JP2016040880A - 放射線撮像装置及び放射線検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】
同じ検知素子を用いて、放射線量の判定時に必要な解像度を確保しつつ、放射線照射有無の判定時に必要な感度を確保した放射線撮像装置を提供すること。
【解決手段】
放射線に応じた画像信号を取得するための画素アレイと、前記画素アレイ内に配置され放射線を検知する複数の検知素子と、を有するセンサ部と、前記センサ部からの信号を読み出す読出回路と、を備え前記読出回路は、放射線の照射の有無が判定されるときは前記複数の検知素子からの信号を合成して処理する第１信号処理回路と、放射線量が判定されるときは前記検知素子毎に信号を処理する第２信号処理回路とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、放射線撮像装置及び放射線検出システム関する。

Ｘ線による医療画像診断や非破壊検査に用いる撮影装置として、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等のスイッチ素子と光電変換素子等の変換素子とを組み合わせた画素アレイを有するマトリクス基板を用いた放射線撮像装置が実用化されている。このような放射線撮像装置は、しばしば放射線発生装置による放射線の照射と同期して撮像動作が行なわれる。同期がとられるタイミングは、主に２種類あり、１つ目は、放射線発生装置からの放射線の照射と放射線撮像装置の蓄積動作の開始検出である。特許文献１には、同期信号を用いずに放射線の照射有無を検知することが可能な放射線検出素子について開示されている。放射線撮像装置へ撮影モードへの移行が通知されると、待機状態から放射線検出待ち状態に遷移し、放射線の照射の有無を判定する。

２つ目は、放射線発生装置からの放射線のセンサへの照射量の累積に応じた、放射線発生装置への放射線の照射停止命令の発生である。この同期をとる為のデバイスは、放射線透過線量を制御する自動露出制御装置（ＡＥＣ：Automatic exposure control）と呼ばれる。特許文献２では、鮮明なＸ線画像を得る為に、透視撮影で得た関心領域（ＲＯＩ：Region of Interest）の画素からの信号を用い、放射線量を補正することが開示されている。

特開２０１２-１５９１３号公報 特開２００６-３３４１５４号公報

特許文献１のように、放射線発生装置からの放射線の照射の開始を検出する為には、放射線検出素子からの信号をモニターし続ける必要がある。具体的には、放射線検出素子からの信号出力を検知する為に、数秒〜数分の時間、放射線照射有無の判定の為の回路を連続的に動作させる必要がある。また、特許文献２のように関心領域（ＲＯＩ）での放射線量を検出できるようにするためには、ＲＯＩごとの処理が必要になる。放射線の照射有無を検知する検知素子と関心領域の照射線量の検知を行なう検知素子とを同じ検知素子で兼ねる場合、検知素子の配置を放射線照射有無の判定に最適化すると、放射線量の検出時に空間解像度が不足するおそれがある。一方、検知素子の配置を放射線量の判定のために最適化すると、ＲＯＩの数が増えるので検知素子からの出力がＲＯＩ毎に分散し、放射線の照射開始の判定のための信号レベルを十分に得られなくなるおそれがある。そこで本発明は、同じ検知素子を用いて、放射線量の判定時に必要な解像度を確保しつつ、放射線照射有無の判定時に必要な感度を確保した放射線撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の放射線撮像装置は、放射線に応じた画像信号を取得するための画素アレイと、前記画素アレイ内に配置され放射線を検知する複数の検知素子とを有するセンサ部と、前記センサ部からの信号を読み出す読出回路とを備え、前記読出回路は、放射線の照射の有無が判定されるときは前記複数の検知素子からの信号を合成して処理する第１信号処理回路と、放射線量が判定されるときは前記検知素子毎に信号を処理する第２信号処理回路とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、同じ検知素子を用いて、放射線量の判定時に必要な解像度を確保しつつ、放射線照射有無の判定時に必要な感度を確保した放射線撮像装置を提供できる。

放射線撮像装置の構成例を示す図。 本発明の第１実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。 本発明の第１実施形態の放射線撮像装置のタイミングチャート。 本発明の第１実施形態の放射線撮像装置の読出回路と支持基板の接続例を示す図。 本発明の第１実施形態の放射線撮像装置の画素の構成例を示す図。 本発明の第２実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。 本発明の第２実施形態の放射線撮像装置のタイミングチャート。 本発明の第２実施形態の放射線撮像装置における画素の構成例を示す図。 本発明の第３実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。 本発明の第３実施形態の放射線撮像装置のタイミングチャート。 本発明の第３実施形態の放射線撮像装置の変形例の構成を示す図。 本発明の第４実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。 本発明の第４実施形態の放射線撮像装置のタイミングチャート。 本発明の第５実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。 本発明の第５実施形態の放射線撮像装置のタイミングチャート。 放射線検出システムの構成例を示す図。

（第１実施形態）
（ａ）放射線撮像装置の構成
まず、本実施形態に係る放射線撮像装置の構成について図１〜５により説明する。放射線撮像装置２００は、第１の画素１０１と第２の画素（検知画素）１２１とを少なくとも有するセンサ部が実装された支持基板１００を含む。第１の画素１０１は、放射線画像となる信号を出力する画素であり、変換素子１０２とスイッチ素子１０３とを含む。検知画素１２１は、放射線画像となる信号に加えて放射線照射有無の判定及び放射線量の判定のための信号を出力する画素である。検知画素１２１は、変換素子１０２とスイッチ素子１０３とに加えて、検知素子１２２と検知素子用のスイッチ素子１２３とを更に含む。放射線撮像装置２００は、センサ部の駆動を行う駆動回路２２１と、センサ部からの電気信号を画像データとして出力する読出回路２２２と、を有する検出部２２３を含む。駆動回路２２１は、支持基板１００内に配置された各スイッチの選択状態と非選択状態とを制御する。

