JP4934826B2 - 放射線画像検出モジュールおよび放射線画像検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体から放射された放射線を検出して検出対象部位の画像表示を行う場合等に利用する放射線画像検出モジュールおよび放射線画像検出装置に関する。

医療用ガンマカメラに代表される特定のエネルギを持つ放射線を検出する放射線画像検出装置は、その特定のエネルギを持つ放射線が放射された位置とその放射線の数を、それぞれ単色の濃度差あるいは色相差として画面に表示する。これによって、前記特定のエネルギを持つ放射線の分布状態を確認できる。

このような特定のエネルギを持つ放射線により画像検出する放射線画像検出装置として、従来から、シンチレータ（ＮａＩ結晶）と光電子増倍管（ＰＭＴ）を使用するものが提供されている。これらは、対象物から放射される放射線を一旦可視光に変換し、この可視光を電子に変換し、かつ増幅するという機能を持つ。

ところが、このような放射線画像検出装置は大掛りで、光電子増倍管が高価かつ大型であるほか、得られた画像の解像度が低い。また、放射線から可視光への変換および可視光から電子への変換によって、信号の検出感度が低下してしまう。

さらに、周辺部からの不必要な放射線の侵入を招き易く、精度の高い放射線画像の表示を行えないという不都合がある。

一方、これに対して、小型化、軽量化が可能で、画像解像度を向上できるとともに、放射線を直接電気信号に変換できる放射線検出素子を用いた放射線画像検出装置が提供されている。

このような放射線画像検出装置では、半導体の放射線検出素子が使用されるが、製造可能な素子サイズ上の制約から、複数個の半導体放射線検出素子を使用して、有効視野面積（画像検出面積）を確保している。

前記放射線検出装置は、複数個並べた放射線検出素子のピクセルごとの放射線情報を、それぞれ電気信号に変換して検出するため、そのピクセル単位で信号の取出しおよび信号処理を行うこととなる。

前記放射線検出素子は、放射線画像の所定の解像度を得るために、通常数百から数千にピクセル分割されている。このため、各ピクセルから信号処理回路への接続回路数が多大となり、放射線検出素子および放射線画像検出装置のコンパクト化が困難になる。

また、各放射線検出素子間のデッドスペースによる放射線画像の解像度の劣化が避けられないという問題がある。

一方、これに対して、放射線検出素子に電気的に接続された集積回路素子の一辺付近に信号引出し用の入出力パッド（Ｉ／O パッド）や信号処理回路などを集め、その集積回路素子を前記放射線検出素子よりも入出力パッド等の設置分長く形成した放射線画像検出モジュールが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

図１２は、かかる従来の放射線画像検出モジュールＭ０の構成を概念的に示す断面図である。この放射線画像モジュールＭ０は、半導体型の放射線検出素子１１１と集積回路素子１１２とを電気的に接続したものからなる。

放射線検出素子１１１の放射線入射面には共通電極１１３が設けられ、下面であるピクセル電極面１１４には複数のピクセル電極パッド１１５が設けられている。

前記集積回路素子１１２は、上面である集積回路面１１６に複数の信号処理側ピクセル電極パッド１１７が設けられ、下面は絶縁層１１８となっている。そして、前記各ピクセル電極パッド１１５、１１７がフリップボンド方式により接合されて、放射線検出素子１１１と集積回路素子１１２とによる前記放射線画像検出モジュールＭ０が構成されている。

また、所定サイズ（信号処理側ピクセル電極パッド１１７の設置エリアより小さい）の信号処理回路１１９が、信号処理側ピクセル電極パッド１１７が設けられていないエリアの集積回路面１１６に、図示しない前記入出力パッドとともに設けられている。

従って、この信号処理回路１１９および入出力パッドは、信号処理側ピクセル電極パッド１の設置エリア外に、つまり放射線検出素子１１１よりも外にはみ出たエリアの集積回路素子１１２上に、設けられている。

この放射線画像検出モジュールＭ０は、放射線画像を大きなセンシングエリアで同時に表示可能にするため、図１３に示すように、複数枚（ここでは、６枚）が、互いに隙間が生じないように、回路基板１２２上に並設されて用いられる。

