JP4890271B2 - フォトゲートを有する放射線検出装置とｘ線検査装置、および線量をモニタリングする方法とｘ線検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、検出画素のアレイを有する放射線検出装置、Ｘ線検査装置、その検査装置を制御する方法、及び放射線検査装置の少なくとも１つの画素により収集される線量をモニタリングする方法に関する。

ＦＤＸＤ（Ｆｌａｔ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｘ−ｒａｙ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）は、異なるアプリケーションの特定のＸ線装置において用いられる汎用検出器の構成要素として医療用診断の分野で益々使用されてきている。ＦＤＸＤは、典型的には、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）のセンサマトリクスを備えるように製造され、そのマトリクスの全てのセンサ要素は、例えば、フォトダイオード又はコンデンサ等の電荷収集のための要素と、例えば、薄膜トランジスタ等の少なくとも１つの読み出し要素とを有する。

国際公開第０２／２５３１４号パンフレットにおいては、検出器の表面は線量測定用アレイ（“スーパーピクセル”）に分割されている。全ての線量測定用アレイは、センサマトリクスの幾つかのセンサ要素を有し、前記センサ要素の各々における小さい測定用コンデンサ又は“タッピング”コンデンサは、線量検知ラインを介して、電荷感応型の線量検知増幅器に接続されている。Ｘ線照射中、線量の平均値は、高分解能のピクチャの後の読み出しへの負の影響なしに、各々の線量測定用アレイのための線量検知増幅器の読み出し部において決定される。線量信号は、特に、Ｘ線画像の正確な照射を制御するように用いられる。

電荷蓄積素子の一部として、所謂、フォトゲートを有する単結晶半導体に基づくＸ線検出器（例えば、ＣＭＯＳ技術における検出器）に対して、小さい測定用コンデンサを接続する可能性はない。これは、フォトゲートが半導体基板（バルク材料）から分離層により分離された電極の下に電荷を収集するためである。
国際公開第０２／２５３１４号パンフレット

この状況に基づいて、本発明の目的は、フォトゲートを有する放射線検出器における改善された照射制御のための手段を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する放射線検出装置、請求項８の特徴を有するＸ線検査装置、請求項９の特徴を有する方法及び請求項１０の特徴を有する方法により達成される。好適な実施形態は従属請求項における主題である。

本発明にしたがった放射線検出装置は、検出画素のアレイを有する。それらの画素は、典型的には、例えば、検出器の表面における四角形又は六角形パターン等のように、規則的に配列されている。全ての画素は、その装置により生成される画像の１つのポイント又はピクチャ要素を規定する個々の画像信号の生成のために用いられる。更に、放射線検出装置の全ての画素は次の構成要素を有する。
ａ）入射放射線の自由電荷（例えば、半導体中の電子又は電子−正孔対）への変換のための変換要素。
ｂ）変換要素により生成された前記自由電荷の中間蓄積のための電荷蓄積要素。その電荷蓄積要素は電荷蓄積領域から同時に電気的に分離され且つ電荷蓄積領域に配置されているフォトゲート電極と電荷蓄積要素とを有し、その電極は電荷蓄積領域において電界を誘起する。
ｃ）フォトゲートの電極を外部の駆動回路と接続するフォトゲートライン。
ｄ）画素の出力ラインにおける電気信号（例えば、電荷又は電圧）への電荷蓄積要素に蓄積された電荷の選択的変換のための少なくとも１つの読み出し要素。

更に、放射線検出装置のフォトゲートラインの少なくとも１つは、フォトゲートラインに結合された電荷蓄積要素の電荷における変化によりもたらされる変位電流を検出するための電流センサを有する。典型的には、全てのフォトゲートラインは、全ての画素からの変位電流がモニタリングされるように、そのような電流センサを個別に備えている。

上記の放射線検出装置が放射線に暴露されるとき、自由電荷は変換要素において生成され、そして電荷蓄積要素内に蓄積される。暴露が終了した後、電荷は、画像信号として読み出し要素によりその蓄積要素から読み出される。それらの処理によりもたらされる変位電流が測定されるために、フォトゲートラインにおける電流センサの支援により、継続中の照射の間に、電荷蓄積要素における電荷の収集をモニタリングすることが可能である。この情報を、特に、照射の最適な制御のために用いることが可能である。例えば、Ｘ線源は、対象領域が十分に照射されたらすぐに、オフに切り換えられる。

