JP4660706B2 - エネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線検出方法及び装置に係り、特に、ポジトロンイメージング装置や陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）装置に用いるのに好適な、エネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法及び装置に関する。

図１に示す如く、＋β崩壊によって陽電子放出核種８から放出された陽電子が、周囲の電子と対消滅し、それによって生ずる一対の５１１keVの消滅放射線８ａ、８ｂを、対の放射線検出器１０ａ、１０ｂで同時計数の原理によって測定するＰＥＴ装置が知られている。この際、５１１keVのエネルギーを付与した消滅放射線のみを利用するため、エネルギーウィンドウによって、取得するエネルギー（信号）の下限と上限を制限する。これにより、核種８の存在位置を、対の検出器１０ａ、１０ｂ同士を結ぶ１本の線分（同時計数線：line-of-response：ＬＯＲ）上に特定することができる。被検体の頭から足の方向に向かう軸を体軸と定義すると、体軸と垂直に交わる平面上の核種の分布は、その平面上において様々な方向から測定された同時計数線のデータから、２次元画像再構成によって求められる。

ＰＥＴ用検出器１０は、断面が５ｍｍ角程度の微細な検出素子の集まりであり、体内から対向して放出される１対の消滅放射線８ａ、８ｂを高い確率で検出するためには２〜３ｃｍ程度の厚さを必要とする。又、検出器１０は、１対の消滅放射線を捉えるために、図２に示す如く、被検者を覆うようにリング状に配置されているのが一般的である。しかしながら、検出器１０に対して斜めに入射する放射線は測定誤差を生じ、空間分解能を劣化させるため、リング径を視野より大幅に大きくせざるを得ない。

ＰＥＴ装置において、より高い検出能を獲得するために、検出素子に入射した深さ位置も検出する３次元検出器が開発されている。図３に例示する如く、同一種類の検出素子２１〜２４を受光素子２６の上に積層し、検出素子間の光学反射材によって光の進路を制御することで、受光素子２６から出力される信号の違いから、深さ検出位置とエネルギーを特定することができる（特開２００４−２７９０５７号公報（特許文献１）、Ｈ．Ｍurayama，Ｈ．Ｉshibashi，Ｈ．Ｕchida，Ｔ．Ｏmura，Ｔ．Ｙamashita，“Ｄesign of a depth of interaction detector with a PS-PMT for ＰＥＴ”，ＩＥＥＥ Ｔrans．Ｎucl．Ｓci．，Vol．47，Ｎo．3，1045-1050，2000（非特許文献１）参照）。また、２層の深さ識別には、２種類の検出素子を層ごとに積層し、受光素子２６から出力される信号の時間的な違いから、深さ検出位置を特定するのが一般的である。

このような３次元検出器２０は、検出素子に対して斜めに入射する放射線による空間分解能の劣化を改善でき、従来のＰＥＴ装置に比べて検出器を被検体に近接することができるため、より高感度検出が可能となる。

一方、感度を向上させるための方法として、図４（Ａ）に示す検出器散乱を利用することが考えられるが、従来の２次元検出器１０では、図４（Ｂ）、（Ｃ）に示す如く、被検体（散乱体とも称する）６の散乱と区別できないため、図５及び図６に示す如く、エネルギーウィンドウの下限を、光電吸収Ａにおけるエネルギーの下限に合わせることで両方の事象をノイズとして除外していた。

なお、図７に示す如く、検出器１０の上面に、低エネルギーの散乱線を除去するシールド１２を設置すれば、被検体６からの散乱線は除去できるが、同時に光電吸収事象も一部除去してしまう（Ｇ．Ｍuehllehner：“Ｐositron camera with extended counting rate capability”，Ｊ．Ｎucl．Ｍed．Vol．16，663-657，1975（非特許文献２）参照）。

従って、３次元検出器を実装したＰＥＴ装置は、従来のＰＥＴ装置に比べて高感度な検出器配置を取ることができるが、それでもなお、ＰＥＴ装置の持つ原理的な高感度計測法及び豊富な情報量を十分に活かし切っていないという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、従来は捨てていた検出器内での散乱成分を取得可能として、検出感度を向上させることを課題とする。

