JP2019084304A - 放射線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線検出器に対して焦点が相対的に移動する場合であっても、画素の感度変化を抑制しながら、半導体層の不感帯の面積増加を抑制できる。【解決手段】放射線源と、前記放射線源の焦点から放射された放射線を検出する放射線検出器と、前記放射線源と前記放射線検出器との間に配置されるコリメータと、を備えた放射線撮像装置であって、前記コリメータは台部と、前記台部よりも前記放射線源の側に配置され前記台部の幅よりも狭い幅を有する茎部とを有し、前記台部は前記放射線検出器の画素の境界に配置され、前記茎部は前記焦点が前記放射線検出器に対して相対的に移動する方向である第一方向へ前記境界からシフトした位置に配置される。【選択図】図４

Description

本発明は光子計数型検出器を搭載した放射線撮像装置に係り、散乱線除去のためのコリメータによって生じる影を抑制する技術に関する。

近年、フォトンカウンティング方式を採用する検出器（光子計数型検出器）を搭載したフォトンカウンティングＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置の開発が、様々な機関において進められている。光子計数型検出器は、従来のＣＴ装置で採用されている電荷積分型の検出器と異なり、検出素子である半導体層に入射した放射線光子を個々に計数可能である。個々の放射線光子を計数することにより各放射線光子のエネルギーを計測でき、従来のＣＴ装置に比べてより多くの情報を得られる特長がある。

光子計数型検出器の半導体層はテルル化亜鉛カドミウム（ＣＺＴ）やテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ)等で構成され、半導体層では入射した各放射線光子のエネルギーに対応した電荷が発生する。電荷は半導体層に形成された電極に接続する光子計数回路にて読み出される。

このような光子計数型検出器を搭載したＣＴ装置においては画質向上のため、半導体層の放射線入射側にコリメータが配置される。コリメータには主に２つの役割がある。１つ目は、半導体層内に構成される複数の画素の境界への放射線光子の入射を防ぎ、画素間のクロストークを抑制することである。２つ目は、被写体等で発生した散乱線が半導体層へ入射するのを抑制することである。

コリメータは画質向上に必要であるが、放射線発生点である焦点が移動した場合、別の問題を引き起こすことがある。ＣＴ装置では検出器を含むスキャナが回転することによる遠心力やＸ線管の熱膨張等により、焦点が移動する。焦点が移動すると、検出面に元々入射していた放射線の一部がコリメータによって遮られ、画素の感度変化が生じる。結果として、再構成された断層画像にアーチファクト（偽像）が発生する問題が生じる。

画素の感度変化を抑制するために、特許文献１にはstalk portion（茎部）と茎部よりも幅の広いbase portion（台部）とにより構成されるコリメータが開示されている。このコリメータによれば、焦点移動によって変化する茎部の影が台部上に収められるので、画素の感度変化が抑制される。

米国特許第9,601,223号

しかしながら、特許文献１に開示されるコリメータでは、焦点移動によって変化する茎部の影を台部上へ収めることはできるものの、台部によって生じる影により半導体層に不必要に大きな不感帯を生じさせてしまう。不感帯が大きくなると、被写体に照射される放射線の一部が断層画像の作成に用いられなくなり、いわゆる無効被ばくの増加を招く。

そこで、本発明は、放射線検出器に対して焦点が相対的に移動する場合であっても、画素の感度変化を抑制しながら、半導体層の不感帯の面積増加を抑制できる放射線撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、台部と茎部とを有するコリメータであって、前記台部は前記放射線検出器の画素の境界に配置され、前記茎部は前記焦点が移動する方向へ前記境界からシフトした位置に配置されることを特徴とする。

より具体的には、本発明は、放射線源と、前記放射線源の焦点から放射された放射線を検出する放射線検出器と、前記放射線源と前記放射線検出器との間に配置されるコリメータと、を備えた放射線撮像装置であって、前記コリメータは台部と、前記台部よりも前記放射線源の側に配置され前記台部の幅よりも狭い幅を有する茎部とを有し、前記台部は前記放射線検出器の画素の境界に配置され、前記茎部は前記焦点が前記放射線検出器に対して相対的に移動する方向である第一方向へ前記境界からシフトした位置に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、放射線検出器に対して焦点が相対的に移動する場合であっても、画素の感度変化を抑制しながら、半導体層の不感帯の面積増加を抑制できる放射線撮像装置を提供することができる。

本発明が適用されるＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す図である。 スキャナの回転によって生じるたわみを説明する図である。 従来のコリメータ形状を示す図である。 第一実施形態のコリメータ形状の一例を示す図である。 第一実施形態のコリメータ形状の他の例を示す図である。 第一実施形態に係るコリメータと半導体層の関係を示す図である。 チルト撮影を説明する図である。 第二実施形態に係るコリメータと半導体層と取り付け部の関係を示す図である。 第二実施形態の変形例に係るコリメータと半導体層と取り付け部の関係を示す図である。 第二実施形態の変形例に係るコリメータと半導体層と補強部の関係を示す図である。 第三実施形態に係るコリメータと半導体層との位置合わせの状態と、各状態における体軸方向位置と画素の感度を示す図である。 第三実施形態に係るコリメータと半導体層の位置調整方法を示すフローチャートである。 第三実施形態に係る焦点位置と画素の感度を示す図である。 第三実施形態に係る検出素子モジュールの位置調整方法を示すフローチャートである。 第四実施形態に係るスキャナの回転速度とコリメータ台部の幅の関係を示す図である。 第五実施形態に係るコリメータの形状を示す図である。 第五実施形態に係るコリメータと半導体層と取り付け部の関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

