JP2020005272A - 放射線撮像装置及び放射線撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】画素と配線との間のクロストークや駆動時の温度変化による画素の特性の変化を補正し、放射線の検出の正確性を向上する技術を提供する。【解決手段】撮像領域にアレイ状に配置された複数の画素と、放射線を電気信号に変換するための変換素子を含む第１の検出素子及び第２の検出素子と、第１の検出素子から信号が出力される第１の信号線及び第２の検出素子から信号が出力される第２の信号線と、第１の検出素子から第１の信号線を介して出力される信号及び第２の検出素子から第２の信号線を介して出力される信号を処理する信号処理回路と、を含み、第１の信号線及び第２の信号線は、撮像領域又は撮像領域に隣接し配され、第１の検出素子は、第２の検出素子よりも放射線を検出するための領域が大きく、信号処理回路は、第１の信号線からの信号と第２の信号線からの信号とに基づいて放射線の照射に関する情報を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線撮像装置及び放射線撮像システムに関する。

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２次元アレイ状に配列された放射線撮像装置が、広く利用されている。近年、こうした放射線撮像装置の多機能化が検討され、その１つとして自動露出制御（ＡＥＣ）機能の内蔵が検討されている。ＡＥＣ機能は、放射線源が放射線を照射している間、放射線撮像装置が照射情報を取得する手段として利用される。

特許文献１には、放射線を検出する検出領域に画像撮影用の画素及び放射線検出用の画素を含む複数の画素をマトリクス状に設けた放射線画像撮影装置が示されている。放射線検出用の画素は、放射線の照射の開始の検出、照射の終了の検出、累計の放射線の照射量の検出に利用される。特許文献２には、画像撮影用の画素と放射線検出用の画素とが配され、各画素で発生した信号が出力される画像用配線及び放射線検出用配線と、画像用配線及び放射線検出用配線からの信号を検出する信号検出回路とを備える放射線画像撮影装置が示されている。画像用配線と放射線検出用配線とは、略同一の配線パターンを有するが、画像用配線には、放射線検出用の画素が接続されない、又は、放射線検出用配線よりも接続される放射線検出用の画素の数が少ない。信号検出回路は、画像用配線から得られた信号と放射線検出用配線から得られた信号との差に基づいて放射線を検出する。

特開２０１２−１５９１３号公報 特開２０１２−５２８９６号公報

特許文献１の放射線画像撮影装置の構造において、画像撮影用の画素の電極と、放射線検出用の画素に接続された放射線検出用配線との間に無視できない寄生容量が存在する。この寄生容量を介して、放射線照射によって生じる画像撮影用の画素の電極の電位変動が放射線検出用配線に伝わるクロストークが発生する。放射線検出用配線に流れる信号には、放射線検出用の画素からの信号の成分と、クロストークによって発生した成分とが含まれる。このクロストークの成分によって、放射線照射中に放射線検出用の画素からの信号を正確に取得することが難しい。

特許文献２の方法では、画像用配線と放射線検出用配線とから得られる信号の差を求めることによって、放射線検出用の画素からの信号の成分を取得する。クロストークによって発生する成分は、略同一の配線パターンを有する画像配線と放射線検出用配線とから得られる信号の差分を求めることによって、低減することができる。一方、放射線撮像装置の駆動時の温度変化によって、各画素に用いられるスイッチ素子のオフセットレベルや変換素子のダーク電流などの特性が変化する。放射線を検出する際、放射線検出用の画素はオン動作し、画像撮影用の画素のスイッチ素子はオフとなる。このとき画像用配線と放射線検出用配線とから得られる信号の差分には、入射する放射線に起因する成分だけでなく、オン動作する放射線検出用の画素のオフセットレベルやダーク電流などの特性の変動成分が重畳される。放射線検出用の画素のオフセットレベルやダーク電流などの特性の変化によって、放射線検出用の画素からの信号が変動してしまい、正確に放射線の検出ができない可能性がある。

本発明は、画素と配線との間のクロストークや駆動時の温度変化による画素の特性の変化を補正し、放射線の検出の正確性を向上する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、撮像領域にアレイ状に配置され放射線画像を取得するための複数の画素と、放射線を電気信号に変換するための変換素子を含む少なくとも１つの第１の検出素子、及び、少なくとも１つの第２の検出素子と、第１の検出素子から信号が出力される第１の信号線、及び、第２の検出素子から信号が出力される第２の信号線と、第１の検出素子から第１の信号線を介して出力される信号、及び、第２の検出素子から第２の信号線を介して出力される信号を処理する信号処理回路と、を含み、第１の信号線及び第２の信号線は、撮像領域又は撮像領域に隣接し配され、第１の検出素子は、第２の検出素子よりも、放射線を検出するための領域が大きく、信号処理回路は、第１の信号線からの信号と第２の信号線からの信号とに基づいて放射線の照射に関する情報を生成することを特徴とする。

上記手段により、画素と配線との間のクロストークや駆動時の温度変化による画素の特性の変化を補正し、放射線の検出の正確性を向上する技術が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置の回路構成を示す等価回路図。 図１の放射線撮像装置の回路構成の変形例を示す等価回路図。 図１の放射線撮像装置の画素、検出素子、補正素子の平面図。 図１の放射線撮像装置の画素の断面図。 図１の放射線撮像装置の回路構成の変形例を示す等価回路図。 図５の放射線撮像装置の画素の平面図。 図１の放射線撮像装置の概略レイアウト図。 図７の放射線撮像装置の概略レイアウト図の変形例を示す図。 図１の放射線撮像装置の動作のフローチャートを示す図。 本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置の回路構成を示す等価回路図。 図１０の放射線撮像装置の回路構成の変形例を示す等価回路図。 図１０の放射線撮像装置の検出素子、補正素子の平面図及び断面図。 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説明する図。

