JP2005350672A - シンチレータ・アレイ用組成物及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＴシステム等に用いられるシンチレータ・パックの製造経費を低減し、また分解能を高めるための組成物の提供。
【解決手段】ガラス組成物及びガラス−セラミック組成物の少なくとも一方を含んでなり、複数のシンチレータ結晶を含む組成物。該組成物は、粒度が１μｍ〜５μｍのガラス粉２０〜６０％と、粒度が１μｍ〜２０μｍの複数のシンチレータ結晶４０〜８０％を混合・溶融し、繊維プリフォームを形成し、プリフォームからガラス繊維を引き抜き加工することにより製造される。
【選択図】図２

Description

本発明は一般的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）システムに関し、さらに具体的には、ガラス繊維及びガラス−セラミック繊維を用いたＣＴシンチレータ・アレイに関する。

ＣＴシステムは、シンチレータ検出器を用いて、受光したＸ線の強度を電気信号へ変換する。シンチレータ検出器は、互いに緊密に結合されたシンチレータとフォトダイオードとを含んでいる。シンチレータは、Ｘ線のような電離放射線との相互作用の後に可視光又は紫外光を放出する物質である。このようにして放出された光は光検出器によって検出されて、電気信号へ変換される。

ＣＴシステムのかかるシンチレータ検出器は、パックと呼ばれるシンチレータ・アレイの形態で配設されている。パックは、所望の走査画像の様々な画素（以下、ピクセルと呼ぶ）を捕えるように配設されている。走査画像の分解能はパックのピクセルの大きさに直接関係する。よりよい分解能の画像を得るためにはピクセルを小さくする方が望ましい。従って、パック内でのピクセルの大きさを制御するために極めて正確なダイシング工程及び研削工程が要求される。
米国特許第６２０８７１０号

しかしながら、このことはかかるパックの製造工程に様々な複雑さを招く。第一の問題点は、ピクセルの位置揃え（アラインメント）である。注型反射体又は他の形式の反射体の利用を可能にするために、ピクセル同士の間に正確な間隙を設けると有用である。また、コリメータとパックとを位置揃えすることも望ましい。コリメータとの位置揃えに不正が生ずると、クロストーク、及び画像アーティファクトを生成し得るその他の事を生ずる場合がある。許容可能な画質を保つために、コリメータとパックとの間の位置揃えの不正の仕様は極めて厳しく制限されている。位置揃えの不正のこの制限された仕様のため、タングステン・プレートの厚みが増し、検出器の線量効率が低下する。タングステン・プレートは散乱Ｘ線を解消し、これにより画像雑音を低減してコントラストを高める。タングステン・プレートはまた、フォトダイオードの雑音及び放射線損傷を招くＸ線の貫通（パンチスルー）を低減する。もう一つの問題点は、パックとフォトダイオードとの位置揃えである。パックとフォトダイオードとの間の位置揃えの不正は、ピクセル間でのクロストークを招く可能性がある。この位置揃えの不正はまた、Ｘ線によって発生される雑音を生じ、フォトダイオードに放射線損傷を与える可能性がある。

上述のような厳格な製造要件のため、パック製造工程は高経費になっている。さらに、これらのパックの設計制限から応用分野が限られる。例えば、ＣＴシステムによって走査される画像の分解能は、ＣＴシステムに用いられるパックの設計によって制約される。

一観点では、ガラス組成物及びガラス−セラミック組成物の少なくとも一方を含む組成物を提供する。組成物は複数のシンチレータ結晶を含んでいる。

他の観点では、複数の繊維を含むシンチレータ・アレイを提供する。繊維は、ガラス組成物及びガラス−セラミックの少なくとも一方を含んでいる。繊維はまた、複数のシンチレータ結晶を含んでいる。

さらに他の観点では、方法を提供する。この方法は、粒度が１μｍ〜５μｍのガラス粉を提供するステップと、粒度が１μｍ〜２０μｍの複数のシンチレータ結晶を提供するステップと、４０％〜８０％がシンチレータ結晶であり２０％〜６０％がガラス粉である結果的な混合物を得るようにガラス粉及びシンチレータを混合するステップとを含んでいる。