読出回路２２２は、図２に示すよう画像信号入力端子１０７、第１信号入力端子１２０、第２信号入力端子１１７を含む。読出回路２２２は放射線の照射の有無を判定するときに動作する第１信号処理回路と放射線量の判定時に動作する第２信号処理回路とを備える。具体的には、読出回路２２２内では、画像信号入力端子１０７及び第２信号入力端子１１７が、オペアンプ１５０の反転入力端子に接続される。また、オペアンプ１５０、オペアンプ１５４の反転入力端子は、帰還容量を介し出力端子に接続され、非反転入力端子は、任意の固定電位に接続されており、電荷電圧変換回路として機能する。更に、オペアンプ１５０の後段には、サンプルホールド回路１５１、マルチプレクサ１５２を介して、ＡＤコンバータ１５３が接続されており、画像信号入力端子１０７及び第２信号入力端子１１７からの信号電荷はデジタル信号に変換される。同様に、読出回路２２２内では、第１信号入力端子１２０が、オペアンプ１５４の反転入力端子に接続される。オペアンプ１５４の後段には、サンプルホールド回路１５５、マルチプレクサ１５６を介して、ＡＤコンバータ１５７が接続されており、第１信号入力端子１２０からの信号電荷はデジタル信号に変換される。

本実施例においては、画像信号入力端子１０７、第２信号入力端子１１７からの出力は、ＡＤコンバータ１５３で処理され、第１信号入力端子１２０からの出力は、ＡＤコンバータ１５７で処理されるように、回路が分けられている。本実施例では、第１信号入力端子１２０からＡＤコンバータ１５７までの回路は第１信号処理回路に対応し、プリント基板５０３上に実装される。また、本実施例では、画像信号入力端子１０７、第２信号入力端子１１７からＡＤコンバータ１５３までの回路は第２信号処理回路に対応し、フレキシブル基板５０２に搭載された集積回路５０１上に実装される。第２信号処理回路は検知信号線１１０からの信号を個別に処理してデジタルデータに変換する。放射線撮像装置２００は更に、検出部２２３からの画像データを処理して出力する信号処理部２２４と、各構成要素に夫々制御信号を供給して検出部２２３の動作を制御する制御回路２２５とを含む。さらに放射線撮像装置２００は各回路に夫々バイアス電圧および電力を供給する電源回路２２６も含む。また、信号処理部２２４は、読出回路２２２から画像信号線１０６や検知信号線１１０の情報を受け、この情報を制御コンピュータ（不図示）や制御回路２２５に送る。制御コンピュータ（不図示）や制御回路２２５は、前記情報に基づく制御信号を駆動回路２２１や外部の放射線発生装置２２７に送る。或いは、外部の放射線発生装置２２７が制御回路２２５の情報を取得して放射線の発生を制御しても良い。

電源回路２２６は、不図示の外部電源や内蔵バッテリーから電力を受けてセンサ部、駆動回路２２１、読出回路２２２などへ必要な電力を供給するレギュレータ回路等を含んでいる。なお、駆動回路２２１、読出回路２２２、信号処理部２２４、制御回路２２５、及び電源回路２２６はそれぞれ１つのブロックで示されているが、これはそれぞれが１つの集積回路で構成されていることを意味するものではない。それぞれが複数の集積回路によって構成されていてもよい。また、それら全てが一つの集積回路に設けられていてもよい。各部分は説明のために分けられているが、複数の回路を一つの回路が兼ねることもできるし、回路は分かれて配置することもできる。図１の構成では、信号処理部２２４、制御回路２２５、及び電源回路２２６は、プリント基板２２９上に実装されている。駆動回路２２１及び、読出回路２２２は、其々プリント基板２３０、５０３、フレキシブル基板５０２に実装されている。プリント基板２３０，５０３は、フレキシブル基板５０２を介して支持基板１００のセンサ部に接続されている。また、上記説明は、本発明の他の実施形態にも適宜適用可能であることは言うまでもない。

（ｂ）回路構成
次に、本実施形態に係る放射線撮像装置の画素及び検知画素の構成について説明する。図２に示すように、本実施形態の放射線撮像装置には、複数の画素及び周辺回路が配置されている。支持基板１００上には、放射線に応じた画像信号を取得するために行列状に配置された複数の画素１０１及び検知画素１２１を有する画素アレイを含むセンサ部が設けられている。画素１０１は放射線又は光に応じた電気信号を出力するためのものであり、夫々が放射線又は光を電荷に変換する変換素子１０２及び発生した電荷に応じた電気信号を信号線へ出力するスイッチ素子１０３を含む。本実施形態では、変換素子１０２として、放射線を光に変換するシンチレータと、その光を電荷に変換する光電変換素子と、を含むものであるが、本発明はそれに限定されるものではない。変換素子１０２には、シンチレータにより変換された光を電荷に変換する光電変換素子や放射線を直接電荷に変換する直接型変換素子を用いてもよい。また、スイッチ素子１０３として、非晶質シリコン又は多結晶シリコンの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含むが、多結晶シリコンのＴＦＴを用いるのがよい。また、半導体材料としてシリコンを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ゲルマニウム等の他の半導体材料を用いてもよい。

変換素子１０２の第１電極には、スイッチ素子１０３の第１主電極が電気的に接続され、変換素子１０２の第２電極には、バイアス線１０８が電気的に接続される。バイアス線１０８は、列に沿って配列された複数の変換素子１０２の第２電極に共通に接続される。各列に配置されたバイアス線１０８は、行に沿って配置されたバイアス線に共通に接続されて、電源回路２２６のバイアス電源端子１０９に接続され、バイアス電圧の供給を受ける。スイッチ素子１０３の第２主電極には、画像信号線１０６が電気的に接続される。画像信号線１０６は列に沿って配置された画素のスイッチ素子１０３の第２主電極を共通に接続する。画像信号線１０６は画素の列毎に配置される。各画像信号線１０６は、外部の読出回路２２２の画像信号入力端子１０７に電気的に接続される。

