CN106290428A - X射线数据处理装置、其方法以及程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够消除分配后的计数值的统计偏差与其他位置不同地被估算的影响，并能够防止校正的影响残留的X射线数据处理装置、其方法以及程序。X射线数据处理装置(200)对由像素阵列型检测器检测到的X射线强度的计数值进行校正，具备：存储部(220)，其对虚拟像素的形状以及位置与实际像素的形状以及位置的对应关系进行存储；和分配部(260)，其使用对所存储的对应关系给予了随机性的对应关系，将实际像素的计数值分配给虚拟像素，将分配给虚拟像素的计数值作为校正结果来输出。

Description

X射线数据处理装置、其方法以及程序

技术领域

本发明涉及一种X射线数据处理装置、其方法以及程序。

背景技术

在光子计数方式的二维混合像素阵列检测器中，在检测面配置多个像素，在其背后配置对通过像素而检测到的计数值进行读取的读取芯片。由于读取芯片比传感器小，因此一般多个读取芯片被平铺于传感器。

作为平铺的结果，在相互读取芯片之间产生间隙。对于间隙，与其他位置的像素不同，以与间隙配合的形状、配置形成像素，来进行对应。但是，原始的计数值是像素的形状、配置不齐的状态下直接得到的，用户不能直接使用计数值。

以往，通过间隙附近的特殊形状以及配置的像素而检测到的计数值在数据处理的阶段被校正，被变换为在不存在间隙时规则配置的虚拟像素的计数值。此时，通过与像素的面积比相应的分配来校正计数值(例如，参照非专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

非专利文献1：P.Kraft，A.Bergamaschi，Ch.Broennimann，R.Dinapoli，E.F.Eikenberry，B.Henrich，I.Johnson，A.Mozzanica，C.M.Schleputza P.R.Willmottaand B.Schmitta，“Performance of single-photon-counting PILATUS detectormodules”，Journal of Synchrotron Radiation，(2009).16，368-375

但是，在上述的校正方法中，产生在间隙附近通过校正而得到的计数值与其他位置的计数值相比不同的倾向。特别是在测量低强度的X射线的情况下，该现象表现明显。图14是表示基于现有的校正的X射线图像的图。另外，在图14中，为了容易理解，通过图像处理来提高了对比度。在图14的图像中，在读取芯片的间隙位置出现了格子状的线。

这样的现象是由于对于面积较大的像素而言计数值变大，相对统计偏差变小，若单纯地根据面积比来分配其计数值则统计偏差较小的影响会残留。换言之，在增大了面积的像素中，丢失了X射线的入射位置的信息，产生将在该处得到的计数值直接统一分配给虚拟的像素所造成的影响。

发明内容

本发明鉴于这种情况而作，其目的在于，提供一种能够减少分配后的计数值的统计偏差根据像素的形状而被不同估算的影响，能够适当地进行计数值分配的校正的X射线数据处理装置、其方法以及程序。

(1)为了实现上述目的，本发明的X射线数据处理装置对由像素阵列型检测器检测到的X射线的计数值进行校正，其特征在于，具备：存储部，其对虚拟像素的形状以及位置与实际像素的形状以及位置的对应关系进行存储；和分配部，其使用对所存储的所述对应关系给予了随机性的对应关系，将所述实际像素的计数值分配给所述虚拟像素，并将分配给所述虚拟像素的计数值作为校正结果来输出。

通过这样对计数值的分配给予随机性，从而能够消除分配后的计数值的统计偏差根据像素的形状而被不同估算的影响，能够适当地进行计数值分配的校正。

(2)此外，本发明的X射线数据处理装置的特征在于，所述分配部对按照根据所存储所述对应关系而导出的面积比将所述实际像素的计数值进行分割时的边界，在一定的最大幅度内给予随机的偏差作为所述随机性。通过这样的计算，从而能够容易地给予随机性来计算计数值。

