JP2006078486A - 医用診断装置用の検出器装置および医用画像化診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線評価の明白に高い効率を可能にし、特に核医学診断方法において患者の放射線負担を明白に軽減する。
【解決手段】放射線に感応する１つの検出器要素８Ａ，８Ｂとマトリックス状に配置された複数のセンサー素子１０Ａ，１０Ｂを持ち検出器要素８Ａ，８Ｂに付設されたセンサー領域とを有する検出器と、センサー領域に接続されセンサー素子１０Ａ，１０Ｂの電気信号の空間分解された評価を行なうための評価ユニット４とを備え、評価ユニット４は、検出器要素８Ａ，８Ｂへ放射線量子１２が入射する際にこの事象に関係したセンサー素子１０Ａ，１０Ｂが識別され、それらの空間的分布から、検出された放射線量子１２の放射線方向が導き出されるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、医用診断装置用の検出器装置、このような検出器装置を備えた医用診断設備および医用画像化診断方法に関する。

医学の分野では、例えばコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）のような種々の画像化診断方法が知られており、コンピュータ断層撮影法においては検査すべき患者がＸ線を照射され、Ｘ線が検出器によって検出されて画像作成のために評価される。

このＸ線方法のほかに、例えばＰＥＴ診断方法（ポジトロン断層撮影法）またはＳＰＥＣＴ診断方法（シングルフォトンエミッションコンピュータ断層撮影法）のようないわゆる核医学方法も知られている。これらの両方法においては、患者に放射線性物質が注入されこの物質から出る放射線が検出器により評価されて画像処理に利用される。

それぞれの放射線の出発点の正確な空間分能能のために、検出器の前にはいわゆるコリメータが配置されている。コリメータは多数の個別コリメータ板いわゆる隔壁を持ち、これらは検出器表面にほぼ垂直に入射する放射線成分のみが検出されるように向けられている。従って、全体として画像評価を行なうために放射線の一部分だけが利用される。従って、画像作成のために十分な情報を有するためには、患者は比較的高い線量負担に耐えなければならない。

本発明の課題は、放射線の検出効率の改善が可能である医用診断装置用の検出器装置および医用画像化診断方法を提供することにある。

医用診断装置用の検出器装置に関する課題は、本発明によれば、放射線に感応する１つの検出器要素とマトリックス状に配置された複数のセンサー素子を持ち検出器要素に付設されたセンサー領域とを有する検出器と、センサー領域に接続されセンサー素子の電気信号の空間分解された評価を行なうための評価ユニットとを備え、評価ユニットは、検出器要素へ放射線量子が入射する際にこの事象に関係したセンサー素子が識別され、それらの空間的分布から、検出された放射線量子の放射線方向が導き出されるように構成されていることによって解決される。
すなわち、検出器装置は、放射線に感応する検出器要素と、マトリックス状に配置された複数のセンサー素子を持ち検出器要素に付設されたセンサー領域とを有する検出器を含む。センサー領域には、センサー素子の電気信号の空間分解された評価を行なうための評価ユニットが接続されている。この評価ユニットは、検出器要素へ放射線量子が入射する際にこの事象に関係したセンサー素子が識別され、それらの空間分布から、検出された放射線量子の放射線方向が導き出されるように構成されている。

それぞれの検出器の前にコリメータが配置されている今まで使用されていた検出器装置に比べて、本発明による検出器装置の特色は検出器への横方向又は角度を有する方向からの放射線入射を許すことにある。この放射線の原点を位置測定できるようにするために、放射線方向、すなわちそれぞれの放射線量子の入射方向が、検出された測定値から導き出される。従って、検出器装置はコリメータを使用することなしにも医用画像化に必要な空間分解能を可能にする。それにより、コリメータが必要でなく装備されず、それにともない利用できる放射線の明らかに高い割合が評価されて画像化に利用されるという重要な利点が得られる。特に、核崩壊に基づいて放射線が全空間に亘って分散して目標方向を持たない核医学方法（ＳＰＥＣＴ、ＰＥＴ）の場合、これは著しい効率向上を意味し、すなわち利用できる放射線が高効率に画像作成に利用される。逆の推論では、これは、患者にその都度与えるべき線量を低減できることを意味する。それにより患者負担が軽減される。