従って、これらの放射線画像検出モジュールＭ０は、集積回路素子１１２が放射線検出素子１１１よりはみ出さない側では、放射線検出素子１１１を隙間なく連接することができる。

このため、放射線画像検出モジュールＭ０どうしを、前記はみ出さない側の辺で隙間なく、衝き合わせ、この衝き合わせた２つの放射線画像検出モジュールＭ０を一組として、複数組をはみ出さない側の他の辺側へ順次衝き合わせることで、回路基板１２２上に連接することができる。（例えば、特許文献１、２参照）。これにより、放射線検出面積の大きい放射線画像検出装置を得ることができる。
特表２００１−５２７２９４号公報 特開２００３−０６６１５１号公報

しかしながら、このような従来の放射線画像検出モジュールＭ０では、集積回路素子１１２が、信号処理回路１１９や信号引出し用パッドの設置分長く放射線検出素子１１１の外へはみ出すため、このはみ出す側では、放射線検出素子１１１を隙間なく、衝き合わせることができない。

従って、前記放射線画像検出モジュールＭ０を、これの４辺方向へ隙間なく並置することができず、結果として、高い解像度および大きい放射線画像検出面積が得られる放射線画像検出装置の実現には限界があった。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、放射線検出素子に対し、信号処理回路や信号引出し用パッドを持つ集積回路素子がはみ出さないような形態にてこれらをモジュール化することで、放射線検出素子の４方向への隙間のない配列と、この配列による検出対称画像の高解像度化およびセンシングエリアの拡大を実現できる放射線画像検出モジュールおよび放射線画像検出装置を提供することを目的とする。

前記目的達成のために、本発明にかかる放射線画像検出モジュールは、放射線検出信号出力用の複数のピクセル電極パッドを持つ半導体放射線検出素子と、前記ピクセル電極パッドのそれぞれに接続される複数の信号処理側ピクセル電極パッドと該信号処理側ピクセル電極パッドの設置エリアの一部に重なるような信号処理回路および入出力パッドとを持つ集積回路素子と、を備える放射線画像検出モジュールであって、前記信号処理回路の設置エリア上に位置する前記信号処理側ピクセル電極パッドは、前記信号処理回路の設置エリア外の前記集積回路素子上に延設される配線を介して、該集積回路素子における前記信号処理側ピクセル電極パッド対応のピクセル信号処理回路に接続される構成として、前記信号処理回路が前記集積回路素子のピクセル信号処理回路で計数、演算した放射線数の信号を多重化した上で、後段の放射線画像生成回路または表示回路へ出力する構成としたことを特徴とする。

この構成により、前記集積回路素子上の信号処理回路および信号引出しパッドが、放射線検出素子の外にはみ出さないようにすることができ、この集積回路素子と放射線検出素子とから構成される放射線画像検出モジュールを、基板上において前後左右の４辺方向に隙間なく連設することができる。

また、本発明にかかる放射線画像検出モジュールは、前記複数の信号処理側ピクセル電極パッドが、集積回路素子上に等間隔に配列されていることを特徴とする。

この構成により、放射線検出素子から各ピクセル単位で放射線検出信号を受け取ることができるとともに、この放射線検出信号から得られる放射線画像の解像度低下を回避することができる。

また、本発明にかかる放射線画像検出モジュールは、前記信号処理回路が、各ピクセル単位の放射線検出信号を多重化するマルチプレクサを含むことを特徴とする。

この構成により、マルチプレクサが出力する多重化信号にもとづき、後段の信号処理回路が放射線画像の生成と表示を行えるようにする。

また、本発明にかかる放射線画像検出モジュールは、前記集積回路素子が、前記半導体放射線検出素子の大きさと同等もしくは小さいことを特徴とする。

この構成により、複数の放射線画像検出モジュールを、回路基板上に隙間なく配置することができる。

また、本発明にかかる放射線画像検出モジュールは、前記集積回路素子の裏面に、該集積回路素子が設置される回路基板との位置決めのための位置合わせマークが設けられていることを特徴とする。

