DE112008003827T5 - Halbleiterdetektorblock und Positronenemissionstomografieapparat, der diesen verwendet - Google Patents

Halbleiterdetektorblock und Positronenemissionstomografieapparat, der diesen verwendet Download PDF

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Keizo Sendai Ishii
Youhei Sendai Kikuchi
Shigeo Sendai Matsuyama
Hiromichi Sendai Yamazaki
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Abstract

Halbleiterdetektorblock, der Folgendes aufweist:
eine Vielzahl von Halbleiterplatten, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine Vorderseite haben, auf der eine Elektrode mit elektrischem Widerstand geformt ist, und eine Rückseite, auf der eine elektrisch leitende Elektrode geformt ist, und die konfiguriert sind, um eine zweidimensionale Detektionsposition von Gammastrahlen auf jeder der Halbleiterplatten zu detektieren, und zwar unter Verwendung eines Verhältnisses von elektrischen Signalen von vier Ecken der Elektrode mit elektrischem Widerstand,
wobei die Vielzahl von Halbleiterplatten aufgestapelt ist und eine dreidimensionale Detektionsposition der Gammastrahlen unter Verwendung eines Verhältnisses der elektrischen Signale von den vier Ecken der Elektroden mit elektrischem Widerstand detektierbar ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Halbleiterdetektorblock, der für einen Positronenemissionstomografieapparat verwendet wird, der vorgesehen sein kann, um eine Diagnose von Krebserkrankungen oder Organen auszuführen, wie beispielsweise eines Gehirns, während ein Mittel zugeführt wird, welches ein Positronen emittierendes Radionukleid enthält, weiter auf einen Positronenemissionstomografieapparat zur Entwicklung von Mitteln bei Tierexperimenten oder Ähnlichem und auf einen Positronenemissionstomografieapparat, der den Halbleiterdetektorblock verwendet.
  • Technischer Hintergrund
  • Ein Positronenemissionstomografieapparat detektiert zwei Gammastrahlen, die jeweils eine Energie von 511 keV mit einem Winkel von 180 Grad zwischen den Richtungen der zwei Gammastrahlen haben, die emittiert werden, wenn ausgestrahlte Positronen von einem Positronen emittierenden Radionukleid und Elektronen in einer Substanz sich treffen und einander auslöschen bzw. vernichten, und der Apparat nimmt ein Verteilungsbild von den detektieren zwei Gammastrahlen auf. Bei Positronenemissionstomogrofieapparaten wird ein Szintillator, der aus Bismutgermaniumoxid (BGO), Lutetiumorthosilikat (LSO), Szintillationsgadolinumsilikat (GSO) oder Ähnlichem gemacht ist, als Detektor für die Gammastrahlen verwendet. Die Szintillationsdetektoren können auf einem Umfang eines Portals bzw. eines Gantry eines Positronenemissionstomografieapparates angeordnet sein. Mehrere zig Szintillationsdetektoren sind gebündelt, wobei Licht blockierende Wände zwischen den Szintillationsdetektoren angeordnet sind, und Endteile der Szintillationsdetektoren sind mit mehreren Photomultiplier-Röhren (PMT) verbunden. Die Szintillationsdetektoren, die die Gamma-Strahlen detektieren, werden basierend auf Intensitätsverhältnissen unter empfangenen Lichtstrahlen von der Vielzahl von Photomultiplier-Röhren (PMT) bestimmt, die konfiguriert sind, um Licht zu vervielfachen bzw. zu verstärken (multiply), welches von den Szintillationsdetektoren erzeugt wird. Ein Beispiel des Positronenemissionstomografieapparates, der das obige Prinzip verwendet, hat die minimale räumliche Auflösung von mehreren Millimetern.
