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GEM を用いたガンマカメラの開発

GEM を用いたガンマカメラの開発. 2 月 10 日 修士論文発表. 目次 研究背景 GEM とは ガンマ線検出器システム ガンマ線照射試験結果 まとめ・課題. 信州大学 高エネルギー研究室 黒石　将弘. 放射線医学. 放射線を用いて診断や治療などを行う医学分野. 放射性同位体を体内に投与し、体内から発せられる放射線から二次元画像を作り出す画像診断装置が使われている. ガンマカメラ全景. ガンの部分に集まっている. 投与前. 投与後. 検出器内部. 光電子増倍管. コリメータ. 線源. ガンマ線. ガンマカメラ.

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GEM を用いたガンマカメラの開発

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  1. GEMを用いたガンマカメラの開発 2月10日 修士論文発表 • 目次 • 研究背景 • GEMとは • ガンマ線検出器システム • ガンマ線照射試験結果 • まとめ・課題 信州大学 高エネルギー研究室 黒石　将弘

  2. 放射線医学 放射線を用いて診断や治療などを行う医学分野 放射性同位体を体内に投与し、体内から発せられる放射線から二次元画像を作り出す画像診断装置が使われている ガンマカメラ全景 ガンの部分に集まっている 投与前 投与後

  3. 検出器内部 光電子増倍管 コリメータ 線源 ガンマ線 ガンマカメラ 被検体から放射されるガンマ線を一個ずつ捉え、その入射位置から二次元画像を作る装置 FWHM@141keV NaIシンチレータ ガンマカメラ固有の分解能(コリメータを除く)3～4mm コリメータにより、垂直方向しか入射できないようになっている

  4. 研究目的 • 高い位置分解能 • 安価で大型な装置 ガンマカメラへのＧＥＭの応用を目指す ガンマカメラ GEMを用いたガンマ線検出器 光電子増倍管 GEM シンチレータ ピンホール コリメータ

  5. GEM(Gas Electron Multiplier) の構造 ○粒子の飛跡を二次元的に検出することができるガスを用いた粒子検出器 ○薄い絶縁体（50μm）を銅で挟み、多数の孔を空けた構造 ○高い位置分解能を得る 100mm 70μm 100mm 140μm GEM全体図

  6. 電子 GEMによるガス電子増幅 • 両電極に電位差を与えることで孔の中に高電場を形成させ、電子を雪崩式に増幅させる装置 • GEMの孔を通るときのみガス電子増幅が起こる(GEM一枚での増幅率は数十倍) • GEMは多層化することで増幅率を得る -1150V 5μm -900V -500V 5μm

  7. 鉛板（10mm厚） 100mm 100mm ピンホールの原理 ガンマ線検出器 ガンマ線 • ピンホールからのそれぞれの距離により映し出される像の拡大・縮小が決まる（同じ距離の場合は等倍になる） 拡大 ピンホールの孔のみ通る 放射線源 10mm ピンホール 2mm 60° コーン型の孔

  8. ガンマ線検出器システム ガンマ線検出器 200mm 200mm • ガンマ線検出器 • 読み出し回路 Au-GEM → ガンマ線変換層 GEM(100μm,50μm) →電子増幅層 読み出しストリップ(0.8mmピッチ) 読み出し回路 500mm 95mm 検出器システム GEM ASIC → アナログ信号をデジタル化 FPGA → PCに転送できるデータに変換

  9. ガンマ線の検出 ガンマ線を光電効果によって電子変換させる • ガンマ線変換に利用すべき物質 • 原子番号の大きな物質(Zの5乗に比例)を使う • GEMにメッキのできる物質 Auを選択した。 Au-GEM ガンマ線(141keV) -e 断面図 絶縁体物質 Cu Au(3μm) • 一枚による変換効率は約1%であるが、多層化することで検出効率を上げることができる

  10. ガンマ線検出器内部 Gas:Ar-CO2(70:30)‏ ガンマ線 カソード -e ガンマ線変換層 Au-GEM : 4枚をチェンバーに組み込む (変換効率 ： 3%) 11.5mm 電子増幅層 GEM : 100-50-50の組み合わせ (増幅率 : 2万倍) 二次元読み出し基板 X-Yストリップ0.8mmピッチ 読み出し回路へ

