CN104023639B - X射线计算机断层摄影装置、x射线检测装置及x射线检测模块 - Google Patents

Abstract

本实施方式的X射线计算机断层摄影装置（1）的特征在于，具备：X射线产生部（105），产生X射线；X射线检测部（107），具有针对多个能宽的每一个能宽检测由X射线产生部（105）产生的X射线的多个X射线检测模块（177）；计数部（109），根据来自X射线检测部（107）的输出，针对每个能宽对来自X射线的光子数进行计数；重建部（300），根据来自计数部（109）的输出重建医用图像，X射线检测模块（177）的每一个具有：准直仪（1771），对X射线进行准直；多个X射线检测元件（1775），从准直仪的背面隔开规定距离而设置；衍射体（1773），设置于准直仪的背面侧，以与X射线的能量对应的角度衍射X射线。

Description

X射线计算机断层摄影装置、X射线检测装置及X射线检测模块

技术领域

本发明的实施方式涉及具有计数器的X射线计算机断层摄影装置、可辨别能量的X射线检测装置以及X射线检测模块。

背景技术

目前，以单光子发射计算机断层摄影装置（Single Photon Emission ComputedTomography：以下，称为SPECT装置）以及正电子发射计算机断层摄影装置（PositronEmission Computed Tomography：以下，称为PET装置）等的核医学诊断装置中的单光子检测的技术（以下，称为单光子检测技术）的扩张的形式进行光子计数型的X射线计算机断层摄影装置（Computed Tomography：以下，称为光子计数X射线CT装置）的实用化的尝试。单光子检测技术大致有两种。

第1种单光子检测技术是以下的那样的方法。首先，通过晶体（闪烁体）等将透过了被检体的X射线光子转换成闪烁光。接着，通过利用光电倍增管（Photomultiplier tube：以下，称为PMT）、或者硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier：以下，称为SiPM）等的光检测器检测闪烁光，从而将X射线光子作为电信号取出。上述方法被称为间接转换型。

第2种单光子检测技术是使用半导体检测器，将透过了被检体的X射线光子直接转换成电信号的方法（也称为直接转换型）。具体而言，对半导体检测器中的2个电极预先施加偏置电压。通过向半导体检测器的内部入射X射线光子，从而在半导体检测器内部发生电子和空穴的对生成。所产生的电子与空穴分别被不同的电极吸引。到达了电极的电子被作为电信号而取出。

在上述的任一方法中，所取出的电信号（以下，称为检测信号）的强度的积分值与X射线光子的能量成比例，因此，对检测信号进行积分。通过检测信号的积分来计算分别检测到的X射线光子的能量。核医学诊断装置与光子计数X射线CT装置的不同点在于，光子计数X射线CT装置中的光子的流量与核医学诊断装置中的光子的流量相比较，差异悬殊。为了通过光子计数X射线CT装置重建医用图像，例如，需要对10＾9个/mm＾2/sec（以下，称为计数率）进行单光子检测。

然而，当对上述计数率执行对于X射线光子的单光子检测时，存在分别与上述2种单光子检测技术对应的以下所示的2个与计数损失相关的问题。对于第1种单光子检测技术的问题是基于堆积（Pile up）的计数损失的问题。堆积是通过在闪烁的典型的衰减时间（数纳秒）内多个X射线光子入射至闪烁体而发生的。堆积是与多个X射线光子的每一个对应的多个检测信号重叠的现象。如果发生堆积，则多个X射线光子作为一个X射线光子而被计数，结果发生计数损失。

对于第2种单光子检测技术的问题是由于X射线光子在半导体检测器的停滞时间中入射至半导体检测器而造成的计数损失的问题。所谓停滞时间是指从由半导体检测器取出检测信号到在半导体检测器中能够再次发生对生成时的时间间隔。如果在停滞时间内X射线光子入射至半导体检测器，则不会发生对生成，因此，X射线光子不被计数。目前，正在尝试通过缩小半导体检测器的大小（像素尺寸）来减少在单位时间内入射至同一半导体检测器的X射线光子的数量。然而，在该尝试中，最大计数率停留在10＾6个/mm＾2/sec左右。

