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JP6073609B2 - Positron emission nuclear position detector - Google Patents

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JP6073609B2 JP2012197915A JP2012197915A JP6073609B2 JP 6073609 B2 JP6073609 B2 JP 6073609B2 JP 2012197915 A JP2012197915 A JP 2012197915A JP 2012197915 A JP2012197915 A JP 2012197915A JP 6073609 B2 JP6073609 B2 JP 6073609B2
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Description

本発明は、粒子線治療を受ける患者等、粒子線の照射対象内におけるγ線の放出位置を推定するポジトロン放出核位置検出装置に関する。   The present invention relates to a positron emission nuclear position detection apparatus that estimates the emission position of γ rays within a particle beam irradiation target, such as a patient undergoing particle beam therapy.

粒子線の照射は、照射するべき部位に正確に照射を行う必要がある。例えば粒子線治療では、正常な組織には粒子線を影響させないようにしながら、対象となる部位には粒子線の照射を行う必要がある。しかしながら粒子線は目に見えないため、照射対象内での粒子の到達位置を推定することが行われている。   In the irradiation with particle beams, it is necessary to accurately irradiate the site to be irradiated. For example, in particle beam therapy, it is necessary to irradiate a target site with a particle beam while preventing the particle beam from affecting normal tissues. However, since the particle beam is not visible, the arrival position of the particle within the irradiation target is estimated.

一例として、粒子線照射によって生成される陽電子崩壊(陽電子を放出するβ崩壊の一種)をする核種を用いる方法がある(非特許文献1)。この方法では、照射対象への照射終了後に、PET装置にて照射対象からの陽電子の放射を測定する。   As an example, there is a method using a nuclide that undergoes positron decay (a kind of β decay that emits positrons) generated by particle beam irradiation (Non-patent Document 1). In this method, after the irradiation of the irradiation target is completed, the emission of positrons from the irradiation target is measured with a PET apparatus.

Enghardt, W. etal., The spatial distribution of positron-emitting nulei generated byrelativistic light ion beams, Med. Phys. Biol., 37, pp.2127-2131, 1992Enghardt, W. etal., The spatial distribution of positron-emitting nulei generated by relativistic light ion beams, Med. Phys. Biol., 37, pp. 2127-2131, 1992

しかしながら、上記従来の方法ではPET装置を用いるため、照射中の測定ができない。そこで粒子線照射中にも陽電子崩壊核の位置を測定するべく、例えば粒子線の照射方向をZ軸方向とし、このZ軸を含む面(例えばYZ面;Y軸はZ軸に直交するものとする)を有し、照射対象を挟んでこの面を対向させて配した一対のPET検出器を用いる方法が考えられる。   However, since the conventional method uses a PET apparatus, measurement during irradiation cannot be performed. Therefore, in order to measure the position of the positron decay nucleus even during particle beam irradiation, for example, the irradiation direction of the particle beam is set as the Z-axis direction, and the plane including this Z-axis (for example, the YZ plane; the Y-axis is orthogonal to the Z-axis) A method using a pair of PET detectors which are arranged so that the surfaces thereof are opposed to each other with the irradiation target interposed therebetween is conceivable.

この方法では、例えば14Oの崩壊によって生じる陽電子が、近隣の電子と対消滅を起こすときに生じる一対のγ線(エネルギ511keV)をこれらの検出器で捉える。この対消滅による一対のγ線は、図5に例示するように、互いに反対方向へ飛び出すので、これらのγ線が検出された一対の位置の延長線上に陽電子崩壊核が存在することとなる。従って、YZ面内では比較的高精度(2mm程の精度)で陽電子崩壊核の位置が測定できる。しかしながら、このYZ面に直交する方向(X軸方向)にはその精度は1cm程度まで劣化する。このため3次元的に、陽電子崩壊核の存在位置や範囲を推定することができないのが現状である。なお、このことは粒子線照射の場合に限らず、例えば14Oを含んだ薬剤の投与時に、その核がポジトロンを放出した位置を検出することで、薬剤の到達範囲を推定する際にも問題となる。 In this method, for example, a pair of γ rays (energy 511 keV) generated when a positron generated by decay of 14 O causes pair annihilation with neighboring electrons is captured by these detectors. As illustrated in FIG. 5, the pair of γ-rays due to the pair annihilation jumps out in opposite directions, so that positron decay nuclei exist on the extension lines of the pair of positions where these γ-rays are detected. Therefore, the position of the positron decay nucleus can be measured with relatively high accuracy (accuracy of about 2 mm) in the YZ plane. However, in the direction orthogonal to the YZ plane (X-axis direction), the accuracy deteriorates to about 1 cm. For this reason, the current position and range of the positron decay nucleus cannot be estimated three-dimensionally. This is not limited to the case of particle beam irradiation, for example, at the time of administration of a drug containing 14 O, it is a problem when estimating the reach of the drug by detecting the position where the nucleus releases the positron. It becomes.

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、3次元的な陽電子崩壊核の存在位置や範囲の推定精度を向上可能なポジトロン放出核位置検出装置を提供することを、その目的の一つとする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is one of its objects to provide a positron emission nucleus position detection device capable of improving the estimation accuracy of the existence position and range of a three-dimensional positron decay nucleus. To do.

