JP6988796B2

JP6988796B2 - Ｘ線検出装置

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Publication number: JP6988796B2
Application number: JP2018513111A
Authority: JP
Inventors: 利幸西原; 健市奥村; 努井本; 正雄松村
Original assignee: Sony Corp; Sony Group Corp
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Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2022-01-05
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Description

本開示は、Ｘ線検出装置に関し、特に、例えば、医療分野に活用されるＸ線を用いたＣＴ(Computer Tomography)装置やFPD(Flat Panel Detector）装置等に用いて好適なＸ線検出装置に関する。

例えば、医療分野では、Ｘ線の投影データを使用して断層撮影を行うＣＴ装置や、Ｘ線の投影画像を動画としてモニタするＸ線FPD装置が活用されており、これらの装置に対しては、多画素化（データボリュームの拡大）と、各種の演算処理の高速化が進められている（例えば、特許文献１参照）。

一般に、ＣＴ装置におけるＸ線検出部には、Ｘ線の入射に応じて蛍光（シンチレーション光）を発生するシンチレータと、光（いまの場合、シンチレーション光）に応じて光電変換を行うＰＤ（フォトダイオード）を一体化した画素のアレイが使用される。

各画素においては、Ｘ線照射に応じて生じたシンチレーション光がＰＤによって電荷に変換され、この電荷がアンプや積分回路等を介して電圧値に変換され、マルチプレクサを介して外付けDAS（Data Acquiring System）のＡＤコンバータによりデジタル値に変換されてＸ線照射量として検出される。

なお、上述したＣＴ装置における１画素のサイズは一辺が０．３乃至１ｍｍ程度の矩形であり、通常は各画素に単一のＰＤが形成されている。ＰＤの寄生容量に対して、光電変換によって生じる電流は非常に微弱なので、それを検出するには１ミリ秒程度の電流積分過程を必要とする。

また、ＣＴ装置を用いた検査の高速化が望まれており、被検体の周囲を１周しながら撮影するのに要する時間は０．５秒以下とされている。このような速度で適切な空間分解能を維持するには、Ｘ線検出部のサンプルレートを上げる必要があり、その為には検出時間の短縮が必要となる。例えば、０．５秒の回転期間に各画素が1000回のサンプリングを行う場合、検出時間は０．５ミリ秒にまで短縮する必要がある。

特開２００３−２０２３０３号公報

検出時間を短縮してサンプルレートをあげる場合、ＰＤの感度には限界があるので、検体に照射するＸ線の線量を上げる方法が考えられるが、この方法では被検体としての被検者が受けるＸ線（Ｘ線）の被ばく量が増加してしまうことになる。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、被検体の被ばく量を増加させることなく、サンプルレートと空間分解能の向上を実現できるようにするものである。

本開示の一側面であるＸ線検出装置は、被検体を挟んでＸ線照射装置と対向して配置され、前記被検体のＸ線２次元投影データを生成するＸ線検出装置において、入射されたＸ線に対応してシンチレーション光を発生するシンチレータと、入射された前記シンチレーション光に対応して画素信号を生成する複数の画素を有する検出部と、前記画素の前記画素信号を用いて前記Ｘ線２次元投影データを生成する出力部とを備え、前記検出部の前記画素は、前記シンチレーション光に対応して光電変換を行う複数のサブピクセルが１画素中にアレイ状に配置され、前記サブピクセルの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換後の前記１画素を構成する複数のサブピクセルの出力を合算することにより、前記１画素に対応する前記画素信号を生成する合算部とを有し、前記画素を含む第１のシリコン層と、前記ＡＤ変換部と前記合算部を含む第２のシリコン層は、積層されている。

前記ＡＤ変換部は、前記サブピクセルの出力を少なくとも３ビット以上の階調を有する値にＡＤ変換することができる。

前記ＡＤ変換部は、２以上の前記サブピクセルによって共有することができる。

前記サブピクセルは、前記シンチレーション光に対応して光電変換を行って蓄積する光電変換部と、前記光電変換部から転送された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部および前記保持部をリセットさせる第１のリセット部とを有することができる。

前記サブピクセルは、さらに、前記保持部を介することなく前記光電変換部をリセットさせる第２のリセット部を有することができる。

前記サブピクセルの前記光電変換部は、前記第１または前記第２のリセット部により完全空乏化されるようにすることができる。

前記サブピクセルは、前記光電変換部をリセットさせるタイミングを調整することによって異なる複数の露光期間が設定されるようにすることができる。

前記出力部は、露光期間が異なる前記サブピクセルの出力に基づく前記画素信号を合成して前記Ｘ線２次元投影データを生成することができる。

前記出力部は、前記画素の前記画素信号を用いて、エネルギを弁別したＸ線計数を行うことができる。

前記出力部は、さらに、前記画素毎に複数回のＸ線照射に対応する出力の積分を行うことができる。

前記出力部は、前記画素の前記画素信号を用いて、エネルギを弁別したＸ線計数を行った結果と、前記画素毎に複数回のＸ線照射にそれぞれ対応する画素信号の積分を行った結果との一方、または両方の合成を採用して前記Ｘ線２次元投影データを生成することができる。

本開示の一側面においては、入射されたＸ線に対応してシンチレーション光を発生するシンチレータと、入射されたシンチレーション光に対応して画素信号を生成する複数の画素を有する検出部と、画素の画素信号を用いてＸ線２次元投影データを生成する出力部とが備えられる。検出部の画素は、シンチレーション光に対応して光電変換を行う複数のサブピクセルが１画素中にアレイ状に配置され、サブピクセルの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部と、ＡＤ変換後の１画素を構成する複数のサブピクセルの出力を合算することにより、１画素に対応する画素信号を生成する合算部とを有し、画素を含む第１のシリコン層と、ＡＤ変換部と合算部を含む第２のシリコン層は、積層されている。

本開示の第１および第２の側面によれば、被検体の被ばく量を増加させることなく、サンプルレートと空間分解能を上げることができる。

本開示を適用したＸ線ＣＴ装置の構成例を示す俯瞰図である。図１の検出パネルの構成例を示す断面図である。第１のシリコン層の構成例を示すブロック図である。第２のシリコン層の構成例を示すブロック図である。半導体光検出部を成すシリコンチップの全体の構成例を示す図である。サブピクセルの構成例を示す等価回路図である。第１の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。第２の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。サブピクセルの出力例を示す図である。２次元のＸ線投影データを示す図である。サブピクセルの変形例を示す等価回路図である。第３の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。パイルアップ防止策の概念図を示している。ダイナミックレンジを向上させる第１の方法に対応するシーケンスを示す図である。ダイナミックレンジを向上させる第２の方法に対応するシーケンスを示す図である。本開示を適用したＸ線FPD装置の構成例を示す断面図である。Ｘ線光子が入射した位置を導出する過程を説明するための図である。２次元のＸ線投影データに基づいてＸ線投影動画像を生成するシーケンスを示す図である。

以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜第１の実施の形態であるＸ線ＣＴ装置の構成例＞
図１は、本開示の検出装置を適用した、第１の実施の形態であるＸ線ＣＴ装置の俯瞰図を示している。

このＸ線ＣＴ装置１０は、被検体１を中心として対向して配置されるＸ線照射装置１１と検出装置１２から成る。Ｘ線照射装置１１と検出装置１２は、被検体１を中心として回転駆動しながら撮像を行う。

すなわち、Ｘ線照射装置１１は、被検体１の周囲を回転する毎の図面奥行方向の位置を移動するか、または、被検体１の周囲を回転しながら図面奥行方向の位置を移動するかして、被検体１に対してＸ線の光子２を照射する。検出装置１２は、被検体１を透過したＸ線光子２を検出することによってＸ線の２次元の投影データを取得する。さらに、２次元の投影データの逆投影処理によって三次元の断層撮影データを取得する。

