JP2016524135A

JP2016524135A - ガンマ線検出装置

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Publication number: JP2016524135A
Application number: JP2016512269A
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Inventors: カルルヴィーチョレク，ヘルフリート; レインデルロンダ，コルネリス; ヘラルデュスブーレカンプ，ヤコビュス
Original assignee: Koninklijke Philips NV
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Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2016-08-12
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Abstract

本発明はガンマ線検出装置（１）に関する。ガンマ線検出装置（１）は、シンチレータ要素（２）と、シンチレータ要素（２）と光連結された光検出器（３）とを有する。シンチレーション光を散乱する複数の粒子またはボイド（５）がシンチレータ要素（２）中に分散され、複数の反射によりシンチレーション光がトラップされることを低減する。図１

Description

本発明はガンマ線検出装置に関する。本発明は、一般的に、医療用画像化の分野に応用できる。より具体的には、本発明は、ＰＥＴ及びＳＰＥＣＴの画像化分野に応用できる。

ＰＥＴ及びＳＰＥＣＴ画像化の分野では、放射線トレーサが患者に投与される。これは好ましくは身体の特定領域に取り込まれる。放射線トレーサはガンマ線光子の放射を引き起こす。これは医療用画像化システムにより検出され、放射線トレーサの空間分布の画像の生成に用いられる。かかる画像は、生体内作用の働きを調べるために、医師により解釈される。これらの画像の画質は、特にその信号対雑音比は、臨床診断を支援するために改善が望まれ、ガンマ線光子が検出される感度に一部依存する。

ガンマ線光子の検出は、ＳＰＥＣＴ画像化システムのガンマ線カメラにより行われる。ガンマ線カメラは、画像化領域からのガンマ線光子を受けるように配置された一以上の検出器ヘッドを有する。各ヘッドは一以上のガンマ線光子検出器を有する。ＳＰＥＣＴと対照的に、ＰＥＴ画像化システムでは、ガンマ線光子は、画像化領域に対して放射状に配置されたガンマ線光子検出器のモジュールにより、ペアで検出される。それゆえ、ガンマ線光子検出器は、ＳＰＥＣＴとＰＥＴとの両方で共通のフィーチャであり、ここでは光検出器と光連結されたシンチレータ要素を有すると定義される。光検出器は、光放射を受け、その光放射に応じて電気信号を発生する。

ガンマ線光子検出器では、シンチレータ要素が、ガンマ線光子に当たると、シンチレーション光のパルスを発生する。そして、付随する光検出器がシンチレーション光を電気信号に変換する。その画質を最大化するため、画像化システムは、望ましくは、受けたガンマ線光子のエネルギーを電気パルスに効率的に変換する高感度ガンマ線光子検出器を用いる。それゆえ、この効率を最大化するには、光検出器が、シンチレータ要素により発生した最初のシンチレーション光をできるだけ多く捕捉することが必要である。

ＰＥＴ及びＳＰＥＣＴ画像化システムでは、隣接するガンマ線光子検出器の間の光絶縁を改善することにより、さらに改善することができる。かかる画像化システムは、一般的には、高密度実装されたガンマ線光子検出器を有し、シンチレータ要素間での光の漏れは、その光源に関する誤解のリスクとなり、空間解像度を悪化させる。

放射線検出装置において光検出器によるシンチレーション光の捕捉を改善する既知の方法には、シンチレータ要素を例えばＰＴＦＥテープで包むことがある。ＰＴＦＥテープと、高屈折率シンチレータ要素の表面との間の小さいエアギャップは、その表面に斜めの入射角で入射するシンチレータ光を、全反射を用いてシンチレータ要素内に留める機能を果たす。ＰＴＦＥテープはシンチレーション光の一部をシンチレータ要素に戻す。その、ほぼ垂直な入射角での入射は、全反射により保持されないことを意味する。

特許文献１に開示された他の一方法は、光検出器と光連結したものではなく、シンチレータ要素の表面に内向き反射層の形成（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）を含む。これらにより、光検出器によるシンチレーション光の捕捉効率と、隣接するシンチレータ要素間の光絶縁とが改善される。

非特許文献１では、シンチレーション結晶からの光収集を予測する時に、シンチレータ要素に形成される反射層の光学特性を正確にモデル化することの必要性が説明され、さらに、Ｌｕｍｉｒｒｏｒ（登録商標）、ＥＳＲｆｉｌｍ、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）、及びＴｉＯペイントなどの反射層のモデルを開示されている。

特許文献２は、予め成形され研磨された複数のシンチレータ結晶の少なくとも一側面を粗面化することによりシンチレータ結晶における光トラッピング（ｌｉｇｈｔｔｒａｐｐｉｎｇ）を緩和し、さらに、配列された粗面化された結晶に鏡面反射鏡を形成する。

特許文献３は、結晶中に、光センサに向かって延在し、結晶の少なくとも一面と連結されている、複数の光散乱ホールを有するシンチレーションカメラ結晶を開示している。結晶は第１の材料から形成され、ホールは第１の材料とは異なる第２の材料を含み、入射ガンマ線に応じてシンチレーション結晶により発生する光を屈折させ、発生された光の拡散を小さくする。

上記のガンマ線光子検出器では、内向き反射層の利用により光検出器によるシンチレーション光の捕捉効率が改善されるが、シンチレーション光の多くは付随する光検出器により捕捉されない。これにより、ガンマ線光子検出器の信号対雑音比が悪化し、さらに、かかる検出器を利用するＳＰＥＣＴ及びＰＥＴ画像化システムの画質が悪化する。結果として、ガンマ線光子検出器の感度を改善する必要がある。

