KR20100015849A - Ｘ선 촬상 디바이스 및 ｘ선 촬영 장치 - Google Patents

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파나소닉 주식회사
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Abstract

X선 촬상 디바이스(1)는 X선 검출부(2), 냉전자원(3), 및 차광 코팅층(9)을 구비한다. X선 검출부(2)는 X선이 입사하면 전하를 발생하는 X선 변환재료로 이루어지는 X선 변환층과, X선 변환층의 입사면에 형성된 제1전하 주입 저지층, 및 X선 변환층의 배면에 형성된 제2전하 주입 저지층을 구비한다. 냉전자원(3)은 각각 X선 검출부(2)의 제2전하 주입 저지층을 향해서 전자를 방출할 수 있는 복수의 매트릭스 형상으로 배치된 전자 방출부를 구비한다. 차광 코팅층(9)은 X선 검출부(2)에의 가시광의 입사를 차단한다.
X선 촬상 디바이스, X선 촬영 장치

Description

Ｘ선 촬상 디바이스 및 Ｘ선 촬영 장치{X-RAY IMAGING DEVICE AND X-RAY RADIOGRAPHIC APPARATUS}
본 발명은 의과, 치과 등의 의료진단 분야에서의 X선 촬영에 적합한 X선 촬상 디바이스에 관한 것이다.
도 13은 의료진단 분야에서의 X선 촬영에 적합한 종래의 X선 촬상 디바이스(101)를 나타낸다. 이 X선 촬상 디바이스(101)는 비정질 셀레늄(Amorphous Selenium)(a-Se) 등을 포함하는 X선 변환재료로 이루어지는 X선 변환층(102)과, 박막 트랜지스터(TFT) 어레이(103)를 구비한다. 입사한 X선을 X선 변환층(102)에서 전하로 변환하고, 그 전하를 TFT 어레이(103)에 의해 판독함으로써, X선 화상이 얻어진다. 이 종류의 X선 촬상 디바이스(101)는 예를 들면 특허문헌 1이나 비특허문헌 1에 개시되어 있다.
X선 촬상 디바이스에서의 X선 화상의 검출 효율 또는 감도는 X선 변환층에서 X선을 변환해서 얻어지는 전하량에 의존한다. 도 13에 도시한 것을 포함하여, 종래의 X선 촬상 디바이스에서는 X선 촬상 디바이스의 표면에 입력되는 X선 에너지에 대하여, 화상으로서 검출할 수 있는 에너지량은 최대 70％ 정도에 지나지 않는다.
의료진단 분야에서의 X선 촬영에서는 피험자 피폭량(被曝量)의 저감이 강하 게 요구된다. 피험자 피폭량 저감을 위해서 감도를 얼마나 향상시킬 것인가 하는 것이 의료진단 분야에의 응용에 있어서의 X선 촬상 디바이스의 최대 과제이다.
특허문헌 1: 일본국 특허 공개2001-148475
비특허문헌 1: 이즈미 요시히로(和泉良弘), 외 6명, '플랫 패널 X선 이미지 센서의 개발', 샤프 Technical Report, 샤프 주식회사, 2001년 8월, 통권 80호, P. 25-30
[발명이 해결하려고 하는 과제]
본 발명은 X선 촬상 디바이스의 감도를 대폭 향상하고, 그에 따라 특히 의료진단 분야에서의 X선 촬영시의 피험자 피폭량을 비약적으로 저감하는 것을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 명세서에 있어서, X선이란 원자(原子) 중의 전자의 상태 변화에 의해 발생하는 전자파이며, 적어도 파장이 1pm∼10nm 정도의 것을 포함한다.
본 발명의 제1형태는 X선이 입사하는 제1면(面) 및 이 제1면과는 반대측의 제2면을 구비하고, 상기 X선이 입사하면 전하를 발생하는 X선 변환재료로 이루어지는 X선 변환층과, 상기 X선 변환층의 상기 제1면에 형성된 제1전하 주입 저지층과, 상기 X선 변환층의 상기 제2면에 형성된 제2전하 주입 저지층을 구비하는 X선 검출부와, 각각 상기 X선 검출부의 상기 제2전하 주입 저지층을 향해서 전자를 방출할 수 있는 복수의 매트릭스 형상(matrix form)으로 배치된 전자 방출부를 구비하는 냉전자원(冷電子源)과, 상기 X선 검출부로의 가시광의 입사를 차단하는 차광부와, 상기 X선 검출부의 상기 X선 변환층에 대하여 전자사태 증식(avalanche multiplication)을 일으키는 전계(electric field)를 발생시키는 전압을 인가(印加)하는 전압 인가부와, 상기 냉전자원의 상기 복수의 전자 방출부를 순차로 구동해서 전자를 방출시키는 전자원(電子源) 구동부와, 상기 전자 방출부에서 방사된 전자에 의해 중화되는 상기 X선 변환층에 상기 X선의 입사에 의해 발생하고 있는 전하를 전자적으로 검출하는 판독부를 구비하는, X선 촬상 디바이스를 제공한다.
