JP6494387B2 - 放射線撮像装置及び放射線撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、医療用画像診断装置や非破壊検査装置に適用される放射線撮像装置及びそれを用いた放射線撮像システムに関する。

近年、放射線検出装置は、放射線源の照射情報を把握する機能を有する。照射情報とは、放射線源からの放射線照射開始のタイミングや、放射線の照射量及び積算照射量である。
特許文献１には、放射線を検出する検出領域に、放射線画像撮影用画素及び放射線検出用画素を含む複数の画素を、マトリクス状に設けた放射線検出素子が開示されている。放射線検出用画素に備えられたスイッチング素子に接続する信号配線によって、画素に発生した電荷を検出することで、放射線の照射開始が検知される。

特開２０１２−０１５９１３

放射線の検知用画素の信号配線は、画像撮影用画素の近傍に配置されるため、信号配線と画像撮影用画素との間で無視できない容量が形成される。信号配線は、画素領域外に配置された検出回路まで延在しているので、容量結合を通して、検知用画素の信号以外の信号が、検知用画素の信号に重畳されて検出される（この現象を、クロストークと呼ぶ）。検知用画素の信号配線を、画像撮影用画素の信号配線とは別の専用配線としても、このようなクロストークは避けられない。
クロストークにより、検知用画素の信号に基く放射線源の照射情報は、その精度が必ずしも高くはなかった。

本発明の放射線撮像装置は、マトリクス状に配置された複数の画素からなる放射線撮像装置であって、前記複数の画素は、放射線を電荷に変換する変換素子を有し、放射線画像を取得するための撮像画素と、放射線を電荷に変換する検知素子を有し、放射線の入射を検知するための検知画素とからなり、放射線が照射されない第１の期間に、前記変換素子に蓄積された電荷が線順次に読み出され、前記第１の期間に先だって第２の期間が設定され、前記第２の期間では、放射線が断続的に照射され、放射線が照射される照射期間の間の休止期間に、前記検知素子に蓄積された電荷が読み出されることを特徴とする。

本発明によれば、放射線の照射と検知画素からの信号検出のタイミングを適切に制御する事により、クロストークの影響を抑性し、精度の高い照射情報の取得が可能となる。

第１の実施形態に係る放射線撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 第１の実施形態に係る放射線撮像装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る検出部の構成を示す回路図である。 第１の実施形態に係る画素の構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る放射線撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 第３の実施形態に係る放射線撮像システムの動作を説明するためのフローチャートである。 第４の実施形態に係る放射線撮像システムの応用例を説明するための概念図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
（１）放射線撮像システムの全体構成
図２に示されるように、放射線撮像装置２００は、支持基板１００、画素アレイ２２８、駆動回路２２１、読出回路２２２からなる検出部２２３と、信号処理部２２４、制御回路２２５、電源回路２２６とからなる。画素アレイ２２８は、支持基板１００上に、複数の画素１０１がマトリクス状に配置されたものである。駆動回路２２１は、画素アレイ２２８を駆動し、読出回路２２２は、画素アレイ２２８からの電気信号を画像データとして出力する。信号処理部２２４は、読出回路２２２からの信号を処理して、制御回路２２５に出力する。制御回路２２５は、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。電源回路２２６は、各構成要素に夫々バイアス電圧を供給する。

制御ユニット（制御装置）２２９によって、放射線源としてのＸ線源２２７と放射線撮像装置２００とが連携制御される。放射線の照射のタイミングは、制御ユニット２２９付帯の曝射スイッチ或いは、フットペダルにより照射開始のタイミングが決定される。放射線撮像装置２００は、Ｘ線源２２７から放出され、被検者を透過した放射線を検出する。Ｘ線源２２７が、断続的なパルス状の放射線照射を実施する場合は、そのパルス周期や照射期間と休止期間のデュティー比を制御ユニット２２９が制御する。

（２）検出部の構成
図３に示されるように、画素アレイ２２８の各画素１０１は、放射線応じた電気信号を出力する。画素１０１は、放射線画像を取得するための撮像画素であり、放射線を電荷に変換する変換素子１０２と、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（第１のスイッチ素子）１０３とを含む。変換素子１０２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。変換素子１０２としては、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。スイッチ素子１０３は、非晶質シリコン又は多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）からなる。半導体層としては、シリコン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、列方向に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。各列のバイアス線１０８は、画素アレイ２２８の領域の端部で共通に接続される。バイアス線１０８は、図２で示した電源回路２２６より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、信号線１０６が電気的に接続される。信号線１０６は、列方向に配置された画素のスイッチ素子１０３の第２主電極が共通に接続される。信号線１０６は画素の列毎に配置される。各信号線１０６は、読出回路２２２に電気的に接続される。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には、行方向に配置された複数の画素１０１のスイッチ素子１０３の制御電極に共通に接続され、駆動回路２２１よりゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇｎが印加される。

