JP6057207B2 - 放射線位置検出器 - Google Patents

Description

本発明は、ポジトロン放射型断層撮像装置（Positron Emission Tomography: ＰＥＴ装置）に用いるシンチレーション検出器に関し、特にＰＥＴ装置において、高分解能を必要とする放射線検出器に関する。

放射性同位体を被検体に投与し、体内の放射性同位体の分布を測定して画像表示するＰＥＴ装置が知られている。放射性同位体には、崩壊するときにポジトロン（陽電子）を放出する性質を有するポジトロン核種がある。ポジトロン核種は、人工的に製造される核種で、ＰＥＴ装置では炭素^１１Ｃ、窒素^１３Ｎ、酸素^１５Ｏ、フッ素^１８Ｆなどが用いられることが多い。ポジトロンは放出されるとすぐに電子と衝突して消滅するが、同時に、２本の消滅ガンマ線（５１１ｋｅＶ）を正反対方向に放射する。

ＰＥＴ装置は、生体に投与したポジトロン放出核種からの消滅ガンマ線を検出し断層画像を作成する装置であり、医学生理学的に重要な種々の機能画像を得ることができることから、研究用途に用いられると共に臨床的にも広く使用されている。
ここで、ＰＥＴ装置を小動物のイメージングに用いる場合、被検体が小さいために高分解能が要求される。ＰＥＴ装置の分解能を向上するために、小さなピクセルで構成されたシンチレータブロックを位置有感型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）やシリコンフォトマルアレー（Ｓｉ−ＰＭアレー）などの位置有感型光センサーに光学結合し、光センサーの出力信号を重心演算することにより高分解能を得る試みが行われている。
しかし、位置有感型光センサーのサイズが比較的大きいことから、リング状にシンチレータブロックを配置した場合に、６角形や８角形など角数の小さなリング形状に配置せざるを得ない場合が多い。

一方、従来からライトガイドの配置を工夫して、大面積の位置識別型測定に対応可能な放射線検出器が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照。）。

特開２０００−３４６９４７号公報 特開２００８−２４９７３０号公報

上述の如く、被検体が小さい小動物などのイメージングにＰＥＴ装置を用いる場合、高分解能化を図るために、シンチレータブロックを位置有感型光センサーに光学結合し、光センサーの出力信号を重心演算している。
しかしながら、位置有感型光センサーのサイズが比較的大きいことから、６角形や８角形など角数の小さなリング状にシンチレータブロックを配置しなければならず、シンチレータブロック間に比較的大きな隙間（ギャップ）が生じてしまう。そして、ギャップ部分を通り抜ける消滅ガンマ線では、同時計数データは得ることができないため、画像に歪みを生じてしまうといった問題がある。

図１（Ａ）では、８角形のリング状に配置されたシンチレータブロックにおいて、被検体４の中のポジトロン核種のポジトロンが消滅点５から、正反対方向に放射する２本の消滅ガンマ線６が存在する場合に、シンチレータブロック２の間のギャップ３から１本の消滅ガンマ線が通り抜ける様子を示している。すなわち、８角形のリング状に配置されたシンチレータブロックの場合、シンチレータブロック間のギャップの割合が大きく消滅ガンマ線がその間から逃げやすい。また、図１（Ａ）からシンチレータブロック２の各セルの位置は円形から大きく外れており、画像再構成時の画像の歪みが大きい。

一方、図１（Ｂ）では、１６角形のリング状に配置されたシンチレータブロックにおいて、被検体４の中のポジトロン核種のポジトロンが消滅点５から、正反対方向に２本の消滅ガンマ線６が放射され、シンチレータブロック２に捕獲される様子を示している。図１（Ｂ）のような１６角形のリング状に配置されたシンチレータブロックの場合、シンチレータブロック２間のギャップ３は小さく、消滅ガンマ線がギャップ部分を通り抜ける可能性は低くなる。すなわち、１６角形のリング状に配置されたシンチレータブロックの場合、ギャップの大きさは相対的に小さくなり、かつ、セルの配置が円形に近くなり、画像再構成時の画像の歪みが少なくできる。

