JP6590381B2 - X線装置、データ処理装置及びデータ処理方法 - Google Patents
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Description
ラムを有するビーム状のX線を対象物に照射させ、その対象物を透過してきたX線の光子数に対して、予め設定した2つ以上のX線エネルギーBINのそれぞれに属するX線エネルギーを持つ当該光子数を当該X線エネルギーBIN毎且つ画素毎に計数して、その計数値を処理するデータ処理装置(12)において、前記対象物と同一の物質、又は、実効原子番号に関して当該対象物と類似であると見做せる素材からなる物質の、前記X線の線束が透過する方向における複数の互いに異なる既知の厚さtと当該線減弱係数μとにより定義されるX線減弱量μtの特性を、前記計数値に基づき前記X線エネルギーBIN毎に取得する特性取得手段(51)と、前記特性取得手段により取得されたX線減弱量μtの特性を、一方の軸に前記厚さtを採り且つ当該一方の軸と直交する他方の軸に前記X線減弱量μtを採った2次元座標において当該座標の原点を通る直線状の目標特性に置き換えるための補正用データを、前記X線エネルギーBIN毎に演算する補正用データ演算手段(52)と、を備えたことを特徴とする。
図1〜図12を参照して、X線装置(及びデータ処理装置)の第1の実施形態を説明する。
(A1) (出願番号PCT/JP2014/062631、発明の名称:SUBSTANCE IDENTIFICATION DEVICE AND SUBSTANCE
IDENTIFICATION METHOD EMPLOYING X−RAY PANORAMIC/CT PHOTOGRAPHING)等により知られている。更に、本発明者等は、これらの物質同定技術を改善すべく、様々な提案を行っている(例えば、特願2015−023446、特願2015−85551等)。
この検出器24は、搬送ベルト48の下方において、その長軸方向が対象物OBのスキャン方向(又はそのスキャン方向に直交する方向)に所定角(例えば約14度程度)だけスキューするように斜めに配置されている。
ここで、このプロセッサ35において実行される、本発明の特徴に係る、連続スペクトラムを有するX線照射及び光子計数型検出によりX線検出を行うシステムにおける光子計数値の補正処理を説明する。
まず、この計測値の補正の背景を説明する。
本実施形態に係るX線装置の一例としてX線異物検査装置を挙げると、通常、検査対象である対象物(例えばピーマン等の食品)は既知の物質(例えば主成分が水分であると見做せる)であり、その検査したい異物も予め例えば金属(例えば、アルミニウム、ガラス、鉄等の1種類又は複数種類)に絞って検査される。このため、本発明に係る計測値の補正法は、それぞれの既知の物質の補正用データを予め取得しておくことで、その補正用データを使って実施される。本発明に係るX線装置は、その補正に必要な処理を実現するための基本構成を提供する。そのため、本実施形態のX線装置は、その基本構成は以下のように概括することができる。
本発明は、連続スペクトラムを有するX線を対象物に照射し、その透過X線を、例えば複数のエネルギーBIN:Bini(i=1,2,...)に弁別し且つ光子計数型の検出を行って計数値を求めるシステムを前提とする。このシステムにおいて、X線エネルギーBIN毎の入出力から計算されるμt(=−ln(出力カウントCli/入力カウントCoi:i=1,2,...)で計算される)の特性が、対象物のX線透過方向の厚みtに応じて、座標上の原点を通る直線(目標特性)からずれる、つまり単色X線とは異なる特性(これは各X線エネルギーBIN内でのビームハードニングやヒール効果)やピクセル型半導体検出器のチャージシェアリングなどの要素も含まれることに着目する。このずれたX線減弱量μtの曲線が、原点を通り傾き=線減弱係数μio(一定値、tの関数ではない)に合うように、計測されたX線減弱量μtを乗算係数で補正する。この傾きμioを呈する直線状の特性は、単色X線相当の目標特性となる。この目標特性は、例えばX線エネルギーBIN毎に且つ画素毎に設定される。
