JP6397283B2 - 放射線検出装置及び放射線撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、放射線検出装置及び放射線撮像システムに関する。

放射線を光に変換するシンチレータと光を電気信号に変換するセンサアレイとにより放射線を検出する装置がある。特許文献１には、基板の、放射線が入射する面と反対の表面上に柱状結晶からなるシンチレータ層を蒸着したセンサが記載されている。基板全面はシンチレータ層ごと有機保護膜で密閉され、シンチレータを覆う有機保護膜を固体撮像素子の受光面上に貼りつけられている。また、特許文献２には、シンチレータ層と、シンチレータ層下に、光導電膜からなるフォトダイオードと電荷蓄積容量部とスイッチング素子とを有する画素単位の光電変換素子が配置された平面検出器が記載されている。この平面検出器は、画素が複数配列してなるアクティブマトリクス光電変換基板の側から成長または成膜され、画素単位の光電変換素子を周縁してシンチレータ層を個々の画素単位の領域に分離する隔壁を有している。

特許第３７８９７８５号公報 特開２００２−２０２３７３号公報

特許文献１の放射線イメージセンサは、蛍光体が柱状に形成されており、粒状の蛍光体によるセンサに比べて光散乱性が少ないことが特徴である。しかし、蛍光体の膜厚が厚くなるに従って、センサ面から離れた部位での光拡散性は大きくなり、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の低下をまねくことになる。

また、特許文献２の平面検知器では、隔壁内に光を伝搬させてセンサで検知することになり、光拡散が少なく、高いＭＴＦを得ることができる。しかし、隔壁を高く形成することが困難で、技術的に限界があることが知られている。そのため、特許文献２では、蛍光体層を厚膜化することに限界があり、高ＤＱＥ（Ｄｅｔｅｃｔｉｖｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、高輝度の蛍光体を搭載した放射線検出装置を達成することが困難だった。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、高ＭＴＦと高ＤＱＥ、高輝度を実現するのに有利な放射線検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面である放射線検出装置は、光電変換素子が２次元状に配置された光電変換パネルと放射線を光に変換するシンチレータとを備え、前記シンチレータは、第１のシンチレータ層と前記第１のシンチレータ層と前記光電変換パネルとの間に配置された第２のシンチレータ層とを備え、前記第１のシンチレータ層は、放射線の入射領域を複数の区画に区切る隔壁と、前記区画の内部に充填された放射線を光に変換する変換体とを有し、前記第２のシンチレータ層は、柱状結晶構造を有していることを特徴とする。

本発明によれば、高ＭＴＦと高ＤＱＥ、高輝度を実現するのに有利な放射線検出装置を提供することができる。

本発明の放射線検出装置の平面図。 本発明の放射線検出装置の断面図。 本発明の隔壁の平面図及び断面図。 本発明の第１実施例の放射線検出装置の部分断面図。 本発明の第２実施例の放射線検出装置の部分断面図。 本発明の第３実施例の放射線検出装置の部分断面図。 本発明の第４実施例の放射線検出装置の部分断面図。 本発明の第５実施例の放射線検出装置の部分断面図。 本発明の放射線撮像システムの概念図。

以下、本発明の放射線検出装置について、図を用いて説明する。

（実施例１）
本発明の放射線検出装置について図１〜図４により説明する。図１は、本発明の放射線検出装置の平面図である。光電変換パネル１０１と不図示のシンチレータとは、放射線が入射する面に対して平行に配置されている。シンチレータは、入射した放射線を可視光に変換する。光電変換パネル１０１は、シンチレータで変換された光を電気信号に変換する。光電変換パネル１０１には、例えばＸ線のような放射線がシンチレータで可視光に変換された光が入射する。光電変換パネル１０１は入射した光を電気信号に変換する。光電変換パネル１０１は、光電変換素子を含む画素が２次元状に配置されている画素領域１００を含む。光電変換素子を含む画素は、電気回路１０３によりフレキシブル基板などの伝達部１０４を介して外部から駆動される。光電変換素子のサイズは、使用目的によって異なり、５０μｍ〜２００μｍのものが一般的である。光電変換パネルで得られた電気信号は伝達部１０５を介して電気回路１０６へ入力される。伝達部１０５には増幅回路などを搭載してもよい。電気回路１０６は入力された電気信号をデジタル信号に変換して外部に信号を伝達する。

図２は、図1のＡ−Ａ′での放射線検出装置の断面図である。光電変換パネル１０１からの信号は伝達部１０５を介して電気回路１０６と接続されている。光電変換パネル１０１で取得した信号は伝達部１０５を介して電気回路１０６に伝達される。本実施例では伝達部１０５に光電変換パネルからの微弱な信号を増幅するための増幅回路１１０が搭載されている。シンチレータは、第１のシンチレータ層１０８と第２のシンチレータ層１０９を有する。第１のシンチレータ層１０８は、図３に示すように、放射線の入射領域を複数の区画１２２に区切る隔壁１２１と区画１２２の内部に充填された放射線を光に変換する変換体を有する。第２のシンチレータ層１０９には柱状結晶体構造のシンチレータが形成されている。シンチレータは保護膜１０７で覆われている。

