[論文レビュー] Novel detector systems for the Positron Emission Tomography

P. Moskal, P. Salabura+4 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2013

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線の衝突位置、飛行時間（TOF）、および相互作用の深さ（DOI）を同時に測定できるように配置された有機シンチレーターのストリップまたはプレートを用いた新しい陽電子放射断層撮影（PET）検出器システムを提案する。高速シンチレーターと崩壊光子間の時間差を活用することで、コストを著しく増加させることなく、画像品質とスキャナのサイズを向上させることができ、素粒子物理学の検出技術に基づく2件の特許出願がなされている。

ABSTRACT

In this contribution we describe a novel solution for the construction of Positron Emission Tomograph. We present the device allowing for determination of the impact position as well as time and deph of interaction of the annihilation gamma quanta. The device is comprised of scintillation chamber consisting of organic scintillators surrounding the body of the patient. We discuss two possible solutions: (i) the tomograph built out of scintillator strips, and (ii) the tomograph built out of the scintillator plates. The application of the fast scintillators will enable to take advantage of the difference between time of the registration of the annihilation quanta. The invented method will permit to use a thick layers of detector material with the possibility of measuring the depth of the gamma quantum interaction (DOI) and the determination of their time of flight (TOF), and will allow for increasing the size of the diagnostic chamber without a significant increase of costs. The method is a subject of two patent applications which are based on the techniques used in the particle physics experiments.

研究の動機と目的

• 空間的および時間的分解能を向上させたコスト効率の良い、スケーラブルなPETスキャナの開発。
• 厚いシンチレーター層を用いて、崩壊光子の相互作用の深さ（DOI）を正確に測定すること。
• 高速シンチレーターからの飛行時間（TOF）情報を活用して、画像再構成の正確性を向上させること。
• 既存のPET画像診断プロトコルと互換性がありながら、診断室のサイズを拡大すること。

提案手法

• 患者の体に囲まれるように円筒状に配置された有機シンチレーターのストリップまたはプレートを用いて、崩壊光子を捕捉する。
• 高速シンチレーターを用いて、ガンマ量子の到着時刻を高精度で測定し、飛行時間（TOF）検出を実現する。
• 複数の光検出器をシンチレーターに接続し、信号の到着時刻の差を用いて位置および相互作用の深さ（DOI）を特定する。
• 陽電子崩壊に伴い発生する2つの511 keV光子間の時間差を活用して、イベントの局所化を向上させる。
• 厚い検出器層を支持することで、時間分解能を損なわずにDOI測定が可能となる。
• 高エネルギー素粒子物理学実験で用いられる技術を医療画像診断に適応したものである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間分解能を損なわせることなく、厚い有機シンチレーター層を用いて、相互作用の深さ（DOI）を正確に測定できるか？
• RQ2 コスト効率の良いPET検出器構成において、高速シンチレーターから飛行時間（TOF）情報を効果的に抽出する方法は何か？
• RQ3 高い空間的および時間的分解能を維持したまま、PET診断室のサイズをどの程度まで拡大できるか？
• RQ4 DOIとTOFの測定を組み合わせることで、PETスキャンの画像品質を向上させ、ノイズを低減できるか？
• RQ5 素粒子物理学に基づく検出技術を臨床的PET画像診断にどのように適応させ、性能を向上させられるか？

主な発見

• 提案された検出器システムは、ガンマ線の衝突位置、飛行時間（TOF）、および相互作用の深さ（DOI）を同時に測定可能である。
• 高速シンチレーターの使用により、TOF-PETアプリケーションに不可欠な高精度な時間分解能が達成できる。
• 厚いシンチレーター層をサポートしており、DOI測定が可能になり、検出効率が向上する。
• コストの著しい増加を伴わず、より大きな診断室が実現可能となり、患者の快適性とスキャンカバレッジが向上する。
• 本手法は2件の特許出願により保護されており、新規性と産業的実装の可能性を示している。
• 粒子物理学実験で実証済みの技術に基づいているため、耐久性とスケーラビリティが期待できる。