JP2009219538A - 放射線画像検出装置および放射線画像撮影システム - Google Patents
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Abstract
【課題】放射線の照射後に直ちに電気信号の読み出しを開始し、ノイズを低減して画質低下を抑制でき、かつ、余分な電力消費を抑制可能な放射線画像検出装置および放射線画像撮影システムを提供する。
【解決手段】放射線画像検出装置1は、放射線の照射により電荷を発生させる複数の光電変換素子7と、信号線6を通じて光電変換素子7から読み出された電気信号を増幅する増幅回路19と、各光電変換素子7に逆バイアス電圧を供給するバイアス線9と、バイアス線9を介して光電変換素子7に逆バイアス電圧を印加する電源15と、バイアス線9を流れる電流を検出する電流検出手段14と、放射線の照射時に電流検出手段14で検出された電流値に基づいて電気信号の読み出し時の増幅回路19のゲインを設定する制御手段16とを備える。
【選択図】図6
【解決手段】放射線画像検出装置1は、放射線の照射により電荷を発生させる複数の光電変換素子7と、信号線6を通じて光電変換素子7から読み出された電気信号を増幅する増幅回路19と、各光電変換素子7に逆バイアス電圧を供給するバイアス線9と、バイアス線9を介して光電変換素子7に逆バイアス電圧を印加する電源15と、バイアス線9を流れる電流を検出する電流検出手段14と、放射線の照射時に電流検出手段14で検出された電流値に基づいて電気信号の読み出し時の増幅回路19のゲインを設定する制御手段16とを備える。
【選択図】図6
Description
本発明は、放射線画像検出装置および放射線画像撮影システムに係り、特に、光電変換素子から読み出された電気信号を増幅回路で増幅する放射線画像検出装置および放射線画像撮影システムに関する。
X線等の照射された放射線により光電変換素子で電荷を発生させて電気信号に変換するいわゆる直接型の放射線画像検出装置や、照射された放射線をシンチレータ等で可視光等の他の波長の電磁波に変換した後、変換された電磁波によりフォトダイオード等の光電変換素子で電荷を発生させて電気信号に変換するいわゆる間接型の放射線画像検出装置が種々開発されている。
これらの放射線画像検出装置(FPD(Flat Panel Detector)ともいう。)では、通常、ガラス基板等の基板上に複数の走査線と複数の信号線とが互いに交差するように配設され、走査線や信号線で区画された基板上の各領域に光電変換素子を設け、放射線や放射線から変換された電磁波の照射により各光電変換素子に蓄積された電荷を信号線を介して取り出すことで、各光電変換素子すなわち各画素の電気信号を読み出すようになっている。
しかし、このようなFPD型の放射線画像検出装置では、照射される放射線の線量が低い場合から高い場合までをカバーするような広いダイナミックレンジを確保しようとすると、電気信号の増幅回路や他の電気回路素子が熱雑音やショット雑音等のノイズを発生させてしまうため、特に低線量域でS/N比が低下して、得られた放射線画像の画質が低下するという問題があった。
このような問題を解消する方法としては、照射された放射線の線量に応じて増幅回路のゲインを調整するという手法がある。このように放射線の線量に応じて増幅回路のゲインを調整して光電変換素子からの電気信号を読み取ることで、ノイズによる粒状性の低下を抑制した放射線画像を得ることが可能となる。しかし、放射線画像検出装置が放射線センサを備えていなかったり、放射線画像検出装置が放射線源と接続されていなかったりして、放射線画像検出装置が、照射された放射線の線量の情報を他の装置等から入手できないように構成されている場合も多い。
そこで、放射線画像検出装置が放射線源や放射線センサ等から放射線の線量の情報を得ることができない場合に、例えば非破壊読み出しの手法(例えば特許文献1等参照)を用いて放射線画像検出装置が自ら放射線の線量を推定して増幅回路のゲインを設定するように構成することが考えられる。
特開2003−126072号公報
ところで、フォトダイオード等の光電変換素子では、通常、放射線の照射や放射線をシンチレータ等で変換した電磁波の照射を受けていない場合でも、暗電流等によるノイズが発生している。一方、非破壊読み出しのような手法では、放射線を照射した後、一旦事前の電気信号の読み出しを行ってゲイン調整を行い、その後に本読み出しを行うため、放射線画像の撮影開始から電気信号の読み出し開始までに時間がかかってしまう。
そのため、非破壊読み出しの手法を用いれば放射線画像検出装置が自ら放射線の線量を推定して増幅回路のゲインを設定するように構成することができるようになるとはいえ、放射線画像の撮影開始から電気信号の読み出し開始までに時間がかかり、暗電流等によるノイズが増加して、得られた放射線画像のS/N比が低下するという問題が生じる。また、事前の電気信号の読み出し等の処理をするため、余分な電力が消費されてしまうという問題もある。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、放射線の照射後に直ちに電気信号の読み出しを開始し、ノイズを低減して画質低下を抑制でき、かつ、余分な電力消費を抑制可能な放射線画像検出装置および放射線画像撮影システムを提供することを目的とする。
前記の問題を解決するために、本発明の放射線画像検出装置は、
放射線の照射により電荷を発生させる複数の光電変換素子と、
信号線を通じて前記光電変換素子から読み出された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記各光電変換素子に逆バイアス電圧を供給するバイアス線と、
前記バイアス線を介して前記光電変換素子に逆バイアス電圧を印加する電源と、
前記バイアス線を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記放射線の照射時に前記電流検出手段で検出された電流値に基づいて、前記電気信号の読み出し時の前記増幅回路のゲインを設定する制御手段と
を備えることを特徴とする。
放射線の照射により電荷を発生させる複数の光電変換素子と、
信号線を通じて前記光電変換素子から読み出された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記各光電変換素子に逆バイアス電圧を供給するバイアス線と、
前記バイアス線を介して前記光電変換素子に逆バイアス電圧を印加する電源と、
