JP2007101256A - Ｘ線撮像装置及びｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲した撮像素子を用い且つ安価に製造することが可能なＸ線撮像装置及びＸ線ＣＴ装置を提供する。
【解決手段】被検体に対して照射され該被検体を透過したＸ線が入射することで蛍光を発するシンチレータと、該シンチレータが発する蛍光を受光して電気信号に変換する撮像素子とを組み合わせたＸ線撮像装置１３において、前記シンチレータが湾曲して形成されており、前記撮像素子を構成する基板は可撓性を有するとともに前記撮像素子は前記シンチレータと対向する位置に配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線を可視光等に変換するシンチレータとこの可視光等を受光する撮像素子とを組み合わせたＸ線撮像装置及びＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線を可視化して撮像するＸ線撮像装置は、Ｘ線を直接センシングするものと、例えば特許文献１、２、３、４、５記載の様に、Ｘ線をシンチレータを用いて可視化しこれをＣＣＤ等の撮像素子を用いて撮像するものとがある。

シンチレータと撮像素子とを組み合わせ、例えばＸ線ＣＴ装置を構成する場合、従来は、図１４に示す構成となっている。即ち、ＣＴ装置本体１には、ストレッチャ２に載せられた被検体３が挿入される円形開口部４が中央に設けられており、ＣＴ装置本体１内には、被検体３にＸ線を照射するＸ線照射器５と、被検体４を透過したＸ線を受光するＸ線撮像装置（シンチレータ＋撮像素子）６と、Ｘ線照射５及びＸ線撮像装置６を一体に円形開口部２の周りで回転させる図示しない駆動機構と、Ｘ線撮像装置６から出力される被検体３の撮像画像を外部に伝送する伝送装置７とが設けられている。

この図１４に示す従来のＸ線ＣＴ装置１は、Ｘ線撮像装置６が平面状に形成されているため、このＸ線撮像装置６の大きさによってＸ線ＣＴ装置１の大きさが規定されてしまい、これ以上の小型化を図ることができない。

Ｘ線撮像装置６を、中央開口部４の外周に沿って湾曲させることができれば、Ｘ線ＣＴ装置１を小型化することができる。そこで、図１５に示す様に、細片化したシンチレータ及び撮像素子を湾曲形状に配列することでＸ線撮像装置６ａを構成できれば、Ｘ線ＣＴ装置１の小型化を図ることが可能になる。

特開平５―１５２５９７号公報 特開平６―２１４０３６号公報 特開平１１―１５１２３５号公報 特開２０００―５６０２８号公報 特開２００３―１７６７６号公報

しかし、Ｘ線撮像装置６ａのうちシンチレータを細片化するのは容易であるが、撮像素子を細片化するのは困難である。例えば小さな撮像素子を多数製造して１つの大きな撮像装置を構成する様に配列することは可能であるが、多数の撮像素子の特性を揃えるのは難しく、個々の撮像素子の感度や感度オフセットなどの補正を高精度に施す必要が生じる。このため、図１５の構成を採用するのはコスト的に不利となる。

本発明の目的は、湾曲した撮像素子を用い且つ安価に製造することが可能なＸ線撮像装置及びＸ線ＣＴ装置を提供することにある。

本発明のＸ線撮像装置は、被検体に対して照射され該被検体を透過したＸ線が入射することで蛍光を発するシンチレータと、該シンチレータが発する蛍光を受光して電気信号に変換する撮像素子とを組み合わせたＸ線撮像装置において、前記シンチレータが湾曲して形成されており、前記撮像素子を構成する基板は可撓性を有するとともに前記撮像素子は前記シンチレータと対向する位置に配置されていることを特徴とする。

本発明のＸ線撮像装置は、前記撮像素子が、該シンチレータの表面に沿うような形状で形成されていることを特徴とする。

本発明のＸ線撮像装置は、前記撮像素子が、入射光を光電変換する有機材料を含む感光層を備えていることを特徴とする。

本発明のＸ線撮像装置の前記シンチレータと前記有機感光層とは、前記シンチレータが発する前記蛍光のピーク波長と前記有機感光層の受光感度のピーク波長とが所定範囲内で一致する材料でそれぞれ形成されていることを特徴とする。

