JP6811998B2 - 陽電子寿命測定機能付きpet装置、及び、pet装置における陽電子寿命測定方法 - Google Patents
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Description
PET検出器10は、撮像対象TG中の陽電子放出核から放出された陽電子と当該陽電子の周辺の電子とが対消滅する際に放出される対消滅ガンマ線(主として3本の対消滅ガンマ線)を受けることができるよう、撮像対象TGを取り囲む位置に配置され、対消滅ガンマ線を含むガンマ線を受けることで当該ガンマ線を検出する。具体的には、図7に示す如く、PET検出器10は、従来のPET装置におけるPET検出器と同様に、リング状に配列された複数のガンマ線検出器11にて構成される。即ち、概ね円筒面を成す曲面上に複数のガンマ線検出器11を分散配置することでPET検出器10が形成され、検出器10で囲まれた撮像可能な空間は一般にFOV(Field of View)と呼ばれ、そのFOVの内側に撮像対象TGが配置される。図6及び図7において、円筒面をなすFOVの軸はZ軸に平行となっている。尚、図示の簡略化上、図7においては、PET検出器10を構成する一部のガンマ線検出器に対してのみ符号11を付している。
脱励起ガンマ線検出器20は、撮像対象TG中の陽電子放出核から放出された脱励起ガンマ線を受けることができるよう、撮像対象TGを取り囲む位置に配置され、脱励起ガンマ線を含むガンマ線を受けることで当該ガンマ線を検出する。脱励起ガンマ線検出器20は、PET検出器10が配置されていない空間の内の任意の位置に配置される。具体的には例えば、図7に示す如く、複数のガンマ線検出器11の配置面に相当する円筒面と同軸の円筒面上に複数のガンマ線検出器21を分散配置する。複数のガンマ線検出器21はリング状に配置され、且つ、ガンマ線検出器11の群を上記円筒面の軸方向において両側から挟み込むように配置される。尚、図示の簡略化上、図7においては、脱励起ガンマ線検出器20を構成する一部のガンマ線検出器に対してのみ符号21を付している。
信号処理部30は、PET検出器10から出力されるPET検出信号及び脱励起ガンマ線検出器20から出力される追加検出信号に基づいて、撮像対象TGに含まれる対象核種の分布像の再構成等を行う。対象核種とは、撮像対象TGに含まれ且つ分布の画像化の対象となる核種を指す。ここでは、特に断りなき限り、撮像対象TG中にBタイプの陽電子放出核が1種類のみ含まれているものとし、当該Bタイプの陽電子放出核が対象核種であるとする。対象核種の分布像は、XYZ空間における対象核種の三次元の分布を示す三次元分布像である。Bタイプの陽電子放出核によって薬剤を標識することができ、Bタイプの陽電子放出核は薬剤に取り込まれた状態で撮像対象TGに含まれていても良い。この場合、対象核種の分布像は、当該陽電子放出核により標識された薬剤(プローブ)の分布像とも言える。
図8に示す如く、信号処理部30は、3γ同時計測判定部31を有する。3γ同時計測判定部31は、PET検出器10にて3本のガンマ線が検出されたことを示すPET検出信号が入力されたとき、当該PET検出信号が3本の対消滅ガンマ線の同時計測を示しているか否かを判定する3γ判定処理を行う。
但し、検出エネルギーの合計についての判別はオフラインで行うことが一般的である。このため、通常は、3γ判定処理において、検出時刻tDETγ1、tDETγ2及びtDETγ3が同時である場合には3本の対消滅ガンマ線が同時計測された可能性があると判定する一方で、そうでない場合には3本の対消滅ガンマ線が同時計測された可能性はないと判定し、その後、オフラインにて、同時計測された可能性があると判定した3本の対消滅ガンマ線の検出エネルギーEDETγ1、EDETγ2及びEDETγ3を参照して、検出エネルギーEDETγ1、EDETγ2及びEDETγ3の合計が1022keVと一致する場合に3本の対消滅ガンマ線が同時計測されたと判定すると良い。
ここにおける同時とは、所定の時間幅を有する概念であり、検出時刻tDETγ1〜tDETγ3間の差の最大値が、検出時刻tDETγ1〜tDETγ3を特定する系の時間分解能を考慮して定められる所定値以下であるならば、検出時刻tDETγ1〜tDETγ3が同時であると判断され、そうでなければ、検出時刻tDETγ1〜tDETγ3が同時であると判断されない。
