JP2006234812A - 半導体ｘ線検出器の安定化を改良するためのシステム、方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動的な機械荷重下で迅速に安定化することができるディジタル式Ｘ線検出器システムを提供する。
【解決手段】半導体Ｘ線検出器１００は、外部表面１０８及び内部表面１０９を有する最上層１０２にＸ線検出素子１０６のアレイ１０４を有する。内部表面１０９は実質的に電気非消費性である。さらに、内部表面１０９に隣接した電気接地経路及び電気消費層１１０、これとベース１３０の間に電気の不良導体である吸収層１２０を有する。電気消費層１１０は最上層１０２の内部表面１０９から電気接地経路への静電荷の放電を容易にすることができる。電気消費層１１０が熱及び光を適正に吸収していれば、吸収層１２０はなくてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、全般的にはＸ線撮像及びディジタル式Ｘ線検出器の分野に関する。より具体的には、本発明は、動的な機械荷重下で迅速に安定化することができる半導体Ｘ線検出器に関する。

従来技術のディジタル式Ｘ線検出器は次のような方式で製作されるのが一般的である。内部表面と外部表面をもつ基板から開始して、この基板の外部表面上に多数の検出器素子を配列させる。この配列によって検出器素子のアレイが生成される。各検出器素子は１つのシンチレータと１つのフォトセンサを含む。シンチレータはＸ線エネルギーを光エネルギーに変換する。一方フォトセンサは、この可視光エネルギーに対して感受性を有する。基板の内部表面上には黒色または暗色のビニールなどの吸収性材料の層を配置させる。吸収性材料はＸ線検出の間に検出器から発生される光及び熱を吸収する。この材料を支持するように接地されたベースまたはフレームが設けられる。このベースは、シャーシ、アース、または適当な別の任意の共有点に対して接地することができる。

この基板はガラスなどの絶縁材料を備えることがある。別法としてこの基板は、導電性材料を備えることがある。導電性材料を備えた基板の場合、その外部表面に対して非導電性材料を付着させた後で検出器素子のアレイを配列させることがある。

今日では、Ｘ線撮像で使用される半導体フォトセンサは、アモルファス・シリコンのフォトダイオードから形成されるのが典型的である。アモルファス・シリコン・フォトダイオードは固有キャパシタンスを有する。したがって、各フォトダイオードはコンデンサのような働きをする、例えばフォトダイオードは充電電圧まで充電されることや、放電されることがある。

ディジタル検出器を用いて正確なＸ線画像を得るには、個々の検出器素子間の変動を補償することが必要である。例えば個々の検出器素子から少なくとも２つの別々の読み値を取得して単一のＸ線画像を作成することによって補償が実施されることがある。

半導体検出器によってＸ線画像を作成するためには以下の方法が使用されることがある。先ず、各フォトダイオードの固有キャパシタンスに従って各検出器素子が充電電圧まで充電される。次いで、ある期間Ｔの間だけＸ線源によって検出器にＸ線を与える。Ｘ線の照射は、検出器素子にある電荷を失わせ、したがって各フォトダイオードの両端の電圧を低下させる。Ｘ線照射後、各検出器素子は再充電を受ける。再充電の間に、各検出器素子に流入する電荷（あるいは、別法として電流）の量が計測される。再充電の計測値のそれぞれは、各検出器素子が検出したＸ線エネルギー量と各検出器素子オフセット特性を足し合わせたものを表している。換言すると、各再充電計測値は各検出器素子におけるノイズ性（ｎｏｉｓｙ）信号を表している。

ノイズ／オフセットの影響を補償するためには、「暗画像」という第２の計測値を取得することがある。最初にノイズ性信号計測を実施した後に遅延を入れ、次いで再度各検出器素子を再充電することがある。再充電中に、各検出器素子内に流入する電流／電荷の量が再度計測される。再充電の計測値のそれぞれは、各検出器素子のオフセットを表している。検出器素子アレイに関するこれらの計測値の和が「暗画像」となる、というのはこの暗画像の計測値が検出器素子にＸ線を照射することなく取得されるためである。暗画像（第２の計測値）はノイズ性信号画像（第１の計測値）から差し引かれる。この方式により、例えば最終のＸ線画像内で、検出器素子の変動に由来するノイズに対する考慮が可能となる。

