JP3805107B2 - X線を用いた計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線を用いた計測装置に関し、特に、平板状のX線画像検出器を有するX線計測装置に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のX線を用いた計測装置では、まず、測定対象を透過したX線像をX線I.I.(X線イメージインテンシファイア)で光学像に変換した後、この光学像をテレビカメラでアナログの画像信号に変換していた。この画像信号は、A/D変換器でデジタルの画像信号(画像データ)に変換された後に、画像処理回路でフィルタ処理、輪郭強調等の周知の画像処理を施され、表示装置に出力されてX線像として表示されていた。
【0003】
近年、X線を用いた計測装置の小型化が切望されており、X線源やその電源の改良によって装置の小型化がはかられてきた。一方、一度の撮影でより大きなX線像を撮像するために、X線I.I.とテレビカメラとからなる撮像系は大型化しており、特に、X線I.I.はその基本原理から小型化の大きな障害となっていた。
【0004】
この問題を解決する手段として、近年、平板状のX線画像検出器の開発が精力的になされ、CsI等のシンチレータでX線像を可視光(光学像)に変換し、該可視光をa−Si(アモルファスシリコン)等のフォトダイオードでアナログの電気信号に変換した後に、該電気信号をTFT(Thin Film Transistor)やCMOS(Complementory)回路で順次読み出す方法が開発されている。この平面状のX線画像検出器は、読み出し回路をTFTで構成した場合には大画面化が可能であり、一方、CMOS回路で構成した場合にはCMOSのX線画像検出器を複数張り合わせることによって、大画面の平面状のX線画像検出器を構成することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、前記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
【0006】
従来の平板状X線画像検出器を用いた計測装置は、ダイナミックレンジが狭いと共に撮影速度が遅いという問題があった。
【0007】
被検体の胸部撮影として、たとえば、図13(c)に示すように着目領域として、心臓と肺野との両方を含む斜線で示す領域Cを撮像する場合、従来の平板状X線画像検出器を用いた計測装置では、A/D変換器の変換可能範囲に着目領域C内の検出器出力値の最小値および最大値を割り振ることによって、A/D変換器の能力を最大限に使用していた。このときの検出器出力値の範囲(C1〜C2)とA/D変換器の入力可能範囲(LSB〜MSB)との関係を示したのが図13(d)の太線201である。
【0008】
しかしながら、このように設定された従来の計測装置の場合、たとえば、図13(a)に示すように、心臓に近い部分すなわち画素値が小さい部分(C1〜A1)しか含まない領域Aでは、最大値A1より大きな値に対して無駄にアナログディジタル変換器の変換可能な範囲を割り振っていることとなっていた。同様に、図13(b)に示すように、肺野で画素値の大きい部分(B1〜C2)しか含まない領域Bにとっては、最小値B1より小さい値に対して無駄にアナログディジタル変換器の変換可能な範囲を割り振っていることとなっていた。このために、従来のX線を用いた計測装置では、各部分では検出器の検出可能範囲を有効に使用することができないという問題があった。
【0009】
本発明の目的は、平板状X線画像検出装置を用いた計測装置のダイナミックレンジを拡大することが可能な技術を提供することにある。
【0010】
本発明の他の目的は、平板状X線画像検出装置で高速撮影することが可能な技術を提供することにある。
【0011】
本発明のその他の目的は、平板状X線画像検出装置のダイナミックレンジを有効に使用することが可能な技術を提供することにある。
【0012】
本発明のその他の目的は、平板状X線画像検出装置を用いた計測画像の画質を向上することが可能なX線を用いた計測装置を提供することにある。
【0013】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0015】
(1)測定対象を透過したX線像を撮像するX線撮像手段の検出領域が検出器ユニットに分割されており、該検出器ユニットで検出した前記測定対象のX線像を順次撮像するX線を用いた計測装置において、前記検出器ユニットから読み出したアナログの画像信号をデジタルの画像データに変換する際に、各検出器ユニットごとに所定の変換条件で画像信号を画像データに変換し取り込む変換手段と、前記変換条件に基づいて、前記画像データを前記変換条件に対応した条件で変換する再変換手段とを具備し、各検出器ユニットごとに最適な変換条件で前記画像信号を画像データに変換する。
【0016】
(2)測定対象を透過したX線像を撮像するX線撮像手段の検出領域が複数の検出器ユニットに分割され、各検出器ユニットで検出した前記測定対象のX線像に基づいて、次の撮像のX線条件を設定し、前記測定対象のX線像を順次撮像するX線を用いた計測装置において、前記検出器ユニットの分割線に近い画素から順次画像信号を読み出す。
【0017】
(3)測定対象を透過したX線像を撮像するX線撮像手段の検出領域が複数の検出器ユニットに分割され、各検出器ユニットで検出した前記測定対象のX線像に基づいて、次の撮像のX線条件を設定し、前記測定対象のX線像を順次撮像するX線を用いた計測装置において、前記検出器ユニットの分割線に近い画素から順次画像信号を読み出したアナログの画像信号をデジタルの画像データに変換する際に、各検出器ユニットごとに所定の変換条件で画像信号を画像データに変換し取り込む手段と、前記変換条件に基づいて、前記画像データを前記変換条件に対応した条件で変換する再変換手段とを具備し、各検出器ユニットごとに最適な変換条件で前記画像信号を画像データに変換する。
【0018】
