JPWO2016042981A1 - Ｘ線撮影装置 - Google Patents

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Abstract

フォトンカウンティング方式のX線検出素子を備えたX線撮影装置において、パイルアップに特化したカウント数の補正を精度よく行うために、X線撮影装置は、入射したX線フォトンを検出し、2つ以上のエネルギー範囲に分別して計数を行うフォトンカウンティング方式のX線検出素子が複数配置されたX線検出器と、X線検出素子のカウント数を補正する補正部を備え、補正部は、2つ以上のX線フォトンによってパイルアップが発生する確率に基き、パイルアップによるカウント数の数え違い量を決定する数え違い量決定部を有する。

Description

本発明は、X線CT装置などの画像撮影装置に関し、特に、複数のエネルギー範囲に入射X線フォトンをエネルギー分別してカウントするフォトンカウンティング方式のX線検出器を搭載したX線撮影装置に関する。
X線CT装置は、複数の方向から撮影した被写体のX線透過像(以下、投影データと記す)からX線吸収係数を算出し、被写体の断層像(以下、再構成像と記す)を得る装置であり、医療や非破壊検査の分野で広く用いられている。
現行の多くの医療用のX線CT装置では、積分型と言われるX線検出器が搭載されているが、近年、フォトンカウンティング方式のX線検出器を搭載したX線CT装置の開発が進んでいる(例えば、特許文献1、特許文献2)。
このX線検出器は、CdTe(テルル化カドミウム)などの半導体の検出層を有するX線検出素子と、入射X線フォトンのエネルギーに応じてエネルギー範囲毎に分別してデジタル信号を得る読出し回路を有する。このX線検出器では、X線検出素子にX線が入射すると、まず検出層でX線フォトンのエネルギーに応じた電荷が生じる。
次に読出し回路が、この電荷をX線フォトン1つ1つに対して読出せる程高速に読み出し、入射したX線のエネルギーに応じて、幾つかのエネルギー範囲毎に分別し、X線フォトン数をカウントする。このとき入射したエネルギーは、発生した電荷量を用いて判別する。
更にこの検出を複数のX線フォトンの1つ1つで同様に行い、各エネルギー範囲においてX線フォトン数をカウントし、それぞれのカウント数をデジタル信号に変換する。このような計測により、エネルギー範囲毎に投影データが得られ、これらを用いることで、エネルギー範囲毎に再構成像を得ることができる。このような投影データや再構成像を用いることで、被写体のエネルギー情報を得ることができ、物質の分別能を向上できる。
フォトンカウンティング方式のX線検出器において、単位時間当たりに入射するX線量が高い場合、1回の読出し中に複数のX線フォトンが入射してしまうことがある。この現象はパイルアップと言われ、入射した複数のX線のフォトンは1つとしてカウントされ、またそのエネルギーは間違ったエネルギー値として検出される。このような各エネルギー範囲でX線フォトン数の数え違いをすると、それぞれのエネルギー範囲で、正しい投影データが得られなくなる。更にこれらの投影データから作成した再構成像では、CT値の定量性の低下、物質の分別能の低下、アーチファクトの発生などが生じ得る。
パイルアップの問題を解決するために、特許文献1では、検出素子毎にカウント数に対する補正係数を求める準備工程を設けて、実測したカウント数を補正係数で補正することが提案されている。また特許文献2には、入射したエネルギーを所定の閾値を用いて各エネルギー範囲に弁別する際に、本来の閾値とは別に補正値を求めるための閾値を設定して、この閾値で決まるエネルギー範囲のカウント数と、本来の閾値で決まるエネルギー範囲のカウント数とを重み付け加算し、補正されたカウント数を求めることが記載されている。
特許第2533717号公報 米国特許8373135号明細書
検出素子においてカウント数が不正確になる原因には、上述したパイルアップの問題のほかに、検出素子の位置や性能のばらつき、劣化などの原因がある。特許文献1に記載された技術では、減弱フィルタを用いて入射エネルギーが低い状態で計測したカウント数と、減弱フィルタを用いない場合に計測したカウント数との比から補正係数を算出しており、これを用いた補正は、パイルアップ以外の原因を含む種々の原因で生じる誤カウント数の補正になる。誤カウント数を生じる原因によっては、例えば検出素子の位置に依存する誤差はそれを補正するアルゴリズムが確立されているので、既にそのような補正がなされたデータについては特許文献1に記載された手法は適用できない。そのため、被写体によるX線スペクトルの変化に応じたパイルアップ数の変化を精度よく推定できず、パイルアップの影響を補正する精度が低い。
特許文献2に記載された技術では、複数のエネルギー範囲のカウント数を重み付け加算する場合の重みをシミュレーションで求めているが、重みは検出素子の大きさや変換材料に依存して決定されており、また補正も各エネルギー範囲のX線フォトン同士のインタラクションを考慮したものでなく、結果的にはパイルアップに特化した補正にはならない。
そのため、特許文献1の技術と同様に、被写体によるX線スペクトルの変化に応じたパイルアップ数の変化を精度よく推定できず、パイルアップの影響を補正する精度が低い。
本発明は、フォトンカウンティング方式のX線検出素子を備えたX線撮影装置において、パイルアップに特化したカウント数の補正を精度よく行うことを課題とする。
本発明は、パイルアップには、2つ以上のX線フォトンが関わることに注目し、2つ以上のX線フォトンによってパイルアップが発生する確率に基き、パイルアップによるカウント数の数え違い量を決定する。具体的には、パイルアップされる2つ以上のX線フォトンが属するエネルギー範囲の組み合わせと、1つのパイルアップによって生じる各エネルギー範囲のカウント数の数え違いとを解析した結果に基いて導出されたアルゴリズムを採用することにより、精度の高い誤カウント補正技術を提供する。
パイルアップに特化したカウント数の補正が可能となり、パイルアップによって生じる誤カウントに起因する分別能の低下、CT値の定量性の低下、アーチファクトの発生などを抑制することができる。
本発明のX線撮影装置の一実施形態であるX線CT装置を示す概略図 図1のX線CT装置のX線検出器におけるX線検出素子の配置例を示す図 フォトンカウンティング方式のX線検出素子の概要を示す図 図3のX線検出素子で行われるエネルギー分別方法を説明するための説明図 パイルアップを説明する説明図 第一実施形態の、主として演算部の構成を示す機能ブロック図 第一実施形態のX線CT装置で行われる補正処理のフローの一例を示す図 2つのX線フォトンのパイルアップによるカウント数の増減を表で示す図 3つのX線フォトンのパイルアップによるカウント数の増減を表で示す図 図3のX線検出素子で行われる、図4とは別のエネルギー分別方法を説明するための説明図 (a)、(b)は、それぞれ、第二実施形態のX線CT装置における、2つのX線フォトンのパイルアップによるカウント数の増減、及び、3つのX線フォトンのパイルアップによるカウント数の増減を表で示す図 第三実施形態のX線CT装置の構成を示す概略図 第三実施形態の、主として演算部の構成を示す機能ブロック図 第三実施形態のパラメータ算出部によるパラメータ決定のフローを示す図 第五実施形態のX線CT装置の構成を示す概略図 第五実施形態のX線CT装置におけるパラメータ決定のフローを示す図 第六実施形態の、主として演算部の構成を示す機能ブロック図 第六実施形態のX線CT装置における補正処理のフローを示す図 第七実施形態の、主として制御部の構成を示す機能ブロック図 第七実施形態のX線CT装置の、ユーザーインターフェイスの一例を示す図
本発明のX線撮影装置を、X線CT装置に適用した実施形態を説明する。
本実施形態のX線撮影装置は、入射したX線フォトンを検出し、2つ以上のエネルギー範囲に分別して計数を行うフォトンカウンティング方式のX線検出素子(400)が複数配置されたX線検出器(104)と、X線検出素子のカウント数を収集する信号収集部(108)と、X線検出素子のカウント数を補正して投影データを作成する補正部(105、1051〜1053)と、投影データに対して再構成演算を行って再構成像を作成する画像再構成部(1055)と、を備え、補正部(105)は、2つ以上のX線フォトンによってパイルアップが発生する確率に基き、パイルアップによるカウント数の数え違い量を決定する数え違い量決定部(1056)を備える。
パイルアップが発生する確率は、例えば、1つのパイルアップに関わる2以上のX線フォトンがそれぞれ属するエネルギー範囲について計測されたカウント数の積を用いて決定される。
数え違い量決定部は、例えば、1つのパイルアップで生じる増減量と、前記パイルアップが発生する確率との積に基き、数え違い量を決定することができる。或いは、数え違い量決定部は、カウント数の積の項を含む特性関数を用いて数え違い量を決定することができる。
以下、図面を参照して、本実施形態のX線CT装置の構成と動作を説明する。
本実施形態のX線CT装置は、図1に示すように、撮影系として、X線源100と、X線源100から照射されるX線の照射範囲に配置されたX線検出器104と、これらX線源100及びX線検出器104を対向配置し、所定の回転軸を中心に回転するガントリー回転部101とを備えている。X線源100の近傍には、X線の照射範囲を制御するX線コリメータ102が配置される。ガントリー回転部101の中央には、被写体300が挿入される開口が設けられており、この開口内に、被写体300が寝かせられる寝台天板103が配置されている。寝台天板103とガントリー回転部101とは、所定の方向に相対的に移動可能な構成である。
またX線CT装置は、これら撮影系を制御する制御系、及び撮影系の動作に伴いX線検出器104が取得した信号を処理する信号処理系として、制御部107、信号収集部108、演算部105、表示部106、入力部110、及び記憶装置109などを備えている。
制御部107は、X線源100の発生駆動源の動作を制御するX線制御部、X線検出器104の信号読み出し動作を制御する読み出し制御部、ガントリー回転部101の回転と寝台天板103の移動を制御する撮影制御部、及びこれら各部全体を制御する全体制御部で構成される。
制御部107及び演算部105は、一部又は全部をCPU(中央処理装置)、メモリ及び記憶部109を含むシステムとして構築することができ、制御部107及び演算部105を構成する各部の機能は、予め記憶装置に格納されたプログラムをCPUがメモリにロードし、実行することにより実現することができる。また機能の一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などのハードウェアで構成することも可能である。
特に説明しない限り、撮影系、制御系及び信号処理系を構成する要素は、公知のX線CT装置が備える要素と同じ構成を有し、同様の機能を持つ。
X線検出器104は、X線源100を略中心とした円弧状に複数配置されており、ガントリー回転部101の回転に伴い、X線源100との位置関係を保ちながら回転する。なお、図1では、説明を簡単にするために、X線検出器104は8個の場合が示されているが、実際の装置では、例えば40個程度である。またX線検出器104の前面にはX線グリッド(図示せず)が設置されており、X線源100から照射されたX線のうち、被写体300などで散乱されたX線が、X線検出器104に入射するのを防ぐ。
X線検出器104は、例えば図2に示すように、複数のフォトンカウンティング方式のX線検出素子400が、チャネル方向とスライス方向に2次元的に配置された構造を成す。ここで図2は、X線検出器104に配置されたX線検出素子400の一部を示し、チャネル方向に4個、スライス方向に3個分を切り出して記したものである。またX線検出素子400は、チャネル方向と回転方向を、スライス方向と回転軸方向とを一致させて配置されている。
各X線検出素子400は、図3に示すように、検出層401を挟むように正負の電極402、403が設けられ、その電極には読み出し回路405が接続された構造を有する。本実施例では、負の電極402は、各X線検出素子400で共通な構造であり、X線は矢印404で示すように、負の電極402側から検出層401に入射する。
検出層401は、例えばCdTe(テルル化カドミウム)、CdZnTe(カドミジンクテルル)、Si(シリコン)などの半導体材料から成り、入射したX線フォトンを検出し、そのエネルギーに応じた量の電荷を生じる。読出し回路405は、検出層401で発生した電荷を所定のサンプリング間隔で読み出し、その電荷で生じた電気信号により、入射したX線フォトンのエネルギーを、所定の閾値により複数のエネルギー範囲に分別する。
例えば、2つのエネルギー範囲であれば、所定の閾値未満であるエネルギー範囲(以下、低エネルギー範囲と記す)か、所定の閾値以上のエネルギー範囲(以下、高エネルギー範囲と記す)かを判別する。このような判別をサンプリング毎に行い、X線フォトンが入射したときに高エネルギー範囲と低エネルギー範囲に分別して、それぞれのX線フォトン数をカウントする。
