アノード入射面を有する検出器システム、およびその検出器システムを製造する方法
【課題】ＣＴシステムなどの撮像システムのための検出器モジュール、およびその検出器モジュールを製造するための方法を提供する。
【解決手段】検出器モジュールは、第１の面３０６および第２の面３０８を有する直接変換センサ３０２のアレイを含む。直接変換センサ３０２の第１の面３０６は、放射線を受け、受けた放射線を対応する電荷信号に変換するピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面３１４を含み、第２の面３０８は共通電極面を含む。また、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに結合している読み出し電子回路を含み、読み出し電子回路は放射線から遮蔽されるように構成されている。さらに、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第２の面３０８で結合しているバイアス電圧回路３１０を含む。
【解決手段】検出器モジュールは、第１の面３０６および第２の面３０８を有する直接変換センサ３０２のアレイを含む。直接変換センサ３０２の第１の面３０６は、放射線を受け、受けた放射線を対応する電荷信号に変換するピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面３１４を含み、第２の面３０８は共通電極面を含む。また、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに結合している読み出し電子回路を含み、読み出し電子回路は放射線から遮蔽されるように構成されている。さらに、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第２の面３０８で結合しているバイアス電圧回路３１０を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術の実施形態は、概して撮像システムに関し、より詳細には、放射線撮像システムのための検出器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、放射線撮像システムは、患者、または手荷物の１つなどの被験体に向けて放射線を放射する放射線源を含む。放射線ビームは、被験体によって減衰した後、放射線検出器のアレイに当たる。一般に、検出器アレイの所で受けられる放射線ビームの強度は、スキャンされる被験体を通る放射ビームの減衰に依存する。特に、検出器アレイにおけるそれぞれの検出器は、その検出器によって受けられた減衰したビームを示す個別の信号を生成する。
【０００３】
そのため、撮像システムにおける検出器アレイでは、例えば、シンチレータとフォトダイオードセンサの組み合わせ、および直接変換センサを含む複数の検出器モジュールが用いられる。これらの検出器モジュールは、Ｘ線の光子のエネルギーを、特定の時間にわたって積分され、次に測定され、最終的にデジタル化される電流信号に変換する。一実装形態では、検出器モジュールには、まずＸ線の光子のエネルギーを電流パルス信号に変換し、次にこれらの個々のパルスを検出する光子計数（ＰＣ）センサが含まれる。光子の計数を選択することにより、電流パルスにおける振幅の検出によって、吸収線量における有効なＸ線スペクトルの情報、エネルギーの識別、および／または、物質の分析能力も提供される。
【０００４】
デバイスのサイズが小さくなる一方で集積回路デバイスの密度が増えると、検出器の性能は、製造に用いられる利用可能な相互接続技術およびセンサ材料の制約によってますます影響を受ける。シンチレータとの組み合わせで用いられる従来のフォトセンサでは、一般に放射線入射面の反対側に検出器ピクセルの面が位置している。このような配置は、フォトダイオードから集積化読み出し電子回路への信号の電気的な送信を容易にする。同様に、直接変換センサは、共通電極面およびピクセル電極面を通常有する。電子は、Ｘ線の直接変換について対象となる半導体の電荷における多数キャリアである。直接変換センサでは電子の輸送が支配的であるため、ピクセル電極は、一般に共通電極面に対して正の電圧でバイアスされる。したがって、直接変換センサは、共通カソード電極に対して正のバイアス電圧を有するセグメント化アノード電極を有する。セグメント化アノード電極は、対応する読み出し電子回路に検出器パッケージ（ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｐａｃｋａｇｉｎｇ）を介して送られる電子を収集する。特に、従来のセンサでは、一般に共通カソードが放射線入射面となり、複数のピクセル素子に細分化されうるセグメント化アノードは、放射線入射面の反対側に配置される。上記で説明したように、このような従来の構成は、アノードピクセルから読み出し電子回路への信号の電気的な送信を容易にする。
【０００５】
しかし、共通カソードの照射を用いる従来のセンサ構成では、カソード付近のセンサ材料の中でＸ線の吸収によって生じた電子は、アノードに到達する前にセンサ材料の厚さの端から端まで移動する必要がある。利用可能なセンサ材料の品質における制約によって、センサ材料の不良部分の所で電荷のトラッピング（ｔｒａｐｐｉｎｇ）が生じる。さらに、このような従来における検出器の構成では、トラップされた電荷の性質によって、内部の電界が変化する。特に、この電界は、カソードから、読み出し電子回路に接続されているアノードまでの、センサ材料の端から端にわたる移動距離の長さによって、多数キャリアに対して小さくなる。特に、電荷の一部は、輸送中にセンサ材料の中でトラップされ、検出器システムにおける電荷収集効率の低下をもたらす。さらに、トラップされる電荷が絶えず変化することによって、検出器の応答に関する安定性と再現性が低下する。したがって、従来における検出器の構成では、高い統計的有意性を要するような様々な撮像操作のための、高いフラックスレート（ｆｌｕｘ ｒａｔｅ）と、高い強度とが提供されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，６０６，３４７号明細書
【発明の概要】
【０００７】
従来の検出器におけるフラックスレートの制約を克服し、検出器の安定動作を提供する検出器システムを開発することが望ましい。さらに、高い電荷収集効率を提供し、それによって様々な撮像用途で用いる高いフラックスレート、および高い強度のＸ線における動作に適したセンサを有する検出器システムが必要である。
【０００８】
本技術の態様によれば、放射線撮像システムのための検出器モジュールが提示される。検出器モジュールは、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含む。直接変換センサの第１の面は、放射線を受け、受けた放射線を対応する電荷信号に変換するピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面を含み、第２の面は共通電極面を含む。また、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第１の面で結合している読み出し電子回路を含み、この読み出し電子回路は放射線から遮蔽されている。さらに、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第２の面で結合しているバイアス電圧回路を含む。
【０００９】
本技術の態様によれば、放射線撮像システムのための検出器モジュールを製造するための方法が開示される。この方法は、セグメント化電極面を含む第１の面、および共通電極面を含む第２の面を有する直接変換センサのアレイを提供することを含む。さらに、直接変換センサのアレイは、放射線を第１の面で受け、受けた放射線を対応する電荷信号に変換するために配置される。さらに、読み出し電子回路は、フレキシブル相互接続部を介して１つまたは複数の直接変換センサに結合する。加えて、１つまたは複数の直接変換センサの第２の面は、フレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して多層基板に結合し、その多層基板にはスペーサ素子が結合する。
【００１０】
本システムの態様によれば、ＣＴシステムが開示される。ＣＴシステムは、スキャンされる被験体を収容する開口部と、少なくとも１つの放射線源とを有する回転可能なガントリー（ｇａｎｔｒｙ）を含み、この少なくとも１つの放射線源は、回転可能なガントリーに動作可能に結合しており、被験体に向けて放射線を放射するように構成されている。さらに、ＣＴシステムは、被験体から受けた放射線を検出する検出器モジュールを含む。特に、検出器モジュールは、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含む。直接変換センサの第１の面は、受けた放射線を検出し、その放射線を対応する電荷信号に変換するセグメント化電極面を含み、第２の面は共通電極面を含む。また、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに結合している読み出し電子回路を含み、この読み出し電子回路は放射線から遮蔽されている。さらに、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第２の面で結合しているバイアス電圧回路を含む。さらに、ＣＴシステムは、検出器モジュールから被験体の少なくとも一部に対応する投影データを取得し、取得した投影データを用いて被験体の少なくとも一部の画像を再構成するコンピューティングデバイスを含むこともできる。
【００１１】
本技術のこれらおよび他の特徴、態様、ならびに利点は、図面全体を通して同じ文字が同じ部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明が読まれると、さらに良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＣＴ撮像システムを絵で表した図である。
【図２】図１に示されているＣＴ撮像システムの概略ブロック図である。
【図３】本技術の態様による、検出器モジュールの例示的構成を示す概略図である。
【図４】本技術の態様による、別の検出器モジュールの例示的構成を示す概略図である。
【図５】本技術の態様による、検出器における１つまたは複数のコンポーネントを結合するために用いられるフレキシブル相互接続部の例示的構成に関する概略図である。
【図６】本技術の態様による、検出器モジュールを形成するための方法に関する説明図である。
【図７ａ】本技術の態様による、検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置に関する説明図である。
【図７ｂ】本技術の態様による、検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置に関する説明図である。
【図８ａ】本技術の態様による、従来の検出器と例示的検出器モジュールとに対する、時間に応じた計数率の比較に関する説明図である。
【図８ｂ】本技術の態様による、従来の検出器と例示的検出器モジュールとに対する、時間に応じた計数率の比較に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、様々な撮像条件のもとで高電界と電荷収集効率の向上とを支える、放射線撮像システムにおける検出器システムが提示される。特に、以下の説明で例示される実施形態では、アノード入射面を含む検出器モジュールを含むコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）システムなどの撮像システムと、検出器モジュールを製造するための方法とが開示される。本技術の例示的実施形態は、ＣＴシステム用の検出器モジュールの場合において説明されるが、様々な他の撮像用途と、Ｘ線投射撮像システム、Ｘ線回折システム、マイクロスコープ、デジタルカメラ、および電荷結合デバイスなどの他のシステムとにおいて本検出器モジュールを使用することも考えられる点が理解されるであろう。本システムの様々な実装形態を実施するのに適した例示的環境を、図１を参照して以下のセクションで説明する。
【００１４】
図１は、投影データを取得して処理するための例示的ＣＴシステム１００を示す。一実施形態では、ＣＴシステム１００は、ガントリー１０２を含む。さらに、ガントリー１０２は、ガントリー１０２の反対側に配置された検出器アレイ１０８に向けてＸ線の放射線１０６のビームを射出する少なくとも１つのＸ線放射線源１０４を含む。図１は単一のＸ線放射線源１０４を示すが、いくつかの実施形態では、異なるビュー角度からの投影データを取得するために、複数のＸ線ビームを投射する複数の放射線源が用いられてもよい。一実施形態では、Ｘ線の放射線源１０４は、患者に対応する所望の画像ボリュームに相当する投影データを取得できるように、検出器アレイ１０８に向けてＸ線の放射線１０６を投射する。
【００１５】
