JP2017090214A - 放射線撮像装置、その制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】間接型のフォトンカウンティング型のセンサを用いた放射線撮像装置において、シンチレータの変換特性の評価に有利な技術を提供する。【解決手段】放射線を光に変換するシンチレータと、光を検出する複数の光検出器と、処理部と、を含む放射線撮像装置であって、個々の放射線光子の入射を識別可能なモードにおいて、処理部は、複数の光検出器から出力される信号に基づいて、所定の範囲のエネルギを有する放射線光子がシンチレータに入射することによって、シンチレータにおいて発生した光の広がりを求め、広がりに基づいて、シンチレータが所定の範囲のエネルギを有する放射線光子を光に変換する変換特性を取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線撮像装置、その制御方法及びプログラムに関する。

放射線による医療画像診断や非破壊検査に用いる撮像装置として、半導体材料によって形成されたセンサパネルを用いた放射線撮像装置が知られている。センサパネルに用いられるセンサとして、積分型のセンサ及びフォトンカウンティング型のセンサがある。積分型のセンサは、放射線の入射によって発生した電荷の総量を計測する。一方、フォトンカウンティング型のセンサは、入射した放射線のエネルギ（波長）を識別し、複数のエネルギレベルの各々について放射線の検出回数をカウントする。即ち、フォトンカウンティング型のセンサは、エネルギ分解能を有するため、積分型のセンサに比べて診断能力や検査能力を向上させることができる。

放射線撮像装置の重要な特性として解像度が挙げられる。間接型のセンサを用いた放射線撮像装置において、シンチレータでの放射線光子から光への変換や光の拡散など、シンチレータの変換特性が、解像度に大きな影響を与える。特許文献１、２には、解像度の指標として変調伝達関数（ＭＴＦ）を評価することが示されている。

特開２０１３−１８５９６０号公報 特開２０１４−１３２３０号公報

特許文献１、２では、ＭＴＦを評価するために、放射線撮像装置への放射線の入射を部分的に遮蔽するＭＴＦ測定用のチャートを、評価ごとに放射線撮像装置の放射線の入射面上に設置する必要があるため、ＭＴＦ評価の工数が増加してしまう。

また、シンチレータに入射した放射線は、放射線の有するエネルギによってシンチレータの厚さ方向に異なる部分で吸収され発光する。同じ特性を有するシンチレータであっても、センサパネルから遠い位置で発光した光は広い範囲に拡散し多くのセンサで検出されるが、センサパネルから近い位置で発光した光はあまり拡散せずに少数のセンサで検出される。発光位置によって光がセンサパネルに到達するまでの拡散量が異なるため、入射した放射線のエネルギによる影響とシンチレータの変換特性による影響とを区別し、シンチレータの変換特性を評価する必要がある。

本発明は、間接型のフォトンカウンティング型のセンサを用いた放射線撮像装置において、シンチレータの変換特性の評価に有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置は、放射線を光に変換するシンチレータと、光を検出する複数の光検出器と、処理部と、を含む放射線撮像装置であって、個々の放射線光子の入射を識別可能なモードにおいて、処理部は、複数の光検出器から出力される信号に基づいて、所定の範囲のエネルギを有する放射線光子がシンチレータに入射することによって、シンチレータにおいて発生した光の広がりを求め、広がりに基づいて、シンチレータが所定の範囲のエネルギを有する放射線光子を光に変換する変換特性を取得することを特徴とする。

上記手段により、間接型のフォトンカウンティング型のセンサを用いた放射線撮像装置において、シンチレータの変換特性の評価に有利な技術が提供される。

本発明に係る放射線撮像装置の構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置のセンサパネルの構成を示す図。 図１の放射線撮像装置の画素の構成を示す図。 図１の放射線撮像装置のセンサパネルの照射期間と読出し期間とを示す図。 図１の放射線撮像装置の読出し期間における各画素の動作を示す図。 図１の放射線撮像装置のシンチレータの発光の分布を示す図。 図１の放射線撮像装置のＭＴＦと膜厚及びＭＴＦとＤＱＥとの相関を示す図。 図１の放射線撮像装置の発光の分布の重ね合わせを説明する図。 本発明の第２実施形態に係る放射線撮像装置の画素の構成を示す図。

以下、本発明に係る放射線撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。なお、本発明における放射線には、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども含みうる。

＜第１実施形態＞
本発明に係る第１実施形態の放射線撮像装置１００（又は、「放射線撮像システム」と称されてもよい。）について説明する。図１は、本実施形態の放射線撮像装置１００の構成例を示す。放射線撮像装置１００は、例えば、被検体に放射線を照射する照射部１０１と、照射部１０１を制御する照射制御部１０２と、放射線が照射された被検体を撮像する撮像部１０４と、プロセッサ１０３とを含む。照射制御部１０２及びプロセッサ１０３はそれぞれ、ＣＰＵやメモリなどを有するコンピュータなどによって構成されうる。本実施形態において、照射制御部１０２及びプロセッサ１０３が別々に構成されているが、それに限られるものではなく、一体に構成されていてもよい。即ち、照射制御部１０２及びプロセッサ１０３が、それらの機能を有する１つのコンピュータで構成されていてもよい。

