JP5709439B2

JP5709439B2 - ３次元放射線位置検出器

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Publication number: JP5709439B2
Application number: JP2010192397A
Authority: JP
Inventors: 田　透; 透田; 達也斉藤; 安居　伸浩; 伸浩安居; 亮子堀江
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Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2015-04-30
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Description

本発明はシンチレータを用いた放射線検出器に関するものであり、特に３次元データが収集可能な放射線検出器に関するものである。

近年、癌や脳機能などの画像診断を行うために陽電子放射断層撮影（ＰｏｓｉｔｒｏｎＥｍｉｓｓｉｏｎＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ；ＰＥＴ）が利用されている。ＰＥＴでは陽電子を放出する放射性同位元素で標識した薬剤を被検体に投与し、陽電子が消滅する際に正反対方向に放出される２つのフォトン（ガンマ線）を被検体周囲に配置した検出器部分で同時計数することで線源の位置を特定して画像を構成している。検出器部分には光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｔｕｂｅ；ＰＭＴ）とＰＭＴ上に配置されたシンチレータ結晶から成る検出ユニットが円周上に並べて配置されており、シンチレータ結晶としてはＢｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２（ＢＧＯ）やＬｕ_２ＳｉＯ_５（ＬＳＯ）などが用いられている。

従来のＰＥＴにおける問題点として、視野周辺において解像度が低下するという点が挙げられる。すなわち、図１のように視野中心で発生したガンマ線１１がシンチレータ結晶１２に垂直入射するのに対して、視野周辺で発生したガンマ線１３はシンチレータ結晶１２に斜め方向から入射して、シンチレータ結晶の長さ（高さ）による検出位置の誤差（視差誤差）が生じてしまう。そこでシンチレータの発光位置の深さ方向の情報（ＤｅｐｔｈｏｆＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ＤＯＩ）を同定することで視差誤差を抑制するＤＯＩ−ＰＥＴが次世代の技術として注目されている。

ＤＯＩを同定する手法として、特許文献１には位置検出型ＰＭＴ（ＰＳ−ＰＭＴ）上に連続的なシンチレータ結晶を配置し、発光位置の深さによるシンチレーション光の分散の違いからＤＯＩを計算する手法が開示されている。また、別の手法としてＰＳ−ＰＭＴ上に複数のシンチレータ結晶を配置し、更にシンチレータ結晶を複数層積み上げて多層構成とした検出ユニットを用いる手法も知られている。一例として特許文献２には、各シンチレータ結晶間に配置する反射材の有無や配置位置によってシンチレーション光の分配を制御することでＤＯＩを同定する手法が開示されている。

特公表２００６−５２２９２５号公報特開平１１−１４２５２４号公報

しかしながら連続的なシンチレータ結晶を用いる手法では、結晶内でシンチレーション光が等方的に伝播するため、ＰＳ−ＰＭＴでのシンチレーション光が広範囲にわたって分散してしまう。このため発光位置の深さの違いによるシンチレーション光の分散の違いを認識するにはＰＳ−ＰＭＴ内の多数の検出画素からの情報が必要となり、少数の画素間の演算によって発光位置の深さの推定を行うと誤差が大きくなってしまう問題がある。

一方シンチレータ結晶を複数層積み上げる手法では、少数の画素間の演算によって発光位置の深さ推定が可能となるが、装置あたり膨大な数、例えば１２万個以上の多数のシンチレータ結晶が必要となってしまう。更に各シンチレータ結晶間に反射材を選択的に配置するといった工程も加わることから、検出ユニットを組み上げる工程が非常に煩雑なものとなってしまう。

