JP3208393U - Ｘ線ｃｔシステム - Google Patents

Abstract

【課題】金属の正確な特徴付けが可能になるＸ線ＣＴシステムを提供する。【解決手段】Ｘ線ＣＴシステム２００は、多色Ｘ線ビーム１０３を生成するＸ線源システム１０２と、サンプル１１４を保持するためのサンプルホルダ１１２を有する回転台１１０とを有するＸ線撮像システムを含む。画像またはＸ線投影画は、検出器システム１１８によって取込まれる。コンピュータシステム１２４は、これらの画像を受取って処理し、システム２００の一般的な制御を行う。コンピュータシステム１２４は、画像プロセッサ１２０と、ユーザインターフェイスアプリケーション１２６とを含む。コンピュータシステム１２４に接続されたディスプレイ装置１３６は、Ｘ線ＣＴシステム２００からの情報を、コンピュータシステム１２４のユーザインターフェイスアプリケーション１２６に、表示する。【選択図】図２

Description

本開示は、Ｘ線ＣＴシステムに関する。

考案の背景
Ｘ線コンピュータ断層撮影法（computed tomography：ＣＴ）は、サンプルの内部構造を検査および分析するための非破壊的な技術である。一般に、Ｘ線は、サンプルを通過する際にサンプルによって吸収または散乱される。吸収または散乱されなかったＸ線は、サンプルを透過し、次いで検出器システムによって検出される。検出器システムにおいて形成される画像は、Ｘ線投影画として知られている。断層ボリュームデータセットは、標準的なＣＴ再構成アルゴリズムによって、さまざまな角度における一連のこれらの投影画から再構成される。Ｘ線断層撮影システムは、しばしば、断層ボリュームデータセットの二次元断面画像または「スライス」の形態でこれらの断層ボリュームを提示する。

いくつかのＸ線断層撮影システムは、Ｘ線投影画を生成するために多色Ｘ線ビームを利用する。多色Ｘ線源は、Ｘ線管（実験室用供給源）もしくは白色シンクロトロンビーム、または加速器ベースの供給源を含む。多色Ｘ線ビームの利点は、損失の大きいエネルギフィルタが不要であるので多色Ｘ線ビームが所与の供給源では単色ビームよりも一般に強力であることである。

多色ビームを使用する場合、ビームが物体を横断する際に最初により低いエネルギが吸収されるので、透過したＸ線の強度は、一般に、材料厚みにもはや比例しなくなる。その結果、Ｘ線投影画を生成するために多色ビームが使用される場合には、ビーム硬化（beam hardening：ＢＨ）として知られる現象がしばしば起こる。ビーム硬化は、Ｘ線がサンプルを通過する際のより高いＸ線エネルギの方への透過Ｘ線スペクトルの変化と関係がある。

ビーム硬化は、しばしば、多色Ｘ線を用いた断層再構成においてアーチファクトを生じさせる。ビーム硬化の結果として生成される典型的なアーチファクトは、カッピングアーチファクト（cupping artifact）または縞状アーチファクトを含む。ビーム硬化は、吸収対材料厚みの線形化によって、１つの材料のみで構成される物体では効果的に修正されることができる。しかし、この方法は、混合材料物体、特に低密度（低Ｚ）材料および高密度（高Ｚ）材料を両方とも含む物体では効果的ではない。鉄（Ｆｅ）および金（Ａｕ）などの原子数が１８よりも高い金属または元素などの高Ｚ元素は、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）などの低Ｚ元素よりもはるかに多くのＸ線を吸収するので、金属元素構造は、一般に、Ｘ線にさらされたときにより重大なビーム硬化アーチファクトを生じさせる。これらのアーチファクトは、「金属アーチファクト」としても知られている。また、ビーム硬化以外の要因は、Ｘ線散乱、ポアソン雑音、ならびにモーションおよびエッジ効果などの金属アーチファクトの作成を引き起こし得る。

Ｘ線ＣＴ画像における金属アーチファクト低減（metal artifact reduction：ＭＡＲ）に対する現行のアプローチは、典型的には３つのグループに分類される。第１のグループ、すなわちグループ１は、Ｎ次多項式フィッティングを用いてビーム硬化修正を行って金属アーチファクトを低減するものである。ここでは、この方法を「ＢＨＣ（ビーム硬化修正）」と呼ぶ。第２のグループ、すなわちグループ２は、投影画における金属のセグメンテーション／サブトラクション、それに続く分析または反復アルゴリズムを用いた完成方法に焦点を当てるものである。第３のグループ、すなわちグループ３は、スペクトルベースのアプローチまたは物理モデリングアプローチを用いてアーチファクトを統計的および反復的に低減または抑制する。

これらのアーチファクト低減アプローチの各々は、欠点を有する。グループ１のＭＡＲ方法は、アーチファクトを近似的に低減することができるのみであり、１種類の金属に対してのみ適切に機能することができる。グループ２のＭＡＲ方法は、一般に、アーチファクトの部分的抑制を行うのみであり、サンプル内の金属の周囲に新たなぼやけたアーチファクトを導入し得る。これは、金属によって陰になったサンプル内の構造についての情報が消去されるからである。対照的に、グループ３のＭＡＲ方法は、理論的には大半の金属アーチファクトを低減または排除し、投影画に存在する情報を消去しないので一般によりよい結果を達成することができる。しかし、多数の反復処理ステップが必要であるので、グループ３の方法の計算効率は低い。

最近になって、２０１５年４月２８日に出願され、ＷＯ２０１５／１６８１４７ Ａ１として公開されたＰＣＴ出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０２８０３２号において、基礎材料分解手順を用いるセグメンテーションおよびスペクトルベースのＭＡＲ方法が記載された。当該方法は、金属によって陰になった情報を消去することなく、公知のＸ線エネルギスペクトルで実行されるサンプルの１回だけのスキャンを用いて、ビーム硬化に関連付けられるアーチファクトを低減または排除するという課題を解決する。これは、ＭＡＲに対する現行のグループ２およびグループ３のアプローチを改善する。

