JP3873912B2 - X線センサ信号処理回路及びx線センサ信号処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線センサ信号処理回路及びX線センサ信号処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、金属製部品や装置の内部欠陥などを非破壊で検査するために、高エネルギー(1MeV以上)のX線パルスを用いた工業用のX線CT装置が開発されており、また、より大きな被試験体を高解像度で検査するために更なる研究開発が進められている。
【0003】
X線CT装置については「H.Miyai, et al.“A High Energy X-Ray Computed Tomography Using Silicon Semiconductor Detectors”,1996 Nuclear ScienceSymposium Conference Record, Vol.2, p816-p821, Nov.2-9 1996, Anaheim, CA, USA (1997)」(以下、第1従来技術という)に記載されている。この第1従来技術に示された、X線センサの出力信号を処理する信号処理回路について図9を用いて説明する。
【0004】
図9に示す信号処理回路1において、半導体センサ(X線センサ)21〜2nは初段回路90〜9nに接続されている。X線CT装置用の半導体センサは、高エネルギーのX線パルスを効率よく検出するために短冊形で寸法が大きく(例えば、3×40×0.4mm)、必然的に数十nAレベルの大きな暗電流を生じる。初段回路90において、コンデンサ114は、電圧増幅器が暗電流による直流電圧を増幅しないように、半導体センサ21を交流結合するためのものである。X線が半導体センサ21に入射すると、センサ内部に電荷が発生するため、抵抗113に電流が流れる。そのときに発生する電圧変化を2段の電圧増幅器92,91で増幅し、サンプルホールドアンプ94でホールドして後段の装置に出力する。
【0005】
【特許文献1】
特開昭58−15847号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図10(a)は第1従来技術の半導体センサ21の出力を、図10(b)は第1従来技術のサンプルホールドアンプ94の出力をそれぞれ示す。X線パルスはパルス幅Twで出力されるので、被試験体が無いか又は透過した被試験体の厚さが薄い場合、図10(a)に示すように、X線センサの出力はX線パルスの線量に比例した方形波の出力101(実線)となる。従って、サンプルホールドアンプ94の出力は図10(b)に示すように、最初の立ち上がり部分を除いて単位時間当たりの平均フォトン数に比例した出力103が得られる。
【0007】
一方、X線パルスが厚い被試験体を透過した場合、X線パルスは被試験体で減衰されて半導体センサ21に入射するため、被試験体が設置されていない場合と比べて、入射するフォトン数は最小で4桁程度小さくなる。図10(a)の出力102は、被試験体が厚く、入射フォトン数が少ない場合の半導体センサ21の出力例を示す。図10(a)に示されるように、半導体センサ21の出力は一定の値にはならず、フォトンが入射した時にのみ出力波高が高くなるような波形とになる。この場合、図10(b)に出力104として示されるように、サンプルホールドアンプ94の出力も一定にはならず、ホールドした値が必ずしも単位時間当たりの平均フォトン数に比例した電圧にはならない。このように、第1従来技術には、入射フォトン数が少ない場合に単位時間当たりの平均フォトン数に比例した電圧が得られないという問題点がある。
【0008】
入射フォトン数が少ない場合でも平均フォトン数に比例した電圧を得るための技術については、特開昭58−15847号公報(以下、第2従来技術という)に記載されている。この第2従来技術は、医療用のX線断層撮影装置において、X線センサの出力信号からコンデンサによって直流成分を除去し、その結果得られる揺らぎ成分を2乗平均することによって平均フォトン数に比例した電圧を得ることを記載している。この手法は、2乗平均電圧法、或いはキャンベル法と呼ばれている。
【0009】
そこで、この第2従来技術を第1従来技術に適用した場合を想定する。一般的に、第1従来技術が対象としている工業用のX線CT装置は、第2従来技術が対象としている医療用のX線断層撮影装置と比較して、使用するX線パルスのパルス幅が小さく(5μs程度)設定されるが、このようにパルス幅の小さいパルスはコンデンサでは除去することができない。従って、第1従来技術が対象としている工業用X線CT装置に第2従来技術を適用したとしても、コンデンサによって揺らぎ成分だけを取り出すことはできない。2乗平均電圧法は、揺らぎ成分だけを取り出さなければ、平均フォトン数に比例した電圧を正確に求めることができないため、上述のように第1従来技術に第2従来技術を適用したとしても、平均フォトン数に比例した電圧を正確に求めることができない。
