JP7132796B2 - Cherenkov detector, Cherenkov detector setting method and PET device - Google Patents
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Description
本発明は、チェレンコフ検出器、チェレンコフ検出器設定方法およびPET装置に関するものである。 The present invention relates to a Cherenkov detector, a Cerenkov detector setting method, and a PET apparatus.
入射した光子等の粒子を検出する検出器として、非特許文献1,2に記載されたものが知られている。これらの検出器は、例えばγ線の光子が到来した時刻を検出することができる。
As detectors for detecting incident particles such as photons, those described in
非特許文献1に記載された検出器は、シンチレータおよびSiPM(Silicon Photomultiplier)を備える。この検出器は、例えばγ線の光子がシンチレータに入射すると、その光子の入射に応じてシンチレータにおいてシンチレーション光を発生させ、このシンチレーション光をSiPMにより検出してSiPMから電気パルス信号を出力する。 The detector described in Non-Patent Document 1 includes a scintillator and SiPM (Silicon Photomultiplier). In this detector, for example, when gamma-ray photons are incident on a scintillator, the scintillator generates scintillation light in response to the incidence of the photons, the scintillation light is detected by the SiPM, and the SiPM outputs an electric pulse signal.
非特許文献2に記載された検出器は、チェレンコフ輻射体およびSiPMを備える。この検出器は、例えばγ線の光子がチェレンコフ輻射体に入射すると、その光子の入射に応じてチェレンコフ輻射体においてチェレンコフ光を発生させ、このチェレンコフ光をSiPMにより検出してSiPMから電気パルス信号を出力する。
The detector described in
なお、輻射体中における荷電粒子(例えば、電子、ミューオン)の移動速度が該輻射体中の光速度より速いと、荷電粒子と輻射体との間の相互作用により光が放射される。また、荷電していない粒子(例えば、γ線、ニュートリノ)が輻射体中において光電効果により電子等の荷電粒子を発生させる場合があり、その荷電粒子の移動速度が該輻射体中の光速度より速いと光が放射される。このような現象はチェレンコフ効果またはチェレンコフ放射と呼ばれ、放射される光はチェレンコフ輻射光またはチェレンコフ光と呼ばれる。 If the moving speed of charged particles (for example, electrons, muons) in the radiator is higher than the speed of light in the radiator, the interaction between the charged particles and the radiator causes light to be emitted. In addition, uncharged particles (e.g., gamma rays, neutrinos) may generate charged particles such as electrons due to the photoelectric effect in the radiator, and the moving speed of the charged particles is faster than the speed of light in the radiator. Light is emitted at high speed. Such a phenomenon is called the Cherenkov effect or Cherenkov radiation, and the emitted light is called Cherenkov radiation or Cherenkov light.
γ線を検出する検出器は例えば断層画像取得装置において用いられる。断層画像取得装置の一種であるPET(Positron Emission Tomography)装置は、RI(Radio Isotope)線源が投入された被検体を測定空間に置き、その被検体における電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対を同時計数法で検出して同時計数情報を収集し、この収集した同時計数情報に基づいて被検体の断層画像を取得する。通常のPET装置は、収集した同時計数情報に基づいて所定のアルゴリズムに従って反復計算を行うことで被検体の断層画像を再構成する。 A detector that detects γ-rays is used, for example, in a tomographic image acquisition device. A PET (Positron Emission Tomography) device, which is a type of tomographic image acquisition device, places an object into which a RI (Radio Isotope) ray source is injected into a measurement space, and the pair annihilation of electrons and positrons in the object generates The photon pairs of the gamma rays are detected by the coincidence counting method to collect coincidence counting information, and a tomographic image of the subject is acquired based on the collected coincidence counting information. A typical PET apparatus reconstructs a tomographic image of the subject by performing iterative calculation according to a predetermined algorithm based on the collected coincidence count information.
これに対して、次世代のPET装置として期待されているTOF(Time of Flight)-PET装置は、被検体における電子・陽電子の対消滅の事象毎に、光子対を検出した2つの検出器の間の光子検出時刻の差に基づいて、これら2つの検出器を互いに結ぶ同時計数ライン上における対消滅位置を求める。TOF-PET装置は、被検体における電子・陽電子の対消滅の事象毎に求めた対消滅位置から被検体の断層画像を取得する。 On the other hand, the TOF (Time of Flight)-PET system, which is expected to be a next-generation PET system, uses two detectors to detect photon pairs for each electron-positron pair annihilation event in the specimen. Based on the difference in photon detection time between the two detectors, the pair annihilation position on the coincidence line connecting these two detectors is determined. A TOF-PET apparatus acquires a tomographic image of a subject from the annihilation position obtained for each annihilation event of electrons and positrons in the subject.
TOF-PET装置において、対消滅位置を求める精度が断層画像の画素ピッチと同程度である場合、通常のPET装置が必要とした画像再構成の為の反復計算が不要である。また、通常のPET装置において画像再構成により得られる断層画像には統計的なノイズであるアーチファクトが含まれるのに対して、TOF-PET装置により得られる断層画像にはアーチファクトは含まれない。断層画像の画素ピッチとは例えば5mmである。 If the TOF-PET apparatus obtains the annihilation position with the same degree of accuracy as the pixel pitch of the tomographic image, iterative calculations for image reconstruction required by the ordinary PET apparatus are unnecessary. Further, tomographic images obtained by image reconstruction in a normal PET apparatus contain artifacts, which are statistical noises, whereas tomographic images obtained by a TOF-PET apparatus do not contain artifacts. The pixel pitch of the tomographic image is, for example, 5 mm.