画素１０１のスイッチ素子１０３の制御電極には、駆動線１０４が電気的に接続される。駆動線１０４は、行に沿って配置された複数の画素１０１のスイッチ素子１０３の制御電極を共通に接続し、駆動回路２２１から各駆動電圧端子１０５を介してゲート制御電圧Ｖｇ１〜Ｖｇｎが印加される。検知画素１２１は、画素アレイ内に配置されており、前述の変換素子１０２、スイッチ素子１０３を含むと共に、放射線の検知をする検知素子１２２及び検知素子１２２に接続されたスイッチ素子１２３を含む。検知素子１２２は、放射線を光に変換するシンチレータと、その光を電荷に変換する光電変換素子と、を含むものであるが、本発明はそれに限定されるものではない。

検知素子１２２の第１電極には、スイッチ素子１２３の第１主電極が接続される。列に沿って配置された検知素子１２２の第２電極は、列毎に配置されたバイアス線１０８に接続される。スイッチ素子１２３の第２主電極には、列に沿って配置された検知信号線１１０が接続され、スイッチ素子１２３の制御電極には、行毎に配置された駆動線１２４が接続される。各駆動線１２４には、駆動電圧端子１２５を介して駆動回路２２１から検知素子のスイッチ素子１２３を制御するゲート制御電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎが印加される。各検知信号線１１０には、１個或いは複数個の検知素子がスイッチ素子１２３を介して接続されている。スイッチ素子がオンされると各駆動線１２４に接続された検知素子毎に検知信号線１１０に信号を出力する。各検知信号線１１０は、スイッチ素子１１１の第１主電極に接続される。スイッチ素子１１１の第２主電極は、検知信号入力端子１１７を介して外部の読出回路２２２に電気的に接続される。スイッチ素子１１１の制御用端子は、行に沿って配置された駆動線１１３に接続され、駆動線１１３には、駆動回路２２１からゲート制御電圧Ｖａが印加される。

各隣接する検知信号線１１０同士の間には、スイッチ素子１１２が配置される。スイッチ素子１１２は隣接する検知信号線１１０を接続することができる。１つのスイッチ素子１１２の第１主電極と、第２主電極には、其々異なる検知信号線１１０が接続される。スイッチ素子１１２の制御電極には、駆動線１１４が接続され、駆動回路２２１からゲート制御電圧Ｖｂが印加される。

一部の検知信号線１１０には、スイッチ素子１１１の第１主電極と共通に、スイッチ素子１１８の第１主電極が接続される。スイッチ素子１１８の第２主電極は、外部の読出回路２２２の第１信号入力端子１２０に電気的に接続される。スイッチ素子１１８の制御電極は、駆動線１２６に接続される。駆動線１２６には、駆動電圧端子１１９を介して駆動回路２２１から制御電極を制御するゲート制御電圧Ｖｃが印加される。スイッチ素子１１１、１１２、１１８は検知信号線１１０の信号を合成するための合成部の一部を構成する。本実施形態において、読出回路２２２の画像信号入力端子１０７、第２信号入力端子１１７は、それぞれ変換素子１０２及び検知素子１２２から画像を得るための信号と放射線を検知するための信号が入力される端子である。

（ｃ）検知画素構造
本実施形態に係る放射線撮像装置の画素の構造について図５により説明する。図５（ａ）は画素１０１の平面図であり、図５（ｂ）は検知画素１２１の平面図である。画素１０１は、放射線又は光を電荷に変換する変換素子１０２と、変換素子１０２の電荷に応じた電気信号を出力するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）からなるスイッチ素子１０３とを含む。放射線の検知信号を出力する検知画素１２１は、画像信号を出力する部分として、放射線又は光を電荷に変換する変換素子１０２と、変換素子１０２の電荷に応じた電気信号を出力するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）からなるスイッチ素子１０３とを含む。さらに、検知素子１２２とスイッチ素子１２３とを含む。

図５（ｃ）は図５（ｂ）のＡ−Ａ’での断面図である。本実施形態では、変換素子１０２には、ＰＩＮ型のフォトダイオード１３４を用いている。変換素子１０２は、ガラス基板等の絶縁性の支持基板１００の上に設けられたスイッチ素子１０３の上に層間絶縁層１３０を挟んで積層されている。検知画素１２１は、検知信号を出力する部位として、放射線又は光を電荷に変換する検知素子１２２と、検知素子１２２の電荷に応じた電気信号を出力するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）からなるスイッチ素子１２３とを含む。検知素子１２２には、本実施形態ではＰＩＮ型のフォトダイオード１３５を用いている。検知素子１２２は、ガラス基板等の絶縁性の支持基板１００の上に設けられた検知素子用のスイッチ素子１２３の上に層間絶縁層１３０を挟んで積層されている。

変換素子１０２、１２２は、お互いの第１電極１３１、１３２が通電しないように、アイソレーションされており、第１電極１３１、１３２の双方の間に設置された素子間絶縁膜１３３により絶縁性を高めている。第１電極１３１、１３２及び素子間絶縁膜１３３上には、それぞれ前述のＰＩＮ型のフォトダイオード１３４、１３５がｎ層−ｉ層−ｐ層の順で積層されている。ＰＩＮ型のフォトダイオード１３４、１３５上には、其々第２電極１３６、１３７、保護膜１３８、第２層間絶縁層１３９、バイアス線１０８、保護膜１４０が順に配置されている。保護膜１４０上には、不図示の平坦化膜及び蛍光体が配置されている。第２電極１３６、１３７は、図５（ｃ）中では不図示であるコンタクトホールに形成されたコンタクトを介して、共にバイアス線１０８に接続されている。第２電極１３６、１３７には、光透過性を有するＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が用いられ、不図示の蛍光体で放射線から変換された光が透過可能な構成となっている。