次に第１のシンチレータ層１０８について図３により説明する。図３（ａ）は、本発明における第１のシンチレータ層１０８に形成されている隔壁１２１を説明するための平面図である。第１のシンチレータ層１０８は隔壁１２１により複数の区画１２２に区切られている。区画１２２の内部には変換体が充填されている。区画１２２のサイズは光電変換パネルの画素のサイズと同等に設定される。一つの画素と一つの区画とを１対１に対応させる。画素と区画の各中心が一致するように配置されるとよい。しかしながら、中心が対角方向にずれても、画素には実質的に近傍の４つの閉領域からの信号しか入射しないため、画像の解像度としては充分なＭＴＦを確保できる。本実施例では隔壁１２１は図３（ｂ）に示すように基板１２０側から形成されている。本実施例では変換体は非柱状構造である。図３（ｃ）は、隔壁１２１の区画１２２に粒状の変換体１２３を詰め込んだ状態を示す隔壁１２１の断面図である。

本実施例の放射線検出装置について図４を用いて具体的に説明する。隔壁１２１で区切られた区画１２２には粒状の変換体１２３が充填され、第１のシンチレータ層１０８が形成されている。第１のシンチレータ層１０８の変換体１２３で構成されている層に、ＣｓＩなどを蒸着することにより柱状結晶構造の第２のシンチレータ層１０９が形成される。第２のシンチレータ層１０９の厚さは第１のシンチレータ層１０８に充填された変換体１２３の厚みより厚く形成することができる。柱状結晶構造の第２のシンチレータ層１０９の、変換体と接する面とは反対側の面を、光電変換パネル１０１の、光が入射する側の面に粘着材１２４で貼り合せる。

本実施例では、粒状の変換体はＧＯＳ（ガドリウム オキサイド サルファ）などの粒子であり、第２のシンチレータ層１０９の柱状結晶はＣｓＩ（ヨウ化セシウム）とＴｌＩ（ヨウ化タリウム）などから形成する。また、第２のシンチレータ層１０９と光電変換パネル１０１を貼り合せる場合、隔壁１２１により区切られた区画１２２の中心と画素１０２に含まれる光電変換素子の中心と略一致させ、各辺が重なる位置になるようにアライメントするとＭＴＦの向上によい。

次に本実施例の動作について説明する。放射線、例えば患者の情報を含んだＸ線がシンチレータへ照射されると、第１のシンチレータ層１０８で変換された光は、隔壁１２１内を反射・伝搬し、蒸着されたＣｓＩからなる柱状結晶構造を有する第２のシンチレータ層１０９に入射する。柱状結晶での光の伝搬は、柱状結晶が光ガイドとして働くので、光拡散が少ない状態で光電変換パネル１０１に到達する。隔壁１２１により、高いＭＴＦを確保するとともに、柱状結晶の第２のシンチレータ層１０９により光をガイドするために光の拡散が低減できる。また、シンチレータ層の厚みを厚くすることが可能になり、高ＤＱＥ、高輝度化を達成できる。この結果、Ｘ線の低線量化が可能になり、患者のＸ被曝量を低減できる。

（実施例２）
次に、本実施例について図５を用いて説明する。実施例１との違いは、柱状結晶を有する第２のシンチレータ層１２６を光電変換パネル１０１上に蒸着により形成する。次に、変換体１２３を含む第１のシンチレータ層１０８と第２のシンチレータ層１２６の表面同志を粘着材１２５で貼り合せている。

第２の実施例によれば、第１の実施例と比較して、柱状結晶を含む第２のシンチレータ層１２６と光電変換パネル１０１との間に粘着材を含まないので、粘着材による光の散乱を防ぐことができる。したがって、その分だけＭＴＦを向上させることができる。

（実施例３）
本実施例を、図６を用いて説明する。隔壁内の変換体１３１の部分は、柱状結晶の材料、例えばＣｓＩなどを、柱状化させずに隔壁１２１の区画１２２に充填して形成している。本実施例では、第１のシンチレータ層１０８は、ＣｓＩとＴｌＩを所望の配分で溶液に溶かし、隔壁１２１で区切られた区画１２２に注入し、加熱乾燥させて形成する。そのために、変換体の層の厚さは、隔壁１２１のかべの高さよりも低くなっている。柱状結晶の第２のシンチレータ層１２６を光電変換パネル１０１の光が入射する側の面上に蒸着により形成し、隔壁１２１を含む第１のシンチレータ層１０８とを粘着材１３２で貼り合せる。隔壁１２１は、粘着材１３２との接触部では粘着材１３２に埋め込まれた状態になる。本実施例でも、ＭＴＦが向上した放射線検出装置を実現できる。

