断層 l 映像研究会雑誌第 28 巻第 I 号図 2 収束性の比較 ( 数値ファン卜ム ) 数値ファントム : Cold 領域 =0 Hot 領域 =80 Background 領域 =20 マトリクス =128 投影方向数 =90 ML-EM 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の

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すずりわたぬき
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200 1 年 3 月 31 日総説 OS-EM 法による画像再構成の概要と臨床的有用性寺岡悟見相馬努河野芳幸株式会社第一ラジオアイソトープ研究所臨床応用技術グループ Teraoka, Soma, Group, R ad i o i sotop 巴 Laborator i 巴 s, LTO ML-EM, OS-EM, FBP, PET, 1.

1 200 1 年 3 月 31 日総説 OS-EM 法による画像再構成の概要と臨床的有用性寺岡悟見相馬努河野芳幸株式会社第一ラジオアイソトープ研究所臨床応用技術グループ Teraoka, Soma, Group, R ad i o i sotop 巴 Laborator i 巴 s, LTO ML-EM, OS-EM, FBP, PET, 1. はじめに最尤推定ー期待値最大化法 (Max imum ML-EM 法 ) の Pos i tron ( PET ) や Single (SPECT ) を対象とした画像再構成への応用は 1980 年代前半から試みられていたが 1-2 ) 当初は計算に膨大な時聞がかかっていたために臨床に普及するまでには至らなかったしかし最近になってコンピュータ性能の向上及び ML-EM 法を高速化した変法である Ordered EM 法 (OS-EM 法 ) の開発 3 ) により臨床への応用が進んでいる 4 ) 本稿では ML-EM 法や OS-EM 法の概要と従来から臨床に用いられている Fil te re d Proj ection 法 (FBP 法 ) と比べての利点さまざまな補正への応用及び現時点での課題を紹介する 2. 概要 ML-EM 法とは ML-EM 法による画像一再構成は最尤 (ML ) 推定法と期待値最大化 (EM ) 法という 2 つの理論を組み合わせることによって PETや SPECT において求めたい未知数である体内の RI 分布を収集した投影データから統計的手法によってもっとも可能性の高いケースとして推定する方法である ML-EM 法は推定した再構成画像から計算した投影データを実際に収集した投影データにできるだけ一致させるように再構成画像を繰り返し補正してしく逐次近似法の一種である図 1 では数値ファントムを使用して ML-EM 法の逐次近似にお図 1 収束性シミュレーション : ML-EM 法 ( 数的直ファントム ) 数値ファントム : Co l d 領域 =0 Hot 領域 =80 Background 領域 =20 マトリクス =128 投影方向数 =90 Iterationによる再構成画像の違いを鳥撤回及び中心のプロフイールカーブで表示データのご提供 : 島津製作所様別刷り請求先 : 株式会社第一ラジオアイソトープ研究所臨床応用技術グループ寺阿倍見東京都中央区京橋一丁目 1 7 番 1 0 号内田洋行京橋ビル

断層 l 映像研究会雑誌第 28 巻第 I 号図 2 収束性の比較 ( 数値ファン卜ム ) 数値ファントム : Cold 領域 =0 Hot 領域 =80 Background 領域 =20 マトリクス =128 投影方向数 =90 ML-EM 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の収束性を比較データの ζ 提供 : 島津製作所様ける収束性を見ている数値ファントムは

