JP2003119070A - 蛍光体素子、それを用いた放射線検出器及び医用画像診断装置 - Google Patents
蛍光体素子、それを用いた放射線検出器及び医用画像診断装置Info
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Abstract
る蛍光体素子及びそれを利用した放射線検出器、医用画
像診断装置を提供する。 【解決手段】 Ceを発光元素とし、少なくともGd、Al、
Ga及びOを含んだガーネット構造の母体結晶からなる蛍
光体を用いた蛍光体素子であって、相対密度99.8%以
上、且つ平均結晶粒径が4μm以上であり、主発光波長
が550nmである。この蛍光体素子は、波長550nmの光に対
する吸収係数μが0.6mm-1以下であって光透過性が高
い。このため低エネルギー領域の放射線に対しても感度
の低下がなく、放射線検出器、特に医用画像診断装置の
放射線検出器として好適である。
Description
を検出する放射線検出器、特にX線CT装置などの医用
画像診断装置に好適な放射線検出器に関する。
装置に用いる放射線検出器としては、Xeガス電離箱方式
のものや、CdWO4、CsI:Tlなどの単結晶シンチレータ
や、希土類酸化物系蛍光体(特公昭63-59436号、特開平
3-50991号、WO99/33934)や希土類硫化物系蛍光体(特
公昭60-4856号)を用いたセラミックシンチレータなど
の蛍光体素子と、Siフォトダイオードや光電子倍増管な
どの光電変換素子を組み合わせた固体検出器が用いられ
てきた。近年のX線CT装置の放射線検出器において
は、固体検出器が主流となっている。
放射線検出器に要求される特性としては、放射線に対す
る高い発光効率を有することと共に、広範囲のエネルギ
ーの放射線に対して感度が高いこと、すなわちエネルギ
ー依存性が小さいことが挙げられる。エネルギー依存性
が大きいと、感度の低いエネルギーの放射線に対して
は、放射線検出器の濃度分解能が低くなり、画質の低下
を招くことになる。この放射線検出器の特性は、放射線
検出器を構成する素子のうち、特に蛍光体素子の特性に
大きく依存し、発光効率が高くエネルギー依存性の小さ
い蛍光体素子を使用することが望まれる。
の小さく、放射線検出器に好適な蛍光体素子に関し、い
くつかの提案がなされ、本出願人においてもCeを発光元
素とし、Gd、Al、Gaを含む希土類酸化物蛍光体を提案し
ており、CdWO4に比べ極めて高い放射線感度を実現して
いる。しかしながら、近年のX線CT装置においては、
被検体の周りを回転走査するX線の走査時間を短縮して
計測時間を短縮すると共に、検出器素子を一次元化して
小型化する傾向にあり、放射線検出器としては、さらに
高感度で低エネルギー依存性のものが求められるように
なっている。
効率が高く且つ低エネルギー依存性を有する蛍光体素子
を提供することを目的とする。また本発明は、広範囲の
エネルギーの放射線に対し高感度な放射線検出器を提供
することを目的とする。さらに本発明は、走査時間を短
縮した場合にも高画質の画像を得ることができる医用画
像診断装置を提供することを目的とする。
に本発明者らは、発光効率の高いGd3(Al,Ga)5O12:Ce
系の蛍光体素子について、低エネルギー依存性を得るた
めの条件を鋭意研究した結果、図1に示すように、蛍光
体のエネルギー依存性は、その光透過率と関連し、光透
過率が高い場合には、広いエネルギー範囲に亘って、光
透過率100%の場合に比べ感度の低下が少ないが、光透
過率が低い場合には、放射線のエネルギーが小さくなる
につれ、感度の低下も大きくなることを見出した。特
に、この蛍光体の主発光波長である550nmの光に対する
吸収係数μを0.6mm-1以下とすることにより、放射線検
出器として必要な放射線吸収率を維持できる最小限の厚
さにおいて、低エネルギー放射線に対する感度低下を軽
減できることを見出し本発明に至ったものである。
素とし、少なくともGd、Al、Ga及びOを含んだガーネッ
ト構造の母体結晶からなる蛍光体を用いた蛍光体素子で
あって、波長550nmの光に対する吸収係数μが0.6mm-1以
下のものである。ここでμは、光吸収をI(d)=I0e-μd
(dは吸収体の厚さ)と表したときの吸収係数である。
子であって、相対密度が99.8%以上であり、且つ平均結
晶粒径が4μm以上のものである。ここで相対密度と
は、単結晶の密度(理論密度)を100%としたときの相
対的な値である。結晶粒径が大きく相対密度が高い緻密
