JP2019082409A - Scintillator for pet device, and pet device using the same - Google Patents

Scintillator for pet device, and pet device using the same Download PDF

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Hideyuki Kawai
秀幸 河合
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Abstract

To provide a scintillator for a PET device that reduces the manufacturing cost of the PET device and improves the productivity, and provide a PET device using the scintillator.SOLUTION: The scintillator for a PET device includes a sintered scintillator for emitting light when a charged particle enters it. In addition, preferably, the thickness of the sintered scintillator is set at 5 mm or less. Moreover, the scintillator for the PET device includes a high speed extraction scintillator for emitting light when a charged particle enters it. Furthermore, preferably, the high speed extraction scintillator is manufactured by pulling up at a speed of 10 cm or more per day.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、PET装置用シンチレーター及びこれを用いたPET装置に関する。   The present invention relates to a scintillator for a PET device and a PET device using the same.

PETとは、positron emission tomography (陽電子放出断層撮影)の略で、放射能を含む薬剤を用いる、核医学検査の一種である。放射性薬剤を体内に投与し、その分析を特殊なカメラでとらえて画像化する。位置分解能を向上させたPET装置は、極めて高価格となる。   PET is an abbreviation of positron emission tomography (positron emission tomography) and is a type of nuclear medicine examination using a drug containing radioactivity. The radioactive drug is administered into the body, and the analysis is captured and imaged with a special camera. PET devices with improved position resolution are extremely expensive.

特許文献1に記載されているPET装置では、放射線が入射した場合に発光する複数のシンチレーター結晶(21)と、シンチレーター結晶の表面又は裏面に少なくとも2方向に配置され、シンチレーター結晶(21)から放出された光が入射した場合、再発光する光ファイバー(23)と、光ファイバー(23)の端部が接続され、光ファイバーにおいて再発光した光を検出する受光素子とを有する構造とし、PET装置の低コスト化を図っている。   In the PET apparatus described in Patent Document 1, a plurality of scintillator crystals (21) that emit light when radiation is incident, and at least two directions are disposed on the front surface or the back surface of the scintillator crystal, and are emitted from the scintillator crystals (21) When the incident light is incident, an optical fiber (23) that emits light again and an end of the optical fiber (23) are connected, and a light receiving element that detects the light emitted again in the optical fiber is used. Are trying to

特開2016−133333号公報JP, 2016-133333, A

特許文献1に記載の技術では、多量、多数のシンチレーター結晶を使用することになるが、シンチレーター結晶は高価であり、生産性も低いため、PET装置の製造コストや生産性の低さが課題となる。   The technique described in Patent Document 1 uses a large amount and a large number of scintillator crystals, but since scintillator crystals are expensive and the productivity is low, the manufacturing cost and low productivity of the PET device are problems. Become.

そこで、本発明では、PET装置の製造コストを低減し、生産性を向上させたPET装置用シンチレーター及びこれを用いたPET装置を提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, it is an object of the present invention to provide a scintillator for a PET device whose manufacturing cost is reduced and the productivity is improved, and a PET device using the same.

上記課題を解決するために、本発明の一つの観点によれば、PET装置用シンチレーターを、荷電粒子が入射した際に発光する焼結シンチレーターを有するものとした、さらに、焼結シンチレーターの厚さが5mm以下とすると望ましい。   In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, the scintillator for a PET device has a sintered scintillator that emits light when charged particles are incident, and further, the thickness of the sintered scintillator Is preferably 5 mm or less.

また、本発明の他の観点によれば、PET装置用シンチレーターを、荷電粒子が入射した際に発光する高速抽出シンチレーターを有するものとした。さらに、前記高速抽出シンチレーターが、1日当たり10cm以上の速度で引き上げて製造したものであると望ましい。   Further, according to another aspect of the present invention, the scintillator for a PET apparatus has a high-speed extraction scintillator which emits light when charged particles are incident. Furthermore, it is preferable that the high-speed extraction scintillator is manufactured by pulling at a speed of 10 cm or more per day.

また、本発明の他の観点によれば、PET装置を、放射線が入射した場合に発光する焼結シンチレーター結晶と、焼結シンチレーター結晶の表面又は裏面に少なくとも2方向に配置され、焼結シンチレーター結晶から放出された光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、光ファイバーの端部が接続され、光ファイバーにおいて再発光した光を検出する受光素子と、を有するものとした。   Further, according to another aspect of the present invention, the PET device is disposed in at least two directions on the front surface or the back surface of the sintered scintillator crystal that emits light when radiation is incident, and the sintered scintillator crystal When light emitted from the light source is incident, an optical fiber that emits light again and a light receiving element that is connected to the end of the optical fiber and that detects the light emitted again by the optical fiber are provided.

