JP7441032B2 - 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（ＦＰＤ）を用いた放射線撮像装置が広く使用されている。特許文献１には、放射線発生装置との同期をとるために、放射線撮像装置に放射線が照射されるとバイアス電位を画素に供給するバイアス線に電流（バイアス電流）が流れることを利用し、放射線の照射の有無を検知する放射線撮像装置が示されている。また、特許文献１の放射線撮像装置は、同じ画素からスイッチ素子が導通状態のときのバイアス電流を有効値、スイッチ素子が非導通状態の時のバイアス電流をノイズ値としてそれぞれ取得し、有効値とノイズ値とに基づいて放射線の照射の有無を検出する。

特開２０１４－１６８２０３号公報

バイアス線には、放射線撮像装置に衝撃が加わるなど、放射線の照射以外で電流が流れてしまう場合がある。ノイズに起因して流れる電流が大きい場合、放射線が照射されていないにも関わらず、放射線が照射されたと誤検知してしまう可能性がある。特許文献１には、有効値とノイズ値とに基づいて放射線の照射の有無を検出することによって、ノイズの影響を低減できることが示されている。しかしながら、放射線撮像装置に衝撃が加わった場合などに発生する高い周波数成分を有するノイズには対応できない可能性がある。

本発明は、放射線の照射の有無をより高い精度で検知するの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、放射線を電荷に変換する変換素子および前記変換素子を外部と電気的に接続するスイッチ素子を含む画素が行列状に並ぶ複数の画素であって、互いに隣り合う第１画素および第２画素を含む複数の画素と、前記複数の画素における前記スイッチ素子のオン/オフを複数の駆動線を介して制御する駆動回路であって、前記複数の駆動線のうちの第１駆動線を介して前記第１画素に接続し、前記複数の駆動線のうちの第２駆動線を介して前記第２画素に接続する駆動回路と、前記複数の画素の前記変換素子に複数のバイアス線を介してバイアス電位を与える複数のバイアス源であって、前記複数のバイアス線のうちの第１バイアス線を介して前記第１画素に接続する第１バイアス源および前記複数のバイアス線のうちの第２バイアス線を介して前記第２画素に接続する第２バイアス源を含む複数のバイアス源と、所定のタイミングを含む第１サンプリング期間において前記第１バイアス線に流れる電流をサンプリングして第１信号値を取得し、前記所定のタイミングを含む第２サンプリング期間において前記第２バイアス線に流れる電流をサンプリングして第２信号値を取得する手段と、前記第１信号値および前記第２信号値に基づいて、放射線の照射の有無を判定する手段と、を有し、前記所定のタイミングは、前記駆動回路により前記複数の画素の制御が行われる期間のうちの一部のタイミングであって、前記第１画素の前記スイッチ素子がオン状態かつ前記第２画素の前記スイッチ素子がオフ状態のタイミングであることを特徴とする。

上記手段によって、放射線の照射の有無をより高い精度で検知するのに有利な技術を提供する。

本発明に係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構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の動作を説明するフロー図。 図１の放射線撮像装置の駆動タイミングの概略図。 図１の放射線撮像装置の放射線を検出する駆動タイミングの概略図。 図１の放射線撮像装置の放射線を検出する駆動タイミングの詳細図。 図１の放射線撮像装置の駆動タイミングの概略図。 図２の放射線撮像装置の構成の変形例を示す図。 図８の放射線撮像装置の放射線を検出する駆動タイミングの概略図。 図６の駆動タイミングの詳細図の変形例を示す図。

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１～１０を参照して、本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。本実施形態の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１２０、放射線発生装置１３０、放射線制御装置１４０を含み構成される。

放射線発生装置１３０は、放射線制御装置１４０からの制御に従って放射線撮像装置１００に放射線を曝射する。制御用コンピュータ１２０は、放射線撮像システムＳＹＳの全体を制御しうる。また、制御用コンピュータ１２０は、放射線発生装置１３０から被写体を介して放射線撮像装置１００に照射される放射線によって生成される放射線画像の取得を行う。

放射線撮像装置１００は、画素部１０１、読出回路１０２、基準電源１０３、バイアス電源部１０４を含む検出部１１０と、電源部１０５と、検知部１０６と、制御部１０７と、を含む。画素部１０１には、放射線を検出するための複数の画素が、二次元アレイ状に配される。読出回路１０２は、画素部１０１から電荷情報を読み出す。基準電源１０３は、読出回路１０２に基準電圧を供給する。バイアス電源部１０４は、画素部１０１に配される画素の変換素子にバイアス電位を供給する。電源部１０５は、基準電源１０３、バイアス電源部１０４を含む各電源に電力を供給する。検知部１０６は、バイアス電源部１０４から電流の情報を取得する。より具体的には、検知部１０６は、バイアス電源部１０４が画素部１０１の各画素にバイアス電位を供給するためのバイアス線を流れる電流の情報を、バイアス電源部１０４から取得する。検知部１０６は、バイアス電源から出力された電流の情報を演算し、画素部１０１に入射する放射線の強度の時間変動を含む放射線情報を出力する。検知部１０６として、ＦＰＧＡやＤＳＰ、プロセッサなどの、デジタル信号処理回路が用いられうる。また、検知部１０６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を用いて構成されてもよい。また、図１に示される構成において、放射線撮像装置１００に検知部１０６が配されるが、制御用コンピュータ１２０が、検知部１０６の機能を有していてもよい。この場合、図１に示される放射線撮像装置１００と制御用コンピュータ１２０のうち検知部１０６として機能する部分とを含み、本実施形態の「放射線撮像装置」といえる。検出部１１０については、図２の説明において詳細に述べる。制御部１０７は、放射線撮像装置１００の駆動など、放射線撮像装置１００全体を制御する。制御部１０７は、ユーザの設定などに従って制御用コンピュータ１２０から送信された駆動方法で検出部１１０を制御する。また、検知部１０６が出力した放射線情報を用いて、検出部１１０の駆動方法を変更してもよい。

