(57)【要約】【課題】Ｘ線の定量的／エネルギー選択的検出を可能にするシンチレータフォトダイオードを基礎とする放射線検出器モジュールもしくはＸ線断層撮影のための相応の放射線検出器を提供する。【解決手段】本発明は、特にＸ線（８）の定量的および／またはエネルギー選択的検出のための第１の動作モードを有するＸ線コンピュータ断層撮影のための放射線検出器（７）を製造するための放射線検出器モジュール（９）に関する。放射線検出器モジュール（９）は、Ｘ線（８）を光に変換するためにシンチレーション材料から作られたシンチレーション層（１０）と、光を検出するためにシンチレーション層（１０）に結合された光検出ユニット（１３）とを備え、光検出ユニット（１３）が複数のシリコンフォトマルチプライヤ（１５）を含む。【選択図】図１
2009025308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線（８）の定量的および／またはエネルギー選択的検出のための第１の動作モードを有するＸ線コンピュータ断層撮影用の放射線検出器（７）を製造するための放射線検出器モジュール（９）であって、
Ｘ線（８）を光に変換するためにシンチレーション材料から作られたシンチレーション層（１０）と、光を検出するためにシンチレーション層（１０）に結合された光検出ユニット（１３）とを備え、光検出ユニット（１３）が複数のシリコンフォトマルチプライヤ（１５）を含む放射線検出器モジュール。
【請求項２】
シンチレーション層が、マトリックス状に並置された多数のシンチレーション素子（１０）を含む請求項１記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３】
隣接するシンチレーション素子（１０）が隔壁（１１）によって互いに分離されている請求項２記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４】
隣接するシンチレーション素子の間隔によって与えられる隔壁（１１）の幅（Ｂ）が５０μｍ〜３５０μｍの範囲にある請求項２又は３記載の放射線検出器モジュール。
【請求項５】
各シンチレーション素子（１０）に少なくとも１つのシリコンフォトマルチプライヤ（１５）が付設されている請求項２乃至４の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項６】
シンチレーション素子（１０）の検出断面積の大きさが１５ｍｍ2よりも小さい請求項２乃至５の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項７】
シンチレーション材料が数ｎｓ〜数１０ｎｓの範囲にある減衰時間を有する請求項１乃至６の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項８】
減衰時間が４０ｎｓ〜２０ｎｓよりも小さい請求項７記載の放射線検出器モジュール。
【請求項９】
シンチレーション材料が、Ｌｕ2ＳｉＯ3：（Ｃｅ）、ＬａＢｒ3：（Ｃｅ）、ＹＡＰ：Ｃｅ、Ｌｕ（Ｙ）ＡＰ：Ｃｅのグループの中から選ばれている請求項１乃至８の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１０】
Ｘ線（８）が、１秒（ｓ）当りかつ１平方ミリメートル（ｍｍ2）当り１０億（１０9）個の範囲にある量子流量を有する請求項１乃至９の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１１】
Ｘ線（８）のＸ線量子が３０ｋｅＶ〜１２０ｋｅＶのエネルギーを有する請求項１乃至１０の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１２】
各シリコンフォトマルチプライヤ（１５）の出力信号の減衰時間が数ｎｓの範囲内にある請求項１乃至１１の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１３】
シリコンフォトマルチプライヤ（１５）が、マトリックス状に配置された多数の検出セル（１６）を含む請求項１乃至１２の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１４】
各検出セル（１６）の回復時間が１０ｎｓよりも短い請求項１３記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１５】
検出セル（１６）の光検出効率が１０％〜５０％の範囲にある請求項１３又は１４記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１６】
検出セル（１６）が２０％よりも小さい非直線性を有する請求項１３乃至１５の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１７】
各シリコンフォトマルチプライヤ（１５）の検出セル（１６）の個数が、Ｘ線（８）のＸ線量子によって最大に発生可能でありかつ検出セル（１６）のトリガーに適した光の光子の最大個数よりも２倍以上多い請求項１３乃至１６の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１８】
各シリコンフォトマルチプライヤ（１５）の検出セル（１６）のバイアス接触部がそれぞれ唯一のバイアス線（１９）に接触させられている請求項１３乃至１７の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項１９】
各シリコンフォトマルチプライヤ（１５）の検出セル（１６）の信号接触部がそれぞれ唯一の信号線（２０）に接触させられている請求項１３乃至１８の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２０】
バイアス線（１９）および／または信号線（２０）が、シリコンフォトマルチプライヤ（１５）間の間隙内を放射線検出器モジュール（９）の縁（Ｒ）まで案内されている請求項１８又は１９記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２１】
各シリコンフォトマルチプライヤ（１５）の検出セル（１６）のバイアス接触部および／または信号接触が、放射線検出器モジュール（９）の一方の端面側の縁（Ｒ）に案内された唯一のバイアス線（１９）もしくは信号線（２０）に接続されている請求項１３乃至１７の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２２】
検出セル（１６）のバイアス接触部が、シリコンフォトマルチプライヤ（１５）の下側または上側に配置され、かつそれぞれ１つまたは共通のバイアス線（１９）に接続されている請求項１３乃至１７の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２３】
検出セル（１６）が行および列に配置され、検出セルの少なくともそれぞれ１つの行または列の検出セル（１６）のバイアス接触部が１つの共通なバイアス線（１９）に接続されている請求項１３乃至２２の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２４】
検出セル（１６）が行および列に配置され、少なくともそれぞれ１つの行または列の検出セル（１６）の信号接触部が唯一の共通な信号線（２０）に接続されている請求項１３乃至２３の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２５】
検出セル（１６）のセル周期が５０μｍ〜２５μｍの範囲、２５μｍ〜２０μｍの範囲、２０μｍ〜１０μｍの範囲、または１０μｍ以下にある請求項１３乃至２４の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２６】
シリコンフォトマルチプライヤ（１５）当たりの検出セル（１６）の個数が、１５００〜２５００個、２５００〜５０００個、５０００〜１００００個、または１００００個以上である請求項１３乃至２５の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２７】
シリコンフォトマルチプライヤ（１５）が、裏面に照射されるシリコンフォトマルチプライヤとして構成されている請求項１乃至２６の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２８】
各シリコンフォトマルチプライヤ（１５）が複数の副光検出ユニットを含む請求項１乃至２７の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項２９】
