JP4763655B2 - Ｘ線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線撮像装置に関し、特に宇宙線などの外来放射線成分を除去する技術に関する。

動物や人間などの被検体にＸ線を照射して透過したＸ線から得られる投影データに基づいて被検体のＸ線画像を形成するＸ線撮像装置が知られている。Ｘ線画像を利用することにより、被検体の体内の様子を視覚的に診断することができるため、例えば人間に対する医療の現場においてＸ線撮像装置は欠かせない存在となっている。また、人間以外の動物に関する治療や実験などにおいてもＸ線撮像装置の利用価値は極めて高い。

一般にＸ線撮像装置は、Ｘ線発生器から被検体に対してＸ線を照射して被検体を透過したＸ線をＸ線検出器で検出し、その検出結果に基づいてＸ線画像を形成する。従って、高画質で高品質なＸ線画像を形成するためには、被検体を透過したＸ線に含まれるノイズ成分を除去するなどの処理を施すことが望ましい。

Ｘ線撮像装置による撮像や放射線測定装置による測定における外来ノイズとして、宇宙線が知られている。宇宙線は、宇宙空間から不規則的に絶え間なく地球に飛び込み、大気中の原子と衝突してミューオンなどとして地表に飛来する。こうした宇宙線などの外来放射線がＸ線撮像装置による撮像や放射線測定装置による測定において悪影響を及ぼす場合がある。そのため、従来から、宇宙線による影響の度合いを知るための技術や宇宙線による影響を取り除くための技術がいくつか提案されている。

例えば、特許文献１には、撮像素子を利用して光を撮像して画像を形成し、さらに２枚の高エネルギー検出セルを利用して宇宙線の通過位置を検出し、撮像された画像と検出された宇宙線の通過位置を重ねて表示させることにより、画像中の宇宙線の通過位置における点が宇宙線によるものであることを認識させる技術が記載されている。

また、特許文献２には、バックグランドノイズとなる宇宙線成分を除去する体表面モニタが記載されており、特許文献３には、宇宙線および内部バックグランドに相当する検出パルスを除去して高精度の放射線検出を行う技術が記載されている。

特開平５−３１２９５５号公報 特開平１１−４４７６６号公報 特開平１１−３２６５２６号公報

本発明は、このような事情を背景として成されたものであり、その目的は、Ｘ線撮像装置の検出データに含まれる宇宙線などの外来放射線成分を除去する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様のＸ線撮像装置は、被検体に対してＸ線を照射するＸ線発生部と、Ｘ線を検出する複数の半導体素子からなる半導体素子アレイを備えたＸ線検出部と、Ｘ線の検出データに含まれる外来放射線成分を除去する外来成分除去部と、外来放射線成分を除去された検出データに基づいてＸ線画像データを形成する画像形成部と、を有し、前記外来成分除去部は、互いに異なる時刻に検出された複数の検出データを比較することにより、それら複数の検出データに外来放射線成分が含まれるか否かを判断することを特徴とする。

上記態様において、Ｘ線検出部は、例えば電荷蓄積方式の半導体Ｘ線検出器などであり、半導体素子により直接的にＸ線を検出するものが望ましい。つまり、シンチレータなどを介してＸ線を光に変換してＣＣＤなどで光を検出する間接的な検出器よりも、Ｘ線の照射によって結晶中に生じる電子などを直接的に検出する検出器が望ましい。例えば電荷蓄積方式の半導体Ｘ線検出器であれば、ＣＣＤなどで光を検出する間接的なタイプに比べて、およそ１０００倍程度の感度の向上が可能になる。但し、単にＸ線の検出感度を高めると、被検体を透過したＸ線の検出感度が高められるものの、宇宙線などの外来放射線に対する感度も高められ、外来放射線によるＸ線画像などへの影響が無視できなくなる。

そこで、上記態様においては、互いに異なる時刻に検出された複数の検出データを比較することにより、それら複数の検出データに外来放射線成分が含まれるか否かを判断し、必要に応じて外来放射線成分を除去する。そのため、外来放射線がＸ線画像に与える影響を軽減または防止することができる。なお、上記態様においては、Ｘ線画像データなどに及ぼす悪影響を無視できる程度に外来放射線成分が除去されればよい。もちろん、外来放射線成分が完全に除去されてもよい。また、上記態様においては、Ｘ線画像データを形成する前に、検出データに含まれる外来放射線成分を除去している。そのため、複雑な画像形成処理を経てＸ線画像データを形成した後に外来放射線成分を除去する方法に比べて、上記態様によれば外来放射線成分の検出処理や除去処理が容易になる。

