JP2023513153A - 光子計数ｘ線検出器のための閾値超合計時間（ｔｔｏｔ）処理 - Google Patents

Abstract

多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）との運用のために構成された回路（５０２、５０３、５０４）が提供され、この回路（５０２、５０３、５０４）は、幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ［Total Time-Over-Threshold］）信号を取得し又は発生して、これら幾つかのＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されている。【選択図】図７

Description

提案される技術は、例えばＸ線イメージング・システムにおいて行なわれる測定方法に関する。提案される技術はまた、対応する回路、装置、及び／又はシステム、並びに関連するコンピュータ・プログラム及びコンピュータ・プログラム製品に関する。

Ｘ線撮像のような放射線撮像は、医療応用及び非破壊試験において多年にわたり用いられている。

通常、Ｘ線イメージング・システムは、Ｘ線源と、１又は多くの検出器素子（Ｘ線強度／フルエンスを測定する独立した手段）を含む多数の検出器から成るＸ線検出器アレイとを含んでいる。Ｘ線源はＸ線を放出し、Ｘ線は被検体又は被撮像体を通過した後に、検出器アレイによって記録される。幾つかの物質は、他の物質よりも大きい画分のＸ線を吸収するので、被検体又は物体の画像が形成される。

Ｘ線撮像検出器の課題は、物体又は被検体が密度、組成、及び構造に関して描写されるような物体又は被検体の画像に入力を提供するために、検出されたＸ線から最大の情報を引き出すことである。

典型的な医用Ｘ線イメージング・システムでは、Ｘ線はＸ線管によって発生される。典型的な医用Ｘ線管のエネルギ・スペクトルは広く、０から１６０ｋｅＶまでにわたる。従って、検出器は典型的には、変化するエネルギのＸ線を検出する。

図１に関して説明のための全体的なＸ線イメージング・システムの簡単な全体像を参照すると有用であろう。この説明のための非限定的例のＸ線イメージング・システム１００は基本的には、Ｘ線源１０と、Ｘ線検出器システム２０と、付設された画像処理システム又は装置３０とを含んでいる。一般的には、Ｘ線検出器システム２０は、Ｘ線源１０からの放射線であって、選択随意要素のＸ線光学系によって選択随意で集束されて、物体、被検体、又はこの一部を通過した放射線を記録するように構成されている。Ｘ線検出器システム２０は、少なくとも部分的に当該Ｘ線検出器システム２０と一体化された適当なアナログの読み出し用電子回路を介して画像処理システム３０に接続可能であり、画像処理システム３０による画像処理及び／又は画像再構成を可能にしている。

Ｘ線検出器及び／又はＸ線イメージング・システムの性能の改善が広く求められている。具体的には、Ｘ線検出器からの光子相互作用情報を最適利用することができると望ましい。

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一般的な目的は、Ｘ線検出器及び／又はＸ線イメージング・システムの性能を改善することである。

例えば、多重ビン（multi-bin）光子計数Ｘ線検出器から新たな有用な信号情報を提供することが望ましい。

また、多重ビン光子計数検出器の性能を、特に高い光子計数率において改善し得ると望ましかろう。

一つの具体的な目的は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成された一般的な回路を提供することである。

もう一つの目的は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成された閾値超合計時間（ＴＴＯＴ［Total Time-Over-Threshold］）論理回路を提供することである。

さらにもう一つの目的は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成されたディジタル処理回路を提供することである。

さらにもう一つの目的は、光子計数Ｘ線検出器用の測定回路を提供することである。

また、一つの目的は、かかる回路を含む全体的なＸ線イメージング・システムを提供することである。

もう一つの目的は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成されたシステムを提供することである。

さらにもう一つの目的は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器からエネルギ積算情報を得る方法を提供することである。

また、一つの目的は、対応するコンピュータ・プログラム及び／又はコンピュータ・プログラム製品を提供することである。

これらの及び他の目的は、提案される技術の１又は複数の実施形態によって達成され得る。

第一の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成された回路が提供される。この回路は、幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を取得し又は発生して、これら幾つかのＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されている。

第二の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成された閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）論理回路が提供され、このＴＴＯＴ論理回路は、幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を発生して、これら幾つかのＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されている。

第三の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成されたディジタル処理回路が提供され、このディジタル処理回路は、１よりも多いエネルギ閾値に対応する１よりも多い閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を取得して、これら１よりも多いＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されている。

第四の観点によれば、第二の観点のＴＴＯＴ論理回路及び／又は第三の観点のディジタル処理回路を備えた光子計数Ｘ線検出器用の測定回路が提供される。

第五の観点によれば、第一の観点、第二の観点、第三の観点、及び／又は第四の観点の任意の観点の回路を備えたＸ線イメージング・システムが提供される。

第六の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成されたシステムが提供され、このシステムは、多重ビン光子計数検出器の１よりも多い比較器からの出力に基づいて１よりも多い閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を発生するために構成されている。

第七の観点によれば、多重ビン光子計数Ｘ線検出器からエネルギ積算情報を得る方法が提供され、この方法は、多重ビン光子計数検出器において異なるエネルギに設定された幾つかのエネルギ閾値についての閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号に基づいてエネルギ積算信号を表現する又は近似する信号を提供する又は発生することを含んでいる。

第八の観点によれば、命令を含むコンピュータ・プログラムが提供され、命令は、プロセッサによって実行されると、第七の観点の方法を実行することをプロセッサに行なわせる。

第九の観点によれば、第八の観点のコンピュータ・プログラムを記憶した非一過性のコンピュータ可読の媒体を含むコンピュータ・プログラム製品が提供される。

このように、多重ビン光子計数検出器において異なるエネルギに設定された幾つかのエネルギ閾値についての閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号に基づいてエネルギ積算信号を表現する又は近似する信号を得ることが可能である。かかる信号をディジタル・エネルギ積算信号とも呼ぶ。

発明者等は、幾つかのＴＴＯＴ信号から形成される又はこれら幾つかのＴＴＯＴ信号によって表現される信号が、入力光子計数率について有意にさらに線形であり、全体的なＸ線イメージング・システムが、より高い計数率においても線量効率を保つことを可能にすることを認めた。

ディジタル・エネルギ積算信号を得る提案される方法及び構造的構成の具体的な非限定的例が、エネルギ積算信号を得る従来技術よりも優る利点は、信号の積算／集計用の専用アナログ回路が不要であることである。代わりに、発明者等は、多重ビン光子計数検出器の能力の一部として既に存在するディジタル比較器の出力を利用することが実行可能であることを認めた。

提案される技術のもう一つの利点は、幾つかのＴＴＯＴ信号から形成された又はこれら幾つかのＴＴＯＴ信号によって表現された信号が、高度のパルス・パイルアップ（多重追突状態［pileup］）を蒙る撮像事例についても、スペクトル撮像に用いられ得るスペクトル（光子エネルギ）情報を含むことである。かかる撮像タスクは可能性として、光子計数信号と組み合わせて実行され得る。

換言すると、提案される技術は、光子計数Ｘ線検出器のための閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）処理に関する。

他の利点は詳細な説明を読むと認められよう。

これらの実施形態は、それらのさらなる目的及び利点と共に、以下の記載を添付図面と共に参照することにより最も十分に理解されよう。

全体的なＸ線イメージング・システムの一例を示す模式図である。 Ｘ線イメージング・システムのもう一つの例を示す模式図である。 Ｘ線イメージング・システムの説明例としてのＣＴシステムの概略ブロック図である。 Ｘ線イメージング・システムの関連部分のもう一つの例を示す模式図である。 従来技術による光子計数回路及び／又は装置の概略図である。 経時的なパルス電圧、及びクロック周期毎の対応する比較器出力の一例を示す模式図である。 比較器出力に直接適用される合計閾値超時間（ＴＴＯＴ）論理を少なくとも含む測定回路の一例を示す模式図である。 幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を発生する合計閾値超時間（ＴＴＯＴ）回路の一例を示す模式図である。 １よりも多いＴＴＯＴ信号を取得する及び／又は発生するシステム／回路のもう一つの例を示す模式図である。 １よりも多いＴＴＯＴ信号及び選択随意で１又は複数の光子計数信号から少なくとも一つの結合値を発生するディジタル処理回路の一例を示す模式図である。 時間的に近接して到達する２個の光子の電圧パルスの例を示す模式図である。 ２個の光子から生ずるＴＴＯＴ信号の例を示す模式図である。 光子計数信号が如何にＴＴＯＴ信号よりも低い光子計数率で飽和し（信号を失い）、そしてＴＴＯＴ信号が如何にディジタル・エネルギ積算信号よりも低い光子計数率で飽和するかの一例を示す模式図である。 増加する光子計数率の関数としてのＴＴＯＴ信号の挙動の一例を示す模式図である。 多重ビン光子計数Ｘ線検出器からエネルギ積算情報を得る方法の一例を示す模式図である。 実施形態によるコンピュータ具現化形態の一例を示す模式図である。

