JP2017096720A - 放射線撮像システム、信号処理装置、及び、放射線画像の信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変換部と半導体素子とを含む検出器を有する放射線撮像装置に対してエネルギー分解能の低下を抑制する。【解決手段】入射された放射線フォトンを光フォトン又は電荷に変換する変換部１０８と、前記光フォトン又は電荷に応じた画素値を取得するための複数の画素２０を含む画素アレイ１０２と、を含む検出器と、前記光フォトン又は電荷に基づいて前記画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、前記画素値に基づくエネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を行う信号処理部１０５と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用される放射線撮像システム、信号処理装置、及び、放射線画像の信号処理方法に関する。

放射線（Ｘ線）による医療画像診断や非破壊検査に用いる撮像装置として、半導体材料によって形成された半導体素子を含む平面検出器（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下ＦＰＤ）を用いた放射線撮像装置が知られている。このような放射線撮像装置は、例えば医療画像診断において、静止画や動画などのデジタル撮像装置として用いられうる。

放射線撮像装置には、エネルギー分解能を有するものが知られている。例えば、フォトンカウンティング型の放射線撮像装置は、入射した放射線のエネルギー（波長）を識別し、複数のエネルギーレベルの各々について放射線の検出回数をカウントする。即ち、フォトンカウンティング型のセンサは、エネルギー分解能を有するため、物質の弁別や仮想的に単一のエネルギーの放射線で撮影した場合の画像の生成、骨密度の測定などへの応用が期待できる。このようなエネルギー分解能を有する放射線撮像装置は、放射線フォトンを光フォトン又は電荷に変換する変換部と、当該光フォトン又は電荷に応じた画素値を取得するための半導体素子と、を含む検出器が用いられる。

エネルギー分解能を有する放射線撮像装置では、放射線の吸収の際に発生する二次放射線によってエネルギー分解能が低下する課題がある。特許文献１では、高エネルギー帯の計測値に所定の係数を乗じた値を高エネルギー帯の計測値に加算し、低エネルギー帯の計測値から高エネルギー帯の計測値に所定の係数を乗じた値を減算する補正方法が開示されている。すなわち、特許文献１には、入射放射線よりもエネルギーが低い二次放射線による誤差を鑑みて、入射放射線に応じ得る高エネルギー帯の計測値に誤差分である所定の係数を乗じた値を付加して、二次放射線による誤差を低減することが開示されている。

特開昭６２−００３５４７号公報

しかしながら、変換部と半導体素子とを含む検出器を有する放射線撮像装置においては、二次放射線による誤差だけでは十分に補正されず、エネルギー分解能の低下を抑制するには不十分であった。そこで、本発明は、変換部と半導体素子とを含む検出器を有する放射線撮像装置に対してエネルギー分解能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明の放射線撮像システムは、入射された放射線フォトンを光フォトン又は電荷に変換する変換部と、前記光フォトン又は電荷に応じた画素値を取得するための半導体素子と、を含む検出器と、前記光フォトン又は電荷に基づいて前記画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、前記画素値に基づくエネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を行う信号処理部と、を有する。本発明の信号処理装置は、入射された放射線フォトンが変換された光フォトン又は電荷に応じて取得された画素値に基づいて取得される、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を、前記光フォトン又は電荷に基づいて前記画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、行う。本発明の信号処理方法は、入射された放射線フォトンが変換された光フォトン又は電荷に応じて取得された画素値に基づいて取得される、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を、前記光フォトン又は電荷に基づいて前記画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、行う。

本発明により、変換部と半導体素子とを含む検出器を有する放射線撮像装置に対してエネルギー分解能の低下を抑制することが可能となる。

放射線撮像システムの模式的ブロック図 概念を説明するための概念図 概念を説明するためのスペクトルを示す模式図 概念を説明するためのスペクトルを示す模式図 フロー図 概念を説明するためのスペクトルを示す模式図 概念を説明するためのスペクトルを示す模式図 検出器の例の模式的な構成を示すブロック図 画素の例の模式的な構成を示すブロック図

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。なお、放射線は、典型的には、Ｘ線でありうるが、α線、β線、γ線などであってもよい。

まず、図１を用いて放射線撮像システムを説明する。図１は、放射線撮像システムの模式的ブロック図である。

放射線撮像システムは、放射線撮像装置１０、制御コンピュータ１３、放射線制御装置１２、及び、放射線発生装置１１を含み得る。放射線撮像装置１０は、検出器１０１、信号処理部１０５、電源部１０６、及び、制御部１０７を含み得る。検出器１０１は、放射線を電荷又は光に変換する変換部１０８と、変換部１０８で変換された電荷又は光を電気信号に変換する画素を２次元行列状に複数備えた画素アレイ１０２と、を含み得る。また、検出器１０１は、画素アレイ１０２を駆動する駆動回路１０３と、駆動された画素アレイ１０２からの電気信号を出力する出力回路１０４と、を含み得る。なお、検出器１０１及び画素の例については、図８〜図９を用いて後で詳細に説明する。また、本発明の放射線撮像システム及び制御コンピュータ１３は、画素からの信号に基づいて、エネルギー弁別された放射線画像を取得する。