前述した(1)の手段によれば、たとえば、複数の検出器ユニットを隣接配置して見かけ上1つのX線撮像手段として構成された、あるいは、X線撮像手段の画像信号の読み出しを制御して検出領域が複数の検出器ユニットから構成されているように撮像可能なX線撮像手段で測定対象のX線像を撮像する場合に、まず、変換手段が各検出器ユニットの検出(撮像)した範囲のX線像に適した変換条件で画像信号を画像データに変換し、次に、再変換手段が変換条件に基づいて検出器ユニットごとに異なるアナログの画像信号とデジタルの画像データとの対応関係を、予め設定された画像信号と画像データとの対応関係に再変換することによって、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器の限られた入力可能電圧範囲すなわち各検出器ユニットのダイナミックレンジを有効に使用することができるので、限られた入力可能電圧範囲のA/D変換器を用いた場合であっても、画像の分解能を低下させることなく、装置としてのダイナミックレンジを広げることが可能となる。したがって、X線像すなわち計測画像の画質を向上することができる。さらに、一つの画像を分割して読み出すことにより、読み出しの高速化が可能となり、高速撮影が可能となる。
【0019】
前述した(2)の手段によれば、複数に分割されたX線撮像手段ではその分割線がX線撮像手段の中心付近に設定されることが一般的である。一方、検者がX線像に関心領域を設定する場合もX線像の中心付近に設定する場合が多いことが知られている。したがって、X線撮像手段から画像信号を読み出すに際して、中心付近の分割線に近い画素から順次画像信号を読み出すことによって、不要となる関心領域外の画像信号の読み出しを減らすことができるので、高速撮影が可能となる。
【0020】
前述した(3)の手段によれば、たとえば、複数の検出器ユニットを隣接配置して見かけ上1つのX線撮像手段として構成された、あるいは、X線撮像手段の画像信号の読み出しを制御して検出領域が複数の検出器ユニットから構成されているように撮像可能なX線撮像手段で測定対象のX線像を撮像する場合に、変換手段が画像信号を隣接する検出器ユニットの分割線に近い画素から順次読み出し、この画像信号を各検出器ユニットの検出(撮像)した範囲のX線像に適した変換条件で変換することによって、画像データとして不要となる関心領域外の画像信号の読み出しをを減らすことができるので、X線像の高速撮影が可能となる。
【0021】
次に、再変換手段が変換条件に基づいて検出器ユニットごとに異なるアナログの画像信号とデジタルの画像データとの対応関係を、予め設定された画像信号と画像データとの対応関係に再変換することによって、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器の限られた入力可能電圧範囲すなわち各検出器ユニットのダイナミックレンジを有効に使用することができるので、限られた入力可能電圧範囲のA/D変換器を用いた場合であっても、画像の分解能を低下させることなく、装置としてのダイナミックレンジを広げることが可能となる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、発明の実施の形態(実施例)とともに図面を参照して詳細に説明する。
【0023】
なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0024】
(実施の形態1)
《全体構成》
図1は本発明の一実施の形態のX線を用いた計測装置の概略構成を説明するための図であり、101はX線発生装置、102は平板状X線画像検出装置、103は撮影データ収集装置、104はデータ処理装置、105は画像表示装置、106は被検体、107は移動装置、108は撮像系の回転軌道を示す。
【0025】
図1に示すように、本実施の形態のX線を用いた計測装置(以下、「計測装置」と略記する)は、X線発生装置101と平板状X線画像検出装置102とが被検体106を挟んで対向配置されており、X線発生装置101から被検体106にX線を照射し、該被検体106を透過したX線を平板状X線画像検出装置102で検出してX線像を撮像する。図示しない検者は、たとえば、隣接する制御室から被検体106を設定(搭載)した移動装置107の位置、および、X線発生装置101と平板状X線画像検出装置102とからなる撮像系の位置をそれぞれ制御することによって、被検体106と撮像系との相対的な位置関係を変更し、X線像の撮像位置を種々変更することができる。ただし、本実施の形態では、被検体106の移動装置107への設定体位を仰臥位としたが、立位や横臥位等の他の体位でもよい。
【0026】
平板状X線画像検出装置102で撮像されたX線像は、撮影データ収集装置103によって読み出されデジタル信号に変換された後に、当該撮影データ収集装置103に格納されると共に、データ処理装置104に出力される。また、撮影データ収集装置103は、複数個のX線画像検出器ユニットから構成される平板状X線画像検出装置102からの撮像画像の読み出し制御を行うと共に、図示しない操作卓から入力された撮影条件に基づいたX線発生装置101のX線制御、並びに、X線発生装置101、移動装置および平板状X線画像検出装置の位置制御(撮影位置の制御)も行う。なお、撮影データ収集装置103による平板状X線画像検出装置102からの読み出し制御については、後述する。
【0027】
データ処理装置103では、入力されたX線画像データに対して、輪郭強調、濃度補正等の周知の画像処理を行った後に、処理後のX線画像データをビデオ信号に変換し、画像表示装置105に表示させる。
【0028】
ただし、本実施の形態において、X線発生装置101と平板状X線画像検出装置102とを一体に構成し、この撮像系を被検体106の周囲に回転させる回転機構を設け、データ処理装置104に断層像の再構成手段あるいは/および3次元再構成手段を設けることによって、いわゆるコーンビームCT装置を構成できる。このとき、移動装置107に周知の回転機構を設け、撮像系を固定した場合であっても、コーンビームCT装置を構成できる。さらには、撮像系および移動装置107に回転機構を設けてもよいことはいうまでもない。
