JP2012515920A - 挿入可能な経直腸プローブを有する専用のモバイル高解像前立腺ｐｅｔイメージャ - Google Patents

Abstract

前立腺と周辺臓器を画像化する専用の可動式のPET撮像システム。該撮像システムは患者の胴の近くに置かれた外側高分解能PETイメージャと、前立腺にごく近接して置かれるインサート可能であってコンパクトな経直腸プローブであって該外側イメージャに関連して動作するプローブとを有する。2個の検出器システムがお互いに空間的に共同登録されている。外側イメージャは開放回転式ガントリーに取り付けられていて、前立腺ならびに周辺の組織および臓器の胴幅の３Ｄ画像を提供する。インサート可能プローブは、前立腺とそのごく周囲についての、より緻密な撮像、高感度および非常に高い解像度の専ら2Ｄの画像を提供する。該プローブは外側イメージャと高速データ収集システムに関連して操作され、前立腺とその周辺の組織織および臓器の非常に高い解像度再構成を提供する。
【選択図】図６

Description

1)本発明は画像診断法、特に患者の前立腺と周辺臓器を画像化するための高分解能PET撮像システムに関する。

2)技術の現状において、標準のPETイメージャは専用の撮像部屋に置かれる厖大な装置であり、患者は、イメージャに輸送される必要がある。これらの標準のイメージャは前立腺などの小さい臓器の正確な撮像に不十分な低い空間分解能を有する。さらに、臨床的症状によっては、例えば撮像が(疑われる)癌の病変の迅速な生険誘導を提供でき、しかも前立腺と周辺組織から癌組織除去を行う外科手術一式を補助できる専用のイメージャを有する利点があるだろう。

3)既存の可動式のPETイメージャは前立腺画像検査のためのサイズ、解像度、および感度特別な組み合わさった要求事項を満たさない。現状技術の乳房イメージャは、小さい視野を有し、乳房サイズ対象物だけの高解像2次元画像を提供できるプラナータイプである。

4)経直腸超音波(TRUS)を用いデュアル・モダリティ前立腺PETイメージャが"Initial Results of a Positron Tomograph for Prostate Imaging", J. S. Huber et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume 53, Issue 5, Part 1, Oct. 2006 Page(s):2653 - 2659に記載されている。TRUSはPET画像と共同登録できる解剖的詳細を提供する。このPETイメージャは空間分解能が約4-5mmのFWHM制限されている標準のECAT HR+PETのセクターからつくられた。その幾何的配置は標準のセクター幾何的配置より詰まっており、さらに深い相互作用エラーがもたらされる。

5)デュアルプラナー検出器で骨盤周辺の高解像性PETイメージングの概念を調査した。例えば、"PET prostate imaging with small planar detectors", T. G. Turkington et al., T.R.QNuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEEQVolume 5, Issue , 16-22 Oct. 2004 Page(s): 2806 -2809を参照されたい。該スキャナは3mm×3mm×10mmのLGSOシンチレータ検出素子から成る2つの20cm×15cm(アクシャル)平面検出器からなる。検出器ヘッドは回転式ガントリーに検出器半径可変で取り付けられた。小さいデュアルプラナー PET検出器で骨盤の高摂取病巣の検出は可能であると判断されたが、そのような病変のキャラクタライゼーションには軌道式または大きい検出器が必要である。

6)前立腺23の骨盤領域のそばに置かれたイメージング検出器22の外側の小さい視野に関連して作動するPETプローブ21を含む経直腸高解像(約1mm)前立腺イメージャ20（図1、2参照）がC.Levinにより"New Photon Sensor Technologies for PET in Prostate-Specific Imaging Configurations"に、W.Mesesにより"Dedicated PET Instrumentation for prostate imaging"に提案されている。その両方がTopical Symposium on Advanced Molecular Imaging Techniques in the Detection, Diagnosis, Therapy, およびFollow-Up of Prostate Cancer, 6-7 December 2005, Rome, Italy.示された。従来技術のプローブ21は前立腺23の後ろにある、そして、外側検出器22は前立腺23の前にあってプローブに対して第２の同時検出器（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）として働く。外側検出器22は、2番目がポジトロン放出と陽電子消滅前立腺と周辺組織におけるから発する第２の同時511keVガンマ線を捕捉する。外側検出器は、固定位置に置かれて、限定的な視野を有する。この手法では、撮像法の限定的な検出器サイズと限定的な角度サンプリングが前立腺領域と周辺臓器のフルスケールで全角度の3Dトモグラフィイメージングを容認しない。

7)従来のPETを使用する他のハイブリッド撮像システムが提案されている。Sam S. Huh et al., "Investigation of an internal PET probe for prostate imaging", accepted for publication in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2007
図3に示されているように、従来のPETを有するハイブリッド撮像システム25は、前立腺28を画像化するために、外部のPETリング26を含み、従来のPETイメージャ22をアドオンの経直腸プローブ27に組み合わせる。従来の外部のPETスキャナと同時に高解像性撮像のシミュレーション研究が行われた。内部検出器は高解像(約1mmのFWHM)と高効率の両方を提供し、同時に標準のPETによって記録された事象は、画像再構成のための完全な断層データを提供する。この概念が従来のPETとの比較における性能を評価するため、まだシミュレーション調査中である。

