JP6531108B2 - 光子計数に基づく放射線結像システム、方法、及びそのデバイス - Google Patents

Description

本発明は、放射線結像システムに関し、特に、光子計数に基づくX線結像システムに関し、さらに、当該システムによってX線結像を実現する方法、及びその主要デバイスに関し、医学影像の技術分野に属するものである。

X線の透過力はとても強い。X線が炭素、水素、酸素等の軽元素によって構成されるサンプルを経過する場合、可視光がガラスを透過することと同様に、観測可能な痕跡が残されない。これは医学診断にとって極めて不利なことである。例えば、乳腺腫瘍に対する診断の場合、乳腺腫瘍は進展の早期においてまだ軽元素から構成される病巣であり、吸収コントラスト結像ではそれを発見できず、乳腺腫瘍が末期まで進展して石灰化が生じてはじめて吸収コントラスト結像によって発見できる。これでは治療の最適な時機を失い、患者の回復の機会が減ってしまう。

X線結像技術の発展につれて、サンプルを透過した後のX線に搬送される位相情報もサンプルの内部構造の結像に使用可能であり、それに、X線の位相ドリフト断面は吸収断面よりも100〜1000倍高く、位相情報を取得して復元するだけでサンプルの内部構造を観測できることが判明された。軽元素から構成される弱吸収物質に対し、X線位相の変化は光強度の変化よりも顕著である。X線位相差結像によれば、従来の吸収コントラスト結像よりもサンプルの内部構造を容易に探知することができる。
30年以上の発展を経て、X線位相差結像技術は、主に下記の4種類の方法が採用されている。

（1）結晶干渉コントラスト結像法：1つの結晶体を、ビームスプリッタ、投射結晶体、及び分析結晶体の3つの基部が接続されるままの3L形状の薄い結晶体に切断する。入射されるX線が第1枚の結晶体を経過してから回折し、2本のコヒーレント光線に分離される。そのうちの一本の光線を参照光とし、その伝搬経路に位相可変器を配置することによって光線を連続的に変化させる。この方法は、実験装置の機械安定性に対する要求が比較的に厳しく、また、最終回折パターンに対する測定は、入射されたX線が3層の結晶体を透過した後になるので、光子の利用率が低く、非常に強い光源又は非常に長い露光時間の補足が必要である。さらに、結晶体のサイズが限られるので、この方法は、小サイズのサンプルにしか適用できず、今は同期放射線のみに応用されている。

（2）結晶体回折増強法：X線源から出射される多色X線を結晶体を透過させた後、入射角度がブラッグ回折条件（即ち、コヒーレント光線干渉が発生する条件）を満たすX線が単色結晶体を通過し、単色光を形成することができる。サンプルの後に角度分析器として分析結晶体を配置し、その後に画像を記録するための検出器を配置する。単色光は、サンプルを透過した後に分析結晶体により位相情報が光強度情報に変換される。分析結晶体を使用するとともに、分析結晶体の角度を調整することにより、サンプルを透過した後の透過、屈折、及び小角散乱するX線を強める又は弱めるので、回折増強結像には、コントラストを生成するメカニズムは、それぞれ吸収コントラスト、屈折コントラスト、及び小角散乱のろ過による消光コントラストの3種類ある。

（3）格子切断法：図1に示すように、単色光を格子に照射すると、格子の後所定距離に周期性を有する像が出現し、即ち「Tablot-Lau効果」である。格子の自己結像効果を利用し、1番目の位相格子の像と2番目の吸収格子がマッチするように、光路を設計し、さらにサンプルに形成されるモアレ縞を分析することによって、波面を定量復元することができる。今、この方法については2つの実現方案があり、1つはπ/2移相を生じることであり、もう1つはπ移相を生じることである。この方法の利点は、高輝度、コヒーレント性の高い同期放射線光源に依存しないことにあるので、応用の見込みが十分にある。

方法（2）と方法（3）は、光学分析素子に基づくX線位相差結像方法である。このような光学分析素子の作用は、位相微分像を生成することによって、画像の境界コントラストを向上させることであり、所定の実験メカニズム、及び対応するアルゴリズムによって定量位相復元を行う必要がある。

（4）X線自由伝搬に基づく位相差結像方法：この方法は、X線インライン位相差結像方法とも呼ばれ、使用する光源によって、単色X線インライン位相差結像と多色X線インライン位相差結像とに分けられる。多色X線インライン法は、オーストラリアメルボルン大学のK. A. Nugentにより提出した光強度伝搬方程式に基づくものである。インライン法の実現は比較的に簡単であり、X線源の焦点を十分に小さくすれば、吸収コントラストに基づくデバイスにより位相差結像を実現できるが、インライン法により得られるのは位相の二次導関数であるので、位相復元が比較的に困難である。

例えば、出願番号が200410053014.6である中国発明特許出願には、X線位相差結像の方法、及びそのシステムが開示されている。この方案は、同軸輪郭結像によってサンプルを検出器に結像させ、サンプルに応じて微焦点X線源から生成される光源点と走査ステージ上のサンプルとの間の距離を調整するとともに、当該サンプルと検出器との間の距離を調整する。しかし、この方案により得られる画像はサンプル位相の二階微分画像であり、如何に二階微分画像に基づき位相復元を行うことによってサンプルの位相図を取得することは記載されず、如何に位相差の断層再構成、及び3D結像を実現することも記載されていない。なお、微焦点X線源の輝度が非常に低いので、検出器には非常に長い露光時間が必要になり、臨床応用の実際の要求を満たすことができない。

さらに、例えば出願番号が200810166472.9である中国発明特許出願には、X線格子位相差結像システム、及その方法が開示されている。この方法は、X線装置、ゲート格子のようなマルチスリットコリメータ、及び2つの吸収格子を使用することによって、約デシメートルオーダの視野の非コヒーレント条件における位相差結像を実現することができる。しかし、この技術方案では、格子の製造もやはり制約になり、格子位相差結像技術の医学及び工業への実際の応用を制限している。

なお、従来の位相差結像システムでは、エネルギ積分に基づく検出器を採用するのが一般的であるので、放射線結像システムのサンプルを透過したX線に対する利用率が低い。一方、エネルギ積分に基づく検出器を採用することによって、サンプル内部の構造情報を取得できるが、サンプルの物質成分情報に対する取得機能が不十分である。

また、同期放射線X線源は、大型の科学装置であり、そのデバイス、及びメンテナンスのコストが高く、医療臨床診断用のデバイスとしては、エネルギ、及び資源の有効利用の原則に合わないし、結像の診断費用も一般の患者が負担できるものではない。

従来技術の不足について、本発明が先ず解決しようとする技術課題は、光子計数検出器を提供することにある。

本発明が他に解決しようとする技術課題は、光子計数に基づく放射線結像システムを提供することにある。

本発明がさらに解決しようとする技術課題は、光子計数に基づく放射線結像方法を提供することにある。

上記の発明目的を実現するために、本発明は下記の技術方案を採用する。

複数の画素ユニットによって構成される平面アレイ検出器である光子計数検出器であって、前記画素ユニットは、それぞれ光電変換層、プリアンプ、イベント検出ユニット、レベル鑑別コンパレータ、パルス整形器、カウンタ、積算器、及び出力バスを備え、

前記光電変換層は、単光子を電気信号に変換し、前記プリアンプに伝送して前記電気信号を増幅させ、前記イベント検出ユニットは、増幅された電気信号におけるノイズをろ過して前記レベル鑑別コンパレータに送信し、前記レベル鑑別コンパレータは、有効信号を分別して前記パルス整形器に入力してパルス整形を行い、前記カウンタは、パルス信号を計数し、前記積算器に入力して前記バスに出力する、
光子計数検出器。

光子計数モジュール、検出器コアモジュール、制御モジュール、及び基板を備え、
最上層に位置する前記検出器コアモジュールと第2層の前記光子計数モジュールとが接続され、前記光子計数モジュールのインターフェースが前記光子計数モジュールの裏面にリードされるとともに、第3層の制御モジュールに接続され、前記制御モジュールは、シリコン貫通ビアによりインターフェースが前記制御モジュールの裏面にリードされるとともに、すず鉛はんだボールによるフリップチップ法によって、基板に接続される
光子計数検出器。

X線源、サンプルを載置するための走査ステージ、光子計数検出器、及び三次元再構成システムを備え、
前記X線源は、走査ステージ上のサンプルにX線を出射し、前記X線が前記サンプルを透過すると、空間的位置における材料の特徴情報を搬送する光子が発生し、前記光子計数検出器は、結像平面における光子を計数し、入射光子の投影データ、及びエネルギデータを取得するとともに、三次元再構成システムに伝送し、
前記三次元再構成システムは、前記投影データ、及び前記エネルギデータに基づき、サンプル内部の三次元構造、及び物質成分種類を再構成し、サンプルの構成部分をデジタル染色することによって、サンプルの物質成分を識別する、
光子計数に基づく放射線結像システム。

（1）X線源から、走査ステージ上のサンプルに、前記サンプルを透過することによって、空間的位置における材料の特徴情報を搬送する光子を発生させるX線を出射するステップと、
（2）光子計数検出器によって、結像平面における光子を計数し、入射される光子の投影データ及びエネルギデータを取得するとともに、三次元再構成システムに伝送するステップと、
（3）前記三次元再構成システムによって、前記投影データ及びエネルギデータに基づき、サンプル内部の三次元構造、及び物質成分種類を再構成し、サンプルの構成部分をデジタル染色することによって、サンプルの成分を識別するステップと、
を備える光子計数に基づく放射線結像方法。

X線を生成するためのX線源と、
前記X線源から出射されたX線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子と、被測サンプルを載置するためのサンプル走査ステージと、
X線を分離するとともに、分離されたX線に非コヒーレント干渉を発生させるための位相格子と、
X線の位相情報をX線の光強度情報に変換するための分析格子と、
投影画像に基づき、前記サンプルの構造を三次元再構成するための三次元再構成システムと、
所定期間内にその表面に到達したX線の光子の数を統計し、投影画像を形成するとともに、前記三次元再構成システムに伝送するための光子計数検出器と、を備え、
前記光源格子は、前記X線源と前記サンプルとの間に設けられ、前記位相格子は、前記サンプルの他方側と前記分析格子との間に設けられ、前記分析格子の他方側には、光子計数検出器が設けられ、前記光子計数検出器と前記三次元再構成システムとが接続されている
光子計数に基づく放射線結像システム。

サンプル走査ステージにサンプルが載置されていない場合、前記放射線結像システムによって基準投影画像を採集するステップ1と、
サンプル走査ステージ上にサンプルを載置し、前記放射線結像システムによって第1投影画像を採集するステップ2と、
前記サンプル走査ステージを所定の角度だけ回転させ、前記放射線結像システムによって第2投影画像を採集するステップ3と、
前記放射線結像システムによって、ステップ1〜ステップ3で得られた3つの投影画像に基づき、サンプル構造の三次元再構成を行うステップ4と、
を備える光子計数に基づく放射線結像方法。

好ましくは、前記ステップ1は、
X線源から、X線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子へX線を出射するステップ11と、
複数のコヒーレント光源から出射されたX線を位相格子によって分離させ、非コヒーレント干渉を発生させることによって、干渉縞を形成するステップ12と、
分析格子によって、ステップ12で分離されたX線の位相情報をX線の光強度情報に変換し、前記X線を光子計数検出器の表面に照射させるステップ13と、
前記光子計数検出器によって、表面に到達した前記X線の光子を計数し、基準投影画像を形成するステップ14と、をさらに備える。

