テクノロジ
Varian： 初期の開発者たち
1990年代初頭、VarianのGinztonテクノロジーセンターの研究者は、速度、画質、携帯性、使いやすさを組み合わせ、新しい技術を結集した開発は開始しました。 1998年、Varianは、透視及びX線デジタルイメージングの両方を実現する、アモルファスシリコンフラットパネルシステムを発表。この種の装置を提供する、世界初かつ唯一の企業となりました。 現在、Varianは、リアルタイムのフラットパネル画像センサー技術で、その製品と能力を洗練と改善を重ねています。 Varianは、医療用及び工業用イメージング市場にわたるさまざまな用途で、20,000台以上のレセプタを世に送り出してきました。
リアルタイムX線イメージングシステム
VarianのPaxScan™は、アモルファスシリコンセンサーパネル、放射線変換素材、低ノイズのアナログ及び高速デジタル電子部品、カスタムASIC制御及び処理電子部品、コンパクトなパッケージングなど、トップレベルの技術を組み合わせた製品です。 新しい用途で性能や拡張性の向上を図る上で、有効活用できる新しい素材、プロセス、回路、新技術をVarianのイメージング技術の一部として取り込み進化し続けます。 現在、Varianは、次のような技術を採用しています。
アモルファスシリコンセンサーパネル
センサーパネルの目的は、X線の吸収によって画素ごとに生成される電荷を画素行ごとに充電アンプを通して読み出し計測することです。 電荷を蓄積するデバイスとして、感光体画像処理装置あるいはシンチレータと組み合わされたフォトダイオードのコンデンサです。 電荷を読み出すスイッチは、単一のダイオードか２つのダイオード、あるいは薄膜トランジスタで実現されます。 これらの蓄電装置のどれを使用しても機能しますが、それぞれ、長所と短所があります。 Varianの製品は、その使いやすさ、商用性、柔軟な設計という理由から、フォトダイオードTFTの組み合わせを使用しています。
アモルファスシリコンセンサーパネルの顕微鏡写真
ここに描かれているアレイでは、スイッチは、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ使用されているスイッチと同様の薄膜トランジスタ（TFT）となっています。 パネル設計における重要な目標は、到達した光量の無駄を最小限に抑えるよう、フォトダイオード（「高フィルファクター」）によって取り込まれる有効画素面積を最大化させることです。 信号は、細い金属ラインで伝達されます。 このセンサーパネルにおけるピクセルの中心間の距離は127ミクロンであり、フィルファクターは85%です。 より高いフィルファクターが現在のVarianの製品に使用されています。
アモルファスシリコンセンサーパネルの回路図
動作中、すべてのフォトダイオードは、外部電圧により逆バイアスされます。 TFTスイッチがオフになっている間、シンチレータからの光によって生成される電荷は、ダイオードに蓄積されます。 読み出しを行う場合、ある行が信号で指定され、その行のスイッチがオンになります。 同時に選択された行の全フォトダイオードからの電荷が、すべての行ごとにデータラインを通って同時読出しします。 大きなアレイでは、数千の信号が同時読み取りされます。 Varianは、アモルファスシリコンセンサーパネル用にダイナミックレンジが広く、高い充電容量備えたカスタムの128チャンネル、低ノイズ素子を開発しました。
X線変換手段
入射X線を電荷に変換するには、3種あり、アモルファスシリコンに実装した電子回路によって読み出しが行われます。 これらの3つの方法とは、半導体、フォトコンダクター、及びシンチレータです。 それぞれの方法は、そのパフォーマンスにおいて、長所と短所があり、実用的なX線画像処理装置として、特定の制限を持ちます。 すべての3つの方法で、電荷が読み出される前に、フレーム周期で蓄積が行われます。 一方、ガンマカメラでは、各X線光子が到達時にカウントされます。 X線光子の到達率はカウントできないほど高すぎるため、一般に、この技術はX線イメージングには使用されていません。
半導体式
到達するX線は、正孔‐電子ペアが生成される、アモルファスシリコンのダイオードによって捕捉されます。 印加されたバイアスが、電荷を分離し、再結合を防ぎます。 電荷のペアは、X線エネルギーの5電子ボルト程度ずつ生成されるため、信号が高まります。 残念ながら、シリコンのX線吸収は非常に低いため、フォトダイオードの場合、厚さ10〜20 mmが必要であるといえます。 このようなアモルファスシリコンによる素子を製造することは不可能です。 半導体を利用した素子は、結晶シリコンから製造されますが、1つまたは2列のアレイ製造は実用可能ですが、その価格は高額なものとなります。
フォトコンダクター
シリコンよりも高いX線吸収を備えた感光体を、電荷蓄積用コンデンサを備えた電荷集極アレイのプレート上にコーティングします。 これらは、X線が吸収される際に、正孔-電子のペアを生成しますが、生成された電荷は、横方向のクロストークを避けるため、層外に格納する必要があります。 印可された高圧電界は、電荷を分離するだけでなく、画像のシャープネスを維持するため、直接そのすぐ下にある集電板に向かいます。 現在、唯一製造中のフォトコンダクターであるセレンは、比較的低いX線の吸収性を備え、正孔-電子のペアを生成するのに約50電子ボルトを必要とします。 これらは、最低線量と生成される信号の大きさの両方を制限します。 低エネルギー要件及び高いX線の吸収性を備えた他の材質が開発されつつあります。
シンチレータ法