図５（ａ）は、本発明の画素１０１の平面図であり、図５（ｂ）の画素と比較して、検知信号を出力する変換素子１２２を含まない。画素１０１と検知画素１２１では、変換素子１０２のサイズが異なる為、放射線入射量が同一であっても、出力される画像信号の量が異なる。したがって、撮影画像を診断に利用する場合は、補正を行ない画像信号のバラつきを補正する。

（ｄ）動作
次に、図２、３を用い、本発明の第１実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。以下説明において、駆動線１１３、１１４、１２６に加わるゲート制御電圧を其々Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃとする。各駆動線１０４に加わるゲート制御電圧をＶｇ１〜Ｖｇｎとし、各駆動線１２４に加わるゲート制御電圧をＶｄ１〜Ｖｄｎとする。更に、図３では、簡単化の為に、各駆動線に接続された各スイッチが導通状態となる電圧をＨＩ、非導通状態となる電圧をＬＯと表記する。

まず、図３の期間Ｔ１の動作について説明する。期間Ｔ１は、放射線の照射の有無を検知する期間である。一例として、放射線撮像装置に電源が投入されて、撮影が可能な状態となってから、実際に撮影者が被写体を本放射線撮像装置にセットし、放射線の曝射スイッチを押し、放射線の照射が開始されるまでがこの期間にあたる。この期間中は、ゲート制御電圧Ｖｄ１〜ＶｄｎはＨＩにされ、スイッチ素子１２３が導通状態になる。また、ゲート制御電圧ＶａをＬＯとし、ゲート制御電圧Ｖｂ及びＶｃをＨＩとする。スイッチ素子１１１はオフになり、検知信号線１１０間に有るスイッチ素子１１２がオンになる。このとき、検知信号線１１０と第２信号入力端子間のスイッチ素子１１８がオンになる。この結果、複数の検知素子１２２が、第１信号入力端子１２０に電気的に接続された状態となる。すなわち、複数の検知素子１２２からの信号が電気的に合成されて、第１信号入力端子１２０を介して読出回路２２２に入力される。その信号は、オペアンプ１５４、サンプルホールド回路１５５、マルチプレクサ１５６、ＡＤコンバータ１５７を経てデジタルデータへと変換される。

読出回路２２２で読み出された信号は信号処理部２２４により検出、処理される。信号処理部２２４からの信号に基づき制御回路２２５は、放射線の照射の有無を判断し、放射線が照射されたと判定した場合、図３中の期間Ｔ２が開始される。期間Ｔ１の間は、変換素子１０２において発生するダーク電流を除く為に、各変換素子１０２を定期的に定電位にリセットすることが望ましい。本例では、各駆動線１０４のゲート制御電圧Ｖｇ１〜Ｖｇｎを順次ＨＩにすることにより、変換素子１０２を定電圧に固定された画像信号線１０６に導通させることで、変換素子１０２内にダーク電流による電荷が長期蓄積されることを防いでいる。具体的な期間Ｔ１の長さは撮影手法・条件等により大きく異なるが、通常は数sec〜数minの時間である。

次に期間Ｔ２での動作について説明する。期間Ｔ２は、放射線が照射されている間の期間である。一例として、放射線の照射の開始を検知してから、放射線の累積の照射量が撮像に適した線量となる迄の期間にあたる。この期間中は、ゲート制御電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎが断続的にＨＩにされ、スイッチ素子１２３が断続的に導通状態になる。また、ゲート制御電圧ＶａをＨＩに設定し、ゲート制御電圧Ｖｂ及びＶｃをＬＯに設定することで、スイッチ素子１１２、１１８がオフになる。各検知信号線１１０間の電気的な接続は解消されている。各検知信号線１１０に接続されている検知素子１２２は、各第２信号入力端子１１７のそれぞれのうちの１本に導通した状態となる。各検知信号線のうちの１本にそれぞれ接続されている検知素子１２２からの信号は電気的に合成される。但し、期間Ｔ２においては、期間Ｔ１と比較して、読出回路２２２へ入力されるときの合成された検知素子１２２の数が少ない。本実施形態では、期間Ｔ１では全ての検知素子１２２が第１信号入力端子１２０に接続される。これに対して、期間Ｔ２では画素の列に沿って配置された各検知信号線１１０に接続された検知素子１２２が、検知信号線と対応する第２信号入力端子１１７に接続される。

検知素子１２２からの信号は、検知信号線１１０別に第２信号入力端子１１７を介して、読出回路２２２に入力され、オペアンプ１５０、サンプルホールド回路１５１、マルチプレクサ１５２、ＡＤコンバータ１５３を経てデジタルデータへと変換される。読出回路２２２以降の回路構成、処理方法については、詳細は省略するが、前記信号の形態は電荷、電圧、電流の何れの形態でも良い。ＡＤコンバータ１５３で個別にデジタル変換された複数のデジタル信号は、信号処理部２２４を経て、制御回路２２５に送られる。制御回路２２５は、読出回路２２２からの複数のデジタル信号に基づき、放射線の照射線量を検知する。期間Ｔ２中は、変換素子１０２において放射線によって発生する信号を蓄積する為に、各駆動線１０４のゲート制御電圧Ｖｇ１〜ＶｇｎはＬＯにされ、画素１０１内に発生した信号が変換素子１０２に蓄積される。具体的な期間Ｔ２の長さは撮影手法・条件等により大きく異なるが、数百μsec〜数百msec程度の時間がかかる。制御回路２２５による放射線の照射線量の検知結果を元に、制御回路２２５、或いは外部の放射線発生装置２２７が放射線の照射停止の判定した場合、動作は図３中の期間Ｔ３に遷移する或いは、遷移するように制御される。