検出装置１２は、弧状に配置された検出パネル１３を含む。検出パネル１３は、複数の画素が例えば４００μｍピッチで３２行×６４列に配置されており、列方向が弧に沿って形成され、行方向は図面の奥行方向に形成される。この場合、Ｘ線ＣＴ装置１０は、被検体１の６４スライス分の断層撮像を行うことができる。

図２は、検出パネル１３の構成例を示す断面図である。検出パネル１３は、半導体光検出部２１、隔壁２５、コリメータ２６、およびシンチレータ２７を有する。

半導体光検出部２１は、シリコンチップであり、検出装置１２の１個の画素２２に対応して複数のサブピクセル３１（図３）が形成された第１のシリコン層２３と、サブピクセル３１の出力をＡＤ変換するＡＤ変換回路を含む信号検出部４１（図４）などが形成された第２のシリコン層２４が積層されて１チップ化されている。したがって、外半導体光検出部２１から外部への出力はデジタル化されたものとなるので、ＡＤ変換部が外付けされていた従来システムのように外部ノイズの影響を受けてしまうことを抑止できる。

ここで、サブピクセル３１とは、極めて高感度な受光素子であって、デジタルカメラ等に使用されるCMOSイメージセンサの画素に似た回路構成とデバイス構造を有している。

図３は、１個の画素２２に対応する第１のシリコン層２３の構成例を示している。第１のシリコン層２３には、複数のサブピクセル３１と、第１のシリコン層２３と第２のシリコン層２４とを接続する接続部３２および３３が配置される。

各サブピクセル３１は、ＰＤを内蔵しており、８行×８列のサブピクセル３１によって１個の画素２２に対応するアレイを成している。サブピクセル３１のサイズは、例えば４０μｍ四方であり、この場合、１個の画素２２としての受光面３０のサイズは、３２０μｍ四方となる。なお、１個の画素２２は４００μｍピッチで配置されているので、物理的な開口率は（４０×８）²／４００²＝０．６４となる。

ただし、各画素２２の間に形成された隔壁２７の厚さを８０μｍとした場合、シンチレータ２７の径は３２０μｍとなるので、各画素２２のシンチレータ２７を受光面３０にアライメントして形成すれば、各画素２２のシンチレータ２７で発生されたシンチレーション光の殆どを受光面３０に入射させることができる。

接続部３２は、各サブピクセル３１と、第２のシリコン層２４に形成されている信号検出部４１とを接続部４２を介して接続する。なお、接続部３２と接続部４２とは、貫通配線（Trough Silicon Via）やＣｕなどのメタルパッド等を介して接続される。

接続部３３は、各サブピクセル３１と、第２のシリコン層２４に形成されている駆動部４４とを接続部４３を介して接続する。なお、接続部３３と接続部４３とは、貫通配線やメタルパッド等を介して接続される。

第１のシリコン層２３における他の余白には、主として電源配線、グランド配線、信号配線などが設けられる。

なお、サブピクセル３１のアレイには、その駆動と出力のために多くの配線が設けられるが、それらの配線がサブピクセル３１に対するシンチレーション光の入射の妨げとならないように、サブピクセル３１は、受光面がシンチレータ２７側に形成され、配線層が第１のシリコン層２３に形成される裏面照射型であることが望ましい。

図４は、１個の画素２２に対応する第２のシリコン層２４の構成例を示している。第２のシリコン層２４には、ＡＤ変換回路を含む信号検出部４１、サブピクセル３１の駆動を制御する駆動部４４、ＡＤ変換された各サブピクセル３１の出力信号を合算処理し、１個の画素２２の出力値を生成する出力処理部４５、および各部の動作タイミングを制御する論理制御部４６が配置される。

信号検出部４１は、サブピクセル３１の出力を少なくとも３ビット以上の階調を有する値にＡＤ変換する。信号検出部４１は１０μｍピッチで３２本が配置されており、３２個のサブピクセルからの出力を同時並列に検出してサンプリングする。すなわち、信号検出部４１は、それぞれ２個のサブピクセル３１によって共有される。なお、信号検出部４１を３個以上のサブピクセル３１によって共有するようにしてもよい。また、１個のサブピクセル３１で専有するようにしてもよい。

なお、仮に、動作不良となったサブピクセル３１が発生した場合、それは出力処理部４５により検出されるので、動作不良のサブピクセル３１をマスキングして合算値から除外してもよい。画素２２の出力は、６４個のサブピクセル３１の出力値から成るので、例えばそのうち２個がＸ線入射で破壊された場合、それらをマスクしても影響は５％以下である。その際必要があれば出力に欠陥数分の補正を施してもよい。すなわち、画素２２内のサブピクセル３１の数をＮ、欠陥数をＤとすると、欠陥画素を除いた（Ｎ−Ｄ）個のサブピクセル３１の出力合算値に、Ｎ／（Ｎ−Ｄ）の補正値を掛けて合算出力としてもよい。

図２に戻る。隔壁２５は、各画素２２の間に光を反射する材質によって形成されており、各画素２２のシンチレータ２７発生したシンチレーション光の漏れを防止する。各隔壁２５に対して追加されているコリメータ２６は、鉛などから成り、Ｘ線光子２の斜め方向からの入射を抑止する。なお、コリメータ２６は必要に応じて形成すればよく、省略してもよい。

各隔壁２５の間に形成されたシンチレータ２５は、Ｘ線光子２の入射に応じてシンチレーション光を発生する。

検出装置１２の各画素２２で発生したシンチレーション光は、各画素２２における複数のサブピクセル３１により光電変換されて、各サブピクセル３１に電荷として蓄積される。その蓄積量に比例した各サブピクセル３１の出力信号は信号検出部４１でＡＤ変換され、１個の画素２２に対応する複数のサブピクセル３１の出力合計値が画素２２に入射したシンチレーション光の強度として導出される。

次に、図５は、半導体光検出部２１を成すシリコンチップの全体の構成例を示している。半導体光検出部２１には、画素２２が４００μｍのピッチで３２行×６４列に配置されてアレイを成している。複数の画素２２が配置されているアレイの出力部５１や接続パット等が配置される。出力部５１は、複数の画素２２の出力に基づいてＸ線２次元投影データを生成して後段に出力する。

＜サブピクセル３１の構成例＞
図６は、サブピクセル３１の構成例を示す等価回路図である。

サブピクセル３１の構成例は、ＰＤ６１、ＰＤ６１のカソードを成す蓄積ノード６２、転送Ｔｒ（トランジスタ）６３、検出ノード（ＦＤ：フローティングデュフージョン）６４、増幅Ｔｒ６５、選択Ｔｒ６６、およびリセットＴｒ６７を備える。転送Ｔｒ６３乃至リセットＴｒ６７としては、例えば、ｎ型のMOS(Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタが用いられる。

ＰＤ６１は、入射した光子を電荷に変換し、そのカソードである蓄積ノード６２に蓄積する。より具体的には、シンチレータ２７によって発生されたシンチレーション光の光子の入射に応じて電子と正孔のペアを発生させ、そのうちの電子を蓄積ノード６２に蓄積する。また、ＰＤ６１は、リセットによる電荷排出時には蓄積ノード６２が完全空乏化される、埋め込み型となっている。すなわち、蓄積ノード６２がリセットされると、キャリアは全て排出されて、ドナーまたはアクセプタによる固定電荷のみでそのポテンシャルが固定される。この時、それより深いポテンシャルを持つノードをそこに接続しても、蓄積ノード６２のポテンシャルは変化しない。

転送Ｔｒ６３は、駆動部４４に含まれる行駆動部７０からの制御に従い、蓄積ノード６２に蓄積されている電荷を検出ノード６４に転送する。検出ノード６４は、転送Ｔｒ６３を介して転送された電荷を蓄積し、その蓄積した電荷量に応じたアナログ値の電圧を生成する。この電圧は、増幅Ｔｒ６５のゲートに印加される。

