JP6546451B2 - 放射線撮像装置、その制御方法及びプログラム - Google Patents

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（Ｘ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平面検出器（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下ＦＰＤ）を用いた放射線撮像装置が知られている。このような放射線撮像装置は、例えば医療画像診断において、静止画や動画などのデジタル撮像装置として用いられうる。

ＦＰＤとしては、積分型のセンサおよ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、放射線の入射により発生した電荷の総量を計測する。それに対し、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を向上させることができる。

特許文献１には、ＣｄＴｅを用いて放射線のエネルギを直接検出することにより放射線の検出回数をカウントする直接型のセンサが提案されている。また、特許文献２には、放射線の入射によりシンチレータで生じた光の強度を検出し、当該光の検出回数をカウントする間接型のセンサが提案されている。

特表２０１３−５０１２２６号公報 特開２００３−２７９４１１号公報

直接型のセンサに用いられるＣｄＴｅの単結晶は、数ｃｍ角程度にしか成長させることができない。そのため、直接型のセンサは、大面積化が困難であり、非常に高価となる。また、アモルファスＳｅを成膜することにより大面積の直接型のセンサを実現する方法もあるが、当該方法により作製されたセンサは、動作が遅く、温度管理が必要などの難点がある。

これに対し、間接型のセンサは、大面積化が容易であり安価となるという利点がある。しかしながら、特許文献２には、特定のエネルギを有する放射線の入射量を求めることについて記載されていない。

本発明は、間接型のセンサにおいて、入射する放射線のエネルギ帯ごとの入射量を取得する技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の一部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、光を検出する光検出器を有する複数の画素が配されたセンサパネルと、処理部と、を含む放射線撮像装置であって、処理部は、光検出器で検出された光に応じて信号を生成し、複数の画素のうち１つの注目画素及び注目画素に近接する１つ以上の画素を含む画素群によって同じ期間に生成された複数の信号が特定の分布を有するかを判定し、特定の分布を有すると判定された回数を注目画素についてカウントし、第１の係数に従って回数を変換することによって得られた値に基づいて、注目画素へ向けて照射された放射線のうち第１のエネルギ帯の入射量を取得し、第２の係数に従って回数を変換することによって得られた値に基づいて、注目画素へ向けて照射された放射線のうち第２のエネルギ帯の入射量を取得することを特徴とする。

上記手段により、間接型のセンサにおいて、入射する放射線のエネルギ帯ごとの入射量を取得する技術が提供される。

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センサ部の構成を示す図。 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照射期間における各センサ部の動作を示す図。 図１の放射線撮像装置のシンチレータの発光の広がりを示す図。 図１の放射線撮像装置のデジタル値に変換された発光分布を示す図。 図１の放射線撮像装置の変換部を示す図。 図１の放射線撮像装置の変換係数の例を示す図。 図１の放射線撮像装置の読出し期間における各センサ部の動作を示す図。 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、第１実施形態の放射線撮像装置１００の構成例を示す。第１実施形態の放射線撮像装置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、例えば、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、例えば、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センサ部２０１が、複数の行及び複数の列を形成するように配列されている。センサ部２０１は「画素」と称されてもよい。詳細は後述するが、各センサ部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、入射する放射線のフォトンの数を計測する。

プロセッサ１０３は、撮像部１０４との間で信号ないし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、放射線フォトンの計測値を含み、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等の表示部（不図示）に放射線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、複数のセンサ部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。複数のセンサ部２０１の各々は、シンチレータ１０５で生じた光の分布を取得する。次いで、取得した光の分布のうち特定の分布を検出した検出回数をカウントするように構成されうる。各センサ部２０１は、１つ以上の分布に応じた検出回数のデータを、各センサ部２０１に向けて照射された放射線のエネルギ帯ごとの入射量に変換する。各センサ部２０１は、信号線２０５を介して信号が供給されると、入射量のデータを、列信号線２０４を介して列選択回路２０８に出力する。

垂直走査回路２０２は、入射量のデータが各センサ部２０１から出力されるように、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、各センサ部２０１から出力された入射量のデータを出力線２０６に出力データＤＡＴＡとして出力する。また、水平走査回路２０３は、入射量のデータを出力線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列のセンサ部２０１が配列されたセンサパネル１０６を示したが、より多くのセンサ部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列のセンサ部２０１が配置されうる。また例えば、センサパネル１０６は、センサ部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、センサ部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、センサ部２０１の構成について図３を参照しながら説明する。図３は、センサ部２０１の構成を示す図である。センサパネル１０６の各センサ部２０１は、例えば、光検出器である検出素子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、メモリ３０４、判定部３０７、変換部１３０を含みうる。検出素子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。検出素子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。電圧変換部３０２は、例えば微分回路が用いられ、検出素子３０１で生成された信号を電圧の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値と基準電圧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値の信号を生成する。電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧値が基準電圧３０６の電圧値以上である場合は、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値が基準電圧３０６よりも小さい場合は、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における全てのセンサ部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、検出素子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生成する。