X선 검출부의 X선 변환층에서는 X선의 입사에 의해 발생한 전하가 전자사태 증식에 의해 증식된다. 또한, 가시광의 X선 검출부에의 입사는 차광부에 의해 차단된다. 따라서, 이 구성에 의해 X선 검출부에 조사된 X선상(X-ray image)을 가시광에 의한 외란(外亂) 등의 영향 없이, 극히 고감도로 화상 데이터로서 전자적으로 검출할 수 있어, 의료진단 분야에서의 X선 촬영에서의 피험자 피폭량의 비약적인 저감을 실현할 수 있다.
상기 X선 변환재료는 예를 들면 비정질 셀레늄을 포함한다.
비정질 셀레늄은 가시광을 전하로 변환하는 광전 변환재료로서 이미 사용 실적이 있다. 따라서, X선 변환층을 구성하는 X선 변환재료로서 비정질 셀레늄을 사용함으로써, 이미 알려져 있는 제조 방법을 이용할 수 있어, 고감도의 X선 촬상 디바이스를 용이하게 실현할 수 있다.
상기 냉전자원으로서 탄도전자면 방출형 전자원(ballistic electron surface-emitting device)을 채용할 수 있다.
탄도전자면 방출형 전자원은 기둥 형상(pillar-shaped) 폴리실리콘 사이에 나노결정 실리콘층을 체인 형상으로 형성한 미세한 구조를 다수, 막 형상으로 형성한 나노결정 실리콘 폴리실리콘 혼재층(Nanocrystalline Poly-Silicon Layer; NPS층)을 이용한다. NPS층은 폴리실리콘층에 대하여 양극(陽極) 산화 처리와 저온 산화 프로세스를 실시함으로써, 제작할 수 있으므로, 대형화를 용이하게 실현할 수 있다. 따라서, 냉전자원으로서 탄도전자면 방출형 전자원을 채용하면, 넓은 촬상 영역을 갖는 대면적(大面積)의 X선 촬상 디바이스를 실현할 수 있다.
상기 냉전자원으로서 스핀트형(Spindt-type) 전자원을 채용할 수 있다.
스핀트형 전자원을 냉전자원으로서 채용했을 경우, 전자 방출부로서 기능하는 이미터(emitter)를 고밀도화할 수 있으므로, X선 촬상 디바이스에 의해 얻어지는 화상을 더 고정밀화할 수 있다.
구체적으로는, 상기 차광부는 상기 X선의 입사측인 상기 제1면측의 상기 X선 검출부를 적어도 피복하도록 형성된, 차광성 수지재료로 이루어지는 차광 코팅층이다.
또는, 상기 차광부는 적어도 상기 X선 검출부와 상기 냉전자원을 그 내부에 수용하는, 차광성 재료로 이루어지는 차광 케이스이어도 좋다.
상기 전압 인가부는 상기 X선 검출부의 상기 X선 변환층에 0.1×106V/m 이상 0.6×106V/m 이하의 평균 전계를 발생시키는 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, X선 촬상 디바이스를 고감도이고, 실용적인 동작 전압으로 제어할 수 있다.
본 발명의 제2형태는, 상기의 X선 촬상 디바이스와, 상기 X선 촬상 디바이스를 공간적으로 이동시키는 이동부와, 촬영 대상에 대하여 상기 X선 촬상 디바이스와 반대측에 위치하고, 상기 촬영 대상을 향해서 X선을 조사해서 투과한 X선을 상기 X선 촬상 디바이스에 입사시키는 X선 조사부를 구비하는, X선 촬영 장치를 제공한다.
이 구성에 의해, X선 촬상 디바이스를 공간적으로 이동시키면서, 고감도의 X선 촬영을 실행할 수 있는 실용적인 X선 촬영 장치를 실현할 수 있다. 특히, 촬영 대상이 인체인 의료진단 분야에서의 X선 촬영의 경우, 이 X선 촬영 장치에 의해 피험자 피폭량의 비약적인 저감을 실현할 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명은, X선 변환재료로 이루어지는 X선 변환층의 양면에 전하 주입 저지층을 형성한 X선 검출부, 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 전자 방출부를 갖는 냉전자원, 및 가시광의 입사를 차단하는 차광부의 조합에 의해, 가시광에 의한 외란 등의 영향을 받지 않고, 극히 고감도의 X선 촬상 디바이스를 실현할 수 있다. 또한, 이 X선 촬상 디바이스를 의료진단 분야에서의 X선 촬영에 사용하면, 촬영시의 피험자 피폭량을 비약적으로 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 X선 촬상 디바이스의 모식적인 단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 의한 X선 촬상 디바이스의 동작 원리 설명도.
도 3은 냉전자원이 BSD인 경우의 제1실시형태의 X선 촬상 디바이스의 모식적인 확대 부분 단면도.