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ーを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども含みうる。

第１の実施形態
図１〜９を参照して、第１の実施形態による放射線撮像装置について説明する。図１は、本実施形態における放射線撮像装置１００の回路構成を示す等価回路図である。本実施形態における放射線撮像装置１００は、基板上に複数の画素がアレイ状に配された撮像領域と、各画素の制御や各画素から出力された電気信号を処理するための周辺領域とを含む。

周辺領域には、各画素を駆動、制御するための電源回路１５０及びゲート駆動回路１６０と、各画素から出力された電気信号を処理するための読出し回路１７０及び情報処理回路１８０を含む信号処理回路１７１とを含むが、これに限られるものではない。例えば読出し回路１７０と情報処理回路１８０とは、一体で構成されていてもよい。

撮像領域には、放射線画像を取得するため複数の画素と、放射線の照射の検出や照射情報を取得するための複数の検出素子とを含む。本実施形態において、画素は、画素内の配線の配置によって画素１０２と、検出素子で得られた電気信号を信号処理回路１７１に転送する信号線が画素内を通過する画素１１０とを含む。また検出素子は、互いに異なる信号線によって信号処理回路に電気信号を出力する第１の検出素子である検出素子１０１と、第２の検出素子である補正素子１０８とを含む。検出素子１０１及び補正素子１０８は、放射線が照射される際、放射線画像とは別の、放射線の照射の開始や放射線の照射の終了、また放射線の照射強度や放射線の照射量などの放射線の照射に関する情報である放射線照射情報を取得するために使用される。このような検出素子１０１及び補正素子１０８を配置することによって、自動露出制御（ＡＥＣ）機能を、放射線撮像装置１００に内蔵することが可能となる。図１には、撮像領域に５行５列の画素が設けられているが、これらは放射線撮像装置１００のうち一部の撮像領域を表した等価回路である。

撮像領域には、このような検出素子１０１及び補正素子１０８の配された画素エリアが、１つだけ配置されてもよいし、また複数、配置されてもよい。放射線撮像装置１００において、検出素子１０１や補正素子１０８の配置された画素エリアが、例えば３×３や５×５のマトリックス状に配置される。これによって、放射線撮像装置１００の各画素エリアに照射される放射線の照射情報を、画素エリアごとに個別に検出することが可能となる。複数の画素エリアを有する撮像領域については、図８、９を用いて後述する。

放射線撮像装置１００の撮像領域に配された画素１０２、１１０は、電源回路１５０から電源配線１１４を介して電源が供給され、ゲート駆動回路１６０から画像制御配線１１３を介して制御される。また画素１０２、１１０から出力される電気信号は、画像信号線１１２によって信号処理回路１７１に転送される。これによって放射線画像の取得が可能となる。また検出素子１０１及び補正素子１０８は、電源回路１５０から電源配線１１４を介して電源が供給され、ゲート駆動回路１６０から検出制御配線１１６を介して制御される。検出素子１０１から出力される電気信号は、第１の信号線である検出信号線１０４によって信号処理回路１７１に転送される。また補正素子１０８から出力される電気信号は、第２の信号線である補正信号線１０３によって信号処理回路１７１に転送される。検出素子１０１、補正素子１０８を用いて放射線の照射情報を取得することによって、検出素子１０１、補正素子１０８の配置された領域の放射線量などの照射情報を取得することが可能となる。本実施形態において、検出信号線１０４及び補正信号線１０３は撮像領域内に配される。検出信号線１０４及び補正信号線１０３は、撮像領域の外縁部に隣接して配されてもよい。

放射線撮像装置１００において、放射線は検出素子１０１や補正素子１０８以外の部位にも照射される。放射線が照射されると画素１０２、１１０においても、照射される放射線の量に応じた電荷が発生し蓄積される。このとき検出信号線１０４の通過する画素１１０において、この蓄積された電荷は、放射線を電荷に変換する画素１１０の変換素子の電極と検出信号線１０４との間に存在する寄生容量を介し、電荷保存則に基づき検出信号線１０４に転送される。この結果、検出信号線１０４から読み出される電気信号である電荷量は、検出素子１０１からの電荷と、検出信号線１０４と画素１１０の変換素子との間の容量を介して画素１１０から転送される電荷との２つの成分を含んでしまう。このことから、例えば放射線の照射面積が広くなり、放射線の照射される画素１１０の数が多くなると、画素１１０から検出信号線１０４に転送される電荷量が多くなる。また例えば、放射線の照射面積が狭くなり、放射線の照射によって電荷を多く蓄積した画素１１０が少なくなると、画素１１０から検出信号線１０４に転送される電荷量が少なくなる。

