JP2019015683A - 放射線撮像装置および放射線撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギサブトラクション画像の取得が可能であり、かつ、通常の放射線画像を取得する際の画質の低下を抑制するのに有利な技術を提供する。【解決手段】複数の変換素子が２次元アレイ状に配された光を透過する基板と、基板の第１の面の側に配された第１のシンチレータと、基板のうち第１の面とは反対の第２の面の側に配された第２のシンチレータと、を含む放射線撮像装置であって、複数の変換素子は、複数の第１の変換素子と複数の第２の変換素子とを含み、複数の第１の変換素子は、第１のシンチレータおよび第２のシンチレータからの光を受光するように配され、複数の第２の変換素子は、第１の変換素子よりも第１のシンチレータから受光できる光の量が少なくなるように、第１のシンチレータと複数の第２の変換素子のそれぞれとの間に遮光層が配され、かつ、第２のシンチレータからの光を受光するように配される。【選択図】図２

Description

本発明は、放射線撮像装置および放射線撮像システムに関する。

医療画像診断や非破壊検査に用いる撮像装置として、放射線を電荷に変換する変換素子と薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などのスイッチ素子とを組み合わせた画素がアレイ状に配された撮像パネルを含む放射線撮像装置が広く利用されている。このような放射線撮像装置を用いて、エネルギ成分が異なる放射線を用いた放射線画像を複数取得し、取得した放射線画像の差分などから、特定の被写体部分を分離または強調したエネルギサブトラクション画像を取得する方法が知られている。特許文献１には、光透過性を有する基板の両面にシンチレータを配し、一方の側のシンチレータが発する光を検出するフォトダイオードと他方の側のシンチレータが発する光を検出するフォトダイオードとを配することが示されている。互いに異なるシンチレータが発する光を検出するフォトダイオードによって、１回の放射線の照射で２つの異なるエネルギ成分の信号が取得され、エネルギサブトラクション画像が生成できる。

特開２０１０−５６３９６号公報

特許文献１において、放射線画像の１つの画素データを生成するのに、それぞれ２つのフォトダイオードを用いるため、素子構造が複雑になり、製造コストが上昇してしまう可能性がある。また、２つのシンチレータが配されるにもかかわらず、それぞれのフォトダイオードは、一方のシンチレータからの光しか検出しない。このため、特許文献１の第２の実施の形態のように、それぞれのフォトダイオードを平面的に配した場合、検出量子効率（ＤＱＥ）が低下し、得られる画像のＳ／Ｎ比が低下してしまう可能性がある。

本発明は、エネルギサブトラクション画像の取得が可能であり、かつ、画質の低下を抑制するのに有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置は、複数の変換素子が２次元アレイ状に配された光を透過する基板と、基板の第１の面の側に配された第１のシンチレータと、基板のうち第１の面とは反対の第２の面の側に配された第２のシンチレータと、を含む放射線撮像装置であって、複数の変換素子は、複数の第１の変換素子と複数の第２の変換素子とを含み、複数の第１の変換素子は、第１のシンチレータおよび第２のシンチレータからの光を受光するように配され、複数の第２の変換素子は、第１の変換素子よりも第１のシンチレータから受光できる光の量が少なくなるように、第１のシンチレータと複数の第２の変換素子のそれぞれとの間に遮光層が配され、かつ、第２のシンチレータからの光を受光するように配されることを特徴とする。

上記手段によって、シンチレータの解像度を向上し且つ輝度特性を向上するのに有利な技術を提供する。

本発明の実施形態に係る放射線撮像装置を用いた放射線撮像システムの構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の撮像パネルの構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の画素の断面の構造例を示す図。 図１の放射線撮像装置の画素の配置例を示す図。 図１の放射線撮像装置の動作を示すタイミングチャート。 図１の放射線撮像装置の動作を示すタイミングチャート。 図１の放射線撮像装置の動作フローを示す図。 図１の放射線撮像装置の画素補間の例を示す図。

以下、本発明に係る放射線撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。なお、本発明における放射線には、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども含みうる。

図１〜８を参照して、本発明の実施形態による放射線撮像装置の構成および動作について説明する。図１は、本発明の実施形態における放射線撮像装置２１０を用いた放射線撮像システム２００の構成例を示す図である。放射線撮像システム２００は、放射線から変換される光学像を電気的に撮像し、放射線画像を生成するための電気的な信号（放射線画像データ）を得るように構成される。放射線撮像システム２００は、例えば、放射線撮像装置２１０、放射線源２３０、曝射制御部２２０およびコンピュータ２４０を含む。

放射線源２３０は、曝射制御部２２０からの曝射指令（放射指令）に従って放射線の放射を開始する。放射線源２３０から放射された放射線は、不図示の被険体を通って放射線撮像装置２１０に照射される。放射線源２３０はまた、曝射制御部２２０からの停止指令に従って放射線の放射を停止する。

放射線撮像装置２１０は、撮像パネル２１２と、撮像パネル２１２を制御する制御部２１４とを含む。制御部２１４は、撮像パネル２１２から得られる信号に基づいて、放射線源２３０からの放射線の放射を停止させるための停止信号を発生する。停止信号は、曝射制御部２２０に供給され、曝射制御部２２０は、停止信号に応答して、放射線源２３０に対して停止指令を送る。制御部２１４は、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略。）などのＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅの略。）、又は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔの略。）、又は、プログラムが組み込まれた汎用コンピュータ、又は、これらの全部または一部の組み合わせによって構成されうる。