【0010】
本発明の目的は、X線センサ信号処理回路のハード構成を簡単化し、且つ、X線センサにおいて発生する暗電流を除去し、かつ入射フォトン数が少ない場合でもX線の平均フォトン数に比例した正確な値を求めることができるX線センサ信号処理回路及びX線センサ信号処理方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、加速器から出射されて被試験体を透過したパルス状のX線を検出する半導体X線センサの出力信号を処理する工業用X線CT装置に用いるX線センサ信号処理回路において、一端が前記半導体X線センサに接続され他端が接地された第1の抵抗と、前記半導体X線センサと前記第1の抵抗の接続点に一端が接続された第1のコンデンサとを備え、前記第1のコンデンサの他端に反転入力が接続されたOPアンプと、前記OPアンプに並列に接続された第2の抵抗及び第2のコンデンサとを有する積分器を設け、前記半導体X線センサの出力信号の直流成分である暗電流が該第1のコンデンサを通して前記積分器に流れずに該第1の抵抗に流れるよう構成され、該暗電流を除く該半導体X線センサのパルス状X線により生じる電荷は該第1のコンデンサを通過し第2のコンデンサに蓄積され、パルス状X線の照射後に前記半導体X線センサ及び第1のコンデンサのバイアス状態を定常状態に復帰するよう構成したことにある。
【0012】
本発明によれば、X線センサ信号処理回路のハード構成を簡単化し、且つ、X線センサにおいて発生する暗電流を除去し、かつ入射フォトン数が少ない場合でもX線の平均フォトン数に比例した正確な値を求めることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【0014】
(実施例1)
本発明の好適な一実施例であるX線センサ信号処理回路を図1に示す。また、図1のX線センサ信号処理回路を用いたX線CT装置を図2に示す。
【0015】
はじめに、図2を用いてX線CT装置による被破壊検査について説明する。なお、図2(a)は側面から見たX線CT装置を示し、図2(b)は上方から見たX線CT装置を示す。図2(a)において、まずCT制御装置9が加速器4に対してX線パルス出射指令を出力する。また、CT制御装置9は、X線パルス出射指令を出力するのと同時に、信号処理回路(X線センサ信号処理回路)1に対してX線パルス出射開始信号を出力する。加速器4はX線パルス出射指令が入力されると、ライナック41によってイオンビームを加速して出射し、そのイオンビームをターゲット42に照射することにより扇状(放射状)で高エネルギー(1MeV以上)のX線を発生させる。発生させたX線は、コリメータ43を通して加速器4から出射される。なお、X線はパルス幅5μsの短いパルスで加速器4から出射されるが、X線のエネルギー及びパルス幅の制御は、ターゲット42に照射するイオンビームのエネルギー及びパルス幅をライナック41により制御することで行われる。
【0016】
加速器4から出射されたX線パルスは、スキャナ6上に配置された被試験体5に照射され、被試験体5を透過する。図示しないが、スキャナ6にはCT制御装置9より制御信号が入力されており、スキャナ6はその制御信号に応じて回転や上下動を行う。スキャナ6の回転・上下動によって、被試験体5には任意の箇所に対して様々な方向からX線パルスが複数回照射される。被試験体5を透過したX線パルスは、コリメータ7を通り、一列に並べられた半導体センサ(X線センサ)21〜2nに入射される。半導体センサ21〜2nにおいて、pn接合部の空乏層にX線が入射すると多数の電子・正孔ペアが生じ、電流が流れる。信号処理回路1は、半導体センサ21〜2nに生じた電流に応じたセンサ出力データを出力する。信号処理回路1の動作については後述する。
【0017】
データ送受信回路3は、信号処理回路1から出力されたセンサ出力データを入力し、そのセンサ出力データをCT制御装置9に出力する。なお、データ送受信回路3とCT制御装置9との間には遮蔽壁8があるため、両者間のデータの伝送は遮蔽壁8を貫通するケーブルを介して行われる。なお、加速器4及びスキャナ6とCT制御装置9の間のデータ伝送も同様である。CT制御装置9は、入力されたセンサ出力データを用いて被試験体5の断面の透視画像を再構成し、表示装置10に表示させる。
【0018】
以上のようにして、被試験体5の断面の透視画像が得られる。
【0019】
