JP4314073B2

JP4314073B2 - 放射線撮像装置及び放射線撮像方法

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Publication number: JP4314073B2
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Inventors: 忠夫遠藤
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は、放射線撮像装置及び方法に関し、特に、病院内での診断に用いられる放射線検出システムや、工業用の非破壊検査装置としても用いられる放射線撮像装置を対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
現在、医療におけるＸ線の静止画撮影系は、患者にＸ線を照射し、その透過Ｘ線像をフィルムに露光するフィルム方式が主流になっている。フィルムには、情報を表示、記録する機能を有し、大面積化でき、階調性が高く、しかも軽量で取り扱いが容易であるため、世界中に普及している。反面、現像工程を要する煩雑さ、長期にわたる保管場所の問題、検索に人手と時間を要する問題点を残している。
【０００３】
一方、動画像の撮影系は、イメージ・インテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）が主流となっている。Ｉ．Ｉ．は装置内部で光電子増倍作用を利用いるため、一般に感度が高く、被曝線量の観点で優れている。反面、光学系の影響による周辺画像の歪み、低コントラスト、装置が大きいといった短所が指摘されている。Ｉ．Ｉ．は患者の透視画像を医師がモニターするだけでなく、ＣＣＤのアナログ出力をディジタル変換して、記録、表示、保管することも可能である。しかし、診断には高い階調性が求められるため、透視画像にＩ．Ｉ．を用いても、静止画撮影においては、フィルムを用いている例が多い。
【０００４】
最近、病院内でのＸ線画像のディジタル化の要求が高まりつつあり、フィルムの替わりに、固体撮像素子を２次元アレー状に配置させたＸ線検出素子を用い、Ｘ線量を電気信号に変換するＸ線撮像装置が使われ初めている。これは、Ｘ線画像をディジタル情報に置き換えることができるため、画像情報を遠方に、しかも瞬時に伝送することが可能になるため、遠方にいながら都心の大学病院に匹敵する高度な診断が受けられる長所がある。フィルムを用いなければ、病院内でフィルムの保管スペースが省ける長所もある。将来では、優れた画像処理技術を導入できれば、放射線医師を介さず、コンピュータを用いた自動診断化の可能性が大いに期待されている。
【０００５】
そして、近年、固体撮像素子にアモルファスシリコン薄膜半導体を用い、静止画像を撮影できる放射線撮像装置が実用化された。アモルファスシリコン薄膜半導体の作製技術を用い、人体胸部の大きさをカバーする４０ｃｍ角を超える大面積化が実現されている。その作製プロセスが比較的容易であるため、将来的には安価な検出装置の提供が期待されている。しかもアモルファスシリコンは１ｍｍ以下の薄いガラスに作製可能であるため、ディテクタとしての厚さを非常に薄く作製できる長所がある。
【０００６】
このようなＸ線撮像装置は、放射線を電気信号に変換する複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された光電変換回路と、この光電変換回路からの前記電気信号を読み出すための読み出し回路とを有している。図７は、９つの光電変換素子Ｓ1-1〜Ｓ3-3（スイッチ素子（ＴＦＴ）Ｔ1-1〜Ｔ3-3を含む）が設けられた場合におけるＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートであり、符号等は図１，２に準拠する。
【０００７】
まず、光電変換期間（Ｘ線照射期間）について説明する。
ＴＦＴは全てオフ状態において、光源（Ｘ線）がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子に光が照射され、光の量に対応した信号電荷が素子容量に蓄積される。Ｘ線可視変換用の蛍光体を用いていれば、Ｘ線の量に対応した可視光を光電変換素子側に導光するような部材を用いるか、蛍光体を光電変換素子の極近傍に配置すればよい。なお、光源がオフした後でも素子容量に光電変換された信号電荷は保持される。
【０００８】
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、Ｓ1-1〜Ｓ1-3の1行目、次にＳ2-1〜Ｓ2-3の２行目、次にＳ3-1〜Ｓ3-3の３行目の順で行われる。まず、Ｓ1-1〜Ｓ1-3の1行目を読み出しするためにスイッチ素子（ＴＦＴ）Ｔ1-1〜Ｔ１-3のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。これにより、Ｔ1-1〜Ｔ１-3がオン状態になり、Ｓ1-1〜Ｓ1-3に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。Ｍ１〜Ｍ３の信号配線には、読み出し容量ＣＭ１〜ＣＭ３が付加されており、信号電荷はＴＦＴを介し、読み出し容量ＣＭ１〜ＣＭ３に転送されることになる。例えば信号配線Ｍ１の付加されている読み出し容量ＣＭ１は、Ｍ１に接続されているＴ1-1〜Ｔ3-1のゲート−ソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）である。Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。
