JP7185041B2 - ハイブリッドx線及び光検出器 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像検出器に関し、具体的には、本発明は、光学撮像データおよびX線撮像データを取り込む撮像検出器、撮像システム、および撮像検出器を製造する方法に関する。
X線撮像システムにおける光学撮像の統合は、様々な医療用途および非医療用途において貴重な機能的情報を提供し得る。例えば、医療用途において、そのような二重撮像システムは、大部分がガントリ内に組み込まれ、ガントリでは、別々の光学画像取得チャネル及びX線画像取得チャネルが機械的に結合され、取得された画像は、共同でレジストレーションされ(co-registered)、一緒に融合される。X線画像及び光学画像は、同じ時及び場所で取得されないので、この撮像概念は、しばしば、取得時間及び患者の動きの差に起因する撮像不正確性および撮像アーチファクトを引き起こす。この問題は、ハイブリッドX線及び光検出器によって解決されることがある。
現在のハイブリッドX線検出器及び光検出器は、限定的な光学機能性及び多数の光学センサセグメント間の複雑な相互接続を有することがある。
例えば、特許文献1は、共通の撮像領域内に多数の光学センサセグメントをインターリーブすることによってX線検出器から構築されるハイブリッドX線および光検出器を記載している。
特許文献2は、光トモグラフィのみによって達成し得るよりも大きい分解能で機能的情報を提供する組み合わせX線及び光学(光ベース)断層撮影撮像システムを記載している。
特許文献3は、二重モダリティ撮像システムを記載しており、PET撮像データを取得するためのポジトロン放出断層撮影(PET)スキャナおよび光学撮像データを取得するための少なくとも1つの光学撮像検出器が、撮像される物体のPET撮像データおよび光学撮像データを同時に取得するように構成される。
増強された光学撮像能力及び単純な設計を有するハイブリッドX線及び光検出器を提供する必要がある場合がある。
本発明の目的は、独立項の主題によって解決され、さらなる実施態様は、従属項に組み込まれる。本発明の以下に記載する態様は、撮像検出器、撮像システム、および撮像検出器を製造する方法にも当て嵌まることに留意されたい。
本発明の第1の態様は、光学撮像データおよびX線撮像データを取り込む(キャプチャする)ための撮像検出器に関する。撮像検出器は、基板と、感光センサと、X線シンチレータと、光学部品構成のアレイとを含む。感光センサは、撮像検出器に亘って分散されるセンサピクセルを含む。X線シンチレータは、入射X線放射のエネルギを光学光子に変換するように構成される。各光学部品構成は、入射光放射を感光センサに方向付ける(導く)ように構成される少なくとも1つの光学部品を含む。センサピクセルは、光学ピクセルを含み、各光学ピクセルは、入射光放射を受け取り、それによって、光学撮像データを生成するよう、それぞれの光学部品構成と連結される。センサピクセルは、変換される光子を受け取り、それによって、X線撮像データを生成するよう、X線シンチレータと連結される、X線ピクセルを含む。
言い換えれば、ピクセル化X線シンチレータ又は連続X線シンチレータと、光学部品とがその上に配置された、共通の感光センサが使用されてよい。以下により詳細に説明するように、特定のハイブリッド撮像用途のために、検出器領域に亘る「X線ピクセル」および「光学ピクセル」の分布および特性を柔軟に選択し且つ最適化することができる。撮像検出器を製造するために、急速に出現している「microLED」ディスプレイ技術から導出される製造概念が使用されてよい。
「アレイ(array)」という用語は、一次元アレイまたは二次元アレイとして理解されてよい。
X線シンチレータは、ピクセル化シンチレータまたは連続シンチレータ(または非ピクセル化シンチレータ)であってよい。
光学部品構成は、入射光放射を感光センサに向かって方向付けるように構成される1つ以上の光学部品を含んでよい。光学部品は、例えば、マイクロレンズ、スペクトルフィルタ、一方向又は半透明ミラー、光ガイド、偏光子、回折格子、勾配屈折率レンズ、ホログラフィックコンポーネント、長管又は立方体のような光学コリメータ、及びマイクロプリズムを含んでよい。その上、液晶レンズ、水および油ベースの液体レンズ、または半透過性液晶ミラーのような、切り替え可能な素子が、光学部品として使用されてもよい。
感光センサは、意図されるハイブリッド撮像用途のために構成されてよい。センサの典型的な例は、ウェーハスケールのシリコン基板上のCMOS画像センサ、ガラス基板またはポリイミド箔基板上のアモルファスSiTFTおよびフォトダイオードピクセルのバックプレーンアレイ、およびポリイミド箔基板上の有機TFTおよびフォトダイオードピクセルのバックプレーンアレイである。大型FOVセンサは、複数のより小さいセンサ(例えば、CMOS)を一緒にタイル状にすることによって実現されることができる。X線ピクセル及び光学ピクセル(及びそれらのフォトダイオード)の設計は、それぞれ、X線シンチレータ及び光学部品の特性と適合しなければならない。
光学ピクセルは、1つ以上のフォトダイオード(図示せず)を含んでよく、各フォトダイオードは、1つ以上の(積み重ねられた)光学部品、例えば、マイクロレンズ、光ガイド、光学フィルタに連結される。少なくとも2つの光学ピクセルが、1つのセンサピクセルに割り当てられてよく、よって、各光学ピクセルは、センサピクセルのサブピクセルを形成する。代替的に、少なくとも2つのセンサピクセルが1つの光学ピクセルに割り当てられ、よって、各センサピクセルは、光学ピクセルのサブピクセルを形成する。これは、光学撮像のための動的区別(dynamic differentiation)又は分解能(resolution)の要求にとって有利なことがある。
X線ピクセルは、1つ以上のフォトダイオードを含んでよく、各フォトダイオードは、1つ以上の(積み重ねられた)X線シンチレータ素子に連結される。少なくとも2つのX線ピクセルが、1つのセンサピクセルに割り当てられ、よって、各X線ピクセルは、センサピクセルのサブピクセルを形成する。代替的に、少なくとも2つのセンサピクセルは、1つのX線ピクセルに割り当てられ、よって、各センサピクセルは、X線ピクセルのサブピクセルを形成する。これはX線撮像のための動的区別又は分解能の要求にとって有利なことがある。
