JP2021096127A - 放射線撮像装置および放射線撮像システム - Google Patents
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Abstract
【課題】放射線撮像装置において、回路基板の発熱に起因する画質の低下の抑制に有利な技術を提供する。【解決手段】入射した放射線を画像信号に変換するための変換部を含む変換パネルと、変換パネルの一方の面の側に配された回路基板と、面と回路基板との間に配された熱伝導率に異方性を有する部材と、を含む放射線撮像装置であって、部材の面に沿う面方向の熱伝導率が、部材の面と交差する厚さ方向の熱伝導率よりも高い。【選択図】図1
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。
被写体を透過した放射線の強度分布を検出し、電気信号へ変換することによって放射線画像を取得する放射線撮影装置が広く用いられている。特許文献1には、装置全体の重量を増加させることなく、筐体内部での発熱に起因する画像むらの発生を抑制可能な放射線撮像装置が示されている。
放射線撮像装置の軽量化が検討されている。軽量化の方法のひとつとして、放射線変換パネルに用いる基板の厚さを薄くすることが挙げられる。基板を薄くした場合、基板の厚さ方向の熱抵抗が低下し、集積回路や電源回路など回路基板の発熱が、放射線変換パネルの光電変換層に伝わりやすくなり、画質に対する発熱の影響が大きくなりうる。特許文献1の構成では、画像むらの抑制が不十分となる可能性がある。
本発明は、放射線撮像装置において、回路基板の発熱に起因する画質の低下の抑制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、入射した放射線を画像信号に変換するための変換部を含む変換パネルと、変換パネルの一方の面の側に配された回路基板と、面と回路基板との間に配された熱伝導率に異方性を有する部材と、を含む放射線撮像装置であって、部材の面に沿う面方向の熱伝導率が、部材の面と交差する厚さ方向の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
上記手段によって、放射線撮像装置において、回路基板の発熱に起因する画質の低下の抑制に有利な技術を提供する。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
また、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(a)〜6を参照して、本開示の一部の実施形態における放射線撮像装置について説明する。図1(a)は、本開示の放射線撮像装置100の構成例を示す断面図である。放射線撮像装置100は、入射した放射線を画像信号に変換するための変換部114を含む変換パネル110と、変換パネル110の一方の面115の側に配され、変換部114を動作させるための回路基板120と、を含む。変換パネル110は、ダンパー材170を介して支持基台180によって支持されている。また、変換パネル110の面115と回路基板120との間には、熱伝導率に異方性を有する部材130が配されている。回路基板120は、フレキシブル基板140、プリント基板150などを介して、変換パネル110に電気的に接続されている。
図1(a)に示される構成において、回路基板120として、変換部114から出力される画像信号を処理するための集積回路120a、および、電源回路120bが配されている。しかしながら、これに限られることはなく、集積回路120aと電源回路120bとの何れか1つが配されていてもよいし、他の回路が配されていてもよい。回路基板120は、放射線撮像装置100において、発熱源となる部材である。
変換パネル110、回路基板120、および、部材130などの放射線撮像装置100の各構成要素は、筐体160に収容されている。図1(a)に示される構成において、筐体160は、放射線を入射させる側に配される上部筐体160aと、上部筐体160aに対向する位置に配される下部筐体160bと、を含むが、これに限られることはない。例えば、筐体160は、放射線を入射させる側に配される上部筐体と、上部筐体に対向する位置に配される下部筐体と、上部筐体と下部筐体との間に配される側部筐体と、を含む構成であってもよい。
変換パネル110は、基板111と、基板111の上に配された、入射する放射線を画像信号に変換するための変換部114と、を含む。本実施形態において、基板111は、絶縁性の基板である。また、本実施形態において、変換部114は、放射線を画像信号に変換するための複数の画素が配された画素領域112と、放射線を画素領域112に配された複数の画素が検出可能な波長の光に変換するシンチレータ113と、を備える。光電変換を行う画素領域112に配された画素のそれぞれには、アモルファスシリコンを主材料とするPIN型フォトダイオードや、MIS型フォトダイオードなどがもちいられてもよい。本実施形態では、シンチレータ113とシンチレータ113によって放射線から変換された光を電気信号に変換する画素とを組み合わせた間接型の変換部114が用いられるが、放射線を直接、電気信号に変換する直接型の変換部が用いられてもよい。
ダンパー材170は、衝撃や光を吸収する機能を備えていてもよく、支持基台180と基板111とを結合する。ダンパー材170として、例えば、黒色の樹脂などが用いられてもよい。支持基台180は、放射線撮像装置100の筐体160内の各構成要素を支持している。支持基台180には、アルミニウムやマグネシウムなどを含む軽量な金属や金属合金が用いられていてもよい。支持基台180が金属などの導電体で構成される場合、電磁波を遮蔽する機能を有しうる。図1(a)に示される構成において、基板111と支持基台180とが配されているが、基板111が、支持基台180の機能を有していてもよい。
