JP2016067943A - フォトンカウンティング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー分解能が低い検出器であっても高精度に物質弁別すること。【解決手段】Ｘ線発生システム１３は、Ｘ線を発生する。Ｘ線検出システム１５は、Ｘ線発生システム１３から発生され被検体Ｓを透過したＸ線を検出するＸ線検出器１５１と、Ｘ線検出器１５１からの出力信号に基づいて検出されたＸ線のカウント数に関するカウントデータを複数のエネルギー帯域について収集するデータ収集回路１５３と、を有する。応答関数記憶回路３３１は、Ｘ線検出システム１５への入射Ｘ線と検出器応答特性とを対応付ける応答関数のデータを記憶する。Ｘ線吸収量算出機能３３５の実行により再構成回路３３は、複数のエネルギー帯域に関するカウントデータ、Ｘ線発生システム１３により発生された入射Ｘ線のエネルギースペクトラム、及び前記応答関数記憶回路３３１から読み出された応答関数に基づいて複数の基底物質各々のＸ線吸収量を算出する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、フォトンカウンティング装置に関する。

フォトンカウンティングＣＴ（Photon Counting CT）装置等のフォトンカウンティング装置は、高線量のＸ線を光子毎に検出し、Ｘ線が透過した物質を弁別する。フォトンカウンティング装置においては、物質を弁別するために、エネルギー分解能に優れた半導体検出器等の直接型検出器が使用され、当該検出器からの信号を読み出すための読み出し回路としては、ＡＳＩＣ等の高集積素子が使用されることが考えられる。しかしながら、半導体検出器は、エネルギー分解能に優れるものの、コストが高く安定性が低いなど、フォトンカウンティング装置に使用するうえで課題が多い。一方、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置には間接型検出器が用いられている。間接型検出器は、シンチレータ等の蛍光体と光電子増倍管等の光検出器とが組み合わされた検出器である。このような間接型検出器は、半導体検出器に比して、Ｘ線ＣＴ用の検出器としての実績があり低コストで安定性にも優れるが、エネルギー分解能が低く物質弁別が極めて難しい。

目的は、エネルギー分解能が低い検出器であっても高精度に物質弁別可能なフォトンカウンティング装置を提供することにある。

本実施形態に係るフォトンカウンティング装置は、Ｘ線を発生するＸ線管と、前記Ｘ線管から発生され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線検出器からの出力信号に基づいて前記検出されたＸ線のカウント数に関するカウントデータを複数のエネルギー帯域について収集するデータ収集回路と、前記Ｘ線検出器への入射Ｘ線と、前記Ｘ線検出器と前記データ収集回路とを含むシステムの応答特性とを対応付ける応答関数のデータを記憶する記憶部と、前記データ収集回路が収集した前記複数のエネルギー帯域に関する前記カウントデータ、前記Ｘ線管より発生した入射Ｘ線のエネルギースペクトラム、及び前記記憶部から読み出された応答関数に基づいて、複数の基底物質各々のＸ線吸収量を算出する再構成部と、を具備する。

図１は、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置の構成を示す図である。 図２は、ウェッジフィルタが取り付けられていない場合のＸ線管から発生されるＸ線のエネルギースペクトラムＩ_０（Ｅ）のグラフを示す図である。 図３は、ＬａＢｒ３をシンチレータとして使用した、単色Ｘ線に対する標準検出系の出力を示す図である。 図４は、ＬａＢｒ３をシンチレータとして使用した、他の単色Ｘ線に対する標準検出系の出力を示す図である。 図５は、本実施形態に係る応答関数を図式的に示す図である。 図６は、実測のカウントデータが示すエネルギースペクトラムとモデル関数が示すエネルギースペクトラムとを比較する図である。 図７は、本実施形態に係るデータ収集回路の一構成例を示す図である。 図８は、本実施形態に係る他のデータ収集回路の一構成例を示す図である。 図９は、図１のシステム制御回路の制御のもとに行われるフォトンカウンティングＣＴ撮像の典型的な流れを示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わるフォトンカウンティング装置を説明する。

本実施形態に係るフォトンカウンティング装置は、Ｘ線ＣＴタイプの装置（以下、フォトンカウンティングＣＴ装置と呼ぶ）とＸ線撮影タイプの装置（以下、フォトンカウンティングＸＲ装置と呼ぶ）とのいずれのタイプにも適用可能である。以下、本実施形態に係るフォトンカウンティング装置を、フォトンカウンティングＣＴ装置を具体例に挙げて詳細に説明する。

フォトンカウンティングＣＴ装置には、Ｘ線管とＸ線検出器とが１体となって被検体の周囲を回転する回転／回転型（ＲＯＴＡＴＥ／ＲＯＴＡＴＥ―ＴＹＰＥ）や、リング状に配列された多数のＸ線検出素子が固定され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転する固定／回転型（ＳＴＡＴＩＯＮＡＲＹ／ＲＯＴＡＴＥ―ＴＹＰＥ）等様々なタイプが考えられるが、いずれのタイプでも本実施形態は適用可能である。しかしながら、以下の説明においてフォトンカウンティングＣＴ装置は、回転／回転型であるものとして説明する。

フォトンカウンティングＣＴ装置におけるデータ収集方式としては、ビュー毎のＸ線フォトンのカウント数を計数するサイノグラムモードと、Ｘ線フォトン毎のエネルギー値を時系列で記録するリストモードとが知られている。本実施形態は、いずれのタイプでも適用可能である。以下、サイノグラムモードのフォトンカウンティングＣＴ装置を例に挙げて説明する。

図１は、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置は、架台１０とコンソール３０とを備えている。架台１０は、円筒形状を有する回転フレーム１１を回転軸Ｚ回りに回転可能に支持している。回転フレーム１１には、回転軸Ｚを挟んで対向するようにＸ線発生システム１３とＸ線検出システム１５とが取り付けられている。回転フレーム１１の開口部（bore）にはＦＯＶ（field of view）が設定される。回転フレーム１１の開口部内には天板１７が挿入される。天板１７には被検体Ｓが載置される。天板１７に載置された被検体Ｓの撮像部位がＦＯＶ内に含まれるように天板１７が位置決めされる。回転フレーム１１は、回転駆動装置１９からの動力を受けて回転軸Ｚ回りに一定の角速度で回転する。回転駆動装置１９は、架台制御回路２１からの制御信号に従って回転フレーム１１を回転させるための動力を発生する。

Ｘ線発生システム１３は、架台制御回路２１からの制御信号に従ってＸ線を発生する。具体的には、Ｘ線発生システム１３は、Ｘ線管１３１と高電圧発生器１３３とを有する。Ｘ線管１３１は、高電圧発生器１３３からの高電圧の印加とフィラメント電流の供給とを受けてＸ線を発生する。高電圧発生器１３３は、架台制御回路２１からの制御信号に従う高電圧をＸ線管１３１に印加し、架台制御回路２１からの制御信号に従うフィラメント電流をＸ線管１３１に供給する。

Ｘ線検出システム１５は、Ｘ線発生システム１３から発生され被検体Ｓを透過したＸ線を検出し、検出されたＸ線のカウント数を表現するカウントデータを複数のエネルギー帯域について収集する。具体的には、Ｘ線検出システム１５は、Ｘ線検出器１５１とデータ収集回路１５３とを有する。