8)インサート可能プローブ29を有するPETシステム（図４に分解されて、また組み立てられて示される）が、Ｃ．Ｌｅｖｉｎによって検出器の一つとして提案されている。（"New Photon Sensor Technologies for PET in Prostate-Specific Imaging Configurations", （Topical Symposium on QAdvanced Molecular Imaging Techniques in the Detection, Diagnosis, Therapy, およびFollow-Up of Prostate Cancer, 6-7 December 2005, Rome, Italyで発表））第二検出器は、2番目の同時の51 1keVガンマ線を捕捉するために患者の外側で前立腺の反対側に置かれる。残念ながら、この手法は画像化された臓器の角度サンプリングを制限した。

9)挿入可能な 経直腸プローブの使用に関連する実際的な実施上の問題がある。関連する患者の安全問題が有効なプローブにかかわっているので、健康上無害としてそれらを扱うことができない。役に立つ検出範囲、前立腺に対するプローブの位置決め、および前立腺の異なった部分における感度の不均一性には制限がある。前立腺の部分の近くに置かれても、従来のインサート可能プローブは、周辺組織を十分に画像化しない。

10)上述のように、前立腺のためにいくつかの撮像幾何的配置が提案されたが、まだ、フルスケールで全角度の3Dトモグラフィ画像のための広い有効視野と十分高い解像度による前立腺と周辺組織の胴幅全体の撮像を提供するのが可能な信頼できるPETイメージャに対する要求がある。

11)本発明は前立腺と周辺臓器を画像化する専用の可動式のPET撮像システムを提供する。撮像システムは患者の胴の近くに置かれた外側高分解能PETイメージャと、前立腺と極めて接近して置かれ、外側イメージャと関連して動作する、インサート可能でコンパクトな経直腸プローブを含んでいる。2個の検出器システムはお互いに空間的に共同登録されている。外側イメージャは前立腺、および周辺の組織および臓器の胴幅全体の3Ｄ画像を提供するように開放回転式ガントリーに取り付けられている。インサート可能プローブは前立腺とごく近い周囲の環境の、より密な撮像、高感度、そして非常に高い解像度の主として2D図を提供する。該プローブは前立腺ならびに周辺の組織および臓器の非常に高い解像度の再構成を提供するように外側イメージャと高速データ収集システムに関連して操作される。

12)以下を含むいくつかの利点が本発明のインサート可能なプローブを有する専用の前立腺PETイメージャ・システムで達成される。
(1)イメージャは少なくとも10cm広小胴幅全体(40センチメータ以上)をカバーする大きい有効視野を提供する。
(2)外側イメージャは患者の前と患者の後ろに置かれた検出器モジュールを含み、前立腺領域の再構成解像度を改良する。
(3)外側イメージャは1.5- 2.0mm(関与する身体スライスにわたる)の3D再構成解像度を提供する。
(4)外側イメージャと同期したプローブにより1.0-1.5mmの２Ｄの再構成解像度が提供される（プローブの小さい視野を越えて）。
(5)回転式開放幾何的配置ガントリーが、外側イメージャによる３Ｄ画像化モードでの360度角度のサンプリングを可能にする。
(6)本発明の経直腸プローブは、従来技術プローブと比べて、前立腺周囲の組織の実質的により大きい部分を画像化する。
(7)前立腺イメージャはリストモードで少なくとも200kHzのトリガーレートでデータを記録ができるマルチチャンネル高速データ収集・処理システムを含んでいて、同じスキャン・セッションの間に迅速な制限データ分析、高速データ再生および画像再構成を可能にするリ。

13)本発明のこれらおよび他の目的および利点は、図面を参照しつつ以下の説明をすることよってより理解されよう。

14)図1は、外側限定視野画像化検出器と、前立腺の背後にかつ近接して置かれる経直腸プローブとを含む従来技術の前立腺イメージャの長軸断面図であり、 15)図2は応答のいくつかの一致ラインとともに示された図1の従来技術のイメージャの、より詳しい側面図である。

16)図3は、標準のPETをアドオンの経直腸プローブに結合する従来技術のハイブリッド撮像システムの概念図である。

17)図4は従来技術の経直腸プローブの分解した、および組み立てられた斜視図を示す。

18)図5は4つの機械的に別々の検出器部分がベッド上の患者の上方および下方に置かれている、本発明の前立腺PETイメージャの外側イメージャの長軸断面図である。

19)図6は、外部の撮像システムと内部のプローブを結合する、専用の前立腺イメージャの長軸断面図である。

20)図7は本発明による外側検出器モジュールの提案されたデザインの断面図である。

21)図8は、アレイ状の４×４ ３ｍｍ正方形のアクティブなパッドを含む基本的なSiPMT撮像モジュールの正面図である。

22)図9は1個の読み出しチャンネルに連結された4個のパッドを有する、図9の基本的なモジュールからの3mmパッドの正面図である。

23)図10は1個の読み出しチャンネルに連結された全16個のパッドを有する、図9の基本的なモジュールからの3mmパッドの正面図である。

24)図11は16(4×4)の基本的なSiPMT撮像モジュールのアレイを含んでいる、本発明によるプラグイン形PMT交換用モジュールの正面図である。

25)図12はアレイ状のシリコン光電子増倍管またはアバランシェフォトダイオードを含む、本発明による経直腸プローブの分解斜視図である。

26)図13は一つの同時検出器ペアのための、本発明のPET検出器データ収集システムの概念図である。

27)本発明によると、前立腺と周辺器官を撮像する専用の高解像PETイメージャが、患者の胴の近くに置かれた高解像外側PETイメージャを前立腺に近接して患者に置かれたインサート可能でコンパクトな経直腸プローブを含む二つの主要なコンポーネントを結合する。インサート可能プローブは外側イメージャに関連して動作する。2個の検出器システムは、すべての検出器モジュールに置かれた電子センサー位置決めシステムで相互に空間的に共同登録されている。開放回転式ガントリーに取り付けられた外側イメージャは、前立腺ならびに周辺の組織および臓器の胴幅の(torso- wide 3D)３Ｄ画像を提供する。インサート可能プローブはより緻密な高感度と非常に高い解像度を提供するが、前立腺とごく周辺の限定的な、ほとんど２Ｄの図を提供する。外側イメージャは別々に作動できるが、本発明の重要なフォーカスは可動式開放構成の臓器特異的構造で外側イメージャに関連したプローブの操作である。システムの開放構造により治療と外科手術の状況でシステムの実施を可能になる。

