JP3984826B2 - 集束型シンチレータを使用したコンピュータ断層撮影イメージングのシステム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、全般的にはコンピュータ断層イメージングに関し、さらに詳細には、コンピュータ断層システムで使用するために光エネルギーを集束させる装置及び方法に関する。
【０００２】
典型的には、コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システムでは、Ｘ線源は患者などの被検体に向けて扇形状のビームを放出する。ビームは、この被検体によって減衰を受けた後、放射線検出器のアレイ上に入射する。検出器アレイで受け取った減衰したビーム状放射線の強度は、典型的には、被検体によるＸ線ビームの減衰に依存する。この検出器アレイの各検出器素子は、各検出器素子が受け取る減衰ビームを表している電気信号を別々に発生させる。この電気信号は解析のためにデータ処理ユニットに伝達され、最終的に画像が形成される。
【０００３】
一般に、Ｘ線源及び検出器アレイはガントリと共に画像作成面内で被検体の周りを回転する。Ｘ線源は典型的には、焦点の位置でＸ線ビームを放出するＸ線管を含んでいる。Ｘ線検出器は典型的には、この検出器の位置で受け取るＸ線ビームをコリメートするためのコリメータと、このコリメータに隣接しておりＸ線を光エネルギーに変換するためのシンチレータと、この光エネルギーを隣接するシンチレータから受け取るためのフォトダイオードと、を含んでいる。
【０００４】
典型的には、シンチレータ・アレイの各シンチレータは、光射出面積と寸法が同じであるようなＸ線入射面積を有している。この結果、シンチレータから出る光エネルギーを効果的に受け取るためには、シンチレータに隣接させる各フォトダイオードは、その寸法がシンチレータの光射出面積と同じであるような受光面積を有することが必要である。シンチレータの光射出面積と比べてより小さな受光面積を有するフォトダイオードを実現することは可能であるが、シンチレータから出る光エネルギーのかなりの部分がフォトダイオードにより検出されないことになるため、これは明らかに望ましくない。その内部に複数のフォトダイオードを有するフォトダイオード・アレイは典型的には１つのシリコンチップ上に形成されているため、これらのフォトダイオードに対応するためにはかなりの表面積が必要となる。したがって、各シンチレータの光射出表面のサイズを小さくすると、フォトダイオードの各々の全有効面積が小さくなる。したがって、チップの有効面積同士の間のオープン部分、すなわち未使用部分をより大きくすると、別の目的に利用できる可能性がある。
【０００５】
したがって、高周波電磁エネルギーを受け取り、光エネルギーを光射出表面に集めることができる集束型シンチレータがあることが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はＣＴイメージング・システム用の検出器を提供する。本検出器は、高周波電磁エネルギーを受け取って光エネルギーに変換するための集束型シンチレータを含む。本検出器はさらに、このシンチレータに隣接して配置されたフォトダイオードを含むと共に、シンチレータの光射出表面を通って放出された光エネルギーを受け取るように構成させている。本検出器はまた、フォトダイオードからデータ処理ユニットまでを接続する電気導線を含む。フォトダイオードの信号出力はデータ処理ユニットに伝達され画像再構成が容易となる。このＣＴシステムには、高周波電磁エネルギーをテーパ付きシンチレータに向けて投射するための出力を有するガントリを設けている。以上のすべてにより上述の欠点が克服される。
【０００７】
本発明の一態様では、コンピュータ断層システムを提供する。本システムは、高周波電磁エネルギーを受け取ることができる少なくとも１つのテーパ付きシンチレータをその内部に有するテーパ付きシンチレータ・アレイを含む。本システムはまた、高周波電磁エネルギーをテーパ付きシンチレータ・アレイに向けて投射するためにガントリ内に配置された出力を含んでいる。テーパ付きシンチレータ・アレイにはフォトダイオード・アレイを形成している少なくとも１つのフォトダイオードを光学的に結合させ、シンチレータ・アレイから光エネルギーを受け取らせている。
【０００８】
