JP4451112B2 - 放射線検出器及びそれを用いた放射線画像診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線、γ線などを検出する放射線検出器およびそれを用いた放射線画像診断装置に係り、特にＸ線ＣＴ装置などに好適な放射線検出器に関する。

Ｘ線ＣＴ装置などに用いる放射線検出器は、蛍光体素子とフォトダイオードを組み合わせたものが主流であり、このような放射線検出器は、複数個の蛍光体素子を一次元或いは二次元に配列したシンチレータアレイを、各素子位置に対応してダイオードアレイが形成された基板上に配置した構造を有している。Ｘ線ＣＴ装置などの放射線検出器においては、各検出素子間で信号の漏れ出し（クロストーク）があると、ＣＴ画像の空間分解能が低下するという問題があり、またクロストークのばらつきはアーチファクトの原因になる。そのため放射線検出器の各シンチレータの間には放射線を遮蔽するとともに素子間の信号の漏れ出し（クロストーク）を防止するためのセパレータ層が形成されている。

セパレータ層として、従来、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｂなどの放射線遮蔽金属板や、シンチレーション光を反射する白色フィルムなどが用いられてきたが、さらにこれらを複合した材料も提案されている。例えば、特許文献１には、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｂなどの金属薄膜の両面に白色塗料などを塗布して光反射層を形成したセパレータ層が記載され、特許文献２には高光反射率の白色高分子シートで金属薄膜を挟んだ構造のセパレータが記載されている。またクロストークの防止効果を向上するために、白色フィルム以外の反射材も種々提案されている。例えば、特許文献３には二酸化チタンや硫酸バリウム或いは酸化マグネシウムなどの白色顔料を樹脂と混合してスラリー状にしたものをシンチレータ素子間の隙間に充填し、これを乾燥させてセパレータ層を形成することが記載されている。また特許文献４には、高反射率、低吸収率の金属として銀、アルミニウム或いは金のいずれかを反射材として用いること、また酸化チタンと注型可能な重合体とからなる組成物を反射材に用いることが記載されている。この文献には、さらに、クロストークを低減するために酸化チタンを含む重合体組成物に酸化クロムのような光吸収剤を添加してもよいことが記載されている。

特開２０００−１８０５５５号公報 特開平５−２５６９４９号公報 特開平６−１６０５３８号公報 特開平１１−２３１０６０号公報

しかし特許文献１や特許文献２に記載された構造のセパレータでは、クロストーク防止効果は十分であるが、セパレータ表面での光反射率が低いため、各検出素子の感度が十分ではないという問題があった。また特許文献３や特許文献４に記載されたような反射材からなるセパレータでは、セパレータ層の光透過率が２〜５％程度あり、クロストーク防止効果が不十分であった。セパレータの光透過率は素子間の厚みを厚くすることにより下げることが可能であるが、シンチレータ素子の幅が１mm以下の検出素子の場合には、素子間の厚みを増加させるには限度がある。また特許文献４に記載されるように、光吸収剤を添加することによっても光透過率を下げることが可能であるが、シンチレータの発光波長は材料によって異なるので、この方法は必ずしも有効ではない。

そこで本発明は、素子間のクロストークが極めて小さく、しかも検出感度が大きく、優れた空間分解能を有する放射線検出器を提供することを目的とする。また本発明は、このような放射線検出器を用いることにより、高速スキャンが可能で、空間分解能が良好でアーチファクトの少ない高画質な画像を得ることができる放射線画像診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の放射線検出器は、放射線が入射すると発光し、一方の面を放射線入射面とし、その放射線入射面と直交する一次元方向または二次元方向に配列した複数の蛍光体素子と、隣接する蛍光体素子間に配置され、前記蛍光体素子間の信号の漏れ出しを防止するセパレータ層と、前記蛍光体素子の他方の面に各々に接着された光電変換素子とを備えた放射線検出器であって、前記蛍光体素子は、Ｃｅを発光元素とし、Ｇｄ、Ａｌ、Ｇａ、Ｏを含むガーネット構造の母体結晶からなる希土類酸化物シンチレータからなり、セパレータ層が、樹脂中に白色粉末と、前記蛍光体素子の発光波長の光を吸収する光吸収性補助材料とを含み、前記光吸収性補助材料は、プルシアンブルー、ウルトラマリンブルー、クロムマンガン酸銅、オキサジン染料およびナフテン酸コバルトから選択される１種以上からなり、前記白色粉末と樹脂の合計１００重量部に対し１重量部以下含有することを特徴とする。