28)図5に関して、本発明の前立腺PETイメージャの外側イメージャ部分30の長軸断面図が示されている。前立腺PET撮像システムの外側のまたは外部の部品30は、できるだけ患者の身体に間近に、患者のベッド36に置かれた、患者34の上方と下方に4つの機械的に別々の検出器部分32を含んでいる。検出器部分32は20- 30 センチメータの幅Wを有する。2つの検出器部分32は、方向を示す矢３８で示されるようにフレキシブルな相対角度配置、１５−２５度を有する検出器超モジュール37を形成して、前立腺領域39がより良く視えるようにかつ断層撮影3D空間分解能を最適化するようになっている。これは、高性能撮像のための最小化イメージャを有する経済的に最適の構成でもある。検出器部分32は静的なモードで使用できるし、または回転式ガントリーに取り付け、そして限定的な角度範囲で回転させて、最も良い断層撮影3D再構成のために前立腺領域の全角度投影サンプリングを提供することができる。

29)図６には、専用の外部のまたは外側のPET撮像システム41と内部の経直腸 PETプローブ42を結合する専用の前立腺イメージャ40の好適実施例の概念図が示されている。外部の撮像システム41は前の外部検出器モジュール43と後部外部検出器モジュール44を含んでいる。外側の撮像システム41は、できるだけ患者の身体に間近に、可動式の患者のベッド47に置かれた、患者４６の上方と下方に置かれた4つの機械的に別々の検出器部分またはヘッド45を含んでいる。前部外部モジュール43と内部プローブ４２との間で、51 1keVの連続した同時に起こる消滅ガンマ線のパスに沿った応答48のラインの例が、仮想線として示されている。応答の最左のラインは前立腺50の外側の組織から来ている。検出器部分45は回転する開放幾何的配置のモバイル・ガントリー51に取り付けられていて、方向の矢52によって示されているように15〜25度の角度範囲で該検出器部分４５が回転できるようになっていて、最も良い断層撮影3D再構成のために前立腺領域の全角度投影サンプリングを提供する。方向の矢53によって示されるように、前の外部検出器モジュール43と後部外部検出器モジュール44の間の距離を、望ましくは高々25センチメータの調節距離で、調整できる。

30)本発明による専用の可動式の高分解能PETイメージャ40はマルチチャンネルの高速データ収集(DAQ)システム、高速データ収集ソフトウェアを含み、DAQシステムでデジタル化されたデータを処理し保存する。低電圧高電圧電源は検出器ヘッド45上のオンボード読出し電子装置のために含まれる。電子位置決めシステムはすべての外側検出器モジュール43と44、プローブ42、および回転可能な開放幾何的配置可動式のガントリーの絶対的、そして相対的なの位置ぎめを制御するために含められている。専用の前立腺イメージャ40はコンピュータ、トリガー、データ収集電子装置、および電源、並びにオプションの可動式の患者のベッド47を有する可動式のキャビネットを含む。さらに、トモグラフィ再構成ソフトウェアに撮像システム40を備えさせることができる。

31)本発明の専用の可動式の高分解能PETイメージャ40は少なくとも10cmで胴幅全体(少なくとも40センチメータ)であることの有効視野を提供する。外側イメージャは少なくとも1.5-2.0mm(関与する身体スライスに対して)の3D再構成解像度を実現する。外側イメージャ41と同時にプローブ42は該プローブの小さい視野に少なくとも1.0-1.5mmの2D再構成解像度を提供する。回転する開放幾何的配置ガントリー51は、外側イメージャ41による３Ｄ画像化モードでの360度の角度サンプリングを可能にする。マルチチャンネル高速データ収集、処理システムはリストモードにおいて少なくとも200kHzのトリガーレートでデータを記録することができ、同じスキャン・セッションの間に、迅速な制限データ分析、高速データ再生、および画像再構成を可能にする。

32)図6を参照して本発明の専用の可動式の高分解能PETイメージャ40の操作について説明する。この撮像法は、 外部のPET検出器41と内部のPETプローブ42を含む2つのイメージング検出器コンポーネントの利点を結合する。外側の撮像システム41が対象となる全領域（前立腺50、周辺臓器、および周辺組織を含む）の画像を高解像度、中程度感度で生産する。経直腸プローブ42は前立腺の限定領域の「増強された」非常に高い解像度と高感度の画像を提供する。潜在的な初期の撮像法では、最初に外側の検出器41で胴スライスの図を入手する、そして、前立腺領域のクロッサ視診（ｃｌｏｓｅｒ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）のために、プローブ42を挿入する。別の方法として、最初に、とりこみホットスポットまたは病変を調べるのにプローブ42を使用でき、そして次に、外側のPETシステム41で得られるより広い視野の断層撮影スキャンを行う。プローブ42のサイズは前立腺50の領域の小さい走査を可能にして撮像検査手順ですべての注目スポットをカバーすることができる。プローブ42上に、そして、検出器45の外にインストールされた位置決めシステムは、2つのタイプの画像の共同登録を容認する。