本発明の別の態様では、ＣＴシステム用のシンチレータを提供する。本シンチレータは、高周波エネルギーを受け取るように構成した複数の入射エッジにより画定される１つの入射表面を含む。この複数の入射エッジと同心円状になるように構成した複数の射出エッジまで複数の壁を斜めに延ばし、光エネルギーを集めるように構成している。本シンチレータはまた、光エネルギーを放出するように構成した複数の射出エッジにより画定される射出表面を含む。
【０００９】
本発明はさらに、ＣＴシステム向けのイメージング方法を含む。本方法は、複数のテーパ付きシンチレータにより形成されるテーパ付きシンチレータ・アレイに高周波電磁エネルギーを投射することを含む。本方法はさらに、高周波電磁エネルギーを光エネルギーに変換すること、次いでこの光エネルギーを複数のフォトダイオードにより形成されるフォトダイオード・アレイに集めることを含む。
【００１０】
本発明の別の一態様では、ＣＴシステム用の高密度検出器を製作する方法を提供する。本方法は、高周波電磁エネルギーを受け取るように構成したテーパ付きシンチレータ・アレイを形成している複数のテーパ付きシンチレータを設けることを含む。本方法はまた、テーパ付きシンチレータ・アレイと光学的に接続されると共にテーパ付きシンチレータ・アレイから放出された光エネルギーを受け取るように構成されているフォトダイオード・アレイを形成する複数のフォトダイオードを設けること含む。本方法はまた、フォトダイオード・アレイの電気的出力を伝達することができる複数の導線をフォトダイオード・アレイに接続させることを含む。
【００１１】
本発明に関するその他様々な特徴、目的及び利点は以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図面では、本発明を実施するように目下のところ企図されている好ましい実施の一形態を図示している。
【００１３】
本発明の動作環境を４スライス型コンピュータ断層（ＣＴ）システムに関して記載する。しかし、当業者には、本発明は単一スライス構成やその他のマルチスライス構成で使用するように同様に適用可能であることが理解されよう。さらに、本発明はＸ線の検出及び変換に関して記載することにする。しかし、当業者であれば同じく、本発明がその他の高周波電磁エネルギーの検出、変換及び集束に対しても同様に適用可能であることを理解されよう。
【００１４】
図１及び図２を参照すると、「第３世代」のＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むものとして、コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム１０を示している。ガントリ１２は、このガントリ１２の対向面上に位置する検出器アレイ１８に向けてＸ線ビーム１６を放出するＸ線源１４を有する。検出器アレイ１８は、投射され患者２２を透過したＸ線を一体となって検知する複数の検出器２０により形成される。各検出器２０は、入射したＸ線ビームの強度を表す電気信号、すなわち患者２２を透過したＸ線ビームの減衰を表す電気信号を発生させる。Ｘ線投影データを収集するためのスキャンの間に、ガントリ１２及びガントリ上に装着されたコンポーネントは回転中心２４の周りを回転する。
【００１５】
ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６により制御される。制御機構２６は、Ｘ線源１４に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御装置２８と、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御装置３０とを含む。制御機構２６内にはデータ収集システム（ＤＡＳ）３２があり、これによって検出器２０からのアナログ・データをサンプリングし、このデータを後続の処理のためにディジタル信号に変換する。画像再構成装置３４は、サンプリングされディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取り、高速で再構成を行う。再構成された画像はコンピュータ３６に入力として送られ、コンピュータにより大容量記憶装置３８内にこの再構成画像が格納される。
【００１６】
