特開 2023-35329 核医学診断装置、試料評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023035329

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】核医学診断装置、試料評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/161 20060101AFI20230306BHJP

   G01T 1/20 20060101ALN20230306BHJP

【ＦＩ】

G01T1/161 A

G01T1/161 C

G01T1/20 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021142101

(22)【出願日】2021-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】505374783

【氏名又は名称】国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(74)【代理人】

【識別番号】100194283

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 大勇

(72)【発明者】

【氏名】平出 哲也

(72)【発明者】

【氏名】大鷹 豊

(72)【発明者】

【氏名】島添 健次

(72)【発明者】

【氏名】澁谷 憲悟

【テーマコード（参考）】

2G188

4C188

【Ｆターム（参考）】

2G188AA02

2G188BB07

2G188BB15

2G188CC12

2G188CC21

2G188DD02

2G188EE16

2G188EE25

2G188EE29

2G188EE39

4C188EE02

4C188EE25

4C188FF07

4C188FF20

4C188GG18

4C188JJ02

4C188KK15

4C188KK24

(57)【要約】

【課題】試料（人体を含む）における複数の情報を陽電子を用いて同時に測定する。
【解決手段】個々のγ線検出器からの出力は、イベント抽出部２０に入力する。イベント抽出部２０は、認識された個々のパルス出力の中における、２光子消滅によると推測されるもの（２光子検出イベント）と、３光子消滅によると推測されるもの（３光子検出イベント）を認識し、それぞれに関わる情報を、記憶部３０に記憶させる。マッピング部４０は、このうち、２光子検出イベント情報のみから、２光子消滅強度分布を算出し、３光子検出イベント情報のみから、３光子消滅強度分布を算出する。演算部６０は、被験者Ｈの体内における２光子消滅強度分布、３光子消滅強度分布より、３光子消滅強度の２光子消滅強度に対する比率（対消滅強度比）を、位置毎に算出する。演算部６０は、このように算出された位置毎の対消滅強度比から、ラジカル濃度を算出することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被験者から放出された陽電子対消滅に起因するγ線を検出することによって前記被験者の診断を行う核医学診断装置であって、
前記γ線の検出を行う放射線検出器が前記被験者の周囲で複数配列されて構成された検出器群と、
前記検出器群における、前記陽電子対消滅の２光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである２光子検出イベントと、前記陽電子対消滅の３光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである３光子検出イベントと、を区別して認識するイベント抽出部と、
認識された複数の前記２光子検出イベント、前記３光子検出イベントの各々に対応する陽電子対消滅の発生位置を算出し、前記被験者中の一領域における前記２光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である２光子消滅強度と、前記一領域における前記３光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である３光子消滅強度と、を算出するイベント計数部と、
前記３光子消滅強度と前記２光子消滅強度の比である対消滅強度比からオルト－ポジトロニウム（ｏ－Ｐｓ）の存在状況を認識する演算部と、
を具備することを特徴とする核医学診断装置。

【請求項2】

前記演算部は、前記ｏ－Ｐｓの存在状況からラジカル濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の核医学診断装置。

【請求項3】

前記イベント計数部は、前記被験者内の位置毎に前記２光子消滅強度及び前記３光子消滅強度を算出し、
前記演算部は、前記位置毎に前記ラジカル濃度を算出することを特徴とする請求項２に記載の核医学診断装置。

【請求項4】

前記演算部は、前記対消滅強度比と前記ラジカル濃度との間の関係が一次関係式で表されるものとして、前記ラジカル濃度を算出することを特徴とする請求項２又は３に記載の核医学診断装置。

【請求項5】

試料の中で発生した陽電子対消滅に起因するγ線を検出することによって前記試料を評価する試料評価方法であって、
前記γ線を検出した検出イベントにおいて、前記陽電子対消滅の２光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである２光子検出イベントと、前記陽電子対消滅の３光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである３光子検出イベントと、を区別して認識するイベント抽出工程と、
認識された複数の前記２光子検出イベント、前記３光子検出イベントの各々に対応する陽電子対消滅の発生位置を算出し、前記２光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である２光子消滅強度と、前記３光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である３光子消滅強度と、を前記試料内の位置毎に算出するイベント計数工程と、
前記３光子消滅強度と前記２光子消滅強度の比である対消滅強度比から前記位置毎にオルト－ポジトロニウム（ｏ－Ｐｓ）の存在状況を認識する解析工程と、
を具備することを特徴とする試料評価方法。

【請求項6】

前記解析工程において、前記ｏ－Ｐｓの存在状況からラジカル濃度を算出することを特徴とする請求項５に記載の試料評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、陽電子を用いて癌組織等の診断を行う核医学診断装置、あるいは陽電子を用いて試料の評価を行う試料評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

陽電子（陽電子源）を用いて癌組織等の診断を行う手法として、ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：陽電子放出断層撮影）が知られている。ＰＥＴにおいては、陽電子源である例えば^１８Ｆをラベル化したブドウ糖が放射性薬剤として患者に投与される。癌細胞の代謝は通常細胞よりも活発であるため、この放射性薬剤は特に癌患部に集積し、癌患部から陽電子が発せられる。この陽電子は周囲の電子と対になって対消滅（陽電子対消滅）する際にγ線を発するため、このγ線の発生源が癌患部（癌細胞）であると認識される。このため、この発生源を画像化すれば、癌の分布、転移等を認識することができる。