X線ピクセルおよび光学ピクセルの任意の所望のサイズおよび形状が設計されてよい。検出器の視野内に「X線センサセグメント」または「光学センサセグメント」を形成するようにピクセルをグループ化することもできる。このようにして、特定の撮像用途のために共通のセンサアレイに亘るX線ピクセルおよび光学ピクセルの任意の最適な分布を配置することができる。例は、インターリーブされた個々のピクセル、インターリーブされたセンサセグメント、交互のピクセルライン、交互のセンサセグメントストライプ、同心円状(または矩形)センサセグメント、センサセグメントのチェッカボード、および周辺センサセグメントである。
本発明のある実施形態によれば、少なくとも1つの光学部品構成は、入射光放射を感光センサに集束させる或いは狭めるための光集束コンポーネント(light converging component)を含む。光集束コンポーネントは、マイクロレンズ及び光学コリメータから選択される少なくとも1つである。
本明細書で使用するような「光学コリメータ(optical collimator)」という用語は、異なる方向に整列される光ビームを集束させる又は狭める或いはその断面を減少させる光学部品として記載されることがある。例えば、光学コリメータは、光学ピクセルの受け入れ角度を制限する光学ピクセルの上部にある長めのチューブまたは立方体であってよい。
光ガイド、光学フィルタおよび/または光源と任意的に組み合わされる、マイクロレンズまたは光学コリメータのような光集束コンポーネントの使用は、所望の光学撮像能力の実現を有利に可能にする。例は、大視野視認(large-field viewing)、自動立体視撮像(autostereoscopic imaging)、三次元光視野撮像(three-dimensional light field imaging)、飛行時間撮像(time-of-flight imaging)、三次元光検知測距(LIDAR:three-dimensional light detection and ranging)撮像、ハイパースペクトル撮像(hyperspectral imaging)、および光トモグラフィ(optical tomography)である。
本発明のある実施形態によれば、X線シンチレータは、シンチレータ素子のアレイを含むピクセル化シンチレータである。光学部品構成のアレイ及びシンチレータ素子のアレイは、入射光放射をシンチレータ素子間のギャップ内のセンサピクセルに方向付け、それによって、別個の光学ピクセル及びX線ピクセルを形成するよう、互いに対して位置付けられる。代替的に、光学部品構成のアレイ及びシンチレータ素子のアレイは、入射光放射をX線シンチレータと連結されるセンサピクセルに方向付け、それによって、共通の光学ピクセル及びX線ピクセルを形成するよう、互いに対して位置付けられる。
よって、本発明は、光学画像およびX線画像のための別個のセンサピクセルを設計するオプションを提供することがあり、故に、照明またはシャッタ移動のための特別な要件又は光学画像およびX線画像間のクロストークを除去するための画像補正なしに、両方の画像を同時に送達することができる。
本発明は、光学画像およびX線画像のための共通または共有センサピクセルを設計するための代替オプションを提供することがある。このオプションは、時間インターリーブされたX線撮像および光学撮像のためのハイブリッド検出器の特性を最適化するのに適することがある。液晶モジュールのような光スイッチを適用して、時間インターリーブされるX線撮像および光学撮像と同期してその光学特性を切り替えてよい。
本発明のある実施形態によれば、少なくとも1つの光学部品構成は、シンチレータ素子間の前記ギャップの内側に配置される光ガイドを含む。光ガイドは、入射光放射をシンチレータ素子間のギャップ内のセンサピクセルに向かって案内するために、それぞれの光集束コンポーネントと連結される。
本発明のある実施形態によれば、光集束コンポーネントは、マイクロレンズである。マイクロレンズは、以下の形状及び位置、すなわち、i)それぞれの光ガイドに対して対称的な位置において対称的に成形されたマイクロレンズ、ii)それぞれの光ガイドに対して非対称的な位置において対称的に成形されたマイクロレンズ、及びiii)非対称的に成形されたマイクロレンズのうちの少なくとも1つを有する。これは図2A~図2Cの実施形態の本文においてより詳細に説明される。
本発明のある実施形態によれば、マイクロレンズは、複合マイクロレンズである。複合マイクロレンズの位置が、i)シンチレータ素子間のギャップの内側、ii)台形のシンチレータ素子間の内側、及びiii)台形のシンチレータ素子間のギャップの上のうちの少なくとも1つである。これは図3A~図3Cの実施形態の本文においてより詳細に説明される。
本発明のある実施形態によれば、光学部品構成のアレイ及びシンチレータ素子のアレイは、感光センサの反対側に配置される。感光センサは、両側で感光性である。各光学部品構成は、入射光放射をそれぞれのシンチレータ素子と連結される1つ以上のX線ピクセルに向かって方向付けるように構成される。代替的に、光学部品構成のアレイ及びシンチレータ素子のアレイは、感光センサの同じ側に配置される。各光学部品構成は、それぞれのシンチレータ素子を通過する入射光放射を1つ以上のX線ピクセルに向かって方向付けるように構成される。代替的に、少なくとも1つのシンチレータ素子は、少なくとも1つのシンチレータ素子自体が光学撮像のためのマイクロレンズとして作用するような方法において構成される表面形状を有する。
本発明のある実施形態によれば、シンチレータ素子のアレイは、i)異なる厚さ、ii)シンチレータ素子間の異なるサイズ、iii)センサピクセルのサイズと比べて異なるサイズ、iv)異なる距離ギャップ、v)不均一な分散、vi)異なる放射線変換材料、及び/又はvii)放射線変換材料の異なる組成を備える、シンチレータ素子を含む。放射線変換材料の組成は、放射線変換材料のドープレベル、ドープ材料、及びドープ材料の組み合わせのうちの少なくとも1つにおいて異なる。
ある例では、撮像検出器の中心領域が、より厚いシンチレータ素子を有してよいのに対し、撮像検出器の非中心領域、例えば、周辺領域は、より薄いシンチレータ素子を有してよい。
