JP2008178522A - 放射線撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリブレーション用の光源を備えた放射線撮像装置において、光源の放射線変換光による解像度の低下を防ぎ、高画質で軽薄かつ撮影サイクルが短く使い勝手を良くすること。
【解決手段】絶縁基板４上に１次元又は２次元アレー状に配列された、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子５と、放射線を光に変換する蛍光体７と、絶縁基板４の蛍光体７とは反対側に配置され、光電変換素子５に光を照射するキャリブレーション用のＥＬ光源９と、を有する放射線撮像装置であって、絶縁基板４とＥＬ光源９との間に光シャッター１０が配置されている。光シャッター１０により、ＥＬ光源９が非点灯状態において画質低下の原因となる非吸収放射線によるＥＬ光源９の発光光を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線を被検体に照射して撮像する放射線撮像装置及びその駆動方法に関する。放射線撮像装置は、特に、病院内の撮影、診断に用いられる医療用Ｘ線撮像装置、又は非破壊検査装置に利用される。

従来、病院における患者のＸ線直接撮影は、患者にＸ線を照射させてその透過Ｘ線を、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体を介して感光フィルムに転写させる、いわゆるフィルム方式が主流となっていた。このフィルム方式は、撮影から現像までに時間がかかることや、膨大な撮影フィルムの保管、検索が必要であることなど、病院内の管理、運営の面で課題が残っている。また、このフィルムの代わりに輝尽性蛍光体を用い、一旦患者のＸ線像をこの輝尽性蛍光体に蓄像し、その後レーザー光でスキャンさせ、Ｘ線像をデジタル値として読み取る方式がある。しかし、この輝尽性蛍光体を用いる方式も、撮影から現像に至るまでに時間がかかるという点では、フィルム方式と同様である。

近年、ＣＣＤやアモルファスシリコン半導体のような固体撮像素子を用いたＸ線撮像装置が提案され実用化されている。これは、従来のフィルム方式と同様に、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体を介し、患者のＸ線像を、多数個の２次元アレー上に配列された撮像素子で直接デジタル化して読み取る方式である。ほぼリアルタイムでデジタル画像が得られるため、上述したフィルム方式や輝尽性蛍光体を用いる方式に比べて、大きなメリットがある。特に、アモルファスシリコンは大面積で作成できるため、そのようなものを用いたＸ線撮像装置では、胸部撮影のような大きな部位が等倍で撮像される。したがって、光の利用効率も良く、高Ｓ／Ｎ比が期待されている。

ところが、アモルファスシリコン薄膜を用いて、大面積で多数の光電変換素子を作る場合には、製造過程に混入する微量の不純物やダングリングボンドの増加等により、それらが膜中に欠陥準位として形成されるという問題がある。これらはトラップ準位として働き、光電変換過程において不必要なダーク電流となってＳ／Ｎ比の低下をもたらす。これらのダーク電流を軽減させる光電変換基板の駆動法としては、光電変換素子（やスイッチング素子）にバイアス電圧を印加してから数秒から数１０秒程度待って、ダーク電流が緩和された後に光電変換するという方法が考えられる。しかし、Ｘ線撮像装置にこの方法を適用すると、複数の患者を撮影するサイクルが長くなったり、装置の操作性に影響するという問題がある。

そこで、上記事態を改善するため、下記特許文献１又は２に開示されているような放射線撮像装置が提唱されている。

この放射線撮像装置は、光電変換基板にＬＥＤ（発光ダイオード）と導光板を組み合せ面状に発光する光源やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を用いたシート状の光源を備えている。この光源は、光電変換素子の特性改善を図る光キャリブレーション動作に用いられるものであり、発する光を光電変換素子に照射し光電変換素子のトラップ準位への電荷注入を促進させる。

光キャリブレーション時に流れる光電流は、画像情報の読み取りとしてはなんら関係ない。非読み取り期間と読み取り期間の長さ、あるいはＥＬ素子の照射時間などは、光電変換素子のダーク出力（ダーク電流）の特性や光電変換装置として求められるＳ／Ｎ比によって設定されている。
特開２００４−３３６５９号公報 特開平０２−２２５９０号公報