この検出信号線１０４と通過する画素１１０との容量を介した電荷の転送を補正し、検出素子１０１に照射された放射線の量に対応した電気信号を正しく読み出すために、補正信号線１０３が用いられる。例えば、補正信号線１０３と検出信号線１０４との形状や通過する画素１１０の数が同等の場合、画素１１０と補正信号線１０３又は検出信号線１０４との間に存在する寄生容量は、ほぼ等しくなる。この結果、画素１１０から補正信号線１０３及び検出信号線１０４に転送される電荷の量は、ほぼ等しくなる。検出信号線１０４によって取得された電気信号の値である電荷量から、補正信号線１０３からの電気信号の値である電荷量を減算することで、検出素子１０１で変換された電荷量と同等の電荷量を、検出素子１０１の信号の情報として生成し、取得することができる。ここで減算の方法は、さまざまの方法を用いることが可能である。例えばアナログ減算を用いてもよいし、デジタル減算を用いてもよい。また例えば相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路を用いてもよい。

しかしながら、例えば撮像領域の周辺に配置された信号処理回路１７１などが、信号処理に際して発熱する。局所的な発熱によって、画素１０２、１１０や検出素子１０１が配置された撮像領域は、温度やその温度分布は一様ではなく変化する可能性がある。画素１０２、１１０及び検出素子１０１内に配置される変換素子やスイッチ素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、温度が変化すると変換素子のダーク電流やＴＦＴのオフセットレベルなどの特性が変化してしまう場合がある。放射線を検出する際、検出素子１０１はオン動作し、画素１０２、１１０のＴＦＴはオフとなる。このとき補正信号線１０３と検出信号線１０４との間の電気信号の差分には、入射する放射線に起因する成分だけでなく、オン動作する検出素子１０１のオフセットレベルやダーク電流などの特性の変動成分が重畳される。検出素子１０１のダーク電流やオフセットレベルの特性が変化すると、差分によって取得される電気信号の値も変化する。例えば、温度上昇によって検出素子１０１のオフセットレベルが増大した場合、放射線の照射がない場合でも、抽出された電気信号が放射線を検出するための閾値を越えてしまう可能性がある。この場合、放射線の照射がなくても、放射線が照射されたと認識してしまう。

これに対して、本実施形態において検出信号線１０４に接続されている検出素子１０１と同一の変換素子の構造や同一のＴＦＴの構造を有し、補正信号線１０３に接続される補正素子１０８を、放射線撮像装置１００の撮像領域に配置する。補正素子１０８は、検出素子１０１と同時にオン動作するとよい。図１において、補正素子１０８と検出素子１０１とは、同じ検出制御配線１１６を介して制御され、同時にオン動作する。また、補正素子１０８は、検出素子１０１の近傍に配置されるとよい。撮像領域の検出素子１０１の周囲の温度や温度分布が変化し、画素１０２、１１０や検出素子１０１においてダーク電流やオフセットレベルなどの特性が変化する。しかし近傍に配置した同等の温度特性を有する補正素子１０８を配することによって、検出素子１０１のダーク電流やオフセットレベルなどの特性が変動した場合でも、ダーク電流やオフセットレベルなどを減算することができる。結果として、検出素子１０１に照射される放射線の照射に関する情報を精度よく生成し、取得することが可能となる。

しかし、補正素子１０８と検出素子１０１とは、先述したように同一の構造の変換素子やＴＦＴを有するため、補正素子１０８と検出素子１０１とで入射する放射線の量に対して出力される電気信号である電荷量の差が小さい。補正素子１０８と検出素子１０１とからの出力の差が小さい場合、検出信号線１０４と補正信号線１０３との電荷量の差分を求めるだけで、検出素子１０１の信号の情報を取得することは難しい。放射線の照射に関する情報を生成するため、検出素子１０１と補正素子１０８とは、同一の変換素子の構造や同一のＴＦＴの構造を有しながら、入射する放射線に対して異なる電気信号を出力する必要がある。異なる電気信号を出力するために、入射する放射線を電気信号に変換する感度が、検出素子１０１と補正素子１０８とで異なるとよい。本実施形態において、検出素子１０１と補正素子１０８とで、放射線を検出するための領域の大きさが異なり、検出素子１０１の方が、補正素子１０８よりも放射線を検出する領域が大きくなるように形成される。例えば放射線を直接、電気信号に変換する放射線撮像装置の場合、放射線を遮る遮蔽部材として、例えば鉛などの重金属を用いた遮蔽部材を補正素子１０８の変換素子の上に設けてもよい。またシンチレータを用いて放射線を光に変換し、この光を電気信号に変換する間接型の放射線撮像装置の場合、光を遮る遮蔽部材として例えばアルミニウムの遮蔽膜などを補正素子１０８の変換素子とシンチレータとの間に設けてもよい。何れの変換型の放射線撮像装置であっても、遮蔽部材が、撮像領域に対する平面視において、補正素子１０８の変換素子の少なくとも一部と重なる領域に配されるとよい。この結果、検出素子１０１よりも、補正素子１０８の放射線を電気信号に変換する感度が低下する。これによって、画素１１０と検出素子１０１との間の寄生容量だけでなく、動作温度が変化し各素子の特性が変動した場合でも、放射線の照射に関する情報を検出信号線１０４と補正信号線１０３とから得られる電気信号の減算によって、より正確に生成できる。

