JP2009229336A - Method and device for improving sensitivity of positron image - Google Patents
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本願発明は、陽電子消滅に伴い放出される511keVを中心とする2本のガンマ線を同時計測して得られる陽電子画像の信号雑音比を高め、陽電子画像の感度を向上させる方法に関するものである。 The present invention relates to a method for improving the sensitivity of a positron image by increasing the signal-to-noise ratio of a positron image obtained by simultaneously measuring two gamma rays centered on 511 keV emitted along with positron annihilation.
陽電子断層撮影(PET)をはじめとする陽電子を用いた医学画像診断装置は、陽電子放出核種で標識された薬剤を生体内に投与し、陽電子と生体内の電子が消滅する際に放出するガンマ線を検出して、放射性薬剤の体内分布を求めている。 Medical imaging diagnostic equipment using positrons, such as positron emission tomography (PET), administers a drug labeled with a positron emitting nuclide into a living body, and emits gamma rays that are emitted when the positron and the electrons in the body disappear. Detect and determine the biodistribution of the radiopharmaceutical.
陽電子画像の取得は、陽電子―電子対消滅に伴いほぼ180度反対方向に放出されるエネルギー511keVを中心とする2本の消滅ガンマ線を同時計測することに基づいている。2本の消滅ガンマ線を対向する2つの検出器で同時計測した場合、真の同時計数として認識され、検出器を結ぶ直線上(LOR:line of response)で陽電子が消滅したとする。被検体の周囲には検出器対が多数配置されているため、LORが多数得られる。LORを定義する検出器の位置情報から再構成法によって陽電子画像が得られる。 The acquisition of the positron image is based on the simultaneous measurement of two annihilation gamma rays centered on energy 511 keV emitted in the opposite direction of about 180 degrees with the annihilation of the positron-electron pair. When two annihilation gamma rays are simultaneously measured by two opposing detectors, it is recognized as a true coincidence, and it is assumed that positrons disappear on a line of response (LOR) connecting the detectors. Since a large number of detector pairs are arranged around the subject, a large number of LORs are obtained. A positron image is obtained from the position information of the detector defining the LOR by a reconstruction method.
従来の方法は、対向する2つの検出器を用いて、511keVを中心とするエネルギーウィンドーでエネルギー弁別された消滅ガンマ線対が一定の時間範囲内(時間窓)に入ったとき、同時計測とする。 The conventional method uses two detectors facing each other to measure simultaneously when an annihilation gamma ray pair discriminated by an energy window centered on 511 keV enters a certain time range (time window). .
しかし、検出器のエネルギー分解能が有限であるだけでなく、短時間でデータを得るために、また被検体の被曝量を低減化するために、エネルギーウィンドーを拡げて同時計数値を稼いで測定している。 However, not only the energy resolution of the detector is finite, but in order to obtain data in a short time and to reduce the exposure dose of the subject, the energy window is expanded and the clock value is earned for measurement. is doing.
そのため、計測された同時計測値の中には、偶発同時計数や散乱同時計数など、真の陽電子対消滅によるガンマ線以外の光子が含まれる。これらは、陽電子画像再構成の際に感度(信号雑音比(S/N比))劣化の原因となるとともに計測の定量性劣化にも大きく影響する。 Therefore, the measured coincidence value includes photons other than gamma rays due to annihilation of true positron pairs, such as coincidence coincidence and scattering coincidence. These cause deterioration of sensitivity (signal-to-noise ratio (S / N ratio)) during positron image reconstruction, and greatly affect the quantitative deterioration of measurement.
これまでに、ガンマ線を幾何学的にコリメートする方法(特許文献1参照)や、分解能は高いが検出効率が低い半導体検出器を用いる方法(非特許文献1参照)によって、解像度を向上させることが試みられている。 So far, the resolution can be improved by a method of geometrically collimating gamma rays (see Patent Document 1) or a method using a semiconductor detector with high resolution but low detection efficiency (see Non-Patent Document 1). Has been tried.
