H23北海道核医学技術セミナー HM Kawasaki Medical School 心筋SPECT標準化ファントム 'EMIT(を用いた標準化の可能性 川崎医科大学附属病院 三村浩朗
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
心筋SPECT標準化ファントム
'EMIT(を用いた標準化の可能性
川崎医科大学附属病院三村浩朗
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
医療制度改革'医療費抑制・効率化(
自己負担↑、保険料↑、診療報酬↓、混合診療
包括化、機能分化'急性期・慢性期医療(
医療制度の問題と対応
•財源不足'景気後退で税収↓(
•医療技術の高度化
•慢性疾患の増加
•高齢社会'平均寿命↑(
標準治療・検査 ⇒ ガイドラインEBM
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
標準がなければ意味がない
核医学の発展に必要な技術
施設間差の改善'後工程⇒前工程(
標準なくして管理なしQC‐NET研究所 所長 高橋 博
標準なくして改善なしトヨタ記念病院 形成外科部長 岡本泰岳
測定無くして管理無し
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
標準画像=良い画像
標準とは?
「 現状で当り前の状態 」
標準化は画一化とは異なる!
核医学画像の標準?
標準化はスタートライン ⇒ 標準の見直しが必要
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
MOFT企画による
EMITファントムの概要
感度測定用'欠損の厚さを変化(
分解能測定用'欠損の広さを変化(
The evaluation system of myocardial
image based on technical grounds
技術的根拠に基づいた心筋画像評価システム
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
EMITファントムの概要
'外容器と内容器(
上面図 A
上面図 A
側面図 B
側面図 B
300
mm
216
223
80
50
実験配置の再現性に配慮
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
RCA
LAD
LCX
Polar Map (Bull’s Eye)と展開図表示
1 2 3 4 5 6
12345
Bull‘s eye 表示:
短軸像の同心円配列のため、
心基部の過大評価
心尖部の過小評価
展開図表示:
面積の歪みが無く、病変の大
きさと広がりの把握に適する
LAD
LCX
RCA
心基部心尖部
6 5 4 3 2 1
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
心筋血流シンチのスコアリング
American Society of Nuclear Cardiology.
Imaging guidelines for nuclear cardiology procedures,
Part 2. J Nucl Cardiol. 1999;6:G47–G84.
17 Segment model
20 Segment model
LAD (left coronary artery)
LCX (left circumflex artery)
RCA (right coronary artery)
スコア
0 = 正常
1 = わずかな血流欠損2 = 中等度の血流欠損3 = 高度の血流欠損4 = トレーサーの取り込みなし
SHORT AXIS
VERTICAL
LONG AXIS
15
16
7
8
9
1011
12
1
2
3
4
5
6
Apical Mid Basal
14
13
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
61314
1516
17
18
SSSSummed Stress Score
SRSSummed Rest Score
SDSSummed Difference Score
17
Mid
19 20
Mid
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
Circumferential Profile Analysis
短軸像Short axis
中隔
下壁
側壁
前壁
Extent map : 領域< normal – 2S.D.
Severity map : 集積低下の程度を分類
虚血の重症度
虚血領域の広がり度
注意:
心尖部の解析は省略'左前下行枝(
3枝病変には不適
血流低下部位
40
30
20
10
0
0 90 180 270 360
mean-2SD
STRESS
REST
Angle (degree)
(%)スコア='1,Pt 数 / 標準数 (×100
最高countに対する%で表示
5度、10度間隔
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
内容器の概要
側面図 C
側面図 C
側面図 D
側面図 D
35
5~2020
mm
10固定
35
欠損の厚さを変化2.5~10mm
幅20mm一定
欠損の広さを変化5~20mm
厚さ10mm一定
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
・ 標準のSPECT収集条件?
・ 標準の画像再構成条件?
・ 標準の画像表示条件?
標準画像を取得するには!
