JP2004023654A - 放射線撮像装置及び放射線撮像方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】透視撮影を行なうに際して、動画撮影及び静止画撮影の双方を同一の装置で選択的に可能とし、且つＩ．Ｉ．に比して小型・軽量であり、フィルムに相当する静止画の画質性能を有する放射線撮像装置及び方法を提供する。
【解決手段】マトリクス状に配列された光電変換素子Ｓ１−１〜Ｓ３−３を有し、読み出し回路１０７は、アナログマルチプレクサの前段にゲインが可変とされたアンプＡ１〜Ａ３を、後段に直列変換された信号を出力するバッファアンプ１０４を備え、動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定する。
【選択図】 図２
【解決手段】マトリクス状に配列された光電変換素子Ｓ１−１〜Ｓ３−３を有し、読み出し回路１０７は、アナログマルチプレクサの前段にゲインが可変とされたアンプＡ１〜Ａ３を、後段に直列変換された信号を出力するバッファアンプ１０４を備え、動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線撮像装置及び方法に関し、特に、病院内での診断に用いられる放射線検出システムや、工業用の非破壊検査装置としても用いられる放射線撮像装置を対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
現在、医療におけるＸ線の静止画撮影系は、患者にＸ線を照射し、その透過Ｘ線像をフィルムに露光するフィルム方式が主流になっている。フィルムには、情報を表示、記録する機能を有し、大面積化でき、階調性が高く、しかも軽量で取り扱いが容易であるため、世界中に普及している。反面、現像工程を要する煩雑さ、長期にわたる保管場所の問題、検索に人手と時間を要する問題点を残している。
【０００３】
一方、動画像の撮影系は、イメージ・インテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）が主流となっている。Ｉ．Ｉ．は装置内部で光電子増倍作用を利用いるため、一般に感度が高く、被曝線量の観点で優れている。反面、光学系の影響による周辺画像の歪み、低コントラスト、装置が大きいといった短所が指摘されている。Ｉ．Ｉ．は患者の透視画像を医師がモニターするだけでなく、ＣＣＤのアナログ出力をディジタル変換して、記録、表示、保管することも可能である。しかし、診断には高い階調性が求められるため、透視画像にＩ．Ｉ．を用いても、静止画撮影においては、フィルムを用いている例が多い。
【０００４】
最近、病院内でのＸ線画像のディジタル化の要求が高まりつつあり、フィルムの替わりに、固体撮像素子を２次元アレー状に配置させたＸ線検出素子を用い、Ｘ線量を電気信号に変換するＸ線撮像装置が使われ初めている。これは、Ｘ線画像をディジタル情報に置き換えることができるため、画像情報を遠方に、しかも瞬時に伝送することが可能になるため、遠方にいながら都心の大学病院に匹敵する高度な診断が受けられる長所がある。フィルムを用いなければ、病院内でフィルムの保管スペースが省ける長所もある。将来では、優れた画像処理技術を導入できれば、放射線医師を介さず、コンピュータを用いた自動診断化の可能性が大いに期待されている。
【０００５】
そして、近年、固体撮像素子にアモルファスシリコン薄膜半導体を用い、静止画像を撮影できる放射線撮像装置が実用化された。アモルファスシリコン薄膜半導体の作製技術を用い、人体胸部の大きさをカバーする４０ｃｍ角を超える大面積化が実現されている。その作製プロセスが比較的容易であるため、将来的には安価な検出装置の提供が期待されている。しかもアモルファスシリコンは１ｍｍ以下の薄いガラスに作製可能であるため、ディテクタとしての厚さを非常に薄く作製できる長所がある。
【０００６】
具体的に、固体撮像素子にアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の読み出し用回路の内部構成を図５に示す。
図５において、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３はＭ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３はＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、１０３は、Ｓｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、１０４は直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【０００７】
図６は図５の読み出し用回路を備えたＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。
まず、光電変換期間（Ｘ線照射期間）について説明する。
ＴＦＴは全てオフ状態において、光源（Ｘ線）がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子に光が照射され、光の量に対応した信号電荷が素子容量に蓄積される。Ｘ線可視変換用の蛍光体を用いていれば、Ｘ線の量に対応した可視光を光電変換素子側に導光するような部材を用いるか、蛍光体を光電変換素子の極近傍に配置すればよい。なお、光源がオフした後でも素子容量に光電変換された信号電荷は保持される。
【０００８】
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、Ｓ１−１〜Ｓ１−３の１行目、次にＳ２−１〜Ｓ２−３の２行目、次にＳ３−１〜Ｓ３−３の３行目の順で行われる。まず、Ｓ１−１〜Ｓ１−３の１行目を読み出しするためにスイッチ素子（ＴＦＴ）Ｔ１−１〜Ｔ１−３のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。これにより、Ｔ１−１〜Ｔ１−３がオン状態になり、Ｓ１−１〜Ｓ１−３に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。Ｍ１〜Ｍ３の信号配線には、読み出し容量ＣＭ１〜ＣＭ３（図１参照）が付加されており、信号電荷はＴＦＴを介し、読み出し容量ＣＭ１〜ＣＭ３に転送されることになる。例えば信号配線Ｍ１の付加されている読み出し容量ＣＭ１は、Ｍ１に接続されているＴ１−１〜Ｔ３−１（図１参照）のゲート−ソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）である。Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。
【０００９】
容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＳＭＰＬ信号をオフするとともにホールドされる。次にシフトレジスタ１０３からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプ１０４から出力される。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のアナログ信号出力が１０４のアンプから出力されることから、シフトレジスタ１０３とスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３を含めてアナログマルチプレクサと称する。結果としてＳ１−１、Ｓ１−２、Ｓ１−３の１行分の光電変換信号がアナログマルチプレクサにより順次出力されることになる。Ｓ２−１〜Ｓ２−３の２行目の読み出し動作、Ｓ３−１〜Ｓ３−３の３行目の読み出し動作も同様に行われる。
