JP4989005B2 - デジタルｘ線撮像の方法及びセンサ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載のセンサ装置および請求項１７の前文に記載のデジタルＸ線撮像の方法に関する。
【０００２】
約１０年前に、デジタルＸ線撮像が調査単位から出現し、実用的な撮像方法として受け入れられ始めた。少数の例外を無視して、最も初期のデジタル化方法は、撮像中の対象物を透過したＸ線量子が、いわゆるシンチレータに吸収され、すなわちＸ線量子のエネルギレベルが光の波長に変換される方法で、結果として光子を放出する手順に基づいていた。続けて、光子が直接あるいは一般的には光学媒体を介してシリコン基板に伝達され、シリコン基板上において、基板に吸収されるときに、光子が電子と正孔の対、すなわち電気的手段により検出可能な電荷を形成する。しかし、効率の点では、このような装置は割合中程度であり、分解能の点では、原理がシンチレータにおける光子の拡散という問題を含んでいたために、貧弱であった。一方、このためにシンチレータ層の厚さをむしろ薄く、通常約１０μｍに保つ必要があったため、シンチレータ層を透過し、光学媒体に吸収されるＸ線量子の割合が高いというもう一つの結果があった。Ｘ線量子がシリコン基板自体に吸収され、これにより画像情報に高いレベルの量子雑音がもたらされることさえ起こるおそれがあった。Ｘ線量子の約３０％しか画像形成に利用できないことが多かった。
【０００３】
技術の進展に伴い、上述した装置は、５０％を越える量子効率（ｄｑｅ）をもたらすようになった。しかし、これら種類の解決策によって通常達成される撮像分解能は、依然として約１０ ｌｐ／ｍｍだけであり、この後、分解能を記述するＭＴＦ（変調伝達関数）は急速に降下し初め、たとえば、５ ｌｐ／ｍｍを越える周波数で、ほぼ約３０％のレベルになる。
【０００４】
古典的なシンチレータ材料では、Ｘ線量子が、エネルギに応じて、検出器として使用されるシリコン基板の方向に約２０ photons／ｋｅＶの光子を発生させる。光子のある割合は、光ファイバ伝達媒体を通して通過する間に消失する。光ファイバを使用して生じる増幅に応じて、通常光子の１０〜７０％が消失し、これは有利な場合であっても、約１８ photons／ｋｅＶの光子だけしか検出器で受けることができないことを意味する。約０．３の光量子効率を有するＣＣＤ（電荷結合素子）センサを使用すると、およそ６ electrons／ｋｅＶの電子を検出することができる。したがって、たとえば２０ｋｅＶのエネルギレベルを有するＸ線放射を利用する場合、検出可能な最終的な信号は、約１００ electrons／quantumの電子だけである。このような技法が使用される場合、対象物を透過した量子によって伝えられる情報がそれ以上失われないように、かつ検出されるあらゆる電子が測定されるように保証するように、センサ電子装置を設計する際に特別に配慮する必要がある。
【０００５】
上記において、これら種類のセンサシステムで概して使用される検出器であるＣＣＤセンサを参照した。しかし、ＣＣＤ技術に本質的に関連する問題は、いわゆる暗電流の存在であり、暗電流は、センサ自体の沿面放電流から生じ、経時にわたり、ＣＣＤセンサのいわゆる画素ウェルでの信号の蓄積につながる。したがって、放射がセンサに入射していない場合であっても、暗電流がセンサから得られる画像に地かぶりを生じさせる。これは特に低信号レベルにおいて顕著な欠点である。
【０００６】
ＣＣＤ技法に伴う別の典型的な問題は、露出過度である。信号エネルギが大きすぎると、電荷が画素ウェルから隣接する画素に流出し始める。これは画像を台無しにし、ＣＣＤ技法の電荷移動段階においていわゆるブルーミングを生じさせる。
【０００７】
すべての医療用Ｘ線撮像において、目的は、画質で妥協することなく、患者が被曝する放射線量を可能な限り低く保つことである。この点における本質的な要因の１つは、好ましくは、ターゲットを透過したすべてのＸ線量子を画像形成に寄与させることができるように、可能な限り高い量子効率を得ることである。一方、画質の点では、多くの用途において最大の撮像分解能を達成することが重要である。たとえば、マンモグラフィ（乳房撮影）では、１００μｍ未満の寸法の小さな微小石灰化の検出が極めて重要である。
【０００８】
技術的な進展により、低効率の光変換ステップが全体的に省かれる新しいＸ線量子検出技法がもたらされた。このような技法では、Ｘ線量子が、媒体（たとえば、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｅ、ＧａＡｓ、ＨｇＩ、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＰｂＩ）に吸収され、媒体において電子と正孔の対に直接変換される。強電界がこのような媒体に印加されると、隣接する画素への側方移動が実際に回避される形で、Ｘ線量子の吸収によって発生する電荷を画素電極に向けることができる。このような技法は、撮像分解能を実質的に何等失うことなく、Ｘ線量子吸収層の厚さを１００％の理論的量子効率まで増大可能であるという利点を提供する。このようなレベルの効率を達成するためには、たとえば、約３ｍｍ程度の厚さを有するシリコン層が必要であるが、たとえばＺｄＺｎＴｅが使用される場合、約０．５ｍｍ厚で、２０ｋｅＶエネルギレベルにおいてすべてのＸ線量子を回収するに十分である。