(3)此外，本发明的X射线数据处理装置的特征在于，所述分配部使用根据从所述实际像素的计数值推断的标准偏差而得到的-1以上且1以下的随机数，来计算所述随机的偏差。由此，能够针对每个像素给予与计数值相应的适度的随机性。

(4)此外，本发明的X射线数据处理装置的特征在于，在所存储的所述对应关系中，所述实际像素具有与读取在所述实际像素检测到的计数值的读取芯片的形状相应的不规则的形状以及位置，所述虚拟像素具有规则的形状以及位置。由此，能够将具有芯片间的不规则的形状以及位置的像素置换为理想的像素的排列。

(5)此外，本发明的X射线数据处理装置的特征在于，使用根据所述实际像素的形状排除了电荷共享的影响量的计数值，作为所述实际像素的计数值。由此，能够还考虑电荷共享的影响来校正计数值。

(6)此外，本发明的方法是对由像素阵列型检测器检测到的X射线的计数值进行校正的X射线数据处理的方法，其特征在于，包括：计算对虚拟像素的形状以及位置与实际像素的形状以及位置的对应关系给予了随机性的对应关系的步骤；使用所计算出的所述对应关系，将所述实际像素的计数值分配给所述虚拟像素的步骤；和将分配给所述虚拟像素的计数值作为校正结果来输出的步骤。由此，能够消除分配后的计数值的统计偏差根据像素的形状而被不同估算的影响，并能够适当地进行计数值分配的校正。

(7)此外，本发明的程序是对由像素阵列型检测器检测到的X射线的计数值进行校正的X射线数据处理的程序，其特征在于，使计算机执行如下处理：计算对虚拟像素的形状以及位置与实际像素的形状以及位置的对应关系给予了随机性的对应关系的处理；使用所计算出的所述对应关系，将所述实际像素的计数值分配给所述虚拟像素的处理；和将分配给所述虚拟像素的计数值作为校正结果来输出的处理。由此，能够消除分配后的计数值的统计偏差根据像素的形状而被不同估算的影响，并能够适当地进行计数值分配的校正。

根据本发明，能够消除分配后的计数值的统计偏差根据像素的形状而被不同估算的影响，并能够适当地进行计数值分配的校正。

附图说明

图1是表示本发明的X射线检测系统的构成的一例的示意图。

图2是表示X射线检测器以及X射线数据处理装置的构成的框图。

图3是表示间隙附近的像素的形状以及配置的示意图。

图4是表示第1实施方式的X射线数据处理装置的构成的框图。

图5是表示第1实施方式的X射线数据处理装置的动作的流程图。

图6是将虚拟像素与实际像素重叠表示的示意图。

图7是表示从实际像素到虚拟像素的计数值的分配的示意图。

图8是表示计数值相对于像素大小的标准偏差的表。

图9A、图9B分别是表示正方形以及长方形的像素的有效面积的图。

图10是表示相对于像素的形状的有效面积的一例的表。

图11是表示第2实施方式的X射线数据处理装置的构成的框图。

图12是表示第2实施方式的X射线数据处理装置的动作的流程图。

图13是表示基于在计数值的分配中加入了随机性的校正的X射线图像的图。

图14是表示基于现有的校正的X射线图像的图。

符号说明

10 X射线检测系统

20 X射线源

100 X射线检测器

110 像素(实际像素)

111-113 像素(实际像素)

112a 实际像素

112b 实际像素

115 虚拟像素

115a-115c 虚拟像素

120 分类电路

130 计数器部

140 读取芯片

141 间隙

150 计算器读取电路

200 X射线数据处理装置

210 管理部

220 存储部

260 分配部

300 输入部

400 输出部

500 X射线数据处理装置

530 有效面积率计算部

550 电荷共享校正部

具体实施方式

接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了容易理解说明，在各附图中对同一构成要素赋予同一参照编号，省略重复的说明。

[第1实施方式]

(整体构成)

