JP2017086474A - Ｘ線検出器およびｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タイリングを可能とする逐次収集方式フォトダイオードアレイを提供すること。【解決手段】複数の受光素子１５１は、Ｘ線を光に変換し、変換された光を電気信号に変換する。複数の読み出しスイッチ１５３は、複数の受光素子１５１それぞれに対応づけて受光面の裏面に設けられた電極から配線され、複数の受光素子１５１それぞれから電気信号を読み出す。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線検出器およびＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ＿Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＣＴ）において、検出器から信号を取り出す手法として、逐次収集方式の検出器構造を用いる手法がある。検出器において検出されたアナログ量の検出信号は、逐次、列毎に切り替えられるスイッチを介してチャネル毎の読み出しラインからデータ収集回路（Ｄａｔａ＿Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ＿Ｓｙｓｔｅｍ：ＤＡＳ）に読み出される。

図３は、従来例に係る逐次収集方式における受光素子と切り替えスイッチとの位置関係を示す斜視図である。逐次収集方式の検出器構造は同時収集方式の検出器構造に比して、回路構造が単純で済むという利点がある。一方、受光素子例えばフォトダイオードアレイ（Ｐｈｏｔｏ＿Ｄｉｏｄｅ＿Ａｒｒａｙ：ＰＤＡ）に並べて切り替えスイッチ、読み出しライン、シフトレジスタ、信号取り出しのためのボンディングパッド等を実装する必要がある。よって、ＰＤＡ表面に受光素子のみを敷き詰めることができず例えば、配線切り替えスイッチの幅だけ受光素子の間に隙間が空く。したがって、複数のＰＤＡを並べることで連続した受光面を実現するタイリング構造を構築することができなかった。

特開２０１０−２２０９３８号公報

目的は、タイリングを可能とする逐次収集方式フォトダイオードアレイを提供することにある。

本実施形態に係るＸ線検出器は、Ｘ線を光に変換し、前記変換された光を電気信号に変換する複数の受光素子と、前記複数の受光素子それぞれに対応づけて受光面の裏面に設けられた電極から配線され、前記複数の受光素子それぞれから電気信号を読み出すための複数の読み出しスイッチと、を具備する。

図１は、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図である。 図２は、本実施形態に係る受光素子と切り替えスイッチとの位置関係を示す斜視図である。 図３は、従来例に係る逐次収集方式における受光素子と切り替えスイッチとの位置関係を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わるＸ線検出器およびＸ線コンピュータ断層撮影装置（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ＿Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：以下、Ｘ線ＣＴ装置と呼ぶ）を説明する。説明を具体的にするため、以下の説明において本実施形態に関わるＸ線検出器はＸ線ＣＴ装置に組み込まれているものとする。なおＸ線検出器は、Ｘ線ＣＴ装置以外のモダリティに組み込まれても良いし、単独で用いられても良い。Ｘ線検出器は具体的には例えば、Ｘ線診断装置等に組み込まれても良い。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、架台１０と画像処理装置５０とを備えている。架台１０は、円筒形状を有する回転フレーム１１を回転軸Ｚ回りに回転可能に支持している。回転フレーム１１には、回転軸Ｚを挟んで対向するようにＸ線発生回路１３とＸ線検出器１５とが取り付けられている。回転フレーム１１の開口部（ｂｏｒｅ）にはＦＯＶ（ｆｉｅｌｄ＿ｏｆ＿ｖｉｅｗ）が設定される。回転フレーム１１の開口部内には天板１７が挿入される。天板１７には被検体Ｓが載置される。天板１７に載置された被検体Ｓの撮像部位がＦＯＶ内に含まれるように天板１７が位置決めされる。回転フレーム１１は、回転駆動回路１９からの動力を受けて回転軸Ｚ回りに一定の角速度で回転する。回転駆動回路１９は、架台制御回路２１からの制御信号に従って回転フレーム１１を回転させるための動力を発生する。