制御コンピュータ１３は、制御コンピュータ１３の制御卓（不図示）を介して撮影者（不図示）から入力された撮影情報に基づいて、放射線撮像装置１０及び放射線制御装置１２に制御信号を与える。放射線制御装置１２は、制御コンピュータ１３からの制御信号を受けて、放射線発生装置１１の放射線源（不図示）から放射線を出射する動作や照射野絞り機構（不図示）の動作の制御を行う。放射線撮像装置１０の制御部１０７は、制御コンピュータ１３からの制御信号を受けて、放射線撮像装置１０の各部の制御を行う。放射線制御装置１２によって制御された放射線発生装置１１から出射された放射線に応じて、放射線撮像装置１０の検出器１０１は当該放射線に応じた信号を出力する。出力された画像信号は、信号処理部１０５によって既知の信号処理がなされた後、制御コンピュータ１３に伝送される。ここで、伝送には、公知の無線通信や有線通信が適用され得る。伝送された画像信号は、制御コンピュータ１３によって必要な画像処理がなされた後、制御コンピュータ１３の表示部（不図示）に、エネルギー弁別された放射線画像が表示され得る。

次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて、本発明の概念を説明する。図２（ａ）は、シンチレータと光電変換装置を用いた間接型の放射線撮像装置を用いた場合の本発明の概念を説明するための概念図である。また、図２（ｂ）は、放射線を直接電荷に変換する直接型の放射線撮像装置を用いた場合の本発明の概念を説明するための概念図である。

まず、図２（ａ）に示す放射線撮像装置では、入射した放射線フォトンは、変換部１０８としてのシンチレータで吸収された際に光フォトンに変換される。その際に、放射線フォトンがシンチレータの所定のエネルギー以上のエネルギーを有する場合、入射した放射線よりもエネルギーの低い二次放射線が発生し得る。この二次放射線を発生し得る所定のエネルギーを以下に励起エネルギーと称して説明する。発生した二次放射線は、別途光フォトンを発生する。一方、図２（ｂ）に示す放射線撮像装置では、入射した放射線フォトンは、変換部１０８としてのＣｄＴｅ等の変換膜で吸収された際に電荷に変換される。その際に、放射線フォトンが変換膜の励起エネルギー以上のエネルギーを有する場合、入射した放射線よりもエネルギーの低い二次放射線が発生し得る。発生した二次放射線は、別途電荷を発生する。すなわち、入射した放射線フォトンが変換部１０８で吸収されて光フォトン又は電荷に変換される際に、入射した放射線が変換部１０８の励起エネルギー以上のエネルギーを有する場合、より低い二次放射線が発生し得る。発生した二次放射線によって、変換部１０８で別途光フォトン又は電荷が発生する。二次放射線によって別途発生した光フォトン又は電荷によって、入射した放射線フォトンのうち一部の放射線フォトンのエネルギーが低いエネルギーの二次放射線に基づくフォトン又は電荷に変換されてしまう。それによって、一部の放射線フォトンのエネルギーが低いエネルギーの出力にシフトしたような誤差を生じ得る。ここまでの誤差発生のモデルを、以下にフォトン変換過程モデルと称する。

次に、図２（ａ）に示す放射線撮像装置では、変換部１０８であるシンチレータで発生した光フォトンは、画素２０に到達するまでに拡散し、場合によっては本来到達すべき画素２０とは別の、例えは隣接の画素２０に到達し得る。また、図２（ｂ）に示す放射線撮像装置では、変換部１０８である変換膜で発生した電荷が画素２０に到達するまでに拡散し、場合によっては本来到達すべき画素２０とは別の、例えは隣接の画素２０に到達し得る。この場合、別の画素２０に到達した光フォトン又は電荷に基づく信号は、本来到達すべき画素の信号を低下させ、別の画素２０の信号を増大させる。また、入射された放射線フォトンに応じた画素値を取得するための検出器１０１の各素子を構成する半導体素子は、ＫＴＣノイズやフリッカノイズといった、時間的及び／又は空間的な出力ばらつきを生じさせるノイズを有している。また、各画素２０はそれぞれ固有のノイズを有しており、また出力回路１０４は画素アレイ１０２の出力チャネル毎に個別の回路を有しており、各個別の回路はそれぞれ固有のノイズを有している。また、複数の画素２０の各素子の特性ばらつきに起因して複数の画素２０の感度がばらつく、所謂感度ばらつきが生じ得る。それにより、各画素から出力された信号には、それぞれの固有の感度ばらつきやノイズがあわさった、所謂、固定パターノイズや、半導体素子の時間的及び／又は空間的な出力ばらつきを含むシステムノイズを含む。この固定パターンノイズとシステムノイズと光フォトン又は電荷の拡散が、検出器からの信号にばらつきを生じさせ、そのばらつきに起因した誤差を生じ得る。すなわち、変換部１０８で発生した光フォトン又は電荷に基づいて各画素２０から出力された信号である画素値に基づく放射線画像を取得する過程での誤差が発生し得るモデルを、以下で画素値取得過程モデルと称する。

すなわち、変換部１０８と半導体素子とを含む放射線撮像装置においては、画素値取得過程モデルで発生し得るばらつきに起因した誤差を、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための処理に適用させることが必要となる。そこで、変換部１０８で発生した光フォトン又は電荷に基づいて画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、前記画素値に基づくエネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を行う。すなわち、変換部１０８で発生した光フォトン又は電荷の拡散と、画素アレイ１０２からの信号に付与され得る検出部１０１の固定パターンノイズと、システムノイズと、に応じた補正係数を用いて、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための処理を行う。それにより、上記画素値取得過程モデルで発生し得る誤差に起因して、画素値に基づくエネルギー弁別された放射線画像に生じ得る誤差を抑制し、エネルギー分解能の低下を抑制することが可能となる。そして、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための処理に、上記フォトン変換過程モデルで発生し得る二次放射線に起因する誤差を、更に適用させる。そのために、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための処理に用いる補正係数が、入射される放射線フォトンが光フォトン又は電荷に変換される過程で発生し得る二次放射線に応じ得るように、補正係数を準備し得る。これにより、更に、上記フォトン変換過程モデルで発生し得る誤差に起因して、エネルギー弁別された放射線画像に生じ得る誤差を抑制し、エネルギー分解能の低下を更に抑制することが可能となる。なお、以下では、例として変換部１０８で発生する二次放射線を用いて説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、被写体で発生する散乱線等も広義に二次放射線としてみなし得る。