发生与上述计数损失相关的问题的理由在于，为了计算入射至X射线检测器的X射线光子的能量而对衰减时间常数长的检测信号进行积分的缘故。

发明内容

为了实现光子计数X射线CT装置，问题在于实现高计数率。然而，难以在与核医学诊断装置相关的技术的延伸上找到上述单光子检测技术。

目的在于，提供一种使X射线光子的能量辨别不基于检测信号的积分，从而能够实现X射线光子的高计数率的X射线计算机断层摄影装置、X射线检测装置以及X射线检测元件。

本实施方式所涉及的X射线计算机断层摄影装置具有：X射线产生部，产生X射线；X射线检测部，具有能够针对多个能宽的每一个能宽检测由上述X射线产生部产生的X射线的多个X射线检测模块；计数部，根据来自上述X射线检测部的输出，针对上述能宽的每一个能宽计数来自上述X射线的光子数；以及重建部，根据来自上述计数部的输出重建医用图像，其中，上述X射线检测模块各自具有：准直仪，对上述X射线进行准直；多个X射线检测元件，从上述准直仪的背面隔开规定距离而设置；衍射体，设置于上述准直仪的背面侧，以与上述X射线的能量对应的角度衍射上述X射线。

根据本实施方式，能够提供一种使X射线光子的能量辨别不基于检测信号的积分，而能够实现X射线光子的高计数率的X射线计算机断层摄影装置、X射线检测装置以及X射线检测元件。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的X射线计算机断层摄影装置的结构的一个例子的结构图。

图2是表示本实施方式所涉及的X射线检测部中的多个X射线检测模块的排列的一个例子的立体图。

图3是表示将本实施方式所涉及的X射线检测部中的X射线检测模块的一个例子与入射的多色X射线、根据能量而衍射的X射线一起示出的图。

图4是表示本实施方式所涉及的、将多个计数器和多个加法器连接起来的一个例子的图。

图5是表示本实施方式所涉及的、与医用图像的重建所使用的直方图数据对应的表的一个例子的图。

图6是表示本实施方式所涉及的、与对入射至X射线检测元件的X射线光子进行能量辨别的过程相关的流程图的图。

图7是表示本实施方式所涉及的、根据直方图数据对与规定的能宽对应的医用图像进行重建的处理的步骤的流程图。

符号说明

1…X射线计算机断层摄影装置、100…架台部、101…旋转环、103…旋转驱动部、105…X射线产生部、107…X射线检测部、109…计数部、111…滑动环、113…非接触数据传送部、177…X射线检测模块、200…存储部、300…重建部、400…显示部、500…输入部、600…控制部、1091…计数器、1093…加法器、1771…准直仪、1773…衍射体、1775…X射线检测元件、1777…X射线检测元件组、1779…中心元件

具体实施方式

参照附图对基于光子计数的X射线计算机断层摄影（Computed Tomography）装置的实施方式进行说明。另外，在X射线计算机断层摄影装置中，有将X射线产生部和X射线检测部设为一体而在被检体的周围旋转的Rotate/Rotate-Type、固定环状地排列的多个X射线检测元件且只有X射线产生部在被检体的周围旋转的Stationary/Rotate-Type等各种类型，任一类型都适用于本实施方式。另外，为了重建医用图像，需要被检体的周围一周、360°量的投影数据，即使在半扫描法中也需要180°+扇形角度量的投影数据。对于任一重建方式都能够适用于本实施方式。近年来，将X射线产生部和X射线检测部的多个对搭载于旋转环的所谓的多管球型的X射线计算机断层摄影装置的产品化得到发展，正在开发其周边技术。在本实施方式中，无论是以往的单管球型的X射线计算机断层摄影装置，还是多管球型的X射线计算机断层摄影装置都能够适用。在此，设为单管球型进行说明。

另外，在以下的说明中，针对具有大致同一功能以及构成的构成要素添加同一符号，只在必要时进行重复说明。

图1是表示基于本实施方式所涉及的光子计数的X射线计算机断层摄影装置的结构的一个例子的结构图。基于光子计数的X射线计算机断层摄影装置1具有架台部100、存储部200、重建部300、显示部400、输入部500以及控制部600。