光反射性補助材料としては、例えば、銀、アルミニウム、白金、スズ、鉛、モリブデン、タングステンから選ばれる１種又は２種以上の金属粉末が用いられる。

光吸収性補助材料は、蛍光体素子の発光波長の光を吸収する物質が用いられる。例えば蛍光体素子が、Ceを発光元素とし、Gd、Al、Ga、Oを含むガーネット構造の母体結晶からなる希土類酸化物蛍光体である場合、550nm付近の光を選択的に吸収する物質であることが好ましい。具体的には、例えばコバルトブルー、セルリアンブルー、プルシアンブルー、ウルトラマリン等の無機顔料及びフタロシアニンブルー、ナフテン酸コバルト等の有機染顔料から選ばれる１種又は２種以上の顔料を用いることができる。

光反射性補助材料と光吸収性補助材料は、単独で用いても併用してもよく、いずれの場合にも両者の合計が、白色無機化合物と樹脂の合計100重量部に対し1重量部を超えないことが好ましい。即ち、光反射性補助材料及び／又は光吸収性補助材料は、白色無機化合物と樹脂の合計100重量部に対し好ましくは1重量部以下、より好ましくは0.0001〜0.5重量部以下とする。

本発明の放射線画像診断装置は、放射線源と、この放射線源に対向して配置された放射線検出器と、これら放射線源及び放射線検出器を保持し、被検体の回りで回転駆動される回転円板と、前記放射線検出器で検出された放射線強度に基づき前記被検体の断層像を画像再構成する画像再構成手段とを備え、放射線検出器として上記の放射線検出器を用いたものである。

本発明の放射線検出器は、蛍光体素子間に設けられるセパレータ層の材料として、白色顔料と樹脂からなる材料に、補助材料として、光反射性を有する材料粉末および／又は蛍光体の発光波長の光を吸収する材料粉末を添加したことにより、セパレータ表面において高い光反射率が得られ、これにより素子の感度が向上するとともに、光透過率を下げることができ、素子間のクロストークを低減することができる。
本発明の放射線画像診断装置は、放射線検出器として上記放射線検出器を用いたことにより、高速スキャンが可能で、その場合にも空間分解能が良好で高画質の画像を得ることができる。

以下、本発明の放射線検出器の実施の形態を説明する。
図１は、本発明が適用される放射線検出器の一実施形態を示す図である。この放射線検出器10は、柱状のシンチレータ素子11とその底面に接着されたフォトダイオード13からなる検出素子を一次元又は二次元方向に複数配列した構造を有し、フォトダイオード13はフォトダイオード基板14上に、シンチレータ素子11の配列に対応する位置に形成されている。またシンチレータ素子11の四側面を取り囲むようにセパレータ層12が形成され、シンチレータ素子11のフォトダイオード13が接着された面と対向する側には、検出器10上面全体を覆うように光反射層15が形成されている。

シンチレータとしては、希土類酸化物、希土類酸硫化物など公知の蛍光体材料を用いることができ、例えば、Ceを発光元素とし、Gd、Al、Ga、Oを含むガーネット構造の母体結晶からなる希土類酸化物シンチレータを用いることができる。この希土類酸化物シンチレータについては、例えば、特許文献５、特許文献６に記載されている。フォトダイオード13としては、Siフォトダイオード、特にSiPINダイオードなどが用いられる。
特開2001-4753号公報 特開2002-189080号公報

セパレータ層12は、高反射率で低光透過率の材料からなる。具体的には、樹脂中に白色無機化合物粉末と光反射性或いは光吸収性補助剤を含むものである。樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステルなどの樹脂を用いることができる。白色無機化合物粉末は、セパレータ層12に高光反射率を付与するための材料であり、例えば、酸化チタン、酸化アルミニウム、硫酸バリウム、酸化マグネシウムなどを用いることができる。このような白色無機化合物粉末は、十分な光反射率と光透過率を実現するために、セパレータ層12の厚みによっても異なるが、樹脂100重量部に対し好ましくは30〜300重量部、より好ましくは100〜200重量部含有せしめる。

