JP2004347328A

JP2004347328A - Ｘ線撮影装置

Info

Publication number: JP2004347328A
Application number: JP2003141294A
Authority: JP
Inventors: Hironori Ueki; 広則植木; Yutaka Masuzawa; 裕鱒沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: JP4206819B2

Abstract

【課題】デュアルエネルギー撮影データから被写体の組成情報を高速かつ精度良く検出できるＸ線撮影装置を提供する。
【解決手段】デュアルエネルギーＸ線撮影で取得した被写体の２種類の撮影データを変数とし、２変数より光電効果像及びコンプトン散乱像を直接導出する近似関数を使用する。光電効果像及びコンプトン散乱像を作成する際に必要な非線形連立方程式演算を省略し、演算速度の高速化及び演算精度の向上を図る。
【効果】被写体判別能を向上できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線撮影装置に関し、特にデュアルエネルギー法に基づいて被写体の組成に関する情報を高速かつ精度良く取得するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デュアルエネルギー法は、異なる２つのエネルギースペクトルを有するＸ線によって取得された被写体のＸ線透過像に基づいて、被写体中における光電効果によるＸ線減衰量及びコンプトン散乱によるＸ線減衰量を導出する方法である。上記導出量に基づき、被写体の組成情報である原子番号及び密度が導出できるため、本技術は、例えば、空港や税関等において使用される爆発物検査装置等に適用されている。
【０００３】
特許文献１によれば、被写体透過後にＸ線検出器で検出されるＸ線の信号強度は（数１）で示される。
【０００４】
【数１】

但し、（数１）において、εはＸ線のエネルギー、Ｓ（ε）被写体に入射するＸ線のエネルギースペクトルである。（数１）において、Ｌ_ｐ及びＬ_ｃはそれぞれ光電効果によるＸ線減衰量、コンプトン散乱によるＸ線減衰量であり、それぞれ（数２）及び（数３）で示される。
【０００５】
【数２】

【数３】

但し、（数２）及び（数３）において、ｓをＸ線ビームライン上の位置とする。ρ（ｓ）、ｗ（ｓ）、Ｚ（ｓ）をそれぞれ位置ｓにおける被写体の密度、原子量、原子番号とする。更に、（数１）において、ｆ_ＫＮ（ε）は単一電子に対するコンプトン散乱確率であり、（数４）に示すＫｌｅｉｎ−Ｎｉｓｈｉｎａの式で与えられる。
【０００６】
【数４】

但し、（数４）においてα＝ε／ｍｃ^２（ｍは電子の静止質量、ｃは光速）とする。（数２）及び（数３）によれば、Ｌ_ｐ及びＬ_ｃはそれぞれＸ線の光電効果による減衰係数分布ａ_ｐ（ｓ）及びコンプトン散乱による減衰係数分布ａ_ｃ（ｓ）の積分値となっている。従って、被写体の全周方向から測定したＬ_ｐ及びＬ_ｃに対して公知のＣＴ再構成アルゴリズムを適用することにより、ａ_ｐ（ｓ）及びａ_ｃ（ｓ）が求まる。その結果、被写体の平均原子番号分布及び密度分布がそれぞれ（数５）及び（数６）で求まる。
【０００７】
【数５】

【数６】

デュアルエネルギー法では、高エネルギーのＸ線及び低エネルギーのＸ線を用いて取得した被写体の撮影信号Ｉ_Ｈ、Ｉ_Ｌより、Ｌ_ｐ及びＬ_ｃが導出される。このために、（数１）の近似式である（数７）及び（数８）が用いられる。
【０００８】
【数７】

【数８】

但し、Ｊ_Ｈ＝ｌｎＩ_Ｈ、Ｊ_Ｌ＝ｌｎＩ_Ｌとする。すなわち、撮影信号Ｉ_Ｈ、Ｉ_Ｌに対して非線形連立方程式（数７）及び（数８）を解いて、Ｌ_ｐ、Ｌ_ｃを求める。（数７）及び（数８）中の近似多項式の係数ｐ_０〜ｐ_７及びｑ_０〜ｑ_７は、組成及び密度が既知である８種類の被写体（以下、キャリブレーションファントムとする）の撮影信号を用いて決定される。例えば、ｐ_０〜ｐ_７は上記８種類のキャリブレーションファントムに対して取得した８つの撮影信号Ｊ_Ｈ［０］〜Ｊ_Ｈ［７］を用いて、（数９）に示される連立方程式より求まる。
【０００９】
【数９】