本発明は上記の課題を鑑みて、少数の画素間の演算によって発光位置の深さ推定が可能であると同時に、反射材を用いることなく少数のシンチレータ結晶で検出ユニットを簡易に組み上げることが可能な３次元放射線位置検出器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、複数の光検出部を有する光検出器と、一軸光学異方性を有し該一軸方向において連続するシンチレータ結晶体とを備え、前記一軸方向にｎ段階の位置同定を行う３次元放射線位置検出器であって、前記シンチレータ結晶体は、前記シンチレータ結晶体の前記一軸方向と前記光検出器の光検出面の法線方向とが非直交になるように前記光検出器の前記光検出面に配置され、前記一軸方向における長さが前記複数の光検出部の配列ピッチの３倍以上であり、前記シンチレータ結晶体を前記一軸方向にｎ個の領域に分け、前記光検出部に最も近い領域を１番目の領域とし、前記光検出部から最も離れた領域をｎ番目の領域とするとき、前記一軸光学異方性は、前記ｎ番目の領域のうち、前記光検出部上で発生したシンチレーション光を当該光検出部に４％以上到達させ、且つ、前記１番目の領域のうち、前記光検出部上で発生したシンチレーション光を当該光検出部に４％以上且つ３５％以下到達させるものであることを特徴とする３次元放射線位置検出器である。

本発明によれば、少数の光検出部（画素）での演算によって、シンチレーション光の発生位置の推定が可能であると同時に、反射材を用いることなく少数のシンチレータ結晶で検出ユニットを簡易に組み上げることが可能な３次元放射線位置検出器を提供することが可能となる。

従来のＰＥＴにおける視差誤差の概念図本発明におけるシンチレータ結晶体の模式図一方向性を持たせて凝固させる装置の一例を示す模式図光検出器に入射するシンチレーション光の分散を模式的に示した図相分離シンチレータの構造を示した図相分離シンチレータの発光位置を示した図光検出器面の検出画素を模式的に示した図発光位置直下の画素における受光率を２相間の屈折率比でプロットした図発光位置の深さによるフォトン数をプロットした図

以下に本発明の実施の形態について述べる。本発明の３次元放射線位置検出器は位置検出可能な光検出器の光検出面上に一軸光学異方性を有する連続的なシンチレータ結晶体を配置している。この位置検出可能な光検出器とは、位置検出型ＰＭＴ（ＰＳ−ＰＭＴ）、位置検出型アバランシェフォトダイオードなどであり、面内において５ｍｍ以下の空間分解能を有する光検出器であればどのようなものでもよい。また、放射線を計数し、同時性を判別するにあたり、高速応答な検出器を用いることが望ましい。当然、それに適合するシンチレータ結晶体の放射線照射による発光減衰時間も５００ｎｓｅｃ以下であることが好ましい。望ましくは５０ｎｓｅｃ以下である。なお、以下の説明では、光検出器が有する複数の光検出部の各々を、画素または受光部と称する場合がある。

次に、本発明に係るシンチレータ結晶体について説明をする。

本発明に係るシンチレータ結晶体の一例としては、図２に記載のように一方向性を有する多数の柱状晶からなる第一の結晶相（シリンダー）２１を、第二の結晶相（マトリックス）２２の中に有する一軸相分離構造を有したシンチレータ結晶体である。また、第二の結晶相は放射線励起によって発光すると同時に、第一の結晶相よりも高屈折率な材料から構成されている。このようなシンチレータ結晶体は、一軸光学異方性を有し、この一軸方向において連続するシンチレータ結晶体の一例であり、所謂、相分離構造を有するシンチレータ結晶体である。尚、図２に示すシンチレータ結晶体は、換言すると、一軸方向に伸びる柱状の複数の第一の結晶相を、第一の結晶相よりも屈折率が大きい第二の結晶相の中に有する相分離構造からなるものである。このような相分離構造は、本実施形態では、構成材料が溶融している構造のない一様な液体状態から、凝固状態に至るとき、２相の結晶相が同時に晶出し、ある程度の周期性を有して形成される。第一の結晶相２１を構成する柱状晶の断面形状は円形、楕円、四角形に限らず、複数の結晶面から構成され、多角形を構成してよい。このようなシンチレータ結晶体は、また、シンチレータ結晶体と光検出器と組み合わせた場合、光検出器の１検出画素上に多数の柱状晶が配置されるような構造サイズを有したものを組み合わせることが好ましい。このため、柱状晶の直径は５０ｎｍ以上３０μｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲であることが望ましい。更に、第一の結晶相の柱状晶の周期２４は５００ｎｍ以上５０μｍ以下、好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であることが望ましい。ここで、構造体のサイズの範囲は、材料系の選択と作製時の条件で決定されるものであり、傾向については後述する。またシンチレータ結晶体の高さ２３は５１１ｋｅＶのガンマ線を吸収することが可能であればよく、材料系によって異なるが概ね３０ｍｍ前後である。また、柱状晶は高さ方向に渡って真っ直ぐ続いていることが好ましいが、一直線でなく曲がった部分が含まれていたり、途中で途切れたり、枝分かれや融合が生じたり、直径が異なっていたりしている場合などでもよい。

