JP4669114B2 - 光カプラ複合物、光カプラ複合物を備えるｘ線検出器装置及び、ｘ線検出器アセンブリを製造する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示し特許請求する発明は、全般的にはコンピュータ断層撮影（ＣＴ）診断用イメージング・システムやその他の用途において使用することができる改良型の半導体Ｘ線検出器に関するものである。さらに詳細には、本発明は上記のタイプのＸ線検出器のうち光カプラ材料を必要とするＸ線検出器に関するものである。またさらに詳細には、本発明は、その光カプラ材料が比較的低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を備えているＸ線検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
当技術分野で広く知られているように、ＣＴイメージングやその他の用途において半導体Ｘ線検出器の重要性は増している。こうした検出器は、一般に多結晶質セラミック・シンチレータ材料からなる一体構造のブロックを含み、このブロックをＸ線放射のフラックスを受け取るように配置させている。このシンチレータ材料は、例えば、本出願受人であるゼネラル・エレクトリック・カンパニイが登録商標Ｌｕｍｅｘの名前で販売している材料を含むことができる。シンチレータが受け取ったＸ線エネルギーは、このシンチレータ材料を通過する際にＸ線エネルギーの強度に比例した近可視光に変換される。次いで、この光によりフォトダイオードを励起させる。このフォトダイオードは、シンチレータと近接し隣接させた関係に配置させると共に、特にフォトダイオードはコンピュータの支援を受けた手段によりこの光を処理するのに適当な電気信号に変換するように設計されている。
【０００３】
上記のタイプのＸ線検出器を製造するには、シンチレータとフォトダイオードの間にエア・ギャップやエア・スペースが存在してはならないということが了解されている。エア・ギャップやエア・スペースが存在すると、シンチレータが発生させた光の一部は、エア・ギャップを横切る光の屈折のためにフォトダイオードにより検出されないことになる。さらに詳細には、空気の屈折率はこの２つの検出器コンポーネントの屈折率と大きく異なる。その結果、発生した光の一部は、空気・シンチレータ間の界面あるいは空気・フォトダイオード間の界面により反射される可能性があり、このためにフォトダイオードに到達することができない。したがって、こうした屈折損失を減少させるため、シンチレータとフォトダイオードの間に光カプラを配置する、すなわち、光カプラを間に挟むことが広く行われてきている。光カプラは、典型的には、固化して、シンチレータとフォトダイオードを互いに結合させるための液体接着剤として導入される透明な高分子材料（例えば、エポキシ）であり、このため光カプラによりこれらの間のエア・スペースをすべて防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、上記の配置は、半導体Ｘ線検出器において屈折損失を最小化する、すなわち効率を高めるのに効果的であることが分かっている。しかし、Ｌｕｍｅｘなどのシンチレータは概ね６ＰＰＭ／℃の熱膨張係数（すなわち、ＣＴＥ）を有しており、また石英ガラスの結合面を備えるフォトダイオードは概ね７ＰＰＭ／℃のＣＴＥを有している。これに対して、当技術分野で広く用いられているタイプのエポキシ光カプラでは２００ＰＰＭ／℃ほどの高いＣＴＥを有する可能性がある。こうしたＣＴＥの大幅な食い違いにより、光カプラ・シンチレータ間の界面および光カプラ−フォトダイオード間の界面で熱により誘発される歪みを生じることがあり、これによりさらに、Ｘ線検出器が極限温度に曝された場合に光カプラの離脱を起こすことがある。すなわち、Ｘ線検出器が大きな温度変化を受けると、光カプラの寸法はシンチレータやフォトダイオードの寸法と比較してより一層大きな範囲で変化する可能性が高い。したがって、光カプラはかなりの応力を受けることがあり、さらには亀裂が生じたり、Ｘ線検出器の他のコンポーネントから分離することさえあり得る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示し特許請求する発明は、半導体Ｘ線検出器用の光カプラの熱膨張係数を従来の技術による場合と比較して大幅に低下させるための比較的簡便で安価な技法を目的としている。一態様において、本発明は、選択したセラミック・シンチレーション材料を第１の量だけ含み、指定された面を有する一体構造(monolithic)のシンチレータ本体を構成するように形成されたＸ線検出器装置である。このシンチレータ本体は、一定量のＸ線放射を受け取り、このＸ線放射量に対応した光量をこの指定されたシンチレータ面を通過して投射するように配置されている。検出器装置はさらに、この指定されたシンチレータ面から選択した幅のギャップだけ離隔させた位置にフォトダイオード・デバイスを備えており、このフォトダイオード・デバイスは投射された光を受け取り、この光に比例した電気信号、したがって、シンチレータ本体が受け取ったＸ線放射量と比例するか、さもなくば受け取ったＸ線放射量を表す電気信号を発生させるように配置されている。ギャップ内には選択した粘性をもつ光学カプリング材料を配置させ、ギャップを横切る光の屈折を低下させている。粉末の形態をしている選択したシンチレーション材料を第２の量だけ光学カプリング材料と混合させて、熱膨張を選択的に減少させた光カプラ組成物を提供することができる。
【０００６】
シンチレーション材料は、酸化ガドリニウムおよび希土類賦活剤を指定した量だけ含む、Ｌｕｍｅｘなどの多結晶質セラミック材料で構成することが好ましい。好ましい実施の一形態では、その光学カプリング材料は透明なエポキシ材料を含み、またそのＸ線検出器はＣＴイメージング・システムで使用するように構成されている。本発明の実施の一形態により、半導体Ｘ線検出器にこれまで使用されている光カプラのＣＴＥと比べてかなり低いＣＴＥを有するＸ線検出器用の改良型の光カプラを提供できることが期待される。
【０００７】
