JP5815416B2 - Ｘ線スキャナ - Google Patents

Description

本発明はＸ線スキャナに関し、特に、対象（検体）の撮像や解析のためＸ線の異なるエネルギを用いるために構成されたスキャナに関する。

新世代の多焦点Ｘ線管は、検査中の対象を早く移動させようとする撮像システムの問題に取り組むべく、設計が行われている。対象の動きが再生像におけるアーチファクトが容認できないほどに高いレベルにあるような断層撮像システムにおいて、かかる設計は特に重要となる。この問題に取り組むために多焦点Ｘ線源が提案されており、この提案では何百本もの独立した電子銃が円形に並べられ、それぞれの電子銃は順次オンに切り替えられて、電子銃の半径と同じ半径の円形の陽極の個々の地点に発射される。このことにより集合体の物理的な動きを必要とすることなく回転するＸ線源を提供し、きわめて高速な断面撮像の機会を提供できる。

このような断面撮像Ｘ線システムにおいては、断層画像の再生グレーレベルを用いて行われる物質識別能力に、公知の参照基準のセット（例えば空気や水やアルミニウム）に立ち返ったキャリブレーションを与えることが好ましい。
Ｘ線ビームのエネルギスペクトルが考慮された場合にさらなる物質識別能力が得られることがわかっている。というのは投射するＸ線ビームのそれぞれのスペクトル成分は検査中の対象内のそれぞれの成分によって異なる量に減衰するからである。原子番号が低い材料は、低エネルギＸ線の少量の減衰を示すが、原子番号が高い材料は低エネルギＸ線の著しい減衰を示す。対象によるフィルタリング後のＸ線スペクトル分析によって、Ｘ線スペクトルが単純に統合された場合と比較して更なる物質識別能力を得ることが可能となる。

実際のＸ線システムにおいては、検出器に到達したそれぞれの単一のＸ線光子のエネルギを測定するのは費用がかかる。これはそれぞれの検出器素子への光子の到達率が比較的高く（光子の到達率は多くの場合１ＭＨｚを超える）、検出機器の複雑さや関連する消費電力は重要な問題となるからである。
ひとつの撮像チャンネルにつき安価な２台以上の統合検出器を使用することが単純化する手段のひとつであるが、検出器間にフィルタを設置する必要がある。対象を通過するＸ線ビームのうち高いエネルギ成分を測定するのはフィルタを使用した検出器は一般に厚くなる。フィルタを使用しない検出器は厚さが薄いが、通過したＸ線ビームの低エネルギ成分に対して優先的に感応する。

本発明は電子源と陽極を有するＸ線スキャナを提供し、陽極は走査方向に互いに離間した複数の材料領域が形成されたターゲット面を有し、複数の材料領域は互いに異なる材料で形成される。電子源は所定の順番でターゲット面の一連のターゲット領域に電子を向けるように構成されて互いに異なるエネルギスペクトルを有するX線ビームを生成する。
それぞれの材料領域は一様な材料によって形成されており、それは単一の要素であり、例えば金属や混合物である。材料領域は走査方向と直交する方向に延びる帯状体によって構成される。または、材料領域は走査方向に対して斜めに延びる帯状体によって構成される。

材料領域はターゲット金属により薄いフィルム状に形成されていてもよい。

それぞれのターゲット領域は電子ビームの焦点領域によって規定され、それぞれの材料領域内にある。または、それぞれのターゲット領域は少なくとも２つの材料領域の一部を占めている。

スキャナは、複数のＸ線を検出するための複数の検出器が更に設けられている。複数の検出器のそれぞれは実質的に同じ検出器である。検出器は、少なくとも１つのエネルギの複数のＸ線に対して又は所定のエネルギ範囲のＸ線に対して互いに別々の応答性を備えた２セットの検出器を含んでいる。２セットのうち１セットの検出器はフィルタ材料と検出素子を有している。これら検出器は統合された複数の検出器である。

