JP6698444B2 - 放射線撮像装置、放射線撮像方法及び放射線撮像プログラム - Google Patents
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Description
近年、このような放射線撮像装置において、被検体を透過した放射線の一つ一つを分解してX線フォトンを検出する(パルスモード)ことで、より高精度の装置を実現しようという動きが活発となっている。CTの分野では、フォトンカウンティングCT(PCCT)などと呼ばれ、次世代の装置として期待されている。
非特許文献1に開示された検出器のように、サブピクセル毎にX線フォトンを計数すると分割したサブピクセルの数だけ得られるデータ量が増えることになる。このため、各マクロピクセル内でサブピクセルの計数値(計数率)を加算し、マクロピクセル毎に出力値を得ることで、検出器から出力されるデータ量を低減している。
本発明の一態様は、X線を照射するX線源と、前記X線を検出する複数のサブピクセルからなるピクセルを二次元配列した検出部と、前記サブピクセルによる検出信号に基づいて前記X線の強度に応じた出力信号を生成する信号処理部と、前記ピクセルに属する前記サブピクセルの出力信号を加算することにより前記ピクセル毎のX線計数信号を生成する信号加算部と、前記X線計数信号に基づいて、画像を生成する画像生成部と、を備え、該画像生成部が、処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルのX線入射分布の非一様性を推定する非一様性推定部を備える放射線撮像装置を提供する。
本発明に係る放射線撮像装置は、X線を照射するX線源と、前記X線を検出する複数のサブピクセルからなるピクセルを二次元配列した検出部と、前記サブピクセルによる検出信号に基づいて前記X線の強度に応じた出力信号を生成する信号処理部と、前記ピクセルに属する前記サブピクセルの出力信号を加算することにより前記ピクセル毎のX線計数信号を生成する信号加算部と、前記X線計数信号に基づいて、画像を生成する画像生成部と、を備え、該画像生成部が、処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルのX線入射分布の非一様性を推定する非一様性推定部を備える放射線撮像装置である。
このような放射線撮像装置によれば、各サブピクセルに対するX線の入射分布が非一様であり、各サブピクセルのデッドタイムにバラつきがある場合であっても、入射分布の非一様性を推定することができるので、推定した非一様性を利用することにより画質の向上を図ることができる。
<第1の実施形態>
以下、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置の一例として、X線CT装置について図面を参照して説明する。
X線検出器150は、複数のピクセル20が二次元配列されピクセル毎にX線フォトンを検出して信号出力する検出部151と、検出部151の各ピクセル20からの出力信号を収集し処理する信号処理部152とを備えている。
図3に示すように、検出部151は、X線源120を略中心とした円弧状に配置されており、ガントリ回転部110の回転に伴い、X線源120との位置関係を保ちながら回転する。従って、図3に示す例では、ピクセル20が近似的に曲面状に配置されているように描写しているが、一般にはピクセルの表面は曲率の無い平面であることが多く、検出部151におけるピクセル20の配置は多角形状になることもある。
なお、被検体200で散乱されたX線フォトンを除去するために、ピクセル20のX線源120側にはコリメータ145(図1参照)が配置されている。コリメータ145は、ピクセル20とピッチ及び形状が一致するような二次元矩形コリメータであっても良いし、一次元のスリットコリメータであっても良い。
図4に、ピクセル20として、複数の同一のサイズの検出素子21が、チャネル方向に2素子、スライス方向に2素子の計4個配列されて構成される例を示した。図4の例では、ピクセル20は例えば1mm四方であり、各サブピクセルは0.5mm四方となっている。以下、本実施の形態においては、ピクセル20が4つのサブピクセル21から構成されているものとして説明する。
本実施形態では、X線フォトン130の入射面(図4における検出層40の上面)に設けられた負の電極41(以下、「共通電極41」という)が、ピクセル20全体を覆う共通電極となっている。また、正の電極42(以下、「個別電極42」という)は、サブピクセルとしての検出素子21毎に設けられ、信号処理部152の個別のチャンネル165が各個別電極42に接続されている。すなわち、サブピクセル毎に信号を読み出し、エネルギー情報の取得を含むX線フォトンの計数を行うようになっている。
PCCTにおいては、信号処理回路の持つデッドタイムが、測定で得られた計数値にどのように影響しているかを考慮する必要がある。デッドタイムの観点から、信号処理回路は理想的には大きく二つに分類することができ、それぞれマヒ型、非マヒ型と呼ばれることがある。図8に、マヒ型及び非マヒ型の各計数率特性(入射率と計数率の関係)を示した。ここで、入射率とは、上述したように一つの検出単位(ピクセルまたはサブピクセル)あたりに単位時間に入射するX線フォトン数であり、計数率とは、一つの検出単位(ピクセルまたはサブピクセル)あたりで単位時間に検出(計数)されるX線フォトン数をいう。
