JP5162085B2 - 空間分解能を改善した固体ｘ線検出器 - Google Patents
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Description
本発明は一般的に云えばＸ線検出器に関し、具体的には定量的Ｘ線イメージングのために使用されるテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）検出器に関するものである。
２種類の異なるＸ線エネルギで或る物体によるＸ線吸収量を測定すると、その物体の組成についての情報を２種類の選択された基本的物質に分解されるものとして表すことができる。医学の分野では、選択された基本的物質を骨と柔らかい組織とにすることが多い。骨を周囲の柔らかい組織から区別できれば、Ｘ線画像から、骨粗鬆症及び他の骨の病気の診断のために生体内骨密度についての定量的情報を得ることが可能である。
選択された基本的物質として異なるものを選ぶと、二重エネルギＸ線測定を他の目的に使用することが可能である。例えば、二重エネルギＸ線測定は、身体組成の分析のために脂肪と脂肪のない組織とを区別するように、或いは荷物の走査ために爆発物と非爆発物とを区別するように使用することができる。
二重エネルギＸ線システムで被測定物体を通過するＸ線を測定するためにテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）検出器を使用することができる。このような検出器は、各入射フォトンについて該フォトンのエネルギに比例した電荷を解放し、従ってパルスの高さによって分類されるような高及び低エネルギＸ線を別々に測定することができる。
米国特許第６０３７５９５号
一般に、ＣＺＴ検出器は多数の別々のＣＺＴ結晶を用いており、その各々の結晶は該結晶の区域によって規定されたピクセル内のＸ線を検出するために前面及び後面電極を有する。ＣＺＴ検出器を構成するには、多数の別々のＣＺＴ結晶を組み立てることが必要であり、これは困難なことがある。ピクセルの寸法をより小さくした高分解能検出器では、より小さい結晶が必要となり、組み立ての問題をより難しくする。
本発明は、モノリシックＣＺＴ結晶で構成されて、その一面上に、複数のピクセルを規定するための複数の電極を配置した高分解能ＣＺＴ検出器を提供する。このモノリシック設計により、多数の別々の小さい結晶を使用することによって生じる組み立ての問題が排除されるが、しかし通常は別々の結晶を用いる設計によるような信号品質が得られない。
本発明者は特別な理論に束縛されたくないが、この信号品質の低下の原因は、電極で規定されたピクセル相互の間の領域（「ガター(gutter)」領域）にＸ線が衝突して電荷坦体を解放し、該電荷坦体が次いで予想外に隣接のピクセルの中へ移動して、それらのピクセルにおける測定値の悪影響を及ぼすことによるもであると考えられる。
この理由のため、本発明はガター領域を覆うようにＸ線阻止マスクを設ける。
これらの特定の特徴、目的及び利点は、特許請求の範囲内に入る幾つかの実施形態のみに適用することができ、従って本発明の範囲を規定するものではない。
ここで図１を参照して説明すると、固体二重エネルギＸ線検出器システム１０はモノリシックＣＺＴ結晶１２を含むことができ、該結晶１２は、通常はＸ線フォトン１６及び１８の発生源に面している前面１４と、該前面とはＣＺＴ結晶の反対側にある後面２０と有している。代替例では、ＣｄＴｅ及びＨｇＩ２ のような他の検出器材料を使用することができる。
陰極２２がＣＺＴ結晶１２の前面１４に設けられ、且つ陽極２４がＣＺＴ結晶１２の後面２０に設けられて、両電極の間にバイアス電界を生成する。一般に、陰極２２は前面１４の全体を覆うが、陽極は後面２０の中心合わせされた小さい区域のみを覆う。陰極２２及び陽極２４の両方は、例えば、スパッタリングによって、ＣＺＴ結晶１２に直接設けることができ、好ましくは、白金のような導電性金属で形成される。ＣＺＴ結晶１２の前面１４はまた、アルミニウム被覆マイラーのような光不透明でＸ線透過性の材料によって保護してもよい。
陽極２４はガター領域２５によって互いから分離されている。本発明の一実施形態では、陽極２４は面積がほぼ１．５ｍｍ×２．５ｍｍであり、ガター領域２５は幅がほぼ１５０〜２００ミクロンである。ガター領域２５は陽極２４を電気的に隔離するように作用して、各ピクセル領域１５について軸線２３に沿って前面１４上の陰極２２と後面２０上の陽極２４との間で解放された電荷のバーストを独立に測定できるようにする。このピクセル相互間（ガター）領域内の電界は弱いので、電荷収集の効率が悪い。好ましい実施形態ではステアリング(steering)電極（図示していない）を使用してよいが、Ｘ線吸収によって生成された有限の幅の電荷蓄積に起因して、その中の電荷が２つのピクセルの間で分割される領域（典型的には、０．１〜０．２ｍｍ）が常に存在する。
