2014 Vol. 47 No.１

リレー講座

核医学技術の基礎「ガンマカメラにおけるコリメータの基礎」
尾川浩一

OGAWA Koichi《はじめに》
ガンマカメラは，不安定な放射性同位元素が壊変して安定になるときに発せられるガンマ線を検出して，放射性医薬品の集積の程度や動きを映像化する装置である。ガンマ線が検出器に対してどのような方向で入射してきたかがわかれば，ちょうど胸部 X 線撮影が透過してきた X 線の量で画像上に濃淡を作っているのと同様に，特定の方向からから入射したガンマ線がどの位置で多いかという画像を作ることが可能となる。これによって，ガンマ線源の集積の多さのマップ，すなわち放射性医薬品の集積の分布図が得られることになる。

図１

平行多孔型コリメータ

このように検出器に入射するガンマ線の入射方向を決めるのがコリメータ（collimator）
である。放力の高い金属を用いて孔を形成し，検出器面に垂射性同位元素には，１個のガンマ線（または X 線）直にこの孔を並べたものである（図１）。線源からを放出する核種と，ポジトロンの放出に伴う２個放出されたガンマ線がコリメータを構成する金属のガンマ線を発生する核種があるが，後者の場合に衝突すれば，そこで光電効果を生じガンマ線はは同時に放出した２個のガンマ線を対向する検出消滅する。よって，この小さな孔を通過すること器で同時計数によって計測可能であり機械的なコができたガンマ線のみがシンチレータに到達し光リメータは不要となるが，前者のような単光子放子の検出に至ることになり，特定方向からみたガ出核種の場合では機械的なコリメータが必要となンマ線の分布が映像化されることになる。この孔る。そして，このコリメータ無しではシンチグラの大きさや孔と孔の間の壁（これを隔壁，セプタムもSPECT画像も作ることはできない。
そのため，septum という）の厚さは感度や空間分解能，対象コリメータは核医学画像を作る上で非常に大切なとなるガンマ線のエネルギー等の設計要件に応じ構成要素となる。て様々であるが，もっとも一般的に用いられているものは孔の大きさが２mm 程度，隔壁厚が0.２《平行多孔型コリメータ》

mm 程度，長さが40mm 程度のものである。孔のガンマカメラで最も一般的に用いられるコリ形状は６角形，円形，正方形などであるが，これメータは平行多孔型コリメータ（パラレルホール

らはコリメータの製造方法に依存して決まってく（parallel hole）コリメータとも呼ぶ）であり，こる。例えば，図１に示した６角形の孔を作るため

れは鉛やタングステンのようにガンマ線の遮蔽能に，薄い鉛の板を波形に加工して，これらを２枚

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─9─臨床核医学図２

コリメータの開口の影響

図４

空間分解能

源がコリメータ面に近ければ小さいのであるが，コリメータから離れるに従ってさまざまな位置のガンマ線源からのガンマ線入射を許してしまうことになり，ぼけが大きくなることは容易にわかる
図３

であろう
（図３）
。通常のシンチグラムや SPECT点線源の位置とぼけの撮影において患者とコリメータの距離を可能な向かい合わせて貼れば６角形の孔ができることは限り小さくするのはこのためである。このような容易に想像がつくであろう。また，孔の位置に円コリメータの開口の問題は特に SPECT 画像の再柱状のピンを生け花の剣山のように並べておいて構成においてやっかいな問題となる。すなわち，周りに鉛を流しこみ，その後にピンを抜けば円形さまざまな方向で収集された投影データには深さの孔が作れることも直感的にわかると思う。ここ毎に異なるぼけが重畳しており，このため再構成で大切なのは，コリメータの孔は物理的な寸法を画像上では線源の位置に依存して異なるぼけが発持っていることである。
前述したように，コリメー生することになるからである。ガンマカメラの空タは入射するガンマ線の方向を限定するものであ間分解能は，このようなコリメータの開口の影響るが，もしも，特定の方向から飛来するガンマ線を受ける幾何学的空間分解能と光子検出の際の固のみを収集したいならば，孔の大きさは無限に小有空間分解能とによって決まる。固有空間分解能

