JP2016131884A - Ｘ線ｃｔ装置、光子計数型検出装置及び二重積層光子計数型検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的にＸ線を検出することのできるＸ線ＣＴ装置、光子計数型検出装置及び二重積層光子計数型検出器を提供すること。【解決手段】実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線を照射するＸ線源と、Ｘ線源から照射されるＸ線を検出する複数の光子計数型検出器（Photon-Counting Detector：ＰＣＤ）とを備える。複数の光子計数型検出器のそれぞれは、第１の組のエネルギービンを用いてＸ線源から照射されたＸ線を検出する第１の検出材を有する第１の光子計数型検出器と、前記第１の光子計数型検出器より前記Ｘ線源から遠くに配置され、第２の組のエネルギービンを用いて、前記Ｘ線源から照射され、前記第１の検出材を通過したＸ線を検出する第２の検出材を有する第２の光子計数型検出器とを備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線ＣＴ装置、光子計数型検出装置及び二重積層光子計数型検出器に関する。

多くのＸ線ビームは、一般的に様々なエネルギースペクトルを含む（多色）Ｘ線ビームである。しかし、第３世代のＸ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置は各検出器のエネルギー積分特性に従ったデータに基づいて画像を生成する。これらの従来の検出器はエネルギー積分型検出器と呼ばれ、エネルギースペクトルの書くスペクトルをエネルギー積分し積分値（エネルギー積分特性）を検出信号として収集する。一方、光子計数型検出器（ＰＣＤ（Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ））は、エネルギー積分特性ではなく、Ｘ線ビームの各エネルギースペクトル（スペクトル特性）を収集するように構成される。透過Ｘ線データのスペクトル特性を得るために、ＰＣＤはＸ線ビームをその成分エネルギーまたはスペクトルビンに分割し、ビンのそれぞれにおける光子の数を計数する。多くの場合、Ｘ線ビームのスペクトル特性を検出するＣＴをスペクトルＣＴと呼ぶ。スペクトルＣＴは２つ以上のエネルギースペクトルで透過されたＸ線の検出を伴うので、スペクトルＣＴは一般に、本質的に二以上のエネルギーにおけるＣＴを含む。

スペクトルＣＴには、追加的な臨床情報が含まれるので、従来のＣＴに比べ有利である。例えば、スペクトルＣＴは組織間の識別、カルシウムを含有する組織とヨウ素を含有する組織の間の識別、および微細な血管の検出の向上を容易にする。特に、スペクトルＣＴはビームハードニングアーチファクトを低減し、スキャナの種類に関係なくＣＴ値の正確性を向上させる。

従来、スペクトルＣＴの実施においてエネルギーレベルの異なる複数の積分検出器を使用するものがある。また、２つのエネルギーレベルの異なる線源と、互いに所定の角度でガントリ上に配置された２つの積分検出器とを設ける試みがある。また、管電圧切り替えを行う単一の線源と、単一の積分検出器との組み合わせを設ける試みもある。さらに、単一の線源と、ガントリ上に積層された２つの積分検出器とを設ける試みもある。スペクトルＣＴに対するこのような試みはすべて、臨床的に利用可能な画像再構成に向けての課題（ビームハードニング、時間分解能、ノイズ、不満足な検出器反応、不満足なエネルギー分割等）を、実質的には解決できていないこともある。

米国特許出願公開第２０１０／０２７０４６２号明細書 米国特許第７３８５２０１号明細書 米国特許第５７１４７６１号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１７６３０１号明細書 米国特許第８３７８３０７号明細書 米国特許第５１０３０９８号明細書

実施形態が解決しようとする課題は、効率よくＸ線を検出することのできるＸ線ＣＴ装置、光子計数型検出装置及び二重積層光子計数型検出器を提供することである。

実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線を照射するＸ線源と、Ｘ線源から照射されるＸ線を検出する複数の光子計数型検出器（Photon-Counting Detector：ＰＣＤ）とを備える。複数の光子計数型検出器のそれぞれは、第１の組のエネルギービンを用いてＸ線源から照射されたＸ線を検出する第１の検出材を有する第１の光子計数型検出器と、前記第１の光子計数型検出器より前記Ｘ線源から遠くに配置され、第２の組のエネルギービンを用いて、前記Ｘ線源から照射され、前記第１の検出材を通過したＸ線を検出する第２の検出材を有する第２の光子計数型検出器とを備える。

図１は、一例示的実施形態に係る、第３世代および第４世代を統合したＣＴ装置の断面図である。 図２は、一例示的実施形態に係るＣＴシステムの実施形態を示す図である。 図３は、一例示的実施形態に係るＰＣＤの説明図である。 図４は、一例示的実施形態に係る積層ＰＣＤの説明図である。 図５は、一例示的実施形態に係る二重積層光子検出器の分光検出器サブシステムを示す図である。 図６は、一例示的実施形態に係る、シリコン検出器とＣＺＴ検出器との二重層および検出モードの動的選択を示す図である。 図７は、一例示的実施形態に係る、計数率およびフィードバックをモニタする回路機構を示す図である。