  • Der beispielhafte Szintillator hat eine Positionsauflösung in Laufrichtung der Gammastrahlen, die stark von den Größen der Szintillatoren der Szintillationsdetektoren abhängt, die zu den Laufrichtungen weisen. Die Größen der Szintillatoren sind gewöhnlicherweise ungefähr 2 mm. Weiterhin werden die detektierten Positionen der Laufrichtungen der Gammastrahlen nicht direkt gemessen. Daher werden andere Szintillatoren mit einer anderen Dämpfungszeit für das von den detektierten Strahlen erzeuge Licht als die Dämpfungszeit der Szintillatoren zusätzlich zu den Szintillatoren angeordnet, um die Bestimmung der Positionen der Gammastrahlen zu ermöglichen. Die Genauigkeit der Positionsauflösung ist mehrere Millimeter.
  • Obwohl es vorgeschlagene Beispiele von Halbleiterdetektoren gibt, die Ge, Si oder Ähnliches verwenden, benötigen diese Beispiele eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff, und ein Absorptionseffekt für Gammastrahlen mit Energien von 511 keV ist unzureichend, da die Ordnungszahlen von Ge und Si kleiner sind als die Atom- bzw. Ordnungszahlen von CdTe. Daher ist es schwierig Ge und Si für die Halbleiterdetektoren des Positronenemissionstomografieapparates zu verwenden.
    • [Patentschrift 1] Nicht geprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-208057
    • [Nicht patentschriftliches Dokument 1] S. Rankowitz und Andere, "Positron scanner for locating brain tumors", IRE Int Conv Rec 1962; 10 (Ausgabe 9); 49–56
  • Offenbarung der Erfindung
  • Von der Erfindung zu lösende Probleme
  • Entsprechend ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen und nützlichen Halbleiterdetektorblock vorzusehen, der eine einfache Detektorstruktur besitzt und eine Messung mit einer räumlichen Auflösung (der Genauigkeit der Positionsauflösung) von 1 mm oder weniger ausführt, und einen Positronenemissionentomografieapparat, der den Halbleiterdetektorblock aufweist.
  • Mittel zur Lösung des Problems
  • Um das obige Problem zu lösen, ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung den folgenden Halbleiterdetektorblock und einen Positronenemissionstomografieapparat vorzusehen, der den Halbleiterdetektorblock aufweist.
    • (1) Ein Halbleiterdetektorblock weist eine Vielzahl von Halbleiterplatten auf, die so konfiguriert sind, dass sie eine Vorderseite haben, auf der eine Elektrode mit elektrischem Widerstand geformt ist, und eine Rückseite, auf der eine elektrisch leitende Elektrode geformt ist, und dass sie eine zweidimensionale Detektionsposition von Gammastrahlen auf jeder der Halbleiterplatten unter Verwendung eines Verhältnisses von elektrischen Signalen von vier Ecken der Elektrode mit elektrischem Widerstand detektieren, wobei die Vielzahl von Halbleiterplatten aufeinander gestapelt ist, und eine dreidimensionale Detektionsposition der Gammastrahlen unter Verwendung eines Verhältnisses der elektrischen Signale von den vier Ecken der Elektroden mit elektrischem Widerstand detektierbar ist.
    • (2) Bei dem Halbleiterdetektorblock gemäß (1) ist eine Schottky-Verbindung zwischen der Elektrode mit elektrischem Widerstand und jeder der Halbleiterplatten ausgeformt.
    • (3) Bei dem Halbleiterdetektorblock gemäß (1) oder (2) ist die Elektrode mit elektrischem Widerstand aus Indium gemacht, die Halbleiterplatten sind aus einem CdTe-Kristall oder einem BrTI-Kristall gemacht, und die elektrisch leitende Elektrode ist aus Platin gemacht.
    • (4) Bei dem Halbleiterdetektorblock gemäß (3) sind Stirnseiten der elektrisch leitenden Elektroden der benachbarten Halbleiterplatten durch einen elektrisch leitenden Kleber verbunden, und die Elektroden mit elektrischem Widerstand sind aufgestapelt, wobei ein isolierender Film zwischen Oberflächen der Elektroden mit elektrischem Widerstand angeordnet ist.
