JP4750512B2 - 放射線撮像装置、その制御方法及び放射線撮像システム - Google Patents

放射線撮像装置、その制御方法及び放射線撮像システム Download PDF

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Description

本発明は、被写体からの放射線を電気信号に変換する変換素子と、前記電気信号を外部に転送する転送部とを具備する画素が２次元状に配置された２次元センサを有する放射線撮像装置、その制御方法及び放射線撮像システムに関するものである。
近年、半導体技術の進歩により、光を電気信号に変換する光電変換装置を備えたデジタルＸ線撮像装置が実用化され普及している。
このデジタルＸ線撮像装置は、従来のフィルム式より優れた感度や画質を有することや、デジタルデータにより画像が保存できるため、撮影後に各種の画像処理を行うことにより診断しやすい画像に加工できる、あるいは画像管理が容易である等の利点がある。また、これらの利点を生かして、より低線量で撮影することや、ネットワークを利用して画像データを転送して遠隔診断などの新たな医療サービスを提供すること、あるいはより患者にやさしい診断を行うことが可能となる。
よって、これらの利点を持つデジタルＸ線撮像装置を用いれば、診断精度の向上や、診断の効率化、新たな医療サービスへの展開など、従来のＸ線撮像装置に比べて質の高い医療サービスを提供することができる。
このデジタルＸ線撮像装置の従来の技術としては、下記の特許文献１〜３に挙げたものがある。これらのデジタルＸ線撮像装置では、放射線を可視光に変換する蛍光体と、蛍光体で変換された可視光を電気信号に変換するＭＩＳ型光電変換素子を用いて、被写体を透過した放射線を電気信号へと変換している。
また、これらのデジタルＸ線撮像装置では、静止画撮影のほかに、読み出し動作を高速にすることや感度を上げることにより、従来ではイメージ・インテシファイア（Ｉ・Ｉ）や、ＣＣＤ、あるいは特殊な固体撮像素子を用いた撮像装置でしか撮影ができなかった透視撮影やＣＴ撮影といった動画撮影も可能である。
デジタルＸ線撮像装置によって透視撮影等の動画撮影が行えるようになると、従来、用途別に用意して設置していたＸ線撮像装置が１つの装置で済むことになり、作業性の向上や省スペース化が実現できる。さらに、デジタルＸ線撮像装置は、Ｉ・Ｉに比べて画像の歪みが無く、また視野の面で優れているために、動画像の画質や視野の向上を図れる利点がある。
一方、Ｉ・ＩやＣＣＤを用いたＸ線撮像装置では、静止画像として診断に耐えうる画像を得ることができなく、動画撮影中に静止画を撮影したい場合には、動画撮影中にフィルムによる撮影装置に切り替えて撮影を行うことになる。このような装置構成では、その装置構成が大掛かりになって高価であるうえに、Ｉ・ＩやＣＣＤからフィルムに切り替えるまでのディレイがあるために使い勝手が良くない。
前述したデジタルＸ線撮像装置で動画撮影が可能であれば、１台の装置で静止画と動画が撮影でき、動画撮影中に静止画撮影を行う場合においても当該静止画撮影を効率よく行うことができる。さらには、１台の装置で透視や断層撮影など様々な撮影をこなすことができ、医療現場の効率化が可能になる。ゆえに、静止画と動画の両方を高品質に効率よく撮影可能なデジタルＸ線撮像装置の実用化が望まれている。
しかしながら、単純撮影から透視やＣＴ撮影までを対象としたデジタルＸ線撮像装置を実現するためには、単純撮影に要求される解像度とＣＴ撮影や透視撮影に要求される感度との二律背反する特性を両立しなくてはならない。
デジタルＸ線撮像装置において、解像度は、蛍光体の組成や厚さ、蛍光体と光電変換素子との間の層構成、及び画素ピッチ等に依存する。特に、画素ピッチは、単純撮影（静止画）に必要とされる解像度を実現するため、１００〜２００μｍ程度にしなければならい。
一方、透視撮影やＣＴ撮影等では、デジタルＸ線撮像装置のシグナル・ノイズ比（以下Ｓ／Ｎと略記する）と動画のフレームレートが高いことが望まれる。その理由としては、透視撮影やＣＴ撮影では、患者に長時間、Ｘ線を照射しなくてはならないことから、単位時間あたりのＸ線照射量が単純撮影の１／１０〜１／１００程度に制限されるからである。デジタルＸ線撮像装置に到達するＸ線量が単純撮影の１／１０〜１／１００程度となるため、透視撮影やＣＴ撮影において診断に必要なＳ／Ｎを実現するためには、光電変換素子の感度が高いことが望まれている。一方で解像度に関しては、単純撮影ほど精細である必要はない。特にＣＴ撮影では、画像をコンピュータにより演算して人体の断層画像へと変換するため、１００μｍ〜２００μｍ単位の解像度は必要とされない。また、透視撮影では、撮影する部位、撮影目的に応じて必要な解像度は異なり、静止画撮影のためのプレビュー的な撮影では、あまり解像度は要求されない。
一般に、光電変換素子を用いた光センサのＳ／Ｎを向上させるには、画素を大きくし（画素ピッチを大きくし）１画素あたりの信号値である感度を大きくすることが簡便な方法である。しかしながら、画素を大きくすることは解像度の低下に繋がり、単純撮影時の解像度を満たせなくなる。
そこで、単純撮影に最適化された画素ピッチの画素を有するデジタルＸ線撮像装置において、ＣＴ撮影や透視撮影の際は、複数画素をまとめて読み出して、画素出力を加算する画素加算を行うことにより、見かけ上、大きな画素として扱うことができる。この方法を用いることで、単純撮影に要求される解像度とＣＴ撮影や透視撮影に要求されるＳ／Ｎとの二律背反する問題を解決することが可能である。このとき、画素加算によって向上するＳ／Ｎは、画素加算をしないときに比べ約√ｎ倍（ｎは画素加算数）である。
このような画素加算によって、透視撮影やＣＴ撮影時に大きなＳ／Ｎを得ることができ、単純撮影時には１画素単位で読み出すことで必要な解像度が得られる。また、複数画素をまとめて読み出すので、センサにおけるすべての画素を読み出すまでの時間が短くて済み、フレームレートを向上させることができる。以上から、画素加算を行うことにより、単純撮影から、透視、ＣＴ撮影まで可能なＸ線撮像装置が実現可能である。
特開２００３−７８１２４号公報 特開平９−２９３８５０号公報 特開平９−２８８１８４号公報
図１３は、一般的なＸ線撮像装置を構成するＦＰＤ（フラット・パネル・ディテクター）の回路図である。
このＦＰＤは、１つの光電変換素子１１と、転送部として１つのＴＦＴ１２とを具備する画素１０が２次元状に配置された２次元センサ１０３と、ＴＦＴ１２のＯＮ／ＯＦＦを制御する垂直駆動回路２０５と、ＴＦＴ１２から出力される電気信号を増幅する信号増幅回路２０１と、信号増幅回路２０１からの信号をＡ／Ｄコンバータ１０６へ転送するまでの期間、保持するサンプルホールド回路２０３と、サンプルホールド回路２０３に保持された電気信号を時系列的に読み出すマルチプレクサ回路２０４と、マルチプレクサ回路２０４から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１０６と、光電変換素子１１に光電変換に必要な電圧を供給するセンサ電源２０６と、ＴＦＴ１２をＯＮするための電圧Ｖcomを供給するＴＦＴオン電源２０７と、ＴＦＴ１２をＯＦＦするための電圧Ｖssを供給するＴＦＴオフ電源２０８とを有して構成されている。
図１３において１画素は、信号線３１を上下方向（列方向）の画素と共有し、また、ゲート線３２を左右方向（行方向）の画素と共有している。さらに、センサバイアス線３３は、全画素に対して共通化されている。
垂直駆動回路２０５は、シフトレジスタによって構成されており、シフトレジスタへ出力パルスを与えるシフトクロックの制御信号ＤＩＯ、シフトレジスタの駆動クロックの制御信号ＣＰＶ、及び出力切り替えの制御信号ＯＥによって制御される。そして、図１３のように構成された撮像装置において、画素１０に蓄積された電気信号を読み出すには、図１４に示す駆動タイミングで撮像装置を駆動すればよい。
図１４は、一般的なＸ線撮像装置の駆動を示したタイミングチャートである。図１４（ａ）には、２次元センサの画素出力を１つの信号線３１あたり１画素づつ読み出す静止画撮影モードの際のタイミングチャートを示す。また、図１４（ｂ）には、２次元センサの画素出力を１つの信号線３１あたり２画素加算して読み出す動画撮影モードの際のタイミングチャートを示す。
光電変化素子１１に蓄積された、人体の情報を担った電気信号を読み出す場合、まず、信号増幅回路２０１やこの信号増幅回路２０１に接続されている信号線３１の電位を初期化するため、ＲＣをＨｉにする。これにより、信号増幅回路２０１内のアンプ２０に付随するキャパシタＣｆがリセットされ、信号増幅回路２０１の出力や、信号線３１の電位がリセットされる。このリセット動作によって、前回の読み出し時に発生したオフセット成分やノイズといった人体の情報とは無関係な電気信号を除去して画質の向上が図れる。
