JP2019076690A - 断層撮影システム及びその方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】断層撮影システム及びその方法を提供する。【解決手段】本発明の断層撮影システムは、以下のステップを含む。光子計数検出器及びＸ線管が相対運動を行うことにより、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされ、Ｎは正の整数であるステップ。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが再構成されることにより、完全な角度の投影強度データが構成されるステップ。完全な角度の投影強度データ及び２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、ベースイメージの計算が行われるステップ。また、断層撮影システムも提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、断層撮影システム及びその方法に関し、より詳しくは、エネルギーレベル式コンピュータ断層撮影装置の撮影エネルギーレベルを強化可能な断層撮影システム及びその方法に関する。
一般的なX線ＣＴ（computed tomography、CT）の結像検出システムには従来のエネルギー積分型検出器（energy integrating detector、EID）が使用されるが、物質を通過して減衰したＸ線に関連するデータしか得られない。エネルギーレベル式コンピュータ断層撮影システムが登場してから、物質を通過したＸ線のエネルギーに関連するデータも得られるようになった。
また、近年では光子計数検出器（photon counting detector、 PCD）技術が提供されている。従来のエネルギーレベル式コンピュータ断層撮影技術と比べると、光子計数検出器を使用することでエネルギーに関連するより詳細なデータが得られる。
しかしながら、従来の市場に存在する商業用光子計数検出器の多くはデュアルエナジー式（dual-energy）であり、２種類以上のエネルギーレベルを利用するマルチエナジー式（multi-energy）光子計数検出器の製品は少ないうえ、価格も高い。一般的には、光子計数検出器で使用するエネルギーレベルの種類が多くなるほど、複雑な信号処理回路が必要になり、より多くの比較器（comparator）ユニットが必要になる。即ち、技術的難度が高くなり、コストも増え、且つ信号が複雑な回路を経由するため検出器の不感時間（dead time）も増加し、検出器が受容できる光子束（photon flux）も制限され、応用範囲が限定されてしまった。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的かつ効果的に課題を改善する本発明の提案に到った。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、断層撮影システム及びその方法を提供することを主目的とする。すなわち、撮影エネルギーレベルを２とする光子計数検出器アーキテクチャを基礎とし、同じレベルの撮影時間及び画像空間解像度を維持しつつ、スパースビュー撮影モード及び画像処理技術を組み合わせることによりマルチエナジー（撮影エネルギーレベルが少なくとも３以上）によるコンピュータ断層撮影の目的を達成させる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る断層撮影方法の特徴は、
光子計数検出器及びＸ線管が相対運動を行うことにより、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされ、且つＮは正の整数であるステップと、
２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが再構成されることにより、完全な角度の投影強度データが構成されるステップと、
完全な角度の投影強度データ及び２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、ベースイメージの計算が行われるステップとを含む。
好ましい実施形態では、上述の光子計数検出器及び光源の相対運動が行われるステップ中では、以下のステップを含む。光子計数検出器が採用される撮影エネルギーレベルは２とし、高エネルギー閾値と低エネルギー閾値を設定する。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは前記高エネルギー閾値と前記低エネルギー閾値に基づいて、対応し合う高エネルギースペクトルデータ及び低エネルギースペクトルデータをそれぞれ有し、高エネルギースペクトルデータの平均エネルギーは前記低エネルギースペクトルデータの平均エネルギーより大きいステップ。
好ましい実施形態では、上述の完全な角度の投影強度データが構成されるステップ中では、以下のステップを含む。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中の各高エネルギースペクトルデータ及び対応する各低エネルギースペクトルデータにより２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが構成されるステップ。２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータを積分させることにより、２組Ｎ個のスパースビューの強度データが取得されるステップ。及び、２組Ｎ個のスパースビューの強度データが組み合わせられて１組の完全な角度の投影強度データが構成されるステップ。
好ましい実施形態では、上述の２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされるステップ中では、以下のステップを含む。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが奇数回エネルギースペクトルデータセット及び偶数回エネルギースペクトルデータセットに区分されるステップ。及び、奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数高エネルギー閾値及び偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数高エネルギー閾値が設定され、奇数高エネルギー閾値は偶数高エネルギー閾値とは相違するステップ。
