JP6934769B2 - 放射線撮像装置および放射線撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射線撮像装置および放射線撮像方法に関する。

放射線撮像装置を応用した撮影方法としてエネルギーサブトラクション法がある。エネルギーサブトラクション法は、被検体に照射する放射線のエネルギーを異ならせて複数回にわたって撮像して得た複数の画像を処理することによって新たな画像（例えば、骨画像および軟部組織画像）を得る方法である。複数の放射線画像を撮像する時間間隔は、例えば、静止画撮像用の放射線撮像装置では数秒以上、通常の動画用の放射線撮像装置では１００ミリ秒程度であり、高速の動画用の放射線撮像装置でも１０ミリ秒程度である。この時間間隔において被検体が動くと、その動きによるアーチファクトが生じてしまう。したがって、心臓などのように動きが速い被検体の放射線画像をエネルギーサブトラクション法によって得ることは困難であった。

特許文献１には、デュアルエネルギー撮影を行うシステムが記載されている。このシステムでは、撮影の際にＸ線源の管電圧が第１ｋＶ値にされた後に第２ｋＶ値に変更される。そして、管電圧が第１ｋＶ値であるときに第１副画像に対応する第１信号が積分され、積分された信号がサンプル・ホールドノードに転送された後に、積分がリセットされる。その後、管電圧が第２ｋＶ値であるときに第２副画像に対応する第２信号が積分される。これにより、積分された第１信号の読み出しと第２信号の積分が並行して行われる。

特表２００９−５０４２２１公報

特許文献１の方法で複数回にわたってＸ線を曝射して複数フレームの動画撮像を行う場合、Ｘ線を曝射してからサンプル・ホールドノードへの信号の転送を行うまでの時間がフレームごとに異なる可能性がある。これによって、フレーム間で第１副画像のエネルギーおよび線量が互いに異なり、またフレーム間で第２副画像のエネルギーおよび線量が互いにことなることになり、エネルギーサブトラクションの精度が低下しうる。

本発明は、放射線の照射開始から信号のサンプルホールドまでの時間の変動を低減するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、複数の画素を有する画素アレイと、前記画素アレイから信号を読み出す読出回路とを備える放射線撮像装置に係り、前記放射線撮像装置は、放射線源から放射された放射線または前記放射線源から提供される情報に基づいて前記放射線源による放射線の照射の開始を検出する検出部と、前記検出部によって放射線の照射の開始が検出される度に、互いに異なる複数のエネルギーにおける放射線画像が得られるように前記複数の画素の各々における複数回のサンプルホールドのタイミングを決定する制御部と、を備え、前記複数回のサンプルホールドのうち少なくとも１回のサンプルホールドのタイミングは、放射線の照射期間におけるタイミングであり、前記複数の画素の各々は、放射線を電気信号に変換する変換素子と、前記制御部によって決定された前記複数回のサンプルホールドのタイミングに従って前記変換素子からの信号を複数回にわたってサンプルホールドするサンプルホールド回路とを含む。

本発明によれば、放射線の照射開始から信号のサンプルホールドまでの時間の変動を低減するために有利な技術が提供される。

本発明の第１実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。 撮像部の構成例を示す図。 １つの画素の構成例を示す図。 拡張モード１（比較例）における放射線撮像装置の動作を示す図。 拡張モード１（比較例）における課題を説明する図。 拡張モード２における放射線撮像装置の動作を示す図。 検出部が放射線源からの放射線の照射の開始を検出する方法を示す図。 拡張モード２におけるフレームレートを説明する図。 拡張モード３における放射線撮像装置の動作を示す図。 拡張モード４における放射線撮像装置の動作を示す図。 本発明の第２実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。 本発明の第３実施形態の放射線撮像装置の構成を示す図。

以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。

図１には、本発明の第１実施形態の放射線撮像装置１の構成が示されている。放射線撮像装置１は、複数の画素を有する画素アレイ１１０を含む撮像部１００と、撮像部１００からの信号を処理する信号処理部３５２とを備えうる。撮像部１００は、例えば、パネル形状を有しうる。信号処理部３５２は、図１に例示されるように、制御装置３５０の一部として構成されてもよいし、撮像部１００と同一筺体に収められてもよいし、撮像部１００および制御装置３５０とは異なる筺体に収められてもよい。放射線撮像装置１は、エネルギーサブトラクション法によって放射線画像を得るための装置である。エネルギーサブトラクション法は、被検体に照射する放射線のエネルギーを異ならせて複数回にわたって撮像して得た複数の画像を処理することによって新たな放射線画像（例えば、骨画像および軟部組織画像）を得る方法である。放射線という用語は、例えば、Ｘ線の他、α線、β線、γ線、粒子線、宇宙線を含みうる。

放射線撮像装置１は、放射線を発生する放射線源４００、放射線源４００を制御する曝射制御装置３００、および、曝射制御装置３００（放射線源４００）および撮像部１００を制御する制御装置３５０を備えうる。制御装置３５０は、前述のように、撮像部１００から供給される信号を処理する信号処理部３５２を含みうる。制御装置３５０の機能の全部または一部は、撮像部１００に組み込まれうる。あるいは、撮像部１００の機能の一部は、制御装置３５０に組み込まれうる。制御装置３５０は、コンピュータ（プロセッサ）と、該コンピュータに提供するプログラムを格納したメモリとによって構成されうる。信号処理部３５２は、該プログラムの一部によって構成されうる。あるいは、信号処理部３５２は、コンピュータ（プロセッサ）と、該コンピュータに提供するプログラムを格納したメモリとによって構成されうる。制御装置３５０の全部または一部は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、または、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）によって構成されてもよい。制御装置３５０および信号処理部３５２は、その動作を記述したファイルに基づいて論理合成ツールによって設計され製造されてもよい。

