JP6694213B2

JP6694213B2 - 積層型放射線３次元位置検出器

Info

Publication number: JP6694213B2
Application number: JP2016073372A
Authority: JP
Inventors: 吉田　英治; 英治吉田; 山谷　泰賀; 泰賀山谷
Original assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Current assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: US20170285184A1; US9933529B2; JP2017181470A

Description

本発明は、積層型放射線３次元位置検出器に係り、特に、ポジトロンイメージング装置や陽電子放射断層像撮像（ＰＥＴ）装置等の核医学イメージングや放射線計測の分野で用いるのに好適な積層型放射線３次元位置検出器に関する。

放射線位置検出器として、シンチレータ素子（例えば結晶）をアレイ状に組み、受光素子を光学接合したものが一般的である。ＰＥＴ装置で、より高い空間分解能を得るためには放射線の入射面に対するシンチレータ素子の断面サイズを小さくする必要がある。したがって、シンチレータ素子の断面サイズによってＰＥＴ装置の画質が大きく左右される。

商用のＰＥＴ装置ではシンチレータ素子の断面サイズは４ｍｍ角程度であり、アレイ状に組まれたシンチレータは、図１に例示する如く、シンチレータ素子（検出素子）２０間に光学反射材（単に反射材とも称する）２６を用いることでガンマ線との相互作用で発生した光を制御して、受光素子３０の出力からアンガー計算により作成された重心マップ３５上で各結晶の弁別を行う。

また、図２に例示する如く、体１０内から対向して放出される１対の消滅放射線（同時計数線とも称する）１２、１４をＰＥＴ検出器１６、１８により高い確率で検出するためには２〜３ｃｍ程度の厚さのシンチレータ素子を必要とする。しかしながら、この厚みが斜め入射の消滅放射線に対して空間分解能を劣化させる要因となるため、相互作用位置の深さも検出できる３次元位置検出器が一部のＰＥＴ装置で利用されている（特許文献１〜３）。

放射線３次元位置検出器のシンチレータ結晶特定方法については様々な方法が提案されている。シンチレータ結晶を３次元に積層する積層型３次元位置検出器で最も一般的な方法は、特性の異なる２種類のシンチレータアレイを積層し、波形解析から深さ情報を特定する方法（非特許文献１）である。

また、図３に示すように、光学反射材（単に反射材とも称する）２６と光学接着剤２８によってシンチレーション光の分布を制御して、３次元に積層したシンチレータアレイ（図では４層）２１〜２４の応答を重なりなく重心マップ３５に投影することで深さ位置情報を検出する積層型放射線３次元位置検出器（特許文献４、非特許文献２）も提案されている。

また、製造コストの低下を目指す方法として、シンチレータ内部をレーザー加工する方法（非特許文献３）や、アレイ化しない単一のシンチレータブロックを用いてシンチレータ光の受光面分布から相互作用位置を特定する方法（非特許文献４）も提案されている。

特開平１１−１４２５２３号公報特開平１１−１４２５２４号公報特開２００４−２７９０５７号公報特許第５０１１５９０号公報特開２０１５−０８７２６０号公報再表２０１０−０４１３１３号公報（請求項８、段落００４５、図１３）

M. Schmand, L. Eriksson, M. E. Casey, M. S. Andreaco, C. Melcher, K. Wienhard, G. Fluegge, and R. Nutt,"Performance results of a new DOI detector block for a High Resolution PET-LSO Research Tomograph HRRT," IEEE Trans Nucl Sci, vol. 45, no. 6, pp. 3000-3006, 1998. T. Tsuda, H. Murayama, K. Kitamura, T. Yamaya, E. Yoshida, T. Omura, H. Kawai, N. Inadama, and N. Orita, "A Four-Layer Depth of Interaction Detector Block for Small Animal PET, "IEEE Trans Nucl Sci, vol. 51, no.5, pp. 2537-2542, 2004. T. Moriya, K. Fukumitsu, T. Sakai, S. Ohsuka, T. Okamoto, H. Takahashi, M. Watanabe, and T. Yamashita, "Development of PET Detectors Using Monolithic Scintillation Crystals Processed With Sub-Surface Laser Engraving Technique," IEEE Trans Nucl Sci, vol. 57, no. 5, pp. 2455-2459, 2010. F. Sanchez, L. Moliner, C. Correcher, A. Gonzalez, A. Orero, M. Carles, A. Soriano, M. J. Rodriguez-Alvarez, L. A. Medina, F. Mora, and J. M. Benlloch, "Small animal PET scanner based on monolithic LYSO crystals: Performance evaluation," Med. Phys., vol. 39, p. 643, n/a 2012.