ここで、“3本のガンマ線のエネルギーの合計が1022keVになる”とは、“検出エネルギーEDETγ1、EDETγ2及びEDETγ3の合計が1022keVと一致する”という意味である。“検出エネルギーEDETγ1、EDETγ2及びEDETγ3の合計が1022keVと一致する”という表現における一致は、所定の幅を有する概念であり、検出エネルギーEDETγ1〜EDETγ3の合計が、例えば、(1022―ΔE1)keV以上且つ(1022+ΔE1)keV以下のエネルギー範囲に収まっているとき、検出エネルギーEDETγ1〜EDETγ3の合計が1022keVと一致していると判定され、そうでないとき、検出エネルギーEDETγ1〜EDETγ3の合計が1022keVと非一致であると判定される。ΔE1は、PET検出器10のエネルギー分解能を考慮して設定される所定エネルギーを表す。
また、上記判定を実施した場合においても、511keVの2本の対消滅ガンマ線が生成される陽電子消滅イベントによる対消滅ガンマ線が、PET検出器10を構成する何れかのガンマ線検出器11で散乱し、散乱された対消滅ガンマ線の残りの全エネルギーがPET検出器10を構成する他のガンマ線検出器11にて吸収された場合、3γイベント(3本の対消滅ガンマ線が同時計測されたイベント)として誤判定されることがある。対消滅により3本のガンマ線を放出する際には、3本いずれのガンマ線もエネルギー511keV以下であり、また511keVちょうどになる事は稀である。そのため、この様な誤判定イベントは、3本のガンマ線のエネルギーの合計が1022keVであるという条件に加えて、3本のガンマ線の何れのエネルギーも511keVより小さいという条件を課す(即ち、それら2つの条件が満たされない限り、3本の対消滅ガンマ線が同時計測されたと判定しない)ことにより大部分が除去可能である。
信号処理部30は、4γイベント判定部32を更に備える。4γイベント判定部32は、3γ同時計測判定部31の判定結果と、脱励起ガンマ線検出器20からの追加検出信号SGγEに基づき、4γイベントが発生したか否かを判定する4γ判定処理を行う。4γイベントは、特定の条件を満たすイベントを指す。具体的には、4γイベントとは、脱励起ガンマ線が脱励起ガンマ線検出器20にて検出され且つ脱励起ガンマ線の検出時刻を基準として所定時間TWINDOW内に3本の対消滅ガンマ線が同時計測されたイベントを指す。
所定時間TWINDOWが長すぎると、或る陽電子放出核から放出された脱励起ガンマ線と、他の陽電子放出核から放出された陽電子が対消滅したときに発生する3本の対消滅ガンマ線とが偶発的に同時判定される偽4γイベントを、4γイベントと誤判定することも有り得る。これらのイベントは画像ノイズとして現れることになるが、既存のPETイメージングと同様の遅延同時測定などの手法により補正することが可能である。しかし、補正の精度を上げるためには偽4γイベントは可能な限り少ない方が良い。一方で、所定時間TWINDOWが短すぎると、判定漏れにより、真4γイベントが4γベントとして判定されないこともある。誤判定や判定漏れがなるべく生じないように、所定時間TWINDOWを、半減期が最長となる真空中のオルソポジトロニウムの半減期、又は、撮像対象TG内で想定されるオルソポジトロニウムの半減期の最大値に基づいて設定しておくと良い。
ここにおける一致も、所定の幅を有する概念であり、検出エネルギーEDETγEが、例えば、(EγE―ΔE2)以上且つ(EγE+ΔE2)keV以下のエネルギー範囲に収まっているとき、検出エネルギーEDETγEは脱励起ガンマ線のエネルギーEγEと一致していると判断され、そうでないとき、検出エネルギーEDETγEは脱励起ガンマ線のエネルギーEγEと一致していないと判断される。ΔE2は、脱励起ガンマ線検出器20のエネルギー分解能を考慮して設定される所定エネルギーを表す。
第1の4γ判定条件が満たされるとき、検出エネルギーEDETγEに対応する、脱励起ガンマ線検出器20にて検出されたガンマ線は、脱励起ガンマ線であると判断される。
つまり、第1の4γ判定条件が成立しているとの仮定の下、3γ判定処理にて検出時刻tDETγ1〜tDETγ3に対応する3本の対消滅ガンマ線が同時計測されたと判定されており、且つ、検出時刻tDETγ1〜tDETγ3に基づく3本の対消滅ガンマ線の検出時刻が、検出時刻tDETγEに相当する脱励起ガンマ線の検出時刻よりも後であって、且つ、脱励起ガンマ線の検出時刻と3本の対消滅ガンマ線の検出時刻との時間差が所定時間TWINDOW内であるとき、第2の4γ判定条件が満たされ、そうでないとき、第2の4γ判定条件が満たされない。
検出時刻tDETγ1〜tDETγ3に基づく3本の対消滅ガンマ線の検出時刻とは、検出時刻tDETγ1〜tDETγ3の平均時刻であっても良いし、検出時刻tDETγ1〜tDETγ3の内の何れか1つであっても良い。
検出時刻tDETγ1〜tDETγ3は当該4γイベントにおける3本の対消滅ガンマ線の検出時刻を表し、検出時刻tDETγEは当該4γイベントにおける脱励起ガンマ線の検出時刻を表し、
検出エネルギーEDETγ1〜EDETγ3は当該4γイベントにおける3本の対消滅ガンマ線の検出エネルギーを表し、検出エネルギーEDETγEは当該4γイベントにおける脱励起ガンマ線の検出エネルギーを表し、