米国特許出願第５０９１６５０Ａ号国際出願公開第ＷＯ２０１２／１５３２２３号米国特許第６３６９３９０Ｂ１

Ｊａｎｅｃｅｋｅｔａｌ著「ＳｉｍｕｌａｔｉｎｇＳｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒＬｉｇｈｔＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇＭｅａｓｕｒｅｄＯｐｔｉｃａｌＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ」ＳＣＨ−ＴＮＳ−００２４９−２００９．Ｒ１

本発明の一目的は、感度が改善されたガンマ線検出装置を提供することである。

この目的は、シンチレータ要素と光検出器とを有するガンマ線検出装置により達成される。光検出器は、シンチレータ要素と光連結され、複数の粒子またはボイドがシンチレータ要素に分散される。粒子またはボイドにより生じる光散乱により、光検出器により検出されるシンチレーション光の割合が改善され、ガンマ線検出装置の感度が改善される。

発明者は、ガンマ線検出装置の感度がロッシー（ｌｏｓｓｙ）なシンチレータ要素におけるシンチレーション光のトラップ（ｔｒａｐｐｉｎｇ）により制約されることを見いだした。シンチレーション光は、シンチレータ要素内に複数の反射によりトラップされ、その結果、そこで吸収され、付随する光検出器による検出が妨げられる。かかるシンチレータ要素は、従来、空気媒体により取り囲まれていた。高屈折率シンチレータ要素のシンチレータ要素・空気インタフェースにおける全反射（ｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を用いて、シンチレータ要素における斜めに入射するシンチレーション光を保持する。しかし、かかる鏡面反射により、シンチレータ要素における光経路が長くなり、その結果吸収が大きくなることがある。シンチレータ要素においてストレートエッジのらせん形トラジェクトリを描く光子は、特に、かかる吸収の影響を受ける。他の一構成では、内向き反射層をシンチレータ要素の表面に設け、エアギャップをその内向き反射層とシンチレータ要素の表面との間に配置する。エアギャップは、全反射により斜めの入射角で入射する光を保持する機能を有し、全反射によりシンチレータ面にほぼ垂直に入射する光を保持する。全反射層によりシンチレータ要素に保持された光の割合が大きく改善するが、光経路がシンチレータ要素の面に対してほぼ垂直に入射するため、大きな損失がシンチレータ要素において生じる。かかるほぼ垂直に入射する光は、反射層間のエアギャップとシンチレータ要素とにより形成される光キャビティにおける複数反射によりトラップされ、その結果、経路長が長くなり、吸収が大きくなることもある。これらのプロセスによりトラップされる光子は、シミュレーションによると、数百回から数千回反射され吸収される。

本発明では、粒子またはボイドにより意図的に生じる光散乱は、かかる多数回の反射が生じないように機能する。かかる粒子またはボイドは、通常は、意図的に、シンチレータ要素から排除されるものである。従来、光散乱はシンチレーション光の伝搬を妨げ、それゆえ避ける方が好ましいと考えられていた。追加的反射層が無くても、粒子やボイドにより生じる散乱により、シンチレーション光の進行方向がランダムに変えられ、シンチレータ要素における多数回の反射により、かかる損失が積み上がるのを避ける。追加的反射層があれば、より大きな利益が得られる。

本発明によりシンチレータ要素中に意図的に分散される粒子は、シンチレータ材料中にあるかも知れないドーパント（ｄｏｐａｎｔｓ）とは異なり、それはドーパントが原子レベルでシンチレータのホストマトリックス（ｈｏｓｔｍａｔｒｉｘ）に組み込まれ、その結果格子サイトを占有するという点である。導入される粒子は、これに対して、シンチレータ要素中のマクロ的空間（ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｓｐａｃｅｓ）を占有する。従来、ボイドは、焼結により、シンチレータ要素から意図的に除去されている。

本発明の一態様によると、前記シンチレータ要素における散乱係数の吸収係数に対する比は０．５ないし１０００の範囲にある。かかる範囲だと、ガンマ線検出装置の感度が向上する。

本発明の他の一態様によると、粒子またはボイドの大きさは、シンチレータ要素内を進むシンチレーション光を効率的に散乱するようなものである。効果的散乱は、シンチレーション光の波長と比較して小さい、または同程度の寸法を有する粒子またはボイドにより得られる。従来、シンチレータ要素は、可視波長領域に近い特性輻射スペクトルを有する。その結果、平均直径が５０ナノメートルないし１０００ナノメートルの範囲にある粒子またはボイドの場合に、有用な散乱が観察された。その範囲を１００ナノメートルないし５００ナノメートルにさらに狭めることにより、さらに効率的な散乱が観察され、その結果、光検出器のシンチレーション光捕捉効率がさらに改善される。

本発明の他の一態様によると、前記シンチレータ要素は特性光輻射スペクトルを有し、前記シンチレータ要素の光輻射スペクトル内の波長における前記シンチレータ要素の屈折率の、前記粒子またはボイドの屈折率に対する比は、１．２より大きい。かかる屈折率比により、シンチレーション光の有用な散乱が得られ、この比がさらに大きくなると、散乱がさらに改善される。本発明の他の一態様によると、前記粒子は、Ａｌ_２Ｏ_３粒子、ＳｉＯ_２粒子、ＭｇＯ_２粒子のうち少なくとも１つである。かかる粒子は、容易にシンチレータ材料に組み込め、有利にも有用な散乱を生じる。かかる粒子の組み合わせを使用することも考え得る。

本発明の他の一態様によると、前記ボイドは気体、空気、流体のうちの１つで充填される。あるいは、ボイドは完全に空（カラ）であり、排気されていてもよい。このようにボイドを充填すると、有利にも、その屈折率を修正して、それにより散乱を改善できる。