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
データ収集時の条件
ピクセルサイズ、収集方向数、収集軌道、多検出器の配置
画像再構成・処理時の条件
前処理フィルタ、再構成方法、減弱・散乱・分解能補正
画像出力・表示の条件
カラー表示、モニター性能、階調特性、スケール選択
SPECT画像診断の影響因子
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
1. 使用核種、投与量、収集時間: 集積割合↑'99mTc:2%、201Tl:5%(
2. エネルギーウィンドウ幅: エネルギー分解能が向上、散乱線含有率の低減
3. 装着コリメータ: 99mTc製剤でのスタンダード、カメラ性能の維持'分解能(
4. Pixel size: 目的臓器の病変確認に必要な許容サイズ
5. 収集方向数と軌道: サンプリング定理、アーチファクト、収集範囲
6. 収集モード: 停止時に収集するため位置情報が正確、デッドタイム
7. 減弱'吸収(・散乱補正: 不均一吸収体'CTA(、TEW
8. 画像再構成条件'前処理、関数(:予想分解能以上の周波数はノイズ
SPECT画像に及ぼす因子
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
①収集PixelサイズA
目標分解能'判別サイズ(の1/3以下に設定 10mm ⇒ 3.0mm以下
②収集方向数Nの決定
被写体直径RとPixelサイズAを用いて次式より算出
N=πR/2A 心筋撮影のRを400[mm] ⇒ 210以上
③収集時間の決定
60分>30分>15分 あるいは封入投与量を増加
④コリメータ選択
低エネルギー超高分解能型'LEUHR(>HR>GP>HS
⑤近接距離'軌道(と収集モード
自動近接>円軌道、 Step&Shoot>Continue
画質向上が期待できる条件
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
画質劣化が予想される条件
①収集PixelサイズA
目標分解能'判別サイズ(に設定 10mm ⇒ 10mm
②収集方向数Nの決定
被写体直径RとPixelサイズAを用いて次式より算出
N=πR/2A 心筋撮影のRを400[mm] ⇒ 40step程度
③収集時間の決定
30分の1/3程度の10分
④コリメータ選択
LEUHR>LEHR>LEGP>LEHS
⑤近接距離'軌道(と収集モード
自動近接>円軌道、 Step&Shoot>Continue
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
1. エネルギーウィンドウ幅'15%(
2. 装着コリメータ'LEHR(
3. Pixel size'約5mm(
4. 収集方向数'120Step/回転(と軌道'円(
5. 収集モード'Step&Shoot(
良好な心筋SPECTの収集条件
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
12 14 16 18 20 22
エネルギー分解能FWHM-11%
エネルギー分解能FWHM-9%
~~~ ~
エネルギーウィンド幅[%]
相対的計数値
エネルギーウィンド幅の設定
1次散乱線は、散乱角度がゼロに近くエネルギー損出が少ないためエネルギーウィンド内に入射
計数値
エネルギー'keV(
測定値
直接線成分
散乱線成分
クライン‐仁科の式
θ= cos-1 1 + 'Es-Ei(
1.96 Es Ei
NaI 厚さ 9 mm
Photo peak効率75%
201Tl ( 80 keV )
80 ± 15 %
99mTc ( 140 keV )
140 ± 10 %
140 ± 7.5 %
123I ( 159 keV )
159 ± 10 %
エネルギー分解能 ↑: 空間分解能 ↑
'FWHM ↓ ( 散乱線成分 ↓
相対的計数 ↑
核医学イメージングP69
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
1. エネルギーウィンドウ幅'15%(
2. 装着コリメータ'LEHR(
3. Pixel size'約5mm(
4. 収集方向数'120Step/回転(と軌道'円(
5. 収集モード'Step&Shoot(
良好な心筋SPECTの収集条件
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
コリメータの性能決定因子'平行多孔型(
'孔数( '孔径('隔壁( '高さ(
対応エネルギーによる分類
L E '140~160KeV以下(
M E '300KeV以下(
H E '450KeV以下(
UHE '510KeV用(
感度・分解能による分類
(cpm/kbq) (FWHM mm)
HR : 4.0 ~ 6.5 7.5 ~ 8.5
