JP7440271B2

JP7440271B2 - 放射線撮像装置および光子計数型検出器の較正方法

Info

Publication number: JP7440271B2
Application number: JP2020002682A
Authority: JP
Inventors: 一磨横井
Original assignee: 富士フイルムヘルスケア株式会社
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2040-01-10
Also published as: CN113100800A; JP2021108954A; US20210212646A1; US11096641B2; CN113100800B

Description

本発明は光子計数型検出器を備える放射線撮像装置に係り、光子計数型検出器の較正方法に関する。

フォトンカウンティング方式を採用する検出器である光子計数型検出器を備えるＰＣＣＴ（Photon Counting Computed Tomography）装置の開発が進められている。光子計数型検出器は、検出器に入射する放射線光子のエネルギーである光子エネルギーを計測できるので、ＰＣＣＴ装置は従来のＣＴ装置よりも多くの情報を含んだ医用画像、例えば組成の異なる物質が弁別された医用画像を提示できる。より具体的には血管造影に用いられるヨード造影剤と血管中の石灰化プラークが区別された医用画像が得られる。なお物質が弁別された医用画像を得るには、組成や厚さが既知の物質である複数の基底物質の組み合わせを光子計数型検出器で計測したときの出力と光子エネルギーとの関係を検出器素子毎に予め較正する必要がある。

特許文献１には、被検体のマルチスペクトルＸ線投影から被検体の組成情報を決定できるように、基底物質のマルチスペクトルＸ線投影を用いて訓練されたＡＮＮ（Artificial Neural Network）が開示されている。また特許文献１では、二つの基底物質を使用する場合には原子番号の低い物質と高い物質を使用することが望ましく、ＰＭＭＡ（Poly-Methyl Meth-Acrylate）とアルミニウムや、ポリスチレンとＰＶＣ（Poly-Vinyl Chloride）の使用例が示される。

米国特許第９８０８２１６号明細書

しかしながら特許文献１では、筋肉等の軟組織や脂肪組織を高精度に弁別することに対する配慮がなされていない。体内組織に含まれる脂肪の割合の差異を評価することは診断上重要であるので、軟組織や脂肪組織を高精度に弁別する必要がある。

そこで、本発明は、軟組織や脂肪組織を高精度に弁別可能な放射線撮像装置および光子計数型検出器の較正方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、入射する放射線光子のエネルギーである光子エネルギーに対応する電気信号を出力する光子計数型検出器を備える放射線撮像装置であって、複数の物質について線減弱係数と前記光子エネルギーとの関係を記憶する記憶部と、光子エネルギー毎の線減弱係数を所定の光子エネルギーの線減弱係数で除算することより規格化された線減弱係数である規格化減弱係数を各物質について算出する算出部と、弁別される物質である弁別物質に対して用いられる基底物質を前記規格化減弱係数に基づいて選択する選択部を備えることを特徴とする。

また本発明は、入射する放射線光子のエネルギーである光子エネルギーに対応する電気信号を出力する光子計数型検出器の較正方法であって、複数の物質について線減弱係数と前記光子エネルギーとの関係を取得する取得ステップと、光子エネルギー毎の線減弱係数を所定の光子エネルギーの線減弱係数で除算することより規格化された線減弱係数である規格化減弱係数を各物質について算出する算出ステップと、弁別される物質である弁別物質に対して用いられる基底物質を前記規格化減弱係数に基づいて選択する選択ステップを備えることを特徴とする。

本発明によれば、軟組織や脂肪組織を高精度に弁別可能な放射線撮像装置および光子計数型検出器の較正方法を提供することができる。

ＰＣＣＴ装置の全体構成を示す図である。光子計数型検出器の較正について説明する図である。本実施例の機能ブロック図の一例を示す図である。光子計数型検出器を較正する処理の流れの一例を示す図である。複数の物質について線減弱係数と光子エネルギーの関係の例を示す図である。複数の物質について規格化減弱係数と光子エネルギーの関係の例を示す図である。複数の基底物質の組み合わせによる水の分解・再合成残差と光子エネルギーの関係の例を示す図である。複数の基底物質の組み合わせによる脂肪組織の分解・再合成残差と光子エネルギーの関係の例を示す図である。ポリエチレンの厚さとＰＴＦＥの厚さの組み合わせの範囲の設定について説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。本発明の放射線撮像装置は、放射線源と光子計数型検出器とを備える装置に適用される。以降の説明では、放射線がＸ線であり、放射線撮像装置がＸ線ＣＴ装置である例について述べる。