望ましい態様において、前記Ｘ線発生部は、被検体に対する照射角度を徐々に変化させて複数の照射方向からＸ線を照射し、前記外来成分除去部は、各照射方向ごとに得られる検出データのうちの互いに近接する複数の照射方向に対応した複数の検出データを比較することにより、それら複数の検出データに外来放射線成分が含まれるか否かを判断することを特徴とする。

上記態様において、被検体に対する照射角度は、例えば被検体を中心とする円の円周に沿ってＸ線発生部を移動させることにより変化させることができる。なお、Ｘ線発生部を固定して被検体を回転させることにより照射角度を変化させてもよい。上記態様においては、複数の照射方向から得られる検出データに基づいて、例えば再構成演算処理などによりＸ線画像データが形成される。そして、Ｘ線画像データの形成に必要な複数の検出データを比較して外来放射線成分が含まれるか否かを判断する。そのため、Ｘ線画像データの形成に不要な検出データを取得する必要がなく、例えば異なる時刻に同じ検出データを二度取得して外来放射線成分が含まれる一方を削除する方法に比べ、上記態様では検出データの収集と利用が効率的である。

望ましい態様において、前記Ｘ線発生部は、被検体に向けてＸ線のファンビームを照射するＸ線発生器を備え、前記Ｘ線検出部の半導体素子アレイは、被検体を挟んでＸ線発生器に対向して配置されて被検体を透過するファンビームを検出し、前記Ｘ線発生器と半導体素子アレイは、互いの対向配置状態を維持しつつ被検体を中心とする円の円周に沿って回転され、被検体に対する照射角度を徐々に変化させて複数の照射方向からファンビームを照射して各照射方向ごとにファンビームを検出することを特徴とする。

上記態様において、ファンビームは、例えば、Ｘ線発生器を頂点とする角錐形状が望ましい。但しファンビームが円錐形状などであってもよい。また、半導体素子アレイは、ファンビームの底辺の全域を検出できることが望ましい。例えば、半導体素子アレイの検出面とファンビームの底辺は、ほぼ同じ大きさでほぼ同じ形状であることが望ましい。

望ましい態様において、前記外来成分除去部は、前記半導体素子アレイの各チャンネルごとに得られる検出データのうち、同一チャンネルの互いに隣接する複数の照射方向に対応した複数の検出データを比較することにより、そのチャンネルにおいて外来放射線成分が検出されたか否かを判断することを特徴とする。

望ましい態様において、前記外来成分除去部は、同一チャンネルの互いに隣接する複数の照射方向に対応した複数の検出データを比較し、それら複数の照射方向のうちの一つの照射方向にのみ特異的な検出データが存在する場合に、そのチャンネルにおいて外来放射線成分が検出されたと判断することを特徴とする。

本発明により、Ｘ線撮像装置の検出データに含まれる宇宙線などの外来放射線成分を除去することが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係るＸ線撮像装置の好適な実施形態が示されており、図１は、Ｘ線撮像装置の一例であるＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す機能ブロック図である。このＸ線ＣＴ装置は、例えばマウス、ラット、モルモット、ハムスターなどの小動物の被検体９０に関するＣＴ測定に適している。なお、被検体９０は、これら例示のものに限定されない。

Ｘ線発生器１０は、例えば容器などに収容された被検体９０に対してＸ線を照射する。つまり、Ｘ線発生器１０は、立体的な末広形状のファンビーム１２を照射する。ファンビーム１２は、角錐形状であることが望ましい。但しファンビーム１２が円錐形状などであってもよい。

Ｘ線検出器２０は、被検体９０を挟んでＸ線発生器１０に対向して配置され、被検体９０を透過するファンビーム（Ｘ線）１２を検出する。Ｘ線検出器２０は、電荷蓄積方式の半導体Ｘ線検出器であり、複数の半導体素子からなる半導体素子アレイ２２を備えている。そして、Ｘ線の照射によって各半導体素子の固体中に生じる電子などを計測することによりＸ線が直接的に（Ｘ線を光などに変換することなく）検出される。

半導体素子アレイ２２を構成する複数の半導体素子は二次元的に配列される。例えば、図のＸ軸方向に沿って直線状に２０００個の半導体素子が並べられ、図のＹ軸方向に沿って直線状に６０個の半導体素子が並べられ、合計１２００００個の半導体素子により平板状の検出面を備えた半導体素子アレイ２２が形成される。なお、半導体素子の上記素子数はあくまでも一例であり、本発明はこの素子数に限定されない。また、半導体素子アレイ２２の検出面の大きさは、例えば小動物の被検体９０を対象とする場合には、Ｘ軸方向に沿って３０ｃｍ程度でありＹ軸方向に沿って６ｍｍ程度である。半導体素子アレイ２２の素子数や大きさは、測定対象となる被検体９０の大きさなどに応じて決定されてもよい。