スキャナは、検出器からの信号を受信して信号を処理して出力する処理手段を更に備えている。この出力は像を生成するための撮像データセットである。

本発明は更に、電子源と陽極を有するＸ線スキャナを提供し、陽極は複数の異なる材料にて形成されたターゲット面を有する。電子源は、ターゲット面に電子ビームを向けてターゲット面の２つの材料から互いに異なる２つのエネルギスペクトルのＸ線を同時に発生させるように構成される。スキャナは更に２つの検出器列を備え、それらは互いに異なる応答特性を具備している。例えば、２セットの検出器列のうちの１セットは残りの１セットよりも、特定のエネルギスペクトルを有するＸ線についてより応答性が高く、残りの１セットは最初の１セットよりも別のエネルギスペクトルを有するＸ線についてより応答性が高い。

一方の検出器列の検出器はフィルタ材料と検出素子を有する。それぞれの２つの材料は、それぞれの蛍光エネルギのピーク強度を有するＸ線を発生するように構成される。フィルタ材料は互いに異なる２つの蛍光エネルギの減衰を示すように構成されている。フィルタ材料は該２つの蛍光エネルギの間の周波数で吸収エッジを有する。
ターゲット面は複数の材料領域を有し、それぞれの材料領域はそれぞれの材料によって形成され、電子源はターゲットのターゲット領域に電子ビームを照射するように構成され、ターゲット領域は少なくとも２つの材料領域の一部を有する。

電子源はターゲットに沿って互いに離間して配置された複数のターゲット領域に電子を照射するように構成されている。材料領域は互いに平行な帯状体をなし、それぞれの帯状体は複数のターゲット領域内に延びている。ターゲット面は複数の材料の混合物によって形成される。

従来のスキャナシステムを示す概略図。 陽極からのＸ線エネルギスペクトルを示すグラフ。 図２ａとは異なる陽極からのＸ線エネルギスペクトルを示すグラフ。 本発明の実施の形態によるスキャナシステムを示す概略図。 図３のスキャナシステムの一部となるＸ線源を示す概略図。 図４のシステムの一部である陽極を示す正面図。 図４のシステムの動作を示す概略図。 代表的なフィルタ材料のエネルギ関数としてのＸ線吸収を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態によるターゲットを示す正面図。 図８のターゲットから生成されたＸ線のエネルギスペクトルを示すグラフ。 図８のターゲットと共に用いられる検出器列の一部を示す概略図。 図８のターゲットと共に用いられる別の検出器列の一部を示す概略図。 図１０や図１１のフィルタと図８のターゲットとがマッチングしたグラフ。 本発明の第３の実施の形態によるターゲットを示す正面図。 本発明の第４の実施の形態によるターゲットを示す正面図。

本発明の実施の形態について添付の図面を参照しつつ以下に説明する。

図１のＸ線スキャナは、円環状に並んだ複数のＸ線検出器１２に対して軸方向でずれている円環状に並んだ複数のＸ線源１０を有する。それぞれのＸ線源１０は順番に駆動され、それぞれのＸ線源について複数の検出器１２からの複数の信号が記憶され解析される。それぞれの検出器は積み重ねられた態様のセンサであり、薄い前方検出素子１４と厚い後方検出素子１６と両検出素子１４、１６間に配置されたフィルタ１８を有する。前方検出素子１４は低エネルギのX線を検出し、後方検出素子１６は高エネルギX線を検出するように構成され、フィルタ１８は前方検出素子１４で吸収されなかった低エネルギX線を除去するように構成されている。