さらに十分な理解のために、全体的なＸ線イメージング・システムの非限定的例の導入的記述を続けるのが有用であろう。

図２は、Ｘ線イメージング・システム１００の一例を示す模式図であって、Ｘ線イメージング・システム１００は、Ｘ線を放出するＸ線源１０と、物体を通過した後のＸ線を検出するＸ線検出器を備えたＸ線検出器システム２０と、Ｘ線検出器からの生の電気信号を処理してディジタル化するアナログ処理回路２５と、測定データに補正を加える、測定データを一時的に記憶する、又はフィルタ処理を行なう等のようなさらなる処理演算を行ない得るディジタル処理回路４０と、処理されたデータを記憶し、またさらなる後処理及び／又は画像再構成を実行し得るコンピュータ５０とを含んでいる。本発明によれば、アナログ処理回路２５の全て又は部分がＸ線検出器システム２０において具現化されていてもよい。

Ｘ線検出器全体をＸ線検出器システム２０と見做すこともできるし、Ｘ線検出器システム２０が、付設されたアナログ処理回路２５と組み合わされていてもよい。

ディジタル処理回路４０及び／又はコンピュータ５０を含めたディジタル部分を画像処理システム３０と見做すことができ、この部分がＸ線検出器からの画像データに基づいて画像再構成を行なう。このように、画像処理システム３０は、コンピュータ５０と見做されてもよいし、或いはディジタル処理回路４０とコンピュータ５０との結合システムと見做されてもよいし、或いはディジタル処理回路がさらに画像処理及び／若しくは画像再構成にも特化されている場合には可能性としてディジタル処理回路４０自体と見做されてもよい。

一般に用いられているＸ線イメージング・システムの一例がＸ線計算機式断層写真法システムすなわちＣＴシステムであり、このシステムは、Ｘ線のファン・ビーム又はコーン・ビームを発生するＸ線管と、患者又は物体を透過したＸ線の部分を測定する対向するＸ線検出器のアレイとを含み得る。Ｘ線管及び検出器アレイは、被撮像体を中心として回転するガントリに装着されている。

図３は、Ｘ線イメージング・システムの説明例としてのＣＴシステムの概略ブロック図である。ＣＴシステムはコンピュータ５０を含んでおり、コンピュータ５０は、表示器と、例えばキーボード及びマウスのような何らかの形態の操作者インタフェイスとを有し得る操作コンソール６０を介して操作者から命令及び走査パラメータを受け取る。次いで、操作者が供給した命令及びパラメータはコンピュータ５０によって用いられて、Ｘ線制御器４１、ガントリ制御器４２、及びテーブル制御器４３に制御信号を与える。具体的には、Ｘ線制御器４１は電力及びタイミング信号をＸ線源１０に与え、テーブル１２に位置した物体又は患者へのＸ線の放出を制御する。ガントリ制御器４２は、Ｘ線源１０及びＸ線検出器２０を含むガントリ１１の回転速度及び位置を制御する。例として述べると、Ｘ線検出器は光子計数Ｘ線検出器であってよい。テーブル制御器４３は、患者テーブル１２の位置及び患者の走査範囲を制御して決定する。また、検出器２０を制御し且つ／又は検出器２０からデータを受け取るために構成された検出器制御器４４も存在している。

一実施形態では、コンピュータ５０はまた、Ｘ線検出器から出力される画像データの後処理及び画像再構成を実行する。これにより、コンピュータは図１及び図２に示すような画像処理システム３０に対応する。付設された表示器は、再構成された画像及びコンピュータからの他のデータを操作者が観察することを可能にする。

ガントリ１１に配置されたＸ線源１０はＸ線を放出する。例えば光子計数検出器の形態のＸ線検出器２０が、患者を通過した後のＸ線を検出する。Ｘ線検出器２０は例えば、センサ又は検出器素子とも呼ばれる複数のピクセルと、検出器モジュールに配置されたＡＳＩＣのような付設された処理回路とによって形成され得る。アナログ処理部の部分はピクセルにおいて具現化され得るが、残りのあらゆる処理部は、例えばＡＳＩＣにおいて具現化される。一実施形態では、処理回路（ＡＳＩＣ）はピクセルからのアナログ信号をディジタル化する。処理回路（ＡＳＩＣ）はまた、測定データに補正を加える、測定データを一時的に記憶する、及び／又はフィルタ処理を行なう等のようなさらなる処理演算を行なうディジタル処理部を含み得る。Ｘ線投影データを取得する走査中に、ガントリ及びガントリに装着された構成要素はアイソセンタを中心として回転する。

最新のＸ線検出器は通常、入射したＸ線を電子へ変換する必要があり、このことは典型的には、光電効果又はコンプトン相互作用を通じて生じ、結果として生ずる電子は通常、エネルギが失われるまで二次の可視光を生成し、そしてこの光が感光物質によって検出される。また、半導体に基づく検出器も存在しており、この検出器ではＸ線相互作用から電子正孔対の放出が生じて、これらの対が、印加された電場を通じて収集される。

また、多数のＸ線からの積算信号を与えるという意味でエネルギ積算モードで動作する検出器も存在する。出力される信号は、検出されるＸ線によって蓄積された合計エネルギに比例する。

光子計数能力及びエネルギ分解能力を備えたＸ線検出器が、医用Ｘ線応用にとって一般的になりつつある。光子計数検出器は、原則として各々のＸ線光子のエネルギを測定することができ、物体の組成についての付加的な情報を与えるので有利である。この情報を用いて、画質を高め、且つ／又は放射線量を減少させることができる。

一般的には、光子計数Ｘ線検出器は、検出器物質での光子相互作用によって発生される電気パルスの波高を一組の比較器電圧と比較することにより、光子のエネルギを決定する。これらの比較器電圧をエネルギ閾値とも呼ぶ。一般的には、比較器のアナログ電圧は、ディジタル－アナログ（ディジタルからアナログへの）変換器すなわちＤＡＣによって設定される。ＤＡＣは、制御器によって送られるディジタル設定を、光子パルスの波高を比較し得るアナログ電圧へ変換する。

光子計数検出器は、測定時間中に検出器において相互作用した光子の数をカウントする。１個の新たな光子は一般的には、電気パルスの波高が少なくとも一つの比較器の比較器電圧を超えることにより識別される。光子が識別されたら、この事象はチャンネルに付設されたディジタル・カウンタをインクリメントすることにより記憶される。

幾つかの異なる閾値を用いると、所謂エネルギ弁別光子計数検出器が得られ、この検出器では、検出された光子は様々な閾値に対応するエネルギ・ビンに分類され得る。この形式の光子計数検出器を多重ビン（multi-bin）検出器とも呼ぶ。一般的には、エネルギ情報は新たな種類の画像を作成することを可能にし、この画像では新たな情報が利用可能となって、従来の技術に固有の画像アーティファクトを除去することができる。換言すると、エネルギ弁別光子計数検出器については、パルス波高は比較器において所定数のプログラム可能な閾値（Ｔ１からＴＮ）と比較され、パルス波高に応じて分類され、延いてはエネルギに比例する。換言すると、１よりも多い比較器を含む光子計数検出器をここでは多重ビン光子計数検出器と呼ぶ。多重ビン光子計数検出器の場合には、光子の個数は、典型的には各々のエネルギ閾値毎に一つずつの一組のカウンタに記憶される。例えば、カウンタは、光子パルスが超えた最も高いエネルギ閾値に対応するように割り当てられ得る。もう一つの例では、カウンタは、光子パルスが各々のエネルギ閾値に交差した回数を記憶する。

一例として、エッジ・オン（垂直配向）は光子計数検出器の特殊な非限定的設計であり、ここではＸ線検出器素子又はピクセルのようなＸ線センサは、入射したＸ線に対してエッジ・オン配向となっている。

例えば、かかる光子計数検出器は、少なくとも二つの方向にピクセルを有することができ、エッジ・オン光子計数検出器の方向の一つはＸ線の方向の成分を有する。かかるエッジ・オン光子計数検出器を深さ分割式（depth-segmented）光子計数検出器とも呼び、入射するＸ線の方向に２以上の深さ画分のピクセルが存在する。

代替的には、ピクセルは、入射するＸ線の方向に実質的に直交する方向にアレイ（非深さ分割式）として配列されることもでき、ピクセルの各々が、入射するＸ線に対してエッジ・オンに配向され得る。換言すると、この光子計数検出器は、入射するＸ線に対して依然エッジ・オンに配列されつつ、非深さ分割式であると言える。

