菅 幹生

現在放射線医学総合研究所で開発されている、診断と治療を融合する世界初の開放型PET装置"OpenPET"を実現するためにはリアルタイム画像再構成技術が不可欠となる。本研究ではリアルタイム画像再構成に向けたGPGPUによる画像再構成の高速化手法を開発し、OpenPETのコンセプト実証実験機に適用して画質と速度の両面から評価を行った。GPUによる並列計算では条件判定の多用を避ける必要があり、CPUのような複雑なアルゴリズムを実装すると本来の性能を生かした高速化が出来ない。本研究では、効率的なGPU実装を可能とするシステムモデルを用いてCPUによる再構成計算結果と比較を行った。その結果、CPUと比較して同等の画質の再構成画像を得るのにおおよそ35.5倍もの高速化が実現した。(著者抄録)

近年、Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)など小型の半導体受光素子の実用化に伴い、受光素子配置の自由度が増している。現在放射線医学総合研究所では、千葉大学、東京大学、浜松ホトニクスと共同で、X'tal cube(クリスタルキューブ)と呼ばれる次世代の3次元放射線位置検出器の開発を進めている。X'tal cubeは、x、y、z方向へシンチレーション光を導く光学的不連続点を内蔵する結晶ブロックの全面に半導体受光素子を配置することで、3次元的にシンチレーション光を取得する。位置演算法の観点では、シンチレーション光の信号は冗長に得られることになる。そこで本研究では、位置情報を多く含むデータを選択して推定精度を向上させるという新しい概念に基づく手法を提案し、その効果をモンテカルロシミュレーションにより検証した位置推定には重心演算法として広く知られるAnger法を用い、推定精度を比較した。結果は全データを使用した推定よりもデータを選択した推定の方が推定精度は高かった。(著者抄録)

PETにて経時的に撮像した画像から得られる時間放射能曲線(tTAC : tissue Time Activity Curve)にLogan Graphical Analysis(LGA)やMulti-linear Analysis 1(MA1)などのグラフ解析法を適用することで、神経受容体濃度を反映した全分布体積(V_T : Total distribution Volume)を推定できる。しかし、LGA・MA1では、組織内の放射能濃度が平衡に達した時刻(t^*)以降でのみアルゴリズムが適用可能となることから、適切なt^*の指定が必要である。従来は、関心領域単位でのtTACに対してLGAを適用して得た推定V_T値が一定となるt^*を全画素共通のt^*としていた。しかし、雑音の大きい画素では、測定点の減少に伴い推定V_T値の偏差やばらつきが次第に大きくなるため、従来同様のt^*決定は不適切であり、tTACのS/N比に即したt^*の決定が必要である。そこで本研究では、劣悪なS/N比の下でも画素毎にt^*を決定する方法としてχ^2検定を用いた手法を提案し、V_Tの推定精度改善を試みた。その結果、tTACのS/N比に従うt^*は算出できたものの、V_Tの推定精度とは直結せず、さらなる改良が必要であることが示唆された。

本研究は、コンプトンカメラの逐次近似画像再構成の実装方法として、ヒストグラムモード(hist-mode)とリストモード(list-mode)を比較検討することを目的とした。コンプトンカメラの構成は実際に画像データの取得が可能な開発機を参考とし、モンテカルロシミュレーションによりイベントデータを生成した。点線源を画像再構成した結果より、hist-mode maximum likelihood expectation maximization(MLEM)は計算速度に優れ、list-mode MLEMは空間分解能に優れていることを示した。list-mode MLEMの再構成時間はイベント数に比例して増大するため、イベント数がhist-mode MLEMのビン数以下の場合には空間分解能と再構成時間、実装の容易性からlist-mode MLEMの選択が有効であることが示唆された。

