JP2007296337A - トモシンセシス及びスタチックイメージング用の非晶質セレンフラットパネルx線イメージャ - Google Patents

トモシンセシス及びスタチックイメージング用の非晶質セレンフラットパネルx線イメージャ Download PDF

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Abstract

【課題】 デジタルフラットパネルX線イメージャを使用した改良したX線イメージング技術を提供する。
【解決手段】 ゴースト効果を低下させ且つ薄膜トランジスタアレイの適切なリーク電流特性により過剰電圧保護が与えられているフラットパネルX線イメージャが提供される。適宜の物質からなる上部電極が非晶質セレンをベースとした電荷発生器層のすぐ上側に設けられており、該層を横断しての電荷の輸送を可能とし、それによりゴーストを減少させる。代替的に、非絶縁性有機層を該上部電極と該電荷発生層との間に設けることが可能である。該薄膜トランジスタは、結像されるオブジェクトを介しての露光とマッチする範囲内のトランジスタを横断しての電圧で比較的ゆっくりと上昇するが、電荷発生器層の対応する領域がX線のより大きな量を受取る場合であっても保護をあたえるためにより高い範囲内において充分に一層高い割合で上昇するリーク電流を有している。該上部電極へ電圧が印加される。この電圧は500V乃至2000Vの範囲内とすることが可能である。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ラジオグラフィの分野に関するものであって、更に詳細には、デジタルフラットパネルX線イメージャを使用するX線イメージング技術に関するものである。
本願は、2005年2月16日に出願した米国特許出願第11/059,282号の一部継続出願である2006年1月27日に出願した米国特許出願第11/341,925号の一部継続出願であり、それらの米国特許出願の記載内容全体を引用により本明細書に取込む。
ドープした非晶質セレン電荷発生器層等の電荷発生器物質を使用し且つX線を直接的に電荷へ変換させ、従って、局所的なX線露光に関連する電気信号を発生させるフラットパネルX線イメージング装置が最近開発されている。例えば、米国特許第5,319,206号、及びYorker J.、Jeromin L.、Lee D.、Palecki E.、Golden K.、及びJing Z.、「セレンにおける直接的X線変換に基づくフルフィールドマンモグラフィ検知器の特性(Characterization of a full field mammography detector based on direct X−ray conversion in selenium)」、Proc.SPIE4682、21−29(2002)を参照すると良い。一般的なラジオグラフィ用及びマンモグラフィ用の市販バージョンは、マサチューセッツ州デッドフォードのホロジックインコーポレイテッド(「Hologic」)及びデラウエア州ニューワークのダイレクトラジオグラフィコーポレイション(「DRC」)から米国において1年以上前から入手可能である。DRCイメージャは、コネクチカット州ダンベリーのローラッドコーポレイション(「Lorad」)から米国において1年以上前から入手可能であるマンモグラフィシステムにおいて使用されている。このような直接変換パネルにおいて、電荷発生器物質は直接的にX線を電子と正孔の対へ変換させ、且つ、印加した電界の下で、該正孔及び電子は、隣接するピクセルへの横方向損失が非常に少ない状態で夫々の電極へ移動する。直接変換は、沃化セシウム等の物質においてX線がシンチレーションを発生させ且つその結果発生する光エネルギが検知される間接変換パネルよりもより良い空間分解能及びその他の利点を提供するものと考えられている。
上に参照したタイプの直接変換フラットパネルイメージャの構造を原理的に図1に例示してあるが縮尺通りのものではない。それは、上部電極100と、該上部電極を非晶質セレンをベースとした電荷発生器層104から分離している電荷バリア層102(典型的に、パリレン(Parylene)から構成されている)と、二次元ピクセルアレイにパターン形成されている電子ブロッキング層106と、これもピクセルアレイにパターン化されている電荷回収電極108と、該電荷回収電極へ及び夫々の信号格納コンデンサ112へ結合されている夫々のトランジスタ110を有している薄膜トランジスタ(「TFT」)アレイと、典型的にガラスから構成されている基板114と、夫々の格納コンデンサにおいて回収された電荷を電荷増幅器118へ該トランジスタが送給することを可能とする(ターンオン)ゲートパルス線116と、プログラム可能な高電圧電源120とを有している。例示したピクセル用の等価コンデンサ回路は、電荷バリア層を横断しての容量を表わすコンデンサ122と、該電荷発生器層を横断しての容量を表わすコンデンサ124と、該ピクセル用の電荷格納コンデンサの容量を表わすコンデンサ126とを有している。該電荷バリア層の機能のうちの1つは、例えば、画像形成中の被写体により減衰されることのないX線を受取る電荷発生層の領域において発生される電荷をコンデンサが格納する場合に、該電荷格納コンデンサ内に格納される電荷が高過ぎることとなる場合にブレークダウン損傷を被る場合がある薄膜トランジスタの保護である。例えば、マンモグラフィにおいては、フラットパネルイメージャの角部は、典型的に、乳房輪郭の外側にあり且つ乳房下側のイメージャの部分よりも一層大きな照射を受取る場合がある。該電荷バリア層は、該電荷発生器層の適宜の部分における電界を次第に減少させる電荷を回収することによりこのようなトランジスタを保護し、従って、そうでなければ、関連する電荷回収コンデンサにおいて回収する電荷の量を減少させる。
従って、該電荷バリア層は、フラットパネル検知器におけるチャレンジのうちの1つ、即ち、薄膜トランジスタのブレークダウン保護を充足することに貢献する。別のチャレンジは、前のX線露光からのイメージャ内において回収した電荷を散逸させるのにかかる時間に起因するゴースト(1つ又はそれ以上の前の画像の残存物)である。ゴーストを除去するか又は少なくとも許容可能なレベルへ減少させるために種々の技術が開発され且つ市場において使用されている。それらは、X線露光間に可視光への露光による電荷消去、及びX線露光間における電極のバイアス電位を操作するための種々の態様を包含している。ゴーストを処理するのに必要な時間は、例えば、フルオロスコピー又はトモシンセシスのために迅速に相次いで画像を採取することを困難なものとさせる。
