JP2024014354A - 放射線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
光子計数型検出器の動作中にサブピクセルが故障しても、故障したサブピクセルが含まれるピクセルの出力信号を補正できる放射線撮像装置を提供する。
【解決手段】
放射線光子を計数する光子計数型検出器を備える放射線撮像装置であって、前記光子計数型検出器は、複数のサブピクセルによって構成されるピクセルと、前記サブピクセルのそれぞれにおいて計数される放射線光子数に基づいて前記ピクセルの出力信号を算出するデータ処理部と、前記サブピクセルにおいて計数される放射線光子数に基づいて前記サブピクセルの故障を検知し、故障したサブピクセルの位置を出力する故障検知部を有し、故障したサブピクセルの位置に基づいて、故障したサブピクセルを含むピクセルの補正データを生成するデータ補正部をさらに備えることを特徴とする。
【選択図】図３

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故障検知と補正に関する。

フォトンカウンティング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（Photon Counting Computed Tomography）装置の開発が進められている。光子計数型検出器は放射線光子を計数するとともに個々の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。

ただし、光子計数型検出器のピクセルに単位時間当たりに入射する放射線光子の数が増加すると数え落としが生じるので、ピクセルを複数のサブピクセルに分割し、各サブピクセルで計数された放射線光子の総和をピクセル毎の出力信号にする場合がある。またサブピクセルのうちのいくつかが故障したときには、故障したサブピクセルが含まれるピクセルの出力信号が、故障していないサブピクセルでの放射線光子数に基づいて推定される。

特許文献１には、故障したサブピクセルが含まれるピクセルの出力信号を高精度に推定するために、各サブピクセルでの放射線光子数を加重加算するときに用いられるサブピクセル毎の加算率を、故障したサブピクセルの位置に基づいて決定することが開示される。

特開２０１７－１５３５４７号公報

しかしながら特許文献１では、予め記録された故障サブピクセルに対して補正を行うものであり、光子計数型検出器の動作中にサブピクセルが故障したときの対応が困難である。

そこで本発明は、光子計数型検出器の動作中にサブピクセルが故障しても、故障したサブピクセルが含まれるピクセルの出力信号を補正できる放射線撮像装置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、放射線光子を計数する光子計数型検出器を備える放射線撮像装置であって、前記光子計数型検出器は、複数のサブピクセルによって構成されるピクセルと、前記サブピクセルのそれぞれにおいて計数される放射線光子数に基づいて前記ピクセルの出力信号を算出するデータ処理部と、前記サブピクセルにおいて計数される放射線光子数に基づいて前記サブピクセルの故障を検知し、故障したサブピクセルの位置を出力する故障検知部を有し、故障したサブピクセルの位置に基づいて、故障したサブピクセルを含むピクセルの補正データを生成するデータ補正部をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、光子計数型検出器の動作中にサブピクセルが故障しても、故障したサブピクセルが含まれるピクセルの出力信号を補正できる放射線撮像装置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のデータ処理回路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。

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を用いて後述される。

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回程度取得され、演算装置２へ送信される。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。

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）やメモリ等を備え、表示装置３や入力装置８、記憶装置９に接続される。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とともに、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。

表示装置３は液晶ディスプレイやタッチパネル等であり、生成された断層画像等を表示する。入力装置８はキーボードやマウス等であり、Ｘ線管６に印加される電圧の設定等に用いられる。なお表示装置３がタッチパネルである場合、タッチパネルが入力装置８として機能する。記憶装置９はＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等であり、ＣＰＵで実行されるプログラムや投影データ、断層画像等の各種データを記憶する。

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、複数の検出器モジュール１０がＸ線管６の位置を中心として円弧状に配置されることで構成され、ガントリ１の回転部に設けられる。検出器モジュール１０は、放射線検出器１２とコリメータ１１を有する。