PETによる脳神経受容体機能の測定で使用されるコンパートメントモデル解析では,非線形推定に由来する誤収束や初期値依存性,計算時間の問題が生じる.そこで本研究では,直接探索法の適用を検討する.本アルゴリズムは,投与薬剤から想定される時間放射能曲線(tTAC)を事前に準備し,特徴空間において実測tTACと形状が最も類似したものを選定し,最適なパラメータを得る手法である.投与薬剤にアデノシンA_<2A>受容体プローブである[^<11>C]TMSXを想定した,ROI相当のノイズを付加したシミュレーションデータを本手法に適用したところ,速度定数K_1および分布体積V_Tにおいて安定した推定を行えることが示された.さらに,安定した推定が可能なV_Tを拘束条件として再度本アルゴリズムを適用したところ,神経受容体濃度を反映するBP_<ND>の四分位偏差が,拘束条件なしの40%程度から20%程度になり推定性能に改善がみられた.

近年グラフィック演算ボードであるGPUを汎用計算に利用するGPGPUが注目され、画像再構成高速化にも利用されるようになったが、高速化の効率はその実装方法によって大きく左右される。そこで本研究では、高精度なPET画像再構成計算を高速化するためのGPU実装方法を検討した。GPUにより並列計算するのは、画像再構成において最も負荷の高い投影演算部分である。投影演算方法にはRay-driven法とVoxel-driven法に大別することができる。逆投影の際、Ray-driven法ではメモリ競合が生じてしまうが、Voxel-driven法では無駄な計算が多く計算時間がかかる。そこで、逆投影においてメモリ競合を避けたRay-driven法による実装法とVoxel-driven法による実装法を、計算機シミュレーションにより比較すると、どちらも同等の画像が得られ、Ray-driven法の方が高速に計算することができた。今後は、開放型PET装置OpenPETによる放射線治療と診断を融合するコンセプトの実現に向けて、画像再構成計算のリアルタイム化を目指す。

生体組織の粘弾性率分布は,疾患により変化する.Magnetic Resonance Elastography(MRE)法は,MR Imaging(MRI)装置と外部加振装置を利用して得た弾性波画像から定量的に剛性率分布を推定する手法である.加振装置として測定対象の深部領域に効率的に弾性波を発生させることができる集束型加振装置を用いた場合,集束近傍領域では複雑な弾性波が発生する.本研究では,圧縮波を含む複雑な弾性波画像に適した剛性率推定手法を明らかにすることを目的とした.集束型加振装置を用いた均一ゲルファントムを対象とした実験により得られた弾性波画像に対して,各種剛性率推定手法を適用したところ,積分型curl-operatorを前処理として利用する積分型再構成公式による剛性率推定手法が有効であることが確認できた.

MRE(Magnetic Resonance Elastography)システムは、MRIシステムと生体に横波を起こさせる加振器と、その横波を検出するための振動増感傾斜磁場(MSG)によって構成される。複数の振動数で加振することで生体に複数の振動数の横波を発生さるMREシステムの理論模型を考え、それに基づき、横波検出に必要なMSG、及び検出されるMRI信号と振動波形の間の関係を議論する。

MRI(magnetic resonance imaging)装置を利用して粘弾性率を非侵襲的に測定する方法としてMRE(MR elastography)法が提案されている．MRE法は測定対象に外部から単一周波数の正弦波振動を加えることで対象内部に発生した粘弾性波を画像化する．得られた粘弾性波画像に対して粘弾性率推定式を適用することで粘性率分布や剛性率分布を求めることができる．<BR> 粘弾性率分布の定量性は弾性波画像のノイズに対する振幅の比が大きく，高調波が少ないほど向上し，周波数が高くなるほど分解能は向上する．ただし，周波数が高いほど弾性波の減衰が大きくなることから，定量性と分解能はトレードオフの関係にある．<BR> 本研究では空気圧型加振装置と圧電素子型加振装置に着目し加振装置及び加振方法の検討をした．両加振装置の振幅特性は125Hz以上の周波数において高調波の割合が5%以下となった．空気圧型加振装置では125Hzで圧電素子型加振装置の約８倍の80μmの振幅を発生可能であり，ヒト大腿部に対する実験により弾性波の伝搬する様子を確認できた．また，振動を多方向から与えることにより推定精度が向上できた．