    • (5) Bei dem Halbleiterdetektorblock gemäß einem der Punkte (1) bis (4) wird ein elektrisches Signal von den elektrisch leitenden Elektroden von einer der Halbleiterplatten als ein Zeitsignal verwendet, um eine zusammenfallende Messung mit den anderen Halbleiterplatten zu bestimmen.
    • (6) Ein Positronenemissionstomografieapparat, der zwei oder mehr Halbleiterdetektorblöcke gemäß einem der Punkte (1) bis (5) aufweist.
    • (7) Bei dem Positronenemissionstomografieapparat gemäß Punkt (6) sind die Halbleiterdetektorblöcke unabhängig in Bewegungsradiusrichtungen um ein Subjekt oder in Richtungen bewegbar, die zu dem Subjekt weisen.
  • Effekt der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Halbleiterdetektorblock mit einer einfachen Detektorstruktur zu erhalten und eine Messung mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm oder weniger auszuführen, und einen Positronenemissionstomografieapparat mit dem Halbleiterdetektorblock zu erhalten.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Ansicht eines Halbleiterdetektors, der eine zweidimensionale Detektionsposition von Gammastrahlen auf einer Halbleiterplatte des Halbleiterdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung detektieren kann.
  • 2 zeigt Ansichten zur Veranschaulichung einer experimentellen Positionsunterscheidungsfähigkeit eines CdTe-Detektors.
  • 3 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung eines CdTe-Detektorblocks gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer Anordnung von CdTe-Detektorblöcken mit einem Packungsverhältnis von 100% in einem Positronenemissionstomografieapparat.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Indium-Elektrodenstirnseite mit elektrischem Widerstand
    2
    Elektrisch leitende Platin-Elektrodenstirnseite
    3
    Isolierender Dünnfilm
    4
    Anschluss einer Indium-Elektrodenstirnseite mit elektrischem Widerstand
    5
    Anschluss einer elektrisch leitenden Platin-Elektrodenstirnseite
  • Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Ein Halbleiterdetektorblock, der eine dreidimensionale Position von Gammastrahlen messen kann, wird im Detail mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 1 veranschaulicht einen Halbleiterdetektor, der eine zweidimensionale Detektionsposition von Gammastrahlen auf einer Halbleiterplatte des Halbleiterdetektors detektieren kann. Mit Bezug auf 1 ist ein Material der dünnen Halbleiterkristallplatte ein CdTe-Kristall oder BrTI-Kristall. Eine Stirnseite der dünnen Halbleiterkristallplatte hat eine Elektrode mit elektrischem Widerstand, und die andere Stirnseite der dünnen Halbleiterkristallplatte hat eine elektrisch leitende Elektrode.
  • Der Halbleiterdetektor wird durch Anschlüsse gebildet, die an vier Ecken der Stirnseite vorgesehen sind, auf der die Elektrode mit elektrischem Widerstand geformt ist, und die Anschlüsse sind mit Verstärkungsschaltungen verbunden. Es ist möglich, Detektionspositionen X und Y der Gammastrahlen auf der Detektorplatte unter Verwendung von Spannungen VA, VB, VC und VD zu erhalten, die an den vier Anschlüssen erzeugt werden.
  • Um die aus dem CdTe-Kristall gemachte Halbleiterplatte zu verarbeiten, um einen Detektor der Schottky-Bauart bzw. einen Schottky-Detektor zu erzeugen, wird eine Platin-Elektrode auf einer Stirnseite der Halbleiterplatte vorgesehen, und eine Indium-Elektrode wird auf der anderen Stirnseite der Halbleiterplatte vorgesehen. Der Indium-Elektrodenstirnseite wird ein elektrischer Widerstand gegeben, indem ein dünner Indium-Film abgelagert wird. Dadurch hat die Stirnseite der Halbleiterplatte, auf der Indium abgelagert ist, einen elektrischen Widerstand, und die Halbleiterplatte kann als ein Schottky-Detektor funktionieren.
