特許 7048588 ハイブリッド・アクティブマトリクス・フラットパネル検出器システムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】ハイブリッド・アクティブマトリクス・フラットパネル検出器システムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/20 20060101AFI20220329BHJP

   G01T 1/24 20060101ALI20220329BHJP

   A61B 6/00 20060101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

G01T1/20 E

G01T1/24

G01T1/20 G

A61B6/00 300Q

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2019517340

(86)(22)【出願日】2017-11-30

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-05-14

(86)【国際出願番号】 US2017063851

(87)【国際公開番号】W WO2018102497

(87)【国際公開日】2018-06-07

【審査請求日】2020-11-18

(31)【優先権主張番号】62/428,190

(32)【優先日】2016-11-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/516,923

(32)【優先日】2017-06-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503035992

【氏名又は名称】ザ・リサーチ・ファウンデーション・フォー・ザ・ステイト・ユニヴァーシティ・オブ・ニューヨーク

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ウェイ・ジャオ

(72)【発明者】

【氏名】ジェームズ・ショイエルマン

(72)【発明者】

【氏名】エイドリアン・ホーワンスキー

(72)【発明者】

【氏名】リック・ルビンスキー

(72)【発明者】

【氏名】アミルホセイン・ゴルダン

(72)【発明者】

【氏名】ジャン・スタヴロ

【審査官】中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－２１１８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１３２６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１６９６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１７０９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０７１９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２２１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０２６９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１０７８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２００４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０９０８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／００５４８３５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｔ １／２０

Ｇ０１Ｔ １／２４

Ａ６１Ｂ ６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射線撮像センサであって、
低Ｘ線減衰基板と、
前記基板の上方に配置された光導電体素子と、
前記光導電体素子の上方に配置されたシンチレータと、
前記光導電体素子と前記シンチレータとの間に配置された光電変換層であって、テルルドープａ－Ｓｅ、セレン化カドミウムまたは硫化カドミウムを含む光電変換層とを含む放射線撮像センサ。

【請求項2】

前記基板はフレキシブル基板である、請求項１に記載の放射線撮像センサ。

【請求項3】

前記基板と前記光導電体素子との間に電荷障壁層をさらに含む、請求項１に記載の放射線撮像センサ。

【請求項4】

前記光導電体素子と前記シンチレータとの間に電荷障壁層をさらに含む、請求項１に記載の放射線撮像センサ。

【請求項5】

前記基板と前記光導電体素子との間に第１の電荷障壁層と、前記光導電体素子と前記シンチレータとの間に第２の電荷障壁層とをさらに含む、請求項１に記載の放射線撮像センサ。

【請求項6】

前記基板と前記光導電体素子との間に画素電極アレイをさらに含む、請求項１に記載の放射線撮像センサ。

【請求項7】

前記光導電体素子と前記シンチレータとの間に透明導電性電極をさらに含む、請求項１に記載の放射線撮像センサ。

【請求項8】

前記シンチレータの実効電子－正孔対（ＥＨＰ）生成エネルギー（Ｗ±）は、前記光導電体素子の実効電子－正孔対（ＥＨＰ）生成エネルギー（Ｗ±）と実質的に等しい、請求項１に記載の放射線撮像センサ。

【請求項9】

放射線撮像センサであって、
下から上に、
低Ｘ線減衰基板と、
複数の画素電極を含む画素電極アレイと、
第１の電荷障壁層と、
光導電体素子と、
第２の電荷障壁層と、
透明導電性電極と、
前記光導電体素子に光学的に結合されたシンチレータとを含み、
前記放射線撮像センサは、前記光導電体素子と前記シンチレータとの間に配置された光電変換層をさらに含み、前記光電変換層は、テルルドープａ－Ｓｅ、セレン化カドミウムまたは硫化カドミウムを含む、放射線撮像センサ。