上記状況に鑑みて、本発明は、シンチレータブロックのリング状配置における位置有感型光センサーのサイズに起因する角数の制約を緩和して、小さい被検体のイメージングに用いる高分解能の放射線検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点の放射線検出器は、シンチレータブロックと光センサーを光学的に結合した構造の放射線位置検出器において、シンチレータブロックと光センサーとの間に傾斜面を有するライトガイドを設け、ライトガイドと光センサーとの間に、スリットを有するスリット型ライトガイドを設け、該スリットによりライトガイドから出射する光を光センサーの中央部に寄せ、シンチレータブロック毎に光センサーを結合するのではなく、隣接する複数のシンチレータブロックに１個の光センサーを結合させる。
上記のライトガイドは、シンチレータブロックを構成するシンチレータの長手方向を傾斜面の垂線方向とし、光センサーの受光面の垂線方向をガイド方向とし、シンチレータブロックとの接合面を傾斜面とする。

上記の構成によれば、リング状に配置されたシンチレータブロックにおいて、隣接する複数のシンチレータブロックに１個の位置有感型光センサーを結合させることが可能であり、位置有感型光センサーのサイズの制約から決まる光センサーの配置の角数の２倍から数倍の角数を持つシンチレータブロックのリングを構成することができる。従って、円形に近いシンチレータブロック配置が可能となり、高分解能な放射線検出器を提供できる。

ライトガイドの傾斜面は、シンチレータの長手方向を傾斜面の垂線方向とし、光センサーの受光面の垂線方向をガイド方向とし、シンチレータブロックとの接合面を傾斜面とする。これにより、シンチレータブロックを構成するシンチレータの中を通る光の光路の進行方向の向きを変化させることができる。
ライトガイドは、シンチレータブロックの発光による光を損失なしに光センサーの受光面にガイドすることにより、光信号を電気的に転換させる。
ライトガイドの形状は、シンチレータの長手方向と光センサーの受光面の垂線方向から決まる面を断面とした場合、断面形状が傾斜部分を斜面とする直角三角形か、傾斜部分を斜面とする台形などである。

隣接する複数のシンチレータブロックに１個の光センサーを結合させるとは、隣接する２個のシンチレータブロック、隣接する３個のシンチレータブロック、或いは、隣接する４個以上のシンチレータブロックに１個の光センサーを結合させることを意味する。
光センサーは、具体的には位置有感型光センサーが好適に用いられ、波形解析スペクトル、エネルギースペクトルに加えて、シンチレータで検出された放射線の位置の情報を得ることが可能になる。位置情報の計算は、光センサーの出力信号の重心演算を行い、高分解能化を図る。

上記の本発明の放射線検出器において、光センサーの配置の角数の２倍以上の角数をシンチレータブロックの配置の角数とする検出器リングを構成する。
これにより、被検体が小さい小動物などのイメージングに用いる高分解能のＰＥＴ装置を提供できる。

本発明の放射線検出器を用いて、例えば、角数６の光センサーの配置、つまり、６個の光センサーが６角柱の側面を形成するような配置で検出器リングを構成する場合、２倍の角数なら、１２個のシンチレータブロックが１２角柱の側面を形成するように配置して検出器リングを構成する。正１２角柱の場合、隣接するシンチレータブロックの垂線の交角は３６０°の１２等分の３０°となり、２倍の角数なら１つの光センサーの受光面に２つのシンチレータブロックの光をガイドするライトガイドが２つ設けられる。それぞれのシンチレータブロックに結合されるライトガイドにおいて、光センサーの受光面を基準とした傾斜角は１５°となる。