图1是表示X射线检测系统10的构成的一例的示意图。如图1所示，X射线检测系统10由X射线源20、样品S、X射线检测器100以及X射线数据处理装置200构成。

X射线源20例如使从作为阴极的灯丝放射出的电子束与作为对阴极的转靶碰撞来产生X射线。从X射线源20放射的X射线是所谓的点聚焦的X射线束。

在转靶的外周面，设置例如Mo或者Cu这种金属。在电子与Mo靶碰撞时，放射包含作为特性线的MoKα线(波长)的X射线。在电子与Cu靶碰撞时，放射包含作为特性线的CuKα线(波长)的X射线。

样品S被样品支撑装置支撑。X射线检测器100对例如由样品S衍射的衍射X射线或者荧光X射线进行检测。X射线数据处理装置200对所检测到的计数值进行处理，并输出检测结果。X射线检测器100以及X射线数据处理装置200的详细内容在后面进行叙述。

(X射线检测器以及X射线数据处理装置的构成)

图2是表示X射线检测器100以及X射线数据处理装置200的构成的框图。X射线检测器100具有多个X射线受光用的像素110，例如是光子计数方式的像素阵列型的二维半导体检测器。通过多个像素110而形成的检测面的整个面是传感器，针对传感器平铺了读取芯片140。多个像素110被二维阵列化，以统一的形状大致规则地排列，但读取芯片140之间的像素的形状、位置并不规则。另外，检测器并不限于二维半导体检测器，也可以是一维半导体检测器。

X射线检测器100在表面具有多个像素110，在像素110的背面具有读取芯片140。此外，在读取芯片140上，搭载有分类电路120以及计数器部130。分类电路120与多个像素110的每一个连接，进而计数器部130与分类电路120的每一个连接。计算器读取电路150与各计数器部130连接。

分类电路120将像素110的脉冲信号按照每个X射线波长来分类输出。计数器部130对通过分类电路120而被按照每个波长加以分类的信号各自的个数进行计数。计数器部130例如内置与分类数相同的数目的计数器电路，以使得能够对通过分类电路120而分类出的数目的脉冲信号分别进行计数。计算器读取电路150的输出信号作为根据能量的阈值而被分离出的X射线检测数据，通过通信线而被传送到X射线数据处理装置200。

X射线数据处理装置200例如是个人计算机。个人计算机例如由用于进行运算控制的CPU、用于存储数据的存储器、存储于存储器内的规定区域的系统软件、以及存储于存储器内的其他规定区域的应用程序软件等构成。

在X射线数据处理装置200连接了键盘等作为受理用户的输入的输入部300。此外，X射线数据处理装置200与显示器、打印机等输出部400连接。输出部400根据来自X射线数据处理装置200的指示来输出测量结果。

(间隙附近的像素)

图3是表示间隙附近的像素的形状以及配置的示意图。读取芯片140被设置在构成检测面的像素111～113的背面。如图3所示，在所平铺的读取芯片140之间形成间隙141。在间隙附近，与读取芯片140的边缘配合地设置比标准的像素111大的长方形的像素112，在间隙的4个角的位置设置比标准的像素111大的正方形的像素113。

(X射线数据处理装置的构成)

图4是表示X射线数据处理装置200的构成的框图。X射线数据处理装置200具备：管理部210、存储部220以及分配部260，对由X射线检测器100检测到的X射线的计数值进行校正。

管理部210接收并管理由X射线检测器100按照每个像素检测到的计数值。例如，管理部210与像素110的地址(i，j)建立关联地存储在该像素检测到的X射线的计数值。

存储部220对虚拟像素的形状以及位置相对于实际像素的形状以及位置的对应关系进行存储。优选针对处于间隙附近的像素存储对应关系。虚拟像素将实际像素置换为理想的形状和位置，形状以及配置的规则与实际像素之中的标准的像素一致，以统一的形状进行规则的配置。

