JP6855047B2

JP6855047B2 - ポジトロン断層測定装置及びポジトロン断層測定画像の構成方法

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Publication number: JP6855047B2
Application number: JP2016233704A
Authority: JP
Inventors: 秀幸河合; 博士伊藤; 篤史小林
Original assignee: Chiba University NUC
Current assignee: Chiba University NUC
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: JP2018091669A

Description

本発明は、ポジトロン断層測定装置及びポジトロン断層測定画像の構成方法に関する。

ＰｏｓｉｔｒｏｎＥｍｉｓｓｉｏｎＴｏｍｏｇｒａｐｈｙは、生体内に^１１Ｃや^１８Ｆなどの陽子過剰核を含んだＰＥＴ薬剤を投与し、β^＋崩壊によって生じる陽電子が体内の電子と対消滅する際に１８０度逆方向に発生する２本の５１１ｋｅＶγ線を測定することによって、体内のＰＥＴ薬剤分布を得る核医学診断法である。体内のブドウ糖分布を測定することによって原理的には微小な初期がんでも診断可能である。

現在市販されている全身ＰＥＴ装置の中には位置分解能１〜３ｍｍとしている製品もあるが、現実に医師が手にする実際のＰＥＴ画像は大きくぼやけている場合も少なくない。実際の位置分解能は良好な製品で１０ｍｍ程度、大部分の市販品で５０ｍｍ程度である。

ところで高分解能を目指したＰＥＴ装置に関しては、例えば下記特許文献１がある。

特開２０１６−１３３３３３号公報

本発明者らは、上記文献に基づき更に鋭意検討を行ったところ、上記に改善すべき課題があることを見出した。具体的に説明すると、γ線が測定器に入射して反応する場合は、ほぼ２０％が光電吸収反応である一方、８０％がコンプトン散乱反応である。光電吸収反応ではγ線が電子に吸収され、電子がγ線のエネルギーを持って動き出すため、シンチレーターの中の一箇所で発光が起きる。しかしながら、コンプトン散乱反応は光子と電子の弾性散乱であり、散乱γ線の多くは離れた場所で光電吸収またはコンプトン散乱反応を起こすため、測定器内の複数個所で発光が起きることになる。測定器でγ線が２本測定された場合は、わずか４％が２本とも光電吸収事象で、３２％は一方が光電吸収で片方がコンプトン散乱事象、６４％が２本ともコンプトン散乱事象である。

ところで、標準的な既存のＰＥＴγ線測定器は無機シンチレーターブロックの表面に多数の受光素子を接着している。光電吸収事象でシンチレーター内部の一箇所で発光がある場合の位置分解能は受光素子間隔の１／３程度であるが、γ線が最初の入射位置でコンプトン散乱してシンチレーター内の複数箇所で発光すると、発光位置間隔が受光素子間隔の３倍程度以上でないと判定できない。例えば受光素子間隔が３ｍｍの場合は、光電吸収事象に対する位置分解能は１ｍｍを達成できるが、コンプトン散乱事象では１０ｍｍ程度となってしまう。市販されているほぼ全てのＰＥＴ装置で位置分解能は前者の光電吸収事象で評価しているが、ＰＥＴ検査における実効的な位置分解能は測定器内コンプトン散乱事象の識別能力で決まる。すなわち現在世界中で市販されているほぼ全てのＰＥＴ装置（価格数十億円）の実効的な位置分解能はメーカーが提示している値の１０分の１以下である可能性がある。

また最近のＰＥＴ装置は受光素子には、ｓｉｌｉｃｏｎＰＭと呼ばれる微小素子を使う場合が多い。ＳｉｌｉｃｏｎＰＭ自体は１個１０００円程度であるが、その信号処理回路は１ｃｈａｎｎｅｌ当り５０００円程度である。そこで複数のＳｉｌｉｃｏｎＰＭを抵抗チェーンで接続して両端から信号を読み出す方式が用いられている。この方式は、８×８＝６４個や１６×１６＝２５６個の受光素子を抵抗チェーンで接続して４隅から信号を取り出しても光電吸収事象の位置分解能はほとんど劣化しなかったため、この抵抗チェーン読み出し方式を採用したＰＥＴ装置は多い。

ところがこの抵抗チェーン方式では、測定器内コンプトン散乱事象の識別能力すなわち測定器ブロック内の発光数を知る能力は持ちえない。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、より高性能なポジトロン断層測定装置及びポジトロン画像の構成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一観点に係るポジトロン断層測定装置は、シンチレーター層とシンチレーター層を挟み互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層を備える検出部と、シンチレーター層の発光位置を特定する発光位置特定部と、発光位置推定部が推定する発光位置に基づき画像構成を行う画像構成部と、を備える。

