JP2020034414A - チェレンコフ検出器、チェレンコフ検出器設定方法およびｐｅｔ装置 - Google Patents
チェレンコフ検出器、チェレンコフ検出器設定方法およびｐｅｔ装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】優れた時間分解能を有するチェレンコフ検出器を提供する。【解決手段】チェレンコフ検出器１Ａは、検出部１０及び信号処理部２０Ａを備える。検出部は、輻射体１１、光電変換部１３、電子増倍部１４及びアノード１５を含む。信号処理部は、記憶部２１、解析部２２及び時刻検出部２３を含む。記憶部２１は、輻射体１１におけるチェレンコフ相互作用事象毎にアノード１５から出力される電気パルス信号の波形を記憶する。解析部２２は、記憶された複数の電気パルス信号波形を用いて、電気パルス信号値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める。時刻検出部２３は、パルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体１１での相互作用時刻として検出する。【選択図】図１
Description
本発明は、チェレンコフ検出器、チェレンコフ検出器設定方法およびＰＥＴ装置に関するものである。
入射した光子等の粒子を検出する検出器として、非特許文献１，２に記載されたものが知られている。これらの検出器は、例えばγ線の光子が到来した時刻を検出することができる。
非特許文献１に記載された検出器は、シンチレータおよびＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）を備える。この検出器は、例えばγ線の光子がシンチレータに入射すると、その光子の入射に応じてシンチレータにおいてシンチレーション光を発生させ、このシンチレーション光をＳｉＰＭにより検出してＳｉＰＭから電気パルス信号を出力する。
非特許文献２に記載された検出器は、チェレンコフ輻射体およびＳｉＰＭを備える。この検出器は、例えばγ線の光子がチェレンコフ輻射体に入射すると、その光子の入射に応じてチェレンコフ輻射体においてチェレンコフ光を発生させ、このチェレンコフ光をＳｉＰＭにより検出してＳｉＰＭから電気パルス信号を出力する。
なお、輻射体中における荷電粒子（例えば、電子、ミューオン）の移動速度が該輻射体中の光速度より速いと、荷電粒子と輻射体との間の相互作用により光が放射される。また、荷電していない粒子（例えば、γ線、ニュートリノ）が輻射体中において光電効果により電子等の荷電粒子を発生させる場合があり、その荷電粒子の移動速度が該輻射体中の光速度より速いと光が放射される。このような現象はチェレンコフ効果またはチェレンコフ放射と呼ばれ、放射される光はチェレンコフ輻射光またはチェレンコフ光と呼ばれる。
γ線を検出する検出器は例えば断層画像取得装置において用いられる。断層画像取得装置の一種であるＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置は、ＲＩ（Radio Isotope）線源が投入された被検体を測定空間に置き、その被検体における電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対を同時計数法で検出して同時計数情報を収集し、この収集した同時計数情報に基づいて被検体の断層画像を取得する。通常のＰＥＴ装置は、収集した同時計数情報に基づいて所定のアルゴリズムに従って反復計算を行うことで被検体の断層画像を再構成する。
これに対して、次世代のＰＥＴ装置として期待されているＴＯＦ（Time of Flight）-ＰＥＴ装置は、被検体における電子・陽電子の対消滅の事象毎に、光子対を検出した２つの検出器の間の光子検出時刻の差に基づいて、これら２つの検出器を互いに結ぶ同時計数ライン上における対消滅位置を求める。ＴＯＦ-ＰＥＴ装置は、被検体における電子・陽電子の対消滅の事象毎に求めた対消滅位置から被検体の断層画像を取得する。
ＴＯＦ-ＰＥＴ装置において、対消滅位置を求める精度が断層画像の画素ピッチと同程度である場合、通常のＰＥＴ装置が必要とした画像再構成の為の反復計算が不要である。また、通常のＰＥＴ装置において画像再構成により得られる断層画像には統計的なノイズであるアーチファクトが含まれるのに対して、ＴＯＦ-ＰＥＴ装置により得られる断層画像にはアーチファクトは含まれない。断層画像の画素ピッチとは例えば５ｍｍである。