また、本発明の他の観点によれば、PET装置を、放射線が入射した場合に発光する高速抽出シンチレーター結晶と、前記高速シンチレーター結晶の表面又は裏面に少なくとも2方向に配置され、前記高速シンチレーター結晶から放出された光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、前記光ファイバーの端部が接続され、前記光ファイバーにおいて再発光した光を検出する受光素子と、を有するものとした。   Further, according to another aspect of the present invention, a high-speed extraction scintillator crystal which emits light when radiation is incident, and a high-speed scintillator crystal which is disposed in at least two directions on the front or back surface of the high-speed scintillator crystal When the light emitted from the light source is incident, an optical fiber that emits light again and a light receiving element that is connected to an end of the optical fiber and that detects the light emitted again by the optical fiber are provided.

本発明によれば、PET装置の製造コストを大幅に低減し、PET装置の生産性を向上させることができる。   According to the present invention, the manufacturing cost of the PET device can be significantly reduced, and the productivity of the PET device can be improved.

荷電粒子が入射した場合のシンチレーター内の発光と光ファイバー内の再発光を示す図である。It is a figure which shows light emission in the scintillator at the time of charged particle incidence, and re-emission in an optical fiber.

以下、本発明の実施形態の例及び実施例を説明するが、本発明の実施形態は以下に説明する実施形態例及び実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, examples and embodiments of the present invention will be described, but the embodiments of the present invention are not limited to the embodiments and examples described below.

γ線は光子を1個ずつ独立に測定できる。X線はγ線より個々の光子エネルギーが低いためγ線のように個々の光子を測定するには高性能で高価な受光装置が必要なため、一般的には写真フィルムの原理を応用した測定法を用いる。これは測定器の一つの画素に可視化できる化学的変化が起きるための十分なX線が必要である。   Gamma rays can measure photons one by one independently. Since X-rays have lower individual photon energy than γ-rays, high-performance and expensive light-receiving devices are required to measure individual photons like γ-rays, so in general measurements based on the principle of photographic film Use the law. This requires sufficient x-rays to cause a chemical change to be visible in one pixel of the meter.

γ線の測定では、高いエネルギー分解能が必要な場合は高価な半導体測定器を用いるが、一般的には無機シンチレーターを用いることが多い。有効面積が1平方メートルで位置分解能が標準偏差で1mmの場合は価格が10億円程度である。本発明者らは、特許文献1に記載のPET装置及びPET装置用放射線測定器を発明した。これは板状の単結晶無機シンチレーターと波長変換ファイバーを用いるもので、有効面積が1平方メートルで位置分解能が0.1mmの場合は価格が2億円程度である。荷電粒子はγ線測定器でも測定可能だが、より安価なガス検出器(位置分解能0.2mm、価格4千万円)や無機シンチレーター(位置分解能10mm、価格2000万円)が用いられている。   In the measurement of γ-rays, expensive semiconductor measuring instruments are used when high energy resolution is required, but generally inorganic scintillators are often used. When the effective area is 1 square meter and the position resolution is 1 mm in standard deviation, the price is about 1 billion yen. The inventors of the present invention invented a PET device and a radiation measurement instrument for the PET device described in Patent Document 1. This uses a plate-like single crystal inorganic scintillator and a wavelength conversion fiber, and when the effective area is 1 square meter and the position resolution is 0.1 mm, the price is about 200 million yen. Charged particles can also be measured with a γ-ray measuring instrument, but cheaper gas detectors (position resolution 0.2 mm, price 40 million yen) and inorganic scintillators (position resolution 10 mm, price 20 million yen) are used.

本実施例は特許文献1に記載された発明を発展させたもので、無機シンチレーターではあるが価格がプラスチックシンチレーターと同程度の焼結シンチレーターまたは高速抽出シンチレーターを厚さ1mm程度の板状に加工して用いる。   This embodiment is an extension of the invention described in Patent Document 1, and it is an inorganic scintillator, but processed into a plate shape having a thickness of about 1 mm, a sintered scintillator or high-speed extraction scintillator having the same price as a plastic scintillator. Use.

