JP2009042233A - 放射線センサによって吸収される照射線量を決定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最初の較正が外部放射線と放射線センサの内部信号により行われ、後の較正が専ら内部信号により行われる方法の提供。
【解決手段】時間と共に変化する放射線センサの動作を考慮しつつ放射線センサで吸収された放射線の量ｘ（ｔ）の近似値ｘ*（ｔ）を計算することが可能となる。まず第１の時点ｔ₁で吸収されたＸ線の量ｘに対する出力信号ｏの依存性を示す１次特性ｆ_t1（ｘ）が測定される。同時に内部信号ｓに対する出力信号ｏの依存性を示す第２の特性ｇ_t2（ｓ）が測定される。信号ｓ及びｘは共に中間信号ｗを形成し、これは時間と共に変化する関数Ｄ（ｗ，ｔ）で更に処理されて出力信号ｏを形成する。２次特性はエージングの発生後の後の時点ｔ₃に再び測定される。この測定は（Ｘ線）放射線を用いずに行われうる。吸収された放射線の量の近似値の計算は、ｘ^*(t):=f_t1 ^-1(g_t2(g_t3 ^-1(o(t))))に従って実行されうる。
【選択図】図１

Description

本発明は、所与の時点ｔにおける放射線センサの出力信号ｏ（ｔ）から放射線センサによって吸収された放射線の量ｘ（ｔ）を決定するために放射線センサを較正する方法に関する。本発明はまた、上述の方法を実行するよう配置される放射線センサ、及び、複数のかかる放射線センサを含むＸ線検出器に関する。

一般的に、放射線センサの機能は、例えば電磁放射線場の量子を吸収し、この量子を電圧又は電荷といった対応する出力信号へ変換するものである。出力信号と入力信号、即ち吸収された放射線の量の間の関数関係が分かっているとき、入力信号の大きさは出力信号から演繹されうる。かかる関係（変換特性）は、一般的には、既知の放射線量ｘ（ｔ）が吸収され結果としての出力信号ｏ（ｔ）が測定される較正測定を用いて決定される。所望の変換特性を構成する特性は、このようにして得られる値の対から導出されうる。

しかしながら、放射線源の変換特性は一般的には一定ではなく、放射線センサの構成要素のドリフト現象及びエージング現象の影響下で時間の関数として変化するという問題がある。例えば、フラット・ダイナミックＸ線検出器（ＦＤＸＤ）の場合、検出器のハードウエアは近傍の画素、行、及びブロックに差異及び非線形性を生じさせ、これらの差異及び非線形性は可視の画像アーティファクトとして現れる。このような差異をなくすために、上述のように多くの異なる線量でのＸ線の較正が必要とされる。ＦＤＸＤ検出器の特性は時間により変化するため、所望の測定精度が連続して維持されることを確実とするよう、かかる較正は所定の時間間隔で繰り返されねばならない。このようなＸ線検出器の反復的な較正方法は、例えば特開平０９−０１８２４５号公報に記載されている。しかしながら、頻繁に再較正を行うことは、医療上の必要性なしにスタッフや機器への放射線の負担となるＸ線が使用されねばならないという欠点がある。

上述のことを考慮に入れると、本発明は、使用する手段を少なくすると共に時間の関数として変化する特性を考慮に入れつつ、出来る限り正確な較正を行い、従って吸収された放射線の量を測定された出力信号から出来る限り正確に計算することを可能とする方法及び放射線センサを提供することを目的とする。

この目的は、請求項１の特徴部に開示されている方法、請求項５の特徴部に開示されている放射線センサ、及び、請求項８の特徴部に開示されているＸ線検出器によって達成される。本発明の有利な更なる実施例は従属項に開示されている。

従って、最初の較正が外部放射線ｘと放射線検出器の内部信号ｓを用いて行われ、後の較正が専ら内部信号を用いて行われる、放射線センサの較正のための方法が提案される。内部信号ｓは、内部信号に関して後に測定された較正によって新しく測定されなかった外部信号に関する較正に対する情報が与られうるよう、外部放射線ｘと処理経路が重なり合う信号であることが望ましい。

