(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  Ｘ線を出射するＸ線源と、
−  Ｘ線画像から画像信号を得るＸ線検出器と、
−  前記Ｘ線源及び前記Ｘ線検出器を制御する制御ユニットとを有し、
前記Ｘ線検出器は、半導体素子と、電磁気放射で該半導体素子を照射するバイアス放射源とを設けられ、
前記制御ユニットは、
前記バイアス放射源をパルス起動し、続いて前記半導体素子から電荷を除去し、その後に前記Ｘ線源を動作させるよう配置されている、Ｘ線検査装置。
【請求項２】
前記バイアス放射源は、前記半導体素子のバンドギャップエネルギーより小さなエネルギーの電磁気放射を出射するよう配置されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線検査装置。
【請求項３】
前記バイアス放射源は、０．８ｅＶから２．０ｅＶ、特に１．３ｅＶのエネルギーの暗赤色光又は赤外線放射を出射するよう配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のＸ線検査装置。
【請求項４】
前記バイアス放射源は、前記Ｘ線源から離れた前記Ｘ線検出器の側に位置することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のＸ線検査装置。
【請求項５】
前記半導体素子は基板上に配置され、
前記バイアス放射源は、前記基板を通して前記半導体素子を照射するよう配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載のＸ線検査装置。
【請求項６】
前記Ｘ線検出器は拡散反射器を設けられ、
前記半導体素子は、前記バイアス放射源と前記拡散反射器との間に位置することを特徴とする請求項５記載のＸ線検査装置。
【請求項７】
前記Ｘ線検出器は、Ｘ線を低エネルギー放射に変換する変換素子を含み、
前記半導体素子は、前記低エネルギー放射から電荷を得るよう配置され、
前記拡散反射器は、前記変換素子に組み込まれていることを特徴とする請求項6記載のＸ線検査装置。
【請求項８】
複数のセンサ素子を有するＸ線センサマトリックスによりＸ線画像から画像信号を得る方法であって、
−  電磁気放射で前記センサ素子を照射する段階と、
−  前記センサ素子から電荷を除去する段階と、
続いて、
−  Ｘ線画像を低エネルギー放射画像に変換する段階と、
−  前記低エネルギー放射画像をそれぞれのセンサ素子で電荷に変換する段階と、
−  前記画像信号を形成するよう前記センサ素子から電荷を読み出す段階とを有する方法。
【発明の詳細な説明】
本発明はＸ線を出射するＸ線源と、Ｘ線画像から画像信号を得、半導体素子を含むＸ線検出器とからなるＸ線検査装置に関する。
そのようなＸ線装置はヨーロッパ特許出願ＥＰ０６４２２６４から知られている。
知られているＸ線検査装置ではＸ線検出器はＸ線センサマトリックスである。知られているＸ線検査装置は補正ユニットを設けられている。補正ユニットはＸ線画像センサマトリックスからの電荷の遅延された励起によって引き起こされる画像信号の乱れを補正する。入射Ｘ線は特にＸ線画像センサマトリックスで光電子である電荷キャリア即ち光電荷を放出し、これらの電荷が検出される。画像信号の信号レベルは検出された電荷を表す。電荷キャリアの一部分はトラップ状態にトラップされ、そのようなトラップ状態で維持され、後の段階でトラップ状態から逃れ、遅れて電荷として検出される。乱れを有する画像信号が画像情報を表示するモニタに表される場合にその瞬間の画像の情報が再生されるのみならず、同時に前にピックアップされた画像の情報もまた再生される。結果として残像がその瞬間の画像と共に表示される。
知られているＸ線検査装置の補正ユニットは遅延されて放出された電荷キャリアによる乱れを補正するために電荷キャリアをトラップし、その後に放出する物理的な考察に基づく複雑な数学的モデルを用いる。知られたＸ線検査装置の補正ユニットの欠点は補正された画像信号を得るのに必要な計算はかなり複雑であり、そのために強力な演算ユニットが必要とされる。かなり速く、故に極めて高価な演算ユニットは迅速なダイナミックプロセスを画像化するのに適していると知られているＸ線検査装置を作動させるために画像信号の補正に対して必要とされる時間を短く保つために必要とされる。更にまた演算ユニットの必要とされるプログラミングは複雑であり、そのために高度に熟練したスタッフが補正ユニットを設定するために必要とされる。