近年、放射線撮像装置100に対する軽量化の要望から、基板111の薄板化や、ガラスからフィルムなどの樹脂への材質変更が検討されている。物質の熱の伝わり易さを示す指標として、熱抵抗値がある。熱抵抗値は、(物質の厚み)/(熱伝導率)によって求められ、熱抵抗値が小さいほど熱が伝わり易いことを表している。例えば、基板111がガラスの場合、熱伝導率を0.8W/mK、厚さを500μmとすると、熱抵抗値は、625μm・mK/Wと算出される。このガラスの厚さを200μmに薄くした場合、熱抵抗値(R)は、250um・mK/Wと算出され、基板111側から画素領域112への熱の伝わりやすさは、2.5倍となる。また、さらなる放射線撮像装置100の軽量化のために、基板111に樹脂フィルムを用いる場合を考える。この場合、基板111には耐熱性が求められる事から、例えば、樹脂フィルムとしてポリイミドが用いられる。基板111として、厚さが38μmのポリイミドを選択すると、熱抵抗値は、127μm・mK/Wと算出される。基板111を、厚さ500μmのガラスから、厚さ38μmのポリイミドへ変更した場合、基板111から画素領域112への熱の伝わりやすさは、ガラスを用いた場合の4.9倍と大きくなる。
基板111の熱抵抗値が小さくなると、基板111を介して回路基板120から画素領域112に熱が伝わりやすくなる。このとき、基板111の厚さが厚い場合と比較して、熱が基板111の面115に沿った面方向に広がらずに画素領域112に届きやすくなる。つまり、回路基板120の配置に応じて、局所的に画素領域112に熱が伝わり、画素領域内で熱分布が生じてしまうことになる。このため、画素領域112内に配された画素の熱による特性の変化の分布が生じ、撮像された放射線画像の画質が低下してしまう可能性がある。
回路基板120による画素領域112の熱分布の発生を抑制するために、本実施形態において、基板111の面115と回路基板120との間に、熱伝導率に異方性を有する部材130が、配されている。この部材130の基板111とは反対の側に回路基板120が、直接、または、フレキシブル基板140やプリント基板150を介して設置される。図1(b)は、部材130の一部を拡大した図である。部材130は、部材130の面115に沿う面方向の熱伝導率が、部材130の面115と交差する厚さ方向の熱伝導率よりも高い部材である。
熱伝導率が異方性を示す部材130として、炭素の同素体であるグラファイト(黒鉛)をシート状に加工したものが使用できる。グラファイトシートは、高分子フィルムを高温で熱分解し、単結晶に近い結晶構造を厚さ方向に対して垂直な面方向に高配向させる高温焼成によって製作される。この結果、グラファイトシートは、面方向において金属よりも高い熱伝導率を有し、金属よりも軽いといった特徴がある。
さらに、グラファイトシートは、導電率が高いため、電磁波をシールドする機能を備えている。例えば、プリント基板150と部材130とを導電性のビスなどで電気的に接続することによって、外来ノイズなどの電磁波に対する耐性を向上させることができる。このとき、プリント基板150と部材130との接触面は、プリント基板150と部材130との無用な短絡防止のため、接続部以外は、絶縁処理を行ってもよい。
部材130としてグラファイトシートを用いる場合、面方向の熱伝導率は、300〜1950W/mK、厚さ方向の熱伝導率は、3〜26W/mKの範囲のグラファイトシートが用いられてもよい。例えば、部材130の面方向の熱伝導率が、部材130の厚さ方向の熱伝導率の11倍以上であってもよい。部材130の厚さは、10μm以上かつ1000μm以下の範囲から選択されうる。部材130が薄すぎる場合、熱を面方向に拡散させる効果が相対的に小さくなる。また、部材130が厚すぎる場合、放射線撮像装置100の重量が重くなってしまう。
また、基板111の面115に対する正射影において、部材130が、画素領域112を覆っていてもよい。例えば、部材130が、画素領域112の全体と重なるように配されていてもよい。さらに、基板111の面115に対する正射影において、部材130が、画素領域112よりも大きくてもよい。図1(a)に示される断面図においても、部材130は、画素領域112よりも広い範囲に配されている。部材130が配される領域が、画素領域112よりも大きい場合、画素領域112の全体において熱分布の発生が抑制され、画像むらの発生が抑制される。結果として、回路基板120の発熱に起因する画質の低下が抑制できる。
基板111と回路基板120との間に部材130ではなく金属を配する場合を考える。この場合、金属として、モリブデン(熱伝導率:138W/mK)やマグネシウム(熱伝導率:157W/mK)などが用いられうる。そこで、部材130の面方向の熱伝導率が、158W/mK以上であってもよい。上述のように、グラファイトシートの面方向の熱伝導率は、300〜1950W/mKであり、158WmK以上である。さらに、金属は、厚さ方向と面方向との間に熱伝導率の差はないが、部材130は、厚さ方向の熱伝導率が、モリブデンやマグネシウムなどの金属よりも小さく、回路基板120から基板111に熱を通しにくい。例えば、上述のようにグラファイトシートの厚さ方向の熱伝導率は、3〜26W/mKである。