非特許文献1,2に記載されたものを含め従来の検出器は、時間分解能が悪い。したがって、画像再構成のための反復計算が必要である。また、断層画像にはアーチファクトが含まれる。
Conventional detectors, including those described in
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、優れた時間分解能を有することができるチェレンコフ検出器を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a Cherenkov detector capable of having excellent time resolution.
本発明の第1態様のチェレンコフ検出器は、(1) 入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる輻射体と、輻射体で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する光電変換部と、光電変換部から放出された電子を増倍して出力する1以上のマイクロチャネルプレートを有する電子増倍部と、電子増倍部により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号を出力するアノードと、を含む検出部と、(2) 輻射体における相互作用事象毎にアノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶部と、(3) 記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析部と、(4) 記憶部により記憶された複数の電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、を備える。 The Cherenkov detector according to the first aspect of the present invention comprises: (1) a radiator that generates Cherenkov light by interacting with incident particles, and a photoelectric converter that emits electrons in response to the incidence of the Cherenkov light generated by the radiator. an electron multiplying unit having one or more microchannel plates for multiplying and outputting electrons emitted from the photoelectric conversion unit; and collecting the electrons output by the electron multiplying unit and generating electricity (2) a storage unit for storing the waveform of the electrical pulse signal output from the anode for each interaction event in the radiator; and (3) stored by the storage unit. Using the waveforms of a plurality of electrical pulse signals, an analysis unit that obtains a specific range of the pulse magnitude and threshold of the electrical pulse signal in which the magnitude of the variation in the time at which the value of the electrical pulse signal reaches the threshold is equal to or less than the allowable value. and (4) the value of an electrical pulse signal having a pulse magnitude within a specific range among the plurality of electrical pulse signals stored by the storage unit reaches a threshold value corresponding to the pulse magnitude within the specific range. a time detection unit that detects time as an interaction time in the radiator.
本発明の第1態様のチェレンコフ検出器において、時刻検出部は、アノードから出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体における相互作用時刻として検出するのが好適である。 In the Cerenkov detector according to the first aspect of the present invention, the time detection unit detects that the value of the electrical pulse signal having a pulse magnitude within a specific range among the electrical pulse signals output from the anode is equal to the value of the pulse within the specific range. Preferably, the time when a threshold value corresponding to the magnitude of is reached is detected as the interaction time in the radiator.
本発明の第2態様のチェレンコフ検出器は、(1) 入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる輻射体と、輻射体で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する光電変換部と、光電変換部から放出された電子を増倍して出力する1以上のマイクロチャネルプレートを有する電子増倍部と、電子増倍部により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号を出力するアノードと、を含む検出部と、(2) アノードから出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、を備える。 The Cherenkov detector according to the second aspect of the present invention comprises: (1) a radiator that generates Cherenkov light by interacting with incident particles, and a photoelectric converter that emits electrons in response to the incidence of the Cherenkov light generated by the radiator. an electron multiplying unit having one or more microchannel plates for multiplying and outputting electrons emitted from the photoelectric conversion unit; and collecting the electrons output by the electron multiplying unit and generating electricity (2) an electrical pulse signal output from the anode whose pulse magnitude is within a specific range; and a time detection unit that detects the time at which a threshold value corresponding to the magnitude of is reached as the interaction time in the radiator.
本発明の第2態様のチェレンコフ検出器は、(3) 輻射体における相互作用事象毎にアノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶部と、(4) 記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析部と、を更に備えるのが好適である。 The Cherenkov detector according to the second aspect of the present invention comprises: (3) a storage unit that stores the waveform of the electrical pulse signal output from the anode for each interaction event in the radiator; an analysis unit that uses the waveform of the electric pulse signal to determine a specific range of the magnitude of the electric pulse signal and the threshold value that makes the magnitude of the variation in the time when the value of the electric pulse signal reaches the threshold value equal to or less than the allowable value; is preferably further provided.
本発明のチェレンコフ検出器設定方法は、上記の本発明の第2態様のチェレンコフ検出器における特定範囲を設定する方法であって、(1) 輻射体における相互作用事象毎にアノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶ステップと、(2) 記憶ステップにおいて記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析ステップと、を備える。 A Cherenkov detector setting method of the present invention is a method of setting a specific range in the Cherenkov detector of the second aspect of the present invention, comprising: (1) electricity output from the anode for each interaction event in the radiator; (2) using the waveforms of the plurality of electrical pulse signals stored in the storage step, the magnitude of variation in the time when the value of the electrical pulse signal reaches the threshold value is equal to or less than an allowable value; and an analysis step of determining a specific range of the pulse magnitude and the threshold value of the electrical pulse signal.
本発明のPET装置は、RI線源が投入されて測定空間に置かれた被検体において電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対を同時計数法で検出して同時計数情報を収集し、この収集した同時計数情報に基づいて被検体の断層画像を取得する装置であって、測定空間の周囲に設けられγ線を検出する複数の検出器それぞれとして上記の本発明のチェレンコフ検出器を備える。 The PET apparatus of the present invention uses a coincidence counting method to detect photon pairs of gamma rays generated by pair annihilation of electrons and positrons in a subject placed in a measurement space with an RI radiation source, and obtains coincidence counting information. and obtains a tomographic image of a subject based on the collected coincidence information, wherein the Cherenkov A detector is provided.