最後に、期間Ｔ３の動作について説明する。期間Ｔ３は、放射線の照射が終了後に、画素１０１及び検知画素１２１に蓄積された画像信号を読み出す期間である。この期間中は、ゲート制御電圧Ｖｄ１〜ＶｄｎがＬＯにされ、ゲート制御電圧ＶａをＨＩ、ゲート制御電圧Ｖｂ及びＶｃをＬＯにする。検知信号線１１０がフローティングになることを防ぐ為、第２信号入力端子１１７を介して、検知信号線１１０は固定電位に接続するとよい。また、各駆動線１０４を走査する為に、ゲート制御電圧Ｖｇ１〜Ｖｇｎを順次ＨＩに設定する。この走査により、画素１０１及び検知画素１２１の変換素子１０２に蓄積された画像信号を、画像信号入力端子１０７を介して読出回路２２２に伝送する。信号は、診断に用いる撮影画像情報として利用される。読出回路２２２以降の回路構成、処理方法については、詳細は省略する。本実施形態では、各変換素子１０２における蓄積時間が一定となるように、期間Ｔ１で駆動線１０４の走査を最後に行った時点から、期間Ｔ３で走査する時までの蓄積時間を一定にする。図３では、Ｔ１期間中に、最後にＶｇ１をＨＩにしたため、期間Ｔ３では、ゲート制御電圧Ｖｇ２を最初にＨＩにすることにより走査を開始する。この結果、各行の、期間Ｔ１で最後にゲート制御電圧ＶｇをＬＯにしてから期間Ｔ３中でゲート制御電圧ＶｇをＨＩにするまでの蓄積時間を一定にすることができる。

期間Ｔ１では、空間的な分解能の要求は低いあるいは不要である為に複数の検知素子１２２が接続された検知信号線１１０からの信号を合成して読み出す。そのために、高い感度で放射線の照射の開始を検出する事ができる。また、本実施形態においては、期間Ｔ１では、集積回路５０１を動作させずに、１チャネル分のオペアンプ１５４及び、ＡＤコンバータ１５７のみを使って読み出す事ができる為、消費電力が抑えられる。但し、本例は説明を簡単にする為に、１チャネル分のオペアンプ１５４、ＡＤコンバータ１５７しか記載していないが、複数あってもよい。この場合においても、検知信号線の数に比べてチャネル数を抑えることにより、十分に消費電力は抑えられる。

一方、期間Ｔ２では、検知素子１２２の電荷信号を接続された第２信号入力端子１１７毎に検知素子からの信号を読み出す事ができる為、空間的な解像度がＴ１の期間に比べ上昇する。この期間は、複数のオペアンプ１５０、サンプルホールド回路１５１、マルチプレクサ１５２、ＡＤコンバータ１５３を含む集積回路５０１が動作する為、Ｔ１の期間に比べ消費電力が上昇する。しかし、時間的にＴ１と比較して十分短い時間である為、消費電力量は抑制できる。

本実施形態では、感度が求められる期間Ｔ１において検知素子１２２からの信号を束ね、分解能が求められる期間Ｔ２では検知信号線からの出力を検出できるようにしている。したがって、期間Ｔ１では感度良く照射検出を行うことができる。期間Ｔ１の間に処理すべき信号の数を少なくすることができるので、処理に使う回路規模を減らし、電力消費を低減できる。また、期間Ｔ２では放射線量の判定を、空間的な分解能が良い放射線の照射線量の情報を取得して行うことができる為、これを利用して鮮鋭度の高い撮影画像を得ることができる。

（第２実施形態）
（ａ）放射線撮像装置の構成
以下の実施形態では、第１の実施形態と同じ箇所には同じ参照番号を付して説明を省略する。図６を用い本発明の第２実施形態に係る放射線撮像装置のセンサ部について説明する。図６は、支持基板１００内の画素の配置を示したものである。図２で示される第１の実施形態との違いは、検知画素１２１中の検知素子１２２にスイッチ素子１２３が接続されていない。これに伴いスイッチ素子１２３を駆動するための駆動線１２４を有しない。１以上の検知素子１２２は各検知信号線１１０に直接、接続されている。放射線の照射開始を検出するとき、スイッチ素子１１８は、各列毎に配置された検知素子１２２の出力を束ねて取り出すために、スイッチ素子１１２と共にオンにする。また、検知素子１２２から検知信号線１１０毎に出力をとりだすときには、スイッチ素子１１２をオフにする。このときスイッチ素子１１８はオンになり、スイッチ素子１１１として機能する。本実施形態の検知画素１２１の平面図を図８に示す。本実施形態の検知素子１２２の領域にはスイッチ素子を有しない。読出回路２２２は、期間Ｔ１では第１信号入力端子１２０からの信号を放射線の照射開始を判定するために使用し、期間Ｔ２では第２信号入力端子からの信号を放射線量の判定に使用する。

（ｂ）動作
次に、図７を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。まず、図２で示される第１の実施形態との違いとして、検知素子用のスイッチ素子１２３を有しない為、ゲート制御電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎの制御を行う必要がない。期間Ｔ１においてゲート制御電圧ＶｂがＨＩになっているので、スイッチ素子１１２がオンとなり、隣接する検知信号線１１０が接続されて検知素子１２２の出力が合成される。このときゲート制御電圧ＶｃがＨＩになっているので、スイッチ素子１１８もオンとなっている。各検知信号線１１０に接続された検知素子１２２からの信号が合成された出力はスイッチ素子１１８を介して第１信号入力端子１２０へ出力される。次に、期間Ｔ２中にゲート制御電圧ＶｂがＬＯになり、ゲート制御電圧ＶｃがＨＩになる。この結果、スイッチ素子１１２はオフになり、検知素子１２２からの信号は、第１信号入力端子１２０及び第２信号入力端子１１７を介して読出回路２２２に伝送され、放射線の照射線量の判定の為に用いられる。このとき第１信号入力端子１２０は、第２信号入力端子１１７と同じく、検知信号線からの検知素子の信号を出力する。本構成によれば、実施形態１と同様に期間Ｔ１では検知素子からの信号を束ねて放射線の照射開始を検出するので、感度良く検出を行うことができる。期間Ｔ２では検知信号線１１０からの信号を合成しないで読出回路２２２に提供するので、領域毎に放射線量の判定をすることができ、空間的な解像度が期間Ｔ１に比べて改善し、鮮鋭度の高い撮影画像を提供することができる。また、期間Ｔ１で動作する回路の規模が抑制できるので、期間Ｔ１での消費電力を低減できる。さらに、第１信号入力端子１２０を第２信号入力端子１１７として使うことにより、接続端子数の抑制ができるので、入力回路の規模の削減が可能になる。