シンチレータは、X線を吸収し、エネルギーを可視光に変換する化合物です。 優れたシンチレータは、到達するX線光子で多くの光子を生成します。一般的な生成量は、到達するX線のエネルギー1kVあたり、20〜50の可視光です。 通常、シンチレータは、高い原子番号の材質から構成されており、目に見える光子の放出を容易にするため、直接的なバンド遷移を提供する、高いX線吸収性と低濃度の活性剤を有します。 シンチレータには、蛍光体のような粒状またはヨウ化セシウムのような結晶性があります。
蛍光体シンチレータの構造
蛍光体は、X線にさらされると光を発する物質です。 最大輝度を達成するため、X線イメージングで使用される蛍光体は、他の希土類をドープした希土類酸硫化物で作られています。 最も一般的には、テルビウムをドープしたガドリニウム及びランタン酸硫化物です。 通常、これら、フィルムの感度に一致する、青から緑色の光を発します。 様々な分解能と明るさを生み出すため、さまざまな粒径と化学物質の混合物が使用されます。 使用の際には、接着剤と混合され、プラスチックシート上にコーティングされます。 これらは、感度を向上させるためにX線フィルムに押しつけて使用するよう設計されていますが、フィルムと同等以上の感度を持つ電子X線検出器を構成するため、アモルファスシリコンフォトダイオードのアレイに圧着して使用することがあります。 蛍光体のスクリーンで目に見える各光子を生成するには、数十の電子ボルトと、高いX線の吸収性が必要です。 高いエネルギーのX線を止めるために層を厚くする必要がある場合は、光散乱が問題になることがあります。
ヨウ化セシウムシンチレータの構造
分解能の向上や明るい発光のためには、ヨウ化セシウムが使用されます。 CsIは、適切な蒸着の条件下で、微細な針（直径10〜20ミクロン）状の密なアレイとして成長するという有用な特徴を持ちます。 これは、生成された柱状結晶が、X線入力面の近くに生成される可視光の光パイプとして機能するため、優れた分解能の維持力し、非常に厚い（最大1 mm）層まで使用が可能です。 セシウムは高い原子番号を持ち、到達するX線の利用効率を著しく高めるため、優れたX線吸収体です。 各光子の生成には、約20〜25電子ボルトが必要とされます。 タリウムをドープすると、CsIは、アモルファスシリコンの分光感度のピークである約550nmで発光します。 CsIとアモルファスシリコンの組み合わせは、現在生産中の全素材の中で、最も高いDQEを持っています。
リアルタイムX線イメージングシステム
過去、リアルタイムX線画像（X線撮影装置またはX線透視装置）は、到達するX線を可視光に変換するデバイスとテレビカメラを組み合わせたものが使用されていました。 最近まで、撮像管を備えたカメラが一般的でしたが、最近のシステムでは、ほとんどがCCDカメラを使用しています。 CCD（及びその他の関連する固体撮像装置）は、撮像管よりも安定性、幾何学的精度、信号の均一性とサイズにおいて優れていますが、これらの利点は、X線変換機能が追加される際に、実質的に差し引かれます。 X線パネル検出器は、これらの利点を活用するとともに、それらの欠点を補います。 図にその理由を示します。
 | CCDを使用したイメージ・インテンシファイアー この組み合わせでは、広範囲にわたって、低線量でリアルタイム画像を提供が可能です。 幾何学的な歪みと画像の焼き付きが起こりやすいのが特徴です。 イメージ・インテンシファイアーは、ゲインを得るため電子加速に依存しているため、外部磁界の影響を受けやすく、高電圧を必要とします。 |
 | レンズ結合CCD レンズの光学収集効率が非常に低いこの組み合わせは、高いX線量またはリアルタイム処理できる信号増幅カメラが必要です。 ミラーが、一次X線ビームからカメラを動かします。 視野またはエネルギー帯の変更は、コンバータのスクリーンを変更するのと同じ程度に簡単です。 |
 | 光ファイバ付きCCD この組み合わせは、小さな視野に使用する場合、シンプルなソリューションを提供します。 幾何学的な歪みが少なく、均一性が高いのが特徴です。 さまざまなスクリーンが、多様なエネルギー帯への対応を可能にします。 より高いエネルギーでは、一次ビームがカメラに直接入射しないようにファイバ束が必要となる場合があります。 |
 | X線パネル検出器 この装置のシンプルさにより、その他の装置の殆どの問題を克服します。 ダイナミックレンジ、コントラスト、及び幾何学的な特徴が向上しています。 X線変換素材も選択できます。 より高いエネルギーでは、読み出し部、電子部品のみを一次ビームの外に配置する必要があります。 |
デジタルイメージング： テクノロジ： リアルタイムイメージング
| X線フラットパネルイメージャー | 光学接続型CCD | 光ファイバ接続型CCD | CCD組み込みイメージ・インテンシファイアー | |
|---|---|---|---|---|
| 対象エリア | 大 | 大 | 小 | 中 |
| 感度 | 高 | 低 | 中 | 高 |
| ダイナミックレンジ | 高 | 中 | 中 | 中 |
| コントラスト | 高 | 中 | 中 | 低 |
| 幾何学的精度 | 非常に高い | 中 | 中 | 低 |
| 安定性 | 高 | 高 | 高 | 中 |
| 耐放射線性 | 非常に高い | 高（ミラー付き） | 中 | 中 |
| 画像あたりのピクセル数 | 高〜非常に高い | 低〜高 | 低〜高 | 低〜高 |
| 磁場抵抗 | 非常に高い | 非常に高い | 非常に高い | 非常に低い |
| コンパクト性 | 高 | 低 | 中 | 低 |
| 低電圧動作 | はい | はい | はい | いいえ |
| 電子ズーム | はい | まれ | まれ | はい |
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Tel: 801.972.5000
Fax: 801.973.5050
E-Mail: xray.info@varian.com
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