一実施形態では、検出器アレイ１０８は、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含む複数の検出器モジュールを含む。特に、センサの第１の面は、Ｘ線の放射線１０６を受け、受けたＸ線の放射線１０６を対応する電荷信号に変換するために配置されたセグメント化電極面、すなわちアノード面を含む。例として、第１の面／アノード面は、入射したＸ線の放射線１０６を受け、その放射線を対応する電荷信号に変換する素子の２次元アレイにセグメント化することができる。検出器モジュールのアノード入射構成によって、検出器アレイ１０８の電荷収集効率が向上する。検出器の性能を大きく向上させるこのような検出器モジュールの例示的構成を、図２〜図８を参照してさらに詳しく説明する。
【００１６】
図２は、図１のＣＴシステム１００と同様である、投影データを取得して処理するための検出器アレイ１０８を含む撮像システム２００を示す。そのため、検出器アレイ１０８は、複数の検出器素子２０２を含み、これらの検出器素子２０２は共に、対応する投影データを取得するために、患者または手荷物などの被験体２０４を通過する投射されたＸ線ビームを感知する。特に、一実施形態では、検出器素子２０２は、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含むことができ、このうち第１の面は、入射したＸ線の放射線１０６を受ける。したがって、検出器アレイ１０８は、セルまたは検出器素子２０２の複数の並びを含むマルチスライス構成で製造することができる。このような構成では、検出器素子２０２の１つまたは複数の追加の並びは、投影データを取得するために、一般に並列構成で配置することができる。
【００１７】
さらに、投影データを取得するためのスキャンの間に、ガントリー１０２、およびガントリー１０２に取り付けられたコンポーネントは、回転の中心点２０６のまわりを回転する。あるいは、被験体２０４に対する投射角度が時間に応じて変化する実施形態では、取り付けられたコンポーネントは、円弧ではなく一般曲線に沿って動くこともできる。そのため、ガントリー１０２の回転とＸ線の放射線源１０４の動作とは、所望のエネルギーレベルにおける、所望のビュー角度からの投影データを取得するために、撮像システム２００の制御機構２０８によって制御されてもよい。一実施形態では、制御機構２０８は、Ｘ線の放射線源１０４に電力とタイミング信号を供給するＸ線コントローラ２１０、および、スキャン要件に基づいてガントリー１０２の回転速度と位置を制御するガントリーモータコントローラ２１２を含むことができる。
【００１８】
制御機構２０８は、検出器素子２０２から受信したアナログデータをサンプリングし、そのアナログデータを後続の処理のためにデジタル信号に変換するためのデータ取得システム（ＤＡＳ）２１４をさらに含むことができる。ＤＡＳ２１４によってサンプリングされ、デジタル化されたデータは、コンピューティングデバイス２１６に送信することができる。コンピューティングデバイス２１６は、このデータを、ハードディスクドライブ、フロッピー（商標）ディスクドライブ、コンパクトディスク−リード／ライト（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）ドライブ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）ドライブ、フラッシュドライブ、またはソリッドステートストレージデバイスなどのストレージデバイス２１８に記憶させることができる。
【００１９】
さらに、コンピューティングデバイス２１６は、撮像システム２００を動作させるために、ＤＡＳ２１４、Ｘ線コントローラ２１０、およびガントリーモータコントローラ２１２の１つまたは複数に適切な命令とパラメータを提供することができる。それによって、一実施形態では、コンピューティングデバイス２１６は、オペレータが被験体の画像を観察すること、および／または、オペレータが、キーボード（図示せず）を含みうるオペレータ用コンソール２２２を介してコマンドおよびスキャンパラメータを指定することを可能にするディスプレイ２２０に動作可能に結合している。コンピューティングデバイス２１６は、オペレータ供給の命令およびパラメータ、ならびに／または、システムで定義された命令およびパラメータを用いて、モータ駆動のテーブル２２６を制御するテーブルモータコントローラ２２４を動作させる。特に、テーブルモータコントローラ２２４は、対応する投影データを検出器素子２０２が取得できるように、ガントリー１０２の中の、患者などの被験体２０４を適切に位置決めするためにテーブル２２６を動かす。
【００２０】
上記で説明したように、従来における検出器の構成では、取得される投影データに対応する多数電荷キャリアの長い距離にわたる輸送が必要である。特に、カソードからＤＡＳ２１４などの読み出し電子回路までの、また、電荷をトラップする不良部分を有するセンサ材料の端から端までの電荷キャリアの輸送が起こり、それによって電荷収集効率の損失が生じる。本技術の態様によれば、これらの従来における検出器の構成の欠点は、検出器素子２０２のアレイにおけるセグメント化アノード面が、入射するＸ線の放射線１０６を受けるように検出器素子２０２を製造することによって回避されうる。Ｘ線の放射線１０６が、アノード入射面付近の直接変換センサの材料に吸収されるため、ＤＡＳ２１４に向かう収集される電荷の移動距離が短くなり、それによって、より安定した検出器の動作がもたらされる。
【００２１】
ＤＡＳ２１４は、収集された電荷に対応するＸ線データをサンプリングしてデジタル化する。その後、画像再構成器２２８は、サンプリングされ、デジタル化されたＸ線データを用いて、高い統計的有意性を要する画像操作などで用いるための高品質画像の高速の再構成を行なう。次に画像再構成器２２８は、再構成された画像をストレージデバイス２１８に記憶させるか、または、診断および評価に有用な情報を生み出すために、コンピューティングデバイス２１６に再構成された画像を送信する。コンピューティングデバイス２１６は、所望の組織における高品質の再構成画像をオペレータが評価することを可能にするディスプレイ２２０に、再構成画像と他の有用な情報とを送信することができる。良好な高品質画像を再構成することの助けとなる効率的な電荷収集を可能にする検出器モジュールの例示的構成を、図３を参照してさらに詳しく説明する。
【００２２】
図３は、本技術の態様による、図２の検出器素子２０２と同様の検出器素子のアレイを一般に含む撮像用検出器システム３００の例示的構成に関する説明図である。一実施形態では、検出器素子は直接変換センサ３０２であり、直接変換センサ３０２の第１の面３０６と第２の面３０８との間に配置されたセンサ材料３０４を含む。さらに、第１の面３０６は、Ｘ線の放射線１０６を受け、その放射線を対応する電荷信号に変換するピクセル素子のアレイを形成するように細分されたセグメント化電極面を含み、第２の面３０８は共通電極面を含む。具体的には、第１の面３０６に入射するＸ線の放射線１０６は、直接変換センサ３０２の材料によって吸収され、それによって電子と正孔のペアが作られる。そのため、直接変換センサ３０２は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛結晶、および、多結晶コンパクト、ならびに／または、これらの同じ化合物の薄膜層などの材料を含む。いくつかの実施形態では、テルル化水銀カドミウム、沃化第二水銀、臭化タリウム、沃化鉛、酸化鉛、シリコン、ガリウム砒素などの他の半導体を用いることもできる。
【００２３】
さらに、直接変換センサ３０２は、バイアス電圧回路３１０への電気接続部を含み、この電気接続部は、第２の面３０８に結合されうる。バイアス電圧回路３１０は、直接変換センサ３０２における特定の接触部に向かう電荷の動きを促進するために、第１の面３０６および第２の面３０８の少なくとも一方に適切な電圧バイアスを加える。現在のところ考えられる構成では、第１の面３０６は、第２の面３０８に対して正の電圧バイアスを有する。したがって、第１の面３０６は、電子を収集するアノードを含むことができ、第２の面３０８はカソードを含むことができる。Ｘ線の放射線を第２の面／カソード面３０８で受けるように構成された従来における検出器の構成と異なり、直接変換センサ３０２は、入射するＸ線の放射線を第１の面／アノード面３０６で受ける。上記で説明したように、入射した放射線によって電子と正孔のペアが作られる。一実施形態では、バイアス電圧回路３１０は、負のバイアス電圧を第２の面／カソード面３０８に加え、それによって、カソードに正孔を集めさせ、アノードに電子を集めさせる。例示的実装形態では、カソードに加えられるバイアス電圧は、約−１００ボルトから約−５０００ボルトまでの範囲であってもよく、一方、アノードはグラウンド電位に保たれる。
【００２４】
したがって、第１の面／アノード面３０６において正にバイアスされているピクセルアレイは、電子を収集するために読み出し電子回路３１２に結合している。そのため、読み出し電子回路３１２は、関連するデータを収集するために、図２のＤＡＳ２１４などの１つまたは複数の取得システム、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および／または、他の好適な処理システムを含むことができる。特に、読み出し電子回路３１２は、入射するＸ線の位置に関する空間マッピングを得るために、第１の面／セグメント化アノード面３０６に結合している。そのため、第１の面／セグメント化アノード面３０６は、それぞれが読み出し電子回路３１２の対応するチャネルに接続されている複数のアノードパッド３１４を含むことができる。
【００２５】
一般に、Ｘ線は、ランベルト−ベールの法則に従って入射位置の近くに吸収される。したがって、本構成では、読み出し電子回路３１２に送られる多数キャリアであることによって収集される電荷は、従来における検出器のシステムのようにセンサ材料３０４の厚さの端から端までの全ての移動に比べて、実質的に短い距離を移動する。例示的実装形態では、センサ材料３０４の厚さは、約０．１ｍｍから約２０ｍｍでもよい。このように、直接変換センサ３０２のアノード照射構成によって、セグメント化アノードパッド３１４への多数キャリアの輸送距離の短さを保ちつつ、他の方法では薄い材料を貫通して伝わってしまう高エネルギーの光子を有する放射線を検出するために厚いセンサ材料３０４を使用することが可能となる。さらに、トラップされた任意の正孔は、センサ材料３０４の深い部分にある対応する電子の位置における電界を増加させうる。電界の増加は、セグメント化アノードパッド３１４に急速に移動する電子の傾向をさらに高め、それによって、直接変換センサ３０２の電子収集効率が著しく向上する。加えて、このように速められた電子の輸送により電子のトラッピングの機会がさらに減り、それによって、より安定した検出器の動作がもたらされる。例示的実装形態の１つでは、アノード入射面を有する直接変換センサは、カソード入射面を有する従来における検出器の構成と比べて、電荷収集効率において約３００％の改善を示した。
【００２６】
このように、Ｘ線の放射線をアノード面で受ける直接変換センサ３０２を構成することによって、様々な撮像用途で有用となりうる、はるかに高いフラックスレート、および、はるかに高い強度のＸ線の使用が可能となる。例として、直接変換センサ３０２のアノード入射構成によって、約１千万カウント／秒／ミリ平方メートルから約１０億カウント／秒／ミリ平方メートルにわたるフラックスレートの使用が可能となりうる。しかし、高フラックスレートおよび高強度のＸ線は、読み出し電子回路３１２に対して放射線損傷を引き起こす恐れがある。したがって、一実施形態では、読み出し電子回路３１２は、Ｘ線から遮蔽されるように、センサアレイにおいて隣接する直接変換センサ３０２の裏側に配置される。
【００２７】
さらに、いくつかの実施形態では、読み出し電子回路３１２は、放射線の透過力が大きく作られ、アノードパッド３１４に直接的に結合している。このような放射線の透過力が大きい構成は、例えば、Ｘ線の相互作用の可能性を低減する小規模のゲートサイズと薄い厚さにおける使用を可能にしながら、宇宙用途に特化しているＩＣ製造工場でＡＳＩＣチップとして製造されうる。残念なことに、このような構成は、いくつかの場合では性能の低さをもたらす恐れがある。したがって、一実施形態では、読み出し電子回路３１２は、入射するＸ線の放射線１０６から読み出し電子回路３１２が遮蔽されるように、重なり合うように配置されたセンサアレイにおいて隣接する直接変換センサの裏側に配置される。入射する放射線から遮蔽され、適切に配置された読み出し電子回路を有する直接変換センサの例示的構成を、図４を参照してさらに詳しく説明する。
【００２８】
ここで図４を参照すると、対応する読み出し電子回路に対する放射線損傷を防ぐために適切に配置された複数の直接変換センサを有する検出器モジュール４００の例示的構成が示されている。特に、図４に示されている構成では、それぞれが第１の面および第２の面を有する直接変換センサ４０２ならびに４０４が重なり合うように配置されたアレイを含む検出器モジュール４００が示されている。例として、直接変換センサ４０４は、第１の面４０６および第２の面４０８を有する。一実施形態では、第１の面４０６は、Ｘ線の放射線１０６を受け、その放射線を対応する電荷信号に変換するように構成されたピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面を含み、第２の面４０８は共通電極面を含む。さらに、第１の面４０６は、第２の面に対して正の電圧バイアスに保つことができる。したがって、第１の面４０６は、電子を収集するアノードを含むことができ、第２の面４０８はカソードを含むことができる。