シンチレーション層が、マトリックス状に並置された多数のシンチレーション素子（１０）を含み、各シンチレーション素子（１０）が、副光検出ユニットの個数に相当する個数の副シンチレーション素子を有する請求項２８記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３０】
副光検出ユニットもしくは副シンチレーション素子の個数が、Ｎを自然数として、Ｎ×Ｎによって与えられている請求項２８又は２９記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３１】
Ｎが２、４または５である請求項３０記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３２】
シリコンフォトマルチプライヤ（１５）が基板（１４）上に設けられ、更に、基板（１４）上にまたは基板（１４）と共に集積化されてシリコンフォトマルチプライヤ（１５）の出力信号を処理するために用いられる電子デバイスおよび／または回路が設けられている請求項１乃至３１の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３３】
Ｘ線（８）の定量的および／またはエネルギー選択的検出を行うためのシリコンフォトマルチプライヤ（１５）の少なくとも１つの主要な特性量が調整可能である請求項１乃至３２の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３４】
特性量は、光子検出効率、副光検出ユニットの個数、Ｘ線（８）のＸ線量子当たりにシンチレーション材料内に発生されたまたは検出可能な光子の個数、中間層における光子の吸収係数からなるグループの中から選択されている請求項３３記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３５】
特性量がバイアス電圧の変化によって調整可能である請求項３３又は３４記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３６】
Ｘ線（８）の積分検出のための第２の動作モードを含む請求項１乃至３５の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３７】
請求項３３又は３４に従属する場合に、第１の動作モードから第２の動作モードへの切換、または第２の動作モードから第１の動作モードへの切換がシリコンフォトマルチプライヤ（１５）の少なくとも１つの主要な特性量の調整を含む請求項３６記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３８】
放射線検出器モジュール（９）が更にシリコンフォトマルチプライヤ（１５）の信号出力接触部に接続された少なくとも２つの評価モードを有する電子評価装置を含み、第１の評価モードにおいてＸ線量子の定量的かつエネルギー選択的検出が行なわれ、第２の評価モードにおいて予め与えられた時間帯にＸ線量子によって発生された電荷の積分検出が行なわれる請求項１乃至３７の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３９】
電子評価装置が少なくとも第１の評価ユニットおよび第２の評価ユニットを含み、第１の評価ユニットが第１の評価モードで動作可能であり、第２の評価ユニットが第２の評価モードで動作可能である請求項３８記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４０】
第１の動作モードと第２の動作モードとの切換が、第１の評価モードと第２の評価モードとの間での電子評価装置の切換を含む請求項３８又は３９記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４１】
電子評価装置が同時に第１の評価モードおよび第２の評価モードで動作可能である請求項３８又は３９記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４２】
第１の評価モードがＸ線量子の定量的かつエネルギー選択的検出を含み、第２の評価モードが、予め与えられた時間帯にＸ線量子によって発生された電荷の積分検出を含む請求項３８乃至４１の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４３】
更にＸ線の量子流量の予め与えられた限界値が超過された際に第１の動作モードから第２の動作モードへの切換を行なう切換装置を含む請求項３８乃至４２の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４４】
更にガンマ線を検出するための第３の動作モードを含む請求項１乃至４３の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４５】
シンチレーション材料はＸ線量子もガンマ線量子も光に変換するように構成されている請求項４４記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４６】
更に陽電子放出事象を検出するための第３の動作モードを含む請求項１乃至４５の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４７】
更に単光子放出事象を検出するための第４の動作モードを含む請求項１乃至４６の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項４８】
請求項１乃至４７の１つに記載の複数の放射線検出器モジュール（９）を含む放射線検出器。
【請求項４９】
請求項４８記載の放射線検出器（７）を含む画像化用断層撮影装置。
【請求項５０】
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置を含む請求項４９記載の画像化用断層撮影装置。
【請求項５１】
更に陽電子放出断層撮影装置を含む請求項５０記載の画像化用断層撮影装置。
【請求項５２】
更に単光子放出断層撮影装置を含む請求項５０又は５１記載の画像化用断層撮影装置。
【請求項５３】
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（１）において用いられる請求項４８記載の放射線検出器。
【請求項５４】
請求項４６記載の放射線検出器モジュールを含み、複合Ｘ線−陽電子放出断層撮影装置に用いられる請求項４８記載の放射線検出器。
【請求項５５】
請求項４７記載の放射線検出器モジュールを含み、複合Ｘ線−単光子放出断層撮影装置に用いられる請求項４８記載の放射線検出器。
【請求項５６】
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（１）用の放射線検出器を製造するために用いられる請求項１乃至４７の１つに記載の放射線検出器モジュール。
【請求項５７】
Ｘ線−陽電子放出断層撮影装置用の放射線検出器を製造するために用いられる請求項４６記載の放射線検出器モジュール。
【請求項５８】
Ｘ線−単光子放出断層撮影装置用の放射線検出器を製造するために用いられる請求項４７記載の放射線検出器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線検出器モジュール、複数の放射線検出器モジュールを含む放射線検出器および放射線検出器を含む画像化用断層撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ断層撮影におけるＸ線の検出には、従来技術によれば、とりわけ積分式放射線検出器が使用される。典型的には、この種の放射線検出器は、Ｘ線量子を光、すなわち光子に変換するための多数のシンチレーション素子を含む。シンチレーション素子には、光子を電気信号に変換するためのフォトダイオードが配置されている。電気信号は、積分式の電子読取装置により予め与えられた信号読取周期で読み取られ、ひき続いてディジタル化される。各信号読取周期について、読み取られる信号は、発生光子の個数およびそれの原因であるＸ線量子の平均エネルギーに比例する。この種のシンチレータフォトダイオードシステムは公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来技術によれば、コンピュータ断層撮影では積分式放射線検出器のほかに、いわゆる計数式放射線検出器も使用される。コンピュータ断層撮影において発生する比較的高い、１０9／ｓ・ｍｍ2の範囲で移動するＸ線量子の流量に基づいて、この種の流量の検出を遂行できる放射線検出器が必要である。特に適切な放射線検出器として、このために従来技術にしたがって、例えばＣｄＺｎＴｅのような半導体材料から作られた直接変換器が形成される。
