專利名稱：三維放射線位置檢測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用閃爍體(scintillator)的放射線檢測器，更具體地，本發明涉及能夠收集三維數據的放射線檢測器。
背景技術：
正電子發射層析成像(positron emission tomography, PET)是已被用于使用圖像來診斷腫瘤和掃描腦部機能等的核醫學成像技術。在PET中，用發射正電子的放射性同位素(radioactive isotope)標識的藥物被注入被檢體中，并且，通過設置在被檢體周圍的檢測器部分對于在正電子湮沒(annihilation)之后準確地沿相反方向發射的兩個光子(photon)(伽馬射線)同時計數。因此，放射線源的位置被規定為形成圖像。 在檢測器部分中，以圓周形式布置檢測單元，所述檢測單元中的每一個包含光電增倍管 (photomultiplier tube, PMT)和設置在其上面的閃爍體晶體。閃爍體晶體的例子包含 Bi4Ge3O12 (BGO)和 Lu2SiO5 (LSO)。在常規的PET系統中，分辨率在視場的邊緣處降低。如圖1所示，在視場(圓)的中心處產生的伽馬射線11垂直地入射到閃爍體晶體12上，而在視場的邊緣處產生的伽馬射線13斜著入射到閃爍體晶體12上。這使得由于閃爍體晶體的長度(高度)而導致檢測位置誤差(視差誤差(parallax error))0為了應對這一點，作為下一代技術，用于通過識別閃爍體中的在深度方向上的發光位置的信息(交互的深度；D0I(cbpth of interaction)) 來抑制視差誤差的技術的DOI-PET正在受到關注。日本專利申請公布No. 2006-522925 (JP 2006522925)，也被公布為WO 2004090572，公開了識別交互作用深度(DOI)的方法，在該方法中，在位置敏感型 (position-sensitive) PMT (PS-PMT)上設置連續的閃爍體晶體。在JP 200652^25中，由根據發光位置的深度的閃爍光的漫射的差異來計算D0I。另一已知的方法使用其中在PS-PMT 上設置多個閃爍體晶體的多層檢測單元，在該PS-PMT上，層疊閃爍體晶體的多個層。日本專利公開No. 11-142524(JP 11142524)公開了通過用設置在閃爍體晶體之間的反射部件的有/無和位置來控制閃爍光的分布而識別DOI的示例性方法。但是，在使用連續的閃爍體晶體的方法中，由于閃爍光在晶體中各向同性地傳播， 因此，閃爍光在PS-PMT中的廣大區域上漫射。因此，為了識別根據發光位置的深度的差異的閃爍光的漫射的差異，需要從PS-PMT中的大量檢測像素收集信息。如果通過少數的像素的計算來估計發光位置的深度，那么誤差增大。相對照地，通過層疊多層閃爍體晶體的方法，可由少數的像素的計算來估計發光位置的深度。但是，對于各系統需要非常大量的(例如120，000個)閃爍體晶體。另外，由于反射部件需要被選擇性地設置在閃爍體晶體之間，因此組裝檢測單元的過程非常復雜。
發明內容
