ISSN 0441-2540
第 52 巻 第7号
2 0 0 9. 0 7
Vol. 52
特 集
第4回国際
「細胞 分子 及 軽 影響」
4th NIRS International Open Laboratory Workshop
on Cellular and Molecular Eff ects of Light Ions
第52巻 第7号
2 0 0 9 . 0 7
Vol. 52
特集
第4回放医研 国際 「細胞 分子 及 軽 影響」
主催:国際オープンラボラトリー 重粒子線治療モデル研究ユニット
4th NIRS International Open Laboratory Workshop on Cellular
and Molecular Effects of Light Ions, planned by Particle Therapy Model Research Unit
編集後記
2)Particle transport approaches for biological optimized inverse treatment planning
生物学的 最適化 逆方向治療計画 粒子輸送 試
Johanna Kempe Medical Radiation Physics, Department of Oncology-Pathology, Sweden
研究所 腫瘍・病理学部 医療放射線物理研究
16
31
4)Development of biologically optimized radiation therapy:Maximizing the apoptotic cell kill
生物学的 最適化 放射線療法 開発: 細胞死 最大化
Patrick Vreede and Anders Brahme
Division of Medical Radiation Physics, Department of Oncology-Pathology, Sweden.
研究所 腫瘍・病理学部 医療放射線物理研究
、
24
3) Apoptosis and Molecular Responses Induced in Tumour and Normal Cells in vitro Exposed to Accelerated Ions培養 腫瘍 正常細胞 加速 誘発 分子応答
Annelie E. Meijer Medical Radiation Physics, Department of Oncology-Pathology, Sweden
研究所 腫瘍・病理学部 医療放射線物理研究 / 大学
E.
59
1) Development of the X tal Cube : The Next Generation PET Detector Using Semiconductor Photo-detectors
半導体受光素子 用 次世代PET検出器 X tal Cube 開発
Naoko Inadama1), Yujiro Yazaki2,1), Hideo Murayama1), Fumihiko Nishikido1), Taiga Yamaya1), Eiji Yoshida1), Hiroto Osada2,1), Kengo Shibuya3,1), Mikio Suga2,1), and Takaji Yamashita4)
1)Molecular Imaging Center, NIRS, 2)Chiba University, 3)University of Tokyo, 4)Hamamatsu Photonics K. K.
放射線医学総合研究所 分子 研究
稲玉 直子、 矢崎 祐次郎、 村山 秀雄、 錦戸 文彦、 山谷 泰賀、 吉田 英治、 長田 拓人、 澁谷 憲悟、 菅 幹夫
千葉大学 矢崎 祐次郎、 長田 拓人、 菅 幹夫 東京大学 澁谷 憲悟 浜松 株式会社 山下 貴司
08
Designed by S. Ban
:伴 貞幸
Commentary
解説
Hirohiko Tsujii Executive Director and Director of International Open Laboratory Sadayuki Ban Head, Planning Office, International Open Laboratory
Head, Planning and Promotion Office, Research Center for Charged Particle Therapy
理事・国際 辻井 博彦
国際 運営室長・重粒子医科学 運営企画室長 伴 貞幸
53
4th NIRS International
Open Laboratory Workshop on Cellular and Molecular Effects of Light Ions,
planned by Particle Therapy Model Research Unit
4 放射線科学 Vol.52 No.7 2009 放射線科学 Vol.52 No.7 2009 5
7 放射線科学 Vol.52 No.7 2009 6 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
Editor-in-Chief Hirohiko Tsujii*, M.D.,Ph.D.
編集長 辻井 博彦
Associate Editors Sadayuki Ban*, Ph.D.
編集員 伴 貞幸
Naruhiro Matsufuji*, Ph.D.
松藤 成弘
Takeshi Murakami*, Ph.D.
村上 健
Masanori Okamoto*, Ph.D.
岡本 正則
*National Institute of Radiological Science, Chiba, Japan 放射線医学総合研究所
Editorial Board
Radiological Sciences
放射線科学
Volume 52, Special Issue : July 2009
第52巻 特集号、第7号 2009年
9 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
Feature :4th NIRS International Open Laboratory Workshop on Cellular and Molecular Effects of Light Ions
1)Development of the X tal Cube :The Next Generation PET Detector Using Semiconductor Photo-detectors
半導体受光素子 用 次世代PET検出器 X tal Cube 開発
Naoko Inadama1), Yujiro Yazaki2,1), Hideo Murayama1), Fumihiko Nishikido1), Taiga Yamaya1), Eiji Yoshida1), Hiroto Osada2,1), Kengo Shibuya3,1), Mikio Suga2,1), and Takaji Yamashita4)
1)Molecular Imaging Center, NIRS, 2)Chiba University, 3)University of Tokyo, 4)Hamamatsu Photonics K. K.