従って、この種類の方法は、連続的に所望の測定精度とすることを可能とするために、また、構成要素のドリフト現象及びエージング効果により時間に関して変化する放射線センサの変換特性に基づいて較正を行うために、較正が所定の時間間隔で繰り返されることを可能とする。しかしながら、従来技術とは異なり、外部放射線を使用する必要はない。このことは、変換特性の時間的変化が画質の著しい低下を生じさせると共に外部放射線の使用がスタッフ及び機器に望ましくない負担を常に与える、例えばＦＤＸＤタイプの検出器といったＸ線用の放射線検出器の場合に特に有利である。

望ましくは、方法は、Ｘ線用の放射線センサと共に用いられる。内部信号ｓは、例えばいわゆるリセット光によって発生されうる。リセット光は、放射線センサ（フォトダイオード）の後ろ側のＸ線から遠い側に配置されるフォトダイオードＬＥＤのマトリクスを必要とする。Ｘ線検出器の測定プロトコルは、実際の測定の準備として放射線センサ（フォトダイオード）を照明するために用いられる短い光パルスを生じさせる。「光線量」は、従って内部信号ｓの大きさは、これらの光パルスの長さによって変化されうる。

光線量の形で内部信号ｓを認識させる他の可能性は、ＬＣＤディスプレイの場合のように光伝導板へ横に光を結合することであり、この光は放射線センサの表面に亘る分配の後、再び結合される。

更に、内部信号ｓもまたチャージポンプを使用して発生されうる。チャージポンプは、可変電圧によって決まる電荷の量を放射線センサ（フォトダイオード）を読み出すために用いられる電荷増幅器の入力リードへ与える。この種類のチャージポンプは、一般的には電荷増幅回路のチップに集積される。

更なる実施例では、電気テスト信号ｓを印加するために電荷増幅器の更なる望ましくは外部の入力が利用可能とされうる。

更に、例えば紫外線光により又はＤＡ変換器を用いることにより内部信号ｓを発生するための多くの他の可能性がある。

較正方法の更なる変形例によれば、較正は、放射線センサによって吸収された放射線の量ｘ（ｔ）を所与の時点ｔにおける放射線センサの出力信号ｏ（ｔ）から決定するために使用され、
第１の時点ｔ₁における放射線センサのいわゆる１次特性ｆ_t1（ｘ）を測定する段階を行い（外部放射線を用いた最初の較正）、１次特性は吸収されたＸ線の量ｘに対する出力信号の依存性ｏ＝ｆ_t1（ｘ）を表わし、
第２の時点ｔ₂（内部信号を用いた最初の較正）及び少なくとも第３の時点ｔ₃（内部信号を用いた後の較正）における放射線センサの２次特性ｇ_t2（ｓ）又はｇ_t3（ｓ）を測定する段階を行い、２次特性は、放射線センサの内部信号ｓに対する出力信号ｏの依存性を表わし、内部信号ｓと吸収された放射線の量ｘは出力信号ｏが依存する中間の量ｗを一緒に形成し、各時点はｔ₁≦ｔ₂≦ｔ₃≦ｔとして配置され、
所与の時点ｔにおける探索される吸収された放射線の量ｘ（ｔ）の近似値ｘ*（ｔ）を、以下の式、
ｘ^*(t):=f_t1 ^-1(g_t2(g_t3 ^-1(o(t))))
に従って決定する段階を行う。

従って、上述の方法によれば、まず、放射線センサの１次特性が第１の時点ｔ₁における（単調）関数ｆ_t1として決定される。この操作は、一般的には、異なる値の既知の放射線線量を印加することによって、及び、そこから形成される出力信号ｏ＝ｆ_t1（ｘ）を測定することによって行われる。１次特性を決定するために印加される放射線レベルの分布は、特性ｆ_t1の決定の所望の精度に従って適応されうる。このステップは、「外部放射線を用いた最初の較正」である。