本發明提供沒有反射部件的、能夠通過少數的像素的計算來估計發光位置的深度、并且能夠從少量的閃爍體晶體容易地組裝檢測單元的三維放射線位置檢測器。本發明提供三維放射線位置檢測器，該三維放射線位置檢測器包括具有多個光檢測元件的光檢測器；和閃爍體晶體，所述閃爍體晶體具有這樣的光學各向異性使得第一方向上的光學性能與其它方向上的光學性能不同，所述閃爍體晶體在第一方向上是連續的并且被設置在光檢測器的光檢測表面上，使得閃爍體晶體的第一方向不與光檢測器的光檢測表面的法線方向垂直。閃爍體晶體沿第一方向具有為多個光檢測元件的布置節距的至少三倍的長度。所述光學各向異性使得允許從位于光檢測元件正上方并且最遠離光檢測元件的區域發射的閃爍光的至少4%到達光檢測元件，而允許從處于光檢測元件正上方并且最接近光檢測元件的區域發射的閃爍光的4% 35%到達光檢測元件。本發明提供沒有反射部件的、能夠通過少量的光檢測元件(像素)的計算來估計閃爍光的發光位置、并且能夠從少量的閃爍體晶體容易地組裝檢測單元的三維放射線位置檢測器。參照附圖閱讀示例性實施例的以下描述，本發明的其它特征將變得清晰。
圖1是表示在常規的PET系統中出現的視差誤差的示圖。圖2是本發明的閃爍體晶體的示意圖。圖3是表示用于通過提供單方向特性而凝固(coagulate)的裝置的例子的示意圖。圖4A 4D是表示入射到光檢測器上的閃爍光的漫射的示意圖。圖5是表示分相(phase separation)閃爍體的結構的示圖。圖6是表示分相閃爍體的發光位置的示圖。圖7是光檢測器表面上的檢測像素的示意圖。圖8是發光位置正下方的像素的光接收率關于兩相之間的折射率比的曲線圖。圖9是發光位置的各深度處的光子的數量的曲線圖。
具體實施例方式以下將描述本發明的實施例。在本發明的三維放射線位置檢測器中，這樣的閃爍體晶體被設置在位置敏感型光檢測器的光檢測表面上該閃爍體晶體具有光學各向異性， 使得第一方向上的光學性能與其它方向上的光學性能不同，并且該閃爍體晶體在第一方向上是連續的。位置敏感型光檢測器的例子包括位置敏感型PMT (PS-PMT)和位置敏感型雪崩光電二極管。只要具有幾毫米或更小(更優選地，5mm或更小)的空間分辨率，則可以使用任何類型的光檢測器。此外，希望使用快速響應的檢測器，以對放射線計數從而判斷一致性。當然，由于被放射線照射而導致的閃爍體晶體的發射衰減時間優選地為500nSec或更小，更優選地為50nSec或更小。在以下的描述中，光檢測器的光檢測元件也可被稱為“像素”或“光接收部分”。 下面將描述本發明的閃爍體晶體。 根據本發明的閃爍體晶體具有分相結構。特別地，如圖2所示，閃爍體晶體包含由沿第一方向(在圖2中，為沿Z軸方向)延伸的多個柱狀晶體(columnar crystal)構成的第一晶相(crystal phase) 21和第二晶相(基體(matrix)) 22。在本實施例中，第一晶相 21由存在(嵌入)于這里被稱為第二晶相22的三維晶體基體內的圓柱狀晶體構成。第一晶相21不限于圓柱狀晶體，而是可被實現為嵌入基體中的六角、三角或任何其它的多邊柱狀晶體。第二晶相22(基體)由在被預定能量的放射線激勵時發射預定波長范圍的光的材料制成。優選地，第二晶相22具有比第一晶相21的折射率高的折射率。以這種方式形成的閃爍體晶體導致具有各向異性光學性能的晶體。即，這種類型的閃爍體晶體具有第一方向上的光學性能與其它方向上的光學性能不同的光學各向異性。閃爍體晶體的例子是沿第一方向具有連續相并且沿與第一方向正交的方向具有分相結構的晶體。換句話說，圖2所示的閃爍體晶體具有分相結構，在該分相結構中，包含沿第一方向延伸的多個晶體柱的第一晶相存在(嵌入)于第二晶相中。第二晶相具有比第一晶相的折射率高的折射率。在以下的描述中，這樣的第一方向上的光學性能與其它方向上的光學性能不同的光學各向異性可被簡稱為“單軸光學各向異性”。因此，第一方向可被描述為“單軸方向”。在本實施例中，當構成材料被熔融并且不存在結構的均勻液體狀態轉變成凝固狀態，同時使具有一定周期性的兩個晶相結晶化時，形成分相結構。