この構成により、前記回路基板上に割り当てられた位置に、放射線画像検出モジュールを正確にかつ整然と位置決めすることができる。

また、本発明にかかる放射線画像検出モジュールは、前記集積回路素子の裏面の前記位置合わせマークが、該集積回路素子の裏面に形成された電極と同じ材料で形成されていることを特徴とする。

この構成により、集積回路素子の裏面への前記電極の形成と平行して、位置合わせマークを同時に形成できる。このため、位置合わせマーク形成のために別途工程を用意する必要がなく、放射線画像検出モジュールの組み付け効率が向上する。

また、本発明にかかる放射線画像検出装置は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の放射線画像検出モジュールを、２つ以上隙間無く回路基板上に配置したことを特徴とする。

この構成により、被検体の放射線画像検出領域を拡張できるとともに、各放射線画像検出モジュール間におけるデッドピクセルを少なくして、放射線検出画像の解像度を上げることができる。

また、本発明にかかる放射線画像検出装置は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の放射線画像検出モジュールを、４方向へ配置したことを特徴とする。

この構成により、被検体の放射線画像検出領域を拡張できるとともに、各放射線画像検出モジュール間におけるデッドピクセルを少なくして、放射線検出画像の解像度を上げることができる。

本発明によれば、信号処理回路の設置エリア上に位置する信号処理側ピクセル
電極パッドを、前記信号処理回路の配置エリア外の前記集積回路素子上に延設さ
れた配線を介し、この集積回路素子における前記信号処理側ピクセル電極対応の
ピクセル信号処理回路に接続するようにしたので、前記集積回路素子上の信号
処理回路および信号引出しパッドが、放射線検出素子の外にはみ出すことがなく、
この集積回路素子と放射線検出素子とから構成される放射線画像検出モジュール
を、基板上において前後左右の４辺方向に隙間なく連設することができる。

以下、本発明の実施形態による放射線画像検出モジュールを、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態による放射線画像検出モジュールＭ１を概念的に示す斜視図、図２は、その放射線画像検出モジュールＭ１を構成する放射線検出素子の斜視図、図３は、図２に示した放射線検出素子裏面の斜視図、図４は、放射線画像検出モジュールＭ１における集積回路素子の斜視図、図５は、放射線画像検出モジュールＭ１の断面図、図６は、放射線画像検出装置の斜視図、図７は、放射線画像検出モジュール裏面の斜視図である。

図１〜図７に示すように、放射線画像検出モジュールＭ１は、半導体型の放射線検出素子１１と集積回路素子１２とを電気的に接続したものからなる。これらのうち、放射線検出素子１１は、例えばモノリシックアレイ型の半導体からなり、この半導体ウエハの放射線入射面に共通電極１３を有する。

また、この放射線入射面側とは反対側のピクセル電極面（下面）１４には、図３に示すように、放射線検出素子１１が検出した放射線検出信号を、ピクセル単位で取出す複数のピクセル電極パッド（信号電極）１５を有する。

これらのピクセル電極パッド１５は、前後左右方向にそれぞれ一定の間隔をおいて設けられている。

前記放射線検出素子１１の半導体としては、γ線の検出感度が高いＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＨｇＩ２などが用いられ、例えば短辺が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下、長辺が１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の四角形で、厚さが０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下に形成されている。

一方、集積回路素子１２は、放射線検出素子１１が検出してピクセル単位で出力する放射線情報にもとづいて、ピクセルごとの放射線量（放射線数）を演算するように機能する。この集積回路素子１２の集積回路面（上面）１６には、複数の信号処理側ピクセル電極パッド１７が設けられている。

これらの信号処理側ピクセル電極パッド１７は、放射線検出素子１１下面のピクセル電極パッド１５に対応するものに、それぞれフリップチップボンド方式によって接続されている。集積回路素子１２の下面は、絶縁層とされている。

