装置開発ライフをたのしむ

Shin’ichiro Takeda (Kavli IPMU)
1

ガンマ線イメージング職人

『Space to Life』

This story is dated back to 2009
Young Takeda

4The story in 2019

Talk today① ガンマ線イメージングの追求
・エネルギー: 100 keV - MeV・Si/CdTe コンプトンカメラを主軸として② 硬X線イメージングの追求
・エネルギー: 10 keV - 200 keV
・CdTe +マルチピンホールコリメーターを主軸として

6

Power of visualization
At the 20 km evacuation zone from Fukushima
Daiichi nuclear plant (Takeda et al. 2014)
80
70
60
50
40
30
20
10137Cs (662 keV)

7

Gamma-ray imaging is exciting !
Iodinated (131I) methylnorcholestenol & 85SrCl2(Takeda et al. IEEE)
131I (364 keV)

85Sr (514 keV)skull

thyroidspine

adrenallumbargenitals

8femur宇宙ガンマ線計測の要求

低・100 keV - MeV 帯域の観測のむずかしさ
・ まともな集光テクノロジーがない
・ 相互作用がコンプトン散乱に支配される。
・ 微弱な天体信号 (1 photon @ 1 cm2, 105 sec)
COMPTEL (NASA CGRO satellite)
・ バックグランドの遮蔽が難しい。

感度

2.6 m
1.5 ton

高感度のギャップ
(100 keV-MeV)
9コンプトンカメラは有力である。しかし、100 keV - MeV で使えるものは存在しなかった。

コンプトンカメラの原理
・散乱位置と吸収位置の情報 (X1,X2)
・反跳電子と散乱光子のエネルギー情報(E1, E2)
コンプトン散乱θ

散乱体(E1,X1)・散乱角θの計算->コンプトンコーンの決定
・コンプトンコーンの重ね合わせ
・統計的に有意なSp

ソースの検出

光電吸収(E2,X2)吸収体

コンプトン散乱の運動学
2cosθ = 1 − me c!

11−E2
E1 + E2"
10コンプトンコーン

なぜ Si/CdTe なのかTakahashi et al. 2003
コンセプト・高分解能 (∆X, ∆E) 半導体検出器
・低エネルギーガンマ線のトラッキング(e.g. E1~ 5 keV @ 45°散乱 of 100 keV)Siθコンプトン散乱

(X1,E1)
CdTe

光電吸収・ 高密度積層実装 -> 高い検出効率
・ Low-Z (Si) & High-Z (CdTe)・Si : ドップラーブロードニングが小さい-> 高い角度分解能 (~1° @ 511 keV)

(X2,E2)・CdTe : 優れた光子阻止能(Z=48(Cd), 52(Te), ρ=5.85 g/cm3)

100 keV - MeV 帯域のガンマ線イメージング性能を追求する上で理想的な検出器コンフィギュレーション11Large-scale Si/CdTe Compton camera
初めての本格的な性能評価プロトタイプ (Takeda et al. 2007)
4 layers Si double-sided strip detector module(Takeda et al. SPIE newsroom)
Strip pitch : 400 um
Device size : 2.56 cm x 2.56 cm
Num. of strips : 64 x 64
Stack pitch : 2 mm
ΔE : 1.6 keV at 60 keV (FWHM)

4 layers CdTe pixel detector module
Pixel size : 1.4 x 1.4 mm
Device size : 1.35 cm x 1.35 cm
Num. of pixels : 64
Stack pitch : 2 mm
ΔE/E : < 1.0 % (FWHM)

12

コンプトンカメラ応答理解の追求
物理の結果を出すために、実機の応答をどうやって理解すれば良いか。
絶対検出効率エネルギースペクトル
角度分解能
偏光検出能力 など

むずかしさ

4 layer
Si-DSSD+ &32
32CdTeCdTe pixels
4積層DSSD
Pixels

検出器40 個readout channels)
合計 2560ch (2560を 40個のVA64TAで読み出しからなる大規模なシステム

複雑な物理プロセス : 複数回のコンプトン散乱、蛍光X線のエスケープ、パッシブな物質との反応に加えて、現実の検出器 (Si-DSSD, CdTe-pixel) の応答
13高精度モンテカルロシミュレーターの構築
Forward Method による直接比較
Geant 4 モンテカルロコード(ジオメトリ・物理プロセス)+ 検出器レスポンス‘‘現実の検出器’’ の応答を測定し、

eSi
CdTehe・・ その応答をモデル化し、・ シミュレーターに組み込む。

・ 隣接 strip/pixel でのチャージ
シェアリング・ 電荷収集効率の位置依存性(特にCdTe)・ 不感領域
14

Si-DSSD の応答モデリング
アプローチ :241-Am (59.5 keV)

P-sidestrips

電極間エネルギー相関と 2D デバイス
ポテンシャル計算に基づき、誘導電荷モデルを構築する。(Takeda et al. NIMA 2007)
N-side strips

P-sideStrip no.Channel
73 ADC Channelno. 73

隣接ストリップ間の波高値相関

electrode

電極直下での反応

電極間相関(Full charge collection)

