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技術 シンチレータ、それを用いた放射線検出器及びX線CT装置

出願人 株式会社日立ヘルスケア・マニュファクチャリング
発明者 三浦一朗金井恒行山田敞馗佐藤誠古曳孝明
出願日 1999年12月24日 (20年2ヶ月経過) 出願番号 1999-367295
公開日 2001年7月6日 (18年8ヶ月経過) 公開番号 2001-183463
状態 特許登録済
技術分野 X線可視像変換 放射線の測定 発光性組成物
主要キーワード Gd酸化物 表示ゲイン BGO wtppm未満 スキャン制御回路 高温圧縮 アルミナ純度 無加圧焼結
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (2)

課題

X線CT装置等の放射線検出器シンチレータとして好適な透光性が高く残光の極めて少ない酸化物シンチレータを得る。その酸化物シンチレータを利用して高感度な放射線検出器及び時間分解能に優れ高品質画像を得ることのできるX線CT装置を提供する。

解決手段

構成元素としてGd、Ce、Al、Ga及びOを含み、結晶構造ガーネット構造である酸化物シンチレータであって、1)K又はSiの含有量が100wtppm未満、2)Bの含有量が100wtppm未満、3)Cu又はTiの含有量が20wtppm未満のいずれかの条件を満たす酸化物シンチレータである。K又はSiの含有量が100wtppm未満とすることにより透光性が高く、残高特性の優れたシンチレータとすることができる。またB、Cu又はTiの含有量を一定量以下にすることにより発光特性を向上することができる。

概要

背景

従来、X線CTなどに用いる放射線検出器としては、キセノンガスチェンバーあるいはBGO結晶(ゲルマニウムビスマス)と光電子増倍管組合わせたもの、CsI:Tl単結晶またはCdWO4単結晶とホトダイオードを組み合わせたものが用いられてきた。一般に放射線検出器に用いられるシンチレータ材料に要求される特性としては、短い残光、高い発光効率、大きいX線阻止能化学的定性などが挙げられるが、上述した単結晶の蛍光体は、特性のバラツキがあり、またそれぞれ潮解性へき開、残光(X線を断ってからの発光現象、発光効率等のいずれかに問題があった。

これに対し近年シンチレータとして放射線から光への変換効率の高い希土類系蛍光体が開発され、このような蛍光体とホトダイオードを組合せた放射線検出器が実用化されている。本発明者も既にガドリニウム(Gd)、セリウム(Ce)、アルミニウム(Al)及びガリウム(Ga)を含む希土類酸化物蛍光体を提案してきた(特願平9−355073号)。

概要

X線CT装置等の放射線検出器のシンチレータとして好適な透光性が高く残光の極めて少ない酸化物シンチレータを得る。その酸化物シンチレータを利用して高感度な放射線検出器及び時間分解能に優れ高品質画像を得ることのできるX線CT装置を提供する。

構成元素としてGd、Ce、Al、Ga及びOを含み、結晶構造ガーネット構造である酸化物シンチレータであって、1)K又はSiの含有量が100wtppm未満、2)Bの含有量が100wtppm未満、3)Cu又はTiの含有量が20wtppm未満のいずれかの条件を満たす酸化物シンチレータである。K又はSiの含有量が100wtppm未満とすることにより透光性が高く、残高特性の優れたシンチレータとすることができる。またB、Cu又はTiの含有量を一定量以下にすることにより発光特性を向上することができる。

目的

そこで本発明は、透光性が高く、残光特性に優れたシンチレータを提供することを目的とする。また、本発明はこのようなシンチレータを用いて放射線検出器を構成することにより高感度で時間分解能に優れた放射線検出器を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
8件

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請求項1

構成元素としてGd、Ce、Al、Ga及びOを含み、結晶構造ガーネット構造である酸化物シンチレータであって、K又はSiの含有量が100wtppm未満である酸化物シンチレータ。

請求項2

構成元素としてGd、Ce、Al、Ga及びOを含み、結晶構造がガーネット構造である酸化物シンチレータであって、Bの含有量が100wtppm未満或いはCu又はTiの含有量が20wtppm未満である酸化物シンチレータ。

