JP5016180B2 - Ｘ線像取得装置 - Google Patents

Description

本出願は、2001年11月2日に出願した米国出願番号第10/013,199号（これはここに参考文献として組み込まれる）に基づくものである。
本発明は一般に画像の取得に関し、特にX線像の取得に関する。

X線像は生命にかかわる種々の分野で広範囲に使用されている。たとえば、X線像は、何十年も標準的な医学的な診断道具となっている。低エネルギーのX線に適した典型的なX線像取得装置は蛍光体X線変換スクリーンおよび互いに整合した光検出器アレーを含む。蛍光体変換スクリーンはX線放射に応答して光学的なフォトンを生成する。光学的なフォトンは変換スクリーンにある光検出器アレーに伝えられる。光検出器アレーは、光学的なフォトンに応答して電気的な信号を生成する。光検出器アレーに接続された電子回路は電気信号を処理し、画像を生成する。典型的な高エネルギーX線取得装置は銅スクリーンおよび光検出器アレー全体にわたるガドリニウム酸硫化物（Gadolinium Oxysulfide）パネルを有する。高エネルギーX放射が銅製スクリーン（X線照射の一部を吸収し、エネルギーをもった電子を生成する）を通過する。電子がガドリニウム酸硫化物パネルに入り、光学的なフォトンを生成する。X線照射の他の部分は銅製スクリーンを通過して、ガドリニウム酸硫化物と相互作用をし、光学的なフォトンを生成する。光検出器アレーは光学的なフォトンを検知し、それに応答した電気信号を生成する。

種々の応用例では、異なるエネルギーレベルのX線照射を利用して画像を得ることが要求される。たとえば、医学診断処置の分野では、低エネルギー「診断」X線像が軟組織診断で使用され、高エネルギーX線が放射線腫瘍学上の処理のために使用され、画像が処理に関連した画像システムでもって形成される。取得した画像の質は画像取得手順および使用される設備に依存する。

異なるエネルギーレベルでのX線像は今日、上記した種々の画像取得装置を使用して形成されている。多数のX線像装置を維持することは、医学的診断設備について、操作および一般費用を増加させることになる。装置の遊休時間の増加は設備の効率にも影響を与える。このような結果は、比較的小さな患者に対してこれらの装置の適用を難しくする。

したがって、種々のエネルギーレベルのX線でX線像を形成することができる装置には利点がある。装置は既存のX線画像システムに適用されることが望ましい。画質を使用目的に対して最適化できることは有用となる。

本発明の主要な目的は種々のエネルギーレベルのX線でX線像を形成することができる装置を提供することである。また、本発明の目的は単純で信頼性のある装置を提供することである。さらに、本発明の目的は、既存のX線画像システムに使用することができる装置を提供することである。本発明の実施例にしたがった特徴は画質を使用目的に対して最適化することができる装置を提供することである。

本発明のこれらおよび他の目的を達成するために、本発明であるX線像取得装置は、光検出器アレーと整合したX線変換パネルを含む。X線変換パネルは、種々のエネルギーレベルのX線照射に応答して光学的なフォトンを生成する。光検出器は、X線変換パネルから受ける光学的なフォトンに応答して電気信号を生成する。

本発明の実施例にしたがって、変換パネルは、二次元アレーに整列した複数のX線変換セルで作られている。各変換セルはその中心に変換体をもつ。変換体は、そこに受けるX線照射に応答して光学的なフォトンを生成し、生成された光学的なフォトンに対して実質的に透明なシンチレーション材、たとえばヨウ化セシウム、ビスマス・ゲルマニウム酸塩、カドミウム・タングステン酸塩で作られている。変換体は、好適に、広範囲なエネルギーレベルにわたるX線照射を吸収するのに十分な長さをもつ。光反射性フィルムが変換体で形成された光学的なフォトンを平行化するために、変換体の両側に取り付けられる。変換体の断面は好適に、変換パネルを使用して生成されるX線像の十分な空間解像度を与えるのに十分な程度に小さい。好適な実施例において、各変換体の頂部は、X線に対して透明性のある光反射性フィルムで覆われる。このフィルムは変換体で生成される光学的なフォトンを反射して光検出器アレーへと通過させ、これにより、変換体の効率は増加する。