図２は、放射線撮像装置１００の検出部１１０の構成例を示す等価回路図である。図２では、説明の簡便化のために６行×６列の画素ＰＩＸを有する画素部１０１を示す。しかしながら、実際の放射線撮像装置１００の画素部１０１は、より多画素でありうり、例えば、１７インチの放射線撮像装置１００は、約２８００行×約２８００列の画素ＰＩＸを有しうる。

画素部１０１は、行列状に複数配置された画素ＰＩＸを有する二次元検出器である。画素ＰＩＸは、放射線を電荷に変換する変換素子Ｓ（Ｓ１１～Ｓ６６）と、変換素子Ｓを信号線Ｓｉｇに接続し、電荷に応じた電気信号を出力するスイッチ素子Ｔ（Ｔ１１～Ｔ６６）と、を含む。本実施形態において、変換素子Ｓは、光電変換素子と、光電変換素子の放射線の入射側に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とを備えた間接型の変換素子である。光を電荷に変換する光電変換素子として、ガラス基板などの絶縁性基板上に配され、アモルファスシリコンなどの半導体材料を主材料とするＭＩＳ型フォトダイオードが用いられてもよい。また、光電変換素子として、ＭＩＳ型フォトダイオードだけでなく、例えば、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Ｓとして、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。スイッチ素子Ｔには、制御端子と２つの主端子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Ｔとして、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が用いられる。

変換素子Ｓの一方の電極は、スイッチ素子Ｔの２つの主端子のうち一方の主端子に電気的に接続され、変換素子Ｓの他方の電極は、バイアス線Ｂｓを介してバイアス電源部１０４のバイアス源２０３と電気的に接続される。行方向（図面の横方向。）に並ぶ複数のスイッチ素子Ｔ、例えば、スイッチ素子Ｔ１１、１３、１５は、制御端子が１行目の駆動線Ｖｇ１－１に共通に電気的に接続されており、駆動回路２１４からスイッチ素子Ｔの導通状態を制御する駆動信号が駆動線Ｖｇを介して与えられる。駆動回路２１４は、行方向に沿って配された複数の駆動線Ｖｇを介して、画素ＰＩＸのスイッチ素子Ｔを制御する。列方向（図面の縦方向。）に沿って配された複数のスイッチ素子Ｔ、例えば、スイッチ素子Ｔ１１～Ｔ６１は、２つの主端子のうち他方の主端子が１列目の信号線Ｓｉｇ１に電気的に接続されており、スイッチ素子Ｔが導通状態である間に、変換素子Ｓの電荷に応じた電気信号を、信号線を介して読出回路１０２に出力する。信号線Ｓｉｇ１～Ｓｉｇ６は、複数の画素ＰＩＸから出力された電気信号を、列ごとに並列に読出回路１０２に伝送しうる。

読出回路１０２は、画素部１０１から並列に出力された電気信号を増幅する増幅回路２０６を信号線ごとに対応して設けている。増幅回路２０６は、出力された電気信号を増幅する積分増幅器２０５、積分増幅器２０５から出力された電気信号を増幅する可変増幅器２０４、増幅された電気信号をサンプルしホールドするサンプルホールド回路２０７、バッファアンプ２０９を含む。積分増幅器２０５は、画素ＰＩＸ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２０５は、積分容量の値を変えることによって、増幅率を変更することが可能である。積分増幅器２０５の反転入力端子には、画素ＰＩＸから出力された電気信号が入力され、正転入力端子には基準電源１０３から基準電位Ｖｒｅｆが入力され、出力端子から増幅された電気信号が出力される。また、積分容量が、演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間に配置される。サンプルホールド回路２０７は、増幅回路２０６ごと設けられ、サンプリングスイッチとサンプリング容量とによって構成される。また、読出回路１０２は、増幅回路２０６から並列に読み出された電気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２０８を含む。バッファアンプ２０９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２１０によってデジタルの画像データに変換され、図１に示す制御用コンピュータ１２０へ出力される。

電源部１０５（図２においては省略。）は、バッテリや外部からの電力を各電源へ変圧し、図２に示される増幅回路の基準電源１０３、バイアス電源部１０４などに電力を供給する。基準電源１０３は、演算増幅器の正転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。バイアス電源部１０４のバイアス源２０３は、バイアス線Ｂｓを介して変換素子Ｓの２つの電極のうち他方の電極に共通にバイアス電位Ｖｓを供給する。また、バイアス電源部１０４のバイアス源２０３は、バイアス線Ｂｓを流れる電流の量の時間変動を含む電流の情報を検知部１０６に出力する。本実施形態において、電流の情報を出力する回路として、バイアス源２０３は、オペアンプおよび抵抗を含む電流－電圧変換回路２１５を含むが、この構成に限定されるものではない。例えば、バイアス源２０３は、シャント抵抗を用いた電流－電圧変換回路を含んでいてもよい。また、バイアス源２０３は、電流－電圧変換回路の出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路をさらに含み、電流の情報をデジタル値として出力してもよい。また、バイアス源２０３は、バイアス線Ｂｓに供給した（流れた）電流量に対応する適当な物理量を検知部１０６に出力してもよい。

