JP7190913B2 - 放射線撮像装置および放射線撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、放射線撮像装置および放射線撮像システムに関する。

医療画像診断や非破壊検査において、半導体材料によって構成される平面検出器（フラットパネルディテクタ：ＦＰＤ）を用いた放射線撮像装置が広く使用されている。こうした放射線撮像装置において、放射線撮像装置に入射する放射線をモニタすることが知られている。特許文献１には、放射線量をリアルタイムで検出することによって、放射線の照射中に入射した放射線の積算線量を把握し自動露出制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＥＣ）を行うことが示されている。

特開平７－２０１４９０号公報

特許文献１には、Ｘ線露光量検出画素から所定時間間隔で信号を読み出し、予め設定してある所定値と比較することが示されている。しかしながら、強い放射線が入射する（単位時間あたりの放射線量が多い）条件の場合、信号を読み出す１回あたりの信号値が大きくなり、蓄積された信号値が所定値を超えた時点で適性な露光量を超過してしまう可能性がある。一方、弱い放射線が入射する（単位時間あたりの放射線量が少ない）条件の場合、信号を読み出す１回あたりの信号値は小さくなるが、蓄積された信号値が所定値に達するまでの読出回数が増加することで、読出回路のノイズが信号値に重畳される回数が増加する。ノイズの重畳によって、蓄積された信号値が、目標線量に対して大きな誤差を含んでしまう可能性がある。

本発明は、ＡＥＣの精度向上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、放射線画像を取得するための撮像部に配され、入射する放射線を検出するための複数の検出素子を含む放射線撮像装置であって、放射線撮像装置は、線量取得部をさらに含み、線量取得部は、露出制御を行う期間において、複数の検出素子のうち第１検出素子および第２検出素子から、並行して互いに異なるサンプリング周期で信号を取得し、第１検出素子から取得する第１信号と、第２検出素子から取得する第２信号と、に基づいて、入射する放射線量を検出することを特徴とする。

上記手段によって、ＡＥＣの精度向上に有利な技術を提供する。

本発明の実施形態にかかる放射線撮像装置を用いた放射線撮像システムの構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の撮像部の構成例を示す等価回路図。 図１の放射線撮像装置の撮像部の構成例を示す等価回路図。 図１の放射線撮像装置の動作例を示すフロー図。 図１の放射線撮像装置の動作例を示すタイミング図。 図１の放射線撮像装置の動作例を示すタイミング図。 比較例の放射線撮像装置の動作例を示すタイミング図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

また、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。

図１～７を参照して、本発明の実施形態における放射線撮像装置について説明する。図１は、本発明の実施形態における放射線撮像装置１００を用いた放射線撮像システムＳＹＳの構成例を示す図である。本実施形態において、放射線撮像システムＳＹＳは、放射線撮像装置１００、制御用コンピュータ２００、放射線制御装置３００、放射線発生装置４００を含む。

放射線撮像装置１００は、放射線画像を取得するための撮像部１２０に配され、入射する放射線を検出するための複数の検出素子を含む。また、撮像部１２０の構成の詳細は後述するが、撮像部１２０は、放射線画像を生成するための複数の画素が配された画素アレイをさらに含み、画像情報を出力する。放射線撮像装置１００は、撮像部１２０に配された検出素子から信号を取得し、露出制御を行うために入射する放射線量を検出する線量取得部１４０、撮像部１２０の駆動を制御するための駆動制御ユニット１６０をさらに含む。線量取得部１４０は、放射線の照射中に、検出素子から出力された信号を演算し、入射した放射線量や放射線強度の時間変動を含む露光情報を出力する。線量取得部１４０には、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、プロセッサなどのデジタル信号処理回路が用いられてもよい。また、線量取得部１４０には、サンプルホールド回路やオペアンプなどのアナログ回路が用いてられてもよい。また、図１において、線量取得部１４０は、放射線撮像装置１００内に配される構成としたが、線量取得部１４０の機能の一部またはすべてが、制御用コンピュータ２００に含まれていてもよい。この場合、放射線撮像装置１００と制御用コンピュータ２００のうち線量取得部１４０の機能とをあわせて、本発明の「放射線撮像装置」といえる。

制御用コンピュータ２００は、放射線撮像システムＳＹＳの全体を制御し、放射線の照射の制御や放射線画像の取得を行う。また、制御用コンピュータ２００は、ユーザ（例えば、医師や放射線技師）が放射線撮像システムＳＹＳを使用する際のユーザインタフェースとして機能しうる。放射線制御装置３００は、制御用コンピュータ２００から受信する放射線の照射制御に関する信号に従って放射線発生装置４００を動作させる。放射線発生装置４００は、放射線制御装置３００に従って、放射線撮像装置１００に放射線を照射する。

図２は、本実施形態における撮像部１２０の構成例を示す等価回路図である。撮像部１２０は、画素アレイ１１２、読出回路１１３、駆動回路１１４、Ａ／Ｄ変換器１１０を含む。図２には、説明の簡便化のために、５行×５列の画素ＰＩＸが配された画素アレイ１１２が示されている。しかしながら、実際の画素アレイ１１２は、より多くの画素ＰＩＸが配され、例えば、１７インチの撮像装置では約２８００行×約２８００列の画素ＰＩＸを有しうる。

