JP2005003444A

JP2005003444A - 放射線検出装置及び放射線撮像システム

Info

Publication number: JP2005003444A
Application number: JP2003165293A
Authority: JP
Inventors: Chiori Mochizuki; 千織望月
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】平面型の光電子増倍管と光センサ・アレイとを積層化することにより、大面積かつ小型で透視撮影が可能な高感度な放射線検出装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線は入射窓のＡｌ基板１より入射し、ＣｓＩ蛍光体２において可視光に変換され、更に、変換光はＳ２０光電陰極面３において電子に変換される。電子は、ＧａＰダイノード４において増倍され、硫化亜鉛系のＰ２０蛍光体５において、再び、可視光に変換され、ＭＩＳ型ＰＤとＴＦＴを組み合わせたセンサ基板７により検出される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線、γ線などの放射線を検出する放射線検出装置に関し、特に、医療画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用して好適な放射線検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｘ線を用いた医療画像診断において、デジタル化を可能としたフラットパネル検出器（以下、ＦＰＤと略記）が開発され、静止画像を得る一般撮影が一般化しつつある。勿論、動画像を得る透視撮影に適応すべく、様々な開発が行われている。
【０００３】
従来、この種の代表的なＦＰＤとしては、本発明者らが提案しているＭＩＳ型光電変換素子（以下、ＭＩＳ型ＰＤと略記）とスイッチＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とから構成されたＭＩＳ―ＴＦＴ構造の光センサ・アレイと蛍光体を組み合わせた放射線検出装置がある（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００４】
一方、ＰＩＮ型光電変換素子（以下、ＰＩＮ型ＰＤと略記）とスイッチＴＦＴとを組み合わせたＰＩＮ−ＴＦＴ構造、或いは、スイッチ素子にＰＩＮ型ダイオードを用いたＰＩＮ−ＰＩＮ構造の光センサ・アレイなど多岐に渡る提案がされている。ＰＩＮ型ＰＤとＴＦＴを用いたＦＰＤは、Ｘｅｒｏｘ社により開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
基本的には、上述の様な素子構成により、放射線を一旦、可視光に変換し、光センサで読み取る構成が一般的であり、これらは、一般に、間接型放射線検出装置と言われる。特に、ＭＩＳ―ＴＦＴ構造のＦＰＤは、製造方法が簡便で、低価格で機能的にも満足できる放射線検出装置である。
【０００６】
一方、上記間接型に対して、放射線を直接、電荷に変換する直接型の放射線検出装置がある。例えば、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）膜を用いた直接型放射線検出装置がある（例えば、非特許文献１参照）。これは、放射線を直接、電気信号に変換させるａ−Ｓｅ半導体薄膜を用いた放射線検出装置である。これは、間接型に比べて光学的損失がなく、また、発生した電荷を電界により引き出すため、十分厚膜化でき、その結果、高感度な検出装置が実現できると考えられている。
【０００７】
一般的なＦＰＤの模式的な等価回路図を図１２に示す。１０１は光電変換素子部、１０２は転送用ＴＦＴ部、１０３はＴＦＴ駆動配線、１０４は信号線、１０５はバイアス配線、１０６は信号処理回路、１０７はＴＦＴ駆動回路、１０８はＡ／Ｄ変換部である。
【０００８】
Ｘ線などの放射線は、図面に鉛直方向上部より入射する。間接型の場合、蛍光体（図示省略）により可視光に変換され、変換光は、光電変換素子部１０１により電荷に変換され、光電変換素子部１０１内に蓄積される。その後、ＴＦＴ駆動回路１０７より、ＴＦＴ駆動配線を介して転送用ＴＦＴ部１０２を動作させ、この蓄積電荷を信号線１０４に転送し、信号処理回路１０６にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換部１０８にてＡ／Ｄ変換されて出力される。
