CN1034101C - 计算机x射线断层照相机 - Google Patents

Abstract

所选的闪烁体材料是以透明块的形式提供的，用在如CT扫描系统这样的系统中，利用的是为提供所需发光的激活剂离子的石榴石基质材料。该石榴石基质材料最好包括钆作为其组份之一，以便以棒的形式提供具有高X射线(被检测的辐射是X射线辐射)遏止功率的透明基质材料。铬、铈及钕是优选的激活剂材料。

Description

计算机X射线断层照相机

与本申请相关的申请，有由C.D.Greskovich等人提出、题目为“透明的多晶石榴石”、序列号为(RD-20.202)的申请，以及由V.G.Tsoukala等人提出、题目为“空穴-陷阱补偿的闪烁体材料”、序列号为(RD-20.194)的申请，其中每份申请并此同时提出，并且作为一个整体在这里合并引证。

本发明涉及固态发光闪烁体领域，更确切地说，涉及对于X射线敏感的固态发光闪烁体领域，该闪烁体适用于高速计算机X射线断层摄影术(CT)扫描系统，特别是医学CT系统。

发光材料在一个电磁波谱区内吸收能量，而在另一个电磁波谱区内则发射能量。以粉末形式存在的发光材料，通常称之为磷光体；而以透明固体形式存在的发光材料，通常称之为闪烁体。

大多数常用的磷光体，是在吸收电磁波谱中可见区之外的辐射时，发出波谱中可见区的辐射。因此，磷光体起着将人眼对其不敏感的电磁辐射转变为人眼对其敏感的电磁辐射的作用。大多数磷光体对于电磁波谱中比可见区能量更高的那部分电磁波谱响应。因此，有对紫外光(如在荧光灯中)、电子(如在阴极射线管中)和X射线(如在X射线照相术中)响应的粉末状磷光体。

发光材料可被区分为两大类，这就是自激活发光材料和掺杂激活发光材料。

自激活发光材料是这样一种发光材料，其中的纯结晶基质材料因吸收高能量的光子而将其电子提升到受激态，这些电子在从受激态回到较低能态时将发射出光子。自激活发光材料通常具有很宽的电磁波谱发射特性曲线，这是因为不论是处在受激态还是较低能态的电子都可以具有较宽的能量范围，从而就使任何给定的受激电子在从其受激态跃迁到较低能态时，可以发射出相当宽范围的能量，取决于该电子在辐射跃迁前后所具有的具体能量。

掺杂激活的发光材料通常是这样一种发光材料，其中的不发光基质材料是通过掺杂以激活剂物质改性的，其在基质材料中存在的浓度比较低，例如在约200ppm-1000ppm的范围之内。但是，某些磷光体需要有几个摩尔百分数的激活剂离子，以使光输出最优化。对于掺杂激活的发光材料来说，基质晶体能够吸收入射的光子，而且被吸收的能量可由激活剂离子来接纳或由晶格转递给激活剂离子。该激活剂离子的一个或多个电子被提升到较高的受激态。这些电子在返回其较低受激态的条件下，将发射出能够发光的光子。在许多通常使用的掺杂激活发光材料中，能够发射出(受激)发出光的电子是d或者f电子层的电子，它们的能级可以分别受到周围结晶场的明显影响，或者比较不受其影响。在那些激活剂离子很少受到局部结晶场影响的情况，所发射出来的受激发射光，基本上具有激活剂离子而不是基质材料的特征，而且所发光的波谱包括一个或者多个比较窄的发射峰。这同自激活发光材料具有更宽的发射波谱形成鲜明的对照。在那些激活剂离子的电子能量明显受到晶体结构影响的情况，所发光的波谱通常是一个类似于自激活发光材料的相当宽的波谱。掺杂激活的发光材料的未加激活物质的基质，通常有许多不同的用途。在其中某些用途中，基质材料可以包括其它能改变其性能的物质，甚至可以包括本身是发光激活剂的组分，只不过由于其赋予的是不发光特性，故被包括在该混合物之中。

大量存在着多种已知的磷光体，其中每种磷光体都有自己的一组特性，诸如通导延迟、效率、初始衰减时间、余辉、滞后、发光光谱、辐射损伤等等。发光材料的通导延迟，乃是在恒定强度的激励辐射下，从激励辐射对于发光材料的起始照射到发光输出达到其最大值之间的时间间隔。发光材料的效率，乃是被吸收的激励辐射能量作为受激发光发射出去的百分率。当激励辐射终止时，由闪烁体所发的光输出将按两步衰减。其中第一步是从满负荷的发光输出迅速地衰减至较低值(但通常不为零)，处在该值时的衰减梯度实质上已变至较低的衰减速率。这种低强度一般为长衰减时间的发(荧)光，被称之为余辉，通常是以其低于满强度值2％的强度值出现。初始的迅速衰减被称之为初始衰减或初始速率，而且要从激励辐射终止的时间开始，测量到发光输出下降到其满强度值的1/e时为止。

对于给定大小入射的激励辐射来说，如果所发光输出的大小取决于最近被发光材料吸收过的激励辐射的大小，则此发光材料具有滞后。发光材料的发光光谱，具有由该材料发射的所发光的光谱特性。

