JP2017142232A - X線回折により物体を分析する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
a)電離した電磁放射線を放出する照射源に面する物体を配置して、伝搬軸に沿って前記物体に向かって伝搬するコリメートされた入射ビームを形成するように前記照射源から第1のコリメータを介して前記物体に照射し、
b)それぞれの画素が前記物体によって散乱された放射線を検出することができる複数の画素を有する検出器を配置し、前記散乱された放射線は、前記伝搬軸に対して散乱角と呼ばれる鋭角を成す方向に伝搬しており、
c)前記検出器の複数の画素を用いて、前記散乱された放射線のエネルギー分布を示す散乱スペクトルを取得し、それぞれの散乱スペクトルは一つの画素と関連し、
d)物体を基本体積に分解し、それぞれの画素をそれぞれの画素によって検出された散乱放射線に対する基本体積の寄与を示す分散関数と関連付けし、
e)取得された前記散乱スペクトルとそれぞれの画素に関連付けられた前記分散関数に基づいて、それぞれの画素に関連する散乱シグネチャを決定し、前記シグネチャは前記基本体積を形成する材料であり、
f)前記それぞれの基本体積に関連付けられた前記散乱シグネチャに基づいて、前記物体の前記基本体積を形成する材料の性質を推定する、方法。
それぞれの画素に関連付けられた前記散乱関数の決定は、画素について前記参照物質に対して設定された参照散乱関数を考慮することを含むことができる。
それは、また、項別の前記参照スペクトルに対する散乱スペクトルの比の設定を含み、前記比は、前記画素に対して設定された前記参照散乱関数を項別に乗じたものである。
前記比はエネルギーと項別の乗算の前の運動量伝達との間の変数の変化のテーマである。
それは、また、項別の前記参照スペクトルに対する散乱スペクトルの比の設定を含み、前記比は、前記画素に対して設定された前記参照散乱関数を項別に乗じたものである。
前記比はエネルギーと項別の乗算の前の運動量伝達との間の変数の変化のテーマである。
それぞれの画素に関連付けられた前記散乱関数に基づいて、応答行列を設定し、
それぞれの画素に関連付けられた分散関数に基づいて、分散行列を設定し、
それぞれの基本体積の散乱シグネチャの行列による前記分散行列の行列積が前記応答行列に対応するように、それぞれの基本体積の散乱シグネチャを含む行列を推定することを、含む。
以下のステップは、
i)前記キャリブレーション物体を照射して、前記画素により、前記位置に配置された前記キャリブレーション物体によって散乱された放射線のキャリブレーションスペクトルを取得し、
ii)それぞれのキャリブレーションスペクトルにおいて、前記キャリブレーション物体の特性であるキャリブレーションピークを特定し、
iii)前記キャリブレーションピークの強度を決定する、ことを有している。
前記分散関数は、前記キャリブレーション物体のそれぞれに位置において前記画素に対してそれぞれ取得された前記キャリブレーションピークの前記強度に基づいて取得される。キャリブレーション物体のキャリブレーション材料は、参照材料と異なるものであってもよい。
物体で散乱され、画素に到着した放射線は、第2のコリメータのアパーチャを通過しており、第2のコリメータは、前記ホルダと検出器との間に配置され、アパーチャは前記伝搬軸に対して傾いた中間軸に沿って前記ホルダと前記検出器の間に延在している。
角度範囲に属する散乱角度で放出された散乱放射が検出器に到達し、角度範囲の外側の角度で放出された散乱放射が第2のコリメータ減衰するように、アパーチャが角度範囲を規定している。
検出器は、上記の伝搬軸に対して90°よりも小さい角度で傾いた検出面に沿って伸びている。
物体の減衰スペクトル関数は、照射源から放出された放射線のスペクトルと、前記伝搬軸に沿って前記物体を透過した放射線のスペクトルをそれぞれ測定することで得られる。
物体は、伝搬軸に沿って伝搬するコリメート入射ビームを形成するように第1のコリメータを介して照射源によって照射されている。
前記物体を保持することができるホルダに向かって伝搬する電離した電磁波を生成することができる照射源と、
前記照射源と前記ホルダとの間に配置された第1のコリメータであって、前記ホルダに向かう伝搬軸に沿って伝搬するコリメートビームを形成することができるアパーチャを備えた前記第1のコリメータと、
前記ホルダと検出器との間に配置された第2のコリメータであって、前記伝搬軸に対して傾いた中間軸に沿って前記ホルダと前記検出器の間に延在するアパーチャを有する第2のコリメータと、