【０００９】
容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＳＭＰＬ信号をオフするとともにホールドされる。次にシフトレジスタ１０３からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプ１０４から出力される。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のアナログ信号出力が１０４のアンプから出力されることから、シフトレジスタ１０３とスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３を含めてアナログマルチプレクサと称する。結果としてＳ1-1、Ｓ1-2、Ｓ1-3の１行分の光電変換信号がアナログマルチプレクサにより順次出力されることになる。Ｓ2-1〜Ｓ2-3の２行目の読み出し動作、Ｓ3-1〜Ｓ3-3の３行目の読み出し動作も同様に行われる。
【００１０】
１行目のＳＭＰＬ信号によりＭ１〜Ｍ３の信号をＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、Ｍ１〜Ｍ３をＣＲＥＳ信号によりＧＮＤ電位にリセットしその後Ｇ２のゲートパルスを印加することができる。すなわち１行目の信号をＳＲ２により直列変換動作をする間に、同時に光電変換素子Ｓ2−1〜Ｓ2−3の２行目の信号電荷をＳＲ１により転送することができる。
以上の動作により、第１行から第３行全ての光電変換素子の信号電荷を出力することができる。
【００１１】
以上述べてきた光電変換回路の動作において、放射線の画像を読み取ることができるが、実際にそのままの画像には光電変換回路や読み出し回路で生成される固定パターンノイズが含まれる。
【００１２】
固定パターンノイズの発生要因はいくつかあげられるが、
（Ａ）光電変換素子のダーク電流のばらつき
（Ｂ）スイッチ素子のリーク電流のばらつき
（Ｃ）光電変換回路の信号配線容量ＣＭ１〜ＣＭ３のばらつき
（Ｄ）読み出し回路のアンプ（例えばＡ１〜Ａ３）のオフセット電圧のばらつきなどがある。
【００１３】
（Ａ），（Ｂ）はドット状のノイズとして画像に現れ、（Ｃ），（Ｄ）はスジ状のノイズとして画像に現れ、いずれも画像品位を損なう原因である。従って、従来では、それらの固定パターンノイズを、暗出力像として別個に読み込み、放射線を照射した放射線像から暗出力像を減算処理して、固定パターンノイズを補正（以下、ＦＰＮ補正と称する。）していた。暗出力像の取り込みについては、暗出力像を工場出荷時または撮影前に読み込んでおき、その暗出力情報としてメモリに記憶させておく方式と、放射線像を読み込む直前または直後に取得する方式があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
暗出力像（ＦＰＮ）を工場出荷時あるいは撮影の前に予め取得しておく方式は以下の課題を有している。
【００１５】
▲１▼光電変換素子のダーク電流は温度特性があり、暗出力像（ＦＰＮ）を取得した時と放射線像を撮影する時とで温度差が発生することがあり、ＦＰＮを完全に補正できない。
【００１６】
▲２▼ＴＦＴのリーク電流は経時変化を伴うために、暗出力像（ＦＰＮ）を取得した時と放射線像を撮影する時とではリーク電流が異なり、ＦＰＮを完全に補正できない。
【００１７】
また、暗出力像を放射線像の直前または直後に読み込む方式は、▲１▼，▲２▼の課題を克服しているが、更に以下の課題を残している。
▲３▼光電変換回路から発生するランダム性のノイズ（以下、単にランダムノイズと称する。）や読み取り用回路から発生するランダム性のノイズなど固定パターンノイズではないノイズ成分を補正できず、減算処理を行うことによりむしろ√２倍に増大され、画質を低下させる。
【００１８】
ランダムノイズは光電変換素子のダーク電荷によるショットノイズや、スイッチ素子内の電子の熱的擾乱により発生する熱雑音（ジョンソンノイズ）等によるもので、統計確率的に発生するノイズであり、ある種不可避のノイズ成分である。信号配線Ｍ１〜Ｍ３も抵抗値を持てばその抵抗体の熱雑音がランダムノイズとなる。また読み出し回路では、それを構成するオペアンプからもランダムノイズを発生する。
【００１９】
ランダムノイズの量を求める方法としては、ある画素に着眼し、その画素のダークデータを多数回収集し、その分布を求めることにより得られる。すなわちその分布はガウス分布となりその標準偏差（σ）を求めることにより算出される。
【００２０】
