JP6940065B2 - エネルギー分解ctの解析装置、x線ct装置、エネルギー分解ctの解析方法、及びエネルギー分解ctの解析プログラム - Google Patents
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Description
〔1〕X線源から放出されて被検体を透過した透過X線を、互いに異なる複数のX線エネルギースペクトルを有するX線としてX線を検出する検出器で測定することで得られた測定値を取得する取得部と、前記検出器に入射するX線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記測定値から前記透過X線のエネルギー分布を導出する導出部と、前記応答関数をX線の散乱要素を加味して演算する演算部とを備えるエネルギー分解CTの解析装置。
〔3〕前記応答関数の設定エネルギーの幅が、0.1keV以上、20keV未満である、〔1〕又は〔2〕に記載のエネルギー分解CTの解析装置。
〔4〕前記導出部は、前記応答関数と初期推定X線エネルギースペクトルとを用いて、前記測定値をアンフォールディング解析することで前記透過X線のエネルギー分布を導出し、前記初期推定X線エネルギースペクトルとして、X線が前記被検体を通過することにより生じるX線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したX線のエネルギースペクトルを用いる、〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載のエネルギー分解CTの解析装置。
〔6〕前記線減弱係数を算出する際の前記設定エネルギーの分割幅が、20keV未満である、〔5〕に記載のエネルギー分解CTの解析装置。
〔7〕2種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を求めて、前記比から前記被検体の実効原子番号を評価する評価部をさらに備える、〔5〕又は〔6〕に記載のエネルギー分解CTの解析装置。
〔8〕〔1〕〜〔7〕のいずれか1項に記載のエネルギー分解CTの解析装置と、前記X線源と前記検出器とを有する測定部とを有するX線CT装置。
本実施形態に係るX線CT装置及び解析装置の構成について、図1〜図3を参照して説明する。
[1−1.ハードウェア構成]
図1に示すように、X線CT装置100は、解析装置20と、これに接続されるX線源11、検出器12、表示装置50を備えている。また、X線CT装置100は、キーボード、マウス等の入力装置(図示略)と、X線源11及び検出器12を被検体に対して回転移動させる駆動装置(図示略)とをさらに備えている。この駆動装置によって、所定の角度間隔で全方向から被検体の透過X線を測定することができる。解析装置20は、例えば、検出器12で得られた測定データを処理するためのコンピュータによって構成されている。解析装置20は、CPU(Central Processing Unit;中央処理装置)30、メモリ40、及び入出力インターフェース(図示略)を備え、これらがデータを転送するための経路であるバス(図示略)によって接続されている。解析装置20は、入出力インターフェースを介して、X線源11、検出器12、表示装置50、入力装置、及び駆動装置と接続されている。
以下、各部の構成を説明する。
X線源11は、X線を放出するX線管である。X線源11は、カソードとアノードを有しており、カソードとアノードとの間に電圧を印加することで、カソードのフィラメントから電子を放出させることができる。そして、フィラメントから放出された電子がアノードに衝突することによって、X線が放出される。X線源11から放出するX線は、被検体に向けて照射することができる。X線源11から被検体に向けてX線が照射されると、被検体を透過したX線が検出器12に入射する。
検出器12は、X線を検出する検出装置である。図3に示すように、本実施形態の検出器12は、X線の進行方向にCh1〜Ch4までの4個の要素検出器(検出素子)13〜16を配置した積層型の検出器である。各検出素子13〜16の検出媒体として、本実施形態ではSi(Li)半導体を用いている。検出素子13〜16の検出媒体はこれに限定されず、CdTe等の他種の半導体を用いてもよく、各種シンチレーター等の一般的な放射線検出器の検出媒体を利用することもできる。検出素子13〜16は、入射したX線から付与されたエネルギーによって電荷を発生することで、電流を出力する。検出器12は、X線を電流として測定するため、大量のX線が検出器に入射した場合でも測定が可能である。一方、個々のX線のエネルギーを測定する方式のX線検出器においては計数率の制限から、5×105s-1以上のX線光子数では十分な測定ができないとされている。検出素子13〜16から出力した電流は、各検出素子13〜16に対応して設けられた増幅器17に送られて、増幅器17によって増幅される。そして、検出素子13〜16に対応して、増幅器17によって増幅されたI1〜I4の電流値が検出器12の測定値として出力される。
表示装置50としては、例えば、CRT(Cathode Ray Tube)、LCD(Liquid Crystal Display)、有機ELディスプレイ(Organic Light-Emitting Diode Display)等のディスプレイが用いられる。