【0003】

一般的には、対消滅は、これによって２つの光子を発する２光子消滅であるとして扱われる場合が多い。この場合の２つの光子はそれぞれ電子（陽電子）の静止エネルギー（約５１１ｋｅＶ）をもち、運動量の保存則より、正反対の方向に同時に発せられる。このエネルギー領域の光子はγ線となるため、γ線検出器が患者を囲むように多数配置され、各γ線検出器では、γ線の検出時刻とそのエネルギーが認識される。このため、２つのγ線検出器が同時に上記のエネルギーのγ線を検出した場合には、このγ線は対消滅によって発せられたものと推定することができる。この場合、このγ線を発した放射性薬剤（陽電子源）はこの２つのγ線検出器を結ぶ直線上に存在することになるが、単一の２光子同時検出イベントからは陽電子源の位置は一義的には定まらない。ただし、このような２光子同時検出イベント数を多くとれば、対応する多くのこの直線の交点として陽電子源（癌患部）の位置が特定される、あるいはその分布が測定できる。このようなＰＥＴ装置については、例えば特許文献１に記載されている。

【0004】

一方、対消滅は前記のような２光子消滅ではなく、３つ以上の光子を発する多光子消滅となる場合もある。この場合、発生した３つ以上の光子のエネルギーの総和は２光子消滅の場合と同一であり、約１０２２ｋｅＶ（５１１ｋｅＶの２倍）となるが、対消滅によって同時に発生した全ての光子のエネルギーは同一とは限らない。一方、運動量の保存則により、各光子の運動量の総和はほぼ零となることは同様である。ただし、一般的には、多光子消滅が起こる確率は光子の数が多いほど低くなるため、前記の２光子消滅と比べるとその確率は低い。

【0005】

特許文献２には、３光子消滅に対応したＰＥＴ装置が記載されている。前記のように２光子消滅を検出する場合には、陽電子源は複数の直線の交点に対応するため、単一の２光子同時検出イベントから陽電子源の位置を特定することは原理的にできないのに対し、単一の３光子同時検出イベントからは、陽電子源の位置（対消滅発生位置）は、３つのγ線の検出位置と前記のような運動量の保存則から原理的に一義的に定まる。３光子同時検出イベントは、３つのγ線検出器で同時にγ線が検出され、かつ３つのγ線のエネルギーの総和が前記の値となった場合として認識することができる。この場合においても、γ線を検出したイベント数を多くとることによって統計的な精度を向上させ、陽電子源（癌患部）の位置やその分布がより高精度で定まる点については同様である。また、実際には４つ以上の光子を発する多光子消滅も存在するが、この場合にも３光子消滅の場合と同様の原理によって対消滅発生位置を算出することができる。

【0006】

一方、このような癌患部の位置の特定（分布）だけでなく、認識された癌患部の特性を調べることも望まれる。癌患部におけるこのような特性の一つとしては、例えばラジカル濃度がある。特に、非特許文献１に記載されるように、ラジカルを用いた抗癌剤の開発が近年進んでいる。また、非特許文献２には、癌細胞に鉄イオンが多く取り込まれることを利用し、この鉄イオンと反応してラジカルを発生させることによって、癌細胞を消滅させる薬剤が記載されている。すなわち、このような薬剤の患者に対する効果を確認するためにも、患者の体内のラジカル濃度を測定することが望まれる。

【0007】

ラジカル濃度分布を測定するための技術としては、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）イメージングや、オーバーハウザー効果ＭＲＩが知られている。しかしながら、前者については、水分を多く含むためにマイクロ波を透過しにくい人体に対しての適用は容易ではなく、少なくとも高精度の測定は困難である。後者についても、電子スピン共鳴励起を起こすための設備が必要であるために、現状では、小動物に対する実験においてのみ用いられている。

【0008】

一方、前記のような癌の分布を調べること以外にも、陽電子を用いて、物質の各種の特性を調べることもできる。陽電子を用いて物質の特性を評価するための技術として、高分子材料等の物質中において陽電子が対消滅で消滅するまでの時間（陽電子消滅寿命）を測定し、この寿命によってこの物質の構造的特性（空孔率等）を評価する技術が知られている。この場合においては、この寿命測定のために、陽電子源で陽電子が発せられたタイミングを認識できることが要求される。このため、陽電子源としては、被験者に投与しやすい前記の^１８Ｆとは異なり、陽電子を発する際に同時にγ線も発するためにこのタイミングの認識が容易である^２２Ｎａが通常使用される。

【0009】

非特許文献３には、陽電子と電子が結合したポジトロニウム（Ｐｓ）の寿命と酸素ラジカル濃度とを関連付けることができることが記載されている。このため、原理的には陽電子を用いて酸素ラジカル濃度を測定することも可能である。すなわち、陽電子（陽電子源）を用いて、癌の分布とそのラジカル濃度分布を共に測定することが期待される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００９－４２０２９号公報

【特許文献2】特開２０１３－８３５８０号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】佐野紘平、「がん特異的ラジカル療法用薬剤の開発研究」、上原記念生命科学財団研究報告集、Ｖｏｌ．３３、１１４（２０１９年）

【非特許文献2】野田製薬株式会社ＨＰ（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｎｏｄａ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ａｒｔｅｓｕｎａｔｅ／）