稲玉 直子1)、 矢崎 祐次郎2,1)、 村山 秀雄1)、 錦戸 文彦1)、 山谷 泰賀1)、 吉田 英治1)、 長田 拓人2,1)、 澁谷 憲悟3,1)、 菅 幹夫2,1)、 山下 貴司4)
1)放射線医学総合研究所 分子 研究 、 2)千葉大学、 3)東京大学、
4)浜松 株式会社
ABSTRACT
We are engaged in the development of an X tal cube which is a three-dimensional (3D) block detector for the next-generation PET system. It consists of a 3D array of cubic crystal segments (a crystal block) and semiconductor photo-detectors such as Avalanche photodiodes (APD) or Multi-Pixel Photon Counters (MPPC). By identifying the light-emitted crystal segments, it is possible to obtain 3D position information of gamma-rays absorbed in the crystal block. In the crystal block, there are no refl ectors inserted between the crystal segments, and the photo-detectors are located on the surface area of the crystal block. This detector arrangement minimizes light attenuation in the crystal block as the path length from the scintillation points to the photo-detectors is minimum so as to achieve favorable detector performance.
By sparsely arranging the photo-detectors on the surface of the crystal block, it is possible to reduce the number of photo-detectors. The area not coupled to the photo-detectors is covered with reflectors. We have investigated crystal identification performance as a function of the photo-detector arrangement as a preliminary study to the development of an X tal cube.
INTRODUCTION
A depth of interaction (DOI) detector provides three-dimensional (3D) position information of gamma- ray absorption in the detector. A PET scanner having high sensitivity requires the use of long slender scintillation crystals and large axial view, which causes
要約
我々 研究 現在、次世代 PET 検出器 期待 X tal cube( ) 開発 取 組 。X tal cube 、立方体 結晶 素子 3 次元配列(結晶 ) Avalanche photodiodes
(APD) Multi-Pixel Photon Counters (MPPC) 半導
体受光素子 構成 、 光 発生 結晶
素子 特定 結晶 内 γ線 吸収 位置 3 次元 得 検出器 。受光素子 結晶配
列表面 配置 、 間 光
逃 反射材 覆 。 受光素子配置 、常 受
光素子 光 発生点 近 位
置 、 光 受光 光
路長 短 分減衰 少 済 。 、 結
果得 光量 多 、X tal cube 検出器 良好 性能 期待 。
本実験 、X tal cube 開発 基礎研究 、受 光素子配置 配置 得 検出器 結晶識別能 関 係 調 。
序論
Depth of interaction (DOI) 検出器 、検出器内 γ線 吸収 位置 深 方向 含 3 次元 得 検出器
。PET 装置 高感度 、 結
晶 十分 検出効率 得 長 、装置 視野
立体角 大 体軸長 長 望
稲玉 直子(Naoko Inadama)
degradation of spatial resolution because of oblique incidence of gamma-rays to the detector ( Fig. 1 a) ).
Because the spatial resolution is recovered by the DOI information as shown in Fig. 1 b), the DOI encoding technique is an important factor to realize a PET scanner with both a high sensitivity and a high spatial resolution.
Various DOI encoding methods have been reported, which include pulse shape discrimination of different scintillation crystals [1, 2], the DOI crystal layer arrangement in which each crystal layer was shifted half of the crystal element pitch to cause different responses between the crystal layers [3, 4].
There are other methods such as the use of a DOI detector with specified wavelength interference filters [5] and the use of a detector consisting of a 3D crystal array in which some parts of the refl ectors are removed to control the scintillation light path in the array so as to obtain DOI information [6]. Most of the schemes above use position-sensitive photomultiplier tubes (PS-PMT).
Recently, there have been many proposals to replace the PS -PMT with semiconductor photo- detectors, e.g., avalanche photodiodes (APD) or Geiger- mode APDs (Si-PM or MPPC: (Multi-Pixel Photon Counter)), both chosen in light of their remarkable advancement in recent years [7, 8]. These compact and thin photo-detectors have a potential for overcoming the limitations of detector design; a promising feature due to the fact that, for instance, they do not obstruct in gamma-ray detection in the detector ring arrangement for PET even when placed in front of the detector. We have initiated a project to develop a new DOI detector
、 同時 斜 方向 入射 γ線 視差 位置分解能 劣化 引 起 (Fig. 1 a))。 劣化 Fig.