本発明のチェレンコフ検出器は、優れた時間分解能を有することができる。本発明のチェレンコフ検出器をTOF-PET装置に用いると、良好な空間分解能を有する断層画像を取得することができる。 The Cerenkov detector of the present invention can have excellent temporal resolution. When the Cerenkov detector of the present invention is used in a TOF-PET apparatus, a tomographic image with good spatial resolution can be acquired.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. The present invention is not limited to these exemplifications, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of equivalents of the scope of the claims.
図1は、第1実施形態のチェレンコフ検出器1Aの構成を示す図である。チェレンコフ検出器1Aは、検出部10および信号処理部20Aを備える。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a Cerenkov
検出部10は、輻射体11、中間層12、光電変換部13、電子増倍部14、アノード15および筐体16を含む。検出部10は、輻射体11における入射した粒子(例えばγ線)との相互作用の事象毎にアノード15から電気パルス信号を出力する。
The
輻射体11は、入射した粒子との相互作用によりチェレンコフ光を発生させる。輻射体11は、屈折率が既知であってチェレンコフ効果が生じ得る材料からなる。輻射体11は、シンチレーション光が生じ難い材料であるのが好ましい。輻射体11の材料は、例えば、鉛ガラス(SiO2+PbO)、フッ化鉛(PbF2)、PWO(PbWO4)、フッ化ビスマス(BiF3)等である。輻射体11は、厚みが一様である平板形状を有するのが好ましい。
The
鉛ガラスは、数%以上の鉛を含む非晶質ガラスである。鉛ガラスは、加工性が良好な材料であり、様々な形状および厚さに容易に加工することができる。鉛ガラスは、鉛含有率が大きいほど、γ線をチェレンコフ光に変換する効率が高く、波長400nm以下の光の透過率および屈折率が高くなる特徴を有する。 Lead glass is amorphous glass containing several percent or more of lead. Lead glass is a material with good workability and can be easily processed into various shapes and thicknesses. Lead glass is characterized in that the higher the lead content, the higher the efficiency of converting γ-rays into Cerenkov light, and the higher the transmittance and refractive index of light with a wavelength of 400 nm or less.
中間層12は、輻射体11と光電変換部13との間に設けられている。中間層12は、輻射体11に含まれる鉛と光電変換部13との反応を遮るバリア層である。なお、輻射体11と光電変換部13との間の反応が問題にならなければ、中間層12は不要である。
The
中間層12の材料は、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化チタン(TiO2)等である。中間層12は、厚みが一様である緻密層であるのが好ましい。中間層12の厚さは、γ線が輻射体11と相互作用することにより放出されるチェレンコフ光の波長以下であるのが好ましい。中間層12の厚さは、当該チェレンコフ光の波長よりも十分に小さいのが好ましく、例えば10nm程度であるのが好ましい。中間層12は、例えば、原子層堆積(ALD: Atomic Layer Deposition)によって輻射体11上に形成される。
Materials of the
光電変換部13は、輻射体11との間に中間層12を挟んで設けられている。光電変換部13は、輻射体11で発生したチェレンコフ光の入射に応じて電子を放出する。光電変換部13の材料は、アルカリ金属元素を含み、例えばアルカリ-アンチモン等である。光電変換部13は、厚みが一様である。輻射体11、中間層12および光電変換部13は、この順に積層されて一体化されていてもよい。
The
光電変換部13と電子増倍部14との間には、光電変換部13で放出された電子が電子増倍部14に向かうように電界が形成される。電子増倍部14は、光電変換部13から放出された電子を入力し、電子を増倍して出力する。電子増倍部14は、1以上のマイクロチャネルプレート(MCP: Micro Chanel Plate)を有する。MCPの両面(光電変換部13の側の面、アノード15の側の面)の間には、電子を増倍するための高電圧が印加される。1個のMCPによる電子増倍率が十分でない場合には、2個以上のMCPを積層して用いるのが好ましい。2個のMCPを積層することで、106程度の電子増倍率が得られる。
An electric field is formed between the
MCPの母材が鉛を含む場合、γ線とのMCPとの相互作用がノイズとなる可能性がある。したがって、MCPは、鉛を含まない(または、鉛含有量が極めて少ない)母材から形成されるのが好ましい。 If the base material of the MCP contains lead, the interaction of gamma rays with the MCP can become noise. Therefore, the MCP is preferably formed from a lead-free (or very low lead content) matrix.
