JP6576064B2 - 放射線検出装置、放射線撮像システム及び放射線検出装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射線検出に用いられるセンサパネル及び放射線撮像システムに関する。

センサ基板上に柱状結晶を有するシンチレータ層を形成した放射線検出装置がある。このような放射線検出装置では、撮像の鮮鋭度を維持しつつ、照射された放射線を高効率で吸収することにより、利用効率を高めることが求められている。言い換えると、放射線検出素子の検出量子効率（Ｄｅｔｅｃｔｉｖｅ Ｑｕａｎｔａ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＤＱＥ）、鮮鋭度（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＦ）の両立が求められている。

特許文献１には、シンチレータを形成した撮像基板を複数個並べた放射線検出器が開示されている。特許文献１では、撮像基板を並べたときに隣接する基板同士の境界部分まで、各基板上にシンチレータ層を形成しておき、それらを並べることにより、解像度の低下とシンチレータの剥離を防止している。特許文献２には、複数の撮像基板を覆う透明膜を形成し、透明膜上にシンチレータを形成することによりつなぎ目付近での解像度の低下や剥離を防止した放射線検出器が開示されている。

特開２００２−４８８７０号公報 特許第４４４７７５２号公報

しかし、特許文献１あるいは特許文献２の放射線検出器は、柱状結晶が形成されたセンサ基板の外周にあたる部分ではシンチレータ層の厚さが変化している。そのために画素でのシンチレータによる発光量に起因する感度特性等の急激な変化が生じ得る。また、シンチレータ層の厚さの変化はシンチレータ層の剥離の原因になり得た。本発明は、このような従来の構成が有していた課題を解決しようとするものである。本発明は、鮮鋭度（ＭＴＦ）及び検出量子効率（ＤＱＥ）の向上とシンチレータ層の剥離を防ぐのに有利な構造のセンサパネルを提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明の放射線を検出する放射線検出装置は、センサ基台と、前記センサ基台により支持された、前記放射線を検出するために複数の画素からの信号を出力するセンサ基板と、前記センサ基板の側面の周辺にその側面が前記センサ基板の側面と対向するように、前記センサ基板とは別に前記センサ基台により支持された、前記放射線を検出するための信号を出力しない周辺部材と、前記センサ基板と前記周辺部材とを連続して覆うシンチレータ層とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、鮮鋭度（ＭＴＦ）及び検出量子効率（ＤＱＥ）の向上とシンチレータ層の剥離を防ぐのに有利な構造のセンサパネルを提供することができる。

実施形態に係る放射線検出装置の上面概略図及び断面概略図。 実施形態に係る周辺部材の配置を示す概略図。 実施形態に係るセンサパネルの端部の断面概略図。 実施形態に係るセンサパネルの製造方法を示す概略図。 比較例のセンサパネルの断面概略図。 実施形態に係るセンサパネルの断面概略図。 実施形態に係るセンサパネルの断面概略図。 実施形態に係るセンサパネルの断面概略図。 実施形態に係る放射線撮像システムの構成図。

以下、本発明の、実施形態に係る放射線検出装置に用いるセンサパネルについて、図面を参照し具体的に説明する。センサパネルは、マトリクス状に配置された光電変換素子とスイッチング素子とにより構成されたセンサ基板と、放射線を可視光に変換するシンチレータとを組み合わせた装置である。なお、本明細書では、Ｘ線の他、α線、β線、γ線等の電磁波も、放射線に含まれるものとする。

＜実施形態１＞
最初に、放射線検出装置について図１により説明する。センサ基板１０１には、ＣＭＯＳセンサやアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用いたセンサがマトリクス状に配置されている。本実施形態のセンサパネルは、センサ基板１０１を複数枚貼り合わせて大画面化に対応したものを例示しているが、センサ基板１０１は１枚であってもよい。本実施形態のセンサパネルは、複数のＣＭＯＳセンサを搭載したセンサ基板１０１がガラスから成るセンサ基台１０２に粘着層を介して支持されている。ＣＭＯＳセンサには光電変換素子やＭＯＳを含む画素がマトリクス状に配置されており、最後に厚さ５μｍのポリイミドからなるシンチレータ保護層によりセンサ表面が保護されている。センサ基板１０１の少なくとも１辺に設けられた外部接続用の電極からは、外部配線１０３を介して電気回路部１０５との間で駆動信号および出力信号等の送受信を行う。すなわち、センサ基板は複数の画素から信号を出力する。