しかしながら、ＥＬ光源を用いた放射線撮像装置は、ＬＥＤや、更には導光体を用いた光源に比べ軽薄な構造を得ることができるが、ＥＬ光源が非点灯状態であるにもかかわらず、読み取り時のＸ線により発光してしまうという問題がある。

例えば、被読み取り物体の画像情報を読み取る読み取り期間において、直接若しくは被読み取り物体を透過したＸ線は蛍光体に吸収され可視光に変換されるが、Ｘ線の全てが吸収されるわけではない。吸収されなかった非吸収Ｘ線は更に光電変換基板を透過し複数層からなるＥＬ光源の発光層に入射する。ＥＬ光源の発光層に吸収されたＸ線は、可視光に変換されＸ線変換光として発光し、光電変換基板から光電変換された電荷を出力してしまう。更に光電変換基板に向かったＸ線変換光は光電変換基板を透過し、蛍光体で反射、散乱し光電変換基板上に形成された光電変換素子に入射する。このとき、光電変換素子の出力は蛍光体がＸ線を変換した可視光とＥＬ光源の発光層で可視光変換された双方の光が光電変換された電荷が発生する。

このＥＬ光源内で非吸収Ｘ線により発光したＸ線変換光は無指向性の散乱光である。また、光電変換基板の絶縁基板の厚さやＥＬ光源の位置などによりＥＬ光源の発光層と光電変換基板の光電変換素子との距離が遠い為、光電変換された直上の光電変換素子以外の複数画素へ光が散乱してしまい解像度の低下を招いてしまう。結果、高画質（高Ｓ／Ｎ、高解像度）の放射線撮像装置が得られないという問題がある。

以上述べてきたように、アモルファスシリコンを用いた大面積の光電変換基板においては、膜中の欠陥準位によるＳ／Ｎ比の低下という問題に対し、光源を備えることで光キャリブレーション動作による促進効果を得ている。そして、光源にＥＬ光源を用いることで従来と同等のサイズの薄くて軽い放射線撮像装置を得られる。しかし、非吸収Ｘ線によりＥＬ光源内の発光層で発光するＸ線変換光が光電変素子に入射することにより解像度の低下を招き、結果的に高画質で薄くて軽い放射線撮像装置が得られなかった。

そこで、本発明は、キャリブレーション用の光源を備えた放射線撮像装置において、光源の放射線変換光による解像度の低下を防ぎ、高画質で軽薄かつ撮影サイクルが短く使い勝手を良くすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の放射線撮像装置は、基板上に１次元又は２次元アレー状に配列された、放射線を電気信号に変換する複数の変換素子と、前記変換素子に光を照射するキャリブレーション用の光源と、を有する放射線撮像装置であって、
前記基板と前記光源との間に光シャッターが配置されていることを特徴とする。

また、本発明の放射線撮像装置は、基板上に１次元又は２次元アレー状に配列された、光を電気信号に変換する複数の変換素子と、放射線を光に変換する波長変換体と、前記基板の前記波長変換体とは反対側に配置され、前記変換素子に光を照射するキャリブレーション用の光源と、を有する放射線撮像装置であって、
前記基板と前記光源との間に光シャッターが配置されていることを特徴とする。

［作用］
光シャッターにより、光源が非点灯状態において画質低下の原因となる非吸収放射線による光源の発光光を遮断する。

本発明によれば、基板上に配列された放射線又は光を電気信号に変換する変換素子と、キャリブレーション用の光源との間に光シャッターを備えることにより、光源が非点灯状態においての非吸収放射線による光源の発光光を遮断することできる。これにより、非吸収放射線による光源からの発光光が散乱して変換素子に入射することを防ぎ、光源の点灯照射光による光キャリブレーション効果が安定して得られる。撮影サイクルが短く使い勝手の良い、高Ｓ／Ｎ、高解像度の高画質の放射線撮像装置を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る放射線撮像装置の実施形態を示す模式的断面図である。