続いて、時点ｔ₂における放射線センサの内部信号ｓに対する出力信号ｏの依存性を示す放射線センサの２次特性ｇ_t2が測定される。このステップは、「内部信号を用いた最初の較正」である。放射線センサの内部信号ｓは、有利には、その大きさが外部から容易に決定及び／又はプリセットされうる信号である。更に、放射線センサの更なる処理段により出力信号ｏへ変換される中間信号ｗを形成するよう、吸収された放射線の量ｘ又はそこから導出される信号とまとめられるのは内部信号ｓであるべきである。望ましくは、２次特性の最初の測定は、１次特性の測定と並行して又は同時に行われ、即ち、第１の時点は第２の時点と同じである：ｔ₁＝ｔ₂。

上述の条件の下で、２次特性ｇは、中間信号ｗのための更なる処理段を暗黙的に含む。この更なる処理段のドリフト現象又はエージング現象による時間依存性は、このように２次特性で顕著となる。一方では１次特徴はまた信号ｗのための更なる処理段を暗黙的に含むため、１次特性の時間依存性は２次特性に対して決定される時間依存性から導出されうる。このような時間依存性情報は、１次特性及び２次特性の時間依存性が専ら信号ｗに対する更なる処理段の時間依存性によるものであるとき、正確であり、単に近似的に実現可能なものではない。

所定の時間期間が経過した後に新しく１次特性ｆを測定する代わりに、本発明の方法によれば、２次特性が時点ｔ₃において新しく測定される（これは「内部信号を用いた後の較正」に対応する）。この操作は、より単純なものであり、特に異なる線量の外部放射線を用いることなく実行されうる。吸収された放射線の量ｘ（ｔ）が２次特性のこの第２の（又は一般的にいえばｎ番目の）新しい測定値の後の時点ｔ≧ｔ₃における出力信号ｏ（ｔ）から決まる場合、上記の式に従うと、２次特性の第２の測定値、即ちｇ_t3 ^-1は、まず、瞬間的な出力信号ｏ（ｔ）から対応する内部信号ｓ*（ｔ）＝ｇ_t3 ^-1（ｏ（ｔ））を計算するために使用されうる。時点ｔ₃における２次特性の最後の更新と現在時点ｔとの間に短い時間のみが経過するため、２次特性ｇ_t3は、やはり時点ｔにおける実際の２次特徴の適切な近似となる。

時点ｔ₂の２次特性ｇ_t2を用い、計算された内部信号ｓ*（ｔ）に基づいて、どの仮想の出力信号ｏ*（ｔ）＝ｇ_t2（ｓ*（ｔ））が時点ｔ₂においてこの内部信号ｓ*（ｔ）に対応するであろうものであったかが計算される。最後に、上記の式に従い、時点ｔ₁の１次特性の逆の値ｆ_t1 ^-1を用いて、仮想の出力信号ｏ*（ｔ）に基づいて、どの吸収された放射線の量ｘ*（ｔ）＝ｆ_t1 ^-1（ｏ*（ｔ））がかかる仮想の出力信号に対応するかが計算される。この値は、時点ｔにおける吸収された放射線の量に対する所望の近似値を表わす。

２次特性の再較正は、少ない手段を用いて外部放射線を与えることなく行われうるため、比較的短い間隔で行うことができ、従って特性のドリフト現象が高い分解能で取り上げられることを確実とする。放射線センサの高い測定精度は、長い時間についても確実とされる。

本発明は、所与の時点ｔにおける吸収されるＸ線の量ｘ（ｔ）に依存する出力信号ｏ（ｔ）を発生する放射線センサであって、上述の種類の方法を実行することがかのうであるよう配置される評価ユニットを含むセンサに係る。これは、評価ユニットが、最初の較正が外部放射線ｘと放射線センサの内部信号ｓを用いて行われ、後の較正は専ら内部信号を用いて行われる、放射線センサの較正を可能とすることを意味する。

評価ユニットは、吸収された放射線の量ｘ（ｔ）についての近似値ｘ*（ｔ）を出力信号ｏ（ｔ）から計算するために特別に配置されうる。このことは、評価ユニットが特に、
・１次特性ｆ及び２次特性ｇの最初の測定を毎回実行すること、
・後の時点で必要であれば２次特性ｇの新たな測定を実行すること、
・２次特性の最後の測定、並びに、１次特性及び２次特性の最初の測定から、所望の近似値ｘ*（ｔ）を計算すること、
が可能であることを意味する。

