理工学部会 企画

増幅型光センサーMPPC を用いた低被ばく・多色 CT への挑戦

有元誠片岡淳Arimoto Makoto
Kataoka Jun（早稲田大学 理工学術院・ （早稲田大学 理工学術院・総合研究所）
先進理工学研究科）

1 はじめにX 線は，強い透過力を持つため物質の内部を見通す道具として，医療や工学で幅広く利用されている。

撮影が制限されることが多い。また得られた X 線画
像はエネルギー情報を持たない白黒画像であり，後述する K 吸収端を利用した物質同定が行えないなど，機能が大きく制約されている。

例えば，誰でも一度は経験したことがあるレントゲ

これらは従来型 CT が抱える検出器の問題のため

ンは，ある一方向から X 線を照射し，人体を通り抜に生じており，簡単にこの装置構成について述べた

けてきた X 線の個数分布を空間的に知ることで，メい。従来の X 線 CT では，その検出器にフォトダイスを使うことなく体内を可視化することができる。

オード（Photodiode，以下 PD）と呼ばれる Si 半導

ここで X 線と物質が相互作用する確率は，物質の種体光素子が使われている。PD には，固有の信号ノ類や密度に依存しており，例えば骨は密度が高いたイズ（暗電流）が存在し，CT 画像に大きな影響をめ X 線が吸収されやすく，筋繊維等の軟組織は密度与える。そのため，特にコントラストの低い軟組織が低いため，X 線は吸収されずに透過しやすい。この撮影には，ノイズに対し信号電流を凌駕させるたれらの違いを利用して体内を可視化し，腫瘍等の病めに多くの X 線照射が必要となり，〜10 mSv もの変部位を発見することができる。ただしレントゲン線量が要求されている。また X 線を光信号に変換は，一方向からの投影された画像にとどまっており，

す る た め に Gd2O2S（ 硫 酸 化 ガ ド リ ニ ウ ム， 以 下その奥行き情報が失われてしまっている。そこで，

GOS）シンチレータが用いられているが，発光時定

3 次元の体内可視化を実現するために，X 線コン数が数マイクロ−数ミリ秒と長く，X 線 CT のようピュータ断層撮影（X 線 CT）が使われている。これな高い X 線照射レート下では，X 線信号が重畳しは多方向からの X 線投影画像を取得し，それらを再てしまう（図 1 上）。そのため X 線信号は，積分さ構成することで，3 次元の空間分布を得ることがでれた状態で読み出されており，個々の X 線のエネきる。現在では，その空間分解能は〜0.4 mm を達成

ルギーの情報が失われてしまっている。そこで近年，しており，レントゲンでは不可能だった臓器や血管これらの問題を打開する方法として，スペクトラルの構造をも詳細に捉えることが可能になり，現代医CT と呼ばれる技術に注目が集まっている。

療を支える基幹の技術と言える。一方で，いくつかの欠点も指摘されている。レントゲンと異なり X 線
CT では多方向からの X 線照射を行うため，患者の2 スペクトラル CT被ばく量が〜10 mSv と大きい点である。このため，スペクトラル CT の最大の特徴は，個々の X 線信放射線リスクの高い妊婦や小児に対しては，X 線 CT号を捉える点である（図 1 下）。これにより，X 線

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光子の検出を実現できる。ここで検出したパルス信号の波高が X 線光子のエネルギーに対応しており（図 1 下），その波高情報を得ることで多色イメージングが可能となる。
また，シンチレータを用いた本手法以外にも，CdTe や CdZnTe 半導体を用いた手法が提唱されている 1）。これらは，高いエネルギー分解能が最大の特徴であり，物質同定に大きな威力を発揮する。一方で，（1）半導体内の電荷キャリアの移動度が小さく，高レートの X 線に対応するために単位面積あ図 1 X 線 CT の信号模式図，（上）フォトダイオードを用いた従来型 CT。（下）MPPC を用いたスペクトラル CT

たりのピクセル数が多くなる（数 100 kHz/ ピクセル 1）），（2）信号増幅機能を持たないため，ノイズに弱く電荷増幅器が必須，（3）半導体素子が高価で信号を検出する際の信号対雑音比を大きく改善するあるため，幅広い CT 装置の普及という点で課題がことができるため，CT 撮影時の X 線照射量の減少残る，といった問題が挙げられる。ここで，MPPC（低被ばく化）が期待される。加えて，従来型 X 線を用いた場合，エネルギー分解能は劣るものの，（1）CT では不可能だった，X 線のエネルギー情報取得高カウントレートに対応可能（〜10 MHz/ ピクセが可能となる。ここで X 線 CT では，体内の X 線