33)外側および内側の撮像を、全手順の３以上の別々の撮像部分操作をその順序で反復して用いることができる。最後に、原則として、システムの両方の部品41と42で画像化を同時にすることができ、プローブ４２と前部外側モジュール４３に局部的な増強された図を提供させる一方、前側４３と後部外側撮像モジュールにより広い図を提供させる。

34)本発明の専用可動式高解像度ＰＥＴイメージャ４０でいくつかの画像技術を実施できる。好ましいPETイメージャは５１１ｋｅＶの消滅ガンマ線のセンサ／エネルギ変換器としてシンチレータを含む一方、シンチレータガンマセンサで、この吸収された５１１ｋｅＶガンマ線により発生したシンチレーション光の検出器として種々の光電検出器が働く。シンチレータセンサ部分は、ＬＳＯ，ＬＹＳＯ，ＧＳＯ，ＢＧＯ，ＬａＢｒ３，ＮａＩ（Ｔｌ），ＣｓＩ（Ｔｌ），ＣｓＩ（Ｎａ）などの、ピクセル化または板状結晶シンチレータ材料で作られ得る。

35)光電検出器部分は、一般的に、標準の若しくは多元素(multi-element)光電子増倍管、位置検出型(position sensitive)、フラットパネルまたはマイクロチャネルプレート系の光電子増倍管、抵抗性読み出し装置を有するアバランシェフォトダイオードアレイもしくは大型アバランシェフォトダイオード、および新しい所謂シリコン光電子増倍管の種々の変形である。光検出器は単純性板状体、光ファイバー製直線状もしくはテーパ状の光導体、まっすぐであるか曲がったファイバーの束などの光導体を含むことができる。

36)しかしながら、コンパクトなインサート可能プローブの要求事項は上の選択をはるかに小さい選択肢群に限定する。原則として、患者の身体の外に適切に設計された光ファイバー光導体の仕組みとともに置かれる際に、光電子増倍管を使うことができるが、実際にはそのような光学的結合の仕組みはサイズ制限のため実施するのは非常に難しい。したがって、経直腸プローブの設計は、外側の検出器で使用されるのと同じように、シンチレータの選択を行って、アバランシェフォトダイオードまたはシリコン光電子増倍管などのソリッドステートの光電検出器に限定される。

37)好ましいシンチレータ/光検出器タイプの外側イメージャ部またはヘッド54は、図7に示されているように、ピクセル化されたアレイ58の形でシンチレータセンサ57に結合されたフラット位置検出型光電子増倍管(PSPMT)56の隣接アレイ55を含み得る。PSPMTアレイ55の側に薄い光学窓59を有する、気密容器の中に、シンチレータアレイ58をさらにカプセル化することができる。シンチレーション・アレイ58の外側ウィンドウ60は、軽い密封性と機械的保護のための、薄い(約1mmのアルミまたは同等物)保護シートまたはシェルである。追加のカプラーウィンドウは、個々のフラットパネルPSPMTユニット56の間の不感領域61の前にあるシンチレータ・ピクセルから出て来る光のより良い光学的結合を可能にするように実施される。これらの領域からの光収集をさらに改善するために、狭い反射的または拡散性のストリップ62を不感領域61に置いて、該不感領域に入って行く光を反射させ、そしてそれにより、追加反照、散乱および拡散の後にPSPMT56の光陰極に集められる該シンチレーション光の部分を増加させる。図7に表現されたイメージャ・ヘッド54ではHamamatsu H8500またはH9500PSPMTなどの大体 5cmx5cm サイズのPSPMTが使用され、検出器モジュール54当り約20cmのカバー範囲を得る。H8500、H9500PSPMTはブリッジウォーター(ニュージャージー)のHamamatsu Corporationから入手可能である。

38)通常、シンチレーション・アレイ58の正面に開口を有するプラスチックまたは金属の外部ケーシングまたはボックス63が検出器54を収容している。該ボックス63の特別の変種は、タングステン又は鉛又はこれらの金属と他の金属との合金もしくは混合体のような高いＺ材料と側壁と後壁のプレートに用いて、検出器の前部以外のすべての側から到着する散乱ガンマ放射線バックグラウンドから検出器ヘッド54を保護する。ハウジングは検出器ヘッド54に構造的な容器を提供し、それを取付台とガントリーに取り付けて検出器ヘッドを患者の胴の近くに配置することを可能にする手段を提供する。

39)外側イメージャの好適実施例は個々の検出モジュール54で構成され、その各々は2.1mmのピッチでアレイ状の24×24の LYSO 2x2x15mmピクセルに結合されたHamamatsu H8500フラットパネルPMTに基づいている。各モジュールには、4つのアナログの位置アウトプットと1つ(速い)のエネルギーのアウトプットがある。これらの位置のアウトプットはDAQシステムで記録されデジタル化され相互作用する511keVのガンマ線の位置を算出する。
該高速合計（ｓｕｍ）信号はトリガー電子装置における同時に起こるトリガー事象を引き起こすのに使用され、次に、DAQシステムに提供されて検出器モジュールからの事象データを記録する。最適のオンボード読み出し装置の設計は読み出し装置チャンネル数を最少にしつつ高エネルギー、空間分解能および高率パフォーマンスを保証するPMT利得均一性更正を含む。