さく，またコリメータの厚さ（孔の長さ）は限りなはシンチレータの厚さや光電子増倍管による位置く長くしなくてはならない。ところが，孔の直径計測時の精度の影響を受け，一般に3.３〜４mmが２mm 程度で，長さが40mm 程度であると，コ程度である。したがって，システム全体の空間分リメータの隔壁に衝突することなく，この孔を通解能はこれらの両者から図４に示した式で与えら過してシンチレータに到達するガンマ線は，検出れる。

器面に対して完全に垂直に入射するガンマ線以外

ガンマカメラを用いた核医学検査で最も使われに１つの孔ごとに片側2.86度の範囲の円錐領域かる 核 種 は Tc- 9 9 m（ ガ ン マ 線 の エ ネ ル ギ ー はらのガンマ線までも入射させることになってしま140keV）であるが，これより大きなエネルギーのう（図２）。これがコリメータの開口問題といわれガンマ線を利用する Ga 等を用いた検査では，Tc-ているものである。このような開口（アパーチャ

99m 用のコリメータを用いた場合，斜め方向からaperture）があると，シンチグラムにぼけが発生入射するガンマ線を十分に遮蔽することができずしてしまう。そのぼけの程度は，もしもガンマ線ガンマ線を多く透過させることになる。このため

─ 10 ─

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図５

平行多孔型コリメータによる映像

図６ ファンビームコリメータによる撮像

コリメータの隔壁を Tc-99m の場合のそれよりもなるためぼけの量は大きくなり，空間分解能は低厚くしないといけない。このように高エネルギー下していく。これに対して，感度は距離に依存せのガンマ線を対象とするコリメータでは隔壁厚がず一定である。

Tc-99m 等の低エネルギー用のコリメータと比較して厚くなっている。また，コリメータの孔の面《ファンビームコリメータ（コンバージングホール

積は入射してくるガンマ線の量（感度）を決めるこコリメータ）》とになる。孔が大きくなればなるほどガンマ線がファンビームコリメータは空間分解能を向上さ入りやすくなり，このようなタイプのコリメータせるためにしばしば用いられる。このコリメータを高感度用コリメータと呼ぶ。感度と空間分解能

では，孔が１つの方向のみに対して１つの焦点をは相反する要素であり，空間分解能を向上させる持つような形で並ぶので，この方向の寸法が拡大と感度は低下する。このように，対象とする核種されることになる（図６）。そして，焦点に相当すのエネルギーを記述する低エネルギー用（隔壁がる点が一直線に並ぶことになる。もしも，全ての薄い），高エネルギー用（隔壁が厚い）という言葉

孔が一個の焦点を向くように配列したならば，この他に，空間分解能を表現する高分解能形（孔のれはコンバージングホールコリメータと呼ばれる大きさが小さい），感度を表現する高感度形（孔のものになる。これらのコリメータではコリメータ大きさが大きい）などを組み合わせてコリメータの焦点とコリメータの間にある物体を拡大するよの名称が各社で定められている。検出器の空間分うな形で物体の画像が得られることになる。ファ

解能と感度はこの孔の大きさと数に密接に関連しンビームコリメータやコンバージングコリメータている。Tc-99m などを対象とする低エネルギー

では物体が焦点に近ければ近いほど拡大率は向上

用のコリメータでは，孔の直径が1.5～3.5mm 程度，し（すなわち空間分解能が高くなり），感度も向上

隔壁の厚さは0.2～0.3mm 程度，孔数が１～５万する。

個程度で，用途に応じて高分解能型，汎用型，高感度型として設計されている。コリメータ面から《ピンホールコリメータ》

被検体までの距離が15cm の場合，コリメータと小動物や甲状腺のイメージングにおいて対象物検出器を含めたシステム全体の空間分解能は10～を拡大する目的で用いられるコリメータがピン15mm FWHM
（full width at half maximum）
程度ホールコリメータである。ピンホールコリメータ

