(57)【要約】【課題】シンチレータが発光した光の取り出しを効率的に向上すること。【解決手段】実施形態の取り出し方法は、ガンマ線検出器内で、シンチレータからの光を取り出すための方法であり、形成ステップを含む。形成ステップでは、前記シンチレータの発光面上に、柱形状の構造体、円柱形状の構造体、円錐形状の構造体、又は、角錐形状の構造体を有する粗化処理された層を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガンマ線検出器内で、シンチレータからの光を取り出す取り出し方法であって、
前記シンチレータの発光面上に、柱形状の構造体、円柱形状の構造体、円錐形状の構造体、又は、角錐形状の構造体を有する粗化処理された層を形成する形成ステップ、
を含む取り出し方法。
【請求項２】
前記形成ステップは、
前記シンチレータの前記発光面上に、薄膜、又は、散乱粒子を含む第１の薄層を堆積する第１ステップと、
前記第１の薄層上に、粗化処理された表面を有する第２の薄層を堆積する第２ステップと、
を含む、請求項１に記載の取り出し方法。
【請求項３】
前記形成ステップは、
前記シンチレータの前記発光面上に第１の薄層を堆積する第１ステップと、
前記第１の薄層上に第２の薄層を堆積する第２ステップと、
前記第２の薄層に粗化処理を施す第３ステップと、
を含む、請求項１に記載の取り出し方法。
【請求項４】
前記第３ステップは、物理的プロセスによって前記第２の薄層に粗化処理を施す、請求項３に記載の取り出し方法。
【請求項５】
前記第３ステップは、化学的プロセスによって前記第２の薄層に粗化処理を施す、請求項３に記載の取り出し方法。
【請求項６】
前記第３ステップは、前記第２の薄層に化学エッチングを施す、請求項５に記載の取り出し方法。
【請求項７】
前記第３ステップは、
前記第２の薄層上に散乱マスキング粒子を堆積し、
前記第２の薄層に、化学エッチング又はイオンミリングのうちの少なくとも一方を実施する、請求項５に記載の取り出し方法。
【請求項８】
前記形成ステップは、前記粗化処理された層として、１．７〜２．１の屈折率を有し、且つ、前記シンチレータのシンチレーションの波長領域において光学的透過性を有する層を形成する、請求項１に記載の取り出し方法。
【請求項９】
前記形成ステップは、前記粗化処理された層として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉｘＮｙ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、又はＺｎＯから作製された層を形成する、請求項１に記載の取り出し方法。
【請求項１０】
前記第１ステップは、２５０度〜８５０度の温度で前記第１の薄層を堆積し、
前記第２ステップは、２５０度〜８５０度の温度で前記第２の薄層を堆積する、請求項２に記載の取り出し方法。
【請求項１１】
前記第１ステップは、２５０度〜８５０度の温度で前記第１の薄層を堆積し、
前記第２ステップは、２５０度〜８５０度の温度で前記第２の薄層を堆積する、請求項３に記載の取り出し方法。
【請求項１２】
柱形状の構造体、円柱形状の構造体、円錐形状の構造体、又は、角錐形状の構造体を有する粗化処理された層が、発光面上に形成されたアレイ状のシンチレータ、
を備える、ガンマ線検出器。
【請求項１３】
前記粗化処理された層は、
前記シンチレータの前記発光面上に堆積され、薄膜又は散乱粒子を含む第１の薄層と、
前記第１の薄層上に堆積され、粗化処理された表面を有する第２の薄層と、
を備える、請求項１２に記載のガンマ線検出器。
【請求項１４】
前記粗化処理された層は、１．７〜２．１の屈折率を有し、且つ、前記シンチレータのシンチレーションの波長領域において光学的透過性を有する材料で作製された層である、請求項１２に記載のガンマ線検出器。
【請求項１５】
前記粗化処理された層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉｘＮｙ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、又はＺｎＯで作製された層である、請求項１２に記載のガンマ線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、取り出し方法及びガンマ線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポジトロン放射断層撮影（Positron  Emission  Tomography：ＰＥＴ）の画質を向上するために、タイムオブフライト（Time-Of-Flight：ＴＯＦ）ＰＥＴスキャナが使用されている。この目的のために、タイミング分解能がより高い検出器が必要になる。タイミング分解能は、以下の式（１）のように表される。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
式（１）において、「τ」は、シンチレータの減衰時間である。また、式（１）において、「ｎＰｈｅ」は、光収率（light  yield）に比例する光電子の数である。より良好なタイミング分解能を得るためには、光電子数がより多いこと、又は、光収率がより高いことが望まれる。