コンピュータ３６はまた、キーボードを有するコンソール４０を介して、オペレータからのコマンド及びスキャン・パラメータを受け取る。付属の陰極線管ディスプレイ４２により、オペレータはコンピュータ３６からの再構成画像やその他のデータを観察することができる。コンピュータ３６は、オペレータの発したコマンド及びパラメータを用いて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御装置２８及びガントリ・モータ制御装置３０に対して制御信号や制御情報を提供する。さらにコンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御して患者２２とガントリ１２の位置決めをするためのテーブル・モータ制御装置４４を操作する。詳細には、テーブル４６により患者２２の各部分がガントリ開口４８を通過できる。
【００１７】
図３及び４で示すように、検出器アレイ１８は複数の検出器２０を含んでいる。各検出器２０は、高密度のフォトダイオード・アレイ５２と、このフォトダイオード・アレイ５２の上側に配置した多次元シンチレータ・アレイ５６とを含んでいる。Ｘ線ビーム１６をシンチレータ・アレイ５６上に入射する前にコリメートするために、シンチレータ・アレイ５６の上側にコリメータ（図示せず）が配置されている。フォトダイオード・アレイ５２は、１つのシリコンチップ上に堆積（すなわち、形成）させた複数のフォトダイオード６０を含む。シンチレータ・アレイ５６は、当技術分野で周知のように、フォトダイオード・アレイ５２を覆うように位置させている。フォトダイオード６０はシンチレータ・アレイ５６と光学的に結合しており、シンチレータ・アレイ５６の光出力を表す信号を伝達することができる。各フォトダイオード６０は、シンチレータ・アレイ５６の対応する１つのシンチレータ５７に入射した減衰ビームの計測値にあたる低レベルのアナログ出力信号を別々に発生させている。フォトダイオード出力線７６は、例えば、検出器２０の１つの側面上、あるいは検出器２０の複数の側面上に物理的に配置させることができる。図４では、フォトダイオード出力線７６は、フォトダイオード・アレイ５２の相対する側面に配置させて示している。
【００１８】
実施の一形態では、図３に示すように、検出器アレイ１８は、５７個の検出器２０を含んでいる。各検出器２０は、フォトダイオード・アレイ５２及びシンチレータ・アレイ５６を含んでおり、それぞれ１６×１６のアレイ・サイズを有する。このため、アレイ５２及び５６の各々は、横列１６列と縦列９１２列（１６×５７個の検出器）を有し、これによりガントリ１２の１回転あたり１６スライス分のデータを同時に収集することが可能である。シンチレータ・アレイ５６は透明な接着剤（図示せず）の薄膜によりフォトダイオード・アレイ５２と結合させている。
【００１９】
スイッチ・アレイ８０及び８２（図４）は、フォトダイオード・アレイ５２と同じ幅を有する多次元半導体アレイである。好ましい実施の一形態では、スイッチ・アレイ８０及び８２の各々は複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含んでいる。各ＦＥＴは対応するフォトダイオード６０と電気的に接続させている。ＦＥＴアレイは、可撓性のある電気的インタフェース８４を介して信号を伝達するようにＤＡＳ３２と電気的に接続した多数の出力導線を有している。詳細には、フォトダイオード出力の約半数がスイッチ・アレイ８０に電気的に伝達され、フォトダイオード出力の残りの半数はスイッチ・アレイ８２に電気的に伝達される。各検出器２０は装着用ブラケット７９によって検出器フレーム７７（図３）に固定されている。
【００２０】
スイッチ・アレイ８０及び８２はさらに、所望のスライスの数及びスライス分解能に従ってフォトダイオード出力を制御する、有効にする、無効にする、あるいは合成するためのデコーダ（図示せず）を含んでいる。１６スライス・モードとして規定される実施の一形態では、デコーダはスイッチ・アレイ８０及び８２に指令してフォトダイオード・アレイ５２のすべての横列を起動させ、ＤＡＳ３２による処理で利用可能な１６スライス分のデータが同時に得られる。もちろん、スライスはこれ以外に多くの組み合わせが可能である。例えば、デコーダによりさらに、１スライス・モード、２スライス・モード、４スライス・モードなど多様なスライス・モードが可能となる。