本発明の他の一態様によると、光検出器は、検出器光インタフェースによりシンチレータ要素と光連結されており、ガンマ線検出装置はさらに少なくとも１つの反射層を有する。少なくとも１つの反射層は、シンチレータ要素の検出器光インタフェース以外の少なくとも１つの面の少なくとも一部と、エアギャップ（ａｉｒｇａｐ）により光連結している。シンチレータ要素中の粒子またはボイドは、かかる反射層が無くても、ガンマ線検出器において有用な効果を有する；光は、高屈折率のシンチレータ要素内で全反射により誘導される；反射層とシンチレータ要素の表面との間に配置されたエアギャップに少なくとも１つの反射層を追加すると、ほぼ垂直に入射するシンチレーション光の反射率が特に改善される。反射層は、ほぼ垂直に入射する光の一部をシンチレータ要素に返す機能を有し、それにより光検出器のシンチレーション光捕捉効率が改善される。さらに、光が近くのシンチレータ要素に逃げる確率も小さくなる。これにより、シンチレーション光が近くのシンチレータ要素とクロスカップリング（それが検出されることによりその源が誤解される危険がある）するリスクが小さくなる。シンチレーション光のクロスカップリングの低減は、例えば、得られる画像の空間解像度と信号対雑音比とが両方とも改善されるＰＥＴ画像化システムにおいて特に利益がある。反射層は、鏡面反射層であっても拡散反射層であってもよいし、かかる層を複数、表面上に並べて配置してもよい。両タイプの反射層が入射高の一部をシンチレータ要素に戻す。エアギャップの厚さは好ましくは１００ナノメートルより大きく、少なくとも１つの反射層と、シンチレータ要素の一面との間に配置される。エアギャップは、有利にも、入射角が斜めのシンチレーション光の反射を改善し、それによりシンチレータ要素におけるその保持を改善し、その結果、ガンマ線検出器の感度を改善する。少なくとも１つの反射層は、例えば、高分子キャリア層上に金属などの反射材料をデポジションしたフィルムなどとして形成され、さらにシンチレータ要素の周りを包むことにより設けられてもよい。かかる包み込みプロセスにより、基本的に（ｉｎｈｅｒｅｎｔｌｙ）反射層とシンチレータ要素の表面との間に好適なエアギャップができる。

少なくとも１つの反射層は、例えば、金属層、ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標）、Ｌｕｍｉｒｒｏｒ（登録商標）、ＥｎｈａｎｃｅｄＳｐｅｃｕｌａｒＲｅｆｌｅｃｔｏｒ（ＥＳＲ）フィルム、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）またはＴｉＯなどである。好適な金属には、銀、アルミが含まれ、シンチレータ要素を包めるようにするため、金属を高分子フィルム上に配置してもよい。これらの材料は、基本的に、シンチレータ要素により発生されるシンチレーション光の典型的な可視波長において高い反射性を有する。放射線検出装置の感度は、さらに、このスペクトル領域でこれらの材料の反射率を改良することにより、最適化できる。本発明のこの態様により想定されるシンチレーション光波長の範囲は、ＵＶから遠赤外までにわたる。明らかに、反射層は光検出器とのインタフェースのところにあってはならない。有利にも、検出器光インタフェースは、シンチレータ要素と光検出器との間のシンチレーション光の透過を改善するため、シンチレーション光波長において反射率が低い反射防止層（ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｌａｙｅｒ）を含んでいても良い。

本発明の他の一態様によると、前記少なくとも１つの反射層は、第１拡散反射層と第２鏡面反射層とを含み；前記第１拡散反射層は前記第２鏡面反射層より、前記シンチレータ要素に近い。かかる構成は、最初、エアギャップを透過するシンチレーション光の拡散反射をして、その後第１拡散反射層により透過されたシンチレーション光の鏡面反射をする。有利にも、第１拡散反射層は、シンチレータ要素における散乱を大きくし、それにより、シンチレータ要素に分散された粒子またはボイドによる散乱について説明したのと同様に、ガンマ線光子検出器の感度を改善する。第２鏡面反射層は、さらに、透過した光の一部をシンチレータ要素に戻すことにより感度を改善し、隣接するシンチレータ要素へのシンチレーション光のクロスカップリングも低減する。

第１と第２の反射層は、例えば、シンチレータ要素の周りの層を包むことにより設けられる。かかるプロセスにより、基本的に、シンチレータ要素の一表面と、第１と第２の層の組み合わせとの間に好適なエアギャップができる。これらの層は、例えば高分子キャリア上に２つの層を連続的にデポジションして、フィルムとして構成してもよい。または、別々に構成して連続的に包んでも良い。

本発明の他の一態様によると、前記シンチレータ要素はセラミック構造である。有利にも、広い範囲の材料及びサイズの散乱粒子とボイドをかかるセラミック構造に組み込んでもよい。好適なセラミックシンチレータ材料には、例えば、ガーネット、酸硫化物、その他の酸化物シンチレータ材料が含まれる。酸硫化物は、例えば、レアアース酸硫化物であってもよい。セラミックシンチレータ要素で用いる好適な散乱粒子には、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びＭｇＯ_２が含まれる。Ａｌ_２Ｏ_３でできた散乱粒子をセラミックに組み込む手法の一例が、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関連して特許文献ＷＯ２００６０９７８７６に開示されている。この文献では、Ａｌ_２Ｏ_３は光散乱を大きくするため、熱力学的平衡にあるとき、第２相としてガーネット相に組み込まれる。

本発明の他の一態様によると、前記シンチレータ要素は多孔性セラミック構造である。有利にも、セラミック構造の細孔を用いて、シンチレーション光を散乱するボイドを設けることができる。細孔をセラミック材料に組み込む手法の一例が、ＬＥＤに関連して、特許文献ＷＯ２００９０９０５８０Ａ１に開示されている。文献ＷＯ２００９０９０５８０Ａ１は、セラミックの形成におけるスラリー段階において、サイズが適切な高分子含有物（ポリスチレン樹脂やポリアクリル酸塩など）の添加による、セラミック物質への細孔の組み込みを開示している。焼結時、高分子粒子は除去され、所望の細孔サイズを有する細孔構造（ｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が残る。

