JP2017090451A - 異なる反射体層を有するシンチレーション結晶アレイを含む装置及び関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光出力が高められたシンチレータ結晶のアレイを含む装置を提供すること。
【解決手段】ＰＥＴスキャナ等のための放射線検出器はシンチレータ結晶のアレイを含み得る。各シンチレータ結晶は研磨端面と、前記研磨端面の反対側にある粗端面と、前記研磨端面と前記粗端面との間で延びる複数の研磨側面とを有する。当該検出器は前記シンチレータ結晶のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨側面の間にある鏡面反射体層と、前記シンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接する拡散反射体層とを含み得る。当該検出器は前記シンチレータ結晶のアレイの研磨端面に隣接する少なくとも１つの光検出器をさらに含み得る。
【選択図】図１

Description

本発明は放射線検出器の分野に関し、より具体的にはシンチレーション結晶に基づく検出器及び関連方法に関する。

ポジトロン断層法（ＰＥＴ）は、身体の腫瘍又は他の異常状態を検出する非侵襲性のツールとして用いられる現代の三大医療診断方法のうちの１つである。現代のＰＥＴスキャナは、ｘ−ｙ寸法が比較的小さく且つｚ寸法が長いガンマ線検出器として非常に多数のシンチレーション結晶を用いるのが一般的であり得る。一般に、約２００００〜３００００のそのようなシンチレーション結晶は、各陽電子−電子対消滅（positron-electron annihilation）イベントからの２つの放出ガンマ線を捕捉すること（capture）で位置を高精度に特定するために、ＰＥＴスキャナ検出器リングにおいて用いられる。放出位置をたどることができるため、それに従って腫瘍の画像を再構築できる。

シンチレーションはガンマ線を捕捉し、それを光電子倍増管（ＰＭＴ）、フォトダイオード又はより高度なシリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）等の光検出器で検出可能な可視光に変換するプロセスである。当然ながら、検出を効果的なものにするには、各ガンマ線捕捉イベントによって生成される可視光子をより多くすることが望ましい。

高エネルギー物理学における様々な高エネルギー粒子を検出するという願望から、ガンマ線の捕捉毎により多くの光子を生成するより効率的なシンチレータ結晶についての広範な研究が過去１世紀なされてきた。ＰＥＴスキャナにとっては、ガンマ線を捕捉するだけでなく、正確な画像再構築を行うために捕捉した位置を知ることができるのも望ましい。そのため、シンチレータ結晶は、２次元のアレイブロックに詰められる薄く且つ長い長方形のロッドになるように切断されるのが一般的である。これらのアレイブロックは、様々なサイズの検出器リングを形成するためにＰＥＴスキャナ内に設置される。特定の用途に応じて、患者又は動物がそれらの体内の腫瘍を検出するために走査される。

検出器のアレイブロックの構成はＰＥＴスキャナの性能にとって重要である。光収率が高く、ガンマ線を効率的に捕捉するために良好な阻止能を持つシンチレータ結晶を有するように選択することが望ましい。多数の結晶が共に詰められるため、結晶を切断及び研磨してそのような小さく且つ薄いロッドにすることができるように、結晶は機械的な強度があることが望ましい。これらの結晶の一般的な物理的サイズは、特定の用途に応じて断面の寸法が６ｍｍから下は０．５ｍｍまで、長さが３０ｍｍから下は５ｍｍまでと様々である。アレイブロックのサイズも、用いられる光検出器の種類、光検出器の具体的な寸法及び形状並びに検出の具体的なスキームに応じて異なる。

ＰＭＴ検出器を用いるガンマ線検出の従来の方法において、シンチレーション結晶ブロックはそれぞれＰＭＴの構成に応じて１２×１２、１３×１３、１４×１４又はそれよりも大きいアレイに形成されるのが一般的である。個々の結晶は高反射性のフィルムによって互いに光学的に離される。高反射性のフィルムは、光がＰＭＴに到達するように放出される１つの端面を除く、結晶の５つの面を覆う。例えば、１４×１４アレイブロックは、４つのＰＭＴのみを共有する１９６の結晶ピクセルを含む。放出されるシンチレーション光が４つのＰＭＴの全てに到達できるようにするために、アレイブロックとＰＭＴとの間で特殊な設計の導光体が使用され得る。放出する結晶の厳密な位置を特定するのに用いられる原理は、これらの４つのＰＭＴからの分散光の共有比を算出することに基づく。ＰＭＴは比較的高価な検出器であるため、一般的なＰＥＴスキャナの全体的なコストを抑えるためには、使用するＰＭＴが可能な限り少ないことが望ましいが、それと同時に、シンチレーション光源の位置を正確に特定できることも望ましい。現在、１４×１４アレイは、ＰＭＴの場合の検出の限界に達している。この場合の各ＰＭＴは４９の結晶を共有する。そのため、フルサイズのスキャナーリングの場合、製造業者は、コストを抑えつつも十分に高い画像解像度を有するように、使用するＰＭＴの合計数を６００未満に抑え得る。

放出ピクセルの位置を正確に算出できるようにするために、４つのＰＭＴの全ては同じ時間枠で適切な量の放出される光子を検出できるべきである。これは、シンチレーション結晶が、入射するガンマ線の捕捉毎に可能な限り多くの可視光子を放出することが望ましいことを意味する。これが、最良のシンチレーション結晶を見つけるために広範な研究が行われている本当の理由である。しかしながら、どのようにしてそのような光の放射の多い結晶を見つけるかには限界がある。光の放出が良好であっても、シンチレーション光がＰＭＴに到達できるように該光を結晶の端面に導くことも同様に重要である。したがって、結晶の一端で十分な光を反射し出射できるよう最良の反射フィルムを選択する試みもなされている。