フォトゲートラインで測定された変位電流は、そのラインに接続されているフォトゲート電極により付加的にもたらされる。原則的に、所定のフォトゲートラインに１つの画素のみのフォトゲート電極を接続することが可能である。この場合、特定画素における帯電がモニタリングされる。しかしながら、好適な実施形態においては、２つ以上の画素が、電流センサを有するフォトゲートラインに接続される。このようにして、帯電が、全ての接続された画素において同時に観測される。このことは、この場合に大きい領域の照射についての主たる関心事であるため、線量制御に対して十分である、又はそれどころか有利である。更に、フォトゲートラインを保存することができ、信号強度を、幾つかの画素を１つのラインに接続することにより増加することができる。好適には、同じフォトゲートラインに接続された画素の全ては隣接している。特に、それらの画素の群は、例えば、ｎｘｍの画素（ｎ，ｍ＝２，３，．．．）のブロックのようなコンパクトな幾何学的構成を有することが可能である。

好適には、フォトゲートラインが接続された外部のドライバ回路は、フォトゲートラインに結合されたフォトゲート電極に一定電圧を印加することができる。フォトゲート電極の一定電圧は、電荷蓄積領域においてどれらにより誘起される電界が同じまま維持されることを確実にする。それ故、一定条件は、照射中に全ての接続された画素に広がる。電荷蓄積要素において蓄積された電荷量は照射中に変化するため、対応する変位電流は、フォトゲートラインにおける電圧の安定化のために流される必要がある。それらの電流は、電流センサにより測定され、それらの電流センサのサイズは、電荷蓄積要素における電荷の変化のための直接の尺度である。

電流センサの実現のためには、種々の可能性がある。特に、電流センサは電荷感応増幅器を有することが可能である。代表的な電荷感応増幅器は、微分増幅器、コンデンサ及びスイッチを有することが可能である。

放射線検出装置における画素の変換要素は、何れの種類の電磁放射線に対して感応することが可能である。特に、変換要素は、可視光及び／又はＸ線に対して感応することが可能である。この場合、放射線検出装置は、カメラ及び／又はＸ線装置の実現のために適切である。

その放射線検出装置がＸ線の検出のために用いられる場合、その放射線の電気信号への直接変換又は間接変換を実行することが可能である。間接変換の場合、可視光に感応する変換要素は、典型的には、入射Ｘ線量子を可視光のフォトンに変換するシンチレーション層と結合している。第２段階においては、それらのフォトンは、次いで、電気信号として、変換要素において自由電荷を生成する。

本発明は、次の構成要素であって：
Ｘ線エネルギーに対して検査される対象物を暴露するためのＸ線源と；
検査される対象物による減衰の後、Ｘ線画像を受けるための上記のような種類のＸ線検出装置と；
を有するＸ線検査装置に更に関する。

更に、本発明は、上記の種類のＸ線検査装置を制御するための方法に関する。その方法は：
− Ｘ線に対して検査される対象物を暴露する段階と；
− Ｘ線暴露中に電流センサの出力信号をモニタリングする段階であって、その電流センサは上記のようなフォトゲートラインに挿入されている、段階と；
− 電流センサの出力信号の前記モニタリングに応じて、Ｘ線暴露を停止する段階と；
− Ｘ線画像を得るために検出画素の電界蓄積要素に蓄積された電荷を読み出す段階と
を有する。

その方法を用いると、対象領域において最適に照射されたＸ線画像を生成することが可能である。それ故、結果として得られる画像の品質は改善され、過剰に暴露された画像及び過少に暴露された画像並びに関連する暴露のやり直しは回避されるため、放射線に対する患者の暴露は最少化される。

