JP4803565B2

JP4803565B2 - Ｄｏｉ型放射線検出器

Info

Publication number: JP4803565B2
Application number: JP2010520708A
Authority: JP
Inventors: 直子稲玉; 秀雄村山; 憲悟澁谷; 文彦錦戸; 倫明津田
Original assignee: Shimadzu Corp; National Institute of Radiological Sciences
Current assignee: Shimadzu Corp; National Institute of Radiological Sciences
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2028-07-16
Also published as: JPWO2010007669A1; US20110121184A1; WO2010007669A1

Description

本発明は、ＤＯＩ型放射線検出器に係り、特に、ポジトロンイメージング装置や陽電子放射断層像撮影（ＰＥＴ）装置等の核医学イメージングや放射線計測の分野で用いるのに好適な、３層や６層等の４角柱のシンチレータ結晶では実現し難い構造においても、無駄なく結晶特定が可能なＤＯＩ型放射線検出器に関する。

放射線検出器として、シンチレーション結晶に受光素子を光学結合したものが一般的であるが、ポジトロンイメージング装置やＰＥＴ装置で、より高い空間分解能を得るために、検出素子に入射した深さ方向位置も検出可能なＤＯＩ（Ｄepth of Ｉnteraction）型放射線検出器（以下単にＤＯＩ検出器とも称する）が開発されている。これは、図１に示す如く、位置感知型光電子増倍管（ＰＳ−ＰＭＴ）等の受光素子１０上に、結晶素子を３次元に配列した結晶ブロック２０を配置し、放射線を検出した結晶素子を特定することで、検出位置を３次元で得るようにしたものである。

このＤＯＩ検出器は、線源の存在する３次元的な方向の特定に有利であり、ＰＥＴ装置用の放射線検出器として用いると、分解能を劣化させることなく、ＰＥＴ装置の感度を向上することができる。

ＤＯＩ検出器内の結晶素子特定法については種々な手法があるが、例えば、受光素子１０の受光面に平行な２次元の結晶素子特定は、受光素子出力のアンガー計算によって行なわれ、図２に例示する如く、アンガー計算の結果を表わした２次元（２Ｄ）位置ヒストグラム上に各結晶素子の応答が現われる。

深さ方向の結晶識別、即ち、図１に例示した結晶素子の２次元配列２１、２２、２３を多層（図１では３層）に積んだ層の識別には、次のような手法が提案されている。

（１）図１（ａ）、（ｂ）に示したように、層毎に波形の異なるシンチレータ（図１（ａ）ではＬＳＯ、ＧＳＯ、ＢＧＯ、図１（ｂ）では、それぞれ１．５ｍｏｌ％Ｃｅ、０．５ｍｏｌ％Ｃｅ、０．２ｍｏｌ％ＣｅのＧＳＯ）を用い、波形弁別により層の識別を行なう（特許文献１、非特許文献１、２参照）。

（２）通常、シンチレーション結晶の２次元配列では、各結晶素子間に反射材を挿入するが、その場合、各結晶素子の応答は、２Ｄ位置ヒストグラム上で結晶素子の配置を反映した位置に現われる。これを利用して、図３（ａ）に示す如く、例えば第１層２１を６×６、第２層２２を７×７の結晶配列として、層の重なりをずらしたり、あるいは、図３（ｂ）に示す如く、各結晶素子の配置が上下でずれるように結晶ブロック２０の上下から溝を切ることで各結晶配列２１、２２にスリット３０を入れ、３次元配列内の各結晶素子の応答を分離し、図２に例示したように識別可能とする（非特許文献３、４参照）。

（３）図４に例示する如く、２次元結晶配列２１〜２４内の反射材３２の一部を取り除き、シンチレーション光の拡がりを制御することにより、各結晶素子３０の応答が現われる位置を操作する。図において、３４は、反射材３１が無い空気の部分である。これにより、３次元配列の全ての結晶の応答を分離して識別可能とする（特許文献２−５、非特許文献５参照）。