【0029】
《読み出し制御》
図2は本実施の形態のX線画像検出器と撮影データ収集装置との概略構成を説明するための図であり、201はX線画像検出器ユニット、202は検出素子部、203は検出器アンプ部、204は信号出力部、205は制御部、210は撮影データ収集ユニット、211は入力アンプ部、212はA/D変換部、213はフレームメモリ部、214はユニットDSP演算部、220は統括撮影制御ユニット、221は外部機器制御部、222は統括DSP演算部を示す。
【0030】
図2に示すように、本実施の形態では、各X線画像検出器ユニット201a,201b,201c毎にそれぞれ独立した撮影データ収集ユニット210a,210b,210cが設けらており、各撮影データ収集ユニット210がそれぞれ独立して各X線画像検出器ユニット210が検出したX線像のデジタルデータへの変換を行う。
【0031】
以下、本実施の形態のX線画像検出器ユニット201と撮影データ収集ユニット210との構成および動作を詳細に説明する。
【0032】
各X線画像検出器ユニット201は、被検体106を透過してきたX線を可視光(光学像)を介して電気信号(画像信号)に変換する検出素子部202と、該画像信号を増幅する検出器アンプ部203と、増幅後の画像信号を送り出す信号出力部204と、検出素子部202における信号の読み出し(出力)を制御する制御部205とから構成される。検出素子部202は、たとえば、CsI等からなりX線像を可視光に変換するシンチレータ部と、アモルファスシリコン(a−Si)やアモルファスセシウム(a−Se)等からなり可視光を画像信号に変換する複数のフォトダイオード部と、各フォトダイオードが検出した画像信号の読み出しを制御するための薄膜トランジスタで形成されるスイッチ部とから構成されている。各フォトダイオードからの画像信号の読み出し制御は、直接的には、各ユニットに対応する撮影データ収集ユニット210から出力される制御信号に基づいて、各X線画像検出器ユニット201の制御部205が行う。検出素子部202から読み出された画像信号は、検出器アンプ203で増幅された後に、信号出力部204から撮影データ収集ユニット201の入力アンプ部211に出力される。
【0033】
各撮影データ収集ユニット210は、入力された画像信号を増幅すると共にその入出力特性を変化させる線形アンプである入力アンプ部211と、増幅されたアナログの画像信号をディジタルの画像信号(画像データ)に変換するA/D変換部212と、変換された画像データを格納するフレームメモリ部213と、フレームメモリ部213に格納される画像データに基づいて入力アンプ部211の入出力特性を決定する演算の一部を行うと共に、X線画像検出器ユニット201からの画像信号の読み出しを制御するユニットDSP演算部等214とから構成される。
【0034】
統括撮影制御ユニット220は、各X線画像検出器ユニットの撮影制御および撮影データ収集ユニット210のユニットDSP演算部214から出力されるデータを受けて入出力特性を決定する演算を行うDSP演算部222と、X線発生装置や移動装置等を制御する外部機器制御部221とから構成される。
【0035】
X線画像検出器ユニット201においては、前述するように、検出素子部202から出力された信号は、検出器アンプ部203にて増幅され、信号出力部204から撮影データ収集ユニット210へ出力される。入力アンプ部211に入力された画像信号は、ユニットDSP演算部214で設定された入出力特性に従って線形増幅され、A/D変換部212でデジタルの画像信号に変換された後に、順次、フレームメモリ部213のフレームメモリに格納される。このとき、ユニットDSP演算部214は、制御部205からの信号とフレームメモリ部213に格納された画像データとを用いて所定の演算を行い、その演算結果を統括撮影制御ユニット220に出力する。統括撮影制御ユニット220では、統括DSP演算部22が入力された演算結果に対して所定の演算を行い、その演算結果をユニットDSP演算部214に出力する。ユニットDSP演算部214は、統括DSP演算部222の演算結果を元に入力アンプ部211の入出力特性(増幅率)を制御することによって、次の撮影に対する撮影条件を変更する。このように、本実施の形態では、入力アンプ部211の入出力特性の制御は、各X線画像検出器ユニット201に対応する撮影データ収集ユニット210と、各撮影データ収集ユニット210を統合する統括撮影制御ユニット220とによって行われる。
【0036】
次に、図3に本実施の形態の撮影データ収集装置の動作を説明するための図を示し、以下、図3に基づいて、本実施の形態の撮影データ収集装置の動作を説明する。ただし、図3(a)は各X線画像検出器ユニットの検出範囲と着目領域との位置関係を説明するための図であり、図3(b)は各X線画像検出器ユニットで撮像されたX線像の着目領域内の画素値の換算後の最大値と最小値との位置関係を示す図であり、図3(c)は本実施の形態の撮影データ収集装置の動作アルゴリズムである。なお、以下に示す動作説明では、説明を簡単にするためにX線画像検出器ユニット201および撮影データ収集ユニット210がそれぞれ4個の場合について説明するが、1以上のX線画像検出器ユニット210からなる平板状X線画像検出装置102を用いる計測装置に適用可能なことはいうまでもない。
【0037】
まず、検者が着目領域を設定する(ステップ301)と、統括DSP演算部222が各ユニットDSP演算部214に対して、それぞれのユニットDSP演算部214が配置される撮影データ収集ユニット210毎の着目領域310の範囲を出力する。ただし、このときの検者による着目領域310の設定位置は、平板状X線画像検出装置102の検出器範囲(撮像範囲)311上の特定の位置で固定することとするが、後述するように、その位置を撮影毎に変化させることも可能である。
