JP3950964B2

JP3950964B2 - 強磁場内作動型放射線位置検出器

Info

Publication number: JP3950964B2
Application number: JP2003014880A
Authority: JP
Inventors: 誠一山本; 秀雄村山
Original assignee: National Institute of Radiological Sciences
Current assignee: National Institute of Radiological Sciences
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP2004226256A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁場内に置かれた場合にも、放射線の位置を正確に検出し、かつ放射線吸収エネルギー量を正確に弁別する機能を持たせた強磁場内作動型放射線位置検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シンチレーション放射線検出器において放射線の深さ位置検出機能および放射線吸収エネルギー選別機能を持たせた放射線位置検出器に関するものとして、放射線の３次元位置検出器があった（例えば、特許文献１参照）。
しかしこの検出器は、受光素子が各シンチレータ・セルに直接光学結合されているため、強磁場内では正常な動作をしない。これは受光素子内で光子から変換した光電子が磁場の作用で軌道を変えられるためである。従って、検出器全体としての放射線の位置及びエネルギーの分解能特性が損なわれる。
図５は、従来型放射線位置検出器の例であり、図６は、従来型放射線位置検出器の４つの受光素子で受け取る光の分配率を示す二次元分布図で、各シンチレータ・セルに対応する区域を形成する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−２２９９９５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、強磁場内に置かれた場合にも正常な動作をすることができる強磁場内作動型放射線位置検出器を提供することである。
本発明の他の目的は、強磁場内に置かれた場合にも正常な動作をすることができ、放射線の位置及びエネルギーの分解能特性に優れた強磁場内作動型放射線位置検出器を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の強磁場内作動型放射線位置検出器を提供するものである。
１．２個以上のシンチレータ・セルを平面的に接合し、これを２段以上層状に重ねた多層シンチレータと、この多層シンチレータの各シンチレータ・セルの底面に接続された受光素子を含み、前記各シンチレータ・セルの底面と受光素子が光ファイバーを介して接続されていることを特徴とする強磁場内作動型放射線位置検出器。
２．多層シンチレータが、縦方向に２〜３個、横方向に２〜３個のシンチレータ・セルを平面的に接合し、それを２〜５段層状に重ねたものである上記１記載の強磁場内作動型放射線位置検出器。
３．多層シンチレータが、縦方向に２個、横方向に２個のシンチレータ・セルを平面的に接合し、それを２〜５段層状に重ねたものである上記１記載の強磁場内作動型放射線位置検出器。
４．シンチレータが、セリウムをドープしたＬｕ₂ＳｉＯ₅単結晶である上記１〜３のいずれか１項記載の強磁場内作動型放射線位置検出器。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、２個以上のシンチレータ・セルを平面的に接合し、これを２段以上層状に重ねた多層シンチレータと、この多層シンチレータの各シンチレータ・セルの底面に接続された受光素子を含み、前記各シンチレータ・セルの底面と受光素子が光ファイバーを介して接続されていることを特徴とする強磁場内作動型放射線位置検出器である。
本発明の強磁場内作動型放射線位置検出器は、各シンチレータ・セルの底面と受光素子が光ファイバーを介して接続されていることを特徴とするものであり、放射線位置検出器としては、２個以上のシンチレータ・セルを平面的に接合し、これを２段以上層状に重ねた多層シンチレータと、この多層シンチレータの各シンチレータ・セルの底面に接続された受光素子を含むものであれば、従来公知のものも含めすべて本発明において使用可能である。