判定部３０７は、同じ期間に複数のセンサ部２０１（画素群）の比較部３０３から出力される複数のデジタル値の信号を含む信号パターン３０９を取得する。判定部３０７は、同じ期間に各センサ部２０１から出力される複数の信号で構成された信号パターン３０９を取得することによって、入射した放射線の１つの放射線フォトンからシンチレータ１０５で変換された光の分布の広がりを取得することができる。

次いで、判定部３０７は、信号パターン３０９が特定の分布を有するか否かを判定する。判定部３０７は、信号パターン３０９が特定の分布を有すると判断した場合、所定の期間に特定の分布が検出された回数をカウントする。具体的には、判定部３０７は、取得された信号パターン３０９と予め設定された光の分布を表す参照パターン３０８とを比較する。信号パターン３０９と参照パターン３０８とが一致したと判定した場合、判定部３０７は、該参照パターン３０８と対応する分布を検出したと判定してメモリ３０４のカウント値に１を加える分布検出信号を出力する。信号パターン３０９と参照パターン３０８とが一致しない場合、判定部３０７は、分布を検出したことを示す分布検出信号を出力せずメモリ３０４のカウント値を変化させない。判定部３０７とメモリ３０４とによって、信号パターン３０９と参照パターン３０８とが一致し、特定の分布を検出したと判定された検出回数がカウントされる。参照パターン３０８は、例えば判定部３０７内のメモリなどに記録されていてもよいし、判定部３０７の外部から与えられてもよい。

ここでメモリ３０４のカウント値に１を加えるための分布の検出の判定は、信号パターン３０９と参照パターン３０８との比較だけに限られるものではない。例えば、隣接するセンサ部２０１の比較部３０３の出力を加算する加算回路を用い、判定部３０７が、比較部３０３から出力されるデジタル値の合計値に応じて、メモリ３０４をカウントさせてもよい。例えば、センサ部２０１の比較部３０３からの出力が「１」で、該センサ部２０１と該センサ部２０１の上下左右に隣接する４つのセンサ部２０１との比較部３０３からの出力の合計が「２」以上となる。この場合、判定部３０７が、特定の分布を検出したとしてメモリ３０４のカウント値に１を加えてもよい。判定部３０７は、１つのセンサ部２０１だけでなく該センサ部２０１に隣接する複数のセンサ部２０１で光が検出され、シンチレータ１０５で発光した光が複数のセンサ部２０１に広がって検出されたことを判定できる。

信号パターン３０９は、センサ部２０１の比較部３０３の出力と、該センサ部２０１に対して上下左右に隣接する４つのセンサ部２０１の比較部３０３の出力から構成される複数ビットのデジタル値でありうる。すなわち信号パターン３０９は、シンチレータ１０５において、放射線フォトンが光に変換されたときの発光の分布を反映した複数の信号によるデジタル値となる。図３に示す構成では、比較部３０３がセンサ部２０１に対して１つ配置されているため、信号パターン３０９は、５ビットのデジタル値となる。しかしながら、本実施形態はこれに限られるものではなく、例えばそれぞれのセンサ部２０１に対して基準電圧３０６の互いに異なる複数の比較部３０３を配置し、多値での判定を行ってもよい。比較部３０３を複数配置することによって、各センサ部２０１は、光の強度に関する複数のレベルの発光の分布について、検出回数をカウントすることができる。

メモリ３０４に格納されたカウント値を、入射した放射線のエネルギ帯ごとの入射量に変換する変換部１３０については、後述する。また、出力部３０５は、出力部３０５に接続された信号線２０５を介して垂直走査回路２０２から信号が供給されたとき、変換部１３０によって変換された放射線のエネルギ帯ごとの入射量のデータ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、入射した放射線のエネルギ帯ごとの入射量のデータＤＡＴＡがプロセッサ１０３に出力される。

図３に示す構成では、それぞれのセンサ部２０１に判定部３０７Ｒと判定部３０７Ｂとの２つの判定部３０７が配置される。判定部３０７Ｒと判定部３０７Ｂとは、それぞれ異なる参照パターン３０８を用いて信号パターン３０９に対する判定を行う。判定部３０７Ｒに参照パターン３０８Ｒが、判定部３０７Ｂに参照パターン３０８Ｂが、それぞれ与えられる。メモリ３０４は、判定部３０７Ｒに接続されたメモリ３０４Ｒと、判定部３０７Ｂに接続されたメモリ３０４Ｂとの２つが配置されている。判定部３０７Ｒにおいて、信号パターン３０９と参照パターン３０８Ｒとが一致したと判定した場合、判定部３０７は、メモリ３０４Ｒのカウント値に１を加える。また、判定部３０７Ｂにおいて、信号パターン３０９と参照パターン３０８Ｂとが一致したと判定した場合、判定部３０７Ｂは、メモリ３０４Ｂのカウント値に１を加える。本実施形態では、複数の判定部３０７及びメモリ３０４を配置することによって、複数の特定のエネルギを有する放射線フォトンの入射量を取得する。

