JP4812503B2

JP4812503B2 - Ｘ線撮影装置

Info

Publication number: JP4812503B2
Application number: JP2006110420A
Authority: JP
Inventors: 広則植木; 康隆昆野
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: JP2007282684A

Description

Ｘ線診断等で使用されるＸ線撮影装置において，Ｘ線検出器の入出力特性を被写体に合わせて誤撮影を防止するために利用されるものである。

Ｘ線診断装置の分野においては，近年Ｘ線ＦＰＤ(Flat Panel Detector)と呼ばれるＸ線検出器が使用されている。Ｘ線ＦＰＤはイメージセンサの入力面上にシンチレータを配置したものであり，シンチレータによってＸ線像を光像に変換した後にイメージセンサで検出するものである。イメージセンサにはＴＦＴ(Thin Film Transistor)センサが利用される。ＴＦＴセンサは主にアモルファスシリコンプロセスを利用してガラス基板上にフォトダイオードやＴＦＴスイッチを形成したものであり，薄型で大面積のものを安価に作成できる利点がある。しかしＸ線ＦＰＤにはＸ線ＩＩ(Image Intensifier)のような信号増幅機能がないため，従来のＸ線ＩＩとテレビカメラを組み合わせたＸ線検出器に比べて低線量領域のＳ／Ｎが悪いという欠点がある。
Ｘ線ＦＰＤのＳ／Ｎを改善するために，ＴＦＴセンサの各画素にアンプを内蔵したアクティブピクセル型Ｘ線ＦＰＤが研究されている（例えば非特許文献１）。

Larry E. Antonuk等、"Investigation of Strategies to Achieve Optimal DQE Performance from Indirect Detection, Active Matrix Flat-Panel Imagers (AMFPIs) through Novel Pixel Amplification Architectures", Proc. SPIE, Vol. 5745, pp18-31, 2005

非特許文献１には，アクティブピクセル型Ｘ線ＦＰＤの電流出力を検出する方法が開示されている。本方法で用いられている回路の構成を図６に示す。図６において，各画素１０３は，フォトダイオードＰＤ，画素スイッチＭ１，画素アンプＭ２，ＰＤリセットスイッチＭ３から構成されている。画素アンプＭ２の一端およびＰＤリセットスイッチの一端には図示しないラインを通して供給電位Vddが与えられている。またフォトダイオードＰＤの一端には図示しないラインを通してＰＤ基準電位Vssが与えられている。フォトダイオードＰＤのもう一端はＰＤリセットスイッチＭ３に接続されており，Ｍ３をオンにした時点でフォトダイオードＰＤの両端にVdd-Vssの逆バイアス電圧が印加される。フォトダイオードＰＤが光を検出すると光電流が発生して画素アンプＭ２のゲート電圧VoがVddからVssへと変化して行く。このため，画素アンプＭ２のゲート電圧VoはフォトダイオードＰＤへの入射光量に応じて変化することになる。画素選択ライン１０２を通して画素スイッチＭ１がオンになると，上記ゲート電圧Voによって画素アンプＭ２にドレイン電流Idが流れる。上記ドレイン電流はデータライン１００を通してチャージアンプＣＳＡにて積分される。このようにして，各画素で検出された信号はドレイン電流Idの形で出力される。ここで，ドレイン電流Idは次式で表すことができる。

ただしVoはＭ２のゲート電圧，Vt2はＭ２の閾値電圧，VsはＣＳＡの基準電位とする。またrおよびkはそれぞれ次式で表される。

ただしμ，Co, W, L はそれぞれキャリアの移動度，ゲート膜酸化容量，ゲート幅およびゲート長を表し，添え字１，２はそれぞれＭ１およびＭ２のＴＦＴに対応するものとする。更にVpはＭ１のゲート電圧である。数１をみると，Ｍ２のゲート電圧Voとドレイン電流Idの関係は非線形であることがわかる。これは本回路方式では入出力関係が非線形になることに相当する。一例として，上記入出力関係を計算した結果を図７に示す。このような入出力特性の非線形性は，Ｘ線計測の定量性を低下させる原因となる。特にＸ線ＦＰＤを用いたコーンビームＣＴ計測では上記入出力特性の非線形性がＣＴ値の精度を著しく低下させるという問題がある。一方図７を見ると，本回路方式では入力信号Vdd-Voが小さい程出力の変化量が大きく，入力信号が大きくなるにつれて出力の変化が鈍化することがわかる。このような入出力特性は検出器のダイナミックレンジを拡大するため，Ｘ線計測には好都合な面もある。例えばＸ線診断装置における胸部撮影では，縦隔部のように信号レベルの小さい部位と肺野部のように信号レベルの大きい部位が混在する。このため，縦隔部のコントラストを損なうことなく，同時に肺野部でハレーションを発生しないようにするためには，本回路方式のような入出力特性が好都合である。ただしこのような入出力特性が常に有効である訳ではなく，撮影対象に応じて適切な入出力特性選択できるようにすることが望ましい。しかしこれまでは，Ｘ線ＦＰＤの入出力特性を変えることが困難であったため，このような試みは行われていなかった。