画素アレイ１１２は、行列状に配された複数の画素ＰＩＸを有する。画素ＰＩＸは、放射線を電荷に変換する変換素子１０２と、その電荷に応じた電気信号を出力するためのスイッチ素子１０１と、を含む。本実施形態において、変換素子１０２として、放射線を変換素子で検知可能な光に変換する波長変換体（例えば、シンチレータ）と、波長変換体で変換された光を電荷に変換する光電変換素子と、が用いられる。光電変換素子には、ガラス基板などの絶縁基板上に配され、アモルファスシリコンを主材料とするＭＩＳ型フォトダイオードが用いられてもよい。また、光電変換素子には、シリコンなどの半導体基板上に配されたＰＩＮ型フォトダイオードが用いられてもよい。また、変換素子１０２は、上述の放射線を光電変換素子が感知可能な波長帯域の光に変換する波長変換体を備えた間接型の変換素子に限られることはなく、放射線を直接、電荷に変換する直接型の変換素子が用いられてもよい。この場合、変換素子の主材料としてアモルファスセレンなどが用いられてもよい。スイッチ素子１０１には、制御端子と２つの主端子とを有するトランジスタが用いられてもよい。本実施形態において、スイッチ素子１０１として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が用いられる。

変換素子１０２の一方の電極は、スイッチ素子１０１の２つの主端子の一方に電気的に接続され、他方の電極は、共通のバイアス配線Ｂｓを介してバイアス電源１０３に電気的に接続される。行方向（図２において横方向）に配されるスイッチ素子１０１、例えばスイッチＴ１１～Ｔ１５は、制御端子が駆動配線Ｖｇ１に共通に電気的に接続されている。スイッチＴ１１～Ｔ１５には、駆動回路１１４からスイッチＴ１１～Ｔ１５の導通状態を制御する駆動信号が、駆動配線Ｖｇ１を介して行単位で与えられる。列方向（図２において縦方向）に配されるスイッチ素子１０１、例えばスイッチＴ１１～Ｔ５１は、他方の主端子が信号配線Ｓｉｇ１に電気的に接続されている。スイッチＴ１１～Ｔ５１が導通状態である間、変換素子１０２に蓄積された電荷に応じた信号が、信号配線Ｓｉｇ１を介して読出回路１１３に出力される。列方向に配される信号配線Ｓｉｇ１～Ｓｉｇ５は、同じ駆動配線Ｖｇに接続された画素ＰＩＸから出力される信号を、並列に読出回路１１３に伝送する。

本実施形態において、スイッチＴ２３、Ｔ４３を含む画素ＰＩＸは、露出制御を行う期間、つまり、放射線の照射中に、入射する放射線量を検出する検出素子として個別に動作させるため、駆動配線Ｖｇｄ１、Ｖｇｄ２に接続されている。ここで、図２において、画素アレイ１１２に配される画素ＰＩＸのうち検出素子として機能する画素を検出素子ＰＩＸＤと表記する。また、それぞれの検出素子ＰＩＸＤのうち、特定の検出素子を示す場合、検出素子ＰＩＸＤ１のように、参照記号に数字をさらに添える。図２に示される構成において、スイッチＴ２３を含む検出素子を検出素子ＰＩＸＤ１、スイッチＴ４３を含む検出素子を検出素子ＰＩＸＤ２とよぶ。

入射する放射線量を検出するための複数の検出素子ＰＩＸＤは、図２に示されるように、画素アレイ１１２に配される。１つの関心領域に複数の検出素子ＰＩＸＤが配されるように、検出素子ＰＩＸＤは、近接して配されていてもよい。例えば、検出素子ＰＩＸＤが、複数の画素ＰＩＸが配されるピッチにおいて、１０ピッチ以下の間隔で配されていてもよい。ただし、検出素子ＰＩＸＤが１ピッチ、つまり、互いに隣り合うように配された場合、検出素子ＰＩＸＤの位置の画像データを補完する際、放射線画像を生成するための画素ＰＩＸの間隔が開いてしまい、補間の精度が下がる可能性がある。そこで、例えば、検出素子ＰＩＸＤを２ピッチ以上の間隔で配することによって、検出素子ＰＩＸＤに隣接する周囲の画素ＰＩＸの画素値を用いて検出素子ＰＩＸＤの位置の画像データを補完することが可能となる。図２に示される構成において、検出素子ＰＩＸＤ１と検出素子ＰＩＸＤ２とは、画素ＰＩＸ２ピッチ分の間隔をあけて配されている。