撮像部１０４は、入射した放射線を光に変換するシンチレータ１０５と、センサパネル１０６とを含む。センサパネル１０６には、シンチレータ１０５によって放射線から変換された光を各々が検出する複数の画素２０１が、複数の行及び複数の列を形成するように２次元アレイ状に配列されている。画素２０１は、フォトンカウンティング方式の放射線撮像を行うための構成を有し、光の検出結果に基づいて、入射する放射線の光子の数を計測する。

プロセッサ１０３は、撮像部１０４との間で信号又はデータの授受を行い、具体的には、撮像部１０４を制御して放射線撮像を行い、それにより得られた信号を撮像部１０４から受ける。この信号は、放射線光子の計測値を含み、例えば、プロセッサ１０３は、該計測値に基づいて、例えばディスプレイなどの表示部（不図示）に放射線による撮像画像を表示させるための画像データを生成する。このとき、プロセッサ１０３は、該画像データに対して所定の補正処理を行ってもよい。また、プロセッサ１０３は、放射線照射を開始または終了するための信号を照射制御部１０２に供給する。

次に、センサパネル１０６の構成について図２を参照しながら説明する。図２は、センサパネル１０６の構成を示す図である。センサパネル１０６は、複数の画素２０１、垂直走査回路２０２、水平走査回路２０３、列信号線２０４、信号線２０５、出力線２０６、信号線２０７および列選択回路２０８を含みうる。複数の画素２０１の各々は、放射線画像を撮像する放射線画像撮像モードにおいて、シンチレータ１０５で生じた光の検出回数をカウントするように構成されうる。各画素２０１は、信号線２０５を介して信号が供給されると、光の検出回数のデータを、列信号線２０４を介して列選択回路２０８に出力しうる。

垂直走査回路２０２は、所望の画素２０１からのデータが出力されるように、信号を供給する信号線２０５を順番に切り替える。列選択回路２０８は、信号線２０７を介して信号が供給されたときに、各画素２０１から出力された検出回数のデータを出力線２０６にデータＤＡＴＡとして出力する。また、水平走査回路２０３は、検出回数のデータを出力線２０６に出力する動作が複数の列選択回路２０８において順番に行われるように、信号を供給する信号線２０７を順番に切り替える。ここで、図２では、説明を簡単にするため、３行×３列の画素２０１が配列されたセンサパネル１０６を示したが、より多くの画素２０１が配列されたセンサパネル１０６が用いられてもよい。例えば、１７インチのセンサパネル１０６（ＦＰＤ）では、約２８００行×約２８００列の画素２０１が２次元アレイ状に配置されうる。また例えば、センサパネル１０６は、画素２０１が２次元アレイ状に配列される形態に限定されることはなく、画素２０１が１次元に配列されたライン状のセンサパネル１０６であってもよい。

次に、各画素２０１の構成について図３を参照しながら説明する。図３は、各画素２０１の構成を示す図である。センサパネル１０６の各画素２０１は、例えば、光検出器３０１、処理部３３０、出力部３０５、基準電圧３０６を供給する基準電圧部を含みうる。また処理部３３０は、電圧変換部３０２、比較部３０３、計数部３０４、特性取得部３０７を含みうる。光検出器３０１は、放射線がシンチレータ１０５に入射することによりシンチレータ１０５で生じた光を検出し、信号を生成する光電変換器である。光検出器３０１には、公知の光電変換素子、例えばフォトダイオードなどを用いてもよい。光検出器３０１は、各画素２０１に備えられ、センサパネル１０６に２次元アレイ状に配列されうる。電圧変換部３０２は、例えば微分回路であり、光検出器３０１で生成された信号を電圧信号であるパルス信号に変換して比較部３０３へ出力する。比較部３０３は、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧と基準電圧３０６とを比較し、比較結果に応じた比較結果信号として例えば２値の信号を出力する。電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６の電圧以上である場合、比較部３０３は、比較結果に応じた信号としてデジタル値「１」を出力する。一方で、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６よりも小さい場合、比較部３０３は、比較結果に応じた信号としてデジタル値「０」を出力する。比較部３０３に供給される基準電圧３０６は、センサパネル１０６における全ての画素２０１に対して共通の値になるように設定されうる。シンチレータ１０５に放射線が入射し光に変換されると、光検出器３０１で検出された光に応じて、電圧変換部３０２を介して、比較部３０３が２値のデジタル値の信号を出力する。

図３に示す構成では、各画素２０１に２つの比較部３０３Ｂ、３０３Ｒが配され、それぞれの比較部３０３Ｂ、３０３Ｒには、互いに異なる値を有する基準電圧３０６Ｂ、３０６Ｒが供給される。各画素２０１は、複数の比較部３０３と基準電圧３０６とによって、光の強度に応じて複数レベルの信号を生成することができる。図３の構成において、例えば基準電圧３０６Ｂが、基準電圧３０６Ｒよりも大きいとする。この場合、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６Ｂ、３０６Ｒよりも小さい場合、比較部３０３Ｂ、３０３Ｒともデジタル値「０」を出力し、このときの信号値のレベルを「０」とする。また、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号が基準電圧３０６Ｒ以上であり、基準電圧３０６Ｂよりも小さい場合、比較部３０３Ｂはデジタル値「０」、比較部３０３Ｒはデジタル値「１」を出力し、このときの信号値のレベルを「１」とする。同様に、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号が基準電圧３０６、３０６Ｂ以上だった場合、比較部３０３Ｂ、３０３Ｒはデジタル値「１」を出力し、このときの信号値のレベルを「２」とする。このように、各画素２０１は、２つの比較部３０３と基準電圧３０６とを有することによって、光が検出されない場合を含み入射した光の強度に応じて３レベルの信号を生成しうる。また、各画素に配される比較部３０３の数は２つに限られることはなく、１つでもよいし、３つ以上の任意の個数とし、それぞれに異なる基準電圧を与えてもよい。例えば、比較部３０３が１つの場合、比較部３０３は、光を検出した場合と光を検出しない場合との２つのレベルを識別しうる。