制御装置３５０は、放射線源４００による放射線の放射（曝射）を許可する場合に、曝射制御装置３００に対して曝射許可信号を送信する。曝射制御装置３００は、制御装置３５０から曝射許可信号を受信すると、曝射許可信号の受信に応答して、放射線源４００に放射線を放射（曝射）させる。動画を撮像する場合は、制御装置３５０は、曝射制御装置３００に対して複数回にわたって曝射許可信号を送信する。この場合において、制御装置３５０は、曝射制御装置３００に対して所定の周期で複数回にわたって曝射許可信号を送信してもよいし、撮像部１００による次のフレームの撮像が可能になる度に曝射制御装置３００に対して曝射許可信号を送信してもよい。

放射線源４００は、放射線の連続的な放射期間(照射期間)においてエネルギー（波長）が変化する放射線を放射しうる。このような放射線を用いて、互いに異なる複数のエネルギーのそれぞれにおける放射線画像を得て、これらの放射線画像をエネルギーサブトラクション法によって処理することによって１つの新たな放射線画像を得ることができる。

あるいは、放射線源４００は、放射線のエネルギー（波長）を変更する機能を有してもよい。放射線源４００は、例えば、管電圧（放射線源４００の陰極と陽極との間に印加する電圧）を変更することによって放射線のエネルギーを変更する機能を有しうる。

撮像部１００の画素アレイ１１０を構成する複数の画素の各々は、放射線を電気信号（例えば、電荷）に変換する変換素子と、該変換素子をリセットするリセット部とを含む。各画素は、放射線を直接に電気信号に変換するように構成されてもよいし、放射線を可視光等の光に変換した後に該光を電気信号に変換するように構成されてもよい。後者においては、放射線を光に変換するためのシンチレータが利用されうる。シンチレータは、画素アレイ１１０を構成する複数の画素によって共有されうる。

図２には、撮像部１００の構成例が示されている。撮像部１００は、複数の画素１１２を有する画素アレイ１１０および画素アレイ１１０の複数の画素１１２から信号を読み出すための読出回路ＲＣを含む。複数の画素１１２は、複数の行および複数の列を構成するように配列されうる。読出回路ＲＣは、行選択回路１２０、制御部１３０、バッファ回路１４０、列選択回路１５０、増幅部１６０、ＡＤ変換器１７０および検出部１９０を含みうる。

行選択回路１２０は、画素アレイ１１０の行を選択する。行選択回路１２０は、行制御信号１２２を駆動することによって行を選択するように構成されうる。バッファ回路１４０は、画素アレイ１１０の複数の行のうち行選択回路１２０によって選択された行の画素１１２から信号をバッファリングする。バッファ回路１４０は、画素アレイ１１０の複数の列信号伝送路１１４に出力される複数列分の信号をバッファリングする。各列の列信号伝送路１１４は、列信号線対を構成する第１信号線および第２列信号線を含む。第１列信号線には、画素１１２のノイズレベル（後述の通常モード時）、または、画素１１２で検出された放射線に応じた放射線信号（後述の拡張モード時）が出力されうる。第２列信号線３２２には、画素１１２で検出された放射線に応じた放射線信号が出力されうる。バッファ回路１４０は、増幅回路を含みうる。

列選択回路１５０は、バッファ回路１４０によってバッファリングされた１行分の信号対を所定の順に選択する。増幅部１６０は、列選択回路１５０によって選択された信号対を増幅する増。ここで、増幅部１６０は、信号対（２つの信号）の差分を増幅する差動増幅器として構成されうる。ＡＤ変換器１７０は、増幅部１６０から出力される信号ＯＵＴをＡＤ変換してデジタル信号ＤＯＵＴ（放射線画像信号）を出力するＡＤ変換器１７０を備えうる。

検出部１９０は、放射線源４００から放射される放射線に基づいて、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出する。検出部１９０は、例えば、放射線源４００によって画素アレイ１１０に照射される放射線を画素アレイ１１０から読出回路ＲＣによって読み出される信号に基づいて検出することによって、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出しうる。あるいは、検出部１９０は、各画素にバイアス電圧を供給するバイアス線を流れる電流に基づいて、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出しうる。検出部１９０は、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出すると、それを示す同期信号を発生し制御部１３０に供給する。

図３には、１つの画素１１２の構成例が示されている。画素１１２は、例えば、変換素子２１０、リセットスイッチ２２０（リセット部）、増幅回路２３０、感度変更部２４０、クランプ回路２６０、サンプルホールド回路（保持部）２７０、２８０、出力回路３１０を含む。画素１１２は、撮像方式に関するモードとして、通常モードおよび拡張モードを有しうる。拡張モードは、エネルギーサブトラクション法によって放射線画像を得るためのモードである。