本実施形態において、駆動配線Ｖｇｄ１、Ｖｇｄ２には、それぞれ１つの検出素子ＰＩＸＤが接続されているが、駆動配線Ｖｇｄ１、Ｖｇｄ２に、それぞれ複数の検出素子ＰＩＸＤを接続させてもよい。また、１つの関心領域内に、３つ以上の検出素子ＰＩＸＤを配し、それぞれに別の駆動配線Ｖｇｄを接続してもよい。また、図２に示される構成において、検出素子ＰＩＸＤは、同じ信号配線Ｓｉｇ３に信号を出力するが、これに限られることはなく、それぞれ異なる信号配線Ｓｉｇに信号を出力する構成になっていてもよい。換言すると、検出素子ＰＩＸＤは、互いに異なる列に配されていてもよい。また、図２に示される構成において、検出素子ＰＩＸＤ１と検出素子ＰＩＸＤ２とは、異なる行に配されているが、これに限られることはない。それぞれ異なる駆動配線Ｖｇｄに接続された検出素子ＰＩＸＤが、同じ行に配されていてもよい。

読出回路１１３には、画素アレイ１１２に配された画素ＰＩＸから並列に出力された信号を増幅する増幅回路１０６が、信号配線Ｓｉｇごとに設けられている。増幅回路１０６は、積分増幅器１０５、可変増幅器１０４、サンプルホールド回路１０７を含む。

積分増幅器１０５は、画素ＰＩＸ、検出素子ＰＩＸＤから出力された信号を増幅する。より具体的には、積分増幅器１０５は、画素ＰＩＸ、検出素子ＰＩＸＤから読み出された電気信号を増幅して出力する演算増幅器、積分容量、リセットスイッチを含む。積分増幅器１０５は、積分容量の値を変化させることによって、増幅率を変更することが可能である。演算増幅器の反転入力端子には画素ＰＩＸ、検出素子ＰＩＸＤから出力された信号が入力され、正転入力端子には基準電源１１１から基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。また、演算増幅器の出力端子から増幅された信号が出力される。また、積分容量が、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に配される。可変増幅器１０４は、積分増幅器１０５から出力された信号を増幅する。サンプルホールド回路１０７は、積分増幅器１０５、可変増幅器１０４で増幅された信号をサンプリングし保持する。サンプルホールド回路１０７は、サンプリングスイッチとサンプリング容量とを含む。

また、読出回路１１３は、増幅回路１０６から並列に読み出された信号を順次出力して直列信号の画像信号として出力するマルチプレクサ１０８と、画像信号をインピーダンス変換して出力するバッファ増幅器１０９と、を含む。バッファ増幅器１０９から出力されたアナログ電気信号である画像信号Ｖｏｕｔは、Ａ／Ｄ変換器１１０によってデジタルデータに変換される。放射線の照射中、検出素子ＰＩＸＤからＡ／Ｄ変換器１１０を介して出力されるデジタルデータは、上述の線量取得部１４０に供給される。また、放射線の照射後、それぞれの画素ＰＩＸからＡ／Ｄ変換器１１０を介して出力されるデジタルデータに変換された信号は、画像情報として制御用コンピュータ２００へ供給される。制御用コンピュータ２００は、放射線撮像装置１００の画素ＰＩＸから供給される信号を処理し、放射線画像として制御用コンピュータ２００の表示部や外部のディスプレイに表示する信号処理部として機能してもよい。

また、撮像部１２０は、各種の電源を供給する電源部として、増幅回路の基準電源１１１、バイアス電源１０３を含む。基準電源１１１は、積分増幅器１０５の演算増幅器の正転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。バイアス電源１０３は、バイアス配線Ｂｓを介してそれぞれの画素ＰＩＸの変換素子１０２に共通のバイアス電圧Ｖｓを供給する。

駆動回路１１４は、駆動制御ユニット１６０から供給される制御信号Ｄ－ＣＬＫ、ＯＥ、ＤＩＯに応じて、スイッチ素子１０１を導通状態にする導通電圧Ｖｃｏｍと非導通状態にする非導通電圧Ｖｓｓとを含む駆動信号を、それぞれの駆動配線Ｖｇ、Ｖｇｄに出力する。これによって、駆動回路１１４は、スイッチ素子１０１の導通状態および非導通状態を制御し、画素アレイ１１２を駆動する。制御信号Ｄ－ＣＬＫは、駆動回路１１４として用いられるシフトレジスタのシフトクロックである。制御信号ＤＩＯは、シフトレジスタが転送するパルスである。制御信号ＯＥは、シフトレジスタの出力端を制御する信号である。以上によって、駆動の所要時間と走査方向が設定される。

また、駆動制御ユニット１６０は、読出回路１１３に制御信号ＲＣ、ＳＨ、ＣＬＫを供給することによって、読出回路１１３の各構成要素の動作を制御する。制御信号ＲＣは、積分増幅器１０５のリセットスイッチの動作を制御するための信号である。制御信号ＳＨは、サンプルホールド回路１０７の動作を制御するための信号である。制御信号ＣＬＫは、マルチプレクサ１０８の動作を制御するための信号である。

