JP2022096426A

JP2022096426A - 放射線検出器及び放射線診断装置

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Publication number: JP2022096426A
Application number: JP2020209526A
Authority: JP
Inventors: 剛河田; Go Kawada
Original assignee: Canon Medical Systems Corp
Current assignee: Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-29
Anticipated expiration: 2040-12-17
Also published as: US20220196856A1; JP7517976B2

Abstract

【課題】検出性能を向上させること。【解決手段】実施形態に係る放射線検出器は、発光素子と、光センサと、フィルタとを備える。発光素子は、放射線の入射に伴って光を発生する。光センサは、光を検出する。フィルタは、発光素子と光センサとの間に設けられ、光が検出されるまでの遅延時間が小さくなるような光の波長のみ透過させる。【選択図】図２

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、放射線検出器及び放射線診断装置に関する。

放射線を検出する放射線検出器の構成として、放射線の入射に伴って光を発生する発光素子と、発光素子が発生した光を検出する光センサを組み合わせる構成が考えられる。光センサとしては、例えばアバランシェ増幅を用いたＡＰＤアレイを用いることが考えられる。

かかる場合、光センサに入射した光が光電変換によりキャリアに変換され、当該キャリアが光センサ内をドリフトしたのち、電界強度が大きくなるところでアバランシェ増幅が行われて信号が検出される。しかしながら、光センサに入射した光が光電変換によりキャリアに変換される位置のばらつきが、光センサの時間分解能の低下につながる場合がある。

特開２０１７－６２２１０号公報

本明細書及び図面の開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、検出性能を向上させることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

実施形態に係る放射線検出器は、発光素子と、光センサと、フィルタとを備える。発光素子は、放射線の入射に伴って光を発生する。光センサは、光を検出する。フィルタは、発光素子と光センサとの間に設けられ、光が検出されるまでの遅延時間ゆらぎが小さくなるような光の波長のみ透過させる。

図１は、実施形態に係る放射線検出器について説明した図である。図２は、実施形態に係る放射線検出器について説明した図である。図３は、実施形態に係る光センサの動作について説明した図である。図４は、実施形態に係る光センサの動作について説明した図である。図５は、実施形態に係る光センサの動作について説明した図である。図６は、実施形態に係る光センサの動作について説明した図である。図７Ａは、実施形態に係るフィルタの動作について説明した図である。図７Ｂは、実施形態に係るフィルタの動作について説明した図である。図８は、実施形態に係る放射線検出器の動作について説明した図である。図９は、実施形態に係る放射線検出器におけるフィルタの選択について説明した図である。図１０は、実施形態に係る放射線検出器におけるフィルタの選択について説明した図である。図１１は、実施形態に係る放射線診断装置の一例について説明した図である。図１２は、実施形態に係る放射線診断装置の一例について説明した図である。

以下、図面を参照しながら、放射線検出器及び放射線診断装置の実施形態について詳細に説明する。

まず初めに、図１および図２を用いて、実施形態に係る放射線検出器の全体構造について簡単に説明する。図１および図２に、実施形態に係る放射線検出器の構造が示されている。図１に示されているように、実施形態に係る放射線検出器は、放射線の入射に伴って光を発生する発光素子２０と、発光素子２０が発生した光を検出する光センサとして機能するＡＰＤ（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイ２１とからなる。ＡＰＤアレイ２１は、光電子をアバランシェ増幅により増幅するアバランシェフォトダイオードがアレイ状に整列したユニットである。発光素子２０及びＡＰＤアレイ２１の材料としては、例えば通常のＰＥＴ装置の放射線検出器において用いられることができる様々な材料を用いることができる。

図２に、図１の断面図が示されている。図２に示されているように、実施形態に係る放射線検出器において、発光素子２０とＡＰＤアレイ２１との間に、特定の波長範囲の光のみを選択するフィルタ２４が設けられる。フィルタ２４は、後述するように、発生素子２０が発生した光がＡＰＤアレイ２１で検出されるまでの遅延時間が小さくなるような光の波長のみ透過させるフィルタであり、例えば青色光を選択的に透過させるフィルタである。フィルタ２４としては、酸化チタン（TiO3）、酸化シリコン（SiO2）、ニオブ（Nb2O5）、タンタルオキサイド（Ta2O5）、フッ化マグネシウム（MgF2）などの誘電体多層膜が、例えば用いられる。フィルタ２４は、ＡＰＤアレイ２１に張り付ける形で形成されてもよく、また、ＡＰＤアレイ２１上に直接成膜される形でもよい。フィルタ２４の構成の詳細については後述する。