な構造とすることにより、光の光路長を短くすることが
でき、これにより光透過率を高めることができる。
る。本発明の蛍光体素子は、少なくともGd、Ce、Ga、A
l、Oからなりガーネット構造の母体結晶からなる。ガー
ネット構造であるために、Gd/(Al+Ga+Gd)の原子比が0.3
3以上、0.42以下であることが好ましい。このようなガ
ーネット構造の母体結晶からなる蛍光体は、本出願人に
よる特許出願明細書(特開2001-4753号公報)に記載さ
れた蛍光体と同様であり、この明細書に記載された、蛍
光体の組成及び構造に関する説明は、本明細書の一部と
する。
に対する吸収係数μが0.6mm-1以下であり、このような
吸収係数を有するために、結晶粒径が4μm以上の高密
度の多結晶体であることが好ましい。このような多結晶
体からなる蛍光体は、1)構成元素の酸化物、炭酸化物
等の原料粉末を混合し、合成するプロセスと、2)合成
後の粉末を粉末焼成(焼結も含む)するプロセスを経て
製造することができ、この際、一次粒径の大きい合成粉
末を用いて焼結するか、焼結時に結晶粒が成長するよう
な焼結条件で焼結する。これにより、焼結体として結晶
粒径が大きく、相対密度の高い焼結体を得ることができ
る。なお、本明細書において、粉末の一次粒径は、粉体
粒子を構成している最小単位の粒子の粒径を意味し、焼
結体の結晶粒径は、多結晶体である焼結体を構成してい
る最小単位の結晶粒の粒径を意味する。
方法を説明する。合成プロセスとしては、1)通常の酸
化物混合法を主体とした方法、2)共沈法、ゾルゲル法
といった液相を介する方法、3)酸化物混合法を主体と
して合成した粉末を再度機械的に微細化する方法が挙げ
られる。
3、Ce2O3等の原料粉末を、湿式混合した後、この混合粉
末を1400℃〜1700℃の大気中で数時間焼成する。この
際、原料粉末の粒径及びその後の焼結プロセスに応じて
焼成温度を適宜調整する。例えば、原料粉末の粒径が比
較的小さく、例えばサブミクロンサイズ(1μm以下)
の場合には、1500℃以下で焼成することが好ましい。こ
のような粒径範囲の原料粉末を1500℃以下で焼成した場
合、焼成後にできる粉末の一次粒径は原料粉末と同程度
であるが、サブミクロンサイズの粉末はその後の焼結に
よって結晶が成長し、結果として結晶粒径の大きな焼結
体を得ることができる。
ば0.1〜数μm程度の場合には、1500℃以上、好適には1
550℃〜1650℃の高温で焼成する。これにより一次粒径
の比較的大きい蛍光体粉末が得られる。具体的には平均
粒径が数μm以上の蛍光体粉末が得られる。このような
一次粒径の蛍光体粉末を焼結することにより、同程度の
結晶粒径を有する焼結体が得られる。焼結体としてでき
るだけ大きな結晶粒径を得るためには、焼成後さらに蛍
光体粉末を分級し、所定の大きさ以上の粉末を焼結に用
いることが好ましい。
塩、硫酸塩、蓚酸塩等を水に溶かして複合水溶液とし、
この複合複合水溶液に尿素、炭酸水素アンモニウム等を
添加し、Gd-Ce-Al-Ga-O前駆体を沈殿させる。この沈殿
物を洗浄し、乾燥後、1200℃程度で仮焼成し合成粉末を
得る。共沈法では、サブミクロン以下の合成粉末が得ら
れる。機械的に微細化する方法は、酸化物混合法で得ら
れた合成粉末をボールミル等の粉砕手段で微細化するも
のであり、サブミクロン以下の合成粉末を得る場合に採
用される。
の形状、例えば板状に加圧成型した後、焼結する。焼結
は、ホットプレス法、HIP法、常圧焼結法、さらには
常圧焼結法とHIP法との併用法等で行うことができ
る。このうち、特にホットプレス法、常圧焼結法が好適
である。ホットプレス法では、真空中の雰囲気下で、14
00〜1700℃の焼結温度、500kgf/cm2程度の加圧力で数時
間焼結する。常圧焼結法では、3000kgf/cm2程度の圧力
で静水圧プレスを行った後、蛍光体の融点直下の焼結温
度(具体的には1600〜1700℃)で、大気中或いは純酸素中
で数時間〜数十時間焼結する。HIP法は、サブミクロ
ン以下の合成粉末を用いる場合に採用することができ、
金属製カプセル中に合成粉末を入れ、真空封止して、14
00℃前後の温度で2000atm程度の圧力で焼結を行う。
好ましい。焼結助剤としては、LiF、LiCl等のリチウム
化合物、K2SO4、KNO3、K2CO3、K3PO4等のカリウム化合
物、BaF2等を用いることができる。特に、LiF、LiClが
好ましい。このような焼結助剤は、蛍光体粉末に対し0.