ある例において、シンチレータ素子のサイズは、中心から周辺に向かって増大し、それによって、中心における高い空間分解能及び周辺における低い分解能をもたらす一方で、電子機器の材料コストを節約する。
ある例において、少なくとも2つのシンチレータ素子は、1つのセンサピクセルに割り当てられる。各シンチレータ素子は、フォトダイオードと連結され、1つのセンサピクセルのX線サブ画素を形成する。放射線材料の組成および/または放射線材料の厚さは、1つのセンサピクセルに割り当てられる少なくとも2つのX線サブピクセル間で異なってよい。これは材料のX線吸収特性に非常に大きな差がある物体の医療組織の高コントラスト画像のような用途において使用されてよい。
ある例において、少なくとも2つのセンサピクセルは、1つのシンチレータ素子に割り当てられる。言い換えれば、シンチレータ素子は、センサピクセルのサイズよりも大きいサイズを有する。
ある例では、撮像検出器の中心領域は、CsIのような、高品質で高価な放射線変換材料を有してよいのに対し、撮像検出器の非中心領域、例えば、周辺領域は、低品質で安価な放射線変換材料、例えば、GOSを有してよい。
ある例において、シンチレータ素子のアレイの不均一な分布は、シンチレータ素子の放射線変換材料の組成および/または厚さの不均一な分布である。
ある例において、シンチレータ素子のアレイの不均一な分布は、ピクセルビニング(pixel binning)のレベルの不均一な分布、例えば、検出器の中心領域から周辺に向かう1×1、2×2、3×3~4×4ビニング、または一般的にn,mの増加に伴うn×mビニングによって提供されてよい。
ある例において、撮像検出器の中心領域は、より小さい距離ギャップを有してよいのに対し、撮像検出器の非中心領域、例えば、周辺領域は、より大きな距離ギャップを有してよく、それによって、中心における高い空間分解能及び周辺における低い空間分解能をもたらす一方で、電子機器の材料コストを節約する。
本発明のある実施形態によれば、X線シンチレータは、放射線変換材料を含む連続シンチレータである。
本発明のある実施形態によれば、少なくとも1つのマイクロレンズは、異なる波長の光を選択的に透過するための光学フィルタであるように構成される。
言い換えれば、マイクロレンズ自体は、光学フィルタとして作用することもできる。例えば、複合マイクロレンズは、埋め込み光学フィルタを含む。これは、FDA承認インドシアニングリーン(ICG)のような蛍光色素により着色された組織のリアルタイム視覚化のための蛍光画像誘導手術において有用なことがある。その場合、外科医は、通常の室内光条件の下で作業することができるのに対し、マイクロレンズ内の狭帯域幅スペクトルフィルタは、室内光を主に遮断し、色素によって放射される光を主に透過させる。同様に、光ガイドは、光フィルタとしても作用することもできる。
本発明のある実施形態によれば、半透過性光学ミラーが提供される。半透過性光学ミラーは、光フィルタのアレイとして提供され、各光フィルタは、1つ以上のX線ピクセルが入射光放射を受け取るのを阻止するように構成される。代替的に又は追加的に、半透過性光学ミラーは、光学スイッチのアレイとして提供され、各光学スイッチは、1つ以上のX線ピクセルによって受け取られる入射光放射が、時間インターリーブされるX線撮像及び光学撮像と同期して、選択的にオンオフ切り替えられることを可能にするように構成される。
ある例において、半透過性光学ミラーは、半透過性光学コーティングである。
光学スイッチとしての半透過性光学ミラーの使用は、X線画像を取得するための光のみの画像による補正、X線画像を取得するときの(室内光を含む)光の消灯または(大きな)光学シャッタの閉鎖のような、従来的な光学シャッタに関連する問題を有利に解決することがある。
これは(例えば、外科、手術室(OR)/ハイブリッドまたは介入室内の)リアルタイム医療およびリアルタイム非医療撮像適用を有利に可能にすることがある。
本発明のある実施形態によれば、光学部品構成のアレイは、
i)異なる焦点距離、
ii)異なる距離ギャップ、
iii)不均一な分布、
iv)マイクロレンズ間の異なるサイズ、及び/又は
v)センサピクセルのサイズと比べて異なるサイズを備える、
マイクロレンズを含む。
マイクロレンズのアレイの不均一な分布は、マイクロレンズの焦点距離またはサイズの不均一な分布であってよい。
ある例において、マイクロレンズの不均一な分布は、ピクセルビニング、例えば、検出器の中心領域から周辺に向かう1x1、2x2、3x3~4x4ピクセルビニングのレベルの不均一な分布によって提供されることがある。
ある例において、少なくとも2つのマイクロレンズは、1つのセンサピクセルに割り当てられ、各センサピクセルは、光学サブピクセルを形成する。焦点距離および/またはサイズは、1つのセンサピクセルに割り当てられる少なくとも2つの光学サブピクセル間で異なることがある。
別の例において、少なくとも2つのセンサピクセルは、1つのマイクロレンズに割り当てられる。
ある例において、マイクロレンズは、中心から縁に向かって増大するサイズを有する。
ある例において、マイクロレンズは、中心から縁に向かって増大する距離ギャップを有する。
本発明のある実施形態によれば、基板は、平坦なまたは実質的に平坦なまたは湾曲した形状を含む。基板は、シリコン、ガラスまたはポリマ箔を含む。
「実質的に平坦な(substantially flat)」という用語は、1cmまでの最小曲げ半径を含む平坦性として理解されてよい。
本発明の第2の態様は、撮像システムに関する。撮像システムは、上述及び下述の実施形態のうちの任意の1つに従った撮像検出器と、X線源と、光学源とを含む。X線源は、X線放射を提供するように構成される。光学源は、光放射を提供するように構成される。撮像検出器は、X線放射を検出してX線撮像データを生成し、光放射を検出して光学撮像データを生成する、ように構成される。
