JP2020067400A - 放射線検出装置および撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】間接変換型の放射線検出装置において、放射線検出性能の向上および空間分解能の向上の双方を比較的簡素な構成で実現可能とする。【解決手段】光電変換部が設けられた基板と、前記基板上に設けられたシンチレータと、前記シンチレータからの光を前記基板側へ反射するための光反射層と、を備える放射線検出装置であって、前記光反射層は、金属酸化物の中に複数の空隙を内包することにより、前記複数の空隙のそれぞれと前記金属酸化物との境界面において前記シンチレータからの光を反射可能に構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、主に放射線検出装置に関する。

放射線検出装置には、いわゆる間接変換方式の構成を採用したものがある（特許文献１参照）。このような放射線検出装置は、例えば、光電変換部が配列されて成るセンサパネルと、センサパネル上に設けられたシンチレータと、シンチレータを覆う光反射層とを備える。放射線検出装置に対して照射された放射線は、シンチレータにより光に変換され、該光はセンサパネルにより電気信号に変換される。

特開２００９−３１０９８号公報

光反射層はシンチレータからの光をセンサパネル側に反射し、これにより放射線検出性能を向上可能とする。その際、シンチレータからの光は光反射層の中まで侵入する可能性があり、それに起因して、光反射層からセンサパネルへの光（反射光）は多様な方向に散乱してしまうことが考えられる。このことは放射線検出装置の空間分解能の低下の原因ともなりうるため、構造上の改善の余地があった。

本発明の目的は、間接変換型の放射線検出装置において、放射線検出性能の向上および空間分解能の向上の双方を比較的簡素な構成で実現可能とすることにある。

本発明の一つの側面は放射線検出装置にかかり、前記放射線検出装置は、光電変換部が設けられた基板と、前記基板上に設けられたシンチレータと、前記シンチレータからの光を前記基板側へ反射するための光反射層と、を備える放射線検出装置であって、前記光反射層は、金属酸化物の中に複数の空隙を内包することにより、前記複数の空隙のそれぞれと前記金属酸化物との境界面において前記シンチレータからの光を反射可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、放射線検出性能および空間分解能の双方を向上可能となる。

放射線検出装置の構成例を説明するための模式図である。 光反射層の構造の例を説明するための模式図である。 作製された光反射層のＳＥＭ写真である。 光反射層の構造の他の例を説明するための模式図である。 撮像システムの構成の例を説明するためのブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図は、構造ないし構成を説明する目的で記載されたものに過ぎず、図示された各部材の寸法は必ずしも現実のものを反映するものではない。また、各図において、同一の部材または同一の構成要素には同一の参照番号を付しており、以下、重複する内容については説明を省略する。

図１は、実施形態に係る放射線検出装置１の構成例を示す模式図である。放射線検出装置１は、放射線撮像装置等とも称され、本実施形態においては、基板１１、シンチレータ１２及び光反射層１３を備える。ここでは不図示とするが、基板１１には光電変換部が設けられる。光電変換部には、例えばＰＩＮセンサ、ＭＩＳセンサ等、公知の光電変換素子が用いられうる。光電変換部は、例えば複数の行および複数の列を形成するようにアレイ状に複数配列される。基板１１には、付随的に、電気信号を読み出すためのスイッチ部が各光電変換部に対して設けられ、それらにより画素が形成される。このスイッチ部には、例えば薄膜トランジスタ等、公知のスイッチ素子が用いられうる。基板１１は、センサパネル等とも表現されうる。

シンチレータ１２は、基板１１上に上記光電変換部を覆うように設けられ、放射線が照射されたことに応じて光を発生し、即ち放射線を光に変換する。この光は、シンチレーション光とも称され、本実施形態では可視光（波長３５０［ｎｍ］〜８５０［ｎｍ］程度の光）であるものとする。シンチレーション光は、上記基板１１において上記光電変換部より光電変換され、その光量に応じた電気信号として処理される。尚、放射線には、典型的にはエックス線が用いられるが、ガンマ線等の他の電磁波が用いられてもよい。

シンチレータ１２には、タリウム添加のヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）等、柱状結晶構造の蛍光体材料が用いられうる。シンチレータ１２は、柱状結晶構造を有することにより柱結晶の延びる方向にシンチレーション光を導くことが可能であり、好適に用いられる。他の実施形態として、シンチレータ１２には、テルビウム添加の酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ（ＧＯＳ））等、粒状の蛍光体材料が用いられてもよい。

尚、ここでは不図示とするが、シンチレータ１２の潮解を防止するため、付随的に、防湿膜として作用する保護層がシンチレータ１２を覆うように設けられてもよい。更に、シンチレータ１２の下地層等、１以上の他の層が必要に応じて追加されてもよい。

