JP2018192062A - 放射線撮像装置、放射線撮像システム、放射線撮像装置の制御方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】放射線発生装置との間で同期信号の授受を必要としない放射線撮像装置において、消費電力の増加を抑制しつつ、放射線の照射開始を検出する精度の低下を抑制する技術を提供する。【解決手段】入射する放射線を電荷に変換する変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、複数の画素のそれぞれの変換素子から信号を読み出すための読出部と、複数の画素のそれぞれの変換素子にバイアス電圧を供給するためのバイアス配線と、制御部と、を含む放射線撮像装置であって、制御部は、バイアス配線の電流の変化量が所定の量を超えた場合、変換素子からの信号を読出部に読み出させ、変換素子からの信号に基づいて放射線の照射の開始の判定を行い、放射線の照射が開始されたと判定した場合、撮像動作を開始し、放射線の照射が開始されていないと判定した場合、再びバイアス配線の電流の変化量をモニタする。【選択図】図３

Description

本発明は、放射線撮像装置、放射線撮像システム、放射線撮像装置の制御方法およびプログラムに関する。

医療画像診断に用いる撮像装置として、放射線を電荷に変換する変換素子と薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などのスイッチ素子とを組み合わせた画素がアレイ状に配された撮像パネルを含む放射線撮像装置が広く利用されている。放射線撮像装置を用いて放射線画像の撮影を行う際、放射線を曝射するタイミングと、各画素の変換素子が電荷の蓄積（撮像）を行うタイミングとを正確に同期させる必要がある。特許文献１には、放射線発生装置と撮影装置との間に通信路を配し、相互に同期信号をやり取りすることによって、放射線照射と撮影のタイミングとを同期させる放射線画像撮影システムが示されている。特許文献２には、画素にバイアス電位を提供するバイアス線をモニタすることによって、画素検出器への放射線の曝射の開始を検出する半導体放射線撮像構体が示されている。特許文献３には、放射線の入射を検出する待機モードにおいて、画素からＡ／Ｄ変換器を介して信号を繰り返し読み出し、１フレーム前と現フレームのデータの差分から、放射線の照射開始を検出する放射線撮像装置が示されている。

特開２００６−３３３８９８号公報 特表２００２−５４３６８４号公報 特開２００３−１２６０７２号公報

特許文献１に示される放射線画像撮影システムにおいて、放射線発生装置と撮影装置との間で同期信号をやり取りするためのインターフェースが必要となる。放射線画像撮影システムの撮影装置を新しい撮影装置に交換する場合、新しい撮影装置が同じインターフェースを備えることが必要になるなど、システムの構築において制約が生じる。特許文献２、３に示される半導体放射線撮像構体、放射線撮像装置では、半導体放射線撮像構体、放射線撮像装置自体で放射線の入射を検出するため、システムを構築する際の自由度は高くなる。しかしながら、特許文献２に示される半導体放射線撮像構体では、バイアス線に電流が流れることを利用して放射線の入射を検出するため、外部からの電磁波ノイズや衝撃によってバイアス線の電流が変化しうる。結果として、放射線の入射ではない事象によって生じたバイアス線の電流の変化を、放射線の入射であると誤って検出してしまう可能性が比較的高い。誤検出が増加した場合、誤検出画像の写損処理などの作業をユーザが実施しなくてはならず、不要な負荷をユーザに強いることになる。特許文献３に示される放射線撮像装置では、画素から出力される信号によって放射線の照射の開始を検出するため、検出精度が高くなる。しかしながら、画素からの信号を出力するためのアンプやＡ／Ｄ変換器を駆動させながら放射線が入射するまで待機する必要があるため、消費電力が増大し、外部電源に接続されないバッテリー駆動の場合、長時間の使用に耐えない可能性がある。

本発明は、放射線発生装置との間で同期信号の授受を必要としない放射線撮像装置において、消費電力の増加を抑制しつつ、放射線の照射開始を検出する精度の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置は、入射する放射線を電荷に変換する変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、複数の画素のそれぞれの変換素子から信号を読み出すための読出部と、複数の画素のそれぞれの変換素子にバイアス電圧を供給するためのバイアス配線と、制御部と、を含む放射線撮像装置であって、制御部は、バイアス配線の電流の変化量が所定の量を超えた場合、変換素子からの信号を読出部に読み出させ、変換素子からの信号に基づいて放射線の照射の開始の判定を行い、放射線の照射が開始されたと判定した場合、撮像動作を開始し、放射線の照射が開始されていないと判定した場合、再びバイアス配線の電流の変化量をモニタすることを特徴とする。

上記手段によって、放射線発生装置との間で同期信号の授受を必要としない放射線撮像装置において、消費電力の増加を抑制しつつ、放射線の照射開始を検出する精度の低下を抑制する技術を提供する。

本発明の実施形態に係る放射線撮像装置を用いた放射線撮像システムの構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の等価回路図。 図１の放射線撮像装置の動作を示すフローチャート。 図１の放射線撮像システムの動作を示すタイミングチャート。 図１の放射線撮像装置の動作を示すフローチャート。 図１の放射線撮像装置の動作を示すフローチャート。 光電変換素子の断面構造を模式的に表す図。 図７の光電変換素子の各動作モードにおけるエネルギバンド図。