【非特許文献3】Ｋｅｎｇｏ Ｓｈｉｂｕｙａ、Ｈａｒｕｏ Ｓａｉｔｏ、Ｆｕｍｉｈｉｋｏ Ｎｉｓｈｉｋｉｄｏ、Ｍｉｗａｋｏ Ｔａｋａｈａｓｈｉ、 ａｎｄ Ｔａｉｇａ Ｙａｍａｙａ、「Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｉｔｒｏｎｉｕｍｕ Ａｔｏｍ Ｆｏｒ Ｔｕｍｏｒ Ｈｙｐｏｘｉａ Ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３、Ａｒｔｉｃｌｅ Ｎｕｍｂｅｒ．１７３（２０２０年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

このように陽電子源を用いた診断は、患者の放射線被曝の問題があるために、上記のような癌の分布と、ラジカル濃度分布を同時に測定できることが望まれる。これに対して、前記のように、一般的にはＰＥＴと陽電子寿命測定では異なる陽電子源が用いられるため、このような測定は実際には容易ではなかった。

【0013】

また、上記のようなＰＥＴの技術は既に実用化されており、十分な精度で癌患部の位置の測定を行うことができるのに対し、ラジカル濃度分布の測定は困難であり、実際には非特許文献３に記載の技術によっても、ラジカル濃度分布を高精度に測定することは困難であった。このため、陽電子を用いて患者（被験者）の体内に関わる複数の情報を同時に測定することができる技術が求められた。更には、人体に関わらず、試料における複数の情報を陽電子を用いて同時に測定する技術が求められた。

【0014】

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の核医学診断装置は、被験者から放出された陽電子対消滅に起因するγ線を検出することによって前記被験者の診断を行う核医学診断装置であって、前記γ線の検出を行う放射線検出器が前記被験者の周囲で複数配列されて構成された検出器群と、前記検出器群における、前記陽電子対消滅の２光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである２光子検出イベントと、前記陽電子対消滅の３光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである３光子検出イベントと、を区別して認識するイベント抽出部と、認識された複数の前記２光子検出イベント、前記３光子検出イベントの各々に対応する陽電子対消滅の発生位置を算出し、前記被験者中の一領域における前記２光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である２光子消滅強度と、前記一領域における前記３光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である３光子消滅強度と、を算出するイベント計数部と、前記３光子消滅強度と前記２光子消滅強度の比である対消滅強度比からオルト－ポジトロニウム（ｏ－Ｐｓ）の存在状況を認識する演算部と、を具備する。
本発明の核医学診断装置において、前記演算部は、前記ｏ－Ｐｓの存在状況からラジカル濃度を算出する。
本発明の核医学診断装置において、前記イベント計数部は、前記被験者内の位置毎に前記２光子消滅強度及び前記３光子消滅強度を算出し、前記演算部は、前記位置毎に前記ラジカル濃度を算出する。
本発明の核医学診断装置において、前記演算部は、前記対消滅強度比と前記ラジカル濃度との間の関係が一次関係式で表されるものとして、前記ラジカル濃度を算出する。
本発明の試料評価方法は、試料の中で発生した陽電子対消滅に起因するγ線を検出することによって前記試料を評価する試料評価方法であって、前記γ線を検出した検出イベントにおいて、前記陽電子対消滅の２光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである２光子検出イベントと、前記陽電子対消滅の３光子消滅に対応した前記γ線の検出イベントである３光子検出イベントと、を区別して認識するイベント抽出工程と、認識された複数の前記２光子検出イベント、前記３光子検出イベントの各々に対応する陽電子対消滅の発生位置を算出し、前記２光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である２光子消滅強度と、前記３光子検出イベントに対応する陽電子対消滅の発生強度である３光子消滅強度と、を前記試料内の位置毎に算出するイベント計数工程と、前記３光子消滅強度と前記２光子消滅強度の比である対消滅強度比から前記位置毎にオルト－ポジトロニウム（ｏ－Ｐｓ）の存在状況を認識する解析工程と、を具備する。
本発明の試料評価方法は、前記解析工程において、前記ｏ－Ｐｓの存在状況からラジカル濃度を算出する。

【発明の効果】

【0016】

本発明は以上のように構成されているので、試料（人体を含む）における複数の情報を陽電子を用いて同時に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態に係る核医学診断装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る核医学診断装置における検出器群の構成を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る核医学診断方法（試料評価方法）を示すフローチャートである。

【図4】本発明の実施の形態に係る核医学診断方法（試料評価方法）における対消滅イベント抽出工程を示すフローチャートである。

【図5】２光子検出イベントにおけるγ線発生位置を推定する原理を示す図である。

【図6】３光子検出イベントにおけるγ線発生位置を推定する原理を示す図である。

【図7】非特許文献３に記載されたｏ－Ｐｓの消滅率の酸素濃度依存性の例である。

【図8】本発明の実施の形態に係る核医学診断装置において用いられる検量線の例である。

【図9】対消滅強度比算出工程、ラジカル濃度算出工程において得られる各結果を模式化して示す例である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施の形態に係る核医学診断装置においては、従来のＰＥＴと同様に陽電子（陽電子源）が用いられる。このため、これによって体内における癌患部の位置（分布）を認識することができる。この際、同一の測定結果を用いて、体内のラジカル濃度（分布）を測定することもできる。

【0019】

図１は、この核医学診断装置１００の構成を示すブロック図である。この核医学診断装置１００においても、従来のＰＥＴ装置と同様に、患者に対して^１８Ｆを含む放射性薬剤が投与され、ここから発せられる陽電子が対消滅する際のγ線が検出され、このγ線を検出するための検出器群１０が設けられる。この検出器群１０は、特許文献１に記載された２光子消滅によるγ線の検出イベント（２光子検出イベント）と、特許文献２に記載された３光子消滅によるγ線の検出イベント（３光子検出イベント）とを、共に高収率で認識できるように構成される。

