JP5759374B2 - 発光物質及びそれを用いた放射線検出方法 - Google Patents

Description

本願は、概して撮像技術に関し、より具体的には発光物質及び該発光物質とともに使用されるスペクトルフィルタに関する。本願の要旨は、とりわけｘ線に基づく撮像システム、特にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）撮像システムと共に使用され、特にそれを参照して説明される。しかしながら、本願の要旨は、例えば単一光子放出型コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）又は陽電子放出型断層撮影（ＰＥＴ）撮像システムなどの、その他の撮像システムとも共に使用され得る。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）撮像システムは、典型的に、検査領域を横断するｘ線を生成するｘ線源を用いている。検査領域内に配置された被検体が、横断するｘ線と相互作用し、その一部を吸収する。放射線検出器が、ｘ線源に対向配置され、透過したｘ線を検出してその強度を測定する。放射線検出器は典型的に、光検出器に光学的に結合された発光（シンチレーション）物質の１つ以上のブロックを各画素が含むような、複数の画素を含んでいる。発光物質は、ｘ線に応答して、シンチレーションイベントと呼ばれるバースト状の光を生成する。例えばフォトダイオード又は光電子増倍管などの光検出器が、シンチレーションイベントの強度を指し示す電気信号を生成する。

発光物質の性能は、例えば阻止能、輝度及び残光を含む物質の数多くの特性に依存する。特に残光に関して、シンチレータの残光は、主発光を過ぎても励起光が持続することである。残光は、シンチレータ材料内の欠陥又は不純物に起因することがあり、あるいはその他の原因を有することもある。一般的に言えば、シンチレータの残光は抑制することが望ましい。すなわち、時間的に短い残光は、時間的に長い残光よりも好ましい。同様に、狭い波長スペクトルを有する残光は、広い波長スペクトルを有する残光よりも好ましい。より小さい残光が有利である。より小さい残光は、所与の時間内で検出可能なシンチレーションイベントの数を増加させるとともに、検出器の時間分解能を増大させるからである。

上述のように、不所望なシンチレータ残光は、シンチレータ材料内に存在する不純物に起因し得る。放射線検出器にて商業的に利用するのに適したシンチレータの製造は、複雑且つ高コストのプロセスである。このプロセスは、必要な原材料を収集あるいは合成することから始まる。原材料は典型的に、不純物を除去するように処理される。残念ながら、一部の不純物は、商業的あるいは経済的に実現可能な手法で除去することが困難である。原材料が収集され且つ使用可能な程度まで純化された後、それらはシンチレータを形成するように結合される。しばしば、材料の溶融池（molten pool）内で複数の原材料をともに溶解させ、その後結晶化させることにより、結晶シンチレータが形成される。しばしば、シンチレータ材料を溶解させることなしに加圧技術及び高温熱処理により、セラミックシンチレータが形成される。シンチレータはまた、例えば樹脂などのホスト媒体内に発光粉末が分散された混合物を有する複合材料であってもよい。このとき、発光粉末とホスト媒体は同等の屈折率を有する。

従来、ＣＴシステムでｘ線を検出するための発光物質としては、ガドリニウムオキシ硫化物（Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ）（以下、“ＧＯＳ”）が使用されてきた。ＧＯＳは、数多くのその他の発光物質に対して、ｘ線応答時の高い光出力及び短い残光を有する。しかしながら、更に後述するように、ＧＯＳにはしばしば、不所望な残光を生じさせ得るＹｂ^３＋不純物が存在し得る。

発光物質及び／又は関連したスペクトルフィルタを提供する。

本発明の一態様によれば、ホスト格子変化されたＧＯＳ発光物質が提供される。本発明の他の一態様によれば、ホスト格子変化されたＧＯＳ発光物質を使用する方法が提供される。本発明の更なる態様によれば、ホスト格子変化されたＧＯＳ発光物質を組み入れた放射線検出器及び撮像装置が提供される。ここに記載されるホスト格子変化されたＧＯＳ発光物質は、比較的高い光収率を依然として提供しながら、従来のＧＯＳ発光物質より短い残光を有する。以下の好適実施形態の詳細な説明を読んだ当業者には、数多くの更なる利点及び利益が明らかになる。