吸収効率を高めるために、エッジ・オン光子計数検出器は相応にエッジ・オンに配列されることができ、この場合には吸収深さは任意の長さに選択されることができ、エッジ・オン光子計数検出器は、極めて高い電圧に至ることなく完全空乏化し得る。

直接型半導体検出器を通じてＸ線光子を検出する従来の機構は基本的には、次の通りに動作する。検出器物質におけるＸ線相互作用のエネルギは、半導体検出器の内部で電子正孔対へ変換され、ここで電子正孔対の数は一般に光子エネルギに比例する。電子及び正孔は検出器電極へ向かって後方に（又は反対に）移動する。移動中に、電子及び正孔は電極に電流を誘導し、この電流を測定することができる。

図４に示すように、信号はＸ線検出器の検出器素子２１から並列処理回路（例えばＡＳＩＣ）２５の入力まで参照番号２２の経路で流れる。特定応用向け集積回路（ＡＳＩＣ）との用語は、特定の応用に用いられかかる応用のために構成された任意の一般的な回路であると広く解釈されるべきであることを理解されたい。ＡＳＩＣは、各々のＸ線から発生される電荷を処理してディジタル・データへ変換し、このデータを用いて、光子数のような測定データ及び／又は推定エネルギを得ることができる。ＡＳＩＣはディジタル・データ処理回路への接続のために構成されているので、ディジタル・データはさらなるディジタル・データ処理４０及び／又は１又は複数のメモリ４５へ送られることができ、最終的にデータは画像処理５０のための入力となって再構成画像を形成する。

一つのＸ線事象からの電子及び正孔の数はＸ線光子のエネルギに比例するので、一つの誘導電流パルスにおける合計電荷がこのエネルギに比例する。ＡＳＩＣでのフィルタ処理段の後に、パルス振幅が電流パルスの合計電荷に比例し、従ってＸ線エネルギに比例する。次いで、パルス振幅は、値を１又は複数の比較器（ＣＯＭＰ）での１又は幾つかの閾値（ＴＨＲ）と比較することにより測定されることができ、パルスが閾値よりも大きくなった場合の数を記録することのできるカウンタが導入される。このようにして、何らかの時間枠内で検出されて、それぞれの閾値（ＴＨＲ）に対応するエネルギを超えるエネルギを有するＸ線光子の数を数える及び／又は記録することが可能である。

ＡＳＩＣは典型的には、クロック周期毎に１回ずつアナログ光子パルスを標本化し、比較器の出力を記録する。比較器（閾値）は、アナログ信号が比較器電圧を上回ったか下回ったかに応じて１又は０を出力する。各々の標本において利用可能な情報は、例えば各々の比較器についての１又は０であり、比較器がトリガを受けた（光子パルスが閾値よりも高かった）か否かを表現したものである。

光子計数検出器においては、典型的には、新たな光子が記録されたか否かを決定して、カウンタに光子を記録する光子計数論理が存在する。多重ビン光子計数検出器の場合には、典型的には、例えば各々の比較器に一つずつ、幾つかのカウンタが存在し、光子数は光子エネルギの推定値に応じてカウンタに記録される。この論理は、幾つかの異なる方法で具現化され得る。光子計数論理の最も一般的な範疇の二つが、所謂非麻痺型計数モード及び麻痺型計数モードである［２９］。他の光子計数論理としては極大値検出があり、この論理は例えば、電圧パルスにおいて検出された極大値を数え、また可能性として極大値のパルス波高を記録する［２８］。

以下は非麻痺型計数モードの一例である。１）閾値がトリガを受けたならば新たな光子が検出される。２）新たな光子が記録されたならば、不感時間が初期化されて、この間に、トリガを受けた最大閾値が記録される。３）不感時間が完了した後に、トリガを受けた最大閾値に対応するカウンタに個数が記録される。４）不感時間が完了した後に、新たな光子に対してチャンネルが開く。非麻痺型計数モードでは、記録される個数は最大値Ｎ_ｍａｘ＝測定時間／不感時間に達する。

麻痺型計数モードの一例としては、非麻痺型計数モードの例を取り、不感時間の持続時間が、光子パルスが閾値の任意のものにトリガを与える長さまで延長されることを加味する。この変更の帰結として、記録される個数が、極めて高い光子計数率については０まで降下する。

入射する光子の数が光子計数チャンネルによって分解され得ない状況をパルス・パイルアップと呼び、光子パルスが増大して合体し、互いから識別され得ない状況を指す。パルス・パイルアップは光子計数検出器の性能を制限する重大な問題となり得る［１］。

光子計数検出器の多くの利点があり、限定しないが、高い空間分解能、低い電子ノイズ、エネルギ分解、及び物質分離能力（スペクトル撮像能力）等がある。しかしながら、エネルギ積算検出器は、高計数率を許容するという長所がある。この計数率の許容は、光子の合計エネルギが測定されるので、１個の付加的な光子を加えると、検出器によって現在記録されている光子の数を問わず、出力信号は必ず増大する（妥当な限度内で）という事実／認識に由来する。この重要な長所は、エネルギ積算検出器が今日医用ＣＴに標準的である主な理由の一つである。

光子計数検出器の利点とエネルギ積算検出器の利点とを組み合わせる幾つかの試みが行なわれている。

光子計数機能（単一閾値）及びエネルギ積算機能を同時に可能にするＡＳＩＣ（ＣＩＸチップ）が開発されている。入来する信号を複製して、エネルギ積算チャンネル及び光子計数チャンネルの両方へ送る［２］［３］［４］。このＡＳＩＣはまた、光子計数信号及びエネルギ積算信号のエネルギ応答差から得られる二重エネルギ撮像能力についても評価されている［５］。また、光子計数チャンネルが測定時間中に飽和する場合のためのバックアップとしてエネルギ積算チャンネルが用いられることが示唆されている［６］。さらに、光子計数取得及びエネルギ積算取得の両方を利用可能にしているＡＳＩＣが開発されているが、但し同時にではない。これにより、検出器が多様なＸ線実験の要求を満たすことが可能になる［７］［８］。

幾つかの特許［２５］［２６］［２７］は、検出器素子当たり一つの計数チャンネル及び一つのエネルギ積算チャンネル（合計収集電荷の計測）の二つの並列チャンネルを設け、またＸ線の吸収量を決定するためにこれらの信号を併用する処理ユニットを設けることに関する。

エネルギ積算検出器及び光子計数検出器の両方から測定を得る幾つかの他の手法も開発されている。例えば、エネルギ積算検出器及び光子計数検出器の両方を有する二重検出器システムが開発されており、撮像について評価されている［９］。米国特許出願公開第２０１２／００８５９１５号［２４］は、光子計数部とエネルギ積算部とを含む検出器素子を備えた検出器を記載している。

提案されているもう一つの概念は、エネルギ積算ピクセル素子と光子計数ピクセル素子とを交互配置した検出器を設けるものであり、すなわち各々のピクセルが光子計数又はエネルギ積算の何れかとなっている［１０］。さらにもう一つのアプローチは、エネルギ分解を得るための信号の閾値処理と、電子回路を単純化するための電荷積算とを組み合わせるものである［１１］。

閾値超時間（ＴＯＴ［Time-Over-Threshold］）すなわちパルスが比較器閾値を上回った持続時間を測定することが、個々の粒子のエネルギを測定する手段として広く用いられている［１２］［１３］［１４］［１５］［１６］［１７］。検出される粒子のエネルギ及び到達時刻の分解を改善するために、異なる電圧における幾つかの閾値について同時にＴＯＴ信号を解析することが提案されている。所謂多重閾値超時間ＭＴＯＴ手法が、光電子増倍管信号処理、ニュートリノ望遠鏡、陽電子放出断層写真法（ＰＥＴ）、及び宇宙線検出のような様々な応用に用いられている［１８］［１９］［２０］［２１］。

参考文献［２２］では、光子計数検出器のダイナミック・レンジを増強するために、光子計数信号よりも遅く飽和する閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）読み出しを用い得ることが示されている。この参考文献に記載されている検出器は、閾値超時間モードで動作し得るが、計数モードと同時ではない。ＴＯＴモードは、特有の回路の具現化形態を有し、このモードに切り換える命令をＡＳＩＣへ送ることができる。また、高計数率性能を改善するために麻痺型光子計数検出器と組み合わせて閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）を併用する方法を記載した特許が存在する［２３］。記載された方法は、別個の高フラックス電子回路によって閾値超合計時間を得ている。この電子回路は、電圧パルスが閾値を超えたときにはオンに切り換わり、また反対に切り換わるアナログ電圧信号を積算するように構成され得る。電子ＴＴＯＴ測定回路はまた、カウンタを比較器に付設して、比較器がトリガを受けた各々のクロック周期毎にカウンタをインクリメントすることにより具現化され得る。