全ての検出器はスキャナのX軸にそって整列されX軸に面しているので、X線ビームの中央部では、前方検出素子１４とフィルタ１８と後方検出素子１６が全て入射するＸ線ビームの方向に並んでいるように重なり合った検出器１２ａは十分に作動していることがわかる。これに対して、ビームの中心部から遠い端の部分の検出器１２ｂについては、前方検出素子１４とフィルタ１８と後方検出素子１６はビームの方向には並んでおらず、後方検出素子１６への低エネルギ漏れが大きくなる。同様に、Ｘ線ビームに伝えたれた比較的大きい材料厚さは、前方検出素子１４によって測定された信号中に高エネルギ信号の漏れを引き起こす。検出素子間の信号の漏れによってＸ線システムの物質識別の能力を低下させる。

図２ａ、図２ｂにおいて本発明の実施の形態ではＸ線源における互いに異なるターゲット材料を用いることによってエネルギ弁別を提供しており、そのことにより主Ｘ線ビームのスペクトル成分を変調している。図２は同様な管電圧（最大Ｘ線エネルギＥｐ以内での）で動作しているＸ線管からの理想的なＸ線スペクトルを示しているが、図２ａは銀のような低い原子番号（Ｚ）の陽極の場合であり、図２ｂはタングステンのような高い原子番号の場合である。制動放射線スペクトル成分はそれぞれの場合で類似しているが、エネルギスペクトルにおいて高い強度のピークを形成する蛍光線の特性は、エネルギの観点では大きく異なっている。蛍光放射線の相対位置により、タングステンターゲットの場合には銀ターゲットと比較してきわめて高い平均スペクトルエネルギを示す。複雑な対象による減衰後の通過したＸ線信号を積分するとき、銀陽極のＸ線ビームは高原子番号材料によって大きく減衰するが、一方タングステンスペクトルはさほど大きく減衰しない。銀陽極に対するタングステン陽極の比を勘案して、Ｘ線データは、２台の検出器セットを用いたときに得られるような等価なデータセットを提供する。

図３において、本発明の実施の形態によるＸ線スキャナは、Ｘ線源１１０の列と、Ｘ線源からは軸方向でずれた位置にあるＸ線検出器１１２の列を有する。何れの列も、スキャナの軸の周りに軸と離間して配置されている。それぞれのＸ線源は、電子ビームをスキャナの軸に向けるように構成される。それぞれの検出器もスキャナの軸に向いている。いずれの列も円環状の列であるが、Ｘ線源の列か検出器の列のいずれかは、部分的な円環状をなすか、その他の形状の列をなしてもよい。ただし、Ｘ線源又はＸ線ビームが生成されるソース内のＸ線源位置は、スキャナ軸に垂直な共通の面にあるのが望ましい。同様に、検出器は一つ又はそれ以上の列となっており、それぞれの列はスキャナ軸に対して垂直な面にある。制御システム１１４がソース１１０を制御するように構成され、それぞれのＸ線源は互いに独立して駆動されてスキャナ内の対象をスキャンする。ソース１１０は、順番に駆動されるが、本実施の形態の場合にはソース１１０は互いに異なるエネルギスペクトルのＸ線を生成しており、検出器は積層形式ではなく単一の素子である。複数の検出器は全て同様であり同様な応答性を示す。即ちあるエネルギ範囲に亘りＸ線に応答した同様の出力を生成する。本実施の形態では、複数の検出器は統合された検出器であり、あるエネルギ範囲のＸ線を検出する。この範囲でのＸ線強度の累計に応じて変化する出力を生成する。検出器１１２間の信号の漏れは除かれる。駆動しているビームの端部分における隣り合った検出器によって少量のフィルタリングが直接的な較正係数によって考慮されるからである。

図４において、X線源の環状体は多数のX線管により構成され、それぞれの管は電子ビーム２０２を生成する電子源２００と陽極２０４を有する。電子源２００は陽極２０４に沿って長手方向に電子ビーム２０２を走査させるように公知の方法で制御可能であり、X線２０６が陽極２０４に沿ったソース位置から生成される。