次に、図1を用いて信号処理回路1について説明する。図1において、半導体センサ21〜2nは、各々初段回路111〜11nに接続される。なお、初段回路112(図示しない)〜11nは初段回路111と同じ構成であるので、ここでは初段回路111についてのみ説明する。
【0020】
初段回路111において、半導体センサ21の一端には、半導体センサ21に逆バイアスをかける向きでバイアス電源118が接続され、他端には抵抗119が接続される。なお、抵抗119の他端は接地されている。また、半導体センサ21と抵抗119の接続部にはコンデンサ114が接続される。コンデンサ114の他端は、OPアンプ115の反転入力に接続され、OPアンプ115には並列に抵抗116及びコンデンサ117が接続される。OPアンプ115,抵抗116及びコンデンサ117は積分回路を構成している。以下、OPアンプ115,抵抗116及びコンデンサ117をまとめて積分器という。初段回路111は以上のように構成される。
【0021】
従来の技術で述べたように、半導体センサ21では数十nA程度の暗電流が発生する。しかし、この暗電流は直流成分であるため、コンデンサ114を通して積分器側に流れ込むことはなく、抵抗119の方へ流れる。初段回路111ではこのようにして暗電流が除去される。
【0022】
半導体センサ21がX線パルスを検出した場合、X線パルスはパルス幅が5
μsとなっているので、半導体センサ21の出力電流の周波数帯域は数十kHz以上となり、そのため、その出力電流はコンデンサ114を通過して積分器側に流れ込む。OPアンプ115の反転入力はイマジナリショートであるので、出力電流は抵抗116にはほとんど流れずにコンデンサ117に流れ込み、コンデンサ117において電荷が蓄積される。半導体センサ21におけるX線パルスの検出が終わると、半導体センサ21からの出力電流は直流成分の暗電流のみとなるので、コンデンサ117に蓄積された電荷が、抵抗116とコンデンサ117で決まる時定数に従って放電(減衰)していく。なお、抵抗116の抵抗値R及びコンデンサ117のキャパシタンスCの決定方法、つまり時定数の決定方法については後述する。
【0023】
図3(a)は半導体センサ21の出力電流波形を示し、図3(b)はOPアンプ114,抵抗115及びコンデンサ116からなる積分器の出力電圧波形を示す。図3(a)において、出力波形31(実線)は、被試験体5を透過しなかったX線パルスが入射した場合の半導体センサ21の出力波形を示し、一方の出力波形32は、被試験体5の厚い部分を透過したために半導体センサ21に入射するX線パルスの入射フォトン数が数個程度まで低下した場合の半導体センサ21の出力波形を示す。従来の技術で説明したように、X線パルスが被試験体5を透過しなかった場合には、半導体センサ21の出力波形はX線パルスの線量に比例した方形波となり、X線パルスが被試験体5の厚い部分を透過した場合には、フォトンが入射した時にのみ出力波高が高くなるような出力波形になる。
【0024】
これに対する積分器出力は、図3(b)に示すように、X線パルスが被試験体5を透過しなかった場合には、半導体センサ21から電流が出力されている間ほぼ直線的に増加し、その後、徐々に放電していく(出力33:実線)。一方、X線パルスが被試験体5の厚い部分を透過した場合には、半導体センサ21の出力が積分され、入射したフォトン数に比例した電圧が得られる。つまり、X線パルスが被試験体5の厚い部分を透過した場合に半導体センサ21の出力波形が時間と共に変化したとしても、本実施例では積分器を用いた積分値を求めるため、入射したフォトン数に比例した電圧を得ることができる。
【0025】
このように本実施例の初段回路111によれば、X線パルスが被試験体5を透過したか否かにかかわらず、X線の平均フォトン数に比例した電圧を正確に求めることができる。また、本実施例において積分器は、第1従来技術のサンプルホールドアンプの役割を兼ねているため、本実施例ではサンプルホールドアンプを設ける必要がない。更に、本実施例では、X線パルスにより生じる電荷は全てコンデンサ117に蓄積されるため、X線パルス照射終了後に半導体センサ21やコンデンサ114のバイアス状態は即座に定常状態に復帰する。よって、リセットスイッチを設ける必要がない。このように本実施例の初段回路111によれば、ハード構成を簡単化することができる。なお、前述したように、初段回路112〜11nについても初段回路111と同様である。
【0026】