【００１０】
１行目のＳＭＰＬ信号によりＭ１〜Ｍ３の信号をＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、Ｍ１〜Ｍ３をＣＲＥＳ信号によりＧＮＤ電位にリセットしその後Ｇ２のゲートパルスを印加することができる。すなわち１行目の信号をＳＲ２により直列変換動作をする間に、同時に光電変換素子Ｓ２−１〜Ｓ２−３の２行目の信号電荷をＳＲ１により転送することができる。
以上の動作により、第１行から第３行全ての光電変換素子の信号電荷を出力することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
Ｉ．Ｉ．を動画撮影として用いる場合、アモルファスシリコンを用いた放射線撮像装置に比べ、感度が高いという長所を有するが、周辺画像の歪みや、低コントラスト、などの課題を有し、静止画像を取得する場合には、撮影直前にフィルムを挿入する機構を入れるなど、装置が大型する課題も有している。
【００１２】
一方、アモルファスシリコン薄膜半導体を導入した放射線撮像装置は、現在実用化されており、静止画像としての画質性能は、従来のフィルムと比較した場合、フィルム同等、もしくはそれより高い評価を得ている。しかしながら、透視目的での動画撮影への実用化はされていない。その理由の一つは、動画撮影では患者への被曝線量が増大するために、動画撮影期間のＸ線量をできるだけ少なくしなければならず、そのため信号量が低くＳ／Ｎが悪いことが上げられる。また、動画撮影では、そのスキャンスピード（フレームレート）を静止画撮影よりも大きく（速く）しなければならない場合が多く、その場合には撮像装置の周波数帯域を広くしなければならない。このことは、特に固体撮像装置の読み出し系内で発生するショット雑音やジョンソン雑音といったいわゆる白色雑音を増大させ、動画撮影の場合のＳ／Ｎが悪くなるという問題がある。
【００１３】
図５では、入力本数が３本、出力本数が１本であり、アナログマルチプレクサ１０３（Ｓｒ１〜Ｓｒ３）により並列信号を直列信号に変換される。通常Ａ１やＢ１のアンプは、１ライン分の動作時間内で光電変換回路からの信号を増幅できる周波数帯域に設定される。必要以上に広帯域化することは、アンプ内で発生するジョンソンノイズ（熱雑音）を増大させることになるため好ましくない。一方、アナログマルチプレクサより後段のアンプ、マルチプレクサ（１０３、Ｓｒ１〜Ｓｒ３）でアナログ信号を直列変換しなければならないため、Ａ１やＡ３のアンプの周波数帯域より、周波数帯域を広く設定しなければならない。
【００１４】
一般に、ジョンソンノイズ（Ｖｒｍｓ）は、
Ｖｒｍｓ＝（４ＫＴＲＢ）１／２
で表される。
ここで、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｒは抵抗値、Ｂが周波数帯域である。Ｂ１／２を乗算しない（４ＫＴＲ）１／２をノイズ密度と称する。
【００１５】
オペアンプは、アンプを構成する初段のトランジスタのオン抵抗や、図５では図示していないが、入力抵抗、フィードバック抵抗など、構成する全ての部品からジョンソンノイズを発生し、これらは各々周波数帯域の平方根に比例する。
【００１６】
例えば図５において、１０４のアンプは３画素分直列変換されるため、Ａ１のアンプよりも少なくとも３倍の周波数帯域を必要とする。このことは、Ａ１のアンプのノイズ密度と１０４のアンプのノイズ密度が等しい場合、結果として１０４のアンプでのノイズ量（実効値）が大きくなることを意味する。
【００１７】
病院において使用する胸部Ｘ線撮影の場合、人体の胸部を撮影しなければならないため、４０ｃｍ×４０ｃｍ以上の面積を有する受光領域が必要といわれている。また、その場合の画素ピッチは、大きくても２００μｍピッチ、できればそれ以下が望ましい。例えば、４０ｃｍ×４０ｃｍを２００μｍピッチで作製した場合、画素数としては２０００画素×２０００画素＝４００００００画素が必要となる。つまり、図５の読み出し回路における入力本数としては、２０００画素になる。
【００１８】
４０ｃｍで２０００本の入力配線を１個の読み出し回路で作製することは現実的ではなく、通常、複数個の読み出し回路に分割した設計がなされる。例えば、１０個の読み出し回路（ＩＣ）に分割した場合、入力数が２００本で出力数が１本になり、このあたりが現実的であるといえる。この場合、１０４アンプはＡ１アンプの２００倍の周波数帯域を必要とし、仮定として１０４のアンプとＡ１のアンプが同じノイズ密度を有するならば、ノイズの実効値としては１０４の方が２００１／２倍≒１４倍のノイズ量になる。
【００１９】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、透視撮影を行なうに際して、動画撮影及び静止画撮影の双方を同一の装置で選択的に可能とし、かつＩ．Ｉ．に比して小型・軽量であり、フィルムに相当する静止画の画質性能を有する放射線撮像装置及び方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の放射線撮像装置は、放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列された放射線検出手段と、前記放射線検出手段を駆動制御する駆動手段と、前記放射線検出手段からの電気信号を読み出すための読み出し手段とを含み、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされており、前記読み出し手段は、ゲインが可変とされた可変増幅手段と、前記増幅手段のゲインを制御する制御手段とを備え、前記制御手段による前記可変増幅手段のゲイン制御により、前記動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を前記静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定する。
【００２１】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記読み出し手段は、前記放射線検出手段からの並列信号を直列信号として出力するマルチプレクサを備え、前記可変増幅手段が前記マルチプレクサよりも前段に設けられている。
【００２２】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、静止画を撮影するに際して、予め前記動画撮影モードにおいて設定されたゲイン（Ｇｆ）により動画像を取得しておき、静止画撮影を要求する信号に応じて、静止画撮影モードのゲイン（Ｇｓ）に切り替えて静止画像を取得する。
【００２３】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記マルチプレクサよりも後段に、ゲインが固定されている固定増幅手段を有する。
【００２４】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有する。
【００２５】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記波長変換体は、Ｇｂ２Ｏ３、Ｇｂ２Ｏ２Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成されている。
【００２６】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されている。
【００２７】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子はスイッチ素子を有する。