増幅Ｔｒ６５は、ゲートが検出ノード６４に、ドレインが電源配線６８に、ソースが選択Ｔｒ６６に接続されており、ゲートに印可された電圧に応じ、選択Ｔｒ６６を介して負荷の大きな垂直信号線７３を駆動する。なお、増幅Ｔｒ６５は、信号検出部４１に含まれる定電流部７１とともにソースフォロワを形成しており、検出ノード６４の電圧変動は、１弱のゲインで垂直信号線７３に伝達され、この電圧の電気信号は信号検出部４１に含まれる検出部７２に出力される。

選択Ｔｒ６６は、ゲートが行駆動部７０に、ドレインが増幅Ｔｒ６５に、ソースが垂直信号線７３に接続されており、行駆動部７０からの制御に従って、増幅Ｔｒ６５からの電気信号を垂直信号線７３に出力する。なお、サブピクセル３１と検出部７２が１対１で設置されている場合には、選択Ｔｒ６６を省略して、増幅Ｔｒ６５のソースを垂直信号線７３に直結してもよい。

リセットＴｒ６７は、ゲートが行駆動部７０に、ドレインが電源配線６８に、ソースが検出ノード６４に接続されており、検出ノード６４または蓄積ノード６２に蓄積されている電荷を電源配線６８に排出させることによってそれぞれを初期化する。

行駆動部７０は、例えば、リセットＴｒ６７と転送Ｔｒ６３とを同時にオン状態に制御することにより蓄積ノード６２に蓄積された電子を電源配線６８に排出させ、サブピクセル３１を蓄積前の暗状態、すなわち、シンチレーション光の光子が未入射の状態に初期化する。また、行駆動部７０は、リセットＴｒ６７のみをオン状態に制御することにより、検出ノード６４に蓄積された電荷を電源配線６８に排出させて、その電荷量を初期化する。

サブピクセル３１は、ＰＤ６２がリセットされてから、読み出しが行われるまでの期間、光電変換した電荷を蓄積し、読み出し時に蓄積した電荷に応じた電圧の電気信号を出力する。このような単位期間の蓄積と読み出しを繰り返すことにより、蓄積中にシンチレーション光の光子が入射すると、読み出し時にその光量に対応した出力結果を得ることができる。

ところで、サブピクセル３１に採用されている埋め込み型のＰＤ６１の特徴は、そのカソードである蓄積ノード６２と検出ノード６４が、読み出し時に容量結合しないことである。この結果、検出ノード６４の寄生容量を低減させるほど変換効率が向上し、１光子の入射に対する感度を向上させることができる。またＰＤ６１を大型化しても変換効率が悪化することは無いので、ＰＤ６１を大型化すればするほど、同じ光束密度に対するサブピクセル３１あたりの感度を向上させることができる。

また、サブピクセル３１は、電子増倍を伴わないので、サブピクセル３１の出力は増幅Ｔｒ６５や後段の信号検出部４１に含まれるＡＤ変換部に起因する読み出しノイズの影響を受けることになるが、上述したように、サブピクセル３１の感度を最大化すれば、読み出しノイズの影響を相対的に最小化することができる。すなわち、検出ノード６４の寄生容量を出来る限り低減するとともに、ＰＤ６１を、その内部を１電子がドリフトで移動できる範囲内で出来る限り大型化することによって出力のＳＮは最大化されるので、超高感度検出器としてのサブピクセル３１を実現することができる。

このような完全空乏型の蓄積ノード６２を有するＰＤ６１を採用したサブピクセル３１の構造は、既存のＸ線透過撮像に用いられてきたＰＤの従来構造とは大きく異なるものである。サブピクセル３１は僅かな光子の入射にも精度よく反応し、後述するシーケンスに従って動作することにより、検出部７２に対して速やかに電圧の電気信号を出力することができる。

なお、サブピクセル３１の構造は、既存のデジタルカメラ等に使用されるCMOSイメージセンサの画素の構造に類似しているが、設計思想は全く異なっている。画素２２の中に複数のサブピクセル３１を配置してアレイ化している理由は、その中で空間解像度を得るためではなく、大きさが限られたサブピクセル３１を用いながら、画素２２が十分な大きさの受光面と物理開口を得るためである。

サブピクセル３１の面積が大きい程、ＰＤ６１を大面積化して開口率を上げやすく、検出部７２を共有するサブピクセル３１の数が減って高速化も容易となる。また、画素２２における開口面積あたりのフロアノイズも減少する。従って、サブピクセル３１の面積は、少なくとも１００μｍ²以上として、さらには４００μｍ²以上とすることが望ましい。

サブピクセル３１を大型化する際にその面積の上限を規定するのは、埋め込み型ＰＤ６１内のドリフトによる電子の移動であり、大型化されたＰＤ６１内の遠端で発生した１電子が高速で検出ノード６４に転送されるように、ＰＤ６１内のポテンシャルを設計する必要がある。

なお、ＰＤ６１は、そのカソードであるＮ型拡散層が蓄積ノード６２となって電子が蓄積されるとしたが、極性を全て逆にして、アノードであるＰ型拡散層を蓄積ノード６２として正孔を蓄積するようにしてもよい。

＜サブピクセル３１の第１の動作シーケンス＞
次に、図７は、サブピクセル３１の動作の一例（第１の動作シーケンス）を示している。

なお、同図の上側には、信号検出部４１を共有するサブピクセル３１ａと３１ｂのうち、サブピクセル３１ａの動作シーケンスを示し、下側にはサブピクセル３１ｂの動作シーケンスを示している。例えば、同図上側の６３ａは、サブピクセル３１ａにおける転送Ｔｒ６３のオン、オフ状態を表すものとする。また、同図下側の６７ｂは、サブピクセル３１ｂにおけるリセットＴｒ６７のオン、オフ状態を表すものとする。

図６に示された検出部７２は垂直信号線７３を介して２個のサブピクセル３１ａと３１ｂに接続されており、交互にその選択と、出力のサンプリングを実施する。サンプリングについては、シンチレーション光の光子が未入射な暗状態に相当するリセット信号のサンプリングと、露光期間後の蓄積信号のサンプリングが行われ、その差分を取ることによって各種ノイズを相殺する相関二重サンプリング（CDS:Correlaed Double Sampling）が実施される。

始めに、蓄積期間直前のタイミングｔ１において、行駆動部７０は、転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂとリセットＴｒ６７ａ，６７ｂを同時にオン状態に制御する。この制御により、ＰＤ６１ａ，６１ｂの蓄積ノード６２ａ，６２ｂに蓄積されていた電荷が、検出ノード６４ａ，６４ｂを介して全て電源配線６８に排出される。以下、この制御を「ＰＤリセット」と称する。

この後、行駆動部７０は、転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂをオフ状態に制御する。この制御により、蓄積ノード６２ａ，６２ｂは浮遊状態となって、新たな電荷蓄積が開始される。さらに行駆動部７０は、ＰＤリセット後において、リセットＴｒ６７ａ，７６ｂをオフ状態に制御する。この制御により、検出ノード６４ａ，６４ｂの電位は、リセットＴｒ６７ａ，６７ｂのゲートとのカップリングを受けて基準電位から幾分低下して浮遊状態となる。さらに、この際に検出ノード６４ａ，６４ｂには有意なkTCノイズが発生する。検出ノード６４ａ，６４ｂには、一般に浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion）が用いられるので、以下、この制御を「ＦＤリセット」と称する。すなわち、第１の動作シーケンスでは、ＰＤリセットとＦＤリセットが連続して実施される。

次にサブピクセル３１ａ，３１ｂに対して、順次、リセット信号のサンプリングが実施される。リセット信号のサンプリングは、相関二重サンプリングにおいて１回目の読出しとして扱われる。