【0020】

なお、前記のように、２光子消滅以外の多光子消滅としては、３光子消滅以外にも４光子（以上)消滅もあるが、４光子（以上）消滅の確率は３光子消滅と比べて更に低く、かつ４つ以上の光子が同時に全て検出される確率もより低い。一方、後述する解析方法は、２光子消滅と３光子消滅とでは異なるが、４光子（以上）消滅と３光子消滅とでは同様である。このため、以下では、対消滅においては２光子消滅と３光子消滅のみがあるものとする。

【0021】

図２（ａ）、（ｂ）は、寝台２００上の被験者Ｈと検出器群１０の関係を模式的に示す図であり、図２（ａ）は被験者Ｈの身長方向（ｘ方向）に垂直な断面図であり、図２（ｂ）は被験者Ｈの身長方向に沿った中心軸（ｙ軸）上の断面図である。検出器群１０は、被験者Ｈ側から発せられたγ線をそれぞれ検出可能な多数のγ線検出器（放射線検出器）１が配列されて構成される。図２においては、被験者Ｈの体内における放射性薬剤Ｒ中の１点から２本のγ線Ｇが反対向きに発せられる２光子消滅が発生しているものとしている。

【0022】

単体のγ線検出器１は、γ線を吸収することによってパルス状の可視光を発するシンチレータと、この可視光を受光してパルス状の電気的出力を発する光電子増倍管で形成される。シンチレータとしては、例えばＮａＩ、ＬＹＳＯ、ＢＧＯ等の結晶材料を好ましく用いることができる。シンチレータと光電子増倍管の受光面との間を可視光を伝搬させるライトガイドで接続してもよい。

【0023】

この光電子増倍管の出力となるパルス状の出力の一つ一つが検出したγ線光子に対応し、そのパルス高がこのγ線光子のエネルギーに対応する。このため、個々のγ線検出器１の出力から、γ線光子の検出タイミングとそのエネルギーを共に認識することができる。また、γ線のエネルギーをＥ_γとすると、このγ線の運動量（絶対値）はＥ_γ／ｃ（ｃ：光速）となる。すなわち、γ線検出器１によって、γ線の検出タイミング、検出したγ線のエネルギーＥ_γ、その運動量の絶対値を認識することができる。なお、図示は省略されているが、光電子増倍管には、これを駆動するための高電圧を印加するための回路、及びその出力パルスを増幅するプリアンプがγ線検出器１毎に設けられている。

【0024】

図２（ａ）に示されるように、個々のγ線検出器１は、身長方向の周りで被験者Ｈを全方位から囲むように設けられる。また、図２（ｂ）に示されるように、身長方向に沿っても一定の範囲内で多数が配列される。２光子消滅によるγ線は２つのγ線検出器１で、３光子消滅によるγ線は３つのγ線検出器１で、それぞれ同時に検出されると期待される。２光子消滅においては一方のγ線が、３光子消滅においては１つ又は２つのγ線が検出できない場合もあるが、特に図２（ｂ）において横方向の広い範囲にわたりγ線検出器１を配列することによって、このような確率を低減することができる。

【0025】

図１において、上記のような検出器群１０における個々のγ線検出器１からの出力（パルス出力）は、イベント抽出部２０に入力する。イベント抽出部２０は、各γ線検出器１毎のパルス出力を認識し、その入力タイミングを認識すると共に、特に、このパルス出力がどのγ線検出器１からのものであるか、及びこのパルス出力に対応したγ線のエネルギーＥ_γ（あるいはパルス高）を認識する。なお、イベント抽出部２０は、この認識を行う際に、このパルス出力に対する波形成形や演算処理等を適宜行ってもよい。

【0026】

イベント抽出部２０は、認識された個々のパルス出力の中における、２光子消滅によると推測されるもの（２光子検出イベント）と、３光子消滅によると推測されるもの（３光子検出イベント）を認識し、それぞれに関わる情報を、ハードディスクや不揮発性メモリで構成された記憶部３０に記憶させる。後述するように、２光子検出イベントとして記憶される情報（２光子検出イベント情報）は、各γ線を検出したγ線検出器１の識別情報（検出器群１０中における位置を特定する情報）と、検出時における寝台２００の状態（位置、方向）である。一方、３光子検出イベントとして記憶される情報（３光子検出イベント情報）は、３つのγ線を検出した各γ線検出器１の識別情報、寝台２００の状態に加え、各γ線検出器１が認識した各γ線のエネルギー（あるいはこれに対応したパルス高）である。前記の通り、このエネルギーの総和は約１０２２ｋｅＶとなる。

【0027】

所定時間の測定後には、記憶部３０には、多くの２光子検出イベント情報、３光子検出イベント情報が記憶される。マッピング部（イベント計数部）４０は、このうち、２光子検出イベント情報のみから、特許文献１等に記載の技術と同様に、２光子消滅のγ線の発生源の被験者Ｈ中のマッピング（２光子消滅の発生強度の位置分布）である２光子消滅強度分布を算出する。ここでは、２光子消滅の発生源の空間密度の位置依存性が特定される。２光子消滅強度分布は、特許文献１等に記載の従来のＰＥＴ装置において測定される被験者Ｈの体内における癌患部の分布に対応する。