本発明の更なる一態様によれば、シンチレータによって発生された光の不所望部分を低減あるいは実質的に排除するスペクトルフィルタが提供される。このフィルタは、例えば従来のＧＯＳ発光物質又はホスト格子変化されたＧＯＳ発光物質において存在し得るＹｂ^３＋起因の残光など、シンチレータからの残光の影響を低減するために使用され得る。

本発明は、様々な化学組成、様々な構成要素及びその配置、並びに様々なプロセス処理及びその編成の形態を取り得る。図面は、単に好適実施形態を例示するためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
典型的なＣＴ撮像システムを示す図であり、回転ガントリー、ｘ線源及び放射線検出器を見せるように静止ガントリーの一部を切断して示している。 図１のＣＴ撮像システムの１つの光検出器及び発光物質の部分を示す拡大図である。 一方がＹｂ不純物を含み、他方がＹｂ不純物を含まない、２つのＧＯＳサンプルの発光スペクトルを比較する図である。 オプションのスペクトルフィルタを備えたＣＴ撮像システムの１つの光検出器及び発光物質の部分を示す拡大図である。

本願における医用撮像システム及び装置は概して、例えばＣＴ、ＳＰＥＣＴ又はＰＥＴ撮像システムなど、任意の医用撮像システムである。より具体的には、図１を参照するに、例示的な一実施形態において、医用撮像システム１００はＣＴ撮像システムである。ＣＴ撮像システム１００は、検査且つ／或いは撮像される例えば患者などの被検体を支持し且つ位置付ける例えばテーブル又はカウチなどの被検体支持台１１０を含んでいる。ＣＴ撮像システム１００は、内部に回転ガントリー１３０を搭載した静止ガントリー１２０を含んでいる。スキャンチューブ１４０が静止ガントリー１２０を貫通して延在している。スキャンチューブ１４０は検査領域を画成する。被検体支持台１１０は、スキャンチューブ１４０に対してｚ軸に沿って直線的に移動可能であり、故に、撮像される被検体が被検体支持台１１０に配置されると、被検体支持台１１０及び被検体は、スキャンチューブ１４０の内部で、そして外へと移動されることが可能である。

回転ガントリー１３０は、撮像される被検体がスキャンチューブ１４０内に位置するとき、スキャンチューブ１４０及び被検体の周り（すなわち、ｚ軸の周り）で回転するように適応されている。コリメータ１６０を備えた１つ以上のｘ線源１５０が、回転ガントリー１３０上に搭載されており、撮像される被検体がスキャンチューブ１４０内に位置するとき、スキャンチューブ１４０及び被検体に向けてｘ線ビームを発生する。

１つ以上の放射線検出器ユニット１７０も回転ガントリー１３０上に搭載されている。典型的に、ｘ線源１５０及び放射線検出器ユニット１７０は互いに回転ガントリー１３０の反対側に搭載され、回転ガントリー１３０は、撮像される被検体の或る角度範囲の投影ビューを取得するために回転される。

放射線検出器ユニット１７０は発光物質１８０を含んでいる。発光物質１８０は、例えば、セラミック発光物質とし得る。一部の実施形態において、発光物質１８０は透光性セラミックである。一部の実施形態において、発光物質１８０は、一緒に組み立てられた個々の結晶のアレイから成り、あるいはフォトエッチング又はその他の技術によって共通のシンチレータプレートから切り出される。

ＣＴ撮像システム１００は、発光物質１８０の放射線受光面上に配置された例えば散乱線除去グリッドなどのグリッド１８２を含み得る。例えばフォトダイオード又は光電子増倍管などの光検出器１９２のアレイ１９０が、発光物質１８０の、グリッド１８２とは反対側に設置されている。各光検出器１９２は独立に、発光物質１８０の対応する区画１８４内で生じるシンチレーションイベントに応答する。

コンピュータ（図示せず）が、被検体支持台１１０及び回転ガントリー１３０の動作を含むＣＴ撮像システム１００の動作を制御する。検出器ユニット１７０によって収集されたデータは、必要に応じてコンピュータ上に表示することができる画像を形成するように、従来からの方法を用いて再構成される。