複数の画素を有する検出器であって、それぞれの画素は、前記物体で散乱された電磁放射線を前記アパーチャを介して検出することができ、かつ、散乱スペクトルであるエネルギースペクトルを取得することができる検出器と、を備え、
前記装置は、それぞれの画素によって取得された散乱スペクトルに基づいて、上記の方法のd)〜f)のステップを実行することができるマイクロプロセッサを有していることを特徴とする装置。
それぞれの画素を形成する材料は、半導体であり、例えば、CdTe、CdZnTe又は好ましくは室温において、分光測定を実行するのに適した他の材料である。それは、シンチレータ材料でもよく、十分高いエネルギー分解能を提供する。検出器は、エネルギー分解され、それぞれの画素は、約1keVのエネルギー分解能のチャネルでスペクトルを取得することができる。照射源11は、プリコリメータ30に向かう20keV未満のエネルギーの放射線の伝搬を遮蔽するため例えば銅製の金属スクリーンを有していてもよい。このスクリーンが銅製の場合、その厚さは、例えば、0.2mmである。
物体10を透過して2のコリメータ40を介した散乱放射線14θの光子と相互作用することができる検出器材料を備え、この材料はシンチレータ材料、又は好ましくは室温において使用可能な例えば、CdTe、CdZnTeである半導体材料である検出器材料と、
振幅A に応じた信号を生成することができる電子回路21であって、好ましくは、検出器材料と相互作用したそれぞれの光子によって蓄積したエネルギーEに比例する信号を生成する電子回路と、
取得期間である期間の間に検出された信号の、Sk Eで示されるエネルギースペクトルを求めることができる分光回路と、を備えている。
プロセッサは、例えばスクリーンである表示部24に接続されている。
Warburton W.K, “An approach to sub-pixel spatial resolution in room temperature X-ray detector arrays with good energy resolution”
Montemont et al. “Studying spatial resolution of CZT detectors using sub-pixel positioning for SPECT”, IEEE transactions on nuclear science, Vol. 61, No. 5, October 2014.
2dsin(θ/2)=nhc/E ・・・(1)
χ=sin(θ/2)E/(hc) ・・・(2)
Sk E=Dk・(Sinc×Att×(Ak・fk χ))・・・(3)
ここでは、Sk Eはサイズ(NE,1)の画素20kで測定されたエネルギースペクトルであり、NEはスペクトルのチャンネル数であり、例えば、エネルギーの離散間隔の数である。Dkは、検出の不完全さを示す画素20kの応答行列である。この行列のそれぞれの項Dk(E,Ei)は、光子が検出器に入射する確率を示し、エネルギーEiの項は、検出器によって検出されたエネルギーと考えられる。この行列は、NE×NEのサイズの正方行列である。Sincは、コリメート入射ビームの、次元(NE,1)のエネルギースペクトルである。Attは減衰スペクトル関数と呼ばれるベクトルであり、物体10による入射スペクトルの減衰を示し、次元は(NE,1)である。Akは、サイズ(NE, Nχ)のそれぞれの画素20kに関連付けられた角度の応答関数を示す行列であり、ここでNχは、運動量伝達χの離散間隔の数を示している。それぞれの項Ak(E,χ)は、検出器20kによって検出されたエネルギーEの光子のエネルギーが式(2)で与えられる、χに等しい運動量伝達に対応する確率を示す。この行列の応用は、エネルギーEの関数として示される画素で測定されたスペクトルと、運動量伝達χで示される同じスペクトルの変換を実行することができる。図1Cはこの行列の図であり、この最大項は、式(4)で定義される列に位置している。
E=hcχ/sin(θk/2) ・・・(4)
ここで、θkは、画素20kに関連付けられた平均散乱角度を示している。このような行列は、それぞれの画素20kに定義される。fk χはそれぞれの画素20kに関連付けられた散乱関数である。それは、画素20kで測定された運動量伝達χの値のスペクトルである。この散乱関数は画素20kの観察視野Ωkにある基本体積Vzに存在する材料のみに依存する。fk χの次元は(Nχ,1)である。×はアダマール積(項別の積)を示し、・は行列積を示す。
Sk E=Sinc×Att×(Ak・fk E)・・・(5)