CPU30は、種々の制御や演算を行なう処理装置であり、メモリ40に格納された後述する本件のプログラムを読み出して実行することにより、種々の機能を実現する。そして、CPU30が、これらのプログラムを実行することにより、図2で示すように、処理部130の各機能手段としてそれぞれ機能する。なお、処理部130における処理機能の実現手段はプログラムに限定されず、解析装置20に搭載されるハードウェアにより実現されてもよい。例えば、処理部130を、ROM,RAM,CPU等を内蔵したワンチップマイコンとして構成してもよいし、あるいは、デジタル回路やアナログ回路といった電子回路として形成してもよい。
メモリ40は、種々のデータやプログラムを格納するデータ記憶装置である。メモリ40は、例えば、RAM(Random Access Memory)等の揮発性メモリや、ROM、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ、またはHDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Device)等によって実現される。
図2に示すように、X線CT装置100を機能的に表すと、測定部110、表示部150、及び処理装置20を備えて構成される。処理装置20は、処理部130、及び記憶部140を備える。
以下、各部の構成を説明する。
測定部110は、X線源11と検出部112とを有している。X線源11から放出されて被検体を透過した透過X線が検出部112に入射することで、検出部112は透過X線を検出する。解析装置20は、X線源11からX線を放出するタイミングを制御することで、所定の周期で被検体にX線を照射することができる。
検出部112は、検出器12である。図3に示すように、検出部112の各検出素子13〜16に透過X線が入射することで、検出素子13〜16から電流が出力される。さらに、検出素子13〜16から出力されるとともに増幅器17で増幅されたI1〜I4の電流値が測定値として、取得部131に出力される。
表示部150は、表示装置50である。表示部150は、解析装置20で信号処理された情報、及び記憶部140に格納される情報等を表示することができる。例えば、表示部150は、演算部132で求められる応答関数を表示することができる。また、表示部150は、導出部133で導出されるエネルギー分布を表示することができる。また、表示部150は、算出部134で求められる線減弱係数を表示することができる。また、表示部150は、評価部135で求められる実効原子番号を表示することができる。
記憶部140は、メモリ40を用いてデータを格納している。記憶部140は、解析装置20で信号処理された情報、及び記憶部140に格納される情報等を表示することができる。例えば、記憶部140は、応答関数、エネルギー分布、線減弱係数、実効原子番号を格納することができる。また、記憶部140は、CPU30に実行させることで、後述する取得部131、演算部132、導出部133、算出部134、及び評価部135としてそれぞれ機能させるプログラムを予め保存する。これらのプログラムをあわせて、本件のプログラム(解析プログラム)と称する。
処理部130は、CPU30で演算処理される機能部位であり、各機能は個別のプログラムとして構成されている。処理部130は、図2で示すように、取得部131、演算部132、導出部133、算出部134、及び評価部135としてそれぞれ機能する。
取得部131は、検出部112で測定した測定値を取得するものである。取得部131は、取得した測定値を導出部133に出力する。なお、予め検出部112によって測定した測定値を記憶部140に格納しておき、取得部131はこの測定値を記憶部140から読み出すことで取得するようにしてもよい。
演算部132は、応答関数を少なくともX線の散乱要素を加味して演算するものである。ここで、i番目の検出素子の応答関数とは、あるエネルギーEのX線が検出器12に入射した場合に、i番目の検出素子に付与されるエネルギーということができる。そこで、演算部132は、所定の設定エネルギー範囲において、所定の設定エネルギー幅ごとに、所定のX線光子数のX線を検出器12に入射させることで、検出素子13〜16に付与されたエネルギーを計算によって評価することで、応答関数を求める。
導出部133は、演算部132によって求められた応答関数を用いて測定値から透過X線のエネルギー分布を導出するものである。導出部133は、応答関数と初期推定X線エネルギースペクトルとを用いて、測定値をアンフォールディング解析することで透過X線のエネルギー分布を導出することが好ましい。アンフォールディング解析は、公知の手法を用いて行うことができ、例えばアンフォールディングコードSANDIIを用いることができる(W. McElroy, S. Berg, T. Crockett, R. G. Hawkins, A computer-automated iterative method for neutron flux spectra determination by foil activation, Air Force Weapons Laboratory (1967).;参照)。
以下、初期推定X線エネルギースペクトルについて説明する。なお、ここでは、基準物質をPMMAとする場合を例に挙げて説明する。
