JP7003015B2 - 放射線検出器 - Google Patents
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Description
しかしながら、この様にすると、X線検出器の動作の開始が外部からの信号に依存することになるので、タイムラグなどにより処理時間が長くなるという問題がある。
そこで、薄膜トランジスタをオフ状態とし、X線が照射された時にデータラインに流れる電流の値と、X線が照射されていない時にデータラインに流れる電流の値との差に基づいて、X線の入射開始時を検出する技術が提案されている。
そこで、放射線の入射開始時を精度良く検出することができ、且つ、検出時間の短縮を図ることができる放射線検出器の開発が望まれていた。
本実施の形態に係る放射線検出器は、X線のほかにもγ線などの各種放射線に適用させることができる。ここでは、一例として、放射線の中の代表的なものとしてX線に係る場合を例にとり説明をする。したがって、以下の実施形態の「X線」を「他の放射線」に置き換えることにより、他の放射線にも適用させることができる。
直接変換方式のX線検出器には、例えば、アモルファスセレンなどからなる光電変換膜が設けられている。直接変換方式のX線検出器においては、外部から入射したX線は、光電変換膜に吸収され、信号電荷に直接変換される。
間接変換方式のX線検出器には、例えば、複数の光電変換部を有するアレイ基板と、複数の光電変換部の上に設けられX線を蛍光(可視光)に変換するシンチレータとが設けられている。間接変換方式のX線検出器においては、外部から入射したX線はシンチレータにより蛍光に変換される。発生した蛍光は、光電変換部により信号電荷に変換される。
すなわち、X線検出器は、X線を電気的な情報に変換する検出部を有するものであれば良い。検出部は、例えば、X線を直接的またはシンチレータと協働して検出するものとすることができる。
なお、直接変換方式のX線検出器の基本的な構成には既知の技術を適用することができるので詳細な説明は省略する。
また、X線検出器1は、例えば、一般医療などに用いることができる。ただし、X線検出器1の用途は、一般医療に限定されるわけではない。
なお、図1においては、バイアスライン2c3などを省いて描いている。
図2は、X線検出器1のブロック図である。
図3は、アレイ基板2の回路図である。
図1~図3に示すように、X線検出器1には、アレイ基板2、信号処理部3、画像処理部4、シンチレータ5、メモリ6、および入射X線検出部7が設けられている。
アレイ基板2は、基板2a、光電変換部2b、制御ライン(又はゲートライン)2c1、データライン(又はシグナルライン)2c2、バイアスライン2c3、配線パッド2d1、配線パッド2d2、および保護層2fなどを有する。
本実施の形態においては、光電変換部2bがX線をシンチレータ5と協働して検出する検出部となる。
なお、光電変換部2b、制御ライン2c1、データライン2c2、およびバイアスライン2c3などの数は例示をしたものに限定されるわけではない。
光電変換部2bは、基板2aの一方の面に複数設けられている。光電変換部2bは、制御ライン2c1とデータライン2c2とにより画された領域に設けられている。複数の光電変換部2bは、制御ライン2c1が延びる方向(第1の方向の一例に相当する)、およびデータライン2c2が延びる方向(第2の方向の一例に相当する)に並べて設けられている。複数の光電変換部2bは、マトリクス状に並べられている。なお、1つの光電変換部2bは、X線画像における1つの画素(pixel)に対応する。
また、図3に示すように、光電変換素子2b1において変換した電荷が供給される蓄積キャパシタ2b3を設けることができる。蓄積キャパシタ2b3は、例えば、矩形平板状を呈し、薄膜トランジスタ2b2の下に設けることができる。ただし、光電変換素子2b1の容量によっては、光電変換素子2b1が蓄積キャパシタ2b3を兼ねることができる。
蓄積キャパシタ2b3が設けられる場合には、薄膜トランジスタ2b2をオフ状態にするとバイアスライン2c3から蓄積キャパシタ2b3に一定の電荷が蓄積され、薄膜トランジスタ2b2をオン状態にすると蓄積キャパシタ2b3に蓄積されている電荷が放出される。
なお、以下においては、一例として、蓄積キャパシタ2b3が設けられる場合を例示する。
