КЕРАМИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ КУБИЧЕСКОГО ГРАНАТА ДЛЯ ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ (ПЭТ) Российский патент 2021 года по МПК G01T1/20 

Предпосылки создания изобретения

Область настоящего изобретения по существу относится к сцинтилляционным материалам для использования в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и более конкретно к сцинтилляционным материалам для ПЭТ на основе граната, которые излучают фотоны высокой интенсивности и обеспечивают меньшие производственные затраты.

Системы ПЭТ представляют собой широко используемые системы визуализации, предназначенные для диагностики рака и других областей применения. В ПЭТ неорганические сцинтилляционные кристаллы используют для регистрации γ-лучей, генерируемых при аннигиляции позитронов, излучаемых введенными субъекту индикаторами. Итоговые рабочие характеристики системы визуализации тесно связаны как с физическими, так и со сцинтилляционными свойствами кристаллов. Поэтому необходимы эффективные сцинтилляционные материалы, излучающие фотоны высокой интенсивности и обеспечивающие меньшие производственные затраты.

Краткое описание

В одном аспекте предложен сцинтиллятор для позитронно-эмиссионной томографии. Сцинтиллятор включает в себя соединение граната формулы A₃B₂C₃O₁₂ и активирующий ион, состоящий из церия. А₃ представляет собой A₂X. X состоит из по меньшей мере одного лантаноида. А₂ выбран из группы, состоящей из (i), (ii), (iii) и любой их комбинации, причем (i) состоит из по меньшей мере одного лантаноида, (ii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы I, выбранного из группы, состоящей из Na и K, и (iii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы II, выбранного из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba. В₂ состоит из Ti, Sn, Hf, Zr и любой их комбинации. С₃ состоит из Al, Ga, Li и любой их комбинации. Соединение граната легировано активирующим ионом.

В другом аспекте предложено соединение. Соединение включает в себя соединение граната формулы A₃B₂C₃O₁₂ и активирующий ион, состоящий из церия. А₃ представляет собой A₂X. X состоит из по меньшей мере одного лантаноида. А₂ выбран из группы, состоящей из (i), (ii), (iii) и любой их комбинации, причем (i) состоит из по меньшей мере одного лантаноида, (ii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы I, выбранного из группы, состоящей из Na и K, и (iii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы II, выбранного из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba. В₂ состоит из Sn, Ti, Hf, Zr и любой их комбинации. С₃ состоит из Al, Ga, Li и любой их комбинации. Соединение граната легировано активирующим ионом.

Графические материалы

На фиг. 1 представлен спектр излучения примера соединения.

На фиг. 2 представлена блок-схема ПЭТ системы визуализации, которая может быть реализована с использованием примера соединения.

Подробное описание

В настоящем документе описаны примеры осуществления соединений, используемых в качестве сцинтилляционных материалов для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Описанные в настоящем документе сцинтилляционные материалы основаны на гранате и выполнены с возможностью излучения фотонов высокой интенсивности. Спектр излучения сцинтилляционных материалов соответствует длине волны максимальной чувствительности фотоумножителя, что повышает эффективность ПЭТ системы визуализации, реализованной с использованием этих сцинтилляционных материалов. Дополнительно снижаются затраты на производство сцинтилляционных материалов по сравнению с по меньшей мере некоторыми известными сцинтилляционными материалами. Кроме того, для дополнительного увеличения интенсивности сигнала сцинтилляционные материалы, описанные в настоящем документе, могут быть легированы большим количеством активирующего иона.

Сцинтиллятор представляет собой материал, способный поглощать ионизирующее излучение, такое как рентгеновские или γ-лучи, и преобразовывать часть поглощенной энергии в видимые или ультрафиолетовые фотоны. Процесс преобразования обычно происходит в течение периода времени, измеряемого в наносекундах или микросекундах, таким образом, генерируя быстрый импульс фотонов, соответствующий каждому γ- или рентгеновскому излучению, которое взаимодействует со сцинтилляционным материалом. Световой импульс, интенсивность которого обычно пропорциональна энергии, накопленной в сцинтилляторе, воспринимается фотодетектором и преобразуется в электрический сигнал.

Сцинтилляторы могут быть жидкими или твердыми, органическими или неорганическими и кристаллическими или некристаллическими. Органические жидкие и пластиковые сцинтилляторы часто используют для обнаружения β-частиц и быстрых нейтронов. Для обнаружения рентгеновских и γ-лучей, таких как 511-килоэлектронвольтные (кЭв) γ-лучи, используемые в ПЭТ, часто применяют неорганические монокристаллические сцинтилляторы из-за их по существу более высокой плотности и атомного числа, что по существу приводит к повышению эффективности обнаружения.

