JP6747774B2 - 集積回路、光子検出装置、及び放射線分析装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、集積回路、光子検出装置、及び放射線分析装置に関する。

一般に、放射線検出装置は、シンチレータなどの蛍光体に入射された放射線によって発生した光子を検出する光子検出装置と、光子検出装置が検出した信号を増幅させる増幅器と、増幅器が増幅させた信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器とを備える。この場合、放射線検出装置が取得できる放射線によるエネルギーのダイナミックレンジは、Ａ／Ｄ変換器の出力ダイナミックレンジが最大である。よって、放射線検出装置に放射線を効果的に検出させるためには、Ａ／Ｄ変換器の入力段となる光子検出装置及び増幅器の合成利得を、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジに近付ける必要がある。

医療用途などの高計数下で使用するフォトンカウンティング方式の放射線検出装置においては、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード（シリコンフォトマルチプライヤ；Silicon Photo Multiplier：SiPM）や、光電子増倍管等が、光子検出装置として用いられる。光子検出装置の出力は、高速な電流パルスである。よって、光子検出装置のインターフェースとなる回路は、広帯域であることが求められる。また、Ｘ線ＣＴ等に光子検出装置が組み込まれる場合、ガントリー等の限られた空間内に多数の検出器や検出装置を配置する必要があるため、光子検出装置は低消費電力であることが求められる。

特開２００５−２６６０７２号公報 特開２０１１−６７５２７号公報 特開平７−４６０６８号公報

しかしながら、従来は、広帯域であり、かつ利得調整後も帯域を維持する回路構成とするためには、ゲインバンド幅が大きく、消費電力の高いオペアンプを用いる必要があった。本発明が解決しようとする課題は、消費電力を抑えつつ、広帯域で出力電流の利得を調整することができる集積回路、光子検出装置、及び放射線分析装置を提供することを目的とする。

実施形態の集積回路は、入力された電流を複数の電流経路に分流する分流部と、前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に分流した電流を組合せで合成すること、又は前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に電流を分流する分流比を変更することにより、前記分流部に入力された電流の利得を調整する利得調整部と、を有し、前記利得調整部は、前記電流経路の少なくともいずれかに流れる電流を、ダイオードとして機能するトランジスタを介して破棄することにより、前記分流部に入力された電流の利得を調整する。

実施形態にかかる集積回路が備える電流バッファの構成を示すブロック図。 電流バッファの第１構成例を示す図。 電流バッファを備える集積回路の外観の概要を示す斜視図。 電流バッファの第２構成例及び変形例を示す図。 電流バッファの変形例を示す図。 電流バッファの第３構成例を示す図。 電流バッファの第４構成例を示す図。 電流バッファの第５構成例を示す図。 電流バッファの第６構成例を示す図。 実施形態にかかる集積回路が備える電流積分器の構成を示す図。 電流積分器の可変利得積分器周辺の構成を示す図。 可変利得積分器等の動作を示すタイミングチャート。 電流積分器を有する光子検出装置の構成例を示す図。 入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジに近付けるように光子検出装置が行う処理を示す図。 入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジに近付けるように光子検出装置が行う処理過程を例示するグラフ。 放射線検出装置を有する放射線分析装置の構成例を示す構成図。 放射線分析装置における放射線検出装置の位置を模式的に示した模式図。

（実施形態）
図１は、実施形態にかかる第１の集積回路が備える電流バッファ１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、電流バッファ１は、分流部２及び利得調整部３を有し、第１利得調整信号に応じて利得を変更可能にされている。なお、電流バッファの利得は、入力電流に対する出力電流の増倍率である。電流バッファ１は、例えばＣＭＯＳプロセスの集積回路などにおいて形成され、他の回路とともに集積されてもよい。

分流部２は、入力された電流を複数の電流経路に分流する。利得調整部３は、分流部２が複数の電流経路に分流した電流を外部からの第１利得調整信号に応じた組合せで合成することにより、分流部２に入力された電流の利得を調整する。また、利得調整部３は、分流部２が複数の電流経路に電流を分流する分流比を外部からの第１利得調整信号に応じて変更することにより、分流部２に入力された電流の利得を調整するように構成されてもよい。

次に、実施形態にかかる第１の集積回路が備える電流バッファの具体的な構成例について説明する。図２は、電流バッファの第１構成例（電流バッファ１ａ）を示す図である。図２に示すように、電流バッファ１ａは、分流部２ａ及び利得調整部３ａを有し、第１利得調整信号に応じて入力電流Ｉ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔの利得を変更可能にされている。

分流部２ａは、Ｍ_１からＭ_ＮまでのＮ個のトランジスタと、レギュレーションアンプ４とを有する。レギュレーションアンプ４は、非反転入力が任意のバイアス電圧（基準電圧）Ｖ_ｂｉａｓに固定され、反転入力がＭ_１からＭ_Ｎまでのトランジスタのソース端子とショートされ、出力端子がＭ_１からＭ_Ｎまでのトランジスタのゲート端子に接続されている。このように、分流部２ａは、レギュレーテッドカスコード構成の分流回路となっており、入力された電流をＮ個に分流する。なお、Ｍ_１からＭ_Ｎまでの各トランジスタのサイズの係数ｍは、例えば１とする。