도 4는 냉전자원이 BSD인 경우의 X선 촬상 소자의 동작 원리 설명도.
도 5는 BSD의 모식적인 부분 확대 단면도.
도 6은 BSD 및 X선 검출부의 모식적인 분해 사시도.
도 7은 스핀트형 전자원의 모식적인 부분 확대 단면도.
도 8은 냉전자원이 스핀트형 전자원일 경우의 X선 촬상 소자의 동작 원리 설명도.
도 9는 본 발명의 제2실시형태에 의한 X선 촬상 디바이스의 모식적인 단면도.
도 10은 본 발명의 제3실시형태에 의한 X선 촬상 디바이스의 모식적인 단면도.
도 11은 본 발명에 의한 X선 촬상 디바이스에 있어서의 X선 검출부에의 인가 전압에 대한 신호 전류의 변화 및 배율의 변화를 나타내는 그래프.
도 12는 본 발명에 의한 X선 촬상 디바이스를 구비하는 X선 촬영 장치를 나타내는 모식적인 사시도.
도 13은 종래의 X선 촬상 디바이스의 일례를 나타내는 모식적인 단면도.
[부호의 설명]
1 X선 촬상 디바이스
2 X선 검출부
3 냉전자원
3a 전자 방출부
4 페이스 플레이트
5 베이스 플레이트
6 사이드 플레이트
7 디바이스 케이스
8 진공 공간
9 차광 코팅층
11 절연층
12 전극층
13 X선 변환층
13a 입사면
13b 배면
14 제1전하 주입 저지층
15 제2전하 주입 저지층
16 도전(導電) 라인
17 전압 인가 회로
18 판독 회로
19 증폭 회로
20 A/D 변환 회로
23 전자원 구동 회로
31 탄도전자면 방출형 전자원(BSD)
32 나노결정 실리콘 폴리실리콘 혼재층(NPS층)
32a 전자 방출면
32b 이면(裏面)
33 상부(上部) 전극
34 하부(下部) 전극
35 기판
36 기둥 형상 폴리실리콘
37 나노결정 실리콘
38A, 38B 띠 형상 전극
39 그라운드
40 스위칭 회로(switching curcuit)
41 전압 인가 회로
42 전극
43 전압 인가 회로
45 산화막
51 스핀트형 전자원
52 기판
53 캐소드 전극
54 절연층
55 게이트 전극
56 세공(fine pore)
57 이미터
61 차광 케이스
71 치과용 X선 촬영 장치
72 두부(頭部)
73 회전 암
73a 조사부
73b 촬상부
74 X선원(X-ray source)
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이어서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다.
(제1실시형태)
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시형태에 의한 X선 촬상 디바이스(1)를 나타낸다. 이 X선 촬상 디바이스(1)는 X선 검출부(2), 냉전자원(3), 및 차광 코팅층(9)을 구비한다.
X선 검출부(2)는 알루미늄, 유리 등으로 이루어지는 페이스 플레이트(4)에 형성되고, 냉전자원(3)은 페이스 플레이트(4)에 대하여 간격을 두고 배치된 베이스 플레이트(5)에 형성되어 있다. 페이스 플레이트(4) 및 베이스 플레이트(5)의 재질은 특히 한정되지 않지만, 알루미늄, 유리 등의 재료를 채용할 수 있다. 페이스 플레이트(4)와 베이스 플레이트(5)의 사이에는 세라믹 등의 재료로 이루어지는 사이드 플레이트(6)가 설치되어 있다. 페이스 플레이트(4), 베이스 플레이트(5) 및 사이드 플레이트(6)는 디바이스 케이스(7)를 구성하고 있다. 이 디바이스 케이스(7) 내에 X선 검출부(2)와 냉전자원(3)이 수용되어 있다. X선 검출부(2)와 냉전자원(3)은 디바이스 케이스(7) 내의 진공 공간(8)에 의해 간격을 두고 대향하고 있다.
X선 검출부(2)와 페이스 플레이트(4)의 사이에는 절연층(11), 인듐 주석 산화물(ITO) 등으로 이루어지는 전극층(12)이 설치되어 있다. 페이스 플레이트(4)측으로부터 X선 검출부(2)에 X선이 입사한다.
X선 검출부(2)는 비정질 셀레늄(a-Se)을 포함하는 X선 변환재료로 이루어지는 X선 변환층(13)을 구비한다. X선 변환재료는 비정질 셀레늄에 한정되지 않고 카드뮴 텔루루(CdTe) 등을 채용할 수 있다. X선 변환층(13)의 X선의 입사면(제1면)(13a)에는, 산화 세륨(Ce02)으로 이루어지는 제1전하 주입 저지층(14)이 형성되어 있다. 또한, X선 변환층(13)의 입사면(13a)과는 반대측의 배면(背面)(제2면)(13b)에는, 3황화 안티몬(Sb2S3)으로 이루어지는 제2전하 주입 저지층(15)이 형성되어 있다. 이 X선 검출부(2)는 가시광의 촬상 분야에서는 HARP(High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor)로서 알려져 있다.
