新型コンプトンカメラの 医学分野への応用

1. 新型コンプトンカメラの医学分野への応用 京都大学大学院理学研究科助手　身内賢太朗 CONTENTS ０　背景 １　ガンマ線イメージング ２　新型コンプトンカメラ ３　PETとの比較 ４　まとめ

2. ０　背景 • 身内の背景 • 2002年3月 東大物理　博士課程修了神岡地下実験室での暗黒物質探索実験 • 2002年4月 京大へ（2003年3月より助手）ガス検出器（μ-PIC）の開発と各種応用　 • コンプトンカメラの背景（谷森等） • 1992～1999ストリップ型ガス検出器 • 1999～　ピクセル型ガス検出器(μ-PIC)の開発　性能向上　⇒　コンプトンカメラへの応用 • 2002　コンプトンカメラ原理実証機、first γ-light • 科研費（基盤B）2004~2006　代表：久保先生

3. １、ガンマ線イメージング e γ e+ • 医療分野・天文分野でそれぞれ研究が進められてきた • ガンマ線 • 数十keV~数MeVの光子（X線よりエネルギーが高い） • 物質と　光電吸収／コンプトン散乱／電子陽電子対生成 アルゴン中での反応率 γ e 光電吸収 e γ コンプトン散乱 γ 光電吸収 コンプトン散乱 対生成 対生成

4. ガンマ線イメージング（=到来方向を知る） • 光電吸収（X線と同様）・対生成は比較的容易 • コンプトン散乱：電子の飛跡を追う手段が無かった①コリメータ法（SPECT）②電子陽電子対消滅法（PET）③電子の飛跡情報なしでのコンプトン法 主となる反応 光電吸収 対生成 Z<70では コンプトンが主 コンプトン　　　散乱 Z X線で見た天体 500keV

5. 線源 検出器 e e+ • コリメータ法（SPECTなど） 視野が狭い効率が低い散乱によるバックグラウンドエネルギー高くなると無理 • 電子陽電子対消滅法（PETなど） 視野が狭い（2D PET）散乱によるバックグラウンド高価 • 「コンプトン領域」でのガンマ線イメージング いずれも、主に光電吸収を用いている

6. E0 E1 E2 γ3 γ1 γ2 COMPTEL検出器 • 「コンプトン領域」でのガンマ線イメージング② • コンプトン法　（COMPTEL検出器 on CGRO衛星1991~2000） 　　一事象から“イベントサークル“サークルを重ね合わせて　ガンマ線到来方向を決定 液体シンチレータ φ 2.6m NaI コンプトン法の原理

7. COMPTELの成果　　例えば我々の銀河の「ガンマ線イメージ」COMPTELの成果　　例えば我々の銀河の「ガンマ線イメージ」 • COMPTELの問題点 　　　イベントサークルの重ね合わせ：　　　　点源は良いが広がったソースには向かない 　　　様々なバックグラウンド←電子の飛跡情報を失っている為 COMPTELの見た銀河

8. ２、新型コンプトンカメラ • 従来のコンプトンカメラ＋電子の飛跡 • 京大（谷森グループ）　　　独自の技術 • 「サークル」でなく、「点」を決めることが可能 • 天文への応用を中心に開発、今年度より核医学への応用を研究開始 新型コンプトンカメラの概念図

9. 独自の技術：マイクロピクセルチェンバーMicro Pixel Chamber（μ-PIC） • 荷電粒子（電子、陽子など）の二次元画像のとれる微細構造（0.4mmピッチ）ガス検出器 「ピクセル」近傍の強電場で一個の電子が数千～数万個に増幅される μ-PICの写真 10×10cm2 μ-PICの概念図

10. μ-PICで撮れるX線写真 • X線が入射⇒アルゴンガスから電子を叩き出す⇒μ-PICで撮像 • 位置分解能　0.2mm以下 ばねが透視されている プローブ テストチャート

11. μ-PICで撮れるX線写真2 • 時分割可能なデータ⇒動画的扱いも可能 • X線結晶構造解析：東工大化学（大橋教授等）との共同研究 X線構造解析 μ-PICで撮られた連続写真

12. 電子 10cm 陽子 • 電子の三次元写真 • コンプトンカメラに使用する為には三次元の電子飛跡を得る必要　　⇒高エネルギー物理実験のTPC　　　　（timeprojection chamber）技術を利用 三次元飛跡 TPCの原理

