JP6573378B2 - 放射線撮像装置、その制御方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、放射線撮像装置、その制御方法及びプログラムに関する。

放射線による医療画像診断や非破壊検査に用いる撮像装置として、半導体材料によって形成された平面検出器（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下ＦＰＤ）を用いた放射線撮像装置が知られている。このような放射線撮像装置は、例えば医療画像診断において、静止画や動画などのデジタル撮像装置として用いられうる。

ＦＰＤに用いられる放射線の検出方式として、積分型のセンサ及びフォトンカウンティング型のセンサがある。積分型のセンサは、放射線の入射により発生した電荷の総量を計測する。一方、フォトンカウンティング型のセンサは、入射した放射線のエネルギ（波長）を識別し、複数のエネルギレベルの各々について放射線の検出回数をカウントする。即ち、フォトンカウンティング型のセンサは、エネルギ分解能を有するため、積分型のセンサに比べて診断能力を向上させることができる。

特許文献１には、ＣｄＴｅを用いて放射線を各画素で直接検出する直接型のフォトカウンティング型のセンサが提案されている。また、特許文献２には、入射した放射線をシンチレータで光に変換し、放射線から変換された光を各画素で検出する間接型のフォトカウンティング型のセンサが提案されている。

特表２０１３−５１６６１０号公報 特開２００３−２７９４１１号公報

直接型のセンサに用いられるＣｄＴｅの単結晶は、数ｃｍ角程度にしか成長させることができない。そのため、直接型のセンサは、大面積化が困難であり、非常に高価となる。また、アモルファスＳｅを成膜することにより大面積の直接型のセンサを実現する方法もあるが、当該方法により作製されたセンサは、動作が遅く、温度管理が必要などの難点がある。

一方、間接型のセンサは、大面積化が容易であり安価となるという利点がある。しかしながら、間接型のセンサではパイルアップが発生しやすいという課題がある。パイルアップとは、複数の放射線光子が、センサ中の同一の画素によって同時に検出され、複数の放射線光子を単一の放射線光子として検出することである。この場合、センサは、放射線の検出回数のカウント数及び入射した放射線のエネルギを誤って判定する。

間接型のセンサの場合、シンチレータで放射線光子から変換された光がシンチレータ内で拡散し、それぞれの画素で検出される。間接型のセンサは、近接した画素に同時に入射した異なる放射線光子から変換され、シンチレータ内で広がった光を１つの画素で同時に検出し、単一の放射線光子から変換された発光として検出してしまう可能性がある。光の拡散の影響によって、直接型のセンサと比較して、間接型のセンサはパイルアップの発生頻度が高くなる。

特許文献１には、直接型のセンサにおいて、入射する放射線光子に対して、各画素に互いに異なるエネルギの閾値を有するカウンタを配したセンサが示されている。それぞれの画素において、検出された異なるエネルギ閾値のカウント数を比較することで、パイルアップの発生を推定することが示されている。しかし、近接した画素に入射した複数の放射線光子が、光の拡散の影響によってセンサ中の同一の画素で検出され、単一の放射線光子として検出されてしまうことに関して記載されていない。また、間接型のセンサについて示された特許文献２には、パイルアップについて記載されていない。

本発明は、間接型のフォトンカウンティング型のセンサにおいて、パイルアップを検出するのに有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置は、放射線を光に変換するシンチレータと、光を検出する光検出器を有する複数の画素が２次元アレイ状に配されたセンサパネルと、処理部と、を含む放射線撮像装置であって、処理部は、複数の画素のそれぞれの光検出器で検出された光の強度を示す信号を出力する信号生成部と、信号のうち基準値を超えるレベルの信号を出力する画素の集合体を識別し、集合体のパターンに基づいて、複数の放射線光子が単一の放射線光子として検出されるパイルアップを検出する検出部と、を含むことを特徴とする。

上記手段により、間接型のフォトンカウンティング型のセンサにおいて、パイルアップを検出するのに有利な技術が提供される。

本発明に係る放射線撮像装置の構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置のセンサパネルの構成を示す図。 図１の放射線撮像装置の画素の構成を示す図。 図１の放射線撮像装置のセンサパネルの照射期間と読出し期間とを示す図。 図１の放射線撮像装置の照射期間における各画素の動作を示す図。 図１の放射線撮像装置の読出し期間における各画素の動作を示す図。 図１の放射線撮像装置のシンチレータの発光分布を示す図。 図１の放射線撮像装置の複数レベルの信号に変換された発光分布を示す図。 図１の放射線撮像装置の取得画像の例を示す図。 本発明の第２実施形態に係る放射線撮像装置の画素の構成を示す図。

以下、本発明に係る放射線撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。なお、本発明における放射線には、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども含みうる。

＜第１実施形態＞
本発明に係る第１実施形態の放射線撮像装置１００（又は、「放射線撮像システム」と称されてもよい。）について説明する。図１は、本実施形態の放射線撮像装置１００の構成例を示す。放射線撮像装置１００は、例えば、被検体に放射線を照射する照射部１０１と、照射部１０１を制御する照射制御部１０２と、放射線が照射された被検体を撮像する撮像部１０４と、プロセッサ１０３とを含む。照射制御部１０２及びプロセッサ１０３はそれぞれ、ＣＰＵやメモリなどを有するコンピュータなどによって構成されうる。本実施形態において、照射制御部１０２及びプロセッサ１０３が別々に構成されているが、それに限られるものではなく、一体に構成されていてもよい。即ち、照射制御部１０２及びプロセッサ１０３が、それらの機能を有する１つのコンピュータで構成されていてもよい。