40)外側検出器ヘッドの基本的な検出モジュールとして代替のより経済的な実施形態は、小さいプロフィールの2インチ四方の９元素Photonis XP 1470 PMTなどの多元素PMT(multi-element PMTs)に基づくことができる。しかしながら、達成される固有空間分解能は2mmのピッチ・シンチレーション・ピクセルにおいてわずかに満足できただけだったが、これらのPMTは主として9個の個別の内側のチャンネルの間の時間シフトのためH8500PSPMTよりはるかに遅い。部分的な救済の仕組みは原則として可能であるが、読み出し装置設計とカリブレーションは、より複雑になり、そして、完全な問題更正は可能でない。また、これらのPMTに構築されたシステムははるかに重ばりもするだろう。

41)外側の検出器ヘッドの別の好ましい例では、位置検出型PMTの代わりにシリコン光電子増倍管(SiPMT)を使用できる。通常、SiPMTモジュールはサイズ約3mmの、より小さいユニットになる。したがって、外側の検出器の場合、これらの装置のアレイは所望の有効視野をカバーするのに必要である。図8〜11を見ると、１６個の3mm基本SiPMTユニット74で構成された名目的な12.5mmモジュール72を使用することで、約 5cmx5cm 有効視野のSiPMT光検出器70をどのように達成するかの例が示されている。図8に示されているように、基本的な初期の撮像モジュール72は、4×4アレイに配列されたアレイ状の16個の3mm×3mm読み出しピクセル/パッド74を有することができる。これらの基本的な撮像モジュール72は4つの側の緑でおよそ1mmのデッドスペース75と接する。基本的なモジュール72からの3mmのパッド74は1個の読み出し装置チャンネル76(図9を参照)に連結された4個のパッドまたは1個の読み出し装置チャンネル78（図10参照）に連結されたすべての16個のパッドと別々にまたは粗くであるが共に読取りできる。図11に示すサイズ約5cm²のプラグイン形PMT交換用のモジュールは、16(4×4)の基本的な撮像モジュール72のアレイを配列して例えばHamamatsuのH8500/H9500 フラットパネルPMTと同等なコンパクトな撮像モジュール70を形成することによって実施される。これらのモジュール72は、4×4の基本的なモジュール72で構成されたコンパクトな撮像モジュール70に配置でき、H8500/9500PSPMTと同等なカバー範囲を有し読み出し装置を必要とする。この多段階モジュラー手法で、そして適切に設計されたオンボード読出し回路では、2つの光検出器技術(フラットPSPMTからSiPMT)の間の変更は該変更作業の手間とコストを最小にするプラグイン形置換型であることができる。このコンパクトな光検出器70の使用は外側の撮像システムのサイズを最小にする。

42)シリコンPMTは是非ともコンパクトであることが必要な経直腸プローブ42のための好ましい光検出器技術である。プローブ42と前方外部検出器モジュール43の間の限定的な撮像幾何的配置は、実際に非常に高い解像度プラナーPET撮像を容認する。したがって、経直腸プローブの好ましい設計、これはなお高い空間的な2D解像度(投影幾何的配置)を容認する、コンパクトな光検出器アレイと結合された1つのシンチレータ・レイヤを有するフラット型モジュールである。

43)図12を見ると、SiPMTセンサー単位80で構築されたそのような撮像経直腸徹底的調査42の概念図が示されている。プローブ42はシンチレータアレイ82、光導体84、SiPMTアレイ86、およびプリアンプ88を含んでいる。SiPMTアレイ86では、アレイ状のシリコン光電子増倍管80またはアバランシェフォトダイオード（およそ5mmを占めるとそれぞれ思われる)が、2.5cm幅(Wp)×5cmの長さ(lp)の有効視野をカバーしている。したがって、この小型のプローブ検出器ヘッドは、経直腸プローブが小型パッケージに収まることを可能にする。SiPMTアレイ86のサイズは、3.85x4.35mmのピクセル・フレームサイズを有する合計66のピクセルの場合6x11である。光検出器アレイ86にライト・スプレッダ光学窓84を介してシンチレーション・アレイ82を結合することによって、シンチレーション・アレイ82(アレイは、1.5mmのピッチと厚さ10mmである)の読み出しを得る。５ｍｍのステップで、光検出器アレイ８６のそれぞれの光電検出器素子８０の有効なサイズはおよそ３ｍｍ ｘ ３ｍｍしかない。約４．３（ｘ）×４．８ｍｍ（ｙ）のピッチで用いられる３ｍｍセンサ素子を有し、光学光導体ウィンドウ８４を有する読み出し装置はシンチレーション信号の素晴らしいサンプリングを提供し、光シェアリングにより強い検出信号と良質の撮像能力を与えるが、同時に現世代のこれらの装置使用される個々のセンサーの必要な機械的な実装を可能にする。プローブ４２を電池式とし、しかも無線データ転送とすることで、プローブにオンボードで搭載された電子装置のサイズと複雑さを犠牲にして、操作に必要なケーブル接続を限定することができる。

44）ＳｉＰＭＴセンサユニットで外部の検出器モジュール４３と４４と内部の経直腸プローブ４２の両方をつくる利点は、このようなシステムは原則として、強いマルチ・テスラ磁場へのＳｉＰＭＴの知られている免疫性により、ＭＲＩ磁石の近くで又はその内部で使用できることである。

45）前立腺イメージャの非常に重要で不可欠の部分は読出し装置から信号を受け取りデジタル化して次に、デジタル化したデータをデータ処理、データ解析及び断層撮影画像再構成のためにコンピュータシステムに転送するデータ収集システムである。読出し装置はイメージャ・モジュール、外部および内部の両プローブのために選択された技術的解決策の特定の選択による。一例を該イメージャのための特定の設計選択を行うために以下に示す。