電子増倍部14とアノード15との間には、電子増倍部14で増倍されて出力された電子がアノード15に向かうように電界が形成される。アノード15は、電子増倍部14により増倍されて出力された電子を収集して電気パルス信号Sを外部へ出力する。なお、電気パルス信号Sは、負のパルスであるので、この図では下向きのパルスとして表示されている。
An electric field is formed between the
筐体16の内部に少なくとも電子増倍部14およびアノード15が配置される。筐体16は気密性を有し、筐体16の内部は真空(または非常に低い気圧)に維持される。光電変換部13が筐体16の窓であってもよく、この場合、筐体16および光電変換部13が気密性を有する閉空間を形成する。また、輻射体11が筐体16の窓であってもよく、この場合、筐体16および輻射体11が気密性を有する閉空間を形成する。
At least the
また、輻射体11の外側の面(光電変換部13とは反対側の面)に、チェレンコフ光を吸収する遮蔽膜が設けられているのが好ましい。このような遮蔽膜が設けられていることにより、輻射体11で生じたチェレンコフ光が輻射体11の外側の面で反射された後に光電変換部13に入射することを抑制することができる。
Moreover, it is preferable that a shielding film that absorbs Cerenkov light is provided on the outer surface of the radiator 11 (the surface opposite to the photoelectric conversion section 13). By providing such a shielding film, it is possible to prevent Cherenkov light generated by the
信号処理部20Aは、検出部10の輻射体11における相互作用事象毎にアノード15から出力される電気パルス信号を入力して、その電気パルス信号について所要の処理を行う。信号処理部20Aは、記憶部21、解析部22および時刻検出部23を含む。
The
記憶部21は、検出部10の輻射体11における相互作用の事象毎にアノード15から出力される電気パルス信号の波形をデジタル信号波形として記憶する。
The
解析部22は、記憶部21により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める。この特定範囲は、電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の2変数で区画される範囲である。特定範囲は、単一区画の範囲であってもよいし、複数区画の範囲であってもよい。電気パルス信号のパルスの大きさは、電気パルス信号のエネルギに相当するものであり、パルス波高値であってもよいし、パルス面積であってもよい。
The
時刻検出部23は、記憶部21により記憶された複数の電気パルス信号のうちパルスの大きさが前記特定範囲内にある電気パルス信号の値が、前記特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体11における相互作用時刻として検出する。
The
次に、信号処理部20Aの処理(特に解析部22における特定範囲の設定)について、図2~図7を用いて説明する。
Next, the processing of the
図2は、信号処理部20Aの記憶部21による電気パルス信号の波形の記憶の際に用いたシステムの構成を示す図である。2つの検出部10が対向して配置されている。2つの検出部10を結ぶ線分の中心位置にRI線源31が配置されている。一方の検出部10とRI線源31との間にコリメータ32が配置されている。2つの検出部10は、RI線源31が配置された位置における電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対のうち、コリメータ32を通過する同時計数ライン上を飛行する光子対を同時計数することができる。デジタルオシロスコープ33は、2つの検出部10それぞれから出力される電気パルス信号を入力して、それらの電気パルス信号の波形をデジタル信号波形として記憶する。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a system used when storing waveforms of electrical pulse signals in the
以下の説明で示すデータは次のような条件の下で収集され解析されたものである。以下では、図2に示される2つの検出部10を検出部Aおよび検出部Bという。検出部A,Bの輻射体11として、直径11mmで厚み3.2mmの鉛ガラスからなるものを用いた。検出部A,Bの電子増倍部14として、2個のMCPが積層されたものを用いた。検出部Aと検出部Bとの間の間隔を120mmとした。RI線源31として22Naを用いた。コリメータ32として、直径1.0mmの貫通孔を有する厚み50mmの鉛材を用いた。デジタルオシロスコープ33として、Keysight社のDSO-404Aを用いた。このデジタルオシロスコープは、4.2GHzの帯域幅および20GS/sの最大サンプリングレートを有する。
The data presented in the following description were collected and analyzed under the following conditions. The two
図3は、信号処理部20Aの記憶部21により記憶された複数の電気パルス信号のパルスの大きさのヒストグラムを示す図である。記憶された電気パルス信号の総数は20,000である。横軸は、電気パルス信号のパルス面積である。縦軸は、電気パルス信号の数である。電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線のエネルギは511keVで一定であっても、この図に示されるように、検出部から出力される電気パルス信号のエネルギは或る分布を有する。これは、輻射体11におけるγ線との相互作用の事象毎に発生する光子の個数が或る分布を有し、光電変換部13において放出される電子の個数も或る分布を有し、また、電子増倍部14における電子増倍率も或る分布を有するからである。
FIG. 3 is a diagram showing a histogram of pulse magnitudes of a plurality of electrical pulse signals stored in the
図4は、信号処理部20Aの記憶部21により記憶された或る電気パルス信号の波形と閾値との関係を示す図である。横軸は時刻であり、縦軸は電気パルス信号の値(電圧値)である。横軸の時刻は、γ線の光子対を同時計数した2つの検出部A,Bのうち遅く光子を検出した検出部から出力された電気パルス信号の値がデジタルオシロスコープ33の設定閾値に達した時刻を基準時刻とするものである。この図は、先に光子を検出した検出部から出力された電気パルス信号の波形を示す。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the waveform of a certain electrical pulse signal and the threshold value stored in the
この図に示されるように、電気パルス信号の波形から求められる検出部によるγ線検出の時刻は、閾値の設定によって異なる。また、電気パルス信号の波形から求められる検出部によるγ線検出の時刻は、電気パルス信号のパルスの大きさ(パルス面積またはパルス波高値)及び閾値に依存したバラツキを有する。そこで、解析部22は、記憶部21により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める。
As shown in this figure, the time of γ-ray detection by the detection unit obtained from the waveform of the electric pulse signal differs depending on the setting of the threshold. Further, the time of γ-ray detection by the detection unit obtained from the waveform of the electric pulse signal has variations depending on the pulse magnitude (pulse area or pulse peak value) of the electric pulse signal and the threshold value. Therefore, the
図5は、信号処理部20Aの解析部22による処理の一例を説明するフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of processing by the
ステップS11では、検出部Aから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲(パルス面積ウィンドウ)をpa~pa+δaに設定する。ステップS11の後にステップS12へ進む。 In step S11, the range of the pulse area (pulse area window) of the electric pulse signal output from the detection unit A is set to pa to p a + δa. After step S11, the process proceeds to step S12.