Ｘ線発生回路１３は、架台制御回路２１からの制御信号に従ってＸ線を発生する。具体的には、Ｘ線発生回路１３は、Ｘ線管１３１と高電圧発生器１３３とを有する。Ｘ線管１３１は、高電圧発生器１３３からの高電圧の印加とフィラメント電流の供給とを受けてＸ線を発生する。高電圧発生器１３３は、架台制御回路２１からの制御信号に従う高電圧をＸ線管１３１に印加し、架台制御回路２１からの制御信号に従うフィラメント電流をＸ線管１３１に供給する。

Ｘ線検出器１５は、２次元状に配列された複数のシンチレータ１５０と複数の受光素子１５１とを有する。複数のシンチレータ１５０は、複数の受光素子１５１にそれぞれ対応づけて設けられる。シンチレータ１５０は、Ｘ線管１３１から発生され被検体Ｓを透過したＸ線を蛍光に変換する。シンチレータ１５０から発生された蛍光は、受光素子１５１により電荷に変換され蓄積される。受光素子１５１は、具体的には例えばフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ＿Ｄｉｏｄｅ）である。フォトダイオードを用いた単純なＸ線検出器として、例えば背面入射型Ｘ線検出器やシリコン貫通電極を用いたＸ線検出器等がある。また、複数の受光素子１５１が２次元状に配列されたものは、フォトダイオードアレイ（Ｐｈｏｔｏ＿Ｄｉｏｄｅ＿Ａｒｒａｙ：ＰＤＡ）と呼ばれる。Ｘ線検出器１５の構造について、詳細は後述する。

複数の受光素子各々に蓄積された電荷は、データ収集回路（Ｄａｔａ＿Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ＿Ｓｙｓｔｅｍ：ＤＡＳ）１６に出力される。データ収集回路１６は、Ｘ線検出器１５から出力される電荷をデジタル信号に変換する。

架台制御回路２１は、ハードウェア資源として、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ＿Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ＿Ｕｎｉｔ）やＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ＿Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ＿Ｕｎｉｔ）等の演算装置（プロセッサ）とＲＯＭ（Ｒｅａｄ＿Ｏｎｌｙ＿Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ＿Ａｃｃｅｓｓ＿Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置（メモリ）とを有する。架台制御回路２１は、架台１０に搭載された各種機器の制御を統括する。例えば、架台制御回路２１は、被検体Ｓを対象としたＣＴ撮像を実行するために、Ｘ線発生回路１３、Ｘ線検出器１５、及び回転駆動回路１９を制御する。回転駆動回路１９は、架台制御回路２１による制御に従う一定の角速度で回転する。ＣＴ撮影の場合、架台制御回路２１は高電圧発生器１３３を制御し、Ｘ線管１３１にＸ線を発生させる。

画像処理装置５０は、再構成回路５１、画像処理回路５３、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）回路５５、ディスプレイ５７、入力回路５９、記憶回路６１、およびシステム制御回路６３を有する。

再構成回路５１は、ハードウェア資源として、ＣＰＵやＭＰＵ、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ＿Ｐｒｏｃｃｅｓｓｉｎｇ＿Ｕｎｉｔ）等のプロセッサとＲＯＭやＲＡＭ等のメモリとを有する。再構成回路５１は、データ収集回路１６から出力されるデータを前処理し、投影データに変換する。再構成回路５１は、Ｘ線検出器１５で収集されたデータに基づいて、ボリュームデータを発生する。

画像処理回路５３は、ハードウェア資源として、ＣＰＵやＭＰＵ、ＧＰＵ等のプロセッサとＲＯＭやＲＡＭ等のメモリとを有する。画像処理回路５３は、画像の位置合わせ等を行う。

Ｉ／Ｆ回路５５は、画像処理装置５０と架台１０との間の通信のためのインタフェースである。例えば、Ｉ／Ｆ回路５５は、システム制御回路６３から撮像開始信号や撮像停止信号等を供給する。

