JPH0695146B2 - ２次元フォトン・カウント位置エンコ−ダ装置とその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は1984年12月４日付出願の米国出願第677,931号
の部分継続出願に関する。

技術分野 本発明は一般に位置エンコーダに関係し、特に空間分解
能特性について重要な改良のなされた２次元フォトン・
カウント位置エンコーダ装置とその方法に関係する。本
発明の特徴は、人体又は他の生命器官の生物学的及び／
又は生理学的変化を検出し定量的に計測するための改良
されたポジトロン放射トモグラフイに特定の応用例を見
出すが、その使用はこの応用例に限定されるものではな
い。

背景技術 ポジトロン放射トモグラフイ（PET）は多くの応用例、
特に医療診断と研究投影法に用いられる一種の該投影法
である。標準的な現代のポジトロン放射トモグラフイ装
置では、放射薬剤用のフルオロデオキシグルコース（fl
uorodeoxy glucose）（FDG）のような一種の放射性物質
を監視下の患者又は他の生物器官に施す。正に帯電した
粒子であるポジトロンは人体内でアイソトープが崩壊す
るにつれて放射性物質のアイソトープにより放射され
る。放射時にポジトロンが電子と会うと、両者は消滅す
る。１回の消滅の結果として、２個のフォトンの形式で
ガンマ線が発生する。約30年前に２個のフォトンは互い
に大体反対方向（約180度）に放射されることが発見さ
れた。これらのフォトンを監視することによりポジトロ
ン放射アイソトープの正確な位置が決定可能である。伝
統的に、PET走査器は監視下の人体周囲の異なる角度で
放射フォトンの走行線に関する情報を累計し、コンピュ
ータを介してこの情報を処理してアイソトープの分布と
濃度の断層像を発生する。これに関連して、PET走査器
は人体内で自然にかつ混乱して生じる生物学的かつ生理
学的変化を観察し定量化可能である。

従来、ポジトロン放射トモグラフイ装置は環状に配置し
た通常グルマニュウム酸ビスマスである離散シンチレー
タを用いている。代表的には１リング当り約100個以上
の検出器が設けられ、１つの検出装置構造体には５年以
下のリングが設けられる。一致事象とは、ポジトロン消
滅が発生したに違いない１本の線として画定される物体
軸に沿つてガンマ線が放出される事象である。現在のPE
T走査装置の空間分解能は検出器分解能能力により限定
される。加えて、現在のPET走査装置は複雑で製造保守
が非常に高価である。さらに、現在の位置エンコーダは
アナログ技術を用いてフォトン放射を検出解析してい
る。このようなアナログ技術は不安定で信号を解析する
際に用いる検出器利得により変化する。

従つて、本発明の目的は改良された空間分解能特性を有
する２次元フォトン計数位置エンコーダ装置とその方法
を提供することである。

本発明の他の目的は製造と保守に相当経費のかからない
方法と装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的はコード化過程を容易にするた
め小区画を設けた又は調整された光ガイドを含むフォト
ン検出器を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、断層像形成用の情報の累計
時に安定度の低いアナログ位置処理技術ではなくフォト
ン・カウント用の技術と装置を用いることである。さら
に、パターン認識技術が１実施例で用いられて検出器収
集情報をデコードする。

発明の開示 本発明の他の目的と利点は、２次元フォトン・カウント
位置エンコーダ装置とその方法に関する以下の詳細な説
明と関連図面により明らかとなるであろう。入射放射線
と相互作用してカウント可能な数のフォトンを発生する
結晶のような複数個のシンチレータ材料部材を含むシン
チレーション検出器が提供される。調整された光ガイド
が結晶と作動時に連係し所定数の小区画すなわちスロッ
トを仕切る。少なくとも１個のスロツトが各結晶と関係
している。シンチレーション後フォトンは結晶を出てス
ロツト光ガイドに入り、ここでフォトンはガイドの全長
に渡つて制御された予測性で分布される。光ガイドの全
長に渡る所定位置でフォトンを検出する装置が提供され
る。１実施例では、光電子をカウントするため光電子増
倍管が提供される。パターン認識技術を用いてポジトロ
ンの消滅の結果として放射されるフォトンの位置、すな
わちポジトロン放射アイソトープとの位置を定める。本
発明の各種の特徴を実施する方法と装置はPET走査装置
のようないくつかの応用例で利用可能である。

図面の簡単な説明 本発明の上記特徴は添附図面を参照して以下の説明から
より明らかに理解できるであろう。添附図面中、 第１図は本発明のいくつかの特徴を含む２次元フォトン
・カウント位置エンコーダ装置を実施したポジトロン放
射トモグラフイ走査器の斜視図である。

第２図は第１図に図示した装置の走査器部分のリングの
端面図で、シンチレーション検出器の位置決を図示す
る。

第３図は第１図に図示した走査器のリング部分の断面図
を図示する。

第4A図は図示するように結晶に動作時関連するスロツト
光ガイドを含むシンチレーション検出器の斜視図であ
る。

第4B図と第4C図は本発明の各種の特徴を実施した検出器
と従来技術の検出器の斜視図である。これらの検出器の
比較と共に詳細な仕様書の読取は本発明の検出器の改良
された空間分解能機能を説明している。

