JP2011024773A - Ｘ線成分計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のエネルギー帯のＸ線を用いて測定対象の成分を計測できるとともに、測定対象に応じて識別すべきエネルギー帯を容易に変更できるＸ線成分計測装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線発生器１０から照射されたＸ線は、計測対象３０を透過して、Ｘ線検出器２０に入射する。Ｘ線検出器２０は、量子計数方式の検出器であって、予め設定された２個以上のしきい値で区切られたエネルギー帯のＸ線量子数を計数する。Ｘ線検出器２０により計数されたＸ線量子数に基づいて３種類以上の成分比を算出することができる。しきい値は、測定対象に応じて変更でき、しきい値を３個以上にとると、４種類以上の成分比を算出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｘ線成分計測装置に関し、具体的には量子計数方式の検出器を使用するＸ線成分計測装置に関する。

従来のＸ線検査には、（１）透過画像として内部構造や欠陥を検出する透過画像法、（２）Ｘ線の密度による減衰から物質の厚みを計測する密度法、（３）測定対象の透過画像を多方向から撮影し、画像再構成計算によって３次元構造を再現するＸ線ＣＴ法、（４）Ｘ線ビームを照射して発生する蛍光Ｘ線スペクトルを分析して元素を特定する蛍光分析法、がよく用いられている。（１）から（３）は測定対象の形態情報を提供する方法であり、（４）は測定対象の表面のみの成分情報を提供する方法として、用途に合わせて個別に使われている。

（１）の透過画像法は、最も一般的な検査方法で、電子部品、プリント基板、電池等の内部構造を２次元的に可視化するのに用いられている。しかし、Ｘ線照射方向が重なって見えるために、長さや面積、欠陥の大きさなどを定量的に計測することは難しい。

（２）のＸ線減衰から物質の厚みすなわち物質の透過距離を推定する方法では、ガンマ線のような単色放射線源を使用する。これは、フォトンのエネルギー毎に決まっている構成物質固有の減衰定数を計算式（Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔ則）で使用するためである。ただし、構成物質が複数の場合は、合算した透過率のデータしか得られないため、物質ごとの成分比を求めることはできない。この密度法に属するＸ線骨密度計では、Ｘ線のような幅広いスペクトルの放射線を使うことも可能である。しかし、幅のあるスペクトルに対する平均的なＸ線減衰が得られることとなり、計測精度が低下する。したがって、人体骨など測定対象ごとに経験的なパラメータを設定して使用しているのが現状である。

構成成分の分布を３次元像として計測できるのは（３）のＸ線ＣＴ法である。Ｘ線ＣＴ法では、測定対象の全周方向から約３６０角度以上の透過画像を取得し、画像再構成という計算処理を行った後に、３次元断層像を得る。したがって、特殊なハードウエアとソフトウエアが必要となり、撮影時間もかなり長くかかる。（４）のＸ線蛍光分析法は、細く絞った励起用のＸ線ビームを測定対象に照射して、表面付近から発生する２次的な蛍光Ｘ線スペクトルを測定することで、その領域内の元素を特定する方法である。蛍光Ｘ線のエネルギーは低いので、内部から発生した蛍光Ｘ線は検出器には到達しない。そのため、表面の元素マッピングに限られる。また、スペクトルが解析可能な波形となるまでに、スペクトルのピークあたり１０００カウント以上のフォトン数を必要とするため、１点の測定に数分、表面のマッピングに数時間以上かかることが多い。

実際のＸ線検査では、人体に対するＸ線被曝の制限や、オンラインでのハイスループット部品検査が求められており、短時間でのＸ線計測が望まれている。さらに、Ｘ線計測でも、形状のみならず、物質成分の同定、構成成分比、成分ごとの厚みなど、従来のＸ線検査における計測データ以上のデータが求められ、従来の白色Ｘ線の減衰のみによる計測では対応できない状況になってきている。

Ｘ線管から発生するＸ線は、管電圧に相当するフォトンエネルギーを最大エネルギーとして、幅広いスペクトルを持っている。Ｘ線計測においても、可視光レーザーのように単色成分のみを発生させる発生器があれば、計測手法が大きく進展する。しかし、現在のところ、単色Ｘ線を発生させる装置は、放射光施設や大出力Ｘ線源からモノクロメータで単色成分を取り出すＸ線回折装置に限られており、検査現場で単色Ｘ線を利用することは容易ではない。Ｘ線検査では、低コストで、容易に使用できる普及型の計測装置に対するニーズが高い。

Ｘ線を使って短時間のうちに物質を識別するため、例えば、医療分野では、二重エネルギーエックス線吸収法（Dual Energy X-ray Absorptiometry：ＤＥＸＡ）が開発され、骨密度計測に利用されてきた（特許文献１参照）。ＤＥＸＡはＸ線の白色スペクトルの平均的な２つのエネルギー帯を利用して、Ｘ線透過経路の骨部分厚さの推定値と投影画像における骨部分面積から、近似的に骨密度（単位面積あたりの骨量）を算出する手法である。

