JP7041633B6 - 一体的画素境界を備えるナノ物質撮像検出器 - Google Patents

Description

本願は一般に、撮像検出器に関し、より詳細には、一体的画素境界を備えるナノ物質撮像検出器に関し、特にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）に関して説明される。しかしながら、本願は、Ｘ線、陽電子放射断層撮影法（ＰＥＴ）、ＣＴ／ＰＥＴ、ＣＴ／ＭＲ（磁気共鳴）、ＰＥＴ／ＭＲといった他の撮像モダリティ、及び／又は診断、安全、非破壊などの撮像システムを含む、１つ若しくは複数のエネルギーバンドにおける放射線を検出し、検出された放射線をそれを示す電気信号に直接変換するよう構成された他の撮像システムにも適用可能である。

直接変換スペクトル（マルチエネルギー）ＣＴ検出器は、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、シリコン（Ｓｉ）などの直接変換物質を含む。直接変換物質は、そこに入射するＸ線光子を電流又はパルスに直接変換する。これは、シンチレータ／フォトダイオードベースの検出器などの間接変換ＣＴ検出器とは対照的である。間接変換ＣＴ検出器では、シンチレータが、斯かるＸ線光子を光子に変換し、フォトダイオードが、光子を電流又は電気パルスに変換する。

多孔質シリコン（ｐＳｉ）と組み合わせた量子ドット（ＱＤ）などの技術が、直接変換検出器に適用される。目標は、改善された放射線阻止能力を備え、改善された検出効率（ＤＥ）と分解能とが同時に実現されることができるよう、応答を調整する能力を備えた低コストのスペクトルＣＴ検出器である。しかしながら、斯かる検出器は、クロストークの影響を受けやすい。これは一般に、１つ又は複数の画素において生成された信号が別の画素に交差するとき、関連するすべての画素に関する信号測定誤差を引き起こす可能性がある。

残念なことに、斯かるクロストークは、再構成されたＣＴ画像において目に見えるアーチファクトをもたらし、及び／又は空間分解能を低下させる可能性がある。クロストークに関するソフトウェア及び／又はハードウェア補正は、これらの性能における欠点に対処すると想定される。しかしながら、パルスレートが高いと補正においてエラーが発生し、ハードウェアベースの補正では画素間の閾値差の影響を受けやすく、電荷の不適切な合計を生み出す。少なくとも上記を考慮すると、別の検出器構成に対する未解決の必要性が存在する。

本願の態様は、上述した事項その他に対処する。

一態様によれば、撮像システムの放射線検出器アレイは、複数の検出器モジュールを含む。複数の検出器モジュールの各々は、複数の検出器画素を含む。複数の検出器画素の各々は、一体的画素境界と、上記一体的画素境界内の直接変換アクティブ領域とを含む。

別の態様では、方法が、一体的画素境界を含むナノ物質検出器画素で放射線を受信するステップを有する。この方法は更に、上記受信した放射線のエネルギーを示す信号を上記検出器画素で生成するステップを有する。この方法は更に、信号を再構成して、画像を構築するステップを有する。

別の態様では、撮像システムが、検査領域を横断するＸ線放射を放射するＸ線放射源を有する。撮像システムは更に、一体的画素境界を備えるナノ物質撮像検出器を有する。ナノ物質撮像検出器は、Ｘ線放射を検出するよう構成される。撮像システムは更に、ナノ物質撮像検出器の出力を再構成し、ＣＴ画像を生成するよう構成された再構成器を有する。

本発明のなお更なる態様が、以下の詳細な説明を読み及び理解することにより、当業者には理解されるであろう。

一体的画素境界を持つナノ物質撮像検出器を備える例示的な撮像システムを概略的に示す図である。 一体的画素境界を備えるナノ物質撮像検出器の検出器モジュールの上面図を概略的に示す図である。 一体的画素境界を備えるナノ物質撮像検出器の検出器モジュールの検出器画素の断面を概略的に示す図である。 本書の一実施形態による例示的な方法を示す図である。

