JP6711619B2 - 放射線撮影装置、放射線撮影方法、ｃｔ装置及びプログラム - Google Patents

放射線撮影装置、放射線撮影方法、ｃｔ装置及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は放射線撮影装置、放射線撮影方法、ＣＴ装置及びプログラムに関する。
放射線撮影装置は、検出装置により検出された放射線強度（エネルギー）に基づいて、被検体を透過した放射線の減弱を画素の濃淡（濃淡画像）として描出する装置である。被検体内部の部位（例えば、骨、脂肪、筋肉等）は、それぞれ放射線透過率が異なるため、例えば、放射線吸収が少ない部位では、検出装置に到達する放射線強度は強くなり、放射線吸収が多い部位では、検出装置に到達する放射線強度は弱くなる。このように被検体内部のどの部位を透過するかにより放射線の減弱のレベルは異なる。従来の放射線撮影装置では、被検体を透過した放射線の減弱に基づいて、濃淡画像を生成しているが、放射線の減弱のレベルが同じ場合、被検体内部の部位の情報を濃淡画像として取得することはできない。
特許文献１では、放射線発生部の管電圧を変化させて複数回の放射線撮影を行うことで、各管電圧の下に照射された放射線のエネルギーに対応する平均光子数を得ることで、被検体内部の部位を推定する技術が開示されている。
特開２００９−２８５３５６号公報
しかしながら、特許文献１の構成では、放射線照射のために操作者が管電圧の切り替えを行う必要があり、管電圧を切り替えている間に被検体が動くことによりモーションアーティファクトが発生すると測定精度が低下するため、測定結果に基づいて光子数を高精度に算出することができない。
本発明は、上記の課題に鑑み、一定の管電圧に基づいて照射された放射線の複数のエネルギー情報を取得して、各々のエネルギー情報に対応する光子の数を、測定精度の低下の影響を受けることなく高精度に算出することが可能な放射線撮影技術を提供する。
本発明の一つの態様に係る放射線撮影装置は、検出部を含み、一定の管電圧に基づいてある時間毎に前記検出部に照射された放射線の総エネルギーを測定情報として取得する検出手段と、
前記放射線を複数回検出した測定情報の積率に基づいて、前記放射線の第二の測定情報を取得する積率利用手段と、
前記放射線のエネルギー分布を近似するための複数のエネルギーを決定するエネルギー決定手段と、
前記複数のエネルギーのそれぞれに対応した光子数を、前記第二の測定情報に基づいて算出する算出手段と、
を備え、前記積率利用手段は、前記測定情報の積率に基づいて、前記検出手段に入射した前記放射線の平均光子数を前記第二の測定情報として取得することを特徴とする。
本発明によれば、一定の管電圧に基づいて照射された放射線の複数のエネルギー情報を取得して、各々のエネルギー情報に対応する光子の数を、測定精度の低下の影響を受けることなく高精度に算出することが可能になる。すなわち、本発明によれば、管電圧の切り替えを必要とせず、操作者の負担を軽減しつつ、高精度に光子数を算出することが可能になる。
また、本発明によれば、従来の放射線検出装置を用いて、それぞれ異なるエネルギーを運ぶ放射線の光子の数を画像化することにより、放射線エネルギー像だけでは弁別できない物質を含む被検体の画像を生成することが可能になる。
実施形態に係る放射線撮影装置の構成を例示する図。 平均光子数を算出する処理フローを説明する図。 放射線発生装置から放出された放射線が被検体を通過して検出素子に入射する図。 実施形態に係るＣＴ装置の構成を例示する図。 線減弱係数を算出する処理フローを説明する図。 放射線のエネルギーの積算値に基づく二次元画像の例を示す図。 平均光子数の取得結果を例示する図。 放射線の光子数分布に基づく画像を例示する図。 実施形態に係る放射線撮影装置の構成を例示する図。 実施形態に係るＣＴ装置の構成を例示する図。
以下、図１〜図１０を参照して、本発明の実施形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。