利得調整部３ａは、外部から入力される第１利得調整信号に応じて、Ｓ_１からＳ_ＮまでのＮ個のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、分流部２ａの出力であるＭ_１からＭ_ＮまでのＮ個のトランジスタの各ドレイン端子を、接地させるか、出力端に接続するかを切替える。ドレイン端子が接地されたトランジスタに流れるドレイン電流は破棄される。

利得調整部３ａは、接地が選択されたスイッチの個数により、出力電流の利得を変化させる。例えば、接地が選択されたスイッチの個数がｋ個とすると、出力電流の利得は（Ｎ−ｋ）／Ｎ倍となる。また、各トランジスタは、接地か出力のみが選択されるため、入力インピーダンスはＭ_１からＭ_Ｎまでのトランジスタの相互コンダクタンスを合成したｇｍと、レギュレーションアンプ４の利得Ａにより、１／（Ａ×ｇｍ）で表される。なお、レギュレーションアンプ４などのアンプの利得は、入力電圧に対する出力電圧の増倍率である。

電流バッファ１ａは、入力インピーダンスと寄生容量によって入力帯域が決められるので、入力を広帯域化することが可能となっている。なお、電流バッファ１ａは、Ｍ_１からＭ_Ｎまでの各トランジスタのサイズの係数ｍが重みづけされ、スイッチの選択による利得の変動関数が変更されてもよい。

図３は、電流バッファ１ａを備える集積回路１００の外観の概要を示す斜視図である。電流バッファ１ａは、例えばＣＭＯＳプロセスのチップ内に集積され、パッケージ内に封止される。

以下、電流バッファ１の複数の構成例について説明する。図４は、電流バッファの第２構成例（電流バッファ１ｂ）及び変形例（電流バッファ１ｃ）を示す図である。図４（ａ）に示すように、電流バッファ１ｂは、分流部２ｂ及び利得調整部３ａを有し、第１利得調整信号に応じて入力電流Ｉ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔの利得を変更可能にされている。

電流バッファ１ｂは、図２に示した電流バッファ１ａに対して、分流部２ｂにレギュレーションアンプ４が設けられていない点が異なる。即ち、電流バッファ１ｂは、分流部２ｂにレギュレーションアンプ４が設けられず、任意のバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓがＭ_１からＭ_ＮまでのＮ個のトランジスタのゲート端子に印加されるゲート接地増幅回路の構成を備えている。

図４（ｂ）に示すように、電流バッファ１ｃは、分流部２ｂ及び利得調整部３ｂを有し、第１利得調整信号に応じて入力電流Ｉ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔの利得を変更可能にされている。利得調整部３ｂは、外部から入力される第１利得調整信号に応じて、Ｓ_１からＳ_Ｎ−１までのＮ−１個のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、例えば分流部２ｂの出力であるＭ_２からＭ_ＮまでのＮ−１個のトランジスタの各ドレイン端子を、接地させるか、Ｖｄｄに接続するかを切替える。

利得調整部３ｂは、接地が選択されたスイッチの個数により、Ｍ_１のトランジスタに流れるドレイン電流（即ち出力電流Ｉ_ｏｕｔ）の入力電流Ｉ_ｉｎに対する分流比を変化させる。また、利得調整部３ｂは、トランジスタのドレイン端子がＶｄｄに接続された場合、図２に示した利得調整部３ａとは利得調整幅が異なることとなる。

図５は、電流バッファ１ａの変形例（電流バッファ１ｄ）を示す図である。図５（ａ）に示した電流バッファ１ａの利得調整部３ａは、図５（ｂ）に示した電流バッファ１ｄにおいて、上述した利得調整部３ｂに替えられている。

図６は、電流バッファの第３構成例（電流バッファ１ｅ）を示す図である。図６に示すように、電流バッファ１ｅは、分流部２ｂ及び利得調整部３ｃを有し、第１利得調整信号に応じて入力電流Ｉ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔの利得を変更可能にされている。

電流バッファ１ｅは、図４（ａ）に示した電流バッファ１ｂに対して、利得調整部３ｃにおけるＳ_１からＳ_ＮまでのＮ個のスイッチの接地側に、それぞれダイオードとして機能するトランジスタ５が設けられている点が異なる。つまり、利得調整部３ｃは、トランジスタ５を介して分流された電流を破棄することにより、分流部２ｂに入力された電流の利得を調整する。

トランジスタ５は、例えば電流バッファ１ｅの後段に接続されるトランジスタ（出力電流Ｉ_ｏｕｔが入力される後段の回路のトランジスタ）の大きさに応じて設けられる。電流バッファ１ｅは、Ｓ_１からＳ_ＮまでのＮ個のスイッチにトランジスタ５が設けられることにより、Ｍ_１からＭ_Ｎまでの各トランジスタのインピーダンスが揃えられる。なお、トランジスタ５は、上述した電流バッファ１のいずれの構成例にも設けられてよい。