Ｘ線検出器１５１は、Ｘ線管１３１から発生され被検体Ｓを透過したＸ線を検出する。Ｘ線検出器１５１は、２次元状に配列された複数のＸ線検出素子を搭載する。具体的には、Ｘ線検出器１５１は、間接検出型の検出器であるとする。この場合、各Ｘ線検出素子は、Ｘ線を蛍光に変換する蛍光体（シンチレータ）と、蛍光を電気信号に変換する光検出器とを有する。本実施形態においてシンチレータは、Ｘ線管１３１からのＸ線フォトンを検出し、検出されたＸ線フォトンのエネルギーに応じた個数の蛍光光子を発生する。複数の蛍光光子は光検出器により検出される。光検出器は、検出された複数の蛍光光子を光電変換により電流信号に変換し増幅する。光検出器からの電流信号（電気信号）はデータ収集回路１５３に供給される。電気信号は、入射Ｘ線フォトンのエネルギーに応じた波高値を有する。本実施形態に係るシンチレータとしてはＬａＢｒ３等の既存のＸ線に感応して蛍光を発生する如何なる発光物質も材料に含んで良い。

なお、本実施形態に係るＸ線検出器１５１としては間接検出型の検出器に限定されず、直接検出型の検出器であっても良い。直接検出型のＸ線検出器１５１としては、例えば、半導体の両端に電極が取り付けられてなる半導体ダイオードを含むタイプが適用可能である。半導体に入射したＸ線フォトンは、電子・正孔対に変換される。１つのＸ線フォトンの入射により生成される電子・正孔対の数は、入射Ｘ線フォトンのエネルギーに依存する。電子と正孔とは、半導体の両端に形成された一対の電極に互いに引き寄せられる。一対の電極は、電子・正孔対の電荷に応じた波高値を有する電気パルスを発生する。一個の電気パルスは、入射Ｘ線フォトンのエネルギーに応じた波高値を有する。

データ収集回路１５３は、架台制御回路２１からの制御信号に従って、Ｘ線検出器１５１により検出されたＸ線のカウント数を表現するカウントデータを複数のエネルギー帯域について収集する。複数のエネルギー帯域に関するカウントデータは、Ｘ線検出システム１５の応答特性に応じて変形された、Ｘ線検出器１５１への入射Ｘ線に関するエネルギースペクトラムに対応する。以下、Ｘ線検出器とデータ収集回路とを含むシステム（標準検出系）の応答特性を検出器応答特性と呼ぶことにする。

Ｘ線管１３１にはウェッジフィルタ２３が取り付けられている。ウェッジフィルタ２３は、Ｘ線検出器１５１に入射するＸ線の空間線量分布を略均一にするためのＸ線フィルタである。ウェッジフィルタは、アルミ等の比較的小さい原子番号を有する物質により形成される。典型的には、ウェッジフィルタ２３は、Ｘ線検出器１５１のチャンネル方向に関する中央部から端部に向けて厚くなるように形成される。なお、ウェッジフィルタ２３は、必要なければ取り付けられなくても良い。

架台制御回路２１は、架台１０に搭載された各種機器の制御を統括する。例えば、架台制御回路２１は、被検体Ｓを対象としたフォトンカウンティングＣＴ撮像を実行するためにＸ線発生システム１３、Ｘ線検出システム１５、及び回転駆動装置１９を制御する。回転駆動装置１９は、架台制御回路２１による制御に従う一定の角速度で回転する。Ｘ線発生システム１３の高電圧発生器１３３は、架台制御回路２１による制御に従って、設定管電圧値に対応する高電圧をＸ線管１３１に印加し、フィラメント電流をＸ線管１３１に供給する。Ｘ線検出システム１５のデータ収集回路１５３は、架台制御回路２１による制御に従って、ビューの切替に同期してカウントデータを複数のエネルギー帯域の各々についてビュー毎に収集する。

ハードウェア資源として、架台制御回路２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の処理装置（プロセッサ）とＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置（メモリ）とを有する。架台制御回路２１は、架台１０に設けられても良いし、コンソール３０に設けられても良いし、架台１０及びコンソール３０とは別体の装置に設けられても良い。また、架台制御回路２１は、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）やフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（Field Programmable Logic Device：ＦＰＧＡ）、他の複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）により実現されても良い。処理装置は、記憶装置に保存されたプログラムを読み出して実行することで上記機能を実現する。なお、記憶装置にプログラムを保存する代わりに、処理装置の回路内にプログラムを直接組み込むように構成しても構わない。この場合、処理装置は、当該回路内に組み込まれたプログラムを読み出して実行することで上記機能を実現する。

コンソール３０は、カウントデータ記憶回路３１、再構成回路３３、Ｉ／Ｆ回路３５、表示回路３７、入力回路３９、主記憶回路４１、及びシステム制御回路４３を備える。カウントデータ記憶回路３１、再構成回路３３、Ｉ／Ｆ回路３５、表示回路３７、入力回路３９、主記憶回路４１、及びシステム制御回路４３は、バスを介して接続されている。

カウントデータ記憶回路３１は、ＨＤＤ（hard disk drive）やＳＳＤ（solid state drive）、集積回路記憶装置等の記憶装置である。具体的には、カウントデータ記憶回路３１は、架台１０から伝送された複数のエネルギー帯域に関するカウントデータを記憶する。また、カウントデータ記憶回路３１は、Ｘ線吸収量算出３３５により算出されたＸ線吸収量のデータを記憶しても良い。Ｘ線吸収量については後述する。

再構成回路３３は、カウントデータに基づいて被検体Ｓに関するフォトンカウンティングＣＴ画像を再構成する。具体的には、再構成回路３３は、応答関数記憶回路３３１を有する。応答関数記憶回路３３１は、Ｘ線検出器１５１への入射Ｘ線と検出器応答特性とを対応付ける応答関数のデータを記憶する。応答関数は、入射Ｘ線毎の検出エネルギーとシステムの出力応答との関係を規定する。例えば、応答関数は、入射Ｘ線毎の検出エネルギーと検出強度との関係を規定する。検出エネルギーは、当該入射Ｘ線エネルギーを有するＸ線フォトンの検出に応答して標準検出系が計測する当該Ｘ線フォトンのエネルギーに対応する。具体的には、検出エネルギーは、後述の弁別回路に入力されるアナログ電気信号の波高値又はデジタル信号のデータ値に、所定の変換係数を乗算した値である。検出強度は、当該入射Ｘ線エネルギーを有するＸ線の強度、換言すれば、Ｘ線フォトンのカウント数に対応する。応答関数は、予め応答関数生成機能３３３や他の演算装置等により生成される。応答関数の詳細については後述する。

標準検出系は、応答関数生成のための実測値収集に用いられるＸ線検出器とデータ収集回路とにより構成されるシステムを指す。物質弁別能を高めるため、標準検出系と本実施形態に係るＸ線検出システム１５とは同一の構造を有すると良い。例えば、標準検出系と本実施形態に係るＸ線検出システム１５とのシンチレータ材料や回路構成、サンプリング速度等の検出器応答特性に影響する全ての因子が同一であることが望ましい。なお、検出器応答特性への影響が軽微であれば、これら因子の一部が異なっていても良い。応答関数生成のための実測値収集に、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置に搭載されたＸ線検出システム１５が用いられても良い。この場合、標準検出系はＸ線検出システム１５を指す。

図１に示すように、再構成回路３３は、ハードウェア資源として、応答関数記憶回路３３１の他に、ＣＰＵやＭＰＵ、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の処理装置（プロセッサ）とＲＯＭやＲＡＭ等の記憶装置（メモリ）とを有しても良い。当該処理装置は、当該記憶装置に保存された再構成プログラムを読み出して実行することで応答関数生成機能３３３、Ｘ線吸収量算出機能３３５、及び再構成処理機能３３７を実現する。

