新型コンプトンカメラの新型コンプトンカメラの医学分野への応用医学分野への応用

京都大学大学院理学研究科京都大学大学院理学研究科助手　身内賢太朗助手　身内賢太朗

CONTENTSCONTENTS

０　背景０　背景１　ガンマ線イメージン１　ガンマ線イメージン

ググ２　新型コンプトンカメ２　新型コンプトンカメ

ララ３　３　 PETPET との比較との比較４　まとめ４　まとめ

０　背景０　背景身内の背景身内の背景

20022002 年年 33 月 東大物理　博士課程修了月 東大物理　博士課程修了神岡地下実験室での暗黒物質探索実験神岡地下実験室での暗黒物質探索実験20022002 年年 44 月 京大へ（月 京大へ（ 20032003 年年 33 月より助手）月より助手）ガス検出器（ガス検出器（ μ-PICμ-PIC ）の開発と各種応用　）の開発と各種応用　

コンプトンカメラの背景（谷森等）コンプトンカメラの背景（谷森等）19921992 ～～ 19991999 ストリップ型ガス検出器ストリップ型ガス検出器19991999 ～　ピクセル型ガス検出器～　ピクセル型ガス検出器 (μ-PIC)(μ-PIC) の開発の開発　性能向上　　性能向上　⇒⇒　コンプトンカメラへの応用　コンプトンカメラへの応用20022002 　コンプトンカメラ原理実証機、　コンプトンカメラ原理実証機、 first γ-first γ-lightlight

科研費（基盤科研費（基盤 BB ）） 2004~20062004~2006 　代表：久保先　代表：久保先生生

１、ガンマ線イメージング１、ガンマ線イメージング医療分野・天文分野でそれぞれ研究が進められてきた医療分野・天文分野でそれぞれ研究が進められてきたガンマ線ガンマ線

数十数十 keV~keV~ 数数 MeVMeV の光子（の光子（ XX 線よりエネルギーが高い）線よりエネルギーが高い）物質と　物質と　光電吸収光電吸収／／コンプトン散乱コンプトン散乱／／電子陽電子対生成電子陽電子対生成

アルゴン中での反応アルゴン中での反応率率 γ e 光電吸収

γ e

γコンプトン散乱

γ e

e+対生成

光電吸収 コンプトン散乱

対生成

主となる反応主となる反応

Z

500keV

Z<70 では

コンプトンが主

ガンマ線イメージング（ガンマ線イメージング（ == 到来方向を知る）到来方向を知る）光電吸収（光電吸収（ XX 線と同様）・対生成は比較的容易線と同様）・対生成は比較的容易コンプトン散乱：電子の飛跡を追う手段が無コンプトン散乱：電子の飛跡を追う手段が無かったかった　　　　　　 ①①コリメータ法（コリメータ法（ SPECTSPECT ））　　　　　　　　②②電子陽電子対消滅法（電子陽電子対消滅法（ PETPET ））　　　　　　　　③③電子の飛跡情報なしでのコンプトン法電子の飛跡情報なしでのコンプトン法

光電吸収

コンプトン　　　散乱

対生成

X 線で見た天体

「コンプトン領域」でのガンマ線イメージング「コンプトン領域」でのガンマ線イメージング

検出器

線源線源

コリメータ法（コリメータ法（ SPECTSPECT ななど）ど）

視野が狭い視野が狭い効率が低い効率が低い散乱によるバックグラウン散乱によるバックグラウンドドエネルギー高くなると無理エネルギー高くなると無理

電子陽電子対消滅法電子陽電子対消滅法（（ PETPET など）など）

視野が狭い（視野が狭い（ 2D PET2D PET ））散乱によるバックグラウンド散乱によるバックグラウンド高価高価

いずれも、主に光電吸収を用いているいずれも、主に光電吸収を用いている

ee+

「コンプトン領域」でのガンマ線イメージング「コンプトン領域」でのガンマ線イメージング②②コンプトン法コンプトン法　（　（ COMPTELCOMPTEL 検出器 検出器 on CGROon CGRO 衛星衛星 1991~20001991~2000 ））