図５において、陽極２０４は２個の互いに異なるターゲット材料AとBよりなる薄いフィルム領域で塗布される。ここでターゲット材料Aは陽極２０４上において長方形の領域又はブロック２０６の形状にてパターン化されており、それぞれのブロックはそれぞれの領域において均一な組成をなし、単一の素子であって、入射する電子ビームの焦点領域よりも大きい。ターゲットとなる材料Ａよりなるブロック２０６間には、Ａとは異なる材料Ｂのターゲットブロック２０８が介在している。そのためターゲットブロック２０６と２０８は直線状の列をなし、スキャナの周囲に円環状に配置され、材料Ａと材料Ｂが交互に並んでいる。

図６において、２本の電子ビームが被検体の周りを通過するようにスキャナは制御可能であり、２本のビームは互いに１８０度プラスＡタイプとＢタイプのターゲットブロックの角度変位分ずれているのが好ましい。本実施の形態では、切り替え可能な電子源を用いた走査が行われる。
この電子源は複数のターゲット領域のうちの一つに向けた電子ビームをオン、次にそれを再度オフにし、次に他のそれぞれのターゲット位置に向いている複数の電子ビームをオン、オフに順番に切り替え、その結果ビームは順次ターゲット位置を通り抜ける。そのことにより、Ａ材料のひとつのブロックとＢ材料のひとつのブロックは同時にターゲットとなり、２個のアクティブなターゲット領域はほとんど互いに反対であり、その結果検出器の列１１２のうちの半分がＸ線の検出に用いることができ、検出器の列の残りの半分が同時に別のＸ線の検出に用いられる。Ａ材料のブロックとＢ材料のブロックとの間隔は、両方の軌道の角度サンプリングレートがナイキストサンプリング基準を満たすように選択される。

検出器１１２からのデータは独立した断層画像を再生するために用いることができ、Ａ材料又はＢ材料ブロックからのそれぞれのデータは他方から一方を差し引くことができ、またはデータは像再生に続いて解析される。別の方法として、投影データは逆投影に先立って結合され、修正された投影データセットを形成する。

図７は第１の実施の形態と類似する別の実施の形態を示す。別の実施の形態では、更なるエネルギ弁別を提供するために、Ｘ線エネルギの関数としての応答性の大きさである検出器の応答特性を変化させるために検出器に関連するフィルタが用いられている。エネルギ弁別のためには、応答特性はエネルギによって変化するような異なる形状である必要があり、単に尺度が異なるのではない。図７は、Ｘ線エネルギの関数としての代表的なフィルタ材料の吸収係数「μ」を示している。吸収材料は特性エネルギＥａにおいて吸収エッジを示している。この特性エネルギはＫ殻電子の加入が可能となるエネルギと同等である。このことにより特性エネルギＥａよりも低いエネルギでは吸収が低く、特性エネルギＥａよりも高いエネルギでは高い吸収となる。よって、フィルタ材料はあるＸ線エネルギを遮断しまた他のＸ線エネルギを通過させるように用いられる。異なる蛍光ピークに整合するターゲット材料を注意深く選択し適切なフィルタ材を選択することにより、統合した検出器の選択的なエネルギ応答性を更に向上させることが可能となる。例えば、適切なフィルタリングによって、検出器の第１のセットでは、別のセットよりも一つのターゲット材料の蛍光ピークにおけるまたはこのピークを含む第１のエネルギ範囲に亘るＸ線に対する応答性を高くでき、また、別のセットの検出器では、第１のセットよりも別のターゲット材料の蛍光ピークにおけるまたはこのピークピークを含む第２のエネルギ範囲に亘るＸ線に対する応答性を高くできる。一般的には、２つの蛍光ピークエネルギにおける複数の検出器列のうちの一つの列のＸ線に対する応答率は、他の列の応答率とは異なる。同様に、複数の検出器列のうちの一つの列の２つ材料の２つのエネルギスペクトルを有するＸ線に対する応答率は、他の列のこのようなスペクトルを有するＸ線に対する応答率とは異なる。例えば、タンタル製のフィルタはタングステン特性のＸ線を十分に吸収するが、モリブデン特性のＸ線は比較的通過させる。