在架台部100中收容旋转支承机构。旋转支承机构由旋转环101、以旋转轴Z为中心自由旋转地支承旋转环101的环支承机构、驱动环的旋转的旋转驱动部103（电动机）构成。在旋转环101上搭载X射线产生部105、X射线检测部107、根据来自X射线检测部107的输出对来自X射线的光子数进行计数的计数部109。

X射线产生部105具有未图示的高电压发生器和X射线管。高电压发生器产生对X射线管施加的高电压（以下，称为管电压）和向X射线管供给的电流（以下，称为管电流）。高电压发生器按照从后述的控制部600经由滑动环111输入的控制信号，产生管电压和管电流。X射线管接受来自高电压发生器的管电压的施加以及管电流的供给，从X射线的焦点放射X射线。X射线管产生多色X射线。多色X射线包含具有不同的能量的单色X射线。

X射线检测部107具有按照多个能宽的每一个检测X射线的多个X射线检测模块。以下，说明多个X射线检测模块的每一个X射线检测模块与1个通道对应的例子。图2是表示X射线检测部107中的多个X射线检测模块177的排列的一个例子的图。如图所示，多个X射线检测模块177格子状地排列。另外，多个X射线检测模块177例如也可以沿着顶板的短轴（Y轴）方向或者旋转环101的圆弧方向一维地排列。图3是将X射线检测模块177的一个例子与入射至准直仪1771的多色X射线（以下，称为入射X射线）、和通过衍射体1773根据X射线的能量而衍射了的X射线一起示出的图。

X射线检测模块177具有准直仪1771、衍射体1773以及多个X射线检测元件1775。准直仪1771使入射X射线准直。入射X射线是接受了被检体的透过路径中的物质以及与单色X射线的能量对应的散射、吸收、透过等的影响的多色X射线。

衍射体1773被设置于准直仪1771的背面侧。衍射体1773具有规定的厚度。衍射体1773例如由金属或者晶体粉末构成。衍射体1773根据能量对被准直后的多色X射线进行衍射。入射至衍射体1773的多色X射线是多色光子的集团（即，具有分别与多个波长对应的多个能量的光子（photon）的集团）。因此，衍射体1773根据布拉格条件以与光子的能量对应的角度衍射多色光子的集团。即，衍射体1773以与能量对应的角度衍射（分光）多色X射线。

多个X射线检测元件1775（以下，称为X射线检测元件组1777）从准直仪1771隔开规定距离而设置。位于X射线检测元件组1777的中心的X射线检测元件（以下，称为中心元件）例如被设置于与准直仪1771的开口中心对置的位置。即，在中心元件的正上方隔着衍射体1773设置准直仪1771。X射线检测元件组1777的宽度比准直仪1771的口径长。如图3所示，多个X射线检测元件1775的各个二维地格子状地排列（以下，称为二维阵列）。另外，多个X射线检测元件1775的各个也可以一维状地排列。在多个X射线检测元件1775的每一个上连接后述的计数器1091。在衍射体1773与X射线检测元件组1777之间填充空气等折射率小的物质。另外，衍射体1773与X射线检测元件组1777之间也可以是真空的。

具体而言，多个X射线检测元件1775的每一个例如是脉冲发生元件。即，如果入射由衍射体1773衍射后的X射线，则多个X射线检测元件的每一个产生规定的脉冲信号。X射线检测元件1775将所产生的脉冲信号输出至计数器1091。脉冲信号的数量与来自入射至X射线检测元件1775的单色X射线的X射线光子的数量（以下，称为光子数）对应。

在图3中，设多色X射线包含具有第1波长λ1的第1单色X射线和具有第2波长λ2的第2单色X射线。设第1波长λ1比第2波长λ2短。此时，与第1单色X射线相关的布拉格角比与第2单色X射线相关的布拉格角小。由此，入射至衍射体1773的多色X射线中包含的多个不同的单色X射线根据能量以分别不同的角度进行衍射。当X射线检测元件组1777是二维阵列时，多个不同的单色X射线以与能量对应的德拜-谢勒环状到达二维阵列上。