図１に本実施例のＸ線ＣＴ装置１０１の全体構成図を示す。Ｘ線ＣＴ装置１０１は、ガントリ１０２、Ｘ線管１０３、ボウタイフィルタ１０４、寝台１０５、検出器パネル１０７、演算装置１０８、入力装置１０９、表示装置１１０を備える。Ｘ線管１０３から放射されたＸ線は、ボウタイフィルタ１０４により被検体１０６の大きさに適したビーム形状に成形されて被検体１０６に照射され、被検体１０６を透過したのち検出器パネル１０７に検出される。Ｘ線管１０３と検出器パネル１０７は、被検体１０６を挟んで対向配置されるようにガントリ１０２に取り付けられ、ガントリ１０２の回転駆動により被検体１０６の周りを回転する。ガントリ１０２の回転駆動とともに、Ｘ線管１０３からのＸ線照射と検出器パネル１０７でのＸ線計測が繰り返されることにより、様々な投影角度での投影データが取得される。取得された投影データが演算装置１０８にて画像再構成処理されることにより、被検体１０６の断層画像が生成され、表示装置１１０に表示される。また被検体１０６を載せた寝台１０５とガントリ１０２とが被検体１０６の体軸方向に相対的に移動しながら投影データが取得されると、被検体１０６のボリューム画像が生成される。なお、Ｘ線管１０３から照射されるＸ線量や、ガントリ１０２の回転速度、ガントリ１０２と寝台１０５との相対移動速度は、入力装置１０９を介して操作者が入力するスキャン条件に基づいて設定される。また演算装置１０８は一般的なコンピュータ装置と同様のハードウェア構成であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等を備え、投影データ等に対する補正処理や各部の制御を行う。

検出器パネル１０７は、複数の検出器ピクセルＰがＸ線管１０３のＸ線焦点を中心とした円弧形状に配置されることより構成される。検出器ピクセルＰは、入射するＸ線光子のエネルギーである光子エネルギーを計測する光子計数型検出器であり、光子エネルギーに応じた出力をする。

光子計数型検出器を備えるＸ線ＣＴ装置１０１では、被検体１０６の投影データに関する光子エネルギースペクトルが取得できるので、組成の異なる物質が弁別された医用画像や複数のエネルギー成分に分けられた医用画像を生成できる。なお組成の異なる物質が弁別された医用画像等を得るには、組成や厚さが既知の物質である複数の基底物質の組み合わせを光子計数型検出器で計測したときの出力と光子エネルギーとの関係を検出器素子毎に予め較正する必要がある。

図２を用いて、光子計数型検出器の較正について説明する。光子計数型検出器の較正には、組成や厚さが既知の複数の基底物質、例えば二つの基底物質の組み合わせ２０１が用いられる。基底物質の組み合わせ２０１には、基底物質毎に複数の異なる厚さの板が用いられてもよく、例えば一方の厚さがＪ種類、他方の厚さがＫ種類であれば、Ｊ×Ｋ種類の基底物質の組み合わせ２０１が用いられ、各組み合わせについて光子エネルギースペクトルが取得される。図２ではＪ＝３、Ｋ＝３であるので、九種類の光子エネルギースペクトルが示される。

被検体１０６の中の所望の組織、例えば脂肪組織を高精度に弁別するには適切な基底物質を選択しなければならない。本実施例では、弁別される物質である弁別物質に応じて基底物質が選択される。