また、角数６の光センサーの配置で３倍の角数なら、１８個のシンチレータブロックが１８角柱の側面を形成するように配置して検出器リングを構成する。その場合、隣接するシンチレータブロックの垂線の交角は３６０°の１８等分の２０°となり、３倍の角数なら１つの光センサーの受光面に３つのシンチレータブロックの光をガイドするライトガイドが２つ或いは３つ設けられる。３つのシンチレータブロックの両端２つのシンチレータブロックに結合されるライトガイドにおいて、光センサーの受光面を基準とした傾斜角は２０°となる。

また、角数６の光センサーの配置で４倍の角数なら、２４個のシンチレータブロックが２４角柱の側面を形成するように配置して検出器リングを構成する。その場合、隣接するシンチレータブロックの垂線の交角は３６０°の２４等分の１５°となり、４倍の角数なら１つの光センサーの受光面に４つのシンチレータブロックの光をガイドするライトガイドが４つ設けられる。それぞれのシンチレータブロックに結合されるライトガイドにおいて、光センサーの受光面を基準とした傾斜角は７．５°と２２．５°の２種類となる。

また、同様に、角数８の光センサーの配置、つまり、８個の光センサーが８角柱の側面を形成するような配置で検出器リングを構成する場合、２倍の角数なら、１６個のシンチレータブロックが１６角柱の側面を形成するように配置して検出器リングを構成する。正１６角柱の場合、隣接するシンチレータブロックの垂線の交角は３６０°の１６等分の２２．５°となり、２倍の角数なら１つの光センサーの受光面に２つのシンチレータブロックの光をガイドするライトガイドが２つ設けられる。それぞれのシンチレータブロックに結合されるライトガイドにおいて、光センサーの受光面を基準とした傾斜角は１１．２５°となる。

また、角数８の光センサーの配置で３倍の角数なら、２４個のシンチレータブロックが２４角柱の側面を形成するように配置して検出器リングを構成する。その場合、隣接するシンチレータブロックの垂線の交角は３６０°の２４等分の１５°となり、３倍の角数なら１つの光センサーの受光面に３つのシンチレータブロックの光をガイドするライトガイドが２つ或いは３つ設けられる。３つのシンチレータブロックの両端２つのシンチレータブロックに結合されるライトガイドにおいて、光センサーの受光面を基準とした傾斜角は１５°となる。

ここで、ライトガイドは複数のライトガイドを束ねた構造であることが好ましい。また、ライトガイドは複数の光ファイバーを束ねた構造であることが好ましい。シンチレータブロックのどの位置のシンチレータの中を光が通ってきたのかという位置情報を保持したまま、光センサーに光を導くためである。
また、上記の放射線検出器において、ライトガイドとシンチレータブロックが一体形成された構造であることが好ましい。

上記の放射線検出器は、ライトガイドと光センサーとの間に、スリットを有するスリット型ライトガイドが設けられ、該スリットによりライトガイドから出射する光を光センサーの中央部に寄せる。
スリット型ライトガイドは、光を光センサーの中央部に寄せると共に、重心演算の精度を上げるために光センサーのセンサーアレー間に広げる作用がある。

また、上記の放射線検出器において、シンチレータブロックは、発光減衰時間の異なる少なくとも２層の多層構造であり、光センサーの出力信号の波形から各層の信号波形を弁別することが好ましい。
ここで、多層構造とは、シンチレータの長手方向（光の進行方向）に発光減衰時間の異なる層が重なっている構造である。多層構造を形成させるには、例えば、Ｃｅ濃度の異なるＧＳＯシンチレータを重ねる。

また、上記の放射線検出器において、シンチレータブロックは、同一特性のシンチレータブロックから成る２層構造であり、各層のシンチレータブロックを構成するそれぞれのシンチレータの中心位置を、相対的に径の略１／２だけシフトさせて配置し、光センサーの出力信号から各層の信号を位置演算により弁別することが好ましい。
上記構成によれば、波形解析による信号の弁別を行わずとも、各層の信号を位置演算により弁別することが可能となる。