初段回路111〜11nの出力端(積分器の出力端)は、マルチプレクサ13のスイッチ131〜13nに各々接続される。制御回路12は、X線パルスの照射開始から10μs後にスイッチ131に対して「閉」指令を出力する。なお、制御回路12には、CT制御装置9から出力されたX線パルス出射開始信号がデータ送受信回路3及びバス17を介して入力されるので、制御回路12はX線パルス出射開始信号が入力されたときに照射が開始されたとして、その10μs後に「閉」指令を出力する。「閉」指令を受けたスイッチ131は閉じられ、初段回路111の出力信号はADコンバータ14に出力される。制御回路12は、スイッチ131〜13nが5μsおきに順番に閉じるように「開」指令及び「閉」指令を出力する。
【0027】
次に、制御回路12は、ADコンバータ14に対してAD変換指令を出力する。AD変換指令が入力されたADコンバータ14は、初段回路111の出力信号をディジタルの出力信号にAD変換する。AD変換により得られた出力信号は、制御回路12により、バス17を介してメモリ15に記憶される。なお、メモリ15には、予め半導体センサ21〜2n(初段回路111〜11n)の各々に対応した格納領域が設けられており、上記出力信号は半導体センサ21に対応した格納領域に記憶される。
【0028】
続いて、制御回路12は、X線パルスの照射開始から15μs後、すなわちスイッチ131に対して「閉」指令を出力してから5μs後に、スイッチ131に対して「開」指令を出力すると共にスイッチ132に対して「閉」指令を出力する。「開」指令を受けたスイッチ131は開き、「閉」指令を受けたスイッチ
132は閉じる。スイッチ132が閉じられたことにより、初段回路112の出力信号がADコンバータ14に出力される。次に、制御回路12は、ADコンバータ14に対してAD変換指令を出力し、ADコンバータ14は初段回路112の出力信号をディジタルの出力信号にAD変換する。AD変換により得られた出力信号は、制御回路12によりバス17を介してメモリ15の半導体センサ22に対応する格納領域に記憶される。
【0029】
以下、初段回路113〜11nに対しても初段回路111,112と同様の処理が行われる。
【0030】
ここで、初段回路111〜11nの出力信号は、X線パルスの照射が終了してから一定時間経過した時点での出力信号であり、X線パルス照射終了直後の出力信号よりも小さな値となる。つまり、初段回路111〜11nの各積分器の出力電圧は、前述のように、抵抗116の抵抗値Rとコンデンサ117のキャパシタンスCとの積で決まる時定数で減衰するため、時間と共にその値が小さくなっていく。そこで、本実施例では、メモリ15に記憶された出力信号を補正してX線パルス照射終了直後の出力信号を求める。
【0031】
X線パルス照射終了直後の出力信号値V0は(数1)で表わされる。
【0032】
【数1】
V0=V(t)×exp(t/τ) …(数1)
ここで、t:X線パルス照射終了直後からの時間、V(t):時間tにおける出力信号値、τ:時定数である。初段回路111の場合、X線パルス照射終了直後から出力信号を測定するまでの時間は5μsであるため、t=5μsとなる。なお、前述のようにスイッチ131〜13nは5μs毎に閉じられるので、初段回路112の場合はt=10μs、初段回路113の場合はt=15μs,…、というように、各初段回路111〜11nに対するtは予め求めることができる。また、時定数τも、抵抗116の抵抗値Rとコンデンサ117のキャパシタンスCとの乗算により予め求められる。よって(数1)に基づいてX線パルス照射終了直後の出力信号値V0を求めることが可能である。
【0033】
本実施例では、exp(t/τ)のt及びτに値を代入し、それを半導体センサ
21〜2b(初段回路111〜11n)用の補正係数として補正係数メモリ16に予め記憶しておく。メモリ15の半導体センサ21〜2nに対する格納領域に記憶された各出力信号は、制御回路12により予め補正係数メモリ16に記憶しておいた各補正係数を用いてX線パルス照射終了直後の出力信号値V0に補正され(出力信号に補正係数を乗算する)、メモリ15の半導体センサ21〜2nに対応する各格納領域に上書きされる。メモリ15に記憶された出力信号は、CT制御装置9からの要求に応じて、センサ出力データとしてデータ送受信回路3へ出力される。
【0034】
以上説明した処理が、X線パルスの一回の照射毎に繰り返される。ここで、初段回路111〜11nの出力信号、すなわち積分回路の出力信号は、初段回路
11nの出力信号がADコンバータ14によりAD変換されるまでは保持されていなければならないが、次のX線パルスの照射までには0になっていなければならない。よって、抵抗115及びコンデンサ116によって決まる積分器の時定数を適切な値に設定しておく必要がある。
【0035】
以下、本実施例における抵抗115の抵抗値R及びコンデンサ116のキャパシタンスCの決定方法を説明する。抵抗115の抵抗値R及びコンデンサ116のキャパシタンスCを決定する際に考慮しなければならない事項は次の5点である。
【0036】