S. Seifert, et al., IEEE Trans.Nucl. Sci. 59 2012.
R. Dolenec, et al., 4thConference on PET/MR and SPECT/MR (PSMR) 2015.
非特許文献１，２に記載されたものを含め従来の検出器は、時間分解能が悪い。したがって、画像再構成のための反復計算が必要である。また、断層画像にはアーチファクトが含まれる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、優れた時間分解能を有することができるチェレンコフ検出器を提供することを目的とする。
本発明の第１態様のチェレンコフ検出器は、(1) 入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる輻射体と、輻射体で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する光電変換部と、光電変換部から放出された電子を増倍して出力する１以上のマイクロチャネルプレートを有する電子増倍部と、電子増倍部により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号を出力するアノードと、を含む検出部と、(2) 輻射体における相互作用事象毎にアノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶部と、(3) 記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析部と、(4) 記憶部により記憶された複数の電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、を備える。
本発明の第１態様のチェレンコフ検出器において、時刻検出部は、アノードから出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体における相互作用時刻として検出するのが好適である。
本発明の第２態様のチェレンコフ検出器は、(1) 入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる輻射体と、輻射体で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する光電変換部と、光電変換部から放出された電子を増倍して出力する１以上のマイクロチャネルプレートを有する電子増倍部と、電子増倍部により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号を出力するアノードと、を含む検出部と、(2) アノードから出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、を備える。
本発明の第２態様のチェレンコフ検出器は、(3) 輻射体における相互作用事象毎にアノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶部と、(4) 記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析部と、を更に備えるのが好適である。
本発明のチェレンコフ検出器設定方法は、上記の本発明の第２態様のチェレンコフ検出器における特定範囲を設定する方法であって、(1) 輻射体における相互作用事象毎にアノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶ステップと、(2) 記憶ステップにおいて記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析ステップと、を備える。
本発明のＰＥＴ装置は、ＲＩ線源が投入されて測定空間に置かれた被検体において電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対を同時計数法で検出して同時計数情報を収集し、この収集した同時計数情報に基づいて被検体の断層画像を取得する装置であって、測定空間の周囲に設けられγ線を検出する複数の検出器それぞれとして上記の本発明のチェレンコフ検出器を備える。
本発明のチェレンコフ検出器は、優れた時間分解能を有することができる。本発明のチェレンコフ検出器をＴＯＦ-ＰＥＴ装置に用いると、良好な空間分解能を有する断層画像を取得することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、第１実施形態のチェレンコフ検出器１Ａの構成を示す図である。チェレンコフ検出器１Ａは、検出部１０および信号処理部２０Ａを備える。
検出部１０は、輻射体１１、中間層１２、光電変換部１３、電子増倍部１４、アノード１５および筐体１６を含む。検出部１０は、輻射体１１における入射した粒子（例えばγ線）との相互作用の事象毎にアノード１５から電気パルス信号を出力する。
輻射体１１は、入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる。輻射体１１は、屈折率が既知であってチェレンコフ効果が生じ得る材料からなる。輻射体１１は、シンチレーション光が生じ難い材料であるのが好ましい。輻射体１１の材料は、例えば、鉛ガラス（ＳｉＯ２＋ＰｂＯ）、フッ化鉛（ＰｂＦ２）、ＰＷＯ（ＰｂＷＯ４）、フッ化ビスマス（ＢｉＦ３）等である。輻射体１１は、厚みが一様である平板形状を有するのが好ましい。