図１は、実施形態における放射線撮影装置１００の構成例を示す図である。図１に示すように、放射線撮影装置１００は、放射線発生装置１０１、放射線検出装置１０４、および情報処理装置１１６を有する。尚、この構成を放射線撮影システムともいう。情報処理装置１１６は、放射線を照射する放射線発生装置１０１および放射線検出装置１０４の動作を制御する制御部１０５と、放射線検出装置１０４で検出されたデータを処理するデータ処理部１０６（画像処理部）とを有する。また、情報処理装置１１６には、例えば、液晶ディスプレイやＣＲＴなどで構成される表示装置１１０が接続されており、表示装置１１０は、データ処理部１０６の処理結果を表示する。制御部１０５は、表示装置１１０の表示を制御する表示制御部としても機能する。
制御部１０５は、機構制御部として機能して、放射線発生装置１０１および放射線検出装置１０４の位置制御を行う。また、制御部１０５は、照射制御部として機能して、一定の管電圧に基づいて放射線発生装置１０１から放射線を照射させる。すなわち、制御部１０５は、放射線発生装置１０１に対し、設定された所定の管電圧を印加するように制御を行い、放射線発生装置１０１による放射線の照射を制御する。放射線発生装置１０１は、制御部１０５の制御に基づき放射線を出力する。参照番号１０３は放射線発生装置１０１から発せられる放射線を模式的に示している。放射線には、例えば、Ｘ線やα線、β線またはγ線が含まれる。
制御部１０５は、撮影制御部として機能して、放射線発生装置１０１および放射線検出装置１０４の動作を制御して、所定の時間内において複数回の放射線撮影を実行させ、放射線検出装置１０４から検出データ（測定情報）を出力させる。制御部１０５は、一定の管電圧に基づいて放射線発生装置１０１から放射線を照射させ、放射線検出装置１０４を制御して、放射線検出装置１０４の検出部に入射した放射線の検出結果を一定時間毎に出力させて測定情報を取得する。例えば、制御部１０５は、一定の管電圧の下に放射線を照射するよう放射線発生装置１０１を制御し、放射線検出装置１０４の検出部に入射した放射線の検出結果を検出データ（測定情報）として一定時間毎に出力させることが可能である。
放射線検出装置１０４の検出部は、ある時間の間（例えば、一定時間（１フレーム））に入射した放射線のエネルギーを足し合わせたものに比例する測定情報を出力する。放射線検出装置１０４は、一定の管電圧に基づいて照射された放射線の検出結果に基づく測定情報を取得することが可能である。具体的には、放射線検出装置１０４は、一定の管電圧に基づいて照射された放射線を検出する検出部（検出素子）を有しており、検出部は、ある一定時間（１フレーム）毎に検出部に入射した放射線の総エネルギー（積算値）を検出データ（測定情報）として出力する。例えば、放射線検出装置１０４は、二次元状に配置された複数の検出部（検出素子）を有している。放射線検出装置１０４の構成としては、半導体材料によって形成され、複数の検出素子が格子状に並んだ平面検出器（Flat Panel Detector(FPD)）の他、ラインセンサなどの構成を用いることも可能である。また、検出部（検出素子）は一つでも構わない。
放射線検出装置１０４は、放射線発生装置１０１から出力され、被検体１０２を透過した放射線の強度（エネルギー）を、検出部（検出素子）により検出する。本実施形態では、被検体１０２を生体とするが、工業製品など生体以外を被検体としても構わない。放射線検出装置１０４が平面検出器の構成を有する場合、検出部（検出素子）は、例えば、複数の行および複数の列を形成するように二次元に配列されている。放射線検出装置１０４は、複数の検出部を行単位または列単位で駆動する駆動部を有しており、制御部１０５は駆動部を制御することにより、複数の検出部（検出素子）から入射した放射線の総エネルギー（積算値）に対応する検出データ（測定情報）を順次出力させる。
放射線検出装置１０４の検出部で検出された情報は、情報処理装置１１６のデータ処理部１０６（画像処理部）に送られ、処理される。データ処理部１０６（画像処理部）は、積率利用部１０７、平均エネルギー決定部１０８、平均光子数算出部１０９を有している。制御部１０５およびデータ処理部１０６の各部は、例えば、不図示のＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリから読み込んだプログラムを用いて、各部の機能が構成される。制御部１０５およびデータ処理部１０６の各部の構成は、同様の機能を果たすのであれば、それらは集積回路などで構成してもよい。
