特表 2022-519397 擬角柱光ガイドアレイを有する高分解能深さ符号化ＰＥＴ検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-03-24

(54)【発明の名称】擬角柱光ガイドアレイを有する高分解能深さ符号化ＰＥＴ検出器

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/20 20060101AFI20220316BHJP

   G01T 1/202 20060101ALI20220316BHJP

   G01T 1/161 20060101ALI20220316BHJP

【ＦＩ】

G01T1/20 D

G01T1/202

G01T1/20 B

G01T1/20 E

G01T1/20 G

G01T1/20 F

G01T1/161 A

G01T1/161 C

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2020535057

(86)(22)【出願日】2020-02-14

(85)【翻訳文提出日】2020-06-23

(86)【国際出願番号】 US2020018309

(87)【国際公開番号】W WO2020168205

(87)【国際公開日】2020-08-20

(31)【優先権主張番号】62/806,035

(32)【優先日】2019-02-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/915,676

(32)【優先日】2019-10-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】518244253

【氏名又は名称】ザ リサーチ ファウンデイション フォー ザ ステイト ユニヴァーシティ オブ ニューヨーク

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(72)【発明者】

【氏名】ゴールダン アミルホセイン

(72)【発明者】

【氏名】ラベラ アンドリュー

(72)【発明者】

【氏名】ジャオ ウェイ

【テーマコード（参考）】

2G188

4C188

【Ｆターム（参考）】

2G188AA02

2G188BB04

2G188BB07

2G188BB15

2G188CC12

2G188CC15

2G188CC16

2G188CC23

2G188DD05

2G188EE16

2G188EE25

2G188EE29

2G188EE37

2G188EE39

4C188EE02

4C188FF04

4C188FF07

4C188GG03

4C188GG19

4C188JJ05

4C188KK01

4C188KK09

4C188KK15

4C188LL15

4C188LL18

(57)【要約】

粒子検出装置およびその製造方法が提供される。この粒子検出装置は、複数のシンチレータ結晶を含むシンチレータアレイと、シンチレータアレイの底端に提供された複数の検出器と、シンチレータアレイの頂端に提供された複数の擬角柱とを含む。この複数の擬角柱のうちの擬角柱は、シンチレータアレイの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている。シンチレータアレイの結晶の第１のグループの底端は、複数の検出器のうちの第１の検出器に粒子を導くように構成されており、シンチレータアレイの結晶の第２のグループの底端は、第１の検出器と実質的に隣り合う第２の検出器に粒子を導くように構成されている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のシンチレータ結晶を含むシンチレータアレイと、
前記シンチレータアレイの底端に提供された複数の検出器と、
前記シンチレータアレイの頂端に提供された複数の擬角柱と
を備え、
前記複数の擬角柱のうちのそれぞれの擬角柱が、前記シンチレータアレイのシンチレータ結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されており、
前記シンチレータアレイのシンチレータ結晶の第１のグループの底端が、前記複数の検出器のうちの第１の検出器に粒子を導くように構成されており、
前記シンチレータアレイのシンチレータ結晶の第２のグループの底端が、前記第１の検出器と実質的に隣り合う第２の検出器に粒子を導くように構成されている、
粒子検出装置。

【請求項2】

それぞれの前記擬角柱が、少なくとも１つの角柱、少なくとも１つの反角柱、少なくとも１つの切頭体、少なくとも１つの三角形、少なくとも１つのキュポラ、少なくとも１つの平行六面体、少なくとも１つのくさび形、少なくとも１つの角錐、少なくとも１つの角錐台、球の少なくとも一部分のうちの少なくとも１つとして実質的に形づくられている、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記第１のグループが４つの結晶を含み、前記第２のグループが４つの結晶を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記第１のグループと前記第２のグループが、前記４つの結晶のうちの隣り合う２つの結晶を共有している、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記共有されている結晶が、前記第１の検出器と前記第２の検出器の両方に粒子を導くように構成されている、請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記複数の擬角柱のうちの第１の擬角柱が、前記シンチレータアレイの一群の９つの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記一群の９つの結晶のうちのセンタ結晶が、隣り合う４つの検出器に粒子を導くように構成されている、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記複数の擬角柱のうちの第２の擬角柱が、前記シンチレータアレイの別の一群の９つの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている、請求項６に記載の装置。

【請求項9】

前記第１の擬角柱が、前記第２の擬角柱と実質的に隣り合っており、前記一群の９つの結晶が、前記別の一群の９つの結晶と実質的に隣り合っている、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記複数の擬角柱のうちのコーナ擬角柱が、前記シンチレータアレイの一群の５つの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

前記複数の擬角柱のうちのエッジ擬角柱が、前記シンチレータアレイの一群の５つの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項12】

複数のシンチレータ結晶を含むシンチレータアレイと、
前記シンチレータアレイの底端に提供された複数の検出器と、
前記シンチレータアレイの頂端に提供された複数の擬角柱と、
前記複数の検出器と操作可能に通信する少なくとも１つのプロセッサと
を備え、
前記少なくとも１つのプロセッサが、前記複数のシンチレータ結晶のうちの少なくとも１つのシンチレータ結晶内の少なくとも１つの相互作用サイトの３次元（３Ｄ）ガンマ線ローカライゼーションを実行するように構成された複数の教師あり機械学習アルゴリズムを含む、
粒子検出器。

【請求項13】

前記少なくとも１つのプロセッサがさらに、前記複数のシンチレータ結晶間で散乱している少なくとも１つのコンプトン事象を回復し、前記少なくとも１つのコンプトン事象を、３Ｄガンマ線ローカライゼーションに基づいてシンチレータレベルにおいてローカライズするように構成された、請求項１２に記載の検出器。

【請求項14】

前記少なくとも１つのプロセッサがさらに、少なくとも１つのコンプトン事象および深さ方向の相互作用位置（ＤＯＩ）情報に基づいて散乱角を決定するように構成された、請求項１２に記載の検出器。

【請求項15】

前記少なくとも１つのプロセッサがさらに、前記複数のシンチレータ結晶内で吸収された少なくとも２つの相互作用の分解されたエネルギーに基づいて、少なくとも１つのコンプトン事象をローカライズするように構成された、請求項１２に記載の検出器。

【請求項16】

前記分解されたエネルギーが、少なくとも１つの光共有パターンに基づく、請求項１５に記載の検出器。

【請求項17】

前記少なくとも１つの光共有パターンが、前記複数の検出器および前記複数の擬角柱に対する前記複数のシンチレータ結晶の位置に基づく、請求項１５に記載の検出器。

【請求項18】

前記少なくとも１つの光共有パターンが、同じ擬角柱のシンチレータ結晶間の光共有比に基づいてマッピングされる、請求項１６に記載の検出器。

【請求項19】

前記光共有比が、前記複数の擬角柱のうちの少なくとも１つの擬角柱の予め決められたジオメトリに基づく、請求項１８に記載の検出器。

【請求項20】

前記マッピングが、測定された光電事象、少なくとも１つの１次相互作用の分解されたエネルギーおよび少なくとも１つの２次相互作用に基づき、
前記少なくとも１つの１次相互作用が電子反跳に基づき、前記少なくとも１つの２次相互作用がガンマ線散乱に基づく、
請求項１８に記載の検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