好ましくは、前記ステップ2又はステップ3は、
X線源から、X線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子へX線を出射するステップ21と、
複数のコヒーレント光源から出射されたX線を、サンプルを透過させることにより一部のX線の位相を変化させるステップ22と、
位相格子によって、位相が変化したかに問わずX線全体を分離し、非コヒーレント干渉を発生させ、変形された干渉縞を得るステップ23と、
分析格子によって、ステップ23で分離されたX線を位相情報を、X線の光強度情報に変換するとともに、前記X線を光子計数検出器の表面に照射させるステップ24と、
光子計数検出器によって、その表面に到達した前記X線の光子を計数することにより、投影画像を形成するステップ25と、
をさらに備える。

X線を生成するためのX線源と、
X線ビームの幅及び方向を規制及び調整するためのX線コリメータと、
X線が物体を透過するときに発生する光線信号を採集するための光子計数検出器と、
所定のタイミングに応じて、X線の照射方向を同期的に制御するとともに、前記光子計数検出器の対応する領域を活性化するためのタイミング位置コントローラと、を備え、
前記X線源によってX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向かうように、前記X線コリメータによって前記X線を調整する
光子計数に基づく放射線結像システム。

好ましくは、機械制御を採用する場合、機械運動装置をさらに備え、
前記タイミング位置コントローラは、前記光子計数検出器の1つの領域を活性化し、前記機械運動装置は、前記タイミング位置コントローラの命令に応じて、前記X線コリメータの向きを調整し、前記狭ビームX線が前記光子計数検出器の活性化された領域に向かうように、前記X線源から生成されるX線を、前記X線コリメータの調整により細X線ビームに形成する。

好ましくは、電子制御を採用する場合、偏向機構、及び電子ビーム減速ターゲットをさらに備え、
前記タイミング位置コントローラは、前記光子計数検出器の1つの領域を活性化し、前記偏向機構は、電子ビームの進行方向を調整し、前記電子ビーム減速ターゲットは、前記電子ビームを急劇減速させX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向うように、前記X線をX線コリメータによって規制する。

（1）光子計数検出器を区画するステップと、
（2）タイミング位置コントローラにより、前記光子計数検出器の1つの領域を活性化するとともに、他の領域を遮断するステップと、
（3）前記X線源によってX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向かうように、前記X線コリメータによって前記X線を調整するステップと、
（4）前記光子計数検出器によって前記領域のデータを採集し、記録するステップと、
（5）前記光子計数検出器の全ての領域のデータ採集作業を完成するまで、前記光子計数検出器の他の1つの領域に切替え、前記ステップ（2）〜（4）を繰り返し、これにより、散乱光線が抑制された画像を取得するステップと、
を備える光子計数に基づく放射線結像方法。

従来技術と比較すると、本発明は以下の有益な効果を有している。
（1）X線源のパワーを低下させ、患者への放射量を低減させることができる。
（2）誤診することなく、最低限の放射量で、病巣内部の構造情報を採集することができる。
（3）データの採集速度が速く、三次元再構成に好適である。
（4）システムが小型化を図り、メンテナンスが簡単で、コストを低減できる。

本発明による光子計数検出器の外観の模式図である。 本発明による光子計数検出器の構造とサイズの模式図である。 本発明による光子計数検出器の画素ユニットの機能ブロック図である。 本発明による光子計数検出器の画素ユニットの回路原理図である。 従来技術における光子計数検出器モジュールの実装及び接続の模式図である。 本発明による複数積層実装の光子計数検出器の模式図である。 本発明による光子計数検出器の大面積平面シームレス接合構造の模式図である。 本発明による光子計数検出器の画素ユニットのピンの模式図である。 本発明の第1実施例において、光子計数に基づく放射線結像システムの全体構造の模式図、右上は一部の部材の他の角度のビューである。 フィルタのろ過によって得られる近単色X線の模式図である。 走査ステージの構造の例示図である。 コーンビーム結像の幾何学関係の模式図であって、R1、R2、M、及び検出器の大きさの間の関係を示す。 位相差結像の作業原理の模式図である。 デジタル染色処理後のデジタルパラフィンブロックの模式図である。 強度情報又は位相情報によってデジタル染色を行う場合の断面模式図である。 エネルギ鑑別レベルを加えたデジタル染色の断面模式図である。 再構成後のデジタルパラフィンブロックから取得した任意角度の断面模式図である。 結晶干渉コントラスト結像の基本光路の模式図である。 本発明の第2実施例における、水平屈折角を抽出するための格子切断結像装直の模式図である。 本発明の第2実施例における、垂直屈折角を抽出するための格子切断結像装直の模式図である。 本発明の第2実施例における、分析格子の変位曲線の模式図である。 本発明の第2実施例における、サンプル走査ステージの構造の例示図である。 光源移動後の格子結像コントラスト増加の模式図である。 本発明の第2実施例における、吸収像の分離抽出の模式図である。 本発明の第2実施例における、屈折角像の分離抽出の模式図である。 直射光線と散乱光線の結像の模式図である。 散乱光線の分布の模式図である。 異なる画素ユニットを遮断する場合の散乱光線の影響の効果図である。 本発明の第3実施例における、機械制御を採用する放射線結像システムの模式図である。 本発明の第3実施例における、画像採集過程の模式図である。 本発明の第3実施例における、電子制御を採用する放射線結像システムの模式図である。 本発明の第3実施例における、電子制御X線源の構造の模式図である。 従来技術における、放射線結像システムによって採集される画像の効果の模式図である。 本発明の第3実施例における、放射線結像システムによって採集される画像の効果の模式図である。

以下、添付図面及び具体的な実施例を参照して本発明の技術内容をさらに詳しく説明する。

図1〜図4は本発明による新規な光子計数検出器を示す。図1と図2に示すように、当該光子計数検出器は、複数の画素ユニットによって構成される平面アレイ構造である。図3は光子計数検出器のそれぞれの画素ユニットの機能回路図を示す。画素ユニットは、それぞれ光電変換層、プリアンプ、イベント検出ユニット、レベル鑑別コンパレータ、パルス整形器、カウンタ、積算器、及び出力バスを備える。光電変換層は、単光子を電気信号に変換し、プリアンプに伝送して当該電気信号を増幅する。イベント検出ユニットは、増幅された信号におけるノイズをろ過するとともにレベル鑑別コンパレータに送信する。レベル鑑別コンパレータは、有効信号を分別し、パルス整形器に入力してパルス整形を行う。カウンタは、パルス信号を計数し、積算器、及び出力バスに入力する。

図4に示すように、光電変換層は、プリアンプの入力端に接続され、当該プリアンプの出力端は、イベント検出ユニットに接続され、イベント検出ユニットの出力端は、レベル鑑別コンパレータに接続される。本発明の一実施例において、上記プリアンプ、イベント検出ユニット、及びレベル鑑別コンパレータは、いずれも演算アンプ及びその周辺回路によって実現されるものである。レベル鑑別コンパレータは、4つの並列接続されるコンパレータ回路によって実現されるものである。各コンパレータ回路には、比較基準として、比較電圧1、比較電圧2、比較電圧3、及び比較電圧4がそれぞれ設けられ、各コンパレータ回路の出力端は、パルス整形器及びカウンタに順次に接続される。4つのカウンタの出力端は、それぞれ積算器及び出力バスに接続される。また、当該検出器ユニットには、複数（一般的には5つ）のレジスタが設けられてもよく、そのうちの1つのレジスタは光子イベントの合計を格納するためのものであり、残りのレジスタは異なるレベルの光子の被検出回数を格納するためのものである。

本発明による光子計数検出器において、光電変換層は光電信号の変換を実現するためのものであり、採用可能な材料として、本発明において具体的に限定されていないが、シリコン、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛、セレニウムのいずれか1種であってもよい。光電変換層において、単独のX光子が捕獲され、電子正孔対が形成される。電子正孔対は、印加される電界によって、プリアンプの入力端に伝送される。プリアンプは、単光子イベントパルスを増幅するとともに、イベント検出ユニットに入力してノイズのろ過処理を行う。X線がサンプルを透過した後、光路における被検出物質の原子番号が異なるので、光子計数検出器の表面に到達する光子のエネルギも異なり、形成されるイベントパルス幅も異なる。イベントパルスと設置される閾値とを比較することによって、低エネルギのパルスを判別してろ過することができる。レベル鑑別コンパレータは、有効イベントパルスとランダムノイズとを区別し、有効イベントパルスに対して閾値比較するように機能するものである。例えば、レベル鑑別コンパレータに設定される数がK（Kが正の整数である）である場合、単独のX光子のエネルギは、K＋1個のレベル鑑別グループに分けられることができる。後続の信号のデジタル化処理のために、それぞれのレベル鑑別コンパレータの出力は、パルス整形器によって、イベントパルスが1つのチャネルのパルス出力に整形される。それぞれのレベルイのベントパルスがパルス整形器によって整形された後、カウンタは、異なるレベルの光子イベントに対してそれぞれに計数する。設定される計数時間の周期内に、それぞれのチャネルの光子イベントが積算され、積算値は出力バスの読出周期において外部データ処理デバイスに同期的に伝送される。計数周期は1/10⁸秒〜1秒程度であり、光子ストリームの大きさ、及びカウンタの有効桁によって決められ、実際の応用によって設定されてもよい。それぞれの画素ユニットのバスの読出は、伝送と並行して1つのクロック周期だけで済み、読出と同時に全てのカウンタをリセットし、そして、続けて光子イベントを計数する。異なる場合の応用のために、上記のタイミングは制御可能なものである。計数と読出のデューティ比も調節可能なものである。それぞれの画素ユニットのデータは、複数のレベルの計数の和、及び積算の和を含む。計数の和は画素ユニットにおける光子イベントのエネルギ情報を示し、積算の和は画素ユニットにより得られる密度に関する吸収減衰情報を示す。

図5に示すように、光子計数検出器モジュールがアレイ接合を行うときに、ワイヤボンティング領域のための十分な空間を提供するために、接合デッドゾンの問題が必然的にあり、上記技術課題について、本発明は、光子計数検出器を提供する。図6に示すように、本発明による光子計数検出器によれば、大面積平面シームレス接合を実現できる。本発明の光子計数検出器は、検出器モジュール、光子計数モジュール、制御モジュール、及び基板を備え、シリコン貫通ビア、インジウムはんだボールフリップチップ、すず鉛はんだボールフリップチップ等により、複数積層実装を実現する。最上層の検出器モジュールは、インジウムはんだボールによって下層の光子計数モジュールと接続される。本発明における光子計数モジュールは画素ユニットアレイを備えるだけで、検出器信号の低ノイズ増幅、閾値比較、計数の和のデータ読出機能を実現する。光子計数モジュールのサイズと検出器モジュールのサイズとは完全一致である。シリコン貫通ビアによって、光子計数モジュールのデータ入出力インターフェース、電源インターフェース、オフセットインターフェース、及び制御インターフェース等が光子計数モジュールの裏面に案内され、さらに、すず鉛はんだボールによって、下層の制御モジュールに接続される。制御モジュールは、光子計数モジュールに給電し、読み書き制御機能、及び入出力緩衝機能を実現するためのオフセット電圧を提供する。制御モジュールもシリコン貫通ビア技術によって、入出力インターフェースがチップの裏面に案内され、さらに、すず鉛はんだボールフリップチップによって基板に接続される。このような複数積層実装を採用することで、従来の光子計数検出器に接続デッドゾンが生じる問題を解決し、モジュール間のシームレス接合を実現することができる。

