JP2020022669A - 放射線撮像装置および放射線撮像装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】較正データ等の収集時間を短縮可能な放射線撮像装置および放射線撮像装置の制御方法を提供する。【解決手段】Ｘ線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を搭載して回転する回転部と、スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置であって、前記静止部は前記回転部へ送信されるトリガを発生するトリガ発生部を有し、前記回転部は、データ収集に係る命令が保管される命令バッファと、前記トリガを検知すると前記命令バッファから前記命令を読み出し、前記命令に従って前記光子計数型検出器によるデータ収集を制御する収集制御回路を有することを特徴とする。【選択図】図７

Description

本発明は光子計数型検出器を備える放射線撮像装置に係り、特に光子計数型検出器の較正に必要なデータの収集時間の短縮に関する。

フォトンカウンティング（Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｉｎｇ）方式を採用する検出器である光子計数型検出器を備える放射線撮像装置として、ＰＣＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置の開発が進められている。光子計数型検出器は、検出器に入射する放射線光子のエネルギーを計測できるので、ＰＣＣＴ装置は従来のＣＴ装置よりも多くの情報を含んだ医用画像、例えば複数のエネルギー成分に分けられた医用画像を提示することができる。

光子計数型検出器が放射線光子のエネルギーを計測可能にするためには、光子計数型検出器の出力波高である検出器出力と、光子計数型検出器に入射する放射線光子のエネルギーである入射エネルギーとの関係を較正する必要がある。検出器出力と入射エネルギーとの較正は、製品出荷時や製品納入してから所定の期間を経過したときに実行されるので、簡易かつ高速に行えることが望ましい。

特許文献１には、放射線計測装置の高密度化および低消費電力化のために、光子計数型検出器が有する比較器の閾値電圧を変更することが開示されている。

特開２０１５―１８４１１９号公報

しかしながら特許文献１では、閾値電圧を変更するタイミングについて言及されておらず、光子計数型検出器の較正に必要なデータである較正データ等の収集時間に対する配慮がなされていない。ＣＴ装置では、秒当たり数千回の頻度でデータを収集するとともに、スリップリングを介してデータや命令が送信される。スリップリングでは通信エラー等により命令が再送される場合があり、閾値電圧を変更する命令の送信とデータの収集とのタイミングが適切でないとデータの収集時間が長くなる。

そこで、本発明は、較正データ等の収集時間を短縮可能な放射線撮像装置および放射線撮像装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、Ｘ線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を搭載して回転する回転部と、スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置であって、前記静止部は前記回転部へ送信されるトリガを発生するトリガ発生部を有し、前記回転部は、データ収集に係る命令が保管される命令バッファと、前記トリガを検知すると前記命令バッファから前記命令を読み出し、前記命令に従って前記光子計数型検出器によるデータ収集を制御する収集制御回路を有することを特徴とする。

また本発明は、Ｘ線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を搭載して回転する回転部と、スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置の制御方法であって、前記静止部から前記回転部へトリガを送信する送信ステップと、前記トリガを検知すると、データ収集に係る命令が保管される命令バッファから前記命令を読み出す読出しステップと、前記命令に従って前記光子計数型検出器によるデータ収集を制御する制御ステップを含むことを特徴とする。

本発明によれば、較正データ等の収集時間を短縮可能な放射線撮像装置および放射線撮像装置の制御方法を提供することができる。

実施例1のＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す図である。 実施例1の検出器パネルの構成を示す図である。 実施例1のフロントエンドＩＣの構成を示す図である。 入射エネルギーと比較器の閾値電圧との較正について説明する図である。 データの収集時間と閾値電圧の変更処理との関係について説明する図である。 検出器パネル回転中の閾値電圧の変更処理を説明する図である。 実施例1の処理の流れの一例を示す図である。 実施例1のシーケンス処理の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。本発明の放射線撮像装置は、放射線源と光子計数型検出器とを備える装置に適用される。以降の説明では、放射線がＸ線であり、放射線撮像装置がＸ線ＣＴ装置である例について述べる。

図１に本実施例のＸ線ＣＴ装置の全体構成図を示す。Ｘ線ＣＴ装置は、ガントリ１、演算装置２、表示装置３、ベッド４を備え、ベッド４に載置される被検者５で吸収されるＸ線光子をカウントし、カウント数に基づいて被検者５の断層画像を生成する装置である。以下、各部について説明する。

