JP2013127371A - 放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度の放射線画像を取得するために有利であり、かつ安定した製造が可能な放射線検出装置を提供する。
【解決手段】放射線検出装置は、基板の上に複数の光電変換部が配されたセンサ部を備えるセンサパネルと、前記センサパネルの上に配された第１シンチレータ層と、前記第１シンチレータ層の上に配された第２シンチレータ層と、を含み、前記第１シンチレータ層と前記第２シンチレータ層とは、それぞれ異なる波長の光を発し、前記センサ部は、前記第１シンチレータ層が発した光を検知するための第１光電変換部、及び前記第２シンチレータ層が発した光を検知するための第２光電変換部を備えることによって、前記互いに異なる波長の光のそれぞれを個別に電気信号に変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線検出装置に関する。

放射線曝射による撮影方式の一つにエネルギーサブトラクション方式がある。これは、エネルギー分布の異なる放射線を用いて取得した２つの放射線画像の差分情報に基づいて所望の画像を取得するという方式である。

例えば、特許文献１には、２つの異なる蛍光材料を混合したシンチレータを用いた放射線検出装置が開示されている。この構造によると、１回の放射線曝射で２つの放射線画像情報を取得でき、エネルギーサブトラクション方式が達成されうる。しかしながら、異なる蛍光材料を均一に混合することは製造ばらつき等の理由から容易ではなく、高解像度の放射線画像を取得することは難しい。

特開平７−１２０５５７号公報

本発明の目的は、高解像度の放射線画像を取得するために有利であり、かつ安定した製造が可能な放射線検出装置を提供することにある。

本発明の一つの側面は放射線検出装置にかかり、前記放射線検出装置は、基板の上に複数の光電変換部が配されたセンサ部を備えるセンサパネルと、前記センサパネルの上に配された第１シンチレータ層と、前記第１シンチレータ層の上に配された第２シンチレータ層と、を含み、前記第１シンチレータ層と前記第２シンチレータ層とは、それぞれ異なる波長の光を発し、前記センサ部は、前記第１シンチレータ層が発した光を検知するための第１光電変換部、及び前記第２シンチレータ層が発した光を検知するための第２光電変換部を備えることによって、前記互いに異なる波長の光のそれぞれを個別に電気信号に変換する、ことを特徴とする。

本発明によれば、高解像度の放射線画像を取得するために有利であり、かつ安定した製造が可能な放射線検出装置を提供することができる。

第１実施形態の放射線検出装置の構成の例を説明する図。 第１実施形態のセンサ部が検知する光の波長分布を説明する図。 第１実施形態のシンチレータ層の厚さとＸ線透過率と関係を説明する図。 第１実施形態の放射線検出装置の構成を説明する図。 第１実施形態のセンサ部の断面構造の例を説明する図。 第１実施形態のセンサ部の動作の例を説明する図。 第２実施形態のカラーフィルタ層の断面構造の例を説明する図。 第２実施形態のカラーフィルタ層のパターンの例を説明する図。 第２実施形態の放射線検出装置の構成を説明する図。 第２実施形態のセンサ部が検知する光の波長分布を説明する図。 本発明の放射線検出装置を適用した放射線撮像システムを説明する図。

＜第１実施形態＞
図１乃至６を参照しながら、第１実施形態の放射線検出装置１を説明する。図１は、放射線検出装置１を説明する図である。図１（ａ）は、放射線検出装置１の断面構造の模式図を示す。図１（ｂ）は、放射線検出装置１の平面レイアウトの模式図を示す。

放射線検出装置１は、センサパネル１０、第１シンチレータ層３０_１、及び第２シンチレータ層３０_２を含みうる。センサパネル１０は、基板１１の上に複数の光電変換部２１が２次元状に配されたセンサ部２０を備えうる。第１シンチレータ層３０_１は、センサパネル１０の上に配されている。第２シンチレータ層３０_２は、第１シンチレータ層３０_１の上に配されている。第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２は、放射線（Ｘ線、α線、β線、γ線等の電磁波を含む。）を光に変換する。第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２は、光散乱の抑制や解像度の向上を目的として、一般的には柱状構造で構成されることが多い。ここで、第１シンチレータ層３０_１と第２シンチレータ層３０_２とは、それぞれ異なる材料を含みうる。また、放射線検出装置１は、第２シンチレータ層３０_２の上にシンチレータ保護層４０を含みうる。

