JP2013106997A - X線検出器システムおよびx線ct装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】X線検出器およびデータ収集装置を高密度に実装可能なものとする。
【解決手段】X線を直接的にまたは一旦光に変換した上で間接的に電気信号に変換する
複数の検出素子を二次元状に配列したX線検出チップ12aと、このX線検出チップの検出素子からの電気信号をそれぞれ増幅する増幅チップ12b1と、この増幅チップの出力をデジタル信号に変換するA/D変換チップ12b2とを重ねて、その間を順次電気的に貫通電極などで接続したものをセラミックなどの基板12cに載置してX線検出器システム12を構成した。
これにより、従来別構成であったX線検出器とデータ収集装置とを、1チップ化して高精細のX線検出器システムとしたので、X線CT装置に高密度に実装が可能となる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、X線検出器とこのX線検出器から得られるアナログ信号を増幅してデジタル信号に変換するデータ収集装置とをチップ化して一体的に形成したX線検出器システムおよびこのX線検出器システムを備えたX線CT装置に関する。
X線CT装置は、被検体を間にして対向するように配置したX線管とX線検出器とを備え、これらを被検体の周りに回転させながらX線管からX線を照射し、被検体を透過したX線をX線検出器で検出して電気信号に変換する。X線検出器は、被検体の体軸方向に直交する方向(チャンネル方向)に例えば約1000チャンネル並べられている。X線検出器で変換された電気信号は、被検体を透過したX線の強度を反映しており、被検体の周りを1周または半周して収集して得たデータを再構成処理することにより、回転平面内の断層画像を形成して表示する。
このX線CT装置は、X線管とX線検出器との高速回転による撮影時間の短縮と、X線検出器をチャンネル方向(被検体の体軸方向に直交する方向)とスライス方向(被検体の体軸方向)に沿って、二次元状に細分化して配置することによる高精細化が進んでいる。二次元X線検出器としては、例えば1000チャンネル、4スライス程度のものが従来一般に使用されていたが、最近では、16スライス以上の同時撮影が可能なマルチスライスX線CT装置が実用化されるようになってきた。
このようなマルチスライス用のX線検出器では、X線を検出する例えばフォトダイオードアレイからの信号を取り出す配線の数が著しく増加し、この信号線をフォトダイオードアレイのチップ内に収容するのが難しくなるという問題があった。そこで、フォトダイオード素子を形成したシリコンウエハに、貫通電極を形成し、この貫通電極を介してシリコンウエハ上の配線とフォトダイオードアレイを載置した基板内部の配線とを電気的に接続することにより、フォトダイオードアレイからの信号を取り出すための配線数を減少させ、16スライス以上の同時撮影を可能とするマルチスライス用のX線検出器が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004−57507号公報
ところで、近時X線CT装置において、高分解能化とともに同時多スライス撮影への要望がさらに強まり、従来は16ないし40スライス程度であったマルチスライス用のX線検出器を、さらに多列化して例えば256スライスの同時撮影を可能とする二次元X線検出器を搭載したX線CT装置の開発も計画されるようになった。しかしながら、同時撮影の可能なスライス数を増やそうとすればするほど、X線検出器は大型化してその製造が困難となり、歩留まりも悪くなるという問題があった。
また、1枚の基板で1000チャンネル分のX線検出器を製作することは困難なので、従来は、図8に示すように、nチャンネル、mスライス分のフォトダイオードまたは半導体検出素子101を形成した基板102を、所定のチャンネル分(例えば1000チャンネル)になる枚数用意しておき、X線CT装置に装着するX線検出器100としては、各基板102を必要な数だけ被検体の体軸に直交する方向に円弧状に配列するようにしている。
さらに、X線検出器100は、後段のデータ収集装置(DAS)200にフラットケーブル300を介して接続されることになる。このDAS200は積分増幅器チップ201やアナログ/デジタル変換器チップ202を配置した基板203で形成されており、例えばX線検出器100の基板102に対応する数の基板203で構成され、各対応する基板102と基板203がフラットケーブル300で図示しないコネクタなどを介して接続される。