図７は、電流バッファの第４構成例（電流バッファ１ｆ）を示す図である。図７に示すように、電流バッファ１ｆは、分流部２ｃ及び利得調整部３ｄを有し、第１利得調整信号に応じて入力電流Ｉ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔの利得を変更可能にされている。

分流部２ｃは、Ｍ_１及びＭ_２のトランジスタと、抵抗Ｒ_１と、レギュレーションアンプ４とを有する。レギュレーションアンプ４は、非反転入力が任意のバイアス電圧（基準電圧）Ｖ_ｂｉａｓに固定され、反転入力がＭ_１及びＭ_２のトランジスタのソース端子とショートされている。また、レギュレーションアンプ４は、出力端子がＭ_１及び抵抗Ｒ_１を介して可変電流源である利得調整部３ｄによりバイアスされたＭ_２のトランジスタのゲート端子に接続されている。このように、分流部２ｃは、レギュレーテッドカスコード構成の分流回路により、入力された電流の分流を行う。なお、Ｍ_１及びＭ_２のトランジスタのサイズの係数ｍは例えば１とする。

ここで、Ｍ_１のゲート電位をＶｇ１とし、利得調整部３ｄの電流値をＩ_ａｄｊとすると、Ｍ_２のゲート電位Ｖｇ２は、Ｖｇ２＝Ｖｇ１−Ｒ_１×Ｉ_ａｄｊとなる。

利得調整部３ｄは、外部から入力される第１利得調整信号に応じて、自身が流す電流Ｉ_ａｄｊを変化させることにより、Ｍ_１から出力された電流を、入力電流Ｉ_ｉｎからＶｇ２／Ｖｇ１の比率で分流された結果として出力させる。

図８は、電流バッファの第５構成例（電流バッファ１ｇ）を示す図である。図８に示すように、電流バッファ１ｇは、分流部２ｄ及び利得調整部３ｅを有し、第１利得調整信号に応じて入力電流Ｉ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔの利得を変更可能にされている。

分流部２ｄは、Ｍ_１及びＭ_２のトランジスタと、固定抵抗Ｒ_１と、レギュレーションアンプ４とを有する。固定抵抗Ｒ_１は、一方がＭ_１のソースに接続され、他方がレギュレーションアンプ４の入力端に接続されている。レギュレーションアンプ４は、非反転入力が任意のバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓに固定され、反転入力が分流部２ｄの入力端子とショートされ、出力端子がＭ_１及びＭ_２のトランジスタのゲート端子に接続されている。Ｍ_１及びＭ_２のトランジスタのサイズの係数ｍは１とする。このように、分流部２ｄは、レギュレーテッドカスコード構成の分流回路により、入力された電流の分流を行う。

利得調整部３ｅは、一方がＭ_２のソース端子に接続され、他方が分流部２ｄの入力端に接続された可変抵抗Ｒ_２であり、外部から入力される第１利得調整信号に応じて、抵抗値を変化させることにより、Ｍ_１から出力された電流を分流された結果として出力させる。ここで、Ｒ_１の抵抗値をｒ、Ｒ_２の抵抗値をｒ_ａｄｊとすると、Ｍ_１に流れるドレイン電流、つまり出力電流Ｉ_ｏｕｔは、Ｉ_ｉｎ×ｒ_ａｄｊ／（ｒ＋ｒ_ａｄｊ）となる。

図９は、電流バッファの第６構成例（電流バッファ１ｈ）を示す図である。図９に示すように、電流バッファ１ｈは、分流部２ｅ及び利得調整部３ｆを有し、第１利得調整信号に応じて入力電流Ｉ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔの利得を変更可能にされている。

分流部２ｅは、Ｍ_１及びＭ_２のトランジスタと、固定抵抗Ｒ_２と、レギュレーションアンプ４とを有する。固定抵抗Ｒ_２は、一方がＭ_２のソースに接続され、他方が分流部２ｅの入力端に接続されている。レギュレーションアンプ４は、非反転入力が任意のバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓに固定され、反転入力が分流部２ｅの入力端子とショートされ、出力端子がＭ_１及びＭ_２のトランジスタのゲート端子に接続されている。Ｍ_１及びＭ_２のトランジスタのサイズの係数ｍは１とする。このように、分流部２ｅは、レギュレーテッドカスコード構成の分流回路により、入力された電流の分流を行う。

利得調整部３ｆは、一方がＭ_１のソース端子に接続され、他方がレギュレーションアンプ４の入力端に接続された可変抵抗Ｒ_１であり、外部から入力される第１利得調整信号に応じて、抵抗値を変化させることにより、Ｍ_１から出力された電流を分流された結果として出力させる。ここで、Ｒ_２の抵抗値をｒ、Ｒ_１の抵抗値をｒ_ａｄｊとすると、Ｍ_１に流れるドレイン電流、つまり出力電流Ｉ_ｏｕｔは、Ｉ_ｉｎ×ｒ_ａｄｊ／（ｒ＋ｒ_ａｄｊ）となる。

このように、電流バッファ１は、分流部２が複数の電流経路に分流した電流を外部からの第１利得調整信号に応じた組合せで合成すること、又は分流部２が複数の電流経路に電流を分流する分流比を外部からの第１利得調整信号に応じて変更することにより、分流部２に入力された電流の利得を調整するので、消費電力を抑えつつ、広帯域で出力電流の利得を調整することができる。