次に、本発明の第２の観点の放射線検出器について説明する。
本発明の第２の観点の放射線検出器は、シンチレータブロックと光センサーを光学的に結合した構造の放射線位置検出器において、シンチレータブロックが光の出る部分を斜めにカットされて傾斜面を有し、シンチレータブロック毎に光センサーを結合するのではなく、隣接する複数のシンチレータブロックに１個の光センサーを結合させる。
上記のシンチレータブロックの傾斜面と光センサーの受光面は互いに並行にする。また、隣接する複数のシンチレータブロックと光センサーとの間に、スリットを有するスリット型ライトガイドが設けられ、該スリットによりシンチレータブロックから出射する光を光センサーの中央部に寄せる。

シンチレータブロックの光の出る部分を斜めにカットし傾斜面を形成することで、第１の観点の放射線検出器における傾斜面を有するライトガイドを用いることが不要となり、部品点数を削減できる。そして、隣接する複数のシンチレータブロックの光の出る面を同一平面に揃え、スリット型ライトガイドを介して光センサーに結合する。

上記の第２の観点の放射線検出器において、光センサーの配置の角数の２倍以上の角数をシンチレータブロックの配置の角数とする検出器リングを構成する。
これにより、被検体が小さい小動物などのイメージングに用いる高分解能のＰＥＴ装置を提供できる。

本発明によれば、少ない位置有感型光センサーを用いて、円形に近い形にシンチレータブロックを配置し検出器リングを構成することができ、歪みが無く高分解能のＰＥＴ画像を得ることができるといった効果を有する。

角数の小さなリング状に配置したシンチレータブロックの問題点の説明図 実施例１の放射線検出器の構成図 実施例１の放射線検出器で構成された検出器リングの構成図 （Ａ）ＬＹＳＯシンチレータブロックの２次元位置ヒストグラム、（Ｂ）エネルギースペクトル 実施例１の放射線検出器で構成された検出器リングで撮像したマウスの断層画像（Ｆ−１８−ＮａＦ投与後撮像） 実施例２の放射線検出器の構成図 実施例２の放射線検出器で構成された検出器リングの構成図 実施例３の放射線検出器の構成図 実施例４の放射線検出器の構成図 実施例５の放射線検出器の構成図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図２は、実施例１の放射線検出器の構成図を示している。実施例１（他の実施例でも同じ）では位置有感型光センサーとしてＳｉ−ＰＭアレーを用いている。シンチレータブロック（２ａ，２ｂ）は、０．５（ｍｍ）×０．７（ｍｍ）×５（ｍｍ）のＬＹＳＯ結晶を用いたシンチレータ（ＬＹＳＯシンチレータ）を平面方向に１１個、体軸方向に１３個配置している。このシンチレータブロック２セット（２ａ，２ｂ）は、それぞれ３角形のライトガイド（７ａ，７ｂ）２個に光学的に結合されている。

ライトガイド（７ａ，７ｂ）は、光ファイバーを束ねたもので作られており、その角度は隣接するシンチレータブロック（２ａ，２ｂ）間の角度が２２．５°になるようにしてある。ライトガイド（７ａ，７ｂ）は、スリット１０を設けた別のスリット型ライトガイド８に光学結合され、４×４に配置した光センサー９（Ｓｉ−ＰＭアレー）に光学結合されている。Ｓｉ−ＰＭアレーの１チャンネルのサイズは３（ｍｍ）×３（ｍｍ）である。スリット型ライトガイド８は発光を中央部に集めて、周辺部の空間分解能を向上させる働きをする。符号１１はＳｉ−ＰＭアレーの各チャンネルの信号端子である。