以上、説明したように、筐体160の内部に配される集積回路120aや電源回路120bなどの回路基板120で発生する熱は、部材130によって、厚さ方向よりも面方向に伝わりやすい。このため、回路基板120で発生した熱は、部材130の面方向に広がり熱分布の生成を抑制し、また、基板111を介して画素領域112に伝わり難くなる。結果として、熱伝導率に異方性を有する部材130を配することによって、筐体160内部の回路基板120の発熱に起因する画質の低下が抑制された放射線撮像装置100が実現できる。
図1(a)の構成において図示されていないが、支持基台180と部材130の間に、発泡性樹脂シートなどの断熱性の部材をさらに追加してもよい。断熱性の部材をさらに配することによって、回路基板120で発生した熱を画素領域112に伝わり難くすることができる。また、図1(a)に示される構成は、放射線を入射させる上部筐体160aの側から、変換部114、基板111、回路基板120の順で配される表面入射方式で説明したが、これに限られることはない。放射線を入射させる上部筐体160aの側から、基板111、変換部114、回路基板120の順で構成される裏面入射方式にも適用可能である。この場合においても、熱伝導率に異方性を有する部材130は、変換部114と回路基板120との間に配置することによって、上述の効果を得ることが可能である。
図2は、図1(a)の断面図に対し、上部筐体160a、支持基台180に支持された各構成、および、下部筐体160bを斜視した、放射線撮像装置100の構成を示す図である。図2は、図1(a)とは上下方向を反転(放射線を入射させる面は、図2において下側。)させた図である。図2に示されるように、熱伝導率に異方性を有する部材130は、支持基台180に略同等な大きさで、1枚のシートによって構成されている。部材130を1枚のシート状の部材とすることによって、部材130が複数の部材によって構成される場合と比較して、回路基板120で発生した熱をより確実に部材130の面方向の全体に拡散させることができる。
図3は、図1(a)に示す放射線撮像装置100の変形例を示す断面図である。図1(a)との違いは、支持基台180の集積回路120aが実装された辺と対向する辺から部材130が突出し、部材130が、下部筐体160bに接している。部材130が、下部筐体160bに接することによって、集積回路120aや電源回路120bなど回路基板120に搭載されている素子などから発生した熱を、筐体160に直接、拡散する事が可能となる。これによって、放射線撮像装置100が処理できる熱容量を増やすことができる。また、図3に示される構成において、部材130が、集積回路120aが実装された辺と対向する辺から突出している。このため、集積回路120aが実装された辺に近い部分で部材130が筐体160と接する場合よりも、集積回路120aで発生した熱が、部材130の面方向の全体に広がりやすく、熱分布が生成されにくい。しかしながら、これに限られることはなく、部材130は、支持基台180の他の適当な部分から筐体160まで突出していてもよい。また、図3に示される構成において、部材130は、筐体160のうち下部筐体160bに接しているが、上部筐体160aと接していてもよい。
図4は、図1(a)に示す放射線撮像装置100のさらなる変形例を示す断面図である。図1(a)との違いは、部材130と回路基板120との間に、熱伝導率に異方性を有する追加の部材131が、さらに配されていることである。部材130と同様に、追加の部材131の面方向の熱伝導率は、追加の部材131の厚さ方向の熱伝導率よりも高い。これによって、厚さ方向への伝熱をさらに抑制することができる。
また、基板111の面115に対する正射影において、回路基板120や回路基板120が載置されたプリント基板150は、画素領域112よりも小さい。このため、追加の部材131は、画素領域112の全体を覆う部材130とは異なり、回路基板120やプリント基板150に応じた大きさであってもよい。つまり、追加の部材131は、部材130の一部に重なるように配されうる。追加の部材131は、部材130と同じ材料によって構成されていてもよいし、異なる材料によって構成されていてもよい。例えば、部材130および追加の部材131が、上述のグラファイトシートによって構成されていてもよい。また、図4では、支持基台180と回路基板120との間に、部材130と追加の部材131との2層の熱伝導率に異方性を有する部材が配されているが、これに限られることはない。支持基台180と回路基板120との間に、2層以上の追加の部材131が配され、結果として、支持基台180と回路基板120との間に、3層以上の熱伝導率に異方性を有する部材が配されていてもよい。
図5は、放射線撮像装置100において、部材130を配した場合と配さなかった場合とにおいて、放射線撮像装置100の電源を投入(オン)してから一定間隔で暗電流の出力を取得し、同一領域の暗電流の平均値をプロットした図である。回路基板120のうち集積回路120aは、筐体160の内部で発熱量が最も大きい場所のひとつであり、この熱が画素領域112に達すると暗電流が変動し、熱分布がある場合、画像むらなどが発生する可能性がある。暗電流の変動が大きい場合、画像むらも大きくなる傾向がある。