2 断層 l 映像研究会雑誌第 28 巻第 I 号図 2 収束性の比較 ( 数値ファン卜ム ) 数値ファントム : Cold 領域 =0 Hot 領域 =80 Background 領域 =20 マトリクス =128 投影方向数 =90 ML-EM 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の収束性を比較データの ζ 提供 : 島津製作所様ける収束性を見ている数値ファントムは Cold 領域 (0) Hot 領域 (80 ) Background 領域 (20 ) の 3 領域で構成されているこのデータから 90 方向の投影データを作成し ML-EM 法で再構成している鳥殿図や中心のプロフィールカーブを見ると収束は低周波成分が主体のフラッドな領域から始まり徐々に高周波成分であるエッジそもつ領域に広がっていることが分かるた Hot 領域が Ite ration ( 繰り返し ) が 10 回程度で真の値に収束するのに比べ Co ld 領域は 30 回程度の Iteration が必要になっているま Iteration の回数は処理時間に比例するのでその多さつまり処理時間の長さが ML-EM 法の普及を妨げる一因となっていた司 EM 法とは OS-EM 法は投影データをいくつかの Subset ( グループ ) に分割して l 回のIteration でこの Subsetの数だけ画像の更新を行うつまり計算の収束を早めるためにラフな推定 ( 更新 ) を頻繁に行うように工夫している図 2 は図 1 と同じ数値ファントムを使用して ML-EM 法と OS-EM 法の収束性を比較している尚 OS-EM 法は S ubset を 15 lsubset あたり 6 方向にしているントのグラフを見るとつまり全投影方向が 90 なので各々の領域でのカウ左側の ML-EM 法ではまず Backgrou nd 領域が 6 回程度の Iteration で真の値に収束し次に Hot 領域が 10 回程度で収束しているしかし Co l d 領域に関しては 20 回の Iterat ion でも真の値である Oにはなっていなし一方右側の OS-EM 法では Backgroun d 領域 Hot 領域とも I 回の Iteration で真の値に収束し Co ld 領域に関しでも 5 回程度の Iterat ion で収束しているこのように OS -EM 法では ML -EM 法の 10 分の 1 程度のIteration で真の値に収束する OS EM 法はソフトウェア的に ML-EM 法を含んだ形になっていることもあり現在ほとんどの機器メーカが提供しているソフトウェアは OS-EMi 去のソフトウェアである FBP 法と比べての利点 FBP l 法は逆投影の際に発生するボケを除くために Ramp フィルタ等の再構成フィルタを使用している FBP 法における再構成フィルタに起因する問題として 1 低カウント領域での S/Nが悪い 2 ストリークアーチファクトが発生する 3 SPECT 値が対象物のサイズに依存する等がある ML-EM 法や OS -EM 法には FBP 法における再構成フィルタのような概念が存在しないためこれらの問題が改善することが知られている 3.1. 低カウント領域での 8/Nの改善数値ファントム図 3は統計ノイズを加えた数値ファントムの再構成画像で左側が低いカウントの場合右側が高いカウントの場合であるこれらの画像を見ても明らかなように上段の FBP 法では再構成フィルタによって統計ノイズも強調されてしまうために特にカウントの低い画像において画質が劣化してしまうこれに比べて OS-EM 法では低いカウントの場合でも比較的安定した画像が得られる腫蕩イメージング図 4 は 1 8FDG を使用した PETの Coronal 像であるこの画像からも OS-EM 法では FBP 法に比べて低カウント領域での S/Nが改善することが分かる低カウン