本発明は、放射線検出装置の少なくとも１つの画素により収集された線量をモニタリングするための方法であって、画素が次の構成要素を有する、方法に関する。
ａ）入射放射線の自由電荷（例えば、半導体中の電子又は電子−正孔対）への変換のための変換要素。
ｂ）変換要素により生成された前記自由電荷の中間蓄積のための電荷蓄積要素。その電荷蓄積要素は電荷蓄積領域から同時に電気的に分離され且つ電荷蓄積領域に配置されているフォトゲート電極と電荷蓄積要素とを有し、その電極は電荷蓄積領域において電界を誘起する。
ｃ）フォトゲートの電極を外部の駆動回路と接続するフォトゲートライン。
ｄ）画素の出力ラインにおける電気信号（例えば、電荷又は電圧）への電荷蓄積要素に蓄積された電荷の選択的変換のための少なくとも１つの読み出し要素。

その方法にしたがって、変位電流は、フォトゲートラインの少なくとも１つにおいて測定される。その変位電流は、前記ラインに接続している電荷蓄積要素の帯電における変化によりもたらされる。その方法は、一般的な形で、上記の種類の放射線検出装置を用いて実行される段階を有する。それ故、その方法についての詳細、有利点及び改善に関する更なる情報について、上記説明を参照することとする。

要約すると、本発明の１つの基本的概念は、継続している暴露中にフォトゲート電極の下の帯電により誘起される変位電流を測定することであり、それらの変位電流は、それぞれの画素により吸収された放射エネルギーの尺度である。

本発明の上記の及び他の特徴については、以下詳述する実施形態に関連して明らかになり、理解することができる。

以下、図を参照して、例示として、本発明について説明する。

図１は、四角形状マトリクスに配列した画素２０のアレイを有するＦＤＸＤ（Ｆｌａｔ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｘ−ｒａｙ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）について示している。画素２０はＸ線に対して感応することを前提としている。しかしながら、本発明はまた、画素が可視光に対して感応する光学イメージセンサに対して適用可能である。更に、図示のために、幾つかの画素２０のみを図に示していることに留意する必要がある。典型的には、ＦＤＸＤは、数十万個のそのような画素を有する。

放射線検出装置１０は、アドレスライン３０はそのマトリクス１２を横断するような行として存在する。１行の画素２０全ては同じアドレスライン３０に接続している。ロジック１１の支援により連続的にアドレスライン３０全てを活性化することにより、アレイ１２の画素２０全てが読み出される。そのような読み出し処理中、画素２０のセンサ信号は、そのマトリクス１２の列に対して平行に存在する読み出しライン３１に対して行毎に供給される。マトリクス１２の下端部において、各々の読み出しライン３１は読み出しロジック１３に接続され、ここで、画像信号の更なる処理（増幅、アナログデジタル変換、合波）が行われる。

画素２０は、図２の断面において更に詳細に示されている。画素は、半導体バルク材料２６に、好適には、単結晶シリコンにおいて且つＣＭＯＳ技術で、形成される。そのデザインは、間接変換を伴う、所謂、フォトゲート画素（米国特許第６５５５８４２Ｂ１号明細書を参照されたい）のデザインである。全体的な画素の最上部のシンチレーション層２８においては、入射Ｘ線Ｘは可視光の量子νに変換される。バルク材料２６内のその量子自由電子電荷は、そのとき、変換要素としての役割を果たす。その電荷は、次いで、電荷蓄積領域としての役割を果たすバルク材料の領域２５に集まる。最小電位が、フォトゲート電極２１からもたらされる電界によりこの電荷蓄積領域において生成される。したがって、蓄積領域２５及びフォトゲート電極２１は共に、画素の電荷蓄積要素を成す。フォトゲート電極２１は、バルク材料２６の上の分離層２７の上に配列され、フォトゲートライン３２を介して外部のフォトゲートドライバ回路１４（図１）と接続している。

暴露のための照射処理が終了した後、フォトゲート電極２１の電圧は変化し、蓄積された電荷は領域２５から出される。転送電極２３の適切な電圧は、コレクタ電極への及びそこから読み出しライン３１を介してバイブ回路への電荷注入を確実にする。更に、電荷蓄積領域２５が規定された初期状態になるように、リセット電極２４が備えられている。交互の読み出し手順（図示せず）にしたがって、領域２５に蓄積された電荷は、コンデンサの支援により対応する電圧に変換される。この電圧は、次いで、ソースフォロア及び読み出しスイッチを介して読み出しライン３１に適用されることが可能である。