次に、実施形態にかかる第２の集積回路が備える電流積分器について説明する。図１０は、実施形態にかかる第２の集積回路が備える電流積分器２００の構成を示す図である。図１０に示すように、電流積分器２００は、上述した電流バッファ１と、利得調整機能を備えた可変利得積分器６とを有し、第１利得調整信号及び第２利得調整信号に応じて利得を変更可能にされている。なお、可変利得積分器６の利得とは、入力電流に対する出力電圧の変換倍率であるとする。

可変利得積分器６は、切替部７と、蓄積部８とを有する。切替部７は、Ｓ_ｓ１からＳ_ｓＮまでのＮ個の選択スイッチと、積分ノード７０とを有し、蓄積部８が蓄積した電荷の総和を電圧として積分ノード７０を介して出力する。蓄積部８は、Ｃ_１からＣ_ＮまでのＮ個のキャパシタと、Ｓ_ｒ１からＳ_ｒＮまでのＮ個のリセットスイッチとを有し、切替部７の各選択スイッチ、及び各リセットスイッチの動作に応じて、電流電圧変換（電荷の蓄積）及びリセットを行う。そして、可変利得積分器６は、外部から入力される第２利得調整信号に応じて選択スイッチをＯＮする個数を変えることにより、電流電圧変換利得を変えることが可能にされている。

次に、実施形態にかかる第２の集積回路の変形例について説明する。図１１は、実施形態にかかる第２の集積回路の変形例が備える電流積分器２００の可変利得積分器６周辺の構成を示す図である。図１１に示すように、第２の集積回路の変形例においては、可変利得積分器６の前段に設けられたスイッチＳ_ｉｎと、可変利得積分器６の後段にスイッチＳ_ｔｒａを介して接続された変換部９が設けられている。

スイッチＳ_ｉｎは、外部から入力される積分ゲート信号に応じて、電流バッファ１と可変利得積分器６とを短絡する。つまり、スイッチＳ_ｉｎがＯＮになると、電流バッファ１が出力したＩ_ｏｕｔが、可変利得積分器６に対する入力電流Ｉ_ｉｎとなる。

変換部９は、アンプ（増幅器）９０と、アンプ９０の帰還部に設けられた可変容量（又は固定容量）Ｃｆと、スイッチＳ_ｒｓｔとを有し、可変利得積分器６が変更した電圧の利得を変換するとともに、可変利得積分器６のインピーダンスを変換する。可変容量Ｃｆは、外部から入力される第３利得調整信号に応じて、容量値が変更される。スイッチＳ_ｒｓｔは、外部から入力されるリセットゲート信号に応じてＯＮ／ＯＦＦが切替えられ、ＯＮになった場合に変換部９をリセットする。スイッチＳ_ｔｒａは、外部から入力される転送ゲート信号に応じて、可変利得積分器６と変換部９とを短絡させる。

可変利得積分器６は、第２利得調整信号に応じて、積分ノード７０に対して接続されるキャパシタＣの数が変更されることにより、電流電圧変換利得が変えられる。変換部９は、第３利得調整信号に応じて、アンプ９０の帰還容量である可変容量Ｃｆの容量値が変更されることにより、積分ノード７０に充電された電荷を転送する場合の出力電圧の利得を変換する。例えば、Ｓ_ｓ１がＯＮにされてＣ_１が積分ノード７０に接続されている場合、Ｃ_１に充電された電荷によって出力される電圧は、変換部９によって利得がＣｆ／Ｃ_１倍に変換される。

図１２は、図１１に示した第２の集積回路の変形例における可変利得積分器６等の動作を示すタイミングチャートである。図１２に示すように、積分ゲート信号に応じてスイッチＳ_ｉｎがＯＮしている間に、入力電流Ｉ_ｉｎ（電流バッファ１の出力電流Ｉ_ｏｕｔ）が積分ノード７０に入力され、入力電流Ｉ_ｉｎによる電荷が蓄積部８に蓄積される。つまり、積分ノード７０が充電される。

積分ゲート信号に応じてスイッチＳ_ｉｎがＯＦＦになると、転送ゲート信号に応じてスイッチＳ_ｔｒａがＯＮにされる。すると、積分ノード７０に充電されている電荷が電圧変換されて変換部９へ出力される。転送ゲート信号に応じてスイッチＳ_ｔｒａがＯＦＦにされると、リセットゲート信号に応じてスイッチＳ_ｒｓｔがＯＮにされ、変換部９がリセットされる。

次に、電流積分器２００を有する光子検出装置３００について説明する。図１３は、電流積分器２００を有する光子検出装置３００の構成例を示す図である。光子検出装置３００は、光子検出部（光電変換部）３０１、電源（電圧供給部）３０２、電流積分器２００、Ａ／Ｄ変換器３０３及び制御部３０４を有する。

