JP2016514835A - イオン化粒子の軌跡を検出するための検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、イオン化粒子がシンチレータ（２）を通って通過する場合に光子を放出することができる該シンチレータ（２）と、シンチレータによって放出される各光子を検出することができる第１のイメージャ（５）と、第１のマイクロレンズアレイ（４）であり、第１のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズが、シンチレータ中に放出される光子を第１のイメージャ上に焦点を結ばせることによって粒子の軌跡の画像を生成するように配置される、第１のマイクロレンズアレイ（４）とを備えるイオン化粒子の軌跡を検出するための検出器（１）に関する。

Description

本発明は、イオン化粒子の軌跡を検出するための検出器に関し、軌跡は、シンチレータ中のイオン化粒子の通過中にシンチレーションによって生成される。

シンチレータは、光子または荷電粒子などの、電離放射線の吸収に続いて光を放射する物質である。実際、この物質がそれ自体潜在的に光子によって生成される荷電粒子によって横切られる場合には、この物質の分子が、「励起」され、すなわち、電子があるエネルギーレベルからより高いエネルギーレベルに進むものである。すなわち、電子が減少してより低いエネルギーレベルまで戻るこの電子の下方遷移は、光子の放出に付随して起こり、この場合は、これは可視光子である。（たとえば電子、アルファ粒子、またはイオンなどの）粒子がシンチレーション物質内で進む場合に、光が経路に沿って放射される。生成される光量は、物質内で相互に作用している粒子によってもたらされるエネルギー量と関連付けられ得る。したがって、この光量の測定により、シンチレータ中に堆積されるエネルギーを測定することができる。この後者のアプリケーションが、最も多く頻出するが、これらの検出器はまた、相互作用の位置を特定することに使用される。この位置特定は、シンチレータをセグメント化することによって、またはガンマカメラの場合のように放射される光の重心を決定することによって達成され得る。

これらのガンマカメラは、主として、たとえば万一原子力発電所における漏れの場合に、ならびに患者の器官、および疾患によって発生されるこれらの器官の電位変動を観察するために医療分野において、放射性物質を検出するのに使用される。そのためには、ガンマ光子を放出する放射性元素が、患者の身体に注射される。ガンマ光子の観察により、身体内の放射性元素の分布を知ることができる。ガンマカメラにより、これらのガンマ光子を観察することができる。そのためには、ガンマカメラは、通常、
検出平面において画像を形成しようとしている光子の方向を選択することができるコリメータと、
ガンマ光子を可視光子に変換することができるシンチレータと、
可視光子を電気信号に変換することができる光電子増倍管と
を備える。

先行技術のコリメータは、通常、シンチレータによって受け取られるガンマ光子を選択することができる極薄管で形成される。コリメータの管が薄ければ薄いほど、ガンマカメラの空間分解能がそれだけより良好になるが、シンチレータによって受け取られる光子の量はそれだけより少なくなる。したがって、先行技術のガンマカメラにおいては、利用できる画像を得るために放射性生成物のかなりの線量を注入することが必要である。

そのうえ、また、先行技術においてはトレース検出器が存在する。第１のトレース検出器は、この場合投影テーブルでデジタル化することが必要な光子が得られる霧箱および泡箱であった。ワイヤチェンバにより、データの直接デジタル化が可能になった。今日では、ドリフトチェンバタイプのトレース検出器が、通常、大きな表面で荷電粒子の軌跡を検出するのに使用される。これらのガス検出器により、少数の測定チャネルに対し１５０μｍ未満の空間分解能が得られるが、これらは嵩張り、かつこれらは、ガスを含むエンベロープおよびガスを新たにする管を必要とする。シリコントレース検出器は、これらの欠点を有さず、数十ミクロンの分解能を達成することができる。それにもかかわらず、シリコンストリップ検出器、何にもましてシリコン画素検出器は、ストリップごとにまたは画素ごとに１つの、非常に多数の測定チャネルを必要とし、システムの消耗が極めて高くなり得る。そのうえ、これらのシリコン検出器は、比較的高価である。

本発明の目的は、その電力消費量およびコストが空間分解能を犠牲にすることなく依然として妥当である、シンチレータ中の粒子の軌跡を検出するための検出器を提案することによって、先行技術の欠点を克服することである。

