JP2006519377A - Ｘ線検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムにおいて使用される、Ｘ線放射を検出するためのＸ線検出器に関する。本発明によるＸ線検出器は、個別の検出器素子（１）を有し、この検出器素子の上方にシンチレータ素子（２）が配置されるフォトセンサ装置から構成される。これらのシンチレータ素子は、入射するＸ線光（６）を可視光又は紫外線光（７）に変換し、この光が検出器素子（１）上に位置するフォトダイオード（４）により検出される。本発明によれば、シンチレータ素子（２）から発せられる光（７）をフォトダイオード（４）上に集束させるマイクロレンズ（３）が、シンチレータ素子（２）と検出器素子（１）との間に配置される。このようなやり方で、フォトダイオード（４）の外側の他の電子部品（５）が、検出器素子（１）の広い領域を使用することが可能になると共に、シンチレータ素子（２）から発せられる光（７）が、ほぼすべて利用されることによって、高いＤＱＥ（量子検出効率）を確実にすることも可能になる。同時に、隣り合う検出器素子からの散乱放射線に由来するクロストークが効果的に防止される。

Description

本発明は、シンチレータ素子及びフォトセンサ装置を備える、Ｘ線放射を検出するためのＸ線検出器に関する。この種類のＸ線検出器は、特に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ：Computer Tomographic）システムのために必要とされる。

コンピュータ断層撮影法では、他のＸ線画像生成方法におけるように、検査中に患者に対して影響を及ぼすＸ線放射が、組織及び骨の密度及び化学組成に従って減衰される。その場合、検出されるべきＸ線放射のフォトン（photon，光子）は、Ｘ線検出器において、初めに、シンチレータ物質によって吸収され、次に、該シンチレータ物質が、可視光又は紫外線光のレンジのフォトンを再放出する。そのように生じる光が、その後、フォトセンサ装置に当たり、このフォトセンサ装置は、一般に、指定されたチャンネルでもある多数の個別の検出器素子を有している。従って、Ｘ線検出器は、数千から数百万のピクセルを有することができ、ここでは、個々のピクセルのサイズが、０．０３〜３０mm²のレンジにあり、とりわけ、１〜２mm²のレンジにあり得る。これによって、通常、ＣＭＯＳチップ上のフォトダイオードが、光検出のために使用される。

Ｘ線検出器の分解能は、ピクセルの数とともに当然高まる。しかし、この分解能は、クロストークによって非常にネガティブに影響される。このクロストークでは、散乱放射線が、設けられた検出器素子に隣接する検出器素子へのアクセスを得る。このクロストークを低減するために、Ｘ線放射は、放射線源の焦点にフォーカスされる散乱防止グリッド（anti-scatter grid）を通ることができる。更に、斜めに入射する散乱放射線を吸収し、それによって、隣接する検出器素子に達することを防止する吸収プレートが、個々のシンチレータ結晶の間に置かれ得る。

入射光を電気信号に変換するフォトダイオードに加えて、個別の検出器素子の上に、他の電子部品があること、とりわけ、信号を処理する役目を果たすトランジスタがあることが必要である。

ここで、フォトダイオードが検出器素子の表面の一部のみを形成する場合、ピクセルの入射光表面が部分的にしか利用されないという問題を生じる。それに応じて、ＤＱＥ（Detection Quantum Efficiency，量子検出効率）が低下する。他方では、フォトダイオード表面が、検出器素子の表面全体に対して拡大される場合、信号を処理するための他の電子部品用に使用できる表面は、それに応じて縮小される。従って、妥協が必要であり、これらの妥協はどちらの場合においても最適条件を示すことはできない。

従って、従来技術から着手される本発明の目的は、各ピクセルの入射光表面がほぼまるごと利用され、それにも関わらず、充分な使用に適した領域が、各検出器素子の表面上で他の電子部品のために利用できる、Ｘ線検出器を生成することにある。更に、クロストークの問題が、より一層低減されるべきである。