【０００５】
コンピュータ断層撮影法（Computer  Tomography：ＣＴ）も、同様のタイミング上の課題を有している。例えば、デュアルエネルギーＣＴ（dual  energy  CT）用の高速ｋＶスイッチング（fast  kV-switching）の技法では、非常に俊敏な信号が必要になる。
【０００６】
光収率を増やすために、シンチレーション材料の固有性能を向上する目的で種々の方法が使用されてきた。また、シンチレータの発光面を改変することによって光取り出しを増大させる目的でも、種々の方法が使用されてきた。例えば、半導体レーザ及びＬＥＤからの光出力は、発光面を粗化処理することによって、高められてきた。シンチレータでは、従来、シンチレータ表面をラップ仕上げ（lapping）することによって得られた「粗化処理された表面」を使って、シンチレータからより多くの光を取り出している。更に、シンチレーション材料表面上にフォトニック結晶構造（photonic  crystal  structure）を作製することにより、シンチレーション材料からより多くの光を取り出すために、リソグラフィ（lithography）の方法も使用されてきた。
【０００７】
従来、シンチレータをフォトセンサ（例えば、ＰＭＴやフォトダイオード）と結合するために、光学用接着剤が使用されている。しかし、光学用接着剤は、適切な屈折率を有しておらず、このため、シンチレータが発光した光は、全反射によって一部が反射され、シンチレータの中に戻される。従って、シンチレータからの光の取り出しが非効率的となり、このため、検出信号パルスの立ち上がりが低速になり、結果として、タイミング分解能が悪化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−４２０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、シンチレータが発光した光の取り出しを効率的に向上することができる取り出し方法及びガンマ線検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態の取り出し方法は、ガンマ線検出器内で、シンチレータからの光を取り出すための方法であり、形成ステップを含む。形成ステップでは、前記シンチレータの発光面上に、柱形状の構造体、円柱形状の構造体、円錐形状の構造体、又は、角錐形状の構造体を有する粗化処理された層を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態の一形態に従って、シンチレータの発光面上に作製された粗化処理された層であり、円錐形状の微細構造体を有する層を示す図である。
【図２】図２は、シンチレータからの光の取り出しを向上する方法であって、本実施形態に係る第１の方法のフローチャートである。
【図３】図３は、シンチレータからの光の取り出しを向上する方法であって、本実施形態に係る第２の方法のフローチャートである。
【図４】図４は、ガンマ線検出器の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、取り出し方法及びガンマ線検出器の実施形態を詳細に説明する。本明細書に記載の実施形態、及び、それに付随する諸利点の多くは、添付図面と併せて考察すれば、以下の詳細な説明を参照することによって理解がより深まり、より完全に把握することが容易である。
【００１３】
一実施形態によれば、シンチレータの発光面上に、柱形状の構造体、円柱形状の構造体、円錐形状の構造体、又は、角錐形状の構造体を有する粗化処理された層を形成することによって、ガンマ線検出器内のシンチレータからの光の取り出しを向上する方法が説明される。
【００１４】
一実施形態によれば、シンチレータの発光面上に、薄膜、又は、散乱粒子を含む第１の薄層を堆積し、第１の薄層上に、粗化処理された表面を有する第２の薄層を堆積することによって、ガンマ線検出器内のシンチレータからの光の取り出しを向上する方法が説明される。
【００１５】
一実施形態によれば、シンチレータの前記発光面上に第１の薄層を堆積し、第１の薄層上に第２の薄層を堆積し、第２の薄層に粗化処理を施すことによって、ガンマ線検出器内のシンチレータからの光の取り出しを向上する方法が説明される。
【００１６】
一実施形態によれば、ガンマ線検出器の一例であるＰＥＴ検出器内のシンチレータ上に粗化処理された層を付設する。これによって、早い段階でシンチレータからより多くの光が放射されるようになり、上記検出器のタイミング分解能が向上する。タイミング分解能がこのように向上すれば、ＰＥＴ画像の画質が向上し、小さな病変を検出すること、及び、大柄な患者を診断することが容易になる。
【００１７】
フォトニック結晶法では、表面は一部しか粗化処理されず、従って、光の取り出しは、あまり効率的ではない。しかも、フォトニック結晶法には数多くのステップが伴うため、製造コストが高くなる。
【００１８】
一実施形態によれば、シンチレータからより多くの光を取り出すために、シンチレータの発光面上に、微細構造体を有する粗化処理された層を形成する。
【００１９】