ステップS12では、検出部Aから出力される電気パルス信号について閾値をvaに設定する。ステップS12の後にステップS13へ進む。 In step S12, the threshold value of the electrical pulse signal output from the detector A is set to va. After step S12, the process proceeds to step S13.
ステップS13では、検出部Bから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲(パルス面積ウィンドウ)をpb~pb+δbに設定する。ステップS13の後にステップS14へ進む。 In step S13, the pulse area range (pulse area window) of the electrical pulse signal output from the detection unit B is set to p b to p b +δ b . After step S13, the process proceeds to step S14.
ステップS14では、検出部Bから出力される電気パルス信号について閾値をvbに設定する。ステップS14の後にステップS15へ進む。 In step S14, the threshold value of the electrical pulse signal output from the detector B is set to vb. After step S14, the process proceeds to step S15.
例えば、ステップS11~S14で設定されるpa,pbは0.01であり、δa,δbは0.01であり、va,vbは2mVである。 For example, p a and p b set in steps S11 to S14 are 0.01, δ a and δ b are 0.01, and v a and v b are 2 mV.
ステップS15では、検出部A,Bの間のγ線検出時刻差のヒストグラムを生成して、γ線検出時刻のバラツキの大きさ、すなわち、時間分解能を評価する。ステップS15の後にステップS16へ進む。 In step S15, a histogram of γ-ray detection time differences between the detectors A and B is generated to evaluate the magnitude of variation in γ-ray detection times, that is, temporal resolution. After step S15, the process proceeds to step S16.
ステップS16では、vbが上限値Vを超えたか否かを判断する。vbが上限値Vを超えていれば、ステップS17へ進む。vbが上限値Vを超えていなければ、ステップS24へ進む。ステップS24では、vbにΔvbを加えた値を新たなvbとして、ステップS15へ進む。 In step S16, it is determined whether or not vb exceeds the upper limit value V. If vb exceeds the upper limit V, the process proceeds to step S17. If vb does not exceed the upper limit V, the process proceeds to step S24. In step S24, the value obtained by adding Δvb to vb is set as new vb , and the process proceeds to step S15.
ステップS17では、pbが上限値Pを超えたか否かを判断する。pbが上限値Pを超えていれば、ステップS18へ進む。pbが上限値Pを超えていなければ、ステップS23へ進む。ステップS23では、pbにΔpbを加えた値を新たなpbとして、ステップS14へ進む。 In step S17, it is determined whether or not pb has exceeded the upper limit value P. If pb exceeds the upper limit P, the process proceeds to step S18. If pb does not exceed the upper limit P, the process proceeds to step S23. In step S23, the value obtained by adding Δpb to pb is set as new pb , and the process proceeds to step S14.
ステップS18では、vaが上限値Vを超えたか否かを判断する。vaが上限値Vを超えていれば、ステップS19へ進む。vaが上限値Vを超えていなければ、ステップS22へ進む。ステップS22では、vaにΔvaを加えた値を新たなvaとして、ステップS13へ進む。 In step S18, it is determined whether or not va exceeds the upper limit value V. If v a exceeds the upper limit value V, the process proceeds to step S19. If v a does not exceed the upper limit V, the process proceeds to step S22. In step S22, the value obtained by adding Δv a to v a is set as new v a , and the process proceeds to step S13.
ステップS19では、paが上限値Pを超えたか否かを判断する。paが上限値Pを超えていれば、ステップS31へ進む。paが上限値Pを超えていなければ、ステップS21へ進む。ステップS21では、paにΔpaを加えた値を新たなpaとして、ステップS12へ進む。 In step S19, it is determined whether pa exceeds the upper limit value P or not. If pa exceeds the upper limit P, the process proceeds to step S31. If pa does not exceed the upper limit P, the process proceeds to step S21. In step S21, the value obtained by adding Δp a to pa is set as new pa , and the process proceeds to step S12.
ステップS16,S18において上限値Vは例えば10mVである。ステップS17,S19において上限値Pは例えば0.1である。ステップS21,S23において加算値Δpa,Δpbは例えば0.001である。ステップS22,S24において加算値Δva,Δvbは例えば1mVである。 At steps S16 and S18, the upper limit value V is, for example, 10 mV. At steps S17 and S19, the upper limit value P is, for example, 0.1. In steps S21 and S23, the added values Δp a and Δp b are, for example, 0.001. In steps S22 and S24, the added values Δv a and Δv b are 1 mV, for example.
ステップS31へ進んだ時点では、検出部A,Bそれぞれから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲(パルス面積ウィンドウ)および閾値が、下限値(ステップS11~S14で初期設定されたpa,pb,va,vb)から上限値(P,V)までの範囲において、所定のシフト量(Δpa,Δpb,Δva,Δvb)で、スキャンされている。 At the time when the process proceeds to step S31, the pulse area range (pulse area window) and the threshold for the electrical pulse signals output from the detection units A and B are set to the lower limit values (p a , p b , v a , v b ) to the upper limit (P, V) are scanned with predetermined shift amounts (Δp a , Δp b , Δv a , Δv b ).
そして、ステップS31では、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる(すなわち、時間分解能が許容範囲となる)電気パルス信号のパルス面積および閾値の特定範囲を求める。 Then, in step S31, a specific range of the pulse area of the electrical pulse signal and the threshold is determined such that the magnitude of variation in the time at which the value of the electrical pulse signal reaches the threshold is equal to or less than the allowable value (that is, the time resolution is within the allowable range). Ask.
