本発明は、ガンマ線源イメージングに関する。より詳細には、本発明は、ガンマカメラに基づいてガンマ放射線を検出するシステム及びこのようなシステムで実施される画像再構成法に関する。本発明はさらに、特に天文学分野及び医学分野での検出システムの応用、並びにこのシステムの陽電子放射断層撮影法(PET:Positron Emission Tomography)又は単一光子放射型コンピュータ断層撮影法(SPECT:Single-Photon Emission Computerized Tomography)型イメージングシステムへの応用に関する。

現在のところ、ガンマ線(>30keV)源イメージングは、基本的に、2つの技術、すなわちPET及びSPECTに基づいて医学診断目的で実施される。

SPECT(単一光子放射型コンピュータ断層撮影法)技術では放出イメージング原理を用いる。この場合、分析対象の被検体内部の単一エネルギーガンマ光子を放出する放射性トレーサの分布を追跡しようとする。光子放出は等方性であるため、コリメータがカメラの正面に配置されて光子の入射方向を選択する。次いで、ガンマ線は、NaI:TI等のシンチレータ結晶の10〜20mm厚プレートにてUV光子に変換される。UV光子は等方的に放出され、その後反射により結晶プレート界面へと向けられる。このため、光量分布は光量が1/Rだけ減少するスポットである。アンガー論理は、光検出器、特に光電子増倍管型のものにより光スポットの重心を決定することからなる。これによって、ガンマ放射線が検出された位置を推測する。この技術では、50mm未満の光検出器のセグメント化でも空間分解能が提供されない。

PET(陽電子放射断層撮影法)技術では陽電子源を必要とする。アンチコインシデンスに放出される2つの511keVガンマ線は線源(BGO、LSO、LaBr₃)を中心にリング状に配置された密なシンチレータ結晶アレイによって検出される。検出システムは、マルチチャンネル光検出器(光電子増倍管又はSi−PMT)により読み込まれる単一の結晶アレイ(典型的には、4*4*25mm)からなり、チャンネルサイズは結晶サイズに適合される。その後、しばしば個々のエレクトロニクスにおいて信号増幅及び処理段階が行われる。

現在のPET技術では、コンプトン散乱による真のノイズ相互作用は、以下の特徴、すなわち、2つの活性ピクセルがリングの正反対にあること、及びこの相互作用によるエネルギーが511keVに等しいことによって区別でき、さらに、両方の光子はほぼ同時に検出器に接触する。この技術は、光ピークまでの立ち上がり時間が早い、LSO、LaBr₃又はBGO等のシンチレータにのみ適用可能である。

この技術の欠点の1つは、結晶、特に含水結晶をピクセルにセグメント化するのに費用がかかることである。また、このセグメント化によってエネルギー分解能が低下する。最後に、この技術はコンプトン効果を回避するために非常に密な結晶でのみ適切に機能する(BGO=ゲルマニウム酸ビスマス、LSO又はLYSO=ケイ酸ルテチウム)。これには希少で高価な原材料(ゲルマニウム、ルテチウム等)の使用を伴う。

SPECT技術では、単一の光子がシンチレータ結晶プレート(NaI、CsI、LaBr₃)により検出され、大型の光検出器(PMT)によって読み込まれる。そのエネルギーは、使用される放射性同位体(100keVから1000keV)により異なる。光子の入射方向についての表示を得るには、結晶の前に、大きく嵩高で重く、且つ放出される放射線の大部分を止める鉛コリメータを有する必要があり、その幾何学的寸法のため、画像を構成するのにごくわずかな光子しか利用できない。さらに、SPECTの空間分解能は、相互作用の位置を特定する精度が不足しているためPETの空間分解能よりも低い。

SPECTについては、解決すべき問題がさらに2つある。 − SPECTはシンチレータプレートが連続的である場合のみ機能する。したがって、2枚の小さいプレートを組み付けて大きなプレートを構成することができない。このため、結晶が比較的小さい(最大直径100mm)新世代のシンチレータ、LaBr₃の使用は現在SPECTでは制限されている。 − 2つのガンマ光子が、時間が前後して(約300ns)シンチレータプレートと相互作用すると、スポットの画像及びエネルギー測定が非常に乱されるため、イベントは拒絶される。この場合、パイルアップが起こったと言える。