ディスプレイ５７は、各種画像を表示機器に表示する。ディスプレイ５７は、画像と位置整合してマークや線表等を表示する。表示機器としては、例えばＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等が適宜利用可能である。

入力回路５９は、入力機器を介してユーザからの各種指令や情報入力を受け付ける。入力機器としては、キーボードやマウス、各種スイッチ等が利用可能である。

記憶回路６１は、種々の情報を記憶する記憶装置である。例えば、記憶回路６１は、本実施形態に係る画像処理プログラム等を記憶する。

システム制御回路６３は、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の中枢として機能する。システム制御回路６３は、本実施形態に係る撮像プログラムを記憶回路６１から読み出し、当該撮像プログラムに従って各種構成要素を制御する。これにより、本実施形態に係る断面画像等の画像発生のためのＣＴ撮像および画像処理が行われる。

以下、Ｘ線検出器１５の構造について詳述する。図２は、本実施形態に係る受光素子１５１と切り替えスイッチ１５３との位置関係を示す斜視図である。図２においてｘ軸方向はチャネル方向、ｚ軸方向はスライス方向、ｙ軸方向はｘ軸およびｚ軸に直交する方向である。図示しないシンチレータの背面に、Ｘ線を検出して電気信号を発生する複数の受光素子１５１（ＰＤＡ）が設けられる。ここで受光素子１５１のうちシンチレータに向き合う面を受光面と呼ぶことにする。各受光素子１５１の受光面に対向する背面には電極１５２が設けられている。各電極１５２には、切り替えスイッチ１５３が設けられる。切り替えスイッチ１５３は、各受光素子１５１それぞれから電気信号を読み出す。切り替えスイッチ１５３は例えば、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）スイッチにより実現される。読み出しライン１５５は、複数の受光素子１５１のうち一部の受光素子１５１に対応する切り替えスイッチ１５３に接続される。複数の読み出しライン１５５は、ｘ軸方向に関して並べられている。各読み出しライン１５５は、ｚ軸方向に沿って配列されている。各読み出しライン１５５には、２次元状に配列された複数の受光素子１５１のうちｘ軸方向１列分に相当する複数の受光素子１５１それぞれの電極１５２から配線された切り替えスイッチ１５３が連結して接続されている。シフトレジスタ１５７は、複数の読み出しライン１５５を介して複数の受光素子１５１それぞれにおける電気信号を収集する。シフトレジスタ１５７は、下層のうちで切り替えスイッチ１５３および読み出しライン１５５の動作を妨げない何処に配置されても良い。信号取り出しパッド１５９は、シフトレジスタ１５７から信号を取り出す。信号取り出しパッド１５９は、金属等により形成される。ここで下層に配置した切り替えスイッチ１５３、読み出しライン１５５およびシフトレジスタ１５７はＸ線の照射による影響を防ぐ必要がある。このことは、受光素子１５１上に配置されるシンチレータ１５０の真下に切り替えスイッチ１５３、読み出しライン１５５およびシフトレジスタ１５７を配置することで実現可能である。または、上層と下層との間に遮蔽効果のある物質を配置しても良い。下層は、電極１５２、切り替えスイッチ１５３、読み出しライン１５５、シフトレジスタ１５７および信号取り出しパッド１５９を固定させるため、例えば絶縁体により形成されている。

受光素子１５１とその他の構成要素とは、受光素子の受光面に垂直なｙ軸方向に積層される。受光素子１５１は、図２における受光素子の検出面に水平なｘ軸方向および奥行きを示すｚ軸方向に配列される。ｘ軸およびｚ軸は、図２に規定した通りの関係である。読み出しスイッチ１５３等の受光素子１５１以外の構成要素を受光素子のｙ軸下部方向に配置することにより、図３の従来例に示すような受光素子間の隙間を設けずに受光素子を配列することができる。すなわち、自由度の高い受光素子１５１の配列が可能となる。