実施例にしたがって、光検出器アレーは、変換パネルの変換体と整合し、変換パネルの対応する変換体から受けた光学的なフォトンに応答する電気信号を生成する光検出器アレーを含む。光検出器に接続される電子回路が電気信号を形成し、画像を形成する。

本発明の好適実施例が以下で図を参照して説明される。図において、同一要素が同じスケールで描かれていないが、同じ符号が付されていることに留意されたい。

図１は本発明の実施例にしたがったX線画像システムを略示するブロック図である。X線画像システム10はX線放射12を形成するX線放射源11およびX線像取得装置15を含む。本発明の好適な実施例にしたがって、放射源11は、いろいろなエネルギーレベルのX線放射を形成することができる。たとえば、放射源11は、約40キロ電子ボルト（KeV）から約20メガ電子ボルト（MeV）の間にある多数のフォトンエネルギーレベルのX線放射12を生成することができる。いろいろなエネルギーレベルのX線放射を形成することができる放射源は特許文献１（「画像ユニットを配置するガントレーを備えた放射線治療装置」と題する、2001年11月2日に出願の米国特許出願）（これは参考文献としてここに組み込まれる）に記載されている。
米国特許出願第10/033,327号明細書

X線放射12は、放射源11とX線像取得装置15との間に配置される対象物14の画像を形成するために使用される。対象物14の性質は、X線画像システム10に依存する。たとえば、本発明の一実施例では、X線画像システム10は医学的診断装置の一部で、対象物14は患者である。他の例では、X線画像システム10は構造検査設備で、対象物14は検査されるべき機械の一部である。本発明の他の例では、X線画像システム10はセキュリティーまたは顧客調査設備で、対象物14は調査されるべき手荷物や貨物の一部である。これらの例は、X線画像システム10の適用例を排除するものではないことは理解されたい。

X線像取得装置15は、X線変換パネル20および互いに適宜整合した光検出器アレー40を有する。画像処理中、X線放射12をX線像取得装置15に照射する。図１に示されているように、X線放射12の一部は対象物14を通過した後、X線像取得装置15に至る。たとえば、患者の身体の異なる組織のような、対象物の異なる部分は、組成および密度が異なるために、X線放射12を様々に減衰する。たとえば、患者の骨は一般的に、軟組織よりもより顕著にX線放射12を減衰する。そこに照射されるX線放射12に応答して、X線像取得装置15は電気信号を生成する。X線像取得装置15に接続された電子回路16は電気信号を処理し、ディスプレー装置18で、対象物14のX線画像を形成する。

図２は、本発明の実施例にしたがったX線像取得装置15のX線変換パネル20を略示する。パネル20は複数のセル22を含む。一実施例では、セル22は、二次元の複数の行部分と複数の列部分とになるように並べられる。セル22（X線変換セルまたは変換セルとして参照される）は、図１に示されているように、X線放射に応答して光学的なフォトンを生成するように配置、構成される。一実施例では、X線変換セル22から変換パネル20を形成するために接着剤が利用される。他の実施例として、グリッド（図示せず）が変換セル22を二次のアレーとなるX線変換パネルに整列させるために使用される。変換セル22を使用してX線変換パネル20のアレーを形成するために他の手段も利用することができる。

図３は、本発明の実施例にしたがったX線変換セル30の略示断面図である。セル30は図２に示されているX線変換パネル20を形成するどの変換セル22でもよい。変換セル30は第一の端部32，第二の端部33、および第一の端部32と第二の端部33との間に少なくとも部分的に伸長する側面部34を有するX線変換体31を含む。一実施例では、変換体31はロッド（第一の端部32および第二の端部33はそれぞれロッド31の頂部および底部となる）である。変換体31はまた、第一の端部32および第二の端部33との間に側面部34を有する。本発明にしたがって、変換体31は、X線放射に応答して、光学的なフォトンを生成する材料から作られる。