001〜10重量%程度用いることができ、その添加によ
り、焼結時の結晶の成長を促し、結晶粒径の大きな焼結
体を得ることができる。
料粉末を焼成して得られた粒径の小さい合成粉末の場合
には、このような焼結助剤を用いなくても上述した焼結
条件において結晶が成長し、大きな結晶粒径の焼結体が
得られる。また焼成後の合成粉末を分級することによっ
て、大きな一次粒径のものを選択して焼結に供した場合
にも、焼結助剤を用いなくても大きな結晶粒径の焼結体
が得られる。従ってこれらの場合には、焼結助剤は用い
ても用いなくてもよいが、焼成後の合成粉末の粒径が比
較的大きく且つブロードな分布を有するときには、焼結
助剤を添加することが必要である。
対密度99.8%以上で、結晶粒径が4μm以上の緻密な焼
結体を得ることができる。この焼結体を、所定の厚さ、
好適には1.8mm以上に切り取り、蛍光体素子を得る。こ
のような相対密度の高い結晶においては、粒界の三重点
などにおける空孔の数や大きさが著しく減少するため、
光の散乱が減少する。これにより焼結体を透過する光の
光路長が短くなり、結果として蛍光体素子の光透過率を
向上することができる。
以上とすることにより、高い放射線吸収性を確保できる
ので、放射線検出器として用いた場合に高い検出能を発
揮することができる。具体的にはシンチレータの厚さを
1.8mm以上とすることにより、管電圧120kVのX線を照射
した場合に、X線を95%以上吸収させることができる。
は、放射線を吸収したときの主発光波長が550nmであ
り、この波長の光に対する吸収係数μが0.6mm-1以下で
ある。この吸収係数を、厚さ1.8mmの蛍光体素子の光透
過率に換算すると35%以上となる。光透過率が35%以上
であることにより、低エネルギー側の放射線に対する感
度低下を低減し、エネルギー依存性の小さい蛍光体素子
が得られる。
る。
l2O3、Ga2O3、Ce2(C2O 4)3・9H2O粉末を用い、これらを混
合した後、1550℃〜1650℃で焼成することにより、一次
粒径が2〜6μm程度のGd3(Al,Ga)5O12:Ce蛍光体粉末を
得た。この粉末から、一次粒径が4μm以上の粉末のみ
を分け取り、加圧成型し、真空中で1500℃、500kgf/cm2
にてホットプレス焼結し、蛍光体粉末とほぼ同じ結晶粒
径を持つ焼結体を得た。得られた焼結体を機械加工して
厚さ1.8mmのセラミックシンチレータを作成した。
またこのシンチレータの波長550nmの光に対する吸収係
数μは0.57mm-1であり、波長550nmの光に対する光透過
率は36%であった。この場合、60keVのX線に対する感
度下は、光透過率100%の感度を100としたとき76以上で
あり、低エネルギー領域についても十分な検出感度を有
することが示された。
することにより、一次粒径が1〜3μm程度のGd3(Al,Ga)
5O12:Ce蛍光体粉末を得た。この蛍光体粉末を加圧成型
した後、実施例1と同じ焼結条件(真空中、1500℃、50
0kgf/cm2のホットプレス)で焼結し一次粒径と同様の結
晶粒径(1〜3μm程度)を有する焼結体を得た。これを
機械加工して、厚さ1.8mmのセラミックシンチレータ
を得た。
また、このシンチレータ波長550nmの光に対する吸収係
数μは0.63mm-1であり、波長550nmの光に対する光透過
率は32%であった。この場合、60keVのX線に対する感
度は、光透過率100%の場合の感度を100とするとき68に
低下し、低エネルギー領域については十分な検出感度が
得られないことが示された。
2O3、Al2O3、Ga2O3、Ce2(C2O4)3・9H2O粉末を用い、これ
らを混合した後、1400℃〜1500℃で焼成することによ
り、一次粒径が0.05〜0.1μm程度のGd3(Al,Ga)5O12:Ce
蛍光体粉末を得た。この粉末を加圧成型し、真空中で15
00℃、500kgf/cm2にてホットプレス焼結した。この焼結
条件では、結晶が蛍光体粉末の一次粒径より大きく成長
し、約10μmの結晶粒径を有する焼結体が得られた。こ
の焼結体を機械加工して厚さ1.8mmのセラミックシン
チレータを作成した。
た。またこのシンチレータの波長550nmの光に対する吸
収係数μは0.30mm-1であり、波長550nmの光に対する光
透過率は58%であった。この場合、60keVのX線に対す
る感度は、光透過率100%の感度を100とするとき87であ
り、実施例1のシンチレータよりも更に低エネルギー領
域の検出感度が向上した。
することにより、一次粒径が1〜3μm程度のGd3(Al,Ga)
5O12:Ce蛍光体粉末を得た。この蛍光体粉末に焼結助剤
としてLiFを0.1重量%添加して加圧成型した後、実施例
