| 【発明の名称】 |
Ｘ線検出器及びこれを用いたＸ線ＣＴ装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】吉岡 智恒
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| 【要約】 |
【課題】フォトダイオードアレイの近傍にスイッチアレイを配置しても、計測に用いないフォトダイオードセルの出力が計測回路に与える影響をなくす。
【解決手段】シンチレータと、光検出素子アレイ６と受光領域の複数の出力を切り替えて外部回路に導くスイッチ素子アレイとから成るスイッチ回路付光検出素子アレイとでＸ線検出素子アレイを構成する。前記スイッチ回路は、選択された光検出素子アレイのスライス素子列の出力を外部回路へ導くと共に計測に用いないスライス素子列の出力を前記光検出素子アレイの共通接地電位に接続する。このように構成されたＸ線検出素子アレイをチャンネル方向およびスライス方向にＸ線管の焦点を中心とした略円弧上に略等角度ピッチでポリゴン状に複数個配列してマルチスライス用Ｘ線検出器を構成し、このＸ線検出器で検出したＸ線の強度に基づき被検体の複数のスライス断層像を一度に得る。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 入射する放射線を検知することにより発光するシンチレータと、チャンネル方向およびスライス方向に分離された受光領域を持つ光検出素子アレイと前記スライス方向に分離された受光領域の複数の出力を切り替えて外部回路に導くスイッチ素子アレイとから成るスイッチ回路付光検出素子アレイとを備え、前記シンチレータとスイッチ回路付光検出素子アレイとをチャンネル方向およびスライス方向にＸ線管焦点を中心とした略円弧上に略等角度ピッチでポリゴン状に複数個配列して成るＸ線検出器において、前記スイッチ回路は、選択された光検出素子アレイのスライス素子列の出力を外部回路へ導くと共に計測に用いないスライス素子列の出力を前記光検出素子アレイの共通接地電位に接続したことを特徴とするＸ線検出器。
【請求項２】 Ｘ線源と、このＸ線源と対向して配置されたＸ線検出器と、これらＸ線源及びＸ線検出器を保持し、被検体の周りを回転駆動される回転円板と、前記Ｘ線検出器で検出されたＸ線の強度に基づき前記被検体の断層像を画像再構成する画像再構成手段とを備えたＸ線ＣＴ装置において、前記Ｘ線検出器として請求項１に記載のＸ線検出器を用いたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、同時に複数スライスのＸ線透過データを検出するＸ線検出器に係り、特にフォトダイオードアレイの近傍にスライス選択のためのスイッチアレイを配置しても計測に用いないフォトダイオードセルの出力が計測回路に与える影響をなくして高精度の計測が可能なＸ線検出器及びこのＸ線検出器を用いて高い診断能の再構成画像が得られるＸ線ＣＴ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、Ｘ線ＣＴ装置では、装置のスループット向上のためにスライス方向に複数列のＸ線検出素子アレイを配列（すなわち、２次元配列）し、一回のＸ線曝射によって２次元のＸ線データを収集し、複数のＣＴ画像が得られるマルチスライス型Ｘ線ＣＴ装置が注目されている（以下、このマルチスライス型Ｘ線ＣＴ装置に用いるＸ線検出器をマルチスライス型Ｘ線検出器と呼ぶことにする）。このようなマルチスライス型Ｘ線ＣＴ装置は、上記検査時間の短縮以外に、従来の一列に配列した検出器（以下、シングルスライス型Ｘ線検出器と呼び、これを用いたＸ線ＣＴ装置をシングルスライス型Ｘ線ＣＴ装置と呼ぶことにする）に比較するとＸ線管から放射されるＸ線の利用効率が高いという利点もある。
【０００３】上記のマルチスライス型Ｘ線検出器には、従来のキセノンガスによる電離箱方式の検出器に代わって、高空間分解能及び高Ｓ（信号）／Ｎ（ノイズ）が得られる、シンチレータを用いた固体検出器が用いられている。この固体検出器は、入射Ｘ線を光に変換するシンチレータと、このシンチレータで変換された光を検出して電気信号として出力するシリコンフォトダイオードなどの光検出素子とから成るＸ線検出素子を、Ｘ線源を中心としてチャンネル方向及び該チャンネル方向と直交するスライス方向に円弧状に多数配列して構成される。このようなマルチスライスＣＴ装置の原理を図５を用いて説明する。