【００２１】
図５に示すように、デコーダの適当な指令の伝達によって、スイッチ・アレイ８０及び８２を４スライス・モードで構成し、これにより１つまたは複数の横列のフォトダイオード・アレイ５２からなる４スライスからデータを収集することができる。デコーダが規定する具体的なスイッチ・アレイ８０及び８２の構成に応じて、フォトダイオード・アレイ５２のフォトダイオード６０の様々な組み合わせについて、有効にしたり、無効にしたり、あるいは合成させたりすることができ、これによりスライス厚をフォトダイオード・アレイ素子６０の横列１列分、２列分、３列分または４列分の素子により構成させることができる。追加的な例としては、１．２５ｍｍ厚から２０ｍｍ厚までの範囲にあるスライスのうちの１つのスライスからなる単一スライス・モード、あるいは、１．２５ｍｍ厚から１０ｍｍ厚までの範囲にあるスライスのうちの２つのスライスを含む２スライス・モード、などがある。さらに、ここに記載した数を超える追加的なモードも企図される。
【００２２】
ここで図６及び７を参照すると、シンチレータ・アレイ５６は複数のテーパ付きシンチレータ５７を含む。好ましい実施の一形態では、シンチレータ５７の数はフォトダイオード・アレイ５２のフォトダイオード６０の数に等しい。シンチレータ・アレイ５６の各シンチレータ５７は、Ｘ線などの高周波電磁エネルギーを受け取るように構成した入口表面５９を有している。この入口表面５９は複数のエッジ６１により画定されている。好ましい実施の一形態では、そのシンチレータ入口５９が４つのエッジ６１を有しているが、当業者であれば、三角形、長方形、多角形などの代替的なエッジ構成も本発明に適用可能であることを理解するであろう。各入口側エッジ６１からは壁６３が斜めに延びている。各壁６３は出口表面６５まで延びている。この出口表面６５は、複数の射出エッジ（図示せず）により画定されており、これと光学的に結合するフォトダイオード６０に光エネルギーを放出するように構成されている。出口表面６５まで斜めに延びている複数の壁６３は、光エネルギーをフォトダイオード６０に向けて集束させる、すなわち、集めている。
【００２３】
図８を参照すると、シンチレータ５７の出口表面６５に隣接させるように構成したフォトダイオード６０により光を検出し、対応するアナログ信号をＤＡＳ３２（図２）に伝達する。フォトダイオード・アレイ５２の各フォトダイオード６０は、シンチレータ５７の光射出表面６５のエッジ６７に隣接させるように構成した多数のエッジ７１により画定される受光側表面を有している。好ましい実施の一形態では、シンチレータ・アレイ５６とフォトダイオード・アレイ５２とは寸法が同じであり、したがって、テーパ付きシンチレータ５７の実施によりフォトダイオード・アレイ５２において未使用面積、すなわち非有効表面積をより大きくできる。シリコンチップ８１上でフォトダイオード６０同士の間の未使用面積８１ａが増加することにより、信号経路を形成する電気的相互接続（図示せず）の本数を増やしてもそのルートを確保できる。相互接続の本数が増えるため信号経路密度が高くなりＣＴシステム１０の全体的な電気的性能が向上する。
【００２４】
これに応じて、コンピュータ断層システムのためのマルチスライス型イメージングの方法も開示する。本方法は、Ｘ線などの高周波エネルギーを複数のテーパ付きシンチレータ５７により形成されるテーパ付きシンチレータ・アレイ５６に向けて放出するステップを含む。このテーパ付きシンチレータ５７は高周波エネルギーを光エネルギーに変換し、この光エネルギーは複数のフォトダイオード６０により形成されるフォトダイオード・アレイ５２に集められる。本方法はまた、その各シンチレータ５７が複数の入口側エッジ６１により画定される入口表面５９と、複数の光射出エッジ６７により画定される出口表面６５と、複数の入口側エッジ６１から複数の出口側エッジ６７に向けて集束するように延びた複数の壁６３と、を有するようにテーパ付きシンチレータ・アレイ５６を製作することを含む。
【００２５】