すなわち、行駆動部７０は、タイミングｔ２ａから所定の期間だけ選択Ｔｒ６６ａをオン状態に制御する。この制御により、サブピクセル３１ａと垂直信号線７３が接続され、検出ノード６４ａの電圧が増幅Ｔｒ６５ａにより増幅されて垂直信号線７３に出力される。検出部７２は、１回以上（例えば、４回）のサンプリングを行う。これらのサンプリングにおいて、垂直信号線７３の電位の信号が、サブピクセル３１ａのリセット信号として検出部７２によりデジタル信号Ds1aに変換され、検出部７２内のレジスタに保存される。

次に、行駆動部７０は、タイミングｔ２ｂから所定の期間だけ選択Ｔｒ６６ｂをオン状態に制御する。この制御により、サブピクセル３１ｂと垂直信号線７３が選択Ｔｒ６６ｂで接続され、検出ノード６４ｂの電圧が増幅Ｔｒ６５ｂにより増幅されて垂直信号線７３へ出力される。検出部７２は、１回以上（例えば、４回）のサンプリングを行う。これらのサンプリングにおいて、垂直信号線７３の電位の信号が、サブピクセル３１ｂのリセット信号として検出部７２によりデジタル信号Ds1Ｂに変換され、検出部７２内のレジスタに保存される。

そして、蓄積期間が終了する直前のタイミングｔ３において、行駆動部７０は、転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂをオン状態に制御する。この制御により、蓄積ノード６２ａ，６２ｂに蓄積されていた電荷が検出ノード６４ａ，６４ｂに転送される。この際、検出ノード６４ａ，６４ｂのポテンシャルが十分に深ければ、蓄積ノード６２ａ，６２ｂに蓄積されていた電子が全て検出ノード６４ａ，６４ｂに転送され、蓄積ノード６２ａ，６２ｂは完全空乏状態になる。タイミングｔ３３からパルス期間が経過した後、行駆動部７０は、転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂをオフ状態に制御する。この制御により、検出ノード６４ａ，６４ｂの電位は、転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂの駆動前に比較して、蓄積されていた電荷量の分だけ下降する（すなわち、ポテンシャルが浅くなる）ことになる。

次にサブピクセル３１ａ，３１ｂに対して、順次、蓄積信号のサンプリングが実施される。蓄積信号のサンプリングは、相関二重サンプリングにおいて２回目の読出しとして扱われる。

すなわち、行駆動部７０は、タイミングｔ４ａから所定の期間だけ選択Ｔｒ６６ａをオン状態に制御する。この制御により、サブピクセル３１ａと垂直信号線７３が接続され、上述した下降分の電圧が増幅Ｔｒ６５ａにより増幅されて垂直信号線７３に出力される。

検出部７２は、１回以上（例えば、４回）のサンプリングを行う。これらのサンプリングにおいて、垂直信号線７３の電位の信号が、サブピクセル３１ａの蓄積信号として検出部７２によりデジタル信号Ds2aに変換される。さらに、検出部７２は、サンプリングした蓄積信号（すなわち、デジタル信号Ds2a）とレジスタに保存していたリセット信号（すなわち、デジタル信号Ds1a）を比較して、その比較結果に基づいて入射光子量を判定する。

具体的には、複数回のサンプリングにより得られた複数のデジタル信号Ds1aを全て加算するか、またはそれらの平均値が算出される。同様に、デジタル信号Ds2aも全て加算するか、またはそれらの平均値が算出される。検出部７２は、デジタル信号Ds1aの加算値（または平均値）と、デジタル信号Ds2aの加算値（または平均値）との差分を正味の蓄積信号として算出する。この算出結果がサブピクセル３１ａにおける１回の露光期間に対応する出力データとなる。なお、ＦＤリセットの際に生じるkTCノイズは、デジタル信号Ds１aとデジタル信号Ds２aの差分を正味の蓄積信号とすることにより相殺される。

同様に、行駆動部７０は、タイミングｔ４ｂから所定の期間だけ選択Ｔｒ６６ｂをオン状態に制御する。この制御により、サブピクセル３１ｂと垂直信号線７３が接続され、上述した下降分の電圧が増幅Ｔｒ６５ｂにより増幅されて垂直信号線７３に出力される。

検出部７２は、１回以上（例えば、４回）のサンプリングを行う。これらのサンプリングにおいて、垂直信号線７３の電位の信号が、サブピクセル３１ｂの蓄積信号として検出部７２によりデジタル信号Ds2bに変換される。さらに、検出部７２は、サンプリングした蓄積信号（すなわち、デジタル信号Ds2b）とレジスタに保存していたリセット信号（すなわち、デジタル信号Ds1b）を比較して、その比較結果に基づいて入射光子量を判定する。

具体的には、複数回のサンプリングにより得られた複数のデジタル信号Ds1bを全て加算するか、またはそれらの平均値が算出される。同様に、デジタル信号Ds2bも全て加算するか、またはそれらの平均値が算出される。検出部７２は、デジタル信号Ds1bの加算値（または平均値）と、デジタル信号Ds2bの加算値（または平均値）との差分を正味の蓄積信号として算出する。この算出結果がサブピクセル３１ｂにおける１回の露光期間に対応する出力データとなる。なお、ＦＤリセットの際に生じるkTCノイズは、デジタル信号Ds１ｂとデジタル信号Ds２ｂの差分を正味の蓄積信号とすることにより相殺される。

なお、各サブピクセル３１の露光蓄積期間は、上述したＰＤリセット動作から、蓄積ノード６２に蓄積されていた電荷が検出ノード６４に転送される蓄積電荷の読み出し動作まで期間であり、正確には転送Ｔｒ６３がリセット後にオフしてから、読み出しでオフするまでの期間である。この蓄積期間にＰＤ６１に光子が入射して電荷が発生すると、それがリセット信号と蓄積信号の間の差分となり、上述のシーケンスに従って検出部７２により導出される。

すなわち、検出部７２は相関二重サンプリング機能を有しており、kTCノイズを含む画素の低周波ノイズを相関二重サンプリング機能によって相殺することができる。また、ＡＤ変換誤のデジタル値同士で相関二重サンプリングを実施することにより、ＡＤ変換過程で混入したノイズも相殺することができる。

ただし、上述した第１の動作シーケンスの場合、１回の露光期間が終了して、次の露光期間が開始されるまで間、特に蓄積信号のサンプリング期間において、蓄積が実施されない不感期間が発生しており、高速なサンプリングに対応することができない。

そこで次に、蓄積が実施されない不感期間を除去した動作シーケンス（第２の動作シーケンス）について説明する。

＜サブピクセル３１の第２の動作シーケンス＞
次に、図８は、サブピクセル３１の動作の他の一例（第２の動作シーケンス）を示している。

図８に示す第２の動作シーケンスは、第１の動作シーケンスのタイミングｔ１におけるＰＤリセットを省略するようにし、蓄積ノード６２からの検出ノード６４に電荷が転送される際にＰＤリセットも兼ねるようにしたものである。

すなわち、第２の動作シーケンスのタイミングｔ１１においては、ＦＤリセットのみが実施され、タイミングｔ１２ａ，ｔ１２ｂでリセットレベルのサンプリングが実施される。つまり、タイミングｔ１１において転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂに対するパルス印加は実施されずに、蓄積ノード６２の蓄積電荷はそのまま保持される。この後、タイミングｔ１３において、転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂに対してパルスが印加されて、蓄積ノード６２から蓄積検出ノード６４に対する電荷の転送が実施されるが、この電荷転送にＰＤリセットを兼ねさせる。この時、ＰＤ３１の次の蓄積期間は、ＰＤリセットを兼ねる電荷転送の直後から開始することになる。これによって画素に入射した光子が検知されない不感期間をほぼ除去することができ、高速なサンプリングを実現することができる。