画素１２１は、放射線の入射を検知するための検知画素であり、画素アレイ内に複数配置される。画素１２１は、変換素子１０２、スイッチ素子１０３、検知素子１２２、検知素子用のスイッチ素子（第２のスイッチ素子）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。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。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。検知線１１０には、列方向に配置されたスイッチ素子１２３の第２主電極が接続される。各検知線１１０は、外部の読出回路２２２に電気的に接続される。

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、駆動回路２２１よりゲート電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎが印加される。

読出回路２２２内では、信号線１０６及び検知線１１０が、各々オペアンプ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いる。オペアンプ１５０は、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が接続されている。読出回路２２２は、信号線１０６及び検知線１１０を通して、変換素子１０２及び検知素子１２２に蓄積された電荷を、信号電荷として読み出す。読み出された信号電荷は、デジタル信号に変換される。読出回路２２２は、全ての回路を集積化してもよいし、各回路を個別に分散して配置してもよい。

（３）検知画素の構成
図４は、画素１０１、１２１の構成を示し、図４（ａ）は画素１０１（検知素子１２２を含まない）の平面図であり、図４（ｂ）は画素１２１の平面図である。図４（ｃ）は、図４（ｂ）のＡ−Ａ’での断面図である。変換素子１０２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。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、検知素子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４（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。

画素１０１と画素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、画素１０１と画素１２１とに対応して、それぞれ読出回路２２２から出力される画像信号の量が異なる。従って、撮影画像を診断に利用する場合は、白補正（ゲイン補正）等の補正を適宜行ない、画像信号のバラつきを補正する。

（４）各部位の動作タイミング
図１は、駆動回路２２１より出力されるゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇｎ、Ｖｄ１〜Ｖｄｎの出力タイミングを示し、図１（ａ）と図１（ｂ）とは異なる例を示す。

期間Ｔ１（第３の期間）は、リセット期間で、画素アレイ２２８はリセット動作を繰り返す。リセット動作は、検出部２２３に電源投入後、撮影動作が開始されるまで行われる。この時、変換素子１０２から発生するダーク電流を定期的に除去する為に、Ｖｇ１〜Ｖｇｎが順次ＨＩ（スイッチ素子がオンとなる電圧）となり、スイッチ素子１０３が順次オンとなる。即ち、画素１０１は、線順次走査される。同様に、検知素子１２２から発生するダーク電流を除去する為に、Ｖｄ１〜Ｖｄｎは常にＨＩとなり、スイッチ素子１２３がオンした状態となる。曝射スイッチ或いは、Ｘ線管球のリセットを開始させるスイッチが押されると期間Ｔ２に移行する。期間Ｔ１は、下記期間Ｔ２に先だって設定される。

期間Ｔ２（第２の期間）において、事前に設定された周期及びデュティーで放射線が照射される。放射線の照射が休止している期間に、Ｖｄ１〜Ｖｄｎが所定期間ＨＩになり、検知素子１２２で検出された検出信号が、読み出し回路２２２に送られる。図１（ａ）では、Ｖｄ１〜Ｖｄｎが同じタイミングでＨＩとなっているが、図１（ｂ）のように、同じ検知線１１０に接続された検知素子用のスイッチ素子１２３に対応するゲート電圧Ｖｄ１〜ＶｄｎのＨＩのタイミングをずらしても良い。この場合、一度に読み出し可能な信号量が減るものの、検出領域の空間解像度が上がる。

放射線の周期的な照射は、照射期間と休止期間とからなる。通常の連続的な放射線の照射時間と比較して、休止期間を設ける分、撮影の時間が長くなる為、休止期間は照射期間より短いことが好ましい。休止期間の効果を考慮すると、１周期の期間に対する照射期間の比（デューティー）Ｒは、１／２＜Ｒ＜９９／１００が好ましい。例えば、１０ｍｓの放射線照射後、１ｍｓの休止期間を設ける。放射線発生装置の性能によっては、Ｘ線源２２７への出力停止命令後の休止期間中であっても、放射線の照射が弱く続く場合もあるが、照射時の出力に比べ抑えられていれば良く、クロストーク抑性の効果は得られる。休止期間に照射される放射線の単位時間当たりの強度は、照射期間に照射される放射線の単位時間当たりの強度の半分以下であることが好ましい。

また、放射線の照射中は、信号線１０６、検知線１１０、駆動線１２４、バイアス線１０８の各配線にクロストークによる電流が流れる。この為、電源回路２２６からの各配線への電流の供給が間に合わない場合、休止期間後も部分的に電位が変動する。従って、照射後の休止期間中に、Ｖｄ１〜Ｖｄｎの走査を開始するまでの間、一定の電位安定化時間を設けると良い。例えば、電源回路２２６に電流の監視回路を設け、電流が安定した事を確認後、Ｖｄ１〜Ｖｄｎの走査を開始しても良い。或いは、各配線容量やインピーダンスを考慮し、事前に設定された休止間隔の後に、Ｖｄ１〜Ｖｄｎの走査を開始しても良い。

