JP2004264306A - 一体形成の空隙を備えた計算機式断層写真法（ｃｔ）検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＴ検出器（２０）のシンチレータとフォトダイオードとの光学的結合を改善する。
【解決手段】ＣＴ検出器は、フォトダイオード・アレイ（５２）とシンチレータ・アレイ（５６）との間に設けられている制御型空隙（９２）を、シンチレータ・アレイの上に設けられている反射防止層（８６）と共に用いる。フォトダイオード・アレイは光吸収を改善する凹凸付き受光面（８８）を含んでいる。凹凸層は、ｘ軸及び／又はｙ軸に沿って延在していてよく、また凹凸形状は様々な形態であってよい。例えば、凹凸層は一連の錐形状の突起（９０）を含んでいてよい。
【選択図】 図４

Description

本発明は一般的には、診断撮像に関し、具体的には、一体形成の空隙を備えたＣＴ検出器に関する。さらに具体的には、このＣＴ検出器は、制御型空隙が間に介在するようにして、凹凸面を有するフォトダイオード・アレイに反射防止層を有するシンチレータ・アレイを取り付けて含んでいる。

典型的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムでは、Ｘ線源がファン形状（扇形）のビームを患者又は手荷物のような被検体又は対象に向かって照射する。以後、本書では、「被検体」及び「対象」という用語は画像化が可能な任意の物体を包含するものとする。ビームは、被検体によって減弱された後に、放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイで受光される減弱後のビーム放射線の強度は典型的には、被検体によるＸ線ビームの減弱に依存する。検出器アレイの各々の検出器素子が、各々の検出器素子によって受光された減弱後のビームを示す別個の電気信号を発生する。電気信号はデータ処理システムへ伝送されて解析され、最終的に画像が形成される。

一般的には、Ｘ線源及び検出器アレイは、撮像平面内で被検体を中心としてガントリの周りで回転する。Ｘ線源は典型的には、焦点においてＸ線ビームを放出するＸ線管を含んでいる。Ｘ線検出器は典型的には、検出器で受光されるＸ線ビームをコリメートするコリメータと、コリメータに隣接して設けられているＸ線を光エネルギへ変換するシンチレータと、隣接するシンチレータから光エネルギを受け取ってここから電気信号を発生するフォトダイオードとを含んでいる。

典型的には、シンチレータ・アレイの各々のシンチレータがＸ線を光エネルギへ変換する。各々のシンチレータは、隣接して設けられているフォトダイオードへ光エネルギを放出する。各々のフォトダイオードは、光エネルギを検出すると共に、対応する電気信号を発生する。次いで、フォトダイオードの出力はデータ処理システムに伝達されて、画像再構成を施される。

公知のＣＴ検出器は、連続層を成すエポキシを用いてフォトダイオード・アレイをシンチレータ・アレイに光学的に結合している。このエポキシ層を一般に「光結合層（opti-coupler）」と称する。光結合層は、フォトダイオード・アレイとシンチレータ・アレイとの間で、各アレイの幅及び長さの両方に沿って着実な結合を保持するのに十分な接着強度を有していなければならない。すなわち、光結合層は、類似した熱膨張率を有する物質を互いに結合する場合に生ずるシンチレータ・アレイ及びフォトダイオード・アレイに引き起こされる応力に耐えることが可能な複合材で形成されていなければならない。

異なる熱膨脹特性を有する物質を互いに結合することに伴って生ずる応力に耐える光結合層の設計及び製造は進歩を遂げている。これらの進歩にも拘わらず、公知の光結合層は、亀裂、又はシンチレータ及び／若しくはフォトダイオード・アレイからの剥離を依然として生じ易い。この時ならぬ亀裂又は剥離からＣＴ検出器の突発的故障が起こる可能性があり、これにより検出器の全面的交換及びＣＴシステムの停止時間が確実に生ずる。

従って、エポキシ光結合連続層を用いずにフォトダイオード・アレイ及びシンチレータ・アレイを互いに結合させたＣＴ検出器を設計することが望ましい。

本発明は、上述の欠点を克服するＣＴ検出器のシンチレータとフォトダイオードとの改善された光学的結合に関するものである。このＣＴ検出器は、フォトダイオード・アレイとシンチレータ・アレイとの間に設けられている制御型空隙を、シンチレータ・アレイの上に設けられている反射防止層と共に用いる。フォトダイオード・アレイでの光吸収を改善するために、フォトダイオード・アレイは凹凸付き（textured）受光面を含んでいる。フォトダイオード・アレイに凹凸層を組み入れることにより、フォトダイオードの光収集効率が改善される。凹凸層は、ｘ軸及び／又はｙ軸に沿って延在していてよく、また凹凸形状は様々な形態であってよい。例えば、凹凸層は一連の錐（pyramid）形状の突起を含んでいてよい。