HS : 14 ~ 20 12 ~ 14
GP : 8 ~ 10 9.0 ~ 10.0
HR : High Resolution
HS : High Sensitivity
GP : General Purpose
高感度型高分解能
高 低
多 少
大小
Septa
厚い 薄い
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
総合的な空間分解能について
カメラの固有分解能 Ri : 3~4 mm'FWHM(
決定因子'NaIクリスタル厚:薄い↑、PMT径:小↑ 、増幅回路:光子数多↑ (
コリメータの幾何学的分解能 Rg : 6~10 mm'FWHM(
決定因子'穴径:小↑、穴長:長↑、隔壁厚:エネルギー、穴形:効率 (
システムの分解能 Rs : 7~11 mm'FWHM(
関係式 Rs2 = Ri2 * Rg2
ピクセルの分解能 Rm :
決定因子'サンプリング定理:Rsの1/2以下↑、統計ノイズ:多↓、計測量:多↑ (
総合的分解能 R :
関係式 R2 = Rs2 * Rm2 = Ri2 * Rg2 * Rm2
分解能 分解能 分解能
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
1. エネルギーウィンドウ幅'15%(
2. 装着コリメータ'LEHR(
3. Pixel size'約5mm(
4. 収集方向数'120Step/回転(と軌道'円(
5. 収集モード'Step&Shoot(
良好な心筋SPECTの収集条件
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
三次元的な空間分解能が有限なために+
小さいホットエリアやホットエリアの辺縁部の
画像濃度が真の濃度よりも低く描出される象
1ボクセル内の値は平均化される
均一な物質
100 100
100
100
70
40
60
実際の分布
100
100
100
100
90
0
0
デジタル画像
部分容積効果'Partial Volume Effect:PVE(
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
収集pixel sizeの差異によるRC比較
10[mm]
20
Φ
30 7 1510
recover
y c
oeff
icie
nt
[%]
column diameter [mm]
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30
Pixel size [mm]
2.69
5.39
9.59
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
0
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4
収集pixel sizeの差異によるRC比較
Pixel size [mm]
2.69
5.39
9.59
0
25
50
75
100
0 1 2 3 4
Pixel size [mm]
2.69
5.39
9.59
column diameter/ FWHM column diameter/ FWHM
Rel
ati
ve c
ou
nts
[%
]
Rel
ati
ve c
ou
nts
[%
]
Maximum countsAverage counts
0
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4
0
25
50
75
100
0 1 2 3 4
column diameter/ FWHM column diameter/ FWHM
Rel
ati
ve c
ou
nts
[%
]
Rel
ati
ve c
ou
nts
[%
]
Maximum countsAverage counts
Pixel size [mm]
2.69
5.39
9.59
Pixel size [mm]
2.69
5.39
9.59
欠損像の検出能
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
目標臓器 or システム分解能
必要な収集カウント/Pixel は:
・ 100counts / pixel cold
C.V.=10%'√100 / 100(
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150
計数値[counts]
C.V.values[%]
5
10
25
50
80
100
150
200
300
500
1000
3000
5000
10000
44.7%
31.6%
20.0%
14.1%
11.2%
10.0%
8.2%
7.1%
5.8%
4.5%
3.2%
1.8%
1.4%
1.0%
Counts C.V.