本実施形態では、判定部３０７を１つのセンサ部２０１に２個配置する例を示すが、それに限られるものではなく、例えば判定部３０７を１つだけ配置しもよい。また例えば判定部３０７を３個以上配置し、それぞれ異なる参照パターン３０８と信号パターン３０９とが一致するか否かを判定してもよい。また、図３に示す構成ではメモリ３０４を２個配置する例を示すが、それに限られるものでなく、例えば配置される判定部３０７の数に合わせ、メモリ３０４を１つだけ配置してもよいし、３個以上のメモリ３０４を配置してもよい。また、信号パターン３０９は、本実施形態においてセンサ部２０１と該センサ部２０１に対して上下左右に隣接する４つのセンサ部との５つのセンサ部の比較部３０３の出力から構成される。しかしながら、信号パターン３０９は、例えば、互いに隣接する２つのセンサ部２０１や、センサ部２０１に対して斜めに隣接する４つのセンサ部２０１、２つ以上離れたセンサ部２０１の比較部３０３の出力から構成されてもよい。また、信号パターン３０９は、例えば、センサ部２０１と該センサ部２０１の周囲に隣接する８つのセンサ部との９つのセンサ部の比較部３０３の出力から構成されてもよい。放射線の入射によってシンチレータ１０５が発光し、複数のセンサ部２０１のうち１つの注目画素であるセンサ部２０１と該注目するセンサ部２０１に近接する１つ以上のセンサ部によって、同じ期間に生成された発光の分布の広がりが取得される構成であればよい。そして、判定部３０７は、該注目されるセンサ部２０１ごとに、同じ期間に生成された発光の分布を取得し、発光の分布が特定の分布を有するか否かを判定する。

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の読み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を照射し、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、光の分布の広がりを取得し、参照パターン３０８と一致する回数をカウントさせる期間である。また読出し期間は、放射線照射期間に得られた検出回数を入射した放射線のエネルギ帯ごとの入射量に変換したデータ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センサ部２０１における放射線照射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、電圧変換部３０２、比較部３０３及びメモリ３０４の放射線照射中の駆動タイミングを示す。図５の波形は、横軸を時間とした電圧変換部３０２の出力、比較部３０３の出力、メモリ３０４のカウント値を表している。放射線フォトンが撮像部１０４に入射し、シンチレータ１０５で光に変換される。検出素子３０１において検出された光に起因する電気信号が、電圧変換部３０２で電圧のパルスに変換される。この電圧変換部３０２の電圧のパルスが基準電圧３０６を上回ると、比較部３０３からデジタル値「１」が出力される。本実施形態では、上述したように比較部３０３とメモリ３０４との間には、信号パターン３０９と参照パターン３０８とを比較する判定部３０７が存在する。複数のセンサ部２０１（画素群）の比較部３０３が出力した複数の信号である信号パターン３０９と、参照パターン３０８Ｒとの両者が一致した場合、判定部３０７Ｒは、メモリ３０４Ｒのカウント値に１を加える。また同様に、信号パターン３０９と参照パターン３０８Ｂとの両者が一致した場合、判定部３０７Ｂは、メモリ３０４Ｂのカウント値に１を加える。判定部３０７において信号パターン３０９と参照パターン３０８とが一致したと判定した回数が、特定の分布を検出した検出回数としてカウントされメモリ３０４に格納される。

次いで、図６〜９を用いて、放射線照射期間に得られた検出回数を特定のエネルギを有する放射線の入射量に変換する方法について説明する。図６は、入射する放射線のエネルギとシンチレータ１０５の発光の分布との関係を表す図である。図６に示す構成において、放射線は図の上側から入射し、撮像部１０４では、放射線の入射する側からシンチレータ１０５、センサパネル１０６（検出素子３０１）の順に配される。放射線を構成する複数の放射線フォトンは様々なエネルギを有する。図６（ａ）に示すように、低いエネルギを有する放射線フォトンは、検出素子３０１から遠く、放射線の入射側に近いところで吸収される可能性が高い。この場合、シンチレータ１０５によって放射線から変換された光は、シンチレータ１０５内で広く拡散するため、多数のセンサ部２０１の検出素子３０１で検出される。一方、高いエネルギを有する放射線フォトンは、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で吸収され難い。このため、図６（ａ）のように放射線の入射面側で吸収される場合や、図６（ｂ）に示すように検出素子３０１の近傍で吸収される場合がある。図６（ｂ）に示すように検出素子３０１の近傍で吸収される場合、シンチレータ１０５によって放射線から変換された光が図６（ａ）の場合と比較して拡散せずに、例えば１つのセンサ部２０１の検出素子３０１で検出される。