図7に示すように、検出器モジュールでは依然として高圧オフセット線を引出する必要があることを考えると、大面積シームレス接合を実現するには、検出器モジュールアレイは依然として2×N（Nが正の整数である）アレイ形式を採用しなければならない。光子計数モジュール及び制御モジュールについては、M×K（M、Kが正の整数である）アレイ形式を採用することができる。M＝2×L、K＝N×S（L、Sが正の整数である）であり、即ち、1つの検出器モジュールがL×S個の光子計数モジュールに対応してフリップチップされる。本発明の一実施例において、N＝2、L＝2、S＝2とし、即ち、1つの検出器モジュールが4つの光子計数モジュールに対応して2×2アレイ形式の実装を実現し、1つの光子計数検出器モジュールを構成し、1つの光子計数モジュールのサイズが15mm×15mmで、1つの検出器モジュールのサイズが30mm×30mmであるので、1つの光子計数検出器モジュールのサイズが30mm×30mmになる。光子計数検出器モジュールはさらに2×2アレイ形式によって接続され、検出器アレイ面全体のサイズが60mm×60mmになる。このような大きな検出器アレイ面では、ある程度の結像応用の要求を既に満たすことができ、検出器アレイ面をさらに増大させながら、検出器モジュールアレイの2×N形式を確保する必要がある場合、検出器モジュールのサイズを60mm×30mmに増大させ、1つの検出器モジュールを4×2個の光子計数モジュールと対応してフリップチップし、60mm×30mmの大きさの検出器モジュールを構成することができ、この検出器モジュールによって2×4アレイ形式の接続を行い、検出器アレイ面全体として120mm×120mmに達することができる。

図8は検出器モジュールの構造を示す。検出器モジュールはそれぞれマトリクス式のダイオードアレイにより構成されるものである。図において、シングルPN接合ダイオード検出器の平面構造が示される。図中、符号1で示される領域はN型基板を示し、符号2で示される領域はP+ドープ領域を示し、符号3は正極パッドを示す。N型基板は全体のダイオードアレイの共通負極であり、実際の応用において、この共通負極は正高圧端に接続される。本発明の一実施例において、この検出器モジュールは高抵抗n型シリコンウェハにより製造され、測定したいX線エネルギの範囲によって、ウェハの厚さは300μm、500μm、700μm、1mm等であってもよい。それぞれの画素ユニットのピッチが330μmであり、P+ドープ領域の面積が300μm×300μmであり、正極パッドの面積が180μm×180μmである。検出器モジュール全体は90×90アレイ形式であり、コア画素ユニット領域の面積が29.7mm×29.7mmであり、画素ユニットの境界は検出器モジュールの縁から150μmであり、検出器モジュール全体のサイズが30mm×30mmである。

本発明の一実施例において、光子計数モジュールアレイが45×45であり、1つの画素ユニットのサイズが330μm×330μmであり、チップ全体のサイズが15mm×15mmである。

上記光子計数検出器に基づき、様々の放射線結像システム、及び放射線結像方法を実現できる。以下、幾つかの具体的な実施例によってそれぞれに詳しく説明する。

第1実施例
本発明の第1実施例は、光子計数に基づく放射線結像システムを提供し、図9に示すように、当該放射線結像システムは、X線源、被検出サンプルを載置するための走査ステージ、光子計数検出器、及び三次元再構成システム等の部材を含む。X線源は近単色微焦点光源であり、走査ステージ上のサンプルにX線を出射するためものである。このX線は、フィルタのろ過によって、近単色X線が得られ、被検出サンプルに照射される。X線がサンプルを透過すると、吸収、反射、屈折、透過、及び移相等の物理的現象が発生し、結像平面において、所定の空間における材料の情報を搬送する光子が大量に発生する。光子計数検出器は、結像平面における光子を計数することによって、入射される光子の投影データ及びエネルギデータを取得するとともに、三次元再構成システムに伝送するためのものである。X線の照射過程において、走査ステージによって被検出サンプルを連続的に回転、反転させることで、三次元再構成システムは異なる角度のサンプル位相差画像系列を取得する。三次元再構成システムは、投影データに応じて、サンプル内部の位相分布を再構成する。三次元再構成によって、エネルギ鑑別レベルを有する画素ユニットデータブロックを取得し、エネルギプロファイルに応じて、サンプルのデジタルパラフィンブロックをデジタル染色することで、サンプル内部の物質成分を区分する。当該放射線結像システムによれば、病理学、組織学、生物学、及び工業分野においてサブミクロンレベルの結像を実現することができる。
以降、先ずは本発明による放射線結像システムの各部材を詳しく説明する。

従来の位相差結像方法は主に干渉法、回折増強法、インライン法、及び格子結像法を含む。本発明の一実施例において、インライン法によってサンプルの位相差結像を行う。インライン法は非干渉法の位相差結像方法であり、高度なコヒーレント又は部分コヒーレントのX線源が必要である。このため、同期放射線源又は微焦点X線管を採用する必要がある。

本発明において、使用されるX線源は、同期放射線源、微焦点X線管等であってもよい。コスト等の様々な要素を考えると、本発明において、好ましくは微焦点X線管を採用する。微焦点X線管は、制動放射によって、光源焦点を0.5〜5μｍの間に制御することができる。図10に示すように、X線の色純度を改善するために、X線源の出口に低エネルギ部分及び高エネルギ部分をろ過して近単色X線を得るフィルタを配置してもよい。

X線源のターゲット面及びフィルタの材料の選択は、サンプルの結像効果の発揮にとって重要である。通常、X線源のアノードターゲット面は、タングステン、モリブデン、ロジウム等から選ばれる金属材料であり、フィルタは、アルミニウム、モリブデン、ロジウム又はベリリウム等から選ばれる金属材料である。本発明の一実施例において、アノードターゲット面として、好ましくはタングステンであり、フィルタの材料として、好ましくはアルミニウム、モリブデン、ロジウム又はベリリウムのいずれか1つである。このような組合せは、人又は動物等の生体へのX線放射量を有効的に低下させ、生体組織への潜在的破壊を低減させながら、結像の品質を確保することができる。

図11に示すように、本発明に使用される走査ステージは、サンプルへのX線照射角度を変化させ、サンプルの全方位の組織構造情報を取得するように、サンプルをその上において全方位的に回転又は反転させることができる。上記走査ステージとして従来の既存の製品を採用できるので、ここでは具体的な説明を省略する。

本発明に採用されるインライン法は、結像平面とサンプルとの間には、コヒーレントX線がサンプルを透過した後、近接場フレネル回折効果が発生する程の十分な距離が維持される必要がある。図12に示すように、光子計数検出器を近接場フレネル回折領域に結像させるには、以下の条件を満たす必要がある。X線管の焦点と走査ステージ上のサンプルとの間の距離は、
R1＝Ls×Fs/λ （1）
であり、Lsが空間コヒーレント長さで、Fsが焦点大きさで、XがX線波長であり。R1はサンプル仕様の大きさに応じて適宜調整可能である。通常の場合、空間コヒーレント長さLsは1μｍ以上である。

サンプルと光子計数検出器との間の距離は、

であり、AがX線波長で、Mが増幅倍率で、M＝（R1＋R2）/R1で、Sが識別したいサンプルの細部である。実際において、R2の大きさを調整することによって、対応する被識別細部の高品質の位相差画像を得ることができる。

従来技術と比べると、本発明の顕著な特徴の一つは、光子計数検出器によって従来のエネルギ積分検出器に代えることにある。光子計数検出器はN×M（N、Mがともに正の整数であり、一般的には、1024×1024以上であり、必要に応じて4096×4096以上も達成できる）個の画素ユニットから構成される平面アレイ検出器であり、光電変換手段と電気信号処理回路でウェハ（Wafer）において直接に組み合わせてなるものである。それぞれの画素ユニットのサイズは、異なる場合の応用の解像力に対する要求に応じて、lμm〜200μmとすることができる。画素ユニットの大きさ<S×Mで、Sが識別したいサンプルの細部で、Mが増幅倍率であり、マトリクスの大きさ＝サンプル大きさ×Mであり、例えば、図において、サンプルの大きさが5mmで、マトリクスの大きさが5mm（サンプルの大きさ）×20倍＝100mmである。

光子計数検出器は極低い放射量でサンプルを透過した全てのX光子の検出を行うとともに、全ての光子のエネルギを鑑別することができる。具体的には、光子計数検出器は、X線がサンプルを透過した後の二階微分移相情報を取得し、これによって、サンプルの二次元又は三次元画像を再構成する。光子計数検出器におけるそれぞれの画素ユニットは1つの検出器ユニットとして互いに独立している。それぞれの独立した画素ユニットは、いずれも単一のX線光子に対して捕獲、増幅、鑑別、閾値比較、整形、及び計数の機能を有している。光子計数検出器は、結像平面における光子を計数し、検出器内部のエネルギ鑑別ユニットによって、全ての空間における光子エネルギを測定し、複数のパラメータ（少なくとも吸収コントラスト、位相差、単光子エネルギ鑑別等を含む）を含む入射光子の投影データ及びエネルギデータを取得する。

光子計数検出器は、汎用のコンピュータインターフェース（USBインターフェース、GB又はMBネットワークインターフェース、ワイヤレスネットワークインターフェース等を含むが、これらに限定されない）を介して、リアタイム通信によって、行ごとにデータの送信/受信を行う。それぞれの行は、N個の画素ユニットの複数の情報を含み、それぞれの画素ユニットは、強度信号レジスタの数値及び複数のレベルレジスタの数値を含み、それぞれのフレームは、M行のデータを含む。1つのN×Mのフレーム画像のデータ送信を完成すると、光子計数検出器は上位のコンピュータにヘッドファイル情報を送信する。フレーム画像とフレーム画像との間のギャップにおいて、光子計数検出器と上位コンピュータは命令パラメータの通信プロセスを行う。

光子計数検出器の作業過程において、それぞれの画素ユニットは、捕獲された光子の強度を測定し、所定期間においてウインドウ内で捕獲された光子の合計を記録することによって、当該画素ユニットにおける強度情報を取得する。画素ユニットは、捕獲されたX光子のそれぞれに対して閾値比較を行うことによって、このX光子が有するエネルギレベルを測定することができる。一般的には、X線が所定の被検出物質を透過するときに、物質は、原子番号が高いほど、X光子の低エネルギ部分に対する吸収が多くなり、低レベルX光子が通過する確率が低くなり、対応的に、この位置における画素ユニットによって高エネルギX光子を捕獲する確率が高くなる。反対に、X線が原子番号の低い物質を透過すると、低エネルギのX光子が検出される確率が高くなる。物質に入射されるX線エネルギが比較的に単一な場合、原子番号の異なる物質と作用した後のX光子もエネルギに差異が生じる情報を搬送するものになる。画素ユニットのエネルギ鑑別機能によって、このような差異変化を検出できる。この差異変化は後述するエネルギ情報に属する。従来のエネルギ積分測定技術では、検出器が測定するのは単一画素ユニットによって一定時間内に取得したX光子エネルギの合計であり、これに対して、本発明が採用する光子計数検出器は、画素ユニットに到達する光子のそれぞれに対しエネルギ鑑別を行い、複数のレベルのエネルギ情報を取得することができる。光子計数検出器を採用するにより、本放射線結像システムは、極低い輝度で画像採集を完成でき、取得される強度情報は位相差結像の画像復元に使用可能であり、取得されるエネルギ情報には、被検出サンプルの原子量及び物質密度情報が搭載され、画像のデジタル染色に使用可能である。このようなデジタル染色は物質密度及び原子量に基づくものであり、従来の組織学及び病理学に常用のHE染色（pH値のみに基づく染色）を遥かに超える巨大な情報量が含まれる。

強調すべきなのは、本実施例におけるデジタル染色は、通常意味のデジタル染色とは異なる。従来技術では、いわゆるデジタル染色は単次元（強度）に基づくものである。再構成に使用される次元と染色に使用される次元は同じ（いずれも吸収値であり、強度、CT値とも呼ばれる）である。本発明でいうデジタル染色は異なる次元（強度、エネルギ、強度とエネルギ比又は差又は積等の様々な要素の混合関係）に基づくものである。次元が異なるので、異なる次元で二次元投影図を採集し（位相差画像情報、エネルギ情報等を含む）、また異なる次元でそれぞれ再構成し、再構成された異なる次元の間のボクセルパラメータについて算数演算を行い、新な染色パラメータを取得する必要がある。N×M個の画素ユニットによって構成される光子計数検出器では、それぞれのフレームデータには、N×M個の吸収減衰又は移相情報、及びN×M×（K＋1）組のエネルギ情報が含まれている。光子計数検出器の結像平面において採集されるX線光子の強度情報に対して、カウンタによってそれぞれの画素ユニット点の光子積算値を取得して投影図を形成し、レベル鑑別コンパレータによってエネルギプロファイルを取得する。