【０００４】図５において、Ｘ線管12から放射されたファン状のＸ線ビーム102を受けるＸ線検出器103は、複数のＸ線検出素子列104によって構成されている。図示の場合、Ｘ線検出器103は被検体105のスライス方向に配列された４個のＸ線検出素子列104-1〜104-4から成る。
【０００５】Ｘ線ビーム102は被検体18を透過した後にＸ線検出器103で検出されるが、各Ｘ線検出素子列104-1〜104-4ではそれぞれ被検体18の対応するスライス106-1〜106-4におけるＸ線減衰量を計測することになる。
【０００６】このような原理のマルチスライス計測において、Ｘ線検出器103は、入射Ｘ線を光に変換するシンチレータと、このシンチレータで変換された光を検出して電気信号として出力するシリコンフォトダイオードなどの光検出素子とから成るＸ線検出素子を多数組み合わせてアレイ状にしてＸ線検出素子アレイを構成し、このＸ線検出素子アレイをＸ線源を中心としてチャンネル方向及び該チャンネル方向と直交するスライス方向に円弧状に多数配列して構成する。
【０００７】このように、マルチスライス型Ｘ線検出器は、チャンネル方向とスライス方向に多数のＸ線検出素子が配列されるので、これらのＸ線検出素子の出力信号は従来のシングルスライス型Ｘ線検出器に比べて非常に多くなり、これらの出力信号を限られた実装スペースの中でいかに効率良く取り出すかが大きな課題となる。
【０００８】上記のように、Ｘ線ＣＴ用検出器では多素子配列が要求されることから、シンチレータの出力光を電気信号に変換する光検出素子は単チャンネルチップを並べることは行わず、一つのチップ上に複数のチャンネルを形成した光検出素子アレイを多く用いる。
【０００９】光検出素子アレイは、限られた実装スペースの中で高密度に素子を配列しなければならないので、一般にはシリコンフォトダイオードなどの半導体デバイスを用いている。
【００１０】しかしながら、従来のシングルスライス型Ｘ線検出器の光検出素子アレイは、受光部および出力信号の取出しが単一のチャンネル方向にのみ分離された一次元配列であるが、マルチスライス型Ｘ線検出器の光検出素子アレイは、受光部をチャンネル方向およびそれに直交するスライス方向に分離した二次元配列にする必要がある。
【００１１】したがって、当然の事ながら、１チャンネル当たりの素子出力信号数はスライス方向分割数に対応して増加してくる。さらにマルチスライスＣＴ装置では、計測スライス幅の変更は入射するＸ線ビーム幅の変更だけでなく、Ｘ線検出素子のスライス方向の素子幅も変更する必要がある。何種類かのスライス幅での計測に対応するためにはＸ線検出素子はスライス方向に複数のフォトダイオードセルに分割されていて、その分割されたフォトダイオードセルの出力の組み合わせを変えることで計測スライス幅の変更を行なうことになる。この計測スライス幅の変更例について図６を用いて説明する。図６は任意のスライス厚を組み合わせて４スライスを同時に計測する例で、３はスイッチアレイ、６はフォトダイオードアレイである。
【００１２】同図（ａ）は中央部の４スライスを個別に取出すことにより、検出素子のスライス方向基本分割ピッチに対応した「スライス厚１」の４スライス同時計測を行なう場合、同図（ｂ）はスイッチアレイによって２スライスずつの出力を合わせて取出すことにより「スライス厚２」の４スライス同時計測を行なう場合、同様に同図（ｃ）は「スライス厚３」、同図（ｄ）「スライス厚４」の計測を行なう場合である。
【００１３】このように、マルチスライス用Ｘ線検出素子に使用される光検出素子アレイはスライス方向に多分割されているとともに、その各出力を所望の組合せで外部回路に導けるようにスイッチアレイを組合せておく必要がある。通常、このスイッチアレイは光検出素子アレイの近傍に配置されその間を直接ワイヤボンディング法で接続し、さらにスイッチアレイの出力を配線基板にワイヤボンディング法で接続して基板上に設けられたコネクタから外部回路に信号を取出すようにしている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】上記Ｘ線検出素子を構成するフォトダイオード素子の出力電流は、電流／電圧変換回路によって電圧に変換される。図７（ａ）は前記電流／電圧変換の基本回路で、シンチレータの出力光を受光してこの光を電流に変換するフォトダイオード２０と、このフォトダイオード２０に流れる電流を増幅する増幅器２１と、この増幅器２１のマイナスの入力端子と出力端子間に並列に接続された帰還抵抗２２とで構成され、前記電流／電圧変換回路の入力電流をＩｉ（Ａ：アンペア）、帰還抵抗２２の抵抗値をＲｆ（Ω：オーム）、出力電圧Ｖｏ（Ｖ：ボルト）との間には以下の関係がある。
