JP6498449B2

JP6498449B2 - Ｐｅｔ装置及びｐｅｔ装置用放射線検出器

Info

Publication number: JP6498449B2
Application number: JP2015006569A
Authority: JP
Inventors: 秀幸河合
Original assignee: Chiba University NUC
Current assignee: Chiba University NUC
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2035-01-16
Also published as: JP2016133333A

Description

本発明は、PET装置及びPET装置用放射線検出器に関するものである。

PET（Positron Emission Tomography：陽電子放出断層撮像法）は、¹¹C、¹⁸Fなどの陽子過剰核を含む薬剤を被験者に投与し、発生した陽電子が生体内の電子と対消滅する場合に180度方向に発生する2本の511keVγ線（放射線の一種。）を計測することによって生体内部の薬剤分布を測定する核医学診断法である。がん（癌）組織は新陳代謝が活発でブドウ糖消費量が正常組織の5倍程度であるため、ブドウ糖疑似物質のPET薬剤を使えば、原理的には初期がんでも診断が可能である。

現在市販されているPET装置は、位置分解能が2cm程度のものが2億円程度、位置分解能が5mm程度のものが10〜20億円程度の価格である。また、現在研究開発中の世界最高位置分解能2〜3mmのPET装置は、素材価格の総計で50億円以上となる。

特許文献１には、ガンマカメラを搭載したPET装置が記載されている。

特開２０１４−１８２０５９号公報

PET用γ線検出器の本体は、入射γ線のエネルギーに比例した可視光を放出するシンチレータ結晶とその光を受けて電気信号に変換する受光素子である。従来のPET装置は位置分解能を向上させるためにできるだけ細かく分割したシンチレータ結晶を使用している。一般に同じ体積（例えば50mm×50mm×25mm）の結晶の価格は、板状（例えば、50mm×50mmで厚さ3mmの板8枚）が最も安価で、全体を1個のブロックとすれば価格は約2倍、3mm×3mm×6mmの微小結晶1024個で構成すると価格は板状結晶で構成した場合の20倍以上の価格となる。従来製品は多数の微小結晶によって位置分解能を向上させていた。全身用PET装置は10リットル程度のγ線結晶が必要だが、代表的なGSO結晶の価格は板状で4000万円程度、微小結晶で10億円程度になる。

現在研究機関で開発中の世界最高分解能のPET装置は、レーザー加工によって内部が16×16×16=4096分割された13mm×13mm×13mmの立方体結晶ブロックを使用する（以下、この方式を「A方式」という）。この方式で全身用ＰＥＴ装置を制作すれば、結晶の価格だけで50億円以上となる。

最近の高性能PET装置ではシンチレーション光を観測する受光素子は位置弁別型光電子増倍管（受光面が8×8=64分割又は16×16=256分割になったもの。）を400本程度使用するものが代表的である。位置弁別型光電子増倍管の価格は、例えば、30〜50万円程度のものがある。信号読み出し回路の価格は、例えば1 channel当たり5万円程度のものがある。

前述のA方式では、立方体結晶ブロック1個に対して32個のPPD（Pixelated Photon Detector。半導体光検出器。）という微小受光素子を使用するため、PET装置全体で約20万個のPPDが必要となる。ここで、PPDとは半導体を利用した受光素子であり、受光素子は、光信号や光エネルギーを、電気信号や電気エネルギーに変換する機能をもった素子である。PPDの価格は、電源や信号読み出し回路を含めて、例えば1個当たり約7,000円程度のものがある。

従来の検出器ではγ線が結晶内でコンプトン散乱を起こし複数の場所で発光した場合はその重心の位置を入射位置と判定してしまうため、ほぼ全てのPET装置はコンプトン散乱事象を積極的に除去し、光電効果によって検出器内の一箇所で全エネルギーを放出する事象のみを測定している。1本のγ線が結晶中で光電効果が生じる確率は、40%程度であるため、2本とも光電効果が生じる確率は16%程度となる。

PET装置では高い位置分解能が求められており、特に頭部を診断するためのPET装置では0.1mm程度の高精度の位置分解能が求められている。しかし、前述のとおり、従来のPET装置では、位置分解能を向上させるには、大量の微小結晶、受光素子が必要となり、PET装置が極めて高価格となるという課題がある。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの観点によれば、PET装置を、放射線が入射した場合に発光する複数のシンチレータ結晶と、シンチレータ結晶の表面又は裏面に少なくとも2方向に配置され、シンチレータ結晶から放出された光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、光ファイバーの端部が接続され、光ファイバーにおいて再発光した光を検出する受光素子と、を有するものとした。

上記構成において、光ファイバーを、シンチレータ結晶の表面又は裏面に略垂直に交差するように配置すると好ましい。

また、上記構成において、シンチレータ結晶の三番目に長い辺の長さが、二番目に長い辺の長さの5分の1以下とすると好ましい。

さらに、上記構成において、シンチレータ結晶の側面に受光素子を配置すると好ましい。さらに、上記構成において、少なくとも1本の光ファイバーの両端部に受光素子を接続すると好ましい。