以下、本発明に係る放射線撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。なお、本発明における放射線には、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども含みうる。

第１の実施形態
図１〜４を参照して、本発明の実施形態による放射線撮像装置の構成および動作について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における放射線撮像装置１００を用いた放射線撮像システムの構成例を示す図である。本実施形態において、放射線撮影システムは、放射線撮像装置１００、放射線発生装置２００、放射線制御装置２１０、コンピュータ装置４００、表示装置４１０、保存装置４２０を含む。放射線撮像装置１００は、２次元撮像素子１２０とバイアス電源１４０とを含む放射線検出器１１０、照射検出部１５０、制御部１６０、信号読出回路１７１と駆動回路１７２とを含む読出部１７０、画像処理部１７５、画像保存部１９０、通信部１８０を含む。放射線撮像装置１００は、放射線撮像装置１００の内部に配されたバッテリー１０５ａ、または、放射線撮像装置１００の外部から供給される外部電源１０５ｂによって駆動する。

放射線撮像装置１００は、２次元撮像素子１２０とシンチレータ（不図示）とを備える放射線センサを有する。２次元撮像素子１２０は、入射した放射線をシンチレータが変換した光を電荷に変換するための光電変換素子をそれぞれ含む複数の画素が、２次元マトリクス状に配列され構成される。本実施形態において、シンチレータと光電変換素子とによって、入射する放射線を信号に変換する変換素子が構成される。バイアス電源１４０は、バイアス配線１４５を介して、２次元撮像素子１２０に配された複数の画素のそれぞれ光電変換素子にバイアス電圧を供給する。照射検出部１５０（検出回路）は、バイアス電源１４０に接続され、バイアス電源１４０と２次元撮像素子１２０の光電変換素子との間のバイアス配線１４５の電流の変化量をモニタする。制御部１６０は、放射線撮像装置１００のそれぞれの構成要素を制御する。制御部１６０は、例えば、放射線撮像装置１００の各構成要素を制御するためのプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、撮像動作を行うためのプログラムが保存されたメモリとを含みうる。また例えば、制御部１６０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）によって構成されてもよい。また例えば、制御部１６０は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）や、プログラムが組み込まれた汎用コンピュータによって構成されてもよい。また、制御部１６０は、これらの全部または一部の組み合わせによって構成されてもよい。読出部１７０は、信号読出回路１７１および駆動回路１７２を協働させることによって、複数の画素のそれぞれの光電変換素子から画像データの信号を読み出す。画像処理部１７５は、読み出された画像データを処理する。通信部１８０は、例えば、アンテナを有する通信回路であり、外部にある制御用のコンピュータ装置４００から送信される制御信号の受信などを行う。コンピュータ装置４００は、一般的なＰＣ（パーソナルコンピュータ）が想定されるが、スマートデバイスや携帯電話、場合によっては、院内サーバ、クラウドシステムであってもよい。また、場合によっては、ディスプレイ付の放射線撮像装置１００を制御用のコンピュータ装置４００に組み入れたシステム構成としてもよい。

放射線撮像装置１００に放射線を照射するための放射線発生装置２００は、例えば、パルス状の放射線２２０を発生する。放射線発生装置２００は、放射線制御装置２１０によって、放射線のオン／オフや、管電流、管電圧などの放射線の発生条件が制御される。放射線発生装置２００から放射された放射線２２０は、被写体３００に照射され、被写体３００を透過した放射線２２０は、放射線撮像装置１００に配された２次元撮像素子１２０に入射する。２次元撮像素子１２０は、入射した放射線に応じた放射線画像用の信号を生成する。放射線画像用の信号は、読出部１７０によって読み出され、画像処理部１７５を経て画像保存部１９０に画像データとして保存される。画像保存部１９０は、少なくとも１枚の放射線画像に用いる画像データを保存することができるだけの保存容量を有している。

画像保存部１９０への保存が完了した画像データは、通信部１８０を介して外部に送信される。ここで、画像データが画像保存部１９０へ保存されている間に、該画像データが同時に外部へ送信されてもよいが、本実施形態において、１枚の放射線画像を構成する画像データの全てが画像保存部１９０に保持されてから、画像データは外部に送信される。これは、例えば、通信状態の不良などで画像データの一部が送信されず、外部のコンピュータ装置４００などで正確な画像を再現することができなかった場合など、放射線撮像装置１００が、画像データを外部に再送することができるからである。外部へ送信された画像データは、保存装置４２０に保存され、あるいは表示装置４１０に表示されうる。通信部１８０は、有線通信機能を有していてもよいし、無線通信機能を有していてもよい。また、画像データは、コンピュータ装置４００を介さず、直接、保存装置４２０に保存されるようにしてもよい。また、放射線撮像装置１００の内部に画像保存部１９０以外にも画像データを保存するためのメモリ（不図示）などを配し、そこに画像データを保存することも可能である。