本発明のもう１つの目的は、イオン化粒子の軌跡の３次元の画像を生成することができる、粒子の軌跡を検出するための検出器を提案することである。

最後に、本発明のもう１つの目的は、先行技術のものよりもはるかに感度の高いガンマカメラを提案することである。

そのためには、本発明は、シンチレーション軌跡の画像を生成するようにマイクロレンズアレイを用いることを提案する。マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、イオン化粒子の軌跡の画像をイメージャ上に投影する。したがって、本発明によれば、シンチレータ中の軌跡の情報が、もはや電気的に伝達されるのではなく、シンチレーション軌跡で放出される光子をイメージャ上に焦点を結ばせるマイクロレンズによって光学的に伝達される。

より正確には、本発明は、第１の態様によれば、
イオン化粒子がシンチレータを通って通過する場合に光子を放出することができる該シンチレータと、
シンチレータによって放出される各光子を検出することができる第１のイメージャと、
第１のマイクロレンズアレイであり、
第１のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズが、シンチレータ中に放出される光子を第１のイメージャ上に焦点を結ばせることによってイオン化粒子の軌跡の画像を生成するように配置される、第１のマイクロレンズアレイと
を備える、イオン化粒子の軌跡を検出するための検出器を提案する。

マイクロレンズアレイを用いる事実により、イオン化粒子がシンチレータ中に少量の光子を発生する場合に該イオン化粒子を検出することができる。そのうえ、マイクロレンズの使用によって、検出器の空間分解能が、マイクロレンズの光学特性によっておよびイメージャの空間分解能によって比類なく制限される。そのうえ、マイクロレンズアレイの使用により、どんなシンチレーション領域の位置、すなわち光子が放出されるシンチレータの領域でも画像が鮮明であり得るように、非常に良好な被写界深度を有することができる。加えて、マイクロレンズアレイを用いる事実により、シンチレータ中に発生される軌跡の立体画像を生成することができる。３次元のこの情報により、ガンマカメラの検出効率を増大するようにコリメータの代わりに粒子のソースとシンチレータとの間に配置される符号化マスクを使用することができる。

また、粒子検出器は、個々に、あるいは任意の技術的に可能なその組み合わせにより得られる次の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。

― 第１のイメージャは、複数の検出要素を備え、第１のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、第１のイメージャの少なくとも２つの検出要素に光学的に結合される。

― 第１のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、焦点距離を有し、第１のマイクロレンズアレイと第１のイメージャとの間の距離Ｄは、マイクロレンズの焦点距離よりも厳密に大きい。

― 第１のイメージャは、イオン化粒子を正確に位置特定することができるように、１ｍｍよりも良好な、かつ有利には２００μｍよりも良好な空間分解能を有する。

― 第１のイメージャは、好ましくは、シンチレータ中の各光子を検出し位置特定することができるように十分に感度が高くなければならない、すなわち各光子によって生成される信号はノイズよりも大きくなければならない。

― 第１のイメージャは、ＣＭＯＳからまたはＣＣＤ（電荷結合デバイス）から形成されることができる。

― 第１のイメージャは、好ましくはいくつかの検出要素または画素から形成されるマトリックスを備え、各検出要素は、光子を受け取る場合に電荷を発生することができる。

― 各検出要素は、非常に良好な空間分解能を有するイメージャを形成するように、好ましくは１ｍｍよりも小さいかまたはそれに等しく、かつ優先的には２００μｍよりも小さいかまたはそれに等しい寸法を有する。

― 各検出要素は、好ましくは光電子増倍管であり、有利にはアバランシェフォトダイオードである。好ましくは、各アバランシェフォトダイオードがこれが表す空間の領域に受け取られる光子の存在または不在を示す画素を形成するように、各アバランシェフォトダイオードは、飽和モードまたはガイガーモードで動作する。この種のイメージャにより、非常に良好な感度を有し非常に迅速であると同時に、非常に良好な空間分解能を有することができる。

― 第１のイメージャはまた、好ましくは、どの検出要素が光子を受け取ったかを識別することができるデジタル読み出しシステムを備える。

― 粒子の軌跡を検出するための検出器は、好ましくは、マイクロレンズによって第１のイメージャ上に投影されるシンチレータの画像からシンチレータ中のシンチレーション領域の３次元位置を計算することができる計算手段を備える。実際、各マイクロレンズは、シンチレータの異なる画像を第１のイメージャ上に投影する。いくつかの異なるレンズによって投影される画像を比較することによって、非常に良好な空間分解能を持つシンチレータの３次元の画像を再構成することができる。

― シンチレータは、好ましくは、
基準面（ｘ、ｙ）に沿って延びている主検知面と、
基準面（ｘ、ｙ）に対して垂直に延びている副検知面と
を備える平行六面体形状を有する。