1と同じ焼結条件(真空中、1500℃、500kgf/cm2のホッ
トプレス)で焼結した。この焼結条件では、結晶が蛍光
体粉末の一次粒径より大きく成長し、約5μmの結晶粒
径を有する焼結体が得られた。これを機械加工して、厚
さ1.8mmのセラミックシンチレータを得た。
またこのシンチレータの波長550nmの光に対する吸収係
数μは0.53mm-1であり、波長550nmの光に対する光透過
率は39%であった。60keVのX線に対する感度は、光透
過率100%の感度を100とするとき78で、低エネルギー領
域についても十分な検出感度が得られることが示され
た。
することにより、一次粒径が1〜3μm程度のGd3(Al,Ga)
5O12:Ce蛍光体粉末を得た。この蛍光体粉末に焼結助剤
としてLiFを0.1重量%添加して加圧成型した後、この蛍
光体の融点直下の温度である1600〜1700℃で、大気中で
常圧焼結した。この焼結条件においても、結晶が蛍光体
粉末の一次粒径より大きく成長し、約5μmの結晶粒径
を有する焼結体が得られた。これを機械加工して、厚さ
1.8mmのセラミックシンチレータを得た。
またこのシンチレータの波長550nmの光に対する吸収係
数μは0.51mm-1であり、波長550nmの光に対する光透過
率は39%であった。この場合、60keVのX線に対する感
度は、光透過率100%の感度を100とするとき78で、低エ
ネルギー領域についても十分な検出感度が得られること
が示された。
蛍光体素子は、波長550nmの光に対する吸収係数が0.6mm
-1以下であることにより、発光効率が高く、低エネルギ
ーの放射線に対しても感度低下が少なかった。このよう
な蛍光体素子は、以下に述べるように放射線検出器用の
蛍光体素子として好適であり、高い検出能の放射線検出
器が得られる。
びそれを用いた医用画像診断装置について説明する。
したものである。この放射線検出器は、複数の蛍光体素
子1と、これら蛍光体素子1に、蛍光体素子1の発光を
吸収しない光学接着剤によってそれぞれ接着された複数
の光電変換素子2と、これら光電変換素子2を配列した
素子アレイ基盤3と、蛍光体素子1を覆い、蛍光体素子
1から光を反射し、チャンネル管のクロストークを防止
する光反射材4とを備えている。図では、蛍光体素子1
は4個のみ示されているが、蛍光体素子の数は用途によ
って任意に変更できる。また蛍光体素子及び光電変換素
子の配列は、線状或いは平面状であってもよい。例えば
後述するX線CT装置の放射線検出器の場合、蛍光体素
子及び光電変換素子を数100個、円弧状に配列したもの
からなる。
しGd、Al、Ga、Oを主元素とするガーネット構造のセラ
ミックシンチレータであり、主発光波長が550nmで、こ
の波長の光に対する吸収係数μが0.6mm-1以下のもので
ある。厚さは放射線を95%以上吸収できるようにするた
めに、1.8mm以上が好ましい。
た光を電気信号に変換するもので、応答速度が速く、ま
た波長550nmにおける変換効率の優れた材料が好まし
い。このような材料として、例えばSi-PINフォトダイオ
ードを用いることができる。光反射材4は、放射線は透
過するが蛍光体素子が発する光を反射する材料で、通常
TiO2樹脂が用いられるが、これに限定されない。
蛍光体素子1として、Gd、Al、Ga、Oを主元素とするガ
ーネット構造のセラミックシンチレータを用いているの
で、発光効率が従来のCdWO4に比べ著しく高く、しかも
波長550nmにおける吸収係数μが0.6mm-1以下、光透過率
35%以上であるので、低エネルギー側の放射線に対して
も高い感度を保つことができる。本発明の放射線検出器
は、次に説明する医用画像診断装置の放射線検出器とし
てのみならず、産業用の放射線検出器に適用することが
でき、高い放射線検出能を実現できる。
断装置について説明する。図3は、本発明の医用画像診
断装置の一実施形態であるX線CT装置の概略を示す図
である。このX線CT装置は、被検体の撮影を行なうた
めのスキャンガントリ部10と、スキャンガントリ部10で
得られた計測データを元にCT画像を再構成する画像再
構成部20とを備え、スキャンガントリ部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線束の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。
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
の再構成を行なう画像演算回路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30へ出力す
