JP7208636B2

JP7208636B2 - 断層撮影装置

Info

Publication number: JP7208636B2
Application number: JP2019549128A
Authority: JP
Inventors: 秀幸河合
Original assignee: Chiba University NUC
Current assignee: Chiba University NUC
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2038-08-16
Also published as: US20210204900A1; JPWO2019077857A1; WO2019077857A1

Description

本発明は、断層撮影装置（computerized tomography;CT）に関するものである。

X線CTはわが国の現在医療では必要不可欠な診断法である。また工業用としても非破壊検査法として有用である。なお、本明細書では、断層撮影装置を断層測定装置と表現することもある。

非特許文献１には、X線をサンプルに照射し、サンプルを透過したX線の減衰量から、サンプルの密度、形状等を計測するX線CTが記載されている。

https://www.toyo.co.jp/microscopy/products/list/?contents_type=48

日本国民は一人当たり年間3mSvの診療目的の被曝がある。この診療行為によって発病したがん患者は全体の約４％と推定され、この比率は欧米の4～6倍である。診療被曝の多くはX線CTによるものとみられる。単純なＸ線撮影は70μSv程度の被曝がある。Ｘ線ＣＴでは様々な方向から撮影した300枚程度の２次元透視画像から３次元物質分布を求めるため20mSv程度の被曝が生じる。このように、X線CTを診断目的に利用した場合、被曝による健康被害が課題となる。

また、X線CTは工業的にも複雑な構造をした金属製品などの非破壊内部透視検査法に利用されている。X線はエネルギーが高くなるほど透過率が高くなり透視可能な部材の厚さが大きくなるが、高エネルギーになるほどX線発生装置が複雑で高価となり、一般に人工的に発生できるX線の最高エネルギーは200keV程度である。

金属などの原子番号の高い物質で構成される容器内に有機物などの原子番号の低い物質が存在する場合はＸ線での透視は原理的に困難である。

そこで、本発明は、断層撮影装置（断層測定装置）を診断目的で利用した場合、診断対象者の被曝量が低減できる断層撮影装置を提供することを目的とするものである。

また、本発明は、原子番号が高い物質の内部でも透視することができる断層撮影装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の一つの観点によれば、断層撮影装置を、γ線を測定対象物に照射するγ線発生源と、測定対象物を通過したγ線の透過度に関する情報を測定する測定部と、前記測定部により測定したγ線の透過度に関する情報に基づき測定対象物の物質密度分布を算出する物質密度分布算出部を備えるものとした。

また、本発明の他の観点によれば、断層撮影装置を、γ線を測定対象物の方向に第１のγ線を出射し、測定対象物の反対側に第２のγ線を出射するγ線発生源と、前記γ線発生源から出射した第１のγ線を入射して発光する第１のシンチレーターと、第１のシンチレーターの表面に配置され、前記第１のシンチレーターから光が入射した場合再発光する複数の第１の光ファイバーと、前記第１の光ファイバーの少なくとも一方の端に取り付けられ、前記第１の光ファイバーで再発光した光に関する物理量を測定する第１の受光素子と、前記γ線発生源から出射した第２のγ線を入射して発光する第２のシンチレーターと、前記第２のシンチレーターの表面に配置され、前記第２のシンチレーターから光が入射した場合再発光する複数の第２の光ファイバーと、前記第２の光ファイバーの少なくとも一方の端に取り付けられ、前記第２の光ファイバーで再発光した光に関する物理量を測定する第２の受光素子と、前記第１の受光素子が測定した光に関する物理量と前記第２の受光素子が測定した光に関する物理量に基づき測定対象物の物質密度分布を算出する物質密度分布算出部を備えるものとした。さらに、前記第１のシンチレーターの側面に、前記第１のシンチレーターに入射した第１のγ線のエネルギーに関する情報を測定する第１の測定素子を備え、前記第２のシンチレーターの側面に、前記第２のシンチレーターに入射した第２のγ線のエネルギーに関する情報を測定する第２の測定素子を備え、前記物質密度分布算出部が、前記第１の受光素子が測定した光に関する物理量と、前記第２の受光素子が測定した光に関する物理量と、前記第１の測定素子が測定した第１のγ線のエネルギーに関する情報と、前記第２の測定素子が測定した第２のγ線のエネルギーに関する情報に基づき測定対象物の物質密度分布を算出すると望ましい。さらに、前記測定対象物が生体であることが望ましい。