算出部134は、導出部133によって求められたエネルギー分布から、エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける被検体の線減弱係数を算出するものである。算出部134は、エネルギー分布から、所望の設定エネルギーにおいて、設定エネルギー幅に含まれるX線光子数を被検体の各測定点について抽出する。さらに、算出部134は、抽出された各測定点のX線光子数をCTデータとして画像再構成を行うことで、所望の設定エネルギーのX線を用いたエネルギー分解CT画像を得ることができる。エネルギー分解CT画像の画素値は、各設定エネルギーにおけるエネルギーのX線に対する測定対象物質の線減弱係数分布を示している。このため、算出部134は、エネルギー分解CT画像の測定対象物質に対応する箇所の画素値から、測定対象物質の線減弱係数を求めることができる。この作業を設定エネルギー範囲に含まれる複数の設定エネルギーにおいて、エネルギー分解CT画像を得るとともに線減弱係数を求めることで、X線エネルギーの関数として、線減弱係数を得ることができる。このとき、設定エネルギー範囲に含まれる全ての設定エネルギーにおいて線減弱係数を得ることが好ましい。
評価部135は、2種の設定エネルギーにおける線減弱係数から線減弱係数の比を求めて、この比から被検体の実効原子番号を評価するものである。米国標準局が刊行している原子番号−線減弱係数のテーブルを利用して、原子番号と2種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比との関数のグラフを求めておくことができる。そして、この原子番号と2種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比との関係のグラフにおいて、透過X線の測定を経て算出部134によって得られた2種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比の値が乗る点に相当する原子番号を、その物質の実効原子番号として求めることができる。
上述したX線CT装置100及び解析装置20の動作によって行う、本実施形態のエネルギー分解CTの解析方法について、図4のフローチャートを参照して説明する。
(1)解析装置20によれば、演算部132による演算によって、検出器12に固有の応答関数を求めることができる。演算によって求めた応答関数を用いることで、検出器12によって測定された未知の測定対象物に対する測定値から、導出部133は透過X線のエネルギー分布を導出することができる。このとき、演算部132は、X線の散乱要素を加味し、応答関数を演算する。このように、解析装置20では応答関数の演算に散乱要素が含まれることで、決定論的方法を用いて計算により求める場合よりも本来のX線の挙動が反映されて、検出器12の応答関数をより適切に求めることができる。さらに、このような応答関数を用いることで、未知の測定対象物に対する透過X線のエネルギー分布をより高い精度で求めることができる。
X線CT100及び解析装置20は、被検体を透過した透過X線を測定することによって、被検体(検査対象物)の実効原子番号の測定に用いられる。被検体は特に限定されないが、例えば、動物、植物、果実、木材、樹脂、プラスチック、ゴム、ガラス、セラミック、金属、又はこれらの複合材等が挙げられる。動物としては、人体にも用いることができる。人体等の生体に用いる場合には、実効原子番号によって、生体中の血管、臓器、組織、骨等の識別に用いることができる。また、リンゴ等の果実に用いる場合には、実効原子番号によって、糖度の測定に用いることができる。また、ウシ、ブタ等の家畜や、マグロ等の水産物に用いる場合には、筋肉部位と脂肪部位との識別に用いることができる。その他、手荷物検査等において、爆発物や薬物の検査に用いることができる。
上記の実施形態では、検出器12が4個の検出素子13〜16を有する場合を例に挙げて説明した。検出素子の数は複数であればよく特に制限されるものではないが、検出素子の数が多いほど、透過X線を複数のX線エネルギースペクトルを有するX線として測定することによって、精度の高いエネルギー分布が得られる傾向にある。このため、検出素子の数は、通常3個以上、好ましくは4個以上である。一方、検出素子の数が多いと検出器12の製作にかかるコストが高くなるため、通常10個以下、好ましくは6個以下である。
図9から各プラスチックのμ(40)/μ(65)の線減弱係数の比を求め、図10において、μ(40)/μ(65)の値が曲線に乗る点の原子番号から実効原子番号を求めた。測定により得られた各プラスチックの実効原子番号を、「実験40/65keV」として図11に示した。
ここで、実施例で用いた5種のプラスチックの化学式、密度及び実効原子番号を、表1に示す。表1で示した実効原子番号は、Mayneordの式(W. V. Mayneord, The significance of the roentgen, Acta. Int. Union Against Canc. 2 (1937) 271.;参照)で求めた実効原子番号Zeffを示している。
11 X線源
12 検出器
20 解析装置
110 測定部
112 検出部
130 処理部
131 取得部
132 演算部
