JP2016156794A - がん診断装置及びがん診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消化器の初期がんであっても適切にがんを診断、発見することができるがん診断装置を提供する。【解決手段】がん診断装置を、被験者の体内に挿入される直線状の第１の光ファイバー（３１）と、第１の光ファイバーの周囲に配置され、被験者の体内に挿入する方向からみて右回りに螺旋状に配置された第２の光ファイバー（３２）と、第１の光ファイバーの周囲に配置され、被験者の体内に挿入する方向からみて左回りに螺旋状に配置された第３の光ファイバー（３３）と、各光ファイバーの先端に設けられた受光素子とを有するものとした。【選択図】図２

Description

本発明はがん診断装置及びがん診断方法に関するものである。

代表的ながん検査・診断法は、X線撮影、MRI、PET（Positron Emission Tomography）である。X線が光電効果によって吸収される反応確率は原子番号の5乗に比例する。生体内の平均原子番号は6.5だが骨組織は原子番号20のカルシウム濃度が高い。生体中に壊死が起きて血塊が生じれば原子番号２６の鉄濃度が高まる。がん組織は正常組織に比べて新陳代謝が5倍程度なので大量のブドウ糖や酸素を消費する。がん組織が肥大化すれば、中心部分は栄養分や酸素が不足して壊死が起きるので、末期がんはX線撮影で診断できる。特許文献１には、X線撮影装置が記載されている。

MRIは水素原子の核磁気共鳴を利用して水素原子濃度を測定し、測定した水素原子濃度から水分濃度を推定し、推定した水分濃度から血管分布を推定する。進行中のがん組織は大量のブドウ糖や酸素を要求するため、毛細血管の異常増殖が起きる。そこで、毛細血管が異常に増殖している部位を特定して、その場所にがんが存在すると推定することができる。特許文献２には、MRI装置が記載されている。

PETは¹⁸F、¹¹C、¹³N、¹⁵O等のβ＋崩壊で陽電子を放出する陽子過剰核を含んだ薬剤を投与し、陽電子が体内の電子と対消滅して180度反対方向に発生する２本の511keVγ線を測定することによって、PET薬剤の体内分布を測定する。PET薬剤としてブドウ糖を利用すれば、原理的には小さな初期がんでも診断可能である。特許文献３には、ポジトロン放射断層撮影装置（PET装置）が記載されている。

特開２０１４−２２３１７５号公報 特開２０１４−１５８６２３号公報 特開２０１４−２３８３９７号公報

消化器表面は細胞分裂が活発で、発がん物質を含む可能性のある食品に常に接しているため、発がん率が高い。しかし、もともと毛細血管が密に分布しているため、がんが進行しても毛細血管の異常分布や壊死が起きにくいため、特許文献１記載のX線撮影装置や特許文献２記載のMRI装置では消化器のがん診断は困難であるという課題がある。

特許文献３に記載のPET装置では、消化器のがん組織にPET薬剤が集中し、陽電子放出が起きているが、不規則な蠕動運動によってPET画像がぼやけてしまい、がん検査・診断が困難であるという課題がある。

内視鏡による目視検査により消化器がんを診断する方法が行われているが、この方法では初期の消化器がんの発見は困難であるという課題がある。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、消化器の初期がんであっても適切にがんを診断、発見することができるがん診断装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの観点によれば、がん診断装置を、被験者の体内に挿入され、陽電子が入射した場合発光する光ファイバーと、光ファイバーの先端に設けられ、入射した光を検知する受光素子とを有するものとした。

また、本発明の他の観点によれば、がん診断装置を、被験者の体内に挿入される直線状の第１の光ファイバーと、第１の光ファイバーの周囲に配置され、被験者の体内に挿入する方向からみて右回りに螺旋状に配置された第２の光ファイバーと、第１の光ファイバーの周囲に配置され、被験者の体内に挿入する方向からみて左回りに螺旋状に配置された第３の光ファイバーと、各光ファイバーの先端に設けられた受光素子とを有するものとした。

さらに、第２の光ファイバーのピッチと第３の光ファイバーのピッチを異なるものとすると望ましい。

さらに、第１の光ファイバー、第２の光ファイバー又は第３の光ファイバーの少なくともいずれか一つのトリガーしきい値を、γ線のコンプトン散乱により発生した電子が入射しても発光せず、¹⁸F、¹¹C、¹³N又は¹⁵Oの陽電子が入射した際発光するトリガーしきい値とすると望ましい。

また、本発明の他の観点によれば、がん診断方法を、被験者の体内に挿入され、陽電子が入射した場合発光する光ファイバーと、光ファイバーの先端に設けられ、入射した光を検知する受光素子とを有するがん診断装置を使用する方法とした。

