JP2008191165A - 検出器モジュール及び放射線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体放射線検出器を配線基板上に並べてガンマ線入射方向に対して位置を分離して検出でき、ひいては空間分解能の高い放射線撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体放射線検出器１２は、例えばＣｄＴｅからなる長方形の平板からなる５枚の半導体素子２と、半導体素子２の一方の面のカソード電極３と、半導体素子２の他方の面のアノード電極４と、５枚の半導体検出素子１を外側から被覆する絶縁体５とを含んで構成されている。アノードピン２９及びカソードピン３０を用いて配線基板２１に設置される。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体放射線検出器を３次元方向に配置できるようにした検出器モジュール及びそれを用いた放射線撮像装置に関するものである。

半導体放射線検出器は、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ等からなる半導体素子と、この半導体素子の両面に形成された電極とを備えており、これら各電極間にバイアス電圧を印加することにより、Ｘ線、γ線等の放射線が半導体素子内に入射したときに生成される電荷を、前記電極から信号として取り出すようにしている。
半導体放射線検出器を医療用放射線撮像装置等に用いる場合、配線基板上に半導体放射線検出器を接続して放射線検出部を形成している（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−８４０６８号公報（段落００２４、図３）

ところで、医療用放射線撮像装置の一種であるＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）においては空間分解能を高めようとしている。しかし、特許文献１ではγ線が主に入射する面（例えばＸ−Ｙ平面とする）に対しては位置を分離して検出できるが、γ線が入射する方向(例えばＺ方向とする)に対しては位置を分離してγ線を検出できない。即ち３次元方向に位置を分離して検出できない。従って空間分解能を十分に高めることはできない。

本発明の目的は、空間分解能を向上できるようにした検出器モジュール及び放射線撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決する第１の手段として半導体素子の一方の面にアノード電極及び、もう一方の面にカソード電極を有する半導体検出素子を複数に並列配置し、これら複数の前記半導体検出素子の少なくとも一部を外側から被覆する絶縁体を備えた複数の半導体放射線検出器と、前記カソード電極に前記カソードピンを介して接続され、前記アノード電極にアノードピンを介して接続される配線基板とを有し、前記配線基板の一面に設置された前記半導体放射線検出器は、前記配線基板の他面に設置された他の前記半導体放射線検出器と、前記配線基板を挟んで対向して設置される。そして検出器モジュールは例えば絶縁体の内部もしくは表面にカソード電極及びアノード電極からの電気信号を伝達するための内部配線を各々備えた構造とする。検出器モジュールは配線基板上に設けたピンを介して配線基板に施した配線を介して外部に検出信号を伝えるものとする。以上により、半導体放射線検出器を配線基板の両面に配置でき、空間分解能を向上できる。

また、上記課題を解決する第２の手段として半導体素子の一方の面にアノード電極及び、もう一方の面にカソード電極を有する半導体検出素子を複数に並列配置し、これら複数の前記半導体検出素子の少なくとも一部を外側から被覆する絶縁体を備え、前記絶縁体の内部または表面に位置して前記各アノード電極にそれぞれ接続される第２の内部配線とを備えた半導体放射線検出器と、前記カソード電極に前記カソードピンを介して接続され、前記アノード電極にアノードピンを介して接続される配線基板とを有し、前記配線基板の一面に設置された前記半導体放射線検出器は、前記配線基板の他面に設置された他の前記半導体放射線検出器と、前記配線基板を挟んで対向して設置される。そして検出器モジュールは例えば絶縁体の内部もしくは表面にカソード電極及びアノード電極からの電気信号を伝達するための内部配線を各々備えた構造とする。検出器モジュールは配線基板上に設けたピンを介して配線基板に施した配線を介して外部に検出信号を伝えるものとする。以上により、半導体放射線検出器を配線基板の両面に配置でき、空間分解能を向上できる。