好ましい実施形態では、上述の奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数高エネルギー閾値及び偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数高エネルギー閾値が設定されるステップ中では、以下のステップを含む。奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数低エネルギー閾値及び偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数低エネルギー閾値が設定され、奇数高エネルギー閾値は奇数低エネルギー閾値より大きく、偶数高エネルギー閾値は偶数低エネルギー閾値より大きいステップ。
好ましい実施形態では、上述の２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされるステップの後には、以下のステップを含む。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中のアナログ信号がデジタル信号に変換されるステップ。
好ましい実施形態では、上述の２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされるステップの後には、以下のステップを含む。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが補正されるステップ。
好ましい実施形態では、上述の光子計数検出器及びＸ線管の相対運動が行われるステップ中では、以下のステップを含む。Ｘ線管によりエネルギースペクトルが生成されると共に被測定対象を透過させるステップ。及び、光子計数検出器によりエネルギースペクトルが検出され、対応する投影エネルギースペクトルデータが取得されるステップ。
また、本発明に係る断層撮影システムの特徴は、Ｘ線管と、光子計数検出器と、信号再構成ユニットと、画像再構成ユニットとを備える。光子計数検出器はＸ線管に対して配置され、光子計数検出器及びＸ線管の相対運動により、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされる。Ｎは正の整数である。信号再構成ユニットは光子計数検出器に接続され、信号再構成ユニットにより２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが再構成されることにより、完全な角度の投影強度データが構成される。画像再構成ユニットは信号再構成ユニットに接続され、画像再構成ユニットは完全な角度の投影強度データ及び２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、ベースイメージの計算を行う。
好ましい実施形態では、上述の光子計数検出器の撮影エネルギーレベルは２とし、高エネルギー閾値と低エネルギー閾値を設定し、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは前記高エネルギー閾値と前記低エネルギー閾値に基づいて、対応し合う高エネルギースペクトルデータ及び低エネルギースペクトルデータをそれぞれ有する。高エネルギースペクトルデータの平均エネルギーは低エネルギースペクトルデータの平均エネルギーより大きい。
好ましい実施形態では、上述の信号再構成ユニットにより２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中の各高エネルギースペクトルデータ及び各低エネルギースペクトルデータが２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータを構成させ、且つ信号再構成ユニットにより２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが積分され、２組Ｎ個のスパースビューの強度データが取得される。信号再構成ユニットにより２組Ｎ個のスパースビューの強度データが組み合わせられることで完全な１組の角度の投影強度データが構成される。
好ましい実施形態では、上述の２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは奇数回エネルギースペクトルデータセット及び偶数回エネルギースペクトルデータセットに区分され、且つ奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数高エネルギー閾値及び奇数低エネルギー閾値が設定され、奇数高エネルギー閾値は奇数低エネルギー閾値より大きい。偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数高エネルギー閾値及び偶数低エネルギー閾値が設定され、偶数高エネルギー閾値は偶数低エネルギー閾値より大きく、且つ奇数高エネルギー閾値は偶数高エネルギー閾値とは相違する。
好ましい実施形態では、上述の断層撮影システムは前処理ユニットを更に備える。前処理ユニットは画像再構成ユニットに接続され、前処理ユニットは２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータの補正に用いられる。
好ましい実施形態では、上述の断層撮影システムはデータキャプチャユニットを更に備える。データキャプチャユニットは光子計数検出器に接続され、データキャプチャユニットは２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中のアナログ信号をデジタル信号に変換させるために用いられる。
好ましい実施形態では、上述の断層撮影システムは機構運動ユニットを更に備える。機構運動ユニットはＸ線管及び光子計数検出器に接続され、機構運動ユニットは光子計数検出器及びＸ線管に相対運動を行わせるために用いられる。Ｘ線管によりエネルギースペクトルが生成されると共に被測定対象を透過させ、且つ光子計数検出器によりエネルギースペクトルが検出され、対応する投影エネルギースペクトルデータが取得される。
さらに、上記に基づいて、本発明が提供される投影システムと投影方法は、撮影エネルギーレベルを２とする光子計数検出器アーキテクチャを基礎とし、異なるエネルギー閾値の設定により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされる。このため、撮影時間が短縮され、或いは被測定対象が受ける放射線量が減少する。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが組み合わせられることにより撮影エネルギーレベルが向上し、撮影エネルギーレベルが２より大きくなり、被測定対象の物質分解（material decomposition）の精度が改善されるか、被測定対象の物質量の解析が向上する。
