JP2012510198A - Ｘ線検出器 - Google Patents

Abstract

本願は、医療機器に使用するＸ線検出器を記載し、この検出器は、Ｘ線放射線を電荷に変換するユニットと、電荷により充電され、上記変換ユニットに電気的に接続される第１のコンデンサと、電荷により充電される第２のコンデンサと、第１のゲインスイッチゲートとを有し、上記第１のゲインスイッチゲートがオン状態にある場合、上記第２のコンデンサが、上記変換ユニットに電気的に接続され、上記検出器は、短い期間の間上記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される。更に本願は、本発明による検出器を有するＸ線システムを記載し、このシステムは、ゲイン選択に関して適合され、上記検出器は、短い期間の間上記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される。更に本願は、本発明の概念による検出器を用いる方法を記載し、上記第１のゲインスイッチゲートが、上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサとの間の電荷の再分散のため、短い期間の間だけ、スイッチを入れられる。

Description

本発明は、医療機器に使用するＸ線検出器、検出器を有するＸ線システム及び検出器を使用する方法に関する。

ＣＭＯＳベースのＸ線撮像システムはしばしば、アクティブピクセルセンサのアレイに基づかれる。医療機器においては、患者に適用されるすべてのＸ線照射を利用することが求められる。従って、Ｘ線照射から生じるいかなる信号も無視しないという要件が存在する。従って、各ピクセルセルに含まれる様々なゲイン設定を選択する手段が必要とされる。

ノーマルアクティブピクセルのセルから始まって、ゲイン選択は例えば、信号収集ノードにコンデンサを加えることにより実行されることができる。信号収集ノードは通常、間接変換検出器のためのフォトダイオード又は直接変換検出器のための電荷収集接点である。ＣＭＯＳベースのＸ線検出器におけるピクセルセンサの重要な問題は、これらのセンサが起動されたゲイン・スイッチ及びトランスファーゲートにおける漏れに苦しむという事実である。

本発明の目的は、ゲインスイッチ又はトランスファーゲートを低いデューティサイクル及び高周波パルス列で駆動することにある。本発明の駆動方式は、スイッチのアクティブ（オン）時間及び従って漏れ電流貢献を減らす。スイッチの高周波起動は、最小ノードが飽和状態になる前に、最小コンデンサからより大きなコンデンサへの電荷の転送を可能にする。そうして、低い漏出及び高い飽和電荷が同時に得られることができる。低いノイズ及び高いダイナミックレンジが維持される。

本発明の第１の側面によれば、医療機器に使用するＸ線検出器が与えられ、この検出器は、
Ｘ線放射線を電荷に変換するユニットと、
電荷により充電され、上記変換ユニットに電気的に接続される第１のコンデンサと、
電荷により充電される第２のコンデンサと、
第１のゲインスイッチゲートとを有し、上記第１のゲインスイッチゲートがオン状態にある場合、上記第２のコンデンサが、上記変換ユニットに電気的に接続され、
上記検出器は、短い期間の間上記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される。

このゲートがスイッチオフにされる場合、ゲインスイッチゲート、例えばトランジスタは漏れ電流を持たない。このゲートがスイッチオンにされる場合にのみ、漏れ電流が存在する。従って、本発明の側面は、できるだけオン状態フェーズを減らすことである。例えば、オン状態フェーズが、持続時間において減らされることができるか、又はオン状態フェーズは、オン状態の進行中のフェーズの代わりに、オンパルスへと分割されることができる。

第２の側面によれば、請求項１乃至１０の一項に記載の本発明の検出器を有するＸ線システムが与えられ、このシステムは、ゲイン選択に関して適合され、上記検出器は、短い期間の間上記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される。

第３の側面によれば、請求項１乃至１０の一項に記載の本発明の検出器を用いる方法が与えられ、上記第１のゲインスイッチゲートが、上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサとの間の電荷の再分散のため、短い期間の間だけ、スイッチを入れられる。

更なる実施形態が、従属項に組み込まれる。

例示的な実施形態によれば、上記第１のコンデンサが、上記変換ユニットの固有のコンデンサである検出器が与えられる。

通常、変換ユニットは、フォトダイオードである。このフォトダイオードは、フォトダイオードの内部構成のため静電容量を持つ。この固有のコンデンサを用いて、フォトダイオードにより生成される電荷は、蓄積されることができる。

例示的な実施形態によれば、検出器が与えられ、
上記変換ユニットが、Ｘ線放射線を電荷に変換するフォトダイオードを有する。

更なる例示的な実施形態によれば、検出器が与えられ、
上記変換ユニットが、Ｘ線放射線を別の放射線に変えるシンチレータと、上記別の放射線を電荷に変えるフォトダイオードとを有する。

