JP2005274546A

JP2005274546A - ポジトロン消滅位置計測装置

Info

Publication number: JP2005274546A
Application number: JP2004123536A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamawaki; 功次山脇; Masato Yamawaki; 正人山脇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】複数の中空円盤の周囲に配置された複数の蛍光発光体がポジトロン消滅時に同時発生する２個のガンマ線の照射によって発した蛍光を双方向に巻かれた光ファイバによって集光し、集光した蛍光の発生時刻を精密に測定することによって発光した蛍光発光体の位置とガンマ線同時生成位置を特定することが本発明の主要な課題である。
【解決手段】本発明のポジトロン消滅位置計測装置は、中空円盤の円周に沿って双方向に光伝送可能な光ファイバから成る集光ケーブルを複数個、円周上に配置した双方向光ファイバリングと、双方向光ファイバリングによって伝送された蛍光を電気信号に変換増幅する光電変換増幅手段と、光電変換増幅手段によって生成された双方向の電気信号を用いて発光した蛍光発光体の位置を特定する蛍光位置特定手段と、２個のガンマ線が同時発生したガンマ線発生位置の３次元ベクトルを特定するガンマ線発生位置特定手段とから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポジトロン消滅時に同時発生する２個のガンマ線を同時検出してポジトロン消滅位置を特定する計測装置において、複数の中空円盤の周囲に配置された複数の蛍光発光体がガンマ線の照射によって発した蛍光を光ファイバによって集光し、集光した蛍光の発生時刻を精密に測定することによって発光した蛍光発光体の位置とガンマ線同時発生位置とを特定するポジトロン消滅位置計測装置に関する。さらに詳しく述べると、円周上の特定の位置にある光ファイバに入射した光が円周に沿ってＣＷ（時計回り）及びＣＣＷ（反時計回り）の２方向に伝送されるとき、その伝播時間差から発光した蛍光発光体の位置が特定できるように考案されたものである。さらに、同時に発生した２個のガンマ線で照射された２個の蛍光発光体の位置と共にその発光時刻が測定されるとき、ポジトロン消滅位置即ちガンマ線同時発生位置が特定できるように考案されたものである。

ポジトロン消滅時に同時発生する２個のガンマ線を同時検出してポジトロン消滅位置を計測する技術は、主にＰＥＴと呼ばれる医療診断機器で広く利用されている。ＰＥＴは核崩壊によってポジトロン（陽電子）を放出する放射性同位元素を人間の血管内に投入して血流の状態を観測し、臓器の働きや癌などの疾患を診断する装置である。この原理を簡単に述べると、核崩壊によって発生したポジトロンはほとんど直ちに周囲の電子と結合して２個のガンマ線を同時に発生する。この２個のガンマ線はお互いに１８０度反対方向に進むため、このガンマ線によって発光した蛍光発光体の位置を観測することにより、ガンマ線発生位置（即ちポジトロン消滅位置）を通るガンマ線の飛翔ラインを特定することができる。さらに、ポジトロン消滅が起こるエリアを囲むように多数の蛍光発光体を配置して上記ガンマ線の飛翔ラインを多数観測し、これらを３次元座標に描けば、ポジトロン消滅の多い位置の近傍で上記の飛翔ラインが多く交差するような３次元イメージが得られる（例えば、特許文献１参照）。このようなイメージは３次元の度数表で表すことが可能であるから、例えば癌細胞の位置やその大きさを数値的に表現する根拠ともなる。

しかしながら、上述の説明から明らかなように、ポジトロン消滅位置の検出性能や精度は蛍光発光体とその発光を検出する光電増倍管の配置状態や密度に強く依存する。例えば観測体を囲む円筒状の観測リングに蛍光発光体と光電増倍管を配置して、同時発生ガンマ線の観測効率や位置特定精度を高めようとすると、極めて多数の蛍光発光体と光電増倍管を配置すると共に膨大な信号処理回路を備える必要性が生じる（例えば、特許文献２参照）。この問題に関して、観測機器の小型化・高密度化を進めるだけでなく、観測リングに対して観測体を移動させたり、観測体を中心に観測リングを回転させたりして、観測リングのサイズを抑える観測方法を適用しているのが現状である（例えば、特許文献３及び４参照）。この場合、観測エリアが増加すると計測時間もこれに比例して増加するという問題は避けがたい。また、特許文献１のように、この観測方式では消滅ガンマ線の１回の観測で特定できるのはガンマ線の発生位置ではなく飛翔ラインであるから、ポジトロン消滅の３次元位置を特定するには多数の観測が必要となり、多大の計測時間を要する要因となっている。
特開平１０−２０６５４５公報特開平０９−０３３６５８公報特開平０５−０１１０５３公報特開平０６−３４２０７３公報