本発明の目的はトラップされた電荷による画像信号の乱れが実質的に回避されるＸ線検出器からなるＸ線検査装置を提供することにある。
この目的はＸ線検出器は電磁気放射で半導体素子を照射するバイアス放射源を設けることを特徴とする本発明によるＸ線検査装置により達成される。
バイアス放射源からの電磁気放射はＸ線により発生された電荷に加えて半導体素子に電荷を発生させる。バイアス放射源からの電磁気放射により発生された電荷はトラップ状態のほとんどを占有するために用いられる。斯くしてＸ線により発生されＸ線画像の輝度値を表す電荷がトラップ状態にトラップされることを回避する。画像情報を表す電荷のトラッピングが回避される故にその後でそのような電荷の解放が実質的に減少される。故に実際の画像と共に表示された残像の形の乱れは補正される。遅延された電荷によるいかなる乱れも画像信号にほとんど発生しないことがわかったのでそのような乱れに対して画像信号を補正する必要がほとんど又は全くない。
Ｘ線画像を形成するためのＸ線照射の直前に自由な電荷の量は画像信号の低いノイズレベルを得るために可能な限り低くすることが好ましい。この目的のためにＸ線検出器はＸ線画像が形成される直前に自由電荷を除去するよう制御される。結局電荷のそのような別の排除は電気的リセットと称される。
半導体素子はＸ線に対して実質的に感応する。あるいはＸ線検出器はＸ線からの低エネルギー放射を得る変換素子を設けられ、それにより半導体素子は低エネルギー放射に対して実質的に感応されなければならない。半導体素子は直接又は間接的に入射Ｘ線により生ずる電荷を発生する。これらの電荷から画像信号は読み出し回路により得られる。Ｘ線検出器は電荷が読み出し回路により局部的に読み出される単一の半導体素子からなる。Ｘ線検出器はまた半導体素子が複数の半導体素子からなるＸ線センサマトリックスである。その時には読み出し回路は別の半導体センサ素子から電荷を読み出すよう配置される。
本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はバイアス放射源は半導体素子のバンドギャップエネルギーより小さなエネルギーの電磁気放射を出射するよう配置されることを特徴とする。
そのようなサブバンドギャップ電磁気放射、即ち半導体素子のバンドギャップエネルギー以下のエネルギーを有する電磁気放射は導電性バンドで電荷キャリアを形成することなく電荷キャリアを原子価バンドからトラップ状態の実質的な部分を満たすように励起する。斯くしてＸ線画像の画像情報を表さない自由電荷による付加的なノイズは回避され、又は少なくとも実質的に減少される。故にトラップ状態を満たすためのサブバンドギャップ電磁気放射の使用は電気的リセットの省略を許容する。斯くして本発明によるＸ線検査装置により連続的なフルオロスコピーが達成可能である。
本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はバイアス放射源は０．８ｅＶから２．０ｅＶ、好ましくは１．３ｅＶのエネルギーの暗赤色光又は赤外放射を出射するよう配置されることを特徴とする。
α−Ｓｉ；Ｈが光感応半導体材料として用いられている半導体素子は約１．７ｅＶから２ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。故に約０．８ｅＶから２．０ｅＶの範囲のエネルギーを有する暗赤色光又は赤外放射の形での電磁気放射は導電性バンドで自由電荷キャリアを発生することなく電荷キャリアを原子価バンドからトラップ状態の大部分に励起するために特に適切である。即ち６２０ｎｍから１５５０ｎｍの範囲の波長を有する暗赤色光又は近赤外放射がトラップ状態を満たすために適切である。好ましい結果が約９５０ｎｍの波長を有する赤外放射で得られた。
本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はＸ線源及びＸ線検出器を制御する制御ユニットを更に含み、制御ユニットはバイアス放射源をパルス起動し、続いて半導体素子から電荷を除去し、その後にＸ線源に給電するよう配置されることを特徴とする。
Ｘ線検出器の動作のこのモードでバイアス放射源からの電磁気放射により意図せずに発生されたいかなる自由電荷も画像信号がＸ線画像から得られる前に電気的なリセット中に除去されることが達成される。故に画像信号のノイズレベルは低く保たれる。