　　一事象から“イベントサークル“　　一事象から“イベントサークル“

サークルを重ね合わせてサークルを重ね合わせて　ガンマ線到来方向を決定　ガンマ線到来方向を決定

φ

E0

E1

E2

NaINaI

液体シンチレータ液体シンチレータ

2.6m2.6m

γγ11

γγ22

γγ33

COMPTELCOMPTEL 検出検出器器

コンプトン法の原コンプトン法の原理理

COMPTELCOMPTEL の成果の成果　　例えば我々の銀河の「ガンマ線イメージ」　　例えば我々の銀河の「ガンマ線イメージ」

COMPTELCOMPTEL の問題点の問題点　　　イベントサークルの重ね合わせ：　　　イベントサークルの重ね合わせ：

　　　　点源は良いが広がったソースには向かない　　　　点源は良いが広がったソースには向かない　　　様々なバックグラウンド　　　様々なバックグラウンド

　　　　　　　　　　　　←←　　電子の飛跡情報を失ってい電子の飛跡情報を失っている為る為

COMPTELCOMPTEL の見た銀河の見た銀河

２、新型コンプトンカメラ２、新型コンプトンカメラ従来のコンプトンカメラ＋電子の飛跡従来のコンプトンカメラ＋電子の飛跡

京大（谷森グループ）京大（谷森グループ）　　　独自の技術　　　独自の技術「サークル」でなく、「サークル」でなく、「点」を決めることが「点」を決めることが可能可能天文への応用を中心に天文への応用を中心に開発、今年度より核医開発、今年度より核医学への応用を研究開始学への応用を研究開始新型コンプトンカメラの概新型コンプトンカメラの概

念図念図

独自の技術：マイクロピクセルチェンバー独自の技術：マイクロピクセルチェンバーMicro Pixel ChamberMicro Pixel Chamber （（ μ-PICμ-PIC ））荷電粒子（電子、陽子など）の二次元画像のと荷電粒子（電子、陽子など）の二次元画像のとれる微細構造（れる微細構造（ 0.4mm0.4mm ピッチ）ガス検出器ピッチ）ガス検出器

「ピクセル」近傍の強電場で「ピクセル」近傍の強電場で一個の電子が数千～数万個に一個の電子が数千～数万個に増幅される増幅される

10×10cm2

μ-PICμ-PIC の概念図の概念図

μ-PICμ-PIC の写真の写真

μ-PICμ-PIC で撮れるで撮れる XX 線写真線写真XX 線が入射線が入射⇒⇒アルゴンガスから電子を叩き出すアルゴンガスから電子を叩き出す　　　　　　　　　　　　⇒⇒ μ-PICμ-PIC で撮像で撮像位置分解能　位置分解能　 0.2mm0.2mm以下以下

ばねが透視されているばねが透視されている

プローブプローブ テストチャーテストチャートト

μ-PICμ-PIC で撮れるで撮れる XX 線写真線写真 22時分割可能なデータ時分割可能なデータ⇒⇒動画的扱いも可能動画的扱いも可能XX 線結晶構造解析：東工大化学（大橋教授等）との共同研線結晶構造解析：東工大化学（大橋教授等）との共同研究究

μ-PICμ-PIC で撮られた連続写で撮られた連続写真真

XX 線構造解析線構造解析

電子の三次元写真電子の三次元写真コンプトンカメラに使用する為には三次元の電子飛跡コンプトンカメラに使用する為には三次元の電子飛跡を得る必要　　を得る必要　　⇒⇒高エネルギー物理実験の高エネルギー物理実験の TPCTPC　　　　（　　　　（ timetime projection chamberprojection chamber ）技術を利用）技術を利用

陽子

10cm

電子

三次元飛跡三次元飛跡

TPCTPC の原の原理理

コンプトンカメラ　原理実証機コンプトンカメラ　原理実証機10cm10cmキューブの電子検出部キューブの電子検出部　　＋　　＋ 10cm10cm角の散乱ガンマ線検出部角の散乱ガンマ線検出部

RI source概念図概念図

原理実証機原理実証機

ガンマ線検出部ガンマ線検出部

137137Cs(662keV)×2Cs(662keV)×2

線源

15

15-15-15

X [cm]

Y [

cm]

133133Ba(356keV)Ba(356keV)

角度分解能　　　 25 度程度

実証された原理実証された原理300~700keV300~700keV に対してイメージング成功に対してイメージング成功事象ごとに決定される「光線」を単純に重ね事象ごとに決定される「光線」を単純に重ね合わせて描画合わせて描画