次に、図１（ａ）のＡ−Ａ’の断面図について図１（ｂ）により説明する。本実施形態のシンチレータ層の材料には、ヨウ化セシウム（以下ＣｓＩ）が用いられる。ＣｓＩには、賦活剤として例えばタリウム（Ｔｌ）、ナトリウム（Ｎａ）等が微量添加される。これら材料を微量添加することによりＣｓＩの可視光発光の特性が向上する。ＣｓＩと同様な柱状構造が複数形成されるシンチレータ、例えばハロゲン化アルカリを主成分とする材料も用いることができる。

周辺部材１０９は、センサ基板の側面の周辺に配置されている。周辺部材１０９はＣＭＯＳセンサと同じ材質（シリコン）から構成されている。本実施形態ではセンサパネルは複数のセンサ基板１０１−１、１０１−２・・・を含んでいる。周辺部材１０９はセンサ基板１０１−１の側面に隣接して配置されている。周辺部材１０９はシンチレータ層１０７を形成する工程において、センサ基板１０１の端部の段差により生じるシンチレータ層の膜厚の変化を低減することができる。その結果センサ基板１０１の端部でのシンチレータ層の膜厚の変化が抑制され、放射線検出装置のセンサパネルの端部での撮像信号の出力の低下が抑制される。ここで、周辺部材１０９は、放射線を検出するための信号を出力しない。

周辺部材１０９の配置方法には、図２に示す様な方法がある。センサパネル１０１の端部の膜厚の変化を抑制することができれば、周辺部材１０９の配置方法は本明細書に開示された方法に限定されない。この例では、周辺部材１０９はセンサ基板の電極を設けた辺以外のセンサ基板の周辺に配置されている。図２（ａ）には、センサパネルの端部のセンサ基板に沿って周辺部材１０９を配置した例を示す。周辺部材１０９はセンサ基板１０１−１に隣接して配置されている。後述するように、センサ基板１０１と周辺部材１０９を連続して覆うようにシンチレータ層を形成するために、周辺部材１０９はセンサ基板１０１に対して接するように配置される。あるいはセンサ基板１０１と周辺部材１０９とは、シンチレータ層を形成するときに、シンチレータ層の端部で急な膜厚変化が起きない程度の間隔をもって接していればよい。例えば、センサ基板の端部と周辺部材との間隔は１００μｍ以下であればよい。図２（ｂ）は周辺部材１０９を複数の部材から構成した例を示す。この場合、分割された周辺部材１０９の間の間隔はシンチレータ層の端部での膜厚の変化を抑制するために１００μｍ以下にする。

また、センサ基板１０１と周辺部材１０９との間に段差Δtがある。段差Δtは、出力画像への影響を鑑み適宜設定される。後述のように、センサ基板１０１のシンチレータ層が形成される表面の方がΔｔが０μｍ以上、７０μｍ以下の範囲で周辺部材１０９のシンチレータ層が形成される表面より高ければ急激な膜厚変化は生じない。Δtが０μｍ未満、すなわち周辺部材１０９の方がセンサ基板１０１の高さより高いと、シンチレータ層の形成方法によってはシンチレータ層がセンサパネル１０１上に形成されない部分が発生することがある。例えば結晶を形成する方向により高さの差によって結晶が形成されない部分が生じる。形成されないまでも、センサ基板１０１の端部でシンチレータ層の膜厚が小さくなる場合がある。また、段差Δtが大きくなり、Δｔが７０μｍより大きい場合には、その結果センサパネル１０１端部でのシンチレータ層の厚さに変化が生じ、剥離等を誘発する可能性がある。

周辺部材１０９の幅はある程度あった方がシンチレータ層の膜厚の急激な変化を防ぐ効果が大きい。センサ基板の端部でシンチレータ層の膜厚の急激な変化を招かないためには、センサ基板の側面から直交する方向における周辺部材の幅Ｗは、センサ基板の領域に形成するシンチレータ層の厚さの１／３以上とするとよい。周辺部材の幅Ｗに上限は無いが、広すぎるとセンサパネルの枠部が大型化する。本実施形態では周辺部材１０９の幅Ｗをシンチレータ層の膜厚の約１．５倍にした。また、本実施形態では、シンチレータ層の端部は図１（ｂ）に示されるように周辺部材１０９の外側のガラス基台１０２の上に接するまで延びるように形成されている。この結果、センサ基板上１０１では、センサ基板の端部までほぼ同じ厚さでシンチレータ層が形成されるので、センサ基板１０１の端部での膜厚の変化を抑制できる。

