JP2019531464A - 三次元固体イメージング光検出器 - Google Patents

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Abstract

検出器アレイ(112)は検出器画素(206)を含む。 検出器画素は、活性領域を含む壁(308 / 602及び316; 434及び406/502)を有する三次元キャビティ(304及び306; 432及び404)を含み、三次元キャビティ内を横断する光線フォトンを検出して、それを示すそれぞれの電気信号を生成する。検出器画素はさらに、少なくとも1つの検出器画素の底部(320、416)に隣接して三次元キャビティ内に配置される第1のシンチレータ(320、410)を含む。 検出器画素はさらに、第1のシンチレータの上の三次元キャビティ内に配置される第2のシンチレータ(326; 444)を含み、第1及び第2のシンチレータは吸収X線フォトンに応答して光線フォトンを放出する。 壁の少なくとも一方は検出器画素に対して垂直に配向され、対応する活性領域と第1又は第2のシンチレータの一方との間の接触面積を最大にする。

Description

以下は、一般にイメージング検出器に関し、より詳細には三次元(3‐D)固体イメージング光検出器に関し、医療用及び/又は手荷物用CTスキャナを含むコンピュータ断層撮影(CT)に関連して説明される。しかしながら、以下のことは他の画像形成モダリティ及び/又は画像形成用途にも適している。
コンピュータ断層撮影(CT)スキャナは、一般に、z軸の周りで検査領域の周りを回転する回転可能なガントリに取り付けられたX線管を含む。 X線管は、検査領域及びその中に配置される被検体又は対象物を横切る放射線を放出する。 X線感受性放射線検出器アレイは、X線管から検査領域の反対側の角アークを定め、検査領域を横切る放射線を検出し、それを示す信号を生成する。再構成器が信号を処理し、スキャン中に検査領域とその中の被検体又は対象物の一部とを示すボリュメトリック画像データを再構成する。
このような検出器アレイは、フォトダイオードのような平らな固体光検出器に直接取り付けられた水晶又はガーネットシンチレータを含んでいる。シンチレータ材料は、X線フォトンによる衝撃に応答して光線フォトンを生成し、それはそれから光検出器において電流又はパルスに変換される。しかしながら、光検出器での電荷キャリア収集効率及び応答時間は、今日のフラットX線感受性放射線検出器アレイの形状、及びフォトンに応答して電荷キャリアを生成するシンチレータシリコン検出器の間の相互作用に関係している。
その全体が参照により本明細書に組み入れられる、Chappoらの米国特許出願公開第2015/0276939 A1号は、三次元深さによるX線感受性放射線検出器アレイを記載している。この3‐D検出器アレイの形状は、2次元(2‐D)フラット光検出器に対して電荷収集効率を改善する。残念なことに、電荷収集の非効率性は、画像に寄与しない電離放射線を患者に照射させ、電離放射線は組織に損傷を与え、それが多くの健康問題をもたらす可能性がある。このように、電荷収集効率におけるさらなる改善に対する未解決の必要性がある。
本明細書に記載の態様は、上で参照した問題及び/又は他の問題に対処する。
一態様では、検出器アレイは検出器画素を含む。検出器画素は、活性領域を含む壁を有する三次元キャビティを含み、それは三次元キャビティ内を横断する光線フォトンを検出し、それを示すそれぞれの電気信号を生成する。検出器画素はさらに、少なくとも1つの検出器画素の底部に隣接して三次元キャビティ内に配置される第1のシンチレータを含む。検出器画素はさらに、第1のシンチレータの上の三次元キャビティ内に配置される第2のシンチレータを含み、第1及び第2のシンチレータはX線フォトン吸収に応答して光線フォトンを放出する。壁の少なくとも一方は検出器画素に対して垂直に配向され、対応する活性領域と第1又は第2のシンチレータの一方との間の接触面積を最大にする。
別の態様では、本方法は、三次元固体撮像光検出器のシンチレータを用いてX線フォトンを受け取るステップと、シンチレータを用いてX線フォトンを吸収するステップと、シンチレータを用いて、光線フォトンの吸収に応答して、X線フォトンのエネルギーを表す光線フォトンを生成するステップとを含む。この方法はさらに、三次元固体撮像光検出器の活性領域を用いてフォトンを検出するステップと、光線フォトンの検出に応答して、活性領域を用いて、X線フォトンのエネルギーを示す電気信号を生成するステップとを含む。シンチレータと活性領域との間の接触面積は最大にされる。