請求項3

構成元素としてGd、Ce、Al、Ga及びOを含み、結晶構造がガーネット構造である酸化物シンチレータであって、K、Si又はBの含有量が100wtppm未満であり且つCu又はTiの含有量が20wtppm未満である酸化物シンチレータ。

請求項4

請求項1ないし3記載の酸化物シンチレータであって、一般式(Gd1-xCex)3Al5-yGayO12(式中、xは0.0005≦x≦0.02、yは0<y<5の範囲の値である。)で表わされる酸化物シンチレータ。

請求項5

セラミックシンチレータと、このシンチレータの発光を検知するための光検出器とを備えた放射線検出器において、前記セラミックシンチレータとして、請求項1ないし4いずれか1項記載のシンチレータを用いたことを特徴とする放射線検出器。

請求項6

X線源と、この線源に対向して配置されたX線検出器と、これらX線源及びX線検出器を保持し、被検体周り回転駆動される回転円板と、前記X線検出器で検出されたX線の強度に基づき前記被検体の断層像画像再構成する画像再構成手段とを備えたX線CT装置において、前記X線検出器として請求項5記載の放射線検出器を用いたことを特徴とするX線CT装置。

技術分野

0001

本発明はX線γ線などを検出する放射線検出器、特にX線CT装置やポジトロンカメラなどの放射線検出器に好適な希土類酸化物蛍光体セラミックシンチレータ)に関する。また本発明は上記シンチレータを用いた放射線検出器及びX線CT装置に関する。

背景技術

0002

従来、X線CTなどに用いる放射線検出器としては、キセノンガスチェンバーあるいはBGO結晶(ゲルマニウムビスマス)と光電子増倍管組合わせたもの、CsI:Tl単結晶またはCdWO4単結晶とホトダイオードを組み合わせたものが用いられてきた。一般に放射線検出器に用いられるシンチレータ材料に要求される特性としては、短い残光、高い発光効率、大きいX線阻止能化学的定性などが挙げられるが、上述した単結晶の蛍光体は、特性のバラツキがあり、またそれぞれ潮解性へき開、残光(X線を断ってからの発光現象、発光効率等のいずれかに問題があった。

0003

これに対し近年シンチレータとして放射線から光への変換効率の高い希土類系蛍光体が開発され、このような蛍光体とホトダイオードを組合せた放射線検出器が実用化されている。本発明者も既にガドリニウム(Gd)、セリウム(Ce)、アルミニウム(Al)及びガリウム(Ga)を含む希土類酸化物蛍光体を提案してきた(特願平9−355073号)。

発明が解決しようとする課題

0004

一般にシンチレータ材料をX線検出器として用いるには蛍光体粉末を単結晶や多結晶にする必要があるが、製造の容易さや特性のばらつきの少ない点からは多結晶が好適である。

0005

通常、多結晶体シンチレータ粉末加圧成形した後、焼結することにより製造しているが、これら多結晶体の製造過程で種々の不純物混入する可能性があり、不純物の混入により得られる焼結体の特性に影響を与える。例えば不純物が混入すると焼結体の透光性ムラが生じる。不純物が多い場合には、透光性の焼結体を得ることができず、X線などの放射線により励起されて発光した可視光光検出器に伝達されず、放射線検出器としての機能をはたさなくなる。

0006

また不純物の量や種類によっては、得られる焼結体の透光性を低下させるのみならず、発光特性および残光特性に悪影響を及ぼす。残光特性とは、シンチレータを発光させるための励起源を停止した後の発光過渡特性のことをいい、残光特性の悪いシンチレータを組込んだ放射線検出器は時間分解能に劣るものとなる。特に第3世代のCT装置では、被検体周りを回転する検出器から高速で多数回の検出を行うので、検出器の残光特性がよいことが重要な条件となる。

0007

そこで本発明は、透光性が高く、残光特性に優れたシンチレータを提供することを目的とする。また、本発明はこのようなシンチレータを用いて放射線検出器を構成することにより高感度で時間分解能に優れた放射線検出器を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために本発明者らは、Gd、Ce、Al、Ga及びOを含む酸化物シンチレータ焼結体の製造工程で混入する不純物と、それらが発光特性および残光特性に及ぼす影響を鋭意研究した結果、カリウム(K)及びケイ素(Si)が特定の量以上含まれた場合にシンチレータの透光性及び残光特性を著しく劣化させること、ホウ素(B)、銅(Cu)及びチタン(Ti)が特定の量以上含まれた場合にシンチレータの発光効率を低下させることを見出し、本発明に至った。