第4D図は本発明の検出器の別な実施例の斜視図である。

第5A図、第5B図、第5C図は各々第４図に図示した検出器
の前面、側面、底面図である。

第６図は所定の結晶／シンチレータ位置で生じるフォト
ン（光電子）の確率密度のグラフを図示する。

第７図は装置のカウント及びパターン認識過程のある部
分を実行する際に用いる回路図を図示する。

第８図は本発明のいくつかの特徴を含む２次元フォトン
・カウント位置にエンコーダの別な実施例を図示する。

第９図は本発明の特徴を含む方法のブロツク線図を図示
する。

発明を実施するための最良の態様 ２次元フォトン位置エンコーダ装置は第１図で全体を10
で指示する。この図で、装置10は本発明の各種の特徴を
含み、一般に医療診断投影や研究投影応用に用いられる
ポジトロン放射トモグラフイ（PET）走査器12に応用さ
れる。特に、本発明のフォトン位置エンコーダ装置10の
利用以外は実質的に従来のものであるこの走査器12は、
医療診断投影操作の間患者16（第２図参照）を支持する
患者用ベッド14を含む。図示の患者用ベッド14は走査器
の診断操作用に患者16を適所（第２図参照）へ移動させ
るよう選択的に動作するスライド・キヤリッジ18を含
む。前記位置で、診断される患者人体の選択位置が、以
後より一般的に説明するようにエンコーダ装置10のシン
チレーション材料部材22により定まる面内に配置され
る。

第１図に図示するフォトン位置エンコーダ装置10は以下
で詳細に記述するリング24に取付けられる。このリング
は従来設計のガントリ26により担持される。ガントリは
Ｕ字形取付ブラケット28により水平軸のまわりに回転可
能に取付けられる。この取付ブラケット28はガントリ26
を支持する回転装置30により垂直軸のまわりに回転可能
である。

全体を32で指示するコンピュータ・コンソールは走査器
12に電気的に接続され、水平及び／又は垂直軸のまわり
にガントリ26を回転させるドライブのような走査器12に
通常関係する移動や電子制御を制御する。このコンピュ
ータ32は従来設計のキーボード34とモニタ36を含む。さ
らに、トモグラフイ・モニタ38はコンピュータ・コンソ
ール32に座る操作員が走査器12により生じる人体断面ト
モグラフイを見ることを可能とする。

患者の人体16の選択部分の断面断層像を形成するため、
患者は患者用開口部40の中へ移動される。放射薬剤等の
放射性アイソトープは通常患者用開口部40へ移動する前
に患者へ投与される。放射性アイソトープが人体内に存
在する間に、ポジトロンが放射される。これらのポジト
ロンの各々は電子と結合されて消滅する。消滅位置から
反対方向に２個のフォトンの形式のガンマ線が発生され
る。これらのフォトンは反対方向すなわち180度離れた
方向に走行する。フォトンの存在・走行方向、分布の検
出は人体断面の断層像又は走査器内に配置した他の生体
器官の断面を形成するのに必要な情報を与える。

第１図、第２図、第３図で図示したリング24には、検出
器が１つまたは複数の面上に配置され、患者の人体を完
全に取囲んでいる。このリングは第２図に概略的に図示
されている。従来設計の検出器の支持リングの断面図は
第３図に図示されている。この図では、リング支持機構
は全体を42で指示する。この機構は、シールド46、48と
調節可能な軸方向シールデイング50を支持するフレーム
44を含む。全体を52で示す検出器アレイは患者用開口部
40に外接し、全体を54で示す破線に沿つて走行するフォ
トンを相互作用する。これらのフォトンは開口部56を通
過し、シンチレータ材部材22と相互作用して、フォトン
位置エンコーダ装置にフォトンの分布と空間分解能及び
その原点の位置を決定するのに必要な情報の累計を開始
させる。

従つて、改良された２次元フォトン位置エンコーダ装置
10の標準的応用例は第１図、第２図、第３図に示し、こ
こで他の点では従来設計のポジトロン放射トモグラフイ
走査器12を説明した。走査器12は従来のものであるか
ら、走査器の動作、ガントリの回転移動や他の特徴の詳
細は本明細書では詳細に記述しないが、先行技術に関す
る情報から容易に知ることができる。２次元フォトン位
置エンコーダ装置10を用いた走査器12のような走査器は
現在の装置に対していくつかの改良点を有している。従
つて、改良された位置エンコーダ装置10を以下に図面と
関連して説明する。

本発明の各種の特徴に従つて構成された２次元フォトン
位置エンコーダ装置は第４図に全体を10で図示してあ
る。エンコーダ装置10は医療応用に用いられる前述した
ようなポジトロン放射トモグラフイ（PET）と関連して
用いられるのに特に適している。しかしながら、本装置
の使用と本装置により用いられる方法はポジトロン放射
トモグラフイ応用に限定されるものではないことは容易
に理解できる。例えば、本装置は単フォトン・ガンマ投
影装置、核研究「結晶ボール」実験、医療投影、材料解
析と関連して使用するのに適している。他の応用例は当
業者には容易に明らかとなる。

２次元フォトン位置エンコーダ装置10は改良された空間
分解能特性を有する検出器20を含む。特に、検出器20は
第４図に示すようにマトリクス形状の所定位置に取付け
た複数個のシンチレータ材部材22を含む。複数個の検出
器はアレイ状に配置され、第２図に示すように監視下の
人体16のような生体器官に外接するが、検出器20の位置
決めは第８図に図示する形状と関連して詳細に指摘する
ような特定の応用例に従つて変更できる。第４図に図示
する実施例では、検出器20はマトリクス形状に配置した
複数個のゲルマニウム酸ビスマス結晶64を含む複数個の
シンチレータ材部材22を含む。図示の結晶材は４×８ア
レイである。