この場合、デッドタイムが0という理想的な場合に期待される計数率は入射率に等しくなる。入射率をx、有限のデッドタイムを持つ場合の計数率をyとすると、マヒ型の信号処理回路の場合の計数率特性410は式(1)で表わされることが知られている(図8参照)。
説明の便宜を図るため、簡易的に、ピクセル20の幅方向、すなわち図9における左右方向にのみ、入射分布に偏りがある場合を想定する。また、ピクセル20が、互いに等しい大きさの、2つのサブピクセル21L及びサブピクセル21Rに分割されていることとして説明する。サブピクセル21は、図9における左右方向に2つ配置されていることとする。なお、ピクセルに含まれるサブピクセルが、互いに異なる大きさである場合には、単位面積あたりの入射率に適宜変換すればよい。
そして、その密度や厚みの変化が空間的に一次関数的なものであると考えられる場合、入射率は指数関数的に変化していることが期待される。
しかし、上述のように、これらのサブピクセル毎の計数率yL、yRの値は出力されず、信号統合部166によりピクセル毎の計数率y(=yL+yR)として加算され、ピクセル20b,20a,20cから得られる計数率yb(=ybL+ybR)、ya(=yaL+yaR)、yc(=ycL+ycR)はそれぞれ4.8,12.8,27.7Mcpsとなる(表1の6段目)。
この演算によりパイルアップの影響を除去した、ピクセルの計数値y(表1の6段目)から計数率特性y=f(x)を用いて得られた入射率予測値x(表1の7段目)は、ピクセル内で入射分布が一様なピクセル20b,20cでは、シミュレーションにおいて当初設定した入射率x(表1の4段目)に一致しているが、ピクセル20aでは1.6%の過少評価となっていることがわかる(表1の8段目)。CTが医用の診断画像を提供する装置であることに鑑みると、この過少評価はアーチファクトなどの画質低下を招来し得る、無視できない大きさのズレである。
そこで、コンピュータ180は、このようなサブピクセルに入射するX線が一様でない場合、一様でない程度を示す非一様性に起因した入射率予測値xのズレを軽減するため、当該ピクセルの近傍のピクセルの計数値yを用いて当該ピクセルへの入射分布の非一様性を推定し、当該ピクセルの入射率予測値を補正する。
以下、図10の表1に示した例に従って、本実施形態における非一様性推定部184によるピクセル20aの入射率推定値xEの算出手法の一例について説明する。
表1の7段目に示した、計数率特性y=f(x)から得られる入射率予測値xによると、ピクセル20aの入射率予測値xaは、ピクセル20bの入射率予測値xbよりも大きいため、ピクセル20aにおける入射分布が非一様であることが推定される。ピクセル20bは2つのサブピクセル21bL,21bRから構成され、ピクセル20bの入射率予測値xbは5Mcpsであることから、サブピクセル21bL,21bRの入射率予測値xbL、xbRは夫々2.5Mcpsであると考えることができる。
また、コンピュータ180は、サブピクセル21のデッドタイムを考慮した計数率に着目して、ピクセル20aの正確な入射率推定値を取得することもできる。具体的には、非一様性推定部184は、実測又はシミュレーションにより予め取得した信号処理部152の計数率特性f(x)を用い、ピクセル20aへの入射率の分布が、隣接するサブピクセル21bRから離れるにつれて指数関数的に増加していると仮定して、以下の式(4)を用いる。pは、隣接するサブピクセル21bRの入射率xbR、kはパラメータである。
本算出手法によれば、入射率予測値を用いずに、計数率特性と実際の計数率とから入射率推定値を算出することができる。
従って、臨床撮像上の条件を考慮して本実施形態に係る推定値算出手法による補正の強度を調整することが好ましい。
なお、上述した本実施形態に係る計数率特性等を用いて正確な入射率推定値を算出する手法は、信号処理部152が上述したマヒ型又は非マヒ型のいずれであっても適用可能である。
ステップS101において、ユーザによる臨床撮像のためのパラメータ、すなわち撮像条件の入力を入力装置192を介して受け付ける。撮像条件には、撮像部位等の撮像対象の情報や、どのような再構成を実施するか、また、撮像部位等に応じて入射率推定値を算出するためのパラメータを含めることができる。なお、パラメータには、管電流などのX線管の焦点サイズに影響を与えるパラメータも含む。
なお、上述した本実施形態に係るX線CT装置における撮像処理には、種々の補正処理や他の処理を含めることができる。また、一旦、ステップS102で計数値を取得した後に入射率推定値算出に必要なパラメータ等を入力し、ステップS103及びステップS104を実行することもできる。
これらを加算した処理対象ピクセル全体の計数率予測値ycala=ycalaL+ycalaRと、ステップS201で取得した実際の処理対象ピクセルの計数率yaの比qを算出する(ステップS255)。ステップS253で算出した暫定的なサブピクセルの入射率予測値xaL、xaRを比q倍することにより、入射率推定値xEaL、xEaRを求める(ステップS256)。