ＰＥＴの画質を向上するためには前述の通り、より微小なシンチレータ素子を用いることが必要であるが、微小なシンチレータ素子を用いるには個々のシンチレータ素子を特定する技術的な問題と製造コストが課題になる。

特に、アルツハイマーをはじめとする精神・神経症疾患の診断・研究にＰＥＴが期待されており、出願人は特許文献５でヘルメット型ＰＥＴ装置を提案しているが、頭部ＰＥＴ装置においては、癌の全身スクリーニング検査と比べても高い分解能を必要とする。しかしながら、従来はこれに対応できなかった。

一方、出願人は特許文献６において、受光素子に一番近い最下層の結晶を上方２段の結晶の２倍の大きさとすることを提案しているが、これは、最下層の感度向上が目的であって、本発明のように放射線入射面に近い層の分解能向上が目的ではなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、低コストと高分解能を両立した積層型放射線３次元位置検出器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明では、３層以上の積層型放射線３次元位置検出器において、図４に例示するように、放射線入射面側から数えて１層目のシンチレータ素子のみに２層目以上のシンチレータ素子に対し小さな断面サイズのシンチレータ素子を用いることで、低コストと高分解能を両立した積層型放射線３次元位置検出器を提供する。

図４上段は、（Ａ）に示す参考例の２層ＤＯＩで１層目と２層目の厚みを均等、不均等、（Ｂ）に示す本発明の３層ＤＯＩで１層目と２、３層目の厚みを均等、不均等、（Ｃ）に示す本発明の４層ＤＯＩで１層目と２〜４層目の厚みを均等、不均等とした例を示す。図４下段は、１層目の断面サイズを、１層目以外の１／４、１／２、１／９とした例を示す。

従来型の積層型放射線３次元位置検出器（非特許文献２）では、反射材で囲まれた４個のシンチレータ素子を空気と光学接着によって識別したが、１層目のシンチレータ素子の断面サイズを例えば１／４にした場合、４×４の１６個のシンチレータ素子の識別を反射材を用いずに行わなければならない。そこで、１層目のシンチレータ素子の識別には、例えば４×４のシンチレータ素子の中心の４素子については光学接着、辺縁部の素子については空気層で最適化し、更に必要に応じて１層目と２層目間にライトガイドを用いることで１層目のシンチレータ素子の識別能を向上することができることが確認できた。

本発明は、上記のような実験結果に基づいてなされたもので、受光素子の受光面上に光学的不連続面によりピクセル化した、３以上の２次元シンチレータアレイを積層し、放射線を検出したシンチレータ素子の応答を受光面上で識別可能とすることで、放射線検出位置を３次元で得るようにした積層型放射線３次元位置検出器において、検出効率が高い放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイのみのピクセルピッチを、２層目以上のシンチレータアレイのピクセルピッチよりも小さくして、前記放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイを高分解能化することにより前記課題を解決したものである。

ここで、前記１層目と２層目のシンチレータアレイの間にライトガイドを挿入して、前記１層目のシンチレータアレイで発生したシンチレーション光が前記２層目のシンチレータアレイにも広がるようにすることができる。

又、前記放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイのピクセルピッチを、縦方向及び／又は横方向に、前記２層目以上のシンチレータアレイのピクセルピッチの２以上の自然数分の１とすることができる。