光子検出部３０１は、例えばクエンチング抵抗をそれぞれ直列に接続された複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が二次元に配置されたシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）などである。光子検出部３０１は、例えば入射される光子数に応じた電荷量を示すパルス（フォトンカウンター信号）を生成し、パルスを組み合わせた電流を出力することにより、光子数の計数を可能にする。また、光子検出部３０１は、光電子増倍管などキャリア増倍機構を有する他の検出器であってもよい。

電源３０２は、光子検出部３０１に対して所定の電圧を供給する。Ａ／Ｄ変換器３０３は、電流積分器２００が出力した電圧をＡ／Ｄ変換する。制御部３０４は、光子検出装置３００を構成する各部を制御する。特に、制御部３０４は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲がＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジと異なる場合に、電流積分器２００に対して第１利得調整信号及び第２利得調整信号の少なくともいずれかを出力することにより、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに近付けるように制御する。

また、光子検出装置３００を用いて放射線を検出する場合、シンチレータなどの蛍光体に放射線を入射し、蛍光体が発生させた光子（フォトン）を光子検出装置３００が検出する。蛍光体が発生させる光子数は、蛍光体に入射される放射線のエネルギーに比例する。従って、蛍光体が発生させる光子数に応じてアバランシェフォトダイオードなどが発生させるパルスを計数することにより、放射線のエネルギーを測定することが可能である。

次に、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに近付けるように光子検出装置３００が行う処理（最適化）について説明する。図１４は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに近付けるように光子検出装置３００が行う処理を示す図である。図１５は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに近付けるように光子検出装置３００が行う処理過程を例示するグラフである。

Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに近付けるように制御する場合、例えば特定のエネルギーの放射線光子を放射する任意の放射線源が参照光源として用いられる。光子検出装置３００は、放射線光子を受光した光子検出部３０１の出力を電流積分器２００によって増幅させ、Ａ／Ｄ変換器３０３がＡ／Ｄ変換した結果を光子検出装置３００がヒストグラム化（ヒストグラム生成）する（図１４：Ｓ１００）。

制御部３０４は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲がＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに適した範囲であるか否かを判定（レンジアウト判定）する（Ｓ１０２）。制御部３０４は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲がＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに適した範囲である場合には、電流積分器２００の出力範囲を確定させて範囲の最適化を完了させる（Ｓ１０４）。

また、制御部３０４は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲がＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに適した範囲でない（レンジアウト）場合には、電流積分器２００に対して第１利得調整信号及び第２利得調整信号の少なくともいずれかを出力することにより、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲をＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに近付けるように制御する。

即ち、制御部３０４は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲がＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに対してオーバーしている（オーバーレンジ）場合（Ｓ１０６）には、電流積分器２００の利得を下げ（Ｓ１０８）、Ｓ１００の処理に戻る。また、制御部３０４は、Ａ／Ｄ変換器３０３に入力される電圧範囲がＡ／Ｄ変換器３０３のダイナミックレンジに対して不足している（レンジ不足）場合（Ｓ１１０）には、電流積分器２００の利得を上げ（Ｓ１１２）、Ｓ１００の処理に戻る。

例えば、光子検出装置３００によって取得したい放射線光子の最大エネルギーレンジが１２８ｋｅＶであるとする。また、光子検出装置３００におけるＡ／Ｄ変換器３０３の出力最大値が２５６ｂｉｎであるとすると、１ｂｉｎに割り当てられるエネルギーは０．５ｋｅＶ／ｂｉｎとなる。

ここで、参照光源にコバルトが用いられるとする。コバルトは、１２２ｋｅＶにエネルギーピークを有する放射線光子を放射する。このエネルギーピークは、最適化後のＡ／Ｄ変換器３０３の出力においては２４４ｂｉｎに相当する。よって、最適化完了の指標を２４４ｂｉｎに対して±１％以内にコバルトのエネルギーピークが入った時とする。

光子検出装置３００は、最適化開始前には、電流積分器２００の利得が任意値に設定されている。ここで、光子検出装置３００は、最適化を開始してヒストグラムを生成する。制御部３０４は、生成したヒストグラムを用いて、コバルトのピークが２４４ｂｉｎ±１％に対してレンジアウトしているか否かを判定する。このとき、例えば、図１５（ａ）に示したように、オーバーレンジであったとする。

オーバーレンジの場合、制御部３０４は、電流積分器２００の利得を下げる。そして、制御部３０４が再びヒストグラムを生成してレンジアウトしているか否かを判定したときに、例えば、図１５（ｂ）に示したように、レンジ不足であったとする。

レンジ不足の場合、制御部３０４は、電流積分器２００の利得を上げる。そして、制御部３０４が再びヒストグラムを生成してレンジアウトしているか否かを判定したときに、例えば、図１５（ｃ）に示したように、少しオーバーレンジであったとする。

そして、制御部３０４は、再び電流積分器２００の利得を下げた結果、図１５（ｄ）に示したように、２４４ｂｉｎに対して±１％以内にコバルトのエネルギーピークが入ったときに、ダイナミックレンジの最適化が完了したとする。

