JP2015152356A - Dark countless radiation detection energy discrimination imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、短発光寿命のシンチレータとマルチピクセルフォトンカウンター(MPPC:Multi−Pixel Photon Counter)を組合せた放射線検出手段を用いた、ダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステムに関する。 The present invention relates to a dark countless radiation detection energy discrimination imaging system using radiation detection means in which a scintillator having a short light emission lifetime and a multi-pixel photon counter (MPPC) are combined.
原子の古典的なモデルでは、正電荷の陽子と電荷のない中性子でできた原子核の周りを、電子が殻又は軌道の上で回っている。最も内側の殻がK殻、次いで 外側に向かってL殻、M殻のように続いて行く。原子に対して照射すると、X線光子のような粒子と十分なエネルギーを持つ電子とにより、原子から電子が放出される。K殻に空孔が生じ、原子が不安定で高エネルギーの状態になる。原子は元の構成を復元しようとするため、例えばL殻などの外側の殻にある電子をK殻に遷移させる。L殻の電子はK殻の電子よりエネルギーが高いので、L殻の電子がK殻に遷移する際、余分なエネルギーがX線として放射される。 In the classical model of an atom, electrons are rotating around a shell or orbit around a nucleus of positively charged protons and uncharged neutrons. The innermost shell follows the K shell, and then outwards, the L shell and the M shell. When the atoms are irradiated, electrons are emitted from the atoms by particles such as X-ray photons and electrons having sufficient energy. There are vacancies in the K shell, making the atoms unstable and high energy. Since the atoms try to restore the original configuration, for example, electrons in the outer shell such as the L shell are transitioned to the K shell. Since the electrons in the L shell are higher in energy than the electrons in the K shell, excess energy is emitted as X-rays when the electrons in the L shell transition to the K shell.
放射線検出器は、X線やγ線などの放射線を受光して可視光に変換するシンチレータ、シンチレータで変換され透過した可視光を検知して電気信号に変換するホトマルチプライヤチューブ(PMT)やホトダイオード(PD)などの光検出器、シンチレータ結晶から発したシンチレーション光を効率よく光検出器に導くための反射部材、等から構成され、陽電子放射断層撮影法(PET:Positron Emission Tomography)、シンチカメラ(SPECT:Single Photon Emission CT)、エネルギー弁別X線CTシステム、スペクトロメーターあるいは線量計などに用いられる。 Radiation detectors are scintillators that receive radiation such as X-rays and γ-rays and convert them into visible light, photomultiplier tubes (PMT) and photodiodes that detect visible light that has been converted and transmitted by the scintillator and convert it into electrical signals. (PD) and the like, a reflecting member for efficiently guiding scintillation light emitted from the scintillator crystal to the photodetector, and the like, and is composed of positron emission tomography (PET), scintillation camera ( SPECT: Single Photon Emission CT), energy discrimination X-ray CT system, spectrometer or dosimeter.
生体機能や脳の高次機能の研究など核医学分野等で重要な役割を果たしているPETは、複数の放射線検出器を利用した同時計数法により一対のガンマ線を検出し、同時計数情報を蓄積してヒストグラムを作成し、このヒストグラムに基づいて、測定空間における一対のガンマ線の発生頻度の空間分布を表す画像を再構成する。 PET, which plays an important role in the field of nuclear medicine, such as research on biological functions and higher-order brain functions, detects a pair of gamma rays using a simultaneous counting method using multiple radiation detectors, and accumulates simultaneous counting information. A histogram is created, and an image representing the spatial distribution of the frequency of occurrence of a pair of gamma rays in the measurement space is reconstructed based on the histogram.
これまで、エネルギー弁別X線画像処理は、単色X線を用いて実行され、シンクロトロン及びシリコン(Si)単結晶を用い、極めてクリーンな単色平行ビームが生成される。フォトンエネルギー約35keVを有するこれらの平行ビームは、33.2keVのヨウ素(I)のK‐エッジエネルギーを超えるエネルギーを有するX線のフォトンがヨウ素原子により効果的に吸収されることから、ヨウ素密度を測定する蛍光X線CT(XRF−CT)に応用されている。また、ヨウ素(I)K−エッジ血管造影にも利用され、冠状動脈が鮮明に造影されている。 しかし、単色のX線画像処理のために十分なマシンタイムを得ることは難しかった。そこで、本発明者らは、CeのK系列特性X線がヨウ素原子により効果的に吸収されることからI−Kエッジ血管造影及びXRF−CTを実現するためにセリウム(Ce)X線ジェネレータ(X線管ユニット)を開発した。 So far, energy discrimination X-ray image processing has been performed using monochromatic X-rays, and a very clean monochromatic parallel beam is generated using a synchrotron and a silicon (Si) single crystal. These parallel beams with a photon energy of about 35 keV can effectively absorb iodine density because X-ray photons with energy exceeding the K-edge energy of iodine (I) of 33.2 keV are effectively absorbed by iodine atoms. It is applied to fluorescent X-ray CT (XRF-CT) to be measured. It is also used for iodine (I) K-edge angiography, and the coronary artery is clearly imaged. However, it has been difficult to obtain sufficient machine time for monochromatic X-ray image processing. Therefore, the present inventors have obtained a cerium (Ce) X-ray generator (Ce) to realize IK edge angiography and XRF-CT since Ce K-series characteristic X-rays are effectively absorbed by iodine atoms. X-ray tube unit) was developed.
近年、PETの高性能化への要求に対応して、新材料を用いたシンチレータ結晶の開発、新しい光電子増倍管や半導体光検出器の開発、コンピュータの並列利用、新しい画像再構成アルゴリズムの開発等が活発化している。最近では、放射線の飛行時間差を利用したTOF−PET(Time Of Flight−PET) 用の高速光電子増倍管(フォトマル)PMT(Photo−Multiplier Tube)、フラットパネル位置検出型PMT(PS−PMT)、アバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)アレイ、ガイガーモード動作のマルチピクセルAPD(MPPC:Multipixel Photon Counter)などが研究・開発され、これらのデバイスの長所を活かした各種高性能PET の実現が望まれている。 In recent years, in response to the demand for higher performance of PET, development of scintillator crystals using new materials, development of new photomultiplier tubes and semiconductor photodetectors, parallel use of computers, development of new image reconstruction algorithms Etc. are becoming active. Recently, a high-speed photomultiplier tube (photomultiplier) PMT (Photo-Multiplier Tube) for TOF-PET (Time Of Flight-PET) using a time-of-flight difference of radiation, a flat panel position detection type PMT (PS-PMT) Avalanche photodiode (APD) arrays, Geiger mode multi-pixel APD (MPPC: Multipixel Photon Counter), etc. have been researched and developed, and the realization of various high-performance PET taking advantage of these devices is desired. ing.
一般に、ガイガーモードで使用するMPPCやAPDにおいては、熱的に発生した暗電流のキャリアが増倍されてパルスが発生する。このパルスがダークパルスで、検出誤差の原因となる。ダークパルスの1秒当たりの数がダークカウントレート [単位: cps (カウント毎秒)]である。逆電圧を高くすると、検出効率が上がるが、その分ダークカウントも大きくなる。ダークカウントは、温度が低いほど値は小さくなる。MPPCは、複数のガイガーモードAPD のピクセルから成り、常温で使用できる新しいタイプのフォトンカウンティング・デバイスである。優れたフォトンカウンティング能力をもち、低電圧動作で磁場の影響を受けない小型の光半導体素子である。 Generally, in MPPC and APD used in the Geiger mode, thermally generated dark current carriers are multiplied to generate pulses. This pulse is a dark pulse and causes a detection error. The number of dark pulses per second is the dark count rate [unit: cps (counts per second)]. Increasing the reverse voltage increases the detection efficiency but also increases the dark count accordingly. The dark count decreases as the temperature decreases. MPPC is a new type of photon counting device that consists of a plurality of Geiger mode APD pixels and can be used at room temperature. It is a small optical semiconductor device that has excellent photon counting capability and is not affected by a magnetic field at low voltage operation.
