JP4651937B2 - Ｘ線画像検出器アセンブリ及びイメージング・システム - Google Patents

Description

本発明は、全般的にはＸ線診断医用イメージングに関し、さらに詳細には、Ｘ線画像検出器アセンブリのための方法及び装置に関する。

Ｘ線イメージング・システムの多くの構成では、Ｘ線源は、患者など撮像対象の関心領域を通過するようにコリメートさせたエリアビームを投射する。このビームは、被検体によって減衰を受けた後、アレイ状の放射線検出器上に入射する。検出器アレイ位置で受け取られる放射線ビームの強度は、被検体によるＸ線ビームの減衰に依存する。アレイ内の各検出器素子（すなわち、ピクセル）は、検出器の各箇所におけるビーム減衰計測値にあたる別々の電気信号を発生させる。すべての検出器ピクセルからの減衰計測値は別々に収集され透過プロフィールが作成される。
米国特許第５９１２４６５号

ディジタルＸ線画像検出器は、ガラスや結晶性シリコンなどのモノリシック基板上に製作するか、あるいは続いて単一の画像検出器に統合させる必要があるような多重基板上に製作するかのいずれかである。その限界の１つは、単一結晶シリコン（Ｘ−Ｓｉ）であるか多結晶シリコン（Ｐ−Ｓｉ）であるかによらず、結晶性シリコン（Ｓｉ）は幾つかの医学的応用でのＸ線画像検出器に関する所望のサイズと比べてかなり小さいサイズのウェハでの処理でのみ利用可能であることである。この限界が、タイル式Ｘ線画像検出器アセンブリの開発につながっている。しかし、多重基板を単一の画像検出器になるように相互接続しているため、大型のアレイで不良がほとんどゼロの接続を達成させることが課題となっており、さらに、２つの基板を隣接させて継ぎ目を共有させるようにしたアレイの内部エッジ位置で画像欠陥を回避する際に問題が生じている。

一態様では、Ｘ線画像検出器をＸ線画像レセプターに結合させるための方法を提供する。この方法は、少なくとも２つの画像検出器を設けることを含む。この２つの画像検出器の各々は、検出器アレイを形成させるために、この少なくとも２つの画像検出器間に実質的な内側エッジ接触を得るための少なくとも１つの内側エッジを有する。この２つの画像検出器の各々は、検出器アレイの外周を形成させるために少なくとも１つの外側エッジを有する。本方法はさらに、検出器アレイの外周近傍のエリアを画像レセプターに結合させることを含む。

別の態様では、Ｘ線画像検出器アセンブリを提供する。このＸ線画像検出器は、画像検出器と、少なくとも１つの第１の検出器タイル及び第２の検出器タイルと、を含む。この第１及び第２の検出器タイルの各々は、少なくとも１つの内側エッジを有する。この第１及び第２のタイルは、検出器アレイを形成させるようにこれらのそれぞれの内側エッジに沿って互いに接触させている。第１及び第２のタイルの各々は、検出器アレイの外周を形成するために少なくとも１つの外側エッジを有している。Ｘ線画像検出器はさらに、検出器アレイの外周近傍のエリアと結合させた画像レセプターを含む。

別の態様では、医用Ｘ線画像検出器をＸ線画像レセプターに結合させる方法を提供する。この方法は、少なくとも２つの医用画像検出器を設けることを含む。この２つの医用画像検出器の各々は、検出器アレイを形成するために、少なくとも２つの医用画像検出器間で実質的な内側エッジ接触が得られるように少なくとも１つの内側エッジを有する。２つの医用画像検出器の各々は、検出器アレイの外周を形成するために少なくとも１つの外側エッジを有する。この方法はさらに、検出器アレイの外周近傍のエリアを画像レセプターに結合させることを含む。

別の態様では、Ｘ線画像検出器をＸ線画像レセプターに結合させる方法を提供する。この方法は、画像検出器に少なくとも１つのシリコン結晶検出器タイルを設けること、並びに画像検出器内で画像検出器と画像レセプターの間のはんだバンプ・アレイまでの貫通ビアを製作することによって画像検出器を画像レセプターに結合させること、を含む。