本発明のＸ線ＣＴ装置は、被検体に対してＸ線を照射するＸ線照射器と、前記被検体を介して前記Ｘ線照射器に対向する位置に設けられた上記のいずれかに記載の前記Ｘ線撮像装置と、前記Ｘ線照射器と前記Ｘ線撮像装置とを対向させた状態で前記被検体の回りで一体回転させる駆動手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子が湾曲形状となるため、小型で低コストのＸ線撮像装置やＸ線ＣＴ装置を提供可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成図である。本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１０は、装置本体１１と、装置本体内に設けられたＸ線照射器１２と、該Ｘ線照射器１２に対向して配置され湾曲して配置されたＸ線撮像装置１３と、中央開口部１４の周りでＸ線照射器１２及びＸ線撮像装置１３を一体回転させる架台１５と、架台１５を回転駆動する架台駆動部１６と、Ｘ線照射器１２にスリップリングを介して高電圧を供給する高電圧発生装置１７と、Ｘ線撮像装置１３から出力されるＸ線撮像画像データを伝送するデータ電送装置１８とを備える。

このＸ線ＣＴ装置１０は、更に、Ｘ線ＣＴ装置１０を統括制御するＣＰＵ２０と、メモリ２１と、画像再構成演算部２２と、操作部２３と、データ電送装置１２から送信されてきたＸ線撮像画像データを表示する表示部２４と、この撮像画像データを記録する記録部２５と、通信部２６と、ストレッチャ駆動部２７と、高電圧発生装置１７、架台駆動部１６、ストレッチャ駆動部２７を制御するメカニカル制御部２８とを備える。

図２は、図１に示すＸ線撮像装置１３の一部表面模式図である。Ｘ線撮像装置１３の表面には、多数の画素３０が、図示する例では正方格子状に配列形成されており、各画素３０の底部には、各画素３０で検出した被検体の断層画像に応じた画像信号を読み出す信号読出回路３１が形成されている。

本実施形態では、信号読出回路３１は、ＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられる３トランジスタ構成の信号読出回路を例として図示しているが、４トランジスタ構成の信号読出回路としても良い。該当画素が検出した画像信号を読み出すように該画素に対応する信号読出回路が垂直シフトレジスタ３２、水平シフトレジスタ３３で指定されたとき、画像信号がＸ線撮像装置１３からデータ電送装置１８に出力される。

図３は、図２のIII―III線位置における断面模式図であり、ほぼ１．５画素分の断面に相当する。本実施形態のＸ線撮像装置１３は、撮像素子１３ａと、撮像素子１３ａの上に配置されたシンチレータ１３ｂとからなる。

撮像素子１３ａは、可撓性基板３５の上に形成される。本実施形態で用いる可撓性基板３５は、薄く形成され湾曲させることが可能となるガラス基板、あるいはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の材料をシート状に形成した可撓性シートを用いる。

そして、この可撓性基板３５の表面にｐ型半導体層３６を形成し、この半導体層３６に、例えば特開平５−１５８０７０号公報に記載されている様な液晶基板のＴＦＴマトリクス等を製造する技術や、有機ＥＬ素子等を製造する技術を用い、以下に述べるダイオード部や信号読出回路３１を形成する。

先ず、半導体層３６の表面部所定箇所には、信号電荷蓄積領域となるダイオード部３７が形成される。また、半導体層３６の表面部には、信号読出回路３１のトランジスタの一部を構成するｎ領域３８が形成され、半導体層３６の表面酸化層（図示省略）を介して設けられたゲート電極３９に読出電圧が印加されたとき、ダイオード部３７の蓄積電荷がｎ領域３８に移動し、信号読出回路３１（図２）によってＸ線撮像装置１３の外部に読み出される。

信号読出回路３１は、半導体層３６の表面に積層された絶縁層４２内に埋設される光遮蔽層４３によって遮光され、この光遮蔽層４３の上で且つ絶縁層４２内に、信号読出回路を図２の垂直シフトレジスタ３２、水平シフトレジスタ３３に接続する配線層４０が敷設される。絶縁層４２の表面には画素電極層４５が積層され、画素電極層４５とダイオード部３７とを接続する縦配線４６が立設される。そして、画素電極層４５の上に、シンチレータが発する蛍光に感度を有する感光層（光電変換層）４７が積層され、その上に透明な対向電極層４９が積層される。可撓性基板３５から対向電極層４９までで撮像素子１３ａが構成される。

本実施形態では、適宜箇所の画素間に、隣接する感光層４７（電極層４５、４９）間と分離する隙間（空間）５０を設け、可撓性基板３５上に製造した撮像素子の可撓性を更に向上させ、図１に示す様に、湾曲させてＸ線ＣＴ装置の架台１５内に配置することを容易にしている。しかし、湾曲させる曲率が小さく曲率半径が大きければ、この隙間５０は必ずしも必要ではない。