分別方法について、図4を参照して説明する。図4は、発生電荷で生じた電圧120を示すグラフで、横軸が時間、縦軸が電圧を示す。図示する例では、サンプリング時間123中にX線が入射してパルス出力121を生じ、サンプリング時間125中にX線が入射してパルス出力122を生じている。なお図4では、サンプリングはX線が入射するタイミングだけでなく、X線が入射しない場合(サンプリング時間124)でも周期的に行われる場合を示したが、X線フォトンが入射したタイミングでサンプリングが行われる場合も在り得る。
読み出し回路(図3、405)は、サンプリング毎に、その区間における出力電圧の最大値と、閾値126と閾値127と比較して分別する。この閾値126は、入射したX線フォトンが高エネルギー範囲か低エネルギー範囲するものである。閾値127は、X線フォトンの入力無しかを判定するものである。ここで出力電圧120は、X線が入力しないときにもX線検出器104の回路ノイズによって変動してい
るため、これをX線による信号と誤検出しないために、閾値127はゼロより大きな値が必要である。これらの閾値を用いて、例えば図4のサンプリング時間124では、出力電圧120は閾値127以下のため、X線フォトンの入力無しと判断する。また、サンプリング時間125では、出力電圧120は閾値126よりも大きいため、高エネルギー範囲のX線が入射したと判断する。またサンプリング時間123では、出力電圧120は閾値127よりも大きいが閾値126以下のため、低エネルギー範囲のX線が入射したと判断する。以上のようにして、入射の有無とエネルギー範囲の分別を行う。
なおサンプリングでの最大値を用いて分別を行う代わりに、例えば、サンプリング中の出力電圧の積分値を用いてもよく、分別手法は上記手法に限定されない。
ここで、1つのサンプリング時間に2つのX線フォトンが入射した場合、これらは区別することができず、1つのX線フォトンとしてカウントされる。例えば、図5に示すように、読み出し回路では、低エネルギー範囲のX線フォトンによるパルス出力161と、高エネルギー範囲のX線フォトンによるパルス出力162とが1つのサンプリング時間123でカウントされるため、低エネルギー範囲のX線フォトンは計数されない。この現象がパイルアップであり、誤カウント(数え違い)の原因である。パイルアップによって生じた数え違いは、演算部105で補正される。
以上の構成を踏まえ、X線CT装置の一般的な撮影動作を、エネルギー範囲が2つである場合を例に説明する。
まず入力部110から実撮影の開始を入力すると、制御部107はX線源100からのX線の照射と、ガントリー回転部101を制御し撮影を開始する。X線源100から照射されたX線は、X線コリメータ102によって照射野が限定されて、寝台天板103に載った被写体300に向けて照射され、被写体300を透過したX線はX線検出器104で検出される。X線検出器104は、入射X線のエネルギーに応じて、前述したように高エネルギー範囲と低エネルギー範囲に分別する。更にこの分別を1ビュー間所定のサンプリング回数行って、高エネルギー範囲と低エネルギー範囲に入射するX線フォトン数を計数する。信号収集部108は、それぞれのX線フォトン数に応じた信号を、デジタル信号に変換し、各エネルギー範囲でのカウント数として出力する。
制御部107は、このような撮影を、ガントリー回転部101を回転方向に回転することで、被写体300に対するX線の照射角度を変化させながら繰り返し行い、360度分のデジタル信号(以下、ローデータと記す)を取得する。撮影は、例えば0.4度ごとに複数ビューの間、行う。この間、必要に応じてX線照射位置の制御を行う。
次いで、演算部105は、信号収集部108が収集したローデータに対し、所定の補正処理を行い、投影データを作成する。さらに演算部105は投影データに再構成を行い、被写体300のX線吸収係数分布の再構成像を、例えば低エネルギー範囲と高エネルギー範囲毎に作成する。結果を表示部106で表示する。
演算部105が行う補正処理には、公知のエア補正、LOG変換の他に、X線検出素子に入射するX線フォトンのパイルアップによるカウント数の数え違いを補正するカウント数補正が含まれる。
以下、演算部105が行う補正処理の実施形態を説明する。
＜第一実施形態＞
第一実施形態のX線CT装置は、パイルアップによって生じたエネルギー範囲毎の数え違い量を、パイルアップの発生確率と、パイルアップが生じたときに各エネルギー範囲に生じる増減数との積から推定する。
本実施形態の数え違い量決定部(1056)は、例えば、1つのエネルギー範囲の数え違い量のうち、1つのパイルアップで生じる減量(数え落とし量)を、1つのエネルギー範囲について計測されたカウント数と、当該1つのエネルギー範囲以外のエネルギー範囲について計測されたカウント数とを用いて決定することができる。また、1つのエネルギー範囲の数え違い量のうち、1つのパイルアップで生じる増量分(数え増し量)を、前記1つのエネルギー範囲より低いエネルギー範囲について計測されたカウント数を用いて決定することができる。
さらに本実施形態のX線撮影装置は、1つのパイルアップで生じる増減量に関する情報を含むパラメータを記憶する記憶部(109)を備え、数え違い量決定部(1056)は、記憶部に記憶されたパラメータ及びパイルアップされる2以上のX線フォトンがそれぞれ属するエネルギー範囲について計測されたカウント数を用いて、数え違い量を決定することができる。
本実施形態のX線CT装置の演算部105の構成を図6に示す。図6に示すように、演算部105は、主制御部1050、エア補正部1051、LOG変換部1052、カウント数補正部1053、及び画像再構成部1055を含む。エア補正部1051、LOG変換部1052、及びカウント数補正部1053は、ローデータに対し必要な補正を施す補正部を構成している。カウント数補正部1053は、ローデータに含まれる数え違い量を決定する数え違い量決定部1056、数え違い量決定部1056が決定した数え違い量を用いてローデータを補正する数え違い量補正部1057などを含む。これら補正部及び画像再構成部1055は、主制御部1050の制御のもと動作する。
演算部105の計算に用いられるパラメータやデータは、記憶部109に保存されており、演算部105は必要に応じて記憶部109からパラメータ等を読み出し、補正や画像再構成などの計算を行う。パラメータやデータには、例えば、エア補正部1051が用いるX線感度分布やX線分布、カウント数補正部1053が数え違い量を決定する際に用いるパラメータや関数などが含まれる。
次に、演算部105で行われる補正処理を、図7のフローを用いて説明する。
図7に示すように、演算部105は、信号収集部108から受け取ったローデータ143に対して、まずカウント数補正S701を行う。ここでは、パイルアップなどで生じた、入射したX線フォトン数と計測したカウント数との違いを補正する。この際、記憶部109に記憶されたパラメータ141を読み出して、補正処理の演算を行う。詳細は後述する。
次にLOG変換S702を行う。LOG変換は、変換前の値をX、変換後の値をYとすると、例えば式(1)のような変換である。ここでa、bは定数の係数である。
Figure 2016042981
次にエア補正S703を行う。この補正は、例えば、本撮影の事前に計測し作成して記憶部109に保存しておいた感度・X線分布データ142を、LOG変換後のローデータから差分することで実現する。感度・X線分布データ142は、エネルギー範囲毎に作成する。作成方法は、例えば被写体300を設けずに、X線管100からX線を照射してエネルギー毎にローデータ143を取得し、それらに対してカウント数補正S701を行った後、X線検出素子400毎にビュー方向に加算平均を行い、X線検出器104での出力の平均値によって規格化を行った後、LOG変換することで作成する。
以上のような処理を行って投影データ144を得た後、再構成処理S704を行って再構成像145を作成する。最後に再構成像145を、表示部106にて表示する(S705)。
なお図7では、ローデータ143に対してカウント数補正(S701)を行い、その後エア補正(S703)を行う例を示したが、図7の補正処理は一例であり、本発明を限定するものではない。例えば、エア補正後にカウント補正するなど、これらの補正順序が異なる場合も在り得る。またカウント補正が他の処理と同時に行われる場合も在り得る。更に他の補正が加わる場合や、エア補正が無い場合なども在り得る。
次にカウント数補正S701における具体的な処理を詳述する。この処理は、数え違い量決定部1056による処理S7011と数え違い量補正部1057による処理S7012とから成る。
数え違い量決定処理S7011は、パイルアップによって生じた数え落としや数え増しによる数え違い量を、両方のエネルギー範囲のカウント数を用いて推定する処理である。以下の説明では、数え違い量として、数え落とし量と数え増し量の両方を考慮した補正を行う場合を示すが、これは一例であり、その一方のみを考慮した補正も可能である。
数え違い量補正処理S7012は、実撮影にて信号収集部108から受け取ったローデータ143に対して、数え違い量決定処理S7011で決定した数え違い量を差分して補正する処理である。これにより、パイルアップによって生じた数え違いの影響を除去する。
数え違い量決定処理S7011では、数え違い量を、パイルアップの発生確率と、パイルアップが生じたときに各エネルギー範囲に生じる増減数との積から推定する。パイルアップの発生確率は、エネルギー範囲のカウント数を用いて計算する。また数え違い量は、増減数がマイナスである数え落としと、プラスである数え増しとに分けて推定する。数え落としは、数え違い量を決定するエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数と、それ以外のエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数とから推定する。数え増しは、数え違い量を決定するエネルギー範囲よりも低いエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数を用いて推定する。数え違い量決定部1056は、推定の計算を、エネルギー範囲毎に行い、数え違い量を決定する。
数え違い量決定部1056が推定の計算に使用する計算式の説明に先立ち、パイルアップの確率と増減数の決定方法の原理について説明する。
パイルアップの確率は、2つ以上のX線フォトンが1つのサンプリング中に同時に入射する確率となるため、それぞれのX線フォトンが1つのサンプリング中で計測される確率の積となる。この1つのX線フォトンが1つのサンプリング中で計測される確率は、単位時間あたりに入射するX線フォトン数に比例するため、2つ以上入射する場合は、その入射したX線フォトンそれぞれの単位時間あたりに入射するX線フォトン数の積に比例する。
ここでX線フォトン数は、概ねカウント数に一致するので、パイルアップの確率は、入射したX線フォトンのカウント数の積に概ね比例する。従って、例えば、高エネルギー範囲のX線フォトンと低エネルギー範囲のX線フォトンの2つのX線フォトンによってパイルアップが生じる確率は、高エネルギー範囲のカウント数と低エネルギー範囲のカウント数の積に比例することになる。
一方、パイルアップが生じたときに各エネルギー範囲に生じる増減数は、サンプリング中に同時に入射したエネルギー範囲の組み合わせで異なる。図8に、2つのX線フォトンでパイルアップが生じたときに各エネルギー範囲に生じる増減数をまとめた表を示す。この表に示したように、低エネルギー範囲のX線フォトンと低エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップが生じた場合、カウントされるエネルギー範囲は、低エネルギー範囲と高エネルギー範囲の両方の場合が在り得る(場合1、場合2)。
一方、低エネルギー範囲と高エネルギー範囲のX線フォトンの組み合わせ(場合3)や、高エネルギー範囲と高エネルギー範囲のX線フォトンの組み合わせ(場合4)は、高エネルギー範囲のX線フォトンとして計数される。これはパイルアップが生じた場合、その信号の積分値や波高は、それぞれ1つのX線フォトンで生じる場合よりも大きくなるためである。また低エネルギー範囲と低エネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップを生じたときに低エネルギー範囲と高エネルギー範囲のどちらかに計測されるかは、それぞれのエネルギー範囲におけるX線フォトンの線質に依存して、確率的に決定される。
このように2つのX線フォトンでパイルアップが生じる場合、以下のような増減が生じる。
［場合1］：低エネルギー範囲のX線フォトンと低エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップを生じて1つの低エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、低エネルギー範囲のカウント数が1減少する。