（第３実施形態）
（ａ）放射線撮像装置の構成
図９を用い本実施形態に係る放射線撮像装置のセンサ部について説明する。図９は、支持基板１００内に配置された画素を示したものであり、図２で示される第１の実施形態との違いは、検知画素１２１中に検知素子用のスイッチ素子１２３を有せず、これに伴い駆動線１２４を具備していない。同様に、スイッチ素子１１２、１１８、駆動線１１４、１２６を有しない。また、第１信号入力端子１２０には信号線１２７が接続されている。信号線１２７は、容量部１２８を介して検知信号線１１０と結合されている。容量部１２８は検知信号線１１０の信号を合成する合成部として機能する。また、図１１は、本実施形態における変形例で、検知画素１２１中の検知素子１２２の第１電極が画像信号線１０６に接続されており、画像信号線１０６が検知信号線１１０の機能を兼ねる。同様に、読出回路２２２の画像信号入力端子１０７が、第２信号入力端子１１７の機能を兼ねる。読出回路２２２は期間Ｔ１では第１信号入力端子１２０からの信号を放射線の照射開始の検知に使用し、期間Ｔ２では画像信号入力端子１０７からの信号を放射線量の検知に使用する。期間Ｔ３では、読出回路２２２は画像信号入力端子１０７からの信号を撮像信号として処理する。

（ｂ）動作
図１０を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。期間Ｔ１においては、ゲート制御電圧Ｖａの電位がＬＯにされ、第２信号入力端子１１７と検知信号線１１０間のスイッチ素子１１１が非導通となっており、各検知信号線１１０がフローティングとなる。したがって、検知素子１２２において信号電荷が発生すると各検知信号線１１０の電位が変動する。この複数の検知信号線１１０の電位変動が、複数の信号線の間にある容量部１２８を介して容量結合された信号線１２７に複数の検知素子１２２からの信号電荷による電位の変化として伝送される。期間Ｔ２においては、ゲート制御電圧ＶａをＨＩにして、スイッチ１１１をオンにする。読出回路２２２は検知素子１２２からの信号を、第２信号入力端子１１７を介して読み出し、放射線量の判定が行われる。

本構成によれば、期間Ｔ１中に検知素子１２２からの信号を、電圧の変化として読み出すことができる為、読み出しに伴う電荷の移動がない。期間Ｔ１の間に放射線の照射の有無の判定に用いた電荷を、期間Ｔ２の間に放射線の照射線量の検知を行なう際にも利用することができ、検知精度が改善され、鮮鋭度の高い画像を得ることが可能になる。

また、図１１で示す形態においては、検知信号と画像信号を同じ信号入力端子を兼用して読み出すようにした為、読出回路２２２の入力端子数を削減でき、読出回路２２２の規模の縮小と消費電力の低減に有利である。

（第４実施形態）
（ａ）放射線撮像装置の構成
図１２を用い本実施形態に係る放射線撮像装置について説明する。図１２は、支持基板１００上のセンサ部の配置を示したものであり、図２で示される第１の実施形態との違いは、検知画素１２１中に検知素子用スイッチ素子１２３を有せず、これに伴い駆動線１２４を具備していない。また、スイッチ素子１１１、１１２、１１８、駆動線１１３、１１４、１２６、第１信号入力端子１２０を有しない。本実施形態に係る放射線撮像装置の構成は、電源回路２２６からのバイアス線１０８に流れる電流の変化を監視することにより放射線の照射を検知している。バイアス電流の監視は、電源回路２２６がバイアス電流をＡＤ変換し、ＡＤ変換されたデータを制御回路２２５へ送ることにより行われる。この場合、電源回路２２６は読出回路２２２の機能を兼ねている。

バイアス電源端子１０９及びバイアス線１０８を介して電圧が印加されている検知素子１２２に放射線が照射された場合、検知素子１２２に信号電荷が発生する。発生した信号電荷はバイアス線１０８を介して、バイアス電源端子１０９へ流れる。或いは、変換素子１０２においても電荷の発生により変換素子１０２内での電位の変動が起きる為、この電位変動が不図示の寄生容量を介して、バイアス線１０８に伝送されて、これがバイアス電源端子１０９へ流れる。制御回路２２５は、電源回路２２６でのバイアス電流の監視に基づき、照射を判定して制御信号を駆動回路２２１、読出回路２２２に送る。

（ｂ）動作
図１３を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。本実施形態では、期間Ｔ１においてバイアス線１０８に流れる電流を監視することにより、放射線の照射有無を判定する。期間Ｔ１において、ゲート制御電圧Ｖｇ１〜Ｖｇｎが周期的にＨＩとなり、ダーク電流をリセットする。放射線の照射が開始されると検知素子１２２及び変換素子１０２の出力に変化が生じ、この変化によってバイアス線に影響が発生しバイアス電流が変化する。このバイアス電流の変化を電源回路２２６で監視し、変化が生じると照射が開始されたと判定する。期間Ｔ２では検知素子１２２の出力は第２信号入力端子１１７から読出回路２２２へ入力され、照射量が計測される。所定の放射線量を検出すると、期間Ｔ３においてスイッチ素子１０３を制御して変換素子１０２から画像信号の読み出しが開始される。

本構成によれば、バイアス線１０８に流れる電流を利用することで、Ｔ１の期間中は、多数の検知素子１２２からの信号を束ねて放射線の検知を行うことができる。また、Ｔ２の期間中は、空間的な分解能の良い放射線の照射線量の情報を取得することができるので、鮮鋭度の高い画像を得ることができる。また、スイッチ素子を削減できると共に駆動線の配線を省略できるので、消費電力の低減に有利である。