なお、上述した非一様性推定から入射率推定値算出までの処理は、再構成像の生成と同時に逐次的に行うこともできる。
入射分布の非一様性を考慮した入射率推定値の算出手法は、上述した手法に限られず、例えば以下に示すように様々な手法が考えられる。
上述の例では、当該ピクセル20aについて、当該ピクセル20aと隣接ピクセル20bの2つのピクセルのデータから1つの入射率推定値を得る例について説明した(図9参照)。この他、当該ピクセル20aを挟み、当該ピクセル20aを含む3つのピクセル20a,20b,20cあるいはそれ以上のピクセルの計数率等のデータから1つの入射率推定値を算出することもでき、本変形例では、当該ピクセル20aを含む3つのピクセル20a,20b,20cの計数率等から1つの入射率推定値を算出する場合について説明する。
例えば、ピクセル20dの入射率予測値が3Mcpsであった場合、入射分布の変化が一次関数的であると仮定すると、サブピクセル21dR,21dL,21bR,21bLへの入射率はそれぞれ1.25Mcps,1.75Mcps,2.25Mcps,2.75Mcpsと推定することができる。よって、サブピクセル21bRの入射率を2.75Mcpsと考えてピクセル20aへの入射分布の非一様性を推定することができる。サブピクセル21bRへの入射率の推定においては、一次関数的な分布に限らず、指数関数的な分布その他の分布を仮定することができる。
上述した第1の実施形態では、全ピクセルに対して入射率推定値を算出することとして説明した。しかしながら、必ずしも全ピクセルに対して入射率推定値を算出する必要はなく、ピクセル毎に入射率推定値を算出する又は算出しない、を切替えても良い。
非一様性推定部184が、記憶部182に記憶された入射率推定値を算出するピクセルである処理対象ピクセル(例えば、図9のピクセル20a)の計数値に係る出力信号(以下、「計数率」という)を読み込み(ステップS301)、続いて、当該処理対象ピクセルの近傍に位置する何れかのピクセル(例えば、図9のピクセル20b)の計数率を読み込む(ステップS302)。
また、ピクセル内の非一様性の影響を推定する際の参考とするため、信号加算部166が、計数率(出力信号)と共に、ピクセル内の入射分布の非一様性に関する情報を出力しても良い。すなわち、任意のピクセルを構成するサブピクセルの間で、入射率の非一様性が一定以上存在すると判断できる場合には、予めそのピクセルに対してフラグを立てるようなデータを出力し、記憶部182に記憶しておく。
ステップS401において、非一様性推定部184が、記憶部182に記憶された入射率推定値を算出するピクセルである処理対象ピクセルの計数値に係る計数率をフラグと共に読み込む。ステップS402では、非一様性推定部184が、当該ピクセルにフラグが付されているか否かを判定することにより、当該ピクセルの計数率を補正するか否かを判断する。ステップS402において、当該ピクセルを補正しないと判定された場合には、ステップS409に進む。また、ステップS402において、当該ピクセルと補正すると判定された場合には、ステップS403に進む。
また、ピクセルへの入射率推定値を算出する際に、隣接するピクセルについて計数率特性から得られる入射率予測値(図10の表1の7段目)を用いた。しかしながら、入射率予測値が入射分布の非一様性の影響を受けている可能性がある。
非一様性推定部184が、記憶部182に記憶された入射率推定値を算出するピクセルである処理対象ピクセルの計数値に係る計数率を読み込み(ステップS501)、当該処理対象ピクセルの近傍に位置する何れかのピクセルの計数率を読み込む(ステップS502)。
また、非一様性の推定及び非一様性の推定結果に基づく補正による入射率推定値の算出は、画像生成部における画像再構成と必ずしも独立に行う必要はなく、同時に実施することもできる。また、他の補正(例えばパイルアップの補正)と同時に実施することもできる。例として、画像再構成において逐次近似の手法を活用する場合に、非一様性の影響の推定を他の検出器応答とともに順問題的に取り込むことで同時に実施し、再構成像を作成することが可能である。
Claims (15)
- X線を照射するX線源と、
前記X線を検出する複数のサブピクセルからなるピクセルを二次元配列した検出部と、
前記サブピクセルによる検出信号に基づいて前記X線の強度に応じた出力信号を生成する信号処理部と、
前記ピクセルに属する前記サブピクセルの前記出力信号を加算することにより前記ピクセル毎のX線計数信号を生成する信号加算部と、
前記X線計数信号に基づいて、画像を生成する画像生成部と、を備え、
該画像生成部が、処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルにおけるX線入射分布の非一様性を推定する非一様性推定部を備える放射線撮像装置。 - 前記検出部が、X線フォトンを検出するフォトンカウンティング型の検出部である請求項1記載の放射線撮像装置。
- 前記非一様性推定部が、処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルに隣接して位置するピクセルのX線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルにおけるX線入射分布の非一様性を推定する請求項1記載の放射線撮像装置。