本発明の目的は，撮影対象に応じてＸ線ＦＰＤの入出力特性を変えて，望ましい特性を選択できるようにするための技術を提供することにある。また本発明の別の目的は，非線形なＸ線ＦＰＤの入力特性に対しても，定量性の高いＸ線計測を行えるようにするための技術を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば，以下の通りである。
（手段１）
Ｘ線を発生する手段と，被写体のＸ線透過像を検出するＸ線検出手段を有するＸ線撮影装置において，前記Ｘ線検出手段の撮像面を構成する個々の画素がフォトダイオードおよびフォトダイオードの検出信号を増幅するアンプを有しており，前記フォトダイオードおよびアンプに供給する電圧を設定する供給電圧設定手段と，前記供給電圧に応じて前記Ｘ線検出器の入出力特性を補正する入出力特性補正手段を有することを特徴とするＸ線撮影装置である。これは数１において画素アンプＭ２のゲート電圧Voが変化する範囲を変えることに相当する。これにより，検出器の入出力特性を種々変化させることができる。また，どのような入出力特性を選択した場合も測定データを線形な入出力特性のデータに変換できるため，定量性を損なうことなくＸ線計測を実施できる。
（手段２）
手段１に記載のＸ線撮影装置において，前記フォトダイオードの両端電圧をリセットするリセット手段と，リセット時の前記フォトダイオードの両端電圧を前記供給電圧によらず一定に保持する電圧保持手段を有することを特徴とするＸ線撮影装置である。これにより，前記供給電圧を変化させても，フォトダイオードの特性（リーク電流や接合容量の大きさ等）を変えずに，安定した計測が行える。
（手段３）
手段１および２に記載のＸ線撮影装置において，対象とする被写体に応じて前記供給電圧の設定値を予め指定できることを特徴とするＸ線撮影装置である。これにより，撮影対象毎にユーザーが適正な入出力特性を予め選択しておくことができる。その結果，撮影対象に応じてその都度適正な入出力特性を設定する手間を省くことができる。
（手段４）
Ｘ線を発生する手段と，被写体のＸ線透過像を検出するＸ線検出手段を有するＸ線撮影装置において，前記Ｘ線検出手段の撮像面を構成する個々の画素がフォトダイオードおよびフォトダイオードの検出信号を増幅するアンプを有しており，前記アンプの出力電圧を設定する出力電圧設定手段と，前記出力電圧に応じて前記Ｘ線検出器の入出力特性を補正する入出力特性補正手段を有することを特徴とするＸ線撮影装置である。これは数１においてチャージアンプＣＳＡの基準電位Vsを変化させることに相当する。これにより，手段１と同様の効果を得ることができる。
（手段５）
手段４に記載のＸ線撮影装置において，対象とする被写体に応じて前記出力電圧の設定値を予め指定できることを特徴とするＸ線撮影装置である。これにより，手段３と同様の効果を得ることができる。
（手段６）
手段１〜５に記載のＸ線撮影装置において，前記入出力特性補正手段は予め用意された入出力特性補正テーブルに基づいて前記Ｘ線検出器の入出力特性を補正することを特徴とするＸ線撮影装置である。これにより，入出力特性の補正を高速に行うことができる。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば，以下の通りである。
Ｘ線検出器の入出力特性を種々変えることができ，撮影対象に合わせて望ましい入出力特性を選択できるようになる。これにより，Ｘ線検出器のダイナミックレンジを拡大して診断能を向上できる。