【０００９】
しかし、上記新しい技術は、他の点では優れた技法の利用可能性に関連するいくつかの制約をもたらす特定の欠点も有する。いずれにしてもＸ線量子吸収層は比較的厚くする必要があるため、Ｘ線ビームに対して可能な限り垂直な位置に配列して、異なる深さにおける量子の吸収が、異なる画素の領域に撮像され、ひいては撮像方位分解能の劣化につながらないように保証しなければならない。したがって、特に医療用Ｘ線撮像の目的の場合、この技術を使用してのいわゆる全視野センサの構築は、このようなセンサの分解能は中央領域よりも縁区域においてかなり低いため、いくらか疑わしい事業計画である。この問題は、本発明以前に既知であった直接吸収に基づくすべてのセンサに対して共通であるため、センサの性能が、最良の撮像結果が得られる、画像領域の中央部分においてのみ測定されていた。対照的に、このような技術は、走査プロセス全体中、細いセンサをＸ線ビームに略垂直に保つことができる、いわゆる細いビーム走査撮像に非常によく適用することができる。しかし、十分な信号感度を達成するためには、走査撮像に、数個の画素の幅のセンサ構造と、いわゆるＴＤＩ(遅延積算)技術の利用、あるいは現代の技術における従来技術による解決策では達成不可能な信号読み取り速度のいずれかと、が必要である。
【００１０】
上述したもののような全視野センサでは、画像情報が概して、非晶質シリコン基板の表面上に設けられる読み取り電子装置を使用して読み取られる。別の可能な解決策は、より小さなモジュールからなるセンサを使用し、ＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）技術を使用して読み取り電子装置を実施することである。これら技術の双方では、画像情報は概して、一度に１個の画素をアドレス指定し、センサの縁からその画素に蓄積された電荷を読み取ることにより、画素単位で撮像後、また時に撮像中にも読み取られる。しかし、特に大型センサでは、画素電荷が読み取りチャネル静電容量に分散され、測定中の信号に雑音が生じ、上述したように、さらには、今日利用可能な手段により要求される読み取り速度に到達することが不可能なため、走査撮像を実施することができないという問題がある。
【００１１】
Ｘ線量子が電子と正孔の対に直接変換される場合、光への変換と比較して、生成される信号は非常に大きく、約２００ｋｅＶである。したがって、上述した２０ｋｅＶの量子は、１００ electronsではなく約４０００ electronsの電荷を発生させ、これは、センサ電子装置によって生じる問題が、古典的な問題の逆であることを意味する。これは、現在得られる信号は大きすぎて、処理が困難になっていることを示す。十分な階調分解能を達成するためには、少なくとも１２〜１４ビットの情報深さが必要であり、この場合これは、少なくとも１６〜６５Ｍｅ⁻の電荷を処理する必要があることを意味する。したがって、読み取り電子装置における、たとえばＣＣＤセンサの使用は、伝達可能な最大電荷が約５０００００ｅ⁻のみであるため、実際には不可能である。先端技術の読み取り電子装置の不適切性により、この種類の検出器は、走査撮像に特に適しているにもかかわらず、ＣＣＤセンサを使用する既知のＴＤＩ技法によってさえも信号を収集することができないことから、この目的には適用不可能である。
【００１２】
直接変換センサの使用を妨げる別の欠点は、現在使用されている吸収材料における電荷要素の伝播速度が制限されていることであり、これはいわゆる後発光（postluminescence）を生じさせ、後発光は最悪の場合数時間続きうる。この現象に対処するため、先行画像の情報を考慮に入れ、これを最後に撮られた画像からの時間の関数として差し引くことによる人為的な補償が採用されている。しかし、この方法は、時間とともにさらに側方に隣接する画素領域に流れる捕獲された電荷によって生じる誤差を完全に補正することはできない。
【００１３】
医療目的で使用されるデジタル撮像方法は、上述した主要な２つのカテゴリ、全視野撮像と細いセンサを使用して実施される走査撮像とに分けることができる。実際の撮像プロセスを考えると、全視野撮像は、画像領域全体の大きさのフィルムへの古典的な撮像に相当する。この技術に関連する独特の欠点は、大型、ひいては非常に高価なセンサが必要なこと、および撮像中の対象物から散乱する二次放射をなくす必要があり、複雑な機械的格子装置の使用が求められることである。これらの動作原理により、これらの格子装置もまた撮像に必要な放射線量を倍増させる。