【０００４】
この種の直接変換器の場合には半導体材料において吸収されたＸ線量子が直接に唯一の変換ステップにて電荷に変換され、電荷は適切に設けられた電極において電気信号に影響を及ぼす。電気信号に基づいてＸ線量子の個数およびエネルギーを求めることができ、すなわちＸ線の定量的およびエネルギー選択的検出が可能である。この種の直接変換器システムは公知である（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
前者のシンチレータフォトダイオードシステムの欠点は、これらがＸ線の定量的およびエネルギー選択的検出のためには十分に高速でないことにある。したがって、それらの用途は積分式のＸ線検出に限定される。
【０００６】
後者の直接変換器システムの欠点は、とりわけ高い材料コストおよび高価な構造技術ならびにそれにつながる高い製造コストにある。それを除けば、直接変換器システムにとって適切な例えばＣｄＺｎＴｅの如き半導体材料は、一般にほとんど環境を損なわず、例えば有毒でない。
【特許文献１】米国特許第６６３０６７５号明細書
【特許文献２】米国特許第７１３９３６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は従来技術に基づく欠点を除去することにある。特に、シンチレータ光検出を基礎としＸ線の定量的および／またはエネルギー選択的検出を可能にする放射線検出器モジュールもしくはＸ線断層撮影用の放射線検出器を提供するものである。他の課題は、Ｘ線の定量的および／またはエネルギー選択的検出がシンチレータ光検出を基礎とする放射線検出器により行なわれる画像化用断層撮影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
放射線検出器モジュールに関する課題は、本発明によれば、Ｘ線の定量的および／またはエネルギー選択的検出のための第１の動作モードを有するＸ線コンピュータ断層撮影用の放射線検出器を製造するための放射線検出器モジュールであって、Ｘ線を光に変換するためにシンチレーション材料から作られたシンチレーション層と、光を検出するためにシンチレーション層に結合された光検出ユニットとを備え、光検出ユニットが複数のシリコンフォトマルチプライヤを含むことによって解決される。
【０００９】
放射線検出器モジュールに関する本発明の実施態様は次の通りである。
・シンチレーション層が、マトリックス状に並置された多数のシンチレーション素子を含む（請求項２）。・隣接するシンチレーション素子が隔壁によって互いに分離されている（請求項３）。・隣接するシンチレーション素子の間隔によって与えられる隔壁の幅が、５０μｍ〜３５０μｍの範囲、好ましくは８０μｍ〜３００μｍの範囲にある（請求項４）。
・各シンチレーション素子に少なくとも１つのシリコンフォトマルチプライヤが付設されている（請求項５）。
・シンチレーション素子の検出断面積の大きさが１５ｍｍ2よりも小さい、好ましくは１０ｍｍ2よりも小さい、好ましくは５ｍｍ2よりも小さい、好ましくは１ｍｍ2よりも小さい（請求項６）。
・シンチレーション材料が数ｎｓ〜数１０ｎｓの範囲にある減衰時間を有する（請求項７）。・減衰時間が４０ｎｓ〜２０ｎｓよりも小さい、好ましくは２０ｎｓ〜１０ｎｓよりも小さい、好ましくは１０ｎｓよりも小さい（請求項８）。
・シンチレーション材料が、Ｌｕ2ＳｉＯ3：（Ｃｅ）、ＬａＢｒ3：（Ｃｅ）、ＹＡＰ：Ｃｅ、Ｌｕ（Ｙ）ＡＰ：Ｃｅのグループの中から選ばれている（請求項９）。
・Ｘ線が、１秒（ｓ）当りかつ１平方ミリメートル（ｍｍ2）当り１０億（１０9）個の範囲にある量子流量を有する（請求項１０）。
・Ｘ線のＸ線量子が３０ｋｅＶ〜１２０ｋｅＶのエネルギーを有する（請求項１１）。
・各シリコンフォトマルチプライヤ（１５）の出力信号の減衰時間が数ｎｓの範囲内にあり、好ましくは３ｎｓよりも短い、好ましくは１ｎｓよりも短い（請求項１２）。
・シリコンフォトマルチプライヤが、マトリックス状に配置された多数の検出セルを含む（請求項１３）。・各検出セルの回復時間が１０ｎｓよりも短い、好ましくは３ｎｓよりも短い、好ましくは１ｎｓよりも短い（請求項１４）。・検出セルの光検出効率が１０％〜５０％の範囲、好ましくは２０％〜３０％の範囲、好ましくは約２５％である（請求項１５）。・検出セルが、２０％よりも小さい、好ましくは１０％よりも小さい、好ましくは５％よりも小さい非直線性を有する（請求項１６）。・各シリコンフォトマルチプライヤの検出セルの個数が、Ｘ線のＸ線量子によって最大に発生可能でありかつ検出セルのトリガーに適した光の光子の最大個数よりも２倍以上多い（請求項１７）。・各シリコンフォトマルチプライヤの検出セルのバイアス接触部がそれぞれ唯一のバイアス線に接触させられている（請求項１８）。・各シリコンフォトマルチプライヤの検出セルの信号接触部がそれぞれ唯一の信号線に接触させられている（請求項１９）。・バイアス線および／または信号線が、シリコンフォトマルチプライヤ間の間隙内を放射線検出器モジュールの縁まで案内されている（請求項２０）。・各シリコンフォトマルチプライヤの検出セルのバイアス接触部および／または信号接触が、放射線検出器モジュールの一方の端面側の縁に案内された唯一のバイアス線もしくは信号線に接続されている（請求項２１）。・検出セルのバイアス接触部が、シリコンフォトマルチプライヤの下側または上側に配置され、かつそれぞれ１つまたは共通のバイアス線に接続されている（請求項２２）。・検出セルが行および列に配置され、検出セルの少なくともそれぞれ１つの行または列の検出セルのバイアス接触部が１つの共通なバイアス線に接続されている（請求項２３）。・検出セルが行および列に配置され、少なくともそれぞれ１つの行または列の検出セルの信号接触部が唯一の共通な信号線に接続されている（請求項２４）。・検出セルのセル周期が５０μｍ〜２５μｍの範囲、２５μｍ〜２０μｍの範囲、２０μｍ〜１０μｍの範囲、または１０μｍ以下にある（請求項２５）。・シリコンフォトマルチプライヤ当たりの検出セルの個数が、１５００〜２５００個、２５００〜５０００個、５０００〜１００００個、または１００００個以上である（請求項２６）。
・シリコンフォトマルチプライヤが、裏面に照射されるシリコンフォトマルチプライヤとして構成されている（請求項２７）。
・各シリコンフォトマルチプライヤが複数の副光検出ユニットを含む（請求項２８）。
・シンチレーション層がマトリックス状に並置された多数のシンチレーション素子を含み、各シンチレーション素子が、副光検出ユニットの個数に相当する個数の副シンチレーション素子を有する（請求項２９）。・副光検出ユニットもしくは副シンチレーション素子の個数が、Ｎを自然数として、Ｎ×Ｎによって与えられている（請求項３０）。・Ｎが２、４または５である（請求項３１）。
・シリコンフォトマルチプライヤが基板上に設けられ、更に、基板上にまたは基板と共に集積化されてシリコンフォトマルチプライヤの出力信号を処理するために用いられる電子デバイスおよび／または回路が設けられている（請求項３２）。
・Ｘ線の定量的および／またはエネルギー選択的検出を行うためのシリコンフォトマルチプライヤの少なくとも１つの主要な特性量が調整可能である（請求項３３）。・特性量は、光子検出効率、副光検出ユニットの個数、Ｘ線のＸ線量子当たりにシンチレーション材料内に発生されたまたは検出可能な光子の個数、中間層における光子の吸収係数からなるグループの中から選択されている（請求項３４）。・特性量がバイアス電圧の変化によって調整可能である（請求項３５）。
・放射線検出器モジュールがＸ線の積分検出のための第２の動作モードを含む（請求項３６）。・Ｘ線の定量的および／またはエネルギー選択的検出を行うためのシリコンフォトマルチプライヤの少なくとも１つの主要な特性量が調整可能であるか、又は特性量が、光子検出効率、副光検出ユニットの個数、Ｘ線のＸ線量子当たりにシンチレーション材料内に発生されたまたは検出可能な光子の個数、中間層における光子の吸収係数からなるグループの中から選択されている場合に、第１の動作モードから第２の動作モードへの切換、または第２の動作モードから第１の動作モードへの切換がシリコンフォトマルチプライヤの少なくとも１つの主要な特性量の調整を含む（請求項３７）。