上述の如く、本発明に関わる従来技術では、ガンマ線検出部の位置検出分解能が光電増倍管の設置密度に強く左右されるだけでなく、ポジトロン消滅位置を特定するにはさらに多数の観測データを収集して、これを統計的に処理する必要があった。また、光電増倍管の設置数が制限されると消滅ガンマ線の同時観測の可能なエリアが限定される、ポジトロン消滅位置の適切な処理に必要な観測データを収集することから計測時間が長くなると言った問題が生じ、サイクロトロン等の核医学関連設備に加えて医療診断機器の利用効率を低下させることとなった。

従って本発明の課題は、ガンマ線検出に必要な光電増倍管を大幅に削減すると共に、ガンマ線によって蛍光を発した蛍光発光体の位置だけでなく、２個のガンマ線の同時発生位置を直接に特定する手段を提供することである。

本発明は、複数の中空円盤の周囲に配置された複数の蛍光発光体がポジトロン消滅時に同時発生する２個のガンマ線の照射によって発した蛍光を光ファイバによって集光し、集光した蛍光の発生時刻を精密に測定することによって発光した蛍光発光体の位置とガンマ線同時発生位置を特定するポジトロン消滅位置計測装置に関するものである。

そして、請求項１に係わる本発明は、ポジトロン消滅時に同時発生する２個のガンマ線を同時検出してポジトロン消滅位置を特定する計測装置において、一方の先端Ａは中空円盤の円周上に在って先端Ａの断面の垂線が概ね該円周の中心に向かうように取り付けられると共に先端Ａの断面を覆うようにガンマ線照射によって可視光を発生する蛍光発光体を備え、他方の先端Ｂは先端Ａから該円周に沿ってＣＷ及びＣＣＷの２方向に配線されて該円周近傍の特定位置に集め束ねるように構成された双方向光伝送の可能な光ファイバから成る集光ケーブルを複数個、前記中空円盤の円周上に概ね等間隔で配置して成る双方向光ファイバリングと、前記蛍光発光体で発生して、前記集光ケーブルの先端Ａから先端ＢまでＣＷ方向に配線された光ファイバによって伝送される蛍光とＣＣＷ方向に配線された光ファイバによって伝送される蛍光とから成る２系統の蛍光をそれぞれ別々に重畳し別々に電気信号に変換増幅する光電変換増幅手段と、前記２系統の蛍光がＣＷ及びＣＣＷの２方向に配線された前記集光ケーブルを伝播して前記光電変換増幅手段に入射したときに発生する電気信号の発生時間差から前記２系統の蛍光が発生した前記蛍光発光体の位置を特定する蛍光位置特定手段と、複数個の前記双方向光ファイバリングを前記中空円盤面が平行で且つ前記中空円盤面に垂直な方向から見てそれぞれの先端Ｂが重なるように並べて配置し、少なくとも２個の前記双方向光ファイバリングに関して特定された前記蛍光発光体の位置と前記電気信号の発生時刻とから２個のガンマ線が同時発生したガンマ線発生位置の３次元ベクトルを待定するガンマ線発生位置特定手段とから成り、連続して発生するポジトロン消滅の３次元位置を瞬時に計測可能とするものである。

上記のポジトロン消滅位置計測装置の構成により、２個のポジトロン消滅ガンマ線を同時検出するエリアに配置された蛍光発光体の全面を覆うように光電増倍管を取り付ける必要がなくなり、関連する電子回路、データ処理手段の大幅な削減が可能になる。