ガントリ１は、Ｘ線管６と検出器パネル７を搭載して回転する回転部と、回転部を支持する静止部を有する。Ｘ線管６は１００ｋＶ程度の高電圧で加速した電子をターゲットに当てることによりＸ線を発生させる。検出器パネル７は、被検者５を挟んでＸ線管６と対向配置され、被検者５を透過したＸ線光子をカウントし、Ｘ線光子数の空間的な分布を計測する。被検者５を透過したＸ線光子数を、被検者５がいないときのＸ線光子数から減算することにより、被検者５で吸収されるＸ線光子数が求められ、投影データとして取得される。なお検出器パネル７は光子計数型検出器でありＸ線光子のエネルギーを計測できるので、エネルギー成分毎の投影データが取得される。検出器パネル７の詳細は図２を用いて後述する。

Ｘ線管６と検出器パネル７が被検者５の周囲を回転する間に、Ｘ線管６による被検者５へのＸ線照射と、検出器パネル７によるＸ線光子のカウントが繰り返されることにより、様々な方向からの被検者５の投影データが取得される。投影データは、１秒の間に３０００枚程度取得され、演算装置２へ送信される。

演算装置２は、送信される複数の投影データを用いた画像再構成により断層画像を生成する。表示装置３は、生成された断層画像を表示する。ベッド４は、投影データが取得される被検者５の位置を調整するために、ガントリ１の開口部に向けて水平移動する。なお、演算装置２は、一般的なコンピュータ装置と同様のハードウェア構成であり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等を備え、投影データ等に対する補正処理や各部の制御を行う。例えば、Ｘ線管６に印加される電圧や、Ｘ線管６と検出器パネル７の回転速度等の制御が演算装置２によって行われる。

図２を用いて検出器パネル７の一例について説明する。検出器パネル７は、検出素子１０、フロントエンドＩＣ１１、データ収集回路１３、収集制御回路１４、命令バッファ１５を有し、ガントリ１の回転部に設けられる。

検出素子１０は、ＣＺＴ等の半導体素子であり、入射するＸ線光子のエネルギーである入射エネルギーに応じた電荷の信号をフロントエンドＩＣ１１へ出力する。フロントエンドＩＣ１１は、複数の検出素子１０に接続され、各検出素子１０が出力する信号に基づいてＸ線光子を入射エネルギー毎にカウントしてＸ線の強度情報を取得し、データ収集回路１３へ送信する。フロントエンドＩＣ１１の詳細は図３を用いて後述する。

データ収集回路１３は、フロントエンドＩＣ１１を制御して、Ｘ線の強度情報である各検出素子１０におけるＸ線光子数を収集し、スリップリング１７を介して演算装置２へ収集されたデータを転送する。データ収集回路１３は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ-Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構築される数十個のＩＣによって構成される。なおスリップリング１７を介するデータの転送では、通信エラー等によりデータの再送が必要となる場合があり、データの転送時間が均一とは限らない。

命令バッファ１５はデータ収集に係る命令を保管するメモリである。同一のシーケンスによるデータ収集が繰り返される場合、命令バッファ１５はリングバッファであることが好ましい。収集制御回路１４は、トリガ発生装置１６から発せられるトリガに基づいて、命令バッファ１５から命令を読み出し、読み出された命令をデータ収集回路１３に送信することによりデータ収集を制御する。トリガ発生装置１６は、ガントリ１の静止部に設けられ、Ｘ線管６と検出器パネル７の回転角度やベッド４の移動量が所定値に達する毎にトリガを発し、スリップリング１７を介して回転部へトリガを送信する。収集制御回路１４は、トリガを受信する毎に命令を読み出して送信しても良いし、所定数のトリガを受信してから命令を読み出して送信しても良い。

図３を用いてフロントエンドＩＣ１１の一例について説明する。フロントエンドＩＣ１１は、各検出素子１０の入射エネルギー毎のＸ線光子数をカウントするチャンネル読出回路３１とマルチプレクサ３９を有する。チャンネル読出回路３１は、チャージアンプ３２、波形整形回路３３、コンパレータ３４、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）３５、カウンタ３７、データ制御回路３８を有し、検出素子１０に一対一で接続される。

チャージアンプ３２は、反転増幅器にフィードバック素子としてコンデンサを接続したものであり、検出素子１０から出力される電荷の信号をコンデンサに充電することで電圧信号に変換する。なお、反転増幅器の安定動作やコンデンサに蓄積された電荷を放電するために、コンデンサと並列に抵抗が接続される。また計数率特性を向上させるために、コンデンサに蓄積された電荷を高速に放電させるスイッチが設けられても良い。