(1)半導体センサ21〜2nが発生する最大電荷量:Qmax〔C〕
(2)測定に必要なダイナミックレンジ:m〔桁〕
(3)ADコンバータ14の入力レンジ(最大入力電圧):Vfs〔V〕
(4)必要分解能:n〔bit〕
(5)X線パルスの繰返し周期:Tp〔s〕
X線パルスが被試験体5を透過しない場合に半導体センサ21〜2nの出力はQmax になるが、その際に初段回路111〜11bの出力電圧はADコンバータ14の入力レンジVfsを超えてはいけない。また、次のX線パルスが入射するまでの時間Tp(本実施例では5msに設定)には初段回路111〜11nの出力信号は必要分解能nに対応する電圧以下まで減衰していなければいけない。
【0037】
積分器の最大出力Vmaxは、(数2)で定まる。
【0038】
【数2】
Vmax=Qmax/C …(数2)
このVmax がADコンバータ14の入力レンジVfsを超えては計測ができないので、Vmax≦Vfsが成り立たなければならない。
【0039】
従って、(数2)より、(数3)が導き出される。
【0040】
【数3】
C≧Qmax/Vfs …(数3)
また、Vmax よりm桁小さい値を測定できるだけのADコンバータ14の分解能が必要であるから、簡単のためADコンバータ14によるディジタル変換を行うまでの信号の減衰を無視すると、(数4)が成り立たなければならない。
【0041】
【数4】
Vmax×10-m=Qmax/C×10-m>Vfs/2n …(数4)
一方、積分器の出力は時定数τ=R×Cで減衰するので、積分器の最大出力
Vmax は、時刻tにおいて(数5)で示すように減衰する。
【0042】
【数5】
V(t)=Vmax×exp(−t/τ) …(数5)
測定分解能がn〔bit〕 必要な場合には、次のX線パルスが入射するまでの時間TpにはV(t)が要求される分解能に対応する電圧以下に減衰していなければいけないので、(数6)が満たされなければならない。
【0043】
【数6】
V(Tp)=Vmax×exp(−Tp/τ)≦Vmax/2n …(数6)
したがって、時定数τは(数7)となる。
【0044】
【数7】
τ=R×C≦Tp/(n+ln2) …(数7)
また、(数3),(数4)と(数7)の関係から、Cは(数8)となる。
【0045】
【数8】
Qmax/Vfs≦C≦min{(Qmax×10-m×2n)/Vfs,Tp
/(R(n+ln2))} …(数8)
なお関数minは、因数のどちらか小さい方を選択するという意味である。本実施例では適用対象が工業用のX線CT装置であるので、X線パルスの周期Tpは加速器のトリガーを制御することにより一定にできる。一般的な10〔V〕フルレンジ(Vfs=10〔V〕)のADコンバータを用いて14ビット分機能(n=14)の精度を必要とする場合、本実施例ではセンサの最大電荷量は150〔pC〕程度(Qmax=150〔pC〕)であるから、抵抗値Rを10〔MΩ〕とすると、(数8)から15〔pF〕<C<34〔pF〕の範囲にCを設定すればよいことがわかる。このように、抵抗116の抵抗値Rを決定すれば、(数8)を用いてコンデンサ117のキャパシタンスCの適切な値を計算により求めることができる。
【0046】
図4は、制御回路12の動作を示すフローチャートである。制御回路12は、データ送受信回路3からのX線パルス出射開始信号が入力されたか否かを判定し、入力された場合にはステップ402へ進み、入力されていない場合には入力されるまでステップ401の判定を繰り返す(ステップ401)。X線パルス出射開始信号が入力されると、一定の遅延時間(本実施例では10μs)を経て(ステップ402)、半導体センサ21〜2nの出力信号の処理を開始する。
【0047】
まず、出力信号の処理を行う半導体センサの番号を示すiを1に設定する(ステップ403)。次に、マルチプレクサ13のスイッチ13iに対して「閉」指令を出力し(ステップ404)、ADコンバータ14にはAD変換指令を出す(ステップ405)。ADコンバータ14によるAD変換が終了したらそのデータをメモリ15に格納し(ステップ406)、マルチプレクサ13のスイッチ13iに対して「開」指令を出力する(ステップ407)。続いて、i=nか否かを(全ての半導体センサ21〜2nについて測定を行ったかを)判断し(ステップ408)、i=nならばステップ409へ進み、i≠nならばステップ410へ進む。ステップ410では、i=i+1を演算し、ステップ404へ戻る。
【0048】