Ｘ線検出器２０によるＸ線の検出データ、つまり被検体９０を透過するファンビーム１２から得られる投影データは、半導体素子アレイ２２の各チャンネルごとに得られる。例えば、各半導体素子を１チャンネルとして、半導体素子アレイ２２の全体で１２００００チャンネルの投影データがＸ線検出器２０から出力される。なお、いくつかの半導体素子により１つのチャンネルを形成してもよい。

また、半導体素子アレイ２２は、ファンビーム１２の底辺の全域を検出できることが望ましい。そのため、半導体素子アレイ２２の検出面とファンビーム１２の底辺は、ほぼ同じ大きさでほぼ同じ形状であることが望ましい。半導体素子アレイ２２の検出面は、例えば平板状に形成されるが、後に説明する回転方向に沿って円弧状に反った形状であってもよい。

Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０は、回転ベース７２に搭載されており、互いの対向配置状態を維持しつつ被検体９０を中心とする円の円周に沿って回転される。回転ベース７２は回転機構７０によって回転される。なお、被検体９０は回転されない。スライド機構８０は、回転ベース７２の回転中心軸方向に沿って、被検体９０をスライド移動させる。例えば被検体９０がテーブルに載せられ、そのテーブルがスライド機構８０により図のＹ軸方向に沿って直線的に移動される。

被検体９０のＸ線ＣＴ画像を形成する際には、まず、スライド機構８０によって被検体９０がＹ軸方向の所定位置に移動され、移動された被検体９０を中心としてＸ線発生器１０とＸ線検出器２０が一回転される。その回転により、Ｘ線発生器１０が、被検体９０に対するファンビーム１２の照射角度を徐々に変化させて複数の照射方向からファンビーム１２を照射し、Ｘ線検出器２０が各照射方向ごとにファンビーム１２を検出する。検出された投影データは、各照射方向ごとに且つ各チャンネルごとにＸ線検出器２０から出力される。

Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０を一回転させることにより得られる投影データに基づいて被検体９０のＸ線断層画像が形成される。半導体素子アレイ２２がＹ軸方向に６０個（６０チャンネル分）の素子を備えていれば、Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０を一回転させることにより６０枚のＸ線断層画像を形成することができる。

Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０が一回転され、Ｘ線断層画像の形成に必要な投影データが収集されると、スライド機構８０によって被検体９０がＹ軸方向に沿って移動され、さらに、その移動された位置においてＸ線発生器１０とＸ線検出器２０が一回転されて投影データが収集される。なお、Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０は、Ｙ軸上のある位置において一方向に３６０°回転されて投影データを収集し、次のＹ軸上の位置において逆方向に３６０°回転されて投影データを収集する。もちろん、Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０が、常に一定の方向に回転される構成でもよい。

こうして、スライド機構８０によって被検体９０をＹ軸方向に沿って移動させてＹ軸上の各位置において投影データを収集することにより、被検体９０の全体に亘って投影データが収集され、被検体９０の全体に関するＸ線断層画像を形成することができる。もちろんＹ軸上の必要な位置におけるＸ線断層画像のみを形成するようにしてもよい。

Ｘ線検出器２０において各照射方向ごとに且つ各チャンネルごとに得られた投影データは、宇宙線成分除去部３０へ出力される。宇宙線成分除去部３０は、これら複数の投影データに含まれる宇宙線成分を検出して補正することにより、複数の投影データに含まれる宇宙線成分を除去する。その検出処理と補正処理については後に詳述する。

画像形成部４０は、宇宙線成分が除去された複数の投影データに基づいてＸ線画像データを形成する。画像形成部４０は、各照射方向ごとに且つ各チャンネルごとに得られた複数の投影データに基づいて、再構成演算処理を行うことによりＣＴ画像データ（断層画像データ）を構成する。再構成演算については公知の各種の手法を利用することが可能である。また、画像形成部４０は、構成された断層画像データを利用して被検体９０に関する診断パラメータなどを算出してもよい。こうして、画像形成部４０において被検体９０の断層画像データが形成されると、その断層画像データに対応した断層画像が表示部５０に表示される。