本発明により、ガンマ線入射方向に対しても位置を分離して検出できることが可能であり、ひいては３次元方向に分離して位置を検出できる。この結果空間分解能を向上することができる。更に半導体放射線検出器を個別に着脱できるなど、半導体放射線検出器の交換も可能となる別の効果も得られる。また、半導体検出素子をきわめて稠密に配置することができ、この結果感度を向上できる効果もある。

以下、本発明の第１の実施の形態を、図１ないし図５の添付図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１中の符号１は、放射線検出素子を示し、この放射線検出素子１は、例えばＣｄＴｅからなる長方形の平板からなる５枚の半導体素子２（図２参照）と、半導体素子２の一方の面に例えば蒸着処理により薄膜状に形成されたカソード電極３（Ｐｔ等）と、半導体素子２の他方の面にも薄膜状に形成されたアノード電極４（Ｉｎ等）と、５枚の半導体素子２を外側から被覆する直方体状の弾性を有する絶縁体５（図２参照）とを含んで構成されている。

そして、図２に示すように、この半導体放射線素子１は、半導体素子２が５枚積み重ねて形成されている。また、カソード電極３には、それぞれ導電用のカソード側の薄板６が貼り付けられると共に、アノード電極４についても、導電用のアノード側の薄板７が貼り付けられている。そして、これら薄板６，７のうち、薄板６同士および薄板７同士は、それぞれ第１，第２の内部配線８，９を通じて接続されている。また、絶縁体５には、その幅方向両側に直方体状のブラケット５Ａ，５Ａが一体化され、このブラケット５Ａには、その長さ方向に向けて、後記するカソードピン２８及びアノードピン２９が挿入されるピン挿入穴５Ｂが形成されている。さらに、一方のブラケット５Ａの端面には第１の内部配線８と接続されるカソード端子１０が外部に露出していると共に、他方のブラケット５Ａの端面には第２の内部配線９が接続されるアノード端子１１が外部に露出している。そして、半導体素子２、カソード電極３、アノード電極４、絶縁体５、薄板６，７、内部配線８，９、カソード端子１０及びアノード端子１１は、半導体放射線検出器１２を構成している。なお、第一の内部配線８とカソード端子１０、及び第二の内部配線９とアノード端子１１の各々については、各々のピン挿入穴５Ｂの内壁を導電材料で形成し、薄板６及び７をその導電性内壁と接続させることで構造を簡略化することもできる。

図４において、符号２１は、本実施の形態に用いる配線基板で、この配線基板２１内には、互いに平行に配置された第１のカソード配線２２と、これら各カソード配線２２に対して直交して延び、各カソード配線２２を互いに連結した第２のカソード配線２３と、図４中の上端側に位置するカソード配線２２から右方に向けて延設された第３のカソード配線２４とが埋設されている。これらカソード配線２２、２３、２４は導通されており配線基板２１外部から給電することにより全ての検出器のカソード電極３に同一の電位が与えられている。複数の半導体放射線検出器１２、及びこれらの半導体放射線検出器１２を設置した配線基板２１は、検出器モジュール４２を構成する。検出器モジュール４２は複数のカソード配線及び複数のアノード配線も含んでいる。

また、配線基板２１内には、互いに平行に配置された第１のアノード配線２５と、互いに平行に配置された第２のアノード配線２６と、互いに平行に配置された第３のアノード配線２７と、同じく互いに平行に配置された第４のアノード配線２８とが埋設されている。

そして、図４及び図５に示すように、カソード配線２２には配線基板２１の一方の面と他方の面にそれぞれカソードピン２９がほぼ等しい間隔をおいて立設されている。また、第１，第２，第３のアノード配線２５，２６，２７の端部にも、配線基板２１の一方の面と他方の面にそれぞれほぼ等しい間隔をおいてアノードピン３０が立設されている。