このように入射する放射線フォトンの有するエネルギの違いによって、放射線がシンチレータ１０５で吸収される深さが異なる。放射線フォトンが光に変換されるシンチレータ内での深さが異なると、それに応じて発光の分布の広がりも異なる。これによって、放射線撮像装置１００は、入射した放射線に対してエネルギの分解能を有し、各センサ部２０１へ向けて照射された放射線のうち、放射線の有する特定のエネルギ帯ごとに、その入射量を検出することができる。

ここで、放射線の有するエネルギの差に起因する発光の分布の広がりの差が大きいほど、エネルギ分解能を向上することができる。発光の分布の広がりは、シンチレータ１０５の厚さ７０２によって大きく変化しうる。シンチレータ１０５の厚み７０２が厚いほど、放射線の入射面の近傍で吸収された放射線による発光が、より多くのセンサ部２０１の検出素子３０１まで広がる。放射線の入射面の近傍で吸収された放射線フォトンによる発光をより広い範囲に拡散させるために、シンチレータ１０５の厚さ７０２は、例えば、検出素子３０１の配されるセンサ部２０１のピッチよりも大きいとよい。

また、エネルギ分解能の精度を高めるために、シンチレータ１０５の検出素子３０１と対向する側とは反対側、図６に示す構成の場合、放射線の入射する側に吸収層７０１を配してもよい。シンチレータ１０５で発光した光は、さまざまな方向に拡散しうる。検出素子３０１に近い領域で発光した場合でも、図６（ｃ）に示すように、光は検出素子３０１への方向以外にも拡散しうる。シンチレータ１０５の表面において光の反射率が高い場合、この拡散した光が、表面で反射し検出素子３０１に入射しうる。この反射光は、検出素子３０１の近傍で発光し直接、検出素子３０１に入射した光と比較して、複数のセンサ部２０１の検出素子３０１まで広がりうる。このため、検出素子３０１から離れた位置で発光した光の発光分布との差が発生し難くなる可能性がある。この反射による光の拡散を防ぐために吸収層７０１が配されるとよい。例えば吸収層７０１は、シンチレータ１０５の発光する光が吸収層７０１に入射した場合、該光の１０％以上を吸収するとよい。

また、本実施形態において、図６に示すように撮像部１０４では、放射線の入射する側からシンチレータ１０５、センサパネル１０６の順に配される。しかしながら、シンチレータ１０５及び検出素子３０１の配置はこれに限られるものではない。放射線は、センサパネル１０６の側から入射し、センサパネル１０６を通過した後、シンチレータ１０５に入射してもよい。この場合、低いエネルギを有する放射線フォトンは、シンチレータ１０５の検出素子３０１に近いところで吸収される。シンチレータ１０５によって放射線から変換された光は、シンチレータ１０５内で広く拡散せずに、例えば１つのセンサ部２０１の検出素子３０１で検出される。一方、高いエネルギを有する放射線フォトンは、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で吸収され難い。このため、例えば検出素子３０１から離れた場所でシンチレータに吸収された放射線による発光は、シンチレータ１０５内で広く拡散し、多数のセンサ部２０１の検出素子３０１で検出される。このように、放射線がセンサパネル１０６の側から入射した場合においても、発光する深さの相違によって、発光の分布の広がりが異なる。これによって、放射線撮像装置１００は、各センサ部２０１へ向けて照射された放射線のうち、入射した放射線の有するエネルギとその入射量とを検出することができる。

図７は、センサ部２０１の検出素子３０１によって発光を検出し、比較部３０３によってデジタル値に変換された信号パターン３０９を示す。図２に示すように構成されたセンサパネル１０６は、センサ部２０１をＸ行×Ｙ列の２次元アレイ状に配置したものである。図８には５行×５列のセンサ部２０１の比較部３０３からのデジタル値が示されている。

図６（ａ）で示したように、シンチレータ１０５の検出素子３０１から離れた場所で放射線が吸収され発光した場合、検出素子３０１から離れた場所で発光するため、光はシンチレータ１０５内で拡散し、発光の分布は複数のセンサ部２０１に広がる。この場合、各センサ部２０１の比較部３０３からのデジタル値は、図７（ａ）に示すように注目画素であるセンサ部２０１Ａを中心に、隣接したセンサ部２０１でも光を検出したことを示す信号パターン３０９Ｒとなりうる。この信号パターン３０９Ｒは、センサ部２０１Ａと、センサ部２０１Ａに近接する複数のセンサ部２０１で光を検出したことを識別するための参照パターン３０８Ｒと一致する。そこで、判定部３０７Ｒは、信号パターン３０９Ａと参照パターン３０８Ｒとが一致したと判定し、メモリ３０４Ｒのカウント値に１を加える。