薄膜トランジスタ2b2は、蓄積キャパシタ2b3への電荷の蓄積および放出のスイッチングを行う。薄膜トランジスタ2b2は、ゲート電極2b2a、ドレイン電極2b2b及びソース電極2b2cを有している。薄膜トランジスタ2b2のゲート電極2b2aは、対応する制御ライン2c1と電気的に接続される。薄膜トランジスタ2b2のドレイン電極2b2bは、対応するデータライン2c2と電気的に接続される。すなわち、薄膜トランジスタ2b2は、対応する制御ライン2c1と対応するデータライン2c2とに電気的に接続されている。薄膜トランジスタ2b2のソース電極2b2cは、対応する光電変換素子2b1と蓄積キャパシタ2b3とに電気的に接続される。また、光電変換素子2b1のアノード側と蓄積キャパシタ2b3は、対応するバイアスライン2c3と電気的に接続される(図3を参照)。
制御ライン2c1、データライン2c2、およびバイアスライン2c3は、例えば、アルミニウムやクロムなどの低抵抗金属を用いて形成することができる。
信号処理部3には、制御回路31と、信号検出回路32とが設けられている。
制御回路31は、薄膜トランジスタ2b2のオン状態とオフ状態を切り替える。
行選択回路31bには、画像処理部4などから制御信号S1が入力される。行選択回路31bは、X線画像のスキャン方向に従って、対応するゲートドライバ31aに制御信号S1を入力する。
ゲートドライバ31aは、対応する制御ライン2c1に制御信号S1を入力する。
例えば、制御回路31は、フレキシブルプリント基板2e1を介して、制御信号S1を各制御ライン2c1毎に順次入力する。制御ライン2c1に入力された制御信号S1により薄膜トランジスタ2b2がオン状態となり、光電変換部2b(蓄積キャパシタ2b3)からの電荷(画像データS2)が受信できるようになる。
また、複数の画像データS2は、入射X線検出部7のベース画像メモリ72にも入力される。この際、後述する選定条件に基づいて選定された複数の画像データS2がベース画像メモリ72に入力されるようにすることができる。複数の画像データS2の選定は、例えば、画像処理部4により行うことができる。
なお、複数の画像データS2の選定、入射X線検出部7の作用などに関する詳細は後述する。
画像処理部4、メモリ6、および入射X線検出部7は、信号処理部3と一体化されていてもよい。
シンチレータ5は、例えば、ヨウ化セシウム(CsI):タリウム(Tl)、あるいはヨウ化ナトリウム(NaI):タリウム(Tl)などを用いて形成することができる。この場合、真空蒸着法などを用いて、シンチレータ5を形成すれば、複数の柱状結晶の集合体からなるシンチレータ5が形成される。
また、空気中に含まれる水蒸気により、シンチレータ5の特性と反射層の特性が劣化するのを抑制するために、シンチレータ5と反射層を覆う図示しない防湿部を設けることができる。
また、メモリ6は、X線の入射開始時を判定する際に用いられる光電変換部2b(検出部)に関する情報を格納することもできる。すなわち、メモリ6は、複数の光電変換部2bのそれぞれから読み出された画像データS2と、X線の入射開始時を判定する際に用いられる光電変換部2bに関する情報と、を格納することができる。なお、X線の入射開始時を判定する際に用いられる光電変換部2bに関する情報(光電変換部2bの選定条件)については後述する。なお、光電変換部2bの選定条件は、ベース画像メモリ72に格納してもよい。
入射X線検出部7は、判定対象となるX線画像(第1の放射線画像の一例に相当する)を構成する複数の画像データS2と、判定対象となるX線画像の直前に撮影されたX線画像(第2の放射線画像の一例に相当する)を構成する複数の画像データS2から選定された複数の画像データS2と、に基づいてX線の入射開始時を判定する。
また、入射X線検出部7は、判定対象となるX線画像を構成する複数の画像データS2と、選定された複数の画像データS2から作成された複数の補間データと、に基づいてX線の入射開始時を判定することもできる。
なお、入射X線検出部7に関する詳細は後述する。
まず、制御回路31は、薄膜トランジスタ2b2をオフ状態にする。薄膜トランジスタ2b2がオフ状態となることで、バイアスライン2c3を介して一定の電荷が蓄積キャパシタ2b3に蓄積される。次に、X線が照射されると、シンチレータ5によりX線が蛍光に変換される。蛍光が光電変換素子2b1に入射すると、光電効果によって電荷(電子およびホール)が発生し、発生した電荷と、蓄積されている電荷(異種電荷)とが結合して蓄積されている電荷が減少する。次に、制御回路31は、薄膜トランジスタ2b2を順次オン状態にする。信号検出回路32は、サンプリング信号に従って各蓄積キャパシタ2b3に蓄積されている電荷(画像データS2)をデータライン2c2を介して読み出す。そして、信号検出回路32は、読み出された画像データS2(アナログ信号)をデジタル信号に順次変換する。デジタル信号に変換された画像データS2は、メモリ6に格納される。画像処理部4は、メモリ6に格納されている画像データS2に基づいて、X線画像を構成する。構成されたX線画像のデータは、画像処理部4から外部の機器などに向けて出力される。
