JP2012083277A - Ｘ線検出器及びそれを用いたｘ線ｃｔ装置並びにｘ線ｃｔ撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】産業用Ｘ線ＣＴ装置の空間分解能を向上するためのＸ線検出器と、それを用いたＸ線ＣＴ装置及びＸ線ＣＴ撮像方法を提供する。
【解決手段】Ｘ線を照射するＸ線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、Ｘ線源とＸ線検出器の間に配置された撮像対象被検体を回転・並進させる駆動機構と、Ｘ線検出器で計測されたＸ線透過量を数値化する信号処理回路と、これらの信号を元に画像を再構成するための演算装置からなるＸ線ＣＴ装置において、前記Ｘ線検出器は、前記透過したＸ線を検出する複数個の半導体部材１２が既知の間隔を開けて配置されることによりリニアアレイの配列状態でＦＲＰ製の補強基板１６に埋設され、且つ支持されていることにより、前記半導体部材１２間の間隔が狭められて検出不感帯域の少ない稠密配置を成す構成を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、Ｘ線検出器のＸ線検出密度を向上する技術及び、そのＸ線検出器を用いたＸ線ＣＴ装置並びにＸ線ＣＴ撮像方法に関する。

Ｘ線ＣＴ装置は、医療用の人体内部計測装置としての活用が広く普及しているが、工業用途においても対象物を切断することなく非破壊で内部状態が計測できるため、鋳造部品の内部欠陥計測、など非破壊検査として多くの用途に用いられている。

Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線源と検出器の間に撮像被検体を設置し、Ｘ線源から照射されるＸ線が被検体を透過し減衰した後のＸ線透過量を検出器で計測し、このＸ線の透過量分布から被検体内部の画像を再構成する。そのため、検出器サイズが画像の空間分解能に強く影響する。

医療用と異なり工業用途のＸ線ＣＴ装置では、対象物が金属物の場合が多く人体に比較して透過能力の強いＸ線エネルギーが必要となる。Ｘ線を発生させるＸ線源としては、８００ｋＶまではＸ線管が使用可能であり、ＭＶ領域のエネルギーレベルでは線形加速器によるＸ線源が必要となる。

Ｘ線管では、エネルギーレベルの低い領域（〜２２５ｋＶ）では焦点サイズがミクロンオーダーのＸ線源が存在するが、透過能力が低いため厚い金属物の被検体は撮像不能となる。また、エネルギーレベルが比較的高い領域（３２０ｋＶ〜８００ｋＶ）のＸ線管では、透過能力は増加するがＸ線発生源の焦点サイズはサブミリからミリオーダーに大きくなる。

ＭＶ領域のＸ線エネルギーレベルが得られる線形加速器では、透過能力がさらに増加し、エネルギーレベルが比較的高い領域（３２０ｋＶ〜８００ｋＶ）のＸ線管と同様、Ｘ線発生源の焦点サイズはサブミリからミリオーダーに大きくなる。これらのＸ線管，線形加速器からは通常、コーン状に、またＸ線発生直後にコリメートされファン状にＸ線が照射される。

Ｘ線源から照射され撮像被検体内部で減衰したＸ線の減衰量を計測するＸ線検出器には、シンチレータや化合物半導体、等の放射線検出器が用いられる（非特許文献１参照。）。これらのＸ線検出器は、撮像被検体を挟んでＸ線源と相対する位置に設置される。Ｘ線検出器は、一定間隔で離散的に配置されＸ線源から各検出器素子中心を結んだ直線上のＸ線透過量積算値を計測する。

撮像被検体全体を撮像するには、Ｘ線源と検出器の間に設置された被検体をターンテーブルに乗せ回転させて、全体画像を再構成するために必要な投影データを取得する。または、撮像被検体は静止させ、Ｘ線源と検出器を被検体周囲に回転させ必要な投影データを取得する。

Miyai H, Satoh K, Kitaguchi H, Izumi S. A high energy X-ray computed tomography using silicon semiconductor detectors. In：1996 Nuclear Science Symposium Conference Record, vol. 2, 1997. p. 816-21．