一方、図６（ｂ）で示したように、シンチレータ１０５の検出素子３０１の近傍で放射線が吸収され発光した場合、検出素子３０１に近い場所で発光する。このため、発光の分布は複数のセンサ部２０１に広がらず、例えば１つのセンサ部２０１Ａだけで検出される。この場合、各センサ部２０１の比較部３０３からのデジタル値は、図７（ｂ）に示すようなセンサ部２０１Ａだけで光を検出した信号パターン３０９Ｂとなりうる。この信号パターン３０９Ｂは、センサ部２０１Ａだけで光を検出し、近接するセンサ部２０１では光を検出しないことを識別するための参照パターン３０８Ｂと一致する。そこで、判定部３０７Ｂは、信号パターン３０９Ｂと参照パターン３０８Ｂとが一致したと判定し、メモリ３０４Ｂのカウント値に１を加える。このように、判定部３０７とメモリ３０４とによって、信号パターン３０９と参照パターン３０８とが一致し、特定の分布が検出されたと判定された検出回数が、センサ部２０１ごとにカウントされる。

次にセンサ部２０１ごとに得られた検出回数のカウント値から、入射した放射線の特定のエネルギ帯ごとの入射量を取得するための方法について説明する。図８に検出回数を放射線の入射量に変換する変換部１３０、図９に検出回数を放射線の入射量に変換する係数である変換係数の例についてそれぞれ示す。以下の例では、ある閾値（例えば、６０ｋｅＶ）を境界として放射線のエネルギを２つのエネルギ帯に分け、それぞれのエネルギ帯について放射線の入射量を取得する場合を説明する。この閾値よりも低いエネルギを低エネルギと呼び、この閾値よりも高いエネルギを高エネルギと呼ぶ。

低いエネルギを有する放射線が、必ずしもシンチレータ１０５の入射面側で吸収され発光の分布が広がり、また高いエネルギを有する放射線が、必ずシンチレータ１０５の入射面側から離れた場所で吸収され発光の分布が狭いとは限らない。低いエネルギを有する放射線は、シンチレータ１０５の入射面側で吸収される可能性が高く、また高いエネルギを有する放射線は、シンチレータ１０５でほぼ均一に吸収される可能性が高い。このため各参照パターン３０８と一致した信号パターン３０９の検出回数であるメモリ３０４Ｒ、メモリ３０４Ｂの各カウント値に対し、図９に示す変換係数に従って、エネルギ帯ごとの放射線の入射量に変換する。変換係数は、放射線フォトンの有するエネルギと、放射線フォトンが光に変換され取得される信号パターン３０９と参照パターン３０８とが一致する可能性と、の関係を表す係数である。例えばメモリ３０４Ｒのカウント値に対して係数Ｌ、係数Ｈ、メモリ３０４Ｂのカウント値に対して係数Ｌ’、係数Ｈ’を乗算することによって、各カウント値を変換する。図８に示す変換部１３０の構成において、信号パターン３０９で光を検出する分布が広いことを検出したメモリ３０４Ｒのカウント値に対して、係数Ｌ＝０．６を乗算する。これによって、メモリ３０４Ｒのカウント値のうち低エネルギの放射線に起因する変換入射量が算出される。また、メモリ３０４Ｒのカウント値に対して、係数Ｈ＝０．４を乗算し、メモリ３０４Ｒのカウント値のうち高エネルギの放射線に起因する変換入射量が算出される。同様に、信号パターン３０９の光を検出する分布が狭いことを検出したメモリ３０４Ｂのカウント値に対して、係数Ｌ’＝０．１を乗算し、メモリ３０４Ｂのカウント値のうち低エネルギの放射線に起因する変換入射量が算出される。また係数Ｈ’＝０．９を乗算し、メモリ３０４Ｂのカウント値のうち高エネルギの放射線に起因する変換入射量が算出される。次いで、低エネルギの放射線に起因するそれぞれの変換入射量を加算する。また、高エネルギの放射線に起因するそれぞれの変換入射量を加算する。これによって、複数のセンサ部２０１によって検出された光の分布のカウント値から、低エネルギと高エネルギとのそれぞれのエネルギ帯で入射した放射線の入射量に変換される。取得された低エネルギの放射線に起因する入射量のデータは出力部３０５Ｒに、取得された高エネルギの放射線に起因する入射量のデータは出力部３０５Ｂに、それぞれ格納される。