この目的は、本発明により、フォトセンサ装置及びシンチレータ素子をもつＸ線検出器であって、フォトセンサ装置とシンチレータ素子との間にマイクロレンズが配置され、このマイクロレンズが、シンチレータ素子から発せられる光をフォトセンサ装置の一部又は特定の領域に集束させるＸ線検出器によって達成される。本発明は、更に、本発明によるＸ線検出器をもつコンピュータ断層撮影法に関する。

シンチレーション物質と、入射光を電気信号に変換するフォトセンサ装置と、の間に位置するマイクロレンズによって、シンチレータ素子によるＸ線放射の上記変換の結果として生じる光の集束は、上述されたクロストークをかなり減少させる。なぜならば、マイクロレンズは、検出器素子のセンシティブな領域と隣り合う入射放射線を横方向に偏向することができ、従って、この放射線が近隣の検出器素子に入るのを防止することができるからである。更に、ピクセルの境界領域における光は、この光が近隣の検出器素子に入るリスクを生じることなく、このやり方でほぼすべて使用されることもできるので、全体的な量子効率はかなり改善されることができる。

本発明は、フォトセンサ装置が、Ｘ線検出器に通常あり得る個別の検出器素子を有する場合、特に有利に適用され得る。この種類の検出器素子のマトリックスは、数百万に及ぶ個別の素子を有する。検出器素子と、関連するシンチレータ素子と、の間にマイクロレンズを配置することによって、光は検出器素子の特定の領域上にしかるべく集束されることができる。フォトダイオードは、光を検出するために有利に用いられ、ここでは、各々の検出器素子が、少なくとも一つのフォトダイオードを有用であるように有している。但し、検出は、アバランシェダイオード又は光電子増倍管によって、申し分なく十分に行われることもできる。

とりわけ、本発明は、検出器素子の表面の特に広い領域が、前処理電子回路（preprocessing electronic）のような他の電子部品のために使用されることを可能にする。フォトダイオード自体は、それに応じて、上記表面のほんの一部を構成するにすぎない。それでもやはり、フォトダイオードの上方で垂直に位置していない入射光表面の部分が、省かれてはならない。その理由は、この領域における光が、マイクロレンズを介してフォトダイオードに集束されるからである。その結果、他の電子部品のための比較的大きい有用な領域があるにもかかわらず、ＤＱＥは実質的には低減されず、これは、この点については、妥協が必要でないことを意味している。

検出器素子におけるフォトダイオードの位置決めは、基本的にマイクロレンズの設計に依存する。但し、このマイクロレンズが、有用であるように設計上対称的であるので、検出器素子に当たる光は、検出器素子の中央部に集束される。従って、フォトダイオードは、検出器素子のやはり中央に配置されるべきである。

マイクロレンズは、検出器素子の領域における入射光が、検出器素子のフォトダイオードの表面上に正確に集束されるようなやり方で、該マイクロレンズの焦点長に関して便宜的に選択され、検出器素子からの該マイクロレンズの距離に関して位置決めされる。この場合、フォトダイオードは、検出器素子の表面のほんの一部を形成するにすぎないにもかかわらず、入射光表面のほぼ１００%が使用される。

通常、検出器素子に当たる光を、専ら、この検出器素子に属するフォトダイオードの上に集束させるために、一つのマイクロレンズが各検出器素子に割り当てられる。従って、隣り合う検出器素子のフォトダイオードへの光の入射が、 実質的には排除される。更に、マイクロレンズは、横からの入射光がフォトダイオードの外側の検出器素子の領域上に偏向されるような設計にされ得る。

本発明によるＸ線検出器の効率に関しては、マイクロレンズの正方形ベース領域をもつ正方形レンズ構造が、特に有利であることが分かった。正方形レンズ構造と組み合わせた正方形ピクセルを供給することによって、入射光表面の最大限の完全な利用が、特に簡単なやり方で更に可能にされる。