― 第１のマイクロレンズアレイおよび第１のイメージャは、好ましくは、それがシンチレータ中に位置するどんな深さｚでも（ｘ、ｙ）において非常に良好な空間分解能を有するように、主検出面に平行に延びている。

― 検出器は、さらに好ましくは、
シンチレータから生じる各光子を検出することができる第２のイメージャと、
第２のマイクロレンズアレイであり、第２のアレイの各マイクロレンズが、シンチレータ中に放出される光子を第２のイメージャ上に焦点を結ばせることによって粒子の軌跡の画像を生成するように配置される、第２のマイクロレンズアレイと
を備える。

― 第２のマイクロレンズアレイおよび第２のイメージャは、好ましくは、基準面に対して垂直な方向に沿って検出器の空間分解能を増加させるようにシンチレータの副検知面に平行に延びている。

― 各マイクロレンズアレイは、好ましくは、正方形メッシュを有する。

― 各マイクロレンズは、好ましくは、０．５ｍｍと５ｍｍとの間に含まれる寸法を有する。

― 各マイクロレンズは、好ましくは、良好な状態で集束されることになる光子の量を制限しないように、０．２と０．３との間に含まれる開口数を有する。

本発明によるイオン化粒子の軌跡を検出するための検出器により、Ｘまたはガンマ光子などの高エネルギー光子の相互作用から潜在的に結果として生じるα粒子、イオン、陽子、電子などの荷電粒子の軌跡を特に可視化することができる。実際、このように多数の測定チャネルに頼る必要なしに、シンチレータ中のイオン化粒子の軌跡の３次元の立体画像によって生成することができる。

もう１つの実施形態によれば、粒子の軌跡を検出するための検出器は、ガンマカメラであってもよい。この種のガンマカメラは、この場合先行技術のガンマカメラよりもおよそ１００倍も良好な非常に大きな感度、および良好な空間分解能を有する。

粒子の軌跡を検出するための検出器がガンマカメラである場合には、粒子の軌跡を検出するための検出器は、好ましくは、ガンマ光子のソースとシンチレータとの間に配置される符号化マスクを備える。ソースから短い距離（たとえば１ｍ未満）での符号化マスクの使用を可能にするのは、マイクロレンズアレイの使用であり、それにより、それ自体、シンチレータに到達するガンマ光子の数をかなり増加し、したがってカメラの感度を増加させることができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、後に続く詳細な説明からより明らかになるであろう。

本発明の第１の実施形態による粒子の軌跡を検出するための検出器の図式表現の図である。 本発明の第２の実施形態による粒子の軌跡を検出するための検出器の図式表現の図である。 本発明の第３の実施形態によるガンマカメラの図式表現の図である。

より分かりやすくするために、同一または類似の要素は、図のすべてにおいて同一の参照符号で標示されている。

図１は、本発明の第１の実施形態によるイオン化粒子の軌跡を検出するための検出器１を示している。この第１の実施形態においては、検出器１は、シンチレータ中のイオン化粒子の通過によって発生されるシンチレーション軌跡を可視化することができる、軌跡の検出器である。本明細書において、「イオン化粒子」は、Ｘまたはガンマ光子などの高エネルギー光子の相互作用から潜在的に結果として生じる陽子、イオン、または電子などの荷電粒子を意味するように解釈される。

イオン化粒子の軌跡を検出するための検出器１は、シンチレータ２を備える。シンチレータ２は、シンチレーション媒体であり、すなわち、これは、監視することが望まれるイオン化粒子がシンチレータ２を通って通過する場合に、一般に蛍光発光によって光子を放出することができる物質によって形成されるものである。したがって、一般的に言えば、イオン化粒子は、シンチレータ物質２中に少なくとも１つの相互作用１４を生じる。この相互作用は、シンチレーション光子１５と呼ばれる、多量の光子を放出し、後者は、シンチレータ２に光学的に結合されるイメージャ５によって検出される。イオン化粒子は、シンチレータ中で何度も相互に作用することができる。これらの相互作用は、経時的に引き続いて生じ、これらの時間遅延は非常に小さいので、これらは、同時に起こるものとして考えられ得る。したがって、検出器１によって検出されるイオン化粒子は、検出器に少なくとも１つまたは複数の相互作用１４を生じる。検出器内の相互作用の場所の集合は、検出器内の粒子の軌跡を構成する。軌跡は、１回限り（ただ１つの相互作用点）であるかまたは直線、もしくは異なる相互作用点を接続する不規則な曲線の形を有する場合がある。