患者の身体から可能な限り多くの放出ガンマ線を捕捉できるように、シンチレーション結晶が体積を最大にして検出器リングに詰められることが望ましい。これは反射材料の体積を減らし得ることを意味する。そのため、反射フィルムは薄く且つ効果的でなければならない。数年に亘って、数多くの材料が反射体として選択されてきた。使用されてきた公知の反射体のうちのいくつかのものとしては、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２又はＢａＳＯ_４でできた白色ペイント、ＭｇＯ又はＴｉＯ_２の固体粉末、テフロン（商標）テープ、ルミラーフィルム又は３Ｍ・ビキュイティ・強化鏡面反射体（Enhanced Specular Reflector）（ＥＳＲ）フィルム等の反射フィルムが挙げられる。そのような材料は製造、とりわけ大量生産を容易にするために比較的互換性がなければならない。従来のＰＭＴ検出器ベースのアレイブロックでは、反射フィルムの選択は寛容である。何故なら、シンチレーション結晶のサイズは通常それほど小さくないからである。

多くの特許文献にシンチレータ結晶及び使用する様々な反射材料を調製してそのような結晶のアレイを作製する方法が開示されている。例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４のそれぞれには様々な結晶及びパッケージング構成が開示されている。

米国特許第５６１０４０１号明細書 米国特許第８４８１９５２号明細書 米国特許第９０１２８５４号明細書 米国特許第８４２６８２３号明細書

とりわけ、ＰＥＴスキャナ等の放射線検出器のために、より良好なシンチレーション結晶性能に対する要望が依然存在する。

ＰＥＴスキャナ等の装置はシンチレータ結晶のアレイを含み得る。各シンチレータ結晶は研磨端面（polished end）と、前記研磨端面の反対側にある粗端面（roughed end）と、前記研磨端面と前記粗端面との間で延びる複数の研磨側面とを有する。鏡面反射体層は前記シンチレータ結晶のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨側面間にあり、拡散反射体層は前記シンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接する。

実施形態は、シンチレータ結晶のアレイのために異なる種類の反射材料を用いて、該アレイの一端での光出力を高め、隣接する結晶の間にある反射材料の体積分率（volume fraction）を低減し及び／又は大量生産のために組み立て手順を簡略化する。

例えば、前記鏡面反射体層はビキュイティ（商標）強化鏡面反射体（ＥＳＲ）層を含み得る。また、例えば、前記拡散反射層はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含むか又はＭｇＯ、ＴｉＯ_２及びＢａＳＯ_４のうちの少なくとも１つを含み得る。各シンチレータ結晶はＬＹＳＯ、ＬＳＯ、ＢＧＯ、ＮａＩ（Ｔ１）、ＬａＢｒ_３、ＧＳＯ、ＬＧＳＯ及びＧＡＧＧのうちの１つを含み得る。

各シンチレータ結晶の粗端面は６００メッシュグリット研磨材（mesh grit abrasive）を使用するラッピングに基づき得るが、他のアプローチも考えられる。

いくつかの実施形態では、シンチレーション結晶は０．４〜６．３ｍｍの範囲のｘ寸法及びｙ寸法を有し得る。そして、各シンチレーション結晶は５〜３０ｍｍの範囲のｚ寸法を有し得る。また、前記粗端面及び前記研磨端面のそれぞれは正方形状であり得る。

前記装置は、前記シンチレータ結晶のアレイの前記研磨端面に隣接する少なくとも１つの光検出器をさらに含み得る。前記装置は、信号を処理して、例えばＰＥＴスキャン用に画像を生成するために、前記少なくとも１つの光検出器に連結される、プロセッサ及び関連するメモリをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、前記装置は前記プロセッサに連結される少なくとも１つの他の画像スキャナをさらに含み得る。

前記少なくとも１つの光検出器は複数の光電子倍増管を含み得る。他の実施形態では、前記少なくとも１つの光検出器は複数の固体光検出器を含み得る。

方法の態様は、放射線検出器を作製するためのものである。当該方法は、各シンチレータ結晶が研磨端面と、研磨端面の反対側にある粗端面と、研磨端面と粗端面との間で延びる複数の研磨側面とを含むように複数のシンチレータ結晶を形成するステップを含み得る。当該方法は、複数のシンチレータ結晶をアレイ状にするとともに、該シンチレータ結晶のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨側面の間に鏡面反射体層を有するように配列するステップと、シンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接して拡散反射体層を設けるステップとをさらに含み得る。

図１は、本発明に係るＰＥＴ／ＣＴスキャナの概略図である。 図２は、図１のスキャナにおける放射線検出器の分解斜視図である。 図３は、図１のスキャナで使用され得る放射線検出器の一部の概略側面図である。 図４は、図２の１４×１４シンチレーション結晶アレイの上面図である。 図５は、線５−５に沿った図４の断面図である。 図６は、図４及び図５に係る１４×１４アレイの写真である。 図７は、本発明に係る１６×１６のシンチレーション結晶のアレイの別の実施形態の斜視図である。 図８は、図７の１４×１４シンチレーション結晶アレイの上面図である。 図９は、線９−９に沿った図８の断面図である。 図１０は、図７〜図９に係る１４×１４アレイの写真である。 図１１は、実施例１の光出力データのグラフである。 図１２は、実施例２の光出力データのグラフである。 図１３は、実施例４の光出力データのグラフである。 図１４は、実施例６の光出力データのグラフである。 図１５は、実施例７の光出力データのグラフである。 図１６は、実施例８の光出力データのグラフである。 図１７は、実施例９の光出力データのグラフである。