PETは異なる原理で機能する。放射性元素が陽電子を放出し、これは180°で放出される2つの511keVガンマ光子に分解される。次いで、2つの511keV光子が同時に到着したことを、患者の周りに位置する結晶リング上で検出される。十分に高速のシンチレータが使用されれば、飛行時間(リングの反対側2箇所への2つの光子の到着時間の差)によりイベントの位置特定の精度をうまく向上させることができる。しかし、現在のシステムには以下の問題がある。1)シンチレータがピクセル(例えば、4*4*30mm)にセグメント化されなければならないが、これには費用がかかること、2)ピクセル内の相互作用の位置が分からない場合、これによって画質を低下させる幾何学的不確定性が生じ得る。さらに、これによって飛行時間測定の精度が低下し、事実上この測定を約250psに制限してしまう。

システムはPETで相互作用深さ(DOI:Depth Of Interaction)を測定するように提案されてきたが、これは説得力がないか、又は非常に費用がかかる(2つの検出器層)。

さらに、コンプトンイベントの処理の困難さにより、非常に密で、全体的にリチウムをベースにしたシンチレータが試みられているが、これは非常に費用がかかる。

したがって、本発明の主な目的は、SPECTに以下のことを可能とする新規の技術を提示することである。 1)空間分解能を向上させること、 2)画像コントラストを顕著に増大させること、 3)パイルアップにより拒絶されていたであろう2つの隣接するイベントを、適切なデコンボリューションにより使用可能にすること 4)互いに結合された小さな片からなるプレートでイベントを適切に読み込み可能にすること、 5)コリメータ/シンチレータ結晶/処理エレクトロニクス素子の全体積が有利なことに現在の検出器の体積よりも小さいことから、既存のSPECT装置ベースのアップグレードを可能にすること。

検出システムはさらに、PETモードではコリメータなしで同様に機能し得る。PETの関連でいえば、その利点は以下である。 1)シンチレータのセグメント化を必要とすることなく高い空間分解能(<5mm)が得られること、 2)単一の光検出器層を有するシンチレータで相互作用深さを測定すること、 3)非常に精確な飛行時間補正により飛行時間の精度を向上すること、 4)比較的安価なシンチレータでも最適な性能が得られること。

”Monolithic LaBr3:Ce crystals on silicon photomultiplier arrays for time of flight positron emission tomography”, ’Stefan Seifert, Herman T van Dam…’ published on 29 March 2012

”LaBr3:Ce scintillation gamma camera prototype for X and gamma ray imaging” ’R. Pani, M.N. Cinti, R. Pellegrini, P. Bennatin… published in February 2007’

本発明の目的は、ガンマ線源と、その光ピークまでの立ち上がり時間が1ns未満で、散乱入口面及び研磨出口面を有し、10mm以下の厚さを有し、光検出器を装備した、少なくとも1枚の高速シンチレータのプレートP1と、専用の読み込み用マイクロエレクトロニクスとを含む、ガンマカメラ等のガンマ放射線を検出するシステムであって、専用の読み込み用マイクロエレクトロニクスがASIC型であり、検出器がセグメント化され、該プレートP1では、低い時間分解能が100ps未満、好ましくは20ps未満となるように、シンチレーションにより放出された最初の紫外線が該プレートP1に衝突した時間に相当する最初のトリガーT1を該検出器の各セグメントが測定するのに適しており、検出器は、イベントにより検出器に放出された最初の隣接する光子の空間分布及び時間分布を、100psを超えシンチレータの光ピークまでの立ち上がり時間以下の時間で、測定するのに適しており、したがって、座標(X1、Y1)を有するイベント「e1」を空間的に位置付けるのに適しており、検出器はさらに、散乱されてない光子と散乱された光子との空間分布及び時間分布の差を処理して、シンチレーションイベントの時空間座標(X、Y、Z、T)を再構成するのに適していることを特徴とする、システムを提案することである。

用語「トリガー」とは、ガンマ線がシンチレータプレートに衝突する時間を意味する。

実際に、光検出器及び専用の読み込み用エレクトロニクスは、非常に高い時間分解能で、且つ各チャンネルの時間的応答分散/チャンネルが100ps未満、好ましくは20ps未満で最初の入射光子を検出できる。イベントの最初のトリガーと、プレートの厚さの2倍に等しい半径の隣接するチャンネルのトリガーとの差を測定する。遅延の空間分布(X、Y、DT)が取得され、それについての最小値を統計的方法を用いて計算する。イベントe1はこの最小値の法線に位置を特定される。

実際に、イベントの位置はトリガー分布の最小値の法線に位置付けられる。

また、散乱されてない光子は検出された最初の光子であり、これらは、半径が相互作用深さ(Z)に依存し、中心はイベントの位置(X、Y)を表すディスクの内部に分布する。

また、検出器は、シンチレータにおける最初の10個の検出光子の軌道を再構成することによって正確な相互作用の時間Tを測定するのに適している。

本発明の一代替的実施例によると、プレートP1は、少なくともその厚さの半分未満の間隔、好ましくは4mm未満の間隔でセグメント化された光検出器を装備したハロゲン化ランタニド型のものであり、ASIC型の専用の読み込みマイクロエレクトロニクスは、50ps未満のトリガーに対して、チャンネル毎の時間分解能を有するアナログ部を含む。