また、放射線撮像装置１００には、バッテリー１０５ａおよび外部電源１０５ｂのうち少なくとも一方が、接続されている。通信部１８０が無線通信機能を有する場合、放射線撮像装置１００は、電源として内部にバッテリー１０５ａを内蔵しうる。一方、通信部１８０が有線通信機能を有する場合、放射線撮像装置１００には、電源として放射線撮像装置１００に有線接続可能な外部電源１０５ｂが接続されうる。通信部１８０が無線通信機能を有する場合であっても、放射線撮像装置１００は外部電源１０５ｂに接続されてもよいし、通信部１８０が有線通信機能を有する場合であっても、放射線撮像装置１００はバッテリー１０５ａによって駆動してもよい。通信部１８０が有線通信機能を有する場合、放射線撮像装置１００は、例えば、立位架台やテーブル組み込み型として用いられうる。また、通信部１８０は、無線通信機能と有線通信機能との両方の機能を有していてもよい。この場合、通信部１８０において、無線通信機能と有線通信機能とが、例えば、クレードルなどの脱着によって自動的に切り替わる。これに応じて、放射線撮像装置１００は、電源として放射線撮像装置１００に内蔵されたバッテリー１０５ａと外部電源１０５ｂとを切り替えて動作しうる。

図２は、放射線検出器１１０の等価回路図である。２次元撮像素子１２０は、ｍ行×ｎ列のマトリクス状に配列された複数の画素１２５から構成される。図２では説明を簡単にするために、ｍ＝３、ｎ＝３の３×３のマトリクスが示されているが、実際の放射線撮像装置は、例えば、ｍ＝２８００、ｎ＝２８００のように、多くの画素１２５を有しうる。それぞれの画素１２５は、光電変換素子Ｓと、放射線２２０を光電変換素子Ｓが感知可能な波長帯域の光に変換するシンチレータ（不図示）と、スイッチ素子Ｔと、を含む。

光電変換素子Ｓは、入射した放射線の量に応じて電荷を生成し蓄積する。被写体３００を透過する放射線の透過量は、被写体３００内部の骨や内臓といった構造物や病巣などによって異なる分布を有しうる。光電変換素子Ｓは、このような異なる分布を電荷の分布に変換して蓄積する。

光電変換素子Ｓとして、ＣＣＤの他、アモルファスシリコンやポリシリコンを用いた各種素子が知られている。本実施形態において、光電変換素子Ｓとして、ガラス基板などの絶縁性基板上に配されたアモルファスシリコンを主材料とするＭＩＳ型フォトダイオードが用いられるが、これに限られることはない。例えば、光電変換素子Ｓとして、ＰＩＮ型フォトダイオードが用いられてもよい。また、放射線を光に変換するシンチレータと光電変換素子とを用いた間接型の変換素子ではなく、放射線を直接、電荷に変換する直接型の変換素子を用いてもよい。

次に、光電変換素子Ｓの動作について説明する。光電変換素子Ｓの動作モードには、リフレッシュモードと光電変換モードの２種類がある。図７は、本実施形態の光電変換素子Ｓの断面を模式的に示す図である。絶縁性の基体であるガラス基板１３０上に各種材料を成膜し積層することによって、光電変換素子Ｓが形成されている。上部電極１３５は、例えば透明導電体（透明導電膜）で形成され、下部電極１３１は、ＡｌやＣｒなどで形成されうる。絶縁層１３２は、例えば、窒化シリコンによって形成され、電子とホールとの双方の通過を阻止する。真性半導体層１３３は、例えば、水素化アモルファスシリコンによって形成され、光が入射した際、電子−ホール対を生成し、光電変換層として機能する。不純物半導体層１３４は、ｎ型のアモルファスシリコンによって形成され、上部電極１３５から真性半導体層１３３へのホールの注入を阻止するホールブロッキング層として機能する。

図８は、光電変換素子Ｓのエネルギバンド図である。図８（ａ）は、無バイアス時の状態を、図８（ｂ）は、光電変換モードにおける状態を、図８（ｄ）は、リフレッシュモードにおける状態をそれぞれ示す。図８（ｂ）の光電変換モードにおいて、上部電極１３５と下部電極１３１との間に、上部電極１３５が正電圧となるバイアス電圧として、電圧Ｖｓが印加される。電圧Ｖｓによって、真性半導体層１３３中の電子は、上部電極１３５から掃き出される。一方、上部電極１３５から真性半導体層１３３に向かってホールが注入されようとするが、不純物半導体層１３４によって阻止されて、ホールは真性半導体層１３３まで移動することは出来ない。

この状態で真性半導体層１３３に光が入射すると、光電変換効果によって電子−ホール対が生成される。電子とホールとは、電界に従って再結合することなく真性半導体層１３３中を移動し、電子は上部電極１３５から掃き出されるが、ホールは絶縁層１３２に阻まれてその界面に留まる。

光電変換動作が継続し、絶縁層１３２の界面に滞留したホールが増加すると、その影響によって真性半導体層１３３に印加される電界が弱まってくる。その結果、光入射によって発生した電子−ホール対は、電界によって移動することなく再結合によって消滅するようになり、光電変換素子Ｓは、光に対する感度を失う。このときのエネルギバンド図を図８（ｃ）に示す。このような状態は、飽和と呼ばれる。