従って、本発明の一観点では、ＣＴ検出器が、受光したＸ線を光へ変換するように構成されているシンチレータのアレイを含んでいる。ＣＴ検出器はさらに、シンチレータのアレイと動作に関して関連しておりシンチレータのアレイから検出された光に応答して電気信号を出力するように構成されている光検出素子のアレイを含んでいる。シンチレータのアレイと光検出素子のアレイとの間に空隙が配設されている。

本発明のもう一つの観点では、イメージング・システム用のＣＴ検出器が、複数の光検出素子をアレイ状に構成すると共に複数のシンチレータをアレイ状に構成することにより形成される。次いで、１以上の反射防止層をシンチレータ・アレイに付着した後に、一様な空隙が間に延在するようにして各アレイを互いに結合する。

本発明のもう一つの観点では、ＣＴシステムが、中央にボア（中孔）を設けた回転式ガントリと、ボアを通して前後に移動可能でありＣＴデータ取得のために被検体を配置するように構成されているテーブルとを含んでいる。高周波電磁エネルギ投射源が回転式ガントリの内部に配置されており、被検体に高周波電磁エネルギを投射するように構成されている。ＣＴシステムはさらに、回転式ガントリの内部に配設されており、投射源によって投射されて被検体に入射した高周波電磁エネルギを検出するように構成されている検出器アレイを含んでいる。検出器アレイは、反射防止層を結合させたシンチレータ・アレイと、一様な空隙が間に延在するようにようにしてシンチレータ・アレイに結合されているフォトダイオード・アレイとを含んでいる。

本発明のさらにもう一つの観点では、ＣＴ検出器が、光を放出するように構成されている光出力面を有する複数のシンチレータから成るシンチレータ・アレイと、シンチレータ・アレイによって放出された光を検出して、検出した光を示す電気信号を出力するように構成されている複数の感光素子から成るフォトダイオード・アレイとを含んでいる。フォトダイオード・アレイは、非平面状の光検出面を有するように構築される。

本発明のさらにもう一つの観点では、ＣＴ検出器が、検出されたＸ線に基づいて光を出力する手段と、この出力する手段に結合されている光反射を防止する手段とを含んでいる。ＣＴ検出器はさらに、出力する手段によって出力された光を検出する手段であって、一様な空隙が間に延在するようにして上述の防止する手段に結合されている検出する手段を含んでいる。

本発明の他の様々な特徴、目的及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

図面は、本発明を実施するために現状で想到される好ましい一実施形態を示している。

４スライス型計算機式断層写真法（ＣＴ）システムに関連して本発明の動作環境を説明する。但し、当業者であれば、本発明がシングル・スライス型構成又は他のマルチ・スライス型構成での利用にも同等に適用可能であることが理解されよう。さらに、Ｘ線の検出及び変換に関連して本発明を説明する。しかしながら、当業者は、本発明が他の高周波電磁エネルギの検出及び変換にも同等に適用可能であることをさらに理解されよう。「第三世代」ＣＴスキャナに関連して本発明を説明するが、本発明は他のＣＴシステムにも同等に適用可能である。

図１及び図２には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム１０が、「第三世代」ＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２はＸ線源１４を有しており、Ｘ線源１４は、Ｘ線ビーム１６をガントリ１２の対向する側に設けられている検出器アレイ１８に向かって投射する。検出器アレイ１８は複数の検出器２０によって形成されており、検出器２０は一括で、患者２２を透過した投射Ｘ線を感知する。各々の検出器２０は、入射Ｘ線ビームの強度を表わし、従って患者２２を透過した減弱後のビームを表わす電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得するための一回の走査の間に、ガントリ１２、及びガントリ１２に装着されている構成部品が回転中心２４の周りを回転する。

ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御されている。制御機構２６はＸ線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、Ｘ線制御器２８はＸ線源１４に電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が検出器２０からのアナログ・データをサンプリングして、後続の処理のためにこれらのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って高速再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。

コンピュータ３６はまた、キーボードを有するコンソール４０を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている陰極線管表示器４２によって、操作者は再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給した指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２及びガントリ１２を配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。

