JP2004333489A - 非ピクセル型シンチレータ・アレイを有する計算機式断層写真法（ｃｔ）検出器アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオード・アレイ（５２）及び／又はコリメータ・アセンブリ（５９）との位置揃えに対する感受性を小さくした高分解能ＣＴ撮像用のシンチレータ・アレイを製造する。
【解決手段】ＣＴ検出器（１０）用の非ピクセル型シンチレータ・アレイ（５６）は、互いに対して平行に揃えられている多数のセラミックス繊維（８８）又は単結晶繊維で構成され、パック（８６）の線量効率が極めて高くなる。各々の繊維は、散乱損を小さくしてフォトダイオード（６０）に光を放出するように設計されている。繊維の寸法（断面径）は、高分解能用であるほど微小とし、繊維の寸法がシンチレータ・アレイの全体にわたって一様にすることができる。各繊維は互いに対して平行に揃えられ、シンチレータ・アレイも全体として一様になる。
【選択図】 図３

Description

本発明は一般的には、診断撮像に関し、さらに具体的には、ＣＴイメージング・システムの検出器アレイに内蔵される非ピクセル型シンチレータ・アレイに関する。さらに具体的には、本発明は、複数のセラミックス繊維又は単結晶繊維で形成されているシンチレータ・アレイ、並びにこれらのセラミックス又は単結晶シンチレータ繊維を形成する方法及び装置に関する。

典型的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムでは、Ｘ線源がファン形状（扇形）のビームを患者又は手荷物のような被検体又は対象に向かって照射する。以後、本書では、「被検体」及び「対象」という用語は画像化が可能な任意の物体を包含するものとする。ビームは、被検体によって減弱された後に、放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイで受光される減弱後のビーム放射線の強度は典型的には、被検体によるＸ線ビームの減弱に依存する。検出器アレイの各々の検出器素子が、各々の検出器素子によって受光された減弱後のビームを示す別個の電気信号を発生する。電気信号はデータ処理システムへ伝送されて解析され、解析から最終的に画像が形成される。

一般的には、Ｘ線源及び検出器アレイは、撮像平面内で被検体を中心としてガントリの周りで回転する。Ｘ線源は典型的には、焦点においてＸ線ビームを放出するＸ線管を含んでいる。Ｘ線検出器は典型的には、検出器で受光されるＸ線ビームをコリメートするコリメータと、コリメータに隣接して設けられておりＸ線を光エネルギへ変換するシンチレータと、隣接するシンチレータから光エネルギを受け取ってここから電気信号を発生するフォトダイオードとを含んでいる。

典型的には、シンチレータ・アレイの各々のシンチレータがＸ線を光エネルギへ変換する。各々のシンチレータは発光して、これにより隣接して設けられているフォトダイオードへ光エネルギを放出する。各々のフォトダイオードは、光エネルギを検出すると共に、対応する電気信号を発生する。次いで、フォトダイオードの出力はデータ処理システムに伝送されて、画像再構成を施される。

フォトダイオード・アレイ内の各々のフォトダイオードは、シンチレータ・アレイのシンチレータに対応するように位置揃えされる。公知のＣＴ検出器は、ピクセル型のシンチレータ・アレイを有しており、理想的には当該シンチレータ・アレイの全体にわたって寸法が均等となっている。フォトダイオードとシンチレータとの間には一対一対応の関係が存在しているので、各々のシンチレータを各々のフォトダイオードに正確に位置揃えせねばならない。このときの精度は、シンチレータ・ピクセル同士の間に反射体要素を形成してシンチレータ・アレイに単体型又は多数部材型コリメータ・アセンブリを結合するときに正確さが要求される結果として、次第に重要性を増している。各々のピクセル型構造の間に微小な導路又は溝を形成することは極めて困難であるので、シンチレータの各々を分離するために比較的肉厚の反射体プレート又は反射体壁面を用いる。すると、シンチレータの作用表面積が小さくなり、量子検出効率又は線量利用率が低下する。また、タングステン等の反射性保護材料はＸ線を吸収するため、データ取得に必要な放射線量が増大する。加えて、許容可能な画質を保つために、整列不整についての仕様は通例極めて制限されている。さらに、高分解能応用では微小なシンチレータ・セルが必要とされるが、これらのセルはピクセル型レイアウトに形成するのが困難である。

所要の精度を達成するために多くの製法が開発されている。これらの製法は、周知の半導体製法を用いてセラミックス・ウェーハを形成し、精密制御式ダイス加工及び研削加工によってシンチレータ・アレイ又はシンチレータ・パックを形成することを含んでいる。高精度ダイス加工及び研削加工の工程及び設備を用いて、一連のピクセル型構造を形成するようにパックを加工することができる。しかしながら前述のように、ピクセル型構造は、後の製造工程でシンチレータとフォトダイオードとコリメータ・アセンブリとの間の整列不整を最小限にするように、正確に位置揃えしなければならない。整列不整は如何に小さなものでもクロス・トーク、Ｘ線生成雑音、及びフォトダイオード・アレイに対する放射線損傷の一因となる。整列不整が大き過ぎる場合には、シンチレータ・パックを破棄せねばならず、これにより製造経費、労働力、時間及び廃棄物が増す。