但し、（数９）において、Ｌ_ｐ［ｉ］、Ｌ_ｃ［ｉ］（ｉ＝０〜７）はそれぞれ（数１０）及び（数１１）で与えられる。
【００１０】
【数１０】

【数１１】

（数１０）及び（数１１）において、ｄ［ｉ］はｉ番目のキャリブレーションファントムの厚さとする。同様に、（数９）においてＪ_Ｈ［ｊ］をＪ_Ｌ［ｊ］（ｊ＝０〜７）、ｐ_ｊをｑ_ｊ（ｊ＝０〜７）と置き換えると係数ｑ_０〜ｑ_７が求まる。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第４０２９９６３明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来のデュアルエネルギー法では、被写体の撮影信号より光電効果によるＸ線減衰係数Ｌ_ｐ、及び、コンプトン散乱によるＸ線減衰係数Ｌ_ｃを求めるために、（数７）及び（数８）で示される非線形連立方程式を解く必要がある。しかし、このような演算は計算量の増加を伴うばかりでなく、場合によっては上記Ｌ_ｐ、Ｌ_ｃの導出精度を低下させるという問題があった。これは（数７）及び（数８）で示される近似多項式の精度が十分でないために上記非線形連立方程式に多重解が発生し、その結果誤った解が選択されてしまうことがあるためである。これにより、例えば、爆発物検査装置において、その爆発物判別能が低下する等の問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、デュアルエネルギー撮影データから被写体の組成情報を高速かつ精度良く検出できるＸ線撮影装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の目的及び新規な特徴の詳細は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的な発明の概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。（数７）及び（数８）からなる非線形連立方程式を解く演算を省略するために、両式の逆関数を定義し、これらを次式で近似する。
【００１６】
【数１２】

【数１３】

但し、（数１２）、（数１３）において、Ｊ_Ｈｏ、Ｊ_Ｌｏはエアキャリブレーション後の投影データを対数変換したデータであり、それぞれＪ_Ｈｏ＝ｌｎ（Ｉ_ａｉｒ／Ｉ_Ｈ）、Ｊ_Ｌｏ＝ｌｎ（Ｉ_ａｉｒ／Ｉ_Ｌ）とする。（数１２）において、近似多項式の係数ｕ_０〜ｕ_６は７種類のキャリブレーションファントムに対して高エネルギー及び低エネルギーのＸ線によって取得した１４個の撮影データＪ_Ｈｏ［０］〜Ｊ_Ｈｏ［６］、Ｊ_Ｌｏ［０］〜Ｊ_Ｌｏ［６］を用いて（数１４）に示される連立方程式より求まる。
【００１７】
【数１４】

同様に、（数１４）において、Ｌ_ｐ［ｊ］をＬ_ｃ［ｊ］（ｊ＝０〜６）、ｕ_ｊをｖ_ｊ（ｋ＝０〜６）と置き換えることで、（数１３）に示される近似多項式の係数ｖ_０〜ｖ_６が求まる。（数１２）及び（数１３）を用いれば、検出信号Ｉ_Ｈ、Ｉ_Ｌより非線形連立方程式を介さずに直接Ｌ_ｐ、Ｌ_ｃが求まる。従って、非線形連立方程式の多重解に起因するＬ_ｐ、Ｌ_ｃの導出精度の低下を防止できる。
【００１８】
（数１２）及び（数１３）に示される近似多項式の精度を向上するために、上記キャリブレーションファントムの個数をＩ個（７＜Ｉ）に増加してもよい。この場合、最小２乗法を用いて多項式の係数ｕ_０〜ｕ_６、ｖ_０〜ｖ_６を導出できる。例えば、係数ｕ_０〜ｕ_６は、（数１２）の右辺による近似値をＬ_ｐ’と書き直すと、（数１５）にて決定できる。
【００１９】
【数１５】