さらに別の態様では、Ｘ線画像検出器アセンブリを提供する。この画像検出器は少なくとも１つのシリコン結晶検出器タイルを含む。画像検出器はさらに、この画像検出器と結合させた画像レセプターであって、その結合が画像検出器と画像レセプターの間のはんだバンプ・アレイまでの画像検出器内にある貫通ビアによっている画像レセプターを含む。

図１は、検出器アレイ１２と、患者２０のエリア１８を通過するエリアＸ線ビーム１６を提供するようにコリメートされているＸ線源１４と、を含むように図示したイメージング・システム１０（例えば、Ｘ線イメージング・システム）の斜視図である。ビーム１６は患者２０の内部構造（図示せず）によって減衰を受け、次いでＸ線ビーム１６の軸と垂直な面内のあるエリアを覆うようにして全体に広がる検出器アレイ１２によって受け取られる。

システム１０はさらに、Ｘ線源１４及び検出器アレイ１２と電気的に接続させた収集制御／画像処理回路３０を含む。より具体的には、回路３０はＸ線源１４を制御し、Ｘ線源１４をオンやオフにし、かつ管電流（すなわち、ビーム状Ｘ線１６のフルエンス）及び／または管電圧を制御し、またこれによりビーム状Ｘ線１６のエネルギーを変更している。実施の一形態では、収集制御／画像処理回路３０は、検出器アレイ１２からのデータをサンプリングしこのデータ信号を後続の処理のために伝送している少なくとも１つのＤＡＳモジュール、すなわちＤＡＳ回路（図１では図示せず）を有するデータ収集システム（ＤＡＳ）を含んでいる。実施の一形態では、各ＤＡＳモジュールは複数のドライバ・チャンネルまたは複数の読み出しチャンネルを含む。収集制御／画像処理回路３０はサンプリングしたＸ線データをＤＡＳから受け取り、画像を作成し、さらに各ピクセルが提供するデータに基づいてモニタまたは陰極線管ディスプレイ３６上に画像を表示させる。

図２は、図１のイメージング・システムで使用するための２タイル型画像検出器アレイ１２の上面像である。実施の一形態では、検出器アレイ１２は、図２に示すように複数の検出器素子、すなわちピクセル２６を行と列の形に配列して有する半導体パネル構成で製作している。縦列と横列の向きは任意であるが、この例示的な実施形態では、横列は水平方向に延びかつ縦列は垂直方向に延びている。各ピクセル２６は、スイッチング・トランジスタを介して２本の別々のアドレス線、１本のスキャン線及び１本のデータ線に結合させたフォトダイオードなどのフォトセンサを含む。シンチレータ材料（図示せず）上に入射する放射線及びピクセル・フォトセンサによって、フォトダイオード両端の電荷の変化を介して、Ｘ線のシンチレータとの相互作用で発生した光の量が計測される。その結果として各ピクセル２６は、入射するＸ線ビーム１６の患者２０による減衰後の強度を表している電気信号を発生させる。実施の一形態では、検出器アレイ１２は概ね４０ｃｍ幅（ｘ軸方向）×４０ｃｍ高（ｚ軸方向）である。別の実施形態では、検出器アレイ１２のサイズは具体的なシステム要件ごとに変更することがある。

２タイル型画像検出器アレイ１２は第１の検出器タイル４０及び第２の検出器タイル４２によって形成されている。実施の一形態では、画像検出器タイル４０及び４２は、単一結晶であるか多結晶であるかによらず結晶性Ｓｉ基板上に化学蒸着法（ＣＶＤ）によって製作している。各タイル４０及び４２はその画像受信側上に、Ｓｉ基板上に製作したフォトダイオード及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなるアレイ（スイッチ・マトリックス・アレイ）を含んでおり、次いでこのアレイの上にシンチレータ層を被着させている。このシンチレータ層によってＸ線フォトンが可視光スペクトルのフォトンに変換され、次いでフォトダイオードによって電気信号に変換されてＦＥＴを介して読み取られる。各フォトダイオードからの電気信号は、ディジタル対アナログ変換器（図示せず）によって定量化させる。スイッチ・マトリックス内には直交する２組の接続、すなわち、ＦＥＴスイッチを制御しているスキャン接続と、フォトダイオード信号をデータ読み出し電子回路に接続させるために通過させるデータ接続と、が存在する。