駆動回路２１４は、図１に示される制御部１０７から入力される制御信号Ｄ－ＣＬＫ、ＯＥ、ＤＩＯに応じて、スイッチ素子Ｔを導通（オン）状態にする導通電圧Ｖｃｏｍと非導通（オフ）状態にする非導通電圧Ｖｓｓとを含む駆動信号を、それぞれの駆動線に出力する。これによって、駆動回路２１４は、スイッチ素子Ｔのオンまたはオフを制御し、画素部１０１を駆動する。制御信号Ｄ－ＣＬＫは、駆動回路２１４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、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。以上の制御信号によって、駆動の所要時間と走査方向を設定する。

また、制御部１０７は、読出回路１０２に制御信号ＲＣ、ＳＨ、ＣＬＫを与えることによって、読出回路１０２の各構成要素の動作を制御する。ここで、制御信号ＲＣは、積分増幅器２０５のリセットスイッチの動作を制御する。制御信号ＳＨは、サンプルホールド回路２０７の動作を制御する。制御信号ＣＬＫは、マルチプレクサ２０８の動作を制御する。

図３は、本実施形態における放射線撮像装置１００の動作例を示すフロー図である。上述のように、放射線撮像装置１００の各構成要素は、制御部１０７によって制御される。ユーザによって、放射線画像の撮像条件の設定などが行われると、まず、Ｓ３０１において、検知部１０６は、バイアス源２０３から取得するバイアス線Ｂｓを流れる電流の情報から放射線情報を取得して、放射線の照射の開始の判定を行う。放射線の照射の開始の判定としては、放射線情報からＰＩＸの変換素子Ｓにおいて蓄積される電荷の量を取得し、電荷の量から求められる放射線の強度が、予め定めた閾値を上回った場合、放射線の照射が開始されたと判定する方法が用いられてもよい。検知部１０６が放射線の照射が開始されていないと判定した場合（Ｓ３０１においてＮＯ）、放射線撮像装置１００はＳ３０２に遷移し、制御部１０７は、駆動回路２１４に、暗電流によって画素ＰＩＸの変換素子Ｓに蓄積された電荷を除去するリセット駆動（以後、空読みと称する場合がある。）を行わせる。空読みは、先頭行（０行目）から最終行（Ｙ－１行目）まで順番に行われ、最終行に到達した場合は先頭行に戻る。

検知部１０６が、放射線の照射が開始されたと判定した場合（Ｓ３０１においてＹＥＳ）、放射線撮像装置１００はＳ３０３に遷移し、制御部１０７は、放射線の照射の終了の判定を行う。放射線の照射の終了の判定として、放射線の照射の開始が判定されてから予め定められた時間が経過した場合に放射線の照射が終了したと判定する方法が用いられてもよい。また、制御部１０７は、検知部１０６で取得する放射線情報からＰＩＸの変換素子Ｓにおいて蓄積される電荷の量を取得し、電荷の量から求められる放射線の強度が、予め定めた閾値を下回る場合に放射線の終了を判定してもよい。放射線の照射の終了が判定されない場合（Ｓ３０３においてＮＯ）、放射線撮像装置１００はＳ３０４において、駆動回路２１４は、放射線画像を取得するための画素ＰＩＸのスイッチ素子Ｔをオフさせ、放射線から変換される信号を蓄積する駆動（以後、蓄積と称する場合がある。）が行われる。放射線の照射の終了が判定された場合（Ｓ３０３におけるＹＥＳ）、放射線撮像装置１００はＳ３０５に遷移し、駆動回路２１４および読出回路１０２は、画素ＰＩＸの変換素子Ｓに生じた電荷を読み出す駆動（以後、本読みと称する場合がある。）を行う。本読みは、画素部１０１に配された画素ＰＩＸの先頭行から最終行まで順番に行われうる。本読みが最終行に到達した場合、一連の撮影動作が終了する。

図４は、放射線撮像装置１００の駆動タイミングの概略図である。制御部１０７は、放射線の照射が開始されるまでの間、画素部１０１の先頭行（０行目）から最終行（Ｙ－１行目）まで順番にスイッチ素子Ｓを導通させる駆動（空読み）を駆動回路２１４に繰り返し行わせる。放射線の照射が開始されるまでの間、空読みが最終行に到達した場合、先頭行に戻って空読みが、繰り返される。

検知部１０６が放射線の照射の開始を検知（判定）した場合、制御部１０７は、駆動回路２１４を介して、放射線画像を取得するための全ての画素ＰＩＸが接続された行のスイッチ素子Ｔをオフにする駆動（蓄積）に移行する。放射線の照射の有無の判定の詳細については後述する。蓄積は、放射線の照射が終了したと判定されるまで継続する。放射線の照射が終了すると、制御部１０７は、駆動回路２１４および読出回路１０２を制御し、先頭行から最終行まで順次、スイッチ素子Ｔを導通させ、画素ＰＩＸから信号の読み出す本読みを行う。

次に、本実施形態における放射線撮像装置１００の放射線の照射開始を検知した際の駆動タイミングを図５（ａ）に示す。また、比較例として、衝撃などによって誤動作が発生した場合の駆動タイミングを図５（ｂ）に示す。ここで、放射線撮像装置１００において、放射線の照射の開始を判定した行を、行Ｙｓとして説明する。