（第５実施形態）
（ａ）放射線撮像装置の構成
図１４を用い本実施形態に係る放射線撮像装置のセンサ部について説明する。本実施形態の放射線撮像装置は、支持基板１００上に行列状に配置された複数の画素４０１を含むセンサ部を有している。画素４０１は放射線または光に応じた電気信号を出力する為のものであり、放射線または光を電荷に変換する変換素子４０２、リセットスイッチ素子４０７、ソースフォロア４０３、負荷用スイッチ素子４０４、内部容量４０５、画素選択スイッチ４０６を有する。変換素子４０２の第２電極には、バイアス電源端子１０９が電気的に接続される。変換素子４０２の第１電極は、ソースフォロア４０３の制御電極及び、リセットスイッチ素子４０７の第１主電極に接続される。ソースフォロア４０３は変換素子からの電荷に応じた信号を画像信号線１０６へ出力する増幅ＭＯＳトランジスタである。

リセットスイッチ素子４０７の第２主電極は、リセット電位供給端子３００に導通され、リセット電位供給端子３００を介してリセット用電圧が印加される。リセットスイッチ素子４０７の制御電極は、画素リセットスイッチ用端子３０５に導通され、画素リセットスイッチ用端子３０５を介してリセットスイッチ素子４０７のオン−オフを制御する為の電位Ｖresが供給される。ソースフォロア４０３の第１主電極は、正電位供給端子３０３に導通され、電源電圧が印加される。ソースフォロア４０３の第２主電極は、負荷用スイッチ素子４０４の第一主電極及び、内部容量４０５の第１電極に接続される。ソースフォロア４０３の第２主電極、負荷用スイッチ素子４０４の第１主電極及び内部容量４０５の第１電極が接続されているノードを説明の為、以後ノードＡとする。内部容量４０５の第２電極には、画素選択スイッチ４０６の第１主電極が接続される。内部容量４０５の第２電極と画素選択スイッチ４０６の第１主電極が接続されているノードを説明の為、以後ノードＢとする。

画素選択スイッチ４０６の第２主電極は、画像信号線１０６に接続される。また、画素選択スイッチ４０６の制御電極は、画素選択スイッチ用端子３０４に導通され、画素選択スイッチ用端子３０４を介して画素選択スイッチ４０６のオン−オフを制御する為の電位Ｖｓｅｌが供給される。負荷用スイッチ素子４０４の第２主電極は、ＧＮＤ端子３０１に接続され、ＧＮＤ電位が供される。負荷用スイッチ素子４０４の制御電極は、負荷スイッチ用端子３０６に接続され、負荷スイッチ用端子３０６を介してスイッチのオン−オフを制御する為の電位Ｖloadが供給される。画像信号線１０６は、画像信号入力端子１０７と接続されている。

本実施形態に係る放射線撮像装置の構成では、駆動回路２２１が、画素選択スイッチ用端子３０４、画素リセットスイッチ用端子３０５、負荷スイッチ用端子３０６に接続され、其々Ｖｒｅｓ、Ｖｓｅｌ、Ｖｌｏａｄを供給する。また電源回路２２６は、バイアス電源端子１０９にバイアス電位を供給すると共に、リセット電位供給端子３００、正電位供給端子３０３、ＧＮＤ端子３０１に接続され、其々の電位を供給する。また、電源回路２２６において、リセット電位供給端子３００にリセット用電位を印加すると共に、バイアス電源から供給した電流の量を監視する。制御回路２２５は、電源回路２２６での前記電流量の監視の結果に基づき、制御信号を駆動回路２２１、読出回路２２２に送る。

（ｂ）動作
図１５を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。各1〜n行の画素選択スイッチ用端子３０４、画素リセットスイッチ用端子３０５、負荷スイッチ用端子３０６に印加される電圧をＶｓｅｌ１〜Vｓｅｌｎ、Ｖｒｅｓ１〜Ｖｒｅｓｎ、Ｖｌｏａｄ１〜Ｖｌｏａｄｎとする。本実施形態の説明の範囲において、電圧Ｖｌｏａｄ１〜Ｖｌｏａｄｎは常にＨＩにされている。本実施形態では、変換素子４０２からの信号は、撮影画像信号を得る為に用いられると共に、放射線の照射の有無の判定及び、放射線照射量の判定にも用いられる。

まず、図１５中の期間Ｔ１の動作について説明する。期間Ｔ１は、放射線の照射の有無を検知する期間である。この期間中は、電圧Ｖｒｅｓ１〜ｎはＨＩにされ、ノードＡが常にリセット電位供給端子３００から供給されるリセット用電圧に固定される。この時、複数の変換素子４０２からの信号の変化は、リセット電位供給端子３００およびバイアス電源端子１０９を介して、電源回路２２６に伝送される。制御回路２２５は、電源回路２２６でのバイアス電源の電流の変化の検出に基づいて放射線の照射の有無を判断する。制御回路２２５が、放射線が照射されたと判定した場合、図１５中のＴ２の期間に遷移する。期間Ｔ１の間、電圧Vｓｅｌ１〜VｓｅｌｎをＨＩに設定することで画素選択スイッチ４０６を導通させ、ノードＢに画像信号入力端子１０７から固定電位を供給している。

次に期間Ｔ２の動作について説明する。期間Ｔ２は、放射線が照射されている間の期間である。まず、電圧Vｓｅｌ１〜VｓｅｌｎをＬＯの状態とし、画素選択スイッチ４０６をオフにしてノードＢをフローティングとする。電圧Ｖｒｅｓ１〜ＶｒｅｓｎをＬＯとし、リセットスイッチ素子４０７をオフにして画素４０１を電荷が蓄積できる状態とする。放射線の照射量に応じた電荷が発生すると、それに応じた電位が、ノードＡに生じる。ノードＡの電位の変化は、フローティングにされた内部容量４０５を介して、ノードＢに現れる。