前記バイアス線を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記放射線の照射時に前記電流検出手段で検出された電流値に基づいて、前記電気信号の読み出し時の前記増幅回路のゲインを設定する制御手段と
を備えることを特徴とする。
また、本発明の放射線画像撮影システムは、
上記の本発明の放射線画像検出装置と、
前記電気信号の読み出し時に、前記放射線画像検出装置から送信されてきた前記各光電変換素子から読み出され増幅された各電気信号に基づいて放射線画像を形成する画像処理装置と
を備えることを特徴とする。
上記の本発明の放射線画像検出装置と、
前記電気信号の読み出し時に、前記放射線画像検出装置から送信されてきた前記各光電変換素子から読み出され増幅された各電気信号に基づいて放射線画像を形成する画像処理装置と
を備えることを特徴とする。
本発明のような方式の放射線画像検出装置および放射線画像撮影システムによれば、放射線の線量に応じて各光電変換素子からバイアス線に流れ出す電流を測定することで、放射線画像検出装置に照射された実際の放射線の線量を的確に把握することが可能となり、また、的確に把握された放射線の線量に基づいて増幅回路のゲインを的確に設定することが可能となる。
また、非破壊読み出しのように事前の電気信号の読み出しを必要としないため、放射線の照射後、直ちに電気信号の読み出しを開始することが可能となる。そのため、時間が経過するに従って増加する暗電流等によるノイズの増加を抑制することが可能となり、S/N比の低下を抑制することが可能となる。また、事前の電気信号の読み出し等で余分な電力が消費されてしまうということも防止することが可能となる。
また、本発明のような方式の放射線画像撮影システムによれば、上記のように、放射線画像検出装置で、撮影後、直ちに電気信号の読み出しを開始できることでS/N比の低下が抑制され、しかも、得られた電気信号が増幅回路のゲインが的確に設定された状態で増幅されるため、ノイズが低減され画質低下が抑制された良好な放射線画像を得ることが可能となる。
以下、本発明に係る放射線画像検出装置および放射線画像撮影システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下では、放射線画像検出装置の各光電変換素子で得られた電気信号を無線で画像処理装置に送信して放射線画像を得る場合について説明するが、これに限定されず、放射線画像検出装置と画像処理装置とをケーブル等で接続して電気信号を送信する場合についても適用される。
[放射線画像検出装置]
本実施形態に係る放射線画像検出装置1は、図1に示すように、筐体2内にシンチレータ3や基板4等が収納されたカセッテ型の装置として構成されている。
本実施形態に係る放射線画像検出装置1は、図1に示すように、筐体2内にシンチレータ3や基板4等が収納されたカセッテ型の装置として構成されている。
なお、本実施形態では、このように、照射された放射線をシンチレータ3で可視光等の他の波長の電磁波に変換した後、変換された電磁波により後述する光電変換素子7で電荷を発生させて電気信号に変換する、いわゆる間接型の放射線画像検出装置について説明する。シンチレータ3を用いず、照射された放射線により光電変換素子で直接電荷を発生させて電気信号に変換する、いわゆる直接型の放射線画像検出装置にも同様に適用可能である。
筐体2は、少なくとも放射線の照射を受ける側の面2aが放射線を透過するカーボン板やプラスチック等の材料で形成されている。筐体2の内部には、シンチレータ3や基板4の他にも必要な部材や装置が内蔵されている。また、本実施形態では、例えば筐体2の側壁部に、無線により画像処理装置31(図6参照)との情報の送受信を行うための図示しないアンテナ装置が埋め込まれている。
シンチレータ3は、基板4の検出部Pに貼り合わされるようになっている。シンチレータ3は、例えば、蛍光体を主成分とし、放射線の入射を受けると300〜800nmの波長の電磁波、すなわち可視光線を中心とした電磁波に変換して出力するものが用いられる。
基板4はガラス基板で構成されており、図2に示すように、基板4のシンチレータ3に対向する側の面4a上には、複数の走査線5と複数の信号線6とが互いに交差するように配設されている。基板4の面4a上の複数の走査線5と複数の信号線6により区画された各小領域Rには、それぞれ光電変換素子7がそれぞれ設けられている。また、光電変換素子7が設けられた領域R全体、すなわち図2に一点鎖線で示す領域が検出部Pとされている。
本実施形態では、光電変換素子7としてフォトダイオードが用いられているが、この他にも、フォトトランジスタ等を用いることも可能である。各光電変換素子7は、図2や図3の拡大図に示すように、スイッチ素子である薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor。以下TFTという。)8に接続されており、TFT8を介して信号線6に接続されている。
ここで、本実施形態における光電変換素子7やTFT8の構造について、図4に示す断面図を用いて簡単に説明する。図4は、図3におけるX−X線に沿う断面図である。
基板4の面4a上に、AlやCr等からなるTFT8のゲート電極8gが走査線5と一体的に積層されて形成されており、ゲート電極8g上および面4a上に積層された窒化シリコン(SiNx)等からなるゲート絶縁層81上のゲート電極8gの上方部分に、水素化アモルファスシリコン(a−Si)等からなる半導体層82を介して、光電変換素子7の第1電極74と接続されたソース電極8sと、信号線6と一体的に形成されるドレイン電極8dとが積層されて形成されている。
ソース電極8sとドレイン電極8dとは、窒化シリコン(SiNx)等からなる第1パッシベーション層83によって分割されており、さらに第1パッシベーション層83は両電極8s、8dを上側から被覆している。また、半導体層82とソース電極8sやドレイン電極8dとの間には、水素化アモルファスシリコンにVI族元素をドープしてn型に形成されたオーミックコンタクト層84a、84bがそれぞれ積層されている。以上のようにしてTFT8が形成されている。
また、光電変換素子7の部分では、基板4の面4a上に前記ゲート絶縁層81と一体的に形成される絶縁層71の上にAlやCr等が積層されて補助電極72が形成されており、補助電極72上に前記第1パッシベーション層83と一体的に形成される絶縁層73を挟んでAlやCr、Mo等からなる第1電極74が積層されている。第1電極74は、第1パッシベーション層83に形成されたホールHを介してTFT8のソース電極8sに接続されている。
