CN102137913A

CN102137913A - 闪烁材料

Info

Publication number: CN102137913A
Application number: CN2009801305269A
Authority: CN
Inventors: C·龙达; H·施赖讷马赫尔; G·蔡特勒; N·康拉茨; S·莱韦内
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2029-07-14
Also published as: WO2010015955A3; RU2519131C2; CN102137913B; US20110180715A1; US8492724B2; EP2321667B1; JP5759374B2; RU2011108446A; WO2010015955A2; EP2321667A2; JP2011530000A

Abstract

本发明提供主晶格改性的GOS闪烁材料和主晶格改性的GOS闪烁材料的使用方法。所述的主晶格改性的GOS闪烁材料具有比常规的GOS闪烁材料更短的余辉。此外，本发明还提供包括主晶格改性的GOS闪烁材料的辐射检测器和成像装置。可将滤光片与所述GOS闪烁材料联合使用。

Description

闪烁材料

技术领域

本发明涉及成像技术，并且更特别地涉及闪烁材料和与闪烁材料一起使用的滤光片。本发明可以特别地与基于x射线的成像系统，特别是计算机断层(CT)成像系统一起使用，并将对此进行特别描述。然而，本发明还可与其它的成像系统，如单光子发射计算机断层(SPECT)或正电子发射断层(PET)成像系统联用。

背景技术

计算机断层(CT)成像系统典型地采用x射线源，其产生穿越测试区域的x射线。位于测试区域的受试者与穿越的x射线相互作用并吸收部分穿越的x射线。与x射线源相对地放置辐射检测器以检测和测定透射过的x射线的强度。辐射检测器典型地包括多个像素(pixel)，各像素包括一个或多个与光检测器光学连接的闪烁材料块(block)。闪烁材料产生响应于x射线的光猝发(bursts of light)，其亦被称为“闪烁事件”(scintillation events)。所述的光检测器，如光电二极管或光电倍增管产生表示闪烁事件的强度的电信号。

闪烁材料的性能取决于材料的很多性质，包括如停止能量(stoppingpower)、亮度和余辉。特别对于余辉，闪烁体的余辉是受激发光在主发光之外的持续。余辉可产生自闪烁材料的缺陷、或杂质、或其它原因。通常而言，期待减小闪烁体的余辉。也就是说，时间较短的余辉优于时间较长的余辉。相似地，具有较短波长范围的余辉优于具有较宽波长范围的余辉。较短的余辉是有利的，因为它增加了在给定的时间段内可检测的闪烁事件的次数，并且还提高了检测器的时间分辨率。

如上所述，不理想的闪烁体余辉可产生自闪烁体材料中存在的杂质。制造合适的闪烁体以商用于辐射检测器中是复杂且昂贵的工艺。该工艺开始于收集或合成必要的原材料。典型地将原材料加工以去除杂质。不利地是，以商业可行或经济可行的方式难以去除一些杂质。在收集原材料并纯化至适用的程度后，将它们组合以形成闪烁体。通常通过将原材料一起熔融于材料熔体池中，然后结晶而形成结晶闪烁体。通常通过压缩技术和高温热处理，但不是将闪烁体材料熔融，而形成陶瓷闪烁体。闪烁体还可以是复合材料，其包含分散在主介质如树脂中的闪烁粉末的混合物，其中闪烁粉末和主介质具有相似的折射率。

常规地已将硫氧化钆(Gd₂O₂S)(以下将其称为“GOS”)用作CT系统中检测x射线的闪烁材料。对于许多其它的闪烁材料，GOS具有较高的光输出量和较短的响应x射线的余辉。但是，GOS中可能通常存在Yb³⁺杂质，其可导致以下将进一步讨论的不期待余辉。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供主晶格改性的GOS闪烁材料。根据本发明的另一方面，提供使用主晶格改性的GOS闪烁材料的方法。在本发明的又一方面中，提供包括主晶格改性的GOS闪烁材料的辐射检测器和成像装置。在此所述的主晶格改性的GOS闪烁材料具有比常规的GOS闪烁材料更短的余辉，但仍然提供相对较高的光输出量。在阅读以下优选实施方案的详细说明时，本领域常规技术人员将清楚本发明的许多其它的优点和益处。

根据本发明的另一方面，提供滤光片以减小或基本消除由闪烁体产生的不期待的部分光。该滤光片可被用以减小来自所述闪烁体的余辉影响，例如存在于常规GOS闪烁材料或主晶格改性的GOS闪烁材料的Yb³⁺造成余辉。

