JPH06508055A - 選択的に物質の像を形成するシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 選択的に物質の像を形成するシステム 光電の分野 本発明は、人体の放射線写真分析の分野に係り、より詳細には、人体内の物質を 選択的に像形成するＸ線システムに係る。

先行挟轡 特定物質のＸ線吸収は、その物質を貫通するように向けられたＸ線光ｒのエネル ギーに基づく。更に、Ｘ線吸収とＸ線エネルギーとに対する関数的な関係は、種 々の物質量で異なる。

種々の物質に対する吸収関数の相違、即ちＸ線吸収とＸ線エネルギーとの関係の 相違は、所与のＸ線ビーム路に沿ったＸ線の吸収に対して特定人体物質が寄与す る程度を分離するのに利用されている。単一物質の吸収についての定量化測定は 、たとえその物質がＸ線の伝播方向に沿って他の物質と重畳していてもその物質 を選択的に像形成するのに用いることができる。

この選択的像形成の技術は、例えば、患者の全体的な骨の質量及び骨の密度を測 定して患者の重畳した組織の質量から分離するのに首尾よく適用されている。

骨の密度の測定は、骨多孔症のような骨の疾病を処置したり、骨の移植の成功性 をその移植の近隣における骨の健全さを評価することによって計測するのに重要 である。

所与の質量の２つの異なる人体物質に対する吸収関数の相違は、主として、光電 吸収とコンプトン散乱との２つの吸収メカニズムによるものである。人体物質は 、これらのメカニズムの各々が全Ｘ線吸収に対してどの程度寄与するかによって 区別される。又、人体物質に対する吸収関数は、光電吸収及びコンプトン散乱に 対する関数を組み合わせることによって正確にモデル形成できる。この組み合わ せ関数は、光電吸収及びコンプトン散乱関数の和をその特定物質に対する独特の 係数で重み付けしたものである。

光電吸収及びコンプトン散乱の重み付けされた組み合わせによって物質の吸収モ デルを形成できることは、物質の選択的像形成によって重要である。選択的な僧 形成は、２つのＸ線エネルギーにおいて２つの吸収測定を行い、そして当該人体 物質に関連した係数を前もって知ったＬで、それにより得られる２つの独立した 方程式を解き、各物質に関連した全質揄を決定することにより行われる。一般的 に、当該人体物質は３つ以上あるが、多くの診断」二重要なケースにおいては、 物質が骨と組織の２つの分類に分けられ、これは一般にこれらの技術によって区 別することができる。

選択的な像形成のために必要とされる２つのＸ線エネルギーを形成する便利な方 法は、Ｘ線管の電圧を制御することである。典型的なＸ線管は熱フィラメントを 含むカソードを備え、このカソードはターゲットであるアノードに向けて電子を 発生する。カソード及びアノードは真空の管内に保持され、カソードとアノード の間にバイアス電圧が印加され、電子をアノードに向けて加速する。アノードに 入射する電子のエネルギーの一部分はＸ線放射に変換され、その含有スペクトル はバイアス電圧によって作用される。ここで、「Ｘ線エネルギー」という用語は 、Ｘ線ビームを構成する光子の量子エネルギーを意味するものとして使用される 。

従って、２つの異なるＸ線エネルギーと、これらの異なるエネルギーにおける異 なる吸収性の測定が、単にＸ線管の電圧を変えるだけで行われる。又、Ｘ線管に またがる電圧の変更は、Ｘ線の経路にフィルタを機械的に挿入することによって 行われる。これらのフィルタは、あるＸ線エネルギーにおける光子を優先的に吸 収し、２つのビームのスペクトル分離を増大するように使用される。各電圧がそ れに関連したフィルタをもつようにしてもよいし、両方が同じフィルタを使用し てもよい。