1 b) 示 DOI 情報 回復
、DOI 情報 得 技術 PET 装置 高感度・高分解能
両立 欠 要素 。
現在 様々 DOI 検出 手法 提案 。波
形 異 結晶素子 DOI 方向 並 波
形 違 結晶 種類 特定 DOI 情報 得 波形弁別法
[1, 2]、 結晶配列 DOI 方向 結晶半個 分 配置 DOI 方向 結晶応答 位置
配列内 結晶 特定 DOI 情
報 得 方法 [3, 4]、特定波長 対 干渉
DOI 方向 結晶配列間 挿入 DOI 情報 得 方 法 [5]、3 次元結晶配列内 特定 結晶素子間 反射材
挿入 光 広 制御
DOI 方向 結晶応答 位置 DOI 情報 得 方法
[6] 。 含 、今 提案 DOI
検出器 位置弁別型光電子増倍管(PS-PMT)
用 。
近年、 (APD)
APD(Si-PM、 MPPC(Multi-Pixel Photon Counter))
半導体受光素子 急速 発展 遂 、 受 PS-PMT 半導体受光素子 置 換 DOI 検出法 提案
出 [7, 8]。小型 薄 半導体受光 素子 新 検出器 可能性 持 、例 、今
PET 装置 組 込 時 被検者側 検出器 上面 受光素子 置 γ線検出 際 散乱体
考 、体積 小
半導体受光素子 可能 。 背景 中、
半導体受光素子 用 DOI 検出器 「
(X tal cube)」 提案 、開発 立 上 。今回我々 、初期実験 X tal cube 検出 器性能 調 。
Fig.1:Comparison of spatial resolution in the PET scanner a) without and b) with depth of interaction (DOI) information.
図1:PET装置 Depth of interaction(DOI)情報 a) 場合 b) 場合 位置分解能 比較。
8 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
特集/第4回放医研 国際 「細胞 分子 及 軽 影響」
特集 第
4回放医研
国際
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4回放医研
国際
11 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
Feature :4th NIRS International Open Laboratory Workshop on Cellular and Molecular Effects of Light Ions
scheme using semiconductor photo-detectors. We call the DOI detector as X tal cubes . In this study, preliminary experiments have been conducted to assess detector performance of the X tal cube.
MATERIALS AND METHODS
A. X tal cube design
Fig. 2 shows the sample design of our X tal cube, in which small cubic crystal segments are arranged to form a long cubic crystal block. A number of semiconductor photo -detectors are partially coupled to the six surfaces of the crystal block. Unlike the conventional PET detectors, no refl ector material is inserted in the crystal block, which may have caused light attenuation due to the long light path to the photo-detector and the refl ection loss. Since no refl ector is inserted in the crystal block in the X tal cube, the scintillation light propagates symmetrically into the x, y, z directions. 3D information can be obtained for light output in the X tal cube by placing photo-detectors on the six surfaces of the cube. Whereas light spreads isotropically in the detectors constituting a monolithic scintillation crystal block, scintillation light propagation in the X tal cube is subject to constraints imposed by the boundaries of the crystal segments.
Position calculation based on all photo-detector signals permits identifi cation of the scintillated crystal segment in the crystal block. While it is clear that covering the crystal block with closely packed photo-detectors over all surfaces can provide optimum performance, our goal was to achieve a reasonable level of detector performance with a limited number of photo-detectors. The surface area not coupled to photo-detectors is covered with refl ectors to reduce light loss.
It is logical to assume that an X tal cube will have a high effi ciency in collecting scintillation light because its crystal block contains no refl ectors that might cause light attenuation as mentioned above, and also because the photo-detectors are always located near scintillation
crystals so that light can be detected before it is possible for attenuation to occur. The photo-detector arrangement allows smaller segmentation of crystals in the depth direction compared to the conventional DOI detectors and the use of cubic-like crystals that provides isotropic spatial resolution for the gamma-rays from any directions.
In addition, the X tal cube has a compact structure and thus facilitates flexible PET system design. The solid- state photo-detectors are less influenced by a magnetic fi eld so that it can be used in MR-PET systems.