投影図は、サンプル内部の三次元構造を再構成するためのものであり、エネルギプロファイルは、サンプルの物質成分を識別するためのものである。二次元の角度から見れば、二次元再構成によってエネルギのサブトラクション像を得ることができ、即ち、低レベルと高レベルとの2つのサブトラクション像によって1つのエネルギに関する画像を取得することができる。これによって類推すると、三次元再構成によって、エネルギ差異を含む三次元ボクセルブロックを同様に取得することができる。

本実施例で形成される三次元ボクセルブロックは複数のパラメータを有しているので、その作用は従来病理学において製作される「組織パラフィンブロック」と同様な意義を持っている。後続の処理プロセスにおいて、このような複数のパラメータ情報を含む三次元ボクセルブロックを「デジタルパラフィンブロック」と呼び、このデジタルパラフィンブロックも従来病理学の切片方法と同様に二次元切片画像に分解できるだけでなく、さらに、切片の概念を超え、例えば表面特徴作図、内視鏡画像作図、所定構造（例えば細胞膜、糸状体、細胞核、染色体、及び他の細胞器）の抽出及び作図に限らず、様々な実体作図画像のデジタル画像再構成を行うことができるとともに、特有の複数パラメータ（少なくとも被検出物質の吸収コントラスト、位相差、及びエネルギ鑑別等を含む）の染色技術によってデジタル染色を行うことができる。

三次元再構成システムは、光子計数検出器の投影図及びエネルギプロファイルに基づき、サンプル内部の位相差情報を復元し、コーンビーム三次元再構成アルゴリズムによって、複雑な内部構造を有するサンプルを再構成する。また、エネルギプロファイルの再構成結果に基づき、サンプルの内部構造の各部分に対してデジタル染色を行い、サンプル内部の物質成分情報を取得する。三次元再構成システムで生成されるデジタルパラフィンブロック（即ち、三次元ボクセルブロック）によって、サンプルの内部構造、及び物質成分を可視化し、ディスプレイに直観的に表示する。
以降、本実施例によって提供される三次元再構成アルゴリズムを具体的に説明する。

サンプルが載置されている走査ステージは、毎回のX線露光時に所定の角度だけ回転し、光子計数検出器は、一組の投影及びエネルギのデータを採集する。サンプルの180°〜360°の回転露光が順次に完成された後、光子計数検出器はサンプルの各角度の投影図、及びエネルギプロファイルを取得する。これらの投影図及びエネルギプロファイルによって系列アトラスを構成する。この系列アトラスに対し三次元再構成を行うことによって、サンプル物質吸収、移相、及びエネルギ情報を有するボクセルデータを取得できる。光子計数検出器の結像平面におけるX線光子の強度情報、カウンタによって取得されるそれぞれの画素ユニット点の光子積算値から、投影図を形成する。投影図は、位相差がラプラス変換された分布で、即ちエッジコントラスト画像である。図13は位相差結像の基本作業原理を示す。

I_O（x，y，R2；x_O，y_O，-R1）は物平面における強度の値であり、I（x0，y0，R2；x_O，y_O，-R1）は結像平面における強度の値である。強度と位相のラプラス変換は直接に関係し、結像平面における強度情報を測定すれば、位相復元（位相分布再構成とも呼ばれる）によって物平面における位相分布を取得できる。位相復元について、本分野において常用のアルゴリズムはTIE復元法及び反復復元法を含む。この2つのアルゴリズムの具体的な内容は、禹愛民等の論文『微焦点X線位相差結像位相復元アルゴリズムの研究』（『核電子学よ測定技術』第26卷第6号に刊行される）を参照できるので、ここでは詳細的な説明は省略する。本発明において、インライン法の要点は、エッジコントラスト画像から相コントラストを復元することによって、サンプル内部の位相差分布を取得することにある。

また、三次元再構成システムに採用される位相分布再構成アルゴリズムは、以下の2種類に分けられる。1つは、まず投影データから位相復元を行い、次に従来のフィルタ逆投影アルゴリズムFBP又は反復法によって物体内部の位相（屈折率）分布を再構成する方法である。もう1つは、直接再構成であり、即ち、BR再構成アルゴリズムによって、Bronnikovが提出したインラインX線位相差CT基本定理（具体的には、Bronnikovの論文『Phase-contrast CT: Fundamental theorem and fast image reconstruction algorithms』、『Proceedings of SPIE』Vol・6318, 63180Q.を参照する）、物体内部の位相分布を直接に三次元再構成する方法である。この2つの位相分布再構成アルゴリズムは、本分野においては十分に発展しているので、ここでは詳細的な説明は省略する。

三次元再構成システムは、位相分布再構成によって、サンプル内部の三次元構造情報を取得し、エネルギ分布の再構成によって、サンプル内部の三次元エネルギ分布情報を取得し、エネルギ分布ボリュームデータによって、サンプルの構成部分をデジタル染色することにより、サンプル内部の物質成分情報の自動分類を実現する。図14はデジタル染色処理後のデジタルパラフィンブロックの模式図である。ここで、エネルギ分布情報はX線源の出力レベルと関係し、サンプル内部の物質原子番号とも関係する。物質の吸収減衰情報と物質の原子番号、光線エネルギによって、被検出物質の原子番号を確定する。図15及び図16に詳しく示すように、三次元再構成システムは、デジタル染色によって、鑑別された原子番号に対応する色を付与し、サンプルの三次元構造情報、及び内部物質組成情報をディスプレイに表示することで、観察者の分析に提供する。

図17に示すように、三次元再構成システムは、空間サイズ情報、位相情報、エネルギ情報、密度吸収情報によって、再構成されるデジタルパラフィンブロックに対してデジタル染色及びデジタル切片を行うことによって、様々な画像出力形式を提供することができ、これによって、組織構造の微細な差異を識別、観察することができる。各染色情報のパラメータのウエイトを調整して、異なる種類の画像出力結果をさらに大量取得することによって、サンプルの内部情報をより詳細に提供する。再構成プロセスで生成される検出データ、例えば二次元データ、三次元データ、デジタル染色パラメータ等は、長期に保存することができるし、情報交換によって大型データセンターに集中することで、データの交互使用及び共有を実現することもでき、これによって、診断標準の設立及び経験の交流に寄与することができる。

具体的には、再構成後のデジタルパラフィンブロックは、任意角度の断面を取得でき、この断面にもそれぞれの画素ユニットにおける強度情報及びエネルギレベル情報が保留され、切片レベルでデジタル染色を行うことができる。デジタルパラフィンブロックに含まれるホログラフィック情報は、強度関連の三次元立体再構成画像と、物質原子量及び密度関連のエネルギ分布立体画像データとを含み、任意角度のデジタル切片によって、標本の任意断面に対する観察を実現できるとともに、異なるデジタル染色方法によって断面における各画素ユニットに対し、強度勾配に基づく染色、エネルギ勾配に基づく染色等に限らず、デジタル染色行うことができる。このように、観察者に、任意角度の断面画像、仮想内視鏡画像、所定構造の表面特徴画像、所定構造の分解画像の分割と抽出等に限らず、様々な観察方法を提供することができる。

現在、従来の組織学及び病理学の基礎となる光学顕微鏡は、空間解像力の面ですでに極限に達した。本実施例は、生物軟組織及び病理標本の非破壊性検出に新な顕微観察手段を提供し、従来の光学顕微鏡及びHE染色による病理組織学観察と比べると、X線の波長が1〜10nmであり、論理的空間解像力は、可視光よりも200〜1000倍高く、また、直接デジタル結像によって、病理標本の作製プロセスを省略することができる。

第1実施例は、低放射量及びサンプル非破壊を基礎に、弱吸収物質に対し高コントラストの結像を行うことができる。従来の位相差結像技術と比べると、本第1実施例では、エネルギ識別機能を有する光子計数検出器を採用し、光子エネルギ堆積に代えて、光子計数によって、輝度の低い微焦点X線源の結像時間を従来検出器の結像時間の1/10程度に縮減させた。また、本実施例に採用される三次元再構成技術は、異なる角度の仮想切片を取得でき、標本の投射画像、断面画像、立体再構成画像及びそれらの特殊染色効果を観察することができる。通常の病理切片の検査の作業プロセス、及び検査報告時間を大幅に短縮させた。本実施は、臨床応用の要求を満たし、位相差結像の医学、生物学、工業材料等の分野への応用のために、新たな考えと手段を提供したので、重大な実用意義と及び応用価値を有している。

第2実施例
X線結像技術において、低パワーの微焦点X線源を採用すると、十分なコヒーレント性を得られるが、ビームが狭すぎ、光束が小さすぎるので、検出器に必要な露光時間が非常に長く、臨床応用が制限される場合がある。図18に示すように、本発明は、格子の自己結像効果を利用し、光路を工夫することによって、1枚目の位相格子の像と2枚目の吸収格子とをマッチさせ、さらに、サンプルに形成されるモアレ縞を分析することで、波面を定量復元することができる。したがって、本発明は、高輝度、高コヒーレント性の同期放射線光源に依存しない。

そのため、本発明の第2実施例は、光子計数に基づく放射線結像システムを提供し、光子計数技術と格子結像技術によって、従来技術の技術的欠陥を解決する。図19は放射線結像システムの全体構造の模式図を示す。当該放射線結像システムは、X線源、光源格子、サンプル走査ステージ、位相格子、分析格子、光子計数検出器、及び三次元再構成システム（未図示）等の部材を備える。上記光源格子、位相格子、及び分析格子は平面構造であるが、円心が光源側にある曲面構造であってもよい。

本実施例において、X線を生成するためのX線源は、近単色微焦点光源であることが好ましい。このX線は、光源格子の調整によって、コヒーレントX線が取得され、このコヒーレントX線は、サンプル走査ステージに載置される被検出サンプルに照射される。光源格子は、X線源とサンプルとの間に設けられ、十分な光束を得るために、複数本の微細なスリットが設けられている。位相格子は、サンプルの他方側と分析格子との間に設けられ、分析格子は自己結像の距離に位置し、結晶体回折増強法における分析結晶体と類似な機能を発揮する。X線方向において分析格子を走査することによって、異なる位置における強度曲線を取得する。分析格子の他方側に光子計数検出器が設けられ、上記部分は水平方向において順次に配列され、光子計数検出器は三次元再構成システムと接続されている。

コヒーレントX線がサンプルを透過する際に、吸収、散乱、屈折、透過等の物理現象が発生し、所定空間における材料の情報を搬送する光子が大量に発生する。上記光子が位相格子を経過すると、位相変化情報（モアレ縞として表現され、X線の位相変化はモアレ縞の移動距離として表現される）が生成される。位相変化情報を搬送する光子が分析格子を透過した後、分析格子の位置を調整することによって、光子の位相情報が光子計数検出器における異なる光強度の情報に変換され、分析格子の位置が異なる場合に上記光子計数検出器に形成される画像が記録される。