本発明によれば、消化器系の初期がんであっても適切にがんを診断、発見することができるがん診断装置及びがん診断方法を提供することができる。

実施例２のプラスチックシンチレーションファイバーの構造を示す図である。 実施例２の陽電子検出部の構造を示す図である。 実施例２のファイバーの交差点を示す図である。 実施例２の電子及び陽電子のエネルギーの違いを示す図である。

以下、本発明の実施例を説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施例にのみ限定されるものではない。また、本明細書におけるがん診断装置には、がん検査装置も含まれる。

体外でのγ線測定という従来のPET検査方法では消化器の蠕動運動の影響は排除できない。そこで、本発明者は、内視鏡のような細長い形状の荷電粒子測定器を消化器官に挿入して、対消滅前の陽電子を直接測定することを考えた。直径0.2mmのシンチレーションファイバー（光ファイバーの一種）を200本束ねると、運動エネルギー300keV以上の電子や陽電子はファイバーを6層程度は通過できる。個々のファイバーに受光素子を接着すれば、陽電子の入射方向は容易に測定できる。本発明者は、ファイバーの長さ方向の入射位置測定を、ファイバー束中心部分の適当な遮光を施した波長変換ファイバーで行うことを考えた。3種類の波長変換ファイバーを用いることにしたが、3番目のファイバーでは光量が予想値の12.5%になってしまい、ファイバーの長さ方向の入射位置測定精度が不十分となった。そこで、以下の述べるような全く新しい長さ方向の入射位置測定方法を考えた。

本実施例では、直径0.2mm、長さ2m程度のシンチレーションファイバーを1+6+12+18+24+30+36+42=169本使用する。波長変換ファイバーは使用しない。小腸の深部の診断には、ほとんど光が減衰しない透明ファイバーに接続すればよい。最も外側の４２本のファイバーは、例えば75mmピッチの右回りの螺旋状に、外から２層目の36本のファイバーは85mmピッチの左回りの螺旋状に、残りは直線状に配置する。ここで「直線状」とは厳密な意味での直線を意味するものではなく、使用時には周囲の形状に合わせて曲がっている場合もありこのように曲がっている状態も含むが、螺旋状の形状は含まない。外側３層の108本のファイバーは、1本ごとに有効面積1mm×1mmのPPD（Pixelated Photon Detector）という小型受光素子に、中心部分の61本のファイバーは64channel位置弁別型光電子増倍管に接続する。外側３層は各層とも1本以上のファイバーが発光し、中心部分は合わせて３本以上が発光した事象を記録する。外側３層の発光ファイバーによって荷電粒子の入射位置が角度方向も長さ方向も一意的に判定できる。

本測定器は、通常の全身PET検査時に口、鼻又は肛門から挿入する。シンチレーションファイバーの実効原子番号は生体とほぼ同じなので、本測定器は全身PET検査にほとんど影響を与えない。被験者には本測定による新たな被曝は発生しない。本診断装置の価格は300万円以下の低価格になると予想され、全身PET検査と同時に診断しても追加費用はわずかである。診断結果はリアルタイムで判定できる。

全身PET検査時には体内に多数の511keVγ線が飛び交っている。本測定器の微小部分に入射する陽電子とγ線の比はおおむね1:200である。だがγ線は通過するだけならシンチレーション発光は起きない。検出器周辺でγ線がコンプトン散乱して電子が発生し、その電子が本測定器に入射した場合のみ発光する。このため発光事象の比は陽電子とγ線でおおむね1:2となる。陽子過剰核から発生する陽電子の最大運動エネルギーは341keVである。このエネルギーではシンチレーションファイバーを最大1mmしか通過できない。すなわちファイバーが6本以上の発光を要求すればコンプトン電子の大部分が除去できて高エネルギーの陽電子が高感度で測定できることになる。

本実施例によれば、従来発見が困難であった消化器系の初期がんの存在の有無及びがんが存在する場合の位置を推定することができる。

本実施例では、肛門から挿入し、対消滅する前の陽電子を直接検出する8層のシンチレーションファイバーを使用した検出器を提案する。

図１は、本実施例で使用するプラスチックファイバー１の構造を示す図である。本実施例では、直径0.2mmのシンチレーションファイバーを使用している。シンチレーションファイバー１は、コア１１の周囲が内側被覆材１２、外側被覆材１３で被覆されている。陽電子２がコア１１に入射するとコア１１内で光が発生し、光は被覆材１２、１３で反射しながらファイバー端に進行する。

