專利名稱：核醫學用數據處理方法以及核醫學診斷裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據 (list data)進行正投影運算和反投影運算的核醫學用數據處理方法以及核醫學診斷裝置。
背景技術：
作為上述核醫學診斷裝置、即ECT(Emission Computed To mography 發射計算機斷層掃描)裝置，以PET (Positron Emiss ion Tomography 正電子發射斷層掃描)裝置為例進行說明。PET裝置構成為檢測由于陽電子(Positron)即正電子的湮沒而產生的多個光子，且僅當用多個檢測器同時檢測到(即同時計數到)Y (伽瑪)射線時重建被檢體的斷
層圖像。在該PET裝置中，在向被檢體投放放射性藥劑之后，通過長期測量對象組織中的藥劑累積的過程，能夠進行各種生物體機能的定量測量。因而，由PET裝置得到的圖像具有機能信息。具體地說，作為被檢體以人體為例進行說明時，對被檢體的體內注入正電子(陽電子)放射性的同位元素(例如15o、18F、"c等)，對從這些同位元素放射出的正電子與電子相結合時產生的Y射線進行檢測。利用檢測器列來進行該Y射線的檢測，該檢測器列由以環繞被檢體的長度方向的軸即體軸的方式配置成環狀的多個Y射線檢測器構成。并且， 利用計算機以與普通的X射線CT (Computed Tomography 計算機斷層掃描)相同的方法進行計算而在面內確定，生成被檢體的圖像。在如PET裝置那樣的核醫學診斷裝置中，當重建圖像時，ML-EM法(Maximum Likelihood Expectation Maximization 最大似然-期望最大化法)，OSEM 法(Ordered Subset Expectation Maximization Wi^^^SiMM^^fe ), RAMLA ^ (Row-Acti on Maximum Likelihood Algorithm), DR AMLA ^ (Dynamic Row-Action Maximum Likelihood Algorit hm :動態行處理最大似然法)等逐次近似法(例如參照非專利文獻1)是不可或缺的技術。此外，檢測Y射線的事件稱為“事件”，將被同時計數到的數據稱為“偶合數據(coincidence data) ”，將沒有被同時計數到的數據稱為“單事件數據(Single event data)”。將從PET裝置的機架(g antry)傳送來的每個事件的數據稱為“列表數據”，但該列表數據具有每個事件的X坐標、Y坐標、Z坐標等位置信息、時間信息等，這些信息按時間序列排列。與此相對地，通過對該列表數據進行按時間積分的直方圖處理來將該列表數據直方圖化，從而獲得直方圖數據。該直方圖數據是按規定的時間進行積分而得到的數據。作為該直方圖數據，存在將縱軸作為投影方向、將橫軸作為像素的正弦圖(s onogram)。近年來，還盛行一種使用了該列表數據的逐次近似法(例如參照非專利文獻2)。 但是，在使用了列表數據的模式(稱為“列表模式”)的情況下，隨著事件(event)的數量的增加而數據增多，從而出現運算量大的問題。利用使用了該列表數據的逐次近似法，運算量變得更為龐大。因此，在列表模式下，有必要進行并行運算。目前為止被多數采用的并行運算是 MPI (Message Passing Interface 消息傳遞接口)等的 MIMD (Multiple Instruction Multiple Data:多指令多數據)型運算。在MIMD型運算中，多個處理器對多個不同的數據進行并行處理，因此除了需要大量的存儲區域之外，還需要多個處理器。對此，近年來，作為使用了 GPU (Graphics Processing Uni t 圖像處理單元)的逐次近似法的并行運算，還在進行一種可以說是圖像重建的核心的正投影處理、反投影處理的并行化的研究(例如參照非專利文獻3)。使用了 GPU的并行運算被分類為SIMD (Single Instruction Multiple Data 單指令多數據)型運算。在SIMD型運算中，能夠以一次指令同時進行針對多個數據的處理，因此適于對大規模的運算實施相同的運算處理的處理。