(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガンマ線源と、
その光ピークまでの立ち上がり時間が１ｎｓ未満で、散乱入口面及び研磨出口面を有し、１０ｍｍ以上の厚さを有し、光検出器を装備した、少なくとも１枚の高速シンチレータのプレートＰ１と、
専用の読み込み用マイクロエレクトロニクスと
を含む、ガンマ型カメラの、ガンマ放射線を検出するシステムであって、
前記専用の読み込み用マイクロエレクトロニクスはＡＳＩＣ型であり、
前記検出器はセグメント化され、
前記プレートＰ１では、低い時間分解能が１００ｐｓ未満となるように、シンチレーションにより放出された最初の紫外線が前記プレートＰ１に衝突する時間に相当する最初のトリガーＴ１を前記検出器の各セグメントが測定することが可能であって、
前記検出器は、１００ｐｓを超え前記シンチレータの前記光ピークまでの前記立ち上がり時間以下の時間に、前記検出器にイベントによって放出された最初の隣接する光子の空間分布及び時間分布を測定することが可能であって、したがって、座標（Ｘ１、Ｙ１）を有する前記イベント「ｅ１」を空間的に位置付けることが可能であって、
前記検出器はさらに、散乱されてない光子と散乱された光子との空間分布及び時間分布の差を処理して、前記シンチレーションイベントの時空間座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔ）を再構成することが可能である
ことを特徴とする、システム。
【請求項２】
前記散乱されてない光子は検出される最初の光子であり、前記散乱されてない光子は、半径が相互作用深さ（Ｚ）に依存し、中心は前記イベントの位置（Ｘ、Ｙ）を表すディスクの内部に分布する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記検出器は、前記シンチレータにおける１０個の検出される最初の光子の軌道を再構成することによって、前記相互作用の正確な時間Ｔを測定することが可能である、請求項１から２までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４】
前記プレートＰ１は、少なくともその厚さの半分未満の間隔でセグメント化された光検出器を装備したハロゲン化ランタニド型のものであり、前記ＡＳＩＣ型の専用の読み込みマイクロエレクトロニクスは、５０ｐｓ未満のトリガーに対して、チャンネル毎の時間分解能を有するアナログ部を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記検出器は、（Ｘ’１、Ｙ’１）における光度Ａ１の空間分布及びエネルギーＥ１の積分を測定することが可能である、請求項１から４までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記検出器はＳｉ−ＰＭＴ又はＡＰＤ型半導体検出器である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の検出システム。
【請求項７】
縁部同士が結合された多数のシンチレータプレートを含んで大きな表面の領域を形成し、エッジ効果を補正し、前記表面の領域はＳＰＥＣＴ用途の平面又はＰＥＴ用途のリングのいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の検出システム。
【請求項８】
ガンマ線のエネルギーの少なくとも８０％を吸収することが可能である厚さの第２のシンチレータプレートＰ２をさらに含み、前記第２のプレートは前記第１のプレートＰ１からは、少なくとも１０ｍｍの距離「Ｄ」離れており、
有効なイベントを判定する推定モジュール、コンプトン偏移を推定するモジュールをさらに含み、
前記第２のプレートＰ２における最初のトリガーＴ２、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）におけるイベント「ｅ２」を空間的に位置付けることが可能であるトリガーの空間分布、（Ｘ’２、Ｙ’２）における光度Ａ２の空間分布、及び、前記プレートＰ２における前記イベント「ｅ２」中に放出されるエネルギーＥ２を測定することが可能であって、
前記第２のプレートＰ２は、何も拒絶することなくガンマ線の経路についての情報を取得することが可能である
ことを特徴とする、請求項１に記載の検出システム。
【請求項９】
前記有効なイベントを計算するモジュールを含み、
時間分布ベクトル、ガンマ線の前記プレートに衝突する時間、及び空間分布ベクトルは、前記プレートにおける相互作用の位置特定精度を向上させるために交わる
ことを特徴とする、請求項８に記載の検出システム。
【請求項１０】
前記プレート（Ｐ１）又は（Ｐ１及びＰ２）、前記光検出器及び電子部品は狭い筐体内に配置されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
ガンマ光子衝突中の前記プレートＰ１にて、
前記プレートＰ１のセグメント化された前記検出器の平面に前記最初のＵＶ光子が衝突する時間に相当する、最初のトリガーＴ１を測定するステップと、
（Ｘ１、Ｙ１）のイベント「ｅ１」を、トリガー分布の最小値の法線に空間的に位置付けるために、前記光検出器の平面における隣接するトリガーの空間分布及び時間分布を測定するステップと、
さらに、（Ｘ’１、Ｙ’１）における光度Ａ１の空間分布及びエネルギーＥ１の積分を測定するステップと
を含むことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載のシステムを作動することによる画像再構成法。
【請求項１２】
前記プレートＰ２にて実行される、
最初のトリガーＴ２を測定するステップと、
（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）における前記イベント「ｅ２」を空間的に位置付けるために前記トリガーの空間分布及び時間分布を測定するステップと、
（Ｘ２、Ｙ２）における光度Ａ２の空間分布及び前記プレートＰ２のイベント「ｅ２」中に放出されるエネルギーＥ２を測定するステップと、