好適に、変換体31は種々のエネルギーレベルのX線放射を吸収することができる。変換体31は、約40キロ電子ボルト（KeV）から20メガ電子ボルト（MeV）の範囲にあるフォトンエネルギーレベルをもつ、X線放射に応答して、赤外線から紫外線の範囲にあるスペクトルをもつ光学的なフォトンを生成することができる。これら特性は、変換体に対して、適切な材料ならびに適切な長さおよび高さを選択することにより達成することができる。本発明の実施例にしたがって、その材料は、高X線放射吸収効率を有するとともに、光学的なフォトンには実質的に透明となるものである。変換体31に対して好適な材料として、ヨウ化セシウム、ビスマス・ゲルマニウム酸塩、カドミウム・タングステン酸塩などがある。一般的に、変換セル31が長ければ長いほど、X線放射をより吸収することができる。好適には、セル31は、X線吸収効率、画像解像度、光収集効率、およびX線画像システムの設計の他のパラメータに依存する最適な長さ、高さをもつ。たとえば、変換セル31は少なくとも0.5センチメートルの長さまたは高をもつ。一実施例では、変換セル31は、約1センチメートルの長さまたは高さをもつ。変換セル31は1センチメートルのより長い長さをもってもよい。図２および図３に示されているように、変換セル31の長さまたは高さは変換パネル20の厚さを実質的に決定する。

一実施例では、変換体31の第一の端部32および第二の端部33は、実質的に、同じ幾何学的形状および寸法をもち、実質的に互いに平行となっている。さらに、この実施例では、変換体31の側面部34は実質的に、第一の端部32および第二の端部33に垂直となる。空間解像度に対して最適な実施例としては、変換パネル20の変換体31は、X線放射源11がX線放射12を放出するのがスポットとなるように構成される。第一の端部32の好適な幾何学的形状は四角、矩形、六角形などである。第一の端部32の形状は変換パネル20を使用して形成される画像の空間解像度を決定する。この実施例にしたがい、変換体31の第一の端部32は、約0.1ミリメートルから約0.5ミリメートルの間の範囲にある辺をもつ四角形である。特定の実施例では、変換体31の四角な第一の端部32の側面は、0.388ミリメートル（これは光検出器アレー40の光ダイオードと整合する）である。

変換セル30はさらに、変換体31の側面部34に取り付けられた光反射性フィルム36を有する。フィルム36は変換体31を取り囲み、側面部34へと進む光学的なフォトンを変換体31の内側へと戻るように反射する。したがって、フィルム36は変換体31で生成した光学的なフォトンを平行にし、反射する機能をもつ。特定の実施例では、変換セル30はまた、変換体31の第一の端部32に取り付けられた、X線に対しては透明性をもつ光反射性フィルム38を含む。フィルム38は、第一の端部32に進むこれら光学的なフォトンを変換体31の第二の端部33に戻るように反射し、これにより、図１に示されたようなX線像取得装置15の変換パネル20の下にある光検出器アレー40に到達する光の強度が増す。一実施例では、変換体31の第一の端部32上のフィルム38は図２に示されているように、変換パネル20の第一の端部の全体を覆う、X線に対しては透明性をもつ反射性フィルムの一部である。フィルムはX線変換パネル20の全変換セル22の第一の端部を覆う。他の実施例として、フィルム38は変換体31の側面部34に取り付けられたフィルム36と一体に形成される。この実施例では、フィルム36およびフィルム38は光反射性ポケット（そこに変換体31が位置する）を形成する。さらに、他の実施例として、変換パネル20内の異なる変換セル22に対するフィルム36はグリッドを形成し、変換セル22はそのグリッドに位置し、これにより、変換パネル20内で、変換セルは二次元アレーを形成する。フィルム36およびフィルム38は市販の光反射性材料で作ることができる。たとえば、適切な接着剤がついた微粉の酸化マグネシウムが光反射性フィルム36およびフィルム38の適切な材料である。X線像取得装置15の適正な動作には、フィルムがX線放射に対しては透明となる、変換体31の第一の端部に取り付けられる必要がる。他方、変換体31の側面部34に取り付けられるフィルム36がX線放射に対して透明であるかどうかは、X線像取得装置15の動作に重大な影響を与えない。