本実施形態において、図２に示されるように、検出素子ＰＩＸＤと放射線画像を生成するための画素ＰＩＸとで接続する駆動配線Ｖｇ、Ｖｇｄを分離し、それぞれ異なるタイミングでスイッチ素子１０１を動作できるように構成されている。換言すると、検出素子ＰＩＸＤは、放射線画像を取得するための画素ＰＩＸとは独立して設けられている。しかしながら、検出素子の配置は、この構成に限られることはない。例えば、図３に示されるように、放射線画像を取得するための画素ＰＩＸとは独立した検出素子ＰＩＸＤを配さずに、放射線画像を取得するための画素ＰＩＸのうち一部が、検出素子として機能するようにしてもよい。この場合、関心領域内の特定の行の駆動配線Ｖｇに接続されている画素ＰＩＸを検出素子として用いる。このとき、詳細は後述するが、並行して互いに異なる一定のサンプリング周期で信号を取得するために、画素ＰＩＸのうち関心領域内の複数の行に配された画素ＰＩＸを検出素子として利用する。

次いで、図４、５を用いて本実施形態における放射線撮像装置１００の動作について説明する。図４は、放射線撮像装置１００の動作例を示すフロー図、図５は、放射線撮像装置１００の動作例を示すタイミング図である。

まず、放射線撮像装置１００を用いた放射線画像を取得するための撮像準備を行う（Ｓ４０１）。撮像準備の工程において、被写体（例えば、患者）、放射線撮像装置１００および放射線発生装置４００のそれぞれの配置が行われる。また、撮像準備の工程において、放射線の照射条件や自動露出制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＥＣ）を行う関心領域の位置や目標線量の設定などが行われる。目標線量の設定は、１つまたは複数の関心領域の放射線量の最大値や平均値、放射線量の最大値と最小値の差や比率で設定され、制御用コンピュータ２００によって放射線量の閾値に変換され、放射線撮像装置１００の線量取得部１４０に供給される。放射線量の閾値への変換は、線量取得部１４０で行われてもよい。線量取得部１４０は、放射線量の閾値に基づいて、放射線撮像装置１００の検出素子ＰＩＸＤによって検出された入射した放射線量が、目標線量に到達したか否かの判定を行う。

撮像準備が完了すると、駆動制御ユニット１６０は、放射線の照射が開始されるまでの間、リセット駆動（空読み駆動）を行う（Ｓ４０２）。リセット駆動は、図５に示されるように、駆動回路１１４から駆動配線Ｖｇに順次、スイッチ素子１０１が導通する電圧（導通電圧Ｖｃｏｍ）を印加し、それぞれの画素ＰＩＸの変換素子１０２で発生するダーク電荷などをリセットする動作である。リセット駆動において、それぞれの画素ＰＩＸから取得される信号を、放射線画像を生成する際のオフセット補正に用いてもよい。このリセット駆動において、駆動回路１１４から駆動配線Ｖｇｄに順次、導通電圧Ｖｃｏｍを印加し、検出素子ＰＩＸＤも同時にリセット動作を行う。

リセット駆動は、放射線の曝射スイッチがユーザによって押下されるまで繰り返される。（Ｓ４０３のＮＯ）。ユーザによって曝射スイッチが押下されると（Ｓ４０３のＹＥＳ）、線量取得部１４０は、放射線が照射される前に、露出制御に用いられる検出素子ＰＩＸＤのオフセット信号を取得する（Ｓ４０４）。放射線が照射されない状態で、駆動制御ユニット１６０が、検出素子ＰＩＸＤのスイッチ素子１０１が順次導通するように制御することによって、線量取得部１４０は、オフセット信号を取得することができる。オフセット信号のノイズを抑制するために、線量取得部１４０は、それぞれの検出素子ＰＩＸＤから複数回にわたってオフセット信号を取得し、複数のオフセット信号を加算平均してもよい。このとき、線量取得部１４０は、それぞれの検出素子ＰＩＸＤで露出制御を行う期間に信号をサンプリングする周期と同じサンプリング周期でオフセット信号を取得する。図５に示されるように、線量取得部１４０は、検出素子ＰＩＸＤ１から露出制御を行う期間と同じサンプリング周期ＳＲ１で検出素子ＰＩＸＤ１のオフセット信号を取得する。同様に、線量取得部１４０は、検出素子ＰＩＸＤ２から露出制御を行う期間と同じサンプリング周期ＳＲ２で検出素子ＰＩＸＤ２のオフセット信号を取得する。これによって、露出制御を行う際に、それぞれの検出素子ＰＩＸＤから出力される信号に対して、サンプリング周期に応じた適切なオフセット補正を行うことができる。

検出素子ＰＩＸＤのオフセット信号を取得した後、放射線の照射が開始される（Ｓ４０５）。例えば、線量取得部１４０が、露出制御を行う期間において使用する検出素子ＰＩＸＤのオフセット信号を取得したことに応じて、制御用コンピュータ２００に放射線の照射に対する準備が整ったことを示す信号を送信する。制御用コンピュータ２００は、この信号に応じて、放射線制御装置３００を介して放射線発生装置４００から放射線撮像装置１００への放射線の照射を開始させてもよい。また、例えば、線量取得部１４０が、直接、放射線制御装置３００に放射線の照射に対する準備が整ったことを示す信号を送信してもよい。この信号に応じて、放射線制御装置３００は、放射線発生装置４００に放射線撮像装置１００への放射線の照射を開始させる。