２つの試験、すなわち、
ａ）Ｔ２＝Ｔ１＋ｅ１とｅ２の間の光の伝搬時間
ｂ）Ｅ１＋Ｅ２＝使用される放射性同位体のエネルギー
を実行することにより、推定モジュールを使用して有効なイベントを判定するステップと、
前記ガンマ線の初期方向に関連して、精度ｄαにて角度「α」を有するコンプトン偏移を決定するステップであって、エネルギー比（Ｅ１／Ｅ１＋Ｅ２）は前記コンプトン偏移を推定することが可能であるステップと、
前記ガンマ線の経路についての情報を定義するステップと
を含むことを特徴とする、請求項８から１０までのいずれか一項に記載のシステムを作動することによる検出方法。
【請求項１３】
前記散乱されてない光子の光円錐に対応するディスクを定義するステップと、
前記シンチレータの前記光ピークまでの前記立ち上がり時間を超える期間において、先のステップにて定義された前記ディスクで検出された散乱されてない光子の数を計数するステップと、
検出された散乱されてない光子の数に比例する、前記ガンマ光子のエネルギーを定義するステップと
を特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のシステムにて使用されるエネルギーに関する検出の分解能を向上させる方法。
【請求項１４】
ＳＰＥＣＴ型又はＰＥＴ型医用イメージングシステムへの請求項１から９までのいずれか一項に記載のシステムの応用。
【請求項１５】
検出されるガンマ光子の数が小さい分野における、請求項８から１０までのいずれか一項に記載のシステムの応用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガンマ線源イメージングに関する。より詳細には、本発明は、ガンマカメラに基づいてガンマ放射線を検出するシステム及びこのようなシステムで実施される画像再構成法に関する。本発明はさらに、特に天文学分野及び医学分野での検出システムの応用、並びにこのシステムの陽電子放射断層撮影法（ＰＥＴ：Positron Emission Tomography）又は単一光子放射型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ：Single-Photon Emission Computerized Tomography）型イメージングシステムへの応用に関する。
【０００２】
現在のところ、ガンマ線（＞３０ｋｅＶ）源イメージングは、基本的に、２つの技術、すなわちＰＥＴ及びＳＰＥＣＴに基づいて医学診断目的で実施される。
【０００３】
ＳＰＥＣＴ（単一光子放射型コンピュータ断層撮影法）技術では放出イメージング原理を用いる。この場合、分析対象の被検体内部の単一エネルギーガンマ光子を放出する放射性トレーサの分布を追跡しようとする。光子放出は等方性であるため、コリメータがカメラの正面に配置されて光子の入射方向を選択する。次いで、ガンマ線は、ＮａＩ：ＴＩ等のシンチレータ結晶の１０〜２０ｍｍ厚プレートにてＵＶ光子に変換される。ＵＶ光子は等方的に放出され、その後反射により結晶プレート界面へと向けられる。このため、光量分布は光量が１／Ｒだけ減少するスポットである。アンガー論理は、光検出器、特に光電子増倍管型のものにより光スポットの重心を決定することからなる。これによって、ガンマ放射線が検出された位置を推測する。この技術では、５０ｍｍ未満の光検出器のセグメント化でも空間分解能が提供されない。
【０００４】
ＰＥＴ（陽電子放射断層撮影法）技術では陽電子源を必要とする。アンチコインシデンスに放出される２つの５１１ｋｅＶガンマ線は線源（ＢＧＯ、ＬＳＯ、ＬａＢｒ３）を中心にリング状に配置された密なシンチレータ結晶アレイによって検出される。検出システムは、マルチチャンネル光検出器（光電子増倍管又はＳｉ−ＰＭＴ）により読み込まれる単一の結晶アレイ（典型的には、４＊４＊２５ｍｍ）からなり、チャンネルサイズは結晶サイズに適合される。その後、しばしば個々のエレクトロニクスにおいて信号増幅及び処理段階が行われる。
【背景技術】
【０００５】
現在のＰＥＴ技術では、コンプトン散乱による真のノイズ相互作用は、以下の特徴、すなわち、２つの活性ピクセルがリングの正反対にあること、及びこの相互作用によるエネルギーが５１１ｋｅＶに等しいことによって区別でき、さらに、両方の光子はほぼ同時に検出器に接触する。この技術は、光ピークまでの立ち上がり時間が早い、ＬＳＯ、ＬａＢｒ３又はＢＧＯ等のシンチレータにのみ適用可能である。
【０００６】
この技術の欠点の１つは、結晶、特に含水結晶をピクセルにセグメント化するのに費用がかかることである。また、このセグメント化によってエネルギー分解能が低下する。最後に、この技術はコンプトン効果を回避するために非常に密な結晶でのみ適切に機能する（ＢＧＯ＝ゲルマニウム酸ビスマス、ＬＳＯ又はＬＹＳＯ＝ケイ酸ルテチウム）。これには希少で高価な原材料（ゲルマニウム、ルテチウム等）の使用を伴う。
【０００７】
ＳＰＥＣＴ技術では、単一の光子がシンチレータ結晶プレート（ＮａＩ、ＣｓＩ、ＬａＢｒ３）により検出され、大型の光検出器（ＰＭＴ）によって読み込まれる。そのエネルギーは、使用される放射性同位体（１００ｋｅＶから１０００ｋｅＶ）により異なる。光子の入射方向についての表示を得るには、結晶の前に、大きく嵩高で重く、且つ放出される放射線の大部分を止める鉛コリメータを有する必要があり、その幾何学的寸法のため、画像を構成するのにごくわずかな光子しか利用できない。さらに、ＳＰＥＣＴの空間分解能は、相互作用の位置を特定する精度が不足しているためＰＥＴの空間分解能よりも低い。
【０００８】
ＳＰＥＣＴについては、解決すべき問題がさらに２つある。
−  ＳＰＥＣＴはシンチレータプレートが連続的である場合のみ機能する。したがって、２枚の小さいプレートを組み付けて大きなプレートを構成することができない。このため、結晶が比較的小さい（最大直径１００ｍｍ）新世代のシンチレータ、ＬａＢｒ３の使用は現在ＳＰＥＣＴでは制限されている。
−  ２つのガンマ光子が、時間が前後して（約３００ｎｓ）シンチレータプレートと相互作用すると、スポットの画像及びエネルギー測定が非常に乱されるため、イベントは拒絶される。この場合、パイルアップが起こったと言える。
