JP2005501684A - X線撮影検査法における密度および原子番号の分布を求める方法 - Google Patents

X線撮影検査法における密度および原子番号の分布を求める方法 Download PDF

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Abstract

人間または動物の類の被検体や材料工学および安全性工学における被検体において材料密度および原子番号の分布を求めることを可能にする方法、X線装置およびコンピュータソフトウェア製品が記載されている。第1のX線スペクトルにおける密度および原子番号と第1のX線吸収値との関数的依存関係、および、少なくとも第2のX線スペクトルにおける密度および原子番号と第2のX線吸収値との関数的依存関係が求められる。第1のX線スペクトルにおける被検体の第1のX線吸収値分布画像と、少なくとも1つの第2のX線スペクトルにおける被検体の第2のX線吸収値分布画像とに基づいて、第1のX線吸収値分布における第1X線吸収値の関数的依存関係と、第2のX線吸収値分布および/または他の分布における、第1X線吸収値に対応するX線吸収値の関数的依存関係との比較から密度および原子番号の値が求められる。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、人間または動物の類の被検体における、または材料検査もしくは安全性検査の範囲からの物理学的および化学的に重要なデータの分布を介して画像データを求めるための方法、X線装置およびコンピュータソフトウェア製品に関する。特に、本発明は、X線撮影による画像データを被検体における材料密度分布および原子番号分布へ分離する方法に関する。
【0002】
例えばコンピュータ断層撮影法(コンピュータトモグラフィ)、マンモグラフィ、血管撮影法(アンギオグラフィ)、X線検査技術あるいは同等の方法の如き全てのX線撮影法の結果は、X線源からX線検出器へのX線路に沿ったX線の減弱の表示である。この減弱はX線が透過した媒質もしくは材料によってX線路に沿って引き起こされる。減弱は、一般に最初のX線の強さに対する弱められた強さの比の対数として定義され、測定基準に関しては材料の減弱係数と呼ばれる。
【0003】
多くのX線撮影検査装置は、X線の減弱分布を表示するために、減弱係数の代わりに、減弱係数を水によって基準化した値、すなわちCT値を使用する。CT値は、測定によって求められた実際の減弱係数μおよび基準の減弱係数μH20から、
【数1】
Figure 2005501684
なる式に従って算出される。ただし、CT値Cの単位はハウンズフィールド値[HU]である。水については値CH20=0HUであり、空気については値CL=−1000HUである。
【0004】
両表示は互いに変換可能もしくは等価であることから、以下において一般的に選択された用語「減弱値」は減弱係数μでありまたCT値でもある。更に、これに関連して、本発明の説明は用語「材料」および「組織」を交換可能に使用する。つまり、医学的に示される検査の背景での材料とは解剖学上の組織であってよく、逆に材料検査および安全性検査における組織とは被検体の任意の材料と理解すべきものとする。
【0005】
減弱値の増大は、例えば骨格におけるカルシウムまたは造影剤におけるヨウ素のような比較的大きい原子番号の材料に起因するか、あるいは肺結節あたりにおけるような軟部分密度の増大に起因する。位置
【数2】
Figure 2005501684
における局部的な減弱係数μは、
【数3】
Figure 2005501684
なる式に従って、組織もしくは材料に入射するX線エネルギーEに依存し、且つエネルギーおよび材料に依存した質量減弱係数
【数4】
Figure 2005501684
と共に局部的な組織もしくは材料の密度ρに依存する。
【0006】
従って、材料のエネルギーに依存したX線吸収は、これが材料の有効原子番号によって決まるように、材料密度によって影響されるX線吸収に重なる。従って、異なる物理学的且つ化学的な組成の材料もしくは組織がX線画像において同一の減弱値を有し得る。裏返せば、X線撮影の減弱値から被検体の材料組成を推論することはできない。
【0007】
X線撮影による検査方法により形成されるX線画像における本来はどちらかというと不明瞭な減弱値分布の正しい解釈は、医学分野ではたいてい形態学基準のみに基づいて行なわれ、たいていその分野における数十年の経験を有する放射線医学者を必要とする。それにもかかわらず、幾つかの例では、X線検査の画像形成において高められた減弱値により目立つ構造物を明瞭に分類することができない。例えば胸郭概観撮影における門付近の石灰化を画像平面に対して直角にある血管から区別することはまさにむずかしい。例えば、拡散性の石灰沈着物も新鮮な流出血からほとんど区別することができない。
【0008】