【００２８】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子は、放射線を吸収して前記波長変換体を介さず直接的に電気信号に変換する機能を有し、その主材料がアモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種である
【００２９】
本発明の放射線撮像方法は、放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列されてなり、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされた放射線撮像装置を用い、ゲインを可変とし、当該ゲイン制御により、前記動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を前記静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定する。
【００３０】
本発明の放射線撮像方法の一態様では、静止画を撮影するに際して、予め前記動画撮影モードにおいて設定されたゲイン（Ｇｆ）により動画像を取得しておき、静止画撮影を要求する信号に応じて、静止画撮影モードのゲイン（Ｇｓ）に切り替えて静止画像を取得する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態によるアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の概略構成であり、可視光を捕らえ電気信号に変換する光電変換素子を用いたＸ線撮像装置の平面的回路図である。このＸ線撮像装置では、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされている。図１には、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体は図示していない。なお、本実施形態ではＸ線撮像を例示するが、本発明はこれに限定されることなく、α線、β線、γ線なども放射線の範疇に含むものとして説明する。
【００３２】
図１において、Ｓ１−１〜Ｓ３−３はマトリクス状に配列された光電変換素子、Ｔ１−１〜Ｔ３−３はスイッチ素子（ＴＦＴ）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン／オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線である。光電変換素子はフォトダイオードと容量を並列接続で表記しており、逆方向バイアスが印加される。すなわち、フォトダイオ−ドのカソ−ド電極側は＋（プラス）にバイアスされる。バイアス配線は通常共通の配線であるが、図１中では共通の配線としては省略している。光電変換された電荷は容量に蓄積される。Ｓ１−１〜Ｓ３−３、Ｔ１−１〜Ｔ３−３、Ｇ１〜Ｇ３、Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ線、これらを総じて放射線検出回路または光電変換回路と称する。１０２はゲート配線Ｇ１〜Ｇ３にパルスを印加し、光電変換素子Ｓ１−１〜Ｓ３−３を駆動制御するシフトレジスタ、１０７は光電変換回路部１０１内のＭ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力するための読み出し用回路である。
【００３３】
各光電変換素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有しており、波長変換体は、Ｇｂ２Ｏ３、Ｇｂ２Ｏ２Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成され、光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されている。また、各光電変換素子を、放射線を吸収して前記波長変換体を介さず直接的に電気信号に変換する機能を有するように構成し、その主たる材料として、アモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種としてもよい。なお、ここでは記載の便宜上、３×３画素分の光電変換素子を例示したが、実際の構成では更に多数の光電変換素子が配列される。
【００３４】
図２は、本実施形態の主要構成をなす図１の読み出し用回路１０７の内部構造を示す回路図である。
図２において、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３は読み出し回路に接続される入力配線Ｍ１〜Ｍ３をリセットするスイッチである。Ａ１〜Ａ３はＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホ−ルド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、１０３はスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタであり、スイッチＳｒ１〜Ｓｒ３とシフトレジスタ１０３からアナログマルチプレクサが構成される。１０４は直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【００３５】
図３は、図１の読み出し用回路１０７の構成を単純化した回路モデルであり、アナログマルチプレクサを省略した回路図である。
アナログマルチプレクサより前段のアンプＡＭＰ１の入力換算ノイズ密度をＮｆ（Ｖ／Ｈｚ１／２）、周波数帯域をＢｆ（Ｈｚ）、ゲインをＧｆ（倍）とし、マルチプレクサより後段のアンプＡＭＰ２の入力換算ノイズ密度をＮｂ（Ｖ／Ｈｚ１／２）、周波数帯域をＢｂ（Ｈｚ）、ゲインをＧｂ（倍）とすると、前段のアンプでのノイズ量Ｖｆ（Ｖｒｍｓ）、後段でのアンプのノイズ量Ｖｂ（Ｖｒｍｓ）は、それぞれ、
Ｖｆ＝Ｇｆ・（Ｎｆ２・Ｂｆ）１／２＝Ｇｆ・Ｎ１ （Ｖｒｍｓ）
Ｖｂ＝Ｇｂ・（Ｎｂ２・Ｂｂ）１／２＝Ｇｂ・Ｎ２ （Ｖｒｍｓ）
となる。ここで、Ｎ１＝（Ｎｆ２・Ｂｆ）１／２、Ｎ２＝（Ｎｂ２・Ｂｂ）１／２である。
【００３６】
これに対して、ＡＰＭ２では、前段のＡＭＰ１のノイズをＧｂ（倍）されるため、出力における二つのノイズの総量Ｖｏｕｔ（ｎｏｉｓｅ）は、
Ｖｏｕｔ（ｎｏｉｓｅ）＝［（Ｇｂ・Ｖｆ）２＋Ｖｂ２］１／２
＝［（Ｇｂ・Ｇｆ・Ｎ１）２＋（Ｇｂ・Ｎ２）２］１／２
となる。
【００３７】
一方、信号量Ｖｏｕｔ（ｓｉｇｎａｌ）は、ＡＭＰ１、ＡＭＰ２でそれぞれＧｆ（倍）、Ｇｂ（倍）されるために、
Ｖｏｕｔ（ｓｉｇｎａｌ）＝Ｇｆ・Ｇｂ・Ｖｉｎ（ｎｏｉｓｅ）
となる。従って、Ｓ／Ｎは、
Ｓ／Ｎ＝Ｖｏｕｔ（ｓｉｇｎａｌ）／Ｖｏｕｔ（ｎｏｉｓｅ）
＝Ｖｉｎ（ｓｉｇｎａｌ）／［Ｎ１２＋（Ｎ２／Ｇｆ）２］１／２
このことは、ＡＭＰ１で設定されるゲインＧｆが大きいほど、Ｓ／Ｎが向上することを意味している。
【００３８】
本実施形態では、アナログマルチプレクサの前段に配置されるアンプＡ１〜Ａ３は、非反転増幅アンプが形成されており、フィードバック抵抗が制御信号ＧＡＩＮにより２つ並列接続されている。すなわち、制御信号ＧＡＩＮにより増幅率（ゲイン）が可変できるようになっている。一例として、Ａ１に接続される三つの抵抗を全て同一の抵抗値とすれば、２倍と３倍とを切り替えることができる。抵抗の値を選ぶことにより、切り替えるゲインの種類をいかようにも設定することが可能である。
【００３９】
図４は、本実施形態のＸ線撮像装置における動作タイミングを示す模式図である。
ここでは、動画撮影モードを５０フレーム分行い、その後、静止画撮影モードを５１フレーム目で行ったタイミング例を示している。紙面右へ進む方向が時間の経過を示している。また図２では、従来例の図６で示したタイミングチャートにおけるＸ線照射期間を「Ｘ」とし、読み取り期間を「Ｒ」としている。