【０００９】
ＰＥＴは異なる原理で機能する。放射性元素が陽電子を放出し、これは１８０°で放出される２つの５１１ｋｅＶガンマ光子に分解される。次いで、２つの５１１ｋｅＶ光子が同時に到着したことを、患者の周りに位置する結晶リング上で検出される。十分に高速のシンチレータが使用されれば、飛行時間（リングの反対側２箇所への２つの光子の到着時間の差）によりイベントの位置特定の精度をうまく向上させることができる。しかし、現在のシステムには以下の問題がある。１）シンチレータがピクセル（例えば、４＊４＊３０ｍｍ）にセグメント化されなければならないが、これには費用がかかること、２）ピクセル内の相互作用の位置が分からない場合、これによって画質を低下させる幾何学的不確定性が生じ得る。さらに、これによって飛行時間測定の精度が低下し、事実上この測定を約２５０ｐｓに制限してしまう。
【００１０】
システムはＰＥＴで相互作用深さ（ＤＯＩ：Depth Of Interaction）を測定するように提案されてきたが、これは説得力がないか、又は非常に費用がかかる（２つの検出器層）。
【００１１】
さらに、コンプトンイベントの処理の困難さにより、非常に密で、全体的にリチウムをベースにしたシンチレータが試みられているが、これは非常に費用がかかる。
【００１２】
したがって、本発明の主な目的は、ＳＰＥＣＴに以下のことを可能とする新規の技術を提示することである。
１）空間分解能を向上させること、
２）画像コントラストを顕著に増大させること、
３）パイルアップにより拒絶されていたであろう２つの隣接するイベントを、適切なデコンボリューションにより使用可能にすること
４）互いに結合された小さな片からなるプレートでイベントを適切に読み込み可能にすること、
５）コリメータ／シンチレータ結晶／処理エレクトロニクス素子の全体積が有利なことに現在の検出器の体積よりも小さいことから、既存のＳＰＥＣＴ装置ベースのアップグレードを可能にすること。
【００１３】
検出システムはさらに、ＰＥＴモードではコリメータなしで同様に機能し得る。ＰＥＴの関連でいえば、その利点は以下である。
１）シンチレータのセグメント化を必要とすることなく高い空間分解能（＜５ｍｍ）が得られること、
２）単一の光検出器層を有するシンチレータで相互作用深さを測定すること、
３）非常に精確な飛行時間補正により飛行時間の精度を向上すること、
４）比較的安価なシンチレータでも最適な性能が得られること。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】”Monolithic LaBr3:Ce crystals on silicon photomultiplier arrays for time of flight positron emission tomography”, ’Stefan Seifert, Herman T van Dam…’ published on 29 March 2012
【非特許文献２】”LaBr3:Ce scintillation gamma camera prototype for X and gamma ray imaging”  ’R. Pani, M.N. Cinti, R. Pellegrini, P. Bennatin… published in February 2007’
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、ガンマ線源と、その光ピークまでの立ち上がり時間が１ｎｓ未満で、散乱入口面及び研磨出口面を有し、１０ｍｍ以上の厚さを有し、光検出器を装備した、少なくとも１枚の高速シンチレータのプレートＰ１と、専用の読み込み用マイクロエレクトロニクスとを含む、ガンマカメラ等のガンマ放射線を検出するシステムであって、専用の読み込み用マイクロエレクトロニクスがＡＳＩＣ型であり、検出器がセグメント化され、該プレートＰ１では、低い時間分解能が１００ｐｓ未満、好ましくは２０ｐｓ未満となるように、シンチレーションにより放出された最初の紫外線が該プレートＰ１に衝突した時間に相当する最初のトリガーＴ１を該検出器の各セグメントが測定するのに適しており、検出器は、イベントにより検出器に放出された最初の隣接する光子の空間分布及び時間分布を、１００ｐｓを超えシンチレータの光ピークまでの立ち上がり時間以下の時間で、測定するのに適しており、したがって、座標（Ｘ１、Ｙ１）を有するイベント「ｅ１」を空間的に位置付けるのに適しており、検出器はさらに、散乱されてない光子と散乱された光子との空間分布及び時間分布の差を処理して、シンチレーションイベントの時空間座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔ）を再構成するのに適していることを特徴とする、システムを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
用語「トリガー」とは、ガンマ線がシンチレータプレートに衝突する時間を意味する。
【００１７】
実際に、光検出器及び専用の読み込み用エレクトロニクスは、非常に高い時間分解能で、且つ各チャンネルの時間的応答分散／チャンネルが１００ｐｓ未満、好ましくは２０ｐｓ未満で最初の入射光子を検出できる。イベントの最初のトリガーと、プレートの厚さの２倍に等しい半径の隣接するチャンネルのトリガーとの差を測定する。遅延の空間分布（Ｘ、Ｙ、ＤＴ）が取得され、それについての最小値を統計的方法を用いて計算する。イベントｅ１はこの最小値の法線に位置を特定される。
【００１８】
実際に、イベントの位置はトリガー分布の最小値の法線に位置付けられる。
【００１９】
また、散乱されてない光子は検出された最初の光子であり、これらは、半径が相互作用深さ（Ｚ）に依存し、中心はイベントの位置（Ｘ、Ｙ）を表すディスクの内部に分布する。
【００２０】
また、検出器は、シンチレータにおける最初の１０個の検出光子の軌道を再構成することによって正確な相互作用の時間Ｔを測定するのに適している。