優先権
本出願は、それぞれ２０１９年２月１５日および２０１９年１０月１６日に米国特許商標局に提出された米国特許仮出願第６２／８０６，０３５号および６２／９１５，６７６号の恩典を主張するものである。それぞれの仮出願の内容はその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。

【0002】

政府支援
本発明は、米国国立衛生研究所によって授与された助成金第ＥＢ０２４８４９号の下、米国政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は、本発明に関して一定の権利を有する。

【0003】

本発明は一般に放射線画像法の分野に関し、詳細には陽電子放出断層撮影法（ｐｏｓｉｔｒｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）（ＰＥＴ）に関する。

【背景技術】

【0004】

ＰＥＴを用いた分子画像法は主に、癌［１］および神経精神性障害［２］の診断、治療選択、治療モニタリングおよび研究に使用される強力な技法である。その高い分子特異性、定量的性質および臨床的利用可能性にも関わらず、ＰＥＴは、主として、現在のところ３～６ｍｍであるその比較的に劣等な空間分解能のために、ゴーツー（ｇｏ－ｔｏ）分子画像法モダリティとしてのその完全なポテンシャルを達成することができないでいる［３、４］。この種類の空間分解能によって、病因および病態生理学に関連した小結節ならびに多くのヒトおよび齧歯類の脳領域のターゲット密度を測定することはできない。

【0005】

長いシンチレータ結晶に対する視差誤差（ラインオブレスポンス（ｌｉｎｅ ｏｆ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）のミスポジショニング）を軽減するために、深さ符号化ＰＥＴ検出器（ｄｅｐｔｈ－ｅｎｃｏｄｉｎｇ ＰＥＴ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）モジュールが開発された［５］。これは、検出器リング当たりの構成要素コストが低い小径のＰＥＴリング、感度を増大させるための大きな立体角カバレージ、および小さい断面積を有する結晶を使用したときの空間分解能に対する消滅ガンマ線非共線性（ａｃｏｌｌｉｎｅａｒｉｔｙ）の低い寄与を可能にする［４、６］。さらに、深さ方向の相互作用位置（ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｉｎｔｅｒｒａｃｔｉｏｎ）（ＤＯＩ）情報を使用して、長い結晶内の光学光子輸送の逆畳込みを実行することができ、したがって時間分解能を向上させることができる［７、８］。デュアルエンド型読出し（ｄｕａｌ－ｅｎｄｅｄ ｒｅａｄｏｕｔ）に基づく深さ符号化検出器は、＜２ｍｍの最もよい連続ＤＯＩ分解能を達成する［９、１０］。デュアルエンド型ＤＯＩ読出し検出器を使用する、マンモグラフィ専用のＣｌｅａｒ－ＰＥＭなどの高分解能ＰＥＴシステムが開発された［１１］。しかし、これらのシステムは、標準的なシングルエンド型（ｓｉｎｇｌｅ－ｅｎｄｅｄ）読出しＰＥＴスキャナに比べて読出し電子部品の数が多いため、商業化するにはコストが高くなりすぎる。これらの検出器の最近開発された高分解能型は、正確な結晶識別（ｃｒｙｓｔａｌ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を達成するために必要なガラス光ガイドが結晶－読出し界面に使用されているため、比較的に劣等なエネルギーおよび時間分解能を示す［１２］。ＤＯＩ情報を得るために、マルチレイヤホスウィッチブロック（ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ ｐｈｏｓｗｉｃｈ ｂｏｌｃｋ）［１３、１４］、モノリシックシンチレータを有するモジュールのための再帰性反射体［１５］、および他のカスタム反射器設計［１６、１７］などの代替シングルエンド型読出し検出器モジュールが提案された。しかしながら、これらの全ての設計で、深さ符号化、コスト、シンチレータ－読出し結合比、結晶識別の正確さ、エネルギー分解能および時間分解能の間にトレードオフが存在する。これらのトレードオフを軽減するための理想的な深さ符号化検出器モジュールは、多数の画素を横切って下方へ移動しているシンチレーション光子の共有を最小にし、良好な時間分解能を維持するために、結晶アレイが、中間ガラス光ガイドなしで、シリコン光電子増倍管（ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）（ＳｉＰＭ）画素に直接に結合された、シングルエンド型読出しを有する深さ符号化検出器モジュールである。さらに、良好なエネルギーおよびＤＯＩ分解能を維持し、デュアルエンド型深さ符号化読出し検出器の振る舞いを模倣するために、時間情報に寄与しない上方へ移動している光子は、光子の経路を１８０°曲げることによって、その方向を最隣接ＳｉＰＭの方へ変えるべきである。

【0006】

これに応じて、最近、実用的で費用効果が高い高分解能飛行時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）（ＴＯＦ）ＰＥＴスキャナを開発するための研究、およびシングルエンド型読出しを使用した連続ＤＯＩローカライゼーション（ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）を達成するための研究において、一方の側がＳｉＰＭ画素に４対１で結合され、反対側が一様ガラス光ガイド（ｕｎｉｆｏｒｍ ｇｌａｓｓ ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ）に結合されたデポリッシュト（ｄｅｐｏｌｉｓｈｅｄ）多結晶シンチレータアレイからなる検出器モジュールが検討された［８、１８、１９］。Ｆｒａｚａｏ他の米国特許第１０，２０３，４１９号を参照されたい。この文献の内容は参照によって本明細書に組み込まれている。これらの検出器モジュールでは、それぞれ１．５３×１．５３×１５ｍｍ³の結晶および３×３ｍｍ²のＳｉＰＭ画素を使用して９％のエネルギーおよびＤＯＩ分解能ならびに３ｍｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）を達成するために、結晶識別にエネルギー加重平均法が利用される［８］。しかしながら、これらのアレイは、光共有（ｌｉｇｈｔ ｓｈａｒｉｎｇ）隣接物がないため、それらのエッジ（ｅｄｇｅ）およびコーナ（ｃｏｒｎｅｒ）に沿った結晶識別が劣等であり［１９］、エッジおよびコーナ画素はそれぞれ、４×４および８×８ＳｉＰＭ読出しチップの７５％および４４％を占めるため、このことは解決されなければならない課題である。さらに、一様ガラス光ガイドを使用したときの結晶間光共有は非効率である。これは、上方へ移動している多くの光子が反射されて１次柱に戻り、残りの光子が、ガウスの強度分布で隣接結晶間で等方的に共有されるためである。等方性光共有の問題点は、多くのＳｉＰＭを横切って低強度の信号が分布することであり、その完全性は、ダークカウント（ｄａｒｋ ｃｏｕｎｔ）によって深刻な影響を受け、その結果、エネルギーおよびＤＯＩ分解能が悪化する。

【発明の概要】

【0007】

従来システムの短所を克服するため、本明細書では、擬角柱（ｐｒｉｓｍａｔｏｉｄ）ＰＥＴ（Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴ）検出器モジュールに基づく粒子検出器および同粒子検出器を動作させる方法が提供される。