生体軟組織の弾性情報を非侵襲、かつ定量的に得る手法として、MRE (Magnetic Resonance Elastography)という手法が提案されている。このMRE法では、外部からの加振によって生体内に生じる弾性波をMRI装置によって画像化し、その弾性波の波長情報から組織の剛性率分布を推定することができる。 MRE撮像高速化の一つの方法として、取得する弾性波の情報を減らし、より少ない情報から剛性率分布を求めることが考えられる。しかしこの場合弾性波の情報の欠落により、撮像するスライス面に弾性波の見えにくい領域（missing point）が生じてしまい、正確な剛性率分布算出の妨げとなってしまう。 そこで本研究ではこのmissing pointを軽減するため、二つの音圧型加振装置によって弾性波の干渉を発生させる方法を検討した。今回は基礎検討として、均一で等方な物質に対する数値シミュレーション、およびMRE撮像実験を行った。結果、2つの加振装置間の振動位相を適切に制御することによって、簡便かつ高速なMRE撮像時に現れる画像中央のmissing pointが軽減されることが示された。

生体組織の粘弾性率を定量的かつ非侵襲に測定する手法として，核磁気共鳴画像装置(magnetic resonance imaging : MRI)を利用したMR elastography (MRE)法がある． MRE法では，外部加振装置によって生体内に発生させた弾性波を画像化する．弾性波画像から剛性率分布を推定するときには，測定対象が非圧縮性物体と仮定することが一般的であるが，生体組織は完全な非圧縮性物体ではない．圧縮性物体を加振することで対象内には剛性率分布推定で対象とするせん断波だけではなく，圧縮波が重畳することになる．本研究では，MRIで取得した弾性波画像に対して生体の圧縮性を考慮した粘弾性率分布推定手法を検討することを目的とした． 圧縮性の均一弾性体を想定したシミュレーションにより作成した弾性波画像とアクリルアミドゲルを対象とした実験により取得した弾性波画像に対して各種剛性率分布推定手法を適用した．得られた剛性率分布画像を比較評価した結果，昨年度発表した3次元積分型再構成公式の前処理として積分型curl-operatorを加えた手法が，最も定量的に剛性率を推定可能であることがわかった．

The patient's movements during the measurement process induce an artifact in the reconstructed image in high resolution positron emission tomography (PET). An effective motion-correction method for statistical PET reconstruction has proposed. This method requires a considerable time to the three-dimensional global sensitivity image (GSI) which is a denominator of the ML-EM iteration formula. We proposed a practical approximation method for the calculation of the GSI by the rigid transformation images of the first motion-frame's GSI. From the result of the simulation, the proposed method reduced image artifacts as well as the computation time.

外部加振装置により対象内に発生させた弾性波を磁気共鳴画像装置（MRI）によって画像化するMR elastography法は、生体組織の粘弾性率を非侵襲かつ定量的に捉えられる手法として注目されている。MRE法では測定対象の深部領域に弾性波を発生させために低い周波数で加振するのが一般的であるが，弾性波の波長が関心領域よりも長くなる場合がある。波長が長いほど弾性波画像から剛性率分布を高い空間分解能や高い定量性で推定することは困難となる。本研究では，3次元積分型公式が従来手法と比較して剛性率分布推定精度が高いことを計算機シミュレーションと実測実験により明らかにした。

Logan Graphical Analysis (LGA)は、陽電子断層像を用いた神経受容体の画像化において標準的に使用されるアルゴリズムである。LGAは、血中及び組織中の放射能濃度の経時変化の間で成立する直線関係を用いるため、その成立時刻(t^*)を指定しなければならないが、雑音を多く含むPETデータにおいて全画素に対するt^*の推定は容易ではない。そこで本手法では、適切なt^*の下では、直線推定による残差の符号がランダムになることに着目し、ランダム性をノンパラメトリックに判定する連検定を用いてt^*を画素毎に決定するアルゴリズムを提案した。その結果、提案手法による神経受容体の推定精度改善が示唆された。