電荷バリア層なしで直接変換パネルを使用することは実際的なものではないということが報告されている。従って、直接変換パネルの分野における良く知られた研究者による1998年論文では、理論上はセレンをベースとした検知器の直接メタリゼーションは迅速なイメージングを可能とさせるものであるが、実験データに基づいて、このことは再現性がなく且つ不安定な結果を与えることとなると記載している。Polischuk B.、Shukri Z.、Legros A.、及びRougheout H.、「医学的イメージング適用例におけるスタチック及びダイナミックX線検知用セレン直接変換器構造(Selenium direct converter structure for static and dynamic X−ray detection in medical imaging applications)」、SPIEコンフェレンス・オン・フィジックス・オブ・メディカルイメージング、サンジィエゴ、カリフォルニア、1998年2月、SPIE Vol.3336、pp.494−504は、「実時間において、即ち30フレーム/秒で動作することが可能なセレンをベースとしたX線検知器を開発するために、直接メタライズさせたセレン構成体が必要となる。半導体層の自由表面上に直接付着形成させた金属電極はショットキーコンタクトとして動作することが可能であることはソリッドステート理論において良く確立されている。」と記載している。次いで、この論文は、「より低い仕事関数[セレンよりも]を有する殆どの金属は、金属電極からの過剰な電荷の注入を最小とさせることが可能なビルトイン電位障壁を有するべきである」と述べているが、該論文は、実験は、「サンプル毎の変化及び接触不安定性はこれらのサンプルに関して共通に観測された」ことを示していること、及び「従って、暗電流を制限するためにショットキーコンタクトのみに依存したいずれのX線検知器も再現性がなく且つ不安定な結果を与えるものであったと結論された」ことを報告している。該論文は、上部電極と該セレンとの間にブロッキング層を包含する解決方法を提案しており、且つ「該上部ブロッキング層の役割は、金属電極からの正電荷の注入を制限するが、いずれのX線により発生された電子が該セレン層から該金属コンタクトへ阻止されずに移動することを可能とするためである」と述べている。該文献の著者はカナダケベック州のノランダアドバンストマテリアルズ(Noranda Advanced Materials)からのものであり、その会社は、DRCに加えて、当時、フラットパネルセレンをベースとしたX線イメージャの主要な開発者であったと思われる。
多数の先の提案はフラットパネル検知器における高電圧保護の問題を取扱っている。該1998年論文の3人の著者及びその他二人の発明者に対して許可されている米国特許第6,353,229号は幾つかのこのような提案を参照している。1つは1欄、24−39行において引用されており且つピクセル電圧がある電位を超える場合にTFT構造におけるバックチャンネルを形成する特別のデュアルゲートTFT(薄膜トランジスタ)構造が関与することを報告している。Zhao W.、Law J.、Waechner D.、Huang Z.、及びRowlands J.、「高電圧保護を具備する非晶質セレン検知器のアクティブマトリクス読取を使用したデジタルラジオロジー(Digital radiology using active matrix readout of amorphous selenium detectors with high voltage protection)」、1998年 Med Phys25(4)、pp.539−549を参照すると良い。別のものは1欄、46−57行(米国特許第5,198,673号)において記載されており且つ各ピクセル位置に存在する2番目の2端子保護装置の使用が関与すると記載されている。該特許は、又、「従来技術の説明」のセクションにおいて、従来技術の多数のその他のアイテムを参照しており、即ち、(1)1996年7月25日に公開されたPCT国際出願WO96/22616、(2)Lee D.、Cheung L.K.、及びJeromen L.、「プロジェクションラジオグラフィ用の新しいデジタル検知器(A new digital detector for projection radiography)」、1995、SPIE Vol.2432、pp.237−249、(3)米国特許第5,598,004号及び第5,396,072号(「TFTアレイの高電圧保護については何も言及されていない[これらの特許において]」と記載)、(4)米国特許第5,528,043号(該特許は「セレンバイアスからの該回路の高電圧保護が達成されるか否かについて言及していない」と記載)、(5)米国特許第5,436,101号(「基板上のいずれかの要素のいずれかの高電圧保護についての言及がない」と記載)、及び(6)1998年3月4日に公開されており且つ同日に公開されたEP0826983に対応するカナダ特許出願第2,184,667号(「この構成を高電圧保護のためにどのようにして使うことが可能であるかの表示は与えられていない」と記載)である。
米国特許第6,353,229号は、「高電圧バイアス電極を負電位へ設定し且つTFTが基本的に非導通状態であるようにTFT「オフ」ゲート電圧を所定の負の値に設定することにより」高電圧保護を達成することを提案している。該特許は、「常に幾らかのTFTリークが存在する」ことを認識しているが、「それを最少とさせ且つTFTを基本的に非導通状態とさせるために負の「オフ」電圧を調節することが可能である」ことを記載している。2欄、49−61行を参照すると良い。
先の論文及び特許は、上に引用した特許及び論文と一貫性があるものと思われる。米国特許第5,132,541号、第5,184,081号、第5,396,072号、第5,942,756号、及びZhao W.及びRowlands J.A.、「非晶質セレンを使用したラジオロジー用の大面積ソリッドステート検知器(A large area solid−state detector for radiology using amorphous selenium)」、SPIEメディカルイメージング、 Vol.1.1651、pp.134−143、1992を参照すると良い。より最近の米国特許第6,469,312号は、図2において、主要成分として非晶質セレンを含有する記録側光導電層3上の電極2を例示しているが、電極層2の正面に波長変換層1を有しており、それはシンチレータとして作用し、従って非晶質セレン層3は光検知器として作用する。