当該放射線結像システムに検出されるサンプルが載置されていない場合、コヒーレントX線が位相格子を経過して回折すると、格子の自己結像縞が形成され、このような現象はTalbot効果（この効果は複数種のダブルスリット干渉が共同作用した結果として見なすことができる）と呼ばれる。図19〜図21に示すように、格子の自己結像の位置に、空間周期が格子自己結像縞周期と同じ分析格子が1つ挿入される。当該分析格子は吸収格子であり、分析格子の位置を調節することによって、格子の自己結像を通過させ、或いは格子の自己結像を通過させないようにすることができ、分析格子の横向き移動につれて、検出器における光強度に周期的変化が発生する。図21は光強度が分析格子の位置変化にしたがって変化する曲線であり、この曲線は分析格子の移動から得られるものであるので、変位曲線と呼ばれる。定量の屈折角信号を提供するには、最も簡単な手段は分析格子の通過光強度とサンプル屈折角との間にリニア関係を形成することである。このため、サンプルを載置する前に、まず分析格子の位置を調節することで、分析格子と格子の自己結像を半マッチ状態とし、即ち、格子自己結像が分析格子において最大の半分の通過率が得られ、変位曲線のリニア領域、即ち図21中の変位曲線におけるa点又はb点に対応する。実践において、a、b両点の位置に限らず、例えば変位曲線の谷やピーク、又はその他の位置であってもよい。サンプルが載置されると、X線ビームがサンプルに照射され、サンプルには水平方向及び垂直方向において正又は負の屈折角が生じ、水平屈折角によって、図19中の格子の自己結像に水平の横向き変位が生じ、図19中の分析格子の通過光強度が水平屈折角に従ってリニア変化する一方、垂直屈折角によって、図12中の格子の自己結像に垂直の横向き変位が生じ、図20中の分析格子の通過光強度が垂直屈折角に従ってリニア変化する。したがって、それぞれ図19及び図20中の格子切断結像装置によって、サンプルの水平方向に沿う屈折コントラスト像、及び垂直方向に沿う屈折コントラスト像を取得することができる。

本実施例は第1実施例における光子計数検出器によって結像平面における光子を計数する。光子計数検出器におけるそれぞれの画素ユニットは1つの検出器ユニットとして、互いに独立している。それぞれの画素ユニットがいずれもX線の単一光子に対し捕獲、増幅、鑑別、閾値比較、整形、及び計数を行う機能を有することによって、入射される光子の投影データ及びエネルギデータを取得する。光子計数検出器は、X線がサンプルを透過した後の一階微分移相情報を取得する。X線の照射過程において、被検出サンプルはサンプル走査ステージにつれて連続的に回転する。図22に示すように、本発明の一実施例に使用されるサンプル走査ステージによって、サンプルを全方位的に回転させることができ、これによって、サンプルに対するX線の照射角度を変化させ、サンプルの全方位の組織構造情報を取得し、三次元再構成システムに伝送することで、三次元再構成システムが異なる角度のサンプル位相差画像系列を取得することができ、三次元再構成システムは、投影データに基づき、サンプル内部の位相分布を再構成することによって、サンプルの二次元又は三次元画像を再構成する。

本発明の第2実施例は、サンプルが載置されていないときの基準投影画像と、サンプルが載置されるときの異なる角度の2枚の投影画像とに基づき、サンプルの構造を三次元再構成する光子計数に基づく放射線結像システムをさらに提供する。投影画像を取得するプロセスは、以下のステップを備える。

ステップ1：サンプル走査ステージにサンプルが載置されていない場合、放射線結像システムによって、基準投影画像を採集する。
ステップ2：サンプル走査ステージにサンプルを載置し、放射線結像システムによって、第1投影画像を採集する。
ステップ3：サンプル走査ステージを所定の角度だけ回転させ、放射線結像システムによって、第2投影画像を採集する。
ステップ4：放射線結像システムによって、ステップ1〜ステップ3における3つの投影画像に基づき、サンプル構造の三次元再構成を行う。

また、サンプル走査ステージにサンプルが載置されていない場合、画像を採集するステップは、以下のステップを備える。

ステップ1：X線源から、X線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子へX線を出射する。
ステップ2：複数のコヒーレント光源から出射されるX線を位相格子を通過させ、非コヒーレント干渉を発生させることによって、干渉縞を形成する。
ステップ3：分析格子によって、ステップ2で分離されたX線の位相情報をX線の光強度情報に変換し、光子計数検出器の表面に照射させる。
ステップ4：前記光子計数検出器によって、その表面に到達した前記X線の光子を計数し、基準投影画像を形成する。

サンプル走査ステージにサンプルを載置する場合及びサンプル走査ステージ回転後の画像採集方法が一致するものであり、以下のステップを備える。

ステップ1：X線源から、X線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子へX線を出射する。
ステップ2：複数のコヒーレント光源から出射されたX線を、サンプルを透過させることにより一部のX線の位相を変化させる。
ステップ3：位相格子によって、位相が変化したかに問わずX線全体を分離し、非コヒーレント干渉を発生させ、変形された干渉縞を得る。
ステップ4：分析格子によって、ステップ3で分離されたX線の位相情報をX線の光強度情報に変換し、光子計数検出器の表面に照射させる。
ステップ5：光子計数検出器によって、その表面に到達した前記X線の光子を計数することにより、投影画像を形成する。

以降、当該放射線結像システムをさらに詳しく説明する。
X線源は、同期放射線源、微焦点X線管、一般X線管、及びX線レーザ等であってもよい。コスト及び解決しようとする技術課題等の様々の要素を考えると、本発明の一実施例において、微焦点X線管を好適に採用する。

格子切断位相差の具体的な計算は下記の式（4）で示される。

式（4）において、I₀が入射光強度であり、Iが受信されたX線の光強度であり、Lが光線方向におけるサンプルの厚さであり、mがサンプルのリニア吸収係数である。また、下記の式（5）で示されるように、リニア吸収係数は総原子吸収断面sにおけるサンプルの密度等の要素と関係する。

式（5）において、NAがアボガドロ定数であり、Aが原子質量、rが物質密度である。

X線管の電流が1mAであり、高圧が35kVであるとすると、空気のX線に対する吸収係数は1.5程度になり、サンプルが厚さ5mmの水とする。格子を通過できる光強度が10%以下であり、位相格子によって光強度を少なくとも50%低下させ、さらに、分析格子によって光強度を10%低下させる。よって、検出器に到達する時点に、X線の強度は、元の1/1000まで低下することができる。

検出器に位相差画像を形成するために、通常採用される技術手段は露光時間を延長させることであるが、こうすると、ノイズ信号が大量に導入され、画像の解像力を低下させてしまう。一部のノイズ、例えばランダムノイズは、サンプリング時間を延長することで除去できるが、電子ノイズや量子ノイズ等のようなサンプリング時間が長くなるほど大きくなるノイズもある。したがって、格子位相差技術をさらに発展させるために、弱光結像の課題を解決しなければならない。

検出器における位相差画像のコントラストを増強すれば、弱光結像の課題を解決することができる。以降、Talbot効果から格子切断位相差結像の論理方法を推論するが、詳しくは劉宜晋の博士学位論文『X線位相差結像及びCTの研究』（中国科技大学，2009）を参照する。

ホイヘンス-フレネル原理（Fresnel-Huygens Principle）から分かるように、観察点のある箇所に到達する波面は前の1つの波面における各点から出射される第二波が重畳したものである。フレネル回折公式は以下のように示される。

が入射ウィンドウ平面の位置ベクトルであり、

が検出器平面内の位置ベクトルであり、

E_入射が入射波面の分布であり、（x’，y’）が入射ウインドウ面内の座標値である。
格子回折システムは、入射波面及び格子の透過率数によって共同に決定されるものである。

特に、結像空間を二次元平面内に限定する。理想な場合、格子透過率関数は、

で示されることができ、t₀（x）が格子の単一周期の透過率関数であり、×が畳み込みを示し、comb（x）が櫛形関数と定義され、一連のディラック関数の和であり、即ち、

であり、格子の透過率関数を公式（5）に代入すると、入射光が格子を透過した後の光学伝搬状況を模擬することができる。このような状況で、自己結像が出現する条件は、像面の光強度分布のスペクトラムが格子後表面のスペクトラムと等しいことであり、よって、自己結像距離の表現式は、

であることを推論できる。そのうち、nがTablotの級数で、自然数である。Dnがn級Tablotの距離である。格子がn/2移相格子又は吸収格子である場合、n＝1である。格子がn移相格子である場合、n＝2である。aが入射X線の波長である。T1が格子の周期である。

なお、光源の横向移動によって、自己結像縞の横向きシフトが発生するので、光源の横向き移動の距離が適当であれば、自己結像縞が整数個の周期をずれ、総非コヒーレントが重畳され、縞コントラストを増強させることができ、図23に示すように、本発明の一実施例において、光源格子の隣合う2つのスリットのX線光源の間は非コヒーレントであるが、隣合う2つのスリットに発生する干渉縞が1つの周期をずれている。

露光時間を延長させないことを前提に、われわれは、検出器の上面に増強された位相差画像を形成することを求める。弱光結像の課題をさらに解決するために、本発明では、光子計数検出器を好適に採用する。本実施例は第1実施例の光子計数検出器を採用するので、その構造と作業原理の重複の説明を省略する。

本実施例において、光子計数検出器によって受信されるものは強度情報のみであり、この強度情報には、吸収相及び屈折角相（即ち位相移動）が含まれ、つまり、分析格子によって、位相情報が強度情報に変換された。しかし、格子結像に必要なパラメータは屈折角相であるので、このパラメータを得るために、p/4（pが分析格子の変位曲線の周期である）と-p/4の2つの方向、又は位相差が180度の2つの方向において、2枚の画像を撮影して、上記2枚の画像から屈折角を得る必要があり、さらに、位相情報を分離し、位相差に基づく断層画像を構成するとともに、吸収コントラストに基づく断層画像も構成し、2つの画像を融合する必要がある。

いま、複数枚の投影画像を撮影することは発展の主流であるが、これによってサンプルが過度の放射能を受けることがあり、それに、結像データの採集時間を大幅に延長させることも簡単、迅速、及び低放射量の要求を満たせない。本実施例では、2枚の異なる投影画像を撮影するだけで、上記技術課題を解決することができる。

先ず、分析格子の透過光強度と位相格子の入射光強度との間の関係によって、分析格子の透過光強度とサンプルに対する入射光強度との間の関係を得ることができ、分析格子を所定の位置に移動させ、光強度を屈折角にしたがってリニア変化させることによって、その公式が得られる。本発明の一実施例において、サンプルをサンプル走査ステージに載置した後、サンプルの1枚の画像（正面像）を撮影し、そして、Y軸を回転軸として、サンプルを180度回転させ、さらに1枚の画像（裏面像）を撮影し、サンプルの回転は180度に限られないが、180度ではない場合、1つの計算要素を増加する必要がある。回転角度が180度ではない場合よりも、正面像と裏面像の吸収減衰が同じで、屈折角が反対するので、2枚の画像の数学表現式が得られる。最後に、図24に示すように、正面像と裏面像の数学公式を加算することによって、サンプルの吸収像を算出することができる。また、図25に示すように、上記2つの数学公式の差をそれらの和で除することによって、屈折角像を算出することができる。吸収像と屈折角像の詳しい推論過程は麦振洪編著の『同期放射線光源及びその応用』（科学出版社2013年3月出版，p658〜660，ISBN：9787030365347）を参照できる。

吸収像と屈折角像を取得した後、CT断層結像論理によって三次元結像を行う。即ち、吸収像及び屈折角像から位相二次導関数が得られ、さらに、移相像を分離し、移相像、水平屈折角像、垂直屈折角像、及び位相二次導関数によって三次元情報を再構成する。1つの断層から複数の断層に応用し、位相のサンプル座標系での導関数がサンプルの回転によって変化しない特徴を満たすので、それを再構成関数とし、ろ波反投影再構成公式及び畳み込み反投影再構成公式をさらに取得し、タイトル関数再構成をベクトル関数再構成に応用する。三次元再構成方法の詳しい推論過程は麦振洪編著の『同期放射線光源及びその応用』（科学出版社2013年3月出版，p663〜679，ISBN：9787030365347）を参照できる。

上記システムと方法に基づき、本発明の一実施例は以下の構造パラメータを選用する。
X線源、焦点径が50μmであり、
光源格子、格子定数が10μmであり、格子面積が3cm×3cmであり、
光源格子とX線源との距離が2mmである。