【0038】
次に、各撮影データ収集ユニット210のユニットDSP演算部214が、フレームメモリ部213から画像データを読み出し(ステップ302)、指定された着目領域310の領域内における画素値の最大値と最小値とを抽出する。このとき、各ユニットDSP演算部214は、読み出した最大値と最小値をそれぞれ標準のX線条件およびアンプ条件に換算した最大値MAXと最小値MINとを演算し、その換算値を統括DSP演算部220に出力する(ステップ303)。このときの各撮影データ収集ユニット毎の最大値MAXおよび最小値MINを示したのが図3(b)であり、図3(b)中の添字1〜4はそれぞれの撮影データ収集ユニットに対応する。
【0039】
次に、統括DSP演算部222は、各ユニットDSP演算部214の最大値MAX1〜MAX4と最小値MIN1〜MIN4とから、たとえば、着目領域310における最も大きい最大値MAX’と最も小さい最小値MIN’とを算出する。この後、統括DSP演算部222は、最大値MAX’と最小値MIN’とから、次の撮像での着目領域310における画素値の最大値と最小値とを推定する(ステップ304)。ただし、最大値MAX’および最小値MIN’の決定法としては、これに限定されることはなく、たとえば、特に着目するX線画像検出器ユニット201の最大値(例えば、MAX2)および最小値(例えば、MIN2)を選択しても良いことは言うまでもない。なお、次の撮像での最大値および最小値の推定は、たとえば、前の撮像によって得られた値を用いて多項式近似により行う。これは、一般的な予測法であるため、その説明は省略するものとする。
【0040】
次に、統括DSP演算部222は、推定後の最大値と最小値とに基づいて、次の撮像におけるX線条件を演算し、そのX線条件を各ユニットDSP演算部214に出力すると共に、外部機器制御部221に出力してX線発生条件を変更させる(ステップ305)。この演算は、たとえば、最小値のルートの逆数に比例する配分となるようにX線条件を決める。あるいは、最小値が一定となるようにX線条件を決める。
【0041】
統括DSP演算部222からX線条件を入力された各ユニットDSP演算部214は、まず、入力されたX線条件に基づいて、それぞれのユニットでの次の撮像における画素値の最大値と最小値とを演算する。次に、各ユニットDSP演算部214は、その画素値から各ユニットのA/D変換器212の入力範囲と入力アンプ211の出力範囲とを一致させるための増幅率を演算し、その増幅率に基づいて入力アンプ211の入出力特性を変更させる(ステップ306)。この後、X線像の撮像が行われることによって、撮像データが再びフレームメモリ部213に取り込まれることとなる。
【0042】
以上に説明するステップ301〜306の撮像動作を順次行うことによって、各撮影データ収集ユニット210では、A/D変換器212のダイナミックレンジを有効に使用した画像データの変換が可能となる。
【0043】
このとき、表示用の画像データは、次の撮影が開始される前に図示しない画像データ読み出し部によってフレームメモリ部213から順次読み出され、前述するステップ303と同様に、標準条件に基づいた画像データへの換算がなされた後に、図示しない画像データ格納部に格納されると共に、この画像データがデータ処理装置104に出力されて画像処理後に表示される。
【0044】
《アンプ入出力特性の設定法》
図4は2つのX線画像検出器ユニットにおける着目領域内データを最適化する入力アンプ部の入出力特性の一例を示す図であり、各X線画像検出器ユニット201で撮像されたX線像における画素値の最大値および最小値をA/D変換部212の入力可能範囲(変換可能範囲)(LSB〜MSB)に設定した場合のアンプの入力値と出力値との関係を示している。ただし、入力される画素値がMIN1からMAX1までの直線401は第1のX線画像検出器ユニット201aに対応する入力アンプ部211aの入出力特性を示し、入力される画素値がMIN2からMAX2までの直線402は第2のX線画像検出器ユニット201bに対応する入力アンプ部211bの入出力特性を示す。
【0045】
図4から明らかなように、本実施の形態の計測装置では、同一の画素値であってもアンプの入出力特性が異なるため、A/D変換部212に入力される値が各ユニットおよび撮影毎に異なる。したがって、たとえば、同一の画素値D0におけるデジタル変換後の値が△(白抜きの三角)印で示すように異なることとなる。本実施の形態の計測装置では、ユニットDSP演算部214および画像データ変換部が、たとえば、予め設定された標準のアンプ入出力特性(入出力特性が図中の太線403で示す比例関係となる関数)へ、各ユニットおよび撮影毎のデジタル変換後の画像データを換算する。すなわち、○(白抜きの丸)印で示したA/D変換の限界値を●(黒丸)印で示した値へと換算することができる。これにより、ディジタル画像データのダイナミックレンジを拡大するすなわち計測装置のダイナミックレンジを容易に拡大することができる。すなわち、比較的安価なビット数が少ないA/D変換器でA/D変換部212で構成した場合であっても、計測装置のダイナミックレンジを向上できる。
【0046】
ただし、図4に示す入出力特性401,402を設定する方法としては、入力アンプ部211の入出力特性を特徴づけるパラメータとして、入力がゼロのときの出力レベルすなわちオフセット出力と、入力の単位増加分に対応する出力の増加分すなわちゲインとの2個のパラメータの値を決定することによって、実現可能である。
【0047】
《X線画像検出器ユニット毎の読み出し走査》
図5は本実施の形態の計測装置におけるX線画像検出器ユニット毎の画像信号の読み出し走査方向を説明するための図であり、特に、図5(a),(b)は正方形の4個のX線画像検出器ユニットを正方配列して構成される平面状X線画像検出装置102における画像信号の読み出し方法を示しており、図5(c)は正方形の4個のX線画像検出器ユニットを一列に配列して構成される平面状X線画像検出装置における画像信号の読み出し方法を示しており、図5(d)は撮像系の回転面と平板状X線画像検出装置との位置関係を示している。ただし、図5において、斜線で示す領域は注目領域310を示す。