飽和した光電変換素子Ｓの感度を回復させるために、光電変換素子Ｓは、リフレッシュ動作と言われる動作を行う必要がある。リフレッシュ動作が行われるリフレッシュモードにおいて、図８（ｄ）に示すように、上部電極１３５と下部電極１３１との間に、下部電極１３１が正電圧となるバイアス電圧として電圧Ｖｒが印加される。リフレッシュモードにおいて、絶縁層１３２の界面に滞留していたホールは上部電極１３５から掃き出され、代わりに電子が注入されて絶縁層１３２の界面に滞留する。ここで、光電変換素子Ｓが、再び図８（ｂ）に示される光電変換モードに切り替わると、注入された電子は速やかに上部電極１３５から掃き出される。これによって、バイアス電圧として電圧Ｖｓが印加された状態となり、光電変換素子Ｓは、光に対する感度を回復する。

再び図２の等価回路を用いて、放射線検出器１１０について説明を行う。スイッチ素子Ｔは、駆動回路１７２から駆動配線ｇを介して与えられる駆動信号に応じて、光電変換素子Ｓの電荷に基づく信号を信号読出回路１７１に出力する。スイッチ素子Ｔには、制御端子と２つの主端子を有するトランジスタが用いられうる。本実施形態において、スイッチ素子Ｔとして、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が用いられる。

図２に示される画素１２５において、下部電極１３１側の電極はＧ電極、上部電極１３５側の電極はＤ電極として示されている。Ｄ電極は、スイッチ素子Ｔの２つの主端子の一方に電気的に接続され、Ｇ電極は、共通のバイアス配線１４５を介して、バイアス電源１４０と電気的に接続されている。１行目を例にすると、行方向の複数のスイッチ素子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３は、それぞれの制御端子が、１行目の駆動配線ｇ１に共通に接続される。駆動回路１７２から駆動配線ｇ１を介して、スイッチ素子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３の導通状態を制御する駆動信号が、駆動配線ｇ１を通じて行単位で与えられる。

また、１列目を例にすると、列方向の複数のスイッチ素子Ｔ１１、Ｔ２１、Ｔ３１は、光電変換素子Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１に接続されていない側の主端子が、１列目の信号配線ｓ１に電気的に接続されている。スイッチ素子Ｔ１１、Ｔ２１、Ｔ３１が、導通状態（オン状態）である間、光電変換素子Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１に蓄積された電荷量に応じた電気信号が、信号配線ｓ１を介して読出部１７０の信号読出回路１７１に出力される。列方向の複数の信号配線ｓ１〜ｓ３は、複数の画素１２５から読み出された電気信号を並列に信号読出回路１７１に伝送する。

信号読出回路１７１は、並列に読み出された電気信号を順次処理して直列信号の画像信号として出力するマルチプレクサ（不図示）と、画像信号をインピーダンス変換して出力するバッファ増幅器（不図示）とを含む。バッファ増幅器から出力されたアナログ電気信号である画像信号は、ＡＤ変換器１６５によってデジタルの画像データに変換される。

バイアス電源１４０は、バイアス配線１４５を通じて光電変換素子ＳのＧ電極にバイアス電圧Ｖｂとして電圧Ｖｓを供給するとともに、バイアス配線１４５に供給した電流の変化を含む電流情報を出力する。本実施形態において、電流情報を出力する回路は、オペアンプと抵抗とを含む電流−電圧変換回路１４１と、変換された電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換器１４２と、を有するが、これに限定されるものではない。例えば、電流情報を出力する回路として、シャント抵抗を用いた電流−電圧変換回路が用いられてもよい。また例えば、バイアス電源１４０は、電流−電圧変換回路１４１の出力電圧をそのまま出力してもよい。また例えば、バイアス電源１４０は、バイアス配線１４５に供給した電流量に対応する他の物理量を出力してもよい。バイアス電源１４０から出力された電流情報は、照射検出部１５０に送られ、放射線照射によって生じる電流の変化量を制御部１６０がモニタすることによって、放射線の照射開始を検出するために用いられる。

また、バイアス電源１４０は、リフレッシュ動作用の電圧Ｖｒを供給する電源も含む。電圧Ｖｒも電圧Ｖｓと同様に、バイアス配線１４５を介して光電変換素子ＳのＧ電極に接続され、光電変換素子のリフレッシュ動作の期間にＧ電極に対して電圧Ｖｒが印加される。Ｇ電極に印加される電圧は、ＳＷ制御回路１４３によって制御されており、リフレッシュ動作の期間（リフレッシュモードの期間）において、電圧Ｖｒが、それ以外の期間（光電変換モードの期間）は電圧Ｖｓがそれぞれ印加されるように制御される。

次いで、本実施形態における放射線の照射開始を検出する放射線撮像装置１００の動作について図３のフローチャートを用いて説明する。本実施形態において、図３に示すように、放射線の照射開始を検出するために、バイアス配線１４５の電流の変化量によって判定する１次判定と、画素１２５の光電変換素子Ｓからの信号によって判定する２次判定と、の２回の判定を行う。

まず、ステップＳ３０１において、例えば、コンピュータ装置４００を介して、ユーザが入力した撮像動作を行う際の蓄積時間などの撮像条件を、制御部１６０は入手する。撮像条件に応じて、制御部１６０は、読出部１７０を動作させる条件などを設定する。撮像条件が設定されると、制御部１６０は、放射線の曝射待機を開始する（ステップＳ３０２）。