  • Dann wird ein Teil des CdTe-Kristalls mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × 1 mm vorbereitet. Dann wird die Fähigkeit der Positionsunterscheidung getestet, während die Dicke der Indium-Elektrodenstirnseite verändert wird, die auf dem CdTe-Teil ausgebildet ist. Die Fähigkeit der Positionsunterscheidung war am besten, wenn die Dicke der Indium-Elektrodenstirnseite 600 Å ist. Mit Bezug auf 2 werden zwei der vier Anschlüsse an den vier Ecken der Indium-Elektrodenstirnseite so dargestellt, dass sie mit Va und Vb bezeichnet sind, und ein Anschluss ist mit der Platin-Elektrodenstirnseite verbunden. Das Teil aus CdTe-Kristall mit der Indium-Elektrodenstirnseite wird durch Protonenstrahlen beleuchtet, die eine Punktgröße von 1 Mikrometer (1 μm) haben, und zwar in einem Intervall von 0,5 mm. Die bezüglich der Werte von Va/(Va + Vb) beobachteten Werte werden in 2 veranschaulicht.
  • Mit Bezug auf 2 war die Positionsauflösung von 0,2 mm oder besser durch den obigen Halbleiterdetektor zu erreichen (das Teil aus CdTe-Kristall mit der Indium-Elektrodenstirnseite).
  • Der untere Teil der 3 ist eine perspektivische Ansicht des Halbleiterdetektorblocks, und der obere Teil der 3 ist eine Querschnittsansicht eines Teils des linken oberen Teils des Halbleiterdetektorblocks. Peripherievorrichtungen, wie beispielsweise Verstärker, sind in 3 weggelassen. Der Halbleiterdetektorblock wird wie folgt hergestellt. Die Platin-Elektrodenstirnseiten 2 der Halbleiterplatten, die aus dem CdTe-Kristall gemacht sind, werden durch eine Paste bzw. einen Kleber mit elektrischer Leitfähigkeit aneinander geklebt. Die geklebten Halbleiterplatten sind auf dazwischen liegenden isolierenden Dünnfilmen 3 aufgestapelt. Somit wird ein Halbleiterdetektorblock hergestellt, der eine mechanische Festigkeit hat und dreidimensionale Positionen von Gammastrahlen unter Verwendung der Anzahl von aufgestapelten Halbleiterplatten, die von den Gammastrahlen durchdrungen werden, mit hoher räumlicher Auflösung messen kann, auch wenn die Halbleiterplatten (CdTe-Kristall) unzureichende mechanische Festigkeit haben.
  • Es wird durch zusammenfallende Messungen bzw. Koinzidenzmessungen unter Verwendung der Platin-Elektroden und der Indium-Elektroden mit elektrischem Widerstand bestimmt, welche Halbleiterplatte unter den Halbleiterplatten, welche den Halbleiterdetektorblock bilden, die Gammastrahlen aufnimmt.
  • Als nächstes wird das Aufbringen des Halbleiterdetektorblockes auf einen Positronenemissionstomografieapparat beschrieben. Ein Halbleiterdetektorblock oder eine Vielzahl von aufgestapelten Halbleiterdetektorblöcken mit Größen von 10 mm × 10 mm × 18 mm sind so angeordnet, dass sie einen Kreis formen oder zueinander hinweisen. Die Halbleiterdetektorblöcke können frei in verschiedenen Richtungen bewegt werden, wie beispielsweise in Richtungen entlang des Bewegungsradius des oben erwähnten Kreises oder entlang dessen, wo sich die Halbleiterdetektorblöcke gegenüberstehen. Durch Positionieren der Elektrodenstirnseite der Halbleiterdetektorblöcke in rechten Winkeln zu Richtungen der detektierten Gammastrahlen kann ein Positronenemissionstomografieapparat aufgebaut werden, so dass er ein Packungsverhältnis (ein Verhältnis eines detektierbaren Bereiches für Gammastrahlen zur gesamten Fläche der Halbleiterplatte) von 100% hat.
