CN106461578A - X射线检查用的数据处理装置与数据处理方法、以及搭载有该装置的x射线检查装置 - Google Patents

X射线检查用的数据处理装置与数据处理方法、以及搭载有该装置的x射线检查装置 Download PDF

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Abstract

本发明能够与厚度无关地并且更高精度地确定物质的种类和性状。数据处理装置(12)对从X射线管(21)照射后透过对象物并且由光子计数型检测单元(26)检测出的X射线的、在每个能量区域中以像素为单位的计数值进行处理。该装置(12)具备：根据计数值计算对象物(OB)的图像的单元(35)；以及在图像上设定关心区域的单元(35)。进一步，该装置(12)具备：从图像中除去存在于关心区域中的作为物质的背景的像素信息的单元(35)；以及根据关心区域中的X射线的在每个能量区域中以像素为单位的计数值，以该像素为单位计算物质相对于X射线特有的透过特性，以作为特有信息的单元(35)。

Description

X射线检查用的数据处理装置与数据处理方法、以及搭载有该 装置的X射线检查装置
技术领域
本发明涉及一种数据处理装置与数据处理方法、以及搭载有该装置的X射线检查装置，其对通过X射线扫描检查对象从而收集到的X射线透过数据进行处理。尤其是，本发明涉及具有如下功能的数据处理装置、数据处理方法以及X射线检查装置：根据X射线透过数据，确定(特定或者推定)食品、工业制品、人体的一部分等检查对象的关心部位的至少种类或性状，或者检测是否存在可能位于该检查对象的内部或外侧表面的、与该对象物的组分不同的物质，或者确定(特定或者推定)该对象或物质的种类或性状。
背景技术
近年来，希望使用X射线来特定对象物的种类和形状的需求随处可见。作为其中的一个例子，从公众卫生与食品安全的观点对食品内部有时含有的异物进行检查的需求高涨。
虽然存在各种各样实现该需求的X射线检查，但其中备受瞩目的检查法是向食品照射X射线，并从其透过X射线的信息中收集食品内部的物质的信息的方法。作为其中的一个例子，已知所谓的直列式X射线检查装置，在该直列式X射线检查装置中，隔着搬运用的传送带在上下方向上配置X射线管与检测器，并通过X射线检查载置于传送带上的检查对象即食品。在该装置的情况下，检查对象即食品被载置于传送带(线)上进行搬运，并经过形成于X射线管与检测器之间的X射线照射范围。通过传送带下侧的检测器检测透过食品的X射线，并根据该检测数据制作图像。例如通过软件对该图像进行处理，能够根据映入该图像的阴影发现有时混入到该食品内部的异物。另外，检查对象不仅限于异物，也可以是基于X射线产生对比度差的、需要更精确地求出大小和形状或者重量的对象物。
在这种X射线检查中，还希望进一步扩大其应用范围。例如，存在所谓的随身行李检查方面的需求，即希望在机场等设施处特定不明的内容物的种类和/或存在的位置，而不打开提包和邮寄物品。另外，在上述的异物检查中，在异物混入到事先已知的对象物(例如面包等食品)中的情况下，也存在发现并特定该异物的存在及其种类这样的检查需求。也就是说，通过X射线确定对象物(物质)的种类和/或其三维位置的需求也潜在性地增长。
对于该需求的增长，已知例如专利文献1(日本特开2010-091483)中记载的方法。该专利文献1中记载的“异物检测方法以及装置”是所谓的被称为双能量法(或者减除法)的检查法。该检查法利用了两种能量(波长)的X射线透过物质时在X射线透过信息中存在差异的现象。具体而言，基本结构为：同时制作低能量与高能量两种X射线图像，取得这些画像彼此的差分，并提取该混入异物的成分图像，再根据其差分图像进行阈值处理从而检测异物。尤其是，在该专利公报1记载的技术方案的情况下，通过自动设定差分运算中的最佳参数来进行高灵敏度的异物检测。
此外，在该专利文献1中给出了如下启示：能够使用可在辨明X射线的光子(photon)能量的状态下对X射线的光子的入射进行检测的X射线检测器。也就是说，也给出了如下启示：作为同时获得低能量与高能量两种X射线的手段，利用以往已知的光子计数型(photon counting型)的X射线照射检测系统。
另一方面，作为基于双能量法的检查法，还已知非专利文献1中记载的检测法。根据该非专利文献1，在上述双能量法的基本结构的基础上，进一步提供如下的系统：即使检查对象物在传送带上发生重叠时，也不会混淆该重叠与异物，能够以更高的灵敏度检测异物。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2010-091483号
专利文献2：日本国特开2013-119000号
非专利文献
非专利文献1：安利技术No.87，Mar.2012，《双能量方式X射线异物检测机的开发》(アンリツテクニカルNo.87，Mar.2012，《デュアルエネジーX線異物検出機の開発》)
发明内容
发明所要解决的技术问题
根据上述专利文献1以及非专利文献1中记载的双能量法，能够提高对对象物或者混入其中的异物进行检测的检测灵敏度。然而，难以获得该异物是什么种类的异物或者该异物在三维上位于位置等的、在异物检查中最希望得知的信息。
也就是说，难以确定(特定、推定)该异物的种类等，这就意味着难以确定X射线所透过的物质本身的种类或者其三维位置。这对于希望在对象物本身的种类不明的检查中确认异物等的情况来说极其不便。
专利文献2提出了消除这种不便的技术方案。该技术方案提供如下的方法：使用从采用分层摄影法的断层装置等获得的图像，高精度且简便地确定对象物中所含有的物质的种类。具体而言是如下的方法：使用将X射线的能量辨别为多个能量区域并进行光子计数而得到的计数值、以及由该计数值重建的被测体图像，确定位于被测体中的关注部位的物质。根据该方法，基于对厚度以及密度均匀的物质进行摄像而得到的计数值制作参照图像，并利用该参照图像的像素值，以像素为单位除以被测体图像的像素值，从而使该被测体图像的像素值正规化。根据该正规化的像素值制作分布图，在所述分布图中，以分配了吸收信息的轴为二维的一个轴，并且向该二维的另一个轴分配了X射线的射束硬化信息。从该分布图中取得确定信息，所述确定信息用于确定位于被测体的摄像部分的物质的种类。
然而，在该专利文献2记载的物质确定法的情况下，以求出分布图为前提。使用分布图便于在视觉上掌握是以何种状态混入了物质。但是，由于是使用能量区域的信息，并通过原图像的除法求出射束硬化轴上的值，因此存在较多技术问题，如噪声增加、无法规定近似曲线(运用最小二乘法进行计算)的通过点(经过坐标原点的条件等的通过关键点)因而导致近似误差较大且难以获得稳定的结果、以及在生成分布图时未使用收集到的全部数据等。
另一方面，在上述以往的各种文献记载的检查法的情况下，在用于获知物质的性质的理论依据与检测精度两方面存在问题，虽然能够提升约束特定摄影对象与特定条件后的检测灵敏度，但是应用范围狭窄，无通用性。
因此，本发明是鉴于上述以往的X射线检查的状况而做出的，目的在于提供一种数据处理装置与数据处理方法、以及搭载有该装置或者能够执行该方法的X射线检查装置，其能够与检查对象的厚度无关地并且更高精度地确定(推定、特定)形成X射线的检查对象的整体或者一部分(关注部位)的物质的种类和性状。
用于解决技术问题的方案
为了达成上述目的，本发明的一个实施方式所涉及的数据处理装置，对从X射线管照射后透过对象物并且由光子计数型的检测器检测出的X射线的、在每个能量区域中以像素为单位的计数值进行处理。该数据处理装置具备：图像运算单元，根据所述计数值计算所述对象物的图像；关心区域设定单元，在所述图像上设定关心区域；背景除去单元，从所述图像中除去存在于所述关心区域中的作为物质的背景的像素信息；以及特有信息运算单元，根据所述关心区域中的所述X射线的在每个能量区域中以所述像素为单位的所述计数值，以该像素为单位计算所述物质相对于所述X射线特有的透过特性，以作为特有信息。
优选地，所述特有信息为分布图信息以及减弱信息中的至少一个，所述分布图信息表示将所述各像素的所述透过特性表达为矢量(矢量的要素例如按照能量区域单位获得)时的方向，并且拟似性地(虚拟地)表示所述X射线透过所述物质时的能谱，所述减弱信息表示该矢量的大小并且拟似性地(虚拟地)表示因所述物质导致的所述X射线的减弱程度。
另外，本发明的其他实施方式是对从X射线管照射后透过对象物并且由光子计数型的检测器检测出的X射线的、在每个能量区域中以像素为单位的计数值进行处理的方法。基于该方法，根据所述计数值计算所述对象物的图像，在所述图像上设定关心区域，从所述图像中除去存在于所述关心区域中的作为物质的背景的像素信息，根据所述关心区域中的所述X射线的在每个能量区域中以所述像素为单位的所述计数值，以该像素为单位计算所述物质相对于所述X射线特有的透过特性，以作为特有信息。