このX線検出器100やDAS200は、被検体の周りを高速に回転するものであり、回転時にフラットケーブ300が引っ張られてコネクタが外れたりする不具合が生ずるおそれがあった。さらにフラットケーブル300を通る信号はアナログ信号であるために、回転時の振動がノイズとして拾われて再構成する画像に悪影響を及ぼすおそれもあった。
さらに、X線検出器100を形成する半導体検出素子101を始めとして、DAS200を形成する積分増幅器チップ201やアナログ/デジタル変換器チップ202などは、それぞれ専門のメーカーによって作られるものである。そのため、これらをX線CT装置のX線検出器100やDAS200として使用する場合には、各専門メーカーから供給される半導体検出素子チップ101、積分増幅器チップ201、アナログ/デジタル変換器チップ202の載置された基板を、相互に接続して組み立てる工程が必要となり、そのための作業に時間を要していた。そこで、半導体検出素子チップ101、積分増幅器チップ201、アナログ/デジタル変換器チップ202などを一つの基板に載せることによって、製造工程を簡略化するとともに、出来上がったものも小型化したいとの要望があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものである。
上述の課題を解決するため、本発明は、X線を直接的にまたは一旦光に変換した上で間接的に電気信号に変換する複数の検出素子を二次元状に配列したX線検出チップと、このX線検出チップの前記検出素子からの電気信号をそれぞれ増幅する増幅チップと、この増幅チップの出力をデジタル信号に変換するA/D変換チップと、前記X線検出チップ、増幅チップ、A/D変換チップを重ねて、その間を順次電気的に接続する接続手段と、この接続手段によって接続されたものを載置する基板とを具備することを特徴とするX線検出器システムである。
また、本発明は、上記X線検出器システムにおいて、前記各チップ間を順次電気的に接続する接続手段は、貫通電極あるいはワイヤーボンディングであることを特徴とする。
また、本発明は、上記X線検出器システムにおいて、前記基板に載置された前記増幅チップおよびA/D変換チップの数は、前記X線検出チップに対してチップの数が多いことを特徴とする。
また、本発明は、上記X線検出器システムにおいて、前記X線検出器システムを1つの単位として、これをチャンネル方向および/またはスライス方向に複数組合せて、大型のX線検出器システムとすることを特徴とする。
また、本発明は、被検体の周りにX線を照射するX線照射手段と、このX線照射手段によって照射され、前記被検体を透過したX線を直接的にまたは一旦光に変換した上で間接的に電気信号に変換する検出素子を二次元状に配列したX線検出チップと、このX線検出チップの前記検出素子からの電気信号をそれぞれ増幅する増幅チップと、この増幅チップの出力をデジタル信号に変換するA/D変換チップと、前記X線検出チップ、増幅チップ、A/D変換チップ間を順次電気的に接続する接続手段と、この接続手段によって接続されたものを載置する基板とから成るX線検出器システムと、このX線検出器システムをチャンネル方向および/またはスライス方向に複数組合せたものを介して収集されたデータに基づいて前記被検体の断層像を形成する画像再構成手段とを具備することを特徴とするX線CT装置である。
上記課題を解決するための手段の項にも示したとおり、本発明の特許請求の範囲に記載する各請求項の発明によれば、次のような効果を奏する。
本発明によれば、データ収集装置(DAS)を構成する増幅器とA/D変換器をチップ化し、これにX線検出器のチップを重ね合わせることによって、従来別構成であったX線検出器とデータ収集装置(DAS)とを、1チップにしたX線検出器システムを提供することができる。これによって、X線検出器システムの高精細化を可能にするとともに製造上の歩留りも向上することができ、製造工程も簡略化することができる。
本発明によれば、X線検出器部分とデータ収集装置(DAS)部分とをケーブルで接続する必要がなくなり、ノイズの影響を極めて軽減することができる。
本発明によれば、X線検出部分を大きくしてX線検出感度を高めながら、データ収集装置(DAS)部分を小さくすることによって、X線検出器システム全体を小型化することができる。
本発明によれば、パッケージ化されたX線検出器システムを自由に組み合わせることによって、所望のチャンネル数、スライス数のX線検出器システムを容易に構成することができる。
本発明によれば、X線検出器システムを適宜組合せることによって、高精細度に所望のスライス数の断層画像を容易に得られるとともに、ノイズの影響を排除して高い画質の断層画像を得ることのできるX線CT装置が提供され、医療の質の向上に大きく寄与することができる。