アンプ２０のリセット動作期間中に、制御信号ＣＰＶ、ＤＩＯとして所望のパルスを与え、垂直駆動回路２０５のシフトレジスタを動作させる。制御信号ＣＰＶ、ＤＩＯとして必要なパルスを与え、リセット動作を十分行った後、制御信号ＯＥをＨｉにしてＴＦＴ１２をＯＮさせる。例えば、図１４（ａ）では、制御信号ＤＩＯがＨｉの期間に、制御信号ＣＰＶを１クロック入力しているため、横１ラインすべてのＴＦＴ１２がＯＮする。このとき、１つの信号線３１につき１画素分の電気信号が信号増幅回路２０１のアンプ２０に付随するキャパシタＣｆに蓄積される。
そして、光電変換素子１１内の電気信号が十分転送されるまでＴＦＴ１２をＯＮした後、ＴＦＴ１２をＯＦＦし、制御信号ＳＨをＨｉにして、アンプ２０の出力をサンプルホールド回路２０３に保持する。サンプルホールド回路２０３に保持された電気信号は、次ラインの読み出しを行っている間にマルチプレクサ回路２０４によって時系列的にＡ／Ｄコンバータ１０６に送られる。そして、２次元センサ１０３内の全画素の読み出しを行うためには、図１４（ａ）に示した区間Ｂの動作をくり返し行う。
一方、画素加算して読み出す場合は、ＴＦＴ１２を複数ライン同時にＯＮする駆動を行う。ＴＦＴ１２を複数ライン同時にＯＮさせるためには、図１４（ｂ）に示すように区間Ｃの駆動タイミングにおいて制御信号ＤＩＯがＨｉのときに制御信号ＣＰＶのクロックを画素加算数分（図１４（ｂ）に示す例では２画素分）入力し、かつ、区間Ｄの駆動タイミングにおいて制御信号ＤＩＯがＨｉのときに制御信号ＣＰＶのクロックを画素加算数分（図１４（ｂ）に示す例では２画素分）入力する。この駆動タイミングによって、図１４（ｂ）に示す例では、隣接する上下方向の２ラインのＴＦＴ１２が一斉にＯＮし、１つの信号線３１あたり２画素分の電気信号（電荷）が各アンプ２０に転送される。各アンプ２０では、２画素分の電荷が積算され電圧に変換されて出力される。
以上のように、画素加算による読み出し駆動は、制御信号の変更のみで行うことができる。しかしながら、デジタルＸ線撮像装置で画素加算を行った場合、ＴＦＴ１２のＯＮ／ＯＦＦにおけるゲート線３２の電圧変動がゲート線３２と信号線３１との間の容量によって大きくなってしまうため、以下に述べる問題が発生する。
図１５は、ＴＦＴ１２のＯＮ／ＯＦＦにおける２次元センサ内部の電圧変動を説明するための図である。図１５（ａ）には、２次元センサにおける１画素分の回路図を示し、図１５（ｂ）には、図１５（ａ）に示した２次元センサの各地点におけるタイミングチャートを示す。
図１５（ａ）に示すように、信号線３１とゲート線３２との間に形成される容量は、大きく分けて３つ存在する。その１つは、ＴＦＴ１２のソース／ゲート間に形成される容量Ｃgsであり、２つ目は、ＴＦＴ１２のドレイン／ゲート間に形成される容量Ｃgdであり、３つ目は、信号線３１とゲート線３２とが交差する部分に形成される容量Ｃcrossである。
ＴＦＴ１２のＯＮ／ＯＦＦの際、ゲート線３２に供給される電圧が変化し、このとき、上述した３つの容量の影響により信号線３１の電圧変動が引き起こされる。図１５（ｂ）に示す電圧波形は、図１５（ａ）に示すゲート線３２、及び、地点Ａ、Ｂ、Ｃの各地点における電圧変動を示したものである。
図１５（ｂ）に示すように、ゲート線３２にＴＦＴ１２をＯＮするための電圧Ｖcomが印加されると、地点Ａの電圧は正の方向へ振られる。そして、この振られ量ＶAは、以下の数式１で表すことができる。
Figure 0004750512
地点Ａでは、ＴＦＴ１２がＯＮすると一度電圧ＶA分の電圧変動が起こるが、ＴＦＴ１２がＯＮして地点Ａとアンプ２０とがＴＦＴ１２を介して接続されるため、その後、アンプ２０の基準電源２１の基準電圧（図１５（ｂ）の一点鎖線で示した電圧）へと変化する。
同様に、信号線３１上の地点Ｂにおいても、以下の数式２で示すＶBだけ電圧が上昇した後、アンプ２０の基準電源２１の基準電圧になる。
Figure 0004750512
このとき、アンプ２０では、地点Ａと地点Ｂの電圧変動によって発生した電流を積分し増幅して出力し、地点Ｃではアンプ２０の基準電源２１の基準電圧よりも低い電圧となる。よって、アンプ２０の出力電圧は、同時に電圧Ｖcomとなる信号線３１の数が多いほど、すなわち、画素加算数が多くなるほど小さくなる。このため、ＴＦＴ１２のＯＮによって変動した電圧分、アンプ２０の出力レンジが小さくなる。
例えば、光電変換素子１１内に、人体を透過したＸ線に起因する電気信号（電荷）が蓄積されていた場合、アンプ２０の出力は、図１５（ｂ）の地点Ｃに示した状態から、光電変換素子１１に蓄積された電荷に比例した電圧を出力する。このため、ＴＦＴ１２のＯＮによる電圧変動が大きい場合、アンプ２０が光電変換素子１１に蓄積された電荷に比例した電圧を出力できなくなるという問題が発生する。
次に、ＴＦＴ１２をＯＦＦする場合、地点Ａではゲート線３２が電圧Ｖcom→電圧Ｖssへと変動するためにマイナス方向へ振られる。このとき、ＴＦＴ１２がＯＦＦし、地点Ａとアンプ２０とが不導通となるため、地点Ａでは、振られた状態を維持する。地点Ｂでは、地点Ａと同様にマイナス方向に振られるが、すぐにアンプ２０の基準電源２１の基準電圧へと回復する。地点Ｃでは、上述した地点Ａ及びＢの電圧変動を受けてプラス方向へと振られるが、完全にもとの電圧、すなわち、アンプ２０の基準電圧には戻らない。これは、ＴＦＴ１２がＯＦＦするため、地点Ａにおける電圧変動が信号線３１に伝わらなくなるためである。
この状態でアンプ２０の出力をサンプルホールド回路２０３でサンプルホールドすると、アンプ２０の出力が戻りきらない分がオフセットとして出力される。このオフセット成分も、画素加算数が増えると増加する。画像信号として意味をなさないオフセット成分が増加すると、撮像装置のダイナミックレンジの低下を招くことになる。
以上説明したように、動画撮影に必要な感度を得る目的で画素出力を加算して読み出す画素加算を行うと、電気的なオフセット成分の増大や画素出力を読み出すアンプの出力電圧の減少を招き、放射線撮像装置のダイナミックレンジの低下や感度特性の悪化といった問題が発生する。
本発明は前述の問題点にかんがみてなされたものであり、動画撮影に必要な感度を得る目的で画素出力を加算して読み出す画素加算を行った際に、放射線撮像装置のダイナミックレンジの低下や感度特性の悪化を回避できるようにすることを目的とする。
本発明の放射線撮像装置は、被写体を透過した放射線を電気信号に変換する変換素子と、前記電気信号を外部に転送するトランジスタとを具備する画素が２次元状に配置された２次元センサと、各前記トランジスタから転送される電気信号を増幅して読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段で前記電気信号を読み出す際に前記トランジスタのゲートに対して前記トランジスタをオンするための電圧を供給し当該トランジスタを駆動させる駆動手段と、前記読み出し手段において前記電気信号を同時に読み出す画素数の増加に応じて、前記駆動手段から前記トランジスタのゲートに供給される前記トランジスタをオンするための電圧の電圧値を小さくする制御手段と、を有する。
本発明の放射線撮像システムは、前記放射線撮像装置と、前記被写体に放射線を出射する放射線発生装置と、を有し、前記変換素子は、前記放射線発生装置から出射され、前記被写体を透過した放射線を電気信号に変換する。
本発明の放射線撮像装置の制御方法は、被写体を透過した放射線を電気信号に変換する変換素子と、前記電気信号を外部に転送するトランジスタとを具備する画素が２次元状に配置された２次元センサと、各前記トランジスタから転送される電気信号を増幅して読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段で前記電気信号を読み出す際に前記トランジスタのゲートに対して前記トランジスタをオンするための電圧を供給し当該トランジスタを駆動させる駆動手段と、を有する放射線撮像装置における制御方法であって、前記読み出し手段において前記電気信号を同時に読み出す画素数の増加に応じて、前記駆動手段から前記トランジスタのゲートに供給される前記トランジスタをオンするための電圧の電圧値を小さくする。
前述した問題点を解決するためには、信号線とゲート線との間に形成される容量を減らすことが必要であるが、例えば、図１５（ａ）に示した容量Ｃgd、Ｃgsを減らすことは、ＴＦＴの製造プロセスそのものを大きく変更しなくてはならないために困難である。
そこで、本発明では、電気信号を同時に読み出す画素数に応じて、駆動手段から転送部（ＴＦＴ）に供給する電圧を可変させるようにした。これにより、例えば、画素を加算して読み出す場合には、1画素ずつ読み出す場合と比較して、ＴＦＴをＯＮするための電圧を小さくすることにより、信号線の電圧変動を抑えることができる。この方法を用いると、ＴＦＴの転送能力に鑑みて電圧を設定するだけでよいため、制御自体も簡易である。