上に引用した特許及び論文の各々は、あたかもそれらが本明細書において記載されているように引用によりその記載内容全体を本明細書に取込む。
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、デジタルフラットパネルX線イメージャを使用した改良したX線イメージング技術を提供することを目的とする。
本明細書は、先に引用した特許及び論文における提案から逸脱し、且つ、それらとは幾分矛盾する新たなアプローチを開示するものである。この新たなアプローチは、上部電極とX線を電荷へ直接的に変化すべく作用するセレンをベースとした電荷発生器層との間に非絶縁性有機物質からなる層を配置させることを包含しており、且つ、保護のためにTFTアレイトランジスタのリーク電流を意図的に使用する場合がある。この新たなアプローチにおいては、TFTアレイトランジスタのリーク電流特性は、該リーク電流が画像形成中の被写体に対して予測される典型的な範囲内の照射を測定するピクセルに対して比較的低いものであるが、該リーク電流は、例えば、イメージャの角部におけるピクセル等の画像形成中の被写体の外部にあり且つ該被写体により減衰されることのない照射を受けるピクセル等のより多くの照射を受取るピクセルに対するトランジスタブレークダウンを回避するのに充分に高いものである動作範囲を提供することが可能である。この新たなアプローチにおいては、該TFTリーク電流範囲は、高電圧TFTブレークダウンから保護するために設計された電荷発生器層と上部電極との間の電荷バリア層が存在しないにも拘わらずブレークダウン保護を与えることが可能である。
好適であるが非制限的な例において、非絶縁性有機物質からなる層をセレンをベースとした層の上に直接的に付着形成させるか又はその他の態様で形成することが可能である。該非絶縁性有機物質の上に直接的に上部金属電極を付着形成させるか又はその他の態様で形成することが可能である。上部電極と電荷発生器層との間には故意に電荷ブロッキング又は絶縁層を形成することは必要ではない。薄膜トランジスタのリーク電流は、選択した範囲に到達するまで該トランジスタにおける電圧と共に比較的遅い割合で上昇するが、その範囲より高い該トランジスタにおける電圧と共により一層急峻に上昇することが可能である。特定の回路形態に対する非制限的な例として、該リーク電流は、20−25ボルトの範囲におけるトランジスタ電圧に到達するまで低い割合で上昇するが、その範囲より高い電圧と共に一層急峻に上昇する。一層高い電圧においては、急峻に上昇するリーク電流がトランジスタブレークダウンに対するビルトイン保護を提供する。20−25ボルトの範囲は1例に過ぎず、異なる構造のTFTアレイトランジスタ又はイメージャの場合において保護を達成するためにその他の範囲が適切な場合がある。
電圧が該上部電極へ印加される。この電圧は500V乃至2000Vの範囲内とすることが可能である。
代替として、該上部電極はセレンをベースとした電荷発生器層の上に直接的に形成することが可能である。
図2を参照すると、本発明に基づくイメージャの非制限的な例が、電子的に非絶縁性の有機物質202上に付着形成させるか又はその他の態様で形成した上部金属電極100を有している。該非絶縁性有機物質202は、非晶質セレンをベースとした電荷発生器層104の上側表面上に直接的に付着形成させるか又はその他の態様で形成することが可能である。図1に例示した場合と異なり、故意に付着形成させるか又はその他の態様で形成した電子バリア層は存在しない。電荷回収電極108が電荷発生器層104の下側であるか又はその底部表面に埋設してピクセル電極からなる二次元アレイにパターン形成されている。電子ブロッキング層106がピクセル電極108(電荷回収電極とも呼称される)を被覆することが可能である。電荷発生器層104と基板114との間に読取回路が介装されており、且つ該ピクセル電極と電気的に結合されている夫々の信号格納コンデンサ112、及び該ピクセル電極と該信号格納コンデンサとの間の接続部と電気的に結合されている夫々のゲート動作用トランジスタ110を有している薄膜トランジスタ(TFT)アレイを有している。トランジスタ110は通常オフ状態にあるが、ゲートパルス線116を介して送給されるゲート動作信号によりイネーブル(ターンオン)させることが可能であり、それにより信号格納コンデンサ内に蓄積された電荷を電荷増幅器118へ送給する。プログラム可能な高電圧電源120が接地及び接地されている信号格納コンデンサ112を相対的に上部電極100に対して正電位を印加し、それにより電荷発生器層104内に電界を誘起させる。例えば、隣接する電荷回収電極108の間に電荷発生器層104の下側に延在する特別の電極を形成し且つ適宜バイアスさせることによって、付加的な電界を発生させることも可能である。図1は縮尺通りではなく、且つ上部電極100上の保護層(例えば、上部電極上のパイレンパッシベーション、又は上部電極上の何等かの保護層)、及びマンモグラフィ用にDRCから入手可能であり且つLoradによって使用されており且つ約25×29cmの活性面積にわたり70ミクロンのピッチにおける3584×4096正方形ピクセルを有するイメージングパネルの一部である種々のその他の機械的又は電気的コンポーネント等のイメージングパネルの良く知られたコンポーネントを省略してある。該電荷発生器層は約200ミクロンの厚さとすることが可能であり且つ制御した量のドーパントにより熱的に安定化させることが可能である。該電荷発生器層を横断して約1,000ボルトの電圧を使用することが可能であり、その結果1ミクロン厚さ当たり約5ボルトの電界が得られる。
