JP2016538366A - ガーネットシンチレータ組成物 - Google Patents

Abstract

本発明は、式（ＬｕｙＧｄ３−ｙ）（ＧａｘＡｌ５−ｘ）Ｏ１２：Ｃｅによって表現され、ｙ＝１±０．５であり、ｘ＝３±０．２５であり、Ｃｅが０．１モル％乃至０．７モル％のレンジにあるセラミック又は多結晶シンチレータ組成物に関する。シンチレータ組成物は、イオン化放射線の高感度の検出に用途を見出し、ＰＥＴイメージングの分野におけるガンマ光子の検出に使用されることができる。

Description

本発明は、電離放射線の検出に使用されるガーネットシンチレータ組成物に関する。本発明は、ガンマ光子の検出に特定の用途を見出し、ＰＥＴイメージングの分野において使用されることができる。

電離放射線の検出に使用されるシンチレータ組成物は、シンチレーション光のパルスを生成することによって、エネルギー光子の受け取りに応答する。エネルギー光子は、例えばＸ線又はガンマ光子でありえ、結果的に生じる光パルスは、一般に、赤外線乃至紫外線スペクトル域に波長を有する複数の光子を含む。シンチレーション光パルスは、通常、光学検出器を使用して検出され、光学検出器は、電子回路部品によってその後処理されることができる電気パルスをその出力に生成する。全体として、電離放射線検出器と以下記載する光学検出器に光学的に結合されるシンチレータ組成物は、例えばＰＥＴ又はＳＰＥＣＴイメージングシステムのイメージング領域からエネルギー光子を受け取るように構成されることができる。このようなイメージングシステムにおいて、受け取られたエネルギー光子は、その後イメージング領域の放射性崩壊事象を示す画像に再構成されるためのデータを提供する。電離放射線検出器は、同様に、ＣＴイメージングシステムのイメージング領域を横断するエネルギー光子を検出するために使用されることができる。

このような電離放射線検出器に用いられるシンチレータ組成物の選択は、検出器が使用されるイメージングシステムによって課される様々な制約を受ける。ＰＥＴイメージングシステムは、各々の個別のガンマ光子の受け取りを正確に計時する必要及びそのエネルギーを決定する必要のため、そのようなシンチレータ組成物に対する最も厳しい制限のいくつかを課すと考えられることができる。各ガンマ光子の受け取りの時間は、ガンマ光子の同時対の識別において重要であり、かかる同時対は、狭い時間間隔の中でのそれらの検出によって、ラインオブレスポンス（以下、ＬＯＲ）と呼ばれるそれらの検出器の間の空間ラインに沿って存在する放射性崩壊事象によって生成されたものとして解釈される。各々のガンマ光子のエネルギーは更に、ガンマ光子の一方がエネルギー変更を受けた事象の対を捨てることによって、ガンマ光子の時間的に同時の対がＬＯＲに沿って共通の起点を共有するかどうかを確認するために使用されることができる。各々が予め決められた狭いレンジ内にあるエネルギーを有するガンマ光子の同時対は、単一の放射性崩壊事象の結果であると解釈される。各々のガンマ光子のエネルギーは、光パルスを積分することによって、又は各々のガンマ光子によって生成されるシンチレーション光子の数は計数することによって、一般に決定される。

これらの要求は、高い光収率及び短い崩壊時間を有するシンチレータ組成物のめのニーズに現れる。高い光収率は、光学検出器の出力における信号対雑音比を改善し、短い崩壊時間は、パイルアップの防止に重要である。ガンマ光子からのシンチレーション光パルスが以前に受け取られたガンマ光子によって生成されるシンチレーション光パルスと時間的に重複する場合、パイルアップが生じる。パイルアップは、ガンマ光子検出器のタイミング精度及び各ガンマ光子のエネルギーを決定する能力の両方を低下させる。

ＭｅＶ毎の光子単位で測定されるシンチレータ組成物の光収率は、受け取られたエネルギー光子に応答して生成されるシンチレーション光子の数の測定である。高い光収率は、強いフォトピーク吸収を有するシンチレータ組成物を使用することによって達成される。シンチレータ組成物の崩壊時間は、通常、シンチレーション光パルスの崩壊を２つの時定数でフィッティングすることによって決定される。無限に外挿される一次崩壊期間中に放出されるシンチレーション光全体の割合（％）に付随する一次崩壊定数が、初期崩壊をモデル化し、その後、無限に外挿される二次崩壊期間中に放出されるシンチレーション光全体の割合が付随する二次崩壊定数が続く。こうして、光収率及び崩壊時間（その一次及び二次成分を含む）は、シンチレータ組成物の感度に影響を及ぼす２つのパラメータである。

ＰＥＴイメージングシステムは、一般に、複数のイオン化放射線検出器又はより詳しくはガンマ放射線検出器がその周りに配置されるイメージング領域を有し、かかる放射線検出器は、タイミング回路と組み合わされてガンマ光子の受け取りを計時するように構成される。ガンマ光子は、イメージング領域内の放射性トレーサの崩壊に続いて生成されうる。一般に互いに＋／−３ｎｓの時間間隔内で検出されるガンマ光子の対は、同時であるとみなされ、それらの２つのガンマ放射線検出器の間のラインオブレスポンス（ＬＯＲ）に沿って生成されたものとして解釈される。複数のＬＯＲが、その後、イメージング領域内の放射性トレーサ分布を示す画像を再構成するための再構成アルゴリズムを実行する再構成プロセッサへのデータ入力として使用される。