材料検査および安全性検査においても、一般に検査者は自身の個人的な専門知識および職業上の経験によって減弱値分布の表示情報を補足する。それにもかかわらず、検査者には、例えば、X線画像からプラスチック爆薬と非爆発性プラスチックとを確実に区別することは不可能である。
【0009】
このために、材料の特徴的な値を表示するための方法が必要である。W.Kalender氏等は、“Materialselektive Bildgebung und Dichtemessung mit der Zwei−Spektren−Methode,I.Gundlagen und Methodik, W.Kalender, W.Bautz, D.Felsenberg, C.Suess und E.Klotz, Digit. Bilddiagn.7, 1987, 66−77, Georg Thieme Verlag”において、X線撮影における基礎材料分析のための方法を開示している。この方法は、高い原子番号の材料および組織が、低い原子番号の材料もしくは組織よりも明らかに強く低エネルギーのX線を吸収するという作用に基づいている。これに対して、高いX線エネルギーの場合には、減弱値が同化し、材料密度の作用が優位である。
【0010】
この開示の文脈において、用語「原子番号」は、他に言及がない限り、厳密に元素に関係した意味で使用されるのではなく、むしろその代わりに組織もしくは材料の有効原子番号を意味する。この有効原子番号は組織もしくは材料の構造に関与する元素の化学的な原子番号および原子量から算出される。
【0011】
W.Kalender氏等によって提案された方法においては、被検体のX線減弱値が低いX線エネルギーと高いX線エネルギーとで測定され、得られた値が、例えば(骨部分についての)カルシウムおよび(軟部分組織についての)水の如き2つの基礎材料の当該基準値と比較される。各測定値が両基礎材料の測定値の線形重ね合わせとして表示されることが前提となっている。例えば、被検体の画像表示の各元素について、骨部分および軟組織部分を基礎材料の値との比較から算定することができるので、元の撮影は骨部分材料および軟部分組織の両基礎材料の表示へ変換される。
【0012】
従って、基礎材料分析もしくは2スペクトル法は、非常に異なる原子番号を有する人間および動物の組織における解剖学上の構造物を分離もしくは区別するのに適している。それゆえ、材料検査および安全性検査においては、例えば、予め規定された材料種類、いわゆる材料部類に基づく分離を行なうことができるであろう。被検査材料の物理学的および化学的特性もしくはこれらの特性の変形を或る材料種類内で認識させる機能的表示は基礎材料分析の狙いとする方向ではない。
【0013】
本発明の課題は、X線撮影により生成された被検体吸収値に基づいて、被検体に関する物理学的および化学的に重要な情報を作成する方法、X線装置およびコンピュータソフトウェア製品を提供することにある。
【0014】
この課題は、本発明によれば、被検における密度および原子番号の分布を求める方法において、
第1のX線スペクトルにおける被検体の第1のX線吸収値分布を表示するステップと、
第2のX線スペクトルにおける被検体の第2のX線吸収値分布を表示するステップと、
第1のX線吸収値分布における第1X線吸収値と密度および原子番号との第1の関数的依存関係を算定するステップと、
第2のX線吸収値分布における、第1X線吸収値に対応した第2X線吸収値と密度および原子番号との第2の関数的依存関係を算定するステップと、
第1の関数的依存関係と第2の関数的依存関係および/または他の関数的依存関係との比較から密度および原子番号の値を求めるステップとを有することによって解決される。
【0015】
この明細書の関連で使用される用語「X線スペクトル」は、設備のX線源から放射されたX線のスペクトル分布だけとは違って更に別の把握された意味を有する。X線検出器側ではX線の異なったスペクトル成分が異なった効率で変換され、従って種々に重み付けされる。その結果生じる有効スペクトル分布がこの明細書においてX線スペクトルと呼ばれる。
【0016】
更に、上記課題は、X線を放射するX線源と、X線源から放射されたX線を検出しX線を継続処理のために電気信号へ変換するX線検出器と、X線検出器の電気信号を処理する信号処理装置とを備え、被検体における密度および原子番号の分布を求めるためのX線装置において、信号処理装置は、異なるX線スペクトルを有するX線装置において表示された被検体の少なくとも2つのX線吸収分布に基づいて、本発明による方法に従って、被検体における密度および原子番号の分布を求めることによって解決される。
【0017】
更に、上記課題は、異なるX線スペクトルで表示された、被検体におけるX線吸収値分布の少なくとも2つの画像データセットに基づいて、本発明による方法に従って、被検体における密度および原子番号の分布を求めるためのコンピュータソフトウェア製品によって解決される。
【0018】
本発明は、X線装置のスペクトルに影響された測定データの分析から、平均密度
【数5】
Figure 2005501684