【0008】

したがって、本発明の態様は、上記の課題および欠点を解決し、後述する利点を提供する。本発明の一態様は、複数のシンチレータ結晶を含むシンチレータアレイと、シンチレータアレイの底端に提供された複数の検出器と、シンチレータアレイの頂端に提供された複数の擬角柱とを含む粒子検出装置を提供する。複数の擬角柱のうちのそれぞれの擬角柱は、シンチレータアレイの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている。シンチレータアレイの結晶の第１のグループの底端は、複数の検出器のうちの第１の検出器に粒子を導くように構成されており、シンチレータアレイの結晶の第２のグループの底端は、第１の検出器と実質的に隣り合う第２の検出器に粒子を導くように構成されている。

【0009】

本開示の一態様は、複数のシンチレータ結晶を含むシンチレータアレイと、シンチレータアレイの底端に提供された複数の検出器と、シンチレータアレイの頂端に提供された複数の擬角柱と、複数の検出器と操作可能に通信する少なくとも１つのプロセッサとを含む粒子検出器を提供する。この少なくとも１つのプロセッサは、複数のシンチレータ結晶のうちの少なくとも１つのシンチレータ結晶内の少なくとも１つの相互作用サイトの３Ｄガンマ線ローカライゼーションを実行するように構成された複数の教師あり機械学習アルゴリズム（ｓｕｐｅｒｖｉｓｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を含む。

【0010】

本発明のある種の実施形態の上記の態様、特徴および利点ならびにその他の態様、特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて読むことによってより明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一様ガラス光ガイドモジュールおよび同一様ガラス光ガイドモジュールを使用した光の分布を示す図である。

【図2】従来の光ガイド内の光共有による一様分布を示す図である。

【図3】本開示の実施形態に基づく、Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールおよび同Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールを使用した光の分布を示す図である。

【図4】本開示の実施形態に基づく擬角柱光ガイドアレイを示す図である。

【図5】本開示の実施形態に基づく、４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの配置を示す図である。

【図6】本開示の実施形態に基づく、擬角柱アレイの詳細を提供する透視図である。

【図7】本開示の実施形態に基づく、９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの配置を示す図である。

【図8】本開示の実施形態に基づく、光ガイドアレイの透視図である。

【図9】一様ガラスを有する４対１の検出器読出しを示す図である。

【図10】本開示の実施形態に基づく、４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの検出器読出しを示す図である。

【図11】本開示の実施形態に基づく、９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの検出器読出しを示す図である。

【図12】本開示の実施形態に基づく、重心（ｃｅｎｔｒｏｉｄｉｎｇ）に基づく結晶識別ヒストグラム、およびＤＯＩフィルタ処理を使用した場合と使用しない場合の測定エネルギーヒストグラムを示す図である。

【図13】一様ガラス光ガイドモジュールおよび本開示の実施形態に基づく４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールのＤＯＩ分解能を示す図である。

【図14(a)-(d)】本開示の実施形態に基づく、４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの測定ＤＯＩ分解能グラフである。

【図15(a)-(d)】本開示の実施形態に基づく、いくつかの異なるＰＥＴスキャナの感度グラフおよび寸法を示す図である。

【図16(a)-(f)】本開示の実施形態に基づく、４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュール内におけるサイドバイサイド（ｓｉｄｅ－ｂｙ－ｓｉｄｅ）コンプトン（Ｃｏｍｐｔｏｎ）相互作用の理論上の光分布を示す図である。

【図17】本開示の実施形態に基づく、４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュール内における光電およびコンプトン相互作用測定を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明のある種の実施形態の以下の詳細な説明は添付図面を参照してなされる。不必要な詳細によって本発明を不明確にすることを防ぐために、本発明を説明する際には、本発明の概念を理解する際の明瞭さのため、当技術分野で知られている関連機能または構造についての説明は省略される。

【0013】

本明細書では、セグメント化された擬角柱光ガイドの専用パターンを利用するシングルエンド型読出し深さ符号化検出器モジュールが開示される。さまざまな実施形態で開示されるＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器モジュールの特徴の中で、少なくとも３つの別個の擬角柱設計、すなわちセンタ（ｃｅｎｔｅｒ）擬角柱、エッジ擬角柱およびコーナ擬角柱が利用され、センタ擬角柱、エッジ擬角柱およびコーナ擬角柱はそれぞれ、エッジおよびコーナアーチファクトを軽減し、したがって一様な結晶識別性能を達成するための予め決められた異なる設計を有する。

【0014】

確定的な（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ）異方性結晶間光共有パターンを生成し、それらのＳｉＰＭ上での信号対背景比を最大にして、エネルギー分解能とＤＯＩ分解能の両方を向上させるために、結晶間光共有は、最隣接ＳｉＰＭに属する結晶だけに限定される。

【0015】

このセグメント化パターンは、そうしなければ同様の読出しパターンを有するであろう隣り合う結晶を分離することによって、結晶識別を向上させる。それぞれの擬角柱の形状は交換可能であり、擬角柱の実施形態は実質的に、少なくとも１つの角柱（ｐｒｉｓｍ）、少なくとも１つの反角柱（ａｎｔｉｐｒｉｓｍ）、少なくとも１つの切頭体（ｆｒｕｓｔｕｍ）、少なくとも１つの三角形（ｔｒａｉｎｇｌｅ）、少なくとも１つのキュポラ（ｃｕｐｏｌａ）、少なくとも１つの平行六面体（ｐａｒａｌｌｅｌｅｐｉｐｅｄ）、少なくとも１つのくさび形（ｗｅｄｇｅ）、少なくとも１つの角錐（ｐｙｒａｍｉｄ）、少なくとも１つの角錐台（ｔｒａｎｃａｔｅｄ ｐｙｒａｍｉｄ）、球（ｓｐｈｅｒｅ）の少なくとも一部分、少なくとも１つの直平行六面体（ｃｕｂｏｉｄ）、および少なくとも１つの角錐のうちの少なくとも１つとして形づくられる。参照を容易にするため、本明細書では、直角三角柱（ｒｉｇｈｔ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｐｒｉｓｍ）について論じる。直角三角柱は、結晶間光共有比を改良し、したがって結晶識別とＤＯＩ分解能の両方を向上させる。

【0016】

図１～８に示されているように、直角三角柱の斜辺に光学光子が入射すると、光学光子は１８０°の偏向を経験し、結晶－画素結合に対してオフセットされた結晶－角柱結合スキームのため、光学光子は、異なる読出し画素に結合された隣接結晶に効率的に誘導される。

【0017】

図１は、一様ガラス光ガイドモジュール、およびＴｒａｃｅＰｒｏでシミュレートされた同一様ガラス光ガイドモジュールを使用した光の分布を示す。図２は、従来の光ガイド内の光共有による一様分布を示す。

【0018】

図３は、一様ガラスＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ、およびＴｒａｃｅＰｒｏでシミュレートされた同一様ガラスＰｒｉｓｍ－ＰＥＴを使用した光の分布を示す。図４は、本開示の実施形態の擬角柱光ガイドアレイを示す。図４は、本開示の実施形態のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴについて、同じ擬角柱に結合された１６×１６個の結晶１２０のアレイに光共有を限定し、それによって結晶間光共有比を改良することを示す。

