GEM を用いたガンマカメラの開発

　　

信州大学 高エネルギー研究室 黒石　将弘

2 月 10 日 修士論文発表

目次

1. 研究背景

2. GEM とは

3. ガンマ線検出器システム

4. ガンマ線照射試験結果

5. まとめ・課題

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

ガンの部分に集まっている

投与前 投与後

ガンマカメラ全景

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

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

NaI シンチレータ

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

ガンマカメラ固有の分解能 ( コリメータを除く )3～ 4mm

線源

検出器内部 光電子増倍管

コリメータ

ガンマ線

FWHM 　@141keV

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

光電子増倍管

シンチレータ

コリメータ

GEM

ピンホール

ガンマカメラ

GEM を用いたガンマ線検出器

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

GEM 全体図

70μm

140μm

100mm

100mm

電子

GEM によるガス電子増幅

GEM foil 50μm Kapton

3μm Cu

3μm Cu

Electrical field

Amplification

electrons

electron 5μm

-1150V

-900V

-500V5μm

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

ピンホールの原理

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）

ピンホール

コーン型の孔2mm 60°

鉛板（ 10mm厚）100mm

100mm

放射線源

ガンマ線検出器

ピンホールの孔のみ通る

ガンマ線

拡大

10mm

ガンマ線検出器

読み出し回路

ガンマ線検出器システム

検出器システム

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 )

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

200mm 200mm

95mm

500mm

ガンマ線検出器

読み出し回路

GEM

ガンマ線の検出

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。

•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

Au(3μm)

Cu

ガンマ線 (141keV)

-e

絶縁体物質

Au-GEM

断面図

ガンマ線を光電効果によって電子変換させる

Gas:Ar-CO2(70:30)

カソード

ガンマ線変換層

電子増幅層

二次元読み出し基板X-Y ストリップ 0.8mm ピッチ

-e

読み出し回路へ

ガンマ線検出器内部ガンマ線

Au-GEM : 4 枚をチェンバーに組み込む

( 変換効率 ： 3%)

GEM : 100-50-50 の組み合わせ

( 増幅率 : 2 万倍 )

11.5mm

読み出し回路0.8mm の X,Y ストリップ

それぞれ 120ch の計240ch

Vth

250 mm

110 m

m

アナログ信号をデジタル化

64 chs. inputs

読み出し回路読み出し用ストリップ基板

デジタル信号をデータに変換

hit 時刻と位置のデータに変換

一枚で 64ch の読み出し回路を 4 枚使用

ストリップからの信号

PC へ

ヒット

ガンマ線照射試験

場所：国際医療福祉大学 栃木県大田原市

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

ファントム (99mTc)

ガンマ線検出器

ピンホール(2mmφ)

11cm

10.6cm

鉛遮蔽

1mm

1mm

10mm

99mTc

100mm

ファントム

3mm

2.5mm

2mm 1.5mm

1mm

0.5mm

100mm

FWHM(2.5mmφ)

X:2.7mm

Y:3.1mm

ファントム等倍写像

FWHM(3mmφ)

X:3.3mm

Y:3.5mm

ピンホール : 2mmφ

取得時間 : 60min2.5mm 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

2.5mm2.0mm

1.5mm

1.0mm3.0mm 3.0m

m

1.5mm

count

位置 (X)

ファントム 3 倍拡大写像

ピンホール : 2mmφ

取得時間 : 60min ガンマ線検出器

3cm

10.6cm

3 倍拡大

ファントムからピンホールまでの距離を狭くする

1.5mm

拡大をすることで 1.5mm まで分けて見ることができる

FWHM X:2.1[mm]

Y:2.2[mm]

1.5mm

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

ガンマカメラ(10min)

3mm

2.5mm

2mm

1.5mm1mm

GEM を用いたガンマ線検出器(60min)

等倍 3mm

2.5mm

2mm

1.5mm1mm

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

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

ガンマ線検出器

コリメータ

ファントム1cm

2.5mm

2.0mm

1.5mm

1.0mm

3.0mm

2.5mm 2.0m

m

1.5mm

1.0mm

3.0mm

ガンマカメラGEM を用いたガンマ線検出器

コリメータ　孔径　 2mmφ

壁厚 0.152mm

長さ 42.0mm

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

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

参考

線源位置γ 線

検出器

ＰＥＴ

ガンマカメラ

各ピンホールからの投影像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

線源

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

両面読みチェンバー

ガンマ線変換層

電子増幅層

ガンマ線変換層

電子増幅層

読み出し両面ストリップ

必要電圧は 4 枚分で Au-GEMを積める枚数は倍

パララックス Au-GEM を積層することで生じる問題

3μm Au:27μm

GEM:200μm

Gap:4mm

= 4227μm

17cm

17cm

10cm

読み出し strip

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

R

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

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

ファントム照射結果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 :5min 　 total 396M(Bq)

Au-GEM の枚数 4 枚　 gap 1mm で撮像

4mm まではすぐに見えるようになる

5mmΦ

6mmΦ

7mmΦ

4mmΦ

3mmΦ

2mmΦ

前回のファントムを使用

印加電圧の変化における検出効率の変化

1000

10000

100000

93 94 95 96 97 98 99 100 101 102

[%]最大の電圧に対する割合

[log

]カ

ウン

ト数 Au-8枚

Au-4枚

Auの枚数よる感度測定

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Auの枚数

4A

u枚

のに

対す

る検

出効

率

1系列

Au-4 枚と 8 枚は徐々にサチレートしている

HV依存による感度測定

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

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, 2mm0.4mm

y = 2.1684x + 6.9092

y = 1.8776x + 6.6388

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

FWHM X mm（ ）FWHM Y mm（ ）

ASIC からの信号

Vth

コンパレータ

( デジタル信号化 )1

0

ch1

ch2

ch3

LVDSレシーバ

サンプラー200MHz

01 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0

エッジモード

1event 1event

10ns のパルス波として認識

1event5ns 間隔で

サンプルする

データフォーマット

タイマー10nsec 単位

00000598 ad3d7c2c 0000000000000006

hit 時刻情報 (8byte) hit 位置情報 (8byte)