コンピュータ２４０は、放射線撮像装置２１０および曝射制御部２２０を制御する。また、コンピュータ２４０は、放射線撮像装置２１０から出力される放射線画像データを受信し、放射線画像データを処理する信号処理部２４１を含む。信号処理部２４１は、放射線画像データから放射線画像を生成しうる。

曝射制御部２２０は、一例として曝射スイッチ（不図示）を有し、ユーザによって曝射スイッチがオンされると、曝射指令を放射線源２３０に送るほか、放射線の放射の開始を示す開始通知をコンピュータ２４０に送る。該開始通知を受けたコンピュータ２４０は、該開始通知に応答して、放射線の放射の開始を放射線撮像装置２１０の制御部２１４に通知する。

図２には、撮像パネル２１２の構成例が示される。撮像パネル２１２は、画素アレイ１１２を備える。画素アレイ１１２は、放射線を検出するための２次元アレイ状に配された変換素子Ｓをそれぞれ含む複数の画素ＰＩＸを備える。また、画素アレイ１１２は、変換素子Ｓで生成された信号を出力するための列方向（図２の縦方向）に沿った複数の列信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４を有する。さらに、撮像パネル２１２は、画素アレイ１１２を駆動する駆動回路（行選択回路）１１４、および、画素アレイ１１２の列信号線Ｓｉｇに現れる信号を検出するための読出回路１１３を備える。図２に示す構成では、記載の簡単化のために、画素アレイ１１２は、４行×４列の画素ＰＩＸで構成されているが、実際には、より多くの画素ＰＩＸが配列されうる。一例において、撮像パネル２１２は、１７インチの寸法を有し、約３０００行×約３０００列の画素ＰＩＸを有しうる。

それぞれの画素ＰＩＸは、放射線を検出するための変換素子Ｓと、変換素子Ｓと列信号線Ｓｉｇ（複数の信号線Ｓｉｇのうち変換素子Ｃに対応する信号線Ｓｉｇ）とを接続するスイッチＴとを含む。それぞれの変換素子Ｓは、入射した放射線の量に対応する信号を列信号線Ｓｉｇに出力する。変換素子Ｓは、例えば、ガラス基板等の絶縁性基板上に配置されアモルファスシリコンを主材料とするＭＩＳ型フォトダイオードであってもよい。また、変換素子Ｓは、ＰＩＮ型フォトダイオードであってもよい。本実施形態において、変換素子Ｓは、放射線をシンチレータで光に変換した後に、光を検出する間接型の素子として構成されうる。間接型の素子において、シンチレータは、複数の画素ＰＩＸ（複数の変換素子Ｓ）によって共有されうる。

スイッチＴは、例えば、制御端子（ゲート）と２つの主端子（ソース、ドレイン）とを有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などのトランジスタによって構成されうる。変換素子Ｓは、２つの主電極を有し、変換素子Ｓの一方の主電極は、スイッチＴの２つの主端子のうちの一方に接続され、変換素子Ｓの他方の主電極は、共通のバイアス線Ｂｓを介してバイアス電源１０３に接続されている。バイアス電源１０３は、バイアス電圧Ｖｓを供給する。第１行に配されるそれぞれの画素ＰＩＸのスイッチＴの制御端子は、行方向（図２の横方向）に沿って配されたゲート線Ｖｇ１に接続される。同様に、第２〜４行に配されるそれぞれの画素ＰＩＸのスイッチＳＷの制御端子は、それぞれゲート線Ｖｇ２〜Ｖｇ４に接続される。ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４には、駆動回路１１４によってゲート信号が供給される。

第１列に配されるそれぞれの画素ＰＩＸは、スイッチＴの変換素子Ｓと接続されない側の主端子が、第１列の列信号線Ｓｉｇ１に接続さる。同様に、第２〜４列に配されるそれぞれの画素ＰＩＸは、スイッチＴの変換素子Ｓと接続されない側の主端子が、それぞれ第２〜４列の列信号線Ｓｉｇ２〜Ｓｉｇ４に接続される。

読出回路１１３は、１つの列信号線Ｓｉｇに１つの列増幅部ＣＡが対応するように複数の列増幅部ＣＡを有する。それぞれの列増幅部ＣＡは、積分増幅器１０５、可変増幅器１０４、サンプルホールド回路１０７、バッファ回路１０６を含みうる。積分増幅器１０５は、列信号線Ｓｉｇに現れた信号を増幅する。積分増幅器１０５は、演算増幅器と、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続された積分容量およびリセットスイッチとを含みうる。演算増幅器の非反転入力端子には、基準電位Ｖｒｅｆが供給される。リセットスイッチをオンさせることによって積分容量がリセットされるとともに、列信号線Ｓｉｇの電位が基準電位Ｖｒｅｆにリセットされる。リセットスイッチは、制御部２１４から供給されるリセットパルスＲＣによって制御されうる。

可変増幅器１０４は、積分増幅器１０５から出力された信号を設定された増幅率で増幅する。サンプルホールド回路１０７は、可変増幅器１０４から出力された信号をサンプルホールドする。サンプルホールド回路１０７は、サンプリングスイッチとサンプリング容量とによって構成されうる。バッファ回路１０６は、サンプルホールド回路１０７から出力された信号をバッファリング（インピーダンス変換）して出力する。サンプリングスイッチは、制御部２１４から供給されるサンプリングパルスによって制御されうる。

また、読出回路１１３は、それぞれの列信号線Ｓｉｇに対応するように設けられた複数の列増幅部ＣＡからの信号を所定の順序で選択して出力するマルチプレクサ１０８を含む。マルチプレクサ１０８は、例えば、シフトレジスタを含む。シフトレジスタは、制御部２１４から供給されるクロック信号ＣＬＫに従ってシフト動作を行い、シフトレジスタによって複数の列増幅部ＣＡからの１つの信号が選択される。読出回路１１３は、さらに、マルチプレクサ１０８から出力される信号をバッファリング（インピーダンス変換）するバッファ１０９、および、バッファ１０９から出力される信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１１０を含みうる。ＡＤ変換器１１０の出力、即ち、放射線画像データは、コンピュータ２４０に転送される。

