JP4717393B2 - 対象物の構造データの取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の構造データの取得装置に関し、更に詳しく言うならば、測定軌道に沿って対象物の周りを移動可能な放射線源と、放射線源に対して対象物の反対側に配置され、放射線源の移動に従って移動可能であり、並置された複数の検出器範囲を有し、対象物の投影データを発生する検出器と、検出器によって取得された投影データから対象物の構造データを算出する評価ユニットとを備えた対象物の構造データの取得装置に関する。

この種の装置はコンピュータ断層撮影装置として一般に知られている。種々の装置および方法に関する概要は刊行物において明らかにされている（例えば、非特許文献１参照）。公知の装置は、検査されるべき患者の周りを円形または螺旋状の焦点軌道に沿って移動させられる点状の放射線源を有する。ほぼ点状の放射線源から出射するコーンビームは、患者を透過してＸ線源の移動に従って移動させられる平面状に広がっている検出器に入射し、検出器上には患者の内部構造に相当する投影像が投射される。検出器によって取得された投影データから患者内部の構造データを少なくとも近似的に求めることができる。

投影データを構造データへ変換するために種々の方法が開発されてきた。検査すべき対象物の周りにおける放射線源の円形の測定軌道の場合、構造データの算出のための近似解法、いわゆるフェルドカンプアルゴリズムがある。測定軌道がいわゆる完全な焦点軌道、例えば１つの円とこの円の平面上における垂直線、２つの直交する円、あるいは螺旋である場合には、正確な解法が存在する。しかしながら、投影データがコーンビームにより発生させられるために、構造データの再構成に使用されたアルゴリズムは複雑である。例えばＧｒａｎｇｅａｔ，Ｓｍｉｔｈ，Ｔａｍ，Ｄｅｆｒｉｓｅ，ＫｕｄｏおよびＫａｔｓｅｖｉｃｈによる公知のアルゴリズムは、検査すべき対象物の部分範囲を再構成する際に、極端に長い計算時間、数値的な不安定性および困難性に悩まされる。

更に、平面状に広げられたＸ線源を備えた装置が知られている（例えば、非特許文献２および非特許文献３参照）。このＸ線源は真空管を含み、この真空管内で電子ビームが薄いフィルムの形の透過ターゲットを走査する。透過ターゲット内で発生したＸ線は真空管の前に配置されたいわゆるコリメータを通して検出器へ向けられる。いわゆるコリメータは、Ｘ線を吸収する材料から形成されている全部で１００×１００個以上の孔を有する多孔コリメータである。孔の縦軸線はそれぞれ検出器に向けられている。更に、僅かの開き角度を有する多数のコーン状Ｘ線ビームを作成するために、孔は放射方向に向かって広がっている。それらのＸ線ビームの立体角はそれぞれ、検出器とＸ線源とが形成する立体角に相当する。

Ｘ線源の面状の広がりに比べて、公知の装置の検出器は僅かな面状の広がりしか持たない。検出器のピクセル数は相応に少ない。検出器は４８×４８個のピクセルしか有していない。

電子ビームが透過ターゲットを走査する間に、検出器はいわゆるコリメータの個々の孔を通して順次異なる方向からＸ線コーンビームを照射される。従って、Ｘ線源と検出器との間にある対象物も順次異なる方向から透過される。検出器で取得された投影画像から、断層合成法により対象物の種々のスライスにおける構造データを求めることができる。しかしながら、これは、非常に制限された深さ分解能を有する近似解法である。なぜならば、検査すべき対象物が小さな角度範囲からしか走査されないからである。従って、公知の装置は確かに蛍光透視法および心臓病には使用できるが、しかし３次元構造データの完全な再構成は可能でない。
刊行物「ＨＡＥＲＥＲ，Ｗｏｌｆｇａｎｇ ｕ．ａ．， "Ｒｅｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｖｅ Ｒｏｅｎｔｇｅｎｂｉｌｄｇｅｂｕｎｇ"，Ｐｈｙｓ．Ｂ１．，１９９９，Ｂａｎｄ．５５，ｐｐ．３７〜４２」 刊行物「ＳＯＬＯＭＯＮ，Ｅ．ｕ．ａ．，"Ｓｃａｎｎｉｎｇ−ｂｅｅｍ ｄｉｇｉｔａｌ ｘ−ｒａｙ（ＳＢＤＸ）ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃａｒｄｉｃ ａｎｇｉｏｇｒａｐｈｙ"，Ｐｒｏｃ．Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｆｂｒｕａｒ １９９９」 刊行物「ＳＯＬＯＭＯＮ，Ｅ．ｕ．ａ．，"Ｌｏｗ−ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ−ｂｅａｍ ｘ−ｒａｙ ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ ｓｙｓｔｅｍ"，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，１９９６，Ｂａｎｄ．２７０８，ｐｐ．１４０〜１４９