【００２９】
図４は、直接変換センサ４０２および４０４の２つだけを示しているが、検出器モジュール４００は、入射するＸ線の放射線１０６を、対応する第１の面すなわちセグメント化アノード面で受けるように構成された多数のセンサを含むことができる。特に、一実施形態では、センサをタイルのように並べることは、それぞれのこけら板（ｓｈｉｎｇｌｅ）が前のこけら板の一部を覆っているこけら板によってなぞらえることができる。このように、直接変換センサ４０２および４０４は、センサアレイにおける少なくとも１つの他の直接変換センサの読み出し電子回路を遮蔽するように適切に配置することができる。そのため、読み出し電子回路は、センサアレイにおける１つまたは複数のセンサに接続することができる。例として、図４は、直接変換センサ４０４に接続された読み出し電子回路４１０を示す。特に、直接変換センサ４０４に対応するアノードパッドは、例えば、フレキシブル相互接続部４１２または直接電気接続部を用いて読み出し電子回路４１０に接続することができる。
【００３０】
さらに、一実施形態では、読み出し電子回路４１０は、入射するＸ線の放射線１０６から遮蔽されるように、センサアレイにおける近傍の、または隣接する直接変換センサ４０４の裏側に配置される。さらに、読み出し電子回路４１０は、同じ平面に配置することができ、また、センサアレイにおいて対応する直接変換センサ４０４の一方の面に対して配置することができる。特に、読み出し電子回路４１０は、図１の放射線源１０４などのＸ線源から受けるＸ線照射の場から外れるように配置される。
【００３１】
いくつかの実施形態では、直接変換センサ４０２の読み出し電子回路が後続または隣接する直接変換センサ４０４によって遮蔽されるように、直接変換センサ４０２および４０４を、センサアレイにおいてある角度で位置決めすることによって、すなわち、ある角度で部分的に重なり合うように配置することによって、入射するＸ線の放射線１０６からのさらなる保護を実現することができる。一例では、直接変換センサ４０２の読み出し電子回路４１０は、近傍の直接変換センサ４０４とスペーサ素子４１６の間、または、近傍の直接変換センサ４０４と検出器ボード４１８の間に配置される。同様に、直接変換センサ４０４の読み出し電子回路４１０を遮蔽するために、後続の直接変換センサ（図示せず）をある角度で配置することができ、その後も同様である。理解しやすいように、直接変換センサ４０４を参照して、検出器モジュール４００における特定要素の説明を以降のセクションで開示する。しかし、開示される要素は、センサアレイに配置される他の直接変換センサの構成にも適用可能でありうる。
【００３２】
さらに、一実施形態では、直接変換センサ４０４の第１の面、すなわちセグメント化アノード面４０６は、フレキシブル相互接続部４１２を介して対応する読み出し電子回路４１０に結合している。例として、直接変換センサ４０４は、フレキシブル相互接続部４１２にはんだ付けすることができ、または、レーザーボンディングの方法によって取り付けることができる。さらに、直接変換センサ４０４の第２の面４０８は、多層基板４１４に接触していてもよく、かつ／または、電子的に結合していてもよい。本明細書で用いられる場合、「フレキシブル」という用語は、フレキシブル相互接続部４１２が配置される表面の外形にフレキシブル相互接続部４１２が沿うように、直接変換センサ４０４および／または多層基板４１４の１つまたは複数の表面のまわりに配置されるフレキシブル相互接続部４１２の能力を指す。そのため、フレキシブル相互接続部４１２は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）ポリエーテルイミド、フレキシブルプリント回路、またはこれらの組み合わせなどの材料を含む。
【００３３】
いくつかの実施形態では、フレキシブル相互接続部４１２は、フレキシブル相互接続部４１２の特定の表面に配置された複数の電気接触素子または電気接触点（図示せず）をさらに含むことができる。特に、複数の電気接触素子は、直接変換センサ４０４の対応する電気接触点を、多層基板４１４の対応する接触点に結合するように構成することができ、それによって、結合した素子どうしの間の電気経路が設けられる。例として、フレキシブル相互接続部４１２は、直接変換センサ４０４の第１の面４０６におけるアノードパッド（図４では示さず）を、対応する読み出し電子回路４１０の読み出しチャネルに個々に結合することができる。したがって、フレキシブル相互接続部４１２は、フレキシブル相互接続部４１２の少なくとも対応する上部面と底部面に、金属はんだのトレース、ナノワイヤー、導電ポリマーのリボン、またはこれらの組み合わせなどの導電素子をさらに含むことができる。特に、フレキシブル相互接続部４１２は、直接変換センサ４０４と多層基板４１４との間の電気経路を設けるために導電素子を含むことができる。このように、フレキシブル相互接続部４１２は、従来の穴開けの手法（ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ）により要求される機械的強度の問題によって制約されることなく、応力、歪み、および／もしくは許容誤差などの所望の機械的特性ならびに／または電気的特性の両方を提供するための、多層基板４１４の材料選択におけるフレキシビリティを可能にする。
【００３４】
したがって、多層基板４１４は、ガラス、セラミック、プラスチック、金属、紙、ポリマー、複合材料、またはこれらの組み合わせなどの材料を含む。特に、一実施形態では、多層基板４１４は、検出器モジュール４００の他のコンポーネントから高電圧（カソードにおいて約６００Ｖ）を絶縁する多層のセラミックである。そのため、セラミックの多層基板４１４は、導電トレースまたはワイヤー接続部を介して直接変換センサ４０４のカソード面／第２の面４０８に結合している非電気的な、または機械的なセラミック回路ボードでもよい。あるいは、セラミックの多層基板４１４は、電気接続部分を固有に含むこともできる。
【００３５】
本技術の態様によれば、セラミックの多層基板４１４は、少なくとも１つのスペーサ素子４１６にさらに結合している。特に、スペーサ素子４１６は、２つ以上の検出器モジュールを検出器ボード４１８につないでいる。そのため、スペーサ素子４１６は、位置合わせピン、ねじ、噛み合い式の留め具、キー／スロット構造、接着剤、および／または、他の好適なデバイスなどの固定機構４２０を用いて検出器ボード４１８に結合されうる。一実施形態では、スペーサ素子４１６は、センサアレイにおいて直接変換センサ４０２および４０４を所望の角度でそろえるために配置された楔形スペーサである。具体的には、スペーサ素子４１６は、直接変換センサ４０２の読み出し電子回路（図示せず）がセンサアレイにおける後続の直接変換センサ４０４によって遮蔽されるよう、直接変換センサ４０２および４０４をそろえるように構成されている。
【００３６】
このように、スペーサ素子４１６は、検出器ボード４１８の機械的な支持体となる。さらに、スペーサ素子４１６は、検出器の表面が湾曲した形状である必要のある、幅の広いコーンビームの設計におけるファン角（ｆａｎ ａｎｇｌｅ）に対応するようにも適合されうる。例として、楔形のスペーサ素子は、図２の検出器１０８などの湾曲した検出器の曲線に対応することができる。しかし、いくつかの実施形態では、スペーサ素子４１６は、入射したＸ線の放射線１０６によって熱くなる場合がある直接変換センサ４０４および／または多層基板４１４を冷却するための温度スタビライザーとして付加的に機能することができる。そのため、スペーサ素子４１６は、高分子材料、金属、セラミック材料、またはこれらの組み合わせを含むことができる。
【００３７】
一実施形態では、フレキシブル相互接続部４１２は、直接変換センサ４０４の第１の面４０６に配置されたアノードパッドに結合しており、第２の面４０８に配置されたカソードは、多層基板４１４に結合している。さらに多層基板４１４は、スペーサ素子４１６に結合している。特に、直接変換センサ４０４、フレキシブル相互接続部４１２、多層基板４１４、およびスペーサ素子４１６は共に、撮像システム用の検出器モジュール４００のフィールド交換可能ユニットを形成することができる。このような複数のフィールド交換可能ユニットは、広い範囲を覆うために、例えば、検出器システムにおける噛み合い式のスロットによってまとめることができる。同様に、このようなフィールド交換可能ユニットは、検出器の構成を変更するために容易に分解することができる。そのため、フィールド交換可能ユニットを１つまたは複数の検出器ボードに対して結合および／または分離するために、コネクタおよび／またはフレキシブルケーブル４２２を用いることができ、それによって、検出器ボード４１８に対する検出器モジュール４００の交換可能性が助長される。さらに、フレキシブルケーブル４２２によって、異なる検出器ボードに配置された検出器モジュール間の電力およびデジタル通信信号の送信が可能となりうる。
【００３８】
検出器モジュール４００に関して現在のところ考えられる構成によって、入射するＸ線の放射線１０６が第１の面４０６で受けられる。しかし、従来の実装手法では、検出器モジュール４００における吸収線量の効率を低下させうる光子の著しい損失につながる、実装部分の端から端までの、入射したＸ線の放射線１０６の輸送が必要となる場合がある。そのため、検出器モジュール４００の電荷収集効率を維持するために、１つまたは複数の特定の実装構成を用いることができる。
【００３９】
例として、図５は、検出器モジュール４００における１つまたは複数のコンポーネントを結合するために用いられる、図４のフレキシブル相互接続部４１２などのフレキシブル相互接続部の例示的構成を示す。図５は、理解しやすいように数個の検出器コンポーネントだけを示しているが、検出器モジュール５００は、図４に示されているコンポーネントなどの他のコンポーネントを含むことができる。それにより、一実施形態では、フレキシブル相互接続部５０２は、直接変換センサ５０６の第１の面５０４を、対応する読み出し電子回路５０８に結合するように構成されている。
【００４０】
直接変換器センサ４０４および読み出し電子回路４１０が同じ平面にある、図４に示されている実施形態と異なり、図５のフレキシブル相互接続部５０２は、読み出し電子回路５０８を、対応する直接変換センサ５０６に対して実質的に垂直な平面に配置するように構成されている。特に、フレキシブル相互接続部５０２の一部は、直接変換センサ５０６の第１の面５０４に沿って配置されており、フレキシブル相互接続部５０２の別の部分は、約９０度曲がっており、直接変換センサ５０６に対応する検出器ボード５１０に沿って配置されている。図６に示されているフレキシブル相互接続部の構成は、一般に「Ｌ」構成と呼ばれることがある。
【００４１】
さらに、検出器モジュール５００は、水平な平面に配置された直接変換センサ５０６を支える平らな楔スペーサなどのスペーサ素子５１２を用いることができる。検出器モジュール５００の電荷収集効率を著しく向上させるために、図５に示されている実施形態では、水平面に沿う第１の面５０４におけるアノードパッドが、垂直面に配置された読み出し電子回路５０８のアナログ入力チャネルに有利に結合している。具体的には、「Ｌ」構成によって、入射するＸ線の放射線１０６から読み出し電子回路５０８を遮蔽することも行ないつつ、読み出し電子回路５０８に向かう、第１の面５０４に入射したＸ線の放射線１０６の移動距離がはるかに小さくなることが確実なものとなる。
【００４２】
図５に示されている実施形態はフレキシブル相互接続部５０２の「Ｌ」構成を示すが、フレキシブル相互接続部５０２の可撓性のある性質は、いくつかの代替実施形態にも役立つ。例として、「Ｕ」構成では、フレキシブル相互接続部５０２は、検出器モジュール５００の２つの面を包む。同様に、「Ｔ」構成では、フレキシブル相互接続部５０２の第１の部分は第１の面５０４を包み、フレキシブル相互接続部５０２の他の２つの部分は、直接変換センサ５０６の中央と重なる。特に、フレキシブル相互接続部５０２の小さい部分を使用することによって、電荷収集効率と、高密度の相互接続部分を有するフレキシブル相互接続部５０２の製造可能性とがさらに向上する。
【００４３】
図６に目を向けると、本技術のいくつかの態様による、検出器モジュールを製造するための例示的方法を示すフローチャート６００が提示されている。さらに、図６では、この例示的方法は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実施されうる動作を示す、論理にかなったフローチャートにおけるブロックの集まりとして示されている。様々な動作は、例示的方法における異なるフェーズにおいて概して行なわれる機能を示すブロックに図示されている。
【００４４】
ソフトウェアの場合には、ブロックは、１つまたは複数の処理用サブシステムによって実行されるときに、列挙された操作を行なうコンピュータの命令を表す。例示的方法が説明される順序は、限定として解釈されるようには考えられておらず、本明細書で開示される例示的方法、または等価である代替方法を実施するために、説明される任意数のブロックが任意の順序で組み合わせられてもよい。さらに、本明細書で説明される主題の主旨および範囲から逸脱することなく、例示的方法から特定のブロックが削除されてもよく、また、追加された機能を有する追加ブロックが加えられてもよい。説明を目的として、図３〜図５の要素を参照して例示的方法を説明する。