図１（ａ）（ｂ）は、ＤＥＸＡで用いられる従来の二重エネルギーＸ線発生方法を説明する図である。図１（a）は、パルススイッチングを使用して得られる２つの異なるスペクトルを示す。図２（ｂ）は、フィルタを使用して得られる高エネルギー帯と低エネルギー帯に２つのピークをもつスペクトルを示す。

パルススイッチングは、Ｘ線源の管電圧をスイッチングして、異なるスペクトルをもつ２つのＸ線を得るものである。しかし、この方法では、２度のＸ線照射が必要で、人体に対する被曝量が増えるという問題がある。

フィルタは、金属物質固有の急峻な吸収特性を利用した金属フィルタであり、Ｘ線源の透過窓に配置される。したがって、フィルタを介在させることにより、全体的なフォトン強度が下がり、信号として取り出すべきフォトン強度をも下げてしまうという問題がある。

また、ＤＥＸＡ法では骨密度の測定が目的であったため、空間的な解像度はあまり重視されてこなかった。

なお、放射線を用いたＣＴ装置の検出器として特定のエネルギーのフォトンの個数を計数する検出器を用いるもの、あるいはＸ線検査の検出器としてＸ線エネルギー帯に弁別してそれぞれの強度を求めるＸ線検査装置が提案されている。（特許文献２、３参照）
特許文献２は、フォトンエネルギーを識別する検出器を用いて構成成分分析とその分布を求めるＣＴ装置が記載されているが、ＣＴ装置では全周方向の投影データを収集し、画像再構成という計算処理によって、構成成分の分布を再現するため、データ収集と画像再構成に多くの時間を必要とし、複雑で高価なハードウエアを必要とする。また、画像再構成計算処理は、１枚の投影画像から、構成成分比を算出するものではない。
特許文献３は、フォトンカウンティング動作による半導体イメージャーと高エネルギーＸ線源を用いた低被曝Ｘ線検出装置を提供するもので、エネルギーレベルごとの強度画像信号からＲＧＢ画像信号を作成し、表示を行うもので、２つのＸ線エネルギーを使って物質の判別をする空港の手荷物検査と同様の原理である。しかし、エネルギーレベルごと、画素ごとの減衰データを使って、構成成分比を算出する演算処理に関する記載は全くない。

特開平０７−２８４４９１号公報 特開２００４−７７１３２号公報 特開２００７−２７１４６８号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、複数のエネルギー帯のＸ線を用いて測定対象の成分を計測できるとともに、測定対象に応じてＸ線のエネルギー帯の数を容易に変更できるＸ線成分計測装置を提供することを目的とする。

本発明のＸ線成分計測装置は、計測対象にＸ線を照射するＸ線発生器と、前記計測対象を透過したＸ線が入射するＸ線検出器であって、予め設定された２個以上のしきい値で区切られたエネルギー帯のＸ線量子数を計数する画素を有するＸ線検出器と、前記計数されたＸ線量子数に基づいて３種類以上の成分比を算出する成分比算出手段と、を備える。
前記予め設定されたしきい値は３個以上であり、前記成分比算出手段は４種類以上の成分比を算出するようにしてもよい。
前記計測対象を人体として、前記成分比算出手段は人体成分の成分比を算出するようにしてもよい。
前記計測対象を工業材料として、成分比算出手段は工業材料成分の成分比を算出するようにしてもよい。

本発明のＸ線成分計測装置は、予め設定された２個以上のしきい値で区切られたエネルギー帯のＸ線量子数を計数する画素を有するＸ線検出器を用いるので、複数のエネルギー帯のＸ線を用いて測定対象の成分を計測できるとともに、Ｘ線検出器の設定を変更するだけで、測定対象に応じてＸ線のエネルギー帯の数を容易に変更できる。
特に、予め設定されたしきい値を３個以上に設定すると、従来の装置ではできなかった４種類以上の成分について識別でき、その成分比を算出することができる。

（ａ）（ｂ）は、従来の二重エネルギーＸ線発生方法を示す図である。 本実施形態のＸ線成分計測装置の一例を示す概略図である。 本実施形態の量子計数タイプの検出器を説明する図である。 本実施形態の量子計数タイプの検出器におけるＸ線エネルギー帯の分離方法を説明する図である。 （ａ）（ｂ）は、本実施形態の量子計数タイプの検出器の特徴を従来のＸ線検出器との対比で示す図である。 本実施形態の量子計数タイプの検出器におけるＸ線エネルギー帯分離方法を説明する図である。 （ａ）（ｂ）は、本実施形態の量子計数タイプの検出器におけるＸ線エネルギー帯設定方法を説明する図である。 他の実施形態のＸ線成分計測装置の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図２は、本発明の一実施形態であるＸ線成分計測装置の一例を説明する概略図である。Ｘ線成分計測装置は、Ｘ線を照射するためのＸ線発生器１０と、入射したＸ線を検出するためのＸ線検出器２０とからなる。