図３を用いて、本実施例の機能ブロック図の一例について説明する。なおこれらの機能は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を用いた専用のハードウェアで構成されても良いし、演算装置１０８で動作するソフトウェアで構成されても良い。以降の説明では各機能がソフトウェアで構成された場合について説明する。本実施例は、記憶部３０１と算出部３０２と選択部３０３を備える。以下、各部について説明する。

記憶部３０１は、複数の物質についてＸ線の線減弱係数と光子エネルギーとの関係を記憶する。図５には線減弱係数と光子エネルギーとの関係の例が示される。図５に示される物質は、カルシウム、アルミニウム、ＰＴＦＥ（Poly-Tetra-Fluoro-Ethylene）、軟組織、水、ＰＭＭＡ、脂肪組織、グラファイト、ポリエチレンである。

算出部３０２は、光子エネルギー毎の線減弱係数を所定の光子エネルギーの線減弱係数で除算することより規格化された線減弱係数である規格化減弱係数を各物質について算出する。図６には、図５の各物質について１２０ｋｅＶでの線減弱係数で光子エネルギー毎の線減弱係数を除算して算出された規格化減弱係数と光子エネルギーとの関係の例が示される。

選択部３０３は、弁別物質に対して用いられる基底物質を規格化減弱係数に基づいて選択する。より具体的には、弁別物質の規格化減弱係数よりも小さい規格化減弱係数を有する物質と大きい規格化減弱係数を有する物質との組み合わせが基底物質として選択される。また弁別物質の規格化減弱係数との差異がより小さい規格化減弱係数を有する物質が基底物質として選択される。なお選択された基底物質は異なる厚さの板として扱われて、光子計数型検出器を備えるＸ線ＣＴ装置１０１によって計測されるので、常温常圧において安定した固体であって、均一性が高く、入手が容易で、加工しやすい物質であることが好ましい。

図４を用いて、光子計数型検出器を較正する処理の流れについて説明する。

（Ｓ４０１）
算出部３０２は、記憶部３０１から複数の物質について線減弱係数を取得する。なお線減弱係数は、記憶部３０１に記憶される線減弱係数に限定されず、ネットワークなどを介して外部から取得されても良い。

図５に示されるように、各物質の線減弱係数は光子エネルギーの増加にともなって減少するものの、減少の程度が物質によって異なるので線減弱係数の曲線が互いに交差する。このような曲線の交差は、物質間の関係を不明確にし、弁別物質に対する基底物質の選択を困難にする。

（Ｓ４０２）
算出部３０２は、Ｓ４０１にて取得した線減弱係数を用いて、規格化減弱係数を算出する。具体的には、光子エネルギー毎の線減弱係数が所定の光子エネルギーの線減弱係数で除算されることにより、規格化減弱係数が算出される。なお所定の光子エネルギーは、全物質について共通の光子エネルギーであり、Ｘ線ＣＴ装置１０１によって計測される光子エネルギーの範囲の最大エネルギーであることが好ましい。例えば、Ｘ線管１０３に印加される管電圧が１２０ｋＶであるときには、１２０ｋｅＶでの線減弱係数で光子エネルギー毎の線減弱係数が除算される。

図６に示されるように、各物質の規格化減弱係数の曲線は互いに交差しないので、物質間の関係は規格化減弱係数の比較により明確になる。すなわち、規格化減弱係数を用いることにより、弁別物質に対する基底物質の選択が容易になる。なお図６では、規格化減弱係数の大きさの順は凡例に示す順である。

（Ｓ４０３）
選択部３０３は、Ｓ４０２にて算出された規格化減弱係数に基づいて、基底物質を選択する。例えば、弁別物質の規格化減弱係数よりも小さい規格化減弱係数を有する物質群である第一物質群の中の物質である第一物質が基底物質の一つとして選択される。第一物質には、第一物質群の中で最大の規格化減弱係数を有する物質が選択されることが好ましい。また弁別物質の規格化減弱係数よりも大きい規格化減弱係数を有する物質群である第二物質群の中の物質である第二物質が基底物質のもう一つとして選択される。第二物質には、第二物質群の中で最小の規格化減弱係数を有する物質が選択されることが好ましい。

