ば 減 る ほ ど ア ー チ フ ァ ク ト は 増 え る と 予 測 さ れ る が ， 差 分 画 像 で は ， そ の 傾 向 は 明 ら か で は な い ． １ つ の 線 源 か ら 生 じ る ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト の よ う す は ，_{4-1 で 検 討 し た ． 線 源 の 近 傍 に は ス ト} リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト は 存 在 し な い ． だ が ， 脳 フ ァ ン ト ム や 実 際 の 被 検 体 は ， 点 線 源 の 集 合 体 と み な す こ と が で き る の で ， ア ー チ フ ァ ク ト の よ う す は 単 純 で は な い と 思 わ れ る ． し か し な が ら ， 収 集 方 向 _{1 6 の 画 像 で は ， 前 頭 部 中 央 に 欠 損 部 位 が 発 生} し て い る し ， 脳 内 部 の 画 像 歪 み も 明 ら か で あ る ． 一 方 ，O S - E M 法 で は ， 脳 周 辺 部 に は ア ー チ フ ァ ク ト は ほ と ん ど み ら れ な い ． ま た ， 脳 内 部 に 存 在 す る ア ー チ フ ァ ク ト は 収 集 方 向 数 に 関 係 な い よ う に 思 わ れ る ． し か し ， 側 頭 部 の 欠 損 部 位 に は わ ず か な 信 号 の 増 加 が み ら れ る ． そ れ に も か か わ ら ず ， O S - E M 法 は 収 集 方 向 数 の 減 少 に 対 し て ， 安 定 し た 良 好 な 画 像 を 提 供 す る 能 力 が 高 い こ と が 示 唆 さ れ る ．

4 - 3 画 像 歪

投 影 デ ー タ か ら 断 面 像 を 再 構 成 す る と き ， 収 集 方 向 数 が 少 な く な る と 画 像 歪 を 生 じ る ． こ れ は ， 投 影 デ ー タ を 再 構 成 し よ う と す る 画 素 に 逆 投 影 す る と き ， 必 ず し も 逆 投 影 す る デ ー タ が 画 素 に 一 致 す る と は 限 ら な い ． こ の よ う な 場 合 は ， そ の 画 素 に 最 も 近 い 2 つ の 投 影 デ ー タ を 用 い て デ ー タ を 補 間 し て そ の 画

素 の 値 と す る 1 4 )_{． 従 っ て ， 収 集 方 向 数 が 不 十 分 な 場 合 ， 補 間} し て 得 た 値 が 不 正 確 な 値 と な り ， 画 像 歪 の 原 因 と な る ．_{F i g . 1 8} は ， 収 集 方 向 数 を 変 化 さ せ て ， 同 心 円 状 の フ ァ ン ト ム を 撮 像 し た も の で あ る ． フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は ， 収 集 方 向 数 3 2 以 下 で は ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト が 増 え る ば か り で な く ， 多 角 形 状 に な っ て く る ． _{O S - E M 法 で は 収 集 方 向 数 1 6 で わ ず か} に 画 像 歪 が み ら れ は じ め ， 収 集 方 向 数 _{4 で は 歪 が 明 ら か と な} る ．（ た だ し ， 収 集 方 向 数 _{4 に お い て は ， M L - E M 法 で 再 構 成} し た ．）Fig.6 で は ， 6 4 方 向 で 収 集 し た デ ー タ で も subset 数 が 多 い _{3 2 に お い て ， 画 像 歪 み が み ら れ る ． 特 に iteration 数 が} 少 な い 場 合 ， 明 ら か で あ る ． こ れ は ，_{1 つ の subset に 割 り 振} ら れ る 投 影 デ ー タ の 数 が 非 常 に 少 な く な る た め で あ る と 思 わ れ る ． 例 え ば ，_{6 4 方 向 の 投 影 デ ー タ を subset を ８ と す れ ば ， 8} 方 向 の デ ー タ セ ッ ト を 用 い て 再 構 成 が 行 な わ れ る が ， _subset を _{1 6 と す れ ば わ ず か 4 方 向 の デ ー タ セ ッ ト か ら 再 構 成 す る こ} と に な る ．_{iteration 数 を 多 く す れ ば あ る 程 度 画 像 歪 み は 改 善} さ れ る 傾 向 が み ら れ る ．

