СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СОСТАВ НА ОСНОВЕ ГРАНАТА Российский патент 2018 года по МПК C30B29/28 C30B28/00 C09K11/62 C09K11/78 C09K11/80 C04B35/01 C04B35/50 C04B35/622 C04B35/64 G01T1/202 G01T1/29 A61B6/03 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к сцинтилляционным составам на основе граната для применения при обнаружении ионизирующего излучения. Изобретение находит особое применение в обнаружении гамма-квантов и может быть использовано в ПЭТ-системах визуализации.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сцинтилляционные составы применяются в детекторах ионизирующего излучения, реагирующих на прием фотонов высокой энергии посредством генерации импульса сцинтилляционного света. Фотон высокой энергии может быть, например, фотоном рентгеновского или гамма излучения, и полученный в результате импульс света обычно содержит множество оптических фотонов, имеющих длины волн в диапазоне от инфракрасной до ультрафиолетовой области спектра. Импульс сцинтилляционного света обычно обнаруживают при помощи оптического детектора, выдающего на выходе электрический импульс, который впоследствии может быть обработан с помощью электронной схемы. Кроме того, состав сцинтиллятора, который оптически соединен с оптическим детектором, упомянутым в настоящем документе в качестве детектора ионизирующего излучения, может быть выполнен с возможностью приема фотонов высокой энергии из системы визуализации, например, ПЭТ- или ОФЭКТ-системы визуализации. В такой системе визуализации принятые фотоны высокой энергии предоставляют данные для последующей реконструкции в изображение, указывающее на события радиоактивного распада в поле сканирования. Ионизирующее детекторы излучения могут также могут быть использованы для обнаружения фотонов высокой энергии, пересекающих поле сканирования КТ-системы визуализации.

Выбор сцинтилляционного состава для использования в таких детекторах ионизирующего излучения подвергается целому ряду ограничений, налагаемых системой визуализации, в которой должен быть использован детектор. ПЭТ-система визуализации может считаться накладывающей самые жесткие ограничения на такие сцинтилляционные составы в связи с необходимостью точного измерения времени приема каждого отдельного гамма-кванта, а также необходимостью определять его энергию. Время приема каждого гамма-кванта имеет большое значение для идентификации совпадающих по времени пар гамма-квантов, которые в случае их обнаружения в пределах узкого интервала времени, интерпретируются как произведенные одним и тем же событием радиоактивного распада, лежащим на линии в пространстве между ее детекторами, называемой линией отклика. Энергия каждого гамма-кванта может быть в дальнейшем использована для подтверждения того, имела или эта пара одновременных фотонов одну и ту же причину появления вдоль линии отклика в результате пар событий радиоактивного распада, в котором один из гамма-квантов претерпел рассеяние, изменившее его энергию. Совпадающие пары гамма-квантов, каждый из которых имеет энергию, находящуюся в пределах заранее заданного узкого диапазона, интерпретируются как результат одного события радиоактивного распада. Энергия каждого гамма-кванта обычно определяется интегрированием импульса света или путем подсчета числа сцинтилляционных фотонов, произведенных каждым гамма-квантом.

Эти требования сами по себе выявляют необходимость сцинтилляционного состава с высоким световым выходом и с коротким временем затухания. Высокий световой выход улучшает отношение сигнал-шум на выходе оптического детектора, а короткое время затухания важно во избежание наложения сигналов. Наложение происходит тогда, когда импульс от некоторого гамма-кванта перекрывается во времени с импульсом сцинтилляционного света от ранее принятого гамма-кванта. Наложение снижает как точность синхронизации гамма-кванта детектором, так и возможность определить энергию каждого гамма-кванта.

Световой выход сцинтилляционного состава, измеренный в единицах фотонов на МэВ, является мерой числа сцинтилляционных фотонов, образующихся в ответ на принятый фотон высокой энергии. Высокий световой выход достигается при использовании сцинтилляционного состава с сильным фотопиком поглощения. Время затухания сцинтилляционного состава условно определяется подбором затухания импульса сцинтилляционного света с помощью двух временных констант. Первичная константа затухания, выраженная в процентах от общего сцинтилляционного света, излученного во время первичного периода затухания, экстраполированного до бесконечности, моделирует начальное затухание, и это сопровождается вторичной константой затухания, которая также выражена в процентах от суммарного сцинтилляционного света, излученного во время вторичного периода затухания, экстраполированного до бесконечности. Таким образом, световой выход и время затухания, включающее его первичные и вторичные составляющие, являются двумя параметрами, которые влияют на чувствительность сцинтилляционного состава.

ПЭТ-система визуализации обычно содержит поле сканирования, вокруг которого располагается множество детекторов ионизирующего излучения, или более конкретно, детекторов гамма-излучения, которые в сочетании со схемой синхронизации выполнены с возможностью фиксировать время приема гамма-квантов. Гамма-кванты могут образовываться вслед за распадом радиоактивного индикатора в поле сканирования. Пары гамма-квантов, обнаруженные в пределах некоторого интервала времени, типично равного +/- 3нс друг от друга, считаются совпадающими и интерпретируются как сгенерированные вдоль линии отклика (ЛО) между двумя ее детекторами гамма излучения. Множество линий отклика в дальнейшем используется как вводные данные для процессора реконструкции, выполняющего алгоритмы реконструкции, чтобы реконструировать изображение, указывающее на распределение радиоактивного индикатора в поле сканирования.