本実施例は以下の効果を有している。1mmサンプルにおける50μmよりも小さい組織の構造形態を識別でき、例えば、病理サンプルにおける皮膚組織の汗腺毛襄を識別できる。1mmよりも小さい血管を識別し、血管の内部と外壁を区別できる。5mm×5mm×5mmの***組織サンプルにおける50μmよりも小さい微細な石灰化点等を識別でき、5mm×5mm×5mmの有機材料ブロック内部の組成均一性テストにも使用可能である。結像時間は従来検出器の結像時間の1/10に短縮された。

本発明では、光子計数検出器と格子位相差結像とを組み合わせ、低放射量及びサンプルの非破壊を基礎とし、弱吸収物質に対して高コントラストの結像を行うことができ、検出器に到達する格子位相差の光子が少なく、長時間の積分によってノイズを導入してしまう問題を好適に解決することができ、位相差顕微CTのさらなる発展に寄与する。

第3実施例
従来技術では、X線源の格子について、格子の焦点が一定であるので、異なる部分に対する結像の要求を満たせず、結像の品質に大きく影響する一方、格子自身も光子計数検出器へ出射すべきX線の一部を遮断してしまうという不足が存在している。このような不利な影響を解消するために、X線の放射量を増大しなければならないが、被検出対象、特に患者及び医療従事者が受ける放射線による傷害が大きくなり、また、光子計数検出器の制造コストも向上し、病院の環境防護作業も困難になる。

従来技術において、仮想格子技術は、光子計数検出器の感光平面に到達した散乱光線をろ過せず、散乱光線及び直射光線データを全てサンプリングする。そのため、厚***接続撮影のような散乱光線の比例が大きい場合に、直射光線の微小細部が光子計数検出器に到達した時点で既に大量の散乱光線に「埋もれ」、ソフトウェア処理ではこれらの微小細部を復元することはできず、厚***応用の医学診断要求を満たせない。

従来技術において、先ず、散乱校正器又は減衰格子によって散乱強度プロファイルを生成し、投影画像と散乱強度プロファイルとの差から校正された投影画像を得る等の散乱校正方法もある。しかし、このような散乱校正方法によって、走査時間が倍増し、データ処理量も倍増するので、効率が低下し、かつ適応性が悪い等の問題がる。

したがって、上記技術課題を解決するために、本発明の第3実施例は、光子計数に基づく放射線結像システム及び方法をさらに提供する。

既有の研究成果（具体的には、特許番号がZL 200910022100.3である中国発明特許を参照できる）によると、散乱光線の分布は近似的に正規分布と見なすことができる。一次元の場合、1本の狭ビームX線が被検出物体を透過した後に、x方向の各位置における光線（直射光線及び散乱光線を含む）の強度分布は、式（10）で示すことができる。

σが被検出物体の特性を示し、密度及び厚さによって大きさが決められ、uが狭ビーム光線のx方向における位置を示す。

図26と図27に示すように、焦点からの直射光線が光子計数検出器の感光平面（好ましくはシンチレータコート及び薄膜トランジスタアレイである）に伝送されるときに、進行過程において散乱光線が形成され、これによって、図26と図27で示される散乱光線プロファイルが形成される。中心位置の黒いブロックが中心光線の投影域であり、信号採集域として、焦点からの直射光線を採集する。中心位置の周囲の円で示される領域が散乱光線分布領域であり、これらの散乱光線が主にこの領域に分布する。本発明において、採集される画像の品質を確保するために、散乱光線に所定の処理を行う必要がある。具体的には、以下に説明する。

本発明では、所定のタイミングで走査するX線源、及び採集位置が制御可能な光子計数検出器を採用し、X線源及び光子計数検出器の作業タイミングを制御することによって、1つの瞬間において、1つの十分に小さい領域のみがX線の露光を受けるとともに、光子計数検出器のこの領域の画素ユニットが採集状態になり、光子計数検出器の他の画素ユニット領域が非応答状態になること確保する。このように、散乱光線の有効採集領域への影響を大幅に低減させる。論理的には、直射光線が単一の画素ユニットのみに向かい、この単一画素ユニットのみが採集状態になる場合、散乱光線の影響が零に近い。依然として、一次元を例として、散乱光線の貢献率と採集領域の大きさとの関係は式（11）で示されることができる。

mが狭ビーム光線のx方向における位置を示し、Dがmを中心とする採集幅を示し、Pが散乱光線の貢献率を示す。

式（11）から分かるように、採集幅が小さくなるほど、散乱光線の貢献率も小さくなる。1つの時点に単一画素ユニット又は極小の領域のみが方向性X線を採集し、他の領域がX線を採集せず、他の方向におけるX線による散乱の有効採集画素ユニットに対する散乱成分の影響がほぼ零であることが満たされる場合、有効採集領域における画素ユニット（即ち、有効採集画素ユニット）又は単一有効画素ユニットによって採集される信号は全て直射光線からのものになる。

図28に示すように、単束のX線が光子計数検出器における異なる領域（画素ユニット又は画素ユニットブロック）に出射される。光子計数検出器における白いブロックが作動中の画素ユニットを示し、ハッチングの付いたブロックが遮断された未作動の画素ユニットを示す。採集される画像D1〜D3において、黒いブロックが直射光線信号を採集した画素ユニットを示し、ハッチングの付いたブロックが散乱光線信号を採集した画素ユニットを示す。画像D1で示される様子は全ての画素ユニットが作動状態にある場合に採集される画像である。1本のX線が光子計数検出器に出射されると、一部の光線が方向を変えて散乱光線を形成する。このようなX線が光子計数検出器の感光平面に到達するときに、それによって影響される各画素ユニットの様子は図中のD1に示すとおりである。光子計数検出器の画素ユニットによって、直射光線が採集される以外に、この画素ユニットの周囲の画素ユニット（即ち、図28におけるハッチングの付いた画素ユニット）によって散乱光線の信号も採集される。画像D2で示される様子は一行の画素ユニットみのが活性化されるとともに、他の画素ユニットが遮断される場合、光子計数検出器に採集された直射光線信号と散乱光線信号の様子である。画像D2と画像D1とを比べると、採集された散乱光線が明らかに少なくなった。画像D3で示される様子は1つの画素ユニットのみが活性化される場合であり、光子計数検出器には散乱信号が採集されなかった。本発明において、有効採集画素ユニット（即ち、図28における黒いブロックで示される画素ユニット）以外の画素ユニットは、採集する必要がなく、即ち、周囲の有効画素ユニットが散乱光線を受信しても、当該散乱光線を採集又は伝送することはない。論理上の推論から分かるように、光線束を単一画素ユニットのみに対して露光するように制限する場合、他の画素ユニットは散乱光線のみを受信し、光線束が対応する画素ユニットには一次光線からの信号のみが受信され、散乱光線信号が存在しない。

本実施例の放射線結像システムは、光子計数検出器及び時分割領域制御によって散乱光線をろ過することで、結像効果を向上させるものであり、X線源、X線コリメータ、光子計数検出器、タイミング位置コントローラ等の構成部分を備える。

（1）X線コリメータはX線ビームの幅と方向を規制及び調整するためのものである。X線源は、X線コリメータによって処理されると、光子計数検出器におけるX線応答状態にある画素ユニット領域（行、点又はブロック）のみに対し、方向性を有するX線を出射することができ、このX線の直射光線部分が光子計数検出器における応答状態にある画素ユニットに到達し、散乱光線がX線非応答状態にある画素ユニット領域に到達する。

（2）光子計数検出器は行ごと、点ごと、又はブロックごとに時分割で走査及び採集することができ、それぞれの期間において、1つの画素ユニット又は1つの小さな領域（n×m画素ユニットブロック、n、mがともに正の整数である）のみがX線応答状態になり、他の画素ユニット又は領域はX線に対していずれも非応答状態になる。

（3）タイミング位置コントローラは、光子計数検出器の領域（行、点又はブロック）を1つずつに採集状態になり、他の領域が非採集状態（遮断状態）になるように制御することができ、同時に、X線源から出射されるX線が光子計数検出器の有効採集領域に向かうように制御するとともに、他の方向には光線が出射されていないことを確保することができる。

本実施例は、上記の光子計数に基づく放射線結像システムによって実現される光子計数に基づく放射線結像方法をさらに提供し、当該光子計数に基づく放射線結像方法は、
（1）光子計数検出器の感光平面を区画するステップと、
（2）タイミング位置コントローラによって、光子計数検出器における1つの領域を活性化するとともに、他の領域を遮断するステップと、
（3）X線源からX線を出射し、当該活性化された領域に向かうにように、X線コリメータによってX線を規制するステップと、
（4）光子計数検出器によって、当該領域のデータを採集し、記録するステップと、
（5）光子計数検出器の全ての領域のデータ採集作業を完成するまで、光子計数検出器の他の1つの領域に切替え、ステップ（2）〜（4）を繰り返す。これによって、散乱光線が完全に除去された画像を得るステップと、を備える。

本実施例において、タイミング位置コントローラは、ユーザにより選定された制御モードに応じて、光子計数検出器の感光平面を区画し、区画結果によって、X線の照射方向を同期的に制御し、対応する光子計数検出器の領域を活性化する。本実施例において、好ましくは、タイミング位置コントローラは、ドット周波数生成回路、点計数回路、行計数回路、フレーム周波数制御回路、及び検出器タイミング制御出力回路とX線位置制御出力回路等から構成される。これらの回路は、従来のCRTディスプレイにおけるタイミングコントローラ又はタイミング制御回路から改良されたものであってもよい。業者にとって周知のルーチンな技術であるので、ここでは詳しい説明を省力する。

本実施例によって提供される放射線結像システムは、機械制御方法と電子制御方法との2つの制御方法を採用できる。以降、この2つの制御方法の具体的な技術内容をそれぞれに具体的に説明する。

図29に示すように、本実施例の放射線結像システムが機械制御を採用する場合、対応する機械運動装置をさらに備える。光子計数検出器は、時分割且つ領域分割で使用可能であり、即ち、光子計数検出器は、画素ユニットを最小ユニットとして、単一画素ユニット、単行の画素ユニット、又は複数行の画素ユニットで使用してもよいし、隣合う複数の画素ユニットから形成される画素ユニットブロックで使用してもよい。機械運動装置は、X方向、Y方向（又はX方向、Y方向、Z方向）に配置される駆動モータを備えることによって、制御命令に応じて、X方向、Y方向（又はX方向、Y方向、Z方向）において移動することができる。X線コリメータは、本実施例において、具体的にはペン状細管X線コリメータであり、X線を狭ビームX線に形成するように規制するためのものである。機械運動装置の制御によって移動することができる。タイミング位置コントローラは、所定のタイミングで光子計数検出器を区画し、活性化するためのものである。

機械制御を採用する場合、本放射線結像システムの作業原理は以下のように説明する。X線源は、1つのペン状細管X線コリメータによって、光子計数検出器の活性化領域に向かい、単位時間内で1つの所定位置のみに対して露光する1本の十分に細い狭ビームX線を取得する。この単位時間内において、位置信号によって、光子計数検出器における対応する画素ユニットに活性化させるように通知し、この領域の信号を採集する。図30に示すように、ペン状細管X線コリメータは、機械運動装置の制御によって、X方向の駆動モータによってX正方向に沿って移動し、X正方向の画素ユニット全体の露光が完成するまで、光子計数検出器の活性化領域と同期的に移動する。そして、Y方向を駆動する駆動モータをY方向に沿って1つの領域の高さだけ移動させ、引き続きX反方向の走査露光を行う。Y方向の全てのストロークが完成すると、光子計数検出器の全ての領域が完全に露光される。この露光プロセスによって、毎回の機械運動の制御において、選択される画素ユニットのみが活性化されることを確保するとともに、活性化された画素ユニットのみが直射X線信号が採集及び伝送され、他の画素ユニットがいずれも遮断又は未活性化の状態になり、周囲が受けた散乱光線が採集又は伝送されることはないことを確保することができる。