【００４５】
ステップ６０２では、セグメント化電極面を含む第１の面と、共通電極面を含む第２の面とを有する、図４の直接変換センサ４０２および４０４などの直接変換センサのアレイが提供される。次にステップ６０４では、Ｘ線を第１の面で受け、受けたＸ線を対応する電荷信号に変換するために、直接変換センサのアレイが配置される。そのため、直接変換センサの第１の面はセグメント化電極面に対応し、直接変換センサの第２の面は共通電極面に対応する。さらに、第１の面は、第２の面に対して正の電圧バイアスを有する。したがって、一実施形態では、第１の面はアノード面を含み、第２の面はカソード面を含む。
【００４６】
さらにステップ６０６では、図４の読み出し電子回路４１０などの読み出し電子回路が、フレキシブル相互接続部４１２などのフレキシブル相互接続部を介して第１の面に結合する。さらに、ステップ６０８では、第２の面が、例えばフレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して、図４の多層基板４１４などの多層基板に結合する。特に、一実施形態では、センサアレイにおける直接変換センサは、センサアレイにおける直接変換センサの読み出し電子回路が後続の直接変換センサによって遮蔽されるように、多層基板上にある角度で配置される。別の実施形態では、読み出し電子回路は、Ｘ線から遮蔽されるように、センサアレイにおける対応する直接変換センサの裏側に配置される。あるいは、読み出し電子回路は、同じ平面に配置することができ、また、対応する直接変換センサの一方の面に対して配置することができる。いくつかの他の実施形態では、読み出し電子回路は、センサアレイにおける対応する直接変換センサと共に、「Ｌ」構成、「Ｕ」構成、または「Ｔ」構成で配置される。
【００４７】
これらの構成のうちの１つまたは複数の構成では、フレキシブル相互接続部は、直接変換センサの電気接触点を、多層基板の対応する点に結合し、それによって、結合した素子どうしの間に電気経路が設けられる。特に、フレキシブル相互接続部は、直接変換センサの第１の面におけるアノードパッドを、対応する読み出し電子回路の読み出しチャネルに個々に結合することができる。このような結合によって、読み出し電子回路に向かう、収集される電荷の移動距離が小さくなり、それによって、入射した放射線から読み出し電子回路が遮蔽されながらも、電荷収集効率が向上する。
【００４８】
さらに、ステップ６１０では、多層基板が、図４のスペーサ素子４１６などのスペーサ素子に結合する。特に、スペーサ素子は、２つ以上の検出器モジュールを検出器ボードにつなぐ。したがって、スペーサ素子は、アノード面に入射するＸ線の放射線を受けることによって収集される電荷の移動距離を小さくするためだけでなく、入射する放射線から読み出し電子回路を遮蔽しうるために、直接変換センサを適切に位置決めするための機械的な支持体となる。しかし、いくつかの実施形態では、スペーサ素子は、入射したＸ線の放射線によって熱くなる場合がある直接変換センサおよび／または多層基板を冷却するための温度スタビライザーとして付加的に機能することができる。
【００４９】
次に、このように製造された検出器モジュールは、広い範囲を覆うために決められたパターンで配置される。特に、図７（ａ）および図７（ｂ）は、検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置７００を示す。例として、ファンビームまたはコーンビームのＣＴ撮像システムでは、検出器モジュールは、広い範囲を覆うために平面アレイ、ステップアレイ、または湾曲アレイ状に配置することができる。一般に、図２の放射線源１０４などの放射線源からＸ線ビームが放射状に放射されるため、検出器素子をＸ線ビームにそろえて配置するために、検出器のアレイ表面における曲率が用いられる。例えば、図７（ａ）に示されている検出器モジュール７０４の配置７０２では、中心部７０６から離れる方に重なり合うように配置されている検出器モジュールのアレイが例示されている。しかし、図７（ｂ）に示されている構成７０８では、同じ方向に重なり合うように配置されている検出器モジュール７１０のアレイが例示されている。
【００５０】
図３〜図７を参照して説明された検出器モジュールに関して現在のところ考えられる構成によって、従来の検出器モジュールよりはるかに高い電荷収集効率がもたらされる。従来における検出器の構成と、現在のところ考えられる検出器の構成とに対する、時間に対する計数率の比較を、図８（ａ）および図８（ｂ）に関して提示することができる。具体的には、図８（ａ）および図８（ｂ）は、従来における検出器の構成と、図３に示されている例示的なアノード照射構成とに対する、時間に対する計数率の比較に関する図式表現８００を示す。
【００５１】
特に、図８（ａ）は、従来における検出器の構成に対する、時間に対する計数率のグラフを示し、図８（ｂ）は、例示的なアノード照射構成に対する、時間に対する計数率のグラフ表現である。図８（ａ）に示されているように、従来における検出器の構成では、カソード照射に関係する電荷のトラッピングによって、時間において計数が低下する不安定性が示される。計数が低下するこの不安定性は、参照数字８０２によって全体的に表されている。しかし、図８（ｂ）に示されている曲線８０４によって図示されているように、アノード照射構成に対応している計数率は、時間にわたって実質的に安定している。このように、Ｘ線の放射線をアノード面で受けるように直接変換センサを構成することによって、様々な撮像用途で必要となる、はるかに高いフラックスレート、および、はるかに高い強度のＸ線の使用が可能となる。
【００５２】
上記で開示された検出器システム、およびその検出器システムを製造する方法では、入射するＸ線の放射線を受けるように配置され、第２の共通電極面に対して正の電圧バイアスを有するセグメント化電極面を含む検出器モジュールが説明されている。入射するＸ線の放射線をセグメント化電極面／アノード面で受けることによって、読み出し電子回路に向かう、収集される電荷の移動距離が小さくなり、それによって、センサにおける電荷のトラッピングによる損失が最小となる。さらに、アノード入射面を用いることによって達成される向上した電荷収集効率を保ちつつ、入射した放射線から読み出し電子回路を効果的に遮蔽する、様々な相互接続構成およびスペーサ構成が提示された。
【００５３】
本技術の例示的実施形態は、ＣＴシステム用の検出器モジュールの場合において説明されているが、様々な他の撮像用途および他の撮像システムにおいて本検出器モジュールを使用することも考えられる点が理解されるであろう。これらのシステムのいくつかには、Ｘ線投射撮影法、蛍光透視法および断層撮影法、陽電子放出断層撮影法（ＰＥＴ）のスキャナー、複数ソースの撮像システム、複数検出器の撮像システム、単光子放射コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）のスキャナー、マイクロスコープ、デジタルカメラ、電荷結合デバイス、またはこれらの組み合わせが含まれうる。
【００５４】
本発明における特定の特徴だけが本明細書において例示され、また説明されたが、当業者には多くの改変および変更が思い浮かぶであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の本来の趣旨に入るこのような全ての改変および変更を含むように考えられていることが理解されることになる。
【符号の説明】
【００５５】
１００ ＣＴシステム
１０２ ガントリー
１０４ 放射線源
１０６ Ｘ線の放射線
１０８ 検出器アレイ
２００ 撮像システム
２０２ 検出器素子
２０４ 被験体
２０６ 回転の中心点
２０８ 制御機構
２１０ Ｘ線コントローラ
２１２ ガントリーモータコントローラ
２１４ データ取得システム
２１６ コンピューティングデバイス
２１８ ストレージデバイス
２２０ ディスプレイ
２２２ コンソール
２２４ コンベアシステム／テーブルモータコントローラ
２２６ コンベアシステム／テーブル
２２８ 画像再構成器
３００ 撮像用検出器システム
３０２ 直接変換センサ
３０４ センサ材料
３０６ 直接変換センサ３０２の第１の面
３０８ 直接変換センサ３０２の第２の面
３１０ バイアス電圧回路
３１２ 読み出し電子回路
３１４ アノードパッド
４００ 検出器モジュール
４０２ 直接変換センサ
４０４ 直接変換センサ
４０６ 直接変換センサ４０４の第１の面
４０８ 直接変換センサ４０４の第２の面
４１０ 読み出し電子回路
４１２ フレキシブル相互接続部
４１４ 多層基板
４１６ スペーサ素子
４１８ 検出器ボード
４２０ 固定機構
４２２ フレキシブルケーブル
５００ 検出器モジュール
５０２ フレキシブル相互接続部
５０４ 第１の面
５０６ 直接変換センサ
５０８ 読み出し電子回路
５１０ 検出器ボード
５１２ スペーサ素子
６００ 検出器モジュールを形成するための例示的方法を示すフローチャート
６０２−６１０ 検出器モジュールを形成するための例示的方法のステップ
７００ 検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置７００
７０２ 検出器モジュール（７０４）の配置
７０４ 検出器モジュール
７０６ 検出器モジュール７０４の配置７０２における中心部
７０８ 検出器モジュール（７１０）の配置
７１０ 検出器モジュール
８００ 従来における検出器の構成と、図３に示されている例示的なアノード照射構成とに対する、時間に対する計数率の比較に関する図式表現８００
８０２ 従来の検出器の構成における、カソード照射に関係する電荷のトラッピングによって、時間において計数が低下する不安定性
８０４ 本願で開示されているアノード照射構成に対応している安定な計数率
【技術分野】
【０００１】
本技術の実施形態は、概して撮像システムに関し、より詳細には、放射線撮像システムのための検出器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、放射線撮像システムは、患者、または手荷物の１つなどの被験体に向けて放射線を放射する放射線源を含む。放射線ビームは、被験体によって減衰した後、放射線検出器のアレイに当たる。一般に、検出器アレイの所で受けられる放射線ビームの強度は、スキャンされる被験体を通る放射ビームの減衰に依存する。特に、検出器アレイにおけるそれぞれの検出器は、その検出器によって受けられた減衰したビームを示す個別の信号を生成する。
【０００３】
そのため、撮像システムにおける検出器アレイでは、例えば、シンチレータとフォトダイオードセンサの組み合わせ、および直接変換センサを含む複数の検出器モジュールが用いられる。これらの検出器モジュールは、Ｘ線の光子のエネルギーを、特定の時間にわたって積分され、次に測定され、最終的にデジタル化される電流信号に変換する。一実装形態では、検出器モジュールには、まずＸ線の光子のエネルギーを電流パルス信号に変換し、次にこれらの個々のパルスを検出する光子計数（ＰＣ）センサが含まれる。光子の計数を選択することにより、電流パルスにおける振幅の検出によって、吸収線量における有効なＸ線スペクトルの情報、エネルギーの識別、および／または、物質の分析能力も提供される。
【０００４】
デバイスのサイズが小さくなる一方で集積回路デバイスの密度が増えると、検出器の性能は、製造に用いられる利用可能な相互接続技術およびセンサ材料の制約によってますます影響を受ける。シンチレータとの組み合わせで用いられる従来のフォトセンサでは、一般に放射線入射面の反対側に検出器ピクセルの面が位置している。このような配置は、フォトダイオードから集積化読み出し電子回路への信号の電気的な送信を容易にする。同様に、直接変換センサは、共通電極面およびピクセル電極面を通常有する。電子は、Ｘ線の直接変換について対象となる半導体の電荷における多数キャリアである。直接変換センサでは電子の輸送が支配的であるため、ピクセル電極は、一般に共通電極面に対して正の電圧でバイアスされる。したがって、直接変換センサは、共通カソード電極に対して正のバイアス電圧を有するセグメント化アノード電極を有する。セグメント化アノード電極は、対応する読み出し電子回路に検出器パッケージ（ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｐａｃｋａｇｉｎｇ）を介して送られる電子を収集する。特に、従来のセンサでは、一般に共通カソードが放射線入射面となり、複数のピクセル素子に細分化されうるセグメント化アノードは、放射線入射面の反対側に配置される。上記で説明したように、このような従来の構成は、アノードピクセルから読み出し電子回路への信号の電気的な送信を容易にする。
【０００５】