各比較部の後段には、計数部３０４と特性取得部３０７とが配置される。計数部３０４は、通常のフォトンカウンティング方式の放射線画像撮像モードにおいて、放射線画像を生成するために、比較部３０３から出力されるデジタル値の信号のうち、光が検出されたことを示すデジタル値「１」が出力された回数をカウントしうる。また、光が光検出器３０１で検出された回数を、複数の比較部３０３を用いることによって光の強度に応じてカウントすることが可能となる。光の強度に応じてカウントされた検出回数に基づいて、プロセッサ１０３は画像データを生成する。図３に示す構成では、１つの画素２０１の処理部３３０に、１つの計数部３０４が配され、複数の比較部３０３から出力される信号をそれぞれカウントする。しかしながら、計数部３０４の数はこれに限られることはなく、例えば複数配された比較部３０３ごとに計数部３０４が設けられていてもよい。

特性取得部３０７は、撮像部１０４に含まれるシンチレータ１０５の解像度などの特性を評価する評価モードにおいて使用される。具体的には、特性取得部３０７は、シンチレータ１０５が入射した放射線を光に変換する変換特性を取得するために用いられる。特性取得部３０７の詳細については後述する。

出力部３０５は、信号線２０５を介して垂直走査回路２０２から信号が供給されたとき、計数部３０４及び特性取得部３０７に格納されたデータＤＡＴＡを、列信号線２０４を介して列選択回路２０８に供給する。その後、列選択回路２０８に信号線２０７を介して信号が供給されたとき、データＤＡＴＡがプロセッサ１０３に出力される。出力部３０５からの出力は、例えば不図示の増幅回路によって増幅した後、プロセッサ１０３に出力してもよいし、また例えば、Ａ／Ｄ変換器でデジタル値に変換した後、プロセッサ１０３に出力してもよい。増幅回路やＡ／Ｄ変換器を用いることによって、安定した出力に変換しデータＤＡＴＡをプロセッサ１０３に送信することが可能となる。

次に、本実施形態における放射線撮像システムの駆動について説明する。図４は、撮像部１０４のセンサパネル１０６の放射線画像撮像モードでの駆動タイミングを示す図である。図４の波形は、横軸を時間として放射線の照射期間及びデータＤＡＴＡの読出しの期間を表している。図４において、放射線照射期間は、照射部１０１によって被検体に放射線が照射される期間である。この期間、センサパネル１０６に入射した放射線をシンチレータ１０５で光に変換し、光の強度に応じてそれぞれの比較部３０３がデジタル値「１」を出力した回数をカウントする。また読出し期間は、放射線照射期間に得られたカウント回数のデータＤＡＴＡをセンサパネル１０６から出力させる期間である。図４に示すように、センサパネル１０６は、放射線照射期間と読出し期間とを交互に行うことによって、動画を取得することが可能となる。また、例えば放射線照射期間と読出し期間とを１度行うことによって静止画を取得してもよい。

次に、図３に示すように構成された画素２０１における放射線画像撮像モードでの読み出し期間での動作について図５を参照しながら説明する。図５は、読み出し期間における各画素２０１の動作を示す図である。図５における波形は、横軸を時間とした信号線２０５への信号の供給、信号線２０７への信号の供給、および列選択回路２０８からの取得されたデータＤＡＴＡの出力をそれぞれ表している。図５に示すように、複数の信号線２０５および複数の信号線２０７には、順番に信号が供給される。例えば、信号線２０５−０に信号の供給を開始すると、信号線２０５−０に接続された画素２０１の出力部３０５から、それぞれの比較部３０３からデジタル値「１」の出力された回数をカウントしたデータが列選択回路２０８に供給される。そして、信号線２０５−０に信号を供給している期間において、複数の信号線２０７に順番に信号を供給し、複数の列選択回路２０８から出力線２０６にそれぞれのデータＤＡＴＡを順番に出力させる。

次いで図６〜８を用いて、シンチレータ１０５の変換特性の評価を行う評価モード及び特性取得部３０７について説明する。図６に、１つの放射線光子がシンチレータ１０５で吸収され、光に変換された際の発光の分布を示す。シンチレータ１０５は、入射した放射線光子を光に変換する。図６（ａ）〜（ｄ）のそれぞれの上側は撮像部１０４の断面を示す。また、図６（ａ）〜（ｄ）のそれぞれの下側の縦軸は発光の強度、横軸は各画素２０１の位置を示す。また、横軸の下に、それぞれ異なる値を有する基準電圧３０６が供給される複数の比較部３０３によって、光の強度に応じて変換された複数のレベルを有する信号値をそれぞれ示す。