13. ガンマ線検出部 • コンプトンカメラ　原理実証機 • 10cmキューブの電子検出部　　＋10cm角の散乱ガンマ線検出部 概念図 RI source 原理実証機

14. 実証された原理 • 300~700keVに対してイメージング成功 • 事象ごとに決定される「光線」を単純に重ね合わせて描画 • 各パーツの改良で分解能、効率向上へ 15 133Ba(356keV) 137Cs(662keV)×2 Y [cm] 線源 -15 X [cm] 15 -15 角度分解能25度程度

15. 原理実証から実用へ • 実用機（30cmキューブのTPC）のシミュレーションによる評価 • 位置分解能　 ～１mm（詳撮モード†） • 検出効率　　　～１％ • 視野　　　　　　～3str（人間の目と同程度） • エネルギー範囲　100keV～2MeV（ガスを換えることで最適化可能） †　分解能は角度で定義されるので、検出器を近づけると位置分解能が向上する ~30cm (768 Strips) 開発中の30cm角μ-PIC

16. 新型コンプトンカメラ概念図 シンチレータ (散乱ガンマ線検出部） 50cm 高解像度モード 電子回路 30cm 50cm マイクロTPC (反跳電子検出部） 広視野モード 50cm

17. マイクロTPC (反跳電子検出部） 小動物用新型コンプトンカメラ 刺激等 高分解能用ステレオモード 他検出器 20cm 15cm 40cm 40cm GSO 3mm角ピクセルシンチレータ256本アレイ (散乱ガンマ線検出部）

18. ３、PET・SPECTとの比較 SPD cut -180° 0° 180° • 新型カメラの特徴１～バックグラウンドフリー～ • 統計的でなく、事象毎にバックグラウンドを除去可能（αカット） αcut後 αcut前（従来の検出器での画像） αカット

19. 新型カメラの特徴２～方向決定力～ • イベントサークルでなく、事象毎に方向決定可能 • 複数の線源、広がった線源（医療利用では殆どがこのケース?）に対して圧倒的に有利 15 15 150事象 Y [cm] Y [cm] 600事象 -15 -15 -15 X [cm] 15 -15 X [cm] 15 電子飛跡情報なし（従来型コンプトンカメラ） 電子飛跡情報あり（新型コンプトンカメラ）

20. 有効面積（効率×面積）の比較 • コリメータレスな分、SPECTより効率大 • ガスは効率が悪いと思われがちだが、大面積・広視野という特徴を活かして、PETと同レベルの有効面積を得られる PET μ-PIC 有効面積はこの部分の面積に相当 典型的にはPET100cm2μ-PIC50cm2 SPECT5cm2 PET μ-PIC 効率 Axial方向長 （長谷川智之「次世代のPET装置」より）

21. 投与量の比較 • PET：10kBq/mlで最良のNECR。このときS/N=1/10 • μ-PICでは最高30kcps程度の信号処理が可能。バックグラウンドがない（total rate=NECR）ことを考えると投与量は3DPETの約1/10程度 PETの計数率長谷川智之「次世代のPET装置」より

22. B G T （拡散） • PETのバックグラウンド　　偶発同時計測　　体内散乱　　体内拡散 • バックグラウンドの影響 • SPECTのバックグラウンド　　コリメータでの散乱　　体内散乱　　　体内拡散 典型的なS/N31/10 • 体内拡散以外は新型カメラでは除去可能 BGの多いPETでのイメージ ＋ BGの少ないμ-PICでのイメージ ＋ T （患部）

23. PET • 体内拡散起源のバックグラウンド • 視野の広い新型カメラでは拡散起源と認識可能 • 視野の狭い検出器では視野内のバックグラウンドとしてしみ込む μ-PIC SPECT 赤線：患部からの事象 青実線：拡散線源からの事象 灰実線：エネルギーによって排除される事象 拡散線源からの事象も正しく捉えられる。 赤線：患部からの事象 青実線：拡散線源からの事象 青点線：青点線事象の「しみ込み」 （「散乱事象」となる） 線源拡散の影響（PET）はラインソースを用いた散乱フラクション測定（NEMA NU 2-2001散乱フラクション測定）では約　30％。（実際より小さく見積もられている） この部分だけを切り出してS/Nを更に向上可能