【０００９】
勿論、上述の光電変換素子部を直接変換素子部、或いは、それに接続された容量部などの機能素子に見立てれば、同一の等価回路となり直接型においても説明可能である。
【００１０】
更に、高感度な放射線検出装置として、平面型の光電子増倍管とＣＣＤを光学的に組み合わせ、高感度化を目指した平面型イメージインテンシファイア（以下、平面型Ｉ．Ｉと略記）なども開発されている（例えば、非特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−１１６０４４号公報（特許第３０６６９４４号）
【特許文献２】
米国特許６０７５２５６号明細書
【特許文献３】
米国特許６２８８４３５号明細書
【非特許文献１】
ＳＰＩＥ（ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｈｏｔｏ−ＯｐｔｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｓ）Ｖｏｌ．２７０８Ｐ５１１〜Ｐ５２２
【非特許文献２】
ＳＰＩＥＶｏｌ．３９７７（２０００）Ｐ１４５
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の間接型ＦＰＤにおいては、大面積で、且つ、完全デジタル化が達成され、一般撮影に主に使用され始めている状況であるが、透視撮影には、未だ感度の点で十分でない状況である。即ち、現在、透視撮影に使用されている従来のイメージインテンシファイア（以下、Ｉ．Ｉと略記）の感度は、上述のＦＰＤの感度に比較して、概ね、１桁以上高いと推定され、単純に言い換えれば、ＦＰＤを用いた場合、放射線量が１桁以上多く必要となり、現状の間接型ＦＰＤでは、透視撮影は困難である。
【００１３】
一方、現在、直接型材料として最も注目されているａ−Ｓｅ半導体薄膜は材料的な環境安定性に欠け、高温時の構造変化など本質的な問題を抱えている。更に、高電圧を印加する必要があるため、装置側での安全対策が必要となる。その結果、高価格化、大型化、取り扱いにおける煩雑化を伴い、汎用化には到らないと考えられる。
【００１４】
また、平面型Ｉ．Ｉは平面型の光電子増倍管をＣＣＤとレンズを用いて光学的に接続しているため、真に平面型とは言い難く、従来のＩ．Ｉと同様に装置的に大掛かりとなり、大面積化は、即ち、装置の大型化となり、従来のＩ．Ｉと同様の問題を抱える。即ち、従来のＦＰＤと同様な扱いは困難である。
【００１５】
そこで本発明は、大面積かつ小型化が達成でき、さらに透視撮影が可能な高感度な撮影装置を、平面型の光電子増倍管と光センサ・アレイとを積層化することにより実現可能とした放射線検出装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明は、平面型の光電子増倍管と、この光電子増倍管から出力された出力光を検出して電気信号に変換する光電変換素子、及びその電気信号を読み出すスイッチＴＦＴを含んで構成される平面型センサ・アレイとを積層化して構成することを特徴とする。
【００１７】
また、光電子増倍管を挟む上部基板と下部基板とを備え、センサ・アレイは、その下部基板に形成される。
【００１８】
更に、光電子増倍管は、画素単位に分割された構造であり、その画素ピッチとセンサ・アレイの画素ピッチは、互いに略同一ピッチ、或いは、光電子増倍管の画素ピッチはセンサ・アレイの画素ピッチの略整数倍となる様に配列した。
【００１９】
以上の構成によって、大面積かつ小型で高感度な撮影装置を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、第１実施形態の放射線検出装置の模式的断面図である。１はＡｌ基板、２はＣｓＩ蛍光体、３はＳ２０光電陰極、４はダイノード、５はＰ２０蛍光体、６は透明基板、７はセンサ基板である。同図において、Ｘ線は入射窓のＡｌ基板１より入射し、ＣｓＩ蛍光体２において可視光に変換され、更に、変換光はＳ２０光電陰極面３において電子に変換される。電子は、ＧａＰダイノード４において増倍され、硫化亜鉛系のＰ２０蛍光体５において、再び、可視光に変換され、ＭＩＳ型ＰＤとＴＦＴを組み合わせたセンサ基板７により検出される。
【００２２】
次に、図２に１画素の模式的断面図を示す。１１は絶縁基板、１２はＭＩＳ型ＰＤの下電極、１３はスイッチＴＦＴのゲート電極、１４は絶縁層、１５は真性ａ−Ｓｉ半導体層、１６はｎ型μｃ−Ｓｉ層、１７はバイアス線、１８は信号線、１９は保護層である。本実施形態では、ＭＩＳ型ＰＤとＴＦＴとから構成されるセンサ・アレイを例としたが、ＰＩＮ型ＰＤとＴＦＴとから構成されるセンサ・アレイでも本質的には同様である。