好ましくは制御ユニットは幾つかのＸ線パルスに関係する別の画像信号を結合された画像信号に結合するよう読み出し回路に制御するように配置される。結合された画像信号はＸ線画像を表し、それに対してＸ線露光時間は単一のＸ線パルスにより発生された電荷の読み出し、バイアス放射源からの電磁気放射での照射と、それに続く電気的リセットに対してフレーム時間から集積時間（ａｇｇｒｅｇａｔｅ  ｔｉｍｅ）を引いたものより長い。フレーム時間はセンサ素子でのＸ線又は低エネルギー放射により電荷を集積し、バイアス放射源からの電磁気放射での照射及び電気的リセットに対して必要な時間を含む集積された電荷から画像信号を得るために必要な時間である。それぞれのＸ線パルスの前にバイアス放射源は半導体素子を照射し、それによりほとんどのトラップ状態を占有し、電気的リセットが半導体素子から意図されず発生された自由電荷のほとんどを除去する。動作のこのモードはＸ線画像で輝度値を表さない電荷により発生したノイズを減少するためにトラップ状態は連続するＸ線パルス中に占有されたままであり、スプリアス自由電荷の数は非常に低く保たれることが達成される。フレーム時間が変更された場合にはトラップ状態の占有に変化が生ずる。トラップ状態の減衰時間が例えば分のオーダーのように非常に長い故に、そのような変化は実質的な乱れを引き起こす。好ましくはフレーム時間はトラップ状態の占有の変化を回避するために一定に保たれる。それで残像の形の乱れと画像信号のノイズの両方が回避される。更に半導体素子で発生された電荷は特にセンサ素子である半導体のそれぞれの部分が実質的に等しい長い時間Ｘ線又は低エネルギー放射により発生された電荷を有するためにＸ線源が給電されたときに読み出される。
本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はＸ線源及びＸ線検出器を制御する制御ユニットを更に含み、制御ユニットは規則的なシーケンスでバイアス放射源をパルス起動するよう配置されることを特徴とする。
斯くして電磁気放射は半導体に規則的なシーケンスで供される。好ましくはバイアス放射源はＸ線源のパルス及び／又は電荷の読み出しと同期される。従ってトラップ状態を満たす電荷キャリアの密度の定常状態が達成される。特にトラップ状態の占有の変化は非常に良好に回避される。バイアス放射源からの電磁気放射により意図されず発生された自由電荷の密度と揺らぎの両方は低く押さえられる。特にそのような意図されず発生された自由電荷によるノイズは画像信号を得るために半導体素子から電荷の読み出し中に発生された電子的ノイズの少なくとも実質的な要因又はより低い強度のオーダーである。特にサブバンドギャップ電磁気放射が用いられるときには電気的リセットは省略可能であり、それによりフレーム時間はより短くされうる。
本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はバイアス放射源はＸ線源から離れたＸ線検出器の側に配置されることを特徴とする。
半導体素子が基板に配置される本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はバイアス放射源は基板を通して半導体素子に照射するよう配置されることを特徴とする。例えばＸ線センサマトリックスでは基板は読み出しラインと半導体素子から電荷キャリアを出力又は検出するスイッチング素子とを担持する。基板はまた例えばスイッチング素子を制御するアドレッシングラインを担持する。そのような電子部品の間で基板は電磁気放射に対して透明である。斯くして基板の少なくとも一部分はバイアス放射源からの電磁気放射が各半導体素子に到達するように通過することを許容する。Ｘ線検出器の内部の反射により電磁気放射は広範囲から半導体素子に到達可能である。通常基板はＸ線源から離れたＸ線検出器の側にある。バイアス放射源が基板を介して半導体素子を照射する故にバイアス放射源はＸ線源から離れたＸ線検出器の端に配置されうる。この位置で特にＸ線センサマトリックスであるＸ線検出器に対するＸ線のアクセスはバイアス放射源により阻止されない。更にまたバイアス放射源の位置はＸ線検出器の小型化された設計を可能にする。
本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はＸ線センサマトリックスは拡散反射器を配置され、半導体素子はバイアス放射源と拡散反射器との間に配置されることを特徴とする。
