JP4150906B2 - Ｘ線検出器の量子検出効率の変化を監視する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線検出器に関し、さらに詳細にはＸ線検出器の量子検出効率の変化を監視するための方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
Ｘ線システムは、かねてより患者などの被検体に対する撮影や計測のために使用されてきた。線源から投射されたＸ線ビームは被検体または患者を通過し、Ｘ線検出器により検出され、さらに可視光画像に変換される。現在では、高分解能の半導体Ｘ線検出器が使用されており、患者の解析に有益となっている。ディジタル式Ｘ線検出器は、典型的には、フォトダイオードの検出器素子からなる２次元アレイを利用して、その上に投射されるＸ線画像の画素輝度に対応する電気信号を発生させている。検出器素子からの信号は個々に読み出され、さらにイメージング処理、保存、並びに表示を行うためにディジタル化される。
【０００３】
Ｘ線検出器から一貫した正確な計測値を確実に得るためには、起こりうる検出器の劣化を評価できるように検出器を定期的に監視することが必要である。Ｘ線イメージング用検出器は時間の経過に伴って変化することがあり、検出器の変化を計測及び追跡して必要に応じてメンテナンス及び／または交換をすることが必要である。量子検出効率（ＤＱＥ）は、Ｘ線イメージング用検出器の性能に関する重要な客観的尺度の一つとして認められている。ＤＱＥは、検出器がその入力からその出力まで信号対雑音比を伝達する能力の尺度である。目下のところ、ＤＱＥの決定で必要となる量や係数を計測または計算する機能は、複雑でありかつ時間がかかる。典型的には、ＤＱＥの計測は、訓練を受けた熟練の物理学者によってしか満足に実行することができない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、Ｘ線イメージング用検出器の量子検出効率の変化を計測または追跡するための、容易でありかつ複雑でない方法やシステムが必要である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明はＸ線イメージング用検出器の量子検出効率の変化を決定するための改良方法を提供する。本発明ではさらに、Ｘ線検出器内の量子検出効率の変化を、複雑な計測の組に頼ることなく自動的に計測している。
【０００６】
本発明では、上述の目的を満たすと共に現在のＤＱＥ計測に関わる既存の問題を克服するための数式及び関係式を開発した。本発明では、ＤＱＥの相対的変化の計算は、そのいずれもがディジタルＸ線システム上で自動方式により得られるような二つの量だけの計算及び計測に限られている。この二つの量のうちの一つ（すなわち、変調伝達関数（ＭＴＦ））は、一片のＸ線吸収材料から製作されたエッジ・ファントーム、あるいは線対バー状パターンを画像検出器の前側に配置して用いることにより取得している。第２の量（すなわち、ノイズ・パワースペクトル（ＮＰＳ））の計測値は、フラットフィールド画像を使用することにより確保されており、システム較正の間に取得したデータから計算することができる。
【０００７】
検出器で起こりうる劣化、並びに現地交換を必要とする可能性は、ＤＱＥ比を時間の関数として監視することにより決定することができる。このＤＱＥ比は、ＭＴＦと正規化したＮＰＳとの比から取得している。ＭＴＦとＮＰＳの各量は、コンピュータによってシステム較正の時点で時間を追って保存している。ＭＴＦ及びＮＰＳのデータを収集すると、次いでコンピュータは、ある周波数でＤＱＥの変化を直接計算している。ＤＱＥが仕様限界未満であれば、オペレータまたはフィールド・エンジニアに対して警告が表示される。
【０００８】
本発明のその他の目的、恩恵及び特徴は、添付の図面及び添付の特許請求の範囲に従って取り上げている本発明の以下の説明を検討しかつ分析すれば明らかとなろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を利用できる代表的なＸ線システムの概要図である。図１を参照すると、Ｘ線装置１４は、電源１６を通電したときにＸ線ビーム１７を放出するＸ線管１５を含んでいる。図示のように、このＸ線ビームはＸ線透過性の寝台２０に横たえた患者に向けて導かれる。寝台及び患者に送出されたビームのうちの一部分は、番号２２で表すＸ線検出器に当たる。本発明は、例えばＸ線イメージャ２４及び冷却機構２６を含むようなタイプの検出器２２など、任意の検出器と共に利用することができる。