構成第一晶相21的柱狀晶體的斷面不限于圓形、橢圓或矩形，而是可以為具有幾個晶體表面的任何多邊形形狀。此外，當組合閃爍體晶體和光檢測器時，希望使用具有在光檢測器的一個檢測像素上設置許多柱狀晶體的結構和尺寸的閃爍體晶體。因此，柱狀晶體的直徑優選為50nm 30μπκ更優選地為200nm ΙΟμπι。第一晶相的柱狀晶體的周期(period) 24 (從中心到中心的距離，也可被稱為“節距”)優選為500nm 50 μ m、更優選地為1 μ m 20 μ m。這里， 結構的尺寸范圍由材料體系(material system)和制造條件的選擇來確定，將在后面描述這種傾向(tendency)。閃爍體晶體應當具有足以吸收預定能量的放射線的高度23。例如， 對于吸收511keV伽馬射線的閃爍體晶體，高度23通常為約30mm，但是應當注意，高度依賴于材料體系。雖然柱狀晶體應當沿高度方向上的直線延伸，但是，也可使用具有彎曲部分 (不直的部分)、破斷部分、分枝或熔融部分并且具有各種直徑的柱狀晶體。下面將描述制造具有上述分相結構的閃爍體晶體的方法。這里，第一晶相由NaCl 構成，第二晶相由CsI構成。首先，在共晶點(eutecticpoint)將NaCl與CsI進行成分混合。然后，將混合物加熱以使其熔融并然后使其冷卻，以使其沿特定的方向凝固(使得凝固沿特定方向進行)。這里，共晶點是在平衡圖中出現共晶反應、并且從液相(liquidphase) 同時產生兩種類型的固溶體(solid solution)、由此而完成凝固的點。作為差熱分析 (differential thermal analysis，DAT)等的結果，發明人在這里發現，為了獲得上述結構，NaCl和CsI的共晶成分和共晶溫度分別為NaCl CsI = 30 70mol %和490°C。為了使得凝固沿特定的方向進行，例如，如圖3所示，密封于圓筒狀石英管(silica tube)等中以防止材料氧化的樣品31被垂直地設置，并且，加熱器32或樣品31以基本恒定的速度移動。此時，控制溫度梯度和移動速度以使得固液界面平坦化是重要的。在本實施例中，適當的條件是溫度梯度為30°C /mm或更大并且移動速度為850mm/h或更小。此外，為了確保足夠的溫度梯度，可以設置水冷(water-cooling)部分33。在本實施例中，當溫度為500°C的作為以共晶成分被混合的NaCl和CsI的樣品的熔體(melt)以10mm/h的移動速度移動以便凝固時，獲得圖2所示的具有分相結構的閃爍體晶體，該閃爍體晶體的第一晶相由NaCl 構成，第二晶相由CsI構成。由NaCl構成的柱體(第一晶相)的直徑為約2 μ m，并且，其周期為約4μπι。但是，如上所述，可通過改變制造條件來調整它們。可以認為，分相閃爍體晶體的第一晶相的直徑和周期依賴于樣品的凝固速度，并且，特別地，柱狀晶體的周期具有以下關系λ2· ν=常數，這里，λ為周期，ν是凝固速度。因此，通過控制移動速度來改變凝固速度，可以調整柱狀晶體的周期(節距)和直徑。這里使用的術語“周期”意指柱狀晶體 (圓柱體)的中心之間的平均間隔(距離)。以下將描述如上面描述的那樣形成的NaCl-CsI閃爍體晶體的單軸光學各向異性 (第一方向上的光學性能與其它方向上的光學性能不同的光學各向異性)。當預定能量的放射線入射到NaCl-CsI閃爍體晶體上時，構成基體的CsI被激勵，由此發射閃爍光。雖然在 NaCl-CsI閃爍體晶體中，在初始各向同性地發射閃爍光，但是，在一定程度上抑制閃爍光沿水平(正交)方向傳播，并且沿與NaCl柱體平行的方向各向異性地傳播閃爍光。