【0019】

図５は、本開示の実施形態に基づく４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの配置を示す。図５の左下隅は、複数のシンチレータ結晶を含むシンチレータアレイの２×２結晶とシンチレータアレイの底端に提供された複数の検出器のＳｉＰＭ画素１４０との相対的な配置を示す平面図である。図５の右上隅は、図５の実施形態で利用されている３つの別個の擬角柱設計を示し、センタ擬角柱１６２、エッジ擬角柱１６８およびコーナ擬角柱１６６は、エッジおよびコーナアーチファクトを軽減し、したがって一様な結晶識別性能を達成するための異なる設計を有する。図６に示されているように、これらの３つの別個の擬角柱は、シンチレータアレイの頂端１２２に、予め決められた配置で提供されており、シンチレータアレイの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている。

【0020】

比較のために、異なるＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器モジュールを製造した。第１のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器１４２は、文献［８、２０］において以前に検討されたモジュールと同様の、一方の側が８×８ＳｉＰＭ読出しアレイ１４０に４対１結合され、反対側（放射線を受け取る側）が一様ガラス光ガイドに結合された、１．４×１．４×２０ｍｍ³のルテチウムイットリウムオルトシリケート（ｌｕｔｅｔｉｕｍ ｙｔｔｒｉｕｍ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）（ＬＹＳＯ）結晶の１６×１６アレイからなる。第２のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器１４４は、同じ結晶および読出しジオメトリ（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）からなるが、光共有パターンを最適化するために、従来の単一の一様ガラス光ガイドが、検出器モジュールのコーナ、エッジおよびセンタの角柱の固有の設計およびレイアウトを有する擬角柱光ガイドアレイに交換された（図５～８）。第３のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器は、擬角柱光ガイドアレイを有し、他の検出器と同じＳｉＰＭアレイを使用するが、９対１結合を達成するために、０．９６×０．９６×２０ｍｍ³ＬＹＳＯ結晶の約２４×２４アレイを利用した（図７および図８）。両方のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器モジュールでは、シンチレータ結晶が、読出し画素および直角三角柱に等しい比率で結合されている。

【0021】

それぞれの結晶が、異なる読出し画素に属する別の結晶だけに結合されるように、角柱の結合スキームは読出し画素の結合スキームからオフセットされている（図５）。結晶内でのガンマ線相互作用後に光学光子が擬角柱に入射すると、直角三角柱ジオメトリのために、光子（すなわち粒子３００）の方向が隣接結晶へと効率的に変えられ、このことが、画素間の光共有比を改良する（図２）。それぞれの擬角柱のジオメトリは位置依存であり、結晶分離を最適化するために、このジオメトリは、さもなければ同様の読出しパターンを有するであろう隣り合う結晶をエッジおよびコーナに沿って分離するように予め決められている。本開示のある種の実施形態では、第１のグループが４つの結晶を含み、第２のグループが４つの結晶を含み、第１のグループと第２のグループが、それらの４つの結晶のうちの隣り合う２つの結晶を共有している。ある種の実施形態では、共有されている結晶だけが、第１の検出器と第２の検出器の両方に粒子を導くように構成されている。

【0022】

図７および８に示されているように、複数の擬角柱のうちの第１の擬角柱１６２は、シンチレータアレイ１２０の９つの結晶のグループの頂端１２２間で粒子の方向を変えるように構成されている。本開示の実施形態では、一群の９つの結晶のうちのセンタ結晶１３９が、隣り合う４つの検出器１４２、１４４、１４６、１４８に粒子を導くように構成されており、複数の擬角柱のうちの第２の擬角柱１６４が、シンチレータアレイの別の一群の９つの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されており、第１の擬角柱１６２が第２の擬角柱１６４と実質的に隣り合っており、一群の９つの結晶１３２が、別の一群の９つの結晶１３４と実質的に隣り合っている。本開示の実施形態では、複数の擬角柱のうちのコーナ擬角柱が、シンチレータアレイの一群の５つの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている。本開示の実施形態では、複数の擬角柱のうちのエッジ擬角柱１６８が、シンチレータアレイの一群の５つの結晶の頂端間で粒子の方向を変えるように構成されている。

【0023】

この結合スキームは、結晶識別を改良する隣接ＳｉＰＭ間にあるように結晶間光共有を限定するため、シンチレータ柱、角柱および結合接着剤間の屈折率ｎを、光共有をさらに改良し、その結果としてＤＯＩ分解能および結晶識別を向上させるように整合させることができる。全ての角柱は、（一様ガラス光ガイド用の材料であるｎ＝１．５３のＢＫ７の代わりに）ｎ＝１．７６７のＳＦ１０ガラスを使用して製造され、ｎ＝１．７のＮＯＡ１７０接着剤を使用してシンチレータアレイに結合された。エネルギーまたは時間分解能を低下させないその高い空間性能のため、硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）が、結晶と角柱の間の反射器材料として使用される［２１］。この時、エネルギー分解能を正方向にゆがめ、ＤＯＩ分解能に負方向の影響を与えることが知られているＳｉＰＭ飽和効果は考慮しなかった［２２］。

【0024】

図６は、本開示の実施形態に基づく、擬角柱アレイの詳細を提供する透視図を示す。

【0025】

図６には、４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの擬角柱アレイの透視図、擬角柱および対応するそれぞれの結晶の断面図、ならびにコーナ、エッジおよびセンタ擬角柱の個々の図が示されている。図６に示されたシンチレータアレイの結晶の第１のグループの底端は、複数の検出器のうちの第１の検出器に粒子を導くように構成されており、シンチレータアレイの結晶の第２のグループの底端は、第１の検出器と実質的に隣り合う第２の検出器に粒子を導くように構成されている。

【0026】

図７は、本開示の実施形態に基づく、９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの配置を示す。図７のはめ込み図は、９対１結合モジュール内の単一の擬角柱光ガイドに属するそれぞれの結晶の予め決められた読出しパターンを示す。

【0027】

図８は、本開示の実施形態に基づく、９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの光ガイドアレイ、擬角柱結晶アレイの透視図および擬角柱の断面図を示す。

【0028】

実験的測定を使用して、結晶識別、エネルギー分解能およびＤＯＩ分解能に関する利点を示す。これは、Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴが最大９対１の結晶－読出し結合をどのように可能にするのかを含み、この結晶－読出し結合は、読出しチャネル数を増やすことなく空間分解能を大幅に向上させる目的に使用することができる（図７および８）。

【0029】

図９は、一様ガラスを有する４対１の検出器読出しを示す。図１０は、本開示の実施形態に基づく、４対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの検出器読出しを示す。図１１は、本開示の実施形態に基づく、９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの検出器読出しを示す。