计数部109对从多个X射线检测模块17各个中的多个X射线检测元件1775的每一个输出的脉冲信号进行计数。即，计数部109对入射至X射线检测元件1775的每一个的X射线光子的光子数进行计数。

图4涉及X射线检测模块177和计数部109，是示出连接多个计数器1091和多个加法器1093的一个例子的图。如图4所示，对多个X射线检测元件1775分别连接多个计数器1091。将与准直仪1771的开口中心对置的位置（中心元件1779）作为中心，对分别与位于相同半径的多个X射线检测元件1775连接的多个计数器1091连接加法器1093。与中心元件1779连接的计数器1095和多个加法器1093与非接触数据传送部113连接。示出越是距离中心元件1779近的X射线检测元件所入射的X射线光子的能量越大，越是远离中心元件的X射线检测元件所入射的X射线光子的能量越小的情况。即，例如，在图3中，第1单色X射线的能量比第2单色X射线的能量大。

具体而言，计数部109具有对光子数进行计数的多个计数器1091、相加从多个计数器1091输出的多个计数值的多个加法器1093。另外，计数部109也可以经由非接触数据传送部113、独立于旋转环101而设置于架台100的内部或者外部。从计数部109输出的数据经由使用磁性发送接收或者光发送接收的非接触数据传送部113而传送至后述的存储部200。

多个计数器1091与多个X射线检测元件1775的每一个连接，对从多个X射线检测元件1775的每一个输出的脉冲信号进行计数。多个计数器1091根据距离X射线检测元件组1777的中心的距离（半径），与加法器1093连接。多个加法器1093的每一个和对应于相对X射线检测元件组1777的中心位置的距离的多个计数器1091连接。另外，加法器1093也可以不连接中心元件1779。加法器1093对从多个计数器1091输出的多个计数值进行相加。加法器1093经由非接触数据传送部113将相加得到的计数值输出至存储部200。

存储部200存储经由非接触数据传送部113输出的计数值。具体而言，存储部200针对多个视角的每一个、多个X射线检测模块177的每一个、多个能宽的每一个存储计数值。以下，根据多个视角的每一个、根据多个X射线检测模块177（通道）的每一个、多个能宽的每一个将与计数值（度数）相关的数据称为直方图数据。存储部200将从计数部109输出的计数值存储为直方图数据。

存储部200存储由后述的重建部300重建的医用图像。存储部200存储由后述的输入部500输入的操作者的指示、图像处理的条件、摄影条件等信息。存储部200为了X射线计算机断层摄影而存储控制架台100等的控制程序等。

图5是表示与医用图像的重建所使用的直方图数据对应的表的一个例子的图。图5中的来自计数器的输出a表示视角是0°且X射线检测模块177（通道）的编码是1的、分别与X射线检测元件1775的位置编码（1至m）对应的多个计数值的一个例子。图5的a中的对应于多个X射线检测元件1775的多个位置编码与多个不同的能宽对应。即，多个X射线检测元件1775每一个的位置与X射线光子的能量对应，而X射线光子的能量和距离中心元件1779的半径对应。对于图5中的输出a，由加法器1093对相同能量的计数值进行相加。

图5中的b表示直方图数据的一个例子，该直方图数据与将图5的a的多个计数值中的、分别对应于多个X射线检测元件的多个计数值相加得到的结果对应，该多个X射线检测元件距离中心元件1779的半径相同。针对每个视角入射至多个X射线检测模块的各个的准直仪1771的多色X射线被辨别为与能量对应的计数值。直方图数据也可以由未图示的预处理等执行各种校正。直方图数据例如与投影数据对应。图5的b中的直方图数据的能量编码的总数n比X射线检测元件的位置编码的总数m少。

重建部300根据作为分别与多个视角、多个X射线检测模块、多个能宽对应的计数值的直方图数据，重建与能宽对应的医用图像。例如，重建部300通过滤波校正反投影法（例如，卷积反投影法）或者逐次近似法（例如，OS-EM法等）等来重建医用图像。另外，重建部300还能够根据每个视角、每个X射线检测模块177以及每个能宽的计数值来重建分别与多个能宽对应的多个医用图像。

