JP2020201162A - 放射線撮像装置および放射線撮像方法 - Google Patents

放射線撮像装置および放射線撮像方法 Download PDF

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Abstract

【課題】生成される物質特性画像の精度または画質を向上する放射線画像と放射線スペクトルを提供可能にする。【解決手段】異なる放射線エネルギーで撮像された複数の放射線画像を用いて物質特性画像を生成する画像処理装置は、複数の放射線画像のうちの、２つ以上の放射線画像から放射線画像を合成し、これら２つ以上の放射線画像の放射線スペクトルから放射線スペクトルを合成する合成部と、複数の放射線画像から得られる２組の放射線画像と放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成する生成部とを備える。ここで、生成部は、上記２組のうちの少なくとも一方に、合成部によって合成された放射線画像と放射線スペクトルの組を用いる。【選択図】 図５Ａ

Description

本発明は、放射線撮像装置および放射線撮像方法に関する。
現在、放射線による医療画像診断や非破壊検査に用いる撮影装置として、半導体材料によって形成された平面検出器（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下ＦＰＤと略す）を用いた放射線撮影装置が普及している。このような放射線撮影装置は、例えば医療画像診断においては、一般撮影のような静止画撮影や、透視撮影のような動画撮影のためのデジタル撮影装置として用いられている。
ＦＰＤの応用技術の一つに、放射線のエネルギー情報を利用したスペクトラルイメージングがある。スペクトラルイメージングでは、管電圧の異なる放射線を複数回照射するなどして、エネルギーの異なる複数枚の放射線画像を取得し、それら放射線画像に対して演算処理をすることで、任意の種類の物質を除去した画像、面密度画像、実効原子番号画像などを得る。特許文献１では、被検査物を構成する物質の種類を精度良く判定するために、低エネルギーＸ線の透過強度と高エネルギーＸ線の透過強度について重みづけ差分を行うことが開示されている。
特開２０１７−１２２７０５号公報
スペクトラルイメージングではエネルギーの異なる複数の放射線画像とスペクトルの情報をもとに計算が行われる。良好な画質のスペクトラルイメージングの画像を得るには、より正確な計算結果を得ることが必要であり、そのためには、元画像のエネルギー差が大きいこと、放射線のスペクトルの情報が正確であることが求められる。しかしながら、放射線発生装置や被写体、検出器の方式など、撮影環境や撮影手法の制限により、十分なエネルギー差の元画像や高精度なスペクトル情報の取得が難しい場合がある。また、特許文献１では、Ｘ線の透過強度に重みづけを行うことで、物質の種類の判定精度を向上することが記載されているが、放射線スペクトルに関して何等考慮されていない。
本発明の一態様によれば、生成される物質特性画像の精度または画質を向上する放射線画像と放射線スペクトルを提供可能にする技術が提供される。
本発明の一態様による画像処理装置は以下の構成を備える。すなわち、
異なる放射線エネルギーで撮像された複数の放射線画像を用いて物質特性画像を生成する画像処理装置であって、
前記複数の放射線画像のうちの、２つ以上の放射線画像から放射線画像を合成し、前記２つ以上の放射線画像の放射線スペクトルから放射線スペクトルを合成する合成手段と、
前記複数の放射線画像から得られる２組の放射線画像と放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成する生成手段と、を備え、
前記２組のうちの少なくとも一方は、前記合成手段により合成された放射線画像と放射線スペクトルの組である。
本発明によれば、生成される物質特性画像の精度または画質を向上する放射線画像と放射線スペクトルを提供することが可能になる。
第１実施形態によるＸ線撮像システムの全体構成を示す図。 Ｘ線画像のエネルギーのスペクトルの例を示す図。 Ｘ線のエネルギーとフォトン数の関係の例を示す図。 Ｘ線画像の平均エネルギーを説明する図。 撮像制御装置による処理を説明するフローチャート。 第１実施形態の撮像制御装置による処理を説明する図。 第２実施形態によるＸ線撮像装置の画素回路図。 第２実施形態によるサンプリングと読み出しのタイミングチャート。 第２実施形態の撮像制御装置による処理を説明する図。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
なお、本発明における放射線には、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギーを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども、含まれるものとする。以下の実施形態では、放射線の一例としてＸ線を用いた装置を説明する。したがって、以下では、放射線、放射線画像、放射線エネルギー、放射線スペクトル、放射線量をそれぞれＸ線、Ｘ線画像、Ｘ線エネルギー、Ｘ線スペクトル、Ｘ線量として説明する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態では、Ｘ線画像のエネルギー差ΔＥを大きくする構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る放射線撮像システムの構成を示すブロック図である。放射線撮像システムは、Ｘ線発生装置１０１、Ｘ線制御装置１０２、撮像制御装置１０３、Ｘ線撮像装置１０４を具備し、Ｘ線を用いて撮像を行う。