第２の実施の形態が図８に示されており、それは図７と同様な検出器の構成を含み、陽極３０４のターゲット領域は、互いに平行なターゲット金属ＡとＢよりなる帯状体３０６が陽極上に形成され、これら帯状体は電子ビームが走査される方向Ｓに延びている。この電子ビームはターゲット金属ＡとＢとを同時に照射するに十分な大きさである。この実施の形態では４本の帯状体があり金属Ａと金属Ｂの帯状体がそれぞれ２本ずつであるが、本数は４本に限定されない。図９に示されるようなエネルギスペクトルを有する複合Ｘ線スペクトルが生成される。図９は２つの材料ＡとＢのスペクトルの合計を示し、２つの材料は２つのピークを具備し、それぞれのピークはそれぞれのターゲット材料Ａ、Ｂによって生成される。図７に示されるようにいくつかの検出器に適切なフィルタ材料を設置することによって、互いに異なる検出器において異なるエネルギに依存した異なる応答性を発揮することが可能となる。

図１０は第１環状体４１２ａと第２環状体４１２ｂを有する２個の環状の検出器列を示しており、それぞれの環状体において個々の金属フィルタ４１８は検出器のひとつおきに配置されている。図１１に示される例では、２個の環状の検出器列５１２の一方の環状体５１２ａにはその全体にわたって帯状のフィルタ材料５１８が設置されているが、他方の環状体５１２ｂにはフィルタは配置されていない。多数の環状体検出器システムにおいても同様なフィルタの配列が可能である。これら検出器の構成において図５又は図８に示されるターゲットを用いても良い。

図１２においていずれの検出器の構成においても、複合X線スペクトルの2つのピークの間のエネルギに吸収エッジEaがあるようにフィルタ材料が選択される。上述したように、モリブデンやタングステンが2つのターゲット材料として用いられる場合は、タンタルがフィルタ材料として適切である。

2つのターゲット材料と互いに異なるピークの互いに異なるX線エネルギスペクトルを組合せ、適切なフィルタ材料を選択することによって、より改善され正確な材料分析のための疑似単体エネルギ撮像が提供でき、走査される対象の吸収スペクトルに高く依存した２つのセットの検出器からの出力をより高度に区別することができ、例えば互いに異なる物質の対象相互の区別を良好に行うことができる。

スパッタコーティングを用いることにより複雑なターゲットを形成できる。多数のスパッタターゲットと陰影又はマスキング技術を用いることにより、いかなるターゲット形状でもパターン化できる。ターゲット材料A、Bとセグメント化された基体金属の陽極との接着性を確保するために、ターゲット金属を陽極に合金化させるか拡散させる。高温(例えば５００度〜１０００度Ｃ）で真空の又は水素で満たされた炉の中で合金化又は拡散が行われる。選択された工程の条件に応じて、薄いインターフェース層を形成しても良く、又は全てのターゲット金属をベース金属と合金化させてもよい。

この方法を更に洗練したものとするために、多層のターゲットを形成してもよい。それは例えば、１０〜１００オングストロームの厚さのタングステンやウラン等の様々な異なる塗布金属である薄いフィルムを積み重ねたスパッタコーティングを用いて形成できる。電子照射中に無理なく複雑なＸ線スペクトルを生成するようなターゲットを形成するために、多層ターゲットは、次に基体金属に共に合金化されるか拡散される。