および有効原子番号
【数6】
Figure 2005501684
の空間的分布の算出を可能にする。この上に、被検体の特に化学的および物理学的な組成に関する新式のコントラストが得られる。今までは磁気共鳴システムにゆだねられた被検体のこの機能的表示はX線検査技術の如きX線診断学に多数の新規な応用を開拓する。
【0019】
例えば、組織における、とりわけ被検体の生化学組成への認識における原子番号分布の表示、従来同質の密度で表示された器官の化学的構造に基づくコントラスト、ヨウ素等の身体構成要素の定量的測定、原子番号に基づく石灰化の細分が可能である。被検体の分離された密度表示は、とりわけ例えば骨粗しょう症の場合に行なわれるように、正確な重心測定および密度測定を可能にする。
【0020】
安全性技術の範囲において、このことは、危険要素、特に爆発物質の確実な検出が可能であることを意味する。材料検査においては、被検体における材料組成および密度分布の定量的検査への道が開かれる。
【0021】
本発明の他の好ましい実施態様は相応の従属請求項に規定されている。
【0022】
少なくとも1つのX線スペクトルについての密度および原子番号とX線吸収値との関数的依存関係の算定は、密度および原子番号とX線吸収値との設備固有の依存関係が得られるように、校正サンプルにおける基準測定によりおよび/または物理学的モデルに基づくシミュレーションの形で行なわれると好ましい。
【0023】
とりわけ、X線吸収値分布を密度および原子番号の分布へ変換することは、第1のX線吸収値分布と他のX線吸収値分布との対応する各X線吸収値について、密度と原子番号との値対の検出に基づいて、この値対が第1のX線スペクトルと少なくとも1つの他のX線スペクトルとについて、X線吸収値と密度および原子番号との定められた関数的依存関係(関数従属性とも呼ばれている)を満たすように行なわれる。それにより、1つの画素についての密度および原子番号を、表示されたX線吸収値分布の互いに対応するX線吸収値の関数的依存関係の交差量として簡単に算出することができる。
【0024】
原子番号の決定において高い分解能が得られるように、第1のX線スペクトルは、第2のX線スペクトルの量子エネルギーに比べて光電効果によるX線吸収を多く受ける量子エネルギーを有すると好ましい。
【0025】
本発明の優れた実施態様において、被検体を表示するためのX線スペクトルの変更のために、X線管の少なくとも1つの動作パラメータの変更が行なわれる。その場合に、X線源は、第1の動作状態において第1のX線スペクトルを放射し、第2の動作状態において第1のX線スペクトルとは異なる第2のX線スペクトルを放射し、それにより2つのX線スペクトル間での高速の切換が可能になる。
【0026】
さらに、被検体を表示するX線スペクトルの変更のために、検出器特性の変更が行なわれると好ましい。X線検出器は、X線源から受信したX線のスペクトル部分範囲を互いに独立な電気信号に変換し、この場合に異なるX線スペクトルにおけるX線吸収分布の同時表示を可能にする。
【0027】
更に、被検体の少なくとも1つの部分領域の表示は高められたX線量で行なわれると好ましい。それにより、検査領域全体が高められたX線量で覆われて例えば患者が過大なX線被爆に曝されるということなしに、その部分領域に対しては密度分布および/または原子番号分布の満足できる分解能が得られる。
【0028】
好ましい実施態様に従って、被検体の第1のX線吸収分布を表示するためにX線路に材料を挿入し、被検体の第2のX線吸収分布を表示するためにX線路に当該材料を挿入しないと好ましい。それにより、第1の減弱値分布を表示する際、被検体の前もしくは後において、その都度使用される材料に固有のX線スペクトル成分がフィルタ除去されるので、被検体におけるこの材料に対応した物質の検出において高い感度が達成される。
【0029】
以下において図面を参照しながら本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。
図1は等吸収線に基づいて異なる組成の材料における同一の減弱値μの成立を、
図2は3つの元素についてX線減弱のエネルギー依存関係を、
図3aは等吸収線を求めるための本発明による計算方法の機能ブロック図を、
図3bはX線吸収値を材料密度および原子番号の値へ変換する流れ図を、
図4は2つの異なるX線スペクトルにおける組織種類の2つの等吸収線を、
図5は3つの典型的なX線技術を概略的に、
図6はX線スペクトルの変形のための種々の方法を概略的に示す。
【0030】
図1のグラフ10の等吸収線11は定められたX線スペクトルにおいて同一の減弱値μもしくはCにすべての値対(ρ,Z)を結び付ける。図1は、X線画像の減弱値だけに基づいて組織もしくは材料の種類および組成に関する情報を導き出すことができないことを示している。一般に、放射線医学者はX線画像における組織種類を識別するのに自身の解剖学的知識を用い、それに基づいて不規則性を探し求める。その際、不規則性の身元解明のために、医師は経験値および形態学上の基準を用いることを強いられる。同様に、材料検査および安全性検査の専門家はX線撮影判定の評価のために自身の職業上の豊富な経験をより所とする。
