JP4558457B2 - 放射線検出器用のシンチレータ・アレイの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は一般的には、ＣＴイメージング・システム及び他の放射線イメージング・システムにおいて放射線を検出する方法及び装置に関し、さらに具体的には、反射能を高めたシンチレータ・アレイに関する。

少なくとも幾つかの計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム構成では、Ｘ線源がファン形状（扇形）のビームを投射し、ビームは、デカルト座標系のＸＹ平面であって「イメージング平面」と一般に呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。Ｘ線ビームは患者のような撮像対象を透過する。ビームは、対象によって減弱された後に、放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイで受光される減弱したビーム放射線の強度は、対象によるＸ線ビームの減弱量に依存する。アレイの各々の検出器素子が別個の電気信号を発生し、この電気信号が検出器位置でのビーム減弱の測定値となる。全ての検出器からの減弱測定値を別個に取得して透過プロファイルを生成する。

幾つかの公知のＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器アレイは、Ｘ線ビームが対象と交差する角度が定常的に変化するようにガントリと共に撮像平面内で撮像対象の周囲を回転する。Ｘ線源は典型的には、焦点スポットにおいて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、検出器で受光されるＸ線ビームをコリメートするコリメータと、コリメータに隣接して設けられているシンチレータと、シンチレータに隣接して設けられている光検出器とを含んでいる。
米国特許第６０１３７２３号

対象の１枚以上の画像スライスを再構成するための投影データを取得するように構成されている検出器アレイでは、１列以上の横列を成すシンチレータ・セル又はシンチレータ・ピクセルが設けられている。一つの公知の検出器アレイはシンチレータ・セルの二次元アレイを含んでおり、各々のシンチレータ・セルが付設の光検出器を有している。シンチレータ・セルを、扱い易い所定の寸法を有するブロックとして注型するために、エポキシ材料が用いられている。反射能を最大限に高めると共に隣り合う検出器セル同士の間でのクロストークを防ぐために、注型用反射体混合物は、ＴｉＯ２のように高屈折率の材料を含んでいる。このため、シンチレータ材料において入射したＸ線によって発生された光は、光を発生した検出器セルに局限される。しかしながら、エポキシ、ＴｉＯ２又はこれらの混合物のいずれも、Ｘ線を特に吸収する訳ではない。このため、光検出器又は注型用反射体混合物自体のいずれも、入射するＸ線に起因する損傷から保護されない。

一つの公知の注型用反射体混合物では、注型用反射体混合物に少量のクロムの酸化物も含められて、セル同士の間のクロストークをさらに抑えている。しかしながら、この材料を含ませると、発生される可視光のうち吸収された部分は光検出器によって検出されないため検出器の効率が低下する。クロムは、ピクセルの間の注型壁面を透過する光を吸収することによりクロストークを抑えるために用いられている。このドープ剤は、反射能を９８％から８２％まで大幅に低下させるため、光出力が極めて小さくなる。クロムを混入させると、光出力が６０％以上低下する可能性がある。また、クロストークを抑える能力は限られている。ＣＴ応用が新型化するほど益々高い分解能が必要とされており、すなわちこのことは新たな設計がさらに微細なピクセルを必要とすることを意味する。光出力は、ピクセル寸法が縮小するにつれて表面で光を失う機会が相対的に増すためさらに低下する。光出力は、ピクセル寸法が５０％縮小すると２０％−２５％低下する。光出力が低下すると、信号対雑音比が低下するため、画質の問題が生じ得る。

一観点では、イメージング・システムの放射線検出器用のピクセル型シンチレータ・アレイを提供する。シンチレータ・アレイは、アレイを成して並列して配列されている複数のシンチレータ・ピクセルを含んでいる。シンチレータ・ピクセルは、間隙によって、隣接するシンチレータ・ピクセルから離隔されている。各々のシンチレータ・ピクセルは、上面と、複数の側面と、各々のシンチレータ・ピクセルの上面及び側面を被覆する第一の層とを含んでいる。第一の層は平滑コーティングで形成される。反射性金属コーティングで形成される第二の層が第一の層を被覆しており、遮断コーティングで形成される第三の層が第二の層を被覆している。