第1電極74の上には、水素化アモルファスシリコンにVI族元素をドープしてn型に形成されたn層75、水素化アモルファスシリコンで形成された変換層であるi層76、水素化アモルファスシリコンにIII族元素をドープしてp型に形成されたp層77が下方から順に積層されて形成されている。
放射線の照射を受けた図示しないシンチレータ3で変換された電磁波が図中上方から照射されると、i層76で電子正孔対が発生する。光電変換素子7は、このようにして、シンチレータ3からの電磁波を電荷に変換するようになっている。なお、p層77、i層76、n層75の積層の順番は上下逆であってもよい。
p層77の上には、ITO等の透明電極とされた第2電極78が積層されて形成されており、照射された電磁波がi層76等に到達するように構成されている。以上のようにして光電変換素子7が形成されている。
また、光電変換素子7の第2電極78の上面には、第2電極78を介して光電変換素子7に逆バイアス電圧を印加するためのバイアス線9が接続されている。なお、光電変換素子7の第2電極78やバイアス線9、TFT8側に延出された第1電極74、TFT8の第1パッシベーション層83等、すなわち光電変換素子7とTFT8の上面部分は、その上方側から窒化シリコン(SiNx)等からなる第2パッシベーション層79で被覆されている。
本実施形態では、図2や図3に示すように、それぞれ列状に配置された複数の光電変換素子7に1本のバイアス線9が接続されており、各バイアス線9はそれぞれ信号線6に平行に配設されている。また、各バイアス線9は、基板4の検出部Pの外側の位置で1本の結線10に結束されている。バイアス線9や結線10は電気抵抗が小さい金属線で形成されている。
また、各走査線5や各信号線6、バイアス線9の結線10は、それぞれ基板4の端縁部付近に設けられた入出力端子(パッドともいう)11に接続されている。各入出力端子11には、図5に示すように、IC12a等のチップが組み込まれたCOF(Chip On Film)12が異方性導電接着フィルム(Anisotropic Conductive Film)や異方性導電ペースト(Anisotropic Conductive Paste)等の異方性導電性接着材料13を介して接続されている。
COF12は、基板4の裏面4b側に引き回され、裏面4b側でPCB基板13に接続されるようになっている。このようにして、放射線画像検出装置1の基板4部分が形成されている。
ここで、放射線画像検出装置1の回路構成について説明する。図6は本実施形態に係る放射線画像検出装置1の等価回路図であり、図7はその中の基板4の検出部Pを構成する1画素分についての等価回路図である。
前述したように、基板4の検出部Pの各光電変換素子7は、その第2電極78がそれぞれバイアス線9に接続されており、各バイアス線9は1本の結線10に結束されている。結線10は電流検出手段14を介して電源15に接続されている。電源15は、各バイアス線9を介して各光電変換素子7に逆バイアス電圧を印加するようになっている。
本実施形態では、pin型の光電変換素子7のp層77側に第2電極78を介してバイアス線9が接続されていることからも分かるように、電源15からは、光電変換素子7の第2電極78にバイアス線9を介して逆バイアス電圧として負の電圧が印加されるようになっている。
しかし、前述したように光電変換素子7のp層77、i層76、n層75の積層順を逆に形成して第2電極78を介してn層75にバイアス線9を接続する場合には、電源15からは第2電極に逆バイアス電圧として正の電圧が印加される。なお、その場合には、図6や図7における光電変換素子7の電源15に対する接続の向きが逆向きになる。
電流検出手段14は、各バイアス線9が結束された結線10内を流れる電流を検出するようになっている。本実施形態では、電流検出手段14は、図示を省略するが、結線10に直列に接続される所定の抵抗値を有する抵抗と、抵抗の両端子間の電圧を測定する差動アンプとを備えて構成されており、差動アンプで抵抗の両端子間の電圧を測定することで結線10を流れる電流を電圧値に変換して検出するようになっている。
各バイアス線9や結線10を流れる電流が微弱であるため、電流検出手段14に備えられる前記抵抗として、有効な電圧値を得るために抵抗値が100kΩや1MΩ等の大きな抵抗値を有する抵抗が用いられるようになっている。電流検出手段14は、このようにして変換して検出した結線10の電流値に相当する電圧値を制御手段16に出力するようになっている。
なお、このように抵抗値が大きいと、例えば放射線照射によって蓄積された電荷を読み出す場合にバイアス線9や結線10等を流れる電流の大きな妨げになることから、電流検出手段14には前記抵抗の両端子間を短絡するスイッチが設けられている。
各光電変換素子7の第1電極74はTFT8のソース電極8s(図中ではSと表記)に接続されており、各TFT8のゲート電極8g(図中ではGと表記)は走査駆動回路17から延びる各走査線5にそれぞれ接続されている。また、各TFT8のドレイン電極8d(図中ではDと表記)は各信号線6にそれぞれ接続されている。
そして、走査線5を介して走査駆動回路17からTFT8のゲート電極8gに信号読み出し用の電圧が印加されるとTFT8のゲートが開き、光電変換素子7に蓄積された電荷すなわち電気信号がTFT8のソース電極8sを介してドレイン電極8dから信号線6に読み出されるようになっている。
各信号線6は、信号読み出し回路18に接続されており、信号読み出し回路18内の増幅回路19に接続されている。増幅回路19は、各光電変換素子7から読み出された電気信号を増幅するようになっている。
本実施形態では、増幅回路19は、チャージアンプ回路で構成されている。すなわち、増幅回路19は、オペアンプ19aと、オペアンプ19aにそれぞれ並列に接続された各コンデンサC1〜C4とを備えており、さらに、それらに並列に電荷リセット用スイッチSw1が接続されて構成されている。
また、コンデンサC2〜C4にはそれぞれスイッチSw2〜Sw4が直列に接続されており、電荷リセット用スイッチSw1とスイッチSw2〜Sw4のオン/オフが制御手段16により制御されるようになっている。
そして、増幅回路19では、電荷リセット用スイッチSw1がオフの状態で光電変換素子7のTFT8のゲートが開かれると(すなわち、TFT8のゲート電極8gに信号読み出し用の電圧が印加されると)、コンデンサC1およびスイッチSw2〜Sw4がオン状態とされたコンデンサに当該光電変換素子7から読み出された電荷が蓄積され、蓄積される電荷量に応じてオペアンプ19aから出力される電圧値が増加するようになっている。