本実施例によって提供される放射線結像システムが電子制御を採用する場合、図31に示すように、電子銃、電子ビーム減速ターゲット、及び偏向機構をさらに備える。光子計数検出器は、時分割且つ領域分割で使用可能であり、即ち、光子計数検出器は、画素ユニットを最小ユニットとして、単一画素ユニット、単行の画素ユニット、又は複数行の画素ユニットで使用してもよいし、隣合う複数の画素ユニットから形成される画素ユニットブロックで使用してもよい。X線源は本実施例において電子銃によって代替される。当該電子銃は電子ビームを出射するためのものである。電子ビームは電磁界の制御によって、運動方向が調整可能である。偏向機構は、電子ビームの方向を対応する領域に向かうように調整するためのものである。電子ビーム減速ターゲット（例えばタングステンターゲット又はモリブデンターゲット）は、真空環境に設けられ、電子ビームを急遽減速させて電子ビームの減速過程においてX線ビームを発生させるためのものである。X線コリメータは、本実施例において、具体的には細孔コリメータ（区画コリメータとも呼ばれる）、電子ビーム減速ターゲットの裏面に設けられ、X線ビームをコリメートするためのものである。タイミング位置コントローラは、所定のタイミングに応じて、光子計数検出器を区画し活性化するためのものである。

図32に示すように、本放射線結像システムが電子制御を採用する場合、作業原理は以下のように説明する。タイミング位置コントローラの命令によって、電子銃から出射される電子は電子ビームを形成し、偏向機構によって元の運動方向からずれ、対応する領域のタングステンターゲットに衝突してX線を発生させる。X線は、細孔コリメータによって光子計数検出器における1行目の1番目の領域に向かい、同時にタイミングコントローラによって、光子計数検出器における1行目の1番目の領域の画素ユニットを活性化することによって、1行目の1番目の領域の無散乱画像を取得する。このとき、活性化領域と隣合う画素ユニットが散乱光線の照射を受けるが、これらの画素ユニットが活性化されていないので、これらの散乱光線の情報が被採集及び伝送されることはない。タイミング位置コントローラのタイミング命令に応じて、光子計数検出器は1行目の残りの領域の採集をブロックごとに1つずつに完成する。1行目の画素ユニットの採集が完成すると、逆方向に2行目の画素ユニットの採集を行い、このように繰り返すことで、全ての行の画素ユニットの採集を完成し、散乱光線が抑制されたきれいな画像を取得する。このプロセスは機械制御の場合の画像採集の手順と同じであるので、説明の重複を省略する。

図33に示すように、従来の平面アレイ採集式の光子計数検出器は、その固有欠陥により、直射光線及び散乱光線を同時に採集してしまうので、例えば、図33の符号1で示される領域のように、光子計数検出器に採集される画像が汚染されることがある。これに対して、本発明による放射線結像システムに採集される画像は、図34の符号2で示される領域である。これから分かるように、従来の平面アレイ採集式の光子計数検出器と比べると、本発明によって実現される画像採集は、散乱光線を大幅に抑制し、画像のコントラスト及びシグナルノイズ比を顕著に向上させた。

実際の使用において、採集幅を1つの画素ユニットの大きさに制御することが非常に困難であるので、採集幅と散乱光線貢献率の間にバランスを取る必要がある。より良好な散乱除去効果を求め、採集速度に対する要求が高くない場合、できるだけより狭いX線ビームを選択するとともに、より小さな画素ユニット領域を活性化することができ、この場合、画素ユニット領域は、一行の画素ユニット、複数行の画素ユニット、複数の隣合う画素ユニットからなる画素ユニットブロックであってもよく、ひいては最小単位である1つの画素ユニットであってもよい。逆も同様である。画素ユニットを活性化する手順は先ずX方向、次にY方向の順に行ってもよいし、予め設定される他の手順で行ってもよい。

単個の画素ユニットを照射領域として点ごとに画像を採集する場合、1つの時点において1つの領域のみ（最小単位は1つの画素ユニットである）が活性化状態になることができるので、周囲の散乱光線に対する抑制機能は最強になり、採集される画像の品質が高いが、採集速度が遅いので、採集速度に対する要求がさほど高くない場合に応用することができる。行ごとに走査する場合、行ごとの走査は同一時点において当該行内の全ての画素ユニットが同時に活性化される状態であるので、露光及びデータ採集を行うときに少量の散乱光線が同一行内の隣合う画素ユニットによって採集されることがある。行ごとの走査は採集速度がより速いので、迅速の採集を求め、画像品質に対する要求がそほど高くない場合に、行ごとの走査を採用することが好適である。このように、本発明によれば、異なる状況における画像採集速度に対する要求を満たし、実際の要求に合致する画像を取得することができ、さらに、精度がより高い散乱除去画像を採集することができる。

複数の画素ユニットに対して採集する場合、画像が汚染される問題を解決するための予処理モジュールを増加することができる。それぞれの検出器モジュールによって、採集された原始データを初期整合してから、複数の光子計数検出器採集回路に入力し、そして、複数のデータ伝送チャネルによって、モジュールに送信する。予処理モジュールは、データフレームに対して整合、再配列、校正等の処理を行うことができるとともに、散乱除去アルゴリズムによってデータフレームを散乱除去選別を行い、散乱データフレームを判別し、破棄することによって、有効のデータフレームのみを保留する。予処理モジュールの散乱除去アルゴリズムは、FPGA、DSP、さらにASICチップによって実現することができる。判別された有効データフレームは、ホストに再び送信され、画像の再構成が行われる。この方案の散乱除去機能は予処理モジュールにおいて実現され、光子計数検出器に対して特別な要求がないので、従来の光子計数検出器モジュールを採用でき、光子計数モジュールを改めて設計する必要がない。

なお、この方案では、毎回の走査においてレジスタを再配置する必要がなく、走査速度を確保し、フレームレートを低下させることはない。FPGA、DSP等のプログラマブルロジックデバイスによって散乱除去機能を実現する方がより柔軟であり、異なる応用の要求及び走査方法はハードウェアのプログラムだけで実現でき、これよって、1つの検出器システムは複数種の作業モードと互換性を有し、検出器システムの応用の柔軟性を大幅に向上させた。また、ホストが受信する再構成原始データはある程度に予処理されたものであり、データ量が低減され、画像再構成アルゴリズムの複雑度を簡単化し、ホストの画像再構成ハードウェアソースに対する要求を低減できる。

本実施例によれば、放射量を増加することなく、異なる部分の測定プロセスの要求に対応することができる。また、走査時間が同じの場合、データ処理量を大幅に低減させ、画像効果が顕著に向上し、微小細部を復元でき、医学診断の要求に適応できる。二次元画像及び三次元画像の再構成におけるX線結像プロセスにおいて、本発明の方法を利用すれば、散乱光線の画像への影響を低減し、画像信号の品質を向上させることができ、また、放射量を間接的に低減させることができる。

既に設計済みの光子計数検出器ハードウェアシステムに対して、システムの完全性を維持するために、システムのアップデートを行うときに、ソフトウェアによる散乱除去の方案を採用することができる。

光子計数検出器ユニットの原始データは、データ予処理及びフレームデータ予処理が順に行われ、そして、高速光ファイバ伝送チャネルを介してホストに送信される。ホストがフレームデータを受信すると、さらにソフトウェアのアルゴリズムによって散乱選別プログラムを実行し、散乱選別後のフレームデータによって画像再構成を行う。ソフトウェアのアルゴリズムと予処理方案のハードウェアのアルゴリズムとは類似し、異なるプログラム言語によって実現するものである。

この方案の最大な利点はハードウェアシステムを変更する必要が全くないことにあり、従来の光子計数検出器システムと互換性を有し、システムのハードウェアのコストを大幅に低減させた。また、ソフトウェアによる散乱除去方案の開発周期がより短く、製品がより早く出回ることができる。しかし、ハードウェアレベルの予処理がないため、データ伝送の圧力が大きくなる。また、ホストのハードウェアソースに対する要求も厳しくなる。

以上、本発明による光子計数に基づく放射線結像システム、方法、及びそのデバイスについて具体的に説明した。業者にとって、本発明の根本的な思想を逸脱しない限り、如何なる明らかな変更も、本発明の特許権利に対する侵害を構成し、相応の法律責任を負わなければならない。

１ N型基板
２ P+ドープ領域
３ 正極パッド

Claims (21)