46)上で議論したように、DAQの好適実施例では、図6に示されているようなPETイメージャ40は4つの外部検出器モジュール45を持っている。各検出器45は、 ピクセル化 LYSOシンチレータアレイと結合された8つのモジュール式Hamamatsu H8500PSPMTを有する。それぞれのPSPMT増幅器ボードは4つの位置コード化されたアナログ信号と1つのアナログ合計信号を検出器45あたり合計40個のチャンネルに供給する。トリガーは別々のトリガーハードウェアモジュールに形成される。それぞれの検出器45のすべてのPSPMT(8)のアナログ合計はコンスタント・フラクション・ディスクリミネータで識別される。4つの検出器モジュールの各々に、すべての4つの識別された信号が、4つの 64チャンネルDAQユニットに単一の同時計数トリガー（coincidence trigger）を提供する同時計数論理回路によって処理される。

47)図13は1組の同時計数外部検出器対のための本発明のDAQシステムの概念図である。
患者46の上に置かれた2つの外部モジュール45(図6参照)と、ベッド47の下に置かれた2つのモジュール45との間で同時に起る事象の4つの組合せがある。さらに、内部の経直腸プローブ42と患者46の正面に置かれた2つの外側検出器モジュール45との間には、2つのタイプの同時に起こる事象がある。

48)プローブ42の挿入のない撮像手順の部分では、事象トリガーは4つの外側検出器45の間の4つの同時に起こるトリガータイプの合計（論理的OR）になる。プローブ42の挿入の状態では、前立腺領域にかかわる2つのタイプの同時に起こるトリガーしかないが、前立腺付近での臓器領域の限定的な撮像も同時に可能である。したがって、また、原則として、6コンポーネントの同時に起こるトリガーのオプションも可能である。

49)4つの外部モジュール45と1つのプローブ42を有する現在説明した例と異なった、他のモジュール・サイズの組合せにかかわる前立腺PETイメージャ設計の場合には、そのイメージャー設計に合わせて異なった読み出し装置/DAQシステムを使用する。例えば、別の実施形態としては、外側のシステムに6つ以上のモジュールを有し、マルチコンポーネントのインサート可能プローブを有する撮像システムを挙げることができる。

50)データ収集システムのための好適実施例は、Jlabで設計されたFPGAベースの USBデータ収集システムである。このシステムには、1ユニットあたりの同時サンプリングADCを最大64個のチャンネルまで拡張可能なモジュール型のアーキテクチャと、すべての64個のチャンネル[Pro05]、[Pro06]のため150kHzを超える持続型トリガーレートを有する。標準操作で、各ユニットは1つの特定の検出器モジュールに対応している。それぞれの同時に起こる対のモジュールは該2個の検出器の事象タイミングにマッチするように同期される。両方の対応するユニットは、外部の同時計数トリガー論理によって同時に引き起こされる。それぞれのDAQユニットはそれ自身の収集コンピュータへの高速 USB の上をタイムスタンプの生の事象データを送る。それぞれの収集コンピュータは、次に、すべての受信データについてのセントロイドとエネルギー計算を実行して、このタイムスタンプの処理データをイベントビルダ/再構成コンピュータへのギガビットイーサネット（登録商標）上を送る。イベントビルダはこのタイムスタンプを使用して別の検出器事象を単一の同時に起こる事象に合併する。それは、画像再構成を実行してもよいし、又は該データを別のコンピュータに画像再構成のために送ってもよい。再構成されたトモグラフィ画像のセットがユーザインターフェースに送られる。

51)本発明による前立腺PETイメージャの更なる実施形態はすべての外側の検出器モジュールと前部の外側検出器モジュールとプローブの間の511keVの同時に起こるガンマ線信号の間のタイミングを測るときに飛行時間(TOF)のオプションを実行する。このPETイメージャでは、該タイミングは処理画像における再構成体積が胴幅より小さいような精度で測られる。前立腺並びに構造上の近くから現れる放射性信号の検出を改良するために、該専用の前立腺PETイメージャにTOF PETを使用できる。