  11. 読み出し回路 0.8mmのX,Yストリップ それぞれ120chの計240ch 一枚で64chの読み出し回路を4枚使用 読み出し用ストリップ基板 読み出し回路 250 mm 110 mm 64 chs . inputs アナログ信号をデジタル化 デジタル信号をデータに変換 ストリップからの信号 PCへ hit 時刻と位置のデータに変換 Vth ヒット

  12. ファントム 1.5mm 2mm 1mm 場所：国際医療福祉大学 栃木県大田原市 100mm 2.5mm 0.5mm 1mm 3mm 99mTc 10mm 1mm ガンマ線照射試験 • 空間分解能の性能評価にファントム(0.5mm～3mm)を使用 • 生理食塩水に溶かした99mTc(半減期:6時間,E:141keV)を使用 100mm ファントム(99mTc) 鉛遮蔽 11cm ピンホール(2mmφ) 10.6cm ガンマ線検出器

  13. ファントム等倍写像 ピンホール: 2mmφ 取得時間 : 60min 2.5mmまで分けて見ることができる 1.5mm以下は一つの線源のように見える 1.0mm count 3.0mm 3.0mm 1.5mm 1.5mm 2.0mm 2.5mm 位置(X) FWHM(2.5mmφ) X:2.7mm Y:3.1mm FWHM(3mmφ) X:3.3mm Y:3.5mm

  14. ファントム3倍拡大写像 3倍拡大 3cm ファントムからピンホールまでの距離を狭くする 10.6cm ピンホール: 2mmφ 取得時間 : 60min ガンマ線検出器 1.5mm 1.5mm FWHM X:2.1[mm] Y:2.2[mm] 拡大をすることで1.5mmまで分けて見ることができる

  15. ピンホールを用いたガンマカメラと比較 シンチレータと光電子増倍管で構成されている既存のガンマカメラと比較 ガンマカメラにも同じピンホール(2mmφ)を使用し、ファントムを等倍で画像取得 GEMを用いたガンマ線検出器(60min) ガンマカメラ(10min) 1mm 1.5mm 1mm 1.5mm 等倍 3mm 3mm 2mm 2mm 2.5mm 2.5mm ガンマカメラよりも空間分解能の点で同等以上の性能がある

  16. コリメータを用いてガンマカメラと比較 ガンマカメラで用いられているコリメータを使用 ファントム 1cm コリメータ　孔径　2mmφ 壁厚 0.152mm 長さ 42.0mm コリメータ ガンマ線検出器 GEMを用いたガンマ線検出器 ガンマカメラ 3.0mm 3.0mm 1.0mm 1.0mm 1.5mm 1.5mm 2.5mm 2.0mm 2.5mm 2.0mm ガンマカメラよりも空間分解能の点で同等以上の性能がある

  17. まとめ GEMを用いてガンマ線での医療分野応用のための検出器の開発を行い　ガンマ線検出器の製作をし、ガンマ線照射試験を行った。 ファントムの撮像 (10cm離れた位置での)ガンマ線検出器の空間分解能はFWHMで 2.7mm GEMを用いたピンホール型医療用ガンマカメラの 原理検証を行った 既存のガンマカメラと比較して、空間分解能の点では 同等以上の性能があることを確かめた 今後の課題 既存のガンマカメラと比較して、測定に時間がかかる 改善方法 　　○複数枚AuメッキGEMを入れ検出効率の向上 → 現在8枚まで実現 　　○マルチピンホールの応用

  18. ご清聴ありがとうございました

  19. 検出器 γ線 線源位置 参考 ＰＥＴ ガンマカメラ

  20. マルチピンホールガンマカメラ 多ピンホールにすることで分解能と感度の両立を図る 線源 再構成アルゴリズム（逐次近似的手法）を用いて元の画像を再現 各ピンホールからの投影像