本実施形態において、後述するように、基板の放射線を入射させるための入射面の側と、入射面とは反対の側の裏面と、の両方に、放射線を可視光に変換するシンチレータが、それぞれの面を覆うように配される。また、それぞれの画素ＰＩＸに含まれる変換素子Ｓは、２種類の変換素子Ｓを含む。図２に示す構成において、変換素子Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ２１、Ｓ２３、Ｓ３２、Ｓ３４、Ｓ４１、Ｓ４３は、２つのシンチレータからの光を受光するように配される。以下において、変換素子Ｓのうち２つのシンチレータからの光を受光するこれらの変換素子を特定する場合、第１の変換素子９０１と呼ぶ。また、変換素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ２２、Ｓ２４、Ｓ３１、Ｓ３３、Ｓ４２、Ｓ４４には、一方のシンチレータと当該変換素子Ｓのそれぞれとの間に遮光層９０３が配される。これによって、変換素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ２２、Ｓ２４、Ｓ３１、Ｓ３３、Ｓ４２、Ｓ４４は、一方のシンチレータからの光が遮断され、他方のシンチレータからの光を受光するように配される。これらの変換素子Ｓを、以下において、変換素子Ｓのうち片方のシンチレータからの光が遮断されるこれらの変換素子を特定する場合、第２の変換素子９０２と呼ぶ。遮光層９０３は、シンチレータで発光した光を遮る層であり、基板の入射面の側または裏面の側を覆うシンチレータの何れか一方と、第２の変換素子９０２との間を遮光すればよい。このとき、第２の変換素子９０２において、一方のシンチレータからの光が完全に遮断されなくてもよい。第１の変換素子９０１よりも一方のシンチレータから受光できる光の量が少なくなるように、基板の入射面の側または裏面の側を覆うシンチレータの何れか一方と、第２の変換素子９０２との間に遮光層９０３が配されればよい。

ここでは、基板の入射面の側に配されたシンチレータと第２の変換素子９０２との間に遮光層９０３が配されるとする。基板の入射面の側から入射した放射線のうち、エネルギの低い成分は、基板の入射面の側を覆うシンチレータで吸収され、可視光に変換されて、それぞれの画素ＰＩＸに入射する。第２の変換素子９０２は、基板の入射面の側が遮光されているため、基板の入射面の側で発光した光が入射しない。そのため、放射線のエネルギの低い成分から変換された光は、第２の変換素子９０２に入射しない。一方、第１の変換素子９０１は、遮光層９０３が配されないため、放射線のエネルギの低い成分から変換された光が入射する。

また、放射線のうち、基板の入射面の側に配されたシンチレータで吸収されなかったエネルギの高い成分は、基板の裏面の側を覆うシンチレータで吸収され、可視光に変換される。第１の変換素子９０１および第２の変換素子９０２において、基板の裏面の側は遮光されていないため、放射線のうちエネルギが高い成分から変換された光は、第１の変換素子９０１、第２の変換素子９０２の両方に入射する。

このように、第１の変換素子９０１において、放射線のうちエネルギの高い成分およびエネルギの低い成分に起因する信号、第２の変換素子９０２において、放射線のうちエネルギの高い成分に起因する信号が、それぞれ取得できる。つまり、互いに隣接する画素ＰＩＸで、異なる放射線エネルギの情報を保持することができる。このように隣接する画素ＰＩＸで、異なるエネルギ成分の放射線から取得される情報を保持することによって、後述する方法を用いてエネルギサブトラクションを行うことができる。

図３は、第１の変換素子９０１を有する画素ＰＩＸＡと第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸＢおよび画素ＰＩＸＣとの断面構造の一例が模式的に示される。ここでは、図面の上側から放射線を入射させるとして説明するが、図面の下側から放射線を入射させてもよい。図３（ａ）において、第１の変換素子９０１および第２の変換素子９０２が基板３１０と基板３１０の入射面の側に配されたシンチレータ９０４との間に配される。さらに、図３（ａ）では、画素ＰＩＸＢにおいて、遮光層９０３が、第２の変換素子９０２とシンチレータ９０４との間に配される場合を示す。また、図３（ｂ）は、第１の変換素子９０１および第２の変換素子９０２が基板３１０と基板３１０の入射面の側を覆うシンチレータ９０４との間に配されることは図３（ａ）と同じである。一方、図３（ｂ）の構成において、画素ＰＩＸＣにおいて、遮光層９０３が、第２の変換素子９０２と基板３１０の入射面とは反対の裏面の側に配されたシンチレータ９０５との間に配される場合を示す。

それぞれの画素ＰＩＸの変換素子Ｓは、シンチレータ９０４、９０５で発光した光を透過するガラス基板などの絶縁性を有する基板３１０の上に配される。それぞれ画素ＰＩＸは、基板３１０の上に、導電層３１１、絶縁層３１２、半導体層３１３、不純物半導体層３１４および導電層３１５を、この順番で含む。導電層３１１は、スイッチＴを構成するトランジスタ（例えばＴＦＴ）のゲート電極を構成する。絶縁層３１２は、導電層３１１を覆うように配置され、半導体層３１３は、絶縁層３１２を介して導電層３１１のうちゲート電極を構成する部分の上に配されている。不純物半導体層３１４は、スイッチＴを構成するトランジスタの２つの主端子（ソース、ドレイン）を構成するように半導体層３１３の上に配されている。導電層３１５は、スイッチＴを構成するトランジスタの２つの主端子（ソース、ドレイン）にそれぞれ接続された配線パターンを構成している。導電層３１５の一部は、列信号線Ｓｉｇを構成し、他の一部は、変換素子ＳとスイッチＴとを接続するための配線パターンを構成する。