一般にMPPCはガイガーモードで使用されるため(例えば、特許文献1、2参照)、1 Mcps程度のダークカウントが発生し、放射線(X線、γ線)のスペクトル測定を難しくしている。特に、MPPCにおけるダークカウントパルスの波高値は低エネルギーX線のそれとほぼ同等であるため、放射線のスペクトルを測定するためにはダークカウントレートを0cps程度まで減らす必要がある。
Since MPPC is generally used in Geiger mode (see, for example,
また、PETではオキシオルト珪酸ルテチウム光電子増倍管(LSO−PMT)が利用され(例えば、特許文献3参照)、ダークカウントは発生するが、パルス幅が極端に短い。したがって増幅器の時定数を長くすることで、ダークカウントを検出しない方法が採用できる。 In PET, a lutetium oxyorthosilicate photomultiplier tube (LSO-PMT) is used (see, for example, Patent Document 3). Although dark count occurs, the pulse width is extremely short. Therefore, it is possible to adopt a method in which the dark count is not detected by increasing the time constant of the amplifier.
しかし、MPPCではPMTと比較して幅が長いので、バイアス電圧を低くすることにより、ダークカウントレートを0cpsにする必要がある。 However, since MPPC has a longer width than PMT, it is necessary to set the dark count rate to 0 cps by lowering the bias voltage.
検出器技術における最近の進歩によって、カドミウムテルル化物(CdTe)検出器はγ線及びX線のスペクトル測定に広く開発され適用されている。 これらの検出器を用いて、適切なフォトンエネルギー範囲、いわゆるレベルと幅の両方を選別することにより単色画像処理を行うことが可能である。そして、ピクセル(画素)化CdTe及びカドミウム亜鉛テルル化物(CZT)検出器アレイが開発され、前臨床エネルギー弁別型(ED)X線CTシステムに応用されている。 With recent advances in detector technology, cadmium telluride (CdTe) detectors have been widely developed and applied to gamma and X-ray spectral measurements. With these detectors it is possible to perform monochromatic image processing by sorting out appropriate photon energy ranges, both so-called levels and widths. And pixelated CdTe and cadmium zinc telluride (CZT) detector arrays have been developed and applied to preclinical energy discriminating (ED) X-ray CT systems.
一方、本発明者らは、ヨウ素(I)及びガドリニウム(Gd)媒体を用いてK‐エッジCTを実現するために、CdTe検出器を使用して幾つかの ED(エネルギー分散型)−CTシステムを開発した。理想的な条件下で、 CdTe検出器のカウントレートは6Mcpsに増大したと報告されている。しかし、汎用CdTe検出器を用いた場合、最大のカウントレートが0.1Mcps以上の領域でイベントパルスのパイルアップを防止することは難しい。 On the other hand, the inventors have used several ED (energy dispersive) -CT systems using CdTe detectors to achieve K-edge CT using iodine (I) and gadolinium (Gd) media. Developed. Under ideal conditions, the CdTe detector count rate has been reported to increase to 6 Mcps. However, when a general-purpose CdTe detector is used, it is difficult to prevent event pulse pileup in a region where the maximum count rate is 0.1 Mcps or more.
本発明者らは、1Mcpsを越えるカウントレートを増大させるために、MPPCモジュール及び短遅延時間シンチレータを用いて、エネルギー分解能の低い高速X線フォトンカウンティングCT (PC−CT)システムを開発した。 The present inventors have developed a high-speed X-ray photon counting CT (PC-CT) system with a low energy resolution using an MPPC module and a short delay time scintillator in order to increase the count rate exceeding 1 Mcps.
そして、1×1×1mm3の酸化亜鉛(ZnO)単結晶を用い、カウントレートは15Mcpsに増大し、MPPCモジュールから示されたイベントパルスのより低いレベルの電圧を選ぶことによってエネルギー弁別(ED)効果を確認した。しかし、MPPCモジュールのダークカウントレートは1 Mcpsであり、X線スペクトルを測定することは困難であった。
Then, using a 1 × 1 ×
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、短発光寿命のシンチレータとマルチピクセルフォトンカウンター(MPPC)を組合せたX線及びγ線検出手段を作製し、MPPCにガイガーモード直前のバイアス電圧を印加することにより、MPPCの感度を大きく減らすことなく、ダークカウントの無い高カウントレートを実現し、簡潔な構成でコスト面及びX線から電気信号への変換効率にも優れ、被検体に対するX線被曝量の低減化が可能な、ダークカウントレス放射線検出器適用エネルギー弁別イメージングシステムを提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to detect X-ray and γ-ray by combining a scintillator having a short light emission lifetime and a multi-pixel photon counter (MPPC). By applying a bias voltage immediately before Geiger mode to MPPC, it realizes a high count rate without dark count without greatly reducing the sensitivity of MPPC. An object is to provide a dark countless radiation detector-applied energy discrimination imaging system that is excellent in conversion efficiency and can reduce the amount of X-ray exposure to a subject.
上記目的を達成するため、本発明の一実施形態によるダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステムは、コントローラーにより被写体の特性に応じて選択的に設定され、低線量レートのX線を放射するX線管ユニットと、X線の光電面となる薄膜ウインドーを有するアルミニウム(Al)キャップ内に封入され、セラミック基板上に形成されるとともに一対の電極が連結されるマルチピクセルフォトンカウンター(以下、MPPCという)上に積層されたLu2(SiO4)O(以下、LSOという)単結晶を備え、前記X線管ユニットから放射されて前記被写体を透過するX線を受光するLSO−MPPC放射線(X線、γ線)検出手段と、前記LSO−MPPC放射線検出手段から発生する光電流を増幅し、イベントパルスを発生させる高速電流・電圧増幅器と、前記高速電流・電圧増幅器からのイベントパルスの波高分析を行うマルチチャンネルアナライザー(以下、MCAという)と、前記MCAからの波高分析されたイベントパルスをフォトン数のチャンネル(以下、chという)による変化として表すコンピュータユニット(以下、PCという)と、を備えるX線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システムを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a dark countless radiation detection energy discrimination imaging system according to an embodiment of the present invention is selectively set according to the characteristics of an object by a controller and emits a low dose rate X-ray. A multi-pixel photon counter (hereinafter referred to as MPPC) that is enclosed in an aluminum (Al) cap having a tube unit and a thin film window that serves as an X-ray photocathode, is formed on a ceramic substrate and is connected to a pair of electrodes. LSO-MPPC radiation (X-rays, γ-rays) comprising a Lu2 (SiO4) O (hereinafter referred to as LSO) single crystal laminated thereon and receiving X-rays emitted from the X-ray tube unit and passing through the subject. ) Amplifying the photocurrent generated from the detection means and the LSO-MPPC radiation detection means, A high-speed current / voltage amplifier for generating a pulse, a multi-channel analyzer (hereinafter referred to as MCA) for analyzing a pulse height of an event pulse from the high-speed current / voltage amplifier, and a photon number of the event pulse subjected to the pulse height analysis from the MCA And an X-ray photon counting and spectrum measurement system comprising a computer unit (hereinafter referred to as PC) expressed as a change due to a channel (hereinafter referred to as ch).
また、本発明の別の実施形態によるダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステムは、コントローラーにより被写体の特性に応じて選択的に設定され、低線量レートのX線を放射するX線管ユニットと、X線の光電面となる薄膜ウインドーを有するAlキャップ内に封入され、セラミック基板上に形成されるとともに一対の電極が連結されるMPPC上に積層されたLSO単結晶を備え、前記X線管ユニットから放射されて前記被写体を透過するX線を受光するLSO−MPPC放射線検出手段と、前記LSO−MPPC放射線検出手段から発生する光電流を増幅し、イベントパルスを発生させる高速電流・電圧増幅器と、前記高速電流・電圧増幅器からのイベントパルスの下限波高値を設定する高速コンパレーターと、前記高速コンパレーターから発生する下限電圧以上のイベントパルスを検出し、方形波パルスを計数するカウンターカードと、前記カウンターカードにより方形波パルスを計数して得られたプロジェクションデータから断層画像を再構成するPCと、を有することを特徴とする。 A dark countless radiation detection energy discrimination imaging system according to another embodiment of the present invention is an X-ray tube unit that emits low-dose-rate X-rays selectively set according to the characteristics of a subject by a controller; The X-ray tube unit comprising an LSO single crystal enclosed in an Al cap having a thin film window serving as an X-ray photocathode and formed on a ceramic substrate and laminated on an MPPC to which a pair of electrodes are connected LSO-MPPC radiation detection means for receiving X-rays radiated from the subject and passing through the subject; a high-speed current / voltage amplifier for amplifying a photocurrent generated from the LSO-MPPC radiation detection means and generating an event pulse; A high-speed comparator for setting a lower limit peak value of an event pulse from the high-speed current / voltage amplifier; A tomographic image is reconstructed from a counter card that detects an event pulse exceeding the lower limit voltage generated from the high-speed comparator and counts square wave pulses, and projection data obtained by counting the square wave pulses by the counter card. And a PC.