更に、方法を実行する条件として、放射線センサは、評価ユニットが利用可能な内部信号、即ち、影響を受けること及び／又は測定されることができる信号を含み、中間信号ｗを形成するために内部信号ｓと吸収された放射線の量ｘに依存する信号がマージされるよう構成される。

放射線センサは、望ましくはＸ線用のセンサである。かかるセンサの場合、再較正又は較正の連続的な再調整のために更なるＸ線の使用がなくされうるときは特に有利である。

Ｘ線用の放射線センサは、吸収されたＸ線を間接的に又は直接的に電気信号へ変換するよう配置されることが望ましい。「間接的な変換」の場合、Ｘ線はまずシンチレータにおいて可視光へ変換される。この光はフォトダイオードを介して電気信号へ変換される。しかしながら、「直接的な変換」の場合、Ｘ線から電気信号への直接的な変換が行われる。この場合、Ｘ線の吸収と上述の種類の中間信号ｗとの間には短い信号路が存在し、従って提案される方法は特によい近似を与える。

本発明はまた、上述の種類の複数の放射線センサを含むことを特徴とするＸ線の検出のためのＸ線検出器に関連する。かかる放射線センサは、特に、場（フィールド）を形成するようマトリクスの形状に配置される。Ｘ線検出器は、特に医用透視法に用いられるフラット・ダイナミックＸ線検出器（ＦＤＸＤ）のうちの１つでありうる。

以下、本発明について図面を参照して詳述する。放射線センサ１０は、吸収されたＸ線の量ｘ（ｔ）の検出のために用いられるＦＤＸＤ検出器のセンサ素子である。しかしながら、以下の実施例は、他の電磁形式の放射線又は非電磁放射線（例えばフォノン）についても同様に使用されうる。

放射線センサ１０の基本的な機能は、吸収された放射線の量ｘ（ｔ）を出力信号ｏ（ｔ）へ変換することである。出力信号ｏと吸収された放射線の量ｘとの間の関係は、いわゆる１次特性ｆで示される。この１次特性は、構成要素のエージング及びドリフト現象の結果、時間と共に変化する。これは特性の時間の添え字で示される：ｆ_t。

更に、図１に示す放射線センサ１０の構造に従って、出力信号ｏ（ｔ）もまた内部信号ｓ（ｔ）に依存する。この内部信号は、例えば、
・ＬＥＤマトリクス（リセット光）による放射線センサ１０のフォトダイオードの照明、
・内部信号を発生するために特に設けられているであろう他の光源による無線センサ１０のフォトダイオードの照明、
・チャージポンプによって増幅器の入力リード上に与えられる電荷の量、
・電荷増幅器の追加的な入力への内部電気信号、
・電荷増幅器の追加的な入力への外部電気信号
といったもののうちの１つであってもよい。

かかる内部信号ｓに対する１次特性の依存性は、更なる添え字ｓで表わされうる：ｆ_t（ｘ）｜ｓ。

所与の吸収された放射線の量ｘについての出力信号ｏと内部信号ｓの間の依存性は、その時間依存性とｘに対する依存性のため２つの添え字が与えられたいわゆる２次特性ｇで表わされる：ｇ_t（ｓ）Ｉｘ。

放射線センサ１０の内部構造に従って、
・関数Ｉｘに従った変換の後の、吸収された放射線の量ｘ（ｔ）と、
・関数Ｉｓに従った変換の後の、内部信号ｓ（ｔ）は、関数関係Ｉ_wによって中間信号ｗ（ｔ）へとマージされる。この中間信号ｗ（ｔ）は、関数Ｄ（ｗ，ｔ）に従って出力信号ｏ（ｔ）を形成するよう更に処理される。

この更なる処理関数Ｄ（ｗ，ｔ）は、関連する構成要素のエージング現象及びドリフト現象を考慮に入れるための明示的な時間依存性を含む。以下説明する方法は、１次特性ｆ_t及び２次特性ｇ_tの時間依存性が少なくともほぼ排他的に更なる処理関数Ｄ（ｗ，ｔ）の時間依存性によって生ずるという仮定に基づく。これは、その場合、更なる処理関数Ｄ（ｗ，ｔ）の時間依存性は２次特性ｇ_tの測定によって、それに基づいて１次特性ｆ_tを適用するために測定を繰り返すことなく時間に関する変化によって決定されうる。