なお、第１および第２の動作シーケンスのいずれにおいても、単位蓄積の最短期間はリセットレベルのサンプリングと蓄積レベルのサンプリングの合計所要時間によって規定される。ただし、第１の動作シーケンスにおける蓄積時間は、第２の動作シーケンスにおける蓄積時間の約半分である。

第１の動作シーケンスでは、タイミングｔ１において電荷が中途に排出されることにより、実効的な露光時間、即ち蓄積時間が減少している。例えば、サブピクセル３１あたりのサンプリングの上記合計所要時間を１５μ秒とすると、２個のサブピクセル３１が検出部７２を共有する場合、検出部７２が１回の露光期間分の出力を得るために合計３０μ秒を要する。このようなサンプリングは複数の検出部７２で同時に並列実行され、その出力は画素２２ごとに瞬時に合算されて各画素２２のサンプルデータとして出力とされる。この場合、画素２２のサンプルレートは約33,000Ｈｚの高速を実現できる。

なお、ＡＤ変換回路を含む信号検出部４１とサブピクセル３１のアレイは、図２に示したように１チップ化されているので、スライス数やチャンネル数が増えても、すなわち、画素２２の数が増加されても、サブピクセル３１と信号検出部４１の対応関係は変わらない。それらは一斉に並列動作し、画素２２ごとにデジタルのサンプルデータが出力される。従って、チャンネル数やスライス数を増やすための画素２２の数を増加しても、検出装置１２のサンプルレートまたはView数は容易に維持することができる。

＜サブピクセル３１の出力例＞
次に、図９は、１個の画素２２を構成する８行×８列のサブピクセル３１のうちの一部の出力例を示している。

ここで、サブピクセル３１は、例えば、１光子信号（光電変換後の信号としては１電子信号に相当）が１０LSBに対応しており、光子信号（サブピクセル３１あたり平均１電子）と読み出しノイズ（サブピクセあたり０．５電子rms）の合成が出力されている。

なお、ノイズが合成されていることによりマイナス出力も発生し得る。図９では、そのままマイナス値を記載したが、全体にオフセットをかけて全てをプラス出力とするようにしたり、マイナス値を０に切り上げたりしてもよい。

すなわち、半導体光検出部２１の各画素２２は、それぞれが階調出力を持つ高感度光検出セル（サブピクセル３１）の集合体として構成されている。一般に、サブピクセル３１は、APD（アンバランシェフォトダイオード）や光電子増倍管などのような強電界による電子増倍を行わず、出力信号は微小である。このため、有意な読み出しノイズを持つので、個々のサブピクセル３１における光子入射数は曖昧である。しかしながら、画素２２を成すサブピクセル３１の出力を総合して合算することで、微弱なパルス光量が高い精度で導出される。

以下、具体的な数値を挙げて説明する。サブピクセル３１に対して入射される光子を発生するシンチレータ２７は、入射したＸ線の強度に比例したシンチレーション光を発生する。例えば、出力１２０ｋｅＶの１個のＸ線光子２がシンチレータ２７に入射し、それに応じて発生したシンチレーション光のうち、1000個の光子が１個の画素２２に入射した場合を想定する。

また、サブピクセル３１あたりの読み出しノイズを０．５電子rmsとすれば、１個の画素２２の受光面３０のフロアノイズは√（０．５²×８×８）＝４電子rmsと見積もることができる。サブピクセル３１の量子効率を９０％とすれば、1000個の光子の入射に対応して900（＝1000×９０％）個の電子の信号電荷が発生する。その際の光ショットノイズ＝√（信号電荷数）は３０電子rmsである。

フロアノイズとショットノイズを合わせたノイズは√（４²＋３０²）≒３０電子rmsであり、半値幅として７．８％（＝2.35×３０／９００）[FWHM]という高いエネルギ分解能を得ることができる。すなわち、エネルギ弁別を用いたＸ線計数が可能となる。

なお、上述したフロアノイズは、光電子増倍管のような増倍型の光検出器では無視できるが、本実施の形態における半導体光検出部２１のサブピクセル３１に採用されているＰＤ６１では、フロアノイズを無視できない。ただし、ＰＤ６１は可視光領域に対して高い量子効率を持つので、その分多くの光電変換信号を取得でき、光ショットノイズの影響を少なくすることができる。総合的に見ると、Ｘ線透過撮像のような比較的高線量な領域では、本実施の形態における半導体光検出部２１は、光電子増倍管等と同等か、またはそれ以上のエネルギ分解能を得ることができる。

なお、本実施の形態における半導体光検出部２１の各サブピクセル３１は、数百個、または、それ以上の電子を蓄積することが可能であり、広いダイナミックレンジを有している。例えば、各サブピクセル３１の出力が１２ビットの解像度でＡＤ変換される場合、１個の画素２２を成す８行×８列のサブピクセル３１の出力の合計は、サンプルあたり１２＋log₂（８×８）≒１８ビット程度の解像度となる。なお、上記したLSB値の設定は、例えばＡＤ変換回路におけるサブピクセル信号入力部の前段でのゲイン印加等を用いて容易に変更することができ、入射光量に応じた調整が可能である。

以上に説明したように、本実施の形態における半導体光検出部２１は、Ｘ線を超高感度、かつ、高速に検出できる。従って、半導体光検出部２１を用いたＸ線ＣＴ装置１０は、従来と同様の撮影を実施しても、Ｘ線量を低減することでき、かつ、サンプル数を増加させることで、高解像度、高精度なデータを得ることができる。さらに、半導体光検出部２１を、被検体１の周囲の回転駆動を必要としない電子ビームＣＴのような超高速スキャンが可能なＸ線照射装置と組み合わせることにより、極めて高速、かつ、低被ばくで、従来と同精度のデータを得ることが可能である。

さらに、本実施の形態における半導体光検出部２１は、１個のＸ線光子２のエネルギを弁別できる感度を有しており、エネルギ弁別を用いたＸ線計数による、Ｘ線投影データの取得が可能である。

ところで、１個のＸ線光子の入射に応じて各サブピクセル３１が検出するシンチレーション光の光子は、平均１４個（≒９００／６４）程度である。入射光子のばらつきとしては√１４rmsが見込まれ、±４σをみると２９電子の信号検出が必要である。

さらに、量子化ノイズを１電子rms以下に抑えるとすれば、１LSBとして３．５電子以下が要求される（３．５／√１２≒１）。従って、ＡＤ変換もそれに対応して３ビット以上（≒log₂（２９／３．５））の解像度が必要とされる。

さらに、積分モードを用いたＸ線検出を考慮すると、各サブピクセル３１は複数Ｘ線がパイルアップした状態でのエネルギ強度を検知する必要があり、１００電子以上の検出レンジが望まれる。従って、ＡＤ変換もそれに対応して５ビット以上（≒log₂（１００／３．５））の解像度で行われることが望ましい。

また、１個の画素２２を成すサブピクセル３１の数は、欠陥補正が可能となるように４（＝２×２）個以上であることが望ましい。さらには、画素２２の大型化とあいまって積算されるフロアノイズが十分小さくなるように、多くとも10000（＝１００×１００）個、可能であれば1600（＝４０×４０）個以下とすることが望ましい。

例えば、１００μｍ²以上の面積を有するサブピクセル３１を10000（＝１００×１００）個配置して１個の画素２２を形成した場合、１個の画素２２の面積は１ｍｍ²以上になってしまうので、半導体光検出部２１における空間解像度の点からも、１個の画素２２を成すサブピクセル３１の数は10000（＝１００×１００）個以下であることが望ましい。