【００４０】
動画撮影モードでは、Ｘ線照射動作「Ｘ」と読み取り動作「Ｒ」を交互に繰り返している。この時、図１におけるアンプＡ１〜Ａ３のゲインはＧｆに接続されており、Ｇｆは、後の５１フレーム目で行われる静止画撮影モードで設定されるＧｓより高い設定にされることが本実施形態の主要な特徴である。こうすることにより、動画撮影モードのＳ／Ｎは、同じ信号量（Ｓ）の場合、静止画撮影モードのＳ／Ｎよりも高くなるため、画質性能が向上する。
【００４１】
なお、静止画撮影においても、アンプＡ１〜Ａ３のゲインを高くするほどＳ／Ｎが向上することは動画撮影モードと同様である。しかしながら、静止画撮影モードでは動画撮影モードと違って１フレーム分だけのＸ線照射を行うため、より鮮明な画像を取得するためには、動画の１フレーム分の動作時よりも大きなＸ線量を照射する。通常Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３などの読み取り回路内のアンプが飽和しない程度のゲインが設定される。
【００４２】
これに対して、動画撮影モードでは、連続的にＸ線を照射するため、患者への被爆線量を少しでも低減させるためには、１フレームあたりのＸ線量を下げなければならない。すなわち、動画撮影モードでの１フレームあたりのＸ線量は、静止画撮影モードの時よりも少ない。例えば動画撮影モードのＸ線量が静止画撮影モードの時の１／３０であれば、動画撮影モードにおけるゲインＧｆは静止画撮影モードにおけるゲインＧｓの３０倍高く設定することができる。
【００４３】
図４においては、動画撮影モードから静止画撮影モードに遷移する動作タイミングで記載がなされている。これは、動画撮影モードで透視画像を医師がモニターしながら、静止画像を得たいタイミングで静止画撮影モードに遷移する。静止画に遷移するトリガー（命令）は医師から当該Ｘ線撮像装置側へ発生させる。また、透視中の動画像は、透視するだけではなく、記録媒体に記録してもよい。また、動画撮影モードから静止画撮影モードに遷移するのではなく、動画撮影モードを単独や静止画撮影モード単独で使用してもよい。
【００４４】
図４では、動画撮影モードにおける読み取り動作において、Ｘ線照射動作「Ｘ」と光電変換回路の読み取り動作「Ｒ」を交互に繰り返す動作で説明したが、読み取り期間「Ｒ」の動作時間が一定であれば、Ｘ線照射は図４のようにパルス状に照射する必要はなく、点灯させ続けてもよい。そうすれば、動画撮影モードの読み取りサイクルが短くでき、動画のフレームレートを高くすることができる。
【００４５】
また、図４では、動画撮影モードの読み取り動作「Ｒ」と静止画撮影モードの読み取り動作「Ｒ」を区別無く表記しているが、読み取り動作に必要な時間は同じであるとは限らない。動画撮影に必要な読み取り期間は、撮影部位により異なるが１０ｍ秒〜２００ｍ秒に対し、静止画像を撮影するのに必要な読み取り期間は、動画に比べて一般的には長く、１００ｍ秒〜１０００ｍ秒程度に設定される。これらは、スイッチ素子の性能、読み取り回路のアンプの性能などにより決定される。
【００４６】
また、図１では、制御信号ＧＡＩＮにより、Ａ１〜Ａ３のゲインを２種類切り替えているが、これに限定されることなく、動画撮影モードにおけるＸ線量によっては、ゲイン切り替えを複数種類準備してもよい。この場合、図２においてアンプＡ１〜Ａ３のフィードバック端子に抵抗とスイッチが更に付加され、ゲイン端子は１本ではなく、複数本準備される。
【００４７】
また、図２では、アンプＡ１〜Ａ３に、ゲインの切り替え機能を具備しているが、更にＢ１〜Ｂ３に切り替え機能を持たせてもよい。すなわち、本実施形態では、ゲインの切り替え機能を有するアンプの接続部位はアナログマルチプレクサの前段であればどこでもよい。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態のＸ線撮像装置によれば、動画撮影モードと静止画撮影モードとで読み取り回路内においてアナログマルチプレクサより前段のアンプＡ１〜Ａ３のゲインを切り替える機能を持ち、動画撮影モードでは、静止画撮影モードより、高いゲインに設定することにより、動画撮影モードにおけるＳ／Ｎが向上する。更に、動画と静止画を同一の装置で撮影でき、例えばＩ．Ｉ．よりも小型な装置構成でフィルムと同等の画質性能を実現することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の放射線撮像装置によれば、透視撮影を行なうに際して、動画撮影及び静止画撮影の双方を同一の装置で選択的に可能とし、かつＩ．Ｉ．に比して小型・軽量であり、フィルムに相当する静止画の画質性能を有する放射線撮像装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態によるアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】本実施形態の主要構成をなす読み出し用回路の内部構造を示す回路図である。
【図３】本実施形態の主要構成をなす読み出し用回路の構成を単純化した回路モデルであり、マルチプレクサを省略した回路図である。
【図４】本実施形態のＸ線撮像装置における動作タイミングを示す模式図である。
【図５】従来のＸ線撮像装置の読み出し用回路の内部構造を示す回路図である。
【図６】図５の読み出し用回路を備えたＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャ−トである。
【符号の説明】
Ｓ１−１〜Ｓ３−３ 光電変換素子
Ｔ１−１〜Ｔ３−３ スイッチング素子
１０１ 光電変換回路
１０２ シフトレジスタ（スイッチング素子用）
１０３ シフトレジスタ（読み出しスイッチ用）
Ｇ１〜Ｇ３ ゲート駆動配線
Ｍ１〜Ｍ３ マトリクス信号配線
Ｖｓ 光電変換素子のバイアス線
１０７ 読み出し用回路
ＣＭ１〜ＣＭ３ マトリクス信号配線に付加している読み出し容量
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３ ＣＭ１〜ＣＭ３をリセットするスイッチ
Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，１０４ アンプ
Ｓｎ１〜Ｓｎ３ 読み出し容量に信号を転送するための転送スイッチ
Ｓｒ１〜Ｓｒ３ 読み出し容量の信号を順次読み出すための読み出し用スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線撮像装置及び方法に関し、特に、病院内での診断に用いられる放射線検出システムや、工業用の非破壊検査装置としても用いられる放射線撮像装置を対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
現在、医療におけるＸ線の静止画撮影系は、患者にＸ線を照射し、その透過Ｘ線像をフィルムに露光するフィルム方式が主流になっている。フィルムには、情報を表示、記録する機能を有し、大面積化でき、階調性が高く、しかも軽量で取り扱いが容易であるため、世界中に普及している。反面、現像工程を要する煩雑さ、長期にわたる保管場所の問題、検索に人手と時間を要する問題点を残している。
【０００３】
一方、動画像の撮影系は、イメージ・インテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）が主流となっている。Ｉ．Ｉ．は装置内部で光電子増倍作用を利用いるため、一般に感度が高く、被曝線量の観点で優れている。反面、光学系の影響による周辺画像の歪み、低コントラスト、装置が大きいといった短所が指摘されている。Ｉ．Ｉ．は患者の透視画像を医師がモニターするだけでなく、ＣＣＤのアナログ出力をディジタル変換して、記録、表示、保管することも可能である。しかし、診断には高い階調性が求められるため、透視画像にＩ．Ｉ．を用いても、静止画撮影においては、フィルムを用いている例が多い。