Ｘ線発生装置１０１は、Ｘ線を発生し、被写体を曝射する。Ｘ線制御装置１０２は、Ｘ線発生装置１０１におけるＸ線の発生を制御する。撮像制御装置１０３は、例えば、１つまたは複数のプロセッサー（ＣＰＵ）とメモリを有し、プロセッサーがメモリに格納されたプログラムを実行してＸ線画像の取得及び画像処理を行う。なお、撮像制御装置１０３による画像処理を含む各処理は、専用のハードウエアにより実現されてもよいし、ハードウエアとソフトウエアの協働により実現されてもよい。
Ｘ線撮像装置１０４は、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体１０５と、可視光を検出する二次元検出器１０６を有する。二次元検出器１０６は、Ｘ線量子を検出する画素６０をＸ列×Ｙ行のアレイ状に配置したセンサである。二次元検出器１０６は、画素６０にて検出したＸ線量子を不図示のＡＤ変換器でデジタル値に変換し、撮像制御装置１０３にＸ線画像として転送する。撮像制御装置１０３では、二次元検出器１０６から取得されたＸ線画像に対し演算処理を行い、物質特性画像である物質分離画像または物質識別画像を生成する。
例えば物質分離画像は、エネルギーごとに以下の［数１］で示される式を立て、連立方程式を解くことで得られる。
Figure 2020201162
［数１］において、ＥはＸ線のエネルギー、Ｎ（Ｅ）はＸ線のスペクトル、μ１（Ｅ）は物質１の線減弱係数、μ２（Ｅ）は物質２の線減弱係数、ｄ１は物質１の厚さ、ｄ２は物質２の厚さである。［数１］において未知の変数は、厚さｄ１と厚さｄ２である。異なる２つのエネルギーのＸ線による撮像画像を［数１］に代入することで、２つの独立した式を生成することができるので、それら独立した２つの式を解くことで厚さｄ１と厚さｄ２の値を求めることができる。
一方、物質識別画像（実効原子番号画像、面密度画像）は、以下の［数２］を用いて得ることができる。
Figure 2020201162
［数２］において、ＥはＸ線のエネルギー、Ｎ（Ｅ）はＸ線のスペクトル、μ（Ｚｅｆｆ，Ｅ）は実効原子番号ＺｅｆｆとエネルギーＥにおける質量減弱係数、Ｄｅｆｆは実効面密度である。［数２］において未知の変数は、実効原子番号Ｚｅｆｆと実効面密度Ｄｅｆｆである。よって、上述した物質分離画像（物質ごとの厚さの空間分布）を求める場合と同様に、異なる２つのエネルギーのＸ線によって得られた撮像画像を［数２］に代入することで、２つの独立した式が生成される。それら独立した２つの式を解くことにより、実効原子番号Ｚｅｆｆと実効面密度Ｄｅｆｆの値を求めることができる。
［数１］及び［数２］ともに、Ｘ線のスペクトルＮ（Ｅ）のスペクトル空間情報の計算を行う。このとき、異なる２つのＸ線のエネルギーの差が大きく、スペクトルの情報が正確であれば、精度が高い計算ができ、好適な物質分離画像、物質識別画像を生成することができる。
図２に第１実施形態に係るＸ線のエネルギーのスペクトルを示す。第一のＸ線エネルギーにて撮像されたＸ線画像をＸ１、第二のＸ線エネルギーにて撮像されたＸ線画像をＸ２とし、第二のＸ線エネルギー＞第一のＸ線エネルギーとする。Ｘ線画像Ｘ１のＸ線エネルギーのスペクトル及びＸ線画像Ｘ２のＸ線エネルギーのスペクトルはそれぞれ第一のＸ線スペクトル２０１、第二のＸ線スペクトル２０２である。
第１実施形態では、Ｘ線画像Ｘ１とＸ線画像Ｘ２および第一のＸ線スペクトル２０１と第二のＸ線スペクトル２０２をそれぞれ合成することで、第三のＸ線スペクトルをもつ第三のＸ線エネルギーに対応したＸ線画像Ｘ３を生成する。本実施形態では、Ｘ線画像Ｘ１とＸ線画像Ｘ２の合成を、所定の係数αを用いてＸ３＝Ｘ２−αＸ１により行う場合について説明する。なお、αは任意の係数である。
Ｘ線画像およびＸ線スペクトルの合成において、Ｘ線画像の画素値とＸ線スペクトルは相関が取れていなければならない。Ｘ線画像の画素値はＸ線のエネルギーと線量を示す情報であるのに対し、スペクトルはＸ線のエネルギーの比率（分布）を示す情報である。よってＸ線画像同士（Ｘ線画像Ｘ１、Ｘ２）の加減算で得られた合成後のＸ線画像（Ｘ３）のＸ線スペクトルを、単なるスペクトル同士（Ｘ線スペクトル２０１、２０２）の加減算で求めることはできない。そこで、本実施形態の画像処理では、合成後のＸ線画像Ｘ３に対応する第三のＸ線スペクトルを求めるために、一旦、Ｘ線スペクトル２０１とＸ線スペクトル２０２をＸ線フォトン数に変換する。
図３に、第１実施形態に係るＸ線エネルギーとフォトン数の関係の例を示す。第一のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ１、及び第二のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ２のＸ線スペクトルのフォトン数を、それぞれ３０１、３０２に示す。フォトン数３０１、３０２は、Ｘ線画像Ｘ１、Ｘ２の撮像時の線量と相関がある。線量が増減すると、それに伴いフォトン数もエネルギースペクトルを維持しつつ増減する。フォトン数３０３はフォトン数３０１とフォトン数３０２を合成したフォトン数である。フォトン数３０３は、Ｘ線画像Ｘ１とＸ線画像Ｘ２からＸ線画像Ｘ３を得たのと同様の加減算をフォトン数３０１とフォトン数３０２について行うことで得られる。すなわち、第１実施形態では、「フォトン数３０１」から「フォトン数３０２とαの積」を差し引くことでフォトン数３０３を得る。そして、フォトン数３０３の積分値がＸ線スペクトル２０１の積分値（＝Ｘ線スペクトル２０２の積分値）と一致するように規格化すれば第三のスペクトルが得られる。