【００１０】
Ｘ線検出器は、光検出器を縦列と横列の形に配列させた２次元アレイにより形成させた半導体イメージ・センサを備えている。各縦列及び横列を共通の出力線に接続させて数千個の光検出器を配置させている。シンチレータはＸ線光子を吸収し、これを光に変換している。低ノイズのフォトダイオード・アレイは光を吸収し、これを電子の電荷に変換している。各フォトダイオードは一つの画素（ｐｉｘｅｌ）、すなわち画像構成要素（ｐｉｃｔｕｒｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）を表している。この電荷は、各ピクセルにおいて低ノイズ電子回路により読み出され、さらにディジタル・データに変換されて画像処理装置２８に送られる。この画像処理装置は、Ｘ線画像信号を処理し強調するための回路を含んでいる。さらに、処理済みの画像は、典型的には、ビデオ・モニタ３２上に表示され、また画像記憶デバイス３０内にアーカイブすることがある。Ｘ線装置１４の全体的動作は、オペレータ・インタフェース・パネル３８を介してＸ線技師からコマンドを受け取っているシステム制御装置３６により統御している。
【００１１】
Ｘ線検出器に関する問題点の一つは、検出器のイメージング特性が時間の経過に伴って変化することがある点である。したがって、メンテナンスや交換のため、あるいは、こうした変化の補償を目的とした別の調整を行うために、Ｘ線検出器の性能を常時または定期的に監視することが必要である。
【００１２】
Ｘ線イメージング用検出器の性能に関する重要で客観的な尺度の一つは、「量子検出効率」（「ＤＱＥ」と呼ぶこともある）である。このＤＱＥは、Ｘ線検出器がその入力からその出力まで信号対雑音比を伝達する能力に関する一つの尺度である。この能力は、検出器の潜在的な劣化を評価するように時間の関数として追跡するために重要なパラメータである。
【００１３】
ＤＱＥは空間周波数「ｆ」の関数であり、次式により計算される。
【００１４】
ＤＱＥ（ｆ）＝（Ｓ・ＭＴＦ（ｆ））²／ＮＰＳ（ｆ）・Ｘ・Ｃ （式１）
（式１）から分かるように、ＤＱＥ（ｆ）を得るには五つの量を計測または計算しなければならない。ここで、Ｓは平均信号、ＭＴＦは変調伝達関数、ＮＰＳはノイズ・パワースペクトル、ＸはＸ線照射量、Ｃは一曝射あたりのＸ線フルエンスである。
【００１５】
（式１）のこれら五つの量の各々を得るための方法は既に諸文献に記載されており、よく知られている。これらのそれぞれに関して本明細書に記載する必要はないものと考える。
【００１６】
現場に据え付けられたＸ線システムについて、（式１）によりＤＱＥを決定するためにこれら五つの量を取得する手順には、複雑な計測の組が含まれる。詳細には、Ｘ線照射量を注意深く計測する必要がある。ＭＴＦ及びＮＰＳは時間の経過に伴って変化し、潜在的にＤＱＥを低下させるおそれがある。さらに、Ｘ線システムでは、ＤＱＥを正確に計算するために入射する照射線量Ｘを正確に計測することは困難である。実際に、（式１）に示すようなＤＱＥ計測を実行できるのは熟練した物理学者だけである。
【００１７】
本発明では、ＤＱＥ（ｆ）の相対的変化を決定するための新規の試験方法を提供する。本発明は、オペレータに特定の熟練を全く要求することなくＤＱＥの相対的変化を監視している。本発明によりＤＱＥ（ｆ）を計算するためには、（式１）の五つの量のすべてを計測、すなわち把握する必要はない。
【００１８】
本発明の方法では、以下のような分析を実施する。先ず、周波数ゼロにおけるＤＱＥ（すなわち、ＤＱＥ（０））は、Ｘ線照射が多いときにはＸ線照射量と無関係に、Ｘ線検出器の吸収に正比例するように表わすことができる。さらに、ＤＱＥ（０）はＡ_S＊Ｎ（ここで、Ｎは検出器に依存する一定のＸ線吸収であり、またＡ_Sは具体的な検出器に対して実質的に一定であることが実験的に分かっている統計係数である）に等しい。
【００１９】
一般に、ＤＱＥ（ｆ）は次式のように書くことができる。
