JPWO2006112320A1

JPWO2006112320A1 - Ｘ線平面検出器及びｘ線画像診断装置

Info

Publication number: JPWO2006112320A1
Application number: JP2007521202A
Authority: JP
Inventors: 池田　重之; 重之池田
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2008-12-11
Also published as: WO2006112320A1

Abstract

本発明のＸ線平面検出器は、入射されたＸ線のエネルギーに対応する電荷を蓄積する蓄積手段と、この蓄積手段によって蓄積された電荷をX線画像信号として出力するスイッチ手段とが、円形の半導体ウエハに形成された回路パターンとして配置される。

Description

本発明は、Ｘ線変換部と二次元半導体検出素子アレイを用いた検出部とから成るＸ線平面検出器及びそれを用いたＸ線画像診断装置に関する。

本出願は、日本国特許法に基づく特許出願特願２００５―１１７８５３号に基づくパリ優先権主張を伴う出願であり、特願２００５―１１７８５３号の利益を享受するために参照による援用を受ける出願である。

近年、デジタルＸ線画像がリアルタイムで得られる半導体式デジタルＸ線検出器を用いたＸ線画像診断装置が実用化されている。

この半導体式デジタルＸ線検出器は、Ｘ線平面検出器（FPD：Flat Panel Detector）と呼ばれる。FPDはＸ線変換部と検出部が電気的に接続されている。Ｘ線変換部は、Ｘ線のエネルギーを間接的に光にあるいは直接電荷量に変換する。検出部は、二次元半導体検出素子アレイによって形成され、前記Ｘ線変換部で変換された光を電荷に変換した値、若しくはＸ線エネルギーを直接電荷に変換した値を検出する。そして、この検出部によって検出された電荷を電気信号として読み出し、この読み出された電気信号を画像処理部で画像化して診断に供する。

このような構成のFPDでは、例えば患者（被検体）の胴体を撮影し得る視野サイズの受光部を得るために、複数の方形の小さなサイズのシリコン基板をタイルのように貼り合わせるタイリング法でを製作されている。

上述のタイリング法で製作されたFPDは、特許文献１に開示されている。この特許文献１では、画素に対応するフォトダイオードとこのフォトダイオードに入力端子を接続したＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子とから形成される１組の受光要素があり、この受光要素がマトリックス状に配列されて一組の検出素子アレイ部を形成し、この検出素子アレイ部を複数組み合わせて所要サイズの視野を得るものである。

特開平９−３２６４７９号公報

しかしながら、タイリング法で製作されたFPDは、タイル毎のシリコン基板の品質や、複数のタイル同士を貼り合わせる際の精度にバラツキがあり、そのバラツキがＸ線画像の画質に影響を与える可能性がある点が配慮されていなかった。

一方、被検体の頭部血管や心臓血管などの特定部位を撮影するためには、概ね８インチの円形視野サイズがあればその特定部位の撮影が可能であることが知られている。この特定部位の画像診断では微細な血管を扱うため、タイリング法によるFPDでは鮮明に血管が描出できなかったり、偽画像となったりするおそれがある。このため、特定部位の撮影を可能とした視野サイズでＸ線−電気信号変換特性（Ｘ線変換特性）が均質なこ１枚造りのFPDが要望されている。

本発明の目的は、特定部位の撮影用のＸ線変換特性が均質なFPD及びＸ線画像診断装置を提供することにある。

本発明のFPDは、入射されたＸ線のエネルギーに対応する電荷を蓄積する蓄積手段と、この蓄積手段によって蓄積された電荷をX線画像信号として出力するスイッチ手段とが、円形の半導体ウエハに形成された回路パターンとして配置される。

また、本発明のＸ線画像診断装置は、被検体にＸ線を照射するＸ線源と、このＸ線源に対向配置され前記被検体の透過Ｘ線を検出するＸ線平面検出手段と、このＸ線平面検出手段によって検出された透過Ｘ線情報を画像表示する表示手段とを備え、前記Ｘ線平面検出手段は、前記FPDである。