上記従来例の問題点を解決する本発明は、ポジトロン放出核位置検出装置であって、粒子線の照射対象を挟んで配される一対の面を有し、それぞれ当該面内でγ線を検出する一対の第1検出器と、前記照射対象に対し、前記第1検出器とは異なる方向に配され、γ線の入射方向を検出する第2検出器と、前記第2検出器が検出したγ線の入射方向と、当該第2検出器がγ線の入射方向を検出した時点と実質的に同時期に前記第1検出器が検出したγ線の検出位置の情報とを用い、照射対象内における前記第2検出器が検出したγ線の放出位置を推定する推定手段と、前記推定手段による推定の結果を出力する出力手段と、を備えることとしたものである。   The present invention that solves the problems of the above-described conventional example is a positron emission nucleus position detection device, which has a pair of surfaces arranged with a particle beam irradiation target in between, and detects γ-rays in each of the surfaces. A pair of first detectors, a second detector that is arranged in a direction different from the first detector with respect to the irradiation target, and detects a direction of incidence of γ rays, and the second detector detects Using the incident direction of γ-rays and the information on the detection position of γ-rays detected by the first detector substantially simultaneously with the time when the second detector detects the incident direction of γ-rays, An estimation means for estimating the emission position of the γ-ray detected by the second detector, and an output means for outputting a result of estimation by the estimation means.

また本発明の一態様に係るポジトロン放出核位置検出装置は、粒子線の照射対象を挟んで配される一対の面を有し、それぞれ当該面内でγ線の検出位置を表す像を生成する一対の第1検出器と、前記照射対象に対し、前記第1検出器とは異なる方向に配され、γ線の入射方向を検出する第2検出器と、前記第1検出器が生成したγ線の検出位置の像、及び、前記第2検出器が検出したγ線の入射方向と、当該第2検出器がγ線の入射方向を検出した時点と実質的に同時期に前記第1検出器が検出したγ線の検出位置の情報とを用いて推定された、前記第2検出器が検出した照射対象内におけるγ線の放出位置を表す位置情報、に基づいて、照射対象内におけるγ線の放出範囲を推定する推定手段と、前記推定手段による推定の結果を出力する出力手段と、を備えることとしたものである。   In addition, the positron emission nucleus position detection device according to one aspect of the present invention has a pair of surfaces arranged with a particle beam irradiation target interposed therebetween, and generates an image representing a detection position of γ rays in each of the surfaces. A pair of first detectors, a second detector that is arranged in a direction different from the first detector with respect to the irradiation target, and detects the incident direction of γ rays, and the γ generated by the first detector An image of the detection position of the line, the incident direction of the γ-ray detected by the second detector, and the first detection at substantially the same time as the second detector detects the incident direction of the γ-ray Based on position information representing the emission position of γ rays in the irradiation object detected by the second detector, estimated using information on the detection position of the γ rays detected by the detector. Estimating means for estimating the emission range of the line, and output means for outputting a result of estimation by the estimating means And a step.

本発明によると、3次元的な陽電子崩壊核の存在位置や範囲の推定精度を向上できる。   According to the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of the position and range of a three-dimensional positron decay nucleus.

本発明の実施の形態に係るポジトロン放出核位置検出装置の例を表す構成ブロック図である。It is a block diagram showing an example of a positron emission nucleus position detection device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るポジトロン放出核位置検出装置の制御装置の例を表す構成ブロック図である。It is a block diagram showing an example of a control device of a positron emission nucleus position detection device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るポジトロン放出核位置検出装置の検出器からの出力信号を取り出す構成例を表す概要図である。It is a schematic diagram showing the example of a structure which takes out the output signal from the detector of the positron emission nucleus position detection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るポジトロン放出核位置検出装置の検出器からの出力信号を取り出すもう一つの構成例を表す概要図である。It is a schematic diagram showing another structural example which takes out the output signal from the detector of the positron emission nucleus position detection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 対消滅時のγ線の放出態様の例を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the example of the discharge | release aspect of the gamma ray at the time of pair annihilation.

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係るポジトロン放出核位置検出装置1は、図1に例示するように、X軸方向に間隔をおいて配される一対の第1検出器11a,bと、第2検出器12と、制御装置13とを含んで構成される。ここで制御装置13は、図2に例示するように、制御部31と、記憶部32と、インタフェース部33と、出力部34とを含んでなる。なお、以下の説明では理解の容易のため、第1検出器11a,bは平面型(プラナー)検出器であるとし、当該面がYZ面内にあり、Y軸は図面の紙面の裏面から表面向きの法線方向であるとする。またこれらYZ面の法線方向(図面で左方向から右方向への向き)がX軸方向とする。Z軸は図面の上方から下方へ下ろした線分の方向とし、これらX,Y,Z軸はそれぞれ互いに直交するものとする。もっとも本実施の形態においては第1検出器11a,bは平面型の検出器に限られるものではなく、曲面をなすものであってもよい。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As illustrated in FIG. 1, the positron emission nucleus position detection device 1 according to the embodiment of the present invention includes a pair of first detectors 11 a and 11 b arranged at intervals in the X-axis direction, and a second detection. The device 12 includes a control device 13. Here, as illustrated in FIG. 2, the control device 13 includes a control unit 31, a storage unit 32, an interface unit 33, and an output unit 34. In the following description, for the sake of easy understanding, the first detectors 11a and 11b are assumed to be planar (planar) detectors, the plane is in the YZ plane, and the Y axis is from the back side of the drawing sheet to the surface. Suppose that it is the normal direction of the direction. The normal direction of these YZ planes (the direction from the left to the right in the drawing) is the X-axis direction. The Z axis is the direction of the line segment drawn from the top to the bottom of the drawing, and these X, Y, and Z axes are orthogonal to each other. However, in the present embodiment, the first detectors 11a and 11b are not limited to planar detectors, and may be curved surfaces.

