JP6796293B2 - Gamma ray camera with liquid argon detector - Google Patents
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Description
本発明は、液体アルゴン検出器を細分化・セル化することにより、検出器のデザインの自由度が増し、それぞれの用途に最適化された形状のガンマ線カメラを製造可能にするものである。特に、医療用画像診断、及び港・空港・関所等でのセキュリティーチェック（放射線物質の違法輸送検査等）を行う際のガンマ線カメラに関する技術分野である。The present invention increases the degree of freedom in the design of the detector by subdividing and cell-forming the liquid argon detector, and makes it possible to manufacture a gamma-ray camera having a shape optimized for each application. In particular, it is a technical field related to gamma-ray cameras for medical image diagnosis and security checks (illegal transportation inspection of radioactive substances, etc.) at ports, airports, barriers, etc.
ガンマ線はＸ線に比べて透過度が高く、医療用画像診断「ポジトロン断層法」、及び「単一光子放射断層撮影」（以下、単に「ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ」という）に用いられている。しかしながら、１００ｋｅＶから１０ＭｅＶ領域のガンマ線は主にコンプトン散乱をするため、イベント再構成のためには十分な位置分解能、エネルギー分解能が必要となる。従来のガンマ線カメラでは、蛍光作用のあるクリスタル（結晶素子）または、高純度半導体素子が使用されているが、高価なクリスタル・半導体素子を用いるため、大型化は困難である。また、検出器内での位置分解能が低く、イベント再構成が容易ではないという問題がある。Gamma rays have higher transmittance than X-rays and are used for medical image diagnosis "positron emission tomography" and "single photon emission tomography" (hereinafter, simply referred to as "PET / SPECT"). However, since gamma rays in the 100 keV to 10 MeV region mainly scatter Compton, sufficient position resolution and energy resolution are required for event reconstruction. In a conventional gamma ray camera, a crystal having a fluorescent action or a high-purity semiconductor element is used, but it is difficult to increase the size because an expensive crystal semiconductor element is used. In addition, there is a problem that the position resolution in the detector is low and event reconstruction is not easy.
ＰＥＴ検査では、ＦＤＧ（ブドウ糖にポジトロン核種を合成した薬剤・検査薬）を体内に注射し、ガン細胞に集中したＦＤＧから放射されるガンマ線を検出することによりその位置を特定する。In the PET examination, FDG (drug / test agent obtained by synthesizing positron emission tomography with glucose) is injected into the body, and the position is specified by detecting gamma rays emitted from FDG concentrated on cancer cells.
液体アルゴン検出器は、粒子がアルゴン原子を電離、及び励起する際に生じる電離電子・シンチレーション光を検出することにより、検出器内での位置を特定する。The liquid argon detector identifies the position in the detector by detecting the ionized electrons and scintillation light generated when the particles ionize and excite the argon atom.
しかしながら、前記の特許文献１において、液体アルゴンを用いたＰＥＴ検出器が提案されているが、本発明とは異なり、検出器は細分化・セル化されておらず、クリスタルを用いた従来の検出器と同様な大きさの円筒型である。また、解析方法として検出器内２点での反応時間差を用いて位置を選定する方法を提案しているが、これによる位置分解能の向上はあまり期待できない。However, in Patent Document 1 described above, a PET detector using liquid argon has been proposed, but unlike the present invention, the detector is not subdivided or cellized, and conventional detection using a crystal is performed. It is a cylindrical type similar in size to a vessel. In addition, as an analysis method, a method of selecting a position using the reaction time difference between two points in the detector has been proposed, but improvement in position resolution due to this cannot be expected so much.
従来のＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ検査では、蛍光作用のあるクリスタル（結晶素子）と光電子増倍管を組み合わせた検出器が使用されているが、上記のようにクリスタル内での位置分解能が低く、イベント再構成が容易ではない。また、大型化が困難なため、被験者の体全体を覆うことができず、放出されたガンマ線が検出器に当たらずに逃げていってしまい、検出効率は高くない。従来のＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ検出器は円筒型のものが主流となっており、被験者の体型によっては検査が受けられない場合もある。In the conventional PET / SPECT examination, a detector that combines a fluorescent crystal (crystal element) and a photomultiplier tube is used, but as described above, the position resolution in the crystal is low and event reconstruction is performed. Is not easy. In addition, since it is difficult to increase the size, the entire body of the subject cannot be covered, and the emitted gamma rays escape without hitting the detector, and the detection efficiency is not high. Most of the conventional PET / SPECT detectors are cylindrical, and depending on the body type of the subject, the examination may not be possible.