コリメータ１１は複数の孔を有する金属製の格子であって、被検者５にて発生する散乱線の放射線検出器１２への入射を抑制するために、放射線検出器１２と被検者５との間に設けられる。コリメータ１１には、比重及び原子番号の大きい金属、例えばタングステンやモリブデン等が用いられる。コリメータ１１の孔は放射線検出器１２のピクセル１５に対応するように位置が合わせられる。

放射線検出器１２は、被検者５を透過したＸ線光子を検出する半導体検出器である。放射線検出器１２にはＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅが用いられ、Ｘ線が入射する側に高電圧電極１４が、反対側に複数の読み出し電極１３が設けられる。接地電圧である読み出し電極１３に対して高電圧電極１４には負の高電圧が印加され、高電圧電極１４と読み出し電極１３との間に電界が形成される。放射線検出器１２にＸ線光子が入射すると、Ｘ線光子のエネルギーに応じた数の電子と正孔が発生する。Ｘ線光子の入射によって発生した電子は、電極間の電界によって最も近い読み出し電極１３へ移動し、電荷信号として読み出される。Ｘ線光子の数え落としを減少させるため、一つのピクセル１５の中に複数の読み出し電極１３が配置される。すなわち読み出し電極１３が放射線検出器１２のサブピクセル１６に対応する。なお図２には、一つのピクセル１５が四つのサブピクセル１６に分割された場合が例示される。

図３を用いて、Ｘ線光子の検出に係るデータ処理回路２０について説明する。データ処理回路２０は、読み出し電極１３に対応するサブピクセル１６に接続され、サブピクセル１６から送信される電荷信号に様々な処理を施した後、スリップリング２７を介して演算装置２へ処理後の信号を送信する。データ処理回路２０には、フロントエンドＩＣ２１、データバッファ２２、故障検知回路２３、データ加算回路２４、送信バッファ２５、制御回路２６が含まれる。

フロントエンドＩＣ２１は、基板上に複数搭載され、読み出し電極１３で読み出された電荷信号を増幅、計数してからデジタルデータとしてデータバッファ２２へ出力する。 図４を用いて、フロントエンドＩＣ２１について説明する。フロントエンドＩＣ２１は、チャンネル読み出し回路３１とデータマルチプレクサ３８、コンフィグレーション回路３９を有する。チャンネル読み出し回路３１は、チャージアンプ３２、波形整形回路３３、コンパレータ３４、ＤＡＣ３５、カウンタ３６、データ制御回路３７を有し、サブピクセル１６から出力される電荷信号に基づいて、放射線光子をエネルギー毎に計数する。

チャージアンプ３２は、電荷信号を蓄えるコンデンサと、コンデンサの電荷信号を放出するためのスイッチと、動作を安定させるための抵抗を有し、電荷信号に比例した電圧信号を波形整形回路３３へ出力する。なおサブピクセル１６が故障している場合には、スイッチを短絡状態にして安定した電位に保つようにしても良いし、スイッチを開放状態にし、別途設けられたスイッチにより基準電位に接続することで故障によるノイズを他のサブピクセル１６に混入させないようにも良い。

波形整形回路３３は、サブピクセル１６やチャージアンプ３２で発生する雑音を低減するためのバンドパスフィルタ―である。波形整形回路３３からの出力電圧は複数のコンパレータ３４に入力される。

ＤＡＣ３５はデジタル-アナログ変換器（Digital to Analog Convertor）であり、所定のエネルギーに相当する電圧を出力する。

コンパレータ３４は、波形整形回路３３からの出力電圧の波高値を、ＤＡＣ３５が出力する電圧と比較し、波形整形回路３３からの出力電圧のほうが高ければカウンタ３６へパルスを出力する。