なお、本発明は完全な角度の投影強度データにより２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが発生させる折り返し雑音（aliasing）が補償される。これにより、本発明は同じレベルの画像解像度及び撮影時間を保持させつつ、撮影エネルギーレベルを高める。
このほかに、本発明には高価格の高エネルギーレベル（撮影エネルギーレベルは少なくとも３より大きい）の光子計数検出器が不要になり、撮影エネルギーレベルの向上を達成させる。よって、設置コストも抑えられる。
本発明の一実施形態に係る投影システムを示す概略図である。 本発明の光子計数検出器及びエネルギー閾値の関係を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る断層撮影方法を示すフローチャートである。 奇数エネルギースペクトルデータセットにおける奇数エネルギースペクトルデータを示す概略図である。 偶数エネルギースペクトルデータセットにおける偶数エネルギースペクトルデータを示す概略図である。
以下、図面を参照して本発明に係る断層撮影システム及びその方法の実施形態について説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
実施形態
以下、図１〜４Ｂを参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１は本発明の好ましい実施形態に係る投影システムを示す概略図である。本発明の投影システム１０は、第３世代（third-generation）コンピュータ断層撮影アーキテクチャを採用するが、計数検出器（Photon counting detector、 PCD）１４を使用してエネルギー積分型成像検出器（Energy integrating detector、 EID）を代替させる。本実施形態では、断層撮影システム１０は、操作ユニット１１と、機構運動ユニット１２と、Ｘ線管１３と、光子計数検出器（Photon counting detector、 PCD）１４と、データキャプチャユニット（Data acquisition unit、 DAQ）１５と、前処理ユニット（Preprocessing unit）１６と、信号再構成ユニット（Rebinning unit）１７と、画像再構成ユニット（Reconstruction unit）１８とを備える。
本実施形態では、操作ユニット１１は入力装置と、保存装置と、表示装置及びそれに対応する制御器とを少なくとも備える。入力装置は操作者がパラメータを入力するために用いられ、制御器は操作者が入力したパラメータに基づいて断層撮影システム１０中の関連する部材に特定の動作を実行させる。保存装置は断層撮影システム１０の関連する部材が特定の動作を実行させた後に得られるデータ及び画像にアクセスするために用いられる。表示装置には保存装置の画像が表示され、操作者が観察可能になる。
本実施形態では、操作ユニット１１には機構運動ユニット１２が接続され、機構運動ユニット１２にはＸ線管１３及び光子計数検出器１４が接続される。図１に示されるように、機構運動ユニット１２はトラック１２２を備え、光子計数検出器１４はＸ線管１３に対してトラック１２２上に配置され、且つ被測定対象５０は光子計数検出器１４とＸ線管１３との間に設置される。操作者が操作ユニット１１中の入力装置にパラメータを入力すると、操作ユニット１１中の入力装置から関連するパラメータが制御器に伝送され、操作ユニット１１中の制御器により対応し合う運動信号が機構運動ユニット１２に入力される。機構運動ユニット１２は光子計数検出器１４及びＸ線管１３に相対運動を行わせるために用いられる。Ｘ線管１３によりエネルギースペクトルが生成されると共に被測定対象５０を透過させ、且つ光子計数検出器１４によりエネルギースペクトルが検出され、対応する投影エネルギースペクトルデータが取得される。これにより、光子計数検出器１４及びＸ線管１３が相対運動を行うことで、間隔角ごとに投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされ、本実施形態を例として、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされ、Ｎは正の整数である。ちなみに、本実施形態では異なるエネルギー閾値の設定に基づいて２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされる。
本実施形態では、図２は本発明の光子計数検出器及びエネルギー閾値の関係を示す概略図であり、図２はあるスパースビューの投影エネルギースペクトルデータであり、図２の横軸は光子エネルギーを示し、図２の縦軸は光子計数を示す。光子計数検出器の撮影エネルギーレベルは２とし、高エネルギー閾値（High-energy threshold）ＥＨ及び低エネルギー閾値（Low-energy threshold）ＥＬが設定され、低エネルギー閾値ＥＬ以下の光子エネルギーは電子ノイズＳｎとしてフィルタリングされる。低エネルギー閾値ＥＬから高エネルギー閾値ＥＨまでの間の光子エネルギーにより低エネルギースペクトルデータ（Low-energy spectral data）ＳＬが構成され、高エネルギー閾値ＥＨ（High-energy threshold）より高い光子エネルギーにより高エネルギースペクトルデータ（High-energy spectral data）ＳＨが構成され、高エネルギースペクトルデータＳＨの平均光子エネルギーは低エネルギースペクトルデータＳＬの平均光子エネルギーより大きい。また、高エネルギースペクトルデータＳＨの光子エネルギー及び低エネルギースペクトルデータＳＬの光子エネルギーにより構成される画像は全エネルギー画像とし、即ち、高エネルギースペクトルデータＳＨの光子エネルギー及び低エネルギースペクトルデータＳＬの光子エネルギーが積分されることにより信号強度データが得られる。