本発明の他の一態様によると、丹間線検出装置の光検出器は光電子増倍管（ＰＭＴ）検出器または固体半導体光検出器である。ＰＭＴ検出器は、応答時間が速く、放射イベントにより生じるシンチレーション光の高感度の検出に適している。固体半導体光検出器は、ここでは、半導体材料におけるモノリシックプロセスを用いて製造される光検出器であると定義するが、応答時間が速く、寸法をＰＭＴよりも小さくできる。結果として、固体半導体光検出器は、より小型のガンマ線検出装置の製造に使える。好適な半導体検出器は、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、シリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）及びシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などがある。

本発明の他の一態様によると、ガンマ線検出装置に用いるシンチレータ要素の生産方法であって、セラミック材料と高分子含有物とを含むスラリーを設けるステップと、前記スラリーからセラミック体を形成するステップと、前記セラミック体を熱処理して前記セラミック体から前記高分子含有物を除去し、ボイドが分散された多孔性シンチレータ要素を設けるステップとを有する。かかる方法により、ボイドのサイズを制御可能であり、その結果、シンチレータ要素における散乱を制御可能である。

本発明の他の一態様によると、画像化領域を有するＰＥＴまたはＳＰＥＣＴ画像化システムは、複数のガンマ線検出装置を有する。前記複数のガンマ線検出装置は前記画像化領域の周りに配置され、前記画像化領域から放射量子を受光するように構成される。ＰＥＴ画像化システムでは、ガンマ線検出装置は、画像化領域の周りに放射状に配置されるように構成される。ＳＰＥＣＴ画像化システムでは、ガンマ線検出装置は、平面アレイ（ｐｌａｎａｒａｒｒａｙ）として構成され、ガンマ線光子受光面は画像化領域に面している。放射線検出装置の利用により、信号対雑音比が改善されるおかげで、有利にも、画像化システムの画質が改善される。かかるＰＥＴ画像化システムにおいて、所定時間内に受光された放射量子の同時発生ペアを識別するために、放射線検出装置により発生される電気信号は、さらに処理される。さらに別のデータ処理を用いて、同時発生ペアを再構成して、画像領域における放射線源の分布を示す画像にする。ＳＰＥＣＴ画像化では、放射線検出装置により発生された電気信号は、受光されたガンマ線光子のトラジェクトリに基づきかかる画像を再構成するために、さらに処理される。

本発明の他の一態様によると、ガンマ線光子を検出する方法を開示する。この方法は次のステップを有する：ガンマ線検出装置で少なくとも１つのガンマ線光子を受光するステップと、前記少なくとも１つのガンマ線光子の受光に応じて前記光検出器からの電気的出力を発生するステップとを有する。本発明により開示されるその他の方法ステップは、この方法にさらに含まれても良い。

本発明の態様によるガンマ線検出装置の一例を示す図である。シンチレータ要素からの、光検出器により捕捉される信号のモンテカルロシミュレーションを、シンチレータ要素における対吸収係数に対する散乱係数の比（係数Ｂ）の関数として示す図である。反射層とエアギャップを含む、本発明の一実施形態によるガンマ線検出装置の一例を示す図である。第１拡散反射層と第２鏡面反射層とエアギャップを含む、本発明の一実施形態によるガンマ線検出装置の一例を示す図である。本発明の態様によるＰＥＴ画像化システムの一例を示す図である。

感度が改善されたガンマ線検出装置を提供するため、光検出器と光連結されたシンチレータ要素を提供する。シンチレータ要素には複数の粒子又はボイド（ｖｏｉｄｓ）が分散している。上記の通り、ガンマ線検出装置の感度は、シンチレータ要素においてシンチレーション光を散乱する粒子又はボイドがにより改善される。散乱により、損失が大きい（ｌｏｓｓｙ）シンチレータ要素において光が複数回反射する機会が低減される。そうしないと、光検出器のシンチレーション光捕捉効率が悪化するだろう。

ここでは、ＰＥＴ画像化への応用例を参照してガンマ線検出装置を説明する。しかし、言うまでもなく、ガンマ線検出装置は、この例には制約されず、ＳＰＥＣＴ画像化システムを含むその他のタイプのガンマ線検出システムに応用できる。

図１は、本発明の態様によるガンマ線検出装置の一例を示す図である。図１に示した本発明の第１の実施形態において、ガンマ線検出装置１は、検出器光インタフェース４により光検出器３と光連結されたシンチレータ要素２を含む。シンチレータ要素２には複数の粒子又はボイド５が分散している。

作動中、シンチレータ要素２によるガンマ線光子などの放射量子６の捕捉は、シンチレータ要素２の特性光輻射スペクトル内の波長を有する複数の光子を含む。一般的に、光子のエネルギーは、捕捉される放射量子６のエネルギーよりもずっと小さく、シンチレーション光は紫外線（ＵＶ）から可視光を通って赤外線の領域までの波長を含むことがある。一般的なシンチレータ材料では、シンチレータ要素２の特性光輻射スペクトルのピークは可視光の波長領域にある。

全反射は、他の低屈折率の媒質とのインタフェースを有し、入射角が臨界角より大きい時に、媒質内で生じる。一般的なシンチレータ要素は高い屈折率を有する。例えば、ＬＹＳＯは、光輻射スペクトルの緑色に近いピークにおける屈折率が１．８２であり、屈折率が１である空気媒質により囲まれていると、臨界角が３３°である。