0009

即ち、本発明のシンチレータは、構成元素としてGd、Ce、Al、Ga及びOを含み、結晶構造ガーネット構造である酸化物シンチレータであって、1)K又はSiの含有量が100wtppm未満、2)Bの含有量が100wtppm未満、3)Cu又はTiの含有量が20wtppm未満のいずれかの条件を満たす酸化物シンチレータである。

0010

以下、本発明のシンチレータについて詳述する。

0011

構成元素としてGd、Ce、Al、Ga及びOを含む酸化物シンチレータは、Gd3Al5-yGayO12を母材とし、Ceを活性剤発光成分)として含む蛍光体であり、好適には一般式(Gd1-xCex)3Al5-yGayO12(式中、xは0.0005≦x≦0.02、yは0<y<5の範囲の値である。)で表わされる。

0012

このシンチレータは、X線、γ線等の放射線を吸収して、約550nmの波長発光ピークを有する黄色の発光を示す。このような発光体は、放射線検出器のシンチレータとして用いた場合、ホトダイオードとのマッチングが比較的良く、現在X線CT用シンチレータとして多用されているCdWO4の1.6倍以上の光出力を得ることができる。またCeを発光イオンとして用いているので10%残光時間は100nsで極めて短残光である。尚、10%残光時間とは、X線を断ってから発光量が1/10になるまでの時間である。

0013

本発明のシンチレータにおいて、ガドリニウムGdは、その一部をランタンLa或いはイットリウムYで置換することができ、その場合にも残光の極めて低い蛍光体を得ることができる。但し、La或いはYの含有量が増加するに従い発光効率及びX線阻止能が低下するので、その含有量(Gdを置換する割合z)は0.2未満、好適には0.1未満とする。La或いはYを含まない場合に発光効率及びX線阻止能を最も高くすることができる。

0014

アルミニウムAl及びガリウムGaは共に用いることにより、高い発光効率を得ることができる。本発明者らの研究によればCeを発光成分とするGd酸化物系蛍光体では、YAG系と異なり、Al及びGaの一方しか含まない場合、即ちGd3Al5O12或いはGd3Ga5O12を母材とした場合には実用的な発光を示さないのに対し、Al及びGaを共存させた場合にはじめて発光し、しかも残光が極めて短いことが見出された。Al及びGaの含有量(y)は、原子比で(Gd+L+Ce)=3に対し、それぞれ0<y<5、好適には1.7<y<3.3、より好適には2≦y≦3とする。Al及びGaの含有量が1.7〜3.3の範囲ではCdWO4に対する相対光出力が1.5以上の発光を得ることができる。

0015

Ceは本発明の蛍光体の活性剤(発光成分)となる元素で、Ceの発光を生じさせるための含有量(x)は0.0005以上、より好ましくは0.001以上とする。また含有量が0.05を超えると、CdWO4の1.5倍の光出力を得ることができないので、高い光出力が必要とされる用途ではCeの含有量(x)は0.05以下とする。好ましく0.02以下、より好ましくは0.015以下とする。

0016

一方、K及びSiは、本発明のシンチレータ焼結体に含まれる場合、焼結体の透光性および残光特性を劣化させる。特にこれら元素はその含有量が100wtppm以上のときに透光性等の劣化が著しい。従ってK及びSiの含有量は、それぞれ100wtppm未満であることが好ましい。

0017

Kは、主として蛍光体粉末を焼成する際に用いる融剤硫酸カリウム)としてシンチレータ粉末中に混入するので、焼成後のシンチレータ粉末を濃塩酸等の強酸を用いて洗浄することにより所定量以下にすることができる。この場合、十分な洗浄を行うために超音波洗浄もしくは煮沸洗浄が好ましい。