次に、図９は、各画素２２によりサンプリングされた２次元のＸ線投影データを示している。

すなわち、各画素２２によりサンプリングされた入射Ｘ線の強度データは、同図に示されるように、被検体１の体軸方向をＸ軸、Ｘ線照射装置１１および検出装置１２の回転方向をＹ軸とした２次元のＸ線投影データに展開される。

この２次元のＸ線投影データ画素ピッチに対応した解像度で処理した場合、Ｘ線照射装置１１および検出装置１２の１回転でＸ線投影データ上の１画素区間に反映されるサンプリングデータ数ＮＳは次式のように見積もることができる。
ＮＳ＝ＲＳ・τ・γ／３６０
ここで、τは１回転の所要時間[秒]、γは半導体光検出部２１のファン角度[度]、ＲＳは半導体光検出部２１のサンプルレート[Hz]である。

例えば、１回転の所要時間τ＝０．５秒、ファン角度γ＝４５度、サンプルレートＲＳ＝33000Hzとした場合、サンプリングデータ数ＮＳ≒2062となる。

積分処理でＸ線強度を評価する場合、サンプリング１回のビット解像度を１８ビットとすると、合計で２９ビット（≒１８＋log₂２０６２）に相当する解像度が得られる。

一方、これをＸ線計数の結果として処理した場合、サンプリング１回がＸ線入射の有無を表すバイナリ値として評価されるので、計数の最大値はサンプル回数に等しく、１１ビット（≒log₂２０６２）の解像度にしかならない。従って、この場合にはデータ取得のダイナミックレンジが不足したものとなる。

さらに、Ｘ線計数の結果として処理する場合、入射線量が高いときに同一の画素２２の同一蓄積期間内に複数個のＸ線光子２が入射してしまう、いわゆる、パイルアップが発生し得る。すなわち、パイルアップが発生した場合、複数のＸ線光子２が入射しても、単に入射が有ったことだけが計数されるだけであり、エネルギ弁別も不可能となる。

そこで、Ｘ線投影データをＸ線計数の結果として処理する場合において、ダイナミックレンジを向上させる２種類の方法について説明する。

第１の方法は、Ｘ線受光確率が高い画素と低い画素を設け、双方の出力を合成してＸ線の投影データを構成すればよい。Ｘ線受光確率の高い画素と低い画素は、同一の画素２２のＸ線受光確率を時分割で変化させてもよいし、Ｘ線受光確率が異なる画素を面状に並べてもよい。

本実施の形態における半導体光検出部２１は、Ｘ線受光確率を動的、かつ、柔軟に設定することができる。

例えば、図７に示された第１の動作シーケンスは、図８に示された第２の動作シーケンスに比較してトータルの露光期間（蓄積期間）が約半分となっており、第１の動作シーケンスにおいて露光期間以外に入射したＸ線に基づくシンチレーション光の光子は破棄される。従って、第１の動作シーケンスを実行している場合は、第２の動作シーケンスを実行している場合に比較して、Ｘ線受光確率が約半分となる。

さらに、図６に示されたサブピクセル３１の構成例に対して１個のリセットＴｒを追加することによって、より柔軟な露光期間設定が可能となる。

＜サブピクセル３１の変形例＞
図１１は、図６に示されたサブピクセル３１の構成例に対して、リセットＴｒ８０を追加した変形例に対応する等価回路を示している。

このリセットＴｒ８０は、ゲートが行駆動部７０に、ドレインが電源配線６８に、ソースがＰＤ６１の蓄積ノード６２に接続されている。すなわち、行駆動部７０がリセットＴｒ８０をオン状態に制御することにより、転送Ｔｒ６３がオフ状態であっても、任意のタイミングでＰＤ６１の蓄積ノード６２をリセットし、蓄積前の暗状態、すなわち光が未入射の状態に初期化することができる。

＜サブピクセル３１の変形例による第３の動作シーケンス＞
次に、図１２は、サブピクセル３１の変形例による動作の一例（第３の動作シーケンス）を示している。

第３の動作シーケンスは、図７に示された第１の動作シーケンスに対して、ＰＤ６１の蓄積ノード６２を、検出ノード６４を介することなく直接的にＰＤリセットを実施する工程が追加されている。

具体的には、例えばタイミングｔ２３において、リセットＴｒ８０ａ，８０ｂをオン状態とすることにより、直接的なＰＤリセットが実施される。なお、リセットＴｒ８０を用いたＰＤリセットは、リセット信号や蓄積信号のサンプリングとは独立し、任意のタイミングで実行できる。この時の露光期間は、リセットＴｒ８０ａ，８０ｂに対する制御パルスがオフ状態にされてから、転送Ｔｒ６３ａ，６３ｂに対する制御パルスがオフ状態にされるまでの期間となる。

第３の動作シーケンスによれば、露光期間は１００ｎ秒以下に設定することができるので、より広い範囲で柔軟に露光期間を調整することが可能となる。

次に、図１３は、露光期間を短縮することによるパイルアップ防止策の概念を示している。

同図Ａに示すフルタイム露光期間は、図８に示された第２の動作シーケンスに相当する。同図Ｂに示す短縮露光期間は、図７に示された第１の動作シーケンス、または図１２に示された第３の動作シーケンスに相当する。同図Ｃに示す露光期間混合は、フルタイム露光期間と短縮露光期間とを時分割で混合した場合を示している。なお、フルタイム露光期間と短縮露光期間は、空間的に混合してもよい。例えば隣接する一対の画素について、一方をフルタイム露光期間、他方を短縮露光期間に設定してもよい。

＜フルタイム露光期間の画素と、短縮露光期間の画素の出力の合成について＞
次に、図１４は、フルタイム露光期間の画素（Ｘ線受光確率が高い画素）と、短縮露光期間の画素（Ｘ線受光確率が低い画素）の出力を合成する場合のシーケンスを示している。なお、フルタイム露光期間は、短縮露光期間に対して相対的に露光期間が長ければよく、設定可能な最長の露光期間を意味するものではない。反対に、短縮露光期間は、フルタイム露光期間に対して相対的に露光期間が短ければよい。

Ｘ線ＣＴ装置１０のようなスキャン型の装置では、図１０に示されたように２次元に展開されたＸ線投影データにおける同一の位置に、短縮露光期間の画素の出力データとフルタイム露光期間の画素の出力データが混合してマッピングされることになる。

そこで、照射されるＸ線量が低い低線量の領域には、より高感度なフルタイム露光期間の画素の出力データを採用する。反対に、照射されるＸ線量が高い領域には、飽和しにくい短縮露光期間の画素の出力データを採用する。

例えば、Ｘ線計数の場合、ポワソン分布から、Ｘ線量とパイルアップの確率は計数確率に対応している。複数回のサンプリングにおいてＸ線が計数された確率が高いと、線量が高くパイルアップが発生した確率も高いとみなし得る。従って、Ｘ線投影データの領域毎に、まずフルタイム露光期間の画素の出力データを評価し、計数確率が所定の閾値以下である場合、該領域にはそのままフルタイム露光期間の画素の出力データを採用する。反対に、計数確率が所定の閾値を超えている場合、該領域には短縮露光期間の画素の出力データを採用するようにすればよい。

なお、Ｘ線投影データを合成する際には、露出期間に対応した補正係数を乗算してから合成することが望ましい。また、露出期間の設定はフルタイム露光期間と短縮露光期間の２種類に限るものではく、異なる３種類以上の露出期間にそれぞれ対応する画素の出力を合成するようにしてもよい。

次に、Ｘ線投影データをＸ線計数の結果として処理する場合において、ダイナミックレンジを向上させる第２の方法について説明する。

第２の方法は、Ｘ線計数データと積分データの両方を用いて診断を行い、Ｘ線計数データにおいてパイルアップが生じたために精度を失っている領域については積分データを用いて補完するものである。