（４）特定波長の波長をカットするフィルタを層間に挟むことにより得られる波長で層の識別を行なう（特許文献６、非特許文献６参照）。

これらのＤＯＩ検出器は、全て４角柱型結晶、又は１素子が４角柱型になるように構成されている。

一方、ＤＯＩ検出を行なわない２次元結晶配列型放射線検出器においては、本発明のように３角柱シンチレーション結晶を使用する技術も提案されている。いずれもシンチレータを密に配置するために結晶の形を工夫したもので、特許文献７に記載された技術は、シンチレータと受光素子を含む検出器全体を３角柱とし、多くの検出器を球状に配列する際に、隙間無く配列できるようにしたものである。

一方、非特許文献７に記載された技術は、円柱型の受光素子上に異なる数種のシンチレータを配列するときに、３角形の鋭角を中心に向けて配列するもので、検出した結晶を波形により特定する。

又、特許文献８に記載された技術は、４角柱による検出器を６角形のＰＥＴ用検出器リングとして配列する際に、隙間を埋めるための補助検出器として、３角柱型シンチレータと受光素子を用いるものである。

特開平６−３３７２８９号公報特開平１１−１４２５２３号公報特開２００４−１３２９３０号公報特開２００４−２７９０５７号公報特開２００７−９３３７６号公報特開２００５−４３０６２号公報特開平８−５７４６号公報特開平５−１２６９５７号公報Ｊ．Ｓeidel，Ｊ．Ｊ．Ｖaquero，Ｓ．Ｓiegel，Ｗ．Ｒ．Ｇandler，and Ｍ．Ｖ．Ｇreen，"Ｄepth identification accuracy of a three layer phoswich ＰＥＴ detector module，"ＩＥＥＥＴrans．on Ｎucl．Ｓci．，vol．46，Ｎo．3，pp．485−490，Ｊune 1999 Ｓ．Ｙamamoto and Ｈ．Ｉshibashi，"ＡＧＳＯ depth of interaction detector for ＰＥＴ，"ＩＥＥＥＴrans．on Ｎucl．Ｓci．，vol．45，Ｎo.3，pp.1078−1082，Ｊune 1998 Ｈ．Ｌiu，Ｔ．Ｏmura，Ｍ．Ｗatanabe，and Ｔ．Ｙamashita，"Ｄevelopment of a depth of interaction detector for γ−rays，"Ｎucl．Ｉnst．Ｍeth．，Ａ４５９，pp．182-190，2001．Ｎ．Ｚhang，Ｃ．Ｊ．Ｔhompson，Ｄ．Ｔogane，Ｆ．Ｃayouette，Ｋ．Ｑ．Ｎguyen，Ｍ．Ｌ．Ｃamborde，"Ａnode position and last dynode timing circuits for dual-layer ＢＧＯ scintillator with ＰＳ−ＰＭＴ based modular ＰＥＴ detectors，"ＩＥＥＥＴrans．Ｎucl．Ｓci．，Ｖol．49，Ｎo．５，pp．2203-2207，Ｏctomer 2002．Ｔ．Ｔsuda，Ｈ．Ｍurayama，Ｋ．Ｋitamura，Ｔ．Ｙamaya，Ｅ．Ｙoshida，Ｔ．Ｏmura，Ｈ．Ｋawai，Ｎ．Ｉnadama，and Ｎ．Ｏrita，"Ａ four layer depth of interaction detector block for small animal ＰＥＴ，"ＩＥＥＥＴrans．Ｎucl．Ｓci．，vol．51，pp．2537-2542，Ｏctober 2004．Ｔ．Ｈasegawa，Ｍ．Ｉshikawa，Ｋ．Ｍaruyama，Ｎ．Ｉnadama，Ｅ．Ｙoshida，and Ｈ．Ｍurayama，"Ｄepth-of-interaction recognition using optical filters for nuclear medicine imaging，"ＩＥＥＥＴrans．Ｎucl．Ｓci．，vol．52，pp．4-7，Ｆebruary 2005．白川芳幸，"全方向性γ線検出器の開発，"Ｒadioisotopes，vol．53，pp．445-450，2004．

結晶応答間の距離が離れているほど、分離が良く、識別能の向上につながるため、２Ｄ位置ヒストグラム上に結晶応答が均一に並ぶのが理想的である。

しかしながら、今までに提案されたＤＯＩ検出器は、全て４角柱のシンチレーション結晶、結晶素子によるものであった。その制限により、例えば（２）の層の位置を互いにずらす方法と、（３）の光分配の制御による方法は、図５に示すように、４層分全ての結晶領域が重なることなく２Ｄ位置ヒストグラム上に表示され、２層、４層の識別に適したものとなるが、図６に示すような３層の識別の際には、２Ｄ位置ヒストグラム上に無駄な空間ができるという問題点を有していた。