それぞれの画素ＰＩＸは、さらに、絶縁層３１２および導電層３１５を覆う層間絶縁膜３１６を含む。層間絶縁膜３１６には、導電層３１５のうちスイッチＴを構成する部分と接続するためのコンタクトプラグ３１７が設けられている。また、それぞれの画素ＰＩＸは、層間絶縁膜３１６の上に配された変換素子Ｓを含む。図３に示される例では、変換素子Ｓは、シンチレータ９０４、９０５で放射線から変換された光を電気信号に変換する間接型の変換素子として構成されている。変換素子Ｓは、層間絶縁膜３１６の上に積層された導電層３１８、絶縁層３１９、半導体層３２０、不純物半導体層３２１、導電層３２２、電極層３２５を含む。変換素子Ｓの上には、保護層３２３および接着層３２４が配される。シンチレータ９０４は、接着層３２４の上に、基板３１０の入射面の側を覆うように配される。また、シンチレータ９０５は、基板３１０の入射面とは反対の裏面の側を覆うように配される。

導電層３１８は、それぞれ変換素子Ｓの下部電極を構成する。また、導電層３２２および電極層３２５は、それぞれの変換素子Ｓの上部電極を構成する。導電層３１８、絶縁層３１９、半導体層３２０、不純物半導体層３２１、および、導電層３２２は、変換素子ＳとしてＭＩＳ型センサを構成している。例えば、不純物半導体層３２１は、ｎ型の不純物半導体層で形成される。

シンチレータ９０４、９０５は、ＧＯＳ（酸硫化ガドリニウム）やＣｓＩ（ヨウ化セシウム）などの材料を用いて構成されうる。これらの材料は、貼り合わせや印刷、蒸着などによって形成されうる。シンチレータ９０４とシンチレータ９０５とは、同じ材料を用いてもよいし、取得する放射線のエネルギに応じて異なる材料を用いてもよい。

本実施形態において、変換素子Ｓは、ＭＩＳ型のセンサを用いる例を示しているが、これに限定されることはない。変換素子Ｓは、例えば、ｐｎ型やＰＩＮ型のフォトダイオードであってもよい。

次いで、第２の変換素子９０２に配される、シンチレータ９０４またはシンチレータ９０５から入射する光を遮断するための遮光層９０３の配置について説明する。図３（ａ）に示す構成において、画素ＰＩＸＢの第２の変換素子９０２は、基板３１０の入射面の側からシンチレータ９０４に向かって下部電極を構成する導電層３１８と半導体層３２０と上部電極を構成する導電層３２２とをこの順番で含む。この上部電極を構成する導電層３２２が、遮光層９０３として機能する。具体的には、導電層３２２をＡｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕなど、シンチレータ９０４で発せられる光に対して不透明な材料で形成することによって、導電層３２２が遮光層９０３として機能する。つまり、画素ＰＩＸＢの第２の変換素子９０２は、第１の変換素子９０１よりもシンチレータ９０４から受光できる光の量が少なくなるように、シンチレータ９０４と第２の変換素子９０２との間に遮光層９０３が配される。また、画素ＰＩＸＢの第２の変換素子９０２は、画素ＰＩＸＡの第１の変換素子９０１と同様に、シンチレータ９０５からの光を受光するように配される。また、図３（ｂ）に示す構成において、画素ＰＩＸＣの第２の変換素子９０２は、基板３１０の入射面の側からシンチレータ９０４に向かって下部電極を構成する導電層３１８と半導体層３２０と上部電極を構成する導電層３２２、電極層３２５とをこの順番で含む。この下部電極を構成する導電層３１８が、遮光層９０３として機能する。具体的には、導電層３１８をＡｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕなど、シンチレータ９０５で発せられる光に対して不透明な材料で形成することによって、導電層３２２が遮光層９０３として機能する。つまり、画素ＰＩＸＣの第２の変換素子９０２は、第１の変換素子９０１よりもシンチレータ９０５から受光できる光の量が少なくなるように、シンチレータ９０５と第２の変換素子９０２との間に遮光層９０３が配される。また、画素ＰＩＸＣの第２の変換素子９０２は、画素ＰＩＸＡの第１の変換素子９０１と同様に、シンチレータ９０４からの光を受光するように配される。

一方、画素ＰＩＸＡの第１の変換素子９０１において、導電層３１８および電極層３２５には、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）など、シンチレータ９０４で発せられる光に対して透明な材料が用いられる。これによって、隣接する画素ＰＩＸＡと画素ＰＩＸＢまたは画素ＰＩＸＣとの間でエネルギ成分の異なる信号を取得することができる。

また、本実施形態において、画素ＰＩＸＢの導電層３２２および画素ＰＩＸＣの導電層３１８を単層構造とする例を示したが、これに限られることはない。例えば、画素ＰＩＸＢの導電層３２２および画素ＰＩＸＣの導電層３１８において、透明な材料と不透明な材料とを積層させてもよく、その場合、不透明な材料の面積で遮光量が決定する。また、本実施形態において、画素ＰＩＸＢの導電層３２２および画素ＰＩＸＣの導電層３１８を遮光層９０３として機能させたが、遮光層９０３の配置はこれに限られることはない。例えば、画素ＰＩＸＢにおいて、保護層３２３の中にシンチレータ９０４から入射する光に対し、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕなどを用いた専用の遮光層９０３を配してもよい。この場合、遮光層９０３の電位を一定の電位に固定して用いてもよい。