辐射损伤为发光材料的特征，是指该发光材料被曝露在高辐射剂量之后，其在给定的激励辐射强度下所发射光的大小会改变。辐射损伤可以进行测定，首先用一个已知的标准的或者参照的辐射强度来激励发光材料。响应于该参照强度的入射激励辐射的光电探测器的初始输出(Io)，被测量并且记录或存储起来。接下去让该发光材料曝露在高剂量的辐射之下。最后，再一次将该发光材料立即曝露在该参照强度激励辐射之下，并且将响应于该参照强度激励辐射的光电探测器最后输出(If)，测量并存储或记录下来。于是辐射损伤(RD)可表示为： $\mathrm{RD}=\frac{\mathrm{If}-\mathrm{Io}}{\mathrm{Io}}$ $---\left(1\right)$ 理想情况下，辐射损伤应当尽可能小。在大多数发光材料中，由于If一般都小于Io，故其为负数。然而，如果在X-线辐射终止之后，在约100毫秒时余辉的量≥0.1％，则可以得到的辐射损伤是不可靠的，并且为正数。

在用于放射照相术的磷光体中，它们的很多特性都能在很宽的范围内变化，而不会对整个系统的性能产生不利的影响。在其它一些应用中，而要获得最高或实用的性能，则必须对其中的每个特性作严格规定。

在计算机X线断层摄影术(CT)扫描系统中，X-射线源和X-射线探测器列阵位于受检对象相反的两侧，而且彼此以固定关系绕受检对象转动。早期的CT扫描系统是利用氙气作为其X-射线探测介质的。在这些扫描系统中，入射的X-射线会使氙气电离，而且最后得到的离子将被吸引到光电元件(Cell)边缘的充电板上，并且闪烁体的输出为电荷或者电流。带有固体闪烁体的CT扫描装置，新近被提出来了。在固体闪烁体系统中，光电元件或器件的闪烁体材料将吸收入射在该光电元件上的X-射线，并且发射出能被该光电元件的光电探测器收集的光。在进行数据采集时，探测器列阵的每个光电元件或元件，都能提供一个代表该列阵光电元件上例行光强度的输出信号。这些输出信号经过处理，便以CT扫描装置技术中公知的方式产生受检对象的象。最好是使CT扫描装置中使用的发光材料具有线性特性，其中的光输出为被吸收的激励辐射大小的线性函数，以便使光输出能够以线性方式直接换算成相应的激励辐射强度。

在例如CT扫描装置这样的系统中，发光材料必须具有在以前提到过的许多以磷光体为基础的系统中并不需要的很多专业化的特征。首先，在以X-射线为基础的CT系统中，最理想的情况是在发光材料中基本上能够吸收所有的X-射线，以便将病人为取得CT图象所必须曝露的X-射线剂量减至最小。而为了基本上能够收集到所有入射的X-射线，发光材料在X-射线传输的方向上，必须具有足以遏止大体上所有X-射线的厚度。该厚度既取决于X-射线的能量，又取决于该发光材料的X-射线遏止功率。其次，重要的还在于要让实质上所有的(受激)发出光均能被光敏探测器收集到，以使整个系统的效率最高、信噪比最大，而且对于入射的激励辐射大小可以测定的精度最高。为了能够得到CT扫描装置的发光材料中产生的大体上所有的(受激)发出光，此发光材料对于该(受激)发出的光应是透明的。否则由于在发光材料中的散射和吸收，会使很多(受激)发出的光不能到达光敏探测器。因此，发光材料是以固体条棒形式提供的，它对于(受激)发出的光基本上是透明的，而且其在X-射线传输方向上的厚度，足以吸收大体上所有入射的X-射线。这样既使选择适用于CT扫描的发光材料变得复杂，又使该材料的制备更加复杂，因为许多作为磷光粉使用或试验的已知发光材料，均不能以具有所需透明度的固体条棒形式提供。

各种材料的发光性能，无法按固定方式象列表表示各种化合物的熔点、沸点、密度以及其它更多的常见物理特性那样在手册中列表表示。大多数的发光数据是在针对特定材料撰写的论文中找到的，作者为着多种原因进行过测定。进一步说，发光材料的最高程度表征是使用紫外光作为激励辐射来完成的，因为紫外光比X-射线更容易产生，而且一般认为不太有害。然而遗憾的是，很多响应于紫外光激励而发光的材料，响应于X-射线激励却是不发光的。因而对于很多材料而言，即便是发光数据可以得到的那些，并不保证该材料能响应于X-射线激励而发光。更进一步说，对于磷光体的许多应用而言，有许多在闪烁体中必须严格控制的参数，对于用在现代化CT扫描系统中则是不重要的，因而并未测量或通报过。因此，现有的发光材料数据，在寻找适用在现代化CT扫描系统中的闪烁体材料方面，只能提供很少一点指导(如果有的话)。在那些通常无法得到其数据的参数中，包括有：对于X-射线的辐射损伤；余辉；对生成单晶形式的可容许性；迟滞现象；机械性能，以及在许多情况下甚而是否是X-射线(激励)发光的。由于需要巨大数量的多种必须符合严格规范的参数，以为适用在现代化CT扫描装置中的给定材料之用，其中包括以透明闪烁体形式提供发光材料的能力，于是就使发现适合的闪烁体材料的过程基本上要从零开始，类似于“大海捞针”。发现这种材料困难的例证是，由铊活化的碘化铯和钨酸镉仍用在目前市售的CT扫描机中，尽管其中每种材料都有许多下面将要讨论的特性，然而对于现代化CT扫描装置的闪烁体来说，仍被认为是不合乎需要的。