【0031】
X線は、種々の材料によって、しかもX線エネルギーに依存して種々の強さで弱められる。図2はこれを、水23、カルシウム22およびヨウ素21に関して質量減弱係数のエネルギー依存関係20に基づいて示している。これは、種々の材料において種々に作用する減弱メカニズムに起因する。診断上重要なX線エネルギー範囲において、X線減弱は主として光電効果によって引き起こされる吸収とコンプトン効果に基づく散乱とに起因する。吸収は、特に低いX線エネルギーおよび大きい原子番号を持った組織において重要である。散乱はX線エネルギーに対しては僅かの依存関係しか持たず、主として、組織の物理学的密度を伝える電子密度に関係する。
【0032】
この明細書の文脈では簡単化されて原子番号と呼ばれている定められた組織種類の有効原子番号Zは、構造に関与する元素の原子番号Zi、それの原子量Aiおよびそれの局部的な材料等価密度ρiから、例えば次のとおり算定される。
【数7】
Figure 2005501684
【0033】
純粋なカルシウムについてZCa=20、水素化カルシウムについてほぼZCaH2≒16.04、水についてほぼZH2O≒7.428が得られる。従って、原子番号Zを介して被検体の化学的組成または生化学的組成を非常によく捉えることができる。
【0034】
検査領域における原子番号分布および密度分布の算出のための前提は、同一の撮影ジオメトリにて、しかし使用X線の異なるエネルギーにより作成された少なくとも2つの領域X線撮影である。異なるX線エネルギーで表示された2つよりも多いX線撮影を使用する場合、Z分解能およびρ分解能を改善することができるが、しかしそれによってX線被爆も増大する。従って、患者検査の場合には、この可能性が常に与えられている
というわけではない。
【0035】
減弱値に基づく画像データを原子番号および材料密度もしくは組織密度の分布画像へ変換する出発点はX線装置の各X線スペクトルについての等吸収線の知識である。この場合に、既に述べたように、X線スペクトルは、X線装置のX線源から放射されたX線のスペクトル分布という狭義の用語で解釈するのではなくて、X線検出器側でのX線管放射スペクトルの種々のスペクトル範囲における異なる重み付けを考慮する広義の用語で解釈すべきである。従って、測定された減弱値は、X線管から放射されたX線スペクトルの直接的な減弱と使用されたX線検出器のスペクトル効率とからもたらされる。両値は、設備固有の量であり、校正検査の減弱値により直接もしくは間接に求められなければならない。両値は等吸収線を算定する基礎である。
【0036】
図3aには、多数の等吸収線をモデル化もしくは算出するための3つの方法300が概略的に示されている。すなわち、3つの方法とは、理論的モデル法と、実験的形成法と、実験的に求められたパラメータによる曲線の校正をともなう理論的モデル法である。
【0037】
原理的には、減弱値がX線撮影におけるX線減弱の間隔を覆うのに必要であるような多さの等吸収線が求められるべきである。その場合に、理論的に発生する減弱値のすべてについて等吸収線を算出しなくてもよい。計算されない等吸収線は必要であれば補間法または他の平均化手法によって得ることができる。
【0038】
理論的モデル法の基本ステップは図3aの左側の分岐に示されている。ステップS302では、まずパラメータとして使用可能な管電圧を有する設備固有のX線放射スペクトルS(E)のデータが読み込まれる。このために、X線のスペクトル分布が個々の各X線設備について事前に実験的に正確に測定されるか、または特別なX線源型に特徴的なデータが使用される。検出器装置関数w(E)の検出がステップS303で行なわれる。このためにも事前に検出器装置の正確な測定が行なわれてもよいが、しかし例えばスペクトル技術の設計仕様の如き検出器型を特徴付けるデータが使用される。曲線群Ci(ρ,Z)もしくはμi(ρ,Z)の形での等吸収線の算定が物理学的なモデルに基づいてステップS304で行なわれる。その物理学的なモデルは、S(E)およびw(E)の関連した各組み合わせに関して、異なる原子番号を有する材料について且つ異なる材料密度においてX線減弱値Ciもしくはμiを模擬する。
【0039】
ステップS302〜S304の理論的モデル化の代替として等吸収線の曲線群を実験的に求めることができる。このために、ステップS305では、S(E)とw(E)との異なる関連する組み合わせ時にX線装置において異なる密度および平均の原子番号を持った校正材料のX線減弱が測定される。ステップS306において、測定値は等吸収線Ciもしくはμiの曲線群の次の算定のための拠点を形成する。
【0040】