なお、第一のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ１、及び第二のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ２のＸ線のフォトン数３０１、３０２には、Ｘ線画像の撮像時の線量とＸ線エネルギーのスペクトル（２０１、２０２）の情報から算出した推定値を用いることができる。線量は各Ｘ線のエネルギー×フォトン数の積分であり、各エネルギーのフォトン数はＸ線のスペクトルに比例するので、線量とスペクトルの情報からフォトン数を推定することができる。あるいは、スペクトロメータなどで計測して得られた実測値を用いてもよい。また、係数αは任意の値あり、例えば所望のエネルギーのスペクトルに近づくように設定される。このとき、合成後のスペクトルが負の値を取らない範囲で係数αを設定するのが好ましい。
図４は、第１実施形態による画像Ｘ１〜Ｘ３のＸ線の平均エネルギーを示す。図４（ａ）は、第一のＸ線エネルギーで撮像されたＸ線画像Ｘ１の平均エネルギー４０１を示している。図４（ｂ）は、第二のＸ線エネルギーで撮像されたＸ線画像Ｘ２の平均エネルギー４０２を示している。図４（ｃ）は、合成されたＸ線画像Ｘ３に対応する第三のＸ線エネルギーの平均エネルギー４０３を示している。これらの平均エネルギーの大小関係は、［平均エネルギー４０３］＞［平均エネルギー４０２］＞［平均エネルギー４０１］となり、合成により生成された第三のＸ線エネルギーのＸ線スペクトル４０４による平均エネルギー４０３が最も高くなる。
図５Ａは、第１実施形態の撮像制御装置１０３による物質特性画像の生成処理を示すフローチャートである。また、図５Ｂは、取得される画像と、画像に加えられる処理を説明する図である。Ｓ５０１において、撮像制御装置１０３は、Ｘ線制御装置１０２を介してＸ線発生装置１０１を制御し、Ｘ線撮像装置１０４から異なる２種類のＸ線エネルギーのＸ線画像（ＸＨ、ＸＬ）を得る。ここで、撮像制御装置１０３は、Ｘ線の曝射の無い状態で撮像されたオフセット画像（ＯＦ）、被写体の無い状態で２種類のＸ線エネルギーのＸ線照射により撮像された２つのゲイン画像（ＧＨ、ＧＬ）も取得する。Ｓ５０２において、撮像制御装置１０３は、２種類のＸ線エネルギーで撮像された２つのＸ線画像のそれぞれとオフセット画像との差分をとり、オフセット成分が除去されたＸ線画像Ｘ１（＝ＸＬ−０Ｆ）とＸ線画像Ｘ２（＝ＸＨ−０Ｆ）を得る。なお、オフセット画像（ＯＦ）が共通の例を示したが、その限りではない。ゲイン画像、Ｘ線画像（ＧＨ，ＧＬ，ＸＨ，ＸＬ）のそれぞれに対応したオフセット画像（ＯＦＧＨ、ＯＦＧＬ、ＯＦＸＨ、ＯＦＸＬ）を取得し使用してもよい。
Ｓ５０３において、撮像制御装置１０３は、２種類のＸ線エネルギーのそれぞれのＸ線スペクトルを求める。このとき、Ｘ線画像の取得において照射されたＸ線エネルギーの情報が必要になる。そのようなＸ線エネルギーの情報は、例えば、Ｘ線制御装置１０２がＸ線発生装置１０１に設定した管電圧から求めることができる。或いは、Ｘ線画像における物質透過量から推定してもよい。また、Ｘ線スペクトルは文献値を使用してもよいが、スペクトロメータなどでＸ線発生装置１０１が発生するＸ線を計測した実測値を用いる方が好ましい。
Ｓ５０４において、撮像制御装置１０３は、図２〜図４で説明した方法により、Ｘ線画像Ｘ１とＸ線画像Ｘ２の合成およびＸ線スペクトルの合成を行い、合成されたＸ線画像Ｘ３と第三のＸ線スペクトル４０４を得る。Ｓ５０５において、撮像制御装置１０３は、Ｘ線画像Ｘ１、Ｘ３を、それぞれのＸ線エネルギーで得られたゲイン画像（Ｇ１、Ｇ３）で除算することにより、画素ごとのゲインのばらつきを補正する、ゲイン補正を行う。なお、この処理で使用されるゲイン画像Ｇ１は、Ｓ５０２の処理によりオフセット補正（ＧＬ−ＯＦ）されたゲイン画像である。また、第三のＸ線スペクトル４０４に対応するゲイン画像Ｇ３は、Ｓ５０２〜Ｓ５０４の処理により、オフセット補正され（ＧＨ−ＯＦ）、２種類のＸ線エネルギーに対応したゲイン画像（Ｇ１、Ｇ２）の、上述した合成処理（Ｇ３＝Ｇ２−αＧ１）により生成される。
Ｓ５０６において、撮像制御装置１０３は、ゲイン補正後の２つの画像（減弱率画像ＩＨ／Ｉ０とＩＬ／Ｉ０）を用いてスペクトラルイメージングの演算を行う。すなわち、撮像制御装置１０３は、［数１］あるいは［数２］に、異なる複数のエネルギーのＸ線画像の画素値およびスペクトルを代入することで得られる連立方程式を解くことで物質分離画像あるいは物質識別画像を得る。
ここで、撮像制御装置１０３は、［数１］または［数２］を用いて異なる２つのＸ線エネルギーの式を立てる際に、合成により導出した、第三のＸ線エネルギーに対応するＸ線画像Ｘ３と第三のＸ線スペクトルを高エネルギーＸ線画像として用いる。また、第一のＸ線エネルギーにより得られたＸ線画像にオフセット補正とゲイン補正を施して得られたＸ線画像が低エネルギーＸ線画像として用いられる。これにより、物質特性画像の生成に用いられる高エネルギーＸ線画像と低エネルギーＸ線画像のＸ線エネルギー差を大きくすることができる。上述したように、物質特性画像の生成に用いられるＸ線画像のエネルギーの差が大きいと、計算精度が高くなり、物質分離精度の向上や、実効原子番号画像や面密度画像のノイズ低下による画質の向上が期待できる。