【００２３】
図３は、センサ基板の１画素の模式的平面図を示す。１０３はＴＦＴ駆動配線、１０４は信号線、１０１は光電変換素子部、１０２はＴＦＴ部である。
【００２４】
また、図４に平面型の光電子増倍管の１画素の模式的平面図を示す。夫々の画素ピッチは同一であり、画素中心を同一として積層される。即ち、上述の平面型の光電子増倍管は、ＣｓＩ蛍光体の柱状結晶から導光された変換光が各画素毎に区画されたダイノードで増倍され、その信号がセンサ基板の区画された単一画素に入射する構成になっている。
【００２５】
光電子増倍管の１画素の形態としては、図５、図６などの形状が考えられる。図５では開効率を最大限確保する場合であり、角部は一定の曲率を持たせた構造である。また、図６は転送用ＴＦＴ部に入射する光を遮光する構造である。
【００２６】
本実施形態では、センサ基板と光電子増倍管を個別に作成し、粘着材、或いは接着剤などで貼り合せることにより簡便に製造可能である。この時、センサ画素と光電子増倍管の画素の中心が重なるように積層する。
【００２７】
本実施形態により、解像度を低下させることなく、かえって向上させ、感度は１桁以上改善が可能となる。更に、大面積化に対しても、真の平面型Ｉ．Ｉを実現でき、コンパクトな放射線検出装置が実現可能となる。
【００２８】
（実施形態２）
図７は、第２実施形態の模式的断面図を示す。図中の符番は実施形態１と同様である。本実施形態では、光電子増倍管の下基板である透明基板を取り除き、センサ基板表面に直接、積層した構造である。
【００２９】
図８は、１画素の模式的断面図を示す。図中の符番は実施形態１と同様である。センサ基板の保護層１９上に、直接、Ｐ２０蛍光体５が積層され、順次ダイノード４、Ｓ２０光電陰極３、ＣｓＩ蛍光体２、Ａｌ基板１が積層されている構造である。
【００３０】
この時、センサ基板の保護層は、平坦化層との組み合わせなどによる多層構成が信頼性向上、或いは、光電子増倍管を積層する上でも望ましい。
【００３１】
本構成では、実施形態１に比較して、光電子増倍管の下基板である透明基板が取り除かれている構造であるため、透過光の散乱が少なく、解像度を更に改善できる。
【００３２】
この時、Ｐ２０蛍光体５、ダイノード４までは、センサ基板に連続して作成し、Ａｌ基板１上に積層されたＣｓＩ蛍光体２、Ｓ２０光電陰極３の別基板を張り合わせることで製造可能である。勿論、光電子増倍管とセンサ基板間は、真空化され、周辺で封止されている構造である。
【００３３】
（実施形態３）
本実施形態では、センサ基板の画素ピッチと光電子増倍管の画素ピッチの関係について述べる。通常、光電子増倍管の画素領域では、１次電子をダイノードに衝突させ、２次電子放出を誘発させ、増倍させるが、この時、上方から見たダイノードの形状は、収率の関係から円形が望ましいが、一方、センサ入射光量が低下する場合もあり、画素サイズとの関係で決定される。
【００３４】
実施形態２においては、センサ基板の画素ピッチと光電子増倍管の画素ピッチが一致している場合について述べた。本実施形態では、光電子増倍管の画素ピッチがセンサ基板の画素ピッチの整数倍とし、解像力の更なる向上を達成する構成の一例を示す。
【００３５】
図９に、光電子増倍管の画素とセンサ画素の関係を示す。図中、２０はセンサ画素領域、４はダイノードである。一例として、１つのセンサ画素領域に、光電子増倍管の９画素が対応している。勿論、センサ画素ピッチに対応した適切な光電子増倍管の画素数がある。
【００３６】
更に、光電子増倍管の画素ピッチに比較して、センサ画素ピッチが十分大きい場合、遮光すべきＴＦＴ領域に光電子増倍管の画素を設置しないことにより、高品位な画像を更に得ることも可能である。
【００３７】
勿論、実施形態１の様に、矩形状の開口を有する光電子増倍管の画素形状であっても可能である。
【００３８】
（実施形態４）
本実施形態では、センサ基板、或いは、平面型光電子増倍管のパターン露光時に必然的に発生する画素ピッチのズレ、及び、歪みが発生した場合についての一例を示す。
【００３９】
画素ピッチのズレや歪みは、露光機の精度により決定され、通常２〜３μｍである。故に、センサ基板と平面型光電子増倍管を重ね合わせる場合には最大で４〜６μｍ程度ずれる事が予想される。その結果、図１０の様にセンサ基板、或いは、平面型光電子増倍管の画素において、ズレが発生してもセンサ画素内に平面型光電子増倍管の画素が入っている様に予め各画素間の距離を決定する。