ここで変換係数は、例えば上述した高いエネルギ及び低いエネルギのように、放射線の特定のエネルギ帯ごとに適宜設定される。また変換係数は、参照パターン３０８ごとに、それぞれ設定される。ここで、例えば変換係数は、使用する照射部１０１の管電圧、管電流、照射時間、付加フィルタの材質及び厚さや、使用するシンチレータ１０５の減弱係数、厚さ、可視光透過率などの条件によって変化する。変換係数を撮影条件ごとに異なるパラメータとして設定することによって、放射線撮像装置１００は、高精度なエネルギ分解能を有することが可能となる。また変換係数は、各メモリ３０４のカウント値に対して本実施形態のように２つ設定されてもよいし、例えば１つだけ設定されてもよいし、また例えば３つ以上設定されてもよい。検出する放射線のエネルギ帯の種類によって、適宜設定すればよい。また上述の例では、変換入射量をエネルギ帯ごとに加算することによって放射線の入射量を取得した。しかしこれに限られることはなく、例えばメモリ３０４が１つの場合や、放射線の吸収と発光の分布との間に強い相関関係がある場合などは、変換係数を適用するのみで加算を用いなくてもよい。

ここで照射期間における上述の動作は、センサ部２０１の動作周波数と、照射部１０１の照射量とを、放射線フォトンを１個ずつ計測することができる値に設定することによってなされうる。例えば、センサ部２０１の動作周波数は、１０ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲内（例えば１００ｋＨｚ程度）で設定されてもよい。また、例えば照射部１０１の照射量は、管電圧を１００ｋＶ程度とし、管電流を１０ｍＡ程度としたときの値で設定されてもよい。

次に、図３に示すように構成されたセンサ部２０１における読み出し期間での動作について図１０を参照しながら説明する。図１０は、読み出し期間における各センサ部２０１の動作を示す図である。図１０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からの取得された放射線の入射量のデータＤＡＴＡの出力をそれぞれ表している。図１０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２０５−０Ｒに信号の供給を開始すると、信号線２０５−０Ｒに接続されたセンサ部２０１の出力部３０５Ｒから特定のエネルギ帯の放射線の入射量のデータが列選択回路２０８に供給される。そして、信号線２０５−０Ｒ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に放射線の入射量のデータＤＡＴＡを順番に出力させる。

また、信号線２０５−０Ｒへの信号の供給を終了し、信号線２０５−０Ｂに信号の供給を開始すると、信号線２０５−０Ｂに接続されたセンサ部２０１の出力部３０５Ｂから特定のエネルギ帯の放射線の入射量のデータが列選択回路２０８に供給される。そして、信号線２０５−０Ｂ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に放射線の入射量のデータＤＡＴＡを順番に出力させる。これにより、１つの行における複数のセンサ部２０１から、放射線の入射量のデータＤＡＴＡを、出力線２０６を介してプロセッサ１０３に供給することができる。このように複数の信号線２０５および複数の信号線２０７に順番に信号を供給し、複数のセンサ部２０１から、特定のエネルギ帯ごとの放射線の入射量のデータＤＡＴＡを、出力線２０６を介してプロセッサ１０３に供給し、画像データの生成に用いる。

＜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。前述の第１実施形態による放射線フォトンの計測方法は、センサ部２０１に配された処理部３３０を用いたものであったが、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、センサ部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、放射線フォトンの数の計測をセンサ部２０１の外部で行ってもよい。

図１１は、第２実施形態に係るセンサ部２０１’の構成例を示している。センサ部２０１’は、検出素子３０１の他、例えば、リセット部５１０、信号増幅部５２０、光感度選択部５３０、クランプ部５４０、第１のサンプリング部５５０及び第２のサンプリング部５６０を有する。リセット部５１０は、トランジスタＭ１を含み、トランジスタＭ１を導通状態にすることにより検出素子３０１の電位をリセットする。信号増幅部５２０は、電流源に接続されたトランジスタＭ２〜Ｍ３を含む。トランジスタＭ２を導通状態にすることによりトランジスタＭ３はソースフォロワ動作を行い、これにより、検出素子３０１で生じ蓄積された電荷の量に応じた信号が増幅される。

光感度選択部５３０は、トランジスタＭ４〜７および容量Ｃ４〜Ｃ５を含む。例えば、トランジスタＭ４を導通状態にすることにより容量Ｃ４がトランジスタＭ３のゲートに接続され、且つ、トランジスタＭ６を導通状態にすることによりトランジスタＭ７はソースフォロワ動作を行う。これにより、上記検出素子３０１で生じた電荷量に応じた信号の信号増幅率を変更することができる。さらにトランジスタＭ５を導通状態にすることにより容量Ｃ４がトランジスタＭ３のゲートに接続され、該信号増幅率をさらに変更することができる。