このアプローチは、グループ２およびグループ３のＭＡＲアプローチの不利な点のうちのいくつかを回避しながらそれらのいくつかの利点を組み合わせた。グループ１のアプローチとは異なって、このＭＡＲアプローチは、複数種類の金属に対して機能することができる。グループ２のアプローチとは異なって、ＭＡＲアプローチは、いずれの新たなアーチファクトの導入も最小化し、サンプルのＣＴ再構成画像内の金属構造の周囲の詳細を提供することができる。グループ３のアプローチとは異なって、ＭＡＲアプローチは、非反復的であるか、または任意に合計２回または３回の反復を必要とするのみであり得て（すなわち計算消費量が低い）、理論上はスペクトル関連のビーム硬化物理特性に基づいて金属アーチファクトを除去することができる。

ＭＡＲ方法は、サンプルに入射する多色Ｘ線のスペクトルエネルギ分布（すなわちスペクトル）（エネルギスペクトルは、ここでは、検出器の検出感度とも組み合わせられる）、および、一次アーチファクトの作成に寄与するサンプル内の１つの一次高Ｚ金属の物理特性の両方についての先験的知識を利用した。

まず、元の投影画は、ベースライン投影画と見なされる。サンプルのベースライン投影画を用いて、当該方法は、例えば標準的なフィルタ逆投影／フェルトカムプ−デービス−クレス（ＦＢＰ／ＦＤＫ）再構成アルゴリズムによってサンプルのベースライン断層ボリュームデータセットを生成し得る。

次いで、ベースライン断層ボリュームデータセットから選択された高Ｚ金属について、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセットが作成される。次いで、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセットを順方向投影することによって、すなわち順方向投影された高Ｚ金属投影画を作成することによって、高Ｚ金属にのみ関連付けられる一組の投影画が生成される。高Ｚ投影画は、切り出された高Ｚボリュームデータセット内の各投影角における切り出された高Ｚ元素の厚みに関連付けられる。

当該方法において基礎材料分解の概念が採用される。高Ｚ金属以外のサンプルの他の材料は、「同等の低Ｚ元素」としても知られる１つの選択または想定された低Ｚ元素／材料、すなわちシリコン（Ｓｉ）または炭素（Ｃ）によって「表現できる」または表わすことができると仮定される。その結果、サンプルは、好ましくは、２つなどのいくつかの基礎材料、すなわち高Ｚ金属元素および同等の低Ｚ元素を備え、選択されたＸ線スペクトルで利用される同一のベースライン投影画を含むものとしてモデル化される。

ベースライン投影画と２つの基礎材料との間の関係を用いて、当該方法は、サンプルのＣＴスキャン中にＸ線ビームにおいてサンプルを回転させる時に形成される各投影角などにおける、同等の低Ｚ元素の厚みに関連付けられる一組の投影画を計算する。これらは、一組の同等の低Ｚ元素投影画とも称される。ルックアップテーブル（lookup table：ＬＵＴ）技術が、この関係を判断するための最も一般的な方法である。

次いで、ＭＡＲ方法は、同等の低Ｚ元素投影画を利用して、修正された断層ボリュームデータセットとしても知られるサンプルのビーム硬化修正断層ボリュームデータセットを作成する。

最後に、ＭＡＲ方法は、単色Ｘ線エネルギ値の選択とともに画像投影画を利用して、サンプルのビーム硬化修正断層ボリュームデータセットを生成する。この目的のために、当該方法は、まず、一組の高Ｚ投影画を正規化および不明瞭化する。次いで、当該方法は、選択された単色Ｘ線エネルギに基づいて、同等の低Ｚ投影画と正規化された高Ｚ投影画とを融合して、選択されたＸ線エネルギにおける修正された単色融合投影画を作成する。次いで、当該方法は、修正された単色融合投影画から修正された断層ボリュームデータセットを再構成する。

考案の概要
本考案は、このセグメンテーションおよびスペクトルベースのＭＡＲに対するさらなる改良に関する。特に、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセットから複数組の投影画が作成される。これらの投影画は、さまざまな角度における金属の厚みに基づいて作成されるが、Ｘ線減衰にも基づいて作成される。これにより、金属のより正確な特徴付けが可能になる。

好ましくは、これらの複数組の投影画は結合される。一例では、二組の投影画を正規化することによって一組の高Ｚ減衰投影画が作成される。

一般に、一局面によれば、本考案は、Ｘ線ＣＴシステムに向けられる。当該システムは、Ｘ線ビームにおいてサンプルを相対的に回転させることによって一組のベースライン投影画を生成するＸ線撮像システムと、ディスプレイ装置と、コンピュータシステムとを備え、当該コンピュータシステムは、一組のベースライン投影画からサンプルのベースライン断層ボリュームデータセットを生成し、ベースライン断層ボリュームデータセットから高Ｚ構造を切り出して、切り出された高Ｚボリュームデータセットを作成し、切り出された高Ｚボリュームデータセットは、ディスプレイ装置上に表示される。

本考案によれば、各投影角における金属の厚みおよび各投影角におけるＸ線減衰に基づいて、切り出された高Ｚボリュームデータセットから複数組の高Ｚ投影画が生成される。Ｘ線ビームのエネルギスペクトルを考慮に入れて、一組または複数組の高Ｚ投影画を用いて、一組の同等の低Ｚ投影画が作成される。最後に、同等の低Ｚ元素投影画および複数組の高Ｚ投影画に基づいて、修正された断層ボリュームデータセットが生成される。

一般に、別の局面によれば、本考案は、Ｘ線ＣＴシステムに向けられる。当該システムは、Ｘ線ビームにおいてサンプルを相対的に回転させることによって一組のベースライン投影画を生成するＸ線撮像システムと、ディスプレイ装置と、一組のベースライン投影画からサンプルのベースライン断層ボリュームデータセットを生成するための手段と、ベースライン断層ボリュームデータセットから高Ｚ構造を切り出して、切り出された高Ｚボリュームデータセットを作成するための手段と、各投影角における金属の厚みおよび各投影角におけるＸ線減衰に基づいて、切り出された高Ｚボリュームデータセットから複数組の高Ｚ投影画を生成するための手段と、Ｘ線ビームのエネルギスペクトルを考慮に入れて、一組または複数組の高Ｚ投影画を用いて一組の同等の低Ｚ投影画を生成するための手段と、同等の低Ｚ元素投影画および複数組の高Ｚ投影画を用いて、修正された断層ボリュームデータセットを生成するための手段とを備え、修正された断層ボリュームデータセットは、ディスプレイ装置上に表示される。