次に上記のような一軸相分離構造を有したシンチレータ結晶体の作製方法について説明をする。ここでは第一の結晶相がＮａＣｌであり、第二の結晶層がＣｓＩである場合について述べる。まずＮａＣｌとＣｓＩを共晶点における組成で混合し、次にこれを加熱熔融した後に冷却して一方向性を持たせて凝固させる。ここで共晶点とは平衡状態図における共晶反応が生じる点であり、液相から２種の固溶体を同時に排出して凝固が完了する点を表す。ＮａＣｌとＣｓＩの場合、本発明者らが示差熱分析（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓ；ＤＡＴ）等で調べた結果、共晶組成はＮａＣｌ：ＣｓＩ＝３０：７０ｍｏｌ％、共晶温度は４９０℃であった。一方向性を持たせて凝固させるには、例えば図３のように材料が酸化しないよう円筒状の石英管等に封じた試料３１を縦型に配置し、ヒーター３２ないし試料３１を一定速度で移動させればよい。この際、固液界面を平らにするように温度勾配や移動速度を制御することが重要であり、温度勾配が３０℃／ｍｍ以上、移動速度が８５０ｍｍ／ｈ以下の条件とすることが好ましい。また十分な温度勾配を確保するため、水冷部３３を設けることも好ましい。本実施形態においてＮａＣｌとＣｓＩを共晶組成で混合した試料の融液の温度を５００℃とし、１０ｍｍ／ｈの移動速度で凝固させたところ、第一の結晶相がＮａＣｌであり、第二の結晶層がＣｓＩである図２に示すような一軸相分離構造を有したシンチレータ結晶体が得られた。また柱状の第一の結晶相であるＮａＣｌの直径は２μｍ、周期は４μｍ程度であったが、前述のようにこれらは作製時の条件によって調整することが可能である。相分離シンチレータ結晶体の第一の結晶相の直径や周期は、試料の凝固速度に依存し、特に柱状晶の周期に関しては次式の相関があるとされる。周期をλとし、凝固速度をｖとすれば、λ^２・ｖ＝一定である。従って移動速度を制御して凝固速度を変化させることで、周期や直径をある程度調整することが可能である。ここで周期とは、シリンダー中心間の平均的な間隔である。