・放射線検出器モジュールが更にシリコンフォトマルチプライヤの信号出力接触部に接続された少なくとも２つの評価モードを有する電子評価装置を含み、第１の評価モードにおいてＸ線量子の定量的かつエネルギー選択的検出が行なわれ、第２の評価モードにおいて予め与えられた時間帯にＸ線量子によって発生された電荷の積分検出が行なわれる（請求項３８）。・電子評価装置が少なくとも第１の評価ユニットおよび第２の評価ユニットを含み、第１の評価ユニットが第１の評価モードで動作可能であり、第２の評価ユニットが第２の評価モードで動作可能である（請求項３９）。・第１の動作モードと第２の動作モードとの切換が、第１の評価モードと第２の評価モードとの間での電子評価装置の切換を含む（請求項４０）。・電子評価装置が同時に第１の評価モードおよび第２の評価モードで動作可能である（請求項４１）。・第１の評価モードがＸ線量子の定量的かつエネルギー選択的検出を含み、第２の評価モードが、予め与えられた時間帯にＸ線量子によって発生された電荷の積分検出を含む（請求項４２）。・放射線検出器モジュールは、更にＸ線の量子流量の予め与えられた限界値が超過された際に第１の動作モードから第２の動作モードへの切換を行なう切換装置を含む（請求項４３）。
・放射線検出器モジュールは、更にガンマ線を検出するための第３の動作モードを含む（請求項４４）。・シンチレーション材料はＸ線量子もガンマ線量子も光に変換するように構成されている（請求項４５）。
・放射線検出器モジュールは、更に陽電子放出事象を検出するための第３の動作モードを含む（請求項４６）。・この放射線検出器モジュールはＸ線−陽電子放出断層撮影装置用の放射線検出器を製造するために用いられる（請求項５７）。
・放射線検出器モジュールは、更に単光子放出事象を検出するための第４の動作モードを含む（請求項４７）。この放射線検出器モジュールは、Ｘ線−単光子放出断層撮影装置用の放射線検出器を製造するために用いられる（請求項５８）。
・放射線検出器モジュールはＸ線コンピュータ断層撮影装置用の放射線検出器を製造するために用いられる（請求項５６）。
【００１０】
放射線検出器に関する課題は、本発明による放射線検出器モジュールを含むことによって解決される。画像化断層撮影装置に関する課題は、本発明による放射線検出器を含むことによって解決される。
【００１１】
本発明の第１の観点は、Ｘ線コンピュータ断層撮影のための放射線検出器を製造するための放射線検出器モジュールに関する。放射線検出器にはＸ線の定量的および／またはエネルギー選択的検出を可能にする第１の動作モードが設けられている。これは、Ｘ線のＸ線量子がそれらの個数および／またはエネルギーに基づいて検出可能であることを意味する。
【００１２】
このために放射線検出器は、Ｘ線を光に変換するためにシンチレーション材料から作られたシンチレーション層と、光を検出するためにシンチレーション層に結合された光検出ユニットとを備える。結合は、例えば光検出ユニットの光入射面がシンチレーション層の光出射面に取り付けられていることを意味する。
【００１３】
物理学の波動−粒子二元論の意味において、用語「放射」および「量子」もしくは「光子」は、逆のことが言及されていないかぎり、本発明の枠内では同等に使用される。すなわち、Ｘ線またはガンマ線はＸ線量子またはガンマ量子と同等である。光は光子と同等である。しかしながら、放射および量子の基本的に異なる性質は本発明にとって重要でない。
【００１４】
光を検出するために設けられた光検出ユニットは、本発明によれば、略してＳｉＰＭとも呼ばれる多数の、従って複数のシリコンフォトマルチプライヤを含む。ＳｉＰＭの配置は実質的に任意であり、特にマトリックス状であるとよい。
【００１５】
ＳｉＰＭは、簡単に言うならば、並列接続されガイガーモードで動作するフォトダイオード、特にアバランシェフォトダイオードのマトリックスを含む。本発明の枠内において、並列接続された個々のフォトダイオードは、その都度場合によっては設けられた他の電子デバイスを含めて検出セルと呼ばれる。そのかぎりにおいて、光検出ユニットは多数の、従って複数のＳｉＰＭを含み、ＳｉＰＭはまたもや多数の、従って複数の検出セルを有する。
【００１６】
ガイガーモードでの動作は、フォトダイオードがブレークダウン電圧を上回るバイアス電圧により動作させられることを意味する。ガイガーモードにおいては、検出セルによって検出された光子が、高いゲインを持つ電荷なだれ（charge carrier avalanche）を発生させる。本発明の枠内において検出セルの作動をトリガーリングとも呼ぶ。これに応じて、検出セルの作動に適した光子はトリガー能力のある光子と呼ばれ、作動させられた検出セルはトリガーされた検出セルと呼ばれる。これに対応する意味において、「トリガーリング」の語群に属する語が使用される。
【００１７】
特別な機能態様に基づいて、検出セルには、光子を計数する特性を割り当てることができる。念のために述べておくに、各検出セルは、付加的にフォトダイオードに直列に接続されたクエンチング抵抗（quenching resister）を有する。クエンチング抵抗はトリガーされた検出セルをトリガー能力のある状態にリセットするために重要であり、換言するならば、検出不活性状態から検出活性状態へリセットするために重要である。概念上の明確化のために補足するに、検出不活性状態は、トリガーリングからトリガー能力のある状態、すなわち検出活性状態へのリセットまでの時間を含む。
【００１８】
アバランシェフォトダイオードは発生させられた電荷なだれの個数に比例する信号を供給する。これは、信号がトリガーされた（アバランシェ）フォトダイオードの個数に比例することを意味する。検出セルの並列接続によって、ＳｉＰＭは比例計数器として働く。すなわち、ＳｉＰＭの出力信号は、少なくとも特定の時間だけ、トリガーされた検出セルの個数にほぼ比例する。この比例性は、もちろんＳｉＰＭがまだ飽和していないことが前提である。飽和していない状態は、検出不活性状態にある検出セルの個数が、検出活性状態にある、すなわちトリガー能力のある検出セルの個数よりも遥かに少ないことを意味する。
【００１９】
ＳｉＰＭの機能態様に対する補足および模範例は次を参照されたい。
−  Ｏｔｔｅ  ｅｔ．ａｌ：“Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ａｓ  ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ＭＡＧＩＣ／ＥＵＳＯ−ｌｉｋｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ”，ｉｎ  ２９ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｓｍｉｃ  Ｒａｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｕｎｅ  （２００５）００，１０１−１０６；
−  Ｓａｄｙｇｏｖ  ｅｔ．ａｌ：“Ｔｈｒｅｅ  ａｄｖａｎｃｅｄ  ｄｅｓｉｇｎｓ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏ−ｐｉｘｅｌ  ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ：Ｔｈｅｉｒ  ｐｒｅｓｅｎｔ  ｓｔａｔｕｓ，  ｍａｘｉｍｕｍ  ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ  ａｎｄ  ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ”，  ｉｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ５６７  （２００６），７０−７３；
−  ｈｔｔｐ：／／ｓａｌｅｓ．ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｃｏｍ／ａｓｓｅｔｓ／ｐｄｆ／ｃａｔｓａｎｄｇｕｉｄｅｓ／ｍｐｐｃ ｋａｐｄ  ｏｏｏ２ｅ０１．ｐｄｆ．なるＵＲＬにて入手可能な浜松ホトニクス株式会社の製品説明：“ＭＰＰＣ，Ｍｕｌｔｉ−Ｐｉｘｅｌ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔｅｒ”
【００２０】
上記の文献から、ＳｉＰＭが少ない光子流を高精度で定量的に検出できることが分かる。それゆえＳｉＰＭ技術は、特に陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）または単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）に適している。なぜならば、この場合には数百事象／ｓ・ｍｍ2の範囲にある比較的僅かの計数率が検出されるだけでよいからである。対比するにＸ線コンピュータ断層撮影における計数率は、既に述べたように１０9／ｓ・ｍｍ2の範囲にある。
【００２１】
それに基づいて、ＳｉＰＭ技術は、Ｘ線コンピュータ断層撮影の場合に主流をなす計数率に鑑みて不適切であるように見える。しかしながら、本発明者は、このみかけに反して、ＳｉＰＭ技術がＸ線コンピュータ断層撮影においてＸ線の定量的および／またはエネルギー選択的検出を行うための放射線検出器にも適していることを認識した。