変換素子２１０は、放射線を電気信号に変換する。変換素子２１０は、例えば、複数の画素で共有されうるシンチレータと、光電変換素子とで構成されうる。変換素子２１０は、変換された電気信号（電荷）、即ち放射線に応じた電気信号を蓄積する電荷蓄積部を有し、電荷蓄積部は、増幅回路２３０の入力端子に接続されている。

増幅回路２３０は、ＭＯＳトランジスタ２３５、２３６、電流源２３７を含みうる。ＭＯＳトランジスタ２３５は、ＭＯＳトランジスタ２３６を介して電流源２３７に接続されている。ＭＯＳトランジスタ２３５および電流源２３７によってソースフォロア回路が構成される。ＭＯＳトランジスタ２３６は、イネーブル信号ＥＮが活性化されることによってオンして、ＭＯＳトランジスタ２３５および電流源２３７によって構成される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。

変換素子２１０の電荷蓄積部およびＭＯＳトランジスタ２３５のゲートは、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ＣＶＣとして機能する。即ち、電荷電圧変換部ＣＶＣには、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ＣＶＣは、リセットスイッチ２２０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が活性化されるとリセットスイッチ２２０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。リセットスイッチ２２０は、変換素子２１０の電荷蓄積部に接続された第１主電極（ドレイン）と、リセット電位Ｖｒｅｓが与えられる第２主電極（ソース）と、制御電極（ゲート）とを有するトランジスタを含みうる。該トランジスタは、該制御電極にオン電圧が与えられることによって該第１主電極と該第２主電極とを導通させて変換素子２１０の電荷蓄積部をリセットする。

クランプ回路２６０は、リセットされた電荷電圧変換部ＣＶＣの電位に応じて増幅回路２３０から出力されるリセットノイズレベルをクランプ容量２６１によってクランプする。クランプ回路２６０は、変換素子２１０で変換された電荷（電気信号）に応じて増幅回路２３０から出力される信号（放射線信号）からリセットノイズレベルをキャンセルするための回路である。リセットノイズベルは、電荷電圧変換部ＣＶＣのリセット時のｋＴＣノイズを含む。クランプ動作は、クランプ信号ＰＣＬを活性化することによってＭＯＳトランジスタ２６２をオンさせた後に、クランプ信号ＰＣＬを非活性化することによってＭＯＳトランジスタ２６２をオフさせることによってなされる。

クランプ容量２６１の出力側は、ＭＯＳトランジスタ２６３のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２６３のソースは、ＭＯＳトランジスタ２６４を介して電流源２６５に接続されている。ＭＯＳトランジスタ２６３と電流源２６５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２６４は、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮ０が活性化されることによってオンして、ＭＯＳトランジスタ２６３と電流源２６５とによって構成される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。

出力回路３１０は、ＭＯＳトランジスタ３１１、３１３、３１５、行選択スイッチ３１２、３１４を含む。ＭＯＳトランジスタ３１１、３１３、３１５は、それぞれ、列信号線３２１、３２２に接続された不図示の電流源とともにソースフォロア回路を構成する。

変換素子２１０で発生した電荷に応じてクランプ回路２６０から出力される信号である放射線信号は、サンプルホールド回路２８０によってサンプルホールド（保持）されうる。サンプルホールド回路２８０は、スイッチ２８１および容量２８２を有しうる。スイッチ２８１は、行選択回路１２０によってサンプルホールド信号ＴＳが活性化されることによってオンする。クランプ回路２６０から出力される放射線信号は、サンプルホールド信号ＴＳが活性化されることによって、スイッチ２８１を介して容量２８２に書き込まれる。

通常モードでは、リセットスイッチ２２０によって電荷電圧変換部ＣＶＣの電位がリセットされ、ＭＯＳトランジスタ２６２がオンした状態では、クランプ回路２６０からは、クランプ回路２６０のノイズレベル（オフセット成分）が出力される。クランプ回路２６０のノイズレベルは、サンプルホールド回路２７０によってサンプルホールド（保持）されうる。サンプルホールド回路２７０は、スイッチ２７１および容量２７２を有しうる。スイッチ２７１は、行選択回路１２０によってサンプルホールド信号ＴＮが活性化されることによってオンする。クランプ回路２６０から出力されるノイズレベルは、サンプルホールド信号ＴＮが活性化されることによって、スイッチ２７１を介して容量２７２に書き込まれる。また、拡張モードでは、サンプルホールド回路２７０は、変換素子２１０で発生した電荷に応じてクランプ回路２６０から出力される信号である放射線信号を保持するために使用されうる。

行選択信号ＶＳＴが活性化されると、サンプルホールド回路２７０、２８０に保持されている信号に応じた信号が列信号伝送路１１４を構成する第１列信号線３２１、第２列信号線３２２に出力される。具体的には、サンプルホールド回路２７０によって保持されている信号（ノイズレベルまたは放射線信号）に応じた信号ＮがＭＯＳトランジスタ３１１および行選択スイッチ３１２を介して列信号線３２１に出力される。また、サンプルホールド回路２８０によって保持されている信号に応じた信号ＳがＭＯＳトランジスタ３１３および行選択スイッチ３１４を介して列信号線３２２に出力される。

画素１１２は、複数の画素１１２の信号を加算するための加算スイッチ３０１、３０２を含んでもよい。加算モード時は、加算モード信号ＡＤＤＮ、ＡＤＤＳが活性化される。加算モード信号ＡＤＤＮの活性化により複数の画素１１２の容量２７２同士が接続され、信号（ノイズレベルまたは放射線信号）が平均化される。加算モード信号ＡＤＤＳの活性化により複数の画素１１２の容量２８２同士が接続され、放射線信号が平均化される。

