JP2004516217A - コンピュータ断層撮影画像作成用のシンチレータ結晶構造を整列させるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンピュータ断層撮影画像作成用シンチレータ結晶構造（９０）を整列させる。
【解決手段】種結晶をガラス状融解生成物の中に沈着して成長させさせることにより、複数の層状晶子（９０）を形成する。晶子（９０）を成長させながらフィールド（電界）を印加することにより、各晶子構造（９０）を一様な配向に整列させる。その結果、晶子（９０）は、光の散乱を低減させ且つＣＴシステムの全体の効率を改善するように構成される。シンチレータ・アレイ（５６）内の各シンチレータ（５７）を一様に整列した複数の晶子（９０）で形成したＣＴシステムにおいて、各晶子（９０）は、Ｘ線ビーム（１６）に直角に形成された受射面（９２）及び出射面（９４）を含む。更に、受射面（９２）及び出射面（９４）は、Ｘ線ビーム（１６）に平行に配列された複数の側壁面（９６）によって連結されている。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に云えば高周波電磁エネルギの検出及び電気信号への変換に関するものであり、より具体的にはシンチレータ結晶構造（ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）を整列させる方法及びその使用システムに関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージング（画像作成）システムにおいては、典型的には、患者のような対象物へ向けてＸ線源から扇（ファン）形ビームを投射する。このビームは、対象物によって減弱して放射線検出器アレイに入射する。検出器アレイで受けた、減弱したビームの放射線の強さは、典型的には、対象物によるＸ線ビームの減弱度に依存する。検出器アレイの各検出器素子は、その各検出器素子で受けた減弱したビームを表す別々の電気信号を発生する。これらの電気信号は解析のためにデータ処理システムへ送られて、最終的には画像を形成する。
【０００３】
一般的に、Ｘ線源及び検出器アレイはガントリと共に対象物の周りを撮像平面内で回転させられる。Ｘ線源は、典型的には、焦点で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、該検出器で受けた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いてＸ線を光エネルギに変換するシンチレータと、隣接したシンチレータから光エネルギを受け取るフォトダイオードとを含んでいる。
【０００４】
典型的には、ＣＴシステムのセラミック・シンチレータが、多数の小さな結晶構造すなわち晶子（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓ；クリスタライト）によって形成されている。シンチレータ材料を形成するために使用される化合物は、一般に特定の結晶構造すなわち各晶子の幾何学的形状を規定する。公知のシンチレータの中には、幾何学的形状に関係なく、晶子が最適に整列していないものがある。これらの公知のシンチレータにおいては、晶子の配向が充分に制御されていず、このため光の散乱を増大させている。更に、公知のＣＴシステムでは、各々の晶子の受光面がその構造の光放出面に平行でなく、このため光の散乱を更に増大させて、シンチレータ検出器及びＣＴシステムの全体の効率を低下させている。
【０００５】
したがって、光の散乱を低減させて、検出器及びＣＴシステムの効率を改善するように適切に整列させ且つ方向付けした晶子を持つシンチレータを設計することが望ましい。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は上述の欠点を克服するＣＴシステム用の検出器を提供する。本検出器は、高周波電磁エネルギを受けて光エネルギに変換するシンチレータを含む。シンチレータは、高周波電磁エネルギ・ビームに平行に整列している複数の晶子を含む。シンチレータのこれらの晶子を適切に整列させることにより、ＣＴシステムの効率が改善される。
【０００７】
本発明の一面では、ＣＴシンチレータ内の晶子を方向付ける方法を提供する。本方法では、先ず、高周波電磁エネルギを受けて光エネルギに変換するように構成されている組成物を融解してガラス状融解生成物を生成する。次いで、ガラス状融解生成物を成形して、特定にＣＴシステムに応じた多数の幾何学的構成のうちの１つを形成する。ガラス状融解生成物を成形した後、種結晶をガラス状融解生成物の中に沈着する。本方法では更に、種結晶からガラス状融解生成物内に晶子を成長させ、そして晶子を成長させながらガラス状融解生成物にフィールドを印加することを含む。