特に、検出器20は第5A図で番号１′から32′まで連続し
て付番した複数個のゲルマニウム酸ビスマス（BGO）結
晶を含む。これらの結晶は断面形状が実質的に矩形で、
光電倍増管25から見られる光ガイド68に取付けられる。
（第4B図を参照。）これまでいくつかのBGO結晶を単一
の光電倍増管に取付るのが一般的であり、その位置は個
々の結晶に取付けた光ダイオードでコード化される。こ
の従来技術装置の主要な欠点は光ダイオードを冷却する
必要性であり、この必要のため装置の実用化の可能性を
減少させる。さらに、多重シンチレータからの光分割を
用いてシンチレータを位置決めするために用いることが
一般的であつた。この設計では、各光電倍増管により４
個のシンチレータが見られている。既知の従来技術での
スロットが設けられない、すなわち複数の小区画に分割
されてない光ガイドの使用のため、あるシンチレータで
は他より位置分解能が悪い。換言すると、従来技術で用
いていた連続リング光分割検出器では位置分解能は最適
化されていない。

隣接する光電倍増管からのアナログ差信号はこれまでガ
ンマ線事象を検出するシンチレータの正確な位置を決定
するために用いられてきた。この設計の主要な欠点はこ
のような検出器を製造するコストと複雑度である。アナ
ログ信号の使用はシンチレータ位置の決定に不安定性を
生じる。アナログ処理は光電子増倍管の高電圧変化と光
電子増倍管利得の固有の不安定性によりドリフトを生じ
る。さらに、検出器間隔の高度の一様性を保持しつつ連
続光ガイドに数百個の結晶を取付けるという大きな困難
がある。

結晶64はブラケツト、接着剤等により従来方法で光ガイ
ド68に固定される。通常、全検出器20は余分な光源によ
る干渉を防止する補助となるようその構成の完了後硫化
バリウム反射塗料のような反射塗料を塗布される。もち
論、結晶の寸法と種類は特定の応用例に従つて変更可能
であることが認められる。例えば、ふつ化バリウムは結
晶として使用可能である。第5A図に図示した図示実施例
では、フォトンが検出器に入る検出器面の全体寸法は5
0.8cm×50.8cmで、各個個の結晶の長さは25cmである。
もち論、これは単に例示寸法で、他の寸法も必要に応じ
て使用可能である。

第4A図及び第4B図に図示するような検出器を構成するこ
とにより、光ガイドを見る際に用いる光電子増倍管の数
を既知の従来技術に対して1/8に減少させることが可能
である。特に、第4A図から第4D図及び第5A図から第5C図
に図示するように、４個の光電倍増管、すなわち70Aか
ら70Dを用いて光ガイド68を見ることが可能である。各
々（１′）から（32′）と番号付けられた結晶64のアレ
イは第5A図でより明らかに描かれている。矢印72は軸方
向、すなわち監視下の人体16のような器官の長軸を描い
ている。従つて、第１図に図示した種類のPET走査器応
用例の場合のように検出器のリング・アレイを用いた時
に人体断面断層像を形成可能な面が４面ある。矢印74は
横断方向を図示している。

第5A図は、各光電子増倍管が８個の結晶により収集した
情報を分担するようにした複数の光電子増倍管70A〜70D
の配置を図示している。すなわち、光電子増倍管70Aは
結晶（１′〜４′）と（９′〜12′）と動作的に関係す
る。光電子増倍管70Bは結晶（５′〜８′）と（13′〜1
6′）と動作的に関係する。光電子増倍管70Cは結晶（2
1′〜24′）と（29′〜32′）と動作的に関係する。光
電子増倍管70Dは結晶（17′〜20′）と（25′〜28′）
と動作的に関係する。

第４図と第5A図〜第5C図に図示した検出器は例示の検出
器であることが認められる。しかしながら、結晶アレイ
は各種の形状を取りうる。例えば、結晶の５×７アレイ
又は他の各種寸法のアレイも使用可能である。しかしな
がら、結晶の数が光電子増倍管の数を越えていることが
重要であり、これがコストを減少させる特徴となつてい
る。今指摘したように、光電子増倍管の数のこの減少は
収集したデータの質に有害には影響しない。

一般的に上記したように、光パイプ、すなわちガイド68
は結晶64のバンクに動作的に関係している。特に、光パ
イプ68は中実の透明材から製造され、又は１実施例では
中実の透明材断面のマトリクスから製造され、これは結
晶22の端部80により定まる並置面に光学的に接続した光
パイプ68の面78から光を透過する。従つて、光又はフォ
トンはフォトン源に最も近く位置した端面82から結晶64
へ入る。これらのフォトンは、結晶アレイの面80を出て
光パイプ68へ入る結晶内の光電子を発生する。フォトン
は光パイプ68の面78からその透明材を通して光パイプの
反対又は遠隔面84へ走行し、ここで動作時に関係する光
電子増倍管により検出又は観測される。

第5B図と第5C図に図示した光ガイド68は88で全体を指示
する調整装置を含み、これは分布、特に光パイプを通過
するフォトンの統計的分布を制御する役割を果たし、こ
れにより以下で詳細に説明するように装置の空間分解能
を強化する。特に、光パイプ68は第5B図に図示するよう
に一方向（横断方向）に８個のスロツトと第5C図に図示
するように他の方向（軸方向）に４個のスロツトを備
え、これにより図示検出器の32個の結晶の各々は光ガイ
ドの１個のスロツトと動作的に関係する。スロツト90、
90′は光ガイドの選択位置に挿入した光／輻射線（この
場合フォトン）不透過パネル、又はバリヤ92、92′によ
り定められる。スロツトの深さは、第６図に図示するよ
うに隣接する光電子増倍管により検出されるフォトンの
分布が等しい重なりで分離されるように配置されてい
る。各スロツトは動作時に関係する光学的に接続した結
晶と整合していることに注意されたい。