また、本発明の他の一観点に係るポジトロン断層測定画像の構成方法は、シンチレーター層とシンチレーター層を挟み、互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層を備える検出部と、シンチレーター層の発光位置を特定する発光位置特定部と、発光位置推定部が推定する発光位置に基づき画像構成を行う画像構成部と、を備えるポジトロン断層測定装置を用いてポジトロン断層測定画像の構成を行う方法であって、画像構成部が、発光位置特定部が、所定の値以上発光している場合、当該発光を画像構成に反映させないステップを備えるものである。

すなわち、本発明の他の一観点に係るポジトロン断層測定画像の構成方法は、コンプトン散乱に基づく発光を除去するものである。

以上、本発明によって、より高性能なポジトロン断層測定装置及びポジトロン断層測定画像の構成方法を提供することができる。

実施形態に係るポジトロン断層測定装置の機能ブロックを示す図である。実施形態に係るポジトロン断層測定装置の検出部の概略を示す図である。実施形態に係るポジトロン断層測定装置のシンチレーター層と波長変換ファイバー層の斜視の概略を示す図である。実施形態に係るポジトロン断層測定装置のシンチレーター層と波長変換ファイバー層の他の例（断面）の概略を示す図である。実施形態に係るポジトロン断層測定装置の検出部における光電吸収とコンプトン散乱の場合のイメージを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例における具体的な例示にのみ限定されるわけではない。

図１は、本実施形態に係るポジトロン断層測定装置（以下「本装置」という。）１の機能ブロックを示す図であり、図２は、検出部２のより具体的な構造の概略を示す図である。これらの図で示すように、本装置１は、シンチレーター層とこれを挟み互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層を備える検出部２と、シンチレーター層における発光位置を特定する発光位置特定部３と、発光位置推定部３が推定する発光位置に基づき画像構成を行う画像構成部４と、を備えている。

本装置１において、検出部２は、上記の通りシンチレーター層２１とシンチレーター層２１を挟み互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層２２を備える。図２は、検出部２が測定対象を取り巻くよう配置されている状態を示す断面の図であり、図３は、本装置１における検出部２の一部の概略断面を示す図である。すなわち、本装置１は、図３で示す構成を、図２で示すように、測定対象全体を取り巻くよう環状に配置している。

本装置１においてシンチレーター層２１は、シンチレーター２１１を備えている。ここで「シンチレーター」とは、放射線が当たった場合に、その放射線のエネルギーを吸収することにより光を発することができるものである。また本装置１において、シンチレーターとしては、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、焼結シンチレーター又は高速抽出シンチレーターであることは好ましい一例である。なお焼結シンチレーターとは、無機の固体物質を焼結することによって形成したシンチレーターをいう。なお、焼結シンチレーターの材質としては、上記の機能を有する限りにおいて限定されず、例えばＬａ−ＧＰＳ（（Ｇｄ_０．７５Ｌａ_０．２４Ｃｅ_０．０１）_２Ｓｉ_２Ｏ_７）等を用いることができる。また、高速抽出シンチレーターとしては、例えばＹＳＯ：Ｃｅ等を用いることができる。

また、本装置１においてシンチレーター２１１は、平板状であることが好ましく、より好ましくは５ｍｍ以下の厚さ、更に好ましくは０．５ｍｍ以上２ｍｍ程度の薄さの平板状であることが好ましい。そして、このシンチレーター２１１は、シンチレーター層２１内において複数積層されて構成されていることが好ましい。このようにすることで、発光した位置をより精度高く検出することが可能となる。また、積層の数も適宜調整可能であり限定されるわけではないが、好ましくは２層以上５０層以下であることが好ましく、より好ましくは１０層以上４０層以下、更に好ましくは２０層以上３０層以下である。２層以上とすることで上記の通り検出の精度を高めることが可能である一方、５０層以下とすることで、光の減衰により検出不能となることを効率的に防止することができる。

また、本装置１におけるシンチレーター２１１の面積としては、適宜調整可能であるため限定されるわけではないが、縦横５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の範囲としておくことが好ましい。

また本装置１では、上記の通り、シンチレーター層２１を挟み互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層２２を備える。ここで、波長変換ファイバー層２２の各々は、一方向に延伸した柱状の波長変換ファイバー２２１が複数隣接して並行して配置された構成を有している。また、他方の波長変換ファイバー層２２は、一方の波長変換ファイバー層２２の波長変換ファイバーが延伸した方向とは異なる方向となっている。なおこの異なる方向は、限定されるわけではないが、略垂直となっていることが検出性能を高めること及び情報処理をより簡便に行う観点から好ましい。ここで「波長変換ファイバー」とは、入射された光を吸収し、入射された光の波長とは異なる波長の光を放出することのできるものである。