Синхронизация по времени, несомненно, связанная с обнаружением пары гамма-квантов в ПЭТ-системе визуализации, определяется ее временем разрешения совпадений или ВРС. ВРС - это наименьший промежуток времени, в течение которого два гамма-кванта, принятые одновременно разными детекторами гамма-квантов, могут быть с уверенностью обнаружены. Время разрешения совпадений менее +/-3 нс обычно желательно в ПЭТ-системах визуализации для того, чтобы определить их обнаружения до 90 см линии отклика. Это соответствует приблизительно типичному максимальному диаметру отверстия в ПЭТ-системе визуализации. В ПЭТ-системе визуализации, имеющей ВРС менее чем +/- 3 нс, оценка исходного положения пары гамма квантов вдоль линии отклика может быть дополнительно определена на основе точных времен обнаружения двух гамма-квантов. Более короткое ВРС позволяет, чтобы процессор реконструкции в такой системе визуализации реконструировал более точные изображения радиоактивного индикатора в пределах ее поля сканирования. Этот принцип используется во времяпролетных (TOF) ПЭТ-системах визуализации, в которых ВРС менее +/- 3нс является предпочтительным, и в которых ВРС менее +/- 1 нс является даже более предпочтительным. На ВРС ПЭТ-системы визуализации оказывает влияние время затухания сцинтиллятора из-за вероятности рассеяния гамма-кванта в сцинтилляционном составе из-за глубины взаимодействия гамма-квантов в сцинтилляционном составе, из-за геометрии сцинтилляционного состава, из-за точности измерения времени электронной схемы синхронизации. Таким образом, минимизация ВРС служит ключом к решению проблемы улучшения чувствительности ПЭТ-системы визуализации, и это ставит дополнительный акцент на использовании сцинтилляционного состава с коротким временем затухания.

Несколько известных сцинтилляционных составов, пригодных для использования в ПЭТ-системах визуализации раскрыты в публикации “Luminescence: From Theory to Applications”, Wiley-VCH, Darmstadt, 2007, C. Ronda (Ed.). Они включают в себя кристаллы LYSO (лютеция иттрия окси-ортосиликата) и кристаллы LaBr₃. Сообщалось о сцинтилляции в LYSO с выходом 33000 фотонов /МэВ при времени затухания 44 нс. Сообщалось о более высоком световой выходе на LaBr₃ при времени затухания около 25 нс. Монокристаллические составы были исследованы почти исключительно благодаря наилучшему сочетанию мощности торможения, времени затухания и световому выходу, имеющих место в монокристаллических составах.

Совсем недавно стало известно об использовании граната в качестве сцинтилляционного состава, как это было раскрыто в Cerium-Doped (Lu,Gd)₃(Ga,Al)₅O₁₂ Single-Crystal Scintillators”, K. Kamada et al. Cryst. Growth Des., 2011, 11 (10), pp. 4484–4490. Согласно этой публикации, адаптированные результаты которой приведены в таблице на фиг. 1, световой выход от эталонного монокристалла Gd₃Ga₂Al₃O₁₂ состава граната существенно снижается с 45931 фотонов/МэВ до 30627 фотонов/ МэВ, при добавлении лютеция в состав для образования Lu₁Gd₂Ga₂Al₃O₁₂. В таблице на фиг. 1 можно также увидеть снижение светового выхода с 30627 до 18166 фотонов/ МэВ при относительном приращении содержания галлия относительно алюминия. Этот эффект известен в литературе как температурное тушение.

Сцинтилляционные составы на основе граната также хорошо известны из документов US6630077B2, DE102013103783A1, US7252789B2, US6793848B2 и EP463369A1.

Настоящее изобретение стремится преодолеть ограничения известных сцинтилляционных материалов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является предоставление сцинтилляционного состава для использования при обнаружении ионизирующего излучения с улучшенной чувствительностью. Другой задачей настоящего изобретения является предоставление сцинтилляционного состава с уменьшенным временем затухания. Следующей задачей настоящего изобретения является предоставление сцинтилляционного состава с улучшенным световым выходом. Следующей задачей настоящего изобретения является предоставление сцинтилляционного состава с улучшенной тормозной способностью. Следующей задачей настоящего изобретения является предоставление детектора гамма-квантов с улучшенной чувствительностью. Следующей задачей изобретения является предоставление ПЭТ-системы визуализации с улучшенным ВРС.

Эти задачи достигаются с помощью настоящего изобретения, содержащего керамический или поликристаллический состав на основе граната, как заявлено в п. 1 формулы изобретения.

В соответствии с одним аспектом изобретения в составе контролируется диапазон соотношения лютеция к гадолинию.

В соответствии с другим аспектом изобретения в составе контролируется диапазон соотношения галлия к алюминию.

В соответствии с другим аспектом изобретения в составе контролируется диапазон содержания церия. В пределах контролируемого диапазона было обнаружено, что содержание церия обеспечивает баланс между достаточно высоким световым выходом и достаточно коротким временем затухания сцинтилляционного состава для функционирования в качестве чувствительного сцинтиллятора.

В соответствии с другим аспектом изобретения время затухания для состава составляет менее чем или равно 55 нс. Выбранный диапазон параметра y, который влияет на соотношение к лютеция к гадолинию, диапазон параметра x, который влияет на отношение галлия к алюминию, и церий, изменяющийся в определенных пределах в составе, вместе дают возрастание времени затухания меньшее или равное 55 нс и, следовательно, чувствительный сцинтилляционный состав.

В соответствии с другим аспектом изобретения световой выход превышает 30000 фотонов/МэВ. Выбранный диапазон параметра y, который влияет на соотношение лютеция к гадолинию, диапазон параметра x, который влияет на отношение галлия к алюминию, и церий, изменяющийся в определенных пределах в составе, вместе дают выход света, превышающий 30000 фотонов/МэВ, и, следовательно, чувствительный сцинтилляционный состав.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается детектор ионизирующего излучения. Детектор ионизирующего излучения содержит состав на основе граната согласно п. 1 формулы изобретения в оптической связи с оптическим детектором. В одном примере осуществления ионизирующее излучение - это гамма излучение, а детектором ионизирующего излучения является детектор гамма-квантов.