［場合2］：低エネルギー範囲のX線フォトンと低エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップを生じて1つの高エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、低エネルギー範囲のカウント数が2減少し、高エネルギー範囲のカウント数が1増加する。
［場合3］：低エネルギー範囲のX線フォトンと高エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップを生じて1つの高エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、低エネルギー範囲のカウント数が1減少する。
［場合4］：高エネルギー範囲のX線フォトンと高エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップを生じて1つの高エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、高エネルギー範囲のカウント数が1減少する。
これらの増減を考えると、数え落としは、自分自身のエネルギー範囲のX線フォトンと、自分自身またはそれ以外のエネルギー範囲のX線フォトンとがパイルアップを生じたときに発生し、数え増しは、自分自身よりも低いエネルギー範囲のX線フォトン同士がパイルアップを生じたときに発生する。従って、数え落とし量は、自分自身のエネルギー範囲のカウント数と、自分自身またはそれ以外のエネルギー範囲のカウント数とから推定することができ、数え増しは、自分自身よりも低いエネルギー範囲のカウント数から推定することができることが分かる。
以上より、i(1以上の整数)番目のX線検出素子における数え違い量は、分別されるエネルギー範囲が2つの場合、次の式(2-1)、(2-2)のように書くことができる。
Figure 2016042981
式中、Bn(i)は第n(1または2)番目のエネルギー範囲に生じた数え違い量で、Rn(i)は第n(1または2)のエネルギー範囲のカウント数を表し、ここでは低エネルギー範囲を第1のエネルギー範囲、高エネルギー範囲を第2のエネルギー範囲としている。またεnhjは、第nと第h(1または2)番目のエネルギー範囲の2つのX線フォトンがパイルアップを生じてj(h以上かつn以上の整数)番目のエネルギー範囲のX線フォトンとしてカウントされる確率を表し、その際に生じる減少数をanhj、増加数をbnhjで表している。数え違い量がプラスの場合は、パイルアップによりカウント数が大きく計数されたことを意味し、数え違い量がマイナスの場合は、少なく計数されたことを意味する。
式(2-1)(n＝2のとき)の右辺第1項は、［場合4］の減少を、第2項は［場合2］の増加をそれぞれ表し、式(2-2)(n＝1のとき)の右辺第1項は、［場合1］の減少を、第2項は［場合2］の減少を、第3項は［場合3］の減少をそれぞれ表す。従って、減少量anhjは、a111＝1、a112＝2、a122＝1、a222＝1となり、減少量bnhjは、b112＝1となる。
また低エネルギー範囲のX線フォトンと高エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップを生じた場合(場合3)、及び高エネルギー範囲のX線フォトンと高エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップを生じた場合(場合4)は、高エネルギー範囲のX線フォトンとしか計数されないため、ε122は低エネルギー範囲のX線フォトンと高エネルギー範囲のX線フォトンとがパイルアップを生じる確率に等しくなり、ε222は2つの高エネルギー範囲のX線フォトンとがパイルアップを生じる確率に等しくなる。また2つのX線フォトンは入れ替え可能なので、εnhj=εhnjであり、式(2-1)、(2-2)(以下、これらの式を総括して式(2)ともいう)では両者を区別しない表記(つまり一方で代表した表記)としている。
更に式(2)において、減少量anhjと確率εnhjとの積やそれらの和をパラメータαnhで表し、増加量bnhjと確率εnhjとの積をパラメータβnhで表すと、数え違い量Bn(i)は式(3-1)、(3-2)(以下、これらの式を総括して式(3)ともいう)のように書ける。
Figure 2016042981
式(3)において、αhnを有する第1項が数え落とし量を、βhnを有する第2項が数え増し量を、それぞれ表す。Nは、エネルギー範囲の数であり、2以上で演算部が処理可能な範囲の大きさの整数である。またβgh及びRgの下付文字gは、n、hと同様に第g(1または2)番目のエネルギー範囲であることを示し、n、hと区別するために導入したものである。
式(2)のεnhj、あるいは式(3)のパラメータαhn及びβhnは、シミュレーション或いは実験的に求めることができる。本実施形態では、シミュレーションで決定する場合を説明する。
シミュレーションは、X線CT装置とは別の計算機等を用いて、例えばモンテカルロ法によって行うことができる。シミュレーションでは、X線源から発生するX線の線量(エネルギー)と線質、及び模擬した被写体を設定するとともに、X線のエネルギーに応じた波高とその後の減弱を経て減衰するX線検出素子モデルを設定する。そして、X線源から所定の線質を有するX線を発生し、このX線フォトンは模擬した被写体を透過し、X線検出器のX線検出素子に入射し、X線検出素子において、入射したX線(信号)をサンプリング毎に波高によってエネルギー範囲に分別する。このとき2つ以上のX線フォトンが入射してパイルアップが生じた場合は、波高はタイミングも考慮して重ね合わせを行う。
パイルアップが生じた場合の一例を、前述した図5を用いて説明する。図5は、低いエネルギー範囲のX線フォトンが、サンプリング時間123内であって時刻T1と時刻T2とにそれぞれ1つずつ入射した場合の例である。このとき出力電圧曲線120は、時刻T1に入射したX線フォトンによる出力161が十分に立ち下がる前に、時刻T2に別のX線フォトン162が入射してしまったため、波高のピークは時刻T2と計測され、1つの高いエネルギー範囲のX線フォトンが入射したと計測される。
このように、パイルアップを生じたときも考慮してシミュレーションを行い、実際と同様に、入射X線フォトンよりもエネルギーの高い1つX線フォトンが入射したとして分別する。このようなパイルアップを生じさせるシミュレーションを被写体やX線量、線質などを変えて行い、各エネルギー範囲で分別結果を得る。
一方、同様のシミュレーションを行い、同様の線質のX線が理想的なX線検出器で計測され場合の分別結果を得る。ここで理想的なX線検出器とは、サンプリングが非常に短く、パイルアップを生じない検出器である。これらの分別結果を比較することで、パラメータαhnとβhnを決定できる。このように決定されたαhnとβhnは、パラメータ141として記憶部109に保存される。
以上説明したように、数え違い量決定処理S7011では、式(2)又は式(3)を用いることで数え違い量Bn(i)を決定できる。
次に、数え違い量補正S7012では、処理S7011で算出した数え違い量Bn(i)を用いて、入出力特性を補正する。ここでは、例えば、得た数え違い量Bn(i)を、計測のカウント数から引いて補正後のカウント数を算出することで、補正を行う。これにより、パイルアップによる各エネルギー範囲でのX線フォトン数の数え違いを補正できる。以上の処理S7011、S7012を全てのX線検出素子(全ての場合のi)に対して行うことにより、補正された投影データを得ることができる。
なお式(2)又は式(3)では、パイルアップが生じる確率を算出するために、各エネルギー範囲のカウント数(Rn(i))として、数え違い量補正前のカウント数を用いたが、これは近似であり、例えばパイルアップの影響が小さいときに適する。一方、パイルアップの影響が大きいときは、パイルアップの影響を除いた、数え違い量補正後のカウント数を用いることが望ましい。この場合、カウント数補正S701における計算処理が複雑となり、計算時間が長くなるのを避けるために、逐次的な処理を行うことができる。すなわち、例えば、まず数え違い量補正前のカウント数を用いて数え違い量決定処理S7011を行い、決定した数え違い量を用いて数え違い量補正処理S7012を行って算出する。この値を用いて、再度、処理S7011及びS7012を繰り返し、数え違い量を決定する。繰り返し回数は、求める精度と計算時間とのトレードオフで適宜決定する。
また式(2)及び式(3)は、パイルアップの発生確率が高い2つのX線フォトンでのパイルアップのみを考えたが、X線量が多い場合などでは、3つ以上のX線フォトンでのパイルアップも増加するため、無視はできない場合も在り得る。
以下、3つ以上のX線フォトンによるパイルアップが生じる場合の補正処理S701を説明する。この場合にも、2つのX線フォトンでのパイルアップの場合と同様に、パイルアップの発生確率と、パイルアップが生じたときに各エネルギー範囲に生じる増減数との積から、3つやそれ以上のX線フォトンでのパイルアップの数え違い量を推定する。
パイルアップの発生確率は、例えば、エネルギー範囲のX線フォトンのカウント数から算出する。数え落としは、数え違い量を決定するエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数と、その以外のエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数とから推定し、数え増しは、数え違い量を決定するエネルギー範囲よりも低いエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数を用いて推定する。
m(mは3以上の整数)個のX線フォトンでパイルアップを考えたとき場合、パイルアップされるX線フォトンが属するエネルギー範囲の組み合わせにより、次のような増減が生じる。参考として、m＝3の場合の増減を図9に示す。
[場合1]:m個の低エネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップして、1つの低エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、低エネルギー範囲のカウント数が、(m-1)個だけ減少する。
[場合2]:m個の低エネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップを生じて1つの高エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、低エネルギー範囲のカウント数がmだけ減少し、高エネルギー範囲のカウント数が1個だけ増加する。
[場合3]:m個中P(Pは、1以上(m-1)以下の整数)個の低エネルギー範囲のX線フォトンと(m-P)個の高エネルギー範囲のX線フォトンでパイルアップを生じて1つの高エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、低エネルギー範囲のカウント数がPだけ減少し、高エネルギー範囲のカウント数が(m-P-1)個だけ減少する。
[場合4]:m個の高エネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップを生じて1つの高エネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、高エネルギー範囲のカウント数が(m-1)個だけ減少する。
このようにm個のX線フォトンのパイルアップの発生確率とそれによって生じる増減数が与えられたならば、このときの数え違い量Bnm(i)(Bの下付文字nは第n番目のエネルギー範囲であることを示し、mはパイルアップしたX線フォトン数を示す)は、式(4-1)、(4-2)(以下、これらの式を総括して式(4)ともいう)のように書くことができる。
Figure 2016042981
式(4)中、式(2)及び(3)と同じ符号は同一の意味を持つ。また何番目のエネルギー範囲であるかを示す文字g、hは、そのエネルギー範囲のX線フォトンの数が複数の場合があるため、それらを括弧内の数字で区別している。
式(4-1)の右辺第1項は、[場合3]の高エネルギー範囲でのX線フォトン数の減少を、第2項は[場合2]の増加を表し、式(4-2)の右辺第1項は[場合1]と[場合2]と[場合3]の低エネルギー範囲でのX線フォトン数の減少をそれぞれ表す。
なお2個からM(Mは3以上の整数)個までの全てのパイルアップを考えて補正する場合、2個のパイルアップについては式(3)からBn(i)を求め、3からMまでのパイルアップは式(4)からBnm(i)を求め(m＝3、・・・、Mの場合を求め)、それらの和を求めれば良い。こうして決定された数え違い量Bnm(i)を用いて、数え違い補正処理S7012を行うことは、パイルアップされるX線フォトンが2つの場合と同様である。