ここでは、エネルギー分布の異なる放射線が、シンチレータ保護層４０の上面Ａから入射する場合を考える。低エネルギーの放射線は、主に、放射線が入射する上面Ａに近い第２シンチレータ層３０_２において光に変換されうる。一方で、高エネルギーの放射線は、主に、第１シンチレータ層３０_１において光に変換されうる。このように、入射した放射線のうち一部は、第２シンチレータ層３０_２において光に変換され、第２シンチレータ層３０_２を透過した放射線は、第１シンチレータ層３０_１において光に変換されうる。

このとき、第１シンチレータ層３０_１と第２シンチレータ層３０_２とは、それぞれ異なる材料を含んでいるため、それぞれ異なる波長の光を発しうる。これらの光の波長は、第１シンチレータ層３０_１が発する光の波長をλ_１と、第２シンチレータ層３０_２が発する光の波長をλ_２としたとき、λ_１＜λ_２の関係が成り立つと、より好適である。これにより、第２シンチレータ層３０_２が発する光が第１シンチレータ層３０_１において吸収され又は消失する量を低減しうる。第１シンチレータ層３０_１には、例えば、ＣｓＩ：Ｎａを用いることができる。第２シンチレータ層３０_２には、例えば、ＣｓＩ：Ｔｌ、ＣｓＩ：Ｉｎを用いることができる。図２は、第１シンチレータ層３０_１にＣｓＩ：Ｎａを用い、第２シンチレータ層３０_２にＣｓＩ：Ｔｌを用いた場合の発光光の波長特性を示す。また、放射線が入射する面が反対側（図１（ａ）の下面Ｂ）となる場合は、これらは逆の順になると、より好適である。

第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２は、例えば、真空蒸着法、印刷法等によって形成されたＣｓＩ、ＮａＩ等を用いることが可能である。例えば、真空蒸着法によりＣｓＩの層を形成している間に、Ｎａ、Ｔｌ等をドープすることで、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２がそれぞれ形成されうる。真空蒸着法によりＣｓＩの層を形成する時は、例えば、基板温度が２００度以上の条件で行われるとよい。

ここで、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２のそれぞれの厚さは、低エネルギーの放射線曝射による画像情報と高エネルギーの放射線曝射による画像情報との差分が明確になるように設けられるとよい。例えば、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２のそれぞれの厚さは、高エネルギーの放射線透過率が低エネルギーの放射線透過率の約２倍となるように設けられうる。図３は、公知のＸ線放射装置から発生するＸ線のエネルギーが３０ｋｅＶと８０ｋｅＶの場合における、Ｘ線透過率のシンチレータ層（ＣｓＩ）の厚さ依存性を示す。図３から分かるように、シンチレータ層の厚さを３００〜４００μｍとすると、Ｘ線透過率の比は０．４８〜０．５８となり、鮮明なサブトラクション画像が得られる。

シンチレータ保護層４０には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリパラキシリレン（パリレン）、ポリ尿素等の有機樹脂材料が用いられうる。また、シンチレータ保護層４０には、例えば、ホットメルト樹脂等の接着性有機樹脂材料、又はアルミニウム等の金属材料も用いられうる。また、シンチレータ保護層４０には、これらの材料を積層した構造（例えば、ＰＥＴ、アルミニウム、ホットメルト樹脂を積層した構造）が用いられてもよい。