１例として、入射511KeVガンマ線の結果として光電子作
用が発生した時任意の１つの結晶64で70個の光電子が発
生（エネルギ分解能は28％FWHMに等しい）するという標
準的な場合を考える。このような事象が結晶番号（２）
に発生した場合、65個の光電子が平均して光電子増倍管
70Aに発生され、５個の光電子が平均して光電子増倍管7
0B（第６図参照）に発生するようにスロツトが設計され
ている。これに対応して、この事象が結晶番号（３′）
で発生した場合、分布は光電子増倍管70Bに15個の光電
子と光電子増倍管70Aに55個の光電子となる。この事象
が結晶番号（４′）で発生した場合、光電子増倍管70B
に30個の光電子が、光電子増倍管70Aに40個の光電子が
ある。この分布は光電子分布に等しい重なりを生じるた
め第６図で最適であることが示されている。同様に、第
5C図に示すように第２次元である軸方向の光電子の分布
を制御するため、調整装置88′が設けられている。横断
調整装置88′はこの第5C図に示すように４個のスロツト
を含む。第5C図のダッシュをつけた番号は第5B図の同じ
番号と同様の検出器の部品ではあるが、横断方向に見た
部品であることを図示している。

隅の結晶（１′），（８′），（25′），（32′）は光
電子カウントによりユニークに識別され、唯一の動作時
に関係する光電子増倍管を有する。例えば、結晶
（１′）のシンチレーシヨン事象は光電子増倍管70Aに
のみ信号を発生する。同様に、結晶（８′）のシンチレ
ーシヨン事象は光電子増倍管70Bにのみ信号を発生す
る。結晶（25′）の事象は光電子増倍管70Dに信号を発
生し、結晶（32′）の事象は光電子増倍管70Cにのみ信
号を発生する。結晶（２′,7′）は光電子増倍管70A,70
Bにのみ信号を発生する。結晶（26′〜31′）は光電子
増倍管70D,70Cにのみ信号を発生する。

第5A図で結晶（９′），（17′）を含む結晶列により表
わされる各面内での光子／ガンマ線事象の位置を決定す
るため処理しなければならない主位置決情報を与える６
個のシンチレータすなわち結晶があることが認められ
る。特に、結晶（１′），（９′），（17′），（2
5′）を含む結晶列により表わされる各面内で、シンチ
レーシヨンが発生する結晶をフォトンの統計分布から決
定しなければならない。

第5B図に関連して図示し、上述したように、結晶
（１′）を含む列の上部及び底部結晶（１′,8′）は１
個の光電子増倍管によつてのみ見られるという点で他に
ないものである。結晶（１′）は光電子増倍管70Aのみ
に見られ、部品（８′）は光電子増倍管70Bにのみ見ら
れる。同様に、第5A図に見られるように横断方向の上部
結晶（９′,17′,25′）と底部結晶（16′,24′,32′）
は第5A図に図示するように１個の光電子増倍管のみで見
られる。従つて第5B図は断層像を発生するのに必要な位
置決情報を決定するため検出器によつて見られている４
断面の各々の結晶列の各々を表わしている。

矢印72に図示する軸方向に延びる結晶の列は端部結晶
（１′〜８′,25′〜32′）を含み、これらは単一の光
電子増倍管によりユニークに見られる。この例は第5C図
に図示され、この図は結晶（８′），（16′），（2
4′），（32′）を含む結晶列の軸方向の図である。結
晶（８′），（32′）は各々光電子増倍管70B,70Cによ
つてのみ単独に見られることに注意されたい。同様に、
横断方面に見られる結晶列の端部の各々、すなわち列
（１′〜８′）と（25′〜32′）は図示するように図示
バリヤ92′のため単一の光電子増倍管によつてのみ見ら
れる。

説明を明瞭にするため、位置決め情報は一時に一方向に
ついて説明した、すなわち、第5B図の横断方向と第5C図
の軸方向である。例示の２次元位置決情報は表Ａと関連
して以下に与えられる。

第６図を再び参照すると、隣接する光電子増倍管により
見られるフォトンの統計分布の標準的な図が図示されて
いる。例えば、光電子の最小数は結晶（７′）のシンチ
レーシヨン事象の結果として光電子増倍管70A（第5B図
参照）により見られる。シンチレーシヨン事象により70
個の電子が発生する典型的な例では、光電子は横断方向
の光電子増倍管70A,70B間に分布する。隣接する光電子
増倍管は殆んど光電子を受取らない。結晶（７′）の事
象の例では、５個の光電子が光電子増倍管70Aによつて
見られ、光電子の残りが光電子増倍管70Bによつて見ら
れるように、光パイプ68はスロツトを定めるバリヤ92の
同調装置により設計されている。従つて、結晶（７′）
で事象が発生した時、５個の光電子が光電子増倍管70A
により見られ、65個の光電子が光電子増倍管70Bにより
見られる。同様に、結晶（６′）で事象が発生した場
合、平均して15個の光電子が光電子増倍管70Aにより発
生又は見られ、55個の光電子が光電子増倍管70Bにより
見られるように、調整光パイプ68のスリツト高又はバリ
ヤ高を選択する。同様に、結晶（５′）で事象が発生し
た場合、30個の光電子が光電子増倍管70Aで見られ、40
個の光電子が光電子増倍管70Bによつて見られる。第６
図に見られるように、分布に等しい重なりがあるように
分布は選択されている、すなわち光パイプは調整されて
いる。