である。
撮像範囲に関しては，
平行多孔型コリメー

では数ミリ程度（開口径３～６mm）の小さな孔をタでは孔の向きが検出器面に対して垂直なので，通ってくるガンマ線を検出することになり，検出実物大の大きさの物体のガンマ線画像が得られる

器面では物体の放射能分布の形が上下左右，逆転ことになる（図５）。この際，物体と検出器の距離したものとして得られる（図７）。そして，前述のが長くなるにつれ，上述の開口角内のさまざまなコンバージングホールコリメータとは異なり，焦方向から入射するガンマ線まで入射を許すことに点は物体とコリメータの間，すなわちピンホール

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臨床核医学げることで（すなわち孔の面積を大きくして）ある程度改善できるが，この場合には空間分解能が低下してしまう。この問題に対する方策は，検出器の数を増大させることである。このような目的で，検出器を２，３台と増やしたガンマカメラが一般的に使われるようになった。近年では，心筋のイメージングを目的として心臓のみを視野にするようにピンホールコリメータや平行多孔型コリメータを十数個配置して，従来の感度を４〜10倍程度に改善するものも現れてきている。一方，このような物理的なコリメーションをやめたものが，コンプトンカメラと呼ばれるものであるが，この方
図７

ピンホールコリメータによる撮像式も研究レベルにとどまっている。の位置に相当することになる。ピンホールコリメータの特徴は，物体とピンホールが近ければ近いほど，画像が拡大されることになり，感度も高くなることである。
《コリメータが抱える本質的な問題》
これらのコリメータにおける共通の問題は，線源から放射されたガンマ線のごくわずかしか検出図８していないという点である。単光子放出核種からガンマカメラの空間分解能と感度はあらゆる方向に向かってガンマ線が放出されているが，一つの検出器ではそこに設置されたコリ《まとめ》メータの孔の範囲でしか，その線源をみていない。

コリメータは単光子放出核種に対するガンマ線

たとえば，平行多孔型コリメータと点線源の距離

イメージングではその放射位置を知るために必要が10cm であったとすると，この距離を半径とす不可欠なものであり，コリメータの形（平行多孔型，る球の全表面に向かってガンマ線が放出される。

ファンビーム形，ピンホール形）
は対象臓器や所

このときの球の表面積は４π・102cmとなる。
一方，望する空間分解能，感度，映像化するサイズに依平行多孔型コリメータの孔の半径が0.1cm であっ存して決まってくる。また，隔壁厚は使用するガたならば，そのコリメータがガンマ線を通過させンマ線のエネルギーに応じて設計仕様が決まってることができる面積はπ・0.1 cm となる。よって，くる。よって，適切なシンチグラム，SPECT 画

幾何学的効率は，（π・0.12 ）／（４π・102 ）×100像を得るためには上記のようなコリメータに関す＝0.0025％となる。このような問題は，感度を上る基礎知識が不可欠なものとなる。

2

編集
後記

昨年までの約２年間，リレー講座「診療に役立つ核医学の基本−専門医試験も見すえ」を特集してきましたが，おかげさまで専門医を目指す若手の先生ばかりでなく核医学を専門とする先生方からも好評を得ました。これらの特集記事は今後も保存版としてお使い頂ければ幸いです。
さて，今年からは新たに「核医学技術の基礎」と題して，核医学の撮像機器や画像再構成の基礎知識を中心に，その専門分野の先生方からなるべくわかりやすく説明して頂く特集を企画しました。まず今月号は法政大学の尾川先生から「ガンマカメラにおけるコリメータの基礎」を寄稿して頂きました。臨床を中心にご活躍の先生方の中でもこの分野に苦手意識がある方もおられると思います。本特集を是非利用して知識を固めて頂ければ幸いです。本年も本誌「臨床核医学」をご愛読のほどよろしくお願いいたします。
（副編集委員長 百瀬満）