請求項１に記載した発明は用途に合せた形状のガンマ線カメラを実現可能するため、液体アルゴン検出器を細分化・セル化する。また、従来使われている光電子増倍管ではなく、シリコン光電子増倍管（以下「ＳｉＰＭ」）を用いることにより、読み取り機器の小型化・軽量化が可能となる。The invention according to claim 1 subdivides and subdivides the liquid argon detector into cells in order to realize a gamma ray camera having a shape suitable for the intended use. Further, by using a silicon photomultiplier tube (hereinafter referred to as "SiPM") instead of the conventionally used photomultiplier tube, it is possible to reduce the size and weight of the reading device.
請求項２に記載された発明は、二平面からなる大型検出器（二平面間の距離を調整できる）を用いることにより、様々な体型の被験者に対して効率よく全身スキャンができるようになる（図１参照）。また、小型・携帯型の二平面検出器を患部付近で使うことにより、局所検査を行うことができる。According to the second aspect of the present invention, by using a large detector composed of two planes (the distance between the two planes can be adjusted), a whole body scan can be efficiently performed on subjects of various body types (the whole body can be scanned efficiently). (See FIG. 1). In addition, local examination can be performed by using a small and portable two-plane detector near the affected area.
また、請求項３に記載された発明は、液体アルゴン検出器を用いることにより、検出器内での反応位置がより正確にわかるため、本発明では、多重コンプトン散乱イメージング法を用いてガンマ線源の位置を特定する解析方法を行うものである。これにより、正確にガンマ線源（例えばＦＤＧを取り込んだガン細胞）の位置を的確に特定することができる。このように、液体アルゴン検出器ではコンプトン散乱された位置、及び消失エネルギーが特定できるため、検出器への入射角を算出することができる。Further, in the invention described in claim 3, the reaction position in the detector can be known more accurately by using the liquid argon detector. Therefore, in the present invention, the gamma ray source is subjected to the multiple Compton scattering imaging method. This is an analysis method for specifying the position. This makes it possible to accurately identify the position of a gamma ray source (for example, a cancer cell that has taken up FDG). In this way, since the position where Compton is scattered and the lost energy can be specified by the liquid argon detector, the angle of incidence on the detector can be calculated.
ＰＥＴ検査においては、二つのガンマ線が同時に１８０度方向に放射されるため、本発明である大型検出器を用いて、以下のような独自の解析方法を提案する。ガンマ線は各平面検出器でほぼ同時に検出され（図２参照）、従来の多重コンプトン散乱イメージング法を用いてガンマ線源（ＦＤＧを取り込んだガン細胞）の位置を特定することも可能だが、二つのガンマ線が同時に１８０度方向に放射されることを考慮して、各平面検出器でのコンプトン散乱された位置を結んだ直線の交点からガンマ線源の位置を特定することができる（以下「簡易ＰＥＴ解析法」という）。その際、ガンマ線は検出器内で何度かコンプトン散乱するが、コンプトン散乱された全ての位置を考慮してもガンマ線源の位置が特定できる。これにより、データ解析が簡略化でき、リアルタイムでガン細胞の位置を特定することも可能となる。In the PET examination, two gamma rays are emitted in the 180-degree direction at the same time. Therefore, the following original analysis method is proposed using the large-scale detector of the present invention. Gamma rays are detected almost simultaneously by each plane detector (see Fig. 2), and although it is possible to locate the gamma ray source (cancer cells that have taken up FDG) using the conventional multiple Compton scattering imaging method, two gamma rays The position of the gamma ray source can be specified from the intersection of the straight lines connecting the Compton scattered positions in each plane detector, considering that the gamma rays are emitted in the 180-degree direction at the same time (hereinafter, "simple PET analysis method"). "). At that time, the gamma rays are scattered in the detector several times by Compton, but the position of the gamma ray source can be specified even if all the positions scattered by Compton are taken into consideration. This simplifies data analysis and makes it possible to locate cancer cells in real time.
本発明は、細分化・セル化された液体アルゴン検出器を用いることで検出器のデザインの自由度が増し、用途に合せた形状のガンマ線カメラを実現可能にする。本発明である細分化・セル化された液体アルゴン検出器は、大型及び携帯型にすることができ、用途に合わせてより効率的にガンマ線が検出できるようになると期待できる。また、クリスタル・半導体素子とは異なり、液体アルゴン内でのガンマ線の反応位置が特定できるため、より正確にガンマ線源（例えばＦＤＧを取り込んだガン細胞）の位置を把握することができる。本発明では、従来とは異なる解析方法も提案しており、次世代ガンマ線カメラとして、医療用検出器だけではなく、多方面での活用できる。尚、本発明は、液体アルゴンに限らず、液体キセノン、液体クリプトンを用いても同様の効果が得られる。The present invention increases the degree of freedom in the design of the detector by using the subdivided and cellized liquid argon detector, and makes it possible to realize a gamma ray camera having a shape suitable for the application. The subdivided and cellized liquid argon detector of the present invention can be made large and portable, and it is expected that gamma rays can be detected more efficiently according to the application. Further, unlike the crystal / semiconductor element, the reaction position of the gamma ray in the liquid argon can be specified, so that the position of the gamma ray source (for example, a cancer cell incorporating FDG) can be grasped more accurately. The present invention also proposes an analysis method different from the conventional one, and can be used not only as a medical detector but also in various fields as a next-generation gamma-ray camera. The present invention is not limited to liquid argon, and the same effect can be obtained by using liquid xenon and liquid krypton.