光反射層１３は、柱状結晶構造のシンチレータ１２の少なくとも表面に直接接してシンチレータ１２を覆うように基板１１上に設けられる。光反射層１３は、シンチレータ１２からの光のうち、基板１１から離れる方向に向かう成分を基板１１側に反射し、即ち、シンチレーション光の漏れを低減する。これにより、放射線量に応じた光量を漏れなく電気信号に光電変換することが可能となり、放射線検出性能を向上可能となる。ここでは不図示とするが、光反射層１３は、シンチレータ１２の側面を覆ってもよく、また、基板１１の側面および付随的に底面を更に覆ってもよい。

尚、基板１１で生成された電気信号は、不図示のプロセッサにより所定の信号処理が行われ、画像データに合成されうる。この画像データは、例えばＬＥＤディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等の表示部に出力され、放射線画像として表示される。

図２（ａ１）は、光反射層１３の構成の一例を示す模式図である。本実施形態においては、光反射層１３は、金属酸化物で構成された複数の粒子１３１が相互に結合して成り、複数の粒子１３１の間には複数の空隙１３２が形成される。粒子１３１同士は所定の結合材料を介して相互に結合され、例えば、粒子１３１に同材料のモノマーを接触させることにより該結合を実現可能である。粒子１３１を構成する金属酸化物には、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び／又は酸化シリコンが用いられうるが、本実施形態では酸化チタンが用いられるものとする。

図２（ａ１）に示されるように、下方側からのシンチレーション光９１は、光反射層１３において反射光９２として下方側に反射される。具体的には、光９１は主に粒子１３１‐空隙１３２間の境界面において下方側に反射され、この境界面は、光を反射する反射面として作用する。以下の説明において、粒子１３１‐空隙１３２間の境界面を単に「反射面」と表現する場合がある。

理解の簡易化のため、図中には、複数の粒子１３１が仮想的に所定の態様で一様に配列されたものを示す。このような構成において、光９１は、図中において矢印ａ及びｂで示されるように、粒子１３１‐空隙１３２間の境界面である反射面において反射される。ここで、光反射率の向上のため、光反射層１３は、上記反射面の密度が高くなるように構成されるとよい。よって、粒子１３１は、比較的小さい径で且つ高密度に相互に結合しているとよい。例えば、粒子１３１は、３０［ｎｍ］〜１０［μｍ］の範囲内、より好適には５０［ｎｍ］〜１［μｍ］の範囲内、の直径で構成され、光反射層１３の単位体積あたり（１［μｍ^３］あたり）の反射面の面積は０．０３［μｍ^２］以上とするとよい。

光反射層１３における上記反射面の密度を高くすることにより、光９１の大部分は、図中において矢印ａで示されるように、光反射層１３の比較的浅い位置の反射面において反射されうる。一方、他の部分は、図中において矢印ｂで示されるように、光反射層１３から比較的深い位置の反射面において反射され得、それより深い位置の反射面での光の反射は実質的に生じない。その結果、反射光９２の光束が広がることを抑制可能となる。

図２（ａ２）は、光反射層１３の構成の他の例を示す模式図である。複数の粒子１３１が高密度で配列されることで上記反射面を高密度化することが可能となる。そのため、複数の粒子１３１は、図２（ａ２）に示されるように、１つあたりの空隙１３２の体積が小さくなるように配列されてもよい。このような構成によっても図２（ａ１）同様あるいはそれ以上の効果が得られると云える。

図２（ｂ）は、参考例に係る光反射層１３_ＲＥＦの構成を示す模式図である。光反射層１３_ＲＥＦは、複数の粒子１３１をバインダ１３０内に含有させて成る。バインダ１３０には、アクリル系樹脂、ブチラール系樹脂等、公知の透光性樹脂が用いられればよい。このような構造によれば、シンチレーション光９１の大部分は、光反射層１３_ＲＥＦの比較的深い位置まで侵入した後に粒子１３１により反射されうるため、反射光９２_ＲＥＦの光束が広がってしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態（図２（ａ１）及び図２（ａ２）参照）によれば、複数の粒子１３１はバインダ１３０を介さずに相互に結合しており、光反射層１３の比較的浅い位置で光９１を反射可能とするため、反射光９２の光束は広がりにくくなる。そして、この反射光９２は、基板１１に設けられた光電変換部により適切に光電変換され、結果として、放射線検出装置１の空間分解能の向上に有利となる。

光反射率の更なる向上のため、個々の空隙１３２は、例えば屈折率１．１以下で設けられるとよい。例えば、個々の空隙１３２は、気体で充たされていてもよいし、実質的に真空状態であってもよい。上記光反射率の向上のため、粒子１３１を構成する金属酸化物には屈折率の比較的高いものが用いられればよいが、該金属酸化物に酸化チタンを用いることにより製造コストの低減にも有利となる。