上述した既存の産業用Ｘ線ＣＴ装置を用いた工業製品の非破壊検査における内部計測では、被検体の構造強度や性能特性に影響を与えるサイズの欠陥を検出する必要がある。鋳造物を対象とした場合は、これらの致命的な鋳造欠陥は既存のＣＴ装置で検出可能であるが、さらに、これらの欠陥の周辺に存在するより小さい欠陥を検出するには、さらなる分解能の向上が必要となる。

従来の産業用Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線検出器には、シンチレータや化合物半導体、等の放射線検出器が用いられてきたが、特に、非特許文献１に示されたように、半導体化合物材料を用いた検出器は、高エネルギーＸ線に対する感度が高く、シンチレータに比較して厚みを薄くすることが可能であり、検出器アレイにおける検出器間隔を狭く設定することが可能である。

検出器間隔の狭隘化により画像生成のための投影データのサンプリング間隔が小さくなり、高分解能画像が得られる。一方、非特許文献１に示された半導体Ｘ線検出器では、透過してきたＸ線を検出するための半導体部材の他に、Ｘ線検出器間の漏れ電子（クロストーク）を抑制するための遮蔽板が設置されていた。そのため検出器厚みを薄くし検出器アレイの稠密化に限界があった。そのため、Ｘ線ＣＴ装置としての分解能の向上にも限界がった。

従って、本発明の第１の目的は、稠密配置が可能なＸ線検出器を提供することにある。第２の目的は、Ｘ線検出器の配置を稠密化して高い空間分解能で撮像可能なＸ線ＣＴ装置を提供することにある。第３の目的は、Ｘ線検出器の配置を稠密化して高い空間分解能で撮像可能なＸ線ＣＴ撮像方法を提供することにある。

本発明の第１の目的を達成するための手段は、Ｘ線を検出するための半導体部材と、前記半導体部材と前記半導体部材の電極とが装着された基板とを備えたＸ線検出器において、前記半導体部材が埋設され、前記半導体部材を支持する補強基板を備えていることを特徴とするＸ線検出器である。

同じく第２目的を達成するための手段は、Ｘ線を照射するＸ線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線検出器で検出されたＸ線透過量を数値化する信号処理回路と、前記信号処理回路からの信号を元に画像データを作る演算装置と、前記演算装置による演算処理を経て得られた画像データに基づく画像を表示する画像表示装置を備えたＸ線ＣＴ装置において、前記Ｘ線検出器として前記第１の目的を達成するための手段に記載のＸ線検出器を備えていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置である。

同じく第３の目的を達成するための手段は、Ｘ線源から照射したＸ線を撮影対象被検査体に透過させ、前記透過してきたＸ線をＸ線検出器で検出し、その検出結果を信号処理装置にて数値化し、その数値化して得られた信号に基づいて演算装置で画像データを作り、その画像データに基づいた画像を画像表示装置にて可視化するＸ線ＣＴ撮像方法において、前記Ｘ線検出器として前記第１の目的を達成するための手段に記載のＸ線検出器を用いると共に、前記Ｘ線検出器を用いて取得した投影データから隣接するＸ線検出器からのノイズの影響を除去する処理を各検出器毎に行う信号処理プロセスを有することを特徴とするＸ線ＣＴ撮像方法である。

本発明のＸ線検出器によれば、Ｘ線検出器の半導体部分が他の部材に埋設されることにより、薄く構成され、Ｘ線検出器の配置の稠密化に貢献できる。

本発明のＸ線ＣＴ装置によれば、Ｘ線検出器の配置を稠密化して高い空間分解能で撮像可能な装置を提供できる。

本発明のＸ線ＣＴ撮像方法によれば、Ｘ線検出器の配置の稠密化による高い空間分解能による撮像をノイズが抑制された状態で可能とする。

本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ装置の一例を表した図である。 従来のＸ線ＣＴ装置に用いられているＸ線検出器構造の一例を表した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ装置に用いるＸ線検出器構造の一例を示した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ装置に用いるＸ線検出器構造の一例を示した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ装置を用いて本発明の撮像方法で撮像する場合の処理フローの一例を示した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ装置を用いて本発明の撮像方法で撮像する場合のシステム構成の一例を示した図である。