以下，本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は，本実施の形態に係るＸ線撮影装置の構成である。本Ｘ線撮影装置は，Ｘ線管１，コリメータ２，支柱３，Ｘ線検出器４，寝台６，コンソール１０，撮影制御手段１１，フレームメモリ１２，信号処理手段１３，入出力特性変換テーブル１４，入出力特性設定テーブル１５，および画像表示手段１６等から構成される。またコンソール１０にはＸ線撮影を指示するための公知の指示機構，および撮影条件を設定するための公知の設定機構の他に，撮影対象やＸ線検出器４の入出力特性を規定する電圧設定を指示する機構が設けられている。

以下ではＸ線管１，コリメータ２，およびＸ線検出器４からなる構成を撮影系と呼ぶ。撮影系の各構成要素には公知のデバイスが使用される。コリメータ２はＸ線管１の前面に固定されており，被写体５に対するＸ線の照射範囲を制限する公知の機能を有する。撮影系全体は支柱３により支持されている。

Ｘ線管１のＸ線発生点とＸ線検出器４の入力面との距離の代表例は110 [cm]である。Ｘ線検出器４には後述するアクティブピクセル型ＦＰＤが使用される。Ｘ線検出器４の仕様の代表例は入力面サイズ307.2 [mm]×307.2 [mm]，画素数2048 [ピクセル]×2048 [ピクセル]である。またＸ線検出器４は撮影モードと透視モードを有しており，透視モードにおけるフレームレートの代表例は30 [フレーム／秒]である。なお，上記各仕様はこれらの値に限定されるものではなく，Ｘ線撮影装置の構成に応じて種々変更可能である。

次に，本実施の形態に係るＸ線撮影装置の動作手順を説明する。まず検者は被写体５の撮影に先立って，コンソール１０を通して撮影対象部位（頭部，胸部，腹部等）を指定する。コンソール１０は，上記撮影対象部位の指定に応じて入出力特性設定テーブル１５を参照し，Ｘ線検出器４の所定の入出力特性を実現するための電圧設定（Vdd, Vss, Vs）の値を読み出してＸ線検出器４に設定する。次にコンソール１０は撮影制御手段１１に撮影開始の指示を与える。撮影制御手段１１はＸ線管１およびＸ線検出器４にシーケンスを与えて撮影もしくは透視を開始する。このとき被写体５のＸ線透過像はＸ線検出器４によって検出され，取得した画像はフレームメモリ１２に書き込まれる。次に信号処理手段１３は，コンソール１０より指示された入出力特性の設定値に基づいて対応する入出力特性変換テーブル１４を参照し，フレームメモリ１２に書き込まれた画像の画素値を変換する。なお本画素値の変換は，Ｘ線検出器４の入出力特性の歪みを修正してリニアな特性に変換するものである。最後に信号処理手段１３は，上記変換後の画像を画像表示手段１６に出力し，画像が表示される。なお，Ｘ線透視時においては上記一連の処理が所定のフレームレートで繰り返し行われる。

図２はＸ線検出器４の構成を説明するための図である。Ｘ線検出器４はポリシリコンおよび／またはアモルファスシリコンのプロセスを用いてガラス基板２０上に画素１０３をアレイ状に形成したものである。なお画素１０３の内部の構成は図６に示したものと同一である。画素のリセットおよび信号読出し画素の選択は，それぞれリセットライン１０１および画素選択ライン１０２を介して実施される。また上記選択画素から出力されるドレイン電流Idは，データライン１００を介して読み出される。ガラス基板２０上にはこの他に，シフトレジスタ２１および信号読出し回路２２が配置されている。これらは共にシリコンウェハ上に形成された個別のチップであり，後からガラス基板上に接着固定されたものである。シフトレジスタ２１はリセットライン１０１および画素選択ライン１０２に与える電圧を上下方向に順次切り替えて，この方向の画素の読み出し位置を選択する。また信号読出し回路２２は図示しない公知のチャージアンプ，ＣＤＳ(Correlated Double Sampling)回路，マルチプレクサ，およびＡＤ変換器等から構成されており，読み出した信号を紙面水平方向に切り替えると共に，各信号をデジタルデータに変換してフレームメモリ１２に出力する。なお撮影制御手段１１による撮影の制御は，シフトレジスタ２１および信号読出し回路２２にシーケンスを与えることで実施される。またコンソール１０は図示しないデータ線を通して供給電位Vdd，ＰＤ基準電位Vss, およびＣＳＡ基準電位Vsの電圧を制御する。