但是，在使用GPU進行正投影處理、反投影處理的并行運算的情況下，有可能發生向同一個存儲器寫入(所謂的“存儲器的沖突”)的情況，因此需要花費工夫以進行并行化。特別是在非專利文獻3中使用正弦圖，在正弦圖中，相同像素的數據重疊，因此產生了存儲器的沖突。因此，作為使用了相同的GPU的并行運算，還進行了一種使用列表數據的逐次近似法的并行的研究(例如參照非專利文獻4)。非專利文獻1 田中栄一，「PET畫像O再構成法^現狀i展望」，日本放射線技術學會雑誌，浜松*卜二夕^株式會社，Vol. 62，No. 6，771-777，(2006)(田中榮一，《(PET圖像的重建方法的現狀和展望》，日本放射線技術學會雜志，浜松光子學株式會社，Vol.62, No.6，771-777， (2006)).非專利文獻 2 :Α· Fukano, F. Nakayama, H. Kubo, "Perform ance evaluation of relaxed block-iterative algorithms for 3-D PET reconstruction, ”IEEE Trans. Nuc 1. Sci.，Vol. 5，pp. 2830-2834,2004.非專禾Ij文獻 3 :Η· Yang，Μ· Li，K. Koizumi，and H. Kubo，“Accelerating backprojections Via CUDA architecture,，，in Pr oceedings of the 9th International Meeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine, pp. 52-55, Lindau, Germany,July 2007.非專利文獻 4 :Guillem Pratx, Craig S. L evin et al, "Fast, Accurate and Shift-Varying Line Projections for Iterative Re construction Using the GPU，，， IEEE Trans. Med. Imaging.，Vol. 28，No 3，pp. 435-445,2009.
發明內容
發明要解決的問題然而，上述非專利文獻4中報告的方法是利用GPU獨特的機構的方法，存在難以應用于除GPU以外的其它SIMD型機構這樣的問題。GPU原本用于圖像處理，因此，利用 GPU獨特的機構是指在將數據作為紋理圖像進行處理后，使用像素(pixel)著色、頂點著色 (Vertex Shader)0本發明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種能夠實現高通用性、運算高速化的核醫學用數據處理方法以及核醫學診斷裝置。
用于解決問題的方案本發明為了達到這種目的而采用如下的結構。S卩，本發明的核醫學用數據處理方法的特征在于，具備以下步驟正投影處理步驟，按每個LOR對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行正投影運算來獲得正投影處理后數據；以及反投影處理步驟，按分割圖像空間的截面而得到的每個區域對上述正投影處理后數據或列表數據并行地進行反投影運算。根據本發明的核醫學用數據處理方法，在正投影處理步驟中，按每個L0R(Line Of Response 投影線)對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行正投影運算來獲得正投影處理后數據。在反投影處理步驟中，按分割圖像空間的截面而得到的每個區域對正投影處理后數據或列表數據并行地進行反投影運算。由于按每個LOR 對列表數據并行地進行運算處理，因此不使用例如GPU獨特的機構也能夠實現正投影運算和反投影運算，且能夠應用于其它運算機構而達到通用。另外，對列表數據進行并行處理， 在正投影運算和反投影運算中分別進行該并行處理，因此能夠防止存儲器的沖突，能夠實現高速化。