また、図３（ｂ）に示す画素ＰＩＸＣのように、シンチレータ９０５からの光を遮断する場合、シンチレータ９０５からの光を受光する画素ＰＩＸＡのスイッチＴや列信号線Ｓｉｇの位置を画素ＰＩＸＣの側に寄せて配してもよい。このような配置にすることによって、画素ＰＩＸＡにおいて、第１の変換素子９０１のシンチレータ９０５に対する開口率を上げることができる。

また、遮光層９０３は、上述のようにシンチレータ９０４またはシンチレータ９０５から第２の変換素子９０２への光を完全に遮光する必要はない。隣接する画素ＰＩＸＡと、画素ＰＩＸＢまたは画素ＰＩＸＣと、の間で、遮光層９０３が配される側のシンチレータ９０４またはシンチレータ９０５からの受光する量が異なるようにすれば、エネルギサブトラクションは可能である。このような場合、画素ＰＩＸＡの第１の変換素子９０１が受光する光に対して何％の光が、画素ＰＩＸＢまたは画素ＰＩＸＣの第２の変換素子９０２に入射するかを事前に調べておき、第１の変換素子９０１の出力を基準に差分処理をすることによって補正できる。

図３に示されるように、基板３１０の入射面に対する正射影において、列信号線Ｓｉｇのそれぞれが、画素ＰＩＸの一部と重なるように配される。このような構成は、それぞれの画素ＰＩＸの変換素子Ｓの面積を大きくする点において有利であるが、一方、列信号線Ｓｉｇと変換素子Ｓとの間の容量結合が大きくなるという点で不利である。変換素子Ｓに放射線が入射し、変換素子Ｓに電荷が蓄積されて下部電極である導電層３１８の電位が変化すると、列信号線Ｓｉｇと変換素子Ｓとの間の容量結合によって列信号線Ｓｉｇの電位が変化するクロストークが発生してしまう。図４（ａ）、（ｂ）は、このクロストークへの対応方法を示している。複数の変換素子Ｓのうち列方向と交差する行方向に並ぶ変換素子Ｓにおいて、含まれる遮光層９０３が配される第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸの数が、行ごとに同じになるように配置する。また、複数の変換素子Ｓのうち列方向に並ぶ変換素子Ｓにおいて、含まれる複数の第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸの数が、列ごとに同じになるように配置する。このように配置することによって、行、列単位でのクロストークによるアーチファクトの発生が抑制できる。

また、放射線撮像装置２１０が、放射線の照射開始を自動で検知する機能を有していてもよい。この場合、例えば、ゲート線ＶｇをスイッチＴがオン／オフするように動作させ、当該変換素子Ｓからの信号を読み出し、出力信号から放射線照射の有無を判定する。遮光層９０３を備える第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸの数が行ごとに異なる場合、行ごとに出力される信号量が変わり、検知精度がばらついてしまう。そのため、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、複数の変換素子Ｓのうち列方向と交差する行方向に並ぶ変換素子Ｓにおいて、含まれる遮光層９０３が配される第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸの数が、行ごとに同じになるように配置する。このような配置をすることによって、放射線の照射開始を自動で検知する検知精度が安定する。

また、図４（ｂ）の画素ＰＩＸの配置例は、図４（ａ）の画素ＰＩＸの配置例に比べて、第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸの密度を減らしている。シンチレータ９０５からの光は、基板３１０を介して変換素子Ｓに入射するため、基板３１０の厚さによって光が拡散し、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が低下してしまう。このため、第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸの密度を減らしても実質的に解像力の低下が起こらない。つまり、第２の変換素子９０２が、２つのシンチレータのうち基板３１０を介して対向するシンチレータ９０５が発する光を受光する場合、第１の変換素子９０１を備える画素ＰＩＸの数よりも、第２の変換素子９０２を備える画素ＰＩＸの数の方が少なくてもよい。

また、シンチレータ９０５からの基板３１０を介した光の拡散を抑制しＭＴＦの低下を低減するために、機械研磨や化学研磨によって、基板３１０の厚さを薄くしてもよい。また、ＭＴＦの低下を低減するために、図３に示すように、シンチレータ９０５と基板３１０との間に、シンチレータで発せられた光に指向性を付与するルーバー層やマイクロレンズなどの散乱防止層３２６を設けてもよい。また、ＭＴＦの低下を低減するために、コンピュータ２４０の信号処理部２４１における画像処理で、鮮鋭化処理によって解像力を上げてもよい。また、シンチレータ９０４からの光による低エネルギ成分と、シンチレータ９０５からの光による高エネルギ成分とのＭＴＦを合わせる方法として、解像力を上げる以外にも、解像力の高い方を低い方に合わせてＭＴＦを低下させる。その後、エネルギサブトラクション処理を行ってもよい。

次いで、図５を参照しながら放射線撮像装置２１０および放射線撮像システム２００の動作を説明する。ここでは、図２に示される、それぞれ変換素子Ｓを備える４行４列の画素ＰＩＸを含む撮像パネル２１２を有する放射線撮像装置２１０の動作を例に説明する。放射線撮像システム２００の動作は、コンピュータ２４０によって制御される。放射線撮像装置２１０の動作は、コンピュータ２４０による制御の下で、制御部２１４によって制御される。