他の観点では、計算機式断層写真法（ＣＴ）システムを提供する。このシステムは、Ｘ線源と、線源から放出されるＸ線を受光するように配置されている検出器とを含んでいる。検出器は、フォトダイオード・アレイ、及びフォトダイオード・アレイと線源との間に配置されているシンチレータ・アレイを含んでいる。シンチレータは、ガラス及びガラス−セラミックの少なくとも一方を含む複数の繊維を含んでいる。

ここで、ＣＴシステムでの利用に適したシンチレータ・アレイを製造するのに用いられるガラス組成物又はガラス−セラミック組成物を提供する方法及び装置を記載する。ガラス組成物は、所望の化学的特性及び物理的特性を与えるガラスの一つの化学式である。重要な特性としては、透明性、耐久性、融点、屈折率、密度等がある。本書で用いるガラスとの用語は、アモルファス格子構造（すなわちガラス相）の非有機材料を含有する組成物を指す。また、本書で用いるガラス−セラミックとの用語は、元はガラスであって、アモルファス格子構造を結晶格子構造に変化させる過程を経た非有機材料を含有する組成物を指す。このガラス−セラミック組成物は、熱処理時に均一な結晶成長を可能にして、高い透明性を保ちながらガラス母材内に十分なシンチレータ結晶を与えることが必要である。

図１は、一実施形態によるＣＴシステム１００を示す。同図は、Ｘ線源１０２が患者１０４のような対象１０４にＸ線を投射していることを示す。対象１０４を透過した後に、減弱したＸ線はコリメータ１０６を通過し、次いで、反射体１０８、シンチレータ・パック１１０及び複数のフォトダイオード１１２を含む検出器１０５において受光される。様々な実施形態において、反射体１０８は反射テープのような光学的に反射性の材料である。Ｘ線は反射体１０８を透過してパック１１０に入射する。パック１１０はシンチレータ結晶を含有する繊維を含んでいる。様々な実施形態において、繊維はＴｉＯ_２を充填した接着剤のような接着剤を用いてまとめて固定される。様々な実施形態において、繊維はエポキシ、シリコーン、又は他の有機コーティングのような低反射率コーティングを用いて被覆され、次いで、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）のような高反射性金属でさらに被覆される。入射したＸ線によって、シンチレータ結晶が光を放出する。様々な実施形態において、パック１１０は、放出された光の強度の相当部分をフォトダイオード１１２のアレイに向かわせるように設計されている。反射体１０８は、対象１０４に向かって放出される可視光をフォトダイオード１１２に向かって反対に反射する。フォトダイオード１１２は入射光を電気信号へ変換する。これらの電気信号を用いて走査画像を得る。

図２は、様々な実施形態に従ってガラス繊維プリフォームを製造する方法を示す流れ図である。ステップ２０２では、ガラス粉を提供する。様々な実施形態において、成分ＳｉＯ_２−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＰｂＯ−ＴｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＢａＯ−ＳｒＯ−ＴｅＯ_２−Ｔａ_２Ｏ_５が用いられる。様々な実施形態において、ガラス粉を製造するためには、ガラスの成分を溶融させ、均一化して脱ガス処理する。溶融の後に、ガラスを冷水又は液体窒素で急冷して、ボール・ミルで粉砕してガラス粉を得る。ボール・ミルでの粉砕の後には、ガラス粉は５μｍ未満の大きさとなる。次いで、ステップ２０４では、複数のシンチレータ結晶を提供する。様々な実施形態において、Ｔｂ−Ｌｕ−Ａｌ−Ｏ−Ｃｅのようなシンチレータが用いられる。シンチレータ結晶の所望の組成の一つは（Ｔｂ，Ｌｕ，Ｃｅ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２である。シンチレータ結晶を合成し、また粉砕して２０μｍ未満の大きさにする。