- 前記非一様性推定部が、処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルの近傍に位置する複数のピクセルのX線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルにおけるX線の入射分布の非一様性を推定することを特徴とする請求項1記載の放射線撮像装置。
- 前記非一様性推定部が、前記ピクセルに入射するX線の入射率と前記X線計数信号との関係を示す計数率特性を予め保持し、該計数率特性と、処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルにおけるX線の入射分布の非一様性を推定することを特徴とする請求項1記載の放射線撮像装置。
- 前記画像生成部が、
前記非一様性推定部による非一様性の推定結果に応じて、当該処理対象ピクセルのX線計数信号を補正して、前記処理対象ピクセルに入射したX線の入射率推定値を算出する信号補正部を備え、
前記画像生成部が、X線の入射率推定値に基づいて画像を生成する請求項1記載の放射線撮像装置。 - 前記非一様性推定部が、前記ピクセルに入射するX線の入射率と前記X線計数信号との関係を示す計数率特性を予め保持し、該計数率特性を用いて、前記処理対象ピクセル及び該処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの入射率予測値を算出し、前記処理対象ピクセル及び該処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号と前記入射率予測値に基づいて、前記処理対象ピクセルのX線入射分布の非一様性を推定し、
前記信号補正部が、前記非一様性推定部による推定結果に応じて前記処理対象ピクセルの前記入射率予測値を補正した入射率推定値を算出する請求項6記載の放射線撮像装置。 - 前記画像生成部は、前記処理対象ピクセル内のサブピクセルにおけるX線の入射率推定値を算出する信号補正部を有し、
前記信号補正部は、前記処理対象ピクセルの前記近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号から、前記近傍のピクセル内のサブピクセルにおけるX線入射率を、予め求めておいたX線計数信号とX線入射率との関係から算出し、算出したX線入射率の値と、前記近傍のピクセル内のサブピクセルから前記処理対象ピクセル内のサブピクセルまでの距離に応じてX線入射率が変化することを表した所定の関数とを用いて、前記処理対象ピクセル内のサブピクセルのX線の前記入射率推定値を算出することを特徴とする請求項1記載の放射線撮像装置。 - 前記信号補正部は、前記入射率推定値を算出する際に、X線の入射率が補正前の値よりも高くなるように前記入射率推定値を算出する請求項6記載の放射線撮像装置。
- 撮像対象の情報、前記X線源の焦点サイズに影響を与えるパラメータを含む複数の撮像条件を入力する入力部をさらに備え、
前記画像生成部が、複数の前記撮像条件のうち少なくとも一つを用いてX線入射分布の非一様性を推定する請求項1記載の放射線撮像装置。 - 前記信号加算部が、前記信号処理部から受け取った前記サブピクセル毎の前記出力信号に基づいて、前記処理対象ピクセルにおける非一様性に関する情報を生成し、前記X線計数信号と共に出力する請求項1記載の放射線撮像装置。
- 前記画像生成部が、画像の生成処理の際に逐次的に各前記ピクセルに対するX線の入射分布の非一様性を推定する請求項1記載の放射線撮像装置。
- 前記検出部が、半導体放射線検出素子を配列して構成されている請求項1記載の放射線撮像装置。
- X線を照射するステップと、
前記X線を検出する検出素子を二次元配列したピクセルを複数配列した検出部によって、前記X線の検出信号を出力するステップと、
前記検出信号に基づいて前記X線の強度に応じた出力信号を生成するステップと、
前記ピクセルに属する前記検出素子の出力信号を加算することにより前記ピクセル毎のX線計数信号を生成するステップと、
処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルのX線入射分布の非一様性を推定するステップと、
前記X線計数信号に基づいて、画像を生成するステップと、を備えた放射線撮像方法。 - X線を照射するステップと、
前記X線を検出する検出素子を二次元配列したピクセルを複数配列した検出部によって、前記X線の検出信号を出力するステップと、
前記検出信号に基づいて前記X線の強度に応じた出力信号を生成するステップと、
前記ピクセルに属する前記検出素子の出力信号を加算することにより前記ピクセル毎のX線計数信号を生成するステップと、
前記X線計数信号に基づいて、画像を生成するステップと、
処理対象ピクセルの前記X線計数信号と、前記処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルの前記X線計数信号とに基づいて、前記処理対象ピクセルのX線入射分布の非一様性を推定するステップとをコンピュータに実行させる放射線撮像プログラム。
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