本発明によれば、診断対象者の被曝量を低減できる医療診断用断層撮影装置を提供することができる。また、本発明によれば、原子番号が高い物質の内部でも透視することができる断層撮影装置を提供することができる。

実施例１のγ線測定器を示す図である。実施例１の透過型γ線CTを示す図である。実施例２の散乱型γ線CTを示す図である。実施例５のCTの概略図を示す図である。実施例６のCTの概略図を示す図である。

以下、本発明の実施形態の例及び実施例を説明するが、本発明の実施形態は以下に説明する実施形態例及び実施例に限定されるものではない。

本発明はX線CTと同等以上の再構成画像が得られて被曝量がX線CTより低いγ線CTである。γ線発生源は⁶⁸Ge/⁶⁸Ga密封線源を用いる。

図１は、発明者が提案するγ線測定器の例である。１はγ線が入射すると発光するLa-GPSシンチレーター(Ga_xLa_1-x-yCey)2Si₂O₇であり、大きさは34mm×34mm×3.4mmである。シンチレーターは、放射線が入射すると発光する性質を持つ物質を意味し、この機能を有するものであれば本実施例で例示した材料に限られない。ここで例示したこの一辺の長さは直径２インチの円筒状結晶から切り出せる最大正方形の大きさであり、厚さは有効面積3mm×3mmの微小受光素子SiPM（浜松ホトニクス社の商品名称Multi Pixel Photon Counter）の外形に合わせている。

シンチレーター板の４側面にはそれぞれ8～10個のMPPCが接着されており、発光量と発光時刻を測定する。MPPC(Multi-Pixel Photon Counter)は、SiPM (Silicon Photomultiplier)と呼ばれるデバイスの1種で、ガイガーモードAPDをマルチピクセル化した新しいタイプのフォトンカウンティング(光子計測)デバイス（受光素子）である。これまでの予備実験で、511keVのγ線では約5,000個の光電子を観測した。これはエネルギー分解能約２％に相当する。また時間分解能は約100psecを予想している。

シンチレーター板の上下面には直径0.2mmの波長変換ファイバー（光ファイバー）２を２層340本接着する。本図では波長変換ファイバー３にシンチレーション光が入射しているが、波長変換ファイバー３のコア部分に入射したシンチレーション光は吸収され、約50％の確率で少し長波長の光として等方的に再発光される。ファイバー内での全反射条件を満たした約10％の光がファイバー端まで伝播し、端に接着されたMPPCで観測される。予備実験では511keVのγ線に対して両端で観測された光電子は90個であった。これはコンプトン散乱で50keVしかエネルギー消費がなかったシンチレーター板でも99％の確率で発光位置が測定できる。γ線入射位置の測定精度は波長変換ファイバーの直径で決まるため、位置分解能0.2mmまでが得られる。

図２は、透過型γ線CTを示す図である。２０３が測定対象となる生体、２０２は陽電子放出核種の密封放射線源、２０４は放射線源から放射される放射線（γ線）であり、２０１のシンチレーターに入射され、２０５でγ線が消滅し、シンチレーション光を発光する。なお、放射線源２０２からは多数の放射線が等方的、等量的に出射されるが、本実施例では、放射線２０４について説明する。シンチレーターの表面と裏面には、波長変換ファイバー（図示せず。）がほぼ直交する２方向に並べて配置されており、シンチレーション光が波長変換ファイバーに入射する。γ線消滅位置を板状シンチレーター２０１と波長変換ファイバーで測定する。生体と逆側に出たγ線を測定すれば、生体を透過したγ線の予想位置が決まる。予想位置付近にγ線が現れるか否かを測定する。この結果を解析することにより、測定対象の三次元的な密度分布、質量分布を測定する。