更に、コリメータの省略によって装置技術の相当の簡素化、従って著しいコスト節減が得られる。なぜならばコリメータは一般的に線条細工のようなものであり、位置に敏感であり、従って製造に非常に費用がかかる。

このコリメータなしの構成の基本的着想は、例えばシンチレータである検出器要素へＸ線量子もしくはガンマ量子が入射する際に、シンチレータ内での放射線量子の行程区間（信号軌跡）に沿って多数の光子が発生し、これらの光子が引続いてセンサー素子によって検出されるという考えに基づいている。センサー領域へ放射線量子が入射する際に現れる光点の大きさは、検出器要素の面法線に対する放射線量子の入射方向に依存する。放射線が面法線に対してほぼ平行に入射する場合、すぐ近くにのみ光子が発生する。これに対して放射線が比較的大きな角度で入射する場合、光子が大きな面範囲で発生する。従って、放射線方向に依存して多かれ少なかれセンサー素子がこの事象に関係する。従って、入射方向に依存してセンサー領域において信号を発するセンサー素子の空間的分布が変化する。

本発明の好ましい実施態様成によれば、評価ユニットは、付加的に、センサー素子から伝達された個々の信号の信号強度および／または信号エネルギーが検出されるように構成されている。つまり、この付加的な情報によって、どの位置範囲において信号が発生したかについての情報が得られるばかりでなく、むしろ放射線量子の軌跡経過からそれの入射角を正確に決定するために付加的に強度および／またはエネルギーに関する情報が評価される。

更に、とりわけ評価ユニットは、放射線量子によって発生された信号軌跡がその長さ、始端位置および終端位置に関して、並びにその強度／エネルギーに関して評価されるように構成されている。この構成は、センサーのマトリックス領域における信号軌跡の２次元の位置および方位から、信号軌跡のために測定された強度／エネルギーを加味して放射線方向の３次元の方位を求めることができるという考えに基づいている。つまり、放射線量子が検出器面の法線に対して小さい角度でのみ入射する場合、信号軌跡は検出器に平らに入射する放射線量子に比べて短いからである。
しかして、本発明の好ましい実施態様によれば、放射線量子が複数のセンサー素子に亘る信号軌跡を発生し、評価ユニットは、信号軌跡の長さおよび信号強度および／または信号エネルギー並びに信号軌跡の始端位置および終端位置が検出され、これらから放射線方向が算出されるように構成されている。

十分高い空間分解能を得るために、本発明の好ましい実施態様では、２つの隣接するセンサー素子の中心距離が１ｍｍよりも小さい。従って、それぞれのセンサー素子の大きさ（アパーチャ）は１ｍｍよりも小さい。中心距離は特に１０μｍ〜５００μｍの範囲にある。

検出器装置は約０．０１°〜０．５０°の角度分解能、特に少なくとも０．１５°の角度分解能用に構成されていると好ましい。これは、上述の角度のもとで互いに異なる放射線が異なる位置に由来するとして評価されることを意味する。少なくとも０．１５°の角度分解能により、患者に対する４０ｃｍの典型的な距離の場合１ｍｍの空間分解能が得られ、すなわち互いに１ｍｍ隔たっている検査ボリュームが区別可能である。

検出器の個別的な構成に関して、第１の構成では、検出器要素が好ましくはシンチレータであり、センサー素子が光センサー素子である。

第２の構成によれば、検出器要素がとりわけいわゆる直接変換要素として構成され、この一方側に平らな第１の電極が配置されている。センサー素子は、第１の電極に対して対向配置されマトリックス状に配置された対向電極である。直接変換要素は例えばＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅまたはＨｇＩからなる。

好ましくは、この種の検出器装置はＰＥＴまたはＳＰＥＣＴの如き核医学診断方法のための医用診断装置において使用される。核医学診断方法のための医用診断装置における使用の代替として、検出器装置はＸ線医用診断方法、特にコンピュータ断層撮影装置においても有利に使用される。この検出器装置の使用は放射線評価の高い効率をもたらし、コリメータの省略により装置の簡素化をもたらし、付加的に、医用分野においてまさに決定的重要性を有するのであるが、特に核医学診断方法の場合において患者負担の軽減をもたらす。