另外，在反投影運算中，與正投影運算不同，有可能發生存儲器的沖突，因此為了防止該沖突，在反投影處理步驟中，按分割圖像空間的截面而得到的每個區域并行地進行反投影運算。其結果是，能夠實現高通用性及運算的高速化。由于各LOR的主方向各自隨機排列，因此優選首先進行主方向的分類。即，在本發明的核醫學用數據處理方法中，優選在主方向決定步驟中根據LOR的向量和檢測放射線的檢測器的配置方向來決定LOR的主方向。然后，在截面決定步驟中，根據在該主方向決定步驟中決定的主方向來決定LOR所通過的圖像空間的截面。在運算區域決定步驟中，根據在該截面決定步驟中決定的截面來決定該截面中的LOR橫穿的運算區域。并且，具體地說，在正投影處理步驟和反投影處理步驟中進行如下那樣的運算處理。即，在正投影處理步驟中， 按每個該運算區域并行地進行運算，在反投影處理步驟中，按將運算區域分割成多個區域而得到的每個區域對正投影處理后數據或列表數據并行地進行運算。這樣，通過決定主方向來將主方向進行分類，從而使各自的運算處理變得易于實施。另外，在本發明的核醫學用數據處理方法中，優選在上述反投影處理步驟中將上述截面分割成多個區域，使分割后得到的分散的多個區域屬于一個區域，按各所屬區域并行地進行運算。這樣，通過對區域也進行分類能夠防止局部存在于特定的線程，能夠提高運算效率。在此，“線程(Thread)”表示并行數據的處理單位。更為優選的一例是，使相隔規定間隔的多個行區域屬于上述一個區域。這樣，通過使區域平均地分散地進行分類，能夠進一步防止局部存在于特定的線程。上述的這些發明的核醫學用數據處理方法的一例是使用逐次近似法，多次執行正投影處理步驟和反投影處理步驟來逐次地近似于圖像并進行更新。在核醫學診斷領域中， 如上述那樣使用逐次近似法進行圖像重建。因而，在本發明中也可以應用逐次近似法。當然，在反投影處理步驟中，也可以應用濾波反投影(FBP filtered back projection)(也被稱為“濾波校正反投影法)。另外，本發明的核醫學診斷裝置的特征在于，具備正投影處理單元，其按每個 LOR對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行正投影運算來獲得正投影處理后數據；以及反投影處理單元，其按分割圖像空間的截面而得到的每個區域對上述正投影處理后數據并行地進行反投影運算。根據本發明的核醫學診斷裝置，正投影處理單元按每個LOR對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行正投影運算來得到正投影處理后數據， 反投影處理單元按分割圖像空間的截面而得到的每個區域對正投影處理后數據或列表數據并行地進行反投影運算，因此能夠與核醫學用數據處理方法同樣地實現高通用性、運算高速化。發明的效果根據本發明所涉及的核醫學用數據處理方法以及核醫學診斷裝置，按每個LOR對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行正投影運算來得到正投影處理后數據，按分割圖像空間的截面而得到的每個區域對正投影處理后數據或列表數據并行地進行反投影運算，因此能夠實現高通用性以及運算高速化。
圖1是實施例所涉及的PET (Positron Emission Tomography)裝置的側視圖和框圖。圖2是Y射線檢測器的概要立體圖。圖3是表示一系列列表數據的處理方法的流程的流程圖。圖4是表示用于說明檢測概率的利用Y射線檢測器同時計數的示意圖。圖5是對配置成環狀的、射線檢測器的配置與三維坐標之間的關系進行定義的示意圖。圖6是將LOR的方向向量一并記入投影的示意圖而得到的示意圖。圖7是LOR所通過的圖像空間的截面中的運算區域的示意圖。圖8是用于說明LOR和一個子組的投影值的并行運算的示意圖。圖9的(a)是表示LOR所通過的圖像空間的截面中的運算區域的分割的示意圖， 圖9的(b)是圖9的(a)的放大圖。圖10是表示系列步驟Sl S5中的列表數據的流向的示意圖。附圖標記說明3 Y射線檢測器；10 運算處理部；d (方向)向量；M 被檢體。
