JP5322060B2 - 放射線画像読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線、特にＸ線を電気信号として取り出すための平面型放射線センサの駆動タイミングを制御した放射線画像読取装置に関する。

新世代のＸ線診断用検出器としてアクティブマトリックスを用いた平面型放射線センサが大きな注目を集めている。この平面型放射線センサにＸ線を照射することにより、Ｘ線撮影像又はリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号とし出力される。また、平面状の固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が大きい。この為、多くの大学やメーカーが研究開発に取り組んでいる。

平面型放射線センサにおいては、個々の構成要素となる回路にＤＣ電源を供給する必要があり、外部から供給される電源をセンサユニット内でＤＣ／ＤＣコンバータなどによるスイッチング電源により各回路ブロックに電源を供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、電流のスイッチングにより特定のＤＣ電圧を生成可能であるが、これよりスイッチングノイズが発生し、平面型放射線センサ内の光電変換素子やこの光電変換素子から供給される信号を増幅出力する増幅器などアナログ回路へのノイズ重畳が発生してしまう。

このため、ノイズに敏感な回路用電源には、よりノイズ発生の少ないシリーズレギュレータ方式の電源を用いてノイズを低減する方法もあるが、変換効率が悪く、発熱が大きくなる。また、その対策として放熱機構などを設けることが必要となり、コストアップや形状の大型化などの不都合を引き起こしてしまう。

一方、特許文献１には、スイッチング電源の駆動周期とセンサのスキャン周期を制御することによりノイズを低減する方法が開示されている。

特許第４２３５５１６号公報

しかしながら、上記特許文献に示された方法では、スイッチング電源の駆動周期とセンサのスキャン周期とを走査ライン毎に厳密にタイミング合わせする必要がある。しかも、タイミングジッタやドリフトなどによりノイズ成分が変化した場合に十分なノイズ除去ができない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、走査ライン毎の厳密なタイミング合わせが不要で複雑な装置を必要とせず、低コストでノイズを低減できる放射線画像読取装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、ノイズ成分が変化した場合にも十分なノイズ除去が可能な放射線画像読取装置を提供することも目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の放射線画像読取装置は、平板上に行方向及び列方向の２次元状に配置された複数の画素を有し、放射線を電気信号として取り出す平面型放射線センサと、前記複数の画素のうち、行方向又は列方向のいずれかの第一の方向に配置された１ライン分の画素毎に前記第一の方向と直交する第二の方向へ走査させるゲート駆動回路と、前記複数の画素のうち、前記第一の方向に配置された１ライン分の画素からの信号データを読み出し、増幅する読出回路と、各電気回路にＤＣ電源を供給するスイッチング電源と、前記走査を開始する際のスタートタイミングを規定するスタートパルスを生成するスタートパルス生成回路と、前記スイッチング電源用のスイッチング電源駆動クロックを生成する分周回路と、前記ゲート駆動回路に、前記スタートパルスと同期した駆動信号であって、前記スイッチング電源駆動クロックとは前記スタート時点以外では同期しない駆動信号を送信する駆動制御回路と、前記読出回路に、前記駆動信号と同一の周波数であって、前記駆動信号とは所定の位相だけ遅れた読出・保持信号を送信する分周・位相制御回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、走査ライン毎の厳密なタイミング合わせが不要で複雑な装置を必要とせず、低コストでノイズを低減できる放射線画像読取装置を提供することができる。

また、本発明によれば、ノイズ成分が変化した場合にも十分なノイズ除去が可能な放射線画像読取装置を提供することができる。

本発明に係る放射線画像読取装置の第１の実施の形態を示す模式図。 図１の放射線画像読取装置に用いた平面型放射線センサの一例を示す斜視図。 図２の平面型放射線センサ表面の部分拡大図。 図２の平面型放射線センサの等価回路図。 画素内部の等価回路図。 図１のゲート駆動回路及び読出回路の一例を示す平面図。 図１の放射線画像読取装置の駆動方法の一例を示すタイミングチャート。 図７のタイミングチャートの詳細を示す拡大図。 電源ノイズが画面に及ぼす影響を示す模式図。 本発明に係る放射線画像読取装置の第２の実施の形態を示す模式図。 図１０の放射線画像読取装置に用いた平面型放射線センサの一例を示す斜視図。 タイミング信号ジッタとノイズとの関係を説明するタイミングチャート。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
（放射線画像読取装置の全体構成）
図１に、本発明に係る放射線画像読取装置の第１の実施の形態を示す。