次に、図３及び図４を用いて、上記補正係数の算出に用いるフォトン変換過程モデル及び画素値取得過程モデルについて、詳細に説明する。なお、図３及び図４では、例として間接型の放射線撮像装置を用いている。

まず、図３を用いてフォトン変換過程モデルの概念を説明する。ここで図３は、フォトン変換過程モデルの概念を説明するためのスペクトルを示す模式図である。図３（ａ）のような、励起エネルギーＥ_ｔｈより低いエネルギーＥ_ａの放射線フォトンがＮ個の変換部１０８に入射された場合、図３（ｂ）のような、変換部１０８からの出力はエネルギーＥ_ａのＮ個の放射線フォトンが維持された所望数の光フォトンとなる。なお、ここでは、説明の簡略化のため、所望数の光フォトンに対応した放射線フォトンの個数で示している。一方、図３（ｃ）に示すように、励起エネルギーＥ_ｔｈより高いエネルギーＥ_ｂの放射線フォトンがＮ個の変換部１０８に入射された場合、先に説明したように、一部の放射線フォトンから二次放射線が発生され得る。図３（ｄ）に示すように、Ｎ個の放射線フォトンのうち、エネルギーＥ_ｂの放射線フォトンｎ_１個の分の光フォトンが得られる。加えて、励起エネルギーの放射線フォトンｎ_２（＝Ｎ−ｎ_１）個分の光フォトンと、エネルギーＥ_ｂと励起エネルギーＥ_ｔｈとの差異分のエネルギー（＝Ｅ_ｂ−Ｅ_ｔｈ）の放射線フォトンｎ_２個分の光フォトンと、が発生し得る。すなわち、二次放射線に起因した誤差は、変換部１０８の励起エネルギーＥ_ｔｈと、入射放射線のエネルギーＥ_ｂに対応した光フォトンの発生比率（ｎ_１／Ｎ）と、をパラメータとして、フォトン変換過程モデルとしてモデル化することができる。

ここで、フォトン変換モデルのモデル化について、以下に具体的に説明する。まず、二次放射線に対するシミュレーションを行う。ここで、変換部に入射する放射線フォトンのエネルギーをＥ_ｘ、エネルギーＥ_ｘの放射線フォトンの数をＰ_ｘ（Ｅ_ｘ）、二次放射線の発生比率をＸ_ｐ、励起エネルギーをＥ_ｔｈとする。なお、簡略化のため、以下の説明においてはエネルギーが保存されるものとする。

変換部に入射する放射線フォトンは、Ｘ_ｐの確率で二次放射線を発生させるものとする。二次放射線が発生しなかった場合、放射線フォトンのエネルギーの全てが、変換部において光電子に受け渡されるものとする。この場合、光電子のエネルギーをＥ_ｎとすると、Ｅ_ｎ＝Ｅ_ｘである。二次Ｘ線が発生した場合、放射線フォトンのエネルギーＥ_ｘのうち、二次Ｘ線の励起エネルギーＥ_ｔｈが二次Ｘ線に受け渡され、余りのエネルギーが光電子に受け渡されるものとする。また、発生した二次Ｘ線のエネルギーは別の光電子に受け渡されるものとする。すなわち、エネルギーＥ_ｘの放射線フォトンは、エネルギーＥ_ｎ＝Ｅ_ｘ−Ｅ_ｔｈの光電子とエネルギーＥ_ｎ＝Ｅ_ｔｈの光電子に変換されるものとする。以上より、変換部で発生する、エネルギーＥ_ｎの光電子数Ｐ_ｓ（Ｅ_ｎ）は、以下の式（１）〜（３）で示される。

Ｅ_ｘ＜Ｅ_ｔｈの場合

ここで、Ｐ_ｘ（Ｅ_ｘ＋Ｅ_ｔｈ）は、エネルギーＥ_ｘ＋Ｅ_ｔｈの放射線フォトンの数を意味する。

Ｅ_ｘ＝Ｅ_ｔｈの場合

ここで、ΣＰ_ｘ（Ｅ）は、エネルギーＥ＞Ｅ_ｔｈを満たす放射線フォトンの数の総和を意味する。

Ｅ_ｘ＞Ｅ_ｔｈの場合

以上の式（１）〜（３）を用いた演算を、全ての放射線フォトンのエネルギーＥ_ｘに対して行うことで、光電子数Ｐ_ｓ（Ｅ_ｎ）のヒストグラムを作成する。なお、上記の式（１）〜（３）では、二次放射線が１回だけ発生するものと仮定しているが、本発明はこのような仮定に限定されるものではない。例えば、放射線フォトンのエネルギーＥ_ｘが２Ｅ_ｔｈを超える場合、二回目の二次放射線が発生するような仮定をしてもよい。このように発生した光電子は、エネルギーＥ_ｎに比例した個数の光フォトン又は電荷に変換される。以上のようにして二次放射線に対するシミュレーションが行われ、フォトン変換過程モデルがモデル化され得る。