【０００８】
本発明の別の一面では、ＣＴ画像形成方法を提供し、本方法は、シンチレータ・アレイを形成する複数のシンチレータを設けることを含む。各シンチレータは複数の晶子を含んでいる。本方法は更に、各シンチレータの晶子を、放射源から高周波電磁エネルギを受けるために一様な方向に整列させるステップを含む。放射源は高周波電磁エネルギをシンチレータ・アレイの方へ差し向け、シンチレータ・アレイは高周波電磁エネルギを光エネルギに変換する。本方法はまた、光エネルギの強度を表す信号をデータ収集システムへ伝送し、この伝送された信号からＣＴ画像を作成することも含む。
【０００９】
本発明の更に別の一面では、一様に整列した複数の晶子を持つ複数のシンチレータを含むＣＴシステムが提供される。本システムは、高周波電磁エネルギ・ビームをシンチレータ・アレイの方へ放射するように構成された高周波電磁エネルギ放射源を持つ。複数のフォトダイオードを持ち且つ複数のシンチレータに光学的に結合されたフォトダイオード・アレイが、複数のシンチレータからの光エネルギ出力を受け取るために設けられる。本システムは更に、対象物を受け入れる開口を持つガントリを含んでいる。
【００１０】
本発明の様々な他の特徴、目的及び利点は、以下の詳しい説明及び図面から明らかになろう。
【００１１】
図面は、本発明を実施するために現在好ましいと考えられる実施形態を例示する。
【００１２】
【好ましい実施形態の詳しい説明】
本発明の動作環境を４スライス型コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムに関して説明する。しかしながら、当業者には、本発明が単一スライス型又は他のマルチスライス型の構成に使用するために等しく適用可能であることが理解されよう。更に、本発明をＸ線の検出及び変換に関して説明する。しかしながら、当業者には、本発明が他の高周波電磁エネルギの検出及び変換のために等しく適用できることが理解されよう。
【００１３】
図１及び２には、第３世代のＣＴスキャナを表すガントリ１２を含むものとしてコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像作成システム１０が示されている。ガントリ１２はＸ線源１４を有し、Ｘ線源１４はガントリの反対側にある検出器アレイ１８へ向かってＸ線ビーム１６を放射する。検出器アレイ１８は複数の検出器２０によって形成され、これらの検出器２０は共に、患者２２を通過した放射されたＸ線を検知する。各検出器２０は、それに入射するＸ線ビームの強さ、従って患者２２を通過した減弱したＸ線ビームを表す電気信号を発生する。Ｘ線投影データを収集するための走査の際、ガントリ１２及びそれに装着された部品は回転中心２４の周りを回転する。
【００１４】
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によって制御される。制御機構２６は、Ｘ線源１４へ電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御装置２８と、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御装置３０とを含んでいる。また制御機構２６内に含まれているデータ収集システム（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、該データをその後の処理のためにディジタル信号へ変換する。画像再構成装置３４が、サンプリングされディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って、高速画像再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６へ入力として印加され、該コンピュータは該画像を大容量記憶装置３８に格納する。
【００１５】
コンピュータ３６はまた、キーボードを備えたコンソール４０を介してオペレータからの指令及び走査パラメータも受け取る。付設された陰極線管表示装置４２により、オペレータは再構成された画像及びコンピュータ３６からの他のデータを観察することが出来る。コンピュータ３６はオペレータにより供給された指令及びパラメータを使用して、制御信号及び情報をＤＡＳ３２、Ｘ線制御装置２８及びガントリ・モータ制御装置３０へ供給する。さらに、コンピュータ３６は、患者２２及びガントリ１２を位置決めするように電動テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御装置４４を作動する。具体的に述べると、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８の中に通すように移動させる。