本発明は、様々な要素及び要素の配列の形式並びに様々なステップ及びステップの配列の形式を取ることができる。図面は、好ましい実施形態を説明するためだけにあり、本発明を限定するものとして解釈されるべきものではない。

図１は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムなどの例示的な撮像システム１００を概略的に示す。

撮像システム１００は、静止したガントリ１０２及び回転ガントリ１０４を含む。これは、静止したガントリ１０２により回転可能に支持される。回転ガントリ１０４は、長手方向又はｚ軸１０８の周りで検査領域１０６の周りを回転する。Ｘ線管などの放射線源１１０は、回転ガントリ１０４によって支持され、回転ガントリ１０４と共に回転し、多エネルギー／クロマティック放射を生成及び放射する。

放射線感知検出器アレイ１１２は、ｚ軸１０８の方向に沿って互いに配置された検出器モジュール１１４の１つ又は複数の行を含む。各モジュール１１４は、検出器画素１１６のアレイ及び放射線受信面１１８を含む。各検出器画素１１６は、検査領域１０６を横切って放射線受信面１１８に衝突するＸ線光子１２０を検出するよう構成される。各検出器画素１１６は、Ｘ線放射を電気信号若しくはパルス、又はそのエネルギーを示すピーク振幅を備えるパルスに直接変換するよう構成された直接変換物質１２２を含む。

以下により詳細に説明されるように、直接変換物質１２２は、放射線受信面１１８に対向する対向側面１２４に向かって放射線受信面１１８から延びる複数の列を備える第１の物質と、画素１１６の内側列に配置された第２の異なる（ナノ）物質と、内側の列を囲む画素１１６の列に配置された第１及び第２の物質とは異なる第３の（ナノ）物質とを含み、第１及び第２の物質が相互作用して電子正孔対を生成し、第３の物質は、画素１１６に関する一体的画素ボーダー又は境界を提供する。第１の物質と第２の物質との相互作用は、受信されたＸ線放射を電気信号又はパルスへと（電子正孔対生成を介して）直接変換する。これは、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に含まれる適切な電子回路を用いて直接変換物質１２２から読み出されることができる。第３の物質（即ち、画素境界）は、画素１１６間の電気クロストークを低減させる。この物質の構成は、他のタイプの間接及び直接変換検出器と比較して幾何学的効率も改善することができる。

プリプロセッサ１２６は例えば、関心エネルギーに対応する異なるエネルギー閾値をそれぞれが持つ１つ又は複数の比較器を介して各検出器画素１１６からの信号又はパルスをエネルギー弁別するよう構成されたエネルギー弁別器を含む。プリプロセッサ１２６は更に、エネルギー弁別器の出力に基づき各閾値に関するカウント値をインクリメントするカウンタを含む。プリプロセッサ１２６は更に、信号、及び従って検出された放射線をカウントに基づき２つ以上のエネルギービンにエネルギービン化するビンナーを含み、エネルギービンは、エネルギーウィンドウを包含する。

再構成器１２８は、検出された信号を選択的に再構成するよう構成される。一例では、再構成器１２８は、特定のエネルギー範囲に関する信号を再構成する。例えば、再構成器１２８は、２０ｋｅＶから１４０ｋｅＶの診断範囲における１つ又は複数のエネルギー又はエネルギー範囲の信号を再構成することができる。別の例では、再構成器１２８は、すべてのビンに関する信号を結合し、結合された信号を再構成し、放射された放射線のエネルギースペクトルにわたって従来の画像を生成する。

オペレータコンソール１３０は、モニタ又はディスプレイなどの人間可読出力デバイスと、キーボード及びマウスなどの入力デバイスとを含む。コンソール１３０上に常駐するソフトウェアは、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）又は他の方法を介してオペレータがシステム１００と対話することを可能にする。この対話は、スキャンのタイプの選択、撮像プロトコルの選択、スキャンの開始などを含むことができる。