本発明のまた別の実施形態によるダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステムは、コントローラーにより被写体の特性に応じて選択的に設定され、低線量レートのX線を放射するX線管ユニットと、X線の光電面となる薄膜ウインドーを有するAlキャップ内に封入され、セラミック基板上に形成されるとともに一対の電極が連結されるMPPC上に積層されたLSO単結晶を備え、前記X線管ユニットから放射されて前記被写体を透過するX線を受光するLSO−MPPC放射線検出手段と、前記LSO−MPPC放射線検出手段から発生する光電流を増幅し、イベントパルスを発生させる高速電流・電圧増幅器と、予め設定された回転ステップで回転するターンテーブルに搭載された前記被写体と前記高速電流・電圧増幅器との間に配置され、中央部に付設された前記LSO−MPPC放射線検出手段に前記被写体をリニアスキャンするスキャンステージと、前記高速電流・電圧増幅器からのイベントパルスの下限波高値を設定する高速コンパレーターと、前記高速コンパレーターから発生する下限電圧以上のイベントパルスを検出し、方形波パルスを計数するカウンターカードと、前記被写体のリニアスキャンと回転を2軸コントローラーで繰り返し制御することにより前記カウンターカードを介して得られたプロジェクションデータから断層画像を再構成するPCと、を有することを特徴とする。 A dark countless radiation detection energy discrimination imaging system according to still another embodiment of the present invention includes an X-ray tube unit that emits low-dose-rate X-rays that is selectively set according to the characteristics of an object by a controller, An LSO single crystal encapsulated in an Al cap having a thin film window that becomes a photocathode of a line, formed on a ceramic substrate and stacked on an MPPC to which a pair of electrodes are connected, is provided from the X-ray tube unit. LSO-MPPC radiation detection means for receiving X-rays emitted and transmitted through the subject; a high-speed current / voltage amplifier for amplifying the photocurrent generated from the LSO-MPPC radiation detection means and generating an event pulse; The subject mounted on the turntable that rotates at the set rotation step and the high-speed current A scan stage that linearly scans the subject is set in the LSO-MPPC radiation detection means that is arranged between the pressure amplifier and attached to the center, and a lower limit peak value of the event pulse from the high-speed current / voltage amplifier is set. A high-speed comparator, a counter card for detecting event pulses exceeding the lower limit voltage generated from the high-speed comparator, counting square wave pulses, and linear scanning and rotation of the subject are repeatedly controlled by a two-axis controller. And a PC for reconstructing a tomographic image from projection data obtained via a counter card.
また、前記LSO−MPPC放射線検出手段は、遮光してシールドするとともにX線の光電面となる薄膜ウインドーを有するAlキャップと、前記Alキャップ内に封入されて前記光電面に貼付けられた前記LSO単結晶及びMPPCの積層体と、さらに、前記Alキャップを内部に収容するBNCコネクタと、を備え、前記薄膜ウインドーを介して前記被写体を透過するX線を受け、前記LSO単結晶の前面からX線フォトンを検出(カウント)し、次いでMPPCを透過したX線フォトンは背後にある前記セラミック基板でコンプトン散乱され散乱線を発生するとともに蛍光線に変換されることを特徴とする。 Further, the LSO-MPPC radiation detection means includes an Al cap having a thin film window that shields and shields X-rays, and the LSO unit sealed in the Al cap and attached to the photoelectric surface. A laminated body of crystal and MPPC, and a BNC connector that accommodates the Al cap therein, receives X-rays that pass through the subject through the thin film window, and receives X-rays from the front surface of the LSO single crystal X-ray photons that detect (count) photons and then pass through MPPC are Compton scattered by the ceramic substrate behind to generate scattered rays and are converted into fluorescent rays.
しかし、MPPC中のAPDはX線をほとんど検出できない。 However, APD in MPPC can hardly detect X-rays.
また、前記X線管ユニットは、1.0μA〜2.0mAオーダーの範囲でX管電流を減少させることにより低線量レートのX線を発生することを特徴とする。 The X-ray tube unit generates X-rays at a low dose rate by reducing the X-tube current in a range of 1.0 μA to 2.0 mA order.
さらに、前記高速電流・電圧増幅器は、前記LSO−MPPC放射線検出手段のMPPCに連結され、ガイガーモード直前の第1バイアス電圧が負荷される第1抵抗と、前記第1バイアス電圧より低い第2バイアス電圧が負荷される高速オペアンプ(単電源電圧帰還型アンプ)と、前記MPPCと高速オペアンプとの間に連結されるマイクロコンデンサ及び第2抵抗と、前記高速オペアンプをバイパスする第3抵抗と、から成る、反転電流・電圧増幅回路を有することを特徴とする。 Further, the high-speed current / voltage amplifier is connected to the MPPC of the LSO-MPPC radiation detection means, and has a first resistor loaded with the first bias voltage immediately before the Geiger mode, and a second bias lower than the first bias voltage. A high-speed operational amplifier (single power supply voltage feedback amplifier) loaded with a voltage, a micro capacitor and a second resistor connected between the MPPC and the high-speed operational amplifier, and a third resistor that bypasses the high-speed operational amplifier. And an inverting current / voltage amplifier circuit.
本発明者らは、1nsの減衰時間を有するZno結晶の発光量が非常に低いので、40nsの減衰時間を有するMPPCとLu2(SiO4)O(以下、LSOという)結晶から成るLSO−MPPC放射線(X線、γ線)検出手段が、高速X線フォトンカウンティング及びエネルギー分散システムに有用であることに着目した。 The inventors of the present invention have a very low amount of light emitted from a Zno crystal having a decay time of 1 ns, so that LSO-MPPC radiation (MPSO and Lu2 (SiO4) O (hereinafter referred to as LSO) crystal having a decay time of 40 ns is used. The X-ray, γ-ray) detecting means is useful for high-speed X-ray photon counting and energy dispersion systems.
PC−CTシステムの検出器アレイへのLSO−MPPC検出手段の適用においては、イベントパルス波高分析用のマルチチャンネルアナライザー(MCA:Multichannel Analyzer)を用いてスペクトルを測定する必要がある。そして、従来のMCAの最大カウントレートは約10kcpsであるので、MPPCのダークカウントレートを最小化する必要がある。 In applying the LSO-MPPC detection means to the detector array of the PC-CT system, it is necessary to measure a spectrum using a multichannel analyzer (MCA) for event pulse wave height analysis. Since the maximum count rate of the conventional MCA is about 10 kcps, it is necessary to minimize the MPPC dark count rate.
LSO結晶は、比重が7.35で、対消滅(annihilation)により発生する0.51MeVのγ線フォトンを容易にカウントする。LSO−MPPC検出器が近い将来PETに応用されるので、医学画像における高速ノイズ低減ED−CTシステムを実現するためにガイガーモード直前の検出器特性を測定することが必要となる。 The LSO crystal has a specific gravity of 7.35 and easily counts 0.51 MeV γ-ray photons generated by annihilation. Since the LSO-MPPC detector will be applied to PET in the near future, it is necessary to measure the detector characteristics immediately before the Geiger mode in order to realize a high-speed noise reduction ED-CT system in medical images.