【0028】

また、マッピング部４０は、３光子検出イベント情報のみから、特許文献２に記載の技術と同様に、３光子消滅の対消滅γ線の発生源のマッピング（３光子消滅の発生強度の位置分布）である３光子消滅強度分布も算出する。ここでは、３光子消滅の発生源の空間密度の位置依存性が特定される。３光子消滅強度分布は、特許文献２に記載のＰＥＴ装置において３光子消滅として測定される被験者Ｈの体内における癌患部の分布に対応する。

【0029】

２光子消滅強度分布、３光子消滅強度分布は、共に、ディスプレイである表示部５０で任意の形態で表示させることができる。これにより、被験者Ｈの体内における癌患部の分布を視覚的に認識することができる。また、マッピング部４０は、２光子消滅強度分布、３光子消滅強度分布も記憶部３０に記憶させる。

【0030】

演算部６０は、被験者Ｈの体内における２光子消滅強度分布、３光子消滅強度分布より、３光子消滅強度の２光子消滅強度に対する比率（対消滅強度比）を、位置毎に算出する。

【0031】

後述するように、演算部６０は、このように算出された位置毎の対消滅強度比から、ラジカル濃度を算出することができる。このため、この対消滅強度比分布から、ラジカル濃度分布を算出することができる。このように算出されたラジカル濃度分布も、表示部５０で表示させることができる。

【0032】

また、図１においては、図２における寝台２００の位置、方向を制御する寝台制御部７０、操作者からの各種操作を受け付ける入力部８０、核医学診断装置１００全体の制御を行う制御部９０が設けられている。制御部９０は、操作者による入力部８０の操作に応じて、上記の構成要素を制御する。この際、制御部９０は、寝台制御部７０を制御することによって、寝台２００の位置、方向も制御する。

【0033】

マッピング部４０は、前記の２光子消滅強度分布を算出する際には、２光子検出イベント情報として記憶された検出時における寝台２００の状態を考慮することによって、例えば寝台２００のデフォールトの状態における位置分布として、２光子消滅強度分布を算出することができる。３光子消滅強度分布についても同様である。この際、例えば図２（ｂ）において被験者Ｈにおける図中右側の部分の測定を重点的に行う際には寝台２００を図中左側に移動させる等の操作を行うことによって、この部分からの対消滅γ線の検出効率を高めることができる。

【0034】

以上の核医学診断装置１００によって、被験者Ｈ中のラジカル濃度分布、特に癌患部におけるラジカル濃度分布を測定することができる。図３は、この際に制御部９０が行わせる動作（核医学診断方法：試料評価方法）を簡略化して示すフローチャートである。ここでは、まず、検出器群１０によってイベント抽出部２０が対消滅イベントを抽出する対消滅イベント抽出工程（Ｓ１）が行われる。ここで抽出されるのは、２光子検出イベントと３光子検出イベントの両方である。

【0035】

イベント抽出部２０による対消滅イベント抽出工程（Ｓ１）の動作について説明する。図４は、この動作を示すフローチャートである。

【0036】

この動作は、イベント抽出部２０が検出器群１０におけるいずれかのγ線検出器１からγ線の検出に対応したパルス出力を認識する度に行われる（Ｓ１１）。ある一つのパルス出力を認識すると、イベント抽出部２０は、まず（略）同時に認識された他のγ線検出器１からのパルス出力があるか否かを判定する（Ｓ１２）。ここで、特許文献２に記載されるように、ここでいう同時とは、実際には認識されたパルス出力（Ｓ１１）から一定の短時間（時間ウィンドウ幅）内に他のγ線検出器１からパルス出力が入力したことを意味する。なお、（略）同時と認識されたパルス出力については、前記のパルス出力の認識（Ｓ１１）からは除外される。

【0037】

ここで、（略）同時に認識されたパルス出力があった場合（Ｓ１２：Ｙｅｓ）には、これらのパルス出力は、対消滅によるγ線によるものである可能性がある。このため、イベント抽出部２０は、同時と認識されたパルス出力の数を認識する（Ｓ１３）。

【0038】

この数が２つのみであった場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）には、これらのパルス出力は、２光子消滅のγ線に対応する可能性がある。２光子消滅のγ線であれば、個々のγ線のエネルギーは約５１１ｋｅＶであるところ、イベント抽出部２０は、前記の通り、各γ線のエネルギーがこの値になっているか否かを判定することができる。各γ線（パルス出力）のエネルギーが約５１１ｋｅＶであった場合には、これらのγ線は、２光子消滅によると推測される（Ｓ１４：Ｙｅｓ）。なお、特許文献２に記載の技術と同様に、実際には、実際にはこのエネルギーが５１１ｋｅＶ±α（αは適宜設定されるエネルギーウィンドウ幅）内にあるか否かが判定される。

【0039】

このため、イベント抽出部２０は、この２つのパルス出力を検出したγ線検出器１の識別情報（図１における検出器群１０中における２つのγ線検出器１の位置情報）と、この状態における寝台２００の状態（位置、方向）を、２光子検出イベント情報として、ハードディスクや不揮発性メモリで構成された記憶部３０に記憶させる（Ｓ１５）。

【0040】

同時と認識されたパルス出力の数が３つであった場合（Ｓ１３：Ｎｏ）には、これらのパルス出力は、３光子消滅のγ線に対応する可能性がある。この場合、３つのパルス出力に対応する３つのγ線光子が３光子消滅によるものであれば、これらのγ線光子のエネルギーの和が約１０２２ｋｅＶ（前記の５１１ｋｅＶの２倍）となる。このため、イベント抽出部２０は、このエネルギーの和が約１０２２ｋｅＶとなっているか否かを、これらのγ線が対消滅によるものか否かの判定基準として判定する（Ｓ１６）。この際、エネルギーウィンドウ幅が適宜設定される点については前記と同様である。