図６において水と脂肪組織を弁別物質とした場合、水と脂肪組織よりも規格化減弱係数が小さい物質であるグラファイトとポリエチレンのいずれか一つが基底物質の候補となる。また水と脂肪組織よりも規格化減弱係数が大きい物質であるＰＴＦＥ、アルミニウム、カルシウムのいずれか一つが基底物質の候補となる。なお、弁別物質である水や脂肪組織の規格化減弱係数との差異の大きさや、常温常圧における安定性を含めて、ポリエチレンとＰＴＦＥの組み合わせが基底物質として選択されても良い。

図７と図８を用いて、基底物質の組み合わせが物質分解の精度に与える影響について説明する。図７は、異なる基底物質の組み合わせによって水を分解し、分解によって得られた基底係数を用いて光子エネルギー毎に再合成された線減弱係数から水の線減弱係数を減算した結果である。すなわち縦軸の値が光子エネルギーの全範囲においてゼロに近いほど物質分解の精度が高い。ＰＭＭＡを含む三つの組み合わせを比較すると、カルシウム、アルミニウム、ＰＴＦＥの順に物質分解の精度が向上する。またＰＴＦＥを含む二つの組み合わせを比較すると、ＰＭＭＡのほうがポリエチレンよりも高精度であるもののどちらも０．１％未満である。

図８は、異なる基底物質の組み合わせによって脂肪組織を分解し、分解によって得られた基底係数を用いて再合成された線減弱係数から脂肪組織の線減弱係数を減算した結果である。ＰＭＭＡを含む三つの組み合わせを比較すると、水の場合と同様に、カルシウム、アルミニウム、ＰＴＦＥの順に物質分解の精度が向上する。またＰＴＦＥを含む二つの組み合わせを比較すると、ポリエチレンのほうがＰＭＭＡよりも高精度であり、ポリエチレンとＰＴＦＥの組み合わせは０．１％未満である。

図６に戻り、水と脂肪組織の規格化減弱係数を図７と図８に示す組み合わせの規格化減弱係数と比較すると、水により近いのはＰＭＭＡとＰＴＦＥであり、脂肪組織により近いのはポリエチレンとＰＴＦＥである。すなわち、弁別物質の規格化減弱係数との差異がより小さい規格化係数を有する物質を基底物質として選択することにより、物質分解の精度を向上できる。

（Ｓ４０４）
演算装置１０８は、Ｓ４０３で選択された基底物質を用いて光子計数型検出器を較正する。より具体的には、図２に示される構成により、基底物質の厚さの組み合わせを変える毎に光子スペクトルが計測される。なお、弁別物質が決まっている場合は、基底物質の厚さの組み合わせの範囲を限定して設定しても良い。

図９を用いて、基底物質の厚さの組み合わせの範囲の設定について説明する。図９の横軸は一方の基底物質であるポリエチレンの厚さ、縦軸は他方の基底物質であるＰＴＦＥの厚さであり、両軸のフルスケールは水の単位厚さに対応する。弁別物質である水と脂肪組織をポリエチレンとＰＴＦＥに分解すると、水と脂肪組織のポリエチレン厚さの割合はそれぞれ６０％と８８％である。そこで８８％に２％を加算した９０％をポリエチレン割合の上限９０１とし、６０％から５％を減算した５５％をポリエチレン割合の下限９０２とする。さらにポリエチレン厚さの割合とＰＴＦＥ厚さの割合の和が１００％以下であることからポリエチレンとＰＴＦＥの組み合わせ上限９０３が設定される。そしてポリエチレン割合の上限９０１と下限９０２と組み合わせ上限９０３に囲われる範囲がポリエチレンとＰＴＦＥの組み合わせ範囲９０４となる。

弁別物質である水と脂肪組織が混在する領域をポリエチレンとＰＴＦＥに分解した結果は組み合わせ範囲９０４の中におさまるので、光子計数型検出器の較正に用いられるポリエチレンとＰＴＦＥの厚さの組み合わせを組み合わせ範囲９０４に限定しても良い。基底物質の厚さの組み合わせの範囲を限定することにより、較正に要する時間と手間を抑制することができる。