另外，重建部300还能够根据分别与多个能宽对应的多个医用图像产生能量差分图像。另外，重建部300还能够根据与多个能宽的每一个对应的直方图数据来重建与能量差分对应的医用图像。

显示部400显示由重建部300重建得到的每个能宽的医用图像、为了进行X射线计算机断层摄影而设定的条件等。

输入部500输入操作者所希望的X射线计算机断层摄影的摄影条件、以及被检体的信息等。具体而言，输入部500将来自操作者的各种指示/命令/信息/选择/设定都取入到本X射线计算机断层摄影装置1中。虽然没有图示，但输入部500具有用于进行关心区域的设定等的轨迹球、开关按钮、鼠标、键盘等。输入部500检测显示画面上所显示的光标的坐标，并将检测到的坐标输出至控制部600。另外，输入部500也可以是设计成覆盖显示画面的触摸屏。此时，输入部500利用电磁感应式、电磁应变式、感压式等坐标读取原理检测所触摸指示的坐标，并将检测到的坐标输出至控制部600。

控制部600作为本光子计数X射线计算机断层摄影装置1的中枢来发挥作用。控制部600具备未图示的CPU和存储器。控制部600根据存储于未图示的存储器的检查计划数据和控制程序，为了X射线计算机断层摄影而控制未图示的床部、架台部100、旋转驱动部103、X射线产生部105等。具体而言，控制部600将从输入部500发送来的操作者的指示或图像处理的条件等信息暂时存储于未图示的存储器。控制部600根据暂时存储于存储器的这些信息，控制床部以及架台部100、旋转驱动部103、X射线产生部105等。控制部600从存储部200读出用于执行规定的图像产生/显示等的控制程序并在自身所具有的存储器上展开，执行与各种处理相关的运算/处理等。

（X射线光子辨别功能）

所谓X射线光子识别功能是指根据能量来识别入射至X射线检测模块177的每一个中的准直仪1771的多色X射线的功能。以下，说明与X射线光子辨别功能相关的过程（以下，称为X射线光子辨别过程）。

图6是表示X射线光子辨别过程的步骤的一个例子的流程图。

多色X射线入射至X射线检测部107中的多个X射线检测模块177的准直仪1771（步骤Sa1）。由准直仪1771进行准直后的多色X射线入射至衍射体1773（步骤Sa2）。衍射体1773以针对X射线光子的每个能量而不同的衍射角度、按照布拉格条件对多色X射线中的多个X射线光子进行衍射（步骤Sa3）。能量相互不同的多个单色X射线（X射线光子）入射至相互不同的位置的X射线检测元件1775（步骤Sa4）。X射线检测元件1775的位置与被衍射的单色X射线的能量对应。

（能量辨别重建功能）

所谓能量辨别重建功能是指根据与能量所对应的X射线检测元件1775的位置相关的计数值（直方图数据），重建每个能量的医用图像的功能。以下，说明与能量辨别重建功能相关的处理（以下，称为能量辨别重建处理）。

图7是表示根据直方图数据重建与规定的能宽对应的医用图像的处理的步骤的流程图。

单色X射线入射至X射线检测元件1775（步骤Sb1）。通过X射线检测元件1775产生脉冲信号（步骤Sb2）。对脉冲信号中的脉冲数进行计数（步骤Sb3）。直到经过规定时间（例如，X射线检测部107位于相同的视角的时间）为止，重复步骤Sb2以及步骤Sb3所涉及的处理（步骤Sb4）。

在X射线检测元件组1777中，将分别与位于相同半径的多个X射线检测元件1775对应的多个计数值进行相加（步骤Sb5）。由此，关于入射至准直仪1771的多色X射线，确定针对每个能量而辨别出的X射线光子的计数值。相加得到的计数值针对多个能宽、多个X射线检测模块177（通道）、多个视角的每一个被存储为直方图数据（步骤Sb6）。根据每个能宽的直方图数据来重建与能宽对应的医用图像（步骤Sb7）。