3 200 1 年 3 月 31 日 3.2. ストリークアーチファクトの改善ファントム図 6 はストリークアーチファクトに関しての FBP 法と OS-EM 法の違いをファントムで見ている左側は線線源右側は直径 8cm のボトルと1.5cm のパイアルで両方とも 99mTc を使用しボトルとパイアルの放射能濃度の比は 1 対 10 にしている各々上が収集デー夕左下がFBP 法右下がOS-EM 法での再構成画像で線線 j 原では Tra n sax i a l 像ボトルとパイアルでは CoronaH 象を表示している再構成画像の表示はストリークアーチファクトを認識しゃくするために負の値の領域が見図 3 低カウント領域での S/Nの改善 ( 数値ファントム ) 低カウン卜 ( 左 ) と高カウント ( 右 ) での再構成画像の FBP 法 ( 下 ) と OS - EM 法 ( 上 ) の比較データのご提供 : 島津製作所様えるようにロアレベルをマイナスにしている画像を見ると明らかなように FBP 法で発生しているストリークアーチファクトが OS-EM 法では消えている尚線線源によるストリークアーチファクトは両端の 2 つの線源から発生しているがこれは各角度の収集データにおいて線源と検出器の距離や l 吸収体の影響の違いにより線源ト領域での SIN( 画質 ) が良いという利点は SPECT でも 67Gaや 201T I を使用した腫蕩イメージングにおいて威力を発揮する図 5 に 20JT I を使用した肺と脳の腫蕩 SPECT の Coro nal 像を示すようにロアレベルをマイナスにしている画像の表示は負が見える正常領域の ROI 内の CV 値 ( 変動係数 ) は OS-EM 法の方が低く正常領域のカウントが安定して得られている従って O S EM 法を使用することで画質が改善するとともに Tumor (TNR ) 等の ROIfi 砕析の精度も向上することが期待できる但し TNR の値自体は FBP 法に比べて低い値になる傾向があり FBP 法で求めた正常異常の判断基準は OS-EM 法では使えない従って OS-EM 法での再構成画像で TNR 等の ROI 解析を行う場合には新たな診断基準が必要になっているのカウントやボケの程度が変化する場合にストリークアーチファクトが目立ってくるということを意味している腫蕩イメージング図 7 左側の骨 SPECT の Transaxial 像では! 日 J 骨への転移病巣に極めて強い集積があり FBP 法では強いストリークアーチファク卜が発生しているが OS-EM 法では消えているまた右側の 67 Ga 全身 SPECT の MIP 画像には多数の Hot Spotが存在しているが FBP 法では矢印で示す小さな Hot Spotが隣の強い Spotから発生するストリークアーチファクトによって消されてしまっているが OS -EM 法では分離して見えているこのようなに FBP 法ではより強い Hot から発生するストリークアーチファクトによってその周辺の小さなまたは弱い Hot Spot が覆い隠されて図 4 低カウント領域での S/N の改善 18 FDG-PET における Coronal 像の FBP 法 ( 左 ) と OS - EM 法 ( 右 ) の比較データのご提供 : GE 償河メデイカルシステム様

断府 l 映像研究会雑誌第 2 8 巻第 1 号図 5 低カウン卜領域での S/N の改善 (20 1TICI 腫痩 ) 201 TICI 腫蕩 SPECT における Coronal 像の画質と ROI 解析 TNR ) の FBP 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の比較表示は負が見えるように口アレベルをマイナスにセットデータのご提供 : 横浜南共済病院様収集データ

4 断府 l 映像研究会雑誌第 2 8 巻第 1 号図 5 低カウン卜領域での S/N の改善 (20 1TICI 腫痩 ) 201 TICI 腫蕩 SPECT における Coronal 像の画質と ROI 解析 TNR ) の FBP 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の比較表示は負が見えるように口アレベルをマイナスにセットデータのご提供 : 横浜南共済病院様収集データ収集データ ~ 図 6 ストリークアーチファク卜の改善 ( ファントム ) 線線源 ( 左 ) 直径 8cm のボトルと 1_5cm のパイアル ( 右 ) における FBP 法と OS-EM 法の比較ボトルとパイアルの放射能濃度の比は 1 対 10 再構成画像は線線源では Transaxial 像ボトルとパイアルでは Coronal 像を表示再構成画像の表示は負が見えるようにロアレベルをマイナスにセットしまう可能性がある心筋イメージング心筋 SPECT において肝臓や胆嚢に高集積がある場合 FBP 法ではそれらからのストリークアーチファクトによって中隔や下壁に欠損が生じる可能性がある図 8 は FBP 法におけるこの問題を心肝ファントムで見ているこのファントムは肝臓の右葉を極端に起上させているが臨床データにおいても時々肝臓が心臓と同じ高さに起上してくることがありそういうデータを模擬しているまた 99mTc 製剤や 1 23r 製剤を使用した場合には肝臓や胆嚢に心筋と同程度かそれ以上の集積が見られることがあることからそれを模擬する目的で放射能濃度の比は心筋の l に対して肝臓を 2 にしている尚上段の Transaxial 像の表示は心筋の最大カウントに対してアッパーレベルを 100% にロアレベルを -30% にセットしている FBP 法で発生しているストリークアーチファクトによる中隔や下壁の欠損がOS-EM 法では改善しているが完全ではないこの原因としては吸収散乱分解能補正をしていないためにそれらの影響が残っていることが考えられる図 9 は 9 9 m Tc_ sestamibi を使用した 180 度収集の心筋 SPECTの臨床データである上段の Corona l 像の表示だけは心筋の最大カウントに対してアッパーレベルを 100% にロアレベルを -30% にセットしてストリークアーチファクトを