次いで、ステップ２０６では、ガラス粉及びシンチレータ結晶を所望の比で混合する。本発明の様々な実施形態によれば、所望の比は、混合物が４０体積％〜８０体積％（この全ての細分範囲（sub-range）を含む）のシンチレータ結晶と、２０体積％〜６０体積％（この全ての細分範囲を含む）のガラス粉とを含有するような比とする。ガラス粉及びシンチレータ結晶の各体積百分率は、最適な特性が達せられるような値に設計される。シンチレータ結晶用の連続的な母材を与えるのに十分なガラス相が望ましい。しかしながら、Ｘ線検出効率及び光出力を最大化するためには、シンチレータ結晶の体積百分率を最大化することが望ましかろう。次いで、ステップ２０８において、この混合物から繊維プリフォームを形成する。様々な実施形態において、混合物を再溶融させ、型に引き入れて約５０ｃｍ径の繊維プリフォームを形成することにより、ガラス・プリフォームを製造する。さらに、この繊維プリフォームをアニールして、上述の形成工程で発生した熱応力を減少させると共に、繊維引抜きのために再加熱されているときの亀裂を防ぐ。

他の実施形態では、ガラスの溶融温度よりも低く、ガラス転移温度よりも高い温度で混合物を焼結する。これにより、気孔又は空隙が実質的に存在しない状態でシンチレータ結晶用の実質的に連続的な母材をガラス内に形成することが可能になる。焼結品を機械加工して円形繊維プリフォームとし、プリフォームの表面を必要に応じて処理してもよい。表面を研削した後に、薬品で蝕刻して滑らかさを確保することもできる。プリフォーム表面が滑らかであると、繊維の寸法制御が容易になり、また気孔及び空隙のような欠陥を減少させる又は防止することが容易になる。最後に、ステップ２１０では、ガラス・プリフォームを用いてガラス繊維を引抜き加工する。結果的に得られたガラス繊維は実質的に一様な分布のシンチレータ結晶を含有する。

一例では、３０％（モル）ＳｉＯ_２、２０％Ｂｉ_２Ｏ_３、１０％ＰｂＯ、１０％ＴｉＯ_２、２０％Ｋ_２Ｏ、及び１０％ＢａＯを含有するガラスを１３００℃で白金坩堝内で溶融させる。ガラス溶融物を少なくとも４時間にわたってこの温度に保ち、均一化すると共に気泡を除去する。次いで、ガラス溶融物を水浴又は液体窒素浴に注ぎ入れる。ガラス溶融物が冷却してガラス粉となる。ガラス粉を集めて、ジルコニア・ミリング・ボールでボール・ミル粉砕する。粉砕の後に、ガラス粉を乾燥させて、篩に掛けて大径の粉を選別除去する。この例では、シンチレータ結晶はＴｂ_２．１８Ｌｕ_０．８Ｃｅ_０．０２Ａｌ_５Ｏ_１２の組成を有する。湿式化学法を用いてシンチレータ結晶を合成して、組成及び粒度を制御する。４０％（体積）の上述のガラス粉と６０％（体積）のシンチレータ結晶とを、ボール・ミルを用いて混合する。

次いで、混合物を真空下で金属型内で焼結する。真空によって、最終的な焼結されたプリフォームの全ての空気孔を抜き去る。また、焼結を助けるために圧力を加える。この例での焼結温度は約６００℃である。この温度ではガラスは流動して連続的な母材を形成するが、シンチレータ結晶は元の形状及び組成のままである。焼結の後には、ガラス母材及び結晶の屈折率が極く近接して一致するためプリフォームは透明になる。焼結法によって形成された繊維プリフォームは、図３に示すように引抜き加工されて繊維にされる。この特定例では、繊維引抜き温度は約７００℃である。金属型は鋼製である。