全身用ＰＥＴ装置等、必要な検出器数や価格の関係より、使用できる受光素子の制限、データ処理時間等を考えて、３層や６層が最適な場合もある。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、３層や６層等の、４角柱のシンチレータ結晶では実現し難い構造においても、無駄なく結晶特定を可能とすることを課題とする。

本発明は、受光素子の受光面上にシンチレーション結晶を３次元に配列し、放射線を検出した結晶の応答を２次元位置ヒストグラム上で識別可能とすることで、放射線検出位置を３次元で得るようにしたＤＯＩ型放射線検出器において、前記シンチレーション結晶を正３角柱とし、前記２次元位置ヒストグラム上の各結晶の応答を層毎にずらすと共に、同層の前記シンチレーション結晶間の一部に反射材を設けて、少なくとも一部の層における前記２次元位置ヒストグラム上の各結晶の応答を、該２次元位置ヒストグラム上の各結晶の中心からずらすことにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記反射材の位置を層毎に変えることができる。

又、同じ材質の前記シンチレーション結晶で、前記２次元位置ヒストグラム上の各結晶の応答を層毎にずらして積層した１つのセットを構成し、セット毎にシンチレーション結晶の材質を変えた複数のセットを積層して、１つのＤＯＩ型放射線検出器を更に多層化することができる。

本発明によれば、３層や６層等、４角柱のシンチレーション結晶では実現し難い構造においても、無駄なく結晶特定が可能となる。又、シンチレーション結晶を用いた放射線検出において、位置分解能を向上させることができる。更に、検出器構造も単純で作りやすく、核医学装置に必須である量産に耐え得るものである。

従来のＤＯＩ検出器の構成例を示す斜視図従来のＤＯＩ検出器における２Ｄ位置ヒストグラム上の結晶応答の例を示す図従来のＤＯＩ検出器の他の構成例を示す斜視図従来のＤＯＩ検出器の更に他の例を示す図図４の例により構成された４層ＤＯＩ検出器の例を示す図従来の４角柱状シンチレーション結晶で３層ＤＯＩ検出器を構成した場合の問題点を示す図本発明の原理を説明するための、反射材を全部挿入した比較例の（ａ）上面図、（ｂ）２Ｄ位置ヒストグラム、及び（ｃ）結晶と応答の位置の対応を示す図同じく、反射材の一部を抜いた本発明の実施形態の１層を示す（ａ）上面図、（ｂ）２Ｄ位置ヒストグラム、及び（ｃ）結晶と応答の位置の対応を示す図本発明の実施形態の各層を示す図同じく全体構成を示す図本発明の実施形態における結晶識別評価を示す図本発明の実施形態の変形例を示す図本発明の実施形態におけるエネルギー特性評価例を示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図７（ａ）に示す比較例の如く、密に並べた正３角柱状結晶素子５０の全ての境界に反射材５２を挿入すると、得られる２Ｄ位置ヒストグラムは図７（ｂ）に示す如くとなる。これを、結晶の上面図（ａ）と応答の位置を対応させて示すと図７（ｃ）に示す如くとなる。このように全ての境界に反射材５２を挿入した状態では、各結晶素子５０の応答が各３角形の中心に来てしまい、積層した場合に識別することができない。