以下、構成のさまざまな新規の詳細および部分の組み合わせを含む本考案の上記および他の特徴、ならびに他の利点を、添付の図面を参照してより特定的に記載し、特許請求の範囲の中で指摘する。本考案を具体化する特定の方法および装置は、例示として示されており、本考案を限定するものとして示されているわけではないということが理解されるであろう。本考案の原理および特徴は、本考案の範囲から逸脱することなくさまざまなおよび多数の実施例において利用されることができる。

添付の図面において、さまざまな図全体を通して、参照符号は同一の部分を指す。図面は、必ずしも一定の縮尺で記載されているわけではなく、その代わりに本考案の原理を示すことに強調が置かれている。

ビーム硬化および多色Ｘ線を用いてスキャンされたサンプルについての金属アーチファクトを示し、高Ｚ金属元素構造を含む例示的なサンプルのファントム設計を示す。 ビーム硬化および多色Ｘ線を用いてスキャンされたサンプルについての金属アーチファクトを示し、検出器感度の影響を含む、それぞれ７０ｋＶ（低エネルギ）および１５０ｋＶ（高エネルギ）における２つのＸ線エネルギスペクトルを示す。 ビーム硬化および多色Ｘ線を用いてスキャンされたサンプルについての金属アーチファクトを示し、それぞれ低エネルギスキャンおよび高エネルギスキャンからの断層画像における金属アーチファクトを示す。 ビーム硬化および多色Ｘ線を用いてスキャンされたサンプルについての金属アーチファクトを示し、それぞれ低エネルギスキャンおよび高エネルギスキャンからの断層画像における金属アーチファクトを示す。 ビーム硬化および多色Ｘ線を用いてスキャンされたサンプルについての金属アーチファクトを示し、それぞれサンプルの低エネルギ断層画像および高エネルギ断層画像における線輪郭の関数としての線形減衰係数のプロットを示し、低エネルギ断層画像における金属アーチファクトは、高エネルギ断層画像における金属アーチファクトよりも重大である。 ビーム硬化および多色Ｘ線を用いてスキャンされたサンプルについての金属アーチファクトを示し、それぞれサンプルの低エネルギ断層画像および高エネルギ断層画像における線輪郭の関数としての線形減衰係数のプロットを示し、低エネルギ断層画像における金属アーチファクトは、高エネルギ断層画像における金属アーチファクトよりも重大である。 本考案が適用可能であるＸ線ＣＴシステムの概略図である。 コンピュータシステム上で実行されるプログラムによって実行される本考案のＭＡＲの好ましい実施例を示すフローチャートである。 選択されたエネルギにおけるベースライン投影画と２つの基礎材料との間の関係を判断するための例示的なルックアップテーブル（ＬＵＴ）を示し、図３のフローチャートにおけるステップ９１６内で同様のＬＵＴを利用できる。 選択されたエネルギにおけるベースライン投影画と２つの基礎材料との間の関係を判断するための例示的なルックアップテーブル（ＬＵＴ）を示し、図３のフローチャートにおけるステップ９１６内で同様のＬＵＴを利用できる。 ＭＡＲのさまざまな例示的なステップにおける出力に関連付けられる画像を示し、サンプルのＣＴスキャンからの一組のベースライン投影画を示す。 ＭＡＲのさまざまな例示的なステップにおける出力に関連付けられる画像を示し、図５Ａのベースライン投影画から作成されたサンプルのベースライン断層画像を示す。 ＭＡＲのさまざまな例示的なステップにおける出力に関連付けられる画像を示し、図５Ｂのベースライン断層画像から差し引かれた切り出された高Ｚ金属画像を示す。 ＭＡＲのさまざまな例示的なステップにおける出力に関連付けられる画像を示し、図５Ｃの切り出された高Ｚ金属画像の順方向投影から作成された高Ｚ投影画を示す。 ＭＡＲのさまざまな例示的なステップにおける出力に関連付けられる画像を示し、同等の低Ｚ元素の厚みに関連付けられる一組の同等の低Ｚ投影画を示す。

好ましい実施例の詳細な説明
ここで、本考案の例示的な実施例が示されている添付の図面を参照して、本考案について以下でさらに十分に説明する。しかし、本考案は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書に記載されている実施例に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、本開示が完璧かつ完全であり、当業者に本考案の範囲を十分に伝えるように提供されている。

本明細書で用いられる「および／または」という用語は、関連の列挙された項目のうちの１つ以上の任意および全ての組み合わせを含む。さらに、「含む」、「備える」、「含んでいる」および／または「備えている」という用語は、本明細書で使用されるとき、記載されている特徴、完全体、ステップ、動作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を除外するものではない、ということが理解されるであろう。さらに、構成要素またはサブシステムを含む要素が参照され、および／または、別の要素に接続もしくは結合されるものとして示される場合、当該要素は、他の要素に直接接続もしくは結合されてもよく、または介在する要素が存在してもよい、ということが理解されるであろう。

単色Ｘ線の場合、ベールの法則によれば、Ｘ線は純粋な物体を通過する際に減衰される。

Ｉ＝Ｉ_０ｅ^−μｔ
ここで、Ｉ_０は、物体に入射するＸ線強度であり、ｔは、物体の厚みであり、Ｉは、物体を透過するＸ線の強度である。μは、サンプル密度ρ、原子数Ｚ、原子質量ＡおよびＸ線エネルギＥによる物体の減衰係数（光電吸収およびコンプトン散乱の効果、ならびにＸ線エネルギが＞１．０２ＭｅＶである場合の電子対効果を含む）である。