（実施例４）
本実施例を、図７を用いて説明する。実施例３と同様、隔壁１２１で区切られた区画内にはＣｓＩとＴｌＩによる第１のシンチレータ材料の層を形成する。実施例３との違いは、変換体を、ＣｓＩとＴｌＩを蒸着して柱状結晶構造に形成することである。これにより、第１のシンチレータ層１０８で光をガイドする作用により光拡散がより低減でき、第２のシンチレータ層１２６の柱状結晶との間での光散乱を抑えられる。このために光の反射や透過による光量の低減を達成できるため、効率よく光を第２のシンチレータ層１２６へ伝達できる。なお、隔壁１２１により形成される区画１２２内にＣｓＩによる柱状結晶を形成する場合、隔壁１２１を格子状に配置した場合の1つの区画の一辺の長さと壁の高さの関係を考慮する。１つの区画の一辺の長さよりも壁の高さの方が高くなればなるほど、蒸着により区画１２２内での結晶の等方的な柱状化が困難になるため、区画１２２の一辺の長さＬ１に対し壁の高さＬ２は、Ｌ１／２ ＞ Ｌ２であることが望ましい。柱状結晶の第２のシンチレータ層１２６は、光電変換パネル１０１の画素１０２が配置された面にＣｓＩ、ＴｌＩを蒸着して形成する。その後、第１のシンチレータ層１０８と、第２のシンチレータ層１２６との、両シンチレータ層の表面同志を粘着材１４２で貼り合せて放射線検出装置を形成している。

（実施例５）
本発明の第５の実施例について図８を用いて説明する。本発明の特徴は、隔壁１２１により形成された区画１２２に隔壁１２１の壁の高さよりも薄くなるように変換体を充填し、その状態で第２のシンチレータ層を隔壁１２１側に蒸着により形成する。第２のシンチレータ層１０９となる柱状結晶１５１は、第１のシンチレータ材料１３１の層から露出している隔壁１２１の突出部を核として成長する。このため、柱状結晶は、蒸着が開始される部分から離れる方向に太く形成され、層内に空隙が形成される。第１のシンチレータ層１０８が有するシンチレータ材料１３１は例えば、非柱状のＣｓＩなどからなり、ＣｓＩをアルゴンガスなしで蒸着して柱状化せずに蒸着して形成することが可能である。その他に第１のシンチレータ層１０８を形成する方法として、実施例１や実施例３のようにして形成することも可能である。このようにして形成した第２のシンチレータ層と光電変換パネル１０１とを粘着材１５２で貼り合せる。

本実施例によれば、柱状結晶１５１の層内に空隙が形成されるため、柱状結晶１５１内で発生する光散乱を抑制することができ、効率よい光利用が可能となる。本実施例において、貼り合せに粘着材を使用しているが、粘着材に限らず、接着材であればよい。

（実施例６）
次に、図９を用いて、本発明の放射線検出装置を用いた放射線撮像システムを説明する。放射線源であるＸ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は、患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線検出装置６０４０に含まれる本願発明の放射線撮像装置の光電変換部に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に応じて光電変換部により放射線を電荷に変換して、電気的情報を得る。この情報はデジタルデータに変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室の表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。

また、この情報は電話回線６０９０等の伝送処理手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなど表示手段となるディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の記録手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。また記録手段となるフィルムプロセッサ６１００により記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

１０１：光電変換パネル、１０２：画素、１２１：隔壁、１２３：変換体、１２６：第２のシンチレータ層、１２４：粘着材

Claims (13)

1. 光電変換素子が２次元状に配置された光電変換パネルと放射線を光に変換するシンチレータとを備える放射線検出装置であって、
   前記シンチレータは、第１のシンチレータ層と、前記第１のシンチレータ層と前記光電変換パネルとの間に配置された第２のシンチレータ層とを備え、
   前記第１のシンチレータ層は、放射線の入射領域を複数の区画に区切る隔壁と、前記区画の内部に充填された放射線を光に変換する変換体とを有し、
   前記第２のシンチレータ層は、柱状結晶構造を有している
   ことを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記変換体は、放射線を光に変換する粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記粒子は、ＧＯＳ（ガドリウム オキサイド サルファ）を含むことを特徴とする請求項２に記載の放射線検出装置。
4. 前記変換体は、非柱状構造のＣｓＩ（ヨウ化セシウム）を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
5. 前記変換体は、柱状結晶構造のＣｓＩを含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
6. 前記隔壁は、前記放射線の入射領域に格子状に配置されており、前記隔壁により区切られた区画の一辺をＬ１、前記隔壁の高さをＬ２とするとき、Ｌ１／２ ＞ Ｌ２であることを特徴とする請求項５の放射線検出装置。
7. 前記第２のシンチレータ層は、柱状結晶構造のＣｓＩを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
8. 前記隔壁の高さが、前記変換体の厚さより高いことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか1項に記載の放射線検出装置。
9. 前記隔壁の高さが、前記変換体の厚さより低いことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
10. 前記第２のシンチレータ層は、前記第１のシンチレータ層の放射線が入射する面と反対側の面に蒸着により形成されたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか1項に記載の放射線検出装置。
11. 前記光電変換素子の1つと前記区画の1つとは、１対１に対応させて配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか1項に記載の放射線検出装置。
12. 前記第２のシンチレータ層の厚さは、前記変換体の厚みより厚いことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか1項に記載の放射線検出装置。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の放射線検出装置と、
    前記放射線検出装置によって得られた信号を処理する信号処理手段と
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。

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