本発明の実施例では、産業用Ｘ線ＣＴ装置において、Ｘ線検出器厚みを薄くして検出器アレイの稠密化を実現させることにより、高い空間分解能で撮像可能にするものである。

そのため、発明者は、Ｘ線検出器の半導体部材１２を、その半導体部材１２を支持するＦＲＰ（fiber reinforced plastics）製の補強基板１６に埋設して薄型化したＸ線検出器を発案した。

本発明の実施例による産業用Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線を照射するＸ線源１と、撮像対象被検体８を透過したＸ線を検出するＸ線検出器２と、Ｘ線源１とＸ線検出器２の間に配置された撮像対象被検体を回転・並進させる機構（図１ではターンテーブル６を指す。）と、Ｘ線検出器で計測されたＸ線透過量を数値化する信号処理回路３とこれらの信号を元に画像化するためのデータを再構成する演算装置の画像再構成装置４とからなるＸ線ＣＴ装置において、前記Ｘ線検出器２として、上述の薄型化したＸ線検出器２の複数個を、断層画像を取得する水平面方向に一定間隔で配置して、アレイ化した構成を備えている。なお、符号９はＸ線源焦点サイズ調整機構を、符号１０は信号伝送回路を示す。

また、本発明の実施例では、Ｘ線検出器２は、透過したＸ線を検出するための半導体部材１２を、断層画像を取得する水平面方向と、その方向と直交する垂直（高さともいう。）面方向との直交二面の方向に一定間隔で複数個配置し、このように二次元以上の多次元に配置したそれらの複数の半導体部材１２の全体を保持するためのＦＲＰ製補強基板１６と、隣接しあうＸ線検出器間のいずれかの一方向におけるクロストーク（ノイズ）の影響を抑制する遮蔽板１７からなり、複数層の投影データをＸ線検出器の高さ方向への機械的走査なくして取得する。

また、本発明の実施例では、隣接検出器間に発生するノイズ（クロストーク）を抑制するために、各投影データ毎にクロストーク量を除去する信号処理プロセスを含む。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。本発明の一実施例である産業用Ｘ線ＣＴ装置の概要を図１に示す。産業用Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線源１と、Ｘ線検出器２が対向されて設置され、両者の間に回転駆動機構であるターンテーブル６が置かれターンテーブル６上に撮像対象被検体８が設置される。ターンテーブル６の代わりに並進駆動機構を用いても良い。

Ｘ線源１から照射されたＸ線７は撮像対象被検体８を透過して減衰し、対向する位置のＸ線検出器２に入射する。Ｘ線検出器２には、化合物半導体検出器やシンチレータが用いられる。

これらのＸ線検出器２は、水平方向に一定間隔で各半導体部材１２が並ぶラインアレイセンサまたは水平方向と垂直方向の２次元に一定間隔で各半導体部材１２が並ぶ平面アレイセンサを用いる。これらのＸ線検出器２に入射したＸ線は、Ｘ線検出器２内で入射Ｘ線量に相当する電気信号に変換される。

得られた各Ｘ線検出器２の電気信号は、Ｘ線検出器２の電極１５から検出器ピクセル積算処理機構５に伝送され、検出器ピクセル積算処理機構５により指定された各半導体部材１２の素子数の信号を加算処理する。

処理された信号は信号処理回路３に伝送され増幅，ビット変換された後、画像再構成装置４に伝送される。撮像被検体全体の画像を再構成するには、ターンテーブル６を回転させ一定角度ピッチ毎に全Ｘ線検出器２で検出されたＸ線透過量データ（投影データと呼ぶ）を１回転分収集する。

一定角度ピッチ毎の投影データは順次、画像再構成装置４に伝送，格納され、１回転分が得られた時点で画像再構成演算を実行し、再構成画像を作成するための画像データが生成される。この生成にて得られた画像データは、ＣＴ画像表示装置１１に伝送されデイスプレイ上に画像として表示されることにより可視化される。