そして、半導体放射線検出器１２は、弾性を有する絶縁体５のピン挿入穴５Ｂ，５Ｂ内にカソードピン２８及びアノードピン２９が締代をもって図５中の矢示Ａ方向に着脱可能に挿入されている。なお、カソードピン２８及びアノードピン２９を用いず、導電ペースト等を用いて配線基板２１に半導体放射線検出器１２を直接固着させても良い。この場合ピン挿入穴５Ｂの代わりに絶縁体５に例えばメッキ配線を施し、このメッキ配線終端をカソード端子１０及びアノード端子１１とする。このカソード端子１０及びアノード端子１１に導電ペースト等を塗布して配線基板２１に固着すればよい。

次に、このように構成される半導体放射線検出器１２の動作について説明する。
まず、配線基板２１外部より、カソード配線２２、２３、２４を経て半導体素子２のカソード電極３に負の電圧を印加し、半導体素子２のカソード電極３とアノード電極４の間に逆バイアス電圧を形成させ、ガンマ線の計測が可能な状態とする。半導体素子２にガンマ線が入射すると、その半導体素子２に設置されたカソード電極３とアノード電極４との間に電荷が誘導され、誘導電荷量に対応する信号が薄板７、内部配線９、アノード端子１１、アノードピン３０を通じてアノード配線２５，２６，２７、２８から外部に出力される。

本実施形態により、ガンマ線入射方向に対しても位置を分離して検出できることが可能であり、ひいては３次元方向に分離して位置を検出できる。また、絶縁体で被覆することにより製造時等において半導体放射線検出器の取扱が容易になり、放射線検出素子を物理的に保護可能である。

さらに、半導体放射線検出器１２をカソードピン２９及びアノードピン３０を用いる方法では、配線基板２１に着脱可能に取り付ける構成としたので、任意の半導体放射線検出器１２を交換でき、交換時の作業性等を高めることができる。

さらに、半導体素子２全体を絶縁体５で被覆する構成としたので、半導体放射線検出器１２に対する防湿効果と、遮光の効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図６及び図７の添付図面を参照して説明する。図６において、複数の半導体放射線検出器３１は、ＦＰＣ（Flexible printed circuit）と呼ばれる可撓性を有する薄型配線基板３２と、薄型配線基板３２の両面に設置された半導体素子３３と、半導体素子３３の片方の面に例えば蒸着処理により薄膜状に形成されたカソード電極３４と、半導体素子３３のもう片方の面に形成されたアノード電極３５とを含んで構成される。

この半導体素子３３は、ガンマ線の進行方向に対して小さな間隙を介して４個並んで配置されると共に、ガンマ線の進行方向と直交する方向に対しても小さな間隙を介して４個並んで配置されている。そして、半導体放射線検出器３１は、厚肉配線基板（ＦＲ−４等）３６の両面に固着して取り付けられている。厚肉配線基板３６の両面に複数の半導体放射線検出器３１が設置されて構成が、検出器モジュール４３である。なお、半導体素子３３は同一平面上に一枚の結晶を用い、電極のみを分割して形成して構成しても良い。

また、対向するアノード電極３５，３５の間に配置される薄型配線基板３２には、図７に示すように各半導体素子３３のアノード電極３５と対応した位置まで延びて各アノード電極３５とそれぞれ接続される４本の信号線３８，３９，４０，４１が埋設されている。一方、対向するカソード電極３４，３４の間に配置される薄型配線基板３２には、カソード電極３４に、全てのカソードに共通の電圧を印加する給電線（図示せず）が埋設され、この信号線は、ガンマ線の入射方向に沿って配置された複数の半導体素子３３のカソード電極３４に接続されている。

そして、カソード電極３４に接続される上記給電線は厚肉配線基板３６のカソード配線に接続される（図示せず）と共に、各信号線３８，３９，４０，４１は厚肉配線基板３６の各アノード配線（図示せず）にそれぞれ接続されている。
なお、上記厚肉配線基板３６を薄型配線基板３２に置き換えても良い。

このように構成される本実施の形態でも、第１の実施例同様３次元方向に位置を分離してガンマ線を検出することができる。さらに、複数の半導体素子３１の間の間隔を縮小でき、感度を高めることができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を図８の添付図面を参照して説明する。
なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