放射線光子から変換された光はシンチレータ１０５内で拡散するため、単一の放射線光子によって生じた光が複数の画素２０１のそれぞれの光検出器３０１で検出されうる。ここで、図６（ａ）、（ｂ）は、同じ範囲のエネルギを有する放射線光子が、異なる変換特性を有するシンチレータ１０５に入射した場合の発光の分布を示す。図６（ａ）に示すシンチレータ１０５と比較して、図６（ｂ）に示すシンチレータ１０５は、鮮鋭度が高く、光の拡散が少ないことが示されている。また、図６（ｃ）、（ｄ）は、図６（ａ）、（ｂ）よりも高いエネルギを有する放射線光子が入射した場合の発光の分布を示す。図６（ａ）と図６（ｃ）と、また、図６（ｂ）と図６（ｄ）とは、それぞれ同じ特性のシンチレータ１０５を用いた場合の分布をそれぞれ示している。

次に各画素２０１の光検出器３０１で検出された光は、比較部３０３によって光の強度に応じたレベルの信号値を有する信号に変換される。図６に示される信号値を生成するために、各画素２０１は、光検出器３０１から出力された信号に対して比較部３０３を３つ備え、各比較部３０３から出力されたそれぞれの比較結果信号から４つのレベルの光の強度を表す信号を生成する。本実施形態において、光検出器３０１で光がほぼ検出されないレベルの信号値を「０」とする。また、各比較部３０３に異なる基準電圧３０６を供給することによって、光検出器３０１が出力する信号に対して、検出した光の強度に応じた「１」、「２」、「３」の３つのレベルの信号値を有する信号が生成される。本実施形態において、信号値「１」よりも信号値「２」の方が検出された光の強度が高く、更に信号値「２」よりも信号値「３」の方が検出された光の強度が高い。ここで、比較部３０３が出力する２値のデジタル値である比較結果信号に基づいて生成された複数レベルの光の強度を表す信号のうち、光検出器３０１で光が検出されたことを示す信号（本実施形態において、信号値「１」、「２」、「３」の信号。）を光検出信号と呼ぶ。

比較部３０３によって生成された信号は、評価モードにおいて、特性取得部３０７に入力される。ここで特性取得部３０７の動作について説明する。まず、特性取得部３０７は、比較部３０３で生成された信号のうち光検出信号による集合体を識別する。光検出信号の集合体とは、連続して光を検出した複数の光検出器３０１から出力される信号に基づいて、電圧変換部３０２、比較部３０３によって変換された信号の集合体ということができる。また、隣接して光を検出した光検出器３０１が存在しない場合、光を検出した１つの光検出器３０１から出力された信号に基づいて比較部３０３で変換された信号であってもよい。図６（ａ）において集合体の信号値分布は「１」「１」「１」、図６（ｂ）の集合体の信号値分布は「１」、図６（ｃ）の信号値分布は「１」「２」「２」「２」「１」、図６（ｄ）の集合体の信号値分布は「２」「３」「２」となる。図６では、説明の簡単化のためにセンサパネル１０６の断面に沿った直線状の信号値分布が示されているが、信号値分布は２次元の平面的な構成であってもよい。

次いで、特性取得部３０７は、所定の範囲のエネルギを有する放射線光子がシンチレータ１０５に入射することによって、シンチレータ１０５おいて発生した光の広がりを求める。放射線光子によって生じる光の広がりは、例えば、特性取得部３０７によって識別された集合体の信号値分布の広がりと同じであってよい。特性取得部３０７は、この信号値分布の広がりに基づいて、シンチレータ１０５が所定の範囲のエネルギを有する放射線光子を光に変換する変換特性を取得する。例えば、信号値分布の広がりに点拡がり関数（Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：以下、ＰＳＦと略す。）を適用し、変調伝達関数（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：以下、ＭＴＦと略す。）を、シンチレータ１０５が放射線光子を光に変換する変換特性として取得することができる。

一方、照射部１０１から撮像部１０４に入射する放射線光子は、様々なエネルギを有しうる。低いエネルギを有する放射線光子は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、放射線の入射側に近いところでシンチレータ１０５に吸収され光に変換される可能性が高く、シンチレータ１０５内を広く拡散し、多数の光検出器３０１によって検出される可能性が高い。一方、高いエネルギを有する放射線フォトンは、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、低いエネルギを有する放射線フォトンよりもシンチレータ１０５で吸収され難く、放射線の入射側から離れたところで光に変換される可能性が高い。このため、変換された光は、少数の光検出器３０１によって検出される可能性が高い。例えば、図６（ａ）のようにエネルギの低い放射線光子が、鮮鋭度の低いシンチレータ１０５に入射した場合、センサパネル１０６の断面方向に３つの光検出器から、光が検出されたことを示す光検出信号が出力される。一方、図６（ｄ）のようにエネルギの高い放射線光子が、鮮鋭度の高いシンチレータ１０５に入射した場合においても、センサパネル１０６の断面方向に３つの光検出器から、光が検出され多ことを示す光検出信号が出力される。このため、特性取得部３０７は、放射線光子の有するエネルギの範囲を判別し、放射線光子の入射に基づいて取得した変換特性を、判別したエネルギの範囲の放射線光子に対する変換特性として決定してもよい。

放射線光子から変換される光の量は、放射線光子のエネルギに依存する。波長の長い放射線光子は低いエネルギを有するため、発光量は小さい。一方、波長の短い放射線光子は高いエネルギを有するため、発光量が大きくなる。そのため、例えば、信号値分布に含まれる信号値のレベルの最高値を用いて入射した放射線光子の有するエネルギの範囲を判別してもよい。また例えば、信号値分布に含まれる信号値のレベルの総和を用いて入射した放射線光子の有するエネルギの範囲を判別してもよい。