次に、図４を用いて画素値取得過程モデルの概念を説明する。ここで図４（ａ）は、画素アレイ２０に入射する光フォトンのエネルギーの横軸に対して当該光フォトンの数を縦軸とした、画素アレイ２０に入射する光フォトンのヒストグラムを示す模式図である。また、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、画素アレイ２０から出力される信号レベルに対して各信号レベルの個数を縦軸とした、画素アレイの出力レベルのスペクトルを示すヒストグラムの模式図である。上記２種類の誤差は、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、ヒストグラムの形状（出力ばらつきの形状）とヒストグラムの大きさ（出力ばらつきの大きさ）に現れる。図４（ｂ）に示すように、あるピークを中心に左右対称な山型や、ピークの中心がずれた左右非対称な山型といった形状として、ばらつきの幅が示され得る。また、図４（ｃ）に示すように、ピークの位置が同じだったとしても、そのピークの大きさが異なる、といったように、ピークの大きさによってばらつきの大きさ（程度）が示され得る。ここで、入射されたフォトン数が等しいことから、ピークの大きさが大きいほどピークの幅は狭くなる、といったように、ピークの大きさと幅には所定の相関関係がある。すなわち、上記２種類の誤差は、ヒストグラムの形状（出力ばらつきの形状）とヒストグラムの大きさ（出力ばらつきの大きさ）をパラメータとして、画素値取得過程モデルとしてモデル化することができる。

ここで、画素値取得過程モデルのモデル化について、以下に具体的に説明する。変換部で変換された光フォトン又は電荷に応じて画素２０で信号が生成され、光フォトン又は電荷の数に応じた信号レベルが得られる。すなわち、エネルギーＥ_ｍの光電子に応じた信号レベルをＳ_ｍとすると、エネルギーＥ_ｎの光電子に応じた信号レベルＳ_ｎは以下の式（４）で示される。

式（４）を変形すると、以下の式（５）となる。

そして、信号レベルＳ_ｎの個数をＮ_ｘ（Ｓ_ｎ）とすると、Ｎ_ｘ（Ｓ_ｎ）はエネルギーＥ_ｎの光電子の個数Ｐ_ｓ（Ｅ_ｎ）と等しい。従って、Ｎ_ｘ（Ｓ_ｎ）は以下の式（６）で示される。

ここで、Ｐ_ｓ（Ｓ_ｎ＊Ｅ_ｎ／Ｓ_ｍ）は上記の式（１）〜（３）がそれぞれ適用され得る。

ここで、光フォトン又は電荷を信号レベルに変換する際には、信号レベルのばらつきを考慮する必要がある。このばらつきのヒストグラムの形状（出力ばらつきの形状）を正規分布と仮定する。それにより、ヒストグラムの大きさ（出力ばらつきの大きさ）は、信号レベルのばらつきの標準偏差σで表すことができる。すなわち、信号レベルのパラメータをＳとすると、信号のばらつきを考慮した信号レベルＳ_ｎの個数をＮ_ｓ（Ｓ_ｎ）は以下の式（７）で示される。

ここで、Ｎ_ｘ（Ｓ）には上記の式（６）が適用される。また、この演算に用いるパラメータのうち、エネルギーＥ_ｍの放射線フォトンが入射した場合の信号レベルＳ_ｍと、信号レベルのばらつきの標準偏差σには、実測値を用いる。具体的には、単一のエネルギーＥ_ｍのみを含む放射線を入力し、信号レベルのヒストグラムを測定する。このヒストグラムの平均値を、エネルギーＥ_ｍの放射線フォトンが入射した場合の信号レベルＳ_ｍとし、ヒストグラムの標準偏差を、信号レベルのばらつきの標準偏差σとする。なお、このときに入力する放射線のエネルギーＥ_ｍは、二次放射線が発生する励起エネルギーＥ_ｔｈより小さいことが望ましい。

以上、式（１）〜（７）を用いて、全ての信号レベルＳｎに対して演算を行うことにより、画素アレイ２０から出力される信号レベルの横軸に対して各信号レベルの個数を縦軸とした仮想ヒストグラムが作成され得る。

次に、図５（ａ）を用いて、フォトン変換過程モデル及び画素値取得過程モデルのモデル化の方法について、説明する。図５（ａ）は、フォトン変換過程モデル及び画素値取得過程モデルの各パラメータを導出するためのフロー図である。フォトン変換過程モデル及び画素値取得過程モデルのモデル化は、上述した各パラメータを導出することによってなされる。

まず、画素値取得過程モデルのパラメータである、スペクトルの形状（出力ばらつきの形状）とスペクトルの大きさ（出力ばらつきの大きさ）は、以下の方法で予め測定し取得し得る。Ｓ５０１において、励起エネルギー未満のエネルギーＥ_ａの放射線を放射線撮像装置に照射し、その際に放射線撮像装置から出力される信号を取得し、その信号のヒストグラムを準備する。具体的には、単一のエネルギーＥ_ｍのみを含む放射線を入力し、信号レベルのヒストグラムを測定する。なお、フォトン変換過程モデルのパラメータである変換部１０８の励起エネルギーＥ_ｔｈは、変換部１０８の材料に依存するものであり、そのため、励起エネルギーに関する情報は予め取得され得る。例えば、図２（ａ）に示す例で用いられるシンチレータとしてＣｓＩ（ヨウ化セシウム）を用いた場合、励起エネルギーは約３０ＫｅＶである。次に、Ｓ５０２において、ヒストグラムのピークの半値幅から、出力ばらつきの大きさに関する情報が取得され得る。また、ヒストグラムの分布や実測値の形状から、出力バラつきの形状に関する情報が取得され得る。また、スペクトルの形状（出力ばらつきの形状）とスペクトルの大きさ（出力ばらつきの大きさ）のパラメータとして、信号レベルのばらつきの標準偏差をσ、信号レベルの平均をＳとする。そして、このヒストグラムの平均値を、エネルギーＥ_ｍの放射線フォトンが入射した場合の信号レベルＳ_ｍとし、ヒストグラムの標準偏差を、信号レベルのばらつきの標準偏差σとしてもよい。以上により、Ｓ５０２にて画素値取得過程モデルの各パラメータが導出され得る。