撮像部１０４は、例えば、入射した放射線を光に変換するシンチレータ１０５と、センサパネル１０６とを含む。センサパネル１０６には、例えば、シンチレータ１０５によって放射線から変換された光を各々が検出する複数の画素２０１が、複数の行及び複数の列を形成するように２次元アレイ状に配列されている。詳細は後述するが、画素２０１は、フォトンカウンティング方式の放射線撮像を行うための構成を有し、光の検出結果に基づいて、入射する放射線の光子の数を計測する。

プロセッサ１０３は、撮像部１０４との間で信号又はデータの授受を行い、具体的には、撮像部１０４を制御して放射線撮像を行い、それにより得られた信号を撮像部１０４から受ける。この信号は、放射線光子の計測値を含み、例えば、プロセッサ１０３は、該計測値に基づいて、例えばディスプレイ等の表示部（不図示）に放射線による撮像画像を表示させるための画像データを生成する。このとき、プロセッサ１０３は、該画像データに対して所定の補正処理を行ってもよい。また、プロセッサ１０３は、放射線照射を開始または終了するための信号を照射制御部１０２に供給する。

次に、センサパネル１０６の構成について図２を参照しながら説明する。図２は、センサパネル１０６の構成を示す図である。センサパネル１０６は、複数の画素２０１、垂直走査回路２０２、水平走査回路２０３、列信号線２０４、信号線２０５、出力線２０６、信号線２０７および列選択回路２０８を含みうる。複数の画素２０１の各々は、光の強度に関する複数のレベルの各々について、シンチレータ１０５で生じた光の検出回数をカウントするように構成されうる。各画素２０１は、信号線２０５を介して信号が供給されると、選択された検出された光の強度に応じたレベルごとの検出回数のデータを、列信号線２０４を介して列選択回路２０８に出力する。

垂直走査回路２０２は、複数レベルのうち所望のレベルの検出回数のデータが各画素２０１から出力されるように、信号を供給する信号線２０５を順番に切り替える。列選択回路２０８は、信号線２０７を介して信号が供給されたときに、各画素２０１から出力された検出回数のデータを出力線２０６にデータＤＡＴＡとして出力する。また、水平走査回路２０３は、検出回数のデータを出力線２０６に出力する動作が複数の列選択回路２０８において順番に行われるように、信号を供給する信号線２０７を順番に切り替える。ここで、図２では、説明を簡単にするため、３行×３列の画素２０１が配列されたセンサパネル１０６を示したが、より多くの画素２０１が配列されたセンサパネル１０６が用いられてもよい。例えば、１７インチのセンサパネル１０６（ＦＰＤ）では、約２８００行×約２８００列の画素２０１が２次元アレイ状に配置されうる。

次に、各画素２０１の構成について図３を参照しながら説明する。図３は、各画素２０１の構成を示す図である。センサパネル１０６の各画素２０１は、例えば、光検出器３０１、処理部３３０、出力部３０５、基準電圧３０６を供給する基準電圧部を含みうる。また処理部３３０は、電圧変換部３０２、比較部３０３、メモリ３０４、検出部３０７を含みうる。光検出器３０１は、放射線がシンチレータ１０５に入射することによりシンチレータ１０５で生じた光を検出し、信号を生成する光電変換器である。光検出器３０１には、公知の光電変換素子、例えばフォトダイオードなどを用いてもよい。電圧変換部３０２は、例えば微分回路であり、光検出器３０１で生成された信号を電圧信号であるパルス信号に変換して比較部３０３へ出力する。比較部３０３は、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧と基準電圧３０６とを比較し、比較結果に応じた比較結果信号として例えば２値の信号を生成する。電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６の電圧以上である場合、比較部３０３は、比較結果に応じた信号としてデジタル値「１」を出力する。一方で、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６よりも小さい場合、比較部３０３は、比較結果に応じた信号としてデジタル値「０」を出力する。比較部３０３に供給される基準電圧３０６は、センサパネル１０６における全ての画素２０１に対して共通の値になるように設定されうる。シンチレータ１０５に放射線が入射し光に変換されると、光検出器３０１で検出された光に応じて、電圧変換部３０２を介して、比較部３０３が２値のデジタル値の信号を生成する。このように、電圧変換部３０２と比較部３０３とで信号生成部が構成される。

図３に示す構成では、各画素２０１に３つの比較部３０３Ｂ、３０３Ｇ、３０３Ｒが配され、それぞれの比較部３０３Ｂ、３０３Ｇ、３０３Ｒには、互いに異なる値を有する基準電圧３０６Ｂ、３０６Ｇ、３０６Ｒが供給される。各画素２０１は、複数の比較部３０３と基準電圧３０６とによって、光の強度に応じて複数レベルの信号を出力することができる。図３の構成では、各画素２０１は、３つの比較部３０３と基準電圧３０６とを有することによって、例えば、光が検出されない場合を含み入射した光の強度に応じて４レベルの信号を出力しうる。

検出部３０７は、同じ期間に複数の画素２０１の比較部３０３から出力される複数レベルの信号を含む信号パターン３０９を取得する。具体的には、複数の画素２０１から出力された複数レベルの信号のうち、光が検出されたことを示す基準値を超えた信号である検出信号を出力した画素を抽出する。次に同じ期間に光が検出されたことを示す検出信号を出力した１つの注目画素と、注目画素から連続する１つ以上の画素とで構成された集合体を識別する。次に検出部３０７は、取得した集合体の信号パターン３０９が、単一の放射線光子によって得られた信号パターンか、複数の放射線光子が同じ期間に入射し、複数の放射線光子を単一の放射線光子として検出するパイルアップの発生した信号パターンかの判定を行う。この判定は、識別された集合体が予め設定されたパイルアップを示す１つ以上の判定基準３０８を満たすかを比較することによって行われる。この判定結果に基づいて、検出部３０７はパイルアップを検出する。