（数１５）を計算すれば、係数ｕ_０〜ｕ_６は（数１６）に示す正規方程式の解として与えられる。
【００２０】
【数１６】

但し、ｔは転置行列を表すものとする。行列Ｘ、Ｙ、Ｕはそれぞれ（数１７）、（数１８）、（数１９）で与えられる。
【００２１】
【数１７】

【数１８】

【数１９】

同様に（数１８）、（数１９）において、Ｌ_ｐ［ｉ］をＬ_ｃ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｉ−１）、ｕ_ｊをｖ_ｊ（ｊ＝０〜６）と置き換えることで、係数ｖ_０〜ｖ_６が求まる。このようにして最小２乗法を使用することで（数１２）及び（数１３）で示される近似関数に多数のキャリブレーションファントムの情報を反映できるため、近似精度を向上できる。
【００２２】
（数１２）、（数１３）による近似精度を更に向上するためには、変数Ｊ_Ｈｏ、Ｊ_Ｌｏによって規定される２次元空間を小区間ｋ（ｋ＝１〜Ｋ）に分割して、区間毎に近似係数ｕ_０（ｋ）〜ｕ_６（ｋ）、ｖ_０（ｋ）〜ｖ_６（ｋ）を導出しても良い。この場合、原子番号の近いキャリブレーションファントムに対するＪ_Ｈｏ［ｉ］、Ｊ_Ｌｏ［ｉ］の測定値が同一区間に包含されるように、２次元空間（Ｊ_Ｈｏ、Ｊ_Ｌｏ）を分割することが望ましい。このような分割により、分割区間内におけるＬ_ｐ、Ｌ_ｃの変化量を抑えることができるため、近似精度を向上できる。
【００２３】
図４は、本発明の実施例において、キャリブレーションファントムとして、ポリエチレン、アクリル、アルミニウム、銅、銀を使用した場合のＪ_Ｈｏ［ｉ］、Ｊ_Ｌｏ［ｉ］の測定結果を示した図である。但し、Ｊ_Ｈｏ［ｉ］、Ｊ_Ｌｏ［ｉ］測定時のＸ線管の管電圧をそれぞれ１６０、８０［ｋＶ］とした。図４によれば、同一組成のキャリブレーションファントムに対する測定値は、２次元座標（Ｊ_Ｈｏ、Ｊ_Ｌｏ）の原点をするほぼ直線上に位置することがわかる。但し、上記測定値の原点からの距離は、キャリブレーションファントムの厚さに比例して増大する性質がある。またキャリブレーションファントムの原子番号が増大するに従い、上記直線の傾きが小さくなる性質がある。従って、傾きα＝Ｊ_Ｈｏ／Ｊ_Ｌｏに応じて上記区間分割を行えば、原子番号の近いキャリブレーションファントム同士を同一区間内に収められる。具体的には、α＝０〜１をＫ分割するα_ｋ＝ｋ／Ｋ（ｋ＝１〜Ｋ）に対して、α_ｋ−１≦α＜α_ｋで示される空間をｋ番目の小区間とすればよい。このように２次元空間（Ｊ_Ｈｏ、Ｊ_Ｌｏ）を小区間に分割することで、各区間におけるＬ_ｐ、Ｌ_ｃの近似精度を向上できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明のＸ線撮影装置は、異なる２種類のエネルギースペクトルを有するＸ線を放射するＸ線発生手段と、被写体透過後の２種類のＸ線を検出するＸ線検出手段とを有し、Ｘ線検出手段で検出された２種類の検出信号に基づいて、被写体の光電効果によるＸ線透過像及びコンプトン散乱によるＸ線透過像を生成する。
【００２５】
本発明のＸ線撮影装置は、更に、異なる組成及び／又は厚さを有する複数のＸ線吸収体に対して取得した上記２種類の検出信号を変数としてＸ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量を近似する第１の近似関数及び２種類の検出信号を変数としてＸ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量を近似する第２の近似関数を生成する近似関数生成手段と、近似関数生成手段によって生成された第１の近似関数及び第２の近似関数に基づいて、被写体の光電効果によるＸ線透過像及びコンプトン散乱によるＸ線透過像をそれぞれ生成するＸ線透過像近似手段を具備する。
【００２６】
本発明のＸ線撮影装置では、２種類の検出信号の組み合わせで規定される２次元空間を２種類の検出信号同士の比率に応じて複数の小区間に分割し、複数のＸ線吸収体に対して取得された２種類の検出信号のうち上記小区間付近に属するもののみを変数として、近似関数生成手段は小区間毎に第１の近似関数及び第２の近似関数を生成する。
【００２７】
本発明のＸ線撮影装置のＸ線透過像近似手段は、被写体に対して取得された２種類の検出信号が属する小区間を複数の小区間の中から選択する属性区間選択機能と、属性区間選択機能によって検出された小区間に対応する第１の近似関数及び第２の近似関数を用いて被写体の光電効果によるＸ線減衰量及びＸ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量をそれぞれ近似する機能を有する。
【００２８】