以下の図面を参照して実施形態について説明する。図面において、同様の参照符号は、いくつかの図面にわたって同一または対応する構成要素を示す。図１は、Ｘ線ＣＴ装置において、所定の第３世代ジオメトリを有する検出器との組み合わせで所定の第４世代ジオメトリでＰＣＤを配置する実施形態を示す。この図は、スキャン対象である被検体ＯＢＪ、Ｘ線源１０１、Ｘ線検出器１０３、および光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮの、一例示的実施形態における相対位置を示す。簡略化のため、図では、データの収集および処理、ならびに収集されたデータに基づく画像の再構成に使用されるような部材や回路を省略する。一般には、各光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは、各所定のエネルギービンについて光子数を出力する。図１に示す実施形態では、Ｘ線ＣＴ装置が、第４世代のジオメトリの疎な配置の光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮとともに、検出器１０３のような、第３世代ジオメトリで配置された検出器を備える。検出器１０３の検出器素子は、検出器の表面に、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮよりも、例えば高い密度で配置される。

一実施形態において、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは、例えば円形である所定のジオメトリで被検体ＯＢＪの周囲に疎に配置される。例えば、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは、ガントリ１００内の所定の円形部材１１０に固定して配置される。一実施形態において、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは、円形部材１１０上の等間隔の所定の位置に固定して配置される。別の実施形態において、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは、円形部材１１０上の間隔が異なる所定の位置に固定して配置される。円形部材１１０は、データ収集中には被検体ＯＢＪに対して固定された状態のまま回転しない。

光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは被検体ＯＢＪに対して固定されるが、Ｘ線源１０１および検出器１０３は被検体ＯＢＪの周囲を回転する。一実施形態において、Ｘ線源１０１は、ガントリ１００の環状フレームにおける第１の回転部１２０に搭載されることにより、疎に配置された光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮの内側で被検体ＯＢＪの周囲を回転しながら、被検体ＯＢＪに向けて所定の線源ファンビーム角度θ_Ａで放射Ｘ線を投影する。さらに、第３世代ジオメトリを有する追加の検出器１０３が、第２の回転部１３０に搭載される。第２の回転部１３０は、被検体ＯＢＪを挟んでＸ線源１０１と１８０度反対の位置に検出器１０３を搭載し、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮが所定の疎な配置に固定されている静止した円形部材１１０の外側を、回転する。

一実施形態において、第１の回転部１２０および第２の回転部１３０は、Ｘ線源１０１および検出器１０３が被検体ＯＢＪを中心として異なる半径で回転する際に両者間の角度（１８０度等の角度）が固定されたままになるように、単一の部材として一体的に設けられる。別の実施態様としては、第１の回転部１２０および第２の回転部１３０は別々の部材であるが同期して回転し、Ｘ線源１０１および検出器１０３が被検体ＯＢＪを挟んで１８０度反対の位置に固定された状態を維持されてもよい。さらに、Ｘ線源１０１および検出器１０３は、第１の回転部１２０および第２の回転部１３０の回転平面に垂直な所定方向への被検体の移動時に、らせん状の経路で移動してもよい。

データ収集の際に、Ｘ線源１０１および検出器１０３が被検体ＯＢＪの周囲を回転すると、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮおよび検出器１０３のそれぞれが、透過した放射Ｘ線を検出する。光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは、所定の検出器ファンビーム角度θ_Ｂで、被検体ＯＢＪを透過した放射Ｘ線を間欠的に検出し、所定のエネルギービンのそれぞれについて光子数を示す計数値を別々に出力する。一方で、検出器１０３が回転すると、検出器１０３の検出器素子は、被検体ＯＢＪを透過した放射Ｘ線を連続的に検出し、検出した信号を出力する。一実施形態において、検出器１０３は、検出器の表面に所定のチャネル方向およびセグメント方向で密に配置された複数のエネルギー積分検出器を有する。

一実施形態において、Ｘ線源１０１、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮ、および検出器１０３は、半径の異なる３つの所定の円形経路を集合的に形成する。光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮが被検体ＯＢＪの周囲で第１の円形経路に沿って疎に配置されるのに対し、少なくとも１つのＸ線源１０１は被検体ＯＢＪの周囲で第２の円形経路に沿って回転する。さらに、検出器１０３は、第３の円形経路に沿って移動する。上述の例示的実施形態では、第３の円形経路は最も大きく、被検体ＯＢＪの周囲の第１の円形経路および第２の円形経路よりも外側に位置する。図示しないが、代替的な実施形態では、第１および第２の円形経路の相対的な関係を変更し、Ｘ線源１０１の第２の円形経路が、被検体ＯＢＪの周囲に疎に配置された光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮの第１の円形経路よりも大きく、外側に位置するようにしてもよい。さらに、別の代替的な実施形態では、Ｘ線源１０１も、検出器１０３と同じ第３の円形経路上を移動してもよい。さらに、上述の２つの代替的な実施形態において、疎に配置された光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮの第１の円形経路の外側をＸ線源１０１が移動する際に背後から照射される光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮのそれぞれに、保護用の背面カバーを設けてもよい。