以上、異なる２つのＸ線エネルギーのＸ線画像とそれらのＸ線スペクトルから第三のＸ線画像とＸ線スペクトルを合成し、合成後のＸ線画像とＸ線スペクトルと、もとの２つのＸ線画像のいずれかを用いて２つの連立方程式を立てる例を示した。すなわち、本実施形態では、物質特性画像の生成に合成画像Ｘ３と第一のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ１を用いる例を示した。しかしながら、スペクトラルイメージングの演算（物資特性画像の生成）に用いるＸ線画像はこれに限られるものではない。例えば、低エネルギーＸ線画像として第一、第二のＸ線エネルギーとは異なる別のＸ線エネルギーで撮影した画像を用いて物質特性画像を生成するようにしてもよい。この場合、異なる３つのＸ線エネルギーの画像から２つの連立方程式を立てる形態となる。この形態で連立方程式を解いて得られる結果は、異なる２つのＸ線エネルギーから２つの連立方程式を立てる場合よりも多くのＸ線画像を用いた演算となるので、より精度の高い結果が期待できる。また、第一のＸ線エネルギーよりも低いＸ線エネルギーによるＸ線画像と合成画像を物質特性画像の生成に用いれば、Ｘ線エネルギーの差をさらに大きくすることができる。
また、第１実施形態では、異なる２つのＸ線エネルギーのＸ線画像とＸ線スペクトルを合成したが、異なる３つ以上のＸ線エネルギーのＸ線画像とそれらのＸ線スペクトルを合成するようにしてもよい。また、異なる３つ以上のＸ線エネルギーによるＸ線画像について連立方程式を立ててもよい。この形態を採用することにより、例えば、分離する物質の数を増加させることが可能になる。
以上のように、第１実施形態の撮像制御装置１０３は、複数の放射線画像のうちの、２つ以上の放射線画像から放射線画像を合成し、当該２つ以上の放射線画像の放射線スペクトルから放射線スペクトルを合成する。そして、撮像制御装置１０３は、複数の放射線画像から得られる２組の放射線画像と放射線スペクトルの組を用いて、例えば［数１］、［数２］に示した方程式を解き、物質特性画像を生成する、スペクトラルイメージングの演算処理を行う。ここで、演算に用いられる２組の２組の放射線画像と放射線スペクトルのうちの少なくとも一方は、上記に合成された放射線画像と放射線スペクトルの組である。合成された放射線画像と放射線スペクトルの組は、例えば、より平均エネルギーの高いＸ線スペクトルとそのＸ線画像となるので、スペクトラルイメージングに用いられるＸ線画像においてより大きなエネルギー差を確保できる。また、合成に用いたＸ線画像以外のＸ線画像と、合成されたＸ線画像を用いれば、スペクトラルイメージングに用いられるＸ線画像の枚数を増やすことができ、より精度の高い結果が期待できる。また、ゲイン補正よりも前の段階で異なる放射線エネルギーの放射線画像同士の加減算およびスペクトル同士の加減算を行うことで、スペクトラルイメージングの演算処理に適した画像とスペクトルを得ることができる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、１ショット間にエネルギーが変化するＸ線が照射され、当該１ショット間にＸ線を時分割で複数回検出することにより得られる複数のＸ線画像を用いて物質特性画像を生成する構成を説明する。第２実施形態による放射線撮像システムは、第１の実施形態（図１）と同様に、Ｘ線発生装置１０１、Ｘ線制御装置１０２、撮像制御装置１０３、Ｘ線撮像装置１０４で構成される。また、撮像制御装置１０３によるＸ線画像の合成と物質特性画像の生成に関する基本的な処理手順も第１実施形態と同様である。第２実施形態の撮像制御装置１０３は、時分割型の中央２色駆動で得られたＸ線画像について、Ｘ線スペクトルをより正確にすることで、より正確な物質特性画像を得る。
図６に、第２実施形態によるＸ線撮像装置１０４が有する画素６０の等価回路図を示す。画素６０は、光電変換素子６０１と、出力回路部６０２とを含む。光電変換素子６０１は、典型的にはフォトダイオードでありうる。出力回路部６０２は、増幅回路部６０４、クランプ回路部６０６、サンプルホールド回路部６０７、選択回路部６０８を含む。
光電変換素子６０１は、電荷蓄積部を含む。この電荷蓄積部は、増幅回路部６０４のＭＯＳトランジスタ６０４ａのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ６０４ａのソースは、ＭＯＳトランジスタ６０４ｂを介して電流源６０４ｃに接続されている。ＭＯＳトランジスタ６０４ａと電流源６０４ｃ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６０４ｂ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６に示す例では、光電変換素子６０１の電荷蓄積部およびＭＯＳトランジスタ６０４ａのゲートが共通のノードを構成している。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６０３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６０３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６０６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６０４によって出力されるノイズをクランプ容量６０６ａによってクランプする。