전극층(12)에는 도전 라인(16)이 전기적으로 접속되어, 이 도전 라인(16)을 통해서 전압 인가 회로(17)로부터 전압이 인가된다. 또한, 이 도전 라인(16)은 판독 회로(18)를 통해서 증폭 회로(19) 및 A/D 변환 회로(20)에 접속되어 있다.
도 1 및 도 2에서는 냉전자원(3)을 모식적으로 나타내고 있다. 냉전자원(3)의 구체적인 구성에 대해서는, 나중에 도 3 내지 도 8을 참조해서 상술한다. 냉전자원(3)은 X선 검출부(2)를 향해서 전자를 방출할 수 있는 다수의 전자 방출부(3a)를 구비한다. 이 다수의 전자 방출부(3a)는 X선의 입사 방향에서 보아 어레이 형상 또는 매트릭스 형상으로 배치되어 있다. 전자원 구동 회로(23)는 전자 방출부(3a)를 순차로 구동하여, 전자를 방출시킨다. 전자원 구동 회로(23)의 구체적인 구성에 대해서도 뒤에 상술한다.
본 실시형태에서는, 차광 코팅층(9)은 페이스 플레이트(4)의 X선 검출부(2)가 형성되어 있는 면과는 반대측의 면(도 1에서는 상면)과, 사이드 플레이트(6)의 외면을 피복하여, 디바이스 케이스(7) 내를 밀봉하도록 형성되어 있다. 차광 코팅층(9)은 X선을 투과시키지만 가시광을 차단하는 차광성 수지로 이루어진다. 이 종류의 차광성 수지재료로서는, 예를 들면 흑색의 우레탄 수지, 실리콘 수지 등이 있다. 차광 코팅층(9)은 적어도 X선 검출부(2)의 입사면측을 피복할 필요가 있다. 차광 코팅층(9)으로서 사용하는 차광성 수지재료의 선택 및 차광 코팅층(9)의 두께는 X선 검출부(2)에의 가시광의 입사를 확실하게 차단하도록 설정할 필요가 있다.
이하, 본 실시형태의 X선 촬상 디바이스(1)의 동작과 그 원리를 설명한다.
우선, X선(피사체를 투과한 X선상)이 X선 검출부(2)의 표면에 조사되면, X선 변환층(13)을 구성하는 X선 변환재료 내에서는, 제1전하 주입 저지층(14)을 통과해서 입사한 X선량에 따른 전자와 정공(正孔)의 쌍(pair)이 생성된다. 생성된 정공은 전압 인가 회로(17)에 의해 X선 검출부(2)에 인가되어 있는 강(强)전계에 의해 가속되어, X선 변환재료 내의 원자와 잇달아 충돌함으로써 눈사태와 같이 새로운 전자와 정공의 쌍을 만들어 내고, 그 결과, 전자와 정공의 쌍의 수가 증식된다. 이 현상은, 전자사태 증식으로서 알려져 있다. 전자사태 증식에 의해, X선 변환층(13)의 배면(13b)(냉전자원(3)측)에, 입사 X선상에 대응하여 10배 이상으로 증식된 정(正)의 전하 패턴이 형성된다. 전압 인가 회로(17)가 X선 검출부(2)에 인가하는 전압은, X선 변환층(13)에 있어서 전자사태 증식이 생기는데 충분한 강도의 전계가 발생하도록 설정할 필요가 있다. 전자사태 증식 현상은, X선 변환재료의 변화에 광전 변환재료를 이용하여, 가시광 분야에 있어서 초고감도 촬상 카메라(이른바 HARP 카메라)로서 실용화되어 있는 것으로, 통상의 CCD 카메라의 수십 배 이상의 촬영 감도를 갖는 것이 보고되어 있다.
일반적으로 X선 변환재료의 대부분은 통상의 가시광에 대하여도 감도를 갖는 것이 알려져 있다. 따라서, X선 검출부(2)에 조사되는 X선상을 검출할 때에, 가시광에 노출되어 있을 경우, 원래 검출하려고 하는 X선상과 함께 주변의 가시광도 전하로 변환해버림으로써, 이것이 외란 요인이 되어서 화상 신호의 S/N비(比)의 저하를 초래한다. 그러나 본 실시형태의 X선 촬상 디바이스(1)에서는, X선 검출부(2)를 차광 코팅층(9)으로 피복함으로써, X선 변환재료에의 가시광의 입사를 막고 있으므 로, X선 화상 검출시의 가시광의 영향을 방지할 수 있다. 그 결과, X선 촬영시의 가시광의 영향을 방지하는 것이 가능해져서, 외란이 적은 양호한 X선 화상을 얻을 수 있다.