シンチレータ２用に選択される物質は、できるだけシンチレーションしなければならず、すなわち損失エネルギー単位当たりできるだけ多数の光子、すなわち好ましくは、ｋｅＶ当たり少なくとも５光子を生成しなければならない。シンチレーション物質は、それが生成する光に対して非常に透明でありかつエンベロープなしであることが好ましい。

異なる実施形態によれば、かつ検出することが望まれる粒子に応じて、異なるシンチレーション物質が選択され得る。実際、選択されるシンチレーション物質は、検出する粒子の種類、測定するパラメータ、要求される精度、検出する粒子のフラックス、またはその代わりとして環境に依存する。

優先的な実施形態によれば、選択されるシンチレーション物質は、プラスチックシンチレータである。実際、プラスチックシンチレータは、非吸湿性であるという利点を有し、これらを収容するエンベロープを必要としないのだが、あらゆるエンベロープは、荷電粒子を逸らせうる。そのうえ、プラスチックシンチレーション物質は、非常に多量で製造されることができ、それにより、大きな寸法の装置を製造することができる。そのうえ、プラスチックシンチレータは、これらが生成する光に対して非常に透明である。最後に、これらは、軌跡中に堆積されるエネルギーについてｋｅＶ当たりほぼ１０光子程度を生成する。ガンマカメラの場合は、ＮａＩまたはＬａＢｒ_３などのシンチレーション結晶（無機物質）が好まれる。

シンチレータは、平行六面体形状を有することが好ましいが、面が多くあればあるほどそれだけマイクロレンズの開口数に対して制約が少ないことになるので、二十面体などの他の形状が考えられ得る。シンチレータは、方向ｘおよびｙを画定する基準面（ｘ、ｙ）に沿って延びている主検出面３を含むことが好ましい。方向ｚは、基準面（ｘ、ｙ）に対して垂直であるとして規定される。

また、粒子検出器１は、イメージャ５を備える。イメージャ５は、シンチレータ２によって放出される各光子を検出することができる。そのためには、イメージャは、１ｍｍ未満、有利には２００μｍ未満の空間分解能を有さなければならない。そのうえ、軌跡の重ね合わせを回避するために、イメージャの読み取り時間は、２つの連続する粒子の間の平均時間よりもはるかに短くなければならない。この平均時間は、検出器の寸法に、および粒子のフラックスに依存する。毎秒１００粒子のフラックスの場合は、ほぼミリセカンド程度の読み取り時間を必要とする。１０００倍ほどより大きいフラックスの場合は、読み取り時間は、ほぼマイクロセカンド程度であろう。イメージャ５は、好ましくは検出要素６のマトリックスを備え、各検出要素６は、光子を受け取る場合に電流を放出することができる。各検出要素６は、５０μｍよりも小さいかまたはそれに等しい寸法を有することが好ましい。各検出要素は、このように画素を形成する。そのうえ、イメージャは、検出要素をデジタル的に読み出し、どの検出要素が光子を受け取ったかを識別することができるシステムを備える。

各検出要素（または画素）は、たとえばアバランシェフォトダイオードまたはシリコン光電子増倍管ＳｉＰＭなどの光電子増倍管であることが好ましい。この場合は、イメージャ５は、したがって光電子増倍管のマトリックスによって形成される。アバランシェフォトダイオードの場合は、アバランシェフォトダイオードが飽和モードまたはガイガーモードで動作するように、電圧がそれらの各々に印加される。そのうえ、各アバランシェフォトダイオード６は、各アバランシェフォトダイオードが画素を形成するように、５０μｍよりも小さいかまたはそれに等しい寸法を有することが好ましい。したがって、アバランシェフォトダイオードのうちの１つが光子を受け取る場合は、これは、デジタル画像において対応する画素を識別することができるパルスを生じる。したがって、イメージャにより、空間のどの領域にだだ１つの光子が到達するかを非常に良好な空間分解能で知ることができる。そのうえ、アバランシェフォトダイオードは、非常に迅速であるという（すなわちほぼナノセカンド程度の反応時間を有する）という利点、および非常に僅かしか電力を消費しないという利点を有する。それによって形成されるイメージャ５は、基準面（ｘ、ｙ）に平行な平面に沿って延びている。