本発明に係るX線CT装置の一実施例の概略構成を示した外観図である。 本発明に係るX線CT装置の一実施例の概略的なブロック図である。 本発明に係るX線検出器システムの基本的な構成の概略を示した説明図である。 貫通電極によるチップ間の接続方法の概略を説明するために示した説明図である。 本発明に係るX線検出器システムの他の実施態様の概略を示した説明図である。 本発明に係るX線検出器システムのさらに他の実施態様の概略を示した説明図である。 本発明に係るX線検出器システムの変形例を示した説明図である。 X線CT装置に搭載されている従来のX線検出器とデータ収集装置の説明図である。
以下、本発明に係るX線検出器システムおよびX線検出器システムを備えたX線CT装置の実施例について、図1ないし図7を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明に係るX線CT装置の一実施例の概略構成を示した外観図であり、図2は、同じく概略的なブロック図である。
X線CT装置は、架台1と、架台1の前面に配置される寝台2と、架台1および寝台2を操作する操作卓3から構成される。架台1の略中心部には、撮影部となる開口部4が設けられている。また、寝台2の上面には、被検体が載置される天板5が設けられている。操作卓3の操作によって、寝台2の高さは適宜調節され、天板5も架台1側へスライドさせられる。よって、撮影時には、天板5に載置された状態で被検体が、架台1の開口部4へ送り込まれる。
操作卓3上には、キーボードを始めマウスやトラックボール、ジョイスティックなどのポインティングデバイスを備えた入力器6やモニタ7が配置され、操作卓3内には後述する制御部20が収納されている。
架台1内には、図2に示すように、天板5に載置されて開口部4に位置する被検体Pを間にして、X線管11とX線検出器システム12とが対向するように配置されている。このX線管11とX線検出器システム12とは、回転部13に支持されていて、被検体Pの周りを連続回転することができるようになっている。この回転部13は、回転駆動部14によって制御部20から供給される駆動制御信号に基づき駆動される。
また、架台1内には、高電圧発生装置16が設置されている。この高電圧発生装置16は、図示しないスリップリングを介してX線管11に接続されていて、制御部20から供給されるX線制御信号に基づき、X線管11に供給する管電流、管電圧を決定し、これを所定のタイミングで供給しX線を発生させる。
X線管11からはコーン状のX線が曝射されるが、これを図示しないスリットを用いて、所要の大きさのX線ビームに整形して被検体Pへ照射する。X線検出器システム12は、詳細は後述するが、主検出器12aとデータ収集装置(data acquisition system;以下、DASと称する。)12bを夫々チップ化してセラミックなどの基板上に重ねることにより一体化して形成されている。
主検出器12aは、被検体Pを透過したX線を検出するものであり、DAS12bは、X線の発生に関連するタイミングで、制御部20から供給されるデータ収集制御信号に基づき、主検出器12aから得られる、X線パス毎のX線透過率を反映した計測データを収集する。そのためDAS12bは、主検出器12aの各X線検出素子からの出力を時間的に積分する積分器と、積分器の出力をデジタル信号に変換するA/Dコンバータなどを備えている。そして、DAS12bの出力は制御部20へ供給され、制御部20に設けられている図示しない画像再構成部によって画像再構成処理がされて断層画像が形成される。
なお、寝台2には寝台制御部15が設けられており、制御部20から供給される寝台制御信号に基づき、例えば、天板5を所望のスライス位置へと所定量移動させたり、所定のスキャン範囲にわたって連続的に移動させたりする。
次に、本発明に係るX線検出器システムの詳細について、図3ないし図7を参照して説明する。なお、これらの図において、同一部分には同一符号を付して示してある。
既に述べたように、本発明に係るX線検出器システム12は、主検出器12aとDAS12bとをそれぞれチップ化し、これらをセラミックなどの基板上に重ねて載置することにより、一体化して形成したものであり、その基本的な構成の概略を図3に示してある。なお、図3(a)はX線検出器システム12の構造を説明するために示した斜視図であり、図3(b)は側面図である。
すなわち、X線検出器システム12の主検出器12aは、X線をシンチレータで一旦光に変換しその光をさらにフォトダイオードで電気信号に変換するタイプのX線検出素子や、X線を直接電気信号に変換するタイプの半導体X線検出素子が用いられる。そして、これらのX線検出素子をチャンネル方向にn個(例えばn=24)、セグメント方向にm個(例えばm=64)配列したものを1チップに形成してある。従って、被検体Pを透過したX線は、nチャンネル、mセグメントの主検出器12aで検出されることになる。