放射線の照射中、駆動制御ユニット１６０が、検出素子ＰＩＸＤのスイッチ素子１０１が順次導通するように制御することによって、線量取得部１４０は、検出素子ＰＩＸＤから露出制御を行うための信号を取得する（Ｓ４０６）。このとき、線量取得部１４０は、同じ関心領域に配された検出素子ＰＩＸＤ１と検出素子ＰＩＸＤ２とから、並行して互いに異なる一定のサンプリング周期で信号を取得する。図５に示されるように、駆動配線Ｖｇｄ１に導通電圧Ｖｃｏｍが印加され、検出素子ＰＩＸＤ１から信号をサンプリングするサンプリング周期ＳＲ１と、駆動配線Ｖｇｄ２に導通電圧Ｖｃｏｍが印加され、検出素子ＰＩＸＤ２から信号をサンプリングするサンプリング周期ＳＲ２と、が異なっている。これによって、線量取得部１４０は、同じ関心領域に入射する放射線に対して、異なるサンプリング周期の信号を取得することができる。

サンプリング周期の組み合わせは、放射線撮像装置１００の工場出荷時などで、予め決められている値であってもよい。また、サンプリング周期の組み合わせは、ユーザが制御用コンピュータ２００に入力する撮像部位や撮像条件などから決定するようにしてもよい。この場合、サンプリング周期の組み合わせは、撮像部位や撮像条件などに応じて制御用コンピュータ２００の記憶部などに記憶された組み合わせを読み出してもよいし、ユーザが組み合わせを適宜、選択してもよい。例えば、放射線の照射時間が１ｍｓ～１０００ｍｓであり、１つの関心領域で２種類のサンプリング周期で検出素子ＰＩＸＤを動作させる場合、２つのサンプリング周期の比は、１：１０程度としてもよい。例えば、図５に示されるような、短いサンプリング周期ＳＲ１が、長いサンプリング周期ＳＲ２の１／３以下かつ１／２０以上であってもよい。

また、例えば、線量取得部１４０は、露出制御を行う期間において、上述の検出素子ＰＩＸＤ１、２が配される関心領域とは異なる領域に配された２つ以上の検出素子ＰＩＸＤから、検出素子ＰＩＸＤ１、２と並行して信号を取得してもよい。ここでは、検出素子ＰＩＸＤ１、２とは異なる関心領域に配される検出素子をそれぞれ検出素子ＰＩＸＤ３、４とよぶ。線量取得部１４０は、検出素子ＰＩＸＤ３と検出素子ＰＩＸＤ４とから、検出素子ＰＩＸＤ１と検出素子ＰＩＸＤ２との関係と同様に、互いに異なる一定のサンプリング周期で信号を取得する。このとき、検出素子ＰＩＸＤ１または検出素子ＰＩＸＤ２から信号を取得するサンプリング周期と、検出素子ＰＩＸＤ３または検出素子ＰＩＸＤ４から信号を取得するサンプリング周期と、が同じサンプリング周期であってもよい。また、すべての検出素子ＰＩＸＤ１～４から信号を取得するサンプリング周期が、異なっていてもよい。

つまり、露出制御を行う際に複数の関心領域がある場合、それぞれの関心領域でサンプリング周期の組み合わせが同じであってもよいし、異なっていてもよい。撮像部位の条件から比較的、線量が多くなると予想される関心領域は、サンプリング周期が短めの組み合わせにする。逆に、比較的、線量が少なくなると予想される関心領域は、サンプリング周期が長めの組み合わせにしてもよい。

図３に示される画素ＰＩＸの一部を検出素子として機能させる場合のタイミング図が、図６に示される。図６は、駆動配線Ｖｇ２、Ｖｇ４に接続される画素ＰＩＸを検出素子として駆動する場合を示したタイミング図である。ユーザによって曝射スイッチが押下されると、まず、放射線が照射される前に、駆動回路１１４から駆動配線Ｖｇ２、Ｖｇ４に順次、導通電圧Ｖｃｏｍが印加され、線量取得部１４０は、検出素子として機能する画素ＰＩＸのオフセット信号を取得する。次いで、放射線の照射中、駆動回路１１４から駆動配線Ｖｇ２、Ｖｇ４に導通電圧Ｖｃｏｍが印加され、線量取得部１４０は、駆動配線Ｖｇ２、Ｖｇ４に接続される画素ＰＩＸから露出制御を行うための信号を取得する。このとき、駆動配線Ｖｇ２と駆動配線Ｖｇ４とに導通電圧Ｖｃｏｍが印加される周期を互いに異ならせることによって、検出素子として機能する複数の画素ＰＩＸから、線量取得部１４０は、互いに異なるサンプリング周期で信号を取得することができる。