1. X線源と、サンプルを載置するための走査ステージと、光子計数検出器と、三次元再構成システムとを備え、
   前記X線源は、走査ステージ上のサンプルにX線を出射し、前記X線が前記サンプルを透過すると、空間的位置における材料の特徴情報を搬送する光子が発生し、前記光子計数検出器は、結像平面における光子を計数し、入射光子の投影データ及びエネルギデータを取得し、三次元再構成システムに伝送し、
   前記三次元再構成システムは、前記投影データ及び前記エネルギデータに基づき、サンプル内部の三次元構造、及び物質成分種類を再構成し、サンプルの構成部分をデジタル染色することによって、サンプルの物質成分を識別し、
   前記光子計数検出器は、複数の画素ユニットによって構成される平面アレイ検出器であり、前記画素ユニットのそれぞれは、光電変換層、プリアンプ、イベント検出ユニット、レベル鑑別コンパレータ、パルス整形器、カウンタ、積算器、及び出力バスを有し、
   前記光電変換層は、単光子を電気信号に変換し、前記プリアンプに伝送して前記電気信号を増幅させ、前記イベント検出ユニットは、増幅された電気信号におけるノイズをろ過して前記レベル鑑別コンパレータに送信し、前記レベル鑑別コンパレータは、有効信号を分別して前記パルス整形器に入力してパルス整形を行い、前記カウンタは、パルス信号を計数し、前記積算器に入力して前記バスに出力する
   ことを特徴とする光子計数に基づく放射線結像システム。
2. 請求項1に記載の放射線結像システムにより実現される光子計数に基づく放射線結像方法であって
   （1）X線源から、走査ステージ上のサンプルに、前記サンプルを透過することによって、空間的位置における材料の特徴情報を搬送する光子を生成するX線を出射するステップと、
   （2）光子計数検出器によって、結像平面における光子を計数し、入射される光子の投影データ、及びエネルギデータを取得するとともに、三次元再構成システムに伝送するステ
   ップと、
   （3）前記三次元再構成システムによって、前記投影データ、及びエネルギデータに基づき、サンプル内部の三次元構造、及び物質成分種類を再構成し、サンプルの構成部分をデジタル染色することによって、サンプルの成分を識別するステップと、
   を備えることを特徴とする光子計数に基づく放射線結像方法。
3. 前記ステップ（1）において、前記光子計数検出器は、カウンタによって、それぞれの画素ユニット点の光子積算値を取得し、サンプルの三次元構造を再構成するための投影図を形成するとともに、レベル鑑別コンパレータによって、サンプル内部の物質成分を識別するためのエネルギプロファイルを取得する
   ことを特徴とする請求項2に記載の放射線結像方法。
4. X線を生成するためのX線源と、
   前記X線源から出射されたX線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子と、
   被測サンプルを載置するためのサンプル走査ステージと、
   X線を分離するとともに、分離されたX線に非コヒーレント干渉を発生させるための位相格子と、
   X線の位相情報をX線の光強度情報に変換するための分析格子と、
   投影画像に基づき、前記サンプルの構造を三次元再構成するための三次元再構成システムと、
   所定期間内にその表面に到達したX線の光子の数を統計し、投影画像を形成し、前記三次元再構成システムに伝送するための光子計数検出器と、を備え、
   前記光源格子は、前記X線源と前記サンプルとの間に設けられ、前記位相格子は、前記サンプルの他方側と前記分析格子との間に設けられ、前記分析格子の他方側には、光子計数検出器が設けられ、前記光子計数検出器と前記三次元再構成システムとが接続されており、
   前記光子計数検出器は、複数の画素ユニットによって構成される平面アレイ検出器であり、前記画素ユニットのそれぞれは、光電変換層、プリアンプ、イベント検出ユニット、レベル鑑別コンパレータ、パルス整形器、カウンタ、積算器、及び出力バスを有し、
   前記光電変換層は、単光子を電気信号に変換し、前記プリアンプに伝送して前記電気信号を増幅させ、前記イベント検出ユニットは、増幅された電気信号におけるノイズをろ過して前記レベル鑑別コンパレータに送信し、前記レベル鑑別コンパレータは、有効信号を分別して前記パルス整形器に入力してパルス整形を行い、前記カウンタは、パルス信号を計数し、前記積算器に入力して前記バスに出力する
   ことを特徴とする光子計数に基づく放射線結像システム。
5. 請求項4に記載の放射線結像システムにより実現される光子計数に基づく放射線結像方法であって、
   サンプル走査ステージにサンプルが載置されていない場合、先ずX線源から、X線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子へX線を出射するステップ、複数のコヒーレント光源から出射されたX線を位相格子によって分離させ、非コヒーレント干渉を発生させることによって、干渉縞を形成するステップ、分析格子によって分離されたX線の位相情報をX線の光強度情報に変換し、前記X線を光子計数検出器の表面に照射させるステップ、前記光子計数検出器によって、表面に到達した前記X線の光子を計数し、基準投影画像を形成するステップを介して、前記放射線結像システムによって基準投影画像を採集するステップ1と、
   サンプル走査ステージ上にサンプルを載置し、前記放射線結像システムによって第1投影画像を採集するステップ2と、
   前記サンプル走査ステージを所定の角度だけ回転させ、前記放射線結像システムによって第2投影画像を採集するステップ3と、
   前記放射線結像システムによって、ステップ1〜ステップ3で得られた3つの投影画像に基づき、サンプル構造の三次元再構成を行うステップ4と、
   を備えることを特徴とする光子計数に基づく放射線結像方法。
6. 前記ステップ2又はステップ3は、
   X線源から、X線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子へX線を出射するステップ21、と
   複数のコヒーレント光源から出射されたX線を、サンプルを透過させることにより、一部のX線の位相を変化させるステップ22と、
   位相格子によって、位相が変化したかに問わずX線全体を分離し、非コヒーレント干渉を発生させ、変形された干渉縞を得るステップ23と、
   分析格子によって、ステップ23で分離されたX線を位相情報を、X線の光強度情報に変換するとともに、前記X線を光子計数検出器の表面に照射させるステップ24と、
   光子計数検出器によって、その表面に到達した前記X線の光子を計数することにより、投影画像を形成するステップ25と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の放射線結像方法。
7. X線を生成するためのX線源と、
   X線ビームの幅、及び方向を規制、及び調整するためのX線コリメータと、
   それぞれ光電変換層、プリアンプ、イベント検出ユニット、レベル鑑別コンパレータ、パルス整形器、カウンタ、積算器、及び出力バスを有する複数の画素ユニットによって構成される平面アレイ検出器であって、X線が物体を透過することにより発生する光線信号を採集するための光子計数検出器と、を備え、
   所定のタイミングに応じて、X線の照射方向を同期的に制御するとともに、前記光子計数検出器の対応する領域を活性化するためのタイミング位置コントローラと、
   前記光電変換層は、単光子を電気信号に変換し、前記プリアンプに伝送して前記電気信号を増幅させ、前記イベント検出ユニットは、増幅された電気信号におけるノイズをろ過して前記レベル鑑別コンパレータに送信し、前記レベル鑑別コンパレータは、有効信号を分別して前記パルス整形器に入力してパルス整形を行い、前記カウンタは、パルス信号を計数し、前記積算器に入力して前記バスに出力し
   前記X線源によってX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向かうように、前記X線コリメータによって前記X線を調整する
   ことを特徴とする光子計数に基づく放射線結像システム。
8. （1）光子計数検出器を区画するステップと、
   （2）タイミング位置コントローラにより、前記光子計数検出器の1つの領域を活性化するとともに、他の領域を遮断するステップと、
   （3）前記X線源によってX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向かうように、前記X線コリメータによって前記X線を調整するステップと、
   （4）前記光子計数検出器によって前記領域のデータを採集し、記録するステップと、
   （5）前記光子計数検出器の全ての領域のデータ採集作業を完成するまで、前記光子計数検出器の他の1つの領域に切替え、前記ステップ（2）〜（4）を繰り返し、これにより、散乱光線が抑制された画像を取得するステップと、
   を備えることを特徴とする請求項7に記載の放射線結像システムにより実現される光子計数に基づく放射線結像方法。
9. X線源、サンプルを載置するための走査ステージ、光子計数検出器、及び三次元再構成システムを備え、
   前記X線源は、走査ステージ上のサンプルにX線を出射し、前記X線が前記サンプルを透過すると、空間的位置における材料の特徴情報を搬送する光子が発生し、前記光子計数検出器は、結像平面における光子を計数し、全ての空間における光子エネルギを測定し、入射光子の投影データ及びエネルギデータを取得し、三次元再構成システムに伝送し、
   それぞれの画素ユニットのデータは、複数のレベルの計数の和、及び積算の和を含み、計数の和は画素ユニットにおける光子イベントのエネルギ情報を示し、積算の和は画素ユニットにより得られる密度に関する吸収減衰情報を示し、
   前記三次元再構成システムは、前記投影データ及び前記エネルギデータに基づき、サンプル内部の三次元構造、及び物質成分種類を再構成し、サンプルの構成部分をデジタル染色することによって、サンプルの物質成分を識別する
   ことを特徴とする光子計数に基づく放射線結像システム。
10. 請求項9に記載の放射線結像システムにより実現される光子計数に基づく放射線結像方法であって、
    （1）X線源から、走査ステージ上のサンプルに、前記サンプルを透過することによって、空間的位置における材料の特徴情報を搬送する光子を発生させるX線を出射するステップと、
    （2）光子計数検出器によって、結像平面における光子を計数し、入射される光子の投影データ、及びエネルギデータを取得するとともに、三次元再構成システムに伝送するステップと、
    （3）前記三次元再構成システムによって、前記投影データ及びエネルギデータに基づき、サンプル内部の三次元構造、及び物質成分種類を再構成し、サンプルの構成部分をデジタル染色することによって、サンプルの成分を識別するステップと、
    を備えることを特徴とする光子計数に基づく放射線結像方法。
11. 前記ステップ（1）において、前記光子計数検出器は、カウンタによって、それぞれの画素ユニット点の光子積算値を取得し、サンプルの三次元構造を再構成するための投影図を形成するとともに、レベル鑑別コンパレータによって、サンプル内部の物質成分を識別するためのエネルギプロファイルを取得する
    ことを特徴とする請求項10に記載の放射線結像方法。
12. 前記ステップ（3）において、前記デジタル染色は、異なる次元に基づくものであり、デジタル染色の過程において、異なる次元で二次元投影図の採集、及び再構成を行い、再構成された同次元の間のボクセルパラメータに対して算数演算を行う
    ことを特徴とする請求項10に記載の放射線結像方法。
13. X線を生成するためのX線源と、
    前記X線源から出射されたX線を複数のコヒーレント光源に分割するための光源格子と、
    被測サンプルを載置するためのサンプル走査ステージと、
    X線を分離させ、分離されたX線に非コヒーレント干渉を発生させるための位相格子と、
    X線の位相情報をX線の光強度情報に変換するための分析格子と、
    画像に基づき、前記サンプルの構造を三次元再構成するための三次元再構成システムと、
    所定期間内にその表面に到達したX線の光子を測定することによって画像を形成するとともに、前記三次元再構成システムに伝送するめの光子計数検出器と、を備え、
    前記光源格子が前記X線源と前記サンプルとの間に設けられ、前記位相格子が前記サンプルの他方側と前記分析格子との間に設けられ、前記分析格子の他方側に光子計数検出器が設けられ、前記光子計数検出器と前記三次元再構成システムとが接続される
    ことを特徴とする光子計数に基づく放射線結像システム。
14. 前記光子計数検出器は複数の画素ユニットにより構成され、それぞれの画素ユニットは捕獲された光子の強度を測定し、閾値比較を行い、所定期間においてウインドウ内に前記画素ユニットを通過した光子の合計を記録することによって、当該画素ユニットにおける強度情報を取得する
    ことを特徴とする請求項13に記載の放射線結像システム。
15. 請求項13に記載の放射線結像システムにより実現される光子計数に基づく放射線結像方法であって、
    サンプル走査ステージにサンプルが載置されていない場合、前記放射線結像システムによって基準投影画像を採集するステップ1と、
    サンプル走査ステージ上にサンプルを載置し、前記放射線結像システムによって第1投影画像を採集するステップ2と、
    前記サンプル走査ステージを所定の角度だけ回転させ、前記放射線結像システムによって第2投影画像を採集するステップ3と、
    前記放射線結像システムによって、ステップ1〜ステップ3で得られた3つの投影画像に基づき、サンプル構造の三次元再構成を行うステップ4と、
    を備えることを特徴とする光子計数に基づく放射線結像方法。
16. 前記ステップ4において、吸収像、及び屈折角像に基づき、位相二次導関数を取得し、移相像を分離し、前記移相像を参照することにより、前記屈折角像、及び前記位相二次導関数を1つの断層から複数の断層に応用し、前記サンプルの三次元構造を再構成する
    ことを特徴とする請求項15に記載の放射線結像方法。
17. X線を生成するためのX線源と、
    X線ビームの幅及び方向を規制及び調整するためのX線コリメータと、
    X線が物体を透過することにより発生する光線信号を採集するための光子計数検出器と、
    所定のタイミングに応じて、X線の照射方向を同期的に制御するとともに、前記光子計数検出器の対応する領域を活性化するためのタイミング位置コントローラと、を備え、
    前記X線源によってX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向かうように、前記X線コリメータによって前記X線を調整する
    ことを特徴とする光子計数に基づく放射線結像システム。
18. 電子制御を採用する場合、偏向機構、及び電子ビーム減速ターゲットをさらに備え、
    前記タイミング位置コントローラは、前記光子計数検出器の1つの領域を活性化し、前記偏向機構は、電子ビームの進行方向を調整し、前記電子ビーム減速ターゲットは、前記電子ビームを急劇減速させX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向うようにX線コリメータによって前記X線を規制する、
    ことを特徴とする請求項17に記載の放射線結像システム。
19. 前記X線コリメータは、前記電子ビーム減速ターゲットの後に設けられる細孔コリメータである
    ことを特徴とする請求項18に記載の放射線結像システム。
20. 前記タイミング位置コントローラによって前記光子計数検出器の1つの領域を活性化するときに、他の領域を遮断する
    ことを特徴とする請求項17に記載の放射線結像システム。
21. 請求項17に記載の放射線結像システムにより実現される光子計数に基づく放射線結像方法であって、
    （1）光子計数検出器を区画するステップと、
    （2）タイミング位置コントローラにより、前記光子計数検出器の1つの領域を活性化するとともに、他の領域を遮断するステップと、
    （3）前記X線源によってX線を生成し、前記光子計数検出器の活性化された領域に向かう
    ように、前記X線コリメータによって前記X線を調整するステップと、
    （4）前記光子計数検出器によって前記領域のデータを採集し、記録するステップと、
    （5）前記光子計数検出器の全ての領域のデータ採集作業を完成するまで、前記光子計数検出器の他の1つの領域に切替え、前記ステップ（2）〜（4）を繰り返し、これにより、散乱光線が抑制された画像を取得するステップと、
    を備えることを特徴とする光子計数に基づく放射線結像方法。