他の観点では、計算機式断層写真法イメージング・システムが、回転式ガントリと、回転式ガントリ上に設けられている検出器アレイと、回転式ガントリ上で検出器アレイに対向して設けられており、放射線ビームを対象に透過させて検出器アレイに向かって照射するように構成されている放射線源とを含んでいる。検出器アレイは、複数のダイオードに光学的に結合されているシンチレータ・アレイを含んでいる。シンチレータ・アレイは、配列を成して並列して配列されている複数のシンチレータ・ピクセルを含んでいる。シンチレータ・ピクセルは、間隙によって、隣接するシンチレータ・ピクセルから離隔されている。各々のシンチレータ・ピクセルは、上面と、複数の側面と、各々のシンチレータ・ピクセルの上面及び側面を被覆する第一の層とを含んでいる。第一の層は平滑コーティングで形成される。反射性金属コーティングで形成される第二の層が第一の層を被覆しており、遮断コーティングで形成される第三の層が第二の層を被覆している。

他の観点では、シンチレータ・アレイを製造する方法を提供する。この方法は、アレイを成して並列して配列されており、間隙によって離隔されている複数のシンチレータ・ピクセルであって、各々が上面及び複数の側面を有しているシンチレータ・ピクセルを含むピクセル型シンチレータ・パック・プリフォーム（preform）を提供するステップを含んでいる。この方法はまた、平滑層を形成するように各々のシンチレータ・ピクセルの上面及びに平滑コーティングを施すステップと、反射性金属層を形成するように平滑層の上に反射性金属コーティングを施すステップと、遮断層を形成するように反射性金属層の上に遮断コーティングを施すステップと、を含んでいる。

以下で、イメージング・システムの放射線検出器用のピクセル型シンチレータ・アレイについて詳細に説明する。シンチレータ・アレイは、シンチレータ・アレイのピクセルの上面及び側面にポリマーの平滑コーティングを含んでいる。平滑コーティングは１．５未満という低屈折率を有し、アレイのピクセルの上面及び側面の平滑コーティングの上に堆積した反射性金属コーティングの接着性及び反射率を改善する。反射性金属コーティングの上には遮断コーティングが施されており、反射性コーティングを保護してシンチレータ・アレイの耐久性を高める。このピクセル型シンチレータ・アレイの設計は、現在の市販のシンチレータ・アレイを約５０％−約１００％上回る出力の増大を可能にする。このピクセル型シンチレータ・アレイについて、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムに関連して以下で説明する。但し、ピクセル型シンチレータ・アレイは、Ｘ線源以外の放射線源、例えばγ線源を用いたイメージング・システムを含めて他のイメージング・システムに用いることもできる。

以下、図面について説明する。図１及び図２には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム１０が、「第三世代」ＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２はＸ線源１４を有し、Ｘ線源１４はＸ線のビーム１６をガントリ１２の反対側に設けられている検出器アレイ１８に向かって投射する。検出器アレイ１８は検出器素子２０によって形成されており、検出器素子２０は一括で、患者２２のような対象を透過した投射されたＸ線を感知する。各々の検出器素子２０が、入射したＸ線ビームの強度を表わし従ってビームが対象又は患者２２を透過した際のビームの減弱量を表わす電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得する走査を行なっている間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成要素は回転中心２４の周りを回転する。一実施形態では、図２に示すように、検出器素子２０は走査時に単一の画像スライスに対応する投影データが取得されるように一列を成して配列されている。もう一つの実施形態では、検出器素子２０は走査時に複数の平行なスライスに対応する投影データが同時に取得され得るように平行な複数列を成して配列されている。

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によって制御されている。制御機構２６は、電力信号及びタイミング信号をＸ線源１４へ供給するＸ線制御器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・モータ制御器３０とを含んでいる。制御機構２６内のデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が、検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングして、これらのデータをディジタル信号へ変換して後続の処理に供する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受領して、高速画像再構成を実行する。再構成画像は、コンピュータ３６への入力として印加されて、コンピュータ３６は画像を大容量記憶装置に３８記憶させる。

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を介して操作者から命令及び走査パラメータを受領する。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給した指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、コンピュータ３６はテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２をガントリ１２内で配置するようにモータ式テーブル４６を制御する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。

前述のように、アレイ１８の各々の検出器素子２０が、検出器位置でのビーム減弱の測定値である別個の電気信号を発生する。具体的には、図３を参照して述べると、各々のＸ線検出器素子２０がシンチレータ素子５０を含んでおり、隣り合うシンチレータ素子５０の各側面は、非シンチレート性間隙５２によって離隔されている。シンチレータ素子５０は、本書ではシンチレータ・ピクセル５０とも称し、アレイ５３を成して配列されている。加えて、図３は検出器素子２０の一列に沿った断面を示しているが、図３は、検出器素子２０の線形アレイ及び二次元（例えば矩形）アレイの両方を表わすことを意図している。Ｘ線が入射すると、シンチレータ素子５０はＸ線のエネルギの少なくとも一部を光へ変換し、光はシンチレータ素子５０に隣接して配置されている光検出器５４によって検出され得る。シンチレータ素子５０の背面に光学的に結合されている光検出器５４（例えばフォトダイオード又は光電池）は、シンチレータ素子５０による光出力を表わす電気信号を発生する。検出器アレイ１８の全ての検出器素子２０からの減弱測定値を別個に取得して透過プロファイルを形成する。