図５（ａ）は、図４に示される放射線の照射の開始を判定した行であるＹｓ行付近の拡大図である。図５（ａ）には、検知部１０６が画素部１０１に入射する放射線の強度の時間変動を含む放射線情報を出力するための、バイアス源２０３から出力される電流の情報が示されている。検知部１０６は、バイアス源２０３から取得するバイアス線Ｂｓを流れる電流の情報から放射線情報を取得して、放射線の照射の開始の判定を行う。図５（ａ）において、Ｙｓ－１行とＹｓ行との走査の間に放射線の照射が開始され、Ｙｓ行の走査時にバイアス線Ｂｓに流れる電流の情報が判定閾値を超え、検知部１０６は、放射線の照射が開始されたと判定する。この判定の結果に従って、制御部１０７は、放射線画像を取得するための蓄積動作へ画素部１０１を移行させている。

一方、図５（ｂ）は、比較例の放射線撮像装置において、Ｙｓ行を空読みの走査中に衝撃が加わった際の、図４のＹｓ行目付近の拡大図である。一般に、放射線撮像装置において、可搬性や使い勝手を向上さるために、放射線撮像装置の軽量化が求められている。放射線撮像装置の筺体は、例えば、これまで使用されてきた金属からカーボンといったより軽量な素材が選ばれる傾向にある。これによって、筺体の剛性が低下し、内部の回路基板に衝撃や圧力が伝わりやすくなる。同様に、回路基板も小型化や高密度化がなされ、例えば、小型大容量のセラミックコンデンサの採用や複数の回路が少数の基板に集積される傾向にある。これによって、回路基板に衝撃や圧力が伝わった場合、セラミックコンデンサは圧電効果により電圧ノイズを発生し、そのノイズが回路間の干渉によりさまざまな回路に伝わり誤動作しやすくなる。つまり、放射線撮像装置の回路は、より衝撃や圧力による影響を受けやすくなりうる。このため、図５（ｂ）に示される例において、Ｙｓ行の空読みの走査時に衝撃が加わり、バイアス線Ｂｓに流れた電流の情報が判定閾値を超え、検知部１０６は、放射線の照射が開始されたと誤判定をしてしまう。この判定に従って、制御部１０７は、画素部１０１を蓄積動作へ移行させている。

次いで、図６を参照しながら、本実施形態における検知部１０６が、放射線の照射の開始を判定する詳細動作を説明する。本実施形態において、放射線撮像装置１００は、バイアス線Ｂｓに流れるバイアス電流に関して、以下のような特徴を有しうる。
（１）放射線の照射中、単位時間当たりの放射線の照射量に比例した電流がバイアス線Ｂｓに流れる。この電流は、図６に「第１信号」として示されている。この電流は、画素ＰＩＸのスイッチ素子Ｔがオフ（非導通）状態にある場合よりも、オン（導通）状態にある場合の方が多く流れうるが、図では簡単のために一定で表す。
（２）放射線が照射された画素ＰＩＸのスイッチ素子Ｔを導通すると、スイッチ素子Ｔを導通するまでに当該画素ＰＩＸの変換素子Ｓに蓄積された電荷量に比例した電流が、バイアス線Ｂｓに流れる。この電流は、図６に「第２信号」として示されている。
（３）画素ＰＩＸのスイッチ素子Ｔのオン・オフを切り替えると、バイアス線Ｂｓに電流が流れる。この電流は、スイッチングノイズと呼ばれうるものである（不図示）。
（４）放射線撮像装置１００に衝撃や磁界が加わると、バイアス線Ｂｓに印加されたノイズの周波数に応じた電流が流れうる。この電流は、外来ノイズと呼ばれるものであり、図６に「外来ノイズ」として示されている。例えば、商用電源から生じた電磁界の影響により、バイアス線Ｂｓに５０～６０Ｈｚ程度の電流が流れうる。また、放射線撮像装置に衝撃が入力されると、バイアス線Ｂｓに数Ｈｚ～数ｋＨｚの電流が流れうる。
（５）放射線撮像装置１００に磁界や衝撃が加わらない場合であっても、放射線撮像装置１００自体が発生する電磁波や検知部１０６などの内部雑音などにより、バイアス線Ｂｓに電流が流れる。この電流は、システムノイズと呼ばれるものである（不図示）。

図６の「バイアス電流」では、これらの第１信号、第２信号、外来ノイズ（およびスイッチングノイズ、システムノイズ）が、時間を通じて一定であるように示される。しかしながら、図６は、これらの信号やノイズがどのタイミングで現われるかを概念的に示しているだけであり、時間を通じて一定であるとは限らない。

放射線の照射、より具体的には放射線の照射の開始を検知するために、検知信号としてのバイアス線Ｂｓを流れる電流に起因する信号のサンプル値をそのまま用いてもよいが、上述の図５（ｂ）ように誤判定してしまう場合がある。そこで、本実施形態の放射線撮像装置１００は、衝撃や磁界などによる外来ノイズなどの影響を低減するため、以下に説明する手法を用いて、検知部１０６は、放射線情報を算出し、放射線の照射を検知する。