【００２１】
本発明の一代替的実施例によると、プレートＰ１は、少なくともその厚さの半分未満の間隔、好ましくは４ｍｍ未満の間隔でセグメント化された光検出器を装備したハロゲン化ランタニド型のものであり、ＡＳＩＣ型の専用の読み込みマイクロエレクトロニクスは、５０ｐｓ未満のトリガーに対して、チャンネル毎の時間分解能を有するアナログ部を含む。
【００２２】
好ましくは、検出器はさらに、従来のガンマカメラのように、（Ｘ’１、Ｙ’１）における光度Ａ１の空間分布及びエネルギーＥ１の積分を測定するのに適している。
【００２３】
さらに、検出器はＳｉ−ＰＭＴ又はＡＰＤ型半導体検出器である。
【００２４】
実際に、検出器（例えば、Ｓｉ−ＰＭＴ）における各ピクセルの測定は、専用の複合型アナログ／デジタルＡＳＩＣ型マイクロエレクトロニクス部品によって行われるため、最初の光子の高速検出が可能になる。
【００２５】
本発明の一代替的実施例によると、システムは、縁部同士が結合された多数のシンチレータプレートを含むため、大きな表面の領域を形成し、エッジ効果を補正し、該表面の領域はＳＰＥＣＴ用途の平面又はＰＥＴ用途のリングのいずれかであってよい。
【００２６】
さらなる実施例によれば、検出システムは、ガンマ線エネルギーの少なくとも８０％を吸収するのに適した厚さの第２のシンチレータプレートＰ２をさらに含み、該第２のプレートは少なくとも１０ｍｍの距離「Ｄ」だけ第１のプレートＰ１から離れている。システムは、有効なイベントを判定するための推定モジュール、コンプトン偏移を推定するためのモジュールをさらに含む。システムは、該第２のプレートＰ２における最初のトリガーＴ２、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）におけるイベント「ｅ２」を空間的に位置付けるのに適したトリガーの空間分布、（Ｘ’２、Ｙ’２）における光度Ａ２の空間分布及び該プレートＰ２のイベント「ｅ２」中に放出されるエネルギーＥ２を測定するのに適している。該第２のプレートＰ２は、何も拒絶することなくガンマ線の経路についての情報を取得するのに好適である。
【００２７】
有利には、検出システムは、有効なイベントを計算するモジュールを含み、時間分布ベクトル、ガンマ線のプレートに衝突する時間、及び空間分布ベクトルは、該プレートにおける相互作用の位置特定精度を向上させるために交わる（ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｅｄ）。
【００２８】
有利には、プレート（Ｐ１）又は（Ｐ１及びＰ２）、光検出器及び電子部品は狭い筐体内に配置される。
【００２９】
有利には、「プレート／光検出器／処理エレクトロニクス」のアセンブリが既存のＳＰＥＣＴマシンに設置可能であるように、該アセンブリはＮａＩプレートベースの検出器よりも体積が小さい。
【００３０】
従来のカメラよりも検出器及び処理エレクトロニクスがよりコンパクトな設計を仮定すると、このようなシステムは容易に公知のカメラに既存の装置に取って代わることができる。
【００３１】
本発明はさらに、下記のステップ、すなわち、ガンマ光子衝突中のプレートＰ１において、
−  該プレートＰ１のセグメント化された検出器の平面に最初のＵＶ光子が衝突する時間に相当する、最初のトリガーＴ１を測定するステップと、
−  （Ｘ１、Ｙ１）のイベント「ｅ１」を、トリガー分布の最小値の法線に空間的に位置付けるために、光検出器の平面における隣接するトリガーの空間分布及び時間分布を測定するステップと、
−  さらに、従来のガンマカメラのように、（Ｘ’１、Ｙ’１）における光度Ａ１の空間分布及びエネルギーＥ１の積分を測定するステップと、を特徴とする上記システムで実施される画像再構成法に関する。
【００３２】
本発明はさらに、以下のステップ、すなわち、プレートＰ２において、
−  最初のトリガーＴ２を測定するステップと、
−  （Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）のイベント「ｅ２」を空間的に位置付けるためにトリガーの空間分布及び時間分布を測定するステップと、
−  （Ｘ２、Ｙ２）における光度Ａ２の空間分布及び該プレートＰ２のイベント「ｅ２」中に放出されるエネルギーＥ２を測定するステップと、
−  以下の２つの試験、すなわち、
ａ）Ｔ２＝Ｔ１＋ｅ１とｅ２の間の光の伝搬時間
ｂ）Ｅ１＋Ｅ２＝使用される放射性同位体のエネルギー
を実行することにより、推定モジュールを使用して有効なイベントを判定するステップと、
−  ガンマ線の初期方向に関連して、精度ｄαにて角度「α」を有するコンプトン偏移を決定するステップであって、エネルギー比（Ｅ１／Ｅ１＋Ｅ２）はコンプトン偏移を推定するのに適している、ステップと、
−  ガンマ線の経路についての情報を定義するステップと、
を含む検出方法に関する。
【００３３】
本発明はさらに、以下のステップ、すなわち
−  散乱されてない光子の光円錐に対応するディスクを定義するステップと、
−  シンチレータの光ピークまでの立上がり時間を超える時間、前ステップにて定義されたディスクで検出された散乱されてない光子の数を計数するステップと、
−  検出された散乱されてない光子の数に比例する、ガンマ光子エネルギーを定義するステップと、
を特徴とする上記システムで使用されるエネルギーに関しての検出分解能を向上させる方法に関する。
【００３４】
本発明はさらに、上記システムのＳＰＥＣＴ型又はＰＥＴ型医用イメージングシステムへの応用に関する。
【００３５】
本発明はさらに、天文学等の、検出されるガンマ光子の数が小さい分野における、上記定義のシステムの使用に関する。
【００３６】
さらなる本発明の特徴、詳細及び利点が、添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことで明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来のＰＥＴ技術における２つのガンマ光子の放出原理を示す。
【図２Ａ】従来のＳＰＥＣＴ技術の原理を示す。