また、本装置１において、波長変換ファイバー層２２において、波長変換ファイバー２２１は、単層で配置されていてもよいが、図４の例で示すように複数層積層されていてもよい。このようにすることで、検出精度をより高めることが可能となる。

また本装置１において、上記検出部２はシンチレーター層の発光位置を特定する発光位置特定部３に接続されている。発光位置特定部３は、上記検出部２の構成によって波長変換ファイバーが出射する光を検出し、どの位置の波長変換ファイバーが光ったのか、更には、この光った波長変換ファイバーの位置に基づき、どの位置において光電吸収またはコンプトン散乱が起こったのかを把握する処理を行う。

発光位置特定部３の具体的な構造としては特に限定されるわけではないが、例えばこの波長変換ファイバー層の波長変換ファイバーそれぞれに光ファイバー等の光伝送部材を接続し、これらにフォトダイオード等の光検出器を接続する構成とすることで光ったか否かを判断することが可能となり、更に、光検出器の出力を受け、この光った部位の位置関係に基づきシンチレーター層内における発光位置を推定する処理を行う情報処理装置と、を備えていることが好ましい。このようにすることで、発光位置を推定することができる。

また、本装置１において、画像構成部４は、発光位置推定部３が推定する発光位置に基づき画像構成を行うものである。より具体的には、上記発光位置に関する情報を複数取得し、これらを集積する。この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、画像構成部４の構成としては、例えば上記処理を実現することができるいわゆるコンピュータ等の情報処理装置を例示することができる。また情報処理装置の場合、上記発光位置特定部３と同一の情報処理装置を用い、両方の処理を行うことができるようにしておくことが構造を簡便化しておく観点から好ましい。特に情報処理装置の場合、上記処理を行うことができるプログラムをハードディスクなどの記録媒体に格納し、使用者の要求に応じて実行することで上記処理を実現できる。

ところで、発光位置特定部３及び画像構成部４の少なくともいずれかは、上記発光位置を特定した場合に、発光位置に異常があると判断した場合、その発光位置については考慮しない処理を行う。より具体的には、発光位置を特定する際、シンチレーター層内において二以上の位置で発光していると判断された場合はこの情報を削除または考慮しない処理を行う。二以上の位置で発行している場合、コンプトン散乱が行われているため、このコンプトン散乱に基づく発光を除去する。これにより、精度を下げる可能性のある情報を削除でき、精度向上を図ることが可能となる。

なおこの異常を発見する手法については、特に限定されるわけではないが、例えば、所定期間内において波長変換ファイバーが発光した範囲の数、波長変換ファイバー層内において発光した波長変換ファイバーの数の少なくともいずれかを基準に考慮することが好ましい。この場合のイメージを図５に示しながら説明する。

まず、シンチレーター層内において光電吸収が起こった場合、発光はシンチレーター層内の一か所で起こる（図５（Ａ））。なおこの場合、深さ方向は不確定であるが、一対の波長変換ファイバー層それぞれの波長変換ファイバーの発光本数を考慮することで位置を推定することができる。具体的には、本図で示すように、シンチレーター内の中央近傍で発光した場合は上下の波長変換ファイバー層における波長変換ファイバーの本数は概ね等しくなる（図５（Ａ））。これに対し、一方の波長変換ファイバー層に近い側で発光が行われた場合、近い側の波長変換ファイバー層内の発光した波長変換ファイバーの本数は少なく、遠い側の波長変換ファイバー層内の発光した波長変換ファイバーの本数は多くなる（図５（Ｂ））。この原理を用い、波長変換ファイバーの発光位置を確認し、幾何学的処理を用いて発光位置を推定する。具体的には、一の波長変換ファイバー層における発光した範囲の端にある波長変換ファイバーの位置と、他方の波長変換ファイバー層における反対側の端にある波長変換ファイバーの位置を接続することで、その交点近傍を発光点と推定できる。なお、一箇所で発光が行われた場合、一対の波長変換ファイバー層内において発光する波長変換ファイバーの本数の和は概ね一定の範囲に収まる。

一方、シンチレーター層内においてコンプトン散乱を含む場合、シンチレーター層内では複数箇所で発光する。この場合、それぞれの箇所における発光に基づき、波長変換ファイバーは発光することになる（図５（Ｃ））。すると、複数回発光するため、一対の波長変換ファイバー層内における波長変換ファイバーの本数、位置は大きくずれることになる。すなわち、一対の波長変換ファイバー層内において発行する波長変換ファイバーの本数の和が上記一箇所で発光したものと推定できる所定の範囲を超えている場合、コンプトン散乱が起こったと判断することができる。