図面を参照するにあたり、同様の参照番号は、複数の図面にわたり同一、又は、対応するパーツを表している。図１は、本実施形態の一形態に従って、シンチレータの発光面上に作製された粗化処理された層であり、円錐形状の微細構造体を有する層を示す図である。図１では、本実施形態の一形態に従って、シンチレータの発光面上に作製された、円錐形状の微細構造体を有する粗化処理された層の一例を示している。図１では、「粗化処理された層」を「薄膜」として示している。図１に示すように、発光面は、ガンマ線が入射する入射面と反対側の面である。図１に示すように、シンチレータの発光面は、シンチレータからの光が入射するフォトセンサの入射面に対向する。この発光面上に、高屈折率及び良好な透過性を有する第１の薄膜が、適切な温度で堆積される。一実施形態によれば、第１の薄膜は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉｘＮｙ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、又はＺｎＯで作製され、２５０度〜８５０度の温度で堆積され、屈折率が１．７〜２．１の範囲であり、シンチレータのシンチレーション波長領域において光学的透過性を有し、厚さは０．３μｍ〜１５μｍの範囲である。
【００２０】
次いで、所望の性質を有する第２の薄膜が堆積される。一実施形態によれば、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉｘＮｙ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、ＺｎＯ、又は他の適切な材料で作製された第２の薄膜が、２５０度〜８５０度の温度で堆積される。一実施形態によれば、第２の薄膜は、厚さが０．３〜１５μｍの範囲であり、無害であり、低い処理温度である。
【００２１】
一実施形態によれば、上記の処理で得られた粗化処理された層の表面は、柱形状の構造体、円柱形状の微細構造体、円錐形状の微細構造体、又は、別の同様の微細構造体（例えば、角錐形状の微細構造体）を有している。すなわち、粗化処理された層の表面は、シンチレータが発光した光を発光面からフォトセンサへ効率的に伝達するために、発光面での全反射が回避可能なように、凹凸の形状を有している。第１の薄層は、第２の薄層を粗化する台座の働きをする。一実施形態によれば、第１の薄層の働きで、第２の薄層は異なる場所で異なる速度で成長することになり、その結果、成長後の第２の薄層は、粗面を有する。
【００２２】
或いは、上記の微細構造体は、微細加工方法（micro-fabrication  method）を使って、後で得ることができる。一実施形態によれば、微細構造体は、第２の薄層に直接的に化学エッチングを施すことによって得ることができる。別の実施形態によれば、微細構造体は、マスクの働きをするように第２の薄層上に散乱微小粒子を堆積し、次いで、化学エッチング、及び／又は、イオンミリングによって、又は、不要材料を除去できる他の方法によって、第２の薄層の表面に粗化処理を施すことで、得ることができる。
【００２３】
図２は、シンチレータからの光の取り出しを向上する方法であって、本実施形態に係る第１の方法のフローチャートである。
【００２４】
ステップＳ２０１において、シンチレータの発光面上に第１の薄層が堆積される。その第１の薄層は、高い屈折率及び良好な透過性を有するものである。第１の薄層は、適切な温度、例えば２５０度〜８５０度で堆積される。一実施形態によれば、第１の薄層は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉｘＮｙ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、又はＺｎＯで作製される。第１の薄層は、屈折率が１．７〜２．１の範囲であり、シンチレータのシンチレーション波長領域において光学的透過性を有し、厚さが０．３μｍ〜１５μｍの範囲である。
【００２５】
或いは、ステップＳ２０１では、小さいサイズの粒子をシンチレータの発光面上に堆積しても良い。すなわち、ステップＳ２０１では、発光面上に、薄膜、又は、散乱粒子を含む第１の薄層が堆積される。
【００２６】
ステップＳ２０３において、第１の薄層上に、所望の性質を有する粗化処理された第２の薄層が堆積される。その第２の薄層は、適切な温度、例えば、２５０度〜８５０度で堆積される。一実施形態によれば、第２の薄層は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉｘＮｙ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、又はＺｎＯで作製され、２５０度〜８５０度の温度で堆積される。第２の薄層は、厚さが０．３〜１５μｍの範囲であり、無害であり、処理温度が低い。
【００２７】
図３は、シンチレータからの光の取り出しを向上する方法であって、本実施形態に係る第２の方法のフローチャートである。
【００２８】
ステップＳ３０１において、シンチレータの発光面上に第１の薄層が堆積される。
【００２９】
ステップＳ３０３において、その第１の薄層上に第２の薄層が堆積される。
【００３０】