なお図示を省略したが、主検出器12aのX線入力側には、主検出器12aに入射するX線をコリメートするためのコリメータが配置されている。そして、この主検出器12aのチップは、同じくチップ化されたDAS12bと重ねられている。
X線検出器システム12のDAS12bは、主検出器12aの各X線検出素子からの出力を時間的に積分する積分器12b1と、積分器12b1の出力をデジタル信号に変換するA/Dコンバータ12b2を夫々1チップに形成したものを重ねて構成されており、これらも主検出器12aと同様に、チャンネル方向にn個(例えばn=24)、セグメント方向にm個(例えばm=64)配列したものを1チップに形成してある。そして、この積分器12b1とA/Dコンバータ12b2とから成るDAS12bは、セラミックなどの基板12c上に重ねて載置される。さらに、基板12c上に載置された主検出器12aとDAS12bは、コリメータを含めて1つのパッケージにされてX線検出器システム12が構成される。
ここで、図3に示した太い矢印は、X線検出器システム12における信号の流れる方向を示している。すなわち、X線を検出して電気信号にされた主検出器12aの出力が積分器12b1で増幅され、その増幅された信号をA/Dコンバータ12b2でデジタル信号に変換することから、信号の流れる方向は、主検出器12a→積分器12b1→A/Dコンバータ12b2の順となる。よって、信号の流れに沿って、主検出器12a、積分器12b1およびA/Dコンバータ12b2の各対応する素子同士が電気的に接続され、最後のA/Dコンバータ12b2は基板12cに形成されている回路パターンの端子部に接続される。これら各チップ間および基板12cとの接続には、各チップのシリコンウエハに素子毎に形成されている貫通電極(ホールアンドビア:Hole&Via)により各チップの真下に信号を順次伝達していくことができる。
この貫通電極によるチップ間の接続方法の概略を、図4を参照して説明する。図4は、一例として積分器12b1とA/Dコンバータ12b2の極く一部を拡大して示した側断面図である。すなわち、積分器12b1を構成するシリコンウエハ12b11の上面の所定位置に積分器素子12b12が形成されているとともに、シリコンウエハ12b11には各積分器素子12b12に対応する貫通電極12b13が所定位置に穿設されている。さらに、この貫通電極12b13毎にシリコンウエハ12b11の裏面側にバンプ12b14を備えている。
一方、積分器12b1の下に位置することになるA/Dコンバータ12b2も同様に、A/Dコンバータ12b2を構成するシリコンウエハ12b21の上面の所定位置には、A/Dコンバータ素子12b22が形成されているとともに、シリコンウエハ12b21には各A/Dコンバータ素子12b22に対応する貫通電極12b23が所定位置に穿設され、この貫通電極12b23毎にシリコンウエハ12b21の裏面側にバンプ12b24を備えている。
そして、積分器12b1をA/Dコンバータ12b2の上に重ねて置くことにより、積分器12b1を構成するシリコンウエハ12b11の裏面側にあるバンプ12b14が、A/Dコンバータ12b2を構成するシリコンウエハ12b21の上面にある、A/Dコンバータ素子12b22の入力端子に接触して電気的に接続される。同様に、基板12cにA/Dコンバータ12b2を載せることにより、A/Dコンバータ12b2を構成するシリコンウエハ12b21の裏面側にあるバンプ12b24が、基板12cに形成されている回路パターンの端子部12c1に接触して電気的に接続される。
同様にして、主検出器12aを構成するチップが積分器12b1のチップに重ねられて接続され、主検出器12aとDAS12bとが一体化される。
このようにして、例えばチップ化した24チャンネル、64セグメントの主検出器12aとDAS12bとを基板12c上に重ねた方形状のX線検出器システム12が、1つのパッケージとして形成される。従って、このようなX線検出器システム12を1単位として、所定のチャンネル数N(例えばN=1000)とスライス数M(例えばM=256)になるように、チャンネル方向およびセグメント方向にあたかもタイルを貼るように並べることによって、高密度にX線検出器とDASを一体化したX線検出器システムを実現することができる。
すなわち、nチャンネル、mセグメントを1つのパッケージとしたX線検出器システム12を、X線管11の焦点を中心として円弧状に複数列配列して所望のNチャンネルになるようにするとともに、さらに被検体の体軸方向に沿って複数列配列して所望のMスライスになるように、このX線検出器システムをX線CT装置に実装することによって、同時に多数の精細な断層画像を得ることが可能なX線CT装置が提供される。