従って、シンチレータ・アレイと、フォトダイオード・アレイ及び／又はコリメータ・アセンブリとの位置揃えに対する感受性を小さくした高分解能ＣＴ撮像用のシンチレータ・アレイを製造する装置及び方法を設計できると望ましい。
米国特許出願第１０／３１６１５１号（ＵＳ２００３０１２７６３０Ａ１）

本発明は、上述の欠点を克服したＣＴ検出器用の非ピクセル型シンチレータ・アレイ、並びにこれらを製造する装置及び方法に関するものである。シンチレータ・アレイは、互いに対して平行に位置揃えされている多数のセラミックス繊維又は単結晶繊維で構成されている。各繊維は、断面径が一様であってもよいし非一様であってもよい。繊維は、隣接する繊維同士の間に比較的微小な反射体材料を配設してシンチレータ・アレイ又はシンチレータ・パックとして配列されている。結果として、パックは線量効率が極めて高くなる。さらに、各々の繊維は、散乱損を極く小さくしてフォトダイオードに向けて光を放出するように設計されている。この観点で、本シンチレータ・アレイは、光出力が比較的大きいがクロス・トークは小さい。繊維寸法（断面径）は、高分解能応用であるほど微小な繊維を製造し得るように制御することができる。さらに、繊維寸法がシンチレータ・アレイの全体にわたって一貫しているように制御することができ、且つ各繊維は互いに対して平行に位置揃えされているので、シンチレータ・アレイもまた全体として一様になる。従って、フォトダイオード・アレイ又はコリメータ・アセンブリに対する正確な位置揃えが不要になる。

従って、本発明の一観点では、ＣＴ検出器アレイが、投射されたＸ線をコリメートするように構成されている複数のコリメータ要素と、Ｘ線の受光時に発光する材料で形成されている非ピクセル型シンチレータ・パックとを含んでいる。ＣＴ検出器アレイはさらに、非ピクセル型シンチレータ・パックに光学的に結合されており、シンチレータ・パックからの発光を検出して該発光に応答して電気信号を出力するように構成されているフォトダイオード・アレイを含んでいる。

本発明のもう一つの観点では、シンチレータ素子の非ピクセル型アレイを備えたＣＴ検出器アレイを提供し、シンチレータ素子は、高周波電磁エネルギの受光時に発光するように構成されており、シンチレータ素子のアレイの発光を検出してシンチレータ素子のアレイによって受光された高周波電磁エネルギを全体的に示す複数の電気信号を出力するように構成されている光検出素子のアレイに結合されている。検出器アレイは、シンチレータ材料の複数の単結晶繊維を形成し、これら複数の結晶繊維を接着材料と共に注型することにより形成される。検出器アレイはさらに、これら複数の結晶繊維を接着材料内で硬化させて硬化パックを形成し、硬化パックを指定寸法で切断することにより形成される。

本発明のもう一つの観点では、非ピクセル型シンチレータ・アレイを有するＣＴ検出器アレイの製法が、シンチレータを成長させ得る元となる基礎材料を形成する工程と、基礎材料からシンチレータ材料の棒材を引抜き加工する工程とを含んでいる。この製法はさらに、複数のシンチレータ繊維を形成するように棒材を切断する工程と、これら複数のシンチレータ繊維をシンチレータ繊維束として位置揃えする工程とを含んでいる。次いで、シンチレータ繊維束を薄切りにして多数のシンチレータ・パックを形成した後に、これら多数のシンチレータ・パックに反射体被覆を付着させる。

本発明の他の様々な特徴、目的及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

図面は、本発明を実施するために現状で想到される好ましい一実施形態を示している。

４スライス型計算機式断層写真法（ＣＴ）システムに関連して本発明の動作環境を説明する。但し、当業者であれば、本発明がシングル・スライス型構成又は他のマルチ・スライス型構成での利用にも同等に適用可能であることが理解されよう。さらに、Ｘ線の検出及び変換に関連して本発明を説明する。しかしながら、当業者は、本発明が他の高周波電磁エネルギの検出及び変換にも同等に適用可能であることをさらに理解されよう。「第三世代」ＣＴスキャナに関連して本発明を説明するが、本発明は他のＣＴシステムにも同等に適用可能である。

図１及び図２には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム１０が、「第三世代」ＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２はＸ線源１４を有しており、Ｘ線源１４は、Ｘ線ビーム１６をガントリ１２の対向する側に設けられている検出器アレイ１８に向かって投射する。検出器アレイ１８は複数の検出器２０によって形成されており、検出器２０は一括で、患者２２を透過した投射Ｘ線を感知する。各々の検出器２０は、入射Ｘ線ビームの強度を表わし、従って患者２２を透過した減弱後のビームを表わす電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得するための一回の走査の間に、ガントリ１２、及びガントリ１２に装着されている構成部品が回転中心２４の周りを回転する。

ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御されている。制御機構２６はＸ線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、Ｘ線制御器２８はＸ線源１４に電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が検出器２０からのアナログ・データをサンプリングして、後続の処理のためにこれらのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って高速再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。

コンピュータ３６はまた、キーボードを有するコンソール４０を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給した指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２及びガントリ１２を配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。

図３及び図４に示すように、検出器アレイ１８は、シンチレータ・アレイ５６を形成している複数の独立したシンチレータ繊維５７を含んでいる。シンチレータ・アレイ５６の上方にはコリメータ・アセンブリ５９が配置されていて、Ｘ線ビーム１６がシンチレータ・アレイ５６に入射する前にＸ線ビーム１６をコリメートする。一実施形態では、コリメータ・アセンブリは、シンチレータ・アレイの上面又はＸ線受光面と一体形成されている。

図３に示す一実施形態では、検出器アレイ１８は５７個の検出器２０を含んでおり、各々の検出器２０が１６×１６のアレイ寸法を有している。結果として、アレイ１８は１６行及び９１２列（１６×５７個の検出器）を有し、ガントリ１２の各回の回転で同時に１６枚のスライスのデータを収集できるようになっている。

図４のスイッチ・アレイ８０及び８２は、シンチレータ・アレイ５６とＤＡＳ３２との間に結合されている多次元半導体アレイである。スイッチ・アレイ８０及び８２は、多次元アレイとして配列されている複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、図示されていない）を含んでいる。ＦＥＴアレイは、フォトダイオード６０の各々にそれぞれ接続されている一定数の電気リードと、可撓性電気インタフェイス８４を介してＤＡＳ３２に電気的に接続されている一定数の出力リードとを含んでいる。具体的には、フォトダイオード出力の約半数がスイッチ８０に電気的に接続されており、フォトダイオード出力の残り半数がスイッチ８２に電気的に接続されている。加えて、薄い反射層（図示されていない）が各々のシンチレータ繊維５７の間に介設されて、隣接するシンチレータからの光散乱を減少させることができる。各々の検出器２０は、装着用ブラケット７９によって図３の検出器フレーム７７に固定されている。

スイッチ・アレイ８０及び８２はさらに、所望のスライス数、及び各々のスライスについての所望のスライス分解数に従ってフォトダイオード出力のイネーブル、ディスエーブル及び結合を行なうデコーダ（図示されていない）を含んでいる。デコーダは一実施形態では、当技術分野で公知のデコーダ・チップ又はＦＥＴコントローラである。デコーダは、スイッチ・アレイ８０及び８２並びにＤＡＳ３２に結合されている複数の出力線及び制御線を含んでいる。１６スライス・モードとして定義される一実施形態では、デコーダは、フォトダイオード・アレイ５２のすべての横列が起動されるようにスイッチ・アレイ８０及び８２をイネーブルにして、結果として、ＤＡＳ３２によって処理される１６スライス分のデータを同時に生成する。言うまでもなく、他の多くのスライスの組み合わせが可能である。例えば、デコーダは、１スライス・モード、２スライス・モード及び４スライス・モードを含めた他のスライス・モードから選択してもよい。

図５に示すように、適当なデコーダ命令を送信することにより、スイッチ・アレイ８０及び８２を４スライス・モードとして構成して、データがフォトダイオード・アレイ５２の１列以上の横列から成る４枚のスライスから収集されるようにすることができる。スイッチ・アレイ８０及び８２の特定の構成に応じて、１列、２列、３列又は４列のシンチレータ・アレイ素子５７でスライス厚みを構成し得るようにフォトダイオード６０の様々な組み合わせをイネーブル、ディスエーブル又は結合することができる。他の例としては、１．２５ｍｍ厚〜２０ｍｍ厚のスライスによる１枚のスライスを含んだシングル・スライス・モード、１．２５ｍｍ厚〜１０ｍｍ厚のスライスによる２枚のスライスを含んだ２スライス・モード等がある。所載以外のモードも想到される。