以上のように3つ以上のX線フォトンのパイルアップを考慮することで、精度の良い補正が可能となる。
なお、式(3)や式(4)は、2つの閾値(図5の閾値126と閾値127)にて、エネルギー範囲の分別を行う場合を前提として導出されたパイルアップによる増減数を用いているが、これに限定されず、3以上の閾値を設定した場合にも本実施形態を適用することができる。例えば、図10に示すように、エネルギーの最大を規定する閾値128を更に持っていても構わない。このとき、パイルアップして閾値128以上の信号の場合は、パイルアップしていない信号はないため、全てパイルアップした信号である。この場合、この閾値128より大きいエネルギーを第2エネルギー範囲と考えて計算に加えることができる。このとき、この範囲では、数え落としは生じず、カウントされた量は全て数え増し量となり、更にパイルアップしていない信号はないため、式(4-1)は式(5-1)のように書くことができる。
Figure 2016042981
式(5-2)は式(4-2)と同じである。
本実施形態によれば、パイルアップによって生じる数え違いを、パイルアップの発生確率と、パイルアップが生じたときに各エネルギー範囲に生じる増減数との積から推定することにより、比較的簡単な計算で、パイルアップに特化した補正を行うことができ、数え違いを補正した投影データを得ることができる。その結果、これらの投影データから作成した再構成像では、CT値の定量性の低下、物質の弁別能の低下、アーチファクトの発生などを防ぐことができる。
以上、第一実施形態のX線CT装置の演算部105の機能、主として補正機能を、図面を参照して説明したが、上述したカウント数補正部(数え違い量決定部、数え違い補正部)1053における数え違い量決定あるいは補正のアルゴリズムは一例であり、本実施形態を限定するものではなく、種々の変更が可能である。以下、変更例を例示する。
＜第一実施形態の変更例1＞
第一実施形態では、数え違い量を、パイルアップの発生確率と、パイルアップが生じたときに各エネルギー範囲に生じる増減数との積から推定し、その数え落としと数え増し量をモデルから算出したが、例えば、さまざまなX線量、線質、被写体で行ったシミュレーション結果から、各エネルギー範囲における数え違い量の特性関数を導出し、これから数え違い量を求めても良い。
すなわち、変更例1は、数え違い量決定部が、各エネルギー範囲のカウント数と、1回のパイルアップで生じる減量(数え落とし量)及び/又は増量(数え増し量)との関係を表す特性関数を用いて、数え違い量を決定する。ここで、特性関数は、パイルアップの発生に関わる条件が異なる2つ以上の条件で、それぞれ取得した各エネルギー範囲のカウント数を用いて算出することができる。
特性関数の一例として、数え落としの項と数え増しの項を分けた特性関数を説明する。
ここで1つのエネルギー範囲についても数え落としと数え増しは、自分自身のX線フォトン数のみならず他のエネルギー範囲のX線フォトン数にも依存するため、特性関数は複数のエネルギー範囲のカウント数の関数とする必要がある。更に数え落としと数え増しを分けて特性関数を導出する場合、数え落とし量は、数え違い量を決定するエネルギー範囲のカウント数と、その他のエネルギー範囲のカウント数の関数となる。数え増しのカウント数は、そのエネルギー範囲より低い、複数のエネルギー範囲のカウント数の関数とする必要がある。従って、第n(nは1以上N以下の整数)のエネルギー範囲における数え違い量Bn(i)は、関数f1n、f2nを用いて式(6)のように書くことができる。
Figure 2016042981
式中、関数f1nは数え落とし量を算出する関数であり、f2nは数え増し量を算出する関数である。また関数のカッコ内のR1、・・・、Rn-1は、各エネルギー範囲のカウント数であり、関数f1nと関数f2nは、カッコ内の項の2つ以上のいずれかの組み合わせ(同じエネルギー範囲の組み合わせを含む)の積の項を含む。これは、パイルアップが発生する確率は、パイルアップする2つ以上のX線フォトンが属するエネルギー範囲のカウント数の積に比例するからである。
一例として、式(6)を、多項式で表したものを式(7)に示す。
Figure 2016042981
ここでαhnとβhnはパラメータであり、式(2)の右辺第1項がf1nの一例を、第2項がf2nの一例を、それぞれ表す。
なお式(6)において、関数f1nがR1、・・・、RNの全ての関数である必要なく、同様に、関数f2nがR1、・・・、Rn-1の全ての関数である必要は無い。例えば関数f1nはRnと、R1からRNの1つ以上のカウント数の関数であれば良い。これは、前述したように第nのエネルギー範囲の数え落としは、そのエネルギーのX線フォトンと、同じか異なるエネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップして、第nのエネルギー範囲以外でカウントされるときに生じるからである。
また関数f2nはR1からRn-1の2つ以上のカウント数の関数であれば良い。これは前述したように第nのエネルギー範囲の数え増しは、第nのエネルギー範囲よりも低いエネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップして、第nのエネルギー範囲としてカウントされたときに生じるからである。更に、両方の関数が必要とは限らず、数え違い量Bn(i)が一方のみの関数である場合も在り得る。
特性関数の別の例として、数え落としと数え増しを分けずに、特性関数を得ることも可能である。この場合、数え違い量Bn(i)は、関数f3nを用いて式(8)のように書くことができる。
Figure 2016042981
式中、Rに付いた下付文字p、qは、互いに異なる1からnまでの整数である。このような特性関数f3nは、シミュレーションや実験の結果から推定または導出され、少なくともR1からRNの2つ以上のカウント数の関数であれば良い。この場合も関数f3nはカッコ内の項の2つ以上のいずれかの組み合わせ(同じエネルギー範囲の組み合わせを含む)の積の項を含む。
こうして決定された特性関数は、記憶部109に保存され、例えば、数え違い量決定部1056において、記憶部109から読み出され、実測された各エネルギー範囲のカウント数を代入することで数え違い量を得ることができる。
＜第一実施形態の変更例2＞
第一実施形態では、カウント数補正部1053の数え違い量決定部1056で数え違い量Bn(i)を算出し、数え違い量補正部1057で入出力特性を補正する場合を示したが、これは一例であり、本発明を限定するものではない。例えば、カウント数補正部1053が数え違い量決定部1056を有さず、数え違い量補正部1057がパラメータ141を用いて、直接ローデータ143を補正する構成も在り得る。
この場合、例えば、記憶部109に記憶されるパラメータ141として、パイルアップの影響、すなわち数え違い量Bn(i)を補正した後のカウント値と、入力のカウント数との対応関係を示す入出力特性が記憶される。この入出力特性は、上記変更例1で例示した特性関数(例えば、式(8)の関数)から求めることができる。パラメータ141として記憶される入出力特性は、入力に対する補正後のカウント数の組み合わせとして記憶されていてもよいし、入力に対する補正後のカウント数の関係を示す関数として記憶されていても良い。
ここで入力として、多数のエネルギー範囲のカウント値を用いることは言うまでもない。
この変更例では、カウント数補正部1053は、ローデータ143に対して数え違い量決定処理S7011を行わずに、数え違い量補正部1057が、直接パラメータ141を用いて、各エネルギー範囲について、その入力カウント値から補正後のカウント値を求める(S7012)。
＜第一実施形態の変更例3＞
第一実施形態では、実撮影にて信号収集部108から受け取ったローデータ143に対して、数え違い量Bn(i)を差分することでパイルアップの影響を除去・低減したが、パイルアップの発生確率を基に、パイルアップによる信号の増減量の割合や、増減した結果の信号量やその割合を、基準出力に対する割合として算出し、ローデータ143に除する処理であっても良い。ここで基準出力とは、例えばパイルアップが生じていない場合の出力である。
＜第二実施形態＞
第二実施形態は、エネルギー範囲の分別数が3個以上であることが第一実施形態とは異なる。演算部105の構成(図6)及び補正の手順(図7)は共通しているので、各要素についての重複する説明は省略し、適宜、これら図面を引用して説明する。
以下の説明において、X線検出器104が検出するエネルギー範囲については、エネルギーの低い順に、第1から第N(3以上の整数)のエネルギー範囲がある場合とする。また説明をわかりやすくするために、最初に、2つのX線フォトンでのパイルアップが主の場合の数え違い量Bn(i)を決定し、カウント数補正を行う場合を説明する。
本実施形態においても、数え違い量決定処理S7011において、パイルアップの発生確率と、それにより生じるカウント数の増減量を考慮して数え違い量を決定することは第一実施形態と同様である。
パイルアップによるカウント数の増減は、同じエネルギー範囲のX線フォトンが入射するときと、異なるエネルギー範囲のX線フォトンが入射するときとに分けて考える必要があり、更にそれぞれの場合を、入射したX線フォトンのエネルギーが高い方と同じエネルギー範囲として計数される場合と、それらよりも高いエネルギー範囲として計数される場合とに分けて考える必要がある。このように場合分けしたときの増減を図11(a)に示す。
図11(a)では、パイルアップに関わる入射X線の一方を、入射X線1、もう一方を入射X線2とし、そのエネルギー範囲を示している。また第k(kは1以上、N以下の整数)、第nのエネルギー範囲をそれぞれ「第k」、「第n」と略記し、入射X線1は、入射X線2と同じまたは低いエネルギー範囲とする。また分別にて計測されたエネルギー範囲を分別結果に同様に記す。また表中のn、m、kはカッコで与えられた範囲内の整数である。
図11(a)に示すように4つの場合が考えられる。
［場合1］：第kのエネルギー範囲のX線フォトンと第kのエネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップして1つの第kのエネルギー範囲のX線フォトンとして分別される。この場合は、全てのエネルギー範囲の入射X線フォトンで生じえるので、kは1からNの整数である。このとき、第kのエネルギー範囲のカウント数は1個少なく計数される。
［場合2］：第kのエネルギー範囲のX線フォトンと第kのエネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップして1つの第n(nはkより大きい整数)のエネルギー範囲のX線フォトンとして分別される。この場合、エネルギーが低い方のX線フォトンのエネルギー範囲が、第Nの場合以外で生じ得るので、kは1から(N-1)の整数である。一方、エネルギーが高い方のX線フォトンのエネルギー範囲は第(k＋1)から第Nの場合まで在り得るので、nは(k＋1)からNの整数である。このとき、第kのエネルギー範囲のカウント数は2個少なく計数され、第nのエネルギー範囲のカウント数は1個多く計数される。
［場合3］：第kのエネルギー範囲のX線フォトンと第n(nはkより大きい整数)のエネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップして1つの第nのエネルギー範囲のX線フォトンとして分別される。この場合、エネルギーが低い方のX線フォトンのエネルギー範囲が、第Nの場合以外で生じ得るので、kは1から(N-1)の整数である。一方、エネルギーが高い方のX線フォトンのエネルギー範囲は第(k＋1)から第Nの場合まで在り得るので、nは(k＋1)からNの整数である。このとき、第kのエネルギー範囲のカウント数は1個少なく計数される。
［場合4］：第kのエネルギー範囲のX線フォトンと第n(nはkより大きい整数)のエネルギー範囲のX線フォトンがパイルアップして1つの第m(mはnより大きい整数)のエネルギー範囲のX線フォトンとして分別される。この場合、エネルギーが低い方のX線フォトンのエネルギー範囲が、第Nの場合以外で生じ得るので、kは1から(N-1)の整数である。また、エネルギーが高い方のX線フォトンのエネルギー範囲は第(k＋1)から第Nの場合まで在り得るので、nは(k＋1)からNの整数である。また、カウントされるエネルギー範囲としては第(n＋1)から第Nの場合が考えられるので、mは(n＋1)からNの整数である。このとき、第kと第nのエネルギー範囲のカウント数は1個少なく計数され、第mのエネルギー範囲のカウント数は1個多く計数される。