なお、図１では、内部構造を分かり易くするために、放射線検出素子１１を透過して、信号処理側ピクセル電極パッド１７を、後述の配線およびピクセル信号処理回路とともに、上方から見た状態にて示してある。

また、集積回路素子１２における集積回路面１６の一端部には、信号処理回路１９が設けられている。このため、この信号処理回路１９は、図示のように、信号処理側ピクセル電極パッド１７の設置エリアの一部に重なる。この信号処理側ピクセル電極パッド１７に重ならない領域は、ピクセル信号処理エリアとされる。

従って、信号処理回路１９の設置エリアでは、各信号処理側ピクセル電極パッド１７からの放射線検出信号を集積回路素子１２のピクセル信号処理回路２１へ直接出力することができない。

そこで、その信号処理回路１９の設置エリアにあるピクセル電極パッドを、その配置エリアの外、つまりピクセル信号処理回路２１側のエリアに延設される配線２０を介して、このピクセル信号処理回路２１へ接続する。

この場合において、前記設置エリアの外に延設される前記配線２０は、隣り合う次の信号処理側ピクセル電極パッド１７に接続されるピクセル信号処理回路２１に近接することとなる。

このため、次の信号処理側ピクセル電極パッドも、前記同様に、独自の配線２０を介して、前記次の信号処理側ピクセル電極パッド１７対応の、前記集積回路素子１２におけるピクセル信号処理回路２１に接続する。

このようにして、次々に隣り合うピクセル電極パッド１７に対し、各一の配線２０を介して、集積回路素子１２上のピクセル信号処理回路２１をずらしながら接続する。この場合に、そのずらし量を徐々に短縮していく。

この結果、ピクセル信号処理回路２１と次の信号処理側ピクセル電極パッドとの距離が広がっていき、遂には、残る信号処理側ピクセル電極パッド１７にこのような配線を接続する必要がなくなる。

なお、図１、図４および図５では、信号処理回路１９の配置エリアに、ピクセル電極パッド１を横方向に１個ずつ設けた場合を示したが、複数個ずつ設ける場合がある。

この場合には、その複数個分を跳び越えて次の信号処理側ピクセル電極パッド１７に接続されるピクセル信号処理回路２１に近接しないように、前記同様、配線を介してこれらを接続する。

前記信号処理回路１９は、集積回路素子１２のピクセル信号処理回路２１で計数、演算した放射線数の信号を、多重化処理等を行った上で、後段の放射線画像生成回路や表示回路へ出力するように機能する。

このように、前記信号処理回路１９が、信号処理側ピクセル電極パッドの一部に重なるように設けられて、ピクセル信号処理回路２１のエリアが狭まっても、放射線検出素子１１と集積回路素子１２の対応するピクセル電極パッドどうしがすべて電気的に接続されるため、基本的にデッドピクセルを生じることはない。

また、前記信号処理回路１９の設置にも拘らず、集積回路素子１２全体を放射線検出素子１１と同等またはこれより小さいサイズにモジュール化でき、従って集積回路素子１２がこの放射線検出素子１１の外にはみ出ることはない。

このため、放射線検出素子１１と集積回路素子１２とからなる放射線画像検出モジュールＭを、図６に示すように、後段信号処理回路を搭載した回路基板２２上に、前後左右の４辺方向に、隙間なく並べて搭載することができる。

従って、デッドピクセルのない大面積の放射線画像検出装置Ａを実現することができ、また被検体の放射線画像が大画面で表示可能な放射線画像表示システムを提供することができる。

通常、前記集積回路素子１２上面であって、前記信号処理回路１９に対応する位置付近には、後段信号処理回路(図示しない）に接続される入出力（Ｉ／Ｏ）パッドが設けられる。

このため、この入出力パッドの設置分、デッドピクセルとなるエリアが発生する。しかし、そのデッドピクセルの数が全信号処理側ピクセル電極パッドに対する割合が極めて少なく、これが放射線検出情報の劣化、つまり放射線画像の解像度等に大きく影響することはない。

