JP5044809B2 - 放射線検出器及び放射線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガンマカメラ等に装備される放射線検出器に係り、特に半導体を用いた放射線検出器に関する。また、本発明は、斯かる半導体放射線検出器を備える放射線撮像装置に関する。

例えば、ガンマカメラにおいては、放射線検出器は、被検体に注入された放射線同位元素（ＲＩ）からのガンマ線を検出する最も重要な構成要素の一つであり、この性能がカメラ全体の空間分解能やエネルギー分解能、さらには計数特性等の性能を大きく左右する。

現在、検出器の主流を占めるのは、シンチレーション型検出器である。これは、ガンマ線の入射によりシンチレータ（蛍光体）で発生した光を、その背面に稠密に配列された複数の光電子増倍管（ＰＭＴ）又はホトダイオードアレイで検出する構造になっている。このシンチレーション型検出器は、大型で重いのみならず、エネルギー分解能が低いという短所がある。

そのため、近年半導体検出器が脚光を浴びている。これはガンマ線を直接的に検出するので、ガンマ線−光−電気という２段階の変換過程を経る従来のシンチレーション型検出器よりも電気信号への変換効率が高く、しかも半導体セルでガンマ線を個別に検出できるので、エネルギー分解能や計数能力が著しく向上するものと期待されている。

ところが、半導体材料では、従来のＮａＩシンチレータのように、大きな単結晶を製造することが技術的に困難である。このため、半導体材料を用いて従来と同様な大視野のガンマカメラ用放射線検出器を実現するためには、小さな半導体素子複数個から構成される検出器モジュールを組合わせて配列することにより、大視野を確保することが現実的である。

このようなものとして例えば、図４（ａ）に示すように、複数の半導体素子１０１に複数の信号処理基板１０２を接続したものを検出器モジュール１０３とし、図４（ｂ）に示すように、この検出器モジュール１０３を複数組合わせることにより、大きな視野の検出器１０４を構成する方式のものがある。

ここで、１個の半導体素子１０１は、半導体セル１０５が、縦横それぞれに４個ずつ並べて形成される。半導体セル１０５は、例えば、１〜２ｍｍ角の大きさを有しＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）といった化合物からなる。したがって、半導体素子１０１の大きさは５〜１０ｍｍ角程度であり、検出器モジュール１０３は、同図では縦横５個ずつ並べられているので、その大きさは、２５〜５０ｍｍ角となる。

また、図５（ａ）に示すように、複数の半導体素子１０１のみから構成された検出器モジュール１０３Ａを、図５（ｂ）に示すように、複数個組合わせて、１枚の信号処理基板１０２Ａ上に実装することにより、大きな視野の検出器１０４Ａを構成する方式のものも検討されている。

しかしながら、これら従来の検出器モジュールには、種々の問題点が指摘されている。まず、検出器モジュールの寸法が大きいため、この検出器モジュールを組合せて構成される検出器の寸法が制約される。すなわち、所望の寸法の検出器を得ようとしても、縦、横ともに例えば３ｃｍ×３ｃｍ等検出器モジュールの大きさの単位でしか調節できない。けれども、半導体素子は非常に高価なため、検出器の大きさはできるだけ小さい単位で調節できることが望ましい。

また、検出器の中央付近に配置された検出器モジュールに故障等が発生した場合、検出器モジュールが大きいために、検出器全体の中から、その検出器モジュールを取り外し交換するには、周囲の検出器を逐一取り外さねばならず、困難な作業が必要となる。

さらに、半導体素子は機械的に非常に脆く壊れ易いため、半導体素子を一旦検出器モジュールとして組上げた後で、不良素子又は不良箇所が発生した場合、周囲の半導体素子を傷つける虞が大きく、これら周囲の半導体素子を傷つけることなく修理又は交換することは不可能に近い。そのため、検出器モジュール一式全てを不良扱いとして交換しなければならなくなる。したがって、従来技術のように検出器モジュールが大きいと、半導体素子に不良が発生した場合の損害も大きくなる。