ＰＥＴイメージングシステムの一対のガンマ光子の検出に関連付けられるタイミング確実性は、その同時分解時間（coincidence resolving time）又はＣＲＴによって決定される。ＣＲＴは、異なるガンマ光子検出器によって同時に受け取られる２つのガンマ光子が検出されることが確かな最も狭い時間間隔である。より小さい＋／−３ｎｓの同時分解時間は、一般に、９０ｃｍＬＯＲにそれらの検出を割り当てるために、ＰＥＴイメージングシステムにおいて望ましい。これは、ＰＥＴイメージングシステムの一般的な最大ボア径にほぼ一致する。＋／−３ｎｓより短いＣＲＴを有するＰＥＴイメージングシステムにおいて、ＬＯＲに沿った一対のガンマ光子の起点位置の評価は、２つのガンマ光子の検出の正確な時間に基づいて、決定されることができる。より短いＣＲＴは、このようなイメージングシステムの再構成プロセッサが、そのイメージング領域内の放射性トレーサ分布のより正確な画像を再構成することを可能にする。この原理は、＋／−３ｎｓより小さいＣＲＴが好ましく、＋／−１ｎｓより小さいＣＲＴが一層好ましいＴＯＦ（Time of Flight）ＰＥＴイメージングシステムに用いられる。ＰＥＴイメージングシステムのＣＲＴは、シンチレータ崩壊時間によって、シンチレータ組成物内で散乱するガンマ光子の蓋然性によって、シンチレータ組成物内のガンマ光子の深さ位置情報（depth of interaction、ＤＯＩ）によって、シンチレータ組成物のジオメトリによって、及び電子タイミング回路のタイミング精度によって、影響される。従って、ＣＲＴを最小にすることは、ＰＥＴイメージングシステムの感度を改善する際の重要な目標であり、これは、短い崩壊時間を有するシンチレータ組成物を使用することを付加的に強調する。

ＰＥＴイメージングシステムの使用に適した知られているシンチレータ組成物は、刊行物"Luminescence: From Theory to Applications", Wiley-VCH, Darmstadt, 2007, C. Ronda (Ed.)に開示されている。これらは、ＬＹＳＯ（ルテチウムイットリウムオキシオルト珪酸塩）の結晶及びＬａＢｒ_３クリスタルを含む。４４ｎｓの崩壊時間の存在下、ＬＹＳＯのシンチレーションは、３３０００光子／ＭｅＶの光収率によって報告されている。２５ｎｓの崩壊時間の存在下、より高い光収率が、ＬａＢｒ_３において報告されている。単結晶組成物は、単結晶組成物に見られる阻止能、崩壊時間及び光収率の最良の組み合わせのために、ほぼ排他的に求められている。

近年、ガーネット結晶が、刊行物"Composition Engineering in Cerium-Doped (Lu,Gd)₃(Ga,Al)₅O₁₂ Single-Crystal Scintillators", K. Kamada et al, Cryst. Growth Des., 2011, 11 (10), pp 4484 -4490に開示されるように、シンチレータ組成物としての使用を報告されている。この刊行物（それの適応された結果が図１の表に示される）によれば、基準単結晶Ｇｄ３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２ガーネット組成物の光収率は、ルテチウムがＬｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_２Ａｌ_３Ｏ_１２を形成するように組成物に組み込まれる場合に、４５９３１光子／ＭｅＶから３０６２７光子／ＭｅＶまで大きく低減される。図１の表の光収率は、相対的なアルミニウムに対するガリウム含有量が増大される場合に、３０６２７光子／ＭｅＶから１８１６６光子／ＭｅＶに低減することが分かる。この効果は、温度消光として文献において知られている。

ガーネットシンチレータ組成物は、米国特許第6630077B2号明細書、独国特許出願公開第102013103783A1号明細書、米国特許第7252789B2号明細書、米国特許第6793848B2号及び欧州特許出願公開第463369A1号明細書からも知られている。

本発明は、知られているシンチレータ材料の制限を克服することを追及する。

本発明の目的は、改善された感度を有するイオン化放射線の検出に使用されるシンチレータ組成物を提供することである。本発明の別の目的は、低減された崩壊時間をもつシンチレータ組成物を提供することである。本発明の別の目的は、改善された光収率をもつシンチレータ組成物を提供することである。本発明の別の目的は、改善された阻止能をもつシンチレータ組成物を提供することである。本発明の別の目的は、ガンマ光子検出器に改善された感度を提供することである。本発明の別の目的は、改善されたＣＲＴをもつＰＥＴイメージングシステムを提供することである。

これらの目的は、請求項１に規定されるラミック又は多結晶ガーネット組成物を有する本発明によって達成される。

本発明の１つの見地によれば、組成物中のルテチウム対ガドリニウムの比のレンジが制御される。

本発明の別の見地によれば、ガリウム対アルミニウムの比のレンジが制御される。

本発明の別の見地によれば、組成物中のセリウム含有量のレンジが制御される。制御されたレンジ内で、セリウム含有量は、シンチレータ組成物が感度の高いシンチレータとして動作するために、十分に高い光収率と十分に短い崩壊時間との間のバランスを与えることが分かった。

本発明の別の見地によれば、組成物の崩壊時間は、５５ｎｓより短く又はそれに等しい。ルテチウム対ガドリニウムの比に影響を及ぼすパラメータｙの選択されたレンジ、ガリウム対アルミニウムの比に影響を及ぼすパラメータｘのレンジ、及び組成物中のセリウムレンジは一緒に、５５ｎｓより小さい又はそれに等しい崩壊時間をもたらし、従って、感度の高いシンチレータ組成物を与える。