本発明のＸ線撮影装置は、２次元空間上の複数位置において予め第１の近似関数を用いて計算したＸ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量の値を記録する第１のテーブルと２次元空間上の複数位置において予め第２の近似関数を用いて計算したＸ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量の値を記録する第２のテーブルを有し、Ｘ線透過像近似手段は、被写体に対して取得された２種類の検出信号に対して参照される第１及び第２のテーブル値に基づいて被写体の光電効果によるＸ線減衰量及びＸ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量を近似する機能を有する。
【００２９】
本発明のＸ線撮影装置は、第１の近似関数及び第２の近似関数がそれぞれＮ個（但し、Ｎは２以上の自然数とする）のパラメータを有し、近似関数生成手段は、異なる組成及び／又は厚さを有するＮ個のＸ線吸収体に対して取得した２種類の検出信号とＸ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量との関係を表すＮ個の連立方程式を用いて第１の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能と、２種類の検出信号とＸ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量との関係を表すＮ個の連立方程式を用いて第２の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能とを有する。
【００３０】
本発明のＸ線撮影装置は、第１の近似関数及び第２の近似関数がそれぞれＮ個（但し、Ｎは２以上の自然数とする）のパラメータを有し、近似関数生成手段は、異なる組成及び／又は厚さを有するＭ個（但し、Ｎ＜Ｍとする）のＸ線吸収体に対して取得した２種類の検出信号とＸ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量との関係を最小２乗近似することで第１の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能と、２種類の検出信号とＸ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量との関係を最小２乗近似することで第２の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能とを有する。
【００３１】
本発明のＸ線撮影装置は、被写体の全周方向から２種類の検出信号を取得するためのスキャン手段と、全周方向から取得した２種類の検出信号よりＸ線透過像近似手段を用いて生成した被写体の光電効果によるＸ線透過像及びコンプトン散乱によるＸ線透過像に基づいて被写体の光電効果によるＸ線減衰分布の断層像及び被写体のコンプトン散乱によるＸ線減衰分布の断層像を生成するＸ線断層像生成手段を有する。また、このＸ線断層像生成手段は、Ｘ線断層像生成手段により生成された被写体の光電効果によるＸ線減衰分布の断層像及び被写体のコンプトン散乱によるＸ線減衰分布の断層像に基づいて、被写体の原子番号分布の断層像及び密度分布の断層像を生成する機能を有する。
【００３２】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明の実施例のＸ線撮影装置の正面から見た模式図と装置の各部を説明する図である。本実施例のＸ線撮影装置は、Ｘ線管１、Ｘ線検出器２、回転板３、ベルトコンベアー４、駆動モーター５、駆動ベルト６、ガントリー７、撮影制御手段１００、操作卓１０１、エアキャリブレーション手段１１０、フレームメモリ１１１、信号変換手段１１２、画像再構成手段１１３、危険物判別手段１１４、画像表示手段１１５、メモリ１２０、変換テーブル作成手段１２１、変換テーブル用メモリ１２２、ファントム特性値演算手段１２３等から構成される。
【００３４】
以下では、Ｘ線管１及びＸ線検出器２を合わせて撮影系と呼ぶ。撮影系は回転板３に固定されている。駆動モーター５は駆動ベルト６を介して回転板３及び撮影系全体を回転する。撮影系は上記回転中に被写体１０に対して全周方向からＸ線を照射し、そのＸ線透過像を撮影する。
【００３５】
図１において、Ｘ線管１のＸ線発生点とＸ線検出器２のＸ線入力面との距離の代表例は１６００［ｍｍ］である。ガントリー７の中央には被写体１０及びベルトコンベアー４を配置するための円形の開口部８が設けられている。開口部８の直径の代表例は９００［ｍｍ］である。回転板３の１回転の所要時間の代表例は１．０［ｓ］である。Ｘ線検出器２にはシンチレータ及びフォトダイオード等から構成される公知のＸ線検出器が使用される。Ｘ線検出器２は、Ｘ線管１から略等距離である円弧上に図示しない多数の検出素子を有しており、その素子数（以下、チャネル数とする）の代表例は９５０個である。各検出素子のチャネル方向のサイズの代表例は２［ｍｍ］である。撮影系の１回転における撮影回数の代表例は９００回であり、回転板３が０．４度回転する毎に１回の撮影が行われる。