図４は、ピクセル型シンチレータ・パック・プリフォーム６０の遠近図である。実施形態の一例では、シンチレータ・パック・プリフォーム６０はシンチレータ・ピクセル５０の二次元アレイである。各々のピクセル５０が、上面６２及び複数の側面６４を有している。プリフォーム６０は、外周ソーによるダイス加工手法又はワイヤ・ソーによるダイス加工手法のような幾何学的切断方法を用いて、ピクセル５０を切断してブロック型シンチレータ材料にすることにより形成される。プリフォーム６０はまた、射出成形のような他のニア・ネット形状法で形成することもできる。ピクセル５０は、シンチレータ物質の切断されていない部分６６によって一時的に共に保持される。後述するピクセル被覆工程の後に、部分６６を研削して除去し、ピクセル５０を光検出器５４（図３に示す）に結合させる。

また、図５を参照すると、各々のシンチレータ・ピクセル５０は、シンチレータ・ピクセル５０の上面６２及び各々の側面６４を被覆する平滑層６８を含んでいる。平滑層６８は、平滑コーティング材料で形成される。平滑層６８を形成するコーティング材料は、屈折率が１．５未満である。平滑コーティング材料は、一実施形態では、コーティング材料の乾燥膜厚、従って平滑層６８の厚みが約０．５マイクロメートル（μｍ）−約３．０μｍとなるように十分な量の１層以上の被膜として施される。もう一つの実施形態では、平滑層６８の厚みは約１．０μｍ−約２．０μｍである。平滑コーティングは、任意の適当な被覆手法、例えば浸漬コーティング及びスピン・コーティング等によって施すことができる。適当な平滑コーティング材料としては、限定しないが、例えばGeneral Electric Companyから市販されているＵＶＨＣ８５５８のような紫外硬化性シリコーン硬質コーティングを含めたシリコーン硬質コーティング、及びスチレンアクリレート・コーティング等がある。

平滑層６８の上には、反射性金属層７０が形成されている。金属層７０は、平滑層６８を形成する平滑コーティングで予め被覆されている上面６２及び側面６４に金属コーティングを堆積させることにより形成される。反射性金属層７０は、シンチレータ・ピクセル５０によって発生される光の約９５％を上回る光を、光検出器５４（図３に示す）によって検出されるように全ての入射角から反射し返すことが可能な高反射性表面を有する。任意の適当な金属コーティング、例えば銀、金又はアルミニウムを用いることができる。例示的な実施形態では、銀コーティングが用いられる。一実施形態では、金属コーティングは厚みが約０．１μｍ−約３．０μｍの金属層７０を形成するように堆積させられる。もう一つの実施形態では、金属コーティングは厚みが約０．５μｍ−約２．０μｍの金属層７０を形成するように堆積させられる。シンチレータ・ピクセル５０からの高い光出力のために低いクロストーク及び高い反射能での０％透過を達成するためには、約０．１μｍの最小厚みが必要とされる。金属コーティングの堆積は、任意の適当な方法、例えばスパッタ法（真空気相堆積法）、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法、プラズマ補助ＣＶＤ手法又は無電界コーティング法等によって行なうことができる。シンチレータ・ピクセル５０の全ての表面にわたって一様な厚みの金属コーティングを堆積させることが重要である。

反射性金属層７０を保護するために、金属層７０の上への遮断コーティング材料の堆積によって遮断層７２が形成される。遮断コーティング材料は、一実施形態では、コーティング材料の乾燥膜厚、従って遮断層７２の厚みが約０．５μｍ−約１５．０μｍとなるように十分な量の１層以上の被膜として施される。もう一つの実施形態では、遮断層７２の厚みは約２．０μｍ−約１０．０μｍである。遮断コーティングは、任意の適当な被覆手法、例えば浸漬コーティング及びスピン・コーティング等によって施すことができる。適当な遮断コーティング材料としては、限定しないが、例えばGeneral Electric Companyから市販されているＵＶＨＣ８５５８のような紫外硬化性シリコーン硬質コーティングを含めたシリコーン硬質コーティング、及び例えばEpoxy Technology, Inc.から市販されているＥｐｏＴｅｋ３０１のようなエポキシ・コーティング等がある。

