JP2017133898A

JP2017133898A - 放射線計測方法、放射線計測装置、ｘ線透過像撮影装置及びｘ線ｃｔ装置

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Publication number: JP2017133898A
Application number: JP2016012937A
Authority: JP
Inventors: 寛之高木; Hiroyuki Takagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: WO2017131075A1; JP6560990B2

Abstract

【課題】放射線計測において空間分解能を向上しようとした際に、検出器アレイのチャネル間に発生するクロストークを科学的根拠に基づき補正する放射線計測手法を実現する。【解決手段】クロストーク補正装置９２は、検出器間のクロストークを表現した応答関数を規格化し、その規格化した応答関数および補正行列を算出する。算出した規格化応答関数と多チャンネル測定回路３１から供給される検出器アレイ出力５２とを用いてベイズの定理に基づいた式で繰り返し推定した演算結果を得る。クロストーク補正装置９２は補正行列の対角成分で上記演算結果を除算してクロストークが補正された放射線強度分布を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の検出器チャネルにより構成される検出器アレイを用いたＸ線ＣＴ装置に関するものであり、特に、検出器チャネル間のクロストークを補正するために好適な放射線計測方法、放射線計測装置、Ｘ線透過像撮影装置及びＸ線ＣＴ装置に関するものである。

Ｘ線ＣＴ装置などの放射線計測システムにおいて、撮影画像の空間分解能を向上しようとした場合には、検出器チャネルを稠密化して放射線の角度分布を詳細なピッチで取得することが考えられる。検出器チャネル間を稠密化するためには検出器チャネル間に従来配置していた遮蔽材の厚みを減じたり、無くしたりすることが不可欠となるが、このような場合において放射線がクロストークして真の信号以外の検出信号を周囲の検出器チャネルが計測してしまい、かえって分解能が悪化してしまうというトレードオフの課題があった。

特許第４１９４１２８号

特許第４１９４１２８号で提案された方法は、クロストークを表現した補正行列を作成し、近似行列を作成して補正を実行しようと試みている。しかしながら、一般的に行列演算のみで逆問題を解決することは困難であって近似的な解放を用いる必要があり、得られた解に恣意性が含まれてしまう。この恣意性は特に産業用のＸ線ＣＴ装置などで、ＣＴ画像を元にした形状計測などの解析を行う場合にトレーサビリティが欠如してしまうという課題も生じる、
本発明の目的は、稠密化した検出器チャネル間で顕在化するクロストークに対して、科学的根拠に基づいてチャネル間クロストークを補正できる放射線計測方法、放射線計測装置、Ｘ線透過像撮影装置及びＸ線ＣＴ装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、放射線源から放出され被検体を透過した放射線を検出器アレイで検出して放射線強度分布を求める放射線計測方法であって、応答関数評価装置が検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求め、クロストーク補正装置が規格化された応答関数および補正行列を用いて、クロストークが含まれた検出器アレイの信号出力から、ベイズの定理に基づく推定式を用いて検出器アレイ入射前のクロストークが含まれない放射線強度分布を求めることにある。

また、上記目的を達成する他の特徴は、放射線を発生する放射線源装置と、被検体を透過した放射線を検出して検出信号を出力する検出器アレイと、検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求める応答関数評価装置と、規格化された応答関数および補正行列を用いて、検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いてクロストークの影響を補正した放射線強度分布を求めるクロストーク補正装置を備える放射線計測装置にある。

また、上記目的を達成するさらに他の特徴は、Ｘ線を発生するＸ線源と、被検体を透過したＸ線を検出して検出信号を出力する検出器アレイと、検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求める応答関数評価装置と、規格化された応答関数および補正行列を用いて、検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いてクロストークの影響を補正したＸ線強度分布を求めるクロストーク補正装置と、Ｘ線強度分布を用いて被検体の透過像を作成する透視像作成装置を備えるＸ線透過像撮影装置にある。

また、上記目的を達成するさらに他の特徴は、Ｘ線を発生するＸ線源と、被検体を透過したＸ線を検出して検出信号を出力する検出器アレイと、検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求める応答関数評価装置と、規格化された応答関数および補正行列を用いて、検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いてクロストークの影響を補正したＸ線強度分布を求めるクロストーク補正装置と、Ｘ線強度分布を用いて被検体のＣＴ画像を作成するＣＴ画像再構成装置を備えるＸ線ＣＴ装置にある。

本発明によれば、検出器チャネル間のクロストークを補正することができため、空間分解能がより向上した放射線計測方法及び放射線計測装置を実現することができるようになる。