本発明の第3の態様は、撮像検出器を製造する方法に関する。本方法は、以下のステップ、すなわち、a)基板を形成するステップと、b)基板上に感光センサを形成するステップと、c)ピックアンドプレースアセンブリ移転プロセスによって感光センサ及び/又は基板層上にX線シンチレータ及び/又は光学部品構成のアレイを配置するステップとを含み、感光センサは、撮像検出器に亘って分配されるセンサピクセルを含む。X線シンチレータは、入射X線放射のエネルギを光学光子に変換するように構成される。各光学部品構成は、入射光放射を感光センサに向かって方向付けるように構成される少なくとも1つの光学部品を含む。センサピクセルは、光学ピクセルを含み、各光学ピクセルは、入射光放射を受け取り、それによって、光学撮像データを生成するよう、それぞれの光学部品構成と連結される。センサピクセルは、変換される光学光子を受け取り、それによって、X線撮像データを生成するよう、X線シンチレータと連結される、X線ピクセルを含む。
検出器アセンブリプロセスは、ピクセル化された「ドナーアレイ」の別々の製造、すなわち、バルクシンチレータ基板をシンチレータピース(シンチレータ片)のアレイに加工すること、基板上で光学微細構造を製造すること及び光学撮像コンポーネント(例えば、ウェーハ上のマイクロレンズ、箔上の光学フィルタ)のアレイにダイシングすることで開始してよい。引き続き、これらのドナーアレイは、個々のピースをピックアップして、「アクセプタアレイ」に移転する準備ができている。これはハイブリッド検出器への全てのX線および光学撮像コンポーネントの不均一な統合が起こる共通の感光センサである。
本発明のある態様によれば、X線撮像データおよび光学撮像データを取り込む(キャプチャする)撮像検出器が提供される。撮像検出器は、X線放射及び/又は光放射への曝露から生じる画像を取り込んで処理する目的のために複数の感光ピクセル及び電子回路構成を含む共通の感光センサによって特徴付けられる。光放射は、紫外(UV)光、可視(VIS)光、赤外(IR)光、または近赤外(NIR)光であってよい。これは光センサコンポーネントについての相互接続の問題を解消することがある。それは強化された光学撮像能力も提供することがあり、それは検出器のコストを低下させることがある。このより単純で、より柔軟で、より安価なハイブリッド検出器設計の実現は、急速に出現しているMicroLEDディスプレイの製造アセンブリ概念によって可能にされるころがある。
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載する実施形態から明らかになり、それらを参照して解明されるであろう。
本発明および付随する利点のより完全な理解は、縮尺通りではない以下の概略図を参照することによってより明確に理解されるであろう。
本発明のある実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のある実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のある実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のある実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のある実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器の概略図を示している。 本発明のある実施形態に従った撮像システムの概略図を示している。 本発明のある実施形態に従った撮像検出器を製造する方法の概略図を示している。
図面中の例示は概略的であり、縮尺通りでない。異なる図面において、類似の又は同一の要素には、同じ参照番号が提供されている。一般的に、同一の部品、ユニット、実体(エンティティ)、またはステップには、図中の同じの参照記号が提供されている。
図面において、各実施形態は、概略的には、6つのX線ピクセルおよび3~6つの光学ピクセルを示しているが、これらのピクセルは必ずしも隣接しない。それらは撮像検出器に亘って任意の所望の構成で分配されてよい。
図1は、本発明の一実施形態に従った撮像検出器10の概略図を示している。撮像検出器10は、基板12と、感光センサ14と、X線シンチレータ16と、光学部品構成(optical component arrangements)のアレイ18とを含む。感光センサ14は、撮像検出器10に亘って分配されるセンサピクセル20を含む。X線シンチレータ16は、入射X線放射22(X-ray radiation)のエネルギを光学光子(optical photons)に変換するように構成される。各光学部品構成18は、入射光放射26(incident optical radiation)を感光センサ14に向かって方向付ける(導く)ように構成される少なくとも1つの光学部品24を含む。センサピクセル20は、光学ピクセル28を含み、各光学ピクセル28は、入射光放射26を受け取り、それによって、光学撮像データを生成するために、それぞれの光学部品構成18と連結される。センサピクセル20は、変換された光学光子を受け取り、それによって、X線撮像データを生成するために、X線シンチレータ16に連結される、X線ピクセル30を含み、。
ある例において、基板12は、平坦なまたは実質的に平坦な形状を含む。さらなる例において、基板12は、湾曲した形状を含む。湾曲した検出器が、様々な状況、例えば、コンパクトX線、コンピュータ断層撮影(CT)またはコーンビームコンピュータ断層撮影(CBCT)撮像システムの設計、または湾曲した身体部分を撮像することにおいて有用なことがある。例は、患者を(部分的に)覆うおよび/または患者と接触する乳房撮像または可撓検出器ブランケットである。湾曲した検出器は、工業パイプライン(ガス、油、水)の検査(NDT)にも有用なことがある。基板12は、シリコン、ガラスまたはポリマ箔を含んでよい。ポリマ箔を有する基板は、例えば、センサ・オン・フォイル(sensor-on-foil)技術によって可能にされることがある。
X線シンチレータ16は、ピクセル化シンチレータまたは連続シンチレータであってよい。ある実施形態では、図1~図5および図7Aに示すように、X線シンチレータ16は、ピクセル化シンチレータである。ある例では、図6及び7Bに示すように、X線シンチレータ16は、連続シンチレータである。
ある例において、少なくとも1つの光学部品構成は、入射光放射26を感光センサ14上に集束させる或いは狭めるために(図2~図7に示す)光集束コンポーネント31を含む。光集束コンポーネント31は、マイクロレンズ32及び光学コリメータ(図示せず)から選択される少なくとも1つである。単純性のために、図2~図7の光集束コンポーネント31は、マイクロレンズ32として例示され且つ図示されている。いくつかの実装において、光集束素子31は、長めのチューブまたは立方体のような、光学コリメータであってよいことが理解されるであろう。例えば、図2~図7のマイクロレンズ32に代えてまたは加えて、光学コリメータが適用されてもよい。
