JP6215825B2

JP6215825B2 - 撮像システムおよび放射線検出方法

Info

Publication number: JP6215825B2
Application number: JP2014522175A
Authority: JP
Inventors: コルネリスレインデルロンダ; ノルベルトコンラッズ; ヘニングオーランド; ヘルベルトシュライネマヒェル
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: US20140177783A1; EP2737340A1; US9322935B2; RU2014107693A; CN103718063B; EP2737340B1; CN103718063A; RU2605518C2; WO2013014557A1; JP2014529060A

Description

本願は、一般に、テルビウムベースの（Ｔｂ^３＋）シンチレータアレイを持つ放射線感知撮像検出器に関し、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）に対する特定の用途を用いて説明される。しかしながら、本願は、他の撮像モダリティに対しても適用可能である。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナは、Ｘ線管及び検出器アレイを含む。Ｘ線管は、回転ガントリにより支持される。これは、検査領域の周りで回転する。これにより、検査領域の周りでＸ線管が回転される。検出器アレイは、検査領域を横断して、Ｘ線管の反対側に配置される。Ｘ線管は、検査領域（及びそこにある対象物又は物体の部分）を横断し、検出器アレイを照射する放射線を放出する。検出器アレイは、検査領域を横断する放射線を検出し、これを示す信号を生成する。再構成器は、信号を再構成し、３次元ボリュメトリック撮像データを生成する。データプロセッサは、３次元ボリュメトリック撮像データを処理し、これに基づき１つ又は複数の画像を生成することができる。

従来の検出器アレイは、シンチレータベースの検出器アレイを含む。典型的なシンチレータベースの検出器アレイは、フォトダイオードアレイに光学的に結合されるシンチレータアレイを含む。例えば、従来のシンチレータベースの検出器アレイは、シリコン（Ｓｉ）フォトダイオードアレイに光学的に結合されるガドリニウム酸硫化物（ＧＯＳ）ベースの（例えば、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｃｅ）シンチレータアレイを含む。検査領域を横断する放射線は、シンチレータアレイを照射する。このアレイは、Ｘ線光子を吸収し、これに応じて、光学光子を放出する。これは、吸収されたＸ線光子を示す。フォトダイオードアレイは、光学光子を検出し、検出された光学光子を示す電気信号を生成する。再構成器は、この信号を再構成する。

Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｃｅベースのシンチレータアレイは、ＣＴ用途に適した残光を持つ、約４０，０００ｐｈｏｔｏｎｓ／ＭｅＶの光収率又は出力を持つ。一般に、光出力は、吸収されたＸ線光子を光学光子に変換する変換効率又は能力に対応する。従って、ＣＴ用途に適した残光を持つ、より高い変換効率及び光出力のシンチレータアレイに関する未解決の必要性が存在する。

本出願の側面は、上述した事項その他に対処する。

１つの側面によれば、撮像システムは、放射線源と、放射線感知検出器アレイとを有し、上記放射線感知検出器アレイが、シンチレータアレイと、上記シンチレータアレイに光学的に結合される光検出器アレイとを含み、上記シンチレータアレイが、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅを含む。

別の側面によれば、ある方法は、撮像システムの放射線感知検出器アレイを用いて放射線を検出するステップを含み、上記放射線感知検出器アレイが、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅベースのシンチレータアレイ１１８を含む。

別の側面によれば、放射線感知検出器アレイは、シンチレータアレイと、上記シンチレータアレイに光学的に結合される光検出器アレイとを有し、上記シンチレータアレイが、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅを含み、上記Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，ＣｅにおけるＴｂ^３＋の量は、２００モルｐｐｍ以下である。