第1検出器11a,bは、本実施の形態のある例では平面型(プラナー)のPET検出器である。本実施の形態では、この第1検出器11a,b間に照射対象が配される。PET検出器は平面に、γ線を検出するシンチレータを複数配列したものであり、γ線が到来すると、当該γ線が当たった位置にあるシンチレータが当該γ線を検出する。つまり、これら第1検出器11a,bでは、この面内においてγ線が到来した位置が検出できる。本実施の形態の第1検出器11a,bの出力信号は、平面状の画像情報であって、γ線が到来した位置とそうでない位置との画素がそれぞれ互いに異なる画素値に設定されたものとなる。   The first detectors 11a and 11b are planar (planar) PET detectors in an example of the present embodiment. In the present embodiment, an irradiation target is arranged between the first detectors 11a and 11b. The PET detector has a plurality of scintillators that detect γ rays arranged on a plane. When the γ rays arrive, the scintillator at the position where the γ rays hit detects the γ rays. That is, the first detectors 11a and 11b can detect the position where the γ-rays arrive in this plane. The output signals of the first detectors 11a and 11b according to the present embodiment are planar image information in which the pixels at the positions where the γ rays have arrived and the positions where the γ rays have not been set have different pixel values. It becomes.

第2検出器12は、例えばコンプトンカメラであり、γ線の到来を検出するとともに、当該γ線の到来方向を検出する。具体的にこの第2検出器12は、第1検出器11a,bとは異なる面(例えばXY面)内に複数のγ線検出器を配列したγ線検出アレイを複数枚備える。これらγ線検出アレイは互いに上記γ線検出器を配列した面(XY面)に平行に配される。そしてこのうちγ線の到来方向に近い側のγ線検出アレイにて、到来したγ線を散乱するとともに、当該散乱されたγ線を他のγ線検出アレイにて吸収する。このとき散乱時のγ線のエネルギを測定すると、到来したγ線のエネルギが既知であれば、コンプトン散乱の方程式により、散乱角が演算でき、従ってγ線の到来方向を含む円錐(コンプトン・コーン)を得ることができる。γ線検出アレイに含まれる複数の検出器の検出結果から得たコンプトン・コーンの交差範囲からγ線の到来方向が検出できることになる。このコンプトンカメラについては広く知られているので、ここでのこれ以上の詳しい説明を省略する。本実施の形態の第2検出器12の出力信号は、γ線検出アレイに平行な平面に投影した画像情報であって、γ線源のある位置とそうでない位置との画素がそれぞれ互いに異なる画素値に設定されたものとなる。   The second detector 12 is, for example, a Compton camera, and detects the arrival direction of γ rays and the arrival direction of the γ rays. Specifically, the second detector 12 includes a plurality of γ-ray detection arrays in which a plurality of γ-ray detectors are arranged in a plane (for example, XY plane) different from the first detectors 11a and 11b. These γ-ray detection arrays are arranged in parallel to each other (XY plane) on which the γ-ray detectors are arranged. Of these, the incoming γ-rays are scattered by the γ-ray detection array closer to the arrival direction of the γ-rays, and the scattered γ-rays are absorbed by the other γ-ray detection arrays. When the energy of γ-rays at the time of scattering is measured at this time, if the energy of the incoming γ-rays is known, the scattering angle can be calculated by the Compton scattering equation, and therefore the cone containing the direction of arrival of the γ-rays (Compton cone) ) Can be obtained. The arrival direction of γ rays can be detected from the intersection range of Compton cones obtained from the detection results of a plurality of detectors included in the γ ray detection array. Since this Compton camera is widely known, further detailed explanation is omitted here. The output signal of the second detector 12 of the present embodiment is image information projected onto a plane parallel to the γ-ray detection array, and the pixels at the position where the γ-ray source is located and the positions where the γ-ray source is not located are different from each other. It will be set to the value.

制御装置13の制御部31は、例えばCPUなどのプログラム制御デバイスであり、記憶部32に格納されたプログラムに従って動作する。この制御部31は、本実施の形態のある例では、第2検出器12が検出したγ線の入射方向の情報を受け入れる。また、この第2検出器12がγ線の入射方向を検出した時点と実質的に同時期に第1検出器11a,bが検出したγ線の検出位置の情報を受け入れる。そしてこれらの受け入れた情報を用い、照射対象内におけるγ線の放出位置を推定する。この制御部31の詳しい動作の内容については、後に述べる。   The control unit 31 of the control device 13 is a program control device such as a CPU, for example, and operates according to a program stored in the storage unit 32. In an example of the present embodiment, the control unit 31 receives information on the incident direction of γ rays detected by the second detector 12. The second detector 12 accepts information on the detected positions of the γ rays detected by the first detectors 11a and 11b substantially simultaneously with the time when the second detector 12 detects the incident direction of the γ rays. Then, using these received information, the γ-ray emission position in the irradiation object is estimated. Details of the operation of the control unit 31 will be described later.