【0041】

この３つのγ線が対消滅によるものであると認識された場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、イベント抽出部２０は、この３つのパルス出力を検出したγ線検出器１の識別情報（図１における検出器群２０中における３つのγ線検出器１の位置情報）と、この状態における寝台２００の状態（位置、方向）を、３光子検出イベント情報として記憶部３０に記憶させる（Ｓ１７）。ただし、前記の２光子検出イベントとは異なり、ここでは、３つのγ線検出器１が検出した個々のエネルギーも同時に記憶させる。

【0042】

なお、同時検出されたパルス出力がない場合（Ｓ１２：Ｎｏ）、γ線のエネルギーが対消滅によるものとは異なる場合（Ｓ１４：Ｎｏ、Ｓ１６：Ｎｏ）には、このパルス出力（Ｓ１１）は対消滅とは無関係であると判定され、以降のデータ解析には無関係となる。

【0043】

図４における上記の動作は、所定の測定時間の間（所定の測定終了時刻）まで（Ｓ１８：Ｙｅｓ）繰り返される。これによって、多数の２光子検出イベント情報、３光子検出イベント情報が記憶部３０に記憶される。なお、以上では、２光子消滅と３光子消滅のみがあるものとしたが、４光子（以上）消滅の場合も実際には３光子消滅の場合と同様の手順を適用することができる。

【0044】

次に、図３において、２光子検出イベントのみに対応したγ線源の発生強度分布（２光子消滅強度分布）、３光子検出イベントのみに対応したγ線源の発生強度分布（３光子消滅強度分布）を算出するマッピング工程（イベント計数工程：Ｓ２）が行われる。この動作は、主にマッピング部４０によって行われる。以下では、単純化のために、寝台２００の状態は一定であるものとする。寝台２００の状態を変えた場合には、これに応じて位置関係について適宜補正が可能である。

【0045】

２光子検出イベントに対するこの動作は、γ線を同時に検出した２つのγ線検出器１の位置関係から、γ線(対消滅γ線）の発生位置を特定する。この動作は、前記のように、特許文献１等に記載の従来のＰＥＴ装置と同様である。図５は、この動作の原理を示す図である。

【0046】

図５（ａ）は、１回目の２光子検出イベントで、図２（ａ）におけるγ線検出器１Ａ、１Ｂで検出された場合の状況を示す。２光子消滅の場合に発せられるγ線は運動量保存則より同一直線上を逆向きに発せられるため、この場合のγ線発生源（陽電子源に対応）は、この場合の直線Ｌ１上に存在すると推定される。この場合には、前記のように、γ線検出器１Ａ、１Ｂで検出されたγ線のエネルギー、運動量の絶対値は等しい。

【0047】

２回目の２光子検出イベントで、図５（ｂ）に示されるように、γ線検出器１Ｃ、１Ｄが認識された場合、これに対応する直線Ｌ２が形成される。γ線発生源が１回目の場合と同一である場合には、その位置は直線Ｌ１、Ｌ２の交点Ｑ１と推定される。

【0048】

同様に、３回目の２光子検出イベントで、図５（ｃ）に示されるように、γ線検出器１Ｅ、１Ｆが認識された場合、これに対応する直線Ｌ３が形成される。この場合には、γ線発生源は、直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で形成される各交点に対応する。γ線発生源の強度が高い場合にはこの交点の空間密度が高く、γ線発生源の強度が低い場合にはこの交点の空間密度は低くなる。

【0049】

すなわち、多くの２光子検出イベントを記憶部３０が記憶し、各々に対応した直線を形成した場合、２光子検出イベント毎に形成される直線の交点が２光子消滅の対消滅位置に対応する。このため、この交点の密度を２光子消滅の発生強度（強度）と推定することができる。すなわち、この動作によってマッピング部４０は、２光子消滅強度の位置依存性である２光子消滅強度分布を得ることができる。

【0050】

次に、マッピング部４０の３光子検出イベントに対する動作について説明する。この動作は、前記のように、特許文献２に記載のＰＥＴ装置と同様である。図６は、この動作の原理を示す図である。

【0051】

図６においては、一つの３光子検出イベントでγ線検出器１Ｇ、１Ｈ、１Ｉが特定された場合を図５と同様に示す。この場合においては、図５の場合とは異なり、γ線検出器１Ｇ、１Ｈ、１Ｉが検出したγ線のエネルギーは等しくはならず、その値をＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３とすると、マッピング部４０はこれらを認識する。これに対応するγ線の運動量の絶対値をＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３とするとＰ_１＝Ｅ_１／ｃ、Ｐ_２＝Ｅ_２／ｃ、Ｐ_３＝Ｅ_３／ｃとなるが、各運動量ベクトルの向き（γ線が発せられた向き）はこれだけからは定まらない。ただし、各運動量ベクトルの向きは、γ線発生源（対消滅位置）からγ線検出器１Ｇ、１Ｈ、１Ｉに向かう向きとなる。