大面積Ｘ線変換器とピクセルのマトリクスを有する電子機器検出システムとを用いて、フラットパネルＸ線検出器が造られる。いわゆる間接変換検出器において、入射Ｘ線照射は、通常可視スペクトルの、又は、その近くの異なる波長の放射線へとシンチレータにより変換される。この異なる波長信号はその後、フォトダイオードを用いて電気信号／電荷へと変換される。マトリクスの各ピクセルに集められる電気信号／電荷が、画像を形成するために読み出される。

いわゆる直接変換検出器において、入射Ｘ線照射は、光伝導体により直接電子正孔ペアへと変換される。結果として生じる電荷は、電荷収集電極により集められ、電気信号／電荷を形成する。マトリクスの各ピクセルに集められる電気信号／電荷が、画像を形成するために読み出される。

別の例示的な実施形態によれば、検出器が与えられ、
上記変換ユニットが、Ｘ線放射線を電荷に変える光伝導体と、上記電荷を集める電荷収集電極とを有する。

例示的な実施形態によれば、上記第１のゲインスイッチゲートが、ゲイン切換トランジスタである検出器が与えられる。通常、ゲートは、トランジスタ、例えばｎｐｎ／ｐｎｐ（バイポーラ）トランジスタ又は電界効果トランジスタ（例えばＭＯＳＦｅｔトランジスタ）である。

例示的な実施形態によれば、検出器が与えられ、上記第１のコンデンサの電荷が所定の閾値に達する場合、上記検出器が、上記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される。

ゲインスイッチゲートの制御は、電荷量に対して調整されることができる。この電荷は、生成された電荷を格納するコンデンサにより蓄積される。所定の閾値に達する場合、ゲインスイッチゲートはスイッチオンにされることができる。ゲインスイッチゲートは、電荷の（より低い）第２の閾値に達することに関して、切替えられることができる。

更なる例示的な実施形態によれば、検出器が与えられ、上記第１のコンデンサが飽和される場合、上記検出器が、上記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される。ゲインスイッチゲートをスイッチオンする最後の時間は、コンデンサが追加的な電荷を格納することができない時間点として考えられることができる。この場合、ゲインスイッチゲートは、オーバフロー及び電荷の損失を回避するため、スイッチオンされなければならない。

別の例示的な実施形態によれば、検出器が与えられ、上記検出器が、短いパルスにおいて上記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される。

別の例示的な実施形態によれば、検出器が与えられ、
上記検出器が、電荷により充電される少なくとも第３のコンデンサと、少なくとも第２のゲインスイッチゲートとを有し、上記少なくとも第２のゲインスイッチゲートがオン状態にある場合、上記少なくとも第３のコンデンサが、上記第２のコンデンサを介して上記変換ユニットに電気的に接続される。電荷を蓄積する追加的なコンデンサとこの追加的なコンデンサをフォトダイオードに接続する対応するゲインスイッチゲートとの構成の原理は、必要なだけ繰り返されることができる。

本発明の１つの側面は、ゲインスイッチトランジスタ又は電荷トランスファーゲートを集積時間の間の複数の短い期間の間だけ起動させることにより、収集される漏れ電流の量を減らすことにあることが分かる。こうして、ピクセルの低いショットノイズ及び高いダイナミックレンジが、低い感度設定においてさえ維持される。

上記の特徴は組み合わせられることもできる点に留意されたい。上記の特徴の組合せは、たとえ詳細が明示的に説明されていなくても、相乗効果をもたらすことができる。

本発明のこれら及び他の側面は、本書において述べられる実施形態から明らかとなり、及び実施形態を参照して説明されることになる。

ピクセルセンサのアレイを示す図である。 単一のピクセルセンサを示す図である。 感度を変化させる手段を持つ単一のピクセルセンサを示す図である。 異なる特性を表す図である。 異なる特性を表す図である。 異なる特性を表す図である。 異なる特性を表す図である。 感度を変化させる拡張された手段を持つ単一のピクセルセンサを示す図である。