また、本実施例のＸ線ＣＴ装置に用いたＸ線検出器２を図３に基づいて説明する。その際の比較のために従来のＸ線検出器の構造を図２に示した。その従来のＸ線検出器では、Ｘ線を検出する半導体部材１２がＦＰＣ（Flexible printed circuits）基板１３に装着され、これらに遮蔽板１４が設けられている。図２（ａ）には、１個のＸ線検出器２を示し、図２（ｂ）には、これらのＸ線検出器を撮像断層面方向の水平方向に一定間隔で並べてアレイ化したＸ線検出器アレイを示した。

図３に示した本発明の実施例によるＸ線検出器２では、Ｘ線を検出する半導体部材１２が、コの字型のＦＲＰ製の補強基板１６の凹部に装着されることにより、その補強基板１６に埋設されて支持される。これらにＦＰＣ基板１３が設けられている。

図３（ａ）には、１個のＸ線検出器２を示し、図３（ｂ）には、これらのＸ線検出器２を水平方向に一定間隔で並べた検出器アレイを示した。図３（ｂ）から分かるように、本発明の実施例によるＸ線検出器２の構造では従来の遮蔽板１４が無いため、Ｘ線検出器２の厚みを従来より薄くすることが可能であり、Ｘ線検出器２をアレイ化した場合にＸ線検出器２間の間隔を狭くしてＸ線検出器２の配置を稠密化できる。

一方、本発明の実施例によるＸ線検出器２では、従来の遮蔽板１４を無くすことにより隣接するＸ線検出器からのノイズ、いわゆるクロストークが入ってくる。そのため、本発明の実施例によるＸ線ＣＴ装置では、画像再構成処理において、各撮像断面で各Ｘ線検出器２で得られる投影データからクロストークによるノイズ成分を除去する処理を実施する。これらの処理プロセスを含んだＸ線ＣＴ装置を用いた撮像方法を図５に示した。

本発明の実施例における撮像方法では、まず、撮像高さ位置を設定１８した後、設定高さ位置での水平断面撮像１９を行う。このプロセスで設定高さ位置での水平断面の投影データ取得２０を成す。その後、各Ｘ線検出器毎に、投影データのノイズ補正２１を実施する。全Ｘ線検出器に対してノイズ補正を実施後、設定高さ位置での水平断面の補正投影データを用いて画像再構成２２を実施する。これらの処理を指定した高さ位置で繰り返し、撮像を終了する。

次に、本発明による産業用Ｘ線ＣＴ装置に用いるＸ線検出器２の第２の実施例を図４に基づいて説明する。本実施例では、１個のＸ線検出器２において、Ｘ線検出器２に透過したＸ線を検出するための半導体部材１２を実施例１でいう水平方向とは直交すする垂直方向、即ち高さ方向に一定間隔で複数個配置し、それらの複数の半導体部材１２の全てが実施例１と同様に補強基板１６に埋設されて全体が補強基板１６により保持されている。高さ方向の半導体部材１２の間には水平方向に遮蔽板１７を設ける。図４では、３個の半導体部材１２からなるが、同一構造を高さ方向に積み上げることも可能である。図４（ｂ）には、断層画像を取得する水平面方向にも一定間隔でＸ線検出器２をアレイ化した構造で二次元のＸ線検出面を展開してある。

本発明の第２の実施例のＸ線検出器２を用いた撮像では、撮像対象被検体８を１回転させるプロセスで複数の高さ位置の水平断面画像が得られ、複数断層の投影データが検出器を機械走査することなく迅速に得られる。そのため被検体全体高さの撮像を大幅に短縮することが可能である。

また、高さ方向の撮像位置指定では、従来のＸ線検出器では、常に高さ方向の撮像移動間隔は一定であるが、本発明の第２の実施例のＸ線検出器２を用いた撮像では、一体化した高さ方向の半導体部材の数により高さ方向の撮像移動間隔を変動させる。

図６には、本実施例の撮像方式を実現させるシステム構成を示した。入力手段Ｃ１５より、それぞれの処理プロセスで必要となる条件を、全体撮像条件指定手段Ｃ９，ノイズ補正条件指定手段Ｃ１０，検出器ピクセルサイズ指定手段Ｃ１１，画像再構成計算条件指定手段Ｃ１２により各処理プロセスに入力する。全体撮像条件は全体撮像条件記憶手段Ｃ２に格納され、ノイズ補正条件設定手段Ｃ３で設定されたノイズ補正条件およびＸ線源照射条件記憶手段Ｃ４と、実際の撮像による投影データ記憶手段Ｃ６を経て、画像再構成手段Ｃ７で画像が作成される。最終的に再構成画像Ｄ６が得られ再構成画像記憶手段Ｃ８に記録され、表示手段Ｃ１６で表示される。