また、請求項２に係わる本発明は、請求項１記載の蛍光位置特定手段において、複数個の前記双方向光ファイバリングに結線され前記光電変換増幅手段によって生成された電気信号をＣＷ及びＣＣＷの２系統で別々に加算して得られる電気信号を用いて前記蛍光が発生した前記蛍光発光体の位置を特定するものである。

上記の電気信号加算の処理により、其々の双方向光ファイバリングに接続した光電変換増幅手段からの全ての電気信号を蛍光位置特定手段に別々に入力する必要がなくなり、関連する電子回路、データ処理手段の大幅な削減が可能になる。

また、請求項３に係わる本発明は、請求項１記載の光電変換増幅手段において前記双方向光ファイバリングの中空円盤に配置されたＣＷ方向及びＣＣＷ方向の集光ケーブルをＣＷ方向の円周左側及び円周右側とＣＣＷの円周左側及び円周右側の合計４系統に分割してそれぞれに伝送された蛍光を別々に重畳し電気信号に変換増幅すると共に、請求項１記載の蛍光位置特定手段において複数個の前記双方向光ファイバリングに結線され前記光電変換増幅手段によって生成された電気信号をＣＷ方向の円周左側及び円周右側とＣＣＷの円周左側及び円周右側の合計４系統で別々に加算して得られる電気信号を用いて前記蛍光が発生した前記蛍光発光体の位置を特定するものである。

上記の蛍光を重畳する範囲を分割して、合計４系統の電気信号を生成することにより、請求項２記載の電気信号の加算処理において遭遇する問題、即ち、蛍光発光体の発光減衰時間が長くなった場合、１対の同時発生ガンマ線によって発生した２つの蛍光を重畳すると、この２つの波形が部分的に重なってしまうために蛍光位置の特定が不正確になる、と言った問題を大幅に改善することができる。

また、請求項４に係わる本発明は、前記光電変換増幅手段の電気信号の代わりに、前記光電変換増幅手段の電気信号と該電気信号に特定の遅延時間を付与した遅延電気信号とを重畳して作成した遅延信号付電気信号を適用することにより、前記ガンマ線発生位置特定手段において前記電気信号の発生した双方向光ファイバリングの所在を特定するものである。

上記の遅延信号付電気信号の適用により、加算されて生成された電気信号の波形処理を行うだけで蛍光を受光した双方向光ファイバリングの所在を特定できることとなり，関連する電子回路の削減が可能となる。

本発明により、光電増倍管とこれに付随する電子回路の個数を大幅に削減したポジトロン消滅位置計測装置を構成することが可能になった。また、上述のごとくガンマ線検出部が簡素になると共に、ポジトロン消滅位置の特定に要する観測数が低減されるために、これを癌の所在や大きさなどの診断に使用する場合、これに必要な計測時間を大幅に削減することが可能になった。

以下、図を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明のポジトロン消滅位置計測装置の構成を概念的に表した図である。この装置は双方向光ファイバリングの集合体であるガンマ線検出部１０とガンマ線検出部１０の出力である蛍光を処理する蛍光信号処理部２０から成る。ガンマ線検出部１０は、図２に示すような双方向光ファイバリング１００を複数個重ねて構成したものであり、この多層化によってポジトロン消滅位置の３次元計測を可能としている。また、蛍光信号処理部２０は、図３に拡大して示すように、それぞれの双方向光ファイバリング１００と光接続しており、蛍光を電気信号に変換増幅する光電変換増幅手段２００と、光電変換増幅手段２００の電気信号を系統別に合成して蛍光を発した蛍光発光体の位置を特定する蛍光位置特定手段２１０と、蛍光位置特定手段２１０により求められる蛍光発光体の位置と電気信号の発生時刻とからポジトロン消滅ガンマ線の発生位置を特定するガンマ線発生位置特定手段２２０とから成る。