パイルアップを示す判定基準３０８は、集合体を構成する画素２０１の数、集合体を構成する画素２０１の配置、集合体のそれぞれの画素２０１から出力される検出信号の入射した光の強度などに関し、複数の判定基準３０８を設けてよい。上述したような集合体の信号パターン３０９に関する少なくとも何れかが、パイルアップを示す１つ以上の判定基準３０８を満たすかを判定することによって、検出部３０７はパイルアップを検出する。また、例えば、放射線撮像装置１００のセンサパネル１０６の特性や、撮像条件などに合わせて判定基準３０８を任意に変更してよい。パイルアップを検出するための判定基準３０８については、後述する。

各検出部３０７の後段にはメモリ３０４が配置される。撮像画像を生成するために、各画素２０１の処理部３３０は、光の強度を表す複数レベルの各々について検出信号が出力された回数をカウントする。集合体でパイルアップが検出されなかった場合、検出信号の各レベルに応じて、集合体を構成する画素２０１のそれぞれが検出信号を出力したことをカウントし、カウントした回数をメモリ３０４に格納する。また、集合体でパイルアップが検出された場合、放射線の検出回数のカウント数及び入射した放射線のエネルギを誤って判定しないよう、集合体を構成する画素２０１のそれぞれが検出信号を出力したことをカウントしなくてもよい。また、１つの注目画素で検出信号が出力され、注目画素に隣接する画素で検出信号が出力されなかった場合、パイルアップは検出されないとして、検出信号の各レベルに応じて検出信号が注目画素から出力されたことをカウントしてもよい。

図３に示す構成では、各画素２０１に３つの検出部３０７Ｂ、３０７Ｇ、３０７Ｒが配され、それぞれの検出部３０７Ｂ、３０７Ｇ、３０７Ｒには、それぞれ異なるパイルアップを示す判定基準３０８Ｂ、３０８Ｇ、３０８Ｒが与えられる。またそれぞれの検出部３０７Ｂ、３０７Ｇ、３０７Ｒには、メモリ３０４Ｂ、３０４Ｇ、３０４Ｒが接続されている。ここで、各画素２０１に配された各検出部３０７は互いに接続され、例えば複数の判定基準のうち少なくとも１つの判定基準を満たした場合、検出部３０７はパイルアップを検出したと判定してもよい。

出力部３０５は、信号線２０５を介して垂直走査回路２０２から信号が供給されたとき、検出信号の出力された回数をパイルアップ検出の有無に応じてカウントしメモリ３０４に格納されたデータＤＡＴＡを、列信号線２０４を介して列選択回路２０８に供給する。その後、列選択回路２０８に信号線２０７を介して信号が供給されたとき、データＤＡＴＡがプロセッサ１０３に出力される。

図３に示す構成では、それぞれの画素２０１に３つの比較部３０３を配しているが、任意の個数とし、それぞれに異なる基準電圧を与えてもよい。例えば比較部３０３が１つの場合、比較部３０３は、光を検出した場合と光を検出しない場合との２つのレベルの信号を検出部３０７に出力しうる。また、それぞれの画素２０１に３つの検出部３０７を配しているが、任意の個数とし、それぞれ異なる判定基準３０８を用いてパイルアップの検出を行ってもよい。また同様に、メモリ３０４も任意の個数としてよい。例えば、１つのメモリ３０４に、複数レベルの光の強度に応じた検出信号の出力された回数を、パイルアップの有無に応じてそれぞれカウントして格納してもよい。

次に、本実施形態における放射線撮像システムの駆動について説明する。図４は、撮像部１０４のセンサパネル１０６の駆動タイミングを示す図である。図４の波形は、横軸を時間として放射線の照射期間、及び、データＤＡＴＡの読み出しの期間を表している。図４において、放射線照射期間は、照射部１０１によって被検体に放射線が照射される期間である。この期間、センサパネル１０６に入射した放射線をシンチレータ１０５で光に変換し、光の強度に応じた複数のレベルの信号の各々について検出信号が出力された回数を、パイルアップの検出の有無に応じてカウントする。また読出し期間は、放射線照射期間に得られたカウント回数のデータＤＡＴＡをセンサパネル１０６から出力させる期間である。図４に示すように、センサパネル１０６は、放射線照射期間と読出し期間とを交互に行うことによって、動画を取得することが可能となる。また、例えば放射線照射期間と読出し期間とを１度行うことによって静止画を取得してもよい。

次に、図３に示すように構成された画素２０１における照射期間での動作について図５を参照しながら説明する。図５は、放射線照射期間における各画素２０１の動作を示す図である。図５の波形は、横軸を時間とした電圧変換部３０２の出力、比較部３０３の出力、及び、メモリ３０４に格納された検出信号の出力されたカウントされた回数をそれぞれ表している。電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６Ｒ以上である場合、比較部３０３Ｒから検出信号としてデジタル値「１」が出力される。そして、検出部３０７でパイルアップが検出されなかった場合、メモリ３０４Ｒは比較部３０３Ｒからデジタル値「１」が出力されたことをカウントする。一方で、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６Ｇ以上である場合、比較部３０３Ｇ、３０３Ｒから検出信号としてデジタル値「１」が出力される。そして、メモリ３０４Ｇ、３０４Ｒは、検出部３０７でパイルアップが検出されなかった場合、比較部３０３Ｇ、３０３Ｒからデジタル値「１」が出力されたことをカウントする。同様に、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が基準電圧３０６Ｂ以上である場合、比較部３０３Ｂ、３０３Ｇ、３０３Ｒから検出信号としてデジタル値「１」が出力される。そして、メモリ３０４Ｂ、３０４Ｇ、３０４Ｒは、検出部３０７でパイルアップが検出されなかった場合、比較部３０３Ｂ、３０３Ｇ、３０３Ｒからデジタル値「１」が出力されたことをカウントする。このように、電圧変換部３０２から出力された検出信号の数を、複数の基準電圧３０６の各々についてパイルアップの検出の有無に応じてカウントする。これによって、各画素２０１は、光の強度に応じた複数のレベルの各々について、放射線の入射によってシンチレータ１０５で生じた光の検出回数をカウントすることができる。