本発明の放射線撮像装置は、放射線源と光子計数型検出器とを備える装置に適用されるが、本実施形態では、一例として放射線がＸ線であり、放射線撮像装置がＸ線ＣＴ装置である場合について説明する。

本実施形態のＸ線ＣＴ装置は、図１に示すように、Ｘ線を照射するＸ線源１００と、Ｘ線を検出する複数の検出素子を二次元配列したＸ線検出器１０１と、検出素子による検出信号に対し補正等の処理を行うとともに装置の制御を行う信号処理部１０２と、補正後の信号を用いて被写体１０６の画像を生成する画像生成部１０３とを備える。Ｘ線源１００とＸ線検出器１０１は対向した位置で回転盤１０４に固定され、寝台部１０５に寝かせられた被写体１０６の周りを相対的に回転するように構成されている。なおＸ線源１００、Ｘ線検出器１０１及び回転盤１０４を含めスキャナ１１０ともいう。

Ｘ線検出器１０１はＸ線源１００を中心とする円弧状に配列された検出素子モジュール１０７から構成される。Ｘ線の入射方向は紙面縦方向（Ｙ）、チャネル方向は紙面横方向（Ｘ）、体軸方向は紙面垂直方向（Ｚ）である。検出素子モジュール１０７は、光子計数型検出器であり、入射したＸ線光子に相当する電荷を出力する半導体層１０９と、コリメータ１０８と光子計数回路（不図示）と、を備える。コリメータ１０８は半導体層内に構成される画素間のクロストークや、被写体１０６等によって発生する散乱線を軽減する。光子計数回路は、半導体層１０９が出力する電荷を計数し、計数信号を出力する。半導体層１０９は、従来の半導体層と同様であり、テルル化亜鉛カドミウム（ＣＺＴ）やテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ)等の半導体層からなる。コリメータ、及び、その取り付け部分の具体的な構成は後述する。

このような構成のＸ線ＣＴ装置の撮像動作は従来のＸ線ＣＴ装置と同じであり、Ｘ線源１００とＸ線検出器１０１とが対向配置された状態で、被写体１０６の周囲を回転しながら、Ｘ線源１００からＸ線を照射し、被写体１０６を透過したＸ線をＸ線検出器１０１で検出する。Ｘ線検出器１０１の光子計数回路が出力した計数信号は、信号処理部１０２において、必要に応じて補正等の処理を施された後、画像生成部１０３で被写体の断層画像（ＣＴ像）を生成する。

ここでＸ線ＣＴ装置には、スキャナ１１０が静止した状態、あるいは、所定の速度で回転した状態等の複数の撮影形態がある。さらに、同一装置おいて複数の回転速度が使い分けられる場合もある。スキャナ１１０が回転している場合、スキャナ１１０の搭載物には回転による遠心力がかかり、図２中に示す矢印の方向にＸ線源１００とＸ線検出器１０１がたわむので、体軸方向への相対的な焦点移動が発生する。そして、このような焦点移動によって検出素子モジュール１０７へのＸ線入射角度が変化する。このＸ線入射角度の変化に対しコリメータ１０８は、半導体層に対する不感帯の生成を抑制しつつ、半導体層の感度変化を抑制する機能を有する。

以下、コリメータ１０８の従来構造を、図３を用いて詳述する。図３は、検出素子モジュール１０７を構成するコリメータ１０８と半導体層１０９とスキャナ１１０が静止中の焦点２０６とスキャナ１１０が回転中の焦点２０７の関係を示す断面図である。Ｘ線の入射方向は紙面縦方向（Ｙ）、体軸方向は紙面横方向（Ｚ）、チャネル方向は紙面垂直方向（Ｘ）である。茎部２０５と台部２０４から構成されるコリメータ１０８は半導体層１０９と焦点２０６及び２０７の間に配置される。半導体層１０９には画素の境界２０３によって複数の画素が構成される。ここで、ＣＴ装置において安定した画質を得るためには、スキャナ１１０の回転等により焦点が移動しても、半導体層１０９の有感帯の面積が一定であることが重要である。そのためには、コリメータ１０８が半導体層１０９に対して生成する影が一定である必要がある。従来例において、コリメータ１０８の茎部２０５は、画素の境界２０３の直上に配置される。茎部２０５の高さはＨ、幅はＷである。また、茎部２０５の半導体層１０９側端部と焦点２０６及び２０７の距離のＹ成分はＦである。茎部２０５の直上にはスキャナ１１０が静止中の焦点２０６が位置する一方、スキャナ１１０が回転中の焦点２０７は見かけ上の位置が体軸方向に移動し、焦点２０６から焦点２０７への移動距離はＥである。このとき、焦点の移動により茎部２０５が台部２０４に落とす影が移動する範囲から台部２０４の幅Ｂ１は決定され、
Ｂ１＝２×Ｈ×（Ｗ／２＋Ｅ）／（Ｆ−Ｈ）＋Ｗ
＝（２ＥＨ＋ＦＷ）／（Ｆ−Ｈ） …（式１）
となる。台部２０４は、画素間で生じるチャージシェアリング等のクロストークを対称とするために、画素の境界２０３の直上へ対称に配置される。結果として、台部２０４は半導体層１０９に不感帯２０１を生じさせ、有感帯は２００、２０２となる。不感帯２０１のＺ方向幅はＳ1、有感帯２００、２０２のＺ方向幅はＤ1であり、焦点サイズや台部のＹ方向高さを無視すればＳ1≒Ｂ１と近似できるので、画素の中の有感帯が占める割合として表せられるＸ線利用効率はＤ1／（Ｄ1＋Ｓ1）となる。ここで、スキャナ１１０の回転によって焦点移動が発生することを改めて考えると、焦点の移動方向は静止中の焦点２０６から回転中の焦点２０７への一方向となる。従って、台部２０４に本来必要とされる幅は片側のみの焦点移動を考慮したＮであり、Ｂ１との差分Ｕは不要であるといえる。従来構造を有するコリメータは、この幅ＵだけＸ線利用効率を低下させている。この問題に対して、例えば、スキャナ１１０の回転による焦点移動量を予め把握し、焦点の移動距離が体軸方向（Ｚ方向）に対称となる位置関係に焦点と検出素子モジュールの配置を調整することで、すなわち、焦点２０６と焦点２０７との中点が画素の境界２０３の直上となるように調整することで、不要な幅Ｕを無くすことが可能である。しかし、このような手法は、設計、検証、製造等のコストが増加するため望ましくない。