上記の式は、積分形式を用いて書き直すことができる。
Ｉ＝Ｉ_０ｅ^{−∫μ（ｌ）ｄｌ}および
∫μ（ｌ）ｄｌ＝−ｌｎ（Ｉ／Ｉ_０）
ここで、ｌは、物体を通るビーム経路である。これは、ＣＴ再構成アルゴリズムの線積分要求を完全に満たす。その結果、単色Ｘ線では、ビーム硬化（ＢＨ）アーチファクトは導入されない。

一方、多色Ｘ線源は、スペクトルＤ（Ｅ）にわたってＸ線を生成する。単純化するために、Ｄ（Ｅ）は検出器感度の影響も含む。物体の下流の強度Ｉは、以下によって得られる。

Ｉ＝Ｉ_０∫Ｄ（Ｅ）ｅ^{−∫μ（Ｅ，ｌ）ｄｌ}ｄＥ
μ（Ｅ）は、一般にＥの非線形関数であり、以下によって得られる。

μ（Ｅ）が一般にエネルギＥの非線形関数であるので、多色Ｘ線源からのＸ線の伝送は、ＣＴ再構成アルゴリズムの線形積分要求を満たさない。μ_{高エネルギ}＜μ_{低エネルギ}は、材料が高エネルギＸ線よりも低エネルギＸ線を「より多く」吸収することを意味する。サンプルを透過した減衰されたＸ線の出力スペクトルは、より硬質の方に「移動する」ように見え、これはビーム硬化（ＢＨ）として知られている。高Ｚ金属材料は、はるかに重大なビーム硬化問題を有し、その結果、サンプルのＣＴ再構成断層画像には典型的な金属アーチファクトが存在する。

図１Ａ〜図１Ｆは、ビーム硬化の問題、および本考案によって利用される２つの異なるＸ線エネルギにおけるＢＨから生じる金属アーチファクト１０６を示す。

図１Ａは、複数の高Ｚおよび低Ｚ元素を含むサンプル１１４のファントム設計を示す。当該元素は、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）および炭素（Ｃ）を含む。

図１Ｂは、７０ｋＶの低エネルギおよび１５０ｋＶの高エネルギにおける２つの多色Ｘ線スペクトルを示す。

図１Ｃおよび図１Ｄは、ビーム硬化による未修正のアーチファクト１０６を含むサンプル１１４の再構成された画像を示す。図１Ｃは、７０ｋＶで動作する低エネルギ多色Ｘ線源を用いて作成された。一方、図１Ｄは、１５０ｋＶで動作する高エネルギ多色Ｘ線源を用いて作成された。

図１Ｅおよび図１Ｆは、低エネルギおよび高エネルギスキャンの再構成された画像における線形減衰係数の輪郭比較を示す。示されているように、再構成された画像における金属およびＢＨアーチファクトは、エネルギ依存性である。金属およびＢＨアーチファクトは、高エネルギＣＴよりも低エネルギＣＴにおいてより重大である。例えば、低エネルギ減衰係数は、高Ｚ元素のエッジにおいてピークを示し、均一な低Ｚ充填剤材料において谷１５４を示す。

図２は、本考案が適用可能であるＸ線ＣＴシステム２００の概略図である。Ｘ線ＣＴシステム２００は、多色Ｘ線ビーム１０３を生成するＸ線源システム１０２と、サンプル１１４を保持するためのサンプルホルダ１１２を有する回転台１１０とを有するＸ線撮像システムを含む。画像またはＸ線投影画は、検出器システム１１８によって取込まれる。コンピュータシステム１２４は、典型的には、これらの画像を受取って処理し、システム２００の一般的な制御を行う。

供給源１０２は、好ましくは、その遍在性および比較的低いコストのために「実験室用Ｘ線源」である。しかし、シンクロトロン供給源または加速器ベースの供給源が別の選択肢である。

供給源１０２は、Ｘ線管であってもよく、そこでは、電子が電界によって真空中で加速され、対象の金属片に放射され、電子が金属内で減速する際にＸ線が放出される。一般に、このような供給源は、使用される金属ターゲットのタイプによって、選択されたターゲット１０４の特性線から生じる特定のエネルギにおける強度の鋭いピークと組み合わせられた背景Ｘ線の連続スペクトルを生成する。さらに、Ｘ線ビームは、発散的であり、空間的および時間的コヒーレンスを欠いている。

一例では、供給源１０２は、タングステンターゲットを有する回転式アノードタイプの供給源または微小焦点供給源である。モリブデン、金、白金、銀または銅を含むターゲットも利用されてもよい。好ましくは、電子ビームがその裏面から薄いターゲット１０４にぶつかる透過構成が使用される。ターゲット１０４の反対側から放出されたＸ線は、ビーム１０３として使用される。

別のより具体的な例では、供給源１０２は、２００８年１０月２８日にＹｕｎ等に対して発行された米国特許第７，４４３，９５３号に記載されているような構造化アノードＸ線源であり、米国特許第７，４４３，９５３号の内容は、引用によって全文が本明細書に援用される。この場合、供給源１０２は、所望のターゲット材料でできた薄い最上層と、優れた熱特性を有する低原子数および低密度材料でできた厚い最下層とを有する。アノードは、例えば、ベリリウムまたはダイヤモンド基板の層の上に堆積された最適な厚みを有する銅の層を含んでいてもよい。

本明細書に記載される断層撮影用途に適したエネルギを有する放射を生成するＸ線レーザも利用されてもよい。

さらに別の例では、供給源１０２は、スウェーデンのキスタにあるＥｘｃｉｌｌｕｍ社から入手可能なものなどの金属噴流Ｘ線源である。このタイプの供給源は、アノードが液体金属噴流である微小焦点管を使用する。したがって、アノードは、連続的に再生され、既に溶融している。