【0048】
4個のX線画像検出器ユニット201を正方配列して平面状X線画像検出装置102を構成する場合であって、図5(a)に示すように、撮像系の回転面と垂直をなす接合線501を挟んで隣接する画素から同時に回転面と平行となる方向に画像信号を読み出すことによって、接合線502を挟んで隣接する画素が同時に読み出されるので、画像信号が読み出される時間が異なることによる信号減衰率の差の発生を避けることができる。これにより、X線画像検出器ユニットの接合部における感度補正の精度の低下を避けることができる。また、この場合には視野中心軸上から読み出しが行われるので、一般的に中心軸に近い位置に設定される着目領域310の画質の低下を回避できる。さらには、着目領域310の画像信号は読み出しフレーム時間内の早い時間内に読み出されるので、前述するステップ303における最大値および最小値を早く得ることができる。その結果、次の撮影条件の演算が早く実行でき、連続撮影の時間間隔を短縮することができるという効果がある。したがって、X線像の撮像効率を向上できるという効果がある。
【0049】
同様に、4個のX線画像検出器ユニット201を正方配列して平面状X線画像検出装置102を構成する場合、図5(b)に示すように、撮像系の回転面と平行な接合線502を挟んで隣接する画素から同時に回転面に垂直となる方向に画像信号を読み出すことによって、X線画像検出器ユニット201の接合線501を挟んで隣接する画素も同時に読み出されるので、図5(a)と同様に、画像信号の読み出される時間が異なることによる信号減衰率の差の発生を避けることができる。したがって、感度補正の精度の低下を避けることができる。
【0050】
一方、4個のX線画像検出器ユニット201を直線配列して構成される平面状X線画像検出装置102では、図5(c)に示すように、平面状X線画像検出装置102の中心に位置する接合線503に接する画素から同時に回転面に平行な方向に画像信号を読み出すことによって、前述する図5(a)の場合と同様に、読み出しフレーム時間内の早い時間内に着目領域310の画像信号を読み出すことができるので、X線画像検出器ユニットを直線配列して撮像幅を広げた場合であっても、前述するステップ303における最大値および最小値を早く得ることができる。その結果、次の撮影条件の演算が早く実行でき、連続撮影の時間間隔を短縮することができるという効果がある。
【0051】
図5(d)に示す撮像系において、X線発生装置101と平面状X線画像検出装置102とからなる撮像系を一体化し、該撮像系を被検体の周囲に回転させるいわゆるコーンビームCT装置に前述の図5(a),(b),(c)を適用した場合には、平面状X線画像検出装置102からの画像信号の読み出しによる感度補正の精度の低下を避けることができるので、再構成された断層画像上でリングアーチファクトの発生を避けることができるという効果が得られる。特に、図5(b)に示す画像信号の読み出しを適用した場合には、再構成時のおけるミッドプレーン近傍上から読み出しが行われるので、このミッドプレーンに近い位置に設定される着目領域は、読み出しフレーム時間内の早い時間内に読み出すことができる。その結果、着目領域内の画素値の最大値および最小値を早く得ることができるので、次の撮影条件の演算が早く実行でき、連続撮影の時間間隔を短縮することができる。また、図5(c)に示す画像信号の読み出しを適用した場合には、各X線画像検出器ユニット201を回転面に平行な方向に並べることにより、横長の視野を作り出すことができるので、再構成像(CT像)の視野を拡大できるという効果がある。
【0052】
《平板状X線画像検出装置の構成》
図6は本実施の形態の平板状X線画像検出装置の概略構成を説明するための図であり、特に、図6(a)はX線画像検出器ユニットの平面図であり、図6(b)はA−A線による断面図であり、図6(c)は図6(a)を用いて構成した平面状X線画像検出装置の平面図である。ただし、本実施の形態の平板状X線画像検出装置では、1以上のX線画像検出器ユニットから構成される。
【0053】
図6(a)に示すように、X線画像検出器ユニット201は、複数の受光素子をX軸およびY軸方向に配列した受光素子アレイ部601と、各受光素子アレイに蓄積された光を読み出す制御読出回路603と、受光素子の動作を制御する制御回路602とからなる。
【0054】
X線画像検出ユニット201は、図6(b)に示すように、基板604の受光面側(図中の上側)には受光素子アレイ601と、該受光素子アレイ601の動作を制御する制御回路602とが搭載(形成)されている。この受光素子アレイ601の受光面側には、X線像を光学像に変換する周知のシンチレータ605が形成されいる。一方、制御回路602の受光面側には、X線が直接制御回路602に照射されるのを防止するためのX線シールド606が形成されている。同様に、制御読出回路603が搭載される領域の受光面側にも、X線シールド606が形成されている。
【0055】
このようなX線画像検出ユニット201を複数配列して平板状X線画像検出装置102を構成する場合には、図6(c)に示すように、X線の検出が不可能となる制御回路602および制御読出回路603が搭載される領域を4辺の端部に配置することによって、この回路部分の不感領域に入射するX線に伴うX線画像の一部の情報が欠落してしまう等の問題を解消することができる。ただしこの場合には、1枚の平板状X線画像検出装置102の大きさが使用するX線画像検出器ユニット201の大きさで制限されることとなる。ただし、本実施の形態の計測装置では、受光素子破損やシンチレータ欠損等に伴う軽微なX線画像情報の欠落に対しては、たとえば、両側の画素を用いた補間あるいは代入により画素を埋める等の処理を行うことにより、表示されるX線画像への影響を避けることができる。
【0056】