0018

Siは、主として焼成に用いる器具、即ちアルミナ製の板やルツボから、また焼結助剤から混入する。従ってアルミナ製の器具としてアルミナ純度の高いものを使用するとともに焼結助剤の使用量を調節することにより所定量以上の混入を防ぐことができる。

0019

またB、Cu及びTiが本発明のシンチレータ焼結体に含まれる場合、焼結体の発光特性を低下させる。Bはその含有量が100wtppm以上であるときに、Cu及びTiは含有量が20wtppm以上のときに発光特性の低下が著しい。従って本発明のシンチレータの特性である、CdWO4に対する相対光出力1.5以上の発光特性を得るために、Bは含有量100wtppm未満、Cu及びTiはそれぞれ含有量20wtppm未満であることが好ましい。

0020

これら元素は、主として原料となるGd2O3、Ce2(C2O4)3・9H2O、Al2O3、Ga2O3から混入する。従って原料として純度の高いものを使用して含有量を上記範囲内にする。

0021

次に本発明のシンチレータの製造方法を説明する。

0022

まず原料粉末を焼成しシンチレータ粉末を製造する。原料粉末として例えば、Gd2O3、Ce2(C2O4)3・9H2O、Al2O3及びGa2O3を用い、これらを化学量論的比率で配合し、硫酸カリウム等の融剤を添加し、これをアルミナルツボに詰めて約1400℃〜1700℃で数時間焼成する。融剤は合成反応を促進する目的で添加する。即ち、原料中のアルミナの融点は2070℃と高温であるが、これに硫酸カリウム等のKを含む融剤を添加した場合、Al2O3に対するK2Oのモル%が38%になると1450℃でも液相となるため反応が促進されるからである(J.Mater.Sci.,17[8] 2213-2217(1982))。

0023

焼成されたシンチレータ粉末を、K含有量が100wtppm未満となるように濃塩酸等で十分洗浄する。洗浄は超音波洗浄或いは煮沸洗浄が好ましい。

0024

次に焼成後のシンチレータを焼結する。焼結法としては高温圧縮ホットプレス)法、熱間静水圧加圧法(HIP)、冷間静水圧成形法(CIP)を施した後の無加圧焼結法等公知の焼結法を採用することができる。

0025

高温圧縮法の場合、例えば、シンチレータ粉末を600kgf/cm2の圧力で所定の大きさに一軸成型した後、焼結温度1500℃、焼結圧力300kgf/cm2、保持時間3時間の条件でホットプレス焼結する。この際、緻密化を促進するため焼結助剤としてSiO2を添加することができる。この際、SiO2の添加量は、焼結体中のSi含有量が100wtppm未満となるようにする。

0026

CIP法の場合、例えば、シンチレータ粉末を機械的に粉砕した後、3000kgf/cm2の圧力で所望の大きさにコールドアイスタチック成型した後、これを1650℃で無加圧焼結する。この際、成型体はアルミナ製の板の上で、或いはルツボの中で焼結するが、アルミナ板或いはルツボによってはSiO2を数百wtppm〜数wt%含んでいるので、純度の高いものを使用し、焼結体中のSiO2含有量が100wtppm未満となるように留意する。

0027

このように製造された本発明のシンチレータは、緻密で透光性が高く、残光特性に優れ、高い発光出力と少ない残光が要求されるX線CT用検出器のシンチレータとして好適である。但し、本発明のシンチレータは、増感紙蛍光板等の一般的なシンチレータの用途に用いることができることは言うまでもない。

0028

本発明の放射線検出器は、上述のセラミックシンチレータと、このシンチレータの発光を検知するための光検出器とを備えたものである。好ましくは光検出器としてPINホトダイオードを用いる。これらホトダイオードは感度が高く、応答時間が短く、かつ波長感度が可視光から近赤外領域にあるので、上述した本発明の蛍光体との波長マッチングが比較的好適である。

0029

また本発明のX線CT装置は、X線源と、このX線源に対向して配置されたX線検出器と、これらX線源及びX線検出器を保持し、被検体の周りで回転駆動される回転体と、X線検出器で検出されたX線の強度に基づき被検体の断層像画像再構成する画像再構成手段とを備えたX線CT装置において、X線検出器として本発明の放射線検出器を用いたものである。