他の代替として、理論的にモデル化された曲線群Ciもしくはμiを実験的に求めたX線減弱値により校正することが可能である。ステップS307では理論的曲線群の校正に必要な減弱値が、ステップS305に関して上述したように、X線設備において適切な校正材料もしくはファントムを用いて測定される。ステップS302〜S304の純理論的モデル化と違って、この方法の場合には、X線放射スペクトルS(E)およびw(E)の正確な知識は前提ではなく、むしろステップS308における等吸収線Ciもしくはμiの曲線群の理論的モデル化のパラメータである。ステップS307において実験的に求められた校正値によるステップS309における曲線の校正は最終的にX線装置のX線放射スペクトルおよび検出器装置関数にとって特有であるこれらのパラメータ値を定める。
【0041】
必要な減弱値とS(E)およびw(E)の組み合わせとに対する等吸収線を求めることにより、組織を通過した際のX線の減弱値を表わす画像データを、当該組織における原子番号もしくは材料密度の分布を表わす画像データへ変換するための前提が提供される。
【0042】
課題設定に応じて等吸収線を求めるのに3つの方法を混合して使用することもできる。例えば、実験的には不正確にしか求まらない値、非常に高い費用でしか求まらない値、あるいは全く求まらない値は、理論的モデル化により補足されるか、またはそれの精度を上げられる。その際、異なる方法により推定されたデータは、ステップS310において、統一されたデータセットにまとめられ、ステップS311において画像変換のために準備される。
【0043】
図3bには、本発明による変換方法320が示されている。これは、前述の方法300の1つに基づいて求められデータセットとしてステップS321において準備された等吸収線の曲線群に基づいている。
【0044】
変換は画素毎に行なわれる。以下においては、異なるX線エネルギースペクトルではあるがしかし同一の撮影ジオメトリにおいて撮影された2つのX線画像に基づくX線減弱値分布の変換から出発する。これは、本発明による変換の実施のための最小限の前提である。しかしながら、2つよりも多い異なるX線エネルギー分布において2つよりも多いX線撮影を使用することもできる。
【0045】
変換すべき画素の選択はステップS322において行なわれ、次のステップS323において、この画素について、第1のX線画像から減弱値C1もしくはμ1が読み出され、そして第2のX線画像から減弱値C2もしくはμ2が読み出される。次のステップS324において、第1のX線撮影に使用されたX線スペクトルS1(E)および検出器装置関数w1(E)の問合せと、第2のX線画像のためのX線スペクトルS2(E)および検出器装置関数w2(E)の問合せとが行なわれる。これらの値は、後段におけるそれぞれの減弱値に割り付けられた等吸収線の選択のためのパラメータを形成する。この場合に、スペクトル分布Si(E)もしくはwi(E)は、間接的にも、例えば使用された管電圧U1もしくはU2、あるいはX線検出器の動作パラメータの問合せを介して求めることもできる。
【0046】
ステップS325においては、ステップS321において準備された等吸収線データセットから、パラメータS1(E)およびw1(E)において条件C1もしくはμ1を満たす第1の曲線と、パラメータS2(E)およびw2(E)において条件C2もしくはμ2を満たす第2の曲線とが選択される。こようにして得られた第1の等吸収線11および第2の等吸収線41の例は図4のグラフ40に示されている。
【0047】
両曲線11および41の交差量としての交点42が変換方法320のステップS326で算出される。曲線交点42は、例えば局部的に線形な変換によってまたは反復法による交点検出により求められる。両曲線11および41は、同じ画素に対する、従って被検査組織の同一の部分範囲に対する2つの異なる減弱値を表わすことから、両減弱値は同じ材料種類もしくは組織種類によって引き起こされているはずである。従って、曲線交点42の座標(ρ,Z)は、画素に割り付けられた組織部分範囲の材料密度および原子番号を再現する。
【0048】
次に、ステップS327においては、そのようにして求められた原子番号値Zが原子番号分布画像へ当該画素値として書き込まれ、ステップS328においては、同様に、求められた材料密度値ρが密度分布画像に書き込まれる。ステップS322〜S328は、最後の画像出力をステップS329において行なうことができるようになるまで、全ての残りの画素に対して繰り返される。その際に、スペクトル分布Si(E)もしくはwi(E)は1つの画像における全ての画素に対して同じであるから、ステップS324は省略することができる。
【0049】
密度ρおよび原子番号Zの算定精度は、主として減弱値のノイズ成分および測定のスペクトル分解能の影響を受ける。ノイズ成分は例えば使用されたX線量を介して影響を受ける。スペクトル分解能は測定に使用されたX線スペクトルの間隔および幅の関数である。
【0050】