記憶部32は、制御部31が実行するプログラムを保持する。このプログラムは、DVD−ROM等のコンピュータ可読な記録媒体に格納されて提供され、この記憶部32に格納されたものであってよい。また本実施の形態では記憶部32は、制御部31のワークメモリとしても動作する。   The storage unit 32 holds a program executed by the control unit 31. This program may be provided by being stored in a computer-readable recording medium such as a DVD-ROM and stored in the storage unit 32. In the present embodiment, the storage unit 32 also operates as a work memory of the control unit 31.

インタフェース部33は、第1検出器11a,bと、第2検出器12が出力する情報を受け入れて制御部31に出力する。具体的にこのインタフェース部33は、図3に例示するように、第1検出器11a,bの各々に対応して設けられた背景除去部21a,bと、ウィンドウ設定部22と、出力制御部23とを備える。   The interface unit 33 receives information output from the first detectors 11 a and 11 b and the second detector 12 and outputs the information to the control unit 31. Specifically, as illustrated in FIG. 3, the interface unit 33 includes background removal units 21 a and 21 b corresponding to the first detectors 11 a and 11 b, a window setting unit 22, and an output control unit. 23.

ここで背景除去部21は、対応する第1検出器11が出力する信号を受けて、第1検出器11が検出したγ線のエネルギが予め定められたエネルギ閾値を超えた(あるいは二つのエネルギ閾値の範囲にある)場合に、第1検出器11の出力信号を出力する。また対応する第1検出器11が検出したγ線のエネルギが予め定められたエネルギ閾値を超えない(あるいは二つのエネルギ閾値の範囲にない)場合には、この背景除去部21は、第1検出器11の出力信号を出力しないよう制御する。   Here, the background removal unit 21 receives the signal output from the corresponding first detector 11 and the energy of the γ-ray detected by the first detector 11 exceeds a predetermined energy threshold (or two energy levels). If it is within the threshold range, the output signal of the first detector 11 is output. If the energy of the γ-ray detected by the corresponding first detector 11 does not exceed a predetermined energy threshold (or is not in the range of two energy thresholds), the background removal unit 21 performs the first detection. Control is performed so that the output signal of the device 11 is not output.

ウィンドウ設定部22は、背景除去部21a,bのいずれか(図3においては背景除去部21aとしている)に接続され、接続されている背景除去部21が第1検出器11の出力する信号を出力したときに、予め定めた時間幅のパルス状信号を出力する。   The window setting unit 22 is connected to one of the background removal units 21a and 21b (referred to as the background removal unit 21a in FIG. 3), and the connected background removal unit 21 outputs a signal output from the first detector 11. When output, a pulse signal having a predetermined time width is output.

出力制御部23は、背景除去部21a,b及び第2検出器12が出力する信号を受け入れる。この出力制御部23は、ウィンドウ設定部22がパルス状信号を出力しているときに、これら受け入れた信号をそれぞれそのまま、制御部31に出力する。   The output control unit 23 receives signals output from the background removal units 21 a and 21 b and the second detector 12. When the window setting unit 22 outputs a pulse signal, the output control unit 23 outputs the received signals to the control unit 31 as they are.

出力部34は、例えばディスプレイモニタ等であり、制御部31から入力される指示に従って情報を表示出力する。   The output unit 34 is, for example, a display monitor, and displays and outputs information in accordance with instructions input from the control unit 31.

次に制御部31の動作について説明する。本実施の形態では、制御部31が入力を受ける信号は次のようなものになる。   Next, the operation of the control unit 31 will be described. In the present embodiment, signals received by the control unit 31 are as follows.

粒子線が酸素(16O)を含む照射対象に照射されると、この酸素16Oは、14Oに転換される。この14Oは、β崩壊して陽電子を放出するが、この陽電子は近傍の電子と直ちに対消滅を起こし、一対の約511keV(電子質量meを用いて、E=mec2で演算される値、なお、ここでcは真空中の光速)のエネルギを持つγ線を放出する。またこのβ崩壊により14Oは、一定のエネルギ準位の14Nとなるが、ほとんどの14Nは直ちに(511keVのγ線が放出されると実質的に同時に)2.3MeVのγ線を放出する。 When the particle beam is irradiated to an irradiation object containing oxygen ( 16 O), the oxygen 16 O is converted to 14 O. This 14 O decays β and emits a positron, but this positron immediately causes pair annihilation with a nearby electron, and a pair of about 511 keV (value calculated by E = mec 2 using the electron mass me, Here, c emits γ rays having energy of (the speed of light in vacuum). Also, due to this β decay, 14 O becomes a constant energy level of 14 N, but most 14 N immediately emits 2.3 MeV gamma rays (substantially simultaneously with the emission of 511 keV gamma rays). To do.