提案される測定方法をさらに十分に理解するために、簡単なシステム全体像及び／又は技術的な問題の分析から始めることが有用であろう。このために図５を参照すると、同図は従来技術による光子計数回路及び／又は装置の概略図を掲げている。

光子が半導体物質において相互作用すると、電子正孔対の雲が生成される。検出器物質に電場を印加することにより、電荷担体が、検出器物質に取り付けられた電極によって収集される。信号は検出器素子から並列処理回路、例えばＡＳＩＣの入力まで流れる。特定応用向け集積回路（ＡＳＩＣ）との用語は、特定の応用に用いられかかる応用のために構成された任意の一般的な回路であると広く解釈されるべきであることを理解されたい。ＡＳＩＣは、各々のＸ線から発生される電荷を処理してディジタル・データへ変換し、このデータを用いて、光子数のような測定データ及び／又は推定エネルギを得ることができる。一例では、ＡＳＩＣは、光子によって検出器物質に蓄積されたエネルギの量に比例した最大波高を有する電圧パルスが発生されるように、電荷を処理することができる。

ＡＳＩＣは一組の比較器３０２を含むことができ、各々の比較器３０２が、入力電圧パルスの大きさを参照電圧（エネルギ閾値に対応する）と比較する。比較器出力は典型的には、二つの比較される電圧のより大きい方に応じて０又は１（０／１）となる。ここでは、電圧パルスが参照電圧よりも高い場合に比較器出力は１となり、参照電圧が電圧パルスよりも高い場合に０となるものと仮定する。ディジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）３０１を用いて、利用者又は制御プログラムによって供給され得るディジタル設定を、比較器３０２によって用いられ得る参照電圧へ変換することができる。電圧パルスの波高が特定の比較器の参照電圧を超える場合には、この比較器は「トリガを受けた（triggered）」と呼ぶ。各々の比較器には一般的にはディジタル・カウンタ３０３が付設されており、ディジタル・カウンタ３０３は、光子計数論理に従って比較器出力に基づいてインクリメントされる。

参考のために、図６は、ＡＳＩＣによって解析される信号の一例を示す。ＡＳＩＣは一般的には、比較器出力が標本化されるときの速度を決定するＡＳＩＣクロックを含んでいる。標本化間隔はここではクロック周期４０２と呼ばれ、一つのクロック周期の長さは典型的には、１０ｎｓ程度である。各々のクロック周期中に、各々の比較器の出力がＡＳＩＣによって標本化される。例えば、チャンネルが５つの比較器を含んでいる場合に、ＡＳＩＣは各々のクロック周期において、各々の比較器毎に、対応する比較器がトリガを受けたか否かを示す一つの二値数を受け取る。換言すると、各々のクロック周期において、ＡＳＩＣは、電圧パルス４０３が現在上回った閾値についての情報を受け取る。図６の例では、ＡＳＩＣは、表に従って情報を受け取る。すなわち、各々の閾値（ＴＨＲ１、ＴＨＲ２、ＴＨＲ３）毎に、電圧パルス４０３が閾値を上回った否かを示す一組の１及び／又は０を受け取る。

従来は、各々のクロック周期毎に比較器からの出力を読み出すことは、データ転送系統の制限のため実現可能でないことが多い。代わりに、ＡＳＩＣは測定時間４０１にわたる比較器出力の表現を集計する。測定時間は典型的には、１００μｓ程度である。一例として、１０ｎｓのクロック周期で１００μｓの測定時間である場合には、測定時間当たり１０，０００クロック周期が存在する。図６の例では、測定時間は１１クロック周期長である。比較器出力の集計された表現は、例えば光子計数論理に従って記録された光子数であり得る。もう一つの例は、電圧パルスが閾値レベルを上方向に横断したすなわち比較器出力が０から１へ切り換わった各々の時刻を記録するものである。図６の例では、電圧パルスはＴＨＲ１を上方向に２回横断し、ＴＨＲ２を１回横断している。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、時間的に近接して到達した２個の光子の電圧パルスの例を示す模式図である。図１０（Ａ）では、二つのパルスが明瞭に分離されているが、図１０（Ｂ）では、二つのパルスは足し合わされて単一のより大きい電圧パルスを形成している。この現象をパルス・パイルアップと呼び、光子計数検出器については、この現象によって信号が二つの方法で劣化する。すなわち第一に、事象が２個ではなく１個として記録されるため統計値の損失を招き、システムの線量効率に悪影響を与える。第二に、事象が誤ったエネルギで記録されるので、測定のスペクトル忠実度が歪み、システムのスペクトル撮像能力を損なう。

第一の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成された回路が提供される。この回路は、幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を取得し又は発生して、これら幾つかのＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されている。

この回路は、様々な形態で具現化され得る一般的な回路に対応しており、例えば１若しくは複数の個別の回路で具現化されてもよいし、且つ／又は一組の個別の回路及び／若しくは様々な下位回路を含んでいてもよく、これらの回路の非限定的例が図７、図８（Ａ）、（Ｂ）、及び／又は図９に概略図示されている。

例として述べると、回路は、前記幾つかのＴＴＯＴ信号から形成される又はこれら幾つかのＴＴＯＴ信号によって表現されるエネルギ積算情報を提供するように構成され得る。

一つの具体例では、回路は、異なるエネルギに設定された前記幾つかのエネルギ閾値についての前記ＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算信号を近似する又は表現する信号を形成するように構成されている。

例えば、回路は、前記幾つかのＴＴＯＴ信号の（重み付き）和、又は線形結合若しくは非線形結合によってディジタル・エネルギ積算信号を形成する又は発生するように構成され得る。

代替的には又は補完として、回路は、例えば多かれ少なかれ直接的に画像再構成のために、前記幾つかのＴＴＯＴ信号を介してエネルギ積算情報を出力するように構成され得る。

興味深いこととして、前記幾つかのＴＴＯＴ信号の集計及び／又は結合は、スペクトル・エネルギ情報を含み得る。

一つの具体例では、回路は、例えば図７及び図８（Ａ）、（Ｂ）に概略図示されているように、前記多重ビン光子計数Ｘ線検出器の比較器出力に直接適用されるように構成されている。

例として述べると、回路は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器の対応する比較器からの比較器出力を入力として、この比較器出力に基づいて幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する前記ＴＴＯＴ信号を発生する又は取得するように構成され得る（例えば図７及び図８（Ａ）、（Ｂ）を参照されたい）。

図５の具体例に戻り、各々の比較器は、それぞれのエネルギ閾値に基づいて動作するように構成され得る。

多重ビン光子計数Ｘ線検出器は一組の比較器３０２を有することができ、各々の比較器が、１又は複数の検出器素子からの入力電圧パルスの大きさをそれぞれのエネルギ閾値に対応する参照電圧と比較して比較器出力を生成するように構成されている。

例えば、回路は、入力電圧パルスがそれぞれの比較器において予め決められた測定時間又はその部分集合の間に参照電圧を上回ったクロック周期の総数を含む入力に基づいてＴＴＯＴ信号の各々を発生する又は取得するように構成され得る。

一つの具体例では、回路は、それぞれの比較器が予め決められた測定時間又はその部分集合の間にトリガを受けたクロック周期の数の和を取ることにより、比較器出力からＴＴＯＴ信号の各々を発生する又は取得するように構成され得る。

選択随意で、回路は、測定時間又はその部分集合の間に１よりも多いすなわち幾つかの比較器について比較器出力の和を取るように構成され得るか、又は
回路は、測定時間又はその部分集合の間の比較器出力の平均値を算出するように構成され得るか、又は
回路は、各々の比較器がトリガを受けた最も高い比較器となったクロック周期の和を算出するように構成され得る。

また、回路が、利用可能なエネルギ閾値の部分集合及び／又はＸ線検出器の検出器素子の部分集合について前記幾つかのＴＴＯＴ信号を発生する又は取得するように構成されることも可能である。

例として述べると、回路は、閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）論理回路５０２及び／又はディジタル処理回路５０４を含んでいる。

第二の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成された閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）論理回路が提供され、このＴＴＯＴ論理回路は、幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を発生して、これら幾つかのＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されている。

一例として、ＴＴＯＴ論理回路は、前記幾つかのＴＴＯＴ信号から形成される又はこれら幾つかのＴＴＯＴ信号によって表現されるエネルギ積算情報を提供するように構成され得る。

好適例として述べると、ＴＴＯＴ論理回路は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器の比較器出力に直接適用されるように構成され得る。

例えば、ＴＴＯＴ論理回路は、所定の標本化間隔で光子計数Ｘ線検出器の比較器出力を標本化するように構成され得る。

一つの具体例では、ＴＴＯＴ論理回路は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器の対応する比較器からの比較器出力を入力として、この比較器出力に基づいて幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する前記ＴＴＯＴ信号を発生するように構成されている。