以上の場合1〜4を踏まえ、第一実施形態のときと同様に考えると、数え落としは、自分自身のエネルギー範囲のX線フォトンと、自分自身またはそれ以外のエネルギー範囲のX線フォトンとがパイルアップを生じたときに発生し、数え増しは、自分自身よりも低いエネルギー範囲のX線フォトン同士がパイルアップを生じたときに発生することが分かる。従って、数え落とし量は、自分自身のエネルギー範囲のカウント数と、自分自身またはそれ以外のエネルギー範囲のカウント数とから推定することができ、数え増しは、自分自身よりも低いエネルギー範囲のカウント数から推定することができる。
すなわち、数え違い量Bn(i)は、式(9-1)〜(9-3)(以下、これら式を総括して式(9)ともいう)で表すことができる。
Figure 2016042981
式(9)中、式(3)と同じ符号は同様の意味を持つ(以下、同じ)。ここで式(9)では、αhnを有する第1項が数え落とし量を、βhnを有する第2項が数え増し量を、それぞれ表し、nは3以上の整数である。従って、エネルギー範囲が3つ以上の場合でも、事前にシミュレーションなどでパラメータαhnとβhnを決定して記憶部109に事前にパラメータ141として保存しておき、数え違い量決定S7011の際に式(9)を用いることで、数え違い量を決定でき、この数え違い量を用いて数え違い量補正処理S7012を行うことで、正しい投影データを得ることができる。
なお式(9)は、式(9-2)の前提条件を「nが2以上(N-1)以下のとき(Nが3以上のときのみ)」とすれば、式(2)も含む、エネルギー範囲の数が2以上についての一般式(次式)となる。
Figure 2016042981
式(9)は、2つのX線フォトンでのパイルアップの場合であるが、本実施形態においても、3つやそれ以上のX線フォトンでのパイルアップの数え違い量を推定しても良い。
このとき、例えば、パイルアップの発生確率は、エネルギー範囲のX線フォトンのカウント数から算出する。数え落としは、数え違い量を決定するエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数と、その以外のエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数とから推定する。数え増しは、数え違い量を決定するエネルギー範囲よりも低いエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数を用いて推定する。これらパイルアップの発生確率及びパイルアップによる生じる増減量(数え落とし/数え増し)を用いて、数え違い量Bn(i)を決定することができる。
m(3以上整数)個のX線フォトンでパイルアップが生じたときに、第n(1以上N以下)のエネルギー範囲において生じる増減を、場合分けしてまとめた表を図11(b)に示す。これ以外の場合は、第nのエネルギー範囲では増減は生じない。ここで入射X線1はエネルギー範囲が第nの単数または複数のX線フォトンであり、入射X線2はそれ以外のエネルギー範囲の単数または複数のX線フォトンを意味する。また入射X線2の中で最大のエネルギー範囲を、第k(1以上N以下の整数)と記す。
［場合1］：m個中Q(Qは2以上m以下の整数)個の入射X線1のフォトンと、第nのエネルギー範囲より低い(すなわち、kが1以上(n-1)以下である)(m-Q)個の入射X線2のフォトンがパイルアップを生じて、1つの第nのエネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、第nのエネルギー範囲のカウント数が(Q-1)個だけ減少する。この関係はQが1の場合も成り立つが、この場合、増減は生じない。
［場合2］：m個中P(Pは1以上m以下の整数)個の入射X線1のフォトンと、それ以外のエネルギー範囲(すなわち、kが1以上(n-1)以下,または(n＋1)以上N以下である)の(m-P)個の入射X線2のフォトンがパイルアップを生じて、1つの第nのエネルギー範囲よりも高い第L(Lはnより大きくN以下の整数)のエネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、第nのエネルギー範囲のカウント数がP個だけ減少する。
これはnが(N-1)以下の場合に在り得る。
［場合3］：第nのエネルギー範囲より低いエネルギー範囲のm個のX線フォトン(すなわちkが1以上(n-1)以下のm個の入射X線2のフォトン)がパイルアップを生じて1つの第nのエネルギー範囲のX線フォトンとして計測された場合は、第nのエネルギー範囲のカウント数が1個だけ増加する。これはnが2以上の場合に在り得る。
このときの数え違い量Bnm(i)は式(11-1)〜(11-3)(以下、これら式を総括して式(11)ともいう)のように書くことができる。
Figure 2016042981
ここで式(11-1)はn＝Nの場合であって、右辺第1項は［場合1］の減少分を、右辺第2項は［場合3］の増加分を、それぞれ表す。式(11-2)はnが2以上(N-1)以下の場合であって、右辺第1項は［場合1］と［場合2］の減少分を、右辺第2項は［場合3］の増加分を、それぞれ表す。式(11-3)はnが1の場合であって、右辺は［場合1］と［場合2］の減少分を表す。ここで、式(11-2)の右辺第1項や式(11-3)の右辺は、［場合1］と［場合2］以外の組み合わせを表す項もあるが、そのパラメータαはゼロであり、実質的には用いない。
なお2個からM個(2以上の整数)までの全てのパイルアップを考えて補正する場合、2個のパイルアップについては式(8)からBn(i)を求め、3からMまでのパイルアップは式(9)からBnm(i)を求め(m＝3、・・・、Mの場合を求め)、それらの和を求めれば良い。こうして決定された数え違い量Bnm(i)を用いて、数え違い補正処理S7012を行うことは、パイルアップされるX線フォトンが2つの場合と同様である。
このように、3つ以上のX線フォトンのパイルアップを考慮することで、精度の良い補正が可能となる。
以上、第二実施形態のX線CT装置の、主としてカウント数補正部の機能を中心に説明したが、本実施形態についても、第一実施形態の変更例と同様の変更が可能である。また本実施形態についても、数え違いのうち、数え落とし及び数え増しのいずれか一方のみを採用する構成としてもよい。
本実施形態によれば、3以上のエネルギー範囲に分別可能なX線検出器104を備えたX線CT装置においても、第一実施形態と同様に、パイルアップによる数え違いを精度よく補正することができ、数え違いが補正された投影データを得ることができる。またこれらの投影データから作成した再構成像では、CT値の定量性の低下、物質の弁別能の低下、アーチファクトの発生などを防ぐことができる。
＜第三実施形態＞
第一実施形態及び第二実施形態では、数え違い量を決定する式に使用するパラメータを事前のシミュレーションで求める場合を説明したが、X線CT装置を用いた実測値によりパラメータを算出することも可能である。
本実施形態のX線CT装置は、パイルアップによる数え違い量を決定するためのパラメータを実験的に決定する機能を有することが特徴である。即ち、本実施形態のX線CT装置は、パラメータを算出するパラメータ算出部を、さらに備え、パラメータ算出部は、パイルアップの発生に関わる条件が異なる2つ以上の条件で、それぞれ計測することにより得た各エネルギー範囲のカウント数を用いて、パラメータを算出する。
パイルアップの発生に関わる2つ以上の条件は、例えば、X線検出器に入射されるX線量に関する条件を含む。またパイルアップの発生に関わる2つ以上の条件のうちの1つは、X線検出器に入射されるX線量がパイルアップを発生しない条件である。
本実施形態のX線CT装置の全体構成を図12に、演算部の構成を図13に示す。図12及び図13において、第一及び第二実施形態の説明で参照した図1及び図6に示す要素と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
本実施形態のX線CT装置は、図12に示すように、X線量を変更する線量変更部114と、線質を変更する線質変更部115とを備えている。これら線量変更部114及び線質変更部115は、制御部107の一部であってもよし、制御部107とは独立した調整機構であってもよい。
一般に、X線の線量は管電流によって変化し、また線質は管電圧やフィルタによって変化する。X線源100を構成するX線管の駆動部には、管電流及び管電圧を可変にする機能が備えられている。またX線源100には、エネルギーに応じて有効線質を得るための種々の金属からなるX線フィルタ113が備えられ、これら複数種のX線フィルタを自動あるいは手動で切り替える機構が備えられている。本実施形態の線量変更部114及び線質変更部115は、制御部107の制御により動作し、例えば、X線源100の駆動部(管電流、管電圧)やX線フィルタ113の切替機構部を制御し、線量や線質を変更する。
本実施形態のX線CT装置の演算部105は、図13に示すように、カウント数補正1053にパラメータ算出部1058が追加されている。パラメータ算出部1058は、信号収集部108が、線量、線質、フィルタのいずれか1以上の条件を異ならせた複数の条件で実測したローデータを用いて、数え違い量算出に用いるパラメータを算出する。
以下、本実施形態により、第一実施形態の数え違い量決定部1056が用いた計算式(例えば式(3))または第二実施形態の数え違い量決定部1056が用いた計算式(例えば式(9))のパラメータαhnとβhnを算出する手順(主として制御部107と演算部105の動作)を、図14を参照して説明する。
まず、制御部107は、X線管100とX線検出器104を制御して、複数の異なる条件で撮影を行い、パラメータ算出用ローデータを得る(S801)。例えば、1つの線質で、所定のX線量(第1の条件)で、X線管100でX線を照射しながらX線検出器104でローデータを取得する。このとき複数ビュー間分、信号を取得する(S8011)。次いで、線量変更部114でX線量を変更した第2の条件で、ローデータを取得する(S8012)。さらにX線量を変更した第3・・・第L(Lは3以上の整数)の条件でローデータを取得してもよい。次いで、線質変更部115で線質を変更し、別の線質で、第1の条件及び第2の条件(あるいは第2〜第L)でローデータを取得する。
第1の条件は、例えば、1つの線質に対して、X線量が十分に少なく、パイルアップが生じないと見なせる条件であり、第1の条件で取得したローデータを基準データとする。
また第2以降の条件は、X線量が大きくパイルアップが生じる条件であり、この条件で取得したローデータをパイルアップデータという。これら基準データとパイルアップデータからなるセットのデータを取得する際に、X線量計(不図示)を用いてX線量を同時に計測する。このセットのデータは、パラメータ算出用データ140として用いられる。
次に、演算部105(パラメータ算出部1058)は、取得されたパラメータ算出用ローデータ140を用いて、パラメータαhnとβhnを算出する。この計算では、まずパラメータ算出用ローデータ140に対して、ビュー方向に加算平均を求めるビュー加算平均化処理S802を行う。これによりデータを圧縮し、SNRを高めることができる。
次に、数え違い量算出S803の処理を行う。この処理では、まず基準データを線量比倍し(線量比＝パイルアップデータ取得時の線量/基準データ取得時の線量)、パイルアップデータを取得したX線量に相当する出力を算出する。この出力とパイルアップデータの出力との差を求める。基準データから算出した出力には、パイルアップの影響は無いため、本データとパイルアップデータとの差が、数え違い量Bn(i)となる。この数え違い量算出S803の処理は、X線検出素子400毎に、全てのエネルギー範囲で行う。
次にパラメータ決定処理S804にて、パラメータαhnとβhnを決定する。具体的には、処理S803で求めた数え違い量Bn(i)と、パイルアップデータの値を式(3)または式(9)に代入して連立方程式を解くことで、パラメータαhnとβhnを決定できる。分別されるエネルギー範囲が2種である式(3)の場合には、パラメータαhnとβhnとしてはα11、α12、α22、β11の4個を決定する必要がある。従って、パラメータ算出用データ140のペアは4つ以上必要となり、4種類以上の線質でデータを取得する必要がある。また4つ以上のペアがある場合は、4つに対して連立方程式を設けて算出しても良いし、最小2乗法にてパラメータを決定しても良い。
また分別されるエネルギー範囲がN個(3以上)の場合、即ち式(9)の場合にも、処理S803で求めた数え違い量Bn(i)と、パイルアップデータの値を式(9)に代入して連立方程式を解くことで、パラメータαhnとβhnを決定できる。このときαhnは、式(9)から分かるように、エネルギー範囲が第1から第(N-1)のときはN通り、第Nのときは1通りあるため、合計(N2-N＋1)個ある。またβhnは、エネルギー範囲が第2から第Nの間であり、そのエネルギー範囲を第nとするとき、(n-1)2個ある。従って決定すべきパラメータαhnとβhnの合計は｛(2N3＋3N2-5N＋6)÷6｝個あり、これと同じかそれ以上のペア数でのパラメータ算出用データ140が必要となる。