しかし、これらの方法では、検出されるガンマ線の数が減少するため、データの統計的変動が大きくなり、感度が劣化する。感度を向上させるため平滑化処理などを行うと、解像度が劣化するといった不具合が生じていた。
従来の陽電子画像取得技術においては、対向する2つの検出器を用いて511keVを中心とするエネルギーウィンドーでエネルギー弁別された消滅ガンマ線対が同時計数回路によって一定の時間範囲内(時間窓)に信号を検知した場合、同時計数としている。 In the conventional positron image acquisition technology, annihilation gamma ray pairs, which are energy discriminated by an energy window centered on 511 keV using two opposing detectors, are signaled within a certain time range (time window) by a coincidence counting circuit. When it is detected, the coincidence is counted.
しかし、以下のような現象に起因するイベントが陽電子対消滅に起因するものではなくても真のイベントとして認識されるため、2本のガンマ線を検出した2つの検出器で定義されるLORが真の対消滅座標から逸脱する。そのため、得られる陽電子画像の解像度、感度が劣化している。 However, since an event caused by the following phenomenon is recognized as a true event even if it is not caused by positron pair annihilation, the LOR defined by two detectors that detect two gamma rays is true. Deviates from the annihilation coordinates. Therefore, the resolution and sensitivity of the obtained positron image are deteriorated.
消滅ガンマ線が被検体内部でコンプトン散乱によって進行方向を変え、同時計数として認識される場合がある。これを散乱同時計数という。散乱同時計数は、本来その位置にないガンマ線を計測することになるためノイズの原因となっている。 In some cases, annihilation gamma rays change the traveling direction by Compton scattering inside the subject and are recognized as coincidence counts. This is called scattering coincidence counting. Scattering coincidence is a cause of noise because it measures gamma rays that are not originally in that position.
さらに、以下のような現象に起因するイベントが、ノイズの原因となる。そのため、得られる陽電子画像の解像度、感度が劣化している。 Furthermore, an event caused by the following phenomenon causes noise. Therefore, the resolution and sensitivity of the obtained positron image are deteriorated.
ガンマ線検出器が短時間に多くのガンマ線を計測すると、あたかもこれらのガンマ線のエネルギーの和に等しい1本のガンマ線が検出されたかのようなパルスが発生する。このような現象をパイルアップ効果という。散乱により方向とエネルギーが変化したガンマ線が関与するパイルアップ効果は、偽のLOR情報を生じさせる。さらに、医療の現場で発生する他の放射線や自然放射線などバックグラウンド放射線もノイズの原因となる。 When a gamma ray detector measures many gamma rays in a short time, a pulse is generated as if a single gamma ray equal to the sum of the energy of these gamma rays was detected. Such a phenomenon is called a pile-up effect. The pile-up effect involving gamma rays whose direction and energy have changed due to scattering produces false LOR information. Furthermore, background radiation such as other radiation and natural radiation generated in the medical field also causes noise.
上で述べたような散乱同時計数やパイルアップ効果によって引き起こされる偽の同時計数値、ノイズの効果を取り除いて陽電子画像の感度を向上させるために、対向する2つのガンマ線検出器で同時計測された2つの消滅ガンマ線に対して、従来法のエネルギーウィンドーに加えて信号のエネルギー和とエネルギー差を用いてウィンドーを設定する。 In order to improve the sensitivity of the positron image by removing the spurious coincidence value and noise caused by the scattering coincidence and the pile-up effect as described above, it was measured simultaneously by two opposing gamma ray detectors. For two annihilation gamma rays, a window is set using the energy sum and energy difference of signals in addition to the energy window of the conventional method.
陽電子画像から散乱同時計数、パイルアップ、バックグラウンド放射線によって引き起こされるノイズの効果が低減され、陽電子画像の感度を向上させることができる。 The effects of noise caused by scattering coincidence, pile-up and background radiation from the positron image are reduced, and the sensitivity of the positron image can be improved.