図３は入出力特性設定テーブル１５の構成を示したものである。本テーブルには撮影対象部位毎に推奨設定およびユーザー設定が設けられている。検者はコンソール１０を介してユーザー設定の入力，撮影対象部位の選択および推奨設定とユーザー設定の選択等を行うことができる。このとき検者は，電圧設定（Vdd, Vss, Vs）を直接入力しても良いし，予め用意された入出力特性のサンプル（入出力特性１，２，・・・等）から好みのものを選んで設定しても良い。

図４は供給電位Vddと入出力特性の関係を示した図である。なおここではＣＳＡ基準電位Vsは全て0 [V]とした。また横軸のVdd-Voはフォトダイオードへの入射光量に比例する電圧である。図４を見ると，Vddが高くなるにつれて入出力特性のリニアリティが向上していることがわかる。一方Vddが低い場合，入射光量が大きくなるにつれてリニアリティが低下し，Idの変化が圧縮されるようになる。このような入出力特性の信号をＡＤ変換した場合，特に入射光量の小さい領域において濃度分解能を向上できるという利点がある。なお図４に示した入出力特性に基づき，IdからVdd-Voへの変換をテーブル化したものが入出力特性変換テーブル１４に相当する。入出力特性変換テーブル１４を用いれば，非線形な入出力特性を線形なものに変換できるので，コーンビームＣＴ等，特に線形性が必要とされる計測にも対応できる。また図４中にはＰＤ基準電位Vssの設定値を示さなかったが，VssはVoの可変範囲をVss〜Vddに規定するパラメータである。ただし，画素アンプＭ２が動作する範囲でVoが変化するようにVssの値を決める必要がある。またVdd-Vssの値が変わるとフォトダイオードのリーク電流や接合容量等の特性が変わるため，Vdd-Vssの値を一定値に保ったまま Vddの変化に合わせてVssを自動的に設定するようにしても良い。

図５はＣＳＡ基準電位Vsと入出力特性の関係を示した図である。なおここでは供給電位Vddは全て3 [V]とした。図５を見ると，Vsを変えることで，図４の場合と同様の入出力特性を実現できる。

以上，本発明の実施の形態を示したが，本発明は本実施の形態のみに限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば工業用のＸ線撮影装置等にも本発明を適用できることは言うまでもない。

本実施の形態に係るＸ線撮影装置の構成。Ｘ線検出器４の構成。入出力特性設定テーブル１５の構成。供給電位Vddと入出力特性の関係。ＣＳＡ基準電位Vsと入出力特性の関係。アクティブピクセル型Ｘ線ＦＰＤの回路の構成。アクティブピクセル型Ｘ線ＦＰＤの入出力特性の例。

符号の説明

１・・・Ｘ線管，
２・・・コリメータ，
３・・・支柱，
４・・・Ｘ線検出器，
５・・・被写体，
６・・・寝台，
２０・・・ガラス基板，
２１・・・シフトレジスタ，
２２・・・信号読出し回路，
１００・・・データライン，
１０１・・・リセットライン，
１０２・・・画素選択ライン，
１０３・・・画素。

Claims

Ｘ線を発生する手段と，被写体のＸ線透過像を検出するＸ線検出手段を有するＸ線撮影装置において，前記Ｘ線検出手段の撮像面を構成する個々の画素がフォトダイオードおよびフォトダイオードの検出信号を増幅するアンプを有しており，前記フォトダイオードおよびアンプに供給する電圧若しくは前記アンプの出力電圧を設定する電圧設定手段と，前記設定された電圧に応じて前記Ｘ線検出器の入出力特性を補正する入出力特性補正手段を有することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項１に記載のＸ線撮影装置において，前記フォトダイオードの両端電圧を所定の設定値に変更するリセット手段と，前記リセット手段によるリセット時において、前記フォトダイオードの両端電圧の差分値を前記供給電圧によらず一定に保持する電圧保持手段を有することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項１および２に記載のＸ線撮影装置において，対象とする被写体に応じて前記供給電圧の設定値を予め指定できることを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項１〜３に記載のＸ線撮影装置において，前記入出力特性補正手段は予め用意された入出力特性補正テーブルに基づいて前記Ｘ線検出器の入出力特性を補正することを特徴とするＸ線撮影装置。