本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照しながら、本発明を以下でより詳細に説明する。しかしながら、本発明は多種多様な形態で実施されることがあり、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈すべきでない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分且つ完全なものとなり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えることができるように設けられている。全体を通じて、同様の参照符号は同様の要素を示し、代替的な実施形態における同様の要素を示すためにプライム表記法（prime notation）が用いられる。

先ず図１及び図２を参照して、ＰＥＴ／ＣＴを組み合わせたスキャナ２０の形態の装置を説明する。ＰＥＴ／ＣＴスキャナ２０は、後でより詳細に説明するように光出力が改善されたシンチレーション結晶３０を含む。ＰＥＴ／ＣＴスキャナ２０は筒状のセンサリング２１と、それに関連する患者搬送プラットフォーム２２とを含む。ＰＥＴ／ＣＴスキャナ２０は、当業者であれば分かるようにＣＴ画像を生成し得る従来のＣＴコンポーネントを含み得る。当業者であれば分かるように、シンチレーション結晶３０はＰＥＴスキャナ又はＳＰＥＣＴスキャナにおいて使用され得る。それに加えて、シンチレーション結晶３０は、他の実施形態においてはマルチモーダルＰＥＴ／ＭＲＩスキャナと共に使用され得る。

ＰＥＴ／ＣＴスキャナ２０は、当業者であれば分かるように、ＰＥＴ及びＣＴ画像の組み合わせ画像をディスプレイ２４上に生成するプロセッサ及び関連するメモリ２３も含み得る。シンチレーション結晶３０は、動物又は人間の身体のためのＰＥＴスキャナで使用され得る。そのようなＰＥＴスキャナは、図１に示すフルサイズのＰＥＴ／ＣＴスキャナ２０よりも小さいのが一般的である。シンチレーション結晶３０は、当業者であれば分かるように、例えば物品／コンテナの検査等の他の放射線検出用途においても使用され得る。

ＰＥＴ／ＣＴスキャナ２０は、複数のアレイブロック３５からできたシンチレータ結晶３０のアレイを含む。図２に１つの１４×１４アレイブロックを示す。各シンチレータ結晶３０は研磨端面３０ａと、研磨端面の反対側にある粗端面３０ｂと、研磨端面及び粗端面の間で延びる複数の研磨側面３０ｃとを含む。図１の分解拡大部に示すように、鏡面反射体層３１はシンチレータ結晶３０のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨面の間に位置するものとして図示され（明確性のために、シンチレーション結晶のうちの１つのみを示す）、拡散反射体層３２はシンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接して位置している。

アレイの一端３０ａにおける光出力を高め、隣接する結晶間の反射材料の体積分率を減らし、大量生産のために組み立て手順を簡略化するために、実施形態ではシンチレータ結晶３０のアレイのために異なる種類の反射材料が使用される。

例えば、鏡面反射体層は、ミネソタ州セントポールの３Ｍ・エレクトロニック・ディスプレイ・ライティング・オプティカル事業部から入手可能なビキュイティＥＳＲ層を含み得る。

拡散反射層３２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含み得る。あるいは、拡散反射体層３２は、例えばＭｇＯ、ＴｉＯ_２及びＢａＳＯ_４のうちの少なくとも１つを含み得る。当業者であれば分かるように、各シンチレータ結晶は、ＬＹＳＯ、ＬＳＯ、ＢＧＯ，ＮＡＩ（Ｔ１）、ＬＡＢｒ_３、ＧＳＯ、ＬＧＳＯ及びＧＡＧＧのうちの１つを含み得る。

各シンチレータ結晶３０の粗端面３０ｂは、６００メッシュグリット研磨材を使用するラッピングに基づき得るが、他の方法も考えられ得る。例えば、粗端面３０ｂは他の研磨材又は表面処理により形成されてもよく、最初に結晶をノコギリで切断することにより形成され得る。

いくつかの実施形態では、シンチレーション結晶のｘ寸法及びｙ寸法のそれぞれの範囲は０．４〜６．３ｍｍであり得る。そして、各シンチレーション結晶のｚ寸法の範囲は５〜３０ｍｍであり得る。また、粗端面３０ｂ及び研磨端面３０ａのそれぞれは正方形状であり得る。当然ながら、他の実施形態では、端面３０ａ、３０ｂはｘ寸法及びｙ寸法が異なる長方形状であり得る。例えば、一部の結晶は６．２８×４．１８ｍｍの長方形状で、長さが２５ｍｍであり得る。それに加えて、より小さい結晶はピッチが０．５ｍｍで、実際の幅が０．４３ｍｍであり得る。

ＰＥＴ／ＣＴスキャナ２０は、シンチレーション結晶３０のアレイの研磨端面３０ａに隣接する少なくとも１つの光検出器を含む。より具体的には、図２に示すように、アレイブロック３５からの光を検出するために、４つの光電子倍増管３６及び介在する導光体３７が設けられている。図３をさらに参照して説明する別の実施形態では、当業者であれば分かるように、ＳｉＰＭ等の複数の固体光検出器によって光検出器が提供され得る。

方法の態様は、放射線検出器を作製するためのものである。当該方法は、各シンチレータ結晶が研磨端面３０ａと、研磨端面の反対側にある粗端面３０ｂと、研磨端面と粗端面との間で延びる複数の研磨側面３０ｃとを含むように複数のシンチレータ結晶３０を形成するステップを含み得る。当該方法は、複数のシンチレータ結晶をアレイ状にするとともに、シンチレータ結晶３０のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨側面の間に鏡面反射体層３１を有するように配列するステップと、シンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接して拡散反射体層３２を設けるステップとを含み得る。