Ｖｏ＝Ｒｆ×Ｉｉ ………（１）
【００１５】しかし、実際には、フォトダイオード素子と増幅器２１とを接続する配線材には抵抗分２３があるので、この抵抗分２３の抵抗値をＲｉ（Ω：オーム）とすると、図７（ｂ）に示すように前記増幅器の入力抵抗Ｒｉとして作用する。
【００１６】このような抵抗分Ｒｉが存在しても、入力電流Ｉｉと出力電圧Ｖｏとの間には（１）式の関係が保たれる。しかし、図７（ｃ）に示すように、前記直列抵抗Ｒｉとフォトダイオード２０との間に外部から寄生のコンデンサＣを介して電圧ｅが印加されると、前記増幅器２１（電流／電圧変換回路）は電圧増幅回路として動作し、印加された電圧ｅのＲｆ／Ｒｉ倍の電圧Ｖｏ’が出力端にあらわれてしまうことになる。通常、直列抵抗分Ｒｉは数10ｍΩ（ミリオーム）であり、帰還抵抗Ｒｆは数ＭΩ（メグオーム）であることから、前記増幅器２１の電圧増幅率は１０6〜１０8倍と大きな値となり、わずかな電圧でも大きな計測誤差の原因となってしまう。
【００１７】マルチスライスＸ線ＣＴ用Ｘ線検出器のフォトダイオードは、上記のようにスライス方向に複数のセルを用意し、計測スライス幅に合わせてスイッチを切りかえることにより適当なフォトダイオードセルの出力を計測回路に導いている。このとき、計測回路に接続されない外側のフォトダイオードセルにＸ線が入射した場合（Ｘ線管放射部のコリメータにより絞られることで主Ｘ線が入射しなくても、主Ｘ線が被検体を透過する際に一部は散乱Ｘ線となり計測をしない外側のフォトダイオードセルにも入射される）、計測回路に接続されていないフォトダイオードセルでは発生した電荷が外部に放出されないために該電荷に電圧が充電されたままとなる。このように、計測されないフォトダイオードセルに発生した電圧が信号配線間の浮遊静電容量を介して計測チャンネルに漏れ込むと、その電圧値がわずかなものであっても前述したように電圧増幅率が大きな値となってしまうことから計測値にたいして無視できない誤差となってしまうことになる。
【００１８】したがって、このような誤差を含んだ計測データでは診断能の高い再構成画像が得られない。そこで、本発明の目的は、複数スライスを同時計測するマルチスライスＸ線検出器のフォトダイオードアレイの近傍にスライス選択のためのスイッチアレイを配置しても、計測に用いないフォトダイオードセルの出力が計測回路に与える影響をなくして高精度の計測が可能なＸ線検出器及びこの検出器の出力データを用いて高い診断能の再構成画像が得られるＸ線ＣＴ装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的は、入射する放射線を検知することにより発光するシンチレータと、チャンネル方向およびスライス方向に分離された受光領域を持つ光検出素子アレイと前記スライス方向に分離された受光領域の複数の出力を切り替えて外部回路に導くスイッチ素子アレイとから成るスイッチ回路付光検出素子アレイとを備え、前記シンチレータとスイッチ回路付光検出素子アレイとをチャンネル方向およびスライス方向にＸ線管焦点を中心とした略円弧上に略等角度ピッチでポリゴン状に複数個配列して成るＸ線検出器において、前記スイッチ回路は、選択された光検出素子アレイのスライス素子列の出力を外部回路へ導くと共に計測に用いないスライス素子列の出力を前記光検出素子アレイの共通接地電位に接続することによって達成される。
【００２０】このように、計測回路に接続しないフォトダイオードセルの出力をフォトダイオードアレイのグラウンド（接地電位）に接続することによって、前記計測に用いないダイオードセルの出力端子を開放したままにしておくことによって発生する電圧を計測に用いるフォトダイオードセルに影響しないようにすることができるので、これによって高精度のＸ線計測データの取得が可能となる。