Типичным сцинтиллятором является прозрачный монокристалл, в котором валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной величиной в 5 эВ или более. В кристалле, не содержащем дефектов или примесей, в этой запрещенной зоне не будет электронных энергетических уровней. Однако сцинтилляторы легированы активирующим ионом, который обеспечивает энергетические уровни в этой запрещенной зоне. После поглощения энергии γ-лучей массивным кристаллом часть энергии локализуется на активирующих ионах. Релаксация активирующих ионов приводит к излучению сцинтилляционных фотонов, как правило, с энергией около 3 эВ, что соответствует видимому синему свету.

Одним из широко применяемых сцинтилляционных материалов является германат висмута (Bi₄Ge₃O₁₂ или BGO) в связи с его намного более высокой эффективностью в отношении обнаружения γ-лучей по сравнению с легированным таллием йодидом натрия (NaI[Tl]), который использовали в первые годы после появления ПЭТ. Другим широко применяемым материалом является монокристаллический легированный церием оксиортосиликат лютеция (Lu₂SiO₅[Ce] или LSO), который обеспечивает намного более высокую общую эффективность, чем BGO. Тем не менее один из недостатков материала LSO заключается в том, что способ производства монокристаллических сцинтилляторов на основе LSO является дорогостоящим, поскольку для него требуются высокие температуры (например, 2000°C) и иридиевые тигли. Таким образом, существует потребность в сцинтилляционных материалах относительно низкой стоимости с улучшенными или сопоставимыми характеристиками.

Описанные в настоящем документе сцинтилляционные материалы основаны на гранате. В примере осуществления они имеют формулу A₃B₂C₃O₁₂, где А₃ представляет собой A₂X, а X состоит из по меньшей мере одного лантаноида. Лантаноиды представляют собой химические элементы, включающие в себя 15 химических элементов с металлическими свойствами, имеющих атомные номера от 57 до 71, от лантана (La) до лютеция (Lu). Лантаноиды подходят для использования в качестве сцинтилляционного материала для ПЭТ из-за их высоких атомных чисел. В примере осуществления А₂ выбран из группы, состоящей из (i), (ii), (iii) и любой их комбинации, причем: (i) состоит из по меньшей мере одного лантаноида, (ii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы I, выбранного из группы, состоящей из Na и K, и (iii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы II, выбранного из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba. В примере осуществления В₂ состоит из Sn, Ti, Hf, Zr и любой их комбинации, а С₃ состоит из Al, Ga, Li и любой их комбинации. Сцинтилляционные материалы, описанные в настоящем документе, включают в себя данное соединение граната, легированное активирующим ионом, таким как церий. Церий может быть окислен до трехвалентного состояния (Ce³⁺).

В одном примере осуществления X представляет собой Lu. В некоторых вариантах осуществления сцинтилляционный материал включает в себя соединение, имеющее формулу A₂LuB₂C₃O₁₂, где А₂ состоит из Ca, Sr, Ba и любой их комбинации. Например, один из сцинтилляционных материалов может представлять собой гранатоподобное соединение, представленное формулой Ca₂LuHf₂Al₃O₁₂. В некоторых вариантах осуществления сцинтилляционный материал включает в себя соединение, представленное формулой Lu₃B₂C₃O₁₂. Другим примером сцинтилляционного материала является гранатоподобное соединение, представленное формулой Lu₃Hf₂LiAl₂O₁₂. В некоторых вариантах осуществления сцинтилляционный материал включает в себя соединение, представленное формулой ALu₂B₂C₃O₁₂, где A состоит из Na и K. В другом примере сцинтилляционный материал представляет собой гранатоподобное соединение, представленное формулой NaLu₂Hf₂Al₃O₁₂.

В примере осуществления сцинтилляционный материал на основе граната образует кубическую кристаллическую структуру. Благодаря такой кубической структуре композиции могут быть изготовлены в виде прозрачных керамических сцинтилляторов с помощью способа горячей изостатической обработки (HIP). Способ HIP по существу является менее дорогостоящим, чем способ, используемый при производстве монокристаллоподобного LSO, поскольку для него не требуется настолько высокая температура или дорогостоящие иридиевые тигли. В некоторых вариантах осуществления для выяснения того, был ли в ходе производственного процесса образован требуемый кристалл, используют рентгеновскую дифракцию (XRD).