カウンタ３６は、コンパレータ３４から出力されるパルスをカウントする。すなわち波形整形回路３３からの出力電圧が所定のエネルギーに相当する電圧よりも高ければカウンタ３６にて計数される。ＤＡＣ３５とコンパレータ３４とカウンタ３６はエネルギー毎に設けられるので、放射線光子はエネルギー毎に計数される。なお一つのコンパレータ３４に対して、複数のカウンタ３６が接続されても良い。複数のカウンタ３６が切り替えられながら計数されることにより、Ｖｉｅｗの切り替え時の不感時間の低減が可能になる。

データ制御回路３７は、カウンタ３６の切り替えや読み出し順を制御する。

データマルチプレクサ３８は、サブピクセル１６のそれぞれにおいてエネルギー毎に計数された放射線光子数をまとめて出力する。

コンフィグレーション回路３９には、ＤＡＣ３５の電圧等の動作パラメータが保持される。またコンフィグレーション回路３９には、チャンネル読み出し回路３１をディスエーブルする設定パラメータが含まれても良い。

図３の説明に戻る。データバッファ２２は、複数のフロントエンドＩＣ２１から出力されたデジタル信号を一時保存するとともに、故障検知回路２３とデータ加算回路２４のそれぞれに出力する。

故障検知回路２３は、データバッファ２２から出力されるデジタル信号、つまりサブピクセル１６において計数される放射線光子数に基づいて、サブピクセル１６の故障を検知する。より具体的には、サブピクセル１６において計数される放射線光子数が正常範囲から外れているときに、サブピクセル１６の故障が検知される。なお正常範囲は、Ｘ線の管電圧や管電流ごとに予め定められても良く、例えば制御回路２６にテーブルとして記憶される。Ｘ線の管電圧や管電流ごとに正常範囲が定められているので、Ｘ線照射中にサブピクセル１６の故障が検知されることとなり、より高い精度で故障を検知することができる。

また隣接する複数のサブピクセル１６の放射線光子数に基づいて正常範囲が定められても良い。隣接する複数のサブピクセル１６の放射線光子数に基づいて正常範囲が定められることにより、正常範囲を記憶せずに済むので、故障の検知に係る制御を簡易化できる。

またエネルギー毎に計数される放射線光子数の比に対して正常範囲が定めれられても良い。エネルギー毎に計数される放射線光子数の比に対して正常範囲が定めれられることにより、放射線光子のエネルギーの計測に係る故障を検知することができる。さらに、放射線が照射されてないときのノイズ信号に基づいて故障が検知されても良いし、他のテスト信号源を用いて故障が検知されても良い。故障が検知されたサブピクセル１６の位置は制御回路２６に通知され、記憶される。すなわち故障検知回路２３は、サブピクセル１６において計数される放射線光子数に基づいて、サブピクセル１６の故障を検知し、故障したサブピクセル１６の位置を出力する故障検知部として機能する。

データ加算回路２４は、ピクセル１５に含まれるサブピクセル１６における放射線光子数を加算し、加算後の値を送信バッファ２５に書き込む。すなわちデータ加算回路２４は、サブピクセル１６のそれぞれにおいて計数される放射線光子数に基づいてピクセル１５の出力信号を算出するデータ処理部として機能する。なおピクセル１５の中に故障したサブピクセル１６が含まれている場合は、故障したサブピクセル１６での放射線光子数を除外して加算がなされる。また故障検知回路２３にて故障が検知されたサブピクセル１６とは別に、異常があることを演算装置２において予め指定されたサブピクセル１６も加算から除外されても良い。

送信バッファ２５は、データ加算回路２４が書き込んだ加算後の値を演算装置２へスリップリング２７を介して送信する。すなわちそれぞれのピクセル１５において計数された放射線光子数が演算装置２へ送信される。

制御回路２６は、演算装置２からの指示に基づいて、フロントエンドＩＣ２１や故障検知回路２３、データ加算回路２４を制御するとともに、各種データを記憶する。また制御回路２６は、故障検知回路２３によって故障が検知されたサブピクセル１６の位置を、演算装置２へスリップリング２７を介して通知する。