【００１６】
図３及び図４に示されるように、検出器アレイ１８は、シンチレータ・アレイ５６を形成する複数のシンチレータ５７を含んでいる。コリメータ（図示していない）がシンチレータ・アレイ５６の上に配置されていて、Ｘ線ビームがシンチレータ・アレイ５６に入射する前にＸ線ビームをコリメートする。
【００１７】
図３に示されている一実施形態では、検出器アレイ１８は５７個のシンチレータ５７を含んでおり、各検出器５７は１６×１６のアレイ寸法を持つ。その結果、アレイ１８は、１６列（横列）及び９１２の縦列（１６×５７の検出器）を持ち、これによりガントリ１２の一回転毎に１６スライスのデータを同時に収集することが可能である。
【００１８】
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た複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）（図示していない）を含んでいる。ＦＥＴアレイは、それぞれのシンチレータの各々に接続された多数の電気リード線と、可撓性の電気インターフェース８４を介してＤＡＳ３２に電気接続された多数の出力リード線を含む。具体的に述べると、シンチレータ出力の約半分がスイッチ８０に電気接続され、またシンチレータ出力の他の半分がスイッチ８２に電気接続される。各検出器２０は取付けブラケット７９によって検出器フレーム７７（図３）に固定される。
【００１９】
スイッチ・アレイ８０及び８２は更に、所望のスライス数及び各スライスについてのスライス分解能にしたがってシンチレータ出力をイネーブルし、ディスエーブルし、又は組み合わせるように制御する復号器（図示していない）を含んでいる。一実施形態では、復号器は当該分野で公知のように復号器チップ又はＦＥＴコントローラである。復号器は、スイッチ・アレイ８０及び８２並びにＤＡＳ３２に結合された複数の出力及び制御線を持つ。１６スライス・モードとして規定された一実施形態では、復号器は、シンチレータ・アレイ５２の全ての列（横列）が作動されるようにスイッチ・アレイ８０及び８２をイネーブルして、ＤＡＳ３２によって処理するための１６スライスのデータを同時に生じさせる。勿論、多数の他のスライス組合せも可能である。例えば、復号器は、１スライス・モード、２スライス・モード及び４スライス・モードを含む他のスライス・モードから選択してもよい。
【００２０】
図５に示されるように、適切な復号器命令を伝送することによって、スイッチ・アレイ８０及び８２を４スライス・モードに設定して、各スライスがシンチレータ・アレイ５６の１つ又はそれ以上の列より成る４つのスライスからデータを収集することができる。スイッチ・アレイ８０及び８２の特定の設定に応じて、シンチレータ５７の様々な組合せをイネーブルし、ディスエーブルし又は組み合わせて、スライス厚さが１列、２列、３列又は４列のシンチレータ・アレイ素子５７で構成されるようにすることが出来る。別の例として、スライス厚さが１．２５ｍｍ〜２０ｍｍである１つのスライスを含む１スライス・モード、及び各スライス厚さが１．２５ｍｍ〜１０ｍｍである２つのスライスを含む２スライス・モードが挙げられる。以上述べたモード以外のモードも考えられる。
【００２１】
ここで図６を参照して説明すると、好ましい実施形態では、各シンチレータは複数の晶子９０を有する。本発明を図６に示した六角形の結晶構造９０に関して説明するが、本発明は他の多角形の結晶構造にも等しく適用できる。各晶子９０は受射（入射）面９２及び出射面９４を含んでいる。図示の六角形の結晶構造９０では、全体を９６で表した６つの側壁面により受射面９２と出射面９４とが連結されている。図示のように、側壁面９６は受射面９２及び出射面９４の両方に対しほぼ９０°の角度で構成されている。側壁面９６を受射面９２及び出射面９４に対し直角に構成することにより、受射面９２及び出射面９４は一定の平面に沿って互いに平行に配列されているる。更に、受射面９２及び出射面９４はＸ線ビーム１６に対し直角に構成され、且つ側壁面９６はＸ線ビーム１６に平行に配列される。受射面９２及び出射面９４の配置方向をＸ線ビーム１６に直角にし且つ側壁面９６の配置方向をＸ線ビーム１６に平行にすることによって、シンチレータ内の光の散乱が低減され、シンチレータ及びＣＴシステムの全体の効率が増大する。
【００２２】