В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрена ПЭТ-система визуализации. ПЭТ-система визуализации содержит множество вышеупомянутых детекторов гамма-квантов. ПЭТ-система визуализации может также являться времяпролетной ПЭТ-системой визуализации.

В соответствии с другим аспектом изобретения ПЭТ-система визуализации или времяпролетная ПЭТ-система визуализации, включающая в себя сцинтилляционный состав на основе граната по п. 1 формулы настоящего изобретения, предусмотрены с ВРС менее 750 нс. Выбранные диапазоны соотношения лютеция к гадолинию, соотношение галлия к алюминию, и выбранный диапазон церия в сцинтилляционном составе на основе граната приводят к сочетанию времени затухания и светового выхода, которые обеспечивают чувствительную систему визуализации изображения с ВРС менее 750 нс.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ для изготовления состава на основе граната.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг. 1 иллюстрирует световой выход, первичную константу затухания и вторичную константу затухания при различных кристаллических составах на основе граната, подобранных из публикации “Composition Engineering in Cerium-Doped (Lu,Gd)₃(Ga,Al)₅O₁₂ Single-Crystal Scintillators”, K. Kamada et al. Cryst. Growth Des., 2011, 11 (10), pp. 4484–4490.

Фиг. 2 иллюстрирует сравнение между керамическим составом на основе граната в соответствии с настоящим изобретением Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂, соответственно, имеющим y=1, и известным из уровня техники монокристаллом граната состава Gd₃Ga₃Al₂O₁₂, соответственно, имеющим y=0.

Фиг. 3А иллюстрирует результаты численного моделирования по методу Монте-Карло влияния различного содержания лютеция на фотопик поглощения различных керамических составов на основе граната.

Фиг. 3В иллюстрирует влияние варьирования содержания лютеция, соответственно, параметра y, на измеренный световой выход при различных керамических составах на основе граната.

На фиг. 4 показано влияние варьирования содержания галлия, соответственно, параметра x, на измеряемый световой выход и первичную константу затухания t₁ в различных керамических составах на основе граната.

Фиг. 5 иллюстрирует влияние варьирования содержания церия на измеренный световой выход и на измеренную первичную константу затухания t₁ в различных керамических составах на основе граната.

Фиг. 6 иллюстрирует влияние варьирования содержания церия на стабильность светового выхода, измеренную при различных составах на основе граната, имеющих различные концентрации церия.

Фиг. 7 иллюстрирует измерения времени разрешения совпадений (ВРС-2) и световой выход (фотонов) при различных концентрациях церия (мол.%) как легирующей примеси.

Фиг. 8 иллюстрирует примерный детектор 1 гамма-квантов, в котором может быть использован сцинтилляционный состав по настоящему изобретению.

Фиг. 9 иллюстрирует примерную ПЭТ-систему визуализации 20 в соответствии с определенными аспектами изобретения.

Фиг. 10 иллюстрирует влияние варьирования содержания церия на стабильность светового выхода, измеренного при различных керамических составах на основе граната, представленных формулой Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂:Ce.

Фиг. 11 иллюстрирует влияние варьирования содержания церия на измеренную первичную константу затухания t₁ и на измеренный световой выход относительно эталонного образца LYSO, и на экстраполированный выход фотонов по отношению к 10-му дню на сроке 10 лет, и на измеренное время разрешения совпадений (ВРС) в различных керамических составах на основе граната, представленных формулой Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂:Ce.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сцинтилляционный состав на основе граната по настоящему изобретению описан со ссылкой на обнаружение гамма-кванта в ПЭТ-системе визуализации. Однако необходимо вместе с тем признать, что изобретение находит свое применение в более широкой области обнаружения ионизирующих излучений, и может быть, например, использовано в КТ- или ОФЭКТ-системах визуализации.

В соответствии с настоящим изобретением предоставлен керамический или поликристаллический состав на основе граната, представленный формулой (Lu_yGd_3-y)(Ga_xAl_5-x)O₁₂:Ce, причем у=1±0,5; где х=3±0,25; и причем Се находится в диапазоне от 0,1 мол.% до 0,7 мол.%. Состав (Lu_yGd_3-у)(Ga_xAl_5-х)O₁₂ обеспечивает базовую структуру, внутри которой примесь церия облегчает излучение света вслед за приемом фотона высокой энергии, такого как гамма-квант. Получение этого состава отчасти является следствием предположения, что чувствительность состава на основе граната может быть улучшена посредством регулирования его тормозной способности. Тормозная способность сцинтилляционного состава определяет его способность поглощать поступающие гамма-кванты в пределах заранее заданной толщины. Более высокая тормозная способность позволяет захватить ту же долю входящих гамма квантов при меньшей толщине сцинтилляционного состава. Тормозная способность состава увеличивается с его атомным номером или числом z. Лютеций с атомным номером 71, поэтому имеет большую тормозную способность, чем гадолиний, который имеет атомный номер 64. В настоящем изобретении параметр y контролирует соотношение лютеция к гадолинию и, следовательно, тормозная способность возрастает вследствие увеличения параметра y.

Фиг. 2 иллюстрирует сравнение между керамическим составом Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂ на основе граната в соответствии с настоящим изобретением, который имеет y=1, и известным из уровня техники монокристаллом граната состава Gd₃Ga₃Al₂O₁₂, который имеет y=0. Относительный световой выход керамического состава на фиг. 2 составляет 82% от состава эталонного монокристалла из известного уровня техники. Кроме того, первичная константа затухания t₁ керамического состава составляет примерно половину от времени затухания монокристаллического состава. Эталонный монокристаллический состав, использованный для получения результатов в таблице на фиг. 2, был получен из FURUKAWA DENSHI Co., Ltd, Marunouchi Nakadori Bldg., Marunouchi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, JAPAN, 100-8370, и его измеренная первичная константа затуханиях t₁ сравнима со значением 90 нс согласно спецификации завода-изготовителя. Кроме того, при проведении испытания в экспериментальной ПЭТ-системе визуализации ВРС керамического состава согласно настоящему изобретению сокращается примерно на 30% по сравнению с ВРС монокристалла граната. Уменьшенное время затухания керамического состава, показанное на фиг. 2, демонстрирует существенное улучшение чувствительности сцинтилляционного состава за счет относительно небольшого, на 18%, ухудшения светового выхода. Сниженное ВРС в керамическом составе по настоящему изобретению по сравнению с таковым для эталонного монокристаллического состава из известного уровня техники, указывает на улучшенные временные характеристики и делает состав по настоящему изобретению особенно подходящим для использования во времяпролетной ПЭТ.