別の態様では、本発明は、ＣＴイメージング・システム用のＸ線検出器アセンブリを製造するための方法を目的としている。この方法は、粉末の形態をしている予め指定した量のセラミック・シンチレータ材料を、樹脂および硬化剤成分を有する光学カプリング材料の樹脂成分と混合させることを含んでいる。その後、粉末シンチレータ−樹脂の混合物から気泡を選択的に除去する。この方法はさらに、予め指定した量の光学カプリング材料の硬化剤成分をこの粉末シンチレータ−樹脂の混合物と混合させて粉末シンチレータ−光カプラ複合物を提供し、次いでこの複合物から気泡を除去することを含む。セラミック・シンチレータ材料の一体構造のブロック、すなわち本体は、フォトダイオード・デバイスとの間に指定した幅のギャップを形成するようにフォトダイオード・デバイスに対して近接・離隔の関係で（すなわち、密に接近しているが隔たった関係になるように）配置される。このギャップには、上記複合物を充填させて、ギャップから空気のスペースを排除する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、Ｘ線放射の発生、伝搬および検出のために使用する典型的なＣＴスキャナの主要な要素を表している。このスキャナは、放射線を発生させるための放射線源１０を含む。この放射線源は回転陽極Ｘ線管で構成するのが有効である。線源１０が発生させた放射線はコリメータ１２によりコリメートさせ、Ｘ線の狭いファンビーム１４を作成する。この狭いファンビームは、アパーチャ１６を通過して半導体Ｘ線検出器アレイ２０に向けて投射される。例えば、患者やその他の対象１８などの被検体は、アパーチャ１６内のＸ線ファンビーム１４の経路に配置させる。したがって、ファンビームは対象１８を透過する際に、被検体の密度によって異なる減衰量で減衰を受ける。放射線検出器アレイ２０は、複数の検出器セル２４を有する検出器アレイ・ハウジング２２を含む。検出器２４は、減衰を受けたＸ線ファンビーム１４のそれぞれ対応する部分を受け取り、受け取ったビームのそれぞれの部分の放射線強度と比例するか、さもなくばこれらの放射線強度を表す電気信号を発生させるように構成されている。したがって、得られた電気信号は、ビームを透過させた被検体１８のそれぞれの部分によるＸ線ビームの減衰の尺度となっている。
【０００９】
動作時には、線源１０および検出器アレイ２０をアパーチャ１６の周りで回転させながら、対象１８を基準とした複数の角度位置において、検出器セル２４の各々から電気信号の読み値が採取される。得られた読み値はディジタル化されコンピュータ２６に伝送される。このコンピュータ２６は利用可能な多くのアルゴリズムのうちの１つを使用してＸ線のファンビーム１４が横切った断面の画像を計算し作成する。得られた画像は陰極線管２８上に表示されるか、また別法として、得られた画像は写真フィルムなどの永久的な媒体上に画像を作成するために使用されることがある。
【００１０】
半導体Ｘ線検出器アレイ２０では、検出器セル２４の各々は、典型的には、図２に模式的に示すタイプのものである。検出器の幅は、検出器２４が対面するファンビームの逐次増部分に沿って一緒になってＸ線１４を受け取るためのウィンドウを規定しているコリメータ・プレート３０と３２の間の距離により規定される。図２および図３での比較から分かるように、検出器セルの幅は、その長さ、すなわちファンビーム面に垂直の方向の検出器寸法と比べてかなり狭い。ファンビームの良好な空間分解能を提供するため、検出器の幅を最小にすることが望ましい。実際の放射線検出器アレイにおける典型的な検出器セルの寸法としては、検出器セルの幅で概ね１ミリメートル、また検出器セルの長さで概ね２０ミリメートルである。
【００１１】
さらに図２を参照すると、多結晶質セラミック・シンチレータ本体３６を備えたＸ線検出器２４を表している。シンチレータ本体３６はコリメータ・プレート３０および３２により規定され、これらの間に間隔を含んでいるチャネル３４内に配置されている。このため、チャネル３４が受け取ったＸ線放射１４は、コリメータ・プレート３０と３２の間を通過した後にシンチレータ本体３６上に入射する。入射放射線により本体３６は予め定められた波長でシンチレーションを発し、これにより入射したＸ線放射は可視光または近可視光スペクトル帯の低エネルギー放射（すなわち、光エネルギー）に変換される。したがって、Ｘ線検出器２４はさらに、シンチレータ本体３６が発生させた可視光スペクトルまたはシンチレータ・エネルギーを検出するためのデバイスを含んでいる。こうしたデバイスはシンチレータ本体３６と結合され、検出器アレイ２２の対応するチャネル３４を通ってシンチレータ本体３６により受け取られたＸ線放射の強度に比例するか、さもなくば、これらの強度を表している電気信号を発生させる。図２および図３に示す実施形態では、そのシンチレータ検出デバイスは、実効面(active surface)４２を有するフォトダイオード・アセンブリ４０を備えている。面４２は、例えば、石英ガラスの結合面を備えることがある。シンチレータ本体３６が発生させたシンチレータ・エネルギーが面３８を通過してシンチレータ本体３６から外方に投射させる場合には、フォトダイオード・アセンブリ４０は、その実効面４２をシンチレータ本体の面３８と近接・離隔の関係で固定するようにして位置決めされる。これにより、フォトダイオード４０は、入射するＸ線放射に応答して本体３６が発生させるシンチレーション放射を実質的にすべて受け取ることになる。
【００１２】
シンチレータ３６が発生させた光をフォトダイオード４０の実効面４２に導くためには、様々な技法が利用可能である。例えば、当該の面３８を除くシンチレータ３６のすべての面に対しては、面上に入射する光をすべて内方に反射させるように処理を施す。さらに、図２および図３で示すように、光カプラ４４を利用して、シンチレータ本体３６の面３８とフォトダイオード４０の実効面４２の間のギャップを埋める。この光カプラ４４は、上記のように屈折損失を大幅に減少させることにより、シンチレータ３６からの光のフォトダイオード４０への結合を強める。
【００１３】
