Development of the Software Package of the Nuclear Medicine
Data Processor for Education and Research
Hisato Maeda,1 Noriyasu Yamaki,2＊ and Makoto Azuma2
1Fujita Health University
2Imaging Information Technology Center, Nihon Medi-Physics Co., Ltd. Received April 11, 2011; Revision accepted December 6, 2011
Code No. 390 Summary
The objective of this study was to develop a personal computer-based nuclear medicine data processor for education and research in the field of nuclear medicine. We call this software package “Prominence Proces-sor” (PP). Windows of Microsoft Corporation was used as the operating system of this PP, which have 1024×768 image resolution and various 63 applications classified into 6 groups. The accuracy was examined for a lot of applications of the PP. For example, in the FBP reconstruction application, there was visually no difference in the image quality as a result of comparing two SPECT images obtained from the PP and GMS-5500A (Toshiba). Moreover, Normalized MSE between both images showed 0.0003. Therefore the high processing accuracy of the FBP reconstruction application was proven as well as other applications. The PP can be used in an arbitrary place if the software package is installed in note PC. Therefore the PP is used to lecture and to practice on an educational site and used for the purpose of the research of the radiological tech-nologist on a clinical site etc. widely now.
Key words: nuclear medicine data processor, prominence processor *Proceeding author
緒 言
核医学検査は種々の放射性医薬品の開発および検査 装置の性能向上に伴って，他の検査法では得ることの 困難な生態の代謝および機能情報を提供し，特に断層 画像を得る single photon emission computed tomography （SPECT）および positron emission computed tomography （PET）はその普及によって，核医学の臨床に欠かすこと のできない検査法となっている．SPECT，PET は，体 内に放射性医薬品を投与し，放出される光子を体外で 検出し断層画像を得るもので，常に光子の減弱，散乱 および低分解能という問題を伴う．特に SPECT におけ るそれらの影響は顕著である．SPECT の定量性を損な う現象の 3 大因子のうち，体内における γ 線の減弱 ･ 散乱現象については数多くの報告があり ，これらに 対する補正法はほぼ実用化され，また空間分解能（以 下，分解能）についても，検出器から線源までの距離に 依存するという困難性，処理時間などの問題を有する もののいくつかの報告がなされ6, 7），SPECT 装置に導入 されてきている． しかしながら最近の SPECT 装置のデータ処理部 （workstation; WS）では，現場スタッフにおける処理過 程の関与が少なくなり，また，処理の詳細内容の開示 がなされない場合もあり，以前のように処理内容を十分 理解したうえで処理することが困難になってきている． 検査開始から最終的な SPECT 画像を得るまでの過程に は種々の要因があり8, 9），良好な画像を得るための特効
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1-3-1 FBP 法による SPECT 再構成
処理例としてプロミネンスプロセッサに取り込んだ （インポート）した I-123 IMP 脳血流 SPECT データ（マ
Fig. 1 An initial screen image of the Prominence Proces-sor with 6 main processing buttons (left side) and menu bars (upper side).
トリックスサイズ 128×128，収集角度間隔 4 度で 20 分 間収 集）に対して FBP 法を用いて SPECT 再 構 成を 行った．
なお，散乱補正を行う場合には，あらかじめ投影 データに対して「SPECT Tools」内にある triple energy window（TEW）法3）を用いて補正しておく必要があり， また Chang の減弱補正法2）を行う場合には SPECT 再構 成後に処理する． 1-3-2 ファントム，投影データ作成およびその再 構成例 プロミネンスプロセッサでは PC 上にて擬似的にファ ントムを作成する機能を有し，放射性医薬品およびガ ンマカメラを必要とすることなく核医学検査を模した実 験を可能にするアプリケーションが搭載されている． ファントムには，種々（8 種類）の図形を任意に組み合わ せて作成する数値ファントムとあらかじめ用意された人 体数値ファントム（心臓ファントム，脳血流ファントム） がある． （1）図形数値ファントム例 ここでは任意図形を組み合わせて，直径 100 ピクセ ル，バックグラウンドとして 1 ピクセル当たり 40 とした 円柱を設定し，その円柱内に 0，80，120，160 の値を 設定した直径 25 ピクセルの円柱を挿入し，ファントム を作成した．なおスライスマトリックスは 128×128 であ る（Fig. 3a）．収集条件は収集角度範囲 360 度，収集角 度間隔 4 度，回転半径を 250 mm とした． （2）脳血流ファントム例 人体ファントムとして，部位別に値を設定できる脳血 流ファントム（128×128 マトリックス）を用い，白質：灰白 質の比は 1：3 に設定した（Fig. 3b）．収集条件は収集角 度範囲 360 度，収集角度間隔 4 度，回転半径を 130 mm とした． いずれのファントムも統計的変動，散乱，減弱，コリ メータによる分解能劣化を考慮した投影データを作成し た後，FBP 法を用いて SPECT 再構成を行った． 2．結 果 2-1 FBP 法による SPECT 再構成例
Fig. 4 に脳血流 SPECT 例の結果を示す．Fig. 4a は再 構成された体軸断層像で，左上から右下にかけての各画 像は体軸の上から下にかけてのスライスを示し，Fig. 4b はその冠状断層像，Fig. 4c は矢状断層像である．これ らの画像は WS（東芝 GMS-5500A）で処理した画像とほ ぼ同一の画像が得られている．再構成時間は本例の 65 スライス再構成において，デスクトップ PC（Intel Core2 Quad Q6700 2.66 GHz，メモリ 4 GB）で 1.86 秒，ノート
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Fig. 3 Examples of the numerical phantom.