さらに、上記構成において、光ファイバーの束の数をn本とすると、光ファイバーの束の一方の端部を、当該光ファイバーの束の順番をm（mはnより小さい正の整数）で割った商が同じとなる光ファイバーの束について同一の受光素子に接続し、光ファイバーの束の他方の端部を、当該光ファイバーの束の順番をmで割った余りが同じとなる光ファイバーの束について同一の受光素子に接続すると好ましい。

また、本発明の別の観点によれば、PET装置用放射線検出器を、放射線が入射した場合に発光する複数のシンチレータ結晶と、シンチレータ結晶の表面又は裏面に少なくとも2方向に配置され、シンチレータ結晶から光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、光ファイバーの端部が接続され、前記光ファイバーにおいて再発光した光を検出する受光素子とを有するものとした。

従来のPET装置と同等の位置分解能を持つＰＥＴ装置を低コストで製造できる。

実施例１のPET装置の構造を模式的に示す図である。実施例１のγ線検出器２の一部を模式的に示す図である。実施例２の波長変換ファイバーの束と受光素子との接続方法を示す図である。

以下、本発明の実施例１を説明するが、本発明の実施形態は以下に説明する実施例の構成に限定されるものではない。

図１は、本実施例のPET装置の構造を模式的に示す図である。患者（測定対象）１から180度異なる2方向に発せられるγ線３を、患者１を囲むように配置された6ブロック（6個）のγ線検出器２で検出する。γ線検出器のブロック数は6ブロックでなくても、患者を囲むことができるブロック数であれば構わない。

γ線検出器２の検出信号に基づいて、計算部（図示しない。）によりγ線放出物質の位置分布を算出し、表示装置（図示しない。）に表示する。これにより、例えば患者のがんを発見し、がんの発生位置等を推定することができる。

図２は、本実施例のγ線検出器２の一部を模式的に示す図である。本実施例のγ線検出器２は、厚さ3mmで256mm×256mmの板状のシンチレータ結晶板（２１）8枚でγ線検出器２の1ブロックとし、6ブロックでPET装置全体を構成する。図２には、シンチレータ結晶板（２１）1枚分の一部しか図示していない。本実施例のシンチレータ結晶板２１は、GSO（Gd2SiO5:Ce）単結晶を用いているが、これに限られない。GAGG結晶（ガドリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット）は発光量が大きく、自己放射性がない等のメリットがあるため、GAGG結晶をシンチレータ結晶板２１として使用してもよい。

個々のシンチレーター結晶板２１の4側面には有効面積3mm×3mmのPPD２２を8個ずつ接着し、γ線のエネルギーと厚さ方向の入射位置を測定する。また、合計32個のPPD２２の信号の大きさの重心演算で縦及び横方向のおおまかな入射位置も判定できる。必要なPPD２２の数は、32×8×6 = 1536個である。

個々のシンチレータ結晶板２１の表面と裏面には直径0.2mmの波長変換ファイバー２３を1280本×2層ずつ、縦方向（y方向）と横方向（x方向）に略垂直に交差するように並べる。ここで、波長変換ファイバーとは、コアの部分に波長変換材（ある波長域の光を吸収してそれより長い波長域の光を等方的に再発光する物質）が混ぜ込まれたプラスチック製の光ファイバーである。シンチレータ結晶板２１の表面や裏面から放出されたシンチレーション光は、波長変換ファイバー２３で吸収され、少し長い波長の光として一様な方向に再発光する。その一部がファイバー２３内での全反射条件を満たしてファイバー端まで伝播するので、この光をファイバー２３に接続した受光素子で検出し、縦方向と横方向のγ線入射位置を独立して測定できる。必要な波長変換ファイバーの本数は、1280×2×2×8×6 = 245760本である。後述するように複数のファイバー２３を束ねてからPPDに接続するが、波長変換ファイバー1本の長さは60cm程度になる。ファイバーの価格が、1m当たり仮に30円だとすると、本実施例のPET装置全体に必要な波長変換ファイバーの価格は500万円程度となる。

波長変換ファイバー２３の端は8枚のシンチレータ結晶板をまとめて1mmごとに、5本×2層×8枚＝80本ごとに束ねる。すなわち一辺ごとに256個の束ができることになる。さらにこの波長変換ファイバーの束を、一端では16で割った商で、他端は16で割った余りの数で束ねて、有効面積6mm×6mmのPPDに接続する。このPPDは、16個×4辺×6ブロック = 384個が必要となる。この面積のPPDの価格は、読み出し回路を含めて、例えば15,000円程度のものがある。

本実施例のγ線検出器２は、厚さ方向の位置分解能が±1.5mmとなる。縦方向や横方向の位置分解能は、実験によって±1mmであることが確認できた。さらに本実施例の測定方法では縦方向や横方向のγ線入射位置を側面の小さなPPDと波長変換ファイバーで独立に測定しているため、γ線がコンプトン散乱して複数個所でシンチレーション発光が起きた場合でも最初の入射位置を特定できる。