Ｘ線発生器１０は、内部を真空に排気した後密封して形成された密封管内に、電子線を発生するカソード（図示せず）と、発生した電子線が収束して衝突するターゲット（図示せず）とを備え、収束電子線が衝突したターゲットから発生するＸ線をＸ線窓１１から取り出す。Ｘ線窓１１には、シート状のＸ線を照射するためにスリット上のコリメータ１５が設けられる。コリメータ１５はＸ線窓に平行に回転可能である。Ｘ線発生器１０は、Ｘ線発生器を支持する平面に平行に移動可能である。Ｘ線発生器１０は、コリメータ１５の長手方向と直交する方向に移動することにより、照射Ｘ線を平面状に走査することができる。

測定対象３０は、Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０との間に配置される。本実施形態では、測定対象３０は骨密度を計測する人体である。

Ｘ線検出器２０は、Ｘ線発生器１０から照射され、測定対象３０を透過するＸ線を受光可能に配置される。本実施形態では、Ｘ線検出器２０は、Ｘ線発生器１０のコリメータ１５から照射されるＸ線を検出可能なラインセンサである。

Ｘ線検出器２０は、量子計数方式の検出器である。量子計数方式の検出器は、入射するフォトンのエネルギーを識別して、予め設定したしきい値で区切られたエネルギー帯に含まれるフォトン数をカウントする。そして、各エネルギー帯に属するフォトン数を、画素ごとに、露光時間中に積算していく。さらに、Ｘ線検出器２０は、一辺が１ｍｍ以下、例えば０．５ｍｍの複数の微小画素を一列に並べた検出面を備え、検出位置に関する情報も取得可能となっている。

Ｘ線検出器２０は、Ｘ線検出器２０の支持体４０に移動可能に支持される。Ｘ線検出器２０は、Ｘ線発生器１０の移動に応じて、Ｘ線発生器１０と平行に移動して、測定対象３０を透過するＸ線を受光する。Ｘ線発生器１０から照射されるＸ線は、計測対象を平面的に走査することになり、透過Ｘ線画像が得られる。図２では、Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０の移動方向は矢印で示されている。

Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０とは、図２の矢印が示す方向と直交する方向にも移動可能である。したがって、コリメータ１５を９０度回転させることにより、例えば縦方向と横方向のような２方向の操作が可能である。Ｘ線発生器１０、Ｘ線検出器２０の移動速度は、計測対象を走査する速度でもあるので、Ｘ線減衰、検出器の蓄積時間、被爆量を考慮して決定される。なお、Ｘ線検出器２０はラインセンサに限らず、微小画素をマトリクス状に配列した平面センサとすることもできる。Ｘ線検出器２０を平面センサとすると、Ｘ線発生器Ｘ線検出器２０を移動させないでＸ線画像を取得することができる。

図３は、本実施形態の量子計数方式の検出器の概要を説明する図である。量子計数方式の検出器では、入射する個々のＸ線フォトンエネルギーを波高値としてカウントし、設定したしきい値で区分けされたエネルギー帯に属するフォトン数を、画素ごとに、露光時間中に積算していく。

２１は、本実施形態の検出器の１画素となるたとえばＣｄＴｅからなる半導体検出ユニットである。２１−１は、半導体に印加されるバイアス電圧である。２２は、半導体検出ユニット２１から出力された信号を増幅する増幅素子である。２３−１〜２３−５は、増幅素子２２からの信号を設定されたしきい値によりＸ線エネルギーを弁別する比較器である。２４−１〜２４−５は、比較器２３−１〜２３−５で弁別されたエネルギー帯ごとの信号をカウントするカウンタである。２６は、カウンタの出力を読み出すカウンタ読み出し回路である。２７は、カウンタ読み出し回路２６からのカウント結果が入力され、必要な処理がされる信号処理回路である。

Ｘ線検出器２０は、半導体検出ユニット２１、増幅素子２２、比較器２３−１〜２３−５、カウンタ２４−１〜２４−５、カウンタ読み出し回路２６と、信号処理回路２７とを有する。２９は、パーソナルコンピュータのようなコンピュータであって、Ｘ線検出器２０の出力端である信号処理回路２７に接続される。本実施形態では、コンピュータ２９に後述する方程式（６）を解くプログラムがロードされていて、Ｘ線検出器２０の出力結果に基づいて、成分比を算出する成分比算出手段として機能する。なお、成分比算出手段はＸ線検出器２０に組み込まれてもよく、またハードウエアで形成されてもよい。

図４は、量子計数検出器におけるＸ線エネルギー帯の分離方法の一例を説明する図である。図４では、量子計数検出器にしきい値Ｔ１〜Ｔ４を設定して、エネルギー窓Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を設定する。量子計数検出器には、白色スペクトルのＸ線がそのまま入射するが、入射フォトンの波高をエネルギー窓Ｅ１〜Ｅ３に応じて弁別する。なお、しきい値Ｔ１より低いエネルギーはノイズとして処理する。そして、各画素ごとに、各エネルギー窓Ｅ１〜Ｅ３のカウント値を積算することで、エネルギー窓Ｅ１〜Ｅ３で弁別されたエネルギーに対する透過Ｘ線強度が求められる。