次に、図２を参照するに、発光物質１８０及び１つの光検出器１９２の部分の拡大図が示されている。発光物質１８０は、ホスト格子変化されたＧＯＳ材料とし得る。ホスト格子変化は、従来のＧＯＳ材料に対して残光の持続時間を短縮する。本発明に係るＧＯＳ材料はまた、ドープ剤でドープされている。使用可能なドープ剤の非限定的な具体例は、セリウム（Ｃｅ）及びプラセオジム（Ｐｒ）である。本発明に係るＧＯＳ材料の特定の例示的な実施形態は、セリウム及びプラセオジムの双方でドープされてもよい。例えば、ＧＯＳ材料は、１００モルｐｐｍと１０００モルｐｐｍとの間のＰｒ^３＋濃度且つ０と５０モルｐｐｍとの間のＣｅ^３＋濃度でドープされ得る。しかしながら、別の好適なドープ剤も使用され得る。

ホスト格子変化されたＧＯＳ材料は、従来のＧＯＳ材料と同様にして製造・使用されることができる。従来のＧＯＳ製造にて用いられるのと同じ装置を用いて、ウェハ、ブランク及びアレイの製造が実行され得る。

本発明に係るＧＯＳ材料の様々な実施形態において、ＧＯＳのホスト格子は、ガドリニウムの一部に代えて、イットリウム、ランタン及び／又はルテチウム、又はこれらの組み合わせを用いることによって変化される。例えば、ガドリニウムの２５％、５０％若しくは７５％、又はその他の割合が、イットリウム、ランタン及び／又はルテチウム、又はこれらの組み合わせで置換され得る。表１は、このようなプラセオジム及びセリウムでドープされたホスト格子変化（修飾）ＧＯＳサンプルについて、残光試験の結果を報告するものである。表１に示される様々な修飾ＧＯＳサンプルの各々は、およそ７００モルｐｐｍのＰｒ^３＋とおよそ１０モルｐｐｍのＣｅ^３＋とでドープされている。比較の目的で、同様にドープされた如何なるホスト格子変化もしていない２つの従来のＧＯＳサンプルにも、同一の試験を適用した。

表に示すように、サンプルの残光は、フォトダイオードを用いて、また光電子増倍管を用いて、別々に測定した。先ず、試験サンプルを標準的な時間量だけ標準的なｘ線源に曝し、該サンプルを発光させた。その後、ｘ線源を停止あるいは除去した。そして、ｘ線源の除去後５ｍｓｅｃ、５００ｍｓｅｃ及び２．１ｓｅｃの時点で、サンプルの輝度又は強度を測定した。表内で報告されている強度値は、ｘ線源が除去された時点でのサンプルの初期強度値を１とし、それに対するｐｐｍで示されている。

従って、例えば、５ｍｓｅｃ後、フォトダイオードを用いて測定された（Ｇｄ_０．７５Ｙ_０．２５）_２Ｏ_２Ｓ：Ｐｒ；Ｃｅの強度は、その元の値の約０．０００６４８まで低下する。対照的に、５ｍｓｅｃ後、フォトダイオードを用いて測定された２つの従来ＧＯＳサンプルの強度は、それぞれ、それらの元の値の約０．００１４９５及び０．００１１１９までしか低下しない。故に、５ｍｓｅｃ後、この修飾ＧＯＳサンプルの残光は、従来ＧＯＳの残光より実質的に小さかった。

表１は、このように、従来ＧＯＳ材料と比較したときの、ホスト格子変化された様々な組成のＧＯＳ材料の残光強度の低減を例示している。ホスト格子修飾ＧＯＳサンプルの各々は、フォトダイオードによって測定されたルテチウムＧＯＳサンプルを除いて、従来ＧＯＳ材料より短い残光時間を示した。これらのサンプルにおける不一致は、修飾ＧＯＳを生成するために使用された原材料におけるＬｕ_２Ｏ_３のＹｂ_２Ｏ_３による汚染に起因すると考えられる。この汚染は、得られる修飾ＧＯＳシンチレータにイッテルビウム（Ｙｂ^３＋）不純物をもたらし、この不純物は、従来ＧＯＳにおいてと同様に、ホスト格子修飾ＧＯＳにおいても残光を増大させ得る。