様々な実施形態において、このようにして得られたガラス繊維はガラス−セラミック繊維へ転化される。この転化では、ステップ２０２で用いられるガラス粉の成分はＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｔｂ_２Ｏ_３−Ｌｕ_２Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３−ＢａＯ−ＳｒＯ−Ｋ_２Ｏ−Ｎａ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｇａ_２Ｏ_３−Ｓｃ_２Ｏ_３として選択される。ガラス粉でのＳｉＯ_２の濃度は約１０原子％〜２５原子％（原子の百分率）であり、ＢａＯ−ＳｒＯ−Ｋ_２Ｏ−Ｎａ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｇａ_２Ｏ_３−Ｓｃ_２Ｏ_３の合計含有量は約１０原子％〜２０原子％である（この全ての細分範囲を含む）。細分範囲は、最終的なガラス−セラミック材料が十分なＸ線検出効率及び光出力を達成するのに十分なシンチレータ結晶を有するものとなるように選択される。但し、シンチレータ結晶用の連続的な母材を提供するための最低限のガラス相が必要である。このガラス−セラミック法では、組成物は、一様なガラスの形成を可能にし、次いでガラスからシンチレータ相を再結晶するのを可能にすることが必要である。Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３及びＬｕ_２Ｏ_３の比は、最終的な結晶化されたガラス−セラミックについて実質的に純粋なガーネット相を保証するように選択される。

一実施形態では、Ｔｂ：Ｌｕ：Ｃｅ：Ａｌ：Ｏの比は２．１８：０．８：０．０２：５：１２（原子比）である。Ｃｅ_２Ｏ_３の濃度は約０．０５％〜１．５％である（この全ての細分範囲を含む）。光変換のためには十分なＣｅが必要であるが、Ｃｅが過度に多いと光フォトンの消光が生ずる。これらの成分の高純度原材料（Ｔｂ_２Ｏ_３についてのＴｂ_４Ｏ_７及びＣｅ_２Ｏ_３についてのＣｅＯ_２）は混合されて、約１４００℃の温度で白金坩堝内で溶融される。この後に、ステップ２０８及び２１０を実行してガラス繊維を得る。次いで、ガラス繊維をそのガラス転移温度よりも約１００℃高い温度に８時間までにわたって加熱して、結晶核を形成させる。結晶核が形成した後に、温度をさらに８０℃高めて、結晶を成長させる。ガラス繊維を約２４時間にわたってこの温度に保ち、ガラス−セラミック繊維に転化する。得られるガラス−セラミック繊維は透明であり、３０％〜７０％（この全ての細分範囲を含む）の結晶化シンチレータ相を含む。ガラス−セラミック繊維内の結晶は極く微小な大きさであり（２００ｎｍ未満）、従って、この繊維による光散乱は限定される。

ガラス−セラミック法の一つの特定例では、ガラスの開始組成はＳｉ_０．４Ｂ_０．２Ｓｃ_０．２Ｋ_０．２Ｎａ_０．２Ｂａ_０．１Ｔｂ_{１．３０２}Ｌｕ_０．４８Ｃｅ_{０．０１８}Ａｌ_３．０Ｏ_９．２である。上述の組成を有する高純度酸化物原材料をボール・ミルで混合する。次いで、混合物を白金坩堝に移して、約１４００℃で４時間にわたって溶融させる。次いで、ガラス溶融物を約３００℃に予熱した金属の円筒型に注ぎ入れる。これにより、ガラス繊維プリフォームが形成する。繊維プリフォームを炉に移動して、約４時間にわたってアニールする。アニール温度は約５００℃である。アニールの後に、図３に示すようにガラス・プリフォームを引抜き加工して繊維にする。この特定例での繊維引抜き温度は約８００℃である。ガラス繊維を炉に配置して、８時間にわたって約６００℃に加熱して、結晶核を形成する。この後に、温度を約７００℃まで高めて結晶を成長させる。この結晶成長過程には約２４時間を要する。得られたガラス−セラミック繊維は透明であり、５０％（体積）を上回るシンチレータ結晶相を有する。シンチレータ・パックは、図４に示すステップに従ってこれらの繊維から形成される。