電極の間での反応低エネルギーのライン(18,21 keV)
Strip no. 74 ADC Channel
P-sideChannel no. 74

15electrodeh en-side
electrodeelectrode(Charge sharing)h e

由来不明の逆極性パルス

n-side

The model (逆極性パルスの由来)
electrode

SiO2electrodeelectrode00-50-50-100-100-150-150-200-200-250-250-300
050100150200250300

350

400-3000

理想的なポテンシャル

50100

SiO2++++

150

200

250

300

350

400

現実のポテンシャル
ローカルミニマムポテンシャル-q-(1/2)q+(1/2)q+q -q+q -q

N-side 側へ移動

electrode16

ローカルミニマムでトラップ

応答モデルの検証
Anode_b

モデル出力

実験データ

count

電極間相関
Strip no. 73 ADC Channel

GFH
EAD
B
Strip no. 74 ADC Channel

C

現実の検出器では、“隠された” 応答 (不感領域)
SiO
Anode_b2CDB

Anode_aRedBlue
OrangeCyan

Anode_aEFAGH

実験

モデル

1.00.058
0.042
N/A

1.00.041
0.020
<0.01

For 59.5 keV gamma-ray
17

CdTe-pixel の応答モデリング

X-ray, Gamma-ray

Cathode (-)

アプローチ :

スペクトル形状が第一の手掛かり( µτ積)。Charge sharing も測定し、拡散効果を取り入れる。 (Takeda at al. 2010)

heAnode (+)

キャリア移動度、寿命無限大+ キャリアのトラップ ( μτ 積)+ 複数ピクセルへの電荷の拡がり(Charge sharing)を測定、それを「拡散」の効果としてモデルに取り込む。

Tail

18

Forward Method での直接比較実験と同じエネルギー・同じ数の光子をシミュレーターの入力として実験を再現する。コンプトンカメラのスペクトルを、実験値と直接比較する。

Si-DSSDとCdTe-pixel のレスポンスの組み込みの効果により、スペクトル形状がよく再現された。絶対検出効率もよく合う(次のページ)。

絶対検出効率の検証
コンプトンカメラの絶対検出効率

MC Simulation

10%の精度で絶対検出効率を再現した。
20

イメージング性能の検証
角度分解能のエネルギー依存性

Experiment
MC Simulation

2.5° (FWHM) @ 511 keV

角度分解能のエネルギー依存性もよく再現されている。衛星搭載
コンプトンカメラ (ひとみ衛星 2016) をデザインするための、精度の高いシミュレーターを実現した。
21

偏光測定能力の検証 @ SPring-8
SPring-8 BL08W

検出器座標におけるアジマス散乱分布

yx散乱分布・± 90°方向と、0, 180°方向の計数の違いが入射光子の偏光によるもの。
・+ 90°と- 90°方向の ~10 ％ の計数の違いが DSSD 周りの passive
material の非一様性によるもの。

(Takeda at al. 2010)22

コンプトンカメラを地上で使う① マルチヒット再構成② 放射性物質の集積の有意度の判定方法③ 近距離イメージングへの適用
54Mn

NORM Imaging
131I (364 keV)

85Sr (514 keV)

① マルチヒット再構成
課題 :ASTROCAM / ひとみ衛星SGD

・入射光子のエネルギーが高くなると、CdTe でのコンプトン散乱が増え、マルチヒットイベントが増える。

Silicon sensors
32 layers( e.g. Si (1hit) & CdTe (1hit) : Only 35 % @ 662 keV )hit

・ただし、正しい反応順序はわからない。
(no time of flight)
どっちが起こりやすい？
Sequence 1

Sequence 2SiDSSD[φl t]
122[φl t]
1

CdTe

CdTe

Absorption

hit

CdTe sensors
Bottom : 8 layers
Side : 2 layers x 4 方向アプローチ :シーケンスのトポロジーから決まる散乱角 [Φ|t] とエネルギーから決まる散乱角 [Φ|e] の差が小さい
Siシーケンスを選ぶ。
Sequence 1

Sequence 2

DSSD

[Φ|t]
[φl t]

1(Takeda et al. 2012, Ichinohe et al. 2014)2

結果 :・ 検出効率 : 2.5 倍・ 正しく再構成された割合

2[Φ|t][φl t]

CdTe

CdTe

1

マルチヒット解析

87 % (0°入射), 84 % (80°入射)
0 degreeSi (1hit) & CdTe (1hit)
解析

80 degree25

[ Intensity ]② 放射性物質の集積の有意度の判定方法
コンプトン
コーン

ホットスポット
ホットスポット？

推定された
裾野構造

統計揺らぎ
[ Position ]PSF の広い裾野構造のため、イメー
ジ上の統計揺らぎの定量化が難しい。裾野構造を推定するアルゴリズ
ムを開発。
26[sigma]