医療用画像診断ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ検査において、大型平面検出器を用いることにより、従来の検出器では実現困難であった全身スキャンが可能となる。また、携帯型検出器の実現により、ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ検査のさらなる普及が期待できる。By using a large flat surface detector in the medical diagnostic imaging PET / SPECT examination, it is possible to perform a whole body scan, which was difficult to realize with a conventional detector. Further, with the realization of a portable detector, further spread of PET / SPECT inspection can be expected.
大型化に伴いバックグラウンドイベントは増大するが、検出器を細分化・セル化することにより、バックグラウンドイベントを選別し、取り除くことが可能となる。Background events increase as the size increases, but background events can be selected and eliminated by subdividing and cellizing the detector.
本発明により、大型、及び携帯型ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ検出器、港・空港・関所等での荷物や通行人・貨物車両等のセキュリティーチェック（放射線物質の違法輸送検査等）用ガンマ線カメラが実現できる。According to the present invention, it is possible to realize a large-sized and portable PET / SPECT detector, a gamma-ray camera for security check (illegal transportation inspection of radioactive substances, etc.) of luggage, passersby, cargo vehicles, etc. at ports, airports, barriers, etc.
また、被験者の体型への制約をなくすこともできる。さらに、本発明により、小型・携帯型ガンマ線検出器の実現可能となる。その際、従来の光電子増幅管の代わりにＳｉＰＭを用いることにより、読み取り機器を小型化する。これにより、大学病院等の大きな病院以外でも、手軽にＰＥＴ検診が受けられるようになる。尚、ＣＴ画像と重ね合わせて最終診断を行うため、体の位置の目印として、ＣＴ・ＰＥＴ両検出器に反応するマーカー（容器に入れたＦＤＧ等）を用いる。It is also possible to eliminate restrictions on the body shape of the subject. Further, the present invention makes it possible to realize a compact and portable gamma ray detector. At that time, the reading device is miniaturized by using SiPM instead of the conventional photoelectron amplification tube. As a result, PET examinations can be easily performed even in hospitals other than large hospitals such as university hospitals. In addition, in order to make a final diagnosis by superimposing it on the CT image, a marker (FDG or the like in a container) that reacts with both CT and PET detectors is used as a mark of the position of the body.
以下、本発明を図に基づいて説明する。以下の説明において同一の機能を有する部材や部位、構成については同一の符号を付け、或いは説明を省略する場合がある。図１は、細分化・セル化された液体アルゴン検出器のガンマ線カメラの概要図である。特に、本発明による大型平面ガンマ線カメラ１（以下、本検出器という）、及びガンマ線分析対象物・被験者２を表す。本検出器はアルゴンガスの取り込み・排出口３があり、気体状態のアルゴンガス４は極低温冷凍機５により液体アルゴン６へと液化され、それらは耐圧チェンバー容器内に収められている。詳細については後述するが、ガンマ線源７の位置は内部に設置されたＳｉＰＭ（シリコン光電子倍増管）８、及びアノード面９でシンチレーション光１０・電離電子１１を検出することにより特定される。Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, members, parts, and configurations having the same function may be designated by the same reference numerals, or the description may be omitted. FIG. 1 is a schematic view of a gamma ray camera of a subdivided and cellized liquid argon detector. In particular, it represents a large flat gamma ray camera 1 (hereinafter referred to as the present detector) according to the present invention, and a gamma ray analysis object / subject 2. This detector has an argon gas intake / discharge port 3, and the gaseous argon gas 4 is liquefied into a liquid argon 6 by a cryogenic refrigerator 5, and these are housed in a pressure-resistant chamber container. Although the details will be described later, the position of the gamma ray source 7 is specified by detecting the scintillation light 10 and the ionized electrons 11 on the SiPM (silicon photomultiplier tube) 8 installed inside and the anode surface 9.