これらの例はシンチレーシヨン事象により一定数の光電
子が発生していることを参照している。すなわち、コン
プトン効果がない511KeV事象により同数の電子又は同量
のエネルギが発生されている。上例は同数の光電子があ
る場合であつた。しかしながら、事象から発生する光電
子数は変化する。5:65や15:55や30:40というようなその
比は、しかしながら変化しない。これらの比率は調整光
パイプ68のバリヤ92により定まるスリツトの幾何形状に
より固定される。従つて、位置決め情報の収集時に、例
えば１つの光電子増倍管により65個の光電子が観測さ
れ、もう１つの光電子増倍管により５個の光電子が観測
されるようなパターン、又は上記の比率が得られるよう
な任意の組合せのパターンを定めるため分布範囲を検査
する。比率の数は限定されているし、又一般的な興味の
範囲は511KeVから250KeVである（この場合パルス高は通
常光電子の全数として70から35まで変化する）ため、特
定位置の光電子の発生の全ての可能な組合せは有限で比
較的小さな数の組である。従つて、特定のシンチレータ
が発生可能なカウントの全ての可能な組合せはコンピュ
ータに記憶可能である。例えば、シンチレータ６′で事
象が発生した場合、シンチレータの各々に付随する４個
のチヤンネルのカウントの比は以後第７図と関連して詳
細に説明するが、シンチレーシヨン事象の位置をシンチ
レータ６′と唯一に限定するカウントの組合せの有限な
組がある。同様に、４×８結晶アレイの32個の結晶の各
々でのシンチレーシヨン事象の位置を唯一に指定する光
電子カウントの有限な数がある。

第4B図は第4A図に示した検出器20の拡大図を図示する。
この検出器20では、光ガイド又はパイプ68は、一般的に
上述したように、光ガイド及び結晶アレイの隣接した光
学的接続面を介して光学的に関係する結晶64から光パイ
プ68へ入るフォトンの統計的分布を制御するように複数
の小区画（スロット）に分割されるか又は調整される。
特に、光パイプ68は正円円筒インゴツト形状で成長した
BGO結晶から製造可能である。一実施例では、このイン
ゴツトは25-30cm高である。結晶と光パイプの各面は化
学的にエツチングされる。これは、結晶と光パイプを塩
酸中に約45秒置くことにより成される。このエツチング
過程は、結晶及び／又は光パイプの面に当る時にフォト
ンが反射又は透過されるか吸収されないように光パイプ
と結晶の光学面の各々を研磨する。この化学的エツチン
グ段階は光学品質面を発生するための重要な特徴であ
る。

望ましい実施例ではBGOのような材料の正円円筒インゴ
ツトは、刃が平行で光パイプ68の面78を切断する多刃の
こぎりにより切断される。切断又はスロツトの深さはの
こぎり刃の位置決により決定される。例えば第4B図に図
示した実施例では、矢印72の方向（第5A図参照）に結晶
を切断するために９枚の刃を用い、矢印74の方向（第5A
図参照）には光パイプを形成するため５枚刃を用いて結
晶を切断する。これらの刃は互いに平行に配置され、光
パイプ68の矩形又は他の所要の形状を形成する所定深さ
の切断部を有し、さらにスロツト90の深さを定める役割
を果たす。光パイプ68を切断して、その断面外形とスロ
ツト深さを定めた後、結晶の全面は化学的にエツチング
されて光学的に滑らかな面を形成する。化学的エツチン
グは通常塩酸（HCL）溶液により実施する。BGO結晶は通
常酸溶液中に約45秒間つけて化学エツチングを実行す
る。他の酸や浸水時間も当業者には容易に認められるよ
うに使用可能である。この化学的エツチングはこれまで
実行されてきた結晶を機械的に研磨する段階に代るもの
である。機械的研磨は時間がかかり、切断部又はスロツ
トの区域では、たとえ可能であつたとしても極度に困難
である。

エツチング後、適当なバリヤをこれらの切断部に挿入す
る。一実施例では、これらのバリヤは前記バリヤを形成
する反射媒体としての役割を果たす硫化バリウム反射塗
料を含む。もち論、他の反射媒体も前記バリヤに使用可
能であることが当業者には認められる。図示実施例で
は、光パイプ68には４×８アレイのスロツトが用いられ
ているが、前記光パイプ68の反対面から出るフォトンの
制御された分布を保持しつつこのアレイの形状と寸法は
変更可能であることが認められる。

第4D図を参照すると、望ましい１実施例ではシンチレー
タ材部材22と光ガイド68は一体形成されている。この一
体構成は、シンチレータ材部材が光ガイド68に固定され
ている表面78で、発生するフォトンの屈折を除去する。
この一体構造を達成するため、単結晶64′のスロット位
置に切り込みを入れて、光ガイド68に関して上述したよ
うに硫化バリウム反射塗料のような適切な反射媒体をそ
のスロット位置の切り込みすることにより作製したバリ
ヤ93と共に単一の結晶64′が使用可能であることが認め
られる。従つて、バリヤ93は個々のシンチレータ材部材
22を光学的に分離するばかりでなく、光ガイド68の調整
装置88としても機能する。フォトンの可能な屈折を除去
することに加えて、この一体構造は検出器20の製造を簡
単にし、生産コストを低下させることが当業者には認め
られる。

本発明の重要な特徴は、既知の従来技術に対して改良さ
れた空間分解能特性を有する２次元フォトン・カウント
位置コード化装置とその方法が提供されることである。
従来設計の検出器は第4C図の130に図示してある。この
検出器では、単一の結晶132,132′が各々単一の光電子
増倍管134,134′と動作的に関係している。これらの結
晶132,132′は各光電子増倍管の周囲136,136′に近接し
て取付けられる。これに関連して、矢印140の方向の組
合せ結晶132,132′の面138の厚さは第4C図に図示する別
の検出器組合せの幾何学的間隔を制御する。従つて矢印
140の方向のこの面138の厚さは従来技術の光電子増倍管
134,134′の直径により制御される。当業者にはよく知
られているように、結晶の間隔が光電子増倍管の寸法の
関数である限り、光電子増倍管の寸法が従来技術の装置
の空間分解能を制御する。反対に第4B図に図示するよう
に、各光電子増倍管と動作的に関係している複数個の結
晶とフロツトされた又は調整された光パイプ68を用いて
結晶から出るフォトンの分布を制御しつつ、結晶の位置
分解能を決定する能力を保持できる。