以上を踏まえ、次に、コリメータの具体的な本願実施形態を説明する。

＜第一実施形態＞
図４は、図３と同様に検出素子モジュール１０７を構成するコリメータ１０８と半導体層１０９とスキャナ１１０が静止中の焦点３０６とスキャナ１１０が回転中の焦点３０７の関係を示す断面図である。Ｘ線の入射方向（Ｙ）、体軸方向（Ｚ）、チャネル方向（Ｘ）も図３と同様である。半導体層１０９には画素の境界３０３によって複数の画素が構成される。コリメータ１０８は半導体層１０９と焦点３０６及び３０７の間に配置される。また、茎部３０５の高さはＨ、幅はＷである。また、茎部３０５の半導体層１０９側端部と焦点３０６及び３０７の距離のＹ成分はＦである。ここで、本実施形態ではまず、台部３０４の必要最低限の幅Ｂ２を茎部３０５の影の移動範囲から以下のように計算する。
Ｂ２＝（Ｗ／２＋Ｅ）／（Ｆ−Ｈ）×Ｈ＋Ｗ＋Ｗ／２／（Ｆ−Ｈ）×Ｈ
＝（ＥＨ＋ＦＷ）／（Ｆ−Ｈ） …（式２）
このとき（式１）と（式２）よりＢ２＜Ｂ１であり、本実施形態における台部３０４の幅は、従来技術における台部２０４の幅よりも小さくなる。

次に、焦点移動によって生じる茎部３０５の影の移動範囲が、（式２）で求めた台部３０４の幅Ｂ２に収まるよう、茎部３０５と台部３０４の体軸方向の位置を決定する。本実施形態の場合、台部３０４を
（２ＥＨ＋ＦＷ）：ＦＷ …（式３）
に分離する位置に茎部３０５を配置する。台部３０４は画素の境界３０３に配置されているので、茎部３０５は境界３０３からシフトした位置に配置される。

台部３０４によって半導体層１０９に不感帯３０１が生じ、有感帯は３００、３０２となる。不感帯３０１のＺ方向幅はＳ２、有感帯３００、３０２のＺ方向幅はＤ２であり、焦点サイズや台部のＹ方向高さを無視すればＳ２≒Ｂ２と近似できるので、Ｘ線利用効率はＤ２／（Ｄ２＋Ｓ２）となる。

なお、台部の断面形状は、図４に示すような長方形に限らない。例えば、台部の断面形状を焦点側の辺よりも半導体層側の辺が長い台形とすることにより、台部によって形成される影の変動を抑制することができる。その結果、焦点の移動による検出素子の感度変化がさらに抑制され、良好な画像を取得できる。断面形状が台形である台部について図５を用いて説明する。

図５は、図４と同様に検出素子モジュール１０７を構成するコリメータ１０８と半導体層１０９とスキャナ１１０が静止中の焦点５０６とスキャナ１１０が回転中の焦点５０７の関係を示す断面図である。Ｘ線の入射方向（Ｙ）、体軸方向（Ｚ）、チャネル方向（Ｘ）も図４と同様である。半導体層１０９には画素の境界５０３によって複数の画素が構成される。コリメータ１０８は半導体層１０９と焦点５０６及び５０７の間に配置される。また、茎部５０５の高さはＨ、幅はＷである。また、茎部５０５の半導体層１０９側端部と焦点５０６及び５０７の距離のＹ成分はＦである。このとき、台部５０４の焦点側の辺の必要最低限の幅Ｂ３はＢ２と一致する。さらに、茎部５０５の台部５０４に対する位置は図４と同一である。ここで図５では、台部５０４の断面形状を台形とし、焦点側の辺と半導体層側の辺の間でのテーパー率Ｔを（式４）のようにコリメータと焦点の位置関係より決定する。
Ｔ＝（Ｗ／２＋Ｅ）／（Ｆ―Ｈ） …（式４）
（式４）により求められるテーパー率Ｔを有する台部５０４では、斜辺の延長線上に茎部５０５の上面端部と焦点５０７が位置する。その結果、スキャナ１１０が回転中の焦点５０７に対しても、台部５０４によって生成される影の移動を抑制することが出来る。このとき、有感帯５００、５０２間のクロストークを対称にするため、台部５０４の両斜辺のテーパー率を同一の値とすること、すなわち台部５０４が対称形状であることが望ましい。

次に図６を用いて、半導体層に設けられた複数の画素と、コリメータ内に設けられた複数の茎部と台部の配置の関係を説明する。図６は半導体層１０９に対して本実施形態のコリメータ１０８を配置した検出素子モジュール１０７のＹ−Ｚ断面図である。半導体層１０９には画素の境界４１３〜４１７が形成され、（式２）によって算出された幅を有する台部４１８〜４２４が各境界の直上に対称に配置される。コリメータの茎部４２５〜４３１は、（式３）を用いて計算された各台部上の所定の位置にそれぞれ配置される。このとき、茎部のコリメータ１０８内における配置は、焦点の移動方向へ全体的にシフトする。なお、半導体層１０９の有感帯は４００〜４０５であり、不感帯は４０６〜４１２である。