図６について説明する。同図は、本発明に従って構築されたシンチレータ・パックの上面図を示す。シンチレータ・パック８６は、複数の単結晶繊維又はセラミックス繊維８８によって画定されており、これらの繊維が各次元で集合してパックを構成している。以下で詳述するように、繊維８８を形成するために多くの手法を用いることができる。シンチレータ繊維の各々は円筒形状であり、図３〜図４について述べたようにＸ線又はγ線の受光時に発生される光をフォトダイオードに向けて集束するように構成されている。一実施形態では、シンチレータ繊維は一様な断面径を有する。この場合には、パック８６の全体にわたってシンチレータ寸法が一様となる。この一様性の利点の幾つかについては後に詳述する。もう一つの実施形態では、各繊維は、パック内で断面径の差が存在するように形成され配置されてもよい。応用によってはこの非一様性が適しており又は好ましい場合がある。さらに、非一様型素子をパック８６に組み入れると、パック内にさらに多くの繊維を密着させることができる。パック内でさらに多くのシンチレータ素子又はシンチレータ繊維が密着するとパック充填効率が高まり、線量効率も高まる。すなわち、固定空間内でのシンチレータ・セルの数が増すと、当該固定空間内での非シンチレータ表面積の量が減少する。従って、固定空間内で用いられるシンチレータ材料が増加して、当該固定空間内で検出されるＸ線又はγ線の数が増大する。後に詳述するように、本発明は比較的微小なシンチレータ素子又はシンチレータ繊維の形成を可能にして、単一のシンチレータ・パック又はシンチレータ・アレイ内でのシンチレータ物質の量を増大させることができる。さらに他の実施形態では、繊維径は一様であるが断面形状が非円形となるように繊維を成長させることもできるし、繊維径が非一様であり断面も非円形となるように繊維を形成することもできる。

図６に示されているのはシンチレータ・パックであるが、完成したシンチレータ・アレイと見ることもできる。すなわち、図６に示すパック８６を切断又はダイス加工して、ＣＴ検出器セル用のシンチレータ・アレイを形成することができる。パックの全体にわたって繊維寸法が一様である実施形態では、パックが正確な位置で切断又はダイス加工されていることは重要でない。すなわち、パック全体が一様であり、従って、パックから切断して得られる任意の区画又は部分も一様になる。結果として、一様なパック８６を構築して、ＣＴ検出器又は他の検出器アセンブリに必要とされる寸法要件に合わせて任意にダイス加工することができる。より小さく且つ一様な部分を形成するように切断又はダイス加工することのできる一様なパックを製造することにより、寸法の異なるアレイ又はパックの各々を別個且つ独立に製造するのではなく、一様なパックから適当な寸法のシンチレータ・アレイを切断して得る単一工程の製造組立又は製法を開発することができる。シンチレータ製法におけるこの合理化及び一貫性によって、製造経費、工作の手間、時間及び労働力等が減少する。

図６の説明を続けると、シンチレータ繊維８８の各々が一定の断面径を有するように構築することによりシンチレータ・パック８６の全体にわたる一様性を生じさせることができるので、得られるシンチレータ・アレイに対するコリメータ・アセンブリ及びフォトダイオード・アレイの位置揃えの重要性が小さくなる。すなわち、フォトダイオードとは異なり、パック８６から形成されるシンチレータ・アレイはピクセル化されていない。シンチレータ繊維を非ピクセル型配向としてレイアウトすることにより、典型的にはフォトダイオードのシンチレータ・アレイに対する位置揃えに関連する位置揃え問題が回避される。さらに、典型的にはコリメータ・アセンブリ・グリッドに関連する位置揃え問題も軽減される。

前述のように、シンチレータ繊維はセラミックス繊維又は単結晶繊維であってよい。セラミックス繊維は典型的には、有機結合剤を含ませて押出し法を用いて形成される。しかしながら、結合剤の完全燃焼は通例極めて困難で、構造の亀裂が比較的容易に生じ得る。さらに、有機結合剤の残存物がシンチレータの性能に重大な劣化を招いて、光出力、放射線損傷に対する耐久性、及び残光に悪影響を及ぼす可能性がある。標準的な押出し法は、シンチレータを形成するのに用いられる化学物質の各々を粉末形態で用意する完全粉末法を用いる。しかしながら、シンチレータ繊維の密度及び焼結性に粉末の粒度が大きな影響を及ぼす。従って、本発明の一実施形態では、制御し易い独立セラミックス繊維の製法を開発して、典型的には押出しに関連する独立粉末化法の欠点を回避する。

図７について説明する。同図は、シンチレータ製法の見取り図を示す。この工程又は手法では、生成されるセラミックス繊維の粒度は、１００％に近い充填密度を与えるような押出しによって典型的に得られる粒度よりも小さい。手法１００は工程１０２から開始し、工程１０２では、工程１０４で前駆体溶液を形成するのに用いられる化学物質を溶解させる。化学物質の選択は、生成したいシンチレータ系の形式によって決まる。例えば、一つの系では、出発物質は、酢酸ルテチウム水和物（＞９９．９９％）（Ｌｕ（Ｏ２ＣＣＨ３）３・ｘＨ２Ｏ）と、酢酸テルビウム水和物（＞９９．９９％）（Ｔｂ（Ｏ２ＣＣＨ３）３・ｘＨ２Ｏ）と、硝酸セリウム（＞９９．９９％）（Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）と、ギ酸アルミニウム水和物（＞９９．９９）（Ａｌ（Ｏ２ＣＨ）３・３Ｈ２Ｏ）とを適当な比で含む。例えば、適当な比は、化学量式Ｌｕ〔０．８〕Ｔｂ〔２．１７〕Ｃｅ〔０．０３〕Ａｌ〔５〕Ｏ〔１２〕によって定義され得る。当業者は、米国特許出願第１０／３１６１５１号（特許文献１）に議論されているもののような他の組成比が可能であることを容易に理解されよう。次いで、出発物質を熱蒸留水に溶かして（工程１０４）前駆体溶液を形成する。何らかの量のギ酸、エチレングリコール及びイソ酪酸を加えて溶液を安定させる。代替的には、出発材料又は出発物質を全て硝酸塩とする。次いで、硝酸塩を蒸留水に溶かす。次いで、溶かした溶液にエチレングリコール、及び酢酸又はクエン酸を加える。