検出位置PDETγ1〜PDETγ3は、当該4γイベントにおける3本の対消滅ガンマ線の検出位置(対消滅ガンマ線とPET検出器10との相互作用位置)を表す。
図8を再度参照し、信号処理部30は、画像再構成部34を更に備える。画像再構成部34は、複数の4γイベントデータに基づいて画像の再構成処理を行うことで対象核種の分布像を生成する。本実施形態において、対象核種は撮像対象TG中の陽電子放出核であるため、対象核種の分布像として、陽電子放出核の分布像が生成される。上述したように、陽電子放出核の分布像は、XYZ空間における陽電子放出核の三次元の分布を示す三次元分布像である。実際には、4γイベントごとに、4γイベントデータに含まれる3本の対消滅ガンマ線の検出位置PDETγ1〜PDETγ3及び検出エネルギーEDETγ1〜EDETγ3に基づき、当該4γイベントにて陽電子を放出した陽電子放出核の位置を求め、4γイベントごとに求めた位置を、或る長さを単位として分割されたXYZ空間のボクセルにヒストグラミングしていく。これにより、陽電子放出核による放射能の三次元強度分布を、陽電子放出核の分布像として得ることができる。
式(1)〜(3)において、rは対消滅が起きた位置の位置ベクトルを表し、x,y,zは、夫々、位置rのX軸成分、Y軸成分、Z軸成分を表し、rjはエネルギーEjを有する対消滅ガンマ線の検出位置を表し、xj,yj,zjは、夫々、検出位置rjのX軸成分、Y軸成分、Z軸成分を表す(ここでjは1、2又は3)。故に、|r−rj|は、対消滅が起きた位置rと対消滅ガンマ線の検出位置rjとの距離を表し、この距離で、“x−xj”、“y−yj”、“z−zj”を割った値は、3本のガンマ線の運動量方向についての単位ベクトルのX、Y、Z軸成分となる。
また、距離|r−rj|をX、Y、Z座標における対消滅位置及び検出位置で表した式は上記(4)となる。
図8を再度参照し、信号処理部30は、陽電子寿命導出部35を更に備える。陽電子寿命導出部35は、4γイベントごとに、4γイベントデータに含まれる対消滅ガンマ線の検出時刻と脱励起ガンマ線の検出時刻に基づき、陽電子寿命を導出する。4γイベントごとに導出される陽電子寿命は、1つのイベントにおいて、陽電子放出核から陽電子が放出されてから当該陽電子が対消滅により消滅するまでの時間を表す。
第1実施例を説明する。図14において、線230は、イベント番号1〜nについて求めた陽電子寿命LT[1]〜LT[n]をヒストグラミングして得られる陽電子寿命タイムスペクトルを表す。陽電子寿命タイムスペクトル230は、イベント番号1〜nについて求めた陽電子寿命LT[1]〜LT[n]について、横軸に時間をとり、縦軸に度数をとったヒストグラムである。
第2実施例を説明する。図15を参照する。説明の具体化のため、ここでは、撮像対象TG内の互いに分離した領域201及び202の夫々に陽電子放出核が分布しているものとする。そうすると、陽電子放出核の分布像210において、領域211には領域201に対応する分布像が現れ、領域212には領域202に対応する分布像が現れる。
第3実施例を説明する。幾つかの研究により、液体中での陽電子の寿命は液体中の酸素濃度に依存し、その陽電子の寿命は液体中の酸素濃度が高まるほど短くなるという知見が得られている(上記非特許文献4参照)。この知見を利用し、例えば、以下のような応用例が考えられる。
第4実施例を説明する。PALSでは、陽電子の寿命測定を介して物質の構造を解析することが可能である。例えば、固体中における空孔の存在などにより、陽電子の寿命が大きく変わることが分かっており、材料工学分野における半導体材料等の解析にPALSが用いられる(上記非特許文献2及び3参照)。この手法を生体に応用してPET装置1を用いれば、生体内の構造に応じた情報を非侵襲で得ることが可能となる。例えば、以下のような応用例が考えられる。
第5実施例を説明する。上述の基本実施例においては、既存のPET装置にも備えられるPET検出器10に対し脱励起ガンマ線を検出するための脱励起ガンマ線検出器20を別途に設けているが(図6参照)、PET検出器10に脱励起ガンマ線検出器20の機能を兼用させても良い。即ち、PET検出器10を構成するガンマ線検出器11の群の少なくとも一部に脱励起ガンマ線検出器20の機能を担わせ(換言すれば、脱励起ガンマ線検出器20を、ガンマ線検出器11の群の少なくとも一部を用いて構成し)、PET検出器10において、上述してきたPET検出器10の動作及び脱励起ガンマ線検出器20の動作の双方を実現するようしても良い。これにより、既存のPET装置において本発明を利用することも可能となる。