本发明可采用多种化学组成、多个部件和部件排列的形式、以及多种加工操作和加工操作排列的形式。附图仅用于说明优选实施方案，并且不应理解为限制本发明。

附图说明

图1是示例性的CT成像系统，其中截去部分固定台架以显示旋转台架、x射线源和辐射检测器；

图2是部分闪烁材料和图1中CT成像系统的一个光检测器的近视图；

图3是两个GOS样品的部分发射光谱的对比图，其中一个样品包含Yb杂质而另一样品不含Yb杂质；和

图4是部分闪烁材料、CT成像系统的一个光检测器和任选存在的滤光片的近视图。

具体实施方式

本发明的医疗成像系统和设备通常是任何医疗成像系统，如CT、SPECT或PET成像系统。更具体地，参照图1，在一个示例性的实施方案中，医疗成像系统100是CT成像系统。CT成像系统100包括受试者支架110，如台子或躺椅，其为被检测和/或被成像的受试者，如患者提供支撑和定位。CT成像系统100包括固定台架120，其内部配有旋转台架130。扫描管140贯穿固定台架120。扫描管140确定测试区域。受试者支架110沿相对于扫描管140的Z轴可直线移动，由此使得受试者支架110和当其上放置成像受试者时的成像受试者可移入和移出扫描管140。

旋转台架130适于绕扫描管140(即绕Z轴)和其上所固定的成像受试者旋转。在旋转台架130上安装一个或多个配有准直仪160的x射线源150以产生导向扫描管140和其上所固定的成像受试者的x射线。

在旋转台架130上还安装一个或多个辐射检测器单元170。典型地，x射线源150和辐射检测器单元170安装在旋转台架130的相对两侧，并且旋转台架130旋转以达到成像受试者投影图的角度范围。辐射检测器单元170包括闪烁材料180。闪烁材料180可以是如陶瓷闪烁材料。在一些实施方案中，闪烁材料180是半透明的陶瓷闪烁材料。在一些实施方案中，闪烁材料180可由排列在一起的单个晶体的阵列构成或通过光蚀刻或一些其它技术从常规闪烁体板切割构成。

CT成像系统100可包括栅格182，如抗散射栅格，其排列于闪烁材料180的辐射接收面上。在闪烁材料180的栅格182的另一侧提供光检测器192的阵列190，如光电二极管或光电倍增管。各个光检测器192独立地响应于闪烁材料180的相应部分184中发生的闪烁事件。

计算机(未显示)控制CT成像系统100的运行，其包括受试者支架110和旋转台架130的运行。使用常规方法将通过检测器单元170所得的数据重建以形成可任选地在计算机上显示的图像。

在此参照图2，其显示了部分闪烁材料180和一个光电检测器192的近视图。闪烁材料180可以是主晶格改性的GOS材料。相对于常规GOS材料，所述主晶格改性缩短了余辉的持续时间。本发明的GOS材料还用掺杂剂进行掺杂。一些可使用的具体的、非限制性的掺杂剂的实例是铈(Ce)和镨(Pr)。本发明的GOS材料的一些示例性实施方案可兼用铈和镨进行掺杂。例如，所述的GOS材料可用浓度为100-1000mol ppm的Pr³⁺和浓度为0-50mol ppm的Ce³⁺进行掺杂。但是，还可使用其它合适的掺杂剂。

以与常规的GOS材料相同的方式制备和使用所述主晶格改性的GOS材料。使用与常规GOS制备中相同的设备可进行薄片、块和阵列的制备。

在本发明的GOS材料的多个实施方案中，通过将部分钆由钇、镧和/或镥、或它们的组合物替代而对所述的GOS主晶格进行改性。例如25％、50％、75％或一些其它百分比的钆可被钇、镧和/或镥、或它们的组合物替代。下表1给出了用镨和铈掺杂的主晶格改性的GOS样品的余辉测试结果。表1中所给出的各个不同的改性GOS样品被约700mol ppm的Pr³⁺和约10mol ppm的Ce³⁺掺杂。为了进行比较，对两个没有经过任何主晶格改性，但相似地进行掺杂的常规GOS样品施用同样的测试。

表1

可以看出，光电二极管和光电倍增管被用于分别测试样品的余辉。首先，将待测样品暴露于标准x射线源下经历标准时间量以使样品发光。然后将x射线源关闭或移去。然后在5毫秒、500毫秒和2.1秒时检测样品的亮度或强度。在表中给出的强度值为相对于单位1的百万分之一单位，单位1表示当x射线源移去时样品的初始强度。

由此，如在5毫秒后，用光电二极管测得的(Gd_0.75Y_0.25)₂O₂S:Pr；Ce的强度减小为其初始值的约0.000648。相比之下，在5毫秒后，用光电二极管测得的两个常规GOS样品的强度分别仅减小为它们初始值的约0.001495和0.001119。所以，在5毫秒后，改性GOS样品的余辉显著地小于常规GOS的余辉。