鉛ガラスは、数％以上の鉛を含む非晶質ガラスである。鉛ガラスは、加工性が良好な材料であり、様々な形状および厚さに容易に加工することができる。鉛ガラスは、鉛含有率が大きいほど、γ線をチェレンコフ光に変換する効率が高く、波長４００ｎｍ以下の光の透過率および屈折率が高くなる特徴を有する。
中間層１２は、輻射体１１と光電変換部１３との間に設けられている。中間層１２は、輻射体１１に含まれる鉛と光電変換部１３との反応を遮るバリア層である。なお、輻射体１１と光電変換部１３との間の反応が問題にならなければ、中間層１２は不要である。
中間層１２の材料は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）等である。中間層１２は、厚みが一様である緻密層であるのが好ましい。中間層１２の厚さは、γ線が輻射体１１と相互作用することにより放出されるチェレンコフ光の波長以下であるのが好ましい。中間層１２の厚さは、当該チェレンコフ光の波長よりも十分に小さいのが好ましく、例えば１０ｎｍ程度であるのが好ましい。中間層１２は、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ： Atomic Layer Deposition）によって輻射体１１上に形成される。
光電変換部１３は、輻射体１１との間に中間層１２を挟んで設けられている。光電変換部１３は、輻射体１１で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する。光電変換部１３の材料は、アルカリ金属元素を含み、例えばアルカリ−アンチモン等である。光電変換部１３は、厚みが一様である。輻射体１１、中間層１２および光電変換部１３は、この順に積層されて一体化されていてもよい。
光電変換部１３と電子増倍部１４との間には、光電変換部１３で放出された電子が電子増倍部１４に向かうように電界が形成される。電子増倍部１４は、光電変換部１３から放出された電子を入力し、電子を増倍して出力する。電子増倍部１４は、１以上のマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ: Micro Chanel Plate）を有する。ＭＣＰの両面（光電変換部１３の側の面、アノード１５の側の面）の間には、電子を増倍するための高電圧が印加される。１個のＭＣＰによる電子増倍率が十分でない場合には、２個以上のＭＣＰを積層して用いるのが好ましい。２個のＭＣＰを積層することで、１０６程度の電子増倍率が得られる。
ＭＣＰの母材が鉛を含む場合、γ線とのＭＣＰとの相互作用がノイズとなる可能性がある。したがって、ＭＣＰは、鉛を含まない（または、鉛含有量が極めて少ない）母材から形成されるのが好ましい。
電子増倍部１４とアノード１５との間には、電子増倍部１４で増倍されて出力された電子がアノード１５に向かうように電界が形成される。アノード１５は、電子増倍部１４により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号Ｓを外部へ出力する。なお、電気パルス信号Ｓは、負のパルスであるので、この図では下向きのパルスとして表示されている。
筐体１６の内部に少なくとも電子増倍部１４およびアノード１５が配置される。筐体１６は気密性を有し、筐体１６の内部は真空（または非常に低い気圧）に維持される。光電変換部１３が筐体１６の窓であってもよく、この場合、筐体１６および光電変換部１３が気密性を有する閉空間を形成する。また、輻射体１１が筐体１６の窓であってもよく、この場合、筐体１６および輻射体１１が気密性を有する閉空間を形成する。
また、輻射体１１の外側の面（光電変換部１３とは反対側の面）に、チェレンコフ光を吸収する遮蔽膜が設けられているのが好ましい。このような遮蔽膜が設けられていることにより、輻射体１１で生じたチェレンコフ光が輻射体１１の外側の面で反射された後に光電変換部１３に入射することを抑制することができる。
信号処理部２０Ａは、検出部１０の輻射体１１における相互作用事象毎にアノード１５から出力される電気パルス信号を入力して、その電気パルス信号について所要の処理を行う。信号処理部２０Ａは、記憶部２１、解析部２２および時刻検出部２３を含む。
記憶部２１は、検出部１０の輻射体１１における相互作用の事象毎にアノード１５から出力される電気パルス信号の波形をデジタル信号波形として記憶する。
解析部２２は、記憶部２１により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める。この特定範囲は、電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の２変数で区画される範囲である。特定範囲は、単一区画の範囲であってもよいし、複数区画の範囲であってもよい。電気パルス信号のパルスの大きさは、電気パルス信号のエネルギに相当するものであり、パルス波高値であってもよいし、パルス面積であってもよい。
時刻検出部２３は、記憶部２１により記憶された複数の電気パルス信号のうちパルスの大きさが前記特定範囲内にある電気パルス信号の値が、前記特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体１１における相互作用時刻として検出する。