本発明による方法を実行するために、放射線センサ１０は、吸収された放射線の量に対する近似値ｘ*（ｔ）を出力信号ｏ（ｔ）から計算する評価ユニット１１を含む。方法の詳細な実行方法は以下の通りである。

まず、異なる線量を用いているときの一連のＸ線照射の時点ｔにおける１次特性ｆ_t1が決定され、内部信号ｓは一定に維持されるか、やはり検出される。放射線センサ１０が、多数の放射線センサからなるＸ線検出器のただ１つの素子（画素）である場合、各画素の特性、又は、列或いは検出器領域の平均特性は、均一なＸ線照射によって決定される。使用される異なるＸ線線量の数は、Ｘ線線量と出力信号ｏの間の結果としての関係の平滑さに依存する。更に（図示せず）、各画素特性は、線量と出力信号の間の線形関係に特に関連する全体的な検出器特性にマッピングされうる。かかる手順は、雑音と、吸収された放射線の量及び検出器構成要素の精度によってのみ制限される検出器の完全な線形性を可能とする。

更に、２次特性ｇ_t2は望ましくは時点ｔ₁と同じである第２の時点ｔ₂において決定される（ｔ₁＝ｔ₂）。

更なる処理関数Ｄ（ｗ，ｔ）がエージング現象等により明らかに変化しない限り、１次特性ｆ_t1は有効なままである。ｘの単調関数が考えられているため、その逆であるｆ_t1 ^-1が計算されうる。この逆の値を使用することにより、関連する吸収された放射線の量ｘ（ｔ）を出力信号ｏ（ｔ）から計算することが可能となる。しかしながら、この簡単な算術演算は、更なる処理関数Ｄ（ｗ，ｔ）がエージング現象等により所定の範囲を越えて変化する場合は許容可能でない誤差を生じさせる。このような時間依存性を補償するために、従来技術では、１次特性ｆ_tは異なる線量中の更新されたＸ線の適用を用いる複雑な方法によって新しく決定される。

しかしながら、本発明により提案される方法は、１次特性ｆ_tのかかる更新された明示的な測定なしに行われうる。これは、時点ｔ₃において、即ち最後に測定されてから所定の時間が経過した後に少なくとも１回、１次特性ではなく２次特性ｇ_t3が再び決定されるためである。測定の技術的な観点からは、この操作は更に容易に、また、Ｘ線を用いることなく実行されうる。２次特性ｇ_t3は更なる処理関数Ｄ（ｗ，ｔ）を明示的に含むため、この関数の変化に関する情報も与える。この情報は、瞬間的な出力値ｏ（ｔ）を、エージング現象がないときに、即ち時点ｔ₁において生じたであろう仮想の出力値ｏ*（ｔ）へ変換するために使用される。最初に決定される１次特性ｆ_t1は、吸収されたＸ線の量の近似値ｘ*を計算するためにかかる仮想の出力値に適用されうる。数学的にいえば、近似値ｘ*の計算のための以下の式、
ｘ^*(t):=f_t1 ^-1(g_t2(g_t3 ^-1(o(t))))
が得られる。

上述したように、本発明による方法は、例えばマトリックス状に配置された複数の放射線源１０からなるＸ線検出器のために使用されうる。この場合、上述の関数は、検出器場の中の関連する画素の行ｍ及び列ｎに対応する添え字ｍ及びｎで拡張され、例えば、
o(t,m,n)=f_t(x(t),m,n)|_s(t)=g_t(s(t),m,n)|_x(t)
となり、或いは、ベクトルで表現した場合は、