分配部260使用对所存储的对应关系给予了随机性(randomness)的对应关系，将实际像素的计数值分配给虚拟像素。通过这样对计数值的分配给予随机性，从而能够消除分配后的计数值的统计偏差根据像素的形状而被不同估算的影响，并能够适当地进行计数值分配的校正。

分配部260优选对按照根据被存储的对应关系而导出的面积比将实际像素的计数值进行分割时的边界，给予以与该计数值的标准偏差成比例的数值为最大幅度的偏差作为随机性。由此，能够按照每个像素给予与计数值相应的适度的随机性。也就是说，优选为将实际像素的计数值的平方根与固定的系数相乘得到的数值乘以-1以上1以下的随机数来计算偏差。通过这种计算，能够容易地计算出给予了随机性的计数值。

具体而言，能够计算如下的分配比。例如在将实际像素112的计数值分配为2/3的区域和1/3的区域时，如下所示对面积比率给予与标准偏差成比例的随机的偏差σ₁。由此，能够对计数值给予随机性来放大标准偏差，并且能够保存总计数。另外，式(1)的2/√n的2是固定的系数，也可以按照每次测量改变该值。

(X射线数据处理装置的动作)

接下来，对如上述那样构成的X射线数据处理装置200的动作进行说明。图5是表示X射线数据处理装置200的动作的流程图。首先，针对读取芯片之间的特殊的像素，从存储部220读取虚拟像素相对于实际像素的形状以及位置的对应关系(步骤S1)。

接下来，根据读取出的对应关系来计算分配的面积比(步骤S2)。然后，例如通过求取标准偏差从而根据计数值来计算随机性(步骤S3)。用所得到的随机性调整面积比并计算分配率(步骤S4)，以所计算出的分配率将实际像素的计数值分配给虚拟像素(步骤S5)。然后，将所分配的计数值作为校正后的计数值来输出，结束一系列的校正处理。

(从实际像素到虚拟像素的分配)

图6是将虚拟像素115与实际像素111～113重叠表示的示意图。在实际像素111～113中，存在标准的像素111、和存在于读取芯片的间隙附近的特殊的像素112、113。标准的像素111的形状以及配置均与虚拟像素115一致。

长方形的特殊的像素112的一边的长度与标准的像素111的长度相同。另一边的长度是标准的像素111的长度的1.5倍，尺寸以及配置与虚拟像素115不同。此外，正方形的特殊的像素113的任意边的长度都是标准的像素111的长度的1.5倍，形状以及位置与虚拟像素115不同。在这些特殊的像素112、113检测到的计数值被分配给重复的虚拟像素115。

图7是表示从实际像素到虚拟像素的计数值的分配的示意图。例如，图7的上段的特殊的实际像素112a沿着长边以大致1∶0.5的面积比分为区域A、B，将区域A与下段的虚拟像素115a建立对应来分配计数值，将区域B与虚拟像素115b建立对应来分配计数值。另外，图7的上段的特殊的实际像素112b沿着长边以大致0.5∶1的面积比分为区域C、D，将区域C与下段的虚拟像素115b建立对应来分配计数值，将区域D与虚拟像素115c建立对应来分配计数值。

在进行这样的分配时，由于在如特殊的实际像素112a那样加以放大的像素发生事件时已经失去了位置信息，因此若不改变在该像素检测到的总计数，则在适当的范围内能够允许分配比率的自由度。因此，在计数值的分配时能够以与标准偏差成比例的最大幅度来给予随机性。

(统计偏差)

图8是表示计数值相对于像素大小的标准偏差的表。例如，在相当于标准的实际像素111的100×100μm²的像素中计数值为n的情况下，标准偏差为√n。并且，在相当于实际像素112的100×150μm²的像素中计数值为1.5×n的情况下，标准偏差为√(1.5×n)。若将计数值直接分配给面积比2/3的虚拟像素115，则其标准偏差为2/3×√1.5×√n＝0.82×√n，计数数据的统计偏差比标准的像素111小，因此可知优选给予更多的随机性的分配。