供給源１０２は、好ましくは、サンプル距離（２０２）に対する供給源の独立調整を可能にする供給源ｚ軸台上に位置する。

供給源１０２によって生成されるＸ線ビーム１０３は、一般に供給源の動作パラメータによって制御されるエネルギスペクトルを有する。実験室用供給源の場合、要求パラメータは、ターゲットの材料と、加速電圧とを含む。エネルギスペクトルは、望ましくない放射線のエネルギまたは波長を抑制する任意の調節フィルタによっても要求される。例えば、ビームに存在する望ましくない波長は、例えば（所望のＸ線波長範囲（帯域幅）を選択するように設計された）エネルギフィルタ１０７を用いて排除または減衰される。それでもやはり、フィルタ１０７は、透過したビーム１０３の全エネルギまたは帯域幅を実質的に低減することはない。例えば、フィルタ１０７は、好ましくは、５０％以下だけビーム１０３におけるパワーを減少させる。好ましい実施例では、フィルタ１０７は、３０％以下だけビームにおけるパワーを減少させる。関連性は、Ｘ線源１０２によって生成された多色Ｘ線の大半がサンプル１１４を示すために保存されることである。一般に、使用されるＸ線の帯域幅は、中心Ｘ線エネルギに対するＸ線エネルギ帯域の半値全幅（full width half maximum：ＦＷＨＭ）の比率によって規定されたとき、４０％よりも大きい。例えば、５０ｋｅＶの中心エネルギでは、中心エネルギの周囲の少なくとも２０ｋｅＶのエネルギ帯域が使用される。一般に、帯域幅は少なくとも２０％であり、これは、そうでなければ供給源の利用可能な流束の削減が著しすぎて、性能を減少させる、および／または、動作を減速させるからである。

サンプル１１４がＸ線ビーム１０３にさらされると、サンプルを透過したＸ線光子は、検出器システム１１８によって受取られる減衰されたＸ線ビーム１０５を形成する。いくつかの他の例では、Ｘ線撮像システムの検出器システム１１８上に画像を形成するために対物レンズが使用される。

幾何学的倍率を用いて、供給源とサンプルとの距離２０２および供給源と検出器との距離２０４の逆比に等しい倍率で、サンプル１１４の拡大投影画像が検出器システム１１８上に形成される。一般に、Ｘ線台の幾何学的倍率は、２〜１００またはそれ以上である。この場合、Ｘ線画像の解像度は、Ｘ線源システム１０２の焦点スポットサイズまたは実際のサイズによって制限される。

高解像度を達成するために、Ｘ線ＣＴシステム２００の現行の実施例は、Ｘ線源システム１０２の近くにサンプル１１４を位置決めすることとともに非常に高い解像度の検出器システム１１８をさらに利用する。一実現例では、２〜１００またはそれ以上のさらなる倍率を提供するために、シンチレータ１１９が顕微鏡対物レンズ１２１と併用される。

幾何学的倍率を調整するために、オペレータは、コンピュータシステム１２４上のユーザインターフェイスアプリケーション１２６を利用して、供給源とサンプルとの距離２０２および供給源と検出器との距離２０４を調整する。オペレータは、所望の幾何学的倍率を達成するようにこれらの距離を調整する。

コンピュータシステムは、例えばメモリにアクセスする中央処理装置などのコントローラ１２２を備える。一般に、１つ以上の入力装置１４２によって入力されるオペレータ規定パラメータに基づいて、コンピュータシステム１２４のコントローラ１２２は、ビーム１０３に対してサンプルを回転させて、コントローラ１２２によってＣＴスキャンを実行するように回転台１１０に命令する。また、Ｘ線検出器システム１１８は、いくつかの実現例によれば、Ｘ線検出器システム１１８内で画素サイズを変更することによってサンプル１１４の視野を調整する機能も提供する。

検出器システム１１８は、検出器システム１１８内のシンチレータ１１９と相互作用するＸ線光子の、画素での画像表現を、減衰されたＸ線ビーム１０５から作成する。検出器システム１１８に形成される画像は、Ｘ線投影画またはＸ線投影画像としても知られている。

一例では、コンピュータシステム１２４は、画像プロセッサ１２０と、ユーザインターフェイスアプリケーション１２６とを含む。コンピュータシステム１２４に接続されたディスプレイ装置１３６は、Ｘ線ＣＴシステム２００からの情報を、典型的には、コンピュータシステム１２４のユーザインターフェイスアプリケーション１２６に、表示する。タッチスクリーンおよび／またはコンピュータマウスなどの入力装置１４２は、オペレータとコンピュータシステム１２４とディスプレイ装置１３６との間の相互作用を可能にする。

コンピュータシステム１２４は、コンピュータシステム１２４に接続されたデータベース１５０から情報をロードし、データベース１５０に情報を保存する。コントローラ１２２は、コンピュータシステム１２４によるソフトウェア制御下でオペレータがＸ線ＣＴシステム２００における構成要素を制御および管理することを可能にするコントローラインターフェイス１３０を有する。

コントローラ１２２は、コントローラインターフェイス１３０を有する構成要素を制御する。コントローラインターフェイス１３０を有する構成要素は、画像プロセッサ１２０と、検出器システム１１８と、回転台１１０と、Ｘ線源システム１０２とを含む。

ユーザインターフェイスアプリケーション１２６を用いて、オペレータは、ＣＴスキャンパラメータ２３２を規定／選択する。これらは、スキャンのＸ線エネルギスペクトルおよびＸ線源システム１０２上での曝露時間で規定するＸ線電圧設定を含む。また、オペレータは、一般に、サンプル１１４に入射するＸ線ビーム１０３の視野、サンプル１１４のために作成するＸ線投影画像の数、およびＸ線ビーム１０３におけるＸ線ＣＴスキャンのためにサンプル１１４を回転させるための回転台１１０を回転させる角度などの他の設定も選択する。

コンピュータシステム１２４は、その画像プロセッサ１２０の支援により、サンプル１１４の各回転角に関連付けられた画像または投影画情報を検出器システム１１８から受付ける。画像プロセッサ１２０は、サンプル１１４の各回転角について別々の投影画像を作成し、ＣＴ再構成アルゴリズムを用いて投影画像を結合して、サンプルについての三次元断層ボリューム情報を作成する。この情報は、ディスプレイ装置１３６に表示される。