各パーツの改良で各パーツの改良で分解能、効率向上へ分解能、効率向上へ

原理実証から実用へ原理実証から実用へ実用機（実用機（ 30cm30cmキューブのキューブの TPCTPC ）のシミュレー）のシミュレーションによる評価ションによる評価位置分解能　 ～１位置分解能　 ～１ mmmm （詳撮モード（詳撮モード††））検出効率　　　～１％検出効率　　　～１％視野　　　　　　～視野　　　　　　～ 3str3str （人間の目と同程度）（人間の目と同程度）エネルギー範囲　エネルギー範囲　 100keV100keV ～～ 2MeV2MeV （ガスを換（ガスを換えることで最適化可能）えることで最適化可能）

~30cm(768 Strips)

開発中の開発中の 30cm30cm角角 μ-μ-PICPIC

††　分解能は角度で定義されるので、　分解能は角度で定義されるので、検出器を近づけると位置分解能が向上する検出器を近づけると位置分解能が向上する

視野視野 分解能分解能

スキャンモースキャンモードド

1×1m1×1m22 3mm3mm

詳撮モード詳撮モード 30×30c30×30cmm22

1mm1mm

新型コンプトンカメラ概念図

30cm50cm

50cm

50cm

シンチレータ( 散乱ガンマ線検出部）

電子回路

マイクロTPC( 反跳電子検出部）

広視野モード

高解像度モード

小動物用新型コンプトンカメラ

20cm

GSO 3mm角ピクセルシンチレータ256本アレイ( 散乱ガンマ線検出部）

マイクロTPC( 反跳電子検出部）

40cm40cm

15cm

高分解能用ステレオモード

他検出器

刺激等

３、３、 PETPET ・・ SPECTSPECT との比較との比較新型カメラの特徴１～バックグラウンドフリー～新型カメラの特徴１～バックグラウンドフリー～統計的でなく、事象毎に統計的でなく、事象毎にバックグラウンドを除去可能（バックグラウンドを除去可能（ αα カット）カット）

αcut後αcut前（従来の検出器での画像） α カット

SPD

0° 180°-180°

cut

新型カメラの特徴２～方向決定力～新型カメラの特徴２～方向決定力～イベントサークルでなく、事象毎に方向決定可能イベントサークルでなく、事象毎に方向決定可能複数の線源、広がった線源（医療利用では殆どが複数の線源、広がった線源（医療利用では殆どがこのケースこのケース ?? ）に対して圧倒的に有利）に対して圧倒的に有利

-15-15

15

15

X [cm]

Y [

cm]

-15-15

15X [cm]

15

Y [

cm]

電子飛跡情報なし（従来型コンプトンカメラ）

電子飛跡情報あり（新型コンプトンカメラ）

150 事象

600 事象

有効面積（効率有効面積（効率 ××面積）の比較面積）の比較コリメータレスな分、コリメータレスな分、 SPECTSPECT より効率大より効率大ガスは効率が悪いと思われがちだが、ガスは効率が悪いと思われがちだが、大面積・広視野という特徴を活かして、大面積・広視野という特徴を活かして、 PETPETと同レベルの有効面積を得られると同レベルの有効面積を得られる

Axial 方向長

効率

（長谷川智之「次世代の PET装置」より）

μ-PIC

PET

有効面積はこの部分の面積に相当μ-PIC

PET

典型的にはPET 　　　100cm2

μ-PIC 　　 50cm2

SPECT 　　 5cm2

　

投与量の比較投与量の比較PETPET ：： 10kBq/ml10kBq/ml で最良ので最良の NECRNECR。このとき。このとき S/S/N=1/10N=1/10

μ-PICμ-PIC では最高では最高 30kcps30kcps 程度の信号処理が可能。程度の信号処理が可能。バックグラウンドがない（バックグラウンドがない（ total rate=NECRtotal rate=NECR ）こ）ことを考えると投与量はとを考えると投与量は 3DPET3DPET の約の約 1/101/10 程度程度

PETPET の計数率の計数率長谷川智之「次世代の長谷川智之「次世代の PETPET装置」装置」

よりより

μ-PICμ-PIC PET(3D)PET(3D)

Total rateTotal rate 30kcps30kcps 400kcps400kcps(10kBq/ml)(10kBq/ml)

NECRNECR 30kcps30kcps 50kcps50kcps

バックグラウンドの影響バックグラウンドの影響SPECTSPECT のバックグラウンドのバックグラウンド　　コリメータでの散乱　　コリメータでの散乱　　体内散乱　　　体内散乱　　　体内拡散　　体内拡散

PETPET のバックグラウンドのバックグラウンド　　偶発同時計測　　偶発同時計測　　体内散乱　　体内散乱　　体内拡散　　体内拡散

典型的な典型的な S/NS/N 　　　　 33 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1/101/10