応答関数生成機能３３３の実行により再構成回路３３は、検出器応答特性を表現する応答関数のデータを生成する。例えば、再構成回路３３は、複数の入射Ｘ線エネルギーを有する複数の単色Ｘ線に対する標準検出系の応答（すなわち、検出エネルギー及び検出強度）を予測計算、実験、及び予測計算と実験との組み合わせにより計測し、検出エネルギー及び検出強度の計測値に基づいて応答関数を生成する。また、再構成回路３３は、キャリブレーション等において収集された実測の計測値に基づいて応答関数のデータを生成しても良い。生成された応答関数のデータは、応答関数記憶回路３３１に記憶される。なお、応答関数記憶回路３３１に記憶される応答関数のデータは、必ずしも再構成回路３３により生成される必要はない。他の施設のコンピュータ装置により応答関数のデータが生成されても良い。この場合、当該コンピュータ装置からネットワークを介して本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置に伝送されても良いし、当該応答関数のデータが記憶された可搬記憶媒体から本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置に読み出されても良い。

Ｘ線吸収量算出機能３３５の実行により再構成回路３３は、複数のエネルギー帯域に関するカウントデータ、被検体Ｓへの入射Ｘ線のエネルギースペクトラム、及び応答関数記憶回路３３１に記憶された応答関数に基づいて複数の基底物質各々に関するＸ線吸収量を算出する。再構成回路３３は、応答関数を利用してカウントデータと被検体Ｓへの入射Ｘ線のエネルギースペクトラムとに基づいてＸ線吸収量を算出することにより、Ｘ線検出システム１５の応答特性の影響がないＸ線吸収量を算出することができる。このように基底物質毎にＸ線吸収量を得る処理は物質弁別とも呼ばれている。基底物質としては、カルシウム、石灰化、骨、脂肪、筋肉、空気、臓器、病変部、硬部組織、軟部組織、造影物質等のあらゆる物質に設定可能である。算出対象の基底物質の種類は、予め入力回路３９等を介してユーザ等により決定される。Ｘ線吸収量は、基底物質により吸収されるＸ線量を示す。具体的には、Ｘ線吸収量は、Ｘ線減弱係数とＸ線透過経路長との組み合わせにより規定される。

再構成処理機能３３７の実行により再構成回路３３は、Ｘ線吸収量算出機能３３５により算出された複数の基底物質各々に関するＸ線吸収量に基づいて、当該複数の基底物質のうちの画像化対象の基底物質の空間分布を表現するフォトンカウンティングＣＴ画像を再構成する。画像化対象の基底物質は、１種類でも良いし複数種類でも良い。画像化対象の基底物質は、入力回路３９を介して又は自動的に任意に設定可能である。

なお、応答関数生成機能３３３、Ｘ線吸収量算出機能３３５、及び再構成処理機能３３７は、処理装置が再構成処理プログラムを実行することにより実現されるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、再構成回路３３は、応答関数生成機能３３３のための処理回路、Ｘ線吸収量算出機能３３５のための処理回路、及び再構成処理機能３３７のための処理回路を有しても良い。これら処理回路は、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、ＳＰＬＤにより実現されても良い。

Ｉ／Ｆ回路３５は、コンソール３０と架台１０との間の通信のためのインタフェースである。例えば、Ｉ／Ｆ回路３５は、システム制御回路４３から撮像開始信号や撮像停止信号等を供給する。

表示回路３７は、フォトンカウンティングＣＴ画像等を表示機器に表示する。表示機器としては、例えばＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等が適宜利用可能である。

入力回路３９は、入力機器によるユーザからの各種指令や情報入力を受け付ける。入力機器としては、キーボードやマウス、各種スイッチ等が利用可能である。

主記憶回路４１は、種々の情報を記憶する記憶装置である。例えば、主記憶回路４１は、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ画像の画像発生プログラム等を記憶する。

システム制御回路４３は、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置の中枢として機能する。システム制御回路４３は、本実施形態に係る撮像プログラムを主記憶回路４１から読み出し、当該撮像プログラムに従って各種構成要素を制御する。これにより、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ画像の発生のためのフォトンカウンティングＣＴ撮像が行われる。

次に、本実施形態に係る応答関数について説明する。

一般に、デュアルエナジーＣＴ（Dual energy CT）では、以下の（１）式に従い物質弁別が行われる。

ここで、ＥはＸ線のエネルギーを示す。Ｉ_ｄｅｔ（Ｅ）は、標準検出系が計測したＸ線のエネルギースペクトラムを示す。なお、エネルギースペクトラムとはＸ線強度のエネルギー分布を示す。Ｉ_０（Ｅ）は、被検体Ｓに入射するＸ線のエネルギースペクトラムである。ウェッジフィルタを使う場合、Ｉ_０（Ｅ）は、ウェッジフィルタ透過後に被検体に入射するＸ線のエネルギースペクトラムを示し、ウェッジフィルタを使用しない場合は、Ｘ線管から放出されるＸ線のエネルギースペクトラムを示す。また、μ_０（Ｅ）は基底物質０のＸ線減弱係数を示し、Ｌ_０は基底物質０を透過したＸ線の経路長（透過経路長）を示す。同様に、μ_１（Ｅ）は基底物質１のＸ線減弱係数を示し、Ｌ_１は基底物質１を透過したＸ線の経路長（透過経路長）を示す。μ_０（Ｅ）Ｌ_０は、基底物質０に関するＸ線吸収量を示し、μ_１（Ｅ）Ｌ_１は、基底物質１に関するＸ線吸収量を示す。（１）式中の未知数は、μ_０（Ｅ）Ｌ_０とμ_１（Ｅ）Ｌ_１との２つであり、理論的には方程式が２つあれば解くことができる。そこで、現行のＣＴでは、２つの異なる管電圧に関する２つの異なるデータセットを収集することにより、上記（１）式の解を得ている。なお、データセットとは、Ｉ_ｄｅｔ（Ｅ）とＩ_０（Ｅ）とを表す一揃いのデータを示す。

フォトンカウンティングＣＴにおいてもデュアルエナジーＣＴと同様の考え方により物質弁別が可能である。フォトンカウンティングＣＴにおいては１つの管電圧でデータ収集を行うためカウントデータのセットは１つである。しかし、エネルギー帯を2つに区切ることで、２つのエネルギー帯域に関する２つのカウントデータのセットに基づいて物質弁別をすることが可能となる。この考え方では、２つのカウントデータのセットが独立していることが前提条件となる。エネルギー分解能の優れた直接型検出器では、この条件を満たすことが可能だが、エネルギー分解能の低い間接型検出器では、独立性が低いため、当該前提条件を満たさないことが多い。

（１）式は実際には、理想的なＸ線検出系について成立する式である。現実には、物質弁別は、下記（２）式のように記述できる。

（２）式において右辺はモデル関数と呼ばれている。Ｒ（Ｅ）は検出器応答特性を示す応答関数を表す。｛・｝内は、Ｘ線検出システム１５へ入射する直前のＸ線のエネルギースペクトラムを表す。（２）式は、Ｘ線検出システム１５へ入射する直前のＸ線のエネルギースペクトラムをＸ線検出システム１５の応答関数で畳み込むことで、Ｘ線検出システム１５が測定したＸ線のエネルギースペクトラムが得られる。

ここで、応答関数は単色Ｘ線に対する標準検出系の検出器応答特性を記述する。理想的なＸ線検出器は、入射Ｘ線エネルギーに対応する検出エネルギーのみを有するデルタ関数的な出力信号を発生する。しかし、現実のＸ線検出器の出力信号は、エネルギー分解能のため、デルタ関数的にではなくガウス関数的に分布する。さらに、低エネルギー側に及ぶ成分に起因するガウス関数からのずれや連続成分などの複雑な構造を示すことが多い（G. F. Knoll 「放射線計測ハンドブック第３版」日刊工業新聞社 2001)。さらに、高線量下ではパイルアップやポラリゼーション等により応答関数がさらに変形する。