本実施形態では、シンチレータ層１０７は、シンチレータ保護層１０８により保護されている。シンチレータ保護層１０８はシンチレータ層１０７を湿度による劣化等から保護する目的で設置される。特にシンチレータ層としてＣｓＩ：Ｔｌ等の針状結晶シンチレータを用いる場合には湿度による劣化により特性が低下するため、シンチレータ保護層１０８を設置するとよい。シンチレータ保護層の材料としては、例えば、シリコン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の一般的な有機封止材料や、またポリエステル系、ポリオレフィン系、ポリアミド系等のホットメルト樹脂などを用いることができる。この中で特に水分透過率の低い樹脂が望ましく、例えばＣＶＤ法（化学気相堆積法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成するポリパラキシリレンの有機膜や、ポリオレフィン系樹脂に代表されるホットメルト樹脂を用いるのがよい。

また、本実施形態では図１（ｂ）に示す様にシンチレータ保護層１０８を覆う反射層１１２を設置している。反射層１１２によりセンサパネルの感度を高くすることができる。反射層１１２はＡｌ、Ａｇ、Ｍｇ等の高反射率材料を用いるのがよい。本実施形態で、センサ基板１０１と周辺部材１０９との段差（図３に示すΔｔ）を測定したところ、Δｔ＝３０μｍであった。

シンチレータ層の形状確認のため、本実施形態で作成したセンサパネルの断面画像を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて取得した。結果、センサ基板と周辺部材との境界近傍でシンチレータ層の大きな構造の乱れはなく、センサ基板の端部までシンチレータ層が均一に形成されていることが確認できた。上記センサパネルを使って取得した画像に対して画像評価を行い、その結果、撮影領域全域に渡り急峻な感度低下のない、良好な画像が取得できることを確認した。

次に、センサ基板と周辺部材との段差Δｔが７０μｍのセンサパネルを作成した。段差を７０μｍとした場合でも、ＳＥＭで断面を観察したところ、段差部における若干の構造変化が見られたが、センサ基板上では均一にシンチレータ層が形成されていた。また、実施形態１と同様の放射線検出装置を作成後、画像評価を行った。その結果、撮影領域全域に渡り急峻な感度低下のない、良好な画像が取得できることを確認した。センサ基板１０１のシンチレータ層が形成される表面の方が周辺部材１０９のシンチレータ層が形成される表面より７０μｍ高い場合も急激な膜厚変化は生じないことが確認できた。Δｔが０μｍの場合は高さの差がないからシンチレータ層の厚さの変化にも影響が生じる恐れがない。したがって、Δｔが０μｍ以上、７０μｍ以下の範囲であればよいことが確認された。

次に、本実施形態に係るセンサパネルの製造方法について図４により説明する。図４（ａ）に示すように、最初にガラス等の、センサ基板を支持するためのセンサ基台１０２に粘着層１１１を介してセンサ基板１０１を配置する。本実施形態では大画面のセンサパネルとするために複数のセンサ基板１０１を並べてセンサ基台１０２に配列している。次に、図４（ｂ）に示すようにセンサ基板１０１に隣接させて周辺部材１０９を、粘着層１１１を介して載置する。その後、図４（ｃ）に示すようにセンサ基板と周辺部材とを覆うようにシンチレータ層を形成する。シンチレータ層は、センサ基板１０１と周辺部材１０９を連続して覆うように形成される。シンチレータの材料には例えばヨウ化セシウム（以下ＣｓＩ）が用いられる。ＣｓＩには、賦活剤としてタリウム（Ｔｌ）、ナトリウム（Ｎａ）等が微量添加される。シンチレータ層は、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）に賦活剤としてタリウム（Ｔｌ）を添加したもの（以下ＣｓＩ：Ｔｌ）を真空蒸着法により層にして形成している。

次に、図４（ｄ）に示すようにシンチレータ保護層１０８及び反射層１１２を形成する。シンチレータ保護層１０８及び反射層１１２として、Ａｌシートを使用することができる。Ａｌシート表面には厚さ約１００μｍのポリオレフィン系樹脂から成るホットメルト樹脂を形成しておく。このＡｌシートによりシンチレータ層１０７を被覆する。また、その際ホットメルト樹脂が形成されている側をシンチレータ層側に配置する。次に、ホットメルト樹脂をホットプレスにより溶融し、シンチレータ層１０７に貼りつける。上記工程を経てシンチレータ保護層１０８及び反射層１１２をシンチレータ層上に形成する。反射層１１２はフィルム状でもよく、有機樹脂が塗布された複合フィルムを用いてもよい。複合フィルムを用いた場合には、シンチレータ保護層１０８と反射層１１２とが一度に形成できるため、工数削減が見込まれる。また、金属フィルムを用いれば高い防湿効果も見込まれる。また、シンチレータ保護層１０８が形成されたシンチレータ層１０７の上に粘着層を介して、板形状の反射板を設置してもよい。その際には防湿性をより高めるため、板形状の反射板端部とセンサ基台を防湿性の高い封止樹脂で接続するとよい。その際、シンチレータ層を外部環境から遮断するように囲い込むように封止樹脂により接続する。最後にＣＭＯＳセンサ端部に設置された配線接続部に外部配線を接続し、外部配線と駆動回路／読み出し回路等の信号処理回路が配置されたボードとの接続を行う。その後に外部筺体等で上記部材を覆い、放射線検出装置を完成させる。