図6は、信号処理部20Aの解析部22による処理の他の例を説明するフローチャートである。検出部A,Bが同じ構成を有し同じ特性を有すると期待される場合には、次のような処理が可能である。
FIG. 6 is a flowchart illustrating another example of processing by the
ステップS41では、検出部A,Bから出力される電気パルス信号についてパルス面積の範囲(パルス面積ウィンドウ)をp~p+δに設定する。例えば、ここで設定されるpは0.01であり、δは0.01である。ステップS41の後にステップS42へ進む。 In step S41, the pulse area range (pulse area window) of the electrical pulse signals output from the detection units A and B is set to p to p+δ. For example, p set here is 0.01 and δ is 0.01. After step S41, the process proceeds to step S42.
ステップS42では、検出部A,Bから出力される電気パルス信号について閾値をvに設定する。例えば、ここで設定されるvは2mVである。ステップS42の後にステップS43へ進む。 In step S42, the threshold v is set for the electrical pulse signals output from the detection units A and B. FIG. For example, v set here is 2 mV. After step S42, the process proceeds to step S43.
ステップS43では、検出部A,Bの間のγ線検出時刻差のヒストグラムを生成して、γ線検出時刻のバラツキの大きさ、すなわち、時間分解能を評価する。ステップS43の後にステップS44へ進む。 In step S43, a histogram of the γ-ray detection time difference between the detectors A and B is generated to evaluate the magnitude of variation in γ-ray detection time, that is, the temporal resolution. After step S43, the process proceeds to step S44.
ステップS44では、vが上限値Vを超えたか否かを判断する。上限値Vは例えば10mVである。vが上限値Vを超えていれば、ステップS45へ進む。vが上限値Vを超えていなければ、ステップS47へ進む。ステップS47では、vにΔvを加えた値を新たなvとして、ステップS43へ進む。 In step S44, it is determined whether or not v exceeds the upper limit value V. The upper limit value V is, for example, 10 mV. If v exceeds the upper limit value V, the process proceeds to step S45. If v does not exceed the upper limit value V, the process proceeds to step S47. In step S47, the value obtained by adding Δv to v is set as new v, and the process proceeds to step S43.
ステップS45では、pが上限値Pを超えたか否かを判断する。上限値Pは例えば10である。pが上限値Pを超えていれば、ステップS48へ進む。pが上限値Pを超えていなければ、ステップS46へ進む。ステップS46では、pにΔpを加えた値を新たなpとして、ステップS42へ進む。 In step S45, it is determined whether or not p exceeds the upper limit P. The upper limit value P is 10, for example. If p exceeds the upper limit P, the process proceeds to step S48. If p does not exceed the upper limit P, the process proceeds to step S46. In step S46, the value obtained by adding Δp to p is set as new p, and the process proceeds to step S42.
そして、ステップS48では、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる(すなわち、時間分解能が許容範囲となる)電気パルス信号のパルス面積および閾値の特定範囲を求める。 Then, in step S48, a specific range of the pulse area and the threshold value of the electric pulse signal is determined such that the variation in the time when the value of the electric pulse signal reaches the threshold value is equal to or less than the allowable value (that is, the time resolution is within the allowable range). Ask.
図7は、検出部から出力される電気パルス信号のパルス面積および閾値と時間分解能との関係を示す図である。図7(a)において、横軸は閾値であり、縦軸はパルス面積である。図7(a)では、図6の処理によって得られた時間分解能が濃淡で示されている。ここに示す時間分解能は、半値全幅(FWHM: Full Width at Half Maximum)で表した同時計数時間分解能(CTR: Coincidence Time Resolution)である。以下では、FWHMで表したCTRを単にCTRという。図7(b)は、図7(a)における或る範囲のパルス面積および閾値を選択したときのγ検出時刻のバラツキを示すグラフである。この例では、CTRは28.0psである。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the pulse area and threshold value of the electrical pulse signal output from the detection unit and the time resolution. In FIG. 7A, the horizontal axis is the threshold and the vertical axis is the pulse area. In FIG. 7(a), the temporal resolution obtained by the processing of FIG. 6 is indicated by shading. The time resolution shown here is the Coincidence Time Resolution (CTR) expressed in Full Width at Half Maximum (FWHM). Hereinafter, CTR represented by FWHM is simply called CTR. FIG. 7(b) is a graph showing variations in γ detection time when a certain range of pulse areas and threshold values in FIG. 7(a) is selected. In this example, the CTR is 28.0ps.