図１において、本実施形態の放射線撮像装置１は、蛍光体７、光電変換基板８、ＥＬ素子を用いたＥＬ光源９、及び光シャッター１０をシャーシ２で覆ったものである。蛍光体７は、シンチレータ層とも呼ばれる波長変換体である。光電変換基板８は、絶縁基板４上に形成され、１次元又は２次元アレー状に配列された光電変換素子（フォトダイオード）５からなる。光源９は、光電変換基板８の下方、すなわち蛍光体７とは反対側に配置され、光シャッター１０は液晶からなり、光電変換基板８とＥＬ光源９の間に配置される。シャーシ２は、Ｘ線の吸収が極めて少ない材料を用いればよく、アルミニウムやステンレススチール等の金属が、安価で強度的にも優れており、適している。３は被読み取り物体を撮像するためのＸ線を照射するＸ線源である。

なお、図１は、放射線撮像装置の断面構成の図として表記してあるが、紙面奥行き方向にも光電変換素子５、ＥＬ光源９及び光シャッター１０が面状に配置されている。また、図１では省略しているが、絶縁基板４上に光電変換素子５と一対でスイッチング素子が配置されていてもよい。

図１において、Ｘ線源３から出射したＸ線は、被読み取り物体に入射される。被読み取り物体を透過した透過Ｘ線は、蛍光体７に到達する。蛍光体７では、Ｘ線を吸収して蛍光体内部の発光中心を励起し、可視光を放出する。蛍光体７からの可視光は、絶縁基板４上に配置された光電変換素子５の受光面に照射され、その受光面で光電変換される。光電変換素子５は、耐湿性向上を目的とした保護膜６で覆われている。このとき光シャッター１０は、光遮断モードになっている。

光シャッター１０としては、液晶素子が用いられ、図１では簡略化し代表の構成要素しか図示していないが、複数の要素で構成される液晶モジュールが形成されている。液晶モジュールは、ＰＥＴやガラス等からなるベース基板、液晶層に電界をかける上下の電極層、電極層の間のポリイミド等からなる配光膜、液晶材料からなる液晶層を備え、これらの要素は、ＰＥＴやガラス等の保護基板で覆われている。更にベース基板と保護基板には液晶光学特性に合わせ偏向角位置を合せた偏向板が備わっている。

本実施形態では、液晶材料としては駆動電圧がＯＦＦ時、すなわち液晶に電界がかかっていない状態の時に、光を遮断し非透過となる透過型のＶＡ（Vertically Aligned）方式を用いている。

絶縁基板４の材料としては、主に、アルカリ成分の少ない透明なガラスが用いられる。また、蛍光体７の材料としては、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：ＴｂやＣｓＩ：Ｔｌ等が用いられる。

一方、絶縁基板４の下に配置されたＥＬ光源９から出射される可視光（照射光）は、透過モードの駆動がなされた光シャッター１０を透過し、更に絶縁基板４を透過する。更に、光電変換素子５の側面を通過した後、蛍光体７で反射し、光電変換素子５の受光面に照射される。蛍光体７は、その材料によって、ＥＬ光源９からの光の反射特性が異なるが、完全に吸収するものではなく、数％程度の光が光電変換素子に到達する。

図１では、ＥＬ光源９からの光が蛍光体７に垂直に照射されているように表記されているが、実質上、斜め方向から入射する光もあるため、蛍光体面での鏡面反射成分を含めれば、蛍光体７で光をすべて吸収することはない。

図２は、図１に示した放射線撮像装置に用いる光電変換素子１画素における回路構成を模式的に示した図である。

図２において、光電変換素子５は、アモルファスシリコン半導体を材料とするＭＩＳ型光電変換素子である。ＭＩＳ型の光電変換素子は、下部の金属電極層（Metal）の上に絶縁層（Insulator）と半導体層（Semiconductor)を積層したものである。通常、半導体層の上には注入素子層（Ｎ層又はＰ層）と上部電極が配置される。