読み出し回路２２２に送られた検出信号は、オペアンプ１５０で電圧信号に変換された後、サンプルホールド回路１５１によって、所定のサンプリング周期でサンプリングされ、マルチプレクサ１５２を介して、ＡＤコンバータ１５３でデジタルデータへと変換される。この間、Ｖｇ１〜Ｖｇｎは、ＬＯ（スイッチ素子がオフとなる電圧）となり、撮影画像に関わる画素信号は、画素１０１内に保持される。期間Ｔ２は、撮影モードとして、又は指定された照射時間として、予め決められており、所定時間経過後、期間Ｔ３に移行する。期間Ｔ３へ移行するタイミングは、サンプルホールド回路１５１によって、検知素子からの電圧信号が全て確定していれば、図１（ａ）、図１（ｂ）で示されるタイミングより前でも良い。

期間Ｔ３（第１の期間）においては、撮影画像を取得する為に、Ｖｇ１〜Ｖｇｎを順次ＨＩにし、スイッチ素子１０３を順次走査することにより、変換素子１０２に蓄積された電荷が線順次に読み出される。画素信号は、オペアンプ１５０で電圧信号に変換された後、サンプルホールド回路１５１によってサンプリングされ、マルチプレクサ１５２を介して、ＡＤコンバータ１５３でデジタルデータへと変換され、画像信号となる。

本実施形態では、期間Ｔ２の休止期間に、Ｖｄ１〜ＶｄｎをＨＩにし、検知素子１２２で検出された検出信号が、読み出し回路２２２に送られる。読み出し期間中は、放射線は入射していない為、検知素子１２２、変換素子１０２における電位変動が起きていない。この為、たとえ検知線１１０が、検知素子１２２や変換素子１０２との寄生容量を持っていても、この容量を介して、クロストークを受ける事はない。また、画素信号については、放射線が複数回に分けて照射された場合においても、画素１０１内で蓄積され続ける為、連続的な放射線の照射が行われた場合と比べ、ノイズは増えず、撮影画像の画質が劣化することはない。

（第２の実施形態）
本実施形態に係る放射線撮像装置２００は、制御ユニット２２９との通信方式が、有線か無線かを選択可能である点が、第１の実施形態と異なる。また、本実施形態の特徴は、有線による通信時と無線による通信時で、放射線の照射期間と休止期間とを変える点にある。具体的には、無線による通信時においては、通信中には、放射線を照射しない。

図５（ａ）は、放射線撮像装置２００と制御ユニット２２９との通信が有線で行われた際の、各信号のタイミングチャートである。期間Ｔ２の動作は、第一の実施形態と同様であるが、放射線撮像装置２００は、検知素子１２２で検出された検出信号に関わる情報を制御ユニット２２９との有線の通信により伝送する。通信は、放射線の照射中の有無に関わらず行われる。

図５（ｂ）は、放射線撮像装置２００と制御ユニット２２９との通信が無線で行われた際の、各信号のタイミングチャートである。制御ユニット２２９は、選択された通信方式により、放射線の照射のタイミング及び、放射線撮像装置２００における放射線の線量検出のサンプリング周期を変更する。無線通信（図５（ｂ））の場合は、有線通信（図５（ａ））の場合と比較して、放射線の照射時間に対し、放射線の休止期間が長く設定される。また、放射線休止中に、無線による通信を実施する。

本実施形態では、制御ユニット２２９が、通信方式に応じて放射線の照射タイミングを変更したが、事前に制御ユニット２２９が得た撮影に関わる情報、例えばＸ線の管電流、被写体情報等に基いて、変更しても良い。例えば、放射線撮像装置２００に単位時間当たりに強い入射があると予想される情報がある場合は、１パルスの放射線の照射期間が短くなるように、放射線の照射タイミングを変更してもよい。

本実施形態によれば、検出信号に関わる情報を無線によって通信する期間に、放射線の照射を行わない事で、放射線の照射に伴うＸ線源２２７からの電磁ノイズが無線へ混入する事を防止する事ができる。この為、無線通信の信頼性が向上し、通信情報の劣化やタイムアウト等の通信エラーの発生を防止する事が可能である。

（第３の実施形態）
本実施形態に係る放射線撮像システムの動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。