一旦、前駆体溶液が形成されたら、溶液を約６０℃〜８０℃に加熱して（工程１０６）、水を乾燥させると共に重合によって粘度を高める。十分な乾燥の後に、溶液は適当な粘度を備えた半透明ゲル、好ましくは透明ゲルとなっている。このゲルから、工程１０８で繊維前駆体を引き抜く。繊維前駆体は後述するように、複数のセラミックス・シンチレータ繊維の基礎を成す。引出し又は引抜き加工されたゲル材料の繊維は、工程１１０で約１００℃〜１５０℃の乾燥器内で乾燥されて、溶媒を乾燥除去する。次いで、乾燥した繊維を引抜きして工程１１２での焼成のために温度勾配炉に導入する。この炉での第一段階は約４００℃〜１１００℃での熱分解である。繊維は、ガーネット構造を有するセラミックス相に転化する。

一旦、セラミックス繊維が形成されたら、十分な密度向上及び所望の粒子成長を行なうために、工程１１４で温度を１６５０℃〜１７７５℃、好ましくは約１７００℃として繊維に焼結工程を施す。炉内で行なわれる最終工程は、熱アニールである。尚、熱分解工程、焼結工程及びアニール工程は、雰囲気制御のために３個の別個の炉で行なってもよい。次いで、アニールした最終的な繊維を切断すると、一様形状の複数のセラミックス・シンチレータ繊維が得られる。一般的には、繊維径は１μｍ〜１０μｍである。次いで、工程１１６で繊維を金型内で位置揃えする。金型は、繊維の各々を互いに対して平行に密に充填させて位置揃えするように設計されている。金型はまた、得られるシンチレータ・パックの寸法を画定する。次いで、シンチレータ繊維の繊維束を酸化チタン（ＴｉＯ２）のような反射体材料を含ませた接着材料と共に注型する。反射体材料は、低粘度の耐放射線性エポキシである。繊維は金型内で密に位置揃えされるので、各々の繊維の間の隙間は微小である。しかしながら、極く微小なこれらの隙間を、フォトダイオード・アレイへの光放出を改善すると共に隣接するシンチレータ繊維同士の間のクロス・トークを低減するのに用いられる反射体材料で充填する。

接着材料と共に繊維束を注型する工程に続いて、工程１２０で繊維束を硬化させて、反射体で被覆されたシンチレータ繊維のシンチレータ・パックを形成する。次いで、工程１２２で硬化パックを薄切りにして、一様に位置揃えされたシンチレータ繊維を有する多数のシンチレータ・アレイを形成する。好ましくは、パックは、繊維の長手軸に垂直な線に沿って薄切りにされる。次いで、工程１２４で、反射体テープのような光反射材料の層で各々のシンチレータ・アレイの片面を被覆する。また、表面を研磨して、アルミニウム、銀及び金等のような反射性材料によってスパッタ被覆してもよい。光反射層を用いる場合はその付着の後に、多数の一様寸法のシンチレータ・アレイ又はシンチレータ・パックが得られ、工程１２６で工程は終了する。

もう一つの実施形態では、前駆体溶液を形成するのに用いられる出発材料又は出発物質は、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３（全て＞９９．９９％）、及びＰｒ（ＮＯ３）３・ｘＨ２Ｏ（＞９９．９９％）を含んでいる。この実施形態では、所望の比の酸化物を共に混合して、硝酸に溶かす。次いで、溶液に硝酸プラセオジムを加える。一定量のエチレングリコール及び硝酸を加えて透明な溶液を形成する。この溶液を約６０℃〜８０℃で加熱して重合させる。一旦、溶液が透明なゲルとなって粘度が適当になったら、ゲルから繊維を引き抜く。製法の残りの段階はＬｕ−Ｔｂ−Ａｌ−Ｏ−Ｃｅ系に関して上述したものと同様であり、温度及び雰囲気のみが異なる。この系による組成の一例は（Ｙ〔１．６７〕Ｇｄ〔０．３３〕Ｅｕ〔０．１〕）Ｏ〔２〕：Ｐｒである。