図５（ａ）（ｂ）は、本実施形態の量子計数方式の検出器の特徴を従来のＸ線検出器との対比で示す図である。
図５（ａ）に示すように、従来のＸ線検出器は、検出器にエネルギー識別機能がない電荷積分方式であるので、すべてのフォトンエネルギーによる寄与が投影プロファイルとして記録される。
図５（ｂ）に示すように、本実施形態の量子計数方式の検出器では、エネルギー窓Ｅ１〜Ｅ３の幅で決まるエネルギーをもつＸ線フォトンのみがカウントされるので、単色性は大幅に改善される。なお、エネルギー窓の幅が小さいほど単色性が高まるが、同時にカウント数が減少するとともに、計測時間も長くなるので、窓幅は実際の計測対象に即して決定される。

本実施形態では、Ｘ線発生器に特別な機構を設ける必要は無く、検出器側の信号処理だけで、複数のエネルギー帯のＸ線を分離してカウントすることができる。これを用いることで、２つのエネルギー帯で３種類の物質の識別しかできないＤＥＸＡ法に比べ、単色性および空間分解能を高めることができ、複数の物質の識別が容易となる。さらに、３つ以上のエネルギー帯で４種類以上の物質の識別も検出器の設定で可能となる。この方法を、本明細書では、ＭＥＸＡ法（多重エネルギーエックス線吸収法：Multi-Energy X-ray Absorptiometry）という。

ＭＥＸＡ法では、計測対象を透過する異なるエネルギーのＸ線吸収強度に関する連立方程式において、画素ごとに未知数となるＸ線透過経路の成分比率を解くことで、構成成分量が求められる。例として、３つのエネルギー帯で４つの物質を識別する場合の方程式を（１）〜（５）に示す。

ここで、記号の意味は以下のとおりである。
μ_m：平均線吸収係数
μ_i：各成分ごとの線吸収係数
Ｉ：透過Ｘ線強度
Ｉ₀：入射Ｘ線強度
Ｅ_j：ｊ番目のエネルギー帯の平均フォトンエネルギー（例：ｊ＝１〜３）
ｄ：透過距離
α_i：成分比率（例：ｉ＝１〜４）
これらの式は、未知数α_iに関する連立１次方程式となる。各エネルギーＥ1〜Ｅ3に対して、予め各成分のみの線吸収係数μ_i（Ｅ_j）求めることで、下記式（６）左辺の線吸収係数マトリックスが求まる。例えば、１を骨、２を組織、３を脂肪、４を軟骨あるいは椎間板の場合、μ₁（Ｅ_j）、μ₂（Ｅ_j）、μ₃（Ｅ_j）、μ₄（Ｅ_j）（例：ｊ＝１〜３、エネルギー帯）は、骨のみ、組織のみ、脂肪のみ、軟骨あるいは椎間板のみの体系を用いて、予備実験を行って事前にもとめておく。

次いで、本実施形態のＸ線成分計測装置によってＸ線強度の減衰を計測することで右辺のＸ線強度ベクトルを求める。その後、下記の方程式（６）を解き、成分比率α_i（ｉ＝１〜４）を求める。つまり、３つのエネルギー帯を識別するために、３個のしきい値を検出器側で設定することで、方程式（６）を解くことができる。なお、本実施形態のＸ線成分計測装置に、式（６）を解いて画素ごとに各成分比率を求めるアルゴリズムを作成して格納し、表示する機能をもたせるようにしてもよい。

ここで、３個Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のしきい値をエネルギーの昇順に設定したとすると、エネルギー帯は、０〜Ｔ１、Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ２〜Ｔ３、Ｔ３〜上限となり、形式上４つのエネルギー帯ができる。しかしながら、最も低いエネルギー帯０〜Ｔ１のしきい値Ｔ１以下の信号は、ノイズとしてカウントしない。したがって、設定したしきい値の数と、エネルギー帯の数は等しくなる。換言すると、ＭＥＸＡ法によると、検出器側で、Ｘ線スペクトルを区切るしきい値の設定数と同数のエネルギー帯が設定される。式（１）〜（６）では、３つのエネルギー帯を設定したことにより、α_１〜α_４の４個の成分比が得られた。以上のように、本実施形態では、エネルギー帯の数に対して（エネルギー帯の数＋１）個の成分比を算出することができる。ただし、各成分比率が精度良く求められるためには、式（２）〜（４）が独立となるように、Ｘ線エネルギーＥ₁〜Ｅ₃を適切に選択する必要がある。

図６は、量子計数タイプの検出器におけるＸ線エネルギー帯の選択方法の一例を説明する図である。図６は、骨、体組織、脂肪、椎間板の４種類の成分比を計測する場合の、骨、体組織、脂肪、椎間板の質量減衰係数（MAC：Mass Attenuation Coefficient）のフォトンエネルギーによる変化を示している。