本発明によれば、特定部位の撮影用のＸ線変換特性が均質なFPD及びＸ線画像診断装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態である間接変換方式によるFPDの概略説明図である。本発明の第１の実施形態であるFPDを用いて頭部血管撮影を行って得た画像を示す図である。本発明の第２の実施形態である間接変換方式のFPDの要部説明図である。本発明の第３の実施形態である間接変換方式のFPDの要部説明図である。

本発明の第３の実施形態における読出し行選択回路の内部構成図である。本発明の第３の実施形態における読出し回路の内部構成図である。本発明の第１〜第３の実施形態のFPDを採用したＸ線画像診断装置の概略構成図である。

符号の説明

１蛍光体層、３画素アレイ群、４フォトダイオード、５ＦＥＴスイッチ、６画素、７スイッチ制御線、８信号読み出し線、９シリコンウエハ、１０ＦＥＴスイッチ駆動回路、１１読み出し行選択信号入力端子、１２電気信号増幅器、１３列出力端子、１４スルーホール、１５読み出し行選択回路、１６読み出し回路、１７読み出し回路の出力端子、１８カウンタ、１９デコーダ、２０マルチプレクサ、２１Ａ／Ｄ変換器、２２パラレル／シリアル変換器、３１被検体、３２Ｘ線源、３３Ｘ線平面検出器、３４Ｘ線検出器制御部、３５感度及びオフセット情報記憶部、３６感度及びオフセット補正部、３７補正画像記憶部、３８表示部、３９感度及びオフセット情報収集制御部、４０操作卓

以下、本発明の実施の形態について図を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態である間接変換方式によるＸ線平面検出器の概略説明図である。Ｘ線平面検出器は、図１(ａ)に示すように、ＣｓＩ（Cesium iodide）などの蛍光体層１で入射するＸ線エネルギーを光に変換し、この変換された光を円形のシリコンウエハ９の回路パターンに形成された画素アレイ群３で電荷に変換する。ここでは、半導体の一例をシリコンで説明するが、その他の半導体であってもシリコンと同様にFPDに用いることができるものも本発明の実施に含まれる。

画素アレイ群３は、図１（ｂ）に示すフォトダイオード４とＦＥＴスイッチ５とを１つの画素６とする複数の画素アレイを行と列からなるマトリクス状に配置して構成される。各画素６のＦＥＴスイッチ５は、スイッチ制御線７及び信号読み出し線に接続されている。

スイッチ制御線７には、読み出す画素を選択する信号が伝送され、この信号によりＦＥＴスイッチ５が導通される。ＦＥＴスイッチ５が導通されると、フォトダイオード４に蓄積された電荷がＦＥＴスイッチ５を介して信号読み出し線８により読み出される。

フォトダイオード４とＦＥＴスイッチ５から成る画素６は、ガラス基板層の上のアモルファスシリコン層で形成される。

ここで、円形のシリコンウエハ９のサイズは、８インチ、１２インチなど製造ラインによって製造される基本サイズが決まっている。このため、例えば、円形の８インチウエハを用いて、方形のシリコン基板を作成する場合、この８インチ（約２０．３２ｃｍ）の円形シリコン基板に内接する一辺が約１４ｃｍの方形シリコン基板が最大サイズとなる。

しかしながら、一辺が１４ｃｍの方形の視野のFPDでは、頭部血管撮影画像の全体の診断に用いるには不十分となるがであり、方形に切らずに概ね８インチの円形の視野サイズであれば頭部血管撮影画像の全体を撮影できる。