画素１１２は、感度変更部２４０を含みうる。感度変更部２４０は、スイッチ２４１、２４２、容量２４３、２４４、ＭＯＳトランジスタ２４５、２４６を含みうる。第１変更信号ＷＩＤＥが活性化されると、スイッチ２４１がオンして、電荷電圧変換部ＣＶＣの容量値に第１付加容量２４３の容量値が付加される。これによって、画素１１２の感度が低下する。更に第２変更信号ＷＩＤＥ２も活性化されると、スイッチ２４２もオンして、電荷電圧変換部ＣＶＣの容量値に第２付加容量２４４の容量値が付加される。これによって画素１１２の感度が更に低下する。画素１１２の感度を低下させる機能を追加することによって、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が活性化される場合には、イネーブル信号ＥＮＷが活性化されてもよい。この場合、ＭＯＳトランジスタ２４６がソースフォロア動作をする。なお、感度変更部２４０のスイッチ２４１がオンしたとき、電荷再分配によって変換素子２１０の電荷蓄積部の電位が変化しうる。これにより、信号の一部が破壊されうる。

上記のリセット信号Ｐｒｅｓ、イネーブル信号ＥＮ、クランプ信号ＰＣＬ、イネーブル信号ＥＮ０、サンプルホールド信号ＴＮ、ＴＳ、行選択信号ＶＳＴは、行選択回路１２０によって制御（駆動）される制御信号であり、図２の行制御信号１２２に対応する。また、行選択回路１２０は、制御部１３０から供給されるタイミング信号に従って、リセット信号Ｐｒｅｓ、イネーブル信号ＥＮ、クランプ信号ＰＣＬ、イネーブル信号ＥＮ０、サンプルホールド信号ＴＮ、ＴＳ、行選択信号ＶＳＴを発生する。

図３に示されたような構成の画素１１２では、サンプルホールドの際に変換素子２１０の電荷蓄積部等で信号の破壊が起こらない。即ち、図３に示されたような構成の画素１１２では、放射線信号を非破壊で読み出すことができる。このような構成は、以下で説明するエネルギーサブトラクション法を適用した放射線撮像に有利である。

以下、エネルギーサブトラクション法によって放射線画像を得る拡張モードについて説明する。拡張モードは、以下の４つのサブモード（拡張モード１、２、３、４）を含みうる。ここでは、拡張モード１は比較例であり、拡張モード２、３、４は比較例１の改良例である。

図４には、拡張モード１（比較例）における放射線撮像装置１の動作が示されている。図４において、横軸は時間である。「放射線エネルギー」は、放射線源４００から放射され撮像部１００に照射される放射線のエネルギーである。「ＰＲＥＳ」は、リセット信号ＲＰＥＳである。「ＴＳ」は、サンプルホールド信号ＴＳである。「ＤＯＵＴ」は、ＡＤ変換器１７０の出力である。放射線源４００からの放射線の放射および撮像部１００の動作の同期は、曝射許可信号を発生する制御装置３５０によって制御されうる。撮像部１００における動作制御は、制御部１３０によってなされる。リセット信号ＰＲＥＳが活性化される期間にクランプ信号ＰＣＬも所定期間にわたって活性化されて、クランプ回路２６０にノイズレベルがクランプされる。

図４に例示されるように、放射線源４００から放射される放射線８００のエネルギー（波長）は、放射線の放射期間において変化する。これは、放射線源４００の管電圧の立ち上がり、および、立ち下がりが鈍っていることに起因しうる。そこで、放射線８００が、立ち上がり期間における放射線８０１、安定期間における放射線８０２、および、立ち下がり期間における放射線８０３からなるものとして考える。放射線８０１のエネルギーＥ１、放射線８０２のエネルギーＥ２、放射線８０３のエネルギーＥ３は、互いに異なりうる。これを利用してエネルギーサブトラクションン法による放射線画像を得ることができる。

制御部１３０は、以下の第１期間Ｔ１、第２期間Ｔ２、第３期間Ｔ３が、それぞれ、立ち上がり期間、安定期間、立ち下がり期間に対応するように、第１期間Ｔ１、第２期間Ｔ２および第３期間Ｔ３を規定する。各画素１１２は、第１期間Ｔ１において変換素子２１０で発生した電気信号に応じた第１信号を出力する動作を実行する。また、各画素１１２は、第１期間Ｔ１および第２期間Ｔ２において変換素子２１０で発生した電気信号に応じた第２信号を出力する動作を実行する。また、各画素１１２は、第１期間Ｔ１、第２期間Ｔ２および第３期間Ｔ３において変換素子２１０で発生した電気信号に応じた第３信号を出力する動作を実行する。第１期間Ｔ１、第２期間Ｔ２および第３期間Ｔ３は、互いに異なる期間である。第１期間Ｔ１において、第１エネルギーＥ１を有する放射線が照射され、第２期間Ｔ２において第２エネルギーＥ２を有する放射線が照射され、第３期間Ｔ３において第２エネルギーＥ３を有する放射線が照射されることが予定されている。