別の態様では、撮像システムは、X線を放出するように構成されるX線源と、X線を検出してそれを示す信号を生成するように構成される三次元固体撮像光検出器と、検出器から信号を再構成するように構成される再構成器とを含む。三次元固体撮像光検出器は、第1及び第2のシンチレータの一方と活性領域の壁との間の接触面積が最大になるように、活性領域の1つ又は複数の没入部に配置される第1及び第2のシンチレータを含む。
本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置、ならびに様々なステップ及びステップの配置において形をとることができる。図面は、好ましい実施形態を例示することのみを目的としており、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
3‐D固体撮像光検出器を有する例示的な撮像システムを概略的に示す。 3‐D固体撮像光検出器の例示的な検出器タイルを概略的に示す。 検出器タイルの例示的な画素を概略的に示す。 検出器タイルの他の例示的な画素を概略的に示す。 検出器タイルのさらに別の例示的な画素を概略的に示す。 検出器タイルのさらに別の例示的な画素を概略的に示す。 本明細書の一実施形態による例示的な方法を示す図である。
図1は、コンピュータ断層撮影(CT)スキャナのようなイメージングシステム100を概略的に示す。
撮像システム100は、概ね静止ガントリ102と回転ガントリ104とを含む。回転ガントリ104は、ベアリング(図示せず)などによって静止ガントリ102により回転可能に支持され、長手方向又はz軸周りに検査領域106の周りを回転する。X線管のような放射線源108は、回転ガントリ104によって支持され、それと共に回転し、X線放射線を放出する。コリメータ109は放射線をコリメートし、検査領域106を横切る略円錐形、扇形、楔形、又は他の形状の放射線ビームを生成する。
放射線感受性検出器アレイ112は、検査領域106を横切って放射線源108の反対側に角アークを定め、検査領域106を横切る放射線を検出し、それを示す電気信号又はパルスを生成して出力する。放射線感受性検出器アレイ112は、z方向に沿って配置される1列以上の検出器タイル114を含む。その全体が参照により本明細書に組み入れられる、Chappoらの米国特許第6,510,195号は、適切な検出器タイルの一例を記載している。選択的に、集束又は非集束散乱防止グリッド(ASG)を放射線感受性検出器アレイ112と共に使用することができる。
図2を簡単に参照すると、検出器タイル114の非限定的な例が概略的に示されている。検出器タイル114の相対的な幾何学形状(すなわち、形状、サイズなど)は限定的ではない。検出器タイル114は、感光層208の感光面204に光学的に結合される(例えば、少なくとも2つが同一又は異なるX線吸収特性を有する1つ又は複数のシンチレータを含む)シンチレータ層202を含む。感光層208は、複数の活性領域又は感光画素206(明確にするために1つのみが示されている)を有する。感光層208の非感光面210は、ASICなどの読み出し電子回路及び/又は他の回路を含む基板212に電気的に結合されている。
非限定的な一例では、感光層208及び感光画素206は、シリコン(Si)を含有するか、又はシリコン(Si)からなる。感光層208の非活性領域は、各検出器画素を電気的コンタクトに相互接続する電極を含む。基板212は、シリコン感光層208の非感光領域に接着され、電気的コンタクトと電気的に連通されるシリコン又は他のASICを含む。そのようなシリコン検出器の非限定的な例は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる、Luhtaらの米国特許出願公開第2009/0121146号に記載されている。
感光画素206は、3‐Dボリュームを規定し、複数の活性領域を有する3‐D表面を含むキャビティを含み、シンチレータ層208の少なくとも一つのサブ部分がキャビティ内に配置され、そこに放出される光線フォトンが複数の活性領域によって三次元で検出される。以下により詳細に説明するように、一例では、キャビティの形状は、シンチレータ層208と活性領域との間の接触面積を最大にし、活性領域と読み出し電子回路との間の距離を短くする。