図３及び図４に示すように、検出器アレイ１８は、シンチレータ・アレイ５６を形成している複数のシンチレータ５７を含んでいる。シンチレータ・アレイ５６の上方にはコリメータ（図示されていない）が配置されていて、Ｘ線ビーム１６がシンチレータ・アレイ５６に入射する前にＸ線ビーム１６をコリメートしている。

図３に示す一実施形態では、検出器アレイ１８は５７個の検出器２０を含んでおり、各々の検出器２０が１６×１６のアレイ寸法を有している。結果として、アレイ１８は１６行及び９１２列（１６×５７個の検出器）を有し、ガントリ１２の各回の回転で同時に１６枚のスライスのデータを収集できるようになっている。

図４のスイッチ・アレイ８０及び８２は、シンチレータ・アレイ５６とＤＡＳ３２との間に結合されている多次元半導体アレイである。スイッチ・アレイ８０及び８２は、多次元アレイとして配列されている複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、図示されていない）を含んでいる。ＦＥＴアレイは、フォトダイオード６０の各々にそれぞれ接続されている一定数の電気リードと、可撓性電気インタフェイス８４を介してＤＡＳ３２に電気的に接続されている一定数の出力リードとを含んでいる。具体的には、フォトダイオード出力の約半数がスイッチ８０に電気的に接続されており、フォトダイオード出力の残り半数がスイッチ８２に電気的に接続されている。加えて、反射層（図示されていない）が各々のシンチレータ５７の間に介設されて、隣接するシンチレータからの光拡散を減少させることができる。各々の検出器２０は、装着用ブラケット７９によって図３の検出器フレーム７７に固定されている。

スイッチ・アレイ８０及び８２はさらに、所望のスライス数、及び各々のスライスについての所望のスライス分解数に従ってフォトダイオード出力のイネーブル、ディスエーブル及び結合を行なうデコーダ（図示されていない）を含んでいる。デコーダは一実施形態では、当技術分野で公知のデコーダ・チップ又はＦＥＴコントローラである。デコーダは、スイッチ・アレイ８０及び８２並びにＤＡＳ３２に結合されている複数の出力線及び制御線を含んでいる。１６スライス・モードとして定義される一実施形態では、デコーダは、フォトダイオード・アレイ５２のすべての横列が起動されるようにスイッチ・アレイ８０及び８２をイネーブルにして、結果として、ＤＡＳ３２によって処理される１６スライス分のデータを同時に生成する。言うまでもなく、他の多くのスライスの組み合わせが可能である。例えば、デコーダは、１スライス・モード、２スライス・モード及び４スライス・モードを含めた他のスライス・モードから選択してもよい。

図５に示すように、適当なデコーダ命令を送信することにより、スイッチ・アレイ８０及び８２を４スライス・モードとして構成して、データがフォトダイオード・アレイ５２の１列以上の横列から成る４枚のスライスから収集されるようにすることができる。スイッチ・アレイ８０及び８２の特定の構成に応じて、１列、２列、３列又は４列のシンチレータ・アレイ素子５７でスライス厚みを構成し得るようにフォトダイオード６０の様々な組み合わせをイネーブル、ディスエーブル又は結合することができる。他の例としては、１．２５ｍｍ厚〜２０ｍｍ厚のスライスによる１枚のスライスを含んだシングル・スライス・モード、１．２５ｍｍ厚〜１０ｍｍ厚のスライスによる２枚のスライスを含んだ２スライス・モード等がある。所載以外のモードも想到される。

図６には、本発明によるＣＴ検出器２０の断面模式図が示されている。上述のように、ＣＴ検出器２０は、複数のシンチレータ５７によって形成されているシンチレータ・アレイ５６を含んでいる。シンチレータ・アレイ５６には反射防止層８６が結合されている。反射防止層８６は、単一層又は多数層を成す反射防止材料を含んでいてよく、フィルム又は樹脂等の形態にあってよい。反射防止層８６は、フォトダイオード・アレイ５２のフォトダイオード６０による光検出を改善するように、シンチレータ・アレイからの光射出を促進すべく作用する。

フォトダイオード・アレイ５２は、シンチレータ・アレイ５６によって放出される光の吸収を最大限にして、光をフォトダイオード・アレイ５２へ伝達するように設計されている凹凸層８８を含んでいる。フォトダイオード・アレイ５２の上に凹凸面８８を一体形成することにより、フォトダイオード６０の光収集効率が高まる。層又は表面８８の凹凸形状は、多くの形態を取ることが可能であり、また多くの製造方法に従って作製することができる。例えば、図６に示すように、凹凸層表面８８は、一連の錐形状の突起９０が形成されるように、ダイス、エッチング、型成形又は切断で加工される。但し、当業者は、他の形状の突起を具現化してよく、また他の作製方法を具現化してよいことを理解されよう。