4 - 4 O S - E M 法 に お け る s u b s e t 数 と i t e r a t i o n 数 の 問 題

O S - E M 法 に お い て 用 い ら れ る subset 数 と iteration 数 は ど の よ う な 値 が 適 正 な の で あ ろ う か ． 多 く の 施 設 で は ， 従 来 か ら 用 い ら れ て い る フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 の 画 像 と 見 比 べ て 視 覚 的 に 判 断 し て ， こ れ ら の パ ラ メ ー タ を 経 験 的 に 決 め て い る ． あ る い は ， 装 置 メ ー カ の 推 奨 す る 値 を そ の ま ま 用 い る 場 合 も あ る ．

定 説 は な い が ，_{subset 数 と iteration 数 の 積 が 1 0 か ら 4 0 程} 度 は 必 要 で あ る と 経 験 的 に い わ れ て い る ． し か し な が ら ， 本 研 究 の よ う に ， 収 集 方 向 数 を 変 化 さ せ る 場 合 で あ る と ， _subset 数 よ り も む し ろ 1 つ の subset に 含 ま れ る 方 向 数 が 重 要 と な る ． 一 方 ，_{iteration 数 は ， 多 け れ ば 多 い ほ ど よ い と い う も の で は} な く ， 多 け れ ば 当 然 計 算 時 間 も 長 く な る ． 従 っ て ， 何 回 で 逐 次 近 似 の 繰 り 返 し 計 算 を 止 め る か が 問 題 と な る ． こ れ ら は 全 く 経 験 的 に 行 わ れ て い る ．

第

5 章   ま と め

SPECT に お い て ， 撮 像 時 間 を 短 縮 さ せ る 目 的 の た め に 収 集 方 向 数 を 減 少 さ せ た 場 合 ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 と _{O S - E M 法} を 用 い た 再 構 成 画 像 で ど の よ う な 変 化 が 生 じ る の か 調 査 し た ． 物 理 的 評 価 に お い て ， 空 間 分 解 能 は 両 再 構 成 法 と も 収 集 方 向 数 の 減 少 に よ り 変 化 し な い ．_{F W H M は O S - E M 法 の 方 が 低 値} で 空 間 分 解 能 が よ い 傾 向 に あ る が ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 と く ら べ て 統 計 的 な 有 意 差 は 認 め ら れ な い ．_{F W T M に お い て は ，} O S - E M 法 の 方 が 低 値 で 空 間 分 解 能 が よ く ， 統 計 的 に 有 意 差 が 認 め ら れ る 場 合 が あ る ． コ ン ト ラ ス ト は ， 脳 フ ァ ン ト ム を 用 い た 場 合 ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は 収 集 方 向 数 の 減 少 に よ り 変 化 す る が ，O S - E M 法 で は ほ と ん ど 変 化 し な い ． ま た ， 収 集 方 向 数 _{1 6 以 外 で は ， O S - E M 法 （ subset=8，iteration=4 の 場 合 ）} の 方 が 高 コ ン ト ラ ス ト で あ る ， ノ イ ズ 特 性 は ， 収 集 方 向 数 で は な く ， 計 数 値 （ 総 収 集 時 間 ） に 依 存 す る ．O S - E M 法 の 方 が ノ