光電変換素子５には、一方の電極には光電変換素子制御回路１１が接続されている。光電変換素子制御回路１１においてスイッチＳＷ１により、３つの電位に切り換えられる。すなわち、光電変換するためのバイアスを与える電源（Ｖ_Ｓ）と、光電変換素子５の容量内の蓄積電荷をリフレッシュするための電源（Ｖ_ＲＥＦ）と、光電変換素子を動作させないときの零バイアス（Ｖ_ＧＮＤ）を与えるための接地点（ＧＮＤ）とがある。もう一方の電極に接続される光電変換素子出力検出回路１２は、検出信号を増幅させる増幅器や検出電流を蓄積し一定時間の出力を得る積分回路等からなる。

１３はＥＬ光源９の駆動用電源を制御するための光源制御回路であり、光源への供給電源Ｖ_ＥＬ及び発光時間を制御するスイッチＳＷ２等からなる。スイッチＳＷ３は、Ｘ線源３を点灯させるスイッチである。

また、１４は光シャッター１０の駆動用電源を制御するための光シャッター制御回路である。該回路は、液晶層に電界をかけるための供給電源Ｖ_ＬＣ及び供給電源Ｖ_ＬＣの供給を制御し液晶の動作モード（光透過モード及び光遮断モード）の切換並びにタイミングや時間を制御する。

各々の制御回路やスイッチは、放射線撮像装置全体のタイミング等を司る放射線撮像装置制御回路１５の同一の制御信号により制御されている。

図２において、被読み取り物体の撮像を得るためにＸ線源３から出射したＸ線は、図示しない被読み取り物体（病院では患者）を照射し、そこを通過したＸ線は蛍光体７にあたる。

更に、蛍光体７でＸ線は吸収され、可視光に変換される。蛍光体７からの可視光は光電変換素子５に照射される。図２は、１画素分を示しているので、光電変換素子５と蛍光体７の位置関係は図示されていないが、図１をみて分かるように、両者を実質上密着させることにより、画像の解像度特性を向上させている。一方、光源制御回路１３で制御される第２の光源であるＥＬ光源９からの照射光や光電変換基板８を透過してくる非吸収Ｘ線（不図示）により発光層で可視光発光してしまう変換発光光がある。これらの照射光や変換発光光は、図１で前述したようにＸ線とは別の光路で光シャッター１０により光路が制御されている。ＥＬ光源９からの光は、光源制御回路１３で制御されるが、スイッチＳＷ２をオン（ＯＮ）にして点灯制御された照射光のみが、光電変換素子５に照射されるよう光シャッター制御回路１４に制御された光シャッター１０により透過又は遮断される。

以上、本発明の変換素子は、アモルファスシリコン半導体を材料とする光を電気信号に変換する光電変換素子である間接型の放射線撮像装置について説明した。しかし、変換素子がアモルファスセレン半導体を材料とする放射線を電気信号に変換する素子である直接型の放射線撮像装置としても実施することができる。

次に本実施形態の放射線撮像装置について、その動作を詳細に説明する。

図３は、図２で示した放射線撮像装置の回路のタイミングチャートである。

Ｘ線源３の出力、光電変換素子５の制御バイアス、ＥＬ光源９の（可視光）光出力及び光電変換素子５の出力が示されている。なお、本図においても説明を明瞭にするために光電変換基板８としては光電変換素子５が１画素の場合について説明する。

図３において、読み取り期間と非読み取り期間という、２つの動作期間があり、Ｘ線源３は、読み取り期間に点灯し、ＥＬ光源９は非読み取り期間に電源Ｖ_ＥＬにより点灯する。医療用のＸ線撮像装置の場合にはＸ線源であるが、γ線などの他の放射線を用いることもできる。非破壊検査装置等の別用途に用いる場合は、γ線などの他の放射線が好適に用いられる。