次に、信号処理部２０Ａの処理（特に解析部２２における特定範囲の設定）について、図２〜図７を用いて説明する。
図２は、信号処理部２０Ａの記憶部２１による電気パルス信号の波形の記憶の際に用いたシステムの構成を示す図である。２つの検出部１０が対向して配置されている。２つの検出部１０を結ぶ線分の中心位置にＲＩ線源３１が配置されている。一方の検出部１０とＲＩ線源３１との間にコリメータ３２が配置されている。２つの検出部１０は、ＲＩ線源３１が配置された位置における電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対のうち、コリメータ３２を通過する同時計数ライン上を飛行する光子対を同時計数することができる。デジタルオシロスコープ３３は、２つの検出部１０それぞれから出力される電気パルス信号を入力して、それらの電気パルス信号の波形をデジタル信号波形として記憶する。
以下の説明で示すデータは次のような条件の下で収集され解析されたものである。以下では、図２に示される２つの検出部１０を検出部Ａおよび検出部Ｂという。検出部Ａ，Ｂの輻射体１１として、直径１１ｍｍで厚み３.２ｍｍの鉛ガラスからなるものを用いた。検出部Ａ，Ｂの電子増倍部１４として、２個のＭＣＰが積層されたものを用いた。検出部Ａと検出部Ｂとの間の間隔を１２０ｍｍとした。ＲＩ線源３１として22Ｎａを用いた。コリメータ３２として、直径１.０ｍｍの貫通孔を有する厚み５０ｍｍの鉛材を用いた。デジタルオシロスコープ３３として、Ｋｅｙｓｉｇｈｔ社のＤＳＯ−４０４Ａを用いた。このデジタルオシロスコープは、４.２ＧＨｚの帯域幅および２０ＧＳ／ｓの最大サンプリングレートを有する。
図３は、信号処理部２０Ａの記憶部２１により記憶された複数の電気パルス信号のパルスの大きさのヒストグラムを示す図である。記憶された電気パルス信号の総数は２０,０００である。横軸は、電気パルス信号のパルス面積である。縦軸は、電気パルス信号の数である。電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線のエネルギは５１１ｋｅＶで一定であっても、この図に示されるように、検出部から出力される電気パルス信号のエネルギは或る分布を有する。これは、輻射体１１におけるγ線との相互作用の事象毎に発生する光子の個数が或る分布を有し、光電変換部１３において放出される電子の個数も或る分布を有し、また、電子増倍部１４における電子増倍率も或る分布を有するからである。
図４は、信号処理部２０Ａの記憶部２１により記憶された或る電気パルス信号の波形と閾値との関係を示す図である。横軸は時刻であり、縦軸は電気パルス信号の値（電圧値）である。横軸の時刻は、γ線の光子対を同時計数した２つの検出部Ａ，Ｂのうち遅く光子を検出した検出部から出力された電気パルス信号の値がデジタルオシロスコープ３３の設定閾値に達した時刻を基準時刻とするものである。この図は、先に光子を検出した検出部から出力された電気パルス信号の波形を示す。
この図に示されるように、電気パルス信号の波形から求められる検出部によるγ線検出の時刻は、閾値の設定によって異なる。また、電気パルス信号の波形から求められる検出部によるγ線検出の時刻は、電気パルス信号のパルスの大きさ（パルス面積またはパルス波高値）及び閾値に依存したバラツキを有する。そこで、解析部２２は、記憶部２１により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める。
図５は、信号処理部２０Ａの解析部２２による処理の一例を説明するフローチャートである。
ステップＳ１１では、検出部Ａから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲（パルス面積ウィンドウ）をｐａ〜ｐａ＋δａに設定する。ステップＳ１１の後にステップＳ１２へ進む。
ステップＳ１２では、検出部Ａから出力される電気パルス信号について閾値をｖａに設定する。ステップＳ１２の後にステップＳ１３へ進む。
ステップＳ１３では、検出部Ｂから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲（パルス面積ウィンドウ）をｐｂ〜ｐｂ＋δｂに設定する。ステップＳ１３の後にステップＳ１４へ進む。
ステップＳ１４では、検出部Ｂから出力される電気パルス信号について閾値をｖｂに設定する。ステップＳ１４の後にステップＳ１５へ進む。
例えば、ステップＳ１１〜Ｓ１４で設定されるｐａ，ｐｂは０.０１であり、δａ，δｂは０.０１であり、ｖａ，ｖｂは２ｍＶである。
ステップＳ１５では、検出部Ａ，Ｂの間のγ線検出時刻差のヒストグラムを生成して、γ線検出時刻のバラツキの大きさ、すなわち、時間分解能を評価する。ステップＳ１５の後にステップＳ１６へ進む。
ステップＳ１６では、ｖｂが上限値Ｖを超えたか否かを判断する。ｖｂが上限値Ｖを超えていれば、ステップＳ１７へ進む。ｖｂが上限値Ｖを超えていなければ、ステップＳ２４へ進む。ステップＳ２４では、ｖｂにΔｖｂを加えた値を新たなｖｂとして、ステップＳ１５へ進む。
ステップＳ１７では、ｐｂが上限値Ｐを超えたか否かを判断する。ｐｂが上限値Ｐを超えていれば、ステップＳ１８へ進む。ｐｂが上限値Ｐを超えていなければ、ステップＳ２３へ進む。ステップＳ２３では、ｐｂにΔｐｂを加えた値を新たなｐｂとして、ステップＳ１４へ進む。