【請求項10】

前記複数の画素電極の各々と電気的に連通している薄膜トランジスタおよび貯蔵コンデンサをさらに含む、請求項９に記載の放射線撮像センサ。

【請求項11】

前記光導電体素子は、アモルファスセレン、テルル化カドミウム、ヨウ化鉛、酸化鉛（ＩＩ）、ヨウ化水銀、チタン酸ジルコン酸鉛およびチタン酸バリウムストロンチウムからなる群から選択される材料を含み、前記シンチレータは、酸化セシウム、ゲルマニウム酸ビスマス、ルテチウムオルトシリケート、ルテチウムイットリウムオルトシリケート、タングステン酸カルシウム、タリウムドープヨウ化セシウム、テルビウムドープガドリニウムオキシサルファイド、フルオロハロゲン化バリウムおよびシンチレーションガラスからなる群から選択される材料を含む、請求項９に記載の放射線撮像センサ。

【請求項12】

前記光導電体素子と前記光電変換層との間にバッファ層をさらに含む、請求項９に記載の放射線撮像センサ。

【請求項13】

Ｘ線放射を撮像するための方法であって、
光導電体素子、シンチレータおよび光電変換層を含む放射線撮像センサをＸ線放射に暴露するステップであって、前記光電変換層は、テルルドープａ－Ｓｅ、セレン化カドミウムまたは硫化カドミウムを含む、ステップと、
前記光導電体素子により前記放射の第１の部分の吸収に応答して、前記光導電体素子内部で電荷キャリアを直接生成するステップであって、前記放射の第２の部分は、前記光導電体素子を通過する、ステップと、
前記シンチレータによる前記放射の前記第２の部分の吸収に応答して、前記シンチレータの内部で光学光子を生成するステップと、
前記光導電体素子による前記光学光子の吸収に応答して、前記光導電体素子の内部で間接的に電荷キャリアを生成するステップとを含むＸ線放射を撮像するための方法。

【請求項14】

前記Ｘ線放射は低Ｘ線減衰基板を通して前記センサに入射する、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記低Ｘ線減衰基板と前記光導電体素子との間に配置された画素電極アレイ上で電荷パターンを形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記光導電体素子が電離放射線の第１の部分を吸収し、前記光学光子を感知する、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

放射線撮像センサを形成するための方法であって、
低Ｘ線減衰基板の上方に光導電体素子を形成するステップと、
前記光導電体素子の上方に光電変換層を形成するステップであって、前記光電変換層はテルルドープａ－Ｓｅ、セレン化カドミウムまたは硫化カドミウムを含む、ステップと、
前記光電変換層の上方にシンチレータを形成するステップとを含む放射線撮像センサを形成する方法。

【請求項18】

前記光電変換層を形成するステップに先立って、前記光導電体素子の上方にバッファ層を形成するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、一般に電離放射線を検出するための装置および方法に関し、より具体的にはＸ線撮像用のハイブリッドセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

Ｘ線撮像の分野は、アクティブマトリクス・フラットパネル・イメージャ（ＡＭＦＰＩ）に基づくデジタルラジオグラフィ（ＤＲ）システムの急増とともに、２０００年代初期に「デジタル革命」を経験した。それ以来、大面積ＡＭＦＰＩの急速な発展および臨床解釈がアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）アクティブマトリクス技術に基づいて行われてきた。ＡＭＦＰＩは、それらの小型のサイズ、素早い画像読み出しおよび優れた画像品質のために、一般的なＸ線撮影および蛍光透視などの従来のＸ線撮像診断法についてだけでなく、コーンビームコンピュータ断層撮影法（ＣＢＣＴ）およびデジタル・トモシンセシスにおいても使用されている。

【0003】

デジタルＸ線システムは、とりわけ、蛍光透視、コーンビームコンピュータ断層撮影法（ＣＢＣＴ）および心臓撮像を含む、歯科用途および医療用途のためのＸ線パターンの可視表現を提供する。従来のＸ線システムは、典型的には、Ｘ線の電荷キャリア（例えば、電子－正孔対）への直接変換、または光学光子（例えば、可視光）などの中間状態を介したＸ線の電荷キャリアへの間接変換に依存している。

【0004】

図１Ａを参照すると、直接変換の手法は、典型的には、各々が貯蔵コンデンサ１８に結合された、画素電極１４および薄膜トランジスタのアレイを含む固体素子上に配置された、アモルファスセレン（ａ－Ｓｅ）の層のようなＸ線感受性光導電体１２を使用する。走査制御システム２２およびマルチプレクサ２４は、画像データを蓄積し、および電子的にアドレス指定するように構成されている。