好ましくは、検出器はさらに、従来のガンマカメラのように、(X’1、Y’1)における光度A1の空間分布及びエネルギーE1の積分を測定するのに適している。

さらに、検出器はSi−PMT又はAPD型半導体検出器である。

実際に、検出器(例えば、Si−PMT)における各ピクセルの測定は、専用の複合型アナログ/デジタルASIC型マイクロエレクトロニクス部品によって行われるため、最初の光子の高速検出が可能になる。

本発明の一代替的実施例によると、システムは、縁部同士が結合された多数のシンチレータプレートを含むため、大きな表面の領域を形成し、エッジ効果を補正し、該表面の領域はSPECT用途の平面又はPET用途のリングのいずれかであってよい。

さらなる実施例によれば、検出システムは、ガンマ線エネルギーの少なくとも80%を吸収するのに適した厚さの第2のシンチレータプレートP2をさらに含み、該第2のプレートは少なくとも10mmの距離「D」だけ第1のプレートP1から離れている。システムは、有効なイベントを判定するための推定モジュール、コンプトン偏移を推定するためのモジュールをさらに含む。システムは、該第2のプレートP2における最初のトリガーT2、(X2、Y2、Z2)におけるイベント「e2」を空間的に位置付けるのに適したトリガーの空間分布、(X’2、Y’2)における光度A2の空間分布及び該プレートP2のイベント「e2」中に放出されるエネルギーE2を測定するのに適している。該第2のプレートP2は、何も拒絶することなくガンマ線の経路についての情報を取得するのに好適である。

有利には、検出システムは、有効なイベントを計算するモジュールを含み、時間分布ベクトル、ガンマ線のプレートに衝突する時間、及び空間分布ベクトルは、該プレートにおける相互作用の位置特定精度を向上させるために交わる(intersected)。

有利には、プレート(P1)又は(P1及びP2)、光検出器及び電子部品は狭い筐体内に配置される。

有利には、「プレート/光検出器/処理エレクトロニクス」のアセンブリが既存のSPECTマシンに設置可能であるように、該アセンブリはNaIプレートベースの検出器よりも体積が小さい。

従来のカメラよりも検出器及び処理エレクトロニクスがよりコンパクトな設計を仮定すると、このようなシステムは容易に公知のカメラに既存の装置に取って代わることができる。

本発明はさらに、下記のステップ、すなわち、ガンマ光子衝突中のプレートP1において、 − 該プレートP1のセグメント化された検出器の平面に最初のUV光子が衝突する時間に相当する、最初のトリガーT1を測定するステップと、 − (X1、Y1)のイベント「e1」を、トリガー分布の最小値の法線に空間的に位置付けるために、光検出器の平面における隣接するトリガーの空間分布及び時間分布を測定するステップと、 − さらに、従来のガンマカメラのように、(X’1、Y’1)における光度A1の空間分布及びエネルギーE1の積分を測定するステップと、を特徴とする上記システムで実施される画像再構成法に関する。

本発明はさらに、以下のステップ、すなわち、プレートP2において、 − 最初のトリガーT2を測定するステップと、 − (X2、Y2、Z2)のイベント「e2」を空間的に位置付けるためにトリガーの空間分布及び時間分布を測定するステップと、 − (X2、Y2)における光度A2の空間分布及び該プレートP2のイベント「e2」中に放出されるエネルギーE2を測定するステップと、 − 以下の2つの試験、すなわち、 a)T2=T1+e1とe2の間の光の伝搬時間 b)E1+E2=使用される放射性同位体のエネルギー を実行することにより、推定モジュールを使用して有効なイベントを判定するステップと、 − ガンマ線の初期方向に関連して、精度dαにて角度「α」を有するコンプトン偏移を決定するステップであって、エネルギー比(E1/E1+E2)はコンプトン偏移を推定するのに適している、ステップと、 − ガンマ線の経路についての情報を定義するステップと、 を含む検出方法に関する。

本発明はさらに、以下のステップ、すなわち − 散乱されてない光子の光円錐に対応するディスクを定義するステップと、 − シンチレータの光ピークまでの立上がり時間を超える時間、前ステップにて定義されたディスクで検出された散乱されてない光子の数を計数するステップと、 − 検出された散乱されてない光子の数に比例する、ガンマ光子エネルギーを定義するステップと、 を特徴とする上記システムで使用されるエネルギーに関しての検出分解能を向上させる方法に関する。

