JP6411775B2 - Ｘ線撮像システムおよびｘ線撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線撮像システムおよびＸ線撮像方法に関する。

Ｘ線による透過撮像は、古くから医療分野で広く活用されてきたが、産業分野においても対象機器内部の欠陥を非破壊で検出する事ができるため、プラント配管の健全性評価や各種重要機器の内部検査に使用されてきた。これらの透過撮像においては、被検体を透過した後のＸ線検出器として、通常、Ｘ線感光フィルムが用いられてきた。一方、近年のＸ線検出器は、イメージングプレート(IP)、フラットパネルデテクタ(FPD)、半導体検出器など被検体を透過した後の透過Ｘ線量をデジタル値として計測可能なデバイスが開発され、普及してきている。

イメージングプレート(IP)は、輝尽性蛍光体(BaFBr:Eu2+)の微結晶を塗布したフィルムである。Ｘ線により、フィルム表面にレーザー光を照射するとＸ線の露光量に応じた発光が生じるので、この発光量をデジタル値で計測する事によりＸ線照射に比例したＸ線透過像を得る事ができる。そのため、IP本体には放射線量を計測する信号処理回路が不要で、発光量の読み取り装置に信号処理回路が組み込まれている。

フラットパネルデテクタ(FPD)は、入射Ｘ線により薄膜のシンチレータ(CsI)を発光させ、この発光量をフォトダイードで電荷に変換して計測し、Ｘ線透過像が得られる。信号処理回路は、シンチレータ後方に存在する。

イメージングプレート(IP)およびフラットパネルデテクタ(FPD)ともに検出器の各素子は、平面上に二次元配列で設置される。Ｘ線源からコーンビーム上のＸ線が検出器に照射されると、被検体がIPおよびFPDとＸ線源の視野角の中に設置された場合は、スキャンする事無く一度で被検体透過像を撮像可能となる。

また、半導体検出器は、Si、CdTe等が実用化されている。医療用と異なり工業用途のＸ線透過像装置では、対象物が金属物の場合が多く、人体に比較して透過能力の強いＸ線エネルギーが必要となる。半導体検出器は、高エネルギーＸ線に対する感度が高い。産業用の透過像撮像において、対象被検体が金属の大型構造物の場合、半導体検出器はＩＰやＦＰＤより有効であり、より高画質な透過像が得られる。また,Ｓｉ半導体検出器は、産業用高エネルギーＸ線ＣＴ装置において高エネルギーＸ線に対する感度が高い有効性を発揮している。

特開2012-83277に示された例では、半導体からなるＸ線受光部は、単体検出器毎に分離され、FPC基板も含め隣接チャンネルとは独立した構造を持つ。また、各検出器は、１方向に一定間隔で配列され、１次元ラインセンサを構成している。これらの検出器アレイ構成では、Ｘ線が検出器に入射して発生する電荷による電流値を信号処理回路によりデジタル化する。信号処理回路は検出器後方に、各検出素子に対して１個の基板上に設けられる。信号処理回路は大きな基板に実装され、ラインセンサとは配線ケーブルにより連結され、ラインセンサと信号処理回路は一定の距離で離されている。これは、信号処理回路スペースに制限がなく全ての検出器に対する信号処理回路部分を、大きなボックスの中に配置するためである。

これらの半導体検出器を２次元的に配置する場合、水平方向の検出器ピッチは、現行のラインセンサと同様の稠密配置が可能であるが、センサ構造の制約から垂直方向に稠密化することは難しく、水平方向に比較し垂直方向のセンサピッチが粗くなる。

特開2012-83277号公報

近年、国内において、橋梁やトンネル、道路など公共の社会インフラの老朽化に伴い、これらを非破壊で内部状態まで計測・検査する要求が高まっている。社会インフラ構造物の非破壊検査では、超音波、音響、レーザー、熱歪み、渦電流探傷など、さまざまな手法が開発・検討されているが、Ｘ線による透過像撮像も有望な技術の一つである。また、産業分野では、撮像対象物が車両構造物や蒸気タービンなど大型の金属構造物となる場合には、内部状況を広い範囲で可視化できるためＸ線透過像撮像が有効になってくる。

従来、これらの社会インフラ構造物や大型の金属構造物に対する透過像撮像では、全体構造物の中から小型サンプルを切り出し、管球型Ｘ線源（〜450keV）を用いた透過像又はＣＴ撮像により、これらの切り出しサンプルの内部観察が進められている。これは、管球型Ｘ線源（〜450keV）を用いたシステムでは、透過能力の制限から、大型の被検体全体の撮像が不可のため、切り出しサンプル撮像が行われている。

理想的には、現場での一体撮像ができれば、社会インフラ構造物や大型の金属構造物の内部状態が広い範囲で観察可能となる。対象とする被検体全体を透過させるためには、透過能力の高いＭＶクラスの高エネルギーＸ線源が必要となる。