２次元アレー状の光電変換回路と読み出し回路を接続した放射線撮像装置からの暗出力像には、固定パターンノイズとランダムノイズの双方が含まれている。それらは暗出力像のみならず、同様に放射線像にも含まれている。放射線像と暗出力像を減算すれば、固定パターンノイズはキャンセルされるが、ランダムノイズは補正されない。ランダムノイズは暗出力像と放射線像とでは対応する画素ごとでも異なる。暗出力像の取り込み時に発生するランダムノイズと放射線像の取り込み時に発生するランダムノイズは、互いに独立な事象であるために、減算処理（ＦＰＮ補正処理）した画像には、減算する前のランダムノイズ量（標準偏差σ）の√２倍のランダムノイズ量（√２・σ）が含まれることになる。
【００２１】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、透視撮影を行なうに際して、当該装置内で発生する固定パターンノイズ成分を補正し、且つその補正に伴い、放射線検出手段や読み出し手段から発生するランダムノイズの増加を抑制して、信頼性の高い優れた放射線撮像装置及び方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の放射線撮像装置は、放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列された放射線検出手段と、前記放射線検出手段を駆動制御する駆動手段と、前記駆動制御された放射線検出手段からの前記電気信号を読み出すための読み出し手段と、前記読み出し手段から出力された前記電気信号を処理する信号処理手段と、を含み、放射線照射がなされた前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から放射線像情報を出力する第１の読み取り動作と、前記放射線照射がなされることなく前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から暗時出力情報を出力する第２の読み取り動作と、を選択的に実行する機能を有して撮影を行ない、前記信号処理手段は、Ｎ（Ｎ≧２）個の記憶手段と、Ｎ回の前記第２の読み取り動作で得られ前記Ｎ個の記憶手段に記憶させたＮ回分の暗時出力情報を平均化処理した補正用情報を前記放射線像情報から減算する制御手段と、を有する放射線撮像装置であって、前記制御手段は、前記撮影を行なうに際して前記放射線照射の前に前記Ｎ回より多い複数回実行された前記第２の読み取り動作で得られた複数回分の暗時出力情報を前記Ｎ個の記憶手段へ順次に且つ繰り返し書き込みを行ない、且つ前記放射線照射の命令を受けて前記書き込みを終了して、前記Ｎ個の記憶手段に前記Ｎ回分の暗時出力情報を記憶させる。
【００２３】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記制御手段は、前記Ｎ個の記憶手段を順次選択する選択部と、前記記憶手段及び前記選択部を制御して前記Ｎ回分の暗時出力情報を平均化処理した補正用情報を前記放射線像情報から減算する制御部と、を有する。
【００２４】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有する。
【００２５】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記波長変換体は、Gd₂Ｏ₃、Gd₂Ｏ₂Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成されている。
【００２６】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されている。
【００２７】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子はスイッチ素子を有する。
【００２８】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記放射線検出素子は、放射線を吸収して直接的に電気信号に変換する機能を有し、その主材料がアモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種である。
【００２９】
本発明の放射線撮像方法は、放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列されてなる放射線検出手段と、前記放射線検出手段を駆動制御する駆動手段と、前記駆動制御された放射線検出手段からの前記電気信号を読み出すための読み出し手段と、前記読み出し手段から出力された前記電気信号を処理する信号処理手段と、Ｎ（Ｎ≧２）個の記憶手段と、を含み、放射線照射がなされた前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から放射線像情報を出力する第１の読み取り動作と、前記放射線照射がなされることなく前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から暗時出力情報を出力する第２の読み取り動作と、を選択的に実行する機能を有して撮影を行なう放射線撮像装置を用い、前記第２の読み取り動作をＮ回行なって得られ前記Ｎ個の記憶手段に記憶させたＮ回分の暗時出力情報を平均化処理した補正用情報を前記放射線像情報から減算する放射線撮像方法であって、前記撮影を行なうに際して、前記放射線照射の前に前記Ｎ回より多い複数回実行された前記第２の読み取り動作で得られた複数回分の暗時出力情報を前記Ｎ個の記憶手段へ順次に且つ繰り返し書き込みを行ない、且つ前記放射線照射の命令を受けて前記書き込みを終了して、前記Ｎ個の記憶手段に前記Ｎ回分の暗時出力情報を記憶させることを特徴とする。