第4A図と第4B図に示すように検出器20を構成する際に、
光パイプ68の面78は従来の光学的エポキシにより結晶64
のアレイにより定まる隣接面に光学的に接続される。同
様に、光パイプ68の対向面84は従来の適当な光学的エポ
キシにより光電子増倍管により定まる隣接面と光学的に
接続される。光ガイド68中の各スロツトは一方の結晶と
光学的に接続され、又適当な反射塗料等により光パイプ
と結合された面を除いて各面を塗布することにより望ま
しい実施例ではこれらの結晶は光学的に互いに分離され
ていることに注意されたい。

与えられたシンチレータ、すなわち結晶（１′〜32′）
と相互作用するフォトンより生じる光電子をカウントす
るため、全体を100で指示する装置が提供される。特
に、第７図に図示する装置100は光電子事象をカウント
する電子処理装置を含み、この関連で入力リード線74′
は横断方向位置決情報を供給する光電倍増管70A,70Dの
出力に接続される。入力リード線72′は軸方向位置決情
報を供給する光電子増倍管70C,70Bの出力に接続され
る。図示するように、計数装置100は各々が各動作的に
関係する光電倍増管用の４個のチヤネルを含む。各チヤ
ネルは高速増幅弁別器102A〜102Dを各々含み、これは光
電子増倍管からのノイズとシンチレータのシンチレーシ
ヨン事象から生じる単一光電子とを弁別するために用い
られる。各チヤネルの単一光電子事象は、MECL10,000カ
ウンタのような各高速カウンタ104A〜104Dと各MECL対TT
Lインターフエース装置108A〜108Dを介して接続されたT
TL74F269のような低速カウンタ106A〜106Dを加えた１段
間によりカウントされる。各チヤネルは望ましい実施例
では最低200MHzの速度でカウントする。４個の主カウン
タは５ビットの情報まで数え上げられる。

各光電子増倍管によつて見られるように光電子をカウン
トした後、光電子の分布を処理してシンチレーシヨン事
象の位置を決定する。このため、パターン認識装置110
が設けられている。特に、各カウンタの内容はプログラ
ム可能な読取専用メモリ（PROM）の１つへ渡される。PR
OM1は２つの出力を有する。一方の出力は６ビツト語で
光電子増倍管70A,70Dの和である。第２の出力は最大カ
ウント数のチヤネルを定める２ビツト語である。PROM2
は光電子増倍管70B,70Cを加算し、最大カウント数のチ
ヤネルを定める。PROM3はPROM1とPROM2からの加算語を
受信し、２つの語を出力する。一方の３ビツト語は８個
の横断位置の内のどれか、すなわち８個の横断方向結晶
の内のどの１つが光を発生したかを定める。他方の１ビ
ツト語はどちらの和が最大であるかを定める。112に図
示する簡単な論理回路の出力は軸方向のどの結晶が光を
発生したかを決定する。PROMは出会う全てのカウントの
パターンを認識し処理するようプログラムされている。

各光電子増倍管からの出力の和から信号を得る高速一致
タイミング・チヤネルも又含まれる。標準のタイミング
・チヤネルも利用されるが、説明を明確にするため図示
していない。又、受取る入力ガンマ線のエネルギ範囲を
限定する回路も含まれる。

光電子事象をカウントし、特定のパターン又は数の事象
が発生した結晶の場所を決定することにより、従来の方
法で断層像を発生するのに必要な位置決情報を発生し、
断層像を作製しこれをモニタ38のようなモニタへ表示す
る概略的に図示したコンピュータ32へ送る（第１図参
照）。

表Ａはカウントが発生した結晶（シンチレータ）の位置
に対応する光電子増倍管（PMT）70A〜70Dのカウント数
を図示する。

パターン認識回路装置110により認識されるカウントさ
れたパターンは位置決情報を決定するためのカウント組
合せ用PROMを含むことが当業者には認められる。このよ
うなPROMは説明の目的のためのみに含まれ、各種の他の
装置が光電子カウント組合せを実装するために使用可能
であり、例えば又は代替としてパターン認識応用にプロ
グラムされた場合コンピュータも同様の目的に使用でき
る。しかしながら、回路110により実施されるパターン
認識は図示実施例の実装時に相当なコスト節約が可能と
なる。現在の実装例では、各結晶位置の記号は回路110
へ送られ、この記号は記憶された記号と比較されて、回
路110の出力はシミユレーシヨン事象の発生した結晶の
位置又は位置決情報を指示する。従つて、比較は特定の
結晶位置を識別し、この情報が断層像の作製用に出力さ
れる。PROMにプログラムされた元々の記号は、特定位置
に事象を注入し、特定の結晶位置情報を発生する組合せ
を決定することによる経験データによつて最初に通常改
善された計算により決定される。

第８図は人体内器官の断層像を作製する応用例で用いる
２次元フォトン位置エンコーダ装置10′の別な実施例を
図示する。この図では、検出器は隣接位置に取付けられ
て放射性アイソトープの代謝作用により発生したガンマ
線事象を検出する。従つて、第８図は、PET走査装置に
一般に用いられるようにリング以外の装置に位置エンコ
ーダ装置が配置されている実施例を図示する。