図２に示すように、消滅ガンマ線６によるＬＹＳＯシンチレータの発光は、シンチレータの中を通り、傾斜面を有する光ファイバー製のライトガイド７ａに到達する。そこでわずかに光の進行方法の向きが変わり、位置の情報を保持したままスリット型ライトガイド８に導かれる。スリット型ライトガイド８によって、光は光センサー９（Ｓｉ−ＰＭアレー）の中央部に寄せられると共に、重心演算の精度を向上すべく光センサー９（Ｓｉ−ＰＭアレー）の受光面への照射面積が広がっている。シンチレータの光は、光センサー９（Ｓｉ−ＰＭアレー）によって電気信号に変換されて電子回路で重心演算される。

図３は、実施例１の放射線検出器で構成された検出器リングの構成図を示している。
図３の検出器リングは、図２の構造のブロック検出器８個をリング状に配置しＰＥＴ装置を構成したものである。
光センサー９（Ｓｉ−ＰＭアレー）は８角形であるが、シンチレータブロック２は１６角形になっている。すなわち、シンチレータブロックのリング状配置における位置有感型光センサーのサイズに起因する角数の制約を緩和し、位置有感型光センサーの角数の２倍の角数のシンチレータブロックのリング状配置を実現して、小さい被検体のイメージングに用いる高分解能のＰＥＴ装置を作製した。

図４（Ａ）に、作製したＰＥＴ装置で得られたＬＹＳＯシンチレータブロックの２次元位置ヒストグラムを示す。１１×１３に配置したＬＹＳＯシンチレータブロック２個をほぼ完全に弁別できていることが確認できる。また、図４（Ｂ）に、作製したＰＥＴ装置で得られたＬＹＳＯシンチレータブロックの２エネルギースペクトルを示す。図４（Ｂ）に示すスペクトルから、優れたエネルギー分解能が得られていることが確認できる。
作製したＰＥＴ装置では、０．７５（ｍｍ）の空間分解能を得ることができた。図５に、作製したＰＥＴ装置で撮像したマウスの断層画像（Ｆ−１８−ＮａＦ投与後撮像）を示す。高い空間分解能で歪みの無い良好なＰＥＴ画像が得られていることが確認できる。

図６は実施例２の放射線検出器の構成図、図７は実施例２の放射線検出器で構成された検出器リングの構成図を示している。
実施例２では、１つの光センサーの受光面に３つのシンチレータブロックの光をガイドするライトガイドが２つ設けられるブロック検出器を説明する。
図６に示すように、シンチレータブロック３セット（２ａ，２ｂ，２ｃ）の内、両端のシンチレータブロック（２ａ，２ｂ）には、直角３角形のライトガイド（７ａ，７ｂ）が設けられる。ライトガイド（７ａ，７ｂ）の傾斜角は３０°になるようにしてある。ライトガイド（７ａ，７ｂ）は、スリット１０を設けた別のスリット型ライトガイド８に光学結合され、光センサー９（Ｓｉ−ＰＭアレー）に光学結合されている。

そして、図７に示すように、角数４（４角形）の光センサーの配置とし、角数４の３倍の１２個のシンチレータブロックが１２角柱の側面を形成するように配置して角数１２の検出器リングを構成している。
隣接するシンチレータブロックの垂線の交角は３６０°の１２等分の３０°である。３倍の角数の場合、１つの光センサーの受光面に３つのシンチレータブロックの光をガイドするライトガイドが２つ或いは３つ設けられる。実施例２では、３つのシンチレータブロックの両端２つのシンチレータブロックに結合される２つのライトガイドを用いている。

図８は、実施例３の放射線検出器の構成図を示している。実施例３の放射線検出器では、シンチレータブロックの光の出る部分を斜めにカットして、傾斜面を有する光ファイバー製のライトガイドを用いること無く、スリット型ライトガイド８に接続する。実施例３の構成により、傾斜面を有するライトガイドを用いる必要がなく、部品点数を減少させることが可能となる。