【００２２】
「定量的」とは、放射線検出器によって吸収されたＸ線量子の個数が求められることを意味する。最近では「計数式放射線検出器」なるキーワードのもとでも知られている。「エネルギー選択的」とは、Ｘ線量子のエネルギーが求められて、少なくとも予め与えられたエネルギー帯域に分類可能であるか、または予め与えられたエネルギー閾に関して分類可能であることを意味する。
【００２３】
従来の直接変換検出器に対する、シンチレータＳｉＰＭ技術を基礎とする本発明による放射線検出器の利点は、使用される材料に関して明らかにコスト的な有利性および改善された環境共存性を達成できることにある。これに関連して言及しておくに、ＳｉＰＭは従来の確立されたシリコン技術を基礎とするのに対して、直接変換検出器の場合には時としてなおも発展段階にある他の材料が用いられなければならない。
【００２４】
更に構造技術がより簡単である。その結果、本発明による放射線検出器モジュールの比較的簡単な製造プロセス、従って比較的低い生産コストが派生する。
【００２５】
そのことは別として、従来のシンチレータ光検出システムのための既存の技術的成熟および直接変換検出器に対する優位性が、更なる最適化のための最善の基礎を提供する。特に従来の材料が使用可能であり、それによって線量使用およびスペクトル情報の評価のために既知の利点を利用することができる。
【００２６】
本発明の第２の観点は、本発明の第１の観点による複数の放射線検出器モジュールを有する放射線検出器に関する。
【００２７】
本発明の第３の観点は、本発明の第２の観点による放射線検出器を有する画像化用断層撮影装置、特にＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。
【００２８】
本発明の他の観点は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置、複合Ｘ線−陽電子放出断層撮影装置（複合ＰＥＴ−ＣＴ）または複合Ｘ線−単光子放出断層撮影装置（複合ＳＰＥＣＴ−ＣＴ）において第２の観点による放射線検出器を使用すること、ならびに相応の断層撮影装置用の放射線検出器を製造するために第１の観点による放射線検出器モジュールを使用することに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下において、実施例および図に基づいて本発明を更に詳細に説明する。
図１は本発明の第１の観点に基づく多数の放射線検出器モジュールを有する本発明の第２の観点に基づく放射線検出器を備えたＸ線コンピュータ断層撮影装置を示し、
図２は図１の放射線検出器モジュールの横断面図を示し、
図３はシリコンフォトマルチプライヤ（略称ＳｉＰＭ）の構成の原理図を示し、
図４は図１に示された放射線検出器モジュールの平面図を示し、
図５は直接的に相前後するトリガー時におけるＳｉＰＭの出力信号の経過を概略的に示す。
【００３０】
これらの図において同じ要素または機能的に同じ要素は同じ符号を付されている。これらの図における表示は概略的かつ模範的であって、正しい縮尺にしたがって描かれてはいない。図間の尺度も変わり得る。以下においてＸ線コンピュータ断層撮影装置および放射線検出器には本発明の理解のために必要である場合にのみ説明する。
【００３１】
図１は本発明の第３の観点に基づくＸ線コンピュータ断層撮影装置１を示す。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置１は検査すべき患者３を寝かせるための患者用寝台２を含む。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置１はガントリ４を含み、ガントリ４のハウジング内にはシステム軸線５の周りに回転可能に支持された管−検出器システムが収容されている。管−検出器システムはＸ線管６およびこれに対向配置された放射線検出器７を含む。動作中にはＸ線管６からＸ線８が放射線検出器７の方向へ出射し、Ｘ線８が放射線検出器７により定量的および／またはエネルギー選択的に検出される。放射線検出器７は、本発明の第１の観点に基づく多数の放射線検出器モジュール９を有する。
【００３２】
放射線検出器９はシンチレータ光検出技術にて構成されている。図２はこの種の放射線検出器モジュール９の横断面を示す。放射線検出器モジュール９は、シンチレーション材料から作られ多数の並置されたシンチレーション素子１０を有し、これらのシンチレーション素子１０は隔壁１１によって互いに分離されている。シンチレーション素子１０はＸ線８を光に変換する。より正確に言うならばＸ線８によりつまりＸ線８のＸ線量子によりひき起こされる相互作用プロセスによって光子が発生される。
【００３３】
隔壁１１はシンチレーション素子１０の光学的クロストークを回避するために設けられ、それによってとりわけ空間分解能が改善される。隔壁１１によって生じさせられるピクセル化とは違って、個々のシンチレーション素子１０の代わりに、１つの連続したシンチレーション層が設けられてもよい。
【００３４】
図２に示されたシンチレーション素子１０の個数は模範例にすぎないと理解すべきであり、このことは本発明の枠内において、より多くのまたは少ない個数のシンチレーション素子１０を並んで配置することもできることを意味する。隔壁１１の幅Ｂはその都度の要求および境界条件に依存する。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に関しては、例えば５０μｍ〜３５０μｍの範囲、好ましくは８０μｍ〜３００μｍの範囲の幅Ｂが用いられる。
【００３５】
各シンチレーション素子１０において光出射面１２に光検出ユニット１３が配設されている。光検出ユニット１３は基板１４上に設けられているか、もしくは基板１４に一体形成されている。光検出ユニット１３は、多数の、いわゆるシリコンフォトマルチプライヤ（略称ＳｉＰＭ）１５もしくはガイガーモードアバランシェフォトダイオードを含む。ここでの例では各シンチレーション素子１０に丁度１つのＳｉＰＭ１５が付設されている。
【００３６】
本発明の枠内において、１つのシンチレーション素子１０に複数のＳｉＰＭ１５が付設され、すなわち１つのＳｉＰＭ１５が複数の副光検出ユニットを含むことができる。したがって、１つのシンチレーション素子１０も複数の副シンチレーション素子に細分されていてもよい。この細分は実質的に任意にフラクタルに形成することができる。副光検出ユニットの個数が副シンチレーション素子の個数と一致するとよく、副シンチレーション素子のそれぞれに、丁度１つの副光検出ユニットが付設されるとよい。副光検出ユニットもしくは副シンチレーション素子の個数が、Ｎを自然数として、Ｎ×Ｎによって与えられるとよい。例えば、Ｎは２，４，５などであってよい。その都度の個数の可変性によって、放射線検出器をその都度所望の分解能およびＸ線量子の流量に適合させることができ、このことが、例えば放射線検出器モジュールの計数率能力の改善可能性をもたらす。
【００３７】
シンチレーション素子１０および対応するＳｉＰＭ１５の検出面積すなわち検出断面積が、実質的に放射線検出器モジュール９の空間分解能を決定する。検出断面積の大きさはとりわけその都度の製造技術レベルによって制限されている。現在の技術レベルによれば、Ｘ線コンピュータ断層撮影に適した検出断面積は、１５ｍｍ2以下、１０ｍｍ2以下、５ｍｍ2以下で実現可能であり、あるいは１ｍｍ2以下さえも実現可能である。しかしながら、検出断面積の絶えざる縮小化の技術的方向性に鑑み、遥かに小さい値が考えられ得、本発明による考えと決して矛盾しない。
【００３８】
図３はＳｉＰＭ１５の構成の原理図を示す。ＳｉＰＭ１５は多数の並列接続された検出セル１６を有する。検出セル１６はそれぞれ、ここでも１つのガイガーモードアバランシェフォトダイオード１７および１つのクエンチング抵抗１８を含む。各検出セル１６はクエンチング抵抗１８側でいわゆるバイアス線１９に接触させられているかもしくは接続されている。バイアス線１９については図４において更に詳細に説明する。各検出セル１６はフォトダイオード１７側で信号線２０に接触させられている。信号線２０はこの例では出力抵抗２１を介して基準電位（アース電位）に置かれている。代替として、信号線２０の接触および読取はこの実施例とは異なって構成されていてもよい。
【００３９】
図４は放射線検出器モジュール９の平面図を示し、シンチレーション素子１０が破線だけによって示されている。図４から分かるように、ＳｉＰＭ１５が行Ｚおよび列Ｓに配置され、行Ｚおよび列Ｓの個数はここでも模範例にすぎず、限定的に解釈すべきではない。各ＳｉＰＭ１５の検出セル１６は同様にマトリックス状に行および列に配置されている。図の見易さのために、それぞれマトリックス配置の検出セル１６のうちの幾つかのみが示されている。