一般に、ＴＦＴの転送能力は、ＴＦＴをＯＮする電圧が高いほどよいが、画素加算を行う動画撮影おいて、光電変換素子内の電荷を完全に転送する必要は必ずしもない。また、ＴＦＴは定電流領域で使用されるため、ＯＮ電圧が下がったとしてもＴＦＴの転送能力が大きく低下することは無い。さらに、画素加算では、画素加算を行わない場合と比較してＳ／Ｎが約√ｎ倍（ｎは画素加算数）であるため、ＴＦＴのＯＮ電圧を下げることによりＴＦＴの転送能力が下がったとしても、Ｓ／Ｎが大きく変化することは無い。
したがって、画素加算を行う動画撮影の場合には、ＴＦＴのＯＮ電圧（電圧Ｖcom）を小さくすることにより、前述した問題点を解決することができる。さらに、静止画撮影と動画撮影との両方で最良の画像を得るためには、静止画で必要とされる転送能力を満たすためのＴＦＴのＯＮ電圧と、動画撮影の画素加算時に前述した不具合が発生しないように設定されたＴＦＴのＯＮ電圧との少なくとも２つの電圧を切り替えることにより達成される。
本発明によれば、読み出し手段において電気信号を同時に読み出す画素数の増加に応じて、駆動手段からトランジスタのゲートに供給されるトランジスタをオンするための電圧の電圧値を小さくするようにしたので、電気的なオフセット成分の増大や画素出力を読み出すアンプの出力電圧の減少を防止することができる。これにより、放射線撮像装置のダイナミックレンジの低下や、感度特性の悪化を回避することが可能となる。また、複数パターンの画素加算にも対応することができるので、１台の放射線撮像装置において様々な撮影を行うことが可能となり、医療現場の効率化を図ることができる。
また、本発明の他の特徴によれば、被写体を載置する載置機構を更に有し、当該載置機構を回転させながら放射線発生装置から放射線を出射して、被写体の任意の断層画像を撮影するＣＴ（Computed-Tomography）撮影を行うようにしたので、複雑な可動装置を設ける必要が無く、装置構成を簡易にすることができ、システム全体を小型化することが可能となる。これにより、中小規模の病院のような設置スペース的に余裕のない場所においても設置可能となり、飛躍的に医療サービスの向上が図られる。
また、本発明のその他の特徴によれば、放射線撮像装置と放射線発生装置とを正対させた状態で一体的に可動させる可動機構を更に有し、当該可動機構を被写体を中心に回転させながら放射線発生装置から放射線を出射して、被写体の任意の断層画像を撮影するＣＴ（Computed-Tomography）撮影を行うようにしたので、被写体（患者）の意識が無い場合や、被写体（患者）が直立できない場合、あるいは造影剤を使用する場合などに有効である。
以下、本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施形態においては放射線としてＸ線を用いた実施例を示すが、本発明の放射線とは、Ｘ線に限られるわけではなく、α線、β線、γ線等の電磁波も含んでいる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像システムの概略構成図である。
本実施形態のＸ線撮像システムは、被写体１２１にＸ線１２０を出射するＸ線発生装置１１９と、被写体１２１を透過したＸ線１２０を撮像するＸ線撮像装置１００と、Ｘ線撮像装置１００で処理された画像データを印刷出力するためのプリンタ１１６と、当該画像データを記録するための外部記録装置１１７と、当該画像データを表示するためのモニター１１８と、当該画像データを外部のシステムに送信するためのネットワーク１２６とを有して構成されている。
Ｘ線撮像装置１００は、被写体１２１を透過したＸ線１２０を電気信号として読み出すフラットパネルディテクター（ＦＰＤ）１１２と、Ｘ線像撮影装置１００を統括的に制御するコントロールＰＣ１１１と、被写体１２１のＩＤ登録の設定や撮影部位の設定、Ｘ線撮像装置１００の撮影モードに関する諸設定（後述の読み出し回路１０４において電気信号を同時に読み出す画素数の設定も含む）、Ｘ線発生装置１１９に関する諸設定、並びに撮影した画像の画像処理方法の設定などを操作入力するための操作入力部１１３と、ＦＰＤ１１２に電圧を供給する電源１１４と、操作入力部１１３によるＸ線発生装置１１９の設定に基づいて、Ｘ線発生装置１１９の制御を行うＸ線制御部１１５と、Ｘ線像撮影装置１００の動作状態等を表示する動作表示部１２５とを有して構成されている。
ＦＰＤ１１２は、被写体１２１を透過したＸ線１２０を可視光１０２に変換する蛍光体などの波長変換体１０１と、可視光１０２を受光して電気信号に変換する光電変換素子及び当該電気信号を外部に転送する転送部であるＴＦＴを具備する画素が２次元状に配置された２次元センサ１０３と、２次元センサ１０３のＴＦＴから転送される電気信号を増幅して読み出す読み出し回路１０４と、読み出し回路１０４で電気信号を読み出す際に、当該電気信号を転送するＴＦＴに対して駆動信号を供給し、当該ＴＦＴを駆動させる駆動回路１０５と、読み出し回路１０４で読み出されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１０６と、２次元センサ１０３、読み出し回路１０４及び垂直駆動回路１０５で必要な電圧を生成し、生成した電圧を低ノイズ電源１２７を介して供給するレギュレータ１０７と、読み出し回路１０４や垂直駆動回路１０５に対して２次元センサ１０３を駆動するための制御信号を送信する制御部１０８とを有して構成されている。
また、ＦＰＤ１１２は、中継基板１２３及び制御基板１２４を具備している。中継基板１２３は、読み出し回路１０４内に構成されている不図示の信号増幅回路で増幅された電気信号を制御基板１２４のＡ／Ｄコンバータ１０６に送信する。制御基板１２４には、上述したＡ／Ｄコンバータ１０６、レギュレータ１０７及び制御部１０８が構成されている。
制御部１０８は、読み出し回路１０４において電気信号を同時に読み出す画素数に応じて、垂直駆動回路１０５から２次元センサ１０３のＴＦＴに供給する駆動信号の電圧値を変化させるようにレギュレータ１０７を制御する。ここで、読み出し回路１０４において電気信号を同時に読み出す画素数は、操作入力部１１３で設定される撮影モードに関する諸設定により決定される。
コントロールＰＣ１１１は、Ａ／Ｄコンバータ１０６からの出力されたデジタル信号に対して所定の画像処理を行う画像処理部１０９と、画像処理部１０９により処理されたデジタル信号を画像データとして記録するための記録部１２２と、当該画像データの保存処理や当該画像データの出力処理、Ｘ線発生装置１１９の駆動処理、並びにＦＰＤ１１２の駆動処理等のＸ線像撮影装置１００全体の処理を統括的に制御する統括制御部１１０とを有して構成されている。
２次元センサ１０３の画素を構成する光電変換素子及びＴＦＴは、アモルファスシリコンプロセスによって形成されている。ここで、アモルファスシリコンプロセスを用いるのは、光電変換素子たＴＦＴなどの能動素子を大面積かつ均一に成膜できるからである。
図２は、図１に示したＦＰＤの回路図である。
このＦＰＤ１１２は、１つの光電変換素子１１と、転送部として１つのＴＦＴ１２とを具備する画素１０が２次元状に配置された２次元センサ１０３と、ＴＦＴ１２のＯＮ／ＯＦＦを制御する垂直駆動回路１０５と、ＴＦＴ１２から出力される電気信号を増幅する信号増幅回路２０１と、信号増幅回路２０１からの信号をＡ／Ｄコンバータ１０６へ転送するまでの期間、保持するサンプルホールド回路２０３と、サンプルホールド回路２０３に保持された電気信号を時系列的に読み出すマルチプレクサ回路２０４と、マルチプレクサ回路２０４から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１０６と、光電変換素子１１に光電変換に必要な電圧を供給するセンサ電源２０６と、ＴＦＴ１２をＯＮするための電圧Ｖcomを供給するＴＦＴオン電源２７と、ＴＦＴ１２をＯＦＦするための電圧Ｖssを供給するＴＦＴオフ電源２０８とを有して構成されている。
ここで、図２の信号増幅回路２０１、サンプルホールド回路２０３及びマルチプレクサ回路２０４は、図１の読み出し回路１０４に相当するものである。また、図２のセンサ電源２０６、ＴＦＴオン電源２７及びＴＦＴオフ電源２０８は、図１のレギュレータ１０７及び低ノイズ電源１２７から構成されるものである。また、信号増幅回路２０１に対する制御信号ＲＣ、サンプルホールド回路２０３に対する制御信号ＳＨ、マルチプレクサ回路２０４に対する制御信号ＭＵＸ及びＣＬＫ、垂直駆動回路１０５に対する制御信号ＤＩＯ、ＣＰＶ及びＯＥ、並びに、ＴＦＴオン電源２７に対する制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２は、図１の制御部１０８により出力されるものである。