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リレー講座

核医学技術の基礎「ガンマカメラにおけるガンマ線検出器の役割と特性」
尾川浩一

OGAWA Koichi《はじめに》

出器を構成する原子との間で何らかの相互作用をガンマ線を検出するためには，コリメータの孔起こさせる必要がある。図１は典型的なガンマ線を通過して検出器に入射してくるガンマ線のエネ検出の方法を示している。
（A）がガンマカメラでルギーを電気信号に変換する必要がある。この変

一般的に用いられている検出方式であり，NaI換の方式には２種類有り，一つは入射したガンマ（Tl）
シンチレータに入射したガンマ線がシンチ線のエネルギーを一旦，光の信号に変え，この光レータを構成する原子と相互作用して検出が行なを電気的な信号に変えるもの（間接検出法と呼ばわれる。核医学検査において使用する比較的低いれる）と，入射したガンマ線のエネルギーを直接，エネルギーのガンマ線と原子の相互作用では，光電気信号に変えるもの（直接検出法と呼ばれる）
で電効果，コンプトン散乱がその主なものとなってある。前者の検出器を代表するものが NaI（Tl）
シいる。これらの相互作用の確率は，原子番号が大ンチレーション検出器であり，後者のタイプを代きい（光電効果の確率が高い），密度が高い（コン表するものが，近年使われ始めた常温で使用するプトン散乱の確率が高い）ことによって大きくなことが可能な CdTe 半導体検出器または CdZnTeる。したがって，放射性医薬品から放出される60半導体検出器である。ここでは，NaI（Tl）
シンチ～300keV の X 線，ガンマ線に対して，相互作用が起こりやすい NaI（ Tl）の単結晶シンチレータレータを用いた検出器を中心に述べる。

（密度が高く，原子番号が大きい）が用いられる。
《ガンマ線検出の仕組み》

入射したガンマ線は光電効果によってエネルギーガンマ線の検出を行うためには，ガンマ線と検を失い消滅する。一方，光電効果の際に放出された光電子はシンチレータを構成する物質に対してエネルギーを与えながら，最後にその運動エネルギーを失って静止する。この際に付与されたエネルギーはシンチレータを構成する原子の価電子帯の電子を励起し，電子はアクチベータ（activator）のエネルギー準位まで押し上げられる。NaI（Tl）
シンチレータでは Tl が不純物として混合されており，これがアクチベータの働きをし，励起された電子の居場所となる。アクチベータによって形成されたエネルギー準位

図１

は，NaI 結晶の伝導帯のエネルギー準位

ガンマ線検出の方式

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臨床核医学よりも低いので，励起された電子はそのエネルギー準位にトラップされ，一方，価電子帯では電子がなくなった場所が正孔として出現することになる。不安定なアクチベータの準位にいる電子は，

表１エネルギーを蛍光（シンチレーション）と呼ばれるシンチレータ

光の形態で放出して価電子帯の正孔と再結合し安定状態に戻る。これがシンチレーション発光のメカニズムである。
この蛍光は透明なシンチレータ内を通過し，光電子増倍管（photomultiplier tube：PMT）の光電陰極面に到達する。このときに，光電面の原子と相互作用を行い光電効果が起きる。このときも光電子が放出されるが，今度は真空中を加速しなが図２ら正の電位のダイノードに衝突する。この際，２シンチレータ LaBr3と（b）半導体検出器（CZT）による Co-57のエネルギースペクトル次電子が複数個発生し，これらはそのダイノードよりももっと大きな正の電圧のかかっているダイノードに向かって加速する。
このような，ダイノード面への衝突，２次電子の放出と加速が各段で行われ，最後の陽極（アノード）に至るときには，100万倍以上の電子数となり，信号が計測される。
（B）
はシンチレータとフォトダイオードを用いた放射線計測の形を表しているが，X 線 CT などは原理的にこのような形態で X 線の計測が行われる。
この図では発生した蛍光がフォトダイオード内に入って，そこでエネルギーを与え電子・正孔対が発生し，この電気信号を計測することでガンマ線