図６において、例えば得られた信号値分布の信号値のレベルの最高値が２未満であるか、２以上であるかを閾値とし、入射した放射線光子の有するエネルギの範囲を低エネルギと高エネルギとに判別する。測定された信号値分布の広がりにＰＳＦを適用し、放射線光子の有するエネルギの範囲を判別することによって、シンチレータ１０５の変換特性として、入射した放射線光子の有するエネルギの範囲ごとのＭＴＦを取得することが可能となる。

また、放射線撮像装置の製造時、例えば出荷検査などにおいて、図７（ａ）に示すようなＭＴＦとシンチレータ１０５の膜厚との変換係数を取得しておく。また、同様に図７（ｂ）に示すようなＭＴＦと量子検出効率（Ｄｅｔｅｃｔｉｖｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：以下、ＤＱＥと略す。）との変換係数を取得しておく。例えば、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）などを用いたシンチレータは潮解性を有する。しかしながら、放射線撮像装置中に組み込まれたシンチレータが、製造後に吸湿し潮解していないかを検査することは難しい。そこで、事前に取得したこれらの変換係数と特性取得部３０７によって取得されたＭＴＦとから、シンチレータ１０５の変換特性として膜厚、ＤＱＥを算出することもできる。

また、照射部１０１による放射線の照射開始から１つの放射線光子の入射によって発生した信号値分布の広がりの消滅までの変化を連続的に時系列に取得することによって、シンチレータ１０５の変換特性として発光時間を取得することができる。また、信号値分布の広がりの発生から消滅までのうち、信号値のレベルの最高値の出現から広がりの消滅までを時系列に取得することによって、シンチレータ１０５の残光時間を取得することができる。

評価モードにおいて、１つの放射線光子によって生じる発光の分布を得るために、他の放射線光子によって生じる発光が重複しないよう照射部１０１からの放射線の照射量やセンサパネル１０６の駆動速度を調整する。例えば、照射部１０１の出力を下げ、センサパネル１０６の駆動速度を速くすることによって、平面的且つ時間的に放射線光子の密度を下げる。放射線光子の密度を下げることによって、１つの放射線光子から生じる発光の分布を測定しうる。また例えば、照射部１０１の出力窓に適度に放射線を遮蔽する部材（例えば、アクリル板など）を設置することによって、放射線光子の照射密度を下げてもよい。つまり、評価モードとは、放射線撮像装置１００に、個々の放射線光子の入射を識別可能な強度を有する放射線が照射され、個々の放射線光子の入射を識別可能なモードといえる。

放射線光子１つ１つによって光検出器３０１から得られる信号の出力は小さく、データとしての精度が低下する場合がある。図８は、単一の放射線光子が入射することによって生じた発光の分布を複数検出し、検出されたそれぞれの発光の分布を重ね合わせることによって精度の向上を図ることを説明する図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すセンサパネル１０６のうち、領域５００を拡大した図である。領域５００において、シンチレータ１０５によって、それぞれ単一の放射線光子から光に変換された発光の分布６０１ａ〜ｃが生じている。それぞれの発光の分布６０１ａ〜ｃは、例えば撮像部１０４のそれぞれ異なる場所に放射線光子が入射することによって生成されてもよいし、また例えば異なる時間にそれぞれ放射線光子が入射し生成されてもよい。図８（ｂ）では、互いに異なる場所に放射線光子が入射した場合を示すが、互いに異なる時間に放射線光子が入射した場合、同じ場所に放射線光子が入射してもよい。

図８（ｃ）〜（ｅ）は、発光の分布６０１ａ〜ｃのそれぞれの発光強度を曲線で示し、比較部３０３によって変換された信号の信号値のレベルを棒グラフで示す。特性取得部３０７は、センサパネル１０６の領域５００ごとに、生じた発光の分布を複数取得し、特性取得部３０７に配されたメモリ３０８に記録する。具体的には、特性取得部３０７は、複数の光検出器３０１から出力される信号ごとに電圧変換部３０２、比較部３０３によって変換した信号値分布を複数、メモリ３０８に取得する。例えば、複数の光検出器３０１のうち互いに異なる複数の光検出器３０１から出力された信号ごとに信号値分布のそれぞれをメモリ３０８に記録してもよい。また、異なる時間に複数の光検出器３０１から出力された信号ごとに、それぞれの信号値分布をメモリ３０８に記録してもよい。次いで、特性取得部３０７は、複数の信号値分布のそれぞれの中央を基点とし、信号値分布の中央及び中央から同じ位置の各信号値のそれぞれの和を求める。ここで、信号値分布の中央の信号値とは、例えば、信号値分布の信号値のレベルの最高値を出力した光検出器３０１を信号値分布の中央とし、この光検出器３０１からの出力された信号値であってもよい。また、例えば、信号値分布に含まれる信号を出力したそれぞれの光検出器３０１の配された複数の画素２０１のうち、センサパネル１０６の表面に対する平面視において、幾何学的な重心の位置にある画素２０１を信号値分布の中央とする。この画素２０１の光検出器３０１から出力された信号の信号値であってもよい。また信号値分布の中央を基点とし、中央から同じ位置の信号値とは、信号値分布の中央となる信号を出力した画素２０１を基点とし、センサパネル上でそれぞれ同じ方向に同じ距離に存在する画素２０１の光検出器３０１から出力された信号の信号値でありうる。