このようにして半導体センサ21〜2nの各々の出力信号をAD変換してメモリ15に記憶したら、次にメモリ15に記憶された出力信号を補正係数メモリ16に格納されている補正係数により補正し、再びメモリ15に上書きする(ステップ409)。そして、データ送受信回路3からのデータ送信要求信号を受信したか否かを判定し(ステップ411)、受信したと判定した時点でメモリ15に記憶した補正済みの出力信号をデータ送受信回路3に送信する(ステップ412)。データの送信が終了したら再びステップ401に戻る。制御回路12のこのような処理によって、半導体センサ21〜2nの出力信号の処理が行われる。
【0049】
なお、本実施例では、ステップ408とステップ411の間にステップ409のデータの補正を行っているが、ステップ406とステップ407の間に行うこともできる。つまり、1つの半導体センサの出力信号を処理するたびに補正を行うことも可能である。しかしながら、データの補正を行う間にも積分器の出力は減衰していくので、本実施例のように、全ての半導体センサ21〜2nの出力信号をメモリに記憶してから一度に補正を行った方が精度の良い測定ができる。
【0050】
以上説明したように、本実施例によれば、半導体センサ21〜2nの出力電流から直流成分を除去するコンデンサ114を備えることにより、半導体センサ21〜2nにおいて発生する暗電流を除去することができる。また、OPアンプ115,抵抗116及びコンデンサ117からなる積分器を備えることにより、入射フォトン数が少ない場合でも積分器によって積分することで、X線の平均フォトン数に比例した値を正確に求めることができる。
【0051】
また、本実施例では、新たに補正係数メモリ16が設けられているが、メモリ15と補正係数メモリ16は1チップで十分収められるので、補正係数メモリ16の追加によるハードウェアの増加はない。従って、本実施例と第1従来技術のハードウェア量を比較すると、第1従来技術では半導体センサ1個あたりにOPアンプ2個とサンプルホールドアンプ1個の計3個のICが必要とされるのに対し、本実施例では半導体センサ1個あたりにOPアンプ1個のICがあればよく、ICの数が3分の1となる。半導体センサ数が多いことを考えると、本実施例は第1従来技術に比べて信号処理回路のハードウェア量を全体で半減させることができる。このように本実施例によれば、信号処理回路のハードウェア量を低減し、製作コストを低減することができる。
【0052】
なお、以上説明した本実施例の信号処理回路1を複数の回路基板に分け、各回路基板で並列処理を行うことによって、処理時間を短縮することも可能である。図8は、5つの信号処理回路1a〜1eを使用する場合の構成を示す。なお、信号処理回路1a〜1eは、それぞれ別々の回路基板である。また、図に示すように、バス17は各信号処理回路1a〜1eに共通で設けられる。この場合、データ送受信回路3へのデータ送信をのぞいて、各信号処理回路1a〜1eは並列して動作することが出来るので、信号処理が速く、すなわち初段回路の出力信号が減衰する前に精度の良い測定が行える。なお、データ送受信回路3へのデータ送信はデータ送受信回路3からの要求に基づいてなされるため、混信することはない。また、信号処理回路に予めアドレスさえ割り振っておけば、回路基板数は幾つでも増すことができる。
【0053】
以上説明した本実施例では、5μs毎に各初段回路111〜11nの出力信号を処理しているが、ADコンバータ14におけるAD変換に要する時間を短くすることができれば、処理の間隔を短くしてもよい。また、制御回路29は、ディジタル回路を組み合わせて作製してもよいが、1チップマイクロコンピュータを利用することもできる。なお、初段回路111〜11nにおいて、各電子回路への電源供給回路は図示していないが、各電子回路に電源供給回路が接続されていることは言うまでもない。
【0054】
(実施例2)
本発明の他の実施例である信号処理回路について図5を用いて以下に説明する。本実施例では、ADコンバータの中にサンプルホールド回路やマルチプレクサが組み込まれたデータ収集用ICを用いる点で実施例1と異なる。以下、実施例1と異なる箇所について説明する。
【0055】
図に示すように、データ収集用IC50は、サンプルホールド回路51〜5n,マルチプレクサ用のスイッチ131〜13n,ADコンバータ14及びメモリ15を備えている。初段回路111〜11nから出力された出力信号は、データ収集用ICのサンプルホールド回路51〜5nに入力され、直ちにホールドされる。ホールドされた出力信号は、スイッチ131〜13nを介してADコンバータ14に入力されてAD変換された後、メモリ15に記憶される。なお、スイッチ131〜13n,ADコンバータ14及びメモリ15の制御方法は実施例1と同様である。
【0056】