図3を参照すると、図1及び2と同一の構成要素には同一の参照番号を付してある。付加的な構成要素は、線116(G1)と類似しているがトランジスタ110のその他の行を司る付加的なゲートパルス線G2...Gn、夫々の行におけるトランジスタ110を選択的にイネーブルさせるために制御器304により制御されるゲートドライバ300、及び夫々の列におけるトランジスタ110の出力をサンプル・ホールド(S/H)回路304へ供給する列読出し線D1...Dmである。マルチプレクサ306は回路304の出力を取り且つ制御器304により制御されるアナログ・デジタル変換器(ADC)308へ供給する。ADC308からのデジタル化されたピクセル値は直列データポート310へ送給され、次いで、イメージバッファへ送給され、そこから、それらはディスプレイ、格納、伝送等のためのイメージデータへ適宜処理するために取ることが可能である。ピクセル電荷は個別的に読み出すことが可能であり、又は幾つかのピクセル(例えば、2×2ピクセルからなるアレイ)を空間分解能の犠牲においてより高い読取速度のために単一のサンプルへビニングさせることが可能である。該パネルは、例えば、28kVp、Lorad指定M4からのX線発生器により供給されるMO/MOスペクトル、30秒のイメージサイクル及び65cmの供給源−検知器距離で、スクリーニングマンモグラフィ用のスタチックモードで動作させることが可能である。テスト目的のために、1乃至16mRの露光範囲を使用することが可能であり、それは乳癌スクリーニング用の1−10mRの典型的なドーズを包含している。一方、該パネルは、例えば、28kVp、Mo/Rhスペクトル、0.5又は1.0秒のイメージサイクル及び2×2ピクセルビニング、及びイメージ当たり約0.5−1.5mRの露光範囲において、即ち停止及び露光イメージングの1つのスイープにおいてダイナミックなトモシンセシスモードで約10又は11個のイメージを取ることが可能であるようにスタチックなスクリーニングモードに対し約10倍小さなイメージ当たりのドーズ範囲においてダイナミックなトモシンセシスモードで動作させることが可能である。
該非絶縁性有機層(図2の202)は、正孔ブロッキング層とすることが可能であり且つ電源120及び上部電極100から電荷発生層104へ正電荷が移動することを阻止することが可能である。然しながら、この非絶縁性有機層202は負電荷が電荷発生層104から上部電極100へ流れることを許可することが可能である。非絶縁性有機層202は、従って、上部金属−半導体界面における正孔注入を阻止し、従って、検知器暗電流(X線が存在しない場合に検知される信号)を防止することが可能である。減少する暗電流は該検知器のダイナミックレンジを増加させ且つイメージ内のノイズを減少させる場合がある。
該非絶縁性有機層は、例えば、有機半導体とすることが可能である。使用することが可能な有機半導体の例は、フタロシアニン(Pc)、オキシジアゾール及びオキサゾール、ポリチオフェン、ペンタセン、オリゴチオフェン、TCNQ(テトラシアノキノジメタン)、TDEA(テトラキスデメチルアミノエタン)、テトラカルボン酸二無水物、フラレン(C60,C70)、アリールアルカン、アリールアミン、ポリシリレン、ポリゲルマン、PVK(ポリビニルカルバゾール)及び関連化合物及びピラゾリンを包含している。ここにリストした有機半導体は例として与えられるものであり本発明の実施例に基づいて使用することが可能な全ての非絶縁性有機層の排他的なリストとして提供されているものではない。
本発明の1実施例によれば、該非絶縁性有機層は50オングストローム乃至10,000オングストロームの範囲内の厚さのものとすることが可能である。この範囲内の厚さは効果的なものであると考えられる。
図4に示した本発明の別の例によれば、上部電極100は電荷発生層104と直接的に接触することが可能である。この実施例においては、図1に示した従来技術の検知器において使用されているようなパリレン層も図2に示した本発明の他の実施例において使用されているような非絶縁性有機層も存在していない。
本発明の両方の実施例(図2及び4)は、図1に示した従来技術のアプローチと比較して類似した特性及び利点を有することが可能である。例えば、両方の実施例は、例えば、毎秒30フレームの範囲内のトモグラフィイメージングを可能とさせる場合がある。上述したように、本発明の両方の実施例は図3に示したイメージャ回路を使用することが可能である。
図5は図3及び4のイメージャの動作にとって特に重要である薄膜トランジスタ110のリーク電流特性を例示している。トランジスタのこの特定の例に見られるように、トランジスタがそのオフ状態にあり、且つトランジスタドレイン110a(夫々の信号格納コンデンサ112とピクセル電極108との間の接続部)における電圧が約20ボルト未満であるか、又は少なくとも約20−25ボルトの範囲におけるどこかより小さい場合に、該トランジスタのリーク電流は比較的遅い割合で上昇する。然しながら、該トランジスタが未だにそのオフ状態にある場合には、該リーク電流は、112aにおける電圧における上昇が約20−25ボルトの範囲より上である場合に、著しく一層高い割合で(より急峻に)上昇する。この例においては、リーク電流上昇の低い割合と高い割合との間の変曲点は25ボルトよりも20ボルトに一層近い。この例においては、該変曲点より上方における上昇は漸進的に一層急峻となる。正確な変曲点又はその変曲点が発生する範囲は特定のTFTアレイの詳細に依存して変化する場合があるが、重要な特徴は、トランジスタの電圧ブレークダウン(即ち過剰電圧損傷)を回避するためにイメージャパネルの特定の使用に対して適切な電圧範囲より上方においてリークが充分に高い割合で増加するということである。
本発明の1実施例によれば、該トランジスタの各々のリーク電流は、20ボルトのトランジスタ電圧において2pA未満であり且つ35ボルトのトランジスタ電圧において20pAを超えている。
図6に例示したように、図2−4に例示したタイプのX線イメージャの利点のうちの1つは、図1に例示したタイプの従来技術のイメージャと比較して、ゴースト効果における劇的な減少である。図6は、現在ダイレクトラジオグラフィコーポレイションにより販売されているイメージングパネル(図1に例示したようなスタンダードのDRC検知器)のゴーストを図4に例示したタイプの同様のパネル(メタル・オン・セレンの検知器)と比較している。これら2つの検知器(X線イメージングパネル)の間の顕著な差異は、スタンダードのDRC検知器は電荷バリア層(図1における層102)を有しているが、本発明の実施例に基づく検知器においては、電荷発生器層104と直接接触している上部電極100か、又は上部電極100と電荷発生器層104との間の非絶縁性有機層202のいずれかを有している。これら3つのパネルはその他においては同一のものとすることが可能であり、同一のTFTアレイを有している。然しながら、図2及び4に示した本発明の実施例に基づくトランジスタ110は異なる範囲で動作することが可能であり、その場合に、該トランジスタは、スタンダードのDRC検知器における絶縁性電荷バリア層102が防止するように設計されていた範囲内へドレイン110aにおける電圧を拡張させることが許容される。
