スペクトル型フォトンカウンティングX線 · HR-GaAs:Cr技術解説
デジタルX線は数十年にわたり、シンチレータと光電素子の組み合わせに頼ってきました。この方式は空間・コントラスト・時間分解能の物理的限界に達しています。打開策を求めて、25〜30年間で100億ユーロ以上が投じられてきました。Zeeltaの答えは、光子を数えてそのエネルギーを測る直接変換型HR-GaAs:Crセンサーです。
01 · 限界
シンチレータ検出器がこれ以上見えない理由
シンチレータでは、吸収されたX線量子が全方向に広がる光を発します。光の一部しか光電素子に届かず、複数のセルが同時に光ります。近くの事象は1つの大きな事象に融合してしまいます。検出器は事象の位置を正確に特定できず、量子のエネルギーも測定できません。検出量子効率（DQE）は約35〜40%です。
これまで3つの方向が検討されてきました。2回撮影するデュアルエナジー方式では、診断情報は大きく増えませんでした。数学的な画像処理は診断支援を向上させましたが、データが増えなければこれ以上は進めません。有望なのは新しい検出器基盤、つまりa-Se、CdTe、CdZnTe、GaAs:Crなどのモノリシック直接変換型半導体センサーです。
02 · 直接変換
HR-GaAs:Crによるフォトンカウンティング
モノリシック半導体センサーでは、X線量子がそのエネルギーに比例した量の電荷を生み出します。バイアス電圧によって電荷は反対方向に移動し、1つの画素電極に集められます。読み出しASICがパルスを増幅し、エネルギーしきい値と比較して計数します。
- 各事象の位置は一意に決まり、空間分解能は画素ピッチ（35 µmから）に従います
- 電荷量が量子のエネルギーを示します。これがエネルギー分散、色覚に相当するものです
- 近接して同時に起きた2つの事象も別々に記録されます
- DQE 90%以上：量子計数モードが可能になります
03 · 比較
シンチレータ + Si と HR-GaAs:Cr の比較
| 空間分解能 | スペクトル（カラー） | 密度分解能 | |
|---|---|---|---|
| シンチレータ + Si | 画素ピッチは最小110 µm、実際の分解能は330 µmから | 不可。デュアルエナジー方式には複数回の撮影または2つの線源が必要 | 一般X線撮影で256階調、専門的なマンモグラフィで512階調、64列CTで4,960階調 |
| HR-GaAs:Cr | 画素ピッチ35 µmから、実際の分解能はセンサー構造に一致 | 定性・定量の元素分析に十分な精度で量子エネルギーを測定 | エネルギー範囲ごとに独立して約4,000階調 |
| 一方で他方を置き換えられるか | 一部可能 | 不可：スペクトルイメージングはシンチレータ方式では実現できません | 不可：エネルギーチャネルごとの独立した階調はシンチレータ方式では実現できません |
04 · 材料
技術の全体像
チャネルごとに読み出すASICに適したモノリシック半導体センサー：
| 材料 | 長所 | 制約 |
|---|---|---|
| シリコン（Si） | 非常に安価 | 医療では使われない非常に低いエネルギーでのみ有効、放射線による劣化が速い |
| アモルファスセレン（a-Se） | 初めて量子計数を可能にした材料 | 温度安定化と水平設置のパネルが必要、実システムでは使われていない |
| CdTe, CdZnTe (CZT) | 10〜120 keVで高効率、耐久性が高い | 1グラムあたり約293米ドル、パネルは最大84.5 × 28.16 mm |
| HR-GaAs:Cr | DQEは40 keVで95%以上、120 keVで約75%、最高70 °C、耐放射線性は最大10 GGy | 1グラムあたり約7.2米ドル、フラットパネルは430 × 430 mm超 |
05 · 成果
スペクトルX線でわかること
06 · 医療
新しい診断手法
スペクトルX線は、解剖学的な画像だけでなく機能診断を可能にします。臨床パートナーを募集している研究テーマ：
- リアルタイム生体線量測定（VDRT）
- 新しいコーンビームCTシステム
- 眼の硝子体のX線イメージングと評価
- 医療チームとの前臨床試験と共同研究