図２において１画素は、信号線３１を上下方向（列方向）の画素と共有し、また、ゲート線３２を左右方向（行方向）の画素と共有している。さらに、センサバイアス線３３は、全画素に対して共通化されている。
ＴＦＴオン電源２７は、制御部１０８からの制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２により、読み出し回路１０４において電気信号を同時に読み出す画素数に応じた電圧を垂直駆動回路１０５を介して２次元センサ１０３のＴＦＴに供給する。
垂直駆動回路１０５は、シフトレジスタによって構成されており、シフトレジスタへ出力パルスを与えるシフトクロックの制御信号ＤＩＯ、シフトレジスタの駆動クロックの制御信号ＣＰＶ、出力切り替えの制御信号ＯＥによって制御される。
図３は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素分の回路図である。
制御部１０８は、操作入力部１１３により設定された、読み出し回路１０４において電気信号を同時に読み出す画素数に応じて、ＴＦＴオン電源２７に対して垂直駆動回路１０５に供給する電圧を可変させる制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２を送信する。ここで、制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２については、図４の説明において後述する。
本実施形態では、ＴＦＴオン電源２７からは、制御部１０８からの制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２に基づいて、異なる３つの電圧Ｖcom(a)、Ｖcom(b)及びＶcom(c)が供給可能に構成されている。ただし、電圧の大きさは、Ｖcom(a)＞Ｖcom(b)＞Ｖcom(c)である。
具体的に、本実施形態では、読み出し回路１０４において電気信号を１画素づつ読み出す静止画撮影モードの場合には、ＴＦＴオン電源２７から垂直駆動回路１０５に電圧Ｖcom(a)が供給される。また、読み出し回路１０４において電気信号を同時に２〜４画素加算して読み出す動画撮影モードの場合には、ＴＦＴオン電源２７から垂直駆動回路１０５に電圧Ｖcom(b)が供給される。また、読み出し回路１０４において電気信号を同時に５画素以上加算して読み出す動画撮影モードの場合には、ＴＦＴオン電源２７から垂直駆動回路１０５に電圧Ｖcom(c)が供給される。すなわち、制御部１０８は、読み出し回路１０４において電気信号を同時に読み出す画素数が増加するのにともなって、垂直駆動回路１０５からＴＦＴ１２に供給する電圧が小さくなるように制御する。
上述したように、制御部１０８において、読み出し回路１０４で加算して読み出す画素数に応じて、垂直駆動回路１０５からＴＦＴ１２に供給される電圧を可変させることにより、ＴＦＴ１２のＯＮ／ＯＦＦによって発生する信号線３１の電圧変動を抑制して画素出力を読み出すアンプの出力電圧の減少を回避するとともに、画素加算時に発生するオフセット成分の増大を回避する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置の駆動を示したタイミングチャートである。図４（ａ）には、２次元センサの画素出力を１つの信号線３１あたり１画素づつ読み出す静止画撮影モードの際のタイミングチャートを示す。図４（ｂ）には、２次元センサの画素出力を１つの信号線３１あたり２画素加算して読み出す動画撮影モードの際のタイミングチャートを示す。
光電変換素子１１に蓄積された、人体の情報を担った電気信号を読み出す場合、まず、信号増幅回路２０１やこの信号増幅回路２０１に接続されている信号線３１の電位を初期化するため、ＲＣをＨｉにする。これにより、信号増幅回路２０１内のアンプ２０に付随するキャパシタＣｆがリセットされ、信号増幅回路２０１の出力や、信号線３１の電位がリセットされる。このリセット動作によって、前回の読み出し時に発生したオフセット成分やノイズといった人体の情報とは無関係な電気信号を除去して画質の向上が図れる。
アンプ２０のリセット動作期間中に、制御信号ＣＰＶ、ＤＩＯとして所望のパルスを与え、垂直駆動回路１０５のシフトレジスタを動作させる。制御信号ＣＰＶ、ＤＩＯとして必要なパルスを与え、リセット動作を十分行った後、制御信号ＯＥをＨｉにしてＴＦＴ１２をＯＮさせる。この際、図４（ａ）の静止画撮影モードでは、制御部１０８からＴＦＴオン電源２７に対する制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２がともにＨｉであるため、ＴＦＴオン電源２７から垂直駆動回路１０５を介してＴＦＴ１２をＯＮさせるための電圧として、電圧Ｖcom(a)が各ゲート線３２に供給される。この電圧Ｖcom(a)は、静止画で必要とされる画質が得られるように、光電変換素子１１に蓄積された電気信号（電荷）を完全に転送できるＴＦＴ特性を実現するため、ＴＦＴ１２をＯＮさせるための他の電圧（Ｖcom(b)及びＶcom(c)）よりも大きく設定されている。また、図４（ａ）では、制御信号ＤＩＯがＨｉの期間に、制御信号ＣＰＶを１クロック入力しているため、横１ラインすべてのＴＦＴ１２がＯＮする。このとき、１つの信号線３１につき１画素分の電気信号が信号増幅回路２０１のアンプ２０に付随するキャパシタＣｆに蓄積される。
そして、光電変換素子１１内の電気信号が十分転送されるまでＴＦＴ１２をＯＮした後、ＴＦＴ１２をＯＦＦし、制御信号ＳＨをＨｉにして、アンプ２０の出力をサンプルホールド回路２０３に保持する。サンプルホールド回路２０３に保持された電気信号は、次ラインの読み出しを行っている間にマルチプレクサ回路２０４によって時系列的にＡ／Ｄコンバータ１０６に送られる。そして、２次元センサ１０３内の全画素の読み出しを行うためには、図４（ａ）に示した区間Ｂの動作をくり返し行う。
一方、図４（ｂ）に示す２つの画素出力を加算して読み出す場合は、ＴＦＴ１２を２ライン同時にＯＮする駆動を行う。ＴＦＴ１２を２ライン同時にＯＮさせるためには、図４（ｂ）に示すように区間Ｃの駆動タイミングにおいて制御信号ＤＩＯがＨｉのときに制御信号ＣＰＶのクロックを２画素分入力し、かつ、区間Ｄの駆動タイミングにおいて制御信号ＤＩＯがＨｉのときに制御信号ＣＰＶのクロックを２画素分入力する。この駆動タイミングによって、図４（ｂ）に示す例では、隣接する上下方向の２ラインのＴＦＴ１２が一斉にＯＮし、１つの信号線３１あたり２画素分の電気信号（電荷）が各アンプ２０に転送される。各アンプ２０では、２画素分の電荷が積算され電圧に変換されて出力される。
また、本実施形態では、ＴＦＴ１２を２ライン同時にＯＮさせる際、制御部１０８からＴＦＴオン電源２７に対する制御信号ＶＧＣ１がＨｉ、ＶＧＣ２がＬｏであるため、ＴＦＴオン電源２７から垂直駆動回路１０５を介してＴＦＴ１２を２ライン同時にＯＮさせるための電圧として、電圧Ｖcom(a)よりも小さい電圧Ｖcom(b)がゲート線３２に２ラインずつ同時に供給される。
さらに、多くの画素出力を加算して読み出す場合（本実施形態では５画素以上加算して読み出す場合）は、制御信号ＤＩＯがＨｉのときに制御信号ＣＰＶのクロックを加算して読み出す画素数分入力して、ＴＦＴ１２を当該画素数分同時にＯＮする駆動を行うとともに、制御部１０８からＴＦＴオン電源２７に対する制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２をともにＬｏとする。そして、ＴＦＴオン電源２７から垂直駆動回路１０５を介して各ＴＦＴ１２を同時にＯＮさせるための電圧として、電圧Ｖcom(b)よりも小さい電圧Ｖcom(c)を各ゲート線３２に供給するようにする。
ここで、本実施形態では、ＴＦＴ１２をＯＮさせるためのＴＦＴオン電源２７の供給電圧として、Ｖcom(a)〜Ｖcom(c)の３種類を例に挙げて説明したが、本発明においてはこれに限定されるわけではない。例えば、Ｘ線撮像装置における画素加算数分だけＴＦＴオン電源２７の供給電圧を用意するようにした形態であってもよい。また、ＴＦＴオン電源２７から供給される電圧値は、Ｘ線撮像装置の用途と、その撮影用途にあった画素加算数を考慮して設定される。
また、本実施形態のＸ線撮像装置における駆動タイミングは、ＴＦＴ１２や光電変換素子１１の特性、２次元センサ１０３に接続される回路の制約、あるいは動画撮影に求められるフレームレート等を鑑みて最適化されたものが用いられる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、２次元センサ１０３の光電変換素子として、ＭＩＳ型光電変換素子を適用した形態である。