生体組織の粘弾性は病変や機能障害のある組織の診断に用いられる重要な指標であり、非侵襲的かつ定量的な測定装置による疾病の早期発見や病期診断が期待されている。核磁気共鳴画像装置(Magnetic Resonance Imaging:MRI)を用いたMR Elastography(MRE)法は、外部加振装置によって生体内に発生させた弾性波を画像化し、弾性波画像から逆問題を解くことで粘弾性率分布を求めることができる。従来のMREシステムでは、生体内での弾性波の急速な減衰や長時間撮影による被験者負担の大きさのため、生体深部領域の弾性率測定が困難であった。本研究では生体腹部領域の撮影に向けて、縦波発生用外部加振装置を改良するとともに、超高速撮影法を採用することにより生体深部領域の3次元弾性波画像の高速撮影を可能とすることを目的とした。Phantom実験とin-vivo実験により、生体深部領域を従来法の6.4倍の速度で測定できることを確認した。(著者抄録)

生体組織の弾性率分布を非侵襲的かつ定量的に測定する手法としてMR Elastography (MRE)法が提案されている。MRE法は物体外部から微小振動を加えることで、対象内部に発生する弾性波をMRIによって可視化し、得られた弾性波分布から弾性率分布を測定する。弾性率分布を高空間分解能で定量的に測定するためには、弾性波画像を従来よりも高い信号対雑音比（SNR）で３次元的に測定する必要がある。本研究では縦波発生用外部加振装置の振幅向上によるSNRの向上とMRE撮影法の高速化による弾性波画像の３次元測定について報告する。

MRE(Magnetic Resonance Elastography)では生体中を伝搬する横波の波形を、MRIを用いて調べることでの生体の粘弾性構造を非破壊的に調べる。しかしながら、生体内の横波の減衰は激しく、横波加振では生体深部の観察は困難である。そこで、減衰の少ない縦波をソースとして生体深部で横波を発生させ、その横波を調べることで粘弾性構造を調べることが試みられた。この縦波による横波誘起に基づくMREについて議論する。

外部加振装置により対象内に発生させた弾性波を磁気共鳴画像装置(MRI)によって画像化するMR elastography法は、生体組織の粘弾性率を非侵襲かつ定量的に捉えられる手法として注目されている。弾性波画像の信号対雑音比は低く、2次元断面では多方向に伝搬する弾性波を捉えられないため、弾性波画像に対してラプラシアン処理を施す2次元剛性率推定法では正確な剛性率の推定はできない。本研究では3次元積分型公式による剛性率推定法を構築し、信号対雑音比を波長を変えた計算機シミュレーションによる3次元弾性波データに対して適用することで、3次元化した従来手法よりも精度が高いことを確認した。

従来にない高感度かつ高空間解像度なPETイメージングを実現するために、放医研を中心にして、4層の検出器深さ位置(DOI)情報を取得する頭部用PET装置jPET-D4を試作した。DOI層数の2乗に比例して増加するline-of-response(LOR)は、後段LORを最近傍の前段LORに足し合わせるDOI compression(DOIC)法によって圧縮される。データ処理および画像再構成の負荷を最小化するためには、足し合わせ先の前段LORを1層目-1層目ペアに限定してデータサイズを1/16に削減することが望まれるが、サンプリング数の減少が画質に与える影響を抑制する必要がある。本研究では、DOIC法の改良し、jPET-D4の実験データを用いて評価を行ったので発表する。具体的には、足し合わせ先のLORを最近傍の1本に絞るnearest neighbor modeと、距離に応じた重み係数をかけて複数のLORに足し合わせるinterpolation modeの2通りの方法を比較した。さらに、距離に閾値を設けることで、DOICにより誤差を生じるLORを予め除去する方法についても評価した。(著者抄録)