【0005】

直接変換検出器１０において、Ｘ線１１は光導電体１２において相互作用し、それらは電子－正孔対（ＥＨＰ）に変換され、読み出し電子回路（ＴＦＴまたはＣＭＯＳ）を介してデジタル化される。図示された例に示されるように、バイアス電極２０は光導電体層１２の上にあってもよい。

【0006】

直接変換検出器１０は、光導電体１２の固有の解像度に起因した高空間分解能の恩恵を受ける。しかしながら、蛍光透視法、ＣＢＣＴおよび心臓撮像などの高エネルギー用途では、ほとんどの光導電体は、入射Ｘ線を十分に減衰させるのに十分な量子効率を有していない。１０００μｍ厚さのａ－Ｓｅ層を含む光導電体は、例えば、限られた量子効率を示し、低い信号対ノイズ比をもたらす。さらに、そのような厚い光導電体層内での不十分な電荷輸送は、信号のゴースト発生、遅延および／または損失をもたらし得る。適切な信号は、施される放射線量を増加させることによって達成されてもよいが、理解されるように、患者へのＸ線照射線量を最小にしながら十分なコントラストおよび明度を有する診断画像を達成することが望ましい。

【0007】

結果として、高エネルギー用途は、より優れた量子効率を有する間接検出器を使用する傾向がある。図１Ｂを参照すると、間接変換検出器３０は、最初にＸ線１１を光学光子に変換するためにシンチレータまたは蛍光体スクリーン３２を使用し、これは次いでフォトダイオード３４内で吸収され、そして電子読み出し部を介してデジタル化される。しかしながら、間接変換検出器３０の量子効率は、典型的には直接変換検出器１０の量子効率を超えるけれども、シンチレータ内部の光学的不鮮明が、直接変換検出器で達成可能な空間分解能より低い空間分解能をもたらし得る。

【0008】

間接検出器の感度および最大信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、例えば、それらの光学光子変換効率により制限される。低変換効率は、検出器の感度を低減させるだけでなく、取得される画像にノイズ（例えば、二次量子ノイズ）を追加する。このノイズは細部の解像度を妨げ得る。前述した点から、直接的または間接的な放射線変換に基づくＸ線撮像技術は、効率および分解能の不適切な組み合わせを提供することが理解されるであろう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

最近の動向にもかかわらず、例えば放射線の過剰な線量を必要とせずに、適切なコントラストおよび明度を提供するＸ線用途のための改良された撮像センサが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本明細書では、蛍光透視法およびＣＢＣＴを含む放射線撮像のためのＸ線検出器の性能を改善する、ハイブリッド・アクティブマトリクス・フラットパネル検出器システムなどのハイブリッド検出器およびそのシステムを実装する方法が開示される。様々な実施形態は、患者に供与する増大された線量を必要とせずに改善された画像品質を提供する。

【0011】

様々な実施形態によれば、放射線撮像センサは、低Ｘ線減衰基板と、基板の上方に配置された光導電体素子と、光導電体素子の上方に配置されたシンチレータとを含む。光導電体素子は、例えば、アモルファスセレン（ａ－Ｓｅ）の層を含み得る。

【0012】

さらなる例示的な放射線撮像センサは、下から上に、低Ｘ線減衰基板と、画素電極アレイと、第１の電荷障壁層と、光導電体素子と、第２の電荷障壁層と、透明導電性電極と、光導電体素子に光学的に結合されたシンチレータとを含む。

【0013】

ハイブリッド検出器は、光導電体内部の直接相互作用並びにシンチレータからの間接相互作用を利用しており、それによりアモルファスセレン直接検出器の高い空間分解能と間接検出器の高い量子効率とを組み合わせている。

【0014】

さらなる実施形態によれば、Ｘ線放射を撮像するための方法は、光導電体素子およびシンチレータを含む放射線撮像センサをＸ線放射に暴露するステップと、光導電体素子による放射の第１の部分の吸収に応答して、光導電体素子内部で電荷キャリアを直接生成するステップであって、放射の第２の部分は光導電体素子を通過するステップとを含む。

【0015】

本方法は、シンチレータによる放射の第２の部分の吸収に応答して、シンチレータ内部で光学光子を生成させるステップをさらに含む。光導電体素子による光学光子の吸収に応答して、電荷キャリアが光導電体素子の内部で生成される。