Ｘ線ＣＴ装置において、所定の第３世代ジオメトリを有する検出器と組み合わせて所定の第４世代ジオメトリを有するＰＣＤを配置するには、他にもいくつか方法がある。ある実施形態では、所定の高レベルエネルギーおよび所定の低レベルエネルギーで放射Ｘ線を曝射する管電圧切り替え機能を実行するように構成または設計されるＸ線源１０１を備える。

一般に、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは円形部材１１０に沿って疎に位置する。光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮは、スパースビュー（sparse-view）投影データを収集するが、収集した投影データは、少なくとも、スパースビュー再構成技法による二重エネルギー（dual-energy：ＤＥ）再構成には十分である。さらに、検出器１０３は別の投影データの１組を収集し、それが、画像品質を全体として改善するのに使用される。検出器１０３が散乱線除去グリッドを備えるエネルギー積分検出器で構成される場合、検出器１０３からの投影データは、光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮからの投影データ上の散乱を補正するために使用される。一実施形態において、積分検出器は、Ｘ線が所定の円形部材１１０および一部の光子計数検出器ＰＣＤ１〜ＰＣＤＮを透過することを考慮して較正される必要があるようにしてもよい。投影データの収集において、線源の軌道上のサンプリングは、空間分解能向上のため十分に密にしてもよい。

図２は、ＣＴ装置またはスキャナにおける、図１のＸ線撮影用ガントリ１００の実施形態である。図２に示すように、Ｘ線撮影用ガントリ２００は側面視で図示されており、Ｘ線管１０１と、環状フレーム２０２と、多列あるいは２次元配置型のＸ線検出器１０３とをさらに備える。Ｘ線管１０１およびＸ線検出器１０３は環状フレーム２０２上に、被検体ＯＢＪを挟んで１８０度反対の位置に搭載され、環状フレーム２０２は、回転軸ＲＡを中心として回転可能に支持される。被検体ＯＢＪが軸ＲＡ方向に、図示した紙面に出入りするように移動される間に、回転ユニット２０７は１回転あたり０．４秒等の高速で環状フレーム２０２を回転させる。

マルチスライスＸ線ＣＴ装置は、スリップリング２０８を通じてＸ線管１０１に印加される管電圧を発生させる高電圧発生器２０９をさらに備え、それによりＸ線管１０１はＸ線を発生させる。Ｘ線は、その断面が円で示される被検体ＯＢＪに向けて曝射される。Ｘ線検出器１０３は、曝射された被検体ＯＢＪを透過したＸ線を検出するために、被検体ＯＢＪを挟んでＸ線管１０１とは反対側に位置する。Ｘ線検出器１０３は、複数の個別の検出器素子またはユニットをさらに備える。

引き続き図２を参照する。Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線検出器１０３からの検出信号を処理するその他の装置も備える。データ収集回路すなわちデータ収集システム（Data Acquisition System：ＤＡＳ）２０４は、Ｘ線検出器１０３から各チャネルへの信号出力を電圧信号に変換し、その信号を増幅し、さらに、その信号をデジタル信号に変換する。Ｘ線検出器１０３およびＤＡＳ２０４は、所定の１回転あたり総投影数（Total number of Projections Per Rotation：ＴＰＰＲ）を処理するように構成される。ＴＰＰＲの例としては、９００ＴＰＰＲ、９００〜１８００ＴＰＰＲ、および９００〜３６００ＴＰＰＲが挙げられるが、これらに限定されない。

上述のデータは、非接触データ送信器２０５を介して、Ｘ線撮影用ガントリ２００の外部の操作卓に収容されている前処理装置２０６に送信される。前処理装置２０６は、未加工データの感度補正等、所定の補正を行う。メモリ２１２は補正結果データを格納する。このデータは、再構成処理の直前段階において、投影データとも呼ばれる。メモリ２１２は、再構成装置２１４、入力装置２１５、およびディスプレイ２１６とともに、データ／制御バス２１１を介してシステム制御部２１０に接続される。

各検出器は、様々な世代のＸ線ＣＴ装置において、患者に対して回転されるものや固定されるものである。上述のＣＴシステムは、第３世代ジオメトリおよび第４世代ジオメトリの統合型システムの例である。第３世代システムでは、Ｘ線管１０１およびＸ線検出器１０３は、環状フレーム２０２上の１８０度反対の位置に搭載され、環状フレーム２０２が回転軸ＲＡを中心に回転すると、患者Ｓの周囲を回転する。第４世代ジオメトリのシステムでは、各検出器は患者の周囲に固定して配置され、Ｘ線管が患者の周囲を回転する。