本発明の別の見地によれば、光収率は、３００００光子／ＭｅＶを越える。ルテチウム対ガドリニウムの比に影響を及ぼすパラメータｙの選択されたレンジ、ガリウム対アルミニウムの比に影響を及ぼすパラメータｘのレンジ、及び組成物中のセリウムレンジは一緒に、３００００光子／ＭｅＶを越える光収率をもたらし、従って感度の高いシンチレータ組成物を与える。

本発明の別の見地によれば、イオン化放射線用の検出器が提供される。イオン化放射線検出器は、光学検出器と光学的に通信する請求項１に記載のガーネット組成物を有する。１つの実現例において、イオン化放射線はガンマ放射線であり、イオン化放射線検出器はガンマ光子検出器である。

本発明の別の見地によれば、ＰＥＴイメージングシステムが提供される。ＰＥＴイメージングシステムは、上述のガンマ光子検出器の複数を有する。ＰＥＴイメージングシステムは、代替として、ＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステムでありうる。

本発明の別の見地によれば、請求項１のガーネットシンチレータ組成物を有するＰＥＴイメージングシステム又はＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステムが、７５０ｎｓより短いＣＲＴを有する。ルテチウム対ガドリニウムの比の選択されたレンジ、ガリウム対アルミニウムの比、及びガーネットシンチレータ組成物内のセリウムの選択されたレンジは、７５０ｎｓより短いＣＲＴを有する感度の高いイメージングシステムをもたらす崩壊時間及び光収率の組み合わせを与える。

本発明の別の見地によれば、ガーネット組成物の製造方法が提供される。

文献"Composition Engineering in Cerium-Doped (Lu,Gd)3(Ga,Al)5O12 Single-Crystal Scintillators", K. Kamada et al, Cryst. Growth Des., 2011, 11 (10), pp 4484-4490から適応されるさまざまな結晶ガーネット組成物の光収率、一次崩壊定数及び二次崩壊定数を示す図。 本発明による、ｙ＝１を有するセラミックガーネット組成物Ｌｕ１Ｇｄ２Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２と、ｙ＝０を有する従来技術の単結晶ガーネット組成物Ｇｄ３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２との比較を示す図。 さまざまなセラミックガーネット組成物における、フォトピーク吸収に対するルテチウム含有量の変更の影響のモンテカルロシミュレーション結果を示す図。 さまざまなセラミックガーネット組成物において測定された光収率に対する、ルテチウム含有量、従ってパラメータｙの変化の影響を示す図。 さまざまなセラミックガーネット組成物において測定された光収率及び測定された一次崩壊定数τ１に対する、ガリウム含有量、従ってパラメータｘの変更の影響を示す図。 さまざまなセラミックガーネット組成物において測定された光収率及び測定された一次崩壊定数τ１に対する、セリウム含有量の変更の影響を示す図。 異なるセリウム濃度を有するさまざまなガーネット組成物において測定された光収率の安定性に対する、セリウム含有量の変更の影響を示す図。 さまざまなモル（％）セリウムドーパント濃度について同時分解時間（ＣＲＴ−２）及び光収率の測定を示す図。 本発明のシンチレータ組成物が使用されることができる例示的なガンマ光子検出器１を示す図。 本発明の特定の見地による、例示的なＰＥＴイメージングシステム２０を示す図。 式Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２：Ｃｅによって表現されるさまざまなセラミックガーネット組成物において測定される光収率の安定性に対する、セリウム含有量の変更の影響を示す図。 式Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２：Ｃｅによって表現されるさまざまなセラミックガーネット組成物において、測定された一次崩壊定数τ１、基準ＬＹＳＯサンプルに対する測定された光収率、時間＝１０年における１０日目に対する外挿された光子ゲイン、及び測定された同時分解時間（ＣＲＴ）に対する、セリウム含有量の変更の影響を示す図。

本発明のガーネットシンチレータ組成物が、ＰＥＴイメージングシステムのガンマ光子検出に関して記述される。しかしながら、本発明が、更にイオン化放射線検出のより幅広い分野に用途を見出し、ＣＴ又はＳＰＥＣＴイメージングシステムにおいて使用されることができることが理解されるべきである。

本発明によれば、式（Ｌｕ_ｙＧｄ_３−ｙ）（Ｇａ_ｘＡｌ_５−ｘ）Ｏ_１２：Ｃｅによって表現され、ｙ＝１±０．５であり、ｘ＝３±０．２５であり、Ｃｅが、０．１モル％乃至０．７モル％のレンジにあるセラミック又は多結晶ガーネット組成物が提供される。組成（Ｌｕ_ｙＧｄ_３−ｙ）（Ｇａ_ｘＡｌ_５−ｘ）Ｏ_１２は、セリウムドーパントが、ガンマ光子のようなエネルギー光子の受け取りに続く光放出を容易にするホスト構造を提供する。この組成は、部分的に、ガーネット組成物の感度がその阻止能を制御することによって改善されることができるという認識から生じる。シンチレータ組成物の阻止能は、予め決められた厚さの中で到来ガンマ光子を吸収するためのその能力を決定する。より高い阻止能を物質は、低減された厚さのシンチレータ組成物の中で到来ガンマ光子の同じ割合を捕捉することを可能にする。組成物の阻止能は、その原子番号又はｚ番号と共に増大する。従って、原子番号７１のルテチウムは、原子番号６４をもつガドリニウムより高い阻止能を有する。本発明において、パラメータｙはルテチウム対ガドリニウムの比を制御し、従って、阻止能は、パラメータｙを増大することによって増大される。