【0016】

放射線撮像センサを形成する方法は、低Ｘ線減衰基板の上方に光導電体素子を形成するステップと、光導電体素子の上方にシンチレータを形成するステップとを含む。特定の実施形態では、シンチレータを形成するステップに先立って、光電変換層が光導電体素子の上方に形成され得る。

【図面の簡単な説明】

【0017】

本出願の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読むことで最もよく理解することができ、同様の構造は同様の参照符号で示されている。

【0018】

【図1A】単一の光導電体層がＸ線を直接に電子－正孔対に変換する従来のＸ線検出器の概略図である。

【図1B】従来のＸ線検出器の概略図であり、Ｘ線が最初にシンチレータ内で光学光子に変換され、続いてフォトダイオードにおいて光学光子を電子－正孔対に変換する。

【図2】様々な実施形態によるハイブリッドＸ線撮像センサの概略図である。

【図3A】１５０ミクロンの画素ピッチを有するテルビウムドープガドリニウムオキシサルファイド間接検出器を使用して作成された比較のＸ線画像を示している。

【図3B】例示的なハイブリッド撮像センサを使用して作成された改善されたＸ線画像を示している。

【図4】特定の実施形態によるハイブリッドＡＭＦＰＩについての検出量子効率対空間周波数のプロットである。

【図5】様々な実施形態による、光電変換層を含むハイブリッドＸ線撮像センサの分解図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

ここで、本出願の主題の様々な実施形態をより詳細に参照し、そのいくつかの実施形態が添付の図面に示される。同一または類似の部分を参照するために、図面全体を通して同一の参照符号が使用される。

【0020】

図２を参照すると、様々な実施形態によるハイブリッドＸ線撮像センサ２００は、低Ｘ線減衰基板２１０と、電子読み出し部２２０と、第１の電荷障壁層２３０と、光導電体素子２４０と、第２の電荷障壁層２５０と、透明導電性電極２６０および光導電体素子２４０に光学的に結合されたシンチレータ２７０とを含む。

【0021】

上側層および構造のための機械的支持を提供し得る低Ｘ線減衰基板２１０は、２０から１００ミクロンの厚さを有するガラス基板とすることができる。例えば、基板２１０は、低バリウムガラス基板またはポリマー基板であり得る。低Ｘ線減衰基板は、Ｘ線が光導電体素子２４０およびシンチレータ２７０を通過することを可能にしている。本明細書で使用される「低Ｘ線減衰」とは、基板２１０を通るＸ線の透過が少なくとも７５％、例えば７５、８０、９０、９５、９７または９８％であり、前述の値のいずれかの間の範囲を含むことを意味する。

【0022】

特定の実施形態では、低Ｘ線減衰基板２１０はフレキシブル基板とすることができる。例えば、任意の薄いフレキシブルガラスが基板として使用され得る。適切なフレキシブル基板は、３から４ｃｍの曲率半径まで曲げられ得る。電子読み出し部２２０は基板２１０の上方に形成され得る。

【0023】

電子読み出し部２２０は、画素電極２２２のアレイを含み、各々は、ソース領域（Ｓ）、ドレイン領域（Ｄ）およびゲート（Ｇ）を有する薄膜トランジスタ２２４に結合されている。アレイは、行および列に直線的に配置された複数の個々のセルに分割されている。各薄膜トランジスタ２２４は、貯蔵コンデンサに電気的に接続され得る。様々な実施形態によれば、電子読み出し部２２０は、Ｘ線透過性であり、放射線非感受性である。電子読み出し部２２０は、基板２１０に近接して、すなわち基板と光導電体素子２４０との間に配置されており、それによりセンサのＸ線入射面の近くでサンプリングが起こる。そのような幾何学的形状により、シンチレータの空間分解能が改善される。

【0024】

光導電体素子２４０と電子読み出し部２２０との間に位置する第１電荷障壁層２３０は、光導電体素子２４０と電子読み出し部２２０、すなわち画素電極２２２との間で、電荷、例えば電子の通過を防止するように構成されている。第１の電荷障壁層２３０は、例えば、二酸化ケイ素または窒化ケイ素のような誘電材料を含有していてもよく、熱蒸着またはスパッタリングを含む物理気相成長（ＰＶＤ）のような真空蒸着技術を用いて形成されてもよい。