上記の電極２１、２３、２５は、好適には、シンチレーション層２８からバルク材料２７への光フォトンνの自由通過を可能にするように、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような透明材料から成る。

上記の種類の既知の放射線検出器においては、フォトゲート電極は、外部のフォトゲートドライバ回路１４に、直接、通じるフォトゲートラインに列毎に接続されている。しかしながら、本発明にしたがって、全てのフォトゲートライン３２は幾つかの隣接画素２０の測定アレイ２２と関連付けられている。図１に示すように、測定アレイ２２は、例えば、２ｘ２の画素のブロックを成すことが可能である。勿論、より大きい測定アレイ及び他の幾何学的構成がまた、可能であり、代表的な測定領域の面積は約１ｃｍ^２である。測定領域２２の画素２０に共通のフォトゲートライン３２は微分増幅器４２の反転入力部に接続している。この増幅器４２の非反転入力部はフォトゲートドライバ回路１４に接続している。フォトゲートドライバ回路１４は、典型的には、照射処理中、一定電圧を生成する。更に、増幅器４２の反転入力部は、コンデンサ４３及びスイッチ４４（任意）を介して増幅器の出力部に接続している。要素４２、４３及び４４の全体的ユニットは、電流センサ４０の１つの可能な実施形態である電荷感応増幅器から成る。類似するフォトゲートライン及び増幅回路はチップの各々の測定アレイのために存在しているが、それらの１つのみを図１に例示として示している。

電荷が測定アレイ２２の画素のフォトゲート電極２１の下で収集される場合、フォトゲートドライバ回路１４は、それらの電極の電圧を一定に保つように、フォトゲート電極２１に対応するミラー電荷を転送する必要がある。それらの、所謂、変位電流は、電荷感応増幅器４０により検知されることが可能である。それ故、電荷感応増幅器４０の出力における電圧は、測定アレイ２２における全てのフォトゲート電極２１の下に蓄積された電荷に比例し、それ故また、測定アレイ２２において吸収された放射線線量に比例する。

スイッチ４４を閉状態にすることにより、コンデンサ４３は放電され、それ故、電流センサ４０はリセットされる。電荷感応増幅器４０を有する上記の回路においては、フォトゲート電極２１における電圧は、フォトゲートドライバ回路１４の出口における電圧のみにより決定される。それ故、電流センサ４０の挿入は、センサ要素の通常の挙動及び放射線検出装置１０の動作を変化させない。

電流センサ４０による変位電流の測定により、しかしながら、それぞれの測定アレイ２２における継続している暴露中、吸収された放射線線量をモニタリングすることが可能である。このようにして、コントラストの最適化に対して注目している特定領域における照射を特に制御することが可能である。それ故、例えば、Ｘ線源は、注目している領域が最適な線量を受けるとすぐ、オフに切り換えられる。更に、照射中の線量のモニタリングを可能にする放射線検出装置の詳細及び有利点については、本出願に関連する国際公開第０２／２５３１４Ａ１号パンフレットに記載されているため、参照されたい。更に、センサの表面を横断して線量読み出しラインを経路付けるための異なる可能性についてその特許文献において説明されている。それらの経路付けはまた、本発明のフォトゲートライン３２に対して適用可能である。

最後に、本出願における表現“を有する”は他の要素又は段階を排除するものではなく、単数表現は複数の存在を排除するものではなく、“接続する”及び“接続”は直接的及び間接的接続の両者を含むものであり、単一の処理器又は他のユニットは幾つかの手段の機能を実行することが可能である。

本発明にしたがった放射線検出装置のレイアウトの模式図である。 図１の検出器の画素の断面の模式図である。

Claims (10)