光電変換部２１は、図４に例示されるように、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２において生じた波長の異なる光のそれぞれを個別に検知できるものであればよく、例えば、ＮＰＮのトリプルウエル構造を有する光電変換部２１を用いることができる。図５を参照しながら、光電変換部２１の断面構造を説明する。基板１１（Ｐ型半導体）の上に配されたＰ型半導体領域１２は、光電変換部２１と基板１１とを電気的に分離するため、及び、互いに隣接する各光電変換部２１を電気的に分離するために設けられうる。Ｐ型半導体領域１２は接地されうる。光電変換部２１は、図５に例示されるように、Ｐ型半導体領域１２の中に、Ｎ型拡散層２１ａ、Ｎ型拡散層２１ａの内側に配されたＰ型拡散層２１ｂ、及びＰ型拡散層２１ｂの内側に配されたＮ型拡散層２１ｃを順に備えうる。このようにして、この光電変換部２１は、基板１１の表面からそれぞれ異なる深さの位置に配された２つのフォトダイオードを備えている。これにより、この光電変換部２１は、第１シンチレータ層３０_１において生じた光、及び第２シンチレータ層３０_２において生じた光のそれぞれを個別に検知し、これらに応じた電気信号をそれぞれ出力しうる。上記の拡散層２１ａ、２１ｂ、及び２１ｃのそれぞれを備えた半導体領域の上には、パッシベーション層２２が設けられうる。パッシベーション層２２は、透光性の高い部材であり、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２のそれぞれからの光を透過しうる。パッシベーション層２２には、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、シロキサン、紫外線吸収剤を含まない（又は、紫外線吸収剤が少ない）アクリル等の樹脂のうち少なくとも１つを含む部材が用いられうる。

Ｎ型拡散層２１ａ及びＰ型拡散層２１ｂのＰＮ接合Ｄｂａは、第２シンチレータ層３０_２が発する波長λ_２の光を効率的に検知する深さに設けられればよい。また、Ｐ型拡散層２１ｂ及びＮ型拡散層２１ｃのＰＮ接合Ｄｂｃは、第１シンチレータ層３０_１が発する波長λ_１の光を効率的に検知する深さに設けられればよい。Ｎ型拡散層２１ａ及びＰ型拡散層２１ｂのＰＮ接合Ｄｂａにおいては、受光によって電子と正孔の対が発生し電流Ｉｂａが流れうる。一方、Ｐ型拡散層２１ｂ及びＮ型拡散層２１ｃのＰＮ接合Ｄｂｃにおいては、同様にして、電流Ｉｂｃが流れうる。このようにして、第１光電変換部（Ｄｂｃ）及び第２光電変換部（Ｄｂａ）が、基板の表面からそれぞれ異なる深さの位置に配されることにより、センサ部２０は、異なる波長の光のそれぞれを個別に検知しうる。これら２つのＰＮ接合は、例えば、半導体の基板１１に注入強度の異なるイオン注入を行って設けてもよい。また、これら２つのＰＮ接合は、半導体の基板１１の上部に１つめのＰＮ接合を設け、その後に半導体層をエピタキシャル成長させて、２つめのＰＮ接合を設けるという手順によってなされてもよい。

ＰＮ接合Ｄｂａにおいて発生した電流Ｉｂａは、図６に例示されるように、増幅トランジスタＳＦｂａ及び選択トランジスタＳＥＬｂａを介して読み出されうる。同様にして、ＰＮ接合Ｄｂｃにおいて発生した電流Ｉｂｃは、増幅トランジスタＳＦｂｃ及び選択トランジスタＳＥＬｂｃを介して読み出されうる。読み出された信号は、それぞれ信号ＳＩＧｂａ及びＳＩＧｂｃとして、列信号線にそれぞれ出力されうる。また、これらの読み出し回路は、図６に例示されるように、増幅トランジスタＳＦｂａ及びＳＦｂｃのゲートの電位をそれぞれ所定の値にリセットするためのリセットトランジスタＲＥＳｂａ及びＲＥＳｂｃをそれぞれ含みうる。このように、放射線検出装置１は、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２において生じた光のそれぞれを効率的に検出するため、ＤＱＥ（検出量子効率）が向上しうる。

以上、放射線検出装置１は、エネルギー分布の異なる放射線を第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２においてそれぞれ異なる波長の光に変換し、センサ部２０で個別に検知して得られた電気信号を処理しうる。これにより、放射線検出装置１は、高解像度の放射線画像を取得するために有利であり、かつ安定した製造が可能である。