此外，在相当于实际像素113的150×150μm²的像素中计数值为1.5²×n的情况下，标准偏差为1.5×√n。若将计数值直接分配给面积比1/2.25的虚拟像素115，则其标准偏差为1/2.25×1.5×√n＝0.67×√n，计数值的统计偏差比标准的像素111小，因此可知优选给予随机性的方案。

[第2实施方式]

在上述的实施方式中，虽然没有计算电荷共享的影响，但能够基于使用有效面积率排除了电荷共享的影响量的计数值来进行基于分配的校正。

图9A、图9B分别是表示正方形以及长方形的像素的有效面积的图。如图9A、图9B所示，根据像素的形状，考虑了电荷共享的影响的有效面积的大小不同。这是由于基于电荷共享的影响仅在外周部分产生，因此根据电荷收集电极的形状，影响的程度不同。各像素中受到电荷共享的影响的区域为从边缘起一定距离的带状的区域，像素的面积越大，去除了电荷共享的影响量后的有效面积也越大。

图10是表示相对于像素的形状的有效面积的一例的表。在X射线源中使用CuK8.04keV，使用了6keV作为阈值。如图10所示，100×100μm²的像素的有效面积是96×96μm²，有效面积率为0.9216。与此相对地，100×150μm²的像素的有效面积是96×146μm²，有效面积率为0.9344，100×150μm²的像素的有效面积率更大。

(X射线数据处理装置的构成)

图11是表示X射线数据处理装置500的构成的框图。在本实施方式中，存储部220还存储了与X射线检测器100的像素有关的数据以及与X射线源20以及检测能量的阈值有关的数据。

在与像素有关的数据中，包含根据像素而预先存储的表示像素的尺寸、形状以及传感器内的电荷的扩散分布的数据。此外，与X射线源20以及检测能量的阈值有关的数据是表示使用X射线检测系统10时的条件的数据。使用这些数据，能够计算出排除了与像素的特性、形状相应的电荷共享的影响的有效面积率。

有效面积率计算部530使用与像素有关的数据以及被输入的数据，计算受到了电荷共享的影响的检测能力相对于像素本来的检测能力的比例作为像素的有效面积率。

电荷共享校正部550使用计算出的有效面积率对所管理的计数值进行校正来推断真值。针对多个线源以及多个阈值，通过联立方程式来表示计算出的有效面积率，使用联立方程式，能够将与各检测能量的阈值对应的计数值一次变换为对于各线源的校正值。

(X射线数据处理装置的动作)

接下来，对如上述那样构成的X射线数据处理装置500的动作进行说明。图12是表示X射线数据处理装置500的动作的流程图。首先，从存储部220读取与像素有关的数据、测量中使用的X射线的波长以及阈值(步骤T1)，使用与像素有关的数据、波长以及阈值的数值来计算有效面积率(步骤T2)。然后，使用有效面积率来校正计数值(步骤T3)。通过这样的处理，能够进行使用了有效面积率的校正。

进一步对通过上述的处理而得到的校正后的计数值给予随机性来从读取芯片间的实际像素向虚拟像素进行分配。该处理能够通过执行第1实施方式的步骤S1～S6来进行。这样处理，能够排除电荷共享的影响的同时，进行计数值向虚拟像素的分配。

(校正以及校正中使用的有效面积率的计算)

排除了基于电荷共享的影响的有效面积率具有对于阈值波长和入射X射线的波长的依赖性。使用该波长依赖性和通过多个阈值而测量出的计数值，针对每个波长，进行到达像素的X射线的计数的推断。

将不同的2个波长设为A、B，将不同的2个适当的阈值设为L、H。此外，将从波长A、B的光源到达各像素的X射线的实际的光子数分别设为I_A、I_B，将以阈值L、H观测的计数分别设为I_L、I_H。若将根据阈值L和波长A而决定的像素有效面积率表示为p_LA，则能够如下式(2)所示得到观测的计数与实际的光子数的关系。