一般に、比較的低いエネルギーのX線スペクトルの場合には光電効果によるX線減弱が顕著であり、比較的高いエネルギーのX線スペクトルの場合にはコンプトン効果によるX線減弱が顕著である。より正確に表現するならば、低いX線エネルギーの場合の撮影のX線減弱値への原子番号の影響は高いX線エネルギーの場合よりも比較的大きい。これに対して、X線減弱値への材料密度もしくは組織密度の影響は丁度逆になる。従って、まず、第1のX線スペクトルは第1のX線減弱値における明白な割合が被検査組織または被検査材料の原子番号の影響に由来するように選ばれ、第2のX線スペクトルは被検体密度が第2のX線減弱値への明白な影響を受け入れるように選ばれることが好ましい。
【0051】
従って、コンピュータ断層撮影法(CT)については、50eV〜120eVの範囲におけるX線スペクトルの量子エネルギーが優先されるので、X線量を患者に有害な範囲に高めなければならないことなしに、第1のX線スペクトルと第2のX線スペクトルとの間において十分なエネルギー間隔を選ぶことができる。それどころか、マンモグラフおよびマイクロCTでは、10keVもしくは1keVまでの下方範囲が定められる。
【0052】
材料および安全性検査は、一般に生体検査において是認されるよりも高いX線量が使用される。この高いX線量により、顕著に改善された信号/ノイズ比が得られる。更に、1MeVまでの著しく高いX線エネルギーも使用することができる。それにより、X線エネルギーが定められている際に原子番号がX線吸収に対して僅かな割合でしか寄与しない場合にも、使用されたX線量においてX線吸収値のノイズ割合が当該X線吸収値における原子番号の相対的成分よりも明らかに僅かである限り、原子番号の値は良好な精度で決定される。従って、使用されたX線スペクトルの絶対的なエネルギー状態ではなくて、X線スペクトルの相互の異なるエネルギー状態が重要である。その場合に、絶対的な状態の選択は使用可能なX線量および検出すべき物質によって影響される。
【0053】
材料の化学的組成または組織の生化学的組成における満足のいく識別にとって十分な原子番号コントラストは、X線量および使用されたX線スペクトルを介して調整される。原子番号分布の表示における必要な分解能は診断学上の課題設定に依存している。例えば、ヨウ素、マグネシウム、炭素、窒素、酸素、ナトリウム、燐、硫黄、塩素、カリウム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛、セレン、モリブデン等の如き典型的な身体構成要素の量的測定には、肝臓における例えば鉄分に基づく化学的コントラストを得るためとは違ったZ分解能が必要である。極端に異なる原子番号を有する周囲から被検体を分離するためのZ分解能への要求は比較的僅かである。原理的には、Z分解能はなおも区別すべき原子番号の差よりも良くなければならない。現在ではZ分解能は0.1まで到達可能である。
【0054】
密度分布は、
【数8】
Figure 2005501684
なる式に従って被検体の重量分布を測定するために評価し、重心を決定するために使用することができる。用途は、例えば骨や脳の密度測定があるが、しかし検査物体における実際の重心の決定も用途である。
【0055】
例えば肝臓、腎臓、白色および灰色脳質等の身体材料または材料部類の分類および細分化のために、密度と原子番号を介して求められた組織種類もしくは材料種類とのウィンドウ処理を行なうことによって原子番号分布と密度分布との組み合わせ評価を行なうことができる。例えば悪性組織の細分化に加えてこの方法により例えば同時にその組織の窒素含有量を求め、後に続く放射線治療における線量計画に使用することができる。
【0056】
更に、減弱値を表示する古典的なレントゲン写真との比較を可能にするために、元の画像も標準X線画像として表示するとよい。元の画像がもはや存在しない場合には、検査物体の原子番号分布および密度分布から逆方向互換性の標準X線画像が算出される。
【0057】
X線画像システムの検出器ノイズはコンピュータ断層撮影法に比べて高いが、このようなX線画像システムの検出器ノイズにおいて、X線画像コントラストの動特性が減り、それにともない達成可能なZ分解能およびρ分解能が減る。事情によっては、断層撮影大面積の検査の際に高いZ分解能およびρ分解能を設定することは、許容できない高い線量被爆を意味する。従って、概観測定の後に診断学上の必要性に応じて比較的小さい検査領域では高められた線量による第2の測定が行なわれる。マンモグラフにおいて、微小石灰化の検査にはこの方法がよい。
【0058】
図5には、3つの異なるX線システムがX線透視法の3つの基本原理を説明するために示されている。
【0059】
図5aは、2次元平面検出器502における被検体503を投影撮像するためのX線画像システム500を示す。患者503または物体503は一般にX線撮像中、X線管501および検出器502からなる装置に対して相対的に静止状態にある。
【0060】