放射線の曝射待機が始まると、制御部１６０は、バイアス配線１４５の電流の変化量をモニタするバイアスモニタモード（ステップＳ３０３）に移行する。２次元撮像素子１２０において、放射線が照射されると、バイアス配線１４５上に電流が流れる。そこで、制御部１６０は、このステップＳ３０４の工程で、照射検出部１５０に出力されたバイアス配線１４５の電流の変化量が所定の量を超えた場合、放射線の照射が開始されたとの１次判定を行う。具体的には、バイアス電源１４０は、バイアス配線１４５上の電流値を、ＡＤ変換器１４２を用いてデジタル値に変換し照射検出部１５０に出力する。制御部１６０は、照射検出部１５０に出力されたバイアス配線１４５の電流の変化量を予め設定されたしきい値（所定量）と比較し、変化量がしきい値以上に達したと判定した場合、放射線の照射が開始されたと判定する。

制御部１６０は、バイアス配線１４５の電流の変化量が所定の量を超えた場合、画素１２５の光電変換素子Ｓからの信号を読出部１７０に読み出させ、この信号を用いて放射線の照射開始を検出する画素信号読出モードに移行する（ステップＳ３０５）。この工程において、制御部１６０は、読出部１７０の駆動回路１７２を動作させスイッチ素子Ｔを順次、導通状態にし、同時に画素１２５の光電変換素子Ｓから信号を読み出すための増幅器を含む読出部１７０の信号読出回路１７１を動作させる。光電変換素子Ｓからの信号は、信号読出回路１７１のＡＤ変換器１６５によりデジタル変換され、制御部１６０は、ステップＳ３０６において、この光電変換素子Ｓからの信号に基づいて放射線の照射の開始の２次判定を行う。制御部１６０は、光電変換素子Ｓから出力された信号を、予め設定されたしきい値と比較する。制御部１６０は、光電変換素子Ｓからの信号がしきい値よりも大きいと判定した場合、放射線の照射が開始されたとの最終判定（２次判定）を行う。制御部１６０は、放射線の照射が開始されたと判定した場合、ステップＳ３０７に移行し、画素１２５の光電変換素子Ｓに電荷を蓄積させる撮像動作を開始する。また、制御部１６０は、ステップＳ３０６において放射線の照射が開始されていないと判定した場合、ステップＳ３０３に戻り、再びバイアス配線１４５の電流の変化量をモニタするバイアスモニタモードに移行する。

図４は、放射線撮像装置１００の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。図４のタイミングチャートは、図３のステップＳ３０２において曝射待機が開始された後、曝射待機の途中からの動作を示している。図４を用いて、バイアス配線１４５の電流の変化量によって放射線の照射の開始を判定する１次判定について詳しく説明する。図中の「放射線」は、放射線発生装置２００が放射線撮像装置１００に放射線を照射するタイミングを示す。駆動信号「Ｖｇ（０）〜Ｖｇ（ｍ）」は、駆動回路１７２から駆動配線ｇを介してスイッチ素子Ｔに贈られる信号であり、それぞれのスイッチ素子Ｔが導通状態となるタイミングを示す。バイアス電圧「Ｖｂ」は、バイアス電圧として電圧Ｖｓと電圧Ｖｒとのどちらの電圧が印加されているかを示す。

曝射待機の間、制御部１６０は、バイアスモニタモードにおいて、空読み駆動を行う。空読み駆動とは、２次元撮像素子１２０に配された画素１２５の、先頭行（駆動信号Ｖｇ（０）に応じて駆動する画素１２５）から最終行（駆動信号Ｖｇ（ｍ）に応じて駆動する画素１２５）まで、順番にスイッチ素子Ｔを導通状態にする駆動である。空読み駆動は、光電変換素子Ｓ内に生じた暗電流による電荷を除去するために行われる。駆動信号Ｖｇ（０）〜Ｖｇ（ｍ）で示されるように、空読み駆動は、放射線の照射が検出されるまでの間、一定の周期で繰り返される。換言すると、制御部１６０は、バイアス配線１４５の電流の変化量のモニタの開始から撮像動作を開始するまでの間、複数の画素１２５のそれぞれのスイッチ素子Ｔを周期的にオン動作（導通状態）させる。この間、制御部１６０は、ＳＷ制御回路１４３を介して、バイアス電圧Ｖｂを常に電圧Ｖｓに保つ。

制御部１６０は、空読み駆動を行う期間、バイアス電源１４０にバイアス配線１４５の電流情報を照射検出部１５０に出力させる。バイアス電源１４０は、電流値を直接、検出するように回路を構成してもよいし、電流を電圧に変換し、電流値を電圧の信号として出力するように回路を構成してもよい。また、バイアス電源１４０には、バイアス配線１４５の電流に生じる様々なノイズを低減するため、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどのアナログフィルタなどが配されていてもよい。バイアス電源１４０は、照射検出部１５０にバイアス配線１４５の電流値を出力する。照射検出部１５０は、バイアス配線１４５の電流値の信号に対して演算処理を行う。演算処理は、例えば、１フレーム前のバイアス配線１４５の電流値の信号と現在のフレームのバイアス配線１４５の電流値の信号との差を取るなどの方法を用いて処理を行う。制御部１６０は、この電流の信号値の変化量を予め設定しておいたしきい値と比較し、放射線の照射開始の判定を行う。すなわち、制御部１６０は、バイアス配線１４５に流れる電流の変化量に基づいて放射線の照射の開始を判定する１次判定を行う。本実施形態において、制御部１６０と照射検出部１５０とは、それぞれ別の構成となっているが、制御部１６０が、照射検出部１５０が実施する演算処理を行ってもよい。また、照射検出部１５０が、放射線の照射開始を検出する１次判定を行い、１次判定によって放射線の照射開始が検出されたことを制御部１６０に通知する構成となっていてもよい。

