JP2014094996A - シンチレータ材料、シンチレータ、放射線検出器、および医療用機器 - Google Patents

Abstract

【課題】近赤外線領域においてより大きな発光量を持つシンチレータ材料、ならびにこれを用いたシンチレータ、放射線検出器および医療用機器を提供すること。
【解決手段】Ｇａを含むガーネット型酸化物結晶であって、放射線の照射によって赤外線領域のシンチレーション光を発光するシンチレータ材料。好ましくは、前記放射線は、３ｅＶ以上のエネルギーを有する光子または粒子線であり、前記ガーネット型酸化物結晶は、化学式｛Ｇｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＭ_ｙ｝_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２で表されることを特徴とする。ここで、ＲはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕのうち少なくとも１つ以上からなり、ＭはＮｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｎのうち少なくとも１つ以上からなり、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ≦０．２０、かつ、０＜ｙ≦０．２０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、シンチレータ材料、シンチレータ、放射線検出器、および医療用機器に関する。

ガンは国民病ともいわれる疾患であり、その治療方法として、主に、外科、化学療法、および放射線による治療方法がある。放射線治療には、Ｘ線、ガンマ線、といった光子のほか、中性子線、陽子線や炭素線などが用いられており、いずれの線種もガン細胞の遺伝情報を放射線のエネルギー（電離作用）によって破壊するものである。放射線治療は、外科や抗ガン剤を用いた化学治療に比べて、患者への身体的、精神的負担が少ないなどの理由があることから、日本でのガン治療全体の約３分の１を占めており、今後は米国のように約半分のガン治療に放射線治療が使われることが期待されている。

ここで、放射線治療では、ガン細胞のみを効率よく除去し、正常細胞には傷をつけずにガン化させないことが肝要である。
しかしながら、現在の放射線によるガン治療では、放射線照射中の実際の照射線量およびその照射位置のモニタリングを行うことが技術的に困難である。そのため、過剰照射等の医療事故の可能性が指摘されて、放射線医療の現場では大きな問題になっている。

さて、近赤外線領域（およそ０．７μｍ〜２．５μｍ）のうち、８００ｎｍから１１００ｎｍの波長領域は、人体に対して透過率が高い。そのため、放射線を照射すると上記の波長領域でシンチレーション光を発光する材料（シンチレータ材料）があれば、放射線治療中のリアルタイムでの線量のモニタが可能になる。すなわち、シンチレータにおいては、放射線の照射線量とシンチレータからの発光量との間に相関がある。したがって、ガン患部にカテーテル等で、上記の波長領域で発光するシンチレータを埋め込み、放射線治療時にリアルタイムで、体内から体外へ透過してきたシンチレーション光の発光量を測定することで、線量を知ることができる。

従来、シンチレータ材料として、ＹｂないしはＣｒを添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶などを用いて、近赤外線領域でのシンチレーション光の観測が行われている（非特許文献１、２参照）。また、Ｃｒを添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶を疑似的な人体筋肉組織（動物肉）に埋め込み、Ｘ線治療室にて実際にＸ線を照射させて、赤外線シンチレータを用いたリアルタイム線量モニタの原理実証も行われている。

P. Antonini, S. Belogurov, G. Bressi, G. Carugno, D. Iannuzzi, "Infrared scintillation of Yb(10%):YAG crystal", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 486 (2002) 7979-802． P. Antonini, G. Bressi, G. Carugno, D. Iannuzzi, "Scintillation properties of YAG:Yb crystals", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 460 (2001) 469-471. 仲田栄子、大石幹雄、細貝良行、四竈樹男、神崎壽夫、永田晋二、渡邊暁、岸和馬、白鳥和敏、中村大介、水谷康朗、佐々木博信、三津谷正俊、小川芳弘、有賀久哲、山田章吾、「放射線治療事故防止のための体内埋め込み型リアルタイム式無線マイクロ線量計の開発」、２００７年９月、日本医学物理学会（新潟大学）ポスター発表 A. Yoshikawa, T. Satonaga, K. Kamada, H. Sato, M. Nikl, N. Solovieva, T. Fukuda, "Crystal growth of Ce: PrF3 by micro-pulling-down method" Journal of Cryst. Growth 270 (2004) 427-432.