次に上記のように作製したＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体が有する一軸光学異方性について説明する。ＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体に放射線が入射すると、マトリックスを構成するＣｓＩが励起されてシンチレーション光が発生する。シンチレーション光は等方的に発生するが、ＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体では、屈折率１．７８のＣｓＩマトリックス中に屈折率１．５５のＮａＣｌシリンダーが存在するため、シンチレーション光の横方向への広がりがある程度抑制されてＮａＣｌシリンダーと平行方向に異方性をもって伝播することになる。つまり、高屈折率媒質から等方的に発生したシンチレーション光が低屈折率媒質との界面において入射角次第で全反射することがあるため、全反射を繰り返すことで高屈折率媒質に閉じ込められながら伝播する成分によって一軸光学異方性が表れているものと考えられる。また、光ファイバーのようにシリンダー内で光閉じ込めが起こることはなく、ＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体ではマトリックス内で光閉じ込めが起こっているので、一軸光学異方性を有してはいるが、ある程度の横方向への広がりをもって光は伝播する。ここで、シリンダーであるＮａＣｌも放射線励起によってシンチレーション光を発生させるが、発光効率や放射線の吸収効率を考慮するとＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体の発光はＣｓＩからの発光が支配的である。従ってマトリックスを構成するＣｓＩからの発光のみで光伝播特性を考えても差し支えはない。

図４の（ａ）は、ＰＳ−ＰＭＴ４１の光検出面上に図２に示す一軸光学異方性を有するＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体４２を、一軸方向と光検出面の法線方向とが非直交するように、具体的には一軸方向と光検出面の法線方向とが平行となるよう配置した構造を示す図である。また、図４の（Ｃ）はＰＳ−ＰＭＴ４１上にＣｓＩシンチレータ結晶体４３を配置した図である。また、図４の（ｂ）、（ｄ）はそれぞれ、図４の（ａ）、（ｃ）の場合の検出画素４４に入射するシンチレーション光の分散を模式的に示した図である。尚、図４（ａ）、（ｃ）ともに、シンチレータの長さ（高さまたは深さを意味し、図２におけるＺ方向の長さ）は、光検出部である画素４４の配列ピッチの３倍以上に設定した。図４の（ｃ）、（ｄ）に示すように、ＣｓＩシンチレータ結晶体ではシンチレーション光が等方的に伝播するため、発光位置直下の検出画素４５に入射する光量が少なく、分散も非常に広範囲に及ぶ。このため、発光分散の重心から面内での発光位置（図２におけるＸＹ方向での発光位置）を同定し、更に分散の状態から発光位置の深さ（図２及び図４におけるＺ方向の発光位置）を同定するには、多数の検出画素からの情報が必要である。更には、検出画素への入射光量が少ないことから誤差も大きくなってしまうという問題もある。

これに対して図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、ＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶ではシンチレーション光が異方性をもって伝播するため、検出画素に入射するシンチレーション光の分散範囲がＣｓＩシンチレータ結晶体に比べて狭いものとなる。すなわち隣接画素間での入射光量の違いが大きいため、少数の検出画素から面内での発光位置を同定することが可能であると同時に、発光位置直下の検出画素に入射する光量が多いため位置同定の誤差が少なくなる。本発明のように面内での発光位置を少数の光検出部である画素から同定可能にするためには、発光位置の直下とその隣とで３倍の信号強度比があれは十分である。また、この条件は光の集光具合に言い換えることができ、深さ方向にｎ段階（光検出部側から順に１，２，３，，，ｎ番目）の位置同定をする場合、その画素から最も遠いｎ番目の領域の中心でシンチレーション光を発した場合に、発光位置の直下の画素に全発光量の４％以上が入射すればよい。また、この条件は、結晶の位置検出器との接合面以外が光吸収面とした場合のものであり、反射面や拡散面とした場合は、この限りではない。