例えば、シンチレータを用いた間接型の放射線撮像装置の場合、補正素子１０８は、検出素子１０１と大きさや変換素子、ＴＦＴの構造を同一とし、変換素子よりも放射線が入射する側に光を遮る例えばアルミニウムやクロムなどを用いた遮蔽部材を形成する。遮蔽部材は、例えばシンチレータと変換素子との間に配置すればよい。また、例えば補正素子１０８の全体を遮蔽膜で覆い、検出する光をほぼゼロとし、変換素子のダーク電流や、ＴＦＴ部分のオフセットレベルなどを取得し、この値を用いて検出素子１０１の補正を行ってもよい。

検出素子１０１と補正素子１０８とは、互いに隣接していてもよい。また検出素子１０１と補正素子１０８との間に画素１０２を数列、例えば図１に示すように２列配置してもよい。これは、検出素子１０１と補正素子１０８とを互いに隣接して配置した場合、間に検出素子１０１と補正素子１０８とが配される画素１０２同士の間隔が広くなる。検出素子１０１と補正素子１０８との間に画素１０２を挿入することによって、画素の欠落する検出素子１０１及び補正素子１０８の部分の画像の補正が容易となる。放射線撮像装置１００に用いる画素の各辺のサイズは、例えば５０μｍ〜５００μｍ程度と小さい。間に２つの画素１０２が配された場合でも、検出素子１０１と補正素子１０８との相対距離は１５０μｍ〜１．５ｍｍ程度と近い距離にあり、検出素子１０１と補正素子１０８との温度環境は同等とみなすことができる。検出素子１０１と補正素子１０８との間に数列の画素１０２を配した場合でも、精度の良く放射線の照射に関する情報を生成し、取得することができる。

図２は、本実施形態における放射線撮像装置１００の回路構成を示す等価回路図で、図１に示した回路構成の変形例を示したものである。図１に示した等価回路図と異なる点は、検出素子１０１と補正素子１０８とを制御する検出制御配線１１６を、画素１０２、１１０を制御するゲート駆動回路１６０とは別に設けたＡＥＣ制御回路１９０を用いて制御することである。これ以外の点は、図１に示した等価回路図と同じ回路構成であってよい。これによって、ゲート駆動回路１６０が、図１に示した放射線撮像装置１００のゲート駆動回路１６０と比較して複雑な動作を必要としなくなり、駆動回路の設計が容易となる。例えば放射線が照射され、検出素子１０１及び補正素子１０８で放射線の照射情報を読み取るまでの期間は、ＡＥＣ制御回路１９０を駆動させる。次いで、画素１０２、１１０から放射線画像を取得するための信号を読み出す際は、ＡＥＣ制御回路１９０を停止し、ゲート駆動回路１６０を駆動させて行ごとに順次、信号を読み出してもよい。また検出素子１０１及び補正素子１０８と、画素１０２、１１０とに対して別々に周辺領域の回路を動作させるのは、制御回路に限定されるものではない。例えば信号処理回路１７１の読出し回路１７０において、検出信号線１０４や補正信号線１０３からの信号と、画素１０２、１１０とは別の読出し回路を設けて処理してもよい。

図３に、画素１０２、１１０、検出素子１０１、補正素子１０８の平面図を示す。図３（ａ）は、画素１０２の平面図を示す。本実施形態において、放射線撮像装置１００は、間接型の放射線撮像装置であり、画素１０２、１１０、検出素子１０１、補正素子１０８などの配された撮像領域の上部にシンチレータ（不図示）が配される。画素１０２には、シンチレータで放射線から変換された光を電気信号に変換するための変換素子である光電変換素子１２０が配置される。光電変換素子１２０の下部には、スイッチ素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１１１や各種配線が配置される。光電変換によって光電変換素子１２０で生成された電気信号は、画像制御配線１１３の信号によってＴＦＴ１１１がＯＮ状態となったとき、ＴＦＴ１１１を介して画像信号線１１２に出力される。光電変換素子１２０の上部電極は、一定の電圧を印加するための電源配線１１４と接続される。検出制御配線１１６は、光電変換素子１２０の下部を通過する。図１、２に示されるように、検出制御配線１１６が通過しない画素１０２も存在するが、図３（ａ）には、検出制御配線１１６が通過する画素１０２を図示している。

図３（ｂ）は、画素内に検出信号線１０４又は補正信号線１０３が通過する画素１１０を示す。検出信号線１０４又は補正信号線１０３が通過する以外の点は、画素１０２と同じであってよい。画素１０２、１１０に配される光電変換素子１２０の下部電極は、画素ごとに個別の電極となっている。このため、撮像領域に対する平面視において、画素１１０を通過する検出信号線１０４又は補正信号線１０３と、光電変換素子１２０の下部電極との重なる領域にオーバーラップ面積に応じた容量が形成される。この容量を介して、電荷保存則に基づき、光電変換素子１２０に蓄積された電荷が、検出信号線１０４又は補正信号線１０３に転送される。

図３（ｃ）は、検出素子１０１を示す。光電変換素子１１５の下部電極がＴＦＴ１１９を介して検出信号線１０４に接続され、検出制御配線１１６の信号によってＴＦＴ１１９がＯＮ状態となったとき、光電変換素子１１５からの電気信号が検出信号線１０４に出力される。放射線が照射された際の照度の測定や、放射線の照射開始・終了の検出など、放射線の照射情報の取得のためにＴＦＴ１１９をＯＮ／ＯＦＦ動作させ、光電変換素子１１５に蓄積された信号を読み出す。