第１の実施形態では、予め決められた周期に基づき、期間Ｔ２において、Ｘ線源２２７による放射線の照射と休止期間が設けられた。それに対して、本実施形態においては、図６（ａ）に示されるように、期間Ｔ２の初めに放射線を所定期間照射する。その照射終了後、検出信号と設定された入射線量の情報とを比較し、放射線撮像装置２００又は制御ユニット２２９が、比較結果に基いて、放射線の再照射の要否を判定する。再照射が必要と判定された場合は、Ｘ線源２２７に再び所定期間放射線を照射させる。放射線の照射と再照射要否の判定を繰り返し、累計の放射線の照射量が十分と判定された場合、Ｘ線源２２７は放射線の照射を停止し、画素信号の取得が可能な状態となる。また、放射線の再照射要否の判定は、図６（ｂ）のように、まず、２回所定期間放射線を照射し、検出した放射線の照射の２回先の放射線の再照射要否を判断しても良い。放射線の検出動作と放射線の再照射要否の判定動作がパイプライン的に処理できる為、放射線の照射間隔が短くなり、全体の撮影時間の短縮につながる。なお、放射線の再照射の判定動作は、放射線の照射中に行われてもよい。

また本実施形態の変形例として、図６（ｃ）のフローチャートで示すように、再照射要否の判定時に、残り必要な照射量を予測しても良い。２回目の放射線の照射後に得た検出信号に基いて、残り必要な放射線の照射回数又は、時間を算出し、必要な照射量となるように、断続的、又は連続的に、放射線を照射する。

（第４の実施形態）
図７は、本実施形態に係る放射線検出システムの応用例を示したものである。放射線源であるＸ線チューブ６０５０から発生したＸ線６０６０は、被検者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線検出装置６０４０に入射する。入射したＸ線には、被検者６０６１の体内の画像情報が含まれている。放射線検出装置６０４０から出力される、画像情報に係る画像信号は、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、画像情報は、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に設置されたディスプレイ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。

１０１、１２１ 画素
１０２ 変換素子
１２２ 検知素子
１０３ １２３ スイッチ素子

Claims (10)

1. マトリクス状に配置された複数の画素からなる放射線撮像装置であって、
   前記複数の画素は、放射線を電荷に変換する変換素子を有し、放射線画像を取得するための撮像画素と、放射線を電荷に変換する検知素子を有し、放射線の入射を検知するための検知画素とからなり、
   放射線が照射されない第１の期間に、前記変換素子に蓄積された電荷が線順次に読み出され、
   前記第１の期間に先だって第２の期間が設定され、
   前記第２の期間では、放射線が断続的に照射され、放射線が照射される照射期間の間の休止期間に、前記検知素子に蓄積された電荷が読み出されることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記検知画素は、複数配置されており、
   各々の検知画素に対応した複数の検知素子から、同じタイミングで、各々の検知素子に蓄積された電荷が読み出されることを特徴とする請求項１記載の放射線撮像装置。
3. 前記第２の期間に先だって、前記撮像画素を線順次走査することにより、ダーク電流を除去する第３の期間を有することを特徴とする請求項１記載の放射線撮像装置。
4. 前記変換素子は、第１のスイッチ素子を介し、信号線に接続され、
   前記検知素子は、第２のスイッチ素子を介し、検知線に接続され、
   前記第２の期間では、前記第１のスイッチ素子をオフにし、前記休止期間に前記第２のスイッチ素子をオンにすることにより、前記検知線を介して前記検知素子に蓄積された電荷が読み出されることを特徴とする請求項１記載の放射線撮像装置。
5. 前記休止期間に照射される放射線の単位時間当たりの強度は、前記照射期間に照射される放射線の単位時間当たりの強度の半分以下であることを特徴とする請求項１記載の放射線撮像装置。
6. 前記照射期間の繰り返しの１周期の期間に対する前記照射期間の比は、１／２より大きく、９９／１００より小さいことを特徴とする請求項１記載の放射線撮像装置。
7. 放射線源と、
   前記放射線源から放出され、被検者を透過した放射線を検出する、請求項１〜６の何れか１項に記載の放射線撮像装置と、
   前記放射線源と前記放射線撮像装置とを連携制御する制御装置とを備えることを特徴とする放射線撮像システム。
8. 前記制御装置は、撮影に関わる情報に基いて、前記照射期間と前記休止期間との長さを設定することを特徴とする請求項７記載の放射線撮像システム。
9. 前記制御装置と前記放射線撮像装置とは、有線と無線との少なくとも何れかの方式で、互いに通信し、
   無線通信の場合は、有線通信の場合より、前記休止期間が長く設定されることを特徴とする請求項７記載の放射線撮像システム。
10. 前記制御装置は、前記第２の期間において、所定期間照射された放射線に対する検出信号と、予め設定された入射線量に係る情報とを比較し、比較結果に基いて、放射線の再照射の要否を判定することを特徴とする請求項７記載の放射線撮像システム。

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