図５は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素分の回路図である。また、図６は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素の概略断面図である。
図５に示すように、本実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける画素は、ＭＩＳ型光電変換素子１３と、転送部としてのＴＦＴ１４とを具備して構成されている。ＭＩＳ型光電変換素子１３には、センサ電源５４からセンサバイアス線５３を介して電圧が供給される。また、ＴＦＴ１４には、ＴＦＴオン電源２７から垂直駆動回路１０５及びゲート線５２を介して、読み出し回路１０４において電気信号を同時に読み出す画素数に応じた電圧が供給される。また、ＴＦＴ１４から転送される電気信号は、信号線５１を介してアンプ２０に入力する。
本実施形態では、２次元センサ１０３の光電変換素子として、ＭＩＳ型光電変換素子を用いているため、後述するリフレッシュ動作が必要となる。このため、センサ電源５４及びアンプ２０の基準電源５５は、２種類の電圧が切り替え可能に構成されている。この電圧の切り替えは、制御部１０８から出力される制御信号ＶＳＣ及びＶＲＣにより行われる。
センサ電源５４は、ＭＩＳ型光電変換素子１３の光電変換モードの際には電圧ｆを供給し、ＭＩＳ型光電変換素子１３のリフレッシュモードの際には電圧ｇ（電圧ｇ＜電圧ｆ）を供給する。また、基準電源５５は、ＭＩＳ型光電変換素子１３の光電変換モードの際には電圧ｅを供給し、ＭＩＳ型光電変換素子１３のリフレッシュモードの際には電圧ｄ（電圧ｄ＞電圧ｅ）を供給する。
また、ＴＦＴオン電源２７からは、第１の実施形態と同様に、異なる３つの電圧Ｖcom(a)、Ｖcom(b)及びＶcom(c)が供給可能に構成されている。ただし、電圧の大きさは、Ｖcom(a)＞Ｖcom(b)＞Ｖcom(c)である。電圧Ｖcom(a)は、読み出し回路１０４において電気信号を１画素づつ読み出す静止画撮影モードの場合に供給され、電圧Ｖcom(b)及び電圧Ｖcom(c)は、読み出し回路１０４において電気信号を同時に複数画素加算して読み出す動画撮影モードの場合に供給される。
次に、図６を参照して、本実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素の断面構成について説明する。
ＴＦＴ１４は、絶縁性基板であるガラス基板６０１上に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなるゲート電極層６０２と、ゲート電極層６０２上に形成され、正負両方の電荷の流入を遮断する窒化アモルファスシリコンからなる絶縁層６０３と、絶縁層６０３上に形成され、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなるチャネル層６０４と、チャネル層６０４の上方にそれぞれ所定距離をおいて形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなるソース電極層６０６及びドレイン電極層６０７と、チャネル層６０４とソース電極層６０６との間、及びチャネル層６０４とドレイン電極層６０７との間に形成され、チャネル層６０４とソース電極層６０６又はドレイン電極層６０７とをオーミックコンタクトする不純物半導体層であるＮ+型アモルファスシリコン層６０５とを有して構成されている。
ＭＩＳ型光電変換素子１３は、絶縁性基板であるガラス基板６０１上に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなる下部電極層６０８と、下部電極層６０８上に形成され、正負両方の電荷の流入を遮断する窒化アモルファスシリコンからなる絶縁層６０９と、絶縁層６０９上に形成され、入射したＸ線の量に応じた電荷を生成する水素化アモルファスシリコンの半導体層である光電変換層６１０と、光電変換層６１０上に形成され、後述のセンサバイアス電極層６１２から光電変換層６１０への正の電荷（正孔）の流入を遮断するブロッキング層となるＮ+型アモルファスシリコン層６１１と、Ｎ+型アモルファスシリコン層６１１上の一部に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなるセンサバイアス線５３となるセンサバイアス電極層６１２と、Ｎ+型アモルファスシリコン層６１１の上面及びセンサバイアス電極層６１２の上面を覆うように形成され、透明なＩＴＯ薄膜からなる透明電極層６１３とを有して構成されている。
また、信号線５１は、ＴＦＴ１４と同様の層構成で形成されており、絶縁性基板であるガラス基板６０１上に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなる下部電極層６１４と、下部電極層６１４上に形成され、窒化アモルファスシリコンからなる絶縁層６１５と、絶縁層６１５上に形成され、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる半導体層６１６と、半導体層６１６の上方に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなる上部電極層６１８と、半導体層６１６と上部電極層６１８とをオーミックコンタクトするＮ+型アモルファスシリコン層６１７とを有して構成されている。
さらに、ガラス基板６０１上に成膜されて形成されているＭＩＳ型光電変換素子１３、ＴＦＴ１４及び信号線５１の上方には、これらを湿度や異物から守るための保護層６１９と、Ｘ線を可視光に変換する波長変換体である蛍光体６２１と、保護層６１９と蛍光体６２１とを接着するための接着層６２０と、蛍光体６２１を湿度から保護するための蛍光体保護層６２２が形成されている。ここで、蛍光体６２１の材料としては、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ、Ｇｄ2Ｏ3及びＣｓＩのうち、少なくともいずれか１つを主成分とするものが挙げられる。
なお、ＭＩＳ型光電変換素子１３の下部電極層６０８と、ＴＦＴ１４のドレイン電極層６０７とは、電気的に接続されている。また、ＭＩＳ型光電変換素子１３の下部電極層６０８、ＴＦＴ１４のゲート電極層６０２及び信号線５１の下部電極層６１４を同一の工程で形成するようにしてもよい。また、ＭＩＳ型光電変換素子１３の絶縁層６０９、ＴＦＴ１４の絶縁層６０３及び信号線５１の絶縁層６１５を同一の工程で形成するようにしてもよい。また、ＭＩＳ型光電変換素子１３の光電変換層６１０、ＴＦＴ１４のチャネル層６０４及び信号線５１の半導体層６１６を同一の工程で形成するようにしてもよい。また、ＭＩＳ型光電変換素子１３のＮ+型アモルファスシリコン層６１１、ＴＦＴ１４のＮ+型アモルファスシリコン層６０５及び信号線５１のＮ+型アモルファスシリコン層６１７を同一の工程で形成するようにしてもよい。ＭＩＳ型光電変換素子１３のセンサバイアス電極層６１２、ＴＦＴ１４のソース電極層６０６及びドレイン電極層６０７、並びに信号線５１の上部電極層６１８を同一の工程で形成するようにしてもよい。
図７は、ＭＩＳ型光電変換素子１３の動作原理を説明するためのエネルギーバンド図である。
図７（ａ）は、ＭＩＳ型光電変換素子１３のセンサバイアス電極層６１２に正の電圧を印加した蓄積動作時（光電変換モード）を示している。この光電変換モードでは、光電変換層６１０内における光電効果によって入射した光９０１から電子９０２と正孔９０３が生成される。
正孔９０３は、電界によって光電変換層６１０の絶縁層６０９と界面に移動し、電子９０２は、Ｎ+型アモルファスシリコン層６１１側へと移動する。このとき、正孔９０３は、絶縁層６０９を抜けて移動することができないため、上述したように光電変換層６１０の絶縁層６０９と界面に蓄積される。この正孔９０３の蓄積によって、光９０１の照射量や時間に比例した電圧が当該ＭＩＳ型光電変換素子１３内に発生し、下部電極層６０８のポテンシャルが下げられる。ＴＦＴ１４をＯＮすることにより下部電極層６０８に電流が流れ、この電流を検出することで画像信号を得ることができる。
しかしながら、図７（ｂ）に示すように、ある一定量の正孔９０３を蓄積すると、光電変換層６１０の絶縁層６０９との界面に蓄積された正孔９０３に起因する電圧と、ＭＩＳ型光電変換素子１３に印加されている電圧とが等しくなり、光電変換層６１０内に電界が発生しなくなる。このような状態を飽和状態という。この飽和状態では、光電変換層６１０で発生した正孔９０３は、光電変換層６１０の絶縁層６０９との界面に移動することができず、電子９０２と再結合して消滅してしまう。このため、光９０１の照射量や時間に比例した電圧が発生しなくなり、このままでは正常なＸ線画像を得ることができない。