図２は、ｙ＝１を有する本発明によるセラミックガーネット組成物Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ２Ｏ_１２と、ｙ＝０を有する従来技術の単結晶ガーネット組成物Ｇｄ_３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２との間の比較を示す。図２のセラミック組成物の相対的な光収率は、従来技術の基準単結晶組成物の８２％である。更に、セラミック組成物の一次崩壊定数τ１は、単結晶組成物のおよそ半分である。図２の表の結果を得るために使用された基準単結晶組成物は、FURUKAWA DENSHI Co., Ltd, Marunouchi Nakadori Bldg., Marunouchi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, JAPAN, 100-8370から入手されたものであり、その測定された一次崩壊定数τ_１は、製造業者のスペックに従う値である９０ｎｓ値と同等である。更に、実験的なＰＥＴイメージングシステムにおいてテストされる場合、本発明のセラミック組成物のＣＲＴは、従来技術の単結晶ガーネットにおいて測定されるＣＲＴと比較して約３０％低減される。図２に示されるセラミック組成物の低減された崩壊時間は、１８％という相対的に小さい光収率の低下を犠牲にして、シンチレータ組成物の感度の大幅な改善を示す。従来技術の基準単結晶組成物のＣＲＴと比較して本発明のセラミック組成物において低減されるＣＲＴは、改善されたタイミング性能を示し、本発明の組成物をＴＯＦ ＰＥＴの使用に特に適したものにする。

しかしながら、このような結果は、結晶ガーネット組成物に関する文献"Composition Engineering in Cerium-Doped (Lu,Gd)3(Ga,Al)5O12 Single-Crystal Scintillators", K. Kamada et al, Cryst. Growth Des., 2011, 11 (10), pp 4484 -4490に示されるデータを考慮しても予期されるものではない。図１の表を参照して分かるように、パラメータｙを増大すること、従ってＡｌ_２を有する単結晶ガーネット組成物においてＧｄをＬｕと置き換えることは、行２の４２２１７光子／ＭｅＶから行５の１８１６６光子／ＭｅＶまで光収率を大きく低下させ、従って、変更なしのＧｄ_３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２組成物と比較して４３％まで低減させる。逆に、上述したように、本発明のセラミック組成物のパラメータｙの同じ増加の効果（つまりＧｄをＬｕと置き換える）は、光収率が基準単結晶組成物Ｇｄ_３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２の８２％である。従って、セラミック組成物Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２の光収率は、従来技術及び単結晶組成物Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２に基づいて期待されるものより２倍高く、シンチレータ物質のフィールドの性能の重要な改善を表す。

このような結果は、それらの結晶対応物と比較して光収率を大幅に分解させていたと考えられるセラミックシンチレータ物質の観点でも予期されない。

セラミック組成物Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２の高い光収率の重要な点は、温度消光が、本発明の高いガリウム含有量のセラミック組成物には、単結晶組成物から期待されるのと同じ程は発生しないことである。これは、図２の表のセラミック組成物の短い一次崩壊定数τ_１によって確認される。温度消失は、光収率及び崩壊時間を低下させ、図１の表の行１乃至３の経過において従来技術の単結晶組成物には観察される。この経過を通して、ガリウム対アルミニウムの比（すなわちパラメータｘ）の段階的な増加は、低減される一次崩壊定数τ_１及び低減された光収率を生じさせる。光収率が図２のセラミック組成物において高いままであることは、この高いガリウム含有量のセラミック組成物における低減された温度消失を示す。

ガーネットシンチレータ組成物のパラメータｙは、ルテチウム対ガドリニウムの比に影響を及ぼす。図３Ａは、さまざまなセラミックガーネット組成物において、フォトピーク吸収に対してルテチウム含有量の変更が及ぼす影響のモンテカルロシミュレーション結果を示す。フォトピーク吸収（パーセンテージとしてここで記録される）は、フォトピークに堆積される到来ガンマ光子エネルギーの元の５１１ｋｅＶのエネルギーの一部である。フォトピーク吸収の高いパーセンテージが望ましく、なぜなら、それは、それらのエネルギーに基づく到来ガンマ光子の弁別を可能にするからである。これは、エネルギー変更散乱を受けたガンマ光子の排除を可能にし、これは、ＰＥＴイメージングシステムにおける同時検出されたガンマ光子の対にＬＯＲを割り当てるプロセスにおいて特に利益を得るという見地をもつ。図３Ａから、組成物のルテチウムの量（従ってパラメータｙ）が増大されるにつれて、フォトピーク吸収のパーセンテージが増大することが分かる。更にシンチレータ素子の長さの増加は、シンチレータ物質の増大されたボリュームを犠牲にして、フォトピーク吸収を増大する。

図３Ｂは、さまざまなセラミックガーネット組成物において、測定された光収率に対する、変化するルテチウム含有量（従ってパラメータｙ）の影響を示す。図３Ｂから、組成物中のルテチウムの量（従ってパラメータｙ）を増大することは、光収率を低下させる影響を与えることが分かる。従って、最終的にシンチレータ感度に影響を及ぼすのが光収率であるので、ルテチウム含有量の低い値が好ましい。

図３Ａ及び図３Ｂは共に、高いフォトピーク吸収及び高い光収率が達成されるレンジｙ＝１±０．５を示す。レンジをｙ＝１±０．２５に狭めることは、一層改善された性能をもたらし、レンジをｙ＝１±０．に狭めることは、最高の性能をもたらす。