一方、ＥＬ光源９は、光電変換素子の光吸収波長領域に発光波長を有する可視光光源である。

Ｘ線源３の出力は、被読み取り物体の画像情報を得るために、被読み取り物体に照射されるＸ線である。医療用Ｘ線撮像装置であれば、被読み取り物体とは、来院患者の体である。ＥＬ光源９からの光は、特に被読み取り物体に照射される必要はなく、何らかの光路を経て、光電変換素子５に到達されればよい。

図３において、サイクル（Ｆ２）でＥＬ光源９にスイッチＳＷ２をオンにして電源Ｖ_ＥＬを供給して点灯させ、サイクル（Ｆ３）でスイッチＳＷ３をオンにしてＸ線源３を点灯させている。また、ＥＬ光源９の点灯と同期して、光シャッター１０にスイッチＳＷ４をオンにして電源Ｖ_ＬＣが供給され、光シャッター１０の液晶モジュールは光透過モードになっている。サイクル（Ｆ１）及びサイクル（Ｆ２）を非読み取り期間、サイクル（Ｆ３）を読み取り期間としている。

光キャリブレーション動作を行わない場合、光電変換素子５のダーク電流の出力は、Add１−Add２−Add３の破線で示される。

スイッチＳＷ２をオンにして電源Ｖ_ＥＬによりＥＬ光源９を点灯させ発する照射光は、光シャッター１０を透過し光電変換素子５へ照射される。このとき流れる光電流Ap１は、画像信号として読み取らない。すなわち、非読み取り期間サイクル（Ｆ２）でＥＬ光源９を電源Ｖ_ＥＬにより点灯させ、また、同時に光シャッター１０をＥＬ光源からの光を透過させる透過モードにすることによりＥＬ光源９からの照射光を光電変換素子５に導いている。

ＥＬ光源９の照射光によって光電流Ap１が流れるが、スイッチＳＷ２による点灯オフ（ＯＦＦ）と同時にダーク電流が流れる状態Adp２に戻る。しかしながら、ＥＬ光源９をオフした後は、ＥＬ光源９をサイクル（Ｆ２）で照射しなかった場合のダーク出力Add２よりも小さく安定したダーク出力（Adp２）を示す。

この期間で従来例と同様に、光源の発する光を光電変換素子に照射することにより光電変換素子のトラップ準位への電荷注入を促進させ光電変換素子の特性改善を図る光キャリブレーション動作をさせている。

ダーク出力を小さくした状態（Adp３）で読み取り期間サイクル（Ｆ３）においてＸ線を爆射させれば、Ｓ／Ｎ比の高い信号（Axp３）が得られる。このとき光シャッター１０は、ＥＬ光源９の電源Ｖ_ＥＬの点灯オフと同時に光を非透過とする光遮断モードに既になっている。このため、図１に示すような光電変換基板８を透過してきた非吸収Ｘ線がＥＬ光源９の発光層に照射され変換発光光を発しても光シャッター１０により遮断され、光電変換素子５に到達することはない。

よって、読み取り期間での光シャッターによるＥＬ光源９からの発光光の遮断により、ＥＬ光源９の光照射による光キャリブレーション効果が安定に得られるため、高Ｓ／Ｎで高解像度な画像を得ることができる。

このようにして、短時間でのサイクル撮影が可能で、薄くて軽くかつ高画質の画像が得られる放射線撮像装置を得ることができる。

なお、図３は、サイクル（Ｆ１）及びサイクル（Ｆ２）を非読み取り期間に、サイクル（Ｆ３）を読み取り期間にしたタイミングチャートであるが、もちろんサイクル（Ｆ１）を非読み取り期間に、サイクル（Ｆ２）を読み取り期間にしてもよい。その場合、Ｘ線爆射までの時間は更に短縮される。

また、本実施形態の図２においてＥＬ光源９の供給電源Ｖ_ＥＬを直流電源の記号で図示しているが、実際にはＥＬ光源９の発光層の発光材料、例えば無機、有機などにより交流の電源を必要とする場合があり、このとき電源はインバータ電源を用いればよい。