マイクロレンズの表面の幾何形状に関しては、種々のオプションが考えられる。とりわけ、マイクロレンズの、シンチレータ素子と対向する側の表面が、シンチレータ素子のこの表面に合わせられることもでき、マイクロレンズが、シンチレータ素子と直接隣り合うこともできる。シンチレータ素子に対してマイクロレンズを正確に位置付けること、及び該当する場合は散乱防止グリッドに対してマイクロレンズを正確に位置付けることは、このやり方で更に達成される。この結果として、対応するマイクロレンズ表面が平坦であるように設計すること、該表面をシンチレータ素子に対して平らに結合させること、及び関連するシンチレータ素子が対応する凹形状をもつ場合、マイクロレンズ表面を凸状であるように設計することが可能になる。この種類の凹形状は、例えば、個々のシンチレータ粒子から生成されるシンチレータ素子の結晶圧縮構造において生成され得る。とりわけ、マイクロレンズの表面が、シンチレータ素子の対応する表面に合わせられる場合、検出器素子のマトリックスに対して、シンチレータ素子、又は散乱防止グリッド構造を自己整合（self-alignment，セルフアライン）させることが、アーチ型のマイクロレンズ形状により行われ得る。

検出器素子の中央部に好適にフォトダイオードを位置付けることに加えて、検出器素子上に他の散乱ダイオードを載せることも可能であり、これらの他の散乱ダイオードは、特に、散乱放射線を検出することを目的とする。この散乱放射線は、特に、近隣ピクセルのクロストークによって引き起こされ、マイクロレンズの適切な幾何形状により、実際のフォトダイオードの外側の検出器素子の領域に偏向される。これらの他の散乱ダイオードを設けることは、垂直に入射する直接の放射線及び横から入射する放射線に関して、他の幾何学的な表現（geometrical statement）を作り出すことを可能にする。更に、クロストークは、このやり方でモニタされることができる。

もちろん、光フィルタ、放射線源の焦点にフォーカスされる散乱放射線グリッド、又はシンチレータコンフィグレーションに組み込まれるＸ線吸収シールド（セパレータ）のような従来技術から知られている他の特徴をもつ、本発明によるＸ線検出器を提供することも可能である。検出器素子を収容するためのＣＭＯＳチップの使用は、特に有利であることが分かっている。

言うまでもなく、たとえ、本発明によるＸ線検出器がコンピュータ断層撮影法において主に使用されることになっているとしても、非破壊物質検査（non-destructive materials
testing）のような他の分野において当該Ｘ線検出器を使用することも可能である。

本発明は図面に示される実施形態の実施例を参照して更に説明される。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明によるＸ線検出器に属するピクセルの構造を概略的に示す。この構造は、全体に参照符号１を付与される検出器素子を有し、この検出器素子１の表面の中央に位置するのが、フォトダイオード４である。検出器素子１の上方にマイクロレンズ３が位置し、このマイクロレンズ３は、シンチレータ素子２から発せられる光７を集束させる。この素子に関する限り、シンチレータ素子２は、シンチレータ素子２に当たるＸ線光６を、可視光又は紫外線光７に変換する。マイクロレンズ３を介して集束された光８は、フォトダイオード４に当たり、次に、フォトダイオード４は、この入射光を電気信号に変換する。これによって、フォトダイオード４が、検出器素子１の小さな部分のみをカバーするのに対して、電気信号の他の処理を行う役目を果たす種々の電子部品５は、フォトダイオード４の外側に位置する。それにも関わらず、マイクロレンズ３による光７の集束のために、シンチレータ素子２から生じる入射光表面のほぼ全体が利用される。なぜならば、マイクロレンズ３に垂直に当たる光７は、ほぼすべてがフォトダイオード４に集束されるからである。同時に、マイクロレンズ３は、横から入射する光を、フォトダイオード４の外側の検出器素子１の領域上に偏向させることも可能である。それによって、本発明は、他の電子部品５のための広い有用な領域を、入射光の広範な利用及び関連する高い量子効率（ＤＱＥ）と組み合わせる。