【0025】

光導電体素子２４０は、アモルファスセレン（ａ－Ｓｅ）の層を含有していてもよく、５０から１０００ミクロン、例えば、５０、１００、２００、４００、６００、８００、または１０００ミクロン、前述の値のいずれかの間の範囲を含む厚さを有し得る。特定の実施形態では、アモルファスセレンの光導電体素子２４０は、ヒ素または塩素などの１つ以上のドーパントを含み得る。アモルファスセレンの代わりに、光導電体素子２４０は、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ヨウ化鉛（ＰｂＩ_２）、酸化鉛（ＩＩ）（ＰｂＯ）、ヨウ化水銀（ＨｇＩ_２）、またはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）などのペロブスカイト材料などの他の光導電体材料を含み得る。特定の実施形態では、光導電体素子は、１つ以上のそのような材料の量子ドットを含み得る。

【0026】

光導電体素子２４０は、熱蒸着、スパッタリング、またはゾルゲル法などの溶液系プロセスなどの任意の適切な技術によって形成された光導電体薄膜とすることができる。光導電体薄膜を緻密化するために１つ以上の焼結ステップを用いてもよい。

【0027】

光導電体素子とシンチレータ２７０との間に配置される第２の電荷障壁層２５０は、シンチレータ２７０から放出された光放射がそれを通って光導電体素子２４０の中に伝達されることを可能にすると同時に、光導電体素子２４０と高電圧（ＨＶ）電極２６０との間で、電荷、例えば正孔の通過を防止するように構成されている。例示的な第２の電荷障壁層２５０は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの誘電材料を含む。

【0028】

本明細書で使用される化合物二酸化ケイ素および窒化ケイ素は、それぞれ名目上ＳｉＯ_２およびＳｉ_３Ｎ_４として表される組成を有している。二酸化ケイ素および窒化ケイ素という用語は、これらの化学量論的組成だけでなく、化学量論的組成から逸脱する酸化物および窒化物組成も言及している。

【0029】

光導電体素子２４０は、高電圧電極２６０でバイアスをかけられ、並びに第１および第２の電荷障壁層２３０、２５０によってそれぞれ画素電極２２２および高電圧電極２６０から分離され得る。高電圧電極２６０は、シンチレータ２７０から光導電体素子２４０への光子の光透過を可能にする透明導電性電極とすることができる。例示的な透明導電性電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの導電体金属酸化物またはポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）などの導電体有機ポリマーを含み得る。

【0030】

シンチレータスクリーン２７０は、Ｘ線放射を吸収し、吸収したＸ線放射を光学放射に変換するように構成されている。シンチレータ２７０に適した材料の例は、ドープされていないまたはドープされたヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、例えば約５５０ｎｍにピーク発光を有する、タリウムドープされたヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）である。より長いまたはより短い波長で発光するシンチレータもまた使用することができる。シンチレータ２７０は、例えば、青色光または緑色光を放射することができる。他の例示的なシンチレーション材料は、ゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ）、ルテチウムオルトシリケート（ＬＳＯ）、ルテチウムイットリウムオルトシリケート（ＬＹＳＯ）およびシンチレーションガラスを含む。

【0031】

青色波長で発光するシンチレータは、フルオロハロゲン化バリウム（例えば、フルオロ臭化バリウム、フルオロ塩化バリウム、フルオロヨウ化バリウムなど）およびタングステン酸カルシウムを含むが、これらに限定されない。青色光は、ａ－Ｓｅにおいて高い光量子効率（＞８０％）を有しており、これはａ－Ｓｅが青色シンチレータに直接結合することを可能にしている。

【0032】

緑色波長で発光するシンチレータ２７０は、タリウムドープヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）およびテルビウムドープガドリニウムオキシサルファイド（ＧＯＳ）を含む。緑色で発光するシンチレータの光量子効率は２０％未満であり得るので、特定の実施形態では、追加の緑色感光性光導電体層（図示せず）がａ－Ｓｅ層２４０と高電圧（ＨＶ）電極２６０との間に含まれ得る。追加の光導電体層は、例えば、テルルドープａ－Ｓｅ、またはセレン化カドミウムなどの他の化合物半導体を含み得る。