B. Experiments
We evaluated crystal identifi cation performance in some photo-detector arrangements as a basic study to fi nd the most appropriate arrangement for the X tal cube. The experimental setup is shown in Fig. 3. The arrangements were fi rst applied on one surface of the crystal block. In this study, a position-sensitive PMT (PS-PMT) was used instead of semiconductor photo-detectors which were not available to us, to detect scintillation light. The surface coupled to the PS-PMT was covered with a reflector with vacancies (holes) at the positions where are to set semiconductor photo-detectors in future work. Detecting scintillation light with the PS-PMT through the vacancies (holes) must show the similar result to the one obtained with using semiconductor photo-detectors set at the vacancy positions. Other fi ve surfaces of the crystal block were covered with refl ectors. Multilayer polymer mirrors 材料 方法
A.
Fig. 2 、X tal cube 1 例 。X tal
cube 、小 立方体 結晶素子 3
次元配列 全体 立方体 結晶 形成 、 6
面 半導体受光素子 間隔 結合
。結晶 内部 反射材 入 、結晶 内部 発生 光 x, y, z 方向 対称 的 広 、広 先 半導体受光素子 検出 。
、X tal cube 、結晶 6 面 配置 半
導体受光素子 光 3 次元的 受光
。通常 検出器 結
晶配列 1 面 受光素子 結合 結晶配列内部 反
射材 入 光 受光素子 方向 誘導
必要 、 、受光 光路長
長 反射自体 光 減衰 促進
。X tal cube 結晶 内部 反射材 用 光 減衰 抑制 期待 。一方、結晶
一塊 結晶 構成 検出器 当然
結晶 内 反射材 存在 。 検出
器 光 発生点 放射状 均一 広
対 X tal cube 結晶素子間 境界 光 広
制御 傾向 。結晶 内 γ線 検出
結晶素子 特定 X tal cube 結合 受光
素子信号 用 位置演算 。 結晶
表面全体 受光素子 隙間 結合 位置演
算 細 結晶特定 精度 上
明 、我々 目的 限 数 受光
素子 妥当 検出器性能 達成 。受光
素子 結合 表面部分 、 多
光 受光 反射材 覆 。
X tal cube 、前述 結晶 内部 反射材
光 減衰 加
光 発生点 近 常 受光素子 位置
光 収率 高 思 。他
、受光素子数 調整 他 方法 DOI 方
向 分割数 多 、結晶素子 立方体
γ線 入射方向 寄 均一 検出器 分解能
得 、 作 様々 PET 装置
対応 、 利点 挙 。 、
半導体受光素子 磁場 影響 受 、MR-PET
装置 検出器 活用 重要 要素 。
B. 実験
X tal cube 受光素子配置 基礎研究 、数通 受 光素子配置 結晶識別能 評価 。Fig. 3 実験
示 。準備 関係 、 実験 半導体 受光素子 代 位置弁別型光電子増倍管(PS-PMT)
用 。半導体受光素子 受光面積 同 大 穴 開 反射材 PS-PMT 入射窓 覆 有感領域 穴 限 、半導体受光素子 穴 位置 配置 場
合 性能 見積 。 、結晶 一面
評価 行 。他 5 面 反射材 覆 。用 反射 材 、反射率 98 %、厚 0.065 mm multilayer polymer mirrors(MPM、住友 3M 社製) 。結晶 2.9 mm × 2.9 mm × 3.75 mm Gd2SiO5結晶(GSO、日立化成 社製)6 × 6 配列 6 層分積層 構成 、配列内
結晶間 空気 、反射材 光学接着剤 用
。結晶層 結晶応答 測定 結晶 側面 各層 2 mm 幅 絞 662 keV γ線 照
Fig.2:Design of the X tal cube. A number of semiconductor photo-detectors are set on all surfaces of a 3-dimensional (3D) crystal array and detect scintillation light 3-dimensionaly.