以上の手順によって決定された形状の茎部及び台部は、焦点移動に対し茎部の影を台部内に収める機能を有しつつ、台部の幅によるＸ線利用効率の低下を抑制する効果がある。また、コリメータには放射線を遮蔽するのに適したタングステンやモリブデン、タンタル等の重金属が用いられるので、台部の体積を削減することにより、材料費、重量の低減効果もある。

なお、以上述べたコリメータ寸法の計算には、焦点サイズやコリメータの製造誤差を考慮していないが、必要に応じて適宜考慮して良い。さらに、３Ｄプリンタ等の手段を用いて、茎部と台部とを同時に形成すると相対位置の誤差を抑制できるメリットがある。一方、茎部と台部を別々に作成すると、検出素子モジュールを組立てた後で茎部の位置調整ができるメリットや、茎部と台部とを異なる材料で構成してコスト低減や剛性向上を実現できるメリットがある。

＜第二実施形態＞
第一実施形態では、コリメータの茎部を焦点の移動方向へシフトさせて配置することについて説明した。コリメータには重金属が用いられるため、複数の茎部を全体的にシフトさせて配置すると、コリメータの重心に偏りが生じる。スキャナをＹ−Ｚ面内で傾斜させて撮影する、いわゆるチルト撮影では、スキャナ内の構造物の重心は体軸方向Ｚに対して中心付近にあることが望ましい。そこで本実施形態では、茎部がシフトした位置に配置されることによって生じるコリメータの重心の偏りを補正することについて説明する。

図７は、チルト撮影を説明するための断面図である。チルト撮影はスキャナ１１０を図７中の矢印の方向に傾斜させた状態で行う撮影であり、頭部等を撮影する際に用いられる。チルト撮影をする場合に、スキャナ１１０内の構造物の重心は体軸方向Ｚに対して中心付近にあることが望ましい。

図８は、コリメータの補強部と取り付け部を含めた全体構造を示す断面図である。コリメータ１０８は開口部と茎部と台部が繰り返し配置されたアレイ部６０２、補強部６０１、６０３、取り付け部６００、６０４からなる。取り付け部６００、６０４はコリメータ１０８を支持部（不図示）に固定するためのものである。また、補強部６０１、６０３はアレイ部６０２の強度を補うためのものである。

本実施形態のアレイ部６０２は茎部が焦点の移動方向にシフトして配置されるため、アレイ部６０２の重心は、検出素子モジュール１０７の中心よりも焦点の移動方向側に位置する。そこで、焦点の移動方向の取り付け部６０４を反対側の取り付け部６００よりＺ方向に小さくしたり、あるいは取り付け部６００を取り付け部６０４よりＺ方向に大きくしたりする。このようにすることで、取り付け部全体の重心を、検出素子モジュール１０７の中心よりも焦点の移動方向と逆側へと設定し、コリメータ１０８全体の重心を検出素子モジュール１０７の中心に一致させる。すなわち、検出素子モジュール１０７の中心のＺ座標をＺ＝０とした場合に、アレイ部６０２の重心のＺ座標をＺ_{ＡＲＲＡＹ}、アレイ部６０２の質量をＷ_{ＡＲＲＡＹ}、取り付け部全体（取り付け部６００と取り付け部６０４）の重心のＺ座標をＺ_{ＭＯＵＮＴ}、取り付け部全体の質量をＷ_{ＭＯＵＮＴ}とすると、
Ｚ_{ＡＲＲＡＹ}×Ｗ_{ＡＲＲＡＹ}＝Ｚ_{ＭＯＵＮＴ}×Ｗ_{ＭＯＵＮＴ} …（式５）
となるようにＺ_{ＭＯＵＮＴ}、Ｗ_{ＭＯＵＮＴ}を設定する。

このように、コリメータ１０８全体の重心を検出素子モジュール１０７の中心に揃えることで、スキャナ１１０でのチルト撮影を容易にできる。また、重心が構造物の中心に位置するため、重量バランスを容易に調整できるようになる。

なお、本実施形態ではコリメータ全体を同一の材料で構成し、その形状を一部変更することで重量バランス調整を行ったが、コリメータを構成する材料を一部変更することで同様のバランス調整を行っても良い。

また、図８に示した例では、取り付け部６００や取り付け部６０４の大きさをＺ方向に変更したが、Ｙ方向やＸ方向に大きさを変更してもよい。Ｘ方向に大きさを変更する例について図９を用いて説明する。

図９（ａ）はコリメータの補強部と取り付け部を含めた全体構造を示すＸ−Ｚ断面図である。コリメータ１０８は開口部と茎部と台部が繰り返し配置されたアレイ部８０２、補強部８０１、８０３、取り付け部８００、８０４からなる。取り付け部８００、８０４はコリメータ１０８を支持部（不図示）に固定するためのものである。また、補強部８０１、８０３はアレイ部８０２の強度を補うためのものである。