体内で散乱した事象は、検出器に入射する以前にエネルギー損失を起こしており、検出器に入射する時点におけるエネルギーが５１１keVよりも少ないほど、検出器の上層で全エネルギーを付与して停止する確率が高くなる。一方、検出素子のみで散乱した事象は、入射した時点のエネルギーは５１１keVであり、結晶内で１回若しくは複数回の散乱を繰り返した後、最終的に５１１keVの全エネルギーを付与するか、エネルギーの一部を付与し、残りのエネルギーを保有したまま、検出器の外へ逃げてしまう。体内で散乱せず、検出素子において５１１keVの全エネルギーを付与した場合は、図５に示したエネルギーウィンドウ内で検出されるが、一部のエネルギーのみ付与した場合は、有意な位置情報を有しているにも拘らず、エネルギーウィンドウを外れてしまうことがある。従って、従来のＰＥＴ装置では、図４に示した如く、検出器内で散乱した真の同時計数Ｂと散乱同時計数Ｃを識別できないため、有用な位置情報を持ったＢの大部分を捨てていた。

３次元検出器２０は、図８に示す如く、下層の検出素子においては、散乱体による散乱（散乱同時計数）Ｃを低減できるため、エネルギーウィンドウの下限を検出器散乱エネルギーの下限まで下げることにより、検出器散乱Ｂも同時計数として利用できる。本発明は、このような事象を有効に活用し、放射線検出装置の感度を向上させる方法を提供する。被検体による散乱と検出器での散乱の割合は、放射線を検出した深さと付与したエネルギーによって異なることが期待される。従って、３次元検出器で検出した深さ方向の検出位置とエネルギー情報を取得できれば、被検体からの散乱成分が多い領域は取り除いて、検出器での散乱成分を取得可能になる。更に、３次元検出器で検出した深さ方向の検出位置とエネルギー情報を取得し、被検体からの散乱成分が多いエネルギーでは重みを小さく、被検体からの散乱成分が少ないエネルギーでは重みを大きくして、データ収集を行うことで、被検体からの散乱成分の混入割合を最小にしながら、検出器での散乱成分を取得可能になる。

本発明は、このような点に着目してなされたもので、検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する際に、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウを変えることにより、検出器内での散乱成分を取得可能とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法において、単一エネルギーの放射線に対し、検出器深さ方向の検出位置に応じて、被検体による散乱成分が所定値より少ない２つ以上のエネルギーウィンドウの放射線の情報を利用することで、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する放射線検出装置であって、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウが変えられ、検出器内での散乱成分が取得可能とされているエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置において、単一エネルギーの放射線に対し、検出器深さ方向の検出位置に応じて、被検体による散乱成分が所定値より少ない２つ以上のエネルギーウィンドウの放射線の情報を利用するようにされていることを特徴とする放射線検出装置を提供するものである。
本発明は、又、検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する際に、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウを変えることにより、検出器内での散乱成分を取得可能とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法において、検出器を２以上の検出素子で構成し、上方の検出素子より下方の検出素子のエネルギーウィンドウを広げることで、前記課題を解決したものである。
本発明は、又、検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する放射線検出装置であって、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウが変えられ、検出器内での散乱成分が取得可能とされているエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置において、検出器が２以上の検出素子で構成され、上方の検出素子より下方の検出素子のエネルギーウィンドウが広げられていることを特徴とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置を提供するものである。
ここで、前記下方の検出素子のエネルギーウィンドウの下限を、検出器散乱エネルギーの下限まで下げることができる。

又、検出器深さ方向の検出位置に応じて、異なる検出素子を備えることができる。

又、検出器での検出イベントに対して、検出器深さ方向の検出位置とエネルギー情報に応じた重み付けを与えて、検出器内での散乱成分を取得可能とすることができる。

本発明によれば、検出器内での散乱成分を取得可能として、検出器の感度を高めることができる。従って、ＰＥＴ装置やポジトロンイメージング装置等の感度を高めることができる。

更に、検出イベントに深さ方向の検出位置とエネルギー情報に応じた重み付けを与えて、より詳細なエネルギー情報を利用することで、被写体（散乱体）による散乱の混入割合を低減しながら検出器散乱イベントを活用でき、信号対ノイズ比を改善できる。