従来の方法では、結晶間の薄膜として反射が最も高い材料を用い、アレイブロックの外面を覆うのにも同じ材料が用いられてきた。この場合、１つの端面が開いたままにしてシンチレーション光を放出させて光検出器に到達できるようにする。

本明細書で開示するように、長く且つ薄い結晶の開放端面（open end）から反射されて出射（reflected out）できるシンチレーション光の割合（fraction）を高めるために異なる反射材料及び異なる結晶面の組み合わせを用いる。鏡面反射体材料及び拡散反射体材料の双方が合致する結晶面の仕上げと協働して光を外に導く。実際の効率はシンチレーション結晶の物理的なサイズ及び幅に対する長さのアスペクト比にも左右され得る。長い結晶３０の高研磨側面３０ｃのためにＥＳＲ等の鏡面反射体材料が用いられ、テフロンテープ（ＰＴＦＥ）又はＢａＳＯ_４ペースト等の拡散反射体材料が光出射面３０ａの反対側にある１つの端面３０ｂで用いられる。この拡散性は微細に研がれた（fine ground）拡散端面３０ｂによってさらに高められる。粗端面３０ｂにおける拡散面は、反射の数が少なくなるか又は最小限となり、それ故に反射損失が少ないか又は最小限な状態で光が反射されて出射されるように、シンチレーション光を多くの方向に拡散して側面３０ｃへの低い入射角を実現する。反射がなければ損失が１００％ないことから、結晶３０内での内部反射の合計数を減らすことは重要な側面であると論理化されるが、出願人はそれに縛られるのを望んではいない。反射毎の損失が数パーセントであっても、側面３０ｃにより光の大半は多数の反射によって素早く吸収され得るため、研磨端面３０ａで出て行くものが少ししか残らない。これは、幅に対する長さのアスペクト比が高い、薄く且つ長い結晶の場合にとりわけあてはまり得る。

残念ながら、より高い画像解像度への後押しと、全固体光検出器（all solid photodetector）の採用により、結晶の長さを減らすことなく結晶ピクセルの幅を減らすことが一般的なトレンドとなっている。これは、入射するガンマ線を捕捉する十分な阻止能を持つには結晶の長さが必要なためである。本明細書で開示の実施形態は、幅に対する長さの比が高い、薄く且つ長い結晶３０でできたアレイに特に適している。

過去においては、大半の取り組みは最良の反射材料を見つけることに重点が置かれてきた。金属ホイルや薄い金属被膜等の鏡面反射型の反射体が試されてきたが結果は非常に悪いものであった。白色ペイント又はペースト材料等の拡散型反射体はまだましな結果を示してきた。ＭｇＯ、ＴｉＯ_２及びＢａＳＯ_４等の白色顔料も用いられてきた。現在、ＢａＳＯ_４のペイント又はペーストはより良好な結果をもたらすようである。しかしながら、アレイブロックにおける結晶の間に、ＢａＳＯ_４ペイント又はペーストの薄く且つ厚さが均一な層を０．１ｍｍ未満の厚さで適用することは非常に時間がかかるとともに困難なプロセスとなる。そのため、実用的な目的のために、ペイントの厚さは約０．２ｍｍ以上に限られてきた。結晶の幅が比較的大きいもの（＞３ｍｍ）であればこれで十分であり得る。しかしながら、結晶の幅がより小さい（＜２ｍｍ）アレイにとってこれはより重要な問題になる。何故なら反射体材料の体積分率が大きくなるからである。

より薄い拡散反射体材料としては、テフロンテープが良好な結果を示す最も一般的に用いられている材料である。全ての種類のシンチレーション用途にとって、それが１つの結晶かアレイブロックかに関わらず、テフロンテープは断トツで最も汎用性のある最良の反射体材料のようである。残念ながら、テフロンテープにも限界がある。第１に、テフロンテープの反射体の設置は手でしか行うことができないため常に非常に労働集約的なプロセスである。第２に、テフロンテープの厚さは薄い場合は０．０７ｍｍであるが、サイズが大きい結晶（＞３ｍｍ）の場合にしか適していないようである。薄い結晶の場合には性能は悪くなるとともに、２ｍｍ未満の幅の結晶を覆うのは非実用的である。性能の悪化の理由は、各反射において拡散光の反射及び吸収が過剰なことに起因する。

テフロンで包まれた結晶は結晶ピクセルの幅に対する長さの比が６未満の場合に効果的であり得る。例えば、４×４ｍｍ結晶は２４ｍｍよりも大きい長さを有するべきでなく、２０ｍｍまであることが好ましい。これは内部反射の合計数が少なくなるからである。サイズが２×２×２０ｍｍでアスペクト比が１０等の長さが同様のより薄い結晶の場合では過剰な内部反射に起因して光出力がより悪いものになる。

新しいＥＳＲフィルムは部類が完全に異なる反射材料である。ＥＳＲフィルムは、光スペクトルの可視領域において全反射の方程式（ｄ＝ｍλ／２ｎ）を満たす厚さを有する複数のプラスチックフィルムの薄層で構成されるシートである。ＥＳＲフィルムは平均厚さが０．０６５ｍｍと非常に薄い。実に、ＥＳＲフィルムの反射体を用いて作製したアレイブロックの結果は比較的良好である。ＥＳＲフィルムの利点は各反射において反射損失が低い点である。しかしながら、ＥＳＲフィルムにも鏡面反射性が過度であり且つ拡散性が十分でないという問題がある。ＥＳＲフィルムは多くの他の用途において良好な性能を有するが、シンチレータアレイブロックの場合には完全ではない。拡散タイプの反射体に比べて、ＥＳＲフィルムは寸法ピクセルが小さい場合（＜２ｍｍ）に妥当に機能するが、寸法ピクセルが大きい場合（＞３ｍｍ）にはあまり効果的ではない。これは、全ての表面が研磨された結晶でできたアレイブロックに基づく。この結果はＢａＳＯ_４ペースト及びテフロンテープの結果に対して逆のようである。