以下に、図面を用いて、本願発明を実施するための最良の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、従来の方法について、図1を用いて説明する。従来の陽電子画像取得技術においては、対向する2つの検出器を用いてそれぞれ511keVを中心とするエネルギーウィンドーでエネルギー弁別された消滅ガンマ線対が、同時計数回路によって一定の時間範囲内(時間窓)に信号を検知した場合、真の同時計数値とみなしている。そのときの検出器対の位置を記録し、多数の検出器対から得られたLOR情報の再構成によって、陽電子画像を得る。 First, a conventional method will be described with reference to FIG. In the conventional positron image acquisition technology, annihilation gamma ray pairs that are energy-discriminated by energy windows centered at 511 keV using two opposing detectors are within a certain time range (time window) by a coincidence counting circuit. If a signal is detected at, it is regarded as a true clock value. The position of the detector pair at that time is recorded, and a positron image is obtained by reconstructing LOR information obtained from a number of detector pairs.
図2を用いて、信号雑音比(S/N比)を向上させる方法について説明する。対向した2つの検出器で測定されたガンマ線のエネルギーをX、Yとする。今、エネルギー分解能ΔEが図2の点線で示された円で表せるとする。従来法においては、シングル測定の分解能を基に、図2の破線で示された1辺ΔEのボックスウィンドーを設定し、その範囲内の同時計数をカウントする。しかし、これでは、分解能からはみ出した部分(図2のAのところ)のノイズもカウントされてしまう。そこで、X、Yの他にX+YとX−Yを求め、これらについて1辺の長さが√(2)ΔEのボックスウィンドー
図3に示した計測システムを用いて、対向する2つのガンマ線検出器で同時計測された2つのガンマ線のエネルギーを同時計測した。 Using the measurement system shown in FIG. 3, the energy of two gamma rays simultaneously measured by two opposing gamma ray detectors was measured simultaneously.
散乱体としてアルミ単結晶を用いた。2枚のアルミ単結晶試料で20マイクロキュリーの陽電子放出線源ナトリウム22をサンドイッチした。20マイクロキュリーは、通常の陽電子画像取得の際に用いられる線源強度よりも遙かに弱いため、散乱同時計数、パイルアップの効果は少ないはずである。そのため、性能評価を行う条件としては、PET等で用いられている条件よりも厳しいと言える。 Aluminum single crystal was used as the scatterer. 20 microcurie positron emission source sodium 22 was sandwiched between two aluminum single crystal samples. Since 20 microcurie is much weaker than the source intensity used in normal positron image acquisition, the effect of scattering coincidence and pileup should be small. Therefore, it can be said that the conditions for performance evaluation are stricter than the conditions used in PET and the like.
ガンマ線検出器は、BGO(ビスマス・ゲルマニウム・オキサイド)シンチレータと光電子増倍管からなる。2つの検出器XとYで2本の消滅ガンマ線を検出し、増幅器(Amp)によって増幅した後、同時計数回路により時間窓300ns内に2本のガンマ線が入った場合に計測される。アナログ/デジタル変換回路(ADC)内蔵型2次元マルチチャンネルアナライザー(MCA)により検出器XとYのエネルギースペクトルが2次元表示される。アルミ単結晶を散乱体として得られた2次元画像を例として図4に示す。 The gamma ray detector includes a BGO (bismuth / germanium / oxide) scintillator and a photomultiplier tube. Two annihilation gamma rays are detected by two detectors X and Y, amplified by an amplifier (Amp), and then measured by a coincidence circuit when two gamma rays enter within a time window of 300 ns. The energy spectrum of the detectors X and Y is displayed two-dimensionally by an analog / digital conversion circuit (ADC) built-in type two-dimensional multi-channel analyzer (MCA). FIG. 4 shows an example of a two-dimensional image obtained by using an aluminum single crystal as a scatterer.