図３は、例えばコンピュータシステム１２４または別のコンピュータシステムまたは計算リソース上で実行されるプログラムによって実行されるＭＡＲについての詳細を提供するフローチャートである。

ステップ９０２において、一次アーチファクト１０６に寄与するサンプル１１４内の高Ｚ金属を特定する。一般に、一次アーチファクト１０６の作成に寄与するサンプル１１４内の高Ｚ元素の存在およびそれらの元素のタイプの先験的知識があり、この情報は、オペレータによって入力されるか、またはデータベース（例えば１５０）から受取られる。例えば、大半の半導体製造プロセスでは、元素成分は、既知であり、明確に定義される。他の例では、この情報は、画像プロセッサ１２０による画像分析によって決定される。通常、１つ以上の高Ｚ金属が選択される。

ステップ９０４において、プログラムは、オペレータが、検出器システム１１８の感度の影響を含むＸ線源１０２の電圧設定を選択することを可能にする。この動作は、有効エネルギスペクトルの規定としても知られている。例では、有効エネルギスペクトルの選択は、スキャンパラメータ２３２のフィルタ１０７の選択にも関連付けられる。エネルギスペクトルは、物理的測定によって、または画像プロセッサ１２０によって実行されるシミュレーションプログラムによって、事前に測定および／または推定されることができる。

ステップ９０６に従って、Ｘ線ＣＴシステム２００は、コンピュータシステム１２４の制御下で、スキャンパラメータ２３２に従って、選択されたＸ線エネルギスペクトルにおいてサンプル１１４のＣＴスキャンを実行する。当該スキャンに呼応して、ステップ９０８において、プログラムは、画像プロセッサ１２０が、Ｘ線ＣＴシステム２００のＸ線源１０２からＸ線ビーム１０３においてサンプルを回転させることによってサンプル１１４の一組のベースライン投影画５０２を作成することを可能にする。さらに、一般に、サンプル１１４の回転および平行移動を同時に行うスパイラル断層撮影を含む任意のスキャン軌跡が、他の連続および非連続軌跡とともに使用され得る。しかし、いくつかの実現例では、画像プロセッサ１２０は、さらに、Ｎ次多項式フィッティングアルゴリズムを用いて一組のビーム硬化修正（ＢＨＣ）投影画を作成して、元のベースライン投影画からビーム硬化の影響を修正する。その結果、ＢＨＣ投影画は、ステップ９１０において金属セグメンテーションのための再構成の向上をもたらすことができる。しかし、依然として元のベースライン投影画が、以下に含まれる基礎材料分解ステップ９１６に必要である。

例示的なベースライン投影画５０２が図５Ａに示されている。なお、この投影画は、一次元（１Ｄ）平行ビームを用いたシミュレーションに基づいていた。１Ｄ平行ビームを用いる場合、一組のベースライン投影画／画像５０２は、「サイノグラム」とも呼ばれる。他のより典型的なシナリオでは、図２に示されるＸ線ビーム１０３などの照射Ｘ線ビームは、円錐形状を有している。

ステップ９１０において、画像プロセッサ１２０は、ベースライン投影画５０２からサンプルのベースライン断層ボリュームデータセット５０４を作成するか、またはＢＨＣベースライン投影画５０２からＢＨＣベースライン断層ボリュームデータセット５０４−１を作成する。ベースライン断層ボリュームデータセット５０４は、しばしば、アーチファクトについて未修正である。ここで、フィルタ逆投影およびＦＤＫ方法（ＦＢＰ／ＦＤＫ）を含む標準的なＣＴ再構成アルゴリズムを使用することができる。全ての後続のステップにおいて、ステップ９１０の結果として作成されたボリュームデータセット５０４／５０４−１は、集合的にサンプル１１４のベースライン断層ボリュームデータセット５０４と呼ばれる。

ベースライン断層ボリュームデータセット５０４からの例示的な画像が図５Ｂに示されている。それは、高Ｚ材料構造から生じる明らかなアーチファクト１０６を含む。

ステップ９１２に従って、高Ｚ金属をベースライン断層ボリュームデータセット５０４から切り出して、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセット５０６を作成する。他のセグメンテーションベースのＭＡＲ方法と同様の態様で、ベースライン断層ボリュームデータセット５０４から高Ｚ金属部分を切り出して、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセット５０６を作成するために、１つ以上の閾値が利用される。代替的に、高Ｚ金属特徴を分離するために他のセグメンテーション方法が利用されてもよい。

例示的な切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセット５０６が図５Ｃに示されている。それは、高Ｚ材料の位置における白点によって特徴付けられる。

ステップ９１４−１および９１４−２は、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセット５０６を入力として受付け、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセット５０６に対してさまざまな順方向投影動作を実行する。

ステップ９１４−１において、プログラムは、各投影角における切り出された高Ｚ金属の厚みに基づいて、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセット５０６の順方向投影（ＦＰ）を実行して、各投影角における切り出された高Ｚ金属の厚みに関連付けられる一組の高Ｚ厚み投影画５０８／ＦＰ_ｔを作成する。一組の高Ｚ厚み投影画５０８／ＦＰ_ｔは、一般に、サンプル１１４の高Ｚ構造内の大きな亀裂に関連付けられる情報を含む。なぜなら、小さな亀裂は、厚み閾値によって一掃されるからである。高Ｚ投影画の各組５０８／ＦＰ_ｔは、ベースライン投影画５０２が取得されたときにＸ線ビーム１０３においてサンプル１１４を回転させる際に使用された各投影角における高Ｚ金属の厚みに関連付けられる情報を提供する。

一組の高Ｚ投影画５０８／ＦＰ_ｔからの例示的な合成高Ｚ投影画が図５Ｄに示されている。より一般的なコーンビームジオメトリでは、３Ｄコーンビーム順方向投影技術を用いて、３Ｄで切り出された高Ｚ金属ボリューム画像が、３Ｄ高Ｚコーンビーム投影画から作成される。