図３（ｄ）は補正素子１０８を示す。補正素子１０８は、撮像領域の上部に配されたシンチレータ（不図示）と光電変換素子１２３との間に遮蔽部材１２２を有する。本実施形態において、補正素子１０８及び補正素子１０８に配置された光電変換素子１２３は、全体が遮蔽部材１２２に覆われる。遮蔽部材１２２を配することによって、検出素子１０１の光電変換素子１１５と、補正素子１０８の光電変換素子１２３との間で、入射した放射線に対する電気信号の出力値に差が生じる。これ以外の構造は、図３（ｃ）に示す検出素子１０１と同様であってよい。光電変換素子１２３の下部電極がＴＦＴ１２４を介して補正信号線１０３に接続され、検出制御配線１１６の信号によってＴＦＴ１２４がＯＮ状態となったとき、光電変換素子１２３からの電気信号が補正信号線１０３に出力される。

上述したように、検出信号線１０４と画素１１０の光電変換素子１２０との間で形成される容量に応じて、光電変換素子１２０で発生した電荷が、検出信号線１０４に出力されてしまう。このような画素１１０は、撮像領域中に多数存在し、画素１１０の光電変換素子１２０と、検出信号線１０４との容量結合によって書き込まれる信号は無視できるレベルではない。例えば、このような画素１１０が数百から数千といった数存在する場合、容量結合による信号の量が、検出素子１０１からの電気信号の数倍から数十倍といった量になる場合がある。また例えば、光電変換素子１２０が検出信号線１０４とオーバーラップしていない場合であっても、電界の広がりなどの影響で、光電変換素子１２０からの電荷が転送される。そこで、近接する領域に補正信号線１０３を配置し、それぞれの信号の差分を取得することによって、このような光電変換素子１２０から転送される信号を低減し、検出素子１０１からの信号を読み出すことが可能となる。

図４に、図３（ａ）に示した画素１０２のＡ−Ａ’間の断面図を示す。撮像領域の基板４００の上に各画素や各素子が形成される。本実施形態において、基板４００として絶縁基板を用いる。基板４００として、例えばガラス基板やプラスチック基板を用いてもよい。基板４００の上にスイッチ素子であるＴＦＴ１１１が形成される。本実施形態において逆スタガ型のＴＦＴを用いるが、例えばトップゲート型のＴＦＴを用いてもよい。ＴＦＴ１１１は、ゲート電極４０１、ソース電極４０２、ドレイン電極４０３、絶縁膜４０４を含む。絶縁膜４０４は、ＴＦＴ１１１においてゲート絶縁膜として機能しうる。ＴＦＴ１１１の上には、保護膜４０５及び層間絶縁膜４０６を介して光電変換素子１２０が配置される。光電変換素子１２０は、下部電極４１１と上部電極４１５との間に、第１の不純物半導体層４１２、真性半導体層４１３、第１の不純物半導体層４１２とは逆の導電型の第２の不純物半導体層４１４がこの順番に積層された構造を有する。不純物半導体層４１２と真性半導体層４１３と不純物半導体層４１４とは、ＰＩＮフォトダイオードを構成し、これによって光電変換を行う。本実施形態においてＰＩＮフォトダイオードを光電変換素子に用いるが、例えばＭＩＳ型素子を用いてもよい。また光電変換素子１２０の上には、保護膜４０７及び層間絶縁膜４０８を介して電源配線１１４が配される。画素１０２の上は、保護膜４０９で覆われる。電源配線１１４は、コンタクトプラグを介して光電変換素子１２０の上部電極４１５に接続される。光電変換素子１２０の下部電極４１１は、ＴＦＴ１１１のドレイン電極４０３と接続される。光電変換によって光電変換素子１２０で生成された電荷は、画像制御配線１１３に接続されたゲート電極４０１によってＴＦＴ１１１がＯＮ動作したとき、ソース電極４０２から画像信号線１１２へと出力される。

図５は、本実施形態における放射線撮像装置１００の回路構成を示す等価回路図で、図１、２に示した回路構成の変形例を示したものである。図１、２に示した等価回路図と異なる点は、検出素子１０１、補正素子１０８に代えて、検出素子と画像用の画素と、補正素子と画像用の画素とを、それぞれ対にした画素１３１、１３２を配したことである。これ以外の点は、図１、２に示した放射線撮像装置１００と同じであってよい。放射線を検出するための変換素子を配置した領域にも画像用の変換素子を配置することによって、画素の欠落を抑制し、画像の補正を容易にすることが可能となる。

図６は、図５に示した画素１３１及び画素１３２の平面図を示す。図６（ａ）に画素１３１の平面図を示す。画素１３１の上側は画素１１０と同等の構成を有し、画素１１０の光電変換素子１２０よりも面積の小さい光電変換素子１２０ａを有する。画素１３１の下側は検出素子１０１と同等の構成を有し、検出素子１０１の光電変換素子１１５よりも面積の小さい光電変換素子１１５ａを有する。また図６（ｂ）に画素１３２の平面図を示す。画素１３２の上側は画素１１０と同等の構成を有し、画素１１０の光電変換素子１２０よりも面積の小さい光電変換素子１２０ａを有する。画素１３２の下側は補正素子１０８と同等の構成を有し、補正素子１０８の光電変換素子１２３よりも面積の小さい光電変換素子１２３ａを有する。光電変換素子１２０ａの面積は、画素１０２、１１０の光電変換素子１２０の約１／２程度の面積になるが、オフセット補正やゲイン補正などの画像処理によって、画素１０２、１１０と同等の出力を得ることが可能となる。また画素１３２に配置される光電変換素子１２３ａ及びＴＦＴ１２４は、画素１３１に配置される光電変換素子１１５ａ及びＴＦＴ１１９と同一の構造を有してよい。画素１３１及び画素１３２の変換素子やＴＦＴが同一の構造を有することによって、変換素子やＴＦＴから出力される、特に温度によって変化するオフセットレベルやダーク電流を補正することができる。結果として、検出信号線１０４から得られた電気信号の値から、補正信号線１０３から得られた電気信号の値を減算することによって、その差分から検出素子１０１に照射された放射線の照射に関する情報を精度よく生成し、取得することが可能となる。