クランプ部５４０は、トランジスタＭ８〜Ｍ１０および容量Ｃ１を含む。容量Ｃ１の一方の端子ｎ１には、検出素子３０１がリセットされたときの信号増幅部５２０からの出力が供給され、容量Ｃ１の他方の端子ｎ２には、トランジスタＭ８を導通状態にすることにより電源電圧が供給される。これにより、検出素子３０１がリセットされたときの電圧が端子ｎ１−ｎ２間にノイズ成分としてクランプされる。その後、トランジスタＭ８を非導通状態にし、トランジスタＭ９を導通状態にすることによりトランジスタＭ１０はソースフォロワ動作を行う。検出素子３０１が光を検出したことに伴う端子ｎ２の電圧の変化に相当する信号が、トランジスタＭ１０のソースフォロワ動作により増幅され、サンプリング部５５０または５６０に出力される。

サンプリング部５５０は、トランジスタＭ１１〜１３、容量Ｃ２およびアナログスイッチＳＷ２を含み、検出素子３０１により検出された光の光量に相当する信号（Ｓ信号）をサンプリングする。具体的には、トランジスタＭ１１を制御することによりクランプ部５４０からの信号をサンプリングして容量Ｃ２に保持することができる。該信号は、ソースフォロワ動作を行うトランジスタＭ１２により増幅され、アナログスイッチＳＷ２を介して列信号線２０４に出力される。なお、トランジスタＭ１３は、例えば、容量Ｃ２と、センサ部２０１’の周辺の他のセンサ部の容量Ｃ２との間に配されうる。トランジスタＭ１３を導通状態にすることにより、センサ部２０１’のＳ信号と、その周辺の他のセンサ部のＳ信号との平均を取得することもでき、また、ノイズ成分を緩和することもできる。サンプリング部５６０は、ノイズ成分に相当する信号（Ｎ信号）をサンプリングし、サンプリング部５５０と同様に構成されればよい。

センサ部２０１’は、図１１の構成例に限られるものではなく、放射線を検出するための他の構成がとられてもよい。

以上のようなセンサ部２０１’からの出力は、不図示のＡＤ変換器でデジタル値に変換された後、プロセッサ１０３に供給される。そして、プロセッサ１０３において、電圧変換部３０２、比較部３０３、メモリ３０４、判定部３０７及び変換部１３０に相当する処理が、ソフトウェア上で行われる。

まず、プロセッサ１０３は、電圧変換部３０２に相当する処理として、センサ部回路の出力の微分値を計算する。次に、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はデジタル値「１」とし、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はデジタル値「０」とする。そして、判定部３０７及びメモリ３０４に相当する処理として、デジタル値の信号パターン３０９と、予め設定された光を検出したことを示す分布の参照パターン３０８とを比較し、一致したと判定すれば検出回数に相当するカウント値に１を加える。信号パターン３０９は、第１実施形態と同様に、例えば１つのセンサ部２０１と該センサ部２０１に近接する１つ以上のセンサ部２０１の比較部３０３に相当する処理の出力から構成された、複数ビットのデジタル値である。これによって、プロセッサ１０３は、信号パターン３０９と参照パターン３０８との一致した検出回数を得ることができる。次に、プロセッサ１０３は、変換部１３０に相当する処理を行う。信号パターン３０９と参照パターン３０８とが一致したと判定された検出回数を、入射した放射線のエネルギ帯ごとの入射量に変換するための放射線の特定のエネルギ帯について参照パターン３０８ごとに設定された変換係数に従って変換を行う。そして、プロセッサ１０３は、変換された検出回数に基づいて画像を生成する。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。基準電圧３０６に相当するデジタル値や、比較部３０３、判定部３０７に相当する処理を行う機能は、光の強度に関するレベルや参照パターン３０８に応じて複数あってもよい。

＜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、メモリ３０４、判定部３０７、及び変換部１３０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の各センサ部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の各センサ部に配置し、メモリ３０４、判定部３０７、及び変換部１３０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、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等）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、１０６ センサパネル、１３０ 変換部、２０１ センサ部、３０１ 検出素子、３３０ 処理部

Claims (16)