次に、Ｓ５０３において、励起エネルギー以上のエネルギーＥ_ｂの放射線を放射線撮像装置に照射し、その際に放射線撮像装置から出力される信号を実測し、その信号のヒストグラムを準備する。

そして、Ｓ５０４において、発生比率を変動値として、既に取得されている他のパラメータを用いて、画素アレイ２０から出力される信号レベルの横軸に対して各信号レベルの個数を縦軸とした仮想ヒストグラムを生成する。ここでは、例えば上記式（１）〜（５）を適用し、発生比率Ｘ_ｐを変動値として、仮想ヒストグラムを生成し得る。そして、発生比率を変動させて、Ｓ５０３で実測されたヒストグラムと仮想ヒストグラムとが最も近い状態となるようにフィッティングし、最も近い状態（一致を含む）となった値を発生比率に関する情報として取得され得る。以上により、Ｓ５０４にてフォトン変換過程モデルの各パラメータが導出され得る。なお、ここでは、励起エネルギー未満のエネルギーの放射線を放射線撮像装置に照射して得られた信号のヒストグラムを準備したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、直接型の放射線撮像装置では、放射線の変換効率が間接型の放射線撮像装置に比べて高く、それによりＳ／Ｎ比が間接型の放射線撮像装置に比べて高い。そのため、励起エネルギー以上のエネルギーの放射線を直接型の放射線撮像装置に照射して得られた信号のヒストグラムは、入射放射線と二次放射線のピークが分離され得る。そのため、直接型の放射線撮像装置では、入射放射線のピークに対して上記パラメータが取得できるため、励起エネルギー以上のエネルギーの放射線を用いてもよい。

次に、図５（ｂ）及び図６を用いて、本発明の補正方法について説明する。図５（ｂ）は、補正方法を説明するためのフロー図である。

まず、Ｓ５１１において、照射される放射線に関する情報を取得する。照射される放射線に関する情報として、ここでは、照射される放射線のスペクトルを用いる。このスペクトルは、予めスペクトロメータ等を用いて測定することによって取得され得る。そして、図７（ａ）に示すように、任意のエネルギーを閾値として、複数のエネルギー領域、例えば低エネルギーと高エネルギーの２つの領域、に分解する。ただし、図６（ａ）に示すように、照射される放射線はエネルギーが連続して混在しているため、図６（ｂ）に示すように、所望の間隔の略単一のエネルギーの集合体の形に変換する。この変換を複数のエネルギー領域の夫々に対して適用する。次に、Ｓ５１２において、まず、図６（ｃ）に示すように、所望の間隔の略単一のエネルギーの集合体から所望の略単一のエネルギーを抽出する。この抽出も、複数のエネルギー領域の夫々、及び、全体に対して適用する。次に、抽出された略単一のエネルギーに対して、予めモデル化されたフォトン変換過程モデル及び画素値取得過程モデルを適用して、図６（ｄ）に示すように、画素２０からの出力をシュミレーションする。このシミュレーションも、複数のエネルギー領域の夫々に対して適用する。すなわち、図６（ｄ）及び図６（ｅ）は、画素２０から出力される信号レベルの横軸に対して各信号レベルの個数を縦軸として示している。そして、所望の間隔の略単一のエネルギーの集合体の他の略単一のエネルギーに対しても同様の処理を行い、それぞれのシミュレーション結果を加算して、画素２０の出力の各信号レベルの個数のシミュレーション結果を取得する。このシミュレーション結果の加算も、複数のエネルギー領域の夫々に対して適用する。それにより、図７（ｂ）で示すような、放射線撮像装置の出力の複数のエネルギー領域の夫々、及び、全体のシミュレーション結果が取得される。なお、図７（ｂ）で示すヒストグラムは、画素２０から出力される信号レベルの横軸に対して信号レベルの個数を縦軸としたものである。ここで、全体のシミュレーション結果は、複数のエネルギー領域の結果を加算して求めてもよく、また、放射線のスペクトル全体に対して上記各処理を行うことによって求めてもよい。

次に、Ｓ５１３において、Ｓ５１２で得られたシミュレーション結果から補正係数を導出する。ここでは、補正係数αは、画素アレイ１２０から出力される各信号レベルに対して、低エネルギー領域の入射放射線フォトンに起因する割合を求めたものである。具体的には、複数のエネルギー領域の信号レベルの個数を分母とする。また、低エネルギー領域の入射放射線フォトンに起因する信号レベルの個数を分子とする。このことは、即ち、放射線撮像装置からの出力のうち、入射放射線が低エネルギー領域の放射線フォトンに起因する比率が全体のαであり、高エネルギー領域の放射線フォトンに起因する比率が全体の（１−α）であることを意味する。