本発明の実施例の検知器(図2及び4のX線イメージャ)が示す低ゴースト特性は、図1のスタンダードのDRC検知器と比較して迅速なイメージングを可能とさせる。図2−4のX線イメージャはダイレクトラジオロジーコーポレイションにより現在販売されているイメージャにおいて使用されているものと同一か又は類似したX線露光間のゴーストイメージを消去させるための技術を使用することが可能であるが、代替的に、このような消去動作なしで図2−4のイメージャを使用することが可能である。
上部電極100は、典型的に、元素金属又は合金又はインジウム錫酸化物(ITO)等の無機酸化物であるが、有機導体をその代わりに使用することが可能である。上部電極100の物質は、好適には、電荷発生器層104よりもより低い仕事関数を有している。好適には、上部電極100は、電極100から非絶縁性有機層202への正電荷の電荷発生層104内への注入を阻止しながら、電荷発生器層104から非絶縁性有機層202への負の電荷の電極100内への自由な流れを許容するような物質から構成されている。必要というわけではないが、好適には、上部電極100の物質は次の特性、即ち仕事関数<4.0電子ボルト、電気的固有抵抗<55μΩ・cm、原子番号<60を有している。更に、上部電極100の物質は、好適には、非絶縁性有機層202又は電荷発生層104と接触している場合に化学的に安定であり、固体の形態において可燃性ではなく且つ爆発性でも腐食性でもなく、有毒性又は発ガン性又は放射性が非常に高いものではなく、且つデポジション即ち付着又はイメージングパネルの残りの構成を形成する場合に適合性のあるその他のプロセスにより上部電極100を形成することを可能とするものである。クロム(Cr)は、例えば、その他の厚さとすることが適切な場合もあるが、約50乃至約10,000オングストロームの範囲内の厚さにおいて上述した基準を満足する適切な物質の1つの例であると思料される。
クロムは、部分的には、それが24という低い原子番号を有しており、従って薄い層で付着形成される場合に殆どX線放射を吸収するものではないので、該上部電極を形成するための適切な物質であると思料される。更に、その高い溶融温度(Tc=1875℃)のために、室温におけるセレンに対するその拡散係数は非常に低い。このことは、大きく且つ不安定な暗電流信号を形成することによりイメージャ性能を著しく劣化させる可能性のあるCr−Se合金層の形成を防止することが可能である。
該上部電極が厚過ぎるか又は薄過ぎる場合には、製造及び/又は動作期間中に構造的一体性を減少させる場合があり及び/又はX線吸収レベルを許容不可能なレベルへ増加させる場合がある。従って、最適な上部電極の厚さを選択することが有益的である。
実験により、約150オングストローム乃至約2000オングストロームの範囲内のクロム層は満足のいく結果を発生することを示しており、且つ約50オングストローム乃至約10,000オングストロームの範囲内のクロム層も満足のいく結果を発生するものと思料される。
ITO及び元素形態におけるか又は互いに又はその他の元素との合金における支配的な金属としてのAlも、適切な金属の例であると思料される。別の考慮事項は、セレンとの熱膨張適合性であり、そのことは、該上部電極の組成、厚さ、又は形成技術に関し条件を課す場合がある。
X線イメージング技術における一般的な過程の下において、X線イメージングパネルの予測される動作条件の下でブレークダウンを回避するためにトランジスタのリーク電流に依存することの能力は驚くべきものである。例えば、市販されている図1に例示した従来技術のパネルのマンモグラフィにおける使用において、電荷バリア層102無しでは、このように高い量の電荷が個別的な信号格納コンデンサ112において蓄積し、そのコンデンサ電圧は該コンデンサにおける誘電体及び/又は薄膜トランジスタ110におけるチャンネルを損傷するのに充分高いレベルへ上昇し、イメージングパネルの永久的な損傷となるものと考えられていた。1つの計算ではリーク電流がゼロであると仮定し、且つマンモグラフィX線エネルギの下において、イメージングパネルは4.58×10-15クーロン/Mr/ピクセル蓄積するものと推定している。最大X線露光レートが5R/秒である場合には、コンデンサ112における最大蓄積電荷は1秒で2.3×10-11クーロンである。この理論計算は信号格納コンデンサ112を横断しての34.7ボルトの電圧となる。実際には、大きく密度の高い乳房の場合には、露光レートは3R/秒に一層近い。これはリーク電流がないと仮定した場合の推定であるが、DRCにより供給された現在のマンモグラフィイメージングパネル(図1)におけるTFTの実際の測定値は、約20−25ボルトにわたり増加する電圧と共に迅速に増加するドレイン対ソースのリーク電流を示している。ドレインにおける約30ボルトにおいて、そのリーク電流は24pAであると補間され、それは該信号格納コンデンサの電位が25ボルトを超えて上昇する場合にリークするのに丁度充分な過剰電荷である。従って、この迅速に上昇するリーク電流は自己保護メカニズムとなり、それは102(図1)のような電荷バリア層及びそのゴースト効果無しで済ますことを可能とする。
上述したパラメータにおいての図2−4に基づくマンモグラフィパネルのスクリーニングモードに対するテスト及び計算は以下のことを示している。
・予測される露光範囲における良好な直線性(図7A参照)
・良好なプレサンプリング変調伝達関数(MTF)(図8A参照)
・予測される範囲にわたっての異なる露光に対する空間周波数の関数としての良好なノイズパワースペクトル(NPS)(図9参照)
・次式、
DQE(f,X)=(S(X)×MTF(f))2/(Φ(X)×NPS(f,X))
尚、S(X)はある露光Xにおける測定された信号であり、Φ(X)は露光Xにおける単位面積当たりの入射光子フルエンスである(図10A−10B参照)、
に基づく出力における入射信号対ノイズ比を転送する場合のイメージングシステムの効率を測定する複合パラメータとして検出量子効率(DQE)として表現された良好な効率
・28kVp、Mo/Moスペクトルで、イメージング表面の一部を1.0mm厚さの鉛のシート片で被覆した状態でイメージャを2.6Rの大きな「ゴースト」露光へ露光させた場合のテストにおける経過時間(図11参照)の関数としての良好なゴースト特性。30秒の後に、第一読取フレームを9mRの一層低いドーズにおいて採取し、該鉛を除去し且つX線ビームを4cmのルーサイト(Lucite)を介してフィルタさせた。該ルーサイトファントム位置内外の興味のある256×256ピクセル領域における平均検知器信号を比較し、且つゴーストの大きさは、