냉전자원(3)의 전자 방출부(3a)로부터 X선 검출부(2)(X선 변환층(13)의 배면(13b))를 향해서 전자가 방사된다. 이 전자와 X선 변환층(13) 내에서 발생한 정공은 제2전하 주입 저지층(15)을 사이에 두고 대향하게 되고, 이 사이에서 중화되는 전하의 레벨을 전자적으로 검출함으로써 X선상을 나타내는 화상 신호가 판독 회로(18)로 판독된다. 구체적으로는, 전술한 바와 같이 매트릭스 형상으로 배치된 다수의 전자 방출부(3a)가 순차로 구동되어 전자를 방출하므로, X선 변환층(13)의 각각의 전자 방출부(3a)에 대응하는 영역(화소)마다 X선 조사에 의해 발생하고 있는 전하의 레벨이 시계열적(時系列的)으로 순차로 판독된다. 다시 말하면, 냉전자원(3)의 전자 방출부(3a)를 순차로 구동함으로써, X선 변환층(13) 내에 발생하고 있는 전하 패턴이 주사(走査)된다.
전술한 바와 같이 X선 검출부(2)의 X선 변환층(13)에서는 X선의 입사에 의해 발생한 전하가 전자사태 증식에 의해 증식된다. 또한, 가시광의 X선 검출부에의 입사는 차광 코팅층(9)에 의해 차단된다. 따라서, 본 실시형태의 X선 촬상 디바이스에서는, X선 검출부(2)에 조사된 X선상을, 가시광에 의한 외란 등의 영향 없이 극히 고감도로 화상 데이터로서 전자적으로 검출할 수 있다. 본 실시형태의 X선 촬상 디바이스(1)를 의료진단 분야에서의 X선 촬영에 사용하면 피험자에게 조사하는 X선량을 대폭 저감할 수 있으므로, 결과로서 피험자 피폭량을 저감하는 것이 가능해진 다.
또한, 본 실시형태에서는, 차광성 수지재료로 이루어지는 차광 코팅층(9)에 의해 X선 촬상 디바이스(1)에 대한 가시광의 입사를 방지하고 있다. 그 때문에, 비교적 용이한 공정으로 가시광의 차광을 실현할 수 있다. 또한, 디바이스 케이스(7) 내의 밀폐성도 양호하고, 내습도, 내구성도 높다.
도 3 내지 도 6은, 냉전자원(3)으로서 탄도전자면 방출형 전자원(BSD)(31)을 채용했을 경우의 본 실시형태의 X선 촬상 디바이스(1)의 보다 구체적인 구성을 나타낸다.
BSD(31)는 나노결정 실리콘 폴리실리콘 혼재층(NPS층)(32), NPS층(32)의 전자 방출면(32a)측에 형성된 금 등의 금속으로 이루어지는 1매(枚)의 박막으로 이루어지는 상부 전극(33), 및 전자 방출면(32a)과는 반대측의 이면(32b)에 하부 전극(34)을 구비하여, 유리 등으로 이루어지는 기판(35) 위에 형성되어 있다.
도 5를 참조하면, NPS층(32)은 기둥 형상 폴리실리콘(36)의 사이에 지름 약 5nm의 나노결정 폴리실리콘(37)을 체인 형상으로 형성한 미세한 구조를 다수, 막 형상으로 형성한 구조를 갖는다. 기둥 형상 폴리실리콘(36)과 나노결정 폴리실리콘(37)의 표면은 모두 Si02 등으로 이루어지는 산화막(45)에 의해 피복되어 있다.
도 6에만 나타낸 바와 같이, 하부 전극(34)은 서로 간격을 두고 배치된 행(行)방향의 복수의 띠 형상 전극(38A)과, 이 띠 형상 전극(38A)에 대하여 직교하는 방향으로 연장되는 열(列)방향의 복수의 띠 형상 전극(38B)을 구비한다. 2종류의 띠 형상 전극(38A, 38B)의 교점과 상부 전극(33) 사이에 끼워진 영역의 NPS층(32)이 도 1 및 도 2에 있어서의 전자 방출부(3a)로서 기능한다.
도 4를 참조하면, 전자원 구동 회로(23)는 하부 전극(34)을 구성하는 띠 형상 전극(38A, 38B)의 교점을 그라운드(39)에 순차로 접속시키기 위해서 스위칭 회로(40)를 구비한다. 다시 말하면, 스위칭 회로(40)가 화소의 어드레스를 실행한다. 또한, 전자원 구동 회로(23)는 BSD(31)의 상부 전극(33)에 대하여 전압을 인가하는 전압 인가 회로(43)를 포함한다.
전자가 하부 전극(34)으로부터 NPS층(32)에 주입되면, 상부 전극(33)과의 사이에 인가되는 전압의 대부분은, 나노결정 폴리실리콘(37) 표면의 산화막(45)에 걸리게 되어, 여기에 강전계 영역이 형성된다. 그리고 NPS층(32)의 하부에서 발생한 전자는 나노결정 폴리실리콘(37)의 산화막(45)을 통과할 때마다 가속되어 운동 에너지가 높아지고, 상부 전극(33)을 통과해서 방출되어, X선 검출부(2)의 제2전하 주입 저지층(15)의 표면에 도달한다.