第１検出器タイル４０及び第２の検出器タイル４２の各々は、検出器アレイ１２の外部エッジを形成するための少なくとも１つの外側エッジを有している。この例示的な実施形態では、第１の検出器タイル４０は３つの外側エッジ４４、４６及び４８を有し、また第２の検出器タイル４２は３つの外側エッジ５０、５２及び５４を有して、検出器アレイ１２の外周５６を形成させている。第１の検出器タイル４０は少なくとも１つの内側エッジ５７を有し、また第２の検出器タイル４２は少なくとも１つの内側エッジ５８を有している。第１の検出器タイル４０と第２の検出器タイル４２は、これらのそれぞれの内側エッジ５７及び５８に沿って内部継ぎ目６０において互いに実質的に接触して検出器アレイ１２を形成している。検出器アレイ１２の内部にある内側エッジ５７及び５８は接続のためには使用しておらず、内部継ぎ目６０上での画像欠損なしのタイル結合を簡単にしている。

外側エッジ４４、４６、４８、５０、５２及び５４は、スキャン接続向けに構成することや、データ接続向けに構成することができる。実施の一形態では、外側エッジ４４及び５０をスキャン接続向けに構成させ、また外側エッジ４６をデータ接続向けに構成させている。別の実施形態では、外側エッジ４６及び５２をスキャン接続向けに構成させ、また外側エッジ４８及び５４をデータ接続向けに構成させている。この第２の構成では検出器の同じエリアに対してより多くのデータ読み出しデバイスの接続が可能であるため、この第２の構成は、各タイルの２つのエッジだけを接続に使用している検出器と比べてより小さいピクセルピッチ寸法を有するような検出器（マンモグラフィ検出器など）に特に適している。別の実施形態では、検出器アレイはその設計検討に応じて２つ、３つ、あるいは４つのエッジを使用している。一例では、４つすべてのエッジを使用することによって、スキャンとデータに関して相対するエッジとするようにして蛍光透視法向けのより高速のデータ収集が可能となる。放射線撮影法では、例えば、データ収集で使用するエッジを２つだけまたは３つだけとする（スキャン及びデータのそれぞれに関して単一のエッジとするか、スキャンに関して単一のエッジでデータに関して相対する２つのエッジとするか、データに関して単一エッジとしかつスキャンに関して相対する２つのエッジとするかによらない）ことによってコストが軽減される。

図３は、図１のイメージング・システムで使用するための４タイル型画像検出器アレイ２４の上面像である。４タイル型画像検出器アレイ２４は第１の検出器タイル６４、第２の検出器タイル６６、第３の検出器タイル６８及び第４の検出器タイル７０によって形成させている。第１の検出器タイル６４は例えば、検出器アレイ２４の外周７６を部分的に形成している２つの外側エッジ７２及び７４を有する。第１の検出器タイル６４は、内部継ぎ目８２に沿って第２の検出器タイル６６と第４の検出器タイル７０の内側エッジに接触させるための２つの内側エッジ７８及び８０を有している。各タイルの少なくとも１つの外側エッジはスキャン接続向けに使用しており、また各タイルの少なくとも１つの別の外側エッジをデータ接続向けに使用している。実施の一形態では、接続のために必要となるのは、４タイル型画像検出器アレイ２４の外周７６の２つの辺の外側エッジ（スキャン用１つとデータ用１つ）のみである。例えば、マンモグラフィなどの放射線撮影法向けの検出器アレイでは、その他の電子的ハードウェアを最小にするように２つの面だけ（スキャン用１つとデータ用１つ）を利用している。別の例として、蛍光透視法向けの検出器アレイでは、この用途に合わせて十分に高速なデータ読み出しを可能とするように、外周７６の利用可能な全部のエッジ辺上にスキャン接続とデータ接続が必要となることがある。