本発明によれば、短発光寿命のシンチレータであるLSO単結晶とMPPCを組合せたX線及びγ線などの放射線を検出するLSO−MPPC放射線検出手段を用い、MPPCにガイガーモード直前のバイアス電圧を印加することにより、MPPCの感度を大きく減らすことなく、ダークカウントの無い高カウントレートを実現することができる。したがって、LSO−MPPC放射線検出手段を用い、X線フォトンをカウントあるいは変換して画像処理を行い、フォトンエネルギーあるいは平均エネルギーを選択してエネルギー弁別イメージングを行う、簡潔な構成でコスト面及びX線から電気信号への変換効率にも優れ、被検体に対するX線被曝量の低減化が可能な、ダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステムを提供することが可能となる効果がある。 According to the present invention, the LSO-MPPC radiation detection means for detecting radiation such as X-rays and γ-rays, which is a combination of an LSO single crystal, which is a scintillator with a short emission lifetime, and MPPC is used, and a bias voltage immediately before Geiger mode is applied to the MPPC. By applying, a high count rate without dark count can be realized without greatly reducing the sensitivity of MPPC. Therefore, using LSO-MPPC radiation detection means, X-ray photons are counted or converted, image processing is performed, photon energy or average energy is selected, and energy discrimination imaging is performed. There is an effect that it is possible to provide a dark countless radiation detection energy discriminating imaging system that is excellent in conversion efficiency into an electric signal and can reduce the X-ray exposure dose to the subject.
以下、本発明のダークカウントレス放射線検出器適用エネルギー弁別イメージングシステムを実施するための形態の具体例を、添付図面を参照しながら説明する。
(実施例1)
Hereinafter, a specific example of an embodiment for implementing an energy discrimination imaging system applied with a dark countless radiation detector of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Example 1
本発明の一実施形態のダークカウントレス放射線検出器適用エネルギー弁別イメージングシステムは、図1に示すように、コントローラー7により図示しない被写体の特性に応じて選択的に設定され、低線量レートのX線フォトン(以下、X線という)Xrを放射するX線管ユニット(以下、X線管という)6と、マルチピクセルフォトンカウンター(MPPC)11とLu2(SiO4)O(以下、LSOという)結晶10の積層体(図2参照)を備え、X線管ユニット6から放射されて前記被写体を透過するX線Xrを受光するLSO−MPPC放射線(X線、γ線)検出手段1と、LSO−MPPC放射線検出手段1から発生するパルス光電流を増幅し、イベントパルスを発生させる高速電流・電圧増幅器2と、高速電流・電圧増幅器2からのイベントパルスの波高分析を行うマルチチャンネルアナライザー(MCA)4と、MCA4からの波高分析されたイベントパルスをフォトン数のチャンネル(ch)による変化として表すコンピュータユニット(PC)5と、を備えるX線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システム30を有する。
As shown in FIG. 1, the dark countless radiation detector applied energy discrimination imaging system according to an embodiment of the present invention is selectively set by a
本発明の実施例1のLSO−MPPC放射線検出手段1は、図2に示すように、遮光してシールドするとともにX線の光電面となる薄膜ウインドー16aを有するアルミニウム(Al)キャップ16と、Alキャップ16内に封入されて光電面16aに貼付けられたLSO単結晶10及びMPPC11の積層体と、さらに、Alキャップ16を内部に収容するBNCコネクタ15と、を備える。セラミック基板12上に形成されるとともに一対の電極14が連結されたMPPC11上に積層された1×1×1mm3のLSO単結晶10が1×1mm2の光電面に貼付けられ、厚さ0.2mmの薄膜ウインドー16aを有するAlキャップ16内に封入されて遮光される。LSO−MPPC放射線検出手段1のパルスピーク光電流はμAオーダーであるため特に電磁シールドは必要ないが、この実施例ではBNC(Beyonet Neill Conselman)コネクタ15内に収容され、さらに、BNCコネクタ15がAlケース16bを用いてシールドされる。Alキャップ16内のセラミック基板12の上下両面は黒ゴム13、13により絶縁される。
As shown in FIG. 2, the LSO-MPPC radiation detection means 1 of Example 1 of the present invention includes an aluminum (Al)
薄膜ウインドー16aを介して前記被写体を透過するX線Xrを受け、LSO単結晶10の前面からX線フォトンXrを検出(カウント)し、次いでMPPC11を透過したX線フォトンXrは背後にあるセラミック基板12でコンプトン散乱され散乱線を発生するとともに蛍光線に変換される
The X-ray photon Xr transmitted through the subject is received through the
X線管ユニット6は、1.0μA〜2.0mAオーダーの範囲でX線管電流を減少させることにより低線量レートのX線ビームを発生するように開発されたものである。X線管ユニット6から発生するX線フォトンXrはX線管ユニット6から1.0m離れたLSO−MPPC放射線検出手段1のLSO単結晶10でシンチレーションフォトンに変換され、MPPC11により検出される。MPPC11を通して流れるパルス光電流は高速電流・電圧増幅器2により増幅され、イベントパルスを発生させる。高速電流・電圧増幅器2からのイベントパルスは、MCA(PGT社のMCA4000)4に送られ、MCA4を用いた波高分析により、X線管電圧Vの変化及び厚さ3.0mmのアルミニウム(Al)フィルタの挿入による放射線スペクトルが測定される。
The
この実施例の高速電流・電圧増幅器2は、図3のブロック図に示すように、高速オペアンプ(単電源電圧帰還型アンプ:AD8032、Analog Devices社の商品名)25を用いた構成であり、LSO−MPPC放射線検出手段1のMPPC11に連結され、ガイガーモード直前の70.7Vバイアス電圧(第1バイアス電圧)26が負荷される10kΩ抵抗(第1抵抗)と、第1バイアス電圧26より低い5Vバイアス電圧(第2バイアス電圧)が負荷される高速オペアンプ26と、LSO−MPPC放射線検出手段1のMPPC11と高速オペアンプ25との間に連結される1μFマイクロコンデンサ及び100Ω抵抗(第2抵抗)22と、高速オペアンプ25をバイパスする51kΩ抵抗(第3抵抗)24から成る反転電流・電圧増幅回路を有する。
As shown in the block diagram of FIG. 3, the high-speed current /
AD8032(デュアル)単電源電圧帰還型アンプは、80MHzの小信号帯域幅、30V/μsのスルーレート、125nsのセトリング・タイムを備えた高速性能を有する。+5V単電源から4.0mW未満の小電力を消費するだけでこの性能が得られる。これにより、動的性能を損なうことなく、高速バッテリ駆動システムなどの動作時間を延長できる。 The AD8032 (dual) single supply voltage feedback amplifier has high speed performance with a small signal bandwidth of 80 MHz, a slew rate of 30 V / μs, and a settling time of 125 ns. This performance can be obtained by consuming less than 4.0 mW of power from a single +5 V power supply. As a result, the operation time of a high-speed battery drive system or the like can be extended without impairing dynamic performance.