つまり、クランプ回路部６０６は、光電変換素子６０１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６０６ｂ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６０６ｂをオフ状態にすることによってなされる。クランプ容量６０６ａの出力側は、ＭＯＳトランジスタ６０６ｃのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ６０６ｃのソースは、ＭＯＳトランジスタ６０６ｄを介して電流源６０６ｅに接続されている。ＭＯＳトランジスタ６０６ｃと電流源６０６ｅ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６０６ｄ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６０１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６０６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６０７Ｓａを介して容量６０７Ｓｂ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６０６ｂをオン状態とした際にクランプ回路部６０６から出力される信号は、クランプ電圧である。このノイズ信号は、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６０７Ｎａを介して容量６０７Ｎｂに書き込まれる。このノイズ信号には、クランプ回路部６０６のオフセット成分が含まれる。スイッチ６０７Ｓａと容量６０７Ｓｂによって信号サンプルホールド回路６０７Ｓが構成され、スイッチ６０７Ｎａと容量６０７Ｎｂによってノイズサンプルホールド回路６０７Ｎが構成される。サンプルホールド回路部６０７は、信号サンプルホールド回路６０７Ｓとノイズサンプルホールド回路６０７Ｎとを含む。
駆動回路部が行選択信号をアクティブレベルに駆動すると、容量６０７Ｓｂに保持された信号（光信号）がＭＯＳトランジスタ６０８Ｓａおよび行選択スイッチ６０８Ｓｂを介して信号線６１Ｓに出力される。また、同時に、容量６０７Ｎｂに保持された信号（ノイズ）がＭＯＳトランジスタ６０８Ｎａおよび行選択スイッチ６０８Ｎｂを介して信号線６１Ｎに出力される。ＭＯＳトランジスタ６０８Ｓａは、信号線６１Ｓに設けられた不図示の定電流源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６０８Ｎａは、信号線６１Ｎに設けられた不図示の定電流源とソースフォロア回路を構成する。ＭＯＳトランジスタ６０８Ｓａと行選択スイッチ６０８Ｓｂによって信号用選択回路部６０８Ｓが構成され、ＭＯＳトランジスタ６０８Ｎａと行選択スイッチ６０８Ｎｂによってノイズ用選択回路部６０８Ｎが構成される。選択回路部６０８は、信号用選択回路部６０８Ｓとノイズ用選択回路部６０８Ｎとを含む。
画素６０は、隣接する複数の画素６０の光信号を加算する加算スイッチ６０９Ｓ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６０９Ｓがオン状態になる。これにより、隣接する画素６０の容量６０７Ｓｂが加算スイッチ６０９Ｓ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６０は、隣接する複数の画素６０のノイズを加算する加算スイッチ６０９Ｎを有してもよい。加算スイッチ６０９Ｎがオン状態になると、隣接する画素６０の容量６０７Ｎｂが加算スイッチ６０９Ｎ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６０９は、加算スイッチ６０９Ｓと加算スイッチ６０９Ｎを含む。
画素６０は、感度を変更するための感度変更部６０５を有してもよい。画素６０は、例えば、第１感度変更スイッチ６０５ａおよび第２感度変更スイッチ６０５'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６０５ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第１付加容量６０５ｂの容量値が追加される。これによって画素６０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６０５'ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第２付加容量６０５'ｂの容量値が追加される。これによって画素６０１の感度が更に低下する。このように画素６０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６０４ａに変えてＭＯＳトランジスタ６０４'ａをソースフォロア動作させてもよい。
次に、第２実施形態によるＸ線撮像システムの撮像動作について説明する。図７に、第２実施形態に係るＸ線撮像システムにおいてエネルギーの異なる複数のＸ線画像を取得するための基本的な駆動タイミングを示す。第２実施形態では、１ショット間にエネルギーが変化するＸ線が照射され、当該１ショット間にＸ線を複数回検出することによりＸ線エネルギーの異なる複数の放射線画像が得られる。なお、図中の波形は横軸を時間として、Ｘ線の曝射、光電変換素子６０１のリセット、サンプルホールド回路６０７、信号線６１からの画像の読み出しのタイミングを示している。