ガーネットシンチレータ組成物のパラメータｘは、ガリウム対アルミニウムの比に影響を及ぼす。図４は、さまざまなセラミックガーネット組成物において、測定された光収率及び測定された一次崩壊定数τ１に対する、変更されるガリウム含有量（従ってパラメータｘ）の影響を示す。上述したように、高い光収率は、光学検出器の出力において信号対雑音比を改善し、短い崩壊時間は、パイルアップの防止にとって重要である。図４の表において、ガリウム含有量が増大されるにつれて、光収率及び減衰時間が低下することが分かり、減衰時間は相対的に非常に速いレートで低下する。光収率対崩壊時間の比が更に、図４の表にプロットされており、これは、望ましくは最大にされる品質パラメータとみなされることができる。光収率対崩壊時間の比の値を増大するために、図４は、高いガリウム含有量（従ってｘの高い値）を有するガーネット組成物の使用を示している。しかしながら、この利点は、光収率が許容できないほど低いレベルに落ちる場合は減らされる。従って、高い光収率及び短い崩壊時間が一緒に達成されることができるレンジｘ＝３±０．２５がある。レンジをｘ＝３±０．１に狭めることは、一層改善された性能をもたらし、レンジをｘ＝３±０．０１に狭めることは、最も高い性能をもたらす。

本発明のガーネットシンチレータ組成物において要求されるセリウム含有量は、好適には０．１モル％乃至０．７モル％のレンジにある。セリウムは、ガーネットホストからの光放出を引き起こすドーパントである。従って、最小のセリウム含有量が、光放出のために必要とされる。

図５は、さまざまなセラミックガーネット組成物において測定された光収率及び測定された一次崩壊定数τ１に対する、セリウム含有量の変更の影響を示す。図５から、０．１モル％から０．４モル％までセリウム含有量を増大することは、光収率のわずかな増加及び一次崩壊定数τ_１のわずかな増加をもたらすことが分かる。

図６は、異なるセリウム濃度を有するさまざまなガーネット組成物において測定された光収率の安定性に対する、セリウム含有量の変更の影響を示す。図６において、５１１ｋｅＶのガンマ光子によってシンチレータ組成物に生成される光学光子の総数の測定値が、さまざまなガーネット組成物について異なる時点に記録される。各々の組成物において生成される初期光子数は、グラフの左側に、最初の１００％のデータポイントによって示される。こうして、各組成物において生成される光子数のその後の測定値は、この初期値に合わせてスケーリングされる。時間＝０の測定における直後に、信号は、２時間のタイムスパンの間に大きく減衰する。これは、サンプルの取付けの間の可視光による強い照射の後、又は強いＸ線パルスの後に見られるアフターグローの効果である。次の測定は、５１１ｋｅＶのガンマ光子によってシンチレータ組成物に生成される光子の総数を示す。図６のＦｕｒｕと記された曲線は、図２の第１行に示される基準単結晶サンプルＧｄ_３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２に対応する。図６のすべての他の結果は、セラミックガーネット組成物Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２に関する。１つのサンプルは、０．４モル％のセリウムを有し、２つの他のサンプルの各々は、０．２モル％のセリウムを有し、第４のサンプルは、０．１モル％のＣｅを有する。図６から、０．４モル％のセリウムを有するセラミックガーネット組成物は、５１１ｋｅＶのガンマ光子によってシンチレータ組成物に生成される相対的な光子数の低下を示すことが分かる。０．４モル％のセリウムを有するサンプルは、１日１．０％の低下を示し、ゆえに、０．１−０．２モル％のセリウムを有するサンプルよりも不安定である。一方が酸素中でアニールされ、他方が窒素中でアニールされた、０．２モル％のセリウムを有する２つのサンプルの間のアニール条件の違いは、測定された安定性に対して無視できるほどの影響しか及ぼさず、短期間のアフターグローにのみ影響を及ぼす。従って、全体的にみて、図５及び図６は、短い減衰時間及び高い光収率は、セリウム含有量が０．１モル％乃至０．２モル％のレンジにある場合に安定したガーネットシンチレータ組成物において達成されることができる。セリウム含有量のレンジ０．１モル％乃至０．３モル％は、許容できる安定性の結果を与えるものと考えられる。

図７は、さまざまなモル（％）セリウムドーパント濃度に関する同時分解時間（ＣＲＴ−２）及び光収率（光子）の測定値を示す。低いＣＲＴ及び高い光収率は、ＰＥＴイメージングシステム用のガーネット組成物の感度を最適化するのに望ましい。図７から、高い光収率及び低いＣＲＴが、０．１乃至０．４モル％のレンジのセリウム含有量を有するガーネットシンチレータ組成物において達成できることが分かる。

有利には、本発明のセラミック組成物は、単結晶組成物より簡単な製作プロセスを与え、それにより、製作費用を低減する。プレス工程を使用してセラミック材料を形成する能力は、適応される形状及び単結晶の製造方法と比べてより少ない費用により、シンチレータ組成物を製造する自由度を一層改善する。更に、ガドリニウム元素の一部をより安価な元素であるルテチウムと置き換えることによって、組成物の費用が低減されることができる。

本発明のシンチレータ組成物は、従来のセラミック製作技法に従って準備された。高純度の原材料で、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３及びＣｅＯ_２の４Ｎ又はそれ以上が、計量され、２ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３ボールを使用してジャー内の水の中で混合された。混合の後、スラリが、乾燥され、粒状化された。その後、サンプルが、ドライプレスされた。バインダの燃焼後、サンプルは、真空炉で１６５０乃至１７５０℃の温度で焼結された。酸素を含む大気中でのアニールが、焼結後に実施され、この場合、１０００乃至１６００℃の温度が適切であることが分かった。サンプルは、アニールされたサンプルをグラインドし研磨した後、キャラクタライズされた。

