JP2006029839A - Ｘ線検出装置およびｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光利用率の良い光検出器を持つＸ線検出装置、および、そのようなＸ線検出装置を備えたＸ線ＣＴ装置を実現する。
【解決手段】 Ｘ線をシンチレータで光に変換して光検出器で検出するＸ線検出装置であって、光検出器は、６角形の受光面がハニカム状の２次元アレイを形成するように配列された複数の受光素子（５４２）を具備する。６角形は正６角形である。２次元アレイは円筒状に湾曲したアレイである。２次元アレイは平面的なアレイである。受光素子は半導体受光素子である。半導体受光素子がはフォトダイオードである。フォトダイオードはシリコン・フォトダイオードである。フォトダイオードはバックリット型のフォトダイオードである。
【選択図】 図６

Description

本発明はＸ線検出装置およびＸ線ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置に関し、さらに詳しくは、Ｘ線をシンチレータ（ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ）で光に変換して光検出器で検出するＸ線検出装置、および、そのようなＸ線検出装置を備えたＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線源から被検体に照射したＸ線を、被検体に関してＸ線源とは反対側においてシンチレータで光に変換して多チャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）の光検出器で検出し、この検出信号に基づいて画像を再構成することが行われる。

マルチスライス（ｍｕｌｔｉ−ｓｌｉｃｅ）型のＸ線ＣＴ装置では、多チャンネル光検出器として、フォトダイオード（ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）の２次元アレイ（ａｒｒａｙ）が用いられる。２次元アレイを構成する個々のフォトダイオードすなわち受光セル（ｃｅｌｌ）は、正方形または長方形の受光面を有する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３４９９４９号公報（第４−５頁、図１−３）

上記のような光検出器では、受光セル同士のアイソレーション（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）のために、個々の受光面が所定の間隔をあけて配列される。このため、受光面の間の部分は光を感知しないデッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）となる。

画像の高解像度化のために受光セルの高密度化が要求されるが、高密度化に伴って受光セル１個当たりの受光量が減少するとともにデッドスペースの比率が増すので、高密度になるほど受光セルにおける光利用率が重要になる。

そこで、本発明の課題は、光利用率の良い光検出器を持つＸ線検出装置、および、そのようなＸ線検出装置を備えたＸ線ＣＴ装置を実現することである。

（１）上記の課題を解決するためのひとつの観点での発明は、Ｘ線をシンチレータで光に変換して光検出器で検出するＸ線検出装置であって、前記光検出器は、６角形の受光面がハニカム状の２次元アレイを形成するように配列された複数の受光素子を具備する、ことを特徴とするＸ線検出装置である。

（２）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、Ｘ線源から被検体に照射したＸ線を被検体に関してＸ線源とは反対側においてシンチレータで光に変換して光検出器で検出し、この検出信号に基づいて画像を再構成するＸ線ＣＴ装置であって、前記光検出器は、６角形の受光面がハニカム状の２次元アレイを形成するように配列された複数の受光素子を具備する、ことを特徴とするＸ線ＣＴ装置である。

前記６角形が正６角形であることが、等方性を有するＸ線検出装置を得る点で好ましい。
前記２次元アレイが円筒状に湾曲したアレイであることが、コーンビームＸ線への適応が良い点で好ましい。

前記２次元アレイが平面的なアレイであることが、フラットパネル型のＸ線検出装置を得る点で好ましい。
前記受光素子が半導体受光素子であることが、微素子化が容易な点で好ましい。

前記半導体受光素子がフォトダイオードであることが、検出感度が良い点で好ましい。
前記フォトダイオードがシリコン・フォトダイオードであることが、特性が安定な点で好ましい。

前記フォトダイオードがバックリット型のフォトダイオードであることが、信号取り出しが容易な点で好ましい。

上記各観点での発明では、光検出器は、６角形の受光面がハニカム状の２次元アレイを形成するように配列された複数の受光素子を具備するので、光利用率の良い光検出器を持つＸ線検出装置、および、そのようなＸ線検出装置を備えたＸ線ＣＴ装置を実現することができる。

以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明は、発明を実施するための最良の形態に限定されるものではない。図１にＸ線ＣＴ装置の構成を示す。本装置は本発明を実施するための最良の形態の一例である。本装置の構成によって、Ｘ線ＣＴ装置に関する本発明を実施するための最良の形態の一例が示される。