更に、医用画像化診断方法に関する課題は、本発明によれば、マトリックス状に配置されたセンサー素子を有する検出器によって放射線量子が空間分解されて検出され、放射線量子が入射する際にこの事象に関係したセンサー素子が評価ユニットによって識別され、それらの空間的分布から、検出された放射線量子の放射線方向が導き出され、このようにして得られた情報が画像作成に利用されることによって解決される。
検出器装置に関して述べた利点および有利な構成は同じくこの方法にも適用することができる。

入射する放射線量子の放射線方向を求めるために、本発明の有利な実施態様によれば、検出された測定値が評価ユニットのメモリに記憶された基準値と比較され、その比較から放射線方向が求められる。基準値は、例えばシミュレーションによってまたは定められた放射線強度および放射線方向による基準測定によって求められる。

できるだけ効率な評価を可能にするために、検出器の面法線に対して０°〜約７０°の入射角で検出器に入射する全ての放射線量子が検出されて評価される。

コンピュータ断層撮影のために使用する場合、面法線に対して或る角度（許容最大角度よりも大きい角度）で検出器に入射する放射線成分は散乱放射線として識別され、画像化には利用されないと好ましい。従って、このようにしてコリメータの使用なしでも邪魔になる散乱放射線成分を除去することができる。

以下において本発明の実施例を図面に基づいて更に詳細に説明する。図は概略的に且つ非常に単純化して示されている。
図１は第１の実施例による検出器装置、
図２はその検出器によって検出された強度経過、
図３は検出器装置の他の実施例、
図４は医用ＰＥＴ診断装置の大まかに単純化された構成を示す。
これらの図において同じ作用をする部分は同じ符号で示されている。

図１および図３によれば、検出器装置は、検出器２と、評価ユニット４と、評価ユニット４に接続された表示要素６とを含む。更に、検出器２は、検出器要素８Ａ，８Ｂと、多数のマトリックス状に配置されたセンサー素子１０Ａ，１０Ｂを持ち検出器要素８Ａ，８Ｂの下側に配置されたセンサー領域とを含む。２つの隣接するセンサー素子１０Ａ，１０Ｂの中心距離ａすなわちそれらの中心点間の中心距離ａは１０μｍ〜５００μｍの範囲にある。マトリックス状に配置された個々の各センサー素子１０Ａ，１０Ｂは評価ユニット４に接続されている。両図においては、図の見易さためにセンサー素子１０Ａ，１０Ｂのうち幾つかのみが評価ユニット４に接続されている。

図１の実施例では検出器要素８Ａがシンチレータとして、センサー素子１０Ａが光センサー素子として構成されている。センサー領域は、この場合には、特に個別の半導体センサーからなるマトリックス領域として構成されている。

ここで、以下において放射線量子１２と呼ぶＸ線量子またはガンマ量子がシンチレータ８Ａに入射すると、放射線量子１２がシンチレータ１０Ａ内に「シンチレーション軌跡」を残し、多数の光子が放射線量子１２の経路に沿って発生される。この実施例では放射線量子１２がシンチレータ８Ａの面法線１４に対して斜めに入射している。全行程区間に亘って光子が発生されるので、多数の個々の光センサー素子１０Ａがこれらに入射する放射線量子１２に反応し（事象）、電気信号を評価ユニット４に与える。この事象に関係したセンサー素子１０Ａが図１にハッチングで示されている。

評価ユニット４に与えられた信号は、特に、読出しサイクル当たりにそれぞれの光センサー素子１０Ａに入射する光子の個数に依存する強さを有する電流信号である。読出しサイクルはそれぞれの光センサー素子１０Ａについての２つの読出し過程の間の期間である。この期間内において入射光子がほぼ積算され、従って光センサー素子１０Ａは入射光子を積分する。

放射線方向の評価および決定のために今や、関係したセンサー素子１０Ａ，１０Ｂが識別される。すなわち、関係したセンサー素子１０Ａ，１０Ｂから伝達された信号に基づいて、評価ユニット４は、どのセンサー素子１０Ａ，１０Ｂがそれぞれの放射線量子１２の入射に関係したかを識別する。評価ユニット４（つまり評価電子装置および評価論理装置）は、時間単位当たりに入射する放射線量子１２の数が見込まれる場合に個別事象そのものが検出されて評価されるように構成されている。ＰＥＴ検査の場合、この数は１秒および検出器面積１ｍｍ²当たり約１０００個の事象である。