そこで本発明の実施形態では、図８に示す如く、密に並べた正３角柱状結晶素子５０の結晶配列に対し、６角形毎に反射材５２を挿入する。すると、ある結晶素子５０から発生したシンチレーション光は、反射材５２で囲われた他の５つの結晶素子に拡がり、受光素子受光面に、その範囲の拡がりを持って入射する。そのため、受光素子出力のアンガー決算の結果を表わした図８（ｂ）に示す２Ｄ位置ヒストグラム上で、反射材で囲われた６つの結晶素子の応答が互いに寄り合う。ここで、寄りすぎて応答が１つに重なることがないのは、結晶素子間に空気５４が存在することで、光拡がりに制限がかかるためである。図９に示す如く、反射材５２を挿入する６角形の位置を層４１、４２、４３毎にずらすと、図１０に示す如く、３層分の結晶応答が重なり合うことなく、２Ｄ位置ヒストグラム上に現われる。この方法に、（１）の波形弁別の手法を加えることにより、６層分の結晶識別が可能になる。波形弁別では、特性が大きく異なるシンチレータを用いると、差を埋め合わせるための新たな考察が必要となり、特性の近いシンチレータを用いると、波形が似るため識別能は劣化する。従って、適した３種類のシンチレータの組合せを選ぶのは比較的困難であるが、本発明のように３角柱の結晶を用いることにより、２種類のシンチレータで６層の識別が可能となる。

なお、この実施形態では、結晶ブロック４０の外形断面形状が略菱形とされていたが、結晶ブロックの外形断面形状はこれに限定されず、正６角形であったり、あるいは正方形であっても良い。反射材の挿入位置も６角形の位置に限定されない。

図１１及び図１２は、本発明の実施形態のように正３角形状の結晶を用いたＤＯＩ検出器の可能性を、実験により確認したものである。結晶は、断面が一辺３ｍｍの正３角形で、長さが１０ｍｍのＬｕ_２ｘＧｄ_{２（１−ｘ）}ＳｉＯ_５（ＬＧＳＯ）を用いた。結晶の表面状態は、化学研磨である。受光素子には、２５６チャンネルＰＳ−ＰＭＴ、反射材には、反射率９８％で厚さ０．０６７ｍｍのフィルム状のものを用い、光学グリースは、使用しなかった。図９に示した反射材構造の異なる３種の結晶配列を組み、Ｃｓ線源からの６６２ｋｅＶガンマ線を結晶の両側面から一様照射して得られた２Ｄ位置ヒストグラムを評価した。その後、３つの結晶配列を図１０に示したように３層にして、３層ＤＯＩ検出器としての評価を行なった。得られた２Ｄ位置ヒストグラムを図１１に示す。計数値は濃淡で示される。各結晶配列への照射では、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す如く、意図したとおりの結晶応答が得られた。

３層ＤＯＩ検出器構造にした場合には、結晶の端で一部応答が重なり結晶識別が難しい箇所があるが、その他の結晶については、十分に識別できることが示された。この周辺部の密集は、全体の外側に巻かれる反射材５８の影響と考えられるので、図１２に示す変形例の如く、少なくとも空気層５４の部分の外周にガラス層５６を設けても良い。

図１３に各層の１結晶素子の波高分布を示す。選んだ３つの結晶素子は、ＤＯＩ構造内で縦一列に配列されている。エネルギー分解能は、最上層からそれぞれ１１％、１２％、９％と良い値を示した。以上の結果より、三角柱状のシンチレーション結晶による３層ＤＯＩ検出器は十分に実現可能であることが確認できた。

産業上の利用の可能性

本発明に係るＤＯＩ型放射線検出器は、ＰＥＴ装置だけでなく、核医学イメージング装置や放射線測定装置一般に用いることができる。

Claims

受光素子の受光面上にシンチレーション結晶を３次元に配列し、放射線を検出した結晶の応答を２次元位置ヒストグラム上で識別可能とすることで、放射線検出位置を３次元で得るようにしたＤＯＩ型放射線検出器において、
前記シンチレーション結晶を正３角柱とし、前記２次元位置ヒストグラム上の各結晶の応答を層毎にずらすと共に、
同層の前記シンチレーション結晶間の一部に反射材を設けることにより、少なくとも一部の層における前記２次元位置ヒストグラム上の各結晶の応答を、該２次元位置ヒストグラム上の各結晶の中心からずらすことを特徴とするＤＯＩ型放射線検出器。
前記反射材の位置を層毎に変えることを特徴とする請求項１に記載のＤＯＩ型放射線検出器。
同じ材質の前記シンチレーション結晶で、前記２次元位置ヒストグラム上の各結晶の応答を層毎にずらして積層した１つのセットを構成し、セット毎にシンチレーション結晶の材質を変えた複数のセットを積層して、１つのＤＯＩ型放射線検出器を更に多層化することを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＯＩ型放射線検出器。