そして、前述のように社会インフラの老朽化に伴う、現地での非破壊検査の要求の高まりから、対象物全体を透過する高エネルギーＸ線源を用いた透過像システムの検討が必要となってきている。その場合、検出器には高エネルギーＸ線に対しても感度の高い検出器が必要となる。背景技術で記載した現状のＸ線感光フィルム、イメージングプレート(IP)およびフラットパネルデテクタ(FPD)は、ともに低エネルギー成分で、ある程度の感度を持つが、ＭＶ以上の高エネルギー成分に関しては感度が非常に低い。高エネルギーＸ線源を用いてこれらの検出デバイスを用いた場合、透過像はノイズが大きい不鮮明な画像になると同時に、撮像時間を長くする必要が出てくる。そのため、高エネルギーＸ線源を用いた透過像システムでは、高エネルギーＸ線にも感度の高い検出器が必要となる。

半導体検出器は、高エネルギーＸ線に対しても高い感度を持ち、高エネルギーＸ線源を用いた透過像システムの検出器として最も適している。しかし、前述のように、ラインセンサとしての実用化は進んでいるが、２次元平面検出器を構成させる事が構成上、難しいという課題があった。

そのため、本発明の目的は、上記のような事情を背景になされたものであり、産業用高エネルギーＸ線源を用いた透過像撮像システムにおいて、高エネルギーＸ線に感度の高い半導体検出器を用いて、社会インフラ構造物のような大型被検体に対して高画質な透過像が撮像可能な検出器構造を提供することにある。

本発明は、Ｘ線を照射するＸ線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、前記検出器の内部を移動する半導体検出器アレイと、前記半導体検出器アレイを上下方向に移動させる半導体検出器アレイ駆動部と、前記検出器で計測された計測信号を処理して画像化する信号処理回路とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、産業用高エネルギーＸ線源を用いた透過像撮像システムにおいて、高エネルギーＸ線に感度の高い半導体検出器を用いて、社会インフラ構造物のような大型被検体に対して高画質な透過像が撮像可能な検出器構造を提供することが可能である。

高エネルギー透過像用検出器を用いた撮像システムの一例を表した図である。 高エネルギー透過像用検出器を用いた撮像システムの構成を表した図である。 高エネルギー透過像用検出器構造の鳥瞰図を表した図である。 高エネルギー透過像用検出器構造の正面図と側面図を表した図である。 高エネルギー透過像用検出器構造の駆動機構を表した図である。

本発明は、Ｘ線を用いて、対象とする被検体を透過するＸ線の透過量を計測する事により、非破壊で被検体の外部形状および内部形状を計測するために必要となる検出器の構造、特にＸ線源としてMVオーダーのエネルギーを持つ高エネルギーＸ線源を用いた透過像撮像に必要となる検出器構造および透過像撮像システムに関する。

以下、本発明の実施例を、検出器の構成図を用いて説明する。

本実施例である高エネルギー透過像用検出器を用いたＸ線撮像システムの鳥瞰図を図１(a)に、側面図（Ｘ−Ｚ平面）を図１(b)に示した。本実施例の検出器1は、半導体検出器アレイ3、コリメータ2と、これらを一体とし上下に移動させるための矩体構造4から構成される。大型構造物の透過像を撮像する時には、図１(a)に示したように、撮像する被検体6を挟んで高エネルギーＸ線源5と検出器1を相対する位置に設定する。高エネルギーＸ線源5からコーンビーム状に照射される高エネルギーＸ線7は、対象の被検体6内を透過する事により減衰し、検出器1に入射する。検出器１におけるコリメータ2には、後方の半導体検出器アレイ3毎に連結した貫通孔が設けられ、種々の散乱線の半導体検出器アレイ3への入射を極力防止する。

図1(a)に示した体系で、被検体6の透過像を撮像する場合、高エネルギーＸ線源5の位置は固定する。また、本実施例の検出器1も、矩体全体の位置を固定する。一方、検出器1の内部にある半導体検出器アレイ3とコリメータ2は、後述する駆動機構により上下に駆動する。この時、図１(b)に示したように、半導体検出器アレイ3とコリメータ2の一体構造体が、常時、Ｘ線源の中心点を向くように、（すなわち、各位置において、高エネルギーＸ線源5のＸ線発生位置と半導体検出器アレイ3とコリメータ2の一体構造物が直線上に位置するように）上下に駆動すると同時に、水平面（図１(b)のＸ軸）に対して傾斜を設ける。

図２には、図１(a)に示したシステムの水平断面（Ｘ−Ｙ断面）で見た模式図に、検出器１のデータ処理に関わる構成要素を追記した。半導体検出器アレイ3で得られた計測信号は、各検出素子に設けられた配線ケーブル8を通して、信号処理回路9で処理され、画像化される。得られた画像は、画像表示装置10によりデジタル画像としてPCのモニターに表示される。入射Ｘ線により電流を発生する検出器１は、ＳｉやＣｄＴｅ等の一定厚みの半導体に一定間隔で複数の電極構成を持つ。