Co1=Cl1×e(−m1t)
Co2=Cl2×e(−m2t)
Co3=Cl3×e(−m3t)
で表される。ここで、m1、m2、m3は各エネルギーBIN:Biniにおける仮想平均線減弱係数(即ち、各エネルギーBINの実効エネルギーに対する線減弱係数)であり、tは対象物のX線透過方向のパスの厚さである。ここで、各エネルギーBIN:Biniの仮想平均線減弱係数m1(m2、m3)は厚さtには依存しないという条件が前提になっている。
そこで、上記ずれた仮想減弱値の曲線を、各エネルギーBINにおいて特定の単色X線照射時に相当する、座標原点通過の直線(直線状の目標特性)になるように補正用データを予め決めておく。例えば、この補正用データは、かかる曲線を座標原点通過の直線になるように補正する乗算係数である。
μim(t)*t:
X線エネルギーBINi且つ厚さtで演算される仮想減弱値(ここで、μimは仮想線減弱係数、tは厚さ)、
μio*t:
各X線エネルギーBINiの厚さtにおける単色X線相当の線減弱係数μio(tの関数ではない)、
Ci(t):
線減弱係数μioを厚さtに依存しないように置換するための乗算補正係数、
とすると、乗算補正係数Ci(t)は、
μio*t=Ci(t)*μim(t)
の式から演算される。この乗算補正係数Ci(t)は補正用データを成す。
を最小にする値として演算できる。tmin,tmaxは対象物が検査されるときに想定されるX線の線束の透過方向における当該対象物の厚さの下限値及び上限値を含む広めの値である。
そこで、本実施形態では各種のファントムを使って、図7に示した仮想減弱値μim(t)*tの事前計測が画素毎に実施され、前述したように補正用データCi(t)が画素毎に求められる。
データ処理装置12のプロセッサ35は、一例として、図10に示す処理を実行する。プロセッサ35は、オペレータに所望の物質のファントムFM1(FM2)をX線装置10の検査位置の所定位置に置くようにオペレータに指示し(ステップS1)、この配置が終わるとX線装置10を稼働させてファントムFM1をX線スキャンし、その計測値を収集する(ステップS2)。次いで、前述したように、補正用データCi(t)を演算し(ステップS3)、それをROM33の第1のデータ記憶領域33Bに記憶させて保存する(ステップS4)。
このファントムに依る事前の計測及び補正用データの演算が終わる場合には、処理を終える(ステップS6:YES)。しかし、終了しない場合(ステップS6:NO)の判断の場合には、処理をS7以降の検査の処理を実行する。
なお、上述した処理において、ステップS1、S2の工程が前述した特性取得部51(特性取得手段に相当)を機能的に構成し、ステップS3,S4の工程が前述した補正用データ演算部52(補正用データ演算手段に相当)を機能的に構成し、ステップS9,S10の処理が前述した補正部53(補正手段に相当)を機能的に構成している。さらに、ステップS11の工程は処理手段に相当し、ステップS12の工程は提示手段に相当する。
(μ1t、μ2t、μ3t)
を設定し、3次元の線減弱ベクトル(μ1、μ2、μ3)の長さ、即ち、線減弱ベクトル長
(μ1 2+μ2 2+μ3 2)1/2
を分母とする正規化された3次元ベクトル(以下、線減弱ベクトルと呼ぶ)を
(μ1,μ2,μ3)/(μ1 2+μ2 2+μ3 2)1/2