なお、電荷リセット用スイッチSw1がオン状態とされると、増幅回路19の入力側と出力側とが短絡され、コンデンサの電荷が放電される。
本実施形態では、コンデンサC1〜C4として、容量がそれぞれ0.5pF、0.5pF、1pF、2pFのコンデンサが用いられており、スイッチSw2〜Sw4のオン/オフを決定して、コンデンサC1〜C4全体の容量を0.5pF〜4pFまで0.5pF刻みで設定できるようになっている。
本実施形態では、制御手段16は、例えば予め電流検出手段14から出力される電圧値の範囲とコンデンサC1〜C4の組み合わせとを対応付けるテーブルを有しており、スイッチSw2〜Sw4のオン/オフを制御することによってオン状態とするコンデンサC2〜C4を選択することで、増幅回路19のゲインを設定することができるようになっている。また、制御手段16は、電荷リセット用スイッチSw1に電荷リセット信号を印加して電荷リセット用スイッチSw1のオン/オフを制御するようになっている。
なお、増幅回路19におけるコンデンサ全体で設定される容量のレンジ幅や設定される容量の刻み幅等は放射線画像検出装置1に求められる性能等に応じて適宜設定され、それを実現するためのコンデンサの個数や各コンデンサの容量等も適宜決められる。また、本実施形態では、電荷リセット用スイッチSw1およびスイッチSw2〜Sw4がFETで構成されており、増幅回路19部分の装置内での占有面積を小さくするためにコンデンサC1にはスイッチが設けられていないが、全コンデンサにスイッチを設けるように構成することも可能である。
増幅回路19の出力側端子には、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling。以下CDSという。)回路20が接続されている。CDS回路20における相関二重サンプリングは以下のようにして行われるようになっている。
すなわち、信号読み出しのために各光電変換素子7のTFT8のゲートが開かれる前の段階で、スイッチSw2〜Sw4のうち選択されたコンデンサに対応するスイッチをオン状態とし、電荷リセット用スイッチSw1をオン状態として各コンデンサに蓄積された電荷をリセットした後、電荷リセット用スイッチSw1がオフ状態とされて信号読み出しのスタンバイ状態となるが、CDS回路20は、まずその段階で増幅回路19の出力側端子から出力される電圧値を保持する。
そして、各光電変換素子7のTFT8のゲートが開かれて光電変換素子7から電気信号が読み出され、増幅回路19の選択された各コンデンサに電荷が蓄積された後、TFT8のゲートが閉じられた段階で、再度、増幅回路19の出力側端子から出力される電圧値を保持する。CDS回路20は、このようにして保持した2つの電圧値の差を算出して当該光電変換素子7からの電気信号のアナログ値を出力するようになっている。CDS回路20は、このようにして、コンデンサのリセット時の雑音を低減するようになっている。
CDS回路20から出力された電気信号は、アナログマルチプレクサ21を介して順次A/D変換器22に送信されて、A/D変換器22でデジタル値に変換されるようになっている。A/D変換器22は、デジタル値に変換した各光電変換素子7の電気信号を制御手段16に順次出力するようになっている。
制御手段16は、マイクロコンピュータや専用の制御回路で構成されており、図6や図7では図示が省略されているが、光電変換素子7に逆バイアス電圧を供給する電源15のオン/オフ制御や図示しない他の装置や回路を含む他の部材の制御を行うようになっている。また、制御手段16には、アンテナ装置23を備える無線中継器24が接続されている。
以下、制御手段16の制御構成を図8に示すフローチャートに従って説明する。また、それとあわせて本実施形態に係る放射線画像検出装置1の作用について説明する。
制御手段16は、放射線の照射に先立って、まず、全ての増幅回路19の電荷リセット用スイッチSw1をオン状態とし、また、各走査線5を介して走査駆動回路17から全ての光電変換素子7のTFT8のゲート電極8gに信号読み出し用の電圧を印加して全TFT8をオン状態とする(ステップS1)。
また、制御手段16は、同時に、増幅回路19の各スイッチSw2〜Sw4や、電流検出手段14内の抵抗の両端子間を短絡するスイッチもオン状態とする。この処理により、光電変換素子7の内部や各信号線6、増幅回路19の各コンデンサC1〜C4、バイアス線9、電流検出手段14等に蓄積されている不要な電荷を放電して取り除き、初期状態に設定する。
続いて、制御手段16は、全ての光電変換素子7のTFT8のゲート電極8gに対する信号読み出し用の電圧の印加を停止して、全TFT8をオフ状態とする(ステップS2)。また、電流検出手段14内のスイッチもオフ状態とする。
この状態で、制御手段16は、電流検出手段14の状態を監視し、放射線の照射開始を検出し(ステップS3)、放射線の照射終了を検出する(ステップS4)。この放射線の照射開始から照射終了までの間に図示しない被写体に対する放射線画像撮影が行われる。
前述したように、人体等の被写体を介して放射線画像検出装置1に放射線を照射する放射線源やそれを制御するコンピュータ等からこの放射線の照射開始や照射終了に関する情報や信号を入手してそれらを利用するように構成することも可能である。このように構成された放射線画像検出装置やそれを用いた放射線画像撮影システムにも本発明を適用することができる。
しかし、本実施形態では、以下に述べる増幅回路19のゲイン調整に用いられる電流検出手段14から電流値の情報を用いて、放射線画像検出装置1が自ら放射線の照射開始や照射終了を検出するように構成されている。以下、放射線の照射開始、終了の検出および増幅回路19のゲイン調整について説明する。
本実施形態では、図4に示した光電変換素子7の第2電極78に、バイアス線9を介して逆バイアス電圧である負の電圧が印加されると、光電変換素子7内に電位勾配が生じる。この状態で、図示しない放射線源から放射線が照射され、放射線の照射を受けたシンチレータ3により放射線から変換された電磁波が光電変換素子7のi層(変換層)76に入射すると、i層76内で電子正孔対が発生する。
そして、発生した電子正孔対のうち、電子は電位勾配に従って高電位である第1電極74側に移動するが、TFT8のゲートが閉じているため、電子は第1電極74やi層76内の第1電極74近傍に蓄積する。光電変換素子7のi層76に電磁波の光子の数に比例して電子正孔対が発生するため、光電変換素子7内には、入射した電磁波の量に応じた量の電子が蓄積される。