次に、図３に示すように構成された画素２０１における読み出し期間での動作について図６を参照しながら説明する。図６は、読み出し期間における各画素２０１の動作を示す図である。図６における波形は、横軸を時間とした信号線２０５への信号の供給、信号線２０７への信号の供給、および列選択回路２０８からの取得されたデータＤＡＴＡの出力をそれぞれ表している。図６に示すように、複数の信号線２０５および複数の信号線２０７には、順番に信号が供給される。例えば、信号線２０５−０Ｒに信号の供給を開始すると、信号線２０５−０Ｒに接続された画素２０１の出力部３０５Ｒから、検出信号の出力された回数をパイルアップの検出の有無に応じてカウントしたデータが列選択回路２０８に供給される。そして、信号線２０５−０Ｒに信号を供給している期間において、複数の信号線２０７に順番に信号を供給し、複数の列選択回路２０８から出力線２０６にそれぞれのデータＤＡＴＡを順番に出力させる。

次いで図７〜９を用いて、パイルアップを検出するための判定基準３０８について説明する。図７は、１つの放射線光子がシンチレータ１０５で光に変換された際の発光の分布を示す。シンチレータ１０５は、入射した放射線光子を光に変換する。変換された光はシンチレータ内で拡散するため、単一の放射線光子によって生じた光が複数の画素２０１の光検出器３０１で検出されうる。また放射線光子から変換される光の強度は、放射線光子の有するエネルギに依存しうる。波長が短い放射線光子は、高いエネルギを有するため、発光強度が高く、発光量が多い。図７に示すように、高エネルギの放射線光子から変換された光と、低エネルギの放射線光子から変換された光とで、各画素２０１の光検出器３０１で検出される光の分布や光の強度が異なりうる。

光検出器３０１で検出された光は、各画素２０１に配された比較部３０３Ｒ、３０３Ｇ、３０３Ｂによって、光の強度に応じた複数のレベルの信号に変換される。本実施形態において、レベル０は、比較部３０３Ｒ、３０３Ｇ、３０３Ｂのすべてから、上述した比較結果に応じた信号としてデジタル値「０」が出力されたことを表す。レベル１は、比較部３０３Ｒからデジタル値「１」が出力され、比較部３０３Ｇ、３０３Ｂからデジタル値「０」が出力されたことを表す。同様にレベル２は、比較部３０３Ｒ、３０３Ｇからデジタル値「１」が出力され、比較部３０３Ｂからデジタル値「０」が出力されたことを表し、レベル３は、比較部３０３Ｒ、３０３Ｇ、３０３Ｂのすべてからデジタル値「１」が出力されたことを表す。すなわちレベル０は、画素２０１で検出された光によって電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が、基準電圧３０６Ｒよりも小さいことを表す。またレベル１は、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧が、基準電圧３０６Ｒと３０６Ｇの間であることを表す。同様にレベル２は、基準電圧３０６Ｇと３０６Ｂの間であること、レベル３は、基準電圧３０６Ｂ以上であることを表す。このようにして、検出された光は、複数レベルの信号に変換される。

図８は、放射線光子から変換された発光の分布及び処理部３３０によって光の強度に応じた複数のレベルの信号に変換された信号パターンの例を表す。図８の左側に放射線光子から変換された発光の分布、右側に変換された信号パターンを示す。センサパネル１０６は、複数の画素２０１が２次元アレイ状に配置されたものであり、各画素２０１からシンチレータ１０５での発光の分布及び強度に応じた複数レベルの信号を出力する。本実施形態において、レベル０は、発光が検出されなかった信号、レベル１〜３は、発光が検出された検出信号である。またレベル３、２、１の順番に光の強度が高いことを表す。レベル３が最も高い光の強度を示す。上述したように、放射線光子から変換された光は、シンチレータ１０５で拡散するため、複数の画素２０１で検出される。このとき光が検出されたことを示す検出信号を出力した集合体から得られる信号パターン３０９は、例えば図８に示すような信号パターンとなる。図８の分布Ａは、単一の放射線光子から変換された発光の分布から得られる集合体の信号パターンの例である。集合体の中央付近の画素２０１から光の強度が高いことを示す信号が出力され、周辺の画素２０１から出力される信号は、強度が低いことを示す信号が出力される。一方、図８の分布Ｂ〜Ｄは、複数の放射線光子が、センサ中の同一の画素によって同時に検出され、複数の放射線光子を単一の放射線光子として検出するパイルアップの生じた集合体の信号パターンの例である。複数の放射線光子から変換された信号パターンを単一の放射線光子から変換された変換パターンとして検出した場合、光の強度に応じた複数のレベルの各々について検出信号が出力された回数のカウントや入射した放射線のエネルギを誤って判定する可能性がある。例えば、２つ以上の放射線光子が入射したにもかかわらず、１つの放射線光子が入射したとカウントする。また、例えば複数の放射線光子に起因する発光のため、高いエネルギの放射線光子が入射したと判定してしまう可能性がある。このため、得られる撮像画像の画質が劣化する可能性がある。また、例えば信号パターン３０９をデジタルの分布に変換する際にシンチレータ１０５による光の拡散を除去することで解像度を上げる処理などの補正処理を正確に行うことができなくなる可能性がある。

撮像画像の劣化を抑制するために、本実施形態は、検出部３０７において集合体の信号パターン３０９がパイルアップを示す１つ以上の判定基準３０８を満たすかを比較し、この判定結果に基づいてパイルアップを検出する。判定基準３０８は、集合体の信号パターン３０９が単一の放射線光子から変換されることによって取得されえない信号パターンとなるように設定される。