イ ズ は 約 _{2 0 ∼ 25% 程 度 フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 よ り 少 な い ． 物} 理 的 評 価 の 総 合 的 尺 度 と し て の _{S N R は ， 両 再 構 成 法 と も 収 集} 方 向 数 が 減 少 す る と 低 下 す る が ，_{O S - E M 法 の 方 が フ ィ ル タ 補} 正 逆 投 影 法 よ り 常 に 良 好 で あ る ． 脳 フ ァ ン ト ム を 用 い て サ ー ス ト ン の 一 対 比 較 法 に よ り 視 覚 評 価 を 行 な っ た ． 一 対 比 較 法 に よ る 視 覚 評 価 で は ， 収 集 方 向 数 6 4 の O S - E M 法 と フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 が ほ ぼ 同 等 で 最 も よ い 評 価 （ 尺 度 値 _{1 0 0 ） を 得 た ． 次 に よ か っ た の は ， 収 集 方 向 数} 4 8 （ す な わ ち 収 集 時 間 は 6 4 方 向 の 3/4 ） の フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 （ 尺 度 値 _{9 3 ） で あ っ た ． 同 じ 収 集 方 向 数 の O S - E M 法 は} 尺 度 値 _{6 5 で あ っ た ． 収 集 時 間 が 6 4 方 向 の 1/2 で あ る 3 2 方 向} は で は ，O S - E M 法 が 尺 度 値 4 1 で よ く ， 最 も 評 価 の 悪 か っ た の は 尺 度 値 _{0 の フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で あ っ た ． つ ま り ， 収} 集 時 間 が 現 状 の 状 態 で は ，_{O S - E M 法 ， フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法} と も 同 等 の 評 価 で あ り ， 収 集 時 間 を _{3/4 に 減 少 さ せ る と フ ィ ル} タ 補 正 逆 投 影 法 が ，_{1/2 に 収 集 時 間 を 減 少 さ せ る と O S - E M 法} が 有 利 と な る ． 物 理 的 評 価 で は ，_{O S - E M 法 は 全 般 に よ い 評 価 で あ っ た が ，} 視 覚 評 価 で は 必 ず し も よ い 評 価 で は な か っ た ． こ れ ら 両 者 の 不 一 致 は よ く 経 験 す る こ と で あ る ． ま た ， 視 覚 評 価 か ら 得 ら れ た 結 果 は ， 脳 フ ァ ン ト ム 画 像 か ら 得 ら れ た 結 果 で あ る の で ， 他 の 検 査 部 位 の 画 像 （ 心 筋 SPECT や 腫 瘍 S P E C T 等 ） に そ の ま ま 結 果 を 適 用 す る に は 注 意 を 要 す る ．

第

6 章   今 後 の 課 題

物 理 的 評 価 か ら ，_{O S - E M 法 を 用 い て 収 集 方 向 数 を 減 少 さ せ} る こ と に よ り 撮 像 時 間 短 縮 の 可 能 性 が 示 唆 さ れ た が ， 視 覚 的 評 価 で は ， そ の 可 能 性 は 少 な い よ う に 思 わ れ た ． つ ま り ， 収 集 方 向 数 を _{6 4 か ら 減 少 し た も の は ど れ も 評 価 が 低 い ． 言 い 換 え れ} ば ， 現 状 の デ ー タ 収 集 時 間 は ， 臨 床 的 に 用 い る こ と の で き る 最 低 限 の 画 質 し か 提 供 で き て い な い と い う こ と に な り ， 今 以 上 の 収 集 時 間 短 縮 は 困 難 で あ る こ と を 示 し て い る ． し か し な が ら ， 官 能 検 査 で あ る 一 対 比 較 法 で は ， 画 像 の “ 好 ま し さ ” が 評 価 さ れ て い る ． 臨 床 診 断 に お い て ， 病 巣 （ 信 号 ） を 検 出 す る と い う 一 連 の 診 断 行 為 に お い て ， こ の “ 好 ま し い ” 画 像 が ， 必 ず し も “ 病 巣 を 検 出 す る 能 力 ” が す ぐ れ て い る と は 限 ら な い と 思 わ れ る ． こ の “ 病 巣 を 検 出 す る 能 力 ” を 評 価 し よ う と す れ ば ， 信 号 検 出 論 か ら の ア プ ロ ー チ ， つ ま り 有 病 正 診 率 （ 感 度 ） や 無 病 正 診 率 （ 特 異 度 ）， あ る い は _{R O C (receiver operating} characteristic)解 析 等 が 必 要 と な る で あ ろ う ． O S - E M 法 は ス ト リ ー ク ・ ア ー チ フ ァ ク ト の 発 生 が な く ， ノ イ ズ 特 性 も 良 好 な の で ， 収 集 時 間 短 縮 の 潜 在 的 な 能 力 は 十 分 備 わ っ て い る と 思 わ れ る ．

謝 辞

本 研 究 を 行 な う に あ た り ， 多 く の 助 言 や 協 力 を い た だ い た 日 本 放 射 線 技 術 学 会 中 国 四 国 部 会 核 医 学 研 究 会 （ 核 医 学 夢 工 房 ） の 会 員 諸 兄 に 深 謝 い た し ま す ． ま た ， 視 覚 評 価 に 快 く 協 力