本発明の課題は、この従来技術を基にして、構造データを簡単に再構成できる構造データの取得装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、平面状放射線源は並置された複数の出射範囲を有し、この出射範囲の個数は前記検出器範囲の個数に等しく、前記出射範囲は平面形検出器に平行ビームジオメトリで放射線を投射し、評価ユニットは構造データを平行ビームアルゴリズムにより求める対象物の構造データの取得装置において、前記出射範囲は平面形検出器におけるそれぞれ１つの対応した検出器範囲に放射線を投射し、平面状放射線源のマトリックス駆動部と各個別検出器ピクセル（各検出器範囲）との間にフィードバックが存在することによって解決される。
なお、本発明の有利な実施態様は次の通りである。
・評価ユニットは、検査すべき対象物を通る種々のスライス平面に沿った一連の検出器範囲の評価をもとに、対象物の構造データを求める（請求項２）
・評価ユニットは、１つの面に並置された複数の検出器範囲の投影データの評価によって構造データをボリュームに関して求める（請求項３）。
・平面状放射線源は、Ｘ線発生装置と、放射線通路においてＸ線発生装置の後に配置されたコリメータとを有する（請求項４）。
・コリメータは、平行に向けられて並置された複数の孔を有するＸ線吸収材料体である（請求項５）。
・Ｘ線吸収材料は鉛またはタングステンである（請求項６）。
・コリメータはＸ線を単色化する（請求項７）。
・コリメータは複数の結晶から構成されている（請求項８）。
・コリメータは細管を束ねた光学系により形成されている（請求項９）。
・検出器の前に別のコリメータが配置されている（請求項１０）。
・装置は小動物用にセットされている(請求項１１)。
・装置は非破壊材料検査用にセットされている（請求項１２）。

本発明による装置は、放射線源が複数の並置された出射範囲を有し、これらの出射範囲が検出器におけるそれぞれ１つの対応した検出器範囲に放射線を投射することを特徴とする。更に、評価ユニットは、Ｘ線源と検出器との間の平行ビームを前提とするアルゴリズムにより投影データから構造データを求めるように構成されている。放射線源が複数の並置された出射範囲を有し、各出射範囲が検出器におけるそれぞれ１つの割り当てられた検出器範囲に放射線を投射するので、ビーム広がりの少ない複数の並置されたほぼ平行な放射線束が、大きな開き角度を持った従来技術から知られているコーンビームの代わりを引き受ける。この場合、用語「放射線束」は１点から出るコーンビームも含まれると解釈すべきである。

このビームジオメトリに基づいて、平行ビームジオメトリを前提とするアルゴリズムにより投影データを構造データに変換することができる。ビーム広がりの無視によって惹き起こされた誤差は一般に無視することができる。更に、平行ビームジオメトリに基づくアルゴリズムは少ない計算コストで実施可能であり、数値的な不安定性が生じることはほとんどない。

有利な実施態様において、構造データのための再構成法はフーリエスライス理論に基づいている。この再構成法は、一列の検出器範囲によって取得された投影データを評価することによって２次元で実施するか、全ての検出器範囲によって共通に取得された投影データを評価することによって３次元で実施することができる。この方法は、安定な数値的な解が存在するアルゴリズムを用いることができるという利点を有する。