Однако такой результат оказался неожиданным в свете данных, опубликованных в документе “Composition Engineering in Cerium-Doped (Lu,Gd)₃(Ga,Al)₅O₁₂ Single-Crystal Scintillators”, K. Kamada et al, Cryst. Growth Des., 2011, 11 (10), pp. 4484–4490 для составов кристаллического граната. Как можно увидеть со ссылкой на таблицу с фиг. 1, увеличение параметра y, при замене гадолиния лютецием в составе монокристалла граната, имеющем Al₂, значительно ухудшает световой выход от 42217 фотонов/ МэВ в строке 1 до 18166 фотонов/МэВ в строке 5, соответственно до 43% по сравнению с во всем остальном неизменным составом Gd₃Ga₃Al₂O₁₂. Напротив, как описано выше, влияние такого же увеличения параметра y в керамическом составе согласно настоящему изобретению, то есть замена Gd на Lu, заключается в том, что световой выход составляет 82% от монокристалла Gd₃Ga₃Al₂O₁₂ эталонного состава. Выход света в керамическом составе Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂ является, таким образом, приблизительно в два раза больше, чем следовало бы ожидать на основании существующего уровня техники от кристалла состава Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂, и дает значительное улучшение показателей в области сцинтилляционных материалов.

Такой результат является еще более неожиданным ввиду того, что керамические сцинтилляционные материалы считаются более значительно снижающими световой выход по сравнению с их кристаллическими аналогами.

Значимость высокого светового выхода в керамическом составе Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂ заключается в том, что температурное тушение не происходит в одинаковой степени в керамических составах с высоким содержанием галлия по настоящему изобретению, как можно было бы ожидать от состава монокристалла. Это подтверждается короткой постоянной затухания t₁ в керамических составах в таблице на фиг. 2. Температурное тушение снижает как световой выход, так и время затухания и наблюдается в монокристалле из уровня техники в прогрессии от строки 1 к 3 в таблице на фиг.1. В течение этой прогрессии постепенный рост соотношения галлия к алюминию, параметр х, приводит к уменьшению первой константы распада t₁ и уменьшенному световому выходу. Тот факт, что световой выход остается высоким в керамическом составе на фиг.2 свидетельствует о сниженном температурном тушении в этом керамическим составе с высоким содержанием галлия.

Параметр y в сцинтилляционном составе на основе граната влияет на отношение лютеция к гадолинию. Фиг. 3А иллюстрирует результаты численного моделирования по методу Монте-Карло влияния различного содержания лютеция на фотопик поглощения различных керамических составов на основе граната. Фотопик поглощения, выраженный здесь в процентах, это доля исходной энергии в 511 кэВ случайного гамма-кванта, которая вносит свой вклад в фотопик. Высокий процент поглощения на фотопике является желательным, поскольку он допускает дискриминацию случайных гамма-квантов в зависимости от их энергии. Это в свою очередь позволяет отвергать гамма-кванты, которые претерпели энергопоглощающее рассеяние, аспект, который является исключительно важным в процессе присвоения линии отклика (ЛО) парам одновременно регистрируемых гамма-квантов в ПЭТ-системе визуализации. Из фиг.3А видно, что процент поглощения фотопика увеличивается по мере увеличения количества лютеция в составе, таким образом, параметр y увеличивается. Увеличение длины сцинтилляционного элемента также увеличивает фотопик поглощения за счет увеличения объема материала сцинтиллятора.

Фиг. 3В иллюстрирует влияние варьирования содержания лютеция, соответственно, параметра y, на измеренный световой выход при различных керамических составах на основе граната. Из фиг.3В видно, что увеличение количества лютеция в составе, а, следовательно, и параметра y, обладает эффектом снижения светового выхода. Вследствие этого являются предпочтительными низкие значения содержания лютеция, поскольку, в конечном счете, именно световой выход влияет на чувствительность сцинтиллятора.

Вместе, фиг. 3А и 3В являются показательными из диапазона у=1±0,5, где достигаются как высокие фотопики поглощения, так и высокий световой выход. Сужение диапазона до y=1±0,25 приводит к результатам с дополнительно повышенными характеристиками, а сужение диапазона до y=1±0,1, приводит к максимальным характеристикам.

Параметр x в сцинтилляционном составе на основе граната влияет на отношение галлия к алюминию. На фиг. 4 показано влияние варьирования содержания галлия, соответственно, параметра x, на измеряемый световой выход и измеряемую первичную константу затухания t₁ в различных керамических составах на основе граната. Как описано выше, высокий световой выход повышает отношение сигнал-шум на выходе оптического детектора, а короткое время затухания важно для предотвращения наложения сигналов. Как видно из таблицы на фиг.4А с ростом содержания галлия, как световой выход, так и время затухания могут быть снижены, причем время затухания уменьшается гораздо более быстрыми темпами. Отношение светового выхода ко времени затухания также показано в таблице на фиг. 4, и может рассматриваться как качественный параметр, который желательно увеличивать. В целях увеличения соотношения выхода света ко времени затухания, фиг. 4 указывает на использование составов на основе граната, имеющих высокое содержание галлия, и, соответственно, высокое значение x. Однако это преимущество уменьшается, когда световой выход падает до неприемлемо низких уровней. Следовательно, существует ряд диапазонов x=3±0,25, в которых могут быть совместно достигнуты как высокий световой выход, так и короткое время затухания. Сужение диапазона до x=3±0,1 приводит к даже еще более улучшенным характеристикам, а сужение диапазона до x=3±0,01 приводит к наилучшим характеристикам.