例えば、単一の放射線光子から変換される光の拡散する範囲は上限を有しうる。集合体を構成する検出信号を出力した画素２０１の数を判定基準３０８として、検出信号を出力した画素２０１の数が所定の数よりも多い場合、パイルアップを検出する判定基準３０８を満たすと判定してもよい。判定基準３０８を満たす数は、各画素２０１の大きさや配置される間隔、また放射線光子から変換された光の広がり量などに応じて、適宜、設定することが可能である。

また、単一の放射線光子から変換される光の強度は上限を有しうる。集合体から出力された検出信号に、光の強度が単一の放射線光子から変換された所定のレベルよりも高いレベルの検出信号が出力された場合、パイルアップを検出する判定基準３０８を満たすと判定してもよい。例えば上述した４つのレベルを出力する処理部３３０の場合、レベル３を出力するための基準電圧３０６の値を大きく設定し、この基準電圧３０６の電圧以上の最も光の強度の高いレベル３の検出信号が出力された場合、パイルアップを検出したと判定してもよい。

また、単一の放射線光子から変換される光が高い強度を示す範囲は上限を有しうる。例えば図８の分布Ｂのように、集合体から出力される検出信号のうち光の強度の最も高いレベルを示す検出信号を出力した画素２０１の数を判定基準３０８としてもよい。光の強度の最も高いレベルを示す検出信号を出力した画素２０１の数が所定の数よりも多い場合、パイルアップを検出する判定基準３０８を満たすと判定してもよい。判定基準３０８を満たす数は、各画素２０１の大きさや配置される間隔、また放射線光子から変換された光の広がり量などに応じて、適宜、設定することが可能である。

また、単一の放射線光子から変換される光の分布は、図８の分布Ａに示すように、放射線光子が入射し光に変換された場所で光の強度が最も高く、円形状又は楕円形状に周辺では光の強度が低くなりうる。このため、図８の分布Ｃに示すように、集合体から出力される検出信号の光の強度の高いレベルを示す検出信号が複数点在する可能性は低い。集合体から出力される検出信号のレベルが２つ以上のピークを有する場合、パイルアップを検出したと判定してもよい。また、単一の放射線光子から変換される発光の分布は、円形状又は楕円形上でありうることから、集合体を構成する行又は列ごとの画素の数は、列又は行方向に増加した後、減少しうる。このため、図８の分布Ｄに示すように、集合体を構成する画素の配置において、行又は列ごとの画素の数が、列又は行方向に減少した後に増加する場合、パイルアップを検出したと判定してもよい。

パイルアップを示す判定基準３０８は、集合体の信号パターン３０９を構成する画素２０１の数、画素２０１の配置、それぞれの画素２０１から出力される検出信号の入射した光の強度を示すレベルなどに応じて設定されうる。また、検出部３０７は、複数の判定基準３０８を用いて判定を行ってもよい。例えば集合体が複数の判定基準３０８のうち少なくとも１つの判定基準３０８を満たした場合、パイルアップを検出したと判定してもよい。複数の判定基準３０８を用いることによって、パイルアップの検出漏れが抑制され、得られる撮像画像の画質の劣化が抑制される。

図９に、放射線撮像装置１００の取得画像の例を示す。放射線照射期間に光の強度に応じた複数のレベルの各々について検出信号が出力された回数を、パイルアップの検出の有無に応じてそれぞれカウントする。シンチレータ１０５での発光の分布に対して、１つ１つの期間（フレーム）ごとに取得される取得画像の、各画素２０１での光の強度ごとのカウントを重ね合わせる。光の強度ごとにカウントした回数を重ね合わせることで、例えば入射した放射線光子のエネルギに応じた色分けを行い、例えばカラー画像のようなエネルギに応じた画像を得る。各画素２０１から出力された検出回数のデータＤＡＴＡは、撮像部１０４からプロセッサ１０３に転送され、最終的な画像が表示される。本実施形態において、カウントした回数は各画素２０１に配されたメモリ３０４に格納され合算した値が出力される。検出信号が出力された回数をカウントする方法はこの方法に限らない。例えば放射線照射期間中の画素２０１の動作周波数によって決定される１つ１つの期間（フレーム）ごとに、検出部からの信号をプロセッサ１０３に出力し、プロセッサ１０３で検出信号が出力された回数をカウントしてもよい。

画素２０１に入射する放射線光子の数は、画素２０１の動作速度によって１つの期間で１個以内となるような撮像であるとよい。さらに、１つの期間あたりの線量を低くし、画素２０１の動作周波数の高い撮像を行うことによって、パイルアップを抑制できる。例えば、画素２０１の動作周波数は、１０ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲内（例えば１００ｋＨｚ程度）で設定されてもよい。また、例えば照射部１０１の照射量は、管電圧を１００ｋＶ程度とし、管電流を１０ｍＡ程度としたときの値で設定されてもよい。ここで、例えば画素２０１の動作周波数が１００ｋＨｚの場合、０．０１ミリ秒の期間に複数の放射線光子によって生じた光が同一の画素２０１に入射すると、複数の放射線光子を単一の放射線光子として検出するパイルアップが生じる。

上述の撮像条件において、各画素２０１によって撮像画像の画質に対して十分なデータＤＡＴＡが得られる場合、１つの期間（フレーム）の特定の画素のデータＤＡＴＡを除いても撮像画像への影響は小さい。このため、上述したようにパイルアップを検出した集合体を構成する画素２０１のそれぞれが検出信号を出力したことをカウントしなくてもよい。カウントしないことによって、入射した放射線光子のエネルギの識別の正確性を上げることができる。しかしながら、パイルアップを検出した際の処理はこれに限らない。例えば、集合体からパイルアップが検出された場合、複数の放射線光子に起因するパイルアップの検出された集合体を、放射線光子のそれぞれに起因する複数の集合体に変換する。その後、変換された複数の集合体のそれぞれを構成する画素２０１のそれぞれが検出信号を出力したことをカウントしてもよい。複数の放射線光子に起因する集合体を、単一の放射線光子に起因する集合体に分離する場合、変換するための処理が増えるが、被検体に照射した放射線の線量が無駄にならないため、被ばく線量の低減化の点で有利となりうる。