それぞれの事象に関係したセンサー素子１０Ａの識別によって、光子によって照射されたセンサー面に対応する定められた面分布が生じる。付加的に信号強度、すなわち個々のセンサー素子１０Ａから発せられた信号の電流強さが検出および評価される。これらの測定値に基づいて３次元の強度分布が求められ、これから２次元の図が図２に表示されている。この表示において、強度Ｊはセンサー領域のＸ方向におけるそれぞれのセンサー素子１０Ａの位置に対して取られている。同時にＹ方向における強度分布も検出される（ここでは図示されていない）。

図２には、強度分布の実線曲線および破線曲線が、放射線量子１２の斜め入射（実線曲線）および垂直入射（破線傾斜）の場合について描かれている。検出器要素８Ａの面法線１４に対する大きな入射角αの場合、センサー領域は大きな面積に亘って光子を照射されるので、比較的幅広い空間的分布が形成される（実線）。これに対して、放射線量子１２がほぼ垂直に入射すると、すなわち入射角αが非常に小さいか又は０であると、狭く区切られた区域においてのみ光子が発生し、僅かのセンサー素子１０Ａだけが照射される。従って、関係したセンサー素子１０Ａの狭く区切られた局所的な分布および狭く鋭い強度分布が生じる。

入射角αの決定のために、第１近似で、関係したセンサー素子１０Ａを識別してセンサー領域の照射された面積を求めることで十分である。なぜならば、各面積の大きさに統計学的に特定の入射角αが割り付けられるからである。

好ましくは、付加的に信号強度および／または信号エネルギーも入射角αの決定に利用される。強度分布に基づいてより正確な決定を行なうことができる。特に非対称の強度分布の場合、放射線経過への逆推論を十分導き出すことができる。全体として、信号幅に基づいて入射角αへの一義的な割り付けが可能になる。Ｘ−Ｙ平面に対する放射線量子１２の入射方向は、センサー領域の関係したセンサー素子１０Ａの位置および方位から直接に得られる。

放射線方向は評価ユニット４において個々の測定データからそれぞれ実際に（オンラインで）算出される。代替または追加として、基準値、特に基準スペクトルまたは基準分布が格納されているここには詳しくは示されていないメモリ要素が設けられている。この場合にはそれぞれの曲線に特定の放射線方向が割り付けられているので、これらの基準曲線との比較によって放射線方向が求められる。

図３による検出器装置による評価は同じ原理に基づいて行なわれる。図１による実施例と違って検出器要素８Ｂは直接変換要素である。この上側には第１の電極１６が配置され、これに対向してマトリックス状に配置された多数の対向電極が配置され、これらの対向電極が個々のセンサー素子１０Ｂを形成している。直接変換要素８Ｂは、放射線量子１２が入射する際に直接変換要素８Ｂ内に電子が生成され、これらの生成された電子が電極１６，８Ｂ間に印加された電圧によって対向電極８Ｂへ向けて流れるという原理に基づいている。従って、これによって図１の実施例と同様に、空間分解された検出および空間分解された強度分布が可能になる。

図４に基づいてＰＥＴ装置１７における検出器装置の使用を説明する。この種の診断装置は一般に検査筒１８を持ち、この筒の内部において患者用寝台２０上に検査される患者２２が存在する。患者２２には検査の前段階において放射性薬剤が注入される。ＰＥＴ検査ではこれはポジトロン放射体である。注入された放射性薬剤は特に高い物質代謝を有する範囲に達する。崩壊時にポジトロンが発生し、ポジトロンは直接に電子と結合する。この場合に２つのガンマ量子が反対方向に発生する。ＰＥＴ装置における評価はコインシデンス測定に基づく。従って、ＰＥＴ装置では２つの対向する検出器２，２が配置されている。両者は共通な評価ユニット４に接続され、評価ユニット４はここでも表示要素６に接続されている。更に、ＰＥＴ装置１７は、ここでは詳しくは示されていない操作装置、入力装置および出力装置を有する。検出器２は患者２２の周りを移動可能である。これの代替として患者の周り円形に配置された多数の検出器２を設けることもできる。