拡散反射器はバイアス放射源から半導体素子、特にＸ線センサマトリックスの別のセンサ素子にわたり実質的に均一に電磁気放射を分配する。斯くして特に別のセンサ素子である半導体素子でのトラップ状態は電荷キャリアに実質的に均一に満たされる。更に拡散反射器はバイアス放射源からの電磁気放射及び変換素子からのＸ線又は低エネルギー放射は実質的に同じ方向から半導体素子に到達することを達成する。故に電磁気放射はそれが印加されない場合にＸ線又は低エネルギー放射により発生された電荷により満たされるそのトラップ状態を満たす電荷を主に発生する。
本発明によるＸ線検査装置の好ましい実施例はＸ線検出器はＸ線を低エネルギー放射に変換する変換素子を含み、半導体素子は低エネルギー放射から電荷を得るよう配置され、拡散反射器は変換素子に組み込まれていることを特徴とする。
変換素子が半導体素子の上に配置されたシンチレータ層であるときにシンチレータ層と半導体素子との間の境界はこのような拡散反射器として非常に良く機能する。
本発明はまた電磁気放射でセンサ素子を照射し、センサ素子から電荷を除去し、その後でＸ線画像を低エネルギー放射画像に変換し、低エネルギー放射画像をそれぞれのセンサ素子で電荷に変換し、画像信号を形成するためにセンサ素子から電荷を読み出す各段階からなる複数のセンサ素子からなるＸ線センサマトリックスによりＸ線画像から画像信号を得る方法を提供する。
電磁気放射は半導体素子のトラップ状態が占有されるようにする。半導体素子から電荷を除去することは電磁気放射により意図されずに発生された自由電荷のほとんど又は全てを除去することである。故にそのような電荷は画像信号のノイズレベルに寄与しない。斯くして本発明の方法は画像信号の残像の形の乱れを回避することを達成し、画像信号のノイズレベルを非常に低く保つ。選択的に電磁気放射での照射は電荷の除去と同時に少なくとも部分的になされうる。この場合にＸ線画像から画像信号を得るようＸ線検出器を準備するために必要とされる時間は非常に短い。
本発明はフルオロスコピーがなされるときに特に有用であり、ここでは高Ｘ線線量で一以上のエックス線露光がなされた後に画像当たり低いＸ線線量でＸ線画像の迅速な連続がなされる。特にフルオロスコピー中に形成された画像信号がエックス線露光中にトラップされた遅延された電荷により顕著に影響される。
本発明のこれらの及び他の特徴は以下に図を参照して説明される実施例により明らかとなる。
図１は本発明が用いられるＸ線検査装置の概略を示す。
図２は本発明のＸ線検査装置のＸ線センサマトリックスの平面図を示す。
図３は本発明のＸ線検査装置のＸ線センサマトリックスの断面図を示す。
図４はバイアス光源の詳細を示す。
図１は本発明が用いられるＸ線検査装置の概略を示す。線源１はＸ線ビーム３で放射線医学的に検査される特に患者である対象２を照射する。Ｘ線検出器はＸ線センサマトリックスである。患者のＸ線吸収の局部変動によりＸ線画像はＸ線センサマトリックス４上に形成される。Ｘ線画像から、Ｘ線センサマトリックスが後処理ユニット１０に供給される画像信号（ＩＳ）を得る。後処理ユニットは画像信号から残りの乱れを除去し、処理された画像信号（ＰＳ）を形成する。処理された画像信号（ＰＳ）はほとんどコントラストを有さない詳細まで非常に良く可視化された高診断品質でＸ線画像から画像情報を表示するために用いられるのに適切である。処理された画像信号（ＰＳ）は画像情報を表示するためにモニタ１１に供給され、又は処理された画像信号（ＰＳ）は更なる処理を待つため又は貯蔵のためにバッファユニット１２に供給される。特に後処理ユニットは乗算器、演算論理ユニット、メモリーのようなかなり簡単なハードウエアでありうる。何故ならば遅延された電荷による乱れに対する補正のために必要な複雑な計算がないからである。
Ｘ線源１から離れたＸ線センサの側にバイアス放射源が配置される。例えばバイアス光源は多数の半導体レーザーダイオード、発光ダイオード、又はエレクトロルミネセント箔を含む。バイアス光源５はＸ線センサマトリックスのセンサ素子を１．３ｅＶのエネルギーを有する赤外放射のような電磁気放射で実質的に均一に照射するよう配置される。赤外放射はセンサ素子に電荷キャリアを発生する。これらの電荷キャリアはトラップ状態を占有するために主に用いられる。赤外放射によりセンサ素子に発生されたいかなる自由電荷も電気的リセットをなすことによりセンサ素子から除去される。Ｘ線画像を形成するＸ線は緑色の光のような低エネルギー放射に変換される。