心筋spect標準化ファントム（を用いた標準化の...

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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



・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！



データ収集時の条件

ﾋﾟｸｾﾙサイズ、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



1. 使用核種、投与量、収集時間：集積割合↑＇99mTc:2%、201Tl:5%（

2. ｴﾈﾙｷﾞｰｳｨﾝﾄﾞｳ幅：ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能が向上、散乱線含有率の低減

3. 装着ｺﾘﾒｰﾀ： 99mTc製剤でのｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞ、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



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

低ｴﾈﾙｷﾞｰ超高分解能型＇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



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



1. ｴﾈﾙｷﾞｰｳｨﾝﾄﾞｳ幅＇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



0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

12 14 16 18 20 22

ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能FWHM-11%

ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能FWHM-9%

～～～～

ｴﾈﾙｷﾞｰウィンド幅［％］

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 %

ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能 ↑：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



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



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：ｴﾈﾙｷﾞｰ、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



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（



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



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



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（



・ 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：



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：ﾋﾟｸｾﾙｻｲｽﾞ

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



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（

目標物ｻｲｽﾞの1/2 ⇒心筋：5mm 大脳：2.5mm



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

ﾋﾟｸｾﾙｻｲｽﾞ：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



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



線源位置とFWHMの関係ピクセル長×１：

FWHM2 = (ﾋﾟｸｾﾙ長)2 + (ｺﾘﾒｰﾀ分解能)2

ピクセル長×２：

FWHM2 = (ﾋﾟｸｾﾙ長×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



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



FBP法の特徴

少ない収集方向数多い

Artifact free area

Streak artifact



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：ﾋﾟｸｾﾙｻｲｽﾞ＇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（



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：ﾋﾟｸｾﾙｻｲｽﾞ Pt：総ﾋﾟｸｾﾙ数

S / N (SPECT) = M 0.5 /＇K×Pt 0.25 （ K：直径D↑で増加



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



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



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°



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



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



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



60Step

120Step

240Step

Step数の影響 Exc

D:傾き

0.57

0.57

0.60



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



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



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



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。

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