図３には、本実施例による検出器1の鳥瞰図を示した。コリメータ2と半導体検出器アレイ3の一体構造を上下（Ｚ方向）に駆動させる駆動機構は、矩体構造４の四隅の支柱部分に、ガイド構造による駆動部11a、11bを備える。ここで、コリメータ駆動部11aはコリメータ2と矩体構造４の支柱部分との接触部に設けられており、コリメータ駆動部11aによりコリメータ2を上下に移動させることが可能である。また、半導体検出器アレイ駆動部11bは半導体検出器アレイ3と矩体構造４の支柱部分との接触部に設けられており、半導体検出器アレイ駆動部11bにより半導体検出器アレイ3を上下に移動させることが可能である。そして、これらの駆動部11aと11bは独立して、移動量を制御可能である。

コリメータ2と半導体検出器アレイ3の一体構造は、矩体構造４の支柱に設けられた駆動部11aと11bの移動量を制御する事により、図1(b)に示したような高さ位置毎における傾斜を設定し、どの高さ位置においても半導体検出器アレイ3の各検出素子が、高エネルギーＸ線源5の発生点から直線上に配置されるよう設定される。

図４(a)は、図３に示した検出器1の正面図を、図４(b)は側面図を示した。いずれも内部を可視化するため最外周の外壁面は外した状態を示している。

図５には、四隅の支柱部分に設置された駆動部11aと11bの拡大図を示した。コリメータ2と半導体検出器アレイ3の一体構造物の４隅に、矩体構造４の支柱部分に設けられたガイドライン12上を上下に移動可能な駆動部11aと11bが設けられている。そして、高エネルギーＸ線源5との相対位置関係により、コリメータ2と半導体検出器アレイ3の一体構造物の上下の移動量と前後の傾斜量を制御する。この設定により、半導体検出器アレイ3（各検出素子）に入射する信号強度が増加し、散乱線に起因するノイズ量を低減する事ができる。

また、半導体検出素子を２次元化する場合に比較し、本実施例による検出器では、半導体検出素子は１列のみで対応可能である。そのため、検出器製造コストは大幅に低減できる。

以上より、橋梁などの社会インフラ構造物や化学プラントなどの大型構造物の透過像撮像において、高エネルギーＸ線源を使用した場合でも、検出系の検出感度向上によりS/Nの高い高精細な透過画像が得られる。それにより老朽化インフラの劣化度が判定でき、補修またはリプレイスの重要な判断基準が得られ安全・安心な社会の構築に寄与できる。また、半導体検出素子を２次元化する場合に比較し、各実施例による検出器では、半導体検出素子は１列のみで対応可能であり、検出器製造コストを大幅に低減できる。

実施例１では、検出素子として半導体検出器を用いたが、既存のＸ線ＣＴ装置で検出素子として用いられているシンチレータを用いた場合でも実施例１と同様の検出器が構成され、実施例１と同等の効果が得られる。また、散乱線低減のため、コリメータ２の代替に、格子上のグリッドや医療用のマスクを用いた場合でも、実施例１と同様の検出器が構成され、実施例１と同等の効果が得られる。

１ 検出器
２ コリメータ
３ 半導体検出器アレイ
４ 矩体構造
５ 高エネルギーＸ線源
６ 被検体
７ 高エネルギーＸ線
８ 配線ケーブル
９ 信号処理回路
１０ 画像表示装置
１１ａ、１１ｂ 駆動部
１２ ガイドライン

Claims (2)

1. X線を照射するX線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、前記検出器で計測された計測信号を処理して画像化する信号処理回路とを備えるX線撮像システムであって、
   前記検出器は矩体構造の筐体を有し、
   前記筐体の内側に、前記検出器の内部を移動する半導体検出器アレイと、前記半導体検出器アレイを上下方向に移動させる半導体検出器アレイ駆動部と、前記Ｘ線源に面する前記半導体検出器アレイの端部に設けられたコリメータと、前記コリメータを上下方向に移動させるコリメータ駆動部と、を備え、
   前記半導体検出器アレイ駆動部および前記コリメータ駆動部は、前記矩体構造の支柱部分に設けられたガイドラインをガイドとして駆動し、前記半導体検出器アレイを水平面に対して傾斜した状態で保持可能であることを特徴とするX線撮像システム。
2. X線を照射するＸ線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、前記検出器で計測された計測信号を処理して画像化する信号処理回路とを備えるX線撮像システムによるX線撮像方法であって、
   前記検出器は矩体構造の筐体を有し、
   前記筐体の内側に、前記検出器の内部を移動する半導体検出器アレイと、前記半導体検出器アレイを上下方向に移動させる半導体検出器アレイ駆動部と、前記X線源に面する前記半導体検出器アレイの端部に設けられたコリメータと、前記コリメータを上下方向に移動させるコリメータ駆動部と、を備え、
   前記半導体検出器アレイ駆動部および前記コリメータ駆動部は、前記矩体構造の支柱部分に設けられたガイドラインをガイドとして駆動し、前記半導体検出器アレイを水平面に対して傾斜した状態で保持されるように制御することを特徴とするX線撮像方法。