代替的な実施形態において、Ｘ線撮影用ガントリ２００は、Ｃアームおよびスタンドに支持された環状フレーム２０２上に配置された複数の検出器を有する。

上述のように、ＰＣＤはスペクトルＸ線ＣＴの適用例に使用される。検出された光子のエネルギーをデータ化する一方法は、能動的なエネルギー識別プロセスにおいて物質中の光子相互作用の効果を測定することである。ここで、直接型または間接型の検出器が使用可能である。間接型の検出器の場合、光子相互作用により光が発生し、その光が光センサで測定される。直接型の検出器の場合、光子から直接的に物質における電荷が発生し、この電荷が収集されて、この目的用に設計された電気回路に供給される。ここで、能動的なエネルギー識別プロセスとは、例えば、波高検出器を利用してカウントをエネルギービンに振り分けるなど、電気回路などを利用して積極的にエネルギー弁別を行うプロセスのことを指す。逆に、受動的なエネルギー識別プロセスとは、例えば検出器が２層になっていることにより、上の層に低いエネルギー帯のカウントが集まり、下の層に高いエネルギー帯のエネルギー帯のカウントが集まるなどの原因により、物性を利用して追加の電子回路を追加しなくても、エネルギー帯が分離できるプロセスのことを指す。

本ＣＴ装置におけるエネルギー情報を取得する方法は、受動的なエネルギー識別プロセスと能動的なエネルギー識別プロセスとの組み合わせによる。受動的なエネルギー識別プロセスについてみると、物質に対する光子相互作用は、本来、確率的なものであり、相互作用のパラメータは光子のエネルギーおよび物質の特性（その電子密度や実効原子番号等）によって決まる。積層された２つ以上の検出器による構成は、積層構成中の各検出器における光子相互作用に関する情報を取り出す機能を有する。ＰＣＤを積層した構成では、エネルギーに依存するＸ線光子相互作用の深さに関する情報が得られる。

多重積層ＰＣＤの構成の設計にあたっては、各検出器の厚さは、検出器間の適正な相互作用比率が得られるように設定される必要がある。同じまたはほぼ同じ量の光子を捕捉するために、放射線の入射平面に近い方の検出器層は、放射線の入射平面から遠い方の検出器層よりも薄くする必要がある。さらに、多重積層ＰＣＤは、エネルギーレベルの有効スペクトルが広域なエネルギービーム、すなわち線束について収集され計測されるようにパラメータが設定される必要がある。さらに、スペクトルでエネルギーのより低い部分の光子は、放射線の入射に近い方の検出器で検出されやすく、光子のエネルギーが高ければ高いほど、より奥の方にある検出器で検出される。結果的に、二重または多重積層検出器は、入射する光子ビームのエネルギー分布を受動的に符号化できる。

換言すると、実施形態に係る光子計数型検出装置は、第１の組のエネルギービンを用いてＸ線源３４０から照射されたＸ線を検出する第１の検出材を有する第１の光子計数型検出器（ＰＣＤ）と、第１の光子計数型検出器よりＸ線源３４０から遠くに配置され、第２の組のエネルギービンを用いてＸ線源から照射され、前記第１の検出材を通過したＸ線を検出する第２の検出材を有する第２の光子計数型検出器を備える。ここで、例えば、第２の組のエネルギービンは、第１の組のエネルギービンとは異なるエネルギーのエネルギービンである。例えば、第２の組のエネルギービンは、第１の組のエネルギービンより高いエネルギービンを含む。第１の検出材の厚さは、第２の検出材の厚さと異なってもよいし、同じ厚さでもよい。例えば、第２の検出材の厚さは、第１の検出材の厚さより厚い。また、第１の検出材及び第２の検出材は、同じ物質であってもよいし、異なる物質であってもよい。

また、実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、例えば、Ｘ線を照射するＸ線源１０１と、Ｘ線源から照射されるＸ線を検出する複数の光子計数型検出器１０３（例えば、上述の第１の光子計数型検出器と、第２の光子計数型検出器）とを備える）。典型的な例では、例えば、Ｘ線源１０１は患者用寝台を中心に回転し、複数の光子計数型検出器１０３は位置が固定され、Ｘ線ＣＴ装置は、回転するＸ線源１０１と同期して患者用寝台を中心に回転する複数のＸ線検出器１０３を備える検出器アレイをさらに備える。また、実施形態に係る二重積層光子計数型検出器は、例えば、上記第１の光子計数型検出器と、上記第２の光子計数型検出器と、後述する所定の回路機構とを更に備える。

図３は、ＰＣＤ装置の３つの実施形態を示し、それぞれが、ＰＣＤが積層された構成を有する。Ｘ線光子による相互作用の深さは、エネルギーによって決まる。検出器が積層された構成では、Ｘ線減衰率が低いシリコン素子も用いる。換言すると、例えば、第１の検出材および第２の検出材は、半導体化合物である。図３のＰＣＤ装置には、複数の二重積層ＰＣＤ３１０、２つ以上のＰＣＤの積層構成３２０、および１つのＰＣＤを備える二重積層構成３３０を含む。