平滑層６８、反射性金属層７０及び遮断層７２が各々のシンチレータ・ピクセル５０に形成された後に、一実施形態では約１５重量％−約６０重量％のＴｉＯ２を含有する接着剤７４（図３に示す）を注型してパック・プリフォーム６０とし、間隙５２を充填する。もう一つの実施形態では、接着剤は約２０重量％−約５０重量％のＴｉＯ２を含有する。接着剤７４の充填材はＴｉＯ２に限定されておらず、他の実施形態では、他の高Ｚ酸化物材料、例えばＴａ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３、ＷＯ３、ＰｂＯ及びＨｆＯ２、並びに／又は金属粉末、例えばタングステン等を含み得ることを理解されたい。接着剤７４は、室温以上の温度で硬化し得る低粘度の耐放射線性エポキシである。エポキシ材料が硬化した後に、パック・プリフォーム６０を機械加工して最終寸法にする。

最終仕上げしたシンチレータ・アレイ５３を作製するためには、ピクセル型シンチレータ・プリフォーム６０を例えば酸洗浄溶液で清浄化し、次いで乾燥させる。平滑コーティング組成物をシンチレータ・ピクセル５０の上面６２及び側面６４に塗工する。堆積させた平滑コーティングを硬化させて平滑層６８を形成する。次に、反射性金属コーティングを平滑層６８の上に塗工し、ピクセル５０の全表面を被覆して、反射性金属層７０を形成する。次いで、遮断コーティングを金属層７０の上に塗工し、硬化させて、遮断層７２を形成する。次いで、接着剤７４をプリフォーム６０に注型して、全ての間隙５２を充填すると共にシンチレータ・ピクセル５０の全表面を被覆する。次いで、接着剤を硬化させた後に、プリフォーム６０を機械加工して最終寸法にする。

本発明を様々な特定の実施形態について記載したが、当業者であれば、特許請求の範囲の要旨及び範囲内にある改変を施して本発明を実施し得ることを理解されよう。

ＣＴイメージング・システムの見取り図である。 図１に示すシステムのブロック模式図である。 図２に示す検出器アレイの断面図である。 ピクセル型シンチレータ・パック・プリフォームの遠近図である。 図４に示すシンチレータ・パック・プリフォーム内の１個のシンチレータ・ピクセルの断面図である。

符号の説明

１０ 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 検出器素子
２２ 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
４２ 表示器
４６ モータ式テーブル
４８ ガントリ開口
５０ シンチレータ素子
５２ 非シンチレート性間隙
５３ アレイ
５４ 光検出器
６０ ピクセル型シンチレータ・パック・プリフォーム
６２ 上面
６４ 側面
６６ 切断されていない部分
６８ 平滑層
７０ 反射性金属層
７２ 遮断層
７４ 接着剤

Claims (2)

1. シンチレータ・アレイ（５３）を製造する方法であって、
   アレイを成して並列して配列されており、間隙によって離隔されている複数のシンチレータ・ピクセルであって、各々が上面及び複数の側面を有しているシンチレータ・ピクセルを含むシンチレータ・ピクセルの二次元アレイを提供するステップと、
   平滑層を形成するように各々のシンチレータ・ピクセルの前記上面及び前記複数の側面に平滑コーティングを施すステップと、
   反射性金属層を形成するように前記平滑層の上に反射性金属コーティングを施すステップと、
   前記反射性金属層を被覆して保護する層（７２）を形成するステップと、
   前記第一乃至第三の層（６８，７０，７２）が形成された前記シンチレータ・ピクセル（５０）同士の間の前記間隙（５２）に接着剤（７４）を充填するステップと、
   を含み、前記接着剤（７４）が充填材を含んでおり、
   前記接着剤（７４）が前記充填材を当該接着剤の合計重量を基準とした重量百分率で２０重量％−５０重量％で含み、前記充填材がＴａ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３、ＷＯ３、ＰｂＯ、ＨｆＯ２及びタングステンの少なくとも一つを含んでいる、
   シンチレータ・アレイ（５３）を製造する方法。
2. 前記シンチレータ・ピクセルの二次元アレイを提供するステップは、前記シンチレータ・ピクセル（５０）の前記複数の側面（６４）が、前記上面（６２）に対して垂直となるように形成されるように、
   外周ソーによるダイス加工手法又はワイヤ・ソーによるダイス加工手法による切断方法を用いて、前記シンチレータ・ピクセルを切断して前記間隙を形成するステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。