波形整形回路３３は、特定の周波数帯の信号を通過させるバンドパスフィルタであって、チャージアンプ３２から出力される電圧信号のノイズを低減するとともに、電圧信号がないときにベースラインを一定にする。

コンパレータ３４は、波形整形回路３３の出力をＤＡＣ３５に設定される閾値電圧と比較し、出力が閾値電圧よりも高ければパルスを発生させる。ＤＡＣ３５には、検知されるＸ線エネルギーの下限に対応する閾値電圧が設定される。カウンタ３７は、コンパレータ３４から発生されるパルスをカウントする。すなわち、コンパレータ３４とＤＡＣ３５とカウンタ３７の組により、ＤＡＣ３５に設定される閾値電圧に対応するＸ線エネルギーよりも大きいエネルギーを有するＸ線光子がカウントされる。

チャンネル読出回路３１が、コンパレータ３４とＤＡＣ３５とカウンタ３７の組を複数有することで、複数のエネルギー帯においてＸ線光子をカウントできる。例えば図３のような二つの組において、ＤＡＣ＿Ａの閾値電圧がエネルギーＥ_Ａに、ＤＡＣ＿Ｂの閾値電圧がエネルギーＥ_Ｂ（＞Ｅ_Ａ）に各々対応する場合、カウンタＡはエネルギーＥ_Ａより大きいＸ線光子を、カウンタＢはエネルギーＥ_Ｂより大きいＸ線光子をカウントする。そしてカウンタＡのＸ線光子数からカウンタＢのＸ線光子数を減算することによりＥ_Ａ〜Ｅ_Ｂのエネルギー帯のＸ線光子数が算出され、Ｅ_Ｂ〜のエネルギー帯にはカウンタＢのＸ線光子数が用いられる。すなわち、閾値電圧が昇順に並ぶ複数の組において、各組でカウントされるＸ線光子数を隣接する組の間で減算することにより、複数のエネルギー帯におけるＸ線光子数が求められる。なお、ＤＡＣ３５の閾値電圧とＸ線エネルギーとの対応付けである光子計数型検出器の較正については、図４を用いて後述する。

本実施例では、コンパレータ３４の出力をカウンタ３７に直接接続したが、上位の組でカウントがなされたときに下位の組のカウントを無効とする判定回路を追加してもよい。また一つのコンパレータ３４に対して複数のカウンタ３７を接続し、回転中のデータ収集の単位時間であるビュー毎に使用するカウンタ３７を切り替えても良い。ビュー毎にカウンタ３７を切り替えることにより、一方のカウンタ３７がカウントしている間に、他方のカウンタ３７からＸ線光子数を読み出すことができ、ビュー間の切り替え時間を短縮できる。

データ制御回路３８は、複数のカウンタ３７に接続され、カウンタ３７の動作を制御する。マルチプレクサ３９は、複数のチャンネル読出回路３１に接続され、検出素子１０毎にデジタル化されたデータをデータ収集回路１３に出力する。

図４を用いて、光子計数型検出器の較正について説明する。図４（ａ）はＸ線管６等のＸ線源から放射されるＸ線のエネルギー分布の例であり、光子計数型検出器の較正では既知のエネルギー分布が用いられる。なおＸ線管６の代わりにＲＩ（Ｒａｄｉｏ Ｉｓｏｔｏｐｅ）を用いたり、ガントリ１内に既知のＸ線吸収体を配置することより検出器パネル７に到達すＸ線のエネルギー分布を所望のスペクトルに変化させたりしても良い。図４（ｂ）は、図４（ａ）のような既知のエネルギー分布のＸ線光子を、ＤＡＣ３５の閾値電圧を変更しながらカウントして得られるＸ線光子のカウント数の分布の例である。具体的には、時間１においてＤＡＣ＿Ａの閾値電圧をＶ１、ＤＡＣ＿Ｂの閾値電圧をＶ２に設定してＸ線光子をカウントし、時間２ではＤＡＣ＿Ａの閾値電圧をＶ２、ＤＡＣ＿Ｂの閾値電圧をＶ３に変更してＸ線光子をカウントする、といった手順が繰り返される。