进一步，本发明的其他实施方式涉及一种X射线检查装置，其中，该装置搭载有上述数据处理装置。
此外，本发明中的术语的定义如下。
首先，“X射线检查装置”不仅包括医用X射线摄影装置、X射线诊断设备，还包括基于X射线的非破坏检查装置。“X射线检查”也同样是包括医用X射线检查以及非破坏检查在内的概念。
另外，“检查对象”，是指配置在X射线检查装置的对象空间中的、接受X射线的扫描并被收集作为X射线透过数据的帧数据的对象。
“检查对象的整体”是指形成检查对象之物的整体，例如，如果检查对象是食品(青椒、番茄等蔬菜、面包、杯装方便面、食用肉、鱼等)，则指的是为了检查而载置于X射线检查装置的搬运带上的各个物品，如果检查对象是工业制品或机场手提行李检查的行李，则指的是形成受到X射线检查装置的检查的单位的物品。
与此相对地，“检查对象的一部分”，是指被定义为形成检查对象的物品的一部分的、例如自动地或者手动地在X射线透视图像上指定的部分。例如，在蔬菜的异物检查的情况下，指的是载置于X射线检查装置的检查用搬运带上的大量的蔬菜(黄瓜、番茄等)中的各个蔬菜的一部分。在检查对象的X射线透视图像上指定的关心部位(也就是检查对象的一部分)与该检查对象原本的组分不同时，能够推定在由该关心区域指定的部分中混入了“异物”。
此外，在该异物检测的情况下，在数据处理上，异物以外的部分作为背景成分被处理。因此，该背景成分是来自位于关心区域及其周边部分的检查对象本身的组分(也包括空气)的数据。在将检查对象的整体设定为物质的确定或者性状的特定的对象区域时，背景成分仅为空气以及检查用搬运带等的已知成分。
另外，物质的种类的“确定”是指判别其种类是什么，也可以说成“特定或者推定”。物质的“性状”是指形成该物质的组分处于何种状态，简单来说，是指作为检查对象的食用肉块的肌肉成分与脂肪成分的比例程度等。
进一步，“存在于关心区域的物质”有时是检查对象的全部或者一部分，有时是虽然位于关心区域、但是与检查对象本身不同的物质(异物等的关心物质)。
如上所述，在本发明的物质确定中，包括确定检查对象本身的种类、特定检查对象本身的性状、对存在与检查对象本身不同的物质进行检测、确定与检查对象本身不同的物质的种类等的形式。
发明的效果
根据本发明，根据由光子计数型的X射线检测器检测出的X射线的、在每个能量区域中以像素为单位的计数值，计算对象物的图像，并在该图像上设定关心区域。进一步，从该图像中除去存在于关心区域中的作为物质的背景的像素信息之后，根据关心区域中的X射线的在每个能量区域中以像素为单位的计数值，以该像素为单位计算物质相对于X射线特有的透过特性，以作为特有信息。这样，由于以像素为单位获得特有信息，因此能够与检查对象的厚度无关地并且更高精度地确定(特定)形成X射线的检查对象的整体或者一部分(关注部位)的物质的种类和性状。
附图说明
图1是说明搭载有本发明的一个实施方式所涉及的数据处理装置的X射线检查系统的概要的框图。
图2是说明在光子计数型检测器中设定的能量区域与X射线能谱的一个例子的图。
图3是说明单一物质模型与按能量区域划分的光子计数之间的关系的图。
图4是说明多个物质模型与按能量区域划分的光子计数之间的关系的图。
图5是说明由数据处理器执行的物质确定的处理及其预处理的概要的流程图。
图6是说明由数据处理器执行的物质确定的预处理的图。
图7是说明在本实施方式中由数据处理器执行的物质确定的中心部分的概略流程图。
图8是说明根据每个能量区域的图像的关心区域的各像素生成X射线吸收量的三维矢量的图。
图9是说明从制作三维分布图到提示确定信息为止的处理的概略流程图。
图10是示意性地说明正规化的三维分布图的立体图。
图11是说明根据三维分布图生成来自物质特有的分布点的三维矢量的图。
图12是说明用于对物质确定进行验证的一个模拟结果的图。
图13是说明用于对物质确定进行验证的其他模拟结果的图。
图14是示出用于对物质确定进行验证的其他模拟所涉及的样品的图。
图15是说明使用了图14的样品的模拟结果的图。
图16是说明作为医用风湿检查装置的X射线检查装置的概要的结构图，该医用风湿检查装置搭载有实施在实施方式中说明的物质确定的数据处理装置(方法)。
图17是说明作为非破坏检查装置的X射线检查装置的概要的图，尤其是说明被称为直列式异物检查装置的系统的概要的结构图，该非破坏检查装置搭载有实施在实施方式中说明的物质确定的数据处理装置(方法)。
图18是更加详细地说明上述实施方式所涉及的图7的步骤S134的处理的局部流程图。
图19是说明与表示分布点数据的面有关的变形例的图。
图20是说明与表示分布点数据的面有关的其他变形例的图。
图21是说明与表示分布点数据的面有关的其他变形例的图。
图22是说明与表示分布点数据的面有关的其他变形例的图。
图23是说明与表示分布点数据的面有关的其他变形例的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明所涉及的X射线检查用的数据处理装置以及数据处理方法的实施方式进行说明，将搭载有该数据处理装置的X射线检查装置作为变形例进行说明。
[实施方式]
首先，作为一个实施方式，参照图1至图15，对本发明的一个形式所涉及的X射线检查用的数据处理装置以及数据处理方法的一个实施方式进行说明。图1示出了X射线检查系统(X射线检查装置)10的概略结构。本实施方式以数据处理装置以及数据处理方法为焦点进行说明，因此对于该X射线检查系统10的公知部分进行简略说明。
在该X射线检查系统10上经由通信线路LN以可通信的方式连接有数据处理装置12，该数据处理装置12既可以与X射线检查系统10的例如控制部集成为一体，也可以单独设置。
X射线检查系统10例如被用作基于X射线的非破坏检查系统或者医用X射线全景摄影系统。作为该X射线检查系统10的检查对象，遍及食品、工业制品、人体乳房等多方面。作为易懂的例子，是检查在食品(香肠、青椒等蔬菜等)的内部是否混入有异物的直列型的食品检查装置，但是并非仅限于此。作为食品，还能够检查鲜鱼内的钓钩等的异物。另外，如果改变异物的含义进行解释的话，也能够应用于特定其性状，如食用肉内部的油脂成分含有情况、异物与骨骼的混入、木材的松软与水分含量的检查等。作为工业制品，也能够应用于电子基板部件的安装状态检查、焊锡球内的接触状态检查等。进一步，在检查人体乳房的乳房摄影中，能够应用于发现乳房内出现的钙化和肿瘤等病变部、高精度地计算乳腺含有率等。
在进行非破坏检查或X射线全景摄影的情况下，本实施方式所涉及的X射线检查用的数据处理装置以及数据处理方法的基本要素为：根据X射线透过物质时的吸收信息(或者减弱信息)，进行确定(也可以说特定、辨别、识别或者决定)该物质的种类和性状的处理。在下面的说明中，有时也将该处理概括地称为“物质确定”。
如图1所示，该X射线检查装置10虚拟地具有能够设定X、Y、Z轴正交坐标系的对象空间OS。该装置10具备X射线发生器23，所述X射线发生器23具备生成X射线束XB的X射线管21以及准直器22，在非破坏检查的情况下，在对象空间OS中，所述X射线束XB在扫描方向(Z轴方向)上具有规定的圆锥角θ，并且在沿着与该扫描方向正交的截面(XY面)的方向(Y轴方向)上具有规定的扇角β。X射线管21是具有点状的X射线管焦点F(焦点直径例如为1.0mmφ)的、例如旋转阳极X射线管。从未图示的X射线高压装置向该X射线管21供给用于照射X射线的驱动用高电压。
进一步，X射线检查装置10具备X射线检测器24(以下简称为检测器)，所述X射线检测器24配置为能够与X射线管21间隔一定距离地对置并且能够移动。检测器24通过将多个模块连接成线状而构成，由此，检测器24作为其整体具有细长矩形状的X射线入射窗。各模块是将由CdTe、CZT等半导体材料构成的检测层成型为例如20×80个像素(各像素具有0.2mm×0.2mm的尺寸)的、从X射线直接转换为电信号的、所谓的直接转换型X射线检测部件。虽未图示，但是在形成该多个像素的检测层的两面实际上粘贴设置有电荷电极与收集电极。在这两个电极之间施加偏压。
该检测器24是光子计数型(photon counting type)的检测器，其将X射线视为具有各种能量的光子的集合，并能够按照能量区域分别对这些光子的个数进行计数。作为该能量区域，例如如图2所示设定有四个能量区域Bin1～Bin4。当然，该能量区域Bin的数量只要是多个即可。