例えば、図３は、Ｙｂ^３＋不純物を数ｐｐｍ程度含有する第１の従来ＧＯＳサンプル３０２の発光スペクトルと、実質的に全てのＹｂ^３＋不純物が除去された第２の従来ＧＯＳサンプル３０４の発光スペクトルとを比較している。主要な所望のスペクトルは緑赤可視光であり、双方のサンプルに存在している。しかしながら、見て取れるように、Ｙｂ^３＋不純物は、約９４０ｎｍと１１００ｎｍの間の赤外領域において、第１の従来ＧＯＳサンプル３０２のかなり大きい発光をもたらしている。残念ながら、図３に示した第２のサンプル３０４ほど純粋にＧＯＳを製造することは、特に商業的に有意な量において高コストとなり得る。

表１に戻るに、光電子増倍管は、ルテチウム修飾ＧＯＳサンプルの長めの残光に対して、フォトダイオードより遙かに低い感度を有していた。光電子増倍管は上限として８００ｎｍの遮断（カットオフ）波長を用いたので、赤外光より短い波長のみを測定している。一方、フォトダイオードは赤外光も測定している。故に、光電子増倍管の結果（赤外光を測定していない）とフォトダイオードの結果（赤外光を測定している）との間の不一致は、Ｙｂ^３＋不純物に由来する赤外領域の残光によって説明される。

ＧＯＳ−例えば、フォトダイオードを用いて測定されるルテチウム修飾ＧＯＳ−の性能を改善するため、スペクトルフィルタが用いられてもよい。図４に示すように、スペクトルフィルタ１９４は、シンチレータ材料１８０とフォトダイオード１９２との間の光路内に配置され得る。スペクトルフィルタ１９４は、シンチレータ材料発光の所望部分を透過させながら、シンチレータ材料発光の不所望部分を除去するように動作する。例えば、シンチレータ材料がＧＯＳであるとき、スペクトルフィルタ１９４は、約９００ｎｍ未満の波長（所望の緑赤光を含む）を透過させながら、より高い波長（不所望の赤外光を含む）を遮断し得る。このような短波長通過フィルタは、低屈折率と高屈折率とを交互にした複数の透明層の堆積によって製造され得る。

スペクトルフィルタ１９４は、シンチレータ材料１８０とフォトダイオード１９２との間の光路内に、例えば以下の典型例などの多様な手法で挿入され得る。従来の検出器はしばしば、シンチレータ材料１８０とフォトダイオード１９２との間に、これら２つの要素を堅固に結び付け且つシンチレータ１８０からフォトダイオード１９２に光を伝達するために、光学接着剤の層を配置してなる。スペクトルフィルタ１９４は、そのような光学接着剤の層内に配置され得る。スペクトルフィルタ１９４は、フォトダイオード１９２上に配置される更なるコーティングから形成されてもよい。

複合シンチレータ材料に特に適した更なる他の代替例として、ホスト媒体内に、少量の溶解性光吸収材又は染料が組み込まれてもよい。光吸収材は、不所望のスペクトルを吸収し且つ所望のスペクトルを吸収しないことによってフィルタとして作用する。好ましくは、光吸収材は十分に耐放射性である。

スペクトルフィルタ１９４は数多くの形態を取り得る。例えば、スペクトルフィルタ１９４は、不所望の残光を吸収する吸収型のフィルタとし得る。他の一例として、スペクトルフィルタ１９４は、不所望の残光を反射する反射型フィルタとし得る。例えばガラスフィルタ、干渉フィルタ、回折格子フィルタ、プリズム及びこれらに類するものなど、この用途に適するであろう数多くの種類のフィルタが知られている。

好適実施形態を参照しながら本発明を説明した。明らかなように、以上の詳細な説明を読んで理解した者は改良及び改変に想到し得る。本発明は、添付の請求項の範囲又はその均等範囲に入る限りにおいて、そのような全ての改良及び改変を含むとして解釈されるものである。本発明は、様々な化学組成、構成要素及びその配置、開示した実施形態の要素群の組み合わせ及び部分組み合わせの形態を取り得る。