【０００４】
最近、病院内でのＸ線画像のディジタル化の要求が高まりつつあり、フィルムの替わりに、固体撮像素子を２次元アレー状に配置させたＸ線検出素子を用い、Ｘ線量を電気信号に変換するＸ線撮像装置が使われ初めている。これは、Ｘ線画像をディジタル情報に置き換えることができるため、画像情報を遠方に、しかも瞬時に伝送することが可能になるため、遠方にいながら都心の大学病院に匹敵する高度な診断が受けられる長所がある。フィルムを用いなければ、病院内でフィルムの保管スペースが省ける長所もある。将来では、優れた画像処理技術を導入できれば、放射線医師を介さず、コンピュータを用いた自動診断化の可能性が大いに期待されている。
【０００５】
そして、近年、固体撮像素子にアモルファスシリコン薄膜半導体を用い、静止画像を撮影できる放射線撮像装置が実用化された。アモルファスシリコン薄膜半導体の作製技術を用い、人体胸部の大きさをカバーする４０ｃｍ角を超える大面積化が実現されている。その作製プロセスが比較的容易であるため、将来的には安価な検出装置の提供が期待されている。しかもアモルファスシリコンは１ｍｍ以下の薄いガラスに作製可能であるため、ディテクタとしての厚さを非常に薄く作製できる長所がある。
【０００６】
具体的に、固体撮像素子にアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の読み出し用回路の内部構成を図５に示す。
図５において、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３はＭ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３はＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、１０３は、Ｓｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、１０４は直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【０００７】
図６は図５の読み出し用回路を備えたＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。
まず、光電変換期間（Ｘ線照射期間）について説明する。
ＴＦＴは全てオフ状態において、光源（Ｘ線）がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子に光が照射され、光の量に対応した信号電荷が素子容量に蓄積される。Ｘ線可視変換用の蛍光体を用いていれば、Ｘ線の量に対応した可視光を光電変換素子側に導光するような部材を用いるか、蛍光体を光電変換素子の極近傍に配置すればよい。なお、光源がオフした後でも素子容量に光電変換された信号電荷は保持される。
【０００８】
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、Ｓ１−１〜Ｓ１−３の１行目、次にＳ２−１〜Ｓ２−３の２行目、次にＳ３−１〜Ｓ３−３の３行目の順で行われる。まず、Ｓ１−１〜Ｓ１−３の１行目を読み出しするためにスイッチ素子（ＴＦＴ）Ｔ１−１〜Ｔ１−３のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。これにより、Ｔ１−１〜Ｔ１−３がオン状態になり、Ｓ１−１〜Ｓ１−３に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。Ｍ１〜Ｍ３の信号配線には、読み出し容量ＣＭ１〜ＣＭ３（図１参照）が付加されており、信号電荷はＴＦＴを介し、読み出し容量ＣＭ１〜ＣＭ３に転送されることになる。例えば信号配線Ｍ１の付加されている読み出し容量ＣＭ１は、Ｍ１に接続されているＴ１−１〜Ｔ３−１（図１参照）のゲート−ソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）である。Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。
【０００９】
容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＳＭＰＬ信号をオフするとともにホールドされる。次にシフトレジスタ１０３からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプ１０４から出力される。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のアナログ信号出力が１０４のアンプから出力されることから、シフトレジスタ１０３とスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３を含めてアナログマルチプレクサと称する。結果としてＳ１−１、Ｓ１−２、Ｓ１−３の１行分の光電変換信号がアナログマルチプレクサにより順次出力されることになる。Ｓ２−１〜Ｓ２−３の２行目の読み出し動作、Ｓ３−１〜Ｓ３−３の３行目の読み出し動作も同様に行われる。
【００１０】
１行目のＳＭＰＬ信号によりＭ１〜Ｍ３の信号をＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、Ｍ１〜Ｍ３をＣＲＥＳ信号によりＧＮＤ電位にリセットしその後Ｇ２のゲートパルスを印加することができる。すなわち１行目の信号をＳＲ２により直列変換動作をする間に、同時に光電変換素子Ｓ２−１〜Ｓ２−３の２行目の信号電荷をＳＲ１により転送することができる。
以上の動作により、第１行から第３行全ての光電変換素子の信号電荷を出力することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
Ｉ．Ｉ．を動画撮影として用いる場合、アモルファスシリコンを用いた放射線撮像装置に比べ、感度が高いという長所を有するが、周辺画像の歪みや、低コントラスト、などの課題を有し、静止画像を取得する場合には、撮影直前にフィルムを挿入する機構を入れるなど、装置が大型する課題も有している。
【００１２】
一方、アモルファスシリコン薄膜半導体を導入した放射線撮像装置は、現在実用化されており、静止画像としての画質性能は、従来のフィルムと比較した場合、フィルム同等、もしくはそれより高い評価を得ている。しかしながら、透視目的での動画撮影への実用化はされていない。その理由の一つは、動画撮影では患者への被曝線量が増大するために、動画撮影期間のＸ線量をできるだけ少なくしなければならず、そのため信号量が低くＳ／Ｎが悪いことが上げられる。また、動画撮影では、そのスキャンスピード（フレームレート）を静止画撮影よりも大きく（速く）しなければならない場合が多く、その場合には撮像装置の周波数帯域を広くしなければならない。このことは、特に固体撮像装置の読み出し系内で発生するショット雑音やジョンソン雑音といったいわゆる白色雑音を増大させ、動画撮影の場合のＳ／Ｎが悪くなるという問題がある。
【００１３】
図５では、入力本数が３本、出力本数が１本であり、アナログマルチプレクサ１０３（Ｓｒ１〜Ｓｒ３）により並列信号を直列信号に変換される。通常Ａ１やＢ１のアンプは、１ライン分の動作時間内で光電変換回路からの信号を増幅できる周波数帯域に設定される。必要以上に広帯域化することは、アンプ内で発生するジョンソンノイズ（熱雑音）を増大させることになるため好ましくない。一方、アナログマルチプレクサより後段のアンプ、マルチプレクサ（１０３、Ｓｒ１〜Ｓｒ３）でアナログ信号を直列変換しなければならないため、Ａ１やＡ３のアンプの周波数帯域より、周波数帯域を広く設定しなければならない。