センサ素子で低エネルギー放射はＸ線画像の輝度値を表す電荷を発生する。トラップ状態は占有されている故にこれらの電荷はほとんど又は全くトラップされない。Ｘ線検査装置は高電圧をＸ線源１に供給する高電圧発生器１４に結合された制御ユニット１３からなる。制御ユニット１３はまたＸ線センサマトリックス及びバイアス放射源５に結合される。制御ユニットはＸ線画像が形成される前にＸ線検査装置を制御し、センサ素子はバイアス放射源により照射され、いかなる自由電荷も除去され、続けてＸ線源がＸ線ビームを出射するよう給電される。動作のパルスモードでは制御ユニットは所望のＸ線線量がＸ線センサマトリックス上に到達するまでそのようなシーケンスを繰り返す。
図２は本発明のＸ線検査装置のＸ線センサマトリックスの平面図を示す。例として３ｘ３センサ素子２１のマトリックスが示されるが、実際にはＸ線センサマトリックスは例えば２００ｘ２００又は１ｋ2又は２Ｋ2センサ素子からなる。センサ素子の各列は例えば薄膜トランジスタのようなスイッチング素子２３を介して読み出しライン２２に結合される。スイッチング素子２３はセンサ素子２１のそれぞれの行に対してアドレッシングライン２４を介して制御される。行ドライバ回路２５はスイッチング素子２３を制御するアドレッシング信号を供給するようアドレッシングライン２４に結合される。センサ素子２１を読み出すためにアドレッシング信号がそれぞれの行のスイッチング素子２３を閉じるよう連続するアドレッシングライン２４に沿って供給される。センサ素子２１の電荷は読み出しライン２２を介して各読み出しライン２に設けられているそれぞれの積分増幅器２６に読み出される。積分増幅器はセンサ素子から読み出された電荷を電圧に変換する。積分増幅器からの電圧は各積分増幅器２６の電圧から画像信号を得るマルチプレクサ２７に供給される。故に読み出しライン、スイッチング素子、積分増幅器、マルチプレクサは読み出し回路の部品である。行ドライブ回路２５及びアドレッシング２４は電荷の読み出し及び／又は除去を制御するために制御ユニット１３に結合される。電荷はＸ線半導体マトリックスの基板３０にドレインされるよう除去されることが好ましい。
図３は本発明のＸ線検査装置のＸ線センサマトリックスの断面図を示す。基板３０上にセンサ素子を形成する薄膜トランジスタ２３及びフォトダイオード２１が配置される。特にフォトダイオードの代わりにセンサ素子として半導体光導電性素子又はフォトトランジスタを用いても良い。特にフォトダイオードは簡単な構造を有し、故に容易に製造される。フォトダイオードは光又は赤外放射のような入射放射を電荷に変換する。特にピンダイオード構造はそのようなフォトダイオードを形成するために適切である。薄膜トランジスタ２３はスイッチング素子を形成し、これはそれぞれの読み出しライン２２へフォトダイオードを結合する。Ｘ線センサマトリックスはまた例えばＣｓＩ：Ｔｌのようなシンチレーション層の形の変換素子７からなる。ＣｓＩ：ＴｌはＸ線センサマトリックスの空間解像度を改善するよう円柱状結晶の形で堆積されることが好ましい。そのようなシンチレーション層は入射Ｘ線をフォトダイオードが実質的に感応する緑色の光に変換する。フォトダイオード２１とシンチレーション層との間に拡散反射器３２が存在する。別の拡散反射器の代わりにフォトダイオードに向かうシンチレーション層の面がバイアス放射源からの電磁気放射の拡散反射のために用いられ得る。あるいは拡散反射器はＸ線源に向けられたシンチレーション層の面に置かれても良い。
バイアス放射源５からの特に赤外放射である電磁気放射は基板３０、フォトダイオード及び薄膜トランジスタを形成する構造、読み出しライン及びアドレッシングラインを通る。赤外放射はフォトダイオードに直接又は種々の反射を介して届く。特にバイアス放射源５からの赤外放射は赤外放射でフォトダイオードを実質的に均一に照射するよう拡散反射器３２又はシンチレーション層７の面で拡散するよう反射される。
図４はバイアス光源の詳細を示す。半導体レーザーダイオード４１の配置が拡散スクリーン４２上に暗赤色光又は赤外放射を出射するよう配置される。拡散スクリーン４２は例えば粗くされた面を有するガラス板である。拡散スクリーン４２はＸ線検出器の半導体素子２１を照射するよう用いられる実質的に均一な強度を形成する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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