有很多理由认为，最好是使辐射损伤尽可能小。高辐射损伤的缺点之一，是当辐射损伤累积时，对于给定的激励辐射剂量而言，由于闪烁体材料发射出来的光量逐渐变小，从而就使该系统的灵敏度逐渐下降。其另一个缺点是，对于过高的辐射损伤来说，由于辐射损伤的累积效应，最终必须更换闪烁探测器。这将导致更换闪烁探测系统以相当大的投资。更加麻烦而且大概可能是花钱更多的高辐射损伤影响在于，在工作日内需要频繁地重新校正扫描系统，而且频繁到可能要在每个病人之后校正一次。这种重新校正是很费时的，并且还会使闪烁体材料遭受额外的辐射，造成进一步的损伤。对于使用在CT扫描系统中的闪烁体材料而言，其辐射损伤小到足以使该系统的校准只在每个工作日的开始，被认为是合乎要求的，这样就足以保证整个工作日内有准确的结果。

提供以透明条棒形式发光材料的一种途径，是采用对其自身的发光辐射透明的单晶发光材料。生长单晶的通用方法是Czochralski的生长工艺，其中适合的源材料是放在高温坩埚中的，此坩埚通常由铱(Ir)制做，并且将此坩埚及其内装物加热到所需单晶材料的熔点以上。最终得到的熔融材料称之为熔体。在生长过程中，熔体的温度被保持在一定值，在该温度下，熔体的上部被冷却至足以在与该熔体接触的籽晶上生长出单晶材料，但并不自发地形成晶核。所需材料的籽晶或者所需材料将在其上面作为单晶生长的籽晶，被往下放到应有的位置以与该熔体的顶部接触。当所需的晶体材料在籽晶上生出时，以一定的速率拉此籽晶(往上拉)，在该速率下维持单晶材料的梨晶块按照所需直径生长出来。典型情况下，在生长晶体时籽晶是旋转的，以增加生成晶体的均匀性。源材料是最初放在坩埚内的，可取任何适合的形式，但通常都是适量源材料的混合物，共同在一起提供生长单晶材料所需要的具有理想配比和掺杂物控制的熔体。

当纯晶体从相应的熔体中生长时，Czochralski生长工艺一般提供的是高质量的、具有所需成分的成分均匀的单晶。当需要生产出对于纯晶体材料的几部分原子具有取代物的晶体时，晶体生长的动态特性更加复杂，而且作为时间函数的取代物参予晶体结构的方式，从而也是其在熔体及梨晶块中的浓度，取决于许多特性。这些特性的影响之一用熔析系数表征。当取代物在固态梨晶块中正常存在的比例与在源熔体中相同时，熔析系数值为1。当取代物在固体梨晶块中正常存在的浓度高于在源熔体中的浓度时，熔析系数大于1；当取代物在固态梨晶块中正常存在的浓度低于其在源熔体中的浓度时，熔析系数小于1。虽然造成这些差异有许多不同的根本原因，但是熔析系数则是表示最终结果的有效手段。

在希望得到片状或棒状单晶材料的场合，是将按Czochralski法生长的单晶梨晶块切成晶片，然后切成所需形状的棒。已知用于商品化CT扫描系统的两种仅有的单晶发光材料是碘化铯(CsI)和钨酸镉(CdWO₄)。碘化铯是用铊激活的，而钨酸镉是纯的自激活发光材料。CsI发光输出的发射峰在约550nm，有明显的滞后和辐射损伤。CdWO₄发光输出的峰值在约540nm处，显示出高度的辐射损伤，虽然其程度较CsI要轻。CsI的辐射损伤严重得常常需要在每名患者之后对系统作重新校正。虽然CdWO₄的辐射损伤要比CsI小，但仍有必要每天重新校正一次以上。由于这样高的辐射损伤特性，故使用这两种材料中任何一种作为闪烁材料的系统，其灵敏度都会由于辐射损伤的累积而降低，最终必须更换其闪烁体系统。

在CT扫描系统中，闪烁体棒的关键特性之一是其Z轴响应曲线。单独的闪烁体棒通常是狭窄的以使其分辨率最高，深度大于宽度以提供充分的遏止X射线功率；在与X射线束/闪烁体系统平面相垂直的方向上比较长，以便收集足够有效的X射线。Z轴特性，是当恒定强度的狭窄的X射线激励光束从闪烁体棒Z方向的一端向另一端扫描时，光电探测器输出的响应。最好是使这一特性相对于闪烁体棒的纵向中心对称，而且从每一端到此中心单调地增加。接近棒两端处输出的增加最好在整个Z方向厚度的射线束分布在闪烁体棒上之后就完成，同时沿棒中间部分的输出基本均匀。