【００３６】
次に、本実施例のＸ線撮影装置の動作を説明する。本Ｘ線撮影装置には、本撮影モード及びキャリブレーション撮影モードの２種類の撮影モードが用意されている。本撮影モード及びキャリブレーション撮影モードの選択は、検者が操作卓１１０を通して指示する。なお、図１では、本撮影モード時におけるデータの流れを実線で、キャリブレーション撮影時におけるデータの流れを破線で示してある。以下、両撮影モードにおける動作を説明する。
【００３７】
まず、本撮影モードにおける本Ｘ線撮影装置の動作を説明する。検者は操作卓１０１を通して被写体１０の撮影位置を指定した後に撮影開始を指示する。撮影開始が指示されると、ベルトコンベアー４は被写体１０を回転板３に対して略垂直な方向に移動する。そして被写体１０の撮影位置が上記指定値と一致した時点で移動を停止し、被写体１０の配置を終了する。一方、撮影制御手段１００は撮影開始が指示されると同時に駆動モーター５を介して回転板３の回転を開始する。回転板３の回転が定速状態に入り、かつ被写体１０の上記配置が終了した時点で撮影制御手段１００はＸ線管１のＸ線照射タイミング及びＸ線検出器２の撮影タイミングを指示し、撮影を開始する。
【００３８】
撮影は回転板３が２回転する期間中行われ、前半の回転ではＸ線管１の管電圧が高管電圧に、また後半の回転ではＸ線管１の管電圧が低管電圧に設定される。撮影制御手段１００は上記前半の回転が終了すると同時にＸ線管１の管電圧を高管電圧から低管電圧に切り替える。なお、上記電圧は撮影に先立って検者により指定される。指定される管電圧値の代表例は１６０［ｋＶ］（高管電圧）及び８０［ｋＶ］（低管電圧）である。
【００３９】
次に、エアキャリブレーション手段１１０は、取得された撮影データに対して公知のエアキャリブレーション処理を行い、結果をフレームメモリ１１１に記録する。
【００４０】
次に、信号変換手段１１２は、フレームメモリ１１１より高管電圧撮影時の撮影データ及び低管電圧撮影時の撮影データを読み出し、後述する方法を用いてこれらを光電効果及びコンプトン散乱によるＸ線減衰量の値に変換する。
【００４１】
次に、画像再構成手段１１３は上記変換後の撮影データに基づき、公知のＣＴ画像再構成アルゴリズムを用いて被写体１０の光電効果によるＸ線減衰係数の断層像、及び、コンプトン散乱によるＸ線減衰係数の断層像を生成する。また画像再構成手段１１３は、上記断層像を（数５）及び（数６）を用いて被写体１０の原子番号の断層像及び密度の断層像に変換する。
【００４２】
次に、危険物判別手段１１４は上記原子番号及び密度の断層像に基づき、公知の技術を用いて被写体１０中に爆発物等の危険物が含まれるかどうかを判断する。
【００４３】
最後に、画像表示手段１１５は、上記断層像を表示すると同時に断層像中の危険物部分に対して着色等の強調表示を行い、検者に危険物の有無に関する情報を提供する。
【００４４】
次に、キャリブレーション撮影モードにおける本Ｘ線撮影装置の動作について説明する。キャリブレーション撮影時には、ベルトコンベアー４及び被写体１０が取り除かれ、代わりに開口部８の中央部に図示しないキャリブレーションファントムが配置される。キャリブレーションファントムは、略均一な材質及び厚さで形成された板状の物質であり、その材質、密度、厚さが既知である材料が使用される。キャリブレーションファントムの材質の代表例は、ポリエチレン、アクリル、アルミニウム、銅、銀等である。各材質のキャリブレーションファントムに対して様々な厚さを有するファントムが用意される。以下では、このようなキャリブレーションファントムが全部でＩ個存在するものとする。
【００４５】
各キャリブレーションファントムの材質、密度、厚さの情報は検者によって操作卓１０１を通して入力される。ファントム特性値演算手段１２３は上記入力値に基づいて、ｉ番目（ｉ＝０〜Ｉ−１）に測定されたファントムの、光電効果によるＸ線減衰量Ｌ_ｐ［ｉ］及びコンプトン散乱によるＸ線減衰量Ｌ_ｃ［ｉ］をそれぞれ（数１０）及び（数１１）を用いて計算し、メモリ１２０に記録する。一方検者は、各キャリブレーションファントムを開口部８の中央部に配置した後に、操作卓１０１を通して撮影開始の指示を行う。
【００４６】
撮影開始が指示されると、撮影制御手段１００はＸ線管１のＸ線照射タイミングを指示し、撮影を開始する。但し、このとき回転板３は回転されず、Ｘ線管１は上方に固定されているものとする。撮影は２回行われ、１回目の撮影ではＸ線管１の管電圧が高管電圧に、２回目の撮影ではＸ線管１の管電圧が低管電圧に設定される。
【００４７】