テルビウムベースのシンチレータアレイを含む検出器アレイを備える例示的な撮像システムを概略的に示す図である。所定の光出力閾値が２００ｐｐｍであり、所定の閾値時間が５ｍｓであるときの、Ｔｂ^３＋の３つの異なる量に関するＸ線励起後のそれぞれのＧｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅの時間依存の放出強度曲線を視覚的に示す図である。所定の光出力閾値が２００ｐｐｍであり、所定の閾値時間が５ｍｓであるときの、Ｔｂ^３＋の３つの異なる量に関するＸ線励起後のそれぞれのＧｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅの時間依存の放出強度曲線を視覚的に示す図である。所定の光出力閾値が２００ｐｐｍであり、所定の閾値時間が５ｍｓであるときの、Ｔｂ^３＋の３つの異なる量に関するＸ線励起後のそれぞれのＧｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅの時間依存の放出強度曲線を視覚的に示す図である。所定の光出力閾値が２００及び５０ｐｐｍであり、所定の閾値時間が５及び５００ｍｓであるときの、Ｔｂ^３＋の３つの異なる量に関するＸ線励起後のそれぞれのＧｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅの時間依存の放出強度曲線を視覚的に示す図である。所定の光出力閾値が２００及び５０ｐｐｍであり、所定の閾値時間が５及び５００ｍｓであるときの、Ｔｂ^３＋の３つの異なる量に関するＸ線励起後のそれぞれのＧｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅの時間依存の放出強度曲線を視覚的に示す図である。所定の光出力閾値が２００及び５０ｐｐｍであり、所定の閾値時間が５及び５００ｍｓであるときの、Ｔｂ^３＋の３つの異なる量に関するＸ線励起後のそれぞれのＧｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅの時間依存の放出強度曲線を視覚的に示す図である。シンチレータにおけるＴｂ^３＋の存在を検出する例示的な方法を示す図である。Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅを持つシンチレータアレイを備える検出器アレイを使用する例示的な撮像方法を示す図である。

本発明は、様々な要素及び要素の配列の形式並びに様々なステップ及びステップの配列の形式を取ることができる。図面は、好ましい実施形態を説明するためだけにあり、本発明を限定するものとして解釈されるべきものではない。

図１は、例えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナといった撮像システム１００を示す。

撮像システム１００は、静止したガントリ１０２及び回転ガントリ１０４を含む。これは、静止したガントリ１０２により回転可能に支持される。回転ガントリ１０４は、長手軸又はｚ軸１０８の周りで検査領域１０６の周りを回転する。

例えばＸ線管といった放射線源１１０は、回転ガントリ１０４により支持され、これと共に回転し、及び検査領域１０６の方へ放射線を放出する。

源コリメータ１１２は、検査領域１０６及びそこの物体又は対象物の部分を横断する一般にコーン、ファン、くさび、又は他の形状の放射線ビームを形成するため、放出された放射線を平行化する。

放射線感知検出器アレイ１１４は、回転ガントリ１０４に固定され、検査領域１０６の反対側に、放射線源１１０から横切る形で、角弧を形成する。図示された検出器アレイ１１４は、光検出器アレイ１２０に光学的に結合されるシンチレータアレイ１１８を備える少なくとも１つの検出器モジュール１１６を含む。シンチレータアレイ１１８は、Ｘ線光子１２２を吸収し、これに応じて、光学光子（例えば、可視光又は紫外線放射）を放出する。これは、吸収されたＸ線光子１２２を示す。光検出器アレイ１２０は、光学光子を検出し、検出された光学光子を示す電気（電流又は電圧）信号を生成する。

後述されるように、図示されたシンチレータアレイ１１８は、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅを含む。ここで、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅにおけるある量のテルビウム（Ｔｂ^３＋）が、所定の残光（又は、光減衰）閾値を満たすがテルビウム（Ｔｂ^３＋）のない構成に対して、光出力（即ち、光子対光変換効率）を増加させる。図示される実施形態において、光検出器アレイ１２０は、シンチレータアレイ１１８の背部に結合される。別の実施形態では、光検出器アレイ１２０は、シンチレータアレイ１１８の側面に結合される。更に、適切なシンチレータアレイは、例えばＵＳ２０１０／０００３２５７８号及びＵＳ２０１０／００１６７９０９号においてそれぞれ説明されるような複合体及びセラミックシンチレータアレイを含む。これらの文書は、本書において参照により含まれる。

再構成器１２４は、信号を再構成し、検査領域１０６及びそこにある対象物又は物体の部分を示すボリュメトリック画像データを生成する。

例えば寝台といった対象物支持部１２６は、検査領域１０６における物体又は対象物を支持する。支持部１２６は、ヘリカル、アクシャル又は他の所望のスキャン軌跡を容易にするため、回転ガントリ１０４の回転と協働して、ｘ、ｙ及びｚ軸に沿って移動可能である。