同図に示すように、本装置は、ガントリ（ｇａｎｔｒｙ）１００、テーブル２００およびオペレータコンソール（ｏｐｅｒａｔｏｒ ｃｏｎｓｏｌｅ）３００を有する。ガントリ１００は、テーブル２００によって搬入される被検体１０を、Ｘ線照射・検出装置１１０でスキャン（ｓｃａｎ）してスキャンデータ（ｓｃａｎ ｄａｔａ）を収集し、スキャンデータをオペレータコンソール３００に入力する。オペレータコンソール３００は、ガントリ１００から入力されたデータに基づいて画像再構成を行い、再構成した画像をディスプレイ（ｄｉｓｐｌａｙ）３０２に表示する。

オペレータコンソール３００は、また、ガントリ１００とテーブル２００の動作を制御する。オペレータコンソール３００による制御の下で、ガントリ１００は所定のスキャン条件でスキャンを行い、テーブル２００は所定の部位がスキャンされるように、撮影空間における被検体１０の位置決めを行う。位置決めは、内蔵する位置調節機構により、天板２０２の高さおよびその上のクレードル（ｃｒａｄｌｅ）２０４の水平移動距離を調節することによって行われる。

天板２０２の高さ調節は、支柱２０６をベース（ｂａｓｅ）２０８への取付部を中心としてスイング（ｓｗｉｎｇ）させることによって行われる。支柱２０６のスイングによって、天板２０２は上下方向および水平方向に変位する。クレードル２０４は天板２０２上で水平方向に変位する。スキャン条件によっては、ガントリ１００をチルト（ｔｉｌｔ）させた状態でスキャンが行われる。ガントリ１００のチルトは、内蔵のチルト機構によって行われる。

図２に、Ｘ線照射・検出装置１１０の構成を模式的に示す。同図に示すように、Ｘ線照射・検出装置１１０は、Ｘ線管１３０の焦点１３２から放射されたＸ線１３４をＸ線検出装置１５０で検出するようになっている。

Ｘ線検出装置１５０は、本発明を実施するための最良の形態の一例である。本装置の構成によって、Ｘ線検出装置に関する本発明を実施するための最良の形態の一例が示される。

Ｘ線１３４は、図示しないコリメータ（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）で成形されてコーンビーム（ｃｏｎｅ ｂｅａｍ）Ｘ線となる。Ｘ線検出装置１５０は、コーンビームＸ線の広がりに対応して２次元的に広がるＸ線入射面１５２を有する。Ｘ線検出装置１５０は円筒の一部を構成するように湾曲している。円筒の中心軸は焦点１３２を通る。

Ｘ線照射・検出装置１１０は、撮影中心すなわちアイソセンタ（ｉｓｏｃｅｎｔｅｒ）Ｏを通る中心軸の周りを回転する。中心軸は、Ｘ線検出装置１５０が形成する部分円筒の中心軸に平行である。

回転の中心軸の方向をｚ軸方向とし、アイソセンタＯと焦点１３２を結ぶ方向をｙ軸方向とし、ｚ軸方向およびｙ軸方向に垂直な方向をｘ軸方向とする。これらｘ，ｙ，ｚ軸はｚ軸を中心軸とする回転座標系の３軸となる。

図３に、Ｘ線検出装置１５０の部分的構成を示す。同図は図２における破線囲み部分を拡大したものに相当する。同図に示すように、Ｘ線検出装置１５０は、シンチレータ５０２と光検出器５０４を支持板５０６の上に設け、入射Ｘ線をシンチレータ５０２で光に変換して光検出器５０４で検出するようになっている。光検出器５０４は、本発明における光検出器の一例である。

図４に、光検出器５０４の部分的構成を断面図によって示す。同図は、図３における破線囲み部分の断面を拡大したものに相当する。同図に示すように、光検出器５０４は、例えば、Ｎ型半導体基板５４０にＰ層５４２を複数個形成したものとなっている。Ｎ型半導体としては例えばシリコン（Ｓｉ）が用いられる。Ｐ層５４２は例えばボロン（Ｂ）の選択拡散によって形成される。以下、Ｎ型半導体基板５４０を単に基板５４０ともいう。

複数のＰ層５４２は、基板５４０においてそれぞれＰＮ接合を形成する。各ＰＮ接合はフォトダイオードを構成し、Ｐ層側から入射した光を電気信号に変換する受光素子となる。Ｐ層５４２の表面は受光素子の受光面となる。各受光素子の光検出信号は基板５４０をコモン（ｃｏｍｍｏｎ）としてＰ層５４２側から個々に出力される。