なお本発明は上記の実施例に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
例えば、図5に示すように、主検出器12aと積分器12b1およびA/Dコンバータ12b2の各対応する素子同士は、貫通電極で接続し、最後のA/Dコンバータ12b2と基板12cとはワイヤーボンディングの手法を用いて接続するようにしても良い。なお、図5(a)は図3(a)と同様の斜視図であり、図5(b)は図3(b)と同様の側面図である。そして図中符号12dは、A/Dコンバータ12b2と基板12cとの回路接続を行うためのワイヤーボンディング部である。
また、図中太い矢印はX線検出器システム12における信号の流れを示しており、信号は、主検出器12a→積分器12b1→A/Dコンバータ12b2の順に貫通電極によって下方へ流れ、そしてA/Dコンバータ12b2から基板12cへは、ワイヤーボンディング部12dによって横方向(例えばセグメント方向)へ流れることを示している。
さらに、図6に示すように、主検出器12aと積分器12b1およびA/Dコンバータ12b2の各対応する素子同士およびA/Dコンバータ12b2と基板12cとの全てを、ワイヤーボンディング部12dを用いて接続するようにしても良い。ここで、図6(a)も図3(a)と同様の斜視図であり、図6(b)は図3(b)と同様の側面図である。
なお、主検出器12aは、X線検出効率を高めるためにできるだけ大きくしたいが、主検出器12aのチップに比べて積分器12b1とA/Dコンバータ12b2のチップはかなり小さく作ることが可能であり、その分製造時の歩留まりを高めることができる。すなわち、主検出器12aのチップを例えば24チャンネル、64セグメントの素子で形成してある場合、DAS12bを構成する積分器12b1とA/Dコンバータ12b2とのチップを、夫々例えば12チャンネル、32セグメントのように半分の素子数で形成して、それらを基板12cと主検出器12aとの間に、2つずつ挟んで24チャンネル、64セグメントのDAS12bとするようにしても良い。
このような考えに基づくX線検出器システム12の幾つかの変形例を図7に示してある。すなわち図7(a)は、1チップの主検出器12aに対して、積分器12b1およびA/Dコンバータ12b2のチップを1対1に対応するように複数のチップに分割したものを1つのDAS12bとして、これらを基板12cに載置したものであ。また、図7(b)は、A/Dコンバータ12b2のチップを1に対して積分器12b1のチップを2にするようにしたものを複数設けたもの、図7(c)は、積分器12b1のチップを1に対してA/Dコンバータ12b2のチップを2に対応するように複数設けたものである。そして、チップ間を接続する手段は、図3ないし図6の各実施例における手段を適宜採用することができる。
12 X線検出器システム
12a 主検出器
12b データ収集装置(DAS)
12b1 積分器
12b2 A/Dコンバータ
12c 基板

Claims (2)

  1. X線を直接的にまたは一旦光に変換した上で間接的に電気信号に変換する複数の検出素子を二次元状に配列したX線検出チップと、
    このX線検出チップの前記検出素子からの電気信号をそれぞれ増幅する増幅チップと、
    この増幅チップの出力をデジタル信号に変換するA/D変換チップと、
    前記X線検出チップ、増幅チップ、A/D変換チップを重ねて、その間を順次電気的に接続する接続手段と、
    この接続手段によって接続されたものを載置する基板と、
    を具備することを特徴とするX線検出器システム。
  2. 被検体の周りにX線を照射するX線照射手段と、
    このX線照射手段によって照射され、前記被検体を透過したX線を直接的にまたは一旦光に変換した上で間接的に電気信号に変換する検出素子を二次元状に配列したX線検出チップと、このX線検出チップの前記検出素子からの電気信号をそれぞれ増幅する増幅チップと、この増幅チップの出力をデジタル信号に変換するA/D変換チップと、前記X線検出チップ、増幅チップ、A/D変換チップ間を順次電気的に接続する接続手段と、この接続手段によって接続されたものを載置する基板とから成るX線検出器システムと、
    このX線検出器システムをチャンネル方向および/またはスライス方向に複数組合せたものを介して収集されたデータに基づいて前記被検体の断層像を形成する画像再構成手段と、
    を具備することを特徴とするX線CT装置。
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