として演算すると、この線減弱ベクトルから厚みtの成分が消える。互いに直交する3つの軸がm1t、m2t、m3tをそれぞれ表す3次元座標を設定すると、この3次元線減弱ベクトルの始点はその3次元座標の原点に位置し、終点が半径1の例えば球体表面に位置する。この3次元線減弱ベクトルを各画素について演算し、上記3次元座標にマッピングすると、それらの終点はかかる球体表面の所定の一点を中心に、その周辺の一定範囲に分布する、統計誤差を示す点の集合として散布点される。このような散布点を描いた3次元マッピング図を、本発明者等は3次元散布図と呼んでいる。この3次元散布図の例を図11に示す。同図において、参照符号Vrが3次元線減弱ベクトルを示し、参照符号DPが散布点を示す。
t(μ1 2+μ2 2+μ3 2)1/2
で演算でき、本発明者等は、このスカラー量を吸収ベクトル長(又は擬似吸収値)と呼んでいる。この吸収ベクトル長を画素値として2次元画像を作成でき、本発明者等は、この
2次元画像を吸収ベクトル長画像(又は擬似吸収画像)と呼んでいる。この吸収ベクトル長画像の例を図12に示す。
上述した実施形態で説明した補正用データの取得に関して、更に様々な態様で実施できる。
まず、前述した図7において説明した直線状の目標特性について様々な変形例が挙げられる。前述した目標特性の求め方はあくまで一例であり、この直線は自在に設計することができる。
この第2の変形例も、上述と同様に、目標特性の別の設定法に関する。
ここで、X線エネルギーBINそれぞれの実効エネルギーを用いる場合について説明する。図13にX線エネルギースペクトルの一例を模式的に示す。同図のスペクトルの場合、図3と同様に、3つのエネルギーBin1〜Bin3が設定されている。この場合、各エネルギーBin1(〜Bin3)において実効エネルギーEiを下記式から演算できる。
これは、エネルギー閾値ETHi〜実効エネルギーEiの間のフォトンのカウントがエネルギー閾値ETHi〜ETHi+1の間のフォトンのカウントの1/2になることを意味している。
第3の変形例は、キャリブレーションファントムが呈する厚さtの大小部分に応じて、補正用データを取得する厚さ刻みΔtを変える手法に関する。これは、ビームハードニング補正は一般に厚さtが薄い方ほど精度良く実行する必要があるからである。このため、図15に模式的に示すように、キャリブレションファントムの厚さtが薄いほど厚さ刻みΔtを小さい値に設定する(例えばΔt1<Δt2)。この厚さ刻みΔtの変更設定は、プロセッサ35により、図10のステップS3の中で実行される(ステップS3A参照)。これにより、厚さtに応じた、より極めの細かい補正用データ(乗算補正係数Ci(t):キャリブレションデータ)を取得できる。
前述した実施形態では、図7に示すように、物質の想定される厚さtの全域を1つの区間として、X線減弱量μtの特性を2次関数等で近似し、この近似式が示す曲線を傾きμi0の目標特性に補正する補正用データを取得していた。これについては更に様々な態様で実施できる。例えば、図16示すように、対象物の厚さを複数の区間、例えば薄い区間ta、中程度の厚さ区間tb、及び厚い区間tcに分けて、それぞれの区間毎に前述した近似式の演算及び補正用データ算出の演算を行なうこともできる。
第3の変形例は、分割区間を設定するという点で第2の変形例の手法と似ているが、この分割区間を厚さtの方向にずらしながら、補正用データを演算する点が相違する。
図14に関し、ステップS202は機能的に特性取得手段を構成し、ステップS203〜S205は機能的に補正用データ演算手段を構成し、ステップS207が保存手段の一部を構成している。また、図17において、ステップS31及びS32が機能的に補正用データ演算手段の一部を構成し、ステップS33が機能的に保存手段を構成している。さらに、図19において、ステップS310〜S317が機能的に補正用データ演算手段の一部を構成している。このうち、ステップS317が保存手段の一部に相当する。
21 X線管
24 検出器
25 データ収集回路
12 データ処理装置(コンピュータ)