【００３０】
本発明の放射線撮像装置の一態様では、前記Ｎが、２≦Ｎ≦５である。
【００３１】
本発明の放射線撮像装置及び方法において、「暗出力読み取り動作」で得られた暗出力像に含まれるランダムノイズの標準偏差をσ１とすると、「暗出力読み取り動作」をＮ回行い、それらの平均化処理を行った暗出力像に含まれる標準偏差はσ１／√Ｎになる。
【００３２】
「明出力読み取り動作」で得られた明出力像に含まれるランダムノイズの標準偏差をσ２とすると、明出力像から前記平均化処理を行った暗出力像を減算した最終的な放射線像に含まれるランダムノイズの標準偏差σｔは、
σｔ＝｛σ２²＋（σ１／√Ｎ）²｝^1/2
となる。
【００３３】
ここで、実際の明出力像に含まれる放射線のショットノイズについては、ここでは必要がないため無視している。明出力に含まれるランダムノイズのσ２は暗出力に含まれるσ１と同じであるため、これらを単にσとすると
σt＝σ（１＋１／Ｎ）^1/2
となる。
【００３４】
Ｎ＝１の従来の場合、σｔ＝１．４１であったランダムノイズは、Ｎ＝２回実施することによりσ＝１．２２、Ｎ＝３でσｔ＝１．１５、Ｎ＝４でσｔ＝１．１１と回数Nが多いほどランダムノイズは改善する。
【００３５】
また、本発明では、「暗出力読み取り動作」は、「明出力読み取り動作」の直前または直後に行うために、放射線撮像装置を取り巻く環境温度の変化や経時変化など、固定パターンノイズの変動要因の影響を受けないので、補正精度が高い放射線撮像装置の提供が可能となる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態によるアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の概略構成であり、可視光を捕らえ電気信号に変換する光電変換素子を用いたＸ線撮像装置の平面的回路図である。このＸ線撮像装置では、動画撮影モードと静止画撮影モードとを選択的に設定自在とされている。図１には、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体は図示していない。なお、本実施形態ではＸ線撮像を例示するが、本発明はこれに限定されることなく、α線、β線、γ線なども放射線の範疇に含むものとして説明する。
【００３７】
図１において、Ｓ1-1〜Ｓ3-3はマトリクス状に配列された光電変換素子、Ｔ1-1〜Ｔ3-3はスイッチ素子（ＴＦＴ）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン／オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線である。光電変換素子はフォトダイオードと容量を並列接続で表記しており、逆方向バイアスが印加される。すなわち、フォトダイオ−ドのカソ−ド電極側は＋（プラス）にバイアスされる。バイアス配線は通常共通の配線であるが、図１中では共通の配線としては省略している。光電変換された電荷は容量に蓄積される。Ｓ1-1〜Ｓ3-3、Ｔ1-1〜Ｔ3-3、Ｇ１〜Ｇ３、Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ線、これらを総じて放射線検出回路または光電変換回路と称する。１０２はゲート配線Ｇ１〜Ｇ３にパルスを印加し、光電変換素子Ｓ1-1〜Ｓ3-3を駆動制御するシフトレジスタ、１０７は光電変換回路部１０１内のＭ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力するための読み出し用回路、１０８は読み出し用回路１０７から出力された電気信号を処理する信号処理回路である。
【００３８】
各光電変換素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有しており、波長変換体は、Gd₂Ｏ₃、Gd₂Ｏ₂Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成され、光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されている。また、各光電変換素子を、放射線を吸収して前記波長変換体を介さず直接的に電気信号に変換する機能を有するように構成し、その主たる材料として、アモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種としてもよい。なお、ここでは記載の便宜上、３×３画素分の光電変換素子を例示したが、実際の構成では更に多数の光電変換素子が配列される。