骨や組織の場合、１００ｋｅＶを境にして光電領域と散乱領域とに分かれている。Ｘ線吸収係数μは密度と物質に固有の質量減衰係数の積なので、密度差が小さい柔らかい組織では原子番号で質量減衰係数が大きく変わる光電領域のエネルギーを選択するのが好ましい。また、硬い組織では質量減衰係数が密度で変化しやすい散乱領域のエネルギーを選択するのが好ましい。図６では、選択されたエネルギー帯Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の位置を示している。このように、計測対象の成分組織に応じてエネルギーを選択することで、式（２）〜（４）の独立性を高めることができる。連立方程式の個々の式の独立性を高めることにより、連立方程式の解として算出される成分比の精度が向上する。

図７は、本実施形態の量子計数タイプの検出器のエネルギー帯設定方法を説明する図である。図７（ａ）は、Ｘ線スペクトルに対して、エネルギーが大きくなる順に５つのしきい値Ｔ１〜Ｔ５を設定し、連続する５つのエネルギー帯Ｅ１〜Ｅ５を設定する場合を示す。エネルギー帯Ｅ１〜Ｅ４は、連続する２つのしきい値ではさまれるエネルギー帯である。さらに、Ｘ線管電圧の最大値でフォトンエネルギーの上限が決まるので、設定したしきい値の最大値Ｔ５からフォトンエネルギーの上限までをエネルギー帯Ｅ５とするものである。なお、しきい値Ｔ１以下のＸ線はノイズとみなしてカウントしない。

図７（ｂ）は、図７（ａ）と同様のエネルギー帯を設定し、連続しない３つのエネルギー帯Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１３を使用する例を示す。しきい値Ｔ１〜Ｔ５は、計測対象に応じて適切な値を選択することがき、しきい値の数、しきい値の間隔も適宜設定できる。

図７（ａ）（ｂ）の両方で、しきい値の設定間隔を小さくとると、より単色性の高いＸ線エネルギーが得られるが、フォトン数は減少するので、より強度の高いＸ線発生器を用いるなどの対策が必要である。

本実施形態では、検出器側で複数のしきい値を設定してエネルギー帯を分離するので、エネルギー帯の設定をソフトウエアとして容易に実現可能である。さらに、Ｘ線の減衰を引き起こすことなく、より幅の狭い、複数の、異なるＸ線エネルギー帯を抽出することができる。３個のしきい値を設定すれば３個のエネルギー帯が得られ、４種類の物質の識別が可能となる。本実施形態の検出器では、最大５個のしきい値を設定して５個のエネルギー帯を使い、６種類の物質の判別が可能である。しかし、検出器の信号処理部の制限からしきい値の数が制限されるのであって、原理的には、設定できるしきい値には限界はない。

本実施形態は、疾患の早期発見や定期検診による経時変化の観察に適用できるＸ線検査装置として使用可能である。量子計数方式の検出器で３個のしきい値を設定するだけで、従来の骨、脂肪、組織の３種類に加え、診断や治癒効果を判定するために必要な軟骨や椎間板等の組織の判別が可能となる。さらに、空間分解能が高く、骨内部の微細構造の検知も可能となる。

図８は、本発明の他の実施形態であるＸ線成分計測装置の一例を示す図である。
例えば、パソコン等の液晶パネルに使われる偏光板，位相差フィルム，輝度向上フィルム，拡散フィルム，プリズムフィルム，反射フィルムなどの光学系多層フィルム、太陽電池やリチウム電池電極材、フレキシブル配線基板、多層プリント基板、紙・不織布等シート材の欠陥検出や厚さ計測など、製造ライン中や二次プロセスラインで非接触・非破壊出での品質管理、工程管理に関する検査ニーズが高い。
図８は、多層フィルム６０のフィルム組成を計測する装置である。図２の装置と共通する部材には共通の番号を付している。図８の例では、Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０とは固定されている。多層フィルム６０が、コリメータ１５から照射されるシート状のＸ線の断面の長手方向と直交する方向に、試料移動機構８０により移動する。多層フィルム６０の移動により、Ｘ線の走査が行われる。図８の装置においても、多層フィルム６０を形成するフィルムの種類に応じてＸ線検出器２０のエネルギー帯を設定することにより、多層フィルム６０の成分比が算出される。

従来、産業用のＸ線検査装置は形態情報の取得が中心であった。これに対し、本実施形態は、複数画素をもつ量子計数型検出器を使うことによって、３つ以上のエネルギー帯のＸ線を識別してカウントし、複数画素ごとに透過経路に沿った成分比率を算出して、異なる材質の空間分布を求める。材料組成を定量的に計測できるため、層が明確に分離されていなくても、透過経路の積算値として、組成を算出できる。そのため、高分子材料中にガラス繊維フィラーが分散した複合材料や、太陽電池の層構造評価等にも適用可能である。