Содержание церия, заявляемое в составе сцинтиллятора на основе граната по настоящему изобретению, находится предпочтительно в диапазоне от 0,1 мол.% до 0,7 мол.%. Церий является легирующей примесью, которая поддерживает излучение света от вмещающего граната. Соответственно, для излучения света требуется минимальное содержание церия.

Фиг. 5 иллюстрирует эффект варьирования содержания церия как на измеренный световой, так и на измеренную величину первичной константы затухания при различных керамических составах на основе граната. t₁. На фиг. 5 показано, что увеличение содержания церия от 0,1 мол.% до 0,4 мол.% приводит к незначительному увеличению светового выхода и незначительному увеличению первичной постоянной распада t₁.

Фиг. 6 иллюстрирует влияние варьирования содержания церия на стабильность светового выхода, измеренного при различных составах на основе граната, имеющих различные концентрации церия. На фиг. 6 измерения общего числа оптических фотонов, сгенерированных в сцинтилляционном составе посредством гамма-кванта 511 кэВ, регистрируются для различных составов в различные моменты времени. Начальное число фотонов, генерируемых в каждом составе, показано в первой 100% точке данных на левой стороне графика. Последующие измерения числа фотонов, сгенерированных, соответственно, в этом составе масштабируются до этого начального значения. Сразу после измерения в момент времени Т=0, сигнал сильно затухает в течение промежутка времени около двух часов. Этот эффект послесвечения наблюдается после сильного освещения видимым светом во время монтажа образцов, или после мощного рентгеновского импульса. Последующие измерения указывают на общее число оптических фотонов, сгенерированных в сцинтилляционном составе посредством гамма-кванта 511 кэВ. Кривая, отмеченная Furu на фиг. 6 соответствует эталонному монокристаллическому образцу монокристалла Gd₃Ga₃Al₂O₁₂, результаты которой показаны первой линией на Фигуре 2. Все остальные результаты на фиг. 6 соответствуют керамическому составу на основе граната Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂. Один образец имеет 0,4 мол.% церия, а два других образца каждый имеет по 0,2 мол.% церия, а четвертый образец имеет 0,1 мол.% Се. Из фиг.6 видно, что керамические составы на основе граната, имеющие 0,4 мол.% церия, демонстрируют деградацию по относительному числу фотонов, генерируемых в сцинтилляционном составе посредством гамма-кванта 511 кэВ. Образец с 0,4 мол.% церия проявляет деградацию 1,0% в день, и поэтому является более нестабильным, чем образцы с 0,1-0,2 мол.% церия. Различия в условиях отжига между двумя образцами с 0,2 мол.% церия, причем один был прокален в кислороде, а другой - в азоте, как оказалось, ничтожно мало влияют на измеряемую стабильность, только на короткий срок при эффекте послесвечения. Следовательно, вместе взятые, фиг. 5 и 6 указывают на то, что короткое время затухания и высокий световой выход могут быть достигнуты в стабильном сцинтилляционном составе на основе граната, при содержании церия в диапазоне от 0,1 до 0,2 моль %. Предполагается, что содержание церия в диапазоне 0,1 до 0,3 моль %, дает стабильные результаты.

Фиг. 7 иллюстрирует измерения времени разрешения совпадений (ВРС-2) и светового выхода (фотонов) для различных концентраций церия (мол.%) как легирующей примеси. Низкое ВРС и большой световой выход желательны для оптимизации чувствительности состава на основе граната для использования в ПЭТ-системе визуализации. Из фиг. 7 видно, что высокий световой выход и низкое ВРС может быть достигнуто в сцинтилляционном составе на основе граната, имеющем содержание церия в диапазоне от 0,1 до 0,4 мол.%

Керамический состав по настоящему изобретению выгодно отличается благодаря более простому процессу изготовления, чем монокристаллических составы, тем самым уменьшая стоимость изготовления. Возможность создания керамических материалов с использованием процессов прессования дает дополнительные возможности для изготовления сцинтилляционных составов с заранее заказанными формами и с меньшим количеством отходов по сравнению со способом производства из монокристалла. Кроме того, путем замены некоторых элементов, таких как гадолиний, более дешевым элементом, как лютеций, стоимость состава может быть снижена.

Сцинтилляционные составы по настоящему изобретению были приготовлены по обычной технологии изготовления керамики. Высокочистые сырьевые материалы, 4N или лучше Lu₂O₃, Gd₂O₃, Al₂O₃, Ga₂O₃ и CeO₂ были отвешены и смешаны с водой в сосуде с использованием 2 мм шариков Al₂O₃. После перемешивания суспензия была высушена и гранулирована. Затем образцы прошли стадию сухого прессования. После выгорания связующего образцы спекали при температуре в диапазоне от 1650 до 1750°C в вакуумной печи. Отжиг в кислородсодержащей атмосфере был выполнен после спекания, причем температура 1000-1600°С была найдена подходящей. После шлифовки и полировки отожженные образцы были впоследствии подвергнуты анализу.

Световой выход, который был измерен в вариантах осуществления настоящего изобретения, показанных на фигурах, был определен в соответствии со следующей процедурой: Отполированные образцы были собраны в массив гранатных палочек, покрытых отражающими листами. Этот массив был оптически соединен с массивом кремниевых фотоумножителей (цифровыми счетчиками фотонов Philips) при помощи Карджиль Мелмаунт, с фотоэлектронным умножителем пикселей и гранатных палочек, скрепленных вместе одна с другой. Запечатанный радиоактивный источник Na-22 был поставлен на расстоянии 10 см над массивом гранатных палочек, а другой сцинтилляционный массив на расстоянии 10 см над источником Na-22 так, что измерения на обоих массивах в случае совпадения были возможны. В течение промежутка времени, равного приблизительно пяти минутам после поглощения гамма-кванта 511 кэВ, коэффициент усиления фотонов был многократно измерен и усреднен.

