JP2008145245A - Ｘ線検出器およびｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】セル数の増加に伴う配線費用の増加が生じないＸ線検出器、および、そのようなＸ線検出器を有する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フォトダイオードで検出するＸ線検出器は、複数のシンチレータ素子が配列されたシンチレータアレイ(502)と、複数のフォトダイオードが前記複数のシンチレータ素子の光をそれぞれ受光するように前記複数のシンチレータ素子に合わせて配列されたフォトダイオードアレイ(504)と、複数の個別フロントエンド回路が前記複数のフォトダイオードの検出信号をそれぞれ取り込むように前記複数のフォトダイオードに合わせて配列されたフロントエンド用半導体チップ(506)とを具備し、前記フロントエンド用半導体チップ、前記フォトダイオードアレイおよび前記シンチレータアレイが順次積層されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、Ｘ線検出器およびＸ線ＣＴ（Computed Tomography）装置に関し、特に、Ｘ線をシンチレータ(scintillator)で光に変換してフォトダイオード(photo diode)で検出するＸ線検出器、および、そのようなＸ線検出器を有するＸ線ＣＴ装置に関する。
Ｘ線ＣＴ装置では、互いに対向するＸ線源とＸ線検出器で被検体をスキャン(scan)して投影データ(data)を収集し、投影データに基づいて画像を再構成する。Ｘ線検出器としては、シンチレータとフォトダイオードからなるものが用いられる。マルチスライス(multi-slice)型のＸ線ＣＴ装置では、シンチレータとフォトダイオードは２次元アレイ(array)型のものが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
Ｘ線検出器の検出信号は、データ収集システム(DAS: data acquisition system)によって、２次元アレイのセル(cell)ごとに、増幅、ＡＤ変換等が行われ、ディジタルデータ(digital data)として画像再構成部に供給される（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２０２３７３号公報 特開２００３−１８０６７４号公報
２次元アレイの高精細化とスライス数の増加に伴って、Ｘ線検出器のセル数は膨大化している。このため、検出信号をＤＡＳに接続するための信号配線やコネクタ(connector)に関する費用が著しく増加する。信号配線に多層セラミック(ceramics)基板を用いるときは、費用の増加はさらに大きなものとなる。
そこで、本発明の課題は、セル数の増加に伴う配線費用の増加が生じないＸ線検出器、および、そのようなＸ線検出器を有するＸ線ＣＴ装置を実現することである。
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フォトダイオードで検出するＸ線検出器であって、複数のシンチレータ素子が配列されたシンチレータアレイと、複数のフォトダイオードが前記複数のシンチレータ素子の光をそれぞれ受光するように前記複数のシンチレータ素子に合わせて配列されたフォトダイオードアレイと、複数の個別フロントエンド回路が前記複数のフォトダイオードの検出信号をそれぞれ取り込むように前記複数のフォトダイオードに合わせて配列されたフロントエンド用半導体チップとを具備し、前記フロントエンド用半導体チップ、前記フォトダイオードアレイおよび前記シンチレータアレイが順次積層されていることを特徴とするＸ線検出器である。
課題を解決するための他の観点での発明は、互いに対向するＸ線源とＸ線検出器で被検体をスキャンして投影データを収集しこの投影データに基づいて画像を再構成するＸ線ＣＴ装置であって、前記Ｘ線検出器は、Ｘ線をシンチレータで光に変換してフォトダイオードで検出するＸ線検出器であり、複数のシンチレータ素子が配列されたシンチレータアレイと、前記シンチレータアレイが積み重ねられ、複数のフォトダイオードが前記複数のシンチレータ素子の光をそれぞれ受光するように前記複数のシンチレータ素子に合わせて配列されたフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイが積み重ねられ、複数の個別フロントエンド回路が前記複数のフォトダイオードの検出信号をそれぞれ取り込むように前記複数のフォトダイオードに合わせて配列されたフロントエンド用半導体チップとを具備することを特徴とするＸ線ＣＴ装置である。
前記個別フロントエンド回路は増幅器を有することが、信号レベルを高める点で好ましい。
前記フロントエンド用半導体チップはＡＤ変換器を有することが、ディジタル検出データを得る点で好ましい。
前記フロントエンド用半導体チップが積み重ねられ、制御回路が形成された制御用半導体チップを具備することが、高機能化する点で好ましい。
前記フロントエンド用半導体チップは、貫通電極を有することが、チップ間の接続が容易な点で好ましい。
前記制御用半導体チップはＡＤ変換器を有することが、ディジタル検出データを得る点で好ましい。