制御部１６０は、１次判定で、バイアス配線１４５の電流の変化量が所定の量を超え、放射線の照射が開始されたと判定すると、バイアスモニタモードから画素信号読出モードに移行する。制御部１６０は、読出部１７０の信号読出回路１７１を動作させ、画素１２５の光電変換素子Ｓから出力される信号を用いた２次判定を行う。その際、制御部１６０は、図４に示すように、駆動信号Ｖｇ（０）〜Ｖｇ（ｍ）によるスイッチ素子Ｔの駆動において、先頭行に戻ることなく、バイアスモニタモードから引き続き、順番に次の選択行へと継続してスイッチ素子Ｔを駆動させる。制御部１６０は、バイアス配線１４５の電流の変化量が所定の量を超えたと判断した後、複数の画素１２５のうちそのときスイッチ素子Ｔがオン動作している画素１２５の変換素子Ｓの信号を読出部１７０に読み出させ、放射線の照射開始の２次判定に用いる。これによって、駆動回路１７２の駆動制御を複雑にすることなく、１次判定駆動（バイアスモニタモード）と２次判定駆動（画素信号読出モード）との切り替えが可能となる。２次判定では、制御部１６０は、信号読出回路１７１の電源をオン（動作状態）にし、行選択の駆動配線ｇに順次、導通電圧を印加し、スイッチ素子Ｔを導通状態にし、光電変換素子Ｓに蓄積されている電荷を信号読出回路１７１に読み出させる。

制御部１６０は、撮像動作後の放射線画像用の信号を読み出す動作と同様の動作を行い、デジタルデータとして光電変換素子Ｓから信号を出力させる。この光電変換素子Ｓからの信号を、予め設定されたしきい値を比較することによって、制御部１６０は、放射線の曝射の開始の２次判定を行う。制御部１６０は、光電変換素子Ｓから出力される１つ１つの信号と予め設定されたしきい値とを比較することによって２次判定をしてもよい。また、制御部１６０は、行ごとに出力される光電変換素子Ｓからの信号の差分処理の結果の値を逐次加算し、加算した値としきい値とを比較し、加算した値がしきい値よりも大きい場合、放射線の曝射開始を検出したと判断してもよい。

制御部１６０は、２次判定において、放射線の照射が開始されたと判定すると、続いて、光電変換素子Ｓに電荷を蓄積させる撮像動作に移行する。電荷の蓄積中、全てのスイッチ素子Ｔがオフ動作（非導通状態）となるように、制御部１６０は駆動回路１７２を制御する。撮像動作の後、制御部１６０は、複数の画素１２５のそれぞれの光電変換素子Ｓから放射線画像を生成する画像データの信号を読出部１７０に読み出させる読出動作（本読み）に移行する。例えば、制御部１６０は、撮像動作の開始から撮像条件の設定の際に予めユーザによって設定された所定の時間が経過した後、読出動作に移行する。読出動作は、画素１２５の先頭行から最終行まで、制御部１６０が読出部１７０を制御することによって、順番にスイッチ素子Ｔが導通状態になることで行われる。

読出動作を行った後、制御部１６０は、リフレッシュ動作を実施する。リフレッシュ動作は、図８（ｄ）に示すように、バイアス電圧Ｖｂを電圧Ｖｒにすることによって行われる。リフレッシュ動作は、２次元撮像素子１２０に配された全ての画素１２５に対して一斉に実施しても良いし、行ごとに順番に実施しても良い。また例えば、２次元撮像素子１２０に配された画素１２５を、いくつかにブロック分割して、ブロックごとにリフレッシュ動作を実施してもよい。リフレッシュ動作が終了した後、再び次の撮像のための曝射待機（空読み駆動）が開始されてもよい。本実施形態において、光電変換素子ＳとしてＭＩＳ型フォトダイオードを用いているため、リフレッシュ動作が必要となるが、ＰＩＮ型フォトダイオードの光電変換素子を用いた場合、リフレッシュ動作を行う必要はない。この場合、図２に示すリフレッシュ用の電圧Ｖｒを印加する電源は必要なくなり、図４において読出動作（本読み）の後、リフレッシュ動作を行わずに、次の撮像のための曝射待機が開始されうる。

本実施形態において、１次判定は、バイアス配線１４５を流れる電流の変化量を用いて放射線の照射開始を検出する方法であり、ここではバイアス配線電流検出法と呼ぶ。また、２次判定は、光電変換素子Ｓから読出部１７０に読み出させた信号を用いて放射線の照射開始を検出する方法であり、ここでは画素読出検出法と呼ぶ。バイアス配線電流検出法と画素読出検出法との違いと、本実施形態におけるそれぞれの方法の役割について詳しく述べる。