【0033】

理解されるように、シンチレータの組成および幾何学的形状（例えば、厚さ）は特定の用途のために選択されてもよい。特定の実施形態では、シンチレータ２７０の実効ＥＨＰ生成エネルギー（Ｗ±）は、全てのＸ線が等しく計数されるように、ａ－Ｓｅの実効ＥＨＰ生成エネルギー（Ｗ±＝５０）と一致する。

【0034】

Ｘ線撮影の期間の間に、Ｘ線ビームは患者に衝突し、それが患者の解剖学的構造を通過するときに画像様に変更される。患者の解剖学的構造に関する情報を含む空間的に変更された放射線は、画像センサ２００に衝突する。

【0035】

操作の間に、Ｘ線２０１は、基板２１０を通って、および電子読み出し部（ＴＦＴアレイ）２２０を通ってセンサ２００に入射する。例えば、Ｘ線は、光導電体層２４０を通過して、Ｘ線の第１の部分が減衰され、電子－正孔対に直接変換され得る。直接変換は、図２において概略的に示されている。

【0036】

Ｘ線の第２の部分は光導電体層２４０を通過し得る。Ｘ線の第２の部分はシンチレータ２７０によって吸収され、光学光子に変換され得る。光学光子は、次に、光導電体層２４０内で電子－正孔対に変換される。

【0037】

このように、様々な実施形態において、入射Ｘ線２０１は、光導電体２４０における直接相互作用およびシンチレータ２７０を用いた間接相互作用の両方を介して吸収されて、電子－正孔対に変換される。特定の実施形態では、光導電体２４０は、Ｘ線および光学光子の両方を感知するように構成されている。このハイブリッド構造は、直接検出器または間接検出器単独で達成可能なものを超えた空間分解能および線量効率の改善を可能にしている。

【0038】

さらに図２を参照すると、入射Ｘ線２０１は、シンチレータ２７０との相互作用に先立って光導電体２４０と相互作用する。Ｘ線の第１の部分、例えば高エネルギーＸ線よりもより高いＸ線撮影コントラストを有している、低エネルギーＸ線は、光導電体２４０により吸収され、電子－正孔対に直接変換され得る。

【0039】

Ｘ線の第２の部分、例えば、光導電体２４０と相互作用しない高エネルギーＸ線は、光導電体２４０よりも高い阻止能（しかしより低い空間分解能）を有するシンチレータ２７０によって吸収され得る。そのような高エネルギーＸ線の電子－正孔対への間接的な変換は、検出器の全体的な吸収効率を高めることができる。

【0040】

様々な実施形態において、ａ－Ｓｅ光導電体２４０は、Ｘ線の直接検出器および光学光子に対する検出器の両者として機能するように構成されている。様々な実施形態によれば、ａ－Ｓｅの光結合および量子効率は、シンチレータに吸収されたＸ線とａ－Ｓｅに吸収されたＸ線との間で十分に整合のとれた信号利得を達成するために使用される。

【0041】

開示されたハイブリッド検出器２００を用いた撮像における改善は、図３Ａおよび図３Ｂを参照して理解することができる。図３Ａを参照すると、比較による間接検出器を使用して導出されたシミュレート画像が示されている。図３Ａのファントム画像は、１５０μｍの画素ピッチを有する標準テルビウムドープガドリニウムオキシサルファイド（ＧＯＳ）燐光体スクリーンを用いて生成されたものである。

【0042】

図３Ｂを参照すると、本明細書で開示したハイブリッド検出器を使用して導出された同じシミュレート画像が示されている。ハイブリッド検出器での鮮明度の改善は明らかである。シミュレートされたファントムにおける３００ミクロンの線群（右下から２番目）のコントラスト変調は、例えば３倍改善されている。

【0043】

ハイブリッド検出器の改善された撮像効率は、（Ａ）本明細書で開示したハイブリッドＡＭＦＰＩ、（Ｂ）比較用のａ－Ｓｅベースの直接検出器および（Ｃ）比較用の蛍光体ベースの間接検出器についての検出量子効率（ＤＱＥ）対空間周波数のプロットである、図４を参照すると理解することができる。