まず、光電変換素子６０１のリセットを行ってから、Ｘ線を曝射する。Ｘ線の管電圧は理想的には矩形波となるが、管電圧の立上りと立下りには有限の時間がかかる。特に、パルスＸ線で曝射時間が短い場合は、管電圧はもはや矩形波とはみなせず、図７に示すような波形となる。すなわち、Ｘ線の立上り期（Ｘ線７０１）、安定期（Ｘ線７０２）、立下り期（Ｘ線７０３）の３つの期間でＸ線のエネルギーが異なる。
そこで、立上り期のＸ線７０１が曝射された後に、ノイズサンプルホールド回路６０７Ｎでサンプリングを行い、さらに安定期のＸ線７０２が曝射された後に信号サンプルホールド回路６０７Ｓでサンプリングを行う。その後、信号線６１Ｎと信号線６１Ｓの差分を画像として読み出す。このとき、ノイズサンプルホールド回路６０７Ｎには立上り期のＸ線７０１の信号Ｒが保持され、信号サンプルホールド回路６０７Ｓには立上り期のＸ線７０１の信号Ｒと安定期のＸ線７０２の信号Ｇの和（Ｒ＋Ｇ）が保持されている。従って、上記差分により、安定期のＸ線７０２の信号Ｇに対応した画像７０４が読み出される。
立下り期のＸ線７０３の曝射と、画像７０４の読み出しとが完了してから、再び信号サンプルホールド回路６０７Ｓでサンプリングを行い、信号線６１Ｎと信号線６１Ｓの差分を画像として読み出す。このとき、ノイズサンプルホールド回路６０７Ｎには立上り期のＸ線７０１の信号Ｒが保持されている。また、このタイミングにおいて、信号サンプルホールド回路６０７Ｓには、立上り期のＸ線７０１の信号Ｒと安定期のＸ線７０２の信号Ｇと立下り期のＸ線７０３の信号Ｂの和（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）が保持されている。従って、安定期のＸ線７０２の信号Ｇと立下り期のＸ線７０３の信号Ｂの和（Ｇ＋Ｂ）に対応した画像７０７が読み出される。
画像７０７の読み出しが完了してから、光電変換素子６０１のリセットを行い、再びノイズサンプルホールド回路６０７Ｎでサンプリングを行い、信号線６１Ｎと信号線６１Ｓの差分を画像として読み出す。このとき、ノイズサンプルホールド回路６０７ＮにはＸ線が曝射されていない状態の信号が保持され、信号サンプルホールド回路６０７Ｓには立上り期のＸ線７０１の信号Ｒと安定期のＸ線７０２の信号Ｇと立下り期のＸ線７０３の信号Ｂの和が保持されている。従って、立上り期のＸ線７０１の信号Ｒと安定期のＸ線７０２の信号Ｇと立下り期のＸ線７０３の信号Ｂの和（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）に対応した画像７０８が読み出される。
その後、画像７０７と画像７０４の差分を計算することで、立下り期のＸ線７０３に対応した画像７０５が得られる。また、画像７０８と画像７０７の差分を計算することで、立上り期のＸ線７０１に対応した画像７０６が得られる。以上のようにして、パルスＸ線の立上り期、安定期、立下り期にそれぞれ対応した画像７０６、画像７０４、画像７０５が得られる。ここで、画像７０４、７０５、７０６の画像を形成する際に曝射されたＸ線のエネルギーはそれぞれ異なるものとなっている。例えば、画像７０５と画像７０６を足して得られる画像（Ｒ＋Ｂ）を低エネルギーの画像、画像７０４を高エネルギーの画像（Ｇ）として用いてスペクトラルイメージングの演算を行うことができる。この場合、低エネルギーの画像（Ｒ＋Ｂ）のスペクトルは、画像７０８と画像７０４の差分画像から得られたものを用いてもよい。一方、第２実施形態では、画像７０５と画像７０６のそれぞれスペクトルの合成により得られた合成スペクトルを用いることで、生成される物質特性画像の精度を向上させる。
画像７０４、７０５、７０６について、［数１］または［数２］を用いた連立方程式を解くことで物質分離画像または物質識別画像が得られる。上述のように、第２実施形態では、画像７０５と画像７０６を合成して得られた画像を低エネルギーの画像、画像７０４を高エネルギーの画像として用いて連立方程式を立てる。すなわち、画像７０５を第一のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ１、画像７０６を第二のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ２とし、これらを合成して第三のＸ線エネルギーによるＸ線画像Ｘ３を生成する。
連立方程式を立てる際、各画像のＸ線のスペクトルが必要になる。第１実施形態で説明したように、Ｘ線のスペクトルを求めるためには、画像を撮像した際のＸ線のエネルギーの情報が必要である。第２実施形態ではエネルギーが時間的に変化しているため、Ｘ線制御装置１０２の管電圧の設定値から得ることは難しい。そのため、線減弱係数が既知である被参照物体のＸ線透過率から、画像７０４〜７０６に関して曝射されたＸ線のエネルギー（管電圧〇〇ｋＶ相当）を推定する。
合成画像である第三のＸ線エネルギーに対応したＸ線画像Ｘ３は、第一のＸ線エネルギーで得られたＸ線画像Ｘ１（画像７０５）と第二のＸ線エネルギーで得られたＸ線画像Ｘ２（画像７０６）の単純な加算で求めることができる。一方、第三のＸ線エネルギーのＸ線スペクトルについては、第１実施形態で説明したように、第一および第二のＸ線エネルギーのＸ線スペクトルを一旦フォトン数に変換してから加算し、フォトン数の総数を規格化することで求める。合成により得られたＸ線スペクトルは、合成後の第三のＸ線エネルギーに対応したＸ線画像Ｘ３に対してＸ線のエネルギーの推定を行って求めたスペクトルよりも正確になる。結果、［数１］または［数２］の精度が高くなり、物質分離精度の向上や、実効原子番号画像や面密度画像のノイズ低下が期待できる。