本発明の実施の一形態に係る放射線計測方法における計測の流れを示す図である。（実施例１）本発明の実施の一形態に係る放射線計測方法の基本アルゴリズムを示す図である。本発明の実施の一形態に係る放射線計測方法において応答関数をシミュレーション計算により評価する場合の構成を示す図である。本発明の第２の実施例に係る放射線計測方法におい応答関数を実際の測定により評価する場合の構成を示す図である。本発明の第３の実施例に係る放射線計測装置の基本構成を示す図である。本発明の第４の実施例に係るＸ線ＣＴ装置の基本構成を示す図である。

本発明の実施例を以下に説明する。

＜実施例１＞
本発明の好適な実施例である実施例１の放射線計測方法を、図１を用いて以下に説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に関わる放射線計測装置の主要構成を示す図である。本実施例の放射線計測装置は、Ｘ線（例えばＸ線ファンビーム）を放出するＸ線源装置１０と、被検体４０を透過したＸ線を検出する複数のＸ線検出器（検出器チャンネル）を有する検出器アレイ２１と、各々の検出器チャンネルからの出力信号を測定する多チャンネル測定回路３１と、応答関数評価装置９０と、検出器アレイ２１からの出力信号に基づいてクロストークを考慮した放射線強度分布を求めるクロストーク補正装置９２とを備える。図１には、検出器アレイ２１に入射する前のＸ線強度分布５１と、検出器アレイ２１からの信号出力から求めたＸ線強度分布５２を示す。

Ｘ線源装置１０から放出されたＸ線ファンビーム１１が被検体４０を透過して透過経路に応じたＸ線強度分布５１を形成する。検出器アレイ２１に入射したＸ線の強度分布に応じた検出器アレイの信号出力５２が得られる。しかしながら、検出器アレイ２１に入射したＸ線の一部は散乱等の相互作用により、検出器チャネル間でクロストークＸ線１２となり、隣接する検出器チャネルに回り込んで、検出器チャンネルはクロストークＸ線１２による信号出力５３を生成する。

さて、検出器アレイの検出器チャネルｄｎに入射するＸ線強度φ（Ｘｍ）によって、信号Ｓ（ｄｎ）だけでなく周囲の検出器チャネルｄｎ−１，ｄｎ−２，・・・，ｄ１、およびｄｎ＋１，ｄｎ＋２，・・・，ｄＮにクロストーク信号出力を付与する。つまり、検出器アレイ入射前のＸ線強度分布φ（ｘｊ）（ｊ＝１〜Ｍ）がＳ（ｄｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）の信号出力で観測される。この過程は、検出器アレイ中の唯一の検出器チャネルｄｉにＸ線φ（ｘｊ）が入射したときにもたらされる信号強度ｒｉｊを、Ｎ行Ｍ列の構成要素とした応答関数行列Ｒで表現することができる。なお、応答関数評価装置９０が、検出器アレイの幾何体系と入射Ｘ線源のエネルギースペクトルを元にして計算機シミュレーションによって応答関数Ｒを算出する。

図３に、応答関数評価装置９０で行う計算機シミュレーションの幾何体系を示している。Ｘ線強度分布６１を持つ仮想的なペンシル状のＸ線ビーム１３を作成し、特定の位置Ｘｊに入力する。このとき得られる検出器アレイの信号出力６２が応答関数行列ＲのＭ列の成分となる。応答関数評価装置９０は、このシミュレーション計算を位置Ｘｊ（ｊ＝１〜Ｍ）まで行い、各列成分を組み合わせることで応答関数行列Ｒが得られる。

前記までの各関数を用いて、クロストーク補正装置９２において、図１の構成で得られる検出器アレイの信号出力Ｓ（ｄｉ）は次式（１）の関係で表すことができる。

Ｓ（ｄｉ）＝Ｒ・φ（ｘｊ）（１）
しかしながら、条件付き確率に関するベイズの定理に基づいた補正手法を適用するため、応答関数行列Ｒの列方向の和が１となるように規格化された規格化応答関数行列Ｒ’および補正行列Ｂを用いて次式（２）に示すように演算を行う。

Ｒ＝Ｒ’・Ｂ（２）
このとき補正行列ＢはＭ行Ｍ列の正方行列で、その行列成分ｂｉｊはディラックのデルタ関数を用いて次式（３）となる。

ｂｉｊ＝δｉｊ×εｊ（３）
成分εｊは次式（４）となる。

εｊ＝Σｒｉｊ（ｉ＝１〜Ｎ）（４）
図２は詳細なデータフローと計算式を示す図である。

図２において、応答関数評価装置９０は応答関数Ｒを出力可能であり、応答関数評価装置９０から出力された応答関数Ｒは演算部９４に供給される。演算部９４には応答関数評価装置９０からの応答関数Ｒが供給され、規格化応答関数Ｒ’と補正行列Ｂを演算し、ベイズ推定式演算部９５および除算部９６に供給する。また多チャンネル測定回路３１からの信号出力５２もベイズ推定式演算部９５に供給される。