体内拡散以外は新型カメラでは除去可能体内拡散以外は新型カメラでは除去可能

B G

T （拡散）

T （患部）

＋

＋

BG の多い PET でのイメージ

BG の少ない μ-PIC でのイメージ

体内拡散起源のバックグラウンド体内拡散起源のバックグラウンド視野の広い新型カメラでは拡散起源と認識可能視野の広い新型カメラでは拡散起源と認識可能視野の狭い検出器では視野内のバックグラウ視野の狭い検出器では視野内のバックグラウンドとしてしみ込むンドとしてしみ込む

PETμ-PIC

赤線：患部からの事象青実線：拡散線源からの事象青点線：青点線事象の「しみ込み」（「散乱事象」となる）

赤線：患部からの事象青実線：拡散線源からの事象灰実線：エネルギーによって排除される事象拡散線源からの事象も正しく捉えられる。

線源拡散の影響（ PET ）はラインソースを用いた散乱フラクション測定（ NEMA NU 2-2001 散乱フラクション測定）では約　 30％。（実際より小さく見積もられている）

SPECT

この部分だけを切り出して S/N を更に向上可能

体内拡散に隠れていた小さな患部が見える体内拡散に隠れていた小さな患部が見える ??新型コンプトンカメラでは体内散乱が識別される新型コンプトンカメラでは体内散乱が識別される

（体重 50kg に対して）

(50g) (500

g)

（ 5g ）

観測可能な大きさ、集中観測可能な大きさ、集中度度

このような散乱フラクション測定（拡散線源中の小患部）で PET との比較

を！

比較のまとめ比較のまとめ

新型カメラ新型カメラ PETPET (3D) (3D) SPECTSPECT

有効面積有効面積 ～～ 50cm50cm22 ～～ 100100 cmcm22 ～～ 5cm5cm22

計数率計数率 30kcps30kcps 400 k400 kcpscps 100kcps100kcps

SS//NN 比比 >100>100 ～～ 0.10.1

NECNEC ～ ～ 330 kcps0 kcps ～～ 50 kcps50 kcps（体内・周囲散乱を（体内・周囲散乱を

含）含）

放射線投与量放射線投与量 PETPET の約 の約 1/101/10

10 kBq/ml10 kBq/ml

バックグラウンド源バックグラウンド源（真の事象に対する割（真の事象に対する割合）合）

体内拡散体内拡散 偶発同時計測 （偶発同時計測 （ ×1×100 ））

体内・周囲散乱 体内・周囲散乱 （（ ×10×10 ））

体内拡散 （体内拡散 （ >×1/>×1/22 ））

体内・周囲散乱体内・周囲散乱コリメータ散乱コリメータ散乱

体内拡散体内拡散

具体事例１：　センチネルリンパ節検索具体事例１：　センチネルリンパ節検索CdTeCdTe では最低でもでは最低でも 10kBq10kBq必要　必要　　　　　　　　　　新型ガンマカメラでは？　　　　　　　　　新型ガンマカメラでは？現在は現在は 140keV140keV での試験は未確認ですが、での試験は未確認ですが、100100 ガンマ程度の検出でガンマ程度の検出で存在確認可能存在確認可能（（ SUVSUV依存大）依存大）仮に仮に 100100 ガンマガンマ /10/10秒秒（検出器で（検出器で 10cps10cps ））を要求するとを要求すると検出効率検出効率 1%1% 　立体角　立体角 40%40%減衰減衰 5050％　％　 ((水水 5cm)5cm)を考慮してを考慮して

病巣から病巣から 5kBq5kBq （（ 2.7μCi2.7μCi ）程度）程度

胸部側面像胸部側面像((藤井先生よ藤井先生よ

りり ))

具体事例２：具体事例２： I-131I-131 による癌の転移発見による癌の転移発見360keV360keV に関しては、に関しては、 SPECTSPECT よりも有利でよりも有利であることは確かあることは確か100Bq100Bq 程度の程度の RIRI は測定時間次第は測定時間次第

具体事例具体事例 33 ：： FDG-PETFDG-PET 検査検査投与量を投与量を 11桁以上減らして、鮮明な（バック桁以上減らして、鮮明な（バックグラウンドの少ない）画像グラウンドの少ない）画像