図７は、放射線検出素子１１と集積回路素子１２とを前記のように電気的に接続した放射線画像検出モジュールＭの下面を概念的に示す斜視図である。この図では、集積回路素子１２の裏面に複数の外部出力端子２３と二つの位置合わせマーク２４が設けられている。

これらのうち、外部出力端子２３は、信号処理回路１９の出力信号を入出力パッドを介して後段信号処理回路へ出力するものであり、その入出力パッドに側面配線２５を介して接続されている。また、位置合わせマーク２４は、集積回路素子１２の一つの対角部分に１個ずつ設けられている。

これらの位置合わせマーク２４は、放射線画像検出モジュールＭを搭載する回路基板２２に設けられた位置合わせマーク（図示しない）に合致させることで、この回路基板２２上における放射線画像検出モジュールＭ設置時の位置決め精度を高めることができる。

これにより、複数の放射線画像検出モジュールＭを、回路基板２２上に隙間なく、整然と並設することができる。

図８は、パルス波高分析型の放射線検出信号処理回路である。この放射線検出信号処理回路では、放射線検出素子１１から入力されたパルス信号を、メインアンプ３１により増幅し、波形整形回路３２によりポールゼロキャンセルやベースラインシフトの処理を行うとともに、正確なパルス波形値に増幅する。また、この増幅信号を、サンプルホールド回路３３に入力してサンプリングホールド処理を行い、さらにアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）３４を通してデジタル変換し、得られたデジタルデータから放射線分布情報を取得する。

図９は、マルチチャンネル波高分析型の放射線検出信号処理回路である。この放射線検出信号処理回路では、図７と同様のメインアンプ３１と波形整形回路３２とにより、放射線検出素子１１から入力されたパルス信号を順次増幅および波形整形し、波形整形されたパルス信号を、複数のシングルチャネル波高分析器３３１〜３３ｎを通して波高分析する。また、この分析結果である各チャネル対応の各信号のエネルギーレベルをカウンタ３４１〜３４ｎでカウントし、得られたカウント値から全チャネルの放射線分布情報を取得する。

図１０は、パルス積分型の放射線検出信号処理回路である。この放射線検出信号処理回路では、放射線検出素子１１から入力されたパルス信号を、コンデンサ３５により時間積分して電荷の大きさに換算し、一定時間における電荷量を信号の大きさとして分析する。この電荷量の大きさの信号をメインアンプ３１で増幅した後、サンプルホールド回路３３に入力してサンプリングホールド処理を行い、その出力信号をアナログデジタル変換器３４を通してデジタル変換する。こうして得られたデジタルデータから放射線分布情報を取得する。

こうして得られた放射線分布情報の信号を、前記回路基板２２を経由して後述の画像構成部に送り、目的とする放射線の分布状況を判定させ、これを画像表示可能にする。

ここでは、前記側面配線２５を介して、特定エネルギの放射線数を、前記のようにカウントしたり、パルス波高分析したり、一定時間における電荷量の大きさを分析したりした後、後段信号処理回路の画像構成部側へ直接送るため、特定エネルギの放射線検出効率および放射線検出精度が向上する。

図１１は、放射線画像検出装置Ａを含む放射線画像検出システムのブロック図である。同図において、４１は被検体としての人体などの被測定対象物、４２は被測定対象物４１から得られる放射線を、本発明の放射線画像検出装置Ａに対し垂直に入射するコリメータである。

また、４３は放射線画像検出装置Ａにて得たピクセル単位の放射線数を画像化する画像構成部、４４は画像化した信号をディスプレイ上に表示する画像表示部である。

この画像検出装置Ａでは、コリメータ４２でコリメートされた放射線のうち、特定エネルギを持つ放射線のピクセル位置情報（Ｘ軸、Ｙ軸情報）およびカウント情報（Ｚ軸情報）を前記のように求めて、これらの各情報を画像構成部４３へ送る。

画像構成部４３では前記情報にもとづいて、すべてのピクセルに対して計測された放射線数を、単色の濃度差あるいは色相差として画像構成を行い、被測定対象物中の特定エネルギを持つ放射線の分布状態を画像化可能にする。これにもとづき、画像表示部４４がその分布状態を画像表示する。