ル），（2）電荷増幅器が不要となるため，読み出し阻止能（減弱係数）を得ることができ，その減弱係システムを大幅に簡素化，（3）シンチレータをベー

数のエネルギー依存性は物質ごとに固有の値を持スとするため，安価な X 線 CT システムの実現，とつ。そしてスペクトラル CT では，複数のエネルギーいった面で有利である。また従来の PD を MPPC へ帯域で減弱係数を得ることができるため，物質の同置き換えるだけで，装置化を実現できることも大き定が可能になる。例えば，体内の血管を鮮明に映しなメリットであり，現状の CT 装置との変更を最小出すために，X 線 CT ではヨウ素を含んだ造影剤がにし，技術的困難性を大きく抑えることができる。

用いられる。しかし，造影剤を用いても常に鮮明な以下では，筆者らが独自に開発した MPPC 型 CT シ

画像が得られるわけではなく，見たい血管の部位にステムを用いて，これまで得られた主要な結果につよっては，周囲の臓器や骨のために妨げられることいて簡単に紹介していきたい。

がある。そこでスペクトラル CT を用いて，このヨウ素のみを抽出することで，血管のみを浮き立たせ，さまざまな病気診断の確度を大きく上げることが期待される。

3 低被ばく化
前述したように，スペクトラル CT では信号対雑

そこで筆者らは従来の PD に代わり，新たにマル

音比の劇的な改善により，低被ばく化が期待される。

チピクセルフォトンカウンター（MultiPixel Photon

そこで筆者らは，その原理実証試験として，単ピクCounter，以下 MPPC）を採用したシステムを提唱

セルの高速な YAP シンチレータ（発光時定数：〜している。MPPC は近年注目を浴びている光半導体

25 ns，密度：5.35 g/cm3）と MPPC を組み合わせ，増幅素子（Si-PM）の一種であり，小型でかつ〜10 6 倍水とアルコールを含むターゲット（図 2 上）を用いもの信号増幅率を有していることが特徴である。こて CT 撮影を行った。水とアルコールは X 線阻止能の圧倒的に高い増幅率を利用して，X 線光子を感度が近い値をもっているため，この CT 撮影は体内の良く検出する（図 1 下）。また発光時定数の長い軟部組織のわずかな変化を検出する模擬的な撮影に

GOS シンチレータに代わり，100 ナノ秒以下の早い相当する。この際，比較を行うために，従来型の発光時定数を持つシンチレータを採用する。MPPCCT システムを模擬した PD による画像取得も行っは数ナノ秒の非常に速い時間応答性を有しており，た。図 2 下に示すように，PD と MPPC のどちらの高速シンチレータと組み合わせることで，個々の X 線

場合でも，水とアルコールの空間的構造の可視化に

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図 2 （上）アルコールと水で構成されるターゲット。
（左下）フォトダイオードで得られた X 線 CT 画像。
（右下）MPPC で得られた X 線 CT 画像成功している。しかし，PD では，画像全体にざらつきが生じてしまっており，これは PD のノイズが寄与しているためと考えられる。一方，MPPC の場合ではその圧倒的な信号強度のおかげで，ノイズの寄与を大きく抑えた画像取得に成功しており，水とアルコールのコントラストも極めて明瞭である。この両者のコントラスト及びざらつきの違いを定量評価したところ，PD を用いて MPPC と同様のコントラストを持つ画像を取得するためには，MPPC 型

図 3 （上）水とヨウ素での線減弱係数の分布。（下）K 吸収端イメージングの結果。水とヨウ素で構成されたターゲッ
トに対し，20-33keV（A）の CT イメージと，33-45keV（B）の CT イメージの間で差分をとることで，ヨウ素のみを抽出する

CT に照射した X 線の〜100 倍の量が必要であることが分かった。逆に言えば，従来の X 線 CT と同様恩恵が生まれる。その 1 つに体内の物質同定を実現のクオリティの画像を得るためには，MPPC 型 CTする K 吸収端イメージングが挙げられる。前述しでは〜1/100 の照射量で足りることに相当し，劇的たように，血管構造を強調させるためにヨウ素を含な低被ばく化を実現できる可能性を示している 。

む造影剤が用いられており，ヨウ素は 33 keV の前

ただし，ここで注意すべきは，本実験で用いている

後で急激な線減弱係数の変化（K 吸収端：図 3 上）

PD 画像は生信号出力のみを使って，再構成されたを持つ。よって，これを捉えることでヨウ素のみをという点である。それに対し，現在の X 線 CT 装置抽出することができる。そこで MPPC 型 CT で，ヨでは，信号読み出しのハードウェアから，ノイズ除ウ素を用いた K 吸収端イメージングを行った結果去のアルゴリズムを持つソフトウェアに至るまで，を， 図 3 下 に 示 す。 こ こ で は 20-33 keV と 33-3）