また、処理にかかる時間や負担を低減するために、あらかじめパイルアップを検出する対象となる画素又は集合体を絞りこんでもよい。例えば、集合体を構成する検出信号を出力した画素２０１の数が、所定の数よりも多い場合のみパイルアップの検出対象とし、所定の数よりも少ない場合、パイルアップを検出するための判定を行わなくてもよい。例えば、上述した１つの注目画素で検出信号が出力され、注目画素に隣接する画素で検出信号が出力されなかった場合は、パイルアップを検出する判定を行わず、注目画素で検出信号が出力されたことをカウントしてよい。判定を行わない上限の画素数は、各画素２０１の大きさや配置される間隔、光の広がりに応じて適宜、決定すればよい。

本実施形態において、図１に示すようにプロセッサ１０３でセンサパネル１０６からの撮像画像を取得している。この撮像画像は、センサパネル１０６の各画素２０１に配置されたメモリ３０４の値を、出力線２０６を介して読み出したものである。取得した撮像画像はそのまま表示してもよいが、これに限定されるものではなく任意の画像処理を行ってもよい。例えば、直接線の成分のみを画像形成に用いる画像処理を行い、グリッドを用いずに散乱線を除去してもよい。また、各画素２０１のカウント値に対して演算処理を施すことで、放射線のエネルギスペクトルを推定してもよい。また、複数の画素２０１のカウント値から、照射部１０１の方向と距離を推定してもよい。また更に、被検体を透過する各エネルギの放射線光子の数と各エネルギにおける線減弱係数から、物質の組成や物性値を計算してもよい。例えば、被検体の実効原子番号を算出する処理を行ってもよい。また、例えば被検体が厚くなるほど高いエネルギの放射線光子が相対的に多く入射するビームハードニングを補正する処理を行ってもよい。

＜第２実施形態＞
本発明に係る第２実施形態の放射線撮像装置（放射線撮像システム）について説明する。前述の第１実施形態によるパイルアップの検出は、画素２０１に配された処理部３３０を用いたものであったが、これらの機能は、例えばプロセッサ１０３においてプログラム上またはソフトウェア上で実現されてもよい。即ち、画素２０１を、シンチレータ１０５で変換された光に応じた信号を出力するための回路で構成し、パイルアップの検出及び検出信号の出力回数のカウントを画素２０１の外部で行ってもよい。

図１０は、本実施形態のセンサパネル１０６における画素の等価回路を示す図である。本実施形態のセンサパネル１０６における画素４０は、光電変換素子４０１と、出力回路部４０２とを含みうる。光電変換素子４０１は、典型的にはフォトダイオードでありうる。出力回路部４０２は、増幅回路部４０４、クランプ回路部４０５、サンプルホールド回路部４０７、および選択回路部４０８を含みうる。

光電変換素子４０１は、電荷蓄積部を含み、該電荷蓄積部は、増幅回路部４０４のＭＯＳトランジスタ４０４ａのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０４ａのソースは、ＭＯＳトランジスタ４０４ｂを介して電流源４０４ｃに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０４ａと電流源４０４ｃとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ４０４ｂは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮがアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

図１０に示す例では、光電変換素子４０１の電荷蓄積部およびＭＯＳトランジスタ４０４ａのゲートが共通のノードを構成していて、このノードは、該電荷蓄積部に蓄積された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部として機能する。即ち、電荷電圧変換部には、該電荷蓄積部に蓄積された電荷Ｑと電荷電圧変換部が有する容量値Ｃとによって定まる電圧Ｖ（＝Ｑ／Ｃ）が現れる。電荷電圧変換部は、リセットスイッチ４０３を介してリセット電位Ｖｒｅｓに接続されている。リセット信号ＰＲＥＳがアクティブレベルになると、リセットスイッチ４０３がオンして、電荷電圧変換部の電位がリセット電位Ｖｒｅｓにリセットされる。

クランプ回路部４０６は、リセットした電荷電圧変換部の電位に応じて増幅回路部４０４によって出力されるノイズをクランプ容量４０６ａによってクランプする。つまり、クランプ回路部４０６は、光電変換素子４０１で光電変換により発生した電荷に応じてソースフォロア回路から出力された信号から、このノイズをキャンセルするための回路である。このノイズはリセット時のｋＴＣノイズを含みうる。クランプは、クランプ信号ＰＣＬをアクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ４０６ｂをオン状態にした後に、クランプ信号ＰＣＬを非アクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ４０６ｂをオフ状態にすることによってなされる。クランプ容量４０６ａの出力側は、ＭＯＳトランジスタ４０６ｃのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０６ｃのソースは、ＭＯＳトランジスタ４０６ｄを介して電流源４０６ｅに接続されている。ＭＯＳトランジスタ４０６ｃと電流源４０６ｅとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ４０６ｄは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮ０がアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

光電変換素子４０１で光電変換により発生した電荷に応じてクランプ回路部４０６から出力される信号は、光信号として、光信号サンプリング信号ＴＳがアクティブレベルになることによってスイッチ４０７Ｓａを介して容量４０７Ｓｂに書き込まれる。電荷電圧変換部の電位をリセットした直後にＭＯＳトランジスタ４０６ｂをオン状態とした際にクランプ回路部４０６から出力される信号は、クランプ電圧である。このノイズ信号は、ノイズサンプリング信号ＴＮがアクティブレベルになることによってスイッチ４０７Ｎａを介して容量４０７Ｎｂに書き込まれる。このノイズ信号には、クランプ回路部４０６のオフセット成分が含まれる。スイッチ４０７Ｓａと容量４０７Ｓｂによって信号サンプルホールド回路４０７Ｓが構成され、スイッチ４０７Ｎａと容量４０７Ｎｂによってノイズサンプルホールド回路４０７Ｎが構成される。サンプルホールド回路部４０７は、信号サンプルホールド回路４０７Ｓとノイズサンプルホールド回路４０７Ｎとを含む。