撮像素子１３ａの上に配置するシンチレータ１３ｂは、本実施形態では、各画素間にセパレータ５１を入れ、撮像画像データの解像度を落とさないようにしている。シンチレータ１３ｂは、基本的に、加工可能なセラミクス状の物質で製造されるので、図３では直方体に描いているが、実際には、わずかに上部が狭まった形状に加工され、全体として曲面形状（弧状）となっている。図１５で述べた様に、細片化したシンチレータを湾曲配置して構成することでも良い。

上述した構成のＸ線撮像装置１３を用いたＸ線ＣＴ装置で、図示しないストレッチャに搭載された被検体の断層画像を撮像する場合には、ストレッチャをＸ線ＣＴ装置本体１１の中央開口部１４内に移動させながら、Ｘ線照射器１２及びＸ線撮像装置１３を回転（スキャン）させる。

Ｘ線照射器１２から被検体に向けて照射されたＸ線は、被検体を透過し、シンチレータ１３ｂに入射し、透過Ｘ線量に応じた蛍光がシンチレータ１３ｂから発生する。この蛍光が撮像素子１３ａに入射すると、入射光は、感光層（有機光電変換層）４７（図３）にて光電変換され、正孔電子対が発生する。

感光層４７には、必要に応じて、画素電極層４５―対向電極層４９間に電圧が印加される。この電圧によって感光層４７内に電位勾配が生じ、正孔電子対のうちの電子がこの電位勾配に沿って画素電極層４５に移動し、この電子が縦配線４６を通してダイオード部３７に流れ、ダイオード部３７に蓄積される。

図３に図示する例では、ダイオード部３７は埋め込み型となっており、界面の格子欠陥の影響を受けないようにしているが、単なるダイオード（キャパシタ）でも良い。

ダイオード部３７への電荷蓄積のタイミングは、感光層４７の電圧印加で決めることもできるし、下部のダイオード部３７のリセットでも決めることができるが、スキャンのタイミングに合わせるためには、
（１）スキャン前に感光層に高電圧をかけて余剰電荷を感光層から排出し、
（２）ダイオード部３７をリセットし、
（３）感光層へ電圧印加を印加して電位勾配を発生させ、
（４）Ｘ線照射開始およびスキャン開始
で、順次、ＭＯＳスイッチングにより、信号の読み出しを行うという方法が望ましい。

ダイオード部３７に蓄積された電荷は、信号読出回路の読出トランジスタのゲートを介してフローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）に読み出され、電荷／電圧変換される。変換された電圧を読み出すことで、画素毎の信号を得ることができる。また、信号読み出しの前に、必要に応じて、蓄積された電荷をリセットできる（通常のＣＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法と同様である。）。

尚、Ｘ線撮像装置１３を、ストレッチャの移動速度とスキャンの回転速度に応じてスライス方向からわずかに傾きを持たせると、ストレッチャを止めることなくスパイラル状の画像データが得られて都合がよい。

図４は、感光層の詳細断面の説明図である。図３では、感光層を、単に、画素電極層と対向電極層との間に挟んだ構造として説明したが、実際には、図４に図示する構成とするのが良い。図４は、基板と反対側から光が入射する例であるが、基板が透明で光が基板側から入射する場合を図５に示す。材料その他の説明は図４と図５とで同じなため、図４についてのみ説明する。尚、図４、図５では、図３で説明したダイオード部、縦配線、信号読出回路、遮遮蔽層等は省略している。

図４において、薄いアルミニウムによる画素電極層５５（図３では“４５”）の上に正孔ブロックキング層５６をＡｌｑで形成し、その上に、光電変換材料を積層して感光層５７（図３では“４７”）とし、その上に、透明な対向電極層５８（図３では“４９”）をＩＴＯまたはＡｕで形成する。

アルミニウム、光電変換材料、Ａｌｑは夫々真空蒸着で成層することができる。真空度は１０^−４Ｐａ程度が望ましい。画素電極層と対向電極層との間に電圧を印加した際、特に正孔の注入による暗電流が大きいため、Ａｌｑは正孔ブロッキング層として必要である。

正孔ブロッキング層は、電極５５からの正孔注入を防ぎつつ、感光層（光電変換層）５７で発生した電子キャリアを受け取り、それを電極５５まで輸送する働きを行う。また、少ないが感度も持つ。

対向電極層（ＩＴＯ、Ａｕ等）５８は、スパッタや電子ビーム蒸着、イオンプレーティングなどで成層することができる。感光層５７として有機層を用いた場合、有機層５７の上にＩＴＯ５８を成層すると、一般にショートにより非常に歩留まりが悪くなるが、１０ｎｍ程度未満の厚みにすると、歩留まりが改善する。