図に示される実施形態において測定された光収率は、以下のプロシージャに従って決定された。研磨されたサンプルが、反射体シートによってカバーされるガーネットスティックのアレイに組み立てられた。このアレイは、光電子増倍管ピクセル及びガーネットスティックが１対１の対応であるように、Cargille Meltmountを使用してシリコン光電子増倍管（Philipsのデジタル光子カウンタ）のアレイに光学的に結合された。封止されたＮａ−２２放射線源が、アレイのガーネットスティックの上方１０ｃｍの距離のところに置かれ、別のシンチレータアレイが、Ｎａ−２２ソースの上方１０ｃｍの距離のところに置かれ、それにより、両方のアレイ上での同時の測定が可能にされた。約５分の時間スパンの間、５１１ｋｅＶのガンマ量子の吸収後の光子ゲインが、反復的に測定され、平均された。

図に示される実施形態において測定されたＣＲＴは、同じ測定装置を使用して決定された。Ｐｈｉｌｉｐｓのデジタル光子カウンタは、計数される光子数の測定データ及測定のタイムスタンプを提供する。両方のアレイ上のシンチレータスティックの対において測定された同時の事象が、同時分解時間に関して評価された。シンチレータスティックのすべての対のＣＲＴの統計分布が、ガーネットスティックの各タイプについてＣＲＴを得るために平均された。

図に示される実施形態において測定された減衰時間は、以下のプロシージャに従って決定された：単一のガーネットスティックが、５つの面上で反射シートによってカバーされ、シリコンゲルを用いて光電子増倍管の面プレートに光学的に取り付けられた。Ｎａ−２２放射線源及び第２の光電子増倍管が、同時の測定を可能にするように配置された。光電子増倍管のうちの１つにおいて測定されたガンマ量子によってトリガされた光電子増倍管からの電気信号が、デジタル記憶オシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ）により読み取られた。約１時間の時間スパンの間、５１１ｋｅＶのガンマ量子の吸収後の光電子増倍管からの信号が、測定され、記憶され、擬似信号について補正され、平均され、一定の減衰時間を決定するために評価された。

ここに記述される本発明のさまざまな実施形態は、ガンマ光子検出及びＰＥＴイメージングシステムにおけるそれらの例示的な使用に関して記述されている。

図８は、本発明のシンチレータ組成物が使用されることができる例示のガンマ光子検出器１を示す。図８において、ガンマ光子検出器１は、光学的に通信可能なシンチレータ組成物２及び光学検出器３を有する。光学検出器は、例えばＰＭＴ、又はシリコンアバランシェフォトダイオード（Si APD）又はシリコン光電子増倍管（SiPM）のような固体半導体光学検出器でありえ、光学放射線を電気信号に変換するように動作する。望ましく、光学検出器の感度は、シンチレータ組成物によって放出されるシンチレーション波長の特徴的なレンジに合わせられる。使用中、シンチレータ組成物２によるガンマ光子４の受け取りは、シンチレータ組成物２のシンチレーション波長の特徴的なレンジに対応する周波数をもつ複数の光子を含むシンチレーション光５の生成をもたらす。一般に、シンチレーション光５の光子は、捕捉されたガンマ光子４より非常により小さいエネルギーを有し、従って、シンチレーション光は、紫外線から可視光を通って赤外域までの光学波長を含みうる。その後、シンチレーション光５の一部が、光学検出器３によって捕捉され、光学検出器出力９において、ガンマ光子４の捕捉を示す電気信号を生じさせる。電気信号は、その後、電気回路によって処理されることができる。ガンマ光子４は、一対の逆向きのガンマ光子４、６のうちの１つでありうる。ガンマ光子の対は、放射性崩壊に続く消滅事象の結果として形成されることができ、放射性崩壊は、陽電子７を生成し、電子８によって消滅される。放射性崩壊のソースは、例えば放射性トレーサでありうる。反射層のような光学コーティング１０が、シンチレータ組成物２の、光学検出器と光学通信するもの以外の１又は複数の面に使用されることができ、それにより、光学検出器３によって捕捉されるシンチレーション光の一部を増大するようにシンチレーション光５を維持する。例えば無反射コーティング又はインデックス整合されたコーティングのようなインタフェースコーティング１１が、シンチレータ組成物２と光学検出器３と間に配置されることができる。