シンチレータ本体３６は上記で言及した材料Ｌｕｍｅｘにより製造すると有効である。Ｌｕｍｅｘは、米国特許第４，４２１，６７１号に開示されている多結晶質セラミック・シンチレータ材料と同様であるか、あるいは同一である。この米国特許に開示されたシンチレータ材料は、希土類のイットリア−ガドリニア(yttria-gadolinia)のホスト（母材）と３価の希土類賦活剤の酸化物より構成されている。さらに、このシンチレータ組成物は、この特許に記載されている透明性促進剤(transparency promoter) および光出力再生剤(light output restorer) を１つまたは複数含んでもよい。この米国特許に記載されているように、出来上がったシンチレータ本体は、様々な化学的成分からなる立方晶固溶体で構成されている。しかし、本発明の範囲をこうしたシンチレータ材料に限定しようという意図はない。
【００１４】
図４を参照すると、本発明に従って調製された光カプラ４４の組成物をより詳細に表している。さらに詳細には、光カプラ４４は、透明なエポキシ４６などの液体の接着剤を含んでおり、この接着剤は固化して、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０を互いに結合させる。さらに、図４は、エポキシ４６と混合された粉末の形態をした一定量のシンチレータ材料４８を表している。このシンチレータ材料４８は、例えば、粉末のセラミック・シンチレータ材料を圧縮し焼結させて一体構造の形態とすることにより一体構造のシンチレータ本体３６を製造するのに使用したのと同じ、Ｌｕｍｅｘなどのシンチレータ材料を含むことが好ましい。
【００１５】
光カプラ４４は、エポキシ４６および粉末シンチレータ材料４８を以下に記載する手順に従って互いに混合させることにより形成した組成物を含んでおり、光学カプリング特性に優れていることを理解されたい。このため、光カプラ組成物４４により、シンチレータ本体３６が発生させた光のシンチレータ本体からフォトダイオード４０への、これらの間のギャップを横切った伝送が高められる。同時に、本発明による光カプラ組成物４４は、従来の技術による光カプラと比べて比較的低い熱膨張係数を有することが分かっている。例えば、組成物４４は、典型的には光学カプリングの用途で使用される未調合のエポキシのＣＴＥ値の概ね５０％のＣＴＥを有することがある。その結果、光カプラ組成物４４を使用すると、Ｘ線検出器２４に対する極端な温度変化の影響が大幅に低下する。こうした温度変化が検出器を歪ませたり、さらにシンチレータ本体またはフォトダイオードから光カプラが離脱することにより検出器が損傷するおそれはほとんどなくなる。
【００１６】
光カプラ組成物４４を調製する際には、先ず、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の間に形成される結合部のギャップ充填特性およびサイズ特性に対応するため、粉末シンチレータ材料４８を具体的なある標準サイズ分布になるまでふるい分けする。粉末の分布は充填されるギャップの幅より小さくする必要があることは明らかである。典型的には、これらの間のギャップの幅ｗは概ね４０〜５０マイクロメートルである。その後、粉末シンチレータ材料４８をエポキシ４６と混合させる。この混合は、エポキシが液体状態のままの間に（すなわち、硬化する前に）シンチレータ材料をエポキシ内に加えることによる。より具体的には、光学的用途のために製造された最も市場で入手しやすいエポキシは、２つの構成要素、すなわち硬化剤と樹脂とで構成されており、これらの２つ要素は特定の比率で混合し、続いて熱により硬化させる。シンチレータ粉末４８のエポキシ４６内への混合は、幾つかの段階により実行される。先ず、予め計量した量のシンチレータ粉末を予め計量した量の樹脂に加え、次いでシンチレータ粉末が樹脂材料全体に均一に分布するまで完全に混合させる。シンチレータ粉末と樹脂のそれぞれの比率は、以下に記載するように複合則（ＲＯＭ）分析により決定することができる。この混合物を真空ガス抜き操作にかけることにより、捕捉された気泡をこの混合物から除去する。真空ガス抜きにあたり、この混合物は気密性のチャンバー内に配置させ、次いで真空ポンプによりこのチャンバーを排気させる。
【００１７】
第２の段階では、樹脂に対する正しい比率で求めた予め計量した量の硬化剤を、シンチレータ粉末を調合した樹脂に加え、混合させ、先のようにして真空ガス抜きを施す。捕捉された気泡を除去した後に、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の結合に使用するための完全な光カプラ複合物系の準備が整う。
【００１８】
Ｘ線検出器２４に光カプラ複合物４４を使用すると、光カプラ内の粉末シンチレータ材料４８により同等の量の非シンチレーション性のエポキシ材料が置き換えられるという点でさらに有益である。粉末材料４８のシンチレータ特性により、検出器２４の全体的な効率が高まることが分かっている。
【００１９】
指定されたＣＴＥを有する光カプラ組成物４４を提供するためには、複合則（ＲＯＭ）を利用して粉末シンチレータ材料とエポキシとのそれぞれの比率をその組成物向けに選択することができる。このＲＯＭ関係は次式で表される。
【００２０】
ＶSαS＋ＶCαC＝αT （式１）
式１において、ＶS はエポキシ・カプラに添加される粉末シンチレータの体積含有率（０＜ＶS ＜１）、αS はシンチレータ材料のＣＴＥ（単位：ｐｐｍ／℃）、ＶC はエポキシの体積含有率（１−ＶS に等しい）、αC はエポキシ・カプラのＣＴＥ、またαT は複合された混合物の最終的なＣＴＥである。αS とαC の値は、関心温度範囲の全体にわたって適用可能でなければならない。例えば、膨張係数が低いカプラ複合物で充填されるシンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の間の結合部が−１０℃〜５０℃の温度範囲に曝される場合、式１で使用するαS とαC の値もまた、この温度範囲の全体にわたって有効である必要がある。
【００２１】
式１で使用する体積含有率の値は、光カプラ組成物の構成要素のそれぞれの重量に、その比容積(specific volume) ｖを乗算し、次の関係式を用いて決定できる。
【００２２】
ＶS ＝（ＷSｖS）／（ＷSｖS＋ＷCｖC） （式２)
ＶC ＝（ＷCｖC）／（ＷSｖS＋ＷCｖC） （式３)
ＷT ＝ＷSｖS＋ＷCｖC （式４)