MPPC11は、ガイガーモード直前の第1バイアス電圧26及び23℃の温度でガイガーモード直前で動作する。LSO単結晶10及びMPPC11を備えるLSO−MPPC放射線検出手段1から発生するパルス光電流10aが流れると図中における第2抵抗22の左側に負の電圧が発生し、これを高速オペアンプ25を有する前記反転電流・電圧増幅回路により増幅され、同軸ケーブルを介してMCA4(図1)へのBNC出力28となる。
The
BNC出力28からイベントパルスが発生し、発生する電圧Vbは、Ibを光電流とすると、式1の通り表される。
〔式1〕
Vb=10×103×Ib [V] (1)
An event pulse is generated from the
[Formula 1]
Vb = 10 × 10 3 × Ib [V] (1)
前述のように、LSO−MPPC放射線検出手段1を用いた放射線(X線、γ線)のスペクトル測定ではダークカウントレートをできるだけ少なくすることが重要である。そのためにはMPPC11の感度は低下するものの、できる限りバイアス電圧26を低くして、ダークカウントレートを減らす必要がある。特に、フォトンエネルギーの低いX線フォトンのイベントパルス波高値はダークカウントのそれとほぼ同等であるため、ガイガーモード直前のバイアス電圧(Vg)26を測定することが必要である。また、バイアス電圧(Vg)26はMPPCによっても異なるため、MPPC個々のバイアス電圧(Vg)26を測定する必要がある(図4(a)、(b)参照)。この実施例では、バイアス電圧(Vg)26をダークカウントレートがほぼ0cpsとなる70.7Vに設定した。
As described above, in the spectrum measurement of radiation (X-ray, γ-ray) using the LSO-MPPC radiation detection means 1, it is important to reduce the dark count rate as much as possible. For this purpose, although the sensitivity of the
LSO−MPPC放射線検出手段1を用いたスペクトルと比較するため、まずCdTe検出器を用いてX線スペクトルを測定した(図5)。X線管電圧Vの増加により、最大フォトンエネルギーと制動X線ピークエネルギーが増加した。一方、3mm厚Alフィルターの挿入によっては低エネルギーのX線フォトンが吸収され、ピークエネルギーが増加した。 In order to compare with the spectrum using the LSO-MPPC radiation detection means 1, first, an X-ray spectrum was measured using a CdTe detector (FIG. 5). As the X-ray tube voltage V increased, the maximum photon energy and the braking X-ray peak energy increased. On the other hand, insertion of a 3 mm thick Al filter absorbed low energy X-ray photons and increased peak energy.
CdTe検出器は、高品質CdTe単結晶が用いられる。このCdTeは、X線又はγ線検出器として室温で使用でき、検出効率がSiに比べて飛躍的に向上する化合物半導体として最近注目され、線量計測やアレイ状に加工してX線画像診断に応用されている。 The CdTe detector uses a high quality CdTe single crystal. This CdTe can be used as an X-ray or γ-ray detector at room temperature, and has recently been attracting attention as a compound semiconductor whose detection efficiency is dramatically improved compared to Si. Applied.
アメリシウム241(241Am)から発生するγ線をCdTe検出器とLSO−MPPC放射線検出手段1を用いて測定した結果をそれぞれ図6(a)、(b)、図7に示す。図6(a)のCdTe検出器を用いた場合には59.5 keVのシャープなγ線スペクトルを観察できた。図6(b)のγ線のイベントパルス波高分析によるスペクトル測定のデータはγ線フォトン数のch数による変化として得られるが、図6(a)のグラフでは横軸をフォトンエネルギーに変換した。スペクトル測定において、γ線フォトンのch数とエネルギーは比例する。 FIGS. 6 (a), 6 (b), and 7 show the results of measuring γ-rays generated from americium 241 ( 241 Am) using a CdTe detector and LSO-MPPC radiation detection means 1, respectively. When the CdTe detector of FIG. 6A was used, a sharp γ-ray spectrum of 59.5 keV could be observed. Data of spectrum measurement by event pulse wave height analysis of γ-rays in FIG. 6B is obtained as a change in the number of γ-ray photons depending on the ch number. In the graph of FIG. 6A, the horizontal axis is converted into photon energy. In spectrum measurement, the channel number and energy of γ-ray photons are proportional.
一方、LSO−MPPC放射線検出手段1を用いた場合には、γ線のピークを観測できたが、エネルギー分解能は59.5 keVで約80%(100×230/280)であった。 On the other hand, when the LSO-MPPC radiation detection means 1 was used, a peak of γ rays could be observed, but the energy resolution was 59.5 keV and about 80% (100 × 230/280).
LSO−MPPC放射線検出手段1を用いてスペクトルを測定した結果は、図7に示すように、管電圧Vの増加に伴いピークチャンネル数と最大チャンネル数も増加した。一方、Alフィルターの挿入によって最大チャンネル数は変化せず、ピークチャンネル数が増加した。
(実施例2)
As a result of measuring the spectrum using the LSO-MPPC radiation detection means 1, the number of peak channels and the maximum number of channels increased as the tube voltage V increased as shown in FIG. On the other hand, the insertion of the Al filter did not change the maximum number of channels, and the number of peak channels increased.
(Example 2)
本発明の実施例2のダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム(以下、高速X線フォトンカウンティングCT又はPC−CTシステムと略称する)40は、図8に示すように、コントローラー7により被写体Tgの特性に応じて選択的に設定され、低線量レートのX線を放射するX線管ユニット6と、前記LSO−MPPC放射線検出手段1と、前記高速電流・電圧増幅器2と、予め設定された回転ステップで回転するターンテーブルTtに搭載された被写体Tgと高速電流・電圧増幅器2との間に配置され、中央部に付設されたLSO−MPPC放射線検出手段1に被写体Tgをリニアスキャンするスキャンステージ8と、高速電流・電圧増幅器2からのイベントパルスの下限波高値を設定する高速コンパレーター3と、高速コンパレーター3から発生する下限電圧Vl以上のイベントパルスを検出し、方形波パルスを計数するカウンターカード9と、カウンターカード9により方形波パルスを計数して得られたプロジェクションデータからCT断層画像を再構成するPC5と、を有する。
As shown in FIG. 8, the dark countless radiation detection energy discrimination imaging system (hereinafter abbreviated as high-speed X-ray photon counting CT or PC-CT system) 40 according to the second embodiment of the present invention uses a
高速X線フォトンカウンティングCTシステム(PC−CTシステム)40は、前記X線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システム30におけるMCA4に替えて高速コンパレーター3及びカウンターカード9が追加され、さらにスキャンステージ8、2軸コントローラー4、被写体Tg及び被写体Tgを搭載し予め設定された回転ステップの1〜3°で回転するターンテーブル(シグマ光機社のSGSP−60YAW−OB)Ttなどが追加される構成である。
In the high-speed X-ray photon counting CT system (PC-CT system) 40, a high-
この実施例では、X線管ユニット6とLSO−MPPC放射線検出手段1の間の距離はl.0mであり、X線管ユニット6内のX線管先端から被写体Tgの中心までの距離は960mmで、ターンテーブルTtの中心からLSO−MPPC放射線検出手段1までの距離は被写体Tgの拡大比率を小さくするため40mmとしている。
In this embodiment, the distance between the
高速電流・電圧増幅器2から発生するイベントパルスは高速コンパレーター3に入力され、イベントパルス波高値の低限である下限波高値(下限電圧)Vlが設定される。イベントパルス波高値はフォトンエネルギーに比例するので、下限電圧Vlが増加することによりCT撮影に使用するX線の平均エネルギーが増加する。このPC−CTシステム40において、最大エネルギーは管電圧Vに相当する。例えば、管電圧Vが80kVの最大エネルギーは80keVとなる。この実施例では、下限電圧Vlの変化によりCT画像にエネルギー弁別効果が現れるか否かを確認するため、このPC−CTシステム40が構築された。