可以認為， 出現這種效果的原因是，由于在具有高折射率的介質中各向同性地產生的閃爍光可根據入射角在與具有低折射率的介質的界面上被全反射，因此，由于通過重復全反射而在具有高折射率的介質中在被捕獲的同時被傳播的成分，因此表現單軸光學各向異性。特別地，由于折射率為1. 55的NaCl柱體被嵌入折射率為1. 78的CsI基體中，因此，CsI基體的較高的折射率防止光沿正交方向漫射(散布)；并且，反而強制光沿柱狀晶體結構的長度各向異性地散布。此外，在NaCl-CsI閃爍體晶體中，與在光纖中不同，光不是在柱狀晶體(圓柱體) 中而是在基體中被捕獲。因此，雖然光具有單軸光學各向異性，但是，光在一定程度上沿水平方向散布的同時沿柱狀晶體的長度傳播。雖然作為圓柱體的NaCl也在被放射線激勵時產生閃爍光，但是，從發光效率和放射線吸收效率的觀點看，在來自NaCl-CsI閃爍體晶體的光發射中，來自CsI的光發射是主要的。因此，可僅基于來自構成基體的CsI的光發射來討論光學傳播特性。圖4Α表示這樣的結構在該結構中，在位置敏感型PMT (PS-PMT) 41的光檢測表面上設置圖2所示的具有單軸光學各向異性的NaCl-CsI閃爍體晶體42，使得單軸方向與光檢測表面的法線方向不垂直相交。更具體而言，例如，單軸方向(第一方向，圖4Α中的Ζ)和光檢測表面的法線方向相互平行。換句話說，光檢測表面的法線和單軸方向沿著相同的面放置。圖4C是表示設置在PS-PMT 41上的CsI閃爍體晶體43的示圖。圖4Β和圖4D分別是表示入射到圖4Α和圖4C的情況下的檢測像素44上的閃爍光的漫射的示意圖。在圖4Α 和圖4C中，閃爍體的長度(高度或深度，圖2中的Z方向上的長度)至少為用作光檢測元件的像素44的布置節距的三倍。如圖4C和圖4D所示，由于閃爍光在CsI閃爍體晶體中各向同性地傳播，因此，入射到發光位置正下方的檢測像素45上的光量很少，并且，在非常寬的區域中出現漫射。因此，需要來自大量檢測像素的信息，以從發射光的漫射的重心識別面內方向上的發光位置(圖2中的X方向和Y方向上的發光位置)，并且從漫射條件識別發光位置的深度(圖2和圖4Α 4D中的Z方向上的發光位置)。此外，由于入射到檢測像素上的光量少，因此誤差增大。與之對照，如圖4Α和圖4Β所示，由于閃爍光在NaCl-CsI閃爍體晶體中各向異性地傳播，因此，入射到檢測像素上的閃爍光的漫射區域比CsI閃爍體晶體的窄。即，由于相鄰像素之間的入射光的量的差異大，因此，可從少量的檢測像素識別面內方向上的發光位置，并且，由于入射到發光位置正下方的檢測像素上的光量大，因此，可以減小位置識別誤差。如在本發明中那樣，只要發光位置正下方的像素與鄰接它的像素的信號強度比為至少
63 1，就可從用作光檢測元件的少數像素識別面內方向上的發光位置。可使用收集光的程度來改寫(i^phrase)該條件當要識別深度方向上的第η個位置(位置=第1個、第2個、 第3個、...第η個，從光檢測元件算起)時，光學各向異性的強度應當使得，當從最遠離該像素的第η個區域的中心發射閃爍光時，發射光的總量的至少4%入射到發光位置正下方的像素上。該條件適用于晶體的除了與位置檢測器接觸的表面以外的所有表面用作光吸收表面的情況，不適用于它們用作反射表面或漫射表面的情況。此外，如上所述，由于光在NaCl-CsI閃爍體晶體中的基體中被捕獲，因此，閃爍光在沿柱狀晶體傳播的同時在一定程度上正交地漫射，盡管它具有單軸光學各向異性。當單軸光學各向異性太強時，閃爍光在幾乎沒有漫射的狀態下傳播，因此，根據發光位置的深度的差異的入射到發光位置正下方的檢測像素上的光量的差異不大(insignificant)。