二重積層検出器装置３１０は、シンチレータ３１１およびシリコン光電子増倍管（Silicon Photomultipliers：ＳｉＰＭ）等の光センサ３１２から成る二重積層構造の層を有する。Ｘ線３４０は、シンチレータ３１１の層から、二重積層検出器装置３１０に入射する。

多重積層検出器装置３２０は、１つのシンチレータ３２１および１つの光センサ３２２が連結して成る層が３つ以上積層される。換言すると、多重積層検出器装置３２０は、第２の光子計数型検出器よりＸ線源から遠くに配置され、第３の組のエネルギービンを用いてＸ線源から照射され前記第１の検出材及び前記第２の検出材を通過したたＸ線を検出する第３の検出材を有する第３の光子計数型検出器を更に備える。

単一のＰＣＤ３３０は、位置が鏡映反転されたシンチレータ３３１および光センサ３３２の組み合わせ２つから成る二重層を有する。結果的に、２つの積層検出器が、共通検出器層３３３を共有する。図３の各光センサ層およびシンチレータ層は、厚さが異なる。これら複数のシンチレータは、異なるシンチレーション物質で形成することもできる。また、この場合、例えばＰＣＤ３３０は、中心にリフレクタ３３３（反射材）を備える。シンチレータ３３１に入射したＸ線の発するシンチレーション光は、直接またはリフレクタ３３３で反射した後、図３の光センサ３３２に収集される。例えば、ＰＣＤ３３０において、図３の上半分で生成されたシンチレーション光は、直接またはリフレクタ３３３で反射した後、上部の光センサ３３２に収集される。また、ＰＣＤ３３０において、図３の下半分で生成されたシンチレーション光は、直接またはリフレクタ３３３で反射した後、下部の光センサ３３２に収集される。

ＰＣＤ用のターゲット物質の別の例として、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）が挙げられる。光子の半導体物質との相互作用は、受動的なエネルギー識別プロセスだけでなく、能動的なエネルギー識別プロセスにおいても重要な役割を果たす。直接変換型システムの場合、検出器は、ほとんどの光子を捕捉するのに十分な程度の厚さでありながら、電荷の収集の速度を上げるのに十分な程度の薄さである必要がある。

図４は、受動的エネルギー識別検出機能および能動的エネルギー識別検出機能の組み合わせが複数連結されて、複数のＰＣＤを積層した構成となっている積層ＰＣＤ装置の３つの実施形態を示す。

複数のＰＣＤによる二重積層構成４１０は、半導体化合物と組み合わせてバルク半導体材４１１を含む。一実施形態は、ＣＺＴとカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）の組み合わせを含む。ただし、本明細書で記載される実施形態では、その他の物質および関連する半導体化合物が使用される。アノード層４１２は、半導体材４１１の下側表面に位置する。アノード層４１２は、電流パルスを検出してそのエネルギーレベルに応じて各エネルギービンに変換する特定用途向けの集積回路機構を備える（図６参照）。

カソード層４１３は、半導体材４１１の上側表面に位置する。放射Ｘ線４４０は、カソード層４１３から二重積層半導体光子検出器４１０に入射する。二重積層検出器構成４１０では、２つの半導体ＰＣＤが積層され、スペクトルエネルギーおよび各半導体ＰＣＤの特性に従って光子スペクトルからの符号化情報を提供する。

３つ以上の検出器を含む多層ＰＣＤ構成４２０を、図４に示す。各検出器は、下側アノード層４２２および上側カソード層４２３とともに、バルク半導体材４２１と、ＣＺＴまたはＣｄＴｅ等の半導体化合物とを備える。

さらに、共有カソード層４３３を備える二重積層検出器構成４３０を、図４に示す。連結構成４３０は、バルク半導体材４３１、両端に位置するアノード層４３２、および共有カソード層４３３を備える。放射Ｘ線は、上側のアノード層４３２から連結検出器構成に入射する。換言すると、光子計数型検出装置４３０は、第１の検出材の第１の表面と第１の検出材の第１の表面との両方に接する共有カソード層４３３と、第１の検出材の第２の表面及び第２の検出材の第２の表面との両方に接するアノード層４３２とを備える。言い換えると、第１の光子計数型検出器と第２の光子計数型検出器とは、カソードを共有する。

本明細書に記載の実施形態では、受動的なエネルギー識別処理のほか、積層された各検出器からの信号の分析、およびエネルギー情報の記録を行う。バリスティック欠損、パイルアップ、および電荷共有に関係する検出器反応は、記録された情報を元に確定される。図４に示す検出器装置は、積層された複数の検出器の属性と、能動的および受動的なエネルギー識別検出機能の組み合わせとが統合されて、１つの検出器システムになっている。