(a) The example of the numerical phantom using circles.
(b) Brain phantom made possible simulating various cerebral blood flow at several segments.
a b
Fig. 4 Reconstructed I-123 brain SPECT images. (a) transaxial image
(b) coronal image (c) sagittal image
a b c
PC（Intel Core2 Duo T7100 1.80 GHz，メモリ 2 GB）では 2.38秒であった．いずれも 3 回測定の平均値である． 2-2 数値ファントム，投影データ作成およびその 再構成例 2-2-1 図形数値ファントム Fig. 5a はバックグラウンドとして直径 100 ピクセル， 1ピクセルあたり 40 とした円柱を設定し，その円柱内 に 0，80，120，160 の値を設定した円柱（直径 25 ピク セル）を挿入して作成した円柱ファントムの投影データ 作成画面を示す．Fig. 5b は FBP 法による SPECT 再構 成パラメータの設定画面を示し，上段左の画像はオリ ジナル投影データ，中段左はオーダ 8.0，カットオフ周 波数 0.35 cycles/cm の条件で処理したバターワースフィ ルタ処理後の投影データで，その右に同条件における バターワースフィルタの形状を示す．下段左は上段左 画像の点線における断面（第 64 スライス目）の再構成画 像を示す．Fig. 6a に再構成された SPECT 画像を，また Fig. 6bに散乱および減弱補正された SPECT 画像を示 す．補正された画像ではより原画像に近い画像が得ら
a b
a b
Fig. 5 Screen images of Generation of projection data for the numerical phantom (a) and reconstruction of the numerical phantom (b).
Fig. 6 Reconstructed SPECT images of numerical phantoms with (b) and without (a) scatter and attenuation correction.
れている． 2-2-2 脳血流ファントム Fig. 7a は白質：灰白質の比を 1：3 に設定した脳血流 ファントムで，Fig. 7b にその投影データを示す．Fig. 7c に再構成された SPECT 画像，また Fig. 7d に散乱およ び減弱補正された SPECT 画像を示す．補正された画像 ではより原画像に近い画像が得られている． 2-3 WS との一致性 数種のアプリケーションについて，WS（東芝製 GMS-5500A）との比較，検討を行ったが，その誤差はごく小 さい範囲内に収まった．FBP 再構成例の結果を Fig. 8 に示す．GMS-5500A で得られたファントム SPECT 画 像（a）と本プロミネンスプロセッサで処理された SPECT 画像（b）との比較において，その差は明確には認識でき ない程度で一致しており，また両者間の normalized mean square error（Normalized MSE）は 0.0003 であった．
3．考 察 核医学検査における収集されたデータに対する情報 処理はハードウエアおよびソフトウエアの進歩によって 急速に発展してきた．最近の WS ではその処理内容が ブラックボックス化している傾向があり，処理スタッフ の能力による差が少なくなってきている．それ自体は好 ましい傾向ではあるが，処理内容の詳細な掌握が徐々 に低下し，教育現場でいかに理論，原理を教育しても
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Fig. 7 Example of numerical brain phantom with cerebral blood flow of 1:3 (white matter:gray matter).
(a) and (b) shows original brain phantom and projection data of this phantom respec-tively. Lower images show the reconstructed SPECT images with (d) and without scatter and attenuation correction (c).
a c
b d
a b
Fig. 8 Comparison of SPECT images reconstructed by the prominence proces-sor and the WS (TOSHIBA GMS-5500A).