次に、図１５は、第２の方法に対応するシーケンスの例を示している。初めに、各画素から取得されるサンプルデータ群に対して、計数処理と積分処理を個別に施すことによって、計数データと積分データを取得する。ここで、各画素から取得されるサンプルデータは、サブピクセル３１からの階調出力値を合計したデジタルの階調データである。

一方の線計数処理では、上の閾値と下の閾値を設けて、サンプルデータが上下の閾値の範囲内にあるか否かを判定し、上下の閾値の範囲内にあると判定した場合にはそれを１として計数し、上下の閾値の範囲内に無いと判定した場合にはそれを計数しない（０として計数する）。このようにして、サンプリングした多数のバイナリデータを、２次元のＸ線投影データに展開する。

他方の積分処理では、階調を持った画素のサンプル出力を、そのまま２次元のＸ線投影データにマッピングする。または、Ｘ線計数値をもってマッピングされたＸ線投影データ上の高線量の領域を、積分処理によるマッピングデータを用いて修正、補完する。

例えば多くのパイルアップが発生している領域では、下限の閾値だけを用いて計数を行い、その計数率からポワソン分布を用いて計数値を補正する。そして、積分データと補正した計数値から平均エネルギを算出し、本来計数すべきエネルギ範囲と、算出した平均エネルギとの比較から再度計数値を補正する。このようなＸ線２次元投影データに逆投影処理を施すことで、３次元の断層画像を取得することができる。

＜第２の実施の形態であるＸ線FPD装置の構成例＞
次に、図１６は、本開示の第２に実施の形態であるＸ線FPD(Flat Panel Detector)装置の構成例を示している。

このＸ線FPD装置１００は、被検体を挟んでＸ線照射装置（いずれも不図示）に対向する位置に配置されるものである。Ｘ線FPD装置１００は、シリコン半導体で形成された光検出部１０１、柱状結晶のシンチレータ１０２、および、鉛板等によりＸ線の入射方向を制限するグリッド１０３を有する。なお、グリッド１０３は、必要に応じて形成すればよく、省略してもよい。

Ｘ線FPD装置１００には、被検体を透過したＸ線光子２がシンチレータ１０２に入射する。なお、第２の実施の形態であるＸ線FPD装置１００のシンチレータ１０２は、第１の実施の形態のように画素毎には区分けられていない。

従って、Ｘ線光子２の入射に応じて発生するシンチレーション光の光子は複数の画素に到達、入射する。なお、シンチレータ１０２の厚さは、例えば０．６ｍｍとする。照射されるＸ線の強度は、例えば１００ｋｅＶとする。

光検出部１０１における１個の画素１２１のサイズは４００μｍ四方である。１個の画素１２１には、８行×８列のサブピクセル１３１によってアレイが形成されている。サブピクセル１３１のサイズは、例えば４０μｍ四方である。サブピクセル１３１のアレイが形成されている上層には、ＡＤ変換回路を含む検出部１４１が形成されている下層が積層されている。すなわち、光検出部１０１の画素１２１は、第１の実施の形態における画素２２と同様に構成される。そして、画素１２１の出力は、アレイを成す８行×８列のサブピクセル１３１の出力合計から導出される。

光検出部１０１は、33000Ｈｚでサンプリングが可能であり、光検出部１０１に含まれる全ての画素１２１が同時並列でサンプリングを実行する。

Ｘ線FPD装置１００においては、エネルギ弁別によるＸ線計数を用いて、リアルタイムでＸ線投影画像が動画として生成される。光検出部１０１にＸ線光子２が入射した位置は、Ｘ線光子２が入射する毎に導出され、下記のような工程を経て、例えば５０μｍピッチで仮想的に区分けされた仮想画素毎の計数値として、２次元のＸ線投影データにマッピングされる。

図１７は、光検出部１０１にＸ線光子２が入射した位置を導出する過程を説明するための図である。

同図は、光検出部１０１の受光面であり画素１２１のアレイに対応してＸＹの２次元座標が記載されている。光検出部１０１に対して１個のＸ線光子２が入射し、それに応じてシンチレータ１０２がシンチレーション光を発生すると、柱状結晶構造によって抑制されながらも、シンチレーション光は面方向に拡散し、入射位置を中心とした直径１．２ｍｍ程度の領域１５１に全体に拡散して、領域１５１付近の複数の画素１２１に入射する。

ここで、各画素１２１に対するシンチレーション光の入射光量は、入射位置に近いほど大きくなり、遠いほど小さくなると考えられる。従って、各画素１２１の出力もシンチレーション光の入射光量と同様に変化する。図中の各１２１の濃淡は入射光量を示すものとする。

そこで、入射位置近辺にある画素１２１の座標をその出力で加重平均し、その重心座標を導出することでＸ線光子２の入射座標を導出する。例えば、座標（Ｘ，Ｙ）の画素出力をＷ（Ｘ，Ｙ）とすると、入射位置の座標（ＸＣ，ＹＣ）は次式（１）により導出される。

このようにして導出される位置精度は、画素ピッチである４００μｍよりも高いものとなるので、例えば、各画素１２１をさらに８×８に分割した５０μｍピッチの仮想画素を設定し、導出された入射座標を仮想画素に対応させて仮想画素毎の計数値とし、その結果から２次元のＸ線投影画像を生成する。

なお、各Ｘ線光子２の入射位置導出に必要な画素１２１は、シンチレーション光の拡がりを考慮すると、入射位置直下の画素１２１を中心に５×５画素程度の範囲でよい。

図１８は、Ｘ線FPD装置１００においてＸ線計数を行い、２次元のＸ線投影データに基づいてリアルタイムのＸ線投影動画像を生成するシーケンスの一例を示している。

ステップＳ１においては、サブフレームが取得される。ここで、サブフレームとは、光検出部１０１にアレイ化されている複数の画素１２１がサンプル毎に出力する画素値を２次元に展開した画像を指す。例えば、サブフレームのサンプルレートが33000Ｈｚである場合、2200枚のサブフレームを用いた計数結果から１５fpsのＸ線投影動画像の１フレームが生成される。

ステップＳ２においては、サブフレームがスキャンすることにより画素１２１の出力分布が取得され、複数のピーク（図１７における最も濃度が高い座標）の位置が検出される。ステップＳ３においては、検出されたピークのうちの一つが選択され、選択されたピークを中心とする５×５画素が抽出される。

ステップＳ４においては、抽出された５×５画素の画素値の合計が規定範囲内であるか否かが判定され、規定範囲内であると判定された場合、エネルギ弁別を行うために、処理はステップＳ５に進められる。ステップＳ５において、５×５画素の座標と画素値に基づいて、Ｘ線光子２の入射座標が導出され、さらに、導出された入射座標を仮想画素に対応させて仮想画素毎に＋１の計数を行う。なお、ステップＳ４において、５×５画素の画素値の合計が規定範囲内ではないと判定された場合、エラーとしてエネルギ弁別は行われない、すなわち、ステップＳ５はスキップされる。

ステップＳ６においては、選択中のピークが現サブフレームにおける最後のピークであるか否か（選択していないピークが残っているか否か）が判定され、最後のピークである（選択していないピークが残っていない）と判定された場合、次のサブフレームを取得するために、処理はステップＳ１に戻される。反対に、最後のピークではない（選択していないピークが残っている）と判定された場合、次のピークを選択するために、処理はステップＳ３に戻される。

以上のようにして、各サブフレーム上で検出した各ピークについてエネルギ弁別を用いた計数を実施することにより、１ビットの仮想画素によるサブフレーム画像が構築される。そして、2200回のサンプリング毎に構築された2200枚のサブフレーム画像の対応する仮想画素を全加算することにより、１５fpsのＸ線投影動画像の１フレームが生成される。