図３（ａ）は、本発明者により作製された装置１におけるシンチレータ１２及び光反射層１３を含む領域（それらの境界部及びその周辺部）のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の一部を更に拡大したＳＥＭ写真である。図３（ｃ）は、シンチレータ１２及び光反射層１３の境界部を更に拡大したＳＥＭ写真である。本例においては、酸化チタンの粒子１３１の溶液をシンチレータ１２上に塗布した後にＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ（オルトケイ酸テトラエチル））を接触させて粒子１３１を相互に結合させることにより、光反射層１３を形成した。粒子１３１には、直径１００［ｎｍ］〜２００［ｎｍ］程度のものを用いた。本発明者の鋭意検討により、本例によれば、光反射率の向上と共に、図２（ｂ）の構造（バインダ１３０に粒子１３１を含有させて反射層１３_ＲＥＦを形成した構造）に比べて空間分解能が向上することが確認された。

尚、本実施形態においては、柱状結晶構造のシンチレータ１２を採用している。そのため、光束の広がりが抑制された上記反射光９２は、シンチレータ１２の柱結晶の延びる方向に沿って基板１１に導かれることとなり、空間分解能の向上に更に有利である。

図４（ａ）は、本実施形態に係る光反射層１３の構成態様を示す模式図である。本実施形態においては、金属酸化物で構成された複数の粒子１３１が相互に結合されることにより、それらの間に空隙１３２が形成される態様を例示したが、光反射層１３はこの構成に限られるものではなく、他の態様によっても同様の構成を実現可能である。例えば、他の実施形態として図４（ｂ）に示されるように、光反射層１３’は、金属酸化物１３１’の中に粒状の空隙１３２’が複数形成されて構成されてもよい。即ち、光反射層１３又は１３’は、金属酸化物の中に、その金属酸化物との境界面を、シンチレーション光を反射可能な反射面として形成する空隙１３２又は１３２’を複数内包して構成されればよく、光反射層を構成する部材そのものは粒子状でなくてもよい。

以上、本実施形態によれば、光反射層１３（又は１３’）は、金属酸化物の中に複数の空隙１３２（又は１３２’）を内包することにより、個々の空隙１３２と該金属酸化物との境界面においてシンチレーション光を反射可能に構成されている。図２（ａ１）及び図２（ａ２）の例では、光反射層１３は、金属酸化物で構成された複数の粒子１３１が相互に結合して成り、複数の空隙１３２は複数の粒子１３１の間に形成される。粒子１３１‐空隙１３２間の境界面は、シンチレーション光を反射可能な反射面として作用する。このような構成によれば、シンチレーション光は、光反射層１３の比較的浅い位置において粒子１３１‐空隙１３２間の境界面である反射面で反射されることとなり、反射光の光束が広がりにくくなる。よって、本実施形態によれば、放射線検出性能および空間分解能の双方を向上可能となる。

上記反射面での光反射率の向上のため、光反射層１３における複数の空隙１３２の全体積の割合は１０％以上とするとよい。空隙１３２は、部材（固体）で充填されない領域を示し、空間、部屋、非充填領域等と表現されてもよい。空隙１３２は、気体で充たされていてもよいし、実質的に真空状態であってもよい。また、粒子１３１を構成する金属酸化物には、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び／又は酸化シリコンが用いられうるが、酸化チタンの粒子１３１によれば、上記光反射率の向上に加え、製造コストの低減にも有利である。

光反射率の更なる向上のため、光反射層１３は、上記反射面の密度が高くなるように構成されるとよい。例えば、光反射層１３の単位体積あたり（１［μｍ^３］あたり）の反射面の面積は、シンチレーション光の波長帯域に基づいて決定されてもよい。本実施形態においては、シンチレーション光は可視光であるため、光反射層１３の単位体積あたりの反射面の面積は、例えば、０．０３［μｍ^２］以上とするとよい。このことは、例えばＦＩＢ（集束イオンビーム）−ＳＥＭを用いた三次元構造解析により計測可能である。

一方、反射面間の距離がシンチレーション光の波長の１０分の１以下になると、シンチレーション光が反射されにくくなるため、光反射層１３の単位体積あたりの反射面の面積を大きくし過ぎると、却って光反射率が低下してしまう可能性がある。よって、反射面間の距離がシンチレーション光の波長の１０分の１より大きくなるように、例えば、光反射層１３の単位体積あたりの反射面の面積を１００［μｍ^２］未満とするとよい。

上述の構成を実現するため、粒子１３１は、３０［ｎｍ］〜１０［μｍ］の範囲内の直径で構成されるとよく、より好適には、５０［ｎｍ］〜１［μｍ］の範囲内の直径で構成されるとよい。本実施形態によれば、光反射層１３を、可視光についての光吸収率（光透過率および光反射率を除く割合）が５０％以下となるように構成可能である。