以上説明した処理の流れにより、軟組織や脂肪組織を高精度に弁別できるように光子計数型検出器を較正することができる。またこのように較正された光子計数型検出器を搭載するＸ線ＣＴ装置１０１によって、体内組織に含まれる脂肪の割合の差異を評価できるので、画像診断において有用である。

以上、本発明の放射線撮像装置および光子計数型検出器の較正方法の実施例について説明した。なお、本発明の放射線撮像装置および光子計数型検出器の較正方法は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１０１：Ｘ線ＣＴ装置、１０２：ガントリ、１０３：Ｘ線管、１０４：ボウタイフィルタ、１０５：寝台、１０６：被検体、１０７：検出器パネル、１０８：演算装置、１０９：入力装置、１１０：表示装置、２０１：基底物質の組み合わせ、３０１：記憶部、３０２：算出部、３０３：選択部、９０１：ポリエチレン割合の上限、９０２：ポリエチレン割合の下限、９０３：組み合わせ上限、９０４：組み合わせ範囲

Claims

入射する放射線光子のエネルギーである光子エネルギーに対応する電気信号を出力する光子計数型検出器を備える放射線撮像装置であって、
複数の物質について線減弱係数と前記光子エネルギーとの関係を記憶する記憶部と、
光子エネルギー毎の線減弱係数を所定の光子エネルギーの線減弱係数で除算することより規格化された線減弱係数である規格化減弱係数を各物質について算出する算出部と、
弁別される物質である弁別物質に対して用いられる基底物質を前記規格化減弱係数に基づいて選択する選択部を備え、
前記選択部は、前記弁別物質の規格化減弱係数よりも小さい規格化減弱係数を有する物質群において前記弁別物質の規格化減弱係数との差異がより小さい規格化減弱係数を有する物質と、前記弁別物質の規格化減弱係数よりも大きい規格化減弱係数を有する物質群において前記弁別物質の規格化減弱係数との差異がより小さい規格化減弱係数を有する物質とを前記基底物質として選択することを特徴とする放射線撮像装置。
請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
前記選択部は、前記弁別物質が水である場合、前記基底物質としてＰＭＭＡとＰＴＦＥを選択することを特徴とする放射線撮像装置。
請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
前記選択部は、前記弁別物質が脂肪組織である場合、前記基底物質としてポリエチレンとＰＴＦＥを選択することを特徴とする放射線撮像装置。
入射する放射線光子のエネルギーである光子エネルギーに対応する電気信号を出力する光子計数型検出器の較正方法であって、
複数の物質について線減弱係数と前記光子エネルギーとの関係を取得する取得ステップと、
光子エネルギー毎の線減弱係数を所定の光子エネルギーの線減弱係数で除算することより規格化された線減弱係数である規格化減弱係数を各物質について算出する算出ステップと、
弁別される物質である弁別物質に対して用いられる基底物質を前記規格化減弱係数に基づいて選択する選択ステップを備え、
前記選択ステップでは、前記弁別物質の規格化減弱係数よりも小さい規格化減弱係数を有する物質群において前記弁別物質の規格化減弱係数との差異がより小さい規格化減弱係数を有する物質と、前記弁別物質の規格化減弱係数よりも大きい規格化減弱係数を有する物質群において前記弁別物質の規格化減弱係数との差異がより小さい規格化減弱係数を有する物質とが前記基底物質として選択されることを特徴とする光子計数型検出器の較正方法。
請求項４に記載の光子計数型検出器の較正方法であって、
前記選択ステップでは、前記弁別物質が水である場合、前記基底物質としてＰＭＭＡとＰＴＦＥが選択されることを特徴とする光子計数型検出器の較正方法。
請求項４に記載の光子計数型検出器の較正方法であって、
前記選択ステップでは、前記弁別物質が脂肪組織である場合、前記基底物質としてポリエチレンとＰＴＦＥが選択されることを特徴とする光子計数型検出器の較正方法。