【００１４】
走査技術において使用される細いセンサは、いくらかの機械的支持部を必要とするが、関わるコストはなお全視野センサのコストよりもかなり低い。さらに、走査撮像は格子を必要としないため、撮像対象物に与えられる放射線量は、それに応じて半減する。しかし、たとえばマンモグラフィにおいては小さな画素寸法（高分解能）が求められることから、実用的な大きさのＸ線放射出力を使用して十分な信号を得るために、ＴＤＩ法および数個の画素の幅を有するセンサをなお使用する必要がある。先端技術による解決策では、ＴＤＩ撮像は概して、信号検出にＣＣＤセンサを使用して実施されているが、直接検出に基づく装置では、このようなセンサは、上述した理由により、生成される信号を適切に伝達することができない。一方、先端技術による別の方法は、順番に一度に１つの、Ｘ−Ｙマトリクスに結び付けられた画素によって検出される信号を呼び出すというものであるが、本用途に関与する走査速度および分解能に照らして、これには１２ビットＡ／Ｄ変換および約１ｎｓの速度での記録の実行が必要であり、今日利用可能な技術の能力を超えている。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、Ｘ線放射の直接検出に基づくセンサの有用性を向上させ、特に検出された信号を読み出す技法の新しい実施を利用することによりＴＤＩ撮像が可能な新しい解決策を開発することにある。本発明は、撮像する対象物の最適な被曝を達成するために、撮像中の信号強度を監視する可能性も含む。
【００１６】
本発明に必須の特徴は、併記の特許請求の範囲、特に独立クレームの特徴部分に提示される。本発明の重要な部分は、たとえば科学的な物理的研究に使用される、ガイガー計数管等それ自体既知の装置に採用される技術からなり、これに従って、センサにより検出される各量子が別個に、特に位置選定について、また必要であればエネルギレベルについても同様に計数される。従来技術では、このような手法の医療用撮像への適用についてのいくつかの概念も同様に既知であるが、これまでに提示された解決策は、技術的に極めて実施が困難であり、したがってデジタルＸ線撮像に適したセンサ解決策の実用的かつ安価な実施の基礎として適用不可能である。
【００１７】
したがって、本発明は、上記技術の副領域の最良態様を利用して、製造が容易であり、ひいては安価な効率的な高分解能センサ解決策を開示することを目的とする。本発明は、異なる撮像方法に関連する上記利点を組み合わせて一体のものにし、各種実施形態において、原理上１００％の量子効率を有し、生成される信号全体を処理可能であり、いわゆる後発光の効果をなくすことができ、散乱放射線、暗電流、および露出過度から免れて、熱雑音をなくし、全視野撮像あるいは走査式細いビーム撮像に適用可能であり、また求められる速度での画像情報転送が可能であり、また必要な場合には、検出された放射線のエネルギレベルの分解（resolve）も可能であり、したがって撮像中の対象物のより詳細な解析も可能なセンサを備えることができる。
【００１８】
換言すれば、本発明は、バイアスされた（光電）（半導体）材料（たとえば、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｅ、ＧａＡｓ、ＨｇＩ、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＰｂＩ）がＸ線量子を電子と正孔の対に直接変換し、上記材料に印加された強電界を用いることにより、側方拡散を回避しながら、各電子と正孔の対を各画素領域に収集することができ、このため、１００％のｄｑｅを、しかも分解能で妥協することなく達成することが可能なそれ自体既知の解決策に基づく。しかし、本発明によれば、撮像する対象物を透過したＸ線量子によって生成される画像情報は、従来技術による解決策でのように、撮像中に画素領域において生成される（電子）電荷に基づいて検出されるのではなく、調整可能な閾値レベルを越える検出Ｘ線量子の純粋な数を計算することにより、他の領域の物理学で既知の原理に基づいて検出される。調整可能な閾値レベルを適用することにより、計数する量子に最低エネルギレベルを規定することが可能であるため、センサに現れる熱雑音および散乱放射線によって生じるより低いエネルギ放射等、または後発光を画素レベルで直接なくすことができる。
【００１９】
以下において、本発明について好ましい実施形態を用い、添付図面を参照して詳細に述べる。
【００２０】