この放射線画像読取装置１０は、全体のシステムを動かすための基本クロックを生成するクロック生成回路１と、基本クロックを分周し、スイッチング電源回路用の電源駆動クロックや画像を読み込む際の駆動信号用クロックなど各回路に合った周波数のクロックを生成する分周回路２と、各回路ブロックに電源を供給するスイッチング電源３と、入射した光を電気信号に変換する光電変換素子アレイ及び入射したＸ線を光に変換する蛍光体層を有する平面型放射線センサ４と、２次元的に配置された光電変換素子を走査ライン毎に順次駆動するゲート駆動回路５と、ゲート駆動回路５に対して縦方向（列方向）のスキャンタイミングを決める縦方向駆動信号を生成する駆動制御回路６と、選択された一行の光電変換素子の電気信号を読み出し、保持・増幅する読出回路７と、読出回路７での読出、保持タイミングを決める読出・保持信号を生成し、電源駆動クロックとの位相制御を行う分周・位相制御回路８と、分周・位相制御回路８の位相合わせの基準となるスタートパルスを生成するスタートパルス生成回路９と、読出回路７にて得られた２次元画像の走査ライン毎に固定的な２次元ノイズを除去する領域輝度補正回路１１と、を備えている。

（平面型放射線センサ４）
図２は、平面型放射線センサ４の具体的な構成の一例を示すものである。

この平面型放射線センサ４は、入射Ｘ線２１を蛍光に変換する蛍光変換膜２３と、この蛍光を電気信号による画像情報へと変換する光電変換素子アレイ２５とを備えている。

光電変換素子アレイ２５は、主にガラス基板により構成されている保持基板２７上に、フォトダイオード及び薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む画素２８が多数配列された回路層２９を設けて形成されている。

図３は、光電変換素子アレイ２５表面の部分拡大図を示すものである。

光電変換素子アレイ２５表面では、薄膜トランジスタ３１及びフォトダイオード３３を含む画素２８が格子状に配置されている。また、各々の画素２８は、行方向に沿って複数本配設された行選択線３５のうちの１本と接続され、かつ列方向に沿って複数本配設された信号線３７のうちの１本と接続されている。更に、それぞれのフォトダイオード３３は、列方向に沿って複数本配設されたバイアス線３９のうちの１本と接続されている。

このような光電変換素子アレイ２５は、液晶表示装置の製造工程に類似しているＴＦＴパネル製造工程により製造される。即ち、保持基板２７上に信号配線（行選択線３５及び信号線３７）と薄膜トランジスタ３１を形成後、その上にフォトダイオード３３を格子状に形成し、その出力を下部に配置されている薄膜トランジスタ３１に電気的に接続し、さらにバイアス線３９を形成することで製造される。

図４に光電変換素子アレイ２５の等価回路を、図５に画素２８内部の等価回路を示す。

画素２８は、薄膜トランジスタ３１、フォトダイオード３３及びコンデンサ３６からなり、薄膜トランジスタ３１のゲートには行選択線（ゲート線）３５が接続され、薄膜トランジスタ３１のソースには信号線３７が接続され、薄膜トランジスタ３１のドレインにはフォトダイオード３３とコンデンサ３６とが並列に接続されている。なお、コンデンサ３６は、フォトダイオード３３の電極間の容量である。