図８は、図７に関連して上で詳述した繊維成長工程を具現化するシステムを示す。システム１２８は、坩堝１３２、又は上述の各出発材料を収容して前駆体溶液に溶かすことを可能にするその他の容器を含んでいる。次いで、坩堝を加熱器（図示されていない）で加熱して、坩堝内で前駆体ゲルを形成する。次いで、ゲルから繊維前駆体１３４を引抜き又は引出しして、乾燥器１３６に導入する。繊維前駆体１３４は、引抜き補助装置１３８によって引抜きされて乾燥器に導入される。次いで、乾燥した繊維１４０を引抜き補助装置１４２を介して焼成及び焼結炉１４４に導入する。繊維１４０の焼結及びアニールを行なった後に、引抜き補助装置１４６がアニールされた繊維１４８を焼結炉１４４から取り出す。次いで、前述のように、アニールされた繊維又は棒材をダイス加工して、シンチレータ・アレイを形成するのに用いられる複数のシンチレータ繊維を形成する。

本発明はまた、ガーネットを結晶相とした結晶化系から、シンチレータ・アレイを形成するための複数の単結晶繊維を形成することを思量している。単結晶繊維の各々がシンチレータ素子として作用して、フォトダイオード又は他の光検出素子に向けて光を放出するように構成されている。前述のセラミックス繊維と同様に、単結晶繊維を平行に位置揃えすると共にまとめて繊維束として、図６に示すものと同様のシンチレータ・パック又はシンチレータ・アレイを形成することができる。さらに、単結晶繊維が一様な又は共通の断面径を有していてもよく、この場合には、得られるシンチレータ・パックは一様になる。代替的には、異なる断面径の繊維を成長させて単一のシンチレータ・パックとして結合し、充填密度及び線量効率を最大限にしてもよい。図６に示す実施形態では、繊維の各々が円形断面を有しているが、他の断面形状も思量され、本発明の範囲内に含まれる。

単結晶繊維は透明性が高く、不純物は極く僅かである。この透明性から、対応するフォトダイオード・アレイの光収集効率が改善する。さらに、結晶化過程は多くの望ましくない不純物を排除し得る精製過程であるので、各々の結晶繊維の残光を最小限にすることができる。一実施形態では、単結晶繊維シンチレータは、（Ｌｕ〔ｘ〕Ｔｂ〔１−ｘ−ｙ〕Ｃｅ〔ｙ〕）〔３〕Ａｌ〔５〕Ｏ〔１２〕（ＬｕＴＡＧ）で構成される。「ｘ」は０．５〜１．５であり、「ｙ」は０．０１〜０．１５である。Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２の不一致溶融のため、Ｌｕを添加してガーネット構造を安定させる。Ｃｅはシンチレーション活性剤として添加される。ガーネット相は透明な単結晶繊維を得るために必須である。さらに、耐亀裂性の繊維を成長させるためには一致溶融組成での作業が望ましい。

図９について説明する。同図は、単結晶繊維で構成されているシンチレータ・パックを形成する手法の工程見取り図又は各段階を示す。手法１５０は、シンチレータ結晶成長のための基礎として用いられる原材料の混合を行なう工程１５２で開始する。一実施形態では、原材料は、Ｔｂ４Ｏ７（＞９９．９９％）と、Ｌｕ２Ｏ３（＞９９．９９％）と、Ａｌ２Ｏ３（＞９９．９９％）と、ＣｅＯ２（＞９９．９９％）とを含んでいる。工程１５２では、粉末酸化物をボール・ミルによってアルコール又は蒸留水と混合した後に乾燥させる。次いで、工程１５４でモリブデン又はイリジウムの坩堝内で約１８００℃〜１９００℃で混合物を溶融させる。攪拌を用いて溶融物を均一化する。一旦、溶融物が均一化したら、工程１５６で溶融物内にシード（種）繊維を用意する。工程１５８で、シード繊維から単結晶の棒材又は繊維を引き抜く。次いで、工程１６０で、引抜きした繊維に所定の温度すなわち１５００℃でアニールを施す。アニールに続いて、工程１６２で単結晶シンチレータ物質の棒材を切断又はダイス加工する。工程１６２での切断によって、シンチレータ物質の単一の棒材が、共通で且つ一様な直径を有する多数の単結晶繊維に分割される。好ましくは、繊維の各々は共通の長さを有する。

次いで、工程１６４で、得られた繊維を金型内で位置揃えする。金型は、単結晶繊維から形成されるシンチレータ・パックの寸法を画定すると共に、繊維を密に充填させるように作用する。金型内での繊維の数を増大させるために、一部の繊維に異なる断面径を用いてよい。前述のように、シンチレータ・アレイ内でのシンチレータ素子の数を増大させると、シンチレータ・アレイの量子検出効率（ＱＤＥ）が高まる。工程１６６で、位置揃えした繊維を、繊維を機械的に互いに結合させて単一の構造又は集合体とするのに用いられる反射性接着材料と共に注型する。接着材料は隣接する繊維を機械的に互いに結合するが、同時にＴｉＯ２のような反射性材料でドープして、シンチレータ素子同士の間のクロス・トーク放出を低減することもできる。次いで、注型された繊維の繊維束を工程１６８で硬化させ、続いて工程１７０でダイス加工して、多数のシンチレータ・パック１７０を形成する。好ましくは、パックは繊維の長手軸に垂直な線に沿って薄切りにされる。次いで、工程１７２で、反射体テープのような光反射性材料の層で各々のシンチレータ・アレイの片面を被覆する。また、表面を研磨して、アルミニウム、銀及び金等のような反射性材料によってスパッタ被覆してもよい。光反射層を用いる場合にはその付着の後に、多数の一様寸法のシンチレータ・アレイ又はシンチレータ・パックが得られ、工程１７４で工程は終了する。繊維を一様寸法及び一様形状で成長させた場合には、得られるパックの各々のアレイも一様寸法及び一様形状となる。