70keVＸ線で透過率を1％の精度で求めるなら、もしコンプトン散乱によるバックグラウンドが存在しなかった場合に透過したＸ線光子数が1万個になるように単位面積当たり222万個の光子を入射しなければならない。この場合は信号（コンプトン散乱なしで測定器に到達した光子）の2.3倍のバックグラウンド（コンプトン散乱して測定器の到達した光子）が存在するため、同じ精度で透過率を求めるには事象数がさきほどのバックグラウンドなしの場合の3.32倍となる単位面積当たり2420万個の光子が入射しなければならない。一方511keVγ線の場合は反対側のγ線測定によって透過した光子の到達予定位置が判明しているため透過率測定は到達予定位置に光子が観測されるかどうかを知るだけでよい。複数回のコンプトン散乱の後に到達予定位置に一致するような事象は無視できるので、バックグラウンドはほぼ0である。70keVＸ線の場合は測定効率がほぼ100％だが511keVγ線の場合は測定効率が90％程度である。このことから透過率を1％の精度で測定するには透過光子を12100個測定すればよい。透過率が5.5％なので単位面積当たりの入射光子数は22万個で済む。最初の光子エネルギーが70keVと511keVで7.3倍であり、生体内で消費される光子エネルギーの割合が70keVでは98.8％で511keVでは69.3％なので、γ線の場合の被曝線量はＸ線の場合の1/10から1/20程度となる。

Ｘ線ＣＴ画像の精度は1～2mmである。本実施例では、従来のＸ線ＣＴと比較して、透過画像の精度を1/5以下に向上させながら、被曝線量を1/20程度に低減することができる。

また、γ線CTは、以下に提案する方法でも実施できる。

単純なＸ線撮影は70μSv程度の被曝がある。Ｘ線ＣＴでは様々な方向から撮影した300枚程度の２次元透視画像から３次元物質分布を求めるため20mSv程度の被曝が生じる。被曝線量を抜本的に減らすにはＸ線ＣＴのように２次元透視画像から３次元物質分布を求めるのではなく物質中の放射線散乱現象の測定によって散乱地点分布＝物質分布を直接求めることが考えられる。光子の散乱であるコンプトン散乱では入射光子と散乱光子のエネルギーが判明すれば散乱角度は一意的に決まる。コンプトンカメラは散乱地点の位置と消費エネルギーおよび散乱光子の方向とエネルギーの測定によって入射光子の方向を求めている。逆に、入射光子の位置・方向・エネルギーと散乱光子の位置・エネルギーを測定すれば散乱地点の位置が判明する。通常のＸ線発生装置では、厚いコリメーターを使えば進行方向がそろったビーム状のＸ線が得られるが、個々のＸ線光子のエネルギーを知ることは不可能である。だが、陽電子対消滅で発生したγ線は常にエネルギーが511keVであり、陽電子消滅位置と一方のγ線を測定すれば、生体に入射する他方のγ線の入射位置・進行方向が一意的に決まる。生体の反対側で散乱γ線の位置とエネルギーを測定すれば、生体内でコンプトン散乱が起きた位置が一意的に決まる。

図３は、本実施例の散乱型γ線CTの概念を示す図である。生体２０３に入射する光子の位置・方向・エネルギーと生体２０３から出ていく光子の位置・エネルギーを測定できれば、散乱角度が一意的に定まり、散乱の起きた位置２０５が事象ごとに定まる。散乱の起きた位置の情報から、生体内の物質密度分布が直接決まる。実施例２の透過型γ線CTと比べても物質分布計算に必要な事象数が大幅に少なくなる。本実施例では、入射光子のエネルギーは自明で、陽電子消滅位置と逆側のγ線の測定から入射光の位置と方向が決定する。