このような問題を解決するものとして、半導体素子（検出素子）が１素子ごとに検出器モジュールボード（素子保持手段，素子保持部材）に着脱可能に保持されて固定されている構成が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この提案にいう半導体素子、及び検出器モジュールボードは、それぞれ上述した例でいう半導体セル及び信号処理基板に相当し、このように多数の半導体セルを、一つずつ着脱可能に取り付けることは、大変な時間と労力とを要し、現実的な解決策とはいえない。

また、稠密に配設された微細な半導体セルを抜き差しすれば、隣接する半導体セルと接触して、破損する可能性が非常に高い。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、従来よりも自由な大きさの検出器視野を実現できる半導体放射線検出器及びこれを用いた放射線撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明の他の目的は、故障が発生した場合に容易にその半導体モジュールだけを取り外すことができる半導体放射線検出器及びこれを用いた放射線撮像装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、検出器モジュールに不良が発生しても、その検出器モジュールを交換する場合の損害を小さくすることができる半導体放射線検出器及びこれを用いた放射線撮像装置を提供することにある。

本発明に係る放射線検出器は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、放射線を検出する半導体セルが２次元アレイを構成して形成された複数の半導体素子が所定方向に並べられ第１の信号処理基板上端に固定された第１の検出器モジュールが形成され、複数の前記第１の検出器モジュールが前記所定方向に並べられ、第２の信号処理基板上端に固定されて第２の検出器モジュールが形成され、複数の前記第２の検出器モジュールは前記所定方向の直交方向に並置され、前記複数の第２の検出器モジュールの各々が着脱可能なように連接手段で一体として固定され、前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペースを形成するために、前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペーサ手段を備えることで、前記直交方向に複数の半導体素子の各々が隙間なく稠密に配設され、前記第２の信号処理基板がマザーボードと電気的に接続可能なコネクタを備える、ものである。

そして、上述した課題を解決するために、請求項４に係る放射線撮像装置は、被検体に放射性物質を注入し、この放射性物質から発生する放射線の強度分布を検出することで、前記被検体内を撮像する放射線撮像装置において、前記放射性物質から発生する放射線の強度を検出する複数の放射線検出器を有し、前記放射線検出器は、前記放射線を検出する半導体セルが２次元アレイを構成して形成された複数の半導体素子が所定方向に並べられ第１の信号処理基板上端に固定された第１の検出器モジュールが形成され、複数の前記第１の検出器モジュールが前記所定方向に並べられ、第２の信号処理基板上端に固定されて第２の検出器モジュールが形成され、複数の前記第２の検出器モジュールは前記所定方向の直交方向に並置され、前記複数の第２の検出器モジュールの各々が着脱可能なように連接手段で一体として固定され、前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペースを形成するために、前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペーサ手段を備えることで、前記直交方向に複数の半導体素子の各々が隙間なく稠密に配設され、前記第２の信号処理基板がマザーボードと電気的に接続可能なコネクタを備える、ものである。

本発明に係る半導体放射線検出器及びこれを用いた放射線撮像装置によれば、従来よりも自由な大きさの検出器視野を実現することができる。

また、本発明は、故障が発生した場合に容易にその半導体モジュールだけを取り外すことができる効果が得られる。

さらに、本発明は、検出器モジュールに不良が発生しても、その検出器モジュールを交換する場合の損害を小さくすることができる効果がある。

本発明に係る半導体放射線検出器の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る半導体放射線検出器の、分解可能な最小単位を構成する第１の検出器モジュール３の概略を示すものである。

第１の検出器モジュール３は、同図に示すＹ方向に一列に配置された４つの半導体素子１と、第１の信号処理基板２とを主要な要素として構成される。

半導体素子１は、平面が例えば略１．６ｍｍ角の正方形状の半導体セル５が、同図に示すＸ，Ｙ各方向にそれぞれ４個ずつ並べられ、２次元アレイを構成する。

半導体セル５は、例えばＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅ等のテルル化カドミウム系化合物半導体結晶に印加電極面および信号取り出し電極面を設けて作成され、外郭が略７ｍｍ角で、厚さ略０．１ｍｍの仕切により形成された格子内に等間隔に縦置きに収納され、各半導体セル５の放射線入射方向と略平行するそれぞれの電極面に、上側と下側とにそれぞれ設けられた図示しない印加（バイアス）電極と信号取り出し電極が接触されている。