BSD(31)은 유리 등의 기판(35) 위에 형성할 수 있기 때문에, 반도체 기판 위에 형성하는 다른 냉전자원에 비해서 대면적의 전자원을 실현할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 즉, 냉전자원으로서 BSD를 채용함으로써, 전술한 바와 같이 가시광에 의한 외란 등의 영향을 받지 않고 높은 감도를 갖는 본 실시형태의 X선 촬상 디바이스(1)의 대면적화의 실현이 용이해져서, 특히 의료 촬상 분야에서의 X선 촬영용으로서의 실용성이 높아진다.
도 7 및 도 8은, 냉전자원(3)으로서 냉음극 전계 방출형의 전자원인 스핀트 형 전자원(51)을 채용했을 경우의 본 실시형태의 X선 촬상 디바이스(1)의 보다 구체적인 구성을 나타낸다. 도 7 및 도 8에 있어서, 도 3 내지 도 6과 동일한 요소에는 동일한 부호를 첨부하고 있다.
스핀트형 전자원(51)은 유리 등으로 이루어지는 기판(52) 위에 형성된 복수의 띠 형상의 캐소드 전극(53)과, 캐소드 전극(53)에 대하여 Si02 등으로 이루어지는 절연층(54)을 통해서 형성된 복수의 띠 형상의 게이트 전극(55)을 구비한다. 게이트 전극(55)과 절연층(54)에 다수의 세공(56)이 형성되어 있다. 각각의 세공(56) 내에는 캐소드 전극(53)으로부터 돌출하는 선단부(先端部)를 바늘 형상으로 뾰족하게 한 이미터(57)가 설치되어 있다. 캐소드 전극(53)과 게이트 전극(55)은 서로 직교하는 방향으로 연장되어 있고, 캐소드 전극(53)과 게이트 전극(55)의 교점이 도 1 및 도 2에 있어서의 전자 방출부(3a)로서 기능한다. 각각의 캐소드 전극(53)과 게이트 전극(55)의 교점에 포함되는 이미터(57)는 1개 이상이면 특히 개수는 한정되지 않는다. 캐소드 전극(53)과 게이트 전극(55)의 사이에 전압 인가 회로(43)로부터 인가되는 전압을 스위칭 회로(40)가 순차로 스위칭하고, 그에 따라 화소의 어드레스가 실행된다.
캐소드 전극(53)과 게이트 전극(55)의 사이에 전압 인가 회로(43)에 의해 전압이 인가되면, 이미터(57)의 뾰족한 선단에 전계가 집중하고, 전극(42)을 향해서 전자가 방출된다. 전극(42)은 전자를 가속하기 위한 그리드(grid) 형상 또는 메쉬(mesh) 형상의 전극이며, 전압 인가 회로(41)에 의해 전압이 인가된다. 이미 터(57)로부터 방출된 전자는, 전극(42)을 거쳐서 X선 검출부(2)의 제2전하 주입 저지층(15)에 도달한다.
스핀트형 전자원(51)은 반도체 제조기술에 의해 제조할 수 있기 때문에 극히 미세한 가공이 가능해서, 다수의 전자원 소자를 고밀도로 형성할 수 있다. 따라서, 냉전자원으로서 스핀트형 전자원(51)을 채용함으로써, X선 촬영에 있어서 화소를 구성하기 위한 전자원 소자를 고밀도로 형성할 수 있기 때문에, 매우 고정밀한 X선 촬영 화상을 제공할 수 있다.
(제2실시형태)
도 9에 나타내는 본 발명의 제2실시형태에 의한 X선 촬상 디바이스(1)는, X선 검출부(2)에 대한 가시광의 입사를 차단하기 위한 구조가 제1실시형태와 다르다. 구체적으로는, 본 실시형태에서는 X선 촬상 디바이스(1)가 차광 재료로 이루어지는 차광 케이스(61) 내에 수용되어 있다. 차광 재료로서는, 예를 들면 베릴륨, 세라믹, 알루미늄 등을 사용할 수 있다. 차광 케이스(61)를 채용하면, X선 촬상 디바이스(1)의 분해, 수리가 용이해진다. 또한, X선 강도 등의 촬영 조건에 따른 X선 필터 등의 탈착이나 교환도 용이해진다.
제2실시형태의 그 밖의 구성 및 작용은 제1실시형태와 마찬가지이므로, 동일한 요소에는 동일한 부호를 첨부해서 설명을 생략한다.