本発明はさらに、上記システムのSPECT型又はPET型医用イメージングシステムへの応用に関する。

本発明はさらに、天文学等の、検出されるガンマ光子の数が小さい分野における、上記定義のシステムの使用に関する。

さらなる本発明の特徴、詳細及び利点が、添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことで明らかになる。

従来のPET技術における2つのガンマ光子の放出原理を示す。

従来のSPECT技術の原理を示す。

イベントに隣接する光検出器によって測定された光量を示す。

光スポットの重心を示す。

時間的SPECT技術の原理及び最初の光子の到着時間を示す。

図3Aの例示的図である。

従来のSPECTのエッジ効果の比較を示す。

時間的SPECTのエッジ効果の比較を示す。

2枚のシンチレータプレートを有する本発明の実施例を示す。

45°以下の角度で放出されるガンマ線を検出する、2つのシンチレータプレートを有するシステムを示す。

シンチグラフィー検査の原理は、予め患者に注入された放射性医薬品要素の、体内の生体内分布を決定し、画像フォーマットで見ることである。このため、標識分子の存在を特定でき、さらにかかる分子の位置を三次元空間(断層撮影法)で特定できる、放射能を検出するシステムが必要とされる。

以下のようなマーカー材料が存在する、すなわち、これらは例えば、タリウムがドープされたヨウ化ナトリウム結晶(NaI)からなる。この結晶は現在では、任意の検出の流れにおける基本要素である。実際に、タリウムはNaIにより放出された光子を吸収し、3eVの紫外光子の形態で一定の割合を「再放出」するが、この光子に対し結晶は透過性である。結晶内では、光の光子放出のかなりの損失があるという点に留意すべきである。この段階で、光の光子を電流に変換する必要がある。これは、光電子増倍管と呼ばれる装置によって可能である。光電子増倍管から出力された電気信号は次いで、電子システムによって処理され、その情報は使用のために適するものになる。

PET(陽電子放射断層撮影法)型カメラの場合、これらは陽電子源を必要とする。上記で説明したように、公知の方法にて、アンチコインシデンスに放出された2つの511keVガンマ線は、陽電子源を中心としたリング状に配置されたシンチレータ結晶アレイ(BGO、LSO、LaBr₃)により検出される。PET型カメラは、マルチチャンネル光検出器、光電子増倍管又はSi−PMTにより読み込まれる、単一の結晶アレイ(典型的には、4*4*25mm)からなり、チャンネルサイズはしばしば結晶サイズに適合される。その後、しばしば個々のエレクトロニクスにおいて信号増幅及び処理段階が行われる。かかるカメラでは、コンプトン散乱による真のノイズ相互作用は以下の特徴によって区別される。 − 2つの活性ピクセルがリングの正反対にある、 − 相互作用のエネルギーが511keVに等しい、 − 両方の光子が1ns(ナノ秒)以内で同時に検出器に接触する。LSO、LaBr₃等の高速シンチレータでは、リングの反対側に衝突する時間の差を測定することによって、相互作用の位置を推測することすら可能である。これが飛行時間モードである。この特徴は、非特許文献1の記事に記載される。

「PET」技術の原理は図1に示すが、t0は各々が511keVの2つのγ(ガンマ)光子の放出時間である。これらの光子は、コインシデンスに相対する2つの検出器により検出される。この場合、イベントは線AB上で発生し、両方の光子が同時に検出器に接触する。飛行時間は(t0+Xb)−(t0+Xa)に等しい。イベントは円の中心からXb−Xaだけずれていると推測されるが、ここでXbとはガンマ線γの放出時間から該ガンマ線が点Bで検出器に接触する時間までの間に進む距離である。同様に、Xaとは、γ線の放出時間から該ガンマ線が線上の点Aでもう一方の検出器に接触する時間までの間に進む距離である。線分ABは、12cmに等しい約400psである。

単一光子放射型コンピュータ断層撮影法(SPECT)では、その原理を概略的に図2に表す。単一の光子がシンチレータ結晶プレート(NaI、CsI、LaBr₃)により、検出され、大型の光検出器(PMT)によって読み込まれる。そのエネルギーは、使用される放射性同位体(100keVから1000keV)により異なる。光子の入射方向についての表示を得るには、結晶の前に、大きく、嵩高で重く、且つ放出される放射線の大部分を止める鉛コリメータを有する必要があり、その幾何学的寸法のため、画像を構成するのにごくわずかな光子しか利用できない。さらに、SPECTの空間分解能は、相互作用の位置を特定する精度が不足しているためPETの空間分解能よりも低い。