为了满足这些Z轴要求，闪烁体棒沿其整个长度上的光学、发光和对源辐射吸收的性质，必须基本上均匀。对于单晶的掺杂激活的闪烁体棒来说，这就要求能生长出在径向和纵向上发光激活剂的浓度都均匀的源梨晶块，因为发光输出取决于激活剂离子的局部浓度。因此，选择用于CT扫描装置的闪烁体的过程，除要确定材料的所有其它重要性质之外，还必须包括确定制造Z轴特性合格的闪烁体棒的可行性。

在CT扫描装置中，最好是在除了光电探测器二极管沿其配置的表面之外，闪烁体棒的所有表面上都形成反射面。于是，一个典型的固体闪烁探测器系统，包括多个并列排布的单个闪烁体棒，每个闪烁体棒耦合一个单独的光电探测器二极管，以便将其(受激)发的光转化成相应的电信号。重要的是在这样的系统中所有的闪烁体棒要具有相似的整体转换效率(即对于相同的入射X射线辐射，有基本上相同的电输出信号)。这就对闪烁体材料的选择加上了另一个限制，即必须能制得足够数量的具有相似特性的闪烁体棒，以便组装成具有多达1000个或更多元件的闪烁探测器。

初始衰减时间决定了CT扫描装置能以多快的速度扫描患者，因为只有在扫描装置于某一位置处的作为辐照入射响应时的发光输出停止之后，才能准确地测量扫描装置在另一位置处的发光输出。目前，初始衰减时间最好小于500微秒，如果能达到更短的数值而对闪烁体材料的其它性质(如最大光输出、辐射损伤和滞后)无不良影响，则更为理想。还希望最大余辉水平非常小及衰减较快。对于现代化的CT扫描装置来说，余辉可以在激励辐射终止后100至150毫秒时测定，在300毫秒时再测定一次，以表征闪烁体材料的特性。鉴于余辉会使光电探测器不能区分来自先前激励的余辉的激发光和现在激励的激发光，故余辉最好小于0.1％。因此，余辉能限制CT扫描装置系统的强度分辨率。

为了比较各种候选的闪烁体材料的效率，将光输出归一化较为方便。用确定的参照强度的X射线激励标准尺寸的候选材料的闪烁体棒，将光电探测器二极管响应此激励而输出的信号的振幅，与同样构形的钨酸镉在同样的激励下产生的输出进行比较。钨酸镉是一个合适的标准，因为它的发光具有自激活特性，因此能对给定强度的激励辐射产生基本上固定的光输出，只要未被严重地辐射损伤，因为它的光输出与激活剂的浓度无关。因而，由不同个体在不同时间得到的光输出可以直接进行比较，而不必首先确定不同试验方案的校正。

最好是使CT扫描系统尽可能快地操作，以便每个工作日能用CT扫描装置检查最多的患者，而且扫描时间越短，使患者在扫描期间保持静止越容易。进一步说，内部器官的运动也减至最小。

对于固定剂量率的X射线来说，随着CT系统扫描速度的增加，信号的辐度将减小。其结果是使信噪比、对比度及有用的强度分辨率降低，除非调节系统的参数以降低噪声。为了降低噪声，闪烁体的初始衰减时间应该减小到对于系统的噪声没有贡献的数值。余辉也应尽可能多地减小，因为它造成了本底发光强度，这是光电探测器输出中的噪声来源之一。选择闪烁体材料的峰值输出在光电探测器灵敏度峰值附近，会由于增加了信号的幅度而有减小噪声的作用。其它的改进也有助于维持信噪比。

随着CT扫描装置领域的发展，电子设备的速度增加了，因而有必要制造更快的闪烁体，以便能在更短的时间内完成数据扫描。现在所希望的CT扫描系统的操作速度，要求闪烁体比仅仅五年前所要求的要快得多。因此，在选择和制造适用于现代化CT扫描系统的闪烁体材料所需要的已知固体发光材料的数据方面，存在着很大的缺口，在这种CT扫描系统中，高速电子设备必须与更加高速的闪烁材料相匹配。

从确定各候选材料所有这些特性的问题中独立分出来的一个问题，是闪烁扫描装置中的材料必须具有透明固体的形式。很多发光材料能制成粉状，但不能制成单晶形式，因此不适合作为透明体。不能将特定的发光材料制成单晶材料，可能是由于晶体结构的不相容性、在Czochralski生长温度下的不稳定性、发光材料的某些组分在结晶结构或熔体中的溶解度低、造成添加剂和/或取代物在梨晶块内不均匀分布的熔析系数，以及其它原因。因此，即使某种特定的发光组分经鉴定认为显然具有用于CT机闪烁探测器的理想性质，这种闪烁体探测器的制造也并不那么简单。在很多情形下，所中意的组分并不能制成单晶材料。

闪烁计数器在物理学研究中被用来对高能粒子计数。这些闪烁计数器通常包括一种固态透明体(常常是其中弥散有发光材料的塑料)，被耦合在光电倍增管上以检测由于吸收单个粒子而产生的很微弱的(激)发光。这种闪烁计数器所用的材料必须具有很短的初始衰减时间(最好比100ns短得多)，以便区分开分离的但是彼此时间间隔很近的信号，从而能进行所要求的计数。对于作为CT扫描系统中闪烁体使用为重要的其它的材料特性，在闪烁计数器系统中仅有很小的重要性，只要余辉低得足以能将新的主闪烁同来自先前作用的任何本底余辉相区分。这些闪烁计数器可以使用对CT扫描技术来说其余辉会成问题的发光材料。因此，虽然在用于闪烁计数器用途的闪烁材料方面已作了研究，但是这些研究同寻找用于CT扫描系统的材料只有表面的联系。