本実施例でも、実施例1と同様に、コンデンサ114により半導体センサ21〜2nにおいて発生する暗電流を除去することができ、また、入射フォトン数が少ない場合でも積分器により積分することでX線の平均フォトン数に比例した値を正確に求めることができる。また、サンプルホールド回路51〜5nによりX線照射直後の出力信号がホールドされるため、実施例1で説明したような出力信号の補正は必要なく、よって補正係数メモリ16が不要となる。なお、サンプルホールド回路51〜5nは、初段回路111〜11n側に設けても良い。
【0057】
(実施例3)
本発明の他の実施例である信号処理回路について図6を用いて以下に説明する。本実施例は、データ収集用ICの中に対数変換回路を付加した点で実施例2と異なる。以下、実施例2と異なる箇所について説明する。
【0058】
データ収集用IC60において、サンプルホールド回路51〜5nでホールドされた出力信号は、各々対数変換回路61〜6nに入力される。各対数変換回路61〜6nは、それぞれ入力された出力信号を対数値に変換して出力する。CT制御装置9において、透視画像を再構成する計算で必要とされるデータは対数値のデータである。従って、信号処理回路1において予め対数変換を行うことによって、CT制御装置9では対数変換を行う必要が無くなり、CT制御装置9における演算を簡単化することができる。なお、本実施例では対数変換を行うための対数変換回路61〜6nを設けたが、制御回路12によりデータ送信前にソフト的に演算してもよい。
【0059】
(実施例4)
本発明の他の実施例である信号処理回路について図7を用いて以下に説明する。なお、本実施例については主に実施例1と異なる箇所を説明する。
【0060】
図7の初段回路70において、半導体センサ21と抵抗119との接続点には、スイッチ71とスイッチ72が並列に接続されている。スイッチ71の他端には更にスイッチ73が接続され、スイッチ71とスイッチ73の接続点には他端が接地されたコンデンサ74が接続される。一方、スイッチ72の他端にも更にスイッチ75が接続され、スイッチ72とスイッチ75の接続点には他端が接地されたコンデンサ76が接続される。
【0061】
この初段回路70の動作について説明する。X線パルスの照射が開始される前は、スイッチ71及びスイッチ72は両方とも閉じられており、スイッチ73及びスイッチ75は開かれている。そしてX線パルスの照射が開始されると同時に、スイッチ71が開かれる。一方のスイッチ72はX線パルスの照射中も閉じられたままであり、スイッチ73及びスイッチ75はX線パルスの照射中も開かれたままである。X線パルスの照射中にスイッチ72が閉じられていることにより、コンデンサ76にはX線の入射により半導体センサ21に発生した電流と暗電流による電荷が蓄積(積分)される。X線パルスの照射が終了すると、スイッチ71が閉じられる。X線の照射が終了した後、スイッチ71が閉じられることによって、コンデンサ74には暗電流による電荷が蓄積(積分)される。なお、本実施例では、抵抗119の抵抗値を1〔MΩ〕と大きくとり、コンデンサ74,76のキャパシタンスを半導体センサ21の容量100〔pF〕と同じにすることによって、X線パルスにより生じた電流が抵抗119に流れるのを防ぎ、半導体センサ21とコンデンサ76に均等に流れるようにしている。
【0062】
次に、スイッチ73及び75が閉じられることによって、コンデンサ74及び76に蓄積された電荷に応じた電流がスイッチ73及び75を介して後段の回路に流れる。スイッチ73には、OPアンプ81,抵抗82及びコンデンサ83からなる増幅器が接続され、スイッチ75には、OPアンプ84,抵抗85及びコンデンサ86からなる増幅器が接続される。両増幅器は、各々の入力信号を同じ増幅率で増幅し、減算器87に出力する。減算器87は、入力された2つの増幅器の出力信号の減算を行い、その結果をサンプルホールド回路88に出力する。すなわち、減算器87は、X線の入射により半導体センサ21に発生した電流と暗電流に対応した電圧と、暗電流に対応した電圧との差を求める。よって、減算器87の出力は、X線の入射により半導体センサ21に発生した電流に対応した電圧となる。サンプルホールド回路88は、入力された減算器87の出力信号をホールドし、ADコンバータ14に出力する。ADコンバータ14は、入力された出力信号をAD変換する。
【0063】
本実施例によれば、X線の入射により半導体センサ21〜2nに発生した電流と暗電流に対応した電圧と、暗電流に対応した電圧との差を求める減算器87により、半導体センサ21〜2nにおいて発生する暗電流に対応する電圧を除去し、X線の入射により発生した電流に対応した電圧を正確に求めることができる。これは、入射フォトン数が多いか少ないかにかかわらない。
【0064】