上述の積層型検出器システムには、多くの利点がある。検出器全体の厚さを複数の層に区分けすると、各検出器が最大計数率またはそれに近い計数率で機能するように設計できるので、全体の計数率が上がる。計数率は事前にシミュレーションされ、各層の厚さはシミュレーションされた計数率で決定される。最大計数率は、半導体物質や電子回路機構の特性によって決まる。別の利点として、半導体材の厚さが光子相互作用による電荷が収集される速度に影響するため、厚みが大きい単一のシステムに比べると、個々の検出器による計数が速い。また、積層型検出器システムのエネルギー識別速度が下回る場合、読み出し回路機構および方法を、エネルギー情報を記録せず積分値を記録する簡易な計数システムに切り替えることもできる。識別速度がシステムの最大能力を上回る場合、システムは分光モードから計数モードに動的に切り替わるようにもできる。このような場合であっても、すべての光子は捕捉され、多重積層検出器の受動的な分別から、ある程度のエネルギー情報はもたらされる。

本明細書に記載の実施形態の別の変形例では、エネルギー識別検出器の積分時間が連続的に変化する。それにより、上述のようにエネルギー情報を記録するかしないかの二値的な状態に比べ、エネルギー識別について複数の段階でエネルギー情報が記録される。一実施形態において、複数の線束率閾値を使用して、各検出器について対応する積分時間が変更されるようにできる。

本明細書に記載の実施形態の別の利点は、名目モード（nominal mode）において、多重積層検出器の分光測定から得られる情報は、同一または類似の検出器から成る単一の層からの情報よりも多いことである。多重積層検出器システムは、入射する放射線ビーム（Ｘ線ビーム）をいくつか具体化した統計的なサンプルを提供する。別の利点は、多重積層半導体ＰＣＤは、電極が非常に薄く、入射する光子ビーム（Ｘ線ビーム）には実質的に何ら影響のないことである。さらに、第１の検出器がシリコンを基本材料とするものであれば、ｚ軸方向に沿った低密度部分で、エネルギースペクトルの低エネルギー領域を優先的に検出するので、それにより、全体的な最適化のために厚さ範囲の幅が広くなる。

前述の第１の光子計数検出器及び第２の光子計数型検出器は、入射した光子それぞれのエネルギーを測定する回路を有する。図５は、各入射Ｘ線光子５２０を電気信号に変換する、二重積層光子検出器５１０の分光検出器サブシステム５００を示す。各Ｘ線光子５２０に関するエネルギー情報は保存される。各信号は特定用途向け集積回路機構等の集積回路機構に入力されて状態の調整と処理が行われ、それにより各Ｘ線光子５２０のエネルギー情報が取得され、取得されたエネルギー情報がエネルギービンに分類される。図５に示すように、二重積層光子検出器５１０は、入射するＸ線光子５２０を電子（ｅ）正孔（ｈ）対５３０に変換する。この電子および正孔は、内部電界の作用を受けて、それぞれアノード電極とカソード電極に集まる。電流パルスｉで示すように、これらの電子および正孔の移動は電流パルスを誘発する。電流パルスｉｉで示すように、この電流パルスに対して、プリアンプ５４０によって増幅と積分のうち少なくとも一方が行われる。さらに、電流パルスｉｉｉで示すように、この電流パルスに対して、整形回路５５０によってエネルギー識別に向けてフィルタ補正と整形のうち少なくとも一方が行われる。その後、電流パルスｉｖで示すように、電流パルスはコンパレーターアレイ５６０に送出される。すなわち、エネルギー測定回路は、エネルギーごとに光子数を計測するコンパレータ―を更に備える。エネルギービン計数ｖで示すように、コンパレーターの所定の閾値で、Ｘ線の計数値をその対応するエネルギーウィンドウからエネルギービン計数器５７０に記録する。

図６は、共通カソード電極６３０を共有するシリコン検出器６１０およびＣＺＴ検出器６２０を示す。アノード層６４０がシリコン検出器６１０の外側表面に位置し、アノード層６５０がＣＺＴ検出器６２０の外側表面に位置する。位置が鏡映反転された２つの検出器間に共通電極を採用することの利点の１つとしては、通常は電子についてであるが、依存するエネルギー反応の深さが低減されることである。Ｘ線がカソード側から入射される場合、微細なアノードピクセルが、その効果を低減させる。しかしながら、電子および正孔が電子回路の整形時間よりも短い時間で対応する電極まで到達するならば、そのような深さに依存したエネルギー反応問題は起こらない。言い方を変えれば、上側の検出器にシリコン等の材料（両方の電荷担体が速く移動する材料）が使用されていれば、共通電極を採用して実装の複雑さを軽減でき、それによりコストが低減される。共通電極はさらに、トレース静電容量（trace capacitance）を低減し、電子的ノイズを改善する。共通カソードが採用されない場合は、アノード層からカソード層への余分なトレース静電容量が発生する。二重積層ＰＣＤは、回路機構（以下で説明する）を備え、この回路機構は、第１の光子計数型検出器および第２の光子計数型検出器からエネルギー情報を得て光子を計数する第１の検出モードと第１の光子計数型検出器および第２の光子計数型検出器からエネルギー情報を得ずに光子を計数する第２の検出モードのいずれかを、測定された計数率に基づいて動的に選択するように構成される。このとき、回路機構は、エネルギー識別検出器の積分時間を変更する。