【0030】

これらの検出器モジュールは、ＳｉＰＭの８×８アレイ（Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｓ１３３６１－３０５０ＡＥ－０８）に結合（４対１または９対１結合）された、Ｘ－Ｌｕｍ（中国、上海）において製造されたＬＹＳＯ結晶アレイからなるものとした。データ取得は、ＰＥＴｓｙｓ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓのＴＯＦＰＥＴ２特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）およびＦＥＢ／Ｄ ｖ２読出しボードを使用して実行した。３ＭＢｑ Ｎａ－２２ナトリウム点源（有効径５ｍｍ）でモジュールを一様に露光することにより、擬角柱光ガイドアレイを有する４対１および９対１結合検出器モジュール上で、フラッドデータ（ｆｌｏｏｄ ｄａｔａ）を取得した。（結晶当たり等しい数の事象を取得するために）４対１モジュールからは１０，０００，０００事象、９対１モジュールからは２２，５００，０００事象を使用して、フラッドヒストグラム（ｆｌｏｏｄ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ）を作成した。

【0031】

図１２は、図９の４対１一様ガラス、図１０の４対１Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールおよび図１１の９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールのガウスヒストグラムおよびフィルタ処理後のエネルギースペクトルを示す。図１２の上半分は、図９～１１のモジュールのコーナ、エッジおよびセンタ読出し画素からのｘ方向の結晶分離を示す１Ｄガウスヒストグラムである。図１２の下半分は、ＤＯＩ補正をした場合（１３％、９％および１０％）としない場合（２０％、１４％、１６％）の、図９～１１のセンタ結晶からのフィルタ処理後のエネルギースペクトルである。

【0032】

ＤＯＩ性能は、参照文献［１８］に記載された手法と同様の手法を使用して実験により、結晶当たりベースで測定した。鉛コリメーションを使用して、モジュールを、Ｎａ－２２源で、５つの異なる結晶深さ（２、６、１０、１４および１８ｍｍ）で露光した。源は、１ｍｍのピンホールを有する鉛シリンダの中に置いた。ピンホールは、一方の側をＤＯＩ整列モジュールと、もう一方の側を基準モジュール上の単一の１．４×１．４×２０ｍｍ³結晶と整列させた。これらの２つのモジュール間の同時事象を使用して、散乱事象を排除し、意図したラインオブレスポンスに沿った事象だけを受け入れた。全ての結晶についてＤＯＩ推定パラメータ［１８］ｗのヒストグラムを計算し、作図した。次いで、直線回帰を使用してｗヒストグラムをＤＯＩ空間に変換して、それぞれのガウスピークの中心にあるはずである、ｗとグラウンドトルース（ｇｒｏｕｎｄ ｔｒｕｔｈ）ＤＯＩとの間の傾きを決定した。ＤＯＩ空間に変換されたガウスのピークの幅を使用して、結晶のＤＯＩ分解能を計算した（図１４）。ＤＯＩ分解能は深さに依存し、ガウスヒストグラムのＦＷＨＭに等しい。結晶特定の全体のＤＯＩ分解能を、測定された深さを横切るＤＯＩ分解能の平均として計算した［１８］。それぞれのモジュールの典型的なセンタ結晶を使用して、それぞれのモジュールのＤＯＩ分解能を計算した。

【0033】

本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの空間性能は、製造されたモジュールのフラッドヒストグラムを使用して、標準的な一様ガラス光ガイドモジュールとの比較で特徴づけられる（図９～１１）。ガラス光ガイドモジュールは、エッジおよびコーナ効果を欠点として有し、その結果として、劣等な位置依存結晶分離を有する。Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴは、検出器アレイ全体にわたる、エッジおよびコーナアーチファクトのない優れた結晶分離を可能にする。このことは、シングルエンド型ＴＯＦ－ＤＯＩ読出しを有する以前の４対１結合検出器モジュールでは達成されなかった［８、１９、２０］。９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュール（図１１）でも同様の結果が示され、３．２×３．２ｍｍ²のＳｉＰＭ画素を有するＴＯＦ－ＤＯＩ ＰＥＴ検出器モジュールにおいて１ミリメートル未満の均質な結晶分離を示す。（ｘ方向の）１Ｄ事象位置決めヒストグラムを作成すると、本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴが、センタ、エッジおよびコーナにおいて一様な結晶分離性能を有することが確認される。Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴはさらに、ＤＯＩ補正を使用した場合に、４対１および９対１結合モジュールでそれぞれ１４％および１６％のエネルギー分解能を達成するが、一様光ガイドは２０％のエネルギー分解能を達成するだけである（図１２の下のグラフ）。

【0034】

図１３は、本開示の実施形態に基づく、図１０および１１のモジュールのＤＯＩを示す。図１３（ａ）～１３（ｃ）のヒストグラムは、一様ガラスを有する４対１結合検出器モジュール（図１３（ａ））および擬角柱光ガイドを有する４対１結合検出器モジュール（図１３（ｂ））のセンタ結晶の深さ方向の相互作用位置において計算されたＤＯＩ分解能を示す。図１３（ｃ）は、使用した光ガイドに基づくＤＯＩ分解能の比較を示し、この比較は、それぞれのモジュールの単一のセンタ結晶に関して実験的に測定されたとおり、本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器モジュールが、一様ガラス光ガイドに対して、ＤＯＩ分解能の２倍の向上を達成することを示している。ガラス光ガイドの測定ＤＯＩ分解能はＦＷＨＭで５ｍｍであり、以前に報告された結果［１９］との強い一致を示していた。Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールは、２．５ｍｍのＦＷＨＭ ＤＯＩローカライゼーションを達成した。これは、シングルエンド型読出しを使用してこれまでに報告された最もよい分解能であった。ｗパラメータの深さ依存性の増大は、１）擬角柱内の制御された確定的光共有パターン、２）屈折率の一致によるシンチレータから光ガイドへの光転送の増大、および３）直角三角柱ジオメトリによる、上方へ移動している光学光子の経路の改良された１８０°の偏向、に起因し、これらは全て、同じ擬角柱に結合された結晶間の光共有を改良する。ＤＯＩ情報を使用して、時間分解能とエネルギー分解能の両方を向上させることができ、時間分解能は、シンチレータの内側の深さ特定の光子輸送の逆畳込みを実行することによって、エネルギー分解能は、深さ特定の光電ピークを構成することによって向上させることができる［８、１８］。本開示の実施形態は、ＤＯＩベースの補正を適用した後に、４対１および９対１結合Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールでそれぞれ９％および１０％のエネルギー分解能を達成し、一様光ガイドで１３％のエネルギー分解能を達成した。ＤＯＩおよびエネルギー分解能値はそれぞれ、ＳｉＰＭ飽和補正を実施した後にわずかに改善および悪化し［２２］、その結果、報告された値は、実際には、絶対性能ではなくむしろ、一様光ガイドモジュールと比較した本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴの相対性能を示すことに留意されたい。

【0035】

図１４（ａ）～（ｄ）は、本開示の実施形態に基づくＤＯＩ分解能グラフを示しており、ＤＯＩ特定のｗヒストグラムからＤＯＩヒストグラムへの変換は、それぞれの深さにおける単一の結晶のＤＯＩ分解能を示す。図１４（ａ）は、２、６、１０、１４および１８ｍｍにおいて取得されたＤＯＩ推定パラメータｗのヒストグラムを示す。図１４（ｂ）は、直線回帰によるｗとＤＯＩの間の当てはめを示す。図１４（ｃ）は、図１４（ａ）のｗヒストグラムを得、図１４（ｂ）の直線の当てはめの傾きを乗じることによって生成されたＤＯＩヒストグラムを示す。図１４（ｄ）は、図１４（ｃ）のガウス曲線の幅に基づく、それぞれの取得深さにおけるＤＯＩ分解能を示す。