光反射性補助剤は、セパレータ層12の光反射率をさらに向上させるとともにセパレータ層12の光透過率を低下させる材料で、具体的には、銀、アルミニウム、白金、錫、鉛、モリブデン、タングステンなどの金属粉末を用いることができる。これら金属粉末のうち、特に、可視光領域全体の光反射率が高い銀、アルミニウムが好適である。なお、鉛、モリブデン、タングステンなど金属板は、従来、放射線遮蔽材料として用いられていたものであるが、本発明では、このような金属を粉末として白色粉末とともに樹脂中に含有せしめることにより、光の反射率を向上させるとともに光透過率を下げることができたものである。また銀は、光を一度吸収した後放出する性質を有し、光吸収性の補助材料としても機能する。

金属粉末の粒子径は特に限定されないが、0.01〜50μｍ程度のものが好適であり、このような範囲とすることにより良好な光反射と透過率低下を実現できる。光反射性補助剤の添加量は、樹脂と白色無機化合物との合計100重量部に対し、好ましくは1重量部以下、より好ましくは0.005〜0.5重量部、さらに好ましくは0.01〜0.15重量部とする。光反射性補助剤の添加量が多くなるにつれ、検出感度も低下するので、許容できる検出感度範囲で光透過率の低減効果を得るために4重量部を超えないことが望ましい。また0.005重量部未満では十分な効果を得ることができない。

光吸収性補助剤は、シンチレーション光の発光波長と重なる波長に吸収をもつ材料で、光を吸収することにより、セパレータ層12の光透過率を低下させる。このような光吸収性補助剤として、例えばシンチレータ材料が上述したCeを発光元素とする希土類酸化物蛍光体の場合、その発光波長のピーク550nm付近の光を選択的に吸収する無機または有機の顔料又は染料を用いることができる。具体的には、コバルトブルー、セルリアンブルー、プルシアンブルー、ウルトラマリンブルー、クロムマンガン酸銅などの無機顔料やフタロシアニンブルー、オキサジン染料（バイオレットＢ：チバ・スペシャルティ・ケミカルズ）、ナフテン酸コバルトなどの有機顔料または染料を挙げることができる。光吸収性補助剤の添加量は、用いる補助剤の種類により異なるが、樹脂と白色無機化合物との合計100重量部に対し、好ましくは1重量部以下、より好ましくは0.0001〜0.5重量部とする。

上述した光反射性補助剤と光吸収性補助剤は、併用してもよく、その場合にも同様に光クロストーク防止効果が得られる。さらにセパレータ層12はその特性を阻害しない範囲で分散剤などの公知の添加剤を添加することができる。
シンチレータ素子11の上面に形成される反射層15としては、白色ポリマーシートや白色塗料を用いることができる。また図２に示すように、上述したセパレータ用材料を塗布層として設けてもよい。

次に上記構成の放射線検出器10の製造方法を説明する。本発明の放射線検出器10は、公知の製造方法で製造することができ、その一例を説明するが、これに限定されるものではない。まずシンチレータブロックに縦方向と横方向に溝切り加工を施す。その際、溝の底部を残して溝加工し、この溝内に、白色無機化合物粉末、光反射性補助剤及び／又は光吸収性補助剤の所定量を樹脂に加え、必要に応じ溶剤を適宜添加し分散させたセパレータ層用材料を流し込み硬化させる。この際、遠心分離機を用いることにより、セパレータ層用材料を速やかに溝内に充填することができ、しかも気泡の発生を防止することができる。このように素子間分離を行ったシンチレータブロックを溝の深さ方向と直交する面にカットし、素子間分離されたシンチレータを得る。これを所定の配列でフォトダイオードが形成された基板に接着するとともに、上面に白色シート等の反射層を形成し、放射線検出器10を得る。

なお本発明の放射線検出器10は、セパレータ層12として光反射性、光遮蔽性に優れた材料を用いているので、金属板や金属薄膜等と併用しなくても十分な遮蔽効果を得ることができるが、金属板等との併用を妨げるものではない。この場合には、溝加工後、溝内に金属板を挿入後、セパレータ層用材料を流し込み硬化させる。それ以降の工程は、上述した方法と同様である。