本実施形態において、図２に示されるように、バイアス電源部１０４には複数のバイアス源２０３を備えている。また、画素部１０１に配される画素ＰＩＸは、複数の画素グループを構成する。より具体的には、１つの画素グループと１つのバイアス源２０３とがそれぞれ対応して配され、複数のバイアス源２０３のそれぞれは、バイアス源２０３ごとに電気的に独立したバイアス線Ｂｓを介して画素ＰＩＸの変換素子Ｓにバイアス電位を供給する。図２に示される構成において、バイアス源２０３ａは、画素ＰＩＸａを含む画素グループにバイアス線Ｂｓａを介してバイアス電位を供給し、バイアス源２０３ｂは、画素ＰＩＸｂを含む画素グループにバイアス線Ｂｓｂを介してバイアス電位を供給している。検知部１０６は、バイアス源２０３ａおよびバイアス源２０３ｂから出力されるバイアス線Ｂｓａおよびバイアス線Ｂｓｂを流れる電流の信号に基づいて放射線情報を取得し、放射線の照射を検知する。例えば、検知部１０６は、放射線情報または放射線情報の積分値が所定の閾値を上回った場合に放射線が照射されていると判定する。

図６に示されるように、駆動回路２１４の駆動周期を時間ＴＩで表す。すなわち、放射線撮像装置１００は、時間ＴＩごとに１回のリセット動作（空読み）を行う。時間ＴＩのうち、駆動回路２１４が、ハイレベルの駆動信号を供給する時間（以下、オン時間と呼ぶ場合がある。）を時間ＴＨで表し、ローレベルの駆動信号を供給する時間（以下、オフ時間と呼び場合がある）を時間ＴＬで表す。本実施形態において、一例として、時間ＴＨ＝時間ＴＬとなるように制御部１０７は駆動回路２１４を制御する。すなわち、１回のリセット動作の開始とともに、駆動回路２１４は、ある駆動線Ｖｇの駆動信号をローレベルからハイレベルに切り替え、時間ＴＨが経過した後に当該駆動線Ｖｇの駆動信号をローレベルに戻し、さらに同じ長さの時間ＴＬが経過した後に次のリセット動作を開始する。例えば、時間ＴＨ＝時間ＴＬ＝１６μ秒としてもよい。

また、図６に示されるように、検知部１０６が、バイアス源２０３ａ、２０３ｂからバイアス線Ｂｓａ、Ｂｓｂを流れる電流をサンプリングする期間を時間ＴＳで表す。本実施形態では、時間ＴＨ＝時間ＴＳとして、駆動線Ｖｇがある画素ＰＩＸのスイッチ素子Ｔにハイレベルの駆動信号を供給している期間において、検知部１０６は、バイアス源２０３ａ、２０３ｂからバイアス線Ｂｓａ、Ｂｓｂを流れる電流を表す信号値のサンプリングを行う。図６に示されるタイミング図では、時間ＴＨ＝時間ＴＬ＝時間ＴＳ＝ＴＩ／２としているが、この値に限定するものではなく、時間ＴＨと時間ＴＬとは任意の時間、比率に設定してよい。また、時間ＴＨと時間ＴＳとは、等しい時間である必要はなく、時間ＴＳを時間ＴＨよりも短い期間として、検知部１０６は、時間ＴＨの期間に複数回のサンプリング動作を実施してもよい。

本実施形態では、上述のようにバイアス電源部１０４には、２つのバイアス源２０３ａ、２０３ｂが配されている。このため、検知部１０６は、一度の時間ＴＳにおいて、バイアス源２０３ａおよびバイアス源２０３ｂから出力されるバイアス線Ｂｓａおよびバイアス線Ｂｓｂを流れる電流の２つの信号を同時に取得できる。ここで、２つの画素グループのうち駆動回路２１４がスイッチ素子Ｔをオンさせた画素ＰＩＸを含む画素グループに接続されたバイアス線Ｂｓを流れる電流を表す信号値を有効値Ｓと呼ぶ。また、２つの画素グループのうちスイッチ素子Ｔがオフ状態の画素グループに接続されたバイアス線Ｂｓを流れる電流を表す信号値をＮ値と呼ぶ。

検知部１０６は、有効値Ｓとノイズ値Ｎとを、図６に示されるように、同じタイミングでサンプリングしてもよい。有効値Ｓとノイズ値Ｎとは、時間差なく取得されるため、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎに対して、上述の第２信号は、スイッチ素子Ｔが導通状態の有効値Ｓにのみに含まれる。一方、第１信号と外来ノイズとは、スイッチ素子Ｔの導通状態によらず有効値Ｓとノイズ値Ｎとで略同一量含まれる。したがって、検知部１０６は、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎに基づいて、より具体的には、有効値Ｓとノイズ値Ｎとの差分に基づいて、外来ノイズを除去することができ、放射線情報として第２信号のみを取り出すことが可能となる。

図２の構成において、２つのバイアス源２０３ａ、２０３ｂから出力される電流の情報は、それぞれのバイアス線Ｂｓａ、Ｂｓｂを流れる電流を電圧に変換したアナログ値である。このため、検知部１０６は、有効値Ｓとノイズ値Ｎとのそれぞれアナログ値の差分をアナログ／デジタル変換したデジタル値に基づいて、放射線の照射の有無を判定するための放射線情報を算出する構成としている。しかしながら、これに限られることはなく、例えば、バイアス源２０３に配された電流－電圧変換回路２１５の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器が、バイアス源２０３と検知部１０６との間に配されていてもよい。この場合、検知部１０６は、バイアス源２０３ａ、２０３ｂから出力される有効値Ｓおよびノイズ値ＮのＡ／Ｄ変換されたデジタル値の差分に基づいて放射線情報を算出してもよい。