Вместо монокристалла, образующегося из сцинтилляционного материала на основе LSO, сцинтилляционный материал на основе граната, описанный в настоящем документе, образует керамику, которая представляет собой поликристаллический материал. По сравнению с монокристаллическим сцинтиллятором керамический сцинтиллятор позволяет получать более равномерный коэффициент распределения легирующего агента, такого как церий, и, таким образом, обеспечивает лучшее энергетическое разрешение детекторов. Кроме того, благодаря этому свойству в соединение граната может быть добавлено больше легирующего агента, такого как активирующие ионы, что дополнительно повышает интенсивность излучаемых фотонов. Для монокристаллического сцинтиллятора на основе LSO предел легирования соединения LSO для ПЭТ-сканеров может составлять от 1 мол.% до 2 мол.% церия. Для сравнения предел легирования соединения граната может составлять от 0,5 мол.% до 10 мол.% церия. В некоторых вариантах осуществления соединение граната легировано от 2 мол.% до 3 мол.% церия.

В ПЭТ-сканерах излучаемые фотоны сцинтилляционных кристаллов преобразуются в электрические сигналы фотоумножительными трубками (PMT) или кремниевыми фотоумножителями (SiPM). Для получения наибольшего сигнала сцинтилляционное излучение должно быть относительно интенсивным, а длина волны излучения должна соответствовать длине волны максимальной чувствительности фотоумножителя. Поскольку PMT и SiPM можно настраивать так, чтобы максимальная чувствительность находилась в диапазоне длин волн от 300 нанометров (нм) до 600 нм, преимуществом было бы, если бы сцинтиллятор имел максимум излучения в пределах этого диапазона длин волн.

На фиг. 1 показан спектр излучения примера соединения в виде зависимости интенсивности излучения (в произвольных единицах на фиг. 1) от длины волны. Это конкретное соединение представляет собой Ca₂LuHf₂Al₃O₁₂. Как показано на фиг. 1, пики спектра наблюдаются при приблизительно 500 нм, то есть в пределах диапазона длин волн от 300 нм до 600 нм.

Интенсивность сцинтилляционного излучения сильно влияет на число кристаллических элементов, которые могут быть соединены с одним фотодатчиком или, иными словами, на отношение сцинтилляционных элементов к электронным каналам. Чем сильнее сцинтилляционное излучение сцинтилляционного материала, тем меньше требуется электронных каналов для достижения желаемого соотношения сигнал/шум. Уменьшение числа электронных каналов может привести к значительному сокращению затрат. Благодаря наличию фотонов высокой интенсивности, излучаемых сцинтилляционными материалами, описанными в настоящем документе, может быть использовано меньшее количество каналов электронных устройств считывания. Кроме того, сцинтиллятор более высокой интенсивности улучшает временное разрешение ПЭТ-детекторов, что значительно повышает качество изображения и может быть использовано для уменьшения вводимой дозы или времени сканирования.

Также, как правило, желательно, чтобы сцинтилляционные материалы имели высокую плотность, что приводит к повышению эффективности обнаружения. Соединения, описанные в настоящем документе, имеют плотность, сопоставимую с плотностью сцинтилляционных материалов на основе LSO. Соединения Ca₂LuHf₂Al₃O₁₂ и Lu₃Hf₂LiAl₂O₁₂ имеют расчетную плотность от 5,9 грамма на кубический сантиметр (г/см³) до 6 г/см³. Кроме того, соединение NaLu₂Hf₂Al₃O₁₂ имеет расчетную плотность 7 г/см³. Все расчетные значения плотности, приведенные выше, сопоставимы с таковой у сцинтилляционного материала на основе LSO, имеющего плотность 7,4 г/см³_.

На фиг. 2 представлена блок-схема примера ПЭТ системы 100 визуализации. Система 100 включает в себя сцинтиллятор 102, PMT 104, блок 106 управления, блок 108 обнаружения и приема сигнала и блок 110 обработки сигнала и изображения. Сцинтиллятор 102 включает в себя сцинтилляционные материалы, которые преобразуют γ-лучи, излучаемые субъектом, в фотоны, такие как сцинтилляционные материалы, описанные в настоящем документе. PMT 104 преобразуют фотоны в электрические сигналы, которые блок 108 обнаружения и приема сигнала затем принимает, обрабатывает и преобразует в цифровые сигналы. Изображения субъекта генерируются на основании выводимых цифровых сигналов с использованием блока 110 обработки сигнала и изображения. Блок 106 управления управляет работой системы 100.

По меньшей мере один технический эффект описанных в настоящем документе соединений, систем и способов включает в себя (a) повышение интенсивности сигнала в ПЭТ-детекторе, (b) повышение эффективности ПЭТ системы, (c) снижение производственных затрат, связанных со сцинтилляционными материалами для ПЭТ, и (d) обеспечение возможности добавления больших количеств легирующего агента, такого как активирующие ионы, в сцинтилляционные материалы.