まず、バイアス配線電流検出法の原理について説明する。放射線が放射線撮像装置１００に曝射されると、画素１２５の光電変換素子Ｓにおいて、電子正孔対が発生し蓄積される。その後、画素１２５のスイッチ素子Ｔが導通状態（オン動作）になると、発生した電子正孔対の量に応じてバイアス配線１４５に電流が流れる。バイアス配線電流検出法では、この電流を利用して放射線の照射開始の判定を行う。バイアス配線電流検出法の利点は、放射線の照射の判定を行うために、バイアス配線１４５の電流をモニタする一方で、信号読出回路１７１を駆動させなくてもよいため、消費電力を抑えることができる。また、バイアス配線電流検出法の利点は、曝射待機の間、上述の空読み駆動などの動作を連続で行っている場合、放射線の照射開始後すぐに光電変換素子Ｓから出力される信号の取得が可能であることである。しかしながら、バイアス配線電流検出法では、バイアス配線１４５の電流を検出するために特別なアンプや回路などを使用していないために、外来からのノイズの影響を受けやすく、判定に利用する信号のＳＮ比があまり高くない。従って、外部からの電磁波ノイズや衝撃によって、放射線の入射ではない事象を放射線の入射であると誤判定してしまう可能性が比較的高い。

一方、画素読出検出法は、読出部１７０に画素１２５の光電変換素子Ｓに蓄積された信号（電荷）を読み出させ、放射線の照射開始を検出する方法であり、読み出された信号（電荷量）から放射線の曝射が開始されたかを判定する。画素読出検出法では、光電変換素子Ｓの信号を読み出すためにノイズ対策などが十分に行われた信号読出回路１７１を介して、信号が読み出されるため、放射線の照射の判定に利用する信号のＳＮ比が高い。よって、画素読出検出法では、誤判定の可能性が比較的低い。しかしながら、光電変換素子Ｓから信号を読み出す際に、信号読出回路１７１を駆動させる必要があるため、消費電力が大きくなる。

本実施形態において、最初に消費電力が小さいバイアス配線電流検出法で放射線の照射の開始の判定を行い、続いて、消費電力は大きいが、誤判定が発生する可能性が低い画素読出検出法に切り替えて放射線の照射の開始を判定する最終判定を行う。このように、２段階の判定を行うことによって、全体として消費電力を抑えながら、放射線の照射開始の誤判定を抑制する放射線撮像装置が提供可能となる。

第２の実施形態
図５、６を参照して、本発明の実施形態による放射線撮像装置の動作について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態における放射線の照射の開始を検出する放射線撮像装置１００の動作を説明するフローチャートである。本実施形態において、制御部１６０は、バイアス配線１４５の電流の変化量をモニタする前に、放射線撮像装置１００が、放射線撮像装置１００の内部に配されるバッテリー１０５ａによって駆動しているか、外部電源１０５ｂによって駆動しているかの判定を行う。さらに、制御部１６０は、放射線撮像装置１００が、バッテリー１０５ａによって駆動しているか、外部電源１０５ｂによって駆動しているかによって、放射線の照射開始を検出する際のフローを切り替える。放射線撮像装置１００の構成など、これ以外の点は上述の第１の実施形態と同様であってもよい。

図５に示すように、制御部１６０は、ステップＳ３０１で撮像条件の設定を行った後、曝射待機の開始をする前に、放射線撮像装置１００がバッテリー１０５ａによって駆動しているか否かをステップＳ５００において判定する。放射線撮像装置１００がバッテリー１０５ａによって駆動していると判定した場合、バッテリー使用可能時間の観点などから低消費電力での動作が強く求められる。このため、制御部１６０は、上述の第１の実施形態で説明したように、バイアス配線１４５の電流の変化量に基づく１次判定と、画素１２５の光電変換素子Ｓからの信号に基づく２次判定とによって、放射線の照射の開始の判定を行う（ステップＳ３０２〜Ｓ３０６）。一方、放射線撮像装置１００が、バッテリー１０５ａによって駆動しておらず、外部電源１０５ｂから電源が供給されている場合、消費電力の観点よりも、曝射検出までの検出時間をより短時間とする動作が求められうる。このため、制御部１６０は、放射線撮像装置１００が外部電源１０５ｂによって駆動していると判定した場合、バイアス配線１４５の電流の変化量に基づく１次判定を行わずに、画素１２５の光電変換素子Ｓからの信号に基づいて放射線の照射開始の検出を行う。ここで、ステップＳ３１２、Ｓ３１５、Ｓ３１６は、それぞれ図３のステップＳ３０２、Ｓ３０５、Ｓ３０６と同様の工程を行う。

本実施形態において、制御部１６０が、放射線撮像装置１００がバッテリー１０５ａによって駆動しているか、外部電源１０５ｂによって駆動しているかの判定行う。これによって、電源の種類に応じて、より適したモードで放射線の照射開始を検出する放射線撮像装置が提供可能となる。