ＰＥＴ装置の原理を示す図 従来のＰＥＴ装置の全体構成を示す図 特許文献１で提案された３次元検出器を示す斜視図 本発明の原理を説明するための、ガンマ線の相互作用とエネルギースペクトルを示す図 従来のエネルギーウィンドウによる散乱線の除去法を示す図 従来法によるデータ処理を示す図 従来のシールドによる散乱線の除去法を示す図 本発明の原理を示す図 本発明を利用したＰＥＴ装置の第１実施形態を示す図 第１実施形態のデータ処理手順を示す流れ図 第１実施形態への放射線の入射状況を示す図 第１実施形態の同時計数手順を示す流れ図 本発明を利用したＰＥＴ装置の第２実施形態を示す図 同じく第３実施形態の処理手順を示す流れ図 同じく第４実施形態の処理手順を示す流れ図 実施例のエネルギーウィンドウを示す図 同じく（Ａ）真の同時計数と（Ｂ）散乱同時計数のエネルギースペクトルを比較して示す図 同じく（Ａ）感度と（Ｂ）散乱フラクションを比較して示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図９に示す如く、３次元検出器２０を実装したＰＥＴ装置等において、図１０に示す如く、低エネルギー領域においても検出深さを制限することで検出器散乱を利用し、図１１に示す如く、被検体６内で散乱した事象Ｃと、検出器２０で散乱した後、エネルギーの一部を検出器２０に付与した事象Ｂを識別する機構を持つ。これにより、位置情報の劣化を防止しつつ、３次元検出器を有するＰＥＴ装置等の更なる高感度化が達成される。

同時計数の手順を図１２に示す。

又、本発明は、検出素子を積層する場合、全ての層において同一の検出素子を用いる必要が無く、図１３に示す第２実施形態の如く、実効原子番号の高い高価な検出素子２０Ａが必要な上層に比べて、下層においては実効原子番号の低い安価な検出素子２０Ｂを利用するというように異なる検出素子を用いることが可能である。この際、上層の検出素子２０Ａの長さは散乱線を止めるのに十分な長さを持たせるが、下層の検出素子２０Ｂより短くすることで、低コストで高性能なＰＥＴ装置が実現できる。

もしくは、半導体検出器のような、実効原子番号の低い検出素子のみを用いたＰＥＴ装置の高感度化を達成することもできる。

本発明の第３実施形態は、図９に示したような、３次元検出器２０を実装したＰＥＴ装置等において、図１４に示すように、検出イベントに検出位置とエネルギーに応じた重み付けをかけながら、ヒストグラミング収集を行うようにしたものである。

または、図１５に示す第４実施形態のように、検出イベントをリストモードデータとして保存し、画像再構成の際に、検出位置とエネルギーに応じた重み付けをかけながら再構成を行うようにしたものである。

この際、図８に示したように、低エネルギー領域における散乱体による散乱と検出器散乱の割合を事前にシミュレーション等で計算し、検出深さ（層）とエネルギーに応じた重み付けをテーブル化しておく。重みは、例えば（検出器散乱の割合）／（散乱体による散乱の割合）に比例して設定するか、（検出器散乱の割合）／（散乱体による散乱の割合）が一定値を超えた場合は１．０、それ以外は０．０として計算する。

この第３、第４実施形態のように、第１、第２実施形態と比べて、より詳細なエネルギー情報を利用することで、被写体（散乱体）による散乱の混入割合を低減しながら検出器散乱イベントを活用でき、信号対ノイズ比を改善できる。

出願人らが開発した頭部用ＰＥＴ装置試作機「ｊＰＥＴ−Ｄ４」（Ｅ．Ｙoshida，Ｋ．Ｋitamura，Ｔ．Ｔsuda，et．al．：“Ｅnergy spectra analysis of four-layer ＤＯＩ detector for brain ＰＥＴ scanner：jＰＥＴ−Ｄ４”，Ｎucl．Ｉnstr．Ｍeth．Ａ，577，664-669，2006（非特許文献３）参照）を模擬したシミュレーションを行なった。本装置は、２．９×２．９×７．５ｍｍのＧＳＯシンチレータを４層に積層した３次元検出器２０を用いて、３９ｃｍのリング径と２６ｃｍの長さを持つ検出器リングを構成した。被検体６を模擬するファントムとしては、直径２０ｃｍ、長さ２０ｃｍの円筒ファントムを水で満たし、中心軸上に２０ｃｍの1対の５１１keVの放射線を放出する線状放射線源を設置した。