ステップＳ３０５において、その第２の薄層に粗化処理が施される。本粗化処理ステップは、物理的プロセス、又は、化学的プロセスによって実施することができる。粗化処理後の第２の薄層は、柱形状の構造体、円柱形状の微細構造体、円錐形状の微細構造体、又は、別の同様の微細構造体（例えば、角錐形状の微細構造体）を有する。本粗化処理ステップは、微細加工方法によって実施することができる。一実施形態によれば、本微細構造体は、第２の薄層に直接的に化学エッチングを施すことによって実現することができる。別の実施形態によれば、微細構造体は、マスクの働きをするように第２の薄層上に散乱微小粒子を堆積し、次いで、化学エッチング及びイオンミリングのうちの少なくとも一方を実施することによって第２の薄層表面に粗化処理を施すことで、実現することができる。本実施形態では、第１方法や第２方法により「粗化処理された層」が発光面上に形成されることで、シンチレータの内部からフォトセンサに光が伝達する際に、光の全反射を防ぐことができる。その結果、本実施形態では、シンチレータが発光した光を効率よくフォトセンサに入射させることができる。従って、本実施形態では、シンチレータが発光した光の取り出しを効率的に向上することができる。
【００３１】
図４は、ガンマ線検出器の一例を示すブロック図である。図４は、ガンマ線を検出するように本明細書で開示した進歩的技術に使用することができるハードウェア構成の一例を示している。図４では、ライトガイド１３０上方に「ＰＭＴ：photomultiplier  tube」である光電子増倍管１３５及び光電子増倍管１４０が配置され、ライトガイド１３０下方に、シンチレーション結晶１００等が配列されたシンチレーション結晶アレイ１０５が配置されている。シンチレーション結晶１２０等が配列された第２アレイであるシンチレーション結晶アレイ１２５は、ライトガイド１１５並びに光電子増倍管１９５及び光電子増倍管１１０が上に配置された状態で、シンチレーション結晶アレイ１０５に対向して配設されている。シンチレーション結晶アレイ１０５の発光面（図４では、上側の面）及びシンチレーション結晶アレイ１２５の発光面（図４では、下側の面）の上には、上述した第１方法や第２方法により、粗化処理された層が形成されている。
【００３２】
図４において、被検体（図示省略）からガンマ線が放出されると、それらのガンマ線は、相互に概ね１８０°離れて反対方向に進行する。ガンマ線検出は、シンチレーション結晶１００及び１２０において同時に行われ、予め設定された所定時間内にシンチレーション結晶１００及び１２０でそれらガンマ線が検出された場合に、シンチレーション事象が特定される。このように、ガンマ線タイミング検出システムは、シンチレーション結晶１００及び１２０において、ガンマ線を同時に検出する。但し、あくまで簡略化を目的に、シンチレーション結晶１００との関係で、ガンマ線検出について説明する。しかし、当業者には自明であるが、本明細書に記載のシンチレーション結晶１００に関する説明は、シンチレーション結晶１２０でのガンマ線検出にも等しく当てはまる。
【００３３】
各光電子増倍管１１０、１３５、１４０、及び１９５は、それぞれデータ取得ユニット１５０に接続されている。データ取得ユニット１５０は、それら光電子増倍管からの信号を処理するように構成されたハードウェアを備えている。データ取得ユニット１５０は、ガンマ線の到達時間を測定する。データ取得ユニット１５０は、２つの出力（１つはＰＭＴ１３５／１４０の組み合わせに対するものであり、１つはＰＭＴ１１０／１９５の組み合わせに対するものである）を生成し、システムクロック（図示省略）に対する弁別器パルスの時間をエンコードする。ＴＯＦ−ＰＥＴシステムにおいて、データ取得ユニット１５０は、典型的には、１５〜２５ｐｓの精度でタイムスタンプを生成する。本データ取得ユニットは、各ＰＭＴ上の信号（データ取得ユニット１５０からの４つの出力）の振幅を測定する。
【００３４】
データ取得ユニット１５０の出力は、ＣＰＵ１７０に与えられて処理される。その処理は、事象それぞれ毎に、データ取得ユニット１５０の出力からエネルギー及び位置を推定すること、及び、タイムスタンプ出力から到達時間を推定することから成っており、エネルギー、位置、及び時間の推定値の精度を向上するために、事前のキャリブレーションに基づいて多くの補正ステップを適用することを含んでいてもかまわない。当業者には自明であるが、ＣＰＵ１７０は、個別論理ゲート、特定用途向け集積回路（Application  Specific  Integrated  Circuit：ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Field  Programmable  Gate  Array：ＦＰＧＡ）、又は他のコンプレックスプログラマブルロジックデバイス（Complex  Programmable  Logic  Device：ＣＰＬＤ）として構築することができる。ＦＰＧＡ又はＣＰＬＤの実施態様は、ＶＨＤＬ（VHSIC  Hardware  Description  Language）、Ｖｅｒｉｌｏｇ、又は、他の任意のハードウェア記述言語でコード化することができ、そのコードは、そのＦＰＧＡ若しくはＣＰＬＤ内部に直接搭載されている電子メモリ、又は独立した電子メモリとしての電子メモリに格納することができる。