33 ROM
33A プログラム記憶領域
33B 第1のデータ記憶領域(参照データ保存手段の一部にも相当)
33C 第2のデータ記憶領域
35 プロセッサ(処理手段の要部を構成:CPUを搭載)
37 入力器
38 表示器(提示手段の一部に相当)
51 特性取得部(特性取得手段に相当)
52 補正用データ演算部(補正用データ演算手段に相当)
53 補正部(補正手段に相当)
P 画素
PA 画素領域
OB 対象物
FM1、FM2 ファントム
Claims (22)
- 予め決められた連続X線スペクトラムを有するビーム状のX線を対象物に照射させ、その対象物を透過してきたX線の光子数に対して、予め設定した2つ以上のX線エネルギーBINのそれぞれに属するX線エネルギーを持つ当該光子数を当該X線エネルギーBIN毎且つ画素毎に計数して、その計数値を処理するデータ処理装置(12)において、
前記対象物と同一の物質、又は、実効原子番号に関して当該対象物と類似であると見做せる素材からなる物質の、前記X線の線束が透過する方向における複数の互いに異なる既知の厚さtと当該線減弱係数μとにより定義されるX線減弱量μtの特性を、前記計数値に基づき前記X線エネルギーBIN毎に取得する特性取得手段(51)と、
前記特性取得手段により取得されたX線減弱量μtの特性を、一方の軸に前記厚さtを採り且つ当該一方の軸と直交する他方の軸に前記X線減弱量μtを採った2次元座標において当該座標の原点を通る直線状の目標特性に置き換えるための補正用データを、前記X線エネルギーBIN毎に演算する補正用データ演算手段(52)と、
を備えたことを特徴とするデータ処理装置。 - 前記対象物を透過してきたX線から前記X線エネルギーBIN毎に得られるそれぞれの前記計数値を、対応する前記X線エネルギーBINの前記補正用データに基づきそれぞれ補正する補正手段(53)を備える請求項1に記載のデータ処理装置。
- 前記補正用データ演算手段は、
前記特性取得手段により取得された前記X線減弱量μtの特性を前記厚さtの関数で近似する近似手段(S3(S31))と、
前記対象物と同一の物質又は実効原子番号に関して当該対象物と類似であると見做せる素材からなる物質に、各前記X線エネルギーBINを代表するX線エネルギーを有する単色X線を照射したときのX線減弱量μtの前記直線状の目標特性に、前記関数で近似されたX線減弱量μtの特性を置換するための補正係数を前記補正用データとして演算する補正係数演算手段(S3(S32))を有する請求項2に記載のデータ処理装置。 - 前記近似手段は、前記厚さtが成す前記一方の軸を複数の区間に分割し、その複数の区間それぞれにて当該厚さtの関数で前記X線減弱量μtの特性を近似するように構成され
、
前記補正係数演算手段は、前記複数の区間それぞれにて前記補正係数を演算するように構成されている請求項3に記載のデータ処理装置。 - 前記近似手段は、前記厚さtが成す前記一方の軸上で所定数の複数点における前記X線減弱量μtの特性を、当該所定数の複数点の位置をずらしながら、当該厚さtの関数で順次近似するように構成され、
前記補正係数演算手段は、前記近似手段によりなされる前記所定数の複数点の位置の組それぞれにおいて前記補正係数を演算するように構成されている請求項4に記載のデータ処理装置。 - 前記補正係数演算手段は、前記複数点の位置が設定される毎に、当該複数点の位置のうちの部分的な位置が成す前記厚さtの範囲であって、その前の設定時の当該部分的な位置が成す前記厚さtの範囲に続く当該厚さtの範囲に対する前記補正係数を演算するように構成されている請求項5に記載のデータ処理装置。
- 前記複数の区間は、前記厚さtが薄い区間ほど厚さtの刻みをより細かく設定している請求項4に記載のデータ処理装置。
- 前記複数の区間のうち、前記厚さtが一番薄い区間は前記2次元座標の原点を始点とする請求項4に記載のデータ処理装置。