本実施の形態では従って、この反応が生じるときには、2.3MeVのγ線が第2検出器12で検出されると実質的に同時期に、511keVの一対のγ線のそれぞれが第1検出器11a,bで検出される。このため例えば背景除去部21にエネルギ閾値として500keVを設定しておくと、第1検出器11a,bがそれぞれ実質的に同時期に511keVのγ線を検出したときに、背景除去部21a,bはそれぞれ第1検出器11a,bの出力信号をそのまま出力する。ウィンドウ設定部22は、背景除去部21aの出力を受けてパルス状信号を出力するが、上記の反応が生じているときには、このパルス状信号が出力されている時間幅の間に、第2検出器12が2.3MeVのγ線を検出したことを表す出力信号を出力するので、出力制御部23は、第1検出器11a,b及び第2検出器12の出力信号を制御部31に出力する。   Accordingly, in the present embodiment, when this reaction occurs, when a 2.3 MeV gamma ray is detected by the second detector 12, substantially each of the pair of 511 keV gamma rays is detected by the first detector. 11a and b. For this reason, for example, if 500 keV is set as the energy threshold value in the background removal unit 21, the background removal units 21 a and b are detected when the first detectors 11 a and 11 b detect 511 keV γ rays substantially simultaneously. Respectively output the output signals of the first detectors 11a and 11b as they are. The window setting unit 22 receives the output of the background removal unit 21a and outputs a pulse signal. When the above reaction occurs, the window setting unit 22 detects the second detection during the time width during which the pulse signal is output. Since the output signal indicating that the detector 12 has detected 2.3 MeV γ-rays is output, the output control unit 23 outputs the output signals of the first detectors 11 a and 11 b and the second detector 12 to the control unit 31. To do.

本実施の形態では、第1検出器11a,b及び第2検出器12の出力信号は、既に述べたようにいずれも二次元の画像であり、第1検出器11a,bの画像では、各第1検出器11a,bのX軸上の位置(Xa,Xbとする)におけるYZ面内でのγ線の検出位置が示される。第1検出器11aの出力信号によるYZ面内でのγ線の検出位置を(Ya,Za)とし、第1検出器11bの出力信号によるYZ面内でのγ線の検出位置を(Yb,Zb)とすると、陽電子放出核は次の(1)式で表される直線上にある。   In the present embodiment, the output signals of the first detectors 11a and 11b and the second detector 12 are both two-dimensional images as already described, and in the images of the first detectors 11a and 11b, The detection positions of γ rays in the YZ plane at the positions (Xa, Xb) on the X axis of the first detectors 11a, 11b are shown. The detection position of γ rays in the YZ plane based on the output signal of the first detector 11a is (Ya, Za), and the detection position of γ rays in the YZ plane based on the output signal of the first detector 11b is (Yb, Zb), the positron emitting nucleus is on a straight line represented by the following equation (1).

Figure 0006073609
(ここでtは実数パラメータ)。
Figure 0006073609
(Where t is a real parameter).

また第2検出器12の出力信号からは、XY面内でのγ線源の位置が示される。そこで第2検出器12の出力信号によるXY面内でのγ線源の検出位置を(Xd,Yd)とすると(なお、第1検出器11と第2検出器12との座標は既知の位置に配した線源からのγ線を検出することで予め一致させておくものとする)、制御部31は、(1)式のX,Yのいずれかにこの検出位置(Xd,Yd)を代入した式、例えば次の(2)式を解いてパラメータtの値を得る。   In addition, the output signal of the second detector 12 indicates the position of the γ-ray source in the XY plane. Therefore, assuming that the detection position of the γ-ray source in the XY plane based on the output signal of the second detector 12 is (Xd, Yd) (the coordinates of the first detector 11 and the second detector 12 are known positions). The control unit 31 sets the detection position (Xd, Yd) to either X or Y in the equation (1). The value of the parameter t is obtained by solving the substituted expression, for example, the following expression (2).

Figure 0006073609
制御部31は、ここで得たパラメータtの値を(1)式に代入することで得たX,Y,Zの値を、X,Y,Z軸で張られる三次元空間内での陽電子放出核の位置の推定結果として出力する。
Figure 0006073609
The control unit 31 substitutes the value of the parameter t obtained here into the equation (1) to obtain the positrons in the three-dimensional space spanned by the X, Y, and Z axes. Output as the estimation result of the position of the emission nucleus.

なお、ここでは粒子線が酸素(16O)を14Oに転換する場合に放出されるγ線を検出する例について述べたが、本実施の形態はこれに限られない。例えば粒子線が炭素(12C)の核と相互作用すると、この核を陽電子を放出する能力を有した核10Cに転換する。この10Cが陽電子を放出してβ崩壊すると、10Bが形成され、この形成された10Bは718keVのγ線を放出する。そこで、10Cから放出された陽電子が、近接する電子と対消滅して生成される一対のγ線(511keVのγ線)を第1検出器11a,bが検出し、これと実質的に同時期に、第2検出器12が718keVのγ線を検出したときに、第1検出器11a,b及び第2検出器12がそれぞれ検出したγ線の検出位置及びγ線源の位置を用いて、制御部31が、陽電子放出核の位置を推定することとしてもよい。 Here, example has been described for detecting the γ rays emitted when a particle beam is converted to oxygen (16 O) in 14 O, this embodiment is not limited thereto. For example, when a particle beam interacts with a carbon ( 12 C) nucleus, the nucleus is converted to a nucleus 10 C capable of emitting a positron. When 10 C emits positrons and β decays, 10 B is formed, and the formed 10 B emits 718 keV gamma rays. Therefore, the first detectors 11a and 11b detect a pair of γ-rays (511 keV γ-rays) generated by the positrons emitted from 10 C annihilating with neighboring electrons. When the second detector 12 detects 718 keV gamma rays at the time, using the detected positions of the gamma rays and the positions of the gamma ray sources detected by the first detectors 11a and 11b and the second detector 12, respectively. The control unit 31 may estimate the position of the positron emission nucleus.