２つのＸ線エネルギーにおける２つの吸収性の測定が患者の同じ部位から得られ るように確保するために、これらの測定を素早く次々に行うことが望ましい。

さもなくば、患者の動きによってデータが破壊されてしまう。細いＸ線ビームが 患者の異なる部位を次々にスイープするような走査Ｘ線システムの場合は、上記 の条件により、Ｘ線ビームをその走査中に２つのエネルギーレベル間で繰り返し 迅速に切り換えることが必要である。

各Ｘ線エネルギーに対し、人体を通過した後のＸ線を受け取る検出器によってＸ 線吸収に関連した信号が発生される。検出器の一般的な形式は、イオン化チャン バ、シンチレーション検出器及びソリッドステート検出器で、ある固体物質を通 過するＸ線の作用によって生じたシンチレーションを測定するものである。検出 器の検出効率はさておき、これらの検出器によって発生される電気信号の信号対 雑音比、ひいては、選択的な像形成の質は、主として、Ｘ線ビームの東密度、即 ち対象物を透過して検出されるＸ線光子の数／！１１位時間／対象物の単位面積 の関数である。

不都合なことに、検出器によって受け取られる東密度は、Ｘ線ビームのエネルギ ーが変化するときに急激にシフトすることがある。一般に、低いＸ線エネルギー においては人体物質によるＸ線の減衰が大きい。従って、測定の低エネルギー部 分中に検出器によって受け取られるＸ線の東密度が比較的減少される。この付加 的な吸収は、Ｘ線管が低いエネルギーにおいて低効率であり、従って、低い束密 度のビームを発生するという事実により明らかである。

それにより得られる選択的な物質像の信号対雑音比は、２本のビームの各々によ る測定の信号対雑音比の関数となる。高いエネルギー及び低いエネルギーの小さ い信号対雑音比での測定は、合成信号の信号対雑音比を不均衡な状態で低下させ る。患者の所与のＸ線露光に対する最終的な結果の質を最適なものにするように ２つの測定の信号対雑音比を調整できるのが理想である。例えば、１９８９年の ソレンソン、デユーダ及びスミス氏のＭｅｄ、Ｐｈｙｓ　１６の第７５ないし８ ０ページを参照されたい。

Ｘ線ビームを電気信号に変換するのに使用される検出器の感度の範囲内で、走査 の低エネルギー部分中に発生される信号の信号対雑音比は、走査のその部分中に Ｘ線管からのＸ線ビームの東密度を増加することによって選択的に増加すること ができる。これは、アノード対カソード電圧を一定に保持しながらＸ線管の電流 を増加し、即ちカソードフィラメント電流、ひいては、カソード温度を増加する ことによって、Ｘ線のエネルギーを著しく変化せずに行うことができる。

医療的な像形成の場合に、東密度を増加することによる利益は、イオン化Ｘ線放 射に対する患者の全露出量を可能な程度まで低減する必要性によってバランスさ れねばならない。それ故、走査の高エネルギー部分中に東密度を減少することも 所望される。又、これは、カソードの温度を調整することにより、この場合はフ ィラメント電流を低下することにより、行うことができる。

不都合なことに、カソードの温度は迅速に調整することができず、しかも、カソ ードの温度を用いてＸ線ビームの東密度を制御すると、患者の動きの問題を減少 するために必要な迅速なビームエネルギーの切り換えが妨げられる。切り換え速 度が低速であることは、走査システムにおいて検査時間を著しく長引かせること になり、全てのシステムにおいて患者の不必要な露出を招く。

又、Ｘ線管の電流は、グリッド及びそれに関連した制御回路を有するＸ線管を用 いることによって制御することもできる。例えば、米国特許第４．　３６１．　 ９０１号を参照されたい。これは、Ｘ線源の複雑さ及びコストを著しく高める。

穴咀９要旨 本発明は、２つのＸ線ビームエネルギー間を必要に応じて迅速に切り換えて患者 の動きによるエラーを減少する一方、２つのエネルギー測定中に発生される検出 器信号の信号対雑音比を制御できるようにする手段を提供する。高エネルギー及 び低エネルギーのＸ線ビーム間を周期的に切り換えるシステムにおいては、シス テムが各状態にある相対的なドウエル時間を切り換えることによって東密度の制 御が達成される。