図2:X tal cube検出器 一例。X tal cube 、 結晶素子 3次
元配列(結晶 ) 表面 半導体受光素子 配置 、結晶 内 発生
光 3次元的 受光 。受光素子結合部以外 表面 反射材 覆
。
Fig.3:Experimental setup Detection of scintillation light with a PS- PMT through the holes of the reflector is equivalent to the detection with semiconductor photo-detectors set at the holes positions
図3:実験 。PS-PMT 用 、半導体受光素子 配置 場所
半導体受光素子 同 穴 開 反射材 PS-PMT表面 敷 感度
有効 制限 、半導体受光素子 位置 受光 場合
同等 性能 得 。
12 放射線科学 Vol.52 No.7 2009 特集 第
4回放医研
国際
13 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
Feature :4th NIRS International Open Laboratory Workshop on Cellular and Molecular Effects of Light Ions
(MPMs) of 98 % refractivity and 0.065 mm thickness were used as reflectors (Sumitomo 3M, Ltd., Japan). A six-layer 6×6 crystal array consisting of Gd2SiO5 (GSO) crystals in each dimension of 2.9 mm×2.9 mm×3.75 mm (Hitachi Chemical Co., Ltd., Japan) was used. No refl ectors were inserted, and neither were optical compounds used.
To investigate the performance of each crystal layer, 662 keV gamma-rays were collimated to a 2 mm wide fan- beam and irradiated onto the side face of anyone crystal layer. A 256-channel, fl at panel PS-PMT (256ch FP-PMT;
H9500, Hamamatsu Photonics K.K., Japan) was used for the experiments. Its anode interval was 3.04 mm and the normally required 256 anodes were reduced to only four by using a resistor chain provided by the manufacturer.
Anode signals were collected by NIM modules and a CAMAC ADC.
Fig. 4 shows the photo-detector arrangement patterns examined in this experiment. Pattern (a) is an arrangement in which 3×3 photo-detectors were used and distributed on the surface uniformly. In pattern (b), the number of photo-detectors was increased. Pattern (c) is an arrangement in which 16 photo-detectors were used and four of them covers each corner crystal. Pattern (d) represents an arrangement in which photo-detectors weighted in the peripheral positions were used. Crystal identification performance was evaluated on the 2D position histogram at some layers in the depth direction.
The 2D position histogram is a scatter plot of the Anger- type calculation results for the photo-detector signals and plots the form response of each crystal element in the crystal block. Scintillation crystals can be identifi ed, provided that the different crystal responses are distinguishable in the histogram.
射 、結晶応答 測定 。用 256-channel fl at panel PS-PMT(256ch FP-PMT;H9500、浜松 社製)
16 × 16 、 間隔
3.04 mm 。信号処理 負担 減 256 個
出力 付属品 抵抗 用 4 隅
4 出力 、NIM 、CAMAC
用 収集 。
Fig. 4 今回試 受光素子配列 示 。最初 試
(a) 、結晶 一部 受光素子 光学結合 3 × 3 受光素子 均等 配列
。 (b) 、受光素子 数 増
、 (c) 、16 個 受光素子 用 隅 結晶
光 反射 受光 目的
。 (d) 、 端 列 結晶 光 対
受光部 多 配列 。結晶識別能 受光素子信
号 計算 結果 2 次元
上 評価 。同 結晶素子 検出 場合、受光面 光 分布 似
上 同 位置 演算結果 、
結果、結晶 内 結晶素子 応答 形
成 。 結晶応答 他 結晶 重 区別
可能 、結晶識別 可能 。
Fig.4:Photo-detector arrangement patterns considered in this study. The Upper figures show the photo-detector positions on the surface of the crystal block and the lower ones, the shape of the reflectors for measurement using a PS-PMT. Each reflector reflects corresponding photo-detector arrangement patterns.
図4:実験 試 半導体受光素子 配列 。上図 結晶 表面 半導体受光素子 配列 、下図 実験 PS-PMT表面 敷
各半導体受光素子配列 対応 反射材。
Fig.5:2D position histograms of the Layer-4 and Layer-6 crystals with photo-detector arrangement patterns (a) to (d).
図5: (a) (d) 半導体受光素子配列 考慮 得 4層目 6層目 結晶素子 2次元 。
Fig.6:Comparison of the 2D position histograms before (same histograms as those shown in Fig. 5, pattern (d)) and after replacing reflectors to have the photo-detector arrangement cover all surfaces of the crystal block in the case of pattern (d).
図6:半導体受光素子配列 (d) 対応 反射材 側面、上面 用 場合 2次元 変化。図5 側面、上面 反射材 覆
場合(左) 比 、半導体受光素子結合部 反射材 今回 光漏 結晶識別能 改善 (右)。
Pattern(a) Pattern(b) Pattern(c) Pattern(d)
Pattern(a) Pattern(b) Pattern(c) Pattern(d)
14 放射線科学 Vol.52 No.7 2009 特集 第
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国際
15 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
Feature :4th NIRS International Open Laboratory Workshop on Cellular and Molecular Effects of Light Ions
RESULTS
Fig. 5 shows the 2D position histograms obtained for each detector arrangement. In the arrangement pattern (a), the responses of the four crystal elements, coupled directly to the same photo-detector, overlap, and the crystal elements cannot be identified for Layer-6.