上表1因此表明了不同组成的主晶格改性GOS材料比常规GOS材料的余辉强度下降。除由光电二极管检测所得的含镥GOS样品之外，各主晶格改性的GOS样品显示出比常规GOS材料更短的余辉时间。相信这些样品中的差异是归因于用于产生改性GOS的原材料中Yb₂O₃对Lu₂O₃的污染。该污染导致在所得改性GOS闪烁体中的镱(Yb³⁺)杂质，并且该杂质可增大常规GOS和主晶格改性GOS的余辉。

例如，图3对比了包含几个ppm数量级Yb³⁺杂质的第一常规GOS样品302和所有Yb³⁺杂质基本已去除的第二常规GOS样品304的发射光谱。主要且期待的光谱是绿-红可见光，其在两个样品中都存在。但是，可发现Yb³⁺杂质导致在约940至1100nm的红外区域中，第一常规GOS样品302的发光显著更强。不利地是，特别是以工业上可观数量制备纯度如图3中所示的第二样品304的GOS可能是昂贵的。

表1中还可发现对于镥改性的GOS样品较长的余辉，光电倍增管比光电二极管灵敏度显著地低。光电倍增管使用800nm的关闭波长作为上限，所以它仅检测低于红外光的波长。而另一方面，光电二极管还检测红外光。因此，产生自Yb³⁺杂质的红外区域余辉解释了光电倍增管(其不检测红外光)的结果和光电二极管(其检测红外光)结果之间的差异。

可使用滤光片以改进GOS，如由光电二极管检测的镥改性GOS的性能。如图4所示，在闪烁材料180和光检测器192之间的光路中可放置滤光片194。滤光片194用于在传输期待的闪烁材料发光部分时去除不期待的闪烁材料发光部分。例如，当所述的闪烁材料是GOS时，在阻挡更高波长(包括不期待的红外光)的光时，滤光片194可传输低于约900nm的波长(包括所期待的绿-红光)的光。通过沉积具有交替的低折射率和高折射率的透明层可制备这样的短波长光可通过的滤片。

如以下示例，以多种方式可将滤光片194插入闪烁材料180和光检测器192之间的光路中。常规检测器通常具有设置在闪烁材料180和光检测器192之间的光胶层(a layer of optical cement)以使两个部件牢固地结合在一起，并且从闪烁材料180向光检测器192传播光。滤光片194可放置在该光胶层中。对于另一种选择，常规系统还具有在光检测器192上的光涂层以增强光检测器192的灵敏度范围。通过在光检测器上另外设置的涂层可形成滤光片194。

对于另一个特别适于复合闪烁材料的可选方案，在主介质中可加入少量可溶性光吸收剂或染料。通过吸收不期待的光谱，并且不吸收期待的光谱，所述的光吸收剂用作滤光剂(filter)。优选地，所述的光吸收剂是充分难以辐射光的。

滤光片194可采用许多形式。例如，它可以是吸收不期待余辉光的吸收性滤片。对于另一实例，滤光片194可以是反射不期待余辉光的反射性滤片。已知许多适于该应用的滤片类型，如玻璃滤片、干涉滤片、衍射光栅滤片、棱镜等。

通过参照优选的实施方案已对本发明进行描述。明显地是，在阅读和理解上述详细说明时本领域技术人员将想到其改进和变化。应理解本发明包括所有这样的改进和变化，只要这样的改进和变化在权利要求书或其等同的范围内。本发明可采用的形式包括多种化学组成、部件和排列、所公开的实施方案中要素的组合及子组合。