具體實施例方式下面，參照附圖來說明本發明的實施例。圖1是實施例所涉及的PET (Positron Emission Tomography)裝置的側視圖和框圖，圖2是、射線檢測器的概要立體圖。如圖1所示，本實施例所涉及的PET裝置具備載置被檢體M的頂板1。該頂板1構成為進行上下升降移動以及沿著被檢體M的體軸Z的平行移動。通過構成這種結構，載置在頂板1上的被檢體M通過后述的機架2的開口部加而從頭部起依次向腹部、腳部掃描， 來獲得被檢體M的圖像。此外，對所掃描的部位、各部位的掃描順序不作特別限定。除了頂板1之外，本實施例所涉及的PET裝置還具備機架2和γ射線檢測器3，該機架2具有開口部加。Y射線檢測器3以環繞被檢體M的體軸Z的方式被配置成環狀，且被埋設在機架2內。γ射線檢測器3相當于本發明中的檢測器。
6
除此之外，本實施例所涉及的PET裝置還具備頂板驅動部4、控制器5、輸入部6、輸出部7、存儲部8、同時計數電路9以及運算處理部10。頂板驅動部4是驅動頂板1進行上述移動的機構，由未圖示的馬達等構成。運算處理部10相當于本發明中的正投影處理單元和反投影處理單元。控制器5統一控制構成本實施例所涉及的PET裝置的各部分。控制器5和運算處理部10由中央運算處理裝置(CPU)等構成。特別是，在本實施例中，運算處理部10由以 GPU等為代表的SIMD型機構構成。當然，運算處理部10也可以是除GPU以外的其它SIMD 型機構，只要能夠進行并行運算就不作特別限定。輸入部6將操作者輸入的數據、指令送到控制器5。輸入部6由以鼠標、鍵盤、操縱桿、軌跡球、觸摸板等為代表的指示設備構成。輸出部7由以監視器等為代表的顯示部、打印機等構成。存儲部8 由以 ROM (Read-only Memory 只讀存儲器)、RAM (Random-Access Memory 隨機訪問存儲器)等為代表的存儲介質構成。在本實施例中，將用同時計數電路9 進行同時計數而得到的計數值(count)、進行同時計數的由兩個γ射線檢測器3構成的檢測器對、LOR之類的與同時計數相關的數據以及利用運算處理部10進行運算處理而得到的各種數據等寫入RAM并進行存儲，根據需要從RAM讀出。在ROM中預先存儲有用于進行包括各種核醫學診斷在內的攝像的程序等，通過由控制器5和運算處理部10執行該程序而分別進行與該程序相應的核醫學診斷。特別是，在本實施例中，應該使被稱為“CUDA(NVidia 公司提供)”的并行計算機體系結構(computing architecture)執行使用了 GPU的并行運算，將與CUDA相關的程序預先存儲到ROM中，通過由運算處理部10執行與該CUDA相關的程序來執行后述的步驟Sl S5的處理。γ射線檢測器3的閃爍塊31 (參照圖幻將從被投放了放射性藥劑的被檢體M產生的Y射線轉換為光，Y射線檢測器3的光電倍增管(PMT =Photo Multiplier Tube) 33 (參照圖2)使轉換得到的該光倍增并轉換為電信號。將該電信號作為事件送到同時計數電路 9。具體地說，當向被檢體M投放放射性藥劑時，正電子發射型的RI的正電子湮沒，由此產生兩道Y射線。同時計數電路9核對閃爍塊31 (參照圖2)的位置和Y射線的入射時刻，僅在、射線同時入射到位于被檢體M兩側的兩個閃爍塊31時，將被送入的事件判斷為恰當的數據。當Y射線僅入射到一個閃爍塊31時，同時計數電路9廢棄該事件。也就是說，同時計數電路9根據上述電信號檢測在兩個γ射線檢測器3中同時觀測到γ射線的情況。將被送入同時計數電路9的事件送到運算處理部10。運算處理部10進行基于正投影處理、反投影處理的圖像重建，來獲得被檢體M的圖像。將圖像經由控制器5送到輸出部7。這樣，根據由運算處理部10得到的圖像進行核醫學診斷。運算處理部10的具體功能在后面描述。如圖2所示，γ射線檢測器3具備閃爍塊31、以光學方式耦合到該閃爍塊31的光導件(light guide) 32以及以光學方式耦合到該光導件32的光電倍增管(以下簡稱為 “PMT”)33。構成閃爍塊31的各閃爍體元件隨著Y射線的入射而發光，由此將Y射線轉換為光。通過該轉換閃爍體元件檢測Y射線。閃爍體元件發出的光充分擴散在閃爍塊31中，并經由光導件32被輸入到PMT 33。PMT 33使通過閃爍塊31進行轉換而得到的光倍增并轉換為電信號。