2001 年 3 月 3 1 日図 7 ストリークアーチファク卜の改善 ( 骨 67 Ga ) 肋骨転移の骨 SPECT の Transaxial 像 ( 左 ) と多数の spotが近接して存在する 67 Ga 全身 SPECT の MIP 画像 ( 右 ) における FBP 法と OS-EM 法の比較データのご提供 : 千葉がんセンター油井信春先生図 8 ストリークアーチファクトの改善

5 2001 年 3 月 3 1 日図 7 ストリークアーチファク卜の改善 ( 骨 67 Ga ) 肋骨転移の骨 SPECT の Transaxial 像 ( 左 ) と多数の spotが近接して存在する 67 Ga 全身 SPECT の MIP 画像 ( 右 ) における FBP 法と OS-EM 法の比較データのご提供 : 千葉がんセンター油井信春先生図 8 ストリークアーチファクトの改善 ( 心肝ファントム ) 肝臓右葉起上型心肝ファントム ( 放射能濃度は心筋の 1 に対して肝臓が 2 ) の FBP 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の比較上から Transaxial 像 Vertical Axis 像 Short Axis 像 Transaxial 像の表示は心筋の最大カウントに対してアッパーレベルを 100 % に口アレベルを. 30 % にセットデータのご提供 : 松下記念病院高木研二先生見やすくしている FBP 法における Corona l 像を見るではその他にストリークーチファクトによって下壁にもと下壁の欠損は肝臓の高集積によって生じた水平に走るストリークアーチファクトの影響であることが分か欠損を作ってしまっている図 11 は健常者 9 名から作製した 1 23I_MIBG の平均 Bu ll 's 画像であるが OS る右上の各断層像を見ると FBP 法で発生した I~ 壁 EM 法では Ear l y 3 時間後の Delayed とも全領域の欠損がOS-EM 法では改善していることが明らかである下段の S h ort Ax i s 像中央スライスにおける解析ではカーブ中央の下壁の %UptakeがFBPì 法の約 50% から OS-EM 法では約 70% と改善している図 10 も 99 mtc-sestamibi を使用した 180 度収集の心筋 SPECTの臨床データであるこので %Uptake が仁がりより均ーな分布になっている特に下壁と心基部において分布が明らかに改善していることが分かる SPECT 値のサイズ依存の改善図 12 は FBP 法における Ramp フィルタの A li as i ngが原因で発生する SPECT 値のサイズ依存の問題 5 ) を症例は LAD7 番に狭窄を有する症例で心尖部に限円キ主ファントムで見ている各ファントムに入れた 99mTc 局しての低カウントは臨床と合致しているが FBP 法の放射能濃度は一定にしているので本来は同じ SP

6 22 (22) 断層映像研究会雑誌第 28 巻第 I 号 l ii :I~ ~ 4 句 a? li,lith&il ~miulkil ~ a 収集データ ~ ~ ~ 行 ~ f 事!IIlI 日日日白日 4 日ー日 ~ 白白 1 ニ日. 口ちヨト白れ ~ml ~ IU 図 9 ストリークアーチファク卜の改善 (99mTc-sestamibi 心筋 SPECT ) 再構成画像 ( 上 ) と Short 像中央スライスにおける Profile 解析 ( 下 ) での FBP 法と OS-EM 法の比較上段の Coronal 像の表示は心筋の最大カウントに対してアッパーレベルを 100 % にロアレベルを 30 % にセットデータのご提供 : 札幌医科大学中田智明先生図 10 ストリークアーチファク卜の改善 (99mTc - sestamibi l 心筋 SPECT ) LAD7 番に狭窄を有する症例での再権成画像 ( 右上 ) と Bull's eye 画像 ( 下 ) における FBP 法と OS-EM 法の比較 ECT 値になるはずであるが上段の再構成画像を見るとファントムのサイズによって SPECT 値が変化してしまっている特に直径 225mm のファントムの再構成画像は全体的な SPECT 値の低下とともに中央部の盛り上がりを示していてこの問題が周波数領域における直流を含めた低周波成分に影響を及ぼすことが分かるこれが Direct shift 及び Low frequ 巴 ncy shading と呼ばれる現象である尚これらのデータは Trip l e Wi n dow 法 (TEW 法 ) で散乱補正を Sorenso n 法で吸収補正を行っている吸収係数 μ は O.153 / cm である下段はこの問題を改善させる一つの方法である Zero Pad din g 法 ( 左下の画像のように収集データの周辺にゼロ値を置くことで視野を仮想的に広げる方法 ) で補正した再構成画像である FBP 法における再構成フィルタに起因するこの問題は FBP 法でも Zero 法等の処理の工夫