ある実施形態では、図1~図4および図7Aに示すように、X線シンチレータ16は、シンチレータ素子34のアレイを含むピクセル化シンチレータである。光学部品構成18のアレイおよびシンチレータ素子34のアレイは、入射光放射26をシンチレータ素子34間のギャップ36内のセンサピクセル20に方向付けるよう互いに対して位置付けられ、それによって、別個の光学ピクセルおよびX線ピクセルを形成する。
ある例では、代替概念として、光学部品構成18のアレイおよびシンチレータ素子34のアレイは、入射光放射26をX線シンチレータ16と連結されたセンサピクセル20に方向付けるよう互いに対して位置付けられ、それによって、共通の光学ピクセルおよびX線ピクセルを形成する。この概念は、図5A~図5Cに示されている。
図2A~図2Dは、本発明のある実施形態に従った撮像検出器10の概略図を示している。図2A~図2Dにおいて、少なくとも1つの光学部品構成18は、シンチレータ素子34間のギャップ36の内側に配置された光ガイド38を含む。光ガイド38は、入射光放射26をシンチレータ素子34間のギャップ36内のセンサピクセル20に向かって方向付けるために、それぞれの光集束コンポーネント31と連結される。単純性のために、入射光放射26および入射X線放射22は、1つの矢印として図示されている。光集束コンポーネント31は、マイクロレンズ32であってよい。
ある例では、図2Aに示すように、マイクロレンズ32は、それぞれの光ガイド38に対して対称的な位置において対称的に成形されたマイクロレンズである。
ある例では、図2Bに示すように、マイクロレンズ32は、それぞれの光ガイド38に対して非対称な位置において対称的に成形されたマイクロレンズである。この例において、光ガイドおよびその下に位置するフォトダイオードに対する対称的なマイクロレンズの位置は、各視認角についての入射光の最大集光を保証するために、センサ領域上の場所毎に最適化されてよい。
ある例では、図2Cに示すように、マイクロレンズ32は、非対称的に成形されたマイクロレンズである。この例において、光ガイドおよびその下に位置するフォトダイオードに対する非対称的なマイクロレンズの形状は、各視認角についての入射光の最大集光を保証するために、センサ領域上の場所毎に最適化されてよい。
任意的に、所望の光学撮像能力の実現を有利に可能にするために、光学フィルタおよび/または光源が提供されてよい。
ある例では、図2Dに示すように、光フィルタ40が設けられる。隣接する光学ピクセルにおける異なるフィルタの適用は、有利には、組織のハイパースペクトル撮像を可能にすることがある。腫瘍外科処置における腫瘍組織の視認性は、特定の波長帯域内の光学画像の異なるコントラストを用いることによって強化されることができる。光フィルタ40は、異なる位置で適用されてよい。光フィルタ40は、マイクロレンズ32または光ガイド38の下または上の層において適用されてもよい。
任意的に、少なくとも1つのマイクロレンズ32は、異なる波長の光を選択的に透過させるための光学フィルタであるように構成される。言い換えれば、マイクロレンズ自体も、光学フィルタとして作用することができる。例えば、図3A~図3C中の複合マイクロレンズは、埋め込み光学フィルタを含んでよい。任意的に、光ガイド38は、異なる波長の光を選択的に透過させるための光学フィルタであるように構成される。
ある実施形態では、図2Dに示すように、光源42が、X線シンチレータ16の周囲及び/又はギャップ36に設けられる。X線シンチレータの周囲および/またはギャップの内側におけるマイクロLEDまたは垂直共振器表面発光レーザ(VCSEL)のような小さな光源の適用は、ハイブリッド検出器の三次元または多スペクトル撮像能力を有利に可能にすることがある。例えば、光源は、時間インターリーブされたハイブリッド撮像を可能にするために、患者のパルス化X線曝露と同期された異なる波長で光パルスを放射するように構成されることができる。これは、連続的な光画像及びX線画像が次々に高速に取得されることを意味する。光源は、飛行時間(ToF)またはLIDAR技術を使用することによって、衝突防止システムのような高度な三次元感知機能性を検出器に追加するために使用されることができる。消費者電子機器からの様々な例(例えば、Kinect運動感知、IphoneX三次元光カメラ、ToF近接センサなど)も、ハイブリッド検出器において使用されることができる。光源は、撮像または感知とは無関係に、専用の照明機能を実現するために使用されることができる。手術室(OR)環境における外科医にとって有用な例は、陰影のない照明の生成及び患者に関する関連情報(例えば、手術針の挿入のための進入点)の投影であり得る。
光の焦点を合わせるために光学部品と任意に組み合わされた大きな表面(検出器)上の複数の光源の組み合わせは、優れた陰影希釈特性を有する外科用光を可能にする。これは外科処置中のハイブリッドORのような外科的設定において検出器を使用することを可能にする。
図3A~図3Cは、本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器10の概略図を示している。図3A~図3Cにおいて、マイクロレンズ32は、マイクロレンズのセットを含む複合マイクロレンズである。X線シンチレータの厚さが100~1000μmの範囲であることを考慮して、複合マイクロレンズは、隣接するシンチレータ素子間のギャップにおける反射/吸収現象に起因する光損失を防止するために有用なことがある。
ある例では、図3Aに示すように、複合マイクロレンズの位置は、シンチレータ素子34間のギャップ36の内側にある。
ある例では、図3Bに示すように、複合マイクロレンズの位置は、台形のシンチレータ素子34の間のギャップ36の内側にある。これは、図3Aにおける例と比較して、光学視認角および光学感度の増加を有利に可能にすることがある。マイクロレンズは、対称的な形状を有する必要があり、光ビームの斜め入射を最適に補正するためにセンサの境界に向かって傾けられることがある。
