JP2021137190A - 撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線画像の撮影装置に搭載されたＡＥＣ機能を使用する際に、装置に荷重がかかるような撮影環境でも、正確な放射線量を検出することが可能な撮影装置を提供することを目的とする。【解決手段】開口部を有する保持基台と、放射線を検出し画像信号に変換する撮像用画素及び放射線照射量をモニターする検知用画素が二次元配列され、前記保持基台に積層された画素配列部と、前記保持基台と前記画素配列部の間に積層されており、空隙を持つ層と、を有して構成されており、前記開口部の前記画素配列部の法線方向において、前記空隙は、前記開口部を包含するように設けられたことを特徴とする撮影装置で表される本件発明により解決される。【選択図】図５

Description

本発明は、撮影装置に関するものである。

医療分野における放射線画像の撮影装置として、絶縁基板上に薄膜半導体材料によって形成されたフラットパネルディテクタ（以下ＦＰＤ）方式を用いた撮影装置が普及している。医療画像診断においては、静止画撮影および透視撮影のような動画撮影のために、デジタル撮影装置が用いられている。

このような撮影装置により迅速かつ広範囲な部位の撮影を可能にするため、薄型で軽量な可搬型ワイヤレスタイプの装置が製品化されており、近年では多機能化が検討されている。

その一つとして、自動露出制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ、以下ＡＥＣ）機能の搭載が検討されている。ワイヤレスタイプの撮影装置への搭載により使い勝手が向上することで、これまでＡＥＣ機能が利用されていなかった状況、例えば回診車などでのポータブル撮影などでも利用されることが期待できる。

特許文献１には、センサアレイ内に放射線検出用画素を配置し、放射線照射中はその画素からの信号を読み出すことで、放射線照射量を検出する撮影装置が記載されている。

特開２０１２−１５９１３号公報

しかしながら、患者による荷重が撮影装置にかかった場合、装置の変形が起こり、装置内部に配置されたセンサ基板まで変形してしまう可能性がある。その変形により、センサ基板内の放射線検出用画素において画素内インピーダンスが変化し、ノイズ特性、オフセット特性に影響することで放射線量の適正な検出ができなくなりうる。

特に、荷重により、センサ基板が直接的あるいは間接的に内部構造の段差部分と接触している部分は、センサ基板が局所的に変形しやすい。その部分では、前述の放射線量検出への影響が顕著となってしまう。また放射線の検出においては、時間分解能を上げるために高速に検出信号を読み出す必要がある。そのため、１サンプル当りの信号量は非常に小さくなり、検出信号の変化の影響が大きくなる。

本発明は、撮影装置に荷重がかかるような状況下においても、撮影装置に搭載されたＡＥＣ機能を使用する際に、正確な放射線量を検出することが可能な撮影装置を提供することを目的とする。

上記の課題は、保持基台と、前記保持基台と接する中間層と、前記中間層と接する画素配列部と、を有する撮影装置であって、前記保持基台、前記中間層、及び前記画素配列部をこの順に備え、前記保持基台は、開口部を有し、前記中間層は、空隙を有し、前記画素配列部は、放射線を検出し画像信号に変換する撮像用画素と、前記画像信号とは異なる、入射した放射線の放射線量を検知するための信号を出力する検知用画素と、を含む、二次元配列された複数の画素を有し、前記空隙は、前記画素配列部の入射面側から見て、前記開口部を包含するように設けられていることを特徴とする撮影装置により解決される。

本発明によれば、撮影装置に荷重がかかるような環境においても、ＡＥＣ機能を使用する際に正確な放射線量を検出することが可能な撮影装置を提供することができる。

第１実施形態における撮影装置の斜視図及び断面図である。 第１実施形態における撮影装置の放射線検出部の構成図である。 第１実施形態における撮影装置の制御部の構成図である。 撮影装置の部分拡大図と検知画素出力の例である。 第１実施形態における撮影装置の部分拡大図である。 第１実施形態における撮影装置の部分拡大図である。 第２実施形態における撮影装置の平面断面図である。