这里，将由有效面积率构成的矩阵设为P，若求其逆矩阵，则成为以下的式(3)，因此能够基于不区分波长A、B的信号而观测到的计数，分别得到基于线源A、B的计数。

$\left(\begin{array}{c}{I}_A\\ I_B\end{array}\right)=P^{-1}\left(\begin{array}{c}{I}_L\\ I_H\end{array}\right)\mathrm{...}\left(3\right)$

假定半导体传感器内的电荷的扩散遵从正态分布，其标准偏差为σ，若将像素的一边的长度设为d，则有效面积率p能够近似为以下的式(4)(∵d＞＞σ)。

$p={(1-2\×\sqrt{2{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{d}\right)}^2}\×{\mathrm{erfc}}^{-1}(\frac{{\mathrm{\λ}}_{Th}}{\mathrm{\λ}}\×2\left)\right)}^2...\left(4\right)$

这里，λ是作为对象的X射线的波长，λ_Th是检测电路的阈值波长。在d＞＞σ不成立的情况下，需要考虑基于像素的4个角的效果。

上述的X射线检测系统10能够用于多色光源的分离。例如，能够根据通过高能量侧的阈值和低能量侧的阈值而分别分离出的X射线的计数值I_H以及I_L，通过以下的式(5)来求取Cu光源以及Mo光源的衍射X射线强度I_Cu以及I_Mo。

[实施例]

使用如上那样的计数值的分配方法，校正了X射线数据。使用Cr的X射线源向Si样品照射X射线，测量了衍射X射线。将较高一侧的阈值设为512keV来进行了基于有效面积率的校正。进一步地，针对读取芯片间的像素给予随机性来进行了计数值向虚拟像素的分配。图13是表示基于对计数值的分配提供了随机性的校正的X射线图像的图。如图13所示，读取芯片间的间隙不出现在X射线图像中。

Claims (6)

1.一种X射线数据处理装置，其对由像素阵列型检测器检测到的X射线的计数值进行校正，所述X射线数据处理装置的特征在于，具备：

存储部，其对虚拟像素的形状以及位置与实际像素的形状以及位置的对应关系进行存储；和

分配部，其使用对所存储的所述对应关系给予了随机性的对应关系，将所述实际像素的计数值分配给所述虚拟像素，

所述X射线数据处理装置将分配给所述虚拟像素的计数值作为校正结果来输出。

2.根据权利要求1所述的X射线数据处理装置，其特征在于，

所述分配部对按照根据所存储的所述对应关系而导出的面积比将所述实际像素的计数值进行分割时的边界，在一定的最大幅度内给予随机的偏差作为所述随机性。

3.根据权利要求2所述的X射线数据处理装置，其特征在于，

所述分配部使用根据从所述实际像素的计数值推断的标准偏差而得到的-1以上且1以下的随机数，来计算所述随机的偏差。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的X射线数据处理装置，其特征在于，

在所存储的所述对应关系中，

所述实际像素具有与读取在所述实际像素检测到的计数值的读取芯片的形状相应的不规则的形状以及位置，

所述虚拟像素具有规则的形状以及位置。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的X射线数据处理装置，其特征在于，

使用根据所述实际像素的形状排除了电荷共享的影响量的计数值，作为所述实际像素的计数值。

6.一种X射线数据处理的方法，其对由像素阵列型检测器检测到的X射线的计数值进行校正，所述方法的特征在于，包括：

计算对虚拟像素的形状以及位置与实际像素的形状以及位置的对应关系给予了随机性的对应关系的步骤；

使用所计算出的所述对应关系，将所述实际像素的计数值分配给所述虚拟像素的步骤；和

将分配给所述虚拟像素的计数值作为校正结果来输出的步骤。