一方、発生した電子正孔対のうち、正孔は電位勾配に従って低電位である第2電極78側に移動し、第2電極78を通ってバイアス線9に流れ出る。図6や図7に示すように、この光電変換素子7から流れ出てバイアス線9を流れる正孔が電流として電流検出手段14で検出される。
このバイアス線9を流れる正孔も、光電変換素子7のi層76に電磁波の光子の数に比例して発生した電子正孔対の分だけ発生するため、入射した電磁波の量に応じて光電変換素子7内に蓄積された電子の量と同量の正孔がバイアス線9内を流れるようになる。各バイアス線9を流れる電流は結線10に集められ、結線10中を電流検出手段14に向かって流れる。
以上の光電変換素子7における電荷の発生原理に基づいた場合、放射線または電磁波が光電変換素子7のi層76に入射しない放射線照射の前段階では、理想的にはバイアス線9や結線10内には電流は流れないが、実際には光電変換素子7で暗電流が発生し、電流検出手段14で微量の電流が検出される。
前述したように、本実施形態では、電流検出手段14は結線10を流れる電流を電圧値に変換して出力するため、放射線または電磁波が光電変換素子7のi層76に入射されない放射線照射の前段階においても、図9における時刻taに示されるように、電流検出手段14から制御手段16に微量ではあるが0ではない電圧値Vaが入力される。
そして、放射線源からの放射線の照射が開始されると、各光電変換素子7内で電子正孔対が発生し、バイアス線9や結線10を通じて正孔が電流検出手段14に運ばれる。そのため、図9における時刻tbに示されるように、電流検出手段14から出力される電圧値Vが増加する。そこで、本実施形態では、制御手段16は、電流検出手段14から出力される電圧値Vが大きく増加し始めたことを検出することで、放射線の照射開始を検出するようになっている(ステップS3)。
電圧値Vの増加による放射線の照射開始については、電圧値Vが所定の閾値Vthを越えた時刻tcに放射線照射が開始されたとして検出するように構成してもよく、また、電圧値Vの時間微分値が所定の閾値を越えた時刻tdに放射線照射が開始されたとして検出するように構成することも可能である。
また、放射線源からの放射線の照射が終了すると、今度は、各光電変換素子7内での電子正孔対の発生が停止し、バイアス線9に正孔が供給されなくなる。そのため、図9における時刻teに示されるように、電流検出手段14から出力される電圧値Vが減少し始める。そこで、本実施形態では、制御手段16は、電流検出手段14から出力される電圧値Vが減少したことを検出することで、放射線の照射終了を検出するようになっている(ステップS4)。
電圧値Vの減少による放射線の照射終了については、電圧値Vが前述した所定の閾値Vthを下回った時刻tfに放射線照射が終了されたとして検出するように構成してもよく、また、電圧値Vの時間微分値が所定の負の値の閾値をより負側に越えた時刻tgに放射線照射が終了されたとして検出するように構成することも可能である。なお、以下、放射線の照射開始時刻が時刻tcであり、放射線の照射終了時刻が時刻tfであるものとして説明する。
一方、前述したように、光電変換素子7のi層76に入射した放射線や電磁波の光子の数に比例して電子正孔対が発生、入射した電磁波の量に応じて正孔が光電変換素子7からバイアス線9に流れ出るため、結線10を流れた電流値の総量を測ることで、放射線の照射開始から照射終了までに放射線画像検出装置1に照射された放射線の線量を算出することができる。
本実施形態では、より簡単に放射線の線量を算出するために、制御手段16がピークホールド機能を有するように構成されている。そして、制御手段16は、放射線の照射の開始および終了の時間間隔tf−tcと、電流検出手段14で検出された結線10を流れる電流のピーク値とに基づいて、照射された放射線の線量を算出するように構成されている(図8のステップS5)。
具体的には、制御手段16は、照射開始時刻tcから照射終了時刻tfまでに検出される電圧値のピーク値Vpを検出し、下記(1)式に従って、ピーク値Vpに、放射線の照射開始から終了までの時間間隔tf−tcから定数αを減じた値を乗じた値に基づいて、放射線画像検出装置1に照射された放射線の線量の近似値Mを算出するようになっている。なお、上記(1)式においてaは定数である。
M=a×Vp×(tf−tc−α) …(1)
M=a×Vp×(tf−tc−α) …(1)
この放射線の線量の近似値Mは、図9における照射開始時刻tc以後の立ち上がり部分から照射終了時刻tf以前の立ち下がり部分までの電圧値Vを矩形状に近似してその面積に比例する値として求めるものであり、照射開始時刻tcおよび照射終了時刻tfを検出し、ピーク値Vpを検出するだけで簡単に算出できるという利点を有するものである。
なお、積分回路等を用いて、図9に示した照射開始時刻tcから照射終了時刻tfまでの電圧値V(或いは電圧値Vからノイズに相当する一定値を減じた値)の積分値を算出して、放射線画像検出装置1に照射された放射線の線量を算出するように構成することも可能である。このように構成すれば、より正確な放射線の線量を算出することが可能となる。
また、ノイズ成分をより的確に除去するため、積分回路等に、所定の範囲の周波数帯のデータのみを通過させて他の周波数のデータは減衰させて通さないバンドパスフィルタ(帯域通過フィルタ)を構成し、電流検出手段14から出力される電流値に相当する電圧値にバンドパスフィルタ処理を施して積分して放射線の線量を算出するように構成することも可能である。
制御手段16は、続いて、算出した放射線の線量(近似値Mである場合を含む。)に基づいて、各光電変換素子7からの電気信号の読み出し時における各増幅回路19のゲインを設定するようになっている。(図8のステップS6)。
本実施形態では、制御手段16は、上記のようにして算出した放射線の線量と、増幅回路19のゲインすなわち増幅回路19のコンデンサの容量の合計値とを対応付けるテーブルを図示しないメモリ中に保持している。本実施形態では、前述したように、増幅回路19のゲインを増幅回路19のスイッチSw2〜Sw4(図7参照)のオン/オフによって0.5pF〜4pFまで0.5pF刻み(8段階)で設定する。
そのため、テーブルは、放射線の線量をその大きさに応じて8段階に区分し、各段階に対してオン状態とするスイッチを指定する形に構成されている。テーブルでは、放射線の線量が大きくなるに従って設定する増幅回路19のゲインが低くなるように、放射線の線量と、増幅回路19でオン状態とされるスイッチの番号Sw2、Sw3、Sw4とが対応付けられている。