【００１４】
一般に、ジョンソンノイズ（Ｖｒｍｓ）は、
Ｖｒｍｓ＝（４ＫＴＲＢ）１／２
で表される。
ここで、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｒは抵抗値、Ｂが周波数帯域である。Ｂ１／２を乗算しない（４ＫＴＲ）１／２をノイズ密度と称する。
【００１５】
オペアンプは、アンプを構成する初段のトランジスタのオン抵抗や、図５では図示していないが、入力抵抗、フィードバック抵抗など、構成する全ての部品からジョンソンノイズを発生し、これらは各々周波数帯域の平方根に比例する。
【００１６】
例えば図５において、１０４のアンプは３画素分直列変換されるため、Ａ１のアンプよりも少なくとも３倍の周波数帯域を必要とする。このことは、Ａ１のアンプのノイズ密度と１０４のアンプのノイズ密度が等しい場合、結果として１０４のアンプでのノイズ量（実効値）が大きくなることを意味する。
【００１７】
病院において使用する胸部Ｘ線撮影の場合、人体の胸部を撮影しなければならないため、４０ｃｍ×４０ｃｍ以上の面積を有する受光領域が必要といわれている。また、その場合の画素ピッチは、大きくても２００μｍピッチ、できればそれ以下が望ましい。例えば、４０ｃｍ×４０ｃｍを２００μｍピッチで作製した場合、画素数としては２０００画素×２０００画素＝４００００００画素が必要となる。つまり、図５の読み出し回路における入力本数としては、２０００画素になる。
【００１８】
４０ｃｍで２０００本の入力配線を１個の読み出し回路で作製することは現実的ではなく、通常、複数個の読み出し回路に分割した設計がなされる。例えば、１０個の読み出し回路（ＩＣ）に分割した場合、入力数が２００本で出力数が１本になり、このあたりが現実的であるといえる。この場合、１０４アンプはＡ１アンプの２００倍の周波数帯域を必要とし、仮定として１０４のアンプとＡ１のアンプが同じノイズ密度を有するならば、ノイズの実効値としては１０４の方が２００１／２倍≒１４倍のノイズ量になる。
【００１９】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、透視撮影を行なうに際して、動画撮影及び静止画撮影の双方を同一の装置で選択的に可能とし、かつＩ．Ｉ．に比して小型・軽量であり、フィルムに相当する静止画の画質性能を有する放射線撮像装置及び方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の放射線撮像装置は、放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列された放射線検出手段と、前記放射線検出手段を駆動制御する駆動手段と、前記放射線検出手段からの電気信号を読み出すための読み出し手段とを含み、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされており、前記読み出し手段は、ゲインが可変とされた可変増幅手段と、前記増幅手段のゲインを制御する制御手段とを備え、前記制御手段による前記可変増幅手段のゲイン制御により、前記動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を前記静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定する。
【００２１】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記読み出し手段は、前記放射線検出手段からの並列信号を直列信号として出力するマルチプレクサを備え、前記可変増幅手段が前記マルチプレクサよりも前段に設けられている。
【００２２】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、静止画を撮影するに際して、予め前記動画撮影モードにおいて設定されたゲイン（Ｇｆ）により動画像を取得しておき、静止画撮影を要求する信号に応じて、静止画撮影モードのゲイン（Ｇｓ）に切り替えて静止画像を取得する。
【００２３】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記マルチプレクサよりも後段に、ゲインが固定されている固定増幅手段を有する。
【００２４】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有する。
【００２５】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記波長変換体は、Ｇｂ２Ｏ３、Ｇｂ２Ｏ２Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成されている。
【００２６】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されている。
【００２７】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子はスイッチ素子を有する。
【００２８】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子は、放射線を吸収して前記波長変換体を介さず直接的に電気信号に変換する機能を有し、その主材料がアモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種である
【００２９】
本発明の放射線撮像方法は、放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列されてなり、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされた放射線撮像装置を用い、ゲインを可変とし、当該ゲイン制御により、前記動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を前記静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定する。
【００３０】
本発明の放射線撮像方法の一態様では、静止画を撮影するに際して、予め前記動画撮影モードにおいて設定されたゲイン（Ｇｆ）により動画像を取得しておき、静止画撮影を要求する信号に応じて、静止画撮影モードのゲイン（Ｇｓ）に切り替えて静止画像を取得する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態によるアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の概略構成であり、可視光を捕らえ電気信号に変換する光電変換素子を用いたＸ線撮像装置の平面的回路図である。このＸ線撮像装置では、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされている。図１には、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体は図示していない。なお、本実施形態ではＸ線撮像を例示するが、本発明はこれに限定されることなく、α線、β線、γ線なども放射線の範疇に含むものとして説明する。
【００３２】