汎用のコンピュータシステムは、オペレータ端末１２８として機能する。これは、例えばディスプレイといった人間が読み取れる出力デバイスと、例えばキーボード及び／又はマウスといった入力デバイスとを含む。端末１２８上のソフトウェアは、例えばオペレータがスキャンを開始することを可能にすることにより、オペレータが、システム１００の動作を制御することを可能にする。

簡単に前述したように、図示されたシンチレータアレイ１１８は、ある量のＴｂ^３＋で共ドーピングされる。これは、所定の残光閾値を満たすがＴｂ^３＋のない構成に対して、光出力を増加させる。

図２、３及び４は、Ｔｂ^３＋の３つの異なる量に関してＸ線励起が止められた後の、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅの時間依存の放出強度曲線２００、３００及び４００を視覚的に示す。図２、３及び４において、ｙ軸２０２は、対数関数的スケールにおいて正規化された光強度を表し、ｘ軸２０４は、対数関数的スケールにおいて時間を表す。これらの例に対して、光出力閾値２０６は、２００ｐｐｍにセットされ、時間閾値２０８は、５ミリ秒（ｍｓ）にセットされる。他の実施形態において、閾値２０６及び／又は２０８は、より大きい又はより小さいものを含む、異なったものとすることができる。

図２において、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，ＣｅにおけるＴｂ^３＋の量は、およそ１０モルｐｐｍであり、図３において、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，ＣｅにおけるＴｂ^３＋の量は、およそ５０モルｐｐｍであり、図４において、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，ＣｅにおけるＴｂ^３＋の量は、およそ２００モルｐｐｍである。図２、３及び４から、曲線２００、３００及び４００で示されるように、光出力閾値２０６は、時間閾値２０８でのＴｂ^３＋の３つの量全て（１０、５０及び２００ｐｐｍ）により満たされる。なぜなら、曲線２００、３００及び４００はすべて、光出力閾値２０６の交差２１０で及び時間閾値２０８で、光出力閾値２０６以下に落ちるからである。

上記は、下記の表１において要約される。

図２、３及び４及び表１から、２００ｐｐｍの光出力閾値２０６に対して、２００モルｐｐｍまでのある量のＴｂ^３＋が用いられることができる。この量を用いると、シンチレータアレイ１１８の光出力は、およそ５３，０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶである。これは、背景技術で述べられるシンチレータの４０，０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ光出力に対して、およそ３３％の光出力の増加を表す。３５％以上の、例えば５０％までの光収率における高い増加が、実現されることができるが、まだＣＴ時間依存光強度仕様には従う。２００ｐｐｍを超えるＴｂ^３＋の量に対して、Ｔｂ^３＋は、Ｇｄ２０２ＳにおけるＴｂ^３＋の比較的ゆっくりした放出が原因で、シンチレータの有効な短い残光を増加させて、残光挙動を支配し始める。

また、図２、３及び４及び表１から、光出力閾値２０６が代わりに１００ｐｐｍ未満であるとき、５０モルｐｐｍまでのＴｂ^３＋の量が用いられることができる。この量を用いると、シンチレータアレイ１１８の光出力は、およそ４９，２００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶである。これは、背景技術で述べられるシンチレータの４０，０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ光出力に対して、およそ２３％の光出力の増加を表す。図２、３及び４及び表１から、光出力閾値２０６が２００ｐｐｍより大きい場合、２００モルｐｐｍより大きいＴｂ^３＋の量が用いられることができる。