- 前記厚さtの関数は、前記厚さtの2次関数である請求項3〜8の何れか一項に記載のデータ処理装置。
- 前記X線エネルギーBINの数は3つ、または、4つ以上である請求項2〜9の何れか一項に記載のデータ処理装置。
- 前記補正用データ演算手段は、
前記対象物と同種の前記物質又は近似の前記物質の前記複数の互いに異なる厚さから設定した、当該対象物の代表的な厚さtrと当該代表厚さtrに相当する前記X線減弱量μtrとの交点と前記原点を結ぶ直線を前記直線状の目標特性として設定する目標特性設定手段(S3)を備えた請求項10に記載のデータ処理装置。 - 前記補正用データ演算手段は、
前記X線エネルギーBINそれぞれの実効エネルギーあるいは固定エネルギーの理論値から計算される線源弱係数を傾きとし且つ前記原点を通る直線を前記直線状の目標特性として設定する目標特性設定手段(S3)を備えた請求項10に記載のデータ処理装置。 - 前記補正手段により補正されたデータを用いて前記対象物の前記X線減弱に関するベクトル情報を画素毎に演算する対象物情報演算手段と、
前記ベクトル情報を提示する提示手段(S12)と、を備え、
前記対象物情報演算手段は、
n個(nは2以上の正の整数)の前記X線エネルギーBINの仮想平均線減弱係数μi(i=1〜n)、
X線投影方向で見たときの前記対象物の厚さt、及び、
仮想平均線減弱係数μi(i=1,2,…,n)及び厚さtで定義されるn次元ベクトル(μ1t,μ2t,…,μnt)を定義したときに、
このn次元ベクトルの下記計算によって導出される規格化された線減弱ベクトル
(μ1,μ2,…,μn)/(μ1 2+μ2 2+μn 2)1/2
を前記ベクトル情報として演算するように構成されている請求項10に記載のデータ処理装置。 - 前記補正手段により補正されたデータを用いて前記対象物の前記X線減弱に関する吸収ベクトル長を画素毎に演算する対象物情報演算手段と、
前記吸収ベクトル長を提示する提示手段(S12)と、を備え、
前記対象物情報演算手段は、
n個(nは2以上の正の整数)の前記X線エネルギーBINの仮想平均線減弱係数μi(i=1,2,…,n)、
X線投影方向で見たときの前記対象物の厚さt、及び、
仮想平均線減弱係数μi(i=1,2,…,n)及び厚さtで定義されるn次元ベクトル(μ1t,μ2t,…,μnt)を定義したときに、ベクトル長さ
t×(μ1 2+μ2 2+…+μn 2)1/2
を前記吸収ベクトル長として演算するように構成された請求項10に記載のデータ処理装置。 - 前記補正手段により補正された前記計数値に基づき前記対象物の検査のためのデータ処理を行う処理手段(S11)を備え、
前記処理手段は、前記補正手段により補正されたデータを用いて前記対象物の前記X線減弱に関するベクトル情報及び吸収ベクトル長を画素毎に有する吸収ベクトル長画像を演算するように構成され、
前記データ処理装置は、前記ベクトル情報及び吸収ベクトル長を提示するように構成された提示手段(S12)を備え、
前記対象物情報演算手段は、
n個(nは2以上の整数)の前記X線エネルギーBINの仮想平均線減弱係数μi(i=1、2、…、n)、
X線投影方向で見たときの前記対象物の厚さt、及び、
仮想平均線減弱係数μi(i=1,2,…、n)及び厚さtで定義されるn次元ベクトル(μ1t,μ2t,…μnt)を定義したときに、
このn次元ベクトルの線減弱ベクトル
(μ1,μ2,…,μn)/(μ1 2+μ2 2+…+μn 2)1/2
を前記ベクトル情報として演算し、前記吸収ベクトル長を、ベクトル長さ
t×(μ1 2+μ2 2+…+μn 2)1/2
として演算するように構成された請求項10に記載のデータ処理装置。 - 前記補正手段により補正された前記計数値に基づき前記対象物の検査のためのデータ処理を行う処理手段(S11)を備え、