この例示的応用では、上述したようなテーパ付きシンチレータを製作するための幾つかの技法を企図している。好ましい実施の一形態では、シンチレータ塊を化学的エッチング剤中に浸浸させる。この塊は、ある特定の時間にわたって浸浸を受けた後、シンチレータ塊の表面上にある酸を除去するためのすすぎ場（ｒｉｎｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ）に送られる。酸が除去された後、このシンチレータ塊はすすぎを受け乾燥させる。この化学的エッチング剤は、シリコンチップ８１のうちテーパ付きシンチレータ５７の形成を支援するような未保護部分の異方性エッチングを促進させている。
【００２６】
別の好ましい実施形態では、シンチレータ塊にプラスマをあてることによりテーパ付きシンチレータ５７の形成を容易にしている。テーパ付きシンチレータ５７を形成させるために、シンチレータ塊は真空システムにより圧力を低下させたチャンバ内に装填される。真空が確立された後、このチャンバに反応性気体を満たすと共に電源の支援により電極を介してチャンバ内に周波数場（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｉｅｌｄ）を生成させる。この周波数場は、この気体混合物を付勢させてプラスマ状態にする。付勢された状態において、この気体混合物はシンチレータ塊の未保護部分に作用して、この塊を揮発物に変換し、引き続いて真空システムによりこれが除去される。揮発物を除去したときに、シンチレータ塊内にテーパ付きシンチレータ・アレイ５６が形成される。
【００２７】
本発明のさらに別の態様では、シンチレータ塊に向けてイオンビームを形成するようなイオンを加速させることによりテーパ付きシンチレータ・アレイ５６を形成している。シンチレータ塊は、その内部に気体流を導入するための真空チェンバ内に配置させる。典型的にはアルゴンなどの貴ガス（ｎｏｂｌｅ ｇａｓ）であるこの気体をチャンバ内に入れたときに、陰極と電極の組からの高エネルギー電子の流れにより、気体原子は正電荷をもった高エネルギー状態に電離される。このシンチレータ塊は、電離した気体原子を引きつけるような負に接地したホルダ上に保持する。電離気体原子は、シンチレータ塊のホルダまで移動する間に加速されエネルギーを集める。シンチレータ塊の表面において、電離した原子はシンチレータ塊の未保護部分に衝突し、シンチレータ塊表面をある少量だけ破壊する。この衝突ステップの結果、テーパ付きシンチレータ５７が得られる。
【００２８】
本発明の別の実施形態では、切削用レーザをシンチレータ塊に向けて導く。このレーザは、複数の入射エッジ６１とこれに対応した複数の壁６３が形成されるようにシンチレータ塊を切削するためのガイドにより導かれる。このレーザガイドによりさらに、レーザは、複数の壁６３が複数の入射エッジ６１と同心円状になるように構成した複数の射出エッジ６７に集束するようにしてシンチレータ塊が切削されるように導かれる。
【００２９】
本発明を好ましい実施形態について記載してきたが、明示的に記述した以外に、添付の特許請求の範囲の域内で等価、代替及び修正が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴイメージング・システムの外観図である。
【図２】図１に示すシステムのブロック概要図である。
【図３】ＣＴシステムの検出器アレイの斜視図である。
【図４】図３に示す検出器の斜視図である。
【図５】図４の検出器に対する４スライス・モードによる様々に構成を表した図である。
【図６】図４に示す検出器アレイの一部分の上面図である。
【図７】図６に示すシンチレータ・アレイのうちの１つのテーパ付きシンチレータの斜視図である。
【図８】検出器を図６の線８−８に沿って切って見た断面図である。
【符号の説明】
１０ コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム
１２ ガントリ
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線ビーム
１８ 検出器アレイ
２０ 検出器
２２ 被検体、患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
２８ Ｘ線制御装置
３０ ガントリ・モータ制御装置
３２ データ収集システム（ＤＡＳ）
３４ 画像再構成装置
３６ コンピュータ
３８ 大容量記憶装置
４０ コンソール
４２ 陰極線管ディスプレイ
４４ テーブル・モータ制御装置
４６ モータ式テーブル
４８ ガントリ開口
５２ フォトダイオード・アレイ