以下、Ｐ層５４２によって受光素子を代表する。また、Ｐ層５４２を受光素子５４２またはフォトダイオード５４２ともいう。受光素子５４２またはフォトダイオード５４２は本発明における受光素子の一例である。

Ｐ層側から入射する光を検出するように構成されたフォトダイオードは、フロントリット（ｆｒｏｎｔｌｉｔ）・フォトダイオードと呼ばれる。これに対して、図５に示すようにＰ層側とは反対から入射する光を検出するように構成されたフォトダイオードは、バックリット（ｂａｃｋｌｉｔ）・フォトダイオードと呼ばれる。光検出器５０４におけるフォトダイオードはどちらのタイプ（ｔｙｐｅ）であってもよいが、バックリット・フォトダイオードの方が出力信号の取り出しが容易である。

図６に、光検出器５０４における受光素子５４２の配列を示す。同図は、光検出器５０４を光の入射側から見た図である。同図に示すように、複数の受光素子５４２は、いずれも正６角形の平面形状を有し、それらがハニカム（ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）状の２次元アレイを形成するように配列される。受光素子５４２の平面形状は受光面の形状を表す。

図７に、１つの受光素子５４２に着目した拡大図を示す。同図に示すように、正６角形の受光面は一辺の長さがｂである。この受光素子の受光面の縁から隣の受光素子の受光面の縁までの距離はｃである。距離ｃは隣り合う受光面同士の間隔となる。以下、距離ｃを間隔ｃともいう。この間隔ｃの部分は入射光に不感なデッドスペースとなるが、受光素子間のアイソレーション上不可欠な部分である。

受光面の面積は次式で与えられる。

間隔ｃの２等分点を繋ぐ破線の範囲内を１つの受光素子のセル領域とすると、セル領域の面積は次式で与えられる。

このような光検出器５０４に対する比較例として、図８に示すように、各受光素子の受光面が正方形となっている光検出器を考える。このような光検出器は前述の従来例に相当する。

図９に、１つの受光素子に着目した拡大図を示す。ここで、正方形の受光面の一辺の長さをａとし、隣り合う受光面同士の間隔をｃとすると、受光面の面積は次式で与えられ、

受光素子のセル領域の面積は次式で与えられる。

このような２種類の光検出器について、受光素子における光利用率の相違を説明する。光利用率の相違を見るために、それぞれのセル領域の面積Ｓ２，Ｓ４を同一にして両光検出器における光の入射条件を同一にする。

すなわち、

とする。
ここで、

とおくと、ｂは

と表すことができる。ここで、ｋは定数であり、Ｘは変数である。
変数Ｘは正方形受光面の一辺の長さａに対する間隔ｃの比である。この比を０．１から０．５まで変えて、正６角形受光面の一辺の長さｂの値と、それに対応する正６角形受光面の面積の値を求めると、図１０に示すような値が得られる。ただし、ｂの値はａに対する比として表し、正６角形受光面の面積の値は正方形受光面の面積に対する比として表す。

これらをグラフ（ｇｒａｐｈ）で示せば、それぞれ、図１１および図１２のようになる。図１２から明らかなように、正６角形受光面の面積は常に正方形受光面の面積より大きく、しかもａに対するｃの比の増大に伴って大きくなる。

このことから、正６角形受光面の方が正方形受光面よりも光の利用率が高いことがわかる。光利用率が高いことにより、正６角形受光面を持つ受光素子の方が感度の良い光検出を行うことができる。また、光利用率の相違は、ａに対するｃの比すなわちデッドスペースの増加とともに増大するので、画像の高解像度化のために受光素子を微素子化するほど正６角形受光面が有利となる。

また、補間演算を併用して受光素子の密度より高い密度の検出データを得る場合にも、正６角形受光面が有利である。何故なら、データ取得の中心から補間点までの距離は、正６角形受光面の場合は、図７に示すように、

となるが、正方形受光面の場合に、図９に示すように、

となり、セル領域面積同一の条件下ではｄ１がｄ２よりも小さいからである。
以上、受光素子の受光面が正６角形である例について説明したが、受光面の形状は正６角形に限らず、６辺の長さが等しい６角形であってよい。ただし、正６角形は等方性を実現する点で好ましい。