The histogram for Layer- 4 shows the same poor identifi cation tendency. This suggests that scintillation light is scarcely detected by nearby photo-detectors that are not directly coupled to the scintillation crystal element. The 2D position histogram for pattern (b) shows the effect of adding one more directly coupled photo-detector for some central crystal elements.
The responses of the central part can be clearly discriminated. The trials conducted to achieve discrete responses for outer crystal elements have demonstrated the effectiveness of adding a photo-detector to cover peripheral area in the case of patterns (c) and (d), with optimum performance results having been obtained for all trials with pattern (d) although only one photo- detector had been directly coupled for some central crystals.
Fig. 6 shows the changes in the 2D position histogram associated with the replacement of refl ectors needed in order to have the photo-detector arrangement cover all surfaces of the crystal block. The histograms were obtained by using only the PS-PMT signals below for calculating the histograms shown in Fig. 5. These results indicate that a reduction of the crystal block surface area covered with reflectors improves crystal identifi cation performance. It is therefore reasonable to expect that the use of additional photo-detector signals on the top and side surfaces is effective in improving performance still further.
DISCUSSION AND CONCLUSION
We introduced an X tal cube as a next-generation DOI PET detector, in which the scintillation light is detected 3 -dimensionaly by coupled semiconductor photo-detectors provided on all surfaces of the 3D scintillation crystal array. In this design, the scintillation light is detected by the photo-detectors near the light- emitting position before any considerable attenuation can occur in the crystal block so that the X tal cube has a potential for use as a DOI detector capable of achieving high performance in terms of sensitivity and spatial and time resolution.
結果
Fig. 5 受光素子配列 得 4 層目 6 層
目 結晶 2 次元 示 。
層 上 数 、X tal cube 全表面 受光 素子 結合 場合受光素子 最 離 層 4 層 目 直接結合 6 層目 評価 行 。 (a) 、 同 受光素子 結合 4 結晶 応答 重
結晶識別 不可能 。 光
受光面 十分広 、 計算 際
4 結晶 近 受光素子信号 影響 結晶応
答 現 位置 差 出 。従 、得
結果 光 広 示 。 特徴 結晶
結晶素子 3 次元配列 構成
考 、結晶 大 一塊 結晶 形成 場
合 異 点 。 (b) 、直接結合
受光素子 増 効果 中央 結晶応答 分離 良
。 (c)、(d) 、端 列 結晶 対
応答 分離 良 目的 受光素子配列
、 受光素子数 16 個 、中央 結晶素子
直接結合 受光素子 減 関 端 結
晶 受光部 多 (d) 最 良
結果 得 。
PS-PMT 結合面以外 表面全体 覆 反射材 最 結晶識別能 良 (d) 反射材 変
得 2 次元 Fig. 6 示 。
側面、上面 光 漏 関 、結晶識別能
改善 見 。PS-PMT 結合面 状態 Fig. 5 条件 全 同 、側面、上面 反射材 面積 減 底面 受光 結晶識別能 良
。 、側面、上面 反射材 光量 損失 防 性能 劣化 防 、同時 結晶識別能 悪
化 。側面、上面 受光部 設
X tal cube 構造 、光量 損失 反射部 減 2 重
効果 。
考察 結論
我々 開発 行 次世代 DOI PET 検出器 X tal cube 、結晶素子 3 次元的 配列 結晶
内 γ線 検出 結晶素子 発 光
結晶 全表面 配置 半導体受光素子 3 次 元的 検出 。従来 検出器 、反射材 結
晶間 挟 、 光 受光素子 結合
一面 導 工夫 光路長 長 光 減衰
招 、X tal cube 光 反射材
反射 光 多 近 受光素子 受光
光 減衰 伴 考 。
光 収率 高 X tal cube 高 感度、分解能、
特性 DOI 検出器 期待 。
The basic study was carried out to throw light on the dependence of crystal identifi cation performance on the photo-detector arrangement and helped us find an arrangement with a favorable level of performance (Fig. 5). It was also found that covering all crystal block surfaces with reflectors in the photo-detector arrangement (pattern (d)) much improved the crystal identification performance as a result of reducing the refl ector area (Fig. 6). It is thus legitimate to anticipate further improvement in detector performance through the use of scintillation light signals detected on all surfaces of the crystal block.