24. (50g) （5g） (500g) （体重50kgに対して） • 体内拡散に隠れていた小さな患部が見える? • 新型コンプトンカメラでは体内散乱が識別される 観測可能な大きさ、集中度 このような散乱フラクション測定（拡散線源中の小患部）でPETとの比較を！

25. 比較のまとめ

26. 具体事例１：　センチネルリンパ節検索 • CdTeでは最低でも10kBq必要　　　　　　　　　　新型ガンマカメラでは？ • 現在は140keVでの試験は未確認ですが、 • 100ガンマ程度の検出で存在確認可能（SUV依存大） • 仮に100ガンマ/10秒（検出器で10cps）を要求すると検出効率1%　立体角40%減衰50％　(水5cm)を考慮して病巣から5kBq（2.7μCi）程度 胸部側面像(藤井先生より)

27. 具体事例２：I-131による癌の転移発見 • 360keVに関しては、SPECTよりも有利であることは確か • 100Bq程度のRIは測定時間次第 • 具体事例3： FDG-PET検査 • 投与量を1桁以上減らして、鮮明な（バックグラウンドの少ない）画像

28. ４、まとめ • 新しい原理のコンプトンガンマカメラの特徴、優位性を示してきましたが、 • 現段階では「物理屋がうまいこと言っている」「核医学はケースバイケースでどう切り込んだら良いものやら」 • in my opinion とにかく実証、画像を撮ること。 • それを基に、何に使えて何に不向きか、discussionが可能となるでしょう。 ご清聴有難う御座いました

29. Halo（その範囲に拡散した事象は区別できない範囲）　　サイズの見積もりHalo（その範囲に拡散した事象は区別できない範囲）　　サイズの見積もり • μ-PICの位置分解能より十分大きい（直径2cm (5g)以上の）患部に対して見積もる • 画像の構成方法に依存するところが大きいので、再悪のケースを見積もる μ-PIC 半径方向に3倍広がってしまうとして 3×3=約10倍 深さ方向の不確定が体全体に広がってしまうことで20cm/2cm=10倍 halo 10倍×10倍=100倍　見ておけば十分（Halo外からのバックグラウンドは無視できる) 以下、Hsize＝100 として計算

30. 以下予備スライド

31. Prototype detector memory board Anger camera preamp micro TPC 10×10×8 cm3 Ar +C2H６(9:1) NaI（Tl） Anger 4”×4”×1” 25 PMTs position resolution ~6.7mm (FWHM) energy resolution ~11.2% (662keV, FWHM) RI source encoder micro-TPC (μ-PIC) No Veto or Shield !

32. μ-PICの性能見積もり 診断可能なSUVのr依存性 拡散を考慮した有意度の時間発展 パラメータ 患部 50g / 体重 50kg=r =10-3 SUV = 5 （典型的な集中度） (50g) （5g） (500g) （体重50kgに対して） 結論：SUVの小さいもの、小さな患部を　　　　　　　　　　　　　　　　　診断可能となる。

33. B G T （拡散） • 体内での線源の拡散の影響 線源は血液を通じて体内に拡散される。実際には線源の集中度（SUV）は5倍程度である。 BGが大きいとSUVが小さいものに対しての感度が悪い。 NT： 全投与量の計数率　　　　　　　　 Na： 患部からの計数率 Va ：患部の体積 (～患部の組織量)Vb：体の体積（～体重）　r (=Va/Vb)： 患部の体に対する体積比 BGの多いPETでのイメージ ＋ BGの少ないμ-PICでのイメージ ＋ T （患部） 患部の周囲のみを切り出せる。 →　検出優位度が更に向上

34. 30cm角(3 atm) ,30cm角(1atm) Detection efficiency[%] 10cm角(3 atm) , 10cm角(1atm) Gamma-Ray Energy [MeV] • 原理実証から実用へ（今後数年の課題） • 実用機（30cmキューブのTPC）のシミュレーションによる評価 • 角度分解能 • 検出効率　～１％

35. Background除去 15 No cut αgeo-αkin αgeo :幾何情報からのα αkin :energy情報からのα Y [cm] αによる kinematical cut src 0° 45° -45° αgeo～αkin ARM -15 -15 X [cm] 15 cut SN比の大幅な改善 15 αcut後 180° -180° 0° SPD Y [cm] cut src -15 -180° 0° 180° -15 X [cm] 15