JP6491434B2 - 放射線撮像装置及び放射線検出システム - Google Patents
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Description
(a)放射線撮像装置の構成
まず、本実施形態に係る放射線撮像装置の構成について図1〜5により説明する。放射線撮像装置200は、第1の画素101と第2の画素(検知画素)121とを少なくとも有するセンサ部が実装された支持基板100を含む。第1の画素101は、放射線画像となる信号を出力する画素であり、変換素子102とスイッチ素子103とを含む。検知画素121は、放射線画像となる信号に加えて放射線照射有無の判定及び放射線量の判定のための信号を出力する画素である。検知画素121は、変換素子102とスイッチ素子103とに加えて、検知素子122と検知素子用のスイッチ素子123とを更に含む。放射線撮像装置200は、センサ部の駆動を行う駆動回路221と、センサ部からの電気信号を画像データとして出力する読出回路222と、を有する検出部223を含む。駆動回路221は、支持基板100内に配置された各スイッチの選択状態と非選択状態とを制御する。
次に、本実施形態に係る放射線撮像装置の画素及び検知画素の構成について説明する。図2に示すように、本実施形態の放射線撮像装置には、複数の画素及び周辺回路が配置されている。支持基板100上には、放射線に応じた画像信号を取得するために行列状に配置された複数の画素101及び検知画素121を有する画素アレイを含むセンサ部が設けられている。画素101は放射線又は光に応じた電気信号を出力するためのものであり、夫々が放射線又は光を電荷に変換する変換素子102及び発生した電荷に応じた電気信号を信号線へ出力するスイッチ素子103を含む。本実施形態では、変換素子102として、放射線を光に変換するシンチレータと、その光を電荷に変換する光電変換素子と、を含むものであるが、本発明はそれに限定されるものではない。変換素子102には、シンチレータにより変換された光を電荷に変換する光電変換素子や放射線を直接電荷に変換する直接型変換素子を用いてもよい。また、スイッチ素子103として、非晶質シリコン又は多結晶シリコンの薄膜トランジスタ(TFT)を含むが、多結晶シリコンのTFTを用いるのがよい。また、半導体材料としてシリコンを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ゲルマニウム等の他の半導体材料を用いてもよい。
本実施形態に係る放射線撮像装置の画素の構造について図5により説明する。図5(a)は画素101の平面図であり、図5(b)は検知画素121の平面図である。画素101は、放射線又は光を電荷に変換する変換素子102と、変換素子102の電荷に応じた電気信号を出力するTFT(薄膜トランジスタ)からなるスイッチ素子103とを含む。放射線の検知信号を出力する検知画素121は、画像信号を出力する部分として、放射線又は光を電荷に変換する変換素子102と、変換素子102の電荷に応じた電気信号を出力するTFT(薄膜トランジスタ)からなるスイッチ素子103とを含む。さらに、検知素子122とスイッチ素子123とを含む。
次に、図2、3を用い、本発明の第1実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。以下説明において、駆動線113、114、126に加わるゲート制御電圧を其々Va、Vb、Vcとする。各駆動線104に加わるゲート制御電圧をVg1〜Vgnとし、各駆動線124に加わるゲート制御電圧をVd1〜Vdnとする。更に、図3では、簡単化の為に、各駆動線に接続された各スイッチが導通状態となる電圧をHI、非導通状態となる電圧をLOと表記する。
(a)放射線撮像装置の構成
以下の実施形態では、第1の実施形態と同じ箇所には同じ参照番号を付して説明を省略する。図6を用い本発明の第2実施形態に係る放射線撮像装置のセンサ部について説明する。図6は、支持基板100内の画素の配置を示したものである。図2で示される第1の実施形態との違いは、検知画素121中の検知素子122にスイッチ素子123が接続されていない。これに伴いスイッチ素子123を駆動するための駆動線124を有しない。1以上の検知素子122は各検知信号線110に直接、接続されている。放射線の照射開始を検出するとき、スイッチ素子118は、各列毎に配置された検知素子122の出力を束ねて取り出すために、スイッチ素子112と共にオンにする。また、検知素子122から検知信号線110毎に出力をとりだすときには、スイッチ素子112をオフにする。このときスイッチ素子118はオンになり、スイッチ素子111として機能する。本実施形態の検知画素121の平面図を図8に示す。本実施形態の検知素子122の領域にはスイッチ素子を有しない。読出回路222は、期間T1では第1信号入力端子120からの信号を放射線の照射開始を判定するために使用し、期間T2では第2信号入力端子からの信号を放射線量の判定に使用する。
次に、図7を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。まず、図2で示される第1の実施形態との違いとして、検知素子用のスイッチ素子123を有しない為、ゲート制御電圧Vd1〜Vdnの制御を行う必要がない。期間T1においてゲート制御電圧VbがHIになっているので、スイッチ素子112がオンとなり、隣接する検知信号線110が接続されて検知素子122の出力が合成される。このときゲート制御電圧VcがHIになっているので、スイッチ素子118もオンとなっている。各検知信号線110に接続された検知素子122からの信号が合成された出力はスイッチ素子118を介して第1信号入力端子120へ出力される。次に、期間T2中にゲート制御電圧VbがLOになり、ゲート制御電圧VcがHIになる。この結果、スイッチ素子112はオフになり、検知素子122からの信号は、第1信号入力端子120及び第2信号入力端子117を介して読出回路222に伝送され、放射線の照射線量の判定の為に用いられる。このとき第1信号入力端子120は、第2信号入力端子117と同じく、検知信号線からの検知素子の信号を出力する。本構成によれば、実施形態1と同様に期間T1では検知素子からの信号を束ねて放射線の照射開始を検出するので、感度良く検出を行うことができる。期間T2では検知信号線110からの信号を合成しないで読出回路222に提供するので、領域毎に放射線量の判定をすることができ、空間的な解像度が期間T1に比べて改善し、鮮鋭度の高い撮影画像を提供することができる。また、期間T1で動作する回路の規模が抑制できるので、期間T1での消費電力を低減できる。さらに、第1信号入力端子120を第2信号入力端子117として使うことにより、接続端子数の抑制ができるので、入力回路の規模の削減が可能になる。