以下、本発明の実施形態のいくつかを添付図に基づき詳細を説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態における撮影装置の構成を示す図である。図１（ａ）は撮影装置１００の入射面側から見た外観斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す線Ａ−Ａに沿って撮影装置１００を切断して矢印方向から見た断面図である。図１（ｂ）中の矢印Ｘは、撮影装置１００に入射する放射線の入射方向を模式的に示す。

撮影装置１００は、略直方体形状であって、筐体１によって撮影装置１００を構成する各部品が内包される。筐体１は、第１外装としての前面カバー２、第２外装としての背面カバー３を有する。胸当て部２ａは、板状であって、放射線透過率の高い材料からなる。胸当て部２ａの周縁に位置する枠部２ｂ及び、背面カバー３は、表面に塗装等を施したマグネシウム合金やＣＦＲＰ等の軽量高剛性材からなる。

筐体内には入射面側から順に、衝撃吸収シート４、画素配列部２２８、第一の接着層５、放射線遮蔽シート６、保持基台２５０が積層される。衝撃吸収シート４は外部より受ける衝撃から画素配列部２２８を保護する。

画素配列部２２８は、放射線を検出して、画像信号に変換する。放射線を可視光に波長変換するシンチレータ（蛍光体）、センサ基板、反射防止や衝撃吸収効果がある絶縁体によって構成されている。なお、絶縁体による反射防止とは、シンチレータによって変換された光が背面（放射線入射面と反対側の面）から反射してセンサ基板へ再入射することを防ぐことである。

また、画素配列部２２８は、フレキシブル回路基板９を介して、制御基板１０に接続される。制御基板１０は、駆動回路２２１、読出回路２２２を有し、前述のスイッチ素子の駆動信号等の電気信号制御を行う。

画素配列部２２８に対し、第一の接着層５を介して、放射線遮蔽シート６が接着されている。放射線遮蔽シート６は、例えば、Ｐｂ、Ｂａ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗの何れかの重金属を含む材料やステンレス鋼等の材料からなり、制御基板１０への放射線の影響を低減する。放射線遮蔽シート６は、タングステンを練りこんだゴムシートなどにすることで、画素配列部２２８の絶縁体の機能を包含し一体化してもよい。

保持基台２５０は、画素配列部２２８を保持するための板状の部分を有する部材である。保持基台２５０の画素配列部２２８側の第一の面と放射線遮蔽シート６は、第二の接着層７によって接合されている。保持基台２５０の第一の面と対向する面である第二の面には、制御基板１０、二次電池１１、図示しない無線モジュールやアンテナ部等が保持されている。二次電池１１は駆動用の電力を供給する。無線モジュールやアンテナ部は、外部装置に画像信号を無線送信する無線通信部として機能する。

本実施形態では、制御基板１０は、保持基台２５０に締結部材１２により取り付けられている。保持基台２５０には開口部が設けられ、開口部には圧入などにより締結部１３が挿入され固定されており、締結部材１２は例えばねじであり、締結部１３にねじ締結により固定されている。

撮影装置１００の外形寸法をＪＩＳ Ｚ ４９０５で規格化されているフィルムカセッテと同等寸法とした場合、撮影装置１００の厚さは１５ｍｍである。したがって、構成される各部品（例えば、筐体、ＦＰＤ、回路・制御基板、無線アンテナ、バッテリなど）の厚さを考慮すると、保持基台２５０の厚さは２．５ｍｍ以下に抑えることが望ましい。

また、画像品質の観点から電気的なノイズによる影響を考慮し、保持基台２５０の電位を電気回路の基準電位のための接地（電気グランド）としている。従って、保持基台２５０は金属等の電気抵抗率が小さい材質であることが望ましい。

放射線入射面である胸当て部２ａには、撮影方法によっては患者の体重が直接作用するため、内部に構成された画素配列部２２８や電気実装部品への応力が発生する可能性がある。したがって内部部品の破損防止のため、筐体１と保持基台２５０とで剛性を確保し、変形を抑制する構造とすることが望ましい。