【００４０】
検出セル１６のバイアス接触部はそれぞれ放射線検出器モジュール９の一端面側の縁Ｒに案内された唯一のバイアス線１９と接触させられている。検出セル１６の信号接触部は放射線検出器モジュール９の一端面側の縁Ｒに案内された唯一の信号線２０と接触させられている。それぞれ唯一のバイアス線１９および／または信号線２０だけを設けることによって、放射線検出器モジュール９内もしくは放射線検出器モジュール９上における導線案内が著しく簡略化される。しかしながら、バイアス接触部および／または信号接触部はそれぞれ別々に案内されるバイアス線１９もしくは信号線２０を介して接触させられもよい。バイアス線１９および信号線２０は、ここでの例のように、ＳｉＰＭ１５間の間隙内を放射線検出器モジュール９の縁Ｒまで案内されているのが好ましい。このようにして、使用可能なスペースを最適に利用することができ、特にコンパクトな構造様式を達成することができる。
【００４１】
バイアス線１９および信号線２０の図４に示された案内とは違って、バイアス接触部および／または信号接触部が、図３に示された視点に関して、ＳｉＰＭ１５の下側に設けられ、そこでバイアス線および／または信号線に接続されていてもよい。これは、導線案内および接触のために、特にＳｉＰＭ１５の空間的な近さのゆえに間隙内の導線案内が不可能であるかまたは条件付きでしか可能でない場合に有利である。
【００４２】
バイアス接触部および信号接触部の他の接触方式が考えられ得る。例えば、検出セル１６とそれそれ唯一のバイアス線１９もしくは信号線２０との行ごとまたは列ごとの接触が挙げられる。
【００４３】
信号線２０は、ＳｉＰＭ１５もしくは検出セル１６のその都度の出力信号の処理のために、図示されていない電子デバイスおよび／または回路、例えばＡＳＩＣ（＝ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ、特定用途向け集積回路）に接続されている。妨害作用の回避もしくは低減ために、かつ特にコンパクトな構造のために、電子デバイスおよび／または回路が基板１４上に設けられるか又は基板１４と共に一体的に集積化されて構成されているとよい。回路は、特にＣＭＯＳ（＝Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、相補性金属酸化膜半導体）構造であるとよい。
【００４４】
以下において、放射線検出器９によってＸ線８の定量的および／またはエネルギー選択的検出を行うための条件を詳細に説明する。
【００４５】
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置にとって通常の１０9／ｓ・ｍｍ2の範囲内の量子流量（quantum flow rate）においてＸ線量子の特に正確な定量的検出を達成可能にするためには、量子流量を正しく評価する減衰時間を有するシンチレーション材料を使用すべきである。減衰時間は数ナノ秒（ｎｓ）から数１０ｎｓまでの範囲にあるべきである。例えば、減衰時間は、４０ｎｓ〜２０ｎｓよりも短い、２０ｎｓ〜１０ｎｓよりも短い、または１０ｎｓよりも短い、特に５ｎｓよりも短くてもよい。減衰時間は、量子吸収エネルギーによって発生した光子数が１／ｅに減少する時間であると理解される。模範的には、適切なシンチレーション材料として、Ｌｕ2ＳｉＯ5：（Ｃｅ）、ＬａＢｒ3：（Ｃｅ）、ＹＡＰ：Ｃｅ、Ｌｕ（Ｙ）ＡＰ：Ｃｅが挙げられる（ＹＡＰ：イットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト）。上述のシンチレーション材料のそれぞれの減衰時間は、約４０ｎｓ、１６ｎｓ〜２６ｎｓもしくは２７ｎｓにある。もちろん、より有利な減衰時間、特にさらに短い減衰時間を有するシンチレーション材料も用いることができる。
【００４６】
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置における放射線検出器７の典型的なピクセルサイズは、現在の技術水準によれば、その都度得ようと努められる空間分解能に応じて、１ｍｍ×１ｍｍ〜１．５ｍｍ×１０ｍｍの範囲にある。以下において、模範的にかつ一般性の制限なしに１ｍｍ×１ｍｍなるＳｉＰＭ１５もしくはシンチレーション素子１０のサイズを基礎に置く。すなわち、検出断面積は約１ｍｍ2である。更に、１０9／ｓ・ｍｍ2の範囲内の量子流量と共にＸ線コンピュータ断層撮影にとって通常のＸ線量子のエネルギー範囲３０ｋｅＶ〜１２０ｋｅＶを仮定する。
【００４７】
Ｘ線８のできるだけ正確なエネルギー選択的検出の達成を可能にするために、一方では、ＳｉＰＭ１５が飽和領域で動作することなく、比較的多数の光子を発生するエネルギーに富んだＸ線量子もなおも検出可能であるように、検出セル１６の個数が十分に大きいことが特に重要である。飽和領域で動作することは、フォトダイオード１７の大部分が平均的に検出不活性の状態にあることを意味する。他方、ＳｉＰＭ１５は、比較的少数の光子を発生する低エネルギーのＸ線量子もなおも確実かつ正確に検出するために十分である光子検出効率、略称ＰＤＥ（＝Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を有するべきである。これは、特に低エネルギーＸ線量子によって生じさせられるＳｉＰＭ１５の出力信号があまりにも激しく量子ノイズを重畳されていないことが必要である。ＰＤＥは、入射する光子が検出セル１６をトリガーする確率によって記述することができる。
【００４８】
Ｘ線コンピュータ断層撮影において一般的な量子流量について、各ＳｉＰＭ１５の出力信号の減衰時間は数ナノ秒の範囲にあり、とりわけ３ｎｓ以下、好ましくは１ｎｓ以下であるべきである。同じ目的のために、各検出セル１６の回復時間は１０ｎｓ以下、好ましくは３ｎｓ以下、とりわけ１ｎｓ以下であるべきである。なお、回復時間とは、実質的に検出セル１６の検出不活性状態の時間と理解される。
【００４９】
ＳｉＰＭ１５においてＸ線量子の定量的および／またはエネルギー選択的検出を決定する他の特性量は、検出セル１６のサイズ、ＳｉＰＭ１５当たりの検出セル１６の個数または面積密度、中間層における光子についての吸収計数およびＰＤＥである。検出セル１６の典型的なサイズは１０μｍ〜１００μｍの範囲にある。面積密度は、放射線検出器面積１ｍｍ2当たり数百ないし数千個の検出セルであり得る。最後に述べた特性量は、検出セル１６のセル周期もしくはセルピッチに密接に関係する。Ｘ線コンピュータ断層撮影に適したセル周期は、とりわけ５０μｍ〜２５μｍ、２５μｍ〜２０μｍ、２０μｍ〜１０μｍ、あるいは１０μｍ以下の範囲にあるとよい。ＳｉＰＭ当たりの検出セル１６の個数は、ここでの有利な適用範囲において、２５００〜５０００個、５０００〜１００００個、あるいは１００００個以上にある。
【００５０】
念のため言及しておくに、ＰＤＥは、ＳｉＰＭがまだ飽和領域で動作しないかぎり、幾何学的な占積率と量子効率との積から得られる。量子効率はここでも吸収効率およびトリガー確率に依存する。ＰＤＥの典型的な値は１０％〜７０％の範囲にある。ＰＤＥの高い値は、検出セル１６の比較的大きな検出断面積の場合にのみ達成可能である。なぜならば小さな検出断面積の場合には幾何学的な占積率が制限されるからである。
【００５１】
下の表１には、セル周期（セルピッチ）Ｐｉｔｃｈと、ＳｉＰＭ１５当たりの検出セル１６の個数（略してＮges）とＰＤＥとについて選ばれた値に関する５つの模範的なＳｉＰＭ１６の特性が対比されている。
【００５２】
次の仮定が表の基礎をなしている。
１．Ｘ線量子が３０ｋｅＶの最小エネルギーと１２０ｋｅＶの最大エネルギーとを有し、これはＸ線コンピュータ断層撮影における状況に相当する。
２．シンチレーション素子１０において、Ｘ線の１ｋｅＶ当たりに３０個の光子が発生される。これは、シンチレーション素子１０から、３０ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線量子の吸収によって９００個の光子が発生され、１２０ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線量子の吸収によって３６００個の光子が発生されることを意味する。
【表１】
2009025308.tif 000003
【００５３】
表において次の略称が使用されている。
Ｎges：        ＳｉＰＭ１５当たりの検出セル１６の個数
Ｅ0／ｋｅＶ：  Ｘ線量子の平均エネルギー
ＮTP：        トリガー能力のある光子の個数；ＮTPは、その都度のエネルギーＥ0の際に発生した光子の個数とＰＤＥとの積によって得られる。