有一些发光材料能用熔融生长工艺制成小单晶，但不能制成大单晶，因为它们在高温下不稳定，并可分解为组成物。另一些发光材料曾被制成薄膜，试图构成投射式阴极射线管用的磷光体，以便减小由于无定形体或多晶薄膜的散射造成的光损失。这些材料不能用于CT扫描装置的闪烁体，由于它们缺少形成具有足够厚度(通常至少为1毫米厚)透明体的能力，而这是用于CT扫描系统中的材料为有效地遏止X射线所必需的。此外，关于这些材料的研制报告，并不包括在决定材料是否适用于CT扫描系统方面许多关键特性的数据。

在美国专利4,421,671、4,466,929、4,466,930、4,473,413、4,518,545、4,518,546、4,525,628、4,571,312、4,747,973和4,783,596中公开了单晶闪烁体材料碘化铯和钨酸镉的一种多晶替代物。在这些专利中公开的闪烁体组合物是掺杂了各种稀土元素的立方氧化钇钆，以便构成具有所要求的发光性质的闪烁体材料。这些材料还未制成单晶形式，因为难以生长出所有必要组分都按照要求均匀分布的晶体。正如在以上援引的专利中进一步公开的那样，研制了一种将这种掺杂的氧化钇钆闪烁体材料制成多晶陶瓷形式的方法，在这种陶瓷形式下它充分透明，足以构成优异的闪烁体材料。这种材料明显地优于碘化铯和钨酸镉，基本上没有辐射损伤及滞后，而且余辉低得足以满足高质量CT扫描系统的要求。遗憾的是，这种材料的初始衰减时间在1000μs的数量级，因此不如当前现代化CT扫描系统所要求的那样快。

德国专利DE3704813A1提到了一种单晶为Gd_3-xCe_xAl_5-ySc_yO₁₂的闪烁体，制备时先将原料硫酸盐溶液喷雾干燥，然后煅烧干燥的硫酸盐，或是将氧化物混合，在此步骤之后均经压制、烧结、熔化和在高真空中拉单晶。还列出了这种材料发光输出的光谱，其峰值在560nm附近。

最好的闪烁体是响应快、余辉低、无滞后、无非线性输出、对X射线的遏止功率高、在指定的激励X射线输入下光输出高，以及发射光的频率对光电探测器二极管特别敏感。

因此，本发明的主要目的是提供带闪烁体的CT闪烁体探测系统，这种闪烁体是快速的，具有低余辉和可以接受的滞后、辐射损伤及对X射线激励的非线性响应。

本发明的另一个目的是提供带有改进了的单晶闪烁体材料的CT闪烁体探测器。

本发明的再一个目的是提供长寿命的CT闪烁体探测器系统，该系统能够工作在比现有系统更高的速度下，没有辐射损伤和其它不希望有的特性。

本发明进一步的目的是提供CT闪烁探测器，它具有所需要的性能(高速度，高输出，高X射线遏止功率及低余辉)，结合以低值的不希望有的性能(滞后，非线性以及对辐射损伤的敏感性)。

因此，以上的和其它一些目的，在包括附图在内作为一个整体的说明书中是显而易见的，这些目的是通过供给包括激活石榴石作为闪烁体材料的闪烁探测器来实现的。特别是钆镓石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂)、钆钪镓石榴石(Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂)、钆钪铝石榴石(Gd₃Sc₂Al₃O₁₂)，其中每种石榴石都是用浓度约为0.07％至0.6％(重量)CR₃O₂的Cr³⁺离子激活的；钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)，是用浓度约为0.33％(重量)的Ce₂O₃的Ce³⁺离子或浓度约为0.85％(重量)Nd₂O₃的Nd³⁺离子激活的，这些特殊闪烁体组分的例子，都能够提供有利的高速度、高输出、低余辉、对X射线的高遏止功率、在光电探测器二极管特性的灵敏区内发光，以及可以接受的滞后、非线性和最低的辐射损伤。其它一些石榴石基质成份和其它激活剂，也可以采用。为简化起见，我们将用GGG代表Gd₃Ga₅O₁₂，GSGG代表Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂，GSAG代表Gd₃Sc₂Al₃O₁₂，以及YAG代表Y₃Al₅O₁₂。

在说明书的结尾部分具体指出并且明确提出专利保护本发明的要点。但是，参照与附图相联系的下列说明，可以更好地了解本发明的构成及实施方法，以及进一步的目的和优点。其中：