図5の例では、部材130として厚さ400μmのグラファイトシートを用いた。厚さ方向の熱伝導率は、4W/mK、面方向の熱伝導率は、400W/mKである。部材130は、集積回路120aと支持基台180との間に配した。部材130の有無以外は、同じ条件で測定を行った。具体的には、基板111は、厚さ500μmのガラスを用いた。ダンパー材170は、PET基材の両面をアクリル系樹脂でコートし、厚さは100μmである。支持基台180は、厚さ2mmのマグネシウムを用いた。図5に示されるように、部材130を配した場合、部材130を配さなかった場合と比較して、暗電流の出力の経時変化が小さくなり、暗電流特性が改善していることがわかる。また、部材130を配することによって、画像むらも改善することが確認できた。
以下、図6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について例示的に説明する。放射線撮像装置6040(上述の放射線撮像装置100に相当する)に放射線を照射するための放射線源である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、放射線撮像装置6040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6040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、LAN、インターネットなどのネットワーク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。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
100:放射線撮像装置、110:変換パネル、114:変換部、120:回路基板、130:部材
Claims (15)
- 入射した放射線を画像信号に変換するための変換部を含む変換パネルと、
前記変換パネルの一方の面の側に配された回路基板と、
前記面と前記回路基板との間に配された熱伝導率に異方性を有する部材と、
を含む放射線撮像装置であって、
前記部材の前記面に沿う面方向の熱伝導率が、前記部材の前記面と交差する厚さ方向の熱伝導率よりも高いことを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記変換部は、放射線を画像信号に変換するための複数の画素が配された画素領域を備え、
前記面に対する正射影において、前記部材が、前記画素領域を覆うことを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記変換部が、放射線を前記複数の画素が検出可能な波長の光に変換するシンチレータをさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の放射線撮像装置。
- 前記変換パネルと前記回路基板との間に、前記変換パネルを支持する支持基台と、前記変換パネルと前記支持基台とを結合するダンパー材と、がさらに配され、
前記部材が、前記支持基台と前記回路基板との間に配されている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。 - 前記部材と前記回路基板との間に、熱伝導率に異方性を有する追加の部材が、さらに配され、
前記追加の部材の前記面方向の熱伝導率が、前記追加の部材の前記厚さ方向の熱伝導率よりも高い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。 - 前記追加の部材が、前記部材と同じ材料によって構成されていることを特徴とする請求項5に記載の放射線撮像装置。
- 前記変換パネル、前記回路基板、および、前記部材を収容するための筐体をさらに含み、
前記部材が、前記筐体に接してい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。 - 前記部材の厚さが、10μm以上かつ1000μm以下であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の放射線撮像装置。
- 前記部材の前記面方向の熱伝導率が、158W/mK以上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。
- 前記部材の前記面方向の熱伝導率が、前記部材の前記厚さ方向の熱伝導率の11倍以上である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。
- 前記部材が、グラファイトシートを含む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。
- 前記部材が、電磁波をシールドする機能を備える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。
- 前記部材が、1枚のシート状の部材である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。
- 前記回路基板が、前記変換部から出力される前記画像信号を処理するための集積回路、および、電源回路のうち少なくとも一方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。
- 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。
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JP2019226805A JP2021096127A (ja) | 2019-12-16 | 2019-12-16 | 放射線撮像装置および放射線撮像システム |
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