演算装置２は、故障したサブピクセル１６の位置に基づいて、故障したサブピクセル１６を含むピクセル１５の出力信号を補正することで補正データを生成し、生成された補正データを用いて画像再構成を行う。画像再構成を行うときには、例えばピクセル１５の感度ばらつきや数え落としによるリニアリティ劣化等を補正する必要がある。感度ばらつきやリニアリティ劣化の補正のために予め測定される感度データやリニアリティデータはサブピクセル１６の故障により変化する。演算装置２は、故障したサブピクセル１６の位置に基づいて、故障したサブピクセル１６を含むピクセル１５の補正データを生成するデータ補正部として機能する。

故障したサブピクセル１６を含むピクセル１５の補正データの生成には、Ｘ線ＣＴ装置の製造時または定期的な校正時に取得される補正用データが用いられる。補正用データは、材質と形状が既知であるファントムや空気を、Ｘ線の管電圧や管電流ごとに計測することによってサブピクセル１６のそれぞれについて取得される。より具体的には、ピクセル１５に含まれるサブピクセル１６の内の一つのみを順に有効にしながら、サブピクセル１６の数だけ計測を繰り返すことで、補正用データが取得される。またはデータ加算回路２４での加算をさせずに、サブピクセル１６のそれぞれでの放射線光子数が補正用データとして取得されても良い。

実施例１の放射線撮像装置によれば、サブピクセル１６のそれぞれにおいて計数される放射線光子数に基づいてサブピクセル１６の故障を検知し、故障したサブピクセル１６の位置に基づいてピクセル１５の補正データが生成される。そのため、光子計数型検出器の動作中にサブピクセルが故障しても、故障したサブピクセルが含まれるピクセルの出力信号を補正でき、アーチファクトのない医用画像を出力可能である。

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、８：入力装置、９：記憶装置、１０：検出器モジュール、１１：コリメータ、１２：放射線検出器、１３：読み出し電極、１４：高電圧電極、１５：ピクセル、１６：サブピクセル、２０：データ処理回路、２１：フロントエンドＩＣ、２２：データバッファ、２３：故障検知回路、２４：データ加算回路、２５：送信バッファ、２６：制御回路、２７：スリップリング、３１：チャンネル読み出し回路、３２：チャージアンプ、３３：波形整形回路、３４：コンパレータ、３５：ＤＡＣ、３６：カウンタ、３７：データ制御回路、３８：データマルチプレクサ、３９：コンフィグレーション回路

Claims (5)

1. 放射線光子を計数する光子計数型検出器を備える放射線撮像装置であって、
   前記光子計数型検出器は、複数のサブピクセルによって構成されるピクセルと、前記サブピクセルのそれぞれにおいて計数される放射線光子数に基づいて前記ピクセルの出力信号を算出するデータ処理部と、前記サブピクセルにおいて計数される放射線光子数に基づいて前記サブピクセルの故障を検知し、故障したサブピクセルの位置を出力する故障検知部を有し、
   故障したサブピクセルの位置に基づいて、故障したサブピクセルを含むピクセルの補正データを生成するデータ補正部をさらに備え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、
   前記故障検知部は、前記サブピクセルにおいて計数される放射線光子数が予め定められた正常範囲から外れているときに前記サブピクセルの故障を検知することを特徴とする放射線撮像装置。
3. 請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
   前記故障検知部は、第一のサブピクセルに隣接する複数のサブピクセルにおいて計数される放射線光子数と、第一のサブピクセルにおいて計数される放射線光子数とを比較することにより、第一のサブピクセルの故障を検知す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、
   前記故障検知部は、前記サブピクセルにおいてエネルギー毎に計数される放射線光子数の比が予め定められた正常範囲から外れているときに前記サブピクセルの故障を検知する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、
   前記データ補正部は、サブピクセル毎に予め取得された補正用データを用いて、故障したサブピクセルを含むピクセルの補正データを生成することを特徴とする放射線撮像装置。

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