ステップＳ１８では、ｖａが上限値Ｖを超えたか否かを判断する。ｖａが上限値Ｖを超えていれば、ステップＳ１９へ進む。ｖａが上限値Ｖを超えていなければ、ステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２では、ｖａにΔｖａを加えた値を新たなｖａとして、ステップＳ１３へ進む。
ステップＳ１９では、ｐａが上限値Ｐを超えたか否かを判断する。ｐａが上限値Ｐを超えていれば、ステップＳ３１へ進む。ｐａが上限値Ｐを超えていなければ、ステップＳ２１へ進む。ステップＳ２１では、ｐａにΔｐａを加えた値を新たなｐａとして、ステップＳ１２へ進む。
ステップＳ１６，Ｓ１８において上限値Ｖは例えば１０ｍＶである。ステップＳ１７，Ｓ１９において上限値Ｐは例えば０.１である。ステップＳ２１，Ｓ２３において加算値Δｐａ，Δｐｂは例えば０.００１である。ステップＳ２２，Ｓ２４において加算値Δｖａ，Δｖｂは例えば１ｍＶである。
ステップＳ３１へ進んだ時点では、検出部Ａ，Ｂそれぞれから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲（パルス面積ウィンドウ）および閾値が、下限値（ステップＳ１１〜Ｓ１４で初期設定されたｐａ，ｐｂ，ｖａ，ｖｂ）から上限値（Ｐ，Ｖ）までの範囲において、所定のシフト量（Δｐａ，Δｐｂ，Δｖａ，Δｖｂ）で、スキャンされている。
そして、ステップＳ３１では、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる（すなわち、時間分解能が許容範囲となる）電気パルス信号のパルス面積および閾値の特定範囲を求める。
図６は、信号処理部２０Ａの解析部２２による処理の他の例を説明するフローチャートである。検出部Ａ，Ｂが同じ構成を有し同じ特性を有すると期待される場合には、次のような処理が可能である。
ステップＳ４１では、検出部Ａ，Ｂから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲（パルス面積ウィンドウ）をｐ〜ｐ＋δに設定する。例えば、ここで設定されるｐは０.０１であり、δは０.０１である。ステップＳ４１の後にステップＳ４２へ進む。
ステップＳ４２では、検出部Ａ，Ｂから出力される電気パルス信号について閾値をｖに設定する。例えば、ここで設定されるｖは２ｍＶである。ステップＳ４２の後にステップＳ４３へ進む。
ステップＳ４３では、検出部Ａ，Ｂの間のγ線検出時刻差のヒストグラムを生成して、γ線検出時刻のバラツキの大きさ、すなわち、時間分解能を評価する。ステップＳ４３の後にステップＳ４４へ進む。
ステップＳ４４では、ｖが上限値Ｖを超えたか否かを判断する。上限値Ｖは例えば１０ｍＶである。ｖが上限値Ｖを超えていれば、ステップＳ４５へ進む。ｖが上限値Ｖを超えていなければ、ステップＳ４７へ進む。ステップＳ４７では、ｖにΔｖを加えた値を新たなｖとして、ステップＳ４３へ進む。
ステップＳ４５では、ｐが上限値Ｐを超えたか否かを判断する。上限値Ｐは例えば１０である。ｐが上限値Ｐを超えていれば、ステップＳ４８へ進む。ｐが上限値Ｐを超えていなければ、ステップＳ４６へ進む。ステップＳ４６では、ｐにΔｐを加えた値を新たなｐとして、ステップＳ４２へ進む。
そして、ステップＳ４８では、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる（すなわち、時間分解能が許容範囲となる）電気パルス信号のパルス面積および閾値の特定範囲を求める。
図７は、検出部から出力される電気パルス信号のパルス面積および閾値と時間分解能との関係を示す図である。図７（ａ）において、横軸は閾値であり、縦軸はパルス面積である。図７（ａ）では、図６の処理によって得られた時間分解能が濃淡で示されている。ここに示す時間分解能は、半値全幅（ＦＷＨＭ: Full Width at Half Maximum）で表した同時計数時間分解能（ＣＴＲ: Coincidence Time Resolution）である。以下では、ＦＷＨＭで表したＣＴＲを単にＣＴＲという。図７（ｂ）は、図７（ａ）における或る範囲のパルス面積および閾値を選択したときのγ検出時刻のバラツキを示すグラフである。この例では、ＣＴＲは２８.０ｐｓである。
ところで、通常のＰＥＴ装置により取得される断層画像の空間分解能は５ｍｍ程度である。ＴＯＦ-ＰＥＴ装置により取得される断層画像の空間分解能を５ｍｍ程度以下とするためには、検出器のＣＴＲは３５ｐｓ程度以下でなければならない。本実施形態のチェレンコフ検出器１Ａは、３５ｐｓ以下のＣＴＲを有することができ、さらに、３０ｐｓ以下のＣＴＲを有することもできる。解析部２２は、要求されるＣＴＲに応じて、すなわち、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさの許容値に応じて、電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求めればよい。本実施形態のチェレンコフ検出器１Ａを用いたＴＯＦ-ＰＥＴ装置は、従来のＰＥＴ装置やＴＯＦ−ＰＥＴ装置と比べて、画像再構成の処理をすることなく、アーチファクトが含まれない断層画像を取得することができる。
本発明のチェレンコフ検出器は、図８〜図１０に示される実施形態の構成を有していてもよい。図８〜図１０それぞれに示される検出部１０は、図１を用いて説明したものと同様の構成を有する。