【０００７】
このような放射線位置検出器としては、２個以上、好ましくは４個以上のシンチレータ・セルを平面的に接合し、それを２段以上、好ましくは２〜５段層状に重ねて多層シンチレータを形成し、２個以上の受光素子または位置分解が可能な受光素子を光学結合し、各シンチレータ・セル間は、空気、光反射材、光透過材、前記シンチレータと同じ材料から選ばれた少なくとも１種類のもので満たし、シンチレータ・セルごとの光学表面条件（鏡面又は粗面）と光反射材および光学透過材の組み合わせを最適化することにより、受光素子から得る出力信号で、放射線を検出したシンチレータ・セルの同定および放射線エネルギーの選別を行うことができるものが望ましい。
【０００８】
本発明の放射線位置検出器に使用する光ファイバーの種類は特に制限はなく、ガラス製、プラスチック製いずれのものも使用できる。光ファイバーのサイズも特に限定されないが、直径１〜１０ｍｍ、好ましくは１〜３ｍｍ、長さは０．５〜２０ｍ、好ましくは５〜１０ｍ程度のものが適当である。シンチレータ・セルの底面の面積が大きい場合には、細い光ファイバーを複数本、例えば、２〜１０００本程度束ねて使用してもよい。細い光ファイバーを多数本使用することにより、光ファイバー全体の可撓性が向上し、取扱が容易になる。また、光ファイバーの断面形状をシンチレータ・セルの底面の形状に合わせることが容易になり、受光率を向上させることができる。
光ファイバーとシンチレータ・セルの底面との光学結合、及び光ファイバーと受光素子との光学結合は、例えば、シリコンゴム等による光学結合により行えばよい。
【０００９】
本発明の放射線位置検出器は、２個以上のシンチレータ・セルを平面的に接合し、これを２段以上層状に重ねた多層シンチレータとしたこと、及び光ファイバーを介してシンチレータ・セルの底面と受光素子を光学結合したことを特徴とするものである。シンチレータ・セルからの出力信号は光子であるため、光電子に変換せず光子のまま信号を光ファイバーを介して磁場外に導き、磁場外に設置した光学素子に送信することにより、磁場の影響を完全に排除することが可能となる。また、多層シンチレータとしたことにより、１）一度に複数の断面画像が得られる、２）ＰＥＴ装置全体としての感度を向上できる、という効果がある。なお深さ方向に複数層を設けられる利点としては、視野周辺部の空間分解能劣化を防ぐことが出来る点、及び感度を向上出来る点が挙げられる。
【００１０】
本発明の強磁場内作動型放射線位置検出器において、エネルギー分解能、位置分解能、時間分解能をさらに向上させるためには、放射線を吸収し光を発したシンチレータ・セルの位置を弁別する手段、及び各シンチレータ・セルが発した光の前記受光素子による受光量を均一化する手段を含むことが望ましい。
放射線を吸収し光を発したシンチレータ・セルの位置を弁別する手段としては、隣接するシンチレータ層の発光の波形を弁別する手段が挙げられる。隣接するシンチレータ層の発光の波形を弁別する手段の具体例としては、発光の減衰時定数の差を利用するものが挙げられる。減衰時定数の差は好ましくは５ｎｓ以上、さらに好ましくは１０ｎｓ以上、最も好ましくは１５ｎｓ以上である。
【００１１】
各シンチレータ・セルが発した光の受光素子による受光量を均一化する手段としては、例えば、特願２００２−３００１２５に記載されているように、最上層のシンチレータ層に隣接するシンチレータ層のシンチレータ・セルの表面を粗面とすること、他のシンチレータ層のシンチレータ・セルの表面を鏡面とすること、最上層のシンチレータ層及びこれに隣接するシンチレータ層を除く他のシンチレータ層のシンチレータ・セル間に光反射材を設置すること、及びいずれのシンチレータ・セルの表面にも隣接していないシンチレータ・セル外表面に光反射材を設置すること等が挙げられる。
【００１２】
本発明の放射線位置検出器に使用するシンチレータ材料としては、放射線を吸収して発光するものであれば特に制限されないが、セリウムをドープしたＬＳＯ（Ce: Lu₂SiO₅）、ＢＧＯ（Bi₄Ge₃O₁₂)等が挙げられる。しかし、本発明に用いるシンチレータ材料は、蛍光出力が高いほど位置弁別効果が大きく、Bi₄Ge₃O₁₂より５０％以上高い出力のシンチレータであることが望ましく、Ce: Lu₂SiO₅を用いることがさらに望ましい。Ce: Lu₂SiO₅のセリウムのドープ量は好ましくは０．１〜５．０モル％、さらに好ましくは０．５〜１．５モル％程度である。