Claims

1.闪烁材料，其包含：

与成像装置一起使用的改性GOS材料(180)，其中所述GOS材料(180)的部分钆(Gd)被至少一种选自钇(Y)、镧(La)或镥(Lu)的元素替代。

2.根据权利要求1所述的闪烁材料，其中所述改性GOS材料(180)是陶瓷。

3.根据权利要求2所述的闪烁材料，其中所述改性GOS材料(180)是半透明陶瓷。

4.根据权利要求1所述的闪烁材料，其中部分钆(Gd)被钇(Y)替代。

5.根据权利要求4所述的闪烁材料，其中至少约25％的钆(Gd)被钇(Y)替代。

6.根据权利要求5所述的闪烁材料，其中至少约50％的钆(Gd)被钇(Y)替代。

7.根据权利要求6所述的闪烁材料，其中至少约75％的钆(Gd)被钇(Y)替代。

8.根据权利要求1或4所述的闪烁材料，其中部分钆(Gd)被镧(La)替代。

9.根据权利要求8所述的闪烁材料，其中至少约25％的钆(Gd)被镧(La)替代。

10.根据权利要求9所述的闪烁材料，其中至少约50％的钆(Gd)被镧(La)替代。

11.根据权利要求10所述的闪烁材料，其中至少约75％的钆(Gd)被镧(La)替代。

12.根据权利要求1、4或8所述的闪烁材料，其中部分钆(Gd)被镥(Lu)替代。

13.根据权利要求12所述的闪烁材料，其中至少约25％的钆(Gd)被镥(Lu)替代。

14.根据权利要求13所述的闪烁材料，其中至少约50％的钆(Gd)被镥(Lu)替代。

15.根据权利要求14所述的闪烁材料，其中至少约75％的钆(Gd)被镥(Lu)替代。

16.辐射检测器(170)，其包括：

改性GOS材料(180)，其中所述GOS材料(180)的部分钆(Gd)被至少一种选自钇(Y)、镧(La)或镥(Lu)的元素替代；和

光检测器(192)，其与所述改性GOS材料(180)光学连接。

17.根据权利要求16所述的辐射检测器(170)，其中所述辐射检测器(170)检测x射线。

18.根据权利要求16或17所述的辐射检测器(170)，其中所述改性GOS材料(180)是陶瓷。

19.根据权利要求18所述的辐射检测器(170)，其中所述改性GOS材料(180)是半透明陶瓷。

20.根据权利要求16、17、18或19所述的辐射检测器(170)，其中部分钆(Gd)被钇(Y)替代。

21.根据权利要求16、17、18、19或20所述的辐射检测器(170)，其中部分钆(Gd)被镧(La)替代。

22.根据权利要求16、17、18、19、20或21所述的辐射检测器(170)，其中部分钆(Gd)被镥(Lu)替代。

23.根据权利要求16、17、18、19、20、21或22所述的辐射检测器(170)，其中所述光检测器(192)是光电二极管或光电倍增管。

24.根据权利要求20、21或22所述的辐射检测器(170)，其还包括滤光片，所述滤光片设置于所述改性GOS材料(180)和所述光检测器(192)之间的光路中，并且所述滤光片适于基本阻挡从所述改性GOS材料(180)发射的红外光。

25.检测辐射的方法，其包括以下步骤：

使用改性GOS材料(180)接收辐射，其中，所述改性GOS材料(180)的部分钆(Gd)被至少一种选自钇(Y)、镧(La)或镥(Lu)的元素替代；并且所述改性GOS材料(180)对接收所述辐射进行响应而发光；和

使用光检测器(192)检测从所述改性GOS材料(180)发射的光。

26.根据权利要求25所述的方法，其中部分钆(Gd)被钇(Y)替代。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中部分钆(Gd)被镧(La)替代。

28.根据权利要求25、26或27所述的方法，其中部分钆(Gd)被镥(Lu)替代。

29.成像装置(100)，其包括：

至少一个辐射源(150)；和

至少一个辐射检测器(170)，其包括：

改性GOS材料(180)，其中，GOS材料(180)的部分钆(Gd)被至少一种选自钇(Y)、镧(La)或镥(Lu)的元素替代；和

光检测器(192)，所述光检测器与所述改性GOS材料(180)光学连接。

30.根据权利要求29所述的成像装置(100)，其中所述成像装置(100)是CT、SPECT或PET成像装置。

31.辐射检测器(170)，其包括：

GOS材料(180)；

光检测器(192)，所述光检测器与所述GOS材料(180)光学连接；和

滤光片，所述滤光片设置于所述GOS材料(180)和所述光检测器(192)之间的光路中，并且所述滤光片适于基本阻挡从所述GOS材料(180)发射的红外光。

32.权利要求31所述的辐射检测器(170)，其中所述GOS材料(180)包含改性GOS材料(180)，其中，所述改性GOS材料(180)的部分钆(Gd)被至少一种选自钇(Y)、镧(La)或镥(Lu)的元素替代。

33.根据权利要求32所述的辐射检测器(170)，其中部分钆(Gd)被钇(Y)替代。

34.根据权利要求32或33所述的辐射检测器(170)，其中部分钆(Gd)被镧(La)替代。

35.根据权利要求32、33或34所述的辐射检测器(170)，其中部分钆(Gd)被镥(Lu)替代。

36.根据权利要求31或32所述的辐射检测器(170)，其中所述GOS材料(180)是陶瓷。

37.根据权利要求36所述的辐射检测器(170)，其中所述改性GOS材料(180)是半透明陶瓷。

38.根据权利要求31、32、33、34、35、36或37所述的辐射检测器(170)，其中所述滤光片阻挡波长大于约900nm的光。

39.根据权利要求31或32所述的辐射检测器(170)，其中所述辐射检测器(170)检测x射线。