式２〜式４において、ＷS は複合された混合物４４内のシンチレータ粉末４８の重量（単位：グラム）、ｖS はシンチレータ粉末の比容積（単位：ｍ3 ／ｇ）、ＷC はエポキシ・カプラ４６の重量、ｖC はエポキシ・カプラの比容積、またＷT はこの混合物の２つの構成要素の合計重量である。式１〜式４を連立させて解き、指定されたＣＴＥをもつ光カプラ組成物４４を提供するために必要なシンチレータ粉末４８の体積含有率を決定することができる。
【００２３】
エポキシ・カプラに対するシンチレータ粉末の添加は、実際的には限界がある。調合されるエポキシの粘性は、ＶS の増加に伴いかなり増加する。このため、ＶS が大きな値（すなわち、＞０．５）のときには、当技術分野でよく知られているように、カプラを塗布するのに使用する装置を、厚いペースト状の粘稠度を有するタイプの材料を塗布するように変更する。
【００２４】
図５は、式１のＲＯＭ関係式により予測される複合された混合物の最終的なＣＴＥ（αT ）を、シンチレータ粉末４８の体積含有率ＶS の関数としてプロットしたグラフである。式１を解くにあたっては、２剤性エポキシ樹脂で作られた光カプラに典型的な材料パラメータを使用した。これらの材料では一般的であるように、ＣＴＥは、その動作温度が当技術分野でエポキシ材料のガラス転移温度と呼ばれる温度を超えると大幅に上昇する。図５に関連して示す例では、そのガラス転移温度は４８℃である。したがって、図５の曲線（ａ）は、ガラス転移温度を超える温度に対して予測される複合された混合物４４のＣＴＥをプロットしたものである。同様に、図５の曲線（ｂ）は、ガラス転移温度未満の温度に対して予測される複合された混合物４４のＣＴＥをプロットしたものである。このシンチレータ材料の特性は上記のＬｕｍｅｘ材料に対するものである。これらのプロットは、以下の材料パラメータを用いて生成されたものである。
【００２５】
【００２６】
図５で示すように、４８℃未満の動作温度では、シンチレータ粉末が体積にして５０％調合される（０．５０ＶS ）と、αT のＣＴＥは未調合のカプラ４６の値の約５６％まで低下する。４８℃を超える場合のＣＴＥ低下は、これより幾分大きく、最終的なＣＴＥは未調合のカプラ材料４６の値の５２％になる。
【００２７】
図６を参照すると、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の双方の結合面のそれぞれに光学カプリング組成物４４からなる極めて薄い層をコーティングとして塗布した、本発明の一修正形態を表している。次いで、従来の透明なエポキシ４６の層を用いて、コーティングを施したこの２つの要素を互いに結合させる。
【００２８】
本発明に関するその他多くの修正や変形が上記の教示に照らして可能であることは明白である。したがって、開示した概念の範囲内で、本発明を具体的に記載してきたもの以外によって実施することも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・システムまたはスキャナの主要な要素を表した略図である。
【図２】Ｘ線検出器に本発明の実施の一形態を組み込んだ図１のＣＴスキャナ用のＸ線検出器セルを表した概略断面図である。
【図３】図２を線３−３に沿って切って描いた断面図である。
【図４】図３の一部分をより詳細に表した図である。
【図５】本発明により形成されたある組成物のＣＴＥを、主要な成分材料の体積含有率の関数としてプロットしたグラフである。
【図６】図４に示す実施形態の修正を含むＸ線検出器コンポーネントを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 放射線源
１２ コリメータ
１４ Ｘ線ファンビーム
１６ アパーチャ
１８ 被検体
２０ Ｘ線検出器アレイ
２２ 検出器アレイ・ハウジング
２４ 検出器セル
２６ コンピュータ
２８ 陰極線管
３０ コリメータ・プレート
３２ コリメータ・プレート
３４ チャネル
３６ シンチレータ本体
３８ 面
４０ フォトダイオード・アセンブリ
４２ 実効面
４４ 光カプラ
４６ エポキシ
４８ シンチレータ材料
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示し特許請求する発明は、全般的にはコンピュータ断層撮影（ＣＴ）診断用イメージング・システムやその他の用途において使用することができる改良型の半導体Ｘ線検出器に関するものである。さらに詳細には、本発明は上記のタイプのＸ線検出器のうち光カプラ材料を必要とするＸ線検出器に関するものである。またさらに詳細には、本発明は、その光カプラ材料が比較的低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を備えているＸ線検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
当技術分野で広く知られているように、ＣＴイメージングやその他の用途において半導体Ｘ線検出器の重要性は増している。こうした検出器は、一般に多結晶質セラミック・シンチレータ材料からなる一体構造のブロックを含み、このブロックをＸ線放射のフラックスを受け取るように配置させている。このシンチレータ材料は、例えば、本出願受人であるゼネラル・エレクトリック・カンパニイが登録商標Ｌｕｍｅｘの名前で販売している材料を含むことができる。シンチレータが受け取ったＸ線エネルギーは、このシンチレータ材料を通過する際にＸ線エネルギーの強度に比例した近可視光に変換される。次いで、この光によりフォトダイオードを励起させる。このフォトダイオードは、シンチレータと近接し隣接させた関係に配置させると共に、特にフォトダイオードはコンピュータの支援を受けた手段によりこの光を処理するのに適当な電気信号に変換するように設計されている。
【０００３】