他の有利な実施態様において、放射線源は、Ｘ線出射領域を備えこのＸ線出射領域の後で検出器へのＸ線通路にコリメータが配置されているＸ線源である。このような装置によって、ビーム広がりの少ないＸ線束が得られる。散乱放射の抑制ために、Ｘ線通路において検出器の前に別のコリメータを配置すると好ましい。

本発明の他の特徴および利点は図面を基づいて本発明の実施例を詳細に説明する以下の記載から明らかにする。
図１は平行ビームジオメトリを備えた断層撮影装置、
図２は投影データの構造データへの変換の具体例を示す。

図１は本発明による断層撮影装置１を示す。この断層撮影装置１はＸ線発生装置２を含み、このＸ線発生装置２の後にはコリメータ３が配置されている。Ｘ線発生装置２およびコリメータ３は放射線源４を構成し、放射線源４は並置された多数の出射範囲５を有し、多数の出射範囲５からは平行に向けられた多数の放射線束６が出射する。放射線束６は、例えば患者である対象物７を透過し、検出器９におけるそれぞれ割り当てられた多数の検出器範囲８に入射する。従って、検出器範囲８の個数は出射範囲５の個数に等しい。
放射線源４は測定軌道に沿って対象物７の周りを移動可能である。検出器９は放射線源４に対して対象物７の反対側に配置され、放射線源４の移動に従って移動可能である。

コリメータ３によって、個々の放射線束６はほぼ平行に向けられ、僅かなビーム広がりしか持たないようになる。従って、各検出器範囲８はほぼ対向する出射範囲５からのみ放射線を投射される。とりわけ、出射範囲５から出射した放射線束６の放射出力の７５％以上、好ましくは８０％以上、あるいは９５％以上が、それぞれ割り当てられた検出器範囲８に当たる。

対象物７での放射線束６の部分的吸収によって、検出器９は対象物７の内部構造の投影を取得する。放射線源４および検出器９が回転軸線１０を中心に対象物７の周りを揺動させられ、その際に繰り返して投影データが取得されるならば、この投影データから検査されるべき対象物７の内部構造を記述する構造データを算出することができる。

対象物７の構造データの再構成には、平行ビームジオメトリであるがゆえに、フーリエスライス理論を用いることができる。図２には、ほぼ平行な放射線束６により透視される対象物７が示されている。対象物７の構造は、ｘ軸１３およびｙ軸１４を有する位置座標系１２の位置座標に関係した構造関数によって記述される。注記するに、回転軸線１０の周りの回転は位置座標系１２のｚ軸の周りの回転に相当する。

２次元の検出器９によって取得された投影データは、与えられた回転角度θにおいて２つのパラメータｓ，ｔに関係した投影関数１５によって記述される。投影関数１５のフーリエ変換が、位置周波数座標系１７における平面１６に沿って対象物７を投影平面において記述する構造関数の２次元フーリエ変換の値を提供することが示されている。図２において、位置周波数座標系１７はｕ軸１８およびｖ軸２０で書き込まれている。回転軸線の方向に相当する方向を有する第３の軸は示されていない。

異なる角度θを有する多数の投影の撮影によって、異なる角度θのもとで位置周波数座標系１７の原点を通過する多数の平面１６に沿った構造関数のフーリエ変換の値を求めることができる。補間法によって、得られた値を直交座標系上に座標変換することができる。

構造データのための再構成法は２次元または３次元において実施することができる。

２次元での実施の場合、検出器９における検出器範囲８のそれぞれの列が評価される。その後、フーリエスライス理論に従って、構造データが対象物７を通る並んだスライス平面に沿って再構成される。これらのスライス平面における面垂線はそれぞれ回転軸線１０に対して平行に延びている。回転軸線１０に沿った分解能は走査によって定められる。

図２に基づいて説明した再構成法は３次元にも拡張することができる。例えば、２次元の投影画像のフーリエ変換は、位置周波数座標系１７の原点を通り角度θだけ傾斜した平面に沿った構造関数のフーリエ変換の値をもたらす。再補間および逆フーリエ変換によって、位置周波数座標系１７における値から位置座標系１２における構造関数が得られる。