ベイズ推定式演算部９５は、検出器アレイの信号出力Ｓ（ｄｊ）と、規格化応答関数Ｒ’とを用いて、次に示すベイズの定理に基づいた推定式（５）を演算し、クロストークが補正されたＸ線強度分布ｅｓｔ（ｘｊ）^{（ｌ＋１）}を得る。

ベイズ推定式演算部９５が演算したｅｓｔ（ｘｊ）^{（ｌ＋１）}は除算部９６に供給される。

除算部９６には、補正行列Ｂも供給されており、除算部９６は補正行列の成分ε’ｊを用いて次式（６）に示すように、ｅｓｔ（ｘｊ）^{（ｌ＋１）}をε’ｊで除算して、検出器アレイ入射前のＸ線強度分布φ（ｘｊ）^{（ｌ＋１）}を算出する。

なお、演算部９４とベイズ推定式演算部９５と除算部９６はクロストーク補正装置９２に備えられている。

つまり、応答関数評価装置９０は、ベイズの定理に基づいた推定式（５）を用いて、複数回の繰り返し推定計算を用い、その後ε’ｊで除算することによって、検出器アレイ内でクロストークを生じる直前の検出器アレイ入射前のＸ線強度分布φ（ｘｊ）（ｊ＝１〜Ｍ）を算出することができる。

以上のように、本実施例では、クロストーク補正装置９２は、検出器間のクロストークを表現した応答関数を規格化し、その規格化した応答関数および補正行列を算出する。算出した規格化応答関数と多チャンネル測定回路３１から供給される検出器アレイ２１からの検出信号５２とを用いてベイズの定理に基づいた式で繰り返し推定した演算結果を得る。クロストーク補正装置９２は補正行列の対角成分で上記演算結果を除算してクロストークが補正された放射線強度分布を求めている。

本実施例によれば、予めシミュレーション計算によって求めたクロストークを表現する応答関数行列を作成しておき、実際のクロストークした検出器チャネルの信号出力に対して、条件付き確率に関するベイズの定理に基づく推定計算を行うことで、クロストークする前の放射線の角度分布を詳細なピッチで得ることができるようになる。

また、本実施例によれば、規格化された応答関数および補正行列を用いて、クロストークが含まれた検出器アレイからの検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いて検出器アレイ入射前のクロストークが含まれない放射線強度分布を求めることができる。つまり、検出器チャンネル間で生じるクロストークによる影響を補正することができるため、空間分解能が向上した放射線計測方法及び放射線計測装置を実現できるようになる。このようなクロストークは検出器チャネル間の遮蔽材を設置しない検出器アレイや、薄い遮蔽材のみを設置した検出器アレイを用いた場合に特に生じやすいため、このような検出器アレイを用いる場合に特に有効である。

＜実施例２＞
第２の実施例を、図４を用いて説明する。第１の実施例では、応答関数評価装置９０がシミュレーション計算で応答関数行列Ｒを求める例を説明したが、本実施例では実測値を用いて応用関数行列Ｒを求める。本実施例について、第１の実施例と異なる構成を中心に、以下に説明する。

図４に示すように、Ｘ線源装置１０と検出器アレイ２１の間に、１チャンネルコリメータ４１を設置する。１チャンネルコリメータ４１は、Ｘ線源装置１０から放出されたＸ線がいずれか一つの検出器チャンネルに入射されるように孔部（貫通穴）をもつ。１チャネルコリメータ４１を検出器アレイ２１の前面に配置することで、Ｘ線源装置１０から放出されたＸ線ファンビーム１１が検出器チャネルｄｎ以外に入射しないように構成され、検出器アレイ２１に入射する前のＸ線強度分布が図４に示すような、ペンシル状のＸ線強度分布６１となる。本実施例では、検出器アレイの信号出力６２を検出器アレイ３２で実測することにより応答関数行列Ｒが得られる。得られた応答関数行列は第１の実施例と同様にベイズの定理に基づいた推定計算に用いる。また、実施例１と同様の方法により、検出器アレイ内でクロストークを生じる直前の検出器アレイ入射前のＸ線強度分布φ（ｘｊ）（ｊ＝１〜Ｍ）を算出する。

