JP4717993B2 - Ｘ線イメージング・システムにおいて検出器アレイをスキャンするための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の分野は、検出器のアレイ（配列）を用いて画像を作成するＸ線イメージング・システムである。
【０００２】
【発明の背景】
従来の透視システムは、患者などの被検体を透過させてＸ線ビームを投射するＸ線源を含んでいる。このＸ線をイメージ・インテンシファイアにより可視光の画像に変換し、この画像をモニタ上に表示させるためにビデオ・カメラを用いてアナログ・ビデオ信号を発生させている。
【０００３】
最近では、２次元アレイの形に配列された数千個の光検出器素子を含む高分解能の半導体Ｘ線検出器が開発されている。各検出器素子は、検出器が投射したＸ線画像内の各画素の輝度に対応する電気信号を発生する。各検出器素子からの信号は個々に読み出されて、さらに画像の処理、格納（記憶）及び表示のためにディジタル化される。こうしたシステムは、例えば、米国特許第４，９９６，４１３号、同第５，３５２，８８４号、並びに同第５，４０１，６６８号に記載されている。
【０００４】
図１に示すように、検出器アレイは、垂直方向の列と水平方向の行とを構成する検出器素子の２次元アレイの形に配列されている。検出器素子の各列はそれぞれ１つの前置増幅器に接続され、また検出器素子の各行はそれぞれ行ゲート制御回路からの１つの制御線に接続されている。この検出器信号に対するスキャンは、行ゲート制御線を順次イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）にすることによって同時に１つの行に対して実施する。
【０００５】
図２に示すように、この従来技術によるスキャン技法の結果、検出器信号は、大きさが等しく且つ検出器素子の１つの水平線として形成される検出器領域から読み出されることになる。この従来技術の技法によれば検出器アレイ及び付属回路の構成を簡略化できるが、この線形状領域では極めて制約を伴うと共に、画像を作成しようとする対象物とは何の関係も持たせることができない。
【０００６】
従来の検出器アレイの別の特徴は、これらのアレイが単一で、固定した画像分解能を有することである。各検出器素子から別々に信号が読み取られるため、その画像分解能は検出器素子の大きさ及びその間隔により決定される。検出器アレイ内の行及び列の数は、通常経済的考慮により制限を受ける。したがって、その画像分解能は、通常、コストの要因や検出器アレイの指定された全体の大きさによって決定される。
【０００７】
従来の検出器アレイの別の特徴は、その検出器素子が同じ速度でスキャンされることである。すなわち、表示されている画像をリフレッシュさせるために検出器信号をスキャンする場合、検出器素子のすべてがスキャンされ、それらの信号が次の画像フレームを作成するために用いられる。検出器素子は入射するＸ線の強度に比例する電荷を蓄積するので、患者の範囲外の領域にある検出器素子は急速に飽和し、また患者の範囲内の領域にある検出器素子はＸ線減衰量に依存するより遅い速度で電荷蓄積が進むことになる。Ｘ線量並びに検出器アレイをスキャンする時間間隔は、臨床上関心のある領域に位置する検出器に十分な電荷が蓄積するように設定される。このことは、画像の信号対雑音比を臨床上受容可能なレベルに維持するために必要である。一方、患者の範囲外に位置する検出器素子は減衰を受けていないＸ線を受け取り、飽和状態になる、すなわち過大な電荷蓄積を生じる可能性がある。検出器アレイをスキャンする速度は単一の値にしか設定できないため、この値は画像内のすべての位置で飽和を回避するという要件を満たすようにするのが普通である。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、複数の領域に区分けした検出器素子アレイを有するＸ線検出器であって、各領域が複数の行及び複数の列の形に配列された複数の検出器素子を含み、１つの領域内の検出器素子のすべてが共通のデータ線に接続され、かつ１つの領域内の各検出器素子は複数の制御線のうちの別々の１つに接続されるようにした改良型のＸ線検出器である。これらの制御線の各々はスキャン・シーケンサにより駆動され、このスキャン・シーケンサはＸ線検出器を様々な異なる方式でスキャンするように動作させることができる。検出器アレイは、各領域において異なるスキャン速度が可能となるように、各領域において異なる分解能が可能となるように、並びに不要なデータの作成を低減するようにスキャンすることができる。