また上述のように、ＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶ではマトリックス内で光閉じ込めが起こっているため、一軸光学異方性を有してはいるものの、ある程度の広がりをもってシンチレーション光は伝播する。一軸光学異方性が強すぎる場合、シンチレーション光は殆ど広がらずに伝播し、発光位置の深さの違いによる発光位置直下の検出画素に入射する光量の差は非常に微小なものとなる。尚ここで、発光位置の深さとは図４におけるＺ方向における発光位置を意味する。よって、一軸異方性を有するシンチレータの場合には、深さ方向とは一軸方向を意味する。そしてこれに対してＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶では、ある程度の広がりをもってシンチレーション光は伝播するため、発光位置の深さの違いによる発光位置直下の検出画素に入射する光量の差が十分に確保でき、これを用いて深さ方向の発光位置の同定が可能となる。尚、深さ方向にｎ段階（光検出部側から順に１，２，３，，，ｎ番目）に分けて位置同定する場合、ｎ個ある領域のある画素の中心鉛直上にあるＬ番目（２≦Ｌ≦ｎ）の領域の中心でシンチレーション光を発っした場合と、Ｌ−１番目の領域の中心でシンチレーション光を発っした場合の発光位置直下の検出画素に入射する光量との差が弁別可能であればｎ段階での位置同定が可能である。特に、深さ方向の隣接領域間で入射光量に１０％以上の違いがあれば同定可能と考える。換言すると、一軸光学異方性を有するシンチレータの、この一軸方向での領域分けの程度（領域の細分化の程度）は、光検出部である画素への一軸方向での隣接領域間で、光入射量に１０％以上の違いが生じる程度とすればよい。そしてより好ましくは、光入射量の違いは２５％以上であることが望ましい。ただし、これは、光検出部である受光部への十分な入射光量がある場合に限るので、入射光量が著しく低い場合には成立しない。

さらに、深さ方向を同定する条件以外にも前述の異方性が強すぎない範囲として、本発明のように検出器面内での発光位置を少数画素から同定可能にするためには、発光位置の直下とその隣の画素で、受光部から最も近い１番目の領域の中心でシンチレーション光を発っした場合に２０倍以下の信号強度比に留めることが重要である。この条件を言い換えると、受光部から最も近い１番目の領域の中心で発光させた場合に、発光位置の直下の画素への光の入射量を全発光量の３５％以下に留めればよい。また、この条件は、結晶の位置検出器との接合面以外が光吸収面とした場合のものであり、反射面や拡散面とした場合は、この限りではない。

以上のように、本発明では少数の画素の情報を演算することにより３次元で発光位置を特定することが可能である。そしてそれを実現する一軸光学異方性の条件とは、画素を構成する光検出部の直上に位置するシンチレータの、この光検出部から最も離れた領域でのシンチレーション光を直下の光検出部に４％以上到達させ、この光検出部に近接する領域でのシンチレーション光を、直下の光検出部に４％以上且つ３５％以下到達させるものである。

本実施形態においてはＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体を例にとって述べてきたが、本発明はこの材料系に限定されるものではない。上記範囲の光学異方性を実現するものは適用可能である。また、一軸相分離構造を呈する材料系のなかでも、ＮａＣｌ−ＣｓＩ系とは異なり、低屈折率材料がマトリックスを、高屈折率材料がシリンダーを構成する組み合わせもあり得る。この場合には、シリンダー側を全反射する光は全く広がらないため、屈折率比が比較的１に近く、相間の反射率が比較的高い材料系を選定することで実現可能である。

このように、一軸光学異方性を所望の範囲に調整するために、本発明では相分離シンチレータ結晶体の、２相間の屈折率比や界面における反射率、更にはシリンダーの周期や２相間の面積率（体積率）を適切に選択することが重要である。

以上のように、本発明における３次元放射線位置検出器では少数の画素間の受光量の情報から面内及び深さ方向の発光位置を同定することが可能である。また、シンチレータ結晶を複数層重ねて反射材を用いるなどの必要がないため、少数のシンチレータ結晶で検出ユニットを簡易に低コストで組み上げることが可能である。

本実施例は、一軸相分離構造を有したシンチレータ結晶体について、２相間の屈折率比による検出画素への入射光量の違いを幾何光学的なシミュレーションから算出したことに関するものである。