ところで、通常のPET装置により取得される断層画像の空間分解能は5mm程度である。TOF-PET装置により取得される断層画像の空間分解能を5mm程度以下とするためには、検出器のCTRは35ps程度以下でなければならない。本実施形態のチェレンコフ検出器1Aは、35ps以下のCTRを有することができ、さらに、30ps以下のCTRを有することもできる。解析部22は、要求されるCTRに応じて、すなわち、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさの許容値に応じて、電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求めればよい。本実施形態のチェレンコフ検出器1Aを用いたTOF-PET装置は、従来のPET装置やTOF-PET装置と比べて、画像再構成の処理をすることなく、アーチファクトが含まれない断層画像を取得することができる。
By the way, the spatial resolution of a tomographic image acquired by a normal PET device is about 5 mm. In order to make the spatial resolution of the tomographic image acquired by the TOF-PET apparatus about 5 mm or less, the CTR of the detector must be about 35 ps or less. The
本発明のチェレンコフ検出器は、図8~図10に示される実施形態の構成を有していてもよい。図8~図10それぞれに示される検出部10は、図1を用いて説明したものと同様の構成を有する。
The Cerenkov detector of the present invention may have the configurations of the embodiments shown in FIGS. 8-10. The
図8は、第2実施形態のチェレンコフ検出器1Bの構成を示す図である。図1に示された第1実施形態のチェレンコフ検出器1Aの構成と比較すると、図8に示される第2実施形態のチェレンコフ検出器1Bは、信号処理部20Aに替えて信号処理部20Bを備える点で相違する。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the
第1実施形態における信号処理部20Aの時刻検出部23は、記憶部21により記憶された複数の電気パルス信号の波形それぞれのパルスの大きさが特定範囲内にあるか否かを判定する。
The
これに対して、第2実施形態における信号処理部20Bの時刻検出部23は、記憶部21により記憶された複数の電気パルス信号の波形それぞれのパルスの大きさが特定範囲内にあるか否かを判定するだけでなく、加えて、アノード15から出力された電気パルス信号のパルスの大きさが特定範囲内にあるか否かをも判定する。
On the other hand, the
そして、時刻検出部23は、アノード15から出力された電気パルス信号についても、パルスの大きさが特定範囲内にあると判定された電気パルス信号の値が、その特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体11における相互作用時刻として検出する。
Then, the
すなわち、第2実施形態のチェレンコフ検出器1Bは、記憶部21により記憶された電気パルス信号だけでなく、記憶部21により記憶されない電気パルス信号についても、輻射体11における相互作用時刻を検出して出力することができる。
That is, the
図9は、第3実施形態のチェレンコフ検出器1Cの構成を示す図である。図8に示された第2実施形態のチェレンコフ検出器1Bの構成と比較すると、図9に示される第3実施形態のチェレンコフ検出器1Cは、信号処理部20Bに替えて信号処理部20Cを備える点で相違する。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a
第3実施形態における信号処理部20Cは時刻検出部23からなる。信号処理部20Cは、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を記憶している。この記憶されている特定範囲に基づいて、時刻検出部23は、アノード15から出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、その特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体11における相互作用時刻として検出する。
The
信号処理部20Cが記憶する特定範囲は、図2~図7を用いて説明した方法により設定することができる。すなわち、このチェレンコフ検出器設定方法では、輻射体11における相互作用事象毎にアノード15から出力された電気パルス信号の波形を記憶部により記憶し(記憶ステップ)、その記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める(解析ステップ)。
The specific range stored by the
図10は、第4実施形態のチェレンコフ検出器1Dの構成を示す図である。図9に示された第3実施形態のチェレンコフ検出器1Cの構成と比較すると、図10に示される第4実施形態のチェレンコフ検出器1Dは、信号処理部20Cに替えて信号処理部20Dを備える点で相違する。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the
第3実施形態における信号処理部20Cは時刻検出部23からなるのに対して、第4実施形態における信号処理部20Dは、時刻検出部23に加えて、第1実施形態の構成と同様の記憶部21および解析部22をも含む。第4実施形態では、記憶部21に記憶された複数の電気パルス信号の波形は、解析部22による処理に用いられるが、時刻検出部23による処理には用いられない。
While the
解析部22における処理により得られた特定範囲に基づいて、時刻検出部23は、アノード15から出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが特定範囲内にある電気パルス信号の値が、その特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、輻射体11における相互作用時刻として検出する。
Based on the specific range obtained by the processing in the
上記の何れの実施形態の時刻検出部23においても、入力した電気パルス信号をデジタル信号に変換するADC(Analog-to-Digital Converter)と、このデジタル信号に基づいて論理演算を行う論理回路とを含む構成により、電気パルス信号のパルスの大きさを判定することができる。また、入力した電気パルス信号の値と閾値とを大小比較する比較器と、この比較器からの出力値が論理反転した時刻を求めるTDC(Time-to-Digital Converter)回路とを含む構成により、電気パルス信号の値が所定の閾値に達する時刻を求めることができる。
In any of the above-described embodiments, the
図11は、PET装置2の構成を示す図である。PET装置2は、RI線源が投入されて測定空間に置かれた被検体3において電子・陽電子の対消滅に伴って発生するγ線の光子対を同時計数法で検出して同時計数情報を収集し、この収集した同時計数情報に基づいて被検体3の断層画像を取得する装置である。PET装置2は、通常のPET装置であってもよいが、好適にはTOF-PET装置である。
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the
PET装置2は、複数の検出部10、信号処理部20および断層画像作成部40を備える。各検出部10は、図1を用いて説明したものと同様の構成を有する。複数の検出部10は、測定空間の周囲に設けられており、被検体3から到来したγ線を検出することができる。
The
信号処理部20は、図1,8~10を用いて説明した信号処理部20A~20Dの何れかの構成と同様である。信号処理部20は検出部10に対して1対1に設けられてもよいし、複数の検出部10に対して共通に1つの信号処理部20が設けられてもよい。検出部10および信号処理部20は、前述したチェレンコフ検出器1A~1Dの何れの構成と同様である。
The
断層画像作成部40は、信号処理部20から出力される各検出部10によるγ線検出の時刻情報に基づいて、被検体3の断層画像を作成する。このPET装置2は、本実施形態のチェレンコフ検出器を用いてγ線を検出するので、優れた空間分解能を有する断層画像を取得することができる。
The tomographic
1A~1D…チェレンコフ検出器、2…PET装置、10…検出部、11…輻射体、12…中間層、13…光電変換部、14…電子増倍部、15…アノード、16…筐体、20A~20D,20…信号処理部、21…記憶部、22…解析部、23…時刻検出部、31…RI線源、32…コリメータ、33…デジタルオシロスコープ、40…断層画像作成部。
1A to 1D... Cerenkov detector, 2... PET device, 10... detector, 11... radiator, 12... intermediate layer, 13... photoelectric converter, 14... electron multiplier, 15... anode, 16... housing,
Claims (6)
前記輻射体における相互作用事象毎に前記アノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶部と、
前記記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて、電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲を求める解析部と、
前記記憶部により記憶された複数の電気パルス信号のうちパルスの大きさが前記特定範囲内にある電気パルス信号の値が、前記特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、前記輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、