ここで、ｙ回目（ｙは任意の自然数）のリセット動作（空読み）において取得された２つのサンプル値をそれぞれ有効値Ｓ（ｙ）とノイズ値Ｎ（ｙ）として、放射線信号の検知に用いる放射線情報をＸ（ｙ）とする。検知部１０６は、式（１）に示されるような演算によって放射線情報Ｘ（ｙ）を算出してもよい。
Ｘ（ｙ）＝Ｓ（ｙ）―Ｎ（ｙ） ・・・ （１）

式（１）は、スイッチ素子Ｔをオンさせた画素ＰＩＸを含む画素グループに接続されたバイアス線Ｂｓを流れる電流と、スイッチ素子Ｔがオフ状態の画素グループに接続されたバイアス線Ｂｓを流れる電流と、の差分処理を意味する。また、画素ＰＩＸごとの出力特性などが異なる場合、式（２）のように画素ＰＩＸごとのばらつきに応じてＳ（ｙ）、Ｎ（ｙ）に重み付けした信号値を用いて放射線情報を算出してもよい。
Ｘ（ｙ）＝ａ×Ｓ（ｙ）―ｂ×Ｎ（ｙ） ・・・ （２）

検知部１０６によって、放射線の照射の開始が検知されると、制御部１０７は、全てのスイッチ素子Ｔを非導通状態にさせ、画素ＰＩＸに放射線による信号を蓄積させる。その後、制御部１０７は、放射線の照射が終了したことに応じて本読みを行う。図２に示される構成において、行方向に並ぶ画素ＰＩＸに対して、それぞれの画素グループに分割するための２本の駆動線が接続されている。図２に示される構成において、画素ＰＩＸは、行方向に互いに隣り合う画素ＰＩＸａおよび画素ＰＩＸｂを含んでいる。また、画素ＰＩＸａと画素ＰＩＸｂとは、複数の画素グループのうち互いに異なる画素グループに含まれ、かつ、複数の駆動線Ｖｇのうち互いに異なる駆動線に接続されている。ここで、特許文献１に示される回路図では駆動線ＶｇがＹ本あるのに対し、本実施形態において、駆動線Ｖｇが２Ｙ本存在する。このため、先頭行（０行）から最終行（Ｙ－１行）まで、順次スイッチ素子Ｔを導通させて本読みを行うと、駆動周期の時間ＴＩが特許文献１と同じ場合、すべての行の信号を読み出すまでに２倍の時間を要する。そこで、図７に示されるように、本読み時には、２行分の駆動線Ｖｇをまとめて導通するように、制御部１０７は、駆動回路２１４を制御し、駆動線Ｖｇの増加に伴う本読み時間の増加を抑制する。具体的には、図２に示されるように信号線Ｓｉｇは、複数の画素ＰＩＸのうち列ごとに配された画素によって共有されている。そこで、放射線画像データを取得する際に、駆動回路２１４は、画素ＰＩＸａおよび画素ＰＩＸｂのスイッチ素子Ｔを同時にオンさせることによって、本読みの時間の増加を抑制することが可能となる。

本実施形態において、２つのバイアス源２０３が配されることによって、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎを同じタイミングでサンプリングする。これによって、放射線発生装置１３０との同期信号を必要とせずに、筺体に圧力や衝撃が加わった際などに生じるノイズへの耐性が高く、高品位の画像情報を得ることができる放射線撮像装置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。

本実施形態において、２つのバイアス源２０３を配することを説明したが、３つ以上のバイアス源２０３を配してもよい。この場合、３つ以上のバイアス線Ｂｓを流れる電流から、適宜、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎをサンプリングすればよい。また、図２に示される構成において、２つの画素グループに属する画素ＰＩＸが行方向にそれぞれ交互に配され、列方向に互いに隣り合う画素ＰＩＸは、２つの画素グループのうち同じ画素グループに含まれているが、これに限られることはない。適当な順番で、それぞれの画素グループに属する画素ＰＩＸを配置すればよい。

また、本実施形態において、図６に示されるように、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎを同じタイミングでサンプリングしているが、これに限られることはない。バイアス源２０３が１つの場合、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎは、異なるタイミングでしかサンプリングすることはできない。そこで、検知部１０６が、有効値Ｓとノイズ値Ｎとを、サンプリングするタイミングの少なくとも一部が重なるように取得することによって、バイアス源２０３が１つの場合と比較して、外来ノイズの影響を抑制することが可能となる。

また、複数の画素グループのそれぞれの画素グループに含まれる画素ＰＩＸの数の差が、それぞれの画素グループごとに１０％以内であってもよい。また、例えば、それぞれの画素グループに含まれる画素ＰＩＸの数が、それぞれ同じ数であってもよい。画素グループに含まれる画素ＰＩＸの数を揃えることによって、バイアス線Ｂｓを流れる外来ノイズやスイッチングノイズ、システムノイズなどの量が揃えられ、検知部１０６が放射線の照射の有無を検知する際のノイズの影響を抑制できる。