第１の検出器モジュール３は、このように半導体素子１を横１列に複数個、例えば４個並べたものに、半導体素子１からの信号を処理する第１の信号処理基板２を１枚組合わせた構造となっている。そして、半導体素子１により検出された放射線は、第１の信号処理基板２に送出される。

第１の信号処理基板２は、プリント配線基板からなり、半導体素子１により検出された放射線の情報を電気信号に変換し、その電気信号は、その下端に設けられたコネクタ４を介して外部に出力される。

図２は、斯かる第１の検出器モジュール３を複数個組み合わせて形成された第２の検出器モジュール９の概略を示すものである。この第２の検出器モジュール９は、第２の信号処理基板６の一端に、同図に示すＹ方向に一列に隙間なく、第１の検出器モジュール３の長さ方向に複数、例えば１０個を並列配置したものである。

この第１の検出器モジュール３は、図示しないボルト・ナット等により、第２の信号処理基板６に螺設される。したがって、第１の検出器モジュール３は、第２の信号処理基板６からの取り外しが可能に設けられる。

第２の信号処理基板６は、第１の検出器モジュール３とはコネクタ４を介して信号が送受され、各第１の検出器モジュール３からの出力を読出すとともに、各検出器モジュールの制御を行う。

また、第２の信号処理基板６は、この第２の信号処理基板６をＸ方向に連接する連接孔７が複数穿設されるとともに、一端には、外部に対して信号を送受するコネクタ８が設けられる。

これにより、検出器の同図に示すＹ方向の大きさが決定する。すなわち、Ｙ方向の大きさは、第１の検出器モジュール３の個数で決まり、その長さ調節は、第１の検出器モジュール３単位で行うことができる。例えば、本実施形態では、７ｍｍ角の半導体素子１が４個並べられて第１の検出器３が形成されているので、２８ｍｍ単位で大きさを調整することができる。

図３は、斯かる第２の検出器モジュール９を複数個組み合わせて形成された、本発明に係る半導体放射線検出器１２を示すものである。この検出器１２は、第２の信号処理基板６が、Ｘ方向に複数枚並列配置され、各々の第２の信号処理基板６は、マザーボード１１により電気的に接続されて構成される。

第２の信号処理基板６の連接孔７に連接ボルト１０が挿通され、次にこの連接ボルト１０に図示しないリングが外嵌され、続いて２枚目の第２の検出器モジュール９が挿通される。このリングは、第２の信号処理基板６，６の間隔を保つスペーサの役割を担うものであり、半導体素子１の幅から第２の信号処理基板６の厚さを引いた長さを有する。したがって、Ｘ方向にも半導体素子１，１が隙間なく稠密に配設される。この作業を繰り返すことにより、所望の枚数の第２の信号処理基板６を積み重ねることができる。

このように第２の検出器モジュール９は、連接ボルト１０により連接されるので、第２の検出器モジュール９は、検出器１２から取り外しが可能に設けられる。

マザーボード１１は、プリント配線基板に、第２の信号処理基板６のコネクタ８に嵌合するコネクタ（図示せず）が複数設けられてなり、全ての第２の検出器モジュール９からの出力の読出すとともに、全ての第２の検出器モジュール９の制御を行う。

このように、第２の信号処理基板６を積み重ねる枚数により、縦方向の検出器の大きさが決まる。

特に、第１の検出器モジュール３において、半導体素子１は、Ｘ方向には並設配置されていないので、その方向の大きさは、例えば本実施形態におけるように略７ｍｍであり、したがって、Ｘ方向の検出器の大きさは、半導体素子１の１個単位の大きさ、例えば７ｍｍ単位で調節することが可能となる。