しかしながら、特に赤外線シンチレータの医療応用実用化の点からは、上記の既存材料は発光量が十分でない。そのため、正確に線量を測定するために、より大きな発光量を持つシンチレータ材料の開発が不可欠とされている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、近赤外線領域においてより大きな発光量を持つシンチレータ材料、ならびにこれを用いたシンチレータ、放射線検出器および医療用機器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るシンチレータ材料は、Ｇａを含むガーネット型酸化物結晶であって、放射線の照射によって赤外線領域のシンチレーション光を発光することを特徴とする。

本発明に係るシンチレータ材料は、上記発明において、前記放射線は、３ｅＶ以上のエネルギーを有する光子または粒子線であり、前記ガーネット型酸化物結晶は、化学式｛Ｇｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＭ_ｙ｝_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２で表されることを特徴とする。
ここで、ＲはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕのうち少なくとも１つ以上からなり、ＭはＮｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｎのうち少なくとも１つ以上からなり、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ≦０．２０、かつ、０＜ｙ≦０．２０である。

本発明に係るシンチレータ材料は、上記発明において、ｘおよびｙの範囲は、０≦ｘ≦０．１５、かつ、０＜ｙ≦０．１５であることを特徴とする。

本発明に係るシンチレータ材料は、上記発明において、ｘおよびｙの範囲は、０．００１≦ｘ≦０．１０、かつ、０．００１≦ｙ≦０．１０であることを特徴とする。

本発明に係るシンチレータ材料は、上記発明において、ｘおよびｙの範囲は、０．００５≦ｘ≦０．０５、かつ、０．００５≦ｙ≦０．０５であることを特徴とする。

本発明に係るシンチレータ材料は、上記発明において、前記シンチレーション光の波長は８００ｎｍから１１００ｎｍの波長領域に含まれることを特徴とする。

本発明に係るシンチレータは、上記発明のシンチレータ材料からなることを特徴とする。

本発明に係る放射線検出器は、上記発明のシンチレータと、前記シンチレータが発光するシンチレーション光を受光する受光器と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る医療用機器は、上記発明の放射線検出器を備えることを特徴とする。

本発明に係る医療用機器は、上記発明において、前記シンチレータに放射線を照射する放射線源をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る医療用機器は、上記発明において、前記シンチレータは患者の体内に埋め込まれることを特徴とする。

本発明によれば、近赤外線領域においてより大きな発光量を持つシンチレータ材料、ならびにこれを用いたシンチレータ、放射線検出器および医療用機器を実現できるという効果を奏する。

図１は、育成したシンチレータ材料の結晶及びこれを研磨した単結晶の写真を示す図である。 図２は、Ｎｄを添加した実施例１のシンチレータの発光スペクトルを示す図である。 図３は、Ｙｂを添加した実施例２のシンチレータの発光スペクトルを示す図である。 図４は、実施の形態２に係る医療用機器を説明する模式図である。

以下に、図面を参照して本発明に係るシンチレータ材料、シンチレータ、放射線検出器、および医療用機器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本発明者等は、大きな発光量のシンチレータ材料を実現すべく鋭意研究した結果、全く新しい赤外線発光シンチレータ材料を発明するに至った。

具体的には、本発明者等は、赤外線領域にてより大きな発光量で発光する新規のシンチレータの開発を行うに際して、より高い発光効率をもつシンチレータ材料の条件として、バンドギャップエネルギーが、発光波長に対応するエネルギーを下限として、極力小さい材料が有利であることに着目した。そして、現状報告されているＹｂ添加Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶よりもバンドギャップエネルギーが小さいシンチレータ材料として、Ｇａを含むガーネット型酸化物結晶を使用することに想到した。