(a)放射線撮像装置の構成
図9を用い本実施形態に係る放射線撮像装置のセンサ部について説明する。図9は、支持基板100内に配置された画素を示したものであり、図2で示される第1の実施形態との違いは、検知画素121中に検知素子用のスイッチ素子123を有せず、これに伴い駆動線124を具備していない。同様に、スイッチ素子112、118、駆動線114、126を有しない。また、第1信号入力端子120には信号線127が接続されている。信号線127は、容量部128を介して検知信号線110と結合されている。容量部128は検知信号線110の信号を合成する合成部として機能する。また、図11は、本実施形態における変形例で、検知画素121中の検知素子122の第1電極が画像信号線106に接続されており、画像信号線106が検知信号線110の機能を兼ねる。同様に、読出回路222の画像信号入力端子107が、第2信号入力端子117の機能を兼ねる。読出回路222は期間T1では第1信号入力端子120からの信号を放射線の照射開始の検知に使用し、期間T2では画像信号入力端子107からの信号を放射線量の検知に使用する。期間T3では、読出回路222は画像信号入力端子107からの信号を撮像信号として処理する。
図10を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。期間T1においては、ゲート制御電圧Vaの電位がLOにされ、第2信号入力端子117と検知信号線110間のスイッチ素子111が非導通となっており、各検知信号線110がフローティングとなる。したがって、検知素子122において信号電荷が発生すると各検知信号線110の電位が変動する。この複数の検知信号線110の電位変動が、複数の信号線の間にある容量部128を介して容量結合された信号線127に複数の検知素子122からの信号電荷による電位の変化として伝送される。期間T2においては、ゲート制御電圧VaをHIにして、スイッチ111をオンにする。読出回路222は検知素子122からの信号を、第2信号入力端子117を介して読み出し、放射線量の判定が行われる。
(a)放射線撮像装置の構成
図12を用い本実施形態に係る放射線撮像装置について説明する。図12は、支持基板100上のセンサ部の配置を示したものであり、図2で示される第1の実施形態との違いは、検知画素121中に検知素子用スイッチ素子123を有せず、これに伴い駆動線124を具備していない。また、スイッチ素子111、112、118、駆動線113、114、126、第1信号入力端子120を有しない。本実施形態に係る放射線撮像装置の構成は、電源回路226からのバイアス線108に流れる電流の変化を監視することにより放射線の照射を検知している。バイアス電流の監視は、電源回路226がバイアス電流をAD変換し、AD変換されたデータを制御回路225へ送ることにより行われる。この場合、電源回路226は読出回路222の機能を兼ねている。
図13を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。本実施形態では、期間T1においてバイアス線108に流れる電流を監視することにより、放射線の照射有無を判定する。期間T1において、ゲート制御電圧Vg1〜Vgnが周期的にHIとなり、ダーク電流をリセットする。放射線の照射が開始されると検知素子122及び変換素子102の出力に変化が生じ、この変化によってバイアス線に影響が発生しバイアス電流が変化する。このバイアス電流の変化を電源回路226で監視し、変化が生じると照射が開始されたと判定する。期間T2では検知素子122の出力は第2信号入力端子117から読出回路222へ入力され、照射量が計測される。所定の放射線量を検出すると、期間T3においてスイッチ素子103を制御して変換素子102から画像信号の読み出しが開始される。
(a)放射線撮像装置の構成
図14を用い本実施形態に係る放射線撮像装置のセンサ部について説明する。本実施形態の放射線撮像装置は、支持基板100上に行列状に配置された複数の画素401を含むセンサ部を有している。画素401は放射線または光に応じた電気信号を出力する為のものであり、放射線または光を電荷に変換する変換素子402、リセットスイッチ素子407、ソースフォロア403、負荷用スイッチ素子404、内部容量405、画素選択スイッチ406を有する。変換素子402の第2電極には、バイアス電源端子109が電気的に接続される。変換素子402の第1電極は、ソースフォロア403の制御電極及び、リセットスイッチ素子407の第1主電極に接続される。ソースフォロア403は変換素子からの電荷に応じた信号を画像信号線106へ出力する増幅MOSトランジスタである。
図15を用い本実施形態に係る放射線撮像装置の動作について説明する。各1〜n行の画素選択スイッチ用端子304、画素リセットスイッチ用端子305、負荷スイッチ用端子306に印加される電圧をVsel1〜Vseln、Vres1〜Vresn、Vload1〜Vloadnとする。本実施形態の説明の範囲において、電圧Vload1〜Vloadnは常にHIにされている。本実施形態では、変換素子402からの信号は、撮影画像信号を得る為に用いられると共に、放射線の照射の有無の判定及び、放射線照射量の判定にも用いられる。