またここまでの説明では、線分の式を解く例について述べたが、本実施の形態はこれに限らず、第1検出器11a,b及び第2検出器12がそれぞれ出力する画像情報を投影像として、バック・プロジェクション等の方法で三次元画像を再構成するようにしても構わない。ここで再構成される三次元画像は、陽電子放出核の存在する範囲を表すものとなる。   In the above description, the example of solving the line segment formula has been described. However, the present embodiment is not limited to this, and the image information output from each of the first detectors 11a and 11b and the second detector 12 is projected. As an image, a three-dimensional image may be reconstructed by a method such as back projection. The three-dimensional image reconstructed here represents a range where the positron emission nucleus exists.

さらに陽電子の対消滅に伴う、一対のγ線放出は上記酸素(16O)や炭素(12C)のβ崩壊に限られない。つまり14Nや10Bが生成される反応は全体の一部に過ぎない。従って実際に第1検出器11が検出する511keVのγ線は、第2検出器12が検出するγ線よりも数が多い。そこで本実施の形態では、第2検出器12がγ線を検出していないときであっても、第1検出器11が検出する511keVのγ線の像を得ておき、この像と、第2検出器12がγ線を検出しているときの像とを用いて三次元画像を再構成し、陽電子放出核の位置を推定してもよい。 Furthermore, the pair of γ-ray emission accompanying the annihilation of positrons is not limited to the above-described β decay of oxygen ( 16 O) or carbon ( 12 C). In other words, the reaction in which 14 N and 10 B are produced is only a part of the whole. Therefore, the number of 511 keV γ rays actually detected by the first detector 11 is larger than the number of γ rays detected by the second detector 12. Therefore, in the present embodiment, even when the second detector 12 is not detecting γ-rays, an image of 511 keV γ-rays detected by the first detector 11 is obtained. The position of the positron emission nucleus may be estimated by reconstructing a three-dimensional image using an image obtained when the two detectors 12 detect γ rays.

この例では、制御装置13のインタフェース部33は、図4に例示するように、第1検出器11a,bの各々に対応して設けられた背景除去部21a,bと、第1のウィンドウ設定部22′と、第2のウィンドウ設定部24と、出力制御部23′とを備える。   In this example, as illustrated in FIG. 4, the interface unit 33 of the control device 13 includes background removal units 21 a and b provided corresponding to the first detectors 11 a and 11 b, and a first window setting. A unit 22 ', a second window setting unit 24, and an output control unit 23'.

ここで背景除去部21は、対応する第1検出器11が出力する信号を受けて、第1検出器11が検出したγ線のエネルギが予め定められたエネルギ閾値を超えた(あるいは二つのエネルギ閾値の範囲にある)場合に、第1検出器11の出力信号を出力する。また対応する第1検出器11が検出したγ線のエネルギが予め定められたエネルギ閾値を超えない(あるいは二つのエネルギ閾値の範囲にない)場合には、この背景除去部21は、第1検出器11の出力信号を出力しないよう制御する。   Here, the background removal unit 21 receives the signal output from the corresponding first detector 11 and the energy of the γ-ray detected by the first detector 11 exceeds a predetermined energy threshold (or two energy levels). If it is within the threshold range, the output signal of the first detector 11 is output. If the energy of the γ-ray detected by the corresponding first detector 11 does not exceed a predetermined energy threshold (or is not in the range of two energy thresholds), the background removal unit 21 performs the first detection. Control is performed so that the output signal of the device 11 is not output.

第1のウィンドウ設定部22′は、背景除去部21a,bのいずれか(図4においては背景除去部21aとしている)に接続され、接続されている背景除去部21が第1検出器11の出力する信号を出力したときに、予め定めた時間幅Δt1のパルス状信号を出力する。   The first window setting unit 22 ′ is connected to one of the background removal units 21 a and b (the background removal unit 21 a in FIG. 4), and the connected background removal unit 21 is connected to the first detector 11. When a signal to be output is output, a pulse-shaped signal having a predetermined time width Δt1 is output.

第2のウィンドウ設定部24は、第2検出器12がγ線を検出したことを表す信号を出力したときに、予め定めた時間幅Δt2のパルス状信号を出力する。ここで時間幅Δt1とΔt2とは実験的に定めればよく、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。   The second window setting unit 24 outputs a pulse-like signal having a predetermined time width Δt2 when the second detector 12 outputs a signal indicating that γ rays have been detected. Here, the time widths Δt 1 and Δt 2 may be determined experimentally, and may be the same value or different values.