次いで、図２に示した放射線撮像装置１００の検出部１１０の構成例の変形例について、図８を用いて説明する。図８は、放射線撮像装置１００の検出部１１０の構成例を示す等価回路図である。図８の検出部１１０の構成は、図２の構成と比較して、画素部１０１の構成および読出回路１０２の増幅回路２０６の構成が異なる。具体的には、互いに異なる画素グループに含まれ、かつ、互いに異なる駆動線Ｖｇに接続されている、行方向に互いに隣り合う画素ＰＩＸａと画素ＰＩＸｂとが、信号線Ｓｉｇを共有している。このため、図２に示される構成と比較して、信号線Ｓｉｇの数が半減している。また、これに伴い読出回路１０２に配される増幅回路２０６の数が、図２に示される構成と比較して半減している。結果として、図２に示される構成において、特許文献１の構成よりも駆動回路２１４の規模が増加してしまうという課題に対して、読出回路１０２の増幅回路２０６を削減することができる。これによって、駆動回路２１４および読出回路１０２を含む放射線撮像装置１００全体のＩＣ数の増加によるコストアップを抑え、画素部１０１内の配線を減らすことができる。

放射線の照射の有無の検知は、図６を参照して上述したとおり、互いに電気的に独立したバイアス線Ｂｓを介して異なるバイアス源２０３に接続されているため、同じタイミングで有効値Ｓとノイズ値Ｎをサンプリングできる。また、上述の図２に示される構成と同様に、有効値Ｓとノイズ値Ｎとを取得する画素ＰＩＸが、互いに隣り合って配されている。このため、仮に局所的な衝撃がノイズとして放射線撮像装置１００の筐体に加わった場合などであっても、画素ＰＩＸが配されるピッチに対して、同一のノイズが同一のタイミングで印加されるとみなせる。従って、図６で説明した動作によって、図８に示される構成においても、ノイズ除去が可能であり、放射線の照射の開始をより正確に検知することが可能である。

図９は、図８に示される検出部１１０の駆動タイミングを示す概略図である。空読み中の放射線の照射の有無の検知にかかる駆動は、図６を用いて説明した駆動と同様のため省略する。本実施形態において、互いに隣り合う画素ＰＩＸａと画素ＰＩＩＸｂとが、同じ信号線Ｓｉｇに接続されているため、上述のように、本読み時に２行まとめてスイッチ素子Ｔをオンさせることは、読み出された２画素分の信号が加算されてしまうため不可能である。このため、図９に示されるように、放射線画像データを取得する際に、駆動回路２１４は、同じ信号線Ｓｉｇに接続された画素ＰＩＸのスイッチ素子Ｔを異なるタイミングでオンさせる。これによって、それぞれの画素ＰＩＸに蓄積された電荷を読み出すことができる。

本実施形態においても、２つのバイアス源２０３が配されることによって、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎを同じタイミングでサンプリングする。これによって、放射線発生装置１３０との同期信号を必要とせずに、筺体に圧力や衝撃が加わった際などに生じるノイズへの耐性が高く、高品位の画像情報を得ることができる放射線撮像装置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。また、行方向に互いに隣り合う画素ＰＩＸが信号を出力する信号線Ｓｉｇを共有することによって、読出回路１０２の増幅回路２０６の数を減らすことが可能となる。これによって、駆動回路２１４における回路規模が増大することによるコストアップを相殺することができる。

次いで、図１０を参照して、駆動線Ｖｇの数の増加に伴う空読みのフレームレートの低下を抑制する方法について説明する。図３を参照して上述したように、駆動回路２１４の駆動周期ＴＩにはオン時間（時間ＴＨ）とオフ時間（時間ＴＬ）の２期間が存在している。つまり、複数の駆動線Ｖｇは、第１駆動線（例えば、駆動線Ｖｇ１－１。）と第１駆動線とは異なる第２駆動線（例えば、Ｖｇ１－２。）とを含み、放射線の照射の有無を判定する際に、駆動回路２１４は、駆動線Ｖｇ１－１に接続されたスイッチ素子Ｔをオンからオフにしてから所定の時間を経過した後、駆動線Ｖｇ１－２に接続されたスイッチ素子Ｔをオンさせる。

一方、本実施形態の放射線撮像装置１００の検出部１１０は、複数（本実施形態において２系統）のバイアス源２０３を備えるため、時間ＴＨの間に有効値Ｓとノイズ値Ｎとを同時にサンプリングできる。換言すると、本実施形態の構成において、必ずしもオフ時間（時間ＴＬ）を設ける必要はない。このため、放射線の照射の有無を判定する際に、駆動回路２１４は、駆動線Ｖｇ１－１に接続されたスイッチ素子Ｔをオンからオフにするタイミングと、駆動線Ｖｇ１－２に接続されたスイッチ素子Ｔをオフからオンにするタイミングと、が重なるように制御する。

一般的に、スイッチ素子Ｔのオン・オフを切り替える際に、バイアス線Ｂｓに電流が流れることが知られている。この電流は、スイッチングノイズと呼ばれる。図１０に示されるように、ある画素行のスイッチ素子Ｔへの駆動信号の立ち下がりと、次の画素行のスイッチ素子Ｔへの駆動信号の立ち上がりとを重ねることによって、スイッチングノイズを打ち消しあうことができる。つまり、図１０に示される検出部１１０の駆動は、スイッチ素子Ｔのスイッチングノイズが大きい場合に有効である。

さらに、図１０に示される駆動において、空読み中のオフ時間（時間ＴＬ）が不要となり、時間ＴＩ＝時間ＴＨとして１行当たりの駆動周期を短縮することができる。本実施形態の放射線撮像装置１００の構成では、駆動線Ｖｇが、特許文献１に示される構成よりも増えてしまう。しかしながら、複数のバイアス源２０３を配することによって、空読みの際の駆動周期である時間ＴＩを短縮することが可能となり、行ごとの１フレームの読出し時間を維持することができる。