【００３９】
図２は、図１の読み出し用回路１０７の内部構造を示す回路図である。
図２において、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３はＭ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３はＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、１０３は、Ｓｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、１０４は直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【００４０】
図３は、本実施形態の主要構成をなす図１の信号処理回路１０８の内部構造を示す模式図である。
この信号処理回路１０８は、読み出し回路１０７からのアナログ出力をディジタル変換するＡＤコンバータ１１と、Ｎ＝４回分の暗時出力（ＦＰＮ出力）を格納する４つのＦＰＮメモリ１〜４と、Ｘ線が照射された後の読み出し動作による明出力を格納する明出力メモリ５と、当該信号処理回路１０８を統括し、ＦＰＮメモリ１〜４及び明出力メモリ５に記憶されたデータに後述するような信号処理を施すＣＰＵ（中央演算処理装置）６と、ＣＰＵにより制御されるシフトレジスタ７とを有し構成されている。
【００４１】
図４は、本実施形態によるＸ線撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
ここでは、フレームＮｏ．（フレーム数）が２４であり、また暗出力読み取り動作を４回行っているタイミング例を示す。紙面右側に向かう方向が時間の経過を意味する。図７のタイミングチャートで示しているＸ線照射期間を、図４では「Ｘ」で表しており、また図７で示す読み出し期間を「Ｈ」で表している。「Ｈ」は、明出力読み取り動作の期間で、本読み期間または本読み動作と称す。図１において、「Ｘ」と「Ｈ」は２４フレーム目に記載している。「Ｗ」はＸ線照射期間「Ｘ」と同じタイムスケールであるが、Ｘ線の照射を行わない。「Ｗ」は言わば光電変換素子のダークを蓄積している期間でウェイト期間と称する。「Ｋ」と「Ｆ」はそのウェイト期間の後の読み出し動作を示しており、光電変換装置の動作上、図１３の読み出し期間「Ｈ」と何ら違いはない。「Ｋ」と「Ｆ」は全く同じ読み出し動作であるが、その違いは、放射線像を取得する情報として使用するか否かである。「Ｋ」は空読み（カラヨミ）期間または空読み動作と称し、「Ｆ」はＦＰＮ読み取り期間またはＦＰＮ読み取り動作と称する。放射線像を取得する情報としては「Ｆ」が採用される。
【００４２】
次に動作手順について説明する。
図４では、暗出力読み取り動作を４回行う場合を例示している。先ず、光電変換装置は、「Ｗ」と「Ｋ」を交互に動作させる。この時、実際の撮影現場では、Ｘ線技師（撮影者）は、光電変換装置の受光面上で、患者（被撮影者）の撮影部位の位置合わせを行っている。この期間の空読み「Ｋ」の暗時出力情報は、この後いつＸ線が照射されるのかわからないため、信号処理回路１０８に記憶しておく。Ｘ線技師（撮影者）は、患者の位置合わせが終了し撮影の準備が整ったならば、装置の曝射命令を発する。曝射命令を受けた光電変換装置は、その時点のウェイト動作「Ｗ」と空読み動作「Ｋ」（便宜上「Ｋ」と書くが実際には「Ｆ」である。）を行い、その後Ｘ線照射期間「Ｘ」に遷移し、最後に、明出力の読み取り動作「Ｈ」を行い、撮影を終了する。
【００４３】
撮影が終了した時点で本読み動作「Ｈ」の直前の4回分の空読み動作「Ｋ」がＦＰＮの補正情報として用いられる。図４では、「Ｆ」として表している。この場合、フレームＮｏ．で、２１、２２，２３の空読み動作が「Ｆ」になっている。しかし、動作が開始された時点では、どの時点の空読み動作「Ｋ」がＦＰＮ読み取り動作「Ｆ」のデータに採用されるのか予想できず、飽くまでＸ線技師（撮影者）による曝射命令により本読み動作「Ｈ」終了した時点で、「Ｈ」直前の「Ｆ」が決定される。
【００４４】
従って、撮影開始からの「Ｋ」の情報は、メモリに記憶しなければならない。しかし、曝射命令は、動作開始直後に発生するか否かは判らないため、全てのＦＰＮをメモリに記憶することは、メモリ容量を多く必要とするためにさほど得策ではない。
【００４５】
図３に示す信号処理回路１０８により、放射線撮像装置からのアナログ出力を記憶するには、先ず読み出し回路１０７からのアナログ出力がＡＤコンバータ１１でディジタル変換され、４つのＦＰＮメモリ１〜４及び明出力メモリ５に格納される。ＡＤコンバータの出力は、上記５つのメモリのデータ線に並列に接続される。ＣＰＵ６のデータバスも、上記５つのメモリのデータ線に接続されている。一方、ＣＰＵ６のアドレスバスは、上記５つのメモリのアドレス線に接続されている。時系列的に出力されるＮ＝４回分の暗時出力（ＦＰＮ出力）は、ＣＰＵ６により制御されるシフトレジスタ７の出力信号（Ｇ１〜Ｇ４）により、それぞれのメモリに格納される。シフトレジスタ７は、フレーム数が増加する度に、Ｇ１→Ｇ２→Ｇ３→Ｇ４とシフト動作を行い、Ｇ４が出力された後は再度Ｇ１に戻るようにＣＰＵ６が監視している。従って、常に連続した４回分の空読み動作「Ｋ」の出力が、それぞれのメモリに格納されることになる。つまり、４個分のメモリが全て書き込みされたとしても、撮影技師による曝射命令が発せられない限り、メモリには次々と新しい暗時出力のデータが格納されることになる。曝射命令が発した後に、Ｘ線照射期間「Ｘ」に遷移したならばＦＰＮメモリへの書き込みを終了する。ＦＰＮメモリ１〜ＦＰＮメモリ４に格納されているデータが、明出力読み取り動作「Ｈ」直前の、Ｎ＝４回分の暗時出力データとなる。