【００２１】また、本発明は、Ｘ線源と、このＸ線源と対向して配置されたＸ線検出器と、これらＸ線源及びＸ線検出器を保持し、被検体の周りを回転駆動される回転円板と、前記Ｘ線検出器で検出されたＸ線の強度に基づき前記被検体の断層像を画像再構成する画像再構成手段とを備えたＸ線ＣＴ装置において、前記Ｘ線検出器として上記に記載のＸ線検出器を用いることによって、高い診断能の再構成画像が得られるマルチスライスＸ線ＣＴ装置を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１〜図４を用いて詳細に説明する。
【００２３】図１はＸ線検出素子アレイの外観を示したものである。Ｘ線検出素子アレイはプリント基板１の上に搭載されているフォトダイオードアレイ６の入射面にシンチレータ２が搭載されている構造となっている。フォトダイオードアレイ６およびシンチレータ２はチャンネル方向およびスライス方向にそれぞれ分割され各々の部分の出力が取出せるようになっていて、その出力はスイッチアレイ３を通りコネクタ４に接続されて外部回路に接続できるようになっている。
【００２４】これは、図６にその一例を示したように、スイッチアレイ３で各検出素子の出力の組み合を変えることで所望のスライス厚さのデータを計測するためである。プリント基板１には取付け穴５が設けてあり、これは完成したＸ線検出素子アレイをネジ等によって検出器容器内部に配列固定するためのものである。
【００２５】図２にフォトダイオードアレイの出力選択を行なうスイッチ回路を示す。この図２はフォトダイオードアレイの１チャンネル分について示した図であり、各チャンネルごとに同様のスイッチ回路が設けられていて、外部からのスライス幅選択信号によって全チャンネルが同時に同じスライス方向のセルの組み合わせの出力を外部回路に接続するように各スイッチ素子（本実施例では電界効果型トランジスタを用いた場合）が動作する。スライス幅選択信号によって各スイッチ素子のオン・オフスイッチング動作をさせるための駆動信号をスイッチ素子駆動信号発生回路７によって発生させ、フォトダイオードアレイの各セルの出力側に設けられているスイッチング回路８を制御することで所望の位置のセルの出力を外部計測回路に取出すようになっている。
【００２６】図２では、フォトダイオードのセルは１６個並んでいて（＃１〜＃１６）、スライス幅選択信号により、１セル×４列、２セル×４列、４セル×４列の出力が取出せるようになっている。フォトダイオードセルおよびスイッチ素子は左右対称の構成となっていて、スライス幅選択の組み合わせによって分離させておく必要のないセルについては、スイッチ素子に入力される前にセル出力をまとめてしまうことでスイッチ素子の総数を低減させている。左右対称の位置にあるスイッチ素子はそれぞれ同じ動作をするようになっていて、外部回路に取出す出力（Out１〜Out４）も各セルの出力を左右対称に取出すこととなる。計測時のスライス幅選択は、図２の上側のｓ１〜ｓ３の信号ラインによって行われる。ｓ１は１セル×４列計測、ｓ２は２セル×４列計測、ｓ３は４セル×４列計測を行なうための信号ラインで、３本のうちいずれか一つだけが選択（Highレベルになる）され、他の信号ラインは非選択（Lowレベル）になる。
【００２７】ｓ１が選択された場合（ｓ２、ｓ３は非選択）、ＱA2、ＱA2’、ＱBG、ＱBG’、ＱCG、ＱCG’のスイッチング素子はオン（導通）となり、それ以外のスイッチング素子はオフ（非導通）となる。したがって、外部回路に接続されるOut１〜Out４には＃７〜＃１０のセルの出力が取出されることになり、それ以外のセル（＃１〜＃６、＃１１〜＃１６）の出力はグラウンド（接地電位）に接続されることとなる。この結果、ｓ１選択時の各セルと取り出し信号は図３（ａ）に示すようになる。
【００２８】次に、ｓ２が選択された場合（ｓ１、ｓ３は非選択）は、ＱA1、ＱA1’、ＱB2、ＱB2’、ＱCG、ＱCG’のスイッチング素子はオンとなり、それ以外のスイッチング素子はオフとなる。したがって、外部回路に接続されるOut１〜Out４には＃５〜＃１２のセルの出力がそれぞれ２つずつまとめられる形で取出されることになり、それ以外のセル（＃１〜＃４、＃１３〜＃１６）の出力はグラウンド（接地電位）に接続されることとなる。
【００２９】この結果、ｓ２選択時の各セルと取り出し信号は図３（ｂ）に示すようになる。