本実施形態では、前述の剛性確保、軽量化に加え電気的ノイズ影響を考慮し、保持基台２５０の材質をマグネシウム合金としている。また制御基板１０の固定用として金属（例えば、アルミニウム合金）からなる締結部１３が保持基台２５０を貫通するように複数個圧入されている。各々の締結部１３は保持基台２５０と定電位で接続（同電位となるように接続）されている。

図２は、撮影装置１００の放射線検出部２００についての構成図である。放射線検出部２００は、保持基台２５０、駆動回路２２１、読出回路２２２、駆動制御部２２５及び画素配列部２２８を有している。

画素配列部２２８は、二次元配列された複数の画素を有しており、放射線画像の取得のための撮像用画素１０１と、放射線の照射をモニターするための検知用画素１２１が含まれる。

撮像用画素１０１は、放射線画像を取得するために、入射した放射線を入射した放射線量に応じた電荷に変換する変換素子１０２と、変換素子１０２で生成された電荷を信号線に出力するスイッチ素子１０３とを有している。

変換素子１０２は、例えば放射線を光に変換するシンチレータと、シンチレータで変換された光を電荷に変換する光電変換素子とを用いた間接型の変換素子とする。また他の例としては、変換素子１０２として、例えば放射線を直接電荷に変換する直接型の変換素子を用いることができる。

スイッチ素子１０３としては、例えば非晶質シリコン又は多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いることができる。また、ＴＦＴに用いる半導体材料は、シリコンに限られるものではなく、ゲルマニウムや化合物半導体などの他の半導体材料であってもよい。

変換素子１０２の第１電極には、スイッチ素子１０３の第１主電極が電気的に接続され、変換素子１０２の第２電極には、バイアス線１０８が電気的に接続される。バイアス線１０８は、列に沿って配された複数の変換素子１０２の第２電極に共通して接続される。各列に配されたバイアス線１０８には、共通のバイアス電圧が供給される。バイアス線１０８は、不図示の電源回路よりバイアス電圧の供給を受ける。

スイッチ素子１０３の第２主電極には、信号線１０６が電気的に接続される。信号線１０６には、列に沿って配された画素のスイッチ素子１０３の第２主電極が共通に接続される。信号線１０６は、画素の列ごとに配される。各信号線１０６は、読出回路２２２に電気的に接続される。スイッチ素子１０３の制御電極には、駆動線１０４が電気的に接続される。駆動線１０４は、行に沿って配された複数の撮像用画素１０１のスイッチ素子１０３の制御電極に共通に接続される。駆動線１０４には、駆動回路２２１からゲート制御電圧Ｖｇ１〜Ｖｇｎが印加される。

検知用画素１２１は、検出素子１２２と、スイッチ素子１２３とを有している。検出素子１２２は、放射線照射中に入射する放射線照射量の総量を取得するために、入射した放射線又は光を、入射した量に応じた電荷に変換する素子である。スイッチ素子１２３は、検出素子１２２で生成された電荷を信号線に出力する素子である。さらに、検知用画素１２１は、変換素子１０２とスイッチ素子１０３とを含む。検出素子１２２の変換素子１０２及びスイッチ素子１２３は、それぞれ撮像用画素１０１の変換素子１０２及びスイッチ素子１０３と同様に動作し、駆動制御部２２５からの指示によって撮像用もしくは検知用に切り替えることができる。

検出素子１２２の第１電極には、スイッチ素子１２３の第１主電極が電気的に接続される。検出素子１２２の第２電極には、列ごとに配されたバイアス線１０８が電気的に接続される。検出線１１０には、列に沿って配されたスイッチ素子１２３の第２主電極が接続される。各検出線１１０は、読出回路２２２に電気的に接続される。スイッチ素子１２３の制御電極には、行毎に配された駆動線１２４が接続される。各駆動線１２４には、駆動回路２２１からゲート制御電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｎが印加される。