シンチレータ・セルはシンチレータ材料（単結晶）を直方体に切断したものが好ましく、その大きさは、１．０〜１０ｍｍ×１．０〜１０ｍｍ×１．０〜１０ｍｍ程度が適当である。
【００１３】
単結晶の表面を鏡面とするには、機械研磨、化学研磨等の方法が使用できる。
単結晶の表面を粗面とするには、切断、粗研磨等の方法が使用できる。粗面の程度は、最大高さＲｍａｘ＝３４６ｎｍ（へき開面）〜３７６ｎｍ（へき開面）が適当である。
また、光反射材としては、金属箔（例えば、アルミニウム箔等）、ポリマー膜（例えば、ポリテトラフルオロエチレン等）、無機粉末等が挙げられる。これらの光反射材の厚さは通常１０〜５００μｍであり、好ましくは３０〜２００μｍである。
【００１４】
本発明の放射線位置検出器においては、受光素子で受ける光の総量を均一化するために、各シンチレータ層間及び受光素子とこれに隣接するシンチレータ層との間に、シンチレータ・セルが発した光に対して透明な光透過材を満たしておくことが望ましい。透明な光透過材としてはシリコーンオイル、空気、透明接着剤等が挙げられるが、透明接着剤であるシリコーンゴムが好ましい。
【００１５】
以上のとおり、本発明の放射線位置検出器においては、シンチレータ・ユニット内の各シンチレータ・セルは、不純物の含量の違いもしくは組成の違いによる蛍光減衰時定数の選択、および結晶表面処理に関して粗面もしくは鏡面にするかの選択が可能であり、さらにセル間の境界層は光学的不連続層を形成し、層間に光反射材を挿入するかもしくは光に対して透明な透過材（光学接合材）を挿入するかの選択が可能である。特開平１１−１４２５２３号公報に詳細に説明されているように、あるシンチレータ・セル内で発生した光は、この境界層を介して隣接するシンチレータ・セルにある割合で分配される。この分配された光を受け取ったシンチレータ・セルでも同様にこれと隣接するシンチレータ・セルにある割合で分配され、以下、この過程がシンチレータ・ユニット内の各シンチレータ・セル間で行われ、最終的に、シンチレータ・ユニットの一端面に光ファイバーを介して光学結合されたそれぞれの受光素子に到達する。
【００１６】
それぞれの受光素子で受け取る光量は、上記で示したシンチレータ・ユニット内の各シンチレータ・セル間の光の分配率に依存し、これを工夫することによって、それぞれの受光素子で受け取る光量の組み合わせにより、シンチレータ・ユニット内のどのシンチレータ・セルが光を発生したかを知ることが可能となり、シンチレータ・ユニットの深さ方向における放射線の検出位置を計測することができる。これと同時に、シンチレータ・セルの光学表面と光反射材および透過材の組み合わせを最適化することにより、位置弁別を可能にしつつ、どのセルで発光しても受光素子全体で受け取る光の総量を同一にする強磁場内作動型放射線位置検出器を形成できる。
【００１７】
実施例
以下、図面により本発明の実施例を詳しく説明する。
図１は、ＭＲＩ（磁気共鳴映像法）中で測定可能なＰＥＴ（陽電子放射断層撮影）装置の検出器の概念図を示す。
このシンチレータブロックは、４個のシンチレータ・セルを平面的に接合し、これを２段層状に重ねたものであり、従来深さ方向の放射線位置検出に用いられた放射線位置検出器（Murayama et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1998)に光ファイバーを光学結合したものである。使用した光ファイバーはクラレ製ダブルクラッドオプティカルファイバー（直径２ｍｍ、長さ２．５ｍ）であり、シンチレータ・セルはセリウムをドープしたＬＳＯ（Ce: Lu₂SiO₅）（２ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍの立方体）であり、表面は鏡面処理し、隣接するシンチレータ・セル間はシリコンゴムで光学結合し、シンチレータ・セルの上面部に光反射膜フィルムを設けたものである。