４、まとめ４、まとめ新しい原理のコンプトンガンマカメラの新しい原理のコンプトンガンマカメラの特徴、優位性を示してきましたが、特徴、優位性を示してきましたが、現段階では現段階では「物理屋がうまいこと言っている」「物理屋がうまいこと言っている」「核医学はケースバイケースでどう切り込「核医学はケースバイケースでどう切り込んだら良いものやら」んだら良いものやら」in my opinion in my opinion とにかく実証、画像を撮るとにかく実証、画像を撮ること。こと。それを基に、何に使えて何に不向きそれを基に、何に使えて何に不向きか、か、 discussiondiscussion が可能となるでしょう。が可能となるでしょう。

ご清聴有難う御座いましたご清聴有難う御座いました

HaloHalo （その範囲に拡散した事象は区別できない範囲）（その範囲に拡散した事象は区別できない範囲）　　サイズの見積もり　　サイズの見積もり

μ-PICμ-PIC の位置分解能より十分大きい（直径の位置分解能より十分大きい（直径 2cm (5g)2cm (5g)以上の）以上の）患部に対して見積もる患部に対して見積もる画像の構成方法に依存するところが大きいので、画像の構成方法に依存するところが大きいので、再悪のケース再悪のケースを見積もるを見積もる

μ-PIC

深さ方向の不確定が体全体に広がってしまうことで 20cm/2cm=10倍

半径方向に 3 倍広がってしまうとして3×3=約 10倍

10倍×10倍=100倍　見ておけば十分（ Halo外からのバックグラウンドは無視できる )

以下、 Hsize＝ 100 として計算

halo

以下予備スライド以下予備スライド

Prototype detectorPrototype detector

No Veto or Shield !

micro TPCmicro TPC

10×10×8 cm10×10×8 cm33

Ar +CAr +C22HH ６６ (9:1)(9:1)

NaINaI （（ TlTl ） ） AngerAnger

4”×4”×1” 25 PMTs4”×4”×1” 25 PMTs

position resolutionposition resolution

~6.7mm (FWHM)~6.7mm (FWHM)

energy resolutionenergy resolution

~11.2% ~11.2%

(662keV, FWHM)(662keV, FWHM)

micro-TPC(μ-PIC)

preamp

RI source

encoder

memoryboard

Anger camera

μ-PICμ-PIC の性能見積もりの性能見積もり

結論： SUV の小さいもの、小さな患部を　　　　　　　　　　　　　　　　　診断可能となる。

H

rNSUV

size

Tｔ拡散を考慮した有意度

（体重 50kg に対して）

(50g) (500

g)

（ 5g ）

パラメータ患部 50g / 体重 50kg 　　 = r = 10-3 　SUV = 5 （典型的な集中度）

拡散を考慮した有意度の時間発展

診断可能な SUV の r 依存性

• 体内での線源の拡散の影響　

BG が大きいと SUV が小さいものに対しての感度が悪い。

B G

T （拡散）

T （患部）

＋

＋

BG の多い PET でのイメージ

BG の少ない μ-PIC でのイメージ

線源は血液を通じて体内に拡散される。実際には線源の集中度（ SUV ）は 5倍程度である。

患部の周囲のみを切り出せる。　　　　　→　検出優位度が更に向上

r

1

T

Ta

/VbN

Na/Va

gCi)/(

(g)/CiSUV

T

）体重（投与量

組織量）組織放射能（

NT ： 全投与量の計数率　　　　　　　　 Na ： 患部からの計数率Va ：患部の体積 ( ～患部の組織量 ) 　　 Vb ：体の体積（～体重）　 r (=Va/Vb) ： 患部の体に対する体積比

原理実証から実用へ（今後数年の課題）原理実証から実用へ（今後数年の課題）実用機（実用機（ 30cm30cmキューブのキューブの TPCTPC ）のシミュ）のシミュレーションによる評価レーションによる評価角度分解能角度分解能検出効率　～１％検出効率　～１％

Gamma-Ray Energy [MeV]

Dete

ctio

n

eff

icie

ncy

[%]

30cm角 (3 atm) ,30cm角 (1atm)

10cm角 (3 atm) , 10cm角(1atm)

No cut

αcut後

SPD

0° 180°-180°

ARM

0° 180°-180°

BackgroundBackground除去除去

0° 45°-45°

αgeo-αkinαgeo : 幾何情報からの ααkin :energy 情報からの α

α による kinematical cut

SN 比の大幅な改善

αgeo ～ αkin

cut

cut

src

src

-15-15

15

15

X [cm]

Y [

cm]

-15-15

15X [cm]

15

Y [

cm]