本発明の適用範囲は広く、これまでＸ線検査が適用されていた多くの技術分野に適用可能である。主な例を以下に示す。
（骨密度計測）
上述のように、骨密度計測に関し、利用するＸ線エネルギー帯を１個追加して３つのエネルギー帯のＸ線減衰を計測することで、４種類の成分比を算出することが可能である。これにより、骨そしょう症などの骨疾患診断で重要となる腰椎部の椎間板や、頚部、膝、踵等の軟骨成分の検出、骨・軟骨再生医療の治療効果の検証等が可能となる。

（体組成診断）
検出器側の設定を変更することで利用するエネルギー帯を設定することができるので、骨密度計測と同様の手法で、骨を含まない部分の脂肪率の測定や、肺や内臓疾患等の診断など、人体組織の成分比の変化を、短時間に、低被曝で検出することができる。

（工業部材の組成成分検査）
構成成分の線吸収係数と透過率のデータを整備することができれば、測定対象を人体に限定せず、様々な工業部材に、ＭＥＸＡ法を適用することができる。たとえば、フレキシブル基板や多層プリント基板などでは、銅、金、インジウム、ガリウム、砒素、リン、シリコンなどの元素が含まれた多層基板を製造プロセスで使用するが、その工程管理や品質管理のために、厚さや組成比を高速にモニタリングする必要がある。また、これらには、金属元素のほか、保護材として高分子プラスチックの多層フィルムを使用する場合がある。このように、多様な材質からなる工業部材の成分比率を求めるには、より多くのエネルギー帯を使って、より多くの成分比を算出できるＭＥＸＡ法が有効である。したがって、フレキシブル基板や多層プリント基板品質検査、電子板組成分布計測、液晶パネル製造プロセス、炭素繊維・ガラス繊維強化複合高分子材料検査等、多層フィルム厚さが数ミクロン〜数百ミクロンの層ごとの厚さ計測が必要な、様々な分野に本発明を適用できる。なお、Ｘ線を使った膜厚さ計測法として、Ｘ線反射率法もあるが、その適応範囲は１μｍ以下の、ナノメータオーダーの膜厚さ計測であり、本発明とは適用範囲が異なる。

（廃棄物分類）
近年、希少資源の有効利用が求められているが、パソコン等の電子機器や廃基板を、資源として回収すべき元素ごとに分類する方法はない。バルク廃材に含まれる元素の成分比を、本発明のＭＥＸＡ法で計測し、予め分類することで、資源回収の有効利用や省エネが実現できる。

なお、本実施形態は、一方向からのＸ線照射による透過データから成分比を算出するものであるが、これを用いて、従来のＸ線ＣＴ装置のように、多方向からＸ線照射を行い、角度ごとの成分比データから画像再構成を行い、特定成分の３次元空間分布を求めることも可能である。

（骨密度計測における組織成分計測）
従来の骨密度計測では、腰椎正面の腰椎椎体１から４までの４椎体部分や、大腿骨近位部の頸部を、ＤＥＸＡ法を用いて測定してきた。ＤＥＸＡ法で検出可能な骨、脂肪、非脂肪組織の平均密度は、それぞれ１．９２ｃｍ³、０．９５ｃｍ³、１．０２ｃｍ³である。一方、骨疾患で重要となる軟骨や椎間板などは１．１０ｃｍ³なので、密度と減衰係数で透過率が決まるＸ線で、軟骨や椎間板の検出も可能となる。

なお、本計測事例では、浜松ホトニクス社製、エネルギー弁別型６４ｃｈ、ＣｄＴｅ放射線ラインセンサＣ１０４１３を使用して計測系を構築する。

あるエネルギーにおける、単一物質のＸ線透過率は、近似的に単色成分を仮定すると、Ｅｘｐ（−ρνｔ）となる。ここで、ρは密度（ｇ／ｃｍ³）、νは質量減衰係数（ｃｍ²／ｇ）、ｔは透過長さ（ｃｍ）である。もし、仮にＥ１＝４０ｋｅＶ、Ｅ２＝８０ｋｅＶ、Ｅ３＝１２０ｋｅＶの３つのエネルギーを使うと仮定すると、各エネルギー帯における質量減衰係数は、以下のようになる。

これに各成分の密度をかけた線吸収係数マトリックス［単位：ｃｍ^-1］は、以下のようになる。

透過長さを、腰椎部分を含む人体腹部の厚みｔ＝３０ｃｍと設定すると、上記線吸収係数マトリックスと、各エネルギー４０、８０、１２０ｋｅＶでの腹部透過率から、成分比α_１〜α_４（１＝骨、２＝脂肪、３＝体組織、４＝椎間板）が求められる。仮に、Ｘ線透過Ｉ／Ｉ０がＥ１、Ｅ２、Ｅ３の各エネルギーで、経験的に０．００２５％、０．５％、１．５％と仮定すると、ＭＥＸＡ法の式（６）の右辺の項(-1/d)log(I/I₀(E_j))（j=1〜3）は、４０ｋｅＶ、８０ｋｅＶ、１２０ｋｅＶに対して、０．３５５、０．１７６、０．１４２となる。