這里， 發光位置的深度意指圖4A和圖4C中的Z方向上的發光位置。因此，在具有單軸各向異性的閃爍體中，深度方向是單軸方向。與之對照，在NaCl-CsI閃爍體晶體中，由于閃爍光在傳播的同時在一定程度上漫射，因此，根據發光位置的深度的差異的入射到發光位置正下方的檢測像素上的光量的差異相當足，由此，可以識別深度方向上的發光位置。注意，當要識別深度方向上的第η個位置(第1個、第2個、第3個、...第η個，從光檢測元件算起)時， 只要從η個區域中的位于像素中心垂直上方的第L個區域QSLSn)的中心發射的閃爍光與從第L-I個區域的中心發射的閃爍光之間的、入射到發光位置正下方的檢測像素上的光量的差異是可辨識的，就可識別第η個位置。特別地，只要在沿深度方向相鄰的區域之間存在至少10%的入射光量的差異，就可識別第η個位置。換句話說，將具有單軸光學各向異性(第一方向上的光學性能與其它方向上的光學性能不同的光學各向異性)的閃爍體沿單軸方向(第一方向)劃分而成的區域的數量(即，區域分割的數量)可被限定，使得在沿單軸方向(第一方向)相鄰的區域之間存在入射到用作光檢測元件的像素上的光量的至少 10%的差值。更優選地，入射光量的差值為至少25%。但是，應當注意，這僅適用于入射到用作光檢測元件的光接收部分上的光量足夠的情況，而不適用于入射光量非常小的情況。此外，除了用于識別深度方向上的發光位置的條件以外，作為各向異性不太強的范圍，為了能夠如本發明中那樣從少數像素識別檢測器的面內方向上的發光位置，當閃爍光從最接近光接收部分的區域的中心被發射時，使得發光位置正下方的像素與鄰接它的像素的信號強度比為20 1或更小也是重要的。換句話說，光學各向異性的強度可被設定， 使得當從最接近光接收部分的區域的中心發射光時，入射到發光位置正下方的像素上的光量為發射光的總量的35%或更小。該條件適用于晶體的除了與位置檢測器接觸的表面以外的所有表面用作光吸收表面的情況，而不適用于它們用作反射表面或漫射表面的情況。如上所述，通過本發明，可通過計算來自少數像素的信息來三維地識別發光位置。 用于實現這一點的單軸光學各向異性的條件(光學各向異性的強度)是，允許從閃爍體的位于構成像素的光檢測元件正上方并且最遠離該光檢測元件的區域發射的閃爍光的至少 4%到達位于其正下方的光檢測元件，而允許從最接近該光檢測元件的區域發射的閃爍光的4% 35%到達位于其正下方的光檢測元件。雖然以NaCl-CsI閃爍體晶體為例描述了本實施例，但是，本發明不限于該材料體系，而是可以使用實現上述光學各向異性的任何材料。此外，在具有分相結構的各材料體系中，與NaCl-CsI體系不同的具有低折射率的材料構成基體并且具有高折射率的材料構成柱體的組合是可能的。在這種情況下，由于在圓柱體中被全反射的光根本不漫射，因此，可通過選擇折射率比相對接近于1并且相之間的反射率(reflectance)較高的材料體系來實現上述光學各向異性。如上所述，為了將單軸光學各向異性調整到希望的強度，在本發明中，適當地選擇分相閃爍體晶體中的兩個相的折射率比和界面上的反射率、圓柱體的周期和兩相之間的面積率(體積率)是重要的。如上所述，通過本發明的三維放射線位置檢測器，可以從由少數像素接收的光的量的信息識別面內方向和深度方向上的發光位置。此外，由于不需要使用多層的閃爍體晶體或反射部件，因此，可以以低成本由少量的閃爍體晶體容易地組裝檢測單元。例子在本例子中，關于具有分相結構的閃爍體晶體，使用幾何和光學模擬來計算根據兩相之間的折射率比的入射到檢測像素上的光量的差異。