図4は、n本の制御ライン2c1と、m本のデータライン2c2が設けられた場合である。
まず、画像処理部4などから信号検出回路32にサンプリング信号21を入力する。図4に示すように、サンプリング信号21がオンとなることで、信号検出回路32は、データライン(1)~データライン(m)に対するサンプリングを開始する。サンプリング信号21は所定の期間経過後にオフとなる。
信号検出回路32は、薄膜トランジスタ2b2がオン状態の時にデータライン(1)~データライン(m)からの画像データS2を順次読み出す。
その後、以上の手順を制御ライン(2)~制御ライン(n)に対して行う。
以上の様にして読み出された画像データS2は、メモリ6に格納される。薄膜トランジスタ2b2がオン状態の時に読み出された画像データS2は、n行m列の画像データS2となる。
また、図4においては、制御信号S1をオフとした後にサンプリング信号21をオフにしているが、制御信号S1のオフとサンプリング信号21のオフとは同時であってもよいし、制御信号S1をオフにする前にサンプリング信号21をオフとしてもよい。
まず、X線源などの外部機器からの信号により、X線がX線検出器に入射したのを認識する。次に、予め定められた時間の経過後に、読み出しを行う光電変換部2bの薄膜トランジスタ2b2をオン状態にして、蓄積されている電荷を読み出す。すなわち、一般的なX線検出器の場合には、X線が実際にX線検出器に入射したのを検出しているわけではない。そのため、外部機器からの信号が入力された時点と、読み出し動作を開始する時点との間に所定の時間を設ける必要がある。その結果、タイムラグなどが生じて、処理時間が長くなる。
その結果、薄膜トランジスタ2b2がオフ状態となっている時にデータライン2c2に流れる電流の値に基づいてX線の入射開始時を検出すると、X線の入射開始時を精度良く検出することが困難となるおそれがある。
図5に示すように、入射X線検出部7には、第1のセレクタ71、ベース画像メモリ72、第2のセレクタ73、減算回路74、比較・カウンタ回路75、および判定回路76が設けられている。
減算回路74は、第1のセレクタ71により抽出された画像データS2と、第2のセレクタ73により抽出された画像データS2との差を演算する。
判定回路76は、比較・カウンタ回路75により閾値を超えたことが判明した場合には、X線がX線検出器1に入射したと判定することができる。
なお、この判定に用いられる閾値などは、実験やシミュレーションを行うことで予め設定することができる。
また、前述したように、医療に用いられるX線検出器1の場合には、入射するX線の強度が非常に弱いものとなる。しかしながら、薄膜トランジスタ2b2がオン状態の時に得られた画像データS2を用いてX線の入射開始時を検出すれば、X線の入射開始時を精度良く検出することが可能となる。
以下に例示をする比較例においては、X線の入射開始時を検出する際に、全ての光電変換部2bから読み出された画像データS2の値(X線画像の全領域における画像データS2の値)同士を比較している。
図6(a)は、判定対象となるX線画像の領域101を表すための模式図である。
図6(b)は、比較対象となるX線画像の領域102を表すための模式図である。
図6(c)は、領域102のデータ量103を表すための模式図である。
比較例に係るX線の入射開始時の検出においては、図6(a)、(b)に示すように、X線画像の全領域における画像データS2の値を比較している。
ところが、光電変換部2bの数は非常に多い。例えば、光電変換部2bの数は、数百万個に達する場合もある。そのため、X線画像の全領域における画像データS2の値を比較すると、図6(c)に示すように、比較するデータ量103の量が膨大となる。
比較するデータ量103の量が多くなると、検出時間が長くなる。医療に用いられるX線検出器1の場合には、X線の照射時間が長くなると健康への悪影響があるため、X線の照射時間は短くすることが好ましい。そのため、検出時間が長くなると、X線が照射されている期間内にX線の入射判定が完了しなくなるおそれがある。すなわち、検出時間が長くなると、X線の入射開始時が検出できなくなるおそれがある。