本実施例によれば、検出器アレイ２１を使った実測値を用いてクロストークを表現する応答関数行列を作成し、実際のクロストークした検出器チャネルの信号出力に対して、条件付き確率に関するベイズの定理に基づく推定計算を行うことで、クロストークする前の放射線の角度分布を詳細なピッチで得ることができるようになる。

本実施例によれば、規格化された応答関数および補正行列を用いて、クロストークが含まれた検出器アレイからの検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いて検出器アレイ入射前のクロストークが含まれない放射線強度分布を求めることができる。つまり、検出器チャンネル間で生じるクロストークによる影響を補正することができるため、空間分解能が向上した放射線計測方法及び放射線計測装置を実現できるようになる。このようなクロストークは検出器チャネル間の遮蔽材を設置しない検出器アレイや、薄い遮蔽材のみを設置した検出器アレイを用いる場合に特に生じやすいため、このような検出器アレイを用いる場合に特に有効である。

＜実施例３＞
第３の実施例を、図５を用いて説明する。本実施例では、Ｘ線源装置１０と検出器アレイ２１の間に被検体４０を配置して、被検体４０を透過してくるＸ線強度信号を検出器アレイ２１で測定し、Ｘ線透過像を撮影する透過像撮影装置について説明する。

本実施例の透過像撮影装置は、Ｘ線（例えばＸ線ファンビーム）を放出するＸ線源装置１０と、被検体４０を透過したエックス線を検出する複数のＸ線検出器（検出器チャンネル）を有する検出器アレイ２１と、各々の検出器チャンネルからの出力信号を測定する多チャンネル測定回路３１と、応答関数評価装置９０と、検出器アレイ２１からの出力信号に基づいてクロストークを考慮した放射線強度分布を求めるクロストーク補正装置９２と、クロストーク補正装置９２からの放射線強度分布の情報に基づいて透視画像を生成する透過像作成装置８０を備える。

本実施例の透視画像撮影装置は、検出器アレイ２１内における検出器チャネル間のクロストークＸ線１２による信号が多チャンネル測定回路３１から出力された段階で、応答関数評価装置９０およびクロストーク補正装置９２を用いて補正する。クロストーク補正装置９２からクロストークが補正されたＸ線強度分布を透過像作成装置８０に供給することにより空間分解能が向上した透過像が得られるようになる。本実施例の応答関数評価装置９０は、実施例１又は実施例２のいずれかの方法で応答関数行列Ｒを求めればよい。

本実施例によれば、クロストークを表現する応答関数行列を作成し、実際のクロストークした検出器チャネルの信号出力に対して、条件付き確率に関するベイズの定理に基づく推定計算を行うことで、クロストークする前の放射線の角度分布を詳細なピッチで得ることができ、より空間分解能が向上した透過像を得ることができるようになる。

本実施例によれば、規格化された応答関数および補正行列を用いて、クロストークが含まれた検出器アレイからの検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いて検出器アレイ入射前のクロストークが含まれない放射線強度分布を求めることができる。つまり、検出器チャンネル間で生じるクロストークによる影響を補正することができるため、空間分解能が向上した透過像撮影方法及び透過像撮影装置を実現できるようになる。このようなクロストークは検出器チャネル間の遮蔽材を設置しない検出器アレイや、薄い遮蔽材のみを設置した検出器アレイを用いる場合に特に生じやすいため、このような検出器アレイを用いる場合に特に有効である。

＜実施例４＞
第４の実施例を、図６を用いて説明する。本実施例では、Ｘ線ＣＴ装置のスキャナテーブル６０上に被検体４０を搭載し、被検体４０を透過してくるＸ線の強度信号を検出器アレイ２１で測定し、Ｘ線ＣＴ画像を撮影するＸ線ＣＴ装置について説明する。

本実施例のＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線（例えばＸ線ファンビーム）を放出するＸ線源装置１０と、被検体４０をのせるためのスキャナテーブル６０と、被検体４０を透過したエックス線を検出する複数のＸ線検出器（検出器チャンネル）を有する検出器アレイ２１と、各々の検出器チャンネルからの出力信号を測定する多チャンネル測定回路３１と、応答関数評価装置９０と、検出器アレイ２１からの出力信号に基づいてクロストークを考慮した放射線強度分布を求めるクロストーク補正装置９２と、クロストーク補正装置９２からの放射線強度分布の情報に基づいてＣＴ画像を生成するＣＴ画像再構成演算装置８１を備える。