図７は、検出モードの効率的な切り替えのため、計数率をモニタし、二重積層光子検出器７１０の整形回路の整形時間を調整する回路機構の一実施形態を示す。図７に示すように、この回路機構は、整形回路７３０を経た信号のベースライン（ＤＣ値）をサンプリングするローパスフィルタ７２０を備える。このベースラインは線束レベルを示す適切な指標である。ＤＣ値は、パルスどうしのパイルアップが始まると上昇し、計数率の上昇が反映される。ベースラインが所定の切り替え閾値７４０に達すると、図６に示す計数限定モード（エネルギー情報の記録なし）になるように整形回路の整形時間が短縮される。あるいは、複数の検出モードが使用できるように、検出された線束レベルに基づいて整形時間を徐々に変動させてもよい。

別の実施形態において、このシステムは、検出モードを動的に選択する。場合によっては、フィルタの整形時間と各入射Ｘ線事象のエネルギー情報の間にはトレードオフの関係がある。高線束率では、結果的に起こるパイルアップを低減するには整形時間が短い方が望ましい。しかしながら、整形時間が短いと、電子的な帯域の広域化に起因する電子的ノイズの増加とバリスティック欠損に起因する統計的ノイズの増加をもたらすこともある。整形時間が検出器反応時間よりも短い場合、付加的なノイズによって各Ｘ線のエネルギー情報の内容が著しく減少する。したがって、二重積層検出器の設計では、閾値化情報のみが保存される、整形時間を短縮できるモードを可能にする。エネルギー情報は、２つの検出器のエネルギー依存吸収から抽出される。図７の図では、検出モードの動的選択を示す。換言すると、この回路機構は、線束率が高い時に、エネルギー情報を得て光子を計数する第１の検出モードを選択する。また、この回路機構は、エネルギー情報を得ずに光子を計数する第２の検出モードでは、二重積層光子計数型検出器の両方の層を用いてエネルギー情報を抽出することができる。

別の実施形態において、図７に示すものと同様の回路機構を用いて、各層の計数率を個別にモニタ（および検出モードを変更）することができる。

２つのモードを備えるシステムは、上述のとおり、扱う線束の範囲を広域にしながら各Ｘ線のエネルギー情報の一部を保持することができ、その点が、光子計数モードとエネルギー積分モードの間で切り替えるシステムと比べた場合の利点である。

次に、別の実施形態を説明して、２つ以上の検出器層からのエネルギービン計数をどのように利用するかを解説する。層の総数をＫとし、各Ｘ線経路につき層ｋについてＪ_ｋ回測定を行うと仮定すると、測定された信号は次式で表現できる。
ここで、Ｒ_ｋｊ（Ｅ）は光子エネルギーＥにおける層ｋおよび測定ｊの検出器反応であり、μ_n（Ｅ）は基本成分ｎの線形減衰であり、Ｌ_ｎはＸ線経路における基本成分ｎの長さであり、Ｓ_ｋ（Ｅ）はエアスキャンにおける層ｋのスペクトルである。線源スペクトルがＳ_ｏ（Ｅ）ならば、検出器層ｋのエアスペクトルは、次式で表現できる。
ここで、μ_ｋ（Ｅ）は、層ｋの線形減衰であり、Δ_ｋは対応する厚さである。なお、Δ_０＝０である。エアキャリブレーションによるデータは
と書くことができ、ここで、
である。ｇ_ｋｊの分散をσ_ｋｊ ^２と仮定した場合、重み付き最小二乗法によるコスト関数としては
がある。ここで、ｇ_ｋｊ ^（Ｍ）は分散σ_ｋｊ ^２を持つ測定されたエアキャリブレーションによるデータであり、ｇ_ｋｊ（Ｌ）は順投影データであり、ベクトルＬ＝（Ｌ_１、Ｌ_２、…Ｌ_ｎ）^Ｔは各物質の長さである。このコスト関数を最小化することで、物質の長さＬ_ｎが求められる。

積層された複数のＰＣＤのそれぞれに、異なるエネルギー閾値が適用されてもよい。一実施形態において、積層された複数のＰＣＤのそれぞれは、厚さが異なる。別の実施形態は、ＰＣＤが入射Ｘ線光子に近いほど適用するエネルギー閾値を低くし、ＰＣＤが入射Ｘ線光子から遠いほど適用するエネルギー閾値を高くするステップを含む。

一以上の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置、光子計数型検出装置又は二重積層光子計数型検出器は、効率的にＸ線を検出することができる。

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同様に、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。

１０１ Ｘ線管
１０３ Ｘ線検出器

Claims (20)