図7は平板状X線画像検出装置の他の構成例を示す図であり、特に、図7(a)はX線画像検出器ユニットの平面図であり、図7(b)はB−B線による断面図であり、図7(c)および図7(d)は図7(a)を用いて構成した平面状X線画像検出装置の平面図である。ただし、本実施の形態の平板状X線画像検出装置では、1以上のX線画像検出器ユニットで構成できることはいうまでもない。
【0057】
図7(b)に示すように、基板604の受光面側に受光素子アレイ601が形成され、該受光素子アレイ601の受光面側にシンチレータ605が形成されている。一方、制御回路602は基板604の裏面側すなわち受光面と対向する側の面に搭載されており、基板604の側面に信号線(配線)701を形成することによって、制御回路602と受光素子アレイ601とが接続される。同様に、制御読出回路603も基板604の裏面側に搭載することによって、図7(a)に示すように、受光素子アレイ601を当該X線画像検出器ユニット201の全面に形成することが可能となる。すなわち、X線が検出できない部分をなくすことが可能となる。
【0058】
したがって、X線画像検出器ユニット201を隣接して配置する際に、図7(c)や図7(d)に示すように、4個以上のX線画像検出器ユニット201を隣接して配列して平板状X線画像検出装置を構成することが可能となる。図7(c)に示すように、X線画像検出器ユニット201を正方配置した場合には、平板状X線画像検出装置を視野を大きくすることができ、一方、図7(d)に示すように、X線画像検出器ユニット201を一列に配置した場合には、散乱線の影響を受け難くすることができ、X線画像の画質の劣化を防止することができる。なお、X線画像検出器ユニット201をさらに多数個使用することによって、さらに平板状X線画像検出装置102の視野角を大きくすることができることはいうまでもない。
【0059】
図8は平板状X線画像検出装置のその他の構成例を示す図であり、特に、図8(a)はX線画像検出器ユニットの平面図であり、図8(b)はB−B線による断面図であり、図8(c)はより小さい受光素子アレイを用いた場合のX線画像検出器ユニットの断面図である。ただし、本実施の形態の平板状X線画像検出装置では、1以上のX線画像検出器ユニットで構成できることはいうまでもない。
【0060】
図8(b)に示すように、このX線画像検出器ユニット201は、基板604の受光面側に受光素子アレイ601が形成されると共に、基板604の端部に制御回路602が搭載される。受光素子アレイ601の受光面側にはファイバープレート801が形成されており、該ファイバープレート801の受光面側にはシンチレータ605が基板604と同じ大きさで形成されている。また、制御回路602の受光面側には、X線シールドが形成されている。ただし、ファイバープレート801の受光面側すなわちシンチレータ605と接する側は、該シンチレータと同じ面積となり、他方の側すなわち受光素子アレイ601と接する側は、シンチレータ605に接する各ファイバーが受光素子アレイ601上に全て接するように配置される。このように、ファイバープレート801を形成することによって、制御回路602の搭載領域に入射したX線像を受光素子アレイ601導くことができるので、前述の図7に示すX線画像検出器ユニットと同様に、受光面すなわちシンチレータ605に入射したX線を全て検出することが可能となる。したがって、前述の図7(c)および図7(d)に示すように、X線画像検出ユニットを4以上隣接して配置することが可能となる。
【0061】
このとき、受光素子アレイをシンチレータ605よりも小さく形成した場合であっても、図8(c)に示すように、ファイバープレート801の各ファイバーが接することとなるシンチレータ605の側と、受光素子アレイ601の側とを一致させるようにファーバープレート801を形成することによって、受光素子アレイ601を小さく形成した場合であっても、前述の効果を得ることが可能である。
【0062】
《受光素子構造》
図9は本実施の形態の受光素子アレイ1画素分の受光素子の構造を説明するための上面図であり、図10は図9のA−A線による断面図である。
【0063】
図9に示すように、本実施の形態の受光素子はフォトダイオード部と、フォトダイオード部の一端側に接続される共通電極と、フォトダイオード部の他端側がソース電極に接続されるTFTスイッチ部と、該TFTスイッチ部のゲート電極が接続されるゲート線と、TFTスイッチ部のドレイン電極が接続される信号線とからなり、この受光素子がゲート線および信号線の延在方向にそれぞれ複数配列されて本実施の形態の受光素子アレイを形成している。ただし、各受光素子のゲート線および信号線は、それぞれ隣接配置された受光素子のゲートおよび信号線に接続され、受光素子アレイの端部に配置される制御回路および制御読み出し回路に接続される。同様に、共通電極も隣接配置された受光素子の共通電極に接続されている。また、前述するように、本実施の形態では、TFTスイッチ部がX線によって誤動作することを防止するために、特に、ゲート電極部分を覆うように遮光層が形成されている。
【0064】
次に、図10に基づいて、本実施の形態の受光素子の詳細構造について説明する。
【0065】
まず、TFTスイッチ部について説明すると、基板604の材料として周知のガラス基板を使用しており、このガラス基板の一方の面(受光面側)に周知のフォトリソグラフィ技術によって、可視光をアナログの電気信号に変換するフォトダイオード部、該電気信号の信号線への出力をスイッチングするTFTスイッチ部および該TFTスイッチのスイッチングを制御するゲート線等を形成している。
【0066】
TFTスイッチ部では、ガラス基板604上にアルミ合金(AlTiTa)からなるゲート電極1303が形成されており、このゲート電極1303を覆うようにして、窒化シリコン(SIN)のゲート絶縁膜1306が形成されている。このゲート絶縁膜1306上には、アモルファスシリコン(a−Si:H)のチャネル層1302が形成されており、このチャネル層1302上にアルミ合金(AlTiTa/Cr)のドレイン電極1301およびソース電極1304が形成されている。これらの電極1301,1304上には窒化シリコン(SIN)の絶縁膜1312が形成されており、その上に遮光膜606が形成されている。