図２は放射線撮影装置１００による平均光子数の算出処理の流れを説明する図である。図２を用いて、図１の制御部１０５およびデータ処理部１０６の各部がどのような動作を行い、平均光子数を算出するかを説明する。
（複数回測定処理（Ｓ２０１））
まず、ステップＳ２０１において、制御部１０５は、複数回測定処理を実行する。制御部１０５は、放射線発生装置１０１と放射線検出装置１０４とを連動して動作させることにより、複数回測定処理を実行する。複数回測定処理は二つのステップを有しており、ステップＳ２０２で測定が行われる。制御部１０５は、一定の管電圧の下に放射線を照射するよう放射線発生装置１０１を制御し、放射線検出装置１０４の検出部（検出素子）に入射した放射線の検出結果を一定時間毎に出力させる。放射線検出装置１０４の検出部（検出素子）で測定した測定情報をｄiと記述する。添え字iはi番目に実行された測定情報であることを示す。
ステップＳ２０３で、制御部１０５は、所定回数（ｍ：２以上の自然数）の測定が終了したか否かを判定する。所定回数（ｍ回）の測定が終了していない場合（Ｓ２０３−Ｎｏ）、処理はステップＳ２０１に戻され、測定が再度行われる。一方、ステップＳ２０３の判定で、所定回数（ｍ回）の測定が終了している場合（Ｓ２０３−Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２０４に進められる。所定回数（ｍ回）の測定の実行により、ｍ回分の測定情報が積率利用部１０７に入力される。
（積率利用処理：Ｓ２０４）
ステップＳ２０４において、積率利用部１０７は、放射線を複数回検出した測定情報の積率に基づいて、放射線の第二の測定情報を取得する。第二の測定情報には、例えば、以下の数１式、数２式で取得される情報が含まれる。例えば、積率利用部１０７は、放射線を複数回検出した測定情報ｄｉの積率に基づいて、検出部に入射した放射線の平均光子数（＜ｎ＞）を第二の測定情報として取得する。積率利用部１０７は、第二の測定情報として平均光子数＜ｎ＞を、数１式を用いて取得する。
ここでαは測定情報と平均エネルギーとの変換係数であり、Ｅmeanは平均エネルギーである。変換係数αの決定方法としては、例えば、次のように行う。制御部１０５の制御に基づいて、まず、既知のスペクトル分布を持つ放射線源（放射線発生装置）から発せられた放射線を、被検体なしの状態で、放射線の強度を弱くすることで、１個の光子のみが検出部（検出素子）に入射するように測定する。この測定を複数回数実施し、測定情報の平均をスペクトル分布の平均エネルギーで除することによって、変換係数αを取得することができる。
＜ｄ＞は一次の原点積率であり、＜(ｄ-＜ｄ＞)2＞は二次の中心積率である。積率利用部１０７は、以下の数２式を用いた演算により、一次の原点積率（＜ｄ＞）および二次の中心積率（＜(ｄ-＜ｄ＞)2＞）を取得することができる。
何故、これらの式により平均光子数＜n＞が得られるかを以下に詳述する。一般に検出部に入射する光子はスペクトル分布を有するが、平均エネルギーＥmeanによって近似できるものとすると、各測定情報ｄiは数３式のように書くことができる。
数３式において、ｎｉは光子数である。光子数ｎｉは、一般にポアソン分布に従う揺らぎを持ち、ポアソン分布において、一次の原点積率と二次の中心積率とが等しいことが知られている。即ち、光子数ｎｉを用いて、一次の原点積率と二次の中心積率との関係を示すと、以下の数４式のようになる。
数４式の両辺にαＥmeanの二乗を乗じ、数３式を利用して整理すれば、数１式と数２式が得られ、数１式と数２式によって平均光子数＜ｎ＞が得られることが理解できる。尚、積率利用部１０７は、二次の中心積率（数２式）を求める際には、ｍ（測定回数）ではなく、ｍ−１で割る、即ち不偏分散を求めてもよい。
（平均エネルギー決定処理：Ｓ２０６）
次に、ステップＳ２０５において、平均エネルギー決定部１０８（エネルギー決定部）は、放射線のエネルギー分布を近似するための複数のエネルギー(平均エネルギ)を決定する。平均エネルギー決定部１０８は、放射線発生装置１０１から照射される放射線のエネルギー特性に基づいて複数の平均エネルギーを決定する。本実施形態において、平均エネルギー決定部１０８は、複数のエネルギーとして、二つの平均エネルギーＥ1、Ｅ2を定めるものとする。この平均エネルギーの定め方には任意性があるが、放射線発生装置１０１から放出する放射線のスペクトルまたは被検体を構成する物質の線減弱係数のエネルギー依存性を利用して設定することができる。