また、放射線撮像装置１００がバッテリー１０５ａによって駆動している場合、さらなる低消費電力が求められる場合がある。この場合、図６に示すように、制御部１６０は、放射線撮像装置１００がバッテリー１０５ａによって駆動している場合、バイアス配線１４５の電流の変化量から放射線の照射を検出するバイアスモニタモードのみで放射線の照射開始を判定する。そして、制御部１６０は、光電変換素子Ｓからの信号に基づいた画素信号読出モードでの放射線の照射開始の判定を省略してもよい。また、このような低消費電力のモードで放射線撮像装置１００を動作させる場合であっても、外部電源１０５ｂで放射線撮像装置１００が駆動している場合、制御部１６０は、上述の第１の実施形態と同様に２段階の判定を用いて放射線の照射開始を検出してもよい。また、制御部１６０は、図６に示されるように、画素１２５の光電変換素子Ｓからの信号に基づいて放射線の照射開始の検出し、バイアス配線１４５の電流の変化量に基づく１次判定を省略してもよい。

以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１００：放射線撮像装置、１２５：画素、１４５：バイアス配線、１６０：制御部、１７０：読出部

Claims (11)

1. 入射する放射線を電荷に変換する変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれの前記変換素子から信号を読み出すための読出部と、前記複数の画素のそれぞれの前記変換素子にバイアス電圧を供給するためのバイアス配線と、制御部と、を含む放射線撮像装置であって、
   前記制御部は、前記バイアス配線の電流の変化量が所定の量を超えた場合、前記変換素子からの信号を前記読出部に読み出させ、前記変換素子からの信号に基づいて放射線の照射の開始の判定を行い、放射線の照射が開始されたと判定した場合、撮像動作を開始し、放射線の照射が開始されていないと判定した場合、再び前記バイアス配線の電流の変化量をモニタすることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記制御部は、前記バイアス配線の電流の変化量をモニタする前に、前記放射線撮像装置が、前記放射線撮像装置の内部に配されるバッテリーによって駆動しているか、外部電源によって駆動しているかの判定を行い、
   前記放射線撮像装置が前記バッテリーによって駆動している場合、前記制御部は、前記バイアス配線の電流の変化量が所定の量を超えた場合、前記変換素子からの信号を前記読出部に読み出させ、前記変換素子からの信号に基づいて放射線の照射の開始の判定を行い、放射線の照射が開始されたと判定した場合、撮像動作を開始し、放射線の照射が開始されていないと判定した場合、再び前記バイアス配線の電流の変化量をモニタし、
   前記放射線撮像装置が前記外部電源によって駆動している場合、前記制御部は、前記バイアス配線の電流の変化量をモニタせず、前記変換素子からの信号を前記読出部に読み出させ、前記変換素子からの信号に基づいて放射線の照射の開始を判定し、放射線の照射が開始されたと判定した場合、撮像動作を開始することを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記制御部は、前記放射線撮像装置が前記バッテリーによって駆動している場合、前記制御部は、前記バイアス配線の電流の変化量が所定の量を超えた場合、撮像動作を開始し、前記変換素子からの信号に基づいた放射線の照射の開始の判定を省略することを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記複数の画素のそれぞれは、前記変換素子の電荷に基づく信号を出力するためのスイッチ素子をさらに含み、
   前記制御部は、
   前記バイアス配線の電流の変化量のモニタの開始から前記撮像動作を開始するまでの間、前記複数の画素のそれぞれの前記スイッチ素子を周期的にオン動作させ、
   前記バイアス配線の電流の変化量が所定の量を超えたと判断した後、前記複数の画素のうちオン動作している画素の変換素子の信号を前記読出部に読み出させ、前記放射線の照射開始の判定に用いることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
5. 前記制御部は、前記バイアス配線の電流の変化量のモニタの開始から前記撮像動作を開始するまでの間、前記複数の画素のそれぞれの前記スイッチ素子を一定の周期でオン動作させることを特徴とする請求項４に記載の放射線撮像装置。
6. 前記制御部は、前記放射線の照射開始の判定において、前記変換素子から読み出された信号が、予め設定されたしきい値よりも大きい場合、放射線の照射開始を検出したと判定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
7. 前記制御部は、前記撮像動作の後、前記複数の画素のそれぞれの前記変換素子から放射線画像を生成する信号を前記読出部に読み出させる読出動作に移行することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
8. 前記制御部は、前記撮像動作の開始から予めユーザによって設定された時間が経過した後、前記読出動作に移行することを特徴とする請求項７に記載の放射線撮像装置。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線撮像装置と、
   前記放射線撮像装置に放射線を照射するための放射線発生装置と、
   を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
10. 入射する放射線を電荷に変換する変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれの前記変換素子から信号を読み出すための読出部と、前記複数の画素のそれぞれの前記変換素子にバイアス電圧を供給するためのバイアス配線と、を含む放射線撮像装置の制御方法であって、
    前記制御方法は、
    前記バイアス配線の電流の変化量をモニタする第１の工程と、前記第１の工程で前記バイアス配線の電流の変化量が所定の量を超えた場合、前記変換素子からの信号を前記読出部に読み出させ、前記変換素子からの信号に基づいて放射線の照射の開始の判定を行う第２の工程と、を含み、
    前記第２の工程において、放射線の照射が開始されたと判定した場合、撮像動作を開始し、放射線の照射が開始されていないと判定した場合、再び前記第１の工程に移行することを特徴とする制御方法。
11. 請求項１０に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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