本発明の一般的過程は、２次元フォトン位置決エンコー
ダの各部品に関連して以上に詳細に説明してきたよう
に、第９図に図示されている。この図では、位置120で
放射性アイソトープの代謝作用の結果としてガンマ線が
放射されていることがわかる。これらのガンマ線はシン
チレータ又は結晶の位置122で示すように相互作用し、
フォトンを発生する。シンチレータを出るフォトンの分
布は位置124で示すように調整光パイプを含む望ましい
実施例の調整装置により制御される。光電子はPMT陰極
で発生され、所定のスロツトに対応する光パイプに沿つ
た所定位置でカウントされる。これらの選択位置でカウ
ントした光電子数は光電子が発生したシンチレータを決
定するために比較され、フォトン発生事象の位置に関す
る情報を得る。このパターン認識技術は一般に128で示
される。

以上の詳細な説明から、既知の従来技術に対してある種
の改良を施した２次元フォトン位置エンコーダ装置を図
示記述してきたことが認められる。特に、図示のフォト
ン位置エンコーダは製造保守の経費がかからない。これ
に関連して、複数個の結晶が１個の光電子増倍管又は他
の適当なシンチレータ検出器と動作的かつ光学的に関係
している。複数個のシンチレータは所定のマトリクス形
式に配置されている。これらのシンチレータは複数個で
はあるがより少い数の光電子増倍管と動作的に関係して
いる。パターン認識技術により望ましい実施例では光電
子をカウントし、位置情報を決定する。

従つて、本発明は改良された２次元フォトン位置決エン
コーダを提供する特定の方法と装置に関して記述してき
たが、以下の請求の範囲に記載されているものを除いて
このような特定の参照を発明の範囲に対する限定として
考える意図のものではない。

フロントページの続き (72)発明者 ダグラス テリー デイー アメリカ合衆国 37923 テネシ−州，ノ ツクスビル，ローレル ヒル ロード 1141 (56)参考文献 特開 昭52−63383（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−129379（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−25734（ＪＰ，Ａ)