５６ シンチレータ・アレイ
５７ シンチレータ
５９ 入口表面
６０ フォトダイオード
６１ 入口側エッジ
６３ 壁
６５ 出口表面
６７ 出口側エッジ
７１ 受光側エッジ
７６ フォトダイオード出力線
７７ 検出器フレーム
７９ 装着用ブラケット
８０ スイッチ・アレイ
８１ シリコンチップ
８１ａ フォトダイオード間の未使用部分
８２ スイッチ・アレイ
８４ 電気的インタフェース

Claims (10)

1. シンチレータ材料の塊から形成された複数のテーパ付きシンチレータ（５７）であって、各シンチレータが、出口面（６５）より寸法を大きく構成した入口面（５９）と、前記入口面（５９）から前記出口面（６５）に向けて延びている複数の壁（６３）とを含んでいる、前記複数のシンチレータ（５７）を備えるコンピュータ断層システム用シンチレータアレイ（５６）であって、
   前記シンチレータ材料の塊にエッチング剤を適用するステップと、
   前記シンチレータ材料の塊に反応性気体のプラスマを適用するステップと、
   イオンビームを形成する複数のイオンを前記シンチレータ材料の塊に向けて加速させるステップと、
   切削用レーザを前記シンチレータ材料の塊に適用するステップと、
   の何れかのステップにより形成される、
   コンピュータ断層システム用シンチレータアレイ（５６）。
2. 前記シンチレータアレイ（５６）と光学的に結合するフォトダイオード・アレイ（５２）を備えている前記コンピュータ断層システムの検出器アレイに組み込まれた請求項１に記載のシンチレータアレイ（５６）。
3. 複数のテーパ付きシンチレータ（５７）を有する二次元シンチレータアレイ（５６）を製作する方法であって、
   シンチレータ材料の塊を用意するステップと、
   前記シンチレータ材料の塊を真空チャンバ内に置くステップと、
   前記真空チャンバ内に置くステップと、
   気体の流れを前記真空チャンバ内に導入するステップと、
   前記気体の流れを電離させるステップと、
   前記シンチレータ材料の塊の表面に前記電離した気体の流れを向けて、前記シンチレータ材料の塊の一部分を除去するステップと、
   を含む方法。
4. 前記シンチレータ材料の塊を真空チャンバ内に置くステップは、前記真空チャンバ内で負に接地したホルダ上に前記シンチレータ材料の塊を置くステップを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記気体の流れを電離させるステップは、陰極と電極の組からの高エネルギー電子の流れを導入し、正電荷をもった高エネルギー状態に前記気体の気体原子を電離させるステップを含む請求項４に記載の方法。
6. 前記負に接地したホルダに前記電離した気体原子を向けるステップを含む請求項５に記載の方法。
7. 前記シンチレータ材料の塊の未保護部分を除去し、テーパ付きシンチレータ（５７）を製作するステップを更に含む請求項３に記載の方法。
8. ＣＴイメージングシステムに使用されるテーパ付きシンチレータ（５７）を製作する方法であって、
   シンチレータ塊をチャンバ内に置くステップと、
   チャンバ内を真空にするステップと、
   前記チャンバ内を反応性気体で満たすステップと、
   前記シンチレータ材料の塊に反応性気体のプラスマを適用するステップと、
   前記反応性気体を付勢してプラスマ状態にするステップと、
   前記シンチレータ塊の未保護部分を揮発物に変換するステップと、
   前記シンチレータ塊から揮発物を除去するステップと、
   を含む方法。
9. 複数のテーパ付きシンチレータ（５７）を備えるシンチレータアレイ（５６）を製作する方法であって、
   シンチレータ材料の塊を用意するステップと、
   前記シンチレータ材料の塊を化学的エッチング剤中にある特定の時間にわたって浸浸させるステップと、
   前記ある特定の時間が経過した後に、前記化学的エッチング剤を前記シンチレータ材料の塊から除去するステップと、
   前記シンチレータ材料の塊を乾燥させるステップと、
   を含む方法。
10. 前記化学的エッチング剤を前記シンチレータ材料の塊から除去するステップは、前記シンチレータ材料の塊をすすぐステップを含む請求項９に記載の方法。

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