（実施例）
次に、放射線検出装置４００として機能する光子検出装置３００を有する放射線分析装置について説明する。図１６は、光子検出装置３００を備えた放射線検出装置４００を有する放射線分析装置の構成例を示す構成図である。図１７は、図１６に示した放射線分析装置における放射線検出装置４００の位置を模式的に示した模式図である。放射線分析装置は、フォトンカウンティングＣＴを実行可能なＸ線ＣＴ装置である。すなわち、放射線分析装置は、放射線検出装置４００を備え、フォトンカウンティングによって被検体を透過したＸ線に由来する光子も計数することにより、ＳＮ比の高いＸ線ＣＴ画像データを再構成可能な装置である。

個々の光子は、異なるエネルギーを有する。フォトンカウンティングＣＴでは、光子のエネルギー値の計測を行なうことにより、Ｘ線のエネルギー成分の情報を得ることができる。フォトンカウンティングＣＴでは、１種類の管電圧でＸ線を照射することで収集されたデータを複数のエネルギー成分に分けて画像化することができる。

図１６に示すように、放射線分析装置は、架台装置１０と、寝台装置２０と、コンソール装置３０とを有する。

架台装置１０は、被検体ＰにＸ線を照射し、被検体Ｐを透過したＸ線を計数する装置であり、Ｘ線照射制御部１１と、Ｘ線発生装置１２と、検出器１３（放射線検出装置４００を含む）と、収集部１４と、回転フレーム１５と、架台駆動部１６とを有する。

回転フレーム１５は、Ｘ線発生装置１２と検出器１３とを被検体Ｐを挟んで対向するように支持し、後述する架台駆動部１６によって被検体Ｐを中心とした円軌道にて高速に回転する円環状のフレームである。

Ｘ線発生装置（放射線源）１２は、Ｘ線を発生し、発生したＸ線を被検体Ｐへ照射する装置であり、Ｘ線管１２ａと、ウェッジ１２ｂと、コリメータ１２ｃとを有する。

Ｘ線管１２ａは、後述するＸ線照射制御部１１により供給される高電圧により被検体ＰにＸ線ビームを照射する真空管であり、回転フレーム１５の回転にともなって、Ｘ線ビームを被検体Ｐに対して照射する。Ｘ線管１２ａは、ファン角及びコーン角を持って広がるＸ線ビームを発生する。

ウェッジ１２ｂは、Ｘ線管１２ａから曝射されたＸ線のＸ線量を調節するためのＸ線フィルタである。具体的には、ウェッジ１２ｂは、Ｘ線管１２ａから被検体Ｐへ照射されるＸ線が、予め定められた分布になるように、Ｘ線管１２ａから曝射されたＸ線を透過して減衰するフィルタである。

例えば、ウェッジ１２ｂは、所定のターゲット角度や所定の厚みとなるようにアルミニウムを加工したフィルタである。なお、ウェッジは、ウェッジフィルタ（wedge filter）や、ボウタイフィルタ（bow-tie filter）とも呼ばれる。また、放射線分析装置は、撮影条件に応じて切り替えられる複数種類のウェッジ１２ｂを有する。例えば、後述するＸ線照射制御部１１は、撮影条件に応じてウェッジ１２ｂを切り替える。例えば、Ｘ線発生装置１２は、２種類のウェッジを有する。

コリメータ１２ｃは、後述するＸ線照射制御部１１の制御により、ウェッジ１２ｂによってＸ線量が調節されたＸ線の照射範囲を絞り込むためのスリットである。

Ｘ線照射制御部１１は、高電圧発生部として、Ｘ線管１２ａに高電圧を供給する装置であり、Ｘ線管１２ａは、Ｘ線照射制御部１１から供給される高電圧を用いてＸ線を発生する。Ｘ線照射制御部１１は、Ｘ線管１２ａに供給する管電圧や管電流を調整することで、被検体Ｐに対して照射されるＸ線量を調整する。

また、Ｘ線照射制御部１１は、ウェッジ１２ｂの切り替えを行なう。また、Ｘ線照射制御部１１は、コリメータ１２ｃの開口度を調整することにより、Ｘ線の照射範囲（ファン角やコーン角）を調整する。なお、放射線分析装置は、複数種類のウェッジを、操作者が手動で切り替えるものであってもよい。

架台駆動部１６は、回転フレーム１５を回転駆動させることによって、被検体Ｐを中心とした円軌道上でＸ線発生装置１２と検出器１３とを旋回させる。

検出器１３は、図１７に示した位置に放射線検出装置４００を備え、Ｘ線が入射するごとに、当該Ｘ線のエネルギー値を計測可能な信号を出力する。放射線検出装置４００は、図示しない蛍光体に入射されたＸ線により発生した光子を複数のＡＰＤピクセルによって検出する構成となっている。Ｘ線は、例えば、Ｘ線管１２ａから照射され被検体Ｐを透過したＸ線である。放射線分析装置は、演算処理を行なうことで、放射線検出装置４００が検出した放射線のエネルギー値を計測することができる。