【００４０】
また、上記の様にマージンを考慮すれば、互いの画素ピッチを完全に同一とする必要は無い。
【００４１】
（実施形態５）
図１１は、本発明による放射線検出装置のＸ線診断システムへの適用例を示したものである。
【００４２】
Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線検出装置（イメージセンサ）６０４０に入射する。この入射したＸ線には被験者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応して表面の蛍光体によって可視光に変換し、これを光電子増倍して、さらに光電変換し、電気信号を得る。この電気信号はデジタル変換されイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室のディスプレイ６０８０で観察できる。
【００４３】
また、この画像情報は電話回線６０９０等の伝送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ディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。またフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。
【００４４】
以上の実施形態では、Ｘ線撮像システムを例に説明したが、シンチレータによって放射線を光に変換し、この光を光電変換する装置構成としても、同様である。なお、放射線とはＸ線以外のα，β，γ線等を含む。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平面型の光電子増倍管と光センサ・アレイとを積層化することにより、大面積かつ小型化が可能となり、透視撮影が可能な高感度な撮影装置を実現することができる。更に、高解像化も同時に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の放射線検出装置の模式的断面図である。
【図２】実施形態１の１画素の模式的断面図である。
【図３】センサ基板の１画素の模式的平面図である。
【図４】平面型光電子増倍管の１画素の模式的平面図である。
【図５】光電子増倍管の１画素の形態を示す図である。
【図６】光電子増倍管の１画素の形態を示す図である。
【図７】実施形態２の放射線検出装置の模式的断面図である。
【図８】実施形態２の１画素の模式的断面図である。
【図９】光電子増倍管の画素とセンサ画素の関係を示す図である。
【図１０】光電子増倍管の画素とセンサ画素の関係を示す図である。
【図１１】本発明による放射線検出装置のＸ線診断システムへの適用例を示す図である。
【図１２】従来のＦＰＤの模式的等価回路図である。
【符号の説明】
１Ａｌ基板
２ＣｓＩ蛍光体
３Ｓ２０光電陰極
４ダイノード
５Ｐ２０蛍光体
６透明基板
７センサ基板
１１絶縁基板
１２ＭＩＳ型ＰＤの下電極
１３スイッチＴＦＴのゲート電極
１４絶縁層
１５真性ａ−Ｓｉ半導体層
１６ｎ型μｃ−Ｓｉ層
１７バイアス線
１８信号線
１９保護層
２０センサ画素領域
１０１光電変換素子部
１０２転送用ＴＦＴ部
１０３ＴＦＴ駆動配線
１０４信号線
１０５バイアス配線
１０６信号処理回路
１０７ＴＦＴ駆動回路
１０８Ａ／Ｄ変換部

Claims

平面型の光電子増倍管と、
この光電子増倍管から出力された出力光を検出して電気信号に変換する光電変換素子、及びその電気信号を読み出すスイッチを含んで構成される平面型センサ・アレイとを積層化して構成することを特徴とする放射線検出装置。
前記光電子増倍管を挟む上部基板と下部基板とを備え、
前記センサ・アレイは、該下部基板に形成されていることを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
前記光電子増倍管は、画素単位に分割された構造であり、
該画素ピッチと前記センサ・アレイの画素ピッチは、互いに略同一ピッチ、或いは、前記光電子増倍管の画素ピッチは前記センサ・アレイの画素ピッチの略整数倍であることを特徴とする請求項１又は２記載の放射線検出装置。
被験者または被験物に放射線を照射するための放射線源と、
この放射線を検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線検出装置と、
この検出された信号をデジタル変換して画像処理する画像処理手段と、
この処理された画像を表示する表示手段とを備えることを特徴とする放射線撮像システム。