そして、Ｓ５１４において、画素２０から出力される信号レベルの個数に対して、上記補正係数を適用して補正する。図７（ｃ）に示す本例では、ある信号レベルに対する補正係数をαとした場合、当該信号レベルの個数にαを乗算したものを低エネルギー領域のカウント値とし、当該信号レベルの個数に（１−α）を乗算したものを高エネルギー領域のカウント値とする。これを全ての信号レベルに対して行い、低エネルギー領域のカウント値の合計と、高エネルギー領域のカウント値の合計を得る。このように補正することにより、エネルギー弁別された放射線画像を補正することが可能となる。それにより、フォトン変換過程モデル及び画素値取得過程モデルで発生し得る誤差に起因して、エネルギー弁別された放射線画像に生じ得る誤差を抑制し、エネルギー分解能の低下を抑制することが可能となる。なお、本発明の補正係数は、上記形態に限定されるものではなく、例えば、高エネルギー領域の入射放射線フォトンに起因する画素数の比率を分子としたものでもよい。また、図７（ｂ）及び図７（ｃ）では、信号レベルが多数あるものとして説明しているが、信号レベルの個数は２以上の任意の整数であればよい。例えば、画素２０の出力を、２つの閾値でデジタル値に変換する構成が用いられ得る。

以下に、本発明に適用し得る放射線撮像装置の検出器１０１の例について、図面を用いて説明する。図８は、検出器１０１の例を説明するための模式的な構成を示すブロック図である。

画素アレイ１０２は、入射された放射線フォトンを光フォトン又は電荷に変換する変換部と、変換されたフォトンを光フォトン又は電荷に応じた電気信号に応じた画素値を取得するための複数の画素２０が、好ましくは２次元行列状に配列されている。

駆動回路１０３に含まれる駆動回路部２１は、駆動配線部２４を介して各駆動信号を供給することで、画素アレイ１０２を所望の画素群単位で動作させる回路である。本実施形態では、駆動回路部２１は、画素アレイ１０２の複数の画素２０の画素回路部２０を行単位で動作させる回路である。駆動配線部２４は、各駆動信号毎に個別に準備された複数の駆動配線の群であり得る。

出力回路１０４に含まれる読み出し回路部２３は、信号線２５を介して画素アレイ１０２から並列に出力された電気信号を直列の電気信号に変換して読み出す回路部である。読み出し回路部２３は、選択スイッチ２３１、走査回路２２、出力線２３２、出力バッファ２３３を含む。なお、出力回路１０４は、出力部２６を介して出力線２３２と電気的に接続されるＡ／Ｄ変換器２６を更に含み、Ａ／Ｄ変換器２６は、画素アレイ１０２から出力された電気信号に基づくアナログの画像信号をデジタル画像信号ＤＡＴＡに変換する。デジタル画像信号ＤＡＴＡは伝送線２７を介して信号処理部１０５に伝送される。

次に、本発明に適用し得る放射線撮像装置の画素２０の例について、図面を用いて説明する。まず、図９（ａ）を用いて、間接型のフォトンカウンティング型の放射線撮像装置の画素２０の例を説明する。各画素２０は夫々、光電変換素子３０１、電圧変換部３０２、比較部３０３、補正部３０４、出力部３０５、を含みうる。光電変換素子３０１は、放射線がシンチレータ１０５に入射することによりシンチレータ１０５で生じた光を検出し、信号を生成する。光電変換素子３０１には、例えばフォトダイオードなどを用いてもよい。電圧変換部３０２は、例えば微分回路が用いられ、光電変換素子３０１で生成された信号を電圧のパルス信号に変換して比較部３０３へ出力する。比較部３０３は、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧値と基準電圧３０４とを比較し、比較結果に応じた比較結果信号として例えば２値の信号を生成する。電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧値が基準電圧３０６の電圧値以上である場合は、比較部３０３は、比較結果に応じた信号としてデジタル値「１」を出力する。一方で、電圧変換部３０２から出力されたパルス信号の電圧値が基準電圧３０６よりも小さい場合は、比較部３０３は、比較結果に応じた信号としてデジタル値「０」を出力する。比較部３０３に供給される基準電圧３０６は、センサパネル１０６における全てのセンサ部２０１に対して共通の値になるように設定されうる。シンチレータに放射線が入射し光に変換されると、検出素子３０１で検出された光に応じて、電圧変換部３０２を介して、比較部３０３が２値のデジタル値の信号を生成する。

補正部３０７は、比較部３０２から得られたデジタル値をカウントしたカウント値、すなわち信号レベルの個数に対して、得られた補正係数３０８を用いて、補正して保持する。本例では、高エネルギー領域用の補正部３０７−Ｈと低エネルギー領域用の補正部３０７−Ｌとを含み、それぞれに対して個別に補正係数を与えている。そして、補正されたカウント値がそれぞれのエネルギー領域の画素値として、出力部３０５から出力される。

次に、本発明に適用し得る放射線撮像装置の画素２０の他の例について、図９（ｂ）を用いて説明する。図９（ｂ）は、画素２０の他の例を説明する１画素の模式的なブロック図である。画素２０は、光電変換素子２０１と、画素回路部２０２とを含む。画素回路部２０２は、増幅回路部２０４、クランプ回路部２０６、サンプルホールド回路部２０７、選択回路部２０８を含む。

光電変換素子２０２は、電荷蓄積部を含み、該電荷蓄積部は、増幅回路部２０４のＭＯＳトランジスタ２０４ａのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０４ａのソースは、ＭＯＳトランジスタ２０４ｂを介して電流源２０４ｃに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０４ａと電流源２０４ｃとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ２０ｂは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮがアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