以上のとおり、従来の全身用PET装置の価格は、世界最高の位置分解能を持つ装置で20〜50億円であるが、本実施例のPET装置は同等以上の位置分解能を持ちながら素材価格の総和が1億円以下である。さらに従来のPET装置と比べて感度は5倍程度に向上する。

本実施例の特徴は、以下のとおりである。
（１）板状のシンチレータ結晶２１を使用することにより、シンチレータ結晶材料費用を低減できる。なお、本明細書において、板状とは、直方体の一番長い辺の長さをx₁、二番目に長い辺の長さをx₂、三番目に長い辺の長さをx₃とすると、x₃がx₂の5分の1以下となっている形状とする。
（２）γ線のエネルギーと厚さ方向の位置を測定し、縦方向と横方向のおおまかな入射位置も判定するために、各シンチレータ結晶板２１の４側面に小型PPDを接着する。
（３）γ線の縦方向と横方向の入射位置測定に、各シンチレータ結晶板２１の表面と裏面に波長変換ファイバーを配置する。これにより、受光素子（光子検出器）の数を大幅に低減することができ、大幅なコスト低下につながる。
（４）波長変換ファイバー束の端を、一方は16で割った商、他方は16で割った余りで束ねる。これによって、32個のPPDで256mm×256mmの領域内に入射したγ線のXY方向における入射位置を1mmの精度で測定することができる。このようにすれば、波長変換ファイバーの全ての端に受光素子を接続した場合と比較して、受光素子の数を大幅に削減することができる。

割る数は、16には限られない。一般には、波長変換ファイバーの束の数がn束だとすると、n^1/2に近い正の整数mで割るのが好ましい。

図３に、波長変換ファイバーの束２３１が25束（n = 25）の場合の波長変換ファイバー束２３１と受光素子との接続方法の例を示す。例えば、1束目から5束目までの波長変換ファイバー束２３１は、左側の0 chの受光素子に接続されている。また、例えば、3束目、8束目、13束目、18束目、23束目（nを5で割った余りが3の波長変換ファイバーの束）波長変換ファイバーの束は、右側の7 chの受光素子に接続されている。図３では、10個の受光素子が使用されている。このように接続すると、光が波長変換ファイバーに入射した場合、光子を検出した受光素子のchannelから光が入射した波長変換ファイバー束の位置を特定できる。例えば、0 chと7 chの受光素子が光子を検出した場合、3番目の波長変換ファイバー束２３１にシンチレーション光４が入射したことが分かる。

n束の波長変換ファイバー束２３１の端に単純に受光素子を接続するとn個の受光素子が必要となるが、本実施例のように受光素子に接続すると、受光素子の数を2×n^1/2まで低減させることができる。

本発明は、PET装置及びPET装置用放射線検出器として産業上利用可能である。

１患者
２ γ線検出器
３ γ線
２１シンチレータ結晶板
２２ PPD（半導体光検出器）
２３波長変換ファイバー
４シンチレーション光

Claims

放射線が入射した場合に発光する複数のシンチレータ結晶板と、
前記シンチレータ結晶板の表面又は裏面に少なくとも２方向に配置され、前記シンチレータ結晶板から放出された光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、
前記光ファイバーの一方の端部が接続され、前記光ファイバーにおいて再発光した光を検出する第一の受光素子と、を有し、
前記シンチレータ結晶板の側面に第二の受光素子が配置されていることを特徴とするPET装置。
請求項１において、前記光ファイバーが、前記シンチレータ結晶板の表面又は裏面に略垂直に交差するように配置されていることを特徴とするPET装置。
請求項１において、前記シンチレータ結晶板の三番目に長い辺の長さが、二番目に長い辺の長さの５分の１以下であることを特徴とするPET装置。
請求項１において、少なくとも１本の前記光ファイバーの他方の端部に第三の受光素子を接続することを特徴とするPET装置。
請求項４において、前記光ファイバーの束の数をｎ本とすると、前記光ファイバーの束の一方の端部を、当該光ファイバーの束の順番をｍ（ｍはｎより小さい正の整数）で割った商が同じとなる光ファイバーの束について同一の前記第一の受光素子に接続し、前記光ファイバーの束の他方の端部を、当該光ファイバーの束の順番をｍで割った余りが同じとなる光ファイバーの束について同一の前記第三の受光素子に接続することを特徴とするPET装置。
放射線が入射した場合に発光する複数のシンチレータ結晶板と、
前記シンチレータ結晶板の表面又は裏面に少なくとも２方向に配置され、前記シンチレータ結晶板から光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、
前記光ファイバーの一方の端部が接続され、前記光ファイバーにおいて再発光した光を検出する第一の受光素子と、を有し、
前記シンチレータ結晶板の側面に第二の受光素子が配置されていることを特徴とするPET装置用放射線検出器。