【図２Ｂ】イベントに隣接する光検出器によって測定された光量を示す。
【図２Ｃ】光スポットの重心を示す。
【図３Ａ】時間的ＳＰＥＣＴ技術の原理及び最初の光子の到着時間を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの例示的図である。
【図４Ａ】従来のＳＰＥＣＴのエッジ効果の比較を示す。
【図４Ｂ】時間的ＳＰＥＣＴのエッジ効果の比較を示す。
【図５】２枚のシンチレータプレートを有する本発明の実施例を示す。
【図６】４５°以下の角度で放出されるガンマ線を検出する、２つのシンチレータプレートを有するシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
シンチグラフィー検査の原理は、予め患者に注入された放射性医薬品要素の、体内の生体内分布を決定し、画像フォーマットで見ることである。このため、標識分子の存在を特定でき、さらにかかる分子の位置を三次元空間（断層撮影法）で特定できる、放射能を検出するシステムが必要とされる。
【００３９】
以下のようなマーカー材料が存在する、すなわち、これらは例えば、タリウムがドープされたヨウ化ナトリウム結晶（ＮａＩ）からなる。この結晶は現在では、任意の検出の流れにおける基本要素である。実際に、タリウムはＮａＩにより放出された光子を吸収し、３ｅＶの紫外光子の形態で一定の割合を「再放出」するが、この光子に対し結晶は透過性である。結晶内では、光の光子放出のかなりの損失があるという点に留意すべきである。この段階で、光の光子を電流に変換する必要がある。これは、光電子増倍管と呼ばれる装置によって可能である。光電子増倍管から出力された電気信号は次いで、電子システムによって処理され、その情報は使用のために適するものになる。
【００４０】
ＰＥＴ（陽電子放射断層撮影法）型カメラの場合、これらは陽電子源を必要とする。上記で説明したように、公知の方法にて、アンチコインシデンスに放出された２つの５１１ｋｅＶガンマ線は、陽電子源を中心としたリング状に配置されたシンチレータ結晶アレイ（ＢＧＯ、ＬＳＯ、ＬａＢｒ３）により検出される。ＰＥＴ型カメラは、マルチチャンネル光検出器、光電子増倍管又はＳｉ−ＰＭＴにより読み込まれる、単一の結晶アレイ（典型的には、４＊４＊２５ｍｍ）からなり、チャンネルサイズはしばしば結晶サイズに適合される。その後、しばしば個々のエレクトロニクスにおいて信号増幅及び処理段階が行われる。かかるカメラでは、コンプトン散乱による真のノイズ相互作用は以下の特徴によって区別される。
−  ２つの活性ピクセルがリングの正反対にある、
−  相互作用のエネルギーが５１１ｋｅＶに等しい、
−  両方の光子が１ｎｓ（ナノ秒）以内で同時に検出器に接触する。ＬＳＯ、ＬａＢｒ３等の高速シンチレータでは、リングの反対側に衝突する時間の差を測定することによって、相互作用の位置を推測することすら可能である。これが飛行時間モードである。この特徴は、非特許文献１の記事に記載される。
【００４１】
「ＰＥＴ」技術の原理は図１に示すが、ｔ０は各々が５１１ｋｅＶの２つのγ（ガンマ）光子の放出時間である。これらの光子は、コインシデンスに相対する２つの検出器により検出される。この場合、イベントは線ＡＢ上で発生し、両方の光子が同時に検出器に接触する。飛行時間は（ｔ０＋Ｘｂ）−（ｔ０＋Ｘａ）に等しい。イベントは円の中心からＸｂ−Ｘａだけずれていると推測されるが、ここでＸｂとはガンマ線γの放出時間から該ガンマ線が点Ｂで検出器に接触する時間までの間に進む距離である。同様に、Ｘａとは、γ線の放出時間から該ガンマ線が線上の点Ａでもう一方の検出器に接触する時間までの間に進む距離である。線分ＡＢは、１２ｃｍに等しい約４００ｐｓである。
【００４２】
単一光子放射型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）では、その原理を概略的に図２に表す。単一の光子がシンチレータ結晶プレート（ＮａＩ、ＣｓＩ、ＬａＢｒ３）により、検出され、大型の光検出器（ＰＭＴ）によって読み込まれる。そのエネルギーは、使用される放射性同位体（１００ｋｅＶから１０００ｋｅＶ）により異なる。光子の入射方向についての表示を得るには、結晶の前に、大きく、嵩高で重く、且つ放出される放射線の大部分を止める鉛コリメータを有する必要があり、その幾何学的寸法のため、画像を構成するのにごくわずかな光子しか利用できない。さらに、ＳＰＥＣＴの空間分解能は、相互作用の位置を特定する精度が不足しているためＰＥＴの空間分解能よりも低い。
【００４３】
本発明によるシステムは以下を可能にする。
１）一定幾何形状にてＳＰＥＣＴの空間分解能を高める、
２）ＰＥＴの結晶のセグメント化の必要性を回避しつつ、十分な空間分解能を維持する、
３）ＳＰＥＣＴのエネルギー分解能を高める、
最後に、
４）２枚のプレートを有する一実施例では、鉛コリメータをなくする一方で、アンガー論理でのカメラを維持する。
【００４４】
現在のところ、ガンマ光子は良好な光学的品質で連続的なシンチレータプレートと相互作用し、イベントに隣接した光検出器によって測定された光量を比較する。このため、相互作用が起きるはずの位置である、光スポットの重心を推定する。無効イベントを拒絶するために受けたエネルギー全体も測定する。
【００４５】
図２Ａは、約１０〜２０ｍｍ厚のＮａＩ：ＴｉシンチレータプレートＰとのγ光子の相互作用を示す。パラレルホールを有するコリメータ３により、このコリメータに衝突する、その表面に垂直なγ放射線の選択が可能になる。複数のＰＭＴ（光電子増倍管）１０は、光量を測定するように位置決めされる。光電子増倍管１０を使用して、光信号を電気信号に変換する。これらの装置は増幅器として作用し、比較的大型である。したがって、最終画像に必要とされる数のピクセルを配置できない。正確なシンチレーション位置を決定するために、光電子増倍管間の補間を計算する必要がある。該ＰＭＴ（光電子増倍管）１０は、直径が約７６ｍｍの空のチューブからなる。
【００４６】