図１を参照し、データキャプチャユニット１５は光子計数検出器１４に接続され、データキャプチャユニット１５は２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中のアナログ信号をデジタル信号に変換させるために用いられる。前処理ユニット１６はデータキャプチャユニット１５に接続され、データキャプチャユニット１５により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが前処理ユニット１６に伝送される。前処理ユニット１６は２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータの補正に用いられる。光子計数検出器１４は入射する光子の事象率（even rate）が高すぎる場合、パルスパイルアップ（pulse pileup）現象を発生させ、光子計数の損失及び物理的要素の影響により生じる電荷収集が不完全になる現象が引き起こされ、受信されるエネルギースペクトルデータに変形が生じる。このため、本実施形態の前処理ユニット１６は画像の均等度、電荷分割（charge sharing）、電荷トラップ（charge trapping）、Ｋ特性Ｘ線（K-escape X-ray）等の現象に対する補正または補償に用いられる。他の実施形態では、前処理ユニット１６は２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータを直接受信させると共に補正を行う。
本実施形態では、信号再構成ユニット１７は光子計数検出器１４に接続され、例えば、図１の信号再構成ユニット１７は前処理ユニット１６に接続される。前処理ユニット１６により補正された後の２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは信号再構成ユニット１７に伝送され、信号再構成ユニット１７により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが再構成されることにより、完全な角度（full-views）の投影強度データが構成される。詳しくは、信号再構成ユニット１７により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中の各高エネルギースペクトルデータ及び対応する各低エネルギースペクトルデータが２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータとして構成され、且つ信号再構成ユニットにより２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが積分され、２組Ｎ個のスパースビューの強度データ（intensity data）が取得される。信号再構成ユニット１７により２組Ｎ個のスパースビューの強度データが組み合わせられることで１組の完全な角度の投影強度データが構成される。
本実施形態では、画像再構成ユニット１８は前処理ユニット１６及び信号再構成ユニット１７に接続され、画像再構成ユニット１８は前処理ユニット１６により補正された後の２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータの受信に用いられ、且つ画像再構成ユニット１８は信号再構成ユニット１７により伝送された１組の完全な角度の投影強度データの受信に用いられる。１組の完全な角度の投影強度データ及び２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、逐次（iterative）再構成演算法によりマルチエナジー（撮影エネルギーレベルは少なくとも３より大きい）の物質分解のベースイメージの計算が行われる。
上述の配置により、本発明に係る投影システムは撮影エネルギーレベルを２とする光子計数検出器１４アーキテクチャを基礎とし、異なるエネルギー閾値の設定により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされる。これにより、撮影時間が短縮され、或いは被測定対象５０が受ける放射線量が減少する。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが組み合わせられることにより撮影エネルギーレベルが高まり、撮影エネルギーレベルが２より大きくなり、被測定対象５０の物質分解の精度が改善まり、または被測定対象５０の解析される物質量が向上する。
さらに、本実施形態では、１組の完全な角度の投影強度データにより２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに生じる折り返し雑音（aliasing）が補償される。これにより、本実施形態は、同じレベルの画像解像度及び撮影時間を保持させつつ撮影エネルギーレベルの向上を達成させる。
また、本実施形態によれば、高価格の高エネルギーレベル（撮影エネルギーレベルは少なくとも３より大きい）の光子計数検出器が不要になり、撮影エネルギーレベルの向上を達成させる。このため、設置コストも低減する。
図３は本発明の一実施形態に係る断層撮影方法を示すフローチャートである。図３の断層撮影方法Ｓ１０は図１の断層撮影システム１０に応用される。本実施形態に係る断層撮影方法Ｓ１０はステップＳ１１０乃至ステップＳ１３０を含む。
ステップＳ１１０が行われ、光子計数検出器１４及びＸ線管１３が相対運動を行うことにより、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされる。Ｎは正の整数である。
更に詳しくは、本実施形態では、光子計数検出器１４が採用される撮影エネルギーレベルは２である。間隔角ごとに、Ｘ線管１３によりエネルギースペクトルが生成されると共に被測定対象５０を透過させ、光子計数検出器１４によりエネルギースペクトルが検出され、２組Ｎ個のスパースビューの対応し合う投影エネルギースペクトルデータが取得される。また、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが奇数回エネルギースペクトルデータセット及び偶数回エネルギースペクトルデータセットに区分される。換言すれば、本実施形態は、２組Ｎ個のスパースビューのキャプチャ過程において、奇数回キャプチャされる投影エネルギースペクトルデータは奇数回エネルギースペクトルデータセットに分類され、偶数回キャプチャされる投影エネルギースペクトルデータは偶数回エネルギースペクトルデータセットに分類される。
例えば、光子計数検出器１４及びＸ線管１３が相対運動を行うことにより、360度の円運動を例とし、毎回間隔角は２度であり、Ｎは３６０度／間隔角を示し、よってＮは１８０となる。換言すれば、間隔角２度で１８０個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされ。１回、３回、５回、７回乃至３５９回等の奇数回キャプチャされる投影エネルギースペクトルデータは奇数回エネルギースペクトルデータセットに分類される。奇数回エネルギースペクトルデータセットは計１８０個の投影エネルギースペクトルデータを含み、２回、４回、６回、８回乃至３６０回等の偶数回キャプチャされる投影エネルギースペクトルデータは偶数回エネルギースペクトルデータセットに分類される。偶数回エネルギースペクトルデータセットは計１８０個の投影エネルギースペクトルデータを含む。