图l为CT扫描系统的原理图；

图2为铬的浓度作为沿掺铬的GGG单晶梨晶块位置函数的曲线图；

图3为光输出作为随掺铬GGG梨晶块位置函数的曲线图；

图4为初始衰减时间作为沿掺铬GGG梨晶块位置函数的曲线图；

图5为余辉作为沿掺铬GGG梨晶块位置函数的曲线图；

图6为掺铬GGG的发光光谱曲线图；

图7表示为测量闪烁体棒Z轴特性用的检验装置；

图8为特定闪烁体棒的Z轴特性曲线图；

图9为典型硅PIN光电探测器的量子检测效率(光谱响应)曲线图；

图10为掺钕YAG的发光光谱；以及

图11为掺铈YAG的发光光谱。

图1中示意绘出了计算机X射线断层摄影术(CT)扫描系统100。这个CT扫描系统100包括一个圆柱形外壳110，其中安置待扫描的患者或物体。一个门形台架112围在圆柱体110的外面，安排成能围绕圆柱体的轴旋转。门形台架112可以设计成以一次全程转动然后回位的方式旋转，或是设计成连续旋转，这要取决于用来将台架上的电子设备与系统其它部分相连接的系统。台架上的电子设备包括X射线源114，它最好是产生扇形X射线束，包围住装在台架上圆柱体110另一侧的闪烁探测器系统116。X射线源的扇形型式，配置在由X射线源和闪烁探测器系统116所确定的平面内。闪烁探测器系统116在与X射线扇形束平面相垂直的方向上很窄或者很薄。闪烁探测器系统的每个(光电)元件118装有一个闪烁体材料的透明固体棒和与该闪烁体棒光学耦合的光电探测器二极管。每个光电探测器二极管的输出都连接到装在台架上的运算放大器上。每个运算放大器的输出用单独的导线120或其它电子设备连接到CT系统的主控系统150上。在说明性的实施例中，X射线源的电源和来自闪烁探测器的信号经过电缆130传送到主控系统150。电缆130的使用，通常限制了台架在回到其原来位置之前只能进行一次全程回转。另一种作法是，在希望台架能连续旋转的场合，可以用滑动环或者光学或无线电波传输，将台架的电子设备同主控系统150连接。在这种类型的CT扫描系统中，用闪烁体材料将入射的X射线转换成(受激)发出的光，用光电探测器二极管检测该发光，并将其转换成电信号，以此作为将入射的X射线转换成可用来处理以提取图象或用于其它目的的电信号。目前，对这种系统的能力的限制之一是闪烁体组分的特性，不管它们是氙气还是固态闪烁体材料。

我们曾经确认了一类发光材料，它们适合在图1所示的那类高速X射线CT扫描系统中作为闪烁体使用。尤其是，它们响应于X射线激励而发光，具有初始衰减时间小于500μs；具有余辉水平在X射线激励辐射停止后100至300ms时小于0.2％；所显示出的辐射损伤大小，在曝露于500至1000拉德之间的X射线后低于5％；基本上不显示有滞后，而且当用Czochralski工艺生长成单晶时，对于它们的(受激)发出的光相当透明，光输出通常为在商品化X射线人体扫描装置所用的钨酸镉单晶光输出的约100％至350％。

这类闪烁体材料，是以立方石榴石晶体的激励发光为基础的。石榴石是一类晶体化学式为A₃B₅O₁₂的材料，其中A阳离子与氧八配位，B阳离子以八面体(六)或四面体(四)的形式与氧配位。晶体结构是立方晶系，每个含有8个化学式单元的晶胞中有160个离子。根据本发明，A阳离子可以只是稀土或钇离子，或与激活剂取代物相结合。B阳离子也可以只是稀土离子或其它离子，或与取代物相结合。特别是我们发现，在八配位或六配位中有激活剂离子取代时，这些石榴石在X射线激发下会发光。我们发现的一种特别重要的激活剂离子，它在此基质材料中是X射线(激励)发光的，是位于六配位中的Cr³⁺离子。

根据这一大类闪烁体材料的一个实施例，钆镓石榴石(GGG)晶体是掺杂铬离子(Cr³⁺)的，其在钆镓石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂)或GGG总成分中的浓度范围，从小于约0.05％(重量)至大于约0.22％(重量)的氧化铬(Cr₂O₃)。虽然纯GGG是无色的，但此材料具有浅绿的色调。

例1

这种掺铬的GGG梨晶块是用Czochralski法生长出来的，大致为4厘米直径和8厘米长。这种梨晶块通常具有六角形截面，而且由于掺铬使其颜色为绿的。将此梨晶块切成40片晶片，每片大致为1毫米厚。将这些切片或晶片从梨晶顶部至底部单调递进编号，所生长的梨晶顶部晶片编号为1，底部晶片编号为40。铬的平均浓度范围，从梨晶块顶部晶片1中的含0.22％(重量)Cr₂O₃下降至梨晶块底部的晶片40中含0.07％(重量)Cr₂O₃。作为晶片位置函数的该浓度，作图表示在附图2中。这种浓度方面的差异，是由于GGG中的铬离子具有的熔析系数范围为3到4。在梨晶块的晶片1上受X射线(140千伏峰值X射线)激励的光输出，大体为钨酸镉所提供光输出的3.4倍；而且在梨晶块底部的晶片40中的光输出，约为钨酸镉的1.52倍，作图表示在附图3中。初始衰减时间(当X射线激励停止时)，在梨晶块顶部的一些晶片中为140～160μs附近，在梨晶块底部的晶片40中约为28μs。作为晶片位置函数的初始衰减图形，作图表示在附图4中。