  21. 両面読みチェンバー 必要電圧は4枚分でAu-GEMを積める枚数は倍 ガンマ線変換層 電子増幅層 読み出し両面ストリップ 電子増幅層 ガンマ線変換層

  22. パララックス • Au-GEMを積層することで生じる問題 10cm R={17(cm)+4227(μm)}*(5/17) – 5(cm) =1.243(mm) Au-GEM一枚入れるごとに310μm(10cmに対して)広がる 17cm 17cm 3mmの場合40μm Efficiency = 30%の場合 Au-GEM(40枚) パララックスは3mmの場合400μm 3μm Au:27μm GEM:200μm Gap:4mm = 4227μm R 読み出しstrip

  23. 鉛を用いた新たな変換層 鉛層 絶縁体層 ガンマ線 絶縁体の中を通って外へ出てくる

  24. 前回のファントムを使用 ファントム照射結果 4mmΦ 5mmΦ 短時間でどのくらいの絵が取れるのか　 ファントム照射時間:5mintotal 396M(Bq) 3mmΦ 6mmΦ Au-GEMの枚数 4枚　gap 1mmで撮像 2mmΦ 7mmΦ 4mmまではすぐに見えるようになる

  25. HV依存による感度測定 Au-4枚と8枚は徐々にサチレートしている

  26. シミュレーションとの比較 シミュレーションを入射ガンマ線106(A)個と107(B)個で行い、実測値と比較 どちらの場合でも、シミュレーションと比べ、実測値はシミュレーションより6～8割 Au-4枚に関しては3～5割となった。Au-6,8枚が悪いのではなく、Au-4枚がカウント率が低い

  27. gapの違いよる分解能の変化 測定条件　Vth = 10σ(σ=5mV) Vtotal = 4550V (96.5%) 　 ピンホール径 = 2mmφ gap= 0.4mm, 1mm, 2mm 0.4mm

  28. LVDS レシーバ サンプラー 200MHz エッジモード ASICからの信号 10nsのパルス波として認識 ② Vth ① 1event コンパレータ (デジタル信号化) 5ns間隔で サンプルする 01 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 ③ ch1 10ns 1 0 ch2 ch3 タイマー 10nsec 単位 1event 1event DAQ(PCへ) SiTCP データ フォーマット Ethernet トランシーバー ④ フォーマット後のデータ構成 赤色の部分はASIC 黄色の部分はFPGA 青色の部分はその他 00000598 ad3d7c2c 0000000000000006 hit時刻情報(8byte) hit位置情報(8byte)

  29. 55Fe：5.9keV ΔGEM＝80V ΔGEM＝200V ΔGEM＝240V ΔGEM＝280V 多層化による効率の向上　Gain=1の設定 ADC=950ch ΔVGEM = 240 V ドリフト間で得られたGainと同じGainが得られる

  30. ファントム照射結果 ファントム照射時間:60mintotal 396M(Bq) Au-GEMの枚数 4枚　gap 1mmで撮像 FWHM X:6.1~6.4[mm] Y:5.6~6.4[mm]

  31. ファントム画像の比較 Au-8枚 Gaq-0.4mm ファントム全体図 1.5mm-3倍拡大図

  32. コリメータを用いたファントム照射結果 ファントム照射(10min) ガンマカメラ GEMチェンバー 6mmΦ 2mmΦ 5mmΦ 1cm 4mmΦ 3mmΦ 3.5cm

  33. ファントム1:2の3倍拡大照射 4倍拡大 ファントム2mm径-3倍拡大(60min) 6200V 6300V 6500V 2mm FWHM X:15.5 X:14.7 X:12.5 Y:13.9 Y:17.9 Y:14.5

  34. ガンマカメラとの比較 • 10cm離した位置からガンマカメラを用いてファントムの画像取得を行った GEM（60min） ガンマカメラ(10min) 3mmまで見える 2mmΦ 7mmΦ 3mmΦ 一つの線源に見える 判別不能 6mmまで見える 6mmΦ 4mmΦ 5mmΦ ファントムまでの距離：17cm ファントムまでの距離：10cm