図1に戻ると、再構成器116が出力信号出力を再構成し、ボリュメトリック三次元画像データを生成する。検出器タイル114が(例えば、それぞれが異なるX線吸収特性を有する複数のシンチレータを含む)マルチエネルギー検出器として構成されている場合、これはスペクトル画像及び/又は従来の非スペクトル画像を生成することを含む。寝台のような被験者支持体118は、検査領域106内の被験者又は対象を支持する。汎用コンピューティングシステムは、オペレータコンソール120として機能し、ディスプレイ及び/又はプリンタのような人間可読出力装置及びキーボード及び/又はマウスのような入力装置を含む。コンソール120に常駐するソフトウェアは、オペレータがイメージングシステム100の動作を制御することを可能にする。
図3は、感光画素206の一例の実施形態300の断面図を概略的に示す。感光画素206は、第1の没入部304と第1の没入部304内の第2の没入部306とを有するシリコンの単一ブロック302を含む。第1の没入部304は、感光画素206に対してほぼ垂直であり、ほぼ平面壁308を含む。第1の没入部304は、感光画素206に対してほぼ水平であり、かつ平面壁308が延在する平面壁308に対してほぼ垂直であるほぼ平坦な床312を含む。
第2の没入部306は、第1の没入部304の床312のサブ部分にある。すなわち、図示のように、床312は、平面壁308から、第2の没入部306まで、画素206の中心領域に向かってゼロではない有限の距離だけ延在し、レッジ領域314を形成する。一変形形態では、距離はほぼゼロであり、レッジ領域314は存在しない。第2の没入部306は、概して平面壁316を含み、感光画素206に対して水平である。第2の没入部306は、感光画素206に対して水平であり、平面壁316が延在する平面壁316に対してほぼ垂直である、ほぼ平面の床318を更に含む。第1及び第2の没入部304及び306は3Dキャビティを規定する。
第1のシンチレータ320は、第2の没入部306内に配置される。光学コーティング322は、床318とは反対側の第1のシンチレータ320の第1の表面324上に配置される。光学コーティング322は、光収集効率を改善する光線フォトンを反射し、X線フォトンを通過させる。一変形形態では、光学コーティング322が省略され、2つ以上の光学コーティングが利用される。第2のシンチレータ326が、光学コーティング322及びレッジ領域314の上に第1の没入部304内に配置される。第2のシンチレータ326は、平面壁308に渡って延在するサブ部分328を含む。
第1及び第2の導電経路330及び332は、画素206の側面326に関連する活性領域から、及び平面壁316に沿って画素206の両端の平面壁308まで延在する。第1及び第2の電極334及び336は、それぞれ第1及び第2の電極336と電気的に接触して底面320の近くに配置されている。第3の導電経路338は、底面320の活性領域から第1のシンチレータ320の下のブロック302内に延在しており、第3電極340と電気的に接触している。導電経路330、332及び338は、例えば、貫通Siビア(TSV)及び/又は他の技術で配置される。示される最小量よりも多くの導電経路が含まれてもよい。
この構成では、シリコンブロック302の活性領域とシンチレータ320及び326とが、互いに対してそれらの間の接触面を最大にするように構成及び配向され、これらの特徴がない構成に対して電荷収集効率が改善される。さらに、導電経路330及び332は壁308及び表面314にごく近接しており、導電経路338は表面318に近接しているので、これらの特徴がない構成に対して、キャリアの輸送及び収集時間が短縮される。
一例では、第1のシンチレータ320は第1のX線吸収特性を有し、第2のシンチレータ326は第2のX線吸収特性を有し、ここで第1及び第2のX線吸収特性は異なる。例えば、この場合、第1のシンチレータ320は第1の範囲のエネルギーを有するX線を吸収し、第2のシンチレータ326は第2の範囲のエネルギーを有するX線を吸収し、ここで、第1と第2の範囲は異なる。そのような構成は、マルチエネルギーイメージングに非常に適している。他の例では、第1及び第2のX線吸収特性は同じである。