いまの場合、Ｘ線投影動画像の各フレームの仮想画素の階調は１１ビット（≒log₂2200）となるが、そのダイナミックレンジは、図１４を参照して説明した第１の方法、または、図１５を参照して説明した第２の方法を適用すれば、大幅に拡大することが可能である。

なお、Ｘ線FPD装置１００の場合、各画素１とＸ線投影画像の位置対応が固定されているので、例えば前フレームの結果を用いて露光期間を調整してもよいし、そのような露光期間の調整を画素毎に、または領域ご毎に実施するようにしてもよい。あるいは、放射線量が高い領域はデータを積分処理し、それを用いて計数画像を修正するようにしてもよい。

＜まとめ＞
以上に説明した第１の実施の形態であるＸ線ＣＴ装置１０、および第２の実施の形態であるＸ線FPD装置１００によれば、被検体の被ばく量を増加させることなく、サンプルレートと空間分解能の向上できる。

なお、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
被検体を挟んでＸ線照射装置と対向して配置され、前記被検体のＸ線２次元投影データを生成するＸ線検出装置において、
入射されたＸ線に対応してシンチレーション光を発生するシンチレータと、
入射された前記シンチレーション光に対応して画素信号を生成する複数の画素を有する検出部と、
前記画素の前記画素信号を用いて前記Ｘ線２次元投影データを生成する出力部と
を備え、
前記検出部の前記画素は、
前記シンチレーション光に対応して光電変換を行う複数のサブピクセルと、
前記サブピクセルの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換後の前記複数のサブピクセルの出力を合算することにより、前記画素に対応する前記画素信号を生成する合算部とを有する
Ｘ線検出装置。
（２）
前記ＡＤ変換部は、前記サブピクセルの出力を少なくとも３ビット以上の階調を有する値にＡＤ変換する
前記（１）に記載のＸ線検出装置。
（３）
前記ＡＤ変換部は、２以上の前記サブピクセルによって共有される
前記（１）または（２）に記載のＸ線検出装置。
（４）
前記サブピクセルは、
前記シンチレーション光に対応して光電変換を行って蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する保持部と、
前記光電変換部および前記保持部をリセットさせる第１のリセット部とを有する
前記（１）から（３）のいずれかに記載のＸ線検出装置。
（５）
前記サブピクセルは、さらに、
前記保持部を介することなく前記光電変換部をリセットさせる第２のリセット部を有する
前記（４）のいずれかに記載のＸ線検出装置。
（６）
前記サブピクセルの前記光電変換部は、前記第１または前記第２のリセット部により完全空乏化される
前記（４）または（５）に記載のＸ線検出装置。
（７）
前記サブピクセルは、前記光電変換部をリセットさせるタイミングを調整することによって異なる複数の露光期間が設定される
前記（４）から（６）のいずれかに記載のＸ線検出装置。
（８）
前記出力部は、露光期間が異なる前記サブピクセルの出力に基づく前記画素信号を合成して前記Ｘ線２次元投影データを生成する
前記（７）に記載のＸ線検出装置。
（９）
前記出力部は、前記画素の前記画素信号を用いて、エネルギを弁別したＸ線計数を行う
前記（１）から（８）のいずれかに記載のＸ線検出装置。
（１０）
前記出力部は、さらに、前記画素毎に複数回のＸ線照射に対応する出力の積分を行う
前記（１）から（９）のいずれかに記載のＸ線検出装置。
（１１）
前記出力部は、前記画素の前記画素信号を用いて、エネルギを弁別したＸ線計数を行った結果と、前記画素毎に複数回のＸ線照射にそれぞれ対応する画素信号の積分を行った結果との一方、または両方の合成を採用して前記Ｘ線２次元投影データを生成する
前記（１０）に記載のＸ線検出装置。
（１２）
被検体を挟んでＸ線照射装置と対向して配置され、前記被検体のＸ線２次元投影データを生成するＸ線検出装置の検出方法において、
前記Ｘ線検出装置は、
入射されたＸ線に対応してシンチレーション光を発生するシンチレータと、
入射された前記シンチレーション光に対応して画素信号を生成する複数の画素を有する検出部と、
前記画素の前記画素信号を用いて前記Ｘ線２次元投影データを生成する出力部と
を備え、
前記画素は、複数のサブピクセルから成り、
前記画素による、
前記複数のサブピクセルが前記シンチレーション光に対応して光電変換を行う光電変換ステップと、
前記サブピクセルの出力をＡＤ変換するＡＤ変換ステップと、
前記ＡＤ変換後の前記複数のサブピクセルの出力を合算することにより、前記画素に対応する前記画素信号を生成する合算ステップとを含む
検出方法。

１被検体，２Ｘ線光子，１０Ｘ線ＣＴ装置，１１Ｘ線照射装置，１２検出装置，１３検出パネル，２１半導体検出部，２２画素，２７シンチレータ，３１サブピクセル，６１ＰＤ，６２蓄積ノード，６３転送Ｔｒ，６４検出ノード，６５増幅Ｔｒ，６６選択Ｔｒ，６７リセットＴｒ，６８電源配線，８０リセットＴｒ，１００Ｘ線FPD装置，１０１光検出部，１０２シンチレータ，１２１画素，１３１サブピクセル

Claims

被検体を挟んでＸ線照射装置と対向して配置され、前記被検体のＸ線２次元投影データを生成するＸ線検出装置において、
入射されたＸ線に対応してシンチレーション光を発生するシンチレータと、
入射された前記シンチレーション光に対応して画素信号を生成する複数の画素を有する検出部と、
前記画素の前記画素信号を用いて前記Ｘ線２次元投影データを生成する出力部と
を備え、
前記検出部の前記画素は、
前記シンチレーション光に対応して光電変換を行う複数のサブピクセルが１画素中にアレイ状に配置され、
前記サブピクセルの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換後の前記１画素を構成する複数のサブピクセルの出力を合算することにより、前記１画素に対応する前記画素信号を生成する合算部とを有し、
前記画素を含む第１のシリコン層と、前記ＡＤ変換部と前記合算部を含む第２のシリコン層は、積層されている
Ｘ線検出装置。
前記ＡＤ変換部は、前記サブピクセルの出力を少なくとも３ビット以上の階調を有する値にＡＤ変換する
請求項１に記載のＸ線検出装置。
前記ＡＤ変換部は、２以上の前記サブピクセルによって共有される
請求項２に記載のＸ線検出装置。
前記サブピクセルは、
前記シンチレーション光に対応して光電変換を行って蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する保持部と、
前記光電変換部および前記保持部をリセットさせる第１のリセット部とを有する
請求項２に記載のＸ線検出装置。
前記サブピクセルは、さらに、
前記保持部を介することなく前記光電変換部をリセットさせる第２のリセット部を有する
請求項４に記載のＸ線検出装置。
前記サブピクセルの前記光電変換部は、前記第１または前記第２のリセット部により完全空乏化される
請求項５に記載のＸ線検出装置。
前記サブピクセルは、前記光電変換部をリセットさせるタイミングを調整することによって異なる複数の露光期間が設定される
請求項５に記載のＸ線検出装置。
前記出力部は、露光期間が異なる前記サブピクセルの出力に基づく前記画素信号を合成して前記Ｘ線２次元投影データを生成する
請求項７に記載のＸ線検出装置。
前記出力部は、前記画素の前記画素信号を用いて、エネルギを弁別したＸ線計数を行う
請求項２に記載のＸ線検出装置。
前記出力部は、さらに、前記画素毎に複数回のＸ線照射に対応する出力の積分を行う
請求項２に記載のＸ線検出装置。
前記出力部は、前記画素の前記画素信号を用いて、エネルギを弁別したＸ線計数を行った結果と、前記画素毎に複数回のＸ線照射にそれぞれ対応する画素信号の積分を行った結果との一方、または両方の合成を採用して前記Ｘ線２次元投影データを生成する
請求項１０に記載のＸ線検出装置。