The event pulse generated from the high-speed current /
被写体Tgを透過するX線フォトンXrをLSO−MPPC放射線検出手段1と高速電流・電圧増幅器2を用いて増幅する。次いで、イベントパルスの下限電圧Vlを高速コンパレーター3で設定し、下限電圧Vl以上のイベントパルスを検出し、高速コンパレーター3から発生する方形波パルスをカウンターカード9により計数する。PC−CTシステム40では、被写体Tg及びLSO−MPPC放射線検出手段1のリニアスキャンにより被写体Tgのプロジェクションデータを取得し、被写体Tgを予め設定された回転ステップの1〜3°で回転する。被写体Tgのリニアスキャンと回転を2軸コントローラー4で繰り返し制御すことにより得られたプロジェクションデータからCT断層画像を再構成する。
(X線断層写真撮影)
X-ray photons Xr that pass through the subject Tg are amplified using the LSO-MPPC radiation detection means 1 and the high-speed current /
(X-ray tomography)
ここで、PC−CTシステム40を用い、X線管電圧V=80kv、スキャンのステップ0.5mm、及び回転ステップ1.0°の条件下でX線断層写真撮影を行なった。再構成したCT画像のピクセルにおける相対カウント数の最大値と最小値は、それぞれ黒と白として示される。一方、得られるJPEG画像ファイルにおける濃度の最大値と最小値は、それぞれ白と黒で表わされる。
Here, using the PC-
まず、濃度がそれぞれ15mg/mlと30mg/mlのヨウ素造影剤が入った2本のポリエチレンバイアルのヨウ素造影剤の、PC−CTシステム40によるCT断層画像を図9(A)〜(D)に示す。X線管電圧V=80kV一定では、ヨウ素造影剤の画像濃度差は高速コンパレーター3によるイベントパルス下限電圧Vlの増加に伴って減少した。これは下限電圧Vlの増加に伴ってCT撮影の平均フォトンエネルギーが増加したためである。
First, CT tomographic images obtained by the PC-
また、2つの孔が開いたアクリルファントムのCT断層画像を図10(A)〜(D)に示す。図9(A)〜(D)と同様に異なる濃度のヨウ素造影剤が入っており、高速コンパレーター3によるイベントパルス下限電圧Vlの増加に伴ってヨウ素造影剤の画像濃度差は減少した。
In addition, CT tomographic images of an acrylic phantom with two holes are shown in FIGS. Similar to FIGS. 9A to 9D, iodine contrast agents having different concentrations are contained, and the image density difference of the iodine contrast agent is reduced as the event pulse lower limit voltage Vl is increased by the high-
次に、犬の心臓のCT断層画像を図11(A)〜(D)に示す。犬の心臓の冠動脈には直径15μmのヨウ素マイクロスフェアーが注入されている。図11(A)〜(D)に示すように、高速コンパレーター3によるイベントパルス下限電圧Vlの増加伴って心筋と冠動脈のコントラストが低下した。
(実施例3)
Next, CT tomographic images of the dog's heart are shown in FIGS. The coronary artery of the dog's heart is injected with iodine microspheres having a diameter of 15 μm. As shown in FIGS. 11A to 11D, the contrast between the myocardium and the coronary artery decreased as the event pulse lower limit voltage Vl increased by the high-
(Example 3)
以上の通り、LSO−MPPC放射線検出手段1を用いたX線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システム30及び高速X線フォトンカウンティングCT (PC−CT) システム40について説明したが、YAP(Ce)−MPPC検出器を用いた際にも、詳細は省略するが、X線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システム30及びPC−CT システム40と同様のスペクトルとCT撮影結果が得られた。
(実施例4)
As described above, the X-ray photon counting and
Example 4
また、ガドリニウム造影剤を用いた場合にも、詳細は省略するが、前記実施例2と同様に、イベントパルス下限電圧Vlの変化によりガドリニウム造影剤のコントラスト変化が見られた。これはイベントパルス下限電圧Vlの増加に伴ってCT撮影のための平均フォトンエネルギーが増したためである。
(実施例から得られた要点)
Also, when using a gadolinium contrast agent, although details are omitted, a change in contrast of the gadolinium contrast agent was observed due to a change in the event pulse lower limit voltage Vl, as in Example 2. This is because the average photon energy for CT imaging increases with an increase in the event pulse lower limit voltage Vl.
(Key points obtained from the examples)
上記実施例1、2では、MPPC11のピクセルピッチが50×50μm(400ピクセル)のものを使用したが、25×25μm(1600ピクセル)や100×100μm(100ピクセル)のものを用いた実験は行われていない。しかし、1600ピクセルのものではダイナミックレンジが広くなるので、エネルギー分解能も向上すると思われる。
In the first and second embodiments, the
LSO−MPPC放射線検出手段1のエネルギー分解能は低いので、ヨウ素やガドリニウムの造影剤を用いたKエッジイメージングは難しいが、デュアルエネルギーサブトラクションは可能である。 Since the energy resolution of the LSO-MPPC radiation detection means 1 is low, K-edge imaging using an iodine or gadolinium contrast agent is difficult, but dual energy subtraction is possible.
また、X線フォトンカウンティングの際、CdTe検出器においては厳重な電磁シールドが必要となるが、フォトダイオードと比較してMPPCのピーク光電流値が大きいので電磁シールドの必要が無いことから、本発明のLSO−MPPC放射線検出手段1はCTシステムなどの医療用画像システム構築において大きな利点である。 Further, in the X-ray photon counting, a strict electromagnetic shield is required in the CdTe detector, but since the peak photocurrent value of MPPC is larger than that of the photodiode, there is no need for the electromagnetic shield. The LSO-MPPC radiation detection means 1 is a great advantage in the construction of a medical image system such as a CT system.
以上の実施例から得られた結果を要約すると次の通りである。 The results obtained from the above examples are summarized as follows.
1.LSO−MPPC放射線検出手段1を用いて、X線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システム30とPC−CT システム40の双方の機能を確認した。 ダークカウントレートは、MPPCバイアス電圧Vg=70.7Vで0.5cps以下と極めて低い値であった。241AmソースとMCAを用いた単色γ線フォトンカウンティングにおいて、LSO−MPPC放射線検出手段1のエネルギー分解能は59.5keVでほぼ100%であった。 しかし、制動放射(bremsstrahlung)フォトンのピークエネルギーは、CdTe検出器を用いて得られた値に充分匹敵し、γ線フォトンエネルギーの増加に伴って、エネルギー分解能が改善した。
1. Using the LSO-MPPC radiation detection means 1, the functions of both the X-ray photon counting and
2.イベントパルスの幅は約200nsであり、イベントパルス幅はイベントパルス高さを正しく検出するために5μsを越えて増加する必要がある。イベントパルス高さH(V)は、MCA4を用いて決定されるチャンネル数N(チャンネル)の関数として、式2の通り表される。
〔式2〕
H=2.5×10−3N (2)
しかし、MCA4を用いて測定されたイベントパルス波高は、MCA4におけるADコンバーターのサンプリング周期に起因するイベントパルス幅の減少に伴って減少した。
2. The width of the event pulse is about 200 ns, and the event pulse width needs to increase beyond 5 μs in order to correctly detect the event pulse height. The event pulse height H (V) is expressed as
[Formula 2]
H = 2.5 × 10 −3 N (2)
However, the event pulse height measured using MCA4 decreased as the event pulse width decreased due to the sampling period of the AD converter in MCA4.