図１は、Ｘ線放射の直接検出に基づく典型的なセンサ１０の基本的な構造を示し、Ｘ線放射１２の吸収に使用される要素１１は、Ｘ×Ｙの面積を有し、放射を電気信号に直接変換する材料層であり、上記材料層は強電界Ｖ中に配置される。放射を変換する層は、たとえば、図１では見えない表面上、すなわちＸ線放射１２に向かって対向する表面とは反対側の表面上に配置された画素電極を有する、比較的薄い（半導体）材料構造（Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｅ、ＧａＡｓ、ＨｇＩ、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＰｂＩ）からなることができ、上記画素電極は上記表面を所望の様式でカバーする。したがって、各画素について、電界が、生成される信号を平行にし、たとえば、吸収要素１１の面積に略等しい面積を有する基板を備える読み取り電子装置２０により、および各画素電極に接続される球状インジウム接合部１３により、信号を検出することができる。読み取り電子装置は、たとえば、ＣＭＯＳ技術を使用して実施することができる。
【００２１】
画素レベルにおいて、読み取り電子装置２０に備えられる検出電子装置２０’は、図２に示すように、たとえば、信号増幅器２１および比較器２２を備えることができ、所望であれば外部から調整可能な基準レベルＶ_ｒｅｆに応じて画素領域に吸収される量子を検出するか、あるいは検出しない。加えて、図２に提示する解決策は、好ましくは、エネルギレベルが基準レベルを越える各電圧または電流パルスを計数する１２〜１６ビットデジタル計数器２３を備える。計数器２３には、計数器が最大値に達した後、計数を阻止する回路を設けることができ、露出過度により、測定中の画素信号が最大であることを除き、画像に任意の他の誤差が生じないように保証する。
【００２２】
本発明の読み取り電子装置２０は、たとえば図３に示すように、各画素３１、３１’、．．．にそれぞれ接合面３２を設け、センサ１０の撮像走査移動の方向において計数器２３、２３’、．．．を互いに接続することにより、実施することができ、したがって、計数器２３、２３’、．．．の結果を可能な限り単純な様式で読み出し、同時にＴＤＩ撮像を可能にするために、各画素３１’、．．．の計数器２３、２３’、．．．を、先行する画素列中の同じ行上の画素の計数器２３、２３’、．．．から並列に取り込むことができる。第一の列中の計数器は、取り込まれたときにゼロにリセットするように構成することができるため、センサ信号を容易にリセットすることができる。
【００２３】
図４に示すように、センサ１０の読み取り電子装置２０は、最も外側の計数器の結果をシフトレジスタ４１、ＴＤＩ撮像では特にセンサの後縁側に配置されるシフトレジスタに並列に取り込まれ、直列形式で順序どおりに１行のビットをシフトアウト可能なように実施することができる。したがって、センサを全視野撮像およびＴＤＩ撮像の双方に使用することができ、センサ１０によって生成される画像データの出力には、最低１個の出力信号４２が必要なだけである。あるいは、シフトレジスタ４１の初めに、たとえば、同じセンサ装置に含まれる先行する同一センサモジュール１０から直列データを取り込むことができ、この場合、多数の別個のモジュールからなるセンサシステムによって検出される画像情報全体を１本の信号ラインのみを介して読み出すことができる。
【００２４】
特に静止撮像において、最も外側の計数器の値のシフトレジスタ４１への取り込みを他の計数器から独立した自律機能として実施することにより、いつでも撮像および量子の計数を同時に行いながら、シフトレジスタ４１を介してこの計数器連鎖の値を読み出すことが可能になる。このような構成は、すでに計数された値を失うことなく、検出された信号を連続測定するため、および撮像する対象物の最適な被曝を調整するために使用することができる。センサ１０のすべての計数器の並列取り込みと併せて同時に、最も外側の計数器の値をシフトレジスタ４１に取り込むことにより、センサを使用して、上述した様式でＴＤＩ撮像および全視野撮像において画像データを読み出すことができる。
【００２５】
十分小さな画素寸法が、センサの物理的な画素寸法として使用されるものと選択された場合、読み出された画素固有の信号を、より大きなエンティティ、たとえば画像処理用に構成されたコンピュータに組み合わせることが可能になる。移動方向におけるＴＤＩ撮像の分解能を増大し、たとえば、フィンランド国特許第９７６６５号に記載のように、個々の撮像対象物それぞれの場合に必要とされる放射線量／分解能を最適化することができるように、画像信号も処理することができる。
【００２６】
本発明のセンサでは、たとえば、熱雑音または散乱放射線によりもたらされる低エネルギ量子は、各画素列、または好ましくは２列ごとの画素列の信号基準レベルを外部から調整可能な構成を用いることにより、画素レベルで直接除去することができる。これにより、たとえばＴＤＩ撮像において、各列の転送において列対（または直列）の間で異なる基準レベルを設定し、異なるエネルギレベルに調整された１つまたは複数の画像を対象物における殆ど同じポイントから得られるようにすることにより、隣接する画素を異なるエネルギレベル分解能で撮像することが可能になる。このような画像を使用すると、より正確な撮像対象物の解析が可能になる。