したがって、本発明では、コンピュータ断層撮影画像作成システム用のシンチレータの晶子を整列させる方法を検討する。本方法では、高周波電磁エネルギを光エネルギに変換するように構成されている組成物を融解し、好ましい実施形態ではガラス状融解生成物を生成することを含む。次いで、ガラス状融解生成物を、層状形態、積層状形態又は柱状形態のような多数の形態のうちの１つの形態に成形する。次いで、大きさが数ナノメートルの種結晶を、ガラス状融解生成物の中に沈着して、該種結晶を成長させて結晶相を形成させる。成長する複数の晶子（クリスタライト）は同じ多角形構造を共有するが、一様には整列しない。そこで、本方法では、晶子を成長させながらガラス状融解生成物にフィールドを印加するステップを含む。一実施形態では、フィールドは電界であり、そのためにバイアス電圧がガラス状融解生成物の両端間に印加される。ガラス状融解生成物の両端間に印加された電界は、晶子を一様な方向に整列させる。これが達成されるのは、ガラス状融解生成物の各晶子が双極子モーメントを有し、従って一方の面９２（又は９４）が正の電圧により方向付けされ且つ他方の面９４（又は９２）が負の電圧により整列させられるからである。晶子が成長しているとき、各々の晶子構造が形成されるまで各々の新しい晶子構造が適切に方向付けられ、バルク材料がガラス・セラミックになる。電界は、成長段階の停止後及びその後のガラス・セラミックの冷却時も、ガラス・セラミックの両端間に維持される。ガラス・セラミックが冷えたとき、電界は除かれ、その結果、一様に整列し且つ適切に方向付けられたシンチレータが得られる。
【００２３】
代替例として、磁界、電磁界、光学的フィールド、熱的フィールド又は機械的ストレス（応力）をガラス状融解生成物に印加することによって、晶子を一様に整列させ且つ方向付けることができる。
【００２４】
本発明は更にＣＴ画像形成方法を含み、該方法では、シンチレータ・アレイを形成する複数のシンチレータを設けるステップを含む。各シンチレータは複数の晶子を含んでいる。これらの晶子は、次いで、放射源から高周波電磁エネルギを受けるために一様な方向に整列させる。好ましい実施形態では、高周波電磁エネルギはＸ線エネルギである。しかし、本発明は他の形態の高周波電磁エネルギも適用できる。シンチレータ・アレイの方へ差し向けた高周波電磁エネルギを受けることにより、高周波電磁エネルギは光エネルギに変換される。好ましい実施形態では、シンチレータ・アレイに光学的に結合された複数のフォトダイオードを有するフォトダイオード・アレイによって、シンチレータ・アレイの各シンチレータから放出された光エネルギを検出して、光エネルギ強度を表す信号をデータ収集システムへ伝送する。データ収集システムでは、信号が解析されて、ＣＴ画像が作成される。
【００２５】
本発明は更に、複数の一様に整列した複数の晶子を含む複数のシンチレータを有するＣＴシステムを提供する。高周波電磁エネルギ放射源が、高周波電磁エネルギ・ビームを複数のシンチレータ・アレイへ向けて放射するように構成されている。好ましい実施形態では、高周波電磁エネルギ・ビームはＸ線ビームである。本システムは更に、複数のシンチレータからの光エネルギ出力を受け取るように複数のシンチレータに光学的に結合された複数のフォトダイオードを持つフォトダイオード・アレイと、患者のような対象物を受け入れる開口を持つガントリを含む。
【００２６】
各シンチレータの各々の一様に整列した晶子は、受射面及び出射面を含んでいると共に、受射面と出射面とを連結する複数の側壁面を含んでいる。図６に示した六角形の結晶構造では、６つの側壁面が受射面と出射面とを連結する。しかしながら、本発明は他の多角形の結晶構造にも適用できる。特定の多角形の結晶構造に関係なく、各々の側壁面は受射面及び出射面に対し直角に構成される。その結果、受射面及び出射面は共平面であり、高周波電磁エネルギ・ビームに対し直角に構成される。更に、複数の側壁面は高周波電磁エネルギ・ビームに平行に配列される。
【００２７】
本発明を好ましい実施形態について説明したが、上述したもの以外に、等価物、代替物及び変更物も特許請求の範囲内で可能であることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ＣＴ画像作成システムの外観図である。
【図２】
図１に示したシステムの概略ブロック図である。
【図３】
ＣＴシステムの検出器アレイの一実施形態の斜視図である。
【図４】
検出器の一実施形態の斜視図である。
【図５】
４スライス・モードにおける図４の検出器の様々な構成を示す略図である。
【図６】
本発明の一実施形態による晶子の斜視図である。

Claims (25)

1. ＣＴシンチレータ（５７）内の晶子（９０）を方向付ける方法であって、
   高周波電磁エネルギ（１６）を光エネルギに変換するように構成されている組成物を融解してガラス状融解生成物を生成するステップと、
   ガラス状融解生成物を成形するステップと、
   種結晶を前記ガラス状融解生成物の中に沈着するステップと、
   前記種結晶から前記ガラス状融解生成物内に晶子（９０）を成長させるステップと、
   晶子（９０）を成長させながら前記ガラス状融解生成物にフィールドを印加するステップと、
   を有している当該方法。