まず、放射線源２３０からの放射線の放射、換言すると、放射線撮像装置２１０への放射線の照射が開始されるまで、制御部２１４は、駆動回路１１４および読出回路１１３に空読みを実施させる。空読みは、駆動回路１１４が画素アレイ１１２のそれぞれの行のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に供給されるゲート信号を順にアクティブレベルに駆動し、変換素子Ｓに蓄積されているダーク電荷をリセットするものである。ここで、空読みの際、積分増幅器１０５のリセットスイッチには、アクティブレベルのリセットパルスが供給され、列信号線Ｓｉｇが基準電位にリセットされる。ダーク電荷とは、変換素子Ｓに放射線が入射しないにも関わらず発生する電荷である。

制御部２１４は、例えば、曝射制御部２２０からコンピュータ２４０を介して供給される開始通知に基づいて、放射線源２３０からの放射線の放射の開始を認識することができる。また、図１に示すように、放射線撮像装置２１０に画素アレイ１１２のバイアス線Ｂｓまたは列信号線Ｓｉｇなどを流れる電流を検出する検出回路２１６が設けられてもよい。制御部２１４は、検出回路２１６の出力に基づいて放射線源２３０からの放射線の照射の開始を認識することができる。

放射線が照射されると、制御部２１４は、スイッチＴを開かれた状態（オフ状態）に制御する。これによって、放射線の照射によって変換素子Ｓに発生した電荷が蓄積される。放射線の照射が終了まで、制御部２１４は、この状態で待機する。

次に、制御部２１４は、駆動回路１１４および読出回路１１３に本読みを実行させる。本読みでは、駆動回路１１４が、画素アレイ１１２のそれぞれの行のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に供給されるゲート信号をアクティブレベルに駆動する。そして、読出回路１１３は、列信号線Ｓｉｇを介して変換素子Ｓに蓄積されている電荷を読み出し、マルチプレクサ１０８、バッファ１０９およびＡＤ変換器１１０を通して放射線画像データとしてコンピュータ２４０に出力する。

次にオフセット画像データの取得について説明する。変換素子Ｓは、放射線を照射しない状態においても、ダーク電荷が溜まり続ける。このため、制御部２１４は、放射線を照射せずに放射線画像データを取得する際と同様の動作を行うことによって、オフセット画像データを取得する。放射線画像データからオフセット画像データを引き算することで、ダーク電荷によるオフセット成分が除去できる。

次に、図６を用いて動画を撮像するための駆動について説明する。動画を撮像する場合、高速に読み出すため、同時に複数のゲート線Ｖｇをアクティブレベルに駆動する。このとき、第１の変換素子９０１を備える画素ＰＩＸと第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸとの信号を１つの列信号配線Ｓｉｇに出力してしまうと、エネルギ成分を分離できなくなってしまう。そのため、図６に示すように、ゲート線Ｖｇ１とゲート線Ｖｇ３とに供給されるゲート信号を同時にアクティブレベルにすることによって、第１の変換素子９０１である変換素子Ｓ１２と変換素子Ｓ３２との信号が列信号線Ｓｉｇ２に出力される。同時に、第２の変換素子９０２である変換素子Ｓ１１と変換素子Ｓ３１との信号が列信号線Ｓｉｇ１へ出力される。第１の変換素子９０１と第２の変換素子９０２との信号を、それぞれ異なる列信号線Ｓｉｇに出力することによって、エネルギサブトラクション処理ができる。

次に、本実施形態における画像処理フローについて、図７を用いて説明する。まず、ステップＳ９１０において、制御部２１４は、上述の空読みを行った後、放射線画像データを取得するために、放射線の照射中に変換素子Ｓで生成される電荷を蓄積するように制御する。次いで、制御部２１４は、ステップＳ９１１において、駆動回路１１４および読出回路１１３に本読みを実行させ、放射線画像データを読み出す。このステップＳ９１１で、放射線画像データがコンピュータ２４０に出力される。次いで、制御部２１４は、ステップＳ９１２においてオフセット画像データを取得するための蓄積動作を行い、ステップ９１３において、オフセット画像データを駆動回路１１４および読出回路１１３に読み出させ、コンピュータ２４０に出力させる。

次いで、コンピュータ２４０の信号処理部２４１は、ステップＳ９１１で取得した放射線画像データを、ステップＳ９１３で取得したオフセット画像データで引き算することによってオフセット補正を行う。信号処理部２４１は、次に、ステップＳ９１５において、オフセット補正後の放射線画像データを、第１の変換素子９０１から出力される放射線画像データと、第２の変換素子９０２から出力される放射線画像データに分離する。ここでは、第２の変換素子９０２は、図３（ａ）の構成において、図中の上から放射線が入射し、シンチレータ９０４からの光が遮光され、シンチレータ９０５からの高エネルギの放射線によって生じる光を受光するものとして説明する。また、第１の変換素子９０１から出力された放射線画像データを両面画像データ、第２の変換素子９０２から出力された放射線画像データを片面画像データとそれぞれ表記する。

信号処理部２４１は、次いで、ステップＳ９１６において、被写体が無い状態で撮影したゲイン補正用画像データを用いて、両面画像データのゲイン補正を行う。また、信号処理部２４１は、ステップＳ９１７において、ゲイン補正用画像データを用いて、両面画像データのゲイン補正を行う。

ゲイン補正を行った後、信号処理部２４１は、ステップＳ９１８において、第１の変換素子９０１を含まない画素ＰＩＸ、換言すると第２の変換素子９０２を有する画素ＰＩＸの両面画像データの欠落を補うための画素補間を行う。同様に信号処理部２４１は、ステップＳ９１９において、第２の変換素子９０２を含まない画素ＰＩＸ、換言すると第１の変換素子９０１を有する画素ＰＩＸの片面画像データの欠落を補うための画素補間を行う。このステップＳ９１８、Ｓ９１９での画素補間について、図８を用いて説明する。ここでは、図４（ｂ）に示される、第１の変換素子９０１を備える画素ＰＩＸの方が、第２の変換素子９０２を備える画素ＰＩＸよりも多い場合の配置を例に説明する。