【００２７】
また、本発明のモジュラセンサ装置は、たとえば、２列目のセンサモジュールごとに、基準レベルを間にあるモジュールの基準レベルとは異なるレベルに設定し、そうしてＴＤＩ法によって対象物におけるおよそ同じポイントで２つさらにはそれよりも多くの異なるエネルギ分解能レベルで情報を得ることが可能となるようにすることによっても実施することができる。このような情報は、撮像対象物のより詳細な解析に利用することができる。
【００２８】
基準レベルを適宜設定することにより、上述したいわゆる後発光または隣接する画素の領域への信号の部分的な伝播を容易に取り除けるであろう。この理由は、これら現象の信号強度が、瞬時に検出される信号と比較してほんのわずかな程度であり、したがって検出される信号の閾値レベル未満のまま残るためである。このようにして、先端技術による解決策の問題のある現象の補償が、複雑なコンピュータアルゴリズムを使用することなく可能である。
【００２９】
たとえば図２に示すような電子検出回路の２つ以上を各画素に並列に接続することは当然可能であり、この場合、たとえば２つの基準レベルを各画素に設定することができる。このような構成を介して、ここでも、１回の撮像動作により２つの異なる最低エネルギレベルと合致した画像を生成して、撮像対象物のより詳細な解析を可能にすることができる。
【００３０】
センサの実施に関する詳細として、各画素の電子回路に必要な検出量子の基準エネルギレベルは電流信号の形態で回路に送出され、問題となっている画素または少数の画素の局所的な領域においてのみ電圧レベルに変換されることに言及する。したがって、アナログ電圧レベルの正確度は、回路の他の動作に起因しうるあらゆるグラウンド電位じょう乱による影響を受けない。
【００３１】
所望であれば、所望の数の画素数値を、シフトレジスタに取り込む前に合算する加算器回路を各読み出し行の端部に接続することも可能である。同一の加算器がシフトレジスタの出力端部にも接続され、読み出すことのできる所望の数の画素数値を合算する場合、センサ回路を使用して、結合を実施する、すなわちＸ方向およびＹ方向における画素を組み合わせてより大きな画素を形成することができる。
【００３２】
図５Ａは、走査撮像において使用するために適用可能なＴＤＩセンサ５０を形成する実用的なセンサモジュール解決策を提示する。センサ５０は、たとえば、走査方向において連続して配列された４つのセンサモジュール列５１、５２、５３、５４からなりうる。各列において、個々のセンサモジュール５１０、５１０’、．．．は、各列中のセンサ表面におけるあらゆる接合部がわずかに異なる高さに設定されるように、走査移動に相対して横断する方向ではいくらか異なる位置に配置される。これにより、モジュール間に現れうるあらゆる間隙がその他の３つのセンサ列を介して依然として撮像されるが、生成される画像に間隙が残らないことが保証される。重複は、たとえば、走査方向における画像形成プロセスに携わるセンサモジュールの数に応じて画素寸法の割合が増大する、複数の画素寸法のセンサモジュールを使用して実施することができ、上記割合は、式ｄ_ｐｉｘ×（ｎ＋１／ｍ）によって決定され、式中ｄ_ｐｉｘ＝画素の直径、ｎ＝整数、かつｍ＝関連する方向におけるモジュールの数、またはこれよりも小さい整数であり、したがってセンサの撮像分解能は、センサモジュールの物理的な画素寸法を越えて、信号処理関数によって向上する。
【００３３】
モジュール間の対応する重複および距離は、走査方向に連続して配列されたセンサモジュール間で実施することも可能であり、したがって、それに対応して走査方向における分解能も同様に向上する。一方、走査方向では、対応する効果は、異なるセンサモジュールを対応する様式で計時することにより、当業者には明白な方法で達成することもできる。
【００３４】
たとえば、マンモグラフィ用途では、個々のモジュールが、３５μｍの寸法を有する１４２×２８４画素からなり、５ｍｍ×１０ｍｍの面積を有するセンサ表面を形成することができ、よってセンサアレイに含まれるかかるモジュールの全体の数は、幅方向では４、高さ約２０であり、幅約２０ｍｍおよび高さ約１８０ｍｍまたは２４０ｍｍを有するセンサを形成する。
【００３５】
センサモジュール間の間隙は、一方ではセンサ装置の物理的な寸法を考慮して、他方では、放射線源による不均一な放射線の生成の結果または撮像中の対象物が撮像走査動作中に移動する結果生じうるあらゆる問題を回避するために、走査移動の実行に必要な撮像時間を可能な限り短く保つことができるように、可能な限り小さく保たれるべきである。連続画像の実際の生成に関して、モジュール間の距離は、重要な要因ではない。たとえば、図４を参照しての上記説明によれば、シフトレジスタは、撮像プロセスに対する本質的な障害となる占有スペースなしで、各センサモジュールの垂直方向の縁部の一方に配置することができる。しかし、たとえば、読み取り電子装置の保護に使用されるものと同じ吸収材料の保護層でカバーすることにより、このようなシフトレジスタをＸ線放射線から保護することが推奨される。この層から、シフトレジスタの領域に現れる電荷はいずれも放電することができる。