该检测器24每间隔固定时间以其像素为单位并且按照能量区域Bin分别检测X射线强度，以作为光子数的数字量的计数值(累计值)。当一个光子入射到某个像素时，在该像素上产生与其能量值相对应的波高值的电脉冲信号。该电脉冲信号的波高值、即能量值按照每个规定的能量区域Bin被分类，并使其计数值增加1个。作为每个固定时间的累计值(数字值)，该计数值以像素为单位并且按照该能量区域Bin分别被收集。
由作为ASIC层而被嵌入到检测器24的检测层的下面的数据收集电路25进行该收集。由检测器24以及数据收集电路25构成了检测单元26。因此，X射线透过数据(帧数据)从检测单元26、即数据收集电路25以一定的帧率被发送至数据处理装置12。
具有这种结构的X射线检查装置10的例子例如如日本特开2007-136163、国际公开公报WO 2007/110465 A1、国际公开公报WO 2013/047778 A1所示。另外，上述光子计数型检测器24的例子也例如国际公开公报WO 2012/144589A1所示。
此外，例如在将该X射线检测装置10用于牙科用X射线全景摄影的情况下，检查对象OB为被测者的头部。在这种情况下，一对X射线发生器23以及检测器24在其头部的周围以X方向的直线为旋转轴，例如围绕头部中心旋转移动。关于该X射线全景摄影的扫描结构也例如日本特开2007-136163所示。
进一步，数据处理装置12经由通信线路LN从X射线检查装置10接收X射线透过数据(帧数据)。数据处理装置12可以设置为与X射线检查装置10一体的装置或者检查系统。另外，数据处理装置12在如本实施方式那样经由通信线路以可通信的方式连接于X射线检查装置10的情况下，既可以一直联机连接，也可以形成为仅在需要时能够进行通信。进一步，也可以以单机形式设置数据处理装置12。
如将在下面详细说明的那样，该数据处理装置12构成为，对该X射线透过数据进行处理，取得形成检查对象本身的物质、和位于该检查对象的关注部位的物质的种类或者性状所特有的信息(特有信息)，或者进一步对检查对象中是否存在异物等其他的物质进行检测。
[物质的特有信息的取得、以及数据处理的详细]
下面，与本发明特征之一的物质的特有信息的取得方法一并详细说明数据处理装置12的结构及其动作。
作为一个例子，数据处理装置12由计算机系统CP构成。该计算机系统CP自身可以是公知的具有运算功能的计算机系统，具备经由通信线路LN与检测单元26连接的接口(I/O)31。在该接口31上，经由内部总线B以相互可进行通信的方式连接有缓冲存储器32、ROM(read-only memory：只读存储器)33(发挥“Non-transitory computer readable medium(非暂时性计算机可读介质)”的功能)、RAM(random access memory：随机存取存储器)34、具备CPU(central processing unit：中央处理器)的数据处理器35(也可以仅为处理器或者计算机)、图像存储器36、输入器37以及显示器38。
在ROM33中预先存储有计算机能够读取的物质确定的程序，数据处理器35将该程序读取到自己的工作区中并执行该程序。数据处理器35是图像处理专用的CPU。缓冲存储器32用于暂时保管从检测单元26发送过来的帧数据。RAM34用于在数据处理器35进行运算时暂时存储运算所需的数据。
图像存储器36用于保管由数据处理器35处理过的各种图像数据和信息。输入器37以及显示器38发挥与用户之间的人机界面的功能，其中，输入器37受理来自用户的输入信息。显示器38能够在数据处理器35的控制下显示图像等。由接口31、输入器37以及显示器38构成获取来自外部的信息(例如来自用户的信息)的接口部。
·基于光子计数法的数据的收集与物质模型之间的关系
接下来，利用图2至图4，对从X射线管21照射的X射线(扇状的束X射线)透过被测体OB并通过光子计数(photon counting)法由检测器24收集该透过X射线时的、每个物质模型的数据收集的概念进行说明。
图2中示出了横轴为X射线的能量[keV]、纵轴为形成X射线的光子(photon)的入射频度(计数)时的一般性的特性曲线(profile)。众所周知，在光子计数的情况下，为了将横轴的能量分成多个能量区域Bin，设定有阈值TH。在该图2的例子中，作为提供给比较器(未图示)的适当的基准电压值，赋予了四个阈值TH1、TH2、TH3、TH4，由此设定了可供使用的第一至第三能量区域Bin1、Bin2、Bin3。此外，位于第一能量区域Bin1之下的能量噪声较多，属于无法计测的能量区域，另一方面，位于最高位的阈值TH4上侧的第四能量区域Bin4不参与光子计数，不被使用。因此，在该例子的情况下，除最高位以及最低位的能量区域以外，第一至第三这三个能量区域Bin1、Bin2、Bin3被用于光子计数。
该图2中示出的频度的特性曲线的形状取决于X射线管21的阳极材料的种类和管电压，通常，如图所示，第二能量区域Bin2的计数最大。因此，在考虑每个能量区域的计数值(频度、计数)的平衡的基础上，适当地决定阈值TH。作为提供给比较器的电压阈值，在形成数据收集电路25的ASIC中，对检测器24的每个像素设定这四个阈值TH1～TH4。因此，X射线光子以像素为单位并且按照能量区域分别被计数。当然，对于各像素，阈值TH的数量只要是三个以上即可，可以是任意的数量。如果阈值TH的数量为三个，则所使用的能量区域的数量为两个。
在根据该计数值制作X射线透过图像(浓度图像)时，能够采用各种方式。以形成检测器24的X射线入射面的像素为单位、并且按照能量区域Bin分别获得计数信息。因此，如果对每个能量区域Bin的各像素的计数值乘以适当的权重系数并进行移位相加，则可获得各能量区域Bin的X射线透过数据(帧数据)。另外，也可以对该三个能量区域Bin1～Bin3中的任意两个或者全部的能量区域Bin的计数值乘以适当的权重系数并进行移位相加，以作为一帧X射线透过数据。
这样，在每个能量区域Bin中以像素为单位收集与X射线光子数相应的能量信息，并考虑光子能量对像素的贡献度，从而能够用于制作图像等，能够根据用途自由地制作能量强调图像，相对于以往收集积分型X射线透过数据的技术具有优越性。
在将该光子计数法应用于本申请所涉及的物质确定的情况下，妥当的做法为，对于物质(位于检查对象OB的待检查部位的物质有时是形成检查对象本身的物质，有时是检查对象以外的物质)是由单一的组织构成的还是由多个组织构成的，予以区别考虑，并考虑各组织的X射线吸收。
(i)物质由单一的组织构成的情况(单一物质模型)
如图3(A)所示，在该单一物质模型的情况下，设分别代表第一至第三能量区域Bin1至Bin3的线减弱系数μ1、μ2、μ3(cm-1)。该线减弱系数是表示物质相对于X射线特有的透过特性的指标。
X射线入射到对于该每个能量区域Bin具有不同的线减弱系数μ1、μ2、μ3并且厚度为t(cm)的物质时的模型如图所示。也就是说，入射的X射线量(光子数)Cl1、Cl2、Cl3分别减弱，该减弱取决于线减弱系数μ1、μ2、μ3与厚度t，其输出的X射线量(光子数)能够表示为
Co1＝Cl1×e-μ1t
Co2＝Cl2×e-μ2t
Co3＝Cl3×e-μ 3t
……(1)。
因此，如图3(B)所示，在由单一组织构成的单一物质模型的情况下，当X射线量(光子数)Cli入射到线减弱系数为μi、厚度为t的物质时，其输出X射线量(光子数)能够表示为
Coi＝Cli×e-μit
(i＝1～3)
……(2)。
(ii)物质由多个组织构成的情况(多个物质模型)
在该多个物质模型的情况下，如图4(B)所示，从其X射线吸收的观点来看，可以说物质是层叠了厚度为ta且线减弱系数为μia的层、厚度为tb且线减弱系数为μib的层、……、厚度为tn且线减弱系数为μin的层的层结构。因此，如图4(A)所示，设分别代表第一至第三能量区域Bin1至Bin3的线减弱系数μ1a……μ1n、μ2a……μ2n、μ3a……μ3n(cm-1)。X射线入射到对于该每个能量区域Bin层状地具有不同的线减弱系数μ1a……μ1n、μ2a……μ2n、μ3a……μ3n并且层厚度为ta……tn(cm)的物质时的模型如图所示。也就是说，入射的X射线量(光子数)Cl1、Cl2、Cl3分别减弱，该减弱取决于线减弱系数μ1a……μ1n、μ2a……μ2n、μ3a……μ3n并且取决于厚度为ta……tn，其输出的X射线量(光子数)能够表示为
Co1＝Cl1×e-μ1ata×…×e-μ1ntn
Co2＝Cl2×e-μ2ata×…×e-μ2ntn
Co3＝Cl3×e-μ3ata×…×e-μ3ntn
……(3)。
因此，如图4(B)所示，在由多个组织构成的多个物质模型的情况下，相对于X射线量(光子数)Cli的入射，其输出X射线量(光子数)能够表示为