図２及び図２の裏面を拡大して表した図４を参考にして、双方向光ファイバリング１００を詳細に説明する。図２が示す双方向光ファイバリング１００の上部表面には集光ケーブル１２０が等間隔に多数配置されており、これらの先端Ａはリング状に配列された蛍光発光体１１０に接続されている。そして、これらはＣＣＷ方向に配線されて合流し集光ケーブル幹１３０を形成する。また、図４が示す双方向光ファイバリング１００の下部表面にも上記と同様に集光ケーブル１２１が等間隔に多数配置されており、これらの先端Ａはリング状に配列された蛍光発光体１１０に接続されている。そして、これらはＣＷ方向に配線されて合流し集光ケーブル幹１３１を形成する。即ち、集光ケーブル幹１３０及び１３１は集光ケーブル１２０及び１２１の集合体である。集光ケーブル１２０及び１２１は通常、複数本の光ファイバを束ねて構成され、その先端ＡはＣＷ方向及びＣＣＷ方向の集光ケーブルの先端Ａを混合して蛍光発光体の接続面に均等に配置される。また、蛍光発光体の位置を正確に特定するため、それぞれの集光ケーブルが蛍光発光体１１０に接続する先端Ａから光電変換増幅手段２００に接続する先端Ｂまでの長さは正確に所定の長さになるように配線される。

請求項３記載のポジトロン消滅位置計測装置を構成する場合、集光ケーブル幹１３０で先端Ｂに集められた集光ケーブル１２０及び集光ケーブル幹１３１で集められた集光ケーブル１２１はそれぞれ円周左側及び円周右側の２系統に分割され、それらが伝送する蛍光は光電変換増幅手段２００で別々に重畳される。

次に、図３を参考にして、蛍光信号処理部２０の構成とポジトロン消滅位置の測定原理を詳細に示す。通常、ポジトロン消滅時に発生した２個のガンマ線（対消滅ガンマ線）は双方向光ファイバリング１００のどれか２つに入射し、蛍光発光体によって蛍光となる。この２箇所で発生した蛍光は双方向光ファイバリング１００を介して光電変換増幅手段２００に送られる。光電変換増幅手段２００では、この蛍光が電気信号に変換され増幅される。蛍光が入射しなかった双方向光ファイバリング１００に接続した光電変換増幅手段２００の電気信号は、入力なしとみなしてゼロに設定するものとする。そして、蛍光位置特定手段２１０において、これらの電気信号をそれぞれＣＷ方向及びＣＣＷ方向の電気信号に分離して加算し、ＣＷ方向の電気信号とＣＣＷ方向の電気信号によって検出される蛍光の到達時刻差から蛍光を発した蛍光発光体の位置即ち発光点位置を特定する。

図５を参照して、発光点位置を特定する方法を説明する。通常、円周上の特定の位置で発生した光が円周上に配線された光ファイバを経由して円周上の特定の位置に伝送されるとき、ＣＷ方向に伝播した光の到達時刻とＣＣＷ方向に伝播した光の到達時刻とに光の発生位置に関係した時間差が生じる。いま、対消滅ガンマ線によって発光した２つの蛍光発光体の一方にのみ注目して、ＣＷ方向の集光ファイバを経由して先端Ｂに到達した蛍光の到達時刻をＴ_ＣＷ、ＣＣＷ方向の集光ファイバを経由して先端Ｂに到達した蛍光の到達時刻をＴ_ＣＣＷ、双方向光ファイバリングの半径をＲ、光ファイバ中の光速をｃ_Ｇ、π＝３．１４ラジアンとすれば、発光点位置（概ね、先端Ｂからの角度）θは数１に示す関係式により求められる。

上記の方法に従って対消滅ガンマ線に対する２つの発光点位置が求められると、ガンマ線発生位置特定手段２２０において３次元ポジトロン消滅位置を特定することが可能になる。図６を参照して、ポジトロン消滅位置を特定する方法を説明する。通常、ポジトロンの対消滅によって発生した対ガンマ線が蛍光発光体によって蛍光となって２箇所の双方向光ファイバリングで受光されるとき、２箇所の蛍光のＣＷ方向（又はＣＣＷ方向）の到達時刻Ｔ_１及びＴ_２が測定される。そして、ポジトロン消滅位置が２箇所の発光点位置を結ぶ直線上のどこに存在するかをその内分の比率ｋによって表すことができる。いま、ポジトロン消滅位置と２つの発光点とを結ぶ距離をＤ_１及びＤ_２、発光点の位置する双方向光ファイバリングの円筒軸（Ｚ軸）方向の座標をｈ_１及びｈ_２、大気中の光速をｃ_Ａとすれば、ポジトロン消滅位置の３次元ベクトルｐは数２に示す関係式により求められる。

