ガンマ線高時間分解検出技術

検出器コンセプト

高時間分解能な陽電子放射断層撮影（PET：Positron Emission Tomography）用検出器を実現するために、当社はチェレンコフ放射に着目しました。チェレンコフ放射は従来のシンチレーション放射に比べて即発的に放射されるため高時間分解能が期待されます。更に、モノリシックな輻射体を採用することでチェレンコフ光の輻射体中での散乱を抑えられるため、時間分解能の向上が期待されます。しかし、チェレンコフ光は発光量が少ないという難点があります。少ない発光量で正確にガンマ線の相互作用位置を推定するために、狭ピッチの光検出器アレイを独立読み出しする案を採用しました。

■特長

モノリシックチェレンコフ輻射体
　→チェレンコフ光の時間特性を最大限に利用するため
全素子独立読み出し
　→少ないチェレンコフ光 (数光子) から多くの情報を得るため

光検出器への要求特性

上記の検出器コンセプトの元、モンテカルロシミュレーションを行いました（参考文献 1）。シミュレーションによって光検出器への性能要求が明確になりました。具体的には、光検出器は『①読み出しピッチが細かいこと』、『②単一光子時間分解能 (SPTR) が良いこと』、の２点が必要であることが分かりました。
例えば、20 mm厚の輻射体を用いて同時計数時間分解能 (CTR) で100 ps FWHMを達成するためには、SPTR< 40 ps σが必要となります。ガンマ線の相互作用位置推定の精度を向上させるためにディープラーニングを用いた手法についても検討しています（参考文献 2）。

CTRの検証

シミュレーションの妥当性を評価するためにCTR測定実験を行いました。光検出器として、SPTRが優れているMCP-PMT (R3809) を採用しました。このMCP-PMTのSPTRは25 ps FWHMであることが分かっています。
MCP-PMTにチェレンコフ輻射体 (フッ化鉛、PbF2) をカップリングしたチェレンコフ検出器を試作し、CTRを測定したところ、50 ps FWHMより優れた結果が得られました（参考文献 3）。この結果は先のシミュレーション結果から予測される値とほぼ一致しました。

チェレンコフ輻射体内蔵型MCP-PMTの開発

上記で示したチェレンコフ検出器は、輻射体とMCP-PMTの窓材の間に光学界面が存在するために時間分解能が劣化してしまいます。その光学界面を避けるために、MCP-PMTの窓材をチェレンコフ輻射体に置き換えた”チェレンコフ輻射体一体型MCP-PMT”を試作しました。輻射体と光電面の間にALD (Atomic Layer Deposition) で保護層を形成することで、輻射体の透明度が保たれています。

試作した検出器を用いてCTR測定を行ったところ、CTR = 41.9 ps FWHMが得られました（参考文献 4）。さらに、詳細な解析を行った結果、CTR=30.1 ps FWHMを得ることができました。

性能改善および環境への取り組み

さらに、材料を一から見直すとともに、上記のALDを応用した独自の成膜技術により、特定の有害物質の使用を制限するEU のRoHS指令の規制物質の一つである鉛を含有せず、低ノイズで信号の増倍率 (ゲイン) が高いALD-MCPを開発しました。

このALD-MCPを利用することで、検出器の時間特性が向上することを確認しました (参考文献6)。同時計数実験により、その時間特性は従来のMCPを用いた場合の41.9 ps FWHMに対し、35.4 ps FWHMまで向上しました。

ALD-MCPの詳細はこちら

画像再構成不要イメージング

上記の検出器対を用いることで、画像再構成処理を行うことなく、一対の検出器による高精度の陽電子放出核種のイメージングに世界で初めて成功しました (参考文献7)。本研究成果を応用することで、従来のPET装置と同等レベルの高い精度をもちながら、シンプルかつコンパクトで迅速な診断を行うことができる全く新しい形状の放射線検査装置の実現が期待できます。これにより、がんなどの病変の検査効率が向上するとともに、被ばく量を低減できることから、患者や医療従事者の負担を軽減することができると見込まれています。今後は深層学習などを用いてさらなる検出器の時間特性の向上を行いつつ (参考文献8)、本コンセプトの社会実装を目指しています。

画像再構成不要イメージングの詳細はこちら