より詳細には、クロックが第１及び第２状態をもつ周期的な信号を発生し、第２ 状態の＋ｊＪは第１状態の巾よりも長くされる。Ｘ線管制御器は、クロック信号 が第１状態にあるときはＸ線管に高電圧を供給し、そしてクロックが第２状態に あるときは低電圧を供給して、高及び低エネルギーのＸ線ビームを各々発生する ようにする。デマルチプレクサは、Ｘ線ビームを受け取る検出器によって発生さ れた電気信号を２つの出力信号に分割する。その第１は、第１状態中の電気信号 の値に関連したものであり、そしてその第２は、第２状態中の電気信号の値に関 連したものである。

１つの実施例において、デマルチプレクサは、電気信号を積分して、第１及び第 ２出力チヤンネルの信号が各々第１状態及び第２状態中に検出器によって受け取 られた全Ｘ線放射に比例するようにする。

本発明の１つの目的は、迅速に切り換えられるＸ線システムで得られたデータセ ットの相対的な信号対雑音比を制御する機構を提供することである。本発明では 、信号の強度が東密度に比例するだけでなく、測定されたＸ線光子の全数にも比 例することが確認される。従って、管が高及び低エネルギーレベルにある相対的 なドウエル時間を切り換えることにより、両状態について検出される信号の信号 対雑音比を制御することができる。

本発明の別の目的は、迅速に切り換えるＸ線システムによる全測定検査時間を最 小にする手段を提供する。別の方法では、各ビームに対するビーム電流が変えら れる。これは、一般に、Ｘ線管電圧の少なくとも１つに対するビーム電流を、Ｘ 線管によって許容された最大値よりも強制的に小さくさせる。本発明では、Ｘ線 管を常に最大許容ビーム電流で動作することができ、Ｘ線ビームを切り換える速 度が制限されない。これにより、測定時間が短くなり、考えられる患者の動きに よる影響が低減される。

本発明の他の目的及び効果は、以下に述べる本発明の好ましい実施例の説明から 当業者に容易に明らかであろう。この説明では、本発明の一例を示した添付図面 を参照する。しかしながら、この例は、本発明の種々の別の形態を余すところな く示すものではなく、従って、本発明は、請求の範囲のみによって限定される図 １は、本発明に用いるのに適した走査二重エネルギーＸ線システムの概略図で、 Ｘ線管及びＸ線検出器の配置を示す図である。

図２は、図１のＸ線管積分器及びＡ／Ｄを制御するクロック信号を示すグラフで ある。

表ましい　施例の詳細な説Ｕ 図１を参照すれば、本発明に用いられる形式の二重エネルギーの走査Ｘ線装置１ ０は、Ｘ線源２０からのコリメートされたＸ線ビーム１２を線１２に沿って患者 １８を通して対向する検出器１４に投射する。Ｘ線源２０及び検出器１４は、ス テップモータ又はサーボモータ（図示せず）によりラスタ走査パターン２４で一 緒に移動するようにキャリッジ２２に取り付けられる。ラスタ走査パターン２４ は、Ｘ線ビーム１２がカルテシアン座標系の第３の直交Ｚ軸に平行となる状態で カルテシアン座標系の２つの垂直な軸Ｘ及びｙの一方に沿って線１６を交互に指 向させることにより患者１８の長方形エリアにわたって線１６をスイープさせる 。

キャリッジ２２の移動は、コンピュータ３０からの信号を受信するモータ制御器 ２８によって制御される。Ｘ線源２０は、Ｘ線放射を生じさせるＸ線管フィルタ （図示せず）を備えている。又、コンピュータ３０は、Ｘ線制御器３２によりＸ 線源２０を制御し、それをオン及びオフに切り換えそして電圧及び／又はフィル タを切り換える。