システムのリークを考慮に入れるために暗画像を収集する前に遅延を入れることが好ましい。この遅延期間は検出器アレイの最初の充電とノイズ性信号画像収集の間の遅延Ｔと同じとすることがある。この方法を用いると、画像収集の各工程は以下となる、すなわち：検出器アレイを充電する工程；アレイにＸ線を照射する間に期間Ｔにわたり遅延させる工程；ノイズ性信号画像を取得するために電荷の流れを計測しながらアレイを再充電する工程；期間Ｔにわたって遅延させる工程；暗画像を取得するために電荷の流れを計測しながら検出器アレイを再充電する工程、となることがある。システムのリークが期間Ｔにわたって実質的に反復可能な方式で起こると仮定すると、画像収集システムはシステムのリークを考慮に入れることができる。別法として、時間の経過に伴う既知のまたは想定されるシステムの電荷リークに基づいて、第２の遅延期間がＴと異なる期間となるように選択されることがある。

上述した計測は高感度であり、必要とする電荷または電流量は比較的小さい。この計測の確度は、様々なノイズ・ファクタにより低下することがある。こうしたノイズ・ファクタのうちの１つは静電荷に由来する電磁的干渉（ＥＭＩ）である。

ディジタル式Ｘ線検出器は、従来の放射線写真フィルム／カセッテ式のイメージング・システムと比べて多くの利点を提供する。放射線写真フィルムは時間と費用がかかる現像を必要とする。フィルムは、ある物理的スペースに保管しなければならない。さらにフィルムでは、追加的な画像を作成するには物理的な変更が必要となる。

これらの欠点やその他の欠点にも関わらず、放射線写真フィルムによる検出体は、従来技術のディジタル式Ｘ線検出器と比べて依然として少なくとも１つの重要な利点を有している。フィルムベースの検出体は画質に大きな損失を与えることなく動的な機械荷重を受け容れることができる。これに対して従来技術のディジタル式Ｘ線検出器は、機械荷重をシフトさせた後に安定化させるまでに比較的長い時間がかかる。安定化の間では、ディジタル式イメージング・システムが作成する画像は劣化している。加わる力が変化するごとに、正確な画像を提供するためにシステムを再度安定化させなければならない。

ディジタル式Ｘ線検出器が脱安定化状態となる原因の１つは静電気である。検出器に対する機械荷重が変動すると、検出器のガラスプレートの底側表面が吸収層など検出器の別の材料と擦り合わされる。摩擦や接触があると、非消費性であるガラスの内部表面上に静電気が蓄積する。例えば吸収層は絶縁性が低く、金属製ベースなど検出器の導電性ベースに静電荷が迅速に放電されるのを妨げる。電荷がガラスプレートからベースへゆっくりと放電されるのに伴って、システムの電圧及び電界が変化する。半導体検出器素子及び計測システムは、これら変化する電圧や電界に影響を受けやすいことがある。静電荷のこの低速の消費は、計測過程における誤差やノイズの重大な発生源となることがある。静電荷の消費が低速であるために、Ｘ線ノイズ性信号計測値と暗画像計測値の両方の確度が低下することがある。

したがって、動的な機械荷重下で迅速に安定化することができるディジタル式Ｘ線検出器システムが必要とされている。さらに、静電荷を消費して画質を改良することができるディジタル式Ｘ線検出器システムが必要とされている。

本発明のある種の実施形態は、半導体Ｘ線検出器の安定化を改良するための方法、システム及び装置を提供する。一実施形態では、Ｘ線を検出するための方法は、外部表面と内部表面の両者を含んだ最上層を備えた半導体Ｘ線検出器を提供することを含む。この内部表面は実質的に電気非消費性である。本方法はさらに、最上層の内部表面に隣接して消費層を設けることを含む。さらに本方法は、内部表面上に蓄積された電荷の少なくとも一部分を消費層を通じて放電することを含む。

一実施形態では、そのＸ線の検出方法はさらに、複数の半導体Ｘ線検出器素子を提供することを含む。各検出器素子は１つの電圧と１つのコンデンサを備える。このコンデンサは１つの充電ポテンシャルを有する。