【0052】

この場合においても、運動量保存則により、上記の絶対値（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３）をもつ３つの運動量ベクトルの総和が零（ベクトル）となり、かつ各運動量ベクトルに対応したγ線がγ線検出器１Ｇ、１Ｈ、１Ｉでそれぞれ検出されるという制限によって、γ線発生源Ｑ２を算出することができる。図６（ａ）はこのように算出されたγ線発生源Ｑ２を示す。一方、図６（ｂ）は、３つの運動量ベクトルの絶対値は同じで、かつγ線がγ線検出器１Ｇ、１Ｈ、１Ｉでそれぞれ検出されるが、この場合には仮のγ線発生源Ｑ２’を起点とした３つの運動量ベクトルの総和が零とはならない例である。図６（ａ）のように、３つのγ線の運動量の絶対値が特定され、かつγ線を検出する３つのγ線検出器１が特定された状態において運動量ベクトルの総和を零にする（あるいは最小にする）点として、一つの３光子検出イベントにおけるγ線発生源の位置（３光子消滅の発生位置）を各種の数値計算法によってコンピュータで算出することができる。

【0053】

すなわち、多くの３光子検出イベントを記憶部３０が記憶し、各々に対応して３光子消滅の発生源の位置を算出すれば、その空間密度を、３光子消滅の発生強度（強度）と推定することができる。すなわち、この動作によってマッピング部４０は、３光子消滅強度の位置依存性である３光子消滅強度分布を得ることができる。

【0054】

次に、図３において、演算部６０は、２光子消滅強度分布と３光子消滅強度分布から、位置（領域）毎の３光子消滅強度Ｎ３ｃの２光子消滅強度Ｎ２ｃに対する比率（対消滅強度比Ｒｃ＝Ｎ３ｃ／Ｎ２ｃ）を、領域毎に求める、すなわち、対消滅強度比分布を算出する対消滅強度比算出工程（解析工程：Ｓ３）を行う。

【0055】

演算部６０は、前記のマッピング工程（Ｓ２）によって、被験者Ｈにおける位置（領域）毎の２光子消滅強度Ｎ２ｃと３光子消滅強度Ｎ３ｃを認識することができるため、対消滅強度比Ｒｃを容易に計算することができる。この計算を行う際には、マッピング工程（Ｓ２）によって得られた２光子消滅強度分布、３光子消滅強度分布をそのまま用いずに、これらに対して適宜スムージング処理等の補正を施した結果を代わりに用いてもよい。

【0056】

次に、図３において、演算部６０は、対消滅強度比Ｒｃから、この位置における酸素ラジカル濃度を算出するラジカル濃度算出工程（解析工程：Ｓ４）を行う。ここでは、対消滅強度比と酸素ラジカル濃度との間の関係が一次関係式となる検量線に従うものとして計算が行われる。以下にこの点について説明する。

【0057】

非特許文献３に記載されるように、陽電子と電子は対消滅する前に、結合して疑似原子状のポジトロニウムを形成する。ポジトロニウム（Ｐｓ）には、両者のスピンの向きが逆向きであるパラ－ポジトロニウム（ｐ－Ｐｓ）と、両者のスピンの向きが等しいオルト－ポジトロニウム（ｏ－Ｐｓ）がある。このうち、ｐ－Ｐｓは２光子消滅をし、ｏ－Ｐｓは３光子消滅をする。このため、３光子消滅強度は、ｏ－Ｐｓの存在を反映する。

【0058】

また、非特許文献３には、ｐ－Ｐｓの対消滅による平均寿命は１２５ｐｓであるのに対して、ｏ－Ｐｓの対消滅による平均寿命は１４２ｎｓであり大幅に長いことが記載されている。ただし、ラジカルの存在下においては、ラジカルの不対電子とｏ－Ｐｓがスピン交換をすることによって、ｏ－Ｐｓがｐ－Ｐｓに変換される。すなわち、ラジカルの存在下においてはｏ－Ｐｓは３光子消滅せずにｐ－Ｐｓに変換され、短時間で２光子消滅する。

【0059】

このため、前記の対消滅強度比Ｒｃとラジカル濃度の間には相関があり、ラジカル濃度が低い場合には対消滅強度比Ｒｃは高く、ラジカル濃度が高い場合には、対消滅強度比Ｒｃが低くなる。このため、例えばラジカルを用いた薬剤が被験者Ｈに投与されている場合等、ｏ－Ｐｓの存在状況を左右する支配的な要因がラジカルであると判明している場合には、対消滅強度比Ｒｃをラジカル濃度と関連付ける指標とすることができる。ここで、対消滅強度比Ｒｃの代わりに３光子消滅強度Ｎ３ｃ自身を用いることも不可能ではないが、３光子消滅強度Ｎ３ｃの絶対値は陽電子源における陽電子の発生状況にも依存して変化するため、２光子消滅強度Ｎ２ｃで規格化された上記の対消滅強度比Ｒｃを指標として用いることが適切である。この場合、ラジカル濃度と対消滅強度比Ｒｃを単純な関係式で結びつけることができる。近似的には、これらが一次関係式で定まるとすることができ、この関係式の係数は実験やモデル化した解析等によって予め定めることができる。

【0060】

モデル化した解析によってこの関係（検量線）を定める一例について説明する。図７は、非特許文献３のＦｉｇ．３を示す。ここで、横軸は試料における溶存酸素濃度（酸素分圧換算）であり、縦軸はｏ－Ｐｓの消滅率（寿命の逆数）である。ここで、窒素飽和時における消滅率は約５２０μｓ^－１であり、酸素飽和時における消滅率は５４８μｓ^－１である。この消滅率の差２８μｓ^－１は、酸素飽和時における酸素ラジカルとの間のスピン交換によるｏ－Ｐｓの減少に起因し、これは３光子消滅強度の減少分に対応する。この３光子消滅強度の減少分は、前記の対消滅強度比に対応させると、（２８／５４８）と考えることができる。一方、図７においては横軸は酸素分圧で示されているが、非特許文献２のＴａｂｌｅ．１により、酸素飽和時における酸素濃度は２９６．４μｍｏｌ／Ｌとなっている。