図１０及び図１１について説明する。溶融物から結晶繊維を引き抜くためには多数の方法が想到される。一つの方法は、引上げ法であって、図１０に示す周知のチョクラルスキー（Czochralski）法と同様のものである。もう一つの方法は、図１１に示すもののような引下ろし法である。引上げ法又は図１０の手法では、出発材料１７８を坩堝１８０内で混合する。坩堝にシード繊維を用意して、結晶成長に用いる。シード繊維は既知の結晶配向（通例｛１１１｝方向）を有する。このシード繊維から、引抜き補助装置１８４を用いて結晶棒材又は繊維１８２を引き抜く。次いで、チョクラルスキー法に従って、引抜きした繊維１８６を加工（すなわち加熱、焼結及びアニール等）することができる。

図１１に概略図示する引下ろし方法１８８では、底部にオリフィスを機械加工した坩堝１９２に出発材料１９０を用意する。オリフィスは、所望の繊維直径に応じて直径が約０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。引抜き速度は約１ｍｍ／分〜１０ｍｍ／分である。シード繊維を用いて結晶成長を開始する。シード繊維は既知の結晶配向（通例｛１１１｝方向）を有する。先ず、坩堝１９２を組成物の溶融温度よりも約５０℃〜１００℃高い温度にまで加熱して、次いで、温度を溶融温度よりも約２０℃高い温度まで低下させてこの水準に保つ。次いで、シード繊維をゆっくりと溶融物に挿入する。シードの小部分（通例数ｍｍ）が溶融物内に挿入されたら、引抜きを開始する。成長した結晶１９４はアルゴン雰囲気下で補助装置１９６によって引抜きされて、坩堝１９２の酸化を防ぐ。次いで、得られる繊維１９８を一定の長さに切断して、制御された雰囲気［通例、幾分かの酸素（Ｏ２）分圧を有するアルゴンとする］内でアニールする。アニール温度は約１５００℃である。

図１２について説明する。小荷物／手荷物検査システム２００が、小荷物又は手荷物を通過させることのできる開口２０４を内部に有する回転式ガントリ２０２を含んでいる。回転式ガントリ２０２は、高周波電磁エネルギ源２０６と、図６に示すものと同様のシンチレータ・セルで構成されているシンチレータ・アレイを有する検出器アセンブリ２０８とを収容している。また、コンベヤ・システム２１０が設けられており、コンベヤ・システム２１０は、構造２１４によって支持されており走査のために開口を通して小荷物又は手荷物を自動的に且つ連続的に通過させるコンベヤ・ベルト２１２を含んでいる。対象をコンベヤ・ベルト２１２によって開口２０４内に送り込み、次いで撮像データを取得し、コンベヤ・ベルト２１２によって開口２０４から小荷物２１６を除去することを、制御された連続的な態様で行なう。結果として、郵便物検査官、手荷物積み降ろし員及び他の保安人員が、小荷物２１６の内容物を爆発物、刃物、銃及び密輸品等について非侵襲的に検査することができる。

従って、本発明の一実施形態では、ＣＴ検出器アレイが、投射されたＸ線をコリメートするように構成されている複数のコリメータ要素と、Ｘ線の受光時に発光する材料で形成されている非ピクセル型シンチレータ・パックとを含んでいる。ＣＴ検出器アレイはさらに、非ピクセル型シンチレータ・パックに光学的に結合されており、シンチレータ・パックからの発光を検出して該発光に応答して電気信号を出力するように構成されているフォトダイオード・アレイを含んでいる。

本発明のもう一つの実施形態では、シンチレータ素子の非ピクセル型アレイを備えたＣＴ検出器アレイを提供し、シンチレータ素子は、高周波電磁エネルギの受光時に発光するように構成されており、シンチレータ素子のアレイの発光を検出してシンチレータ素子のアレイによって受光された高周波電磁エネルギを全体的に示す複数の電気信号を出力するように構成されている光検出素子のアレイに結合されている。検出器アレイは、シンチレータ材料の複数の単結晶繊維を形成し、これら複数の結晶繊維を接着材料と共に注型することにより形成される。検出器アレイはさらに、これら複数の結晶繊維を接着材料内で硬化させて硬化パックを形成し、硬化パックを指定寸法で切断することにより形成される。