検出器１４からの信号２１は、積分器３４によって受信されてデマルチプレクス され、Ａ／Ｄコンバータ３５によってデジタル化されそしてコンピュータ３０へ 送信される。このコンピュータは、データをコンピュータメモリ（図示せず）又 は大量記憶装置３６に記憶する。オペレータはキーボード３８及びトラックボー ル４０によってコンピュータ３０に入力を供給し、この分野で明らかなようにデ ィスプレイスクリーン４２にカーソルを位置設定できるようにする。ディスプレ イスクリーン４２は、ラスタ走査により得られた情報を表示する手段も構成する 。

ラスタ走査エリーン２４にわたる種々の個別の位置において、Ｘ線源２０により 発生されてＸ線制御器３２により切り換えられる２つのＸ線エネルギーの各々に おいて検出器１４からデータが収集される。従って、各位置において、２つのデ ータサンプルが収集され、それらの値は、両方のＸ線エネルギーにおけるＸ線１ ２の患者１８による吸収量に対応する。６対のサンプルは、そのサンプルが収集 された線１６のＸ及びｙ座標に対して識別される。これと共に、全テスク走査パ ターンをカバーするサンプル対がデータマトリクスの要素を形成し、その座標は 線１６の空間座標に対応する。図１に示すような現在入手できる走査Ｘ線装置で は、約９ｘｌＯｃｍのラスタ走査エリアに対しサンプル間に０．６ｍｍの間隔を 得ることができる。

図１及び２を参照すれば、Ｘ線制御器３２は、制御信号４４を発生するための内 部クロック（図示せず）を組み込んでおり、この制御信号は、周期ＩＬＩＶ及び Ｖｌ中に高状態を有し、そして周期ｌ５ＩＩＩ及びＶ中に低状態を有し、Ｘ線源 ２０に送られる電圧を、積分器３４及びアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバー ク３５より成るデータ収集システム（ＤＡＳ）３７の動作と同期させる。より詳 細には、図２に示すように、信号４４が高状態にあるときには、Ｘ線源２０への 電圧４６が時間周期Ｗヨ中に高電圧ｖ８まで増加され、そして信号４４が低状態 にあるときには、Ｘ線源２０への電圧４６が時間周期Ｗ、中に高電圧■１まで減 少される。Ｘ線源２０の高及び低電圧４６は、この分野で一般的に明らかなよう に、Ｘ線管のアノード及びカソードをバイアスする電圧を指す。

又、好ましい実施例においては、信号４４は、Ｘ線ビームをフィルタするのに使 用されるフィルタの切り換えもする。Ｘ線管にかかる変化する電圧とフィルタと によって、前記した２つのエネルギー帯域のＸ線放射が発生される。狭帯域のＸ 線放射は、各々、高及び低エネルギーＸ線ビーム１２と称する。Ｘ線源２０にか かる電圧４６を低い値から高い値に切り換えると、空間電荷作用によりビーム電 流４８が増加される。

Ｘ線源２０から検出器１４によって受け取られた放射線は信号電流を発生し、こ れは積分器３４によって積分されて、信号電圧５０を生じる。積分器３４は、時 間周期ｌの始めにクリアされ、そして信号５０は、この周期Ｉの間に、Ｘ線管電 圧４６、電流４８及び測定されている患者１８に基づき、低エネルギービーム１ ２に応答して検出器１４により検出された放射線強度に比例して増加する。

信号４４から導出されるリセット信号５２は、信号４４の低レベルから高レベル へ又は高レベルから低レベルへの移行中に立ち上がり縁を有する短い論理パルス を構成する。信号５２のパルスのこの立ち−１−かり縁において、Ａ／Ｄコンバ ータ３５は、積分器３４の出力である信号５０をサンプルしデジタル化する。サ ンプリングが完了した直後に、信号５２のパルスは積分器３４をクリアする。