拡張モード１では、放射線８００が照射される照射期間ＴＴにおいて、画素１１２の変換素子２１０がリセットされない（リセット信号Ｐｒｅｓが活性化されない）。よって、放射線８００が照射される照射期間ＴＴでは、入射した放射線に応じた電気信号（電荷）が変換素子２１０に蓄積され続ける。放射線８００が照射される照射期間ＴＴにおいて、画素１１２の変換素子２１０がリセットされないことは、撮像に寄与しない放射線の照射を減らしつつ、より短時間でエネルギーサブトラクション法のための放射線画像を得るために有利である。

放射線８００の放射（撮像部１００への照射）前に、リセット信号ＰＲＥＳが所定期間にわたって活性化され、これによって変換素子２１０がリセットされる。この際に、クランプ信号ＰＣＬも所定期間にわたって活性化されて、クランプ回路２６０にリセットレベル（ノイズレベル）がクランプされる。

リセット信号ＰＲＥＳが所定期間にわたって活性化された後に、曝射制御装置３００から放射線源４００に対して曝射許可信号が送信され、この曝射許可信号に応答して放射線源４００から放射線が放射される。リセット信号ＰＲＥＳが所定期間にわたって活性化されてから所定期間が経過した後に、サンプルホールド信号ＴＮが所定期間にわたって活性化される。これによって、エネルギーＥ１の放射線８０１の照射を受けて画素アレイ１１０の画素１１２の変換素子２１０が発生した電気信号に応じた信号（Ｅ１）がサンプルホールド回路２７０によってサンプルホールドされる。

サンプルホールド信号ＴＮが所定期間にわたって活性されてから所定期間が経過した後に、サンプルホールド信号ＴＳが所定期間にわたって活性される。これによって、エネルギーＥ１の放射線８０１およびエネルギーＥ２の放射線８０２の照射を受けて画素アレイ１１０の画素１１２の変換素子２１０が発生した電気信号に応じた信号（Ｅ１＋Ｅ２）がサンプルホールド回路２８０によってサンプルホールドされる。

次いで、サンプルホールド回路２７０でサンプルホールドされた信号（Ｅ１）とサンプルホールド回路２８０でサンプルホールドされた信号（Ｅ１＋Ｅ２）との差分に相当する信号が第１信号８０５として読出回路ＲＣから出力される。なお、図４において、”Ｎ”は、サンプルホールド回路２７０によってサンプルホールドされ、第１列信号線３２１に出力される信号を示し、”Ｓ”は、サンプルホールド回路２８０によってサンプルホールドされ、第２列信号線３２２に出力される信号を示す。

次いで、サンプルホールド信号ＴＳが所定期間にわたって活性されてから所定期間が経過した後（エネルギーＥ３の放射線８０３の照射（放射線８００の照射）が終了した後）に、サンプルホールド信号ＴＳが所定期間にわたって再び活性化される。これによって、エネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３の放射線８０１、８０２、８０３の照射を受けて画素アレイ１１０の画素１１２の変換素子２１０が発生した電気信号に応じた信号（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３）がサンプルホールド回路２８０によってサンプルホールドされる。

次いで、サンプルホールド回路２７０によってサンプルホールドされた信号（Ｅ１）とサンプルホールド回路２８０によってサンプルホールドされた信号（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３）との差分に相当する信号が第２信号８０６として読出回路ＲＣから出力される。

次いで、リセット信号ＰＲＥＳが所定期間にわたって活性化され、更に、サンプルホールド信号ＴＮが所定期間にわたって活性される。これによって、サンプルホールド回路２７０によってリセットレベル（０）がサンプルホールドされる。次いで、サンプルホールド回路２７０によってサンプルホールドされた信号（０）とサンプルホールド回路２８０によってサンプルホールドされた信号（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３）との差分に相当する信号が第３信号８０７として読出回路ＲＣから出力される。

以上のような動作を複数回にわたって繰り返すことによって、複数フレームの放射線画像（即ち、動画）を得ることができる。

信号処理部３５２は、以上のようにして、第１信号８０５（Ｅ２）、第２信号８０６（Ｅ２＋Ｅ３）、第３信号８０７（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３）を得ることができる。信号処理部３５２は、第１信号８０５、第２信号８０６、第３信号８０７に基づいて、エネルギーＥ１の放射線８０１の照射量ｅ１、エネルギーＥ２の放射線８０２の照射量ｅ２、エネルギーＥ３の放射線８０３の照射量ｅ３を得ることができる。具体的には、信号処理部３５２は、第１信号８０５（Ｅ２）と第２信号（Ｅ２＋Ｅ３）との差分（（Ｅ２＋Ｅ３）−Ｅ２）を演算することによって、エネルギーＥ３の放射線８０３の照射量ｅ３を得ることができる。また、信号処理部３５２は、第２信号８０６（Ｅ２＋Ｅ３）と第３信号（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３）との差分（（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３）−（Ｅ２＋Ｅ３））を演算することによって、エネルギーＥ１の放射線８０１の照射量ｅ１を得ることができる。また、第１信号８０５（Ｅ２）は、エネルギーＥ２の放射線８０２の照射量ｅ２を示している。