このような構成の放射線検出器10では、検出すべき放射線（Ｘ線）が光反射層15を通して入射されると、各シンチレータ素子11が入射した放射線量に対応した強度の光を発する。この光をフォトダイオード13が光電変換し、各フォトダイオード13から入射放射線に対応した電気信号が出力される。シンチレータ素子11が発する光は、光反射層15及びセパレータ層12に反射され、効率よくフォトダイオード13に検出される。またセパレータ層12を通して隣接するシンチレータ素子に透過する光が最小に抑えられるので光クロストークが防止され、高精度の検出ができる。

次に本発明の放射線画像診断装置の実施形態を説明する。
本発明の放射線画像診断装置は、放射線検出器として上述の放射線検出器を使用したものであり、それ以外の構成は公知の画像診断装置と同様である。Ｘ線ＣＴ装置に適用した一実施形態を簡単に説明する。図３は、本発明が適用されるＸ線ＣＴ装置の概要を示す図で、このＸ線ＣＴ装置は、スキャンガントリ部310と画像再構成部320とを備え、スキャンガントリ部310には、被検体が搬入される開口部314を備えた回転円板311と、この回転円板311に搭載されたＸ線管312と、Ｘ線管312に取付けられ、Ｘ線束の放射方向を制御するコリメータ313と、Ｘ線管312と対向して回転円板311に搭載されたＸ線検出器315と、Ｘ線検出器315で検出されたＸ線を所定の信号に変換する検出器回路316と、回転円板311の回転およびＸ線束の幅を制御するスキャン制御回路317とが備えられている。

画像再構成部320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321、検出器回路316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322、画像演算回路322で作成されたＣＴ画像に、入力装置321から入力された被検者氏名、検査日時、検査条件など情報を付加する画像情報付加部323と、画像情報を付加されたＣＴ画像信号S2の表示ゲインを調製してディスプレイモニタ330へ出力するディスプレイ回路324とを備えている。

このＸ線ＣＴ装置では、スキャンガントリ部310の開口部314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312からＸ線が照射される。このＸ線はコリメータ313により指向性を得、Ｘ線検出器315により検出される。この際、回転円板311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、被検者を透過したＸ線を検出する。この計測データをもとに画像再構成部320で作成された断層像は、ディスプレイモニタ330に表示される。

ここでＸ線検出器315は、シンチレータとフォトダイオードとを組み合わせたシンチレータ素子を多数（例えば960個）円弧状に配列したもので、個々の検出素子アレイ基板は、上述した放射線検出器の構成を有している。即ち、素子間を分離するセパレータ層が、樹脂中に白色無機化合物粉末と特定の補助材料を含み、高反射率と低い光透過性を備えている。このため光クロストークによる空間分解能の低下やアーチファクトの発生が抑制された、高画質の断層像を得ることができる。

以下、本発明の放射線検出器の実施例を説明する。

［実施例１〜６］
シンチレータ材料として、Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ceセラミックシンチレータを用い、このシンチレータ板（寸法：Ｘ×Ｙ×Ｚ＝24mm×36mm×3mm）に、線径0.13mmのマルチワイヤソーを用いて、Ｘ−Ｙ面に垂直な格子状の溝入れ加工を行った。溝はＹ方向に平行に、Ｘ方向に1mmピッチで２３本、Ｘ方向に平行に、Ｙ方向に2.25mmピッチで１５本形成し、溝の深さはいずれも2mmとし、シンチレータ板底部まで達しない深さとした。

一方、エポキシ樹脂中に酸化チタンTiO₂（150g／樹脂100g）および表１に示す補助材料を混合したセパレータ層用材料を用意し、これを上述のように形成したシンチレータ板の溝に流し込んで硬化させ、セパレータ層を形成した。その後、Ｘ−Ｙ面と平行に上下面を切断、研磨加工し、厚さ1.8mmに仕上げ、２４×１６チャンネルのシンチレータ素子アレイを作製した。これを２４×１６のフォトダイオードアレイが形成された基板に透明接着剤で接着し、検出素子アレイを作製した。