ＭＩＳ型光電変換素子１３の状態を再び図７（ａ）の光電変換モードの状態にするためには、センサバイアス電極層６１２の電圧を図７（ａ）及び図７（ｂ）の状態よりも低い電圧にして、光電変換層６１０の絶縁層６０９との界面に蓄積された正孔９０３を掃き出す動作が必要である。この状態をリフレッシュモードといい、図７（ｃ）にその際のエネルギーバンド図を示す。
図７（ｃ）のリフレッシュモード時に掃き出した正孔９０３の量だけ、図７（ａ）の光電変換モード時において、新たに正孔９０３を蓄積できるようになる。つまり、リフレッシュモード時に与えるセンサバイアスをより低く設定することにより、光９０１が多量に照射されてもＭＩＳ型光電変換素子１３が飽和状態になりにくくなる。
しかし、図７（ｃ）のリフレッシュモードから図７（ａ）の光電変換モードに切り替わった直後は、リフレッシュモード時に注入された電子９０２に起因する電流が流れ、一時的に暗電流が大きくなる。また、光電変換層６１０へ注入される電子９０２の量は、リフレッシュ時のセンサバイアスを低くすればするほど多くなる。よって、図７（ｃ）のリフレッシュモード及び図７（ａ）の光電変換モードにおけるセンサバイアスは、ＭＩＳ型光電変換素子１３がＸ線撮像装置として望まれるダイナミックレンジ及び暗電流となるように最適化されて設定される。
図８は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサの画素出力を１つの信号線５１あたり２画素加算して読み出す動画撮影モードの際の駆動を示したタイミングチャートである。
ＭＩＳ型光電変換素子１３を用いた２次元センサで動画撮影を行うためには、ゲート線５２（画素加算時には複数のゲート線）に接続された画素の読み出しと、読み出した画素のリフレッシュを交互に行う必要がある。
まず、制御信号ＲＣをＨｉにしてアンプ２０の出力をリセットする。この動作によって、アンプ２０の出力及び信号線５１の電圧は、アンプ２０の基準電源５５における電圧ｅとなる。画素出力を読み出す前に、信号線５１やアンプ２０の出力をリセットすることによって、前回の読み出し時に発生した不要なオフセットやノイズを除去することができ、画像の高画質化が可能となる。
続いて、制御信号ＤＩＯ及びＣＰＶを図８に示すように垂直駆動回路１０５に入力して、２つのゲート線（図８のＶｇ１及びＶｇ２）５２におけるＴＦＴ１４を同時にＯＮする準備を行う。そして、アンプ２０を十分な時間リセットした後、制御信号ＯＥをＨｉにして、ＴＦＴオン電源２７から所望の電圧を供給する。このとき、ＴＦＴオン電源２７には、制御部１０８から制御信号ＶＧＣ１がＨｉ、制御信号ＶＧＣ２がＬｏのものが送信される。これにより、ＴＦＴオン電源２７から２つのゲート線（図８のＶｇ１及びＶｇ２）５２に、電圧Ｖcom(b)が供給され、ＴＦＴ１４が２ライン同時にＯＮする。このとき、１つ
の信号線５１につき、２つの画素の電荷が同時にアンプ２０に転送されて加算される。
ＭＩＳ型光電変換素子１３に蓄積された電荷を転送するのに十分な期間、ＴＦＴ１４をＯＮした後、制御信号ＯＥをＬｏにして、ＴＦＴ１４をＯＦＦにする。そして、ＴＦＴ１４をＯＦＦした後、制御信号ＳＨをＨｉにして、各アンプ２０の出力をサンプルホールド回路２０３にて保持する。以上の読み出し動作によって、１つの信号線５１について２画素分の電荷を加算して読み出すことができる。
読み出し動作が終了した後、続いて、ＭＩＳ型光電変換素子１３のリフレッシュ動作を行う。
本実施形態におけるリフレッシュ動作は、ＭＩＳ型光電変換素子１３の下部電極層６０８の電位をアンプ２０によって高くする（ポテンシャルを下げる）ことにより行う。このため、制御信号ＲＣをＨｉにして、アンプ２０をリセット状態にする。このとき、制御信号ＶＲＣをＨｉにして、アンプ２０から電圧ｄが出力するように制御する。この際、信号線５１の電位も同時に電圧ｄとなる。
この状態で制御信号ＯＥをＨｉにしてＴＦＴ１４をＯＮすることにより、下部電極層６０８の電位は、読み出し時よりも高くなり、ＭＩＳ型光電変換素子１３はリフレッシュ状態となる。
ＭＩＳ型光電変換素子１３のリフレッシュ動作を十分行った後、制御信号ＶＲＣをＬｏにして下部電極層６０８の電位を電圧ｅにすることにより、リフレッシュ動作を終了してＭＩＳ型光電変換素子１３を光電変換モードにする。下部電極層６０８の電位が電圧ｅになった後、制御信号ＯＥをＬｏにしてＴＦＴ１４をＯＦＦする。そして、２次元センサの全画素を２画素加算で読み出すには、図８に示した区間Ｂの駆動パターンを繰り返し行えばよい。
図９は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサの画素出力を１つの信号線５１あたり１画素ずつ読み出す静止画撮影モードの際の駆動を示したタイミングチャートである。図９（ａ）には、リフレッシュ動作におけるタイミングチャートを示し、図９（ｂ）には、読み出し動作におけるタイミングチャートを示す。
静止画撮影である本実施形態におけるリフレッシュ動作は、動画撮影モードの際の動作とは異なり、センサーバイアス線５３に印加する電圧を切り替えることにより行う。まず、制御信号ＶＳＣをＬｏにしてセンサーバイアス線にかかる電圧をｆからｇに切り替える。また、制御信号ＶＲＣをＬｏにして、アンプ２０から電圧ｅが出力するように制御する。この際、信号線５１の電位も同時に電圧ｅとなる。
この状態で制御信号ＯＥをＨｉにしてＴＦＴ１４をＯＮすることにより、下部電極層６０８は電圧ｅに固定される。これにより、ＭＩＳ型光電変換素子の両端にはｇ−ｅの電圧がかかる。ここで、電圧の大小関係はｆ＞ｇ＞ｅであるから、このとき、ＭＩＳ型光電変換素子１３のＮ+型アモルファスシリコン層側のポテンシャルが上がり、リフレッシュ状態となる。２次元センサの全画素をリフレッシュするには、区間Ｂの駆動パターンを繰り返し行う。
全画素をリフレッシュ状態にしたのち、制御信号ＶＳＣをＨｉにセンサーバイアス線にｆの電圧を印加する。この状態で、制御信号ＯＥをＨiにし再度、下部電極層６０８を電圧ｅに固定する。この動作によって、Ｎ+型アモルファスシリコン層側のポテンシャルが光電変換層の絶縁層６０９側に対して下がりＭＩＳ型光電変換素子は蓄積モードとなる。２次元センサの全画素を光電変換モードにするには、区間Ｄの駆動パターンを繰り返し行う。
ＭＩＳ型光電変換素子１３のリフレッシュ動作を十分行った後、制御信号ＶＲＣをＬｏにして下部電極層６０８の電位を電圧ｅにすることにより、図９（ａ）のリフレッシュ動作を終了して図９（ｂ）の光電変換モードとなる。
図９（ｂ）の光電変換モードでは、まず、制御信号ＲＣをＨｉにしてアンプ２０の出力をリセットする。この動作によって、アンプ２０の出力及び信号線５１の電圧は、アンプ２０の基準電源５５における電圧ｅとなる。画素出力を読み出す前に、信号線５１やアンプ２０の出力をリセットすることによって、前回の読み出し時に発生した不要なオフセットやノイズを除去することができ、画像の高画質化が可能となる。
続いて、制御信号ＤＩＯ及びＣＰＶを図９（ｂ）に示すように垂直駆動回路１０５に入力して、ゲート線（図９（ｂ）のＶｇ１、Ｖｇ２）５２におけるＴＦＴ１４を各ゲート線毎にＯＮする準備を行う。そして、アンプ２０を十分な時間リセットした後、制御信号ＯＥをＨｉにして、ＴＦＴオン電源２７から所望の電圧を供給する。このとき、ＴＦＴオン電源２７には、制御部１０８から制御信号ＶＧＣ１及びＶＧＣ２がともにＨｉのものが送信され、ＴＦＴオン電源２７から各ゲート線に、電圧Ｖcom(a)が供給される。そして、２次元センサの全画素を読み出すには、図９（ｂ）に示した区間Ｂの駆動パターンを繰り返し行えばよい。
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、２次元センサ１０３の光電変換素子として、ＰＩＮ型光電変換素子を適用した形態である。ＰＩＮ型光電変換素子は、第２の実施形態で示したＭＩＳ型光電変換素子１３とは異なり、リフレッシュ動作を必要としない。したがって、ＰＩＮ型光電変換素子を用いた場合の２次元センサにおける１画素分の回路図は、図３に示したものと同様である。このとき、センサ電源２０６は、ＰＩＮ型光電変換素子が光電変換するのに必要な電圧を出力するように設計される。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素の概略断面図である。