次に、電圧Vｓｅｌ１〜Vｓｅｌｎを順次ＨＩにし、各画素選択スイッチ用端子３０４を順次、行単位で繰返し走査する。各画素４０１のノードＢに応じた電位の変化が画像信号線１０６、画像信号入力端子１０７を介して、順次、読出回路２２２に現れる。この信号を用い制御回路２２５は、各画素１０１に入射した放射線の照射線量を検知する。図１５において、電圧Vｓｅｌ１、Ｖｓｅｌ２、Vｓｅｌｎの順でＨＩを印加しているが、順番を入れ替えてもよい、また、特定の画素の画素選択スイッチのみ繰り返しスイッチをオンするように電圧を印加しても良い。電位の変化は読出回路２２２の画像信号端子１０７へ入力される。期間Ｔ２の間に読出回路２２２により読み出された電位により照射線量が判定され、制御回路２２５が制御されて放射線の照射を停止する。或いは制御回路から外部の放射線発生装置へ信号を出力し、外部の放射線発生装置が照射停止の判定するようにしてもよい。放射線の照射が停止されると図１５中の期間Ｔ３に遷移する或いは、外部の放射線発生装置により、放射線撮像装置は期間Ｔ３へ遷移するように制御される。

最後に、放射線の照射が終了後、放射線により画素１０１に蓄積された信号を読み出す期間Ｔ３の動作について説明する。この期間中は、まず、電圧Ｖｓｅｌ１〜ＶｓｅｌｎをＨＩにする。これにより、ノードＢが画像信号入力端子１０７の電位に固定されると共に、内部容量４０５の電極間にソースフォロワを介して照射が停止するまでの、累計の放射線の照射量に応じた電位差が現れる。次に、Ｖｓｅｌ１〜ＶｓｅｌｎにＬＯを印加し、ノードＢをフローティングとした状態で、電圧Ｖｒｅｓ１〜ＶｒｅｓｎにＨＩを印加する。内部容量４０５のノードＡはリセット電位になり、ノードＢには、累計の放射線照射量に応じた電圧が充電される。最後に、電圧Ｖｓｅｌ１〜Ｖｓｅｌｎに順次ＨＩを印加する。これにより、各画素１０１に入射した累計の放射線照射量に応じた電荷が画像信号入力端子１０７を介して、行単位で読出回路２２２に流れる。この信号は、診断に用いる撮影画像情報として利用される。

本構成によれば、期間Ｔ１での放射線の照射の開始は、リセット電位供給端子３００とバイアス電源端子１０９に接続された複数の各画素４０１からの出力を多数束ねて判定するので、検出感度が高くできる。一方、期間Ｔ２中は、変換素子毎に空間的な分解能が良好な状態で放射線の照射線量の情報を取得して処理できる為、鮮鋭度の高い撮像画像を提供できる。

（第６実施形態）
次に、図１６を用いて、本発明の放射線検出装置を用いた放射線検出システムへの応用例を説明する。放射線を発生する放射線源であるＸ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は、患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、本発明の検出装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれている。シンチレータによりＸ線を光に変換する方式をとった場合、Ｘ線の入射に対応する光を光電変換素子で光電変換して、電気的情報を得る。この情報はデジタルに変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室の表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。

また、この情報は電話回線６０９０等の伝送処理手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなど表示手段となるディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の記録手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。また記録手段となるフィルムプロセッサ６１００により記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

１００：支持基板、１０１、１２１：画素、１０２：変換素子、１０３、１１１、１１２、１１８、１２３：スイッチ素子、１０４、１１３、１１４、１２４、１２６：駆動線、１０５：制御電圧端子、１０６：画像信号線、１０７：画像信号入力端子、１０８：バイアス線、１０９：バイアス電源端子、１１０：検知信号線、１１７：第１信号入力端子、１０５、１１６、１１９、１２５：駆動電圧端子、１２０：第２信号入力端子、１２２：検知素子、２００：放射線撮像装置、２２１：駆動回路、２２２：読出回路、２２３：検出部、２２４：信号処理部、２２５：制御回路、２２６：電源回路

Claims (9)

1. 放射線に応じた画像信号を取得するための画素アレイと、前記画素アレイ内に配置され放射線を検知する複数の検知素子と、を有するセンサ部と、
   前記センサ部からの信号を読み出す読出回路と、を備え
   前記読出回路は、放射線の照射の有無が判定されるときは前記複数の検知素子からの信号を合成して処理する第１信号処理回路と、放射線量が判定されるときは前記検知素子毎に信号を処理する第２信号処理回路と、を備えることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記センサ部は、前記検知素子が接続される複数の検知信号線と、複数の検知信号線の信号を合成する合成部と、を更に含み、
   前記複数の検知素子は前記複数の検知信号線のうちのいずれか１本に接続さ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。
3. 前記合成部は、前記複数の検知信号線を、前記第１信号処理回路に接続するスイッチ素子を含むことを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記合成部は、前記複数の検知信号線と前記第１信号処理回路との間を容量結合する素子を含むことを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
5. 前記センサ部は、前記複数の検知素子にバイアス電圧を共通に印加するバイアス線を備え、
   前記放射線の照射の有無は、前記バイアス線を流れる電流の変化により判定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
6. 前記検知素子は、放射線に応じた電荷を発生する変換素子と、前記変換素子からの電荷に応じた信号を前記検知信号線へ出力する増幅ＭＯＳトランジスタと、前記変換素子をリセットするリセットスイッチと、を含むことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
7. 前記検知素子は、放射線に応じた画像信号を前記検知信号線に出力することを特徴とする請求項６に記載の放射線撮像装置。
8. 放射線の照射の有無が判定されるときは、前記第１信号処理回路を動作させ、前記第２信号処理回路の動作を停止し、
   放射線量が判定されるときは、前記第２信号処理回路を動作させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 放射線を発生する放射線源と、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
   を備えることを特徴とする放射線検出システム。

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