3.LSO−MPPC放射線検出手段1を用いる際に、l.4MHzバンドゲインのオペアンプのLMC662又は市販の電荷増幅器を用いてMPPCからのX線フォト電流を増幅することは困難であったため、80MHzバンドの高速オペアンプ(AD8032)25を有する高速電流・電圧増幅器2を開発した。初期の実験で、7ns遅延コンパレーターAD8561を用いて非反転電流・電圧増幅回路を用いた際に、コンパレーターからの誤発振が観察され、発振によりカウントレートが大幅に増大した。そこで、発振を防止するためヒステリシス回路を有する反転電流・電圧増幅回路を開発した。引続いて、エネルギー範囲(レベル及び幅の両方)を決定するデュアルエネルギーコンパレーター手段が望まれる。
3. When using the LSO-MPPC radiation detection means 1, l. Since it was difficult to amplify the X-ray photocurrent from the MPPC using a 4 MHz band gain operational amplifier LMC662 or a commercially available charge amplifier, a high speed current /
4.PC−CTシステム40において、CTの平均フォトンエネルギーの増大によるイベントパルス下限電圧Vlの増加に伴って、2つのヨウ素造影剤のCT断層画像濃度差が減少した。 しかし、Vl=0.5VでのCT断層画像コントラストは、CdTe検出器によるI−Kエッジ画像処理を用いて得られたものとほとんど等しかった。上記実施例2では下限電圧Vlの変化によるCT断層画像コントラストのバリエーションを観察するためにX線管電圧Vを80kVに選定したが、高エネルギーX線フォトンは画像コントラストを減少させるので、画像コントラストを改善するためにはX管電圧Vを60〜−70kVの範囲に選定するのが望ましい。シンチレーション法によるフォトンカウンティングのため、高いエネルギー分解能を必要とするヨウ素造影剤を用いるKエッジ画像処理を実行することは困難である。 しかし、デュアルエネルギーコンパレーター手段を用いてデュアルエネルギーサブトラクションを実行することは可能である。
4). In the PC-
5.ED(Energy Dispersive: エネルギー弁別型)−CTに関する基礎的な実験において、l.2keVのエネルギー解像度を有するCdTe検出器が通常使用される。一方、高速電流・電圧増幅器2を備えるLSO−MPPC放射線検出手段1は、カウントレートを容易にlMcpsを越えて増大させることが可能で、ED(エネルギー弁別)機能を備えるPC−CTを実現することができる。
5. ED (Energy Dispersive)-in basic experiments on CT, A CdTe detector with an energy resolution of 2 keV is usually used. On the other hand, the LSO-MPPC radiation detection means 1 provided with the high-speed current /
6.X線スペクトルを測定するために、上記実施例1において用いられたMCA4の最大カウントレートが10kcpsであるので、LSO−MPPC放射線検出手段1のダークカウントレートは、MPPC11のバイアス電圧を減少させることにより最小化される。MPPCゲインはバイアス電圧の減少に伴い減少するが、発光寿命40nsのLSOの輝度は発光寿命1μsのタリウム活性化ヨウ化ナトリウム[Nal(TI)]の輝度に比べて76%であるため、かなり大きな波高のイベントパルスが発生する。
6). Since the maximum count rate of the
7.CT断層画像の粒状性は、イベントパルス下限電圧Vlが増加する時に測定点当りフォトン数の減少によって増加する。被写体TgからのX線フォトンXrの散乱を考慮しない場合、一定のX線管電圧Vで粒状性を改善するためには、X線管電流を1.5mAを越えて増大することが望ましい。 空間分解能は、X線光電面サイズにより基本的に決定され、実施例1の空間分解能における光電面サイズはl.0×1.0mm2であった。空間分解能を改善するために、LSO結晶の大きさは縮小することが望ましい。これに加えて、CT断層画像品質は、CTのスキャン及び回転ステップを減らすことによって改善する。 7). The graininess of the CT tomographic image increases due to a decrease in the number of photons per measurement point when the event pulse lower limit voltage Vl increases. When the scattering of the X-ray photon Xr from the subject Tg is not taken into consideration, in order to improve the graininess at a constant X-ray tube voltage V, it is desirable to increase the X-ray tube current beyond 1.5 mA. The spatial resolution is basically determined by the X-ray photocathode size, and the photocathode size in the spatial resolution of Example 1 is l. It was 0 × 1.0 mm 2 . In order to improve the spatial resolution, it is desirable to reduce the size of the LSO crystal. In addition, CT tomographic image quality is improved by reducing CT scanning and rotation steps.
8.本発明のPC−CTシステム40において、X線管電圧V=80kV、X線管電流=1.5mA、及びイベントパルス下限電圧Vl=0.5Vで、最大カウントレートは250kcpsであり、測定ポイント当りフォトン数は5kc(=250kc/50)であると算定された。 さらに、イベントパルス下限電圧Vlを減少させるとともにX線管電圧V及び電流の双方を増加することによって、カウントレートは1Mcpsを大幅に越えて増加した。
8). In the PC-
9.以上のことから、LSO−MPPC放射線検出手段1は、エネルギー分解能及び最大カウントレートを考慮することにより、Kエッジ強調法に似たCT撮影やデュアルエネルギーサブトラクション画像処理を行なうためのED(エネルギー弁別)機能を備える次世代PC−CTシステムに適用することができる。さらに、LSO−MPPC放射線検出手段1は、また、大きい比重のLSO結晶を利用するシングルフォトンエミッションコンピュータ断層撮影(SPECT)及びPETの双方にも適用することができる。 このように、LSO−MPPC放射線検出手段1が容易に高エネルギーのγ線フォトンを弁別することができるため、エネルギー弁別型PET/CT及びSPECT/CTの実現が可能となる。 9. From the above, the LSO-MPPC radiation detection means 1 considers the energy resolution and the maximum count rate, and performs ED (energy discrimination) for performing CT imaging and dual energy subtraction image processing similar to the K edge enhancement method. It can be applied to a next generation PC-CT system having a function. Furthermore, the LSO-MPPC radiation detection means 1 can also be applied to both single photon emission computed tomography (SPECT) and PET using an LSO crystal having a large specific gravity. Thus, since the LSO-MPPC radiation detection means 1 can easily discriminate high-energy γ-ray photons, it is possible to realize energy discrimination type PET / CT and SPECT / CT.
本発明の特定の実施の形態についての上記説明は、例示を目的として提示したものである。それらは、網羅的であったり、記載した形態そのままに本発明を制限したりすることを意図したものではない。数多くの変形や変更が、上記の記載内容に照らして可能であることは当業者に自明である。 The foregoing descriptions of specific embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration. They are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form described. It will be apparent to those skilled in the art that many modifications and variations are possible in light of the above description.
本発明は、短発光寿命のシンチレータであるLSO単結晶とMPPCを組合せたX線及びγ線などの放射線を検出するLSO−MPPC放射線検出手段1を用い、X線をカウントあるいは変換してイメージングを行い、フォトンエネルギーあるいは平均エネルギーを選択してエネルギー弁別イメージングを行う、簡潔な構成でコスト面及びX線から電気信号への変換効率にも優れ、被検体に対するX線被曝量の低減化が可能なダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム40を提供することができることから、単純X線検査により骨や歯などの硬組織に関する疾患を診断して治療する整形外科や口腔外科領域から軟組織に関する疾患を診断して治療する内科や外科領域に亘る広範な医療分野、さらにはその他のX線画像に関係する産業分野に汎用的に適用することができる。
The present invention uses an LSO-MPPC radiation detection means 1 that detects radiation such as X-rays and γ-rays, which is a combination of an LSO single crystal, which is a scintillator with a short emission lifetime, and MPPC, and performs imaging by counting or converting X-rays. Performs energy discrimination imaging by selecting photon energy or average energy, has a simple structure and is excellent in cost and X-ray to electric signal conversion efficiency, and can reduce the amount of X-ray exposure to the subject. Since the dark countless radiation detection energy discriminating
1 LSO−MPPC放射線検出手段(LSO−MPPC検出器)
2 高速電流・電圧増幅器
3 高速コンパレーター
4 マルチチャンネルアナライザー(MCA)
5 コンピュータユニット(PC)
6 X線管ユニット又はX線管
7 コントローラー
8 スキャンステージ
9 カウンターカード
10 LSO又はLSO単結晶
10a パルス光電流
11 MPPC(マルチピクセルフォトンカウンター又はマルチピクセルAPD)
12 セラミック基板
13 黒ゴム
14 電極
15 BNCコネクタ
16 アルミニウム(Al)キャップ
16a 薄膜ウインドー(光電面)
16b Alケース
21 コンデンサ
22、23、24 抵抗
25 高速オペアンプ(単電源電圧帰還型アンプ)
26、27 バイアス電圧
28 BNC出力
30 X線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システム
40 ダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム(高速X線フォトンカウンティングCTシステム:PC−CTシステム)
Tg 被写体
Tt ターンテーブル
V X線管電圧
Vl イベントパルス下限電圧(下限波高値)
Xr X線又はX線ビーム又はX線フォトン
1 LSO-MPPC radiation detection means (LSO-MPPC detector)
2 High-speed current /
5 Computer unit (PC)
6 X-ray tube unit or
12
26, 27
Tg Subject Tt Turntable V X-ray tube voltage Vl Event pulse lower limit voltage (Lower limit crest value)
Xr X-ray or X-ray beam or X-ray photon
Claims (6)
X線の光電面となる薄膜ウインドーを有するアルミニウム(Al)キャップ内に封入され、セラミック基板上に形成されるとともに一対の電極が連結されるマルチピクセルフォトンカウンター(以下、MPPCという)上に積層されたLu2(SiO4)O(以下、LSOという)単結晶を備え、前記X線管ユニットから放射されて前記被写体を透過するX線を受光するLSO−MPPC放射線(X線、γ線)検出手段と、
前記LSO−MPPC放射線検出手段から発生する光電流を増幅し、イベントパルスを発生させる高速電流・電圧増幅器と、
前記高速電流・電圧増幅器からのイベントパルスの波高分析を行うマルチチャンネルアナライザー(以下、MCAという)と、
前記MCAからの波高分析されたイベントパルスをフォトン数のチャンネル(以下、chという)による変化として表すコンピュータユニット(以下、PCという)と、を備えるX線フォトンカウンティング及びスペクトル測定システムを有することを特徴とするダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム。 An X-ray tube unit that is selectively set by the controller according to the characteristics of the subject and emits X-rays at a low dose rate;
It is enclosed in an aluminum (Al) cap having a thin film window that becomes an X-ray photocathode, and is laminated on a multi-pixel photon counter (hereinafter referred to as MPPC) formed on a ceramic substrate and connected to a pair of electrodes. LSO-MPPC radiation (X-rays, γ-rays) detecting means for receiving X-rays radiated from the X-ray tube unit and transmitted through the subject, comprising Lu2 (SiO4) O (hereinafter referred to as LSO) single crystal; ,
A high-speed current / voltage amplifier that amplifies the photocurrent generated from the LSO-MPPC radiation detection means and generates an event pulse;
A multi-channel analyzer (hereinafter referred to as MCA) for analyzing the pulse height of event pulses from the high-speed current / voltage amplifier,
And an X-ray photon counting and spectrum measuring system comprising: a computer unit (hereinafter referred to as PC) that represents a pulse height analyzed event pulse from the MCA as a change in a photon number channel (hereinafter referred to as ch). Dark countless radiation detection energy discrimination imaging system.