読出回路２２２は、信号線１０６及び検出線１１０を介して撮像用画素１０１の変換素子１０２、検知用画素１２１の変換素子１０２及び検出素子１２２から転送される電荷をデジタル信号の電気信号に変換するデジタル変換回路である。読出回路２２２では、信号線１０６及び検出線１１０が、それぞれオペアンプ１５０の反転入力端子に接続される。またオペアンプ１５０の反転入力端子は、帰還容量を介し出力端子に接続され、非反転入力端子は、任意の固定電位に接続される。オペアンプ１５０は、電荷電圧変換回路として機能する。オペアンプ１５０の後段に、サンプルホールド回路１５１、マルチプレクサ１５２を介してＡＤコンバータ１５３が接続される。読出回路２２２は、各回路が集積化された構成でもよく、回路毎に個別に設けられてもよい。

図３は、撮影装置１００を含む放射線撮影システムの制御部４００の構成図である。制御部４００は、駆動制御部２２５、ＣＰＵ４０１、メモリ４０２、放射線制御部４０３、画像データ制御部４０４及び有線通信部４０７を備える。駆動制御部２２５は、駆動回路２２１及び読出回路２２２を制御する。コマンドには撮影部位の情報も含まれる。ＣＰＵ４０１は、メモリ４０２に格納されたプログラムや各種のデータを用いて、撮影装置１００全体の制御を行う。メモリ４０２は、例えば、ＣＰＵ４０１が処理を実行する際に用いるプログラムや各種のデータを保存する。また、メモリ４０２には、ＣＰＵ４０１の処理により得られた各種のデータ及び、放射線画像データが保存される。

放射線制御部４０３は、不図示の放射線発生装置を制御する。放射線制御部４０３は、有線通信部４０７を介して、放射線発生装置との間で、制御に関する情報（例えば、放射線の照射開始、停止の通知、放射線の照射量、積算照射量等）のやり取りを行う。画像データ制御部４０４は、読出回路２２２からの画像データをメモリ４０２に保存する。画像データ制御部４０４は、放射線画像データや制御に関する情報（例えば、制御コマンド等）のやり取りを不図示の外部装置との間で行う。有線通信部４０７は、有線接続された外部装置との通信を行う。

なお、後述する駆動制御部２２５の機能や処理は、ＣＰＵ４０１がメモリ４０２に格納されているプログラムを読み出し、このプログラムを実行することにより実現されるものである。また、他の例としては、ＣＰＵ４０１は、メモリ４０２に替えて、ＳＤカード等の記録媒体に格納されているプログラムを読み出してもよい。

また、他の例としては、駆動制御部２２５の機能や処理の少なくとも一部は、例えば複数のＣＰＵ及びメモリを協働させることにより実現してもよい。また、他の例としては、制御部の機能や処理の少なくとも一部は、ハードウェア回路を用いて実現してもよい。

図４は、保持基台２５０に凸型の段差ｒがある場合の形状と、その際の検知画素出力の例を示している。保持基台２５０には締結部１３を圧入するための開口部が設けられている。保持基台２５０の開口部に締結部１３を圧入した箇所は、画素配列部２２８の方向に加工上凸もしくは凹の微小な段差ｒが生じる。筐体１の放射線入射面である胸当て部２ａには、撮影方法によっては患者の体重が直接作用するため、内部に構成された画素配列部２２８へ応力が発生する可能性がある。特に、画素配列部２２８の画素配列面の法線方向において、段差ｒと重なる部分では応力が集中する。

図４上側に示すグラフは、縦軸に画素配列部２２８の検知用画素１２１にて検出した出力の例を示しており、横軸は位置座標を示している。また図４下側は従来の構成における放射線検出部２００の部分拡大図である。横軸の位置座標は図４下側の部分拡大図に対応している。段差ｒにより画素配列部２２８への応力が影響している範囲ｗでは、グラフが示すように出力が変動する。この時範囲ｗにおいては、段差ｒによる応力の影響で、インピーダンス（容量、抵抗など）が変化し、結果としてノイズ特性、オフセット特性などが変化しており、検出信号の出力値に影響が出る。

以上のことから、画素配列部２２８に生じる段差ｒによる影響は極力抑える必要がある。従来の構成においては、段差ｒが３０μｍ以上の場合に検出信号への影響が顕著となることが本願発明者の実験から明らかになっている。