【００３６】
図５Ｂは、どのようにして各モジュール５１０、５１０’、．．．を、撮像プロセスにおいて使用される放射線ビーム１２の焦点に対して略垂直な位置に配置することができるかを視覚化したものである。
【００３７】
走査方向において次々と配列された多数の別個のセンサモジュール列からなるこのような構造が使用される場合、特にＴＤＩ撮像において、後続のモジュール列中のセンサの被曝が最適になるように、走査方向の一番先に移動するモジュール列から得られる信号に基づいて、走査速度または被曝に関連する他のパラメータを調整することができる。
【００３８】
図６は、重複センサモジュールの可能な配列を示し、放射線源の焦点から見てモジュール間に間隙がいずれも残ることなく、上述したセンサモジュール１０、１０’、．．．が組み合わせられてより大きな連続画像領域が形成される。
【００３９】
上述したように、本発明において使用される電子装置は、検出量子の基準エネルギレベルを所望の大きさに設定できるようにする。これは、たとえば、図７に示す検出回路７０を使用して、各画素の入力電圧閾値Ｖを一定に保ち、それに対応して各画素の検出電子装置の入力回路の入力インピーダンス７１または利得２１を調整することにより、実施することができる。
【００４０】
本発明において使用される量子の数に基づく検出技術は、信号強度が増大するにつれて増幅度が通常低減するアナログ信号増幅器をいずれも使用する必要がないことによる完全な線形性により、画素に蓄積される電子電荷を測定する古典的なシステムからの利点とはさらに異なる。本発明の技術では、画像情報のコントラスト分解能は、信号強度に関係なく同じである。
【００４１】
本発明の好ましい適用分野は、通常３５μｍ画素に蓄積される量子の数が８０００ quanta／ｓであり、最大で、対象物が間にない状態で約２０００００ quanta／ｓであるマンモグラフィである。量子を互いに分離させるため、すなわち確率的発生にかかわらず十分な正確度で互いに別個に計数するために、読み取り電子装置は、近代技術であっても慣例的な、数ＭＨｚ程度の周波数応答を有するべきである。
【００４２】
ＴＤＩ撮像に本発明の技術を使用するに当たり、中心因子は情報が読み出される速度である。マンモグラフィ撮像では、距離２４０ｍｍが通常３秒で走査され、これは、システムが、少なくとも４３０μｓの間隔で画素行３５μｍを読み取ることが可能である必要があることを意味する。センサが、たとえば、１４２列および２８４行を含むように実施される場合、かつ１２ビット計数器が使用される場合、この時間内で、システムは２８４×１２ビット（＝３４０８）を読み出す必要があり、これは８ＭＨｚの読み出し周波数を意味する。それに応じて、１６ビット情報の読み出しには１０．５ＭＨｚの読み出し周波数が必要である。このような周波数もまた、現在の技術において普通である。
【００４３】
分解能を最大にするために本発明の技術が使用される場合、計数器の計数動作は、情報を次の列の計数器に転送するためにかかる時間中停止すべきである。これは、そうでなければ、転送中に読み出される量子が偶然に、２つの画素の計数器うちの一方または他方に計数されてしまうことがあるためである。この時間中のあらゆる量子の損失を回避するために、転送時間は、十分に短い時間であるべきであり、たとえば通常１０ＭＨｚの速度で、上述した最大放射線速度の場合では失われる量子の量は約２％であり、典型的な撮像の場合では０．１％である。現在の技術ではこれよりも複数倍高い速度の使用が可能であるが、転送中に失われうる量子の数は殆どほんのわずかである。
【００４４】
本発明についてまずマンモグラフィ用途を参照して例として上述したが、当然、他のあらゆる対応する撮像用途と併せて使用することもできる。一方、当業者には、特に技術開発の進行に伴い、本発明の基本的な概念は、多くの異なる方法で実施することができ、また実施形態は、上記例に限定されず、併記の特許請求の範囲に定義される保護範囲内で変化しうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｘ線放射の直接検出に基づく典型的なセンサの構造を示す。
【図２】 本発明での使用に適した電子検出回路を示す。
【図３】 本発明による読み取り電子装置解決策を示す。
【図４】 センサレベルで考慮する、本発明による読み取り電子装置解決策を示す。
【図５Ａ】 本発明の好ましい実施形態によるモジュラセンサ装置を示す。