図１において、Ｓ１−１〜Ｓ３−３はマトリクス状に配列された光電変換素子、Ｔ１−１〜Ｔ３−３はスイッチ素子（ＴＦＴ）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン／オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線である。光電変換素子はフォトダイオードと容量を並列接続で表記しており、逆方向バイアスが印加される。すなわち、フォトダイオ−ドのカソ−ド電極側は＋（プラス）にバイアスされる。バイアス配線は通常共通の配線であるが、図１中では共通の配線としては省略している。光電変換された電荷は容量に蓄積される。Ｓ１−１〜Ｓ３−３、Ｔ１−１〜Ｔ３−３、Ｇ１〜Ｇ３、Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ線、これらを総じて放射線検出回路または光電変換回路と称する。１０２はゲート配線Ｇ１〜Ｇ３にパルスを印加し、光電変換素子Ｓ１−１〜Ｓ３−３を駆動制御するシフトレジスタ、１０７は光電変換回路部１０１内のＭ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力するための読み出し用回路である。
【００３３】
各光電変換素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有しており、波長変換体は、Ｇｂ２Ｏ３、Ｇｂ２Ｏ２Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成され、光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されている。また、各光電変換素子を、放射線を吸収して前記波長変換体を介さず直接的に電気信号に変換する機能を有するように構成し、その主たる材料として、アモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種としてもよい。なお、ここでは記載の便宜上、３×３画素分の光電変換素子を例示したが、実際の構成では更に多数の光電変換素子が配列される。
【００３４】
図２は、本実施形態の主要構成をなす図１の読み出し用回路１０７の内部構造を示す回路図である。
図２において、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３は読み出し回路に接続される入力配線Ｍ１〜Ｍ３をリセットするスイッチである。Ａ１〜Ａ３はＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホ−ルド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、１０３はスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタであり、スイッチＳｒ１〜Ｓｒ３とシフトレジスタ１０３からアナログマルチプレクサが構成される。１０４は直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【００３５】
図３は、図１の読み出し用回路１０７の構成を単純化した回路モデルであり、アナログマルチプレクサを省略した回路図である。
アナログマルチプレクサより前段のアンプＡＭＰ１の入力換算ノイズ密度をＮｆ（Ｖ／Ｈｚ１／２）、周波数帯域をＢｆ（Ｈｚ）、ゲインをＧｆ（倍）とし、マルチプレクサより後段のアンプＡＭＰ２の入力換算ノイズ密度をＮｂ（Ｖ／Ｈｚ１／２）、周波数帯域をＢｂ（Ｈｚ）、ゲインをＧｂ（倍）とすると、前段のアンプでのノイズ量Ｖｆ（Ｖｒｍｓ）、後段でのアンプのノイズ量Ｖｂ（Ｖｒｍｓ）は、それぞれ、
Ｖｆ＝Ｇｆ・（Ｎｆ２・Ｂｆ）１／２＝Ｇｆ・Ｎ１ （Ｖｒｍｓ）
Ｖｂ＝Ｇｂ・（Ｎｂ２・Ｂｂ）１／２＝Ｇｂ・Ｎ２ （Ｖｒｍｓ）
となる。ここで、Ｎ１＝（Ｎｆ２・Ｂｆ）１／２、Ｎ２＝（Ｎｂ２・Ｂｂ）１／２である。
【００３６】
これに対して、ＡＰＭ２では、前段のＡＭＰ１のノイズをＧｂ（倍）されるため、出力における二つのノイズの総量Ｖｏｕｔ（ｎｏｉｓｅ）は、
Ｖｏｕｔ（ｎｏｉｓｅ）＝［（Ｇｂ・Ｖｆ）２＋Ｖｂ２］１／２
＝［（Ｇｂ・Ｇｆ・Ｎ１）２＋（Ｇｂ・Ｎ２）２］１／２
となる。
【００３７】
一方、信号量Ｖｏｕｔ（ｓｉｇｎａｌ）は、ＡＭＰ１、ＡＭＰ２でそれぞれＧｆ（倍）、Ｇｂ（倍）されるために、
Ｖｏｕｔ（ｓｉｇｎａｌ）＝Ｇｆ・Ｇｂ・Ｖｉｎ（ｎｏｉｓｅ）
となる。従って、Ｓ／Ｎは、
Ｓ／Ｎ＝Ｖｏｕｔ（ｓｉｇｎａｌ）／Ｖｏｕｔ（ｎｏｉｓｅ）
＝Ｖｉｎ（ｓｉｇｎａｌ）／［Ｎ１２＋（Ｎ２／Ｇｆ）２］１／２
このことは、ＡＭＰ１で設定されるゲインＧｆが大きいほど、Ｓ／Ｎが向上することを意味している。
【００３８】
本実施形態では、アナログマルチプレクサの前段に配置されるアンプＡ１〜Ａ３は、非反転増幅アンプが形成されており、フィードバック抵抗が制御信号ＧＡＩＮにより２つ並列接続されている。すなわち、制御信号ＧＡＩＮにより増幅率（ゲイン）が可変できるようになっている。一例として、Ａ１に接続される三つの抵抗を全て同一の抵抗値とすれば、２倍と３倍とを切り替えることができる。抵抗の値を選ぶことにより、切り替えるゲインの種類をいかようにも設定することが可能である。
【００３９】
図４は、本実施形態のＸ線撮像装置における動作タイミングを示す模式図である。
ここでは、動画撮影モードを５０フレーム分行い、その後、静止画撮影モードを５１フレーム目で行ったタイミング例を示している。紙面右へ進む方向が時間の経過を示している。また図２では、従来例の図６で示したタイミングチャートにおけるＸ線照射期間を「Ｘ」とし、読み取り期間を「Ｒ」としている。
【００４０】
動画撮影モードでは、Ｘ線照射動作「Ｘ」と読み取り動作「Ｒ」を交互に繰り返している。この時、図１におけるアンプＡ１〜Ａ３のゲインはＧｆに接続されており、Ｇｆは、後の５１フレーム目で行われる静止画撮影モードで設定されるＧｓより高い設定にされることが本実施形態の主要な特徴である。こうすることにより、動画撮影モードのＳ／Ｎは、同じ信号量（Ｓ）の場合、静止画撮影モードのＳ／Ｎよりも高くなるため、画質性能が向上する。
【００４１】
なお、静止画撮影においても、アンプＡ１〜Ａ３のゲインを高くするほどＳ／Ｎが向上することは動画撮影モードと同様である。しかしながら、静止画撮影モードでは動画撮影モードと違って１フレーム分だけのＸ線照射を行うため、より鮮明な画像を取得するためには、動画の１フレーム分の動作時よりも大きなＸ線量を照射する。通常Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３などの読み取り回路内のアンプが飽和しない程度のゲインが設定される。
【００４２】
これに対して、動画撮影モードでは、連続的にＸ線を照射するため、患者への被爆線量を少しでも低減させるためには、１フレームあたりのＸ線量を下げなければならない。すなわち、動画撮影モードでの１フレームあたりのＸ線量は、静止画撮影モードの時よりも少ない。例えば動画撮影モードのＸ線量が静止画撮影モードの時の１／３０であれば、動画撮影モードにおけるゲインＧｆは静止画撮影モードにおけるゲインＧｓの３０倍高く設定することができる。
【００４３】
図４においては、動画撮影モードから静止画撮影モードに遷移する動作タイミングで記載がなされている。これは、動画撮影モードで透視画像を医師がモニターしながら、静止画像を得たいタイミングで静止画撮影モードに遷移する。静止画に遷移するトリガー（命令）は医師から当該Ｘ線撮像装置側へ発生させる。また、透視中の動画像は、透視するだけではなく、記録媒体に記録してもよい。また、動画撮影モードから静止画撮影モードに遷移するのではなく、動画撮影モードを単独や静止画撮影モード単独で使用してもよい。
【００４４】
図４では、動画撮影モードにおける読み取り動作において、Ｘ線照射動作「Ｘ」と光電変換回路の読み取り動作「Ｒ」を交互に繰り返す動作で説明したが、読み取り期間「Ｒ」の動作時間が一定であれば、Ｘ線照射は図４のようにパルス状に照射する必要はなく、点灯させ続けてもよい。そうすれば、動画撮影モードの読み取りサイクルが短くでき、動画のフレームレートを高くすることができる。