It is visually difficult to recognize the difference between both images.
臨床現場での応用が困難な場合が多い．本核医学画像 処理解析ソフトウエアパッケージ「プロミネンスプロ セッサ」はそういった現状も考慮し，2-1 で述べた開発コ ンセプトをもって開発されたものであるが，今回ほぼそ の目的を達したソフトウエアパッケージが構築できたも のと考えている． ソフトウエアパッケージ内の 9 割以上のアプリケー ションは，大学関係者の学術研究，ならびに卒業研究 のために作成されたアプリケーションを利用，改良した ものであり，その演算部の大部分はフォートラン言語で 記述されている．各アプリケーションの検証も綿密にな され，数種のアプリケーション［FBP，ordered subsets expectation maximization（OS-EM）再構成など］について は WS（東芝製 GMS-5500A）との比較，検討を行った
ていない数多くの教育および研究目的に対応したアプリ ケーションが搭載されている．その中の一つである数値 ファントム作成の例では，Fig. 3 で示したごとく，作成 された任意の数値ファントム，装備された高機能を有す る脳および心臓ファントムを利用して，統計的変動，散 乱，減弱，空間分解能を考慮した任意の角度間隔での 投影データ作成，その SPECT 再構成，散乱線補正など 各種補正および画像評価までの一連処理が本プロミネ ンスプロセッサで可能であり，学生の講義，実習などの 教育ならびに高度な研究（卒業研究，大学院研究，臨床 現場での研究）に対応できるものと考えている． また FBP，OS-EM 画像再構成における各ステップで の表示など，市販 WS では観察困難であった処理過程 を講義，実習時に動画表示し，処理アルゴリズムの理 解を深めるとともに，より原理の理解が可能となるよう 工夫されている．なお，ソフトウエアパッケージには講 義，実習時における学生および教員の利用を容易にす るため「核医学画像処理講義マニュアル」が添付されて いる． 現在，放射性医薬品メーカなどから，各種データ処 理に関するアプリケーションが提供されているが，その 大部分が脳，心臓関係に特化したもので，本パッケー ジのような目的をもった核医学データ処理パッケージは 皆無である． 現時点において，CD に納められた本ソフトウエア パッケージは全国の希望核医学施設および放射線技師 養成学校に配布され，種々の目的をもって使用されてい る．その利用形態は施設によって異なるが，大別して教 育施設などでの教育，研究および臨床現場での研究な どに使用されている． 更に核医学関係の学術研究会，学会などでプロミ ネンスプロセッサを用いた研究発表が，われわれの発 表10∼12）以後増加し，平成 22 年度日本放射線技 術学 会，日本核医学技術学会，日本核医学会において，抄 限に引き出し，プロセッサを使用した多くの人の意見集 約を行うことによって，核医学の各検査における最適な 画像を得るための統一した収集条件および処理方法の 集約，すなわち検査の基準，標準化への一助となり， 最終的には核医学検査技術全体のレベル向上を期待す るものである． 4．結 語 画像処理技術の正しい知識を得るための教育啓発に 資することを目的とし，「開発主体はユーザ，理論に忠 実なアルゴリズム，基本的処理の網羅，学生ならびに 技師教育用アプリケーションの充実化，容易な操作 性，高度な研究目的に対応」という開発コンセプトもっ た核医学画像処理解析ソフトウエアパッケージを開発 した．本プロミネンスプロセッサのアプリケーションは 6群，計 63 種類のアプリケーションから構成され，市 販 SPECT 装置の WS に装備されている基本的なアプリ ケーションはほぼ網羅しており，更に WS には搭載され ていない，学生などに対する教育用および高度な研究 目的に対応したアプリケーションおよびツールを搭載し た．数 種のプログラムについて，WS（東 芝 製 GMS-5500A）の処理結果との精度比較がなされたが，その誤 差は小さく，信頼性の高いプログラムが構築できた．本 パッケージはノート PC でも十分使用可能で，その使用 場所を選ばず，核医学データ処理をより身近なものにす ることができた． 謝 辞 核医学画像処理解析ソフトウエアパッケージの開発 および本論文作成に当たっては，プロミネンス・カン ファレンスの世話人，幹事の皆様および東芝医用メディ カルシステムズ株式会社から多大なるご協力をいただ き感謝申し上げます．
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参考文献
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