図１０に示される駆動によっても、２つのバイアス源２０３が配されることによって、有効値Ｓおよびノイズ値Ｎを同じタイミングでサンプリングする。これによって、放射線発生装置１３０との同期信号を必要とせずに、筺体に圧力や衝撃が加わった際などに生じるノイズへの耐性が高く、高品位の画像情報を得ることができる放射線撮像装置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。また、上述のように、空読みにおいて、スイッチ素子Ｔのオン・オフに伴うスイッチングノイズを低減でき、放射線の照射の開始を判定する精度を向上させることができる。さらに、空読みにおいて、時間ＴＬを省略することによって、放射線の照射の有無を判定するためのバイアス線Ｂｓを流れる電流を取得するサンプリングレートを向上させることができ、放射線の照射の有無の判定に対する時間分解能が向上される。

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。

１０６：検知部、２０３：バイアス源、２１４：駆動回路、Ｂｓ：バイアス線、ＰＩＸ：画素、Ｓ：変換回路、Ｔ：スイッチ素子

Claims (15)

1. 放射線を電荷に変換する変換素子および前記変換素子を外部と電気的に接続するスイッチ素子を含む画素が行列状に並ぶ複数の画素であって、互いに隣り合う第１画素および第２画素を含む複数の画素と、
   前記複数の画素における前記スイッチ素子のオン/オフを複数の駆動線を介して制御する駆動回路であって、前記複数の駆動線のうちの第１駆動線を介して前記第１画素に接続し、前記複数の駆動線のうちの第２駆動線を介して前記第２画素に接続する駆動回路と、
   前記複数の画素の前記変換素子に複数のバイアス線を介してバイアス電位を与える複数のバイアス源であって、前記複数のバイアス線のうちの第１バイアス線を介して前記第１画素に接続する第１バイアス源および前記複数のバイアス線のうちの第２バイアス線を介して前記第２画素に接続する第２バイアス源を含む複数のバイアス源と、
   所定のタイミングを含む第１サンプリング期間において前記第１バイアス線に流れる電流をサンプリングして第１信号値を取得し、前記所定のタイミングを含む第２サンプリング期間において前記第２バイアス線に流れる電流をサンプリングして第２信号値を取得する手段と、
   前記第１信号値および前記第２信号値に基づいて、放射線の照射の有無を判定する手段と、を有し、
   前記所定のタイミングは、前記駆動回路により前記複数の画素の制御が行われる期間のうちの一部のタイミングであって、前記第１画素の前記スイッチ素子がオン状態かつ前記第２画素の前記スイッチ素子がオフ状態のタイミングであることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記第１サンプリング期間および前記第２サンプリング期間は、同位置のサンプリング期間であ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. 前記複数の駆動線は、行方向に沿って配され、
   前記複数のバイアス線は、列方向に沿って配され、
   前記第１画素および前記第２画素は、行方向において互いに隣り合うことを特徴とする請求項１または２に記載の放射線撮像装置。
4. 放射線画像データの取得処理において、前記駆動回路は、前記第１画素の前記スイッチ素子および前記第２画素の前記スイッチ素子が同時にオン状態になるように前記第１駆動線および前記第２駆動線による制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の放射線撮像装置。
5. 前記第１画素および前記第２画素は共通の信号線に接続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。
6. 前記複数の画素は、前記第１画素と列方向において隣り合う第３画素を有し、
   放射線画像データの取得処理において、前記駆動回路は、前記第１画素の前記スイッチ素子と前記第３画素のスイッチ素子とが異なるタイミングでオン状態になるように制御することを特徴とする請求項４または５に記載の放射線撮像装置。
7. 前記第３画素は、前記第１バイアス線を介して前記第１バイアス源に接続され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. 放射線照射の検出処理において、前記駆動回路は、前記第１駆動線に接続された前記スイッチ素子をオン状態からオフ状態に移行させるタイミングと、前記第２駆動線に接続された前記スイッチ素子をオフ状態からオン状態に移行させるタイミングと、が重なるように制御することを特徴とする請求項３乃至７の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 放射線照射の検出処理において、前記駆動回路は、前記第１駆動線に接続された前記スイッチ素子をオン状態からオフ状態に移行させてから所定の時間を経過した後、前記第２駆動線に接続された前記スイッチ素子をオン状態に移行させることを特徴とする請求項３乃至７の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
10. 前記複数のバイアス源は、前記第１バイアス源と前記第２バイアス源のみで構成される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. 前記判定する手段は、前記第１信号値と前記第２信号値との差分に基づいて、放射線の照射の有無を判定す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. 前記第１信号値および前記第２信号値は、それぞれアナログ値であり、
    前記判定する手段は、前記第１信号値と前記第２信号値のそれぞれアナログ値の差分をアナログ／デジタル変換したデジタル値に基づいて、放射線の照射の有無を判定することを特徴とする請求項１１に記載の放射線撮像装置。
13. 前記複数のバイアス源のそれぞれのバイアス源に接続される画素の数の差が、１０％以内である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. 前記判定する手段は、前記第１信号値および前記第２信号値に基づく情報であって、衝撃にともなうノイズの影響が抑制された情報を用いて放射線の照射の有無を判定す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. 請求項１乃至１４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に放射線を照射する放射線発生装置と、
    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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