最適なPixel size設定'収集カウント(
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
・ 100counts / cm2 hot
5mm / pixel ⇒ 4 pixels
最適なPixel size設定'分解能(
計数密度[counts/cm2]
1
10
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20 25
LEHR
画像解像力[mm]
核医学技術総論より
目標臓器 or システム分解能
必要な収集カウント/Pixel は:
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
カメラ分解能と呼吸移動の関係
R2=Rs2+d2+RM2
R:総合分解能
Rs:装置固有分解能
d:ピクセルサイズ
RM:呼吸による移動距離
総合空間分解能[mm]
呼吸移動距離[mm]
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25 30
FWHM: 5mm
FWHM: 12mm
空間分解能が高いシステムでは
体動によるアーチファクトが増大する
Doumit Daou Eur J Nucl Med Mol Imaging
(2008) 35:1961-1970.
安静時横隔膜移動距離20±10mm
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
考慮すべき因子
空間分解能劣化、部分容積効果、統計的雑音
サンプリング定理'エリアシング誤差、アパーチャ効果、シフトアライメント(
最適なPixel sizeは:
FWHMの1/4'1.6~2.5mm( ,,, Cormack , Hutton
FWHMの1/3'2.1~3.4mm( ,,, Saha
SPECTでは、
問題点:マトリックス選択に限界'128×128 64×64(
拡大選択に限界'トランケーションエラー(
画像形成に重要なカウント数の減少
最適なPixel size設定'分解能(
目標物サイズの1/2 ⇒心筋:5mm 大脳:2.5mm
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
カタログ値による分解能と感度の
シュミレーション Toshiba E-CAM
LEHR
10.7
3.8
7.5
3.31
5.4
LMEGP
12.7
3.8
10.1
3.31
8.0
[mm]
総合的分解能:R
固有分解能 :Ri
コリメータ分解能 :Rg
ピクセルサイズ :Rm
感度 cpm/kBq
感度比(LEHRを基準) 1.48倍
LEHR
12.8
3.8
7.5
4.8
5.4
1.42倍)
2.10倍
2.10倍
0.68倍
*:2.10×0.68
9.0 11.3 9.7
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
ピクセルサイズを含めたFWHMの計算実験配置の影響
コリメータ: LEHRパラレル
コリメータと線源距離: 100mm
コリメータ分解能 7.6mm
ピクセル長を変えて
FWHMの変化を測定
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 mm
線源位置A
ピクセルの真中に線源
線源位置B
ピクセルの間に線源
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
線源位置とFWHMの関係ピクセル長×1:
FWHM2 = (ピクセル長)2 + (コリメータ分解能)2
ピクセル長×2:
FWHM2 = (ピクセル長×2)2 + (コリメータ分解能)2
線源位置 A
ピクセルの真中に線源
0
5
10
15
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9
'実測値(
ピクセル長'mm(
FW
HM(
mm)
線源位置 B
ピクセルの間に線源
0
5
10
15
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9
'実測値(
ピクセル長'mm(
FW
HM(
mm)
計算値'×2(と
実測値が近似
計算値'×1(と実測値が近似
本村氏'東芝(より提供
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
1. エネルギーウィンドウ幅'15%(
2. 装着コリメータ'LEHR(
3. Pixel size'約5mm(
4. 収集方向数'120Step/回転(と軌道'円(
5. 収集モード'Step&Shoot(
良好な心筋SPECTの収集条件
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
最適なステップ数の算出理論
N = π・D / 2・A
N:最適なステップ数
D:被写体の直径'mm(
A:ピクセルサイズ'mm(
例1N1=π・200/2・2.5=126
D1
A
200
D2
400
例2
N2=π・400/2・5.0=126
例3
N3=π・'400+200(/2 /2・5=94
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
FBP法の特徴
少ない 収集方向数 多い
Artifact free area
Streak artifact
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
SPECTの収集方向数とS/Nの関係
Step数が異なっても全収集カウント数が同じであれば、統計雑音は等しい。
SPECTのS/Nは、全収集カウントで推定され1方向の統計雑音に依存しない。