52)上の説明は多くの具体的な説明、材料、および寸法を含んでいるが、単に、本発明の好適実施例のいくつかの例示的説明を提供するもので、本発明の範囲をこれらに限定するものと解釈するべきでない。したがって、本発明の範囲は提出した例によってではなく、添えている請求の範囲とそれらの法的な同等物で決定するべきである。
以下の刊行物の内容はそれらの全体をこれにより引用して本願に包含させる。
I) N. Clinthorne, "Promise of the Compton prostate probe, recent results and beyond", presented at the Topical Symposium on Advanced Molecular Imaging Techniques in the Detection, Diagnosis, Therapy, and Follow-Up of Prostate Cancer, 6-7 December 2005, Rome, Italy.
2) J. S. Huber et al., "Dual-Modality PET/Ultrasound imaging of the Prostate", Lawrence Berkeley National Laboratory. Paper LBNL-59114. (November 11, 2005).
3) J. S. Huber et al. , "Initial Results of a Positron Tomograph for Prostate Imaging", IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume 53, Issue 5, Part 1, Oct. 2006 Page(s):2653 - 2659.
4) S. S. Huh et al., "Investigation of an internal PET probe for prostate imaging", accepted for publication in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2007.
5) C. Levin, "New Photon Sensor Technologies for PET in Prostate-Specific Imaging Configurations", presented at the Topical Symposium on QAdvanced Molecular Imaging Techniques in the Detection, Diagnosis, Therapy, and Follow-Up of Prostate Cancer, 6-7 December 2005, Rome, Italy.
6) W. Moses, "Dedicated PET Instrumentation for prostate imaging", presented at the Topical Symposium on Advanced Molecular Imaging Techniques in the Detection, Diagnosis, Therapy, and Follow-Up of Prostate Cancer, 6-7 December 2005, Rome, Italy.
7) V. Popov et al., "A Novel Readout Concept for Multianode Photomultiplier Tubes with Pad Matrix Anode Layout", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567 (2006) 319-322).
8) V. Popov et al., "Study of Photonis XP1470 Nine-Channel Photomultiplier Tube For Applications in High Resolution Single Gamma and PET Imagers", presented at the 2007 IEEE MIC conference, Honolulu, Hawaii, October 27 - November 3, 2007.
9) J. Proffitt et al.; "A flexible high-rate USB2 data acquisition system for PET and SPECT imaging", 2005 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Puerto Rico, October 23-29, 2005, pp. 2971-2975.
10) J. Proffitt et al., "Implementation of a High-Rate USB Data Acquisition System for PET and SPECT Imaging", 2006 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, San Diego, California, October 29 - November 1, 2006, pp. 3063 - 3067.
11) T. G. Turkington et al., "PET prostate imaging with small planar detectors", T.R.QNuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEEQVolume 5, Issue, 16-22 Oct. 2004 Page(s): 2806 - 2809.
9) J. Proffitt et al.; "A flexible high-rate USB2 data acquisition system for PET and
SPECT imaging", 2005 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record,
Puerto Rico, October 23-29, 2005, pp. 2971-2975.
10)J. Proffitt et al., "Implementation of a High-Rate USB Data Acquisition System for PET and SPECT Imaging", 2006 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, San Diego, California, October 29 − November 1, 2006, pp. 3063 - 3067.
11)T. G. Turkington et al., "PET prostate imaging with small planar detectors", T.R.QNuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEEQVolume 5, Issue, 16-22 Oct. 2004 Page(s): 2806-2809.

20: 従来技術の前立腺イメージャ
21: PETプローブ
22: 外側イメージング検出器
23: 前立腺
25: 従来のPET26の外部PETリングを有するハイブリッド撮像システム
27: 従来技術の経直腸プローブ
28: 前立腺
29: 従来技術インサート可能プローブ
30: 外側PETイメージャ
32： 検出器部分
34: 患者
36: 患者のベッド
37: 検出器スーパーモジュール
38: 回転角度方向
39 前立腺領域
40: 専用の前立腺イメージャ
41: 外部のもしくは外側PET撮像システム
42: 内部の経直腸 PETプローブ
43: 前の外部検出器のモジュール
44： 後部外部検出器モジュール
45： 検出器部分またはヘッド
46: 患者
47: 可動式の患者のベッド
48: 応答のライン
50: 前立腺
51: 回転可能な可動式のガントリー
52: 回転角の方向
53: 検出モジュールの間の距離調節の方向
54: 外側イメージャ部またはヘッド
55: 平坦なPSPMTのアレイ
56: PSPMT
57: シンチレータセンサ
58: ピクセル化またはシンチレーション・アレイ
59: 光学窓
60: 外側のウィンドウ
61: 不感領域
62: 反射ストリップ
63: 外部ケーシングまたはシールド
70: コンパクトなシリコン撮像モジュールまたは検出器
72: 基本的なシリコン撮像モジュール
74: 基本的なSiPMTユニットまたはパッド
75: デッドスペース
76: 4個のパッドを有する読み出しチャンネル
78: 16個のパッドを有する読み出しチャンネル
80: SiPMTセンサー単位
82: シンチレータアレイ
84: 光導体
86: SiPMTアレイ
88: プリアンプ
W: 検出器ヘッドの幅
Wp: プローブ検出器ヘッドの幅
Lp: プローブ検出器ヘッドの長さ

Claims (19)