しかし、共通カソードの照射を用いる従来のセンサ構成では、カソード付近のセンサ材料の中でＸ線の吸収によって生じた電子は、アノードに到達する前にセンサ材料の厚さの端から端まで移動する必要がある。利用可能なセンサ材料の品質における制約によって、センサ材料の不良部分の所で電荷のトラッピング（ｔｒａｐｐｉｎｇ）が生じる。さらに、このような従来における検出器の構成では、トラップされた電荷の性質によって、内部の電界が変化する。特に、この電界は、カソードから、読み出し電子回路に接続されているアノードまでの、センサ材料の端から端にわたる移動距離の長さによって、多数キャリアに対して小さくなる。特に、電荷の一部は、輸送中にセンサ材料の中でトラップされ、検出器システムにおける電荷収集効率の低下をもたらす。さらに、トラップされる電荷が絶えず変化することによって、検出器の応答に関する安定性と再現性が低下する。したがって、従来における検出器の構成では、高い統計的有意性を要するような様々な撮像操作のための、高いフラックスレート（ｆｌｕｘ ｒａｔｅ）と、高い強度とが提供されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，６０６，３４７号明細書
【発明の概要】
【０００７】
従来の検出器におけるフラックスレートの制約を克服し、検出器の安定動作を提供する検出器システムを開発することが望ましい。さらに、高い電荷収集効率を提供し、それによって様々な撮像用途で用いる高いフラックスレート、および高い強度のＸ線における動作に適したセンサを有する検出器システムが必要である。
【０００８】
本技術の態様によれば、放射線撮像システムのための検出器モジュールが提示される。検出器モジュールは、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含む。直接変換センサの第１の面は、放射線を受け、受けた放射線を対応する電荷信号に変換するピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面を含み、第２の面は共通電極面を含む。また、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第１の面で結合している読み出し電子回路を含み、この読み出し電子回路は放射線から遮蔽されている。さらに、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第２の面で結合しているバイアス電圧回路を含む。
【０００９】
本技術の態様によれば、放射線撮像システムのための検出器モジュールを製造するための方法が開示される。この方法は、セグメント化電極面を含む第１の面、および共通電極面を含む第２の面を有する直接変換センサのアレイを提供することを含む。さらに、直接変換センサのアレイは、放射線を第１の面で受け、受けた放射線を対応する電荷信号に変換するために配置される。さらに、読み出し電子回路は、フレキシブル相互接続部を介して１つまたは複数の直接変換センサに結合する。加えて、１つまたは複数の直接変換センサの第２の面は、フレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して多層基板に結合し、その多層基板にはスペーサ素子が結合する。
【００１０】
本システムの態様によれば、ＣＴシステムが開示される。ＣＴシステムは、スキャンされる被験体を収容する開口部と、少なくとも１つの放射線源とを有する回転可能なガントリー（ｇａｎｔｒｙ）を含み、この少なくとも１つの放射線源は、回転可能なガントリーに動作可能に結合しており、被験体に向けて放射線を放射するように構成されている。さらに、ＣＴシステムは、被験体から受けた放射線を検出する検出器モジュールを含む。特に、検出器モジュールは、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含む。直接変換センサの第１の面は、受けた放射線を検出し、その放射線を対応する電荷信号に変換するセグメント化電極面を含み、第２の面は共通電極面を含む。また、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに結合している読み出し電子回路を含み、この読み出し電子回路は放射線から遮蔽されている。さらに、検出器モジュールは、１つまたは複数の直接変換センサに第２の面で結合しているバイアス電圧回路を含む。さらに、ＣＴシステムは、検出器モジュールから被験体の少なくとも一部に対応する投影データを取得し、取得した投影データを用いて被験体の少なくとも一部の画像を再構成するコンピューティングデバイスを含むこともできる。
【００１１】
本技術のこれらおよび他の特徴、態様、ならびに利点は、図面全体を通して同じ文字が同じ部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明が読まれると、さらに良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＣＴ撮像システムを絵で表した図である。
【図２】図１に示されているＣＴ撮像システムの概略ブロック図である。
【図３】本技術の態様による、検出器モジュールの例示的構成を示す概略図である。
【図４】本技術の態様による、別の検出器モジュールの例示的構成を示す概略図である。
【図５】本技術の態様による、検出器における１つまたは複数のコンポーネントを結合するために用いられるフレキシブル相互接続部の例示的構成に関する概略図である。
【図６】本技術の態様による、検出器モジュールを形成するための方法に関する説明図である。
【図７ａ】本技術の態様による、検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置に関する説明図である。
【図７ｂ】本技術の態様による、検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置に関する説明図である。
【図８ａ】本技術の態様による、従来の検出器と例示的検出器モジュールとに対する、時間に応じた計数率の比較に関する説明図である。
【図８ｂ】本技術の態様による、従来の検出器と例示的検出器モジュールとに対する、時間に応じた計数率の比較に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、様々な撮像条件のもとで高電界と電荷収集効率の向上とを支える、放射線撮像システムにおける検出器システムが提示される。特に、以下の説明で例示される実施形態では、アノード入射面を含む検出器モジュールを含むコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）システムなどの撮像システムと、検出器モジュールを製造するための方法とが開示される。本技術の例示的実施形態は、ＣＴシステム用の検出器モジュールの場合において説明されるが、様々な他の撮像用途と、Ｘ線投射撮像システム、Ｘ線回折システム、マイクロスコープ、デジタルカメラ、および電荷結合デバイスなどの他のシステムとにおいて本検出器モジュールを使用することも考えられる点が理解されるであろう。本システムの様々な実装形態を実施するのに適した例示的環境を、図１を参照して以下のセクションで説明する。
【００１４】
図１は、投影データを取得して処理するための例示的ＣＴシステム１００を示す。一実施形態では、ＣＴシステム１００は、ガントリー１０２を含む。さらに、ガントリー１０２は、ガントリー１０２の反対側に配置された検出器アレイ１０８に向けてＸ線の放射線１０６のビームを射出する少なくとも１つのＸ線放射線源１０４を含む。図１は単一のＸ線放射線源１０４を示すが、いくつかの実施形態では、異なるビュー角度からの投影データを取得するために、複数のＸ線ビームを投射する複数の放射線源が用いられてもよい。一実施形態では、Ｘ線の放射線源１０４は、患者に対応する所望の画像ボリュームに相当する投影データを取得できるように、検出器アレイ１０８に向けてＸ線の放射線１０６を投射する。
【００１５】
一実施形態では、検出器アレイ１０８は、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含む複数の検出器モジュールを含む。特に、センサの第１の面は、Ｘ線の放射線１０６を受け、受けたＸ線の放射線１０６を対応する電荷信号に変換するために配置されたセグメント化電極面、すなわちアノード面を含む。例として、第１の面／アノード面は、入射したＸ線の放射線１０６を受け、その放射線を対応する電荷信号に変換する素子の２次元アレイにセグメント化することができる。検出器モジュールのアノード入射構成によって、検出器アレイ１０８の電荷収集効率が向上する。検出器の性能を大きく向上させるこのような検出器モジュールの例示的構成を、図２〜図８を参照してさらに詳しく説明する。
【００１６】
図２は、図１のＣＴシステム１００と同様である、投影データを取得して処理するための検出器アレイ１０８を含む撮像システム２００を示す。そのため、検出器アレイ１０８は、複数の検出器素子２０２を含み、これらの検出器素子２０２は共に、対応する投影データを取得するために、患者または手荷物などの被験体２０４を通過する投射されたＸ線ビームを感知する。特に、一実施形態では、検出器素子２０２は、第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイを含むことができ、このうち第１の面は、入射したＸ線の放射線１０６を受ける。したがって、検出器アレイ１０８は、セルまたは検出器素子２０２の複数の並びを含むマルチスライス構成で製造することができる。このような構成では、検出器素子２０２の１つまたは複数の追加の並びは、投影データを取得するために、一般に並列構成で配置することができる。
【００１７】
さらに、投影データを取得するためのスキャンの間に、ガントリー１０２、およびガントリー１０２に取り付けられたコンポーネントは、回転の中心点２０６のまわりを回転する。あるいは、被験体２０４に対する投射角度が時間に応じて変化する実施形態では、取り付けられたコンポーネントは、円弧ではなく一般曲線に沿って動くこともできる。そのため、ガントリー１０２の回転とＸ線の放射線源１０４の動作とは、所望のエネルギーレベルにおける、所望のビュー角度からの投影データを取得するために、撮像システム２００の制御機構２０８によって制御されてもよい。一実施形態では、制御機構２０８は、Ｘ線の放射線源１０４に電力とタイミング信号を供給するＸ線コントローラ２１０、および、スキャン要件に基づいてガントリー１０２の回転速度と位置を制御するガントリーモータコントローラ２１２を含むことができる。
【００１８】
制御機構２０８は、検出器素子２０２から受信したアナログデータをサンプリングし、そのアナログデータを後続の処理のためにデジタル信号に変換するためのデータ取得システム（ＤＡＳ）２１４をさらに含むことができる。ＤＡＳ２１４によってサンプリングされ、デジタル化されたデータは、コンピューティングデバイス２１６に送信することができる。コンピューティングデバイス２１６は、このデータを、ハードディスクドライブ、フロッピー（商標）ディスクドライブ、コンパクトディスク−リード／ライト（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）ドライブ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）ドライブ、フラッシュドライブ、またはソリッドステートストレージデバイスなどのストレージデバイス２１８に記憶させることができる。
【００１９】
さらに、コンピューティングデバイス２１６は、撮像システム２００を動作させるために、ＤＡＳ２１４、Ｘ線コントローラ２１０、およびガントリーモータコントローラ２１２の１つまたは複数に適切な命令とパラメータを提供することができる。それによって、一実施形態では、コンピューティングデバイス２１６は、オペレータが被験体の画像を観察すること、および／または、オペレータが、キーボード（図示せず）を含みうるオペレータ用コンソール２２２を介してコマンドおよびスキャンパラメータを指定することを可能にするディスプレイ２２０に動作可能に結合している。コンピューティングデバイス２１６は、オペレータ供給の命令およびパラメータ、ならびに／または、システムで定義された命令およびパラメータを用いて、モータ駆動のテーブル２２６を制御するテーブルモータコントローラ２２４を動作させる。特に、テーブルモータコントローラ２２４は、対応する投影データを検出器素子２０２が取得できるように、ガントリー１０２の中の、患者などの被験体２０４を適切に位置決めするためにテーブル２２６を動かす。
【００２０】
上記で説明したように、従来における検出器の構成では、取得される投影データに対応する多数電荷キャリアの長い距離にわたる輸送が必要である。特に、カソードからＤＡＳ２１４などの読み出し電子回路までの、また、電荷をトラップする不良部分を有するセンサ材料の端から端までの電荷キャリアの輸送が起こり、それによって電荷収集効率の損失が生じる。本技術の態様によれば、これらの従来における検出器の構成の欠点は、検出器素子２０２のアレイにおけるセグメント化アノード面が、入射するＸ線の放射線１０６を受けるように検出器素子２０２を製造することによって回避されうる。Ｘ線の放射線１０６が、アノード入射面付近の直接変換センサの材料に吸収されるため、ＤＡＳ２１４に向かう収集される電荷の移動距離が短くなり、それによって、より安定した検出器の動作がもたらされる。
【００２１】