【図５Ｂ】 本発明の好ましい実施形態によるモジュラセンサ装置を示す。
【図６】 本発明の好ましい第２の実施形態によるモジュラセンサ装置を示す。
【図７】 本発明での使用に適した、画素によって検出するＸ線量子の最低エネルギレベルを調整するように設計された電子装置を示す。

Claims (32)

1. デジタルＸ線撮像におけるセンサ装置であって、Ｘ線放射線を吸収し、Ｘ線量子を電子と正孔の対に変換する媒体を含む要素と、前記要素の放射線を受ける表面とは反対側の表面には、前記要素を少なくとも２つの画素列に分割する電極が設けられており、側方拡散を回避しながら、吸収中に発生する電荷を、画素を形成する最も近い電極へ通すために、前記媒体に電界を印加する手段とを備え、各画素の電極には、検出電子装置と、前記電子と正孔の対により発生する電圧または電流パルスを計数する計数器とが設けられており、隣接する画素列の前記計数器は互いに接続されており、それによって、前記画素の前記計数器の値は、先行する画素列中の同じ行において対応する画素の前記計数器から取り込まれることを特徴とするセンサ装置。
2. 最後の列の前記計数器の値を読み取る機能は、その他の計数器とは独立した機能として作用することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記検出電子装置は、シリコンベースの基板を含む読み取り電子装置の一部として構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記検出電子装置は、検出すべき前記パルスの最低エネルギレベルを調整または設定する手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のセンサ装置。
5. 前記検出電子装置は、画素電極、増幅器、および設定された基準レベルと前記パルスとを比較する比較器を備えていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
6. 前記画素電極に接続される、検出電子装置および計数器をそれぞれ含む２つの回路があることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のセンサ装置。
7. 検出すべき前記パルスの最低エネルギレベルを調整または設定する前記手段は、前記検出電子装置に含まれる前記比較器の入力電圧閾値を一定に保つ手段と、入力回路の入力インピーダンスまたは利得を調整する手段とを備えていることを特徴とする請求項５または６に記載のセンサ装置。
8. 異なる画素に異なる基準レベルを設定するために外部から調整可能な手段を備えていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか一項に記載のセンサ装置。
9. 前記最低エネルギレベルを電流信号として定義する信号を送出する手段と、前記画素においてまたは少数の画素の局所的な領域において前記信号を電圧レベルに変換する手段とを備えていることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか一項に記載のセンサ装置。
10. シリコンベースのシリコン基板の縁部に、走査撮像に使用されるセンサ装置の場合においては、前記シリコンベースのシリコン基板の後縁部に配置されるシフトレジスタを備えていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載のセンサ装置。
11. 最も外側の各画素列の前記画素と前記シフトレジスタとの間、および／または前記シフトレジスタの出力端部に配置される加算回路を備えていることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ装置。
12. 前記シフトレジスタをＸ線放射線から保護するために、前記シフトレジスタは、放射線吸収材料で覆われていることを特徴とする請求項１０または１１に記載のセンサ装置。
13. 少なくとも２つのセンサモジュールからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のセンサ装置。
14. 前記センサモジュールは、直列に接続されており，後続のセンサモジュールの前記シフトレジスタの前記入力端部への情報を、前記センサ装置に含まれる先行のモジュールから取り込むことができることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ装置。
15. 前記センサモジュールは、モジュール間の距離が画素寸法×（ｎ＋ｌ／ｍ）に等しくなるように、モジュールが１つまたは２つの方向において重複する形で配列されており、ここで、ｎ＝整数であり、ｍ＝関連する方向におけるモジュールの数、またはこれよりも小さい整数であることを特徴とする請求項１３または１４に記載のセンサ装置。