と表わされる。

検出器全体は、行列

（外１）

に従って画素特性を共通の線形特性へマッピングすることにより、即ち、

により線形化されうる。

これは、測定された非線形１次特性、

を用いることによって行われる。

吸収されたＸ線に対する近似値ｘ*を計算するための上述の式は、線形化を行う際に以下のように、即ち、

のように使用されうる。

測定された各出力値

（外２）

は、共通の線形特性に対応する出力値

（外３）

へ変換される。この変換により、検出器構成要素の変化によって生ずる画素特性間の非線形性及び差異がなくなる。すると、内部信号の２次特性の測定を更新することだけが必要である。

本発明による方法を実行するよう配置される放射線センサ１０の構成要素を図式的に示す図である。

Claims (9)

1. 放射線センサを較正する方法であって、最初の較正は外部放射線ｘ及び放射線センサの内部信号ｓを用いて行われ、後の較正は専ら内部信号を用いて行われ、前記較正は、前記放射線センサによって吸収された放射線の量ｘ（ｔ）を所与の時点ｔにおける前記放射線センサの出力信号ｏ（ｔ）から決定するために使用され、当該方法は：
   吸収された放射線ｘの量に対する出力信号ｏの依存性を表わす、第１の時点ｔ₁における放射線センサの１次特性ｆ_t1（ｘ）を測定する段階と、
   各時点がｔ₁≦ｔ₂≦ｔ₃≦ｔとして配置され、内部信号ｓと吸収された放射線ｘの量が一緒になって中間の量ｗを形成し、出力信号ｏはそのｗに依存するとして、放射線センサの出力信号の内部信号ｓに対する依存性を表わす、第２の時点ｔ₂及び少なくとも第３の時点ｔ₃における放射線センサの２次特性ｇ_t2（ｓ）、ｇ_t3（ｓ）を測定する段階と、
   所与の時点ｔにおける探索される吸収された放射線の量ｘ（ｔ）の近似値ｘ*（ｔ）を、以下の式、
   ｘ^*(t):=f_t1 ^-1(g_t2(g_t3 ^-1(o(t))))
   に従って決定する段階とを含む、方法。
2. 前記放射線センサはＸ線に対して感応することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記内部信号ｓは外部的に選択可能な補助照射、特に、Ｘ線センサの場合はリセット光によって、電荷増幅器のチャージポンプによって、及び／又は、増幅器の内部又は外部の追加的な入力上の電気信号によって形成されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 第１の時点と第２の時点は同じであり、即ちｔ₁＝ｔ₂であることを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 所与の時点ｔにおける吸収されるＸ線の量ｘ（ｔ）に依存する出力信号ｏ（ｔ）を発生する放射線センサであって、最初の較正が外部放射線ｘと放射線センサの内部信号ｓを用いて行われ、後の較正は専ら内部信号を用いて行われる、放射線センサの較正を可能とするよう構成される評価ユニットを含んでおり、当該放射線センサは：
   吸収された放射線ｘの量に対する出力信号ｏの依存性を表わす、第１の時点ｔ₁における放射線センサの１次特性ｆ_t1（ｘ）を測定する段階と、
   各時点がｔ₁≦ｔ₂≦ｔ₃≦ｔとして配置され、内部信号ｓと吸収された放射線ｘの量が一緒になって中間の量ｗを形成し、出力信号ｏはそのｗに依存するとして、放射線センサの出力信号の内部信号ｓに対する依存性を表わす、第２の時点ｔ₂及び少なくとも第３の時点ｔ₃における放射線センサの２次特性ｇ_t2（ｓ）、ｇ_t3（ｓ）を測定する段階と、
   所与の時点ｔにおける探索される吸収された放射線の量ｘ（ｔ）の近似値ｘ*（ｔ）を、以下の式、
   ｘ^*(t):=f_t1 ^-1(g_t2(g_t3 ^-1(o(t))))
   に従って決定する段階とを実行するよう構成されている、
   放射線センサ。
6. Ｘ線に感応することを特徴とする、請求項５記載の放射線センサ。
7. 吸収されたＸ線を直接的又は間接的に電気信号へ変換するよう構成されることを特徴とする、請求項５記載の放射線センサ。
8. 請求項５記載の放射線センサを複数含むことを特徴とする、Ｘ線の検出用のＸ線検出器。
9. 放射線センサはマトリックス状に配置されることを特徴とする、請求項８記載のＸ線検出器。

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