結晶１２内に蓄積された電荷の収集を効率よくするために、バイアス電圧源３１からのバイアス電圧を各ピクセル領域１５の対向する陰極２２と陽極２４との間に印加して、電界３２を生成する。前面１４上の陰極２２を通過したＸ線フォトン１６がモノリシック結晶１２に入射して電荷坦体３４（本例では電子として示す）を解放させ、該電荷坦体３４は次いで後面２０上の陽極２４によって収集されて、各ピクセル領域１５についての別々の導線３６を介して、アースを基準とした電荷積分器３８へ導かれる。各フォトン１６によって解放される電荷の量は、Ｘ線フォトン１６のエネルギを表す。電荷積分器３８からの出力は処理用コンピュータ４０によって受け取られ、処理用コンピュータ４０は当該技術分野で周知の手法に従ってＸ線フォトン１６の定量的画像を生成することができる。
ピクセル領域１５内に衝突するＸ線フォトン１６とは対照的に、ガター領域２５のモノリシック結晶１２に入射するＸ線フォトン１８は電荷坦体３９を生成し、これらの電荷坦体３９はピクセル領域１５の中へ移動して後面２０上の陽極２４によって収集されることがある。これらの電荷坦体３９はモノリシック設計の検出器システム１０の定量精度及び空間分解能を劣化させ、Ｘ線フォトン１６から収集された電荷に対して実効ノイズ成分を加える。
ここで図２を参照して説明すると、本発明では、ＣＺＴ結晶１２の前面１４上のガター領域２５を覆うマリオン(mullion) ４５を持つタングステン・マスク４４を設けることによって、電荷坦体３９の影響を低減する。マリオン４５は、Ｘ線フォトン１６による干渉を最小にしながら、１５０〜２００ミクロンのガター領域２５に僅かにオーバーラップするようにほぼ３００ミクロンの幅を有することができる。タングステン・マスク４４は、実質的にＸ線を減衰しない薄いマイラー(Mylar) フィルム４２によって、ＣＺＴ結晶１２の前面１４上の陰極２２から電気的に隔離することができる。
マスクにはタングステン以外の他のＸ線減衰材料を用い得ることが認められよう。しかしながら、タングステンはレーザ切削により適切な格子寸法に容易に機械加工される。製造の際にマスク４４をガター領域２５と整合させるために前面１４上に位置合わせ点を配置することができる。
ここで図３も参照して説明すると、一般的にＸ線検出器システム１０は単一のＣＺＴ結晶１２上に複数の検出器素子を設けることができる。この場合、複数の陽極２４がＣＺＴ結晶１２上に配置されて、各々ステアリング電極３０によって囲まれており、また、相互接続し且つ単一の陰極２２によって被覆することができる。複数の陽極接点２８がＣＺＴ結晶１２上に配置される。
各々の陽極２４（及び等面積の陽極接点２８）を囲むステアリング電極３０は、その周縁によって、各陽極接点２８に関連したピクセル領域１５を画成する。ステアリング電極は本設計にとって必ずしも必要ではなく、またピクセル領域は、ステアリング格子が有ってもなくても、マスクと陽極−陰極間の電界の形状との組合せによって規定される。ピクセル領域１５は、Ｘ線フォトン１６を独立に検出して定量的検出値を生成することができる区域を画成し、該定量的検出値は、画像を生成するための個々のピクセルにマッピングされる。
図３に示されている実施形態では、ピクセル領域１５は大体平行四辺形であって、縦方向に斜めにして縦横にタイリング（すなわち、タイル張り状に配列）されている。この実施形態では、各々の平行四辺形のピクセル領域１５は、患者の一区域にわたって情報を収集するためにＸ線検出器システム１０を走査する走査方向５４に対して大体直角な第１の底辺５２を持つ。平行四辺形すなわちピクセル領域１５の側壁５６は角度を付けられていて、その角度は、第１列のピクセル領域１５についての陽極接点２８の中心によって大体規定されるピクセル領域１５の中心を通る経路６０が、ピクセル領域１５の第２列についてのピクセル領域１５の中心を通る経路６２と交互に配置されるようになっている。このようにして、より大きくしたピクセル領域１５によって、より高い空間分解能サンプリングを行うことができ、得られる画像が改善される。更に、一つの列におけるガター領域を覆うマスクにより失われたデータが、食違い配置の次の列において回復される。
次に図４を参照して説明すると、代替実施形態では、ピクセル領域１５を矩形にし、第１列のピクセル領域１５を第２列に対して食違い配置にして、前の場合と同様に経路６０及び６２を交互に配置する。図３の矩形のピクセル領域１５は一層コンパクトな検出領域の利点を提供し、得られる画像の明確さを低下させることのあるコンボリューション・カーネル（走査方向５４に対して直角な線に沿ったピクセル領域１５の投影幅の関数）の有効寸法を制限する。