本発明の例示的な実施形態が、以下の図面を参照して以下に説明されることになる。

ゲインスイッチトランジスタは通常、オフにされるとき、即ち高感度設定において、非常に低い漏れ電流を持つ。この場合、電荷収集ノードは、集積時間の間にわずかな降下を持つ。より低い感度をセットするためゲインスイッチがオンにされるとき、電荷は、起動されるゲインスイッチから接地へと漏れる。電荷収集ノードは、漏れ電荷が原因で集積時間の間に大きい降下を示す。これは、フォトダイオードにおける暗電流と同じ有害な効果を持つ。即ち収集される電荷が原因で、ノイズが増加し、ダイナミックレンジが減少する。特に長い集積時間に関して、前述の漏れ電流からのノイズは、ピクセルにおいて優位なノイズ源になる可能性がある。トランジスタが電荷トランスファーゲートとして使用される場合も、同じ問題がある。

図１は、ピクセルセンサ１０４のアレイを表す。手段１０１、１０７は、これらのピクセルセンサ１０３の信号を読み出すため、制御ライン１１０によりピクセルセンサの行を制御するよう構成される。選択された信号は、線１０９によりアンプ１０２に送られることになる。ピクセルセンサは、フォトダイオード１０８、アンプ１０６及び読み出しスイッチ１０５を有する。信号は例えば、電荷、電圧又は電流とすることができる。

図２は、ピクセルセンサ２０１を詳細に表す。ここでは、フォトダイオード２０７は、Ｘ線放射線により、電荷を生成する。この電荷は、コンデンサ２０８に格納されることになる。リセットスイッチ２０６は、電荷量に関して開始点をセットするよう構成される。アンプ２０５は、読み出しのため信号を増幅する。読み出しスイッチ２０４は、アンプ２０２の入力に信号をもたらす可能性を与える。この場合、読み出しスイッチ２０４は、制御線２０９を用いて制御される。

図３は、感度（ゲイン選択）を変化させる手段を持つピクセルセンサ３０１を表す。ここでは、フォトダイオード３０８が、Ｘ線放射線を電荷に変える。

この電荷は、コンデンサ３０９を介して電圧信号をもたらす。この電圧は、アンプにより検出されることができる。信号は、アンプ３０６及び読み出しスイッチ３０７を用いてアンプ３０２の入力への接続に送られることができる。リセットトランジスタ３０５は、コンデンサ３０９及びフォトダイオード３０８を露出の前に初期条件にリセットするために必要である。読み出しスイッチ３０７は、制御線３１２により制御される。読み出しスイッチ３０７のオン状態フェーズがある場合、フォトダイオード３０８の電圧信号は、コンデンサ３０９からアンプ３０２の入力へと移されることになる。ゲインスイッチゲート３１０がオン状態フェーズにある場合、生成された電荷は、コンデンサ３０９及びコンデンサ３１１を用いて蓄積されることができる。この状況において、ピクセルセンサ３０１は、ゲインスイッチゲート３１０のオフ状態より小さな感度を持つ。ゲインスイッチゲート３１０は、制御線３０３により制御されることができる。ゲート３０５は、制御線３０４により制御される。

以下図４、図５、図６及び図７は、パラメータ時間の間の曲線を表す。

図４は、コンデンサを開始レベルにセットするためトランジスタを制御する制御線の電圧特性４０１を示す。曲線４０２は、露出ウィンドウのオン特性である。曲線４０３は、フォトダイオードにより生成され、漏れ電流のため減らされる電荷による、コンデンサ３０９上の電圧の進行を示す。時間点４０５まで、電荷は、最小の漏れしかないので比較的一定である。時間点４０５までの第１の時間期間の間、ゲインスイッチゲートは、コンデンサ３０９及び３１１の両方をリセットするためのリセット期間の間だけスイッチを入れられる（曲線４０６を参照）。第２の露出及び読み出しは、制御線４０１上での第２のパルスの立ち上がりエッジ４０８を伴って始まることが表される。時間点４０８から４０４まで、ゲインスイッチゲートは、長い期間スイッチオンにされる（曲線４０６を参照）。この長いオン状態フェーズにより、漏れ電流がかなりの量になる。その結果として、このフェーズの間、電荷がかなり減らされる（曲線４０３を参照）。曲線４０７は、読み出しスイッチの電圧の進行を表す。