駆動回路部４１が行選択信号ＶＳＴをアクティブレベルに駆動すると、容量４０７Ｓｂに保持された信号（光信号）がＭＯＳトランジスタ４０８Ｓａおよび行選択スイッチ４０８Ｓｂを介して信号線４５Ｓに出力される。また、同時に、容量４０７Ｎｂに保持された信号（ノイズ）がＭＯＳトランジスタ４０８Ｎａおよび行選択スイッチ４０８Ｎｂを介して信号線４５Ｎに出力される。ＭＯＳトランジスタ４０８Ｓａは、信号線４５Ｓに設けられた不図示の定電流源とソースフォロア回路を構成する。同様に、ＭＯＳトランジスタ４０８Ｎａは、信号線４５Ｎに設けられた不図示の定電流源とソースフォロア回路を構成する。ＭＯＳトランジスタ４０８Ｓａと行選択スイッチ４０８Ｓｂとによって信号用選択回路部４０８Ｓが構成され、ＭＯＳトランジスタ４０８Ｎａと行選択スイッチ４０８Ｎｂによってノイズ用選択回路部４０８Ｎが構成される。選択回路部４０８は、信号用選択回路部４０８Ｓとノイズ用選択回路部４０８Ｎとを含む。

画素４０は、隣接する複数の画素４０の光信号を加算する加算スイッチ４０９Ｓを有してもよい。加算モード時には、加算モード信号ＡＤＤがアクティブレベルになり、加算スイッチ４０９Ｓがオン状態になる。これにより、隣接する画素の容量４０７Ｓｂが加算スイッチ４０９Ｓによって相互に接続されて、光信号が平均化される。同様に、画素４０は、隣接する複数の画素４０のノイズを加算する加算スイッチ４０９Ｎを有していてもよい。加算スイッチ４０９Ｎがオン状態になると、隣接する画素の容量４０７Ｎｂが加算スイッチ４０９Ｎによって相互に接続されて、ノイズが平均化される。加算部４０９は、加算スイッチ４０９Ｓと加算スイッチ４０９Ｎとを含む。

画素４０は、感度を変更するための感度変更部４０５を有していてもよい。画素４０は、例えば、第１感度変換スイッチ４０５ａおよび第２感度変換スイッチ４０５ａ’、並びにそれらに付随する回路素子を含みうる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになると、第１感度変更スイッチ４０５ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第１付加容量４０５ｂの容量値が追加される。これによって画素４０の感度が低下する。第２変更信号ＷＩＤＥ２がアクティブレベルになると、第２感度変更スイッチ４０５ａ’がオンして、電荷電圧変換部の容量値に第２付加容量４０５ｂ’の容量値が追加される。これによって画素４０の感度が更に低下する。このように画素４０の感度を低下させる機能を追加することによって、より大きな光量を受光することが可能となり、ダイナミックレンジを広げることができる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになる場合には、イネーブル信号ＥＮｗをアクティブレベルにして、ＭＯＳトランジスタ４０４ａに代えてＭＯＳトランジスタ４０４ａ’をソースフォロア動作させてもよい。

以上のような画素回路からの出力は、不図示のＡＤ変換器でデジタル値に変換された後、プロセッサ１０３に供給される。そして、プロセッサ１０３において、電圧変換部３０２、比較部３０３、メモリ３０４、及び、検出部３０７に相当する処理が、ソフトウェア上で行われる。

まず、プロセッサ１０３は、電圧変換部３０２に相当する処理として、画素回路の出力の微分値を計算する。次に、プロセッサ１０３は、比較部３０３に相当する処理として、算出した微分値と基準電圧３０６に相当するデジタル値とを比較する。プロセッサ１０３は、当該微分値が基準電圧３０６に相当するデジタル値以上である場合デジタル値「１」を出力し、当該微分値が基準電圧３０６に相当するデジタル値より小さい場合デジタル値「０」を出力する。そして、検出部３０７及びメモリ３０４に相当する処理として、各比較部３０３に相当する処理によって出力される信号パターン３０９に相当するデジタル値と判定基準３０８に相当するデジタル値とを比較しパイルアップの検出を行う。パイルアップの検出の有無に応じて、画素が光を検出した回数をカウントするか否かを決定する。信号パターン３０９は、第１実施形態と同様に、光を検出したことを示す検出信号を出力した画素と、同じ期間に検出信号を出力し該画素から連続する１つ以上の画素との比較部３０３に相当する処理の出力から構成された、複数ビットのデジタル値である。そして、プロセッサ１０３は、カウントされた回数に基づいて画像を生成する。これらの処理は、例えば、プロセッサ１０３のＣＰＵにおいて実行されうる。また、検出回数を記憶する記憶領域は、プロセッサ１０３のメモリに確保される。また、判定基準３０８に相当するデジタル値や、検出部３０７に相当する処理、メモリ３０４に相当する記憶領域は、第１実施形態と同様に複数存在してもよい。その他の照合処理や演算についても同様である。