本発明では、Ｘ線をシンチレータで光に変換してフォトダイオードで検出するＸ線検出器は、複数のシンチレータ素子が配列されたシンチレータアレイと、複数のフォトダイオードが前記複数のシンチレータ素子の光をそれぞれ受光するように前記複数のシンチレータ素子に合わせて配列されたフォトダイオードアレイと、複数の個別フロントエンド回路が前記複数のフォトダイオードの検出信号をそれぞれ取り込むように前記複数のフォトダイオードに合わせて配列されたフロントエンド用半導体チップとを具備し、前記フロントエンド用半導体チップ、前記フォトダイオードアレイおよび前記シンチレータアレイが順次積層されているので、セル数の増加に伴う配線費用の増加が生じないＸ線検出器、および、そのようなＸ線検出器を有する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装置の模式的構成を示す。本装置は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装置に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。
図１に示すように、本装置は、ガントリ(gantry)１００、テーブル(table)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でスキャンして複数ビュー(view)の投影データを収集し、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から入力された投影データに基づいて画像再構成を行い、再構成画像をディスプレイ(display)３０２に表示する。画像再構成は、オペレータ３００内の専用のコンピュータ(computer)によって行われる。
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。制御はオペレータ３００内の専用のコンピュータによって行われる。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、被検体１０の位置決めを行う。位置決めは、内蔵の位置調節機構により、天板２０２の高さおよび天板上のクレードル(cradle)２０４の水平移動距離を調節することによって行われる。
クレードル２０４を停止させた状態でスキャンすることにより、アキシャルスキャン(axial scan)を行うことができる。クレードル２０４を連続的に移動させながら複数回のスキャンを連続的に行うことにより、ヘリカルスキャン(helical scan)を行うことができる。クレードル２０４を間欠的に移動させながら停止位置ごとにスキャンすることによりクラスタスキャン(cluster scan)を行うことができる。
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は垂直方向および水平方向に変位する。クレードル２０４は天板２０２上で水平方向に移動して天板２０２の水平方向の変位を相殺する。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。
なお、テーブル２００は、図２に示すように、天板２０２がベース２０８に対して垂直に昇降する方式のものであってよい。天板２０２の昇降は内蔵の昇降機構によって行われる。このテーブル２００においては、昇降に伴う天板２０２の水平移動は生じない。
図３に、Ｘ線照射・検出装置１１０の構成を模式的に示す。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線検出器１５０で検出するようになっている。
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)またはファンビーム(fan beam)のＸ線となる。Ｘ線検出器１５０は、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線入射面１５２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線検出器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方向とし、アイソセンタＯと焦点１３２を結ぶ方向をｙ方向とし、ｚ方向およびｙ方向に垂直な方向をｘ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４に、Ｘ線検出器１５０のＸ線入射面１５２の平面図を模式的に示す。Ｘ線入射面１５２は検出セル１５４がｘ方向とｚ方向に２次元的に配置されたものとなっている。すなわち、Ｘ線入射面１５２は検出セル１５４の２次元アレイとなっている。なお、ファンビームＸ線を用いる場合は、Ｘ線入射面１５２は検出セル１５４の１次元アレイとしてよい。
個々の検出セル１５４は、Ｘ線検出器１５０の検出チャンネル(channel)を構成する。これによって、Ｘ線検出器１５０は多チャンネルＸ線検出器となる。検出セル１５４は、シンチレータ素子とフォトダイオードの組合せによって構成される。
図５に、Ｘ線検出器１５０の構成を模式的に示す。Ｘ線検出器１５０は、発明を実施するための最良の形態の一例である。Ｘ線検出器１５０の構成によって、Ｘ線検出器に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。
図５に示すように、Ｘ線検出器１５０は、シンチレータアレイ５０２、フォトダイオードアレイ５０４およびフロントエンド(front end)用半導体チップ(chip)５０６を支持板５０８の上に積層したものとなっている。すなわち、Ｘ線検出器１５０は、シンチレータアレイ５０２、フォトダイオードアレイ５０４およびフロントエンド用半導体チップ５０６からなるスタックアップ(stack up)構造を有する。支持板５０８は例えばセラミック基板等で構成される。