【0044】

検出量子効率は、撮像システムの信号性能およびノイズ性能の複合効果の尺度である。医療用Ｘ線撮影において、ＤＱＥは、理想的な検出器に対して撮像システムが高い信号対ノイズ比で画像をどれだけ効果的に生成できるかを表している。図４を参照すると、ハイブリッドＡＭＦＰＩのＤＱＥは、０から７サイクル／ｍｍの領域にわたって直接または間接検出器のいずれかに対するＤＱＥよりも大きいことが容易に明らかである。

【0045】

図５を参照すると、様々な実施形態による平面型ハイブリッドＸ線撮像センサは、下から上に、電子読み出し部２２０、第１の電荷障壁層２３０、光導電体素子２４０、バッファ層２４２、光電変換層２４４、第２の電荷障壁層２５０、透明導電性電極２６０並びに光電変換層２４４および光導電体素子２４０に光学的に結合されたシンチレータ２７０とを含む。

【0046】

電子読み出し部２２０は、例えば各々が貯蔵コンデンサ５１８に結合された、画素電極５１４および薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）またはダイオード５１６のアレイを有するソリッドステート素子を含み得る。走査制御システム５２２およびマルチプレクサ５２４は画像データを蓄積し、電子的にアドレス指定するように構成されている。

【0047】

本実施形態では、バッファ層２４２および光電変換層２４４が、光導電体素子２４０と電荷障壁層２５０との間に配置されている。ドープアモルファスセレン、例えばヒ素ドープアモルファスセレンを含み得るバッファ層２４２は、安定化を高め、光導電体素子２４０の結晶化を抑制するように適合されている。特定の実施形態では、バッファ層２４２は省略されてもよい。光電変換層２４４は、例えば、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）または硫化カドミウム（ＣｄＳ）を含み得る。特定の実施形態では、光電変換層２４４は光導電体素子２４０を補うように適合されている。使用の間に、様々な実施形態によれば、Ｘ線は、図５の平面状ハイブリッドセンサの上面（例えばシンチレータ２７０）または下面（例えば電子読み出し部２２０）に入射し得る。

【0048】

本明細書で開示している様々なハイブリッドセンサのアーキテクチャは、スパッタリング、熱蒸着、電子ビーム蒸着、または溶液ベースの蒸着方法などの１つ以上の従来の薄膜堆積プロセスを使用して層ごとに製造することができる。図５を再び参照すると、例示的な製造プロセスの流れは、電子読み出し部２２０上に光導電体素子２４０を形成するステップを含み得る。アモルファスセレンを含む光導電体素子２４０は、蒸着によって形成され得る。光導電体素子２４０は、Ｘ線を電子電荷に変換するための変換層として、および／または光生成電荷を電子読み出し部２２０に向かって輸送するためのドリフト層として機能することができる。特定の実施形態では、ドープセレンの層は、バッファ層２４２を形成するために光導電体素子２４０の上に直接、例えば蒸着によって堆積され得る。光電変換層２４４は、存在する場合はバッファ層２４２の上に、または光導電体素子２４０の直接上方に形成することができる。光電変換層２４４は、例えば、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリングまたは溶液処理、例えば量子ドットの液体懸濁液をスピンコーティングすることによって形成され得る。特定の実施形態では、光電変換層２４４は、３０℃以下の堆積温度で形成される。特定の用途では、光電変換層２４４は、上側の電極から光導電体素子２４０への電荷注入を阻止または防止するための電荷障壁層（例えば、正孔障壁層）として機能するように適合される。様々な実施形態では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の層などの電荷障壁層２５０は、光電変換層２４４の上方に形成される。電荷障壁層２５０は、３０℃以下の堆積温度で、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、または溶液処理により、例えば、コロイド状ＺｎＯ粒子またはコロイド状量子ドットの分散液を用いることにより形成することができる。透明導電性電極２６０は、電荷障壁層２５０の上に形成され、Ｘ線を光子に変換するように適合されたシンチレータ２７０は、透明導電性電極２６０の上に形成される。