図5bはコンピュータ断層撮影装置の例として回転検出器システム502を備えたファンビーム装置500の原理を概略的に示している。X線管501からファン状に放射されるX線ビームは定められた角度位置から被検体503を透過し、最後に個別検出器の列状の装置に当たる。撮影サイクルは、被検体に対する種々の角度位置における多数のこのような透過からなる。
【0061】
図5cに示された型のX線透視装置500の場合、検査物体503が、例えば移送ベルト506の如き移送装置により設備のX線路504を通して案内される。この種の型のX線装置は主に安全性検査に使用される。検出器として線状検出器、1次元検出器、しばしばL形検出器が使用される。検査物体503はX線路504を通過する際にX線管501から放射されたX線によって列状に走査され、このようにして生成された画像列から検査物体の完全な透視画像が合成される。
【0062】
図6は、X線管501から放射されたX線分布610(611)と検出器装置関数612(620)のスペクトル特性との協動により生じるような有効X線スペクトルの種々の影響可能性を示す。
【0063】
図6aは値U1から値U2への管電圧の高速切換を示し、これにより2つのX線放射スペクトル610,611間の切換が行なわれる。1つの撮影サイクルの各部分撮影は、最初に両管電圧のうち一方の管電圧で、そして直ぐに続いて両管電圧のうち他方の管電圧で、撮影サイクル中における例えば患者の運動によるアーチファクトを最小限にするように行なわれると好ましい。例えばX線投影システムのように短い測定時間を持ったX線装置500の場合、各撮影サイクルも完全に両管電圧のそれぞれ1つで実施される。管電圧の切換の代わりに、X線管と被検体との間もしくは被検体とX線検出器との間に、X線スペクトルに影響を与えるために、フィルタもしくはフィルタシステムを挿入することができる。その際に、動作電圧U1におけるX線管の図示の動作は標準動作電圧およびフィルタなしまたは第1のフィルタもしくはフィルタシステムを使用した作動と置き換えられる。値U2における動作は第2のフィルタもしくはフィルタシステムの使用によって置き換えられる。
【0064】
X線管501は単一エネルギーX線ではなくてX線504の比較的幅の広いスペクトルを放射することから、図6bに示されているように、エネルギー感応検出器620を使用することによって、1つの測定過程において、異なるX線スペクトルにある多数の撮影を得ることができる。このエネルギー感応検出器620は一般に隣り合わせに並んだスペクトル範囲に対して分離された測定信号を供給する。それにより、減弱値が、X線スペクトルの互いに分離された種々のスペクトル範囲に対して同時に得られ、従って、1つの撮影サイクルにおいて、検出器の実施形態および接続によって決まる多数の異なるX線エネルギーのX線画像が得られる。このような検出器620は層構造検出器として実現することができ、その場合に、検出器の層システムへのX線の浸透深さがX線量子のエネルギーによって決まることが利用される。層構造検出器の代わりに量子カウンタをエネルギー感応検出器として使用することができる。
【0065】
図6cはX線放射スペクトルに影響を及ぼすための第3の変形を示す。この場合には、課題特有の元素の材料630が、例えば高速回転するプロペラ形フィルタ630の形でX線管501と被検体503との間または被検体503とX線検出器502との間に配置される。各元素は同様に特徴的なスペクトル範囲におけるX線を特徴的に吸収する。プロペラ形フィルタの羽根がX線路にあるとき、この元素にとって典型的なスペクトル範囲がX線路において減衰させられるか、もしくは最善の場合には除去される。ここでは、1つの撮影サイクルの各部分撮影について、X線路にプロペラ形フィルタの羽根が無いときの測定および有るときの測定が行われる。その場合、プロペラ形フィルタ元素に対応する被検体における元素は、X線路にプロペラ形フィルタの羽根が無いときの測定においてのみX線源減弱値632を有することができる。X線路にプロペラ形フィルタの羽根が有る場合、測定される減弱値633は理想的には零に等しい。このようにして、高い精度で、被検体における例えば鉄または銅の如き定められた元素の存在もしくは不存在を検出することができる。この検出方法は特にマンモグラフおよび材料検査において重要である。
【図面の簡単な説明】
【0066】
【図1】等吸収線に基づいて異なる組成の材料における同一の減弱値μの成立を説明するための図
【図2】3つの元素についてX線減弱のエネルギー依存関係を説明するための図
【図3a】等吸収線を求めるための本発明による計算方法示す機能ブロック図
【図3b】X線吸収値を材料密度および原子番号の値へ変換する流れ図
【図4】2つの異なるX線スペクトルにおける組織種類の2つの等吸収線を示す図
【図5】3つの典型的なX線技術を概略的に示す図
【図6】X線スペクトルの変形のための種々の方法を概略的に示す図
【符号の説明】
【0067】
10 グラフ
11 等吸収線
20 エネルギー依存関係
21 ヨウ素
22 カルシウム
40 グラフ
41 等吸収線
42 交点
300 方法
500 X線システム