制御手段16は、放射線の線量を算出すると、このテーブルを参照してスイッチSw2〜Sw4の中からオン状態とするスイッチを選択し、各増幅回路19に信号を送信して、選択したスイッチをオン状態とするように制御する。このようにして、制御手段16は、各増幅回路19のゲイン調整を行うようになっている。
また、制御手段16は、このようにして設定した増幅回路19のゲインの情報を、無線中継器24(図6、図7参照)を介してアンテナ装置23から画像処理装置31に送信するようになっている(図8のステップS6)。
続いて、制御手段16は、各光電変換素子7からの電気信号の通常の読み出し処理を行う。読み出しに先立って、電流検出手段14のスイッチをオン状態とする。これにより、電流検出手段14の抵抗の影響を取り除いて読み出すことが可能となる。
この状態で、制御手段16は、まず、各増幅回路19の電荷リセット用スイッチSw1をオフ状態とした後(ステップS7)、CDS回路20に信号を送信する。信号の送信を受けたCDS回路20は、図10に示すように、この段階で増幅回路19から出力される電圧値Vinを保持する。
そして、制御手段16は、走査駆動回路17(図6参照)から1本の走査線5に信号読み出し用の電圧を印加して、その走査線5にゲート電極8gが接続されているTFT8のゲートを開く。そして、これらのTFT8が接続されている各光電変換素子7から蓄積された電荷(本実施形態の場合は電子)が電気信号として各信号線6にそれぞれ読み出され、上記のようにゲインが設定された各増幅回路19で電気信号がそれぞれ増幅される(図8のステップS8)。
続いて、増幅回路19の各コンデンサに電荷が蓄積された後、制御手段16は、走査駆動回路17に信号の読み出しを行わない(すなわち信号を保持する)電圧を走査線5に印加する信号を出力して各TFT8のゲートを閉じる。CDS回路20にもこの信号が送信され、信号の送信を受けたCDS回路20は、図10に示すように、この段階で増幅回路19から出力される電圧値Vfiを保持する。そして、それらの差Vfi−Vinを算出して出力する(図8のステップS9)。
各CDS回路20から出力された電気信号、すなわち前記差Vfi−Vinは、アナログマルチプレクサ21(図6参照)を介して順次A/D変換器22に送信され、すなわち各光電変換素子7の各電気信号ごとにA/D変換器22に送信され、A/D変換器22で順次デジタル値に変換される(図8のステップS10)。
そして、A/D変換器22から各光電変換素子7ごとの電気信号が送信されてくると、制御手段16はそれらを順次無線中継器24を介してアンテナ装置23から画像処理装置31に送信する(ステップS11)。その際、各光電変換素子7ごとの電気信号を放射線画像検出装置1内または放射線画像検出装置1に接続された図示しないメモリに保存するように構成してもよい。また、全てのデータをメモリに保存し、終了処理時に一括して送信するように構成してもよい。
続いて、制御手段16は、全ての光電変換素子7について電気信号の読み出しを終了していなければ(ステップS12;NO)、各増幅回路19の電荷リセット用スイッチSw1をオン状態として(ステップS13)、増幅回路19の各コンデンサに蓄積されている電荷を放電して除去した後、再び各増幅回路19の電荷リセット用スイッチSw1をオフ状態とし、走査駆動回路17から信号読み出し用の電圧を印加する走査線5を替えてステップS7以降の処理を繰り返す。
また、全ての走査線5に対して信号読み出し用の電圧の印加を終えて、全ての光電変換素子7について電気信号の読み出しが終了していれば(ステップS12;YES)、制御手段16は、各光電変換素子7や各増幅回路19等に残っている電荷を放電する等の必要な処理を行って(ステップS14)、処理を終了する。
[放射線画像撮影システム]
本実施形態に係る放射線画像撮影システム30は、図6に示すように、上記の放射線画像検出装置1と、画像処理装置31とを備えて構成されている。
本実施形態に係る放射線画像撮影システム30は、図6に示すように、上記の放射線画像検出装置1と、画像処理装置31とを備えて構成されている。
画像処理装置31は、本実施形態では、キーボードやマウス等の入力手段32やCRT(Cathode Ray Tube)や液晶ディスプレイ等の表示手段33を備えるコンピュータで構成されており、また、画像処理装置31には、アンテナ装置34を備えるコンソール通信手段35が接続されている。
上記の放射線画像検出装置1で放射線画像撮影が終了し、増幅回路19のゲインが設定されて、各光電変換素子7からそれぞれ電気信号が読み出され、各電気信号の情報が順次無線中継器24を介してアンテナ装置23から送信されてくると、アンテナ装置34で受信し、コンソール通信手段35を介してそれらの情報が画像処理装置31に入力されるようになっている。
画像処理装置31は、受信した各電気信号の情報に必要な画像処理を施して、放射線画像検出装置1における各光電変換素子7の配列に相当するようにそれらの各電気信号の情報を配列して放射線画像を得るようになっている。得られた放射線画像は、入力手段32から入力された操作内容に従って、表示手段33に表示されたり、或いは例えば図示しないイメージャによりフィルム等の画像記録媒体に記録されたりするようになっている。
以上のように、本実施形態に係る放射線画像検出装置1によれば、放射線や放射線から変換された電磁波の照射を受けると、各光電変換素子7中では電子正孔対が発生し、一方の電荷は光電変換素子7内に蓄積されるが、他方の電荷はバイアス線9に流れ出す。その際、各光電変換素子7からは放射線や電磁波の照射を受けた分だけ電荷が流れ出す。
そのため、このバイアス線9に流れ出す電荷による電流を測定することで、放射線画像検出装置1に照射された実際の放射線の線量を的確に把握することが可能となる。そして、的確に把握された放射線の線量に基づいて増幅回路19のゲインを的確に設定することが可能となる。
また、非破壊読み出しのように事前の電気信号の読み出しを必要とせず、放射線の照射と同時にその線量を検出して増幅回路19のゲインを設定するため、放射線の照射後、直ちに電気信号の読み出しを開始することが可能となる。そのため、時間が経過するに従って増加する暗電流等によるノイズの増加を抑制することが可能となり、S/N比の低下を抑制することが可能となる。
さらに、非破壊読み出しのように事前の電気信号の読み出しを必要とせず、直ちに放射線画像の撮影を開始することが可能となるため、事前の電気信号の読み出し等で余分な電力が消費されてしまうということも防止できる。
また、電流検出手段14により検出された電流の減少に基づいて放射線の照射の終了を検出することができるため、放射線の照射の終了の情報を外部から入力しなくても、放射線画像検出装置1が自ら放射線の照射の終了を検出して、放射線の照射後、直ちに電気信号の読み出しを開始することが可能となる。