【００２０】
ＤＱＥ（ｆ）＝ｋ＊ＭＴＦ²（ｆ）／ＮＰＳ（ｆ） （式２）
定数「ｋ」は次式により定義される比例定数である。
【００２１】
ｋ＝ＤＱＥ（０）＊ＮＰＳ（０） （式３）
上式に基づいて、二つのＤＱＥ計測値の比は次式で書くことができる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
上式において、ＮＮＰＳ（ｆ）（正規化ノイズ・パワースペクトル）はＮＰＳ（ｆ）／ＮＰＳ（０）に等しい。（式４）では、次式を前提としている。
【００２４】
ＤＱＥ₁（０）＝ＤＱＥ₂（０）＝ＤＱＥ（０） （式５）
（式５）は十分に大きな照射線量に対して成り立つ。添え字「１」と「２」は、二つの異なる計測値、例えば二つの異なる時点での計測を示している。
【００２５】
上述の関係式に基づくと、ＤＱＥの相対的変化の計算は二つの量だけ（すなわち、ＭＴＦ（ｆ）とＮＮＰＳ（ｆ）だけ）に限定できる。この二つの量の各々は、ディジタルＸ線システムに関しては自動的に得ることができる。
【００２６】
ＭＴＦの計測値は、Ｘ線吸収材料（タングステン）からなる薄片から製作されたエッジ・ファントーム、あるいは、線対バー状パターンを画像検出器の前側に配置して使用することにより得ることができる。代表的な画質試験ファントーム・デバイスは、例えば、その開示を参照により本明細書に組み込むものとする米国特許第５，８４１，８３５号に図示かつ記載されている。この特許は、ＭＴＦ計測で必要となるハードウェア及びソフトウェアの一例を提供している。
【００２７】
ＮＰＳ量の計測では、フラットフィールド画像を使用する必要がある。こうした計測に関する代表的な設定を図２に示している。均一なＸ線吸収フィルタ５０（例えば、アルミニウムの２ｃｍ厚ブロック）をコリメータ５５の前側に配置し、画像検出器７０を用いて画像を収集しコンピュータ７５に転送する。高電圧発生装置６５により動作させるＸ線管６０によって必要なＸ線ビームが提供される。フラットフィールド・ファントームにより得られるフラットフィールド画像は、典型的には、検出器の定期較正の際に必要となるタイプのものである。標準較正を実行している時点で、その同じ画像からＮＰＳを計算することが可能である。
【００２８】
低周波数（詳細には、ゼロ周波数）におけるＮＰＳ（ｆ）、すなわち、ＮＰＳ（０）を正確に評価するには、多数の画像を必要とすることがある。しかし、ＮＰＳ（０．５サイクル／ｍｍ）はフラットフィールド画像のわずか１０枚のフレームにより高い信頼度で計測できることが分かっている。定義からＭＴＦ（０）＝１であり、また０．５サイクル／ｍｍなどの低周波数では一般にＭＴＦ（ｆ）が時間の経過に伴って劣化することがないため、（式４）のＮＮＰＳ（ｆ）は、ＮＮＰＳ（ｆ）≒ＮＰＳ（ｆ）／ＮＰＳ（０．５）で近似することができ、さらに（式４）を次のように変更することができる。
【００２９】
【数３】

（ｆ≧０．５サイクル／ｍｍ） （式６）
【００３０】
ＮＰＳ（０．５）計測の任意の不確実性を減少させるために、ＮＰＳ（０．５）の評価の前に、データ組全体に対して計測ノイズを最小化するような曲線当てはめを使用することができる。ＮＮＰＳ（ｆ）を取得するための別の方法は、ＮＰＳ（ｆ）をＮＰＳ（ｆ）の取得に使用したフラットフィールド画像の平均信号で割り算することである。検出器劣化及び起こりうる現地交換は、（式６）に示す比を時間の関数として監視することにより決定することができる。このためには、最初のシステム据え付けの際に計測したときに図２のコンピュータ７５がＭＴＦ₁（ｆ）及びＮＮＰＳ₁（ｆ）の各関数を保存しておくことが必要である。ＭＴＦ₂（ｆ）及びＮＮＰＳ₂（ｆ）を時間を追って計測するために、コンピュータ７５は、１．０、１．５、２．０、２．５、あるいはこれより大きなサイクル／ｍｍなどの各周波数においてＤＱＥの変化を直接計算することができる。
【００３１】
オペレータまたはフィールド・エンジニアに通常でない状況の警告を表示するため、Ｘ線システムはある種のタイプの警告灯またはベルを有することが好ましい。この方式では、ＤＱＥが仕様限界未満まで低下した場合に、オペレータまたはエンジニアに対してＸ線検出器のメンテナンス及び／または交換が必要かもしれないことを示すための警告を発生させ表示させることができる。