また、受光素子の２次元アレイが、円筒状に湾曲したアレイである例を示したが、受光素子の２次元アレイは平面的なアレイであってよい。これによって、フラットパネル（ｆｌａｔ ｐａｎｎｅｌ）型のＸ線検出装置を得ることができる。ただし、円筒状に湾曲したアレイはコーンビームＸ線への適応性の良い点で好ましい。

また、受光素子がフォトダイオードである例で説明したが、受光素子はフォトダイオードに限らず、例えば化合物光半導体等、他の方式の半導体による受光素子であってよい。半導体受光素子は微素子化が容易である。ただし、フォトダイオードは検出感度が良い点で好ましい。とりわけ、シリコン・フォトダイオードは特性が安定な点で好ましい。なお、フォトダイオードは化合物半導体によるフォトダイオードであってよい。

また、フォトダイオードがＰＮフォトダイオードである例を説明したが、フォトダイオードは、例えば、ＰＩＮフォトダイオード、ショットキ型フォトダイオード、ＡＰＤ等、他の方式のフォトダイオードであってよい。

本発明を実施するための最良の形態の一例のＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。 Ｘ線照射・検出装置の構成を示す図である。 Ｘ線検出装置の部分的構成を示す図である。 光検出器の断面を示す図である。 光検出器の断面を示す図である。 光検出器おける受光素子の配列を示す図である。 受光素子の受光面とセル領域の関係を示す図である。 比較用の光検出器おける受光素子の配列を示す図である。 比較用の光検出器おける受光素子の受光面とセル領域の関係を示す図である。 受光面の大きさの計算結果を示す図である。 受光面の大きさの計算結果を示すグラフである。 受光面の大きさの計算結果を示すグラフである。

符号の説明

１００ ガントリ
２００ テーブル
３００ オペレータコンソール
１１０ Ｘ線照射・検出装置
１３０ Ｘ線管
１３２ 焦点
１３４ Ｘ線
１５０ Ｘ線検出装置
１５２ Ｘ線入射面
５０２ シンチレータ
５０４ 光検出器
５０６ 支持板
５４０ Ｎ型半導体基板
５４２ Ｐ層

Claims (16)

1. Ｘ線をシンチレータで光に変換して光検出器で検出するＸ線検出装置であって、
   前記光検出器は、６角形の受光面がハニカム状の２次元アレイを形成するように配列された複数の受光素子を具備する、
   ことを特徴とするＸ線検出装置。
2. 前記６角形が正６角形である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出装置。
3. 前記２次元アレイが円筒状に湾曲したアレイである、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸ線検出装置。
4. 前記２次元アレイが平面的なアレイである、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸ線検出装置。
5. 前記受光素子が半導体受光素子である、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載のＸ線検出装置。
6. 前記半導体受光素子がフォトダイオードである、
   ことを特徴とする請求項５に記載のＸ線検出装置。
7. 前記フォトダイオードがシリコン・フォトダイオードである、
   ことを特徴とする請求項６に記載のＸ線検出装置。
8. 前記フォトダイオードがバックリット型のフォトダイオードである、
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のＸ線検出装置。
9. Ｘ線源から被検体に照射したＸ線を被検体に関してＸ線源とは反対側においてシンチレータで光に変換して光検出器で検出し、この検出信号に基づいて画像を再構成するＸ線ＣＴ装置であって、
   前記光検出器は、６角形の受光面がハニカム状の２次元アレイを形成するように配列された複数の受光素子を具備する、
   ことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
10. 前記６角形が正６角形である、
    ことを特徴とする請求項９に記載のＸ線ＣＴ装置。
11. 前記２次元アレイが円筒状に湾曲したアレイである、
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のＸ線ＣＴ装置。
12. 前記２次元アレイが平面的なアレイである、
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のＸ線ＣＴ装置。
13. 前記受光素子が半導体受光素子である、
    ことを特徴とする請求項９ないし請求項１２のうちのいずれか１つに記載のＸ線ＣＴ装置。
14. 前記半導体受光素子がフォトダイオードである、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のＸ線ＣＴ装置。
15. 前記フォトダイオードがシリコン・フォトダイオードである、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＸ線ＣＴ装置。
16. 前記フォトダイオードがバックリット型のフォトダイオードである、
    ことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載のＸ線ＣＴ装置。

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