本発明によるシステムは以下を可能にする。 1)一定幾何形状にてSPECTの空間分解能を高める、 2)PETの結晶のセグメント化の必要性を回避しつつ、十分な空間分解能を維持する、 3)SPECTのエネルギー分解能を高める、 最後に、 4)2枚のプレートを有する一実施例では、鉛コリメータをなくする一方で、アンガー論理でのカメラを維持する。

現在のところ、ガンマ光子は良好な光学的品質で連続的なシンチレータプレートと相互作用し、イベントに隣接した光検出器によって測定された光量を比較する。このため、相互作用が起きるはずの位置である、光スポットの重心を推定する。無効イベントを拒絶するために受けたエネルギー全体も測定する。

図2Aは、約10〜20mm厚のNaI:TiシンチレータプレートPとのγ光子の相互作用を示す。パラレルホールを有するコリメータ3により、このコリメータに衝突する、その表面に垂直なγ放射線の選択が可能になる。複数のPMT(光電子増倍管)10は、光量を測定するように位置決めされる。光電子増倍管10を使用して、光信号を電気信号に変換する。これらの装置は増幅器として作用し、比較的大型である。したがって、最終画像に必要とされる数のピクセルを配置できない。正確なシンチレーション位置を決定するために、光電子増倍管間の補間を計算する必要がある。該PMT(光電子増倍管)10は、直径が約76mmの空のチューブからなる。

さらに、空間分解能は単純に検出装置の数にのみ制限されるのではなく、シンチレーション光子の数及び、光子が検出される表面の範囲によっても制限される。実際に、位置決め原理は「重心」の計算を使用し、光電子増倍管のサイズよりも小さい空間分解能を取得することを可能とする。位置決めは統計的に決定されるが、観察される光子の数によって推定精度が制限される(図2B)。図2Cは、相互作用位置である光スポットの重心を示す。空間分解能は約5〜7mmであるが、コントラストは小さい。このコントラストの概念は信号/ノイズ比の概念をカバーし、画質の定量的評価を可能にする。

本発明の思想というのは、空間分布及び時間分布によって、相互作用位置から直線上を動く散乱されてない光子と、少なくとも1回散乱された光子とを区別することである。この目的のために、最短光路の差及び正確な時間T(相互作用が生じた時点の移動時間により補正される)により、時間データ項目(最初のUV光子の到着時間)と、(X、Y)の平面だけでなくZ(相互作用深さ)においても空間中の相互作用の位置を非常に正確に測定するための光度とともに、セグメント化された光検出器、好ましくはSi−PMTが使用される。

本発明は、SPECT用途に好適な高速シンチレータ及びこれを読み込む高速エレクトロニクスが現在は利用可能である(例えば、Si−PMT及びASIC型の専用のマイクロエレクトロニクス回路)ということを利用する(非特許文献2の記事を参照のこと)。この記事は、LaBr₃:Ce結晶のガンマ線撮像装置としての非常に有望な特徴を示す。特に、LaBr₃:Ce結晶をPMTと結合させると、優れたエネルギー分解能の値(140keVにおいて6%、662keVにおいて約3%)が得られる。

相互作用後に放出される最初のUV光子は、問題となる媒体において半径が光速で増大する球を表す(LaBr₃屈折率=1.9)。これらの最初の光子がシンチレータプレート底部に到着する時間(トリガー)は、検出器及び好適なエレクトロニクスにより、数十ピコ秒内で測定され得る。光量と同様に、検出されたn個の最初の光子(xn、yn、zn)の空間分布及び時間分布を構成することが可能である。結晶と光学結晶/検出器の組合せとの間のステップ屈折率の差により、それを超えて光子が散乱される限界角度シータL(θL)がある。したがって、散乱されてない光子は、頂点が相互作用点である、角度シータL(θL)を有する円錐内に分布する。最初のトリガーT1との差が大きければ大きいほど、相互作用点からの距離は大きくなる。この分布の最小値が相互作用点である。このシステムの効果は、相互作用から一直線に伝搬される、最初の光子のスポットの分布は、光量光スポットの分布よりもずっと狭く、それによりかなり画像コントラストを向上させることである。さらに、光スポット(GC)及び時間スポット(GCT)の両方について取得された2つの情報によって、好適な統計的処理を用いてさらに画像を向上させることができる。

したがって、最初の光子は概して、直径が速度v=c/nにて時間とともに増大する球を満たす。検出器平面におけるこの球の画像は、直径が増大して限界角度シータLに到達する円である。これらのUV光子は、例えば、媒体の屈折率n=1.9である材料において光速(c/n)にて伝搬する。したがって、散乱されてない光子の組は、頂点が相互作用点であり、開口角度シータLを有する円錐である。すると、まっすぐな光子と散乱光子との差が計算される。