さらに、空間分解能は単純に検出装置の数にのみ制限されるのではなく、シンチレーション光子の数及び、光子が検出される表面の範囲によっても制限される。実際に、位置決め原理は「重心」の計算を使用し、光電子増倍管のサイズよりも小さい空間分解能を取得することを可能とする。位置決めは統計的に決定されるが、観察される光子の数によって推定精度が制限される（図２Ｂ）。図２Ｃは、相互作用位置である光スポットの重心を示す。空間分解能は約５〜７ｍｍであるが、コントラストは小さい。このコントラストの概念は信号／ノイズ比の概念をカバーし、画質の定量的評価を可能にする。
【００４７】
本発明の思想というのは、空間分布及び時間分布によって、相互作用位置から直線上を動く散乱されてない光子と、少なくとも１回散乱された光子とを区別することである。この目的のために、最短光路の差及び正確な時間Ｔ（相互作用が生じた時点の移動時間により補正される）により、時間データ項目（最初のＵＶ光子の到着時間）と、（Ｘ、Ｙ）の平面だけでなくＺ（相互作用深さ）においても空間中の相互作用の位置を非常に正確に測定するための光度とともに、セグメント化された光検出器、好ましくはＳｉ−ＰＭＴが使用される。
【００４８】
本発明は、ＳＰＥＣＴ用途に好適な高速シンチレータ及びこれを読み込む高速エレクトロニクスが現在は利用可能である（例えば、Ｓｉ−ＰＭＴ及びＡＳＩＣ型の専用のマイクロエレクトロニクス回路）ということを利用する（非特許文献２の記事を参照のこと）。この記事は、ＬａＢｒ３：Ｃｅ結晶のガンマ線撮像装置としての非常に有望な特徴を示す。特に、ＬａＢｒ３：Ｃｅ結晶をＰＭＴと結合させると、優れたエネルギー分解能の値（１４０ｋｅＶにおいて６％、６６２ｋｅＶにおいて約３％）が得られる。
【００４９】
相互作用後に放出される最初のＵＶ光子は、問題となる媒体において半径が光速で増大する球を表す（ＬａＢｒ３屈折率＝１．９）。これらの最初の光子がシンチレータプレート底部に到着する時間（トリガー）は、検出器及び好適なエレクトロニクスにより、数十ピコ秒内で測定され得る。光量と同様に、検出されたｎ個の最初の光子（ｘｎ、ｙｎ、ｚｎ）の空間分布及び時間分布を構成することが可能である。結晶と光学結晶／検出器の組合せとの間のステップ屈折率の差により、それを超えて光子が散乱される限界角度シータＬ（θＬ）がある。したがって、散乱されてない光子は、頂点が相互作用点である、角度シータＬ（θＬ）を有する円錐内に分布する。最初のトリガーＴ１との差が大きければ大きいほど、相互作用点からの距離は大きくなる。この分布の最小値が相互作用点である。このシステムの効果は、相互作用から一直線に伝搬される、最初の光子のスポットの分布は、光量光スポットの分布よりもずっと狭く、それによりかなり画像コントラストを向上させることである。さらに、光スポット（ＧＣ）及び時間スポット（ＧＣＴ）の両方について取得された２つの情報によって、好適な統計的処理を用いてさらに画像を向上させることができる。
【００５０】
したがって、最初の光子は概して、直径が速度ｖ＝ｃ／ｎにて時間とともに増大する球を満たす。検出器平面におけるこの球の画像は、直径が増大して限界角度シータＬに到達する円である。これらのＵＶ光子は、例えば、媒体の屈折率ｎ＝１．９である材料において光速（ｃ／ｎ）にて伝搬する。したがって、散乱されてない光子の組は、頂点が相互作用点であり、開口角度シータＬを有する円錐である。すると、まっすぐな光子と散乱光子との差が計算される。
【００５１】
直接検出された光子だけが、その頂点として交点を有する円錐内に放出される光子であり、その開口角度として、シンチレータ結晶の全反射角度はシータＬ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）であり、ここで、ＬａＢｒ３の場合、ｎ２＝１．４、ｎ１＝１．９である。他の光子はすべて、検出される前に少なくとも１回散乱される。これには２つの結論がある。１）散乱光子はより長い光路（ｃ／ｎにて伝搬する）を有するため、遅く検出される。２）散乱光子は、光量制御されずに散乱された可能性が高い。したがって、光円錐は過剰密度の光子を含む。
【００５２】
光子散乱を処理するための最も簡単な方法は、光子が上面に接触したときに、方向については等しい確率で２Πステラジアンを超えて下面へと再放出されることを考慮する方法である。
【００５３】
相互作用（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔ）の時空間的位置決めの計算方法。数値は、ＰＥＴ型モードで使用される厚いプレートに対応する。
各相互作用について、以下を測定する。
１）最初の相互作用（Ｘ１、Ｙ１、Ｔ１）、
２）この最初の相互作用後の２００ｐｓ〜１０００ｐｓの時間で検出された最初のｎ個の光子の陽電子（Ｘｎ、ｙｎ、Ｔｎ）
３）これらのデータは統計的に処理され、光円錐直径（ｚに依存する）及びその不確定性（ｚについての不確定性を与える）を規定する。
４）点の重心の計算に基づく円錐（ｘａ、ｙａ）の中心の位置の最初の推定値。
この推定は後に、検出された最初の１０個の光子を処理することによって絞り込むことができる。これらの光子は原則として、他よりも短い経路を有し、検出円錐の漸進的拡大についての法則を検証するだろう。したがって、計算は（Ｘｂ、ｙｂ）及び位置エラーモードについての推定を得られるように精緻化される。
５）（ｘ、ｙ、ｚ）及び検出器平面における最初の光子の検出の完全な位置（ｘ１、ｙ１、３０、ｔ１）が与えられれば、（ｘ、ｙ、ｚ）における相互作用の正確な時間ｔ及びこの時間の推定に対するエラーを推定することができる。
【００５４】
最後に、ｘ、ｙが約２〜３ｍｍのイベントを、ｚは約５ｍｍ、且つｔは約３０ｐｓの精度で再構成することが可能である。そのため、従来技術よりも２〜４倍優れたガンマ線検出器を得ることができる。
【００５５】
図３Ａは、本発明による時間的ＳＰＥＣＴ技術を示す。シンチレータプレートＰ（ＬａＢｒ３）は約３０ｍｍ厚であり、光検出器４はセグメント化されたＳｉ−ＰＭＴ型である。Ｓｉ−ＰＭＴセグメントは１６チャンネルで２０×２０ｍｍであり、すなわち１チャンネルが４ｍｍ×４ｍｍである。平行光が等方的に放出される、すなわち、線源は４Πの角度にて等方的に放射する。測定は放出される光子の最初の波、すなわち、最初の時間的トリガーについて行われる。図３Ｂの図を参照のこと。時間的ＳＰＥＣＴでは、重心も測定されるが、検出器の粒状度は４ｍｍ×４ｍｍであるため、トリガーの時間分解能は約２０ｐｓであり、これはＬａＢｒ３結晶における４ｍｍと等しい。