  35. 医療分野における核医学画像診断の例 • PET（Positron Emission Computed Tomography） • ガンマカメラ（シングルフォトン） 線源(例)：18F(110分 E=511keV) 電子・陽電子対消滅によって飛び出す二つの光子を捕まえることにより放射線源が内部で集まっている位置を知ることができる γ線 線源（よく用いられるもの）： 99mTc(6時間 E=141keV) 入射方向を判別するために、垂直に飛び込むものだけを測定できるように鉛などでできたコリメータを備える 線源

  36. シミュレーション結果　Auの効果判定 a)ガス中でエネルギーを落とした電子の生成場所と放出電子スペクトル 3μm-Au　メッキGEM（141ｋｅＶ　上段Ａｕあり、下段Ａｕなし） 検出効率：～0.47％（Au＋）、～0.0４％（Au-）＠141keV Auメッキ厚：3um

  37. シミュレーション　Auの効果判定 多層AuメッキGEM（ Auメッキを片面　両面でシミュレート） 各Au厚における効率の変化＠両面メッキ 片面VS両面＠1umAu メッキGEM ＠１４１keV

  38. 読み出しストリップ 0.8mmのパターンのストリップ Xch, Ychそれぞれ120chの計240ch 読み出し用ストリップ基盤 スルーホールより裏側で繋がっている 0.8mm Ych 0.8mm 拡大 Xch

  39. エレキ部分 新技術によって構成されたコンパクトな二次元イメージ検出器 データ転送、読出しエレキ制御はEthernet経由でおこなう MPGD　読み出し基盤　　　　（MCM FE2007 Readout Module） ボード一枚で64ch賄えるすぐれもの。240chあるのでボードは4枚使用

  40. Vth設定方法 各chのノイズレベル time 信号 ch3 (-)mV 同じ信号が入ってもch2しか反応しない Vth(ch3) ch1 Vth(ch1) ch2 Vth(ch2) 各chのベースライン Vthライン 各chのベースラインのばらつきを考慮してVthの設定を行わなければならない

  41. Vth設定方法 Vthを下げていき、カウント数の変化の測定からベースの位置を特定する Vth ch1 ベースライン ノイズレベル ベースの位置と σを調べる 差分を取り、gaussでfit これにより、全てのchにVthを正しく設定することができる

  42. VthSearch • 各chのbaseの位置を調べ、asicのDAQを使いbaseのばらつきを補正し、chのむらを無くす。 asicばらつき補正 各stripのmeanの値 Vth(mV) DAC

  43. H.VとVthによる取得レートの変化 かける電圧とVthの値によるデータ取得のレートの変化から、H.VとVth の設定値を決める。 Vthとコインシデンスの割合（H.V=3.9kV） Vthとコインシデンスの割合（Vth=10σ） (%) (%) σ H.V ○コインシデンスを取れる割合が一番高くなるところに設定 Vth=10σ（51mV） H.V = 4.0kV

  44. X-raySpectrum　＠100ｋV X線に対する吸収断面積・エネルギー損失・反応確率 • 密度 Ar:1.67g/1000cm3 Xe: 5.48g/1000cm3 • 断面積(30keV) Ar :0.6g/cm2/0.00167=361cm Xe :0.03g/cm2/0.00548 = 5.47cm Si :0.6g/cm2 /2.33=2.57mm Cu :0.1g/cm2/8.96 = 111μm Au :0.03g/cm2/19.3 = 15.5μm • エネルギー損失 Au : 1.123MeV/g/cm2 = 2.17keV/mm • 反応確率 • 　カソード内 • Cu：3μm/111μm=2.7% • Au：3μm/16μm = 18.7% • 　ガス中 • Ar：2mm/3610mm=0.05% • Xe：2mm/54.7mm=3.65%

  45. ピンホールカメラの原理 フィルム （ガンマ線検出器） • ピンホールからのそれぞれの距離により映し出される像の拡大・縮小が決まる（同じ距離の場合は等倍になる） 鉛板（10mm厚） 100mm 被写体（99mTc） ピンホール 2mm 100mm 60° コーン型の穴が空いている

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