図８（ｆ）は、発光の分布６０１ａ〜ｃから得られた信号値分布を、それぞれ足し合わせた結果を示す。棒グラフは信号値分布のそれぞれの中央を基点とし、信号値分布の中央及び中央から同じ位置の各信号値のそれぞれの和、曲線は発光の分布６０１ａ〜ｃを足し合わせたものである。図８（ｃ）〜（ｅ）に示す発光の分布６０１ａ〜ｃから得られた信号値分布と比較して、精度の向上が図られていることが分かる。信号値分布を重ね合わせることによる精度の向上は、本実施形態に示すようにセンサパネル１０６を所定の領域５００に区切り、領域５００ごとに複数の信号値分布を取得してもよい。センサパネル１０６を複数の領域に区切ることによって、センサパネル１０６の面内でシンチレータ１０５の変換特性にばらつきが生じた場合であっても、領域ごとに適切な変換特性を取得することが可能となる。また例えば、センサパネル１０６全体で複数の信号値分布を取得し重ね合わせてもよい。センサパネル１０６全体で発光の分布から信号値分布を取得することによって、信号値分布のサンプル数を増加させることが容易となる。領域５００は、センサパネル１０６の大きさや各画素２０１の特性によって、大きさや区切る領域数を適宜、選択すればよい。

本実施形態において、放射線撮像装置１００に含まれるシンチレータ１０５の放射線光子を光に変換する変換特性としてシンチレータ１０５のＭＴＦを、測定用のチャートなどの工具を必要とせず取得することができる。また、上述したように、入射した放射線のエネルギによる影響と、シンチレータ１０５の変換特性による影響とをそれぞれ区別し、シンチレータ１０５の変換特性を評価することができる。特性取得部３０７によって取得されたシンチレータ１０５の変換特性は、出力部３０５を経由してデータＤＡＴＡとしてプロセッサ１０３に出力される。本実施形態において取得されたＭＴＦなどのシンチレータ１０５の変換特性を用いることによって、個々の放射線撮像装置１００に備わる撮像部１０４に対して最適な画像処理や駆動の制御が可能となる。例えば、得られたＭＴＦの領域５００ごとの分布を、放射線撮像装置１００の例えばプロセッサ１０３に内蔵したメモリなどに保存し、放射線画像撮像モードで撮像した放射線画像の高画像化処理（例えば、エッジ強調など）の際に読み出す。読み出したＭＴＦデータに基づいて放射線画像の補正処理を行うことによって、補正処理の調整量を領域５００ごとに最適化することが可能となる。

＜第２実施形態＞
本発明に係る第２実施形態の放射線撮像装置（放射線撮像システム）について説明する。上述の第１実施形態では、放射線画像撮像モードにおける放射線画像の撮像及び評価モードにおけるシンチレータ１０５の変換特性の評価を、画素２０１に配された処理部３３０を用いて行った。これらの機能は、例えばプロセッサ１０３においてプログラム上またはソフトウェア上で実現されてもよい。即ち、画素２０１を、シンチレータ１０５で変換された光に応じた信号を出力するための回路で構成し、放射線画像の撮像やシンチレータ１０５の評価を画素２０１の外部で行ってもよい。

図９は、本実施形態のセンサパネル１０６における画素の等価回路を示す図である。本実施形態のセンサパネル１０６における画素４０は、光電変換素子４０１と、出力回路部４０２とを含みうる。光電変換素子４０１は、典型的にはフォトダイオードでありうる。出力回路部４０２は、増幅回路部４０４、クランプ回路部４０６、サンプルホールド回路部４０７、および選択回路部４０８を含みうる。

光電変換素子４０１は、電荷蓄積部を含み、該電荷蓄積部は、増幅回路部４０４のＭＯＳトランジスタ４０４ａのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０４ａのソースは、ＭＯＳトランジスタ４０４ｂを介して電流源４０４ｃに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０４ａと電流源４０４ｃとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ４０４ｂは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮがアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

図９に示す例では、光電変換素子４０１の電荷蓄積部およびＭＯＳトランジスタ４０４ａのゲートが共通のノードを構成していて、このノードは、該電荷蓄積部に蓄積された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部として機能する。即ち、電荷電圧変換部には、該電荷蓄積部に蓄積された電荷Ｑと電荷電圧変換部が有する容量値Ｃとによって定まる電圧Ｖ（＝Ｑ／Ｃ）が現れる。電荷電圧変換部は、リセットスイッチ４０３を介してリセット電位Ｖｒｅｓに接続されている。リセット信号ＰＲＥＳがアクティブレベルになると、リセットスイッチ４０３がオンして、電荷電圧変換部の電位がリセット電位Ｖｒｅｓにリセットされる。

クランプ回路部４０６は、リセットした電荷電圧変換部の電位に応じて増幅回路部４０４によって出力されるノイズをクランプ容量４０６ａによってクランプする。つまり、クランプ回路部４０６は、光電変換素子４０１で光電変換により発生した電荷に応じてソースフォロア回路から出力された信号から、このノイズをキャンセルするための回路である。このノイズはリセット時のｋＴＣノイズを含みうる。クランプは、クランプ信号ＰＣＬをアクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ４０６ｂをオン状態にした後に、クランプ信号ＰＣＬを非アクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ４０６ｂをオフ状態にすることによってなされる。クランプ容量４０６ａの出力側は、ＭＯＳトランジスタ４０６ｃのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０６ｃのソースは、ＭＯＳトランジスタ４０６ｄを介して電流源４０６ｅに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０６ｃと電流源４０６ｅとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ４０６ｄは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮ０がアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