次に、図16を用いて、本発明の放射線検出装置を用いた放射線検出システムへの応用例を説明する。放射線を発生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、本発明の検出装置6040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。シンチレータによりX線を光に変換する方式をとった場合、X線の入射に対応する光を光電変換素子で光電変換して、電気的情報を得る。この情報はデジタル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。
Claims (11)
- 放射線に応じた画像信号を取得するための画素アレイと、前記画素アレイ内に配置され放射線を検知する複数の検知素子と、を有するセンサ部と、
前記センサ部からの信号を読み出す回路と、を備え
前記回路は、放射線の照射の有無が判定されるときは第1信号を生成し、放射線量を判定するときは第2信号を生成し、前記第1信号を処理する第1信号処理回路と前記第2信号を処理する第2信号処理回路とを備え、放射線の照射の有無が判定されるときは前記第1信号処理回路を動作させ、放射線量が判定されるときは前記第2信号処理回路を動作させ、
前記第1信号は、前記複数の検知素子のうちの第1のサブセットからの信号が前記回路に電気的にまとめて接続されることにより合成されたものであり、前記第2信号は、前記複数の検知素子のうちの第2のサブセットからの信号が前記回路に電気的にまとめて接続されることにより合成されたものであり、
前記第1のサブセットに含まれる前記複数の検知素子の数が、前記第2のサブセットに含まれる前記複数の検知素子の数よりも多いことを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記センサ部は、前記検知素子が接続される複数の検知信号線と、前記回路に電気的にまとめて接続されることにより複数の検知信号線の信号を合成する合成部と、を更に含み、
前記複数の検知素子は前記複数の検知信号線のうちのいずれか1本に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記検知素子は、放射線に応じた電荷を発生する変換素子と、前記変換素子からの電荷に応じた信号を前記検知信号線へ出力する増幅MOSトランジスタと、前記変換素子をリセットするリセットスイッチと、を含むことを特徴とする請求項2に記載の放射線撮像装置。
- 前記検知素子は、放射線に応じた画像信号を前記検知信号線に出力することを特徴とする請求項2又は3に記載の放射線撮像装置。
- 前記合成部は、前記複数の検知信号線を、前記回路に接続するスイッチ素子を含むことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 前記合成部は、前記複数の検知信号線と前記第1信号処理回路との間を容量結合する素子を含むことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 放射線の照射の有無が判定されるときは、前記第2信号処理回路の動作を停止することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 前記回路は、バイアス線を介して前記複数の検知素子にバイアス電圧を共通に印加する電源回路を備え、
前記電源回路は、前記バイアス線に流れる電流を監視し、
前記放射線の照射の有無は、前記電源回路によって監視された前記バイアス線を流れる電流の変化により判定されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 - 放射線の照射の有無を判定し且つ放射線量を判定する放射線撮像装置であって、
放射線に応じた画像信号を取得するための画素アレイと、前記画素アレイ内に配置され放射線を検知する複数の検知素子と、を有するセンサ部と、
前記センサ部からの信号を読み出す回路と、を含み
前記回路は、バイアス線を介して前記複数の検知素子にバイアス電圧を共通に印加する電源回路を備え、
前記電源回路は、前記バイアス線を流れる電流を監視し、
前記放射線の照射の有無は、前記電源回路によって監視された前記バイアス線を流れる電流の変化に基づく第1信号により判定され、前記放射線の放射線量は、前記回路に電気的に接続される画像信号線及び検知信号線の少なくとも一方を介して読み出される第2信号により判定され、
前記回路は、前記第1信号を処理する第1信号処理回路と前記第2信号を処理する第2信号処理回路とを備え、放射線の照射の有無が判定されるときは、前記第1信号処理回路を動作させ、放射線量が判定されるときは、前記第2信号処理回路を動作させることを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記第1信号は共に前記回路に電気的に接続されることにより前記複数の検知素子のうちの第1サブセットの検知素子からの信号が合成されたものであり、前記第2信号は共に前記回路に電気的に接続されることにより前記複数の検知素子のうちの第2サブセットの検知素子からの信号が合成されたものであり、そして
前記第1サブセットの検知素子の数は、前記第2サブセットの検知素子の数よりも多く、
前記回路は、放射線の照射の有無が判定されるときは、前記第2信号処理回路の動作を停止させることを特徴とする請求項9に記載の放射線撮像装置。 - 放射線を発生する放射線源と、
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の放射線撮像装置と、
を備えることを特徴とする放射線検出システム。
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