【０００９】
【発明の全般的な説明】
本発明の一面では、検出器アレイを一度に１行ずつ読み出している従来技術のスキャン方法には臨床的な妥当性や利益がないという認識である。行単位スキャンに関して取り上げることができることは、こうしたスキャンを実行するために必要な回路は最も複雑にならずに済むということだけである。検出器アレイを検出器素子のサブアレイから構成される領域に区分けすることにより、さらに有用で汎用性のあるシステムを提供できるということが本発明の認識である。こうしたＸ線検出器の１つを、例として図３に示してある。図３では３６×３６素子の検出器アレイ１００が３６個の領域１０２に区分けされている。各領域１０２は、参照番号１０４に示すように、３６個の検出器素子を６行×６列に配列したサブアレイである。各領域１０２内のすべての検出器素子は共通のデータ線１０５を介して３６個の前置増幅器１０６のうちの１つに接続されており、１つの領域１０２内にある３６個の検出器素子の各々はスキャン・シーケンサ１１０により駆動されてる３６本の制御線１０８のうちの個別の１つに接続されている。各領域１０２は、１本のデータ線１０５及び１つの前置増幅器１０６が関連付けられており、３６本の制御線１０８の各々は３６個の領域１０２の各々にある同じ対応をもった検出器素子に関連付けられている。
【００１０】
検出器アレイ１００は、多くの異なる方法でスキャンすることができる。使用する具体的なスキャン方法は、スキャン・シーケンサ１１０の操作により決定される。例えば、シーケンサ１１０により３６本の制御線１０８を順次イネーブルにするような高分解能モードで、検出器アレイ１００をスキャンすることができる。この例では、各サブアレイ１０４内の１つの検出器素子は当該の素子の領域１０２に関連付けられた前置増幅器１０６に読み出される。スキャンの終了時点で、１枚の３６×３６ピクセル画像を作成することができる。
【００１１】
さらに、検出器アレイ１００はより低い空間分解能でより高速にスキャンすることができる。例えば、スキャン・シーケンサ１１０は、同時に４本の制御線を駆動し、各領域１０２から同時に４個の検出器素子を読み出させることができる。制御線１０８は、破線１１２で示す４素子の素子ブロックが各前置増幅器１０６に読み出されるように駆動することができる。このスキャンの終了時点では、１枚の１８×１８ピクセル画像を作成することができる。同様に、スキャン・シーケンサ１１０は、破線１１４で示す９素子の素子ブロックを読み出すように動作させることができる。このスキャンの終了時点では、１枚の１２×１２ピクセル画像を作成することができる。検出器アレイ１００が図３で示した数よりもさらに多くの検出器素子及びさらに多くの領域を有し得ることは、当業者であれば理解されよう。この例では、単に本発明をより明瞭に例示する目的から、そのサイズを制限したものである。
【００１２】
さらに、本発明では、検出器アレイ１００の異なる領域１０２に対して異なる読み出しをすることができる。例えば、領域１０２のうちの幾つかは低空間分解能モードでより頻繁に読み出す一方、別の領域１０２は高空間分解能モードでより低い回数読み出すことができる。この能力の応用の１つは、撮像している患者の範囲内にある領域１０２と、背景に相当する領域とを区別することである。背景の領域１０２は低分解能モードでスキャンし、患者の領域１０２はこれより高い分解能でスキャンする。これにより、多くの恩恵が得られる。患者の領域１０２は、その領域内の各検出器素子上に電荷を蓄積させるためにより長い時間が与えられるように、より低速で読み取られる。これにより、画像のうちの臨床上重要な領域においてより高いＳＮＲを達成できる。一方、背景の領域１０２は、この領域に対する検出器素子上の電荷による検出器及び前置増幅器の飽和を防ぐために、より速い速度で読み取られる。さらに、低分解能の背景データはよい速い速度で得られるため、このデータのうちの多くは無視あるいは廃棄されることがある。これにより、Ｘ線システムにかかる処理負荷を有意に減少させると共に、プロセッサに制約される(processor-bound) システムに対する時間分解能を全体として高めることができる。
【００１３】