また、信号線３７の終端には、信号線３７を伝わる電荷信号を増幅し、外部に出力する機能を有する積分アンプ４１が信号線３７と一対一に接続されている。

更に、行選択線（ゲート線）３５は、図６に示すゲートドライバ６３の特定の信号線に接続される。

（ゲート駆動回路５、読出回路７）
図６は、図１のゲート駆動回路５及び読出回路７の具体的な構成の一例を示すものである。

ゲート駆動回路５は、ゲートドライバ６３及び行選択回路６５を備え、読出回路７は積分アンプ４１、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換器６７及び駆動器６９を備えている。

ゲートドライバ６３は、外部からの信号を受信すると、平面型放射線センサ４に接続されている多数の信号線の電圧を順番に変更していく機能を有している。また、このゲートドライバ６３には行選択回路６５が接続される。

行選択回路６５は、Ｘ線画像の走査方向に従って対応するゲートドライバ６３へと信号を送る機能を有しており、図１の駆動制御回路６と接続されている。

また、積分アンプ４１は、Ａ／Ｄ変換器６７を介して駆動器６９に接続されている。駆動器６９は、図１の分周・位相制御回路８と接続されており、分周・位相制御回路８からの読出・保持信号により、読み出し保持を行う。

（領域輝度補正回路１１）
図１の領域輝度補正回路１１は、Ｘ線の入射が無い状態で信号データを取得して予めこの状態のデータをメモリ内に保持しておき、その後Ｘ線照射により得られた実信号から差し引きを行う。

これよりスイッチング電源などによって重畳されたノイズがキャンセルされ、真の画像データを得ることができる。

（放射線画像読取装置１０の動作）
以下に、上記の放射線画像読取装置１０の動作について説明する。

初期状態において、図５におけるコンデンサ３６には電荷が蓄えられており、並列接続されているフォトダイオード３３には逆バイアス状態の電圧が加えられている。このときの電圧は、信号線３７に加えられている電圧と同じである。フォトダイオード３３はダイオードの一種なので、逆バイアスの電圧が加えられても電流はほとんど流れることは無い。そのためコンデンサ３６に蓄えられた電荷は減少することなく保持されることになる。

この状態において、図２に示す入射Ｘ線２１が蛍光変換膜２３に入射すると、蛍光変換膜２３内部において、高エネルギーのＸ線が低エネルギーの多数の可視光に変換される。蛍光変換膜２３内部にて発生した蛍光の一部は、光電変換アレイ２５の表面に配置されているフォトダイオード３３へと到達する。

図５に示すフォトダイオード３３に入射した蛍光は、フォトダイオード３３内部にて電子とホールからなる電荷に変換され、コンデンサ３６に印加されている電界方向に沿ってフォトダイオード３３の両端子へと到達することで、フォトダイオード３３内部を流れる電流として観測される。

フォトダイオード３３の内部において発生した電流は、並列接続されているコンデンサ３６へと流れ込み、コンデンサ３６内部に蓄えられている電荷を打ち消す作用を及ぼす。その結果、コンデンサ３６に蓄えられていた電荷は減少し、コンデンサ３６の端子間に発生していた電位差も初期状態と比べて減少する。

図６において、ゲートドライバ６３は多数の制御線の電位を順番に変化させる機能を有するが、ある特定の時間において電位の変化している制御線は１本のみである。この制御線に接続されている行選択線３５に並列接続されている薄膜トランジスタ３１のソース、ドレイン間端子は、絶縁状態から導通状態へと変化する。

図５の各信号線３７には特定の電圧がかけられており、電位の変化した行選択線３５に接続されている薄膜トランジスタ３１のソース、ドレイン端子を通じて接続されているコンデンサ３６に電圧が印加されることになる。

初期状態においては、コンデンサ３６は信号線３７と同じ電位状態になっているため、コンデンサ３６の電荷量が初期状態と変化していない場合、コンデンサ３６では信号線３７からの電荷の移動は発生しない。しかし、外部からの入射Ｘ線２１より蛍光変換膜２３内部にて発生した蛍光が入射したフォトダイオード３３と並列接続しているコンデンサ３６では、内部に蓄えられている電荷が減少しており、初期状態の電位とは変化している。そのため導通状態となった薄膜トランジスタ３１を通じて信号線３７より電荷の移動が発生し、コンデンサ３６内部に蓄えられた電荷量は初期状態に戻る。また、移動した電荷量は信号線３７を流れる信号となり外部へと伝わっていく。