また、本実施形態においては光シャッター１０の液晶材料に透過型ＶＡ方式を用いたが、これに限定するものではなく、他の方式でも同様に構成、制御可能である。例えば、透過型ＴＮ（Twisted Nematic）方式を用いても同様の効果を得ることができる。また、液晶に電源を供給していない時は透過モードとなるモードの光シャッター１０を用いても液晶の供給電源制御を本例とは逆にしＥＬ光源９の電源供給と同時に光シャッター１０への電源供給をオフすればよい。

更に、本実施形態において光電変換基板８、光シャッター１０、ＥＬ光源９は距離をおいて配置しているように図示している。しかし、説明のために略化したものであり、本来は近接して配置され、各々はシリコンやアクリル樹脂などの接着材又は粘着材で、全面又は部分的に結合されている。

図４は、本発明の放射線撮像装置を放射線撮像システムとして応用した例を示す図である。

放射線撮像装置は、上記の各実施形態の放射線撮像装置である。

放射線源であるＸ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は、患者或いは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線画像を撮影する放射線撮像装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応して放射線撮像装置６０４０のシンチレータ層は発光し、これを光電変換して電気的情報を得る。この電気的情報は、信号処理手段によって処理される。すなわち、この情報は、ディジタルに変換されイメージプロセッサ６０７０により画像処理され、コントロールルームに有る表示手段としてのディスプレイ６０８０で観察できる。

また、この情報は、通信回線６０９０等の伝送処理手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールーム等でディスプレイ６０８１に表示するか又は光ディスク等の保存手段に保存することができる。これにより、遠隔地の医師が診断することも可能である。またフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。

以上説明したように、本発明は医療用のデジタルＸ線撮像装置に応用することが可能であり、また非破壊検査等のそれ以外の放射線を用いた用途のディジタル放射線撮像装置に応用した場合も有効である。

本発明に係る実施形態の放射線撮像装置を示す模式的断面図 同放射線撮像装置に用いる光電変換素子１画素における回路構成を模式的に示した図 同放射線撮像装置の回路のタイミングチャート 本発明の放射線撮像装置を放射線撮像システムとして応用した例を示す図

符号の説明

１…放射線撮像装置
２…シャーシ
３…Ｘ線源
４…絶縁基板
５…光電変換素子
６…保護膜
７…蛍光体（波長変換体）
８…光電変換基板
９…ＥＬ光源
１０…光シャッター
１１…光電変換素子制御回路
１２…光電変換素子出力検出回路
１３…光源制御回路
１４…光シャッター制御回路
１５…放射線撮像装置制御回路

Claims (8)

1. 基板上に１次元又は２次元アレー状に配列された、放射線を電気信号に変換する複数の変換素子と、前記変換素子に光を照射するキャリブレーション用の光源と、を有する放射線撮像装置であって、
   前記基板と前記光源との間に光シャッターが配置されていることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 基板上に１次元又は２次元アレー状に配列された、光を電気信号に変換する複数の変換素子と、放射線を光に変換する波長変換体と、前記基板の前記波長変換体とは反対側に配置され、前記変換素子に光を照射するキャリブレーション用の光源と、を有する放射線撮像装置であって、
   前記基板と前記光源との間に光シャッターが配置されていることを特徴とする放射線撮像装置。
3. 前記光シャッターは、前記変換素子の読み取り期間に前記光源からの光を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記光シャッターは、液晶素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
5. 前記光源は、ＥＬ素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の放射線撮像装置の駆動方法であって、
   前記光シャッターが前記変換素子の読み取り期間に前記光源からの光を遮断することを特徴とする放射線撮像装置の駆動方法。
7. 前記光源の駆動用電源及び前記光シャッターの駆動用電源が、同一の制御信号により制御されていることを特徴とする請求項６に記載の放射線撮像装置の駆動方法。
8. 請求項１から５のいずれかに記載の放射線撮像装置と、
   前記放射線撮像装置からの信号を処理する信号処理手段と、
   前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
   前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
   前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
   前記放射線を発生させるための放射線源とを具備することを特徴とする放射線撮像システム。

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