寝台のような対象支持体１３２は、検査領域１０６における人間又は動物の患者又は対象を支持する。対象支持体１３２は、対象又は物体の走査を行うため、対象又は物体を検査領域１０６に対して誘導するよう、走査と協働して移動可能である。

他の実施形態では、撮像システム１００は、Ｘ線、ＰＥＴ、ＣＴ／ＰＥＴ、ＣＴ／ＭＲ、ＰＥＴ／ＭＲなどの撮像システムを含む。特定の撮像システムに基づき、所望のエネルギーの放射線光子を信号又はパルスに変換するのに適した物質が利用される点を理解されたい。

図２及び図３は共に、検出器モジュール１１４のサブ部分の例を概略的に示す。図２は、検出器モジュール１１４の放射線受信面１１８を見る上面図を概略的に示し、図３は、図２の線Ａ－Ａに沿った図２の単一検出器画素１１６の断面図を概略的に示す。

図２において、検出器モジュール１１４は、画素１１６_１、１、...、１１６_１、N、...、１１６_M、１、...、１１６_M、Nを含む検出器画素１１６の２次元（２Ｄ）マトリックスを含む。検出器画素１１６_１、１は、側面２０２、２０４、２０６、２０８を含む。図３は、側面２０２、２０４、２０６、又は２０８の１つからの図を示し、また、放射線受信面１１８及び対向面１２４を示す。

画素１１６_１、１は、第１の物質２１２における複数の列２１０を含む。符号２００の拡大図では、各列２１０は円として表される。「白い」列は、第２の物質で満たされた列２１０を表す。「黒い」列は、第３の物質で満たされた列を表す。第１の物質は「灰色」として示される。円の形は限定ではない。楕円形、正方形、長方形、八角形、六角形、不規則形などの他の形状も本書で意図される。

「白」列と「黒」列における第１の物質２１２との組み合わせは、結果として得られる電子正孔対の間の相互作用を介して、本書で説明するような直接変換物質１２２を提供する。「黒」の列は、画素１１６_１、１に関する一体的画素境界（又は側面２０２～２８）を提供する。この境界は、境界が画素１１６_１、１の一部であり、画素自体に含まれる点で一体的である。即ち、直接変換物質１２２の特定の列２１０が、第３の物質で満たされる。

図３は、符号３００において、Ａ－Ａに沿った「白い」列２１０がすべて同じ長さではないことを示す。例えば、列２１０は、放射線受信面１１８で始まる。しかしながら、異なる列２１０は、第１（「グレー」）物質２１２における異なる深さで終了し、第３及び第４列２１０は同じ深さで終わる。他の実施形態では、すべての列が同じ長さを持つ、同じ長さを持つ列は存在しない、及び／又は２つより多くの列が同じ長さを持つ、となる。長さの変動は、列を作成するために使用されるｐＳｉ製造技術に対応する。

特定の非限定的な例が以下に提供される。

この例では、第１の物質は多孔質シリコン（ｐＳｉ）を含み、第２の物質は硫化鉛（ＰｂＳ）を含み、第３の物質は鉛（Ｐｂ）（又はチタン（Ｔｉ）又は他の物質）を含む。列の直径は、数十ナノメートル（ｎｍ）のオーダーであり、深さは３００マイクロメートル（μｍ）程度であり得る。ＰｂＳに関して、約３００ミクロンの深さが、ＣＴ Ｘ線光子の効率的な直接変換のために十分な阻止能力を生成する。これらの物質及び／又は寸法は、単なる例であり、様々な撮像用途に関して所望の結果を提供するために変更されることができることを理解されたい。斯かる結果は、電荷収集プロセスの一部ではない画素境界を作ることができるカプセル化された絶縁物質だけでなく、一方の側で電荷を収集することを可能にするようセグメント化された導電性画素境界を使用することを含む。これらの画素は、その用途に必要なＸ線フラックスに基づき、より大きな画素のサブ画素とみなすには十分に小さくてもよいことも想定される。