＜その他の実施形態＞
本発明における電圧変換部３０２、比較部３０３、メモリ３０４及び検出部３０７を含む処理部３３０の各機能は、第１実施形態のようにセンサパネル１０６の各画素２０１に配置する形態であってもよい。また第２実施形態のようにソフトウェア上で全てを行う形態であってもよい。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。処理部３３０で行う処理の少なくとも一部、例えば電圧変換部３０２および比較部３０３をセンサパネル１０６の各画素２０１に配置し、メモリ３０４及び検出部３０７に相当する処理をソフトウェア上で行う形態にしてもよい。また、ソフトウェアではなく、センサパネル１０６の外部に設けられた回路で行う形態にしてもよい。この場合、例えば、当該回路はＦＰＧＡで構成されるとよい。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

１００ 放射線撮像装置、１０５ シンチレータ、１０６ センサパネル、２０１ 画素、３０１ 光検出器、３３０ 処理部

Claims (19)

1. 放射線を光に変換するシンチレータと、前記光を検出する光検出器を有する複数の画素が２次元アレイ状に配されたセンサパネルと、処理部と、を含む放射線撮像装置であって、
   前記処理部は、
   前記複数の画素のそれぞれの前記光検出器で検出された光の強度を示す信号を出力する信号生成部と、
   前記信号のうち基準値を超えるレベルの信号を出力する画素の集合体を識別し、前記集合体のパターンに基づいて、複数の放射線光子が単一の放射線光子として検出されるパイルアップを検出する検出部と、
   を含むことを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記集合体に含まれる画素は、同じ期間に前記信号のうち光が検出されたことを示す検出信号を出力し、１つの注目画素と前記注目画素から連続する１つ以上の画素とで構成され、
   前記検出部は、前記集合体を構成する画素の数、前記集合体を構成する画素の配置、及び、前記集合体のそれぞれから出力される前記検出信号のレベルの少なくとも何れかが、パイルアップを示す１つ以上の判定基準を満たすかを判定することによって、前記集合体からパイルアップを検出することを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記１つ以上の判定基準は、前記集合体を構成する画素の数が所定の数よりも多い場合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。
4. 前記１つ以上の判定基準は、前記集合体から出力される前記検出信号のうち光の強度が所定のレベルよりも高いことを示す前記検出信号が出力された場合を含む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。
5. 前記検出信号は、前記光検出器で検出された光の強度に応じて複数のレベルを有し、
   前記１つ以上の判定基準は、前記集合体から出力される前記検出信号のうち光の強度の最も高いレベルを示す前記検出信号を出力した画素の数が所定の数よりも多い場合を含むことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
6. 前記検出信号は、前記光検出器で検出された光の強度に応じて複数のレベルを有し、
   前記１つ以上の判定基準は、前記集合体を構成する画素の配置において、前記集合体から出力される前記検出信号のレベルが２つ以上のピークを有する場合を含むことを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
7. 前記１つ以上の判定基準は、前記集合体を構成する画素の配置において、行又は列ごとの画素の数が、列又は行方向に減少した後に増加する場合を含むことを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
8. 前記１つ以上の判定基準は、複数の判定基準であり、
   前記検出部は、前記集合体が前記複数の判定基準を満たすかを判定することによって、パイルアップを検出することを特徴とする請求項２乃至７の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 前記検出部は、前記集合体が前記複数の判定基準のうち少なくとも１つの判定基準を満たした場合、パイルアップを検出することを特徴とする請求項８に記載の放射線撮像装置。
10. 前記集合体を構成する前記画素の数が所定の数よりも少ない場合、前記検出部はパイルアップを検出するための判定を行わないことを特徴とする請求項２乃至９の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
11. 前記処理部は、撮像画像を生成するために、
    前記集合体からパイルアップが検出されなかった場合、前記集合体を構成する画素のそれぞれが前記検出信号を出力したことをカウントし、
    前記集合体からパイルアップが検出された場合、前記集合体を構成する画素のそれぞれが前記検出信号を出力したことをカウントしないことを特徴とする請求項２乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
12. 前記処理部は、撮像画像を生成するために、
    前記集合体からパイルアップが検出されなかった場合、前記集合体を構成する画素のそれぞれが前記検出信号を出力したことをカウントし、
    前記集合体からパイルアップが検出された場合、
    複数の放射線光子に起因する前記集合体を、放射線光子のそれぞれに起因する複数の集合体に変換し、
    前記複数の集合体のそれぞれを構成する画素のそれぞれが前記検出信号を出力したことをカウントすることを特徴とする請求項２乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
13. 前記処理部は、撮像画像を生成するために、前記注目画素に隣接する画素で前記検出信号が出力されなかった場合、前記注目画素が前記検出信号を出力したことをカウントすることを特徴とする請求項２乃至１２の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
14. 前記処理部は、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記検出信号が出力されたことをカウントした回数を格納するメモリを含むことを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
15. 前記信号生成部は、
    前記光検出器から出力される信号を電圧信号に変換する電圧変換部と、
    前記電圧信号の電圧を基準電圧と比較し、比較した結果を示す比較結果信号を生成する比較部と、
    を含むことを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
16. 前記検出部は、
    同じ期間に前記比較結果信号のうち光が検出されたことを示す信号を出力した画素の集合体であって、１つの注目画素と前記注目画素から連続する１つ以上の画素とで構成された集合体を識別し、
    前記集合体のパターンに基づいてパイルアップを検出することを特徴とする請求項１５に記載の放射線撮像装置。
17. 前記処理部のうち少なくとも一部が、前記複数の画素の各画素に配されていることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
18. 放射線を光に変換するシンチレータと、前記光を検出する光検出器を有する複数の画素が２次元アレイ状に配されたセンサパネルと、を用いた放射線撮像装置の制御方法であって、
    前記複数の画素のそれぞれの前記光検出器で検出された光の強度を示す信号を出力する工程と、
    前記信号のうち基準値を超えるレベルの信号を出力する画素の集合体を識別する工程と、
    前記集合体のパターンに基づいて、複数の放射線光子が１つの放射線光子として検出されるパイルアップを検出する工程と、
    を含むことを特徴とする制御方法。
19. 請求項１８に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。