400keV以上のコンプトン散乱事象を用いる場合は信号：ノイズ比は1：0.3なので、任意の3mm×3mm×3mm領域の物質密度を1％の精度で測定するにはこの領域で散乱した1回コンプトン散乱事象を16900個測定すればよい。400keV以上の1回コンプトン散乱事象の割合は4.0％なので、この領域に入射する511keV光子数は422500個となり、全エネルギーは3.45×10^-8Jとなる。このエネルギーをこの領域の質量2.7×10^-5kgで割るとこの領域の被曝量は1.28mSvとなる。この計算では入射エネルギーは全て体内で消費されるとしたが、前節で述べたように透過光子や散乱光子によって30.7％のエネルギーは体外へ放出される。またこのγ線ＣＴ検査では被曝部位は全身の一部である。被曝部位の組織加重係数を含めた割合を20％とすると、体全体の被曝量は0.174mSvとなる。そうすると、本実施例によれば、従来のX線CTと比較して、被曝量を1/100程度と大幅に低減することができる。但し本実施例では位置分解能は3mm程度であり、Ｘ線ＣＴと比較すると若干劣化する。

実施例１と実施例２を併用すれば低被曝線量かつ高位置分解能の透視検査が実現できる。最初に実施例２の散乱型γ線ＣＴで全身を透視し、異常部位が発見されればγ線照射範囲を異常部位付近に限定した実施例１の透過型γ線ＣＴで異常部位を精密診断する。

以上のように、本提案の陽電子過剰核（例えば⁶⁸Ge/⁶⁸Ga密封線源）からの陽電子消滅γ線を用いたγ線ＣＴ診断法はＸ線ＣＴと同等の生体内物質分布測定能力がある。Ｘ線ＣＴと比較した診断画像の精度と被曝線量は、本提案の透過型γ線ＣＴで1/5と1/10程度、散乱型γ線ＣＴで２倍と1/100程度、両者の併用で1/5と1/50程度となる。

上記の実施例では、医療診断用γ線CTの使用例を説明したが、γ線CTでは、原子番号が高い物質の内部でも透視することができるため、工業用や空港等の荷物検査用、乗用車・トラック・コンテナなどの透視検査用、鉄筋コンクリート構造物の安全性検査用にも利用することができる。

図４は、実施例５のCTの概略図である。放射線源４０２から180°逆向きの２方向に出射（放射）されたγ線の一つが測定対象物の反対側にあるシンチレーター４０１に入射して、発光する。その発光した光が、シンチレーター４０１の表面と裏面に、ほぼ直交する２方向に配置された複数の波長変換ファイバー（図示せず。）の数本に入射し、波長変換ファイバー内で再発光する。再発光した光が波長変換ファイバーの端に取り付けた受光素子（図示せず。）で検知される。他方、放射線源４０２から出射されたもう一方のγ線４０４は、生体４０５を通過してシンチレーター４０６に入射し、シンチレーター内で発光する。発光した光が、シンチレーター４０６の表面と裏面に、ほぼ直交する２方向に配置された複数の波長変換ファイバー（図示せず。）の数本に入射し、波長変換ファイバーで再発光する。再発光した光を、波長変換ファイバーの端部に取り付けた受光素子（図示せず。）で検出する。これらの受光素子が検知した情報からγ線４０３のシンチレーター４０１への入射位置、γ線４０４のシンチレーター４０６への入射位置を特定することができ、これらの入射位置から、γ線を出射した放射線源４０２の位置が特定できる。これらの情報を解析して、γ線の測定対象物の透過率分布を導き出し、測定対象物の二次元的な密度分布を測定（推定）することができる。放射線源４０２、シンチレーター４０１、シンチレーター４０６は、被測定物の周りを回転しながら、複数回の測定を行い、各位置における測定対象物内の二次元的な密度分布を測定する。そして、複数回測定した測定対象物内の二次元的な密度分布の情報を解析することにより、測定対象物内の三次元的な密度分布、形状に関する情報を取得する。本実施例は、実施例１のように、生体の周囲全てに放射線検出器を配置する必要がないため、実施例１よりも放射線検出器の分コストを下げることができる可能性がある反面、シンチレーター等を回転させる機構が必要となるため、その分のコスト増や信頼性、シンチレーター等を回転させることに伴う測定時間（診断時間）の長時間化が課題となる。なお、本実施例では、放射線源からγ線が放出される例を説明したが、γ線以外の放射線、例えばX線を放出する場合であっても、本実施例の構成で測定対象物内の三次元形状を測定することが可能である。また、本実施例のように放射線の検出装置にシンチレーターと波長変換ファイバーを用いずに、従来のX線CTで用いられている放射線検出装置を用いても測定対象物内の三次元形状を測定することは可能である。しかし、本実施例のようにシンチレーターと波長変換ファイバーを用いた測定方法の方がCT装置の大幅なコストダウンが実現できる。