図５に示す例では、光電変換素子２０１の電荷蓄積部およびＭＯＳトランジスタ２０４ａのゲートが共通のノードを構成していて、このノードは、該電荷蓄積部に蓄積された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部として機能する。即ち、電荷電圧変換部には、該電荷蓄積部に蓄積された電荷Ｑと電荷電圧変換部が有する容量値Ｃとによって定まる電圧Ｖ（＝Ｑ／Ｃ）が現れる。電荷電圧変換部は、リセットスイッチ２０３を介してリセット電位Ｖｒｅｓに接続されている。リセット信号ＰＲＥＳがアクティブレベルになると、リセットスイッチ２０３がオンして、電荷電圧変換部の電位がリセット電位Ｖｒｅｓにリセットされる。

クランプ回路部２０６は、リセットした電荷電圧変換部の電位に応じて増幅回路部２０４によって出力されるノイズをクランプ容量２０６ａによってクランプする。つまり、クランプ回路部２０６は、光電変換素子２０１で光電変換により発生した電荷に応じてソースフォロア回路から出力された信号から、このノイズをキャンセルするための回路である。このノイズはリセット時のｋＴＣノイズを含む。クランプは、クランプ信号ＰＣＬをアクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ２０６ｂをオン状態にした後に、クランプ信号ＰＣＬを非アクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ２０６ｂをオフ状態にすることによってなされる。クランプ容量２０６ａの出力側は、ＭＯＳトランジスタ２０６ｃのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０６ｃのソースは、ＭＯＳトランジスタ２０６ｄを介して電流源２０６ｅに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０６ｃと電流源２０６ｅとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ２０６ｄは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮ０がアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

光電変換素子２０１で光電変換により発生した電荷に応じてクランプ回路部２０６から出力される信号は、光信号として、光信号サンプリング信号ＴＳがアクティブレベルになることによってスイッチ２０７Ｓａを介して容量２０７Ｓｂに書き込まれる。電荷電圧変換部の電位をリセットした直後にＭＯＳトランジスタ２０６ｂをオン状態とした際にクランプ回路部２０６から出力される信号は、ノイズである。このノイズは、ノイズサンプリング信号ＴＮがアクティブレベルになることによってスイッチ２０７Ｎａを介して容量２０７Ｎｂに書き込まれる。このノイズには、クランプ回路部２０６のオフセット成分が含まれる。スイッチ２０７Ｓａと容量２０７Ｓｂによって信号サンプルホールド回路２０７Ｓが構成され、スイッチ２０７Ｎａと容量２０７Ｎｂによってノイズサンプルホールド回路２０７Ｎが構成される。サンプルホールド回路部２０７は、信号サンプルホールド回路２０７Ｓとノイズサンプルホールド回路２０７Ｎとを含む。

駆動回路部２１が行選択信号ＶＳＴをアクティブレベルに駆動すると、容量２０７Ｓｂに保持された信号（光信号）がＭＯＳトランジスタ２０８Ｓａおよび行選択スイッチ２０８Ｓｂを介して信号線２５Ｓに出力される。また、同時に、容量２０７Ｎｂに保持された信号（ノイズ）がＭＯＳトランジスタ２０８Ｎａおよび行選択スイッチ２０８Ｎｂを介して信号線２５Ｎに出力される。ＭＯＳトランジスタ２０８Ｓａは、信号線２５Ｓに設けられた定電流源（不図示）とソースフォロア回路を構成する。同様に、ＭＯＳトランジスタ２０８Ｎａは、信号線２５Ｎに設けられた定電流源（不図示）とソースフォロア回路を構成する。ＭＯＳトランジスタ２０８Ｓａと行選択スイッチ２０８Ｓｂによって信号用選択回路部２０８Ｓが構成され、ＭＯＳトランジスタ２０８Ｎａと行選択スイッチ２０８Ｎｂによってノイズ用選択回路部２０８Ｎが構成される。選択回路部２０８は、信号用選択回路部２０８Ｓとノイズ用選択回路部２０８Ｎとを含む。

画素２０は、隣接する複数の画素２０の光信号を加算する加算スイッチ２０９Ｓを有してもよい。加算モード時には、加算モード信号ＡＤＤがアクティブレベルになり、加算スイッチ２０９Ｓがオン状態になる。これにより、隣接する画素２０の容量２０７Ｓｂが加算スイッチ２０９Ｓによって相互に接続されて、光信号が平均化される。同様に、画素２０は、隣接する複数の画素２０のノイズを加算する加算スイッチ２０９Ｎを有してもよい。加算スイッチ２０９Ｎがオン状態になると、隣接する画素２０の容量２０７Ｎｂが加算スイッチ２０９Ｎによって相互に接続されて、ノイズが平均化される。加算部２０９は、加算スイッチ２０９Ｓと加算スイッチ２０９Ｎを含む。

画素２０は、感度を変更するための感度変更部２０５を有してもよい。画素２０は、例えば、第１感度変更スイッチ２０５ａおよび第２感度変更スイッチ２０５’ａ、並びにそれらに付随する回路素子を含みうる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになると、第１感度変更スイッチ２０５ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第１付加容量２０５ｂの容量値が追加される。これによって画素２０の感度が低下する。第２変更信号ＷＩＤＥ２がアクティブレベルになると、第２感度変更スイッチ２０５’ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第２付加容量２０５’ｂの容量値が追加される。これによって画素２０１の感度が更に低下する。このように画素２０の感度を低下させる機能を追加することによって、より大きな光量を受光することが可能となり、ダイナミックレンジを広げることができる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになる場合には、イネーブル信号ＥＮｗをアクティブレベルにして、ＭＯＳトランジスタ２０４ａに加えてＭＯＳトランジスタ２０４’ａをソースフォロア動作させてもよい。