図８は、第２実施形態のチェレンコフ検出器１Ｂの構成を示す図である。図１に示された第１実施形態のチェレンコフ検出器１Ａの構成と比較すると、図８に示される第２実施形態のチェレンコフ検出器１Ｂは、信号処理部２０Ａに替えて信号処理部２０Ｂを備える点で相違する。
第１実施形態における信号処理部２０Ａの時刻検出部２３は、記憶部２１により記憶された複数の電気パルス信号の波形それぞれのパルスの大きさが特定範囲内にあるか否かを判定する。
これに対して、第２実施形態における信号処理部２０Ｂの時刻検出部２３は、記憶部２１により記憶された複数の電気パルス信号の波形それぞれのパルスの大きさが特定範囲内にあるか否かを判定するだけでなく、加えて、アノード１５から出力された電気パルス信号のパルスの大きさが特定範囲内にあるか否かをも判定する。
そして、時刻検出部２３は、アノード１５から出力された電気パルス信号についても、パルスの大きさが特定範囲内にあると判定された電気パルス信号の値が、その特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体１１における相互作用時刻として検出する。
すなわち、第２実施形態のチェレンコフ検出器１Ｂは、記憶部２１により記憶された電気パルス信号だけでなく、記憶部２１により記憶されない電気パルス信号についても、輻射体１１における相互作用時刻を検出して出力することができる。
図９は、第３実施形態のチェレンコフ検出器１Ｃの構成を示す図である。図８に示された第２実施形態のチェレンコフ検出器１Ｂの構成と比較すると、図９に示される第３実施形態のチェレンコフ検出器１Ｃは、信号処理部２０Ｂに替えて信号処理部２０Ｃを備える点で相違する。
第３実施形態における信号処理部２０Ｃは時刻検出部２３からなる。信号処理部２０Ｃは、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を記憶している。この記憶されている特定範囲に基づいて、時刻検出部２３は、アノード１５から出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、その特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体１１における相互作用時刻として検出する。
信号処理部２０Ｃが記憶する特定範囲は、図２〜図７を用いて説明した方法により設定することができる。すなわち、このチェレンコフ検出器設定方法では、輻射体１１における相互作用事象毎にアノード１５から出力された電気パルス信号の波形を記憶部により記憶し（記憶ステップ）、その記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める（解析ステップ）。
図１０は、第４実施形態のチェレンコフ検出器１Ｄの構成を示す図である。図９に示された第３実施形態のチェレンコフ検出器１Ｃの構成と比較すると、図１０に示される第４実施形態のチェレンコフ検出器１Ｄは、信号処理部２０Ｃに替えて信号処理部２０Ｄを備える点で相違する。
第３実施形態における信号処理部２０Ｃは時刻検出部２３からなるのに対して、第４実施形態における信号処理部２０Ｄは、時刻検出部２３に加えて、第１実施形態の構成と同様の記憶部２１および解析部２２をも含む。第４実施形態では、記憶部２１に記憶された複数の電気パルス信号の波形は、解析部２２による処理に用いられるが、時刻検出部２３による処理には用いられない。
解析部２２における処理により得られた特定範囲に基づいて、時刻検出部２３は、アノード１５から出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、その特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体１１における相互作用時刻として検出する。
上記の何れの実施形態の時刻検出部２３においても、入力した電気パルス信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）と、このデジタル信号に基づいて論理演算を行う論理回路とを含む構成により、電気パルス信号のパルスの大きさを判定することができる。また、入力した電気パルス信号の値と閾値とを大小比較する比較器と、この比較器からの出力値が論理反転した時刻を求めるＴＤＣ（Time-to-Digital Converter）回路とを含む構成により、電気パルス信号の値が所定の閾値に達する時刻を求めることができる。
図１１は、ＰＥＴ装置２の構成を示す図である。ＰＥＴ装置２は、ＲＩ線源が投入されて測定空間に置かれた被検体３において電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対を同時計数法で検出して同時計数情報を収集し、この収集した同時計数情報に基づいて被検体３の断層画像を取得する装置である。ＰＥＴ装置２は、通常のＰＥＴ装置であってもよいが、好適にはＴＯＦ-ＰＥＴ装置である。
ＰＥＴ装置２は、複数の検出部１０、信号処理部２０および断層画像作成部４０を備える。各検出部１０は、図１を用いて説明したものと同様の構成を有する。複数の検出部１０は、測定空間の周囲に設けられており、被検体３から到来したγ線を検出することができる。