本明細書で開示する実施形態は、適切な結晶表面に適合して光出力を高めるか又は最大化するために、各種の反射体材料の利点を生かすハイブリッド反射体を有するアレイブロック３５に関する。係る実施形態は、結晶の幅が大きいもの及び小さいものの両方を含む多くのサイズのアレイブロックにも適し得る。

ハイブリッド反射体アレイブロック３５は次のようなデザイン特徴に基づく。鏡面反射ＥＳＲ反射体層３１が結晶３０の４つの側面３０ｃに用いられる。結晶３０は研磨された４つの側面を有する。この４つの側面３０ｃによる各反射の損失が低減されているか又は最小限に抑えられていることが望ましい。他方、鏡面反射だけによる結晶３０の内部の光は望ましくない場合がある。高角度の鏡面反射は４つの側面３０ｃにより結晶３０の内部に光を閉じ込めて研磨端面３０ａから決して出ることができない。シンチレーションプロセスにより生成される光が、多くの方向への拡散反射に分かれることが望ましい場合がある。したがって、長い結晶３０の開放研磨端面３０ａから光を出すのを助けるために、拡散反射面と、拡散反射体３２と組み合わせた微細に研がれた端面又は粗端面３０ｂとを有することが望ましい場合がある。

ＥＳＲフィルム又は鏡面反射体層３１は非常に薄いため（０．０６５ｍｍ）、反射体材料の体積分率が低減され、ガンマ線の捕捉の機会を高めるためにシンチレーション結晶３０の比較的高いパッキング密度（packing density）が得られる。これは、幅寸法が小さい結晶の場合に特にあてはまる。

反射フィルムが厚くなり過ぎるとシンチレーション材料の体積分率が少なくなるため、反射フィルムの厚さは重要である。例えば、０．１ｍｍの厚さの反射体を有する、断面が４×４ｍｍの結晶の場合、反射体フィルムの体積分率は４．８％になる。結晶の断面が１×１ｍｍまで小さくなり、同じ０．１ｍｍの厚さの反射体フィルムを用いる場合、反射体の体積分率は１７．４％に増加する。反射体フィルムの厚さが０．１ｍｍよりも大きくなると、その体積分率は一層大きくなる。０．２ｍｍの厚さの反射体を有する４×４ｍｍの結晶の場合、反射体の体積分率は９．３％に増加する。例えば、現代のハイエンドＰＥＴスキャナにとって、このような高い体積分率は許容されない場合がある。

ＰＥＴ検出器リングは、多くの結晶３０を有する多数のアレイブロック３５を一般的に含む。大量生産のために組み立てプロセスを簡略化することが望ましい。固体ＥＳＲフィルムにより、結晶３０及び鏡面反射層３１を共に高精度で詰めることができる。これは、寸法が小さい結晶３０の場合に特にあてはまる。全固体光検出器４０’を用いる現代のアレイブロック３５’の場合、そのデザインのためにアレイブロックの高精度なピッチが重要になり得る。本明細書で説明する実施形態はこの目標を実現するのにとりわけ有用である。

図４〜図６は大型の１４×１４アレイブロック３５の構成を示す。一般に、図２に示す光検出器であるＰＭＴ３６に合ったものである。例えば、現代のＰＥＴスキャナの場合、最も一般的に用いられるシンチレータ結晶はＢＧＯ、ＬＳＯ及びＬＹＳＯである。本明細書で開示の実施形態はこれらの結晶の全て及び当業者であれば分かるように他の可能性のあるものにも効果的である。

図７〜図１０は、小型の１６×１６アレイブロック３５’の構成を示す。小型のアレイブロック３５’は一般にＳｉＰＭ型の固体光検出器４０’（図３）に合う。

実施例１
全ての面が研磨されたサイズが３．８６×３．８６×１９ｍｍのＬＹＳＯ結晶で１４×１４アレイブロックを作製した。ＬＹＳＯ結晶のアスペクト比は１９／３．８６＝５．０である。結晶の間と、シンチレーション光が出射される底面以外のアレイブロックの５つの外面の全体とにおいてＥＳＲフィルムが鏡面反射体層として用いられた。ブロックは、密閉された箱内のＨａｍａｍａｔｓｕ Ｒ８７７ＰＭＴの上に開放面が配置されるとともに外光が内部に入り込まないような状態で下向きに置かれた。アレイブロックの上の少し離れた所にＮａ−２２放射線源を配置した。これは、陽電子−電子対消滅プロセスに基づく５１１ＫｅＶガンマ線放射を生成するのに用いられた。シンチレーション光は、５１１ＫｅＶガンマ線を捕捉した後にＬＹＳＯ結晶によって生成された。Ｃａｎｂｅｒｒａ Ｇｅｎｉｅ ２０００分光計によってシンチレーション放射の強度を記録した。分光計は、強度を１００に設定するＢＧＯ結晶標準で事前に較正されていたため、測定したシンチレーション光の全ての強度を直接比較することができる。全てをＥＳＲ反射体層としたブロックの場合、記録された光強度は４１４であった。光出力データを図１１に示す。プロット５１は各チャンネルにおける実際のカウントのデータであり、プロット５２は実際のカウントに基づく平滑化した曲線であり、プロット５３は光のピークの基線を示す線分であり、プロット５４は光のピークのＦＷＨＭを示す線分であり、プロット５５は光のピークのスペクトルの傾斜である。