最後に、以上のように決定したパラメータαhnとβhnを、処理S805で記憶部109にパラメータ141として書き込む。その後、このパラメータを用いて、数え違い量の決定(図7：S7011)、数え違い量の補正(図7：S7012)を行い補正された投影データを得ること、またこの投影データから画像再構成することは第一及び第二実施形態と同様である。
なお、第一実施形態の変更例1として、数え違い量決定S7011にて、パラメータαhnとβhnを用いる式(3)ではなく、式(6)〜式(8)を特性関数として用いて数え違い量を決定することを説明したが、これらの式を用いるときは、パラメータ算出部1058は、例えば、特性関数の係数をパラメータ141として算出する。
本実施形態によれば、実計測データをもとにパラメータを決定するので、数え違い量算出の信頼性を向上することができる。また一度、パラメータを決定すれば、その後は記憶部109に保存した値を用いることができるので、X線CT装置の稼働に与える影響もない。
なお本実施形態についても、第一及び第二実施形態と同様の変更が可能であり、さらに以下のような変更も可能である。
＜第三実施形態の変更例1＞
実験的にパラメータを求める際の条件(変更する条件)として、線量計で測定した線量を用いる代わりに、例えば、管電流などの撮影条件を用いても良い。
また第三実施形態では、線質変更部115で管電流やX線フィルタを変更することで線質を変化させて撮影してデータを取得したが、被写体300として減弱体を設けて線質を変更しても良い。更に管電流、X線フィルタ113、被写体300の内の1つまたは2つを組み合わせて線質を変更しても良い。
＜第三実施形態の変更例2＞
全てのパラメータを実験的に決定するのではなく、計算の一部をシミュレーションで決定する場合も在り得る。
＜第四実施形態＞
本実施形態のX線CT装置は、数え違い量Bn(i)を、複数のエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数の合計を用いて決定する点で第一実施形態と異なる。
即ち、本実施形態では、数え違い量決定部は、パイルアップが発生する確率を、全エネルギー範囲のX線フォトンのカウント数の合計に基き決定する。そして、全エネルギー範囲のX線フォトンのカウント数の合計に基き決定した前記パイルアップが発生する確率と、予め設定したパラメータとの積により、数え違い量を決定する。
本実施形態における演算部105の構成及び演算部105による処理のフローは、それぞれ図6、図7と同様であるので、以下、適宜これら図面を参照して本実施形態の演算部105の処理を説明する。
本実施形態においても、ローデータ143を用いて、カウント数補正部1053が複数のエネルギー範囲のカウント数とパラメータ141を用いてパイルアップの発生確率を算出し、数え違い量を決定し(S7011)、ローデータ143の数え違い量を補正する(S7012)。但し、本実施形態では、数え違い量決定部1056は、パイルアップの発生確率を、パイルアップに関わるエネルギー範囲のカウント数の積を用いて決定するのではなく、カウント数の合計を用いて決定する。このため記憶部109には第一実施形態とは別のパラメータ141が予め求められ格納されている。数え違い量決定部1056が、数え違い量Bn(i)を決定する式の一例を、次式(12)で示す。
Figure 2016042981
式中、Rj(i)はi(1以上の整数)番目のX線検出素子における、第jのエネルギー範囲のカウント数を表す。Δn(i)は数え違い量算出用パラメータである。
このように、式(12)では、実撮影で得た全エネルギー範囲のカウント数の合計の2乗に、数え違い量算出用パラメータΔn(i)を乗じて算出する。式(12)を用いて、数え違い量Bn(i)をX線検出素子毎に決定する(S7011)。
本実施形態では、第一実施形態や第二実施形態のようにパイルアップしたX線フォトンのエネルギー範囲を個々に考慮するのではなく、数え違い量を線量に依存する量として決定する。ここで線量として、全エネルギー範囲のカウント数の合計を用いる。この場合、各エネルギー範囲についてパイルアップが発生する確率は全X線フォトン数に依存する。
例えば3つ以上のX線フォトンのパイルアップが無視できる程度の入射X線フォトン数の場合、2つのX線フォトンがパイルアップする確率は、全X線フォトン数の2乗に大まかに比例する。一方、1回のパイルアップによる増減量は、第二実施形態(表11)で解析した様々な数え落としと数え増しの平均値となり、エネルギー分布が大きく変わらない限り、ほぼ一定である。従って、数え違い量は、全X線フォトン数の2乗と1回のパイルアップによる増減量との積で近似できる。全X線フォトン数は全エネルギー範囲のカウント数の合計の2乗に概ね比例するので、数え違い量は、全エネルギー範囲のカウント数の合計の2乗を用いて推定できる。
式(12)には、1回のパイルアップによる増減量の項は含まれていないが、パラメータΔn(i)として、1回のパイルアップによる増減量を含む値を求めておくことにより、式(12)により数え違い量Bn(i)を算出することができる。
パラメータΔn(i)は、例えばモンテカルロなどのシミュレーションにて、入力のX線フォトン数を変えてX線検出器104に入射した際に、パイルアップの影響のある場合と無い場合で各エネルギー範囲のカウント数を求め、その差を数え違い量Bn(i)として、式(12)に代入することにより求める。
ここでパイルアップの影響のある場合のカウント数を求めるシミュレーションは、例えば第一実施形態で図5を用いて説明した方法と同様の方法を採用することができる。すなわち、実際の計測と同様のサンプリング時間を設け、1つのX線フォトンが入射した場合の時間的な波高変化を模擬すると共に、複数のX線フォトンが入射した場合のお互いの重ね合わせを考慮した時間的な波高変化を模擬する。パイルアップの影響のない場合のシミュレーションでは、サンプリング時間を設けずに1つ1つのX線フォトンのエネルギーからカウント数を算出する。このようにシミュレーションを行うことで、それぞれのカウント数の差からパイルアップによる数え違い量算出用パラメータΔn(i)を決定できる。
こうして数え違い量を決定し(S7011)、ローデータ143の数え違い量を補正した後(S7012)、LOG変換S702、エア補正S703を行い、補正された投影データ144を得ること、補正後の投影データ144を用いて再構成S704を行うこと、また必要に応じて再構成画像を表示することS705は、第一、第二の実施形態と同様である。
以上の説明では、カウント数補正部1053において、数え違い量決定部1056が数え違い量Bn(i)を算出し、数え違い量補正部1057が入出力特性を補正する場合を示したが、第一実施形態の変更例2で説明したように、例えば、カウント数補正部1053が数え違い量決定部1056を有さず、数え違い量補正部1057がパラメータ141を用いて直接ローデータを補正する構成も在り得る。このとき記憶部109に記憶されるパラメータ141は、その入力として、複数のエネルギー範囲のカウント数の合計を用いるため、個々のエネルギー範囲のカウント数を用いる場合(第一実施形態)に比べて、データ量が少なくて済む。
本実施形態によれば、前述した実施形態と同様に、パイルアップによる数え違いを精度よく補正することができ、数え違いが補正された投影データを得ることができる。またこれらの投影データから作成した再構成像では、CT値の定量性の低下、物質の弁別能の低下、アーチファクトの発生などを防ぐことができる。
＜第四実施形態の変更例1＞
本実施形態は、パイルアップの発生確率が線量、即ち全カウント数に依存することを利用して数え違い量を算出するものであり、数え違い量決定部1056が採用する式は、その趣旨に沿ったものであれば、上述した式(12)を基本として、種々の変更が可能である。
つまり、式(12)では、数え違い量Bn(i)を全X線フォトン数の2乗のみの項で記述しているが、2乗の項以外の項を有する、さまざまな特性関数の場合も在り得る。
例えば、M個中2つのX線フォトンがパイルアップする確率は、MC2(＝0．5M×(M-1))に比例することになり、2乗の項のみでなく1乗の項も有する。またエネルギー分布の変化などにより、2乗以外の項を有する場合も在り得る。例えば次式(13)のような多項式でもよい。
Figure 2016042981
このとき、各項の係数(パラメータ)が異なる場合がある事は、言うまでもない。
さらにパラメータ141として、第nのエネルギー範囲における数え違い量算出用パラメータΔn(i)あるいは式(13)のa・Δn(i)等を用いたが、例えば、カウント数の合計を変数とする特性関数でもよい。特性関数は、関数hnを用いて、式(14)のように書ける。
Figure 2016042981
この関数hnは、例えばM(2以上の整数)個のX線フォトンのパイルアップを考慮する場合は、M次から2次の項を少なくとも有する。
更に数え違い量Bn(i)は、例えばカウント数の合計が閾値未満ではゼロであり、それ以上では式(12)〜式(14)の値を用いるなどのように、閾値で区切られた範囲で異なる特性関数であっても良い。更にカウント数の合計によって、連続的に特性関数が変化していくような場合も在り得る。
＜第四実施形態の変更例2＞
第四実施形態では、パイルアップの発生確率を決定する線量として、全エネルギー範囲のカウント数の合計を用いたが、カウント数の合計に限らず、線量が推定できる諸量を用いることができる。
例えば、線量が推定できる程度の個数のエネルギー範囲のカウント数の合計から、例えば1つ、または様々な組み合わせの複数のエネルギー範囲のカウント数の合計から算出しても良い。ここで合計は、重みが一定であっても異なる重みであっても良く、線量を精度良く推定するためには、多くのエネルギー範囲のカウント数を用いることが望ましいことは言うまでも無い。
或いは、線量として、被写体を仮定し、シミュレーションにて算出された値を用いても良い。また、別途線量計や、線量を測定可能なX線検出器で計測した結果(線量)を用いても良い。線量を測定可能なX線検出器の構造として、例えば、X線検出器の一部のX線検出素子がパルスカウンティング型でなく、パイルアップを生じない回路構成、例えば電流計測型の読み出し回路を有し、その出力値から線量を推定できるもの、あるいは、1つのX線検出素子に、パルスカウンティング型と電流計測型の読み出し回路の双方を有し、電流計測型の読み出し回路の出力値から線量を推定するもの、などが在り得る。
＜第五実施形態＞
本実施形態も、数え違い量Bn(i)を、線量(複数のエネルギー範囲のX線フォトンのカウント数の合計)を用いて決定することは第四実施形態と同様である。但し、第四実施形態では、数え違い量の算出に用いるパラメータ141をシミュレーションで求めたのに対し、本実施形態では、実験的に得たデータを用いて算出する。
即ち本実施形態のX線CT装置は、パラメータを算出するパラメータ算出部を、さらに備え、パラメータ算出部は、パイルアップの発生に関わる条件が異なる2つ以上の条件で、それぞれ計測することにより得た各エネルギー範囲のカウント数を用いて、パラメータを算出する。パイルアップの発生に関わる2つ以上の条件は、X線検出器に入射されるX線量に関する条件を含み、2つ以上の条件のうちの1つは、X線検出器に入射されるX線量がパイルアップを発生しない条件である。
以下、第四実施形態と異なる点を中心に、本実施形態を説明する。
本実施形態を実現するためのX線CT装置の全体概要を図15に示す。図15において、第一実施形態の説明で参照した図1に示す要素と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
このX線CT装置は、X線量を変更する線量変更部114を備えている。またX線源100を構成するX線管の駆動部(不図示)には、管電流を可変にする機能が備えられている。線量変更部114は、制御部107の一部であってもよく、制御部107の制御により動作し、X線源100の駆動部、例えば管電圧を制御して線量を変更する。
また演算部105は、第三実施形態の説明で参照した図13と同様の構成を有し、カウント数補正部1053にパラメータ算出部1058が追加されている。パラメータ算出部1058は、信号収集部108が、線量を変えた複数の条件で実測したローデータを用いて、数え違い量決定に用いるパラメータを算出する。
以下、本実施形態により、第四実施形態の数え違い量決定部1056が用いた計算式(例えば式(12))のパラメータ141を算出する手順(主としてパラメータ算出部1058の手順)を、図16を参照して説明する。
まず、制御部107は、入力部105を介して設定された撮影条件148に基き(S901)、線量変更部114及びX線管100とX線検出器104を制御して、パラメータ算出用ローデータを得る(S901)。具体的には、所定のX線量(第1の条件)で、ローデータを取得する(S9011)。次いでX線量を変えた第2の条件でローデータを取得する(S9012)。第1の条件は、X線量が少なく、大よそパイルアップの発生が無視できる条件である。第2の条件は、X線量が多く、パイルアップが生じている条件である。こうして第1の条件及び第2の条件で取得したローデータセットであるパラメータ算出用ローデータ140を得る。