SiTCP Ethernetトランシーバー

DAQ(PCへ )

赤色の部分は ASIC黄色の部分は FPGA青色の部分はその他

フォーマット後のデータ構成

②

③

④

10ns

①

多層化による効率の向上　 Gain=1 の設定

ドリフト間で得られた Gain と同じ Gain が得られる

ドリフト間で得られた Gain と同じ Gain が得られる

ΔVGEM = 240 V

ΔGEM＝ 200V ΔGEM＝ 240V ΔGEM＝ 280VΔGEM＝ 80V

55Fe： 5.9keV

ADC=950ch

電子増幅器Cu-GEM ３枚上100um中100um下50um

カソード：メッシュ

Au-GEM：メッキ厚3μ m（シミュレーションにより決定）

6 mm

7.5 mm

Readout pad

2 mm

2 mm

1 mm

GEM 1

GEM ３EI = 5.4 kV/ cm

ET = 2.4 kV/ cm

GEM 2ET = 2.4 kV/ cm

ED = 1.2 kV/ cm

ET = 1.2 kV/ cm

(Δ VGEM = 240 V)

電子増幅器Cu-GEM ３枚上100um中100um下50um

カソード：メッシュ

Au-GEM：メッキ厚3μ m（シミュレーションにより決定）

6 mm

7.5 mm

Readout pad

2 mm

2 mm

1 mm

GEM 1

GEM ３EI = 5.4 kV/ cm

ET = 2.4 kV/ cm

GEM 2ET = 2.4 kV/ cm

Readout pad

2 mm

2 mm

1 mm

GEM 1

GEM ３EI = 5.4 kV/ cm

ET = 2.4 kV/ cm

GEM 2ET = 2.4 kV/ cm

ED = 1.2 kV/ cm

ET = 1.2 kV/ cm

(Δ VGEM = 240 V)

ファントム照射結果

ファントム照射時間 :60min 　 total 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]

ファントム画像の比較

ファントム全体図

1.5mm-3倍拡大図

Au-8 枚 Gaq-0.4mm

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)

GEM チェンバー ガンマカメラ

1cm

3.5cm

5mmΦ

6mmΦ

4mmΦ 3mmΦ

2mmΦ

ファントム 2mm 径 -3 倍拡大(60min) 　 6300V 6500V6200V

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350

座標

カウ

ント

数

1系列

FWHM X:15.5 X:14.7 X:12.5

Y:13.9 Y:17.9 Y:14.5

2mm

ファントム 1:2 の 3 倍拡大照射

4 倍拡大

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）

3mm まで見える

一つの線源に見える

判別不能

ファントムまでの距離：17cm

7mmΦ

6mmΦ

5mmΦ

4mmΦ

3mmΦ

2mmΦ

6mm まで見える

ガンマカメラ(10min)

ファントムまでの距離：10cm

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

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

γ 線

シミュレーション結果　 Au の効果判定

3μm-Au 　メッキ GEM （ 141ｋｅＶ　上段Ａｕあり、下段Ａｕなし）

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

@ 141keV γ - ray

0

50

100

150

200

250

300

0.00 0.05 0.10 0.15

Crossing the detecter plane:electron(MeV)

Num

ber

of e

lerc

tron Au +

Au -

検出効率：～ 0.47％（ Au＋）、～ 0.0４％（ Au- ）＠ 141keV 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Au メッキ厚： 3um

多層 Au メッキ GEM （ Au メッキを片面　両面でシミュレート）

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0 5 10 15 20

Number of GEM

effici

ency

(%)

1u S1u D

片面 VS 両面＠ 1umAu メッキ GEM 各 Au 厚における効率の変化＠両面メッキ

＠１４１ keV

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0 10 20 30 40 50

Number of GEMeffi

cienc

y(%)

1u Au D2u Au D3u Au D4u Au D5u Au D10u Au D

シミュレーション　 Au の効果判定

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

Xch

Ych

拡大

0.8mm

0.8mm

スルーホールより裏側で繋がっている

読み出し用ストリップ基盤

エレキ部分

250 mm

11

0 m

m

MCM

FPGA

-5V+5V

GbE

T0 / CLK IN

Sync. I /F

Analog Sum

64 chs. inputs

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

Vth 設定方法

ch1

ch2

ch3

Vth ライン

time

(-)mV

Vth(ch2)

Vth(ch1)

Vth(ch3)

各 ch のノイズレベル

各 ch のベースライン

同じ信号が入ってもch2 しか反応しない

信号

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

Vth 設定方法

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

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

差分を取り、 gauss でfit

ベースの位置と

σ を調べる

ベースライン

ノイズレベル

Vth

ch1

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

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

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 　 = 　 0.0

5% Xe ： 2mm/54.7mm 　 = 　 3.6

5%

X-ray 　 Spectrum 　＠ 100ｋ V

ピンホールカメラの原理

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）

被写体（ 99mTc）

フィルム

（ガンマ線検出器）

ピンホール

コーン型の穴が空いている

2mm 60°

鉛板（ 10mm厚）100mm

100mm