ΔＥ／ΔＥ0：  その都度の平均エネルギーＥ0についてのＳｉＰＭ１５の％表示でのエネルギー分解能；平均エネルギーＥ0を中心とするエネルギーのポアソン分布が基礎に置かれている。
Ｎtrig：      平均的にＮTPによってトリガーされる検出セル１６の％割合
ＮＬ：          ＮTPとトリガーされた検出セル１６の個数との間の％表示の非直線性
【００５４】
小さくなるセルピッチＰｉｔｃｈおよび増加するＮgesに対して、すなわち検出セルのサイズの減少に対して、エネルギー分解能が低下することが表から明らかである。この原因は、とりわけ、これらの条件のもとではＰＤＥが小さくなることにある。Ｘ線量子のエネルギー段階の下端、すなわち３０ｋｅＶにおいては、エネルギー分解能がそれぞれ、エネルギー段階の上端、すなわち１２０ｋｅＶにおけるよりも劣っている。その原因は、下端においては光子の発生がより少ないことにあり、このことが、量子統計学的に制約されて、半値幅ΔＥの増大を生じる。Ｘ線コンピュータ断層撮影の用途にとって、エネルギー段階の下端における２５％のエネルギー分解能は完全になおも十分である。これは、Ｘ線コンピュータ断層撮影において比較的僅かのエネルギー段階またはエネルギー帯域によるエネルギー識別でなおも十分であることにある。特に有利な値は、１０μｍのセルピッチＰｉｔｃｈおよび２５％のＰＤＥを有する＃５の例に関して得られる。エネルギー段階の下端におけるエネルギー分解能は、１５．７％の比較的良好な値にある。
【００５５】
Ｘ線８を定量的にかつエネルギー選択的にできるだけ正確に検出することを可能するために、検出セル１６の個数は、非直線性ＮＬが２０％以下、好ましくは１０％以下、特に有利には５％以下であるように選ばれるべきである。エネルギー分解能の値を考慮すると、再び＃５の例が特に有利であることが分かる。
【００５６】
ＮtrigおよびＮＬは互いに関連する。ＮtrigがＳｉＰＭ１５の検出セル１６の総数に近づくほど、非直線性ＮＬが大きくなる。その理由は、とりわけ特定時点で多数の光子が発生されても検出セルが１度しかトリガーされ得ないからである。これは、検出不活性状態にある検出セル１６がもう一度トリガーされないことに関係する。Ｘ線量子によって発生されたトリガー能力のある光子が検出不活性状態の検出セル１６に当たることは十分にあり得るので、トリガーされた検出セル１６の個数は平均的にＮTPよりも少ない。予め与えられたＮTPおよび予め与えられた個数Ｎgesにおいてトリガーされた検出セルＮtrigの平均個数ＮtrigMは次のように算定される。
ＮtrigM＝Ｎges・（１−Ｅｘｐ（−ＮTP／Ｎges））
この場合に、Ｎtrig＝ＮtrigM／Ｎgesが当てはまる。
【００５７】
ＮTPが、トリガー能力のある検出セルの大きさ範囲にある場合、高い非直線性ＮＬを生じる飽和作用が発生する。非直線性ＮＬは、確かに修正可能であるが、しかし、特にＸ線量子の高エネルギー範囲においては回避されるべきである。なぜならば、これはＸ線量子のエネルギー選択検出を妨害するからである。しかしながら、この種の不利な作用は、Ｎgesが好ましくはＸ線８の全エネルギースペクトルにおいてＮTPよりも約２倍大きいならば、特に有利に回避される。しかしながら、例えばＮgesがＮTPよりも１０倍以上大きいならば、飽和から遠く離れて動作するので特に有利である。後者について模範的に図５に基づいて更に詳細に説明する。
【００５８】
図５は、２つのＸ線量子の相前後する吸収の際における個別ＳｉＰＭ１５の出力信号の経過を概略的に示す。図５の左側にはマトリックス状に配置された検出セル１６を有するＳｉＰＭ１５の平面図が示されている。第１のＸ線量子の吸収の際に図示されていない付属のシンチレーション素子１０に発生した光子によって、検出セル１６のうちのここでは狭い間隔のハッチングで示された第１のグループ２２がトリガーされる。第１のグループ２２の検出セル１６によって生じさせられた電荷なだれが、右側に概略的にかつ対応して狭い間隔のハッチングで示された第１の出力信号成分２３を生じる。それに直接的に続く第２のＸ線量子の吸収の際にシンチレーション素子１０において発生される光子によって、検出セル１６のうちの広い間隔のハッチングで示された第２のグループ２４がトリガーされるのに対して、第１のグループ２２の検出セル１６はまだ検出不活性状態にある。第２のグループ２４の検出セル１６によって生じさせられた電荷なだれが、右側に概略的にかつ対応して広い間隔のハッチングで示された第２の出力信号成分２５を生じ、この第２の出力信号成分２５は第１の出力信号成分２３に重畳されている。第１の出力信号成分２３および第２の出力信号成分２５は、例えばパルス高さ弁別およびその他の方法により識別可能であるので、重畳にもかかわらず第１および第２のＸ線量子の定量的なエネルギー選択性の検出が可能である。
【００５９】
Ｘ線の定量検出の更なる改善、特に計数率能力、すなわち最大に可能な計数率もしくは最大に定量検出可能な量子流量の改善は、個別に吸収されたＸ線量子のために全出力信号が評価されるのではなく、その都度の出力信号成分２３もしくは２５の立ち上がりエッジＦだけが、例えば計数パルスとして評価される場合に達成可能である。出力信号成分２３もしくは２５のエッジＦの比較的急峻な立ち上がりによって、Ｘ線量子は、「パイルアップ」とも呼ばれる重畳にもかかわらず、高い流量時ですらなおも十分に正確に検出可能である。
【００６０】
第１のグループ２２の検出セル１６のトリガーにもかかわらず、すなわち第１のグループ２２の検出セル１６が検出不活性状態にあるにもかかわらず、後に続く第２のＸ線量子を十分な精度で検出するために、なおも十分にほかの検出セル１６が利用できる。これは、ＳｉＰＭ１５当たりの検出セル１６の個数がＮTRに比べて多いことによって、飽和に起因した出力信号の誤りが回避可能であることを意味する。更に、第１のグループ２２の検出セル１６の回復時間を待たなければならないことなしに、時間的に密に相前後するＸ線量子がエネルギー選択的に検出可能である。
【００６１】
Ｘ線８のエネルギー選択的検出は、特に小さい検出セル１６の場合に、幾何学的な占積率の増大によって改善される。このために特に有利にはＳｉＰＭ１５は裏面に照射されるＳｉＰＭとして構成されている。この種のＳｉＰＭは、前述の前面に照射されるＳｉＰＭ１５に比べて明白に拡張された活性面を持つ逆構造を有する。その結果、裏面に照射されるＳｉＰＭはＸ線コンピュータ断層撮影の用途に特に適している。裏面に照射されるＳｉＰＭの他の利点は接触の簡単化にある。
【００６２】
表１に示された例＃４，＃５についてはＮtrigが１０％以下にある。特に、これらの前提条件のもとで、Ｘ線コンピュータ断層撮影において与えられる境界条件に対して、直接的に相前後するＸ線量子にとってなおも十分に検出セル１６が利用できることが達成可能である。これは、第１のＸ線量子に直接的に続く第２のＸ線量子のエネルギーも十分な精度で検出可能であることを意味する。換言するならば、入射するＸ線量子の時間的な近さのためにエネルギー選択的な検出の精度が決定的に妨げられることが回避できる。Ｎtrig＜１０％については、例えばエネルギー検出の失敗が同様に１０％以下にあることが前提となっており、このことは十分に容認できる。同様なことがＸ線量子の定量的な検出についても当てはまる。比較的多数の検出セル１６によって、Ｘ線コンピュータ断層撮影時に一般的に発生する量子流量が、決定的な飽和に起因した誤りなしに十分な精度で定量的に検出可能である。
【００６３】
他の観点によれば、放射線検出器モジュール９もしくはＳｉＰＭ１５が、そして特に放射線検出器７も、多数の動作モードで動作可能であるならば有利である。
【００６４】
このために放射線検出モジュール９は、例えば、Ｘ線８の定量的および／またはエネルギー選択的検出を行うためにＳｉＰＭ１５の少なくとも１つの主要な特性量が調整可能であるように構成されているとよい。
【００６５】
特性量に関しては、とりわけＸ線量子当たりにシンチレーション材料に発生される光子の個数が考慮される。調整は、例えば、シンチレーション素子１０の変換効率の定められた外部作用によって行なわれる。
【００６６】
更に、シンチレーション素子１０によって発生されるトリガー能力のある光子の定められた割合だけが検出セル１６もしくはフォトダイオード１７に達する。この場合に、例えば、シンチレーション素子１０と検出セル１６との間に設けられた規定可能に調整可能な光子吸収係数を有する中間層が可能である。それによって、高い量子流量時に、例えば吸収係数の増大により飽和作用が回避可能である。発生された光子および／または検出される光子の定められた調整によって光子の実際個数が推定可能であるので、Ｘ線８の正確な検出が可能である。
【００６７】