図２は、本検出器を用いたＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ検査の概要を示す。図２（ａ）は、本検出器の直立側面図、及び被験者２に対して本検出器を両側に設置した概要図である。上述のように、検出器内部でアルゴンガス４を極低温冷凍機５により液化するが、より効率的に冷却するため、容器内に断熱層１２を作ることにより、内部と外部の熱循環を遮断する。本体の外装１３は真空保持のために耐圧チェンバーを用いる。断熱層は、真空層の代わりにまたは断熱材を用いることも可能である。また、キャスター１４を配置することにより、検出器の移動が可能となる。FIG. 2 shows an outline of PET / SPECT examination using this detector. FIG. 2A is an upright side view of the detector and a schematic view in which the detector is installed on both sides of the subject 2. As described above, the argon gas 4 is liquefied inside the detector by the cryogenic refrigerator 5, but in order to cool it more efficiently, a heat insulating layer 12 is formed inside the container to block the heat circulation inside and outside. To do. The exterior 13 of the main body uses a pressure resistant chamber for holding a vacuum. As the heat insulating layer, it is also possible to use a heat insulating material instead of the vacuum layer. Further, by arranging the casters 14, the detector can be moved.
図２（ｂ）は、本検出器の仕切られたセル１５内での電離電子１１、及びシンチレーション光１０の検出方法を示す。ＦＤＧを投与された被験者から発せられるガンマ線は、検出器内でコンプトン散乱し、アルゴン原子を電離・励起する。これにより、電離電子・シンチレーション光が放出される。シンチレーション光はＳｉＰＭ８で検出され、電離電子は、装置内に掛けられた電場１６によりドリフトし、アノード面９で検出される。アノード面は、平面上に張り巡らされたアノードワイヤー、またはタイル状に敷き詰められたアノードパッドから成り立つ。従来のクリスタルを使った検出器とは異なり、アノード面での信号、及び電離電子のドリフト時間（ＳｉＰＭがシンチレーション光を感知してからアノード面に到達するまでの時間）から、液体アルゴン検出器内でのガンマ線反応位置１７（３次元ポジション）を特定することができる。ＰＥＴ検査では、ガン細胞に集中したＦＤＧからガンマ線が１８０度方向に同時に放出されるため、ガンマ線反応位置１７からガンマ線源（ガン細胞）７の位置を特定することができる。FIG. 2B shows a method for detecting the ionized electrons 11 and the scintillation light 10 in the partitioned cell 15 of the detector. Gamma rays emitted from a subject who received FDG scatter Compton in the detector and ionize and excite the argon atom. As a result, ionized electrons and scintillation light are emitted. The scintillation light is detected by SiPM8, and the ionized electrons drift by the electric field 16 applied in the apparatus and are detected by the anode surface 9. The anode surface consists of anode wires stretched on a flat surface or anode pads laid out in tiles. Unlike conventional crystal detectors, the signal on the anode surface and the drift time of ionized electrons (the time from when SiPM senses the scintillation light to when it reaches the anode surface) are taken into account in the liquid argon detector. The gamma ray reaction position 17 (three-dimensional position) at the above can be specified. In the PET examination, gamma rays are simultaneously emitted from the FDG concentrated on the cancer cells in the 180-degree direction, so that the position of the gamma ray source (cancer cell) 7 can be identified from the gamma ray reaction position 17.
本発明では、検出器が細分化・セル化されているため、シンチレーション光１０はそれぞれのセル内で検出される。これにより、バックグラウンドイベントを選別し、取り除くことを可能とする。また、従来使われている光電子増倍管ではなく、ＳｉＰＭ８を用いることにより、小型化・軽量化が可能となる。In the present invention, since the detector is subdivided and cellized, the scintillation light 10 is detected in each cell. This makes it possible to sort out and eliminate background events. Further, by using SiPM8 instead of the conventionally used photomultiplier tube, it is possible to reduce the size and weight.
１．細分化・セル化された液体アルゴン検出器（大型平面ガンマ線カメラ）
２．ガンマ線分析対象物・被験者
３．アルゴンガスの取り込み・排出口（イン・アウト）
４．液化される前のアルゴンガス
５．極低温冷凍機
６．液化されたアルゴン
７．ガンマ線源
８．ＳｉＰＭ（シリコン光電子増倍管）
９．アノード面
１０．シンチレーション光
１１．電離電子
１２．断熱層（真空層、又は断熱材）
１３．検出器の外装
１４．キャスター
１５．仕切り板で区切られたセル
１６．アルゴン内に掛けられた電場
１７．液体アルゴン検出器内でのガンマ線反応位置1. 1. Subdivided and cellized liquid argon detector (large flat gamma ray camera)
2. 2. Gamma ray analysis object / subject 3. Argon gas intake / discharge port (in / out)
4. Argon gas before liquefaction 5. Cryogenic freezer 6. Liquefied argon 7. Gamma ray source 8. SiPM (Silicon Photomultiplier Tube)
9. Anode surface 10. Scintillation light 11. Ionized electrons 12. Insulation layer (vacuum layer or insulation)
13. Exterior of detector 14. Caster 15. Cells separated by dividers 16. Electric field applied in argon 17. Gamma ray reaction position in the liquid argon detector
Claims (3)
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