図２は、陽電子検出部の構造を示す図である。検出部３の全長は、約６ｍである。シンチレーションファイバーの先端からの長さは、約１ｍであり、クリアファイバーの長さは約５ｍである。１層目から６層目のファイバー３１は、直線状に配置されている。それに対して７層目のファイバー３２は、図２の上方向から見て時計回りに85mmのピッチで螺旋状に巻かれている。８層目のファイバー３３は、図２の上方向から見て反時計回りに75mmのピッチで螺旋状に巻かれている。

図３は、ファイバーの交差の状態を示す図である。図３(a)では、2本の螺旋状のファイバーが等ピッチで巻かれている。これに対して図３(b)は２本の螺旋状のファイバーが異なるピッチで巻かれている。図３(a)では、複数の交差点が同一の線４１上に存在する。これに対して、図３(b)では、交差点の位置が、線４２上、線４３上、線４４上と少しずつずれていく。時計回りに巻いたファイバーと反時計回りに巻いたファイバーのピッチを調節することによって、反応した３種類のファイバー（時計回りに巻いたファイバー、反時計回りに巻いたファイバー、直線状のファイバー）の組み合わせにより反応した３本のファイバーの交差点の位置が一意的に決まるようにすることができる。2種類の螺旋状に巻いたファイバーの交差点のｚ方向（ファイバーの長さ方向）の距離は、80mmとなる。各ファイバーの人体側の先端には反射膜が貼られる。そして、各ファイバーの体外側の先端には、有効面積が1平方mmのMPPCが接続される。

本実施例において左巻きのファイバーのピッチを75mm、右巻きのファイバーのピッチを85mmとした理由を説明する。このようなピッチとすると、信号があった左巻きファイバーと右巻きファイバーの交点は、z方向には80mmごと、角度は22.5度ずつずれてゆく。そして16個の交点で一周する。本実施例では、シンチレーションファイバーの長さを約1mとしているが、1.28mまでなら陽電子入射位置が一意的に決まる。もしシンチレーションファイバーの長さを2mにしたいなら、ピッチは77mmと83mmのように近づければよいことになる。本実施例では、シンチレーションファイバーの透過長（全反射で伝播する光の強さが1/e=36.8%になる距離）がおよそ2mであるため、陽電子がファイバーの先端に当たっても測定光量が7割程度になるように、ファイバーの長さを約1mとした。

図４は、電子と陽電子のエネルギーの違いを示す図である。本測定器において、511keVγ線は雑音となりうる。511keVは、人体の中で25cm進む。これに対して¹⁸Fの陽電子は、約2.4mm進む。プラスチックシンチレーターは平均原子番号が低いため、陽電子に対する感度が高い。コンプトン散乱により生じる電子ビームの最大エネルギーは341keVであり、移動距離は0.9mmである。他方、¹⁸Fの陽電子の最大エネルギーは634keVである。したがって、トリガーのしきい値を適切に設定することによって雑音を低減させることができる。

本実施例によれば、従来発見が困難であった消化器系の初期がんの存在の有無及びがんが存在する場合の位置を推定することができる。

本発明は、がん診断装置及びがん診断方法として産業上利用可能である。

１ シンチレーションファイバー
１１ コア
１２ 内側被覆材
１３ 外側被覆材
２ 陽電子
３ 陽電子検出部
３１ １〜６層目のファイバー
３２ ７層目のファイバー
３３ ８層目のファイバー
４１、４２、４３、４４ 交差点に対応する直線状のファイバー

Claims (5)

1. 被験者の体内に挿入され、陽電子が入射した場合発光する光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端に設けられ、入射した光を検知する受光素子と、を有するがん診断装置。
2. 被験者の体内に挿入される直線状の第１の光ファイバーと、
   前記第１の光ファイバーの周囲に配置され、被験者の体内に挿入する方向からみて右回りに螺旋状に配置された第２の光ファイバーと、
   前記第１の光ファイバーの周囲に配置され、被験者の体内に挿入する方向からみて左回りに螺旋状に配置された第３の光ファイバーと、
   前記各光ファイバーの体外側の先端に設けられた受光素子と、を有するがん診断装置。
3. 請求項２において、前記第２の光ファイバーのピッチと前記第３の光ファイバーのピッチが異なることを特徴とするがん診断装置。
4. 請求項２において、前記第１の光ファイバー、前記第２の光ファイバー又は前記第３の光ファイバーの少なくともいずれか一つのトリガーしきい値を、γ線のコンプトン散乱により発生した電子が入射しても発光せず、¹⁸F、¹¹C、¹³N又は¹⁵Oの陽電子が入射した際発光するトリガーしきい値としたことを特徴とするがん診断装置。
5. 請求項１記載のがん診断装置を使用したがん診断方法。