図９（ｂ）はアレイ部８０２のＡ-Ａ’断面図である。半導体層８０５に対して画素の境界８０６が設定され、コリメータの台部８０７（薄い灰色部分）の幅は（式２）を用いて決定され、コリメータの茎部８０８（濃い灰色部分）の台部８０７に対する搭載位置は（式３）を用いて決定される。茎部８０８が焦点の移動方向にシフトして配置されることによるコリメータ１０８の重心の偏りに対して、図９では取り付け部８０４を取り付け部８００よりＸ方向に小さくしたり、あるいは取り付け部８００を取り付け部８０４よりＸ方向に大きくしたりする。このようにすることで、取り付け部全体の重心を、検出素子モジュール１０７の中心よりも焦点の移動方向と逆側へと設定し、コリメータ１０８全体の重心を検出素子モジュール１０７の中心に一致させる。より具体的には、（式５）を満たすように取り付け部８００と取り付け部８０４の大きさを設定する。

また、コリメータ１０８全体の重心を調整するために、補強部の大きさを変更してもよい。補強部の大きさを変更する例について図１０を用いて説明する。

図１０は図８と同様に、コリメータの補強部と取り付け部を含めた全体構造を示すＹ−Ｚ断面図である。コリメータ１０８は開口部と茎部と台部が繰り返し配置されたアレイ部９０２、補強部９０１、９０３、取り付け部９００、９０４からなる。取り付け部９００、９０４はコリメータ１０８を支持部（不図示）に固定するためのものである。また、補強部９０１、９０３はアレイ部９０２の強度を補うためのものである。

図８及び図９の例と同様に、アレイ部９０２は茎部が焦点の移動方向にシフトして配置されるため、アレイ部９０２の重心は、検出素子モジュール１０７の中心よりも焦点の移動方向側に位置する。そこで、焦点の移動方向の補強部９０３を反対側の補強部９０１よりＺ方向に小さくしたり、あるいは補強部９０１を補強部９０３よりＺ方向に大きくしたりする。このようにすることで、補強部全体の重心を、検出素子モジュール１０７の中心よりも焦点の移動方向と逆側へと設定し、コリメータ１０８全体の重心を検出素子モジュール１０７の中心に一致させる。すなわち、検出素子モジュール１０７の中心のＺ座標をＺ＝０とした場合に、アレイ部９０２の重心のＺ座標をＺ_{ＡＲＲＡＹ}、アレイ部９０２の質量をＷ_{ＡＲＲＡＹ}、補強部全体（補強部９０１と補強部９０３）の重心のＺ座標をＺ_{ＳＵＰＰＯＲＴ}、補強部全体の質量をＷ_{ＳＵＰＰＯＲＴ}とすると、
Ｚ_{ＡＲＲＡＹ}×Ｗ_{ＡＲＲＡＹ}＝Ｚ_{ＳＵＰＰＯＲＴ}×Ｗ_{ＳＵＰＰＯＲＴ} …（式６）
となるようにＺ_{ＳＵＰＰＯＲＴ}、Ｗ_{ＳＵＰＰＯＲＴ}を設定する。

このように、コリメータ１０８全体の重心を検出素子モジュール１０７の中心に揃えることで、スキャナ１１０のチルト撮影を容易にできる。

＜第三実施形態＞
第一実施形態では、コリメータの茎部を焦点の移動方向へシフトさせて配置することについて説明した。このようなコリメータを備えた検出素子モジュールは焦点に対して適切な位置に調整されることが望ましい。そこで本実施形態では、検出素子モジュールの位置調整方法について説明する。検出素子モジュールの位置調整方法は２段階あり、第１段階ではコリメータと半導体層とを位置調整して検出素子モジュールを完成させ、第２段階では焦点と検出素子モジュールとを位置調整する。

以下、第一実施形態と同様に、Ｘ線ＣＴ装置の放射線検出器を例に、図１１と図１２を用いて第１段階を、図１３と図１４を用いて第２段階を説明する。本実施形態は、上述した全ての実施形態に適用することができ、コリメータの重量バランスのとり方は第二実施形態で説明した構成や手法いずれかを採用しても良い。

図１１を用いてコリメータと半導体層との位置合わせの状態と、各状態における体軸方向位置と画素の感度の関係について説明する。図１１（ａ）はコリメータ１０８と半導体層１０９間の位置が正しい状態、図１１（ｂ）はコリメータ１０８と半導体層１０９間の位置が正しくない状態であり、図１１（ｃ）は各状態における体軸方向位置と画素の感度の関係を示したグラフである。

コリメータ１０８と半導体層１０９間の位置が正しい場合、体軸方向位置の全域においてアーチファクトが生じないための閾値Ｉ_ＴＡＲＧ以上の感度が確保される。他方、コリメータ１０８と半導体層１０９間の位置が正しくない場合、体軸方向位置の中央部では閾値Ｉ_ＴＡＲＧ以上の感度が確保されるものの、中央部以外では半導体層１０９の画素とコリメータ１０８の開口部との位置関係がずれ、閾値Ｉ_ＴＡＲＧ未満の感度となる。

次に図１２を用いて、コリメータと半導体層との相対位置を調整するための手順を説明する。まず、計測準備（Ｓ１２００）として、１つ以上の検出素子モジュールをＸ線源と対向する位置に取り付ける。次に、スキャナ１１０を静止させた状態でＸ線を検出素子モジュールへ照射し（Ｓ１２０１）、取り付けた検出素子モジュールの感度（Ｉ）を計測する（Ｓ１２０２）。このとき、静止スキャンで計測した感度が体軸方向位置の全域において閾値Ｉ_ＴＡＲＧ以上であるかを確認し（Ｓ１２０３）、閾値以上であればコリメータ１０８と半導体層１０９間の位置が正しいと判断し位置調整は終了となる（Ｓ１２０４）。一方、一部の感度が閾値Ｉ_ＴＡＲＧ未満となった場合は、コリメータ１０８と半導体層１０９間の位置調整をし（Ｓ１２０５）、Ｓ１２０１に戻る。なお、感度の閾値Ｉ_ＴＲＡＧは全ての画素に対して一律の値でも良いし、画素の位置や検出素子モジュールの位置に応じて適宜定められた値でも良い。また、Ｘ線の管電圧や管電流に応じて適宜定められた値を用いても良い。