【0067】
一方、フォトダイオード部では、ガラス基板604上に窒化シリコン(SIN)のゲート絶縁膜1306と一体に形成された絶縁膜が形成されており、この絶縁膜1306上にアルミ合金(AlTiTa/Cr)の共通電極1308が形成されている。この共通電極1308上にはアモルファスシリコン(a−Si:H)の光導電膜1309が形成されており、この光導電膜1309の上面にITOからなる透明電極1307が形成されている。この共通電極1308、光導電膜1309および透明電極1307は窒化シリコン(SIN)の絶縁膜1305で覆われている。フォトダイオード部の端部では、絶縁膜1305上に接続膜1310がソース電極1304の領域に至って形成されており、絶縁膜1305に設けられたコンタクトホールによって、接続膜1310の一端が透明電極1307と接続されると共に、接続膜1310の他端がソース電極1304に接続されている。受光素子の受光面側には、CsIからなり、X線を可視光に変換する変換蛍光体が配置されている。
【0068】
(実施の形態2)
図11は本発明の実施の形態2のX線を用いた計測装置の概略構成を説明するための図であり、特に、図11(a)は被検体上に着目領域を設定した場合の撮像系と着目領域との位置関係を説明するための図であり、図11(b)は撮像系が図11(a)の位置から180度回転したときの撮像系と着目領域との位置関係を説明するための図であり、図11(c)は撮像系の回転に伴う平面状X線画像検出装置と該平板状X線画像検出装置面に投影される着目領域との位置関係を説明するための図である。ただし、本実施の形態2の計測装置は、X線発生装置101と平板状X線画像検出装置102とを固定した撮像系を、被検体106の周囲に回転させる構成とし、被検体106の周囲360度から撮像したX線像に基づいてその断層像を再構成するコーンビームX線CT装置である。したがって、本実施の形態においては、前述する実施の形態1の計測装置とその構成が異なる平板状X線画像検出装置上における着目領域の設定手順についてのみ説明する。
【0069】
なお、本実施の形態2の計測装置における着目領域の設定法としては、たとえば、撮像系の回転角が0(ゼロ)の時に被検体のX線像を撮像し、このX線像に基づいて、着目領域901の設定を行うものとする。ただし、着目領域901の設定法は、これに限定されることはなく、たとえば、予め撮像したX線像における着目領域901の位置と撮像系の位置とから統括DSP演算部222が演算によってその位置を求めてもよいことはいうまでもない。
【0070】
図11において、901は被検体に設定した着目領域、902は平面状X線画像検出装置の受光面に投影される投影領域を示す。
【0071】
本実施の形態2の計測装置では、図11(a)に示すように、被検体106に設定した着目領域901は、撮像系の回転角が0(ゼロ)度のときには、平面状X線画像検出装置102の受光面上の第1および第3のX線画像検出器ユニット201a,201cの側すなわち図11(c)の斜線で示す投影領域に位置する。
【0072】
次に、X線像の撮像を開始すなわち撮像系を回転させるにしたがって、投影領域902は平面状X線画像検出装置の受光面上を、回転面と平行な方向に移動し、図11(b)に示すように、撮像系の回転角が180度の時に、図11(c)に点線で示す位置に到達する。このときには、平板状X線画像検出装置102の受光面上の投影領域は、第1および第3のX線画像検出器ユニット201a,201cと、第2および第4のX線画像検出器ユニット201b,201dとの接合線903に対して、斜線で示す領域と線対称の位置にまで移動する。
【0073】
したがって、本実施の形態2では、各ユニットDSP演算部214が撮像系の回転角に基づいて、X線画像検出器ユニット201に設定した着目領域310の位置を移動させながらX線像の撮像を行うことによって、前述する実施の形態1の計測装置と同様の効果を得ることができる。ただし、被検体106に着目領域901を設定してX線像の撮像を行うことは、コーンビームCT装置に限定されることはなく、X線透視およびX線撮影と称される一般のX線計測にも適用可能なことはいうまでもなく、この場合においても、被検体106の着目領域901に対して最適な条件で撮影を行うことができるという効果を得ることが可能となる。
【0074】
さらには、例えば、カテーテル術に代表されるIVR透視では、カテーテルという特定の対象物に着目領域901を固定することにより、常にカテーテルを見易い画像を得ることができる。したがって、検者(術者)はカテーテル操作を容易に行うことができることとなるので、カテーテル術に要する時間を短縮することが可能となり、患者である被検体106および検者の負担を軽減することが可能となる。
【0075】
(実施の形態3)
図12は本発明の実施の形態3の計測装置の入力アンプの入出力特性を示す図である。ただし、本実施の形態3の計測装置は、入力アンプの入出力特性を除く他の構成は、前述した実施の形態1あるいは実施の形態2の計測装置と同じ構成となるので、本実施の形態においては、その構成の異なる入力アンプについてのみ説明する。
【0076】
図12に示すように、本実施の形態3の計測装置では、それぞれの入力アンプ部211a,bの入出力特性が非線形特性1201,1202となっている。このときの非線形特性としては、たとえば、対数変換がある。
【0077】
本実施の形態3の入力アンプ部211が対数アンプの場合、入出力特性1201,1202を特徴づけるパラメータとしては、対数スロープ、インターセプト(対数オフセット)およびオフセット電圧があり、この3個のパラメータをユニットDSP演算部214が決定することによって、本実施の形態3の入力アンプ部211の入出力特性すなわちA/D変換部212による変換特性を図12に示す非線形の特性とすることが可能となる。