直接検出された光子だけが、その頂点として交点を有する円錐内に放出される光子であり、その開口角度として、シンチレータ結晶の全反射角度はシータL=arcsin(n2/n1)であり、ここで、LaBr₃の場合、n2=1.4、n1=1.9である。他の光子はすべて、検出される前に少なくとも1回散乱される。これには2つの結論がある。1)散乱光子はより長い光路(c/nにて伝搬する)を有するため、遅く検出される。2)散乱光子は、光量制御されずに散乱された可能性が高い。したがって、光円錐は過剰密度の光子を含む。

光子散乱を処理するための最も簡単な方法は、光子が上面に接触したときに、方向については等しい確率で2Πステラジアンを超えて下面へと再放出されることを考慮する方法である。

相互作用(X、Y、Z、T)の時空間的位置決めの計算方法。数値は、PET型モードで使用される厚いプレートに対応する。 各相互作用について、以下を測定する。 1)最初の相互作用(X1、Y1、T1)、 2)この最初の相互作用後の200ps〜1000psの時間で検出された最初のn個の光子の陽電子(Xn、yn、Tn) 3)これらのデータは統計的に処理され、光円錐直径(zに依存する)及びその不確定性(zについての不確定性を与える)を規定する。 4)点の重心の計算に基づく円錐(xa、ya)の中心の位置の最初の推定値。 この推定は後に、検出された最初の10個の光子を処理することによって絞り込むことができる。これらの光子は原則として、他よりも短い経路を有し、検出円錐の漸進的拡大についての法則を検証するだろう。したがって、計算は(Xb、yb)及び位置エラーモードについての推定を得られるように精緻化される。 5)(x、y、z)及び検出器平面における最初の光子の検出の完全な位置(x1、y1、30、t1)が与えられれば、(x、y、z)における相互作用の正確な時間t及びこの時間の推定に対するエラーを推定することができる。

最後に、x、yが約2〜3mmのイベントを、zは約5mm、且つtは約30psの精度で再構成することが可能である。そのため、従来技術よりも2〜4倍優れたガンマ線検出器を得ることができる。

図3Aは、本発明による時間的SPECT技術を示す。シンチレータプレートP(LaBr₃)は約30mm厚であり、光検出器4はセグメント化されたSi−PMT型である。Si−PMTセグメントは16チャンネルで20×20mmであり、すなわち1チャンネルが4mm×4mmである。平行光が等方的に放出される、すなわち、線源は4Πの角度にて等方的に放射する。測定は放出される光子の最初の波、すなわち、最初の時間的トリガーについて行われる。図3Bの図を参照のこと。時間的SPECTでは、重心も測定されるが、検出器の粒状度は4mm×4mmであるため、トリガーの時間分解能は約20psであり、これはLaBr₃結晶における4mmと等しい。

さらに、この検出器の各ピクセルは、専用の統合型アナログ/デジタルASIC型マイクロエレクトロニクス部品により、検出器が初めて照明された時点から約10ピコ秒以内の正確な測定を行う。これによって最初の光子の高速検出を可能とする。この時間的精度を得るには、ピクセル及びASICチャンネル(マイクロエレクトロニクス部品)の応答時間を補償する必要がある。この補償は、コリメートされた線源を有するゾーンを照明することにより、キャリブレーション段階で行われる。本発明の範囲を逸脱することなく、この目的でダブルヘッドを用いてもよい。

現況技術では、残光レベルが低い高速シンチレータ、好ましくはLaBr₃が、相互作用の時間的イメージングを再構成するために必要される(非特許文献2の記事を参照のこと)。25mmピクセルにおいてLaBr₃等の高速シンチレータで測定され得る最短時間は200psであるが、この時間は本質的に、ピクセル上部又は底部における相互作用位置の不確定性によるものである。連続的なシンチレータでは、隣接した光検出器ピクセルにより測定された時間を比較することにより、相互作用が発生する高さ(z)を求め、したがって結晶の入口面における相互作用時間から数十ps(LaBr₃では10ps=2mm)以内の正確な値を得ることができる。結晶の機能的モデルが利用可能な場合、時間的な位置の特定の精度は空間分解能の精度よりも顕著に優れている。

隣接する光検出器では光界面がないため、最もまっすぐな経路が計数される。

本発明のさらなる利益は、相互作用の時間マップ及び空間マップを有することで、2つの隣接するイベントの空間及び時間を区別できることである。アンガー論理では、エネルギーが正しくない、すなわち、放出エネルギーが使用される放射性同位体のエネルギーと異なる場合、2つの隣接するイベントを区別することはできない。このことは画像の分散の一因となる。