図４は、本発明の実施例にしたがったX線像取得装置15の光検出器アレー40の平面図である。光検出器アレー40は二次元のアレーに配列した複数の光検出器42を含む。光検出器42は、上に照射される光学的なフォトンに応答して電気信号を生成するように構成されている。特定の実施例では、光検出器42はアモルファスシリコンの光検出器である。光検出器42のそれぞれは、光検出器アレー40を使用して生成されるX線画像の画素を形成する。光検出器アレー40はまた、光検出器42に接続された画素アクセス回路54を含む。画素アクセス回路54は光検出器42にアクセスし、光検出器42からの電気信号を読み取る。光検出器42へのアクセス、およびそこからの電気信号の読み取りのプロセスは、当業者には周知である。特定の実施例にしたがい、画素アクセス回路54は、行部分（ロー）により、光検出器42に連続してアクセスするために行部分アクセス信号を生成し、列部分（カラム）により光検出器42から電気信号を読み取る。各行部分アクセス信号は、光検出器42の一つの行部分または複数の行部分のいずれかにアクセスすることができる。同様に、読み取り動作のそれぞれは、光検出器42の一つの列部分または複数の列部分のいずれかから電気信号を読み取る。

各光検出器42の寸法（画素寸法ともいう）は光検出器アレー40を使用して生成されるX線像の空間解像度を決定する。より小さな画素寸法はよりよい空間解像度をもたらす。ひとつ以上の行部分にアクセスし、各読み取り動作の間、ひとつ以上の列部分から電気信号を読み取ることは、読み取り速度を高めるが、空間解像度を低下させる。

好適に、光検出器アレー40の光検出器42は、X線変換パネル20のX線変換セル22と整合する。一実施例では、変換パネル20の各変換セル22は光検出器40のひとつの光検出器42と整合する。この実施例では、変換セル22の寸法は、光検出器42のものとほぼ同じである。X線像取得装置15を使用して生成されるX線像の最大の空間解像度は光検出器アレー40の光検出器42の画素寸法と等しい。これに代る実施例では、X線変換パネル20の変換セル22は光検出器アレー40の光検出器42よりも大きく、各変換セル22はひとつ以上の光検出器42と整合する。この実施例において、X線像の最大空間解像度は変換セル22の寸法により決定される。

図４は、光検出器42の側面に位置する画素アクセス回路54を示す。この構成により、画素アクセス回路54は、X線源11からのX線放射12および変換パネル20で生成した光学的なフォトンが進行する経路から離れたままとなり、これは画素アクセス回路54の寿命を延ばす。しかし、本発明はこの構成に限定されない。他の実施例では、光検出器42は基板の一方の側に取り付けられ、画素アクセス回路54は基板の他方の側に配置される。基板は、X線放射および光学的なフォトンの照射により引き起こされるであろう損傷から画素アクセス回路54を保護する。この配置、構成は、画素の数を減らすことなく、光検出器アレー40の物理的寸法を減少させる。

このように、種々のエネルギーレベルのX線の画像を形成することができるX線像取得装置が提供されることは分かるであろう。本発明にしたがったX線像取得装置は光検出器アレーと整合したX線変換パネルを含む。X線変換パネルはX線放射に応答して光学的なフォトンを生成するように配置、構成される。変換パネルは、中心に変換体と、その変換体を取り囲む光反射性フィルムを含む複数の変換セルを有する。変換体は、照射されるX線放射に応答して光学的なフォトンを効果的に生成するとともに、光学的なフォトンには実質的に透明な材料から作られる。変換体は好適に、X線放射を広範囲なエネルギーレベルにわたって吸収するのに十分な長さをもつ。光反射性フィルムは変換体で生成する光学的なフォトンを平行にする。好適な実施例では、変換体の第一の端部は、変換パネルの効率を高めるために、X線に対して透明性をもつ光反射性フィルムで覆われる。変換パネルと整合した光検出器アレーは、変換パネルから受けた光学的なフォトンに応答して電気信号を生成するように配置、構成される。光検出器アレーに接続された電子回路は電気信号を処理し、画像を生成する。