上記の通り、間接型検出器ではエネルギー分解能が低いため、（１）式において隣接するエネルギー帯域間での独立性が低いことが問題であったが、（２）式のように応答関数を正しく考慮することにより、μ_０（Ｅ）Ｌ_０とμ_１（Ｅ）Ｌ_１とを精度良く推定することが可能となる。

ここで問題となるのがエネルギー帯域の数である。（１）式の考え方では、未知数の数だけエネルギー帯域があれば良く、最低限２つのエネルギー帯域があれば良い。しかし、（２）式で応答関数を考慮するためには多くのエネルギー帯域が必要となる。

図２は、ウェッジフィルタが取り付けられていない場合のＸ線管から発生されるＸ線のエネルギースペクトラムＩ_０（Ｅ）のグラフを示す。図２のグラフの縦軸はカウント数に規定され横軸はエネルギー［ｋｅＶ］に規定される。陽極ターゲット物質はタングステンであり、管電圧は１２０ｋＶである。図２に示すように、Ｘ線管から発生されるＸ線のエネルギースペクトラムは、０ｋｅＶから管電圧に対応する１２０ｋｅＶまで続く連続Ｘ線成分の他、陽極ターゲット物質に起因する特性Ｘ線を含む。

実際のフォトンカウンティングＣＴ撮像においては、Ｘ線管とＸ線検出器との間に被検体Ｓが存在する。そのため、図２に示すエネルギースペクトラムを有するＸ線は、被検体Ｓによる吸収で減衰した後にＸ線検出システム１５で検出され、検出されたＸ線のエネルギースペクトラムはＸ線検出システム１５の応答特性に応じた応答関数で畳み込まれる。

図３は、ＬａＢｒ３をシンチレータとして使用した、単色Ｘ線に対する標準検出系の出力を示す。図３の縦軸は強度［Ａ．Ｕ．］に規定され、横軸はエネルギー［ｋｅＶ］に規定される。ＬａＢｒ３では、Ｘ線に主として反応するのがランタンＬａであり、ランタンのＫ吸収端は３８．９ｋｅＶである。図３は、３０ｋｅＶの単色Ｘ線に対する標準検出系の出力を示す。この場合、標準検出系に入射した単色Ｘ線のエネルギー（３０ｋｅＶ）がランタンのＫ吸収端のエネルギー（３８．９ｋｅＶ）より下であるので、標準検出系の出力は、３０ｋｅＶに対応するエネルギーを中心に分布するピークを有する。入射単色Ｘ線のエネルギーに対応するピークをメインピークと呼ぶ。メインピークのエネルギー幅は、当該メインピークのエネルギーに関する標準検出系のエネルギー分解能を表す。

図４は、ＬａＢｒ３をシンチレータとして使用した、他の単色Ｘ線に対する標準検出系の出力を示す。図４は、５０ｋｅＶの単色Ｘ線に対する標準検出系の出力を示す。この場合、標準検出系に入射した単色Ｘ線のエネルギー（５０ｋｅＶ）がランタンのＫ吸収端のエネルギー（３８．９ｋｅＶ）より上であるので、標準検出系の出力は、５０ｋｅＶに対応するエネルギーを中心に分布するメインピークの他に、１７ｋｅＶ付近にもピークがある。当該ピークはエスケープピークと呼ばれている。標準検出系に入射した単色Ｘ線のエネルギーがランタンのＫ吸収端のエネルギーより上の場合、Ｘ線を吸収（光電吸収）して励起状態となったランタンが、励起状態から基底状態に遷移する際にランタンのＫ特性Ｘ線を放出することが多い。Ｋ特性Ｘ線が当該シンチレータで吸収されずに脱出（エスケープ）した場合、入射Ｘ線エネルギーからＫ特性Ｘ線のエネルギー（約３３ｋｅＶ）だけ差し引いたエネルギー（約１７ｋｅＶ）が当該シンチレータに吸収されることとなる。エスケープピークは、入射Ｘ線エネルギーとＫ特性Ｘ線のエネルギー（約３３ｋｅＶ）との差分に相当するエネルギー（約１７ｋｅＶ）に対応するピークである。

図５は、本実施形態に係る応答関数を図式的に示す図である。本実施形態に係る応答関数は、例えば、入射Ｘ線エネルギー［ｋｅＶ］と検出エネルギー［ｋｅＶ］と検出強度［Ａ．Ｕ．］とを変数とする関数で規定される。図５のグラフは、縦軸（Ｙ軸）が入射Ｘ線エネルギーに規定され横軸（Ｘ軸）が検出エネルギーに規定された直交座標系に、検出強度が割り当てられている。図５において検出強度は濃淡で表されている。

換言すれば、本実施形態に係る応答関数は、複数の入射Ｘ線エネルギーの各々に対する検出エネルギーと検出強度との関係を規定する。例えば、ある入射Ｘ線エネルギーに対する検出器応答特性を示す応答関数は、当該入射Ｘ線エネルギーでの図５のグラフの横断面により表現される。図５に示すように、Ｙ＝Ｘに対応する点にメインピークがみられる。点線はランタンのＫ吸収端のエネルギーに対応し、このランタンのＫ吸収端のエネルギーよりも高い入射Ｘ線エネルギーにおいてメインピークの低検出エネルギー側に一定間隔でエスケープピークがみられる。メインピークとエスケープピークとの検出エネルギーの差分が、ランタンのＫ特性Ｘ線のエネルギーに相当する検出エネルギーに対応する。さらに、他のシンチレータで発生したランタンのＫ特性Ｘ線を当該シンチレータで吸収したＫ特性Ｘ線のピークがみられる。Ｋ特性Ｘ線のエネルギーは、一定のため、入射Ｘ線エネルギーに依らず略同一の検出エネルギー、すなわち、Ｙ軸に平行にみられる。このように本実施形態に係る応答関数は、入射Ｘ線エネルギーに対応するメインピーク、当該入射Ｘ線エネルギーからシンチレータ材料のＫ特性Ｘ線のエネルギーに対応するエスケープピーク、及びシンチレータ材料のＫ特性Ｘ線のエネルギーに対応するピークを反映する。

本実施形態に係る応答関数生成機能３３３において再構成回路３３は、複数の入射Ｘ線エネルギーを有する複数の単色Ｘ線に対する標準検出系の応答を予測計算、実験、及び予測計算と実験との組み合わせにより計測し、計測されたデータに基づいて応答関数を生成する。具体的には、Ｘ線源からＸ線検出器に単色Ｘ線が照射され、当該単色Ｘ線がＸ線検出器により検出される。Ｘ線検出器の検出エネルギーと検出強度とは既存の測定装置により測定される。単色Ｘ線は、応答関数に必要なエネルギー範囲の下限エネルギーから上限エネルギーまで順番に照射される。応答関数生成機能３３３において再構成回路３３は、測定された検出エネルギーと検出強度とを、照射した単色Ｘ線の入射Ｘ線エネルギー毎に記録する。なお、フォトンカウンティングＣＴ撮像においてウェッジフィルタが使用される場合、当該ウェッジフィルタ透過後の単色Ｘ線が標準検出系により検出されると良い。この場合、応答関数生成機能３３３において再構成回路３３は、ウェッジフィルタ透過後の単色Ｘ線に対するＸ線検出器の検出エネルギーと検出強度とを入射Ｘ線毎に記録する。入射Ｘ線毎の検出エネルギーと検出強度との記録が応答関数として生成される。なお、応答関数は、予測計算により応答関数の数学モデルが構築され、当該数学モデルを放射光など高強度の単色Ｘ線が得られる施設での実験値に基づいて修正しても良い。