【００４６】
Ｘ線照射期間「Ｘ」が終了後、読み出し動作「Ｈ」により出力される明出力データは、ＣＰＵ６の明出力用の制御信号により、明出力メモリ５に格納する。
【００４７】
図５は、連続した４回分のＦＰＮデータを平均化処理する場合の手順を示す概念図である。
それぞれのＦＰＮメモリ１〜４には、２次元アレー状に配列された画素に対応するＦＰＮデータが記憶されている。それぞれの画素ごとのＦＰＮデータはデータバスを介してＣＰＵ６に取り込まれる。ＣＰＵは、４回分の平均化処理を容易に行うことができる。平均化処理とは、それぞれの画素ごとに４回分のＦＰＮを加算し、４で割り算する処理である。ＣＰＵ６で計算（平均化処理）された値は、別に容易されたメモリに格納してもいいし、あるいは既にあるＦＰＮメモリ１〜４のいずれかのメモリに上書きしてもよい。
【００４８】
ＣＰＵ６で平均化された補正用のＦＰＮデータと、明出力メモリ５に格納されているＸ線画像データ（明出力データ）とは、更に画素ごとに減算処置が行われる。明出力データと補正用のＦＰＮデータは、同様にデータバスを介してＣＰＵ６に取り込まれ、当該ＣＰＵ６内で計算（引き算処理）される。
【００４９】
以上の過程により、ＦＰＮ補正され、ランダムノイズが抑制された良好な放射線画像データを得ることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、透視撮影を行なうに際して、当該装置内で発生する固定パターンノイズ成分を補正し、且つその補正に伴い、光電変換回路１０１や読み出し回路１０７から発生するランダムノイズの増加を抑制して、信頼性の高い優れた放射線撮像装置及び方法が実現する。
【００５１】
（変形例）
図６は、本実施形態の変形例におけるＸ線撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
図６では、フレームＮｏ（フレーム数）は５２、また暗出力読み取り動作を２回行っているタイミング例を示す。紙面右側に向かう方向が時間の経過を意味する。「Ｘ」「Ｈ」「Ｗ」［Ｋ］［Ｆ］は本実施形態で説明した内容と全く同様である。
【００５２】
次に図６の動作手順について説明する。
図６では、暗出力読み取り動作を２回行う場合を例示する。先ず、光電変換装置は、「Ｗ」と「Ｋ」を交互に動作させる。この時、実際の撮影現場では、Ｘ線技師（撮影者）は、光電変換装置の受光面上で、患者（被撮影者）の撮影部位の位置合わせを行っている。この期間の空読み「Ｋ」の暗時出力情報は、実施形態１と異なりメモリへ記憶はしない。Ｘ線技師（撮影者）は、患者の位置合わせが終了し撮影の準備が整ったならば、装置の曝射命令を発する。曝射命令を受けた光電変換装置は、その時点のウェイト動作「Ｗ」と空読み動作「Ｋ」を行い、その後Ｘ線照射期間「Ｘ」に遷移し、その後明出力の読み取り動作「Ｈ」を行う。明出力の読み取り動作「Ｈ」が終了直後に、ウェイト動作「Ｗ」と空読み動作「Ｋ」をそれぞれ２回分の動作を行い、撮影動作を終了する。明出力の読み取り動作「Ｈ」直後の２回分の空読み動作は、メモリに格納される。それらは、暗時出力補正データ（ＦＰＮ補正データ）として用いられるため、図６では「Ｆ」と表記している。
【００５３】
Ｎ＝２回分のＦＰＮデータ「Ｆ」は、後にそれぞれ対応する画素ごとに平均化処理され、１フレーム分の暗時出力データ（ＦＰＮ補正データ）が作成される。平均化処理されたＦＰＮ補正データは、明出力読み取り動作「Ｈ」の明出力データから、それぞれ対応する画素ごとに引き算することにより、ＦＰＮ補正された良好な放射線画像データを得る。また、本発明の放射線撮像装置及び方法において、「暗出力読み取り動作」で得られた暗出力像に含まれるランダムノイズの標準偏差をσ１とすると、「暗出力読み取り動作」をＮ回行い、それらの平均化処理を行った暗出力像に含まれる標準偏差はσ１／√Ｎになる。「明出力読み取り動作」で得られた明出力像に含まれるランダムノイズの標準偏差をσ２とすると、明出力像から前記平均化処理を行った暗出力像を減算した最終的な放射線像に含まれるランダムノイズの標準偏差σｔは、σｔ＝｛σ２²＋（σ１／√Ｎ）²｝^1/2となる。
【００５４】
ここで、実際の明出力像に含まれる放射線のショットノイズについては、ここでは必要がないため無視している。明出力に含まれるランダムノイズのσ２は暗出力に含まれるσ１と同じであるため、これらを単にσとするとσt＝σ（１＋１／Ｎ）^1/2となる。