本発明の別の面は、画像の異なる領域からのＸ線照射量を計測できることである。この計測の分解能は、単一検出器素子の分解能から、領域１０２全体の分解能までの範囲にある。予備スキャンにより、異なる位置において照射量を計測し、さらに、この計測値に基づいて領域１０２の各々に対する最良の空間／コントラスト分解能を決定し、これを用いてスキャン・シーケンサ１１０をプログラムすることができる。患者に対するこうした予備スキャンを用いて臨床関心領域（例えば、具体的な臓器など）を特定し、これに対応する領域１０２に対する分解能／コントラストを最適化することができる。次いで、プログラムしたスキャン・シーケンサ１１０により、臨床上関心のある領域に対して高分解能で高ＳＮＲの画像を提供するように最適化した画像スキャンを、検出器アレイ１００に対して実行する。
【００１４】
本発明のさらに別の面は、イメージング・システムのコストを軽減できることである。ある領域を高分解能のイメージングに構成しかつ他の領域を低分解能イメージングに構成することにより、利用可能な電子的ハードウェアをより効率的に使用することができる。これにより、所与の一組の画質仕様に対して使用すべき電子的ハードウェアの量を減らすことができる。さらに、画像再構成ハードウェア及び処理能力を対応して小さくすることにより、背景領域などの領域からの過剰なデータの収集を減少させることができる。
【００１５】
【好ましい実施形態の説明】
先ず図４を参照すると、Ｘ線装置１４は電源１６により付勢されたときに、Ｘ線ビーム１７を放出するＸ線管１５を含む。図示したように、Ｘ線ビームはＸ線を透過するテーブル２０の上に横たえられた患者１８の方向に導かれる。ビームのうちテーブルと患者を透過する部分はＸ線検出器アセンブリ２２上に入射する。このＸ線検出器アセンブリ２２は、Ｘ線量子（フォトン）を可視光スペクトルのより低エネルギーの光量子に変換するシンチレータ２４を含んでいる。このシンチレータ２４に隣接して画像光検出器アレイ２６があり、これにより光量子を電気信号に変換させる。より詳細には以下で説明するが、検出器制御装置２７は、画像を取得し光検出器素子の各々から信号を読み出すように検出器アレイ２６を動作させるための電子回路を含んでいる。
【００１６】
画像光検出器アレイ２６からの出力信号は、Ｘ線画像信号の収集、処理及び強調のための回路を含んでいる画像処理プロセッサ２８に結合されている。処理された画像はビデオ・モニタ３２上に表示されると共に、画像記憶デバイス３０内に格納することができる。Ｘ線装置１４の全体の動作は、オペレータ・インタフェース・パネル３８を介してユーザからのコマンドを受け取るシステム制御装置３６により統括されている。
【００１７】
画像光検出器アレイ２６は、ガラス基板上のアモルファス・シリコン・デバイスで構成されている。画像光検出器アレイは、米国特許第５，０４１，８８８号、同第５，３５２，８８４号及び同第５，４０１，６６８号に開示されている技法などよく知られた技法を用いて製作される。本発明を実現させるための個別の検出器素子は、従来のシステムで行われているような行と列の構成で相互接続されていない。検出器素子は、行と列の構成ではなく、図３に示すように、領域１０２を形成するように相互接続されている。好ましい実施形態では、光検出器アレイ２６は、４０９６個の領域１０２に区分けされた、２０４８×２０４８個の検出器素子を有する。各領域１０２は、それぞれ１つの領域前置増幅器１０６に接続された３２×３２個の検出器素子を有する。各検出器素子は、２００×２００マイクロメートルの大きさを有する。
【００１８】
具体的に、領域１０２のうちの１つを概略図示した図５を参照すると、検出器素子１５０は、物理的に列と行からなるアレイの形で配列されている。データ線１５２が領域１０２内の各検出器素子１５０に接続されていて、検出器素子からのデータ信号を領域前置増幅器１０６の入力に結合させる。前置増幅器１０６は、このデータ信号を、アナログ対ディジタル変換器（図示せず）に対して印加するのに適当なレベルまで増幅する。
【００１９】
さらに、各領域１０２内の検出器素子１５０は、それぞれ制御線バス内の１本の個別の制御線１０８に接続されている。制御線１０８はスキャン・シーケンサ１１０により駆動され、スキャン・シーケンサ１１０は、実施中の指定されたスキャンにより決定されるパターンで検出器素子１５０からの信号をゲート制御するようにプログラムされている。ゲート制御された検出器素子信号は、データ線１５２を介して領域前置増幅器１０６に伝達される。より詳細には以下に記載するが、１つのブロックの検出器素子１５０を同時にゲート駆動すことが出来る。
この例では、それらの信号はデータ線１５２上で合成される。