Ｘ線検出器から出力されるＸ線のエネルギースペクトラムは、図２に示すエネルギースペクトラムを（２）式に従い被検体吸収で減衰し、被検体吸収を受けたＸ線のエネルギースペクトラムを図４に示す応答関数で畳み込んだ形状を有する。この被検体吸収を受けたＸ線のエネルギースペクトラムは、（２）式のモデル関数により表現される。

図６は、実測のカウントデータが示すエネルギースペクトラムとモデル関数が示すエネルギースペクトラムとを比較する図である。図６の上欄の縦軸は検出強度（カウント数）に規定され、横軸はエネルギーを示す。縦軸と横軸とは対数で表記されている。図６において０ｋｅＶから２００ｋｅＶまでの範囲を１２８個のエネルギー帯域で区分されている。各エネルギー帯域の幅は同一に設定されている。上欄のグラフにおいて実測のカウントデータは十字印で示されており、モデル関数は実線で示されている。下欄は、実測のカウントデータが示すエネルギースペクトラムとモデル関数が示すエネルギースペクトラムとの差分（残差）を示すグラフである。データ収集は、管電圧１２０ｋＶ、ウェッジフィルタなし、被検体なし（エア）で行われた。図６に示すように、モデル関数は全体的に実測のカウントデータを再現することが出来ていることが判る。実際には、被検体が入ることで、さらに吸収構造が現れるが、同様に、被検体吸収を（２）式に従って、幾つかの基底物質を仮定することで、モデル関数として取り込むことが可能となる。

但し、図６からも明らかだが、応答関数を畳み込むことで基底物質を定量的に評価する場合、単純に未知数の数と同じ数のデータセット、すなわち、エネルギー帯域しか有しない場合、（２）式を満たす吸収物質の解が複数セット得られ、物質と吸収量とを同定することは出来ない。（２）式に従って解を得るには、図６のように最低１６以上、できれば５０以上のエネルギー帯域があるのが望ましい。

この解析のスキームであれば、（２）式から基底物質の数を３つに拡張した以下の（３）式のような形式でも対応することが可能となる。

さらに、従来のデュアルエナジーＣＴでは、基底物質のＫ吸収端を考慮することが出来なかったが、本実施形態に係る画像再構成方法であれば、モデル関数にＫ吸収端を取り入れることで、簡単にＫ吸収端構造を再現できる。よって、検出エネルギー範囲内にＫ吸収端を有する物質を積極的に使うことにより、本実施形態に係る画像再構成方法は、Ｋエッジイメージングの手法にも適用することができ、デュアルエナジーＣＴでは実現できなかった高コントラストイメージングを可能とする。

以下、多くのエネルギー帯を設定可能なデータ収集回路１５３の構造について説明する。

図７は、本実施形態に係るデータ収集回路１５３−１の一構成例を示す図である。なお、データ収集回路１５３−１は、Ｘ線検出素子の個数に応じたチャンネル数分の読出しチャンネルを装備している。これら複数の読出しチャンネルは、ＡＳＩＣ等の集積回路に並列的に実装されている。図７は、冗長を避けるため、１読出しチャンネル分のデータ収集回路１５３−１の構成のみを示している。

図７に示すデータ収集回路１５３−１は、前置増幅回路６１、波形整形回路６３、複数の波高弁別回路６５、複数の計数回路６７、及び出力回路６９を有している。

前置増幅回路６１は、接続先のＸ線検出素子からの電流信号を増幅する。具体的には、前置増幅回路６１は、接続先のＸ線検出素子からの電流信号を、当該電流信号の電荷量に比例した電圧値（波高値）を有する電圧信号に変換する。前置増幅回路６１には波形整形回路６３が接続されている。波形整形回路６３は、前置増幅回路６１からの電圧信号の波形を成形する。具体的には、波形整形回路６３は、前置増幅回路６１からの電圧信号のパルス幅を縮小する。

波形整形回路６３にはエネルギー帯域の数に対応する複数の計数チャネルが接続されている。ｎ個のエネルギー帯域が設定されている場合、ｎ個の計数チャネルが設けられる。具体的には、上記の通り、ｎは、１６以上であることが望ましい。各計数チャネルは、波高弁別回路６５−ｎと計数回路６７−ｎとを有する。

各波高弁別回路６５−ｎは、波形整形回路６３からの電圧信号の波高値、すなわち、Ｘ線検出素子により検出されたＸ線フォトンのエネルギーを弁別する。具体的には、波高弁別回路６５−ｎは、Ｄ／Ａ変換回路（ＤＡＣ）６５１−ｎと比較回路６５３−ｎとを有している。ＤＡＣ６５１−ｎは、図示しない架台制御回路２１からのエネルギー閾値に対応するデータ値を有するデジタル信号（以下、デジタル閾値信号と呼ぶ）を入力する。ＤＡＣ６５１−ｎは、入力されたデジタル閾値信号を、当該デジタル閾値信号のデータ値（エネルギー閾値）に対応する波高値を有するアナログの電気信号（以下、アナログ閾値信号）に変換する。各ＤＡＣ６５１−ｎには異なる閾値に対応するデジタル閾値信号が、例えば、架台制御回路２１から供給される。比較回路６５３−ｎは、波形整形回路６３からの電圧信号が、ＤＡＣ６５１−ｎからのアナログ閾値信号の波高値（エネルギー閾値）に対応するエネルギー帯域に対応する波高値を有している場合、電気パルス信号を出力する。例えば、エネルギー帯域ｂｉｎ１のための比較回路６５３−１は、波形整形回路６３からの電気パルスの波高値がエネルギー帯域ｂｉｎ１に対応する波高値である場合、電気パルス信号を出力する。一方、エネルギー帯域ｂｉｎ１のための比較回路６５３−１は、波形整形回路６３からの電気パルスの波高値がエネルギー帯域ｂｉｎ１に対応する波高値でない場合、電気パルス信号を出力しない。

計数回路６７−ｎは、ビューの切替周期に一致する読出し周期で、波高弁別回路６５−ｎからの電気パルス信号を計数する。具体的には、計数回路６７−ｎには、架台制御回路２１から、各ビューの切替タイミングにトリガ信号が供給される。トリガ信号が供給されたことを契機として計数回路６７−ｎは、波高弁別回路６５−ｎから電気パルス信号が入力される毎に、内部メモリに記憶されているカウント数に１を加算する。次のトリガ信号が供給されたことを契機として計数回路６７−ｎは、内部メモリに蓄積されたカウント数のデータ（すなわち、カウントデータ）を読み出し、出力回路６９に供給する。また、計数回路６７−ｎは、トリガ信号が供給される毎に内部メモリに蓄積されているカウント数を初期値に再設定する。このようにして計数回路６７−ｎは、ビュー毎にカウント数を計数する。

出力回路６９は、Ｘ線検出器１５１に搭載されている複数の読出しチャンネル分の計数回路６７−ｎに接続されている。出力回路６９は、複数のエネルギー帯域各々について、複数の読出しチャンネル分の計数回路６７−ｎからのカウントデータを統合してビュー毎の複数の読出しチャンネル分のカウントデータを発生する。各エネルギー帯域のカウントデータは、チャンネルとセグメント（列）とエネルギー帯域とにより規定されるカウント数のデータの集合である。各エネルギー帯域のカウントデータは、ビュー単位でコンソール３０に伝送される。ビュー単位のカウントデータをカウントデータセットと呼ぶ。