収集部１４（図１６）は、検出器１３の出力信号を用いた計数処理の結果である計数情報を収集する。すなわち、収集部１４は、検出器１３から出力される個々の信号を弁別して、計数情報を収集する。計数情報は、Ｘ線管１２ａから照射され被検体Ｐを透過したＸ線が入射するごとに検出器１３が出力した個々の信号から収集される情報である。具体的には、検出器１３に入射したＸ線の計数値とエネルギー値とが対応付けられた情報である。収集部１４は、収集した計数情報を、コンソール装置３０に送信する。

寝台装置２０は、被検体Ｐを載せる装置であり、天板２２と、寝台駆動装置２１とを有する。天板２２は、被検体Ｐが載置される板であり、寝台駆動装置２１は、天板２２をＺ軸方向へ移動して、被検体Ｐを回転フレーム１５内に移動させる。

なお、架台装置１０は、例えば、天板２２を移動させながら回転フレーム１５を回転させて被検体Ｐをらせん状にスキャンするヘリカルスキャンを実行する。または、架台装置１０は、天板２２を移動させた後に被検体Ｐの位置を固定したままで回転フレーム１５を回転させて被検体Ｐを円軌道にてスキャンするコンベンショナルスキャンを実行する。または、架台装置１０は、天板２２の位置を一定間隔で移動させてコンベンショナルスキャンを複数のスキャンエリアで行なうステップアンドシュート方式を実行する。

コンソール装置３０は、操作者による放射線分析装置の操作を受け付けるとともに、架台装置１０によって収集された計数情報を用いてＸ線ＣＴ画像データを再構成する装置である。コンソール装置３０は、入力装置３１と、表示装置３２と、スキャン制御部３３と、前処理部３４と、投影データ記憶部３５と、画像再構成部３６と、画像記憶部３７と、制御部３８とを有する。

入力装置３１は、放射線分析装置の操作者が各種指示や各種設定の入力に用いるマウスやキーボード等を有し、操作者から受け付けた指示や設定の情報を、制御部３８に転送する。例えば、入力装置３１は、操作者から、Ｘ線ＣＴ画像データの撮影条件や、Ｘ線ＣＴ画像データを再構成する際の再構成条件や、Ｘ線ＣＴ画像データに対する画像処理条件等を受け付ける。

表示装置３２は、操作者によって参照されるモニタであり、制御部３８による制御のもと、Ｘ線ＣＴ画像データを操作者に表示したり、入力装置３１を介して操作者から各種指示や各種設定等を受け付けるためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したりする。

スキャン制御部３３は、後述する制御部３８の制御のもと、Ｘ線照射制御部１１、架台駆動部１６、収集部１４及び寝台駆動装置２１の動作を制御することで、架台装置１０における計数情報の収集処理を制御する。

前処理部３４は、収集部１４から送信された計数情報に対して、対数変換処理、オフセット補正、感度補正、ビームハードニング補正等の補正処理を行なうことで、投影データを生成する。

投影データ記憶部３５は、前処理部３４により生成された投影データを記憶する。すなわち、投影データ記憶部３５は、Ｘ線ＣＴ画像データを再構成するための投影データ（補正済み計数情報）を記憶する。なお、以下では、投影データを計数情報として記載する場合がある。

画像再構成部３６は、投影データ記憶部３５が記憶する投影データを用いてＸ線ＣＴ画像データを再構成する。再構成方法としては、種々の方法があり、例えば、逆投影処理が挙げられる。また、逆投影処理としては、例えば、ＦＢＰ（Filtered Back Projection）法による逆投影処理が挙げられる。また、画像再構成部３６は、Ｘ線ＣＴ画像データに対して各種画像処理を行なうことで、画像データを生成する。画像再構成部３６は、再構成したＸ線ＣＴ画像データや、各種画像処理により生成した画像データを画像記憶部３７に格納する。

ここで、フォトンカウンティングＣＴで得られる計数情報から生成された投影データには、被検体Ｐを透過することで減弱されたＸ線のエネルギー情報が含まれている。このため、画像再構成部３６は、例えば、特定のエネルギー成分のＸ線ＣＴ画像データを再構成することができる。また、画像再構成部３６は、例えば、複数のエネルギー成分それぞれのＸ線ＣＴ画像データを再構成することができる。

また、画像再構成部３６は、例えば、各エネルギー成分のＸ線ＣＴ画像データの各画素にエネルギー成分に応じた色調を割り当て、エネルギー成分に応じて色分けされた複数のＸ線ＣＴ画像データを生成することができ、更に、これら複数のＸ線ＣＴ画像データを重畳した画像データを生成することができる。

また、画像再構成部３６は、物質固有のＫ吸収端を利用して、当該物質の同定が可能となる画像データを生成することができる。Ｋ吸収端の前後では、Ｘ線の減弱係数が大きく異なるため、計数値も大きく変化する。例えば、画像再構成部３６は、Ｋ吸収端より小さいエネルギー領域の計数情報を再構成した画像データと、当該Ｋ吸収端より大きいエネルギー領域の計数情報を再構成した画像データとを差分した差分画像データを生成する。例えば、造影剤の主成分のＫ吸収端を用いて生成された差分画像データは、当該造影剤が存在する領域が主に描出された画像となる。また、画像再構成部３６が生成する他の画像データとしては、単色Ｘ線画像データや密度画像データ、実効原子番号画像データ等が挙げられる。