ゴースト(%)=((信号(内)−信号(外))/信号(内)×100%
の正規化した差として計算した。
上述したパラメータにおいて、図2−4に基づくマンモグラフィパネルのトモシンセシスモードに対するテスト及び計算も以下のことを示している。
・予測される露光範囲においての良好な直線性(図7B参照)
・良好なプレサンプリング変調伝達関数(MTF)(図8B参照)
・スクリーニングモードにおいてであるがトモシンセシスパラメータにおいて使用した方法を使用して計算した検出量子効率(DQE)として表わされる良好な効率(図10C)
・良好なイメージ遅延特性(図12)、尚遅延は、イメージング面積の半分を1.0mmの厚さの鉛シートによって被覆した状態で28kVpにおいての単一の高露光に対してイメージャを露光させ、次いで0.5秒の間隔において一連の暗イメージフレームを読み出すことにより調べた。2つのテストを行い、1つは164mRの高ドーズの場合であり、他方は58mRの場合である。遅延は高ドーズに露光させたシールドしていない面積と鉛によりシールドした他の半分との間のダークカウント即ち暗係数における正規化した差として計算した。
遅延(%)=((ダークカウント(遮蔽無し)−ダークカウント(遮蔽有り))/ダークカウント(シールド有り)×100%
・イメージャの一部を4.2cmの厚さのアクリルブロックで被覆した状態で36kVp及びMo/Rhスペクトルでの177mRの高ゴースト露光へイメージャを露光させることにより調べた時間の関数としての良好な残留イメージゴースト(図13)。次いで、該アクリルブロックを除去し且つ各イメージフレームに対して5.29mRにおいて、一連の読取ドーズイメージが1.0秒間隔で続いた。
例えば図1に示したように、上部電極100と電荷発生層104との間において、絶縁性パリレン層102又は別の意図的に形成したか又は故意に付加した絶縁層を有する本発明の実施例によれば、上部電極100へ印加される電圧は2.75kVとすることが可能である。この電圧はプログラム可能な高電圧電源120によって印加することが可能である。この電圧は、電荷発生層104を透過し且つ該電荷発生層内における電子・正孔対の発生及び電荷キャリアの輸送及び回収に影響を与える電界を確立するために使用することが可能である。
約2.75kVにおいて、検知器DQE(検出量子効率)、MTF(変調伝達関数)、感度等が許容可能なレベルにあることが判明している。
例えば図2及び4に示したように、絶縁性パリレン層102を有することのない本発明の実施例によれば、上部電極100へ印加される電圧は、絶縁性パリレン層102を有する実施例において印加される電圧よりも低いものとすることが可能である。何故ならば、使用された場合に、絶縁性パリレン層102は電荷発生層104を横断しての電圧を減少させることに貢献するからである。付加的に、パリレン・セレン界面は、電荷をトラップすることが可能であり、従って、電荷発生層104を横断しての実効的な電界を減少させる。
例えば、750V乃至1,000Vの範囲内の電圧は、絶縁性パリレン層102を有することのない実施例に対して使用されている。この範囲内の電圧を使用することは、絶縁性パリレン層102を有する実施例に対して2.75kVの使用と一貫性のある結果(検知器DQE、MTF、感度等)を発生することが示されている。
更に、絶縁性パリレン層102を有することのない本発明の実施例の場合には、750Vを超える電圧が効果的であるものと考えられる。例えば、最大で2000Vまでの電圧を使用することが可能である。何故ならば、電荷発生層104における電子・正孔対発生に対するX線光発生効率は、電界と共に増加する電界依存性であることが知られているからである。更に、電荷発生層104を横断しての電子及び正孔の両方の電荷キャリアの輸送及び回収はより高い電界により促進される。従って、より高い電圧、例えば1500又は2000ボルトを印加する場合にX線信号は増加するものと予測される。
約2000ボルトの後は、これもより高い電界と共に増加する暗電流が許容不可能なレベルに到達する場合があると思われる。従って、好適な電圧は最大で2000ボルトまでとすることが可能である。
更に、絶縁性パリレン層102を有するものでない本発明の実施例の場合には、750Vより低い電圧が効果的なものであると思われる。750Vより低い印加電圧は、システムノイズを減少させることが可能であり、特に、本発明のX線検知器がトモグラフィイメージングのために使用される場合にそうである。ノイズレベルを減少させることにより、X線検知器に対する信号・ノイズ比(S/N)は、特定のX線露光レベル(ドーズ)に対して増加される場合がある。
DQEは、理想的には、検知器出力(S/N)の平方に比例する。従って、システムノイズが減少するに従い、非常に低いX線ドーズレベルの場合を除いて、DQEは増加する。従って、所望のDQEレベルを達成するためにより低い印加電圧を使用することが可能である。従って、500ボルト程度までの低い電圧が効果的なものであると予測される。
従って、絶縁性パリレン層102を有するものでない本発明の好適実施例は500V乃至2000Vの範囲内の電圧を使用する。従って、絶縁性パリレン層102を有するものでない本発明の別の好適な実施例は、500V乃至1000Vの範囲内の電圧を使用する。従って、絶縁性パリレン層102を有するものでない本発明の別の好適実施例は、750V乃至1000Vの範囲内の電圧を使用する。従って、絶縁性パリレン層102を有するものでない本発明の別の好適実施例は750V乃至2000Vの範囲内の電圧を使用する。従って、絶縁性パリレン層102を有するものでない本発明の別の好適な実施例は1000Vの電圧を使用する。
上述したグラフはパネルの例の特定の形態に対してのものであり、本発明の異なる実施例又は異なるテスト条件でもって異なる結果が得られる場合があることは明らかである。
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