有機層へのダメージが大きい場合には、ＩＴＯより光の透過率は落ちるが、金（Ａｕ）の薄層を対向電極層５８として用いるのが良い。この場合も１５ｎｍ程度未満の厚さが望ましい。

感光層５７は、厚さが１００ｎｍ程度あれば、アルミ電極層５５からの反射もあり、入射光の９０〜９９％を吸収できる。画素電極層５５と対向電極層５８との間の印加電圧は、通常１Ｖ〜３０Ｖ程度であるが、１５Ｖ程度で最大吸収波長での外部量子効率が２０〜４０％程度、それ以上に電圧を上げると、量子効率は上がるが電極５５からのキャリア注入による暗電流が増加してＳ／Ｎが落ちる。

有機材料による光電変換層５７は、酸素や水分で劣化するため、対向電極層５８（図３では、対向電極層４９）の上に、窒化シリコンなどの封止層が必要である。その際、素子にダメージを与えないように、低ダメージスパッタや低ダメージプラズマＣＶＤなどで封止層を成層すると良い。

感光層５７（図３では“４７”）の材料として、銅フタロシアニン、ポルフィリン、Ｍｅ−ＰＴＣ、キナクリドンなどがあげられる。

図６（ａ）は、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）の吸収特性であり、図６（ｂ）はその構造式である。「吸収されている」＝「電荷変換されている」ことであるため、図６（ａ）はＣｕＰｃの分光感度特性と等価である。分光感度を見ると、６２０ｎｍ付近にもピークを持つが、最大ピークがシンチレータ発光波長と一致するシンチレータ材料と組み合わせれば良い。

図７（ａ）は、ポルフィリンの分光感度であり、図７（ｂ）はその構造式である。図８（ａ）は、Ｍｅ−ＰＴＣ（メチルＰＣＴ）の分光感度特性であり、図８（ｂ）はその構造式である。

図９（ａ）は、キナクリドンの分光感度であり、図９（ｂ）はその構造式である。キナクリドンは、短波長（≦３００ｎｍ）にも感度ピークを持つが、発光波長が５６０ｎｍ付近のシンチレータ材料と組み合わせれば良い。

正孔ブロッキング層として用いるＡｌｑも、感度を持つ。図１０（ａ）は、Ａｌｑの分光感度であり、図１０（ｂ）は、その構造式である。このＡｌｑは、ＣｕＰＣやポルフィリンと組み合わせたとき、特に感度に貢献する。

図１１は、シンチレータ１３ｂの材料と、撮像素子を構成する材料との組み合わせ対応表を示す図である。γ線やα線等を検出する用途に対する組み合わせも一緒に図示しているが、Ｘ線用途では、
（ＢａＦ_２）―（Ａｌ／ＣｕＰｃ／Ａｌｑ／ＩＴＯ）
（ＣｓＩ（Ｐｕｒｅ））―（Ａｌ／ＣｕＰｃ／Ａｌｑ／ＩＴＯ）
（ＮａＩ（ＴＩ））―（Ａｌ／ポルフィリン／Ａｌｑ／ＩＴＯ）
（ＣｓＩ（Ｎａ））―（Ａｌ／ポルフィリン／Ａｌｑ／ＩＴＯ）
（ＣａＦ_２（Ｅｕ））―（Ａｌ／ポルフィリン／Ａｌｑ／ＩＴＯ）
（ＣｄＷＯ_４）―（Ａｌ／キナクリドン／Ａｌｑ／ＩＴＯ）
の６種類の組み合わせが良いことが分かる。

Ｘ線ＣＴ装置では演算処理する画像データ数が膨大となるため、画素数が多くなるほどＸ線撮像装置１３から高速に画像データを読み出して画像再構成演算部２２（図１）に出力するのが好ましい。この高速読出を図ったＸ線撮像装置１３の構成を図１２に示す。

ＣＭＯＳ回路で構成された信号読出回路の読み出し速度を高速化するには、読み出しの並列化を図ることが有効である。そこで、図１２に示す実施形態では、図２に示す実施形態に比較して、各信号読出回路の信号読出線６１を（図１２では、垂直読出線）を増やし、垂直方向４画素を同時に読み出すことができるようにしている。

また、信号読出線６１を増やすとそれに比例して出力信号線も増えるため、ＡＤコンバータ６２でデジタル信号に変換し、出力信号バス６３に多重化して読み出すことで出力信号線数を減らしている。出力信号バス６３は、パラレルバスでも良いが、シリアルバスにすることでさらに出力線数を減らすことができる。