もう１つの実施形態によれば、イメージャ５はまた、ＣＭＯＳまたはＣＣＤから構成されることができる。

また、粒子検出器は、第１のマイクロレンズアレイ４を備える。各マイクロレンズ７は、シンチレータ中に放出される光子がイメージャ５の平面に焦点を結ぶように配置され、これらの光子がシンチレータ中に放出されるどんな深さｚでも良好な空間分解能で焦点を結ぶ。空間分解能は、マイクロレンズの焦平面の近くにイメージャを配置することによって最適化され、焦点位置の距離は、シンチレータの深さに応じて最適化される。

イメージャをマイクロレンズの焦点距離に配置する事実により、入射角がマイクロレンズ７を支持する平面に垂直な可視光子が焦点を結ぶようになるであろう。これにより、「無限大」と呼ばれる合焦がもたらされ、それにより、マイクロレンズからの大きな距離、レンズの寸法に比べて無限大と考えられる距離に生じる軌跡の鮮明な画像が生成できる。

しかし、図１から図３の装置の目的は、シンチレータ２中の相互作用１４の場所を撮像することであり、前記シンチレータは、たとえば０．５ｃｍと２ｃｍとの間に含まれる、たとえば１ｃｍに等しいほぼセンチメートル程度の厚さｅを有する。換言すれば、各マイクロレンズ７は、光検出要素６上に、シンチレータ２中の相互作用１４の鮮明な画像を生成するように構成され、この相互作用１４は、シンチレーション光子１５を生成する。この相互作用１４は、シンチレータ２の厚さｅよりも小さな距離に生じることが理解される。焦点距離ｆよりも小さいレンズからの距離にあるソースの画像を生成することは不可能である。また、各マイクロレンズ７は、シンチレータ２の深さに、すなわちレンズのアレイ４の近くに生じる相互作用の十分に鮮明な画像を生成することができるように、０．５ｃｍよりも小さい、たとえば０．１ｃｍに等しい小さな焦点距離を有することが好ましい。

そのうえ、マイクロレンズ７に関して、観察される対象、この例では可視光子を生成する相互作用１４が鮮明でなければならない距離ｅ’が決定される。図１から図３に示される実施例においては、マイクロレンズ７は、シンチレータ２と並んで配置され、距離ｅ’は、もちろん、シンチレータの厚さｅよりも小さいかまたはそれに等しく、マイクロレンズの焦点距離よりも大きい。

ｆおよびｅ’を知ると、式

により、第１のマイクロレンズアレイ４の平面と光検出要素６のマトリックスとの間の距離Ｄを決定することができる。

ｆ＝０．１ｃｍ、およびｅ’＝１ｃｍ、ｅ’＝０．５ｃｍ、ｅ’＝０．２ｃｍと採ることによって、それぞれＤ＝０．１１ｃｍ、Ｄ＝０．１２５ｃｍ、およびＤ＝０．２ｃｍ、すなわち２ｆが得られる。

したがって、一般的に言えば、第１のマイクロレンズアレイ４とイメージャ５との間の距離Ｄは、マイクロレンズの焦点距離よりも厳密に大きい。したがって、Ｄ＞ｆ、および好ましくは、ｆ＜Ｄ≦２ｆ、特に１．１ｆ≦Ｄ≦２ｆである。Ｄがｆから離れて移動するのが大きければ大きいほど、それだけシンチレータ２の鮮明領域がマイクロレンズアレイ６により接近する。逆に、Ｄがｆに接近すれば接近するほど、それだけシンチレータ２の鮮明領域がマイクロレンズアレイからより大きく離れて移動し、シンチレータ２の上面１８により接近し、この上面は入射放射線に曝されるシンチレータ２の面を示す。

この距離Ｄは、シンチレータの上部に、すなわち上面１８の近くに、またはシンチレータの下部に、すなわち検出面３の近くに生成される相互作用１４の利用できるより鮮明な画像を有することが望まれるかどうかによって適合され得る。

各マイクロレンズは、マトリックスイメージャ５を構成する複数の画素６に光学的に結合される。通常、各レンズは、ｎ＞１の、ｎ*ｎ画素のグループに光学的に結合される。ｎは、１０と１００との間に含まれることが好ましい。したがって、画素６よりも少ないマイクロレンズ７がある。通常、画素６の数は、マイクロレンズ７の数の１０倍、または１００倍さえ、または１０００倍さえ（またはさらに多くの倍さえ）よりも大きい。