ＴＦＴ１６は、絶縁性基板であるガラス基板１００１上に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなるゲート電極層１００２と、ゲート電極層１００２上に形成され、正負両方の電荷の流入を遮断する窒化アモルファスシリコンからなる絶縁層１００３と、絶縁層１００３上に形成され、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなるチャネル層１００４と、チャネル層１００４の上方にそれぞれ所定距離をおいて形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなるソース電極層１００６及びドレイン電極層１００７と、チャネル層１００４とソース電極層１００６との間、及びチャネル層１００４とドレイン電極層１００７との間に形成され、チャネル層１００４とソース電極層１００６又はドレイン電極層１００７とをオーミックコンタクトする不純物半導体層であるＮ+型アモルファスシリコン層１００５とを有して構成されている。
ＰＩＮ型光電変換素子１５は、絶縁性基板であるガラス基板１００１上に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなる下部電極層１００８と、下部電極層１００８の上方に形成され、Ｘ線の量に応じた電荷を生成する水素化アモルファスシリコンの半導体層である光電変換層１０１０と、下部電極層１００８と光電変換層１０１０との間に形成され、当該光電変換層１０１０への正の電荷の流入を遮断する第１のブロッキング層となるＮ+型アモルファスシリコン層１００９と、光電変換層１０１０上に形成され、当該光電変換層１０１０への負の電荷の流入を遮断する第２のブロッキング層となるＰ+型アモルファスシリコン層１０１１と、Ｐ+型アモルファスシリコン層１０１１上の一部に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなるセンサバイアス電極層１０１２と、Ｐ+型アモルファスシリコン層１０１１の上面及びセンサバイアス電極層１０１２の上面を覆うように形成され、透明なＩＴＯ薄膜からなる透明電極層１０１３とを有して構成されている。
また、信号線１７は、ＴＦＴ１６と同様の層構成で形成されており、絶縁性基板であるガラス基板１００１上に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなる下部電極層１０１４と、下部電極層１０１４上に形成され、窒化アモルファスシリコンからなる絶縁層１０１５と、絶縁層１０１５上に形成され、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる半導体層１０１６と、半導体層１０１６の上方に形成され、アルミニウム、クロム又はこれらとの合金からなる上部電極層１０１８と、半導体層１０１６と上部電極層１０１８とをオーミックコンタクトするＮ+型アモルファスシリコン層１０１７とを有して構成されている。
さらに、ガラス基板１００１上に成膜されて形成されているＰＩＮ型光電変換素子１５、ＴＦＴ１６及び信号線１７の上方には、これらを湿度や異物から守るための保護層１０１９と、Ｘ線を可視光に変換する波長変換体である蛍光体１０２１と、保護層１０１９と蛍光体１０２１とを接着するための接着層１０２０と、蛍光体１０２１を湿度から保護するための蛍光体保護層１０２２が形成されている。ここで、蛍光体１０２１の材料としては、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ、Ｇｄ2Ｏ3及びＣｓＩのうち、少なくともいずれか１つを主成分とするものが挙げられる。
なお、ＰＩＮ型光電変換素子１５の下部電極層１００８と、ＴＦＴ１６のドレイン電極層１００７とは、電気的に接続されている。
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、２次元センサ１０３の光電変換素子として、図６に示した蛍光体６２１（あるいは、図１０に示した蛍光体１０２１）を用いずに、入射したＸ線を直接、電気信号に変換する直接変換型変換素子を適用した形態である。本実施形態で用いられる直接変換型変換素子は、アモルファスセレン（ａ−Ｓｅ）、ＰｂＩ2、ＨｇＩ2及びＣｄＴｅのうち、少なくともいずれか１つを主成分とする材料からなるものである。
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、Ｘ線撮像装置１００を用いたＣＴ撮影を行うＸ線撮像システムに適用した形態である。ＣＴ撮影とは、被写体を複数の方向からＸ線撮影し、それらの撮影画像から被写体における任意の断層画像をコンピュータによって計算・画像化するものである。本実施形態では、ＣＴ撮影手段として、Ｘ線発生装置から被写体に円錐状のＸ線（コーンビーム）を出射するＣＢＣＴ（Corn-BeamＣＴ）撮影を例にして説明を行う。図１１及び図１２は、本発明の第５の実施形態に係るＸ線撮像システムの模式図である。
図１１に示すＸ線撮像システムは、被写体（患者）１２１に円錐状のＸ線（コーンビーム）を出射するＸ線発生装置１１９と、Ｘ線発生装置１１９と正対する位置に配置され、被写体１２１を透過したＸ線を撮像するＸ線撮像装置１００と、被写体１２１を載置する回転台１１０１を有して構成されている。
図１１のＸ線撮像システムでは、Ｘ線発生装置１１９とＸ線撮像装置１００とを所定の位置に正対させた状態で、被写体１２１を載置した回転台１１０１を図１１の矢印で示す方向に回転させながらＸ線発生装置１１９からコーンビームを出射して、被写体１２１の任意の断層画像を撮影する。
図１１のＸ線撮像システムでは、理論上、被写体（患者）１２１を半回転させることにより、胸部のＣＴ撮影が可能であることから、従来のＣＴ撮影を行うＸ線撮像装置よりも短時間で撮影が可能である。さらに、被写体１２１を回転させてＣＴ撮影を行うので、複雑な可動装置を設ける必要が無く、装置構成を簡易にすることができるため、システム全体を小型化することができる。
また、図１１のＸ線撮像システムは、ＣＴ撮影以外に単純撮影も可能であるため、クリニックや小規模の病院のような設置スペース的に余裕のない場所においても、設置可能である。ただし、被写体（患者）１２１が直立した状態で撮影を行うことが条件になるため、患者の意識がない、あるいは患者が直立できないなどの場合には、ＣＴ撮影が困難になってしまう事態が生じる。以上、説明したように、図１１のＸ線撮像システムでは、クリニックや小規模の病院での検診を行う際のＣＴ撮影に用いて好適である。
図１２に示すＸ線撮像システムは、被写体（患者）１２１に円錐状のＸ線（コーンビーム）を出射するＸ線発生装置１１９と、Ｘ線発生装置１１９と正対する位置に配置され、被写体１２１を透過したＸ線を撮像するＸ線撮像装置１００と、被写体１２１を載置するベッド１２０１と、Ｘ線撮像装置１００とＸ線発生装置１１９とを正対させた状態で一体的に可動させる可動装置１２０２とを有して構成されている。
図１２のＸ線撮像システムでは、可動装置１２０２を被写体１２１を載置したベッド１２０１を中心に図１２の矢印で示す方向に回転させながらＸ線発生装置１１９からコーンビームを出射して、被写体１２１の任意の断層画像を撮影する。
図１２のＸ線撮像システムでは、患者の意識が無い場合や、患者が直立できない場合、あるいは造影剤を使用する場合などに有効である。ただし、重量のあるＸ線発生装置１１９やＸ線撮像装置１００を可動させるため、装置構成が大規模になることや、安全に配慮したスペースが必要となるため、設置スペース等で余裕のある場所でしか使用できない。
図１１及び図１２に示したＸ線撮像装置１００では、２次元センサ１０３をガラス基板上にアモルファスシリコンプロセスを用いて形成しているため、５０×６０ｃｍ程度の大きさのものを容易に形成することができる。この２次元センサ１０３を有するＸ線撮像装置を用いてＣＴ撮影を行う場合、従来のＣＴ撮影装置のようにＸ線照射範囲が狭くなくＸ線が広範囲に照射され、撮影部位の全体を撮影することができるため、ＣＴ撮影に要する時間を短縮することができる。
なお、本発明の諸実施形態によってデジタルＸ線撮像装置を用いたＣＴ撮影が可能となるが、単純撮影とＣＴ撮影の両方を撮影可能なデジタルＸ線撮像装置を実現するためには、必要な断層厚みが得られるように画素出力の加算をし、見かけ上の画素サイズを大きくする必要がある。その理由としては、ＣＴ撮影では２００μｍ以上の解像度は要求されておらず、現在、一般的に普及しているＣＴ撮像装置で撮影される断層厚みとしては、０.５ｍｍ〜１０ｍｍ程度だからである。したがって、仮に２００μｍピッチの２次元センサで０.５ｍｍの断層厚みを実現する場合、画素加算数として２５０が必要である。そして、このように多くの画素加算数を必要とするＣＴ撮影においては、本発明の各実施形態で示したＸ線撮像装置及びＸ線撮像システムが好適である。