またさらに、比較対象となるX線画像を構成する複数の画像データS2は、温度などの環境の変化によって変動することから書き換えが必要となる場合がある。また、振動や外部電磁波などの突発的ノイズ、駆動回路等に起因する自己ノイズによる誤動作を防ぐため、数枚のX線画像を撮影し、画像データS2を平均化するなどの対策が必要となる場合がある。そのため、大容量のベース画像メモリ72が必要なったり、平均化の処理に時間がかかったりしてコストアップや処理時間が長くなるなどの問題も生じる場合がある。
図7(b)は、比較対象となるX線画像の領域102aを表すための模式図である。
なお、領域102aは、選定された複数の光電変換部2bが設けられている領域である。
図7(c)は、領域102aのデータ量103aを表すための模式図である。
図8(b)は、比較対象となるX線画像の領域102bを表すための模式図である。
なお、領域102bは、選定された複数の光電変換部2bが設けられている領域である。
図8(c)は、領域102bのデータ量103bを表すための模式図である。
図9(b)は、比較対象となるX線画像の領域102a、102bを表すための模式図である。
図9(c)は、領域102a、102bのデータ量103cを表すための模式図である。
図9(b)に示すように、領域102aは、選定された複数の制御ライン2c1に沿った領域とすることができる。領域102bは、選定された複数のデータライン2c2に沿った領域とすることができる。複数の制御ライン2c1は、例えば、所定のピッチ寸法で選定することができる。複数のデータライン2c2は、例えば、所定のピッチ寸法で選定することができる。この様にすれば、図9(c)に示すように、比較するデータ量103cを少なくすることができる。なお、選定される複数の制御ライン2c1の数、および複数のデータライン2c2の数が少なすぎると検出精度が悪くなるおそれがある。選定される複数の制御ライン2c1の数、および複数のデータライン2c2の数が多すぎると、検出時間の短縮が図れなくなるおそれがある。そのため、複数の制御ライン2c1の数やピッチ寸法、および複数のデータライン2c2の数やピッチ寸法などは、実験やシミュレーションを行うことで適宜決定することが好ましい。
図10(b)は、比較対象となるX線画像の領域102a、および入射X線の強度を表すための模式図である。
図10(b)の右側のグラフ図に示すように、入射X線の強度は、X線画像の中央領域で強く、X線画像の周縁領域で弱くなる傾向がある。また、入射X線の強度の変化量は、X線画像の中央領域で少なく、X線画像の周縁領域で多くなる傾向がある。
そのため、図10(b)の左側の図に示すように、X線画像の周縁領域においては、選定される複数の制御ライン2c1のピッチ寸法を短くしたり、数を多くしたりすることが好ましい。この様にすれば、検出精度を向上させることが容易となる。また、X線画像の中央領域においては、選定される複数の制御ライン2c1のピッチ寸法を長くしたり、数を少なくしたりすることが好ましい。この様にすれば、データ量を少なくすることができるので検出時間の短縮を図るのが容易となる。
そのため、複数の制御ライン2c1の数やピッチ寸法などは、実験やシミュレーションを行うことで適宜決定することが好ましい。
なお、以上においては、複数の制御ライン2c1が並ぶ方向(複数のデータライン2c2が延びる方向)における入射X線の強度について説明したが、複数のデータライン2c2が並ぶ方向(複数の制御ライン2c1が延びる方向)における入射X線の強度についても同様である。すなわち、入射X線の強度の変化に応じて、複数の制御ライン2c1の選定条件、および複数のデータライン2c2の選定条件の少なくともいずれかを変更することができる。
図11(b)は、比較対象となるX線画像の領域102aを表すための模式図である。 図11(b)に示すように、実際に画像データS2を読み出す領域102aは、選定された複数の制御ライン2c1に沿った領域とすることができる。そして、領域102aと領域102aの間の領域102cにおいては、実際に読み出された画像データS2に基づいて作成された補間データを適用することができる。例えば、領域102cにおける補間データは、領域102cを挟む2つの領域102aのいずれかの画像データS2と同じとすることができる。領域102cにおける補間データは、領域102cを挟む2つの領域102aの画像データS2を平均したり、線形補間したりしたものとすることができる。領域102cにおける補間データは、領域102cの近傍における3つ以上の領域102aの画像データS2に基づいて作成された近似式により求められたものとすることができる。