そこで、本発明は、上記８インチ、１２インチなどの円形シリコンウエハそのものを用いて頭部血管撮影、心臓血管撮影に必要な視野サイズの受光部を得るものである。

図１（ｃ）は、本発明の第１の実施形態である間接変換方式のＸ線平面検出器の要部説明図である。図１（ｃ）において、円形のシリコンウエハ９に、図１（ｂ）に示した画素６をマトリクス状に複数配置し、このマトリクス状に配置された画素６にスイッチ制御線７及び信号読み出し線８を配線する。

さらに、シリコンウエハ９には、ＦＥＴスイッチ駆動回路１０と、読出し行選択信号入力端子１１と、電気信号増幅器１２と、列出力端子１３とが配置される。ＦＥＴスイッチ駆動回路１０は、画素６のフォトダイオード４から電荷を読み出すＦＥＴスイッチ５を駆動する。また、読出し行選択信号入力端子１１には、シリコンウエハ９の外部に配置された読出し行選択回路（図１（ｃ）には示さず）から出力されＦＥＴスイッチ駆動回路１０に供給される読出し行選択信号が入力される。

電気信号増幅器１２は、フォトダイオード４から読み出された電荷を所要の値に増幅する。また、列出力端子１３からは、電気信号増幅器１２の出力信号がシリコンウエハ９の外部に配置された読出し回路（図１（ｃ）には示さず）に供給される。

図示省略の読出し行選択回路により制御されるスイッチ制御線７によって、画素６が選択される。つまり、画素６の選択信号が、行方向の読出し行選択信号入力端子１１に入力されると、ＦＥＴスイッチ駆動回路１０により行方向の画素６のＦＥＴスイッチ５が一斉に導通して列方向の信号読出し線８に、フォトダイオード４に蓄積されたＸ線情報が出力される。そして、Ｘ線情報は、信号読み出し線８を介して電気信号増幅器１２に供給され、この増幅器１２で増幅されて図示省略の読出し回路に入力される。

上記動作を、マトリックス状に配置された複数画素６の全ての行について順に繰り返し、二次元の画像データ列となる電気信号を読出し回路で収集し、この収集した電気信号を高速画像処理部で画像化する。

本発明の第１の実施形態においては、図１（ｃ）に示すように、ＦＥＴスイッチ駆動回路１０と、入力端子１１と、電気信号増幅器１２と、列出力端子１３とを円形のシリコンウエハ９の周縁部に配置している。

通常、シリコンウエハ９の表面のうちの約１０％に相当する周縁部領域は、配線パターンを露光する領域の制限により、画素領域とすることができず、画素領域としての有効領域は、最大でシリコンウエハ９の表面の９０％である。このため、駆動回路１０と、入力端子１１と、電気信号増幅器１２と、列出力端子１３とを、円形のシリコンウエハ９の周縁部に配置することにより、中央領域を全て画素配置領域として、円形シリコンウエハ９の９０％の領域を画素領域として使用することができる。

したがって、大きな検出エリアの確保が可能となり、頭部血管や心臓血管診断に必要な視野サイズの画像が得られ、Ｘ線平面検出器を安価なものとすることができる。

また、円形のシリコンウエハ９の周縁部に、入力端子１１及び出力端子１２が配置されているので、これら端１１及び１２と外部とのボンディング処理による接続を容易に行なうことができる。

また、受光部は１つの円形のシリコンウエハ９で済むので、貼り合わせによる間題を生じることがなく、信頼性の高いＸ線画像診断装置を提供することが可能となる。

上述した本発明の第１の実施形態であるＸ線平面検出器を用いて、頭部血管撮影を行って得た画像を図２に示す。図２において、実線で示す方形の画像領域は、８インチのシリコンウエハ９から作成した一辺が１４ｃｍの方形のシリコン基板に対応する領域を示し、実線の円で示す領域は、本発明による画像領域である。