アノーディック（Ａｎｏｄｉｃ）及び／又はＳｉの他のエッチングといった標準的なｐＳｉ製造技術が、変換効率につながる、ＱＤに関する十分な直径及び要求される放射線阻止能力に関する深さの列２１０を生成することができる。第２の物質は、量子ドット（ＱＤ）の形態における微視的な（ナノ物質の）カプセル化されたＰｂＳなどを含み、これは、それらを所望の深さまで充填するため、列にフィットする。第３の物質は、量子ドット（ＱＤ）の形態の微視的な（ナノ物質の）カプセル化されたＰｂなどを含み、これは、同様にそれらを所望の深さに充填するため、列にフィットする。

ＰｂＳ ＱＤ及び／又はＰｂ ＱＤの挿入は、マスクを介することができる。例えば、ある列をマスクするために第１のマスクが使用されることができ、その結果、他の列が、ＰｂＳ ＱＤ（又はＰｂ ＱＤ）で満たされることができる。次に、充填された列をマスクするために第２のマスクが使用され、その結果、残りの充填されていない列が、Ｐｂ ＱＤ（又はＰｂＳ ＱＤ）で充填されることができる。余分なＰｂＳ ＱＤ及び／又はＰｂ ＱＤは除去されることができる。他の手法も、本書において想定される。

ＰｂＳ ＱＤの列は、画素１１６の大部分の列２１０を構成し、アクティブ領域を表す。Ｐｂ ＱＤの列は、画素１１６の一体的境界を構成する。この境界は、クロストーク対幾何学的効率のデザインにおけるトレードオフの一部として、検出器の分解能を考慮して、複数の列（図２に示される）を含む。画素境界物質のこの特定の非限定的な選択はまた、画素内のＸ線散乱が隣接する画素に逃げることを最小化し、こうして、クロストークの別の潜在的原因が排除される。境界列は、酸化物又は他の適切な物質でＳｉから絶縁され、メタライゼーションを介して１つ又は複数の点で電気的に接続される。ｐＳｉ ＱＤに使用される製造は、画素境界にも利用されることができる。

シンチレーション物質の量子ドットを埋め込んだ封入物質の例は、２０１４年９月２３日に出願された「Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｐｏｒｏｕｓ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」と題するＥＰ１４１８６０２２．１号に記載され、その全体が参照により本書に組み込まれる。量子ドット検出器の一例は、２０１５年８月７日に出願された「ＵＡＮＴＵＭ ＤＯＴ ＢＡＳＥＤ ＩＭＡＧＩＮＧ ＤＥＴＥＣＴＯＲ」と題された出願番号６２／２０２、３９７号に記載され、その全体が参照により本書に組み込まれる。

図４は、検出器アレイ１１２を用いた撮像を示す。

以下のステップの順序付けは説明のためのものであり、限定するものではないことを理解されたい。そのようなものとして、他の順序も本書において想定される。更に、１つ若しくは複数のステップが省略されてもよく、及び／又は１つ若しくは複数の他のステップが含まれてもよい。

ステップ４０２において、Ｘ線放射線がＸ線管によって生成される。

ステップ４０４において、Ｘ線放射線が放射され、検査フィールドを横切る。

ステップ４０６において、検出器アレイ１１２は、検査撮像野を横切る透過放射線を検出する。本書で説明されるように、検出器アレイ１１２は、一体的画素境界を備えるナノ物質検出器画素１１６を持つ検出器モジュール１１４を含む。