但し、これら管電圧の設定値は本撮影モードにおいて使用される管電圧と同一とする。上記２回の撮影においては、Ｘ線検出器２の中央のチャネルにおける撮影データのみが読み出される。但し、上記中央チャネルでは各キャリブレーションファントムの厚み方向を透過した後のＸ線が検出されるものとする。
【００４８】
読み出された撮影データは、エアキャリブレーション手段１１０によって公知のエアキャリブレーション処理が行われた後にメモリ１２０に記録される。以上の処理はＩ種類の全てのキャリブレーションファントムに対して行われる。このときメモリ１２０には、各キャリブレーションファントムに対して計算された光電効果によるＸ線減衰量Ｌ_ｐ［ｉ］及びコンプトン散乱によるＸ線減衰量Ｌ_ｃ［ｉ］と、高管電圧撮影時の撮影データＪ_Ｈｏ［ｉ］及び低管電圧撮影時の撮影データＪ_Ｌｏ［ｉ］が全て記録されている。
【００４９】
次に、上記全データの記録が終了すると、変換テーブル作成手段１２１は後述する方法を用いて（数１２）及び（数１３）に示される変換関数の係数ｕ_０〜ｕ_６、ｖ_０〜ｖ_６を導出し、結果を変換テーブル用メモリ１２２に記録する。
【００５０】
図２は、本発明の実施例のＸ線撮影装置の信号変換手段１１２における処理手順を説明するための図である。但し、信号変換処理手段１１２は、専用演算器や汎用演算器を用いたソフトウェア処理等で実現される。既に説明したように、本撮影モードでは被写体１０の高管電圧撮影データ及び低管電圧撮影データが取得される。
【００５１】
これらの撮影データはそれぞれエアキャリブレーション手段１１０によって公知のエアキャリブレーション処理が施された後に、それぞれフレームメモリ１１１ａ、１１１ｂに記録される。以下では、フレームメモリ１１１ａ、１１１ｂに記録されたデータをそれぞれＪ_Ｈｏ（ｍ、θ_ｎ）、Ｊ_Ｌｏ（ｍ、θ_ｎ）と表す。但し、ｍはＸ線検出器２のチャネル番号を表し、θ_ｎはＣＴ計測時のｎ回目の撮影におけるＸ線管１の回転角度を表すものとする。
【００５２】
信号変換処理手段１１２では、まず、同一チャネルｎ及び同一の撮影角度θ_ｎにおいて取得された２つの撮影データＪ_Ｈｏ（ｍ、θ_ｎ）、Ｊ_Ｌｏ（ｍ、θ_ｎ）がそれぞれフレームメモリ１１１ａ及び１１１ｂより読み出され、両者の比率α＝Ｊ_Ｈｏ（ｍ、θ_ｎ）／Ｊ_Ｌｏ（ｍ、θ_ｎ）が計算される（ステップ２００）。
【００５３】
次に、α_ｋ−１≦α＜α_ｋを満たすｋが導出される（ステップ２０１）。但し、α_ｋ（ｋ＝０〜Ｋ）は、図４に示したＫ個の小区間を規定するパラメータであり、予め設定された値が使用される。ステップ２０１で導出されたｋは、上記２つの撮影データが属する小区間の番号に相当する。
【００５４】
次に、上記小区間ｋにおける変換関数の係数ｕ_０［ｋ］〜ｕ_６［ｋ］、ｖ_０［ｋ］〜ｖ_６［ｋ］がそれぞれメモリ１１２ａ及び１１２ｂより読み出される（ステップ２０２）。
【００５５】
最後に、上記係数及び（数１２）、（数１３）に示される変換関数を用いて、光電効果減衰量Ｌ_ｐ（ｍ、θ_ｎ）及びコンプトン散乱減衰量Ｌ_ｃ（ｍ、θ_ｎ）が計算される（ステップ２０３）。
【００５６】
信号変換処理手段１１２におけるステップ２００〜２０３の処理は、全てのｍ（ｍ＝１〜Ｍ）とθ_ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の組み合わせに対して行われ、処理結果は画像再構成手段１１３に入力される。
【００５７】
図３は、本発明の実施例のＸ線撮影装置の変換テーブル作成手段１２１における処理手順を説明するための図である。但し、変換テーブル作成手段１２１は、専用演算器や汎用演算器を用いたソフトウェア処理等で実現される。既に説明したように、キャリブレーション撮影モードではＩ種類のキャリブレーションファントムに対して、高管電圧撮影データ及び低管電圧撮影データが取得される。
【００５８】
これらの撮影データはそれぞれエアキャリブレーション手段１１０によって公知のエアキャリブレーション処理が施された後に、メモリ１２０ａに記録される。以下では、メモリ１２０ａに記録された高管電圧撮影データ及び低管電圧撮影データをそれぞれＪ_Ｈｏ［ｉ］、Ｊ_Ｌｏ［ｉ］と表す。但し、ｉはキャリブレーションファントムの番号（ｉ＝０〜Ｉ−１）とする。
【００５９】
一方、ファントム特性値演算手段１２３は、各ファントムの光電効果によるＸ線減衰量Ｌ_ｐ［ｉ］及びコンプトン散乱によるＸ線減衰量Ｌ_ｃ［ｉ］をそれぞれ（数１０）及び（数１１）を用いて計算し、メモリ１２０ｂに記録する。変換テーブル作成手段１２１では、まず、同一キャリブレーションファントムに対して取得された２つの撮影データＪ_Ｈｏ［ｉ］、Ｊ_Ｌｏ［ｉ］がメモリ１２０ａより読み出され、両者の比率α［ｉ］＝Ｊ_Ｈｏ［ｉ］／Ｊ_Ｌｏ［ｉ］が計算される（ステップ３００）。
【００６０】