図１３は更に別の実施の形態を示すものであり、２つの互いに異なる原子番号Ｚを有する互いに異なるターゲット材料ＡとＢは陽極６０４に沿って帯状体６０６、６０８で交互にならんでいる。ただし、帯状体は、電子ビームの走査方向Ｓに対して４５度斜めになっている。帯状体６０４、６０８は、電子ビームの走査方向Ｓにおいて、それぞれの上端と下端との間のズレは少なくとも帯状体の幅ｗと同等である程度に十分に幅が狭くかつ傾いている。これは、電子ビーム６１０がターゲット領域の全幅に実質的に跨るくらいに十分におおきく、かつ帯状体の幅と走査方向Ｓで同等の幅を有していることにより、２つのターゲット材料の領域とほぼ同等のターゲット領域をカバーすることになることを意味する。そのことにより、図１０や図１１の検出器列と同様な検出器列を用いることができる。

図１４は更に別の実施の形態を示しており、陽極７０４のターゲット領域は互いに異なる原子番号のターゲット材料ＡとＢとの混合体７０８で覆われている。そのことにより、電子ビーム７１０がターゲットにぶつかると、発生したＸ線ビームがその中に２つのピークを備えたスペクトルを有することになる。例えば図１１又は図１２の検出器構成を用いることによって検出のためにスペクトルはフィルタリングによって分離される。

２つのターゲット材料を用いた実施の形態においては、いくつかの環境下においては３個又はそれ以上のターゲット材料を用いて更なるエネルギ弁別を得るようにすることが可能である。

１１０ Ｘ線源
１１２ Ｘ線検出器
１１４ 制御システム
２００ 電子源
２０２ 電子ビーム
２０４、３０４、６０４、７０４ 陽極
２０６ ターゲットブロック
２０８ ターゲットブロック
３０６ 帯状体
４１２ａ 第１環状体
４１２ｂ 第２環状体
４１８ 金属フィルタ
５１２ａ 環状体
５１８ フィルタ材料
６０６，６０８ 帯状体
６１０、７１０ 電子ビーム
７０８ 混合体

Claims (8)

1. 電子源と、陽極と、２つの検出器列とを有し、該陽極は複数の異なる材料にて形成されたターゲット面を有し、該電子源は該ターゲット面に電子ビームを向けて該ターゲット面の２つの材料から互いに異なる２つのエネルギスペクトルのＸ線を同時に発生させるように構成され、該２つの検出器列は互いに異なる応答特性を具備するＸ線スキャナであって、
   該ターゲット面には、各々が該複数の材料のうちの１つから形成されると共に、該スキャナの軸の周囲に円環状に配置され且つ該ターゲット面に沿って離間配置される複数の材料領域が交互に配置され、
   該電子源は、該陽極に沿って電子ビームをスキャンさせて該ターゲット面に沿って順に該電子ビームを該複数の材料領域に向けるように構成されていることを特徴とするＸ線スキャナ。
2. 該２つの材料からの２つのエネルギスペクトルを有するＸ線に対する一方の検出器列の応答率は、該２つの材料からの２つのエネルギスペクトルを有するＸ線に対する他方の検出器列の応答率とは異なっていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線スキャナ。
3. 該一方の検出器列の検出器はフィルタ材料と検出素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線スキャナ。
4. それぞれの該２つの材料は、それぞれの蛍光エネルギのピーク強度を有するＸ線を発生するように構成され、該フィルタ材料は互いに異なる２つの蛍光エネルギの減衰を示すように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線スキャナ。
5. 該フィルタ材料は該２つの蛍光エネルギの間の周波数で吸収エッジを有することを特徴とする請求項４に記載のＸ線スキャナ。
6. 両方の該検出器列の検出器は同一の検出素子を有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一に記載のＸ線スキャナ。
7. 該電子源は該ターゲット面の該ターゲット領域に電子ビームを向けるように構成され、該ターゲット領域は少なくとも２つの材料領域の一部を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載のＸ線スキャナ。
8. 該材料領域は互いに平行な帯状体をなし、それぞれの帯状体は複数のターゲット領域内に延びていることを特徴とする請求項７に記載のＸ線スキャナ。

Images