【0078】
A/D変換部212による変換特性を非線形特性とすることによって、特に、検者は着目する画素値付近の画像信号を広くデジタル変換可能範囲内に割り伏すことができるので、図12に示す区間α,βのように、所定の画素値部分の濃度分解能を向上させることが可能となる。
【0079】
このとき、A/D変換時の分解能が高い区間α,βにおける分解能を基準として、装置(システム)の画像データの分解能を設定しておくことによって、この区間α,βにおける分解能は非線形特性によって決定される画素値の分解能を有することとなるので、所定の画素値部分の濃度分解能を向上させることが可能となる。
【0080】
なお、本実施の形態のX線を用いた計測装置では、X線画像検出器ユニット201と撮影データ収集ユニット210とを一対一で設ける構成としたが、これに限定されることはなく、1個のX線画像検出器ユニット201で平板状X線画像検出装置102を構成し、画像信号の読み出し時において複数のX線画像検出器ユニット201から成るようにみなし、撮影データ収集ユニット210が画像信号を取り込む場合であっても、前述する効果を得ることができることはいうまでもない。
【0081】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【0082】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【0083】
(1)平板状X線画像検出装置を用いた計測装置のダイナミックレンジを拡大することができる。
【0084】
(2)平板状X線画像検出装置で高速撮影することができる。
【0085】
(3)平板状X線画像検出装置のダイナミックレンジを有効に使用することができる。
【0086】
(4)平板状X線画像検出装置を用いた計測画像の画質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態のX線を用いた計測装置の概略構成を説明するための図である。
【図2】本実施の形態のX線画像検出器と撮影データ収集装置との概略構成を説明するための図である。
【図3】本実施の形態の撮影データ収集装置の動作を説明するための図である。
【図4】2つのX線画像検出器ユニットにおける着目領域内データを最適化する入力アンプ部の入出力特性の一例を示す図である。
【図5】本実施の形態の計測装置におけるX線画像検出器ユニット毎の画像信号の読み出し走査方向を説明するための図である。
【図6】本実施の形態の平板状X線画像検出装置の概略構成を説明するための図である。
【図7】平板状X線画像検出装置の他の構成例を示す図である。
【図8】平板状X線画像検出装置のその他の構成例を示す図である。
【図9】本実施の形態の受光素子アレイ1画素分の受光素子の構造を説明するための上面図である。
【図10】図9のA−A線による断面図である。
【図11】本発明の実施の形態2のX線を用いた計測装置の概略構成を説明するための図である。
【図12】本発明の実施の形態3の計測装置の入力アンプの入出力特性を示す図である。
【図13】従来のX線を用いた計測装置の概略構成を説明するための図である。
【符号の説明】
101…X線発生装置、102…平板状X線画像検出装置、103…撮影データ収集装置、104…データ処理装置、105…画像表示装置、106…被検体、107…移動装置、108…撮像系の回転軌道、201…X線画像検出器ユニット、202…検出素子部、203…検出器アンプ部、204…信号出力部、205…制御部、210…撮影データ収集ユニット、211…入力アンプ部、212…A/D変換部、213…フレームメモリ部、214…ユニットDSP演算部、220…統括撮影制御ユニット、221…外部機器制御部、222…統括DSP演算部、310…着目領域、311…検出可能範囲、501,502…接合線、601…受光素子アレイ部、602…制御回路、603…制御読出回路、604…基板、605…シンチレータ、606…X線シールド、701…配線、801…ファイバープレート、1301…ドレイン電極、1302…チャネル層、1303…ゲート電極、1304…ソース電極、1305…絶縁膜、1306…ゲート絶縁膜、1307…透明電極、1308…共通電極、1309…光導電膜、1310…接続膜。
Claims (3)
- 検出領域が複数のX線検出器ユニットに分割され、検査対象を透過したX線を検出し、前記検査対象の関心領域のX線像を撮像するX線撮像手段と、前記X線検出器ユニットから読み出したアナログの画像信号を、前記各X線検出器ユニット毎にデジタルの画像データに変換する変換手段と、前記X線検出器ユニット毎に変換されたデジタルの画像データを予め設定された入出力特性へ変換する演算手段とを具備し、前記変換手段は、A/D変換器と、前記X線検出器ユニットにより検出される信号を、線形増幅する線形増幅手段又は非線形増幅する非線形増幅手段とを有し、前記演算手段は、前記関心領域における変換された前記別のデジタルの画像データの値に基づいて算出された前記線形増幅手段のゲイン及びオフセットである第1のパラメータ、前記非線形増幅手段のゲイン及び非線形性のパラメータである第2のパラメータの何れか、又は、前記第1、第2のパラメータの組み合わせにより、前記線形増幅手段又は前記非線形増幅手段の出力範囲と前記A/D変換器の入力範囲とが一致するように入出力特性を変化させることを特徴とするX線を用いた計測装置。
- 前記関心領域を、前記検査対象を撮像する方向毎に変化させる手段を有することを特徴とする請求項1に記載のX線を用いた計測装置。
- 前記複数のX線検出器ユニットのうち、隣接する2つのX線検出器ユニットが接する位置に近い、前記X線検出器ユニットの検出素子からアナログの画像信号を順次読み出す手段を有することを特徴とする請求項1に記載のX線を用いた計測装置。
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