根据以上所述的结构，能够得到以下的效果。

根据本实施方式中的X射线计算机断层摄影装置1，能够通过与能量对应的X射线衍射现象将入射至准直仪1771的多色X射线针对多个能宽的每一个辨别为多个单色X射线。由此，根据本实施方式，不需要对用于辨别X射线光子的能量的电信号进行积分，能够省略电信号的积分所需的处理过程。由此，根据本实施方式，能够在光子计数X射线CT装置中进行所需的高计数率的X射线光子的检测。

此外，根据本实施方式，能够简化X射线检测元件1775的后一级的电路构造。即，根据本实施方式，电路构造具有与X射线检测元件数量对应的计数器1091的数量和多个加法器1093（当X射线检测元件组1777的列数是偶数时是X射线检测元件组1777的列数的一半，当X射线检测元件组1777的列数是奇数时是（列数-1）/2）。另外，根据本实施方式，X射线检测元件1775能够对于X射线的入射产生脉冲信号即可。因此，对从X射线检测元件1775输出的信号不做定量性的要求。根据本实施方式，例如，能够通过简化电路来降低制造成本。

因此，根据本实施方式，能够使用不是与核医学诊断装置相关的技术的延伸的X射线衍射现象来提供单光子检测技术。另外，通过电路的简单化，能够降低本光子计数X射线CT装置1的制造成本。

另外，本实施方式中的X射线检测部107还能够作为能够辨别能量的X射线检测装置单体来实施。此时，X射线检测装置具有图2、图3所示的构造。另外，本实施方式中的X射线检测模块177还能够作为能够辨别能量的X射线检测模块177单体来实施。此时，X射线检测模块177具有图3所示的构造。在X射线检测装置单体或者X射线检测模块177单体中，X射线光子辨别功能以图6所示的流程图为基准。因此，根据X射线检测装置以及X射线检测模块177，能够使用不是与核医学诊断装置相关的技术延伸的X射线衍射现象，提供单光子检测技术。

虽然说明了本发明的几个实施方式,但这些实施方式是作为例子而提示的,并不意图限定本发明的范围。这些新的实施方式能够以其他的各种方式进行实施，在不脱离发明的要旨的范围内，能够进行各种的省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围或要旨中，并且包含于权利要求书记载的发明及其均等的范围中。

Claims (5)

1.一种X射线计算机断层摄影装置，其特征在于，具备：

X射线产生部，产生X射线；

X射线检测部，具有能够针对多个能宽的每一个能宽来检测由上述X射线产生部所产生的X射线的多个X射线检测模块；

计数部，根据来自上述X射线检测部的输出，针对每一个上述能宽计数来自上述X射线的光子数；以及

重建部，根据来自上述计数部的输出重建医用图像，

上述X射线检测模块各自具有：

一个准直仪，对上述X射线进行准直；

多个X射线检测元件，与上述一个准直仪建立对应，从上述一个准直仪的背面隔开规定距离而设置；以及

衍射体，设置于上述一个准直仪的背面侧，以与上述X射线的能量对应的角度衍射上述X射线，

上述计数部具有：

多个计数器，分别与上述多个X射线检测元件连接，对上述光子数进行计数；和

加法器，对从上述多个计数器输出的多个计数值中的、与在上述多个X射线检测模块的各个中位于以与上述准直仪的开口中心对置的位置为中心的相同半径的多个X射线检测元件分别对应的多个计数值进行相加。

2.根据权利要求1所述的X射线计算机断层摄影装置，其特征在于，

上述衍射体是晶体粉末。

3.根据权利要求1所述的X射线计算机断层摄影装置，其特征在于，

上述衍射体是金属。

4.根据权利要求1所述的X射线计算机断层摄影装置，其特征在于，

上述多个X射线检测元件中的列的长度比上述准直仪的口径长。

5.根据权利要求1所述的X射线计算机断层摄影装置，其特征在于，

上述重建部根据与上述能宽各自对应的计数值来重建与上述能宽各自对应的上述医用图像。