JP2021096127A - 放射線撮像装置および放射線撮像システム - Google Patents

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。

特開２０１２−２０２７３５号公報

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。

本実施形態に係る放射線撮像装置の構成例を示す断面図。 図１の放射線撮像装置の構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の変形例を示す断面図。 図１の放射線撮像装置の変形例を示す断面図。 図１の放射線撮像装置の効果を示す図。 図１の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示す図。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
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。

Images