前記処理手段は、i)前記対象物或いは当該対象物の一部を成す物質の種類又は性状、ii)当該対象物の外部に付着或いは当該対象物の内部に混入するかもれしれない異物の存在、又はiii)当該異物の種類或いは性状、iv)前記対象物或いは当該対象物の一部を成す物質或いは当該対象物の内部に混入するかもれしれない異物の重量、v)前記対象物或いは当該対象物の一部を成す物質或いは当該対象物の内部に混入するかもれしれない異物の厚み、のうちの少なくとも何れか1つを同定するように構成されている請求項10に記載のデータ処理装置。 - 前記対象物と同種の、又は、前記X線の減弱係数が近似していると見做せる素材からなる物質を用いて作成され、かつ、計測時に前記X線の透過方向において前記複数の既知の厚さを呈するように作成されたファントムを備え、
前記特性取得手段は、
前記ファントムを、検査時に前記対象物を設置する位置に配置した状態で、前記X線に
よる前記照射を行ったときの検出器が出力した前記計数値を取得し、この前記計数値に基づき、前記ファントムの前記X線の線束が透過する方向における前記X線減弱量μtの特性を演算するように構成され、
前記補正用データ演算手段は、
前記事前演算手段により演算されたX線減弱量μtの特性から、前記X線減弱量μtの特性を前記直線状の目標特性に補正するための補正用データを演算して参照用データとして事前に保有する参照データ保有手段(33B)を有し、
前記補正手段は、
前記対象物の実際の検査時に、前記参照データ保有手段に保有されている前記補正用データを参照して当該検査時の前記計数値を補正するように構成されている請求項10に記載のデータ処理装置。 - 前記物質は、前記線減弱係数に関して前記対象物を模したファントムであって、
前記素材は、前記対象物の実効原子番号の±5の、好ましくは±2の範囲内の範囲内の実効原子番号を有する素材である請求項1〜9の何れか一項に記載のデータ処理装置。 - X線を照射するX線発生装置と、
前記X線発生装置から照射され、かつ、物質を透過してきた前記X線を検出し、前記予め設定した1つ以上のX線エネルギーBIN毎に当該X線の光子数を計数して、その計数値を出力する光子計数型の検出器と、
請求項1〜9の何れか一項に記載のデータ処理装置と、を備えたX線装置。 - 予め決められた連続X線スペクトラムを有するビーム状のX線をX線管から対象物に照射し、その対象物を透過したX線を検出し、予め設定した2つ以上のX線エネルギーBINのそれぞれに属するX線エネルギを持つ光子の数を当該X線エネルギーBIN毎に計数して、その計数値を出力するX線装置で実行されるデータ処理方法において、
前記対象物と同一の物質、又は、実効原子番号に関して当該対象物と類似であると見做せる素材からなる物質の、前記X線の線束が透過する方向における複数の互いに異なる既知の厚さtと当該線減弱係数μとにより定義されるX線減弱量μtの特性を、前記計数値に基づき前記X線エネルギーBIN毎に取得し、
前記取得されたX線減弱量μtの特性を、一方の軸に前記厚さtを採り且つ当該一方の軸に直交する他方の軸に前記X線減弱量μtを採った2次元座標において当該座標の原点を通る直線状の目標特性に置き換えるための補正用データを、前記X線エネルギーBIN毎に演算することを特徴とするデータ処理方法。 - 前記対象物を透過してきたX線から前記X線エネルギーBINごとに得られるそれぞれの前記計数値を、対応する前記X線エネルギーBINの前記補正用データに基づきそれぞれ補正する請求項20に記載のデータ処理方法。
- 前記物質は、前記線減弱係数に関して前記対象物を模したファントムであって、
前記素材は、前記対象物の実効原子番号の±5の範囲内の、好ましくは、±2の範囲内の実効原子番号を有する素材である請求項20又は21に記載のデータ処理方法。
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