ВРС, которое было измерено в вариантах осуществления настоящего изобретения, показанного на фигурах, определяли с помощью той же измерительной установки. Цифровой счетчик фотонов Philips обеспечивает данные измерений числа подсчитанных фотонов и фиксирует время измерения. Совпадающие события, измеренные на обоих сцинтилляционных палочках на обоих массивах, были оценены с точки зрения времени разрешения совпадений. Статистическое распределение ВРС для всех пар сцинтилляционных палочек было усреднено для получения ВРС для каждого типа гранатовых палочек.

Время затухания, измеренное в вариантах осуществления настоящего изобретения и отображенное на фигурах, определяли в соответствии со следующей процедурой: Одна гранатовая палочка была покрыта светоотражающими листами на пяти гранях и оптически соединена с фотоумножителем при помощи силиконового геля. Радиоактивный источник Na-22 и второй фотоумножитель были размещены так, чтобы сделать возможными измерения при совпадении. Электрические сигналы с фотоумножителей, инициированные гамма-квантами, измеренные на одном из фотоумножителей, считывали при помощи цифрового запоминающего осциллографа (LeCroy). В течение промежутка времени около одного часа сигнал фотоумножителя после поглощения гамма-кванта в 511 кэВ измерялся, сохранялся, очищался от паразитных сигналов, усреднялся и оценивался для определения постоянной времени затухания.

Различные варианты осуществления по настоящему изобретению, описанные здесь, теперь описаны со ссылкой на их примерное применение при обнаружении гамма-кванта и в ПЭТ-системе визуализации.

Фигура 8 иллюстрирует примерный детектор 1 гамма-квантов, в котором может быть использован сцинтилляционный состав по настоящему изобретению. На фиг. 8, детектор 1 гамма-квантов, включающий в себя сцинтилляционный состав 2, и оптический детектор 3 находятся в оптической связи. Оптический детектор может быть, например ФЭУ или твердотельным полупроводниковым оптическим детектором, например, силиконовым лавинным фотодиодом (Si APD) или кремниевым фотоумножителем (SiPM), и функционировать для преобразования оптического излучения в электрические сигналы. Желательно, чтобы чувствительность оптического детектора соответствовала характеристикам диапазона длин волн сцинтилляционного состава. При работе прием гамма-кванта 4 посредством сцинтилляционного состава 2 приводит к генерации сцинтилляционного света 5, содержащего множество фотонов, имеющих частоты, соответствующие характерным диапазонам длин волн сцинтиллятора сцинтилляционного состава 2. Обычно фотоны в сцинтилляционном свете 5 имеют энергии, которые гораздо меньше, чем энергия захваченного гамма-кванта 4 и, таким образом, сцинтилляционный свет может содержать оптических длины волн от ультрафиолетовых через видимые к инфракрасным. Впоследствии часть сцинтилляционного света 5 захватывается оптическим детектором 3, в результате чего появлялся электрический сигнал на выходе 9 оптического детектора, что указывает на захват гамма-кванта 4. Электрический сигнал может затем быть обработан электрической схемой. Гамма-квант 4 может быть одним из пары противоположно направленных гамма-квантов 4, 6. Пара гамма-квантов может быть образована как следствие события аннигиляции, следующего за радиоактивным распадом, при котором радиоактивный распад производит позитрон 7, который затем аннигилируется электроном 8. Источником радиоактивного распада может быть, например, радиоактивный индикатор. Оптические покрытия 10, такие как отражающие слои, могут быть использованы на одной или более гранях сцинтилляционного состава 2, в отличие от тех, которые находятся в оптической связи с оптическим детектором с целью задержки сцинтилляционного излучения 5, так чтобы увеличить долю сцинтилляционного света, захваченного оптическим детектором 3. Интерфейсное покрытие 11 может быть расположено между сцинтилляционным составом 2 и оптическим детектором 3, например, антиотражающее покрытие или покрытие для совпадения показателей преломления, в целях увеличения доли сцинтилляционного света 5, захваченного оптическим детектором 3.