図３は、繊維プリフォーム３０４を含んだ白金坩堝３０２を含むシステム３００を示す。白金坩堝３０２は加熱炉３０６に配置される。ガラス繊維のストランド３０８を繊維プリフォーム３０４から引抜き加工してスプール３１０に連結する。一実施形態では、引抜き加工された繊維の断面は円形であってよく、また径は同じであっても異なっていてもよい。他の実施形態では、引抜き加工された繊維の断面は矩形形状であって、一辺の長さは様々であってよい。この断面形状は、坩堝のオリフィスの形状によって得られる。例えば、六角形オリフィスでは六角形の繊維が形成される。また、繊維引抜き温度を制御することも重要である。温度が過度に高いと、繊維はあらゆるオリフィス形状で丸くなる。従って、繊維がオリフィスを通過した後の形状を維持しながら引き抜かれ得るような低温に保つことが重要である。スプール３１０を反時計回りに回転させて、繊維プリフォーム３０４からさらに多くのガラス繊維３０８を引き抜く。引抜き加工されたガラス繊維３０８はスプール３１０に収集される。

このように引抜き加工されたガラス繊維３０８を用いて、パック１１０のようなシンチレータ・アレイを形成する。ガラス繊維３０８を用いてパック１１０を製造することに関わる様々なステップについて、図４を参照して以下で説明する。

図４は、ガラス繊維３０８を用いてパック１１０を形成する方法を示す流れ図である。ステップ４０２では、複数のガラス繊維３０８を型に並べる。次いで、ステップ４０４では、並べたガラス繊維３０８を接着剤と共に注型して、ガラス繊維３０８の束を得る。様々な実施形態において、この接着剤はＴｉＯ_２を充填した接着剤であり、ＤｕｐｏｎｔのＴｉ−Ｐｕｒｅ Ｒ９６０ＴｉＯ_２粉末を充填した市販品のＬｏｃｔｉｔｅ Ｆ１１３又はＥｐｏＴｅｋ ３０１等である。この接着剤でのＴｉＯ_２の体積百分率は約２０％である。充填材として他の高反射性酸化物粉末を用いてもよい。幾つかの実例は、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰｂＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｈＯ_２、ＷＯ_３等である。次いで、ステップ４０６では、接着剤を硬化させて接着剤自体を固化する。次いで、ステップ４０８では、束をスライスして個々のパック１１０を得る。最後に、ステップ４１０では、反射体１０８をパック１１０の一方の端部に施す。様々な実施形態において、反射体１０８は、パック１１０の一方の端部を研磨して、研磨した端部をアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）のような反射性金属でスパッタ被覆することにより施される。

図５は、本発明の二つの異なる実施形態によるパック１１０の断面図を示す。同図は、二つの異なる実施形態による円形繊維パック５０２及び方形繊維パック５０４を示す。同図はまた、パック５０２及び５０４と共に保持されている接着剤５０６を示す。当業者には、本発明の様々な実施形態によって他の様々な形状のパック１１０を達成し得ることは明らかであろう。

本発明の様々な実施形態は、異なるピクセル間での撮像一様性を提供する。ＣＴシステムのシンチレータ・アレイとして用いられるときのパック１１０は、異なるピクセル間での撮像一様性を提供する。このことは、図２を参照して説明した方法を用いて均一な繊維を形成することにより達成される。さらに、単一のガラス繊維の断面積はフォトダイオードの面積よりもかなり小さいので、パック１１０をフォトダイオード１１２と位置揃えする必要がない。また、パック１１０は、従来のシンチレータ・アレイよりも高いＸ線量効率を達成する。

さらに、本書に記載した方法及び装置の様々な実施形態によって画質が改善される。この改善された画質は、パック内で様々なガラス繊維同士の間にクロストークが殆ど存在しないため得られる。

また、本書に記載した方法及び装置の様々な実施形態は、より単純でより経費効率の高いパックの製造方法を提供する。加えて、本書に記載した方法及び装置によるパックは、フォトダイオード・アレイでのピクセル構成を問わず任意のフォトダイオード・アレイと共に用いることができる。