ACKNOWLEDGEMENT
This study was conducted as a part of the Grant- in-Aid for Scientific Research (No. 19300188) from the Japan Society for the Promotion of Science.
X tal cube 特性 知 基礎実験 、結晶 表面 受光素子配置 結晶識別能 変化 1 表 面 調 。 結果、16 個 受光素子 配列(
(d)) 十分 結晶識別能 得 、
配置 結晶 全表面 対 行 、側面、上面
反射部 減 、1 表面 読 出 性能
改善 見 (Fig. 6)。今回 基礎実験 受光 1
表面 行 、全表面 信号 受光 位置演
算 用 、 結晶識別能 向上
期待 。
謝辞
本研究 一部 、科学研究費補助金若手研究 B「高感度全 身用 PET 検出器開発」(No. 19300188) 一環
実施 。
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[ 7 ] Y. Shao, R. W. Silverman, R. Farrell, L. Cirignano, R. Grazioso, K. S. Shah, G. Visser, M. Clajus, T. O. Tumer, and S. R. Cherry, Design strudies of a high resolution PET detector using APD array, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol.
47, No. 3, pp. 1051-1057, June 2000.
[ 8 ] C. S. Levin, Design of a high-resolution and high-sensitivity scintillation crystal array for PET with nearly complete light collection, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 49, No. 5, pp. 2236-2243, October 2000.
transport into two components; loss of particles and lateral spread. The lateral distribution function is based on a two fold Fokker-Planck expansion of the continuous slowing down approximation (CSDA) of the Boltzmann equation, within the small energy loss and defl ection angle approximation. Physical quantizes distributions such as the absorbed dose and radiation quality distribution of the light ion can be determined in the media of interest in use of the light ion pencil beam transport, in combination with developed analytical expressions [7-8] .
A quite simple expression of the mean energy depth dependency for light ions in therpeutic energies, can be written according to ;
❶
where the dimensionless transport parameter , S0R0/ 0, express the ratio between the mean stopping power over whole range to the initial stopping power, and can be determined directly when is known for the initial energy
0 and the corresponding initial stopping power S0 for the material of interest, [7].
In relation to the solution of the pencil beam transport, taking small angle approximation into account, where the diff erences between the planar fl uence to the total fluence is almost neglible, i.e ΦΡ(z)≈ΦΡ,p(z), the absorbed dose of the primary particles in a broad beam can be given by direct integration of the exponentially decreasing pr ima r y f luence, Φ0exp(‒µ z) a nd the associated fl uence weighted mean stopping power, ΦΡ;
❷
In Eq. ❷ the fluence weighted mean stopping power is here based on the depth dependence of a the mean energy (z), cf. Eq.❶,, within the approximation (z)≈S( (z)). Eq. ❷ is valid approximately up to the particle practical range,Rp, where the fl uence is rapidly reduced to zero, cf [7-8].
Transport of fragments in therapeutic light ion beams
The transport of the generated fragments can be based on the known transport of the primary particles,
E(z)=E0(1‒ )S0R0/E0 R0
z
、微小 損失 微小角近似 下 、連続減 速近似(CSDA)下 Boltzmann 輸送方程式 Fokker- Planck 方程式 二重展開 得 。重粒子 線 吸収線量 線質等 物理量 分布 、重粒子
輸送 任意 物質中 、開発 解析的
表式 求 [7-8]。
治療 領域 重粒子線 平均
深度依存性 、以下 極 簡単 式 表 。
❶
式 、輸送 程度 示 無次元量S0R0/ 0 初期阻 止能 飛程全体 平均阻止能 比 表 、初期
0 R0 既知 、対象 物質 対応
初期阻止能S0 既知 場合、直接求 。
輸送 解 関 、面 全
間 差 無視 、 ΦΡ(z)≈ΦΡ,p(z) 小角近似 考慮 、指数関数的 減少 一次
Φ0exp(‒µz) 関連 重 付 平均阻止能 Φ Ρ 直接積分 、広
一次粒子 吸収線量 。
❷
式 ❷ 、 重 付 平均阻止能 、近似 (z)≈S( (z)) 範囲内 平均 (z) 深度 依存性 基 。式 ❶ 参照。式 ❷ 、
急速 減少 粒子 実用飛程Rp 有効
。[7-8] 参照。
治療用重粒子線 粒子 輸送
核反応 生 粒子 輸送 一次粒子 輸
送 基 考 。 、
E(z)=E0(1‒ )S0R0/E0 R0
z
D(z)=∬
ρ SΦ(z)
ΦΡ(z)=
ρ
S(E)ΦΕ,ΩΡ (z)dEdΩ=
ρ SΦ(z)
cosΘΦ≈ ΦΡ,Ρ(z)
ρ SΦ(z)
ΦΡ,p.(z)≈
ρ S E (z)
ΦΡ0exp(‒µz) INTRODUCTION
Improvements in target delineation, such as molecular and functional imaging contribute to more accurate determination of doses for tumour eradication in the biological optimized radiation treatment [1-3].