図１に示すＸ線ＣＴ装置の各構成（各機能ブロック）は、制御部６０によって集中的に制御される。なお、図１に示す構成のうちの一部がコンピュータなどによって実現されてもよい。例えば、宇宙線成分除去部３０と画像形成部４０と表示部５０がコンピュータによって実現され、Ｘ線発生器１０とＸ線検出器２０などを備えた測定ユニットとそのコンピュータが接続されて、図１のＸ線ＣＴ装置が実現されてもよい。ちなみに、コンピュータによって宇宙線成分除去部３０の機能を実現する場合には、その機能に適したプログラム（例えば後に図２〜図４を利用して説明するミューオンの除去処理手順を記述したプログラム）によってコンピュータを動作させ、コンピュータを宇宙線成分除去部３０として機能させればよい。

次に、宇宙線成分除去部３０における宇宙線成分の除去処理について説明する。宇宙線成分とは、例えばミューオンによる成分である。ミューオンは、例えば数分から数十分に１度程度の頻度でＸ線検出器２０に飛来する。ミューオンは比較的高エネルギーであるため、ミューオンが電荷蓄積方式のＸ線検出器２０に入射すると、それを検出した半導体素子の投影データは特異的な値となる。例えばＸ線発生器１０から照射されて被検体９０を透過したＸ線の投影データの値に対して、ミューオンを検出した際の投影データの値は、数十倍から数百倍程度の大きな値となる。宇宙線成分除去部３０は、ミューオンによる特異的な投影データを検出してそれを補正する。

図２は、宇宙線成分除去部（図１の符号３０）における除去処理を説明するための図である。先に説明したように、各照射方向ごとに且つ各チャンネルごとに得られた投影データが宇宙線成分除去部へ出力される。図２（Ａ）には、同一チャンネルの互いに隣接する３つの照射方向に対応した３つの投影データが示されている。

図２を利用して説明する除去処理においては、照射方向に関する投影データのサンプリングインターバルを１／２として、各照射方向ごとに２つの投影サンプリングデータが取得される。図２（Ｂ）は、各照射方向ごとに２つの投影サンプリングデータが得られる様子を示している。つまり、ある照射方向の投影データＤ_ijkに対応して、２つの投影サンプリングデータＤ_ij2kとＤ_ij2k+1が得られる。ここで、ｉは半導体素子の行番号でありｊは半導体素子の列番号である。ｉとｊにより半導体素子アレイの各半導体素子（各チャンネル）が特定される。また、ｋはデータ番号でありそのデータの投影角度（サンプリング角度）に対応する。

まず、ミューオンに対応した特異的な投影データを検出するために、隣接する複数の投影サンプリングデータに基づいて、次式のＤ_diffijkが算出される。

さらに、サンプリングインターバルと平均値Ｄ_avijkに基づいて次式のＴＳＤが算出される。

そして、次式を満足する場合にミューオンが検出されたと判断する。

数３式において、Ｌ，Ｋの値は予め設定された値であり、例えばＬ＝１０，Ｋ＝４に設定される。Ｌ，Ｋの値を変更してミューオンの検出感度を適宜調整してもよい。

数３式を満足する場合にはミューオンが検出されたと判断される。つまり、ある投影データＤ_ijkに対応して得られた２つの投影サンプリングデータＤ_ij2kとＤ_ij2k+1のうちの大きい方の値であるＤ_maxijkがミューオンに対応したデータであると判断される。そして、投影データＤ_ijkとして、Ｄ_ij2kとＤ_ij2k+1のうちの小さい方の値であるＤ_minijkが採用される。一方、数３式を満足しない場合にはミューオンが検出されていないと判断され、投影データＤ_ijkとして、例えばＤ_ij2kとＤ_ij2k+1の平均値が採用される。

図３は、投影サンプリングデータを説明するための図である。図３（Ａ）は、ミューオンが含まれる投影サンプリングデータを示す図である。本実施形態においては、数３式に基づいてミューオンの検出を行っているため、図３（Ａ）に示すように、一つの照射方向にのみ特異的な投影サンプリングデータが存在する場合にミューオンが検出されたと判断される。ミューオンは、例えば数分から数十分に１度程度の頻度で飛来して瞬時に検出器を通過するため、図３（Ａ）に示すように、一つだけ特異的な投影サンプリングデータが検出される。

これに対し、被検体の体内組織などにより投影サンプリングデータの値が変化する場合には、例えば図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、複数の照射方向に投影サンプリングデータの変化の影響が及ぶ。数３式に基づいたミューオンの検出では、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すような骨のエッジ部分や小さい組織部分は、ミューオンとは判断されないため、組織から得られるデータを適切に維持することが可能になる。