図７は、本実施形態における放射線撮像装置１００の概略レイアウト図である。図１、２、５で示した等価回路図は、前述のように放射線撮像装置の一部の領域を表した図である。図７は、放射線撮像装置１００の全体を表した概略レイアウト図で、例えば、図１に示した等価回路を有する画素エリアが、３×３の９領域設けられている。また、各画素エリアに照射された放射線情報を、信号処理回路１７１の読出し回路１７０及び情報処理回路１８０で収集することが可能となる。図１では、１つの画素エリア内に検出素子１０１と補正素子１０８とが１つずつ配置された例を示したが、図７では１つの画素エリア内にそれぞれ３つの検出素子１０１と補正素子１０８とが配置されている。１つの検出信号線１０４に接続される検出素子１０１の数と、１つの補正信号線１０３に接続される補正素子１０８の数とが同じであるとよい。また１つの検出信号線１０４が通過する画素１１０、検出素子１０１、補正素子１０８の数の総和と、１つの補正信号線１０３が通過する画素１１０、検出素子１０１、補正素子１０８の数の総和とが同じであるとよい。接続される検出素子１０１や補正素子１０８の数、通過する画素１１０、検出素子１０１、補正素子１０８の数を同等にすることによって、検出素子１０１に照射された放射線の照射に関する情報を精度よく取得することが可能となる。また例えば画素エリアＥのように、検出素子１０１及び補正素子１０８は、撮像領域の外縁部から離れ、撮像領域の中心部に配置されてもよい。検出素子１０１及び補正素子１０８の配置は、撮像対象となる被検体の大きさや配置によって、適宜決めることができる。

各画素エリアの３つの検出素子１０１は、共通の検出信号線１０４に接続されており、３つの補正素子１０８は共通の補正信号線１０３に接続されている。また検出信号線１０４と補正信号線１０３とが、異なる画素エリア同士で共用しないように列をずらして配置されている。このような構成にすることで、例えば検出制御配線１１６を駆動させ、検出素子１０１と補正素子１０８とからの信号を信号処理回路１７１へ転送させる際、全ての検出制御配線１１６を同時に動作させることが可能となる。同時に動作させることによって、走査しながら読み出した場合と比較して、放射線の照射情報を取得するための信号を読み出す間隔を短くすることが可能となり、読み出しの速度が向上する。また読み出し速度の向上が必要ない場合は、例えば図に示す上下方向の画素エリア間で検出信号線１０４と補正信号線１０３を共通化し、検出制御配線１１６を個別に駆動させる。これによって、読出し回路１７０の処理回路を簡素化でき、更に読出し回路１７０と接続する端子数を減らすことができる。

図８は、本実施形態における放射線撮像装置１００の概略レイアウト図で、図７に示した概略レイアウト図の変形例を示したものである。図７に示したレイアウトと異なる点は、検出制御配線１１６をゲート駆動回路１６０に接続する手前で画素エリアごとに束ねている点である。このような構成にすることによって、ゲート駆動回路１６０を簡素化でき、ゲート駆動回路１６０と接続する端子数を減らすことができる。

図９は、本実施形態における放射線撮像装置１００が、放射線照射を検出し照射強度を判定し照射停止時間を出力するまでのフローチャートを示した図である。ステップ９０１において、放射線撮像装置１００は、待機状態を維持する。放射線の照射が開始されると、ステップ９０２に進む。ステップ９０２では、検出信号線１０４及び補正信号線１０３によって転送される電気信号をサンプリングし、ステップ９０３において差分を抽出する。ステップ９０４では、信号処理回路１７１は、差分に基づいて放射線の照射量が安定したか否かを判定し、安定していないと判断した場合はステップ９０２に戻り、安定したと判断した場合はステップ９０５に進む。ステップ９０５では、信号処理回路１７１は、差分に基づいて放射線の照射を停止させるべき時刻（照射停止時間）を算出する。算出された照射停止時間は、ステップ９０６で信号処理回路１７１から放射線源を制御するコントローラに送信される。コントローラは、この照射停止時間に基づいて、放射線の照射を停止する。本実施形態において、放射線撮像装置１００の信号処理回路１７１によって、放射線源の制御が行われるが、これに限られるものではない。放射線撮像装置１００から、照射停止の時間の算出と出力を行わず、例えばモニタする放射線情報を出力し、停止判断は放射線を照射する管球及び管球を制御する制御回路で行っても構わない。