上記のタイプのＸ線検出器を製造するには、シンチレータとフォトダイオードの間にエア・ギャップやエア・スペースが存在してはならないということが了解されている。エア・ギャップやエア・スペースが存在すると、シンチレータが発生させた光の一部は、エア・ギャップを横切る光の屈折のためにフォトダイオードにより検出されないことになる。さらに詳細には、空気の屈折率はこの２つの検出器コンポーネントの屈折率と大きく異なる。その結果、発生した光の一部は、空気・シンチレータ間の界面あるいは空気・フォトダイオード間の界面により反射される可能性があり、このためにフォトダイオードに到達することができない。したがって、こうした屈折損失を減少させるため、シンチレータとフォトダイオードの間に光カプラを配置する、すなわち、光カプラを間に挟むことが広く行われてきている。光カプラは、典型的には、固化して、シンチレータとフォトダイオードを互いに結合させるための液体接着剤として導入される透明な高分子材料（例えば、エポキシ）であり、このため光カプラによりこれらの間のエア・スペースをすべて防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、上記の配置は、半導体Ｘ線検出器において屈折損失を最小化する、すなわち効率を高めるのに効果的であることが分かっている。しかし、Ｌｕｍｅｘなどのシンチレータは概ね６ＰＰＭ／℃の熱膨張係数（すなわち、ＣＴＥ）を有しており、また石英ガラスの結合面を備えるフォトダイオードは概ね７ＰＰＭ／℃のＣＴＥを有している。これに対して、当技術分野で広く用いられているタイプのエポキシ光カプラでは２００ＰＰＭ／℃ほどの高いＣＴＥを有する可能性がある。こうしたＣＴＥの大幅な食い違いにより、光カプラ・シンチレータ間の界面および光カプラ−フォトダイオード間の界面で熱により誘発される歪みを生じることがあり、これによりさらに、Ｘ線検出器が極限温度に曝された場合に光カプラの離脱を起こすことがある。すなわち、Ｘ線検出器が大きな温度変化を受けると、光カプラの寸法はシンチレータやフォトダイオードの寸法と比較してより一層大きな範囲で変化する可能性が高い。したがって、光カプラはかなりの応力を受けることがあり、さらには亀裂が生じたり、Ｘ線検出器の他のコンポーネントから分離することさえあり得る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示し特許請求する発明は、半導体Ｘ線検出器用の光カプラの熱膨張係数を従来の技術による場合と比較して大幅に低下させるための比較的簡便で安価な技法を目的としている。一態様において、本発明は、選択したセラミック・シンチレーション材料を第１の量だけ含み、指定された面を有する一体構造(monolithic)のシンチレータ本体を構成するように形成されたＸ線検出器装置である。このシンチレータ本体は、一定量のＸ線放射を受け取り、このＸ線放射量に対応した光量をこの指定されたシンチレータ面を通過して投射するように配置されている。検出器装置はさらに、この指定されたシンチレータ面から選択した幅のギャップだけ離隔させた位置にフォトダイオード・デバイスを備えており、このフォトダイオード・デバイスは投射された光を受け取り、この光に比例した電気信号、したがって、シンチレータ本体が受け取ったＸ線放射量と比例するか、さもなくば受け取ったＸ線放射量を表す電気信号を発生させるように配置されている。ギャップ内には選択した粘性をもつ光学カプリング材料を配置させ、ギャップを横切る光の屈折を低下させている。粉末の形態をしている選択したシンチレーション材料を第２の量だけ光学カプリング材料と混合させて、熱膨張を選択的に減少させた光カプラ組成物を提供することができる。
【０００６】
シンチレーション材料は、酸化ガドリニウムおよび希土類賦活剤を指定した量だけ含む、Ｌｕｍｅｘなどの多結晶質セラミック材料で構成することが好ましい。好ましい実施の一形態では、その光学カプリング材料は透明なエポキシ材料を含み、またそのＸ線検出器はＣＴイメージング・システムで使用するように構成されている。本発明の実施の一形態により、半導体Ｘ線検出器にこれまで使用されている光カプラのＣＴＥと比べてかなり低いＣＴＥを有するＸ線検出器用の改良型の光カプラを提供できることが期待される。
【０００７】
別の態様では、本発明は、ＣＴイメージング・システム用のＸ線検出器アセンブリを製造するための方法を目的としている。この方法は、粉末の形態をしている予め指定した量のセラミック・シンチレータ材料を、樹脂および硬化剤成分を有する光学カプリング材料の樹脂成分と混合させることを含んでいる。その後、粉末シンチレータ−樹脂の混合物から気泡を選択的に除去する。この方法はさらに、予め指定した量の光学カプリング材料の硬化剤成分をこの粉末シンチレータ−樹脂の混合物と混合させて粉末シンチレータ−光カプラ複合物を提供し、次いでこの複合物から気泡を除去することを含む。セラミック・シンチレータ材料の一体構造のブロック、すなわち本体は、フォトダイオード・デバイスとの間に指定した幅のギャップを形成するようにフォトダイオード・デバイスに対して近接・離隔の関係で（すなわち、密に接近しているが隔たった関係になるように）配置される。このギャップには、上記複合物を充填させて、ギャップから空気のスペースを排除する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、Ｘ線放射の発生、伝搬および検出のために使用する典型的なＣＴスキャナの主要な要素を表している。このスキャナは、放射線を発生させるための放射線源１０を含む。この放射線源は回転陽極Ｘ線管で構成するのが有効である。線源１０が発生させた放射線はコリメータ１２によりコリメートさせ、Ｘ線の狭いファンビーム１４を作成する。この狭いファンビームは、アパーチャ１６を通過して半導体Ｘ線検出器アレイ２０に向けて投射される。例えば、患者やその他の対象１８などの被検体は、アパーチャ１６内のＸ線ファンビーム１４の経路に配置させる。したがって、ファンビームは対象１８を透過する際に、被検体の密度によって異なる減衰量で減衰を受ける。放射線検出器アレイ２０は、複数の検出器セル２４を有する検出器アレイ・ハウジング２２を含む。検出器２４は、減衰を受けたＸ線ファンビーム１４のそれぞれ対応する部分を受け取り、受け取ったビームのそれぞれの部分の放射線強度と比例するか、さもなくばこれらの放射線強度を表す電気信号を発生させるように構成されている。したがって、得られた電気信号は、ビームを透過させた被検体１８のそれぞれの部分によるＸ線ビームの減衰の尺度となっている。
【０００９】