実際の検出ユニットのサイズを、検出画素３ｍｍ×３ｍｍ、シンチレータ結晶の高さ３０ｍｍと考え、計算負荷を軽減するため、これを１／９倍に縮小した系について計算を行った。具体的には光検出器上に高さ３３３３ｕｍの相分離シンチレータ結晶体が配置されており、光検出器上の画素サイズ（光検出部のサイズ）は３３３ｕｍ×３３３ｕｍとした。相分離シンチレータの構造はシリンダー５１部分の直径が２ｕｍ、周期５２が４ｕｍの三角格子配列とした図５のような構造とした。また、相分離シンチレータ結晶体の光検出器面に接している面以外は全て吸収面と仮定して計算を行った。

一例として発光位置の深さをｎ＝４段階で判別すると考え、図６のように光検出器の光検出面６１の一つの画素６２の中心鉛直上の各ｎ領域の中心（光検出面６１から４１７ｕｍ、１２５０ｕｍ、２０８３ｕｍ、２９１７ｕｍの位置）で半径１００ｕｍの光源から等方的に発光（シンチレーション光）６３が生じたとし、発光位置直下の画素及びその隣接画素における受光率を計算した。ここで、受光率とは各画素に入射する光量の全発光量に対する割合を％で表した値である。シリンダー媒質の屈折率を１．００とし、マトリックス媒質の屈折率を変化させた際の計算結果を表１に示す。ここでは、屈折率比のみが結果に影響を与えるので、便宜的にシリンダー側の屈折率を１．００としている。また、表１には比較のため相分離構造を有さない単結晶シンチレータを仮定して、同様の計算を行った結果についても併せて記載している。

表１において発光位置の隣の画素、発光位置の対角の画素とは図７のように発光位置直下の画素７３に隣接する画素７１、７２のことである。表１の計算結果より、相分離構造を有さない単結晶シンチレータの場合、各検出画素における受光率は非常に小さいことが確認できる。発光位置の光検出面からの高さが２９１７ｕｍの場合、発光位置直下の画素における受光率は０．１０４％であり、各検出画素間の受光率の差も発光位置からの立体角による差のみであるため非常に小さいことが確認できる。このため、隣接画素間の受光率から発光位置を同定することは非常に困難であると考えられる。更に発光位置の光検出面からの高さによる発光位置直下の画素における受光率の差についても、高さ１２５０ｕｍ以上では０．４％以下の差となっており、発光位置の深さを同定することは非常に困難であると考えられる。

これに対して相分離シンチレータでは、発光位置の光検出面からの高さが２９１７ｕｍの場合においても、つまり、光検出面から最も離れた領域においても、発光位置直下の画素における受光率が隣接画素に比べて３倍以上に大きくなっている。よって、隣接画素間の受光率から発光位置を同定することが可能である。この状況は、発光位置直下の画素における受光率が４％以上という数値となって表れており、発光伝播の一軸異方性により単結晶シンチレータよりも多くの光が集光されていることと隣接画素での演算を可能にすることが同じことであると確認できる。更に発光位置の光検出面からの高さによる発光位置直下の受光率の差についても、２相間の屈折率比によって違いはあるものの１０％以上の差が十分あるため弁別が可能であり、発光位置の深さを同定することが可能である。また、発光位置の光検出器面からの高さが４１７ｕｍの場合について、発光位置直下の画素における受光率を２相間の屈折率比でプロットすると図８のようになる。今回の計算では相分離シンチレータ結晶体の光検出器面に接している面以外は全て吸収面と仮定しているため、仮に全ての光が発光位置直下の画素に集光された場合、受光率は５０％となる。これに対して、発光位置の光検出器面からの高さが４１７ｕｍの場合、発光位置直下の画素における受光率は図８より３５％以下となっている。このことから、相分離シンチレータでは一軸光学異方性を有してはいるものの、本発明の条件に合った適度な広がりをもってシンチレーション光が伝播することが確認できる。つまり、このシンチレータでは、隣接画素との受光率の比が最も大きくなる領域である、光検出部（画素）に近接する領域でのシンチレーション光が、その画素に到達する率と隣接画素に到達する率との比が２０倍以下に収まる程度の集光性（一軸光学異方性）を有する。このことはシンチレータの有する一軸光学異方性が強すぎないことを意味している。そしてこれは、上述のとおり我々の検討から、シンチレータが、光検出部である画素に近接する領域でのシンチレーション光をその画素に３５％より多く到達させないような一軸光学異方性を有することを意味する。このように、画素を構成する光検出部の直上に位置するシンチレータの、この光検出部から最も離れた領域でのシンチレーション光を直下の光検出部に４％以上到達させ、この光検出部に近接する領域でのシンチレーション光を、直下の光検出部に４％以上且つ３５％以下到達させるものであることによって、面内方向および深さ方向における発光位置の特定が可能となる。付言すると、このようにシンチレーション光を分散しすぎず、且つ集光しすぎないことによって、隣接する光検出部である画素間において受光率の比を十分有し、且つ深さ（高さ）方向での隣接領域間において光入射量に十分な違いが生じるようにすることが可能となる。この結果、面内方向および深さ（高さ）方向での発光位置の特定が可能となる。