平均エネルギー決定部１０８におけるエネルギー決定方法の一例としては、放射線のスペクトル分布を複数の領域に分割し、分割されたそれぞれの領域のスペクトル分布に基づくエネルギーの平均値を、放射線のエネルギー分布を近似するエネルギー（平均エネルギー）として決定することができる。例えば、放射線発生装置１０１から放出する放射線のスペクトルを、スペクトルの積分値が等しくなるように、二つのエネルギー領域に分割し、それぞれの領域ごとの平均エネルギーを平均エネルギーと定める方法がある。即ち、放射線発生装置１０１から放出する放射線のスペクトルをｇ（Ｅ）とすると、平均エネルギー決定部１０８は、両領域におけるスペクトルの積分値が等しくなるように、数５式を満たすＥｄを定め、数６式のように平均エネルギーＥ1、Ｅ2を決定することができる。
もしくは平均エネルギー決定部１０８は、被検体を構成する物質の吸収端のエネルギーに基づいて、放射線のスペクトル分布を複数の領域に複数に分割し、平均エネルギーを決定することもできる。例えば、ヨウ素などの造影剤を用いる場合、平均エネルギー決定部１０８は、ヨウ素の吸収端のエネルギーでスペクトルを分割し、それぞれの領域ごとの平均エネルギーを平均エネルギーと定めることも可能である。さらに平均エネルギー決定の例としては、経験的な学習により、操作者が入力装置を介して指定する方法もある。
（平均光子数算出処理：Ｓ２０６）
次に、ステップＳ２０６において、平均光子数算出部１０９は、複数のエネルギ（平均エネルギー）のそれぞれに対応した光子数（平均光子数）を、第二の測定情報に基づいて算出することが可能である。本実施形態では平均エネルギーＥ1、Ｅ2のそれぞれに対応する平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞を数７式に基づいて取得する例を説明する。平均光子数算出部１０９（算出部）は、複数のエネルギー（複数の平均エネルギー）と、第二の測定情報（＜ｎ＞）とを用いて、複数のエネルギーのそれぞれに対応した光子数を算出する。
何故、これらの式により＜ｎ1＞、＜ｎ2＞が得られるかを以下に詳述する。一般に、放射線検出装置１０４の検出部に入射する放射線はスペクトル分布を持つが、そのスペクトル分布が、平均エネルギーＥ１、Ｅ２で近似できるものとする。平均エネルギーＥ１、Ｅ２に対応する平均光子数をｎ１、ｎ２とすると、検出部に入射する光子数＜ｎ＞は、平均エネルギーＥ１、Ｅ２に対応する平均光子数ｎ１、ｎ２で構成されるので、数８式の関係が成り立つ。
また、放射線検出装置１０４の検出部は、ある時間内に入射した放射線のエネルギーを足し合わせたものに比例する測定情報ｄｉを出力する。このため、放射線のエネルギーを、二つの平均エネルギーＥ１、Ｅ２で近似できる場合には、数９式のように書ける。
数８式と数９式で未知数は＜ｎ1＞、＜ｎ2＞だけになるので、これらについての連立一次方程式を解けば、数７式の関係を導くことができる。よって平均光子数算出部１０９は、数７式によって平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞を取得することができる。制御部１０５は、表示装置１１０の表示を制御する表示制御部としても機能し、平均光子数算出部１０９の処理により取得された平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞、または、平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞に基づく画像を診断用画像として表示装置１１０に表示させることが可能である。
図６は、放射線検出装置（ＦＰＤ）の各検出部で測定された測定情報（放射線のエネルギーの積算値（Σｄi））に基づく二次元画像（放射線エネルギーの積算画像）の例を示す図である。放射線エネルギー画像は、通常の放射線撮影で得られる画像であり、図６において、物質２（６０２）（例えば軟部組織）の中に物質１（６０１）（例えば骨）が存在する例を示している。放射線エネルギーの積算画像では、物質の厚さによっては物質１（６０１）と物質２（６０２）とで、放射線エネルギーの積算値は同程度になってしまうため、放射線エネルギーの積算値に基づいて、両者の物質の区別をすることができない。すなわち、二次元画像（放射線エネルギーの積算画像）において、物質２（６０２）の中の物質１（６０１）を区別することはできない。