ある例では、図3Cに示すように、複合マイクロレンズの位置は、台形のシンチレータ素子34の間のギャップ36の上にある。これは、図3Aの例と比較して、合理的な視認角および光学感度を依然として維持しながら、X線感度の増加を有利に可能にすることがある。これは、シンチレータ層より上の(例えば、六角形のピクセル構造における)マイクロレンズの高くした設計を使用することによって実現されることがある。
図4は、本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器10の概略図を示している。図4において、光学部品18のアレイ及びシンチレータ素子34のアレイは、感光センサ14の反対側に配置される。感光センサ14は、両側で感光性である。光学部品構成18のアレイ及びシンチレータ素子34のアレイは、入射光放射26をシンチレータ素子34間のギャップ36内の光学ピクセル28に方向付けるために、互いに対して位置付けられる。この例において、センサは、X線撮像および光学撮像のための専用のセンサピクセル、すなわち、別個のX線ピクセル30および光学ピクセル28を有する。この実施形態は、光学部品の選択における柔軟性を有利に増加させ、製造アセンブリプロセスを容易にすることがある。
図5A~図5Cは、本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器10の概略図を示している。
ある例では、図5Aに示すように、光学部品構成のアレイ18およびシンチレータ素子34のアレイは、感光センサ14の両側に配置される。感光センサ14は、両側で感光性である。各光学部品構成18は、入射光放射26をそれぞれのシンチレータ素子34と連結された1つ以上のセンサピクセル20に向かって方向付けるように構成される。これは時間インターリーブされたX線及び光学撮像のためのハイブリッド検出器の特性を最適化するのに適することがある。
ある例では、図5Bに示すように、光学部品構成のアレイ18およびシンチレータ素子34のアレイは、感光センサの同じ側に配置される。各光学部品構成18は、それぞれのシンチレータ素子34を通過する入射光放射26を1つ以上のセンサピクセル20に向かって方向付けるように構成される。これは時間インターリーブされたX線及び光学撮像のためのハイブリッド検出器の特性を最適化するのに適することがある。
ある例では、図5Cに示すように、少なくとも1つのシンチレータ素子34は、少なくとも1つのシンチレータ素子34自体が光学撮像のためのマイクロレンズとして作用するような方法において構成される表面形状を有する。調整されたシンチレータ表面形状は、ピクセルのX線吸収差に小さな影響を有することがある。これらはX線画像の標準ゲイン補正によって考慮に入れられる。
(図示しない)ある例では、図1~図5中の実施形態のシンチレータ素子34のアレイは、i)異なる厚さ、ii)シンチレータ素子間の異なるサイズ、iii)センサピクセルのサイズと比較した異なるサイズ、iv)異なる距離ギャップ、v)不均一分布、vi)異なる放射線変換材料、および/またはvii)放射線変換材料の異なる組成を有する、シンチレータ素子34を含む。放射線変換材料の組成は、放射線変換材料のドーピングレベル、ドーピング材料、およびドーピング材料の組み合わせのうちの少なくとも1つにおいて異なる。これはX線またはCT検出器のための動的区別(differentiation)または分解能(resolution)を有利に可能にすることがある。
例えば、連続シンチレータを横切る異なる専用シンチレータ材料の大きな変動を有する撮像検出器は、X線管の組織区別、材料検出および分離、またはX線管特性、例えば、CT撮像システムのX線管のX線スポットサイズまたはX線スペクトルの測定のような用途において使用されてよい。
例えば、1つのセンサピクセル内に小型シンチレータ素子と大型X線シンチレータ素子との組み合わせを有する撮像検出器は、材料X線吸収特性において極めて大きな差を有する物体又は医療組織の高コントラスト画像のような用途に使用されることがある。
図6は、本発明のさらなる実施形態に従った連続シンチレータを備える撮像検出器10の概略図を示している。連続シンチレータは、放射線変換材料を含む。
ある例では、図6A及び図6Bに示すように、半透過性光学ミラー44が設けられる。
ある例では、図6Aに示すように、半透過性光学ミラー44は、光フィルタ46aのアレイとして提供される。各光フィルタ46aは、1つ以上のX線ピクセルが入射光放射26を受け取るのを阻止するように構成される。よって、これらのX線ピクセルは、X線のみを受信することができ、X線撮像データを生成専用である。
さらなる例では、図6Bに示すように、半透過性光学ミラー44は、光学スイッチ(46b)のアレイとして提供される。光学スイッチ46bは、マイクロレンズとX線シンチレータとの間に配置されてよく、或いはマイクロレンズモジュールとして統合されてよい。ある例では、図6Bに示すように、光学スイッチ46bは、すべてのマイクロレンズ32より下に配置されてよい。これは、室内光条件においてX線のみの画像および光学画像を取得するための実用的な用途に有益なことがある。(図示しない)別の例において、光学スイッチ46bは、マイクロレンズの一部分より下に配置されてよい。各光学スイッチ46bは、1つ以上のX線ピクセルによって受け取られる入射光放射が、時間インターリーブされるX線および光学撮像と同期的に選択的にオン及びオフにされることを可能にするように構成される。例えば、半透過性光学ミラー44は、液晶モジュール、半透過性液晶ミラー、または液晶レンズであってよい。半透過性光学ミラー44は、半透過性光学コーティングの形態であってよい。これはリアルタイム撮像用途(例えば、外科、OR/ハイブリッドまたは介入室における医療撮像用途)を有利に可能にすることがある。X線画像を取得するときに(室内灯含む)照明を消灯したり或いは光学シャッタを閉じたりする必要はない。
半透過性光学ミラー44は、図5A~図5C中の実施形態に適用されてもよい。
ある例では、光学部品構成のアレイは、i)異なる焦点距離、ii)異なる距離ギャップ、iii)不均一な分布、iv)マイクロレンズ間の異なるサイズ、および/またはv)センサピクセルのサイズと比較して異なるサイズを有するマイクロレンズを含む。これは光学撮像のための動的区別又は分解能を有利に作り出すことがある。