1. 放射線を光に変換するシンチレータと、前記光を検出する光検出器を有する複数の画素が配されたセンサパネルと、処理部と、を含む放射線撮像装置であって、
   前記処理部は、
   前記光検出器で検出された光に応じて信号を生成し、
   前記複数の画素のうち１つの注目画素及び該注目画素に近接する１つ以上の画素を含む画素群によって同じ期間に生成された複数の信号が特定の分布を有するかを判定し、
   前記特定の分布を有すると判定された回数を前記注目画素についてカウントし、
   第１の係数に従って前記回数を変換することによって得られた値に基づいて、前記注目画素へ向けて照射された放射線のうち第１のエネルギ帯の入射量を取得し、
   第２の係数に従って前記回数を変換することによって得られた値に基づいて、前記注目画素へ向けて照射された放射線のうち第２のエネルギ帯の入射量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、
   前記画素群によって生成された前記複数の信号を含む信号パターンと、予め設定された前記特定の分布を表す参照パターンとが一致するかを判定し、
   前記信号パターンと前記参照パターンとが一致すると判定された場合に、当該参照パターンに対応する分布を前記複数の信号が有すると判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、
   前記画素群によって生成された前記複数の信号を含む信号パターンと、予め設定された第１の参照パターン又は第２の参照パターンと、が一致するかを判定し、
   前記信号パターンと前記第１の参照パターンとが一致すると判定された第１の回数と、前記信号パターンと前記第２の参照パターンとが一致すると判定された第２の回数と、をカウントし、
   前記第１の係数に従って前記第１の回数を変換することによって得られた値と、第３の係数に従って前記第２の回数を変換することによって得られた値とに基づいて、前記第１のエネルギ帯の入射量を取得し、
   前記第２の係数に従って前記第１の回数を変換することによって得られた値と、第４の係数に従って前記第２の回数を変換することによって得られた値とに基づいて、前記第２のエネルギ帯の入射量を取得することを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記処理部は、前記光検出器ごとに検出された光の強度に応じて、２値の信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
5. 前記処理部が、
   前記光検出器から出力される信号を電圧値に変換する電圧変換部と、
   前記電圧値と所定の電圧値とを比較し、比較した結果を示す比較結果信号を生成する比較部と、
   前記複数の画素のうち１つの前記注目画素及び該注目画素に近接する１つ以上の画素を含む前記画素群のそれぞれの前記比較部によって同じ期間に生成された複数の前記比較結果信号で構成される分布が前記特定の分布を有するかを判定する判定部と、
   前記判定部によって前記分布が、前記特定の分布を有すると判定された回数を格納するメモリと、
   前記注目画素に照射された放射線のうち前記第１のエネルギ帯の入射量に基づく値を取得するために、前記第１の係数に従って前記回数を変換し、前記注目画素に照射された放射線のうち前記第２のエネルギ帯の入射量に基づく値を取得するために、第２の係数に従って前記回数を変換する変換部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
6. 前記比較結果信号が、前記電圧値が前記所定の電圧値以上の場合の信号と、前記電圧値が前記所定の電圧値よりも小さい場合の信号との、２値の信号を有す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. 前記判定部が、
   前記画素群のそれぞれの前記比較部から同じ期間に出力された前記分布を含む信号パターンと、予め設定された前記特定の分布を表す第１の参照パターン又は第２の参照パターンと、が一致するかを判定し、
   前記信号パターンと前記第１の参照パターンとが一致すると判定した場合、前記第１の参照パターンに対応する分布を前記複数の信号が有すると判定し、第１の分布検出信号を出力し、
   前記信号パターンと前記第２の参照パターンとが一致すると判定した場合、前記第２の参照パターンに対応する分布を前記複数の信号が有すると判定し、第２の分布検出信号を出力し、
   前記メモリが、前記第１の分布検出信号が出力された第１の回数と、前記第２の分布検出信号が出力された第２の回数とを格納し、
   前記変換部が、
   前記第１の係数に従って前記第１の回数を変換することによって得られた値と、第３の係数に従って前記第２の回数を変換することによって得られた値との和に基づいて、前記第１のエネルギ帯の入射量を取得し、
   前記第２の係数に従って前記第１の回数を変換することによって得られた値と、第４の係数に従って前記第２の回数を変換することによって得られた値との和に基づいて、前記第２のエネルギ帯の入射量を取得す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. 前記複数の画素が、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７の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 前記光検出器は、前記光を電荷に変換し、前記電荷の蓄積された量によって光の強度を検出す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. 前記シンチレータの厚さが、前記複数の画素が配されるピッチよりも厚い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. 放射線の照射される側から、前記シンチレータ、前記センサパネルの順に配されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
12. 放射線の照射される側から、前記センサパネル、前記シンチレータの順に配されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
13. 前記シンチレータは、前記センサパネルと対向する側とは反対の側に、前記シンチレータで変換された光を吸収する吸収層を含むことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
14. 前記処理部のうち少なくとも一部が、前記複数の画素の各画素に配されていることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
15. 放射線を光に変換するシンチレータと、前記光を検出する光検出器を有する複数の画素が配されたセンサパネルと、を用いた放射線撮像装置の制御方法であって、
    前記光検出器に検出された光に応じて信号を生成する工程と、
    前記複数の画素のうち１つの注目画素及び該注目画素に近接する１つ以上の画素を含む画素群によって同じ期間に生成された複数の信号が特定の分布を有するかを判定する工程と、
    前記特定の分布を有すると判定された回数を前記注目画素についてカウントする工程と、
    第１の係数に従って前記回数を変換することによって得られた値に基づいて、前記注目画素へ向けて照射された放射線のうち第１のエネルギ帯の入射量を取得し、第２の係数に従って前記回数を変換することによって得られた値に基づいて、前記注目画素へ向けて照射された放射線のうち第２のエネルギ帯の入射量を取得する工程と、
    を含むことを特徴とする制御方法。
16. 請求項１５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。

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