ＣＴ検出器２０は、シンチレータ・アレイ５６に付着されている反射防止層８６と、フォトダイオード・アレイ５２に付着されている凹凸面８８との間に空隙９２が延在するようにして構成される。空隙９２は、フォトダイオード・アレイ及びシンチレータ・アレイの幅及び長さに沿って空隙の深さが一貫しているという点で、制御型空隙である。空隙は、いずれのアレイにも応力由来の破断を生じさせずに、様々な熱負荷の下でのＣＴ検出器の各構成要素の熱膨脹を許容するように設計されている。好ましくは、空隙９２の深さは、隣接するシンチレータ同士及びフォトダイオード同士の間での光学的なクロストークを減少させるように最小限にする。

ＣＴ検出器２０は、多くの手法に従って作製又は製造され得る。例えば、反射防止層８６は、スパッタリング、気相堆積及び他の方法によってフィルムとして付着されてシンチレータ・アレイ５６の光放出面に密着されてもよいし、或いは樹脂として付着されて硬化されてもよい。凹凸面８８は、各々のフォトダイオード６０の表面と一体形成されても複合材料として別個に付着されても表面８８に固定されているフォトダイオードの光収集を改善することができる。フォトダイオード・アレイ５２は、間に空隙９２を形成するようにして、様々な付着機構及び結合機構を用いてシンチレータ・アレイ５６に固定される。上述のように、空隙９２の深さを最小限にすることが望ましいが、空隙９２は、シンチレータ・アレイの反射防止層とフォトダイオード・アレイの凹凸面との間に空気隔離を保持するのに十分な深さでなければならない。凹凸面は、図６に示す錐形状の突起を含めて多くの成形突起を含んでいてよい。これらの形状は、複合材料のブロックをダイス、エッチング、型成形又は切断で加工することにより形成してもよいし、或いは鋳造工程時に形成してもよい。

図７について説明すると、小荷物／手荷物検査システム１００が、小荷物又は手荷物を通過させることのできる開口１０４を内部に有する回転式ガントリ１０２を含んでいる。回転式ガントリ１０２は、高周波電磁エネルギ源１０６と、図３及び図４に示すものと同様の複数の検出器セルを有する検出器アセンブリ１０８とを収容している。また、コンベヤ・システム１１０が設けられており、コンベヤ・システム１１０は、構造１１４によって支持されており走査のために開口１０４を通して小荷物又は手荷物１１６を自動的に且つ連続的に通過させるコンベヤ・ベルト１１２を含んでいる。対象１１６をコンベヤ・ベルト１１２によって開口１０４内に送り込み、次いで撮像データを取得し、コンベヤ・ベルト１１２によって開口１０４から小荷物１１６を除去することを、制御された連続的な態様で行なう。結果として、郵便物検査官、手荷物積み降ろし員及び他の保安人員が、小荷物１１６の内容物を爆発物、刃物、銃及び密輸品等について非侵襲的に検査することができる。

従って、本発明の一実施形態では、ＣＴ検出器が、受光したＸ線を光へ変換するように構成されているシンチレータのアレイを含んでいる。ＣＴ検出器はさらに、シンチレータのアレイと動作に関して関連しておりシンチレータのアレイから検出された光に応答して電気信号を出力するように構成されている光検出素子のアレイを含んでいる。シンチレータのアレイと光検出素子のアレイとの間に空隙が配設されている。

本発明のもう一つの実施形態では、イメージング・システム用のＣＴ検出器が、複数の光検出素子をアレイ状に構成すると共に複数のシンチレータをアレイ状に構成することにより形成される。次いで、１以上の反射防止層をシンチレータ・アレイに付着した後に、一様な空隙が間に延在するようにして各アレイを互いに結合する。