図２に示すように、上記方形のシリコン基板による画像領域では、診断に必要な血管について撮像不足部分が生じ、頭部血管の画像領域が不十分であることが分る。

これに対して、円形の画像領域が得られる本発明のＸ線平面検出器においては、広い領域の血管画像が得られ、頭部血管や心臓血管の診断に十分な画像領域が得られる。

なお、読出し行選択回路及び読出し回路は、円形のシリコンウエハ９を固定する台座の背面部に配置される。このようにすることにより、読出し行選択回路及び読出し回路と入力端子１１及び列出力端子１３との距離は短くなり、実装が簡素となり、また外来ノイズの混入も防ぐことが可能となる。

図３は、本発明の第２の実施形態である間接変換方式のＸ線平面検出器の要部説明図である。この第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、読み出し行選択信号入力端子１１を、画素６が配置された面とは反対側の面に配置し、スルーホール１４を介して、入力端子１１とＦＥＴスイッチ駆動回路１０とを接続している点である。その他の構成は、第１の実施形態と第２の実施形態とは同様となっているので、その詳細な説明は省略する。

図１に示した第１の実施形態において、シリコンウエハ９の左下端では読出し行選択信号入力端子１１と列出力端子１３とが共に配置されている為、画素サイズが小さい場合には、行と列との間隔が小さくなり、端子１１及び１３のボンディングに必要な領域を確保できない場合が考えられる。

そこで、図３に示す本発明の第２の実施形態では、画素６の選択信号を入力する読出し行選択信号入力端子１１を画素６が配置された面とは反対側の面に配置し（図示は省略する）、スルーホール１４を介して、ＦＥＴスイッチ駆動回路１０と接続している。

したがって、本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる他、画素サイズが小さい場合にも、端子１１及び１３のボンディングに必要な領域を確保することができる。

なお、この第２の実施形態において、列出力端子１３も、画素６が配置された面とは反対側の面に配置し、スルーホールを介して、電気信号増幅器１２と接続する構成とすることもできる。

また、端子１１及び１３のうちの、一部のみ画素６が配置された面とは反対側の面に配置し、スルーホールを介して、ＦＥＴスイッチ駆動回路１０又は電気信号増幅器１２と接続することも可能である。

図４は、本発明の第３の実施形態である間接変換方式のＸ線平面検出器の要部説明図である。この第３の実施形態と第１の実施形態との相違点は、第３の実施形態においては、読出し行選択回路１５及び読出し回路１６とを円形シリコンウエハ９の周縁部に配置していることである。その他の構成は、第１の実施形態と第３の実施形態とは同様となっているので、その詳細な説明は省略する。なお、符号１７は読出し回路１６の読出し出力端子である。

読出し行選択回路１５は、図５に示すように、カウンタ１８とデコーダ１９を備える。カウンタ１８にＸ線画像診断システムから検出信号読出し指令が入力されると、カウンタ１８は受光部の行数に対応するカウント値をデコーダ１９に入力する。デコーダ１９は、入力されたカウント値をデコードし、読み出し行選択信号として、受光部の各行の読出し行選択信号入力端子１１に入力する。

読出し回路１６は、図６に示すように、マルチプレクサ２０と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器２１と、パラレル／シリアル変換器２２とを備える。電気信号増幅器１２の列出力は、マルチプレクサ２０に入力され、このマルチプレクサ２０に入力された全画素の電気信号を、順次Ａ／Ｄ変換器２１でデジタル値に変換する。

このＡ／Ｄ変換器２１からは、全画素のパラレルデータが出力されるが、このパラレルデータをシリアルデータに変換して図示省略の画像処理装置に送る場合は、パラレル／シリアル変換器２２でシリアルデータに変換する。シリアルデータの変換された信号は、読出し出力端子1７から出力される。