501 X線管
502 検出器システム
503 患者
504 X線路
610 X線分布(X線放射スペクトル)
611 X線分布(X線放射スペクトル)
612 検出器装置関数
620 検出器装置関数
630 プロペラ形フィルタ
632 X線減弱値
633 減弱値

Claims (12)

  1. 被検体(503)における密度および原子番号の分布を求める方法において、
    第1のX線スペクトルにおける被検体(503)の第1のX線吸収値分布を表示するステップと、
    第2のX線スペクトルにおける被検体(503)の第2のX線吸収値分布を表示するステップと、
    第1のX線吸収値分布における第1X線吸収値と密度および原子番号との第1の関数的依存関係(11)を算定するステップと、
    第2のX線吸収値分布における、第1X線吸収値に対応した第2X線吸収値と密度および原子番号との第2の関数的依存関係(41)を算定するステップと、
    第1の関数的依存関係(11)と第2の関数的依存関係(41)および/または他の関数的依存関係との比較から密度および原子番号の値を求めるステップと
    を有することを特徴とする被検体における密度および原子番号の分布を求める方法。
  2. 少なくとも1つのX線スペクトルについての密度および原子番号とX線吸収値との関数的依存関係(11,41)の算定は、校正サンプルにおける基準測定により行なわれることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 少なくとも1つのX線スペクトルについての密度および原子番号とX線吸収値との関数的依存関係(11,41)の算定は、物理学的モデルに基づくシミュレーションの形で行なわれることを特徴とする請求項1または2記載の方法。
  4. X線吸収値分布を密度および原子番号の分布へ変換することは、第1のX線吸収値分布と他のX線吸収値分布との対応する各X線吸収値について、密度と原子番号との値対(42)の検出に基づいて、この値対(42)が第1のX線スペクトルと少なくとも1つの他のX線スペクトルとについてX線吸収と密度および原子番号との定められた関数的依存関係を満たすように行なわれることを特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の方法。
  5. 第1のX線スペクトルは、第2のX線スペクトルの量子エネルギーに比べて光電効果によるX線吸収を多く受ける量子エネルギーを有することを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の方法。
  6. 被検体(503)を表示するためのX線スペクトルの変更のために、X線管の少なくとも1つの動作パラメータの変更および/または検出器特性の変更が行なわれることを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の方法。
  7. 被検体(503)の少なくとも1つの部分領域の表示が高められたX線量で行なわれることを特徴とする請求項1乃至6の1つに記載の方法。
  8. X線(504)を放射するX線源(501)と、X線源から放射されたX線(504)を検出しX線(504)を継続処理のために電気信号へ変換するX線検出器(502)と、X線検出器(502)の電気信号を処理する信号処理装置(505)とを備え、被検体における密度および原子番号の分布を求めるためのX線装置(500)において、
    信号処理装置(505)は、異なるX線スペクトルを有するX線装置(500)において表示された被検体(503)の少なくとも2つのX線吸収分布に基づいて、請求項1乃至7の1つに記載の方法に従って、被検体(503)における密度および原子番号の分布を求めることを特徴とするX線装置。
  9. X線源(501)は、第1の動作状態において第1のX線スペクトル(610)を放射し、第2の動作状態において第1のX線スペクトル(610)とは異なる第2のX線スペクトル(611)を放射することを特徴とする請求項8記載のX線装置。
  10. X線検出器(502)は、X線源(501)から受信したX線(504)のスペクトル部分範囲を互いに独立な電気信号に変換することを特徴とする請求項8または9記載のX線装置。
  11. 被検体(503)の第1のX線吸収分布を表示するためにX線路(504)に材料(630)を挿入し、被検体(503)の第2のX線吸収分布を表示するためにX線路(504)に当該材料を挿入しないことを特徴とする請求項8乃至10の1つに記載のX線装置。
  12. 異なるX線スペクトルで表示された、被検体(503)におけるX線吸収値分布の少なくとも2つの画像データセットに基づいて、請求項1乃至7の1つに記載の方法に従って、被検体における密度および原子番号の分布を求めるためのコンピュータソフトウェア製品。
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