第２の実施形態
図１０〜１２を参照して、第２の実施形態による放射線撮像装置について説明する。図１０は、本実施形態における放射線撮像装置１００の回路構成を示す等価回路図である。第１の実施形態に示した回路構成とは、検出素子１００１と補正素子１００８とが、スイッチ素子であるＴＦＴを介さず直接、信号線に接続されている点で異なる。また検出素子１００１及び補正素子１００８から信号が出力される検出信号線及び補正信号線が、画素１０２の変換素子から信号が出力される画像信号線と兼用された兼用信号線１０１２である点で異なる。これ以外の点は、第１の実施形態と同じであってよい。

図１０に示すように、本実施形態の放射線撮像装置１００の回路構成において、検出素子１００１と補正素子１００８とが、ＴＦＴなどを用いたスイッチ素子を介さず直接、兼用信号線１０１２に接続されている。本実施形態においても、補正素子１００８の兼用信号線１０１２に接続する変換素子の大きさや、兼用信号線１０１２に接続する補正素子１００８の個数は、兼用信号線１０１２に接続する検出素子１００１と同じである。一方で、第１の実施形態と同様に検出素子１００１と補正素子１００８とは、放射線を検出するための領域の大きさが異なる。本実施形態において、検出素子１００１の方が、補正素子１００８よりも放射線を検出する領域が大きく形成される。例えば放射線を直接、電気信号に変換する放射線撮像装置の場合、放射線を遮る遮蔽部材として、例えば重金属の遮蔽部材などを補正素子１００８の変換素子の上に設けてもよい。またシンチレータを用いて放射線を光に変換し、この光を電気信号に変換する間接型の放射線撮像装置の場合、光を遮る遮蔽部材として例えばアルミニウムの遮蔽膜などを補正素子１００８の変換素子の上に設けてもよい。これによって、第１の実施形態と同様に、検出素子１００１の接続された信号線と、補正素子１００８の接続された信号線とからそれぞれ出力される信号の減算によって、検出素子１００１に照射される放射線に関する情報を精度よく生成することが可能となる。また、変換素子がスイッチ素子を介さずに出力された信号を信号処理回路１７１に転送する信号線に直接接続することによって、検出素子１００１及び補正素子１００８を駆動するための制御配線やＴＦＴなどのスイッチ素子を配置する必要がなくなる。このため、ゲート駆動回路１６０を簡素化することも可能となる。また検出素子１００１と補正素子１００８とが接続される検出信号線及び補正信号線に、画素１０２の変換素子が接続される画像信号線と共用された兼用信号線１０１２が用いられる。この結果、読出し回路１７０に接続する端子数を減らすことができ、読出し回路１７０を簡素化することが可能である。

このように、検出素子１００１、補正素子１００８、兼用信号線１０１２を用いることによって、第１の実施形態の回路構成と比較して本実施形態の回路構成は、放射線撮像装置１００の構造や製造プロセスを簡素化することが可能となる。

図１１は、本実施形態における放射線撮像装置１００の回路構成を示す等価回路図で、図１０に示した回路構成の変形例を示したものである。図１０に示した放射線撮像装置１００の等価回路図と異なる点は、検出素子１００１と補正素子１００８とから出力される電気信号が、第１の実施形態で示したように専用の検出信号線１０４及び補正信号線１０３によって信号処理回路１７１に入力される点である。これ以外の点は、図１０に示した放射線撮像装置１００と同じであってよい。このような構成にすることによって、画像信号線１１２に接続される素子を減少させ、画像信号線１１２の容量を低減できる。これによって信号雑音比（ＳＮＲ）の高い放射線撮像装置を提供することが可能となる。

図１２に、検出素子１００１の平面図及び断面図と、補正素子１００８の平面図とを示す。図１２（ａ）は、検出素子１００１の平面図である。ＴＦＴなどのスイッチ素子を設けず、光電変換素子１１５は、検出信号線１０４と直接接続する。図１２（ｂ）は、補正素子１００８の平面図である。補正素子１００８においても、検出素子１００１と同様に光電変換素子１２３が、スイッチ素子を介さずに補正信号線１０３と直接接続する。また撮像領域の上部に配置されるシンチレータとの間に遮蔽部材１２２を設けることによって、光電変換素子１２３に入射する光の量を減少させる。これによって、検出素子１００１とは放射線を電気信号に変換する感度が異なることとなり、駆動時の温度によって変化するオフセットレベルやダーク電流などを補正するための補正素子１００８として機能する。図１２（ｃ）は、図１２（ａ）に示す検出素子１００１のＢ−Ｂ’間の断面図を示す。図４に示した画素１０２の断面図と比較して、スイッチ素子であるＴＦＴが存在しない。光電変換素子１１５の下部電極４１１と検出信号線１０４とが直接接続される。

以上、本発明に係る実施形態を２形態示したが、上述した各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。また当業者が想定容易と考えられる設計事項については詳細に記載しておらず、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、変換素子やシンチレータ、ＴＦＴが異なる材料や構成であっても構わないし、放射線を直接検出する変換素子であってもよい。また、図３（ｄ）に示す補正素子１０８、図６（ｂ）に示す画素１３２において、光電変換素子１２３、１２３ａの全面を遮蔽する構成を示した。しかしながら検出素子１０１と補正素子１０８との間、又は画素１３１と画素１３２との間で、放射線と電気信号との間の変換の感度に差があればよく、例えば光電変換素子１２３、１２３ａの上部に、開口部を設け、一部の光が変換素子に届くようにしてもよい。また、例えば検出素子１０１、１００１及び補正素子１０８、１００８から信号が出力される検出信号線１０４及び補正信号線１０３の何れか一方が、画素１０２の変換素子から信号が出力される画像信号線と兼用された兼用信号線１０１２であってもよい。