図８に示すように、放射線撮像装置であるＰＥＴ−Ｘ線ＣＴ検査装置１００は、Ｘ線ＣＴ検査装置１０１と、ＰＥＴ検査装置１０２とが並んで配設されている。また、ＰＥＴ−Ｘ線ＣＴ検査装置１００は、ベッド支持部１０３と、ベッド支持部１０３上に設けられた可動ベッド１０４とを有している。そして、Ｘ線ＣＴ検査装置１０１は、開口部分１０５Ａを有するＸ線ＣＴ用ガントリ１０５と、Ｘ線ＣＴ用ガントリ１０５内に回転可能に取り付けられた回転部分１０６と、回転部分１０６に設けられたＸ線発生器１０７と、回転部分１０６に設けられたシンチレータ検出器である放射線検出器１０８とを備えている。そして、このＸ線ＣＴ検査装置１０１は、Ｘ線発生器１０７からＸ線が放出され、被検体Ｐを透過したＸ線を信号処理部（図示せず）で計測することにより、被検体Ｐ内の形態画像を得る。

また、ＰＥＴ検査装置１０２は、開口部１１０Ａを有するＰＥＴ用ガントリ１１０を有し、ＰＥＴ用ガントリ１１０は周方向及び軸方向に複数の検出器モジュール４２を配置している。このため、放射線検出器１２もＰＥＴ用ガントリ１１０の周方向及び軸方向に複数個並んで配置される。そして、ＰＥＴ検査装置１０２は、陽電子を核崩壊で放出する放射性核種を薬剤に標識して被検体Ｐ内に投与し、被検体Ｐ内で陽電子と電子が対消滅した際に放出される５１１ｋｅＶのエネルギーを有した一対のガンマ線を捕らえて映像化し、機能画像を得る放射線撮像装置である。

このように構成される本実施の形態では、半導体放射線検出器１２を従来技術で述べたように配線基板２１の両面に稠密に設置できるため、検出器モジュール４２において配線基板２１の単位長さあたりの半導体放射線検出器１２の密度を増大でき、検出感度を高めることができ、ＰＥＴ−Ｘ線ＣＴ検査装置１００の性能、信頼性を高めることができる。
ＰＥＴ検査装置１０２は、検出器モジュール４２の替りに図６に示す検出器モジュール４３を検出器モジュール４２と同様にＰＥＴ用ガントリ１１０に設置してもよい。

なお、前記第１の実施の形態では、図５に示すように、カソード端子１０とアノード端子１１の両方の端子を直方体からなる絶縁体５の一方の面に露出させると共に、カソードピン２９及びアノードピン３０を用いて半導体放射線検出器１２を配線基板２１の両面に固定する構成とした場合を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限ることなく、例えば図９に示す第１の変形例のように、カソードピン５１を半導体放射線検出器５０の絶縁体５４の一方の面から挿入し、アノードピン５５を半導体放射線検出器５０の絶縁体５４の他方の面から挿入する構成としてもよい。なお、カソードピン５１は配線基板２１Ａに埋設されたカソード配線２２に接続され、アノードピン５５は配線基板２１Ｂに埋設されたアノード配線２５に接続される。

また、例えば図１０に示す第２の変形例のように、半導体放射線検出器５０Ａを配線基板２１に対して垂直に配置すると共に、配線基板２１に立設したカソードピン５１とアノードピン５５をそれぞれ半導体放射線検出器５０Ａの内部に挿入する構成としてもよい。

また、例えば図１１に示す第３の変形例の半導体放射線検出器５０Ｂは、複数の放射線検出素子１を互い違いに配置し、これら放射線検出素子１のうち、一方の方向に突出した放射線検出素子１のアノード電極に内部配線６２を接続する。また、それらの放射線検出素子１のうち、他方の方向に突出した放射線検出素子１のカソード電極に内部配線６１を接続する。これら内部配線６１，６２にカソードピン５１及びアノードピン５５を接続する。