このように、図７に示すデータ収集回路１５３−１は、アナログの波高弁別回路６５−ｎと計数回路６７−ｎとを装備しており、従来のデータ収集回路のコンポーネントと同一である。図７に示すデータ収集回路１５３−１は、従来のデータ収集回路よりも計数チャンネル数が拡張されているが、個々のコンポーネントは実績がある。実装面積と電力とが計数チャンネル数に比例して増大するが実現は可能である。

図８は、本実施形態に係るデータ収集回路１５３−２の他の構成例を示す図である。なお、図８に示すデータ収集回路１５３−２も、図７に示すデータ収集回路１５３−１と同様に、Ｘ線検出素子の個数に応じたチャンネル数分の読出しチャンネルを装備している。これら複数の読出しチャンネルは、ＡＳＩＣ等の集積回路に並列的に実装されている。図８は、冗長を避けるため、１読出しチャンネル分のデータ収集回路１５３−２の構成のみを示している。

図８に示すデータ収集回路１５３−２は、前置増幅回路７１、可変利得増幅回路７３、緩衝増幅回路７５、Ａ／Ｄ変換回路（以下、ＡＤＣ）７７、デジタルフィルタ回路７９、統合計数回路８１、及び出力回路８３を有している。

前置増幅回路７１は、接続先のＸ線検出素子からの電流信号を増幅する。具体的には、前置増幅回路７１は、接続先のＸ線検出素子からの電流信号の電荷量に比例した電圧値（波高値）を有する電圧信号に変換する。前置増幅回路７１には可変利得増幅回路７３が接続されている。可変利得増幅回路７３は、前置増幅回路７１からの電圧信号を可変の利得で増幅する。可変利得増幅回路７３の利得は、例えば、入力回路３９によりユーザにより任意の値に設定可能である。可変利得増幅回路７３には緩衝増幅回路７５が接続されている。緩衝増幅回路７５は、可変利得増幅回路７３からの電圧信号を、後段のＡＤＣ７７による周波数の変動を抑制するための利得で増幅する。緩衝増幅回路７５にはＡＤＣ７７が接続されている。

ＡＤＣ７７は、緩衝増幅回路７５からの電圧信号を所定のビット数でサンプリングして、緩衝増幅回路７５からの電圧信号の波高値に対応するデータ値を有する時系列の離散的なデジタル信号に変換する。ＡＤＣ７７にはデジタルフィルタ回路７９が接続されている。デジタルフィルタ回路７９は、ＡＤＣ７７からのデジタル信号を解析してＸ線フォトンの到来時刻と当該Ｘ線フォトンのエネルギーとを特定する。Ｘ線フォトンの到来時刻はピークを記録した時刻に対応し、Ｘ線フォトンのエネルギーはピークのデータ値に対応する。以下、Ｘ線フォトンの到来時刻と当該Ｘ線フォトンのエネルギーとを示すデジタル信号をエネルギー信号と呼ぶことにする。デジタルフィルタ回路７９には統合計数回路８１が接続されている。

統合計数回路８１は、エネルギー帯域の個数ｎに一致する個数の計数チャネルを有している。各計数チャネルは、弁別回路８１１−ｎと計数回路８１３−ｎとを有している。複数の弁別回路８１１−ｎは、デジタルフィルタ回路７９から繰り返し供給されるエネルギー信号に基づいて、当該エネルギー信号に対応するＸ線フォトンが属するエネルギー帯域を弁別する。各弁別回路８１１−ｎには異なるエネルギー閾値が割り当てられ、各弁別回路８１１−ｎは、繰り返し供給されるエネルギー信号にエネルギー閾値を基準とする閾値処理を施し、当該エネルギー閾値に対応するエネルギー帯域に属するエネルギー信号を通過させ、当該エネルギー閾値に対応しないエネルギー帯域に属するエネルギー信号を遮断する。各計数回路８１３−ｎは、接続元の弁別回路８１１−ｎから供給されたエネルギー信号を計数する。複数の計数回路８１３−ｎは、ビューの切替周期に一致する読出し周期で、弁別回路８１１−ｎからのエネルギー信号を計数する。具体的には、計数回路８１３−ｎには、架台制御回路２１から、各ビューの切替タイミングにトリガ信号が供給される。トリガ信号が供給されたことを契機として計数回路８１３−ｎは、弁別回路８１１−ｎからエネルギー信号が入力される毎に、内部メモリに記憶されているカウント数に１を加算する。次のトリガ信号が供給されたことを契機として計数回路８１３−ｎは、内部メモリに蓄積されたカウント数のデータ（すなわち、カウントデータ）を読み出し、出力回路８３に供給する。また、計数回路８１３−ｎは、トリガ信号が供給される毎に内部メモリに蓄積されているカウント数を初期値に再設定する。このようにして計数回路８１３−ｎは、ビュー毎にカウント数を計数する。

出力回路８３は、Ｘ線検出器１５１に搭載されている複数の読出しチャンネル分の統合計数回路８１に接続されている。出力回路８３は、複数のエネルギー帯域各々について、複数の読出しチャンネル分の統合計数回路８１からのカウントデータを統合してビュー毎の複数の読出しチャンネル分のカウントデータを発生する。各エネルギー帯域のカウントデータは、チャンネルとセグメント（列）とエネルギー帯域とにより規定されるカウント数のデータの集合である。各エネルギー帯域のカウントデータは、ビュー単位でコンソール３０に伝送される。ビュー単位のカウントデータをカウントデータセットと呼ぶ。

このように、図８に示すデータ収集回路１５３−２は、ＡＳＩＣ内にＡＤＣ７７を実装し、ＡＤＣ７７の出力をデジタルフィルタ回路７９で信号処理し、デジタルフィルタ回路７９の出力を、エネルギースペクトラムを表すカウントデータとして出力する。ＣＴで要求されるＸ線強度は、ウェッジフィルタ透過後で3-600×10⁶ ph/s/mm2と高い（“Enabling Photon Counting Clinical X-ray CT”, K. Taguchi, et al. 2009 IEEE Proc. Nucl. Sci. 3581-3585）。図８に示すデータ収集回路１５３−２の場合、ＡＤＣ７７のサンプリング速度としては、１００ＭＳＰＳ（Sampling Per Second）以上が要求されるため、発熱や実装面積など、図７に示す構成と同様に懸念されるが、１ＧＳＰＳ以上のＡＤＣも市販されており、実現性は高い。

次に、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ撮像の動作例を説明する。図９は、システム制御回路４３の制御のもとに行われるフォトンカウンティングＣＴ撮像の典型的な流れを示す図である。

図９に示すように、システム制御回路４３は、被検体ＳにフォトンカウンティングＣＴ撮像を施して複数のエネルギー帯域に関するカウントデータを収集するために架台制御回路２１を制御する（ステップＳ１）。ステップＳ１において架台制御回路２１は、被検体Ｓを対象としたフォトンカウンティングＣＴ撮像を実行するためにＸ線発生システム１３、Ｘ線検出システム１５、及び回転駆動装置１９を制御する。回転駆動装置１９は、架台制御回路２１による制御に従う一定の角速度で回転する。Ｘ線発生システム１３の高電圧発生器１３３は、架台制御回路２１による制御に従って、設定管電圧値に対応する高電圧をＸ線管１３１に印加し、フィラメント電流をＸ線管１３１に供給する。Ｘ線検出システム１５のデータ収集回路１５３は、架台制御回路２１による制御に従って、ビューの切替に同期してカウントデータセットをビュー毎に収集する。カウントデータセットは、図示しない伝送装置により架台からコンソールに伝送される。カウントデータセットは、複数のＸ線検出素子の各々について、エネルギー帯域のエネルギー値とセグメント番号とチャンネル番号とが割り当てられたデータの集合である。換言すれば、カウントデータセットは、各Ｘ線検出素子毎のカウント数のエネルギー分布を示す。