図７は、図６の例において、本実施形態の処理を適用して平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞を取得して、各物質における平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞の比率を例示した図である。放射線のエネルギーの積算値では同じ値であっても、骨は軟部組織に比べて線質硬化が進むため、高エネルギーな光子の割合が多くなる。よって、数５式、数６式のようにエネルギーを選び、本実施形態の処理を適用して平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞を取得し、＜ｎ1＞、＜ｎ2＞の比率を取得すると、例えば、図７に示すように物質１（６０１）（骨）の方が物質２（６０２）（軟部組織）よりも、高エネルギー側の光子数（＜ｎ2＞）の比率が大きくなる。このように積算値が同じ値でも、本実施形態の処理を適用することで、物質の弁別が可能となる。
図８は、本実施形態の処理を適用して取得した平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞に基づく二次元画像を例示する図である。図６の放射線エネルギーの積算画像では物質１（６０１）と物質２（６０２）との区別がつかなかったが、図７の説明で述べたように、本実施形態の処理を適用して、複数の放射線の平均エネルギーＥ１、Ｅ2に対応する平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞を取得し、＜ｎ2＞/＜ｎ1＞を表示すると、例えば、図８に示すように、物質１（６０１）では大きな値、物質２（６０２）では小さな値というように区別することが可能になる。
本実施形態によれば、管電圧を変化させた測定を行わず、所定の管電圧の下に照射された放射線のエネルギーを、複数の平均エネルギーで近似し、複数の平均エネルギーのそれぞれに対応する平均光子数を算出することができる。本実施形態では、処理の一例として、平均光子数を算出する例を示したが、複数の測定回数ｍ（ｍ：２以上の自然数）で除算しない総光子数を算出してもよい。
また本実施形態では、データ処理部１０６の各部の処理として、検出部（検出素子）ごとに処理する例を示したが、同程度の平均エネルギー及び平均光子数が期待されうる複数の検出部（検出素子）の測定情報を、まとめて処理することも可能である。例えば、複数回測定処理（Ｓ２０１）において、数２式で和を取る対象として、同程度の平均エネルギー及び平均光子数が期待されうる複数の検出部（検出素子）の測定情報もまとめて和を取る処理を行えばよい。同程度の平均エネルギー及び平均光子数が期待されうる検出部（検出素子）は、例えば、二次元状に配置された、複数の検出部（検出素子）のうち、近傍に配置されている検出部である。制御部１０５は、例えば、注目する注目検出部と、注目検出部の周辺に位置する複数の周辺検出部との測定情報を比較して、比較の結果が所定の閾値以内となる検出部で測定情報をまとめて和を取る処理を行えばよい。本実施形態の構成は、エネルギーが異なる２種類の放射線を用いて、被写体をデュアルエネルギー撮影(Dual Energy Imaging)する構成と併用することも可能であり、デュアルエネルギー撮影する構成と併用することによりさらに平均エネルギー数を増やすことが可能である。
（第２実施形態）
第２実施形態では、平均エネルギーを定める処理において、評価指標に基づいて平均エネルギーを定める処理を説明する。本実施形態において、放射線撮影装置の構成および、平均光子数の算出処理の流れは、第１実施形態とほぼ同様であるが、平均エネルギー決定部１０８によって実行される処理内容（Ｓ２０５）が異なる。
本実施形態では平均エネルギー決定処理（Ｓ２０５）において、評価指標ｆの値を最適化するように平均エネルギーを定める。数１０式は、平均エネルギー決定部１０８が、第２実施形態の平均エネルギー決定処理で用いる評価指標f（評価関数）を例示するものである。