なお、画像処理装置に送るデータがパラレルデータで良い場合は、Ａ／Ｄ変換器から出力されるパラレルデータをそのまま読出し出力端子1７に供給する。

本発明の第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる。さらに、この第３の実施形態によれば、読出し行選択回路１５と読出し回路１６とを円形のシリコンウエハ９の周縁部に設けたので、これらの回路１５、１６を受光部に近接して配置することができ、第１の実施形態及び第２の実施形態よりも読出し行選択信号入力端子１１及び列出力端子１３と、回路１５及び回路１６との距離はさらに短くなり、実装並びに外来ノイズ混入を防ぐ点において、より効果を奏することができる。

以上は、本発明を間接変換方式のＸ線平面検出器に適用した場合の例であるが、本発明は間接変換方式のＸ線平面検出器に限定するものではなく、直接変換方式のＸ線平面検出器にも適用することができる。

直接変換方式のＸ線平面検出器の場合は、図１の蛍光体層１がＸ線検出膜（アモルファスセレン）となり、画素については、図１に示したフォトダイオード４がコンデンサとなる。他の構成については、間接変換方式と直接変換方式とは同様となる。

図７は、本発明の第１〜第３の実施形態のFPDを採用したＸ線画像診断装置の概略構成図である。
図７において、Ｘ線画像診断装置は、被検体３１にＸ線を照射するＸ線源３２と、このＸ線源３２に対向配置されて被検体３１を透過したＸ線を検出するＸ線平面検出器３３と、このＸ線平面検出器３３から出力される画像情報の読み出しを制御するＸ線検出器制御部３４とを備えている。

また、Ｘ線画像診断装置は、Ｘ線平面検出器３３の各チャンネルからの出力を感度及びオフセット情報として記憶する感度及びオフセット情報記憶部３５と、この感度及びオフセット情報記憶部３５に記憶されている感度及びオフセット情報を使いＸ線平面検出器３３から読み出された画像情報の感度及びオフセット補正を行う感度及びオフセット補正部３６と、この感度及びオフセット補正部３６において感度及びオフセット補正された画像情報を記憶する補正画像記憶部３７と、この補正画像記憶部３７に記憶されている画像情報を表示する表示分３８とを備える。

さらに、Ｘ線画像診断装置は、感度及びオフセット情報の収集のためにＸ線平面検出器３３から画像を読み出すための制御を行うとともに、Ｘ線平面検出器３３から読み出された情報を感度及びオフセット情報として感度及びオフセット情報記憶部３５に記憶させる感度及びオフセット情報収集制御部３９と、操作者が感度及びオフセット情報の収集を開始するための信号を感度及びオフセット情報収集制御部３９に送る操作卓４０とを備えている。

このＸ線平面検出器３３は、上述した本発明の第１〜第３の実施形態のうちのいずれかの円形のシリコンウエハ９が用いられ、このシリコンウエハ９が台座により支持されている。

したがって、本発明のＸ線画像診断装置は、複数の検出素子アレイを貼り合わせすることなく、必要な視野サイズの画像データ検出部が得られ、かつ安価なＸ線平面検出器を用いたＸ線画像診断装置を提供することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施できる。