光電変換素子４０１で光電変換により発生した電荷に応じてクランプ回路部４０６から出力される信号は、光信号として、光信号サンプリング信号ＴＳがアクティブレベルになることによってスイッチ４０７Ｓａを介して容量４０７Ｓｂに書き込まれる。電荷電圧変換部の電位をリセットした直後にＭＯＳトランジスタ４０６ｂをオン状態とした際にクランプ回路部４０６から出力される信号は、クランプ電圧である。このノイズ信号は、ノイズサンプリング信号ＴＮがアクティブレベルになることによってスイッチ４０７Ｎａを介して容量４０７Ｎｂに書き込まれる。このノイズ信号には、クランプ回路部４０６のオフセット成分が含まれる。スイッチ４０７Ｓａと容量４０７Ｓｂによって信号サンプルホールド回路４０７Ｓが構成され、スイッチ４０７Ｎａと容量４０７Ｎｂによってノイズサンプルホールド回路４０７Ｎが構成される。サンプルホールド回路部４０７は、信号サンプルホールド回路４０７Ｓとノイズサンプルホールド回路４０７Ｎとを含む。

駆動回路部４１が行選択信号ＶＳＴをアクティブレベルに駆動すると、容量４０７Ｓｂに保持された信号（光信号）がＭＯＳトランジスタ４０８Ｓａおよび行選択スイッチ４０８Ｓｂを介して信号線４５Ｓに出力される。また、同時に、容量４０７Ｎｂに保持された信号（ノイズ）がＭＯＳトランジスタ４０８Ｎａおよび行選択スイッチ４０８Ｎｂを介して信号線４５Ｎに出力される。ＭＯＳトランジスタ４０８Ｓａは、信号線４５Ｓに設けられた不図示の定電流源とソースフォロア回路を構成する。同様に、ＭＯＳトランジスタ４０８Ｎａは、信号線４５Ｎに設けられた不図示の定電流源とソースフォロア回路を構成する。ＭＯＳトランジスタ４０８Ｓａと行選択スイッチ４０８Ｓｂとによって信号用選択回路部４０８Ｓが構成され、ＭＯＳトランジスタ４０８Ｎａと行選択スイッチ４０８Ｎｂによってノイズ用選択回路部４０８Ｎが構成される。選択回路部４０８は、信号用選択回路部４０８Ｓとノイズ用選択回路部４０８Ｎとを含む。

画素４０は、隣接する複数の画素４０の光信号を加算する加算スイッチ４０９Ｓを有してもよい。加算モード時には、加算モード信号ＡＤＤがアクティブレベルになり、加算スイッチ４０９Ｓがオン状態になる。これにより、隣接する画素の容量４０７Ｓｂが加算スイッチ４０９Ｓによって相互に接続されて、光信号が平均化される。同様に、画素４０は、隣接する複数の画素４０のノイズを加算する加算スイッチ４０９Ｎを有していてもよい。加算スイッチ４０９Ｎがオン状態になると、隣接する画素の容量４０７Ｎｂが加算スイッチ４０９Ｎによって相互に接続されて、ノイズが平均化される。加算部４０９は、加算スイッチ４０９Ｓと加算スイッチ４０９Ｎとを含む。

画素４０は、感度を変更するための感度変更部４０５を有していてもよい。画素４０は、例えば、第１感度変換スイッチ４０５ａおよび第２感度変換スイッチ４０５ａ’、並びにそれらに付随する回路素子を含みうる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになると、第１感度変更スイッチ４０５ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第１付加容量４０５ｂの容量値が追加される。これによって画素４０の感度が低下する。第２変更信号ＷＩＤＥ２がアクティブレベルになると、第２感度変更スイッチ４０５ａ’がオンして、電荷電圧変換部の容量値に第２付加容量４０５ｂ’の容量値が追加される。これによって画素４０の感度が更に低下する。このように画素４０の感度を低下させる機能を追加することによって、より大きな光量を受光することが可能となり、ダイナミックレンジを広げることができる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになる場合には、イネーブル信号ＥＮｗをアクティブレベルにして、ＭＯＳトランジスタ４０４ａに代えてＭＯＳトランジスタ４０４ａ’をソースフォロア動作させてもよい。

以上のような画素回路からの出力は、不図示のＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換された後、プロセッサ１０３に供給されてもよい。そして、プロセッサ１０３において、電圧変換部３０２、比較部３０３、計数部３０４及び特性取得部３０７に相当する処理が、それぞれソフトウェア上で行われる。

プロセッサ１０３は、電圧変換部３０２に相当する処理として、画素回路の出力の微分値を計算する。また、プロセッサ１０３は、比較部３０３に相当する処理として、算出した微分値と基準電圧３０６に相当するデジタル値とを比較する。プロセッサ１０３は、当該微分値が基準電圧３０６に相当するデジタル値以上である場合デジタル値「１」を出力し、当該微分値が基準電圧３０６に相当するデジタル値より小さい場合デジタル値「０」を出力する。基準電圧３０６に相当するデジタル値は、上述の第１実施形態と同様に複数存在し、出力されるデジタル値に対して複数のレベルの信号が生成されてもよい。放射線画像撮像モードにおいて、計数部３０４に相当する処理としてデジタル値「１」が出力された回数をカウントする。そして、プロセッサ１０３は、カウントされた回数に基づいて放射線画像を生成する。また、評価モードにおいて、プロセッサ１０３は、特性取得部３０７に相当する処理として、デジタル値「１」が出力された信号の集合体を識別し、集合体の有する信号分布の広がりに基づいてシンチレータ１０５の変換特性を取得する。これらの処理は、例えば、プロセッサ１０３のＣＰＵにおいて実行されうる。また、検出回数や複数の信号値分布の広がりを記憶する記憶領域は、プロセッサ１０３のメモリに確保される。その他の処理や演算についても同様である。