次に、シンチレータ保護層及び反射層の形成方法を変更した例について説明する。まず、本実施形態の方法でシンチレータ層を形成するまでの工程を行う。その後シンチレータ保護層として、厚さ２０μｍのポリパラキシリレン（パリレン）膜をシンチレータ層を被覆するように形成する。パリレンの形成には熱ＣＶＤ法を用いることができる。次に反射層として、Ａｌ基板をＣｓＩ上に設置する。その際、厚さ25μｍの接着層を介して、パリレンが形成されたシンチレータ層上にＡｌ基板を設置する。次に、封止処理を行う。具体的にはガラス基台とＡｌ基板をエポキシ系の封止樹脂で接続し、封止する。その後に上記と同様の方法で放射線検出装置を作成した。このように作成したセンサパネルによって得られた画像の評価を行った。この場合も、撮影領域全域に渡り急峻な感度低下のない、良好な画像が取得できることを確認した。

＜比較例＞
本比較例は、図５に示すように周辺部材を配置せずに放射線検出装置を作成した例である。周辺部材をＣＭＯＳセンサチップ端部に配置しない以外は、実施形態１と同様の構成である。実施形態１と同様の方法で、シンチレータ層端部の断面像をＳＥＭを使って取得した結果、図５に示す様にチップ端部でシンチレータ層の膜厚が急峻に変化する様子が確認された（５０１で示す部分）。また、実施形態１と同様の放射線検出装置を作成後、画像評価を行った。その結果、シンチレータ層の膜厚が急峻に変化する領域において、感度低下が確認された。

＜実施形態２＞
本実施形態では、図６に示すように、シンチレータ層の形成領域をセンサ基板１０１から周辺部材１０９まで連続的に形成し、周辺部材１０９上でシンチレータ層１０７の端部が終端されて厚さが０になるようにした。周辺部材１０９のセンサ基板１０１に近い側からシンチレータ層１０７の終端された部分までの距離は、センサ基板上のシンチレータ層の厚さと同じ長さになっている。本実施形態について実施形態１と同様に観察したところ、周辺部材のセンサ基板に近い位置のシンチレータ層の厚さはセンサ基板上と同じ厚さになった。実施形態１と同様な放射線検出装置を作成後、画像評価を行った。その結果、撮影領域全域に渡り急峻な感度低下のない、良好な画像が取得できることを確認した。

＜実施形態３＞
本実施形態は、周辺部材の高さを、周辺部材の外周部へ向けて傾斜させた例である。図７に示すように周辺部材のセンサ基板に近い側の高さより、周辺部材の外周側の高さを低くして、外周部へ向かって周辺部材の厚さを減少させた。このようにして作成したセンサパネルの断面をＳＥＭにより観察したところ、センサ基板から周辺部材へ連続して形成されたシンチレータ層の厚さは、センサ基板上では均一だった。また、シンチレータ層の厚さの変化も抑制されていた。実施形態１と同様の放射線検出装置を作成後、画像評価を行った。その結果、撮影領域全域に渡り急峻な感度低下のない、良好な画像が取得できることを確認した。

＜実施形態４＞
本実施形態は、周辺部材１０９をガラス基板から成るセンサ基台１０２と一体に形成した例である。それ以外は実施形態１と同様の構成である。まず、図８に示すように凹部を有するセンサ基台１０２を準備する。センサ基板１０１はセンサ基台の凹部に粘着層１１１を介して支持される。本実施形態ではセンサ基台１０２の凸部８０１を有する端部が周辺部材に相当する。凸部８０１とセンサ基板の表面との段差Δｔは、Δｔ＝３０μｍとした。実施形態１と同様の方法で、シンチレータ層をセンサ基板からセンサ基台の端部の凸部８０１の領域まで連続して形成し、シンチレータ保護層、反射層を形成し、配線接続等を行った。本実施形態についても画像評価を行った結果、撮影領域全域に渡り急峻な感度低下のない、良好な画像が取得できることを確認した。