実際には、現実のＸ線ＣＴシステム２００は解像限界を有し、（エッジの理想的な階段関数挙動と比較して）画像内の物体のエッジをぼやけさせる。したがって、実際のシステムの解像限界と一致させるために、順方向投影された高Ｚ金属投影画セットのガウシアンぼかしが好ましくは実行される。その結果、高Ｚ投影画５０８／ＦＰ_ｔのエッジもぼやかされる。

ステップ９１４−２において、ＭＡＲプログラムは、各投影角における切り出された高Ｚ金属のＸ線減衰に基づいて、切り出された高Ｚ金属ボリュームデータセット５０６の順方向投影を実行して、一組の高ＺＸ線減衰投影画５０８／ＦＰ_ａを作成する。一組の高Ｚ厚み投影画５０８／ＦＰ_ｔとは異なって、一組の高ＺＸ線減衰投影画ＦＰ_ａは、厚み閾値が利用されないのでサンプル１１４の高Ｚ構造内の全ての亀裂についての情報を含み得る。

ステップ９１５は、一組の高Ｚ厚み投影画ＦＰ_ｔおよび一組の高ＺＸ線減衰投影画ＦＰ_ａを両方とも入力として受取る。さらに、一組の高Ｚ減衰投影画５０８／ＦＰ_ａは、一組の高Ｚ厚み投影画ＦＰ_ｔで正規化され、次いでぼやかされて、一組の正規化された高Ｚ投影画５０８−１を作成する。

ステップ９１６において、高Ｚ厚み投影画５０８／ＦＰ_ｔとともに、選択されたエネルギにおけるベースライン投影画５０２と好ましくは２つ以上の基礎材料との間の関係に従って基礎材料分解を実行して、一組の同等の低Ｚ（非金属）元素投影画５１０を生成する。ステップ９１６の基礎材料分解が、一組のベースライン投影画５０２を作成する際にステップ９０４で利用されたＸ線源の同一のエネルギスペクトルを用いて実行されることに注目することも重要である。

２つの基礎材料は、好ましくは、金（Ａｕ）などのサンプル１１４の高Ｚ元素と、Ｓｉなどの同等の低Ｚ材料とを含む。

サンプル１１４における（一次金属以外の）全ての他の材料が同等の低Ｚ元素によって表現できるまたは表わすことができると仮定する。このプロセスの一部として、画像プロセッサ１２０において、２つの基礎材料（すなわち高Ｚ金属元素および同等の低Ｚ元素）の厚みと選択されたエネルギスペクトルにおけるそれらの対応するＸ線減衰との間の関係を判断するために、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）が事前に利用される。ＬＵＴの使用に関するより多くの情報は、以下に含まれる図４Ａおよび図４Ｂに関連付けられる説明を伴う。

実際には、Ｘ線ＣＴシステム２００の解像限界のために、理想的なＬＵＴを採用する際にいくらかのドリフトが起こる。これらのドリフトは、同等の低Ｚ投影画（Ｐ０）５１０において、エッジにおけるスパイクおよび高Ｚ金属によって陰になったサンプルの部分についての異常な負の値などの不測の現象を引き起こすであろう。同等の低Ｚ投影画５１０に対するこれらの現象の影響は、投影画から再構成された画像に新たなアーチファクトが導入されることを含む。

ステップ９１７において、画像プロセッサ１２０は、任意に、エッジ（すなわちスパイク）をフィルタリングまたは平滑化し、一組の同等の低Ｚ元素投影画５１０における異常な負の値（すなわち非負制約）を除去するための動作を実行して、平滑化された一組の同等の低Ｚ投影画（Ｐ０）を作成する。参照番号５１０−１は、ステップ９１７において作成される同等の低Ｚ投影画の任意の平滑化されたバージョンを示す。

次いで、プログラムは、ステップ９１８に移行し、ステップ９１６において作成された同等の低Ｚ投影画５１０またはステップ９１７からのそれらの平滑化されたバージョン５１０−１とともに、ステップ９１５において作成された一組の正規化された高Ｚ投影画５０８−１を入力として受付ける。

ステップ９１８において、プログラムは、選択された単色Ｘ線エネルギに基づいて、正規化された高Ｚ投影画５０８−１と、低Ｚ投影画５１０または平滑化された高Ｚ投影画５１０−１とを融合（例えば混合／結合／統合）する。その結果、ステップ９１８の終了時にサンプル１１４の一組の単色融合投影画５１１が作成され、単色融合投影画５１１からは事実上全てのビーム硬化アーチファクトが除去されている。

ステップ９２２において、プログラムは、次いで、単色融合投影画５１１からサンプルの修正された断層ボリュームデータセット５１４−２を再構成する。ステップ９２４に従って、プログラムは、修正された断層ボリュームデータセット５１４−２の画質を向上させることができるか否かを判断する。多くの場合、追加の処理は不要である。向上が不要であれば、プログラムは、ステップ９２６における処理を終了または停止させる。そうでなければ、プログラムは、修正された断層ボリュームデータセット５１４−２を向上させるための反復処理ループ９５０に従うステップ９２８に移行する。

ステップ９２８は、修正された断層ボリュームデータセット５１４−２の画質を向上させるための反復処理ループ９５０における第１のステップである。処理ループは、ステップ９３０，９３２，９１８，９２２および９２４も含む。ステップ９２８において、プログラムは、修正された断層ボリュームデータセット５１４−２から同等の低Ｚ断層ボリュームデータセット５１２を切り出す。ステップ９３０において、プログラムは、ステップ９２８から提供された同等の低Ｚ断層ボリュームデータセット５１２の順方向投影を実行して、新たな一組の同等の低Ｚ投影画Ｐｉ（ｉ＝１，２，...Ｎ）を生成し、一組の同等の低Ｚ投影画を正規化する。新たな一組の同等の低Ｚ投影画は、参照番号５１０−２として示されている。

ステップ９３２において、プログラムは、ＰｉおよびＰ０から、高Ｚ金属によって陰になったサンプル１１４の部分の統合を実行して、一組の統合された低Ｚ元素投影画Ｐｉ．’を作成する。一組の統合された低Ｚ元素投影画Ｐｉ．’は、参照番号５１０−３によって示されている。