Ｎ＝１の従来の場合、σｔ＝１．４１であったランダムノイズは、Ｎ＝２回実施することによりσ＝１．２２、Ｎ＝３でσｔ＝１．１５、Ｎ＝４でσｔ＝１．１１と回数Nが多いほどランダムノイズは改善する。
【００５５】
図８は、実際に、Ｘ線撮像装置を用いて平均化処理回数に対するノイズ量を測定した実験値と理論値を示した特性図である。放射線撮像装置には、７３０万画素を２次元アレー状に放射線検出手段を配置し、駆動手段、信号読み取り手段、信号処理手段を配置している。第１の読み取り動作は、本来の使い方としては被写体の透過Ｘ線を読み取るが、ここではノイズ量の低減効果を示すために、まっ暗な環境下で読み取り動作を行っている。第２の読み取り動作は、同じくまっ暗な環境下において全部で８回の測定を行っており、図８の横軸は、第２の読み取り動作における平均化処理の回数を示す。縦軸は、第１の読み取り動作データから第２の読み取り動作データ（平均化データ）を引き算し、７２０万の画素データの標準偏差を示している。ちなみに横軸の平均化回数＝１のところは従来例であり、データが一つのため平均化処理は行えない。図８から平均化処理の回数をｎ≧２にすることにより、ノイズ量が低減することが実験的に確認された。平均化回数を多くすればするほどノイズ量が低減するが、最終的には、ｎ＝１回の時のノイズ量（３．８）の√２分の１に収束する。平均化による改善の度合いは、平均化回数が２回の時が一番高く、ｎ＝１回の従来例（√２＝４１．４％増し）に対し、ｎ＝２の時は２２．４％に減少する。ｎ＝３の時は１５．５％増しななる。平均化回数を多くすればするほど理想値（３．８÷√２＝２．６８７）に収束するが、平均回数を多くすることはそれだけ積算時間がかかるため、ノイズ特性とのトレードオフの関係にある。
【００５６】
図８からわかるように、平均化回数を多くすることは、ノイズ量を減らすことになるが、回数が多くなればなるほど、その効果が薄れてくる。ランダム性のノイズを含んだ画像は、そのランダムノイズの収束値（理想値）に対して１０％の増加あれば、画像品位を大きく損なうことはなく、また工場生産におけるＳ／Ｎのばらつきの範囲内である、つまり、最大ｎ＝５の平均処理を行えば、本発明の目的を達成でき、逆に、それ以上の平均処理を行うことは、かえって使い勝手を損なう原因となる。従って、２〜５回の平均化回数を行うことが、ノイズ量の改善度が高く、かつ処理時間も短いため、妥当である。
【００５７】
以上説明したように、本変形例によれば、透視撮影を行うに際して、当該装置内で発生する固定パターンノイズ成分を補正し、且つその補正に伴い、光電変換回路１０１や読み出し回路１０７から発生するランダムノイズの増加を抑制して、信頼性の高い優れた放射線撮像装置及び方法が実現する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の放射線撮像装置及び方法によれば、ＦＰＮを含んだ暗時出力と、放射線像を含んだ明出力とを減算処理を施すことにより、ＦＰＮが補正された良好な放射線画像を得ることができる。
【００５９】
しかも、本発明の放射線撮像装置及び方法によれば、ＦＰＮを含んだ暗時出力を放射線像を含んだ明出力の撮影の直前または直後に取得するため、明出力に含まれＦＰＮ成分に極めて近い暗時出力が得られ、ＦＰＮ補正精度が高い。
【００６０】
更に、本発明の放射線撮像装置及び方法によれば、複数回取り込んだ暗時出力に対して平均化処理を施したＦＰＮデータを用いてＦＰＮ補正を行うために、ＦＰＮ補正に伴うランダムノイズの増加を抑制させることが可能であり、放射線画像の画質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態によるアモルファスシリコン薄膜半導体を用いたＸ線撮像装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】図１の読み出し用回路の内部構造を示す回路図である。
【図３】本実施形態の主要構成をなす図１の信号処理回路１０８の内部構造を示す模式図である。
【図４】本実施形態によるＸ線撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本実施形態において、連続した４回分のＦＰＮデータを平均化処理する場合の手順を示す概念図である。
【図６】変形例において、連続した２回分のＦＰＮデータを平均化処理する場合の手順を示す概念図である。
【図７】従来例によるＸ線撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】Ｘ線撮像装置を用いて平均化処理回数に対するノイズ量を測定した実験値と理論値を示した特性図である。
【符号の説明】
１〜４ＦＰＮメモリ
５明出力メモリ
６ＣＰＵ
７シフトレジスタ
１０１光電変換回路
１０２シフトレジスタ（スイッチング素子用）
１０３シフトレジスタ（読み出しスイッチ用）
１０７読み出し用回路
１０８信号処理回路
Ｓ1-1〜Ｓ3-3 光電変換素子
Ｔ1-1〜Ｔ3-3 スイッチング素子
Ｇ１〜Ｇ３ゲート駆動配線
Ｍ１〜Ｍ３マトリクス信号配線
Ｖｓ光電変換素子のバイアス線
ＣＭ１〜ＣＭ３マトリクス信号配線に付加している読み出し容量