本実施例のＸ線ＣＴ装置は、検出器アレイ２１内における検出器チャネル間のクロストークＸ線１２による信号が多チャンネル測定回路３１から出力された段階で、応答関数評価装置９０およびクロストーク補正装置９２を用いて補正する。クロストーク補正装置９２からクロストークが補正されたＸ線強度分布をＣＴ画像再構成演算装置８１に供給することにより空間分解能が向上したＣＴ画像が得られるようになる。本実施例の応答関数評価装置９０は、実施例１又は実施例２のいずれかの方法で応答関数行列Ｒを求めればよい。

本実施例によれば、クロストークを表現する応答関数行列を作成し、実際のクロストークした検出器チャネルの信号出力に対して、条件付き確率に関するベイズの定理に基づく推定計算を行うことで、クロストークする前の放射線の角度分布を詳細なピッチで得ることができ、より空間分解能が向上したＸ線ＣＴ画像を得ることができるようになる。

本実施例によれば、規格化された応答関数および補正行列を用いて、クロストークが含まれた検出器アレイからの検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いて検出器アレイ入射前のクロストークが含まれない放射線強度分布を求めることができる。つまり、検出器チャンネル間で生じるクロストークによる影響を補正することができるため、空間分解能が向上したＸ線ＣＴ画像撮影方法及びＸ線ＣＴ画像装置を実現できるようになる。このようなクロストークは検出器チャネル間の遮蔽材を設置しない検出器アレイや、薄い遮蔽材のみを設置した検出器アレイを用いる場合に特に生じやすいため、このような検出器アレイを用いる場合に特に有効である。

１０Ｘ線源装置
１１Ｘ線ファンビーム
１２検出器チャネル間のクロストークＸ線
１３ペンシル状のＸ線ビーム
２１検出器アレイ
３１多チャンネル測定回路
４０被検体
４１１チャネルコリメータ
５１検出器アレイ入射前のＸ線強度分布
５２検出器アレイの信号出力
５３クロストークＸ線による信号出力
５４クロローク補正された検出器アレイの信号出力
６０スキャナテーブル
６１ペンシル状のＸ線の強度分布
６２ペンシル状のＸ線の強度分布による検出アレイの信号出力
８０透過像作成装置
８１ＣＴ画像再構成演算装置
９０応答関数評価装置
９２クロストーク補正装置
９４演算部
９５ベイズ推定式演算部
９６除算部

Claims

放射線源から放出され被検体を透過した放射線を検出器アレイで検出して放射線強度分布を求める放射線計測方法であって、
応答関数評価装置が、前記検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求め、
クロストーク補正装置が、規格化された応答関数および補正行列を用いて、クロストークが含まれた検出器アレイの信号出力から、ベイズの定理に基づく推定式を用いて検出器アレイ入射前のクロストークが含まれない放射線強度分布を求めることを特徴とする放射線計測方法。
前記応答関数評価装置は、シミュレーション計算または実測によって前記応答関数を求めることを特徴とする請求項１に記載の放射線計測方法。
放射線を発生する放射線源装置と、
被検体を透過した前記放射線を検出して検出信号を出力する検出器アレイと、
前記検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求める応答関数評価装置と、
規格化された応答関数および補正行列を用いて、前記検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いてクロストークの影響を補正した放射線強度分布を求めるクロストーク補正装置を備えることを特徴とする放射線計測装置。
前記応答関数評価装置は、シミュレーション計算または実測によって前記応答関数を求めることを特徴とする請求項３に記載の放射線計測装置。
Ｘ線を発生するＸ線源と、
被検体を透過した前記Ｘ線を検出して検出信号を出力する検出器アレイと、
前記検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求める応答関数評価装置と、
規格化された応答関数および補正行列を用いて、前記検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いてクロストークの影響を補正したＸ線強度分布を求めるクロストーク補正装置と、
前記Ｘ線強度分布を用いて前記被検体の透過像を作成する透視像作成装置を備えることを特徴とするＸ線透過像撮影装置。
前記応答関数評価装置は、シミュレーション計算または実測によって前記応答関数を求めることを特徴とする請求項５に記載のＸ線透過像撮影装置。
Ｘ線を発生するＸ線源と、
被検体を透過した前記Ｘ線を検出して検出信号を出力する検出器アレイと、
前記検出器アレイ内のクロストークに関する応答関数を求める応答関数評価装置と、
規格化された応答関数および補正行列を用いて、前記検出信号から、ベイズの定理に基づく推定式を用いてクロストークの影響を補正したＸ線強度分布を求めるクロストーク補正装置と、
前記Ｘ線強度分布を用いて前記被検体のＣＴ画像を作成するＣＴ画像再構成装置を備えることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
前記応答関数評価装置は、シミュレーション計算または実測によって前記応答関数を求めることを特徴とする請求項７に記載のＸ線ＣＴ装置。