図１に戻り、シンチレーション光７は、シンチレータ要素２の表面に、臨界角より大きい入射角で入射し、全反射（ｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）される。ＬＹＳＯなどの典型的なシンチレータ要素では、臨界角が小さくても、シンチレーション光の一部を、それが光検出器３により検出されるまで保持するのに十分である。このように、放射量子６の捕捉の結果としてシンチレータ要素２内で発生したシンチレーション光７は、放射量子６の捕捉を示す光検出器出力８における電気信号が得られる光検出器３により捕捉されるまで、粒子またはボイド５による散乱と、検出器光インタフェース４以外のシンチレータ要素２の表面による全反射との組み合わせを受ける。有利にも、シンチレータ要素と光検出器との間のシンチレーション光の伝搬を改善し、それにより光検出器のシンチレーション光捕捉効率をさらに改善するため、検出器光インタフェース４は、シンチレータ要素２の特性光輻射スペクトル内の波長で反射率が低い反射防止層を含んでいてもよい。光検出器出力８における電気信号を、その後、電子回路により処理し得る。放射量子（ｒａｄｉａｔｉｏｎｑｕａｎｔ）６は、例えば、ガンマ線光子であり、放射性崩壊に続く陽電子消滅の結果として生成される反対方向を向いた一対のガンマ線光子の一方であってもよい。放射性崩壊の源は、例えば、放射性トレーサである。

図１に示したシンチレータ要素２などのシンチレータ要素は、一般的には、ＬＹＳＯ、ＬａＢｒ_３、ＧＳＯ及びＢＧＯなどの結晶物質から作られ、または最近ではガーネットなどのセラミック物質がこうした用途に提案されている。

好ましい一実施形態では、シンチレータ要素は、粒子またはボイドが比較的組み込み易いため、セラミック材料である。セラミック構造を使うと、様々な方法を用いて粒子またはボイドをシンチレータ要素中に分散してもよい。粒子を用いるとき、好適な粒状物質には、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２またはＭｇＯ_２などがある。国際出願公開第ＷＯ２００６／０９７８７６Ａ１号は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、Ａｌ_２Ｏ_３粒子をセラミックガーネットに組み込み、ガーネット相と熱力学的平衡状態にあるＡｌ_２Ｏ_３第２相を散乱の増加に用いる好適な方法を記載している。セラミック材料とアルミナ粒子を含むスラリーを提供し、プレス、スリップキャスティング、テープキャスティング、ローラープレス、押し出し、またはインジェクションモールディングなど方法を用いてそのスラリーからセラミック体を形成し、（任意的に高温均衡プレスと組み合わせた）熱処理を適用することにより、ガンマ線検出に用いるシンチレータ要素に粒子を導入し得る。ボイドを用いるとき、ＬＥＤに関する国際出願公開第ＷＯ２００９０９０５８０Ａ１に記載されているように、グリーン材料にテンプレートを付加することにより、セラミック構造の多孔性を制御できる。国際出願公開第ＷＯ２００９０９０５８０Ａ１は、セラミックの形成におけるスラリー段階において、サイズが適切な高分子含有物（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）の添加による、セラミック物質への細孔の組み込みを開示している。焼結時、高分子含有物は除去され、所望の細孔サイズを有する細孔構造（ｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が残る。ガンマ線検出に用いる多孔性（ｐｏｒｏｕｓ）シンチレータ要素は、セラミック材料と高分子含有物とを含むスラリー（ｓｌｕｒｒｙ）を提供することにより作れる。高分子含有物（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）は、例えばポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）やポリアクリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌａｔｅ）であり、直径が所望のボイドの範囲内にある。次いで、スラリーからセラミック体を形成する。プレス、スリップキャスティング、テープキャスティング、ローラープレス、押し出し成形、インジェクションモールディングなどの方法を用いてセラミック体を形成できる。その後、多孔性セラミック要素を提供するため、高分子含有物はセラミック体から除去される。含有物の除去は、セラミック体を熱処理して行う。高分子含有物は、熱処理の結果として起こる分解や酸化により除去されるので、セラミック体から消失し、それがあった場所がボイドとなる。一般的に、熱処理は、用いる高分子の分解または酸化の温度に応じて、１０００°Ｃまでの温度で、好ましくは５００°Ｃまでの温度で行われる。多孔性セラミックの密度を高くするため、１０００°Ｃより高い温度で、例えば、１７００°Ｃまでの温度で、さらに別の熱処理を行っても良い。留意点として、ボイドは一般的に後で液体充填、気体充填、空気充填されてもよいし、真空下で気体を排気して完全に空（カラ）にしても良い。

結晶構造を有するシンチレータ要素を用いる場合、例えば、レーザーで誘起された欠陥の生成により、シンチレータ要素中にボイドを分散させてもよい。

望ましくは、粒子またはボイドの大きさは、シンチレータ要素内を進むシンチレーション光を効率的に散乱するようなものである。好ましい一実施形態では、これは、粒子やボイドの平均直径を５０ナノメートルないし１０００ナノメートルの範囲にすることにより、実現される。その範囲を１００ナノメートルないし５００ナノメートルにさらに狭めることにより、さらに効率的な散乱が観察され、その結果、光検出器のシンチレーション光捕捉効率がさらに改善される。

本発明において粒子やボイドとの関連において使われる「直径（ｄｉａｍｅｔｅｒ）」との用語は、一般的に用いられている要素「体積径（ｖｏｌｕｍｅｄｉａｍｅｔｅｒ）」と同意語として解釈すべきである。その「粒子と同じ体積を有する球の直径」との定義は、「ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＦｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎａｎｄＦｌｕｉｄ−ＰａｒｔｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍｓ」（ＣＲＣＰｒｅｓｓ２００３，Ｅｄ．ＹＡＮＧ，Ｗｅｎ−Ｃｈｉｎｇ，ＩＳＢＮ：０−８２４７−０２５９−Ｘ）などのテキストブックに記載されている。このように、粒子やボイドは、上記のＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２またはＭｇＯ_２粒子から予想されるように、または上記の製造プロセスにおいて高分子含有物を用いる結果として、形状は完全な球形とは異なるかも知れない。