線量取得部１４０は、異なるサンプリング周期で検出素子ＰＩＸＤ１および検出素子ＰＩＸＤ２から並行して取得した信号に基づいて、入射する放射線量を検出する。より具体的には、検出素子ＰＩＸＤから取得した信号の累積値を用いて、入射した放射線量が目標線量に達したか否かの判定を行う（Ｓ４０７）。このとき、線量取得部１４０は、放射線の照射中に検出素子ＰＩＸＤ１から取得した信号を、Ｓ４０４で検出素子ＰＩＸＤ１から取得したオフセット信号に応じて補正し、補正された検出素子ＰＩＸＤ１から取得した信号を用いて入射する放射線量を検出してもよい。同様に、線量取得部１４０は、放射線の照射中に検出素子ＰＩＸＤ２から取得した信号を、Ｓ４０４で検出素子ＰＩＸＤ２から取得したオフセット信号に応じて補正し、補正された検出素子ＰＩＸＤ２から取得した信号を用いて入射する放射線量を検出してもよい。互いに異なるサンプリング周期で取得した信号に対して、線量取得部１４０がそれぞれの信号の取得と同じサンプリング周期で取得したオフセット信号を適用することによって、適切なオフセット補正を実施することができる。

線量取得部１４０が入射した放射線量が目標線量に達していないと判定した場合（Ｓ４０７のＮＯ）、駆動制御ユニット１６０は、引き続き、線量取得部１４０が検出素子ＰＩＸＤから信号を取得するように画素アレイ１１２を動作させる（Ｓ４０６）。また、線量取得部１４０は、入射した放射線量が目標線量に達したか否かの判定を行う（Ｓ４０７）。

線量取得部１４０が入射した放射線量が目標線量に達したと判定した場合（Ｓ４０７のＹＥＳ）、線量取得部１４０は、制御用コンピュータ２００に放射線の照射を停止させるための信号を送信する。この信号に応じて、制御用コンピュータ２００は、放射線制御装置３００を介して放射線発生装置４００からの放射線の照射を停止させる（Ｓ４０８）。線量取得部１４０は、放射線の照射を停止させるための信号を、直接、放射線制御装置３００に送信し、これに応じて放射線制御装置３００が、放射線発生装置４００に放射線の照射を停止させてもよい。線量取得部１４０が、入射した放射線量が目標線量に達したか否かの判定を行い、目標線量に達したときに放射線の照射を停止させるための信号を出力することによって、放射線撮像装置１００は、ＡＥＣ機能を有することができる。

放射線の照射が停止すると、駆動制御ユニット１６０は、それぞれの画素ＰＩＸに蓄積された放射線画像を生成するための信号を読み出す本読み駆動を行う（Ｓ４０９）。本読み駆動は、駆動回路１１４から駆動配線Ｖｇに順次、導通電圧Ｖｃｏｍを印加し、それぞれの駆動配線Ｖｇに接続された変換素子１０２に蓄積した電荷を読み出す動作である。読出回路１１３によって読み出された信号は、Ａ／Ｄ変換器１１０でデジタルデータに変換され、画像情報として制御用コンピュータ２００に転送される。

画像情報における検出素子ＰＩＸＤが配された位置の画素値は、放射線の照射中に読み出されているためゼロとなり、画素値は欠落している。そこで、上述のように、検出素子ＰＩＸＤの周辺に配された画素ＰＩＸの画素値を用いて検出素子ＰＩＸＤが配された位置の画素値を補完してもよい。また、放射線の照射中に検出素子ＰＩＸＤから読みされた信号の累積値は、放射線の照射中に検出素子ＰＩＸＤに蓄積される電荷と同量となりうる。つまり、検出素子ＰＩＸＤから読みされた信号の累積値を、検出画素ＰＩＸＤが配された位置の画素値として使用してもよい。

次に、露出制御を行うために、線量取得部１４０が検出素子ＰＩＸＤから取得した信号を演算する方法に関して説明する。図７は、比較例の放射線撮像装置の動作例を示すタイミング図である。図７に示される比較例において、放射線の照射中の検出素子ＰＩＸＤからの信号の取得は、すべて同じサンプリング周期で行われている。

発明者らは、図７に示される一定の周期のサンプリング駆動でＡＥＣを行った結果、以下のような課題があることを見出した。
１．強く短い放射線に対して、１回あたりの読み出される信号の信号値が大きくなり、サンプリングされた信号が、目標線量として設定された信号値の目標値より大きくなった時点で、適切な露光量である目標線量を大きく上回ってしまう可能性が高い。このため、目標線量に対して大きな誤差が生じうる。
２．弱く長い放射線に対して、１回あたりの読み出される信号の信号値は小さくなるが、サンプリングされた信号が目標線量として設定された信号値の目標値に到達するまでのサンプリング回数が多くなる。読出回路１１３のランダムノイズや、放射線の照射前に予め取得したオフセット信号と露出制御を行う期間におけるオフセット分との誤差などが、サンプリング回数が増える分だけ積算され、目標線量に対して大きな誤差が生しうる。

そこで、図５に示されるように、１つの関心領域に配された複数の検出素子ＰＩＸＤから、並行して互いに異なる複数のサンプリング周期で信号を取得することで、放射線の照射条件に依存することを抑制し、目標線量に対する誤差を小さくできることを見出した。前述の課題から、強く短い放射線に対して、信号を検出素子ＰＩＸＤからサンプリングする周期を短く、弱く長い放射線に対して、信号を検出素子ＰＩＸＤからサンプリングする周期を長くすることが、目標線量に対して誤差を小さくする方法となりうる。