図４は、宇宙線成分除去部（図１の符号３０）における除去処理の別の態様を説明するための図である。図４においては、照射方向に関する投影データのサンプリングインターバルを変更せずに、各照射方向ごとに１つの投影データが取得される。つまり、ある照射方向に関して１つの投影データＤ_ijkが得られる。ここで、ｉは半導体素子の行番号でありｊは半導体素子の列番号である。ｉとｊにより半導体素子アレイの各半導体素子（各チャンネル）が特定される。またｋはデータ番号でありそのデータの投影角度に対応する。

まず、ミューオンに対応した特異的な投影データを検出するために、隣接する複数の投影データに基づいて、次式のＤ_diffijkが算出される。

さらに、サンプリングインターバルと平均値Ｄ_avijkに基づいて次式のＴＳＤが算出される。

そして、次式を満足する場合にミューオンが検出されたと判断する。

数６式において、Ｌ，Ｋの値は予め設定された値であり、例えばＬ＝１０，Ｋ＝４に設定される。Ｌ，Ｋの値を変更してミューオンの検出感度を適宜調整してもよい。

数６式を満足する場合にはミューオンが検出されたと判断される。つまり、ある投影データＤ_ijkがミューオンに対応したデータであると判断される。その場合には、投影データＤ_ijkとして、Ｄ_ijk-1とＤ_ijk+1の平均値が採用される。一方、数６式を満足しない場合にはミューオンが検出されていないと判断され、検出された投影データＤ_ijkの値がそのまま再構成演算に利用される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係るＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す機能ブロック図である。 宇宙線成分除去部における除去処理を説明するための図である。 投影サンプリングデータを説明するための図である。 宇宙線成分除去部における除去処理の別の態様を説明するための図である。

符号の説明

１０ Ｘ線発生器、２０ Ｘ線検出器、３０ 宇宙線成分除去部、４０ 画像形成部。

Claims (5)

1. 被検体に対してＸ線を照射するＸ線発生部と、
   Ｘ線を検出する複数の半導体素子からなる半導体素子アレイを備えたＸ線検出部と、
   Ｘ線の検出データに含まれる外来放射線成分を除去する外来成分除去部と、
   外来放射線成分を除去された検出データに基づいてＸ線画像データを形成する画像形成部と、
   を有し、
   前記外来成分除去部は、互いに異なる時刻に検出された複数の検出データを比較することにより、それら複数の検出データに外来放射線成分が含まれるか否かを判断する、
   ことを特徴とするＸ線撮像装置。
2. 請求項１に記載のＸ線撮像装置において、
   前記Ｘ線発生部は、被検体に対する照射角度を徐々に変化させて複数の照射方向からＸ線を照射し、
   前記外来成分除去部は、各照射方向ごとに得られる検出データのうちの互いに近接する複数の照射方向に対応した複数の検出データを比較することにより、それら複数の検出データに外来放射線成分が含まれるか否かを判断する、
   ことを特徴とするＸ線撮像装置。
3. 請求項２に記載のＸ線撮像装置において、
   前記Ｘ線発生部は、被検体に向けてＸ線のファンビームを照射するＸ線発生器を備え、
   前記Ｘ線検出部の半導体素子アレイは、被検体を挟んでＸ線発生器に対向して配置されて被検体を透過するファンビームを検出し、
   前記Ｘ線発生器と半導体素子アレイは、互いの対向配置状態を維持しつつ被検体を中心とする円の円周に沿って回転され、被検体に対する照射角度を徐々に変化させて複数の照射方向からファンビームを照射して各照射方向ごとにファンビームを検出する、
   ことを特徴とするＸ線撮像装置。
4. 請求項３に記載のＸ線撮像装置において、
   前記外来成分除去部は、前記半導体素子アレイの各チャンネルごとに得られる検出データのうち、同一チャンネルの互いに隣接する複数の照射方向に対応した複数の検出データを比較することにより、そのチャンネルにおいて外来放射線成分が検出されたか否かを判断する、
   ことを特徴とするＸ線撮像装置。
5. 請求項４に記載のＸ線撮像装置において、
   前記外来成分除去部は、同一チャンネルの互いに隣接する複数の照射方向に対応した複数の検出データを比較し、それら複数の照射方向のうちの一つの照射方向にのみ特異的な検出データが存在する場合に、そのチャンネルにおいて外来放射線成分が検出されたと判断する、
   ことを特徴とするＸ線撮像装置。

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