時間周期ＩＩの間に、Ｘ線管の電圧４６及び電流４８は、高状態に切り換えられ 、積分器の信号５０は、高エネルギービーム１２に応答して検出器１４により検 出された放射線強度に基づく割合で増加する。信号５０は、周期ＩＩの終わりに デジタル化される。周期ｌ及び１１は一対のＸ線測定値を発生する。同様に、周 期ＩＩＩ及びＩＶは一対の二重エネルギーＸ線測定値を発生し、等々となる。

これら全てのデジタル化された信号はコンピュータ３０によって記憶される。

図２において、積分された信号５０の値は、全ての高電圧周期（ＩＩ、ＩＶ、Ｖ Ｉ）の終わりに同じであるとして示されている。同様に、信号５０の値は、低エ ネルギー周期（ＩＳ　Ｉ　Ｉ　Ｌ　Ｖ）の終わりにおいても同じである。これは 、もちろん、一般的なケースではない。積分された信号５０の値は、ビーム１２ が透過する患者１８の細部と、Ｘ線ビーム１２のラスタ走査移動とに基づく。

本発明の動作にとって重要なものは、高及び低エネルギーの時間周期各々ＷＬ及 びＷＩＩの時間巾の選択である。低エネルギーの周期ＷＬの巾は、低エネルギー 周期中の低エネルギービーム１２の積分強度を制御し、一方、Ｗ６は、高エネル ギー周期中の高エネルギービーム１２の積分強度を制御する。これらのＷＬ及び Ｗ、ｌを調整することにより、積分強度、ひいては、測定の信号対雑音比が制御 される。低及び高エネルギー測定の信号対雑音比のこの独立した制御により、選 択された物質の像の信号対雑音比を最適化することができる。ＷＬ及びＷＩＩの 厳密な値は、患者１８による平均減衰量を推定しそして高及び低エネルギー測定 において最適な信号対雑音比を得るようにＷＬ及びＷ、ｌを調整することにより 決定される。

低状態及び高状態を含む波形４４の１サイクルの後に、低及び高の両エネルギー のＸ線ビーム１２に対しラスタ走査パターン２４の１つの点についての吸収デー タが収集される。このときに、Ｘ線ビーム１２を身体の新たな位置へ移動するよ うにステップモータが作動される。ラスタ走査パターン２４の終わりに、デジタ ル化されたデータ要素の配列が形成され、各要素はラスタの特定点に関連されそ して各配列は高エネルギーにおけるＸ線の吸収又は低エネルギーにおけるＸ線の 吸収を指示する値を有する。

高及び低エネルギーのＸ線ビーム１２に関連した２つの異なるＸ線エネルギーの データを使用して、ラスタ走査パターン２４の各点における２つの異なる身体物 質の吸収作用を分離することができ、ひいては、アレイの各点における異なる物 質の質量を決定することができる。測定されたＸ線データを選択的な物質測定値 に変換するためのアルゴリズムは公知である。例えば、１９８１年、Ｍｅｄ。

Ｐｈｙｓ、８　（５）に掲載されたレーマン氏等の［二重ｋＶｐデジタル放射線 写真における一般化した像結合（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｃｏｍ ｂｉｎａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｄｕａｌ　ｋＶｐ　Ｄｉｇｉｔａｌ　ｌｌｌａｄｉ ｏｇｒａｐｈｙ）１　、又はソレンソン氏等の前記文献を参照されたい。これら は参考としてここに援用するものである。

本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多数の変更がなされ得ることが当業者に明 らかであろう。例えば、３つ以上のＸ線測定を使用する技術も知られている。

本発明の教示は、３つ以−Ｌの測定に一般化することができ、この場合に各周期 の相対的なｒｌは、種々のビームで検出される相対的な積分強度を調整するよう に制御される。更に、上記したように、時間周期ＷＬ及びＷＩＩの巾は、走査を 開始する前に、例えば、対象物の厚みの知識及び所望の測定精度を用いて選択さ れる。

別のやり方は、フィードバックを用いてＷ、及びＷｎを自動的に調整することで ある。このやり方では、２つのビームに対して測定された積分強度を用いて、所 望の測定の質を維持するように周期の巾が調整される。