図９は、本発明の特定の見地により、例示のＰＥＴイメージングシステム２０を示す。図８の例示的なガンマ光子検出器が、図９に示されるシステムにおいて使用されることができる。図９において、ＰＥＴイメージングシステム２０は、イメージング領域２３の軸２２を中心に半径方向に配置された２又はそれ以上のガンマ光子検出器１、２１を有する。この構成において、軸２２は、イメージング領域の長手軸である。２又はそれ以上のガンマ光子検出器１、２１の各々が、それらの対応する光学検出器出力２４、２５において、受け取ったガンマ光子を示す電気信号を生成する。光学検出器出力２４、２５は、同時決定ユニット２６と電気的に通信する。同時決定ユニット２６は、光学検出器出力２４、２５からの電気信号に基づいてガンマ光子の対の時間同時性を評価する。同時決定ユニット２６は、予め決められた閾値条件を満たす各々の電気信号２４、２５に、タイムスタンプを割り当てることができ、それらの電気信号又はタイムスタンプが、狭い時間間隔、一般には＋／−３ｎｓの中で生じる場合、２つのガンマ光子を同時のものとみなす。同時決定ユニット２６は更に、例えば電気信号及びゆえにガンマ光子によってシンチレータ組成物において生成された光パルスを積分することによって、各々の捕捉された光子のエネルギーを解析することができ、２つの光子の両方が、狭い時間間隔内で生じるとともに、狭いエネルギーウィンドウ内、一般にピークガンマ光子エネルギーの＋／−１０％の内のエネルギーを有する場合、２つの光子を同時のものとみなす。同時決定ユニット２６は更に、例えば光学検出器のアレイ全体のそのシンチレーション光の空間分布に基づいて、シンチレータ組成物のガンマ光子の深さ位置情報（depth of interaction、ＤＯＩ）を計算することができる。ＤＯＩは、そのＤＯＩが散乱ガンマ光子を示す時間同時のガンマ光子を除外するために使用されることができる。同時決定ユニット２６は、再構成プロセッサ２７と通信し、再構成プロセッサ２７は、同時であると考えられる捕捉された光子の各対についてＬＯＲを構築し、ＬＯＲの複数を更に処理して、同時決定ユニット２６によって同時であるとみなされた捕捉された光子の起点位置を含む画像を表現するデータを再構成する。改善されたタイミング精度、従って改善されたＣＲＴを有するＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステムにおいて、各々のガンマ光子の検出の正確な時間が、ＬＯＲに沿った２つのガンマ光子４、６が生成された位置を特定するために、使用されることもでき、それによって再構成された画像の品質を改善する。再構成プロセッサ２７は、画像処理ユニット２８と通信し、画像処理ユニット２８は、出力装置上に画像を表示するのに適した形式にするように、同時光子の起点位置を表現するデータを処理するように構成される。画像処理ユニット２８は、例えばディスプレイ、プリンタ等の画像を表示するための出力装置２９と更に通信する。

使用中、イメージングされる被検体３１の一部３０（例えば人間又は動物の身体の一部）が、図９の例示的なＰＥＴイメージングシステムのイメージング領域２３に位置付けられる。一部３０は、例えば放射性トレーサの摂取を測定することが望まれる被検体内の器官のような領域を表現することができる。イメージング領域２３にイメージングされる被検体３１の一部３０を位置付ける前に、放射性トレーサが、被検体に投与されることができ、摂取期間が、イメージングの開始前に経過するようにされる。イメージングプロセスの間、２又はそれ以上のガンマ光子検出器１、２１が、例えば被検体に投与された放射性トレーサの崩壊のようなイメージング領域２３内の放射性崩壊事象から生じるガンマ光子を捕捉する。ＰＥＴイメージングに使用される一般的な放射性トレーサは、フルデオキシルグコース、ＦＤＧ、又はフッ素−１８と標識され、その崩壊が各々５１１ｋｅＶのエネルギーを有するガンマ光子の対を生じさせるグルコースの類似体である。イメージングプロセスに続いて、ＰＥＴイメージングシステムは、イメージングされる被検体３１の一部３０の中の放射性トレーサの分布を示す画像を生成する。

例示的なＰＥＴイメージングシステム２０は更に、例えばＣＴ又はＭＲイメージングシステムのような第２のイメージングシステムと同軸で配置されることができ、それにより、ＰＥＴイメージングシステム及びＣＴ又はＭＲイメージングシステムによる同時又は順次のイメージングが行われることができる。ＰＥＴ及び第２のイメージングシステムは、軸方向に離れたイメージング領域を有することができ、又はイメージングデータが２つのイメージングシステムによって収集される共通のイメージング領域を共有することができる。

図１０は、式Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２：Ｃｅによって表現されるさまざまなセラミックガーネット組成物において測定された、光収率の安定性に対するセリウム含有量の変更の影響を示す。図１０の各々のトレースは、その製造以来１０日目に同じサンプルによって提供された光収率のパーセンテージとして、所与の時間の光収率を表現する。daysというタイトルの水平軸は、サンプル製造以降の日数を表す。０．０５モル％のＣｅセラミックガーネットからの測定値が、図１０に示されており、高い光収率安定性が、図６に示されるものより低いセリウム濃度でも達成されることを実際に示している。

図１１は、式Ｌｕ_１Ｇｄ_２Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２：Ｃｅによって表現されるさまざまなセラミックガーネット組成物において、測定された一次崩壊定数τ_１、基準ＬＹＳＯサンプルに対する測定された光収率、時間＝１０年における１０日目に対する外挿された光子ゲイン、及び測定された同時分解時間（ＣＲＴ）に対するセリウム含有量の変更の影響を示す。図１１に記録される時間＝１０年における１０日目に対する外挿された光子ゲインは、１０年の時間まで図１０の測定値を外挿し、ｙ軸の値を表すことによって得られた。図１１は、０．０５モル％のＣｅセラミックガーネットからの測定値を含み、短い一次崩壊定数、高い光収率、高度に安定した光収率、及び短い同時分解時間のすべてが、０．０５モル％のＣｅセラミックガーネット組成物によって提供されることを実際に示している。

全体として、図１乃至図７、図１０及び図１１の結果は、０．０５モル％乃至０．７モル％のレンジのセリウム含有量の好ましさを示しているが、０．０１モル％乃至０．７モル％のレンジも許容できることが期待される。０．０１モル％乃至０．４モル％、又は０．０５モル％乃至．４モル％にレンジを狭めることは、短い一次崩壊定数、改善された光収率、及び改善された同時分解時間を有する組成物を提供する。０．０１モル％乃至０．２モル％、又は０．０５モル％乃至０．２モル％にレンジを更に狭めることは、改善された光収率安定性を有する組成物を提供する。