なお、Ｘ１、Ｘ２の加減算から合成画像Ｘ３および合成スペクトルを生成する際に、第１実施形態と同様に任意の係数αを乗じてもよい。第２実施形態は、第１実施形態のＸ３＝Ｘ２−αＸ１の係数αが負の値を取った場合といえる。
図８は、第２実施形態の撮像制御装置１０３による上記処理を説明する図である。画像ＸＧ、ＸＢ、ＸＲはそれぞれ、被写体ありでＸ線を照射して得られた画像７０４，７０５，７０６に対応する。また、被写体なしでＸ線を照射して画像７０４，７０５，７０６を得ることでゲイン補正用の画像ＧＧ、ＧＢ、ＧＲが得られる。同様に、Ｘ線を非照射の状態で画像７０４，７０５，７０６を得る駆動を行い、オフセット補正用の画像ＯＧ、ＯＢ、ＯＲが得られる。ゲイン補正用の画像、Ｘ線画像は、オフセット補正用の画像によりそれぞれ補正されて、ＧＧ、ＧＢ、ＧＲ、ＸＧ、ＸＢ、ＸＲが得られる。なお、図８ではゲイン画像（ＧＧ、ＧＲ、ＧＢ）とＸ線画像（ＸＧ、ＸＲ、ＸＢ）で共通のオフセット画像（ＯＧ、ＯＲ、ＯＢ）を用いているがこれに限られるものではない。図５Ｂで説明したように、ゲイン画像とＸ線画像のそれぞれに対応したオフセット画像（ＯＧＧ、ＯＧＲ、ＯＧＢ、ＯＸＧ、ＯＸＲ、ＯＸＢ）を取得し、使用するようにしてもよい。
オフセット補正済みのＸ線画像ＸＢとＸＲの合成により第三のＸ線画像Ｘ３が生成される。同様に、オフセット補正済みのゲイン補正用の画像ＧＢとＧＲの合成により第三のゲイン補正用画像Ｇ３が生成される。オフセット済みのＸ線画像ＸＧとゲイン補正用の画像ＧＧは、それぞれ第一のＸ線画像Ｘ１、第一のゲイン補正用の画像Ｇ１として用いられる。第一のＸ線画像Ｘ１を第一のゲイン補正用の画像Ｇ１で割ることで、高エネルギーの減弱率画像が得られる。同様に、合成された第三のＸ線画像Ｘ３を、合成された第三のゲイン補正用の画像Ｇ３で割ることで、低エネルギーの減弱率画像が得られる。得られた減弱率画像は、スペクトラルイメージングの演算（物質特性画像の生成）に用いられる。
以上、第２実施形態では、Ｘ線エネルギーが異なる３つの画像のうち、エネルギーの低い２つのＸ線画像を合成して新たな低エネルギー画像を生成したがこれに限られるものではない。例えば、Ｘ線エネルギーが異なる３つの画像のうち、最も高いエネルギーのＸ線画像と中間のエネルギーのＸ線画像を第１実施形態で説明したように合成（減算）して新たな高エネルギー画像を生成してもよい。その場合、生成されたが高エネルギー画像と３つの画像のうちの最も低いエネルギーの画像を用いて連立方程式を立てることになる。すなわち、第２実施形態では、Ｘ線エネルギーが異なる３つの画像７０４、７０５、７０６のうちの２つの画像を合成し、合成により得られた画像と合成に用いられていない画像とから２つの連立方程式を立てる構成である。
また、第２実施形態では、異なる３つのエネルギーのＸ線画像から、２つの連立方程式を立てる形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。サンプリングノードを増やし、異なる３つ以上のエネルギーの画像のスペクトルおよび画像を合成してもよい。また、異なる３つ以上のエネルギー画像を用いて連立方程式を立ててもよい。また、異なる２つのエネルギーの画像のスペクトルおよび画像を合成し、合成後の画像と、もとの画像のいずれかを用いて２つの連立方程式を立てるようにしてもよい。また、画像７０４（Ｇ）を高エネルギー画像、画像７０８から画像７０４を差し引いて得られる画像（Ｒ＋Ｂ）を低エネルギー画像として、第１実施形態で説明した処理を適用してもよい。
以上のように、上記各実施形態によれば、事前に異なる放射線エネルギーの放射線画像同士の加減算およびスペクトル同士の加減算を行うことで、スペクトラルイメージングの演算処理に適した画像とスペクトルを得る。
＜他の実施形態＞
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
１０１：Ｘ線発生装置、１０２：Ｘ線制御装置、１０３：撮像制御装置、１０４：Ｘ線撮像装置、１０５：蛍光体、１０６：二次元検出器

Claims (16)

  1. 異なる放射線エネルギーで撮像された複数の放射線画像を用いて物質特性画像を生成する画像処理装置であって、
    前記複数の放射線画像のうちの、２つ以上の放射線画像から放射線画像を合成し、前記２つ以上の放射線画像の放射線スペクトルから放射線スペクトルを合成する合成手段と、
    前記複数の放射線画像から得られる２組の放射線画像と放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成する生成手段と、を備え、
    前記２組のうちの少なくとも一方は、前記合成手段により合成された放射線画像と放射線スペクトルの組であることを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記合成手段は、第一の放射線エネルギーにより撮像された第一の放射線画像と前記第一の放射線エネルギーよりも高い第二の放射線エネルギーにより撮像された第二の放射線画像から放射線画像と放射線スペクトルを合成し、