【0036】

おそらく、ＰＥＴシステムを構築するときに考慮すべき最も重要なパラメータはガンマ線検出感度であり、ガンマ線検出感度は、信号対雑音比（ＳＮＲ）に直接に関係し、したがって患者処理量、送達線量および像質を決定する。ＧＡＴＥなどの非常に進んだソフトウェアを使用したモンテカルロシミュレーションは、システムレベル感度をモデル化および計算する最も信頼できる手法である。しかしながら、感度の相対的な向上およびシステム間の比較は、（ａ）幾何学的感度および（ｂ）飛行時間読出し（ＴＯＦ）に対する同時時間分解能（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）（ＣＴＲ）に基づく感度利得を計算することによって分析的に実行することができ、式（１）で、感度利得はＳＮＲ利得の２乗に等しい［２４］。

【0037】

【数1】

【0038】

上式で、Ｄは、画像化されている物体の直径、Δｘは、ラインオフレスポンスに沿った再構成された線分の長さであり、式（２）のＣＴＲ（Δｔ）に正比例する。

【数2】

【0039】

Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器モジュールを使用して構築することができる専用脳ＰＥＴスキャナの例は、軸方向長５０ｃｍ、直径２５ｃｍの円筒リングであるだろう。

【0040】

図１５（ａ）～（ｄ）は、本開示の実施形態に基づく感度グラフを示す。図１５（ａ）は、Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｂｉｏｇｒａｐｈ Ｖｉｓｉｏｎ、Ｅｘｐｌｏｒｅｒ Ｔｏｔａｌ－Ｂｏｄｙ ＰＥＴスキャナおよびＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ脳スキャナの一例の寸法および幾何学的範囲を示す。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示されたそれぞれのスキャナの中心に置かれた点源の幾何学的感度を示す。図１５（ｃ）は、同時時間分解能の関数としての相対感度利得を示す。図１５（ｄ）は、（図１５（ｂ）に示された）幾何学的効率と（図１５（ｃ）に示された）ＴＯＦ感度利得との積として計算された実効感度利得を示す。

【0041】

図１５（ａ）は、本開示の実施形態に基づく脳Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴスキャナの寸法を、例示的なｗｈｏｌｅ－ｂｏｄｙ（Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｂｉｏｇｒａｐｈ Ｖｉｓｉｏｎｓ）およびｔｏｔａｌ－ｂｏｄｙ（Ｅｘｐｏｌｏｒｅｒ）ＰＥＴスキャナの寸法との比較で示す。小さなリング径および大きな軸方向視野を有することは、幾何学的効率は大幅に向上し（図１５（ｂ））、それと引き換えに視差誤差が大幅に増大し、部分的な容積効果が生じ、これらは、深さ方向の相互作用位置（ＤＯＩ）の読出しを実行することによって軽減することができる［２６］。その結果として、本発明者のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールなどのＤＯＩローカライゼーション能力を有する検出器モジュールを有する特定器官向けの小径スキャナだけが構築されるべきである。

【0042】

ＤＯＩ読出しを使用して、同時タイミングに対するＤＯＩ依存性（すなわち光学光子の経路長の差）の逆畳込みを実行することによって、ＴＯＦ読出しに対するＣＴＲを回復することもできる［８］。本発明者のモジュールはより良好なＤＯＩ分解能（２．５ｍｍ対３ｍｍ）を有するため、安全な下限推定値である本明細書に示すのと同じ報告されたＣＴＲ（約１５０ｐｓ）を仮定すると、ヒトの脳などのＤが約２０ｃｍの物体を画像化するとき、Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴは、式（１）に基づいて１０倍に近いＴＯＦ感度利得を可能にする（図１５（ｃ））。ヒトの脳の画像化に対するＴＯＦ感度利得は、約２２０ｐｓのＣＴＲ［２５］を達成するＳｉｅｍｅｎｓ Ｂｉｏｇｒａｐｈ Ｖｉｓｉｏｎに関してはわずかに低く、ＣＴＲ＞４００ｐｓを有する［２３］Ｅｘｐｌｏｒｅｒに関してははるかに低い（図１５（ｃ））。

【0043】

図１５（ｄ）は、幾何学的効率とＴＯＦ感度利得の両方を考慮したときのヒトの脳の画像化の全体の実効感度利得を示す。上記の計算に基づくと、本開示の実施形態のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴスキャナは、Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｂｉｏｇｒａｐｈ ＶｉｓｉｏｎおよびＥｘｐｌｏｒｅｒスキャナと比較して感度をそれぞれ３倍および４倍に向上させることができる。

【0044】

図１６（ａ）～（ｆ）は、本開示の実施形態に基づくコンプトン相互作用を示す。

【0045】

コンプトン相互作用に関して、本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴは、その確定的光共有パターンのため、コンプトン散乱エネルギー分解（したがってローカライゼーション）を可能にする。Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴ光ガイドを有し、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）画素の８×８アレイに４対１結合されたルテチウムＬＹＳＯ結晶の１６×１６アレイを有すると仮定する。５１１ｋｅＶのそれぞれのガンマ線が光共有によって４つの異なる画素上で信号を生成するという近似を基にして、同じ擬角柱に属する全ての結晶間の光共有比を、光電事象を使用してフラッドデータから直接に測定することができる。この情報を使用して、１次相互作用（すなわち反跳電子（ｒｅｃｏｉｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ））および２次相互作用サイト（すなわち散乱ガンマ線）のエネルギーが分解される。分解されたエネルギーが得られた後、シンチレーションブロック内における２つの独立して吸収された事象をローカライズすることができ、散乱角およびＤＯＩを決定することができる。光電事象のランダムな光共有から確定的パターンへの変化のため、本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールに関して、サイドバイサイドコンプトン散乱事象を識別することが可能である（図１６および１７）。

【0046】

図１６（ａ）～（ｃ）は、本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴを有する多結晶シンチレータアレイ内におけるコンプトンエネルギー分解の例を示す。図１６（ｄ）は、図１６（ａ）～（ｃ））において標識された画素１と隣接画素との間の光共有フラクション（ｆｒａｃｔｉｏｎ）比の例を提供する。一方のケースでは、両方の画素（２および４）が画素１と隣り合っており、その結果、等しい光共有フラクションを与え、もう一方のケースでは、画素３が画素１の斜め向かいにあり、その結果、より小さな光共有フラクションを与える。（Ｅ）、（Ｆ）Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴに対するコンプトン相互作用分解のエネルギーおよびＤＯＩ誤差。

【0047】

古典的なコンプトンエネルギー分解は以下のように実行することができる。構成要素ＡおよびＢ（散乱および反跳電子）による全吸収エネルギーＥＡおよびＥＢは、４つの全てのＳｉＰＭのエネルギーの総和として式（３）で与えられる。