図３に示す例示的な実施形態では、４タイル型画像検出器アレイ２４の各検出器タイルは、スキャン接続専用の単一の外側エッジと、データ接続専用の単一の外側エッジと、を有する。さらにこの同じタイルは、スキャン接続及びデータ接続用に各タイルの外部エッジを２つだけ使用して、２タイル型検出器を組み上げるために使用することもできる。

図４はＸ線画像検出器アセンブリ９０の概要図である。図５は、画像検出器１２を画像レセプター９２と結合させたＸ線画像検出器アセンブリの実施の一形態の概要図である。具体的には、検出器アレイ１２は画像レセプター９２の外周５６の近傍のエリアと結合している。実施の一形態では、外周５６は、はんだ付けによるか柔軟な非等方性導電性接着フィルムによるかのいずれかによって取り付けることがある柔軟な基板上に導電性トレースを含んだ少なくとも１つのフレックス回路９４を用いて画像レセプター９２の外周５６の近傍のエリアと結合させている。図５に示すように、フレックス回路９４は検出器アレイ１２の外周５６の近傍のエリアを画像レセプター９２上の対応する接続に接続させている。画像レセプター９２は、その上にすでにデータ読み出しデバイス９６を製作するか装着したＳｉウェハにより製作する。画像レセプター９２は、検出器アレイ１２と比べてより広い範囲とするか、検出器アレイ１２から斜め方向にズレを設けるかのいずれか、あるいはこの両方となるようにし、基板層（図示せず）への画像レセプター９２のエッジ接続を可能にしている。基板層は、典型的には、Ｂｉｓｍａｌｅｍｉｄｅ Ｔｒｉａｚｅｎｅ（ＢＴ）エポキシ樹脂やその他の回路基板材料からなる。別の実施形態では、画像レセプター９２は、検出器アレイ１２と画像レセプター９２の間ではんだバンプ・アレイまでの貫通ビアを用いており、またこれによって検出器アレイ１２のアセンブリを画像レセプター９２の最上面に配置する前に、画像レセプター９２を基板層にバンプ・アレイはんだ接続させることができる。別の実施形態では、外周５６は、フレックス回路９４と貫通ビアを組み合わせて用いて画像レセプター９２と結合させている。

実施の一形態では、検出器アレイ１２及び画像レセプター９２は、この両者間の結合にフレックス回路９４を使用するにはこの両者の間の距離が十分でない。この場合には、検出器アレイ１２の画像レセプター９２に対する結合は、検出器アレイ１２の検出器タイル内に貫通ビアを製作し、かつ検出器タイルの背面側上にはんだバンプ・アレイを製作することによって達成することができる。検出器アレイ１２の外周５６を結合に利用しないため、任意の数の検出器タイルにより検出器アレイを組み上げることができる。画像レセプター９２は読み出し電子回路９６を検出器アレイから遠い側面上に直接装着するか製作するかのいずれかとして製作している。読み出し電子回路９６は、検出器アレイ側の面上のはんだバンプ・アレイまでの貫通ビアによって結合させている。次いで、この２組のタイルは、画像検出器アセンブリ９０を形成するように互いにバンプはんだ接続させている。画像検出器アセンブリ９０のシステム（図示せず）への結合は、はんだ付けによるか非等方性導電性フィルム（ＡＣＦ）によるかに関わらず、画像レセプター９２の背面側へのフレックス回路９４の結合によって行っている。画像レセプター９２の背面側はさらに、基板層に対する物理的取り付けのためにも使用しており、この結果データ読み出し電子回路を画像検出器アレイ１２に組み込むためのコンパクトな相互接続形成が得られる。