相互作用１４がシンチレータ２中に生じる場合には、シンチレーション光子１５が生成され、それらの一部は、ｍ個のマイクロレンズのグループに到達する。図１から図３の実施例においては、シンチレーション光子によって「タッチされた」４*４個のマイクロレンズ７のグループが示されている。これらのタッチされたマイクロレンズは、その入射角が面３の垂線に関して限界屈折角θ_ｌｉｍよりも小さい光子に到達するそれらのものである。各マイクロレンズ７は、画素６の別個のグループに結合される。また、この構成によれば、相互作用１４の１６枚の画像が得られ、各画像は、画素６のグループに対応し、画素の各グループは、別個のマイクロレンズと関連している。

一般的に言えば、本装置により、シンチレータ２中の１つまたは複数の相互作用１４によって形成される軌跡の複数の画像を得ることができる。シンチレーション光子１５の十分な量を収集するレンズと同じくらい多くの画像がある。換言すれば、この種の装置の場合、シンチレーション光子１５は、ｍ枚のレンズに到達し、次にｍ枚の別個の画像をイメージャ上に形成することができる。これにより、ある軌跡に対応するいくつかの画像が形成されるという事実のため、シンチレータ２中の軌跡の３次元画像を得ることができる（立体視）。軌跡の空間的位置特定の精度は、マイクロレンズの平面への相互作用の距離ｅ’、マイクロレンズ７の焦点距離、マイクロレンズ４の平面とイメージャ平面５との間の距離、および画素６の寸法に依存する。最適化されたシステムの場合は、これは、通常、ほぼ画素６の寸法程度である。

各マイクロレンズは、方向ｘおよびｙに沿って与えられる空間分解能Ｒでシンチレータ中に生成されるシンチレーション軌跡の画像を生成し、軌跡がシンチレータ中に形成されるどんな深さｚでもでそうするように寸法決めされる。そうするために、（センチメートルでの）深さｐのシンチレータの場合は、第１のアレイの各マイクロレンズは、ほぼ４・１０^−２・ｐ^１／２程度の直径と、０．２≦α≦０．３の、開口数αとを有することが好ましい。

そのうえ、アレイのメッシュが正方形の場合は、各マイクロレンズは、マイクロレンズによって覆われない領域を最小限にするように正方形形状を有することが好ましい。

第１のマイクロレンズアレイは、シンチレータの主面３に配置されることが好ましい。第１のマイクロレンズアレイは、シンチレータの主面３の全体を覆うことが好ましい。

マイクロレンズは、イメージャの平面においてマイクロレンズの各々によって形成される画像を比較することによってこれらの軌跡の３Ｄ画像を再構成することができるように、シンチレータ中に生成されるシンチレーション軌跡に多数の視点を与え、投影画像のアレイのピッチは、軌跡とマイクロレンズの平面との間の距離に関連付けされる。実際、第１のマイクロレンズアレイの各レンズが軌跡を投影する角度の差を比較することによって、三次元で生成される軌跡の画像を計算することができる（立体視）。

したがって、それによって形成される粒子検出器により、シンチレータの全体の深さにわたって、ｘに沿ってかつｙに沿って非常に良好な空間分解能を有することができる。それにもかかわらず、この種の検出器は、方向ｘおよびｙに沿ってよりも方向ｚに沿ってあまり良好な空間分解能を有さない。

方向ｚに沿って検出器の空間分解能を改善するために、粒子検出器はまた、図２に示されるように、方向ｚに平行に配置される第２のイメージャ８と、第２のイメージャ８と第２のマイクロレンズアレイ９との間に配置される第２のマイクロレンズアレイ９とを備えることができる。第２のマイクロレンズアレイ９の各レンズは、第２のイメージャ８の平面に、シンチレータ中のシンチレーション軌跡の画像を生成するように配置される。

一実施形態によれば、第２のイメージャ８は、平面（ｘ、ｙ）に平行に配置される代わりに平面（ｙ、ｚ）に平行に配置されるという事実を除いては、第１のイメージャと同一であることができる。同様に、一実施形態によれば、第２のマイクロレンズアレイは、平面（ｘ、ｙ）に平行に配置される代わりに平面（ｙ、ｚ）に平行に配置されるという事実を除いては、第１のマイクロレンズアレイと同一であることができる。

それにもかかわらず、また、方向ｘおよびｙに沿って得られるものと比べて方向ｚに沿って異なる空間分解能を得るように、第１のマイクロレンズアレイおよび第１のイメージャとは異なって第２のマイクロレンズアレイおよび第２のイメージャを寸法決めすることを考えることができる。

