CN113100800B - 放射线摄像装置及光子计数型检测器的校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供能够高精度地辨别软组织、脂肪组织的放射线摄像装置和光子计数型检测器的校正方法。解决手段为一种放射线摄像装置，其特征在于，具备光子计数型检测器，所述光子计数型检测器输出与作为入射的放射线光子的能量的光子能量相对应的电信号，所述放射线摄像装置具备：存储部，对于多种物质，存储线性衰减系数与上述光子能量的关系；计算部，对于各物质，计算通过将每个光子能量的线性衰减系数除以规定的光子能量的线性衰减系数而被标准化的线性衰减系数，即标准化衰减系数；以及选择部，基于上述标准化衰减系数来选择相对于作为被辨别的物质的辨别物质所使用的基底物质。
Description
技术领域
本发明涉及具备光子计数型检测器的放射线摄像装置，涉及光子计数型检测器的校正方法。
背景技术
具备采用光子计数方式的检测器即光子计数型检测器的PCCT(PhotonCountingComputed Tomography，光子计数计算机断层摄影)装置的开发正在进行着。光子计数型检测器能够测量入射至检测器的放射线光子的能量即光子能量，因此PCCT装置能够呈现包含比以往的CT装置更多的信息的医用图像，例如辨别组成不同的物质的医用图像。更具体而言，可获得将血管造影所使用的碘造影剂与血管中的钙化斑块进行区别的医用图像。另外，为了获得物质得以被辨别的医用图像，需要针对每个检测器元件，对于用光子计数型检测器测量作为组成、厚度已知的物质的多种基底物质的组合时的输出与光子能量的关系预先进行校正。
专利文献1中公开了以能够由被测物的多光谱X射线投影来确定被测物的组成信息的方式，使用基底物质的多光谱X射线投影进行了训练的ANN(Artificial NeuralNetwork，人工神经网络)。此外专利文献1中，在使用两种基底物质的情况下，期望使用原子序数低的物质和原子序数高的物质，示出了PMMA(Poly-Methyl Meth-Acrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)与铝、聚苯乙烯与PVC(Poly-Vinyl Chloride，聚氯乙烯)的使用例。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第9808216号说明书
发明内容
发明所要解决的课题
然而，专利文献1中，针对高精度地辨别肌肉等软组织、脂肪组织并没有进行考虑。评价体内组织所包含的脂肪的比例的差异在诊断上是重要的，因此需要高精度地辨别软组织、脂肪组织。
因此，本发明的目的在于提供能够高精度地辨别软组织、脂肪组织的放射线摄像装置以及光子计数型检测器的校正方法。
用于解决课题的方法
为了达成上述目的，本发明涉及一种放射线摄像装置，其特征在于，具备光子计数型检测器，所述光子计数型检测器输出与作为入射的放射线光子的能量的光子能量相对应的电信号，所述放射线摄像装置具备：存储部，对于多种物质，存储线性衰减系数与上述光子能量的关系；计算部，对于各物质，计算通过将每个光子能量的线性衰减系数除以规定的光子能量的线性衰减系数而被标准化的线性衰减系数，即标准化衰减系数；以及选择部，基于上述标准化衰减系数来选择相对于作为被辨别的物质的辨别物质所使用的基底物质。
此外，本发明涉及一种光子计数型检测器的校正方法，该光子计数型检测器输出与作为入射的放射线光子的能量的光子能量相对应的电信号，其特征在于，具备下述步骤：取得步骤，对于多种物质，取得线性衰减系数与上述光子能量的关系；计算步骤，对于各物质，计算通过将每个光子能量的线性衰减系数除以规定的光子能量的线性衰减系数而被标准化的线性衰减系数，即标准化衰减系数；以及选择步骤，基于上述标准化衰减系数来选择相对于作为被辨别的物质的辨别物质所使用的基底物质。
发明的效果
根据本发明，可提供能够高精度地辨别软组织、脂肪组织的放射线摄像装置以及光子计数型检测器的校正方法。
附图说明
图1为表示PCCT装置的整体构成的图。
图2为对光子计数型检测器的校正进行说明的图。
图3为表示本实施例的功能框图的一例的图。
图4为表示校正光子计数型检测器的处理流程的一例的图。
图5为对于多种物质显示线性衰减系数与光子能量的关系的例子的图。
图6为对于多种物质显示标准化衰减系数与光子能量的关系的例子的图。