  • Ein Mittel, welches ein Positronen emittierendes Radionukleid enthält, wird einer Person oder einem Tier zugeführt, und zwei Gamma-Strahlen, die durch Annihilation bzw. Paarvernichtung erzeugt werden, werden einer Koinzidenzmessung unterworfen. Die Gamma-Strahlen werden durch die Halbleiterplatte des Halbleiterdetektorblocks detektiert, und Elektronen und Löcher werden erzeugt. Löcher werden in einer Platin-Kathode gesammelt und in eine Verstärkungsschaltung als ein Zeitinformationssignal eingegeben. Elektronen werden durch eine Indium-Anode gesammelt und fließen in die Verstärkungsschaltung über die Indium-Elektrodenstirnseite mit elektrischem Widerstand. Zu dieser Zeit werden Signale von den Verstärkern erzeugt, die mit den vier Anschlüssen an den vier Ecken der Indium-Elektrodenstirnseite mit elektrischem Widerstand angeschlossen sind. Die detektierte Position der Gamma-Strahlen auf der Halbleiterplattenstirnseite wird unter Verwendung der Signale bestimmt. Wenn die Gamma-Strahlen aufgrund von Compton-Streuung durch zwei benachbarte Detektoren detektiert werden, kann die Detektion näher am Subjekt als eine reale Detektionsposition bestimmt werden.
  • Die Auflösungsleistung des Halbleiterdetektorblocks kann wie folgt verbessert werden. Zuerst wird ein Subjekt durch Laserstrahlen beleuchtet, und ein reflektiertes Licht der Laserstrahlen wird gemessen, um eine Positionsbestimmung zwischen der Oberfläche des Subjektes und dem Detektorblock zu bestimmen. Als nächstes wird der Halbleiterdetektorblock näher an das Subjekt gebracht, und zwar unter Berücksichtigung der Positionsbeziehung, um dadurch eine dreidimensionale Positionsdetektion der Gammastrahlen auszuführen. Dadurch, dass ermöglicht wird, dass die Halbleiterdetektorblöcke unabhängig und frei bewegt werden, ist es möglich, Distanzen zwischen den Halbleiterdetektorblöcken zu verringern, die eine Koinzidenzmessung für das Subjekt ausführen, welches eine beliebige Form haben kann. Wenn die Distanz zwischen den Halbleiterdetektorblöcken verringert ist, und die Koinzidenzmessung ausgeführt wird, ist ein Positronentomografiebild mit hoher Empfindlichkeit und hoher räumlicher Auflösung zu erhalten. Es ist experimentell bekannt, dass, wenn die Distanz zwischen den Halbleiterdetektorblöcken auf 20 cm oder weniger reduziert ist, der Wert der räumlichen Auflösung 1 mm oder weniger wird. Als solches kann die vorliegende Erfindung ein Positronenverteilungsbild mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm oder weniger vorsehen.
  • Die räumliche Auflösung in dem beispielhaften Positronenemissionstomografieapparat, der unter ”Technischer Hintergrund” beschrieben wurde, ist ungefähr 3 mm. Durch Verwendung des Halbleiterteils und durch Dünnermachen des Detektors, kann die Auflösung auf 1 mm oder weniger verringert werden. Daher wird es möglich, eine Umgebung für die Untersuchung und Entwicklung einer neuen medizinischen Substanz unter Verwendung des Positronenemissionstomografieapparates und eines Labortieres vorzusehen, wie beispielsweise einer Maus. Weiterhin ist es möglich, einen Mikro-Krebs (Karzinom) mit einer Größe von beispielsweise 1 mm zu finden. Daher wird erwartet, dass der Halbleiterdetektorblock und der Positronenemissionstomografieapparat des Ausführungsbeispiels zur Entwicklung von neuen medizinischen Substanzen und zur Bekämpfung von Krebs beitragen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Probleme
  • Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen und nützlichen Halbleiterdetektorblock mit einer einfachen Detektorstruktur vorzusehen, und eine Messung mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm oder weniger auszuführen, und einen Positronenemissionstomografieapparat mit dem Halbleiterdetektorblock bereitzustellen.