また、発光素子２０の表面には、フィルタ２４が透過させる波長を含む波長の光を反射する反射材２２が更に設けられる。反射材２２は、特定の波長、例えば緑よりも短波長側の光を反射させる。反射材２２があることにより、フィルタ２４が透過させる波長の光、すなわち、ＡＰＤアレイ２１が光子検出に利用する波長の光の光子が、ＡＰＤアレイ２１により多く入射するようになり、ＡＰＤアレイ２１の検出性能が向上する。

なお、発光素子２０とＡＰＤアレイ２１との間には、接着剤２３が充填される。

次に、図３～図６を用いて、ＡＰＤアレイ２１の動作について説明する。

図３は、ＡＰＤアレイ２１における電界の大きさと、表面すなわち光入射面からの深さの関係を示している。図３において、縦軸は電界の大きさを表し、横軸は、表面すなわち光入射面からの深さを表す。ここで、ＡＰＤアレイ２１の光入射面は、例えば図２において上側の面、すなわち、フィルタ２４とＡＰＤアレイ２１とが接する面を意味する。図３の例では、電界強度３０は、表面に比較的近いところで鋭いピークを持つ。ＡＰＤアレイ２１は、多くの場合、ある特定の深さで電界強度が鋭いピークを持ち、当該ピーク位置で、アバランシェ増幅が行われる。

ここで、ＡＰＤアレイ２１に進入した光がＡＰＤ２１により検出されるまでの動作を説明すると、まず初めに、ＡＰＤアレイ２１の光入射面から進入した光は、デバイス内を直進する間に、一定の確率で光電変換を起こし、例えば電子正孔対などのキャリアが生成される。このキャリアの生成は確率過程であり、さまざまな位置でキャリアが分布する。

図３の例で説明すると、例えば、ＡＰＤアレイ２１に進入した光により、ある場合には位置３１でキャリアが形成され、ある場合には位置３２でキャリアが形成され、またある場合では位置３３でキャリアが生成される。なお、進入した光によりキャリアが生成される位置の分布は、波長依存性があり、一般に短波長の光ほど、平均的に浅い位置でキャリアが生成され、逆に長波長の光ほど、平均的に深い位置でキャリアが生成される。

続いて、光電変換により生成されたキャリアは、ＡＰＤアレイ２１内に存在する電界から力を受けてドリフトし、光入射面に垂直方向に移動する。例えば、位置３１、位置３２、位置３３で生成された電子正孔対のうち一方のキャリアは表面に向かって進む、他方のキャリアは表面から離れる方向に進む。このように移動したキャリアが、電界強度のピーク付近の場所まで移動すると、アバランシェ増幅によりキャリアが急激に増幅される。

図４に、かかる状況が示されている。図４の左の図、中央の図、右の図は、浅い位置である位置３１、中程度の深さの位置である位置３２、深い位置である位置３３でキャリアが生成された場合における、キャリア密度を、光入射面からの深さ及び、キャリアが生成された時刻を０とした時の遅延時間の関数としてプロットした図を示している。

図４の左の図からわかるように、浅い位置である位置３１でキャリアが生成された場合、キャリアが生成された場所の電界強度が大きいので、アバランシェ増幅が瞬時に起こり、キャリア密度が、キャリアが生成された場所付近で瞬時に増幅する。

また、図４の中央の図からわかるように、中程度の深さの位置３２でキャリアが生成された場合、生成されたキャリアがドリフトして表面にむかって移動したのち、電界強度が大きい、電界強度のピーク付近でアバランシェ増幅が起こる。中程度の深さの位置３２でキャリアが生成された場合、生成されたキャリアが電界強度のピーク付近に移動するまで若干の時間がかかるため、浅い位置である位置３１でキャリアが生成された場合と比較すると、キャリアが生成されてからアバランシェ増幅が起こるまでにタイムラグが生じる。

また、図４の右の図からわかるように、深い位置３３でキャリアが生成された場合、生成されたキャリアがドリフトして表面にむかって移動したのち、電界強度が大きい、電界強度のピーク付近でアバランシェ増幅が起こるが、位置３３でキャリアが生成された場合、生成されたキャリアが電界強度のピーク付近に移動するまで時間が大きくかかるため、浅い位置３１でキャリアが生成された場合と比較すると、キャリアが生成されてからアバランシェ増幅が起こるまでタイムラグが大きくなる。