本実施形態では、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは対応し合う高エネルギースペクトルデータ及び低エネルギースペクトルデータをそれぞれ有する。本実施形態の断層撮影方法Ｓ１０を例にすると、すなわち、図４Ａは奇数エネルギースペクトルデータセットにおける奇数エネルギースペクトルデータを示す概略図であり、図４Ｂは偶数エネルギースペクトルデータセットにおける偶数エネルギースペクトルデータを示す概略図である。図４Ａに示されるように、奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄ及び奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄが設定される。奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄは奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄより大きく、奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄ以下の光子エネルギーは電子ノイズＳｎとしてフィルタリングされる。奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄから奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄまでの間の光子エネルギーにより奇数低エネルギースペクトルデータＳＬ１が構成され、奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄより高い光子エネルギーにより奇数高エネルギースペクトルデータＳＨ１が構成される。図４Ｂに示されるように、偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎ及び偶数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｅｖｅｎが設定され、偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎは偶数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｅｖｅｎより大きく、偶数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｅｖｅｎ以下の光子エネルギーは電子ノイズＳｎとしてフィルタリングされる。偶数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｅｖｅｎから偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎまでの間の光子エネルギーにより偶数低エネルギースペクトルデータＳＬ２が構成され、偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎより高い光子エネルギーにより偶数高エネルギースペクトルデータＳＨ２が構成される。奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄは偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎとは相違し、奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄは偶数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｅｖｅｎに等しい。図４Ａ及び図４Ｂを例にすると、偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎは奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄより大きい。本実施形態では、順次式キャプチャが採用され、光子計数検出器１４の高エネルギー閾値の切り換えが順次実行され、全ての２組Ｎ個のスパースビューの対応する投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされる。換言すれば、１回目に奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄ及び奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄが採用され、奇数低エネルギースペクトルデータＳＬ１及び奇数高エネルギースペクトルデータＳＨ１がキャプチャされる。２回目に偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎ及び偶数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｅｖｅｎが採用され、偶数低エネルギースペクトルデータＳＬ２及び偶数高エネルギースペクトルデータＳＨ２がキャプチャされる。３回目には奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄ及び奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄに切り換えられ、奇数低エネルギースペクトルデータＳＬ１及び奇数高エネルギースペクトルデータＳＨ１がキャプチャされ、以下同じように続き、全ての２組Ｎ個のスパースビューの対応する投影エネルギースペクトルデータが順次キャプチャされる。他の実施形態では、リターン式キャプチャが採用さえ、先ず奇数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｏｄｄ及び奇数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｏｄｄが採用され、且つ時計回り方向または反時計回り方向に奇数回エネルギースペクトルデータセットがキャプチャされる。次いで、偶数高エネルギー閾値ＥＨ＿ｅｖｅｎ及び偶数低エネルギー閾値ＥＬ＿ｅｖｅｎが採用され、反時計回り方向または時計回り方向（前述の奇数回エネルギースペクトルデータセットがキャプチャされる方向とは反対）に偶数回エネルギースペクトルデータセットがキャプチャされ、全てのＮ個のスパースビューの対応する投影エネルギースペクトルデータが取得される。