図7Aおよび図7Bは、本発明のさらなる実施形態に従った撮像検出器10の概略図を示している。
ある例では、図7Aに示すように、マイクロレンズは、光学撮像性能を最適化するために異なる焦点距離を有する。異なる焦点距離を有するマイクロレンズのアレイは、撮像検出器が一連の焦点距離に焦点を維持することを有利に可能にすることがある。よって、撮像検出器は、例えば、最小焦点距離から無限焦点距離に及ぶ一連の焦点距離を有する。これは部屋全体の検査を必要とする用途にとって有利なことがある。
ある例では、図7Bに示すように、マイクロレンズは、センサピクセルのサイズよりも大きいサイズを有する。
(図示しない)ある例において、マイクロレンズのサイズは、中心から周辺に向かって増加し、それによって、中央で高い空間分解能をもたらし、周辺では分解能をもたらす。
図8は、本発明のある実施形態に従った撮像システム100の概略図を示している。撮像システム100は、上述の実施形態のうちの1つに従った撮像検出器10と、X線源48と、光源50とを含む。X線源48は、X線放射を提供するように構成される。光源は、光放射を提供するように構成される。撮像検出器10は、X線撮像データを生成するためにX線放射線を検出し、光学撮像データを生成するために光放射を検出する、ように構成される。
ある例では、図8に示すように、撮像システム100は、医療撮像システムである。患者支持体52が、医療撮像のために患者を搬送するよう設けられてよい。撮像システム100のさらなる医療用途は、動き補償、患者位置決め、蛍光画像誘導手術、外科腫瘍学におけるハイパースペクトル撮像、器具追跡などを含んでよい。撮像システム100は、非破壊検査(NDT:Non Destructive Testing)、食品検査および安全管理のような、非医療用途のために使用されてもよい。
図9は、本発明のある実施形態に従った撮像検出器を製造する方法200の概略図を示している。この方法は、以下のステップを含む。第1のステップ210では、基板が形成される。第2のステップ212では、基板上の感光センサ。第3のステップ213では、X線シンチレータおよび/または光学部品構成のアレイが、ピックアンドプレースアセンブリ移転プロセス(pick-and-place assembly transfer process)によって、感光センサおよび/または基板層上に配置される。
本発明の実施形態は、異なる主題を参照して記載されていることに留意されたい。特に、いくつかの実施形態は、方法タイプの請求項を参照して記載されるのに対し、他の実施形態は、デバイスタイプの請求項を参照して記載される。しかしながら、当業者は、別段の通知がない限り、1つのタイプの主題に属する構成の任意の組み合わせに加えて、異なる主題に関する構成間の任意の組み合わせも、この出願で開示されているとみなされることを、上記及び以下の記述から知るであろう。しかしながら、全ての構成を組み合わせて、構成の単なる総和以上の相乗効果を提供することができる。
本発明を図面および前述の記述において詳細に図示し且つ記載したが、そのような図示および記述は、例示的または説明的であると考えられるべきであり、限定的であると考えられるべきではない。本発明は、開示の実施形態に限定されない。当業者は、特許請求される発明を実施する際に、図面、本開示、および従属項の研究から、開示の実施形態に対する他の変形を理解し、実施することができる。
請求項において、「含む」という語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形の表現は、複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項において引用されるいくつかの項目の機能を充足することがある。特定の手段が相互に異なる従属項において引用されているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせを有利に使用し得ないことを示すない。請求項中のいかなる参照符号も、その範囲を限定するものと解釈されてはならない。
国際公開第2016/131647A1号 米国特許出願公開第2007/238957A1号明細書 欧州特許出願公開第1715361A1号明細書

Claims (15)

  1. 光学撮像データ及びX線撮像データを取り込むための撮像検出器であって、
    - 基板と、
    - 感光センサと、
    - X線シンチレータと、
    - 光学部品構成のアレイとを含み、
    前記感光センサは、当該撮像検出器に亘って分配されるセンサピクセルを含み、
    前記X線シンチレータは、入射X線放射のエネルギを光学光子に変換するように構成され、
    当該撮像検出器は、
    各光学部品構成は、入射光放射を前記感光センサに向かって方向付けるように構成される少なくとも1つの光学部品を含み、
    前記センサピクセルは、光学ピクセルを含み、各光学ピクセルは、前記入射光放射を受け取り、それによって、前記光学撮像データを生成するよう、それぞれの光学部品構成と連結され、
    前記センサピクセルは、前記変換される光学光子を受け取り、それによって、前記X線撮像データを生成するよう、前記X線シンチレータと連結される、X線ピクセルを含むことを特徴とする、
    撮像検出器。
  2. 前記少なくとも1つの光学部品構成は、前記入射光放射を前記感光センサに集束させる或いは狭めるための光集束コンポーネントを含み、
    前記光集束コンポーネントは、マイクロレンズ及び光学コリメータから選択される少なくとも1つである、
    請求項1に記載の撮像検出器。
  3. 前記X線シンチレータは、シンチレータ素子のアレイを含むピクセル化シンチレータであり、
    前記光学部品構成のアレイ及び前記シンチレータ素子のアレイは、前記入射光放射を
    i)前記シンチレータ素子間のギャップ内の前記センサピクセルに導き、それによって、別個の光学ピクセル及びX線ピクセルを形成するよう、或いは
    ii)前記X線シンチレータと連結される前記センサピクセルに導き、それによって、共通の光学ピクセル及びX線ピクセルを形成するよう、
    互いに対して位置付けられる、
    請求項1又は2に記載の撮像検出器。