この結果、被測定対象物の、例えば人体の異常部位を画像表示部４４上で明瞭に確認可能に表示できる。

本発明にかかる放射線画像検出モジュールおよび放射線画像検出装置は、前記集積回路素子上の信号処理回路および信号引出しパッドが、放射線検出素子の外にはみ出さないようにすることができ、その集積回路素子と放射線検出素子とから構成される放射線画像検出モジュールを、回路基板上において前後左右の４辺方向に隙間なく連設して大面積化できるという効果を有し、被検体から放射された放射線を検出して検出対象部位の画像表示を行う場合等に利用する放射線画像検出モジュールおよび放射線画像検出装置等に有用である。

本発明の実施形態による放射線画像検出モジュールを概念的に示す斜視図である。 図１に示す放射線画像検出モジュールを構成する放射線検出素子の斜視図である。 図２に示す放射線検出素子の裏面側の斜視図である。 図１に示す放射線画像検出モジュールを構成する集積回路素子の斜視図である。 図１に示す放射線画像検出モジュールの断面図である。 本発明の実施形態による放射線画像検出装置を示す斜視図である。 図６に示す放射線画像検出モジュールの裏面側の斜視図である。 本発明の集積回路素子におけるパルス波高分析回路を示すブロック図である。 本発明の集積回路素子におけるマルチチャネル波高分析回路を示すブロック図である。 本発明の集積回路素子におけるパルス積分型分析回路を示すブロック図である。 本発明の放射線画像検出モジュールを含む放射線画像検出システムのブロック図である。 従来の放射線画像検出モジュールを示す断面図である。 従来の放射線画像検出装置を示す斜視図である。

符号の説明

１１ 放射線検出素子
１２ 集積回路素子
１３ 共通電極
１４ ピクセル電極面
１５ ピクセル電極パッド
１６ 集積回路面
１７ 信号処理側ピクセル電極パッド
１８ 絶縁層
１９ 信号処理回路
２０ 配線
２１ ピクセル信号処理回路
２２ 回路基板
２３ 外部出力端子
２４ 位置合わせマーク
２５ 側面配線

Claims (8)

1. 放射線検出信号出力用の複数のピクセル電極パッドを持つ半導体放射線検出素子と、前記ピクセル電極パッドのそれぞれに接続される複数の信号処理側ピクセル電極パッドと該信号処理側ピクセル電極パッドの設置エリアの一部に重なるような信号処理回路および入出力パッドとを持つ集積回路素子と、を備える放射線画像検出モジュールであって、前記信号処理回路の設置エリア上に位置する前記信号処理側ピクセル電極パッドは、前記信号処理回路の設置エリア外の前記集積回路素子上に延設される配線を介して、該集積回路素子における前記信号処理側ピクセル電極パッド対応のピクセル信号処理回路に接続される構成として、前記信号処理回路が前記集積回路素子のピクセル信号処理回路で計数、演算した放射線数の信号を多重化した上で、後段の放射線画像生成回路または表示回路へ出力する構成としたことを特徴とする放射線画像検出モジュール。
2. 前記複数の信号処理側ピクセル電極パッドが、集積回路素子上に等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線画像検出モジュール。
3. 前記信号処理回路が、集積回路素子で検出されたピクセルごとの放射線検出信号を多重化するマルチプレクサを含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線画像検出モジュール。
4. 前記集積回路素子が、前記半導体放射線検出素子の大きさと同等もしくは小さいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の放射線画像検出モジュール。
5. 前記集積回路素子の裏面に、該集積回路素子が設置される回路基板との位置決めのための位置合わせマークが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の放射線画像検出モジュール。
6. 前記位置合わせマークが、前記集積回路素子の裏面に形成された電極と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の放射線画像検出モジュール。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の放射線画像検出モジュールが、２つ以上隙間無く回路基板上に配置されていることを特徴とする放射線画像検出装置。
8. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の放射線画像検出モジュールが、４方向へ配置されていることを特徴とする放射線画像検出装置。

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