平均エネルギー決定部１０８は、平均エネルギーＥ1、Ｅ2を変数として、評価指標f（評価関数）の値を最も大きくするような平均エネルギー（Ｅ1、Ｅ2）を求める最適化問題を解く演算処理を行う。平均エネルギー決定部１０８は、最適化問題の解法として、例えば、Nelder-Mead法を適用した演算処理を実行することが可能であり、最適化問題を解く解法の初期値として、例えば、第１実施形態で説明した平均エネルギー決定処理（Ｓ２０５）で得られる値を利用することが可能である。最適化問題の解法としては、Nelder-Mead法に限定されるものではなく、他の解法により評価指標f（評価関数）の最適化問題を解く演算処理を行うことが可能である。
尚、評価指標ｆにおいて、＜ｎ1＞(ξ)は、放射線検出装置１０４（例えば、ＦＰＤ）のξ番目の検出部（検出素子）で求められた平均エネルギーＥ1に対応する平均光子数である。評価指標ｆにおいて、数８式の和は、放射線検出装置１０４を構成する全ての検出部（検出素子）での和を取っていることになる。最適化問題を解く演算処理において、平均エネルギーＥ1、Ｅ2を仮定した時の平均光子数を用いた評価指標ｆの計算が必要であるが、それには平均光子数算出処理（Ｓ２０６）を実行すればよい。本実施形態によれば、評価指標を導入して、その評価指標ｆの値が良くなるように、すなわち、評価指標ｆの値を最適化するように平均エネルギーを定めることが可能になる。
（第３実施形態）
第３実施形態では複数の平均エネルギーそれぞれに対応する平均光子数を用いて、被検体を構成する物質の長さを取得する処理と、被検体を構成する物質の単位面積あたりの質量を取得する処理を説明する。図９は、第３実施形態における放射線撮影装置１５０の構成例を示す図である。図９に示すように、放射線撮影装置１５０は、放射線発生装置１０１、放射線検出装置１０４および情報処理装置１１６を有する。基本的な構成は図１の放射線撮影装置１００と同様であるが、本実施形態では、情報処理装置１１６のデータ処理部１０６の構成において、物質長さ算出部３１０および質量算出部３２０を有する点で、図１で説明した放射線撮影装置１００の機能構成と相違する。物質長さ算出部３１０および質量算出部３２０は、例えば、不図示のＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリから読み込んだプログラムを用いて、各部の機能が構成される。まず、被検体を構成する物質の長さを取得する処理について説明する。物質長さ算出部３１０は、平均光子数算出部１０９により算出された光子数（平均光子数）と、被検体を構成する物質の線減弱係数とを用いて、物質の長さを算出することが可能である。放射線発生装置１０１から照射される放射線のスペクトル分布を、第１実施形態で例示したように複数の平均エネルギーで近似すると、ｊ番目の平均エネルギーＥjに対応する平均光子数＜ｎj＞は数１１式により算出することができる。
ここで、＜ｓj＞は放射線発生装置１０１から放射線検出装置１０４の検出部（検出素子）に向けて照射された放射線の平均エネルギーＥjを持つ平均光子数であり、μ（ｌ,Ｅｊ）は平均エネルギーＥjに対応する位置lの線減弱係数である。積分は放射線発生装置１０１から放射線検出装置１０４の検出部（検出素子）に向けた直線の経路上で積分を行う。
例えば、図３の場合では、放射線発生装置１０１から照射された放射線は、破線矢印で示された経路３０１を辿り、被検体に含まれる物質３０３及び物質３０４を通って減弱し、検出部（検出素子）３０２に入射する。例えば、物質３０３が軟部組織であり、物質３０４が骨である場合、数１１式は数１２式のように書ける。
数１２式において、＜ｐj＞は数１３式で定義される。μtissue(Ｅj)はエネルギーＥjの軟部組織の線減弱係数であり、μbone(Ｅj)はエネルギーＥjの骨の線減弱係数である。Δltissue、Δlboneは、それぞれ軟部組織の長さと骨の長さである。第１実施形態では、平均エネルギーはＥ1、Ｅ2の２種類であったため、数１２式は、平均エネルギーＥ1、Ｅ2について、二つの方程式となる。＜ｓj＞は被検体なしの状態で測定した場合の測定結果と放射線発生装置から照射される放射線のスペクトル分布から取得することができる。＜ｎj＞は平均光子数算出部１０９の算出結果により取得することができる。また、線減弱係数μtissue(Ｅj)、μbone(Ｅj)は平均的な密度を仮定すれば取得することができる。数１２式において、未定なのはΔltissue,、Δlboneの２変数であり、二つの方程式による連立一次方程式を解くことで、被検体を構成する物質の長さを取得することができる。