図4は、感光画素206の一例の実施形態400の断面図を概略的に示す。感光画素206は、第1の没入部404を有するシリコンの第1のブロック402を含む。第1の没入部404は、感光画素206に対して、概して平面壁406を含む。第2の没入部404は、感光画素206に対して水平であり、平面壁406が延在する平面壁406に対して垂直であるほぼ平面の床408をさらに含む。
第1のシンチレータ410が第1の没入部404内に配置されている。第1及び第2の導電経路412及び414は、画素206の底面416から、及び画素206の両端の平面壁406に沿って延在する。第1及び第2の電極418及び420は、それぞれ第1及び第2の導電経路412及び414と電気的に接触して底面416に配置されている。第3及び第4の電極422及び424は、導電経路412及び414の端部に対向して配置されている。第5の導電経路426は、底面416から第1のシンチレータ410の下のブロック402に延在しており、第5の電極428と電気的に接触している。
感光画素206は、感光画素206に対してほぼ垂直であるほぼ平面壁434を含む第2の没入部432を有するシリコンの第2のブロック430を含む。第2の没入部434は、感光画素206に対して水平であり、かつ平面壁434に対して略垂直である略平坦な床436をさらに含む。第3及び第4の導電性経路438及び440は、画素206の両端で平面壁434に沿って第2のブロック430内にある。第2のシンチレータ444は、第2の没入部432内に配置され、平面壁434に渡って延在する部分446を含む。
この実施形態では、シリコンの第2のブロック430が、第3及び第4の電極422及び424と電気的に接触する第3及び第4の導電経路438及び440を備える第1の没入部404上のシリコンの第1のブロック402の上にスタックされる。第2のブロック430は、第1のブロック402に取り付けられるか、そうでなければ恒久的に又は取り外し可能に固定される。この例では、第1の没入部404の第1の幅448は、第2の没入部432の第2の幅450よりも大きい。変形例では、第1及び第2の幅は同じである。 トップSi部分446の底部分442が活性収集領域であることは理解されたい。
図3の例と同様に、この構成では、第1及び第2のブロック402及び430は、互いに対してシンチレータとシリコンの活性面との間の接触面を最大にするように構成及び配向され、これらの機能のない構成に対して電荷輸送時間及び収集効率を改善する。さらに、導電経路438及び440は、壁434にごく近接しており、導電経路426は表面408にごく近接しており、これらの特徴がない構成に対して、キャリア収集時間が短縮される。同様に、この例では、画素206は単一又はマルチエネルギー画素とすることができる。
図5は、感光画素206の一実施形態500の断面図を概略的に示す。この実施形態は、シリコンの第1のブロック402の第1の没入部404が、感光画素206に対してほぼ横方向であるほぼ平面壁502を含むことを除いて、図4に記載の実施形態400と実質的に同様である。
例えば、図示の実施形態では、平面壁502は、56度(56°)のような45度(45°)から60度(60°)の範囲の角度で、第1ブロック402のトップ504から第1の没入部410の表面408まで延在する。垂直壁434は、イオンエッチング及び/又は他の技術によって形成することができ、横方向の壁502は化学エッチング及び/又は他の技術によって形成することができる。
この構成は、2‐Dフラット検出器を有する構成に対して、キャリア収集時間を短縮し、フォトン及び電荷収集効率を改善する。同様に、ある場合には第1及び第2のシンチレータのX線吸収特性は異なり、別の場合には第1及び第2のシンチレータのX線吸収特性は同じである。
図6は、感光画素206の一実施形態600の断面図を概略的に示す。この実施形態は、ブロック302の第1の没入部304がほぼ平面壁602を含むことを除いて、感光画素206に関して図3に記載の実施形態300と実質的に同様である。
例えば、図示の実施形態では、平面壁602は、ブロック302のトップ604から第2の没入部306まで、56°などの45°から60°までの範囲の角度で延在している。垂直壁316は、イオンエッチング及び/又は他の技術によって形成することができ、横方向の壁602は化学エッチング及び/又は他の技術によって形成することができる。