図５における信号線３７を流れる電流は、対応する積分アンプ４１へと入力され、積分アンプ４１は、一定時間内に流れる電流を積分し、その積分値に対応した電圧を外部へと出力する。この動作を行うことで、ある一定時間内に信号線を流れる電荷量を電圧値に変換することが可能となる。この結果、入力Ｘ線２１にて蛍光変換膜２３内部にて発生した蛍光の強弱分布に対応してフォトダイオード３３内部にて電荷信号が発生し、この電荷信号が積分アンプ４１によって電位情報へと変換される。

積分アンプ４１より発生した電位は、図６に示すＡ／Ｄ変換機６７にて順次デジタル信号へと変換される。デジタル値となった信号は、駆動器６９を介して図示しない画像合成回路にて回路層２９に配置された画素の行と列に従って順次整理され、画像信号として外部へと出力される。

上記動作を連続して行うことにより、入射したＸ線画像情報は光電変換アレイ２５で電気信号による画像情報へと変換され、外部へと出力される。外部へと出力された電気信号による画像情報は、通常のディスプレイ装置によって容易に画像化が可能であり、Ｘ線画像を可視光による画像として観察することが可能となる。

（放射線画像読取装置１０の駆動方法）
図７は、この放射線画像読装置１０の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。

スタートパルス７０は、図１のスタートパルス生成回路９で生成され、光電変換素子アレイ２５において２次元の走査を行うための最初の駆動開始を示す信号であり、１画面を読み込む際に最初の１回のみ生成される。

このスタートパルス７０に同期して、図１の駆動制御回路６により縦方向駆動信号７１、分周回路２によりスイッチング電源駆動クロック７３がそれぞれ生成されるが、生成された後は、１画面の読込終了まで、両者は決められた周波数で個別に生成され、互いに位相合わせは行われない。

また、図７に示すように、光電変換素子の走査用である縦方向駆動信号７１は、スイッチング電源駆動クロック７３と比べ周波数が低く設定される。このスイッチング電源駆動クロック７３の周波数は、縦方向駆動用信号７１の周波数の整数倍とならないように設定される。

読出・保持信号７２は、縦方向駆動信号７１によって選択された光電変換素子の一ライン分を読出し、保持するための信号であるため、周波数は縦方向駆動信号７１と同一である。また、読出・保持信号７２は、縦方向駆動信号７１で選択された後、信号が安定するための特定時間後に選択されるため、縦方向駆動信号７１より一定位相遅れた信号となる。

図８に、図７のタイミングチャートの詳細を示す。

読出・保持信号７２は、図１の分周・位相制御回路８で生成され、上記のように１ラインを駆動するための信号である縦方向駆動信号７１と一定の位相を保つが、スイッチング電源駆動クロック７３とは周波数が異なり、かつ、整数倍の関係に無いため、走査ライン毎に位相関係は異なる。

図１のスイッチング電源３は、図２のスイッチング電源駆動クロック７３により充放電を繰返し一定の電圧を保つため、スイッチング電源駆動クロック７３の周波数と同期した脈流を持ち、これが図８に示すスイッチング電源ノイズ７４となる。このノイズが、読出・保持信号７２で光電変換素子からの信号に重畳してノイズ成分として検出されてしまう。その結果、スイッチング電源のノイズが画像信号に載ってしまうが、上述のタイミングで制御されるため、スイッチングノイズ値は、図８の７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄの如く、走査ライン毎に異なる値となる。

しかしながら、ライン走査の開始位置では、両者の位相が合っているため、連続的に読み出された２次元画像においての同ライン位置では、同じノイズ値の画像が読み出されることになる。