ステップ４０８において、検出されたＸ線放射のエネルギーを示す電気信号又はパルスが生成される。

ステップ４１０において、電気信号又はパルスが処理され、患者の一部分を含む検査撮像野のスペクトル又は非スペクトル画像が生成される。

本発明は、様々な実施形態を参照して本書において説明された。本書の記載を読めば、第三者は、修正及び変動を思いつくことができる。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等の範囲内に入る限りにおいて、斯かる修正及び変更の全てを含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (15)

1. 撮像システムのＸ線又はガンマ放射線検出器アレイであって、
   複数の検出器モジュールを有し、
   前記複数の検出器モジュールの各々が、複数の検出器画素を含み、
   前記複数の検出器画素の各々は、一体的画素境界と、前記一体的画素境界内の直接変換アクティブ領域とを有する放射線受信面を備える、放射線検出器アレイ。
2. 前記複数の検出器画素の各々が、
   複数の列を備える第１の物質と、
   前記複数の列の第１のサブセットに配置される第１のナノ物質とを更に含む、請求項１に記載の放射線検出システム。
3. 前記複数の列の前記第１のサブセットにおける前記第１のナノ物質が、前記一体的画素境界である、請求項２に記載の放射線検出システム。
4. 前記第１のナノ物質が、量子ドットを含む、請求項２又は３に記載の放射線検出システム。
5. 第１のナノ物質が、封入された鉛又はチタンを含む、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の放射線検出システム。
6. 前記複数の検出器画素の各々が、前記複数の列の第２の異なるサブセットに配置される第２のナノ物質を更に含む、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の放射線検出システム。
7. 前記複数の列の前記第２の異なるサブセットにおける前記第２のナノ物質が、前記一体的画素境界内の前記直接変換アクティブ領域である、請求項６に記載の放射線検出システム。
8. 前記複数の列の少なくとも２つが、異なる長さを持ち、各異なる長さは、それぞれが受ける異なる光子エネルギーの量に対応する、請求項２に記載の放射線検出システム。
9. 前記一体的画素境界が、前記直接変換アクティブ領域から電気的に絶縁され、メタライゼーションを介して１つ又は複数の点で電気的に接続される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線検出システム。
10. 前記複数の画素の少なくとも１つの画素が、前記複数の列に配置された前記第１のナノ物質を備える前記複数の列を持つ前記第１の物質を含むサブ画素を有する、請求項２乃至８のいずれかに記載の放射線検出システム。
11. 方法において、
    一体的画素境界を含むナノ物質検出器画素で放射線を受信するステップと、
    前記受信した放射線のエネルギーを示す信号を前記検出器画素で生成するステップと、
    前記信号を再構成し画像を構築するステップとを有する、方法。
12. 前記検出器画素が、第１の物質内の第１のセットの列を含み、前記第１のセットの列における第１のナノ物質で、前記第１のセットの列を横断する第１の放射線を減衰させるステップを更に有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記検出器画素が、前記第１のセットの列によって囲まれる、前記第１の物質内の第２のセットの列を含み、前記第２のセットの列の第２のナノ物質と前記第１の物質との相互作用を介して、前記第２のセットの列を横切る放射線を電気信号又はパルスに変換するステップを更に有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２のセットの列の１つの列を用いて、第１の光子の第１のエネルギーを示す第１の単一信号を生成するステップと、
    前記第２のセットの列の別の１つの列を用いて、第２の光子の第２のエネルギーを示す第２の単一信号を生成するステップであって、前記第１及び第２のエネルギーが異なるエネルギーであるステップとを更に有する、請求項１３に記載の方法。
15. コンピュータ断層撮影システムであって、
    検査領域を横断するＸ線放射線を放射するＸ線放射源と、
    一体的画素境界を備えるナノ物質撮像検出器であって、検査領域を横断するＸ線放射線を検出するナノ物質撮像検出器と、
    前記ナノ物質撮像検出器の出力を再構成し、前記検査領域のＣＴ画像を生成する再構成器とを有する、コンピュータ断層撮影システム。

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