まず、図８（ａ）を用いて、両面画像データの画素補間について説明する。片面画像データを出力する第２の変換素子９０２を有する画素Ｅの両面画像データは、画素Ｅに隣接する両面画像データを出力する第１の変換素子９０１を有する画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの両面画像データを用いて補間する。例えば、信号処理部２４１は、画素Ｅに隣接する８画素の両面画像データの平均値を用いて、画素Ｅの両面画像データを補間してもよい。また例えば、信号処理部２４１は、画素Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈのように、隣接する一部の画素の両面画像データの平均値を用いて、画素Ｅの両面画像データを補間してもよい。ステップＳ９１８において、画素補間を行うことによって、それぞれの画素ＰＩＸの放射線の高エネルギ成分および低エネルギ成分によって生成された放射線画像データが生成される。

次に、図８（ｂ）を用いて、片面画像データの画素補間について説明する。両面画像データを出力する第１の変換素子９０１を有する画素Ｊの片面画像データは、画素Ｊに隣接する片面画像データを出力する第２の変換素子９０２を有する画素Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎの片面画像データを用いて補間する。例えば、信号処理部２４１は、画素Ｊに隣接する４画素の片面画像データの平均値を用いて、画素Ｊの片面画像データを補間してもよい。この場合、例えば、画素Ｊの配される位置から画素Ｋまでの距離と画素Ｎまでの距離とは異なる。そのため、距離に応じて、それぞれ画素Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎから出力される片面画像データに対して重みづけをして平均化してもよい。ステップＳ９１９において、画素補間を行うことによって、それぞれの画素ＰＩＸの放射線の高エネルギ成分によって生成された放射線画像データが生成される。

次いで、信号処理部２４１は、ステップＳ９２０において、放射線の低エネルギ成分による放射線画像データを生成する。上述のように、第２の変換素子９０２の放射線が入射する側に遮光層９０３を設けた場合、片面画像データは、高エネルギ成分による放射線画像データとなる。また、両面画像データは、高エネルギと低エネルギの両方の成分を有する放射線画像データとなる。このため、画素補間された両面画像データのから画素保管された片面画像データを引き算することによって、低エネルギ成分の放射線画像データを生成することができる。

また、第２の変換素子９０２の放射線が入射する側と反対側に遮光層９０３を設けた場合、片面画像データは、低エネルギ成分による放射線画像データとなる。このため、画素補間された両面画像データのから画素保管された片面画像データを引き算することによって、高エネルギ成分の放射線画像データを生成することができる。しかしながら、高エネルギ成分による放射線画像は、放射線の入射する側のシンチレータ９０４で吸収しきれなかった放射線の成分のため、シンチレータ９０５からの光量は、シンチレータ９０４からの光量よりも少ない。そのため、両面画像データから片面画像データを減算して、高エネルギ成分の放射線画像データを生成すると、低エネルギ成分の放射線画像データのノイズが、高エネルギ成分の放射線画像データに乗ってしまう。結果として、高エネルギ成分の放射線画像データのＳ／Ｎ比が低くなってしまう。このため、上述の本実施形態に示すように、第２の変換素子９０２の放射線が入射する側を遮光し、両面画像データを高エネルギ成分＋低エネルギ成分、片面画像データを高エネルギ成分の画像データとする。そして、両面画像データから片面画像データを減算し、低エネルギ画像を生成する方が、Ｓ／Ｎ比が向上しうる。

信号処理部２４１は、ステップＳ９２２において、エネルギサブトラクション画像の生成を行う。具体的には、信号処理部２４１ステップＳ９２０で取得した第１の変換素子９０１のそれぞれから出力される信号と第２の変換素子９０２のそれぞれから出力される信号との差分と、第２の変換素子９０２のそれぞれから出力される信号と、の差分をとる。これによって、高エネルギ成分の放射線画像データと低エネルギ成分の放射線画像データとの差分であるエネルギサブトラクション画像が生成される。

また、信号処理部２４１は、ステップＳ９１８において第１の変換素子９０１からそれぞれ出力された両面画像データに基づいて、ステップＳ９２０においてエネルギサブトラクションをしない通常の放射線画像を生成してもよい。第１の変換素子９０１は、放射線の入射する側のシンチレータ９０４からの光と、放射線が入射する側と反対側のシンチレータ９０５からの光とを受光する。これによって、一方のシンチレータで発光する光のみを受光する場合よりも、通常の放射線画像において、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