第三の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成されたディジタル処理回路が提供され、このディジタル処理回路は、１よりも多いエネルギ閾値に対応する１よりも多い閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を取得して、これら１よりも多いＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されている。

例えば、ディジタル処理回路は、前記１よりも多いＴＴＯＴ信号を受け取って、これら１よりも多いＴＴＯＴ信号に基づいて少なくとも前記エネルギ積算情報を表現する結合値を形成するように構成され得る。

一つの具体例では、ディジタル処理回路は、前記結合値を形成するために低エネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号と高エネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号とを結合するように構成されている。

例として述べると、ディジタル処理回路は、前記１よりも多いＴＴＯＴ信号及び少なくとも一つの光子計数信号を受け取って、エネルギ積算情報及び光子計数情報を表現する結合値を信号結合によって形成するように構成され得る。

一例として、ディジタル処理回路は、入射するＸ線光子の計数率に依存した信号結合によって前記結合値を形成するように構成され得る。

選択随意で、ディジタル処理回路は、予め決められた閾値計数率よりも低い光子計数率では前記信号結合において前記少なくとも一つの光子計数信号に付加重みを与え、前記閾値計数率よりも高い光子計数率では前記信号結合において前記よりも多いＴＴＯＴ信号に付加重みを与えることにより、前記結合値を形成するように構成され得る。

第四の観点によれば、第二の観点のＴＴＯＴ論理回路及び／又は第三の観点のディジタル処理回路を備えた光子計数Ｘ線検出器用の測定回路が提供される。

選択随意で、測定回路はさらに、例えば図７に概略図示されているような光子計数論理回路を含んでいる。

一つの具体例では、測定回路は、所定の標本化間隔で光子計数Ｘ線検出器の比較器出力を標本化するように構成される。

第五の観点によれば、第一の観点、第二の観点、第三の観点、及び／又は第四の観点の任意の観点の回路を備えたＸ線イメージング・システムが提供される。

例として述べると、Ｘ線イメージング・システムは、スペクトル情報として幾つかのエネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号に基づいて被撮像体の物質特定的撮像を行なうように構成され得る。

例えば、Ｘ線イメージング・システムは、ＴＴＯＴ信号を、光子計数信号、及び／又はＴＴＯＴ信号から形成されるディジタル・エネルギ積算信号と組み合わせたものに基づいて被撮像体の物質特定的撮像を行なうように構成され得る。

第六の観点によれば、多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器との運用のために構成されたシステムが提供され、このシステムは、多重ビン光子計数検出器の１よりも多い比較器からの出力に基づいて１よりも多い閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を発生するために構成されている。

前述のように、このようにして多重ビン光子計数Ｘ線検出器において異なるエネルギに設定された幾つかのエネルギ閾値についての閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号に基づいてエネルギ積算信号を表現する又は近似する信号を得ることが可能である。かかる信号をディジタル・エネルギ積算信号と呼ぶことができる。

発明者等は、幾つかのＴＴＯＴ信号から形成される又はこれら幾つかのＴＴＯＴ信号によって表現される信号が、入力光子計数率について有意にさらに線形であり、全体的なＸ線イメージング・システムがより高い計数率においても線量効率を保つことを可能にすることを認めた。

ディジタル・エネルギ積算信号を得る提案される方法及び構造的構成の具体的な非限定的例が、エネルギ積算信号を得る従来技術よりも優る利点は、信号の積算／集計用の専用アナログ回路が不要であることである。代わりに、発明者等は、多重ビン光子計数検出器の能力の一部として既に存在するディジタル比較器の出力を利用することが実現可能であることを認めた。

以下、非限定的例をさらに詳細に説明する。

具体的な実施形態では、本発明は、多重ビン光子計数検出器において異なるエネルギに設定された幾つかのエネルギ閾値について閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号６０１に基づいてエネルギ積算信号を表現する又は近似する信号を得ることに関する。得られた信号を本書ではディジタル・エネルギ積算信号と呼ぶ。

ディジタル・エネルギ積算信号は、例えば幾つかのエネルギ閾値に対応するＴＴＯＴ信号の和、線形結合、又は非線形結合によって形成され得る。エネルギ積算情報はまた、幾つかのＴＴＯＴ信号を介して画像再構成工程に間接的に渡され得る。

ディジタル・エネルギ積算信号を得る提案される方法が、エネルギ積算信号を得る従来技術よりも優る利点は、信号の積算／集計用の専用アナログ回路が不要であることである。代わりに、この方法は、多重ビン光子計数検出器の能力の一部として既に存在するディジタル比較器の出力を利用する。

幾つかのＴＴＯＴ信号から形成される又はこれら幾つかのＴＴＯＴ信号によって表現される信号は、入力光子計数率について有意にさらに線形であり、より高い計数率においても線量効率を保つ。

提案される方法の利点は、幾つかのＴＴＯＴ信号が、高度のパルス・パイルアップを蒙る撮像事例についても、スペクトル撮像のために用いられ得るスペクトル（光子エネルギ）情報を含むことである。

また、本発明は、被撮像体の物質分離（物質特定的撮像）を行なうためのスペクトル情報として、幾つかのエネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号を用いることに関する。可能性としては、光子計数信号及び／又はディジタル・エネルギ積算信号と組み合わせる。

実施形態の一例では、光子計数論理は非麻痺型である。

本発明の一つの具体的な目的は、高い光子計数率での多重ビン光子計数検出器の性能を改善することであり得る。このことを図１２に示しており、同図では、光子計数信号６０２（ここでは非麻痺型光子計数論理による）が、ＴＴＯＴ信号６０１よりも低い光子計数率において飽和し（信号を失い）、次にＴＴＯＴ信号６０１はディジタル・エネルギ積算信号６０３よりも低い光子計数率において飽和していることが示されている。この挙動の主な理由は、ＴＴＯＴ信号が、信号を記録することができない不感時間を伴って動作する訳ではないからである。従って、付加的な光子パルスを加えると、一般的には、パルス・パイルアップが存在している場合にも、測定されるＴＴＯＴ信号は増大する。ディジタル・エネルギ積算信号は、極めて高い光子計数率まで光子の数に比例して増大する。

本発明の一実施形態では、閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号６０１（の各々）は、入力電圧パルスが測定時間４０１中に参照電圧を上回ったクロック周期４０２の総数に基づく。基本的な考え方は、例えば比較器が測定時間中にトリガを受けたクロック周期の数の和を取ることにより比較器出力からＴＴＯＴ信号を抽出するものである。図６に関して述べると、測定時間中にトリガを受けたクロック周期の和は、ＴＨＲ１については６であり、ＴＨＲ２については２である。

ＴＴＯＴ信号を抽出する提案される方法が従来技術に優る利点は、ＴＴＯＴ信号を推定するための専用のアナログ電子回路が不要であることである。代わりに、閾値超合計時間計数論理が比較器出力に直接適用される。このことが図７に示されており、同図では、比較器３０２からの出力は、閾値超合計時間論理５０２と、実施形態の一例では（選択随意要素の）光子計数論理５０１とを含む測定回路へ送られる。ＴＴＯＴ論理及び光子計数論理からの出力は、実施形態の一例では、測定回路５０３からの読み出しに先立って選択随意でディジタル処理５０４の段階を通過する。

もう一つの観点では、本発明の実施形態の一例はまた、閾値超合計時間計数論理５０２、並びに対応する装置及び／又はシステムに関する。実施形態の一例では、閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）論理は、測定時間中の１よりも多いすなわち幾つかの比較器について比較器出力の和として具現化され得る。代替的な実施形態では、ＴＴＯＴ論理は、測定時間中の比較器出力の平均値を算出する。さらにもう一つの実施形態では、ＴＴＯＴ論理は、各々の比較器が、トリガを受けた最も高い比較器となるクロック周期の和を算出する。図６に関して、後者の実施形態はＴＨＲ１について４、及びＴＨＲ２について２を返す。

さらにもう一つの観点によれば、本発明の実施形態の一例はまた、図７に示すように、光子計数論理５０１及び閾値超合計時間論理５０２の両方を含む測定回路５０３に関する。測定回路５０３は、光子計数出力及びＴＴＯＴ出力の両方、又はこれらの任意の組み合わせを、ディジタル処理５０４段を介して出力するように具現化され得る。本発明は、光子計数論理の特定の具現化形態に限定されないことを理解されたい。例えば、光子計数論理は、麻痺型又は非麻痺型の何れであってもよい。

図８（Ａ）を参照すると、本発明はまた、多重ビン光子計数検出器において１よりも多い比較器３０２についての出力に基づいて１よりも多いＴＴＯＴ信号６０１を取得する及び／又は発生する方法／システムに関する。