本実施形態では、被検体を構成する物質が２種類である時の例を示したが、本発明の趣旨は、この例に限定されるものではない。例えば、一般にｋ種類（ｋ：２以上の自然数）の平均エネルギーに対応する平均光子数が求まった場合には、被検体を構成するｋ種類の物質の長さを取得することができる。これはｋ種類の物質の長さがｋ個の変数を持ち、ｋ種類の平均エネルギーに対する方程式の数がｋ個であるため、Ｋ個の方程式による連立一次方程式を解くことで、被検体を構成する各物質の長さを取得することができる。尚、ｋ'（ｋ'＜ｋ）種類の物質の長さを求める場合には、最小二乗法を用いるか、もしくはｋ個の方程式のうち線形従属な方程式を減らせばよい。
次に被検体を構成する物質の単位面積あたりの質量を取得する処理について説明する。質量算出部３２０は、平均光子数算出部１０９により算出された光子数（平均光子数）と、被検体を構成する物質の質量減弱係数とを用いて、物質の単位面積あたりの質量を算出することが可能である。被検体を構成する物質が軟部組織と骨という２種類の物質で構成されている場合、数１１式の積分は質量減弱係数を用いて、数１４式のように書ける。
ここでφtissueは軟部組織の質量減弱係数、φboneは骨の質量減弱係数、ρissueは軟部組織の密度、ρboneは骨の密度である。これらのパラメータを用いると数１１式は数１５式のように書ける。
数１５式において、σtissue,σboneは、数１６式で定義され、単位面積当たりの質量に相当する。数１５式も平均エネルギーが二種類の場合には二つの方程式となるため、二つの変数（σtissue,σbone）は、二つの方程式による連立一次方程式を解くことで取得することができる。数１５式に基づく連立一次方程式を解くことで、被検体を構成する物質の単位面積当たりの質量を求めることができる。
本実施形態では、被検体を構成する物質が２種類である時の例を示したが、本発明の趣旨は、この例に限定されるものではない。例えば、一般にｋ種類の平均エネルギーが求まった場合には、物質の長さを求める場合と同様に、ｋ種類の物質の単位面積当たりの質量を取得することができる。
制御部１０５は、物質の単位面積当たりの質量を表示装置１１０に表示させることが可能である。また、制御部１０５は、物質の長さを表示装置１１０に表示させることが可能である。制御部１０５は、物質の長さ、もしくは単位面積あたりの質量を示す情報を、第１実施形態で説明した平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞に基づく画像と組み合わせて、診断用画像として表示装置１１０に表示させることも可能である。
本実施形態によれば、管電圧を変化させた測定を行わず、所定の管電圧の下に照射された放射線のエネルギーを近似した複数の平均エネルギーおよび複数の平均エネルギーのそれぞれに対応する平均光子数に基づいて、被検体を構成する物質の長さもしくは単位面積あたりの質量を取得することができる。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図４および図５の参照により説明する。図４は本発明をＣＴ装置２００に適用した場合の装置構成を例示する図であり、図５は平均エネルギーごとに線減弱係数を再構成する処理フローを示す図である。
図１で説明した装置構成に対して、図４のＣＴ装置２００の装置構成では、回転曝射部４１３と、再構成部４１５が追加されている点で相違する。尚、再構成部４１５は、例えば、不図示のＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリから読み込んだプログラムを用いて、再構成部４１５の機能が構成される。以下、相違する装置構成について説明する。図１と重複する装置構成については説明を省略する。
回転曝射部４１３は、制御部１０５の制御に基づいて、放射線発生装置１０１と放射線検出装置１０４とを同調させた上で、被検体１０２を中心として回転駆動させる駆動部である。矢印４１４は回転方向を示している。尚、回転中心は必ずしも被検体１０２を中心としなくてもよいが、放射線発生装置１０１と放射線検出装置１０４とで被検体１０２を挟むように対向した状態で回転する必要がある。図４では、回転方向を示す矢印４１４は、被検体１０２に対してスライス断面の周りの回転方向となっているが、この例に限定されず、例えば、図４の紙面に対して垂直な方向に放射線発生装置１０１と放射線検出装置１０４とが回転して被検体１０２をスキャンしてもよい。