従来のX線イメージャパネルの一部を示した概略断面図。 本特許明細書に開示した技術の1例を組込んだX線イメージャパネルの一部を示した概略断面図。 図2のイメージャの一部を示した概略ブロック図。 本特許明細書に開示した技術の別の例を組込んだX線イメージャパネルの一部を示した概略断面図。 図4において使用した薄膜トランジスタの電圧−リーク電流特性を示したグラフ図。 本発明に基づくイメージャと従来技術のイメージャのゴースト特性の比較を示したグラフ図。 (A)及び(B)は、夫々、スクリーニングモード及びトモシンセシスモードにおける図4に基づくイメージャの直線性を例示した各グラフ図。 (A)及び(B)は、夫々、スクリーニングモード及びトモシンセシスモードにおける図4に基づくイメージャの変調伝達関数(MTF)を例示した各グラフ図。 スクリーニングモードにおける図4に基づくイメージャのノイズパワースペクトル(NTS)を例示したグラフ図。 (A)、(B)及び(C)は、夫々、スクリーニングモード及びトモシンセシスモードにおける図4に基づくイメージャの検出量子効率(DQE)を例示した各グラフ図。 スクリーニングモードにおける図4に基づくイメージャのゴースト(%)特性を例示したグラフ図。 トモシンセシスモードにおける図4に基づくイメージャの経過時間の関数としてのイメージ遅延を例示したグラフ図。 トモシンセシスモードにおける図4に基づくイメージャの時間の関数としての残留イメージゴーストを例示したグラフ図。
符号の説明
100 上部電極
104 電荷発生器層
106 電子ブロッキング層
108 電荷回収電極
110 ゲート動作用トランジスタ
112 信号格納コンデンサ
116 ゲートパルス線
118 電荷増幅器
202 非絶縁性有機物質

Claims (25)

  1. セレンをベースとした層のすぐ上に上部電極が設けられており且つ医学的イメージングにおいて結像されるオブジェクトにより減衰されることのないX線を受取る該層の1つの領域から電荷を回収する電荷格納コンデンサとトランジスタが結合されている場合であってもブレークダウン保護を与えるリーク電流特性を具備する薄膜トランジスタアレイが設けられており低ゴーストを示すデジタルフラットパネルX線マンモグラフィイメージャにおいて、
    上側表面を有する基板が設けられており、
    該基板の該上側表面にわたりセレンをベースとした電荷発生器層が設けられており、前記セレンをベースとした電荷発生器層も上側表面を有しており、
    該電荷発生器層の該上側表面と物理的且つ電気的に接触し且つすぐその上に上部電極が設けられており、
    該基板と該電荷発生器層との間に電荷回収電極が設けられており、前記電荷回収電極はピクセル電極からなる二次元アレイにパターン化されており、
    前記電荷発生器層はX線照射に応答して電荷を発生し、且つ前記ピクセル電極は1つ又はそれ以上の選択した電界が該電荷発生器層内に確立されている場合に該電荷発生器層の夫々の領域において発生される一方の極性の電荷を回収し、
    読出し回路も該基板と該電荷発生器層との間に設けられており、前記読出し回路は前記ピクセル電極と結合されており且つそれにより回収した電荷を格納している夫々の信号格納コンデンサを有しており、更に、前記信号格納コンデンサと結合されている夫々のゲート動作用トランジスタからなる薄膜トランジスタアレイを有しており、
    前記ゲート動作用トランジスタの各々は、それが夫々の格納コンデンサから外部回路へ電荷を通過させるオン状態とそれがリーク電流を通過させるオフ状態との間で選択的にスイッチされ、
    前記ゲート動作用トランジスタの各々のリーク電流は、20−25ボルトの範囲より下側においては夫々のコンデンサにおいて電位における上昇と共に比較的低い割合で上昇するが、前記範囲より高い場合には夫々のコンデンサにおける電位上昇と共に著しく一層高い割合で上昇し、それにより医学的イメージングにおいて前記イメージャで結像されるオブジェクトにより減衰されることのないX線を受取る該電荷発生器層の1つの領域において発生される電荷を夫々のピクセル電極が回収する場合であってもブレークダウン損傷から該トランジスタを保護し、
    電源が該上部電極に対し500V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加する、
    ことを特徴とするイメージャ。
  2. 請求項1において、該電源が500V乃至1000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  3. 請求項1において、該電源が750V乃至1000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  4. 請求項1において、該電源が750V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  5. 請求項1において、該電源が1000Vを印加することを特徴とするイメージャ。
  6. 低ゴースト及び迅速な回復時間を示すデジタルフラットパネルX線イメージャにおいて、
    基板が設けられており且つ該基板にわたってセレンをベースとした電荷発生器層が設けられており、
    該電荷発生器層の上側表面と物理的且つ電気的に接触し且つそのすぐ上に上部電極が設けられており、
    該基板と該電荷発生器層との間に電荷回収電極が設けられており、前記電荷回収電極はピクセル電極からなる二次元アレイに分割されており、
    該基板と該電荷発生器層との間に読出し回路が設けられており、前記読出し回路は、前記ピクセル電極と結合されており且つそれにより該電荷発生器層から回収された電荷を格納する夫々の信号格納コンデンサを有しており、更に、前記信号格納コンデンサと結合されている夫々のゲート動作用トランジスタからなる薄膜トランジスタアレイを有しており、
    前記ゲート動作用トランジスタの各々は、それが夫々の格納コンデンサから外部回路へ電荷を通過させるオン状態とそれがリーク電流を通過させるオフ状態との間で選択的にスイッチされ、
    前記ゲート動作用トランジスタの各々のリーク電流は、スレッシュホールドレベルに到達するまで夫々のコンデンサにおける電位上昇と共に比較的低い割合で上昇するが、前記レベルより上においては夫々のコンデンサにおける電位上昇と共に著しく一層速い割合で上昇し、それにより該トランジスタをブレークダウン損傷から保護しており、
    電源が該上部電極へ500V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加する、
    ことを特徴とするイメージャ。