実施形態の一例では、ＴＴＯＴ信号６０１は、利用可能なエネルギ閾値の部分集合について得られる。付加的な実施形態では、ＴＴＯＴ信号６０１は、検出器素子の部分集合について得られる。付加的な実施形態では、ＴＴＯＴ信号は、測定時間の部分集合の間に測定される。

図８（Ｂ）は、１よりも多いＴＴＯＴ信号を取得する及び／又は発生するシステム／回路のもう一つの例を示す模式図である。この具体例では、システム／回路は選択随意で、ＴＴＯＴ信号及び／又は結合値若しくは結合信号を発生するように、ＴＴＯＴ論理回路５０２に加えてディジタル処理回路５０４を含み得る。

図９は、１よりも多いＴＴＯＴ信号と、選択随意で１又は複数の光子計数信号とから少なくとも一つの結合値を生成するディジタル処理回路の一例を示す模式図である。

本発明はまた、１よりも多いＴＴＯＴ信号６０１から少なくとも一つの結合値６０３を形成する方法／システム／回路に関する。結合値は、例えばＴＴＯＴ値の重み付き和である。結合値はまた、両方の信号の利点を得る試みにおいて光子計数信号６０２を含み得る。結合値は、例えば重みが二つの隣接する比較器電圧の間の距離を表現するＴＴＯＴ値の重み付き和を介したエネルギ積算信号の近似であってよい。信号結合の選択される方法は、例えば入射するＸ線光子の計数率に依存し得る。例えば、低い光子計数率（すなわち所与の閾値計数率よりも低い）では、光子計数信号がＴＴＯＴ信号よりも優位なので、光子計数信号に加算重みを与えると有利である。一方、高い光子計数率又は高フラックス（すなわち所与の閾値計数率よりも高い）では、ＴＴＯＴ信号が光子計数信号よりも優位なので、加算重みはＴＴＯＴ信号に与えられる。

図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、２個の光子から生ずるＴＴＯＴ信号の例を示す模式図である。

時間的に離隔された二つの光子パルスを含む測定からのＴＴＯＴ信号６０１の一例を図１１（Ａ）に示す。この例では、各々の閾値についてのＴＴＯＴ信号は、閾値がトリガを受けたクロック周期の数の和によって形成されている。図１１（Ａ）では、二つの光子パルスは明瞭に分離されており、図１１（Ｂ）では、二つの光子パルスは加算されて単一のより大きい電圧パルスを形成している。各々の場合でＴＴＯＴ信号６０１は図の右側の表に示されている。低エネルギ閾値（ＴＨＲ１及びＴＨＲ２）についてのＴＴＯＴ信号は、パルス・パイルアップの帰結として減少していることが分かる。一方、高エネルギ閾値（ＴＨＲ３、ＴＨＲ４及びＴＨＲ５）については、ＴＴＯＴ信号は増大している。

さらにもう一つの観点によれば、本発明の実施形態の一例は、異なるエネルギの幾つかの閾値に対応するＴＴＯＴ信号から結合値を形成する方法に関する。一つの具体例では、この方法は、測定時間中に電圧パルスの積分を表現する又は近似する結合値を形成する。実施形態の一例では、結合値は、幾つかのＴＴＯＴ信号の重み付き和を算出することにより形成される。重みは、結合値が電圧パルスの積分を表現する又は近似するように選択され得る。図１１の例では、閾値１、２、３、４、５にそれぞれ対応するＴＴＯＴ信号について重み［３，２，２，２，２］を考える。これらの重みは、エネルギ閾値の間の距離に対応している。重み付き和はこの場合には、図１１の棒グラフの積分に等しくなり、真の電圧パルスを極く近くで近似する。重み付き和はこの場合には、電圧パルスの積分を近似する。図１１の具体例では、重み付き和は（Ａ）では１０２、また（Ｂ）では１０３であり、望まれるように、結合信号がパルス・パイルアップに相対的に不感であることを示す。代替的な重み付け方式は、各々の閾値毎に、閾値ｉがトリガを受けた最も高い閾値となったクロック周期Ｎ_ｉの総数を算出するものである。閾値ｉがトリガを受けた最も高い閾値となったときのパルスの平均波高がＨ_ｉである場合には、電圧パルスの積分は全ての閾値（ｉ）についての（Ｎ_ｉ×Ｈ_ｉ）の和によって近似され得る。Ｈ_ｉの値は、エネルギ閾値の位置の知識から推定されることができ、値Ｎ_ｉは、ＴＴＯＴ論理の比較器値から直接算出されることもできるし、Ｎ_ｉ＝ＴＴＯＴ_ｉ－ＴＴＯＴ_ｉ＋１を算出することにより得ることもできる。尚、ＴＴＯＴ_ｉは閾値ｉがトリガを受けたクロック周期の総数である。

異なるエネルギ・レベルの幾つかの閾値についてＴＴＯＴ信号を測定する利点は、ＴＴＯＴ信号が様々な速度で飽和する（理想よりも低信号になる）ことであり、閾値電圧が高いほど高エネルギを有する光子が少なくなるため、信号が飽和するのは遅くなる。パルス・パイルアップの場合には、低エネルギ閾値についてのＴＴＯＴ信号６０１は飽和を始める。高エネルギ閾値についてのＴＴＯＴ信号６０１は、パイルアップの帰結として増大し得る。増加する光子計数率の関数としてのＴＴＯＴ信号の挙動を図１３に示す。この挙動は、２個以上の光子の結合パルスが、各々の個別のパルスよりも高振幅を有するという事実に起因し、従って高い閾値ほどより頻繁にトリガを受け、このことは図１１から結論され得る。ある意味で、パルス・パイルアップのため低い閾値について減少するＴＴＯＴ信号が、より高い閾値について増大するＴＴＯＴ信号によって補償される。換言すると、光子計数率が増大するにつれて、減少する平均パルス長さ、及び増大する平均パルス波高という信号の二つの競合する特徴が存在する。低エネルギでは、減少する平均パルス長さが優位になり、高エネルギでは、増大する平均パルス波高が優位になる。一方、電圧パルスの積分に比例した合計エネルギは、増大する光子計数率について線形となる。

光子計数率が増加するにつれて低エネルギの比較器についてＴＴＯＴ信号が飽和する理由を理解するために、二つの光子パルスが、個々のパルスの幅よりも時間的に近接してチャンネルに到達する場合を考える。二つのパルスは、各々の個々のパルスよりも大きいが二つのパルスの長さの和よりも短い長さを有する結合パルスを形成する。従って、このＴＴＯＴ信号は、増加する光子計数率では線形でなく、線形よりも遅く増大する。極端に高い計数率では、ＴＴＯＴ信号は測定時間に等しく最大値に近付く。

低エネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号６０１と高エネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号６０１とを結合すると、図１３に示すように入射する光子の計数率について線形である結合値６０３を形成することが可能である。この線形性は、高いＴＴＯＴ信号６０１と低いＴＴＯＴ信号６０１とが結合されて、測定時間中に蓄積された合計エネルギに比例した信号を形成するという構成及び／又は設計に由来する。線形信号は、エネルギ積算検出器からの信号に似ており、但し積算がアナログ信号ではなくディジタル化された信号について行なわれる点が異なる。

光子検出効率をよくする、すなわち大部分の光子が記録されるようにするためには、低エネルギ光子も記録されるように少なくとも一つの閾値を低エネルギに設定することが望ましい。唯一の閾値が用いられる場合には、閾値は一般的には、相対的に低いエネルギに設定される。結果として、単一の比較器のＴＴＯＴ信号は相対的に低い光子計数率で飽和する。

各々の検出器素子からの出力（光子計数信号及びＴＴＯＴ信号）は、Ｘ線イメージング・システムから読み出されることができ、読み出し後に解析することもできるし、例えばＡＳＩＣ又はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）に位置する処理ユニットにおいて解析することもできる。

この方法を用いて、ピクセル当たり二つの別個のチャンネルを必要とせずに、同時的なスペクトル光子計数データとエネルギ積算データとを得ることができる。

単一の閾値を用いたＴＴＯＴアプローチに比較して、幾つかのＴＴＯＴ信号６０１に基づく結合値６０３は、より高い計数率に対する抵抗を有するように構成され得る。また、幾つかのＴＴＯＴ信号を有すると、より高い計数率でのスペクトル撮像能力を改善することができる。

もう一つの観点によれば、検出器素子の少なくとも部分集合が光子計数信号及びＴＴＯＴ信号を得ることができるような多重ビン光子計数検出器が提供される。

もう一つの観点によれば、Ｘ線源と、検出器素子の少なくとも部分集合についてＴＴＯＴ信号及び光子計数信号を得るように構成された光子計数検出器のアレイを含むＸ線検出器とを備えたＸ線イメージング・システムが提供される。