Claims

入射されたＸ線のエネルギーに対応する電荷を蓄積する蓄積手段（４）と、この蓄積手段によって蓄積された電荷をＸ線画像信号として出力するスイッチ手段（５）とが、円形の半導体ウエハ（９）に形成された回路パターンとして配置されることを特徴とするＸ線平面検出器。
上記蓄積手段（４）は、光に変換されたＸ線エネルギーを電荷に変換するフォトダイオードであり、上記スイッチ手段（５）は、フォトダイオードに接続された半導体スイッチであり、それらのフォトダイオードと半導体スイッチは、上記シリコンウエハ（９）上にマトリクス状に配列された回路パターンとして配置されるていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線平面検出器。
上記蓄積手段（４）は、Ｘ線エネルギーが変換された電荷蓄積するコンデンサであり、上記スイッチ手段（５）は、フォトダイオードに接続された半導体スイッチであり、それらのコンデンサと半導体スイッチは、上記シリコンウエハ上にマトリクス状に配列された回路パターンとして配置されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線平面検出器。
上記蓄積手段（４）に蓄積された電荷を出力させるための制御信号入力端子（１１）と、スイッチ手段（５）から出力された電荷を上記半導体ウエハ（９）の外部に出力するための外部出力端子（１３）とを、上記半導体ウエハ（９）の周縁領域に配置したことを特徴とする請求項１に記載のＸ線平面検出器。
上記制御信号入力端子には、上記複数の蓄積手段のうちのいずれの蓄積手段から電荷を読み出すかを選択する読出し選択信号が入力され、この選択信号により選択された蓄積手段に対応する上記半導体スイッチを駆動する複数の半導体スイッチ駆動手段（１０）と、上記選択された蓄積手段から読み出された電荷の電気信号を増幅し、上記外部出力端子に接続される複数の電気信号増幅手段（１２）とを備え、上記半導体スイッチ駆動手段（１０）及び電気信号増幅手段（１２）を上記円形のシリコンウエハの周縁領域に配置したことを特徴とする請求項４に記載のＸ線平面検出器。
上記制御信号入力端子と外部出力端子の一部又は全部は、上記シリコンウエハ（９）の上記蓄積手段、半導体スイッチ駆動手段（１０）及び電気信号増幅手段（１２）が配置された面とは反対側の面に形成され、上記シリコンウエハ（９）に形成されらスルーホールを介して、半導体スイッチ駆動手段（１０）又は電気信号増幅手段（１２）に接続されることを特徴とする請求項５に記載のＸ線平面検出器。
上記マトリクス状に配列された複数の画素蓄積手段のうちのいずれの行に配列された蓄積手段から電荷を読み出すかを選択する読出し行選択手段（１５）と、この読出し行選択手段により選択された行に接続された蓄積手段の上記半導体スイッチを駆動する複数の半導体スイッチ駆動手段（１０）と、上記選択された行の蓄積手段から読み出された電荷の電気信号を増幅し、上記出力端子に接続される複数の電気信号増幅手段（１２）と、この電気信号増幅手段からの出力信号を収集する読み出し手段（１６）と、を備えることを特徴とする請求項２に記載のＸ線平面検出器。
上記半導体スイッチ駆動手段（１０）、電気信号増幅手段（１２）、読出し行選択手段（１５）及び読み出し手段（１６）を上記円形のシリコンウエハの周縁領域に配置したことを特徴とする請求項７に記載のＸ線平面検出器。
上記読出し行選択手段（１５）は、マトリクス状に配列された画素手段の行数に対応するカウント値をカウントするカウント手段（１８）と、このカウント手段によりカウントされた値をデコードし、このデコードされた信号を複数の半導体スイッチ駆動手段に入力するデコード手段（１９）とを有し、上記読出し手段（１６）は、上記複数の電気信号増幅手段（１２）の出力信号を入力して、順次出カするマルチプレクサ（２０）と、このマルチプレクサ（２０）から出力された電気信号をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換手段（２１）と、変換されたパラレルのデジタル信号をシリアル信号に変換するパラレル／シリアル変換手段（２２）と、上記パラレル信号又はシリアル信号を出力する出力端子とを有することを特徴とする請求項７に記載のＸ線平面検出器。
上記読出し行選択手段（１５）及び読出し手段（１６）は、円形のシリコンウエハを支持する台座の背面部に配置されることを特徴とする請求項７に記載のＸ線平面検出器。
被検体にＸ線を照射するＸ線源（３２）と、このＸ線源に対向配置され前記被検体の透過Ｘ線を検出するＸ線平面検出手段（３３）と、このＸ線平面検出手段（３３）によって検出された透過Ｘ線情報を画像表示する表示手段（３８）とを有するＸ線画像診断装置において、
上記Ｘ線平面検出手段（３３）は、請求項１乃至１０の何れかに記載のX線平面検出器であることを特徴とするＸ線画像診断装置。