ステップＳ１が行われるとシステム制御回路４３は、再構成回路３３にＸ線吸収量算出機能３３５を実行させる（ステップＳ２）。ステップＳ２において再構成回路３３は、ステップＳ１において収集されたカウントデータセット、被検体Ｓへの入射Ｘ線のエネルギースペクトラム、及び応答関数記憶回路３３１に記憶された応答関数に基づいて検出器応答特性の影響がない複数の基底物質各々に関するＸ線吸収量を算出する。各基底物質に関するＸ線吸収量の算出処理は物質弁別とも呼ばれている。

具体的には、再構成回路３３は、まず、応答関数記憶回路３３１から応答関数のデータを読み出す。次に再構成回路３３は、モデル関数に含まれる基底物質各々に関するＸ線吸収量を変えながらカウントデータセットとモデル関数との差分を算出し、算出された差分が閾値未満となるような基底物質各々に関する最終的なＸ線吸収量を決定する。この際、再構成回路３３は、複数のエネルギー帯域の全てについて同時に当該差分が閾値未満となるような最終的なＸ線吸収量を決定する。上述のように、モデル関数は、被検体Ｓへの入射Ｘ線のエネルギースペクトラムとＸ線吸収量を冪指数とするネイピア数ｅの冪乗との積算値に対する応答関数での畳み込みにより規定される。被検体Ｓへの入射Ｘ線のエネルギースペクトラムは、例えば、キャリブレーション時においてＸ線検出システム１５により測定されており、応答関数記憶回路３３１又は主記憶回路４１等に記憶されている。閾値εは予め任意の値に決定されている。例えば、基底物質が基底物質０と基底物質１との２種類の場合、以下の手順により最終的なＸ線吸収量が再構成回路３３によりビュー毎に決定される。

まず、ユーザによる入力回路３９を介した指示に従って又は自動的に、基底物質０に関するＸ線減弱係数の初期値μ_０１及び透過経路長の初期値Ｌ_０１と基底物質１に関するＸ線減弱係数の初期値μ_１１及び透過経路長の初期値Ｌ_１１とが設定される。Ｘ線減弱係数の初期値μ_０１、透過経路長の初期値Ｌ_０１、Ｘ線減弱係数の初期値μ_１１、及び透過経路長の初期値Ｌ_１１は、実験的又は統計的知識に基づいて予め設定されている。そして以下の（４）式に示すように、再構成回路３３は、カウントデータセットＩ_ｄｅｔ（Ｅ）と初期のモデル関数Ｍ_０（Ｅ）との差分（（４）式の左辺）を算出し、当該差分と閾値εとの値を比較する。

（４）式に示すように、再構成回路３３は、当該差分と閾値εとの比較を全てのエネルギー帯域ｉについて行う。複数のエネルギー帯域の全てについて差分が閾値εよりも小さいと判定された場合、基底物質０に関するＸ線減弱係数の初期値μ_０１及び透過経路長の初期値Ｌ_０１と基底物質１に関するＸ線減弱係数の初期値μ_１１及び透過経路長の初期値Ｌ_１１とが最終的な値に決定される。最終的なＸ線減弱係数と透過経路長とは、基底物質毎にカウントデータ記憶回路３１に記憶される。

一方、複数のエネルギー帯域の少なくとも１つについて差分が閾値εよりも大きいと判定された場合、基底物質０に関するＸ線減弱係数及び透過経路長と基底物質１に関するＸ線減弱係数及び透過経路長とが変更される。Ｘ線減弱係数及び透過経路長の変更方法は既存の方法によって行われれば良い。そして、以下の（５）式に示すように、カウントデータセットとｎ回目の反復後のモデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）との差分（（５）式の左辺）を算出し、当該差分と閾値εとの値を比較する。なお、以下の（５）式においてｎはｎ回目の反復数を示す。なお初回はｎ＝０であるとする。

このようにして、複数のエネルギー帯域の全てについてカウントデータセットとモデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）との差分（（５）式の左辺）が閾値εを下回るまで、カウントデータセットとモデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）との差分が反復して算出される。

そして、複数のエネルギー帯域の全てについてカウントデータセットとモデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）との差分が閾値εを下回ると判定された場合、当該モデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）に含まれる基底物質０に関するＸ線減弱係数μ_０ｎ及び透過経路長Ｌ_０ｎと基底物質１に関するＸ線減弱係数μ_１ｎ及び透過経路長Ｌ_１ｎとが最終的な値に決定される。最終的なＸ線減弱係数と透過経路長とは、基底物質毎にカウントデータ記憶回路３１に記憶される。

なお、上記の基底物質に関するＸ線減弱係数と透過経路長との算出方法は、一例に過ぎず、基底物質に関するＸ線減弱係数と透過経路長とは、如何なる算術方法により算出されても良い。例えば、カウントデータの応答関数での逆畳み込みと、入射Ｘ線エネルギースペクトラムとＸ線吸収量を冪指数とするネイピア数の冪乗との積算値の差分を閾値と比較しても良い。

また、上記の方法においては、閾値εは予め設定され、カウントデータセットとモデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）との差分が閾値εを下回るときのモデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）が最終的なモデル関数に決定されるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、カウントデータセットとモデル関数Ｍ_ｎ（Ｅ）との差分が複数回数ｍだけ計算され、ｍ個のモデル関数Ｍ_ｍ（Ｅ）のうちの差分が局所的最小値（local minimum）のときのモデル関数Ｍ（Ｅ）が最終的なモデル関数に決定されると良い。

また、複数のエネルギー帯域の全てについて同時にカウントデータセットとモデル関数との差分が閾値ε未満となるようなＸ線吸収量が最終的なＸ線吸収量として決定されるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、複数のエネルギー帯域のうちの所定数のエネルギー帯域について当該差分が閾値ε未満となるようなＸ線吸収量が最終的なＸ線吸収量として決定されても良い。

ステップＳ２が行われるとシステム制御回路４３は、再構成回路３３に再構成処理を行わせる（ステップＳ３）。ステップＳ３において再構成回路３３は、ステップＳ２において算出された複数の基底物質各々のＸ線吸収量に基づいて、被検体Ｓに含まれる当該基底物質の空間分布を表現するフォトンカウンティングＣＴ画像を再構成する。再構成に用いる基底物質の種類は、ステップＳ２においてＸ線吸収量が算出された複数の基底物質の中から任意に選択可能である。例えば、基底物質０に関するＸ線吸収量に基づいて再構成されたフォトンカウンティングＣＴ画像は、基底物質０の空間分布を示し、基底物質１に関するＸ線吸収量に基づいて再構成されたフォトンカウンティングＣＴ画像は、基底物質１の空間分布を示す。なお、画像再構成アルゴリズムとしては、ＦＢＰ（filtered back projection）法やＣＢＰ（convolution back projection）法等に基づく解析学的画像再構成法や、ＭＬ−ＥＭ（maximum likelihood expectation maximization）法やＯＳ−ＥＭ（ordered subset expectation maximization）法、ＯＳ−ＳＡＲＴ（ordered subset simultaneous algebraic reconstruction techniques）法等に基づく統計学的画像再構成法等の既存の画像再構成アルゴリズムが用いられれば良い。また、画像再構成アルゴリズムにＫエッジイメージングの手法が組み込まれても良い。Ｋエッジイメージングは、端的には、画像化対象物質のＫ吸収端が属するエネルギー帯域を挟む両側のエネルギー帯域に関するカウントデータに基づいて、当該画像化対象物質の空間分布を表現するフォトンカウンティングＣＴ画像を再構成する手法である。