図５は、実施例６の概略図である。実施例５と同じ部分は説明を省略する。本実施例が実施例５と異なる点は、γ線４０４が測定対象物である生体内で散乱した場合でも、実施例２の方法を使って散乱した位置を特定することができ、測定対象物内の三次元形状を測定することができる点である。

本発明は、断層撮影装置として、産業上利用可能である。

１シンチレーター
２波長変換ファイバー
３光が入射した波長変換ファイバー
２０１シンチレーター
２０２放射線源
２０３生体（測定対象物）
２０４ γ線
２０５ γ線消滅位置
４０１シンチレーター
４０２放射線源
４０３、４０４ γ線
４０５生体（測定対象物）
４０６シンチレーター

Claims

γ線を測定対象物に照射するγ線発生源であり、前記測定対象物の方向に第１のγ線を出射するとともに前記測定対象物の方向に対する反対方向に第２のγ線を出射する、前記γ線発生源と、
前記測定対象物を通過した前記第１のγ線の透過度及び／又は前記測定対象物内で散乱した前記第１のγ線の散乱位置に関する情報を測定する測定部であり、
前記第１のγ線を検出する第１検出装置であり、前記γ線発生源から出射した前記第１のγ線を入射して発光する第１のシンチレーターと、前記第１のシンチレーターの表面に配置され、前記第１のシンチレーターから光が入射した場合再発光する第１の光ファイバーと、前記第１の光ファイバーの少なくとも一方の端に取り付けられ、前記第１の光ファイバーで再発光した光に関する物理量を測定する第１の受光素子と、を有する、前記第１検出装置と、
前記測定対象物に対して前記第１検出装置の反対側に位置して前記第２のγ線を検出する第２検出装置であり、前記γ線発生源から照射した前記第２のγ線を入射して発光する第２のシンチレーターと、前記第２のシンチレーターの表面に配置され、前記第２のシンチレーターから光が入射した場合再発光する第２の光ファイバーと、前記第２の光ファイバーの少なくとも一方の端に取り付けられ、前記第２の光ファイバーで再発光した光に関する物理量を測定する第２の受光素子と、を有する、前記第２検出装置と、
を備える、前記測定部と、
前記測定部により測定したγ線に関する情報に基づき前記測定対象物の物質密度分布を算出する物質密度分布算出部と、
を備える断層撮影装置。
前記物質密度分布算出部は、前記第１の受光素子が測定した光に関する物理量と前記第２の受光素子が測定した光に関する物理量に基づき測定対象物の物質密度分布を算出する、請求項１に記載の断層撮影装置。
前記第１検出装置は、さらに、前記第１のシンチレーターの側面に、前記第１のシンチレーターに入射した第１のγ線のエネルギーに関する情報を測定する第１の測定素子を備え、
前記第２検出装置は、さらに、前記第２のシンチレーターの側面に、前記第２のシンチレーターに入射した第２のγ線のエネルギーに関する情報を測定する第２の測定素子を備え、
前記物質密度分布算出部が、前記第１の受光素子が測定した光に関する物理量と、前記第２の受光素子が測定した光に関する物理量と、前記第１の測定素子が測定した第１のγ線のエネルギーに関する情報と、前記第２の測定素子が測定した第２のγ線のエネルギーに関する情報に基づき測定対象物の物質密度分布を算出する、請求項１に記載の断層撮影装置。
前記測定対象物が生体である、請求項１から３のいずれか一項に記載の断層撮影装置。