1. Ｘ線を照射するＸ線源と、
   前記Ｘ線源から照射されるＸ線を検出する複数の光子計数型検出器（Photon-Counting Detector：ＰＣＤ）と
   を備え、前記複数の光子計数型検出器のそれぞれは、
   第１の組のエネルギービンを用いてＸ線源から照射されたＸ線を検出する第１の検出材を有する第１の光子計数型検出器と、
   前記第１の光子計数型検出器より前記Ｘ線源から遠くに配置され、第２の組のエネルギービンを用いて、前記Ｘ線源から照射され、前記第１の検出材を通過したＸ線を検出する第２の検出材を有する第２の光子計数型検出器とを備えるＸ線ＣＴ装置。
2. 前記第２の組のエネルギービンは、前記第１の組のエネルギービンとは異なるエネルギーのエネルギービンである、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
3. 前記第２の組のエネルギービンは、前記第１の組のエネルギービンより高いエネルギービンを含む、請求項２に記載のＸ線ＣＴ装置。
4. 前記第２の検出材の厚さは前記第１の検出材の厚さより厚い、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
5. 前記第１の検出材および前記第２の検出材は半導体化合物である、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
6. 前記第１の検出材の第１の表面と前記第２の検出材の第１の表面との両方に接するカソードと、前記第１の検出材の第２の表面および前記第２の検出材の第２の表面との両方に接するアノードとをさらに備える、請求項３に記載のＸ線ＣＴ装置。
7. 前記第１の光子計数型検出器と前記第２の光子計数型検出器とは、カソードを共有する、請求項３に記載のＸ線ＣＴ装置。
8. 前記第２の光子計数型検出器より前記Ｘ線源から遠くに配置され、第３の組のエネルギービンを用いて前記Ｘ線源から照射され前記第１の検出材及び前記第２の検出材を通過したＸ線を検出する第３の検出材を有する第３の光子計数型検出器を更に備える、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
9. 前記第１の光子計数型検出器及び前記第２の光子計数型検出器は接続された、入射した光子それぞれのエネルギーを測定する回路機構を有する、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
10. 前記回路機構は、エネルギーごとに光子数を計数するコンパレーターを備える、請求項９に記載のＸ線ＣＴ装置。
11. 前記第１の検出材および前記第２の検出材は同じ物質である、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
12. 前記第１の検出材および前記第２の検出材は異なる物質である、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
13. 前記Ｘ線源は患者用寝台を中心に回転し、
    前記複数の光子計数型検出器は位置が固定され、
    前記Ｘ線ＣＴ装置は、回転する前記Ｘ線源と同期して前記患者用寝台を中心に回転する複数のＸ線検出器を備える検出器アレイをさらに備える、
    請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
14. 第１の組のエネルギービンを用いてＸ線源から照射されたＸ線を検出する第１の検出材を有する第１の光子計数型検出器と、
    前記第１の光子計数型検出器より前記Ｘ線源から遠くに配置され、第２の組のエネルギービンを用いて前記Ｘ線源から照射され、前記第１の検出材を通過したＸ線を検出する第２の検出材を有する第２の光子計数型検出器と
    を備える、光子計数型検出装置。
15. 入射した光子それぞれのエネルギーを測定する回路機構を有する、請求項１４に記載の光子計数型検出装置。
16. 前記回路機構は、エネルギーごとに光子数を計数するコンパレーターを備える、請求項１５に記載の光子計数型検出装置。
17. 第１の組のエネルギービンを用いてＸ線源から照射されたＸ線を検出する第１の検出材を有する第１の光子計数型検出器（Photon-Counting Detector: ＰＣＤ）と、
    前記第１の光子計数型検出器より前記Ｘ線源から遠くに配置され、第２の組のエネルギービンを用いて前記Ｘ線源から照射され、前記第１の検出材を通過したＸ線を検出する第２の検出材を有する第２の光子計数型検出器と、
    前記第１の光子計数型検出器および前記第２の光子計数型検出器からエネルギー情報を得て光子を計数する第１の検出モードと前記第１の光子計数型検出器および前記第２の光子計数型検出器からエネルギー情報を得ずに光子を計数する第２の検出モードとのいずれかを、測定された計数率に基づいて動的に選択するように構成された回路機構と
    を備える、二重積層光子計数型検出器。
18. 前記回路機構は、線束率が高い時に前記第１の検出モードを選択する、請求項１７に記載の二重積層光子計数型検出器。
19. 前記回路機構は、前記第２の検出モードでは、前記二重積層光子計数型検出器の両方の層を用いてエネルギー情報を抽出する、請求項１７に記載の二重積層光子計数型検出器。
20. 前記回路機構はさらに、少なくとも１つの計数率の閾値に基づいて前記第１の検出モードと前記第２の検出モードのいずれかを動的に選択し、エネルギー識別検出器の積分時間を変更する、請求項１７に記載の二重積層光子計数型検出器。