このように、光電変換によりキャリアが生成される位置が、アバランシェ増幅が起こる位置から離れるほど、キャリアが生成されてからアバランシェ増幅が起こるまでのタイミングラグが大きくなり、ＡＰＤアレイ２１の時間分解能が低下する原因になりうる。

図５において、グラフ３４、３５、３６は、表面からの深さがそれぞれ０．０５μｍ、０．１μｍ、５μｍの位置で光電変換によりキャリアが生成された場合のアノード電圧を、キャリアが生成された時刻を０として時間の関数としてプロットしたグラフである。閾値３７は、ＡＰＤアレイ２１が光子を検出したと判定するための閾値である。図５からわかるように、キャリアが生成された表面からの深さが深い場合、キャリアが生成された表面からの深さが浅い場合と比較して、アノード電位が閾値に達するまでの遅延時間が大きくなる。

また、図６は、アノード電位を、キャリアが生成された位置と、遅延時間との関数としてプロットしたものである。また、グラフ４０は、アノード電位が閾値に達した時刻を、キャリアが生成された位置の関数としてプロットしたものである。この図からわかるように、キャリアが生成された位置が深くなるほど、アノード電位が閾値に達するまでの時間、すなわち、ＡＰＤアレイ２１が光を検出するまでの遅延時間が大きくなる。本例の場合、平均的に深い位置でキャリアを生成する場合、アバランシェ増倍を生じるまでの時間遅延のバラつきが大きくなる。結果として、出力信号から推定した時間分解能が劣化する。

ところで、前述したとおり、光電変換によりキャリアが生成される位置は、入射する光の波長によって異なる。グラフ４１、グラフ４２、グラフ４３は、それぞれ青色光、緑色光、赤色光により光電変換が起こる確率を、表面からの深さの関数としてプロットしたものである。これらのグラフからわかるように、光の波長が短波長になるほど、表面から浅いところで光電変換が起こり、光の波長が長波長になるほど、表面から深いところで光電変換が起こる。

かかる背景に鑑みて、実施形態に係る放射線検出器は、発光素子２０とＡＰＤアレイ２１との間に設けられ、発光素子２０が発生した光が検出されるまでの遅延時間が小さくなるような光の波長のみ透過させるフィルタ２４を備える。一例として、フィルタ２４は、青色光を透過させる青色バンドパスフィルタである。

図７Ａに、青色バンドパスフィルタ４１ａと緑色バンドパスフィルタ４２ａの透過率が示されている。青色バンドパスフィルタ４１ａは、青色の光を透過させるバンドパスフィルタであり、例えば３００ｎｍから４００ｎｍの波長の光を透過させる。これに対して、緑色バンドパスフィルタ４２ａは、緑色の光を透過させるバンドパスフィルタであり、例えば４５０ｎｍから６００ｎｍの波長の光を透過させる。青色バンドパスフィルタ４１は、緑色バンドパスフィルタ４２ａと比較して、長波長の光を透過させる。

図７Ｂにおいて、グラフ４１ｂ及びグラフ４２ｂは、青色バンドパスフィルタ４１ａと緑色バンドパスフィルタ４２ａのそれぞれをフィルタ２４として用いた場合の、ＡＰＤアレイ２１に入射する光の強度を示している。この図からわかるように、青色バンドパスフィルタ４１ａは青色の光を選択的に透過し、緑色バンドパスフィルタ４２ａは、緑色の光を選択的に透過する。グラフ４１ｂとグラフ４２ｂの相対的な強度は、ＡＰＤアレイ２１にもともと入射する光のスペクトルの強度の波長依存性を反映する。

図８において、グラフ４１ｃ、グラフ４２ｃ及びグラフ４４は、青色バンドパルスフィルタ４１ａをフィルタ２４として用いた場合、緑色バンドパスフィルタ４１ｂをフィルタ２４として用いた場合、フィルタを用いなかった場合における、ＡＰＤアレイ２１において光が検出されるまでの遅延時間を、信号強度とともにプロットしたものである。緑色バンドパスフィルタ４１ｂを用いた場合と、フィルタを用いなかった場合と比較して、青色バンドパルスフィルタ４１を用いた場合は、光のスペクトル全体での平均的な遅延時間と比較して遅延時間が大きい光の波長である緑成分（５００ｎｍ～６００ｎｍ）の成分をカットしているため、遅延時間を小さくすることができることがわかる。すなわち、実施形態に係る放射線検出器は、ＡＰＤアレイ２１に入射する光のスペクトル全体での平均的な遅延時間と比較して、遅延時間が大きい光の波長をカットするようなフィルタ２４を選択することで、遅延時間を短縮することができる。