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射するガンマ線の第１のフォトンの空間
   分解能を強化するシンチレーション検出器（20）を含
   み、複数のシンチレータ部材（22）を設けていて、該シ
   ンチレータ部材が該第１のフォトンの入射線と相互作用
   して定量可能な第２のフォトンを発生し、さらに前記第
   ２のフォトンを検出する手段（25）を有する２次元フォ
   トン位置エンコーダ装置であって、 所定の異なる長さを持った複数の光遮蔽部材（92）を含
   み、該光遮蔽部材が奥行きの異なる小区画（90）を画定
   している光ガイドを有し、該小区画の各々は前記複数個
   のシンチレータ部材のどれか一つと協働しており、前記
   シンチレータ部材からでた前記第２のフォトンは協働す
   る前記小区画に入り、前記複数の小区画の各々は前記小
   区画が画定された光ガイド（68）の奥行き方向と直交す
   る面における前記第２のフォトンの分布状態を制御する
   ように所定の奥行きを与えられており、 前記検出手段（25）は前記シンチレータ部材から離れた
   位置で前記光ガイド（68）と協働して動作して前記第２
   のフォトンの前記光ガイドの所定位置における分布状態
   を検出し、前記第１のフォトンの放射が前記第２のフォ
   トンを生成し該第２のフォトンが前記光ガイド（68）に
   よって制御された統計学的パターンにしたがって分布す
   るようにされ前記検出手段（25）がその第２のフォトン
   の分布を検出する事を特徴とする２次元フォトン位置エ
   ンコーダ装置。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項記載の装置であって、前
   記第２のフォトンを検出する手段（25）は、複数個の光
   電子増倍管（70）を含み、各前記光電子増倍管は前記光
   ガイド（68）の選択された前記小区画（90）と協働し、
   前記光ガイド（68）から出るフォトンを前記光ガイドの
   長さに沿った所定位置において計数し、前記光電子増倍
   管（70）の数が前記シンチレータ部材（22）の数よりも
   小ないことを特徴とする２次元フォトン位置エンコーダ
   装置。
3. 【請求項３】請求の範囲第１項記載の装置であって、前
   記シンチレータ部材（22）は所定数の結晶（64,1′〜3
   2′）を行と列とに配列したアレイを含むことを特徴と
   する２次元フォトン位置エンコーダ装置。
4. 【請求項４】請求の範囲第１項記載の装置であって、第
   ２のフォトンを検出する手段（25）は、前記光ガイド
   （68）の長さに沿った所定位置を通過する前記フォトン
   を計数し、前記第２のフォトンの分布状態が決定される
   ことを特徴とする２次元フォトン位置エンコーダ装置。
5. 【請求項５】請求の範囲第１項記載の装置であって、前
   記シンチレータ部材（22）は前記光ガイド（68）と一体
   に結合しており、該光ガイドは所定の異なる長さの複数
   の光遮蔽部材（92）を有し、該光遮蔽部材は小区画（9
   0）を画定し、該小区画の各々は前記複数個のシンチレ
   ータ部材のどれか一つと協働しており、前記シンチレー
   タ部材で発生したフォトンは協働する前記小区画に入
   り、前記小区画は前記光ガイド（68）の軸方向と軸交差
   方向にそった面におけるフォトンの分布状態を制御する
   ように所定の奥行きを与えられていることを特徴とする
   ２次元フォトン位置エンコーダ装置。
6. 【請求項６】請求の範囲第１項記載の装置であって、前
   記シンチレータ部材（22）は所定奥行きの複数の光遮蔽
   部材（92）によって分離されて複数の小区画が画定され
   ることによって前記光ガイド（68）を一体的に形成して
   おり、前記シンチレータ部材（22）で発生するフォトン
   の前記シンチレータ部材（22）の軸方向と軸交差方向に
   そった面における分布状態を制御することを特徴とする
   ２次元フォトン位置エンコーダ装置。
7. 【請求項７】請求の範囲第１項記載の装置であって、前
   記シンチレータ部材（22）はゲルマニュウム酸ビスマス
   結晶を含むことを特徴とする２次元フォトン位置エンコ
   ーダ装置。
8. 【請求項８】複数のシンチレータ部材（22）を有するシ
   ンチレーション検出器（20）に入射するガンマ線の第１
   のフォトンの空間分解能を強化した２次元フォトン位置
   検出方法であって、 前記シンチレータ部材（22）を入射する前記第１のフォ
   トンを受ける所定位置に配置し、前記シンチレータ部材
   （22）はアレイ状に配置され、入射した第１のフォトン
   の相互作用に応答して計数可能な数の第２のフォトンを
   出力し、 異なる奥行きの小区画（90）を画定する所定の異なった
   長さをもつ複数の光遮蔽部材（92）を有する光ガイド
   （68）により前記アレイ状のシンチレータ部材（22）の
   断面を出る第２のフォトンの統計学的な分布状態を制御
   し、該小区画の各々は前記複数個のシンチレータ部材の
   どれか一つと協働しており、前記シンチレータ部材から
   でた前記第２のフォトンは協働する前記小区画に入り、
   前記複数の小区画の各々は前記小区画が画定された光ガ
   イド（68）の奥行き方向と直交する面における前記第２
   のフォトンの分布状態を制御するように所定の奥行きを
   与えられており、それによって前記シンチレータ部材
   （22）から出た前記第２のフォトンが統計学的なパター
   ンに従って該光ガイドに従って分布させられ、 前記光ガイド（68）の所定の断面位置における前記第２
   のフォトンの分布状態を検出する ことを特徴とする２次元フォトン位置検出方法。
9. 【請求項９】請求の範囲第８項記載の方法において、前
   記第２のフォトンは該第２のフォトンの統計学的な分布
   状態を検出するために計数されることを特徴とする２次
   元フォトン位置検出方法。
10. 【請求項１０】請求の範囲第８項記載の方法において、
    前記第２のフォトンの分布状態を検出する工程におい
    て、計数した前記フォトンの分布状態のパターンを認識
    して前記第２のフォトンの発生源の位置を決定する処理
    を行うことを特徴とする２次元フォトン位置検出方法。
11. 【請求項１１】入射するガンマ線の第１のフォトンの空
    間分解能を強化するシンチレーション検出器（20）を含
    み、複数のシンチレータ部材（22）を設けていて、該シ
    ンチレータ部材が該第１のフォトンの入射線と相互作用
    して定量可能な第２のフォトンを発生し、さらに前記第
    ２のフォトンを検出する手段（25）を有する２次元フォ
    トン位置エンコーダ装置を使用して生体器官の生化学及
    び／又は病理学的変化を検出し定量的に計測するポジト
    ロン放射トモグラフィの方法であって、 前記２次元フォトン位置エンコーダ装置は、所定の異な
    る長さを持った複数の光遮蔽部材（92）を含み、該光遮
    蔽部材が奥行きの異なる小区画（90）を画定している光
    ガイドを有し、該小区画の各々は前記複数個のシンチレ
    ータ部材のどれか一つと協働しており、前記シンチレー
    タ部材からでた前記第２のフォトンは協働する前記小区
    画に入り、前記複数の小区画の各々は前記小区画が画定
    された光ガイド（68）の奥行き方向と直交する面におけ
    る前記第２のフォトンの分布状態を制御するように所定
    の奥行きを与えられており、前記検出手段（25）は前記
    シンチレータ部材から離れた位置で前記光ガイド（68）
    と協働して動作して前記第２のフォトンの前記光ガイド
    の所定位置における分布状態を検出し、前記第１のフォ
    トンの放射が前記第２のフォトンを生成し該第２のフォ
    トンが前記光ガイド（68）によって制御された統計学的
    パターンにしたがって分布するようにされ前記検出手段
    （25）がその第２のフォトンの分布を検出し、 前記ポジトロン放射トモダラフィの方法は、アイソトー
    プを含む放射性成分が器官中に投与され、該アイソトー
    プが前記生体器官で代謝される間にポジトロンが前記ア
    イソトープより放射され、放射された各ポジトロンは電
    子と衝突して両者は消滅し、互いに反対方向（180度）
    に該消滅位置から放射される２個のフォトンの形式のガ
    ンマ線の放射を生じさせる方法であって、 前記方法は、複数個のシンチレータ部材をアレイ状に配
    置して、前記ガンマ線のフォトンは該アレイに入射し、
    前記シンチレータ部材アレイからでる定量可能な数のフ
    ォトンを発生するようにし、前記シンチレータ部材を出
    る前記フォトンの統計学的な分布状態を制御することを
    特徴とするポジトロン放射トモグラフィの方法。
12. 【請求項１２】請求の範囲第11項記載の方法であって、
    前記第２のフォトンの分布を検出する工程において、前
    記シンチレータ部材（22）を出るフォトンを計数して前
    記シンチレータ部材に入射するフォトンによって生じる
    シンチレーション減少に関する位置の情報を決定するた
    めの情報を生成することを特徴とするポジトロン放射ト
    モグラフィの方法。
13. 【請求項１３】請求の範囲第12項記載の方法であって、
    前記第２のフォトンの分布を検出する工程において、計
    数したフォトンに関する情報を所定のフォトンの統計学
    的な分布状態と比較してシンチレーション現象の位置を
    決定し、これにより前記位置情報をコンピュータ（32）
    に送って断層像を発生することを特徴とするポジトロン
    放射トモグラフィの方法。
14. 【請求項１４】請求の範囲第11項記載の方法において、
    前記シンチレータ部材（22）は各列に８個のシンチレー
    タ部と各行に４個のシンチレータ部を有するアレイとし
    て配置されていることを特徴とするポジトロン放射トモ
    グラフィの方法。