シンチレータ要素２の屈折率の、シンチレータ要素の光輻射スペクトル内の波長における粒子またはボイド５の屈折率に対する比を用いて、シンチレーション光の散乱の強さを制御してもよい。比が１より大きいと有用な散乱が得られ、粒子またはボイド５の屈折率は、もともとシンチレータ要素２の屈折率とは異なる。好ましい一実施形態では、シンチレータ要素の屈折率の、粒子またはボイドの屈折率に対する比は、シンチレータ要素の光輻射スペクトル内の波長において１．２より大きい。かかる屈折率比により、シンチレーション光の散乱が改善され、この比がさらに大きくなると、散乱がさらに改善される。一例では、粒子は屈折率が１．４５であるＳｉＯ_２であり、シンチレータ要素は屈折率が１．８２であるＬＹＳＯであり、上記の比は約１．２となる。他の一例では、ボイドは屈折率が１である空気充填ボイドであり、シンチレータ要素は屈折率が１．８２であるＬＹＳＯであり、上記の比は約１．８２となる。例えば、屈折率がより高いシンチレータ要素を用いることにより、比をより高くできる。同様に、比をより低くすることもできる。屈折率が確定される波長は、光輻射スペクトル内の任意の波長であってもよく、例えば、シンチレータ要素の光輻射スペクトルのピークの波長であってもよい。

本発明は開示する屈折率の例には限定されないが、一般的な留意点として、上記の比の値が小さければ散乱の効率は悪くなり、その比をできるだけ大きくすることにより、散乱が改善される。屈折率は、ある屈折率を有する流体で細孔またはボイドを充填することによって制御してもよい。一例では、ボイドは屈折率が約１である空気で充填される。この方法で、光検出器のシンチレーション光捕捉効率を改善するため、シンチレータ要素２における散乱をさらに制御してもよい。

本発明の利益を明示するため、図２は、シンチレータ要素からの、光検出器によりキャプチャされる信号のモンテカルロシミュレーションを、シンチレータ要素における対吸収係数に対する散乱係数の比（係数Ｂ）の関数として示す図である。下側の曲線は、シンチレータ要素に追加的反射器を用いていない、図１に示した本発明の第１の実施形態による動作を示す。上側の曲線は、シンチレータ要素に追加的反射器を用いた、図３に示した本発明の第２の実施形態による動作を示す。

図２の縦軸にプロットした捕捉された信号は、最初、散乱係数の吸収係数に対する比が大きくなるにつれ、ベースラインから徐々に大きくなる。反射器がない場合、それゆえ下側の曲線の場合、この比が約０．５を超えると、より顕著な利益が見られ、比が約１０を超えると、捕捉された信号は最初のベースライン値より低くなる。反射器がある場合、それゆえ上側の曲線の場合、捕捉された信号は最初大きくなるが、散乱係数の吸収係数に対する比が約５０を超えると、小さくなり始め、その後、最大プロット範囲である１０００を超えると最初の基準値より低くなる。一般的に、両方の曲線について、光検出器のシンチレーション光捕捉効率は、散乱係数の吸収係数に対する比が０．５ないし１０００の範囲であるとき、許容可能である。一般的に、両方の曲線について、光検出器のシンチレーション光捕捉効率は、散乱係数の吸収係数に対する比が０．５ないし１００の範囲であるとき、許容可能である。反射器がある場合、光検出器のシンチレーション光捕捉効率は、比が１０ないし１００の範囲にあるときに、最高となる。

図２の横軸に沿ってプロットしたファクタＢは、すなわちシンチレータ要素における散乱係数の吸収係数に対する比は、次の手順により定量化できる。吸収係数は、シンチレーション光輻射スペクトル内の波長におけるシンチレータ要素の透過測定により決定される。測定される透過率（Ｔ）は、光経路の入口側及び出口側における反射に対して補正されるが、吸収係数（α_ａｂｓ）とシンチレータ要素の長さ（Ｌ）との積により決まる指数関数的減衰により決定され、下記の式１により表される。留意点として、吸収係数（α_ａｂｓ）と長さ（Ｌ）の単位は一般的にはそれぞれｃｍ^−１とｃｍである。

散乱係数は、ここでは、散乱粒子またはボイドの体積密度と、粒子またはボイドの断面積との積のすべての粒子またはボイドにわたる平均として定義される。一例として、平均直径が５０ナノメートルである球形ボイドは、平均断面積が１９６３ｎｍ^２であり、すなわち約２０００ｎｍ^２である。かかるボイドが１ｃｍ^３あたり１０１０個あるときの体積密度によれば、散乱係数は０．２ｃｍ^−１となる。これは２つの数字をかければ求まる。上で定義した散乱係数の吸収係数に対する比は無次元であり、吸収係数と散乱係数が両方とも同じ単位、例えばｃｍ^−１で測定されたときに計算し得る。直径が２００ナノメートルであるボイドは、体積密度が同じであれば、散乱係数が３．２ｃｍ^−１となり、以下同様である。

本発明の第２の実施形態によると、光検出器は、検出器光インタフェースによりシンチレータ要素と光連結されており、ガンマ線検出装置はさらに少なくとも１つの反射層を有する。少なくとも１つの反射層は、シンチレータ要素の検出器光インタフェース以外の少なくとも１つの面の少なくとも一部と、エアギャップ（ａｉｒｇａｐ）により光連結している。反射層は、シンチレータ要素の上記面に、特に検出器光インタフェース以外の面に入射した光の一部を、シンチレータ要素内に反転するように動作する内向き反射層である。留意点として、この反射層は鏡面反射層または散乱反射層のいずれかであってもよい。