実施例２
続きの実施例の全てにおいても、実施例１で説明したものと全く同じ設定を用いてシンチレーション光の強度を測定した。ここでも、記録したシンチレーション光の強度を全ての実施例の間で直接比較できるように分光計を事前に較正した。ここでは、実施例１と同じ１４×１４アレイブロックを用いたが、上面のＥＳＲ反射体層を取り外してテフロンテープの反射体層に置換した。測定した光強度は４４０であり、光出力が僅かに改善した。光出力データを図１２に示す。プロット６１は各チャンネルにおける実際のカウントのデータであり、プロット６２は実際のカウントに基づく平滑化した曲線であり、プロット６３は光のピークの基線を示す線分であり、プロット６４は光のピークのＦＷＨＭを示す線分であり、プロット６５は光のピークのスペクトルの傾斜である。この実施例は、鏡面反射層に比べて端面を拡散層とすることで光の出射が改善されることを示す。

実施例３
実施例２で説明したもの同じブロックを用いたが、上面のテフロンテープ反射体層を取り外した。その後、アレイブロックの上端面を６００メッシュ研磨材で粗面化した。その後、ブロックを十分に洗浄し且つ乾燥させた。次いで、微細に研いだ上面にＥＳＲ反射体カバーを取り付けた。同じ設定を用いて測定した光強度は５３４であった。光出力にとってこれは大幅な改善である。ＥＳＲ鏡面反射体層が端面にあっても、結晶の微細に研がれた端面が光を拡散反射されるように分け、それによりアレイブロックの開放端面からの出射を促進することができた。

実施例４
実施例３と同じブロックを用い、上面のＥＳＲ反射体層を取り外した。そして、テフロンテープの反射体層で置換した。同じ設定を用いて測定した光強度は５９５であった。光出力データを図１３に示す。プロット７１は各チャンネルにおける実際のカウントのデータであり、プロット７２は実際のカウントに基づく平滑化した曲線であり、プロット７３は光のピークの基線を示す線分であり、プロット７４は光のピークのＦＷＨＭを示す線分であり、プロット７５は光のピークのスペクトルの傾斜である。類似の４つの実施例のうちで、これは最良の結果である。実施例１と比較した場合、光出力強度は４４％増加した。拡散性のテフロンテープと、微細に研いだ（粗面化した）結晶の拡散端面と、十分に研磨した側面の鏡面反射ＥＳＲ反射体フィルムの組み合わせは、結晶の外にシンチレーション光を導く最も効率的な方法をもたらす。

これら先の４つの実施例は、サイズが比較的大きい結晶でできたアレイブロックの場合にハイブリッドアレイブロックが効果的であることを示す。他方、結晶が大きく且つ幅に対する長さのアスペクト比が小さいアレイブロックの場合、純粋な拡散反射体デザインによってアレイブロックの端部で非常に良好な光の出射をもたらすことができるのが分かる。

実施例５
５つの面が研磨され、１つの３．６１ｍｍ×３．６１ｍｍの端面が６００メッシュ研磨材でラッピングされた、サイズが３．６１×３．６１×１９ｍｍのＬＹＳＯ結晶で別の１４×１４アレイブロックを作製した。ＬＹＳＯピクセルのアスペクト比は１９／３．６１＝５．２６である。結晶の間と、シンチレーション光が出射される底面以外のアレイブロックの５つの外面の全体とにおいてＥＳＲフィルムが鏡面反射体層として用いられた。同じ設定を用いて測定した光出力は５７０であった。結果は実施例４のハイブリッド実施形態に近かった。

ここでも、拡散反射がアレイブロックの端面における光の出射を促進する。この高性能を実現するには結晶ピクセルのアスペクト比が小さいことが重要となりうる。そのため、全拡散反射であっても、結晶のアスペクト比が短い場合は内部反射の合計数が最小限に抑えられ、光の出射が最大化され得る。

しかしながら、テフロンテープは、結晶が大きく且つ幅広な大型のアレイブロックにしか適していない。これは、テフロンテープで結晶を包むのに膨大な作業が必要になるからである。さらに、テフロンテープの体積分率はＥＳＲフィルムに比べて高い。そのため、結晶のサイズ及び幅が小さい小型のアレイブロックの場合、性能が素早く低下し、アレイブロックを作製する困難性が急速に高まる。

実施例６
全ての面が研磨された、サイズが１．５２×１．５２×１２ｍｍのＬＹＳＯ結晶で小型の１６×１６アレイブロックを作製した。ＬＹＳＯ結晶のアスペクト比は１２／１．５２＝７．９である。結晶の間と、シンチレーション光が出射される底面以外のアレイブロックの５つの外面の全体とにおいてＥＳＲフィルムが鏡面反射体層として用いられた。シンチレーション検出システムの同じ設定を用いて測定した光強度は３９９であった。光出力データを図１４に示す。プロット８１は各チャンネルにおける実際のカウントのデータであり、プロット８２は実際のカウントに基づく平滑化した曲線であり、プロット８３は光のピークの基線を示す線分であり、プロット８４は光のピークのＦＷＨＭを示す線分であり、プロット８５は光のピークのスペクトルの傾斜である。

実施例７
ここで、実施例６のものと同じ１６×１６アレイブロックを用いたが、上面のＥＳＲ反射体カバーをテフロンテープ反射体層で置換した。同じ測定設定を用いて測定した光強度は４５９であった。光出力データを図１５に示す。プロット９１は各チャンネルにおける実際のカウントのデータであり、プロット９２は実際のカウントに基づく平滑化した曲線であり、プロット９３は光のピークの基線を示す線分であり、プロット９４は光のピークのＦＷＨＭを示す線分であり、プロット９５は光のピークのスペクトルの傾斜である。