次にパラメータ算出部1058は、これらのローデータ140に対してビュー加算平均化処理を行う(S902)。これによりデータが圧縮されると共にSNRが向上する。これと同時に、パラメータ算出部1058は、指定された撮影条件148からX線量比を推定する(S903)。
ここで撮影条件148として、例えば管電流を用いて、第1の条件に対する第2の条件の線量の割合であるX線量比を推定する。
次に、パラメータ算出部1058は、加算平均後のローデータ(以下、数え違い量算出用データと記す)と、S903で推定したX線量比とを用いて、数え違い量を算出する(S904)。
この数え違い量算出S904では、各エネルギー範囲で、第2の条件においてパイルアップを生じなかった理想のカウント数と、パイルアップを生じた現実のカウント数との差を算出し、これを式(12)の数え違い量Bn(i)に代入して、数え違い量算出用パラメータΔn(i)を算出する。
ここで第2の条件においてパイルアップを生じなかった理想のカウント数は、第1の条件で得た数え違い量算出用データにX線量比を乗じて算出する(S905)。従ってパラメータ算出部1058は、数え違い量算出用パラメータΔn(i)を、例えば式(15)のような計算を行って決定する。
Figure 2016042981
式(15)中、R[r]j(i)は第r(rは1または2の整数)の条件での第jのエネルギー範囲のカウント数、HはX線量比とする。式(15)の右辺の分子は、「パイルアップを生じなかった理想のカウント数と、パイルアップを生じた現実のカウント数との差」であり、以下、これを特性データという。
こうして算出したパラメータを、記憶部109に書き込む(S906)。記憶部109に保存されたパラメータ141は、その後、カウント補正部1056が本撮影後のローデータに対し数え違い量の決定/補正を行う際に、用いられる(図7：S7011、S7012)。その他の処理は第四実施形態やその変更例と同様であり、説明を省略する。
なお以上の説明では、2つの撮影条件にて撮影した特性データを用いてパラメータ141を決定する場合を記したが、これは一例であり、3種以上の撮影条件にて撮影した特性データを用いても良いことは言うまでも無い。このとき、追加した撮影条件としては、パイルアップを生じる線量であって、他の撮影条件と線量条件が異なることが望ましい。特に多くの撮影条件の特性データを用いることで、特性関数の決定精度を上げることができる。
また以上の説明では、パラメータ141として式(12)に用いる数え違い量算出用パラメータΔn(i)を求める場合を示したが、第四実施形態の変更例で例示したように、数え違い量決定部1056が用いる計算式が異なれば、それに応じて、求める数え違い量算出用パラメータが異なることは言うまでもない。すなわち、例えば、式(13)のような多項式の場合には、その係数をパラメータとして求める。また特性関数の場合もあり得る。いずれの場合も実測で得た特性データを式に代入することにより、パラメータを求めることができる。その際、パラメータの数に応じて、線量の条件が異なる複数の特性データを得ればよい。
さらに、特性データ自体をパラメータ141として、記憶部109に保存し、実撮影毎に記憶部109から特性データを読み出し、カウント数補正部1056で数え違い量Bn(i)を算出しても良い。
＜第五実施形態の変更例＞
第五実施形態では、条件を変えて実測データを得る際に、線量変更部114にてX線量を変えて第1の条件と第2の条件を実現したが、条件を変更する手法は、これに限定されない。例えば、線量変更部114を用いず、第2の条件と同じ線量であって、被写体に減弱体を設けて第1の条件を取得しても良い。このとき減弱体としては、水など、人体に近い素材を用いることが望ましい。このように減弱体を用いる場合、線量と共に線質も変化するが、実際の被写体を撮影する場合にも同様に線質が変化するため、減弱体を用いた場合の方がより現実に近い特性データにてパラメータ141を決定できる。従って、実撮影において、より精度良く数え違い量Bn(i)を算出でき、補正精度を向上できる。
更に条件の変更は、線量だけでなく線量と線質の双方を変えてもよい。この変更例は、第三実施形態の説明で参照した図12に示すような、線量変更部114に加えて、線質変更部113を備えたX線CT装置で実現することができる。
また図16の処理S903において、X線量比を推定する際に、管電流を用いてX線量比を決定する場合を示したが、管電流以外にも、第1と第2の条件でのX線量に依存する様々な計測量を用いることが可能である。
例えば、線量計を用いて計測したX線量を用いても良い。また、第1の条件と第2の条件の計測を別個行うのではなく、1回の計測で2つの条件を作り出すことも可能である。
例えば、X線検出器104のX線入射面の一部に減弱体を設け、第2の条件(パイルアップが発生する条件)でもパイルアップが無視できる程度に小さくなるX線量となるように減弱し、第2の条件の計測を行い、減弱部のカウント数を第1の条件で得たカウント数とし、減弱部が設けられない部分のカウント数を第2の条件で得たカウント数として、X線量を決めても良い。
あるいはX線検出器104の一部のX線検出素子を、第2の条件(パイルアップが発生する条件)でもパイルアップを起こさないほど入射X線フォトン数が少なくなるように入射面積を小さくし、第2の条件で計測を行い、入射面積を小さくしたX線検出素子のカウント数を第1の条件のカウント数とし、その他のX線検出素子のカウント数を第2の条件のカウント数としても良い。更に別途、第2の条件ではパイルアップを起こさないX線検出器を併設し、そのカウント数を用いても良い。このとき具備するX線検出器は、フォトンカウンティング型の検出器とは限らない。
さらに、全部のパラメータ或いは特性データを実験的に決定するのではなく、パラメータ或いは特性データを求める計算の一部をシミュレーションで決定してもよい。
＜第六実施形態＞
上述した実施形態では、パイルアップによって生じた数え違い量を用いてローデータを補正する場合を説明したが、パイルアップの影響は感度の変化として捉えることも可能であり、その場合、数え違い量を用いて感度分布を補正してもよい。
すなわち、本実施形態は、補正部が、X線感度分布及び/又はX線分布を用いて、前記X線検出素子のカウント数を補正するカウント数補正部を備え、カウント数補正部は、X線感度分布及び/又はX線分布を、数え違い量決定部が決定した数え違い量を用いて補正し、補正後のX線感度分布及び/又はX線分布を用いて、X線検出素子のカウント数を補正する。
本実施形態のX線CT装置の演算部105の機能ブロック図を図17に示す。図17において、第一又は第三実施形態の説明で参照した図6又は図13に示す要素と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
図17に示すように、演算部105は、カウント数補正部1053を備え、カウント数補正部1053は、数え違い量決定部1056と感度・X線分布データ変更部1060を有している。また点線で示すパラメータ算出部1058は、パラメータをシミュレーションで算出する態様では不要であるが、その一部又は全部を実測したローデータから算出する態様では必要となる。
感度・X線分布データ変更部1060は、数え違い量決定部1056が決定した数え違い量を用いて、エア補正に用いる感度・X線分布データを変更する。
以下、図18を参照して、本実施形態の演算部105の処理を説明する。
まず、実測したローデータ143を用いて数え違い量を決定する(S1011)。数え違い量の決定手法は、上述した第一〜第五実施形態で説明した種々の手法(数式)のいずれを採用してもよく、またパラメータ141は採用する式に応じて予め記憶部109に保存されたものを用いる。
次に感度・X線分布データ変更部1060は、決定した数え違い量を用いて、予め記憶部109に保存されている感度・X線分布データ142を変更し、パイルアップの影響を含む感度・X線分布データ139を作成する(S1012)。具体的には、式(16)により感度・X線分布データ139を作成する。
Figure 2016042981
式(16)中、Mapcorrect(i)は、変更後の感度・X線分布データ139、Maporiginal(i)は変更前の感度・X線分布データ142、Bnormalized(i)は数え違いによってX線検出素子の出力が低減した割合をそれぞれ表す。ここでBnormalized(i)は、例えば、先に記したような方法でパイルアップの発生確率を基に算出した数え違い量を、数え違いの無い理想的なカウント数で規格化した値を、1から差分することで算出できる。式(16)の計算は、エネルギー範囲毎に行う。ここで変更前の感度・X線分布データ142は、パイルアップの影響を含まない線量で撮影した画像から作成した感度・X線分布画像であっても良いし、パイルアップの影響を含まない場合での入出力特性を表す関数であっても良い。
この処理S1012は、ローデータ143で数え違いにより生じた出力の変化を、エア補正132で使用する補正用データに反映する処理である。例えば、ローデータ143においてあるX線検出素子400の出力が、数え違いによって10％低減した場合、感度・X線分布データ142を10％低減して0.9倍することでパイルアップの影響を含む感度・X線分布データ139を作成する。変更後の感度・X線分布データ139を記憶部109に保存する(S1013)。
その後の処理S1014〜S1017は、図7の処理S702〜S705と同様である。
本実施形態によれば、パイルアップの影響を含む感度・X線分布データ139を用いてエア補正132を行うことで、感度やX線分布を補正すると共に、パイルアップによる数え違いの影響も補正される。
＜第七実施形態＞
上述した各実施形態では、X線検出素子から信号を読み出すサンプリング時間が変化する場合に言及しなかったが、本発明はサンプリング時間が変化する場合にも適用できる。
ここでサンプリング時間とは、1つのサンプリングに要する時間であり、例えば図4におけるサンプリング時間123、124、125などのそれぞれの時間幅(間隔)を意味する。
一般的に、パイルアップが生じない限り、サンプリング時間が長い方が入射X線のエネルギーを正確に計測できるが、短い方がパイルアップを生じる確率が低下する。従ってX線のエネルギーに応じてサンプリング時間を変更する場合が在り得、サンプリング時間の変更によってパイルアップが発生する確率も変化する。本実施形態は、このようなサンプリング時間の変化に対応する。
すなわち、本実施形態のX線CT装置は、信号収集部(読み出し回路)のサンプリング時間(X線検出素子からの出力信号をサンプリングし、X線検出の有無を判別して、X線を検出した場合はエネルギー範囲の分別を行う時間)を調整するサンプリング調整部を備え、数え違い量決定部は、サンプリング調整部が調整可能な複数のサンプリング時間のそれぞれについて、数え違い量を決定する。ここでサンプリング時間の変更方法としては、例えばクロック周期を変更する方法や、サンプリング時間中のクロック数を変更する方法などが有り得る。
また、サンプリング時間を変更したとき、サンプリング時間に適した読み出し回路の回路定数や計測パラメータを変更することが望ましい。例えばサンプリング時間を短くしたときに変更するパラメータとしては、読み出し回路にシェーピングアンプを用いる場合は整形時間を、積分器を使用する場合は積分時間を、短くすることが望ましい。このためには、回路フィルタの容量、抵抗、インダクタンスなどを変更すれば良い。またエネルギー分別のために比較機を用いている場合は、その判定時間や比較数を、アナログ―デジタル変換器を用いている場合は、変換時間やビット数を低減して、サンプリング時間に合わせて最適化しても良い。更にさまざまな読み出し回路の回路定数や計測パラメータの変更も有り得る。
本実施形態のX線CT装置は、さらに、サンプリング時間の調整に関わる条件をユーザーに選択させる入力部を備え、サンプリング調整部は、入力部を介して入力された条件に応じてサンプリング時間を調整する。
本実施形態のX線CT装置の概要を図19に示す。図19において、第一実施形態の説明で参照した図1に示す要素と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
図19に示すように、本実施形態のX線CT装置は、信号収集部108は複数のサンプリング時間を切り替えることが可能な構成を備え、複数のサンプリング時間を切り替えるサンプリング調整部117が備えられている。サンプリング調整部117は、制御部107の一部でもよし、制御部107から独立した回路或いは機構でもよい。