放射線束６の僅かなビーム広がりのために、放射線束６の広がりによって惹き起こされた誤差は対象物７の再構成の際に無視することができる。更に、対象物７の再構成の際に使用された方法はコーンビームによる投影データから構造データを得る再構成法に比べて比較的簡単である。

放射線源４の構成には種々の可能性がある。Ｘ線発生装置２は、例えば電子線が薄い透過ターゲットを狙って投射されるような真空管から構成することができる。透過ターゲットの熱負荷は液体冷却によって制限される。

コリメータ３には特に平行孔コリメータが好適である。平行孔コリメータは、Ｘ線を吸収する材料を基に高い原子番号Ｚを有する材料から作られている。材料としては鉛ＰｂまたはタングステンＷが用いられる。コリメータ３は平行に延びる多数の孔が設けられている鉛ブロックによって形成されていると好ましい。

検出器９をコリメータ３に位置合わせするために、検出器は放射線源４に対する相対運動をすることができる。例えば、検出器を放射線源４に対してｄｘの第２の回転、ｄｙの第３の回転、そしてｄｘ＋ｄｙの第４の回転でずらすことができる。

コリメータ３として、例えば多数の結晶または他の単色化要素、例えば多層構造からなるモノクロメータも使用することができる。Ｘ線量およびそれにともなうＸ線強度を高めるために、細管を束ねた光学系（キャピラリ光学系とも呼ばれる）も考え得る。この種のＸ線光学系は当業者に知られており、これそのものは本発明の対象ではない。

更に、検出器３も同様に散乱放射を抑制するためにコリメータを備えていると好ましい。

対象物７における全ボリュームの照射によって、対象物７の構造の再構成に必要な投影データを従来技術におけるよりも高速で得ることができる。更に、改善された画質を期待することができる。何故ならば、対象物７の構造を、放射線束６の広がりによって惹き起こされた誤差は別として、正確に再構成することができるからである。更に、単色放射を使用することによって対象物７の内部の物質、とりわけその密度および原子番号を再構成することができる。従って、この断層撮影装置はとりわけ材料検査にも好適である。

本発明によるこのコンピュータ断層撮影システムによって、平面形検出器を備えた空間的および時間的に解像するコンピュータ断層撮影が可能になる。器官全体または身体領域をそのように時間的に解像してボリュームとして撮影することができる。同様に、平面形検出器の十分に大きな分解能の場合、コンピュータ断層撮影装置によりＸ線撮影または蛍光透視の投影検査を行なうことができる。

ファンビームジオメトリを備えたコンピュータ断層撮影に比べて直接の利点として次の事項がもたらされる。
ａ）ビームボリュームにおける制御可能な一次輪郭
ｂ）均一なスペクトルの源品質
ｃ）簡単なビームジオメトリ
ｄ）ＣＴ画像の簡単かつ高速の再構成

本発明の重要な措置は、平面平行に放射する平面形Ｘ線管を、コンピュータ断層撮影に適した平面形検出器と組み合わせて使用することにある。

平面形Ｘ線管および平面形検出器は対向位置するように取付けられる。それにより、動作中にそれらの間にある空間立方体が平面平行に投射される。平面形検出器は検査対象物を通る平行ビーム通路に沿った吸収を測定する。残りの構成は、回転ガントリを備えた在来のコンピュータ断層撮影システムに相当する。

この測定装置は次の利点を有する。
ａ）平行平面放射を有する駆動可能な平面形Ｘ線管の使用は、各検出器ピクセルもしくは検出器範囲８に１つまでの僅かな管マトリックスエレメントもしくは出射範囲５しか割り当てられないことを可能にする。それにより、動的なコンピュータ断層撮影測定中における各個別検出器ピクセルの信号品質を設定することができる。放射線源４のマトリックス駆動部と平面形検出器ピクセルとの間におけるこのフィードバックは、本発明によるコンピュータ断層撮影システムの重要な構成部分である。
ｂ）ビームジオメトリは平面平行であり、それによりファンビームの異方性ボクセル走査を回避する。コリメータの焦点への方向調整は正確な平行配置によって行なうことができることから、散乱放射を簡単に制限することができる。
ｃ）コーンビームは修正をもはや必要とせず、その代わりに簡単な逆投影で十分であることから、再構成は著しく簡単である。
ｄ）平面状放射線源４の個々のエレメントはヒール効果なしに駆動することができる。なぜならば個々の放射立体角は非常に小さく、動作原理は回転する陽極板に基づかなくてもよいからである。