このため、得られる画像は図９に示すような縞模様のノイズ画面となる。Ｘ線の入射が無い場合は、光電変換素子からの信号は無いため、Ｘ線の入射が無い状態で取得された信号データは固定のパターンであるノイズ画像となる。

よって、領域輝度補正回路１１により予めこの状態のデータをメモリ内に保持しておき、その後のＸ線を入射した状態で取得した実信号から差し引きを行うことで、スイッチング電源によって重畳されたノイズはキャンセルされ真の画像データを得ることができる。

以上のことより、走査ライン毎の厳密なタイミング合わせが不要で複雑な装置を必要とせず、低コストで低ノイズの回路を実現することが可能となる。

［第２の実施の形態］
図１０に、本発明に係る放射線画像読取装置の第２の実施の形態を示す。

この放射線画像読取装置３０は、図１に示す放射線画像読取装置１０の平面型放射線センサ４の代わりに後述する平面型放射線センサ１４とし、領域輝度補正回路１１の後段に、ライン毎にランダムに発生するノイズを除去するライン輝度補正回路１２を設けた以外は、図１に示す放射線画像読取装置１０と同様に形成されている。

図１１に、平面型放射線センサ１４の具体的な構成の一例を示す。

この平面型放射線センサ１４では、縦横２次元状に配置された画素のうち横方向（行方向）のライン両端の画素２８’をＸ線から遮蔽して形成されている。

ライン輝度補正回路１２は、図１１の画素２８’の如くＸ線から遮蔽された画素からの信号成分を取得して予めこの状態の成分をメモリ内に保持しておき、その後のＸ線を入射した状態で取得した実信号から差し引く相殺処理を行う。これより以下で説明するタイミングジッタなどによって重畳されたノイズがキャンセルされ、真の画像データを得ることができる。

図１２は、回路のドリフトなどの要因で、スイッチング電源駆動クロック７３と読出・保持信号７２間にジッタが発生した場合の例である。

この場合、タイミングジッタにより、スイッチング電源クロック７３の電圧が一定でなく、これに伴いスイッチング電源ノイズ７４の値が変動する。このため、読出・保持信号７２による読出・保持タイミングにおいて、連続的に読み出された２次元画像においての同ライン位置においてもノイズ量が一定ではなくなってしまう。

この場合は、領域での輝度補正を行う領域輝度補正回路１１では完全にノイズをキャンセルすることが出来ず、各ライン毎にノイズを除去する必要がある。スイッチング電源駆動クロック７３と読出・保持信号７２とのタイミングのずれはライン毎に発生するため、電圧変動は１ライン上のすべての画素においては一定のノイズレベルとなる。

このノイズは、上述したように、Ｘ線の入射が無い場合の入力信号がノイズ信号であり、１ライン分は同一の値である。このため、図１１の平面型放射線センサ１４の如く各ラインの両端の画素をＸ線から遮蔽して形成しておき、ライン輝度補正回路１２を用いて、各ライン毎に、遮蔽された画素からの信号成分をＸ線を入射した状態で取得した実信号から差し引くことにより真の画像を得ることができる。

以上より、本実施の形態の放射線画像読取装置３０では、第１の実施の形態と同様の効果を奏する他、スイッチング電源のスイッチングによるノイズ、ジッタによるノイズを除去し、ノイズの低減されたＸ線画像を取得することが可能となる。

従って、スイッチング電源のスイッチングによるノイズのみならず、ジッタによるノイズも除去できることにより、ノイズの低減されたＸ線画像を取得することができる。

なお、本実施の形態では、画素２８’をＸ線から遮蔽したものとしたが、遮蔽するのではなく、フォトダイオードを抜いた画素としても良い。

また、本実施の形態では、１ラインの両端の画素を遮蔽の対象としたが、いずれか一方のみの画素を遮蔽の対象としても良い。

更に、本実施の形態では、ライン輝度補正回路１２を領域輝度補正回路１１の後段に設けたが、読出回路７の後段に直接設けても良い。

［その他の実施の形態］
上記の実施の形態では、平面型放射線センサ４，１４として、蛍光変換膜２３によりＸ線を受けて一旦可視光に変換し、可視光をフォトダイオードにより信号電荷に変換する間接方式の例を示したが、直接方式でも同様に適用できることが明らかである。この場合は、蛍光変換膜２３を省略し、光電変換素子アレイ２５のフォトダイオードに代えてａ−Ｓｅなどの光導電膜とすることで、同様の効果を奏することができる。