【００２０】
検出器アレイ２６内の残りの領域１０２も、制御線バス１０８に対するのと同じ方式で接続される。しかし、各領域１０２は独自の前置増幅器１０６を有している。このため、各領域１０２内の対応する検出器素子１５０は、スキャン・シーケンサ１１０により同一の時点でゲート制御を受けているが、その信号は別々の対応する領域前置増幅器１０６により捕捉される。
【００２１】
別にスキャン・シーケンサ回路を追加して検出器アレイ２６内の選択した領域１０２を様々な速度で読み出すことができることが理解されよう。例えば、検出器アレイ２６を、選択した領域１０２を読み出すために複数のスキャン・シーケンサを割り当てるように構成することができる。例えば、異なる領域１０２に割り当てられた２つのスキャン・シーケンサ１１０を電界効果トランジスタ・スイッチ（図示せず）に選択的に接続させ、次いでスキャン・シーケンサ１１０により、第１のセットの検出器素子（または複数の素子）からの信号を前置増幅器１０６に対してある速度で読み出すと共に、別のセットの検出器素子（または複数の素子）からの信号を前置増幅器１０６に対して全体として異なる速度で読み出す。さらに、特定のスキャン・シーケンサ及び領域１０２を違った構成にした別の回路配置も可能である。
【００２２】
スキャン・シーケンサ１１０は、検出器アレイ２６に対して広範で様々なスキャン、または読み出しを実行させるようにプログラムすることができる。高分解能スキャンでは、そのスキャン・シーケンサ１１０は、例えば、各検出器素子１５０を一度に１素子の割で順次ゲート制御するようにプログラムされている。したがって、各検出器素子１５０により、検出器素子１５０の間隔に対応した分解能を有する、再構成画像内の個別のピクセルに対する信号を提供することができる。
【００２３】
低分解能画像は、そのスキャン・シーケンサ１１０を検出器素子信号のブロックを読み出すようにプログラムすることにより得られる。例えば、４個の検出器素子１５０からなるブロックをデータ線１５２上に読み出し、画像分解能を半分に低下させることができる。しかし、この実行に要する読み出し動作回数は４分の１だけであり、この結果、スキャン速度を最大で４倍まで上昇させることができる。さらに、より大きなブロックで検出器素子１５０を読み出して分解能をさらに低下させ、スキャン速度を上昇させることもできる。応用例の幾つかでは、領域１０２内のすべての検出器素子１５０を単一のブロックとして読み出すことが望ましい場合さえある。例えば、較正スキャンの間に大きなブロックで検出器１５０を読み出し、画像平面の全体にわたって照射制御装置３４、または可変型照射制御装置を動作させ、これによりＸ線管線量率を調整することができる。
【００２４】
本発明が、異なる多くの方式で実施できると共に異なる多くの臨床応用で使用できることは明らかであろう。本発明は、その臨床関心領域が全体の画像撮影領域のうちの比較的小さな部分を占めるような臨床応用で特に有用である。こうした応用例としては、例えば、小児科画像、臓器及び手足の画像、頭部画像、心臓及び腫瘍画像などがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来技術によるＸ線検出器アレイの概要図である。
【図２】従来技術によるＸ線検出器によりスキャンされる線状セグメントを表した模式図である。
【図３】本発明によるＸ線検出器によりスキャンされる領域を表した模式図である。
【図４】本発明を利用するＸ線イメージング・システムの好ましい実施形態のブロック図である。
【図５】本発明を利用するＸ線検出器の好ましい実施形態の１つの領域の概略配線図である。
【符号の説明】
１４ Ｘ線装置
１５ Ｘ線管
１６ 電源
１７ Ｘ線ビーム
１８ 患者
２０ テーブル
２２ Ｘ線検出器アセンブリ
２４ シンチレータ
２６ 画像光検出器アレイ
２７ 検出器制御装置
２８ 画像処理プロセッサ
３０ 画像記憶デバイス
３２ ビデオ・モニタ
３４ 照射制御装置
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
１００ 検出器アレイ
１０２ 領域
１０４ サブアレイ
１０５ 共通のデータ線
１０６ 前置増幅器
１０８ 制御線
１１０ スキャン・シーケンサ
１５０ 検出器素子
１５２ データ線

Claims (8)

1. 複数の領域が複数の列及び複数の行を持つ２次元アレイの形に配列され、各領域には所定の複数の行及び所定の複数の列を成す１群の検出器素子が含まれている、複数の検出器素子と、