単一結晶または多結晶のシリコン・ウェハを使用すると、検出器アレイ１２の検出器タイルの前面側から背面側への貫通ビア接続法が可能となる。これによって、検出器タイルの背面側を使用することが可能となり、またさらに、検出器タイル層の後ろ側の追加の電子層など３次元実装に対する接続も可能となる。

検出器アレイ１２を画像レセプター９２に結合させた後、ＣｓＩシンチレータ結晶層を化学蒸着法によって検出器アレイ１２の画像受信表面に付着させる。次いで、図５に示すようにカバー・アセンブリ１１０をハーメチックシール１１２によって取り付ける。

検出器アレイ１２及び２４の外部エッジ５６及び７６の結合によるか、検出器タイルの背面側上など画像レセプター９２の後ろ側の層（あるいは、検出器タイルの背面側にバンプはんだ接続した第２のデバイス層）に対して検出器アレイ１２の検出器タイルを通過させて直接結合させるかによらず、画像検出器アレイ１２内で検出器タイル同士を相互接続させていないため、画像検出器アレイ１２及び２４の継ぎ目５８及び８２に沿った画像の欠損が回避される。

上述の画像検出器アセンブリでは、その読み出し電子回路を検出ウェハの背面側、あるいは検出ウェハの後ろにある第２の基板層（読み出しタイル）のいずれかまで移動させることによって、検出ウェハ製作プロセスのステップを電子読み出し製作プロセスのステップから分離することができる。これによって、こうした表面に適用するプロセスの各組に関して使用できるプロセス技法やプロセス業者の選択肢が広げられる。例えば、検出器マトリックス・アレイ内に導体線を製作する際にモリブデンの使用からアルミニウムの使用へと変更することが可能となる。

上述の画像検出器アセンブリによって、ガラス上のアモルファス・シリコン基板上のＸ線検出器向けに開発されたプロセス・テクノロジの用法を、工業界でより一般的である単一結晶または多結晶のシリコン・ウェハ上で使用することができる。上述の画像検出器アセンブリによって、ウェハにおいて高密度の相互接続の実装を使用し、単一ウェハ上で製作できるものと比べてより大きな検出器となるようにタイルを組み上げることができる。上述の画像検出器アセンブリによって、ピックアンドプレース式（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ）オートメーションを使用して組み上げプロセスの労力を軽減させることができる。単一結晶または多結晶のシリコンを読み出し電子回路ウェハ用の基板として使用することによって、金属被覆層を検出器の外周の周りに作成することが可能となり、この外周にハーメチックシールによってカバー・アセンブリを取り付けることができる。これによって、検出ウェハ上のＣｓＩシンチレータ結晶に対し、周知のエポキシ封止テクノロジと比べてより良好な保護を提供することができる。

ここまで、画像検出器アセンブリの例示的な実施形態について詳細に記載した。本アセンブリは本明細書に記載したこれらの具体的な実施形態に限定するものではなく、各アセンブリの構成要素は独立に利用することや、本明細書に記載した別の構成要素とは別に利用することができる。画像検出器アセンブリの各構成要素はさらに、撮像及びレセプターの構成要素と組み合わせて使用することもできる。

本発明は具体的な様々な実施形態に関して記載してきたが、当業者であれば、本発明を本特許請求の範囲の精神及び趣旨の域内に属する修正を伴って実施できることを理解するであろう。

イメージング・システムの斜視図である。 図１のイメージング・システムで使用するための２タイル型画像検出器アレイの上面像である。 図１のイメージング・システムで使用するための４タイル型画像検出器アレイの上面像である。 Ｘ線画像検出器アセンブリの概要図である。 Ｘ線画像検出器アセンブリの実施の一形態の概要図である。