また、上記の実施の形態では、ゲート駆動回路５により横方向（行方向）に並んだ光電変換素子群を順次駆動させ、駆動制御回路６によりゲート駆動回路５に縦方向（列方向）のスキャンタイミングを決める縦方向駆動信号を生成したが、駆動回路の縦横が入れ替わる構成としても、同様の原理で駆動され、ノイズを軽減することができる。

１・・・クロック生成回路
２・・・分周回路
３・・・スイッチング電源
４・・・平面型放射線センサ
５・・・ゲート駆動回路
６・・・駆動制御回路
７・・・読出回路
８・・・分周・位相制御回路
９・・・スタートパルス生成回路
１０・・・放射線画像読取装置
１１・・・領域輝度補正回路
１２・・・ライン輝度補正回路
１４・・・平面型放射線センサ
２３・・・蛍光変換膜
２５・・・光電変換素子アレイ
３０・・・放射線画像読取装置
３１・・・薄膜トランジスタ
３３・・・フォトダイオード
４１・・・積分アンプ
６３・・・ゲートドライバ
６５・・・行選択回路
６９・・・駆動器
７０・・・スタートパルス
７１・・・縦方向駆動信号
７２・・・読出・保持信号
７３・・・スイッチング電源駆動クロック
７４・・・スイッチング電源ノイズ

Claims (4)

1. 平板上に行方向及び列方向の２次元状に配置された複数の画素を有し、放射線を電気信号として取り出す平面型放射線センサと、
   前記複数の画素のうち、行方向又は列方向のいずれかの第一の方向に配置された１ライン分の画素毎に前記第一の方向と直交する第二の方向へ走査させるゲート駆動回路と、
   前記複数の画素のうち、前記第一の方向に配置された１ライン分の画素からの信号データを読み出し、増幅する読出回路と、
   各電気回路にＤＣ電源を供給するスイッチング電源と、
   前記走査を開始する際のスタートタイミングを規定するスタートパルスを生成するスタートパルス生成回路と、
   前記スイッチング電源用のスイッチング電源駆動クロックを生成する分周回路と、
   前記ゲート駆動回路に、前記スタートパルスと同期した駆動信号であって、前記スイッチング電源駆動クロックとは前記スタート時点以外では同期しない駆動信号を送信する駆動制御回路と、
   前記読出回路に、前記駆動信号と同一の周波数であって、前記駆動信号とは所定の位相だけ遅れた読出・保持信号を送信する分周・位相制御回路と、
   を備えることを特徴とする放射線画像読取装置。
2. 前記読出回路の後段に、更に、放射線照射が無い状態での全体の画素からの暗信号データ及び放射線照射による全体の画素からの実信号データを前記読出回路から取得して、前記実信号データから前記暗信号データを相殺する処理を行う領域輝度補正回路を備えることを特徴とする請求項１記載の放射線画像読取装置。
3. 前記読出回路の後段に、更に、前記第一の方向に配置された任意の１ラインの一端又は両端に位置する画素についての放射線照射が無い状態の暗信号データ及び前記１ラインの他の画素についての放射線照射による実信号データを前記読出回路から取得して、前記実信号データから前記暗信号データを相殺する処理を行うライン輝度補正回路を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の放射線画像読取装置。
4. 前記平面型放射線センサは、放射線を蛍光に変換する蛍光変換膜と、前記蛍光を電気信号による画像情報へと変換する光電変換素子とを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の放射線画像読取装置。