图7为表示基于多种基底物质的组合的水的分解、再合成残差与光子能量的关系的例子的图。
图8为表示基于多种基底物质的组合的脂肪组织的分解、再合成残差与光子能量的关系的例子的图。
图9为对聚乙烯的厚度与PTFE的厚度的组合的范围的设定进行说明的图。
符号的说明
101：X射线CT装置，102：机架，103：X射线管，104：蝴蝶结过滤器，105：床，106：被测物，107：检测器面板，108：运算装置，109：输入装置，110：显示装置，201：基底物质的组合，301：存储部，302：计算部，303：选择部，901：聚乙烯比例的上限，902：聚乙烯比例的下限，903：组合上限，904：组合范围
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。本发明的放射线摄像装置适用于具备放射线源和光子计数型检测器的装置。以下说明中，对于放射线为X射线且放射线摄像装置为X射线CT装置的例子进行描述。
实施例1
图1示出本实施例的X射线CT装置101的整体构成图。X射线CT装置101具备机架102、X射线管103、蝴蝶结过滤器104、床105、检测器面板107、运算装置108、输入装置109、显示装置110。从X射线管103射出的X射线通过蝴蝶结过滤器104而被成型为适于被测物106的大小的束形、照射于被测物106，透过被测物106之后，被检测器面板107所检测。X射线管103与检测器面板107以夹持被测物106对置配置的方式安装于机架102，通过机架102的旋转驱动，围绕被测物106的周围进行旋转。在机架102的旋转驱动的同时，反复进行从X射线管103的X射线照射与利用检测器面板107的X射线测量，从而取得各种投影角度的投影数据。取得的投影数据由运算装置108进行图像再构成处理，从而生成被测物106的断层图像，被显示于显示装置110。此外，如果一边将载置被测物106的床105与机架102沿被测物106的体轴方向相对地移动一边取得投影数据，则生成被测物106的体积图像。另外，从X射线管103照射的X射线量、机架102的旋转速度、机架102与床105的相对移动速度通过输入装置109、基于操作者所输入的扫描条件来设定。此外运算装置108为与一般的计算机装置同样的硬件构成，具备CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)、存储器、HDD(Hard Disk Drive，硬盘驱动器)等，进行对于投影数据等的校正处理、各部的控制。
检测器面板107通过将多个检测器像素P配置成将X射线管103的X射线焦点作为中心的圆弧形状来构成。检测器像素P是测量入射的X射线光子的能量即光子能量的光子计数型检测器，进行与光子能量相对应的输出。
具备光子计数型检测器的X射线CT装置101中，由于能够取得与被测物106的投影数据相关的光子能量光谱，因此能够生成组成不同的物质得以被辨别的医用图像、被分成多种能量成分的医用图像。另外为了获得组成不同的物质得以被辨别的医用图像等，需要对于每个检测器元件，将用光子计数型检测器测量作为组成、厚度已知的物质的多种基底物质的组合时的输出与光子能量的关系预先进行校正。
使用图2，对光子计数型检测器的校正进行说明。光子计数型检测器的校正使用组成、厚度已知的多种基底物质，例如两种基底物质的组合201。基底物质的组合201中，可以对于每种基底物质使用多个不同厚度的板，例如如果一方的厚度为J种，另一方的厚度为K种，则使用J×K种的基底物质的组合201，对于各组合取得光子能量光谱。图2中，J＝3，K＝3，因此显示九种光子能量光谱。
为了高精度地辨别被测物106中所期望的组织、例如脂肪组织，必须选择适当的基底物质。本实施例中，根据作为被辨别的物质的辨别物质来选择基底物质。
使用图3，对于本实施例的功能框图的一例进行说明。另外这些功能可以由使用了ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)等的专用硬件来构成，也可以由运算装置108所运行的软件来构成。以下说明中，对于各功能由软件构成的情况进行说明。本实施例具备存储部301、计算部302以及选择部303。以下，对于各部进行说明。
存储部301对于多种物质存储X射线的线性衰减系数与光子能量的关系。
图5中示出线性衰减系数与光子能量的关系的例子。图5所示的物质为钙、铝、PTFE(Poly-Tetra-Fluoro-Ethylene，聚四氟乙烯)、软组织、水、PMMA、脂肪组织、石墨、聚乙烯。