複数の検出素子ＰＩＸＤを用いて、複数の異なるサンプリング周期で信号を取得し、強く短い放射線は、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号を利用し、弱く長い放射線は、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号を利用する。具体的には、線量取得部１４０は、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号と、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号と、をそれぞれ累積しておく。線量取得部１４０は、短いサンプリング周期ＳＲ１で信号がサンプリングされた回数が予め設定された回数までは、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行う。一方、短いサンプリング周期ＳＲ１で信号がサンプリングされた回数が予め設定された回数を越えると、線量取得部１４０は、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行う。

例えば、放射線の照射時間が１ｍｓ～１０００ｍｓ、短いサンプリング周期ＳＲ１が１００μｓ、長いサンプリング周期ＳＲ２が１０００μｓである場合、上述の予め設定された回数は、１０回以上かつ１００回以下であってもよい。例えば、目標線量に応じて、線量取得部１４０は、１０回から１００回の中で、短いサンプリング周期ＳＲ１の信号の累積値と長いサンプリング周期ＳＲ２の信号の累積値との切り替えるタイミングを変更してもよい。切り替えるタイミングの変更は、線量取得部１４０内の記憶部などに、目標線量と切り替えるタイミングとの関係を示すデータ記憶し、線量取得部１４０が記憶部からデータを読み出すことによって行ってもよい。また、制御用コンピュータ２００から、線量取得部１４０に目標線量に応じた切り替えのタイミングを指示する信号が供給されてもよい。

また、例えば、入射する単位時間あたりの放射線量に応じて、複数のサンプリング周期で取得した信号のうち露出制御に使用する信号が決定されてもよい。例えば、強い放射線が入射する場合、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号は、１回あたりの信号の誤差が、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号よりも大きくなる場合がある。そこで、線量取得部１４０は、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の信号値が予め設定された値を越えると（強い放射線が入射すると）、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行う。一方、線量取得部１４０は、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の信号値が予め設定された値までは（弱い放射線が入射すると）、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行う。何れのサンプリング周期で取得した信号を露出制御に使用するかを決定するための閾値（予め設定された値）は、例えば、放射線撮像装置１００の出荷時に、放射線撮像装置１００内に配された記憶部などに記憶させておいてもよい。線量取得部１４０は、記憶部に記憶された閾値を参照することによって、短いサンプリング周期ＳＲ１または長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号を用いて、入射する放射線量を検出する。また、例えば、何れのサンプリング周期で取得した信号を露出制御に使用するかを決定するための閾値は、ユーザが制御用コンピュータ２００に入力する撮像部位や撮像条件などから制御用コンピュータ２００が決定し、線量取得部１４０に供給されてもよい。

このように、線量取得部１４０が、１つの関心領域に配された２つ以上の検出素子ＰＩＸＤから互いにサンプリング周期が異なる信号を並行して取得する。これによって、放射線の照射条件に依存することなく、目標線量に対して精度の高い自動露出量制御を実現した放射線撮像装置１００および放射線撮像システムＳＹＳを提供することができる。

上述の実施形態では、線量取得部１４０が、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値と長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値との何れかを用いて露出制御を行うことを説明したが、これに限られることはない。例えば、線量取得部１４０が、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値に応じて補正するようにしてもよい。線量取得部１４０は、補正された短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行う。

上述のように、線量取得部１４０が短いサンプリング周期ＳＲ１で信号を取得する検出素子ＰＩＸＤ１と、線量取得部１４０が長いサンプリング周期ＳＲ２で信号を取得する検出素子ＰＩＸＤ２と、は同じ関心領域に互いに近接して配されている。そのため、放射線の照射開始からある時間が経過した後に、検出素子ＰＩＸＤ１および検出素子ＰＩＸＤ２で得られた信号の累積値は、ほぼ同じになるはずである。しかし上述したように、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値は、サンプリングの回数が多いため、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値よりも、ランダムノイズなどの影響による誤差が大きくなる。

そこで、線量取得部１４０は、サンプリング周期ＳＲ２ごとに、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値を更新した際に、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の当該累積値に置換する。これによって、短いサンプリング周期ＳＲ１において、サンプリング回数の増加に伴うランダムノイズなどの影響が抑制できる。また、サンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値に置換した後に、短いサンプリング周期ＳＲ１で信号を取得することによって、線量取得部１４０は、高い精度で目標線量に到達したか否かの判定を行うことができる。累積値の置換は、上述のように、サンプリング周期ＳＲ２ごとに行われてもよいし、例えば、２～５回程度の長いサンプリング周期ＳＲ２でのサンプリングごとに行ってもよい。短いサンプリング周期ＳＲ１と長いサンプリング周期ＳＲ２との比などに応じて、適切な頻度で補正が行われればよい。

また、例えば、線量取得部１４０は、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値および長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値から、それぞれの信号の単位時間あたりの信号値の変化の比を取得してもよい。この信号値の比の取得は、例えば、長いサンプリング周期ＳＲ２で信号を取得したタイミングで、線量取得部１４０によって行われてもよい。