別の実施形態では、そのＸ線の検出方法はさらに、複数の検出器素子の少なくとも一部分の電圧を安定化することを含む。追加的な実施形態では、本方法は、各検出器素子コンデンサを当該コンデンサの充電ポテンシャルのかなりの部分まで充電するために使用される電荷量を計測することを含む。

本方法の一実施形態では、その最上層はガラスを含む。別の実施形態では、その吸収層はビニールを含む。一実施形態では、そのＸ線の検出方法はさらに、被検体を少なくとも部分的に最上層の外部表面上に位置決めすることを含む。一実施形態では、本方法はさらに、被検体を透過させたＸ線を複数のＸ線検出器素子の少なくとも一部分に向けて導くことを含む。

別の実施形態では、その消費層は酸化インジウム・スズを含む。さらに別の実施形態では、その消費層は実質的に不透明な材料を含む。

一実施形態では、Ｘ線を検出するためのシステムは、外部表面と内部表面を有する最上層を含む。この内部表面は実質的に電気非消費性である。本システムはさらに、最上層の内部表面に隣接して電気接地経路及び電気消費層を含む。この電気消費層は、電気非消費層の内部表面から電気接地経路への静電荷の放電を容易にすることができる。

一実施形態では、そのＸ線検出システムはさらに、最上層の外部表面上に位置決めされた複数のＸ線検出器素子を含む。Ｘ線検出器素子のそれぞれは少なくとも１つの電圧を有する。別の実施形態では、その電気消費層は、Ｘ線検出器素子の少なくとも一部分の少なくとも１つの電圧を実質的に安定化することが可能である。さらに別の実施形態では、そのＸ線検出システムはさらに、電気消費層と電気接地経路の間に配置された吸収層含む。

一実施形態では、Ｘ線検出器装置は、内部表面と外部表面を有する最上層を含む。この内部表面は実質的に電気非消費性である。本装置は最上層の外部表面上に配置させた複数の半導体Ｘ線検出器素子を含む。本装置はさらに、電気接地経路を備えたベースを含む。本装置はさらに、最上層の内部表面とベースの間に配置された消費層を含む。

一実施形態では、その装置はさらに、最上層の内部表面とベースの間に配置された実質的に不透明な層を含む。別の実施形態では、そのＸ線検出器装置の実質的に不透明な層は、実質的に非導電性の材料を含む。別の実施形態では、その実質的に不透明な層はビニールを含む。

さらに別の実施形態では、その最上層はガラスを含む。一実施形態では、その複数の半導体Ｘ線検出器素子のそれぞれが１つのフォトダイオードを含む。さらに別の実施形態では、その装置は、半導体Ｘ線検出器素子のそれぞれの内部に流入する電荷量を計測することが可能な少なくとも１つの電荷計測器を含む。

図１を見ると、ディジタル式Ｘ線検出器１００の一実施形態を表している。検出器１００は、非消費層１０２、吸収層１２０及びベース１３０を有する。非消費層は外部表面１０８及び内部表面１０９を有する。非消費層１０２は静電荷の消費性が低い。非消費層１０２は、例えばガラスを含むことがある。非消費層１０２はその外部表面１０８上にＸ線検出器素子１０６のアレイ１０４を有する。

各検出器素子１０６は、Ｘ線エネルギーを光エネルギーに変換する１つのシンチレータと、１つのフォトセンサと、を含む。非消費層１０９の内部表面上において、Ｘ線検出中に検出器素子１０６のアレイ１０４が発生させた熱及び迷光を吸収層１２０によって吸収している。一例として、その吸収層１２０は暗色のビニールや黒色のビニールなどのビニール材料を含むことがある。

検出器素子１０６のアレイ１０４は、走査線及び読み取り線１４０によってＸ線イメージング・システム１５０に接続されている。Ｘ線イメージング・システム１５０は、各検出器素子１０６を再充電してＸ線画像を作成するために電荷または電流の量を計測する。Ｘ線イメージング・システム１５０はさらに、撮像過程前または撮像過程中における検出器素子１０６の条件付けを支援することがある。