一般に、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｃｅは、濃度クエンチングに対しても、発光の熱クエンチングに対しても損失を示さないので、ホスト格子状態からＰｒ^３＋状態へのエネルギーの移行が１より小さい効率を持つ可能性が高い。結果的に、このエネルギーは、続くＣＴ手順において用いられる光を生成するためには用いられない。Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ、Ｔｂ、Ｃｅを用いると、Ｔｂ^３＋の追加的な量は、追加的な放射再結合又はエネルギー除去チャネルを提供する。しかしながら、Ｔｂ^３＋がかなりゆっくりした固有の減衰時間を持つので、これは、Ｔｂ^３＋濃度に対する上限をセットする。あまりに高いＴｂ^３＋濃度は、Ｘ線パルス直後の光強度と比較して、時間の関数としてあまりに高い相対的な光強度を生じさせる。なぜなら、光子の部分だけが、Ｔｂ^３＋イオンにより生成され、もちろんＰｒ^３＋イオンも光子生成処理に貢献するからである。そこで、Ｔｂ^３＋及びＰｒ^３＋の相対的な貢献が、例えば非常に小さな残光といったＧｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｃｅの特性を劣化させないよう、慎重にチューニングされなければならない。

図２、３及び４は、ある基準として、単一の閾値ポイント、即ち、交差２１０を含む。この基準は、光出力を増加させるために、シンチレータ物質に加えられることができるＴｂ３＋の最大量を決定するための基準である。加えるＴｂ^３＋の量が、単一の閾値ポイントより多くのポイントに基づき決定されることができる点を理解されたい。これの例は、図５、６及び７に関連して示される。図２、３及び４と同様、図５、６及び７において、ｙ軸２０２は、対数関数的スケールにおいて正規化された光強度を表し、ｘ軸２０４は、対数関数的スケールにおいて時間を表す。

図５、６及び７から、曲線２００、３００及び４００で示されるように、５０ｐｐｍの第２の光出力閾値５０２は、５００ｍｓの第２の時間閾値５０４で、Ｔｂ^３＋の３つ全ての量（１０、５０及び２００モルｐｐｍ）により満たされる。なぜなら、曲線２００、３００及び４００は、第２の光出力閾値５０２の交差５０６で及び第２の時間閾値５０４で、第２の光出力閾値５０２未満に落ちるからである。他の例では、必要に応じて、より多くの光出力及び／又は時間閾値が、用いられることができる。

図８は、シンチレータにおけるＴｂ^３＋の存在を検出する方法を示す。

以下のステップの順序は、説明的な目的のためだけにあり、限定するものではない点を理解されたい。そのようなものとして、順序は、異なることができ、同時的なステップを含む。更に、１つ又は複数のステップが、省略される、及び／又は、１つ又は複数のステップが包含されることができる。

ステップ８０２において、シンチレータアレイ１１８を照射するために、光源が作動される。適切な光源の例は、２５４ｎｍ光を放出する光源を含む。

ステップ８０４において、シンチレータアレイ１１８が、照射により励起される。

ステップ８０６において、シンチレータアレイ１１８は、照射されることに基づき、特性放射線を放出する。

ステップ８０８において、放出された放射線の放出スペクトルが測定される。

ステップ８１０において、測定された放出スペクトルが、Ｔｂ^３＋が存在するかどうか決定するために解析される。例えば、これは、４９０ｎｍ未満の放出ラインの存在を特定することを含む。この場合、Ｐｒ^３＋は、この物質において放出せず、これは、Ｔｂ^３＋の存在を示す。斯かるラインは、約４５０ｎｍ、４１０ｎｍ及び３８０ｎｍでのラインを含む。５４５ｎｍでの高い放出強度ラインが観測されることもできる。他の手法も、本書において想定される。

図９は、撮像方法を示す。

ステップ９０２において、放射線が、放射線源１１０により生成され、放出される。

ステップ９０４において、放出された放射線が、検査領域１０６及びそこにある対象物又は物体の部分を横断する。

ステップ９０６において、検査領域１０６及びそこにある対象物又は物体の部分を横断する放射線が、シンチレータアレイ１１８により受信される。これは、放射線を吸収し、受信した放射線を示す光学光子を放出する。

本書で述べられるように、例えば、シンチレータ１１８は、所望の光減衰を持つ所望の光出力を実現するためのＴｂ^３＋の量を含む。例えば、本書において示されるように、５ｍｓでの又はこの後の２００ｐｐｍ未満の光出力に関して、Ｔｂ^３＋が加えられない構成に対するおよそ３３％分の光強度の増加のために、２００ｐｐｍ未満のＴｂ^３＋が用いられることができる。