本実施形態では、２×Ｎ個々の前記間隔角で、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされるステップの後には、以下のステップを含む。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中のアナログ信号がデジタル信号に変換され、次いで、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが補正されるステップ。図１に示されるように、データキャプチャユニット１５により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中のアナログ信号がデジタル信号に変換される。データキャプチャユニット１５により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが前処理ユニット１６に伝送され、前処理ユニット１６により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータの補正が行われる。光子計数検出器１４は入射する光子の事象率が高すぎる場合、パルスパイルアップ現象が発生し、光子計数の損失及び物理的要素の影響により生じる電荷収集が不完全になる現象が引き起こされ、受信されるエネルギースペクトルデータが変形する。このため、本実施形態に係る前処理ユニット１６は画像の均等度、電荷分割、電荷トラップ、Ｋ特性Ｘ線等の現象に対する補正または補償を行う。他の実施形態では、前処理ユニット１６により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが直接受信されると共に補正が行われる。
図３を参照すれば、ステップＳ１１０の後には、ステップＳ１２０が実行され、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが再構成されることにより、完全な角度の投影強度データが構成される。詳しくは、信号再構成ユニット１７により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中の各高エネルギースペクトルデータ及び対応する各低エネルギースペクトルデータが２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータとして構成される。図４Ａに示されるように、奇数低エネルギースペクトルデータＳＬ１及び奇数高エネルギースペクトルデータＳＨ１によりある１つのスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが構成される。図４Ｂに示されるように、偶数低エネルギースペクトルデータＳＬ２及び偶数高エネルギースペクトルデータＳＨ２によりある１つのスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが構成され、以下同様に、２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが構成される。次に、信号再構成ユニット１７により２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが積分され、２組Ｎ個のスパースビューの強度データが取得される。換言すれば、各スパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータを積分させることにより、各スパースビューに対応する強度データを取得できる。次いで、信号再構成ユニット１７により２組Ｎ個のスパースビューの強度データが組み合わせられて１組の完全な角度の投影強度データが構成される。
完全な角度の投影強度データが構成されるステップＳ１２０の後に、ステップＳ１３０が実行され、完全な角度の投影強度データ及び２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、ベースイメージの計算が行われる。図１を例にすると、画像再構成ユニット１８は前処理ユニット１６により補正された後の２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが受信され、且つ画像再構成ユニット１８は信号再構成ユニット１７により伝送される１組の完全な角度の投影強度データの受信に用いられ、完全な角度の投影強度データ及び２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、逐次（iterative）再構成演算法を使用してマルチエナジー（撮影エネルギーレベルが少なくとも３より大きい）の物質分解のベースイメージの計算が行われる。ベースイメージは図１の操作ユニット１１中の保存装置に保存され、且つ表示装置によりベースイメージが表示され、操作者が観察可能になる。
例えば、本実施形態に係る逐次再構成演算法はコスト関数（cost function）最小化方式により達成される。コスト関数では以下の要素が考慮され、システム行列（system matrix）と、Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータと、１組の完全な角度信号強度データと、操作パラメータのビーム硬化補正オプション及び標準化等の番号とを含み、下記数式（１）乃至数式（３）として示す。
Figure 2019076690
Figure 2019076690
Figure 2019076690
数式（１）中でｃはベクトル化されたベースイメージを示し、ψ(c)はベースイメージのコスト関数を示す。数式（１）の等号右辺には３つの番号を含む。
Figure 2019076690
 はエネルギースペクトルデータを示し、ｊは投影ビーム番号を示す。ｋはベース物質番号を示し、lｋ(j)は反投影によるビームｊに沿ったベース物質ｋの長さの計算を示し、lｋ （M）(j)は物質分解後にビームｊに沿ったベース物質ｋの長さを示す。σ2 ｊｋはlｋ （M）(j)の変異数を示し、標準化されたエネルギースペクトルデータ番号の加重因子を示す。lｋ(j)の計算方式は数式（２）に示し、aｊｋはシステム行列因子を示し、ｉは画像の画素番号を示し、ｎは第ｎ組のスパースビューのエネルギースペクトルデータ番号を示し、全部で計Ｎ組存在する。ｃｋ(i）は物質ｋの画素番号ｉのベースイメージを示す。
Figure 2019076690
 は強度データを示し、Lk(j)は反投影によるビームｊに沿ったベース物質ｋの長さの計算を示し、
Figure 2019076690