ＤＡＳ２１４は、収集された電荷に対応するＸ線データをサンプリングしてデジタル化する。その後、画像再構成器２２８は、サンプリングされ、デジタル化されたＸ線データを用いて、高い統計的有意性を要する画像操作などで用いるための高品質画像の高速の再構成を行なう。次に画像再構成器２２８は、再構成された画像をストレージデバイス２１８に記憶させるか、または、診断および評価に有用な情報を生み出すために、コンピューティングデバイス２１６に再構成された画像を送信する。コンピューティングデバイス２１６は、所望の組織における高品質の再構成画像をオペレータが評価することを可能にするディスプレイ２２０に、再構成画像と他の有用な情報とを送信することができる。良好な高品質画像を再構成することの助けとなる効率的な電荷収集を可能にする検出器モジュールの例示的構成を、図３を参照してさらに詳しく説明する。
【００２２】
図３は、本技術の態様による、図２の検出器素子２０２と同様の検出器素子のアレイを一般に含む撮像用検出器システム３００の例示的構成に関する説明図である。一実施形態では、検出器素子は直接変換センサ３０２であり、直接変換センサ３０２の第１の面３０６と第２の面３０８との間に配置されたセンサ材料３０４を含む。さらに、第１の面３０６は、Ｘ線の放射線１０６を受け、その放射線を対応する電荷信号に変換するピクセル素子のアレイを形成するように細分されたセグメント化電極面を含み、第２の面３０８は共通電極面を含む。具体的には、第１の面３０６に入射するＸ線の放射線１０６は、直接変換センサ３０２の材料によって吸収され、それによって電子と正孔のペアが作られる。そのため、直接変換センサ３０２は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛結晶、および、多結晶コンパクト、ならびに／または、これらの同じ化合物の薄膜層などの材料を含む。いくつかの実施形態では、テルル化水銀カドミウム、沃化第二水銀、臭化タリウム、沃化鉛、酸化鉛、シリコン、ガリウム砒素などの他の半導体を用いることもできる。
【００２３】
さらに、直接変換センサ３０２は、バイアス電圧回路３１０への電気接続部を含み、この電気接続部は、第２の面３０８に結合されうる。バイアス電圧回路３１０は、直接変換センサ３０２における特定の接触部に向かう電荷の動きを促進するために、第１の面３０６および第２の面３０８の少なくとも一方に適切な電圧バイアスを加える。現在のところ考えられる構成では、第１の面３０６は、第２の面３０８に対して正の電圧バイアスを有する。したがって、第１の面３０６は、電子を収集するアノードを含むことができ、第２の面３０８はカソードを含むことができる。Ｘ線の放射線を第２の面／カソード面３０８で受けるように構成された従来における検出器の構成と異なり、直接変換センサ３０２は、入射するＸ線の放射線を第１の面／アノード面３０６で受ける。上記で説明したように、入射した放射線によって電子と正孔のペアが作られる。一実施形態では、バイアス電圧回路３１０は、負のバイアス電圧を第２の面／カソード面３０８に加え、それによって、カソードに正孔を集めさせ、アノードに電子を集めさせる。例示的実装形態では、カソードに加えられるバイアス電圧は、約−１００ボルトから約−５０００ボルトまでの範囲であってもよく、一方、アノードはグラウンド電位に保たれる。
【００２４】
したがって、第１の面／アノード面３０６において正にバイアスされているピクセルアレイは、電子を収集するために読み出し電子回路３１２に結合している。そのため、読み出し電子回路３１２は、関連するデータを収集するために、図２のＤＡＳ２１４などの１つまたは複数の取得システム、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および／または、他の好適な処理システムを含むことができる。特に、読み出し電子回路３１２は、入射するＸ線の位置に関する空間マッピングを得るために、第１の面／セグメント化アノード面３０６に結合している。そのため、第１の面／セグメント化アノード面３０６は、それぞれが読み出し電子回路３１２の対応するチャネルに接続されている複数のアノードパッド３１４を含むことができる。
【００２５】
一般に、Ｘ線は、ランベルト−ベールの法則に従って入射位置の近くに吸収される。したがって、本構成では、読み出し電子回路３１２に送られる多数キャリアであることによって収集される電荷は、従来における検出器のシステムのようにセンサ材料３０４の厚さの端から端までの全ての移動に比べて、実質的に短い距離を移動する。例示的実装形態では、センサ材料３０４の厚さは、約０．１ｍｍから約２０ｍｍでもよい。このように、直接変換センサ３０２のアノード照射構成によって、セグメント化アノードパッド３１４への多数キャリアの輸送距離の短さを保ちつつ、他の方法では薄い材料を貫通して伝わってしまう高エネルギーの光子を有する放射線を検出するために厚いセンサ材料３０４を使用することが可能となる。さらに、トラップされた任意の正孔は、センサ材料３０４の深い部分にある対応する電子の位置における電界を増加させうる。電界の増加は、セグメント化アノードパッド３１４に急速に移動する電子の傾向をさらに高め、それによって、直接変換センサ３０２の電子収集効率が著しく向上する。加えて、このように速められた電子の輸送により電子のトラッピングの機会がさらに減り、それによって、より安定した検出器の動作がもたらされる。例示的実装形態の１つでは、アノード入射面を有する直接変換センサは、カソード入射面を有する従来における検出器の構成と比べて、電荷収集効率において約３００％の改善を示した。
【００２６】
このように、Ｘ線の放射線をアノード面で受ける直接変換センサ３０２を構成することによって、様々な撮像用途で有用となりうる、はるかに高いフラックスレート、および、はるかに高い強度のＸ線の使用が可能となる。例として、直接変換センサ３０２のアノード入射構成によって、約１千万カウント／秒／ミリ平方メートルから約１０億カウント／秒／ミリ平方メートルにわたるフラックスレートの使用が可能となりうる。しかし、高フラックスレートおよび高強度のＸ線は、読み出し電子回路３１２に対して放射線損傷を引き起こす恐れがある。したがって、一実施形態では、読み出し電子回路３１２は、Ｘ線から遮蔽されるように、センサアレイにおいて隣接する直接変換センサ３０２の裏側に配置される。
【００２７】
さらに、いくつかの実施形態では、読み出し電子回路３１２は、放射線の透過力が大きく作られ、アノードパッド３１４に直接的に結合している。このような放射線の透過力が大きい構成は、例えば、Ｘ線の相互作用の可能性を低減する小規模のゲートサイズと薄い厚さにおける使用を可能にしながら、宇宙用途に特化しているＩＣ製造工場でＡＳＩＣチップとして製造されうる。残念なことに、このような構成は、いくつかの場合では性能の低さをもたらす恐れがある。したがって、一実施形態では、読み出し電子回路３１２は、入射するＸ線の放射線１０６から読み出し電子回路３１２が遮蔽されるように、重なり合うように配置されたセンサアレイにおいて隣接する直接変換センサの裏側に配置される。入射する放射線から遮蔽され、適切に配置された読み出し電子回路を有する直接変換センサの例示的構成を、図４を参照してさらに詳しく説明する。
【００２８】
ここで図４を参照すると、対応する読み出し電子回路に対する放射線損傷を防ぐために適切に配置された複数の直接変換センサを有する検出器モジュール４００の例示的構成が示されている。特に、図４に示されている構成では、それぞれが第１の面および第２の面を有する直接変換センサ４０２ならびに４０４が重なり合うように配置されたアレイを含む検出器モジュール４００が示されている。例として、直接変換センサ４０４は、第１の面４０６および第２の面４０８を有する。一実施形態では、第１の面４０６は、Ｘ線の放射線１０６を受け、その放射線を対応する電荷信号に変換するように構成されたピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面を含み、第２の面４０８は共通電極面を含む。さらに、第１の面４０６は、第２の面に対して正の電圧バイアスに保つことができる。したがって、第１の面４０６は、電子を収集するアノードを含むことができ、第２の面４０８はカソードを含むことができる。
【００２９】
図４は、直接変換センサ４０２および４０４の２つだけを示しているが、検出器モジュール４００は、入射するＸ線の放射線１０６を、対応する第１の面すなわちセグメント化アノード面で受けるように構成された多数のセンサを含むことができる。特に、一実施形態では、センサをタイルのように並べることは、それぞれのこけら板（ｓｈｉｎｇｌｅ）が前のこけら板の一部を覆っているこけら板によってなぞらえることができる。このように、直接変換センサ４０２および４０４は、センサアレイにおける少なくとも１つの他の直接変換センサの読み出し電子回路を遮蔽するように適切に配置することができる。そのため、読み出し電子回路は、センサアレイにおける１つまたは複数のセンサに接続することができる。例として、図４は、直接変換センサ４０４に接続された読み出し電子回路４１０を示す。特に、直接変換センサ４０４に対応するアノードパッドは、例えば、フレキシブル相互接続部４１２または直接電気接続部を用いて読み出し電子回路４１０に接続することができる。
【００３０】
さらに、一実施形態では、読み出し電子回路４１０は、入射するＸ線の放射線１０６から遮蔽されるように、センサアレイにおける近傍の、または隣接する直接変換センサ４０４の裏側に配置される。さらに、読み出し電子回路４１０は、同じ平面に配置することができ、また、センサアレイにおいて対応する直接変換センサ４０４の一方の面に対して配置することができる。特に、読み出し電子回路４１０は、図１の放射線源１０４などのＸ線源から受けるＸ線照射の場から外れるように配置される。
【００３１】
いくつかの実施形態では、直接変換センサ４０２の読み出し電子回路が後続または隣接する直接変換センサ４０４によって遮蔽されるように、直接変換センサ４０２および４０４を、センサアレイにおいてある角度で位置決めすることによって、すなわち、ある角度で部分的に重なり合うように配置することによって、入射するＸ線の放射線１０６からのさらなる保護を実現することができる。一例では、直接変換センサ４０２の読み出し電子回路４１０は、近傍の直接変換センサ４０４とスペーサ素子４１６の間、または、近傍の直接変換センサ４０４と検出器ボード４１８の間に配置される。同様に、直接変換センサ４０４の読み出し電子回路４１０を遮蔽するために、後続の直接変換センサ（図示せず）をある角度で配置することができ、その後も同様である。理解しやすいように、直接変換センサ４０４を参照して、検出器モジュール４００における特定要素の説明を以降のセクションで開示する。しかし、開示される要素は、センサアレイに配置される他の直接変換センサの構成にも適用可能でありうる。
【００３２】
さらに、一実施形態では、直接変換センサ４０４の第１の面、すなわちセグメント化アノード面４０６は、フレキシブル相互接続部４１２を介して対応する読み出し電子回路４１０に結合している。例として、直接変換センサ４０４は、フレキシブル相互接続部４１２にはんだ付けすることができ、または、レーザーボンディングの方法によって取り付けることができる。さらに、直接変換センサ４０４の第２の面４０８は、多層基板４１４に接触していてもよく、かつ／または、電子的に結合していてもよい。本明細書で用いられる場合、「フレキシブル」という用語は、フレキシブル相互接続部４１２が配置される表面の外形にフレキシブル相互接続部４１２が沿うように、直接変換センサ４０４および／または多層基板４１４の１つまたは複数の表面のまわりに配置されるフレキシブル相互接続部４１２の能力を指す。そのため、フレキシブル相互接続部４１２は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）ポリエーテルイミド、フレキシブルプリント回路、またはこれらの組み合わせなどの材料を含む。
【００３３】
いくつかの実施形態では、フレキシブル相互接続部４１２は、フレキシブル相互接続部４１２の特定の表面に配置された複数の電気接触素子または電気接触点（図示せず）をさらに含むことができる。特に、複数の電気接触素子は、直接変換センサ４０４の対応する電気接触点を、多層基板４１４の対応する接触点に結合するように構成することができ、それによって、結合した素子どうしの間の電気経路が設けられる。例として、フレキシブル相互接続部４１２は、直接変換センサ４０４の第１の面４０６におけるアノードパッド（図４では示さず）を、対応する読み出し電子回路４１０の読み出しチャネルに個々に結合することができる。したがって、フレキシブル相互接続部４１２は、フレキシブル相互接続部４１２の少なくとも対応する上部面と底部面に、金属はんだのトレース、ナノワイヤー、導電ポリマーのリボン、またはこれらの組み合わせなどの導電素子をさらに含むことができる。特に、フレキシブル相互接続部４１２は、直接変換センサ４０４と多層基板４１４との間の電気経路を設けるために導電素子を含むことができる。このように、フレキシブル相互接続部４１２は、従来の穴開けの手法（ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ）により要求される機械的強度の問題によって制約されることなく、応力、歪み、および／もしくは許容誤差などの所望の機械的特性ならびに／または電気的特性の両方を提供するための、多層基板４１４の材料選択におけるフレキシビリティを可能にする。
【００３４】