出力制御部23′は、背景除去部21a,b及び第2検出器12が出力する信号と、第1、第2のウィンドウ設定部22′,24の出力するパルス信号とを受け入れる。そしてこの出力制御部23′は、次のように動作する。すなわち第1のウィンドウ設定部22′がパルス状信号を出力していないときには、何も出力しない。また、第1のウィンドウ設定部22′がパルス状信号を出力しており、第2のウィンドウ設定部24がパルス信号を出力していないときには、出力制御部23′は、背景除去部21a,bから受け入れた第1検出器11a,bの出力信号をそれぞれそのまま、制御部31に出力する。   The output control unit 23 ′ receives signals output from the background removal units 21 a and 21 b and the second detector 12 and pulse signals output from the first and second window setting units 22 ′ and 24. The output control unit 23 'operates as follows. That is, nothing is output when the first window setting unit 22 'does not output a pulse signal. When the first window setting unit 22 'outputs a pulse signal and the second window setting unit 24 does not output a pulse signal, the output control unit 23' uses the background removal units 21a, b. The output signals of the first detectors 11a and 11b received from the above are output to the control unit 31 as they are.

さらに出力制御部23′は、第1のウィンドウ設定部22′と第2のウィンドウ設定部24とがいずれもパルス信号を出力しているときには、背景除去部21a,bから受け入れた第1検出器11a,bの出力信号と、第2検出器12から受け入れた信号とをそれぞれそのまま、制御部31に出力する。   Further, the output control unit 23 'receives the first detector received from the background removal units 21a and 21b when both the first window setting unit 22' and the second window setting unit 24 are outputting pulse signals. The output signals 11a and 11b and the signal received from the second detector 12 are output to the control unit 31 as they are.

制御部31では、インタフェース部33の出力制御部23′が、第1検出器11a,bの出力信号のみを出力しているときには、従来の方法を用いて、これら第1検出器11a,bの出力信号に基づいて陽電子放出核の位置を表す三次元像(第1の三次元像)を再構成する。   In the control unit 31, when the output control unit 23 ′ of the interface unit 33 outputs only the output signal of the first detectors 11 a and 11 b, the conventional detectors are used to output the first detectors 11 a and 11 b. A three-dimensional image (first three-dimensional image) representing the position of the positron emitting nucleus is reconstructed based on the output signal.

また制御部31は、インタフェース部33の出力制御部23′が、第1検出器11a,b及び第2検出器12の出力信号を出力しているときには、先に説明した方法を用いて、これら第1検出器11a,bの出力信号と第2検出器12の出力信号とに基づいて陽電子放出核の位置を表す三次元像(第2の三次元像)を再構成する。   In addition, when the output control unit 23 ′ of the interface unit 33 outputs the output signals of the first detectors 11 a and 11 b and the second detector 12, the control unit 31 uses these methods as described above. Based on the output signals of the first detectors 11a and 11b and the output signal of the second detector 12, a three-dimensional image (second three-dimensional image) representing the position of the positron emission nucleus is reconstructed.

ここで第1の三次元像は既に述べたように、陽電子放出核の推定位置のX軸方向の精度が、他の軸(Y軸,Z軸)方向の精度に比べて低いものとなっている。一方、第2の三次元像は、陽電子放出核の推定位置の各軸の精度は第1の三次元像におけるY軸やZ軸の精度に劣らないが、検出数が第1の三次元像の再構成に用いたγ線の検出結果に比べて少ない。   Here, as described above, in the first three-dimensional image, the accuracy of the estimated position of the positron emission nucleus in the X-axis direction is lower than the accuracy in the other axis (Y-axis, Z-axis) directions. Yes. On the other hand, in the second three-dimensional image, the accuracy of each axis of the estimated position of the positron emission nucleus is not inferior to the accuracy of the Y-axis or Z-axis in the first three-dimensional image, but the number of detection is the first three-dimensional image. There are few compared with the detection result of the gamma ray used for reconstruction.

制御部31は、これら第1の三次元像と第2の三次元像とを超解像合成して、陽電子放出核の推定位置を表す三次元像を生成して出力する。このような複数画像を合成して超解像処理を行う方法については広く知られたものが利用できるので、その詳しい説明は省略する。   The control unit 31 performs super-resolution synthesis of the first three-dimensional image and the second three-dimensional image, and generates and outputs a three-dimensional image representing the estimated position of the positron emission nucleus. Since a widely known method for super-resolution processing by combining a plurality of images can be used, detailed description thereof is omitted.

なお、三次元像の出力は、利用者から任意の断面の指定を受けて、当該任意の断面における断面像を生成して表示することで行えばよい。   The output of the three-dimensional image may be performed by receiving a designation of an arbitrary cross section from the user and generating and displaying a cross-sectional image of the arbitrary cross section.

本実施の形態のポジトロン放出核位置検出装置1は、例えば粒子線治療を行う現場において、次のように利用される。このポジトロン放出核位置検出装置1の第1検出器11a,bを、患者の粒子線照射部位を挟んで対向させて配する(このときの第1検出器11の面がYZ面にあるものとする)。また第2検出器12を、患者の粒子線照射部位の背面側(患者を挟んで粒子線照射装置に対向する位置、XY面)に配する。   The positron emission nucleus position detection device 1 of the present embodiment is used as follows, for example, at a site where particle beam therapy is performed. The first detectors 11a and 11b of the positron emission nucleus position detecting device 1 are arranged so as to face each other across the particle beam irradiation site of the patient (the surface of the first detector 11 at this time is on the YZ plane) To do). The second detector 12 is arranged on the back side of the patient's particle beam irradiation site (position facing the particle beam irradiation device with the patient sandwiched, XY plane).