ここで、fk Eはエネルギーの関数である、それぞれの画素20kで測定された散乱関数である。エネルギーの関数として示されるこの散乱関数に基づいて、χの関数として示される推定された散乱関数fk χを求めることが可能になり、ベクトルfk E ,とベクトルfk χとの間の移行は、fk E=Ak・fk χを用いて上記の行列Akを用いることで求めることができる。
Sk E ,ref =Sinc×Attref×fk E ,ref・・・(6)
ここで、Attrefは、参照物体10refの減衰スペクトル関数を示す。
[
S’k E=Sk E/Sk E ,ref=(Att×fk E)/(Attref×fk E ,ref)・・・(7)
fk χ=fk χ ,ref×Ak -1・[(S’ k E×Att,ref)/Att]・・・(8)
ここで、fk χ ,refは画素に関連付けられた参照散乱関数であり、運動量伝達の関数として表現されている。Att,refとfk χ ,refとAttとは既知であり、Sk Eは測定されるため、式(8)を用いて、fk χを推定することができる。
Fk=G・Fz ・・・(9)
画素によって測定された散乱関数fk χと基本体積Vzから放出された放射線の散乱シグネチャfz χとの間の移行は、分散関数gkの使用を要求し、上述の分散関数は、それぞれの画素20kと関連付けられて、それに基づいて、分散行列Gを求めることができる。これらの関数は、計算コードを用いたシミュレーションによって取得される。キャリブレーション物体10cを用いて、それらを実験的に求めることも可能であり、キャリブレーション物体10cは、コリメート入射ビーム12cの伝搬軸12zに沿って連続的に移動可能な薄板形状の既知の材料によって形成されている。薄板によって意味することは、基本体積の幅であり、例えば、望ましく取得される空間分解能である。
換言すると、以下の式となる。
gk(z)=Ik,c,z ・・・(13)
第2のコリメータの観察視野において、位置zに既知の材料で構成されたキャリブレーション物体10cを配置すること(ステップ200)、
位置zで、検出器20の画素20kによって散乱スペクトルSk E ,c,zを測定すること(ステップ210)、
それぞれの散乱スペクトルを、キャリブレーション物体を透過して補助検出器200で測定された透過スペクトルSc E ,0によって規格化すること(ステップ220)、
この規格化は、選択的に、ただし好ましくは、それぞれの規格化された散乱スペクトルにおいて,キャリブレーション物体の構成材料を代表するキャリブレーションピークの強度Ik,c,zを決定しており(ステップ230)、
キャリブレーション物体を第2のコリメータの観察視野における様々な位置zに連続的に移動している間に、ステップ210〜230を繰り返し行うこと(ステップ240)、及び
前記強度を用いて、それぞれの画素に関連付けられた散乱関数gkと、分散行列Gを取得すること(ステップ250)。
(それぞれの画素20kに対する、参照材料の散乱関数fk χ ,refの取得)
(減衰スペクトル関数の取得)
これは以下の式に対応している。
1cmの厚さの銅板10test−1と、1cmの厚さのアルミニウム板10test−2とからなり、これら2枚の板が2cmの間隔離れたテスト物体10testを用いた、シミュレータに基づく実験が実行された。コリメート角度Θは5°である。シミュレーションされた装置は図4Aに示されている。
Claims (13)
- 物体を分析する方法であって、
a)電離した電磁放射線を放出する照射源に面する物体を配置して、伝搬軸に沿って前記物体に向かって伝搬するコリメート入射ビームを形成するように前記照射源から第1のコリメータを介して前記物体に照射し、
b)それぞれの画素が前記物体によって散乱された放射線を検出することができる複数の画素を有する検出器を配置し、前記散乱された放射線は、前記伝搬軸に対して散乱角と呼ばれる鋭角を成す方向に伝搬しており、
c)前記検出器の複数の画素を用いて、前記散乱された放射線のエネルギー分布を示す散乱スペクトルを取得し、それぞれの散乱スペクトルは一つの画素と関連し、
d)物体を基本体積に分解し、それぞれの画素をそれぞれの画素によって検出された散乱放射線に対する基本体積の寄与を示す分散関数と関連付けし、
e)取得された前記散乱スペクトルとそれぞれの画素に関連付けられた前記分散関数に基づいて、それぞれの画素に関連する散乱シグネチャを決定し、前記散乱シグネチャは前記基本体積を形成する材料であり、
f)それぞれの前記基本体積に関連付けられた前記散乱シグネチャに基づいて、前記物体の前記基本体積を形成する材料の性質を評価する、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記e)のステップは、それぞれの画素によって取得された前記散乱スペクトルに基づいて、前記画素に関連付けられた散乱関数を決定することを含み、前記関数は、参照材料が前記物体の場所に配置された間に前記画素によって取得された参照スペクトルに前記散乱スペクトルを結合することで取得される方法。