计算部302对于各物质计算通过将每个光子能量的线性衰减系数除以规定的光子能量的线性衰减系数而被标准化的线性衰减系数，即标准化衰减系数。图6中示出对于图5的各物质，将每个光子能量的线性衰减系数除以120keV时的线性衰减系数而计算的标准化衰减系数与光子能量的关系的例子。
选择部303基于标准化衰减系数来选择相对于辨别物质所使用的基底物质。更具体而言，选择具有比辨别物质的标准化衰减系数小的标准化衰减系数的物质和具有比辨别物质的标准化衰减系数大的标准化衰减系数的物质的组合作为基底物质。此外，选择具有与辨别物质的标准化衰减系数的差异更小的标准化衰减系数的物质作为基底物质。另外所选择的基底物质作为不同厚度的板来操作，通过具备光子计数型检测器的X射线CT装置101进行测量，因此优选为常温常压下稳定的固体，均匀性高，获得容易，易于加工的物质。
使用图4，对于校正光子计数型检测器的处理流程进行说明。
(S401)
计算部302对于多种物质从存储部301取得线性衰减系数。另外，线性衰减系数并不限定为存储于存储部301的线性衰减系数，可以通过网络等从外部取得。
如图5所示那样，各物质的线性衰减系数虽然随着光子能量的增加而减少，但是减少的程度根据物质而有所不同，因此线性衰减系数的曲线彼此交叉。这样的曲线的交叉使物质间的关系变得不明确，使相对于辨别物质的基底物质的选择变得困难。
(S402)
计算部302使用由S401取得的线性衰减系数，计算标准化衰减系数。具体而言，通过将每个光子能量的线性衰减系数除以规定的光子能量的线性衰减系数，从而计算标准化衰减系数。另外，规定的光子能量对于全部物质为共同的光子能量，优选为通过X射线CT装置101测量得到的光子能量的范围的最大能量。例如，施加于X射线管103的管电压为120kV时，将每个光子能量的线性衰减系数除以120keV时的线性衰减系数。
如图6所示那样，由于各物质的标准化衰减系数的曲线彼此没有交叉，因此物质间的关系通过标准化衰减系数的比较变得明确。即，通过使用标准化衰减系数，从而相对于辨别物质的基底物质的选择变得容易。另外，图6中，标准化衰减系数的大小的顺序为图例所示的顺序。
(S403)
选择部303基于由S402计算的标准化衰减系数来选择基底物质。例如，选择第一物质作为基底物质之一，所述第一物质是具有比辨别物质的标准化衰减系数小的标准化衰减系数的物质组即第一物质组中的物质。对于第一物质，优选选择第一物质组中具有最大的标准化衰减系数的物质。此外，选择第二物质作为基底物质的另一个，所述第二物质是具有比辨别物质的标准化衰减系数大的标准化衰减系数的物质组即第二物质组中的物质。对于第二物质，优选选择第二物质组中具有最小的标准化衰减系数的物质。
图6中，在将水和脂肪组织作为辨别物质的情况下，作为与水和脂肪组织相比标准化衰减系数小的物质的石墨和聚乙烯中的任一者成为基底物质的候选。此外，作为与水和脂肪组织相比标准化衰减系数大的物质的PTFE、铝、钙中的任一者成为基底物质的候选。另外，可以包含与作为辨别物质的水、脂肪组织的标准化衰减系数的差异的大小、常温常压下的稳定性在内，选择聚乙烯与PTFE的组合作为基底物质。
使用图7和图8，针对基底物质的组合对于物质分解的精度带来的影响进行说明。图7为按照不同的基底物质的组合将水进行分解，使用分解而得的基底系数，对于每个光子能量从再合成的线性衰减系数减去水的线性衰减系数而得的结果。即纵轴的值在光子能量的整个范围内越接近零，则物质分解的精度越高。如果将包含PMMA的三个组合进行比较，则物质分解的精度按照钙、铝、PTFE的顺序提高。此外，如果将包含PTFE的两个组合进行比较，则PMMA的情况虽然与聚乙烯相比为高精度，但是两者都小于0.1％。
图8为按照不同基底物质的组合将脂肪组织进行分解，使用分解而得的基底系数，从再合成的线性衰减系数减去脂肪组织的线性衰减系数而得的结果。如果将包含PMMA的三个组合进行比较，则与水的情况同样地，物质分解的精度按照钙、铝、PTFE的顺序提高。此外，如果将包含PTFE的两个组合进行比较，则聚乙烯的情况与PMMA相比为高精度，聚乙烯与PTFE的组合小于0.1％。
回到图6，如果将水和脂肪组织的标准化衰减系数与图7和图8所示的组合的标准化衰减系数进行比较，则与水更接近的是PMMA和PTFE，与脂肪组织更接近的是聚乙烯和PTFE。即，通过选择具有与辨别物质的标准化衰减系数的差异更小的标准化系数的物质作为基底物质，从而能够提高物质分解的精度。