次に、表１の結果を用いて各画素に入射するフォトン数を見積もった結果を表２に示す。すなわち、５１１ｋｅＶのフォトン１個が相分離シンチレータ結晶ないし単結晶シンチレータに入射して、ＬｉｇｈｔＹｉｅｌｄに従ってシンチレーション光のエネルギーを有するフォトンが発生した際、どの程度の個数のフォトンが各画素に入射するのかを計算した。ここでＬｉｇｈｔＹｉｅｌｄとは１ＭｅＶのフォトン１個でシンチレータを励起した場合に発生するフォトン数のことであり、シンチレータの発光輝度の指標とされる値である。本実施例ではＰＥＴで使用されているＣｅが添加されたＬＳＯシンチレータのＬｉｇｈｔＹｉｅｌｄ３３０００ｐｈ／ＭｅＶを用いて算出した。

表２より、相分離構造を有さない単結晶シンチレータの場合、各検出画素におけるフォトン数は非常に少なく、各検出画素間のフォトン数の差も非常に小さいことが確認できる。例えば発光位置が２９１７ｕｍの場合、発光位置直下の画素とその隣の画素、或いは発光位置直下の画素とその対角の画素の間のフォトン数の差はそれぞれ０．４５ｐｈ／ｐｉｘｅｌ、０．５３ｐｈ／ｐｉｘｅｌとなる。ここで、ｐｈ／ｐｉｘｅｌは１画素で受光したフォトン数を表す。実際の系では発光や結晶内での光伝播にある程度の揺らぎがあることを踏まえると、このような微小な違いによって発光位置を同定することは現実的には不可能である。また、発光位置の光検出器面からの高さによる発光位置直下の画素におけるフォトン数の差についても、２９１７ｕｍと２０８３ｕｍでは１６．６６ｐｈ／ｐｉｘｅｌとなっており、発光位置の深さを同定するには不十分と考えられる。発光位置の高さが４１７ｕｍでは各検出画素間のフォトン数の差が大きくなり、発光位置の同定は可能と考えられるが、上記のように光検出器面から高い位置で発光した場合の分解能が著しく低いため、隣接画素のみで発光位置及びその深さを同定することは困難である。つまり、相分離構造を有さないシンチレータ結晶では、シンチレータ結晶の厚みが薄い場合（概ね画素サイズの３倍以下）に限って、隣接画素のみで発光位置及びその深さを同定することが可能である。しかしながら、実際の画素サイズが３ｍｍ×３ｍｍ程度であることを考慮すると、９ｍｍ程度の厚みで５１１ｋｅＶのガンマ線を吸収することが可能な高密度、高い放射線吸収係数を有したシンチレータ結晶が必要であり、現実的には困難である。