本発明のさらなる利益は、エッジ効果を補正できるようになることである。このため、複数のプレートが隣合わせて結合されて、大きな面を再構成し得、エッジ効果を補正することができる。これは特に、比較的小さな結晶、例えばハロゲン化ランタニドの場合に有利である。

アンガー論理では、2枚のシンチレータプレートが結合された場合、配光が光界面における部分的反射によりかなり乱され、そのため光スポットの形状から推定される相互作用空間的位置は不正確である。しかし、垂線近傍で入射して光界面を通過する最もまっすぐな光路はわずかにしか偏位しない。したがって、相互作用点から測定された飛行時間は正確である。相互作用の正確な位置特定を光子のまっすぐな経路から再構成するために使用できる、プレート(光界面)の反対側のゾーンがある。

図4A及び図4Bは、従来のSPECT(4A)及び本発明による時間的SPECT(4B)の場合の、エッジ効果の比較を示す。従来のSPECT(図4A)の場合、プレートP1及びP2は高屈折率接着剤で縁部同士が結合され、光の大部分が反射されていることが観察される。したがって、配光が乱れている。本発明による時間的SPECT(図4B)の場合、放出される最初の光子の経路はほとんど乱れないため、時間的最小値が正確に再構成され、したがってエッジ効果を補正できる。

Si−PMT又はAPD型半導体検出器を使用した検出システムの実施例は、これらはPM(光電子増倍管)よりもずっとコンパクトなため検出器への内部転送時間が短いことから特に有利である。これにより、優れた時間分解能を期待することができる。さらに、これらの検出器は無視できる程度のガンマ放射線捕捉断面を有する。したがって、該検出器は、本発明の一実施例による2プレート型コンプトンシステムのように、正面に配置されてもよい。

記載された検出システムはさらに、コリメータなしにてPETモードで同様に機能し得る。実際に、処理により検出器プレートを仮想的ピクセル化させ、これにより物理的にプレートをセグメント化する必要性を回避し、かなりのコストを節減する。さらに、相互作用深さの測定は、従来のガンマカメラのような構成において、当然ながら単一の検出器平面で行われる。このモードにより、ハロゲン化ランタニド等のより密度が小さく、より安価なシンチレータでも優れた性能を得ることができる。

記載された検出システムはさらに、以下の利点を有して、コリメータなしにてPETモードで同様に機能し得る。

光ピークまでの立ち上がり時間が約800psであるLaBr₃型シンチレータでは、シンチレータの立ち上がり時間(光ピークまでの立上がり時間)(LaBr₃では800ps)を超える所与の時間で検出される散乱されてない光子を計数することによって、光円錐内で検出されるイベントのみを考慮するため、検出のエネルギー分解能は向上する。概して、モノリシック平面検出器では、エネルギー分解能は理論上の最適値よりも低い。エネルギー分解能は実際には、所定のエネルギーイベントについて検出される光子の数と関連している。平面検出器では、検出された光子のほとんどは、その放出点から複数回散乱されたものである。この散乱の間に、可変の割合の光子が失われる。本発明は、光円錐から散乱されてない光子を計数するだけで、シンチレータの光子/エネルギーの関係の固有の比例数を見出すという解決策を提供する。そのため、LaBr₃:Ceでは3%程度のエネルギー分解能を得ることができる。

本発明のさらなる利益は、PET技術を使用する場合、単一プレート平面半導体検出器を、セグメント化された検出器と置き換えてもよい。例えば、リングを再構成するために、患者の周りに検出器プレートから形成される多角形の円筒を配置することができる。この型の検出器は、LaBr₃の使用による(リング内の)飛行時間、放射線の相互作用深さの補正、及び特に正確な時間的な位置の特定の点で特に高い性能を得ることができる。

図5は本発明のさらなる実施例を表す。検出器システムは特に、2枚のシンチレータプレートP1及びP2、Si−PMT光検出器アレイ5及び、各プレートP1及びP2に結合された関連するエレクトロニクス6を含む。第1のプレートP1は薄く、5mmを超える厚さを有する。第1のプレートでは、以下、すなわち、ガンマ線が衝突する時間、すなわち最初のトリガーT1、(X1、Y1)におけるイベントe1を位置付けるためのトリガーの空間分布、A1(X’1,Y’1)における光度の空間分布、及びプレートP1におけるイベント中に放出されるエネルギー(E1)の積分を測定する。このようなシステムは、第1のプレートよりも厚い第2のシンチレータプレートP2をさらに含む。該第2のプレートP2は10mmを超える厚さを有し、その十分な厚みにより、ガンマ光子のエネルギーの80%超を吸収できる。第2のプレートP2は第1のプレートP1からは、第2のプレートでトリガーを検出するのに必要とされる少なくとも10mmの距離「D」だけ離れている。第2のプレートP2では、以下、すなわち、ガンマ線が衝突する時間、すなわち最初のトリガーT2、(X2、Y2、Z2)におけるトリガーの空間分布、A2(X’2、Y’2)における光度の空間分布、及びこのプレートにおけるイベント中に放出されるエネルギー(E2)の積分を測定する。イベントが有効であるかどうかを判定するためにその後分類が行われる。分類は以下の2つの試験により行われる。 E1+E2=使用される放射性同位体のエネルギー T2=T1+イベントe1とイベントe2の間の光の伝搬時間