つぎに、バンドギャップが狭く、十分な発光量を得ることが可能なＧａを含むガーネット型酸化物結晶の母材として、Ｇｄ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２結晶を選択した。従来公知の赤外線シンチレータ材料であるＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶のバンドギャップエネルギーが約７ｅＶである。これに対して、Ｇｄ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２結晶のバンドギャップエネルギーは、約５ｅＶであるので、発光量の増大が期待でき、実用段階においてより正確な線量の測定が可能になると考えた。なお、可視光領域では、Ｃｅを添加した場合の発光量について、Ｇｄ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２結晶を母材とした場合、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶を母材として用いた場合よりも約４倍だけ発光量が大きいことも本発明者等は確認した。

そこで、本発明者等は、Ｇｄ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２結晶を母材として、この母材に、赤外線にて発光を行うエネルギーバンドを有しているＮｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｃｒといった希土類もしくは遷移金属を含む添加剤のうち、１種類ないしは２種類を添加させた結晶を育成した。そして育成した結晶に放射線を照射して、放射線励起による発光スペクトルを測定し、当該結晶の赤外線領域での発光を評価した。

その結果、化学式｛Ｇｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＭ_ｙ｝_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２で表され、ＲはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕのうち少なくとも１つ以上からなり、Ｍは添加剤としてＮｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｎのうち少なくとも１つ以上からなる希土類あるいは遷移金属であるシンチレータ材料について、赤外線発光を観測することに成功した。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態についてさらに説明する。本発明の実施の形態１に係るシンチレータ材料は、Ｇａを含むガーネット型酸化物結晶であって、化学式｛Ｇｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＭ_ｙ｝_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２で表され、ＲはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕのうち少なくとも１つ以上からなり、Ｍは添加剤としてＮｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｎのうち少なくとも１つ以上からなるものである。

ここで、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ≦０．２０、かつ、０＜ｙ≦０．２０であり、高発光効率のためにより好ましい範囲としては、０≦ｘ≦０．１５、かつ、０＜ｙ≦０．１５である。また、さらに好ましくは０．００１≦ｘ≦０．１０、かつ、０．００１≦ｙ≦０．１０であり、より一層好ましくは０．００５≦ｘ≦０．０５、かつ、０．００５≦ｙ≦０．０５である。これによって、このシンチレータ材料は、３ｅＶ以上のエネルギーを有する光子または粒子である放射線を照射して励起することによって、近赤外線領域（およそ０．７μｍ〜２．５μｍ）、特には８００ｎｍから１１００ｎｍの波長領域の光を発光することができる。

本実施の形態１に係るシンチレータ材料は、単結晶であることが好ましいが、多結晶であってもよい。また、本実施の形態１に係るシンチレータ材料は、マイクロ引き下げ法（非特許文献４参照）、チョクラルスキー法、ゾーンメルト法、ブリッジマン法等の、公知の各種結晶成長方法を用いて育成することができる。

このようなシンチレータ材料は、育成した結晶を所望の形状（たとえば板状、球状、直方体状等）に研磨することによって、シンチレータとして使用することができる。

（実施例１、２）
本発明の実施例１、２として、非特許文献４に開示されるマイクロ引き下げ法によって、実施例１としてはＮｄ、実施例２としてはＹｂを添加したＧｄ_３Ｇａ_３，Ａｌ_２Ｏ_１２単結晶（すなわち、｛Ｇｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＭ_ｙ｝_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２において、ＲをＧｄとしたもの）を育成した。ここで、ＮｄおよびＹｂの濃度は、０．５、１．０または１．５モルパーセントの３種類とした。これは、｛Ｇｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＭ_ｙ｝_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２において、ＭをＮｄまたはＹｂとしたものである。また、濃度０．５、１．０、および１．５モルパーセントは、それぞれ、ｙが０．００５、０．０１および０．０１５であることに相当する。