(제3실시형태)
도 10에 나타내는 본 발명의 제3실시형태에 의한 X선 촬상 디바이스(1)도, X선 검출부(2)에 대한 가시광의 입사를 차단하기 위한 구조가 제1실시형태와 다르 다. 구체적으로는, 본 실시형태에서는 X선 촬상 디바이스(1)의 디바이스 케이스(7) 자체에 차광성을 갖게 한다. 구체적으로는, 디바이스 케이스(7)를 구성하는 페이스 플레이트(4), 베이스 플레이트(5), 및 사이드 플레이트(6)를 모두 X선을 투과하지만 가시광을 차단하는 재료로 구성하고 있다. 예를 들면, 페이스 플레이트(4)와 베이스 플레이트(5)를 알루미늄제로 하고, 사이드 플레이트(6)도 세라믹제로 하면 된다.
제3실시형태의 그 밖의 구성 및 작용은 제1실시형태와 마찬가지이므로, 동일한 요소에는 동일한 부호를 첨부해서 설명을 생략한다.
이어서, 도 11을 참조하여 X선 촬상 디바이스(1)의 X선 검출부(2)에 인가하는 전압값에 대해서 상세히 설명한다. 전술한 바와 같이 X선 검출부(2)의 X선 변환층(13)에는, 전자사태 증식이 발생하는 강도의 전계를 발생시킬 필요가 있다. 따라서, 전압 인가 회로(17)가 X선 검출부(2)에 인가하는 전압값은 적어도 이 조건을 만족할 필요가 있다. 특히, X선 검출부(2)에 0.1×108V/m 이상 0.6×108V/m 이하의 평균 전계가 발생하도록, 전압 인가 회로(17)가 X선 검출부(2)에 인가하는 전압값을 설정하는 것이 바람직하다. 이하, 그 이유를 설명한다.
도 11은 본 발명의 X선 촬상 디바이스(1)에 있어서의 X선 검출부(2)에의 인가 전압에 대한 신호 전류의 변화 및 배율의 변화를 나타내는 특성도이다. 이 도 11에 있어서, 평균 전계가 0.1×108V/m 이상 0.6×108V/m 이하의 범위를 영역 a로서 나타내고, 평균 전계가 0.6×108V/m를 상회하는 범위를 영역 b로서 나타내고 있다. 도 11로부터 이해되는 바와 같이, 출력 신호의 증식률은 평균 전계의 강도에 따라 변화되고, 0.6×108V/m를 상회하는 영역 b에서는 급격하게 신호 전류가 증대하고 있다. 이것은 전자사태 증식 현상의 효과가 현저해진 것에서 기인한다. 그리고 통상의 가시광용 초고감도 촬상 카메라(HARP 카메라)에서는 이 현상을 이용해서 초고감도 촬영을 실현하고 있다.
그러나 영역 b에서는 평균 전계강도(인가 전압)의 약간의 변화로 신호 전류(증식률)가 크게 변화되기 때문에, 안정된 증식률을 얻기 위해서는, 인가 전압을 극히 고정밀도로 제어할 필요가 있다.
한편, 영역 a의 증식률은 영역 b보다 낮지만, 10배 이상 20배 이하 정도의 증식률이 확보되어 있다. 이 영역 b의 증식률은, 예를 들면 일반적인 X선 촬상 디바이스가 입력 신호(X선 에너지)에 대하여 1배 이하의 신호 전류밖에 얻을 수 없는 것과 비교하면, 충분한 고감도를 실현할 수 있는 값이다. 또한, 영역 a는 영역 b와 비교하면, 평균 전계강도의 변화에 대해 증식률의 변화는 매우 작다. 따라서, X선 검출부(2)의 평균 전계강도가 0.1×108V/m 이상 0.6×108V/m 이하의 영역 a에서는, 10배 이상 20배 이하 정도의 증식률이 얻어지고, 또한 고정밀도의 인가 전압제어가 없어도, 안정된 증가배를 실현할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 X선 촬상 디바이스(1)는 X선 검출부(2)의 평균 전계강도가 영역 a의 범위가 되는 인가 전압범위에서 사용함으로써, 고감도를 확보하면서 실용적인 동작 전압으로 제어할 수 있다.
도 12는 본 발명의 X선 촬상 디바이스(1)를 구비하는 의료용 X선 촬영 장치 의 일례인 치과용 X선 촬영 장치(71)를 나타낸다. 이 치과용 X선 촬영 장치(71)는, 촬영 대상인 피험자의 두부(72)를 사이에 두고 대향하는 조사부(73a)와 촬상부(73b)를 갖는 회전 암(이동부)(73)을 구비한다. 회전 암(73)은 도시하지 않은 구동 기구에 도 11에 의해 화살표로 나타낸 바와 같이 연직 방향으로 연장되는 축선 주변으로 자전한다. 조사부(73a)는 X선원(74)을 구비한다. 한편, 촬상부(73b)에는 본 발명의 X선 촬상 디바이스(1)를 구비한다. X선 촬상 디바이스(1)는 제1 내지 제3실시형태 중의 어느 것이라도 좋고, 냉전자원(3)(도 1 참조)도 탄도전자면 방출형과 스핀트형 중의 어느 하나라도 좋다.