図９は、実施例４の放射線検出器の構成図を示している。実施例４の放射線検出器では、シンチレータブロックを２層構造とし、シンチレータブロック２１と２２で発光減衰時間の異なるものを用いて波形解析により２層のシンチレータブロックの信号を弁別する。この構成によって、ＰＥＴ装置の視野中心から離れた場所における空間分解能を向上できる。
その他は、実施例１と同様である。
なお、シンチレータブロックの厚みを厚くすることで感度を高くしてもよい。また、シンチレータ（２１，２２）として、Ｃｅ濃度の異なる２種のＧＳＯあるいはＬＧＳＯを用いてもよい。さらに、シンチレータブロックを３層，４層にすることも可能である。

図１０は、実施例５の放射線検出器の構成図を示している。実施例５の放射線検出器では、シンチレータブロックを２層構造とし、シンチレータブロック２１と２３の位置を相対的に各シンチレータの径の１／２程度動かして配置させる。これにより、シンチレータブロック２１と２３が、同じシンチレータであっても位置演算することで２層のシンチレータブロックの信号を弁別することが可能となる。
なお、上記の構成で、さらに、シンチレータブロック２１と２３に、相互に異なる発光減衰のシンチレータを用いてもよい。シンチレータブロック２１と２３を異なる発光減衰のシンチレータとすることによって、波形解析によっても２層を弁別することが可能となるからである。また、シンチレータブロックを３層，４層にすることも可能である。

本発明は、ＰＥＴ装置に有用である。

２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２０，２１，２２ シンチレータブロック
３ ギャップ
４ 被検体
５ ポジトロン消滅点
６ 消滅ガンマ線
７，７ａ，７ｂ ライトガイド
８ スリット型ライトガイド
９ 光センサー（Ｓｉ−ＰＭアレー）
１０ スリット
１１ チャンネルの信号端子

Claims (7)

1. シンチレータブロックと光センサーを光学的に結合した構造の放射線位置検出器において、
   １）シンチレータブロックと光センサーとの間に傾斜面を有するライトガイドを設け、前記ライトガイドは、シンチレータブロックを構成するシンチレータの長手方向を傾斜面の垂線方向とし、光センサーの受光面の垂線方向をガイド方向とし、シンチレータブロックとの接合面を傾斜面とし、前記ライトガイドと光センサーとの間に、スリットを有するスリット型ライトガイドを設け、該スリットにより前記ライトガイドから出射する光を光センサーの中央部に寄せ、
   或は、
   ２）シンチレータブロックが光の出る部分を斜めにカットされて傾斜面を有し、シンチレータブロックの前記傾斜面と光センサーの受光面とが並行であり、隣接する複数のシンチレータブロックと光センサーとの間に、スリットを有するスリット型ライトガイドを設け、該スリットによりシンチレータブロックから出射する光を光センサーの中央部に寄せ、
   シンチレータブロック毎に光センサーを結合するのではなく、隣接する複数のシンチレータブロックに１個の光センサーを結合させたことを特徴とする放射線位置検出器。
2. 光センサーの配置の角数の２倍以上の角数をシンチレータブロックの配置の角数とする検出器リングを構成することを特徴とする請求項１に記載の放射線位置検出器。
3. 前記ライトガイドが複数のライトガイドを束ねた構造である、請求項１又は２に記載の放射線位置検出器。
4. 前記ライトガイドが複数の光ファイバーを束ねた構造である、請求項１又は２に記載の放射線位置検出器。
5. 前記ライトガイドと前記シンチレータブロックが一体形成された構造である、請求項１又は２に記載の放射線位置検出器。
6. 前記シンチレータブロックは、発光減衰時間の異なる少なくとも２層の多層構造であり、
   前記光センサーの出力信号の波形から各層の信号波形を弁別することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放射線位置検出器。
7. 前記シンチレータブロックは、同一特性のシンチレータブロックから成る２層構造であり、各層のシンチレータブロックを構成するそれぞれのシンチレータの中心位置を、相対的に径の略１／２だけシフトさせて配置し、前記光センサーの出力信号から各層の信号を位置演算により弁別することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放射線位置検出器。