   前記複数の領域に対応した複数のデータ線であって、各データ線が対応する領域内の検出器素子の各々に接続されているデータ線と、
   １つの領域内の複数の検出器素子に対応する制御線を複数有する制御線バスであって、各制御線が前記複数の領域のうちの各領域内の対応する検出器素子に接続されている、制御線バスと、
   前記制御線バスに接続されると共に、スキャンの際に検出器素子からデータ信号を読み出すために前記制御線上にゲート制御信号を順次発生させるように動作する前記各領域に１つが対応するスキャン・シーケンサと、を備え、
   前記スキャン・シーケンサが、前記複数の領域の中の互いに異なる領域からのデータ信号を読み出すためのゲート制御信号を発生して、スキャンの際に、前記複数の領域のうちの１つの領域内にある検出器素子からのデータ信号が、前記複数の領域のうちの別の１つの領域内にある検出器素子から読み出されるデータ信号とは異なる速度で読み出されるように動作し、
   前記複数の領域の各領域に含まれるすべての検出器素子は、前記各領域に対応する共通のデータ線を介して前記各領域に対応する１つの前置増幅器に接続され、
   前記スキャン・シーケンサは、前記複数の領域の各領域内の前記１群の検出器素子を、同時にゲート駆動することが可能であり、前記１群の検出器素子からのデータ信号が前記共通のデータ線上で合成されるＸ線検出器。
2. 前記スキャン・シーケンサはスキャンの際に前記複数の領域のうちの１つの領域内にある各々の個別の検出器素子からデータ信号を順次読み出すためのゲート制御信号を発生させるように動作し、また前記スキャン・シーケンサはスキャンの際に前記複数の領域のうちの別の１つ領域内にある検出器素子のブロックからのデータ信号を順次読み出すためのゲート制御信号を発生させるように動作する請求項１に記載のＸ線検出器。
3. 前記複数の領域の各領域内の前記１群の検出器素子は、各領域に対応する１本の個別の制御線に接続される請求項１又は２に記載のＸ線検出器。
4. 予備スキャンにより計測された、各位置における計測値に基づいて前記複数の領域の各々に対する空間及びコントラスト分解能が決定し、前記複数の領域の各々に対する前記空間及びコントラスト分解能が前記スキャン・シーケンサにプログラムされる、請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線検出器。
5. Ｘ線ビームを放出するＸ線管と、
   請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線検出器と、
   前記検出器素子の各々から出力信号を読み出すように前記Ｘ線検出器を動作させる検出器制御装置と、
   前記出力信号を収集して画像を生成する画像処理プロセッサと、
   前記画像を表示するビデオ・モニタと、
   前記画像を格納する画像記憶デバイスと、
   オペレータ・インタフェース・パネルを介してユーザからのコマンドを受け取るシステム制御装置と、
   を含むＸ線イメージング・システム。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線検出器の２次元アレイの検出器素子をスキャンするための方法であって、
   ａ）複数の領域が複数の列及び複数の行を持つ２次元アレイの形に配列され、各領域には複数の行及び複数の列を成す１群の検出器素子が含まれており、
   ｂ）前記複数の領域の各々にある検出器素子から読み出したデータ信号を各領域に対応する増幅器に出力するステップと、
   ｃ）第１の空間分解能で増幅器にデータ信号を読み出すために、前記複数の領域のうちの選択された１つの領域内にある検出器素子に対するゲート制御信号を発生するステップと、ｄ）第２の空間分解能で増幅器にデータ信号を読み出すために、選択された別の１つの領域内にある検出器素子に対するゲート制御信号を発生するステップと、
   ｅ）データ信号から、異なる領域において異なる空間分解能を有する画像を作成するステップとを含む方法。
7. 前記ステップｃ）及びｄ）で発生する前記ゲート制御信号の各々が複数の領域に対して発生される請求項６に記載の方法。
8. ２次元アレイの検出器素子から読み出したデータ信号から画像を再構成するステップを含む請求項７に記載の方法。

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