なお、本実施例のスイッチ71,コンデンサ74,スイッチ73、及びOPアンプ81を用いた増幅回路は省略することができる。その場合には、被試験体の測定を開始する前に、X線を照射しない状態で暗電流に応じた電圧を測定し、メモリ15に記憶しておく。被試験体の測定時は、記憶しておいた暗電流に応じた電圧を測定値から差し引くことにより、X線の入射により発生した電流に対応した電圧を正確に求めることができる。
【0065】
以上説明した各実施例では、暗電流を除去するためにコンデンサを用いていたが、直流成分を除去するフィルタであれば、コンデンサに限らず適用可能である。また、各実施例は高エネルギーのX線パルスを用いるX線CT装置を対象としているためにX線センサとして半導体センサを用いたが、センサとしてシンチレータ光や蛍光を測定するためのフォトダイオード等を適用することもできる。更に、X線をパルス状に出力し、それを計測する装置であれば、X線CT装置に限らず各実施例の信号処理回路を適用することができる。
【0066】
【発明の効果】
本発明によれば、X線センサ信号処理回路のハード構成を簡単化し、X線センサにおいて発生する暗電流を除去することができ、また、入射フォトン数が少ない場合でも平均フォトン数に比例した値を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な一実施例である信号処理回路の構成図である。
【図2】本発明の好適な一実施例であるX線CT装置の構成図である。
【図3】図1の半導体センサ21の出力電流波形、及び積分器の出力電圧波形を示す図である。
【図4】図1の制御回路12の動作を示すフローチャートである。
【図5】本発明の他の実施例である信号処理回路の構成図である。
【図6】本発明の他の実施例である信号処理回路の構成図である。
【図7】本発明の他の実施例である信号処理回路の構成図である。
【図8】図1の実施例において、5つの信号処理回路1a〜1eを用いた場合の構成図である。
【図9】第1従来技術の信号処理回路の構成図である。
【図10】図9の半導体センサ21の出力電流波形、及び図9のサンプルホールドアンプ94の出力電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
1…信号処理回路、3…データ送受信回路、4…加速器、5…被試験体、6…スキャナ、7…コリメータ、8…遮蔽壁、9…CT制御装置、10…表示装置、12…制御回路、14…ADコンバータ、15…メモリ、16…補正係数メモリ、17…バス、21〜2n…半導体センサ、111〜11n…初段回路、131〜13n…スイッチ。
Claims (3)
- 加速器から出射されて被試験体を透過したパルス状のX線を検出する半導体X線センサの出力信号を処理する工業用X線CT装置に用いるX線センサ信号処理回路において、
一端が前記半導体X線センサに接続され他端が接地された第1の抵抗と、前記半導体X線センサと前記第1の抵抗の接続点に一端が接続された第1のコンデンサとを備え、前記第1のコンデンサの他端に反転入力が接続されたOPアンプと、前記OPアンプに並列に接続された第2の抵抗及び第2のコンデンサとを有する積分器を設け、前記半導体X線センサの出力信号の直流成分である暗電流が該第1のコンデンサを通して前記積分器に流れずに該第1の抵抗へ流れるよう構成され、該暗電流を除く該半導体X線センサのパルス状X線により生じる電荷は該第1のコンデンサを通過し第2のコンデンサに蓄積され、パルス状X線の照射後に前記半導体X線センサ及び第1のコンデンサのバイアス状態を定常状態に復帰するよう構成したことを特徴とするX線センサ信号処理回路。 - 請求項1に記載したX線センサ信号処理回路において、
パルス状X線により前記半導体X線センサに生じる電荷と、前記第2のコンデンサに蓄積される電荷とが等しいことを特徴とするX線センサ信号処理回路。 - 加速器から出射されて被試験体を透過したパルス状のX線を検出する半導体X線センサの出力信号を処理する工業用X線CT装置に用いるX線センサ信号処理方法において、
一端が前記半導体X線センサに接続され他端が接地された第1の抵抗と、前記半導体X線センサと前記第1の抵抗の接続点に一端が接続された第1のコンデンサとを備え、前記第1のコンデンサの他端に反転入力が接続されたOPアンプと、前記OPアンプに並列に接続された第2の抵抗及び第2のコンデンサとを有する積分器を設け、前記半導体X線センサの出力信号の直流成分である暗電流が該第1のコンデンサを通して前記積分器に流れずに該第1の抵抗へ流れ、該暗電流を除く該半導体X線センサのパルス状X線により生じる電荷は該第1のコンデンサを通過し第2のコンデンサに蓄積され、パルス状X線の照射後に前記半導体X線センサ及び第1のコンデンサのバイアス状態を定常状態に復帰することを特徴とするX線センサ信号処理方法。
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