これらを式（２）〜（５）の右辺に代入して、式（２）〜（５）を、４つの独立変数からなる連立１次方程式として解くと、その結果、α１〜α４は、０．１７、０．３２、０．４３、０．０９となる。これから求められる各成分の透過経路における長さは、５．０ｃｍ、９．４ｃｍ、１２．９ｃｍ、２．６ｃｍとなる。その合計は２９．９ｃｍとなり、当初設定した厚み３０ｃｍにほぼ等しくなる。ただし、各層の計算結果長さを設定値で除した誤差は、−０．３％、−４．９％、＋０．４％、＋１３．５％である。したがって、測定精度をより向上させるために、より適切なパラメータの選択が必要となる。

このようにして、各エネルギーでのＸ線透過率を利用して、Ｘ線焦点と検出器画素を結ぶ透過経路に沿った人体の組成比率が求められる。これを他の画素でも同様に計測することで、骨や脂肪等の深部に及ぶ空間的な組成比率を求めることが可能となる。

（乳がん検査における組織成分計測）
現在、女性の罹患するがん１位は、乳がんで、発症率は２３人に１人との報告がある。０期といわれる初期の乳がんは、乳管や小葉と呼ばれる組織の中にとどまっているが、進行度Ｉ期では、しこりが発生し、その大きさが０．５センチ以下から２センチまで認められる。その検査には、乳房のＸ線透視画像によるマンモグラフィ検査が行われており、大きさや形、石灰化の有無がわかる。乳がんの約半数は石灰化するが、マンモグラフィでは、触診では発見できない５ｍｍ以下の石灰化を検出できる。

そこで、本願のＭＥＸＡ法の乳がん組成成分計測への適用可能性を検討した。圧迫乳房厚４ｃｍのうち、脂肪部分が２ｃｍ、乳腺部が１．５ｃｍ、石灰化（Ｃａ：カルシウム）部位が０．５ｃｍと設定する。Ｘ線照射条件として、通常行われているモリブデンターゲットＸ線管による２４ｋｅＶと、ロジウムターゲットＸ線管による３２ｋｅＶを２つのエネルギー帯として選択した。識別する組織が３種類なので、利用するエネルギー帯を２つ使うことで、３つの成分比を算出できる。

なお、本計測事例では、浜松ホトニクス社製、エネルギー弁別型６４ｃｈ、ＣｄＴｅ放射線ラインセンサＣ１０４１３を使用して計測系を構築する。

脂肪、乳腺、カルシウムの平均密度は、それぞれ０．９５ｇ／ｃｍ³、１．０２ｇ／ｃｍ³、１．５５ｇ／ｃｍ³である。あるエネルギーにおける、単一物質のＸ線透過率は、近似的に単色成分を仮定すると、Ｅｘｐ（−ρμｔ）となる。ここで、ρは密度（ｇ／ｃｍ³）、μは質量減衰係数（ｃｍ²／ｇ）、ｔは透過長さ（ｃｍ）である。

いま、Ｅ１＝２４ｋｅＶ、Ｅ２＝３２ｋｅＶの２つのエネルギーを使う場合、各エネルギー帯における質量減衰係数は、以下のようになる。

これに各成分の密度をかけた線吸収係数マトリックス［単位：ｃｍ^-1］は、以下のようになる。

透過長さを、圧迫乳房の総厚みｔ＝４．０ｃｍと設定すると、上記線吸収係数マトリックスと、各エネルギーＥ１＝２４ｋｅＶ、Ｅ２＝３２ｋｅＶでの乳房透過率から、成分比α１〜α３（１＝脂肪、２＝乳房組織、３＝カルシウム）が求められる。仮に、Ｘ線透過率Ｉ／Ｉ０がＥ１、Ｅ２の各エネルギーで、経験的に０．０５％、２．２％と仮定すると、ＭＥＸＡ法の式（６）の右辺の項、(1/d)log(I/I₀(Ei))は、２４ｋｅＶ、３２ｋｅＶに対して、１．９０、０．９６となる。これらを式（２）〜（４）の右辺に代入して、式（２）〜（４）を、３つの独立変数からなる連立１次方程式として解くと、その結果、α１〜α３は、０．４７３、０．４０２、０．１２５となる（表６参照）。これから求められる各成分の透過経路における長さは、１．９ｃｍ、１．６ｃｍ、０．５ｃｍとなる。その合計は４．０ｃｍとなり、当初設定した厚みにほぼ等しくなる。ただし、各層の計算結果長さを設定値で除した誤差は、＋５．４％、−７．３％、＋０．２％である。測定精度をより向上させるためには、より適切なパラメータの選択が必要となる。

このようにして、各エネルギーでのＸ線透過率を利用して、Ｘ線焦点と検出器画素を結ぶ透過経路に沿った各組織の厚さ比率が求められる。これを他の画素でも同様に計測することで、マンモグラフィにおいてもＭＥＸＡ法を適用することにより、組織および石灰化の空間的な分布を求めることが可能となる。