ここで、本実施形態に係る撮影装置の断面図を図５および図６に示す。以下、順に説明する。

図５では、保持基台２５０と締結部１３によって生じる段差ｒによる応力が画素配列部２２８に及ぼす影響が低減されるように、第二の接着層７に空隙１４となる空間が設けられている。空隙１４は、第二の接着層７の面方向において、隣接する保持基台２５０の開口部を包含するように設けることで、段差ｒと第二の接着層７が非接触となる。すなわち、空隙１４は、画素配列部２２８の入射面側から見て、開口部を包含するように、第二の接着層に設けられている。これにより、画素配列部２２８に伝わる段差ｒによる応力の影響を低減することができる。

図５では第二の接着層７に空隙を設ける例について説明したが、空隙を有するのは、画素配列部２２８から保持基台２５０までに積層されている中間層であればよい。例えば、放射線遮蔽シート６に空隙を設けるようにしてもよい。

また図６のように、空隙１４は保持基台２５０に設けるようにしてもよい。この例では、保持基台２５０の第一の面において、開口部の穴の縁に対し、座繰り加工が施されている。その後、締結部１３の圧入を行い、更に保持基台２５０の画素配列部２２８を有する側に第二の接着層７を接着することにより、空隙１４が設けられる。この場合も、段差ｒは第二の接着層７に直接触れない為、画素配列部２２８に伝わる段差ｒによる応力の影響が低減される。

空隙１４における、画素配列部２２８の法線方向に対する奥行の長さは、画素配列部２２８に段差ｒによる応力の影響を抑制するために、段差ｒの高さに対して十分に大きくとることが望ましい。また、第二の接着層７は、空隙１４との稜線でも応力が発生することを考慮すると、柔軟物であることが望ましい。

また、剛性部材を画素配列部２２８の入射面側に配置することにより、画素配列部２２８に段差ｒが接触する可能性を低くするようにしてもよい。この場合、前面カバー２を剛性部材とし、外装としての機能を包含するようにしてもよい。

このような構成により、撮影装置に荷重がかかるような状況においても、段差による応力の画素配列部への影響を抑制することが可能となり、ＡＥＣ機能を使用する際に正確な放射線量を検出することが可能な撮影装置を提供することができる。

（第２実施形態）
図７は、本実施形態に係る撮影装置１００の構成例を模式的に示す平面断面図であり、放射線入射面に対し反対側の面から見た図となっている。なお、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。

放射線検知をモニターするために検知用画素１２１を有効とした領域を検知画素領域Ｆとする。検知画素領域Ｆは、有効撮影領域に対し、放射線照射を絞った状態で曝射されても確実に検出できるよう、パネル中心付近を含む領域に配置されていることが望ましい。

ここで、第１実施形態で説明した通り、保持基台２５０の開口部に締結部１３を圧入する際には、段差ｒが加工上生じる。段差ｒは、画素配列部２２８と中間層を介して間接的に接しているため、段差ｒによる圧力が画素配列部２２８に加わり、検出信号の出力値に影響を及ぼす。本実施形態においては、画素配列部２２８の入射面側から見て、画素配列部２２８の面内方向において、検知画素領域Ｆと段差ｒが重ならない位置に締結部１３を配置している。

検知画素領域Ｆと締結部１３の配置については、予め保持基台２５０の開口部の位置情報を制御部４００に備えられたメモリ４０２に記憶させておくことで、制御部４００は、検知画素領域Ｆの位置を、開口部を避けるように設定する。また、検知画素領域Ｆとして設定されない箇所が予想できる場合は、その箇所に保持基台２５０の開口部を配置するようにしてもよい。

なお図４に示すように、段差ｒによる応力の影響範囲ｗは、画素配列部２２８の配列面における法線方向で重なる位置のみならず、その周辺にも及ぶ。従来の構成においては、画素配列部２２８の配列面における面内方向において、段差ｒ高さの５０倍の領域にまで検出信号への影響が及ぶことが本願発明者の実験上判明しているので、この領域についても検知用画素１２１と重ねないことがより好ましい。