この種の医用診断装置１７は、大きな角度範囲に亘る放射線をコリメータなしで検出する検出器装置を使用する点で優れている。コリメータの省略により、面法線１４に対して平行に入射する放射線量子だけが検出されるのではなく、約０〜７０°の傾斜角αの非常に大きな範囲に亘って検出器２に入射する放射線量子も検出される。

本発明の第１実施例による検出器装置の概略構成図 本発明の検出器装置によって検出された強度経過を示すグラフ 本発明の第２実施例による検出器装置の概略構成図 本発明の検出器装置を用いた医用ＰＥＴ診断装置の概略構成図

符号の説明

２ 検出器
４ 評価ユニット
６ 表示要素
８Ａ 検出器要素（シンチレータ）
８Ｂ 検出器要素（直接変換要素）
１０Ａ センサー素子（光センサー素子）
１０Ｂ センサー素子（対向電極）
１２ 放射線量子
１４ 面法線
１６ 電極
１７ 医用診断装置（ＰＥＴ装置）
１８ 円筒
２０ 患者用寝台
２２ 患者

Claims (15)

1. 放射線に感応する１つの検出器要素（８Ａ，８Ｂ）とマトリックス状に配置された複数のセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）を持ち検出器要素（８Ａ，８Ｂ）に付設されたセンサー領域とを有する検出器と、センサー領域に接続されセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）の電気信号の空間分解された評価を行なうための評価ユニット（４）とを備え、評価ユニット（４）は、検出器要素（８Ａ，８Ｂ）へ放射線量子（１２）が入射する際にこの事象に関係したセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）が識別され、それらの空間的分布から、検出された放射線量子（１２）の放射線方向が導き出されるように構成されていることを特徴とする医用診断装置用の検出器装置。
2. 評価ユニット（４）は、センサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）から伝達された個々の信号の信号強度（Ｊ）および／または信号エネルギーが検出されて評価されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の検出器装置。
3. 放射線量子（１２）が複数のセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）に亘る信号軌跡を発生し、評価ユニット（４）は、信号軌跡の長さおよび信号強度および／または信号エネルギー並びに信号軌跡の始端位置および終端位置が検出され、これらから放射線方向が算出されるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の検出器装置。
4. コリメータがないことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の検出器装置。
5. ２つの隣接するセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）の中心距離（ａ）が１ｍｍより小さいことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の検出器装置。
6. 検出器装置は約０．０１°〜０．５０°の角度分解能用に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の検出器装置。
7. 検出器要素がシンチレータ（８Ａ）であり、センサー素子が光センサー素子であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の検出器装置。
8. 検出器要素が直接変換要素（８Ｂ）であり、これの一方側に第１の電極（１６）が配置され、センサー素子は、直接変換要素（８Ｂ）の反対側に配置されマトリックス状に配置された対向電極（８）であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の検出器装置。
9. 請求項１乃至８の１つに記載の検出器装置を備えた核医学診断方法のための医用診断装置。
10. 請求項１乃至８の１つに記載の検出器装置を備えたＸ線医用診断方法のための医用診断装置。
11. マトリックス状に配置されたセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）を有する検出器（２）によって放射線量子（１２）が空間分解されて検出され、放射線量子（１２）が入射する際にこの事象に関係したセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）が評価ユニット（４）によって識別され、それらの空間的分布から、検出された放射線量子（１２）の放射線方向が導き出され、このようにして得られた情報が画像作成に利用されることを特徴とする医用画像化診断方法。
12. センサー素子から伝達された個々の信号の信号強度（Ｊ）が検出され、信号強度（Ｊ）および関係したセンサー素子（１０Ａ，１０Ｂ）に関する分布から、検出された放射線量子（１２）の放射線方向が導き出されることを特徴とする請求項１１記載の診断方法。
13. 測定値が記憶された基準値と比較され、その比較から放射線方向が求められることを特徴とする請求項１１又は１２記載の診断方法。
14. 検出器（２）の面法線（１４）に対して０°〜約７０°の入射角（α）で検出器（２）に入射する放射線量子（１２）が検出されて評価されることを特徴とする請求項１１乃至１３の１つに記載の診断方法。
15. 放射線がＸ線源から発生され、許容最大角度よりも大きい角度で検出器に入射する放射線成分は散乱放射線として識別されることを特徴とする請求項１１乃至１４の１つに記載の診断方法。

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