つぎに、育成した単結晶をカット、鏡面研磨して厚さ１ｍｍのシンチレータとした。図１は、育成したＹｂ添加Ｇｄ_３Ｇａ_３，Ａｌ_２Ｏ_１２単結晶およびこれを研磨した単結晶の写真を示す図である。番号１は、Ｙｂの濃度が０．５モルパーセントの育成したＧｄ_３Ｇａ_３，Ａｌ_２Ｏ_１２単結晶の写真を示し、番号２は、番号１の単結晶をカットして鏡面研磨した単結晶の写真である。番号３は、Ｙｂの濃度が１．０モルパーセントの育成したＧｄ_３Ｇａ_３，Ａｌ_２Ｏ_１２単結晶の写真を示し、番号４は、番号３の単結晶をカットして鏡面研磨した結晶の写真である。番号５は、Ｙｂの濃度が１．５モルパーセントの育成したＧｄ_３Ｇａ_３，Ａｌ_２Ｏ_１２単結晶の写真を示し、番号６は、番号５の単結晶をカットして鏡面研磨した単結晶の写真である。番号２、４、６に示すように、研磨した単結晶はその下の模様が透けて見えており、可視光領域において透明であることが確認された。

つぎに、研磨した単結晶をシンチレータとして、小型Ｘ線発生装置（Amptek社、Mini-X X-ray tube）を励起源としてシンチレータにＸ線を照射し、シンチレータからの発光（シンチレーション光）を分光器（Princeton Instruments社、Acton VM-504）にて分光し、受光素子としてのＩｎＧａＡｓ半導体素子（浜松ホトニクス社、G6126）および光電子増倍管（浜松ホトニクス社、H9305-03）にて受光した。この方法では、波長ごとの発光の強度を観測することによって、Ｘ線励起によって生じるシンチレーション光の発光スペクトル（波長スペクトル）を取得できる。

このように、近赤外線領域に感度をもつＩｎＧａＡｓ半導体素子、あるいは光電子増倍管を用いた、近赤外線領域で発光スペクトルを取得することによって発光を確認することが可能である。ここで、正確な発光量を求めるためには、入射放射線１イベントごとに発光量等を評価する必要がある。ただし、今回の測定では、使用したＩｎＧａＡｓ半導体素子の感度不足を補うために、発光スペクトルを取得する際には、１０秒程度の時間だけ複数光子を蓄積して分光する積分型の受光システムによって測定を行った。

図２は、Ｎｄを添加した実施例１のシンチレータの発光スペクトルを示す図である。図３は、Ｙｂを添加した実施例２のシンチレータの発光スペクトルを示す図である。図２、３のいずれのシンチレータにおいても、放射線治療で用いられるＸ線の照射によって、人体に対して透過率が高い近赤外線領域である波長８００ｎｍから１１００ｎｍでシンチレーション光を発光するシンチレータとして機能することが確認された。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２として、放射線検出器、およびこれを用いた医療用機器について説明する。図４は、本実施の形態２に係る医療用機器を説明する模式図である。図４に示す医療用機器１０のシステムは、放射線源１と、受光器２と、放射線源１と受光器２とに接続した制御装置３と、上述した実施の形態１に係るシンチレータ材料を加工して形成したシンチレータ４とを構成要素として備える。また、受光器２と、制御装置３と、シンチレータ４とは放射線検出器を構成している。

放射線源１は、制御装置３に制御されて、Ｘ線、ガンマ線等の光子、中性子線、陽子線、または炭素線等の放射線Ｒを所定の強度で出力する。シンチレータ４は、カテーテル等にて患者Ｐの体内の患部Ｐ１の近傍に配置される。ここで、患部Ｐ１は、放射線治療すべき患部であって、たとえばガン細胞を含む患部である。シンチレータ４は、患者Ｐの体への負担が少ないサイズ、たとえば直径数ｍｍの円板状または球状とされている。受光器２は、ＩｎＧａＡｓ半導体からなる受光素子や光電子増倍管等で構成されている。