【００５６】
さらに、この検出器の各ピクセルは、専用の統合型アナログ／デジタルＡＳＩＣ型マイクロエレクトロニクス部品により、検出器が初めて照明された時点から約１０ピコ秒以内の正確な測定を行う。これによって最初の光子の高速検出を可能とする。この時間的精度を得るには、ピクセル及びＡＳＩＣチャンネル（マイクロエレクトロニクス部品）の応答時間を補償する必要がある。この補償は、コリメートされた線源を有するゾーンを照明することにより、キャリブレーション段階で行われる。本発明の範囲を逸脱することなく、この目的でダブルヘッドを用いてもよい。
【００５７】
現況技術では、残光レベルが低い高速シンチレータ、好ましくはＬａＢｒ３が、相互作用の時間的イメージングを再構成するために必要される（非特許文献２の記事を参照のこと）。２５ｍｍピクセルにおいてＬａＢｒ３等の高速シンチレータで測定され得る最短時間は２００ｐｓであるが、この時間は本質的に、ピクセル上部又は底部における相互作用位置の不確定性によるものである。連続的なシンチレータでは、隣接した光検出器ピクセルにより測定された時間を比較することにより、相互作用が発生する高さ（ｚ）を求め、したがって結晶の入口面における相互作用時間から数十ｐｓ（ＬａＢｒ３では１０ｐｓ＝２ｍｍ）以内の正確な値を得ることができる。結晶の機能的モデルが利用可能な場合、時間的な位置の特定の精度は空間分解能の精度よりも顕著に優れている。
【００５８】
隣接する光検出器では光界面がないため、最もまっすぐな経路が計数される。
【００５９】
本発明のさらなる利益は、相互作用の時間マップ及び空間マップを有することで、２つの隣接するイベントの空間及び時間を区別できることである。アンガー論理では、エネルギーが正しくない、すなわち、放出エネルギーが使用される放射性同位体のエネルギーと異なる場合、２つの隣接するイベントを区別することはできない。このことは画像の分散の一因となる。
【００６０】
本発明のさらなる利益は、エッジ効果を補正できるようになることである。このため、複数のプレートが隣合わせて結合されて、大きな面を再構成し得、エッジ効果を補正することができる。これは特に、比較的小さな結晶、例えばハロゲン化ランタニドの場合に有利である。
【００６１】
アンガー論理では、２枚のシンチレータプレートが結合された場合、配光が光界面における部分的反射によりかなり乱され、そのため光スポットの形状から推定される相互作用空間的位置は不正確である。しかし、垂線近傍で入射して光界面を通過する最もまっすぐな光路はわずかにしか偏位しない。したがって、相互作用点から測定された飛行時間は正確である。相互作用の正確な位置特定を光子のまっすぐな経路から再構成するために使用できる、プレート（光界面）の反対側のゾーンがある。
【００６２】
図４Ａ及び図４Ｂは、従来のＳＰＥＣＴ（４Ａ）及び本発明による時間的ＳＰＥＣＴ（４Ｂ）の場合の、エッジ効果の比較を示す。従来のＳＰＥＣＴ（図４Ａ）の場合、プレートＰ１及びＰ２は高屈折率接着剤で縁部同士が結合され、光の大部分が反射されていることが観察される。したがって、配光が乱れている。本発明による時間的ＳＰＥＣＴ（図４Ｂ）の場合、放出される最初の光子の経路はほとんど乱れないため、時間的最小値が正確に再構成され、したがってエッジ効果を補正できる。
【００６３】
Ｓｉ−ＰＭＴ又はＡＰＤ型半導体検出器を使用した検出システムの実施例は、これらはＰＭ（光電子増倍管）よりもずっとコンパクトなため検出器への内部転送時間が短いことから特に有利である。これにより、優れた時間分解能を期待することができる。さらに、これらの検出器は無視できる程度のガンマ放射線捕捉断面を有する。したがって、該検出器は、本発明の一実施例による２プレート型コンプトンシステムのように、正面に配置されてもよい。
【００６４】
記載された検出システムはさらに、コリメータなしにてＰＥＴモードで同様に機能し得る。実際に、処理により検出器プレートを仮想的ピクセル化させ、これにより物理的にプレートをセグメント化する必要性を回避し、かなりのコストを節減する。さらに、相互作用深さの測定は、従来のガンマカメラのような構成において、当然ながら単一の検出器平面で行われる。このモードにより、ハロゲン化ランタニド等のより密度が小さく、より安価なシンチレータでも優れた性能を得ることができる。
【００６５】
記載された検出システムはさらに、以下の利点を有して、コリメータなしにてＰＥＴモードで同様に機能し得る。
【００６６】
光ピークまでの立ち上がり時間が約８００ｐｓであるＬａＢｒ３型シンチレータでは、シンチレータの立ち上がり時間（光ピークまでの立上がり時間）（ＬａＢｒ３では８００ｐｓ）を超える所与の時間で検出される散乱されてない光子を計数することによって、光円錐内で検出されるイベントのみを考慮するため、検出のエネルギー分解能は向上する。概して、モノリシック平面検出器では、エネルギー分解能は理論上の最適値よりも低い。エネルギー分解能は実際には、所定のエネルギーイベントについて検出される光子の数と関連している。平面検出器では、検出された光子のほとんどは、その放出点から複数回散乱されたものである。この散乱の間に、可変の割合の光子が失われる。本発明は、光円錐から散乱されてない光子を計数するだけで、シンチレータの光子／エネルギーの関係の固有の比例数を見出すという解決策を提供する。そのため、ＬａＢｒ３：Ｃｅでは３％程度のエネルギー分解能を得ることができる。
【００６７】
本発明のさらなる利益は、ＰＥＴ技術を使用する場合、単一プレート平面半導体検出器を、セグメント化された検出器と置き換えてもよい。例えば、リングを再構成するために、患者の周りに検出器プレートから形成される多角形の円筒を配置することができる。この型の検出器は、ＬａＢｒ３の使用による（リング内の）飛行時間、放射線の相互作用深さの補正、及び特に正確な時間的な位置の特定の点で特に高い性能を得ることができる。