要約すると、式（Ｌｕ_ｙＧｄ_３−ｙ）（Ｇａ_ｘＡｌ_５−ｘ）Ｏ_１２：Ｃｅによって表現され、ｙ＝１±０．５であり、ｘ＝３±０．２５であり、Ｃｅが０．０１モル％乃至０．７モル％のレンジにあるセラミック又は多結晶シンチレータ組成物がここに開示される。この組成物は、その光収率、減衰時間に関連して感度を改善しており、そのセラミック又は多結晶の形式は、有利には、単結晶組成物と比較してより簡単な製造プロセスに適している。シンチレータ組成物は、イオン化放射線の感度の高い検出に用途を見出し、例えばＰＥＴイメージングの分野のガンマ光子の検出に使用されることができ、低下されたＣＲＴは、有利には、より正確なＰＥＴ画像を提供する。

本発明は、図面及び上述の説明において詳しく図示され記述されているが、このような図示及び記述は、制限的なものではなく、説明的又は例示的なものと考えられることができる。本発明は、開示された実施形態に制限されず、さまざまな応用分野におけるイオン化放射線の検出に使用されることができる。

Claims (18)

1. 式（Ｌｕ_ｙＧｄ_３−ｙ）（Ｇａ_ｘＡｌ_５−ｘ）Ｏ_１２：Ｃｅによって表現され、ｙ＝１±０．５であり、ｘ＝３±０．２５であり、Ｃｅが０．０１モル％乃至０．７モル％のレンジにある、セラミック又は多結晶のシンチレータ組成物。
2. Ｃｅが、０．０５モル％乃至０．７モル％のレンジにある、請求項１に記載のシンチレータ組成物。
3. Ｃｅが、０．１モル％乃至０．７モル％のレンジにある、請求項１に記載のシンチレータ組成物。
4. Ｃｅが、０．０５モル％乃至０．２モル％のレンジにある、請求項１に記載のシンチレータ組成物。
5. Ｃｅが、０．１モル％乃至０．２モル％のレンジにある、請求項１に記載のシンチレータ組成物。
6. ５５ｎｓ以下の一次崩壊定数を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンチレータ組成物。
7. ３００００光子／ＭｅＶを越える光収率を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシンチレータ組成物。
8. 光学検出器と光学的に通信する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシンチレータ組成物を有するガンマ光子検出器。
9. イオン化放射線を検出する検出器であって、光学検出器と光学的に通信する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシンチレータ組成物を有する検出器。
10. イメージング領域を有し、請求項８に記載のガンマ光子検出器の複数を有するＰＥＴイメージングシステムであって、前記複数のガンマ光子検出器が、前記イメージング領域の軸の周囲に半径方向に配され、前記イメージング領域からガンマ光子を受け取るように構成される、ＰＥＴイメージングシステム。
11. 請求項１０に記載のＰＥＴイメージングシステムを有するＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステムであって、崩壊事象によって生成された及びガンマ光子検出器によって実質的に同時に受け取られたガンマ光子の対の間の時間差を計算することによって、イメージング領域内の崩壊事象の起点位置を特定するタイミング回路を更に有する、ＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステム。
12. ７５０ｎｓ未満の同時分解時間を有する、請求項１０に記載のＰＥＴイメージングシステム又は請求項１１に記載のＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステム。
13. 請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のＰＥＴイメージングシステム及び第２のイメージングシステムを有する統合イメージングシステムであって、
    前記第２のイメージングシステムが、前記ＰＥＴイメージングシステムのイメージング領域の軸から軸方向に隔てられたイメージング領域、又は前記ＰＥＴイメージングシステムのイメージング領域と一致するイメージング領域を有する、統合イメージングシステム。
14. 前記第２のイメージングシステムが、コンピュータトモグラフィ、ＭＲ又は超音波イメージングシステムである、請求項１３に記載の統合イメージングシステム。
15. ガンマ光子を検出する方法であって、
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシンチレータ組成物でガンマ光子を受け取るステップと、
    前記シンチレータ組成物と光学的に通信する光学検出器を使用して前記シンチレータ組成物によって生成されるシンチレーション光を検出するステップと、
    受け取ったガンマ光子に応じた電気出力を前記光学検出器から生成するステップと、
    を含む方法。
16. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシンチレータ組成物の製造方法であって、
    所望のシンチレータ組成物を得るために適した割合で物質Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３及びＣｅＯ_２を提供するステップと、
    スラリを得るために、前記物質を分散剤の存在下でミリングするステップと、
    粒状化された混合物を形成するために前記スラリを乾燥するステップと、
    ペレットを形成するために前記粒状化された混合物をドライプレスするステップと、
    前記ペレットを加熱するステップと、
    真空炉で１６５０℃乃至１７５０℃のレンジの温度で前記ペレットを焼結するステップと、
    １０００℃乃至１６００℃のレンジの温度で前記ペレットをアニールするステップと、
    を含む製造方法。
17. ガンマ光子検出器又はＰＥＴイメージングシステムにおける、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシンチレータ組成物の使用。
18. イメージング領域内の放射性トレーサの分布を示すＰＥＴ画像を生成する方法であって、
    被検体に放射性トレーサを投与するステップと、
    前記放射性トレーサの投与後、予め規定された摂取期間待機するステップと、
    請求項１０に記載のＰＥＴイメージングシステム、請求項１１に記載のＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステム、又は請求項１２に記載のＰＥＴイメージングシステム若しくはＴＯＦ ＰＥＴイメージングシステムにより被検体の一部をイメージングするステップと、
    を含む方法。

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