し て い た だ い た 香 川 労 災 病 院 放 射 線 科 の 諸 兄 に 感 謝 い た し ま す ．

参 考 文 献

1 ) _{日 本 放 射 線 技 術 学 会 ： 核 医 学 検 査 技 術 学 ， オ ー ム 社 ， (2002)．} 2 ) _{日 本 核 医 学 技 術 学 会 ： 最 新 核 医 学 検 査 技 術 ， メ デ ィ カ ル ト} リ ビ ュ ー ン ，(2001)． 3 ) _{日 本 エ ム イ ー 学 会 編： 核 医 学 イ メ ー ジ ン グ ，コ ロ ナ 社 ，(2001)}

4 ) _{S. Larsson, A. Israelsson：Consideration on system design,}

implementation and computer processing in SPECT, IEEE Transactions on nuclear science, 1221-1342, NS-29 (4), (1982)

5 ) _{J . A. Bieszk, E. G. Hawman：Evaluation of SPECT Angular}

Sampling Effects - Continuous Versus Step-and-Shoot Acquisition-, The Journal of Nuclear Medicine, 28, 1308-1314, (1987)

.

6 ) _{Zong Jian Cao, Lawrence E. Holder and Charles C. Chen：}

Optimal Number of Views in 360°SPECT Imaging: J Nucl Med 37:1740-1744, (1996)

7 ) _{横 井 孝 司 ： OS-EM (ordered subsets-expectation}

maximization) 法 に よ る 画 像 再 構 成 ． 日 本 放 射 線 技 術 学 会 雑 誌 ，_{57(5) ， 5 2 3 - 5 2 9 ， (2001)}

8 ) _{Bruce H. Hasegawa ： The physics of MEDICAL X-RAY}

IMAGING，MEDICAL PHYSICS PUBLISHING，Wisconsin， (1991)

9 ) _{日 本 放 射 線 技 術 学 会 核 医 学 分 科 会 ：SPECT 画 像 技 術 の 基 礎 ，}

78-79， 日 本 放 射 線 技 術 学 会 出 版 局 ， (2001)

1 0 ) _{Peter M. Joseph, Raymond A. Schultz ： View sampling}

requirements in fan beam computed tomography : Med. Phys. 7(6) : 692-702, (1980)

1 2 ) _{脳 フ ァ ン ト ム 取 扱 説 明 書 ， 京 都 科 学}

1 3 ) _{佐 藤 信 ： 統 計 的 官 能 検 査 法 ， 2 7 1 - 2 8 0 ， 日 科 技 連 ， (2002)}

Table 1 フィルタ補正逆投影 (FBP) 法とOS-EM法の物理特性の比較 再構成方法 FBP法 OS-EM法 空間分解能 ○    ≦ ◎ コントラスト （_{16方向のみ高値）} ○    ＜ ◎ (subset=8 iteration=4のとき) ノイズ ○    ＜ ◎ SNR ○    ＜ ◎ 収集方向数に依存しない 収集方向数に依存しない 総収集時間に依存 収集方向数が多いほど良好

Table 2 作成した6種類の試料

Sample 再構成法

View数 相対的収集時間

A

FPP

64

1

B

FBP

48

3/4

C

FBP

32

1/2

D

OS-EM

64

1

E

OS-EM

48

3/4

F

OS-EM

32

1/2

被検体 γ線 コリメータ シンチレータ 光 電 子増 倍 プリアンプ Fig.1 (a) シンチレーションカメラの基本的な構造．(b) シンチ カメラ回転型SPECT 装置で脳血流検査を行なっているところ． (a) (b) データ処理装置

被検体 検出器 θ Δｄ ｘ 計数値 1 2 Fig.2 SPECT（シンチレーションカメラ回転型）におけるデ ータ収集．被検体から放出したγ線は，まず 1 の位置で投影デ ータが収集される．この投影データを上側に示す．Δd は，サ ンプリング間隔（pixel 寸法）である． 次にθだけ検出器が回転移動し，2 の位置に移動しデータ収集 が行なわれる．この動作を繰り返し，被検体の周囲 360 度のデ ータが収集される．

(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Fig.3 線状線源を収集方向数を変えて撮像し，フィルタ補正逆投 影法（上段）とOS-EM 法（下段）で再構成した．(a)と（e）は 64 方向，(b)と(f)は 48 方向，(c)と(g)は 32 方向，(d)と(h)は 16 方向 である．