更に、その電子メモリは、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＥＰＲＯＭ（Electrically  Programmable  Read  Only  Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically  erasable  Programmable  Read  only  Memory）、又はフラッシュメモリ（FLASH  memory）といった不揮発性とすることができる。電子メモリは、スタティックＲＡＭ（static  RAM）又はダイナミックＲＡＭ（dynamic  RAM）といった揮発性とすることも可能であり、電子メモリを管理し、ＦＰＧＡ又はＣＰＬＤと電子メモリとの間の連携を管理するのに、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサ等のプロセッサを設けることができる。
【００３５】
或いは、ＣＰＵ１７０は、前に説明した諸電子メモリのうちのいずれか、及び／又は、ハードディスクドライブ、ＣＤ、ＤＶＤ、フラッシュドライブ、又は、他の任意の公知の記憶媒体に格納された一組のコンピュータ可読命令として構築することができる。更に、それらのコンピュータ可読命令は、米国Ｉｎｔｅｌ社によるＸｅｏｎプロセッサ（登録商標）、又は、米国ＡＭＤ社によるＯｐｔｅｒｏｎプロセッサ（登録商標）等のプロセッサ、並びにＭｉｃｒｏｓｏｆｔ  ＶＩＳＴＡ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、Ｓｏｌａｒｉｓ（登録商標）、ＬＩＮＵＸ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ  ＭＡＣ−ＯＳ（登録商標）、及び、当業者に公知の他のオペレーティングシステム等のオペレーティングシステムと一緒に動作するユーティリティアプリケーション、バックグラウンドデーモン、又は、オペレーティングシステムの構成要素として提供することができ、それらの組み合わせとして提供することもできる。
【００３６】
一旦、ＣＰＵ１７０によって処理されれば、その処理後の信号は、電子的記憶部１８０に格納され、且つ／又は、ディスプレイ１４５上に表示される。当業者には自明であるが、電子的記憶部１８０は、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、フラッシュドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、又は当該技術分野で公知の他の任意の電子的記憶部とすることができる。ディスプレイ１４５は、ＬＣＤディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＯＬＥＤ、ＬＥＤ、又は当該技術分野で公知の他の任意のディスプレイとして構築することができる。したがって、本明細書に記載の電子的記憶部１８０及びディスプレイ１４５についての説明は、単に代表例に過ぎず、決して本進歩的思想の範囲を限定するものではない。
【００３７】
図４は、更に、それを介してガンマ線検出システムが他の外部装置、及び／又は、ユーザとつながるインターフェース１７５も備えている。例えば、インターフェース１７５は、ＵＳＢインターフェース、ＰＣＭＣＩＡインターフェース、イーサネット（登録商標）インターフェース、又は、当該技術分野で公知の他の任意のインターフェースとすることができる。インターフェース１７５は、更に、有線式でも無線式であっても良く、キーボード、及び／又は、マウス、又は、当該技術分野で公知の、ユーザと対話するための他の任意のヒューマンインターフェースを備えることができる。
【００３８】
上掲の説明において、フローチャート中のいかなるプロセス、説明、又はブロックも、特定の諸論理機能又はプロセス中の諸ステップを遂行するための１又は複数の実行可能命令を含むモジュール、セグメント、又はコードの一部分を表すものとして理解されるべきである。しかも、代替実施態様は、本進歩的思想の例示実施形態の範囲内に含まれる。この場合、実質的に同時進行的に実行すること又は逆順で実行することを含め、諸々の機能を、関与する機能に応じて図示の順序又は論じた順序とは異なる順序で実行してもかまわない。これについては、当業者には理解されるであろう。
【００３９】
以上、説明したとおり本実施形態によれば、シンチレータが発光した光の取り出しを効率的に向上することができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１００、１２０  シンチレーション結晶
１０５、１２５  シンチレーション結晶アレイ
１１０、１３５、１４０、１９５  光電子増倍管
１１５、１３０  ライトガイド
１４５  ディスプレイ
１５０  データ取得ユニット
１７０  ＣＰＵ
１７５  インターフェース
１８０  電子的記憶部
【図３】
2014074715.tif 000004
【図４】
2014074715.tif 000005
【図１】
2014074715.tif 000006
【図２】
2014074715.tif 000007