本発明のもう一つの実施形態では、非ピクセル型シンチレータ・アレイを有するＣＴ検出器アレイの製法が、シンチレータを成長させ得る元となる基礎材料を形成する工程と、基礎材料からシンチレータ材料の棒材を引抜き加工する工程とを含んでいる。この製法はさらに、複数のシンチレータ繊維を形成するように棒材を切断する工程と、これら複数のシンチレータ繊維をシンチレータ繊維束として位置揃えする工程とを含んでいる。次いで、シンチレータ繊維束を薄切りにして多数のシンチレータ・パックを形成した後に、これら多数のシンチレータ・パックに反射体被覆を付着させる。

本発明を好適実施形態について説明したが、本書に明示的に述べたもの以外の均等構成、代替構成及び改変が可能であり、特許請求の範囲に属することが理解されよう。

ＣＴイメージング・システムの見取り図である。 図１に示すシステムのブロック模式図である。 ＣＴシステム検出器アレイの一実施形態の遠近図である。 検出器の一実施形態の遠近図である。 ４スライス・モードでの図４の検出器の様々な構成の図である。 本発明によるシンチレータ・パックの上面図である。 図６のシンチレータ・パックの一製法の工程を示す流れ図である。 図７の製法を具現化することが可能な装置の模式図である。 図６のシンチレータ・パックのもう一つの製法の工程を示す流れ図である。 図９の工程を実施する一装置を示す模式図である。 図９の工程を実施するもう一つの装置を示す模式図である。 非侵襲的小荷物検査システムと共に用いられるＣＴシステムの見取り図である。

符号の説明

１０ ＣＴシステム
１２、２０２ ガントリ
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線ビーム
１８ 検出器アレイ
２０ 検出器
２２ 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
４２ 表示器
４６ モータ式テーブル
４８、２０４ ガントリ開口
５２ フォトダイオード・アレイ
５６ シンチレータ・アレイ
５７ シンチレータ繊維
５９ コリメータ・アセンブリ
６０ フォトダイオード
７７ 検出器フレーム
７９ 装着用ブラケット
８０、８２ スイッチ・アレイ
８４ 可撓性電気インタフェイス
８６ シンチレータ・パック
８８ 単結晶繊維又はセラミックス繊維
１００ セラミックス繊維シンチレータ製法
１２８ 繊維成長のためのシステム
１３２、１８０、１９２ 坩堝
１３４ 繊維前駆体
１３６ 乾燥器
１３８、１４２、１４６、１８４、１９６ 引抜き補助装置
１４０ 乾燥した繊維
１４４ 焼成及び焼結炉
１４８ アニールされた繊維
１５０ 単結晶繊維シンチレータ製法
１７６ 引上げ法
１７８、１９０ 出発物質
１８２ 結晶棒材又は繊維
１８６ 引抜きした繊維
１８８ 引下ろし法
１９４ 成長した結晶
１９８ 得られる繊維
２００ 小荷物／手荷物検査システム
２０６ 高周波電磁エネルギ源
２０８ 検出器アセンブリ
２１０ コンベヤ・システム
２１２ コンベヤ・ベルト
２１４ 支持構造
２１６ 小荷物又は手荷物

Claims (10)

1. 投射されたＸ線（１６）をコリメートするように構成されている複数のコリメータ要素（５９）と、
   Ｘ線の受光時に発光するように構成されている材料で形成されている非ピクセル型シンチレータ・パック（８６）と、
   該非ピクセル型シンチレータ・パック（８６）に光学的に結合されており、前記シンチレータ・パック（８６）からの発光を検出して該発光に応答して電気信号を出力するように構成されているフォトダイオード・アレイ（５２）とを備えた計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
2. 前記非ピクセル型シンチレータ・パック（８６）は複数の円筒形繊維を含んでいる、請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
3. 前記複数の円筒形繊維は一様な直径を有している、請求項２に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
4. 一様に隔設されている前記複数の繊維（８８）は互いに対して平行に位置揃えされている、請求項２に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
5. 前記各々の一様に隔設されている繊維（８８）は単結晶繊維である、請求項２に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
6. 各々の単結晶繊維はＬｕ、Ｔｂ、Ａｌ及びＯで構成されている、請求項５に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
7. 各々の単結晶繊維はさらにＣｅで構成されている、請求項６に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
8. 計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム（１０）の回転式ガントリ（１２）に組み入れられている請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
9. シンチレータ材料の複数の単結晶繊維を形成する工程（１６４）と、
   前記複数の結晶繊維を接着材料と共に注型する工程（１６６）と、
   硬化パックを形成するように前記複数の結晶繊維及び接着材料を硬化させる工程（１６８）と、
   前記硬化パックを指定寸法に切断する工程（１７０）とにより形成される請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。
10. 前記形成する工程は、Ｔｂ４Ｏ７、Ｌｕ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３及びＣｅＯ２の混合物から前記複数の単結晶繊維を成長させる工程をさらに含んでいる、請求項９に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器アレイ（１８）。

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