Back有意度マップ
projection image

③ 近距離イメージングへの適用@ Medical imaging

コンプトンカメラ

子がコンプトンカメラにより検出される確率は、カメラまでの距

検出確率: 低遠近ソースが有限の距離にある時、光離に依存する。
検出確率: 高カメラまでの距離に応じて補正した確率密度を、コンプトンコーンに与える。

コンプトンコーン(Takeda et al. IEEE TNS 2012)27

結果 : 同じ強度を持つ 5 つの点線源
Normal back projection

Near-field back projection

[mm]

[mm]
[mm]

28

結果 : 同じ強度を持つ 5 つの点線源

ROI

Near-field back projection
4.7
4.7 mmmm (FWHM)
[mm]

12 mm

[mm]

各点線源の強度 (積分値)がよく回復している。
29

Comptoncamera
CameraCompton

結果 :in-vivo マルチプローブイメージング~100 mmRIKEN-CMIS (現RIKEN-BDR) との共同研究

mouseheating pad(Takeda et al. IEEE TNS 2012)

Iodinated (131I) methylnorcholestenol & 85SrCl2
131I (364 keV)thyroid

85Sr (514 keV)skullspine
adrenallumbargenitals

femur

Stage

結果 :マルチプローブ Human イメージング
群大医学部との共同研究(Nakano et al. 2020)

世界初！
99mTc-DMSAからのエネルギー

18F-FDGからのエネルギー

141 keV のガンマ線をイメージング

511 keV のガンマ線をイメージング

Talk today① ガンマ線イメージングの追求
・エネルギー: 100 keV - MeV・Si/CdTe コンプトンカメラを主軸として② 硬X線イメージングの追求
・エネルギー: 10 keV - 200 keV
・CdTe +マルチピンホールコリメーターを主軸として32

がん幹細胞を叩け !

「がん幹細胞」: 2006 年米国がん学会で定義、がん組織の女王蜂、再発/転移の原因、治療抵抗性( 慶応大学佐谷教授のご厚意による)「がん幹細胞」をターゲットとした放射線治療・抗がん剤開発は、がん研究の最前線。
33

何を目指しているか？
「がん幹細胞」を可視化する次世代硬X線「3D」イメージング装置

with 超高解像度 (<100 µm)、マルチプローブ(1)「がん幹細胞」の生体内分布
NeXT-SPECT
Imaging Concept :“Ultra-High Resolution”(2) 候補抗がん剤や薬剤輸送システム(DDS)の同時可視化“DDStargeting CSCs”“Multi-Probe”

CSC Tracer
Radioisotope A

Multiple
Molecular probes

Drug Delivery System (DDS)Radioisotope B
CSCs
non-CSCs
Small animal

Tumor@ NCC with ISAS/JAXA, U. Arizona, Keio U., RIKEN
34イメージングシステムへの要求
コリメーターへの要求
100 µm 以上の空間分解能 -> ピンホールコリメーター(Lars Furenlid et al., Freek J Beekman et al.)

十分な検出効率 (>10-4) -> マルチピンホール
100 µm ピンホール : ~ 10-6 -> 100 holes 以上x3
コリメーター
検出器

検出器への要求
多数のプロジェクション(~100 holes) -> 広い検出器面積
マルチプローブ -> 優れたエネルギー分解能
よく使用される核種
125-I (27.5 keV),111-In (23.2, 171, 245 keV), 99m-Tc (141 keV)Try 3D! CdTe 3D Gantry

30 cm
3 cm
Efficiency 5.4x10-4 (Φ200 µm, 168 hols)

Slot2

image_ecut_0100_masked
120

Slot3

180

image_ecut_0100_masked
250

140
80

200

100

220

1202001201006080

Slot1

image_ecut_0100_masked

160

100

120

180

100

160

80

150

804060

40

100

140

60120
60

100

2040

2080

40
0050

202040

60

80

100

60012040

200020

40

Slot4

60

80

100

20

0120

00

image_ecut_0100_masked
120

20

40

Z

3
lot

250

s

100

80

100

Slot8

0120

image_ecut_0100_masked

slot2

300

60

240

120

slot1

220
200

100

180200

slot4

80

Y
X

100

40

140

slot8

150

60

160

80

120

60

100
80

40

60

520

40

60

80

100

Slot5

1200

slot6

image_ecut_0100_masked
120

00

Slot6

image_ecut_0100_masked

200
180160120120804020204060

80

100

120

100

120

0

240

5 cm

220
200

100
180

Inverse problem
Can be solved?

100

160

160

80

140

140

80

120

60
2080

120

180

100
40

60

200

140
60

40

image_ecut_0100_masked

220

80

20

Slot7

240

100

0020

sl

0
0

40

20

ot
7ot

sl

50

20

100

60

120

60

100
80

40

80

40

60

0

40

20

20

40

20

20

0060

20

40

60

80

100

120

000

20

40

60

80

100

120

0

Yes, it can be!
125I, φ 500 µm, MLEM

10 mm

9 x Φ 0.5 mm holesDCross sections

DD = 0.5 mm
D=500µm

3D spatial resolution better than 500 µm is available.
40

装置開発ライフをたのしもう41