この構成は、2‐Dフラット検出器を有する構成に対して、キャリア収集時間を短縮し、フォトン及び電荷収集効率を改善する。同様に、ある場合には第1及び第2のシンチレータのX線吸収特性は異なり、別の場合には第1及び第2のシンチレータのX線吸収特性は同じである。
図7は、本明細書の一実施形態による例示的な方法を示す。
702において、X線フォトンは、三次元固体撮像光検出器114(図1及び図2)のシンチレータ層202(図2)によって受け取られる。
704において、1つ又は複数のシンチレータ320、326、410及び/又は444(図3乃至図6)がX線フォトンを吸収する。
706において、X線フォトンの吸収に応答して、シンチレータ320、326、410、及び/又は444のうちの1つ又は複数は、X線フォトンのエネルギーを示す光線フォトンを放出する。
708において、三次元固体撮像光検出器114の1つ以上の活性領域308、316、318、434、406、408(図3乃至6)は、光線フォトンを検出する。
本明細書に記載されるように、1つ以上のシンチレータ320、326、410及び/又は444と1つ以上の活性領域308、316、318、434、406、408との間の接触面積は最大化されるか、又は2Dフラット検出器及び/又は他の3‐D検出器に渡って少なくとも増大され、及び/又は1つ又は複数の活性領域308、316、318、434、406、408のコンタクトと読み出し導電経路との間の距離が他の三次元検出器に対して短くなり、したがって電荷輸送及び収集時間を改善する。
710において、活性領域308、316、318、434、406、408のうちの1つ以上は、光線フォトンの検出に応答して、X線フォトンのエネルギーを示す電気信号を生成する。
712で、再構成器116(図1)は信号を再構成し、1つ又は複数の画像を生成する。
本発明を好ましい実施形態を参照して説明した。上記の詳細な説明を読んで理解すると、修正及び変更が他の人に思いつく可能性がある。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内に入る限り、そのようなすべての修正形態及び変更形態を含むように構成されることを意図している。

Claims (20)

  1. 検出器画素であって、
    活性領域を含む壁を有する三次元キャビティであって、前記三次元キャビティ内を横切る光線フォトンを検出し、それを示す各電気信号を生成する、三次元キャビティと、
    少なくとも1つの検出器画素の底部に隣接して前記三次元キャビティ内に配置される第1のシンチレータと、
    前記第1のシンチレータの上の前記三次元キャビティ内に配置される第2のシンチレータであって、前記第1及び第2のシンチレータがX線フォトンの吸収に応答して前記光線フォトンを放出する、第2のシンチレータと
    を含み、
    前記壁の少なくとも一つは前記検出器画素に対して垂直に方向付けられ、対応する活性領域と前記第1又は第2のシンチレータの一つとの間の接触面積を最大にする、
    検出器画素
    を有する、検出器アレイ。
  2. 前記三次元キャビティは、第1の没入部及び前記第1の没入部内の第2の没入部を含み、前記第1のシンチレータは前記第2の没入部内に配置され、前記第2のシンチレータは前記第1の没入部内に配置され、前記第1及び第2の没入部のそれぞれは、垂直に方向付けられる壁のみを含む、請求項1に記載の検出器アレイ。
  3. 前記少なくとも1つの検出器画素は、前記第1のシンチレータと前記第2のシンチレータとの間に配置される光学層をさらに含む、請求項2に記載の検出器アレイ。
  4. 前記三次元キャビティは、第1の没入部及び前記第1の没入部内の第2の没入部を含み、前記第1のシンチレータは前記第2の没入部内に配置され、前記第2のシンチレータは前記第1の没入部内に配置され、前記第1の没入部は横方向の壁を含み、前記第2の没入部は垂直に方向付けられる壁のみを含む、請求項1に記載の検出器アレイ。
  5. 前記検出器画素の側面に配置される電極と、
    前記活性領域から前記電極まで延在するビアと、
    前記活性領域から前記電極まで前記ビア内に配置される導電経路と
    を更に有する、請求項2乃至4の何れか一項に記載の検出器アレイ。
  6. 単一ブロックがシリコンを含む、請求項5に記載の検出器アレイ。