PETやSPECT、X線CTなどの画像再構成に逐次近似法を適用する場合、投影と逆投影の際にボクセルと投影斜線の交差経路長計算(ray-tracing)が必要となる。3次元画像再構成においては、膨大な投影斜線を扱うため、多くの計算時間を要する。本研究では、ボクセルを構成するx=0、y=0、z=0に平行な平面で区切られる投影斜線の線分長を計算し、各線分長の包含関係を利用することで高速なray-tracing法を提案する。本手法をPET装置の画像再構成に適用することで、従来法に対しray-tracingに要する計算時間を17%削減できることを示した。(著者抄録)

近年、PET画像の高画質化に向け、フォトンの検出器内における深さ方向の相互作用位置(depth-of-interaction:DOI)を弁別する検出器、同時計数したフォトンの飛行時間差(time-of-flight:TOF)を高精度に計測する検出器が開発されている。DOI情報は画像の解像度、TOF情報はノイズを改善する。これまでに、検出器リング径の小さな装置においてDOI計測の効果が示されたが、全身用装置における効果は明らかでない。本稿では、全身用PETにおけるTOF情報とDOI情報の利用による画質改善を、計算機シミュレーションにより評価した。具体的には、正確な観測系モデルに基づく統計的画像再構成法により、種々のファントムを再構成し、TOFおよびDOI情報による空間解像度・コントラストの対ノイズ特性、病変検出能の改善を評価した。結果より、TOF-DOI PETの優れたイメージング性能が明らかになった。(著者抄録)

前立腺癌は高齢化等にともない今後日本でも急増すると予測されている。前立腺癌の位置の検出や治療効果の判定は従来の画像診断手法だけでは困難であることから触診が重要な診断手法となっている。本研究では、水の拡散方向から組織の構造を推定できる拡散テンソルMRIを用いて、前立腺癌の定量的評価手法を構築することを目的とした。正常な前立腺組織は同心円状な構造であるが前立腺癌が発生することによって構造が変化する。提案手法ではこのような性質を利用して、前立腺組織の第1固有ベクトルと尿道を中心とする同心円との接線ベクトルとの内積から評価値を求めた。本手法を重粒子線による前立腺癌治療前後の拡散テンソルMRIに適用したところ、評価値は癌領域で低く、正常な前立腺組織や治療後の組織では高くなった。また、評価値と前立腺組織の第1固有ベクトルとの融合画像を作成することで視覚的に治療前後での組織構造変化が捉えやすくなった。(著者抄録)

生体の弾性率情報は診断や治療経過を観察する上で一つの指標となる。本研究では、臨床用3T MRIを用いて弾性体内部に発生させた波を画像化するMR Elastography (MRE)法によって生体組織の粘弾性率分布を測定するシステムを試作した。加振装置はアクリル製の台を圧電素子で周波数200～1kHz、振幅約十ミクロンで横、もしくは縦に振動させることができるようにした。また、外部加振と同じ周波数で振動する磁場を付加したシーケンスを作成した。寒天ゲルに内包したブタの摘出肝を対象とした実験により、横波用装置と比較して縦波用加振装置では深部まで観察することができた。生体組織を対象とする場合には縦波用の外部加振装置が有効であることが示唆された。

MIRE methods deform the sample using an external vibration system. We have been using a transverse driver, which generates shear waves at the object surface. One of the problems is that shear waves rapidly attenuate at the surface of tissue and do not propagate into the body. In this study, we compared the shear waves generated by transverse and longitudinal drivers. The longitudinal driver was found to induce shear waves deep inside a porcine liver phantom. These results suggest that the longitudinal driver will allow measurement of the shear modulus deep inside the body.