このような構造により、入射Ｘ線はシンチレータアレイ５０２で光に変換されてフォトダイオードアレイ５０４で検出され、検出信号がフロントエンド用半導体チップ５０６で処理される。処理された信号は、ボンディングワイヤ(bonding wire)５１０で接続されたフレキシブルプリント(flexible print)板５１２を通じて外部に出力される。
図６に、シンチレータアレイ５０２の構成を模式的に示す。シンチレータアレイ５０２は、本発明におけるシンチレータアレイの一例である。図６に示すように、シンチレータアレイ５０２は、複数のシンチレータ素子５２２で構成される。複数のシンチレータ素子５２２は、隣り合うもの同士が隔壁５２４で仕切られている。隔壁５２４は遮光性および光反射性を有する。そのような隔壁は例えば酸化チタン(TiO2)等によって構成される。
図７に、フォトダイオードアレイ５０４の構成を模式的に示す。フォトダイオードアレイ５０４は、本発明におけるフォトダイオードアレイの一例である。図７に示すように、フォトダイオードアレイ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、Ｎ層側から入射した光を電気信号に変換するフォトダイオードとなる。以下、Ｐ層５４２をフォトダイオード５４２ともいう。
フォトダイオードアレイ５０４におけるフォトダイオード５４２の配列は、シンチレータアレイ５０２におけるシンチレータ素子５２２の配列に一致している。これによって、フォトダイオード５４２はシンチレータ素子５２２と１対１に対応する。フォトダイオード５４２は、対応するシンチレータ素子５２２の光を検出する。各フォトダイオードの光検出信号はＰ層側から個々に出力される。
図８に、フロントエンド用半導体チップ５０６の構成を模式的に示す。フロントエンド用半導体チップ５０６は、本発明におけるフロントエンド用半導体チップの一例である。図８に示すように、フロントエンド用半導体チップ５０６は、半導体基板５６０に個別フロントエンド回路５６２を複数個形成した集積回路となっている。
フロントエンド用半導体チップ５０６における個別フロントエンド回路５６２の配列は、フォトダイオードアレイ５０４におけるフォトダイオード５４２の配列に一致している。これによって、個別フロントエンド回路５６２はフォトダイオード５４２と１対１に対応する。個別フロントエンド回路５６２は、対応するフォトダイオード５４２に電気的に接続されている。個別フロントエンド回路５６２は、フォトダイオード５４２の検出信号を増幅する増幅器を有する。
図９に、フロントエンド用半導体チップ５０６における集積回路の一例のブロック(block)図を示す。図９に示すように、フロントエンド用半導体チップ５０６における集積回路は、複数の増幅器９０２で複数のフォトダイオード５４２の検出信号をそれぞれ増幅し、それら増幅出力を複数のＡＤ(analog to digital)変換器９０４でそれぞれディジタル信号に変換し、それらをマルチプレクサ(multiplexer)９０６でマルチプレクスして、転送回路９０８を通じて出力するようになっている。増幅器９０２とＡＤ変換器９０４の対は、個別フロントエンド回路５６２に相当する。
図１０に、Ｘ線検出器１５０の他の構成例を模式的に示す。図１０において、図５に示したものと同様な部分は、同一の符号を付して説明を省略する。この例では、スタックアップ構造に制御用半導体チップ６０６が加わっている。また、フロントエンド用半導体チップ５０６が複数の貫通電極５６４を有し、それら貫通電極を通じて制御用半導体チップ６０６に接続されている。
図１１に、フロントエンド用半導体チップ５０６と制御用半導体チップ６０６に形成された回路の一例のブロック図を示す。図１１に示すように、フロントエンド用半導体チップ５０６には、複数の増幅器９０２が形成される。これら増幅器はフォトダイオードアレイ５０４における複数のフォトダイオード５４２に対応する。増幅器９０２は個別フロントエンド回路５６２に相当する。
制御用半導体チップ６０６には、複数のＡＤ変換器９０４、マルチプレクサ９０６、転送回路９０８および制御回路９１０が形成される。複数のＡＤ変換器９０４は、複数の増幅器９０２にそれぞれ接続される。接続は貫通電極５６４によって行われる。
制御用半導体チップ６０６は、複数の増幅器９０２の出力を複数のＡＤ変換器９０４でそれぞれディジタル信号に変換し、それらをマルチプレクサ９０６でマルチプレクスして転送回路９０８を通じて出力する。このようなＡＤ変換器９０４、マルチプレクサ９０６および転送回路９０８の動作が制御回路９１０で制御される。
このように、Ｘ線検出器１５０は、ＤＡＳのフロントエンド部分を取り込んで一体化したものとなっている。取り込まれたフロントエンド部分は、その上にフォトダイオードアレイ５０４がスタックアップ可能な半導体集積回路となっており、かつ、複数の個別フロントエンド回路５６２が、フォトダイオードアレイ５０４における複数のフォトダイオード５４２の配列に合わせて配列されているので、フォトダイオード５４２と個別フロントエンド回路５６２を、対応するもの同士でそれぞれ直結することができる。