非消費層１０９の内部表面と吸収層１２０の間に消費層１１０が配置されている。吸収層１２０を支持してベース１３０がある。このベース１３０は、少なくともその一部が、電気の良導体である共に、シャーシ接地、アース接地、あるいは受容可能な別の任意の共通点に接続させることができる。しかし吸収層１２０は、電気の不良導体である。したがって、消費層１１０がなければ、非消費層１０９の内部表面上に静電荷が蓄積することがある。消費層１１０は非消費層１０９の内部表面上に蓄積する静電荷を低下させるために設けられている。

静電荷は、その材料がある種の相補的材料と接触状態になったときに幾つかの材料上に蓄積する。この現象のことを摩擦電気効果と呼ぶ。この摩擦電気効果はある種の相補的材料を互いに擦り合わせて摩擦を生じさせたときに強化される。例えばガラスとビニールは、摩擦電気効果によって静電蓄積を生成させることが知られている２つの相補的材料である。

したがって、非消費層１０９の内部表面と相補的材料の間に接触があると、非消費層１０９の内部表面上に静電荷が蓄積されることがある。こうした相補的材料の１つは例えば、吸収層１２０である。非消費層１０９の内側と相補的材料の間に擦り合わせすなわち摩擦が存在すると、静電荷蓄積が強化されることがある。接触すなわち摩擦は、Ｘ線検出器１００上において機械的な力のシフトが生じた任意の時点で発生することがある。例えば接触すなわち摩擦は、撮像対象をＸ線検出器１００上に配置させたときに、あるいは被検体をＸ線検出器１００から取り除くときに発生することがある。さらに接触すなわち摩擦は、ヒトなどの撮像対象をＸ線検出器１００の上に置きながら移動させるときに発生することがある。

したがって、静電荷の発生及び蓄積を低下させるために消費層１１０が設けられることがある。消費層１１０は、相補的材料（吸収層１２０など）と非消費層１０９の内部表面との間における接触や摩擦の確率を低下させることがある。さらにこの消費層１１０は、非消費層１０９の内部表面上の蓄積した電荷の消費を容易にすることがある。消費層１１０が蓄積した静電気の非消費層１０９の内部表面からの放電を容易にする能力は、少なくともその一部が、消費層１１０と非消費層１０９の内部表面との間の接触表面積の大きさに依存する。好ましい一実施形態では、その消費層１１０は、消費層１１０と非消費層１０９の内部表面との間の接触表面積を改良するように非消費層１０９の内部表面に付着させている。

消費層１１０は、酸化インジウム・スズ、導電ペイント、導電性フォイル、導電性メッシュ、導電性繊維、静電気消費性ペイント、あるいは導電性や消費性の別の任意の材料など、様々な物質を含むことがある。したがって、本出願で使用する場合の「消費性（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ）」という用語は例えば、消費性材料（表面抵抗率が１０^５Ω／ｓｑと１０^１２Ω／ｓｑの間の材料）、並びに導電性材料（表面抵抗率が１０^５Ω／ｓｑ未満の材料）を含む。消費層１１０は、非消費層１０９の内部表面と別の構成部分とすることや該内部表面に付着させることがあり、あるいは吸収層１２０に付着させることや該吸収層の一部分とすることがある。消費層は、自動式噴霧器、スクイジー、ペイント・ブラシャー、シルク・スクリーン、あるいはスパッターによるなど様々なコーティング法によって、非消費層１０９または吸収層１２０に付着させることがある。静電的消費は当技術分野でよく知られており、またディジタル式Ｘ線検出器１００から静電荷を放電させるためには多くの導電性または消費性の材料が適当となり得る。さらに、導電性または消費性材料はよく知られる様々な方法によって提供または付着させることができる。

一実施形態では、その消費層１１０は不透明材料または実質的に不透明な材料を備えることがある。実質的に不透明な消費層１１０はＸ線撮像中に発生した熱及び光を吸収することを可能とさせることがある。この実施形態では、消費層１１０が熱及び光を適正に吸収していれば、吸収層１２０を含む必要がない。一例として、消費層１１０は暗色の静電気消費性ペイントを備えることや、暗色の酸化インジウム・スズ材料を備えることがある。