補足的な観点によれば、検出器素子の少なくとも部分集合についてＴＴＯＴ信号及び光子計数信号を得るように構成された光子計数シリコン・エッジ・オン検出器を備えたＸ線検出器及びＸ線イメージング・システムが提供される。

図１４は、多重ビン光子計数Ｘ線検出器からエネルギ積算情報を得る基本的な方法の一例を示す模式図である。

基本的に、この方法は、前記多重ビン光子計数検出器において異なるエネルギに設定された幾つかのエネルギ閾値についての閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号に基づいてエネルギ積算信号を表現する又は近似する信号を提供する又は生成するステップＳ１を含んでいる。

本書に記載される機構及び構成は、多様な方法で具現化され、結合されて、再構成され得ることが認められよう。

例えば、各実施形態は、ハードウェアとして、若しくは適当な処理回路による実行のためのソフトウェアとして少なくとも部分的に、又はこれらの組み合わせで具現化され得る。

本書に記載されるステップ、関数、手続き、及び／又はブロックは、汎用電子回路及び特定応用向け回路の両方を含めた個別回路技術又は集積回路技術のような任意の従来の技術を用いたハードウェアとして具現化され得る。

代替的には又は補足として、本書に記載されているステップ、関数、手続き、及び／又はブロックの少なくとも幾つかは、１又は複数のプロセッサ又は処理ユニットのような適当な処理回路による実行のためのコンピュータ・プログラムのようなソフトウェアとして具現化され得る。

補足的な観点によれば、対応するコンピュータ・プログラム及びコンピュータ・プログラム製品が提供される。

具体的には、命令を含むコンピュータ・プログラムが提供され、命令は、プロセッサによって実行されると、本書に記載されているような方法を実行することをプロセッサに行なわせる。

例えば、かかるコンピュータ・プログラムを記憶した非一過性のコンピュータ可読の媒体を含むコンピュータ・プログラム製品も提供され得る。

図１５は、一実施形態によるコンピュータ具現化形態の一例を示す模式図である。この具体例では、システム２００はプロセッサ２１０とメモリ２２０とを含んでおり、メモリはプロセッサによって実行可能な命令を含んでおり、これによりプロセッサは、本書に記載されているステップ及び／又は動作を実行するように動作する。命令は典型的には、コンピュータ・プログラム２２５、２３５として編成され、これらのプログラムは、メモリ２２０に予め構成されていてもよいし、外部メモリ装置２３０からダウンロードされてもよい。選択随意で、システム２００は入出力インタフェイス２４０を含んでおり、インタフェイス２４０は、プロセッサ２１０及び／又はメモリ２２０と相互接続されて、入力パラメータ及び／又は結果として得られる出力パラメータのような関連データの入出力を可能にし得る。

一つの具体例では、メモリは、プロセッサが電荷拡散の推定又は測定を決定して、電荷拡散の決定された推定に基づいて検出器の小モジュールの厚みに沿って相互作用の初期点を推定するように動作するようなプロセッサによって実行可能な一組の命令を含んでいる。

「プロセッサ」との用語は、特定の処理を実行するようにプログラム・コード若しくはコンピュータ・プログラム命令を実行すること、又はタスクを決定する若しくは計算することを可能にする任意のシステム又は装置という一般的な意味で解釈されるものとする。

このように、１又は複数のプロセッサを含む処理回路は、コンピュータ・プログラムを実行すると、本書に記載されているもののような明確に定義された処理を行なうように構成されている。

処理回路は、上述のステップ、関数、手続き及び／又はブロックを実行するのみの専用でなくてもよく、他のタスクを実行してもよい。

提案される技術はまた、かかるコンピュータ・プログラムを記憶したコンピュータ可読の媒体２２０、２３０を含むコンピュータ・プログラム製品を提供する。

例として述べると、ソフトウェア又はコンピュータ・プログラム２２５、２３５はコンピュータ・プログラム製品として実現されることができ、これらの製品は通常、コンピュータ可読の媒体２２０、２３０、具体的には不揮発性媒体に担持され又は記憶される。コンピュータ可読の媒体は、限定しないが読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、ディジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイ・ディスク、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）メモリ、ハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）記憶装置、フラッシュ・メモリ、磁気テープ、又は他の任意の従来のメモリ装置を含めた１又は複数の着脱型又は非着脱型のメモリ装置を含み得る。このように、コンピュータ・プログラムはコンピュータの動作するメモリの内部に読み込まれてもよいし、コンピュータの処理回路による実行のために同等の処理装置に読み込まれてもよい。

方法のフローは、１又は複数のプロセッサによって実行されるとコンピュータ動作フローとして見做され得る。対応するデバイス、システム及び／又は装置は一群の機能モジュールとして定義されることができ、プロセッサによって実行される各々のステップが、機能モジュールに対応する。この場合には、機能モジュールはプロセッサで実行されるコンピュータ・プログラムとして具現化される。故に、デバイス、システム及び／又は装置は代替的には、一群の機能モジュールとして定義されてもよく、これらの機能モジュールは、少なくとも一つのプロセッサで実行されるコンピュータ・プログラムとして具現化される。

このように、メモリに常駐するコンピュータ・プログラムは、プロセッサによって実行されると、本書に記載されているステップ及び／又はタスクの少なくとも部分を実行するように構成されている適当な機能モジュールとして編成され得る。

代替的には、主にハードウェア・モジュールによって、又は代替的にはハードウェアによって、モジュールを実現することが可能である。ソフトウェア対ハードウェアの範囲は単に具現化形態の選択による。

提案される技術が幾つかのＴＴＯＴ信号に含まれるスペクトル情報に基づいて物質特定的撮像を行なうために用いられるときには、基底物質分解手法が用いられ得る。

基底物質分解は、人体組織のように小さい原子番号の元素から構成される全ての物質は線減弱係数μ（Ｅ）を有し、この線減弱係数μ（Ｅ）のエネルギ依存性が、よい近似として二つの（又は二つよりも多い）基底関数の線形結合として表わされ得るという事実を利用する。すなわち、
μ（Ｅ）＝ａ_１ｆ_１（Ｅ）＋ａ_２ｆ_２（Ｅ）
であり、式中、ｆ_ｉは基底関数であり、ａ_ｉは対応する基底係数である。撮像に用いられるエネルギ範囲にｋ吸収端が存在するのに十分なだけ大きい原子番号の１又は複数の元素が被撮像容積に存在する場合には、各々のかかる元素毎に一つの基底関数を加算しなければならない。医用撮像の分野では、かかるｋ吸収端の元素は典型的には、造影剤として用いられる物質であるヨウ素又はガドリニウムであり得る。

基底物質分解は一般的には、非特許文献２５に記載されている。基底物質分解では、基底係数ａ_ｉの各々の線積分Ａ_ｉが、線源から検出器素子までの各々の投影射線ｌ（エル）における測定データから推測される。線積分Ａ_ｉは、ｉ＝１，…，Ｎについて、

と表現されることができ、式中、Ｎは基底関数の数である。一具現化形態では、基底物質分解は、先ず各々のエネルギ・ビンにおける予測される記録個数をＡ_ｉの関数として表現することにより達成される。典型的には、かかる関数は、

の形態を取ることができる。ここで、λ_ｉはエネルギ・ビンｉの予測個数であり、Ｅはエネルギであり、Ｓ_ｉは応答関数であって、被撮像体に入射するスペクトル形状、検出器の量子効率、及びエネルギＥのＸ線に対するエネルギ・ビンｉの感度に依存する。「エネルギ・ビン」との用語は光子計数検出器で最も広く用いられているが、この式はまた、多層検出器又はｋＶｐ切換型線源のような他のエネルギ分解型Ｘ線システムも記述することができる。

次いで、最尤法を用いて、各々のビンにおける個数はポアソン分布に従う確率変数であるとの仮定の下にＡ_ｉを推定することができる。このことは、下の式のように負の対数尤度関数を最小化することにより達成される。非特許文献２６を参照されたい。

式中、ｍ_ｉはエネルギ・ビンｉでの測定個数であり及びＭ_ｂはエネルギ・ビンの数である。

線積分Ａから、基底係数ａ_ｉを得るための断層写真法再構成を行なうことができる。この手続き段階は別個の断層写真法再構成と見做されてもよいし、又は代替的には、全体的な基底分解の部分と見做されてもよい。

各々の投影線毎に結果として得られる推定基底係数線積分

が画像マトリクスとして構成されるときに、この結果は各々の基底ｉについての物質特定的投影画像となり、この投影画像を基底画像とも呼ぶ。この基底画像は、（例えば投影Ｘ線撮像において）直接観察されてもよいし、物体の内部の基底係数ａ_ｉのマップを形成するために再構成アルゴリズム（例えばＣＴにおいて）への入力として採用されてもよい。何れにせよ、基底分解の結果は、基底係数線積分又は基底係数自体のような１又は複数の基底画像表現と見做され得る。