以上の手順によりコリメータと半導体層とを適切な位置に調整することができ、第１段階として各検出素子モジュールを完成させることができる。

図１３は第１段階を経て完成した検出素子モジュールが焦点に対して理想的な位置に取り付けられた場合における、Ｚ方向の焦点位置と画素の感度の関係を示したグラフである。スキャナ１１０が静止時の焦点位置をＺ_ＳＴＡ、スキャナ１１０が回転中の焦点位置をＺ_ＲＯＴとすると、焦点の移動範囲はＺ_ＳＴＡ〜Ｚ_ＲＯＴとなる。Ｚ座標がＺ_ＳＴＡより小さい範囲またはＺ_ＲＯＴより大きい範囲では、茎部の影が台部上に収まらなくなるために、画素の感度は急激に低下する。それに対し、Ｚ_ＳＴＡ〜Ｚ_ＲＯＴの範囲では画素の感度はほぼ一定に保たれ、アーチファクトが生じないための閾値Ｉ_ＴＡＲＧ以上の感度が確保される。

次に図１４を用いて、コリメータと半導体層との相対位置を調整するための手順を説明する。まず、計測準備（Ｓ１４００）として、１つ以上の検出素子モジュールをＸ線源と対向する位置に取り付ける。次に、スキャナ１１０を静止させた状態でＸ線を検出素子モジュールへ照射し（Ｓ１４０１）、取り付けた検出素子モジュールの感度（Ｉ_ＳＴＡ）を計測する（Ｓ１４０２）。さらに、今度はスキャナ１１０を回転させた状態でＸ線を検出素子モジュールへ照射し（Ｓ１４０３）、取り付けた検出素子モジュールの感度（Ｉ_ＲＯＴ）を計測する（Ｓ１４０４）。このとき、複数の回転速度が設定できる場合には、焦点の移動距離が最大となる状況を作り出すため、最速の回転速度を選択する。静止スキャンと回転スキャンのそれぞれで計測した感度が目標値Ｉ_ＴＡＲＧ以上であるかを確認し（Ｓ１４０５）、目標値を満たしていればコリメータは適切に取り付けられていると判断し位置調整は終了となる（Ｓ１４０６）。一方、いずれかの感度が目標値Ｉ_ＴＡＲＧ以下となった場合は、検出素子モジュールの位置等を適宜調整し（Ｓ１４０７）、Ｓ１４０１に戻る。なお、感度の目標値Ｉ_ＴＲＡＧは全ての画素に対して一律の値でも良いし、画素の位置や検出素子モジュールの位置に応じて適宜定められた値でも良い。また、Ｘ線の管電圧や管電流に応じて適宜定められた値を用いても良い。

以上の手順により検出素子モジュールを焦点に対して適切な位置に調整することができる。また、静止スキャン時に計測された感度と、最速の回転速度が選択された最速スキャン時に計測された感度とに基づいて検出素子モジュールの位置調整が行われ、回転速度ごとに位置調整をせずにすむので、位置調整に係る工数を低減することができる。

＜第四実施形態＞
第一実施形態では焦点移動によるコリメータの影の変化が与える影響を抑制するための構造について説明した。焦点の移動距離はスキャナの回転速度に依存するので、本実施形態では、スキャナの回転速度に応じて茎部及び台部の寸法を設定する手法について説明する。

以下、第一実施形態と同様に、Ｘ線ＣＴ装置の放射線検出器を例に、図１５を用いて本実施形態を説明する。本実施形態は、上述した全ての実施形態に適用することができ、コリメータの重量バランスのとり方は各実施形態で説明した構成や手法いずれかを採用しても良い。

図１５は、コリメータの台部に必要な幅 (Ｂ)とスキャナの回転速度(Ｒ)との関係を示す図である。なお、台部の幅 (Ｂ)と回転速度(Ｒ)との関係は実際にはきれいに２次関数とならない場合があるが、感度変化にアーチファクトが発生しない範囲であれば若干の変動量を持っても構わないので、図１５では両者の関係を２次関数として単純に表現している。

焦点の移動距離はスキャナ１１０の回転速度（Ｒ）と正の相関があり、回転速度が速いほど焦点の移動距離が大きくなるので、コリメータの影を吸収するために必要な台部の幅（Ｂ）も大きくなる。ここで、ＣＴ装置には、スキャナ１１０の最速スキャン時の回転速度が低い普及機から、最速スキャン時の回転速度が高い高級機まで複数のラインナップがある。そこで、最速スキャン時の回転速度に応じて適切なコリメータの台部の幅を設定することで、各ＣＴ装置においてＸ線利用効率を最大化することができる。

ここで、チルト撮影時のチルト角度と必要なコリメータの台部の幅（Ｂ）の関係について説明する。スキャナ１１０がチルトしていない状態では、検出素子モジュールにかかる重力と回転による遠心力との方向が一致し合力が最大となるため、焦点の移動距離が最大となる。一方、スキャナ１１０がチルトした状態では、重力と遠心力との方向が一致せず合力が小さくなり、焦点の移動距離も小さくなる。チルト角が大きくなるほど重力と遠心力とのなす角度は大きくなり、重力と遠心力との合力が小さくなるので、焦点の移動距離も小さくなる。すなわち、スキャナ１１０のチルト角とコリメータの台部に必要な幅（Ｂ）には負の相関がある。