X射线激励下这种材料余辉的特性，绘图表示在附图5中。从中可以看出，晶片2的余辉值约0.6％，随着梨晶由上向下距离的增加而增大，直到梨晶块的中部余辉发生迅速下降，此后余辉增大到梨晶底部的路线为止。

在梨晶块顶端和底端处该梨晶块的X射线辐射损伤是比较高的，而且难以进行可靠地测量，因为正在进行的发射是由大于～0.2％的余辉引起的。但在梨晶块中部的辐射损伤比较低，其大小范围约从1％至约3％。

这种材料的发光波谱表示在图6中。这种波谱形状对梨晶块中的任意晶片都是有代表性的。最大发射峰的中心在720nm，而在650nm至800nm范围内发射的能量大于90％。

在单独的每个晶片中横过该晶片铬的浓度是不均匀的，这是由铬的熔析系数以及事实上梨晶块的生长面并非平面所致。然而作为这种材料的高质量性能在梨晶块的某些部分是存在的，真正优良的特性存在于该梨晶块的中部和下部，约从晶片24延伸约至晶片40。

由该梨晶块中将一些晶片切片成为多个闪烁体棒，然后测量它们的特性，特别是Z轴特性。测量Z轴特性使用的是图7中示意表示的试验装置200，其中来自X射线源220的扇形X射线束210对于棒240的长度进行扫描，同时对光电二极管250的输出进行测量及记录。对由梨晶块上晶片11切出来的具代表性的闪烁体棒来说，其Z轴特性表示在附图8中。如从附图8中看到的那样，33毫米长的闪烁体棒通常具有的光输出，恰如船舱内的情形，棒两端的光输出比横过该棒其余中央部分的光输出要高，这是由于制做该闪烁体棒的晶片四周部分的铬浓度较高的缘故。通过将棒的每一端切掉约7毫米，可以提供具有大体平坦输出的闪烁体棒，因而使该棒变短。如果需要具有平坦光输出特性的更长的棒，那么可以通过生长出更大直径的梨晶块来提供，以便在切除棒的两端之后沿33毫米长棒的长度提供大体均匀浓度的铬。提供棒内均匀铬分布的另一些工艺可以是：切片之后将棒退火以引起铬扩散；生长纯的钆镓石榴石，在梨晶块切成闪烁体棒之后通过扩散将铬引入钆镓石榴石；或通过离子注入技术将铬注入该棒，以增加低浓度区的铬浓度，然后通过退火使铬扩散并使由离子注入产生的应力及晶格位移得到松弛。

对于梨晶块内的铬分布，也可换一种方式加以控制，即通过将铬添加在熔体中以对在该梨晶块内的消耗进行补充，或者通过其它变换生长方法的途径。

在本发明的第二个实施例子，基质材料是由Cr³⁺活化的钆钪镓石榴石(Gd₂Sc₂Ga₃O₁₂)。

例2

这种材料的梨晶块是按Czochralski法生长的，由于在该基质材料内铬的熔析系数基本上为1，所以它具有均匀的铬分布。这种材料具有的铬浓度为0.18％(重量)的Cr₂O₃，而且所显示的光输出约为钨酸镉光输出的200％。它的余辉约为2％，而且辐射损伤大小为12％。在对该材料在激光方面应用所作的试验(并非我们的试验)中，它的初始衰减时间被测定约为120μs。通过在1300℃至1500℃温度下将闪烁体棒在氧化气氛中(氩气中～1％的O₂)退火，可使该材料的余辉实质上得到改善。在退火之后的光输出基本上不变，而且余辉降低至约1％。

按照本发明的另一个实施例，此基质材料是由Cr³⁺活化的钆钪铝石榴石(Gd₃(Sc₃Al₃)O₁₂)，简称GSAG。

例3

这种掺杂有0.08％(重量)氧化铬的材料的梨晶块，是按Czochralski法生长的。该梨晶块具有大体均匀的铬分布，光输出为钨酸镉光输出的1.5倍，余辉为3.5～4％，由于来自强余辉造成的干扰而难以确定辐射损伤值，初始衰减时间为160μs。

由于含钆量能提供对X射线的强遏止能力，所以基质材料GGG，GSGG及GSAG中的每一种对用作X射线系统中的闪烁体都是有利的。铬激活剂之所以需要，因为它能提供高的光输出，其所具有的发射峰在600nm至800nm范围内，如图6中所示。这些材料对于肉眼看来基本上是不发光的，因为光的发射接近近红外区。但是，如从图9中表示的对于二极管光电探测器的灵敏度曲线看到的那样，这里的峰值输出是和二极管光电探测器的峰值灵敏度接近的，因而其输出信号最强。

进一步的基质材料钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)，又称为YAG。

例4

这种基质材料也是按Czochralski法生长而由0.85％(重量)氧化钕活化的，其所提供的光输出基本上与钨酸镉提供的光输出相等，所具有的初始衰减时间约为300μs，所显示的辐射损伤为0.3％至0.7％，而且余辉为0.1～0.2％。这种闪烁体材料的主发射是在波谱红外区内的1060nm，超出光电探测器(其特征曲线表示在图9中)最大响应之外。然而众所周知，大约有40％的发射能量是存在于发射波谱区内400nm至630nm的一些较低的峰中，如图10所示。