又、前記放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイへの放射線入射位置を、空気層と光学接着層の配置パターンにより受光面上で識別可能とすることができる。

又、各層のシンチレータの厚みは任意に選択することが可能である。

又、本発明はシンチレータの種類は問わずに利用でき、波形解析目的以外でも異なる種類のシンチレータを層ごとで変更することも可能である。

図５に、（Ａ）従来型の４層積層型放射線３次元位置検出器と（Ｂ）１層目のシンチレータアレイ３１を１／４の断面サイズにした場合の本発明の実施例による効果を比較して示す。（Ａ）に示す従来法では垂直入射のガンマ線については、どのシンチレータ素子と相互作用しても同じ幅の同時計数線を引くが、（Ｂ）に示す本発明による方法では１層目同士の同時計数線の幅は従来法の半分になるため空間分解能が向上する。また１層目と２層目以降の同時計数線においても、空間分解能は落ちるが同様の効果が期待できる。例えば、３ｃｍ厚のＧＳＯシンチレータを４層に等分割した場合、１層目（７．５ｍｍ厚）の５１１ｋｅＶガンマ線に対する検出効率は実験によれば約４割であり、同時計数における１層目との相互作用が含まれる事象は約８割となる。従って、３層以上の積層型放射線３次元位置検出器において、最も検出効率が高い１層目のシンチレータ素子のみを２層目以上のシンチレータ素子より小さな断面サイズに小さくすることで、２層目以上も小さくする場合に比べて大きなコストを掛けずに最小限のコストで検出器の位置弁別性能を大幅に向上し、ＰＥＴ等の画質向上につながる。

１層目に１．５×１．５×５ｍｍ³のＬＳＯシンチレータ、２層目から４層目において３×３×５ｍｍ³のＬＳＯシンチレータを用いた検出器を用い、直径２５ｃｍの小動物サイズＰＥＴ装置を模擬したモンテカルロ・シミュレーションを実施して算出された空間分解能を図６に示す。従来例として全てのシンチレータが３×３×５ｍｍ³と１．５×１．５×５ｍｍ³での結果を比較として追記した。３×３×５ｍｍ³シンチレータアレイと１．５×１．５×５ｍｍ³シンチレータアレイの空間分解能の差は０．７３ｍｍであり、本発明法の差は０．４ｍｍであった。本発明法は１層分（２５％）のシンチレータのみを１．５×１．５×５ｍｍ³に交換しただけで５５％の空間分解能改善効果が期待できる。

一般的なＰＥＴ用検出器と重心演算による結晶識別方法を示す図ＰＥＴ装置で消滅放射線を検出している状態を示す断面図従来の積層型放射線３次元位置検出器の構造と結晶弁別方法の例を示す図参考例と本発明による積層型放射線３次元位置検出器の構造例を示す図（Ａ）従来例と（Ｂ）本発明の実施例の効果を比較して示す図従来例と本発明法による空間分解能予測を示す図本発明の実施形態を示す図層間ライトガイドの効果を示す図前記実施形態によって得られた重心マップを示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

図３に示した４層積層型放射線３次元位置検出器に適用した本発明の実施形態を図７に示す。

本実施形態は、放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイ３１のピクセルピッチを、検出効率の低い受光素子３０側の他の３層（２層目、３層目及び４層目）のシンチレータアレイ３２、３３、３４のピクセルピッチの縦方向及び横方向に１／２とすると共に、前記１層目のシンチレータアレイ３１と２層目のシンチレータアレイ３２の間にライトガイド４０を挿入したものである。ライトガイドとシンチレータアレイは光学接着剤などで光学結合することができる。