第6実施例を説明する。PET装置1に利用可能であって撮像対象TGに含めることのできるBタイプの陽電子放出核として、14O、22Na、34mCl、38K、44Sc、48V、52Mn、52mMn、52Fe、60Cu、72As、76Br、82mRb、94mTc、104mAg、110mIn、及び、124I、が挙げられる。但し、ここで挙げた核種は、脱励起ガンマ線の放出率が9割前後と高い代表的なものであり、放出率がこれらよりも低い他の核種についても利用可能である。
第7実施例を説明する。信号処理部30において、以下のような処理を行うようにしても良い。
第8実施例を説明する。脱励起ガンマ線のエネルギーが互いに異なる2種類以上のBタイプ核種(Bタイプの陽電子放出核)を撮像対象TGに含めるようにしても良い。この場合、追加検出信号に含まれるエネルギー情報を参照することで、脱励起ガンマ線検出器20にて検出されたガンマ線が、上記2種類以上のBタイプ核種中の、何れのBタイプ核種から放出されたものであるのかを同定可能である。その同定結果をも用いれば、三次元分布像及び陽電子の寿命情報等を、Bタイプ核種の種類ごとに導出することが可能となる。
第9実施例を説明する。信号処理部30にて行われる各種処理は、基本的にハードウェアとソフトウェアの組み合わせにて実現されるが、信号処理部30にて実現される機能の一部は、ハードウェアで実現される場合もあるし、ソフトウェアで実現される場合もある。特定の機能をソフトウェアにて実現する場合、その特定の機能をプログラムとして記述しておき、該プログラムをプログラム実行装置(例えば、信号処理部30を構成するマイクロコンピュータ)上で実行することによって、その特定の機能を実現するようにしてもよい。上記プログラムは任意の記録媒体に記憶及び固定されうる。上記プログラムを記憶及び固定する記録媒体は信号処理部30と異なる機器(サーバ機器等)に搭載又は接続されても良い。
本発明について考察する。
10 PET検出器
11 ガンマ線検出器
20 脱励起ガンマ線検出器
21 ガンマ線検出器
30 信号処理部
Claims (8)
- ベータ崩壊によって娘核の励起状態となり、当該ベータ崩壊による陽電子放出に続けて娘核の基底状態に遷移する際に脱励起ガンマ線を放出する核種を含んだ撮像対象から、陽電子と電子の対消滅による3本の対消滅ガンマ線を受けることで前記3本の対消滅ガンマ線を検出する第1ガンマ線検出器と、
前記脱励起ガンマ線を検出する第2ガンマ線検出器と、
前記第1ガンマ線検出器による各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記第1ガンマ線検出器による前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記第2ガンマ線検出器による前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象における前記核種の分布状態を三次元で導出するとともに、導出した分布位置に対応付けて前記陽電子の寿命情報を導出する処理部と、を備え、
前記処理部は、各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象における前記核種の三次元分布像を生成するとともに、前記三次元分布像中の複数の位置における前記陽電子の寿命情報を個別に導出する
ことを特徴とする陽電子寿命測定機能付きPET装置。 - 前記処理部は、
前記脱励起ガンマ線の検出時刻から所定時間内に前記3本の対消滅ガンマ線が同時計測されたイベントごとに、各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置に基づき当該イベントにおける陽電子消滅位置を推定するとともに、前記脱励起ガンマ線の検出時刻から前記3本の対消滅ガンマ線が同時計測された検出時刻までの時間差を当該イベントにおける陽電子の寿命として導出し、
複数のイベントについて推定した位置及び導出した陽電子の寿命に基づき、前記三次元分布像を生成するとともに、前記三次元分布像中の複数の位置における前記陽電子の寿命情報を個別に導出する
ことを特徴とする請求項1に記載の陽電子寿命測定機能付きPET装置。 - ベータ崩壊によって娘核の励起状態となり、当該ベータ崩壊による陽電子放出に続けて娘核の基底状態に遷移する際に脱励起ガンマ線を放出する核種を含んだ撮像対象から、陽電子と電子の対消滅による3本の対消滅ガンマ線を受けることで前記3本の対消滅ガンマ線を検出する第1ガンマ線検出器と、
前記脱励起ガンマ線を検出する第2ガンマ線検出器と、