さらに、前記第１の実施の形態では、複数の半導体放射線検出器１２を間隙を介して別個独立に配線基板２１に装着する構成とした場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限ることなく、例えば、図１２に示す第４の変形例のように、隣り合う半導体放射線検出器７０の絶縁体７１同士を一体化する構成としてもよい。

さらに、前記第１の実施の形態では、半導体放射線検出器１全体を絶縁体５で被覆する構成とした場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限ることなく、例えば図１３及び図１４に示す第５の変形例のように、半導体放射線検出器８０に部分的にピン挿入穴８１Ａ，８２Ａを有する絶縁体８１，８２を設け、この絶縁体８１のピン挿入穴８１Ａ，８２Ａ内にそれぞれカソードソケット（例えば中空の金属パイプ）８３及びアノードソケット８４を設け、カソードソケット８３にカソードピン８５をアノードソケット８４にアノードピン８６を挿入する。

この場合、例えば図１５に示す第６の変形例のように、隣接する２個の半導体放射線検出器９０，９０にそれぞれ部分的に絶縁体９１，９２を設けると共に、共通の絶縁板９３を介して、２個の半導体放射線検出器９０，９０同士を絶縁状態に保つ構成としてもよい。

また、例えば図１６に示す第７の変形例のように、隣接する２個の半導体放射線検出器９０に取り付けられる共通の絶縁体９４の一端側にカソード側のピン挿入穴９４Ａを設け、絶縁体９４の他端側にはアノード側のピン挿入穴９４Ｂ，９４Ｂを設ける構成としてもよい。

さらに、第１の実施の形態では、カソードピン２８及びアノードピン２９をピン挿入穴５Ｂの穴径よりも僅かに大きく弾性力を利用してこのピン挿入穴５Ｂ内に挿入する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限ることなく、例えば図１７に示す第８の変形例のように、ピン挿入穴５Ｂ′内に半球状の弾性体９５，９５を取り付け、カソードピン２８又はアノードピン２９を弾性体９５，９５により両側から挟み込んだ状態でピン挿入穴５Ｂ′内に挿入してもよい。
なお、以上の変形例についても、着脱性が必須でなければ、先述のようにカソードピン及びアノードピンを用いず、導電ペースト等を用いて配線基板に半導体放射線検出器を直接固着させても良い。この場合ピン挿入穴の代わりに絶縁体５に例えばメッキ配線を施し、このメッキ配線終端をカソード端子１０及びアノード端子１１とする。このカソード端子１０及びアノード端子１１に導電ペースト等を塗布して配線基板２１に固着すればよい。
また、第１の実施例では半導体放射線検出器のアノード及びカソードの出力端を半導体素子の対角線位置に配置して表記しているが、これに限らず半導体検出素子の同一の辺上に配置しても良く、この場合配線基板については、その出力端位置に対応した配線パターンとすればよい。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体放射線検出器に用いられる半導体放射線検出素子の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体放射線検出器の平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体放射線検出器を用いた検出器モジュールの平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体検出器を用いた検出器モジュールの組立図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体検出器を用いた検出器モジュールの斜視図である。 図６中の半導体放射線検出器を示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る図４の検出器モジュールを適用したＰＥＴ検査装置を有するＰＥＴ−Ｘ線ＣＴ検査装置の縦断面図である。 本発明の第１の変形例に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。 本発明の第２の変形例に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。 本発明の第３の変形例に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。 本発明の第４の変形例に係る半導体放射線検出器を示す平面図である。 本発明の第５の変形例に係る半導体放射線検出器を示す平面図である。 本発明の第５の変形例に係る半導体放射線検出器を示す組立図である。 本発明の第６の変形例に係る半導体放射線検出器を示す平面図である。 本発明の第７の変形例に係る半導体放射線検出器を示す平面図である 本発明の第８の変形例に係るピン挿入穴、弾性体等を示す分解図である。