0030

本発明のシンチレータを組込んだX線検出器を用いることにより、高い検出効率でX線を検出することができるので、従来のシンチレータ(例えば、CdWO4)を用いたX線CT装置に比べ感度を2倍程度に向上することができ、また残光が極めて少ないため、高画質高分解能の画像を得ることができる。

発明を実施するための最良の形態

0031

以下、本発明の放射線検出器及びそれを備えたX線CT装置の実施形態を説明する。

0032

図1はX線CT装置に用いられるX線検出器の一検出単位素子)を示す図で、このX線検出器はシンチレータ151とPINホトダイオード152とを組み合わせた構造を有し、ホトダイオード152のp層側は検出回路16に接続されている。また素子はホトダイオード152のp層を除く全体が、シンチレータ151の発光を外部に逃さないために遮蔽153で覆われている。遮蔽153はX線を透過し、光を反射する材料、例えばアルミニウムやエポキシ樹脂酸化チタン粉末を混合して固めたものからなる。

0033

シンチレータ151は、本発明のシンチレータ、即ちGd、Ce、Al、Ga及びOを含み、結晶構造がガーネット構造である酸化物シンチレータであってK、Si、B、Cu及びTiの含有量を特定量未満に規定したものである。

0034

このX線検出器では、例えばX線CT装置のX線源から照射され被検体を透過したX線が入射されることによりシンチレータ151が発光すると、その光をPINホトダイオード152が光電変換し、電気信号として例えばX線CT装置の検出回路16に送る。ここで本発明のシンチレータ151は、従来のシンチレータに比べ透光性が高く、しかも高い発光出力を有するので高い効率でPINホトダイオード152により光電変換される。

0035

図2は、本発明のX線CT装置の概略を示す図で、この装置はスキャンガントリ部10と画像再構成部20とを備え、スキャナガントリ部10には、被検体が搬入される開口部14を備えた回転円板11と、この回転円板11に搭載されたX線管12と、X線管12に取り付けられ、X線束放射方向を制御するコリメータ13と、X線管12と対向して回転円板11に搭載されたX線検出器15と、X線検出器15で検出されたX線を所定の信号に変換する検出器回路16と、回転円板11の回転及びX線束の幅を制御するスキャン制御回路17とが備えられている。

0036

X線検出器15は図1に示すX線検出素子を多数(例えば約1000個)円弧状に配列したもので、X線管12から照射され被検体を透過したファンビーム状のX線をこれら多数の素子で検出する。

0037

画像再構成部20は、被検者氏名、検査日時、検査条件などを入力する入力装置21、検出器回路16から送出される計測データS1を演算処理してCT画像再構成を行う画像演算回路22、画像演算回路22で作成されたCT画像に、入力装置21から入力された被検者氏名、検査日時、検査条件などの情報を付加する画像情報付加部23と、画像情報を付加されたCT画像信号S2の表示ゲインを調整してディスプレイモニター30へ出力するディスプレイ回路24とを備えている。

0038

このX線CT装置では、スキャンガントリ部10の開口部14に、設置された寝台(図示せず)に被検者を寝かせた状態で、X線管12からX線が照射される。このX線はコリメータ13により指向性を得、X線検出器15により検出される。この際、回転円板11を被検者の周りに回転させることにより、X線を照射する方向を変えながら、X線を検出する。フルスキャンの場合には、回転円板の1回転(360度)を1スキャンとする、1スキャン分の測定データから1断面の画像を再構成する。画像再構成部20で作成された断層像はディスプレイモニター30に表示される。

0039

このような構成において、断層像の撮影の際には、X線管12からはファンビーム状のX線が連続して照射され、X線管は約1秒〜4秒間に1回転する。この間に被検体を透過してきたX線を検出器回路16側で約1000程度の検出を行なう。即ち、検出速度は1/1000〜1/250秒となる。そのため検出器15としては高出力で残光が短いものが要求される。本発明のX線検出器は高出力で残光が極めて少ないので高画質のCT画像を得ることができる。また、高い光出力であるので画質が同じであれば、X線量を少なくすることができ、被検体へのX線被曝量を低減することも可能である。