動作時には、線源１０および検出器アレイ２０をアパーチャ１６の周りで回転させながら、対象１８を基準とした複数の角度位置において、検出器セル２４の各々から電気信号の読み値が採取される。得られた読み値はディジタル化されコンピュータ２６に伝送される。このコンピュータ２６は利用可能な多くのアルゴリズムのうちの１つを使用してＸ線のファンビーム１４が横切った断面の画像を計算し作成する。得られた画像は陰極線管２８上に表示されるか、また別法として、得られた画像は写真フィルムなどの永久的な媒体上に画像を作成するために使用されることがある。
【００１０】
半導体Ｘ線検出器アレイ２０では、検出器セル２４の各々は、典型的には、図２に模式的に示すタイプのものである。検出器の幅は、検出器２４が対面するファンビームの逐次増部分に沿って一緒になってＸ線１４を受け取るためのウィンドウを規定しているコリメータ・プレート３０と３２の間の距離により規定される。図２および図３での比較から分かるように、検出器セルの幅は、その長さ、すなわちファンビーム面に垂直の方向の検出器寸法と比べてかなり狭い。ファンビームの良好な空間分解能を提供するため、検出器の幅を最小にすることが望ましい。実際の放射線検出器アレイにおける典型的な検出器セルの寸法としては、検出器セルの幅で概ね１ミリメートル、また検出器セルの長さで概ね２０ミリメートルである。
【００１１】
さらに図２を参照すると、多結晶質セラミック・シンチレータ本体３６を備えたＸ線検出器２４を表している。シンチレータ本体３６はコリメータ・プレート３０および３２により規定され、これらの間に間隔を含んでいるチャネル３４内に配置されている。このため、チャネル３４が受け取ったＸ線放射１４は、コリメータ・プレート３０と３２の間を通過した後にシンチレータ本体３６上に入射する。入射放射線により本体３６は予め定められた波長でシンチレーションを発し、これにより入射したＸ線放射は可視光または近可視光スペクトル帯の低エネルギー放射（すなわち、光エネルギー）に変換される。したがって、Ｘ線検出器２４はさらに、シンチレータ本体３６が発生させた可視光スペクトルまたはシンチレータ・エネルギーを検出するためのデバイスを含んでいる。こうしたデバイスはシンチレータ本体３６と結合され、検出器アレイ２２の対応するチャネル３４を通ってシンチレータ本体３６により受け取られたＸ線放射の強度に比例するか、さもなくば、これらの強度を表している電気信号を発生させる。図２および図３に示す実施形態では、そのシンチレータ検出デバイスは、実効面(active surface)４２を有するフォトダイオード・アセンブリ４０を備えている。面４２は、例えば、石英ガラスの結合面を備えることがある。シンチレータ本体３６が発生させたシンチレータ・エネルギーが面３８を通過してシンチレータ本体３６から外方に投射させる場合には、フォトダイオード・アセンブリ４０は、その実効面４２をシンチレータ本体の面３８と近接・離隔の関係で固定するようにして位置決めされる。これにより、フォトダイオード４０は、入射するＸ線放射に応答して本体３６が発生させるシンチレーション放射を実質的にすべて受け取ることになる。
【００１２】
シンチレータ３６が発生させた光をフォトダイオード４０の実効面４２に導くためには、様々な技法が利用可能である。例えば、当該の面３８を除くシンチレータ３６のすべての面に対しては、面上に入射する光をすべて内方に反射させるように処理を施す。さらに、図２および図３で示すように、光カプラ４４を利用して、シンチレータ本体３６の面３８とフォトダイオード４０の実効面４２の間のギャップを埋める。この光カプラ４４は、上記のように屈折損失を大幅に減少させることにより、シンチレータ３６からの光のフォトダイオード４０への結合を強める。
【００１３】
シンチレータ本体３６は上記で言及した材料Ｌｕｍｅｘにより製造すると有効である。Ｌｕｍｅｘは、米国特許第４，４２１，６７１号に開示されている多結晶質セラミック・シンチレータ材料と同様であるか、あるいは同一である。この米国特許に開示されたシンチレータ材料は、希土類のイットリア−ガドリニア(yttria-gadolinia)のホスト（母材）と３価の希土類賦活剤の酸化物より構成されている。さらに、このシンチレータ組成物は、この特許に記載されている透明性促進剤(transparency promoter) および光出力再生剤(light output restorer) を１つまたは複数含んでもよい。この米国特許に記載されているように、出来上がったシンチレータ本体は、様々な化学的成分からなる立方晶固溶体で構成されている。しかし、本発明の範囲をこうしたシンチレータ材料に限定しようという意図はない。
【００１４】
図４を参照すると、本発明に従って調製された光カプラ４４の組成物をより詳細に表している。さらに詳細には、光カプラ４４は、透明なエポキシ４６などの液体の接着剤を含んでおり、この接着剤は固化して、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０を互いに結合させる。さらに、図４は、エポキシ４６と混合された粉末の形態をした一定量のシンチレータ材料４８を表している。このシンチレータ材料４８は、例えば、粉末のセラミック・シンチレータ材料を圧縮し焼結させて一体構造の形態とすることにより一体構造のシンチレータ本体３６を製造するのに使用したのと同じ、Ｌｕｍｅｘなどのシンチレータ材料を含むことが好ましい。
【００１５】
光カプラ４４は、エポキシ４６および粉末シンチレータ材料４８を以下に記載する手順に従って互いに混合させることにより形成した組成物を含んでおり、光学カプリング特性に優れていることを理解されたい。このため、光カプラ組成物４４により、シンチレータ本体３６が発生させた光のシンチレータ本体からフォトダイオード４０への、これらの間のギャップを横切った伝送が高められる。同時に、本発明による光カプラ組成物４４は、従来の技術による光カプラと比べて比較的低い熱膨張係数を有することが分かっている。例えば、組成物４４は、典型的には光学カプリングの用途で使用される未調合のエポキシのＣＴＥ値の概ね５０％のＣＴＥを有することがある。その結果、光カプラ組成物４４を使用すると、Ｘ線検出器２４に対する極端な温度変化の影響が大幅に低下する。こうした温度変化が検出器を歪ませたり、さらにシンチレータ本体またはフォトダイオードから光カプラが離脱することにより検出器が損傷するおそれはほとんどなくなる。
【００１６】