多くの被ばく量低減の工夫が盛り込まれている 。

45 keV のそれぞれのイメージを作成し，引き算をこれらのことを考慮すれば，スペクトラル CT によ行った。引き算する前では，両方の画像に水とヨウる被ばく量の低減効果は 1/10 倍程度と予想される。

素が見て取れるが，引き算の後でヨウ素のみの抽出2）に成功している。この結果は，高いエネルギー分解

4 多色イメージング
スペクトラル CT により X 線エネルギー情報を持つ画像を取得できるようになることで，さまざまな能を誇る CdZnTe だけでなく，シンチレータを用いた MPPC でも K 吸収端イメージングを実現できることを示すものであり，筆者らの CT システムの有用性を示す意義深い結果である。

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は〜100 keV までの X 線を捉える必要があるため，高い密度も要求される。そこで筆者らは双方を実現する YGAG（発光時定数：〜70 ns，密度 5.4 g/cm3）を用いたシンチレータアレーを開発し，これらを組み合わせて，多系統の X 線 CT システムを構築した 4）（図 4 上）。そして，この開発したシステムを用いて，ターゲットの詳細な構造を反映した 3 次元画像の取得に成功している（図 4 下）。今後，このシステムで達成できる空間解像度等の定量的な評価や K 吸収端イメージングに挑戦していきたい。

6 今後の展望スペクトラル CT は，今後 10 年の間に最も進歩が期待される医療診断技術の 1 つである。そして，
本稿では，MPPC をベースとしたスペクトラル CTの開発を中心に述べたが，一方で CdZnTe ベースのX 線 CT の開発が世界的に大きな潮流の 1 つとなっており，臨床応用に近いステージで優れた結果が出つつある 5）。その点では，筆者らの MPPC 型 CT は，技術的成熟度で言えば，まだ萌芽の段階であり，今後多くの課題を乗り越えていく必要がある。しかし，
図 4（上）開発したアレー型 MPPC-CT システム，（下）ター
ゲットの 3 次元 X 線イメージ

先に述べたように，CT 装置の幅広い普及を考えた際にはシンチレータベースの装置が欠かすことができ な い。 そ こ で 注 目 さ れ る の が， 本 稿 で 示 し た
MPPC を用いたスペクトラル CT であり，本研究が5 更なる発展へ・アレー型 CT システムの開発

将来の X 線 CT を用いた診断医療に与える影響は計

これまで得られた成果は，すべて単素子による X 線り知れない。また優れたスペクトラル CT システム

CT システムの結果であり，より実践的な CT を実を目指す上で，CdZnTe 方式と MPPC 方式が切磋琢現するためには，複数素子を用いた CT システムの磨していくことも重要であり，その点でも本研究が開発が必須である。そこで筆者らは，単素子で得らもたらす意義は大きい。これらのことを見据え，今れた知見を元に，16 系統を有するアレー型 CT シス

後更なる MPPC 型 CT システムの開発を進めていくテムの開発を進めている。ここで重要となるのは，所存である。

16 系統の MPPC ピクセルのそれぞれに〜10 MHz という高速レートで X 線光子が到来する点であり，【謝辞】

系統ごとに高速の信号処理を行う必要がある。更に，本稿で紹介した成果は，早稲田大学と日立金属（株）

X 線 CT は高密度に実装されたアレーとなるため，の共同研究及び，内藤記念科学奨励金・研究助成，信号処理のエレクトロニクスもコンパクトでなけれJSPS 科研費 JP15H05720，JP16H07266 の助成の下，ばならない。そこで筆者らは，多系統の高速信号処実施されました。また本研究の遂行にあたり，早稲理を実現する大規模集積回路（LSI）を独自に開発

田大学の学生諸氏（大島 翼氏，森田隼人氏，藤枝した。これに加えて，シンチレータアレーを製作す和也氏，丸橋拓也氏）及び宇宙科学技術研究所・池ることも重要な開発要素である。ここで求められる

田博一教授の貢献と協力に，この場を借りて，謝意

性能は，高速な発光時定数であり，更に X 線 CT でを表します。

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参 考 文 献
1）K. Ogawa, et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 664,
29-37（2012）2）H. Morita, et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 857,58-65（2017）3）東芝レビュー・医療のトータルソリューション , 66,
7（2011）https://www.toshiba.co.jp/tech/review/abstract/2011_07.htm
4）M. Arimoto, et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, inpress
5）D. P. Cormode, et al., Scientific Reports, 7, 4784（2017）

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