図３の検出が行われる。
（C）
は半導体検出器の場合をレーザ加工による空間分解能の改善示すが，この場合は入射したガンマ線が素子内でまた，現在，よく用いられているシンチレータの光電効果を起こし，そのときに発生した光電子がエネルギー分解能は９％程度（140keV）である。

近傍の結晶素子にエネルギーを与え，電子・正孔NaI（Tl）
シンチレータのエネルギー分解能は，対対が発生する。この電荷（キャリア）を素子の両面象となるガンマ線のエネルギーが低くなると若干のピクセル電極に集めて信号の計測が行われる。

低下する。このため，Tc-99m のイメージングよガンマカメラで用いられる NaI（Tl）
結晶は，さりも Tl-201のイメージング時には少しエネルギーらに残光特性として減衰時間が短いこと，発光特ウィンドウを広くしてデータを収集することが行

性として波長が光電子増倍管の感度に一致していわれている。前述した半導体検出器を搭載したガること，大型化が可能であるなどの長所を合わせン マ カ メ ラ は だ い た い ５ ～ ６ ％ FWHM持っているのでイメージングに大変都合がよい。

（＠140keV）
であるが，シンチレータの場合には実際には，厚さが９mm 程度で，形状が長方形（40ガンマ線のエネルギーがいったん光に変換されて，×55cm 程度）のものが一般に用いられている。光さらにその光が光電子増倍管によって電気信号に子を検出する際の空間分解能はこの厚さが薄くななるため，変換時の統計的揺らぎやエネルギー損るほど高くなるが，厚さが薄くなると入射したガ失が大きく，エネルギー分解能を低下させる原因

ンマ線が相互作用を起こさずに透過してしまうととなっている。このエネルギ－分解能の低さはいう確率が増加し，検出感度は逆に低下してしま

NaI
（Tl）
シンチレータの大きな問題点であり，複う。そのため，感度と空間分解能の兼ね合いから数の核種を用いて検査を行うと，各々の核種の光決めた９mm 程度の厚さの結晶が用いられている。

電ピークが十分に弁別できなかったり，コンプト─ 26 ─2014 Vol. 47 No.２
《シンチレーション検出器の性能改善》
表１にはさまざまなシンチレータの物理的特性を示したが，前述したように NaI（Tl）
シンチレー
タのエネルギー分解能はそれほど良くない。近年
では，このようなエネルギー分解能の低さを改善することを目的として LaBr（Ce）などの新しいシ3ンチレータも開発されている。このシンチレータのエネルギー分解能は６％FWHM（＠140keV）程度であり，半導体検出器のそれに匹敵するので実用化に向けての研究もさかんに行われている。図２左には LaBr（Ce）
で計測した Co-57のエネル
3
図４

ギースペクトルを示し，右には CdZnTe 半導体検前面から見た光電子増倍管（３インチ）出器で測定したものを示す。シンチレータであっても半導体検出器と同等の良いエネルギー分解能が得られていることがわかる。また，固有空間分解能が低いことにより，PET 装置のような高分解能の機能イメージング画像を得ることができないのも欠点の一つである。近年では空間分解の向上を目指して，シンチレータの結晶内に細かなクラック（ひび，割れめ）をレーザを用いて作り，ひとつの単結晶でありながらも，その蛍光の拡散する範囲を限定し，あたかも人工的なピクセルを生成することも行われている（図３参照）。蛍光はこのクラックの部分で反射や散乱をするために，発図５

光は限定的な範囲にとどまり，空間分解能の向上側面から見た光電子増倍管（信号増幅部）に寄与することになる。このようなシンチレータ
ン散乱した光子がプライマリ光子のエネルギーの こ と を 構 造 化 シ ン チ レ ー タ（ structuredウィンドウに入るため，プライマリ光子のみによscintillator）と呼んでいる。これらの様々な改善る映像化ができないということが起きる。散乱線によって，高いエネルギー分解能，空間分解能もの補正やクロストーク補正が必要となるのはこの実現しつつある。