通常のγ線測定用無機シンチレーターは単結晶であるが、焼結シンチレーターは不定形の微小な結晶が不規則に並んでいる。例えば単結晶シンチレーターは大きな水晶の結晶のような構造で焼結シンチレーターはマグマがゆっくり固まった花崗岩のような構造である。シンチレーション光は不規則な方向に放出されるため、焼結シンチレーターはこれまで放射線測定器としてはほとんど利用されていなかった。だが、薄い板状に加工すれば、本来なら側面方向に伝播すべき光が散乱されて上下面方向に放出されるため、単結晶の無機シンチレーターに比べて3倍近いシンチレーション光を放出する。焼結シンチレーターの厚さとしては、1mm以下が望ましい。この光量は同じ厚さのプラスチックシンチレーターに比べて100倍程度である。焼結シンチレーター1m3の価格は200万円程度で、同形状の単結晶シンチレーターの約1/20である。 A normal γ-ray measuring inorganic scintillator is a single crystal, but a sintered scintillator has irregularly shaped minute crystals arranged irregularly. For example, a single crystal scintillator has a structure like a large crystal of crystals, and a sintered scintillator has a structure like a granite in which magma is slowly solidified. Since scintillation light is emitted in irregular directions, sintered scintillators have not been used so far as radiation measuring instruments. However, when processed into a thin plate, light that should normally propagate in the side direction is scattered and emitted in the upper and lower directions, so that it emits scintillation light nearly three times that of a single-crystal inorganic scintillator. The thickness of the sintered scintillator is preferably 1 mm or less. The amount of light is about 100 times that of a plastic scintillator of the same thickness. The price of a sintered scintillator of 1 m 3 is about 2 million yen, which is about 1/20 of that of a single crystal scintillator of the same shape.

通常の単結晶シンチレーターは原料をるつぼに入れて融点よりわずかに高い温度に保ち微小結晶をぶら下げて液面にわずかに接する状態にしてから結晶を1日当り1cmから2cmの非常にゆっくりした速度で引き上げる。この引き上げ速度を10〜100倍にしたものが高速抽出シンチレーターである。すなわち、高速抽出シンチレーターでは、1日当たり10cmから200cm程度の速度で引き上げる。結晶内にはマイクロバブルと呼ばれる非常に小さな気泡が入り不透明になる。シンチレーション光はマイクロバブルで不規則に散乱されるため焼結シンチレーターと同様な振る舞いをする。やはりこれまで放射線測定器としてはほとんど利用されていなかったが、やはり本発明のように薄い板状に加工すれば放射線測定に利用できる。価格は引き上げ速度に依存するが同形状の単結晶シンチレーターの1/10以下である。   A normal single crystal scintillator puts the raw material in a crucible and keeps the temperature slightly higher than the melting point to suspend the microcrystals so that they are in slight contact with the liquid surface and then pulls the crystals at a very slow speed of 1 cm to 2 cm per day. . A high speed extraction scintillator is one in which the pulling rate is 10 to 100 times. That is, the high-speed extraction scintillator pulls up at a speed of about 10 cm to 200 cm per day. In the crystal, very small bubbles called micro bubbles enter and become opaque. Scintillation light behaves like a sintered scintillator because it is randomly scattered by the microbubbles. After all, it has hardly been used as a radiation measuring instrument until now, but it can also be used for radiation measurement if it is processed into a thin plate as in the present invention. The price depends on the pulling rate, but is less than 1/10 of that of the single crystal scintillator of the same shape.

板状のシンチレーターの場合は通常の単結晶シンチレーターと比べて焼結シンチレーターや高速抽出シンチレーターでは本来全反射を繰り返して側面方向へ伝播するはずの光が不規則散乱によって進行方向が変化し上下面から放出されるため、波長変換ファイバーで観測できる光量が3倍まで増加する可能性がある。このためX線でもγ線と同様に個々の光子が独立に測定できるようになる。また荷電粒子の測定に用いれば、次に述べるように、厚さ1mmで十分な光量が得られるので、同じ面積では厚さ20mmの無機シンチレーターより低価格となり、薄いシンチレーターを用いることによって高い位置分解能も得られる。   In the case of a plate-like scintillator, compared with a normal single crystal scintillator, in the case of a sintered scintillator or a high-speed extraction scintillator, the traveling direction changes due to irregular scattering of light that should originally propagate total reflection and propagate to the side direction Because the light is emitted, the amount of light that can be observed by the wavelength conversion fiber may increase up to three times. As a result, individual photons can be measured independently as well as gamma rays. Also, if it is used for the measurement of charged particles, as described below, a sufficient amount of light can be obtained with a thickness of 1 mm, so it is cheaper than an inorganic scintillator with a thickness of 20 mm in the same area, and high positional resolution by using a thin scintillator Can also be obtained.