  7. 請求項6において、該電源が500V乃至1000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  8. 請求項6において、該電源が750V乃至1000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  9. 請求項6において、該電源が750V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  10. 請求項6において、該電源が1000Vを印加することを特徴とするイメージャ。
  11. 医学的X線イメージング方法において、
    非晶質セレンをベースとした電荷発生層の1つの主面と電気的に接触しており且つすぐその上に形成した上部電極層、及び該電荷発生層の反対側の主面における薄膜トランジスタ(TFT)アレイであって、X線照射に応答して該電荷発生層の夫々の領域において発生される電荷を回収する信号格納要素と結合されている夫々のゲート動作用トランジスタを有しているTFTアレイを有しているデジタルフラットパネルX線イメージャを用意し、
    前記イメージャでオブジェクトの医学的イメージングを実施し、前記オブジェクトは該電荷発生層の前記領域の全てではなく幾つかにおいてX線照射を減衰させ、
    前記トランジスタは、該オブジェクトのイメージングを可能とするために該オブジェクトを介しての照射に対応するトランジスタ電圧において充分に低いものであるがトランジスタブレークダウンに抗するために該オブジェクトにより減衰されることのない照射に対応するトランジスタ電圧において充分に高いものであるリーク電流を有しており、
    該上部電極に対して500V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加させる、
    ことを特徴とする方法。
  12. 請求項11において、該印加電圧が500V乃至1000Vの範囲内であることを特徴とする方法。
  13. 請求項11において、該印加電圧が750V乃至1000Vの範囲内であることを特徴とする方法。
  14. 請求項11において、該印加電圧が750V乃至2000Vの範囲内であることを特徴とする方法。
  15. 請求項11において、該印加電圧が1000Vであることを特徴とする方法。
  16. 低ゴースト及び迅速な回復時間を示すデジタルフラットパネルX線イメージャにおいて、
    上側表面を有する基板が設けられており、
    X線に応答して電荷を発生するためにセレンをベースとした電荷発生器層が該基板の該上側表面上に設けられており、
    該セレンをベースとした電荷発生器層の上側表面と物理的に接触し且つすぐその上側に非絶縁性有機層が設けられており、
    該非絶縁性有機層の上側表面と物理的に接触し且つすぐその上側に上部電極が設けられており、
    該基板と該電荷発生器層との間に電荷回収電極が設けられており、前記電荷回収電極はピクセル電極からなる二次元アレイに分割されており、
    該基板と該電荷発生器層との間に読出し回路も設けられており、前記読出し回路は、前記ピクセル電極と結合されており且つ該電荷発生層からそれにより回収された電荷を格納する夫々の信号格納コンデンサを有しており、更に、前記信号格納コンデンサと結合されている夫々のゲート動作用トランジスタからなる薄膜トランジスタアレイを有しており、
    前記ゲート動作用トランジスタの各々は、それが該夫々の格納コンデンサから外部回路へ電荷を通過させるオン状態とそれがリーク電流を通過させるオフ状態との間で選択的にスイッチされ、
    前記ゲート動作用トランジスタの各々のリーク電流は、20−25ボルトの範囲より下側においては夫々のコンデンサにおける電位上昇と共に比較的低い割合で上昇するが、前記範囲より上側においては夫々のコンデンサにおける電位上昇と共に著しく一層高い割合で増加し、
    電源が該上部電極へ500V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加する、
    ことを特徴とするイメージャ。
  17. 請求項16において、該電源が500V乃至1000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  18. 請求項16において、該電源が750V乃至1000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  19. 請求項16において、該電源が750V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加することを特徴とするイメージャ。
  20. 請求項16において、該電源が1000Vを印加することを特徴とするイメージャ。
  21. 医学的X線イメージング方法において、
    X線に応答して電荷を発生する非晶質セレンをベースとした電荷発生層と、該電荷発生層の上部表面上の非絶縁性有機層と、該非絶縁性有機層の上部表面上の上部電極と、該電荷発生層の底部表面上の薄膜トランジスタ(TFT)アレイであって、X線照射に応答して該電荷発生層の夫々の領域において発生される電荷を回収する信号格納要素と結合されている夫々のゲート動作用トランジスタを有しているTFTアレイとを有しているデジタルフラットパネルX線イメージャを用意し、
    前記イメージャでオブジェクトの医学的イメージングを実施し、前記オブジェクトは該電荷発生層の前記領域の全てではなく幾つかにおいてX線照射を減衰させ、
    前記トランジスタは、該オブジェクトのイメージングを可能とするために該オブジェクトを介しての照射に対応するトランジスタ電圧において充分に低いものであるが、トランジスタブレークダウンに抗するために該オブジェクトにより減衰されることのない照射に対応するトランジスタ電圧において充分に高いものであるリーク電流を有しており、該上部電極に対して500V乃至2000Vの範囲内の電圧を印加させる、
    ことを特徴とする方法。
  22. 請求項21において、該印加電圧が500V乃至1000Vの範囲内であることを特徴とする方法。
  23. 請求項21において、該印加電圧が750V乃至1000Vの範囲内であることを特徴とする方法。
  24. 請求項21において、該印加電圧が750V乃至2000Vの範囲内であることを特徴とする方法。
  25. 請求項21において、該印加電圧が1000Vであることを特徴とする方法。
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