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３ＣＭ１〜ＣＭ３をリセットするスイッチ
Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，１０４アンプ
Ｓｎ１〜Ｓｎ３読み出し容量に信号を転送するための転送スイッチ
Ｓｒ１〜Ｓｒ３読み出し容量の信号を順次読み出すための読み出し用スイッチ
「Ｘ」Ｘ線照射期間Ｘ線照射動作
「Ｋ」空読み期間空読み動作（ＦＰＮ補正データとして使用しない）
「Ｈ」明出力読み込み期間（本読み期間）本読み動作
「Ｆ」暗時出力読み込み期間ＦＰＮ読み込み動作（ＦＰＮ補正データ）
「Ｗ」ウェイト期間ウェイト動作

Claims

放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列された放射線検出手段と、前記放射線検出手段を駆動制御する駆動手段と、前記駆動制御された放射線検出手段からの前記電気信号を読み出すための読み出し手段と、前記読み出し手段から出力された前記電気信号を処理する信号処理手段と、を含み、
放射線照射がなされた前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から放射線像情報を出力する第１の読み取り動作と、前記放射線照射がなされることなく前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から暗時出力情報を出力する第２の読み取り動作と、を選択的に実行する機能を有して撮影を行ない、
前記信号処理手段は、Ｎ（Ｎ≧２）個の記憶手段と、Ｎ回の前記第２の読み取り動作で得られ前記Ｎ個の記憶手段に記憶させたＮ回分の暗時出力情報を平均化処理した補正用情報を前記放射線像情報から減算する制御手段と、を有する放射線撮像装置であって、
前記制御手段は、前記撮影を行なうに際して前記放射線照射の前に前記Ｎ回より多い複数回実行された前記第２の読み取り動作で得られた複数回分の暗時出力情報を前記Ｎ個の記憶手段へ順次に且つ繰り返し書き込みを行ない、且つ前記放射線照射の命令を受けて前記書き込みを終了して、前記Ｎ個の記憶手段に前記Ｎ回分の暗時出力情報を記憶させることを特徴とする放射線撮像装置。
前記制御手段は、前記Ｎ個の記憶手段を順次選択する選択部と、前記記憶手段及び前記選択部を制御して前記Ｎ回分の暗時出力情報を平均化処理した補正用情報を前記放射線像情報から減算する制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
前記放射線検出素子は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、可視光を受光して電気信号に変換する光電変換体とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
前記波長変換体は、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の放射線撮像装置。
前記光電変換体は、アモルファスシリコンを主材料として構成されていることを特徴とする請求項４に記載の放射線撮像装置。
前記放射線検出素子はスイッチ素子を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
前記放射線検出素子は、放射線を吸収して直接的に電気信号に変換する機能を有し、その主材料がアモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛から選ばれた１種であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
放射線を電気信号に変換する複数の放射線検出素子がマトリクス状に配列されてなる放射線検出手段と、前記放射線検出手段を駆動制御する駆動手段と、前記駆動制御された放射線検出手段からの前記電気信号を読み出すための読み出し手段と、前記読み出し手段から出力された前記電気信号を処理する信号処理手段と、Ｎ（Ｎ≧２）個の記憶手段と、を含み、放射線照射がなされた前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から放射線像情報を出力する第１の読み取り動作と、前記放射線照射がなされることなく前記放射線検出手段を前記駆動手段により駆動して前記読み出し手段から暗時出力情報を出力する第２の読み取り動作と、を選択的に実行する機能を有して撮影を行なう放射線撮像装置を用い、
前記第２の読み取り動作をＮ回行なって得られ前記Ｎ個の記憶手段に記憶させたＮ回分の暗時出力情報を平均化処理した補正用情報を前記放射線像情報から減算する放射線撮像方法であって、
前記撮影を行なうに際して、前記放射線照射の前に前記Ｎ回より多い複数回実行された前記第２の読み取り動作で得られた複数回分の暗時出力情報を前記Ｎ個の記憶手段へ順次に且つ繰り返し書き込みを行ない、且つ前記放射線照射の命令を受けて前記書き込みを終了して、前記Ｎ個の記憶手段に前記Ｎ回分の暗時出力情報を記憶させることを特徴とする放射線撮像方法。