200 1 年 3 月 3 1 日討が進められている段階であり一般臨床で使用でき図 11 ストリークアーチファクトの改善 ( 1 231-MIBGI 心筋 SPECT ) 健常者 9 例から作成した Early ( 左 ) 3 時間後の Delayed ( 右 ) での平均 Bull's eye 画像の FBP 法 ( 上 ) と OS-EM 法 ( 下 ) の比較データのご提供 :

7 200 1 年 3 月 3 1 日討が進められている段階であり一般臨床で使用でき図 11 ストリークアーチファクトの改善 ( MIBGI 心筋 SPECT ) 健常者 9 例から作成した Early ( 左 ) 3 時間後の Delayed ( 右 ) での平均 Bull's eye 画像の FBP 法 ( 上 ) と OS-EM 法 ( 下 ) の比較データのご提供 : 札幌医科大学中田智明先生により改善させることができるが OS-EM 法では原理的にこの問題は発生しない 4. さまざまな補正への応用 OS-EM 法ではその式に測定系で起る物理現象を織り込むことによって再構成の段階でさまざまな補正ができるため注目を集めているこの物理現象とは具体的には吸収散乱分解能ボケである但し OS EM 法のこれらの補正への応用は基礎的技術的な検る段階にはない従って将来展望として紹介することになる 4.1. 吸収補正散乱補正への応用 Tra nsmission データや X 線 CT 画像を使用した吸収補正及び散乱補正は SPECTの定量精度を向上させるための必須条何ニになっている現在いろいろな手法が技術的に検討されているが現時点で言えることはどの手法を採用するにしても定量のためには吸収補正と散乱補正は両方行う必要があるということである図 13の 99mTc-ststam i bi を使用した心筋 SPECT の再構成画像を見ると吸収補正だけで散乱補正を行わないと下壁が過補正されていることが分かるまた図にはないが散乱補正だけで吸収補正を行わないと下壁が低カウントになって評価しづらくなってしまう 4.2. 分解能 : ポケ補正への応用図 14 左側の図のように分解能 : ボケとはコリメータの半影によって目的方向以外の場所からのガンマ線も入射してくることによるコリメータと対象物の距献に依存した分解能の劣化 : ヌキを意味している中央上段の図のように対象物が回転中心付近に存在する場合下段の再構成画像はこの問題により単純にボケることになるが対象物が回転中心にない場合は各角度のデータにおける対象物のボケの程度が変化するためにこの問題はボケとともに画像査みを発生させることになる右側の画像は 201T 1Cl を使用した負荷時の 180 度心筋 SPECTデータでこの問題が原因で発生する画像歪みを見ているこの症例は L Cx13 番に狭窄を有する症例であり後側壁のカウント低下は臨床に圃圃 '1 ーーーーーーーーーーーーーーーーーー -_ lc ~ - 可司,. E I E 冒.. 直司 E ロ園霊園ロ置量 - "11 -,. せ - ~.... I...~,~:- ", ~ E E 1Iir...c _.... 圃 4 M 輯岨聞圃圃... 誼岨回!Im! 晶画司区 r. 削圃 F.'lIiI 司院自白 I :F. 胃回目司図 12 SPECT 値のサイズ依存の改善 ( ファントム ) ファントムの直径は左から 225mm 185mm 145mm 125mm 各ファン卜ム内の放射能濃度は一定下段は Zero Padding 法で補正した再構成画像両方とも TEW 法で散乱補正 Sorenson 法で吸収補正 ( μ = O, 153/cm ) を実施全て FBP 法で再構成データのご提供 : 横浜南共済病院斎藤節先生