したがって、多層基板４１４は、ガラス、セラミック、プラスチック、金属、紙、ポリマー、複合材料、またはこれらの組み合わせなどの材料を含む。特に、一実施形態では、多層基板４１４は、検出器モジュール４００の他のコンポーネントから高電圧（カソードにおいて約６００Ｖ）を絶縁する多層のセラミックである。そのため、セラミックの多層基板４１４は、導電トレースまたはワイヤー接続部を介して直接変換センサ４０４のカソード面／第２の面４０８に結合している非電気的な、または機械的なセラミック回路ボードでもよい。あるいは、セラミックの多層基板４１４は、電気接続部分を固有に含むこともできる。
【００３５】
本技術の態様によれば、セラミックの多層基板４１４は、少なくとも１つのスペーサ素子４１６にさらに結合している。特に、スペーサ素子４１６は、２つ以上の検出器モジュールを検出器ボード４１８につないでいる。そのため、スペーサ素子４１６は、位置合わせピン、ねじ、噛み合い式の留め具、キー／スロット構造、接着剤、および／または、他の好適なデバイスなどの固定機構４２０を用いて検出器ボード４１８に結合されうる。一実施形態では、スペーサ素子４１６は、センサアレイにおいて直接変換センサ４０２および４０４を所望の角度でそろえるために配置された楔形スペーサである。具体的には、スペーサ素子４１６は、直接変換センサ４０２の読み出し電子回路（図示せず）がセンサアレイにおける後続の直接変換センサ４０４によって遮蔽されるよう、直接変換センサ４０２および４０４をそろえるように構成されている。
【００３６】
このように、スペーサ素子４１６は、検出器ボード４１８の機械的な支持体となる。さらに、スペーサ素子４１６は、検出器の表面が湾曲した形状である必要のある、幅の広いコーンビームの設計におけるファン角（ｆａｎ ａｎｇｌｅ）に対応するようにも適合されうる。例として、楔形のスペーサ素子は、図２の検出器１０８などの湾曲した検出器の曲線に対応することができる。しかし、いくつかの実施形態では、スペーサ素子４１６は、入射したＸ線の放射線１０６によって熱くなる場合がある直接変換センサ４０４および／または多層基板４１４を冷却するための温度スタビライザーとして付加的に機能することができる。そのため、スペーサ素子４１６は、高分子材料、金属、セラミック材料、またはこれらの組み合わせを含むことができる。
【００３７】
一実施形態では、フレキシブル相互接続部４１２は、直接変換センサ４０４の第１の面４０６に配置されたアノードパッドに結合しており、第２の面４０８に配置されたカソードは、多層基板４１４に結合している。さらに多層基板４１４は、スペーサ素子４１６に結合している。特に、直接変換センサ４０４、フレキシブル相互接続部４１２、多層基板４１４、およびスペーサ素子４１６は共に、撮像システム用の検出器モジュール４００のフィールド交換可能ユニットを形成することができる。このような複数のフィールド交換可能ユニットは、広い範囲を覆うために、例えば、検出器システムにおける噛み合い式のスロットによってまとめることができる。同様に、このようなフィールド交換可能ユニットは、検出器の構成を変更するために容易に分解することができる。そのため、フィールド交換可能ユニットを１つまたは複数の検出器ボードに対して結合および／または分離するために、コネクタおよび／またはフレキシブルケーブル４２２を用いることができ、それによって、検出器ボード４１８に対する検出器モジュール４００の交換可能性が助長される。さらに、フレキシブルケーブル４２２によって、異なる検出器ボードに配置された検出器モジュール間の電力およびデジタル通信信号の送信が可能となりうる。
【００３８】
検出器モジュール４００に関して現在のところ考えられる構成によって、入射するＸ線の放射線１０６が第１の面４０６で受けられる。しかし、従来の実装手法では、検出器モジュール４００における吸収線量の効率を低下させうる光子の著しい損失につながる、実装部分の端から端までの、入射したＸ線の放射線１０６の輸送が必要となる場合がある。そのため、検出器モジュール４００の電荷収集効率を維持するために、１つまたは複数の特定の実装構成を用いることができる。
【００３９】
例として、図５は、検出器モジュール４００における１つまたは複数のコンポーネントを結合するために用いられる、図４のフレキシブル相互接続部４１２などのフレキシブル相互接続部の例示的構成を示す。図５は、理解しやすいように数個の検出器コンポーネントだけを示しているが、検出器モジュール５００は、図４に示されているコンポーネントなどの他のコンポーネントを含むことができる。それにより、一実施形態では、フレキシブル相互接続部５０２は、直接変換センサ５０６の第１の面５０４を、対応する読み出し電子回路５０８に結合するように構成されている。
【００４０】
直接変換器センサ４０４および読み出し電子回路４１０が同じ平面にある、図４に示されている実施形態と異なり、図５のフレキシブル相互接続部５０２は、読み出し電子回路５０８を、対応する直接変換センサ５０６に対して実質的に垂直な平面に配置するように構成されている。特に、フレキシブル相互接続部５０２の一部は、直接変換センサ５０６の第１の面５０４に沿って配置されており、フレキシブル相互接続部５０２の別の部分は、約９０度曲がっており、直接変換センサ５０６に対応する検出器ボード５１０に沿って配置されている。図６に示されているフレキシブル相互接続部の構成は、一般に「Ｌ」構成と呼ばれることがある。
【００４１】
さらに、検出器モジュール５００は、水平な平面に配置された直接変換センサ５０６を支える平らな楔スペーサなどのスペーサ素子５１２を用いることができる。検出器モジュール５００の電荷収集効率を著しく向上させるために、図５に示されている実施形態では、水平面に沿う第１の面５０４におけるアノードパッドが、垂直面に配置された読み出し電子回路５０８のアナログ入力チャネルに有利に結合している。具体的には、「Ｌ」構成によって、入射するＸ線の放射線１０６から読み出し電子回路５０８を遮蔽することも行ないつつ、読み出し電子回路５０８に向かう、第１の面５０４に入射したＸ線の放射線１０６の移動距離がはるかに小さくなることが確実なものとなる。
【００４２】
図５に示されている実施形態はフレキシブル相互接続部５０２の「Ｌ」構成を示すが、フレキシブル相互接続部５０２の可撓性のある性質は、いくつかの代替実施形態にも役立つ。例として、「Ｕ」構成では、フレキシブル相互接続部５０２は、検出器モジュール５００の２つの面を包む。同様に、「Ｔ」構成では、フレキシブル相互接続部５０２の第１の部分は第１の面５０４を包み、フレキシブル相互接続部５０２の他の２つの部分は、直接変換センサ５０６の中央と重なる。特に、フレキシブル相互接続部５０２の小さい部分を使用することによって、電荷収集効率と、高密度の相互接続部分を有するフレキシブル相互接続部５０２の製造可能性とがさらに向上する。
【００４３】
図６に目を向けると、本技術のいくつかの態様による、検出器モジュールを製造するための例示的方法を示すフローチャート６００が提示されている。さらに、図６では、この例示的方法は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実施されうる動作を示す、論理にかなったフローチャートにおけるブロックの集まりとして示されている。様々な動作は、例示的方法における異なるフェーズにおいて概して行なわれる機能を示すブロックに図示されている。
【００４４】
ソフトウェアの場合には、ブロックは、１つまたは複数の処理用サブシステムによって実行されるときに、列挙された操作を行なうコンピュータの命令を表す。例示的方法が説明される順序は、限定として解釈されるようには考えられておらず、本明細書で開示される例示的方法、または等価である代替方法を実施するために、説明される任意数のブロックが任意の順序で組み合わせられてもよい。さらに、本明細書で説明される主題の主旨および範囲から逸脱することなく、例示的方法から特定のブロックが削除されてもよく、また、追加された機能を有する追加ブロックが加えられてもよい。説明を目的として、図３〜図５の要素を参照して例示的方法を説明する。
【００４５】
ステップ６０２では、セグメント化電極面を含む第１の面と、共通電極面を含む第２の面とを有する、図４の直接変換センサ４０２および４０４などの直接変換センサのアレイが提供される。次にステップ６０４では、Ｘ線を第１の面で受け、受けたＸ線を対応する電荷信号に変換するために、直接変換センサのアレイが配置される。そのため、直接変換センサの第１の面はセグメント化電極面に対応し、直接変換センサの第２の面は共通電極面に対応する。さらに、第１の面は、第２の面に対して正の電圧バイアスを有する。したがって、一実施形態では、第１の面はアノード面を含み、第２の面はカソード面を含む。
【００４６】
さらにステップ６０６では、図４の読み出し電子回路４１０などの読み出し電子回路が、フレキシブル相互接続部４１２などのフレキシブル相互接続部を介して第１の面に結合する。さらに、ステップ６０８では、第２の面が、例えばフレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して、図４の多層基板４１４などの多層基板に結合する。特に、一実施形態では、センサアレイにおける直接変換センサは、センサアレイにおける直接変換センサの読み出し電子回路が後続の直接変換センサによって遮蔽されるように、多層基板上にある角度で配置される。別の実施形態では、読み出し電子回路は、Ｘ線から遮蔽されるように、センサアレイにおける対応する直接変換センサの裏側に配置される。あるいは、読み出し電子回路は、同じ平面に配置することができ、また、対応する直接変換センサの一方の面に対して配置することができる。いくつかの他の実施形態では、読み出し電子回路は、センサアレイにおける対応する直接変換センサと共に、「Ｌ」構成、「Ｕ」構成、または「Ｔ」構成で配置される。
【００４７】
これらの構成のうちの１つまたは複数の構成では、フレキシブル相互接続部は、直接変換センサの電気接触点を、多層基板の対応する点に結合し、それによって、結合した素子どうしの間に電気経路が設けられる。特に、フレキシブル相互接続部は、直接変換センサの第１の面におけるアノードパッドを、対応する読み出し電子回路の読み出しチャネルに個々に結合することができる。このような結合によって、読み出し電子回路に向かう、収集される電荷の移動距離が小さくなり、それによって、入射した放射線から読み出し電子回路が遮蔽されながらも、電荷収集効率が向上する。
【００４８】
さらに、ステップ６１０では、多層基板が、図４のスペーサ素子４１６などのスペーサ素子に結合する。特に、スペーサ素子は、２つ以上の検出器モジュールを検出器ボードにつなぐ。したがって、スペーサ素子は、アノード面に入射するＸ線の放射線を受けることによって収集される電荷の移動距離を小さくするためだけでなく、入射する放射線から読み出し電子回路を遮蔽しうるために、直接変換センサを適切に位置決めするための機械的な支持体となる。しかし、いくつかの実施形態では、スペーサ素子は、入射したＸ線の放射線によって熱くなる場合がある直接変換センサおよび／または多層基板を冷却するための温度スタビライザーとして付加的に機能することができる。
【００４９】
次に、このように製造された検出器モジュールは、広い範囲を覆うために決められたパターンで配置される。特に、図７（ａ）および図７（ｂ）は、検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置７００を示す。例として、ファンビームまたはコーンビームのＣＴ撮像システムでは、検出器モジュールは、広い範囲を覆うために平面アレイ、ステップアレイ、または湾曲アレイ状に配置することができる。一般に、図２の放射線源１０４などの放射線源からＸ線ビームが放射状に放射されるため、検出器素子をＸ線ビームにそろえて配置するために、検出器のアレイ表面における曲率が用いられる。例えば、図７（ａ）に示されている検出器モジュール７０４の配置７０２では、中心部７０６から離れる方に重なり合うように配置されている検出器モジュールのアレイが例示されている。しかし、図７（ｂ）に示されている構成７０８では、同じ方向に重なり合うように配置されている検出器モジュール７１０のアレイが例示されている。
【００５０】
図３〜図７を参照して説明された検出器モジュールに関して現在のところ考えられる構成によって、従来の検出器モジュールよりはるかに高い電荷収集効率がもたらされる。従来における検出器の構成と、現在のところ考えられる検出器の構成とに対する、時間に対する計数率の比較を、図８（ａ）および図８（ｂ）に関して提示することができる。具体的には、図８（ａ）および図８（ｂ）は、従来における検出器の構成と、図３に示されている例示的なアノード照射構成とに対する、時間に対する計数率の比較に関する図式表現８００を示す。
【００５１】
特に、図８（ａ）は、従来における検出器の構成に対する、時間に対する計数率のグラフを示し、図８（ｂ）は、例示的なアノード照射構成に対する、時間に対する計数率のグラフ表現である。図８（ａ）に示されているように、従来における検出器の構成では、カソード照射に関係する電荷のトラッピングによって、時間において計数が低下する不安定性が示される。計数が低下するこの不安定性は、参照数字８０２によって全体的に表されている。しかし、図８（ｂ）に示されている曲線８０４によって図示されているように、アノード照射構成に対応している計数率は、時間にわたって実質的に安定している。このように、Ｘ線の放射線をアノード面で受けるように直接変換センサを構成することによって、様々な撮像用途で必要となる、はるかに高いフラックスレート、および、はるかに高い強度のＸ線の使用が可能となる。