회전 암(73)을 초기 위치에 셋팅해서 치과용 X선 촬영 장치(71)를 동작시키면, X선원(74)으로부터의 X선 조사가 개시되고, 조사된 X선은 피험자의 두부를 투과해서 X선 촬상 디바이스(1)에 입사한다. X선 촬상 디바이스(1)는 회전 암(73)의 화살표 방향으로의 회전에 따라 이동하고, 그것에 의해서 피험자의 치부(齒部)·악부(顎部)의 광범위한 X선 화상이 촬영된다.
전술한 바와 같이 본 발명의 X선 촬상 디바이스(1)는 고감도를 가지므로, 이 치과용 X선 촬영 장치(71)로는 X선 촬영 시간을 대폭 단축할 수 있다. 그 결과, 피험자의 X선 피폭량을 비약적으로 저감할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 X선 촬상 디바이스는 X선 변환재료의 양면에 전하 주입 저지막을 형성한 X선 검출부와 냉음극 전계 방출형의 전자원을 조합시킴으로써, 극히 X선 감도가 높고, 촬영시의 피험자 피폭량을 대폭 저감하는 효과를 갖는다.
본 발명은, 상기 실시형태에 한정되지 않고 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 탄도전자면 방출형 전자원 및 스핀트형 전자원 이외의 냉전자원을 채용할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 이미터, 트랜지스터 구조 이미터, 표면전도 전자 이미터, MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조나 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조의 열전자 이미터(hot electron emitter), 카본나노튜브 이미터 등의 냉전자원을 채용할 수 있다.
본 발명의 X선 촬상 디바이스는 의과, 치과 등의 의료진단 분야에 있어서 X선 촬영에 사용되는 X선 촬상 디바이스에 적합하다. 구체적으로는, 본 발명의 X선 촬상 디바이스는 투시 촬영대(臺), 단층 촬영, DSA(Digital Subtraction Angiography)를 포함하는 혈관 조영, IVR(Interventional radiology), 3D 혈관 조영(3D Angio), 파노라마 촬영, CT 촬영 등에 사용되는 X선 촬상 디바이스에 적합하다.

Claims (8)

  1. X선이 입사하는 제1면(面) 및 상기 제1면과는 반대측의 제2면을 구비하고, 상기 X선이 입사하면 전하를 발생하는 X선 변환재료로 이루어지는 X선 변환층과, 상기 X선 변환층의 상기 제1면에 형성된 제1전하 주입 저지층과, 상기 X선 변환층의 상기 제2면에 형성된 제2전하 주입 저지층을 구비하는 X선 검출부와,
    각각 상기 X선 검출부의 상기 제2전하 주입 저지층을 향해서 전자를 방출할 수 있는 복수의 매트릭스 형상으로 배치된 전자 방출부를 구비하는 냉전자원(冷電子源)과,
    상기 X선 검출부에의 가시광의 입사를 차단하는 차광부와,
    상기 X선 검출부의 상기 X선 변환층에 대하여 전자사태 증식(avalanche multiplication)을 일으키는 전계를 발생시키는 전압을 인가(印加)하는 전압 인가부와,
    상기 냉전자원의 상기 복수의 전자 방출부를 순차로 구동해서 전자를 방출시키는 전자원 구동부와,
    상기 전자 방출부에서 방사된 전자에 의해 중화되는 상기 X선 변환층에 상기 X선의 입사에 의해 발생하고 있는 전하를 전자적으로 검출하는 판독부를 구비하는, X선 촬상 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 X선 변환재료는 비정질 셀레늄을 포함하는 X선 촬상 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉전자원은 탄도전자면 방출형 전자원인 X선 촬상 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉전자원은 스핀트형(Spindt-type) 전자원인 X선 촬상 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차광부는 상기 X선의 입사측인 상기 제1면측의 상기 X선 검출부를 적어도 피복하도록 형성된, 차광성 수지재료로 이루어지는 차광 코팅층인, X선 촬상 디바이스.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차광부는 적어도 상기 X선 검출부와 상기 냉전자원을 그 내부에 수용하는, 차광성 재료로 이루어지는 차광 케이스인, X선 촬상 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 인가부는 상기 X선 검출부의 상기 X선 변환층에 0.1×106V/m 이상 0.6×106V/m 이하의 평균 전계를 발생시키는, X선 촬상 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재한 X선 촬상 디바이스와,
    상기 X선 촬상 디바이스를 공간적으로 이동시키는 이동부와,
    촬영 대상에 대하여 상기 X선 촬상 디바이스와 반대측에 위치하고, 상기 촬영 대상을 향해서 X선을 조사(照射)해서 투과한 X선을 상기 촬상 디바이스에 입사시키는 X선 조사부를 구비하는, X선 촬영 장치.
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