図２は、本発明の一実施形態に従って使用されるＸ線の検出方法を表した流れ図を示している。工程２１０では、フォトダイオードが充電ポテンシャルまで充電される。工程２２０では、撮像対象をＸ線検出器１００上に配置させる。一実施形態では、工程２２０を工程２１０の前に実施することや、工程２２０が省略されることがある。

工程２３０では、フォトダイオード電圧の安定化のために静電荷が放電される。一実施形態では、工程２３０は任意の時点で実施される。例えば、工程２３０は周期的に実施される。一実施形態では、工程２３０はディジタル式Ｘ線イメージング・システムの動作の全体にわたって実施される。

工程２４０では、検出器及び撮像対象にＸ線が照射される。一実施形態では、工程２４０を省略することがある。別の実施形態では、工程２４０中にＸ線照射が実施されないが、待機時間Ｔは依然として実施することがある。工程２４０は期間Ｔにわたって継続する。Ｔは任意の時間長とすることができる。一実施形態では、Ｔは例えば５００ｍｓであるが、Ｔは可変とすることができる。

次いで工程２５０で、フォトダイオードが充電ポテンシャルまで再充電される。フォトダイオードを再充電している間に、工程２６０において各フォトダイオード内に流入する電荷／電流の量が計測される。工程２６０で得られた計測値の和はノイズ性信号を示す。工程２７０では、遅延を生じさせる。この遅延は任意の時間長とすることができる。一実施形態では、工程２７０の遅延は、工程２４０の期間Ｔと同じである。別の実施形態では、工程２７０の遅延は、工程２４０の期間Ｔの一部分である。一実施形態では、この遅延時間は例えば５００ｍｓであるが、この遅延時間は可変とすることができる。工程２４０、２５０、２６０及び２７０のうちの幾つかまたはすべての工程は任意の回数だけ反復されることがある。さらに、工程２４０、２５０、２６０及び２７０のうちの幾つかの工程は、反復のうちの幾つかまたはすべてについて省略されることがある。一実施形態では、工程２４０、２５０、２６０及び２７０は少なくとも２回反復される。

工程２８０では、フォトダイオードが充電ポテンシャルまで再充電される。工程２８０中に各フォトダイオードに流入する電荷／電流の量が工程２９０において計測される。工程２９０で得られた計測値の和は暗画像を示す。工程２８０及び２９０は任意の回数だけ反復されることがあり、また任意選択では、追加的な遅延期間（工程２７０）を導入することがある。さらに、工程２９０は工程２８０と同時に実施されることがある。一実施形態では、工程２７０、２８０及び２９０は少なくとも２回反復される。

図３ａは、消費層１１０をもたないＸ線検出器から取得した画像を表している。図３ａの画像は、検出器から４ｋｇ（８．８ｌｂ）の重量だけ荷重軽減したあと１６秒後に収集したものである。図３ａの画像は、少なくとも２つの別々の計測値を組み合わせたもの（第１の計測値から第２の計測値を差し引いたもの）である。図３ａの作成の際にはＸ線源を使用していない。第１と第２の両方の計測値が「暗画像」となる。理想的には、これら第１と第２の暗画像は等価とし、ヌル画像が得られるようにすべきである。しかし、図３ａはかなりの歪みを示している。これらの歪みは第１の計測値が第２の計測値と等しくないために生じている。

図３ｂは、消費層１１０を備えたＸ線検出器から取得した画像を表している。図３ｂの画像は検出器から２２．７ｋｇ（５０ｌｂ）の重量だけ荷重軽減したあと０．５秒後に収集したものである。図３ｂの画像を取得するために使用される方法は図３ａで使用した方法と同じ（すなわち、２つの暗画像の減算）である。

２２．７ｋｇを荷重軽減して５００ｍｓ後に作成した図３ｂの画像を、４ｋｇの重量を荷重軽減して１６秒後に作成した図３ａの画像と比較してみる。図３ｂでは、目に見える歪みはほとんどない。第１と第２の計測値は実質的に等しく、得られる画像は実質的にヌル画像である。２２．７ｋｇの重量を荷重軽減してわずか５００ｍｓ後には、検出器は実質的に安定化状態となる。これに対して図３ａは、４ｋｇの重量を荷重軽減して１６秒後においてかなりの歪みを示している。荷重の動的シフトに関しては、消費層１１０を備えないＸ線検出器と比べて消費層１１０を備えたＸ線検出器はより効率よく安定化する。