イベントが有効であれば、システムにおけるガンマ線伝搬ベクトルを計算できる。さらに、エネルギーの比(E1/E1+E2)により、ガンマ線の初期方向に関して精度dαにてコンプトン偏移(角度α)を推定することが可能になる。次に、相互作用が、軸A1A2及びα−dαからα+dαの角度を有する円錐内の方向で起こることが分かる。イメージングにおいて最も重要なイベントは明らかにαが小さいものであるため、薄い入口プレートの利益。多数のイベントが最終的に取得されることにより画像を再構成できる。

空間トリガー及び時間トリガーの位置が実証されると、正確にエネルギーを測定し、コンプトン変数を拒絶するために放出された放射線すべてを積分することが可能である。好ましくはこのような2プレートシステムでは、プレートは向かい合うように配置され、光検出器は、互いに対向して配置された2枚のプレートP1及びP2により規定される体積の外側に配置される。

本発明によるこのようなシステムを機能させるために、まず、残光が少ない、酸化ルテチウム(LYSO、LSO)、好ましくはハロゲン化ランタニド(LuI₃、LaBr₃、LaCl₃)等の高速高光度シンチレータを有する必要がある。光検出器はガンマ放射線捕捉断面が小さく、高速でコンパクトであるべきである。2枚のプレートP1、P2を含む構成では、チャンネル間の時間的応答に関してより大きな均一性にて光検出器をガンマ放射線が通過する。

本発明のいくつかの実施例では、従来の光検出器(PMT)を使用してもよいが、半導体光検出器(Si−PMT)が好ましい。

半導体光検出器、Si−PMTの処理エレクトロニクスの品質は、20ps超の最初の光子の検出(トリガー)についての時間分解能を有し、電荷輸送によるいかなる遅延をも避けるためにSi−PMTに非常に類似しており、且つ低いガンマ放射線吸収率を有するべきである。このことはASIC型マイクロエレクトロニクスの解決策の採択につながる。

現在のところ、最良の性能のシンチレータは含水シンチレータであり、ガラスプレートが結晶と光検出器との間に挿入される。本発明では、好ましい実施例は、光境界による反射を制限するために結晶に直接結合された光検出器Si−PMTとともに、厚いプレート(511keVについてLaBr₃では典型的に30mm)を含む。したがって、結晶Si−PMT及びASICマイクロエレクトロニクス部品は、優先的に狭い筐体内に配置される。

コンプトン散乱が2枚のプレート間で避けられるべきであるならば、プレート間の空間は何もないか、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の原子番号が小さい不活性ガスで充填される。プレート分離、すなわち2枚のプレートP1とP2の間の距離は、トリガーT1とT2をはっきりと区別できるように十分であるべきである。ハロゲン化ランタンLaBr₃の場合、空気中では約60mmに等しい200psの伝搬時間が好ましい。

従来のカメラに関して検出器及び処理エレクトロニクスがより複雑になると考えると、このようなプレート/検出器/エレクトロニクスのアセンブリは、既存のカメラに存在する現在の装置を置き換えられるであろう。

本発明によるシステムのさらなる利益は、天文学等の、検出されるガンマ光子の数が小さい分野における応用である。

1枚又は2枚のプレートを有する本発明によるシステムはPET型検査に使用されてもよい。この場合、LaBr₃等の高速シンチレータプレートは、511keV光子を止めることができるように、20mm超の厚さを有するべきである。単一シンチレータプレートの場合、コリメータの存在を必要とする。2プレートシステムを使用する場合は、コリメータはもはや必要ない。検出器が1枚のプレートを含もうと2枚のプレートを含もうと、患者の各側に対向するように配置されるべきである。

多数の組合せが、本発明の範囲を逸脱することなく想定され得るが、当業者は、満たされるべき経済的、人間工学的、寸法的又は他の制約に従ってそのうちの1つ又は別のものを選択するであろう。