133 導出部
134 算出部
135 評価部
Claims (10)
- X線源から放出されて被検体を透過した透過X線を、互いに異なる複数のX線エネルギースペクトルを有するX線としてX線を検出する検出器で測定することで得られた測定値を取得する取得部と、
前記検出器に入射するX線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記測定値から前記透過X線のエネルギー分布を導出する導出部と、
前記応答関数をX線の散乱要素を加味して演算する演算部とを備え、
前記導出部は、前記応答関数と初期推定X線エネルギースペクトルとを用いて、前記測定値をアンフォールディング解析することで前記透過X線のエネルギー分布を導出し、
前記初期推定X線エネルギースペクトルとして、X線が前記被検体を通過することにより生じるX線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したX線のエネルギースペクトルを用いる、
エネルギー分解CTの解析装置。 - 前記演算部は、確率論的シミュレーションによって前記応答関数を演算する、
請求項1に記載のエネルギー分解CTの解析装置。 - 前記応答関数の設定エネルギーの幅が、0.1keV以上、20keV未満である、
請求項1又は2に記載のエネルギー分解CTの解析装置。 - 前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出部をさらに備える、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のエネルギー分解CTの解析装置。 - 前記線減弱係数を算出する際の前記設定エネルギーの分割幅が、20keV未満である、
請求項4に記載のエネルギー分解CTの解析装置。 - 2種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を求めて、前記比から前記被検体の実効原子番号を評価する評価部をさらに備える、
請求項4又は5に記載のエネルギー分解CTの解析装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のエネルギー分解CTの解析装置と、
前記X線源と前記検出器とを有する測定部とを有する
X線CT装置。 - 被検体を透過した透過X線を互いに異なる複数のX線エネルギースペクトルを有するX線としてX線を検出する検出器で測定することで得られた測定値から、前記検出器に入射するX線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記透過X線のエネルギー分布を導出する導出ステップと、
前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出ステップと、
2種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を算出して、前記被検体の実効原子番号を評価する評価ステップと、
前記応答関数をX線の散乱要素を加味した計算によって演算する演算ステップとを備え、
前記導出ステップにおいて、前記応答関数と初期推定X線エネルギースペクトルとを用いて、前記測定値をアンフォールディング解析することで前記透過X線のエネルギー分布を導出し、
前記初期推定X線エネルギースペクトルとして、X線が前記被検体を通過することにより生じるX線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したX線のエネルギースペクトルを用いる、
エネルギー分解CTの解析方法。 - コンピュータを、
X線源から放出されて被検体を透過した透過X線を、互いに異なる複数のX線エネルギースペクトルを有するX線としてX線を検出する検出器で測定することで得られた測定値を取得する取得部と、
前記検出器に入射するX線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記測定値から前記透過X線のエネルギー分布を導出する導出部と、
前記応答関数をX線の散乱要素を加味して演算する演算部として機能させ、
前記演算部は、確率論的シミュレーションによって前記応答関数を演算し、
前記導出部は、前記応答関数と初期推定X線エネルギースペクトルとを用いて、前記測定値をアンフォールディング解析することで前記透過X線のエネルギー分布を導出し、
前記初期推定X線エネルギースペクトルとして、X線が前記被検体を通過することにより生じるX線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したX線のエネルギースペクトルを用いる、
エネルギー分解CTの解析プログラム。 - 前記コンピュータを、
前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出部と、
2種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を求めて、前記比から前記被検体の実効原子番号を評価する評価部としてさらに機能させる、
請求項9に記載のエネルギー分解CTの解析プログラム。
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