なお、最速スキャン時の回転速度が異なるＣＴ装置のラインナップをそろえる場合、コリメータの茎部と台部を別々に構成し検出素子モジュール組立て時に結合することで、回転速度の異なるＣＴ装置間でコリメータの茎部を共有できるメリットがある。

＜第五実施形態＞
第一実施形態では、スキャナの回転によって生じる焦点移動に着目した。焦点移動は焦点サイズの変更によっても生じる。焦点サイズ変更時の焦点移動の方向はチャネル方向である。本実施形態では、焦点サイズ変更時の焦点移動に対する感度変化を抑制する方法について説明する。

以下、第一実施形態と同様に、Ｘ線ＣＴ装置の放射線検出器を例に、図１６を用いて本実施形態を説明する。本実施形態は、上述した全ての実施形態に並行して適用することができる。

図１６（ａ）は図９（ａ）に示したコリメータに対して、台部の幅をチャネル方向へ更に拡大した図である。半導体層１３０３の画素の境界１３００の直上に、チャネル方向へ幅が拡大されたコリメータの台部１３０２が配置される。また、コリメータの茎部１３０１は、境界１３００から焦点サイズ変更時の焦点の移動方向である＋Ｘ方向へシフトして配置される。コリメータをこのような形状とすることで、焦点サイズの変更時に発生する＋Ｘ方向への焦点移動による画素の感度変化を抑制することができる。

図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＡ-Ａ’断面図へ示す。台部１３０２のチャネル方向の幅は、焦点サイズ変更時の焦点の移動距離に対応して（式２）を用いて計算される。また、茎部１３０１のチャネル方向の位置は（式３）を用いて計算される。なお、焦点の移動距離は一般的にＺ方向よりもＸ方向のほうが小さいため、台部１３０２の茎部１３０１に対するはみ出し幅はＺ方向（Ｓ_Ｚ）よりもＸ方向（Ｓ_Ｘ）のほうが小さくなる。

次に、図１６で説明したコリメータの構造によって生じるコリメータの重心の偏りを補正する方法を、図１７を用いて説明する。図１７は、コリメータの補強部と取り付け部を含めた全体構造を示す断面図である。コリメータ１０８は開口部と茎部と台部が繰り返し配置されたアレイ部１４０２、補強部１４０１、１４０３、取り付け部１４００、１４０４からなる。取り付け部１４００、１４０４はコリメータ１０８を支持部（不図示）に固定するためのものである。また、補強部１４０１、１４０３はアレイ部１４０２の強度を補うためのものである。

本実施形態のアレイ部１４０２はスキャナ１１０の回転による焦点移動の方向（−Ｚ方向）だけでなく、焦点サイズ変更による焦点移動の方向（＋Ｘ方向）に対しても茎部がシフトして配置されるため、アレイ部１４０２の重心は、検出素子モジュールの中心よりも図１７中で右下側に位置する。そこで、取り付け部１４０４を反対側の取り付け部１４００より小さくしたり、あるいは取り付け部１４００を取り付け部１４０４より大きくしたりするとともに、取り付け部１４００を図１７中で左方向へシフトさせることでコリメータ１０８全体の重心を検出素子モジュールの中心に一致させる。すなわち、（式６）に加え、検出素子モジュールの中心のＸ座標をＸ＝０とした場合に、アレイ部１４０２の重心のＸ座標をＸ_{ＡＲＲＡＹ}、アレイ部１４０２の質量をＷ_{ＡＲＲＡＹ}、取り付け部全体（取り付け部１４００と取り付け部１４０４）の重心のＸ座標をＸ_{ＭＯＵＮＴ}、取り付け部全体の全体質量をＷ_{ＭＯＵＮＴ}とすると、
Ｘ_{ＡＲＲＡＹ}×Ｗ_{ＡＲＲＡＹ}＝Ｘ_{ＭＯＵＮＴ}×Ｗ_{ＭＯＵＮＴ} …（式７）
となるようにＸ_{ＭＯＵＮＴ}、Ｗ_{ＭＯＵＮＴ}を設定する。

このように、コリメータ１０８全体の重心を検出素子モジュールの中心に揃えることで、スキャナ１１０の重量バランス調整を容易にできる。

なお、図１７ではＸ方向の重量バランス調整に取り付け部１４００の位置を変更したが、取り付け部１４０４の位置や補強部１４０１、１４０３の寸法や位置を変更しても良い。さらに、本実施形態ではコリメータ全体を同一の材料で構成し、その形状を一部変更することで重量バランス調整を行ったが、コリメータを構成する材料を一部変更することで同様のバランス調整を行っても良い。

１００：Ｘ線源、１０１：Ｘ線検出器、１０２：信号処理部、１０３：画像生成部、１０４：回転盤、１０５：寝台部、１０６：被写体、１０７：検出素子モジュール、１０８：コリメータ、１０９：半導体層、１１０：スキャナ、２００：有感帯、２０１：不感帯、２０２：有感帯、２０３：画素の境界、２０４：台部、２０５：茎部、２０６：静止中の焦点、２０７：回転中の焦点、３００：有感帯、３０１：不感帯、３０２：有感帯、３０３：画素の境界、３０４：台部、３０５：茎部、３０６：静止中の焦点、３０７：回転中の焦点、５００：有感帯、５０１：不感帯、５０２：有感帯、５０３：画素の境界、５０４：台部、５０５：茎部、５０６：静止中の焦点、５０７：回転中の焦点、４００〜４０５：有感帯、４０６〜４１２：不感帯、４１３〜４１７：画素の境界、４１８〜４２４：台部、４２５〜４３１：茎部、６００：取り付け部、６０１：補強部、６０２：アレイ部、６０３：補強部、６０４：取り付け部、８００：取り付け部、８０１：補強部、８０２：アレイ部、８０３：補強部、８０４：取り付け部、８０５：半導体層、８０６：画素の境界、８０７：台部、８０８：茎部、９００：取り付け部、９０１：補強部、９０２：アレイ部、９０３：補強部、９０４：取り付け部、１３００：画素の境界、１３０１：茎部、１３０２：台部、１３０３：半導体層、１４００：取り付け部、１４０１：補強部、１４０２：アレイ部、１４０３：補強部、１４０４：取り付け部