0040

尚、図ではX線管を用いたX線CT装置について説明したが、X線源としてはX線管のみならずX線をビーム走差するビーム方式のX線装置であってもよい。

0041

実施例1
原料としてGd2O3、Ce2(C2O4)3・9H2O、Al2O3及びGa2O3を所定の組成になるように配合し、更に硫酸カリウムを融剤として添加し、これをアルミナルツボに詰めて1600℃で3時間焼成し、ガーネット構造の酸化物シンチレータ粉末を得た。この焼成物から融剤を洗い流すため、2規定の塩酸を用いて超音波洗浄した。洗浄時間を変えることにより、K含有量の異なるシンチレータ粉末を得た。

0042

このようにして得たK含有量の異なるシンチレータ粉末を、それぞれ600kgf/cm2で一軸成型した後、焼結温度1500℃、焼結圧力300kgf/cm2、保持時間3時間でホットプレス焼結した。

0043

これらの焼結体について光透過率及び残光特性を評価した。その結果を表1に示す。尚、各特性の評価は各焼結体から作製した厚さ1.8mmに加工した試料について行なった。光透過率はシンチレータの発光ピーク波長である550nmにおいて測定した値を、また残光はX線照射を停止後300ms時の値を代表値として示した。

0044

ID=000002HE=050 WI=082 LX=0640 LY=1350
表1の結果からも明らかなように、K含有量が減るに従い、光透過率が向上し残光特性が改善した。特にK含有量が100wtppm未満では、光透過率、残光共に著しい改善が見られた。

0045

実施例2
実施例1と同じ原料を用い、実施例1と同様の条件で焼成、焼結を行ないガーネット構造の酸化物シンチレータの焼結体を得た。但し実施例1では焼結時に焼結助剤を用いなかったのに対し、本実施例では焼結性を改善するために焼結助剤としてSiO2を用い、この添加量を変えて焼結を行なった。これらの焼結体について実施例1と同様に光透過率及び残光特性を評価した。その結果を表2に示す。

0046

ID=000003HE=045 WI=082 LX=0640 LY=2250
表2の結果からも明らかなように、Si含有量が減るに従い、光透過率が向上し残光特性が改善した。特にSi含有量が100wtppm未満では、光透過率、残光共に著しい改善が見られた。

0047

実施例3
K及びSi以外の不純物の影響を調べるために、実施例1の原料に微量のB、Ti又はCuを酸化物として添加し、それ以外は実施例1と同様にしてガーネット構造の酸化物シンチレータを得た。これらシンチレータについて、B、Ti及びCuの添加量をそれぞれ変えた場合の光出力を評価した。光出力は、B、Ti及びCuを添加しない場合を1としたときの相対出力で示した。結果を表3に示す。

0048

ID=000004HE=050 WI=063 LX=0285 LY=0850
表3の結果からも明らかなように、B、Ti又はCuの含有量が増えるに従い、光出力が低下し、特にBは100wtppm以上で、またTi及びCuはそれぞれ20wtppm以上で光出力の低下が著しかった。

発明の効果

0049

本発明によればGd、Ce、Al、Ga及びOを構成元素とするガーネット構造の酸化物シンチレータにおいて、特定の元素の含有量を規定することにより、極めて透光性が高く、また残光特性に優れたシンチレータが提供される。また本発明によれば、放射線検出器のシンチレータとして上記透光性の高いシンチレータを用いたことにより、検出器に入射する僅かなX線によって発光する微弱な光も光検出器に伝達されるので、放射線検出器の高感度化を図ることができる。またこのシンチレータは残光特性に優れていることから、時間分解能のよい放射線検出器を提供することができる。

0050

さらに本発明のX線CT装置は、上記高感度且つ時間分解能のよい放射線検出器を使用することにより、X線の透過量が極めて少ない場合でも良好な画像を得ることができ、被検者のX線被曝を低減するために照射するX線量を減らしても診断に差し支えのない画像を提供することができる。

図面の簡単な説明

0051

図1本発明の放射線検出器(X線検出器)の一実施例の構成を示す図。
図2本発明のX線CT装置の一実施例の構成を示す図。

--

0052

11・・・・・・回転円板
12・・・・・・X線源
15・・・・・・X線検出器
20・・・・・・画像再構成
30・・・・・・ディスプレイ

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