(S404)
运算装置108使用S403中选择的基底物质来校正光子计数型检测器。更具体而言，通过图2所示的构成，每改变基底物质的厚度的组合就测量光子光谱。另外，在确定了辨别物质的情况下，可以限定基底物质的厚度的组合的范围来设定。
使用图9，对于基底物质的厚度的组合的范围的设定进行说明。图9的横轴为作为一方的基底物质的聚乙烯的厚度，纵轴为作为另一方的基底物质的PTFE的厚度，两轴的满刻度对应于水的单位厚度。如果将作为辨别物质的水和脂肪组织分解为聚乙烯和PTFE，则水与脂肪组织的聚乙烯厚度的比例分别为60％和88％。对此，将88％加上2％而得的90％作为聚乙烯比例的上限901，将从60％减去5％而得的55％作为聚乙烯比例的下限902。进一步，基于聚乙烯厚度的比例与PTFE厚度的比例之和为100％以下，设定聚乙烯与PTFE的组合上限903。而且，由聚乙烯比例的上限901与下限902的组合上限903所包围的范围成为聚乙烯与PTFE的组合范围904。
将作为辨别物质的水与脂肪组织混合存在的区域分解为聚乙烯和PTFE的结果被纳入组合范围904中，因此可以将光子计数型检测器的校正所使用的聚乙烯和PTFE的厚度的组合限定为组合范围904。通过限定基底物质的厚度的组合的范围，能够抑制校正所需要的时间和劳力。
通过以上说明的处理流程，可以以能够高精度地辨别软组织、脂肪组织的方式校正光子计数型检测器。此外利用搭载经这样校正的光子计数型检测器的X射线CT装置101，能够评价体内组织所包含的脂肪的比例的差异，因此在图像诊断中是有用的。
以上，对于本发明的放射线摄像装置和光子计数型检测器的校正方法的实施例进行说明。另外，本发明的放射线摄像装置和光子计数型检测器的校正方法并不限定于上述实施例，能够在不脱离发明的主旨的范围内将构成要素进行变形并且来具体化。此外，可以将上述实施例中公开的多个构成要素进行适当组合。进一步，可以从上述实施例所示的全部构成要素中删除若干的构成要素。
Claims (8)
1.一种放射线摄像装置，其特征在于，具备光子计数型检测器，所述光子计数型检测器输出与作为入射的放射线光子的能量的光子能量相对应的电信号，所述放射线摄像装置具备：
存储部，对于多种物质，存储线性衰减系数与所述光子能量的关系，
计算部，对于各物质，计算通过将每个光子能量的线性衰减系数除以规定的光子能量的线性衰减系数而被标准化的线性衰减系数，即标准化衰减系数，以及
选择部，基于所述标准化衰减系数来选择相对于作为被辨别的物质的辨别物质所使用的基底物质。
2.根据权利要求1所述的放射线摄像装置，其特征在于，
所述选择部选择第一物质和第二物质作为所述基底物质，所述第一物质是具有比所述辨别物质的标准化衰减系数小的标准化衰减系数的物质组即第一物质组中的物质，所述第二物质是具有比所述辨别物质的标准化衰减系数大的标准化衰减系数的物质组即第二物质组中的物质。
3.根据权利要求2所述的放射线摄像装置，其特征在于，
所述选择部选择所述第一物质组中具有最大的标准化衰减系数的物质作为所述第一物质，选择所述第二物质组中具有最小的标准化衰减系数的物质作为所述第二物质。
4.根据权利要求2所述的放射线摄像装置，其特征在于，
当所述辨别物质包含水和脂肪组织时，所述选择部选择聚乙烯和PTFE作为所述基底物质。
5.根据权利要求2所述的放射线摄像装置，其特征在于，
所述选择部基于将所述辨别物质按照所述第一物质与所述第二物质来进行物质分解而求得的比例，设定所述第一物质的厚度与所述第二物质的厚度的组合的范围。
6.根据权利要求1所述的放射线摄像装置，其特征在于，
所述选择部选择具有与所述辨别物质的标准化衰减系数的差异更小的标准化衰减系数的物质作为所述基底物质。
7.根据权利要求1所述的放射线摄像装置，其特征在于，
所述规定的光子能量为所述放射线光子的最大能量。
8.一种光子计数型检测器的校正方法，其特征在于，
所述光子计数型检测器输出与作为入射的放射线光子的能量的光子能量相对应的电信号，其具备下述步骤：
取得步骤，对于多种物质，取得线性衰减系数与所述光子能量的关系，
计算步骤，对于各物质，计算通过将每个光子能量的线性衰减系数除以规定的光子能量的线性衰减系数而被标准化的线性衰减系数，即标准化衰减系数，以及
选择步骤，基于所述标准化衰减系数来选择相对于作为被辨别的物质的辨别物质所使用的基底物质。
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