Claims (20)

1. 放射線源と、前記放射線源の焦点から放射された放射線を検出する放射線検出器と、前記放射線源と前記放射線検出器との間に配置されるコリメータと、を備えた放射線撮像装置であって、
   前記コリメータは台部と、前記台部よりも前記放射線源の側に配置され前記台部の幅よりも狭い幅を有する茎部とを有し、
   前記台部は前記放射線検出器の画素の境界に配置され、
   前記茎部は前記焦点が前記放射線検出器に対して相対的に移動する方向である第一方向へ前記境界からシフトした位置に配置されることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
   前記台部の前記第一方向の幅と、前記茎部が配置される位置とは、前記焦点の移動距離と、前記茎部の高さ及び前記第一方向の幅と、前記焦点から前記茎部までの距離と、に基づいて算出されることを特徴とする放射線撮像装置。
3. 請求項２に記載の放射線撮像装置であって、
   前記台部の前記第一方向の幅Ｂは、前記焦点の移動距離をＥ、前記茎部の高さをＨ、前記焦点から前記台部までの距離をＦ、前記茎部の前記第一方向の幅をＷとしたときに、
   Ｂ＝（ＥＨ＋ＦＷ）／（Ｆ−Ｈ）
   によって算出されることを特徴とする放射線撮像装置。
4. 請求項３に記載の放射線撮像装置であって、
   前記茎部が配置される位置は、前記第一方向において前記台部を
   （２ＥＨ＋ＦＷ）：ＦＷ
   に分離する位置であることを特徴とする放射線撮像装置。
5. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
   前記台部の断面形状が前記焦点側の辺よりも前記放射線検出器側の辺が長い台形であることを特徴とする放射線撮像装置。
6. 請求項５に記載の放射線撮像装置であって、
   前記台形の前記焦点側の辺と前記放射線検出器側の辺との間でのテーパー率は、前記焦点の移動距離と、前記茎部の高さと、前記焦点から前記台部までの距離と、前記茎部の前記第一方向の幅と、に基づいて算出されることを特徴とする放射線撮像装置。
7. 請求項６に記載の放射線撮像装置であって、
   前記テーパー率Ｔは、前記茎部の高さをＨ、前記焦点から前記台部までの距離をＦ、前記茎部の前記第一方向の幅をＷとしたときに、
   Ｔ＝（Ｅ＋Ｗ／２）／（Ｆ−Ｈ）
   によって算出されることを特徴とする放射線撮像装置。
8. 請求項５に記載の放射線撮像装置であって、
   前記台形は対称形状であることを特徴とする放射線撮像装置。
9. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
   前記茎部がシフトした位置に配置されることによって生じる前記コリメータの重心の偏りを、所定の位置に補正する構造を有することを特徴とする放射線撮像装置。
10. 請求項９に記載の放射線撮像装置であって、
    前記所定の位置が前記第一方向における前記放射線検出器の中心であることを特徴とする放射線撮像装置。
11. 請求項９に記載の放射線撮像装置であって、
    前記コリメータの重心の偏りを取り付け部で補正することを特徴とする放射線撮像装置。
12. 請求項９に記載の放射線撮像装置であって、
    前記コリメータの重心の偏りを補強部で補正することを特徴とする放射線撮像装置。
13. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
    前記コリメータに対する前記放射線検出器の位置は、前記放射線検出器の前記第一方向での位置の全域における感度に基づいて設定されることを特徴とする放射線撮像装置。
14. 請求項１３に記載の放射線撮像装置であって、
    前記焦点に対する前記放射線検出器の位置は、静止スキャン時に計測された感度と最速スキャン時に計測された感度とに基づいて設定されることを特徴とする放射線撮像装置。
15. 請求項１４に記載の放射線撮像装置であって、
    前記台部の幅は最速スキャン時の回転速度が大きくなるにつれて広く設定されることを特徴とする放射線撮像装置。
16. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
    前記焦点が、前記第一方向に直交するとともに放射線放射方向とも直交する方向である第二方向にも移動する際に、前記茎部は前記境界から前記第二方向にもシフトした位置に配置されることを特徴とする放射線撮像装置。
17. 請求項１６に記載の放射線撮像装置であって、
    前記台部の前記茎部に対する前記第一方向のはみ出し幅は前記第二方向のはみ出し幅よりも大きいことを特徴とする放射線撮像装置。
18. 請求項１６に記載の放射線撮像装置であって、
    前記台部の前記第二方向の幅と、前記茎部が前記第二方向にシフトして配置される位置とは、前記焦点の前記第二方向への移動距離と、前記茎部の高さ及び前記第二方向の幅と、前記焦点から前記茎部までの距離と、に基づいて算出されることを特徴とする放射線撮像装置。
19. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
    前記茎部と前記台部とが別部品として構成されることを特徴とする放射線撮像装置。
20. 請求項１９に記載の放射線撮像装置であって、
    前記茎部と前記台部とが異なる材料であることを特徴とする放射線撮像装置。

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