制御部３８は、架台装置１０、寝台装置２０及びコンソール装置３０の動作を制御することによって、放射線分析装置の全体制御を行う。具体的には、制御部３８は、スキャン制御部３３を制御することで、架台装置１０で行なわれるＣＴスキャンを制御する。また、制御部３８は、前処理部３４や、画像再構成部３６を制御することで、コンソール装置３０における画像再構成処理や画像生成処理を制御する。また、制御部３８は、画像記憶部３７が記憶する各種画像データを、表示装置３２に表示するように制御する。

なお、放射線検出装置４００（光子検出装置３００）は、上述したＸ線ＣＴ装置以外にも用いられる。例えば、放射線検出装置４００は、Ｘ線診断装置、ＰＥＴ（Positron Emission computed Tomography）装置及びＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission Computed Tomography）装置等の核医学イメージング装置、並びにＸ線ＣＴ装置と核医学イメージング装置とを組み合わせた「ＰＥＴ−ＣＴ装置」及び「ＳＰＥＣＴ−ＣＴ装置」等にも用いられる。また、放射線検出装置４００は、ＰＥＴ装置の受光部として用いられ、ＭＲＩ（磁気共鳴画像装置）が組み合わされた装置を構成してもよい。

また、本発明のいくつかの実施形態を複数の組み合わせによって説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１ａ〜１ｈ 電流バッファ
２，２ａ〜２ｅ 分流部
３，３ａ〜３ｆ 利得調整部
４ レギュレーションアンプ
５ トランジスタ
６ 可変利得積分器
７ 切替部
８ 蓄積部
９ 変換部
１０ 架台装置
１２ Ｘ線発生装置（放射線源）
２０ 寝台装置
３０ コンソール装置
７０ 積分ノード
９０ アンプ
１００ 集積回路
２００ 電流積分器
３００ 光子検出装置
３０１ 光子検出部
３０２ 電源（電圧供給部）
３０３ Ａ／Ｄ変換器
３０４ 制御部
４００ 放射線検出装置

Claims (9)

1. 入力された電流を複数の電流経路に分流する分流部と、
   前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に分流した電流を組合せで合成すること、又は前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に電流を分流する分流比を変更することにより、前記分流部に入力された電流の利得を調整する利得調整部と、を有し、
   前記利得調整部は、前記電流経路の少なくともいずれかに流れる電流を、ダイオードとして機能するトランジスタを介して破棄することにより、前記分流部に入力された電流の利得を調整する、
   集積回路。
2. 入力された電流を複数の電流経路に分流する分流部と、
   前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に分流した電流を組合せで合成すること、又は前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に電流を分流する分流比を変更することにより、前記分流部に入力された電流の利得を調整する利得調整部と、
   前記利得調整部が利得を調整した電流を、外部からの第２利得調整信号に応じて積分し、利得を調整した電圧に変換する可変利得積分器と、
   を有する集積回路。
3. 入力された電流を複数の電流経路に分流する分流部と、
   前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に分流した電流を組合せで合成すること、又は前記複数の電流経路のそれぞれに設けられた選択スイッチを外部からの第１利得調整信号に応じて切り替えて、前記分流部が複数の電流経路に電流を分流する分流比を変更することにより、前記分流部に入力された電流の利得を調整する利得調整部と、
   前記利得調整部が利得を調整した電流を、外部からの第２利得調整信号に応じて積分し、利得を調整した電圧に変換する可変利得積分器と、
   を有し、
   前記利得調整部は、前記電流経路の少なくともいずれかに流れる電流を、ダイオードとして機能するトランジスタを介して破棄することにより、前記分流部に入力された電流の利得を調整する、
   集積回路。
4. 前記電流経路は、
   ゲートに所定の電圧が印加されてドレイン電流を流すトランジスタである
   請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の集積回路。
5. 前記分流部は、
   前記トランジスタのゲートそれぞれに対し、外部から入力される基準電圧に応じて所定の電圧を印加するレギュレーションアンプをさらに有する
   請求項４に記載の集積回路。
6. 前記利得調整部は、
   前記電流経路の少なくともいずれかに流れる電流量を変化させることにより、前記分流比を変更する
   請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の集積回路。
7. 前記可変利得積分器が変換した電圧の利得を変換するとともに、前記可変利得積分器のインピーダンスを変換する変換部をさらに有する
   請求項２又は３に記載の集積回路。
8. 光子が入射されることによって電流を請求項６に記載の集積回路に対して出力する光子検出部と、
   前記光子検出部に電圧を供給する電圧供給部と、
   請求項６に記載の集積回路が利得を調整して変換した電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器に入力される電圧範囲が前記Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジと異なる場合に、請求項６に記載の集積回路に対して前記第１利得調整信号及び前記第２利得調整信号の少なくともいずれかを出力することにより、前記Ａ／Ｄ変換器に入力される電圧範囲を前記Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジに近付けるように制御する制御部と、
   を有する光子検出装置。
9. 放射線源と、
   前記放射線源が放射した放射線に起因する光子を検出する請求項８に記載の光子検出装置と、
   を有する放射線分析装置。

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