更に図４を参照して説明すると、Ｘ線検出器システム１０のための都合の良い形状因子は、各列が８個のピクセル領域１５を持つ２つの列を有することである。この又は同様な形状因子の複数の検出器システム１０を端縁方向に連結して、任意の数だけ列を延長させることができる。矩形のピクセル領域１５を持つＸ線検出器システム１０の場合、Ｘ線検出器システム１０の右側端縁の第１及び第２の列にあるピクセル領域１５ａ及び１５ｂを走査方向５４に対して角度を成すように切断して、ピクセル領域１５ａ及び１５ｂの面積を等しく減縮することができる。次のＸ線検出器システム１０’の左側端縁の第１及び第２の列にある同様に減縮したピクセル領域１５ｃ及び１５ｄを、それぞれの対応するピクセル領域１５ｂ及び１５ａに緊密に接近させて配置することができる。各ピクセル領域１５ａ〜１５ｄの面積はＸ線検出器システム１０及び１０’の間の接合ギャップの幅の半分だけ減縮し、これにより他のピクセル領域１５の側方の規則性を保持する。別の実施形態では、各ピクセル領域１５ａ〜１５ｄの面積は、Ｘ線検出器システム１０及び１０’の間の接合ギャップに対処するために半分より僅かに小さくなるように減縮する。これは２つの実質的なピクセル領域を提供し、その第１はピクセル領域１５ａ及び１５ｄからの信号の組合せであり、その第２はピクセル領域１５ｂ及び１５ｃの組合せである。これらの検出器の実質的なピクセル領域の僅かに減縮された検出面積は、信号を受け取るコンピュータにより加えられる重み係数によって数学的に補正することができる。
ここで図５を参照して説明すると、図３及び４の実施形態のいずれかについてのマスク４４はステアリング電極３０のパターンにほぼ一致していて、陰極２２の上方に位置し且つ陰極２２から絶縁されており、陰極２２の後にはＣＺＴ結晶１２、次いで陽極２４及びステアリング電極２４のパターンが続く。
図６を参照して説明すると、代替実施形態では、使用するマスク４４を検出器システム１０の中心軸線に沿って延在する単一のマリオン４５で構成するか、又はピクセル領域１５相互の間の界面にのみ設けた条片で構成することができる。
本発明は多角形の電極領域に適用可能であるばかりでなく、他の形状にも同様に適用可能である。
本発明は本書に含まれている実施形態及び図示例に制限されるのではなく、それらの実施形態の一部を含むそれらの実施形態の修正した形態、並びに特許請求の範囲内に入るような異なる実施形態の要素の組合せを含むことを特に意図している。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
１０ 固体二重エネルギＸ線検出器システム
１２ モノリシックＣＺＴ結晶
１４ 前面
１５ ピクセル領域
１６、１８ Ｘ線フォトン
２０ 後面
２２ 陰極
２３ 軸線
２４ 陽極
２５ ガター領域
３０ ステアリング電極
３１ バイアス電圧源
３２ 電界
３４ 電荷坦体
３６ 導線
３８ 電荷積分器
３９ 電荷坦体
４０ 処理用コンピュータ
４４ タングステン・マスク
４５ マリオン４５
５２ 第１の底辺
５４ 走査方向
５６ 側壁
６０、６２ 経路
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６０、６２ 経路
Claims (8)
- 前面（１４）及び後面（２０）を持つモノリシック検出素子（１２）と、
前記前面（１４）の全体を覆うように前記前面上に直接設けられた少なくとも１つの陰極（２２）と、
前記後面（２０）の一部分のみを覆うように前記後面上に直接設けられた複数の陽極（２４）であって、隣接する陽極の間に位置し、前記後面（２０）の前記一部分以外の領域に対応するガター領域（２５）によって電気的に分離されている複数の陽極（２４）と、
前記陽極と整列した開口、及び前記ガター領域と整列した阻止要素（４５）を持っていて、前記前面（１４）側に設けられ、前記ガター領域の少なくとも一部分におけるＸ線を阻止するＸ線阻止マスク（４４）と、
前記複数の陽極（２４）を囲み、前記阻止マスク（４４）と一致したパターンを有するステアリング電極（３０）と、
を有し、
前記阻止マスク（４４）は、前記ガター領域（２５）におけるＸ線及び前記ガター領域（２５）の側面に位置する領域におけるＸ線を阻止するように、前記ガター領域（２５）よりも幅が広い、
固体Ｘ線検出器（１０）。 - 前記陰極（２２）と前記陽極（２４）との間にバイアス電圧を印加して、電界を生成するバイアス電圧源（３１）をさらに有する、請求項１記載の固体Ｘ線検出器。
- 前記モノリシック検出素子（１２）はＣＺＴ、ＣｄＴｅ及びＨｇＩ2より成る群から選択される、請求項１または２に記載の固体Ｘ線検出器。
- 更に、前記モノリシック検出素子と前記Ｘ線阻止マスク（４４）との間に配置された絶縁層（４２）を含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の固体Ｘ線検出器。
- 前記絶縁層（４２）はマイラーのシートである、請求項４記載の固体Ｘ線検出器。
- 前記Ｘ線阻止マスク（４４）はタングステンである、請求項１乃至５のいずれかに記載の固体Ｘ線検出器。
- 更に、前記陽極（２４）の各々から独立の電流を読み取る読出し回路（４０）を含んでいる請求項１乃至６のいずれかに記載の固体Ｘ線検出器。
- 前記陽極（２４）は、直線的に縦及び横に配列されており、前記阻止マスク（４４）は直線的な格子である、請求項１乃至７のいずれかに記載の固体Ｘ線検出器。
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