このような構成により、撮影装置に荷重がかかるような状況においても、段差による画素配列部への応力を抑制することが可能となり、ＡＥＣ機能を使用する際に正確な放射線量を検出することが可能な撮影装置を提供することができる。

１ 筐体
７ 第二の接着層
１０ 制御基板
１３ 締結部
１４ 空隙
１００ 撮影装置
２２８ 画素配列部
２５０ 保持基台

Claims (13)

1. 保持基台と、前記保持基台と接する中間層と、前記中間層と接する画素配列部と、を有する撮影装置であって、
   前記保持基台、前記中間層、及び前記画素配列部をこの順に備え、
   前記保持基台は、開口部を有し、
   前記中間層は、空隙を有し、
   前記画素配列部は、放射線を検出し画像信号に変換する撮像用画素と、前記画像信号とは異なる、入射した放射線の放射線量を検知するための信号を出力する検知用画素と、を含む、二次元配列された複数の画素を有し、
   前記空隙は、前記画素配列部の入射面側から見て、前記開口部を包含するように設けられていること
   を特徴とする撮影装置。
2. 締結部を有し、
   前記締結部は前記開口部に挿入され、
   前記締結部と前記開口部とによって生じる段差が、前記二次元配列に対する法線方向において、前記空隙より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮影装置。
3. 保持基台と、前記保持基台と第一の面で接する中間層と、前記中間層の前記第一の面と対向する第二の面と接する画素配列部と、を有する撮影装置であって、
   前記保持基台、前記中間層、及び前記画素配列部をこの順に備え、
   前記保持基台は、開口部を有し、
   前記画素配列部は、放射線を検出し画像信号に変換する撮像用画素と、前記画像信号とは異なる、入射した放射線の放射線量を検知するための信号を出力する検知用画素と、を含む、二次元配列された複数の画素を有し、
   前記保持基台の前記第一の面において、前記開口部は、座繰り形状を有すること
   を特徴とする撮影装置。
4. 締結部を有し、
   前記締結部は前記開口部に挿入され、
   前記締結部と前記開口部とによって生じる段差が、前記二次元配列に対する法線方向において、前記座繰り形状の深さより小さいことを特徴とする請求項３に記載の撮影装置。
5. 前記中間層は、接着層および放射線遮蔽シートの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の撮影装置。
6. 前記中間層は、前記接着層および前記放射線遮蔽シートを有し、前記接着層と前記放射線遮蔽シートが積層してなることを特徴とする請求項５に記載の撮影装置。
7. 保持基台と、直接あるいは間接的に前記保持基台と接する画素配列部と、を有する撮影装置であって、
   前記保持基台は、開口部を有し、
   前記画素配列部は、放射線を検出し画像信号に変換する撮像用画素と、前記画像信号とは異なる、入射した放射線の放射線量を検知するための信号を出力する検知用画素と、を含む、二次元配列された複数の画素を有し、
   前記検知用画素は、前記画素配列部の入射面側から見て、前記開口部と重ならない位置に設けられていること
   を特徴とする撮影装置。
8. 制御部と、メモリと、を有し、
   前記メモリは、前記開口部の位置を示す位置情報を記憶し、
   前記制御部は、前記位置情報に基づき、前記複数の画素のうち、前記画素配列部の入射面側から見て、前記開口部と重ならない位置にある画素を、前記検知用画素として設定すること
   を特徴とする請求項７に記載の撮影装置。
9. 前記開口部に挿入された締結部を有し、前記締結部と前記開口部との間に段差を有することを特徴とする請求項７または８に記載の撮影装置。
10. 前記制御部は、前記段差に対し、前記画素配列部の面方向において、前記段差の５０倍より離れた位置に設けられた画素を、前記検知用画素として設定すること
    を特徴とする請求項９に記載の撮影装置。
11. 前記締結部には、締結部材が挿入されたことを特徴とする請求項２、４、および７のいずれか一項に記載の撮影装置。
12. 制御基板を有し、前記締結部と前記締結部材により、前記制御基板が前記保持基台に固定されたことを特徴とする請求項１１に記載の撮影装置。
13. 前記保持基台と、前記画素配列部と、を内包する筐体を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の撮影装置。
    
    

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