【００４５】
また、図４では、動画撮影モードの読み取り動作「Ｒ」と静止画撮影モードの読み取り動作「Ｒ」を区別無く表記しているが、読み取り動作に必要な時間は同じであるとは限らない。動画撮影に必要な読み取り期間は、撮影部位により異なるが１０ｍ秒〜２００ｍ秒に対し、静止画像を撮影するのに必要な読み取り期間は、動画に比べて一般的には長く、１００ｍ秒〜１０００ｍ秒程度に設定される。これらは、スイッチ素子の性能、読み取り回路のアンプの性能などにより決定される。
【００４６】
また、図１では、制御信号ＧＡＩＮにより、Ａ１〜Ａ３のゲインを２種類切り替えているが、これに限定されることなく、動画撮影モードにおけるＸ線量によっては、ゲイン切り替えを複数種類準備してもよい。この場合、図２においてアンプＡ１〜Ａ３のフィードバック端子に抵抗とスイッチが更に付加され、ゲイン端子は１本ではなく、複数本準備される。
【００４７】
また、図２では、アンプＡ１〜Ａ３に、ゲインの切り替え機能を具備しているが、更にＢ１〜Ｂ３に切り替え機能を持たせてもよい。すなわち、本実施形態では、ゲインの切り替え機能を有するアンプの接続部位はアナログマルチプレクサの前段であればどこでもよい。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態のＸ線撮像装置によれば、動画撮影モードと静止画撮影モードとで読み取り回路内においてアナログマルチプレクサより前段のアンプＡ１〜Ａ３のゲインを切り替える機能を持ち、動画撮影モードでは、静止画撮影モードより、高いゲインに設定することにより、動画撮影モードにおけるＳ／Ｎが向上する。更に、動画と静止画を同一の装置で撮影でき、例えばＩ．Ｉ．よりも小型な装置構成でフィルムと同等の画質性能を実現することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の放射線撮像装置によれば、透視撮影を行なうに際して、動画撮影及び静止画撮影の双方を同一の装置で選択的に可能とし、かつＩ．Ｉ．に比して小型・軽量であり、フィルムに相当する静止画の画質性能を有する放射線撮像装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態によるアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】本実施形態の主要構成をなす読み出し用回路の内部構造を示す回路図である。
【図３】本実施形態の主要構成をなす読み出し用回路の構成を単純化した回路モデルであり、マルチプレクサを省略した回路図である。
【図４】本実施形態のＸ線撮像装置における動作タイミングを示す模式図である。
【図５】従来のＸ線撮像装置の読み出し用回路の内部構造を示す回路図である。
【図６】図５の読み出し用回路を備えたＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャ−トである。
【符号の説明】
Ｓ１−１〜Ｓ３−３ 光電変換素子
Ｔ１−１〜Ｔ３−３ スイッチング素子
１０１ 光電変換回路
１０２ シフトレジスタ（スイッチング素子用）
１０３ シフトレジスタ（読み出しスイッチ用）
Ｇ１〜Ｇ３ ゲート駆動配線
Ｍ１〜Ｍ３ マトリクス信号配線
Ｖｓ 光電変換素子のバイアス線
１０７ 読み出し用回路
ＣＭ１〜ＣＭ３ マトリクス信号配線に付加している読み出し容量
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３ ＣＭ１〜ＣＭ３をリセットするスイッチ
Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，１０４ アンプ
Ｓｎ１〜Ｓｎ３ 読み出し容量に信号を転送するための転送スイッチ
Ｓｒ１〜Ｓｒ３ 読み出し容量の信号を順次読み出すための読み出し用スイッチ
Claims (11)
- 放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列された放射線検出手段と、
前記放射線検出手段を駆動制御する駆動手段と、
前記放射線検出手段からの電気信号を読み出すための読み出し手段と
を含み、
動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされており、
前記読み出し手段は、ゲインが可変とされた可変増幅手段と、前記増幅手段のゲインを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段による前記可変増幅手段のゲイン制御により、前記動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を前記静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定することを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記読み出し手段は、前記放射線検出手段からの並列信号を直列信号として出力するマルチプレクサを備え、
前記可変増幅手段が前記マルチプレクサよりも前段に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。 - 静止画を撮影するに際して、予め前記動画撮影モードにおいて設定されたゲイン（Ｇｆ）により動画像を取得しておき、静止画撮影を要求する信号に応じて、静止画撮影モードのゲイン（Ｇｓ）に切り替えて静止画像を取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
- 前記マルチプレクサよりも後段に、ゲインが固定されている固定増幅手段を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の放射線撮像装置。
- 前記放射線検出素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
- 前記波長変換体は、Ｇｂ２Ｏ３、Ｇｂ２Ｏ２Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成されていることを特徴とする請求項５に記載の放射線撮像装置。
- 前記光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されていることを特徴とする請求項５に記載の放射線撮像装置。
- 前記放射線検出素子はスイッチ素子を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
- 前記放射線検出素子は、放射線を吸収して直接的に電気信号に変換する機能を有し、その主材料がアモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
- 放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列されてなり、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされた放射線撮像装置を用い、
ゲインを可変とし、当該ゲイン制御により、前記動画撮影モード時のゲイン（Ｇｆ）を前記静止画撮影モード時のゲイン（Ｇｓ）よりも大きく設定することを特徴とする放射線検出方法。 - 静止画を撮影するに際して、予め前記動画撮影モードにおいて設定されたゲイン（Ｇｆ）により動画像を取得しておき、静止画撮影を要求する信号に応じて、静止画撮影モードのゲイン（Ｇｓ）に切り替えて静止画像を取得することを特徴とする請求項１０に記載の放射線検出方法。
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