1. 放射線源から照射される放射線を検出する、検出画素のアレイを有する放射線検出装置であって、各々の画素は：
   ａ）入射放射線の自由電荷（例えば、半導体中の電子又は電子−正孔対）への変換のための変換要素；
   ｂ）前記自由電荷の蓄積のための電荷蓄積要素であって、電荷蓄積領域と、電界を誘起するための前記電荷蓄積領域から電気的に分離され且つ前記電荷蓄積領域の上方に配置されたフォトゲート電極とを有する、電荷蓄積要素；及び
   ｃ）外部のドライバ回路に前記フォトゲート電極を接続しているフォトゲートライン；
   ｄ）前記画素の出力ラインにおける電気信号への前記電荷蓄積要素に蓄積された電荷の選択的変換のための読み出し要素；
   を有する、放射線検出装置であり、
   前記フォトゲートラインの少なくとも１つは、そのラインに結合された電荷蓄積要素の電荷における変化によりもたらされる変位電流を検出する電流センサを介して対応する外部ドライバ回路に接続されていて；
   前記電流センサによる前記変位電流の測定により、前記アレイで吸収された放射線線量をモニタリングし、前記放射線源からの照射を制御することが可能である；
   ことを特徴とする放射線検出装置。
2. 請求項１に記載の放射線検出装置であって、隣接する画素の少なくとも１つの群は同じ前記フォトゲートライン及び前記電流センサに結合されている、ことを特徴とする放射線検出装置。
3. 請求項１に記載の放射線検出装置であって、前記外部ドライバ回路は、それに結合されたフォトゲート電極に一定電圧を適用することができる、ことを特徴とする放射線検出装置。
4. 請求項１に記載の放射線検出装置であって、前記電流センサは電荷感応増幅器を有する、ことを特徴とする放射線検出装置。
5. 請求項１に記載の放射線検出装置であって、前記電荷蓄積領域は、好適には、結晶性シリコンの半導体から成る、ことを特徴とする放射線検出装置。
6. 請求項１に記載の放射線検出装置であって、前記変換要素は可視光及び／又はＸ線に対して感応する、ことを特徴とする放射線検出装置。
7. 請求項６に記載の放射線検出装置であって、各々の画素は、入射Ｘ線を光フォトンに変換するシンチレーション層を有する、ことを特徴とする放射線検出装置。
8. Ｘ線検査装置であって：
   Ｘ線エネルギーに対して検査される対象物を暴露するためのＸ線源；及び
   検査される対象物による減衰の後、Ｘ線画像を受けるための請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＸ線検出装置；
   を有することを特徴とするＸ線検査装置。
9. 請求項８に記載のＸ線検査装置を制御するための方法であって、
   Ｘ線に対して検査される対象物を暴露する段階；
   Ｘ線暴露中に電流センサの出力信号をモニタリングする段階；
   前記の信号のモニタリングに応じて、前記Ｘ線暴露を停止する段階；及び
   Ｘ線画像を得るように前記電界蓄積要素に蓄積された電荷を読み出す段階；
   を有することを特徴とする方法。
10. 放射線源から照射される放射線を検出する放射線検出装置の少なくとも１つの画素により収集された線量をモニタリングする方法であって、前記画素は：
    ａ）入射放射線の自由電荷（例えば、半導体中の電子又は電子−正孔対）への変換のための変換要素；
    ｂ）前記自由電荷の蓄積のための電荷蓄積要素であって、電荷蓄積領域と、電界を誘起するための前記電荷蓄積領域から電気的に分離され且つ前記電荷蓄積領域の上方に配置されたフォトゲート電極とを有する、電荷蓄積要素；及び
    ｃ）外部のドライバ回路に前記フォトゲート電極を接続しているフォトゲートライン；
    ｄ）前記画素の出力ラインにおいて電気信号への前記電荷蓄積要素に蓄積された電荷の選択的変換のための読み出し要素；
    を有する、放射線検出装置であり、
    変位電流は少なくとも１つのフォトゲートラインの少なくとも１つにおいて検知され、前記変位電流は、前記ラインに接続された電荷蓄積要素の帯電における変化により誘起され；
    前記電流センサによる前記変位電流の測定により、前記アレイで吸収された放射線線量をモニタリングし、前記放射線源からの照射を制御することが可能である；
    ことを特徴とする方法。

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