X線の光電面となる薄膜ウインドーを有するAlキャップ内に封入され、セラミック基板上に形成されるとともに一対の電極が連結されるMPPC上に積層されたLSO単結晶を備え、前記X線管ユニットから放射されて前記被写体を透過するX線を受光するLSO−MPPC放射線検出手段と、
前記LSO−MPPC放射線検出手段から発生する光電流を増幅し、イベントパルスを発生させる高速電流・電圧増幅器と、
前記高速電流・電圧増幅器からのイベントパルスの下限波高値を設定する高速コンパレーターと、
前記高速コンパレーターから発生する下限電圧以上のイベントパルスを検出し、方形波パルスを計数するカウンターカードと、
前記カウンターカードにより方形波パルスを計数して得られたプロジェクションデータから断層画像を再構成するPCと、を有することを特徴とするダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム。 An X-ray tube unit that is selectively set by the controller according to the characteristics of the subject and emits X-rays at a low dose rate;
The X-ray tube unit comprising an LSO single crystal enclosed in an Al cap having a thin film window serving as an X-ray photocathode and formed on a ceramic substrate and laminated on an MPPC to which a pair of electrodes are connected LSO-MPPC radiation detection means for receiving X-rays emitted from and transmitted through the subject;
A high-speed current / voltage amplifier that amplifies the photocurrent generated from the LSO-MPPC radiation detection means and generates an event pulse;
A high-speed comparator that sets a lower limit peak value of the event pulse from the high-speed current / voltage amplifier;
A counter card that detects event pulses above the lower limit voltage generated from the high-speed comparator, and counts square wave pulses;
A dark countless radiation detection energy discrimination imaging system, comprising: a PC for reconstructing a tomographic image from projection data obtained by counting square wave pulses with the counter card.
X線の光電面となる薄膜ウインドーを有するAlキャップ内に封入され、セラミック基板上に形成されるとともに一対の電極が連結されるMPPC上に積層されたLSO単結晶を備え、前記X線管ユニットから放射されて前記被写体を透過するX線を受光するLSO−MPPC放射線検出手段と、
前記LSO−MPPC放射線検出手段から発生する光電流を増幅し、イベントパルスを発生させる高速電流・電圧増幅器と、
予め設定された回転ステップで回転するターンテーブルに搭載された前記被写体と前記高速電流・電圧増幅器との間に配置され、中央部に付設された前記LSO−MPPC放射線検出手段に前記被写体をリニアスキャンするスキャンステージと、
前記高速電流・電圧増幅器からのイベントパルスの下限波高値を設定する高速コンパレーターと、
前記高速コンパレーターから発生する下限電圧以上のイベントパルスを検出し、方形波パルスを計数するカウンターカードと、
前記被写体のリニアスキャンと回転を2軸コントローラーで繰り返し制御することにより前記カウンターカードを介して得られたプロジェクションデータから断層画像を再構成するPCと、を有することを特徴とするダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム。 An X-ray tube unit that is selectively set by the controller according to the characteristics of the subject and emits X-rays at a low dose rate;
The X-ray tube unit comprising an LSO single crystal enclosed in an Al cap having a thin film window serving as an X-ray photocathode and formed on a ceramic substrate and laminated on an MPPC to which a pair of electrodes are connected LSO-MPPC radiation detection means for receiving X-rays emitted from and transmitted through the subject;
A high-speed current / voltage amplifier that amplifies the photocurrent generated from the LSO-MPPC radiation detection means and generates an event pulse;
A linear scan of the subject is performed by the LSO-MPPC radiation detection means disposed between the subject mounted on a turntable that rotates at a preset rotation step and the high-speed current / voltage amplifier and provided at the center. A scanning stage to
A high-speed comparator that sets a lower limit peak value of the event pulse from the high-speed current / voltage amplifier;
A counter card that detects event pulses above the lower limit voltage generated from the high-speed comparator, and counts square wave pulses;
A dark countless radiation detection comprising: a PC for reconstructing a tomographic image from projection data obtained through the counter card by repeatedly controlling linear scanning and rotation of the subject with a two-axis controller Energy discrimination imaging system.
遮光してシールドするとともにX線の光電面となる薄膜ウインドーを有するAlキャップと、
前記Alキャップ内に封入されて前記光電面に貼付けられた前記LSO単結晶及びMPPCの積層体と、
さらに、前記Alキャップを内部に収容するBNCコネクタと、を備え、
前記薄膜ウインドーを介して前記被写体を透過するX線を受け、前記LSO単結晶の前面からX線フォトンを検出(カウント)し、
次いでMPPCを透過したX線フォトンは背後にある前記セラミック基板でコンプトン散乱され散乱線を発生するとともに蛍光線に変換されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム。 The LSO-MPPC radiation detection means includes:
An Al cap having a thin film window that shields and shields light and serves as an X-ray photocathode;
A laminate of the LSO single crystal and MPPC sealed in the Al cap and affixed to the photocathode;
And a BNC connector for accommodating the Al cap therein,
Receiving X-rays transmitted through the subject through the thin film window, detecting (counting) X-ray photons from the front surface of the LSO single crystal;
4. The X-ray photon that has passed through the MPPC is Compton scattered by the ceramic substrate behind it to generate scattered radiation and be converted into fluorescent radiation. Dark countless radiation detection energy discrimination imaging system.
前記LSO−MPPC放射線検出手段のMPPCに連結され、ガイガーモード直前の第1バイアス電圧が負荷される第1抵抗と、
前記第1バイアス電圧より低い第2バイアス電圧が負荷される高速オペアンプ(単電源電圧帰還型アンプ)と、
前記MPPCと高速オペアンプとの間に連結されるマイクロコンデンサ及び第2抵抗と、
前記高速オペアンプをバイパスする第3抵抗と、から成る、反転電流・電圧増幅回路を有することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のダークカウントレス放射線検出エネルギー弁別イメージングシステム。 The high-speed current / voltage amplifier is:
A first resistor coupled to the MPPC of the LSO-MPPC radiation detection means and loaded with a first bias voltage immediately before Geiger mode;
A high-speed operational amplifier (single power supply voltage feedback amplifier) loaded with a second bias voltage lower than the first bias voltage;
A micro capacitor and a second resistor connected between the MPPC and the high-speed operational amplifier;
The dark countless radiation detection energy discrimination imaging system according to any one of claims 1 to 3, further comprising an inverting current / voltage amplification circuit including a third resistor that bypasses the high-speed operational amplifier. .
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