Co1＝Cl1×e-μiata×…×e-μintn
(i＝1～3)
……(4)。
[处理步骤]
以基于上述物质模型的光子计测与线减弱值μt之间的关系为前提，对由数据处理装置12执行的物质确定的处理进行说明。在数据处理装置12中，通过其数据处理器35执行规定的程序，从而按照图5中示出的步骤进行物质确定。
[预处理]
首先，数据处理器35判断例如是否与用户之间交互式地或者自动地进行图像取得(步骤S1)，直到图像取得的时机到来为止待命。在判断为图像取得的情况下(步骤S1的判断结果为“是”)，将已经保存在缓冲存储器32中的帧数据调出到例如RAM34中(步骤S2)。如图6中示意性地示出的那样，该帧数据包括：具有分别属于三个能量区域Bin1、Bin2、Bin3的能量的X射线光子的计数值的帧数据FD1、FD2、FD3；以及全能量区域Bin_all(Bin1+Bin2+Bin3)的X射线光子的计数值的帧数据FDall。
接下来，数据处理器35判断是否与用户之间交互式地或者根据自动指令进行物质确定(步骤S3)。直到出现物质确定的指示为止待命，在未执行物质确定而出现结束指令时，终止处理(步骤S4)。
[对焦图像的制作]
当在步骤S3中判断为进行物质确定时(步骤S3的判断结果为“是”)，数据处理器35与用户之间交互式地或者自动地指定例如与检查对象OB相交的截面(步骤S5)。
作为一个例子，在交互式地指定截面的位置的情况下，如图1所示，可列举出用户通过输入器37指定自检测器24起的高度Hc的例子。例如，在判明图1中载置于搬运带(未图示)上的检查对象OB的高度方向(Y轴方向)的高度为HOB或者其以上的情况下，指定相当于该检查对象OB的高度方向上的大致中心的、高度Hc的截面即可。当然，在该例子的情况下，由于检测单元26位于搬运带的下侧，在考虑该搬运带与检测单元26的检测器24的检测面之间的间隙的高度的基础上，指定高度Hc。在检查对象OB的高度不明或者有起伏时，也可以将高度Hc设定为搬运带的面的高度。另外，也可以在搬运带的入口设置例如以光学方式检测检查对象OB的高度的装置，由此获得高度信息。
另一方面，想要自动地指定检查对象OB的截面时，在步骤S5中，作为截面的指定信息并非高度Hc，而是进行旨在设定全像素对焦面的指定，所述全像素对焦面使每个像素最佳焦点化。在这种情况下，由于该全像素对焦面的高度并不是固定的，为了使每个像素最佳焦点化，虽然与检查对象OB相交，但大多伴有对于每个像素来说高度不同的凸凹。这种全像素对焦面的制作方法例如在美国专利第8,433,033和PCT/JP2010/62842中有所示例。这些示例所涉及的制作方法使用了分层摄像法(或者断层融合法)。
这样，结束截面指定后，数据处理器35例如使用相对于全能量区域Bin_all的多个帧数据FDall制作指定截面的断层像(步骤S6)。
在指定了一定的高度Hc的情况下，一边以相当于该高度Hc的偏移量进行偏移，一边通过使多个帧数据FDall相互重叠进行像素相加的分层摄像法进行制作即可。由此，制作出使最佳焦点化的位置与指定高度Hc对齐的断层像(分层摄像法图像)IMall(参照图6)。该断层像IMall虽然将对焦的位置限定为高度Hc，但是也是对焦图像之一。
另一方面，在进行旨在设定检查对象OB的全像素对焦面的指定的情况下，使用收集到的帧数据中的、例如属于全能量区域Bin_all的多个帧数据FDall，通过分层摄像法制作全像素对焦图像IMall′(参照图6)。在该全像素对焦图像IMall′中映入有检查对象OB，并且，该全像素对焦图像IMall′是在高度方向或者X射线照射方向上使每个像素最佳焦点化的断层像。作为该断层像的例子，例如与上述制作方法同样地可列举出美国专利第8,433,033与PCT/JP2010/62842中记载的方法。虽然该公报记载的制作方法中示例出了牙科用的例子，但是，通过将基于该制作方法制作出的弯曲的拟似三维图像转换为二维图像，可制作出作为能够在本实施方式中使用的对焦图像的二维断层像。该二维断层像经过了全像素对焦的处理，对焦的程度比上述高度固定的对焦图像IMall更精致。在本实施方式中，对焦图像可以是任意的，下面仅对对焦图像IMall进行说明。
接下来，数据处理器35分别使用从三个能量区域Bin1、Bin2、Bin3收集的帧数据FD1、FD2、FD3，根据所述指定高度Hc或者例如全像素对焦面的平均高度，通过分层摄像法依次制作断层像(步骤S7、S8、S9)。由此，如图6中示意性地示出的那样，制作按照能量区域划分的共三个对焦图像IM1、IM2、IM3。这三个对焦图像IM1、IM2、IM3的制作顺序是任意的。当然，与上述同样地，也可以将这三个对焦图像IM1、IM2、IM3制作为全像素对焦图像。
[关心区域的设定]
接下来，数据处理器35与用户之间交互式地或者自动地在全像素对焦图像IMall上设定关心区域ROI(步骤S10)。对于该关心区域ROI，例如在确定形成检查对象OB的物质的种类的情况下，设定包围设想为映入到对焦图像IMall的检查对象OB之中的由同一物质构成的部分(厚度可以变化)的、适当尺寸的关心区域ROI。在异物检测或病变部特定的情况下，设定包围疑似存在异物的部位或者在病理学上可疑部位的、适当尺寸的关心区域ROI(参照图6)。
在该全像素对焦图像IMall上决定关心区域ROI后，使用该区域信息在按照能量区域划分的三个对焦图像IM1、IM2、IM3上也同样地设定关心区域ROI(参照图6)。
[背景推定以及背景删除]
接下来，数据处理器35在对焦图像IMall上推定关心区域ROI中的作为背景的像素成分(背景成分)(步骤S11)。如上所述，该背景成分取决于想要求取的确定信息为何。在确定或者特定物质的种类和性状时，大多是包含搬运带等搬运单元以及空气在内的已知成分。在确定(特定)异物的种类或病变部的状态的情况下，检查对象OB本身的成分作为异物或者病变部的背景成分附加在这些已知成分中。在该背景成分的信息为已知的情况下，将其作为固定值，从按照能量区域划分的三个对焦图像IM1、IM2、IM3各自的关心区域ROI中差分掉(步骤S12)。
另一方面，在背景成分的量不明的情况下，需要推定该背景成分。作为该推定方法，通过适当的方法进行推定即可，例如通过内插法根据关心区域外侧的相互间隔开的任意多个位置的像素值进行推定即可。
此外，上述预处理的主要目的在于，在三个按照能量区域划分的对焦图像IM1、IM2、IM3上分别设定关心区域ROI，并且除去其背景成分。因此，也可以不制作全能量区域的全像素对焦图像IMall，而使用对焦图像IM1、IM2、IM3中的任意一个代替。
[物质确定的主处理]
如上所述那样结束预处理后，数据处理器35执行用于物质确定的主处理(步骤S13)。如图7所示那样执行该主处理。
〈线减弱值μt的运算〉
首先，数据处理器35使用在三个对焦图像IM1、IM2、IM3中分别被关心区域ROI包围并且删除了背景成分的像素值，进行线减弱值μt的计算(图7中的步骤S131)。在此，μ是物质的线减弱系数(也简称为减弱系数)，t是物质沿着X射线照射方向的厚度。
在上述单一物质模型以及多个物质模型中，相对于各能量区域Bini(i＝1～3)，以像素为单位通过以下数学式计算线减弱值μt。
μit＝lnCli-lnCoi
(i＝1～3：单一物质模式的情况)
……(5)
[数学式1]
(i＝1～3、j＝a～n：多个物质模式的情况)
……(6)
在此，ln意为取自然对数。
因此，如果能够判明入射(输入)到物质的光子数与从物质出射(输出)的光子数，就能够计算出线减弱值μt。出射光子数Coi是由检测器24按照能量区域并且以像素为单位检测出的光子数。Cli是在与实际的X射线检查相同的条件下入射的X射线的光子数，是预先设定的已知数值。当然，也可以是每次在考虑实际的X射线检查条件变动的基础上在进行物质确定时推定的数值。
此外，在医疗检查的情况下，在乳房摄影与手脚的软组织中，由于能够视为由更加单纯的物质构成，而且用于压迫或者固定其摄影部的器具也为平板结构，因此能够更加精确地计算出该线减弱值μt。另外，在食品等的非破坏检查中，如果能够如上所述那样适当地推定出背景成分，则能够根据除去该背景成分后的像素信息更加精确地计算出线减弱值μt。
接下来，数据处理器35在上述三个能量区域Bin1～Bin3的对焦图像IM1～IM3中，选取出形成它们的关心区域ROI的各像素的线减弱值μt，并进行矢量化(步骤S132，参照图8)。