この実施例でも、小型のアレイブロックにおいては鏡面反射端面に比べて拡散端面で光の出射が改善することが示される。この実施例を、４１４から４４０に光が改善した実施例１及び実施例２の相対結果と比較すると、結晶の研磨端面を用いる場合では、拡散反射体層は幅の大きい結晶ブロックよりも幅の小さい結晶ブロックに効果的であると結論付けることができる。

実施例８
本実施例は、５つの面が研磨され、１つの端面が６００メッシュ研磨材で研がれた（即ち粗面化された）サイズが１．５２×１．５２×１２ｍｍのＬＹＳＯ結晶と同じバッチからの小型の１６×１６アレイブロックである。ＬＹＳＯ結晶のアスペクト比は１２／１．５２＝７．９である。結晶の間と、シンチレーション光が出射される底面以外のアレイブロックの５つの外面の全体とにおいてＥＳＲフィルムが鏡面反射体層として用いられた。シンチレーション検出システムの同じ設定を用いて測定した光出力は５１８であった。光出力データを図１６に示す。プロット１０１は各チャンネルにおける実際のカウントのデータであり、プロット１０２は実際のカウントに基づく平滑化した曲線であり、プロット１０３は光のピークの基線を示す線分であり、プロット１０４は光のピークのＦＷＨＭを示す線分であり、プロット１０５は光のピークのスペクトルの傾斜である。これを実施例６の結果と比較すると、３９９から５１８へと大幅に改善され、３０％増加した。

実施例９
実施例８のものと同じ１６×１６アレイブロックであるが、上面のＥＳＲ反射体層をテフロンテープ反射体層で置換した。同じ測定設定を用いて測定した光強度は５２１であった。光出力データを図１７に示す。プロット１１１は各チャンネルにおける実際のカウントのデータであり、プロット１１２は実際のカウントに基づく平滑化した曲線であり、プロット１１３は光のピークの基線を示す線分であり、プロット１１４は光のピークのＦＷＨＭを示す線分であり、プロット１１５は光のピークのスペクトルの傾斜である。ここでも、小型の結晶アレイブロックの４つの実施例のうちでこれが最良の結果である。これを実施例６の結果と比較すると、３９９から５２１へと大幅に改善され、３０．６％増加した。

下記表１に実施例をまとめる。

実施例８及び９の比較に基づくと、結晶の幅が小さく、幅に対する長さのアスペクト比が大きい小型のアレイの場合、６００メッシュ研磨材で端面を研ぐことで光出力がより改善することが分かる（それぞれ３０及び３０．６％）。ＥＳＲ反射体層をテフロンテープで置換することによる改善は小さかった（０．６％のみ）。

出願人は、６００メッシュ研磨材で端面を粗面化することにより形成される拡散性は光出射の最大化近くに到達させるのに十分であると論理付けるが、それに拘束されるのを望むものではない。実施例３及び４に示すような幅の大きい結晶アレイブロックの場合、６００メッシュ研磨材で端面を粗面化するだけでは、所望の光拡散性の最大化に到達させるのは十分ではなく、ＥＳＲ層をテフロンテープの反射体で置換することでさらに１１．５％の改善がもたらされる。

実施例３及び４の光出力（それぞれ５３４及び５９５）並びに実施例８及び９の光出力（それぞれ５１８及び５２１）を比較すると、アレイブロックの光出力に対する結晶ピクセル幅（３．８６ｍｍ対１．５２ｍｍ）及びアスペクト比（５．０対７．９）の効果が分かる。これらのブロックの全ては光出力の平均が約６５０であるＬＹＳＯ結晶でできている。

これらの実施例は、従来的に作製された検出器アレイと比較して、実施例４及び９のハイブリッド実施形態が開放端面からの光出力を大幅に改善することができるのを示す。実施形態は、幅が大きい結晶でできたアレイ及び幅が小さい結晶でできたアレイの双方に効果的である。結晶の幅及びアスペクト比に応じでさらなる最適化の願望がありうる。実施例は、小型アレイブロック及び大型アレイブロックの開放端面から出射するシンチレーション光をそれぞれ７９％及び９０％とすることができるのを示す。

これらの実施例の全ては、高反射性の鏡面反射体は光を導いて長い結晶の端面から出すのに本当は理想的でないことを示す。その理由は高角度の内部反射が多すぎるからであろう。これらの複数の反射は、光の大半を外に出る機会なく壁部に吸収させる。端部の拡散反射体は光を多くの方向に分ける。低入射角の光は結晶の鏡面反射側面によって反射される。光にとって、最小限の数の反射で、故に損失が最小限の状態で結晶の端面から出るのがより容易になる。これは、幅に対する長さのアスペクト比が高くなるほどあてはまる。結晶がより薄い現代の全固体ＳｉＰＭ検出器では、結晶の端面から効率的に光を出射させることはスキャナの性能を決定する上で重要な点になっている。本明細書で開示のハイブリッド実施形態はアレイブロックの端面からの光の出射を高める効率的な方法を提供する。

前述の説明及び関連する図面で提示した教示の利点を有する当業者であれば、本発明の多くの変更及び他の実施形態を思い付く。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に限定されず、変更及び実施形態が添付の請求項の範囲に含まれることを意図していることが分かる。

２０ ＰＥＴ／ＣＴスキャナ
２１ センサーリング
２２ 患者搬送プラットフォーム
２３ プロセッサ及びメモリ
２４ ディスプレイ
３０ シンチレータ結晶
３０ａ 研磨端面
３０ｂ 粗端面
３０ｃ 研磨側面
３１ 鏡面反射体層
３２ 拡散反射体層
３５ アレイブロック
３６ 光検出器
３７ 導光体