これに対して相分離シンチレータの場合、各画素に入射するフォトン数が多く、発光位置直下の画素とその隣の画素、或いは発光位置直下の画素とその対角の画素の間のフォトン数の差も十分大きなものとなる。従って隣接画素間のフォトン数から発光位置を同定することが可能である。また、発光位置の光検出器面からの高さによる発光位置直下のフォトン数の差についても、２相間の屈折率比によって違いはあるものの、単結晶よりも１桁以上大きく、十分大きな差がとれる。このため発光位置の深さを同定することが可能である。一例として、図９は表２のマトリックス媒質の屈折率１．２３の場合について、発光位置直下の画素へ入射するフォトン数を発光位置の深さに対してプロットした図である。図９のように、深さ方向に依存した出力範囲値を事前に把握しておき、実際に得られた出力値と比較することで発光位置の深さを同定することが可能である。

また、実施例では深さ方向における発光位置をある領域の中心とし、その結果をもとに議論しているが、この発光位置が領域の中心を外れた周辺部であった場合にも、発光直下近傍の数画素の重心演算により擬似的な面内の発光位置の特定や、発光量の推定が可能である。それにより、深さ方向の判定も本実施例の方法で逸脱することなく可能である。

以上の結果より、本発明による３次元放射線位置検出器は、発光位置直下の画素とその隣接画素間の出力を比較することで発光位置を同定することが可能である。言い換えると、一軸光学異方性の条件は、画素を構成する光検出部の直上に位置するシンチレータの、この光検出部から最も離れた領域でのシンチレーション光を直下の光検出部に４％以上到達させ、この光検出部に近接する領域でのシンチレーション光を、直下の光検出部に４％以上且つ３５％以下到達させるものである。更に事前に判明している深さ方向に依存した出力範囲値と、実際に発光位置直下の画素から得られた出力を比較することで発光位置の深さを同定することが可能である。

１２シンチレータ結晶
２１第一の結晶相
２２第二の結晶相
３１試料
３２ヒーター
３３水冷部
４１ＰＳ−ＰＭＴ
４２ＮａＣｌ−ＣｓＩシンチレータ結晶体
４３ＣｓＩシンチレータ結晶体
４４、６２光検出部（検出画素）
４５発光位置直下の光検出部（検出画素）
６１光検出面
６２画素
６３シンチレーション光（発光）

Claims

複数の光検出部を有する光検出器と、一軸光学異方性を有し該一軸方向において連続するシンチレータ結晶体とを備え、前記一軸方向にｎ段階の位置同定を行う３次元放射線位置検出器であって、
前記シンチレータ結晶体は、前記シンチレータ結晶体の前記一軸方向と前記光検出器の光検出面の法線方向とが非直交
になるように前記光検出器の前記光検出面に配置され、
前記一軸方向における長さが前記複数の光検出部の配列ピッチの３倍以上であり、
前記シンチレータ結晶体を前記一軸方向にｎ個の領域に分け、前記光検出部に最も近い領域を１番目の領域とし、前記光検出部から最も離れた領域をｎ番目の領域とするとき、
前記一軸光学異方性は、前記ｎ番目の領域のうち、前記光検出部上で発生したシンチレーション光を当該光検出部に４％以上到達させ、且つ、前記１番目の領域のうち、前記光検出部上で発生したシンチレーション光を当該光検出部に４％以上且つ３５％以下到達させるものであることを特徴とする３次元放射線位置検出器。
前記シンチレータ結晶体は、前記一軸方向に伸びる柱状の複数の第一の結晶相を、前記第一の結晶相よりも屈折率が大きい第二の結晶相の中に有する相分離構造からなることを特徴とする請求項１に記載の３次元放射線位置検出器。
前記複数の光検出部のそれぞれに、前記複数の第一の結晶相が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元放射線位置検出器。
前記複数の第一の結晶相のそれぞれは、直径が５０ｎｍ以上３０μｍ以下であり、
前記複数の第一の結晶相のピッチが５００ｎｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の３次元放射線位置検出器。