也就是说，对于各像素制作三维的线减弱矢量(μ1t、μ2t、μ3t)(参照图8)。由于在该三维线减弱矢量(μ1t、μ2t、μ3t)中尚不含有厚度t以及密度的因素，因此该矢量本身仅表示起因于厚度t的X射线减弱量，无法作为物质特有的指标。这是因为，与X射线扫描图像和X射线单纯摄影相同，厚度t是未知的，因而无法求出X射线特有的线减弱系数μ1、μ2、μ3。况且，仅仅一个三维线减弱矢量(μ1t、μ2t、μ3t)，会被其他的噪声成分埋没，难以求出物质特有的信息。
对此，本发明人发现，通过使该三维线减弱矢量(μ1t、μ2t、μ3t)正规化并且以集合的方式加以运用，能够进行物质确定。
首先，通过以下的式(7)将各三维线减弱矢量(μ1t、μ2t、μ3t)正规化(或者规格化)为单位长度(长度1)，并制作不含厚度t以及密度的因素的三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)(步骤S133)。
(μ1′、μ2′、μ3′)
＝(μ1t、μ2t、μ3t)/((μ1t)2+(μ2t)2+(μ3t)2)1/2
＝(μ1、μ2、μ3)/(μ1 2+μ2 2+μ3 2)1/2……(7)
当然，在该正规化中，使各三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)的长度一致，可以为任意的长度，而不一定为长度＝1。此外，符号μ表示正规化前的线减弱系数，符号μ′表示正规化后的线减弱系数。另外，图10、13、16、17、19、20、23中示出的减弱系数μ表示正规化后的值。
通过这样进行正规化，将消除厚度t以及密度的因素，因此，如果在将线减弱系数μ1、μ2、μ3彼此设为正交轴的三维坐标上，将该各三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)的起点置于坐标原点(步骤S134)，则其终点的位置坐标就表达出物质特有的信息(物质的种类、性状的信息)。
这样，在本实施方式中，将表示X射线减弱的矢量在正规化前作为线减弱矢量(μ1t、μ2t、μ3t)加以运用，而在正规化后作为质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)加以运用。虽然在本实施方式中均以三维方式进行处理，但即使是二维方式也是同样的。
该步骤S134中的处理例如如图18所示，为了生成空间(显示用)，读取出预先存储在ROM33中的、表示线减弱系数μ1、μ2、μ3的正交三轴的坐标数据(S134-1)，将经过该正交三轴的例如长度＝1处的部分球面设定为存储空间(步骤S134-2)，在该部分球面上，从原点O起配置(也称为打点或者映射)各三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)的顶端(步骤S134-3)。
此外，对各像素通过正规化的式(7)重置的三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)的三维倾斜信息也可以说是能量的分布数据，该能量的分布数据拟似性地(虚拟地)表示在三维空间中根据物质的种类和性状变化的物质特有的信息。因此，本发明人将该三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)的顶端所指示的位置、即三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)的三维倾斜信息(也就是分布点)的集合称为“三维分布图”。也就是说，如果物质发生变化，则三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)的倾斜度会发生变化，其顶端所指示的三维位置(分布点的位置)也会发生变化，其三维位置的信息反映出X射线光子的能量分布。
进一步，数据处理器35对各像素将各三维线减弱矢量(μ1t、μ2t、μ3t)的长度计算为
((μ1t)2+(μ2t)2+(μ3t)2)1/2……(8)。
由该式(8)表达的量与在X射线透过的物质处未透过的X射线的吸收量相对应，这作为物质确定的补充信息是非常有用的，并构成作为以往的吸收图像的代替图像的像素值。因此，制作以对该吸收量进行层次化而得到的值为像素值的图像(步骤S135)。本发明人将该三维质量减弱矢量的长度称为拟似性地(虚拟地)与X射线减弱值相对应的“吸收矢量长”，并将以其为像素值的图像称为“吸收矢量长图像(或者拟似吸收图像)”。该吸收矢量长图像不易依存于X射线的入射能量光谱形状，因此是稳定的图像，综合地反映出各线减弱值μt。其结果是，该吸收矢量长图像形成对比度较强的图像。可以将该吸收矢量长图像保管在图像存储器36中，必要时用显示器38显示出来。尤其是对于X射线的射束硬化较强的质量较大的物质，能够获得特征性的图像。
最后，数据处理器35将上述三维分布图的数据作为物质特有信息，并将吸收矢量长图像作为物质确定的补充信息保存在图像存储器36中(图5中的步骤S14)，根据需要，例如通过显示器38将它们提示给用户(步骤S15)。
如上所述，根据由光子计数型的检测器24收集的按照能量区域划分的X射线光子计数值，即便是在分层摄像法下也能够与检查对象OB的厚度无关地取得物质特有的信息。与下面说明的物质特有信息的显示以及解析进行组合时，这会发挥出很大的优势。
[物质特有信息的显示以及解析的一个例子]
该物质特有信息的显示以及解析的处理，例如作为上述步骤S15的一环被执行。数据处理器35例如根据来自用户的指示显示上述物质特有信息。具体而言，在以正规化的线减弱系数μ1、μ2、μ3为三个轴的三维坐标空间中设定半径＝1的球表面(图9中的步骤S31)。
接下来，以该三维坐标空间的原点为由各像素的三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)构成的三维分布图的起点，并将其终点例如配置(打点、映射)在发挥同一面的功能的球表面上(被正规化为半径＝1的球面)，从而显示由各像素的三维质量减弱矢量(μ1′、μ2′、μ3′)构成的三维分布图(步骤S32)。该被打点出的球表面上的终点的集合形成基于物质特有的信息的、物质特有的分布点的集合。因此，即使检查对象是像素之间厚度t彼此不同的物质，也是不依存于其厚度t因素的分布点的集合。
图10中示意性地示出了以该散布点的集合作为三维散布图，在正规化的球表面的一部分(同一面的一部分)进行打点的例子。
接下来，如图11(A)所示，数据处理器35对该分布点进行分组(参照虚线框，步骤S33)，如图11(B)所示，计算分组后的分布点的重心位置GR(步骤S34)。接下来，如图11(C)所示，计算连接各分布点分组的重心位置GR与原点的矢量Vobj(步骤S35)。
接下来，将该矢量Vobj与预先保有的基准数据进行比较，从而确定或者特定物质的种类和性状(步骤S36)。在基准数据中，例如作为存储表，与容许幅度一起存储有预先根据物质的种类和性状测得的矢量Vobj的三维倾斜度。因此，能够根据计算出的矢量Vobj的倾斜度是否在该容许幅度之内来进行物质确定，并且能够排除作为噪声的矢量信息。保存确定出的信息(步骤S37)。
此外，在上述步骤S15中，能够以各种形式提示和提供三维分布图以及吸收矢量长图像。例如，数据处理器35可以将三维分布图以及吸收矢量长图像分割显示在显示器38上，也可以在最开始显示三维分布图，并根据来自用户的要求辅助地显示吸收矢量长图像。
[各种模拟]
本发明人为了验证本申请所涉及的物质确定的妥当性，进行了各种模拟，对此进行说明。
[1、对能够确定物质的性状的差异进行验证的模拟]
首先，对于根据物质的性状的差异三维分布图是如何变化的，对生物体样品进行了模拟，在该生物体样品中，以10％单位改变生物体的脂肪和肌肉的含有率，并且使其厚度变化为1cm、2cm、3cm。
图12(A)中示出了该生物体样品。在该生物体样品中，在一个方向上配置厚度＝约3cm、约2cm、约1cm的长条状部分，沿着另一个方向以肌肉90％、脂肪10％，肌肉80％、脂肪20％，肌肉70％、脂肪30％，……，肌肉30％、脂肪70％的方式使肌肉脂肪比例变化。此外，稍微(<<1cm)调整厚度，以使扫描图像上不会因厚度而出现浓度差。在该生物体样品的旁边，设定有作为背景成分的空气层。在本事例中，空气层中的光子计数的统计量为27,200计数值，设定在生物体样品中的矩形状ROI的大小为288mm2，背景面积为189mm2。
对该生物体样品描绘上述三维分布图的结果如图12(B)所示，可知在三维坐标空间中，对于每个肌肉脂肪比例，分布点发生分离，并且其重心位置(参照图12(C)的黑圆点标记)也发生分离。而且，即使样品的厚度发生变化，分布点也以属于同一分组的方式分布。此外，在图12(B)的三维坐标空间中没有呈现出原点，其位于离开该空间的规定位置。