以上のように、本発明の各実施例によれば、産業用Ｘ線ＣＴ装置において検出器厚みを従来より薄くし検出器アレイの稠密化を実現させることにより、高い空間分解能で撮像可能な装置および撮像方法を提供できる。

本発明の各実施例では、産業用Ｘ線ＣＴ装置において撮像対象被検体の任意の指定された特定領域のみ高い空間分解能で撮像可能な装置および撮像方法を提供することができるので、本発明の各実施例の応用例として、撮像対象被検体の全体を粗い空間分解能で撮像し、特に詳しく検査したい必要領域のみ高分解能で撮像することが可能となり、高分解能の撮像を短い時間で撮像可能とし、得られる撮像データも必要最小限のサイズに抑制し演算および分析時間を短縮できる。

このように、本発明は、工業用製品の内部の高精度で高率的な非破壊検査が可能となる。また、本発明は、産業用Ｘ線ＣＴ装置のみならず医療用Ｘ線ＣＴ装置にも適用可能である。

本発明は検査する対象にＸ線を透過させてその対象内部を非破壊的に検査するＸ線ＣＴ装置に利用可能性がある。

１ Ｘ線源
２ Ｘ線検出器
３ 信号処理回路
４ 画像再構成装置
５ 検出器ピクセル積算処理機構
６ ターンテーブル
７ Ｘ線
８ 撮像対象被検体
９ Ｘ線源焦点サイズ調整機構
１０ 信号伝送回路
１１ ＣＴ画像表示装置
１２ 半導体部材
１３ ＦＰＣ基板
１５ 電極
１６ 補強基板
１７ 遮蔽板

Claims (7)

1. Ｘ線を検出するための半導体部材と、
   前記半導体部材と前記半導体部材の電極とが装着された基板とを備えたＸ線検出器において、
   前記半導体部材が埋設され、前記半導体部材を支持する補強基板を備えていることを特徴とするＸ線検出器。
2. 請求項１において、複数の前記半導体部材が水平方向へ並べられて一次元の配置を有することを特徴とするＸ線検出器。
3. 請求項２において、複数の前記半導体部材が垂直方向にも並べられて多次元の配置を有することを特徴とするＸ線検出器。
4. 請求項３において、前記垂直方向へ並べられた前記半導体部材の間にはＸ線を遮蔽する遮蔽板を備えていることを特徴とするＸ線検出器。
5. Ｘ線を照射するＸ線源と、
   撮像対象被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
   前記Ｘ線検出器で検出されたＸ線透過量を数値化する信号処理回路と、
   前記信号処理回路からの信号を元に画像データを作る演算装置と、
   前記演算装置による演算処理を経て得られた画像データに基づく画像を表示する画像表示装置を備えたＸ線ＣＴ装置において、
   前記Ｘ線検出器として請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＸ線検出器を備えていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
6. 請求項５において、前記Ｘ線検出器を用いて取得した投影データから隣接するＸ線検出器からのノイズの影響を除去する処理を各検出器毎に行う信号処理手段を備えることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
7. Ｘ線源から照射したＸ線を撮影対象被検査体に透過させ、前記透過してきたＸ線をＸ線検出器で検出し、その検出結果を信号処理装置にて数値化し、その数値化して得られた信号に基づいて演算装置で画像データを作り、その画像データに基づいた画像を画像表示装置にて可視化するＸ線ＣＴ撮像方法において、
   前記Ｘ線検出器として請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＸ線検出器を用いると共に、前記Ｘ線検出器を用いて取得した投影データから隣接するＸ線検出器からのノイズの影響を除去する処理を各検出器毎に行う信号処理プロセスを有することを特徴とするＸ線ＣＴ撮像方法。

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