JP5162085B2 - 空間分解能を改善した固体x線検出器 - Google Patents

空間分解能を改善した固体x線検出器 Download PDF

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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HgI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。
本発明によるモノリシックCZT検出器の断面図であるが、ガター領域を覆うマスクがなく、従ってガター領域から隣接のピクセル領域への電荷坦体の移動を示しており、また、モノリシック検出器のバイアスの初期化のため及び規定されたピクセル内での補間のために使用される検出器回路も示している。 図1と同様な図であり、X線がガター領域に衝突するのを阻止するために検出器の上にマスクを配置することを示している。 モノリシックCZT検出器の後面の平面図であり、ステアリング電極を格子パターンで配置することを示していると共に、走査X線装置におけるサンプリングを改善するために陽極を食違い配置の平行四辺形の構成で配置することを示している。 図2と同様な図であり、矩形の検出器素子を使用した代替の電極の食違い配置の構成を示している。 図1及び図2の検出器の平面図であり、検出器素子の食違い配置の縦列構成を示している。 図3と同様な図であり、検出器素子区域を規定するために単一の分割用マリオンを使用する代替実施形態を示している。
符号の説明
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

Claims (8)

  1. 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)。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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