＜実施形態５＞
本実施形態は、本発明による放射線検出用のセンサパネルを放射線撮像システムへ適用した例を示したものである。図９に示すように、放射線源であるＸ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線検出装置（イメージセンサ）６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応してシンチレータは発光し、これをセンサパネルの光電変換素子が光電変換して、電気的情報を得る。この情報はデジタルに変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室の表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。

また、この情報は電話、ＬＡＮ、インターネットなどのネットワーク６０９０等の伝送処理手段により遠隔地へ転送できる。別の場所のドクタールームなどのディスプレイ６０８１に表示したり光ディスク等の記録手段に保存することができる。したがって、遠隔地の医師が診断することも可能である。また記録手段となるフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６２１０に記録することもできる。

１０１：センサ基板、１０２：センサ基台、１０３：外部配線、１０４：筐体、１０５：電気回路部、１０６：封止樹脂、１０７：シンチレータ層、１０８：シンチレータ保護層、１０９：周辺部材、１１１：粘着層、１１２：反射層

Claims (14)

1. 放射線を検出する放射線検出装置であって、
   センサ基台と、
   前記センサ基台により支持された、前記放射線を検出するために複数の画素からの信号を出力するセンサ基板と、
   前記センサ基板の側面の周辺にその側面が前記センサ基板の側面と対向するように、前記センサ基板とは別に前記センサ基台により支持された、前記放射線を検出するための信号を出力しない周辺部材と、
   前記センサ基板と前記周辺部材とを連続して覆うシンチレータ層と、を備えることを特徴とする放射線検出装置。
2. 放射線を検出する放射線検出装置であって、
   センサ基台と、
   前記センサ基台により支持された、前記放射線を検出するために複数の画素からの信号を出力するセンサ基板と、
   前記センサ基板とは別に前記センサ基板の側面の周辺にその側面が前記センサ基板の側面と対向するように配置された、前記放射線を検出するための信号を出力しない周辺部材と、
   前記センサ基板と前記周辺部材とを連続して覆うシンチレータ層と、を備え、
   前記周辺部材は前記センサ基台と一体に形成されていることを特徴とする放射線検出装置。
3. 前記周辺部材は、前記センサ基台の凸部として形成されていることを特徴とする請求項２に記載の放射線検出装置。
4. 前記センサ基台により複数の前記センサ基板が支持されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
5. 前記センサ基板の少なくとも１辺には接続用の電極が配置されており、前記周辺部材は、前記センサ基板の電極が配置されていない辺に沿って配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
6. 前記センサ基板は長方形の外形を有し、前記電極が配置されていない辺は前記センサ基板の長辺である請求項５に記載の放射線検出装置。
7. 前記センサ基台により支持される複数の前記センサ基板の夫々は、長辺と長辺及び短辺と短辺とが隣接するように配置されており、ここで、前記短辺に沿う方向で配置されているセンサ基板の数が前記長辺に沿う方向で配置されているセンサ基板の数より多い請求項６に記載の放射線検出装置。
8. 前記周辺部材は、複数の前記センサ基板のうちの端に配置されたセンサ基板の長辺に沿って配置されている請求項４乃至７のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
9. 前記センサ基板の厚さは、前記周辺部材の厚さと比べて等しいか厚いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
10. 前記周辺部材の第１部分の厚さは前記周辺部材の第２部分の厚さよりもよりも厚く、前記周辺部材の第１部分は前記周辺部材の第２部分よりも前記センサ基板の前記側面に近い部分であることを特徴とする請求項９に記載の放射線検出装置。
11. 前記周辺部材を覆う前記シンチレータ層の厚さは、前記シンチレータ層の第１部分から前記シンチレータ層の第２部分へ向かって減少し、前記シンチレータ層の第１部分は前記シンチレータ層の第２部分よりも前記センサ基板の前記側面に近く、前記シンチレータ層の第２部分は前記シンチレータ層の第１部分よりも前記周辺部材の外周部に近いことを特徴とする請求項１０に記載の放射線検出装置。
12. 前記シンチレータ層は、針状結晶シンチレータを含み、前記針状結晶シンチレータは少なくとも部分的に前記周辺部材と接している請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
13. 放射線を発生する放射線源と、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の放射線検出装置と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
14. 放射線を検出する放射線検出装置の製造方法であって、
    センサ基板をセンサ基台に載置する工程と、
    放射線を検出するための信号を出力しない周辺部材を、前記センサ基板の側面にその側面が前記センサ基板の側面と対向するように、前記センサ基板とは別に前記センサ基台に載置する工程と、
    前記センサ基板及び前記周辺部材を連続して覆うようにシンチレータ層を形成する工程と、を含むことを特徴とする放射線検出装置の製造方法。

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