図1のように、厚さ1mmの焼結シンチレーターまたは高速抽出シンチレーター103を敷き詰めて、その上面と下面に直径0.2mmの光ファイバー(波長変換ファイバー)101を直交する方向に並べる。荷電粒子102がシンチレーターを通過すると約8万個のシンチレーション光子が発生し(104)、荷電粒子通過位置を中心とする直径1mm以内から放出される。光子が入射した波長変換ファイバーは105であるが、波長変換ファイバー105に入射した光子の80%は吸収され、その50%は少し長い波長の光子として等方的に再発光する。再発光された光子の10%はファイバー内の全反射条件を満足し、ファイバー端まで伝播する。ファイバーの透過長は約1mなので、一方のファイバー端に接着した受光素子(図示せず。)ではファイバー5本程度で合わせて約50個の光電子が観測される。これは荷電粒子通過位置を標準偏差で0.05mmの精度で知ることができる十分な光量である。   As shown in FIG. 1, a sintered scintillator or high-speed extraction scintillator 103 with a thickness of 1 mm is spread, and optical fibers (wavelength conversion fibers) 101 with a diameter of 0.2 mm are arranged in orthogonal directions on the upper and lower surfaces thereof. When the charged particle 102 passes through the scintillator, about 80,000 scintillation photons are generated (104) and emitted from within 1 mm in diameter centered on the charged particle passing position. The wavelength conversion fiber into which the photons are incident is 105, but 80% of the photons incident on the wavelength conversion fiber 105 are absorbed, and 50% of the photons reemit isotropically as photons of a slightly longer wavelength. 10% of the re-emitted photons satisfy the total internal reflection condition in the fiber and propagate to the fiber end. Since the transmission length of the fiber is about 1 m, about 50 photoelectrons can be observed in a total of about 5 fibers in a light receiving element (not shown) bonded to one fiber end. This is a sufficient amount of light that allows the charged particle passage position to be known with an accuracy of 0.05 mm in standard deviation.

有効面積1m×1mの測定器では上下面に各5000本の波長変換ファイバーを接着する。波長変換ファイバーの価格は1m当り100円弱である。ファイバーの一方の端は50本ずつ束ねて受光素子に接着する。他端は50で割った余りが同じファイバーを10cmごとに束ねる。1面当りに必要な受光素子数は100+50×10=600個であり、微小受光素子Silicon PMの単価は1000円程度である。一方の端の100個の受光素子は2系統の信号出力端子を用いて、一方の系統は1ケタ目が同じ数値で、他方の系統は2ケタ目が同じ数値で束ねて信号読み出し回路に接続する。他方の端の500個の受光素子は10個ずつ束ねる。必要な信号読み出し回路は70channelであり、信号読み出し回路の単価は約5,000円である。このように有効面積1平方メートルの本発明品の素材価格は、シンチレーターが200万円、波長変換ファイバーが100万円、受光素子が120万円、信号読み出し回路が70万円である。   In a measuring instrument with an effective area of 1 m × 1 m, 5,000 wavelength conversion fibers are bonded to the upper and lower surfaces. The price of wavelength conversion fiber is less than 100 yen per meter. 50 ends of one end of the fiber are bundled and adhered to the light receiving element. The other end bundles the fibers divided by 50 with the same fibers every 10 cm. The number of light receiving elements required per surface is 100 + 50 × 10 = 600, and the unit price of the micro light receiving element Silicon PM is about 1000 yen. The 100 light receiving elements at one end use two signal output terminals, one system has the same numerical value for the first digit, the other system has the same numerical value for the second digit, and is connected to the signal readout circuit Do. The 500 light receiving elements at the other end are bundled ten by one. The required signal readout circuit is 70 channels, and the unit cost of the signal readout circuit is about 5,000 yen. Thus, the material price of the product of the present invention having an effective area of 1 square meter is 2 million yen for the scintillator, 1 million yen for the wavelength conversion fiber, 1.2 million yen for the light receiving element, and 700,000 yen for the signal readout circuit.