＜その他の実施形態＞
本発明における電圧変換部３０２、比較部３０３、計数部３０４及び特性取得部３０７を含む処理部３３０の各機能は、第１実施形態のようにセンサパネル１０６の各画素２０１に配置する形態であってもよい。また第２実施形態のようにソフトウェア上で全てを行う形態であってもよい。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。処理部３３０で行う処理の少なくとも一部、例えば電圧変換部３０２および比較部３０３をセンサパネル１０６の各画素２０１に配置し、計数部３０４及び特性取得部３０７に相当する処理をソフトウェア上で行う形態にしてもよい。また例えば、電圧変換部３０２のみを各画素２０１に配置し、他の処理はソフトウェア上で行ってもよい。また、ソフトウェアではなく、センサパネル１０６の外部に設けられた回路で行う形態にしてもよい。この場合、例えば、当該回路はＦＰＧＡで構成されるとよい。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵなど）がプログラムを読み出して実行する処理である。

以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

１００：放射線撮像装置、１０５：シンチレータ、３０１：光検出器、３３０：処理部

Claims (14)

1. 放射線を光に変換するシンチレータと、前記光を検出する複数の光検出器と、処理部と、を含む放射線撮像装置であって、
   個々の放射線光子の入射を識別可能なモードにおいて、
   前記処理部は、
   前記複数の光検出器から出力される信号に基づいて、所定の範囲のエネルギを有する放射線光子が前記シンチレータに入射することによって、前記シンチレータにおいて発生した光の広がりを求め、
   前記広がりに基づいて、前記シンチレータが前記所定の範囲のエネルギを有する放射線光子を光に変換する変換特性を取得することを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記処理部は、
   前記複数の光検出器から出力される信号に基づいて、入射した放射線光子が有するエネルギの範囲を判別し、
   当該放射線光子の入射に基づいて取得した変換特性を、当該エネルギの範囲の放射線光子に対する変換特性として決定す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. 前記処理部は、
   前記複数の光検出器から出力される信号の信号値分布を記録するメモリを更に含み、
   前記複数の光検出器から出力される信号ごとに前記信号値分布を複数、前記メモリに取得し、
   複数の前記信号値分布のそれぞれの中央を基点とし、複数の前記信号値分布の前記中央及び前記中央から同じ位置の各信号値の和に基づいて前記変換特性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。
4. 前記放射線撮像装置は、前記複数の光検出器が配されたセンサパネルを更に含み、
   前記処理部は、前記センサパネルの所定の領域ごとに複数の前記信号値分布を取得することを特徴とする請求項３に記載の放射線撮像装置。
5. 前記変換特性は、変調伝達関数を含み、前記広がりに点拡がり関数を適用することによって取得されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
6. 前記変換特性は、前記シンチレータの膜厚を含み、前記変調伝達関数に基づいて取得されることを特徴とする請求項５に記載の放射線撮像装置。
7. 前記変換特性は、量子検出効率を含み、前記変調伝達関数に基づいて取得されることを特徴とする請求項５又は６に記載の放射線撮像装置。
8. 前記変換特性は、前記シンチレータの発光時間及び残光時間の少なくとも一方を含み、
   前記広がりの時間的な変化を連続的に撮像することによって取得されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 前記複数の光検出器が、２次元アレイ状に配されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
10. 前記処理部は、
    前記複数の光検出器のそれぞれから出力される信号を電圧信号に変換する電圧変換部と、
    前記電圧信号の電圧を基準電圧と比較し、比較した結果を示す比較結果信号を生成する比較部と、
    前記比較結果信号のうち光が検出されたことを示す光検出信号の集合体を識別し、前記光検出信号の集合体を前記複数の光検出器から出力される信号として用い、前記変換特性を取得する特性取得部と、
    を含むことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
11. 前記放射線撮像装置は、前記複数の光検出器のそれぞれを備える複数の画素を更に含み、
    前記複数の画素は、各画素に前記電圧変換部、前記比較部及び前記特性取得部を含むことを特徴とする請求項１０に記載の放射線撮像装置。
12. 前記変換特性に基づいて、放射線画像を撮像するモードにおいて撮像された画像を補正することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
13. 放射線を光に変換するシンチレータと、前記光を検出する複数の光検出器と、を用いた放射線撮像装置の制御方法であって、
    個々の放射線光子の入射を識別可能なモードにおいて、
    前記複数の光検出器から出力される信号に基づいて、所定の範囲のエネルギを有する放射線光子が前記シンチレータに入射することによって、前記シンチレータおいて発生した光の広がりを求める工程と、
    前記広がりに基づいて、前記シンチレータが所定の範囲のエネルギを有する放射線光子を光に変換する変換特性を取得する工程と、
    を含むことを特徴とする制御方法。
14. 請求項１３に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。