如上述那樣將該電信號作為事件送到同時計數電路9 (參照圖1)。接著，參照圖3 圖10來說明運算處理部10的具體的功能。圖3是表示一系列列表數據的處理方法的流程的流程圖，圖4是表示用于說明檢測概率的用γ射線檢測器同時計數的示意圖，圖5是對配置成環狀的γ射線檢測器的配置與三維坐標之間的關系進行定義的示意圖，圖6是將LOR的方向向量一并記入投影的示意圖而得到的示意圖，圖7是LOR 所通過的圖像空間的截面中的運算區域的示意圖，圖8是用于說明LOR和一個子組的投影值的并行運算的示意圖，圖9是表示LOR所通過的圖像空間的截面中的運算區域的分割的示意圖，圖10是表示系列步驟Sl S5中的列表數據的流向的示意圖。在圖5中，作為γ 射線檢測器3僅圖示了閃爍塊31，對于光導件32、PMT 33省略圖示。另外，在本實施例中， 以由三維的體素(voxel)構成的像素為例進行說明。在本實施例中，采用使用了列表數據的列表模式(1 i st-mod e) 3D-DRAMLA法 (Dynamic Row-Action Maximum Likelihood Algorithm :動態行處理最大似然算法)來作為逐次近似法算法，在應用吸收校正、感光度校正、隨機校正等校正之后，以上述CUDA實現使用了 GPU的并行運算。用下述(1)式來表示列表模式3D-DRAMLA法的更新式。[式1]
權利要求
1.一種核醫學用數據處理方法，其特征在于，具備以下步驟正投影處理步驟，按每個投影線對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行正投影運算來獲得正投影處理后數據；以及反投影處理步驟，按分割圖像空間的截面而得到的每個區域對上述正投影處理后數據或列表數據并行地進行反投影運算。
2.根據權利要求1所述的核醫學用數據處理方法，其特征在于，還具備以下步驟主方向決定步驟，根據上述投影線的向量和檢測上述放射線的檢測器的配置方向來決定上述投影線的主方向；截面決定步驟，根據在該主方向決定步驟中決定的上述主方向來決定上述投影線所通過的圖像空間的截面；以及運算區域決定步驟，根據在該截面決定步驟中決定的上述截面來決定該截面中的上述投影線橫穿的運算區域，在上述正投影處理步驟中，按每個上述運算區域并行地進行運算， 在上述反投影處理步驟中，按將上述運算區域分割成多個區域而得到的每個區域并行地進行運算。
3.根據權利要求1或2所述的核醫學用數據處理方法，其特征在于，在上述反投影處理步驟中，將上述截面分割成多個區域，使分割后得到的分散的多個區域構成一個區域，按各所構成的區域并行地進行運算。
4.根據權利要求3所述的核醫學用數據處理方法，其特征在于， 使相隔規定間隔的多個行區域構成上述一個區域。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的核醫學用數據處理方法，其特征在于， 使用逐次近似法，多次執行上述正投影處理步驟和上述反投影處理步驟，來逐次地近似于圖像并進行更新。
6.一種核醫學診斷裝置，其特征在于，具備正投影處理單元，其按每個投影線對基于通過檢測放射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行正投影運算來獲得正投影處理后數據；以及反投影處理單元，其按分割圖像空間的截面而得到的每個區域對上述正投影處理后數據并行地進行反投影運算。
全文摘要
在本發明的PET裝置以及處理方法中，按每個LOR對基于通過檢測γ射線而得到的事件數據所生成的列表數據并行地進行步驟S4即正投影、步驟S5即反投影的運算處理，因此能夠應用于其它的運算機構而達到通用。另外，對列表數據進行并行處理，在步驟S4即正投影和步驟S5即反投影中分別進行該并行處理，因此能夠防止存儲器的沖突，從而能夠實現高速化。其結果是，能夠實現高通用性、運算高速化。
文檔編號G01T1/161GK102483459SQ20098016125
公開日2012年5月30日 申請日期2009年9月4日 優先權日2009年9月4日
發明者北村圭司, 山田賢志, 赤澤禮子 申請人:株式會社島津制作所