光子計数型検出器の較正では、図４（ａ）と図４（ｂ）の山や谷に着目しながら両分布が対比されることにより、エネルギーと閾値電圧との対応付け、例えばエネルギーＥ１と閾値電圧Ｖ４との対応付けがなされる。較正の精度を向上させるには、図４（ｂ）に示すＸ線光子のカウント数の分布を詳細に取得するために、ＤＡＣ３５の閾値電圧を細かく変更しながらＸ線光子をカウントすることになり、データ収集の回数が膨大になる。ＣＴ装置では、秒当たり数千回の頻度でデータを収集できるものの、スリップリング１７の通信エラー等により閾値電圧を変更する命令の送信とデータ収集とのタイミングが適切でなくなると、データ収集の時間が長くなる。

図５を用いて、データの収集時間と閾値電圧の変更処理との関係について説明する。図５（ａ）は、変更処理の命令である変更命令が不適切なタイミングである場合を含むタイミングチャートである。変更命令１と変更命令３の変更処理はデータ収集の単位時間である一ビュー内に実行され、変更処理が実行されるビューではデータ収集はできないものの、変更処理の次のビューではデータ収集が実行される。これに対し、スリップリング１７の通信エラー等により不適切なタイミングとなった変更命令２の変更処理は二つのビューをまたがっており、変更命令２を受け付けたビューとその次のビューにおいてデータ収集がなされず、結果としてデータ収集の時間が長くなる。

データ収集の時間を長くさせないためには、図５（ｂ）に示すように、閾値電圧の変更処理が一ビュー内で実行されるようにすれば良い。そこで本実施例では、複数の変更命令を命令バッファ１５に予め格納しておき、収集制御回路１４は、スリップリング１７を介してトリガ発生装置１６から発せられるトリガを受信すると、複数の変更命令をまとめて読み出し、閾値電圧の変更処理とデータ収集を制御する。なお命令バッファ１５には、閾値電圧の変更処理の命令とデータ収集の命令の組み合わせが、データ収集に係る命令として保管される。閾値電圧の変更処理は、トリガ発生装置１６からのトリガを受信するタイミングに依らず、命令バッファ１５に格納される複数の変更命令に従ってデータ収集の単位時間である一ビュー内で実施されるので、データ収集の時間は長くならない。
図６を用いて、回転部の一回転中のデータ収集と閾値電圧の変更処理が行われる場合について説明する。まず、時間１に対応する３６０°の期間、すなわち回転部が一回転する間にデータ収集が行われ、その後に閾値電圧の変更処理が行われる。閾値電圧の変更処理には所定の時間を要し、その時間に対応するθ°を回転部の回転が進む。そして、閾値電圧の変更処理の後に、角度θからデータ収集が始まり、時間２に対応する３６０°の期間でデータ収集が行われる。時間２でのデータ収集の後、θ°での変更処理と３６０°の期間でのデータ収集が繰り返されても良い。収集されたデータは演算装置２で角度毎に再分類され、以降の処理に用いられる。

図７を用いて、図２に示された各部が実行する処理の流れを説明する。

（Ｓ１０１）
演算装置２が、収集制御回路１４を介して、命令バッファ１５に命令を書き込む。命令バッファ１５に書き込まれる命令は、閾値電圧の変更処理に限らず、増幅回路やＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）のオフセットやゲインの変更処理や、ＴＤＣ（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）等の時間精度、回路の位相特性等の補正値を取得するため処理であっても良い。

（Ｓ１０２）
演算装置２が、収集制御回路１４にデータ収集の開始を指示する。データ収集の指示とともに、回転部の回転やＸ線管６のＸ線照射準備、ベッド４の移動に関する指示が演算装置２から送信される。トリガ発生装置１６は各部の状態を表す物理量が所定値に達するとトリガを発する。

（Ｓ１０３）
収集制御回路１４が、トリガ発生装置１６からのトリガを検知したか否かを判定する。トリガ発生装置１６から発せられたトリガがスリップリング１７を介して収集制御回路１４により検知されるまで本ステップは繰り返され、トリガが検知されるとＳ１０４へ処理が進む。

なお、本ステップは、トリガ発生装置１６から複数のトリガを収集制御回路１４が検知するまで繰り返されても良い。例えば、回転部の一回転分のデータ収集を行う場合、トリガ発生装置１６から一回転分の回数のトリガを収集制御回路１４が検知した後、Ｓ１０４へ処理を進めるようにしても良い。