ステップＳ３が行われるとシステム制御回路４３は、表示回路３７に表示処理を行わせる（ステップＳ４）。ステップＳ４において表示回路３７は、ステップＳ３において再構成されたフォトンカウンティングＣＴ画像を表示する。

以上により、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ撮像の動作例の説明を終了する。

上記の説明の通り、本実施形態に係るフォトンカウンティングＣＴ装置は、Ｘ線発生システム１３、Ｘ線検出システム１５、応答関数記憶回路３３１、及び再構成回路３３を有する。Ｘ線発生システム１３は、Ｘ線を発生する。Ｘ線検出システム１５は、Ｘ線発生システム１３から発生され被検体Ｓを透過したＸ線を検出するＸ線検出器１５１と、Ｘ線検出器１５１からの出力信号に基づいて検出されたＸ線のカウント数に関するカウントデータを複数のエネルギー帯域について収集するデータ収集回路１５３と、を有する。応答関数記憶回路３３１は、Ｘ線検出システム１５への入射Ｘ線と検出器応答特性とを対応付ける応答関数のデータを記憶する。Ｘ線吸収量算出機能３３５の実行により再構成回路３３は、複数のエネルギー帯域に関するカウントデータ、Ｘ線発生システム１３により発生された入射Ｘ線のエネルギースペクトラム、及び応答関数記憶回路３３１から読み出された応答関数に基づいて複数の基底物質各々のＸ線吸収量を算出する。

このように、本実施形態においては、各基底物質のＸ線吸収量がＸ線検出システムの応答特性を示す応答関数を考慮して決定される。よって、決定されたＸ線吸収量は当該応答特性の影響を受けず、当該応答特性を考慮しないで算出されたＸ線吸収量に比して精度が向上する。また、本実施形態に関する応答関数は、メインピークだけでなくエスケープピークやシンチレータ材料のＫ特性Ｘ線のエネルギーをも反映している。これにより、基底物質のＸ線吸収量をより高精度に算出することができる。従って、当該Ｘ線吸収量に基づいて再構成されるフォトンカウンティングＣＴ画像の精度も向上する。

かくして本実施形態によれば、エネルギー分解能が低い検出器であっても高精度に物質弁別することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…架台、１１…回転フレーム、１３…Ｘ線発生システム、１５…Ｘ線検出システム、１７…天板、１９…回転駆動装置、２１…架台制御回路、３０…コンソール、３１…カウントデータ記憶回路、３３…再構成回路、３５…Ｉ／Ｆ回路、３７…表示回路、３９…入力回路、４１…主記憶回路、４３…システム制御回路、３３１…応答関数記憶回路、３３３…応答関数生成機能、３３５…Ｘ線吸収量算出機能、３３７…再構成処理機能。

Claims (17)

1. Ｘ線を発生するＸ線管と、
   前記Ｘ線管から発生され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
   前記Ｘ線検出器からの出力信号に基づいて前記検出されたＸ線のカウント数に関するカウントデータを複数のエネルギー帯域について収集するデータ収集回路と、
   前記Ｘ線検出器への入射Ｘ線と、前記Ｘ線検出器と前記データ収集回路とを含むシステムの応答特性とを対応付ける応答関数のデータを記憶する記憶部と、
   前記データ収集回路が収集した前記複数のエネルギー帯域に関する前記カウントデータ、前記Ｘ線管より発生した入射Ｘ線のエネルギースペクトラム、及び前記記憶部から読み出された応答関数に基づいて、複数の基底物質各々のＸ線吸収量を算出する再構成部と、
   を具備するフォトンカウンティング装置。
2. 前記再構成部は、前記複数の基底物質各々のＸ線吸収量に基づいて画像を再構成する、請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
3. 前記再構成部は、前記モデル関数に含まれる前記複数の基底物質各々のＸ線吸収量を変えながら前記カウントデータと被検体吸収を受けたＸ線のエネルギースペクトラムを示すモデル関数との差分を算出し、前記差分が所定値未満となるような前記複数の基底物質の最終的なＸ線吸収量を決定する、請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
4. 前記モデル関数は、前記Ｘ線管から発生された入射Ｘ線のエネルギースペクトラムとＸ線吸収量を冪指数とするネイピア数の冪乗との積算値に対する前記応答関数での畳み込みにより規定される、請求項３記載のフォトンカウンティング装置。
5. 前記複数の基底物質各々のＸ線吸収量は、前記複数の基底物質各々のＸ線減弱係数と透過経路長との積により規定される、請求項３記載のフォトンカウンティング装置。
6. 前記再構成部は、前記複数のエネルギー帯域の全てについて同時に前記差分が前記所定値未満となるような前記最終的なＸ線吸収量を決定する、請求項３記載のフォトンカウンティング装置。
7. 前記再構成部は、ビュー毎に前記最終的なＸ線吸収量を決定する、請求項３記載のフォトンカウンティング装置。
8. 前記Ｘ線管から発生されたＸ線を減弱するためのＸ線フィルタをさらに備え、
   前記Ｘ線管から発生された入射Ｘ線のエネルギースペクトラムは、前記Ｘ線フィルタを透過して前記被検体に入射するＸ線のエネルギースペクトラムである、
   請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
9. 前記応答関数は、Ｘ線のエネルギー毎に検出エネルギーと出力応答との関係を規定する、請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
10. 前記応答関数は、前記Ｘ線管から発生されるＸ線のエネルギーに対応するメインピークを反映する、請求項９記載のフォトンカウンティング装置。
11. 前記応答関数は、前記メインピーク、前記Ｘ線管に収容される陽極ターゲット物質に起因する特性Ｘ線、前記Ｘ線管から発生されるＸ線のエネルギーから前記特性Ｘ線のエネルギーだけ低いエネルギーに対応するエスケープピークを反映する、請求項１０記載のフォトンカウンティング装置。
12. 前記応答関数は、複数のエネルギーを有する複数の単色Ｘ線毎のＸ線検出器の出力に基づいて予め生成される、請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
13. 前記複数のエネルギー帯域は、１６以上のエネルギー帯域を有し、
    前記データ収集回路は、前記１６以上のエネルギー帯域について前記カウントデータを収集することが可能に構成される、
    請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
14. 前記データ収集回路は、
    前記Ｘ線検出器からのアナログの出力信号を前記Ｘ線検出器からのアナログの出力信号の波高値に基づいて前記複数のエネルギー帯域に弁別する弁別回路と、
    前記弁別回路からの出力信号に基づいて前記複数のエネルギー帯域について前記カウントデータを生成する計数回路と、を有する、
    請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
15. 前記データ収集回路は、
    前記Ｘ線検出器からのアナログの出力信号をデジタル信号に変換する変換回路と、
    前記変換回路からのデジタル信号を前記変換回路からのデジタル信号のデータ値に基づいて前記複数のエネルギー帯域に弁別する弁別回路と、
    前記弁別回路からの出力信号に基づいて前記複数のエネルギー帯域について前記カウントデータを生成する計数回路と、を有する、
    請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
16. 前記Ｘ線検出器は、Ｘ線を蛍光に変換する蛍光体と、前記蛍光を出力信号に変換する光検出器とを有する、請求項１記載のフォトンカウンティング装置。
17. 前記Ｘ線検出器は、Ｘ線を電子・正孔対に変換する半導体と前記半導体の両端に設けられ前記電子・正孔対を出力信号に変換する電極とを有する、請求項１記載のフォトンカウンティング装置。