【0061】

以上より、対消滅強度比Ｒｃとラジカル濃度の関係を、この関係が一次関係式で表されるとして算出した結果を図８に示す。ここでは、ラジカル濃度が零である場合の対消滅強度比Ｒｃを１００％として縦軸に表示している。このため、実際には縦軸の値は適宜定数倍される。また、対消滅強度比Ｒｃは、装置構成等に起因する３光子消滅、２光子消滅の収率の違いにも左右されるため、この点からも縦軸には定数倍の不定性が存在するが、被験者Ｈにおける位置毎の測定が同一の装置構成で行われれば、このような不定性がある場合でも位置毎のラジカル濃度の比較は適切に行われるため、例えば局所的なラジカル濃度の増大等を認識することができる。あるいは、標準試料等を用いることによってこの不定性を排除し、より正確にラジカル濃度を算出することもできる。この場合には、被験者Ｈ中の分布ではなく１点でラジカル濃度を算出してもよい。

【0062】

図８において、該当部分の３光子検出イベント数が１０００、１００００である場合の縦軸上の標準偏差がそれぞれ示されている。この標準偏差は、求めるべきラジカル濃度の標準偏差に換算すると、それぞれ０．２ｍＭ、０．０５ｍＬ程度となる。すなわち、検出数を多くすることにより、高精度でラジカル濃度を算出することができる。

【0063】

なお、非特許文献３においては酸素ラジカルについて記載されているが、前記の通り、ｏ－Ｐｓに対するスピン交換に寄与するのはラジカルにおける不対電子のみである。このため、上記の手法でその濃度、分布が測定可能であるのは酸素ラジカルに限定されず、各種のラジカルに対して同様の手法が適用できる。

【0064】

図９は、対消滅強度比算出工程（Ｓ３）、ラジカル濃度算出工程（Ｓ４）において得られる各結果（分布）を模式化して示す図であり、上から順に２光子消滅強度分布、３光子消滅強度分布、これらから算出された対消滅強度比分布、ラジカル濃度分布の例である。どの図においても、横軸は位置に対応する。

【0065】

前記においては、ｏ－Ｐｓの存在状況に対する支配的な要因がラジカル（不対電子）であるとされた。しかしながら、ｏ－Ｐｓの存在の状況が他の要因で支配される場合もある。例えば、Ｔ．Ｈｉｒａｄｅ ａｎｄ Ｏ．Ｅ．Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、「Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｙｉｅｌｄ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｓｈｏｒｔ－Ｌｉｖｅｄ Ｏｒｔｈｏ－Ｐｓ Ｓｔａｔｅ Ｏｎ Ｔｈｅ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｏｆ ＣＣｌ_４ Ｉｎ Ｈｅｘａｎｅ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．１７０、ｐ．２４９（１９９３年）には、ヘキサン中のｏ－Ｐｓの存在状況が、添加されたＣＣｌ_４濃度に依存することが記載されている。すなわち、この状況下では、前記のラジカル濃度の代わりに、上記の対消滅強度比をＣＣｌ_４濃度と対応付け、ＣＣｌ_４濃度を算出することができる。

【0066】

すなわち、上記の対消滅強度比からｏ－Ｐｓの存在状況を認識することができるが、このように認識されたｏ－Ｐｓの存在状況は、試料に応じた各種のパラメータに依存し、このうち試料に応じて支配的となる一つのパラメータを、上記のラジカル濃度と同様に算出することができる。この際、上記と同様に検量線は適宜作成することができる。

【0067】

このようなｏ－Ｐｓの存在状況は、単純化して考えると、ｏ－Ｐｓの発生状況と消滅状況によって定まる。前記のように、ラジカルを測定対象とする場合には、ｏ－Ｐｓの消滅状況がラジカルとのスピン交換で定まるために、ｏ－Ｐｓの存在状況（消滅状況）が対消滅強度比を用いて認識されることによって、ラジカル濃度が算出された。同様に、試料中にある、ｏ－Ｐｓの発生状況又は消滅状況に影響を及ぼす物質を、このｏ－Ｐｓの存在状況を認識することによって、検知することができる。すなわち、このような場合においても、前記の対消滅強度比をこのための指針として用い、この物質の分布（濃度）を測定することができる。

【0068】

また、上記のような癌患者である被験者Ｈの代わりに、陽電子源を内部に有する任意の試料、例えば陽電子源が分散されたヒト以外の試料に対しても上記と同様の解析を行うことができる。すなわち、上記の核医学診断方法を、そのままこの試料に対する試料評価方法として適用することができる。

【0069】

なお、上記と同様の動作を行うことができる限りにおいて、上記の核医学診断装置（あるいは試料評価装置）の構成は任意である。例えば、複数の放射線検出器が配列された検出器群の代わりに、位置検出型の放射線検出器等を用いることもできる。

【符号の説明】

【0070】

１、１Ａ～１Ｈ γ線検出器（放射線検出器）
１０ 検出器群
２０ イベント抽出部
３０ 記憶部
４０ マッピング部（イベント計数部）
５０ 表示部
６０ 演算部
７０ 寝台制御部
８０ 入力部
９０ 制御部
１００ 核医学診断装置
２００ 寝台
Ｇ γ線
Ｈ 被験者
Ｒ 放射性薬剤

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】