16. 前記センサモジュールは、前記放射線源の焦点から見たときに、連続画像領域を包含するように、重複形状で配列されていることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか一項に記載のセンサ装置。
17. 前記モジュールは、複数の列に配列され、検出すべき信号のための異なる基準レベルが、２列目ごとに前記画素に設定されていることを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか一項に記載のセンサ装置。
18. 第一のセンサモジュール列から受信する信号に基づいて、被曝に関連する１つまたは複数のパラメータを調整するための手段を備えていることを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれか一項に記載のセンサ装置。
19. デジタルＸ線撮像の方法であって、
    Ｘ線放射線が、Ｘ線量子を電子と正孔の対に変換する媒体に吸収され、前記媒体を含む要素の放射線を受ける表面と反対側の表面には、前記要素を少なくとも２つの画素列に分割する電極が設けられており、
    側方拡散を回避しながら、吸収中に発生する電荷を、画素を形成する最も近い電極へ向け、さらに前記電子と正孔の対によって発生する電圧または電流パルスを計数する計数器へ向けるために、前記要素に電界を印加し、
    前記計数器により読み取られる信号は、列から列へ、次の前記画素列中の同じ行において対応する画素の前記計数器に取り込まれることを特徴とする方法。
20. 最後の列中の前記計数器の値は、撮像および量子計数のプロセスが進行中に読み出されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記信号は、最後の画素列のそばに配置されたシフトレジスタを介して読み出されることを特徴とする請求項１９または２０に記載の方法。
22. 設定された基準レベルを超えるパルスのみが、前記計数器へ通されることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記計数器へ通される前記パルスは、画素電極、増幅器、および前記設定された基準レベルと前記パルスとを比較する比較器を備える回路によって検出されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記計数器へ通される前記パルスの最低エネルギレベルは、前記計数器に接続された前記比較器の入力電圧閾値を一定に保ち、且つ前記比較器電子装置の入力回路の入力インピーダンスまたは利得を調整することによって制御されることを特徴とする請求項２２または２３に記載の方法。
25. 検出すべき量子の基準エネルギレベルは、電流信号として送出され、前記電流信号は，前記画素において、または少数の画素の局所的な領域において電圧レベルに変換されることを特徴とする請求項２２ないし２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記計数器の値が取り込まれるときに、ゼロ値が第一の列の前記画素の前記計数器に取り込まれることを特徴とする請求項１９ないし２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 前記画素行中の前記計数器からの前記信号は、前記シフトレジスタへ通される前に合算され、および／または前記信号は、前記シフトレジスタから読み出されている間に合算されることを特徴とする請求項２１ないし２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 前記計数器の値は、撮像走査移動中に、あるいは全視野撮像プロセス後に取り込まれることを特徴とする請求項１９ないし２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記撮像は、少なくとも２つのセンサモジュールを使用して実行されることを特徴とする請求項１９ないし２８のいずれか一項に記載の方法。
30. 所定のモジュールから得られる前記信号は、少なくとも他の一つのモジュールの前記シフトレジスタを介して読み出されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 検出すべき前記信号の前記基準レベルは、各画素、画素列、またはセンサモジュール列ごとに別個に、所望の値に調整されることを特徴とする請求項２９または３０に記載の方法。
32. 少なくとも２つのセンサモジュール列が使用され、前記信号は、少なくとも第一の列から読み出され、前記第一の列から得られる前記信号を使用して、被曝に関連する１つまたは複数のパラメータを調整することを特徴とする請求項２９ないし３１のいずれか一項に記載の方法。

Images