本発明のもう一つの実施形態では、ＣＴシステムが、中央にボアを設けた回転式ガントリと、ボアを通して前後に移動可能でありＣＴデータ取得のために被検体を配置するように構成されているテーブルとを含んでいる。高周波電磁エネルギ投射源が回転式ガントリの内部に配置されており、被検体に高周波電磁エネルギを投射するように構成されている。ＣＴシステムはさらに、回転式ガントリの内部に配設されており、投射源によって投射されて被検体に入射した高周波電磁エネルギを検出するように構成されている検出器アレイを含んでいる。検出器アレイは、反射防止層を結合させたシンチレータ・アレイと、一様な空隙が間に延在するようにようにしてシンチレータ・アレイに結合されているフォトダイオード・アレイとを含んでいる。

本発明のさらにもう一つの実施形態では、ＣＴ検出器が、光を放出するように構成されている光出力面を有する複数のシンチレータから成るシンチレータ・アレイと、シンチレータ・アレイによって放出された光を検出して、検出した光を示す電気信号を出力するように構成されている複数の感光素子から成るフォトダイオード・アレイとを含んでいる。フォトダイオード・アレイは、非平面状の光検出面を有するように構築される。

本発明のさらにもう一つの実施形態では、ＣＴ検出器が、検出されたＸ線に基づいて光を出力する手段と、この出力する手段に結合されている光反射を防止する手段とを含んでいる。ＣＴ検出器はさらに、出力する手段によって出力された光を検出する手段であって、一様な空隙が間に延在するようにして上述の防止する手段に結合されている検出する手段を含んでいる。

本発明を好適実施形態について説明したが、本書に明示的に述べたもの以外の均等構成、代替構成及び改変が可能であり、特許請求の範囲に属することが理解されよう。

ＣＴイメージング・システムの見取り図である。 図１に示すシステムのブロック模式図である。 ＣＴシステム検出器アレイの一実施形態の遠近図である。 検出器の一実施形態の遠近図である。 ４スライス・モードでの図４の検出器の様々な構成の図である。 本発明によるＣＴ検出器の断面の模式図である。 非侵襲的小荷物検査システムと共に用いられるＣＴシステムの見取り図である。

符号の説明

１０、１００ ＣＴシステム
１２、１０２ ガントリ
１４、１０６ Ｘ線源
１６ Ｘ線ビーム
１８、１０８ 検出器アレイ
２０ 検出器
２２ 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
４２ 表示器
４６ モータ式テーブル
４８、１０４ ガントリ開口
５２ フォトダイオード・アレイ
５６ シンチレータ・アレイ
５７ シンチレータ
６０ フォトダイオード
７７ 検出器フレーム
７９ 装着用ブラケット
８０、８２ スイッチ・アレイ
８４ 可撓性電気インタフェイス
８６ 反射防止層
８８ 凹凸層
９０ 錐形状の突起
９２ 空隙
１１０ コンベヤ・システム
１１２ コンベヤ・ベルト
１１４ 支持構造
１１６ 対象（手荷物、小荷物）

Claims (10)

1. 受光したＸ線を光へ変換するように構成されているシンチレータのアレイ（５６）と、
   該シンチレータのアレイ（５６）と動作に関して関連しており前記シンチレータのアレイ（５６）から検出された光に応答して電気信号を出力するように構成されている光検出素子のアレイ（５２）と、
   前記シンチレータのアレイ（５６）と前記光検出素子のアレイ（５２）との間に配設されている空隙（９２）とを備えた計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
2. 前記シンチレータのアレイ（５６）に結合されている反射防止層（８６）をさらに含んでいる請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
3. 前記光検出素子のアレイ（５２）は、前記シンチレータのアレイ（５６）により放出される前記光を受光する凹凸層（８８）を含んでいる、請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
4. 前記凹凸層（８８）は、前記光検出素子のアレイ（５２）の上面に沿って延在する一連の錐状突起（９０）を含んでいる、請求項３に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
5. 前記シンチレータのアレイ（５６）は二次元的に構成されている、請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
6. 前記光検出素子のアレイ（５２）は二次元的に構成されている、請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
7. 医療撮像スキャナ（１０）に組み入れられている請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
8. 前記光検出素子のアレイはアレイ（５２）状に構成されている複数の感光素子（６０）を含んでおり、前記アレイ（５２）は非平面状の光検出面（８８）を有している、請求項１に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
9. 前記シンチレータのアレイ（５６）に結合されている反射防止層（８６）と前記非平面状の光検出面（８８）との間に配設されている一様な空隙（９２）をさらに含んでいる請求項９に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。
10. 前記非平面状の光検出面（８８）は、該光検出面（８８）の全長及び全幅に沿って延在している一連の錐形状の突起（９０）を含んでいる、請求項８に記載の計算機式断層写真法（ＣＴ）検出器（２０）。

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