したがって、信号処理部３５２は、エネルギーＥ１の放射線８０１の照射量ｅ１、エネルギーＥ２の放射線８０２の照射量ｅ２、エネルギーＥ３の放射線８０３の照射量ｅ３に基づいて、エネルギーサブトラクション法によって放射線画像を得ることができる。エネルギーサブトラクション法としては、種々の方法から選択される方法を採用することができる。例えば、第１エネルギーの放射線画像と第２エネルギーの放射線画像との差分を演算することによって骨画像と軟部組織画像とを得ることができる。また、第１エネルギーの放射線画像と第２エネルギーの放射線画像に基づいて非線形連立方程式を解くことによって骨画像と軟部組織画像とを生成してもよい。また、第１エネルギーの放射線画像と第２エネルギーの放射線画像とに基づいて造影剤画像と軟部組織画像とを得ることもできる。また、第１エネルギーの放射線画像と第２エネルギーの放射線画像とに基づいて電子密度画像と実効原子番号画像とを得ることもできる。

図５を参照しながら拡張モード１（比較例）における課題を説明する。図５に例示されるように、制御装置３５０が曝射制御装置３００に対して曝射許可信号を送信してから、放射線源４００が放射線の放射（曝射）を開始するまでの時間（これを「曝射ディレイ」と呼ぶ）は、フレームごとに異なりうる。図５の例では、第（ｎ＋１）フレームにおける曝射ディレイが第ｎフレームにおける曝射ディレイより大きい。

曝射ディレイがフレームごとに異なることは、図４を参照して説明すると、放射線８００の照射が開始されてからサンプルホールド回路２７０、２８０がサンプルホールドを完了するまでの期間Ｔ１、Ｔ２がばらつくことを意味する。したがって、第１信号８０５、第２信号８０６、第３信号８０７として検出される放射線のエネルギーおよび照射量（線量）がフレーム間で変化しうる。これは、照射量ｅ１、照射量ｅ２、照射量ｅ３として検出される放射線のエネルギーおよび照射量（線量）がフレーム間で変化し、照射量ｅ１、照射量ｅ２、照射量ｅ３に基づくエネルギーサブトラクションの精度が低下しうることを意味する。これによって、動画にアーチファクトおよび／または明滅が生じうる。

図６には、拡張モード２における放射線撮像装置１の動作が示されている。拡張モード２として言及しない事項は、拡張モード１に従いうる。拡張モード１(比較例）における課題を解決するためには、曝射許可信号ではなく、放射線源４００から実際に放射された放射線に同期して、画素１１２のサンプルホールド回路２７０、２８０にサンプルホールドを行わせる必要がある。制御部１３０は、検出部１９０から同期信号５０１が供給される度に、画素アレイ１１０の複数の画素１１２の各々における複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３のタイミングを決定する。換言すると、制御部１３０は、検出部１９０によって放射線の照射の開始が検出される度に、画素アレイ１１０の複数の画素１１２の各々における複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３のタイミングを決定する。複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３のうち最初のサンプルホールドＳＨ１と複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３のうち最後のサンプルホールドＳＨ３との間の期間中は、リセットスイッチ２２０が変換素子２１０をリセットしない。

ここで、エネルギーサブトラクション法によって放射線画像を得るために、複数回のサンプルホールドのタイミングＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３における少なくとも１回のサンプルホールドのタイミングは、放射線の照射期間ＴＴにおけるタイミングである。第１実施形態では、３回のサンプルホールドのタイミングＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３における２回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２のタイミングは、放射線の照射期間ＴＴにおけるタイミングである。複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３のタイミングは、それぞれ、同期信号からの経過時間ｔ１、ｔ２、ｔ３に従って決定されうる。よって、フレーム間において、放射線の照射の開始からサンプルホールドＳＨ１の終了までの期間が一定にされる。また、フレーム間において、放射線の照射の開始からサンプルホールドＳＨ２の終了までの期間が一定にされる。また、フレーム間において、放射線の照射の開始からサンプルホールドＳＨ３の終了までの期間が一定にされる。これにより、エネルギーサブトラクションの精度の低下を抑制し、これにより、動画におけるアーチファクトおよび／または明滅を低減することができる。

図７には、検出部１９０が放射線源４００からの放射線の照射の開始を検出する方法が例示されている。リセット信号ＰＲＥＳの活性化によってリセットスイッチ２２０がオンし、変換素子２１０の電荷蓄積部の「リセット」の後に、曝射検出駆動がなされ、曝射検出駆動において放射線の照射の開始が検出されると、エネルギーサブトラクション駆動に移行する。曝射検出駆動は、画素１１２のサンプルホールド回路２７０、２８０による「サンプルホールド」および読出回路ＲＣによる画素１１２からの信号の「読出」の繰り返しを含む。曝射検出駆動およびエネルギーサブトラクション駆動は、制御部１３０によって制御される。検出部１９０は、読出回路ＲＣによって画素１１２から読み出された信号が閾値を越えると、放射線源４００による放射線の照射が開始されたと判断して同期信号５０１を発生する。これに応答して、制御部１３０は、エネルギーサブトラクション駆動を開始する。エネルギーサブトラクション駆動は、図５における同期信号５０１に応答した駆動、即ち、複数の画素１１２のサンプルホールド回路２７０、２８０による複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３および読出回路ＲＣによる読出動作を含む。ここで、読出回路ＲＣによる読出動作は、第１信号８０５、第２信号８０６、第３信号８０７を出力する動作を含む。