В свете вышеизложенного будет очевидно, что достигнуто несколько преимуществ настоящего описания, а также получены другие благоприятные результаты. Поскольку в вышеописанные способы и композиты можно вносить различные изменения без отступления от объема настоящего описания, предполагается, что все сведения, содержащиеся в приведенном выше описании и показанные на сопроводительных чертежах, будут интерпретированы как иллюстративные и не имеющие ограничительного характера.

В настоящем письменном описании используются примеры для раскрытия изобретения, в том числе наилучшего варианта осуществления, а также для того, чтобы любой специалист в данной области мог реализовать изобретение на практике, включая изготовление и применение любых соединений, устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Патентуемый объем изобретения определяется пунктами формулы изобретения и может включать в себя другие примеры, очевидные специалистам в данной области. Такие другие примеры подразумеваются как входящие в рамки объема пунктов формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от буквально описанных в пунктах формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквально описанных в пунктах формулы изобретения.

При представлении элементов настоящего изобретения или различных его версий, вариантов осуществления или аспектов формы единственного и множественного числа и слово «указанный» предназначены для обозначения того, что существует один или более элементов. Следует также отметить, что термины «содержащий», «включающий в себя», «имеющий» или «вмещающий» должны рассматриваться как открытые и подразумевают возможность включения дополнительных элементов или стадий.

Изобретение по существу относится к сцинтилляционным материалам для использования в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Сцинтиллятор для позитронно-эмиссионной томографии включает в себя соединение граната формулы A₃B₂C₃O₁₂ и активирующий ион, состоящий из церия. А₃, представляет собой A₂X. X состоит из по меньшей мере одного лантаноида. А₂ выбран из группы, состоящей из (i), (ii), (iii) и любой их комбинации, причем (i) состоит из по меньшей мере одного лантаноида, (ii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы I, выбранного из группы, состоящей из Na и K, и (iii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы II, выбранного из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba. В₂ состоит из Sn, Ti, Hf, Zr и любой их комбинации. С₃ состоит из Al, Ga, Li и любой их комбинации. Соединение граната легировано активирующим ионом. Технический результат – повышение эффективности ПЭТ системы визуализации. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сцинтиллятор (102) для позитронно-эмиссионной томографии (100), содержащий:

соединение граната формулы A₃B₂C₃O₁₂,

где A₃ представляет собой A₂X,

причем X состоит из по меньшей мере одного лантаноида,

причем А₂ выбран из группы, состоящей из (i), (ii), (iii) и любой их комбинации,

причем (i) состоит из по меньшей мере одного лантаноида,

причем (ii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы I, выбранного из группы, состоящей из Na и K; и

при этом (iii) состоит из по меньшей мере одного элемента группы II, выбранного из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba,

где В₂ состоит из Sn, Ti, Hf, Zr и любой их комбинации, и

где С₃ состоит из Al, Ga, Li и любой их комбинации; и

активирующий ион, состоящий из церия, причем соединение граната легировано указанным активирующим ионом.

2. Сцинтиллятор (102) по п. 1, в котором X представляет собой Lu.

3. Сцинтиллятор (102) по п. 2, в котором А₃ представляет собой A₂Lu, причем указанное соединение граната имеет формулу A₂LuB₂C₃O₁₂, и при этом А₂ состоит из Ca, Sr, Ba и любой их комбинации.

4. Сцинтиллятор (102) по п. 3, в котором указанное соединение граната имеет формулу Ca₂LuHf₂Al₃O₁₂.

5. Сцинтиллятор (102) по п. 2, в котором указанное соединение граната имеет формулу Lu₃B₂C₃O₁₂.

6. Сцинтиллятор (102) по п. 5, в котором указанное соединение граната имеет формулу Lu₃Hf₂LiAl₂O₁₂.

7. Сцинтиллятор (102) по п. 2, в котором А₃ представляет собой ALu₂, причем указанное соединение граната имеет формулу ALu₂B₂C₃O₁₂, и при этом A состоит из Na и K.

8. Сцинтиллятор (102) по п. 7, в котором указанное соединение граната имеет формулу NaLu₂Hf₂Al₃O₁₂.

9. Сцинтиллятор (102) по п. 1, в котором указанное соединение граната легировано от приблизительно 0,5 мол.% до приблизительно 10 мол.% церия.

10. Сцинтиллятор (102) по п. 1, причем указанный сцинтиллятор является керамическим.