空間分解能の視野中の一様性を高めるdepth-of-interaction(DOI)検出器ブロックを用い、近接撮影による高感度PET装置が開発されつつある。この装置は形状により不均一な結晶素子対サンプリングが生じるため、画像再構成において正確な観測モデルが必要となる。平行線モデルと領域分割モデルについて、計算コストと画質の観点から2Dにおける基礎的な検討を計算機シミュレーションにより行った。その結果、空間分解能の平均値については観測モデルによる影響が小さいことが分かった。DOI検出器ブロックを四角形に配置した装置は領域分割モデルの方が空間分解能の一様性が40%よく、六角形装置では平行線モデルの方が18%よかった。

γ線相互作用位置(DOI)を計測する高性能小動物用PET装置を開発するため、検出器ブロックの測定対象への近接化が装置の感度・計数率特性に及ぼす影響を計算機シミュレーションにより評価した。測定対象をマウスに限定し、検出器配置を六角形、四角形、検出器ブロック端の一部を重ねた四角形の3種類とした。その結果、検出器ブロックを近接させた配置ほど感度は高いが、信号処理回路の不感時間の影響を強く受け、計数率特性は向上しないことが分かった。しかし、計数率特性は一つの検出器ブロックを四つの信号処理回路で読み出すことによって改善することから、本装置の有効性が確認された。

生体組織内部の弾性率分布を測定可能な磁気共鳴弾性波画像法を理解するために、磁気共鳴画像装置（MRI）および磁気共鳴弾性波画像法（MRE）の原理を説明する。

MRE法は外部振動によって発生した弾性物体中を伝播する弾性波を画像化することができる。局所的な弾性率分布は得られた画像から求めることができる。MRE法は通常の画像診断法では検出することが出来なかった初期ガンを検出できる可能性がある。また、悪性のガンは正常組織や良性のガンと比較して硬いことが知られているので、良悪性の鑑別診断への利用も期待されている。本研究では空間分解能が約300ミクロンのMR顕微鏡装置を用いて弾性率分布測定システムを開発した。本装置を用いて得られた実験より、弾性率分布が定量的に測定可能であることを示唆する結果を得た。

The visual field and the visual acuity are representative functions of vision. Visual field inspection is performed by quantitative visual field examination in which the change in the visual field is observed while varying the size and the brightness of the presented target. At present, visual field inspection, which is usually performed in ophthalmology, is a subjective examination in which the subject gazing at a fixation point to the front answers whether a target presented at the periphery is seen. However, it is difficult for young children and the elderly to continue gazing at the fixation point due to difficulty in understanding the instructions and in maintaining concentration. This makes it difficult to measure the visual field quantitatively using the existing perimeter. The purpose of this study is to achieve quantitative visual field screening of young children. A system was developed in which the major components are an immersive display device, a camera for view line detection, and a video to interest the child. The proposed system does not require instruction or the autonomous answers from the subject and can examine the visual field in an environment close to that of daily life. Visual field measurements were performed with healthy adult subjects using the proposed system, and it was verified by comparison with the results of measurement by the existing perimeter that the proposed system is reliable as a screening system. An experiment was also performed with child subjects, and it was shown that the proposed system can quantitatively screen the visual field of young children. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

視野は視力と並んで最も代表的な視機能である.視野検査では,提示する視標の大きさや輝度を変えながら視野の変化を測定する量的視野検査が実施されている.現在眼科で主に実施されている視野検査は,正面に提示された固視点を注視した状態で,周辺に提示された視標が見えるかどうかを被検者が回答する自覚検査である.幼児や高齢者は,教示の理解や集中力の持続が困難なために固視点を注視し続けることが難しく,既存の検査装置では量的視野を測定することが困難である.本研究では幼児の量的視野をスクリーニングすることを目的に,没入型提示装置と視線検出用のカメラ,幼児が興味をもつ映像を主な構成要素とするシステムを開発した.提案システムでは,教示と被検者からの自主的な回答が不要で,日常生活に近い環境下で視野を測定することができる.提案システムを利用して健常成人被検者を対象とした視野測定実験を実施し,既存の視野検査装置による測定結果と比較することでスクリーニングシステムとして信頼性があることを確認した.また,幼児被験者を対象とした実験から,提案システムによって幼児の量的視野がスクリーニングできることを示した(著者抄録)