以上に説明したように、選定された複数の画像データS2は、選定された複数の制御ライン2c1のそれぞれに沿って設けられた複数の光電変換部2b、および、選定された複数のデータライン2c2のそれぞれに沿って設けられた複数の光電変換部2bの少なくともいずれかから読み出された画像データS2とすることができる。
選定された複数の制御ライン2c1は、所定のピッチ寸法で並んでいるものとすることができる。
データライン2c2が延びる方向における基板2aの周縁領域に設けられた選定された複数の制御ライン2c1のピッチ寸法は、データライン2c2が延びる方向における基板2aの中央領域に設けられた選定された複数の制御ライン2c1のピッチ寸法よりも短くすることができる。
選定された複数のデータライン2c2は、所定のピッチ寸法で並んでいるものとすることができる。
制御ライン2c1が延びる方向における基板2aの周縁領域に設けられた選定された複数のデータライン2c2のピッチ寸法は、制御ライン2c1が延びる方向における基板2aの中央領域に設けられた選定された複数のデータライン2c2のピッチ寸法よりも短くすることができる。
例えば、欠陥がある光電変換部2bから読み出された画像データS2の値は、所定の閾値よりも常に高くなる場合がある。そのため、欠陥がある光電変換部2bの数が余り多くなると、X線が入射していないにも係わらずX線が入射したと誤検出するおそれがある。
また、制御ライン2c1およびデータライン2c2の短絡や断線なども、暗画像を撮影すれば知ることができる。
例えば、画像処理部4は、当該位置情報に基づいて、ベース画像メモリ72に格納する画像データS2から、該当する画像データS2を除外することができる。
この様にすれば、X線の入射開始時をさらに精度良く検出することができる。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板に設けられ、第1の方向に延びる複数の制御ラインと、
前記基板に設けられ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる複数のデータラインと、
前記第1の方向および前記第2の方向に並べて設けられ、それぞれが対応する前記制御ラインと対応する前記データラインとに電気的に接続された薄膜トランジスタを有し、放射線を直接的またはシンチレータと協働して検出する複数の検出部と、
前記薄膜トランジスタのオン状態とオフ状態を切り替える制御回路と、
前記薄膜トランジスタがオン状態の時に、前記複数の検出部のそれぞれから画像データを読み出す信号検出回路と、
第1の放射線画像を構成する複数の前記画像データと、前記第1の放射線画像の直前に撮影された第2の放射線画像を構成する複数の前記画像データから選定された複数の前記画像データと、に基づいて、
または、前記第1の放射線画像を構成する複数の前記画像データと、前記選定された複数の画像データから作成された複数の補間データと、に基づいて、前記放射線の入射開始時を判定する入射放射線検出部と、
を備え、
前記選定された複数の画像データは、選定された複数の前記制御ラインのそれぞれに沿って設けられた複数の前記検出部、および、選定された複数の前記データラインのそれぞれに沿って設けられた複数の前記検出部の少なくともいずれかから読み出された画像データである放射線検出器。 - 前記選定された複数の制御ラインは、所定のピッチ寸法で並んでいる請求項1記載の放射線検出器。
- 前記第2の方向における前記基板の周縁領域に設けられた前記選定された複数の制御ラインのピッチ寸法は、前記第2の方向における前記基板の中央領域に設けられた前記選定された複数の制御ラインのピッチ寸法よりも短い請求項1記載の放射線検出器。
- 前記選定された複数のデータラインは、所定のピッチ寸法で並んでいる請求項1~3のいずれか1つに記載の放射線検出器。
- 前記選定された複数のデータラインのピッチ寸法は、前記第1の方向における前記基板の中央領域に設けられた前記選定された複数のデータラインのピッチ寸法よりも短い請求項1~3のいずれか1つに記載の放射線検出器。
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