S/N = SQRT''12×M(/'π2×'D/A(3(( ・・・・・'Hoffman(
M:総カウント数'6000( D:正方形の1辺' 5mm ( A:ピクセルサイズ '5mm(
方向数/360
60Step
90Step
120Step
SPECTのS/N
85.46
85.67
85.46
Noise/ 方向
10.0%
12.2%
14.1%
'100(
'67(
'50(
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
SPECTとStaticのS/Nについて
S / N(Static) = SQRT'M /'D/A(2(
S / N (SPECT) = M 1/2 /'1.2×Pt 3/4 ( -------- Todd-Pokropwk A
= 0.836×SQRT'M /'D/A(3(
S / N (SPECT) = SQRT' 12×M /'π2×'D/A(3( -------- Hoffman
= 1.103×SQRT'M /'D/A(3(
M:総カウント D:正方形の1辺 A:ピクセルサイズ Pt:総ピクセル数
S / N (SPECT) = M 0.5 /'K×Pt 0.25 ( K:直径D↑で増加
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
近接距離とコリメータ分解能の関係'平行多孔型(
空間分解能の距離に依存した劣化
距離' cm (
半影
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
収集軌道の比較'99mTc)
円軌道'C( 楕円軌道'E( C‐ECircular orbit An elliptic orbit
心内腔容積
右室容積
心筋容積
縦郭容積
'ml(
132
162
185
2072
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
1. エネルギーウィンドウ幅'15%(
2. 装着コリメータ'LEHR(
3. Pixel size'約5mm(
4. 収集方向数'120Step/回転(と軌道'円(
5. 収集モード'Step&Shoot(
良好な心筋SPECTの収集条件
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
Step&Shoot v.s. Continuous
SPECT収集モードの比較
step angle 30° step angle 12° step angle 6° step angle 5°
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
ステップ収集と連続収集の空間分解能比較(中心と辺縁)
FWHM ± SD [mm]
7.5±0.056.8±0.1010.3±0.2610.3±0.12180
9.9±0.066.5±0.0610.4±0.1010.4±0.0690
13.1±0.326.8±0.0610.5±0.3110.1±0.2660
28.3±0.326.7±0.0610.3±0.069.7±0.0630
ContinuousStep & Shoot ContinuousStep & Shoot Step数
SPECT中心 (0cm) 被写体辺縁 (中心から12cm)
FBP
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
5度間隔
解析プログラムの概要
Templateで原点を固定
深さのプロファイルA 広がりのプロファイルB
プロファイルA プロファイルB
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
B-9.8
M-4.8
E-2.7
D:傾き
0.45
0.54
0.60
Pixel sizeの検証対向配置
30分LEHR
E-CAM
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
60Step
120Step
240Step
Step数の影響 Exc
D:傾き
0.57
0.57
0.60
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
EMITを用いた検討結果~ 傾きDの比較~
Pixel size
の影響
B-9.8mm
M-4.8mm
E-2.7mm
0.41
0.52
0.54
0.45
0.54
0.60
収集時間の影響
対向配置15分
LEHR
対向配置30分
LEHR
0.40
0.49
0.56
対向配置30分
LEGP
コリメータの影響
60Step
120Step
240Step
0.57
0.57
0.60
Step数の影響
Pixel size
M-4.8mm
Pixel size
E-2.7mm
0.54
0.54
0.52
深さ⇒可変
広さ⇒不変
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
検出器配置と収集範囲の関係
深さ⇒可変
広さ⇒不変
広さ⇒可変
深さ⇒不変
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
76K
90
180
E-CAM
2検出器の配置比較LEHR-2.7mm
D:傾き
0.62
0.60
0.54
H23北海道核医学技術セミナー
HMKawasaki Medical School
まとめ
• EMITファントムと画像解析評価ソフトにより
標準的な収集条件について評価を行った。
• 客観的な評価指標と2値化の画像により
収集条件の優劣を評価可能であった。
• このため、施設間差是正の可能性が高まり
核医学画像の標準化が期待される。