図３は、反射層とエアギャップを含む、本発明の一実施形態によるガンマ線検出装置の一例を示す図である。図３において、反射層１０は、シンチレータ要素２の検出器光インタフェース４以外のすべての面と、エアギャップ９により、光連結している。反射層１０はシンチレータ要素２の検出器光インタフェース４以外のすべての面を覆っているように示したが、必ずしもそうでなくてもよい。シンチレータ要素２の一以上の面の一部をこのように覆うことにより、感度を改善する一部の利益は得られるからである。しかし、光検出器のシンチレーション光捕捉効率を改善するためには、かかる面をすべて覆うことが好ましい。上記の通り、反射層１０は鏡面反射層でも散乱反射層でもよい。どちらでも入射光の一部をシンチレータ要素２に戻すように動作するからである。好適な反射層の材料は、例えば、ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標）、Ｌｕｍｉｒｒｏｒ（登録商標）、ＥＳＲフィルム、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）、ＴｉＯなどである。かかる層を設ける好適な方法は、本技術分野の当業者には知られており、シンチレータ要素の周りを、かかる反射層を有するフィルムで包むことが含まれる。エアギャップは、好ましくは、厚さが１００ナノメートルを超え、反射層１０と、シンチレータ要素２の少なくとも１つの面の少なくとも一部との間に配置される。

作動中、シンチレータ要素２内で発生したシンチレーション光７は、散乱と全反射の組み合わせを経て、光検出器３に到達し、そこで光検出器出力８における電気信号として検出される。シンチレーション光７は、エアギャップ９を有する面に達すると、その入射角が臨界角より大きければ、全反射される。その入射角が臨界角より大きくなければ、反射層１０に達するまで、エアギャップ９により透過される。反射層１０に到達したかかる光は、その一部がシンチレータ要素２に戻るように、反射される。シンチレータ要素２内にいるとき、シンチレーション光７は、光検出器３により検出されるまでに、これらのプロセスを複数回経る。複数の反射が起こるロッシー（ｌｏｓｓｙ）領域に光がトラップされることを減らすことにより、光検出器のシンチレーション光捕捉効率は改善され、それによりガンマ線検出装置１の感度が改善される。

図４は、第１拡散反射層と第２鏡面反射層とエアギャップを含む、本発明の一実施形態によるガンマ線検出装置の一例を示す図である。本発明のこの第３の実施形態によると、第１拡散反射層１１は、第２鏡面反射層１２よりも、シンチレータ要素２に近い。図４において、反射層１１と１２は、シンチレータ要素２の検出器光インタフェース４以外のすべての面と、エアギャップ９により光連結している。第２の実施形態と同様に、反射層１０はシンチレータ要素２の検出器光インタフェース４以外のすべての面を覆っているように示したが、そうであることが好ましいが、必須なことではない。シンチレータ要素２の一以上の面の一部をこのように覆うことにより、感度を改善する一部の利益は得られるからである。

作動中、図４のシンチレータ要素２内で発生したシンチレーション光７は、散乱と全反射の組み合わせを経て、光検出器３に到達し、そこで光検出器出力８における電気信号として検出される。シンチレーション光７は、エアギャップ９を有する面に達すると、その入射角が臨界角より大きければ、全反射される。その入射角が臨界角より大きくなければ、第１拡散反射層１１に達するまで、エアギャップ９により透過される。第１拡散反射層１１に到達したかかる光は、その光の大部分がシンチレータ要素２に戻るように、反射される。第１拡散反射層１１を透過する光の一部は第２鏡面反射層１２まで透過し、鏡面反射され、第１拡散反射層１１を通ってシンチレータ要素２に戻る。シンチレータ要素２内にいるとき、シンチレーション光７は、光検出器３により検出されるまでに、これらのプロセスを複数回経る。複数の反射が起こるロッシー（ｌｏｓｓｙ）領域に光がトラップされることを減らすことにより、光検出器のシンチレーション光捕捉効率は改善され、それによりガンマ線検出装置１の感度が改善される。

第１拡散反射層１１に好適な層材料には、例えば、ＴｉＯ、ＰＴＦＥ及びテフロン（登録商標）が含まれる。第２鏡面反射層１２の好適な層材料には、例えば、金属、Ｌｕｍｉｒｒｏｒ（登録商標）、ＥＳＲフィルム、及びＴｙｖｅｋ（登録商標）などがある。

図５は、本発明の態様によるＰＥＴ画像化システムの一例を示す図である。例えば、図１のガンマ線検出装置１の例、または図３の例、または図４の例を、図５に示したシステムで用いることができる。図５において、ＰＥＴ画像化システム２０は、画像化領域２２からのガンマ線（あるいはガンマ線光子）を受光するために、画像化領域２２に対して放射状に配置された複数のガンマ線検出装置１、２１を有する。複数のガンマ線検出装置は、それぞれガンマ線光子の捕捉を示す電気信号を発生し、その電気信号はバス２４、２５により同時発生判定部２３により受信される。ガンマ線光子は、放射性崩壊後の消滅イベント（放射性崩壊により陽電子が発生し、それが電子と消滅する）の結果として形成される反対方向を向いた一対のガンマ線光子６、２６であってもよい。同時発生判定部２３は、電気パルスにより表される各ガンマ線光子の捕捉時間を評価して、狭い時間間隔内に捕捉された同時発生イベントのペアにガンマ線光子をソートする。時間間隔は、ＰＥＴの場合、一般的には＋／−５ｎｓである。同時発生判定部は、さらに、捕捉された各ガンマ線光子に関連するエネルギーを分析し、２つの光子が狭い時間間隔内に発生し、一般的にはピークガンマ線光子エネルギーの＋／−１０％以内の狭いエネルギーウィンドウ内のエネルギーを有するとき、２つの光子が同時発生したとみなす。同時発生判定部２３は、再構成プロセッサ２７と連結されている。再構成プロセッサ２７は、同時発生判定部２３により捕捉され同時発生したとみなされたガンマ線光子の発生位置の画像を表すデータを再構成するため、捕捉され同時発生とみなされたガンマ線光子の各ペアのライン応答（ｌｉｎｅｏｆｒｅｓｐｏｎｓｅ）を再構成し、さらに複数のかかるライン応答を処理する。再構成プロセッサ２７は、反復的再構成及びフィルタ逆投影法などの手法を用いることができる。再構成プロセッサ２７は、さらに、画像処理部２８と連結している。画像処理部２８は、同時発生ガンマ線光子の発生位置を表すデータを処理して、出力装置上に画像を表すのに好適なフォーマットにするように構成されている。画像処理部２８は、さらに、ディスプレイやプリンタなどの、画像を提示する出力装置２９と連結している。