光カプラ組成物４４を調製する際には、先ず、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の間に形成される結合部のギャップ充填特性およびサイズ特性に対応するため、粉末シンチレータ材料４８を具体的なある標準サイズ分布になるまでふるい分けする。粉末の分布は充填されるギャップの幅より小さくする必要があることは明らかである。典型的には、これらの間のギャップの幅ｗは概ね４０〜５０マイクロメートルである。その後、粉末シンチレータ材料４８をエポキシ４６と混合させる。この混合は、エポキシが液体状態のままの間に（すなわち、硬化する前に）シンチレータ材料をエポキシ内に加えることによる。より具体的には、光学的用途のために製造された最も市場で入手しやすいエポキシは、２つの構成要素、すなわち硬化剤と樹脂とで構成されており、これらの２つ要素は特定の比率で混合し、続いて熱により硬化させる。シンチレータ粉末４８のエポキシ４６内への混合は、幾つかの段階により実行される。先ず、予め計量した量のシンチレータ粉末を予め計量した量の樹脂に加え、次いでシンチレータ粉末が樹脂材料全体に均一に分布するまで完全に混合させる。シンチレータ粉末と樹脂のそれぞれの比率は、以下に記載するように複合則（ＲＯＭ）分析により決定することができる。この混合物を真空ガス抜き操作にかけることにより、捕捉された気泡をこの混合物から除去する。真空ガス抜きにあたり、この混合物は気密性のチャンバー内に配置させ、次いで真空ポンプによりこのチャンバーを排気させる。
【００１７】
第２の段階では、樹脂に対する正しい比率で求めた予め計量した量の硬化剤を、シンチレータ粉末を調合した樹脂に加え、混合させ、先のようにして真空ガス抜きを施す。捕捉された気泡を除去した後に、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の結合に使用するための完全な光カプラ複合物系の準備が整う。
【００１８】
Ｘ線検出器２４に光カプラ複合物４４を使用すると、光カプラ内の粉末シンチレータ材料４８により同等の量の非シンチレーション性のエポキシ材料が置き換えられるという点でさらに有益である。粉末材料４８のシンチレータ特性により、検出器２４の全体的な効率が高まることが分かっている。
【００１９】
指定されたＣＴＥを有する光カプラ組成物４４を提供するためには、複合則（ＲＯＭ）を利用して粉末シンチレータ材料とエポキシとのそれぞれの比率をその組成物向けに選択することができる。このＲＯＭ関係は次式で表される。
【００２０】
ＶSαS＋ＶCαC＝αT （式１）
式１において、ＶS はエポキシ・カプラに添加される粉末シンチレータの体積含有率（０＜ＶS ＜１）、αS はシンチレータ材料のＣＴＥ（単位：ｐｐｍ／℃）、ＶC はエポキシの体積含有率（１−ＶS に等しい）、αC はエポキシ・カプラのＣＴＥ、またαT は複合された混合物の最終的なＣＴＥである。αS とαC の値は、関心温度範囲の全体にわたって適用可能でなければならない。例えば、膨張係数が低いカプラ複合物で充填されるシンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の間の結合部が−１０℃〜５０℃の温度範囲に曝される場合、式１で使用するαS とαC の値もまた、この温度範囲の全体にわたって有効である必要がある。
【００２１】
式１で使用する体積含有率の値は、光カプラ組成物の構成要素のそれぞれの重量に、その比容積(specific volume) ｖを乗算し、次の関係式を用いて決定できる。
【００２２】
ＶS ＝（ＷSｖS）／（ＷSｖS＋ＷCｖC） （式２)
ＶC ＝（ＷCｖC）／（ＷSｖS＋ＷCｖC） （式３)
ＷT ＝ＷSｖS＋ＷCｖC （式４)
式２〜式４において、ＷS は複合された混合物４４内のシンチレータ粉末４８の重量（単位：グラム）、ｖS はシンチレータ粉末の比容積（単位：ｍ3 ／ｇ）、ＷC はエポキシ・カプラ４６の重量、ｖC はエポキシ・カプラの比容積、またＷT はこの混合物の２つの構成要素の合計重量である。式１〜式４を連立させて解き、指定されたＣＴＥをもつ光カプラ組成物４４を提供するために必要なシンチレータ粉末４８の体積含有率を決定することができる。
【００２３】
エポキシ・カプラに対するシンチレータ粉末の添加は、実際的には限界がある。調合されるエポキシの粘性は、ＶS の増加に伴いかなり増加する。このため、ＶS が大きな値（すなわち、＞０．５）のときには、当技術分野でよく知られているように、カプラを塗布するのに使用する装置を、厚いペースト状の粘稠度を有するタイプの材料を塗布するように変更する。
【００２４】
図５は、式１のＲＯＭ関係式により予測される複合された混合物の最終的なＣＴＥ（αT ）を、シンチレータ粉末４８の体積含有率ＶS の関数としてプロットしたグラフである。式１を解くにあたっては、２剤性エポキシ樹脂で作られた光カプラに典型的な材料パラメータを使用した。これらの材料では一般的であるように、ＣＴＥは、その動作温度が当技術分野でエポキシ材料のガラス転移温度と呼ばれる温度を超えると大幅に上昇する。図５に関連して示す例では、そのガラス転移温度は４８℃である。したがって、図５の曲線（ａ）は、ガラス転移温度を超える温度に対して予測される複合された混合物４４のＣＴＥをプロットしたものである。同様に、図５の曲線（ｂ）は、ガラス転移温度未満の温度に対して予測される複合された混合物４４のＣＴＥをプロットしたものである。このシンチレータ材料の特性は上記のＬｕｍｅｘ材料に対するものである。これらのプロットは、以下の材料パラメータを用いて生成されたものである。
【００２５】
図５で示すように、４８℃未満の動作温度では、シンチレータ粉末が体積にして５０％調合される（０．５０ＶS ）と、αT のＣＴＥは未調合のカプラ４６の値の約５６％まで低下する。４８℃を超える場合のＣＴＥ低下は、これより幾分大きく、最終的なＣＴＥは未調合のカプラ材料４６の値の５２％になる。
【００２７】
図６を参照すると、シンチレータ本体３６とフォトダイオード４０の双方の結合面のそれぞれに光学カプリング組成物４４からなる極めて薄い層をコーティングとして塗布した、本発明の一修正形態を表している。次いで、従来の透明なエポキシ４６の層を用いて、コーティングを施したこの２つの要素を互いに結合させる。
【００２８】