（Ｓ１０４）
収集制御回路１４が、命令バッファ１５から命令を読み出し、データ収集回路１３を介して読み出された命令をフロントエンドＩＣ１１へ送信する。フロントエンドＩＣ１１は、送信された命令に従って、例えば閾値電圧の変更処理とデータ収集の実施を繰り返す。

図８を用いて、複数のトリガが検知されてから命令を発行する例について説明する。図８は二つのトリガが検知されたときに二つの命令を発行する例である。収集制御回路１４は所定の数、例えば二つのトリガを検知するまで待機し、二つのトリガを検知してから命令の読み出し、その命令を送信する。なお、発行される命令は一つに限らず、ＤＡＣ３５の閾値電圧を変更するために複数の命令を発行しても良い。

ＤＡＣ３５の閾値電圧を変更する際、閾値電圧の変更中にデータ収集が行われると、収集されたデータには誤差が含まれる。そこで、データ収集回路１３から演算装置２に、収集されたデータとともに、データ収集中に閾値電圧を変更中であったことを通知しても良い。このような通知がされることにより、誤差を含むデータを演算装置２にて除去することができる。なお、閾値電圧が変更中であったことを通知する代わりに、収集されたデータとデータ収集時の閾値電圧が対応付けられて演算装置２に送信されても良い。このような対応付けにより、演算装置２での後処理が簡略化できる。

（Ｓ１０５）
演算装置２が、データ収集が終了したか否かを判定する。データ収集が終了していなければＳ１０３へ処理を戻し、データ収集が終了していれば処理の流れは終了となる。

以上説明した処理の流れにより、例えば閾値電圧の変更処理は、データ収集の単位時間である一ビュー内で実施され、データ収集の時間が長くならない。すなわち、較正データの収集時間を従来に比べて短縮することができる。

また閾値電圧の変更処理に限らず、前述した増幅回路やＡＤＣのオフセットやゲインの変更処理や、ＴＤＣ等の時間精度、回路の位相特性等の補正値を取得するため処理の場合にも処理に必要なデータの収集時間を短縮することができる。

なお本発明の放射線撮像装置は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１：ガントリ、２：演算装置、３：表示装置、４：ベッド、５：被検者、６：Ｘ線管、７：検出器パネル、１０：検出素子、１１：フロントエンドＩＣ、１３：データ収集回路、１４：収集制御回路、１５：命令バッファ、１６：トリガ発生装置、１７：スリップリング、３１：チャンネル読出回路、３２：チャージアンプ、３３：波形整形回路、３４：コンパレータ、３５：ＤＡＣ、３７：カウンタ、３８：データ制御回路、３９：マルチプレクサ

Claims (7)

1. Ｘ線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を搭載して回転する回転部と、
   スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置であって、
   前記静止部は、前記回転部へ送信されるトリガを発生するトリガ発生部を有し、
   前記回転部は、データ収集に係る命令が保管される命令バッファと、前記トリガを検知すると前記命令バッファから前記命令を読み出し、前記命令に従って前記光子計数型検出器によるデータ収集を制御する収集制御回路を有することを特徴とする放射線撮像装置。
2. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
   前記命令は、Ｘ線光子のエネルギーに係る前記光子計数型検出器の閾値電圧の変更を含むことを特徴とする放射線撮像装置。
3. 請求項２に記載の放射線撮像装置であって、
   前記閾値電圧の変更に要する時間が、前記光子計数型検出器によるデータ収集の単位時間内であることを特徴とする放射線撮像装置。
4. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
   前記命令は、前記回転部が一回転する間のデータ収集と、前記光子計数型検出器の閾値電圧の変更との繰り返しを含むことを特徴とする放射線撮像装置。
5. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
   前記収集制御回路は、予め定められた回数の前記トリガを検知してから前記命令を実行することを特徴とする放射線撮像装置。
6. 請求項２に記載の放射線撮像装置であって、
   収集されたデータにはデータ収集時の閾値電圧が対応付けられることを特徴とする放射線撮像装置。
7. Ｘ線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を搭載して回転する回転部と、
   スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置の制御方法であって、
   前記静止部から前記回転部へトリガを送信する送信ステップと、
   前記トリガを検知すると、データ収集に係る命令が保管される命令バッファから前記命令を読み出す読出しステップと、
   前記命令に従って前記光子計数型検出器によるデータ収集を制御する制御ステップを含むことを特徴とする放射線撮像装置の制御方法。

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