このように作製した検出素子アレイを、Ｘ線源（120kV、200mA）から110cm離れたところに置き、0.2mmの鉛スリットを通して特定の素子のみにＸ線を照射し、その素子の出力（Ｘ線感度）を測定すると共に、隣接する素子の出力を測定した。当該素子の出力に対する隣接する素子の出力の割合（％）を光クロストーク量として求めた。結果を表１に示す。なおＸ線感度については比較例に対する相対値として示した。

［比較例］
セパレータ用材料に、補助材料を含有しない以外は、実施例と全く同様に検出素子アレイを作製し、光クロストーク量、Ｘ線感度を測定した。結果を併せて表１に示した。

表１に示す結果からもわかるように、白色顔料に加えて補助材料を添加することにより、白色顔料のみを用いた場合に対しＸ線感度を殆ど低下させることなく、クロストーク量を大幅に低減することができた。特に補助材料として銀及びアルミニウムを用いた場合並びに銀と光吸収性材料を併用した場合、クロストーク量、Ｘ線感度ともに良好な結果が得られた。

［実施例７］
セパレータ用材料に、補助材料として添加する銀粉末の量（樹脂と酸化チタンの合計100gに対する添加量）を0.02g、0.04g、0.08g、0.1g、0.2gと異ならせた以外は、実施例１と全く同様に検出素子アレイを作製し、光クロストーク量、Ｘ線感度を測定した。結果を図４に示す。この場合にもＸ線感度は、補助材料を添加しない場合の相対値として示した。

図４に示す結果からもわかるように、銀の添加量が多くなるにつれＸ線感度も光クロストーク量も減少するが、Ｘ線感度はゆるやかであるのに対し、光クロストーク量は銀の少量の添加により急激に低下した。従ってＸ線感度低下の許容値を15％とすると、0.1g添加することができ、これにより4.0％であった光クロストーク量を1/4まで低減することができる。

本発明の放射線検出器の一実施形態を示す図 本発明の放射線検出器の他の実施形態を示す図 本発明の放射線画像診断装置の一実施形態を示す図 実施例７の放射線検出器の素子特性を示すグラフ

符号の説明

11・・・シンチレータ素子、12・・・セパレータ層、13・・・フォトダイオード、14・・・基板、15・・・光反射層、311・・・回転円板、312・・・Ｘ線管、315・・・Ｘ線検出器、320・・・画像再構成部

Claims (4)

1. 放射線が入射すると発光し、一方の面を放射線入射面とし、その放射線入射面と直交する一次元方向または二次元方向に配列した複数の蛍光体素子と、隣接する蛍光体素子間に配置され、前記蛍光体素子間の信号の漏れ出しを防止するセパレータ層と、前記蛍光体素子の他方の面に各々に接着された光電変換素子とを備えた放射線検出器であって、
   前記蛍光体素子は、Ｃｅを発光元素とし、Ｇｄ、Ａｌ、Ｇａ、Ｏを含むガーネット構造の母体結晶からなる希土類酸化物シンチレータからなり、
   前記セパレータ層は、樹脂中に白色粉末と、前記蛍光体素子の発光波長の光を吸収する光吸収性補助材料とを含み、前記光吸収性補助材料は、プルシアンブルー、ウルトラマリンブルー、クロムマンガン酸銅、オキサジン染料およびナフテン酸コバルトから選択される１種以上からなり、前記白色粉末と樹脂の合計１００重量部に対し１重量部以下含有することを特徴とする放射線検出器。
2. 前記セパレータ層は、前記白色粉末を、前記樹脂１００重量部に対し１００重量部以上、前記光吸収性補助材料を、白色粉末と樹脂の合計１００重量部に対し１重量部以下含有することを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記セパレータ層は、さらに金属粉末からなる光反射性補助剤を、白色粉末と樹脂との合計１００重量部に対し１重量部以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出器。
4. 放射線源と、この放射線源に対向して配置された放射線検出器と、これら放射線源及び放射線検出器を保持し、被検体の回りで回転駆動される回転円板と、前記放射線検出器で検出された放射線強度に基づき前記被検体の断層像を画像再構成する画像再構成手段とを備えた放射線画像診断装置において、前記放射線検出器として請求項１ないし３いずれか１項に記載の放射線検出器を用いたことを特徴とする放射線画像診断装置。

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