使用時、画像化対象、例えば、人間や動物の身体の一部分が、図５のＰＥＴ画像化システムの画像化領域２２に位置決めされる。その一部分は、放射性トレーサの摂取を測定したい被験者の一領域や一器官であってもよい。画像化領域２２にその一部分の位置決めをする前に、画像化開始に先立ち、放射性トレーサが被験者に投与され、摂取期間が経過していてもよい。画像化プロセスにおいて、複数のガンマ線検出装置１、２１が、被験者に投与された放射性トレーサの崩壊などに、画像化領域２２における放射性崩壊イベントにより生じたガンマ線光子を捕捉する。画像化プロセスに続き、ＰＥＴ画像化システムは、被験者のその一部分における放射性トレーサの分布を示す画像を生成する。

要約すると、シンチレータ要素と光検出器を有するガンマ線検出装置を、ＰＥＴ画像化システムを参照して説明した。ガンマ線検出装置はＳＰＥＣＴ画像化システムに応用することもできる。シンチレータ要素における複数の反射により光がトラップされることを低減し、それにより放射線検出装置の感度を改善するため、シンチレータ要素中に分散した複数の粒子やボイドがシンチレーション光を散乱する。

本発明を、図面と上記の説明に詳しく示し説明したが、かかる例示と説明は例であり限定ではなく、本発明は開示した実施形態には限定されず、様々なガンマ線検出システムにおけるガンマ線検出に用いることができる。

Claims

ガンマ線検出装置であって、
シンチレータ要素と、
前記シンチレータ要素と光連結された光検出器と、
前記シンチレータ要素に分散した複数の粒子またはボイドを有し、前記複数の粒子またはボイドの平均体積径は５０ナノメートルないし１０００ナノメートルの範囲にある、
ガンマ線検出装置。
前記シンチレータ要素における散乱係数の吸収係数に対する比は０．５ないし１０００の範囲にある、請求項１に記載のガンマ線検出装置。
前記シンチレータ要素は特性光輻射スペクトルを有し、前記シンチレータ要素の光輻射スペクトル内の波長における前記シンチレータ要素の屈折率の、前記粒子またはボイドの屈折率に対する比は１．２より大きい、
請求項１に記載のガンマ線検出装置。
前記粒子は、Ａｌ_２Ｏ_３粒子、ＳｉＯ_２粒子、ＭｇＯ_２粒子のうち少なくとも１つである、請求項１に記載のガンマ線検出装置。
前記ボイドは気体、空気、流体のうちの１つで充填される、
請求項１に記載のガンマ線検出装置。
前記光検出器は検出器光インタフェースにより前記シンチレータ要素と光連結され、
前記ガンマ線検出装置はさらに少なくとも１つの反射層を有し、
前記少なくとも１つの反射層は、前記シンチレータ要素の前記検出器光インタフェース以外の少なくとも１つの面の少なくとも一部と、エアギャップにより光連結している、
請求項１に記載のガンマ線検出装置。
前記少なくとも１つの反射層は、第１拡散反射層と第２鏡面反射層とを含み、
前記第１拡散反射層は前記第２鏡面反射層より、前記シンチレータ要素に近い、
請求項１に記載のガンマ線検出装置。
前記シンチレータ要素はセラミック構造である、
請求項１ないし５いずれか一項に記載のガンマ線検出装置。
前記シンチレータ要素は多孔性セラミック構造である、
請求項１ないし５いずれか一項に記載のガンマ線検出装置。
前記シンチレータ要素は、ガーネット、酸硫化物、酸化物を含む物質群のうちの少なくとも１つから形成される、請求項８または９に記載のガンマ線検出装置。
前記光検出器は光電子増倍管（ＰＭＴ）検出器または固体半導体光検出器のうちどちらかである、請求項１ないし１０いずれか一項に記載のガンマ線検出装置。
ガンマ線検出装置に用いるシンチレータ要素の生産方法であって、
セラミック材料と高分子含有物とを含むスラリーを設けるステップと、
前記スラリーからセラミック体を形成するステップと、
前記セラミック体を熱処理して前記セラミック体から前記高分子含有物を除去し、ボイドが分散された多孔性シンチレータ要素を設けるステップとを有する、
生産方法。
画像化領域を有し、請求項１ないし１２いずれか一項に記載の複数のガンマ線検出装置を有するＰＥＴまたはＳＰＥＣＴ画像化システムであって、
前記複数のガンマ線検出装置は前記画像化領域の周りに配置され、前記画像化領域から放射量子を受光するように構成される、システム。
ガンマ線光子の検出方法であって、
請求項１に記載の前記ガンマ線検出装置で少なくとも１つのガンマ線光子を受光するステップと、
前記少なくとも１つのガンマ線光子の受光に応じて前記光検出器からの電気的出力を発生するステップとを有する、
検出方法。