従来法によるエネルギーウィンドウは、全ての層で同じで、例えば４００〜６００keVであるが、本発明による方法では、図１６に示す如く、１層目は４００〜６００keVとし、２層目〜４層目は１００〜３００keV及び４００〜６００keVの二つのエネルギーウィンドウとした。つまり、３００〜４００keVを除く、１００〜６００keVとした。このように必要に応じて、従来のＰＥＴ装置とは異なり、複数のエネルギーウィンドウを設けることもできる。

図１７に、（Ａ）真の同時計数のエネルギースペクトルと（Ｂ）散乱同時計数のエネルギースペクトルを示す。下層に行く程、（Ｂ）に示す被検体による散乱線の影響が少なくなっていることが分かる。

図１８に、エネルギーウィンドウの下限を変化させた際の（Ａ）相対感度と（Ｂ）散乱フラクション（計測したデータに物体散乱が含まれる割合）の変化を示す。相対感度は、エネルギーウィンドウの下限４００keVを１００としてある。図から明らかなように、本発明を用いることによって、散乱フラクションの増加を抑えつつ、高感度を達成できる。

なお、前記説明においては、本発明がＰＥＴ装置に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、ポジトロンイメージング装置等の他の核医学イメージング装置や、放射線検出装置一般に適用できる。又、３次元検出器の種類も、図３に示した物に限定されず、例えばアナログで深さ方向位置を識別できるものでも良い。

産業上の利用の可能性

本発明は、ＰＥＴ装置の他、ポジトロンイメージング装置等の他の核医学イメージング装置や、放射線検出装置一般に適用できる。

Claims (10)

1. 検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する際に、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウを変えることにより、検出器内での散乱成分を取得可能とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法において、
   単一エネルギーの放射線に対し、検出器深さ方向の検出位置に応じて、被検体による散乱成分が所定値より少ない２つ以上のエネルギーウィンドウの放射線の情報を利用することを特徴とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法。
2. 検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する放射線検出装置であって、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウが変えられ、検出器内での散乱成分が取得可能とされているエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置において、
   単一エネルギーの放射線に対し、検出器深さ方向の検出位置に応じて、被検体による散乱成分が所定値より少ない２つ以上のエネルギーウィンドウの放射線の情報を利用するようにされていることを特徴とする放射線検出装置。
3. 検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する際に、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウを変えることにより、検出器内での散乱成分を取得可能とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法において、
   検出器を２以上の検出素子で構成し、
   上方の検出素子より下方の検出素子のエネルギーウィンドウを広げることを特徴とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法。
4. 前記下方の検出素子のエネルギーウィンドウの下限を、検出器散乱エネルギーの下限まで下げたことを特徴とする請求項３に記載の放射線検出方法。
5. 検出器深さ方向の検出位置に応じて、異なる検出素子を用いることを特徴とする請求項３に記載のエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法。
6. 検出器での検出イベントに対して、検出器深さ方向の検出位置とエネルギー情報に応じた重み付けを与えて、検出器内での散乱成分を取得可能とすることを特徴とする請求項３に記載のエネルギーと位置情報を利用した放射線検出方法。
7. 検出器深さ方向の検出位置とエネルギーが識別可能な検出器を用いて放射線を検出する放射線検出装置であって、検出器深さ方向の検出位置に応じて、信号とノイズを識別するエネルギーウィンドウが変えられ、検出器内での散乱成分が取得可能とされているエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置において、
   検出器が２以上の検出素子で構成され、
   上方の検出素子より下方の検出素子のエネルギーウィンドウが広げられていることを特徴とするエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置。
8. 前記下方の検出素子のエネルギーウィンドウの下限が、検出器散乱エネルギーの下限まで下げられていることを特徴とする請求項７に記載の放射線検出装置。
9. 検出器深さ方向の検出位置に応じて、異なる検出素子を備えたことを特徴とする請求項７に記載のエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置。
10. 検出器での検出イベントに対して、検出器深さ方向の検出位置とエネルギー情報に応じた重み付けが与えられ、検出器内での散乱成分が取得可能とされていることを特徴とする請求項７に記載のエネルギーと位置情報を利用した放射線検出装置。

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