ステップ９０８において、光学光子が、光検出器アレイ１２０を介して検出される。これは、検出された放射線を示す電気信号を生成する。

ステップ９１０において、電気信号は再構成される。これにより、検査領域１０６及びそこにある対象物又は物体の部分を示すボリュメトリック画像データが生成される。

上記は、物理メモリといったコンピュータ可読ストレージ媒体にエンコード又はこの上で実現される１つ又は複数のコンピュータ可読命令を実行する１つ又は複数のプロセッサを介して実現されることができる。この命令は、１つ又は複数のプロセッサが、様々なステップ及び／又は他の機能を実現することをもたらす。追加的又は代替的に、１つ又は複数のプロセッサは、例えば信号又は搬送波といった一時的媒体により搬送される命令を実行することができる。

上記は、光出力及び減衰時間閾値の組合せに基づき、シンチレータに関するＴｂの量を決定することを説明するが、別の例では、Ｔｂの量は、シンチレータの他の要素に対するＴｂ及びＰｒ、Ｔｂ及びＣｅ、Ｔｂ及びＰｒ及びＣｅ、及び／又はＴｂの所定の比に基づかれる。更に別の例では、量Ｔｂは、所定の光出力閾値に完全に基づかれる。近似の相対的な光収率（ＬＹ）（例えば、０と１との間の数）は、

により決定されることができる。ここで、Ｎは、モルｐｐｍである。すると、絶対光収率は、

で与えられる。さらに別の例では、Ｔｂの量は、別の所定の特性に基づかれる。

本発明が、好ましい実施形態を参照して説明されてきた。上記の詳細な説明を読み及び理解すると、第三者は、修正及び変更を思いつくことができる。それらの修正及び変更が添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内にある限り、本発明は、すべての斯かる修正及び変更を含むものとして構築されることが意図される。

Claims

撮像システムであって、
放射線源と、
放射線感知検出器アレイとを有し、
前記放射線感知検出器アレイが、
シンチレータアレイと、
前記シンチレータアレイに光学的に結合される光検出器アレイとを含み、
前記シンチレータアレイが、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅで表される組成を有し、前記組成Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，ＣｅにおけるＴｂ^３＋の量が、５０モルｐｐｍ以下である、撮像システム。
前記Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅが、前記シンチレータの光出力が所定の減衰時間で所定の光出力閾値を下回るような量のＴｂ^３＋を含む、請求項１に記載の撮像システム。
前記Ｔｂ^３＋の量が、１０モルｐｐｍ以下である、請求項２に記載の撮像システム。
前記光出力が、およそ４６，７００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶである、請求項２又は３に記載の撮像システム。
前記シンチレータアレイが、複合材料を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像システム。
前記シンチレータアレイが、セラミック材料を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像システム。
前記シンチレータアレイの光効率は、前記シンチレータアレイが前記Ｔｂ^３＋を含まない構成と比べておよそ３３パーセント大きい、請求項１乃至６のいずれかに記載の撮像システム。
前記撮像システムが、コンピュータ断層撮影スキャナである、請求項１乃至７のいずれかに記載の撮像システム。
撮像システムの放射線感知検出器アレイを用いて放射線を検出するステップを有する方法において、
前記放射線感知検出器アレイが、Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅで表される組成を有するシンチレータアレイを含み、前記組成Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，ＣｅにおけるＴｂ^３＋の量が、５０モルｐｐｍ以下である、方法。
前記Ｇｄ_２０_２Ｓ：Ｐｒ，Ｔｂ，Ｃｅが、前記シンチレータの光出力が、所定の減衰時間で所定の光出力閾値を下回る量のＴｂ^３＋を含む、請求項９に記載の方法。
前記Ｔｂ^３＋の量が、１０モルｐｐｍ以下である、請求項１０に記載の方法。
前記光出力が、およそ４６，７００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶである、請求項１０に記載の方法。
前記シンチレータアレイが、複合材料又はセラミック材料の１つを含む、請求項９乃至１２のいずれかに記載の方法。
前記シンチレータアレイの光効率は、前記シンチレータアレイが前記Ｔｂ^３＋を含まない構成と比べておよそ３３パーセント大きい、請求項９乃至１３のいずれかに記載の方法。
前記撮像システムが、コンピュータ断層撮影スキャナである、請求項９乃至１４のいずれかに記載の方法。