上記の説明のとおり、本実施形態に係るＸ線検出器は、複数の受光素子１５１と複数の読み出しスイッチ１５３とを有する。複数の受光素子１５１は、Ｘ線を検出して電気信号を発生する。複数の読み出しスイッチ１５３は、複数の受光素子１５１それぞれに対応づけて受光面の裏面に設けられた電極１５２から配線される。

上記の構成により、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置によれば、切り替えスイッチを受光素子と異なる層に配置することにより、Ｘ線検出器における受光素子からの電荷を受光素子の裏面に設けられた電極から引き出すことができる。すなわち、受光素子からの電荷を引き出す切り替えスイッチを受光面と同じ層に設ける必要がなく、受光素子を同層において密に配列することが可能となる。すなわちＸ線検出器の同一面積に占める受光面が大きくなり、Ｘ線の検出効率が向上する。また、本実施形態に係るＸ線検出器は逐次収集方式のため、シフトレジスタからの読み出しラインはごく少数で済む。従って、読み出しライン以外の、例えば電源供給ラインや制御ラインのための信号取り出しパッドを受光面の裏面に設けることができる。すなわち受光素子の配列の自由度を高めることができる。信号取り出しパッドが受光素子の数に比べてごく少数で済むことにより、同層に受光素子のみを敷き詰めることが可能となり、タイリングを可能とする逐次収集方式ＰＤＡが実現される。

なお、上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、専用又は汎用のprocessor, circuit (circuitry), processing circuit (circuitry), operation circuit (circuitry), arithmetic circuit(circuitry)或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit : ASIC）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラム論理デバイス(Simple Programmable Logic Device : SPLD)）、復号プログラマブル論理デバイス(Complex Programmable Logic Device : CPLD)）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array : FPGA)）等を意味する。また、本実施形態の各構成要素（各処理部）は、単一のプロセッサに限らず、複数のプロセッサによって実現するようにしてもよい。さらに、複数の構成要素（複数の処理部）を、単一のプロセッサによって実現するようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…Ｘ線コンピュータ断層撮影装置、１０…架台、１１…回転フレーム、１３…Ｘ線発生回路、１５…Ｘ線検出器、１６…データ収集回路、１７…天板、１９…回転駆動回路、２１…架台制御回路、５０…画像処理装置、５１…再構成回路、５３…画像処理回路、５５…Ｉ／Ｆ回路、５７…ディスプレイ、５９…入力回路、６１…記憶回路、６３…システム制御回路

Claims (5)

1. Ｘ線を光に変換し、前記変換された光を電気信号に変換する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子それぞれに対応づけて受光面の裏面に設けられた電極から配線され、前記複数の受光素子それぞれから電気信号を読み出すための複数の読み出しスイッチと、
   を具備するＸ線検出器。
2. 前記複数の受光素子のうち一部の受光素子に対応する前記読み出しスイッチに接続された複数の読み出しラインと、
   前記複数の読み出しラインを介して前記複数の受光素子それぞれにおける電気信号を収集するシフトレジスタと、をさらに備える請求項１記載のＸ線検出器。
3. 前記複数の読み出しスイッチまたは前記シフトレジスタから信号を取り出す信号取り出しパッド、をさらに備える請求項２記載のＸ線検出器。
4. Ｘ線を発生するＸ線管と、
   前記Ｘ線管から発生されたＸ線を光に変換し、前記変換された光を電気信号に変換する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子それぞれに対応づけて受光面の裏面に設けられた電極から配線され、前記複数の受光素子それぞれから電気信号を読み出すための複数の読み出しスイッチと、
   を具備するＸ線コンピュータ断層撮影装置。
5. Ｘ線を検出し、電気信号に変換する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子それぞれに対応づけて受光面の裏面に設けられた電極から配線され、前記複数の受光素子それぞれから電気信号を読み出すための複数の読み出しスイッチと、
   を具備するＸ線検出器。