【００５２】
上記で開示された検出器システム、およびその検出器システムを製造する方法では、入射するＸ線の放射線を受けるように配置され、第２の共通電極面に対して正の電圧バイアスを有するセグメント化電極面を含む検出器モジュールが説明されている。入射するＸ線の放射線をセグメント化電極面／アノード面で受けることによって、読み出し電子回路に向かう、収集される電荷の移動距離が小さくなり、それによって、センサにおける電荷のトラッピングによる損失が最小となる。さらに、アノード入射面を用いることによって達成される向上した電荷収集効率を保ちつつ、入射した放射線から読み出し電子回路を効果的に遮蔽する、様々な相互接続構成およびスペーサ構成が提示された。
【００５３】
本技術の例示的実施形態は、ＣＴシステム用の検出器モジュールの場合において説明されているが、様々な他の撮像用途および他の撮像システムにおいて本検出器モジュールを使用することも考えられる点が理解されるであろう。これらのシステムのいくつかには、Ｘ線投射撮影法、蛍光透視法および断層撮影法、陽電子放出断層撮影法（ＰＥＴ）のスキャナー、複数ソースの撮像システム、複数検出器の撮像システム、単光子放射コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）のスキャナー、マイクロスコープ、デジタルカメラ、電荷結合デバイス、またはこれらの組み合わせが含まれうる。
【００５４】
本発明における特定の特徴だけが本明細書において例示され、また説明されたが、当業者には多くの改変および変更が思い浮かぶであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の本来の趣旨に入るこのような全ての改変および変更を含むように考えられていることが理解されることになる。
【符号の説明】
【００５５】
１００ ＣＴシステム
１０２ ガントリー
１０４ 放射線源
１０６ Ｘ線の放射線
１０８ 検出器アレイ
２００ 撮像システム
２０２ 検出器素子
２０４ 被験体
２０６ 回転の中心点
２０８ 制御機構
２１０ Ｘ線コントローラ
２１２ ガントリーモータコントローラ
２１４ データ取得システム
２１６ コンピューティングデバイス
２１８ ストレージデバイス
２２０ ディスプレイ
２２２ コンソール
２２４ コンベアシステム／テーブルモータコントローラ
２２６ コンベアシステム／テーブル
２２８ 画像再構成器
３００ 撮像用検出器システム
３０２ 直接変換センサ
３０４ センサ材料
３０６ 直接変換センサ３０２の第１の面
３０８ 直接変換センサ３０２の第２の面
３１０ バイアス電圧回路
３１２ 読み出し電子回路
３１４ アノードパッド
４００ 検出器モジュール
４０２ 直接変換センサ
４０４ 直接変換センサ
４０６ 直接変換センサ４０４の第１の面
４０８ 直接変換センサ４０４の第２の面
４１０ 読み出し電子回路
４１２ フレキシブル相互接続部
４１４ 多層基板
４１６ スペーサ素子
４１８ 検出器ボード
４２０ 固定機構
４２２ フレキシブルケーブル
５００ 検出器モジュール
５０２ フレキシブル相互接続部
５０４ 第１の面
５０６ 直接変換センサ
５０８ 読み出し電子回路
５１０ 検出器ボード
５１２ スペーサ素子
６００ 検出器モジュールを形成するための例示的方法を示すフローチャート
６０２−６１０ 検出器モジュールを形成するための例示的方法のステップ
７００ 検出器アレイにおける複数の検出器モジュールの例示的配置７００
７０２ 検出器モジュール（７０４）の配置
７０４ 検出器モジュール
７０６ 検出器モジュール７０４の配置７０２における中心部
７０８ 検出器モジュール（７１０）の配置
７１０ 検出器モジュール
８００ 従来における検出器の構成と、図３に示されている例示的なアノード照射構成とに対する、時間に対する計数率の比較に関する図式表現８００
８０２ 従来の検出器の構成における、カソード照射に関係する電荷のトラッピングによって、時間において計数が低下する不安定性
８０４ 本願で開示されているアノード照射構成に対応している安定な計数率
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイであって、前記第１の面が、放射線を受け、受けた前記放射線を対応する電荷信号に変換するピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面を含み、前記第２の面が共通電極面を含む、直接変換センサのアレイと、
１つまたは複数の前記直接変換センサに前記第１の面で結合しており、前記放射線から遮蔽されるように構成された読み出し電子回路と、
１つまたは複数の前記直接変換センサに前記第２の面で結合しているバイアス電圧回路と
を含む、放射線撮像システムのための検出器モジュール。
【請求項２】
前記第１の面が、電子を収集するアノードを含み、前記第２の面がカソードを含む、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項３】
前記１つまたは複数の直接変換センサに結合している前記読み出し電子回路が、隣接する直接変換センサによって遮蔽されるように、前記１つまたは複数の直接変換センサが、ある角度で配置されている、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項４】
前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第１の面が、フレキシブル相互接続部を介して前記読み出し電子回路に結合している、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項５】
前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第２の面が、前記フレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して多層基板に結合しており、前記多層基板がスペーサ素子にさらに結合している、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項６】
前記フレキシブル相互接続部が、前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第１の面を、前記１つまたは複数の直接変換センサに対して実質的に垂直に配置された前記読み出し電子回路に結合するように構成されている、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項７】
前記フレキシブル相互接続部が、前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第１の面および前記第２の面を包むように構成されている、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項８】
前記フレキシブル相互接続部の２つの部分が前記１つまたは複数の直接変換センサの中央に重なるように前記フレキシブル相互接続部が構成されている、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項９】
前記放射線撮像システムが、所望の計数率を実現するために多数キャリアの短い移動距離を提供する光子計数システムである、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項１０】
セグメント化電極面を含む第１の面、および共通電極面を含む第２の面を有する直接変換センサのアレイを提供するステップと、
放射線を前記第１の面で受け、受けた前記放射線を対応する電荷信号に変換するために、直接変換センサのアレイを配置するステップと、
フレキシブル相互接続部を介して、１つまたは複数の前記直接変換センサの前記第１の面に読み出し電子回路を結合するステップと、
前記フレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して、前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第２の面を多層基板に結合するステップと、
前記多層基板にスペーサ素子を結合するステップと
を含む、撮像システムのための検出器モジュールを製造するための方法。
【請求項１】
第１の面および第２の面を有する直接変換センサのアレイであって、前記第１の面が、放射線を受け、受けた前記放射線を対応する電荷信号に変換するピクセルのアレイを形成するセグメント化電極面を含み、前記第２の面が共通電極面を含む、直接変換センサのアレイと、
１つまたは複数の前記直接変換センサに前記第１の面で結合しており、前記放射線から遮蔽されるように構成された読み出し電子回路と、
１つまたは複数の前記直接変換センサに前記第２の面で結合しているバイアス電圧回路と
を含む、放射線撮像システムのための検出器モジュール。
【請求項２】
前記第１の面が、電子を収集するアノードを含み、前記第２の面がカソードを含む、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項３】
前記１つまたは複数の直接変換センサに結合している前記読み出し電子回路が、隣接する直接変換センサによって遮蔽されるように、前記１つまたは複数の直接変換センサが、ある角度で配置されている、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項４】
前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第１の面が、フレキシブル相互接続部を介して前記読み出し電子回路に結合している、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項５】
前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第２の面が、前記フレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して多層基板に結合しており、前記多層基板がスペーサ素子にさらに結合している、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項６】
前記フレキシブル相互接続部が、前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第１の面を、前記１つまたは複数の直接変換センサに対して実質的に垂直に配置された前記読み出し電子回路に結合するように構成されている、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項７】
前記フレキシブル相互接続部が、前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第１の面および前記第２の面を包むように構成されている、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項８】
前記フレキシブル相互接続部の２つの部分が前記１つまたは複数の直接変換センサの中央に重なるように前記フレキシブル相互接続部が構成されている、請求項４記載の検出器モジュール。
【請求項９】
前記放射線撮像システムが、所望の計数率を実現するために多数キャリアの短い移動距離を提供する光子計数システムである、請求項１記載の検出器モジュール。
【請求項１０】
セグメント化電極面を含む第１の面、および共通電極面を含む第２の面を有する直接変換センサのアレイを提供するステップと、
放射線を前記第１の面で受け、受けた前記放射線を対応する電荷信号に変換するために、直接変換センサのアレイを配置するステップと、
フレキシブル相互接続部を介して、１つまたは複数の前記直接変換センサの前記第１の面に読み出し電子回路を結合するステップと、
前記フレキシブル相互接続部または直接電気接続部を介して、前記１つまたは複数の直接変換センサの前記第２の面を多層基板に結合するステップと、
前記多層基板にスペーサ素子を結合するステップと
を含む、撮像システムのための検出器モジュールを製造するための方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１９８１９５（Ｐ２０１２−１９８１９５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１７６３８（Ｐ２０１２−１７６３８）
【出願日】平成２４年１月３１日（２０１２．１．３１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７６３８（Ｐ２０１２−１７６３８）
【出願日】平成２４年１月３１日（２０１２．１．３１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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