1. 患者の前立腺および周辺臓器を画像化するための専用の可動式のPETイメージャであって、
   患者の胴の近くに置かれた高解像外側PETイメージャ；
   極めて接近して前立腺にごく近接して患者に置かれたインサート可能でコンパクトな経直腸プローブであって、前記の外側イメージャおよび前記の経直腸プローブは互いに空間的に共同登録されている経直腸プローブ；
   および
   前記PETイメージャと前記経直腸プローブから同時にデータ収集するための高速データ収集システム
   を有する上記PETイメージャ。
2. 請求項1のPETイメージャ であって、前記外側ＰＥＴイメージャが、
   患者を受け付けるための患者のベッド；
   前立腺ならびに周辺の組織および臓器の胴幅の３Ｄ画像を提供するための開放回転式ガントリーであって、前記患者のベッドの周りに取り付けられた前記回転式ガントリー；
   患者のベッドの上、前記回転式ガントリーに固定された2つの機械的に別々の検出器モジュール；および
   患者のベッドの下、前記回転式ガントリーに固定された2つの機械的に別々の検出器モジュール
   を含むPETイメージャ 。
3. 請求項2のPETイメージャであって、前記検出器モジュールが、
   前記検出器モジュールが患者の胴に対して所定の位置に固定される静的なモードで；
   前記検出器モジュールが患者の胴に対して回転され、断層撮影3D再構成を増強するように前立腺領域の全角度投影サンプリングを提供する、動的モードで；
   操作することができるものであり、
   前記検出器モジュールを含む前記回転式ガントリーは、前立腺領域をより良く視、断層撮影3D空間分解能を最適化するように、15-25度回転させることできる、
   上記PETイメージャ。
4. 請求項3のPETイメージャであって、前記外側イメージャと前記経直腸プローブとを相互に空間的に共同登録するための、かつ、前記外側検出器モジュールの各々を患者の胴に対する絶対的なおよび相対的な位置決めを制御するための、前記検出器モジュールの各々上にある電子センサ位置決めシステムを含む、上記PETイメージャ。
5. 請求項1のPETイメージャ であって、前記経直腸プローブが、前立腺とごく周囲の、より緻密で高い感度と非常に高い解像度の2D図(view)を提供する、上記PETイメージャ。
6. 請求項1のPETイメージャであって、前記経直腸プローブが高効率と少なくとも1mmのFWHMの解像度を含む、上記PETイメージャ。
7. 請求項1のPETイメージャであって、 前記外側イメージャが、関係身体スライスに渡って1.5〜2.0mmの間の3D再構成解像度を含んでいる、上記PETイメージャ。
8. 請求項1のPETイメージャであって、 前記外側イメージャと符合している前記プローブは前記プローブの小さい視野にわたって1.0〜1.5mmの間の2D再構成解像度を有する、上記PETイメージャ。
9. 請求項2のPETイメージャであって、前記回転式ガントリーは、前記外側イメージャを用いて３Ｄ画像化モードで360度の角度でのサンプリングを可能にする、上記ＰＥＴイメージャ。
10. 請求項2のPETイメージャであって、前記データ収集システムは、リストモードにおいて少なくとも200kHzのトリガーレートでデータを記録ができて、同じスキャン・セッションの間に迅速な制限データ解析と高速データ再生と画像再構成とを可能にするマルチチャンネル高速データ収集・処理システムである、上記ＰＥＴイメージャ。
11. 請求項2のPETイメージャであって、前記検出器モジュールが、
    511keVのγ線のセンサー/エネルギ変換器としてのシンチレータ・ガンマ・センサー；
    および
    シンチレータ・ガンマ・センサーで吸収された511keVのγ線により生成されたシンチレーション光の検出器としての光検出器、
    を有する、上記ＰＥＴイメージャ。
12. 請求項11のPETイメージャであって、前記シンチレータ・ガンマ・センサーが、 LSO, LYSO, GSO, BGO, LaBr3, NaI(Tl), CsI(Tl)および CsI(Na)からなる群から選択された、ピクセル化されたまたはプレート状の結晶シンチレータ材料を含んでいる、上記ＰＥＴイメージャ。
13. 請求項11のPETイメージャであって、前記光検出器が、標準の光電子増倍管、多元素光電子増倍管、位置検出型光電子増倍管、フラットパネル光電子増倍管、マイクロチャネルプレート・ベースの光電子増倍管、アバランシェ・フォトダイオードアレイ、抵抗性読み出し装置付き大判アバランシェフォトダイオード、シリコン光電子増倍管、単純プレート、光ファイバー製真っ直ぐなまたはテーパ状の光導体、真っ直ぐなまたは曲がったファイバーの束を使用できるような単純プレート光導体を含む群から選択される、上記ＰＥＴイメージャ。
14. 請求項2のPETイメージャであって、前記経直腸プローブが、
    511keVのγ線のセンサー/エネルギ変換器としてのシンチレータ・ガンマ・センサー；
    および
    シンチレータ・ガンマ・センサーで吸収された511keVのγ線により生成されたシンチレーション光の検出器としての光検出器、
    を含む上記ＰＥＴイメージャ。
15. 請求項14のPETイメージャであって、 前記シンチレータ・ガンマ・センサーが、 LSO, LYSO, GSO, BGO, LaBr3, NaI(Tl), CsI(Tl), および CsI(Na)を含む群から択されたピクセル化またはプレート状結晶シンチレータ材料を含んでいる、上記ＰＥＴイメージャ。
16. 請求項14のPETイメージャであって、前記光検出器が、アバランシェフォトダイオードおよびシリコン光電子増倍管を含むグループから選択されたソリッドステートの光検出器である上記ＰＥＴイメージャ。
17. 請求項1のPETイメージャであって、前記外側イメージャが、
    ピクセル化されたアレイ状態のシンチレータセンサに結合された、連続したアレイ状の平坦なPSPMTユニットであって、該ピクセル化されたアレイはアレイ状の24×24の LYSO 2x2x15mm ピクセルを2.1mmのピッチで含む上記PSPMTユニット；および
    前記アレイ状のPSPMTユニットと前記ピクセル化されたアレイの間にあるカプラーウィンドウであって、個々の複数の平坦なPSPMTユニットの間の不感領域の前にあるシンチレータ・ピクセルから出て来る光のより良い光学的カップリングを可能にするカプラーウィンドウ、
    を含む上記ＰＥＴイメージャ。
18. 請求項1のPETイメージャであって、前記外側イメージャが、
    約12.5mmのモジュールを使用する大体の 5cmx5cmの有効FOVを有するSiPMT光検出器を含み、
    前記12.5mmのモジュールの各々が、4×4アレイに配置された16個の 3mmx3mmの読み出しピクセルで構成されている、
    上記ＰＥＴイメージャ。
19. 請求項1のPETイメージャであって、前記経直腸プローブが、
    1.5ｍｍピッチＸ１０ｍｍの画素サイズを含むシンチレータアレイ；
    2.5cmx5cmの有効FOVをカバーする、アレイ状のシリコン光電子増倍管またはアバランシェフォトダイオードを含む光検出器アレイ；および、
    前記シンチレータアレイを前記光検出器アレイへ結合する光スプレッダ光学窓、
    を含む、
    上記ＰＥＴイメージャ。

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