図５は再度、図３のリセットスイッチ３０５の電圧特性５０１を示す。更に、それは、露出ウィンドウ５０２の曲線を示す。特性５０３は、フォトダイオード及び漏れ電流からの電荷によるコンデンサ３０９上の電圧の進行を表す。時間点５０５までの第１のフェーズにおいて、図３のゲインスイッチゲート３１０がリセット・フェーズの間だけ、スイッチを入れられるという事実が原因で（曲線５０１、５０６を参照）、電圧は比較的一定であり、従って、漏れ電流は低い。この第１の期間では、図４との差はない。第２の露出及び読み出しは、制御線５０１上での第２のパルスの立ち上がりエッジ５０８を伴って始まることが表される。時間点５０８から５０４までの第２の期間の間に、ゲインスイッチゲートは、短い時間期間の間だけスイッチを入れられる（曲線５０６を参照）。第１の時間期間（５０５まで）と比較すると、かなりの電荷損失が存在するが、図４に表される状況の対応する期間（時間点４０８から４０４まで）と比較すると、漏れ電流が短い期間だけであるので、電圧における降下は明らかに小さい。従って、ゲインスイッチゲートを短い時間期間だけ制御することにより、漏れ電流の影響は、かなり減らされることができる。曲線５０７は、読み出しスイッチのオン／オフ状態フェーズを表す。

ゲインスイッチゲートがオフである期間の間、オン状態による漏れは存在しない。短いオン期間の間だけ、ゲインスイッチゲートによる漏れ電流が存在する。こうして、完全な集積期間における漏れ電荷の量は、通常の作動モードと比較して非常に減らされる。

ゲインスイッチゲートのオフ状態の間、Ｘ線照射から生じる電荷は、図３のコンデンサ３０９によってのみ集められる。ゲインスイッチゲートのオン状態の間、電荷は、図３のコンデンサ３０９及び図３のコンデンサ３１１の間で再分散される。従って、コンデンサ３０９のオーバフロー（飽和）を回避するため、ゲインスイッチゲートが集積期間の間に十分に頻繁に起動されることが重要である。オーバフローの場合、電荷は失われ、非線形性が結果として生じることになる。一定のＸ線信号の場合、ゲインスイッチゲートは、少なくとも最小静電容量に対する最大静電容量の比率が示唆するのと同じ程度頻繁に起動されることを必要とする。Ｘ線照射が集積時間の間に変化するケースもカバーするため、より多くの数のアクティブ期間が推奨される。電荷トランスファーゲートのオン状態フェーズも、漏れ電流をもたらし、これは、電荷を減らす。

図６は、図３のリセットスイッチ３０５の制御についての電圧特性６０１を示す。パラメータ時間の間の曲線６０２を用いて、露出ウィンドウの特性が表される。曲線６０３は、フォトダイオードにより生成され、ゲインスイッチゲートによる漏れ電荷によって、図３のコンデンサ３０９上の電圧が変化する様子を時間にわたり示す。図４及び図５と比較すると、時間点６０４までは差がない。第２の露出及び読み出しは、制御線６０１上での第２のパルスの立ち上がりエッジ６０８を伴って始まることが表される。この第２のリセット６０８から６０５までの時間期間の間、図３のゲインスイッチゲート３１０は、スイッチを入れられる。しかし、ゲインスイッチゲートは、飽和フェーズにはない。この事実により、漏れはかなりある。これは、曲線６０３を用いて認識されることができる。曲線６０７は、読み出しスイッチの制御電圧の電圧の進行を表す。

図７は、曲線７０１を表す。この曲線は、図３のリセットスイッチ３０５の制御電圧を表す。曲線７０２は、露出ウィンドウを示す。この場合も、特性７０３の第１のフェーズ（７０４までの期間）は、前の図４、図５及び図６と同一である。第２の時間期間の間、ゲインスイッチゲートのオン状態の短い時間期間（７０６）だけが存在する。従って、この時間期間の間の電荷の損失は、図６の同じ期間と比較して、明らかに小さい。曲線７０７は、読み出しスイッチのオン／オフ状態フェーズを示す。

図６は、高感度及び低感度画像を得る通常の方法を示し、図７は、本発明に基づき電荷トランスファーゲートを駆動することを示す。

両方の図の最初の半分は、単一の、高いゲイン読み出しを示し、右半分は、最初に高いゲイン画像を読み出し、すぐ後に低いゲイン画像を読み出すダブル読み出しを示す。

図８は、ピクセルセンサ８０１を表す。ここでは、フォトダイオード８０９により生成される電荷が、コンデンサ８１０を用いて格納されることになる。ゲインスイッチゲート８１３がオン状態にある場合、電荷はコンデンサ８１０及び８１１に格納される。第３の状況において、両方のゲインスイッチゲート８１３、８１４は、オン状態にある。この場合、生成された電荷は、３つのコンデンサ８１０、８１１及び８１２により格納されることができる。この原理構成（追加的なコンデンサ、これは、追加的なゲインスイッチゲートを持つフォトダイオードに接続されることができる）は、必要な分だけ拡張されることができる。３つ全てのコンデンサ８１０、８１１、８１２の適用の場合、トランジスタ８１４の状況に対してピクセルセンサの感度が減らされる、及び／又はトランジスタ８１３はオフ状態にある。ゲインスイッチゲート８１３は、制御線８０４により制御され、ゲインスイッチゲート８１４は、制御線８０３により制御される。制御線８０５はリセットスイッチ８０６のオン／オフ状態を制御する。これは、ピクセルセンサを既知の初期条件にする。トランジスタ８０７は、ピクセルセンサ８０１の信号を増幅するために必要である。読み出しスイッチ８０８は、制御線８１５により制御される。