このシンチレータブロックに５１１ｋｅＶのガンマ線を照射すると発光し、この光信号は、４本の光ファイバーを通ってＭＲＩの磁場外に設置された４つの受光素子（光電子増倍管（ＰＭＴ））に送信される。
【００１８】
図２は、シンチレータブロックからの４つの光信号（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）より、シンチレータブロック内の８個のシンチレータ・セルのうち、発光したシンチレータ・セルの位置を弁別する方法を説明するための概念図である。４つの光信号を、特開平１１−１４２５２３号公報に詳細に説明されているような位置演算回路により位置演算することにより、８個のシンチレータ・セルの位置を２次元分布において８個の分布として得ることができる。
上記の構成を有する本発明の放射線位置検出器を使用して実際に得られた２次元分布を図３に示す。８個のＬＳＯシンチレータ・セル位置に対応する分布が得られている。
【００１９】
図４は、本発明の放射線位置検出器を用いて構成するＰＥＴ装置の概念図である。本発明の放射線位置検出器のシンチレータブロックをリング状に配列し、放射線により発光した光信号を、光ファイバーを介してＭＲＩの高磁場の外に配置した光電子増倍管（ＰＭＴ）に導く。ＰＭＴの信号は位置演算された後、同時計数回路で同時に起こった事象かどうかを判定し、同時の場合はメモリにシンチレータ位置のアドレスを書き込む。一定時間積算したデータをコンピュータにより再構成し、断層画像を得る。ＭＲＩも同時あるいは前後に撮像され、画像の重ねあわせが可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
撮像できるスライス数はシンチレータブロックの構成が２×２×２であるので検出器リング数は２リングとなり、対向する検出器間の同時計数の２スライスと隣接するリング間の１スライスの合計３スライスが同時に撮像可能となる。
また深さ方向にも２層構造であり、ガンマ線の深さ方向に対する入射位置を検出することで視野周辺部における空間分解能の劣化を少なくすることができる。
さらに検出器がブロックの構造であるので、ＰＭＴや光ファイバーの数を従来の装置に比べ大幅に減少させることができる。
【００２１】
さらにまた、本発明の放射線位置検出器を使用すると、３スライスを同時に撮像可能で深さ方向に２層を有する、ＭＲＩと同時に使用できるＰＥＴ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の強磁場内作動型放射線位置検出器を用いた、ＭＲＩ中で測定可能なＰＥＴ装置の概念図である。
【図２】ＭＲＩ中で測定可能なＰＥＴ装置の検出器の位置演算方法を説明するための概念図である。
【図３】本発明の実施例の強磁場内作動型放射線位置検出器により得られた、４つの受光素子で受け取る光の分配率を表す２次元分布図である。
【図４】本発明の強磁場内作動型放射線位置検出器を用いた、ＭＲＩ中で測定可能なＰＥＴ装置全体を示す概念図である。
【図５】従来型放射線位置検出器の構成例を示す図である。
【図６】従来型放射線位置検出器の４つの受光素子で受け取る光の分配率を示す２次元分布図である。

Claims

２個以上のシンチレータ・セルを平面的に接合し、これを２段以上層状に重ねた多層シンチレータブロックと、この多層シンチレータブロックの最下層の各シンチレータ・セルの底面に光ファイバーを介して接続された受光素子を含む強磁場内作動型放射線位置検出器を用いて構成されたＰＥＴ装置において、該多層シンチレータブロックを、その側面を隣接させてリング状に配列し、かつ各シンチレータ・セルの底面が該リングの軸と直交するように配列してなるＰＥＴ装置。
多層シンチレータブロックが、縦方向に２〜３個、横方向に２〜３個のシンチレータ・セルを平面的に接合し、それを２〜５段層状に重ねたものである請求項１記載のＰＥＴ装置。
多層シンチレータブロックが、縦方向に２個、横方向に２個のシンチレータ・セルを平面的に接合し、それを２〜５段層状に重ねたものである請求項１記載のＰＥＴ装置。
多層シンチレータブロックが、縦方向に２個、横方向に２個のシンチレータ・セルを平面的に接合し、それを２段層状に重ねたものである請求項１記載のＰＥＴ装置。
シンチレータが、セリウムをドープしたＬｕ₂ＳｉＯ₅単結晶である請求項１〜４のいずれか１項記載のＰＥＴ装置。