＜第２実施形態＞
図７乃至１０を参照しながら、第２実施形態の放射線検出装置２を説明する。放射線検出装置２のセンサパネル１０’は、図７（ａ）に例示されるように、ガラス等の絶縁性の基板６０、ＴＦＴスイッチ７０、層間絶縁層８０、コンタクトホール９０、及びセンサ部２０’を備えうる。センサ部２０’には、アモルファスシリコンを用いて、複数の光電変換部１００が２次元状に配されている。ＴＦＴスイッチ７０は、絶縁性の基板６０の上に配されうる。層間絶縁層８０は、絶縁性の基板６０及びＴＦＴスイッチ７０を覆うように配されうる。コンタクトホール９０は、ＴＦＴスイッチ７０の上の領域の層間絶縁層８０に形成されうる。光電変換部１００は、コンタクトホール９０と接続されうる。また、層間絶縁層８０及び光電変換部１００を覆うように、パッシベーション層１１０が配されうる。また、パッシベーション層１１０の上に平坦化層１１１が配されうる。

本実施形態では、放射線検出装置２のセンサパネル１０’はカラーフィルタ層１２０を含みうる。カラーフィルタ層１２０は、平坦化層１１１の上に配されうる。図７（ｂ）に例示されるように、平坦化層１１１を含まない構造としてもよい。

カラーフィルタ層１２０は、目的・用途に応じて、図８（ａ）乃至（ｈ）に例示されるようなパターンを採用することができる。ここでは、カラーフィルタ層１２０に、例として、青色フィルタ１２１_Ｂ、緑色フィルタ１２１_Ｇを用いた。例えば、図８（ａ）は、青色フィルタ１２１_Ｂが１画素置きに配されたパターンである。例えば、図８（ｂ）は、青色フィルタ１２１_Ｂと緑色フィルタ１２１_Ｇとが１画素ごとに交互に配されたパターンである。また、カラーフィルタ層１２０のパターンは、図８（ｃ）及び（ｄ）に例示されるように、２×２画素ごとに配されてもよいし、適宜、変更が可能である。また、カラーフィルタ層１２０のパターンは、図８（ｅ）乃至（ｈ）に例示されるように、縦方向又は横方向に１ラインごとに配されてもよいし、複数のラインごとに配されてもよい。

図９（ａ）は、カラーフィルタ層１２０に緑色フィルタ１２１_Ｇを図８（ａ）に例示されるパターンで用いた場合の放射線検出装置２の模式的断面構造図である。第１シンチレータ層３０_１にはＣｓＩ：Ｎａ（発光光のピーク波長λ_１＝４３０ｎｍ付近）を用いた。また、第２のシンチレータ層３０_２にはＣｓＩ：Ｔｌ（発光光のピーク波長λ_２＝５８０ｎｍ付近）を用いた。緑色フィルタ１２１_Ｇを備えた画素においては、第１シンチレータ層３０_１において生じた光は、緑色フィルタ１２１_Ｇにより吸収されうる。そのため、光電変換部１００は、第１シンチレータ層３０_１と第２シンチレータ層３０_２のうち第２シンチレータ層３０_２において生じた光を検知しうる。一方で、緑色フィルタ１２１_Ｇを備えていない画素においては、光電変換部１００は、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２において生じた光のそれぞれを検知しうる。

また、図９（ｂ）は、カラーフィルタ層１２０に青色フィルタ１２１_Ｂを図８（ａ）に例示されるパターンで用いた場合の放射線検出装置２の模式的断面構造図である。青色フィルタ１２１_Ｂを備えた画素においては、第２シンチレータ層３０_２において生じた光は、青色フィルタ１２１_Ｂにより吸収されうる。そのため、光電変換部１００は、第１シンチレータ層３０_１と第２シンチレータ層３０_２のうち第１シンチレータ層３０_１において生じた光を検知しうる。一方で、青色フィルタ１２１_Ｂを備えていない画素においては、光電変換部１００は、第１及び第２シンチレータ層３０_１及び３０_２において生じた光のそれぞれを検知しうる。