ステップ９１８において、選択された同一の単色Ｘ線エネルギに基づいて、一組の（統合された）低Ｚ投影画５１０−３を、正規化された高Ｚ投影画５０８−１と結合して、新たな単色融合投影画５１１を作成する。次いで、新たな単色融合投影画５１１の修正されたバージョンから、新たな修正された断層ボリュームデータセット５１４−２が生成／再構成される。

最後に、ステップ９２４において、プログラムは、修正された断層ボリュームデータセット５１４−２の画質を向上させることができるか否かを再び判断する。画質の向上が可能であると最初に判断されると、修正された断層ボリュームデータセット５１４−２の画質の最適な向上を達成するためには一般に処理ループ９５０に関連付けられるステップのわずか２回の反復が必要であることを実験は示した。

本考案は、特にその好ましい実施例を参照して示され、説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって包含される本考案の範囲から逸脱することなく形態および詳細のさまざまな変更を行ってもよいということが当業者によって理解されるであろう。

１０２ Ｘ線源システム、１０３，１０５ Ｘ線ビーム、１０４ ターゲット、１０６ アーチファクト、１０７ フィルタ、１１０ 回転台、１１２ サンプルホルダ、１１４ サンプル、１１８ 検出器システム、１１９ シンチレータ、１２０ 画像プロセッサ、１２１ 顕微鏡対物レンズ、１２２ コントローラ、１２４ コンピュータシステム、１２６ ユーザインターフェイスアプリケーション、１３０ コントローラインターフェイス、１３６ ディスプレイ装置、１４２ 入力装置、１５０ データベース、２３０ 吸収基準データ、２３２ スキャンパラメータ

Claims (14)

1. Ｘ線ＣＴシステムであって、
   Ｘ線ビームにおいてサンプルを相対的に回転させることによって一組のベースライン投影画を生成するＸ線撮像システムと、
   ディスプレイ装置と、
   コントローラおよび／または画像プロセッサを含むコンピュータシステムとを備え、前記コンピュータシステムは、前記一組のベースライン投影画から前記サンプルのベースライン断層ボリュームデータセットを生成し、前記ベースライン断層ボリュームデータセットから高Ｚ構造を切り出して、切り出された高Ｚボリュームデータセットを作成し、各投影角における金属の厚みおよび各投影角におけるＸ線減衰に基づいて、前記切り出された高Ｚボリュームデータセットから複数組の高Ｚ投影画を生成し、Ｘ線ビームのエネルギスペクトルを考慮に入れて、一組または複数組の高Ｚ投影画を用いて一組の同等の低Ｚ投影画を生成し、前記同等の低Ｚ元素投影画および前記複数組の高Ｚ投影画を用いて、修正された断層ボリュームデータセットを生成するように構成され、前記修正された断層ボリュームデータセットは、前記ディスプレイ装置上に表示される、システム。
2. 前記コンピュータシステムは、各投影角における前記Ｘ線減衰に基づく一組のＸ線減衰投影画を、各投影角における前記金属の厚みに基づく一組の高Ｚ厚み投影画で正規化することによって一組の正規化された高Ｚ投影画を作成する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コンピュータシステムは、前記Ｘ線ビームの前記エネルギスペクトルの選択された単色Ｘ線エネルギに基づいて、前記同等の低Ｚ投影画と前記正規化された高Ｚ投影画とを融合して、前記選択されたＸ線エネルギにおける一組の単色融合投影画を作成する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記コンピュータシステムは、前記単色融合投影画から前記修正された断層ボリュームデータセットを再構成する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記Ｘ線撮像システムは、実験室用Ｘ線源であるＸ線源を備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記Ｘ線撮像システムは、円錐形状のビームを生成するＸ線源を備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記Ｘ線ビームは、多色ビームである、請求項１に記載のシステム。
8. Ｘ線ＣＴシステムであって、
   Ｘ線ビームにおいてサンプルを相対的に回転させることによって一組のベースライン投影画を生成するＸ線撮像システムと、
   ディスプレイ装置と、
   前記一組のベースライン投影画から前記サンプルのベースライン断層ボリュームデータセットを生成するための手段と、
   前記ベースライン断層ボリュームデータセットから高Ｚ構造を切り出して、切り出された高Ｚボリュームデータセットを作成するための手段と、
   各投影角における金属の厚みおよび各投影角におけるＸ線減衰に基づいて、前記切り出された高Ｚボリュームデータセットから複数組の高Ｚ投影画を生成するための手段と、
   Ｘ線ビームのエネルギスペクトルを考慮に入れて、一組または複数組の高Ｚ投影画を用いて一組の同等の低Ｚ投影画を生成するための手段と、
   前記同等の低Ｚ元素投影画および前記複数組の高Ｚ投影画を用いて、修正された断層ボリュームデータセットを生成するための手段とを備え、前記修正された断層ボリュームデータセットは、前記ディスプレイ装置上に表示される、システム。
9. 各投影角における前記Ｘ線減衰に基づく一組のＸ線減衰投影画を、各投影角における前記金属の厚みに基づく一組の高Ｚ厚み投影画で正規化することによって一組の正規化された高Ｚ投影画を作成するための手段をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記Ｘ線ビームの前記エネルギスペクトルの選択された単色Ｘ線エネルギに基づいて、前記同等の低Ｚ投影画と前記正規化された高Ｚ投影画とを融合して、前記選択されたＸ線エネルギにおける一組の単色融合投影画を作成するための手段をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
11. 前記単色融合投影画から前記修正された断層ボリュームデータセットを再構成するための手段をさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記Ｘ線撮像システムは、実験室用Ｘ線源であるＸ線源を備える、請求項８に記載のシステム。
13. 前記Ｘ線撮像システムは、円錐形状のビームを生成するＸ線源を備える、請求項８に記載のシステム。
14. 前記Ｘ線ビームは、多色ビームである、請求項８に記載のシステム。