  • Mittel zur Lösung der Probleme
  • Ein Halbleiterdetektorblock weist eine Vielzahl von Halbleiterplatten auf, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine Vorderseite haben, auf der eine Elektrode mit elektrischem Widerstand geformt ist, und eine Rückseite, auf der eine elektrisch leitende Elektrode geformt ist, und die weiter derart konfiguriert sind, dass sie eine zweidimensionale Detektionsposition von Gammastrahlen auf den Halbleiterplatten unter Verwendung eines Verhältnisses von elektrischen Signalen von vier Ecken der Elektrode mit elektrischem Widerstand detektieren, wobei die Vielzahl der Halbleiterplatten aufgestapelt ist, und eine dreidimensionale Detektionsposition der Gamma-Strahlen unter Verwendung eines Verhältnisses der elektrischen Signale von den vier Ecken der Elektroden mit elektrischem Widerstand detektierbar ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2005-208057 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - S. Rankowitz und Andere, ”Positron scanner for locating brain tumors”, IRE Int Conv Rec 1962; 10 (Ausgabe 9); 49–56 [0004]

Claims (7)

  1. Halbleiterdetektorblock, der Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Halbleiterplatten, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine Vorderseite haben, auf der eine Elektrode mit elektrischem Widerstand geformt ist, und eine Rückseite, auf der eine elektrisch leitende Elektrode geformt ist, und die konfiguriert sind, um eine zweidimensionale Detektionsposition von Gammastrahlen auf jeder der Halbleiterplatten zu detektieren, und zwar unter Verwendung eines Verhältnisses von elektrischen Signalen von vier Ecken der Elektrode mit elektrischem Widerstand, wobei die Vielzahl von Halbleiterplatten aufgestapelt ist und eine dreidimensionale Detektionsposition der Gammastrahlen unter Verwendung eines Verhältnisses der elektrischen Signale von den vier Ecken der Elektroden mit elektrischem Widerstand detektierbar ist.
  2. Halbleiterdetektorblock nach Anspruch 1, wobei eine Schottky-Verbindung zwischen der Elektrode mit elektrischem Widerstand und den Halbleiterplatten geformt ist.
  3. Halbleiterdetektorblock nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrode mit elektrischem Widerstand aus Indium gemacht ist, wobei die Halbleiterplatten aus einem CdTe-Kristall oder einem BrTI-Kristall gemacht sind, und wobei die elektrisch leitende Elektrode aus Platin gemacht ist.
  4. Halbleiterdetektorblock nach Anspruch 3, wobei Stirnseiten der elektrisch leitenden Elektroden der benachbarten Halbleiterplatten durch einen elektrisch leitenden Klebstoff verbunden sind, und wobei die Elektroden mit elektrischem Widerstand aufgestapelt sind, wobei ein isolierender Film zwischen Oberflächen der Elektroden mit elektrischem Widerstand angeordnet ist.
  5. Halbleiterdetektorblock nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein elektrisches Signal von den elektrisch leitenden Elektroden von einer der Halbleiterplatten als ein Zeitsignal verwendet wird, um eine Koinzidenzmessung mit den anderen Halbleiterplatten zu bestimmen.
  6. Positronenemissionstomografieapparat, der zwei oder mehr der Halbleiterdetektorblöcke nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
  7. Positronenemissionstomografieapparat nach Anspruch 6, wobei die Halbleiterblöcke unabhängig in Radiusbewegungsrichtungen um ein Subjekt oder in Richtungen hinweisend zum Subjekt bewegbar sind.
DE112008003827T 2008-04-24 2008-04-24 Halbleiterdetektorblock und Positronenemissionstomografieapparat, der diesen verwendet Withdrawn DE112008003827T5 (de)

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