すなわち、上記のように、発光した波長変換ファイバー層における発光した範囲が複数ある場合や、その発光した本数が一定の範囲を逸脱した場合は、このデータはコンプトン散乱に基づくものであるとして、削除または採用しないことで測定精度を向上させることができる。

（ポジトロン断層測定画像の構成方法）
ここで、上記ポジトロン断層測定装置を用いて、ポジトロン断層測定画像を構成する方法（以下「本方法」という。）について説明する。

本方法は、シンチレーター層と、シンチレーター層を挟み互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層を備えた検出部２を備え、シンチレーター層の発光位置を特定する発光位置特定部と、発光位置推定部が推定する発光位置に基づき画像構成を行う画像構成部と、を備えるポジトロン断層測定装置を用いてポジトロン断層測定画像の構成を行う方法であり、（Ａ）発光位置推定部および画像構成部の少なくともいずれかは、発光位置特定部が、所定の値以上発光している場合に、当該発光を画像構成に反映させないステップを備える。

本方法によると、上記図４において説明した通り、発光位置推定部および画像構成部の少なくともいずれかは、発光位置特定部が、所定の値以上発光している場合、シンチレーター層内の複数箇所で発光していると判断し、発光位置を推定する際又は画像構成の際に、削除または無視する。この結果、精度を高く維持することができる。なお、この所定の値としては、上記の通り、発光した波長変換ファイバー層における発光した範囲が複数ある場合や、その発光した本数が一定の範囲を逸脱した場合を基準とすることができる。

繰り返しとなるが、上記したように、ポジトロン断層測定装置において高精度を達成するために必要な能力は光電吸収事象とコンプトン散乱事象の識別能力である。コンプトン散乱事象では最初の入射位置が判定できれば断層画像再構成に利用できるが、そのためには複雑で高性能なγ線測定器が必要となる。本装置１では、コンプトン散乱と認識できた事象は排除し、光電吸収事象だけを収集することが可能となる。

また本装置１によるより具体的な効果について説明する。本装置１は、例えば本装置１のシンチレーター層を、厚さ１ｍｍ程度の無機シンチレーターを２４層とし、この測定器ブロック全体でシンチレーション発光が１層だけで起きた事象だけを測定する構成とする。そして、シンチレーター１ｍ^２の価格は２００万円程度であり、普及型ＰＥＴ装置のγ線測定器を３０ｃｍ×３０ｃｍ×厚さ１ｍｍ×２４層×６ブロックで製作するなら個々の素材価格は、シンチレーターが３千万円、波長変換ファイバーが１千万円、微小受光素子が１２００万円、信号読み出し回路が５００万円となり、市販価格１億円以下で位置分解能０．２ｍｍのＰＥＴγ線測定器が実現できる。なお、位置分解能１ｍｍ以下のＰＥＴ装置では実質的な位置分解能はγ線の測定精度ではなく統計量で定まる。被験者の被爆量を３ｍＳｖとすると、完璧な測定器と画像構成プログラムが存在しても統計学的に発見可能ながんの限界は０．７ｍｍ程度となる。

本発明は、ポジトロン断層測定装置及びポジトロン断層測定画像の構成方法として産業上の利用可能性がある。

Claims

シンチレーター層と、前記シンチレーター層を挟み互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層とを備える検出部と、
前記シンチレーター層の発光位置を特定する発光位置特定部と、
前記発光位置特定部が特定した発光位置に基づき画像構成を行う画像構成部と、を備え、
前記画像構成部又は前記発光位置特定部は、前記波長変換ファイバー層において発光した領域が複数ある場合、又は、前記波長変換ファイバー層に含まれる複数の波長変換ファイバーのうち、発光した前記波長変換ファイバーの本数が所定の本数を超えている場合に、当該発光についての前記発光位置に関する情報を削除する又は採用しない、ポジトロン断層測定装置。
前記シンチレーター層は、複数のシンチレーターが積層されたものである請求項１記載のポジトロン断層測定装置。
シンチレーター層と前記シンチレーター層を挟み互いの延伸方向が異なる一対の波長変換ファイバー層とを備える検出部と、前記シンチレーター層の発光位置を特定する発光位置特定部と、前記発光位置特定部が特定した発光位置に基づき画像構成を行う画像構成部と、を備えるポジトロン断層測定装置を用いてポジトロン断層測定画像の構成を行う方法であって、
前記画像構成部又は前記発光位置特定部は、前記波長変換ファイバー層において発光した領域が複数ある場合、又は、前記波長変換ファイバー層に含まれる複数の波長変換ファイバーのうち、発光した前記波長変換ファイバーの本数が所定の本数を超えている場合に、当該発光についての前記発光位置に関する情報を削除する又は採用しない、ポジトロン断層測定画像の構成方法。