以上説明した本実施形態の利点を他の装置との対比して述べると以下のとおりである。
現時点で、高強度の単色Ｘ線は、放射光施設あるいはＸ線回折装置に限られている。放射光施設の光源ではエネルギーを可変にできるので、複数のエネルギー帯のＸ線を都度ごとに取り出すことができるが、施設利用時間等の制限を受けるため、低コストで容易に使用できる普及型の計測装置とはならない。また、Ｘ線回折装置のＸ線源では、モノクロメータで単色成分を取り出しているが、一つのエネルギー帯しか取り出すことができないため、本発明が対象とする成分分析には適していない。

単色の放射線源として、ラジオアイソトープ（ＲＩ）を使う方法も考えられるが、２つ以上のエネルギーを利用するには、放出するフォトンエネルギーが異なる２種類以上のＲＩを使用する。通常、ＲＩの放射線発生数はＸ線管に比べてはるかに小さいため、測定時間が極端に長くなる。これを補うため、高強度のＲＩを交換しながら使用することも可能であるが、放射性物質の取り扱いと管理に、かなりの危険と煩雑さが伴う。

したがって、放射線源として、Ｘ線管球を使う装置が最も実用的となりうる。本発明では、検出器側でエネルギー帯を設定することができ、ハードウエアの変更なしに、測定対象や測定部位に合わせて最適なエネルギー帯を選択することができる。さらに、判別物質の数に合わせてエネルギー帯の数を容易に変化させることができる。従来のＤＥＸＡのように、Ｘ線発生器側でハード的に異なるエネルギー帯を固定して生成する場合は、エネルギー帯の位置や数を変えることは容易ではない。

本実施形態では、Ｘ線発生器側からはそのまま白色スペクトルを発生させ、検出器側で複数のしきい値を設定し、これを超えるエネルギーのフォトン数のみをカウントすることで、入射フォトンエネルギーを識別してエネルギー帯ごとにカウントし、複数のエネルギー帯を同時に検出する量子計数方式を採用する。従来のＸ線検査機器の検出器側には、入射フォトンのエネルギーを識別する機能がなく、全てのエネルギーのフォトンを合算して強度のみを記録する、電荷積分方式の検出器が用いられてきた。

従来、Ｘ線スペクトルを計測する装置は、ＭＣＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ）として市販されている。しかし、これらは１つの受光部が独立した検査装置となっており、高精度にエネルギー分解可能ではあるが、比較的大きな受光部の１経路の情報しか得られないため、測定対象全体の形態をカバーするには、長時間のマッピングが必要となる。

骨密度計や液晶パネル、フレキシブル基板、多層プリント基板等の計測装置では、透過経路の成分比の空間的な分布も重要な情報となることから、成分比と同時に形状、すなわち、検出位置に関する情報を記録する必要がある。本願の量子計数方式複数画素検出器は、１ｍｍ以下の複数の微小画素で構成され、一つ一つの画素が、ＭＣＡほどの分解能は持っていないが、入射フォトンエネルギーを識別して複数のエネルギー帯に分類する機能を有する。

本実施形態では、しきい値の数だけエネルギー帯を設定できるので、従来のＤＥＸＡ法のように２つのエネルギー帯で３種類の物質の識別に限定されない。さらに、検出器側でソフト的に複数のしきい値を設定してエネルギー帯を分離するので、Ｘ線側の減衰はなく、より幅の狭いエネルギー帯で単色性の高い、異なるＸ線エネルギー帯を抽出して、物質判別に利用することができる。

適用例として、従来のＤＥＸＡ法で検出可能なのは、骨、脂肪、非脂肪組織であるが、４種類の物質が識別可能となれば、骨疾患で重要となる軟骨や椎間板などの検出も可能になり、診断や治療効果の検証に大きな寄与が期待できる。

さらに、工業部材や建築物、電子材料などではより多くの物質を識別するニーズは高いため、従来法を超えて、３つ以上のエネルギー帯を使い、４種類以上の物質の識別と空間分布を得られるＭＥＸＡ法のメリットは大きいと考えられる。

１０ Ｘ線発生器
１１ Ｘ線窓
１５ コリメータ
２０ Ｘ線検出器
３０ 測定対象
４０ Ｘ線検出器の支持体
６０ 多層フィルム
８０ 試料移動機構

Claims (4)

1. 計測対象にＸ線を照射するＸ線発生器と、
   前記計測対象を透過したＸ線が入射するＸ線検出器であって、予め設定された２個以上のしきい値で区切られたエネルギー帯のＸ線量子数を計数する画素を有するＸ線検出器と、
   前記計数されたＸ線量子数に基づいて３種類以上の成分比を算出する成分比算出手段と、
   を備えることを特徴とするＸ線成分計測装置。
2. 前記予め設定されたしきい値は３個以上であり、前記成分比算出手段は４種類以上の成分比を算出することを特徴とする請求項１に記載のＸ成分計測装置。
3. 前記計測対象を人体として、前記成分比算出手段は人体成分の成分比を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線成分計測装置。
4. 前記計測対象を工業材料として、成分比算出手段は工業材料成分の成分比を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線成分計測装置。

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