図4の2次元スペクトルにおいて、2本の511keVガンマ線によるピークが同心円状になっていることがわかる。波線で示された従来のボックスウィンドーではノイズが入り込む。従来のボックスウィンドーに加えて、実線で示されたガンマ線信号のエネルギー和とエネルギー差を用いて設定されたボックスウィンドーを設定することによって、真円に近いエネルギーウィンドーを設定できるので、ノイズを低減することができる。 In the two-dimensional spectrum of FIG. 4, it can be seen that the peaks due to the two 511 keV gamma rays are concentric. In the conventional box window indicated by the wavy line, noise enters. In addition to the conventional box window, an energy window close to a perfect circle can be set by setting a box window that is set using the energy sum and energy difference of the gamma ray signal indicated by the solid line. Can be reduced.
同様の実験をBaF2(フッ化バリウム)シンチレータと光電子増倍管からなるガンマ線検出器についても行った。アルミ単結晶を散乱体として得られた2次元画像を例として図5に示す。 A similar experiment was performed for a gamma ray detector comprising a BaF 2 (barium fluoride) scintillator and a photomultiplier tube. FIG. 5 shows an example of a two-dimensional image obtained using an aluminum single crystal as a scatterer.
図5の2次元スペクトルにおいて、2本の511keVガンマ線によるピークが同心円状になっていることがわかる。波線で示された従来のボックスウィンドーではノイズが入り込む。従来のボックスウィンドーに加えて、実線で示されたガンマ線信号のエネルギー和とエネルギー差を用いて設定されたボックスウィンドーを設定することによって、真円に近いエネルギーウィンドーを設定できるので、ノイズを低減することができる。 In the two-dimensional spectrum of FIG. 5, it can be seen that the peaks due to the two 511 keV gamma rays are concentric. In the conventional box window indicated by the wavy line, noise enters. In addition to the conventional box window, an energy window close to a perfect circle can be set by setting a box window that is set using the energy sum and energy difference of the gamma ray signal indicated by the solid line. Can be reduced.
従来のPET装置においては、複数の検出器を用いて一対の消滅ガンマ線をある時間窓で同時計測し、両検出器を結ぶ直線(LOR: line of response)上に等しい確率で薬剤の存在を仮定している。これに対して、TOF−PETは一対のガンマ線の検出時間差を計測することで、薬剤の直線上の位置情報を得ることができるため、画質の向上が期待されている。また、DOI−PET装置では、3次元位置検出器によってガンマ線が入射したシンチレータの深さ位置の位置情報が同定できる。深さ位置情報がわかれば、周辺部での解像度劣化解消が期待できる。 In a conventional PET apparatus, a pair of annihilation gamma rays are simultaneously measured in a certain time window using a plurality of detectors, and the presence of a drug is assumed with equal probability on a line of response (LOR) connecting both detectors. is doing. In contrast, TOF-PET measures the detection time difference between a pair of gamma rays to obtain position information on the straight line of the drug, and is expected to improve image quality. Further, in the DOI-PET apparatus, position information on the depth position of the scintillator where gamma rays are incident can be identified by a three-dimensional position detector. If the depth position information is known, resolution degradation at the periphery can be expected.
本発明は、従来型の人体用PET装置、小動物用PET装置、次世代型の人体用DOI−PET装置、小動物用DOI−PET装置、人体用TOF−PET装置、小動物用TOF−PET装置を含む全ての陽電子イメージング装置に適用でき、S/N比の向上が可能になる。LSO、GSO、BGO、PWO等のシンチレータ、CdTe半導体検出器、Ge半導体検出器等を用いた陽電子画像装置、その他のこれに類する装置全てにおいて利用可能である。 The present invention includes a conventional human PET apparatus, a small animal PET apparatus, a next-generation human DOI-PET apparatus, a small animal DOI-PET apparatus, a human TOF-PET apparatus, and a small animal TOF-PET apparatus. It can be applied to all positron imaging apparatuses, and the S / N ratio can be improved. The present invention can be used in scintillators such as LSO, GSO, BGO, and PWO, positron imaging devices using CdTe semiconductor detectors, Ge semiconductor detectors, and other similar devices.
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