  4. 前記少なくとも1つの光学部品構成は、前記シンチレータ素子間の前記ギャップの内側に配置され、任意的に、光フィルタ及び/又は光源と結合される、光ガイドを含み、
    前記光ガイドは、前記入射光放射を前記シンチレータ素子間の前記ギャップ内の前記センサピクセルに向かって案内するために、それぞれの光集束コンポーネントと連結される、請求項3に記載の撮像検出器。
  5. 前記光集束コンポーネントは、マイクロレンズであり、
    前記マイクロレンズは、以下の形状及び位置、すなわち、
    i)それぞれの光ガイドに対して対称的な位置において対称的に成形されたマイクロレンズ、
    ii)それぞれの光ガイドに対して非対称的な位置において対称的に成形されたマイクロレンズ、及び
    iii)非対称的に成形されたマイクロレンズ
    のうちの少なくとも1つを有する、
    請求項4に記載の撮像検出器。
  6. 前記マイクロレンズは、複合マイクロレンズであり、
    前記複合マイクロレンズの位置が、
    i)シンチレータ素子間のギャップの内側、
    ii)台形のシンチレータ素子間の内側、及び
    iii)台形のシンチレータ素子間のギャップの上
    のうちの少なくとも1つである、
    請求項2を引用する請求項3に記載の撮像検出器。
  7. 前記光学部品構成のアレイ及び前記シンチレータ素子のアレイは、前記感光センサの反対側に配置され、前記感光センサは、両側で感光性であり、各光学部品構成は、前記入射光放射をそれぞれのシンチレータ素子と連結される1つ以上のX線ピクセルに向かって方向付けるように構成され、或いは、
    前記光学部品構成のアレイ及び前記シンチレータ素子のアレイは、感光センサの同じ側に配置され、各光学部品構成は、それぞれのシンチレータ素子を通過する前記入射光放射を1つ以上のX線ピクセルに向かって方向付けるように構成され、或いは、
    前記少なくとも1つのシンチレータ素子は、前記少なくとも1つのシンチレータ素子自体が光学撮像のためのマイクロレンズとして作用するような方法において構成される表面形状を有する、
    請求項3に記載の撮像検出器。
  8. 前記シンチレータ素子のアレイは、
    i)異なる厚さ、
    ii)シンチレータ素子間の異なるサイズ、
    iii)前記センサピクセルのサイズと比べて異なるサイズ、
    iv)異なる距離ギャップ、
    v)不均一な分散、
    vi)異なる放射線変換材料、及び/又は
    vii)放射線変換材料の異なる組成
    を備えるシンチレータ素子を含み、
    前記放射線変換材料の前記組成は、
    - 前記放射線変換材料のドープレベル、
    - ドープ材料、及び
    - ドープ材料の組み合わせ
    のうちの少なくとも1つにおいて異なる、
    請求項3~7のうちのいずれか1項に記載の撮像検出器。
  9. 前記X線シンチレータは、放射線変換材料を含む連続シンチレータである、請求項1又は2に記載の撮像検出器。
  10. 少なくとも1つのマイクロレンズは、異なる波長の光を選択的に透過するための光学フィルタであるように構成され、且つ/或いは、
    前記光ガイドは、異なる波長の光を選択的に透過するための光学フィルタであるように構成される、
    請求項4、請求項5、又は請求項4若しくは5を引用する請求項8に記載の撮像検出器。
  11. 半透過性光学ミラーが提供され、
    前記半透過性光学ミラーは、光フィルタのアレイとして提供され、各光フィルタは、1つ以上のX線ピクセルが前記入射光放射を受け取るのを阻止するように構成され、且つ/或いは
    前記半透過性光学ミラーは、光学スイッチのアレイとして提供され、各光学スイッチは、1つ以上のX線ピクセルによって受け取られる前記入射光放射が、時間インターリーブされるX線撮像及び光学撮像と同期して、選択的にオンオフ切り替えられることを可能にするように構成される、
    請求項1~10のうちのいずれか1項に記載の撮像検出器。
  12. 前記光学部品構成のアレイは、
    i)異なる焦点距離、
    ii)異なる距離ギャップ、
    iii)不均一な分布、
    iv)マイクロレンズ間の異なるサイズ、及び/又は
    v)センサピクセルのサイズと比べて異なるサイズ
    を備える、マイクロレンズを含む、
    請求項3~11のうちのいずれか1項に記載の撮像検出器。
  13. 前記基板は、平坦な又は実質的に平坦な又は湾曲した形状を含み、且つ、
    前記基板は、シリコン、ガラス又はポリマ箔を含む、
    請求項1~12のうちのいずれか1項に記載の撮像検出器。
  14. 請求項1に記載の撮像検出器と、
    X線源と、
    光学源とを含み、
    前記X線源は、X線放射を提供するように構成され、
    前記光学源は、光放射を提供するように構成され、
    前記撮像検出器は、前記X線放射を検出してX線撮像データを生成し、前記光放射を検出して光学撮像データを生成する、ように構成される、
    撮像システム。
  15. 請求項1~13のうちのいずれか1項に記載の光学撮像データ及びX線撮像データを取り込むための撮像検出器を製造する方法であって、
    a)基板を形成するステップと、
    b)前記基板上に感光センサを形成するステップと、
    c)ピックアンドプレースアセンブリ移転プロセスによって前記感光センサ上にX線シンチレータ及び光学部品構成のアレイを配置するステップとを含み、
    前記感光センサは、前記撮像検出器に亘って分配されるセンサピクセルを含み、
    前記X線シンチレータは、入射X線放射のエネルギを光学光子に変換するように構成され、
    各光学部品構成は、入射光放射を前記感光センサに向かって方向付けるように構成される少なくとも1つの光学部品を含み、
    前記センサピクセルは、光学ピクセルを含み、各光学ピクセルは、前記入射光放射を受け取り、それによって、前記光学撮像データを生成するよう、それぞれの光学部品構成と連結され、
    前記センサピクセルは、前記変換される光学光子を受け取り、それによって、前記X線撮像データを生成するよう、前記X線シンチレータと連結される、X線ピクセルを含む、
    方法。
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