前記第1ガンマ線検出器による各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記第1ガンマ線検出器による前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記第2ガンマ線検出器による前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象における前記核種の分布状態を三次元で導出するとともに、導出した分布位置に対応付けて前記陽電子の寿命情報を導出する処理部と、を備え、
前記処理部は、各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象中の前記核種の分布及び前記撮像対象中の前記核種の各分布位置における陽電子の寿命情報を三次元で示す陽電子寿命像を生成する
ことを特徴とする陽電子寿命測定機能付きPET装置。 - 前記処理部は、
前記脱励起ガンマ線の検出時刻から所定時間内に前記3本の対消滅ガンマ線が同時計測されたイベントごとに、各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置に基づき当該イベントにおける陽電子消滅位置を推定するとともに、前記脱励起ガンマ線の検出時刻から前記3本の対消滅ガンマ線が同時計測された検出時刻までの時間差を当該イベントにおける陽電子の寿命として導出し、
複数のイベントについて推定した位置及び導出した陽電子の寿命に基づき、前記陽電子寿命像を生成する
ことを特徴とする請求項3に記載の陽電子寿命測定機能付きPET装置。 - 前記第2ガンマ線検出器は、前記第1ガンマ線検出器とは別に設けられたガンマ線検出器にて構成される
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の陽電子寿命測定機能付きPET装置。 - 前記第2ガンマ線検出器は、前記第1ガンマ線検出器を形成するガンマ線検出器の群の少なくとも一部を用いて構成される
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の陽電子寿命測定機能付きPET装置。 - ベータ崩壊によって娘核の励起状態となり、当該ベータ崩壊による陽電子放出に続けて娘核の基底状態に遷移する際に脱励起ガンマ線を放出する核種を含んだ撮像対象から、陽電子と電子の対消滅による3本の対消滅ガンマ線を受けることで前記3本の対消滅ガンマ線を検出する第1ガンマ線検出器と、前記脱励起ガンマ線を検出する第2ガンマ線検出器と、を備えたPET装置にて用いられる方法であって、
前記第1ガンマ線検出器による各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記第1ガンマ線検出器による前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記第2ガンマ線検出器による前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象における前記核種の分布状態を三次元で導出するとともに、導出した分布位置に対応付けて前記陽電子の寿命情報を導出し、
各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象における前記核種の三次元分布像を生成するとともに、前記三次元分布像中の複数の位置における前記陽電子の寿命情報を個別に導出する
ことを特徴とする、PET装置における陽電子寿命測定方法。 - ベータ崩壊によって娘核の励起状態となり、当該ベータ崩壊による陽電子放出に続けて娘核の基底状態に遷移する際に脱励起ガンマ線を放出する核種を含んだ撮像対象から、陽電子と電子の対消滅による3本の対消滅ガンマ線を受けることで前記3本の対消滅ガンマ線を検出する第1ガンマ線検出器と、前記脱励起ガンマ線を検出する第2ガンマ線検出器と、を備えたPET装置にて用いられる方法であって、
前記第1ガンマ線検出器による各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記第1ガンマ線検出器による前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記第2ガンマ線検出器による前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象における前記核種の分布状態を三次元で導出するとともに、導出した分布位置に対応付けて前記陽電子の寿命情報を導出し、
各対消滅ガンマ線の検出エネルギー及び検出位置、並びに、前記対消滅ガンマ線の検出時刻及び前記脱励起ガンマ線の検出時刻に基づいて、前記撮像対象中の前記核種の分布及び前記撮像対象中の前記核種の各分布位置における陽電子の寿命情報を三次元で示す陽電子寿命像を生成する
ことを特徴とする、PET装置における陽電子寿命測定方法。
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