【００６８】
図５は本発明のさらなる実施例を表す。検出器システムは特に、２枚のシンチレータプレートＰ１及びＰ２、Ｓｉ−ＰＭＴ光検出器アレイ５及び、各プレートＰ１及びＰ２に結合された関連するエレクトロニクス６を含む。第１のプレートＰ１は薄く、５ｍｍを超える厚さを有する。第１のプレートでは、以下、すなわち、ガンマ線が衝突する時間、すなわち最初のトリガーＴ１、（Ｘ１、Ｙ１）におけるイベントｅ１を位置付けるためのトリガーの空間分布、Ａ１（Ｘ’１，Ｙ’１）における光度の空間分布、及びプレートＰ１におけるイベント中に放出されるエネルギー（Ｅ１）の積分を測定する。このようなシステムは、第１のプレートよりも厚い第２のシンチレータプレートＰ２をさらに含む。該第２のプレートＰ２は１０ｍｍを超える厚さを有し、その十分な厚みにより、ガンマ光子のエネルギーの８０％超を吸収できる。第２のプレートＰ２は第１のプレートＰ１からは、第２のプレートでトリガーを検出するのに必要とされる少なくとも１０ｍｍの距離「Ｄ」だけ離れている。第２のプレートＰ２では、以下、すなわち、ガンマ線が衝突する時間、すなわち最初のトリガーＴ２、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）におけるトリガーの空間分布、Ａ２（Ｘ’２、Ｙ’２）における光度の空間分布、及びこのプレートにおけるイベント中に放出されるエネルギー（Ｅ２）の積分を測定する。イベントが有効であるかどうかを判定するためにその後分類が行われる。分類は以下の２つの試験により行われる。
Ｅ１＋Ｅ２＝使用される放射性同位体のエネルギー
Ｔ２＝Ｔ１＋イベントｅ１とイベントｅ２の間の光の伝搬時間
【００６９】
イベントが有効であれば、システムにおけるガンマ線伝搬ベクトルを計算できる。さらに、エネルギーの比（Ｅ１／Ｅ１＋Ｅ２）により、ガンマ線の初期方向に関して精度ｄαにてコンプトン偏移（角度α）を推定することが可能になる。次に、相互作用が、軸Ａ１Ａ２及びα−ｄαからα＋ｄαの角度を有する円錐内の方向で起こることが分かる。イメージングにおいて最も重要なイベントは明らかにαが小さいものであるため、薄い入口プレートの利益。多数のイベントが最終的に取得されることにより画像を再構成できる。
【００７０】
空間トリガー及び時間トリガーの位置が実証されると、正確にエネルギーを測定し、コンプトン変数を拒絶するために放出された放射線すべてを積分することが可能である。好ましくはこのような２プレートシステムでは、プレートは向かい合うように配置され、光検出器は、互いに対向して配置された２枚のプレートＰ１及びＰ２により規定される体積の外側に配置される。
【００７１】
本発明によるこのようなシステムを機能させるために、まず、残光が少ない、酸化ルテチウム（ＬＹＳＯ、ＬＳＯ）、好ましくはハロゲン化ランタニド（ＬｕＩ３、ＬａＢｒ３、ＬａＣｌ３）等の高速高光度シンチレータを有する必要がある。光検出器はガンマ放射線捕捉断面が小さく、高速でコンパクトであるべきである。２枚のプレートＰ１、Ｐ２を含む構成では、チャンネル間の時間的応答に関してより大きな均一性にて光検出器をガンマ放射線が通過する。
【００７２】
本発明のいくつかの実施例では、従来の光検出器（ＰＭＴ）を使用してもよいが、半導体光検出器（Ｓｉ−ＰＭＴ）が好ましい。
【００７３】
半導体光検出器、Ｓｉ−ＰＭＴの処理エレクトロニクスの品質は、２０ｐｓ超の最初の光子の検出（トリガー）についての時間分解能を有し、電荷輸送によるいかなる遅延をも避けるためにＳｉ−ＰＭＴに非常に類似しており、且つ低いガンマ放射線吸収率を有するべきである。このことはＡＳＩＣ型マイクロエレクトロニクスの解決策の採択につながる。
【００７４】
現在のところ、最良の性能のシンチレータは含水シンチレータであり、ガラスプレートが結晶と光検出器との間に挿入される。本発明では、好ましい実施例は、光境界による反射を制限するために結晶に直接結合された光検出器Ｓｉ−ＰＭＴとともに、厚いプレート（５１１ｋｅＶについてＬａＢｒ３では典型的に３０ｍｍ）を含む。したがって、結晶Ｓｉ−ＰＭＴ及びＡＳＩＣマイクロエレクトロニクス部品は、優先的に狭い筐体内に配置される。
【００７５】
コンプトン散乱が２枚のプレート間で避けられるべきであるならば、プレート間の空間は何もないか、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の原子番号が小さい不活性ガスで充填される。プレート分離、すなわち２枚のプレートＰ１とＰ２の間の距離は、トリガーＴ１とＴ２をはっきりと区別できるように十分であるべきである。ハロゲン化ランタンＬａＢｒ３の場合、空気中では約６０ｍｍに等しい２００ｐｓの伝搬時間が好ましい。
【００７６】
従来のカメラに関して検出器及び処理エレクトロニクスがより複雑になると考えると、このようなプレート／検出器／エレクトロニクスのアセンブリは、既存のカメラに存在する現在の装置を置き換えられるであろう。
【００７７】
本発明によるシステムのさらなる利益は、天文学等の、検出されるガンマ光子の数が小さい分野における応用である。
【００７８】
１枚又は２枚のプレートを有する本発明によるシステムはＰＥＴ型検査に使用されてもよい。この場合、ＬａＢｒ３等の高速シンチレータプレートは、５１１ｋｅＶ光子を止めることができるように、２０ｍｍ超の厚さを有するべきである。単一シンチレータプレートの場合、コリメータの存在を必要とする。２プレートシステムを使用する場合は、コリメータはもはや必要ない。検出器が１枚のプレートを含もうと２枚のプレートを含もうと、患者の各側に対向するように配置されるべきである。
【００７９】
多数の組合せが、本発明の範囲を逸脱することなく想定され得るが、当業者は、満たされるべき経済的、人間工学的、寸法的又は他の制約に従ってそのうちの１つ又は別のものを選択するであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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