本実施例によって、大きさ数メートルまでの任意形状の放射線測定器が製作できる。本実施例品の優位性はX線・γ線・荷電粒子のいずれも測定可能であることと、高い位置分解能と低価格である。一般に放射線測定器は光検出器・ガス検出器・半導体検出器に分類できる。このうち半導体検出器は位置分解能0.01mmまで可能であるが10cm×10cmで1000万円程度と非常に高価で、大面積測定器には全く適さない。有効面積1m2の本発明品とドリフトチェンバーとプラスチックシンチレーターホドスコープの位置分解能と信号読み出し回路も含めた素材価格は、本発明品が0.05mmと500万円、ドリフトチェンバーが0.2mmと4000万円程度、プラスチックシンチレーターホドスコープが10mmと2000万円程度である。 According to this embodiment, a radiation measuring instrument of any shape up to several meters in size can be manufactured. The superiority of the product of this embodiment is that it can measure any of X-ray, γ-ray and charged particles, high position resolution and low price. In general, radiation measuring instruments can be classified into photodetectors, gas detectors, and semiconductor detectors. Among these, the semiconductor detector can be used up to a position resolution of 0.01 mm, but it is very expensive at 10 cm × 10 cm and about 10 million yen, and is not suitable at all for a large area measuring instrument. The product price of the product of the present invention with an effective area of 1 m 2 and the position resolution and signal readout circuit of the drift chamber and the plastic scintillator hodoscope are 0.05 mm and 5 million yen for the present product and 0.2 mm and 40 million yen for the drift chamber. The plastic scintillator hodoscope is about 10 mm and about 20 million yen.

本発明は、PET装置用シンチレーター及びこれを用いたPET装置として、産業上利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is industrially applicable as a scintillator for a PET device and a PET device using the same.

101 波長変換ファイバー(光ファイバー)
102 荷電粒子通過位置、通過方向
103 焼結シンチレーター又は高速抽出シンチレーター
104 シンチレーション光子発生位置
105 光子が入射した波長変換ファイバー

101 Wavelength conversion fiber (optical fiber)
102 Charged particle passing position, passing direction 103 Sintered scintillator or fast extraction scintillator 104 Scintillation photon generation position 105 Wavelength conversion fiber in which photons are incident

Claims (6)

荷電粒子が入射した際に発光する焼結シンチレーターを有するPET装置用シンチレーター。   A scintillator for a PET device having a sintered scintillator that emits light when charged particles are incident. 前記焼結シンチレーターの厚さが5mm以下であることを特徴とする請求項1記載のPET装置用シンチレーター。   The thickness of the said sintering scintillator is 5 mm or less, The scintillator for PET apparatuses of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 荷電粒子が入射した際に発光する高速抽出シンチレーターを有するPET装置用シンチレーター。   A scintillator for a PET device having a high-speed extraction scintillator that emits light when charged particles are incident. 前記高速抽出シンチレーターが、1日当たり10cm以上の速度で引き上げて製造したものであることを特徴とする請求項3記載のPET装置用シンチレーター。   The scintillator for a PET device according to claim 3, wherein the high-speed extraction scintillator is produced by pulling at a speed of 10 cm or more per day. 放射線が入射した場合に発光する焼結シンチレーター結晶と、前記焼結シンチレーター結晶の表面又は裏面に少なくとも2方向に配置され、前記焼結シンチレーター結晶から放出された光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、前記光ファイバーの端部が接続され、前記光ファイバーにおいて再発光した光を検出する受光素子と、を有するPET装置。   A sintered scintillator crystal that emits light when radiation is incident, and an optical fiber that is disposed in at least two directions on the front surface or the back surface of the sintered scintillator crystal, and re-emits light when light emitted from the sintered scintillator crystal is incident And a light receiving element connected to an end of the optical fiber and detecting light re-emitted in the optical fiber. 放射線が入射した場合に発光する高速抽出シンチレーター結晶と、前記高速シンチレーター結晶の表面又は裏面に少なくとも2方向に配置され、前記高速シンチレーター結晶から放出された光が入射した場合、再発光する光ファイバーと、前記光ファイバーの端部が接続され、前記光ファイバーにおいて再発光した光を検出する受光素子と、を有するPET装置。   A high-speed extraction scintillator crystal that emits light when radiation is incident, and an optical fiber that is disposed in at least two directions on the front surface or the back surface of the high-speed scintillator crystal and emits light again when light emitted from the high-speed scintillator crystal is incident; And a light receiving element connected to an end of the optical fiber and detecting light re-emitted in the optical fiber.
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