図３で説明したＸ線撮像装置では、シンチレータ１３ｂと撮像素子１３ａとを別々に製造し、その後に組み合わせた構造をとっているが、シンチレータを湾曲した形状に形成し、その表面に、撮像素子を形成することも可能である。

図１３は、湾曲形成したシンチレータの表面に撮像素子を形成する製造装置の概略を示す図である。この製造装置は、湾曲形成されたシンチレータ６５の表面に沿って湾曲したレール６６が設けられており、このレール６６に沿って移動しシンチレータ６５の表面に有機感光層等を塗布する塗布器（例えばインクジェット）６７を備える。

この様に、シンチレータの表面に有機感光層等を塗布して撮像素子を形成するには、シンチレータ表面の平滑度が問題となるが、シンチレータ材料のセラミクスの表面は、かなりの程度の平滑度を達成することができるため、撮像素子の製造は可能である。また、この平滑度が足りない場合には、研磨したり、ＰＥＴやガラス材をシンチレータ表面に塗布する表面処理を行えばよい。

平滑な表面ができあがれば、これ表面の上に感光層や電極層、絶縁層等を積層し、最後に信号読出回路を製造することになる。この信号読出回路は、例えば、半導体基板の上に製造した信号読出回路を薄い層として半導体基板から剥ぎ取り、これをシンチレータの上に貼り付ければ良い。あるいは、ＰＥＴ等の上に薄い半導体層を形成してここに信号読出回路を製造し、これをシンチレータの上に貼り付ければ良い。これにより、シンチレータ一体の撮像素子（＝Ｘ線撮像装置）が形成される。

尚、上述した実施形態のＸ線撮像装置は、信号読出手段として従来のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いる３トランジスタ構成や４トランジスタ構成の信号読出回路を用いたが、信号読出手段として、従来のＣＣＤ型イメージセンサで用いる電荷転送路を用いる構成としても良いことはいうまでもない。

本発明は、小型化、低コスト化が容易なため、シンチレータを用いたＸ線撮像装置として有用である。

本発明の一実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成図である。 図１に示すＸ線撮像装置の一部表面模式図である。 図２のIII―III線断面模式図である。 感光層の断面詳細説明図である。 別の感光層の断面詳細説明図である。 銅フタロシアニンの分光感度及び構造式である。 ポルフィリンの分光感度及び構造式である。 Ｍｅ−ＰＴＣの分光感度と構造式である。 キナクリドンの分光感度と構造式である。 Ａｌｑの分光感度と構造式である。 シンチレータと有機撮像素子との材料の対応を表す図である。 図２に代わる実施形態の高速読出可能なＸ線撮像装置の構成図である。 シンチレータ表面に有機撮像素子を製造する装置の一例の説明図である。 従来のＸ線ＣＴ装置の説明図である。 図１４の改良されたＸ線ＣＴ装置の説明図である。

符号の説明

１０ Ｘ線ＣＴ装置
１１ 装置本体
１２ Ｘ線照射器
１３ Ｘ線撮像装置
１３ａ 撮像素子
１３ｂ シンチレータ
１４ 中央開口部
３０ 画素
３１ 信号読出回路
３５ 可撓性基板
３６ 半導体層
３７ 信号電荷蓄積部（ダイオード部）
３８ ｎ領域（信号読出回路のトランジスタの一部領域）
４５ 画素電極層
４６ 縦配線
４７ 感光層（有機光電変換層）
４９ 対向電極層
５０ 隙間（空間）
５１ セパレータ

Claims (5)

1. 被検体に対して照射され該被検体を透過したＸ線が入射することで蛍光を発するシンチレータと、該シンチレータが発する蛍光を受光して電気信号に変換する撮像素子とを組み合わせたＸ線撮像装置において、前記シンチレータが湾曲して形成されており、前記撮像素子を構成する基板は可撓性を有するとともに前記撮像素子は前記シンチレータと対向する位置に配置されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
2. 前記撮像素子が、該シンチレータの表面に沿うような形状で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
3. 前記撮像素子が、入射光を光電変換する有機材料を含む感光層を備えてい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線撮像装置。
4. 前記シンチレータと前記有機感光層とは、前記シンチレータが発する前記蛍光のピーク波長と前記有機感光層の受光感度のピーク波長とが所定範囲内で一致する材料でそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線撮像装置。
5. 被検体に対してＸ線を照射するＸ線照射器と、前記被検体を介して前記Ｘ線照射器に対向する位置に設けられた請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の前記Ｘ線撮像装置と、前記Ｘ線照射器と前記Ｘ線撮像装置とを対向させた状態で前記被検体の回りで一体回転させる駆動手段とを備えることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。

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