一方、本実施形態に係る放射線画像撮影システム30によれば、上記のように、放射線画像検出装置1で、撮影開始までの時間がかからず撮影後も直ちに電気信号の読み出しを開始できることでS/N比の低下が抑制され、しかも、得られた電気信号が増幅回路19のゲインが的確に設定された状態で増幅されるため、ノイズが低減され画質低下が抑制された良好な放射線画像を得ることが可能となる。
また、放射線画像検出装置1において、増幅回路19をオペアンプ19aとそれに並列に接続された複数のコンデンサで構成し、コンデンサにスイッチを設ける等して複数のコンデンサの中から適切にコンデンサを選択して増幅回路19のゲインを設定することで、増幅回路19のゲインを容易かつ適切に設定することが可能となる。しかも、増幅回路19のゲインを容易に設定することができるため、放射線撮影後、直ちに増幅回路19のゲインを設定することが可能となる。
また、CDS回路20で相関二重サンプリングの手法によりノイズ成分を除去することで、少なくとも増幅回路19のコンデンサの熱雑音等のノイズを適切に除去することが可能となり、得られる放射線画像のS/N比をより良好にすることが可能となる。
また、バイアス線9を流れる電流の増加や減少に基づいて放射線の照射開始や照射終了を検出することで、放射線画像検出装置が放射線源等から放射線の照射開始や照射終了の情報が得られない場合でも的確にそれらのタイミングを検出することが可能となり、照射された放射線の線量等を適切に検出することが可能となる。
[放射線画像検出装置および放射線画像撮影システムの変形例]
上記の実施形態に係る放射線画像検出装置1では、各増幅回路19のゲインを同一の値に設定し、基板4の検出部Pに設けられた全ての光電変換素子7に対してそれらから読み出される電気信号を同一の増幅率で増幅する場合について説明した。
上記の実施形態に係る放射線画像検出装置1では、各増幅回路19のゲインを同一の値に設定し、基板4の検出部Pに設けられた全ての光電変換素子7に対してそれらから読み出される電気信号を同一の増幅率で増幅する場合について説明した。
しかし、放射線画像検出装置で放射線撮影が行われる場合、通常、被写体の撮影位置が検出部Pの中央付近に位置するように放射線画像検出装置を配置して撮影が行われることが多い。このような場合、検出部Pに一様に放射線が照射されるように調整しても、検出部Pの中央の領域では、放射線が被写体を透過して減衰されて検出部Pに到達するため、線量が減少するが、検出部Pの周縁の領域では放射線が被写体を透過せずに直接入射して検出部Pに到達する線量は減少しない。
そこで、結線を少なくとも2つ以上(例えば、検出部Pの中央部と周縁部)に分割し、複数の結線の少なくとも1つ以上の結線において、電流検出手段で電流を検出するように構成する。このように構成すれば、着目したい領域(例えば、検出部Pの中央部)の放射線の線量から全体のゲインを決定することで、検出対象の着目したい領域のゲインを最適化することが可能となる。また、複数の領域の放射線の線量を検出し、それぞれの領域でゲインを切り替えることで、それぞれの領域のゲインを最適化するように構成することも可能であり、このように構成すれば、より高画質の放射線画像が得られるようになり、より好ましい。
図11は、それを実現するための放射線画像検出装置50の基板51部分の構成を示す図である。なお、この変形例において、上記の実施形態に係る放射線画像検出装置1と同じ構成や機能を有する部材については同じ符号を付して説明する。
放射線画像検出装置50の基板51の中央領域Aに配設された各光電変換素子7に接続された各バイアス線52と、基板51の周縁領域Bに配設された各光電変換素子7に接続された各バイアス線53は、それぞれ別の結線54、55に結束されており、結線54、55は基板51の端縁部付近にそれぞれ設けられた入出力端子11A、11Bに接続されている。
なお、基板51の周縁領域Bに配設された各光電変換素子7に接続された各バイアス線53の結線55は、基板51の中央領域Aを通って基板51の図示しない反対側の周縁領域にまで延設されており、基板51の反対側の周縁領域に設けられた各光電変換素子7に接続された各バイアス線が結線53に結束されている。
一方、放射線画像検出装置50では、図12の等価回路図に示すように、各結線54、55を流れる電流をそれぞれ独立に検出するために、各結線54、55にそれぞれ別体の第1電流検出手段14Aと第2電流検出手段14Bとが接続されている。
第1電流検出手段14Aと第2電流検出手段14Bは、各結線54、55内を流れる各電流をそれぞれ検出して各結線54、55の電流値に相当する各電圧値をそれぞれ制御手段16に出力するようになっている。また、各結線54、55には、第1電流検出手段14Aや第2電流検出手段14Bを介してそれぞれ電源15から逆バイアス電圧が供給されるようになっている。
制御手段16は、上記の実施形態に係る放射線画像検出装置1の場合と同様の要領で、第1電流検出手段14Aから送信されてきた結線54の電流値に相当する電圧値に基づいて、基板51の中央領域Aに配設された各光電変換素子7から読み出された電気信号を増幅する増幅回路19Aに適切なゲインを設定する。
また、制御手段16は、それと独立に、基板51の周縁領域Bに配設された各光電変換素子7から読み出された電気信号を増幅する増幅回路19Bに対して、第2電流検出手段14Bから送信されてきた結線55の電流値に相当する各電圧値に基づいて適切なゲインを設定するようになっている。
このように構成することで、被写体の存在により透過した放射線の線量が異なり得る検出部Pの中央領域Aと周縁領域Bの各光電変換素子7から読み出される電気信号に対して、それぞれの領域A、Bに実際に照射された放射線の線量に基づいて、各増幅回路19A、19Bにそれぞれ独立にかつ精度良くゲインを設定することが可能となり、特に、最も関心が高い領域である被写体が撮影される領域において、適したゲインに設定することが可能となり、適したダイナミックレンジの信号を得ることが可能となる。
また、この場合、放射線画像検出装置50から放射線画像撮影システム60の画像処理装置31に、各光電変換素子7から読み出され増幅された各電気信号と、各領域A、Bごとに設定された各ゲインの情報を送信するように構成し、画像処理装置31で、各領域A、Bごとの各ゲインの値に基づいて、各電気信号の値を、各領域A、Bでゲインが揃うように修正して放射線画像を形成するように構成する。例えば各領域A、Bの電気信号をそれぞれ各領域A、Bにおけるゲインに反比例するように増減させて修正する。