Фигура 9 иллюстрирует примерную ПЭТ-систему визуализации 20 в соответствии с определенными аспектами изобретения. Примерный детектор гамма-квантов на фиг. 8 может быть, например, использован в системе, проиллюстрированной на фиг. 9. На фиг. 9, ПЭТ-система визуализации 20 содержит два или более детектора 1, 21 гамма-квантов, расположенных радиально вокруг оси 22 поля сканирования 23. При таком расположении ось 22 является продольной осью поля сканирования. Каждый из двух или более детекторов гамма-квантов 1, 21 выдает электрические сигналы на их соответствующие выходы 24, 25, оптических детекторов, указывающие на полученные гамма-кванты. Выходы 24, 25 оптического детектора находятся в электрической связи с блоком определения совпадений 26. Блок 26 определения совпадений оценивает совпадение по времени пары гамма-квантов на основе электрических сигналов с выходов 24, 25 оптического детектора. Блок 26 определения совпадений может присвоить метку времени для каждого электрического сигнала 24, 25, соответствующую заранее заданным пороговым условиям, и признать два гамма-кванта совпадающими, если их электрические сигналы или метки времени возникают в пределах узкого интервала времени, обычно +/- 3нс друг от друга. Блок 26 определения совпадений может также анализировать энергию каждого захваченного фотона, например, интегрируя электрический сигнал, и таким образом световой импульс, сгенерированный в сцинтилляционном составе с помощью гамма-кванта, и признавая два фотона совпадающими, если они оба происходят в узком интервале времени, а также имеют энергии в пределах узкого окна энергии, обычно в пределах +/- 10% от пика энергии гамма-кванта. Блок 26 определения совпадений может также вычислить глубину взаимодействия (DOI) гамма-кванта в сцинтилляционном составе на основе, например, пространственного распределения сцинтилляционного света по всему массиву оптических детекторов. DOI может быть использована, чтобы отвергнуть временно совпадающие гамма-кванты, чьи DOI указывают на рассеивание гамма-квантов блока 26. Определение совпадений находится в связи с процессором 27 реконструкции, который выполнен с возможностью построения линии отклика для каждой пары захваченных фотонов, которые признаны совпадающими, и дальнейшего умножения таких линий отклика, с целью реконструкции данных, представляющих изображение, содержащее исходные положения захваченных фотонов, которые признаны совпадающими блоком 26 определения совпадений. Во времяпролетной ПЭТ-системе визуализации, обладающей улучшенной точностью синхронизации, и, таким образом, улучшенным ВРС, точное время обнаружения каждого гамма-кванта может далее быть использовано, чтобы локализовать положение вдоль линии отклика, в котором два гамма-кванта 4, 6 были сгенерированы и, тем самым, улучшить качество реконструированного изображения. Процессор 27 реконструкции, находится в связи с блоком обработки изображения 28, который выполнен с возможностью обработки данных, представляя исходное положение совпадающих фотонов в формате, приемлемом для представления изображения на каком-то устройстве вывода. Блок 28 обработки изображений находится во взаимосвязи с устройством 29 вывода для представления изображения, таким как дисплей, принтер и тому подобное.

При работе часть тела 30 субъекта, подлежащая сканированию 31, такая как часть тела человека или животного, расположена в поле 23 сканирования примерной ПЭТ-системы с фиг. 9. Часть 30 тела может представлять собой такие области, как орган в внутри субъекта, в котором требуется измерить поглощение радиоактивного индикатора. До того как поместить часть 30 тела, подлежащую визуализации, в поле 23 сканирования, субъекту может быть введен радиоактивный индикатор, и определенный период времени накопления может потребоваться до начала получения изображения. В течение обработки изображения два или более детекторов гамма-квантов 1, 21 захватывают гамма-кванты, образовавшиеся в результате случаев радиоактивного распада в пределах поля 23 сканирования, например, от распада радиоактивного индикатора, введенного субъекту. Обычные радиоактивные индикаторы, используемые при ПЭТ визуализации, представляют собой флюдоксиглюказу, FDG, аналог глюкозы, которая помечена фтором-18, и чья энергия распада приводит к образованию пары гамма-квантов, каждый из которых имеет энергию 511 кэВ. После процесса обработки изображений ПЭТ-система визуализации PET создает изображение, указывающее на распределение радиоактивного индикатора в пределах части 30 органа субъекта, подлежащего визуализации 31.

Примерная ПЭТ-система визуализации 20 также может быть расположена коаксиально со второй системой визуализации, такой как КТ- или МРТ-система визуализации, так что может иметь место одновременная или последовательная визуализация в ПЭТ-системе и КТ- или МРТ-системе. ПЭТ и вторая система визуализации могут иметь аксиально разделенные поля сканирования, или общее поле сканирования, из которого визуальные данные, собираются двумя системами визуализации.

Фигура 10 иллюстрирует влияние варьирования содержания церия на стабильность светового выхода, измеренного при различных керамических составах на основе граната, представленных формулой Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂:Ce. Каждый след на фиг. 10 представляет собой световой выход в заданный момент времени, как процент от светового выхода, обеспеченного одним и тем же образцом на 10-е сутки с момента его получения. Горизонтальная ось является осью времени с отметками в днях, представляющей число дней со времени получения пробы. Измерения от 0,05 мол.% Ce в керамическом гранате показаны на фиг. 10, которые демонстрируют, что стабильность высокого светового выхода достигается также при более низких концентрациях церия, чем те, которые были показаны на фигуре 6. Фиг. 11 иллюстрирует влияние варьирования содержания церия на измеренную первичную константу затухания t₁, и на измеренный световой выход относительно эталонного образца LYSO, и на экстраполированный выход фотонов к 10-му дню на сроке 10 лет, и на время разрешения совпадений (ВРС) в различных керамических составах на основе граната с общей формулой Lu₁Gd₂Ga₃Al₂O₁₂:Ce. Экстраполированный коэффициент усиления фотонов относительно 10-го дня по времени = 10 годам записан на фиг. 11, полученной путем экстраполяции измерений с фиг. 10 на время 10 лет и указания значения Y-оси. Фиг. 11 включает в себя измерения от 0,05 мол.% Ce керамического граната и демонстрирует, что короткая первичная константа затухания, высокий световой выход, высокая стабильностью светового выхода, и короткое время разрешения совпадений, все предусмотрены посредством керамического состава на основе граната с 0,05 мол.% Ce.

Взятые вместе, результаты с фиг. 1 - 7, с 10 по 11 указывают на предпочтительное содержания церия в диапазоне 0,05 - 0,7 мол.%, хотя диапазон от 0,01 мол.% до 0,7 мол.%, как ожидается, также будет приемлемым. Сужение диапазона до от 0,01 мол.% до 0,4 мол.%, или от 0,05 мол.% до 0,4 мол.% образует составы с короткой начальной константой распада и улучшенным световым выходом, и улучшенным временем разрешения совпадений. Сужая диапазон далее до от 0,01 мол.% до 0,2 моль %, или от 0,05 моль % до 0,2 моль % дает составы с улучшенной стабильностью светового выхода.