本発明に関するその他多くの修正や変形が上記の教示に照らして可能であることは明白である。したがって、開示した概念の範囲内で、本発明を具体的に記載してきたもの以外によって実施することも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・システムまたはスキャナの主要な要素を表した略図である。
【図２】Ｘ線検出器に本発明の実施の一形態を組み込んだ図１のＣＴスキャナ用のＸ線検出器セルを表した概略断面図である。
【図３】図２を線３−３に沿って切って描いた断面図である。
【図４】図３の一部分をより詳細に表した図である。
【図５】本発明により形成されたある組成物のＣＴＥを、主要な成分材料の体積含有率の関数としてプロットしたグラフである。
【図６】図４に示す実施形態の修正を含むＸ線検出器コンポーネントを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 放射線源
１２ コリメータ
１４ Ｘ線ファンビーム
１６ アパーチャ
１８ 被検体
２０ Ｘ線検出器アレイ
２２ 検出器アレイ・ハウジング
２４ 検出器セル
２６ コンピュータ
２８ 陰極線管
３０ コリメータ・プレート
３２ コリメータ・プレート
３４ チャネル
３６ シンチレータ本体
３８ 面
４０ フォトダイオード・アセンブリ
４２ 実効面
４４ 光カプラ
４６ エポキシ
４８ シンチレータ材料
Claims (12)
- シンチレーション材料で形成された半導体シンチレータ本体を備え、さらに前記シンチレータ本体から離隔させたフォトダイオード・デバイスを備えるＸ線検出器であって、前記シンチレータ本体はＸ線放射を受け取り、このＸ線放射に対応した光量を前記シンチレータ本体と前記フォトダイオード・デバイスの間のギャップを横切って前記フォトダイオード・デバイスに投射するように配置されているＸ線検出器において、前記ギャップ内に挿入するために配置される光カプラ複合物であって、
光学カプリング材料と、前記光学カプリング材料のみの熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する組成物を提供するために、前記光学カプリング材料に混合される粉末の形態をした前記シンチレーション材料と、を含んでいる光カプラ複合物。 - 前記シンチレーション材料がイットリア−ガドリニアおよび希土類賦活剤を含んでいる請求項１に記載の複合物。
- 前記シンチレーション材料がＬｕｍｅｘを含んでいる請求項１に記載の複合物。
- 前記光学カプリング材料が透明なエポキシ材料を含んでいる請求項１乃至３のいずれれかに記載の複合物。
- 次式で表される複合則を利用して粉末の前記シンチレーション材料と前記光学カプリング材料とのそれぞれの比率が選択され、
ＶSαS＋ＶCαC＝αT
ここで、
ＶS は前記光学カプリング材料に添加される前記シンチレーション材料の体積含有率（０＜ＶS ＜１）、
αS は前記シンチレーション材料のＣＴＥ（単位：ｐｐｍ／℃）、
ＶC は前記光学カプリング材料の体積含有率（１−ＶS に等しい）、
αC は前記光学カプリング材料のＣＴＥ、
αT は複合された混合物の最終的なＣＴＥであり、
ＶS ＝（ＷSｖS）／（ＷSｖS＋ＷCｖC）
ＶC ＝（ＷCｖC）／（ＷSｖS＋ＷCｖC）
ＷT ＝ＷSｖS＋ＷCｖC
であり、
ここで、
ＷS は前記複合物内の前記シンチレーション材料の重量、
ｖS は前記シンチレーション材料の比容積、
ＷC は前記光学カプリング材料の重量、
ｖC は前記光学カプリング材料の比容積、
ＷT は前記複合物の合計重量、
ＣＴＥは熱膨張係数である請求項１乃至４のいずれかに記載の複合物。 - 一体構造のブロックとなるシンチレータ本体を構成するように形成させた多結晶質シンチレーション材料であって、前記シンチレータ本体はＸ線放射を受け取り、前記Ｘ線放射の量に対応した光量を前記シンチレータ本体を通過させて投射するように配置されている、多結晶質シンチレーション材料と、
前記フォトダイオード・デバイスであって、前記投射された光を受け取り、前記投射された光および前記Ｘ線放射を表す電気信号を発生させるように配置されているフォトダイオード・デバイスと、
前記投射された光が前記ギャップを横切る際の前記投射された光の屈折を減少させるために、前記ギャップ内に配置した、請求項１乃至５のいずれかに記載の複合物と、を備えることを特徴とするＸ線検出器装置。 - 前記Ｘ線検出器がＣＴイメージング・システムで使用するように配置されている請求項６に記載の装置。
- ＣＴシステム用のＸ線検出器アセンブリを製造するための方法であって、
粉末の形態をしたセラミック・シンチレータ材料と、光学カプリング材料の樹脂成分とを混合させ、粉末シンチレータ−光カプラの組成物を作成するステップと、
前記セラミック・シンチレータ材料の一体構造のブロックとなるシンチレータ本体を、フォトダイオード・デバイスとをこれらの間にギャップを設けて配置し、かつ前記粉末シンチレータ−光カプラ組成物で前記ギャップを充填させるステップと、を含む方法。 - 前記ギャップの幅が４０〜５０マイクロメートルである請求項８に記載の方法。
- 前記組成物を作成する前記ステップが、前記粉末シンチレータ材料を前記樹脂に添加し、次いで前記粉末シンチレータ材料が前記樹脂の全体に均一に分布するまで完全に混合させることを含む請求項８又は９に記載の方法。
- 前記方法が、前記粉末シンチレータ−樹脂の混合物から、並びに前記組成物から気泡を除去するステップを含んでいる請求項８乃至１０のいずれかに記載の方法。
- ＣＴシステム用のＸ線検出器アセンブリを製造するための方法であって、
粉末の形態をしたセラミック・シンチレータ材料と、光学カプリング材料の樹脂成分とを混合させ、粉末シンチレータ−光カプラの組成物を作成するステップと、
前記セラミック・シンチレータ材料の一体構造のブロックとなるシンチレータ本体に前記組成物を塗布してコーティングするステップと、
フォトダイオード・デバイスに前記組成物を塗布してコーティングするステップと、
接着剤を用いて、コーティングを施したこの２つの要素を互いに結合させるステップと、を含む方法。
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