【数3】

【0048】

上式で、Ｅ_A1およびＥ_B1は、相互作用が生じた結晶画素に結合されたＳｉＰＭ内の最大蓄積エネルギー（ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）であり、Ｅ_A2,3,4およびＥ_B2,3,4は、底部における（ＳｉＰＭ側からの）光漏れおよび角柱ミラー光ガイドを介した頂部における光漏れに起因する、隣接柱内の蓄積エネルギーである。補足図１６（ａ）の実験結果は、サイドバイサイドコンプトン散乱事象後に４つのそれぞれの画素によって検出されたエネルギーに対応する４つの既知のパラメータＥ_1-4を示し、蓄積した全ガンマ粒子エネルギーは式（４）によって示される。
Ｅ_γ＝Ｅ_A＋Ｅ_B （４）

【0049】

コンプトン散乱事象の構成要素のエネルギー、すなわちＥ_A1-4およびＥ_B1-4は未知であることに留意されたい。測定されたエネルギーに基づいてこれらの式を書くと式（５）が得られる。
Ｅ１＝ＥＡ１＋ＥＢ４
Ｅ２＝ＥＡ２＋ＥＢ１
Ｅ３＝ＥＡ３＋ＥＢ２
Ｅ４＝ＥＡ４＋ＥＢ３ （５）

【0050】

これは４つの式および８つの未知数を与える。しかしながら、隣接柱内の蓄積エネルギーは相関している。図１６（ｄ）のはめ込み図を考える。最大蓄積エネルギーは左上のＳｉＰＭで生じた。３つの隣接結晶を有する共有フラクションが、相互作用が生じた結晶に対する隣接結晶の近さに依存すると仮定し、ピタゴラスの定理を使用し、３つの隣接結晶の中心を頂点として使用して直角三角形を形成することによって、式（６）が得られる。

【0051】

【数4】

＃１ したがって

【0052】

上式で、例えば、ｄ₁₂は、１次ＳｉＰＭ１と隣接ＳｉＰＭ２の中心間の距離である。式５に式６を代入すると式（７）が得られる。
Ｅ１＝ＥＡ１＋ＥＢ２
Ｅ２＝ＥＡ２＋ＥＢ１
Ｅ３＝０．７ＥＡ２＋ＥＢ２
Ｅ₄＝Ｅ_A2＋０．７Ｅ_B2 （７）

【0053】

これには４つの式および４つの未知数がある。実際には、角柱ミラー光ガイドとシンチレータ柱の間の避けられない小さなある不良位置合せのために、共有フラクションは、式６に示された理想的なケースからの空間偏差を有することに留意されたい。しかしながら、図１６（ｄ）に示されているように、それらは、フラッドヒストグラム実験を使用して得られた個々の光電事象からの共有フラクションを分析することによって、アレイを横切って経験的に得ることができる。図１６（ｂ）および（ｃ）は、上記の分析に基づく、測定されたサイドバイサイドコンプトン散乱事象の２つの分解された要素を示す。

【0054】

本発明者のモジュールがＤＯＩローカライゼーションを有する場合には、ＤＯＩ変量を式（８）として表すことができる。
ｗＡ＝ＥＡ１／ＥＡ
ｗ_B＝Ｅ_B1／Ｅ_B （８）

【0055】

図１５（ｅ）～（ｆ）に示されているように、２００，０００の実験ガンマ事象に基づく｛Ｅ_A1，Ｅ_B1｝および｛ｗ_A，ｗ_B｝の本発明者による推定の誤差パーセントは約１０％である。畳込みニューラルネットワークを推定量として使用してこの誤差をさらに減らすことができる。これは特に、フラッドヒストグラム実験を使用して、数百万のガンマ事象をトレーニングデータセットとして集めることができるためである。

【0056】

反跳電子および散乱ガンマ線が２つの異なるＳｉＰＭの隣り合うシンチレータで完全に吸収されるコンプトン事象をどのようにしたらその構成要素に分解することができるのかの例が、図１５（ａ）～（ｄ）に示されている。古典的なコンプトン分解を使用してＤＯＩ変量ｗを計算した結果、半値全幅（ＦＷＨＭ）誤差は１１％であった（図１６（ｅ））。さらに、コンプトン分解の結果、ＦＷＨＭエネルギー誤差は１５％である（図１６（ｆ））。

【0057】

図１７は、本開示の実施形態に基づく光電およびコンプトン相互作用を示し、本開示の実施形態のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴの確定的光共有パターンのグラフの上に、ガラス光ガイドのランダムな光共有パターンのグラフが示されている。図１７は、「本開示のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュール」対「板ガラス光ガイドを有するモジュール」の隣り合う結晶において吸収されたコンプトン事象のいくつかの例の実験結果を示す。

【0058】

ガラス光ガイドモジュール内の光共有パターンはランダムであり、このことは、検出されたエネルギーを散乱光子および反跳電子の構成エネルギーに分解することを難しく（ほとんどの場合、不可能に）する。直角三角柱ジオメトリのため、Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールでは光共有パターンが確定的であり、このことは、結晶間の既知の光共有比に基づいて事象をその構成エネルギーに分解することを実際的にする。

【0059】

したがって、複数のシンチレータ結晶を含むシンチレータアレイと、シンチレータアレイの底端に提供された複数の検出器と、シンチレータアレイの頂端に提供された複数の擬角柱と、複数の検出器と操作可能に通信する少なくとも１つのプロセッサとを含む粒子検出器が提供される。この少なくとも１つのプロセッサは、複数のシンチレータ結晶のうちの少なくとも１つのシンチレータ結晶内の少なくとも１つの相互作用サイトの３Ｄガンマ線ローカライゼーションを実行するように構成された、畳込みおよび回帰ネットワークを含む複数の教師あり機械学習アルゴリズムを含む。この少なくとも１つのプロセッサは、複数のシンチレータ結晶間で散乱している少なくとも１つのコンプトン事象を回復し、その少なくとも１つのコンプトン事象を、３Ｄガンマ線ローカライゼーションに基づいてシンチレータレベルにおいてローカライズするように構成されている。この少なくとも１つのプロセッサはさらに、少なくとも１つのコンプトン事象およびＤＯＩ情報に基づいて散乱角を決定するように構成されている。この少なくとも１つのプロセッサはさらに、複数のシンチレータ結晶内で吸収された少なくとも２つの相互作用の分解されたエネルギーに基づいて、少なくとも１つのコンプトン事象をローカライズするように構成されており、分解されたエネルギーは、少なくとも１つの光共有パターンに基づき、少なくとも１つの光共有パターンは、複数の検出器および複数の擬角柱に対する複数のシンチレータ結晶の位置に基づく。

【0060】

本開示の実施形態によれば、少なくとも１つの光共有パターンが、同じ擬角柱のシンチレータ結晶間の光共有比に基づいてマッピングされ、光共有比は、複数の擬角柱のうちの少なくとも１つの擬角柱の予め決められたジオメトリに基づき、このマッピングは、測定された光電事象、少なくとも１つの１次相互作用の分解されたエネルギーおよび少なくとも１つの２次相互作用に基づき、少なくとも１つの１次相互作用は電子反跳に基づき、少なくとも１つの２次相互作用はガンマ線散乱に基づき、光共有パターンは確定的である。