前記１層目のシンチレータアレイ３１は、例えば１．５×１．５×５ｍｍ³のＬＹＳＯシンチレータ素子を１６×１６のアレイとすることができる。

１層目のシンチレータ素子間は、４×４のＬＹＳＯシンチレータ素子ごとに光学反射材３６を挿入し、該光学反射材３６内のシンチレータ素子は、光学接着剤３８と空気層３７によって受光面上で結晶応答が重ならないように最適化した。具体的には、図中に例示したように、４×４のシンチレータ素子の中心の４素子については光学接着剤３８による接着、辺縁部の素子については空気層３７とすることが好適であるが、これに限定されない。

一方、２〜４層目のシンチレータアレイ３２〜３４は、図に示すように３×３×５ｍｍ³のＬＧＳＯシンチレータを８×８の３層のアレイ状に積層した。反射材３６の構造などは、図３に示した従来の４層積層型３次元位置検出器と同等である。

又、１層目と２層目の間には、ライトガイド４０を挟み込んだ。ライトガイド４０の材質はアクリル、サイズはシンチレータアレイと同サイズ（上記アレイでは２３×２３ｍｍ²）、厚みは０．５ｍｍが好適であるが、これに限定されない。層間ライトガイド４０の効果を図８に示す。

²²Ｎａ線源による上方からの一様照射によって得られた重心マップを図９に示す。ライトガイドを１層目と２層目の間に挿入することで１層目の識別が改善されていることが確認できる。また、本条件においてはライトガイドの厚みは０．５ｍｍが最適であり、１ｍｍにすると応答が重なる傾向が見られた。０．５ｍｍ厚のライトガイドを用いた重心マップにおいて図７中に拡大して示した最小の区画内の１層目の１６素子、及び２〜３層目の各４素子の応答が識別できていることが明らかである。

なお、前記実施形態においては、シンチレータアレイのピクセル化を結晶分割により行っていたが、一体レーザー加工で行ったり、あるいは分割された結晶と一体レーザー加工の組合せにより行うことも可能である。

又、前記実施形態においては、放射線入射面側の１層目のピクセルピッチが、縦方向及び横方向に共に放射線受光素子側のピクセルピッチの１／２とされていたが、図４下段に例示したように、縦方向又は横方向のいずれか一方を１／２としたり、あるいは縦方向及び／又は横方向の１／２以外の３以上の自然数分の１とすることも可能である。

シンチレータアレイの層数も４層に限定されず、図４上段に例示したように、３層以上であればよい。

シンチレータの材質も実施例に限定されない。

本発明によれば、既存のＰＥＴ装置における４ｍｍ台の分解能を、大きなコストを掛けずに２ｍｍ台に改善することができ、特許文献５で提案したようなヘルメット型ＰＥＴ装置を含む頭部ＰＥＴ装置に対応できる。

２０…検出素子（シンチレータ素子）
３０…受光素子
３１〜３４…シンチレータアレイ
３５…重心マップ
３６…反射材
３７…空気層
３８…光学接着剤
４０…（層間）ライトガイド

Claims

受光素子の受光面上に光学的不連続面によりピクセル化した、３以上の２次元シンチレータアレイを積層し、放射線を検出したシンチレータ素子の応答を受光面上で識別可能とすることで、放射線検出位置を３次元で得るようにした積層型放射線３次元位置検出器において、
放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイのみのピクセルピッチを、２層目以上のシンチレータアレイのピクセルピッチよりも小さくして、前記放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイを高分解能化したことを特徴とする積層型放射線３次元位置検出器。
前記１層目と２層目のシンチレータアレイの間にライトガイドを挿入して、前記１層目のシンチレータアレイで発生したシンチレーション光が前記２層目のシンチレータアレイにも広がるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の積層型放射線３次元位置検出器。
前記放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイのピクセルピッチが、縦方向及び／又は横方向に、前記２層目以上のシンチレータアレイのピクセルピッチの２以上の自然数分の１とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型放射線３次元位置検出器。
前記放射線入射面側の１層目のシンチレータアレイへの放射線入射位置が、空気層と光学接着層の配置パターンにより受光面上で識別可能とされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型放射線３次元位置検出器。