从该模拟可知，从X射线吸收的观点来看，具有不同的肌肉脂肪比例(即、不同的物质的性状)的生物体被特定为彼此不同的物质。反过来说，通过绘制该三维的三维分布图，能够推定筋肉脂肪的比例。在该模拟的情况下，判明了相对于脂肪肌肉相邻的10％差异的距离，误差成分存在最大12％左右的差距，能够以±1.2％以内的精度确定肌肉脂肪的比例，而不依存于厚度。
[2、对能够确定物质的种类进行验证的模拟]
图13中示出了本发明人进行的、验证能够确定物质的种类的模拟结果。如果能够确定物质的种类，则能够判别该物质是否为异物(具有与检查对象不同的组织的物质)。这在X射线非破坏检查中特别有用。
作为蔬菜，本发明人制作了青椒的组织，其中，作为异物，制作了放有1.5mmφ并且长度为1.5mm的铝(A1)的青椒的样品。
当使用该青椒样品描绘上述三维分布图时，描绘成图13所示那样。由此，能够确认可分组为检查对象即青椒本身的分布点的分组、作为噪声的青椒的边界面的分布点、以及作为异物的铝的分布点的分组。
因此，如上所述，确定各分组的分布点的重心的位置，并制作连接该重心位置与三维坐标的原点的矢量，再将该矢量的三维倾斜信息与基准数据进行比较。由此，能够判断出是否存在异物，另外也可知异物为铝的金属片。在该模拟的情况下，当不存在铝片时，在该三维分布图中不会出现分布点的分组。
[3、对吸收矢量长(拟似吸收)图像的优越性进行验证的模拟]
图14、15中示出了与上述拟似吸收图像相关的模拟结果。
如上所述，在制作三维分布图的过程中还能够生成吸收矢量长图像。本发明人为了验证该吸收矢量长图像的优越性，进行了如下的模拟：将该吸收矢量长图像(拟似吸收图像)与根据以往的常规光子计数通过分层摄像法制作的图像(称为“常规光子计数图像”)、以及根据在低能量区域中计数的光子数通过分层摄像法制作的图像(称为“低能量强调图像”)进行比较。
首先，如图14所示，制作使Al、Si、Fe三种金属制品异物混入作为食品的模仿青椒组织的横长的样品中而得到的样品。在该样品中，将对于每种种类直径不同的圆柱状、以及尺寸不同的长方体状的异物(Al、Si、Fe)，按照异物种类沿宽度方向分别配置在0cm、3cm、6cm、9cm断层面。在扫描速度＝60m/分钟、帧率＝6600fps、空气层计数＝50计数/pixel、管电压＝50kV、第一能量区域Bin1＝15～27keV(平均能量＝21.65keV)、第二能量区域Bin2＝27～35keV(平均能量＝31.0keV)、第三能量区域Bin3＝35～50keV(平均能量＝39.4keV)的条件下，对该样品进行扫描，并通过分层摄像法制作出吸收矢量长图像、常规光子计数图像以及低能量强调图像。
将这三种图像示出在图15的右栏。在这三种图像中分别计算6cm断层面、尺寸不同的三个AL长方体的位置(参照右栏图像的线)的浓度特性曲线。将该计算结果示出在图15的左栏。该浓度曲线在AL长方体的位置表示出了与其尺寸相应的像素值(浓度)的峰值。该峰值差(对比度比例)在拟似吸收图像中最大，可知拟似吸收图像最能体现反映出吸收量的像素值。即、与常规光子计数图像以及低能量强调图像相比，能够确认该拟似吸收图像可提供更灵敏地反映X射线吸收量差的浓度图像。
如上所述，根据该实施方式所涉及的X射线检查装置11，能够获得各种作用效果。
首先，在检查对象OB的截面(或者存在凹凸的截面)的焦点化的断层像(图像)上设定关心区域，并从该图像中除去存在于关心区域中的作为关心物质(检查对象和疑似异物)的背景的像素信息(背景成分)。根据进行该除去后的断层像的数据、以及在每个X射线能量区域中以关心区域的像素为单位的计数值，以像素为单位计算关心物质相对于X射线特有的透过特性(例如线减弱系数μ)，以作为特有信息。该特有信息不依存于物质的厚度t，因而能够由此确定或者特定关心物质的种类和性状。例如，通过将计算出的特有信息与预先保有的已知的特有信息(物质特有的已知的特有矢量信息(具有一定容许范围的信息))进行比较，能够进行物质确定。
另外，通过设定关心区域，能够在检查对象的整体或一部分中调整想要进行物质确定的范围。此时，作为不受厚度t影响的、物质的种类和性状(状态)所特有的信息而得到该特有信息，因此只要将关心区域设定为适当的大小即可，与厚度的变化无关。不同于以往的物质确定，由于是在除去进行物质确定时不需要的信息、即背景成分之后求取特有信息，因此能够更高精度地进行物质确定，其可靠性也得到提高。
进一步具体而言，将按照能量区域划分的、由线减弱系数μ构成的矢量正规化，能够在球体面上提示三维分布图。该分布点(光谱)表示相关矢量的三维倾斜信息(即物质的特有信息)。因此，仅通过观察该分布点的状态，求出并附加上带有波动的分布点的重心，容易在视觉上定量地把握检查对象OB是例如金属还是金属之外的物质、检查对象OB中是否存在其他物质(异物等)、检查对象OB的状态(肌肉与脂肪的比例如何)等信息。
当然，能够采用各种观察形式，例如像天象仪那样从该球体内侧的位置(例如原点)观察该分布图，或者一边使球体旋转一边观察分布点的分布状况等。另外，也可以不是球体表面，而采用在平面空间中重映射的方法。也可以考虑，例如在以原点为顶点的锥状球体的三角锥底面连接原点，并求出交点以进行重映射，或者应用在平面展开地球仪中使用的方法等进行展开的方法等。这样可以获得在识别检查对象与有可能包含在检查对象中的异物等时有用的工具。
另外，在获得三维分布图的过程中，还能够得到吸收矢量长图像的数据。本发明人使用逐渐改变肌肉与软骨的厚度的样品，确认到与以往的X射线吸收图像相比，该吸收矢量长图像并不依存于所照射的X射线的能量光谱形状。光谱形状是指，例如如图2中示例的那样，正中央的能量区域Bin2的频度高于其两旁的频度的光谱形状。在本实施方式的情况下，进行上述实施方式所涉及的式(8)的处理，因此可以认为不容易产生依存于光谱形状的X射线吸收的差异，另外对线减弱系数最大的低能量侧的频度造成的影响稳定。
因此，在该吸收矢量长图像中，能量光谱的形状依存度低，相应地相对于X射线管电压等的X射线照射条件更具鲁棒性，图像对比度好，并且与线减弱值μt成比例，具有使所有能量区域的线减弱值μt平均化的效果，因此噪声变少。
作为显著体现本图像的优越性的事例，有如下所述的例子。
·在投放质量较大的造影剂例如碘、钆、金等的医疗造影剂检查中，在造影剂流过的部位会产生射束硬化现象，其结果是低能量侧的线减弱值μt变大，能够获得在造影剂流过的部位与其他部位之间对比度差较大的图像，造影剂的功能变得更加显著。
·食品异物检查中的异物部的对比度清晰，因此能够作为视觉信息加以应用。
此外，在非破坏检查中，作为背景存在包括传送带在内的空气层时，虽然无法确定异物的种类本身，但是确认到能够进行是否存在异物的异物检测。也就是说，上述物质确定的方法也能够用于异物检测。因此，能够进行两道防线的检查，即、首先进行异物检测，对判断为存在异物的部位进行细致检查，并确定该异物的种类(即、对物质的种类进行特定的物质确定)。
[变形例]
〈变形例1〉
上述实施方式所涉及的物质确定的方法并不限于在三维坐标空间中实施。例如，在图2示出的频度光谱中，如果使用第一以及第二能量区域Bin1、Bin2，Bin2、Bin3或者Bin1、Bin3两者进行与上述相同的处理，则能够获得二维的分布图以及吸收矢量长图像。由此，通过简化为二维的质量减弱矢量的倾斜度(物质特有信息)以及长度(吸收值)，能够简便地进行与上述相同的物质确定。
〈变形例2〉
另外，也可以将用于制作上述吸收矢量长图像的计算式(8)一般化为如下形式。
(a×(μ1t)2+b×(μ2t)2+c×(μ3t)2)1/2……(8’)
在此，a、b、c是用于进行加权计算的取任意数值的系数。根据该计算式制作的吸收矢量长图像能够用于设计X射线管的照射条件等。通过设计该照射条件，能够使X射线管照射例如具有与检查对象的物质的种类和比重等相应的入射能量光谱的X射线。
〈变形例3〉
另外，作为其他变形例，图16中示出了将本发明所涉及的X射线检查装置作为医用风湿检查装置的例子。如图16所示，该风湿检查装置118具备扫描图像移动机构120，所述扫描图像移动机构120以被测者的手的关节部为检查对象OB，使X射线发生器121与光子计数型检测单元126隔着该关节部对置，并且使该对X射线发生器121与光子计数型检测单元126在图16纸面的前后方向上移动。该风湿检查装置118进一步具备：重建部111，对从检测单元126输出的帧数据进行处理；数据处理装置112，接收该重建部111的重建信息，并进行上述物质确定的处理；以及显示监视器138，显示该处理装置112的处理结果。