 は物質ｋの平均線減衰係数（linear attenuation coefficient）を示し、gM(j)はビームｊに沿った完全な投影角の強度データを示し、gM (BM)(L)は長さＬの状況下でのビーム硬化補正番号を示す。σ2 ｊはgM(j)の変異数であり、標準化された強度データ番号の加重因子である。Lｋ(j)の計算方式は数式（３）に示されるように、aｊiはエネルギースペクトルデータにより再構成されて獲得された強度データのシステム行列因子を示す。wV(c)は標準化の番号を示し、V(c)は標準化番号を示し、wは標準化番号を制御する加重因子を示す。
次いで、逐次再構成演算法により上述の各番号の組み合わせのコスト関数を最小化し、上述のコスト関数に符合する各物質ｋの最適化ベースイメージの計算を行い、下記数式（４）として示す。
Figure 2019076690
数式（４）において、ｃｋ (0)(i）はベース物質ｋの初期推測画像を示す。ｃｋ(i）はベース物質ｋ’の画素位置ｉ’の画像を示し、且つｋ’はｋとは不等であり、ｉ’はｉ とは不等である。
総合すると、本発明の投影システム及び投影方法は、撮影エネルギーレベルを２とする光子計数検出器アーキテクチャを基礎とし、異なるエネルギー閾値の設定により２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされる。これにより、撮影時間が短縮され、被測定対象が受ける放射線量も減少する。２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが組み合わせられることにより撮影エネルギーレベルが向上し、撮影エネルギーレベルが２より大きくなり、被測定対象の物質分解の精度が改善し、或いは被測定対象の解析される物質量が向上する。
また、本発明は完全な角度の投影強度データにより２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが発生させる折り返し雑音（aliasing）が補償される。これにより、本発明は同じレベルの画像解像度及び撮影時間を保持させつつ、撮影エネルギーレベルの向上を達成させる。
なお、本発明は高価格の高エネルギーレベル（撮影エネルギーレベルが少なくとも３より大きい）の光子計数検出器が不要であり、撮影エネルギーレベルの向上を達成させる。よって、設置コストも抑えられる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
１０ 断層撮影システム
１１ 操作ユニット
１２ 機構運動ユニット
１２２ トラック
１３ Ｘ線管
１４ 光子計数検出器
１５ データキャプチャユニット
１６ 前処理ユニット
１７ 信号再構成ユニット
１８ 画像再構成ユニット
５０ 被測定対象
ＥＨ 高エネルギー閾値
ＥＨ＿ｏｄｄ 奇数高エネルギー閾値
ＥＨ＿ｅｖｅｎ 偶数高エネルギー閾値
ＥＬ 低エネルギー閾値
ＥＬ＿ｏｄｄ 奇数低エネルギー閾値
ＥＬ＿ｅｖｅｎ 偶数低エネルギー閾値
ＳＨ 高エネルギースペクトルデータ
ＳＨ１ 奇数高エネルギースペクトルデータ
ＳＨ２ 偶数高エネルギースペクトルデータ
ＳＬ 低エネルギースペクトルデータ
ＳＬ１ 奇数低エネルギースペクトルデータ
ＳＬ２ 偶数低エネルギースペクトルデータ
Ｓｎ 電子ノイズ
Ｓ１０ 断層撮影方法

Claims (15)

  1. 光子計数検出器及びＸ線管が相対運動を行うことにより、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされ、且つＮは正の整数であるステップと、
    前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが再構成されることにより、完全な角度の投影強度データが構成されるステップと、
    前記完全な角度の投影強度データ及び前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、ベースイメージの計算が行われるステップと、を含むことを特徴とする断層撮影方法。
  2. 前記光子計数検出器及び前記Ｘ線管が相対運動を行うステップ中では、
    前記光子計数検出器が採用される撮影エネルギーレベルは２とし、高エネルギー閾値と低エネルギー閾値を設定し、前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは前記高エネルギー閾値と前記低エネルギー閾値に基づいて、対応し合う高エネルギースペクトルデータ及び低エネルギースペクトルデータをそれぞれ有し、前記高エネルギースペクトルデータの平均エネルギーは前記低エネルギースペクトルデータの平均エネルギーより大きいステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の断層撮影方法。
  3. 前記完全な角度の投影強度データを構成させるステップ中では、
    前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中の各前記高エネルギースペクトルデータ及び対応する各前記低エネルギースペクトルデータにより前記２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータが構成されるステップと、
    前記２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータを積分させることにより、前記２組Ｎ個のスパースビューの強度データが取得されるステップと、
    前記２組Ｎ個のスパースビューの強度データが組み合わせられて前記完全な角度の投影強度データが構成されるステップと、を含むことを特徴とする請求項２に記載の断層撮影方法。
  4. 前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされるステップ中では、
    前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが奇数回エネルギースペクトルデータセット及び偶数回エネルギースペクトルデータセットに区分されるステップと、
    前記奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数高エネルギー閾値及び前記偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数高エネルギー閾値が設定され、前記奇数高エネルギー閾値は前記偶数高エネルギー閾値とは相違するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の断層撮影方法。