ここで、遅延時間は、上述したように、光電変換によりキャリアが生成される位置と、アバランシェ増幅が起こる位置である電界強度のピーク位置との距離が小さいほど少なくなると考えられるため、フィルタ２４として選択されるフィルタは、例えば電界強度のピーク位置に基づいて、透過させる光の波長を決定されるように選択されてもよい。例えば、フィルタ２４は、その波長の光によりキャリアが生成される平均的な位置が、電界強度のピーク位置に等しくなるように、フィルタの波長が選択されたものであってもよい。

かかる例が、図９及び図１０に示されている。図９は、電界強度４５のピーク位置が、表面から比較的浅いところにある場合において、電界強度４５の分布を、青色バンドパスフィルタ４１、緑色バンドパスフィルタ４２、赤色バンドパスフィルタ４３の各フィルタにより生成されるキャリアの分布に重ねて示した図である。かかる場合、電界強度４５のピーク位置が、青色バンドパスフィルタ４１をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置と、緑色バンドパスフィルタ４２をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置と、赤色バンドパスフィルタ４３をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置との中で、青色バンドパスフィルタ４１をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置と最もマッチするので、青色バンドパスフィルタ４１を用いることで、遅延時間を最も短縮することができる。

なお、図９のように、電界強度４５のピーク位置が、表面から浅いところにある場合には、キャリアが生成される平均的な位置が、フィルタを設置しない場合と比較して入射面に近くなるようにフィルタ２４として選択することで、遅延時間を短縮することができる。

一方、図１０は、電界強度４６のピーク位置が、表面から比較的深いところにある場合において、電界強度４６の分布を、青色バンドパスフィルタ４１、緑色バンドパスフィルタ４２、赤色バンドパスフィルタ４３の各フィルタにより生成されるキャリアの分布に重ねて示した図である。かかる場合、電界強度４６のピーク位置が、青色バンドパスフィルタ４１をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置と、緑色バンドパスフィルタ４２をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置と、赤色バンドパスフィルタ４３をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置との中で、緑色バンドパスフィルタ４２をフィルタ２４として用いた場合のキャリアが生成される平均的な位置と最もマッチするので、緑色バンドパスフィルタ４２を用いることで、遅延時間を最も短縮することができる。すなわち、どの波長を透過するフィルタが遅延時間を短縮するという観点で望ましいかは、ＡＰＤアレイ２１における電界強度のピーク位置と、その波長の光から光電変換によりキャリアが生成される位置との相対的位置関係に基づいて定められる。

なお、反射材２２の役割の説明に戻ると、実施形態に係る放射線検出器においては、発光素子２０に、フィルタ２４が透過させる波長を含む波長の光を反射する反射材２２が更に設けられる。このような反射材２２が設けられることで、フィルタ２４が透過させる波長の光が散逸しにくくなり、ＡＰＤアレイ２１に入射するフィルタ２４が透過させる波長の光の強度が増大し、従って、放射線検出器の特性が向上する。

例えば、図９のように、電界強度４５のピーク位置が、表面から浅いところにある場合には、ＡＰＤアレイ２１に入射する光のスペクトルが、発光素子２０が発生する光のスペクトルよりも、短波長側にシフトするように反射材２２を設けることにより、放射線検出器の遅延時間を短縮することができる。

実施形態に係る放射線検出器は、ＰＥＴなどの放射線診断装置に組み込まれて用いられることができる。一例として、実施形態に係る放射線検出器は、通常のＰＥＴの放射線検出器として使用できるだけでなく、フィルタ２４により検出器の時間分解能が向上することを生かして、高い時間分解能が要求される、チェレンコフ光検出を目的とした放射線検出器として利用することができる。かかる場合、発光素子２０は、放射線の入射に伴ってチェレンコフ光を発生し、ＡＰＤアレイ２１は、当該チェレンコフ光を検出する。発光素子２０としては、例えば、ゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ、ＢｉｓｍｕｔｈＧｅｒｍａｎｉｕｍＯｘｉｄｅ）や、鉛ガラス（ＳｉＯ_２＋ＰｂＯ）、フッ化鉛（ＰｂＦ_２）、ＰＷＯ（ＰｂＷＯ_４）等の鉛化合物が選択される。かかる目的の放射線検出器は、例えば、チェレンコフ光を用いて医用画像を生成するタイプのＰＥＴ装置に組み込まれてもよい。