ためである。また，シンチレータの欠点は空間分解能において限界があることである。これはガン《光電子増倍管と位置検出》

マカメラが，もともとガンマ線との相互作用の際シンチレータでガンマ線のエネルギーが光に変に発生した蛍光を検出して，それをガンマ線の入換された後，その光を電気信号に変換するのが光射位置と見なしている点にある。すなわち，入射電子増倍管であり，通常フォトマルと呼ばれていしたガンマ線がたまたま光電子増倍管に近い結晶る。図４の光電子増倍管はシンチレータで発生し内の位置で相互作用を起こせば，その光が拡散すた光子を，前面の光電面で光電子に変え，これをる範囲が狭くなり光電子増倍管には大きな信号が図５に示した多数段のダイノードで２次電子増幅発生し空間分解能が高くなる。これに対し，光電するものである。光電面としては Cs-Sb，あるい子増倍管からもっとも遠い，すなわちコリメータは Cs-K-Sb が用いられ，この感度特性はシンチに近い結晶内の部分で相互作用が起これば，そのレ ー タ の 発 光 ス ペ ク ト ル に 適 合 し た 値（ 4 0 0 ～光が拡散する範囲は広くなり，位置検出演算の精370nm）で最大となっている。通常は電子１個の度が若干低下し，その結果空間分解能が低下する入射に対してダイノード１段当り３～６個の２次ことになる。

電子が発生し，10段のダイノードを持つ場合，全体で106～107個程度の電子が発生する。この複数
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臨床核医学の光電子増倍管からの信号を用いて位置検出が行

は光電子増倍管と同様の増幅率をもちながら，磁われ，ガンマ線の入射位置が特定されることにな場の影響を受けないので近年，ハイブリッドシスる。通常，ガンマカメラ全体では40～80本の光電テムの領域では注目を浴びている。

子増倍管（直径50～75mm）が用いられているので，各々の光電子増倍管の感度特性のずれがガンマ線《まとめ》の入射位置の決定や均一性に大きな影響を与える。

NaI（Tl）
シンチレータは入射したガンマ線を，このため LED などの基準発光源を用いて光電子一旦，光の信号にして，後段の光検出，増幅器で増倍管の性能を常時安定させることができるようある光電子増倍管で入射ガンマ線の位置とエネルになっている。光電子増倍管は，光電子を増幅すギーを知るために不可欠な要素となっている。こる一種の真空管であり，PET 装置にも用いられのシンチレータの使用は60年以上も核医学のガンているものであるが，MRI 装置と組み合わせたマカメラで用いられ続けており成熟した技術にSPECT/MRI や PET/MRI などでは静磁場の影響なっているが，新しいシンチレータの開発やよりを受け使用することができない。そこで開発され高い空間分解能を目指したピクセル化技術，ならた の が SiPM（ シ リ コ ン フ ォ ト マ ル ）あ る い はびに新しい光電変換増幅装置の開発も盛んに行わ

MPPC（ multi-pixel photon counter ）と 呼 ば れ る

れており，より進化つつある。

半導体技術を用いた光電変換素子である。これら

From

LateDisease
toEarlyHealth

GEはEarly Health実現に向けてMolecular Imagingを使って世界の医療における変革を推進し、疾患が進行してからの医療（Late Disease）から早期診断・早期治療（Early Health）の確立を目指します。

販売名称：X線CT組合せ型ポジトロンCT装置 Optima PET/CT500,Discovery PET/CT 600
薬事認証番号：221ACBZX00029000
販売名称：核医学診断用装置 Discovery NM/CT 670
薬事認証番号：222ACBZX00088000
販売名称：放射性医薬品合成設備 FASTlab
薬事承認番号：22300BZX00445000
DOC1215724

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