本発明は、１つ以上のゲイン設定をカバーするよう拡張されることができる。ゲインスイッチゲート又は電荷トランスファーゲートは、少なくとも最小静電容量に対する最大静電容量の比率が示唆するのと同程度頻繁に起動されることを必要とする。次のスイッチ／ゲートは同じ程度起動されることができるか、又は次のコンデンサ等に対する最大静電容量の比率に基づき、減らされた頻度が適用されることができる。

ゲインスイッチゲートを起動及び停止させることで生じるスイッチングノイズ（ｋＴＣ）は、相殺されることになる。なぜなら、スイッチを切る間コンデンサに格納されるノイズ電荷は、次のオン期間において平均化されることになるからである。従って、信号対ｋＴＣノイズ比は、本発明により悪影響を受けない。

本発明の概念は、アクティブピクセル医療Ｘ線検出器、非破壊試験のための検出器、及び光学的撮像センサで使用されることができる。本発明は、特に心臓学及びマンモグラフィのためのＣＭＯＳベースのＸ線検出器に適用できる。

「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、「ａ」又は「ａｎ」は、複数性を除外するものではない点に留意されたい。また、異なる実施形態に関連して記載される要素は、結合されることができる。また、請求項における参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない点に留意されたい。

Claims (12)

1. 医療機器に使用するＸ線検出器であって、前記検出器が、
   Ｘ線放射線を電荷に変換するユニットと、
   電荷により充電され、前記変換ユニットに電気的に接続される第１のコンデンサと、
   電荷により充電される第２のコンデンサと、
   第１のゲインスイッチゲートとを有し、前記第１のゲインスイッチゲートがオン状態にある場合、前記第２のコンデンサが、前記変換ユニットに電気的に接続され、
   前記検出器は、短い期間の間前記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される、検出器。
2. 前記第１のコンデンサが、前記変換ユニットの固有のコンデンサである、請求項１に記載の検出器。
3. 前記変換ユニットが、Ｘ線放射線を電荷に変換するフォトダイオードを有する、請求項１又は２の一項に記載の検出器。
4. 前記変換ユニットが、
   Ｘ線放射線を別の放射線に変えるシンチレータと、
   前記別の放射線を電荷に変えるフォトダイオードとを有する、請求項１乃至３の一項に記載の検出器。
5. 前記変換ユニットが、
   Ｘ線放射線を電荷に変える光伝導体と、
   前記電荷を集める電荷収集電極とを有する、請求項１乃至４の一項に記載の検出器。
6. 前記第１のゲインスイッチゲートが、ゲイン切換トランジスタである、請求項１乃至５の一項に記載の検出器。
7. 前記第１のコンデンサの電荷が所定の閾値に達する場合、前記検出器が、前記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される、請求項１乃至６の一項に記載の検出器。
8. 前記第１のコンデンサが飽和される場合、前記検出器が、前記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される、請求項１乃至７の一項に記載の検出器。
9. 前記検出器が、短いパルスにおいて前記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される、請求項１乃至８の一項に記載の検出器。
10. 前記検出器が、電荷により充電される少なくとも第３のコンデンサと、
    少なくとも第２のゲインスイッチゲートとを有し、前記少なくとも第２のゲインスイッチゲートがオン状態にある場合、前記少なくとも第３のコンデンサが、前記変換ユニットに電気的に接続される、請求項１乃至９の一項に記載の検出器。
11. 請求項１乃至１０の一項に記載の検出器を有するＸ線システムであって、前記システムが、ゲイン選択に関して適合され、前記検出器は、短い期間の間前記第１のゲインスイッチゲートをスイッチオンにするよう構成される、Ｘ線システム。
12. 請求項１乃至１０の一項に記載の検出器を使用する方法において、前記第１のゲインスイッチゲートが、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの間の電荷の再分散のため、短い期間の間だけ、スイッチを入れられる、方法。

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