信号処理部２０は、図１，８〜１０を用いて説明した信号処理部２０Ａ〜２０Ｄの何れかの構成と同様である。信号処理部２０は検出部１０に対して１対１に設けられてもよいし、複数の検出部１０に対して共通に１つの信号処理部２０が設けられてもよい。検出部１０および信号処理部２０は、前述したチェレンコフ検出器１Ａ〜１Ｄの何れの構成と同様である。
断層画像作成部４０は、信号処理部２０から出力される各検出部１０によるγ線検出の時刻情報に基づいて、被検体３の断層画像を作成する。このＰＥＴ装置２は、本実施形態のチェレンコフ検出器を用いてγ線を検出するので、優れた空間分解能を有する断層画像を取得することができる。
１Ａ〜１Ｄ…チェレンコフ検出器、２…ＰＥＴ装置、１０…検出部、１１…輻射体、１２…中間層、１３…光電変換部、１４…電子増倍部、１５…アノード、１６…筐体、２０Ａ〜２０Ｄ，２０…信号処理部、２１…記憶部、２２…解析部、２３…時刻検出部、３１…ＲＩ線源、３２…コリメータ、３３…デジタルオシロスコープ、４０…断層画像作成部。
Claims (6)
- 入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる輻射体と、前記輻射体で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する光電変換部と、前記光電変換部から放出された電子を増倍して出力する１以上のマイクロチャネルプレートを有する電子増倍部と、前記電子増倍部により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号を出力するアノードと、を含む検出部と、
前記輻射体における相互作用事象毎に前記アノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶部と、
前記記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析部と、
前記記憶部により記憶された複数の電気パルス信号のうちパルスの大きさが前記特定範囲内にある電気パルス信号の値が、前記特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、前記輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、
を備えるチェレンコフ検出器。 - 前記時刻検出部は、前記アノードから出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが前記特定範囲内にある電気パルス信号の値が、前記特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、前記輻射体における相互作用時刻として検出する、
請求項１に記載のチェレンコフ検出器。 - 入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる輻射体と、前記輻射体で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する光電変換部と、前記光電変換部から放出された電子を増倍して出力する１以上のマイクロチャネルプレートを有する電子増倍部と、前記電子増倍部により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号を出力するアノードと、を含む検出部と、
前記アノードから出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、前記特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、前記輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、
を備えるチェレンコフ検出器。 - 前記輻射体における相互作用事象毎に前記アノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶部と、
前記記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析部と、
を更に備える請求項３に記載のチェレンコフ検出器。 - 請求項３に記載のチェレンコフ検出器における前記特定範囲を設定する方法であって、
前記輻射体における相互作用事象毎に前記アノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶ステップと、
前記記憶ステップにおいて記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析ステップと、
を備えるチェレンコフ検出器設定方法。 - ＲＩ線源が投入されて測定空間に置かれた被検体において電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対を同時計数法で検出して同時計数情報を収集し、この収集した同時計数情報に基づいて前記被検体の断層画像を取得する装置であって、
前記測定空間の周囲に設けられγ線を検出する複数の検出器それぞれとして請求項１〜４の何れか１項に記載のチェレンコフ検出器を備える、
ＰＥＴ装置。
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