  5. 前記奇数回エネルギースペクトルデータセットの前記奇数高エネルギー閾値及び前記偶数回エネルギースペクトルデータセットの前記偶数高エネルギー閾値が設定されるステップ中では、
    前記奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数低エネルギー閾値及び前記偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数低エネルギー閾値が設定され、前記奇数高エネルギー閾値は前記奇数低エネルギー閾値より大きく、前記偶数高エネルギー閾値は前記偶数低エネルギー閾値より大きいステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の断層撮影方法。
  6. 前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされるステップの後には、
    前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中のアナログ信号がデジタル信号に変換されるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の断層撮影方法。
  7. 前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされるステップの後には、
    前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが補正されるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の断層撮影方法。
  8. 前記光子計数検出器及び前記Ｘ線管が相対運動を行うステップ中では、
    前記Ｘ線管によりエネルギースペクトルが生成されると共に被測定対象を透過させるステップと、
    前記光子計数検出器により前記エネルギースペクトルが検出され、対応する前記投影エネルギースペクトルデータが取得されるステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の断層撮影方法。
  9. Ｘ線管と、
    前記Ｘ線管に対して配置される光子計数検出器であって、前記光子計数検出器及び前記Ｘ線管が相対運動を行うことにより、２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータがキャプチャされ、且つＮは正の整数である前記光子計数検出器と、
    前記光子計数検出器に接続され、前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータが再構成されることにより、完全な角度の投影強度データが構成される信号再構成ユニットと、
    前記信号再構成ユニットに接続され、前記完全な角度の投影強度データ及び前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータに基づいて、ベースイメージの計算が行われる画像再構成ユニットと、を備えることを特徴とする断層撮影システム。
  10. 前記光子計数検出器の撮影エネルギーレベルは２とし、高エネルギー閾値と低エネルギー閾値を設定し、前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは前記高エネルギー閾値と前記低エネルギー閾値に基づいて、対応し合う高エネルギースペクトルデータ及び低エネルギースペクトルデータをそれぞれ有し、前記高エネルギースペクトルデータの平均エネルギーは前記低エネルギースペクトルデータの平均エネルギーより大きいことを特徴とする請求項９に記載の断層撮影システム。
  11. 前記信号再構成ユニットにより前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中の各前記高エネルギースペクトルデータ及び対応する各前記低エネルギースペクトルデータが前記２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータとして構成され、且つ前記信号再構成ユニットは前記２組Ｎ個のスパースビューの全エネルギー投影エネルギースペクトルデータを積分させることにより、前記２組Ｎ個のスパースビューの強度データを取得させ、前記信号再構成ユニットは前記２組Ｎ個のスパースビューの強度データを組み合わせることにより前記完全な角度の投影強度データを構成させることを特徴とする請求項１０に記載の断層撮影システム。
  12. 前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータは奇数回エネルギースペクトルデータセット及び偶数回エネルギースペクトルデータセットに区分され、且つ前記奇数回エネルギースペクトルデータセットの奇数高エネルギー閾値及び奇数低エネルギー閾値が設定され、前記奇数高エネルギー閾値は前記奇数低エネルギー閾値より大きく、前記偶数回エネルギースペクトルデータセットの偶数高エネルギー閾値及び偶数低エネルギー閾値が設定され、前記偶数高エネルギー閾値は前記偶数低エネルギー閾値より大きく、且つ前記奇数高エネルギー閾値は前記偶数高エネルギー閾値とは相違することを特徴とする請求項９に記載の断層撮影システム。
  13. 前記画像再構成ユニットに接続される前処理ユニットを更に備え、
    前記前処理ユニットは前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータの補正に用いられることを特徴とする請求項９に記載の断層撮影システム。
  14. 前記光子計数検出器に接続されるデータキャプチャユニットを更に備え、
    前記データキャプチャユニットは前記２組Ｎ個のスパースビューの投影エネルギースペクトルデータ中のアナログ信号をデジタル信号に変換させるために用いられることを特徴とする請求項９に記載の断層撮影システム。
  15. 前記Ｘ線管及び前記光子計数検出器に接続される機構運動ユニットを更に備え、
    前記機構運動ユニットは前記光子計数検出器及び前記Ｘ線管に相対運動を行わせるために用いられ、前記Ｘ線管によりエネルギースペクトルが生成されると共に被測定対象を透過させ、且つ前記光子計数検出器により前記エネルギースペクトルが検出され、対応する前記投影エネルギースペクトルデータが取得されることを特徴とする請求項９に記載の断層撮影システム。
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