Claims (18)

1. 光検出器を有する撮像装置とともに使用される修飾ＧＯＳ材料であり、当該ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の少なくとも２５％且つ７５％以下がランタン（Ｌａ）で置換された修飾ＧＯＳ材料と、
   ドープ剤としてのセリウム（Ｃｅ）及びプラセオジム（Ｐｒ）のうちの少なくとも一方と、
   を有するシンチレータ材料としての発光物質。
2. 光検出器を有する撮像装置とともに使用される修飾ＧＯＳ材料であり、当該ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の少なくとも２５％且つ５０％以下がルテチウム（Ｌｕ）で置換された修飾ＧＯＳ材料と、
   ドープ剤としてのセリウム（Ｃｅ）及びプラセオジム（Ｐｒ）のうちの少なくとも一方と、
   を有するシンチレータ材料としての発光物質。
3. 前記ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の一部が、イットリウム（Ｙ）及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素で置換されている、請求項１に記載の発光物質。
4. 前記ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の一部が、イットリウム（Ｙ）及びランタン（Ｌａ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素で置換されている、請求項２に記載の発光物質。
5. 前記修飾ＧＯＳ材料は結晶性である、請求項１又は２に記載の発光物質。
6. 前記修飾ＧＯＳ材料はセラミックである、請求項１又は２に記載の発光物質。
7. 前記ドープ剤は、０と５０モルｐｐｍとの間の濃度を有するセリウム（Ｃｅ）である、請求項１又は２に記載の発光物質。
8. 前記ドープ剤は、１００と１０００モルｐｐｍとの間の濃度を有するプラセオジム（Ｐｒ）である、請求項１又は２に記載の発光物質。
9. 請求項１又は２に記載の発光物質と、前記発光物質に光学的に結合された光検出器であって、前記発光物質により生成された発光に応じて電気信号を生成する光検出器と、を有する放射線検出器。
10. 前記発光物質と前記光検出器との間の光路内に配置されたスペクトルフィルタ、を更に有する請求項９に記載の放射線検出器。
11. 前記スペクトルフィルタは、前記発光物質から放射される赤外光を実質的に遮断するように適応されている、請求項１０に記載の放射線検出器。
12. 前記スペクトルフィルタは、９００ｎｍより長い波長を有する光を実質的に遮断するように適応されている、請求項１０に記載の放射線検出器。
13. 請求項９に記載の放射線検出器と少なくとも１つの放射線源とを有する撮像装置。
14. 当該撮像装置はＣＴ撮像装置である、請求項１３に記載の撮像装置。
15. 修飾ＧＯＳ材料をシンチレータとして用いて放射線を受光するステップであり、該ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の少なくとも２５％且つ７５％以下がランタン（Ｌａ）で置換されており、該修飾ＧＯＳ材料は、ドープ剤としてセリウム（Ｃｅ）及びプラセオジム（Ｐｒ）のうちの少なくとも一方を有し、且つ該修飾ＧＯＳ材料が前記放射線を受光したことに応答して光を放射する、ステップ；及び
    前記修飾ＧＯＳ材料から放射された光を、光検出器を用いて電気的に検出するステップ；
    を有する放射線検出方法。
16. 修飾ＧＯＳ材料をシンチレータとして用いて放射線を受光するステップであり、該ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の少なくとも２５％且つ５０％以下がルテチウム（Ｌｕ）で置換されており、該修飾ＧＯＳ材料は、ドープ剤としてセリウム（Ｃｅ）及びプラセオジム（Ｐｒ）のうちの少なくとも一方を有し、且つ該修飾ＧＯＳ材料が前記放射線を受光したことに応答して光を放射する、ステップ；及び
    前記修飾ＧＯＳ材料から放射された光を、光検出器を用いて電気的に検出するステップ；
    を有する放射線検出方法。
17. 前記ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の一部が、イットリウム（Ｙ）及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素で置換されている、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ＧＯＳ材料のガドリニウム（Ｇｄ）の一部が、イットリウム（Ｙ）及びランタン（Ｌａ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素で置換されている、請求項１６に記載の方法。

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