Подводя итоги, в данном документе раскрывается керамический или поликристаллический состав на основе граната, представленный формулой (Lu_yGd_3-y)(Ga_xAl_5-x)O₁₂:Ce, причем у=1±0,5; причем х=3±0,25; и причем Се находится в диапазоне от 0,1 мол.% до 0,7 мол.%. Состав обладает улучшенной чувствительностью, имея в виду, световой выход, время затухания, и его керамическая или поликристаллическая форма выгодно поддается простому производственному процессу по сравнению с монокристаллическими составами. Сцинтилляционный состав находит применение в чувствительном обнаружении ионизирующего излучения и может быть, например, использован в обнаружении гамма квантов в ПЭТ-системе визуализации, в которой снижен ВРС, что выгодно обеспечивает более точные ПЭТ-изображения.

В то время как изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и предшествующем описании, такие иллюстрации и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничительными; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления и может быть использовано для обнаружения ионизирующего излучения в различных областях применения.

Изобретение относится к сцинтилляционному составу на основе граната для применения при обнаружении ионизирующего излучения, который может быть использован для обнаружения гамма-квантов в ПЭТ-визуализации. Керамический или поликристаллический сцинтилляционный состав представлен формулой (Lu_yGd_3-y)(Ga_xAl_5-x)O₁₂:Ce, где у=1±0,5; х=3±0,25; Се находится в диапазоне от 0,1 мол.% до 0,7 мол.%. Состав обладает улучшенной чувствительностью, имея в виду световой выход, уменьшенное время затухания, и его керамическая или поликристаллическая форма выгодно поддается простому производственному процессу по сравнению с монокристаллическими составами. 10 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Керамический или поликристаллический сцинтилляционный состав на основе граната, представленный формулой (Lu_yGd_3-y)(Ga_xAl_5-x)O₁₂:Ce;

причем у=1±0,5;

причем х=3±0,25; и

причем Се находится в диапазоне от 0,01 мол.% до 0,7 мол.%.

2. Сцинтилляционный состав по п. 1, причем Се находится в диапазоне от 0,05 мол.% до 0,7 мол.%.

3. Сцинтилляционный состав по п. 1, причем Се находится в диапазоне от 0,1 мол.% до 0,7 мол.%.

4. Сцинтилляционный состав по п. 1, причем Се находится в диапазоне от 0,05 мол.% до 0,2 мол.%.

5. Сцинтилляционный состав по п. 1, причем Се находится в диапазоне от 0,1 мол.% до 0,2 мол.%.

6. Сцинтилляционный состав по любому из пп. 1-5, имеющий первичный коэффициент затухания менее или равный 55 нс.

7. Сцинтилляционный состав по любому из пп. 1-5, имеющий световой выход, превышающий 30000 фотонов/МэВ.

8. Детектор гамма-квантов (1), содержащий сцинтилляционный состав (2) по любому из пп. 1-7 в оптической связи с оптическим детектором (3).

9. Детектор для обнаружения ионизирующего излучения (1), содержащий сцинтилляционный состав (2) по любому из пп. 1-7 в оптической связи с оптическим детектором (3).

10. ПЭТ-система визуализации (20), имеющая поле сканирования (23) и содержащая множество детекторов гамма-квантов (1, 21) по п. 8;

причем упомянутое множество детекторов гамма-квантов (1, 21) расположено радиально вокруг оси (22) поля сканирования (23) и выполнено с возможностью принимать гамма-кванты (4, 6) из поля сканирования (23).

11. Времяпролетная ПЭТ-система визуализации, содержащая ПЭТ-систему визуализации (20) по п. 10 и

дополнительно включающая в себя схему синхронизации, выполненную с возможностью локализации исходного положения события распада в поле сканирования путем вычисления разности во времени между парами гамма-квантов (4, 6), сгенерированных в результате события распада и которые приняты практически одновременно посредством детекторов (1, 21) гамма-квантов.

12. ПЭТ-система визуализации по п. 10 или 11, имеющая время разрешения совпадений менее 750 нс.

13. Объединенная система визуализации, содержащая систему визуализации по любому из пп. 10-12 и вторую систему визуализации;

при этом вторая система визуализации имеет поле сканирования, которое либо аксиально отделено от оси поля сканирования ПЭТ-системы визуализации, либо совпадает с полем сканирования ПЭТ-системы визуализации.

14. Объединенная система визуализации по п. 13, причем вторая система визуализации является компьютерным томографом, МРТ или ультразвуковой системой визуализации.

15. Способ обнаружения гамма-квантов, содержащий этапы:

прием гамма-кванта с помощью сцинтилляционного состава по любому из пп. 1-7;

обнаружение сцинтилляционного света, сгенерированного сцинтилляционным составом, с помощью оптического детектора в оптической связи со сцинтилляционным составом; и

генерация электрического выходного сигнала из оптического детектора в ответ на принятый гамма-квант.

16. Способ изготовления сцинтилляционного состава по любому из пп. 1-7, содержащий этапы:

обеспечение материалов Lu₂O₃, Gd₂O₃, Al₂O₃, Ga₂O₃ и CeO₂ в пропорциях, подходящих для получения требуемого сцинтилляционного состава;

измельчение материалов с предыдущего этапа в присутствии диспергатора с получением суспензии;

сушка суспензии с образованием гранулированной смеси;

сухое прессование гранулированной смеси с образованием таблетки;

нагрев таблетки;

спекание таблетки в вакуумной печи при температуре в диапазоне от 1650°С до 1750°С;

отжиг таблетки при температуре в диапазоне от 1000°С до 1600°С.

17. Применение сцинтилляционного состава по любому из пп. 1-7 в детекторе гамма-квантов или ПЭТ-системе визуализации.

18. Способ получения ПЭТ-изображения, указывающего на распределение радиоактивного индикатора в пределах поля сканирования, содержащий этапы:

введение радиоактивного индикатора субъекту;

ожидание в течение заранее заданного периода накопления после введения радиоактивного индикатора; и

визуализация по меньшей мере части субъекта с помощью ПЭТ-системы визуализации по любому из пп. 10-12.