更に、測定周期Ｗ１．及びＷｌｌを有望に選択すれば、制御信号４４は完全に周 期的でなくてもよい。例えば、ラスタ走査の一部分が他部分よりも患者１８の厚 みのある部分を検査することが分かつている場合には、ラスタ走査の異なる部分 について異なる値のＷｔ及びＷＩＩを使用することができる。又、本発明は、扇 状の放射ビームを検出素子のアレイ及び−次元走査運動と共に使用するシステム や、又は走査運動を全く使用しないエリアビームシステムにも適用できる。

本発明の範囲内に包含される種々の実施例を一般に知らしめるために、請求の範 囲を次のように限定する。

国際調査報告 、　−ＰＣＴ／ＵＳ　９３１０３８６６

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも第１及び第２の物質を含む対象物に対し選択的に物質の像を形成 する装置において、 電圧を受け取りそしてその電圧に関連したスペクトル特性を有するＸ線放射を発 生するＸ線管と、 第１の巾を有する第１状態と、上記第１の巾とは異なる第２の巾を有する第２状 態とを定めるタイミング制御器と、 上記Ｘ線管に上記第１の状態中には高電圧をそして第２の状態中には低電圧を供 給するためのＸ線管制御器と、 対象物によって減衰された上記Ｘ線管からのＸ線放射を受け取りそしてそのＸ線 放射の強度に比例した電気信号を発生するための検出器と、上記検出器からの電 気信号を受け取り、上記第１状態中にはその電気信号の値に関連した第１出力チ ャンネル信号を発生しそして上記第２状態中にはその電気信号の値に関連した第 ２出力チャンネル信号を発生するためのデータ収集システムと、 上記第１及び第２出力チャンネル信号を合成して、実質的に上記第１物質のみを 指示する像を形成する手段であって、その像の信号対雑音比を最大にするように 上記第１の巾と第２の巾が選択されているような手段とを備えたことを特徴とす る装置。
2. ２．上記データ収集システムは上記電気信号を積分し、上記第１出力チャンネル 信号は上記第１状態中に検出器によって受け取られた全Ｘ線放射に比例し、そし て上記第２出力チャンネル信号は上記第２状態中に検出器によって受け取られた 全Ｘ線放射に比例する請求項１に記載の装置。
3. ３．物体に対し選択的にその物質の像を形成する走査Ｘ線システムにおいて、電 圧を受け取りそしてその電圧に関連したスペクトル特性をもちビーム領域を有す るＸ線放射を発生するＸ線管と、 上記Ｘ線放射のビーム領域を患者の領域上の複数の点においてある走査速度で走 査するための走査手段と、 第１の巾を有する第１状態と、上記第１の巾とは異なる第２の連続する巾を有す る第２状態とを備えた制御信号を各点において発生する手段と、上記制御信号が 第１状態にあるときは上記Ｘ線管に高電圧を供給しそして上記制御信号が第２状 態にあるときは低電圧を供給するためのＸ線管制御器と、対象物によって減衰さ れた上記Ｘ線管からのＸ線放射を受け取りそしてそのＸ線放射の強度に比例した 電気信号を発生するための検出器と、上記検出器からの電気信号を受け取り、上 記第１状態中にはその電気信号の値に関連した第１出力チャンネル信号を発生し そして上記第２状態中にはその電気信号の値に関連した第２出力チャンネル信号 を発生するためのデータ収集システムとを備えたことを特徴とする走査Ｘ線シス テム。
4. ４．上記データ収集システムは上記電気信号を積分し、上記第１出力チャンネル 信号は上記第１状態中に検出器によって受け取られた全Ｘ線放射に比例し、そし て上記第２出力チャンネル信号は上記第２状態中に検出器によって受け取られた 全Ｘ線放射に比例する請求項１に記載の装置。
5. ５．上記第１及び第２の巾は、上記第１及び第２チャンネル出力信号のフィード バックによって制御される請求項２に記載の装置。