以上述べた方法・手順により、ポジトロン消滅ガンマ線の発生した位置は、一対のポジトロン消滅ガンマ線によって２箇所に発生した蛍光がＣＷ方向集光ケーブル及びＣＣＷ方向集光ケーブルを経由して先端Ｂに到達する時刻を測定することにより特定することが可能になった。

ところでこれまでの説明では、本発明に関わるポジトロン消滅位置計測装置の機能的構成を明暸にするため、蛍光位置特定手段２１０とガンマ線発生位置特定手段２２０とを別々の手段として分離したが、これらの機能的構成は適用する電子機器の持つ機能性能によって変化する。例えば、図３に示す実施例では蛍光位置特定手段２１０としてデジタルオシロスコープ２１２を適用している。この場合、複数の光電変換増幅手段２００のアナログ出力信号は、まず、アダプタ（アナログ前置処理回路）２１１において加算された後、デジタルオシロスコープ２１２に入力されてデジタル信号に変換される。そして、このデジタル信号の波形処理を行うことにより蛍光が先端Ｂに到達した時刻が特定される。ここで特定される到達時刻はＣＷ方向集光ケーブル及びＣＣＷ方向集光ケーブルを経由して先端Ｂに到達した２つの発光点の蛍光に関する時刻であり、これらの４つの時刻を図６に示す関係式に適用してポジトロン消滅位置を算出することになる。本発明の説明では、このような一連の計算処理において、蛍光発光位置の特定を蛍光位置特定手段２１０で、ポジトロン消滅位置の特定をガンマ線発生位置特定手段２２０で行うこととしているが、計算機能の充実したデジタルオシロスコープを適用すればガンマ線発生位置特定手段２２０の行うポジトロン消滅位置の特定も実行可能であり、ガンマ線発生位置特定手段２２０が不要となる。実際、ポジトロン消滅位置計測装置を構成するには、計測データのイメージングや装置の操作・管理を行うためのデータプロセッサ（パソコン）が必要となるから、通常、本発明の実施に伴う蛍光信号処理部２０の機能的構成は一般的に図３のように表されるが、本発明の実施形態の一例に過ぎない。

また、図３では、光電変換増幅手段２００は各双方向光ファイバリングのＣＷ方向集光ケーブル及びＣＣＷ方向集光ケーブルに接続する光電増倍管ユニット２０１と、光電増倍管ユニット２０１の出力に特定の遅延時間を付与した電気信号を作成する遅延回路２０２とから成っている。そして、アダプタ２１１において光電増倍管ユニット２０１の出力と遅延回路２０２の出力とが加算されることにより遅延信号付電気信号が作成される。この遅延信号付電気信号には双方向光ファイバリングの配列順序に対応して特定の遅延時間が付与された信号が重畳されているので、この波形の時間処理によってどの双方向光ファイバリングの電気信号であるかを特定することが可能となる。

上述の遅延信号付電気信号は重畳された電気信号の源となる双方向光ファイバリングの番地を付与する１つの方法である。別の方法としては、従来、行われているように、光電増倍管ユニット２０１の出力レベルを用いてそれぞれの双方向光ファイバリングへの蛍光入力の有無を識別するためのディスクリート信号を作成し、これを蛍光位置特定手段２１０またはガンマ線発生位置特定手段２２０に入力する方法がある。この場合、デジタルオシロスコープ２１２には複数のディスクリート信号を読み込むためのインタフェースを備えることとなる。

本発明の実施形態を示すポジトロン消滅位置計測装置の全体構成図同ガンマ線検出部を構成する双方向光ファイバリングの概念図同蛍光信号処理部を拡大した概念図同双方向光ファイバリングを図２の裏面から見た概念図同蛍光位置特定方法を図式化した図同ガンマ線発生位置特定方法を図式化した図