本発明は、デジタルＸ線撮像装置の高感度化、高速読み出し化に必要不可欠な画素加算に関するものであり、本発明を用いることにより、画素加算時に発生するＸ線撮像装置におけるダイナミックレンジの低下や感度特性の悪化を回避することが可能である。したがって、本発明を用いることにより、画素加算時に発生するＸ線撮像装置におけるダイナミックレンジの低下や感度特性の悪化を回避しながら、デジタルＸ線撮像装置の高感度化、高速読み出し化を行うことが可能となり、デジタルＸ線撮像装置による透視撮影やＣＴ撮影等の様々な撮影が可能となる。
本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像システムの概略構成図である。 図１に示したＦＰＤの回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素分の回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置の駆動を示したタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素分の回路図である。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素の概略断面図である。 ＭＩＳ型光電変換素子の動作原理を説明するためのエネルギーバンド図である。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサの画素出力を１つの信号線あたり２画素加算して読み出す動画撮影モードの際の駆動を示したタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサの画素出力を１つの信号線あたり１画素ずつ読み出す静止画撮影モードの際の駆動を示したタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係るＸ線撮像装置の２次元センサにおける１画素の概略断面図である。 本発明の第５の実施形態に係るＸ線撮像システムの模式図である。 本発明の第５の実施形態に係るＸ線撮像システムの模式図である。 一般的なＸ線撮像装置を構成するＦＰＤ（フラット・パネル・ディテクター）の回路図である。 一般的なＸ線撮像装置の駆動を示したタイミングチャートである。 ＴＦＴのＯＮ／ＯＦＦにおける２次元センサ内部の電圧変動を説明するための図である。
符号の説明
１００ Ｘ線撮像装置
１０１ 蛍光体
１０２ 可視光
１０３ ２次元センサ
１０４ 読み出し回路
１０５ 垂直駆動回路
１０６ Ａ／Ｄコンバータ
１０７ レギュレータ
１０８ 制御部
１０９ 画像処理部
１１０ 統括制御部
１１１ コントロールＰＣ
１１２ ＦＰＤ（フラットパネルディテクター）
１１３ 操作入力部
１１４ 電源
１１５ Ｘ線制御部
１１６ プリンタ
１１７ 外部記録装置
１１８ モニター
１１９ Ｘ線発生装置
１２０ Ｘ線
１２１ 被写体（患者）
１２２ 記録部
１２３ 中継基板
１２４ 制御基板
１２５ 動作表示部
１２６ ネットワーク
１２７ 低ノイズ電源

Claims (11)

  1. 被写体を透過した放射線を電気信号に変換する変換素子と、前記電気信号を外部に転送するトランジスタとを具備する画素が２次元状に配置された２次元センサと、
    各前記トランジスタから転送される電気信号を増幅して読み出す読み出し手段と、
    前記読み出し手段で前記電気信号を読み出す際に前記トランジスタのゲートに対して前記トランジスタをオンするための電圧を供給し当該トランジスタを駆動させる駆動手段と、
    前記読み出し手段において前記電気信号を同時に読み出す画素数の増加に応じて、前記駆動手段から前記トランジスタのゲートに供給される前記トランジスタをオンするための電圧の電圧値を小さくする制御手段と、
    を有することを特徴とする放射線撮像装置。
  2. 前記変換素子には、前記被写体からの放射線を可視光に変換する波長変換体が具備されており、
    前記波長変換体は、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ、Ｇｄ2Ｏ3及びＣｓＩのうち、少なくともいずれか１つを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
  3. 前記変換素子は、絶縁性基板上に配置された第１の電極層と、前記第１の電極層上に配置され、正負両方の電荷の流入を遮断する絶縁層と、前記絶縁層上に配置され、放射線の量に応じた電荷を生成する半導体層と、前記半導体層上に配置され、当該半導体層への正の電荷の流入を遮断する不純物半導体層と、前記不純物半導体層上の一部に配置された第２の電極層と、を有するＭＩＳ型構造の変換素子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。
  4. 前記変換素子は、絶縁性基板上に配置された第１の電極層と、前記第１の電極層の上方に配置され、放射線の量に応じた電荷を生成する半導体層と、前記第１の電極層と前記半導体層との間に形成され、当該半導体層への正の電荷の流入を遮断する第１導電型の不純物半導体層と、前記半導体層上に配置され、当該半導体層への負の電荷の流入を遮断する前記第１導電型とは正負の異なる第２導電型の不純物半導体層と、前記第２導電型の不純物半導体層上の一部に配置された第２の電極層と、を有するＰＩＮ型構造の変換素子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。
  5. 前記変換素子は、前記放射線を直接前記電気信号に変換する直接変換型の変換素子であり、前記直接変換型の変換素子は、アモルファスセレン（ａ−Ｓｅ）、ＰｂＩ2、ＨｇＩ2及びＣｄＴｅのうち、少なくともいずれか１つを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
  6. 前記トランジスタは、絶縁性基板上に配置された第１の電極層と、前記第１の電極層上に配置され、正負両方の電荷の流入を遮断する絶縁層と、前記絶縁層上に配置されたチャネル層と、前記チャネル層の上方にそれぞれ所定距離をおいて配置された第２の電極層及び第３の電極層と、前記チャネル層と前記第２の電極層との間、及び前記チャネル層と前記第３の電極層との間に配置され、前記チャネル層と前記第２の電極層又は前記第３の電極層とをオーミックコンタクトする不純物半導体層と、を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で形成されてい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。
  7. 前記読み出し手段で読み出された電気信号に対して画像処理を行う画像処理手段を更に有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
    前記被写体に放射線を出射する放射線発生装置と、
    を有し、
    前記変換素子は、前記放射線発生装置から出射され、前記被写体を透過した放射線を電気信号に変換することを特徴とする放射線撮像システム。
  9. 前記被写体を載置する載置機構を更に有し、
    前記載置機構を回転させながら前記放射線発生装置から放射線を出射して、前記被写体の任意の断層画像を撮影するＣＴ（Computed-Tomography）撮影を行うことを特徴とする請求項８に記載の放射線撮像システム。
  10. 前記放射線撮像装置と前記放射線発生装置とを正対させた状態で一体的に可動させる可動機構を更に有し、
    前記可動機構を前記被写体を中心に回転させながら前記放射線発生装置から放射線を出射して、前記被写体の任意の断層画像を撮影するＣＴ（Computed-Tomography）撮影を行うことを特徴とする請求項８に記載の放射線撮像システム。
  11. 被写体を透過した放射線を電気信号に変換する変換素子と、前記電気信号を外部に転送するトランジスタとを具備する画素が２次元状に配置された２次元センサと、各前記トランジスタから転送される電気信号を増幅して読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段で前記電気信号を読み出す際に前記トランジスタのゲートに対して前記トランジスタをオンするための電圧を供給し当該トランジスタを駆動させる駆動手段と、を有する放射線撮像装置における制御方法であって、
    前記読み出し手段において前記電気信号を同時に読み出す画素数の増加に応じて、前記駆動手段から前記トランジスタのゲートに供給される前記トランジスタをオンするための電圧の電圧値を小さくすることを特徴とする放射線撮像装置の制御方法。
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