基于實際檢測單元的檢測像素具有3mmX 3mm的尺寸并且閃爍體晶體具有30mm的高度的假定來執行計算，為了減少計算負擔，將它們乘以1/9。更具體而言，具有3333μπι的高度的分相閃爍體晶體被設置在像素尺寸(光檢測元件的尺寸)為333 μ mX 333 μ m的光檢測器上。如圖5所示，分相閃爍體的結構為三角格子陣列，其中，圓柱體51的直徑為2 μ m， 并且，周期52為4 μ m。基于分相閃爍體晶體的除了與光檢測器的表面接觸的表面之外的所有表面是吸收表面的假定來執行計算。在例子中，要被識別的發光位置的深度被分成四級(n = 4)。如圖6所示，在位于光檢測器的光檢測表面61上的像素62的中心垂直上方的各η個區域的中心(距離光檢測表面61的417μπι、1250μπι、2083μπι和^17μπι)處，假定從具有IOOym的半徑的光源各向同性地發射光(閃爍光)63，計算發光位置正下方的像素與和其相鄰的像素的光接收率。 這里使用的“光接收率”意指以百分比表示的發射光的總量中的入射到各像素上的光的量的比例。表1表示對于圓柱體介質的折射率為1. 00而基體介質的折射率變化的情況的計算結果。由于僅折射率比對于結果有影響，因此，為了方便起見，圓柱體的折射率被設為1. 00。 為了比較的目的，表1還包含對于沒有分相結構的單晶(single crystal)閃爍體的計算結^ ο表 權利要求
1.一種三維放射線位置檢測器，包括光檢測器，具有多個光檢測元件；和閃爍體晶體，具有光學各向異性使得第一方向上的光學性能與其它方向上的光學性能不同，所述閃爍體晶體被設置在所述光檢測器的光檢測表面上，使得所述閃爍體晶體的第一方向不與所述光檢測器的光檢測表面的法線方向垂直，其中，所述閃爍體晶體沿第一方向具有為所述多個光檢測元件的平均節距的至少三倍的長度，以及其中，所述光學各向異性使得允許從位于所述光檢測元件正上方并且最遠離所述光檢測元件的區域發射的閃爍光的至少4%到達所述光檢測元件，而允許從處于所述光檢測元件正上方并且最接近所述光檢測元件的區域發射的閃爍光的4% 35%到達所述光檢測元件。
2.根據權利要求1的三維放射線位置檢測器，其中，所述閃爍體晶體具有分相結構，在所述分相結構中，包含沿第一方向延伸的多個柱體的第一晶相被嵌入具有比第一晶相的折射率高的折射率的第二晶相中。
3.根據權利要求2的三維放射線位置檢測器，其中，包含多個柱體的第一晶相在第一方向上是連續的，以及其中，所述分相結構在與第一方向正交的方向上被形成。
4.根據權利要求1的三維放射線位置檢測器，其中，所述光學性能包含所述閃爍體內的光學傳播，以及其中，第一方向上的光學傳播大于其它方向上的光學傳播。
全文摘要
本發明涉及三維放射線位置檢測器。所述位置檢測器包括具有光檢測元件的光檢測器；和具有單軸光學各向異性的閃爍體晶體。閃爍體晶體在單軸方向上是連續的，并且被設置在光檢測器上，使得所述單軸方向不與光檢測表面的法線垂直，并且具有為光檢測元件的節距的至少三倍的長度。單軸各向異性允許從在光檢測表面上方并且最遠離光檢測表面的區域發射的閃爍光的至少4％到達光檢測元件，并且允許從最接近光檢測表面的區域發射的閃爍光的4％～35％到達光檢測元件。
文檔編號G01T1/202GK102385063SQ201110244310
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月25日 優先權日2010年8月30日
發明者堀江亮子, 安居伸浩, 田透, 齊藤達也 申請人:佳能株式會社