更に、副光検出ユニットの個数を可変に構成することができる。このために、例えば、個々の副光検出ユニットが相互に組み合わせ可能であり、または同組み合わせが解消可能であるとよい。それにより生じる利点は、放射線検出器モジュール９の計数率能力を、その都度の与えられる状況に、特に予想される量子流量に適合させることできることにある。
【００６８】
更に、ＰＤＥを規定どおりに調整することもしくは変化させることができる。１０μｍのセルピッチおよび５０％のＰＤＥを有するＳｉＰＭ１５の場合に、３０ｋｅＶでは約１１．１％のエネルギー分解能が基礎に置かれ、１２０ｋｅＶでは約５．５％のエネルギー分解能が基礎に置かれる。この比較的高い５０％のＰＤＥの場合、Ｎtrigは１２０ｋｅＶのエネルギーでは既に相対的に高く、約１６．５％にある。もちろん、この比較的高いＰＤＥはＸ線コンピュータ断層撮影におけるある特定の検査にとって有利である。例えば、それにより比較的低い量子流量において特に良好なエネルギー分解能が達成可能である。より高いＸ線流量に対しては、トリガーされた検出セル１６の個数が減少させられ、計数率能力が高められるように、ＰＤＥが低い値へ変化させられるとよい。ＰＤＥの変化は、例えばバイアス電圧の調整によって行なわれる。
【００６９】
前述の動作モードは、本発明の意味において既述の第１の動作モードの一形態と見なすことができる。
【００７０】
更に、放射線検出器モジュール９は、Ｘ線８の積分検出のための第２の動作モードが設けられているように構成されてもよい。このために、定量的および／またはエネルギー選択的検出の代わりに出力信号の積分検出が可能であるように、電子評価装置の切換が行なわれるか、または他の適切な手段が適用されるとよい。これは、量子流量が検出されるべきであるが、量子流量に対して計数率能力が十分でない場合にとりわけ有利である。代替として、出力信号の定量的および／またはエネルギー選択的検出と積分検出とが同時に行なわれてもよい。
【００７１】
第１の動作モードにおいては、例えば、出力信号を個別パルスの形でエネルギー選択的に評価する量子計数式の第１の電子評価装置が使用されるとよい。第２の動作モードにおいては、例えば、Ｘ線量子によって予め与えられた時間内に発生された電荷を出力信号に基づいて積分するもしくは測定する電荷積分式の第２の電子評価装置が使用されるとよい。第１の動作モードと第２の動作モードとの切換は、信号出力接触部もしくは信号線を第１の動作モードのために第１の電子評価装置に接続しかつ第２の動作モードのために第２の電子評価装置に接続する電子スイッチによって行なわれるとよい。第１および第２の電子評価装置は、異なる評価モードを有する唯一の電子評価装置として構成されていてもよい。第１の動作モードと第２の動作モードとの切換は電子評価装置の評価モード間の切換を含み得る。
【００７２】
代替として出力信号を同時に第１および第２の電子評価装置に供給することができる。第１および第２の電子評価装置は同時に動作し、このことは本発明の枠内であると見なすべきである。同様のことは第１および第２の電子評価装置が唯一の電子評価装置として構成されている場合にも当てはまり、第１の評価モードも第２の評価モードも同時に動作させられる。例えば、両電子評価装置がいつの時点でも出力信号を得るように、出力信号が２つの線路に接続されるとよい。この構成の場合には、定量的な結果もしくは量子計数式の電子評価装置の計数結果と、積分結果、すなわち電荷積分式の電子評価装置によって求められた電荷の値とのうち一方を選択的に、あるいは計数結果および積分結果の両方を、更なる評価のために、例えば画像化のために使用することができる。
【００７３】
放射線検出器モジュール９を第１動作モードから第２動作モードへ切換るために、図示されていない切換装置が設けられるとよい。これは、例えば、量子流量に対する予め与えられた限界値が超過されるや否や、特に自動化された切換を行なうための可能性をもたらす。切換は、例えば、予想される量子流量がＸ線の十分に正確な検出に必要な計数率能力を上回ったときに行なわれるとよい。第１動作モードから第２動作モードへの切換過程では、第１の動作モードについて上述したように、ＳｉＰＭの主要な特性量の切換も行なわれるとよい。例えば、バイアス電圧をその都度の動作モードの必要条件に応じて変更もしくは適合化させることによって、ＰＤＥを変更することができる。
【００７４】
更に、放射線検出器モジュール９はガンマ線を検出するための第３の動作モードを含むとよい。ガンマ線は例えば陽電子放出事象によって生じさせられ得る。それにより、唯一の撮像モダリティ（画像化モダリティ）により、Ｘ線コンピュータ断層撮影検査も、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）検査も実施することができる。Ｘ線コンピュータ断層撮影に比べて、ＰＥＴの場合には、Ｘ線流量に適合化されたＳｉＰＭ１５により十分に正確に検出可能である比較的僅かの量子流量が発生する。必要であるかぎりにおいて、モダリティのその都度のコンピュータ断層撮影動作またはＰＥＴ動作のための１つ又は複数の特性量が適合化されるとよい。したがって、シンチレーション材料は、Ｘ線量子もガンマ量子も十分な効率でもってＳｉＰＭによって検出可能な光に変換されるように構成されているとよい。それとは異なり、Ｘ線もしくはガンマ線に対して異なるシンチレーション材料もしくはシンチレーション層を使用することもできる。
【００７５】
更に、第３の動作モードに依拠して、単光子放出事象の検出を可能にする第４の動作モードが用意されているとよい。それによって、Ｘ線コンピュータ断層撮影モードならびにＰＥＴおよび／またはＳＰＥＣＴモードで動作させることができる撮像モダリティを実現することができる。なお、ＳＰＥＣＴは単光子放出コンピュータ断層撮影のことである。それゆえ、コンピュータ断層撮影装置はＰＥＴ装置および／またはＳＰＥＣＴ装置を含み得る。したがって、放射線検出器モジュール９は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置、Ｘ線−ＰＥＴ複合装置および／またはＸ線−ＳＰＥＣＴ複合装置において使用される。上述の複合装置の１つにおける放射線検出器は例えばリング検出器として構成されているとよい。
【００７６】
異なった動作モードによって、それぞれの撮像モダリティの適用範囲を著しく拡張することができ、かつこの種の複合モダリティの調達コストを明白に低減することができる。
【００７７】
全体として、本発明により従来技術の欠点が克服されることが明らかである。本発明によって、Ｘ線の定量的および／またはエネルギー選択的な検出を可能にするシンチレータ光検出を基礎とする放射線検出器モジュールもしくはＸ線コンピュータ断層撮影のための適切な放射線検出器を提供することができる。同様のことが画像化用断層撮影装置に当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】Ｘ線コンピュータ断層撮影装置を示す概略図
【図２】図１の放射線検出器モジュールの断面図
【図３】シリコンフォトマルチプライヤの構成の原理図
【図４】図１に示された放射線検出器モジュールの平面図
【図５】シリコンフォトマルチプライヤの出力信号の経過を概略的に示す説明図
【符号の説明】
【００７９】
１          Ｘ線コンピュータ断層撮影装置
２          患者用寝台
３          患者
４          ガントリ
５          システム軸線
６          Ｘ線管
７          放射線検出器
８          Ｘ線
９          放射線検出器モジュール
１０        シンチレーション素子
１１        隔壁
１２        光出射面
１３        光検出ユニット
１４        基板
１５        シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）
１６        検出セル
１７        ガイガーモードアバランシェフォトダイオード
１８        クエンチング抵抗
１９        バイアス線
２０        信号線
２１        出力抵抗
２２        第１のグループ
２３        第１の出力信号成分
２４        第２のグループ
２５        第２の出力信号成分
Ｂ          幅
Ｆ          立ち上がりエッジ
Ｒ          縁
Ｓ          列
Ｚ          行
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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