ここで、特許文献１に示されるような、放射線画像の１つの画素データを生成するために、放射線の入射する側のシンチレータの光のみを受光する変換素子と反対側のシンチレータの光のみを受光する変換素子との２つの変換素子を配する放射線撮像装置を考える。この２つの変換素子から出力される２つの信号の差分をとりエネルギサブトラクション画像を生成し、また、２つの信号を加算することによって通常の放射線画像を生成することができる。しかしながら、１つの画素データを生成するために、２つの変換素子が必要となることによって、構造が複雑になり、製造コストが上昇してしまう可能性がある。また、１つ１つの変換素子の大きさが小さくなり、得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してしまう可能性がある。また、通常の放射線画像を生成する際、２つの信号を加算する際、それぞれの信号に重畳するノイズも加算されてしまうため、Ｓ／Ｎ比が低くなる可能性がある。一方、本実施形態において、複数の画素ＰＩＸのうち、第２の変換素子９０２を備える一部の画素ＰＩＸにのみ、シンチレータ９０４またはシンチレータ９０５からの光を遮断するための遮光層９０３が配される。つまり、一部の画素ＰＩＸに遮光層９０３を追加するだけでよいため、構造が複雑にならず、製造コストを抑制しつつ、エネルギサブトラクション画像を取得できる放射線撮像装置が実現できる。また、第１の変換素子９０１は、シンチレータ９０４およびシンチレータ９０５から発せられる光を受光するため、入射する放射線に対する感度が向上し、結果として、得られる放射線画像の画質が向上しうる。さらに、通常の放射線画像を生成する際においても、２つのシンチレータ９０４、９０５で発光した光を受光することで生成される信号から放射線画像が生成される。このため、特許文献１のような構造と比較して、通常の放射線画像を撮影した際のＳ／Ｎ比が向上する。

また、本実施形態において、１つの撮像パネル２１２を用いて、被写体に対して１回の放射線照射（ワンショット法）で２つの異なるエネルギ成分の放射線の放射線画像を記録することができる。このため、２つの撮像パネルを用いてエネルギサブトラクション画像を生成する放射線撮像装置と比較して、放射線撮像装置の部品点数が少なくなり製造コストが低減できる。また、放射線撮像装置２１０の重量を削減することが可能となるため、可搬型のユーザにとって使い勝手のよい放射線撮像装置が実現できる。また、１つの撮像パネルでエネルギサブトラクション画像を生成するため、２つの撮像パネル間での変換素子同士の位置ずれの問題が発生しない放射線撮像装置が実現できる。さらに、エネルギサブトラクション画像だけでなく、通常の放射線画像を生成において、高いＳ／Ｎ比の放射線画像の生成が可能な放射線撮像装置が実現できる。

以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

２１０：放射線撮像装置、３１０：基板、９０１：第１の変換素子、９０２：第２の変換素子、９０３：遮光層、９０４，９０５：シンチレータ

Claims (16)

1. 複数の変換素子が２次元アレイ状に配された光を透過する基板と、前記基板の第１の面の側に配された第１のシンチレータと、前記基板のうち前記第１の面とは反対の第２の面の側に配された第２のシンチレータと、を含む放射線撮像装置であって、
   前記複数の変換素子は、複数の第１の変換素子と複数の第２の変換素子とを含み、
   前記複数の第１の変換素子は、前記第１のシンチレータおよび前記第２のシンチレータからの光を受光するように配され、
   前記複数の第２の変換素子は、前記第１の変換素子よりも前記第１のシンチレータから受光できる光の量が少なくなるように、前記第１のシンチレータと前記複数の第２の変換素子のそれぞれとの間に遮光層が配され、かつ、前記第２のシンチレータからの光を受光するように配されることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記複数の変換素子は、前記第１の面と前記第１のシンチレータとの間に配されることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記複数の変換素子は、前記第１の面の側から前記第１のシンチレータに向かって第１の電極と半導体層と第２の電極とをこの順番で含み、
   前記複数の第２の変換素子において、前記第２の電極が前記遮光層として機能することを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記第２のシンチレータと前記第２の面との間に散乱防止層が配されることを特徴とする請求項２または３に記載の放射線撮像装置。
5. 前記複数の変換素子は、前記第２の面と前記第２のシンチレータとの間に配されることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
6. 前記複数の変換素子は、前記第２の面の側から前記第２のシンチレータに向かって第１の電極と半導体層と第２の電極とをこの順番で含み、
   前記複数の第２の変換素子において、前記第１の電極が前記遮光層として機能することを特徴とする請求項５に記載の放射線撮像装置。
7. 前記第１の面の側から放射線を入射させることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
8. 前記第２の面の側から放射線を入射させることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 前記放射線撮像装置は、前記複数の変換素子で生成された信号を出力するための列方向に沿った複数の信号線をさらに含み、
   前記複数の変換素子のうち前記列方向と交差する行方向に並ぶ変換素子において、含まれる前記複数の第２の変換素子の数が、行ごとに同じことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
10. 前記複数の変換素子のうち前記列方向に並ぶ変換素子において、含まれる前記複数の第２の変換素子の数が、列ごとに同じことを特徴とする請求項９に記載の放射線撮像装置。
11. 前記放射線撮像装置は、前記複数の変換素子で生成された信号を出力するための列方向に沿った複数の信号線をさらに含み、
    前記複数の変換素子のうち前記列方向に並ぶ変換素子において、含まれる前記複数の第２の変換素子の数が、列ごとに同じことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
12. 前記複数の第１の変換素子の数よりも前記複数の第２の変換素子の数の方が少ないことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の放射線撮像装置と、
    前記放射線撮像装置からの信号を処理する信号処理部と、を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
14. 前記信号処理部は、前記複数の第１の変換素子のそれぞれから出力される信号と前記複数の第２の変換素子のそれぞれから出力される信号とに基づいて、エネルギサブトラクション画像を生成することを特徴とする請求項１３に記載の放射線撮像システム。
15. 前記信号処理部は、前記複数の第１の変換素子のそれぞれから出力される信号と前記複数の第２の変換素子のそれぞれから出力される信号との差分と、前記第２の変換素子のそれぞれから出力される信号と、の差分に基づいてエネルギサブトラクション画像を生成することを特徴とする請求項１３または１４に記載の放射線撮像システム。
16. 前記信号処理部は、前記複数の第１の変換素子のそれぞれから出力される信号に基づいて、通常の放射線画像を生成することを特徴とする請求項１３に記載の放射線撮像システム。

Images