いずれかの第２の検出器モジュール９に故障が発生し、取り替えが必要になった場合、まずマザーボードを取り外した後、連接ボルト１０を抜き取れば、第２の検出器モジュール９の接続が解除されるので、周囲に存在する第２の検出器モジュール９を取り外すことなく容易に、且つ他の正常に作動する第２の検出器モジュール９を傷付けることなく、目的とする第２の検出器モジュール９を抜き取ることができる。

さらに、その第２の検出器モジュール９中において、故障した第１の検出器モジュール３を特定できれば、これを第２の検出器モジュール９に固定しているボルト・ナットを外すことにより、この第１の検出器モジュール３を取り除き、他の第１の検出器モジュール３を傷付けることなく、正常な第１の検出器モジュール３と交換することも可能である。

これにより、さらに小さい単位での交換が可能となるので、部品交換による費用を最小限に抑えることができる。

以上に説明した実施態様は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものによって置換した実施態様を採用することが可能であるが、これらの実施態様も本発明の範囲に含まれる。

本発明に係る半導体放射線検出器を構成する第１の検出器モジュールの実施形態の概要を示す図。 本実施形態に係る半導体放射線検出器を構成する第２の検出器モジュールの概要を示す図。 本実施形態に係る半導体放射線検出器の概要を示す図。 従来の検出器モジュールの一例を示す図。 従来の検出器モジュールの他の例を示す図。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 第１の信号処理基板
３ 第１の検出器モジュール
４ コネクタ
５ 半導体セル
６ 第２の信号処理基板
７ 連接孔
８ コネクタ
９ 第２の検出器モジュール
１０ 連接ボルト
１１ マザーボード
１２ 検出器

Claims (5)

1. 放射線を検出する半導体セルが２次元アレイを構成して形成された複数の半導体素子が所定方向に並べられ第１の信号処理基板上端に固定された第１の検出器モジュールが形成され、
   複数の前記第１の検出器モジュールが前記所定方向に並べられ、第２の信号処理基板上端に固定されて第２の検出器モジュールが形成され、
   複数の前記第２の検出器モジュールは前記所定方向の直交方向に並置され、前記複数の第２の検出器モジュールの各々が着脱可能なように連接手段で一体として固定され、
   前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペースを形成するために、前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペーサ手段を備えることで、前記直交方向に複数の半導体素子の各々が隙間なく稠密に配設され、
   前記第２の信号処理基板がマザーボードと電気的に接続可能なコネクタを備える、
   ことを特徴とする放射線検出器。
2. 前記スペーサ手段は、前記半導体素子の幅から前記第２の信号処理基板の厚さを引いた長さとすることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記第１の検出器モジュールは、前記第２の信号処理基板に着脱可能に固定されたことを特徴とする請求項１又は２記載の放射線検出器。
4. 被検体に放射性物質を注入し、この放射性物質から発生する放射線の強度分布を検出することで、前記被検体内を撮像する放射線撮像装置において、
   前記放射性物質から発生する放射線の強度を検出する複数の放射線検出器を有し、
   前記放射線検出器は、
   前記放射線を検出する半導体セルが２次元アレイを構成して形成された複数の半導体素子が所定方向に並べられ第１の信号処理基板上端に固定された第１の検出器モジュールが形成され、
   複数の前記第１の検出器モジュールが前記所定方向に並べられ、第２の信号処理基板上端に固定されて第２の検出器モジュールが形成され、
   複数の前記第２の検出器モジュールは前記所定方向の直交方向に並置され、前記複数の第２の検出器モジュールの各々が着脱可能なように連接手段で一体として固定され、
   前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペースを形成するために、前記複数の第２の信号処理基板の各々の間にスペーサ手段を備えることで、前記直交方向に複数の半導体素子の各々が隙間なく稠密に配設され、
   前記第２の信号処理基板がマザーボードと電気的に接続可能なコネクタを備える、
   ことを特徴とする放射線撮像装置。
5. 前記スペーサ手段は、前記半導体素子の幅から前記第２の信号処理基板の厚さを引いた長さとすることを特徴とする請求項４に記載の放射線撮像装置。

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