るディスプレイ回路24とを備えている。
20の構成は従来のX線CT装置と同様であるが、ここで
はX線検出器15として上述した本発明の放射線検出器を
用いる。即ち、X線検出器15は、シンチレータとフォト
ダイオートとを組み合わせた検出素子を多数(例えば96
0個)円弧状に配列したものであり、シンチレータを構
成する蛍光体素子として本発明の蛍光体素子を用いてい
る。
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、ファンビーム
状のX線として被検者に照射される。そして被検者を透
過したX線がX線検出器15により検出される。この際、
X線を連続して照射するとともに回転円板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、透過X線を検出する。フルスキャンの場合に
は回転円板の1回転で、ハーフスキャンの場合には半回
転で、被検体のCT像を得るための計測データS1が得
られる。
する傾向にあり、具体的には0.5〜1秒/回転である。X
線検出器16は、この1回転の間に数百回のオンオフを行
い、被検者を透過してきたX線を検出する。X線検出器
16が検出するX線量は、回転時間の短縮化に伴い、減少
することになるが、本発明のX線CT装置では、放射線
感度が高く、低エネルギー依存性のX線検出器16を用い
ているので、回転時間が短縮化しても高出力が得られ、
結果として高画質のCT画像を得ることができる。得ら
れた画像は、ディスプレイモニタ30に表示される。
装置としてX線CT装置を例に説明したが、本発明の医
用画像診断装置は、放射線源としてγ線を用いた装置に
も適用できる。
囲のエネルギーの放射線に対して感度が高い蛍光体素子
を提供することができる。またこのような蛍光体素子を
用いることにより、放射線検出能が高く低エネルギー依
存性の放射線検出器を提供することができる。さらにこ
の放射線検出器を備えたことにより、被検体を透過する
放射線の検出能に優れ、高画質なCT画像を得ることが
可能な医用画像診断装置を提供することができる。
ギー依存性を説明する図
図。
す図。
12…X線管、15…X線検出器、20…画像再構成部
Claims (8)
- 【請求項1】 Ceを発光元素とし、少なくともGd、Al、
Ga及びOを含んだガーネット構造の母体結晶からなる蛍
光体を用いた蛍光体素子であって、波長550nmの光に対
する吸収係数μが0.6mm-1以下であることを特徴とする
蛍光体素子。 - 【請求項2】 請求項1記載の蛍光体素子であって、相
対密度が99.8%以上であり、且つ平均結晶粒径が4μm
以上であることを特徴とする蛍光体素子。 - 【請求項3】 厚さが1.8mm以上であることを特徴とす
る請求項1又は2に記載の蛍光体素子。 - 【請求項4】 前記蛍光体は、原料粉末を合成し、平均
粒径が4μm以上の蛍光体粉末を得る工程と、前記蛍光
体粉末を焼結する工程とを含む製造方法により製造され
たことを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載
の蛍光体素子。 - 【請求項5】 前記蛍光体は、原料粉末を合成し、平均
粒径が1μm以下の蛍光体粉末を得る工程と、前記蛍光
体粉末を焼結する工程とを含む製造方法により製造され
たことを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載
の蛍光体素子。 - 【請求項6】 前記蛍光体は、原料粉末を合成し、蛍光
体粉末を得る工程と、前記蛍光体粉末を融点直下の温度
で常圧焼結する工程とを含む製造方法により製造された
ことを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の
蛍光体素子。 - 【請求項7】 放射線により発光する蛍光体素子と、前
記蛍光体による発光を検出する光電変換素子とを備えた
放射線検出器において、前記蛍光体素子として請求項1
ないし6いずれか1項記載の蛍光体素子を用いたことを
特徴とする放射線検出器。 - 【請求項8】 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、被検体の周りで回転駆動される回転円板
と、前記放射線で検出された放射線の強度に基づき前記
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
えた医用画像診断装置において、前記放射線検出器とし
て請求項7に記載の放射線検出器を用いたことを特徴と
する医用画像診断装置。
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