次に、各α［ｉ］に対してαｋ−１≦α［ｉ］＜α_ｋを満たすｋが導出される。このときキャリブレーションファントムｉは集合Ｃ_ｋに属する要素として登録される。但し、Ｃ_ｋは小区間ｋに属するキャリブレーションファントムで構成される集合とする（ステップ３０１）。なお、ステップ３００及び３０１は全てのキャリブレーションファントムｉ（ｉ＝０〜Ｉ−１）に対して繰り返し実行される。
【００６１】
次に、ｉ∈Ｃ_ｋを満たすＪ_Ｈｏ［ｉ］、Ｊ_Ｌｏ［ｉ］がメモリ１２０ａより読み出され、（数１７）に示される行列Ｘが作成される（ステップ３０２）。
【００６２】
一方、ｉ∈Ｃ_ｋを満たすＬ_ｐ［ｉ］、Ｌ_ｃ［ｉ］がメモリ１２０ｂより読み出され、（数１７）で示される行列Ｙが作成される（ステップ３０３）。
【００６３】
最後に、作成された行列Ｘ、Ｙを用いて、（数１６）より小区間ｋにおける変換関数の係数ｕ_０［ｋ］〜ｕ_６［ｋ］及びｖ_０［ｋ］〜ｖ_６［ｋ］が計算され、計算結果がそれぞれメモリ１１２ａ及び１１２ｂに書き込まれる（ステップ３０４）。なお、ステップ３０２〜３０４は全ての小区間ｋ（ｉ＝１〜Ｋ）に対して繰り返し実行される。
【００６４】
以上説明した本実施例のＸ線撮影装置を用いれば、被写体１０に対して高管電圧及び低管電圧で撮影した２種類の撮影データを、非線形連立方程式を介すことなく、光電効果によるＸ線減衰量及びコンプトン散乱によるＸ線減衰量のデータに容易に変換できる。従って、上記変換に伴う演算量を減少し、演算速度を向上できる。また多重解が発生する等、非線形連立方程式を用いる従来法に特有の問題が回避されるため、計算精度を向上できる。更に変換関数に多数のキャリブレーションファントムの情報を反映できること、小区間毎に変換関数を作成できること等により、変換関数の近似精度を高め、変換時の計算精度を向上できる。その結果、本Ｘ線撮影装置による爆発物判別能を向上できる。
【００６５】
なお、本実施例では、撮影データ取得時に信号変換手段１１２において数１２、１３に示される変換関数を演算しているが、予め様々な撮影データの組み合わせに対して上記変換関数を用いて計算した結果を変換テーブル用メモリ１２２に記録しておいても良い。このとき信号変換手段１１２では、高管電圧及び低管電圧で撮影した２種類の撮影データに応じて、該当する撮影データに対して予め計算された信号変換後の値、すなわち、光電効果によるＸ線減衰量及びコンプトン散乱によるＸ線減衰量を変換テーブル用メモリ１２２より読み出して信号変換を行う。このため、変換テーブル用メモリ１２２の参照のみで上記信号変換を行えるので、高速に変換できる利点がある。
【００６６】
また本実施例では、本発明によるＸ線撮影装置の一例としてＸ線ＣＴ装置の例を示したが、デュアルエネルギー法に基づいて被写体の光電効果によるＸ線吸収量及びコンプトン散乱によるＸ線吸収量の２次元イメージを作成する一般のＸ線撮影装置等に本発明を適用しても良いことは言うまでもない。
【００６７】
本発明では、デュアルエネルギーＸ線撮影で取得した被写体の２種類の撮影データを変数とし、２変数より光電効果像及びコンプトン散乱像を直接導出する近似関数を使用し、光電効果像及びコンプトン散乱像を作成する際に必要な非線形連立方程式演算を省略し、演算速度の高速化でき演算精度を向上できる。この結果、被写体の光電効果像及びコンプトン散乱像を高速かつ精度良く生成でき、被写体判別能を向上できる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、デュアルエネルギー撮影機能を有するＸ線撮影装置において、被写体の光電効果によるＸ線透過像及びコンプトン散乱によるＸ線透過像を高速かつ精度良く生成でき、Ｘ線透過像に基づく被写体判別能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のＸ線撮影装置の正面から見た模式図と装置の各部を説明する図。
【図２】本発明の実施例のＸ線撮影装置の信号変換手段における処理手順を説明するための図。
【図３】本発明の実施例のＸ線撮影装置の変換テーブル作成手段における処理手順を説明するための図。
【図４】本発明の実施例において、ポリエチレン、アクリル、アルミニウム、銅、銀に対して取得した、高管電圧撮影時のＸ線透過データ及び低管電圧撮影時のＸ線透過データの測定結果を２次元プロットした図。
【符号の説明】
１…Ｘ線管、２…Ｘ線検出器、３…回転板、４…ベルトコンベアー、５…駆動モーター、６…駆動ベルト、７…ガントリー、８…円形の開口部、１０…被写体、１００…撮影制御手段、１０１…操作卓、１１０…エアキャリブレーション手段、１１１…フレームメモリ、１１２…信号変換手段、１１３…画像再構成手段、１１４…危険物判別手段、１１５…画像表示手段、１２０…メモリ、１２１…変換テーブル作成手段、１２２…変換テーブル用メモリ、１２３…ファントム特性値演算手段。