【００３０】そして、ｓ３が選択された場合（ｓ１、ｓ２は非選択）は、ＱA1、ＱA1’、ＱB1、ＱB1’、ＱC2、ＱC2’のスイッチング素子はオンとなり、それ以外のスイッチング素子はオフとなる。したがって、外部回路に接続されるOut１〜Out４には＃１〜＃１６のすべてのセルの出力がそれぞれ４つずつまとめられる形で取出されることになる。この結果、ｓ３選択時の各セルと取り出し信号は図３（ｃ）に示すようになる。
【００３１】図３から明らかなように、スライス幅の選択によっては計測回路に接続されない外側のセルの出力はすべてグラウンド（接地電位）に接続されることになる。このようにすることによって、計測回路に接続されていないセルに散乱Ｘ線等の入射による出力電荷が発生するような場合があったとしても、前記計測回路に接続されていないセルはグラウンド（接地電位）に接続されているために出力ラインに電圧が発生せず、計測回路に接続されている信号に誤差を与えることはない。
【００３２】ここでは１セル×４列、２セル×４列、４セル×４列の出力を取出す場合について述べたが、３セル×４列や他の組合せでのセル出力取出しを行なう場合でも、スイッチング素子の回路の組合せを変えることで本実施例のように非選択セルの出力をグラウンド（接地電位）に接続して選択したセルの出力を計測回路に接続させることができる。
【００３３】以上のマルチスライス型Ｘ線検出器をＸ線ＣＴ装置に搭載した例を図４に示す。
【００３４】図４はＣＴ装置の回転板１１上への検出器容器１３の配置、および検出器容器１３内へのＸ線検出素子アレイ１４の配列するようすを示したものである。回転板１１上にＸ線管１２と対向させて検出器容器１３が搭載されている。検出器容器１３の内部には図１〜図３で説明したＸ線検出素子アレイ１４がＸ線管２０の焦点を中心とした略円弧となるポリゴン状に配列されている。また、Ｘ線検出素子アレイ１４のＸ線入射部にはＸ線管２０の焦点以外の方向から入射してくる散乱線を除去するためのコリメータ板群１５が置かれている。検出器容器１３の外側には、検出素子からの信号を増幅するための増幅回路ユニット１６が置かれている。回転板１１の中央には開口部１７があり、この開口部１７内に置かれた被検体１８を中心として回転板１１が回転することにより被検体１８の全周方向からのＸ線透過量の計測が４スライス同時に行えるようになっている。
【００３５】上記の本発明のマルチスライス型Ｘ線検出器を用いたＸ線ＣＴ装置は、スライス方向に分割されたフォトダイオード（光検出素子）セルからの出力の取り出し方を変えて計測スライス幅を変更するスイッチアレイのうちの外部計測回路に接続しないスイッチアレイと接続されている増幅器（電流／電圧変換回路）への外乱電圧の混入を防止して、誤差のない計測データを検出できるので、この検出データ用いて診断能の高い複数のスライス断層像を一度に得られるＸ線ＣＴ装置とすることができる。
【００３６】
【発明の効果】複数スライスを同時計測するマルチスライスＸ線検出器は、フォトダイオードアレイの近傍にスライス選択のためのスイッチアレイを配置しているが、本発明においては、前記スイッチアレイのうちの外部計測回路に接続しないスイッチアレイの出力端子をグラウンド（接地電位）に接続するようにしたので、計測回路に接続されていないフォトダイオードセルに散乱Ｘ線等の入射による出力電荷が発生するような場合があったとしても、これを検出することはないので計測回路に接続されている信号に誤差を生じることがない。したがって、このＸ線検出器をＸ線ＣＴ装置に用いることによって、診断能の高い複数のスライス断層像を一度に得られるＸ線ＣＴ装置を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１５３４９８
【氏名又は名称】株式会社日立メディコ
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| 【出願日】 |
平成１２年６月１２日（２０００．６．１２） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３４６７９０（Ｐ２００１−３４６７９０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１２月１８日（２００１．１２．１８） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１７５１９３（Ｐ２０００−１７５１９３） |
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