制御装置３は、放射線源１の出力を制御するとともに、受光器２から入力される電流信号を演算処理し、その結果を表示または外部に出力できるように構成されている。

この医療用機器１０の動作について説明する。放射線源１は、制御装置３に制御されて、患者Ｐの患部Ｐ１に向けて、放射線治療のための放射線Ｒを照射する。患部Ｐ１の近傍に配置されたシンチレータ４は、人体に対して透過率が高い近赤外線領域である波長８００ｎｍから１１００ｎｍのシンチレーション光ＩＲを発光する。受光器２は、患者Ｐの体を透過してきたシンチレーション光ＩＲを受光し、その受光強度に応じた値の電流信号を制御装置３に出力する。

制御装置３は、受光器２から入力された電流信号をもとに、シンチレータ４に関する放射線の照射線量と発光量との相関関係、シンチレーション光ＩＲの波長での人体の透過率、患部Ｐ１とシンチレータ４との位置関係等から、放射線治療中の患部Ｐ１への実際の照射線量およびその照射位置について、リアルタイムで演算する。演算した結果は、制御装置３が備える表示部において表示したり、制御装置３が外部の表示装置に出力し、そこで表示される。これによって、放射線治療の作業者は、放射線治療中の実際の照射線量およびその照射位置のリアルタイムでのモニタリングを行うことができる。

特に、シンチレータ４は、発光量が高い実施の形態１に係るシンチレータ材料を使用したものなので、シンチレーション光ＩＲの発光量も大きい。その結果、受光器２において受光されるシンチレーション光ＩＲの強度も高くなるため、より正確な線量測定が可能となる。

なお、上記実施の形態では、シンチレータ４は患者Ｐの体内に埋め込まれているが、本発明の実施の形態はこれに限られない。たとえば、受光器とその制御装置、およびシンチレータを一体に構成して、放射線検出器または線量計を構成してもよい。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 放射線源
２ 受光器
３ 制御装置
４ シンチレータ
１０ 医療用機器

Claims (11)

1. Ｇａを含むガーネット型酸化物結晶であって、放射線の照射によって赤外線領域のシンチレーション光を発光することを特徴とするシンチレータ材料。
2. 前記放射線は、３ｅＶ以上のエネルギーを有する光子または粒子線であり、
   前記ガーネット型酸化物結晶は、化学式｛Ｇｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＭ_ｙ｝_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２で表されることを特徴とする請求項１に記載のシンチレータ材料。
   ここで、ＲはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕのうち少なくとも１つ以上からなり、ＭはＮｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｎのうち少なくとも１つ以上からなり、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ≦０．２０、かつ、０＜ｙ≦０．２０である。
3. ｘおよびｙの範囲は、０≦ｘ≦０．１５、かつ、０＜ｙ≦０．１５であることを特徴とする請求項２に記載のシンチレータ材料。
4. ｘおよびｙの範囲は、０．００１≦ｘ≦０．１０、かつ、０．００１≦ｙ≦０．１０であることを特徴とする請求項２に記載のシンチレータ材料。
5. ｘおよびｙの範囲は、０．００５≦ｘ≦０．０５、かつ、０．００５≦ｙ≦０．０５であることを特徴とする請求項２に記載のシンチレータ材料。
6. 前記シンチレーション光の波長は８００ｎｍから１１００ｎｍの波長領域に含まれることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のシンチレータ材料。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載のシンチレータ材料からなることを特徴とするシンチレータ。
8. 請求項７に記載のシンチレータと、
   前記シンチレータが発光するシンチレーション光を受光する受光器と、
   を備えることを特徴とする放射線検出器。
9. 請求項８に記載の放射線検出器を備えることを特徴とする医療用機器。
10. 前記シンチレータに放射線を照射する放射線源をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の医療用機器。
11. 前記シンチレータは患者の体内に埋め込まれることを特徴とする請求項９または１０に記載の医療用機器。