演算部105及び記憶部109の構成は、図1に示すように、数え違い量決定部1056が数え違い量を決定するために用いるパラメータ141が予めシミュレーション等によって計算され、記憶部109に保存されている構成、或いは図13に示すように、カウント数補正部1053に実測値に基きパラメータを算出するパラメータ算出部1058を備える構成のいずれであってもよい。さらに図17に示すように、数え違い補正部1057に代えて感度分布等変更部1060を備える構成であってもよい。
サンプリング調整部117によるサンプリング時間の変更は、例えば入力部110及び表示部106で構成されるユーザーインターフェイスから直接入力して行っても良いし、設定する撮影条件の変更に連動させても良い。サンプリング時間と関連した撮影条件として、例えば、管電流、管電圧、撮影部位、被写体等のように線量率(単位時間あたりに入射する線量)が変化する条件や、エネルギー範囲、エネルギー範囲数、エネルギー決定精度等のエネルギー決定精度が変化する可能性がある条件、View時間や撮影時間や撮影枚数(再構成に使用)などが挙げられる。ここで、エネルギー範囲、エネルギー範囲数、エネルギー決定精度等のエネルギー決定精度が通常と変化する可能性がある条件としては、造影撮影の有無や、造影剤の種類が在り得る。
上述した撮影条件を設定するユーザーインターフェイス170の一例を、図20に示す。
このユーザーインターフェイス170では、サンプリング時間の変更に関するもののみを示しているが、ユーザーインターフェイスにこれら以外の条件も同一画面或いは別画面として載せられていることは言うまでもない。また図20に示す撮影条件及び数値等は、単なる例示であって本発明を限定するものではない。
このユーザーインターフェイス170では、変更手段175を用いることで、サンプリング時間を直接変更できる。また、変更手段171では管電流を、変更手段172では管電圧を、変更手段173では撮影部位を、変更手段174では被写体を、変更手段181では造影撮影の有無を、変更手段182では造影剤の種類を、それぞれ変更できる。更に、変更手段176ではエネルギー範囲数を、変更手段177では各エネルギー範囲をそれぞれ変更できる。このとき、エネルギー範囲数に連動して、変更手段177のエネルギー範囲の列が増加する。すなわちN(Nは2以上の整数)個のエネルギー範囲数が変更手段176に入力されたとき、第Nエネルギー範囲までのN列(第1から第Nエネルギー範囲)の変更手段177が表示される。
これらの変更手段において、選択によって決定している項目は、直接入力可能な項目もあれば、1ないし複数の項目が決定されると、一意に決定される条件もある。例えばView時間と撮影時間が入力されると、撮影枚数は一意に決定される。
ユーザーインターフェイスへの入力手段(入力部106)としては、マウス、キーボード、タッチパネル、音声入力など、さまざまな手段が取り得る。また、サンプリング時間の変更は、ユーザーインターフェイスを介して行うのではなく、計測された入射フォトン数に応じて行っても良い。更にサンプリング時間の変更が、X線検出器104の全部で行っても、一部で行っても良い。
一方、パラメータ算出部1058は、サンプリング調整部117によって調整可能なサンプリング時間毎に、数え違い量を決定するためのパラメータ(例えば、式(3)のαhnとβhn)を算出し、記憶部109に保存する。或いは、X線CT装置とは別の計算機で、シミュレーションによって、サンプリング時間毎にパラメータを算出し、記憶部109に保存しておく。
撮影に際し、数え違い量決定部1056は、そのときサンプリング調整部117により変更されたサンプリング時間に応じて、記憶部109から対応するパラメータを読み出し、数え違い量を決定し、数え違い量の補正(数え違い量補正部1057による処理)或いは感度分布等の補正(感度分布等補正部1060の処理)を行う。
本実施形態によれば、サンプリング時間が変更される毎に、適したパラメータを使用して数え違い量を決定することができるので、パイルアップの発生する確率を正確に反映することができ、より高精度な補正が可能となる。
＜応用例＞
上述の各実施形態及びその変更例では、医療用のX線CT装置を例に説明を行ったが、本発明はこれに限るものではなく、検出素子に入射した放射線を、エネルギー範囲毎に分別してフォトン数のカウントを行うフォトンカウンティング方式の放射線検出器を搭載したあらゆる装置に適用できることは言うまでも無い。その一例として、非破壊検査用のX線CT装置、X線コーンビームCT装置、デュアルエネルギーCT装置、X線画像診断装置、X線画像撮影装置、X線透視装置、マンモグラフィー、デジタルサブトラクション装置、核医学検診装置、放射線治療装置なども在り得る。更にX線検出器に限らず、さまざまな波長のフォトンを検出する光検出器であっても適用し得る。このとき光は、可視光、赤外線、紫外線、ガンマ線など、どのような波長であっても構わない。
更に本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、実施の段階では、その要旨を逸脱しない範囲でさまざまに変形して実施することが可能である。更に、上記実施形態にはさまざまな段階が含まれており、開示される複数の構成要素における適宜な組み合わせにより、さまざまな発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素が、削除されても良い。
本発明によれば、フォトンカウンティング方式の検出器を備え、得られる画質や諸量の定量性が向上した撮影装置が提供される。
100 X線源、101 ガントリー回転部、102 X線コリメータ、103 寝台天板、104 X線検出器、105 演算部、106 表示部、107 制御部、108 信号収集部、109 記憶部、110 入力部、113 X線フィルタ、114 線量変更部、115 線質変更部、123〜125 サンプリング時間、170 ユーザーインターフェイス、171〜182 変更手段、400 X線検出素子、405 読み出し回路、1050 主制御部、1051 エア補正部、1052 LOG変換部、1053 カウント数補正部、1056 数え違い量決定部、1057 数え違い量補正部、1058 パラメータ算出部、1060 感度分布等補正部、117 サンプリング調整部

Claims (19)

  1. 入射したX線フォトンを検出し、2つ以上のエネルギー範囲に分別して計数を行うフォトンカウンティング方式のX線検出素子が複数配置されたX線検出器と、
    前記X線検出素子のカウント数を収集する信号収集部と、
    前記X線検出素子のカウント数を補正して投影データを作成する補正部と、
    前記投影データに対して再構成演算を行って再構成像を作成する画像再構成部と、を備え、
    前記補正部は、2つ以上のX線フォトンによってパイルアップが発生する確率に基き、パイルアップによるカウント数の数え違い量を決定する数え違い量決定部を有することを特徴とするX線撮影装置。
  2. 請求項1に記載のX線撮影装置であって、
    前記パイルアップが発生する確率は、1つのパイルアップに関わる2以上のX線フォトンがそれぞれ属するエネルギー範囲について計測されたカウント数の積を用いて決定されることを特徴とするX線撮影装置。
  3. 請求項1に記載のX線撮影装置であって、
    前記数え違い量決定部は、1つのパイルアップで生じる前記カウント数の増減量と、前記パイルアップが発生する確率との積に基き、前記数え違い量を決定することを特徴とするX線撮影装置。
  4. 請求項3に記載のX線撮影装置であって、
    前記数え違い量決定部は、1つのエネルギー範囲の数え違い量のうち、1つのパイルアップで生じる減量(数え落とし量)を、前記1つのエネルギー範囲について計測されたカウント数と、当該1つのエネルギー範囲以外のエネルギー範囲について計測されたカウント数とを用いて決定することを特徴とするX線撮影装置。
  5. 請求項3に記載のX線撮影装置であって、
    前記数え違い量決定部は、1つのエネルギー範囲の数え違い量のうち、1つのパイルアップで生じる増量分(数え増し量)を、前記1つのエネルギー範囲より低いエネルギー範囲について計測されたカウント数を用いて決定することを特徴とするX線撮影装置。
  6. 請求項3に記載のX線撮影装置であって、
    前記1つのパイルアップで生じる増減量に関する情報を含むパラメータを記憶する記憶部を備え、
    前記数え違い量決定部は、前記記憶部に記憶された前記パラメータ及びパイルアップされる2以上のX線フォトンがそれぞれ属するエネルギー範囲について計測されたカウント数を用いて前記数え違い量を決定することを特徴とするX線撮影装置。
  7. 請求項6に記載されたX線撮影装置において、
    前記X線検出器は、M(Mは2以上の整数)個の前記X線検出素子からなり、
    前記X線検出素子は、エネルギーが低い順に第1から第N(Nは2以上の整数)のエネルギー範囲に分別を行い、
    前記記憶部は、パラメータαjk(i)、βgh(i)(iは、1以上M以下の整数)(j、k、g、hは前記エネルギー範囲を表す1以上の整数)を記憶し、
    前記数え違い量決定部は、
    計測された第n(nは1以上N以下の整数)のエネルギー範囲のカウント数をRn(i)とするとき、以下の数式を用いて前記数え違い量Bn(i)を決定することを特徴とするX線撮影装置。
    Figure 2016042981
  8. 請求項1に記載のX線撮影装置であって、
    前記パイルアップが発生する確率は、全エネルギー範囲のX線フォトンのカウント数の合計に基き決定されることを特徴とするX線撮影装置。
  9. 請求項8に記載のX線撮影装置であって、
    前記数え違い量決定部は、前記全エネルギー範囲のX線フォトンのカウント数の合計に基き決定した前記パイルアップが発生する確率と、予め算出したパラメータとの積により、前記数え違い量を決定することを特徴とするX線撮影装置。
  10. 請求項9に記載のX線撮影装置であって、
    前記パラメータを算出するパラメータ算出部を、さらに備え、
    前記パラメータ算出部は、パイルアップの発生に関わる条件が異なる2つ以上の条件で、それぞれ計測又はシュミレーションすることにより得た各エネルギー範囲のカウント数を用いて、前記パラメータを算出することを特徴とするX線撮影装置。
  11. 請求項2に記載のX線撮影装置であって、
    前記数え違い量決定部は、前記カウント数の積の項を含む特性関数を用いて前記数え違い量を決定することを特徴とするX線撮影装置。
  12. 請求項11に記載のX線撮影装置であって、
    前記特性関数は、パイルアップの発生に関わる条件が異なる2つ以上の条件で、それぞれ計測又はシュミレーションすることにより得た各エネルギー範囲のカウント数を用いて算出されたものであることを特徴とするX線撮影装置。
  13. 請求項12に記載のX線撮影装置であって、
    前記パイルアップの発生に関わる2つ以上の条件は、前記X線検出器に入射されるX線量に関する条件を含むことを特徴とするX線撮影装置。
  14. 請求項13に記載のX線撮影装置であって、
    前記パイルアップの発生に関わる2つ以上の条件のうちの1つは、前記X線検出器に入射されるX線量がパイルアップを発生しない条件であることを特徴とするX線撮影装置。
  15. 請求項1に記載のX線撮影装置であって、
    前記X線検出素子のサンプリング時間を調整するサンプリング調整部をさらに備え、
    前記数え違い量決定部は、前記サンプリング調整部が調整可能な複数の前記サンプリング時間のそれぞれについて、前記数え違い量を決定することを特徴とするX線撮影装置。
  16. 請求項15に記載のX線撮影装置であって、
    さらに、前記サンプリング時間に関わる条件をユーザーに選択させる入力部を備え、
    前記サンプリング調整部は、前記入力部を介して入力された条件に応じて前記サンプリング時間を調整することを特徴とするX線撮影装置。
  17. 請求項1に記載のX線撮影装置であって、
    前記補正部は、前記数え違い量決定部が決定した数え違い量を用いて、前記X線検出素子のカウント数を補正する数え違い量補正部を備えることを特徴とするX線撮影装置。
  18. 請求項1に記載のX線撮影装置であって、
    前記補正部は、予め設定されたX線感度分布及び／又はX線分布を、前記数え違い量決定部が決定した数え違い量を用いて変更する感度分布変更部と、
    前記変更されたX線感度分布及び／又はX線分布を用いて、前記X線検出素子のカウント数を補正するエア補正部と、を備えることを特徴とするX線撮影装置。
  19. 請求項6に記載のX線撮影装置であって、
    前記パラメータを算出するパラメータ算出部を、さらに備え、
    前記パラメータ算出部は、パイルアップの発生に関わる条件が異なる2つ以上の条件で、それぞれ計測又はシュミレーションすることにより得た各エネルギー範囲のカウント数を用いて、前記パラメータを算出することを特徴とするX線撮影装置。
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