図１１に、かかる放射線診断装置の一例が示されている。図１１に示されているＰＥＴ装置１００は、チェレンコフ光と、通常のシンチレーション光の両方を用いて医用画像を生成する放射線診断装置である。ＰＥＴ装置１００は、架台装置１０とコンソール装置２０とからなり、架台装置１０は、放射線が通過する際に発生するチェレンコフ光を検出する第１の検出器１ａと、第１の検出器１ａに対向して、放射線の発生源から遠い側に対向して設けられ、放射線のエネルギー情報を検出する第２の検出器１ｂとを備える。ここで、実施形態に係る放射線検出器を、第１の検出器１ａとして、ＰＥＴ装置１００に組み込むことができる。

また、架台装置１０は、第１の検出器１ａにおける対消滅ガンマ線の第１のタイミング情報を取得する第１のタイミング情報取得回路１０１と、第１のタイミング情報に基づいて、第１のタイミング情報が取得された対消滅ガンマ線のイベントを特定するために、第２の検出器１ｂにおける対消滅ガンマ線の第２のタイミング情報を取得する第２のタイミング情報取得回路１０２とを備える。第１のタイミング情報取得回路１０１及び第２のタイミング情報取得回路１０２は、取得部の一例である。

なお、ＰＥＴ装置１００は、通常のＰＥＴ装置が有する構成も備える。例えば、架台装置１０は、天板１０３と、寝台１０４と、寝台駆動部１０５を備える。また、コンソール装置２０は、処理回路１０５と、入力装置１４０と、ディスプレイ１４１と、メモリ１４２とを備える。処理回路１０５は、特定機能１０５ａと、画像処理機能１０５ｂと、システム制御機能１０５ｃと、寝台制御機能１０５ｄとを備える。

なお、図１１では、チェレンコフ光を用いて医用画像を生成するタイプの放射線診断装置について説明したが、実施形態はこれに限られず、実施形態に係る放射線検出器は、例えば図１２に示されるような、シンチレーション光を検出する標準的なＰＥＴ装置における検出器１ｃとして、放射線診断装置（ＰＥＴ装置１００）の中に組み込まれてもよい。かかる放射線診断装置１００は、実施形態に係る放射線検出器である検出器１ｃにより得られたデータに基づいて、放射線のタイミング情報を取得するタイミング情報取得回路１０２を備える。タイミング情報取得回路１０２は、取得部の一例である。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、検出性能を向上させることができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

２０発光素子
２１ＡＰＤアレイ
２２反射材
２３接着剤

Claims

放射線の入射に伴って光を発生する発光素子と、
前記光を検出する光センサと、
前記発光素子と前記光センサとの間に設けられ、前記光が検出されるまでの遅延時間が小さくなるような前記光の波長のみ透過させるフィルタと、
を備える放射線検出器。
前記フィルタは、電界強度のピーク位置に基づいて、透過させる光の波長を決定するように選択される、請求項１に記載の放射線検出器。
前記フィルタは、前記波長の光によりキャリアが生成される平均的な位置が、前記ピーク位置に等しくなるように選択される、請求項２に記載の放射線検出器。
前記フィルタは、前記光のスペクトル全体での平均的な前記遅延時間と比較して、前記遅延時間が大きい光の波長をカットする、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の放射線検出器。
前記フィルタは、キャリアが生成される平均的な位置が、前記フィルタを設置しない場合と比較して入射面に近くなるように選択される、請求項１に記載の放射線検出器。
前記発光素子に、前記フィルタが透過させる波長を含む波長の前記光を反射する反射材が更に設けられる、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の放射線検出器。
前記発光素子に反射材が更に設けられ、
前記反射材が設けられることにより、前記光センサに入射する光のスペクトルが、前記発光素子が発生する光のスペクトルよりも、短波長側にシフトする、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の放射線検出器。
前記発光素子は、前記放射線の入射に伴ってチェレンコフ光を発生し、
前記光センサは、前記チェレンコフ光を検出する、請求項１に記載の放射線検出器。
前記フィルタは、青色光を透過させるフィルタである、請求項１に記載の放射線検出器。
放射線の入射に伴って光を発生する発光素子と、
前記光を検出する光センサと、
前記発光素子と前記光センサとの間に設けられ、前記光が検出されるまでの遅延時間が小さくなるような前記光の波長のみ透過させるフィルタと、
を備える放射線検出器と、
前記放射線検出器により得られたデータに基づいて、前記放射線のタイミング情報を取得する取得部と、
を備える放射線診断装置。