【0049】

出願人は、間接変換Ｘ線フラットパネルイメージャと高効率光電変換層２４４との組み合わせが、改善されたダイナミックレンジおよび感度を提供し、これはデジタルＸ線撮影に対して有益であることを実証した。光導電体素子２４０（例えば、ａ－Ｓｅ）とシンチレータ（例えば、ＣｓＩ）との間の光電変換層２４４の組み込むは、センサの光学光子変換効率を向上させ得る。

【0050】

改善された光学光子変換効率は、高い信号対ノイズ性能、および低線量蛍光透視における電子ノイズの悪影響の減少を含む、様々な用途に対して実用的な利点を提供している。

【0051】

本明細書で開示したように、ハイブリッド検出器は、直接および間接検出器のそれぞれの欠点を最小限に抑えながら、その利点を利用している。セレン内のＸ線の直接相互作用は、画像の鮮明度を維持するのを助け、高い空間周波数での電子ノイズを克服する。シンチレーション層からのＸ線信号は、ａ－Ｓｅ内のものと比較して不鮮明であるが、その高い吸収効率は、全検出器信号を増大させ、低線量性能を改善する。

【0052】

開示されたハイブリッド検出器は、従来の直接変換検出器と比較して改善された線量効率、および従来の間接変換検出器と比較して優れた空間分解能を示している。高い空間分解能と組み合わされた高い吸収効率は、特に微細な細部および低コントラストの対象物に対して、より良好な量子効率および改善された撮像をもたらす。

【0053】

開示されたセンサは、一般的な放射線撮影およびマンモグラフィーのような画像診断用の様々なＸ線システムと共に使用されてもよいことが理解されるであろう。

【0054】

本明細書で使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の指示物を含む。従って、例えば、「画素電極」への言及は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、２つ以上のそのような「画素電極」を有する例を含む。

【0055】

特に明記しない限り、本明細書に記載の任意の方法は、そのステップが特定の順序で行われることを必要とすると解釈されることを決して意図していない。従って、方法クレームが後にそのステップが続く順番を現に記載していないか、またはそうでなければステップが特定の順番に限定されるべきであることが請求項または明細書に具体的に述べられていない場合、任意の特定の順序が暗示されることを決して意図していない。任意の１つの請求項における任意の記載された単一または複数の特徴または態様は、任意の他の１つまたは複数の請求項内の任意の他の記載された特徴または態様と組み合わせることができるか、または置換することができる。

【0056】

層、領域または基板などの要素が別の要素の「上に（ｏｎ）」または「上方に（ｏｖｅｒ）」形成され、堆積され、または配置されていると言及される場合、それは他の要素の上に直接あり得ること、または介在要素も存在し得ることが理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素の「直接上に」または「直接上方に」あると言及される場合、介在要素は存在しない。

【0057】

特定の実施形態の様々な特徴、要素またはステップは、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という移行句を使用して開示され得るけれども、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ）」または「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」という移行句を使用して説明され得るものを含む代替の実施形態が意味されると理解される。従って、例えば、アモルファスセレンを含む光検出器の暗黙の代替実施形態は、光検出器がアモルファスセレンから本質的になる実施形態、および光検出器がアモルファスセレンからなる実施形態を含む。

【0058】

本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に様々な修正および変更を加えることができることが当業者には明らかであろう。本発明の精神および実体を組み込んでいる開示された実施形態の修正、組み合わせ、サブコンビネーション、および変形は当業者に想起され得るので、本発明は添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内のすべてを含むと解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0059】

１０ 直接変換検出器
１１ Ｘ線
１２ Ｘ線感受性光導電体
１４ 画素電極
１８ 貯蔵コンデンサ
２０ バイアス電極
２２ 走査制御システム
２４ マルチプレクサ
３０ 間接変換検出器
３２ 蛍光体スクリーン
３４ フォトダイオード
２００ ハイブリッド検出器
２０１ Ｘ線
２１０ Ｘ線減衰基板
２２０ 電子読み出し部
２２２ 画素電極
２２４ 薄膜トランジスタ
２３０ 第１の電荷障壁層
２４０ 光導電体素子
２４２ バッファ層
２４４ 光電変換層
２５０ 電荷遮蔽層
２６０ 透明導電性電極
２７０ シンチレータ
５１４ 画素電極
５１６ 薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）またはダイオード
５１８ 貯蔵コンデンサ
５２２ 走査制御システム
５２４ マルチプレクサ

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】