図９（ｃ）は、カラーフィルタ層１２０に青色フィルタ１２１_Ｂ及び緑色フィルタ１２１_Ｇを図８（ｂ）に例示されるパターンで用いた場合の放射線検出装置２の模式的断面構造図である。青色フィルタ１２１_Ｂを備えた画素においては、第２シンチレータ層３０_２において生じた光は、青色フィルタ１２１_Ｂにより吸収されうる。そのため、光電変換部１００は、第１シンチレータ層３０_１と第２シンチレータ層３０_２のうち第１シンチレータ層３０_１において生じた光を検知しうる。一方で、緑色フィルタ１２１_Ｇを備えた画素においては、第１シンチレータ層３０_１において生じた光は、緑色フィルタ１２１_Ｇにより吸収されうる。そのため、光電変換部１００は、第１シンチレータ層３０_１と第２シンチレータ層３０_２のうち第２シンチレータ層３０_２において生じた光を検知しうる。放射線検出装置２は、図８（ｂ）に示されるカラーフィルタ層１２０のパターンを採る場合は、図１０に示されるように、センサ部２０’が検知しうる光の波長の分布が重ならないようにすることができる。

以上のように、放射線検出装置２は、第１光吸収部材及び第２光吸収部材（本実施形態では、それぞれ、緑色フィルタ１２１_Ｇ及び青色フィルタ１２１_Ｂ）の少なくともいずれか一方を含むカラーフィルタ層１２０を備えている。カラーフィルタ層１２０のパターンは、光電変換部１００のそれぞれが異なる波長の光のそれぞれを個別に検知できるように、仕様に応じて決めればよい。このようにして、放射線検出装置２は、複数の放射線が含む情報をそれぞれ個別に取得することが可能である。したがって、放射線検出装置２は、高解像度の放射線画像を取得するために有利であり、かつ安定した製造が可能である。

以上の２つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途、機能、およびその他の仕様の変更が適宜可能であり、他の実施形態によっても実施されうることは言うまでもない。例えば、以上の各実施形態では、２つのシンチレータ層を用いて、２つの放射線画像を取得したが、用途に応じて設計を変更することも可能であり、３つ以上のシンチレータ層を設けてもよい。また、例えば、第２実施形態においては、絶縁性の基板の上にアモルファスシリコンを用いた光電変換部を設けたセンサパネルを用意したが、半導体基板の上にシングルウエルのＰＮ接合の光電変換部を設けたセンサパネルを用意してもよい。

また、上記実施形態の放射線検出装置１及び２は、図１１に例示されるように、放射線撮像システムに適用されうる。例えば、放射線検出装置１は、ケース２００に取り付けられうる。放射線源２１０から発せられたエネルギー分布の異なる放射線（代表例としては、Ｘ線）は被験者２２０を透過し、被験者２２０の体内の情報を含む放射線が、放射線検出装置１により検知されうる。これにより得られた２つの放射線画像を用いて、例えば、信号処理部２３０により所定のサブトラクション処理を行い、例えば、体内の軟部組織及び骨部組織を抽出した画像が取得され、表示部２４０に表示されうる。

Claims (5)

1. 基板の上に複数の光電変換部が配されたセンサ部を備えるセンサパネルと、
   前記センサパネルの上に配された第１シンチレータ層と、
   前記第１シンチレータ層の上に配された第２シンチレータ層と、を含み、
   前記第１シンチレータ層と前記第２シンチレータ層とは、それぞれ異なる波長の光を発し、
   前記センサ部は、前記第１シンチレータ層が発した光を検知するための第１光電変換部、及び前記第２シンチレータ層が発した光を検知するための第２光電変換部を備えることによって、前記互いに異なる波長の光のそれぞれを個別に電気信号に変換する、
   ことを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、基板の表面からそれぞれ異なる深さの位置に配される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記センサパネルと前記第１シンチレータ層との間に配されたカラーフィルタ層を更に含み、
   前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、それぞれ、前記基板の上面に沿って配され、
   前記カラーフィルタ層は、前記第１光電変換部の上に配された第１光吸収部材、及び前記第２光電変換部の上に配された第２光吸収部材の少なくともいずれか一方を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
4. 前記第１シンチレータ層はＣｓＩ：Ｎａを含み、
   前記第２シンチレータ層はＣｓＩ：Ｔｌを含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線検出装置と、
   前記放射線検出装置からの信号を処理する信号処理部と、
   前記信号処理部からの信号を表示するための表示部と、
   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。