以上に記載された実施形態は、単に例として掲げられており、提案される技術はこれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。当業者は、特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲から逸脱することなく各実施形態に様々な改変、組み合わせ、及び変形を施し得ることが理解されよう。具体的には、異なる実施形態の異なる部分の解を、技術的に可能であれば他の構成と組み合わせることができる。

２２ 信号の経路
１００ Ｘ線イメージング・システム
７３０ 外部メモリ装置

Claims (36)

1. 多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）との運用のために構成された回路（５０２、５０３、５０４）であって、幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ［Total Time-Over-Threshold］）信号を取得し又は発生して、該幾つかのＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成された回路（５０２、５０３、５０４）。
2. 前記幾つかのＴＴＯＴ信号から形成される又は該幾つかのＴＴＯＴ信号により表現されるエネルギ積算情報を提供するように構成された請求項１に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
3. 異なるエネルギに設定された前記幾つかのエネルギ閾値についての前記ＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算信号を近似する又は表現する信号を形成するように構成された請求項１又は請求項２に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
4. 前記幾つかのＴＴＯＴ信号の（重み付き）和、又は線形結合若しくは非線形結合によりディジタル・エネルギ積算信号を形成する又は発生するように構成された請求項１から請求項３の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
5. 前記幾つかのＴＴＯＴ信号を介して前記エネルギ積算情報を出力するように構成された請求項１又は請求項２に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
6. 前記幾つかのＴＴＯＴ信号はスペクトル・エネルギ情報を含んでいる、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
7. 前記多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）の比較器出力に直接適用されるように構成された請求項１から請求項６の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
8. 前記多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）の対応する比較器からの比較器出力を入力として、該比較器出力に基づいて幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する前記ＴＴＯＴ信号を発生する又は取得するように構成された請求項１から請求項７の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
9. 各々の比較器がそれぞれのエネルギ閾値に基づいて動作するように構成されている、請求項８に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
10. 前記多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）は一組の比較器（３０２）を有し、各々の比較器が、１又は複数の検出器素子からの入力電圧パルスの大きさをそれぞれのエネルギ閾値に対応する参照電圧と比較して比較器出力を発生するように構成されている、請求項８又は請求項９に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
11. 入力電圧パルスがそれぞれの比較器において予め決められた測定時間又はその部分集合の間に参照電圧を上回ったクロック周期の総数を含む入力に基づいて前記ＴＴＯＴ信号の各々を発生する又は取得するように構成された請求項８から請求項１０の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
12. それぞれの比較器が予め決められた測定時間又はその部分集合の間にトリガを受けたクロック周期の数の和を取ることにより、比較器出力から前記ＴＴＯＴ信号の各々を発生する又は取得するように構成された請求項８から請求項１１の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
13. 前記測定時間又はその部分集合の間に１よりも多いすなわち幾つかの比較器について比較器出力の和を取るように構成されているか、又は
    前記測定時間又はその部分集合の間の比較器出力の平均値を算出するように構成されているか、又は
    各々の比較器がトリガを受けた最も高い比較器となったクロック周期の和を算出するように構成された請求項８から請求項１２の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
14. 前記利用可能なエネルギ閾値の部分集合及び／又は前記Ｘ線検出器（２０）の検出器素子の部分集合について前記幾つかのＴＴＯＴ信号を発生する又は取得するように構成された請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の回路（５０２、５０３、５０４）。
15. 閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）論理回路（５０２）及び／又はディジタル処理回路（５０４）を含んでいる請求項１から請求項１４の何れか一項に記載の回路（５０２）。
16. 多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）との運用のために構成された閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）論理回路（５０２）であって、幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する幾つかの閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を発生して、該幾つかのＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されたＴＴＯＴ論理回路（５０２）。
17. 前記幾つかのＴＴＯＴ信号から形成される又は該幾つかのＴＴＯＴ信号により表現されるエネルギ積算情報を提供するように構成された請求項１６に記載のＴＴＯＴ論理回路（５０２）。
18. 前記多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）の比較器出力に直接適用されるように構成された請求項１６又は請求項１７に記載のＴＴＯＴ論理回路（５０２）。
19. 所定の標本化間隔で前記光子計数Ｘ線検出器（２０）の前記比較器出力を標本化するように構成された請求項１８に記載のＴＴＯＴ論理回路（５０２）。
20. 前記多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）の対応する比較器（３０２）からの比較器出力を入力として、該比較器出力に基づいて幾つかの異なるエネルギ閾値に対応する前記ＴＴＯＴ信号を発生するように構成された請求項１６から請求項１９の何れか一項に記載のＴＴＯＴ論理回路（５０２）。
21. 多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）との運用のために構成されたディジタル処理回路（５０４）であって、１よりも多いエネルギ閾値に対応する１よりも多い閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を取得して、該１よりも多いＴＴＯＴ信号に基づいてエネルギ積算情報を提供するように構成されたディジタル処理回路（５０４）。
22. 前記１よりも多いＴＴＯＴ信号を受け取って、該１よりも多いＴＴＯＴ信号に基づいて少なくとも前記エネルギ積算情報を表現する結合値を形成するように構成された請求項２１に記載のディジタル処理回路（５０４）。
23. 前記結合値を形成するために低エネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号と高エネルギ閾値からのＴＴＯＴ信号とを結合するように構成された請求項２２に記載のディジタル処理回路（５０４）。
24. 前記１よりも多いＴＴＯＴ信号及び少なくとも一つの光子計数信号を受け取って、エネルギ積算情報及び光子計数情報を表現する結合値を信号結合により形成するように構成された請求項２１から請求項２３の何れか一項に記載のディジタル処理回路（５０４）。
25. 入射するＸ線光子の計数率に依存した信号結合により前記結合値を形成するように構成された請求項２４に記載のディジタル処理回路（５０４）。
26. 予め決められた閾値計数率よりも低い光子計数率では前記信号結合において前記少なくとも一つの光子計数信号に付加重みを与え、前記閾値計数率よりも高い光子計数率では前記信号結合において前記よりも多いＴＴＯＴ信号に付加重みを与えることにより前記結合値を形成するように構成された請求項２５に記載のディジタル処理回路（５０４）。
27. 請求項１６から請求項２０の何れか一項に記載のＴＴＯＴ論理回路（５０２）及び／又は請求項２１から請求項２６の何れか一項に記載のディジタル処理回路（５０４）を備えた光子計数Ｘ線検出器（２０）用の測定回路（５０３）。
28. 光子計数論理回路（５０１）をさらに含んでいる請求項２７に記載の測定回路（５０３）。
29. 所定の標本化間隔で前記光子計数Ｘ線検出器（２０）の前記比較器出力を標本化するように構成された請求項２７又は請求項２８に記載の測定回路（５０３）。
30. 請求項１から請求項２９の何れか一項に記載の回路を備えたＸ線イメージング・システム（１００）。
31. スペクトル情報として幾つかのエネルギ閾値からの前記ＴＴＯＴ信号に基づいて被撮像体の物質特定的撮像を行なうように構成された請求項３０に記載のＸ線イメージング・システム（１００）。
32. 前記ＴＴＯＴ信号を、光子計数信号、及び／又は前記ＴＴＯＴ信号から形成されるディジタル・エネルギ積算信号と組み合わせたものに基づいて被撮像体の物質特定的撮像を行なうように構成された請求項３０に記載のＸ線イメージング・システム（１００）。
33. 多数のエネルギ閾値を有する多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）との運用のために構成されたシステムであって、前記多重ビン光子計数検出器（２０）の１よりも多い比較器（３０２）からの出力に基づいて１よりも多い閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号を発生するために構成されたシステム。
34. 多重ビン光子計数Ｘ線検出器（２０）からエネルギ積算情報を得る方法であって、前記多重ビン光子計数検出器において異なるエネルギに設定された幾つかのエネルギ閾値についての閾値超合計時間（ＴＴＯＴ）信号に基づいてエネルギ積算信号を表現する又は近似する信号を提供する又は発生するステップを含む方法。
35. 命令を含むコンピュータ・プログラム（７２５、７３５）であって、前記命令は、プロセッサ（７１０）により実行されると、請求項３４に記載の方法を実行することを前記プロセッサ（７１０）に行なわせる、コンピュータ・プログラム（７２５、７３５）。
36. 請求項３５に記載のコンピュータ・プログラム（７２５、７３５）を記憶した非一過性のコンピュータ可読の媒体（７２０、７３０）を含むコンピュータ・プログラム製品。

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