また、本実施形態によれば、シンチレーション光は、光反射層１３の深い位置まで侵入することなく基板１１側に反射される。そのため、上述の内容は、光反射層１３におけるシンチレータ１２側の一部（図１における下方部）のみに適用されてもよく、即ち、空隙１３２は、光反射層１３における下方部のみに形成されてもよい。その際、空隙１３２が形成される領域は、上記反射面でのシンチレーション光の反射が適切に実現可能となる厚さで決められればよい。例えば、シンチレーション光の波長をλとしたとき、複数の空隙１３２は、光反射層１３のうち、シンチレータ側の厚さλ／１０の領域、好適には厚さλ／５の領域、より好適には厚さλ／２の領域、或いは、それ以上の厚さの領域に形成されるとよい。

付随的に、光反射層１３のうちシンチレータ１２側とは反対側の部分（図１における上方部）あるいは空隙１３２が実質的に形成されない領域には、樹脂等の材料がバインダとして用いられてもよい。この場合、光反射層１３全体の機械強度が向上しうる。

図５は、実施形態の内容の適用例として、医療検査等に用いられる撮像システムの構成例を示す。放射線源６１０が発生した放射線６１１は、患者等の被検者６２０の胸部６２１を透過し、放射線検出装置６３０に入射する。装置６３０に入射した放射線６１１には被検者６２０の体内の情報が含まれており、装置６３０は、放射線６１１に応じた電気的情報を取得する。この電気的情報は、デジタル信号に変換された後、例えばプロセッサ６４０によって所定の信号処理が為される。

医師等のユーザは、この電気的情報に応じた放射線画像を、例えばコントロールルームのディスプレイ６５０で観察することができる。ユーザは、放射線画像又はそのデータを、所定の通信手段６６０により遠隔地へ転送することができ、この放射線画像を、他の場所であるドクタールームのディスプレイ６５１で観察することもできる。また、ユーザは、この放射線画像又はそのデータを所定の記録媒体に記録することもでき、例えば、プロセッサ６７０によってフィルム６７１に記録することもできる。

以上では幾つかの好適な例を示したが、本発明はこれらに限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその一部が変更されてもよい。また、本明細書に記載された個々の用語は、本発明を説明する目的で用いられたものに過ぎず、本発明は、その用語の厳密な意味に限定されるものでないことは言うまでもなく、その均等物をも含みうる。

１：放射線検出装置、１１：基板（センサパネル）、１２：シンチレータ、１３：光反射層、１３１：粒子、１３２：空隙。

Claims (13)

1. 光電変換部が設けられた基板と、前記基板上に設けられたシンチレータと、前記シンチレータからの光を前記基板側へ反射するための光反射層と、を備える放射線検出装置であって、
   前記光反射層は、金属酸化物の中に複数の空隙を内包することにより、前記複数の空隙のそれぞれと前記金属酸化物との境界面において前記シンチレータからの光を反射可能に構成されている
   ことを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記金属酸化物は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び／又は酸化シリコンを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
3. 前記光反射層は、前記金属酸化物で構成された複数の粒子が相互に結合して成り、
   前記複数の空隙は、前記複数の粒子間に形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の放射線検出装置。
4. 個々の粒子の直径は３０［ｎｍ］〜１０［μｍ］の範囲内である
   ことを特徴とする請求項３記載の放射線検出装置。
5. 個々の粒子の直径は５０［ｎｍ］〜１［μｍ］の範囲内である
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の放射線検出装置。
6. 前記複数の粒子は、バインダを介さずに相互に結合している
   ことを特徴とする請求項３から請求項５の何れか１項記載の放射線検出装置。
7. 前記光反射層における前記複数の空隙の全体積の割合は１０％以上である
   ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項記載の放射線検出装置。
8. 前記複数の空隙は、前記光反射層の１［μｍ^３］体積における前記粒子と前記空隙との間の境界面の面積が０．０３［μｍ^２］以上となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項記載の放射線検出装置。
9. 前記複数の空隙は、前記光反射層の１［μｍ^３］体積における前記境界面の面積が１００［μｍ^２］未満となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項８記載の放射線検出装置。
10. 個々の空隙は、気体で充たされ又は真空状態である
    ことを特徴とする請求項１から請求項９の何れか１項記載の放射線検出装置。
11. 前記シンチレータからの光は可視光であり、前記光反射層は、前記可視光についての光吸収率が５０％以下となるように構成されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか１項記載の放射線検出装置。
12. 前記シンチレータは、柱状結晶構造を有し、
    前記光反射層は、柱状結晶構造の前記シンチレータの少なくとも表面に直接接して前記シンチレータを覆うように前記基板上に設けられる
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１の何れか１項記載の放射線検出装置。
13. 請求項１から請求項１２の何れか１項記載の放射線検出装置と、前記放射線検出装置に対して放射線を照射する放射線源とを備える
    ことを特徴とする撮像システム。