The improved dose conformity and radiation quality distribution of the light ions in comparison to the convectional beams increases the possibility to deliver prescribed tumour suicidal doses almost without normal tissue injury, not least in cases where the target is unresectable, radio resistant and located near organs at risk [4-5]. An essential prerequisite for the success in the application of such beams is the correct knowledge of their absorbed dose, radiation quality and biological effect distribution in the patient and their accurate integration in the treatment planning system.
Specifi ed transport quantizes can be calculated by the Monte Carlo or analytical methods. However, Monte Carlo simulations of particle transport are often quite time-consuming for routine biological optimized inverse treatment planning. Analytical transport calculations are therefore often more useful for fast determination of the absorbed dose and for other physical quantities within the patient. In this context, results from recently developed analytical transport theories which relates to this issues are briefl y discussed below.
SOME THEORIES
Transport of projectiles in therapeutic light ion beams The analytical primary light ion transport is a solution of the Boltzmann equation from the practically important generalized case of Gaussian incident primary light ion beams of arbitrary mean square radius, mean square angular spread, and covariance [6]. This solution is based upon the idea of separating the primary particles
緒言
生物学的 最適化 放射線療法 、分子 機
能 等 標的描出技術 進歩 腫瘍根治
必要 線量 正確 決定 [1-3]。従来 放射線 比較 重粒子線 線量 局所集中性 線 質 分布 優 、標的 切除不能 症例、放射 線 抵抗性 示 症例、 標的 危険臓器 近接
症例 、正常 組織 障害
与 必要 腫瘍制御線量 輸送 可能性
高 [4-5]。重粒子線治療 成功 、患者 体内 吸収線量、線質、生物学的影響 分布 正 確 知識 持 、 要因 治療計画
正確 統合 必須 。
特殊化 輸送定量化 法 分析法
計算 。 、 生物学的 最適
化 逆方向治療計画(inverse treatment planning)
用 、粒子線輸送
時 非常 煩雑 。 、患者体内 物理量 生物学的影響 分布 迅速 求 、時 解 析的 表式 極 有用 得 。 本稿 、 目的 近年開発 解析的輸送理論、及 得 結果
簡単 紹介 。
理論
治療用重粒子線 入射粒子輸送
一次粒子 輸送 、実用上重要 任意 平 均二乗半径、平均二乗角度分散、 共分散
分布 一次粒子 、Boltzmann 輸送方程式 解 解析的 得 [6]。 解 、一次粒子
輸送 粒子 損失 側方 広 2
成分 分 考 方 基 。側方分布関数
生物学的 最適化 逆方向治療計画 粒子輸送 試
2) Particle transport approaches for biological optimized inverse treatment planning
Johanna Kempe
Medical Radiation Physics, Department of Oncology-Pathology, Karolinska Institutet, Box 260, SE 171 76 Stockholm, Sweden
研究所
腫瘍・病理学部 医療放射線物理研究
(Johannna Kempe)
D(z)=∬
ρ SΦ(z)
ΦΡ(z)= ρ
S(E)ΦΕ,ΩΡ (z)dEdΩ=
ρ SΦ(z)
cosΘΦ≈ ΦΡ,Ρ(z)
ρ SΦ(z)
ΦΡ,p.(z)≈ ρ S E (z)
ΦΡ0exp(‒µz)
16 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
特集/第4回放医研 国際 「細胞 分子 及 軽 影響」
特集 第
4回放医研
国
際
17 放射線科学 Vol.52 No.7 2009
Feature :4th NIRS International Open Laboratory Workshop on Cellular and Molecular Effects of Light Ions