空間分解能および感度をさらに高めるために、シンチレータがｎ個の面を備える場合は、検出器は、マイクロレンズのｎ個のアレイを備えることができ、各マイクロレンズアレイは、シンチレータの面のうちの１つに配置される。この場合は、検出器はまた、マイクロレンズのアレイがあるのと同じくらい多くの画像を備え、シンチレータ中に放出される光子は、マイクロレンズの各アレイが関連するイメージャの平面に焦点を結ぶ。

図３は、本発明のもう１つの実施形態による粒子検出器を示している。この実施形態においては、粒子検出器はガンマカメラである。

このガンマカメラは、前述の実施形態の場合のように、
シンチレータ２と、
マイクロレンズアレイ４と、
イメージャ５と
を備える。

シンチレータは、たとえば、ヨウ化ナトリウムまたは臭化ランタンから作られる固体シンチレータであってもよい。シンチレータ２は、第２の主面１８と反対側の第１の主面３を備える。シンチレータの第２の主面１８は、ガンマ粒子のソースに面して配置される。第１の主面３は、マイクロレンズアレイ４によって覆われる。

マイクロレンズアレイ４およびイメージャ５は、前述の実施形態に説明されたものと同一である。

マイクロレンズアレイ４の使用は、特に医学的使用において符号化マスク９の使用を可能にするので、ガンマカメラに関しては特に有利であり、その場合、ソース／シンチレータ距離は、シンチレータの寸法とほぼ同じ程度の大きさから成る。実際、三次元情報のみが、マスクの画像の正確な再構成を可能にする。符号化マスク９により、空間分解能を低下させることなく、ガンマカメラの効率を増大させることができる。

符号化マスク９は、たとえば、孔１０によって穿孔される板１１によって形成される。

説明の便宜上、符号化マスクの効率ε_Ｍの概念が導入されることになる。これは３つのパラメータ、すなわち、マスクε_ｅを通して投影される画像をサンプリングするガンマカメラの能力、マスクの吸収部分の線形吸収μ、および、検出器に到達する光子の数Ｎｄとマスクの孔に到達するそれらのものＮｉとの間の比によって規定されるマスクの孔の透過、から、

となる（ここに、ｘは、マスクの厚さである）。

マスクを形成するのに使用される物質およびその厚さは、この効率の主要な役割を果たす。

マスクの孔の寸法：Ｒ_Ｍ
符号化マスクの撮像能力は、マスクによって投影される画像のサンプリングに基づいている。良好なサンプリング効率を得るためには、検出器に投影されるマスクの孔の画像の寸法は、検出器の空間分解能よりも実質的に大きくなければならない。実際には、検出器の分解能よりも２倍から３倍大きい孔の画像サイズが使用される（ε_ｅ〜０．８−０．９）。したがって、シンチレータのレベルで２００ミクロンの分解能の場合は、５００ミクロンの孔の画像が適切であることになる。

物質
マスクは、マスクの効率を低減させることになるコリメーションの効果を回避するために、吸収性で薄いことが好ましい。したがって、好ましくは、最も高い線形吸収を持つ物質が選択されることになる。このように、優先的な実施形態によれば、符号化マスクは、タングステン板１１から作られる。実際、この物質は、非常に良好な機械的強度を呈し、極微細な機械加工を可能にする。

厚さ
ｘが板１１の厚さである場合は、限界角は、θ＝Ａｒｃｔｇ（Ｒ_Ｍ／ｘ）である。符号化表面は、検出器に投影される孔の表面として定義されることができる：ガンマ光子のソースとシンチレータとの間の距離であるｄ_Ｓ、および、マスクとシンチレータとの間の距離であるｄ_Ｍから成る、ｆｃ＝（Ｒ_Ｍ（ｄ_Ｓ−ｄ_Ｍ）／ｘ）^２／４は、画像を形成することができるのに十分でなければならない。再構成される画像の画素数は、この符号化表面に比例する。したがって、θはできるだけ大きいことが必要であり、したがって、Ｒ_Ｍ／ｘはできるだけ大きくなければならない。

それにもかかわらず、厚いマスクは、良好な不透明度を呈することができ、しかし孔の透過は低減する。板１１がタングステンから作られる場合は、５ｍｍの厚さが良い妥協を提示し、なぜなら符号化マスクが１４１ｋｅＶの光子の３／４を吸収するが、４５度の透過によりそれがキャンセルされるだろうからである。