例5

由0.33％(重量)的氧化铈活化的钇铝石榴石梨晶块，是按Czochralski法生长的。该梨晶块提供的光输出大体为钨酸镉光输出的153％，其所具有的初始衰减时间在60～70ns范围内，所显示的辐射损伤在5～8％的范围内，余辉约为0.01％。这种闪烁体材料具有宽带发射输出，穿过480nm至约700nm的带延伸，峰值在530nm附近，如图11中所示。

在本说明书描述的每个实例中的闪烁体材料都是单晶的，然而人们将会认识到，材料的发光性能乃是该材料本身的特性，只要为选取所发的光需要的透明性存在，则任何这种闪烁体材料以不同于单晶的形式出现，对于用作CT扫描机的闪烁体都是适合的。因而这些材料的陶瓷形式以及将这些材料夹在透明基质材料中，对用作CT扫描机的闪烁体也都是合适的。

以多晶透明体的形式制备这些材料，已公开在题目为“透明的多晶石榴石”(申请号为＿＿，RD-20.202)和“空穴-陷阱补偿的闪烁体材料”(申请号为＿＿，RD-20.194)的两篇相关申请中。在这里，以浓度高达0.6％(重量)的氧化铬激活的GGG，被证明是有效的闪烁体。

尽管已对作为具有特定激活剂的具体基质石榴石材料作过描述，然而应当认识到，本发明所围绕的石榴石材料的应用是带普遍性的，具体说来，含钆、镥(Lu)或镱(Yb)的石榴石(因其遏止X射线功率高)作为由铬、铈、钕或其它适当的激活离子激活的闪烁体的基质材料，能在电磁波谱的可见至近红外区提供显著的闪烁体输出。根据本发明可以制做许多不同的闪烁体材料，而又合乎本发明相称的范围。

因此，我们指出，某些立方的钇和稀土石榴石材料，是由晶格结构的八重配位及六重配位上的铬、铈及钕激活的，对于用在CT扫描系统中具有极好的X射线闪烁体性能。人们将会认识到，这些材料的性能可以通过取代、热处理等加以改变。特别是，由于X射线发光激励是在两个不同的结晶学位置使用三种不同激活剂已被证明，显然，该基质材料本身对用在CT扫描机的这类闪烁探测器中具有很好的特性。

因此，根据本发明的闪烁体材料，当被用在如图1所示的CT扫描系统中时，能够对该系统的速度及分辨率作出实质性改善，从而能对CT扫描技术进一步促进。

尽管本发明在此结合其一定的最佳实施例进行了详细描述，但那些技术熟练的人们在此可以实施许多调整和改变。因此，本发明予定以所附权利要求将属于本发明实质精神和范围的所有那些调整及改变包罗进去。

Claims (13)

1一种计算机X射线断层照相机包括：

一种提供X射线的源装置(114)；

一种提供X射线的闪烁体检测装置(116)；

用于提供源装置和检测装置外壳(110)的相对转动的装置，其特征在于：所述闪烁体检测装置包括：

一种石榴石基质材料，所述石榴石基质材料有根据基质结构分布的激活剂，所述闪烁体选自钆镓石榴石、钆钪镓石榴石和钆钪铝石榴石以及由铈或钕激活的钇铝石榴石组中，其中每种石榴石都是由铬激活的；其中所述闪烁体在X射线激励下有一小于500微秒的初始衰减时间，而且在X射线激励停止100毫秒时的余辉小于0.2％；

所述的铬存在的浓度，为在总闪烁体组分中0.05％(重量)至0.6％(重量)的氧化铬。

2.如权利要求1所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于所述有石榴石基质材料是单晶。

3.如权利要求1或2所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于所述的石榴石基质材料是钆镓石榴石，而且所述的激活剂是铬。

4.如权利要求1所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于所述铬的浓度在0.05％至0.22％重量百分比之间。

5.如权利要求1或2所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于所述的石榴石基质材料是钆钪镓石榴石，而且所述的激活剂是铬。

6.如权利要求1或2所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于所述的石榴石基质材料是钆钪铝石榴石，而且所述的激活剂的铬。

7.如权利要求1所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于所述的石榴石基质材料是钆铝石榴石，而且所述的激活剂是铈。

8.如权利要求1或2所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于所述石榴石基质材料是钆铝石榴石而激活剂是钕。

9.如权利要求1或2所述的计算机X射线断层照相机，其中闪烁体的主光谱响应在650毫微米至800毫微米之间。

10.如权利要求10所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于在其所发的光中至少70％的能量集中在650毫微米至850毫微米之间。

11.如权利要求1或2所述计算机X射线断层照相机，其特征在于所述发光材料，所具有的发光输出大于50％的能量，是在比700毫微米的波长上。

12.如权利要求1或2所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于闪烁体是一透明棒。

13.如权利要求1或2所述的计算机X射线断层照相机，其特征在于其中的铬激活剂是选自位于六重阳离子位置的Cr离子及位于八重阳离子的Nd离子的。

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