8 断層映像研究会雑誌第 28 巻第 I 号 <ij- -μ マップ (X 線 -- 噛下壁の過補正ケヲ ~ も司岡国 ' ー晶画曲. a 圃 ~J コ色 4 孟司 = ~ rtj,,1r:ej コ司 ::-:.::.l 邑 ~ 巴 - 図 13 吸収補正散乱補正への応用 (99mTc-sestamibi 心筋 SPECT) 上から吸収補正 ( μ ) マップ補正なしの再構成画像吸収補正のみを行った再構成画像吸収補正散乱補正の両方を行った再構成画像全て OS-EM 法で再構成データのご提供 : GE 横河メテs イカルシステム様図 14 分解能 : ボケ補正への応用 (201 TICI 心筋 SPECT ) 右は LCx13 番に狭窄を有する症例での負荷時の Bull's 画像 ( 上 ) と Short Axis 像 ( 下 ) 0 FBP 法で再構成左上はアップワードクリープとトランケーションを評価するための収集データを重ねあわせた画像全て FBP 法で再構成合致しているがその他に画像査みにより S hort 像の歪みと Bu ll 's eye 画像及び Short Ax i s 像の 1 1 時方向にスジ状の抜けができている尚左上の収集データを重ね合わせた画像はこのデータにはアップワードクリープ ( 呼吸数の減少によって心臓の傾きが変化することデータ収集中にこの現象が起こると下壁を中心に欠損が発生する場合がある ) やトランケーション ( 心筋や肺が視野から外れることこれによって画像歪みが発生する場合がある ) がないことを示している SPECTではこの問題を回避するために目的臓器を回転中心におくことを基本にしているが多検出器システムでは心筋 SPECTにおいて心筋を回転中心におくことが困難でありこの問題を回避することができない通常の FBP 法では分解能 : ボケの補正は不可能であるが O S-EM 法では式に分解能 : ボケの項目を織り込むことでその補正が可能であり分解能の向上とともに画像査みの改善が期待できる 5. 現時点での課題 OS-EMr. 去の現時点での謀題として 1 OS-EM 法を臨床の SPECTデータに応用する際の Iteration と Subsetの組み合わせに対する一般的な規

9 ニ 3 月 3 1 則がなし 2 OS-EM 法を使用する場合の各種 ( 定量 ) 解析結果への影響に閲してのー分な検討が行われていない等が指摘されている 6. まとめ ML-EM 法や OS-EM 法の概要と FBP 法と比べての利点さまざまな補正への応用及び現時点での課題を紹介した OS-EM 法に対するこれらの謀題がいろいろな施設で検討されまた l 吸収散乱分解能補正への応用が進むことで価値を向上させることを期待している参考文献 OS-EM 法が核医学検査の西村恒彦. 他 : 統計的な画像再構成法の臨床応用への可能性. 日本医学放射線学会雑誌付録 : 寺阿倍見 : SPECT の技術的問題点 -Ramp フイルタの Aliasing-. 群馬県核医学研究会会誌 :

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Microsoft PowerPoint - SPECTPETの原理2012.ppt [互換モード] 22 年国家試験解答 1,5 フーリエ変換は線形変換 FFT はデータ数に 2 の累乗数を要求するが DFT は任意のデータ数に対応 123I-IMP Brain SPECT FBP with Ramp filter 123I-IMP Brain SPECT FBP with Shepp&Logan filter 99mTc-MIBI Myocardial SPECT におけるストリークアーチファクト

断層 l 映像研究会雑誌 第 28 巻第 I 号 図 2 収束性の比較 ( 数値ファン卜ム ) 数値ファントム : Cold 領域 =0 Hot 領域 =80 Background 領域 =20 マトリクス =128 投影方向数 =90 ML-EM 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の

断層 l 映像研究会雑誌第 28 巻第 I 号図 2 収束性の比較 ( 数値ファン卜ム ) 数値ファントム : Cold 領域 =0 Hot 領域 =80 Background 領域 =20 マトリクス =128 投影方向数 =90 ML-EM 法 ( 左 ) と OS-EM 法 ( 右 ) の