  7. 前記少なくとも1つの検出器画素は、前記第1のシンチレータが配置される第1の没入部を備える第1のブロックと、前記第2のシンチレータが配置される第2の没入部を備える第2のブロックとを含む、少なくとも2つのブロックをさらに含む、請求項1に記載の検出器アレイ。
  8. 前記第1及び第2のブロックは互いに結合される、請求項7に記載の検出器アレイ。
  9. 前記第2のブロックは第1及び第2の導電経路を含み、前記第1のブロックは第3及び第4の導電経路を含み、前記第1及び第2の導電経路は、前記第3及び第4の導電経路と電気的に接触している、請求項7乃至8の何れか一項に記載の検出器アレイ。
  10. 前記第1の没入部は横方向の壁を含み、前記第2の没入部は垂直に方向付けられる壁のみを含む、請求項7乃至9の何れか一項に記載の検出器アレイ。
  11. 前記三次元キャビティは、前記画素の中央領域に向かって前記第1の没入部内の第2の没入部へ延在する床を有する第1の没入部を含み、前記床は、前記第1及び第2の没入部の前記壁の間にレッジ領域を提供し、前記第1のシンチレータは前記第2の没入部内に配置され、前記第2のシンチレータは前記第1の没入部内に配置される、請求項1乃至10の何れか一項に記載の検出器アレイ。
  12. 前記第1のシンチレータは第1のX線吸収特性を有し、前記第2のシンチレータは第2のX線吸収特性を有し、前記第1及び第2のX線吸収特性は異なる、請求項1乃至10の何れか一項に記載の検出器アレイ。
  13. 前記第1のシンチレータは第1の放出X線吸収を有し、前記第2のシンチレータは第2のX線吸収特性を有し、前記第1及び第2のX線吸収特性は同じである、請求項1乃至10の何れか一項に記載の検出器アレイ。
  14. 三次元固体撮像光検出器のシンチレータを用いてX線フォトンを受け取るステップと、
    前記シンチレータを用いて前記X線フォトンを吸収するステップと、
    前記シンチレータを用いて、前記X線フォトンの吸収に応答して、前記X線フォトンのエネルギーを示す光線フォトンを生成するステップと、
    前記三次元固体撮像光検出器の活性領域を用いて前記光線フォトンを検出するステップと
    を有し、
    前記シンチレータと前記活性領域との間の接触面積は最大にされ、
    活性領域を用いて、前記光線フォトンの検出に応答して、前記X線フォトンの前記エネルギーを示す電気信号を生成するステップ
    を有する、方法。
  15. 前記第1のシンチレータを用いて第1のエネルギーを有するフォトンを検出するステップと、
    前記シンチレータの第2の異なる1つを用いて第2の異なるエネルギーを有するフォトンを検出するステップと、
    スペクトル画像を生成するように前記電気信号を再構成するステップと
    を更に有する、請求項14に記載の方法。
  16. X線を放出するように構成されるX線源と、
    X線を検出してそれを示す信号を生成するように構成される三次元固体撮像光検出器であって、前記三次元固体撮像光検出器は、前記第1及び第2のシンチレータの一つと活性領域の壁との間の接触面積が最大になるように、活性領域の1つ又は複数の没入部に配置される第1及び第2のシンチレータを含む、三次元固体撮像光検出器と、
    前記検出器から前記信号を再構成するように構成される再構成器と
    を含む、撮像システム。
  17. 前記三次元固体撮像光検出器は、シリコンの単一ブロックを含み、前記活性領域の壁の全てが垂直である、請求項16に記載の撮像システム。
  18. 前記三次元固体撮像光検出器は、一方が前記第1のシンチレータを支持し、他方が前記第2のシンチレータを支持する、シリコンの少なくとも2つのブロックを含み、前記活性領域の壁の全ては垂直である、請求項16に記載の撮像システム。
  19. 前記三次元固体撮像光検出器は、シリコンの単一ブロックを含み、前記活性領域の前記壁の一方は垂直であり、前記活性領域の前記壁の他方は横方向にある、請求項16に記載の撮像システム。
  20. 前記三次元固体撮像光検出器は、一方が前記第1のシンチレータを支持し、他方が前記第2のシンチレータを支持する、シリコンの少なくとも2つのブロックを含み、前記活性領域の前記壁の一方は垂直であり、前記活性領域の前記壁の他方は横方向にある、請求項16に記載の撮像システム。
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