本書に記載した方法及び装置の一つの技術的効果は、異なるピクセル間で撮像一様性を提供することである。このことは、実質的に均一なガラス繊維又はガラス−セラミック繊維を用いて達成される。もう一つの技術的効果は、本書に記載した方法及び装置はパックをフォトダイオードに位置揃えすることに関わる困難さを小さくすることである。このことは、シンチレータ・アレイに複数のガラス繊維又はガラス−セラミック繊維を含ませることにより達成される。

様々な特定的な実施形態によって本発明を説明したが、当業者は、特許請求の範囲の要旨及び範囲内に属する改変を施して本発明を実施し得ることを認められよう。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の一実施形態によるＣＴシステムを示す図である。 本発明の様々な実施形態に従ってガラス繊維プリフォームを製造する方法を示す流れ図である。 繊維プリフォームからガラス繊維を引抜き加工するシステムを示す図である。 ガラス繊維を用いてパックを形成する方法を示す流れ図である。 本発明の二つの異なる実施形態によるパックの断面図である。

符号の説明

１００ ＣＴシステム
１０４ 対象
１０５ 検出器
１０６ コリメータ
１０８ 反射体
１１０ シンチレータ・パック
１１２ フォトダイオード
３００ システム
３０２ 白金坩堝
３０４ 繊維プリフォーム
３０６ 加熱炉
３０８ ガラス繊維のストランド
３１０ スプール
５０２ 円形繊維パック
５０４ 方形繊維パック
５０６ 接着剤

Claims (10)

1. ガラス組成物及びガラス−セラミック組成物の少なくとも一方を含んでなり、複数のシンチレータ結晶を含有する組成物。
2. 屈折率が１．８０〜１．９０である請求項１に記載の組成物。
3. 前記シンチレータ結晶は、Ｔｂ−Ｌｕ−Ａｌ−Ｏ−Ｃｅ、ＬｕＳｉＯ_５：Ｃｅ、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｐｒ、Ｃｅ、Ｆ、Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２：Ｃｒ、Ｃｅ、ＬｕＡｌＯ_３：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２、及び（Ｙ_１．６７Ｇｄ_０．３３Ｅｕ_０．１）Ｏ_２の少なくとも一つの結晶を含んでなる、請求項１に記載の組成物。
4. 繊維を含んでなる請求項２に記載の組成物。
5. ガラス及びガラス−セラミックの少なくとも一方を含んでなり、複数のシンチレータ結晶を含む複数の繊維（３０８）を含んでなるシンチレータ・アレイ（１１０）。
6. 前記繊維は、ＴｉＯ_２を含む接着剤と結合されている、請求項５に記載のアレイ（１１０）。
7. 粒度が１μｍ〜５μｍのガラス粉を提供するステップ（２０２）と、
   粒度が１μｍ〜２０μｍの複数のシンチレータ結晶を提供するステップ（２０４）と、
   ４０％〜８０％がシンチレータ結晶であり２０％〜６０％がガラス粉である結果的な混合物を得るように前記ガラス粉及び前記シンチレータを混合するステップ（２０６）と、
   を備えた方法。
8. 前記混合物を溶融させることにより前記混合物を用いて繊維プリフォーム（３０４）を形成するステップ（２０８）をさらに含んでいる請求項７に記載の方法。
9. 前記繊維プリフォーム（３０４）をアニールするステップと、
   前記アニールされたプリフォームからガラス繊維（３０８）を引抜き加工するステップ（２１０）と、
   をさらに含んでいる請求項８に記載の方法。
10. Ｘ線源（１０２）と、
    該線源から放出されるＸ線を受光するように配置されている検出器（１０５）と、
    を備えた計算機式断層写真法（ＣＴ）システム（１００）であって、前記検出器（１０５）は、
    フォトダイオード・アレイ（１１２）、及び
    該フォトダイオード・アレイと前記線源との間に配置されており、ガラス及びガラス−セラミックの少なくとも一方を含んだ複数の繊維（３０８）を含んでなるシンチレータのアレイ（１１０）と、
    を含んでいる、計算機式断層写真法（ＣＴ）システム（１００）。