【産業上の利用可能性】

【0061】

したがって、エッジおよびコーナアーチファクトを導入することなしに、多結晶シングルエンド型読出し検出器モジュールにおいて高い空間およびＤＯＩ分解能を達成するための費用効果が高い実用的な方法が提供される。本開示の実施形態を使用して、ｗｈｏｌｅ－ｂｏｄｙおよびｔｏｔａｌ－ｂｏｄｙ臨床ＰＥＴスキャナ［２３］における深さ符号化を、コストを増大させることなく（擬角柱光ガイドアレイのコストは、それぞれのＰｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールの全コストの１０％未満を占める）、また電力消費を増大させることなしに可能にすることができ、同時に、（例えば２×２×２０ｍｍ³の結晶を６×６ｍｍ²の読出し画素に９対１結合することによって）空間分解能を向上させ、（結晶間コンプトン散乱回復（ｉｎｔｅｒｃｒｙｓｔａｌ Ｃｏｍｐｔｏｎ ｓｃａｔｔｅｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ）によって）感度を向上させ、（タイミングジッタ（ｔｉｍｉｎｇ ｊｉｔｔｅｒ）のＤＯＩ補正によって）時間分解能を向上させることができる。小リング径脳画像化に関して、９対１の結合比は１ミリメートル未満の空間分解能を可能にし、また、軸方向視野を、ｗｈｏｌｅ－ｂｏｄｙ ＰＥＴスキャナの軸方向視野の約２倍に広げることは、Ｅｘｐｌｏｒｅｒ ｔｏｔａｌ－ｂｏｄｙ ＰＥＴスキャナと同じ幾何学的感度利得を可能にする（図１５）［８、２３～２６］。さらに、２．５ｍｍのＤＯＩ分解能を有することは視差誤差を大幅に軽減し、潜在的に、ＤＯＩ補正によって約１００ｐｓの同時時間分解能を達成することを可能にする［８］。このことは、よりいっそう高い感度および空間分解能を可能にするであろう［２４～２６］。これらの利点は、既存のＰＥＴスキャナによっては分解可能でなかった縫線核、コリン作動性前脳基底核、青斑および視床下部核など脳の重要な構造体を含む、人体の多くの器官の定量的なｉｎ ｖｉｖｏ機能および分子画像化のために高い空間分解能と高い感度の両方を比較的に低い線量で達成する、実用的で、費用効果が高く、電力効率のよい手法を与え、これらの構造体は全て、基礎生理学において、ならびに一般的な神経変性および精神医学的障害の病態生理学において決定的に重要な役割を演ずると考えられている［２６～３０］。これらのターゲットおよび同様のターゲットを視覚化および数量化する能力は、臨床分野と研究分野の両方における分子画像法に革命をもたらす潜在性を有し、腫瘍学および脳障害における早期診断および基礎研究に対して今までのところ利用できないツールを提供する。

【0062】

本開示の実施形態の別の利点は、コンプトン散乱事象の初期相互作用サイトをより正確に識別できることであり、このことは空間分解能および感度をさらに向上させる（図１６～１７）。伝統的に、コンプトン検出は多数の検出器層を使用して実行されてきたが、最近の１つの論文は、シングルエンド型読出しを使用してコンプトン相互作用をローカライズおよび分解するための判定基準を概説し、コンプトン散乱回復のための鍵となる特徴として高分解能ＤＯＩ読出しを挙げた［３１］。一様な光ガイドは、個々の事象のＳｉＰＭパターンがランダムであるため、このタスクに対して最適とは言えない。それに対して、本発明者のＰｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールは、１次シンチレータ柱の内側の相互作用位置にかかわらず、確定的光共有パターンを生成する（図１～４および１４）。特に、Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴは、生じる確率が最も高く、散乱事象を分析することが最も難しいサイドバイサイド散乱光子および反跳電子事象を、それらの構成エネルギー、空間位置およびＤＯＩに分解することを可能にする。結晶サイズが小さくなるにつれて、散乱光子は、１次相互作用サイトとは異なる結晶でより吸収されやすいため、コンプトン散乱回復は、小さなシンチレータ結晶を有する検出器モジュール内の高い感度を維持するのに特に重要である［３２］。

【0063】

本開示の実施形態は、光を１８０°曲げる効率的な反射器を使用して光共有を改良する、デュアルエンド型深さ符号化読出しの真のシングルエンド型類似物（ａｎａｌｏｇｙ）であるＰｒｉｓｍ－ＰＥＴ検出器モジュールを提供する。２．５ｍｍのＦＷＨＭ ＤＯＩ分解能が達成され、高空間分解能のために最大９対１のシンチレータ－ＳｉＰＭ結合が達成され、同時に、光漏れを最小にし、良好な時間分解能に必要な高い光子検出効率を維持するために結晶アレイをＳｉＰＭ画素に直接に結合する。頂部側の反射器は、シンチレーション光子経路の方向が１次結晶から選択された最隣接ＳｉＰＭへ効率的に変えられる、したがってデュアルエンド型読出し検出器の動作を非常に厳密に模倣する、セグメント化された擬角柱光ガイドの最適化されたパターンからなる。これは、散乱回復目的でサイドバイサイドコンプトン散乱事象をそれらの構成エネルギーおよびＤＯＩ情報に分解するのに使用することができる異方性で確定的な信号パターンを生み出す。したがって、高く一様な空間分解能が達成され（約１ｍｍの結晶の９対１結合。改良された光共有のためにエッジおよびコーナアーチファクトがなく、コンプトン散乱光子に起因する空間ぼけ（ｓｐａｔｉａｌ ｂｌｕｒ）が散乱回復によって低減される）、高い感度が達成され（厚さ２０ｍｍの検出器および結晶間コンプトン散乱回復）、コンパクトなシステムで（特にＤＯＩ補正を適用した後に）良好なエネルギーおよび時間分解能が達成される（ＤＯＩ符号化は視差誤差を排除し、より小さなリング径を可能にする）。特徴のこれらの固有の組合せによって、小動物およびヒトの器官特定の機能および分子画像化用の、Ｐｒｉｓｍ－ＰＥＴモジュールに基づく、費用効果が高くコンパクトなＴＯＦ－ＤＯＩ－コンプトンＰＥＴスキャナを開発することができた。

【0064】

本発明のある種の態様を参照して、本発明を示し、説明したが、添付の特許請求の範囲およびその等価物によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、それらの態様に、形態および詳細のさまざまな変更を加えることができることを当業者は理解するであろう。以下に示される特許請求項の説明が、「するための手段」または「するためのステップ」の明白な使用なしで、手段プラス機能要素として解釈されることはない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13(a)】

【図13(b)】

【図13(c)】

【図14(a)】

【図14(b)】

【図14(c)】

【図14(d)】

【図15(a)】

【図15(b)】

【図15(c)】

【図15(d)】

【図16(a)】

【図16(b)】

【図16(c)】

【図16(d)】

【図16(e)】

【図16(f)】

【図17】

【国際調査報告】