曝射検出駆動における「サンプルホールド」と「読出」の繰り返しは、高速（例えば、μｓオーダー）で行われることが好ましい。これは、「サンプルホールド」および「読出」に要する時間分だけ、放射線の照射の開始が検出されるタイミングが遅れるためである。高速化のために、曝射検出駆動の期間中は、読出の際のビニング（画素の加算数）を変更してもよい。ビニング２×２、４×４、８×８、・・・のように加算数が増加するほど、読出時間を短縮することができる。曝射検出駆動において読み出しによって得られる画像は、放射線の照射の開始を判定するＸ線の曝射の有無を判定するためにあるため、解像度を考慮する必要はない。したがって、３２×３２ビニングのように解像度を大きく下げ、読み出しに要する時間を短縮してもよい。また、読出対象の画素１１２の個数を限定してもよい。例えば、一部の行の画素からのみ信号を読み出すために、他の行をスキップしうる。

検出部１９０が同期信号５０１を出力したら、曝射検知動作からエネルギーサブトラクション駆動に移行するので、ビニング等の設定は、エネルギーサブトラクション駆動に変更される。この際に、サンプルホールド回路２７０はリセットされてもよいし、リセットされなくてもよい。

上記とは異なる例では、同期信号５０１は、画素アレイ１１０から読出回路ＲＣによって読み出される信号が第１閾値を越えたことに応じて発生され、それに応じてサンプルホールドＳＨ１のタイミングが決定されうる。その後、画素アレイ１１０から読出回路ＲＣによって読み出される信号が第２閾値を越えたことに応じてサンプルホールドＳＨ２のタイミングが決定されうる。また、画素アレイ１１０から読出回路ＲＣによって読み出される信号が第３閾値を越えたことに応じてサンプルホールドＳＨ３のタイミングが決定されうる。

図８に示されるように、拡張モード２では、曝射ディレイに応じてフレーム期間が決定されるので、フレーム間においてフレーム期間が異なりうる。また、拡張モード２では、リセット信号ＰＲＥＳが活性化されてから放射線の照射の開始までの期間が曝射ディレイに依存する。これは、リセット信号ＰＲＥＳが活性化されてから放射線の照射の開始されるまでに変換素子２１０において蓄積されるノイズレベルが曝射ディレイに依存することを意味する。よって、拡張モード２では、フレーム間でノイズレベルが異なりうる。

図９には、拡張モード３における放射線撮像装置１の動作が示されている。拡張モード３として言及しない事項は、拡張モード１に従いうる。拡張モード３では、拡張モード２における課題、即ち、フレーム間においてフレーム期間が異なりうるとの課題を解決したモードである。拡張モード３では、フレームレートは、曝射ディレイに依存することなく一定である。拡張モード３では、制御部１３０は、第３信号８０７の出力が完了するタイミングがフレーム間で共通になるように読出回路ＲＣを制御する。制御部１３０は、例えば、読出回路ＲＣによって第２信号８０６の読出を開始するタイミングまたは読出回路ＲＣによって第２信号８０６の読出を開始するタイミングがフレーム間で一定になるように読出回路ＲＣの駆動タイミングを制御する。これによって、第３信号８０７の出力が完了するタイミングをフレーム間で一定にすることができる。

制御部１３０は、上記の方法に代えて、第３信号８０７の読出の完了から次のフレームが開始するタイミング（例えば、リセット信号ＰＥＳを活性化させるタイミング）までの時間を調整することによってフレームレートを一定にしてもよい。

拡張モード３においても、複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３のうち最初のサンプルホールドＳＨ１と最後のサンプルホールドＳＨ３との間の期間中は、リセットスイッチ２２０が変換素子２１０をリセットしない。

図１０には、拡張モード４における放射線撮像装置１の動作が示されている。拡張モード４として言及しない事項は、拡張モード１に従いうる。拡張モード４では、リセット信号ＰＲＥＳの活性化からサンプルホールドＳＨ１の終了までの蓄積時間がフレーム間で一定である。また、拡張モード４では、リセット信号ＰＲＥＳの活性化からサンプルホールドＳＨ２の終了までの蓄積時間がフレーム間で一定である。また、拡張モード４では、リセット信号ＰＲＥＳの活性化からサンプルホールドＳＨ３の終了までの蓄積時間がフレーム間で一定である。したがって、変換素子２１０において蓄積されるノイズレベルが曝射ディレイに依存することなく、フレーム間で一定である。なお、上記の拡張モード４では、フレームレートが一定ではないが、拡張モード３のように、拡張モード４においてもフレームレートが一定にされてもよい。

拡張モード４においても、複数回のサンプルホールドＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３のうち最初のサンプルホールドＳＨ１と最後のサンプルホールドＳＨ３との間の期間中は、リセットスイッチ２２０が変換素子２１０をリセットしない。

上記の説明では、エネルギーが互いに異なる３種類の画像を取得する形態を説明した。しかしながら、本発明はこのような形態に限定されない。例えば、サンプルホールドの回数を増やし、エネルギーが互いに異なる４種類の画像を取得してもよい。あるいは、サンプルホールドの回数を減らし、エネルギーが互いに異なる２種類の画像を取得してもよい。あるいは、互いにエネルギーが異なる３種類の画像から互いにエネルギーが異なる２種類の画像を得てもよい。