Claims

異なる２種類のエネルギースペクトルを有するＸ線を放射するＸ線発生手段と、被写体透過後の前記２種類のＸ線を検出するＸ線検出手段とを有し、前記Ｘ線検出手段で検出された２種類の検出信号に基づいて、前記被写体の光電効果によるＸ線透過像及びコンプトン散乱によるＸ線透過像を生成するＸ線撮影装置において、異なる組成及び／又は厚さを有する複数のＸ線吸収体に対して取得した前記２種類の検出信号を変数として前記Ｘ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量を近似する第１の近似関数及び前記２種類の検出信号を変数として前記Ｘ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量を近似する第２の近似関数を生成する近似関数生成手段と、前記近似関数生成手段によって生成された前記第１の近似関数及び前記第２の近似関数に基づいて、前記被写体の光電効果によるＸ線透過像及びコンプトン散乱によるＸ線透過像をそれぞれ生成するＸ線透過像近似手段を有することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項１に記載のＸ線撮影装置において、前記２種類の検出信号の組み合わせで規定される２次元空間を前記２種類の検出信号同士の比率に応じて複数の小区間に分割し、前記複数のＸ線吸収体に対して取得された前記２種類の検出信号のうち前記小区間付近に属するもののみを変数として、前記近似関数生成手段は前記小区間毎に前記第１の近似関数及び前記第２の近似関数を生成することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項２に記載のＸ線撮影装置において、前記Ｘ線透過像近似手段は、前記被写体に対して取得された前記２種類の検出信号が属する小区間を前記複数の小区間の中から選択する属性区間選択機能と、前記属性区間選択機能によって検出された小区間に対応する前記第１の近似関数及び第２の近似関数を用いて前記被写体の光電効果によるＸ線減衰量及び前記Ｘ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量をそれぞれ近似する機能を有することを特徴とする請求項２に記載のＸ線撮影装置。
請求項１に記載のＸ線撮影装置において、前記２種類の検出信号の組み合わせで規定される２次元空間上の複数位置において、予め前記第１の近似関数を用いて計算した前記Ｘ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量の値を記録する第１のテーブルと、前記２次元空間上の複数位置において予め前記第２の近似関数を用いて計算した前記Ｘ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量の値を記録する第２のテーブルとを有し、前記Ｘ線透過像近似手段は、前記被写体に対して取得された前記２種類の検出信号に対して参照される前記第１及び第２のテーブル値に基づいて前記被写体の光電効果によるＸ線減衰量及び前記Ｘ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量を近似する機能を有することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項１に記載のＸ線撮影装置において、前記第１の近似関数及び第２の近似関数がそれぞれＮ個（但し、Ｎは２以上の自然数とする）のパラメータを有し、前記近似関数生成手段は、異なる組成及び／又は厚さを有するＮ個のＸ線吸収体に対して取得した前記２種類の検出信号と前記Ｘ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量との関係を表すＮ個の連立方程式を用いて前記第１の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能と、前記２種類の検出信号と前記Ｘ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量との関係を表すＮ個の連立方程式を用いて前記第２の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能とを有することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項１に記載のＸ線撮影装置において、前記第１の近似関数及び第２の近似関数はそれぞれＮ個（但し、Ｎは２以上の自然数とする）のパラメータを有し、近似関数生成手段は、異なる組成及び／又は厚さを有するＭ個（但し、Ｎ＜Ｍとする）のＸ線吸収体に対して取得した前記２種類の検出信号と前記Ｘ線吸収体の光電効果によるＸ線減衰量との関係を最小２乗近似することで前記第１の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能と、前記２種類の検出信号と前記Ｘ線吸収体のコンプトン散乱によるＸ線減衰量との関係を最小２乗近似することで前記第２の近似関数が有するＮ個のパラメータ値を決定する機能とを有することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項１に記載のＸ線撮影装置において、前記被写体の全周方向から前記２種類の検出信号を取得するためのスキャン手段と、前記全周方向から取得した２種類の検出信号より前記Ｘ線透過像近似手段を用いて生成した前記被写体の光電効果によるＸ線透過像及びコンプトン散乱によるＸ線透過像に基づいて前記被写体の光電効果によるＸ線減衰分布の断層像及び前記被写体のコンプトン散乱によるＸ線減衰分布の断層像を生成するＸ線断層像生成手段とを有することを特徴とするＸ線撮影装置。
請求項７に記載のＸ線撮影装置において、前記Ｘ線断層像生成手段は、前記Ｘ線断層像生成手段により生成された前記被写体の光電効果によるＸ線減衰分布の断層像及び前記被写体のコンプトン散乱によるＸ線減衰分布の断層像に基づいて、前記被写体の原子番号分布の断層像及び密度分布の断層像を生成する機能を有することと特徴とするＸ線撮影装置。