例えば、線量取得部１４０は、サンプリング周期ＳＲ２ごとに、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値を更新した際に、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の当該累積値に置換する。次いで、線量取得部１４０は、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号を累積する際に、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の信号値に、上述の信号値の比を適用し、短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を取得する。

このように、補正された短いサンプリング周期ＳＲ１で取得した信号の累積値を露出制御に用いることで、目標線量に対しての誤差を、長いサンプリング周期ＳＲ２で取得した信号の累積値と同等にすることができる。さらに、短いサンプリング周期ＳＲ１で入射した放射線量が目標線量に達したか否かを判定することが可能となり、放射線撮像装置１００のＡＥＣの精度が向上する。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００：放射線撮像装置、１２０：撮像部、１４０：線量取得部、ＰＩＸＤ：検出素子

Claims (17)

1. 放射線画像を取得するための撮像部に配され、入射する放射線を検出するための複数の検出素子を含む放射線撮像装置であって、
   前記放射線撮像装置は、線量取得部をさらに含み、
   前記線量取得部は、露出制御を行う期間において、
   前記複数の検出素子のうち第１検出素子および第２検出素子から、並行して互いに異なるサンプリング周期で信号を取得し、
   前記第１検出素子から取得する第１信号と、前記第２検出素子から取得する第２信号と、に基づいて、入射する放射線量を検出することを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記線量取得部は、前記第１検出素子から第１サンプリング周期で取得する前記第１信号と、前記第２検出素子から前記第１サンプリング周期よりも長い第２サンプリング周期で取得する前記第２信号と、に基づいて、入射する放射線量を検出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. 前記線量取得部は、
   前記第１信号がサンプリングされた回数が予め設定された回数までは、前記第１信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行い、
   前記第１信号がサンプリングされた回数が予め設定された回数を越えると、前記第２信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行うことを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記予め設定された回数が、１０回以上かつ１００回以下であ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. 前記線量取得部は、
   前記第１信号の信号値が予め設定された値を越えると、前記第１信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行い、
   前記第１信号の信号値が予め設定された値までは、前記第２信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行うことを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
6. 前記線量取得部は、
   前記第１信号の累積値を、前記第２信号の累積値に応じて補正し、
   補正された前記第１信号の累積値を用いて目標線量に到達したか否かの判定を行うことを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
7. 前記線量取得部は、前記第２サンプリング周期ごとに前記第２信号の累積値を更新した際に、前記第１信号の累積値を取得した前記第２信号の当該累積値に置換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. 前記線量取得部は、
   前記第１信号および前記第２信号の単位時間あたりの信号値の変化の比を取得し、
   前記第１信号を累積する際に、前記第１信号の信号値に前記比を適用し、前記第１信号の累積値を取得することを特徴とする請求項６または７に記載の放射線撮像装置。
9. 前記第１サンプリング周期が、前記第２サンプリング周期の１／３以下かつ１／２０以上であることを特徴とする請求項２乃至８の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
10. 前記線量取得部は、
    放射線が照射される前に、前記第１検出素子から前記第１サンプリング周期で第１オフセット信号、および、前記第２検出素子から前記第２サンプリング周期で第２オフセット信号をそれぞれ取得し、
    露出制御を行う期間において、前記第１信号を前記第１オフセット信号に応じて、および、前記第２信号を前記第２オフセット信号に応じて、それぞれ補正し、補正された前記第１信号および前記第２信号に基づいて、入射する放射線量を検出することを特徴とする請求項２乃至９の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
11. 前記線量取得部は、露出制御を行う期間において、
    前記複数の検出素子のうち前記第１検出素子および前記第２検出素子が配される関心領域とは異なる関心領域に配された第３検出素子および第４検出素子から、前記第１検出素子および前記第２検出素子と並行して一定のサンプリング周期で信号を取得し、
    前記第１信号、前記第２信号、前記第３検出素子から第３サンプリング周期で取得する第３信号、および、前記第４検出素子から前記第３サンプリング周期とは異なる第４サンプリング周期で取得する第４信号に基づいて、入射する放射線量を検出することを特徴とする請求項２乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
12. 前記撮像部は、放射線画像を生成するための複数の画素が配された画素アレイを含み、
    前記複数の検出素子が、前記画素アレイに配され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. 前記撮像部は、放射線画像を生成するための複数の画素が配された画素アレイを含み、
    前記複数の画素のうち一部が、前記複数の検出素子として機能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。
14. 前記第１検出素子と前記第２検出素子とが、前記複数の画素が配されるピッチにおいて、１０ピッチ以下の間隔で配されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の放射線撮像装置。
15. 前記第１検出素子と前記第２検出素子とが、前記複数の画素が配されるピッチにおいて、２ピッチ以上の間隔で配されていることを特徴とする請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
16. 前記第１検出素子および前記第２検出素子が、同じ関心領域に配されることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
17. 請求項１乃至１６の何れか１項に記載の放射線撮像装置と、
    前記放射線撮像装置からの信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。

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