上記の例では、放射線源４００の管電圧の立ち上がり、立ち下がりが鈍っていることを利用して互いにエネルギーが異なる複数の画像を得て、該複数の画像に基づいて新たな放射線画像を形成する。互いにエネルギーが異なる複数の画像は、放射線源４００の管電圧の波形を意図的に調整することによってもなされうる。あるいは、エネルギー帯域（波長帯域）が広い放射線を放射線源４００から放射させ、複数のフィルタの切り替えによって放射線のエネルギーを変更してもよい。

第１実施形態では、検出部１９０は、放射線源４００から放射される放射線に基づいて、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出する。以下で説明する第２実施形態および第３実施形態では、検出部１９０は、放射線源４００から提供される情報に基づいて、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出する。つまり、検出部１９０は、放射線源４００から放射される放射線または放射線源４００から提供される情報に基づいて、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出するように構成されうる。

図１１には、本発明の第２実施形態の放射線撮像装置１の構成が示されている。第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態では、放射線源４００は、例えば、モニター線４１０を介して、制御装置３５０に対して、放射線の発生のための駆動電流を示す駆動電流情報を提供する。放射線源４００は、曝射制御装置３００を介して制御装置３５０に対して駆動電流情報を提供するように構成されてもよい。駆動電流は、放射線源４００の陰極と陽極との間を流れる電流であって、放射線源４００に組み込まれた電流計によって検出されうる。検出部１９０は、例えば、制御装置３５０に設けられてもよいし、撮像部１００に設けられてもよいし、制御装置３５０および撮像部１００とは別に設けられてもよい。検出部１９０が撮像部１００に設けられた場合は、駆動電流情報は、放射線源４００から制御装置３５０を介して、または直接に、検出部１９０に提供されうる。検出部１９０は、放射線源４００から提供される駆動電流情報等の情報が示す値が閾値を越えた場合に、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出し同期信号５０１を発生しうる。

図１２には、本発明の第３実施形態の放射線撮像装置１の構成が示されている。第３実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第３実施形態の放射線撮像装置１は、画素アレイ１１０とは別に設けられた放射線検出センサ５００を備えている。放射線検出センサ５００は、撮像部１００に配置されてもよいし、放射線源４００と撮像部１００との間の経路に配置されてもよい。検出部１９０は、放射線検出センサ５００からの出力に基づいて放射線源４００による放射線の照射の開始を検出し、同期信号５０１を発生する。

放射線検出センサ５００は、エネルギー分解能を有してもよい。この場合、検出部１９０は、放射線検出センサ５００によって検出された放射線のエネルギーに基づいて、放射線源４００による放射線の照射の開始を検出するように構成されうる。このような構成によれば、放射線源４００によって照射される放射線のエネルギーの立ち上がりがばらつく場合や、該エネルギーのパルスの幅がばらつく場合であっても、安定して放射線画像を得ることができる。

１：放射線撮像装置、１１０：画素アレイ、ＲＣ：読出回路、１９０：検出部、１３０：制御部、２１０：変換素子、２７０、２８０：サンプルホールド回路

Claims (9)

1. 複数の画素を有する画素アレイと、前記画素アレイから信号を読み出す読出回路とを備える放射線撮像装置であって、
   放射線源から放射された放射線または前記放射線源から提供される情報に基づいて前記放射線源による放射線の照射の開始を検出する検出部と、
   前記検出部によって放射線の照射の開始が検出される度に、互いに異なる複数のエネルギーにおける放射線画像が得られるように前記複数の画素の各々における複数回のサンプルホールドのタイミングを決定する制御部と、を備え、
   前記複数回のサンプルホールドのうち少なくとも１回のサンプルホールドのタイミングは、放射線の照射期間におけるタイミングであり、
   前記複数の画素の各々は、放射線を電気信号に変換する変換素子と、前記制御部によって決定された前記複数回のサンプルホールドのタイミングに従って前記変換素子からの信号を複数回にわたってサンプルホールドするサンプルホールド回路とを含む、
   ことを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記複数の画素の各々は、前記変換素子をリセットするリセット部を更に有し、
   前記複数の画素の各々において、前記複数回のサンプルホールドのうち最初のサンプルホールドと前記複数回のサンプルホールドのうち最後のサンプルホールドとの間の期間中は、前記リセット部が前記変換素子をリセットしない、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記検出部は、前記画素アレイから得られる電気信号に基づいて前記放射線源による放射線の照射の開始を検出する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記検出部は、前記放射線源における放射線の発生のための駆動電流に基づいて前記放射線源による放射線の照射の開始を検出する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
5. 前記画素アレイとは別に設けられた放射線検出センサを更に備え、
   前記検出部は、前記放射線検出センサからの出力に基づいて前記放射線源による放射線の照射の開始を検出する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
6. 前記放射線検出センサは、エネルギー分解能を有し、
   前記検出部は、前記放射線検出センサによって検出された放射線のエネルギーに基づいて、前記放射線源による放射線の照射の開始を検出する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の放射線撮像装置。
7. 前記制御部は、フレームレートが一定になるように、前記複数の画素を制御する、
   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。
8. 前記制御部は、複数のフレームにおいて、前記複数の画素における蓄積時間が一定になるように前記複数の画素を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
9. 前記放射線源を制御する曝射制御装置に対して曝射許可信号を送信する制御装置を更に備え、前記放射線源は、前記曝射許可信号に応じて放射線を放射する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。

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