図面を参照して本発明の好適実施例が記述されているが、これらは本発明の範囲（特許請求の範囲）を限定するものではない。上述した実施例のさまざまな変更は、当業者であれば本出願の明細書の記述を精査することでなし得る。これらの変更は本発明の範囲、思想内にあるものである。たとえば、X線像取得装置の光検出器アレーは、本発明にしたがって、X線変換パネルで生成された光学的なフォトンに反応する写真フィルムで置き換えられてもよい。また、X線像取得装置は、種々のエネルギーレベルのX線を生成することができるX線放射源をもつ画像システムでの使用に限定されない。本発明のX線像取得装置は、ひとつのエネルギーレベルまたは多数のエネルギーレベルをもつX線放射を形成することができるX線放射源を含む種々の画像システムに使用することができる。

図１はX線像取得装置を含むX線画像システムを示す。 図２は図１のX線像取得装置のパネルを示す。 図３は図２のパネル内のセルを示す。 図４は図１のX線像取得装置の光検出器アレーを示す。

Claims (12)

1. 複数のセルを有するパネルを含むX線像取得装置であって、前記複数のセルのそれぞれは、キロ電子ボルトのエネルギーレベルのＸ線放射およびメガ電子ボルトのエネルギーレベルのX線放射に応答して光学的なフォトンを生成するものであり、前記複数のセルのそれぞれは、シンチレーション材料から作られる本体部を含み、
   前記本体部は、第一の端部、第二の端部、および第一の端部と第二の端部の間の側面部を有する、
   前記キロ電子ボルトのエネルギーレベルは、40キロ電子ボルトから1メガ電子ボルト未満の間のレベルであり、
   前記メガ電子ボルトのエネルギーレベルは、1メガ電子ボルトから20メガ電子ボルトの間のレベルである、
   上記X線像取得装置。
2. 前記パネルの前記複数のセルのそれぞれがさらに、前記本体部の側面部に取り付けられる光反射性フィルム、および前記本体部の第一の端部に取り付けられる、X線に対しては透明性をもつ、光反射性フィルムを含む、請求項１に記載のX線像取得装置。
3. 前記パネルの前記複数のセルが、X線放射源の放射点に対して焦点合わせされる、請求項１に記載のX線像取得装置。
4. 前記パネルの前記複数のセルのぞれぞれの前記本体部の第一の端部が、0.05ミリメートルから0.5ミリメートルの間の辺をもつ実質的に四角形である、請求項１に記載のX線像取得装置。
5. 前記パネルの前記複数のセルのぞれぞれの前記本体部が1センチメートの長さをもつ、請求項１に記載のX線像取得装置。
6. 前記パネルの前記複数のセルのぞれぞれの前記本体部が、40キロ電子ボルトから20メガ電子ボルトの範囲にある、複数のフォトンエネルギーレベルのX線放射を十分に吸収するとともに、光学的なフォトンに対して実質的に透明なシンチレーション材料から作られる、請求項１に記載のX線像取得装置。
7. 前記本体部がヨウ化セシウムから作られる、請求項６に記載のX線像取得装置。
8. 前記本体部がビスマス・ゲルマニウム酸塩から作られる、請求項６に記載のX線像取得装置。
9. 前記本体部がカドミウム・タングステン酸塩から作られる、請求項６に記載のX線像取得装置。
10. さらに、前記パネルと整合した光検出器アレーを含む、請求項１に記載のX線像取得装置。
11. 前記光検出器アレーが、複数のアモルファスシリコン検出器を含む、請求項１に記載のX線像取得装置。
12. さらに、
    前記本体部の側面部を取り囲む光反射性フィルム、及び
    前記本体部の第一の端部を覆う、X線に対して透明性をもつ光反射性フィルム
    を含む、請求項１に記載のX線像取得装置。

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