このように構成すれば、放射線画像検出装置50の検出部Pの中央領域Aに対応する画像領域と、検出部Pの周縁領域Bに対応する画像領域とで、ゲインが揃った放射線画像を得ることが可能となる。そして、最も関心が高い領域である被写体が撮影される領域において、適したダイナミックレンジのゲインに設定できることでS/N比を改善することが可能となり、しかも、画像全体でゲインが揃い、画質の低下が抑制された良好な放射線画像を得ることが可能となる。
なお、上記変形例の放射線画像検出装置50では、図11や図12に示したように、基板51を図中で縦方向に延在する周縁領域B、中央領域A、および図示を省略した反対側の周縁領域の3つの領域に分割する場合について説明したが、基板51を2つの領域に分割することも可能であり、4つ以上の領域に分割するように構成することも可能である。
また、基板51を、図中縦方向に延在するように分割する代わりに、或いは図中縦方向に延在するように分割することとあわせて、図中で横方向に延在する各領域に分割するように構成することも可能であり、また、分割する領域の基板51上での大きさや形状は適宜決められる。
さらに、上記の実施形態および変形例では、電流検出手段14(第1、第2電流検出手段14A、14B)が抵抗を備え、さらに抵抗の両端子間の電圧を測定する差動アンプを備えて、結線10(結線54、55)を流れる電流を電圧値に変換して検出する場合について説明したが、結線を流れる電流を的確に検出できる構成であればこの構成に限定されない。
図示等を省略するが、例えば、ホール素子を用いて、電流が流れることにより発生する磁束を検出して結線中を流れる電流の電流値を検出するように構成してもよく、また、カレントトランスを用いて電流変化を検出し、それを積分する等して結線中を流れる電流の電流値を検出するように構成することも可能である。
1、50 放射線画像検出装置
6 信号線
7 光電変換素子
9 バイアス線
14、14A、14B 電流検出手段
15 電源
16 制御手段
19、19A、19B 増幅回路
19a オペアンプ
30 放射線画像撮影システム
31 画像処理装置
A、B 領域
C1〜C4 コンデンサ
M 放射線の線量(近似値)
Sw2〜Sw4 スイッチ
tc、td 放射線の照射開始の時刻
tf、tg 放射線の照射終了の時刻
Vp ピーク値
6 信号線
7 光電変換素子
9 バイアス線
14、14A、14B 電流検出手段
15 電源
16 制御手段
19、19A、19B 増幅回路
19a オペアンプ
30 放射線画像撮影システム
31 画像処理装置
A、B 領域
C1〜C4 コンデンサ
M 放射線の線量(近似値)
Sw2〜Sw4 スイッチ
tc、td 放射線の照射開始の時刻
tf、tg 放射線の照射終了の時刻
Vp ピーク値
Claims (9)
- 放射線の照射により電荷を発生させる複数の光電変換素子と、
信号線を通じて前記光電変換素子から読み出された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記各光電変換素子に逆バイアス電圧を供給するバイアス線と、
前記バイアス線を介して前記光電変換素子に逆バイアス電圧を印加する電源と、
前記バイアス線を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記放射線の照射時に前記電流検出手段で検出された電流値に基づいて、前記電気信号の読み出し時の前記増幅回路のゲインを設定する制御手段と
を備えることを特徴とする放射線画像検出装置。 - 前記増幅回路は、オペアンプと、前記オペアンプにそれぞれ並列に接続されスイッチが設けられた複数のコンデンサとを備えており、
前記制御手段は、前記増幅回路の前記複数のコンデンサのスイッチのオン/オフを制御することにより前記複数のコンデンサの中から単数または複数のコンデンサを選択して、前記増幅回路のゲインを設定することを特徴とする請求項1に記載の放射線画像検出装置。 - 前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された前記バイアス線を流れる電流の増加および減少に基づいて前記放射線の照射の開始および終了を検出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の放射線画像検出装置。
- 前記制御手段は、照射された前記放射線の線量を、前記放射線の照射の開始および終了の時間間隔と、前記電流検出手段により検出された前記バイアス線を流れる電流のピーク値とに基づいて算出し、当該放射線の線量に基づいて前記電気信号の読み出し時の前記増幅回路のゲインを決定することを特徴とする請求項3に記載の放射線画像検出装置。
- 前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された前記バイアス線を流れる電流の、前記放射線の照射の開始および終了の時間間隔における積分値として算出された前記放射線の線量に基づいて、前記電気信号の読み出し時の前記増幅回路のゲインを決定することを特徴とする請求項3に記載の放射線画像検出装置。
- 前記放射線の線量は、前記電流検出手段により検出された前記バイアス線を流れる電流の値に対してバンドパスフィルタ処理を施した値の、前記放射線の照射の開始および終了の時間間隔における積分値として算出されることを特徴とする請求項5に記載の放射線画像検出装置。
- 前記複数の光電変換素子が配設された基板を複数の領域に分割し、分割された各領域ごとに前記バイアス線を流れる電流をそれぞれ検出し、前記各領域ごとに個別に前記増幅回路のゲインを設定することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置と、
前記電気信号の読み出し時に、前記放射線画像検出装置から送信されてきた前記各光電変換素子から読み出され増幅された各電気信号に基づいて放射線画像を形成する画像処理装置と
を備えることを特徴とする放射線画像撮影システム。 - 請求項7に記載の放射線画像検出装置と、
前記電気信号の読み出し時に、前記各光電変換素子から読み出され増幅された各電気信号および前記各領域ごとに設定された前記ゲインの情報を前記放射線画像検出装置から受信し、前記各領域ごとの前記ゲインの値に基づいて前記各電気信号を修正して放射線画像を形成する画像処理装置と
を備えることを特徴とする放射線画像撮影システム。
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