    前記生成手段は、前記第一の放射線画像または前記第二の放射線画像と、前記合成された放射線画像、およびそれらの放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
  3. 前記合成手段は、前記第二の放射線画像から前記第一の放射線画像を減算することにより放射線画像を生成し、前記第二の放射線画像の放射線スペクトルから前記第一の放射線画像の放射線スペクトルを減算することにより放射線スペクトルを生成し、
    前記生成手段は、前記第二の放射線画像と前記合成された放射線画像およびそれらの放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成する、ことを特徴とする請求項２に記載の画像処理装置。
  4. 前記合成手段は、第一の放射線エネルギーにより撮像された第一の放射線画像と前記第一の放射線エネルギーよりも高い第二の放射線エネルギーにより撮像された第二の放射線画像から放射線画像と放射線スペクトルを合成し、
    前記生成手段は、前記第一の放射線エネルギーおよび前記第二の放射線エネルギーとは異なる第三の放射線エネルギーにより撮像された第三の放射線画像と、前記合成された放射線画像、およびそれらの放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
  5. 前記第三の放射線エネルギーは、前記第一の放射線エネルギーよりも低いことを特徴とする請求項４に記載の画像処理装置。
  6. 前記複数の放射線画像は、第一および第二の放射線エネルギーで撮像された第一および第二の放射線画像と、前記第一および第二の放射線エネルギーよりも高い第三の放射線エネルギーで撮像された第三の放射線画像を含み、
    前記合成手段は、第一および第二の放射線画像から放射線画像と放射線スペクトルを合成し、
    前記生成手段は、前記第三の放射線画像と前記合成された放射線画像、およびそれらの放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
  7. 前記合成手段は、前記合成された放射線画像と前記合成された放射線スペクトルとが相関を持つように、前記２つ以上の放射線画像の放射線スペクトルを合成することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の画像処理装置。
  8. 前記合成手段は、前記２つ以上の放射線画像の撮像時のそれぞれの放射線量に基づいて、前記２つ以上の放射線画像の放射線スペクトルの加減算を行うことを特徴とする請求項７に記載の画像処理装置。
  9. 前記合成手段は、前記２つ以上の放射線画像の撮像時の線量に基づいて前記放射線スペクトルをフォトン数に変換し、加減算を行うことにより前記２つ以上の放射線スペクトルを合成することを特徴とする請求項７または８に記載の画像処理装置。
  10. 前記合成手段は、前記２つ以上の放射線画像とその放射線スペクトルの少なくとも１つに所定の係数を乗じることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の画像処理装置。
  11. 前記係数は、合成された放射線スペクトルが負の値にならないように設定されることを特徴とする請求項１０に記載の画像処理装置。
  12. 前記合成手段による前記２つ以上の放射線画像の合成は、画素ごとのゲインのばらつきを補正するゲイン補正の前に行われることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の画像処理装置。
  13. 前記複数の放射線画像は、１ショット間にエネルギーが変化する放射線が照射され、当該１ショット間に前記放射線を複数回検出することにより得られることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の画像処理装置。
  14. 前記複数の放射線画像は、前記１ショット間のうち、曝射される放射線の立上り期、安定期、立下り期の３つの期間から得られる３つの放射線画像であり、
    前記合成手段は、前記立上り期と前記立下り期から得られる２つの放射線画像から放射線画像と放射線スペクトルを合成し、
    前記生成手段は、前記安定期から得られる放射線画像と前記合成された放射線画像、およびそれらの放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成することを特徴とする請求項１３に記載の画像処理装置。
  15. 異なる放射線エネルギーで撮像された複数の放射線画像を用いて物質特性画像を生成する画像処理方法であって、
    前記複数の放射線画像のうちの、２つ以上の放射線画像から放射線画像を合成し、前記２つ以上の放射線画像の放射線スペクトルから放射線スペクトルを合成する合成工程と、
    前記複数の放射線画像から得られる２組の放射線画像と放射線スペクトルを用いて物質特性画像を生成する生成工程と、を備え、
    前記２組のうちの少なくとも一方は、前記合成工程で合成された放射線画像と放射線スペクトルの組であることを特徴とする画像処理方法。
  16. 請求項１５に記載された画像処理方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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