ヒール効果とは、Ｘ線管において陽極板から走る平面Ｘ線ビームがビーム量に応じて多量に陽極材料を通過することである。それによって、Ｘ線ビームは激しく弱められ硬化されるので、放射角に依存したスペクトル組成が生じる。これは、検出器のスペクトルの線形性もしくは再構成におけるスペクトルの修正を確実に要求される。同時にファンビームに関する１次線量も変動し、それにより場合によっては全体的に必要な線量を一層高める。

断層撮影装置１はとりわけ小動物の画像形成に好適である。なぜならば、この場合には放射線束６を照射すべきボリュームが僅かですみ、必要なビーム出力が僅かでよいからである。

平行ビームジオメトリを備えた断層撮影装置を示す概略図 投影データの構造データへの変換の具体例の説明図

符号の説明

１ 断層撮影装置
２ Ｘ線発生装置
３ コリメータ
４ 放射線源
５ 出射範囲
６ 放射線束
７ 対象物
８ 検出器範囲
９ 検出器
１０ 回転軸線
１１ 評価ユニット
１２ 位置座標系
１３ ｘ軸
１４ ｙ軸
１５ 投影関数
１６ 平面
１７ 位置周波数座標系
１８ ｕ軸
１９ ｖ軸

Claims (12)

1. 測定軌道に沿って対象物（７）の周りを移動可能な平面状放射線源（４）と、平面状放射線源（４）に対して対象物（７）の反対側に配置され、平面状放射線源（４）の移動に従って移動可能であり、並置された複数の検出器範囲（８）を有し、対象物（７）の投影データを発生する平面形検出器（９）と、平面形検出器（９）によって取得された投影データから対象物（７）の構造データを算出する評価ユニット（１１）とを備え、
   平面状放射線源（４）は並置された複数の出射範囲（５）を有し、この出射範囲（５）の個数は前記検出器範囲（８）の個数に等しく、前記出射範囲（５）は平面形検出器（９）に平行ビームジオメトリで放射線を投射し、評価ユニット（１１）は構造データを平行ビームアルゴリズムにより求める対象物の構造データの取得装置において、
   前記出射範囲（５）は平面形検出器（９）におけるそれぞれ１つの対応した検出器範囲（８）に放射線を投射し、
   平面状放射線源（４）のマトリックス駆動部と各個別検出器ピクセルとの間にフィードバックが存在する
   ことを特徴とする対象物の構造データの取得装置。
2. 評価ユニット（１１）は、検査すべき対象物（７）を通る種々のスライス平面に沿った一連の検出器範囲（８）の評価をもとに、対象物（７）の構造データを求めることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 評価ユニット（１１）は、１つの面に並置された複数の検出器範囲（８）の投影データの評価によって構造データをボリュームに関して求めることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 平面状放射線源（４）は、Ｘ線発生装置（２）と、放射線通路においてＸ線発生装置（２）の後に配置されたコリメータ（３）とを有することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の装置。
5. コリメータ（３）は、平行に向けられて並置された複数の孔を有するＸ線吸収材料体であることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. Ｘ線吸収材料は鉛またはタングステンであることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. コリメータはＸ線を単色化することを特徴とする請求項４記載の装置。
8. コリメータ（３）は複数の結晶から構成されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. コリメータ（３）は細管を束ねた光学系により形成されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
10. 検出器の前に別のコリメータが配置されていることを特徴とする請求項４乃至９の１つに記載の装置。
11. 装置は小動物用にセットされていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置。
12. 装置は非破壊材料検査用にセットされていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置。

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