以下、図１３を参照しながら本発明の放射線撮像装置１００が組み込まれた放射線撮像システムを例示的に説明する。放射線源であるＸ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は、患者又は被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、本発明の放射線撮像装置１００に入射する。この入射したＸ線に患者又は被験者６０６１の体内部の情報が含まれる。放射線撮像装置１００において、Ｘ線６０６０の入射に対応してシンチレータが発光し、これが光電変換素子で光電変換され、電気的情報を得る。この情報は、デジタルに変換され信号処理部としてのイメージプロセッサ６０７０によって画像処理され、制御室の表示部としてのディスプレイ６０８０で観察できる。また、この情報は、電話回線６０９０などの伝送処理部によって遠隔地へ転送できる。これによって別の場所のドクタールームなどの表示部であるディスプレイ６０８１に表示し、遠隔地の医師が診断することも可能である。また、この情報は、光ディスクなどの記録媒体に記録することができ、またフィルムプロセッサ６１００によって記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

１００ 放射線撮像装置、１０１ 検出素子、１０２、１１０ 画素、１０３ 補正信号線、１０４ 検出信号線、１０８ 補正素子、１７１ 信号処理回路

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、放射線画像を取得するための複数の画素がアレイ状に配置された撮像領域に照射される放射線の照射の開始、放射線の照射の終了、放射線の照射強度、及び、放射線の照射量のうち少なくとも１つを含む放射線の照射に関する情報を放射線画像とは別に取得する変換素子をそれぞれ含む第１の検出素子及び第２の検出素子と、第１の検出素子から出力される第１の電気信号及び第２の検出素子から出力される第２の電気信号を処理する信号処理回路と、を含む放射線撮像装置であって、第２の検出素子は、第１の検出素子よりも放射線を電気信号に変換する感度が低く、信号処理回路は、第１の電気信号と第２の電気信号との差分に基づいて放射線の照射に関する情報を生成することを特徴とする。

Claims (15)

1. 撮像領域にアレイ状に配置され放射線画像を取得するための複数の画素と、
   放射線を電気信号に変換するための変換素子を含む少なくとも１つの第１の検出素子、及び、少なくとも１つの第２の検出素子と、
   前記第１の検出素子から信号が出力される第１の信号線、及び、前記第２の検出素子から信号が出力される第２の信号線と、
   前記第１の検出素子から前記第１の信号線を介して出力される信号、及び、前記第２の検出素子から前記第２の信号線を介して出力される信号を処理する信号処理回路と、を含み、
   前記第１の信号線及び前記第２の信号線は、前記撮像領域又は前記撮像領域に隣接し配され、
   前記第１の検出素子は、前記第２の検出素子よりも、放射線を検出するための領域が大きく、
   前記信号処理回路は、前記第１の信号線からの信号と前記第２の信号線からの信号とに基づいて放射線の照射に関する情報を生成することを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記第１の検出素子及び第２の検出素子が前記撮像領域に配置されてい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. 前記信号処理回路は、前記第１の信号線からの信号と前記第２の信号線からの信号との差分を前記放射線の照射に関する情報として生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記放射線撮像装置は、放射線を光に変換するシンチレータを備え、
   前記変換素子は、該光を電気信号に変換し、
   前記第２の検出素子は、前記シンチレータと前記変換素子との間に該光を遮蔽する遮蔽部材を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
5. 前記第１の検出素子の前記変換素子と前記第２の検出素子の前記変換素子とが同一の構造を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
6. 前記第１の検出素子は、前記第１の検出素子の前記変換素子と前記第１の信号線との間に第１のスイッチ素子を有し、
   前記第２の検出素子は、前記第２の検出素子の前記変換素子と前記第２の信号線との間に第２のスイッチ素子を有すことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
7. 前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とが同一の構造を有することを特徴とする請求項６に記載の放射線撮像装置。
8. 前記第１の検出素子の前記変換素子と前記第１の信号線とが直接接続され、
   前記第２の検出素子の前記変換素子と前記第２の信号線とが直接接続されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 前記第１の信号線に接続される前記第１の検出素子の数と前記第２の信号線に接続される前記第２の検出素子の数とが同じである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. 前記第１の信号線及び前記第２の信号線は、前記撮像領域に対する平面視において前記複数の画素、前記第１の検出素子及び前記第２の検出素子と重なる領域を有し、
    前記第１の信号線と重なる前記複数の画素、前記第１の検出素子及び前記第２の検出素子の数の総和と、前記第２の信号線と重なる前記複数の画素、前記第１の検出素子及び前記第２の検出素子の数の総和とが同じことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
11. 前記放射線撮像装置は、前記複数の画素から信号が出力される複数の画像信号線を備え、
    前記複数の画像信号線うち何れかの画像信号線が、前記第１の信号線又は前記第２の信号線として兼用されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
12. 前記放射線撮像装置は、前記複数の画素から信号が出力される複数の画像信号線を備えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
13. 前記信号処理回路は、前記放射線の照射に関する情報を用いて、放射線源の制御を行うことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
14. 前記放射線の照射に関する情報が、放射線の照射の開始、放射線の照射の終了、放射線の照射強度、及び、放射線の照射量のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
15. 請求項１乃至１４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。