符号の説明

１０ガンマ線検出部
２０蛍光信号処理部
１００双方向ファイバリング
１１０蛍光発光体
１２０、１２１集光ケーブル
１３０、１３１集光ケーブル幹
２００光電変換増幅手段
２０１光電増倍管ユニット
２０２遅延回路
２１０蛍光位置特定手段
２１１アダプタ
２１２デジタルオシロスコープ
２２０ガンマ線発生位置特定手段

Claims

ポジトロン消滅時に同時発生する２個のガンマ線を同時検出してポジトロン消滅位置を特定する計測装置において、
一方の先端Ａは中空円盤の円周上に在って先端Ａの断面の垂線が概ね該円周の中心に向かうように取り付けられると共に先端Ａの断面を覆うようにガンマ線照射によって可視光を発生する蛍光発光体を備え、他方の先端Ｂは先端Ａから該円周に沿ってＣＷ及びＣＣＷの２方向に配線されて該円周近傍の特定位置に集め束ねるように構成された双方向光伝送の可能な光ファイバから成る集光ケーブルを複数個、前記中空円盤の円周上に概ね等間隔で配置して成る双方向光ファイバリングと、
前記蛍光発光体で発生して、前記集光ケーブルの先端Ａから先端ＢまでＣＷ方向に配線された光ファイバによって伝送される蛍光とＣＣＷ方向に配線された光ファイバによって伝送される蛍光とから成る２系統の蛍光をそれぞれ別々に重畳し別々に電気信号に変換増幅する光電変換増幅手段と、
前記２系統の蛍光がＣＷ及びＣＣＷの２方向に配線された前記集光ケーブルを伝播して前記光電変換増幅手段に入射したときに発生する電気信号の発生時間差から前記２系統の蛍光が発生した前記蛍光発光体の位置を特定する蛍光位置特定手段と、
複数個の前記双方向光ファイバリングを前記中空円盤面がお互いに平行で且つ前記中空円盤面に垂直な方向から見てそれぞれの先端Ｂが重なるように並べて配置し、少なくとも２個の前記双方向光ファイバリングに関して特定された前記蛍光発光体の位置と前記電気信号の発生時刻とから２個のガンマ線が同時発生したガンマ線発生位置の３次元ベクトルを特定するガンマ線発生位置特定手段とから成り、
連続して発生するポジトロン消滅の３次元位置を瞬時に計測可能としたことを特徴とするポジトロン消滅位置計測装置。
請求項１記載の蛍光位置特定手段において、複数個の前記双方向光ファイバリングに結線され前記光電変換増幅手段によって生成された電気信号をＣＷ及びＣＣＷの２系統で別々に加算して得られる電気信号を用いて前記蛍光が発生した前記蛍光発光体の位置を特定したことを特徴とする請求項１記載のポジトロン消滅位置計測装置。
請求項１記載の光電変換増幅手段において、前記双方向光ファイバリングの中空円盤に配置されたＣＷ方向及びＣＣＷ方向の集光ケーブルをＣＷ方向の円周左側及び円周右側とＣＣＷの円周左側及び円周右側の合計４系統に分割してそれぞれに伝送された蛍光を別々に重畳し電気信号に変換増幅すると共に、
請求項１記載の蛍光位置特定手段において、複数個の前記双方向光ファイバリングに結線され前記光電変換増幅手段によって生成された電気信号をＣＷ方向の円周左側及び円周右側とＣＣＷの円周左側及び円周右側の合計４系統で別々に加算して得られる電気信号を用いて前記蛍光が発生した前記蛍光発光体の位置を特定したことを特徴とする請求項１記載のポジトロン消滅位置計測装置。
請求項１記載のポジトロン消滅位置計測装置において、前記光電変換増幅手段の電気信号の代わりに、前記光電変換増幅手段の電気信号と該電気信号に特定の遅延時間を付与した遅延電気信号とを重畳して作成した遅延信号付電気信号を適用することにより、前記ガンマ線発生位置特定手段において前記電気信号の発生した双方向光ファイバリングの所在を特定したことを特徴とする請求項１記載のポジトロン消滅位置計測装置。