図２は、本発明によるＸ線検出器の一部としての検出器素子１を平面図で示す。この場合、検出器素子１は正方形に設計され、その設計の中でフォトダイオード４が検出器素子１の中央部に位置する。フォトダイオード４の外側で、電子部品５がここでも検出器素子１の上に位置する。マイクロレンズ３は、入射光をフォトダイオード４に集束させる。

本発明によるＸ線検出器の一部の側面図である。 本発明によるＸ線検出器の検出器素子を上から見た平面図である。

Claims (17)

1. フォトセンサ装置及びシンチレータ素子をもつＸ線検出器であって、
   前記フォトセンサ装置と前記シンチレータ素子との間に、マイクロレンズが配置され、該マイクロレンズが、前記シンチレータ素子から放出される光を前記フォトセンサ装置の一部の上に集束させるために設けられることを特徴とするＸ線検出器。
2. 前記フォトセンサ装置が、個別の検出器素子のマトリックスを有することを特徴とする、請求項１に記載のＸ線検出器。
3. 検出器素子が、少なくとも一つのフォトダイオードを有することを特徴とする、請求項１に記載のＸ線検出器。
4. 前記フォトダイオードが、前記検出器素子の表面の一部のみを形成することを特徴とする、請求項３に記載のＸ線検出器。
5. 前記フォトダイオードが、前記検出器素子の中央に配置されることを特徴とする、請求項３又は４に記載のＸ線検出器。
6. 他の電子部品が、前記フォトダイオードの領域の外側の前記検出器素子に位置することを特徴とする、請求項４又は５に記載のＸ線検出器。
7. 前記マイクロレンズは、前記検出器素子の領域の入射光が、前記検出器素子の前記フォトダイオードの表面の上に集束されるように、前記検出器素子からの距離及び焦点長をもつことを特徴とする、請求項３乃至６の何れか一項に記載のＸ線検出器。
8. 一つのマイクロレンズが、各検出器素子に割り当てられることを特徴とする、請求項２乃至７の何れか一項に記載のＸ線検出器。
9. 前記マイクロレンズが、正方形のベース領域をもつことを特徴とする、請求項１乃至８の何れか一項に記載のＸ線検出器。
10. 前記マイクロレンズが、前記シンチレータ素子と直接隣り合うことを特徴とする、請求項１乃至９の何れか一項に記載のＸ線検出器。
11. 前記マイクロレンズの、前記シンチレータ素子に対向する側の表面が、前記シンチレータ素子の表面に合わせられることを特徴とする、請求項１０に記載のＸ線検出器。
12. 前記マイクロレンズの、前記シンチレータ素子に対向する側の前記表面が、平坦であり、前記シンチレータ素子に対して平らに置かれることを特徴とする、請求項１１に記載のＸ線検出器。
13. 前記マイクロレンズの、前記シンチレータ素子に対向する側の前記表面が、凸状であり、前記シンチレータ素子の対応する凹形状に合わせられることを特徴とする、請求項１１に記載のＸ線検出器。
14. 中央に配置された前記フォトダイオードに加えて、前記検出器素子が、他の散乱ダイオードを有することを特徴とする、請求項５乃至１３の何れか一項に記載のＸ線検出器。
15. 当該Ｘ線検出器が、光学フィルタを有することを特徴とする、請求項１乃至１４の何れか一項に記載のＸ線検出器。
16. 前記検出器素子が、ＣＭＯＳチップの構成要素であることを特徴とする、請求項２乃至１５の何れか一項に記載のＸ線検出器。
17. 請求項１乃至１６の何れか一項に記載のＸ線検出器をもつコンピュータ断層撮影方法。

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