Claims (29)

1. シンチレータ結晶のアレイであって、各シンチレータ結晶は研磨端面と、前記研磨端面の反対側にある粗端面と、前記研磨端面と前記粗端面との間で延びる複数の研磨側面とを有する、シンチレータ結晶のアレイと、
   前記シンチレータ結晶のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨側面間にある鏡面反射体層と、
   前記シンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接する拡散反射体層と、
   を含む装置。
2. 前記鏡面反射体層はビキュイティ（商標）強化鏡面反射体（ＥＳＲ）層を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記拡散反射層はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記拡散反射層はＭｇＯ、ＴｉＯ_２及びＢａＳＯ_４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
5. 各シンチレータ結晶はＬＹＳＯ、ＬＳＯ、ＢＧＯ、ＮａＩ（Ｔ１）、ＬａＢｒ_３、ＧＳＯ、ＬＧＳＯ及びＧＡＧＧのうちの１つを含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記粗端面は６００メッシュグリット研磨材を使用するラッピングに基づく、請求項１に記載の装置。
7. 各シンチレーション結晶は０．４〜６．３ｍｍの範囲のｘ寸法及びｙ寸法を有する、請求項１に記載の装置。
8. 各シンチレーション結晶は５〜３０ｍｍの範囲のｚ寸法を有する、請求項１に記載の装置。
9. 前記粗端面及び前記研磨端面のそれぞれは正方形状である、請求項１に記載の装置。
10. 前記シンチレータ結晶のアレイの前記研磨端面に隣接する少なくとも１つの光検出器をさらに含む、請求項１に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの光検出器に連結される、プロセッサ及び関連するメモリをさらに含む、請求項１０に記載の装置。
12. 少なくとも１つの他の画像スキャナと、
    前記少なくとも１つの他の画像スキャナ及び前記シンチレータ結晶のアレイに連結される、プロセッサ及び関連するメモリと、
    をさらに含む、請求項１０に記載の装置。
13. 前記少なくとも１つの光検出器は複数の光電子倍増管を含む、請求項１０に記載の装置。
14. 前記少なくとも１つの光検出器は複数の固体光検出器を含む、請求項１０に記載の装置。
15. シンチレータ結晶のアレイであって、各シンチレータ結晶は研磨端面と、前記研磨端面の反対側にある粗端面と、前記研磨端面及び前記粗端面との間で延びる複数の研磨側面とを有し、前記粗端面は６００メッシュグリット研磨材を使用するラッピングに基づく、シンチレータ結晶のアレイと、
    前記シンチレータ結晶のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨側面間にある鏡面反射体層と、
    前記シンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接する拡散反射体層と、
    前記シンチレータ結晶のアレイの研磨端面に隣接する少なくとも１つの光検出器と、
    前記少なくとも１つの光検出器に連結される、プロセッサ及び関連するメモリと、
    を含む装置。
16. 前記鏡面反射体層はビキュイティ（商標）強化鏡面反射体（ＥＳＲ）層を含む、請求項１５に記載の装置。
17. 前記拡散反射層はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む、請求項１５に記載の装置。
18. 前記拡散反射層はＭｇＯ、ＴｉＯ_２及びＢａＳＯ_４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の装置。
19. 各シンチレータ結晶はＬＹＳＯ、ＬＳＯ、ＢＧＯ、ＮａＩ（Ｔ１）、ＬａＢｒ_３、ＧＳＯ、ＬＧＳＯ及びＧＡＧＧのうちの１つを含む、請求項１５に記載の装置。
20. 各シンチレーション結晶は１〜４ｍｍの範囲のｘ寸法及びｙ寸法と、５〜３０ｍｍの範囲のｚ寸法とを有する、請求項１５に記載の装置。
21. 前記少なくとも１つの光検出器に連結される、プロセッサ及び関連するメモリをさらに含む、請求項１に記載の装置。
22. 放射線検出器を作製するための方法であって、
    各シンチレータ結晶が研磨端面と、前記研磨端面の反対側にある粗端面と、前記研磨端面と前記粗端面との間で延びる複数の研磨側面とを有するように複数のシンチレータ結晶を形成するステップと、
    前記複数のシンチレータ結晶をアレイ状にするとともに、該シンチレータ結晶のアレイのうちの隣接するものの隣接する研磨側面の間に鏡面反射体層を有するように配列するステップと、
    前記シンチレータ結晶のアレイの粗端面に隣接して拡散反射体層を設けるステップと、
    を含む方法。
23. 前記鏡面反射体層はビキュイティ（商標）強化鏡面反射体（ＥＳＲ）層を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記拡散反射層はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む、請求項２２に記載の方法。
25. 前記拡散反射層はＭｇＯ、ＴｉＯ_２及びＢａＳＯ_４のうちの少なくとも１つを含む、請求項２２に記載の方法。
26. 各シンチレータ結晶はＬＹＳＯ、ＬＳＯ、ＢＧＯ、ＮａＩ（Ｔ１）、ＬａＢｒ_３、ＧＳＯ、ＬＧＳＯ及びＧＡＧＧのうちの１つを含む、請求項２２に記載の方法。
27. 前記粗端面は６００メッシュグリット研磨材を使用するラッピングに基づく、請求項２２に記載の方法。
28. 各シンチレーション結晶は１〜４ｍｍの範囲のｘ寸法及びｙ寸法と、５〜３０ｍｍの範囲のｚ寸法とを有する、請求項２２に記載の方法。
29. 前記シンチレータ結晶のアレイの研磨端面に隣接して少なくとも１つの光検出器を配置するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

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