符号の説明

１０ イメージング・システム
１２ 検出器アレイ
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線ビーム
１８ エリア
２０ 患者
２６ 検出器素子、ピクセル
３０ 収集制御／画像処理回路
３６ モニタ、陰極線管ディスプレイ
４０ 第１の検出器タイル
４２ 第２の検出器タイル
４４ 第１の検出器タイルの外側エッジ
４６ 第１の検出器タイルの外側エッジ
４８ 第１の検出器タイルの外側エッジ
５０ 第２の検出器タイルの外側エッジ
５２ 第２の検出器タイルの外側エッジ
５４ 第２の検出器タイルの外側エッジ
５６ 検出器アレイの外周
５７ 第１の検出器タイルの内側エッジ
５８ 第２の検出器タイルの内側エッジ
６０ 内部継ぎ目
６４ 第１の検出器タイル
６６ 第２の検出器タイル
６８ 第３の検出器タイル
７０ 第４の検出器タイル
７２ 第１の検出器タイルの外側エッジ
７４ 第１の検出器タイルの外側エッジ
７６ 検出器アレイの外周
７８ 第１の検出器タイルの内側エッジ
８０ 第１の検出器タイルの内側エッジ
８２ 内部継ぎ目
９０ Ｘ線画像検出器アセンブリ
９２ 画像レセプター
９４ フレックス回路
９６ 読み出し電子回路
１１０ カバー・アセンブリ
１１２ ハーメチックシール

Claims (10)

1. 画像検出器と、
   同一平面上に並べて配置された第１の検出器タイル（４０、６４）及び第２の検出器タイル（４２、６６）であって、該第１及び第２の検出器タイルの各々は内側エッジ（５７、５８、７８、８０）を有しており、該第１及び第２のタイルは検出器アレイ（１２、２４）を形成するように前記内側エッジに沿って互いに接触しており、該第１及び第２のタイルの各々は前記検出器アレイの外周（５６、７６）を形成するように外側エッジ（４４、４６、４８、５０、５２、５４、７２、７４）を有しているような第１の検出器タイル（４０、６４）及び第２の検出器タイル（４２、６６）と、
   前記検出器アレイの底面と電気的に結合させた画像レセプター（９２）と、
   を備えるＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
2. 前記画像レセプター（９２）を、該画像レセプターの対応する接続に対する前記検出器アレイ（１２、２４）の前記底面とフレックス回路（９４）によって結合させている、請求項１に記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
3. 各画像検出器の前記外側エッジ（４４、４６、４８、５０、５２、５４、７２、７４）がスキャン接続向けに構成されている、請求項１に記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
4. 各画像検出器の前記外側エッジ（４４、４６、４８、５０、５２、５４、７２、７４）がデータ接続向けに構成されている、請求項１に記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
5. 前記第１及び第２の検出器タイルがシリコンを含む、請求項１に記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
6. 前記画像レセプター（９２）の背面に配置された読み出し電子回路（９６）を更に備え、
   前記画像検出器内に、該画像検出器と前記画像レセプター（９２）の間のはんだバンプ・アレイまでの貫通ビアが製作され、
   前記読み出し電子回路（９６）は、前記画像レセプター（９２）内に制作された、前記はんだバンプ・アレイまでの貫通ビアによって結合させている、請求項１に記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
7. 前記第１及び第２の検出器タイルが単一結晶の検出器タイルである、請求項１乃至６のいずれかに記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
8. 前記第１及び第２の検出器タイルが多結晶の検出器タイルである、請求項１乃至６のいずれかに記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
9. 前記検出器タイルの画像受信表面に付着させたシンチレータ層をさらに備える請求項１乃至８のいずれかに記載のＸ線画像検出器アセンブリ（９０）。
10. 請求項１乃至８のいずれかにＸ線画像検出器アセンブリ（９０）と、
    Ｘ線ビーム（１６）を提供するＸ線源（１４）と、
    前記Ｘ線源（１４）を制御する収集制御回路と、
    前記Ｘ線画像検出器アセンブリ（９０）からのＸ線データをサンプリングする、データ収集システム（ＤＡＳ）と、
    サンプリングされた前記Ｘ線データをＤＡＳから受け取り、画像を作成する画像処理回路（３０）と、
    前記画像を表示するディスプレイ（３６）と、
    を含むイメージング・システム（１０）。
    

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