重建部111具备：重建单元111A，对帧数据实施分层摄像法，重建对焦图像(进一步减少各像素的模糊的最佳焦点化图像)；制作单元111B，根据该重建的对焦图像制作显示用的能量权重图像；以及处理单元111C，根据三个能量区域Bin1、Bin2、Bin3进行上述物质确定。由这些单元111B、111C处理的图像以及信息通过数据处理装置112显示在显示监视器138上。该数据处理装置112构成为，能够与用户之间交互式地将图像以及信息直接显示在显示监视器138上。由此，由制作单元111B制作的图像以及三维分布图被显示在显示监视器138上。进一步，数据处理装置112能够对显示在显示监视器138上的图像进行局部放大显示，或者将根据三维分布图判定出的风湿进展程度作为病状判定结果显示出来。数据处理装置112与用户之间交互式地进行这些显示。
这样，通过将上述物质确定应用于特定关节部的物质的性状(状态)，能够进行更高精度的风湿检查。
同样地，作为其他变形例，图17中示出了将本发明所涉及的X射线检查装置作为用于异物检查的非破坏检查装置的例子。
〈变形例4〉
图17中示出的非破坏检查装置119除具备上述重建部111、数据处理装置112以及显示监视器138以外，还具备X射线扫描机构XS。该X射线扫描机构XS采用隔着搬运带BT配置X射线管以及光子计数型检测单元126的结构。随着该搬运带BT的移动，作为放置于其上的检查对象OB的例如青椒移动。该移动方向与X射线束XB的扫描方向一致。重建部111、数据处理装置112以及显示监视器138的结构以及动作与前面所述的结构以及动作相同。此外，该数据处理装置112构成为，作为物质确定的判定结果信息，能够将检查对象OB中是否含有金属片等异物的异物有无信息、和/或在含有异物的情况下该异物的种类为何或者可提示其种类的信息(例如是塑料或者金属的可能性较大等)作为异物确定结果显示出来。另外，数据处理装置112也能够与用户之间交互式地制作并显示对三维分布图进行解析而得到的信息和删除了异物部(设定了关心区域ROI的部分)的背景的图像。
这样，通过将上述物质确定应用于异物检查，包括是否存在异物的判定在内，能够更高精度地进行异物检测。
如上所述，能够在各种领域中应用本发明所涉及的物质确定的方法。
〈变形例5〉
进一步，在本发明所涉及的物质确定的处理中，还能够对三维分布图的显示进行各种变形。该变形例不仅能够应用于上述实施例，还能够应用于变形例3、4的应用装置。
例如，作为用于打点出三维分布图的同一面，在图10中示例出了从原点起形成等距离(例如正规化的半径＝1)的球面的一部分。然而，不仅限于此，作为同一面，也可以如地球仪那样显示该球的整体，并在其上打点出形成三维分布图的分布点。可以从球内部的原点或者从球外部朝着原点观测在该球面上打点出的分布点，并向用户显示或者提示绘图，或者也可以作为数据保存在存储装置中。
另外，在本发明中，将形成三维分布图的分布点打点在同一面上是很重要的，该同一面并不仅限于正规化为半径＝1的面。也可以是经过各轴方向的距离被正规化(规格化)为距离＝1以外的数值的位置的平面，或者也可以是球面的一部分或者全部的面。
进一步，作为同一面的具体例，如图19所示，可以设定三角形平面Ptri，并将从原点O观察的矢量(μ1、μ2、μ3)的顶端位置作为分布点打点(映射)在该平面Ptri上，其中，所述三角形平面Ptri连接表示各像素的矢量(μ1、μ2、μ3)的正交三轴各自的正规化点＝1。该处理通过数据处理器35在上述图7的步骤S134中执行。在这种情况下，当然也可以是连接正规化点＝1以外的、三个轴上的相同长度位置的三角形平面。
进一步，图20中示出了其他例子。根据图20，可以将从原点O观察的矢量(μ1、μ2、μ3)的顶端位置作为分布点打点在平面状的接面Ptan上，该平面状的接面Ptan在如下位置与图10所示的正规化的球面的一部分Pcir相接，即、在图10所示的正规化的球面的一部分Pcir上表示基准或者所希望的物质的三维分布图的分布点(或者其代表点)Pref的位置。该处理通过数据处理器35在上述图7的步骤S134中执行。在这种情况下，当然也可以是与连接正规化点＝1以外的、三个轴上的相同长度位置的球面的一部分相接的接面。
此外，图19以及图20的打点方法的情况不同于图1所示的在球面上打点的方法，由于面上的分布点的距离间隔发生变形，因此可以附加修正该距离间隔的处理。
这样，将用于打点出分布点的面设为同一面，该同一面的种类的选择范围很广，能够实现设计的多样化。另外，通过设置成平面而非球面，减少了观察打点出的分布点、即三位分布图的分布状况时的方向性的限制。
〈变形例6〉
另外，作为其他形式，在使三维分布图显示在显示器38上时，数据处理器35可以对每个分布点的分组改变浓度和/或颜色。因此，如图21所示，数据处理器35在步骤S15中例如改变在作为同一面的球状的面的整体或者其一部分上打点出的分布点的浓度和/或颜色(步骤S15-1)，并将该分组化的分布点以三维方式显示在该面上(步骤S15-2)。由此，能够实现显示的多样化。
〈变形例7〉
进一步，作为其他形式，可列举出与用户等目视观察三维分布图时的视线相关的变形例。在该变形例中，如图22所示，数据处理器35例如与用户之间交互式地指定例如观察作为同一面的球状面的整体或者其一部分的、起始于原点的视线的方向(步骤S15-11)。作为该视线，例如可列举出图11(C)中示出的沿着矢量Vobj的视线。接下来，数据处理器35沿着该指定的视线进行再计算，以使显示矢量(μ1、μ2、μ3)的三维坐标与分布点旋转(步骤S15-12)。进一步，该三维坐标与分布点例如再次被显示在显示器38上(步骤S15-13)。进一步，当数据处理器35使该视线的朝向变化时，重复图22的处理，根据该变化使三位分布图旋转并显示出来。由此，对于用户而言便于使用，并且能够实现显示的多样化。
此外，作为与此类似的变形，数据处理器35可以在步骤S15的处理中，如图11(C)所示那样将三维分布图与设定的矢量Vobj一起显示出来，也可以只显示球体面与分布点，还可以只显示球体面与分布点的重心GR的位置。当然，也可以将球体面转换为二维面并与分布点一起显示出来。
进一步，作为其他的变形，数据处理器35也可以设定从所述原点延伸的沿着所述矢量Vobj的视线，并与表示该视线的标记一起显示三维分布图(三维分布图)，从而能够观察三维分布图。由此，当在球体面上的微小区域进行物质确定的观察时，能够时刻留意原点的方向进行观察，能够防止失去该视认方向。
此外，也可以如图11(C)的多个矢量Vobj那样，以分布点的分组GR为单位设定多个视线，并显示在显示器38上。
〈变形例8〉
进一步，作为其他的形式，数据处理器35也可以将三维显示的分布点变更为二维显示。数据处理器35读取在球状的面的整体或者一部分上打点而得到的三维的分布图数据D3d(图23中的步骤S15-21)，并将其例如投影(转换)成从预先指定的视线View观察的二维分布数据D2d(步骤S15-22)。在该投影中例如能够使用墨卡托投影法等。数据处理器35将该二维分布数据D2d显示在显示器38上(步骤S15-23)。由此，用户还能够看到平时习惯观看的二维图像，因此能够得到各式各样的目视观察的形式，而不仅限于图10与图11中示出的三维图像。
在上面说明的实施方式及其变形例中，通过由数据处理器35执行的图5、图7、图9、图18至图22的处理，构成各种功能性的单元(也可以是块或者部)。具体而言，由图5的步骤S1以及S2构成作为图像运算部件的图像运算单元，由图5的步骤S10构成作为关心区域设定部件的关心区域设定单元，由图5的步骤S11、S12构成作为背景除去部件的背景除去单元。进一步，图5的步骤S13(具体为图7的步骤S131～S133)构成了作为特有信息运算部件的特有信息运算单元。其中，步骤S133在功能方面对应作为正规化部件的正规化单元。
另外，通过由数据处理器35执行的图7的步骤S134(包括图8、步骤S134-1～S134-3)以及S135的处理，分别在功能方面提供了作为分布图制作部件的分布图制作单元以及作为图像制作部件的图像制作单元。通过图7的步骤S15，在功能方面提供了作为分布图提示部件的分布图提示单元以及作为图像提示部件的图像提示单元。
进一步，通过由数据处理器35执行的图9的步骤S31～S37的处理，在功能方面构成作为解析部件的解析单元。其中，步骤S34在功能方面构成了作为代表点运算部件的代表点运算单元，步骤S36在功能方面构成了作为性状特定部件的性状特定单元。