マスク−検出器−ソース距離
ソース１２とシンチレータ２との間の距離ｄ_Ｓは、符号化マスクの効率を最大化するようにできるだけ小さくなければならない。そのうえ、マスク−シンチレータの距離ｄ_Ｍが大きければ大きいほど、それだけソースのレベルでの分解能がより良好になるが、ソース−マスクの距離が大きければ大きいほど、それだけ孔の透過がより良好になり、符号化表面がより大きくなる。したがって、求められている撮像品質（視野、分解能）に応じてこれらの距離を最適化することができる。

実施形態の例
この種のガンマカメラの精確な最適化は、アプリケーションに応じて行われなければならないが、アイデアを明確にするために、いくつかの値を与えることが有用だろう。ガンマ光子のソースとシンチレータとの間の２０ｃｍの距離ｄ_Ｓを考え、およびソースとシンチレータとの間の中間距離に、表面の半分に周辺部５ｍｍの孔で穿孔される厚さ５ｍｍのタングステンで作られる符号化マスクを配置しよう。

効率
マスク上に降下する光子のおよそ１５％から２０％がこれを通過し（Ｎ_ｄ／Ｎ_ｉ 〜０．１５−０．２）、マスクの吸収は０．７５であり、サンプリング効率は、およそ０．９である。したがって、マスクの効率は、ほぼ１０％から１３％程度である。比較のために、従来の医療用カメラのコリメータの効率は、０．１％を超えない。効率が２桁よりも大きいこの増加により、患者に注入される放射性生成物の線量のほぼ同じ程度の減少がもたらされる。

分解能
ソースのレベルでの分解能は、１ミリメートル、すなわち、従来の医療用カメラの分解能よりも５倍から６倍良好である。

もちろん、本発明は、図を参照して説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を越えることなく、変形が考えられ得る。したがって、検出すべき粒子に応じて、他の種類のシンチレータ物質がシンチレータを形成するように選択され得る。そのうえ、イメージャの選択は、シンチレータの選択に依存し、したがってまた、特に検出すべき粒子に応じて変化し得る。

Claims (11)

1. イオン化粒子の軌跡を検出するための検出器（１）であって、
   イオン化粒子がシンチレータ（２）を通って通過する場合に光子を放出することができる該シンチレータ（２）と、
   シンチレータによって放出される各光子を検出することができる第１のイメージャ（５）と
   を備え、
   第１のマイクロレンズアレイ（４）を備え、第１のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズ（７）が、シンチレータ中に放出される光子を第１のイメージャ上に焦点を結ばせることによって粒子の軌跡の画像を生成するように配置されることを特徴とする、軌跡を検出するための検出器（１）。
2. 第１のイメージャが、ＣＭＯＳまたはＣＣＤである、請求項１に記載の軌跡を検出するための検出器（１）。
3. 第１のイメージャ（５）が、好ましくはいくつかの検出要素（６）から形成されるマトリックスを備え、各検出要素（６）が、光子を受け取る場合に電荷を発生することができ、各検出要素（６）が、１ｍｍよりも小さいかまたはそれに等しく、有利には２００μｍである寸法を有する、請求項１に記載の軌跡を検出するための検出器（１）。
4. 各検出要素が、光電子増倍管であり、有利にはアバランシェフォトダイオードである、請求項３に記載の軌跡を検出するための検出器（１）。
5. 第１のイメージャ（５）がまた、どの検出要素が光子を受け取ったかを識別することができるデジタル読み出しシステムを備える、請求項３または４に記載のシンチレーション検出器（１）。
6. マイクロレンズによって第１のイメージャ上に投影される画像からシンチレータ中に放出される各光子の放出の場所の位置を計算することができる計算手段をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の軌跡を検出するための検出器（１）。
7. シンチレータによって放出される各光子を検出することができる第２のイメージャ（８）と、
   第２のマイクロレンズアレイ（９）であり、第２のアレイの各マイクロレンズが、シンチレータ中に放出される光子を第２のイメージャ上に焦点を結ばせることによって粒子の軌跡の画像を生成するように配置される、第２のマイクロレンズアレイ（９）と
   をさらに備え、
   第２のマイクロレンズアレイおよび第２のイメージャが、第１のマイクロレンズアレイに対して垂直に延びている、請求項１から６のいずれか一項に記載の軌跡を検出するための検出器。
8. 各マイクロレンズが、０．５ｍｍと５ｍｍとの間に含まれる寸法を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の軌跡を検出するための検出器。
9. 各マイクロレンズが、０．２と０．３との間に含まれる開口数を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の軌跡を検出するための検出器。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の軌跡を検出するための検出器を備えるガンマカメラ（１’）。
11. 符号化マスク（９）をさらに備える、請求項１０に記載のガンマカメラ。

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