を備えるチェレンコフ検出器。 A radiator that generates Cherenkov light by interaction with incident particles, a photoelectric conversion unit that emits electrons in response to the incidence of the Cherenkov light generated by the radiator, and an increase in the electrons emitted from the photoelectric conversion unit. A detector comprising: an electron multiplier having one or more microchannel plates that multiply and output; and an anode that collects the electrons multiplied and output by the electron multiplier and outputs an electric pulse signal. When,
a storage unit that stores waveforms of electrical pulse signals output from the anode for each interaction event in the radiator;
Using the waveforms of a plurality of electric pulse signals stored in the storage unit, the magnitude of the pulse of the electric pulse signal and the threshold value are such that the magnitude of variation in the time at which the value of the electric pulse signal reaches the threshold is equal to or less than an allowable value. an analysis unit for obtaining a specific range;
The time at which the value of the electrical pulse signal whose pulse magnitude is within the specific range among the plurality of electrical pulse signals stored by the storage unit reaches a threshold value corresponding to the pulse magnitude within the specific range. , a time detection unit that detects as an interaction time in the radiator;
A Cerenkov detector with
請求項1に記載のチェレンコフ検出器。 The time detection unit is configured such that a value of an electrical pulse signal having a pulse magnitude within the specific range among the electrical pulse signals output from the anode reaches a threshold value corresponding to the pulse magnitude within the specific range. Detecting the reaching time as the interaction time in the radiator,
Cerenkov detector according to claim 1.
電気パルス信号の値が閾値に達する時刻のバラツキの大きさが許容値以下となる電気パルス信号のパルスの大きさ及び閾値の特定範囲に基づいて、前記アノードから出力された電気パルス信号のうちパルスの大きさが前記特定範囲内にある電気パルス信号の値が、前記特定範囲内の前記パルスの大きさに対応する閾値に達する時刻を、前記輻射体における相互作用時刻として検出する時刻検出部と、
を備えるチェレンコフ検出器。 A radiator that generates Cherenkov light by interaction with incident particles, a photoelectric conversion unit that emits electrons in response to the incidence of the Cherenkov light generated by the radiator, and an increase in the electrons emitted from the photoelectric conversion unit. A detector comprising: an electron multiplier having one or more microchannel plates that multiply and output; and an anode that collects the electrons multiplied and output by the electron multiplier and outputs an electric pulse signal. When,
A pulse of the electrical pulse signal output from the anode based on a specific range of the pulse magnitude and the threshold value of the electrical pulse signal at which the magnitude of the variation in the time when the value of the electrical pulse signal reaches the threshold value is equal to or less than the allowable value. a time detection unit that detects, as an interaction time in the radiator, the time at which the value of the electrical pulse signal whose magnitude is within the specific range reaches a threshold value corresponding to the magnitude of the pulse within the specific range; ,
A Cerenkov detector with
前記記憶部により記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて前記特定範囲を求める解析部と、
を更に備える請求項3に記載のチェレンコフ検出器。 a storage unit that stores waveforms of electrical pulse signals output from the anode for each interaction event in the radiator;
an analysis unit that obtains the specific range using waveforms of a plurality of electrical pulse signals stored in the storage unit;
4. The Cerenkov detector of claim 3, further comprising:
前記輻射体における相互作用事象毎に前記アノードから出力された電気パルス信号の波形を記憶する記憶ステップと、
前記記憶ステップにおいて記憶された複数の電気パルス信号の波形を用いて前記特定範囲を求める解析ステップと、
を備えるチェレンコフ検出器設定方法。 A method for setting the specific range in the Cerenkov detector according to claim 3, comprising:
a storage step of storing waveforms of electrical pulse signals output from the anode for each interaction event in the radiator;
an analysis step of obtaining the specific range using the waveforms of the plurality of electrical pulse signals stored in the storage step;
A Cerenkov detector setup method comprising:
前記測定空間の周囲に設けられγ線を検出する複数の検出器それぞれとして請求項1~4の何れか1項に記載のチェレンコフ検出器を備える、
PET装置。 The photon pairs of gamma rays generated by pair annihilation of electrons and positrons are detected by the coincidence counting method in the subject placed in the measurement space after the RI radiation source is turned on, and the coincidence counting information is collected. A device for acquiring a tomographic image of the subject based on coincidence information,
The Cherenkov detector according to any one of claims 1 to 4 is provided as each of a plurality of detectors that are provided around the measurement space and detect gamma rays,
PET device.
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014160042A (en) | 2013-02-20 | 2014-09-04 | Hamamatsu Photonics Kk | Detector, pet apparatus, and x-ray ct device |
JP2016513788A (en) | 2013-03-08 | 2016-05-16 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. | Time stamping of detected radiation quanta |
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