- 請求項2に記載の方法であって、それぞれの画素に関連付けられた前記散乱関数の決定は、画素について前記参照材料に対して設定された参照散乱関数を考慮することを含む方法。
- 請求項3に記載の方法であって、画素に関連付けられた前記散乱関数の決定は、項別の前記参照スペクトルに対する散乱スペクトルの比の設定を含み、前記比は、前記画素に対して設定された前記参照散乱関数を項別に乗じたものである方法。
- 請求項2に記載の方法であって、前記e)のステップは、物体の減衰スペクトル関数と参照物体の減衰スペクトル関数を考慮することを含む方法。
- 請求項2に記載の方法であって、前記e)のステップは、
それぞれの画素に関連付けられた前記散乱関数に基づいて、応答行列を設定し、
それぞれの画素に関連付けられた分散関数に基づいて、分散行列を設定し、
それぞれの基本体積の散乱シグネチャの行列による前記分散行列の行列積が前記応答行列に対応するように、それぞれの基本体積の散乱シグネチャを含む行列を評価する、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
画素に関連付けられた前記分散関数は、キャリブレーション物体を前記伝搬軸に沿って様々な位置に置いて、かつ、それぞれの位置で以下のステップを実行することによって構成され、
前記以下のステップは、
i)前記キャリブレーション物体を照射して、前記画素により、前記位置に配置された前記キャリブレーション物体によって散乱された放射線のキャリブレーションスペクトルを取得し、
ii)それぞれのキャリブレーションスペクトルにおいて、前記キャリブレーション物体の特性であるキャリブレーションピークを特定し、
iii)前記キャリブレーションピークの強度を決定する、ことを有し、
前記分散関数は、前記キャリブレーション物体のそれぞれに位置において前記画素に対してそれぞれ取得された前記キャリブレーションピークの前記強度に基づいて取得される方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記f)のステップは、それぞれの基本体積において、e)のステップで取得された前記それぞれの基本体積に関連付けられた前記散乱シグネチャと既知の材料に対応して事前に設定された散乱シグネチャとを比較することを含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記画素は、前記検出器の物理画素をサブピクセル化することで得られた仮想画素である方法。
- 請求項1に記載の方法のd)からf)のステップを実行する指令を含むプロセッサ可読データ記録媒体であって、前記検出器の画素によってそれぞれ取得された散乱スペクトルに基づいて、それぞれの散乱スペクトルは散乱放射線のエネルギー分布を示し、それぞれの散乱スペクトルは、一つの画素に関連付けられているデータ記録媒体。
- 物体を分析する装置であって
前記物体を保持することができるホルダに向かって伝搬する電離した電磁波を生成することができる照射源と、
前記照射源と前記ホルダとの間に配置された第1のコリメータであって、前記ホルダに向かう伝搬軸に沿って伝搬するコリメートビームを形成することができるアパーチャを備えた前記第1のコリメータと、
前記ホルダと検出器との間に配置された第2のコリメータであって、前記伝搬軸に対して傾いた中間軸に沿って前記ホルダと前記検出器の間に延在するアパーチャを有する第2のコリメータと、
複数の画素を有する検出器であって、それぞれの画素は、前記物体で散乱された電磁放射線を前記アパーチャを介して検出することができ、かつ、散乱スペクトルであるエネルギースペクトルを取得することができる検出器と、を備え、
前記装置は、それぞれの画素によって取得された散乱スペクトルに基づいて、請求項1に記載の方法のd)〜f)のステップを実行することができるマイクロプロセッサを有していることを特徴とする装置。 - 請求項11に記載の装置であって、
前記中間軸は前記伝搬軸に対してコリメート角度である角度を形成し、前記角度は厳密に0°よりも大きく、かつ20°よりも小さいことを特徴とする装置。 - 請求項11に記載の装置であって、
前記ホルダに保持された前記物体を前記伝搬軸に沿って透過した放射線のスペクトルを透過スペクトルとして取得することができる補助検出器をさらに備えた装置。
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