进一步，通过由数据处理器35执行的图21的步骤S15-1的处理，构成作为分组化部件的分组化单元，由图21的步骤S15-2的处理构成作为三维显示部件的三维显示单元。同样地，图22的步骤S15-11在功能方面对应作为视线指定部件的视线指定单元，图22的步骤S15-12在功能方面对应作为再运算部件的再运算单元，再有，图22的步骤S15-13在功能方面对应作为再显示部件的再显示单元。同样地，图23的步骤S15-12、22的处理在功能方面构成了作为投影部件的投影单元，图23的步骤S15-23的处理在功能方面构成了作为二维显示部件的二维显示单元。
以上，对本发明所涉及的数据处理装置、数据处理方法以及X射线检查装置的各种实施方式进行了说明，但是本发明当然不限于上述例子，在不脱离权利要求宗旨的范围内，能够进一步变更为各种方式。
附图标记说明
10：X射线检查系统(搭载有数据处理装置的X射线检查装置：实施数据处理方法的X射线检查装置)
12：计算机系统(数据处理装置)
21：X射线管
24：检测器
25：数据收集电路
26：检测单元
12：数据处理装置
32：缓冲存储器(存储单元)
33：ROM
34：RAM
35：数据处理器(CPU)
36：图像存储器(存储单元)
37：输入器
38：显示器
111：重建部
112：数据处理装置
118：作为X射线检查装置的医用风湿检查装置
119：作为X射线检查装置的异物检测用的非破坏检查装置
138：显示监视器
OB：检查对象(对象物)

Claims (23)

1.一种数据处理装置，对从X射线管照射后透过对象物并且由光子计数型的检测器检测出的X射线的、在每个能量区域中以像素为单位的计数值进行处理，其特征在于，具备：
图像运算单元，根据所述计数值计算所述对象物的图像；
关心区域设定单元，在所述图像上设定关心区域；
背景除去单元，从所述图像中除去存在于所述关心区域中的作为物质的背景的像素信息；以及
特有信息运算单元，根据所述关心区域中的所述X射线的在每个能量区域中以所述像素为单位的所述计数值，以该像素为单位计算将所述X射线透过所述物质时的透过特性表示为矢量时的、该物质所特有的特有信息。
2.根据权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于，
所述特有信息为分布图信息以及减弱信息中的至少一个，在所述分布图信息中，相对于多个所述能量区域的质量减弱矢量指示出所述各像素的所述X射线的所述透过特性，所述减弱信息表示该质量减弱矢量的大小并且表示因所述物质导致的所述X射线的减弱程度。
3.根据权利要求2所述的数据处理装置，其特征在于，具备：
分布图制作单元，根据所述分布图信息制作二维以上的维度的分布点数据，以作为分布图；以及
分布图提示单元，提示所述分布图。
4.根据权利要求2所述的数据处理装置，其特征在于，具备：
图像制作单元，制作以所述像素为单位将所述减弱信息置换为像素值的二维的吸收矢量长图像；以及
图像提示单元，将所述吸收矢量长图像作为二维图像提示。
5.根据权利要求4所述的数据处理装置，其特征在于，具备：
分布图制作单元，根据所述分布图信息制作二维以上的维度的分布点数据，以作为分布图；以及
分布图提示单元，提示所述分布图。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的数据处理装置，其特征在于，
所述维度为三维或者二维。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的数据处理装置，其特征在于，
所述维度为三维，
所述特有信息运算单元以所述像素为单位计算以所述三维的空间中的原点为起点的三维矢量，作为所述特有信息，
所述分布图制作单元制作所述三维的空间中的所述分布点数据。
8.根据权利要求7所述的数据处理装置，其特征在于，
所述特有信息运算单元具备正规化单元，所述正规化单元以所述像素为单位将所述三维矢量正规化。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的数据处理装置，其特征在于，
所述分布图制作单元制作表示以所述三维空间的原点为起点的所述三维矢量的方向、以及在同一面上打点出的三维矢量的终点的数据，以作为所述分布点数据。
10.根据权利要求9所述的数据处理装置，其特征在于，
所述同一面是具有从所述原点起显示出等距离的半径的、球状的面的整体或者一部分。
11.根据权利要求9所述的数据处理装置，其特征在于，
所述同一面是平面，该平面连接在所述三维空间的各轴上从所述原点起等距离的位置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的数据处理装置，其特征在于，
具备解析单元，所述解析单元通过解析所述分布点数据，并进行所述物质的种类的确定、该物质的状态的识别、以及与该物质不同的物质或不特定物质的检测中的至少一个，从而解析该物质的性状。
13.根据权利要求12所述的数据处理装置，其特征在于，
所述解析单元具备：
代表点运算单元，对在所述同一面上打点出的多个所述分布点进行分组，并且计算其每个分组的重心的位置，以作为代表点；以及
性状特定单元，将该代表点的位置信息与预先保有的参照用的位置信息进行比较，从而特定位于所述关心区域的所述物质以及在该关心区域内该物质周边的物质的性状。
14.根据权利要求12所述的数据处理装置，其特征在于，
所述解析单元是确定位于所述关心区域中的所述物质的种类的单元。
15.根据权利要求12所述的数据处理装置，其特征在于，
所述解析单元是特定位于所述关心区域中的所述物质的性状的单元。
16.根据权利要求12所述的数据处理装置，其特征在于，
所述解析单元是对存在位于所述关心区域且与所述检查对象本身不同的物质进行检测、或者确定该不同的物质的种类的单元。
17.根据权利要求13所述的数据处理装置，其特征在于，
所述分布图提示单元是分组化单元和三维显示单元，所述分组化单元对每个所述分布点的分组改变其分布点的浓度或者颜色中的至少一个，所述三维显示单元将该分组化的该分布点三维地显示在所述同一面上。
18.根据权利要求17所述的数据处理装置，其特征在于，具备：
视线指定单元，指定观察通过所述三维显示单元显示所述分布点的所述同一面时的视线；
再运算单元，对在按照由该视线指定单元指定的视线进行了旋转的三维坐标中的所述同一面上打点所述分布点的位置进行再计算；以及
再显示单元，将由该再运算单元再计算出的所述三维坐标与所述同一面上的所述分布点一起再显示出来。
19.根据权利要求17所述的数据处理装置，其特征在于，
具备视线指定单元，指定观察通过所述三维显示单元显示所述分布点的所述同一面时的视线，
所述视线设定为以所述分布点的分组为单位连接该分布点的重心的位置与坐标原点的方向。
20.根据权利要求17所述的数据处理装置，其特征在于，具备：
投影单元，将通过所述三维显示单元显示所述分布点的所述球体的面的整体或者一部分投影成二维；以及
二维显示单元，显示由所述投影单元投影形成的所述二维的所述面的整体或者一部分。
21.一种数据处理装置，对从X射线管照射后透过对象物并且由光子计数型的检测器检测出的X射线的、在每个能量区域中以像素为单位的计数值进行处理，其特征在于，具备：
存储器，可预先存储计算机能够读取的程序；
处理器，具备能够从所述存储器中读取所述程序并依次执行由该程序分配的步骤的CPU；以及
接口部，能够获取来自外部的信息；
所述处理器根据经由所述接口部获取的所述信息，通过所述CPU执行所述步骤，
从而根据所述计数值计算所述对象物的图像，
在所述图像上设定关心区域，
从所述图像中除去存在于所述关心区域中的作为物质的背景的像素信息，
根据所述关心区域中的所述X射线的在每个能量区域中以所述像素为单位的所述计数值，以该像素为单位计算将所述X射线透过所述物质时的透过特性表示为矢量时的、该物质所特有的特有信息。
22.一种X射线检查装置，其特征在于，具备：
X射线源，照射所述X射线；
所述X射线检测器；以及
权利要求1至20中任一项所述的数据处理装置。
23.一种数据处理方法，对从X射线管照射后透过对象物并且由光子计数型的检测器检测出的X射线的、在每个能量区域中以像素为单位的计数值进行处理，其特征在于，
根据所述计数值计算所述对象物的图像，
在所述图像上设定关心区域，
从所述图像中除去存在于所述关心区域中的作为物质的背景的像素信息，
根据所述关心区域中的所述X射线的在每个能量区域中以所述像素为单位的所述计数值，以该像素为单位计算所述物质相对于所述X射线特有的透过特性，以作为特有信息。
CN201680001621.9A 2015-04-20 2016-04-20 X射线检查用的数据处理装置、以及搭载有该装置的x射线检查装置 Active CN106461578B (zh)

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