2. 更に、前記晶子（９０）を一様な配向に整列させるステップを含んでいる請求項１記載の方法。
3. フィールドを印加する前記ステップは、電界、磁界、電磁界、光学的フィールド、熱的フィールド及び機械的ストレスのうちの１つを印加することを含んでいる、請求項１記載の方法。
4. 更に、前記晶子（９０）を高周波電磁エネルギ経路（１６）に平行に構成するステップを含んでいる請求項２記載の方法。
5. 成形する前記ステップは、前記ガラス状融解生成物を層状または積層状または柱状にすることを含んでいる、請求項１記載の方法。
6. シンチレータ・アレイ（５６）を形成する複数のシンチレータ（５７）を設けるステップであって、各シンチレータ（５７）が複数の晶子（９０）を含んでいるステップと、
   各シンチレータ（５７）の晶子（９０）を、放射源（１４）から高周波電磁エネルギ（１６）を受けるために一様な方向に整列させるステップと、
   高周波電磁エネルギ（１６）をシンチレータ・アレイ（５６）の方へ差し向けるステップと、
   高周波電磁エネルギ（１６）を光エネルギに変換するステップと、
   光エネルギの強度を表す信号をデータ収集システム（３２）へ伝送するステップと、
   この伝送された信号からＣＴ画像を作成するステップと、
   を含んでいるＣＴ画像作成方法。
7. 更に、前記晶子（９０）を高周波電磁エネルギ放射の経路（１６）に平行に構成するステップを含んでいる請求項６記載の方法。
8. 複数のシンチレータ（５７）を設ける前記ステップは更に、前記複数の晶子（９０）を形成するためにガラス状融解生成物の中に核を沈着するステップを含んでいる、請求項６記載の方法。
9. 更に、前記沈積した核から晶子（９０）を成長させるステップを含んでいる請求項８記載の方法。
10. 更に、前記ガラス状融解生成物を結晶化し且つ前記沈積した核を拡大させて結晶相を形成するステップを含んでいる請求項９記載の方法。
11. 更に、前記結晶化するステップの際に、前記ガラス状融解生成物の両端間に電界及び磁界のうちの一方を印加するステップを含んでいる請求項１０記載の方法。
12. 更に、強誘電性結晶相に電界を印加し且つ強磁性結晶相に磁界を印加するステップを含んでいる請求項１１記載の方法。
13. 更に、前記シンチレータ（５７）の光収集効率を改善するステップを含んでいる請求項６記載の方法。
14. 更に、外部光被覆を除去するステップを含んでいる請求項６記載の方法。
15. 前記複数の晶子（９０）の各々は多角形結晶構造を有する、請求項６記載の方法。
16. 前記複数の晶子の各々は六角形結晶構造（９０）を有する、請求項６記載の方法。
17. 複数の一様に整列した晶子（９０）を含む複数のシンチレータ（５７）と、
    高周波電磁エネルギ・ビーム（１６）を前記複数のシンチレータ（５７）の方へ放射するように構成されている高周波電磁エネルギ放射源（１４）と、
    前記複数のシンチレータ（５７）からの光エネルギ出力を受け取るために、前記複数のシンチレータ（５７）に光学的に結合された複数のフォトダイオード（６０）を持つフォトダイオード・アレイ（５２）と、
    走査すべき対象物（２２）を受け入れる開口を持つガントリ（１２）と、
    を有するＣＴシステム。
18. 各々の一様に整列した結晶構造（９０）が、受射面（９２）及び出射面（９４）を含んでいると共に、前記受射面（９２）と前記出射面（９４）とを連結する複数の側壁面（９６）を含んでおり、前記受射面（９２）及び前記出射面（９４）は共平面である、請求項１７記載のＣＴシステム。
19. 各々の前記側壁面（９６）は前記受射面（９２）及び前記出射面（９４）に対し直角に構成されている、請求項１８記載のＣＴシステム。
20. 前記受射面（９２）及び前記出射面（９４）は高周波電磁エネルギ・ビーム（１６）に対し直角に構成され、また前記側壁面（９６）は高周波電磁エネルギ・ビーム（１６）に平行に構成されている、請求項１８記載のＣＴシステム。
21. 少なくとも１つのシンチレータ（５７）はガラス・セラミックである、請求項１７記載のＣＴシステム。
22. 前記複数のシンチレータ（５７）は、対象物（２２）による高周波電磁エネルギ・ビームの減弱度を表す強度を持つ光エネルギを生成する、請求項１７記載のＣＴシステム。
23. 前記対象物（２２）が患者であり、前記高周波電磁エネルギ・ビーム（１６）がＸ線ビームである、請求項１７記載のＣＴシステム。
24. 前記複数の一様に整列した晶子（９０）の各々は多角形結晶構造を有する、請求項１７記載のＣＴシステム。
25. 前記複数の一様に整列した晶子（９０）の各々は六角形結晶構造を有する、請求項１７記載のＣＴシステム。

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