ここで粒子線を照射すると、患者の体内において粒子線が照射された(粒子が停止した)位置において陽電子放出核が生成され、ここから陽電子が放出される。そして当該放出された陽電子が、陽電子放出核の近隣にある電子と対消滅することにより放射される一対のγ線を第1検出器11にて捉える。   When the particle beam is irradiated here, a positron emission nucleus is generated at a position where the particle beam is irradiated (particles are stopped) in the patient's body, and a positron is emitted therefrom. Then, the first detector 11 captures a pair of γ-rays emitted when the emitted positron annihilates with an electron in the vicinity of the positron emitting nucleus.

また陽電子放出核が陽電子を放出してβ崩壊した後の核を有する原子がエネルギ状態を変えるときに放出するγ線を、γ線の到来方向を検出可能な第2検出器12にて捉える。   The second detector 12 capable of detecting the direction of arrival of γ-rays captures the γ-rays emitted when the atoms having nuclei after the positron-emitting nuclei emit positrons and β-decay change the energy state.

そして制御装置13が、これら第1検出器11により得られたYZ面内でのγ線の検出位置を表す投影像を得るとともに、第2検出器12により得られたXY面内でのγ線源の位置を表す仮想的な投影像を得る。そしてこれらの投影像からバック・プロジェクション等の方法により、γ線が生成されたと推定される位置を表す3次元像を再構成する。そしてこの再構成した3次元像を出力する。   Then, the control device 13 obtains a projection image representing the detection position of the γ-ray in the YZ plane obtained by the first detector 11, and the γ-ray in the XY plane obtained by the second detector 12. A virtual projection image representing the position of the source is obtained. Then, a three-dimensional image representing a position where γ rays are estimated to be generated is reconstructed from these projected images by a method such as back projection. The reconstructed three-dimensional image is output.

利用者は、この3次元像を参考に、患者の体内(照射対象)において粒子線が照射された位置を判断し、粒子線の強度や照射方向等を調整することに使用する。   The user refers to this three-dimensional image, determines the position where the particle beam is irradiated in the patient's body (irradiation target), and uses it to adjust the intensity and irradiation direction of the particle beam.

このように本実施の形態では、放出したポジトロンが一対の消滅γ線を生成するとともに、励起準位から所定の準位に遷移する際に1つ以上の遷移γ線を放出するポジトロン放出核のイメージングを、これら一対の消滅γ線及び1つ以上の遷移γ線の検出位置や到来方向を測定することで実現する。これにより、粒子線照射時の照射位置の判断や、14O等を含んだ薬剤の到達範囲の推定等をより高い精度で実現できることとなる。 As described above, in this embodiment, the emitted positron generates a pair of annihilation γ-rays and emits one or more transition γ-rays when transitioning from the excited level to the predetermined level. Imaging is realized by measuring the detection position and the arrival direction of the pair of annihilation gamma rays and one or more transition gamma rays. As a result, it is possible to realize the determination of the irradiation position at the time of particle beam irradiation, the estimation of the reach of the medicine containing 14 O, etc. with higher accuracy.

1 ポジトロン放出核位置検出装置、11 第1検出器、12 第2検出器、13 制御装置、21 背景除去部、22 ウィンドウ設定部、22′ 第1のウィンドウ設定部、23,23′ 出力制御部、24 第2のウィンドウ設定部、31 制御部、32 記憶部、33 インタフェース部、34 出力部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 positron emission nucleus position detection apparatus, 11 1st detector, 12 2nd detector, 13 control apparatus, 21 background removal part, 22 window setting part, 22 '1st window setting part, 23, 23' output control part , 24 Second window setting unit, 31 control unit, 32 storage unit, 33 interface unit, 34 output unit.

Claims (1)

粒子線の照射対象を挟んで配される一対の面を有し、それぞれ当該面内でγ線の検出位置を表す像を生成する一対の第1検出器と、
前記照射対象に対し、前記第1検出器とは異なる方向に配され、γ線の入射方向を示す像を生成する第2検出器と、
前記第1検出器がγ線を検出し、第2検出器がγ線を検出しないときに、当該第1検出器の生成した像に基づく第1の三次元像を再構成する手段と、
前記第1検出器と第2検出器とが実質的に同時期にγ線を検出しているときに、第1検出器及び第2検出器がそれぞれ生成した像に基づく第2の三次元像を再構成する手段と、
前記第1の三次元像と第2の三次元像とを超解像合成して出力する手段と、
を備えるポジトロン放出核位置検出装置。
A pair of first detectors each having a pair of surfaces arranged with a particle beam irradiation target interposed therebetween, each generating an image representing a detection position of γ-rays within the surface;
A second detector that is arranged in a direction different from the first detector with respect to the irradiation target, and that generates an image indicating an incident direction of γ rays;
Means for reconstructing a first three-dimensional image based on an image generated by the first detector when the first detector detects gamma rays and the second detector does not detect gamma rays ;
A second three-dimensional image based on images respectively generated by the first detector and the second detector when the first detector and the second detector detect γ rays substantially simultaneously. Means for reconfiguring,
Means for super-resolving and outputting the first three-dimensional image and the second three-dimensional image;
A positron emitting nuclear position detecting device.
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