そして、セルごとの検出信号はＸ線検出器１５０内で個々に増幅およびＡＤ変換され、それらがマルチプレクスされて出力されるので、出力信号線は検出セルの数に比してはるかに少ないものとなる。したがって、信号線やコネクタ等に関する費用の増加は生じない。また、微弱な信号であるフォトダイオードの検出信号を外部に取り出す必要がないので、ノイズ(noise)低減にも大きな効果がある。
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。 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線検出器のＸ線入射面の構成を示す図である。 Ｘ線検出器の構成を示す図である。 シンチレータアレイの構成を示す図である。 フォトダイオードアレイの構成を示す図である。 フロントエンド用半導体チップの構成を示す図である。 フロントエンド用半導体チップにおける電気回路のブロック図である。 Ｘ線検出器の構成を示す図である。 フロントエンド用半導体チップと制御用半導体チップにおける電気回路のブロック図である。
符号の説明
１０ ： 被検体
１００ ： ガントリ
１１０ ：Ｘ線照射・検出装置
１３０ ： Ｘ線管
１３２ ： 焦点
１３４ ： Ｘ線
１５０ ： Ｘ線検出器
１５２ ： Ｘ線入射面
１５４ ： 検出セル
２００ ： テーブル
２０２ ： 天板
２０４ ： クレードル
２０６ ： 支柱
２０８ ： ベース
３００ ： オペレータコンソール
５０２ ： 支持板
５０４ ： フォトダイオードアレイ
５０６ ： シンチレータアレイ
５４２ ： フォトダイオード
５２２ ： シンチレータ素子
５２４ ： 隔壁
５４０ ： Ｎ型半導体基板
５４２ ： フォトダイオード
５６０ ： 半導体基板
５６２ ： 個別フロントエンド回路
５６４ ： 貫通電極
６０６ ： 制御用半導体チップ
９０２ ： 増幅器
９０４ ： ＡＤ変換器
９０６ ： マルチプレクサ
９０８ ： 転送回路
９１０ ： 制御回路

Claims (12)

  1. Ｘ線をシンチレータで光に変換してフォトダイオードで検出するＸ線検出器であって、
    複数のシンチレータ素子が配列されたシンチレータアレイと、
    複数のフォトダイオードが前記複数のシンチレータ素子の光をそれぞれ受光するように前記複数のシンチレータ素子に合わせて配列されたフォトダイオードアレイと、
    複数の個別フロントエンド回路が前記複数のフォトダイオードの検出信号をそれぞれ取り込むように前記複数のフォトダイオードに合わせて配列されたフロントエンド用半導体チップと
    を具備し、前記フロントエンド用半導体チップ、前記フォトダイオードアレイおよび前記シンチレータアレイが順次積層されていることを特徴とするＸ線検出器。
  2. 前記個別フロントエンド回路は増幅器を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
  3. 前記フロントエンド用半導体チップはＡＤ変換器を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
  4. 前記フロントエンド用半導体チップが積み重ねられ、制御回路が形成された制御用半導体チップ
    を具備することを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
  5. 前記フロントエンド用半導体チップは貫通電極を有する
    ことを特徴とする請求項４に記載のＸ線検出器。
  6. 前記制御用半導体チップはＡＤ変換器を有する
    ことを特徴とする請求項４に記載のＸ線検出器。
  7. 互いに対向するＸ線源とＸ線検出器で被検体をスキャンして投影データを収集しこの投影データに基づいて画像を再構成するＸ線ＣＴ装置であって、
    前記Ｘ線検出器は、Ｘ線をシンチレータで光に変換してフォトダイオードで検出するＸ線検出器であり、
    複数のシンチレータ素子が配列されたシンチレータアレイと、
    前記シンチレータアレイが積み重ねられ、複数のフォトダイオードが前記複数のシンチレータ素子の光をそれぞれ受光するように前記複数のシンチレータ素子に合わせて配列されたフォトダイオードアレイと、
    前記フォトダイオードアレイが積み重ねられ、複数の個別フロントエンド回路が前記複数のフォトダイオードの検出信号をそれぞれ取り込むように前記複数のフォトダイオードに合わせて配列されたフロントエンド用半導体チップと
    を具備することを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
  8. 前記個別フロントエンド回路は増幅器を有する
    ことを特徴とする請求項７に記載のＸ線ＣＴ装置。
  9. 前記フロントエンド用半導体チップはＡＤ変換器を有する
    ことを特徴とする請求項７に記載のＸ線ＣＴ装置。
  10. 前記フロントエンド用半導体チップが積み重ねられ、制御回路が形成された制御用半導体チップ
    を具備することを特徴とする請求項７に記載のＸ線ＣＴ装置。
  11. 前記フロントエンド用半導体チップは、貫通電極を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のＸ線ＣＴ装置。
  12. 前記制御用半導体チップはＡＤ変換器を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のＸ線ＣＴ装置。
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