符号の説明

１ 半導体検出素子
１２，３１，５０，５０′，７０，８０，９０ 半導体放射線検出器
２，３３，６０ 半導体素子
３，３４ カソード電極
４，３５ アノード電極
５，５４，７１，８１，８２，９１，９２，９３，９４ 絶縁体
８，６１ 第１の内部配線
９，６２ 第２の内部配線
１２ 半導体検出器ユニット
２１，５６ 配線基板
２８，５１、８３ カソードピン
２９，５５、８４ アノードピン
３２ 薄型配線基板
３８，３９，４０，４１ 信号線

Claims (13)

1. 半導体素子の一方の面にカソード電極及び、もう一方の面にアノード電極を有する半導体検出素子を複数に並列配置し、これら複数の前記半導体検出素子の少なくとも一部を外側から被覆する絶縁体を備えた複数の半導体放射線検出器と、
   前記カソード電極に前記カソードピンを介して接続され、前記アノード電極にアノードピンを介して接続される配線基板とを有し、
   前記配線基板の一面に設置された前記半導体放射線検出器は、前記配線基板の他面に設置された他の前記半導体放射線検出器と、前記配線基板を挟んで対向して設置されることを特徴とする検出器モジュール。
2. 互いに隣接する前記半導体検出素子の前記カソード電極同士が向かい合うように、前記半導体検出素子を複数に並列配置したことを特徴とする請求項１に記載の検出器モジュール。
3. 互いに隣接する前記半導体検出素子の前記アノード電極同士が向かい合うように、前記半導体検出素子を複数に並列配置したことを特徴とする請求項１に記載の検出器モジュール。
4. 前記半導体放射線検出器は、前記カソードピン及び前記アノードピンにより前記配線基板を挟んで対向した状態で一体化することを特徴とする請求項１に記載の検出器モジュール。
5. 前記各電極は互いに平行方向にずらして配置することにより突出部分を形成し、この突出部分の電極に該当する内部配線を接続したことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の検出器モジュール。
6. 半導体素子の一方の面にカソード電極及び、もう一方の面にアノード電極を有する半導体検出素子を複数に並列配置し、これら複数の前記半導体検出素子の少なくとも一部を外側から被覆する絶縁体を備え、前記絶縁体の内部または表面に位置して前記各カソード電極にそれぞれ接続される第１の内部配線と、前記絶縁体の内部または表面に位置して前記各アノード電極にそれぞれ接続される第２の内部配線とを備えた半導体放射線検出器と、
   第１の内部配線とカソードピンを介して接続され、前記第２の内部配線とアノードピンを介して接続される配線基板とを有し、
   前記配線基板の一面に設置された前記半導体放射線検出器は、前記配線基板の他面に設置された他の前記半導体放射線検出器と、前記配線基板を挟んで対向して設置されることを特徴とする検出器モジュール。
7. 前記半導体放射線検出器は、前記ピンにより前記配線基板を挟んで対向した状態で一体化することを特徴とする請求項６に記載の検出器モジュール。
8. 前記半導体放射線検出器は、導電性を有する接着剤を用いて配線基板に固着させて設置したことを特徴とする請求項７に記載の検出器モジュール。
9. 前記半導体放射線検出器は、前記導電性を有する接着剤により前記配線板を挟んで対向した状態で一体化することを特徴とする請求項８に記載の検出器モジュール。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の検出器モジュールを含むことを特徴とする放射線撮像装置。
11. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の検出器モジュールを含むポジトロンエミッショントモグラフィ装置。
12. 請求項１１に記載のポジトロンエミッショントモグラフィ装置と、Ｘ線ＣＴ装置と、前記ポジトロンエミッショントモグラフィ装置及び前記Ｘ線ＣＴ装置で共用するベッドとを備え、前記ポジトロンエミッショントモグラフィ装置及び前記Ｘ線ＣＴ装置は前記ベッドの移動方向に配置されたことを特徴とする放射線撮像装置。
13. 前記カソードピンと前記アノードピンとは、前記半導体放射線検出器の対角線上の位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の検出器モジュール。

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