【００３２】
本発明は、標準的でないＸ線計測を全く必要とせずにＤＱＥの相対的変化を計測し追跡するためのプロセスを提供している。ＤＱＥの変化は、計測したＭＴＦ及びＮＰＳの関数を近似的に正規化することにより直接得られる。Ｘ線照射の計測は不要である。
【００３３】
ＤＱＥデータの別の使用法は、検出器の性能を監視するために遠隔アクセスして使用することができるトレンド図を作成することである。
【００３４】
本発明について一つまたは複数の実施形態に関連して記載してきたが、記載した具体的な機構及び技法は本発明の原理の単なる例示に過ぎないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲で規定している本発明の精神及び趣旨を逸脱することなく、記載した方法及び装置に多くの修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を利用できるＸ線イメージング・システムの概要図である。
【図２】 本発明で必要となる量の一つであるＮＰＳを計測するためのシステムの概要図である。
【符号の説明】
１４ Ｘ線装置
１５ Ｘ線管
１６ 電源
１７ Ｘ線ビーム
２０ 寝台
２２ Ｘ線検出器
２４ Ｘ線イメージャ
２６ 冷却機構
２８ 画像処理装置
３０ 画像記憶デバイス
３２ ビデオ・モニタ
３６ システム制御装置
３８ オペレータ・インタフェース・パネル
５０ 均一Ｘ線吸収フィルタ
５５ コリメータ
６０ Ｘ線管
６５ 高電圧発生装置
７０ 画像検出器
７５ コンピュータ

Claims (9)

1. Ｘ線システム内のＸ線検出器の量子検出効率（ＤＱＥ）の変化を決定するための方法であって、
   画質用ファントームを用いてＸ線検出器の変調伝達関数（ＭＴＦ）を決定するステップと、
   フラットフィールド画像を用いてＸ線検出器のノイズ・パワースペクトル（ＮＰＳ）を決定するステップと、
   正規化したノイズ・パワースペクトル（ＮＮＰＳ）を計算するステップと
   比の値（ＭＴＦ）２／ＮＮＰＳを計算するステップと、
   前記比を時間の関数として監視するステップと、
   を含む方法。
2. 前記Ｘ線検出器の較正を行うステップを更に含み、
   ＮＮＰＳを計算する前記ステップが前記較正を実行している時点で実行されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記Ｘ線システムがＸ線源と、前記Ｘ線源と前記Ｘ線検出器の間に配置されたコリメータと、コンピュータを有すると共に、ＮＰＳを決定する前記ステップは、均一なＸ線吸収フィルタを前記コリメータと前記Ｘ線検出器の間に配置させ、かつＸ線検出器が収集した画像をＮＰＳを決定するためのコンピュータに転送することにより実行されている、請求項１に記載の方法。
4. 前記監視のステップが次式、
   【数１】
   により実行されており、
   ここで、ＤＱＥ_１（ｆ）とＤＱＥ_２（ｆ）は、空間周波数「ｆ」の関数となる、二つの異なる時点で計測された量子検出効率であり、
   ＭＴＦ_１（ｆ）とＭＴＦ_２（ｆ）は、空間周波数「ｆ」の関数となる、前記二つの異なる時点での変調伝達関数であり、
   ＮＮＰＳ_１（ｆ）とＮＮＰＳ_２（ｆ）は、空間周波数「ｆ」の関数となる、前記二つの異なる時点での正規化ノイズ・パワースペクトルである、
   請求項１に記載の方法。
5. ＮＮＰＳ（ｆ）が、ＮＰＳ（ｆ）をＮＰＳ（ｆ）の取得に使用したフラットフィールド画像内の平均信号で割り算することにより決定されている、請求項４に記載の方法。
6. 前記比をコンピュータにより時間の関数として監視している、請求項１に記載の方法。
7. 最初のシステム据え付け時にＭＴＦ及びＮＰＳの第１の読み取りを実施している、請求項６に記載の方法。
8. 前記比の時間の関数としての監視により生成させたＤＱＥデータを用いてトレンド図を作成するステップをさらに含む請求項４に記載の方法。
9. 前記比の時間の関数としての監視により生成させたＤＱＥデータに遠隔アクセスするステップをさらに含む請求項４に記載の方法。

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