したがって、ある種の実施形態は、動的な機械荷重または力を受ける可能性がある半導体Ｘ線検出器の安定化を改良を提供することができる。ある種の実施形態は、蓄積した静電荷の半導体Ｘ線検出器からの放電を容易にする。ある種の実施形態は、取得したＸ線画像内の半導体Ｘ線検出器に関する歪みの低下を容易にする。したがって、ある種の実施形態は、撮像対象をＸ線検出器上に配置したときの半導体Ｘ線検出器内でのＸ線撮像の改良を容易にする。

本発明についてある種の実施形態を参照しながら記載してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更が実施される得ること並びに等価物による代替がなされ得ることを理解されよう。さらに、本発明の範囲を逸脱することなく、具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させるように多くの修正を実施することができる。したがって、開示したこれら具体的な実施形態に本発明を限定しようと意図しておらず、むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨域内に属するすべての実施形態を含むように意図している。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の一実施形態によるＸ線を検出する装置を表した図である。 本発明の一実施形態によるＸ線の検出方法の流れ図である。 消費層をもたないＸ線検出器から取得した画像である。 消費層を備えたＸ線検出器から取得した画像である。

符号の説明

１００ ディジタル式Ｘ線検出器
１０２ 非消費層
１０４ 検出器素子アレイ
１０６ 検出器素子
１０８ 外部表面
１０９ 内部表面
１１０ 消費層
１２０ 吸収層
１３０ ベース
１４０ 走査線、読み取り線
１５０ Ｘ線イメージング・システム

Claims (10)

1. Ｘ線を検出するための方法（２００）であって、
   外部表面（１０８）及び内部表面（１０９）を含む最上層（１０２）を有する半導体Ｘ線検出器（１００）を提供する工程であって、該最上層（１０２）の該内部表面（１０９）は実質的に電気非消費性である提供工程と、
   前記最上層（１０２）の前記内部表面（１０９）に隣接して消費層（１１０）を提供する工程と、
   前記最上層（１０２）の前記内部表面（１０９）上に蓄えられた電荷の少なくとも一部分を前記消費層（１１０）を介して放電させる工程と、
   を含む方法。
2. 吸収層（１２０）を提供する工程をさらに含む請求項１に記載の方法（２００）。
3. 前記吸収層（１０２）はビニールを含む、請求項２に記載の方法（２００）。
4. 被検体を少なくとも部分的に前記最上層（１０２）の前記外部表面（１０８）上に位置決めし、該被検体を通過して該外部表面（１０８）に向かうようにＸ線を導く工程をさらに含む請求項１に記載の方法（２００）。
5. 前記消費層（１１０）は実質的に不透明な材料を含む、請求項１に記載の方法（２００）。
6. 前記消費層（１１０）は酸化インジウム・スズを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
7. Ｘ線を検出するためのシステム（１００）であって、
   外部表面（１０８）及び内部表面（１０９）を有する最上層（１０２）であって、該最上層（１０２）の該内部表面（１０９）は実質的に電気非消費性である最上層（１０２）と、
   電気接地経路と、
   前記最上層（１０２）の前記内部表面（１０９）に隣接させた、前記最上層（１０２）の前記内部表面（１０９）から前記電気接地経路までの静電荷の放電を容易にすることが可能な電気消費層（１１０）と、
   を備えるシステム（１００）。
8. 前記最上層（１０２）の前記外部表面（１０８）上に位置決めされたその各々が少なくとも１つの電圧を含んだ複数のＸ線検出器素子（１０４、１０６）をさらに備える請求項７に記載のシステム（１００）。
9. 前記電気消費層（１１０）はさらに前記複数のＸ線検出器素子（１０４、１０６）の少なくとも一部分の前記少なくとも１つの電圧を実質的に安定化することが可能である、請求項７に記載のシステム（１００）。
10. 前記電気消費層（１１０）と前記電気接地経路の間に配置された吸収層（１２０）をさらに備える請求項７に記載のシステム（１００）。