このような構成にあっては、信号処理部１０５又は制御コンピュータ１３で、エネルギー弁別のための処理がなされ得る。例えば、画素値が１フォトンの信号に相当するように高速に画素値を読み出して、当該画素値を信号処理部１０５又は制御コンピュータ１３でカウントする。このことにより、フォトン数をカウントすることにより、エネルギー弁別された放射線画像を取得することができる。また、任意の画素から得られた画素値から統計的に分散と平均を求めてフォトン数及び任意の画素の放射線量子のエネルギーの平均値を推定することにより、エネルギー弁別された放射線画像を取得することができる。

なお、上述した処理は、好適にはプログラムを用いて処理されることが望ましいが、処理の全て、あるいは一部を、回路を用いて実施してもよい。また、信号処理部１０５及び制御コンピュータ１３の少なくとも一方によって行われてもよく、信号処理部１０５と制御コンピュータ１３の両方を活用して行ってもよい。すなわち、本発明の信号処理部や放射線画像の信号処理装置は、信号処理部１０５、制御コンピュータ１３、及び、信号処理部１０５及び制御コンピュータ１３、の少なくとも１つが相当する。

１０１ 検出器
１０２ 画素アレイ
１０５ 信号処理部
１０８ 変換部
２０ 画素

Claims (12)

1. 入射された放射線フォトンを光フォトン又は電荷に変換する変換部と、前記光フォトン又は電荷に応じた画素値を取得するための半導体素子と、を含む検出器と、
   前記光フォトン又は電荷に基づいて前記画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、前記画素値に基づくエネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を行う信号処理部と、
   を有する放射線撮像システム。
2. 前記補正係数は、前記放射線フォトンが前記光フォトン又は電荷に変換される過程をモデル化したフォトン変換過程モデルに更に応じるように、準備されることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像システム。
3. 前記補正係数は、前記放射線フォトンが前記光フォトン又は電荷に変換される過程で発生し得る二次放射線と、前記光フォトン又は電荷の拡散と、前記半導体素子に出力ばらつきを生じさせるノイズと、に基づいて算出されることを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像システム。
4. 前記変換部は、前記放射線フォトンのエネルギーが励起エネルギー以上の場合に前記二次放射線が発生し得るものであり、
   前記フォトン変換過程モデルは、前記励起エネルギーと、前記放射線フォトンのエネルギーに対応した前記光フォトン又は電荷の発生比率と、をパラメータとしてモデル化されたものであることを特徴とする請求項３に記載の放射線撮像システム。
5. 前記検出器は、前記光フォトン又は電荷に応じた画素値を取得するための複数の画素を含む画素アレイを有し、
   前記画素値取得過程モデルは、前記画素アレイから出力される信号レベルの横軸に対して当該信号レベルの個数を縦軸とした、画素アレイの出力レベルのヒストグラムにおける前記ヒストグラムの形状と、前記ヒストグラムの大きさと、をパラメータとしてモデル化されたものであり、
   前記補正係数は、前記画素値に付与され得る固定パターンノイズに更に基づいて算出されることを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の放射線撮像システム。
6. 前記画素値取得過程モデルは、前記励起エネルギー未満のエネルギーの放射線が照射された放射線撮像装置から出力される信号に基づいて準備された前記ヒストグラムに基づいて、前記ヒストグラムの形状と、前記ヒストグラムの大きさと、が導出されることにより、モデル化されたものであることを特徴とする請求項５に記載の放射線撮像システム。
7. 前記フォトン変換過程モデルは、前記励起エネルギー未満のエネルギーの放射線が照射された放射線撮像装置から出力される信号に基づいて準備された前記ヒストグラムと、前記発生比率を変動値として前記励起エネルギーと前記ヒストグラムの形状と前記ヒストグラムの大きさとを用いて生成された仮想ヒストグラムとをフィッティングして前記発生比率が導出されることにより、モデル化されたものであることを特徴とする請求項６に記載の放射線撮像システム。
8. 前記補正係数は、照射される放射線に関する情報に前記フォトン変換過程モデル及び前記画素値取得過程モデルを適用して得られた、前記放射線撮像装置の出力のシミュレーション結果に基づいて導出されることを特徴とする請求項７に記載の放射線撮像システム。
9. 前記変換部は、前記放射線フォトンを前記光フォトンに変換するためのシンチレータを含む、ことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の放射線撮像システム。
10. 前記複数の画素は夫々、前記光フォトンを信号に変換する光電変換素子と、前記信号と基準電圧とを比較してデジタル値を出力する比較部と、前記補正係数を用いて前記比較部から出力されたデジタル値を補正して保持する補正部と、前記補正部から出力されたデジタル値に応じた画素値を出力する出力部と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の放射線撮像システム。
11. 入射された放射線フォトンが変換された光フォトン又は電荷に応じて取得された画素値に基づいて取得される、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を、前記光フォトン又は電荷に基づいて前記画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、行う信号処理装置。
12. 入射された放射線フォトンが変換された光フォトン又は電荷に応じて取得された画素値に基づいて取得される、エネルギー弁別された放射線画像の補正のための信号処理を、前記光フォトン又は電荷に基づいて前記画素値を取得する過程をモデル化した画素値取得過程モデルに応じた補正係数を用いて、行う信号処理方法。

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