再構成部４１５は、フィルタ処理および逆投影処理等を行い、再構成処理を行うことが可能である。本実施形態では、再構成部４１５は、放射線撮影装置で取得された複数のエネルギー（平均エネルギーＥ１、Ｅ2）のそれぞれに対応した光子数（平均光子数）に基づいて、複数のエネルギー（平均エネルギーＥ１、Ｅ2）のそれぞれに対応する線減弱係数μ(Ｅ1)、μ(Ｅ2)を再構成する。再構成部４１５は、画像再構成の手法として、例えば、逐次近似再構成法や解析的な再構成法、すなわちフィルタードバックプロジェクション（ＦＢＰ）による再構成処理を行うことが可能である。再構成部４１５は、例えば、不図示のＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリから読み込んだプログラムを用いて機能が構成される。再構成部４１５の構成は、同様の機能を果たすのであれば、集積回路などで構成してもよい。例えば、再構成部４１５は、放射線検出装置１０４から出力された測定情報に対してフィルタ処理を行い、フィルタ処理されたデータに対して逆投影処理等を行い、複数の画像データを再構成することが可能である。逆投影が完了して再構成データが生成されると、制御部１０５は、生成された再構成データ等を表示装置１１０に表示させる。
図５は、ＣＴ装置の動作の流れを説明する図である。図５を用いて、図４の装置構成がどのような動作を行い、平均エネルギーごとに線減弱係数を算出するかを説明する。
（回転測定処理）
まず、ステップＳ５０１において、制御部１０５は、回転測定処理を実行する。回転測定処理は三つのステップを有している（Ｓ５０２〜Ｓ５０４）。ステップＳ５０２において、制御部１０５は、回転曝射部４１３を制御して、被検体１０２を中心として、所定の回転角まで放射線発生装置１０１と放射線検出装置１０４とを回転させ、放射線発生装置１０１から放射線を曝射させる。制御部１０５は、一定の管電圧の下に放射線を照射するよう放射線発生装置１０１を制御し、放射線検出装置１０４の検出部（検出素子）に入射した放射線の検出結果（測定情報）を一定時間毎に出力させる。
次に、ステップＳ５０３において、平均光子数算出処理が実行される。本ステップの処理は、図２で説明したフローチャートの全てのステップ（Ｓ２０１〜Ｓ２０６）が対応している。すなわち、ステップＳ５０３では、複数回測定処理（Ｓ２０１）、積率利用処理（Ｓ２０４）、平均エネルギー決定処理（Ｓ２０５）、および平均光子数算出処理（Ｓ２０６）が実行され、放射線の平均エネルギー（Ｅ１、Ｅ２）に対応する平均光子数（＜ｎ１＞、＜ｎ２＞）が算出される。
ステップＳ５０４で、制御部１０５は、所定の角度ごとの測定が終了したか否かを判定する。所定の角度ごとの測定が終了していない場合（Ｓ５０４−Ｎｏ）、処理はステップＳ５０２に戻され、回転曝射処理が実行される。制御部１０５は、回転曝射部４１３を制御して、現在の回転角度から更に所定の回転角まで放射線発生装置１０１と放射線検出装置１０４とを回転させ、放射線発生装置１０１から放射線を曝射させる。
一方、ステップＳ５０４の判定で、所定の角度ごとの測定が終了している場合（Ｓ５０４−Ｙｅｓ）、処理はステップＳ５０５に進められる。尚、撮影を実行する回転角度は任意に設定可能である。例えば一周３６０°を等分割した角度を、所定の角度として設定することが可能である。また本実施形態では、ある回転角まで回転させた状態で、放射線発生装置１０１および放射線検出装置１０４の回転角度を保持した後に、複数回測定処理を実行しているが、本発明の趣旨は、この例に限定されるものではない。例えば、放射線発生装置１０１および放射線検出装置１０４を回転させつつ、放射線検出装置１０４で複数回の測定を行い、その後、近接する回転角で測定された測定情報をまとめて出力して、積率利用処理を実行するという方法を用いてもよい。
（再構成処理：Ｓ５０５）
ステップＳ５０５において、再構成部４１５は、平均エネルギーＥ１、Ｅ2ごとの平均光子数（＜ｎ１＞、＜ｎ２＞）を用いて、平均エネルギーＥ１、Ｅ2のそれぞれに対応する線減弱係数μ(Ｅ1)、μ(Ｅ2)を再構成する。平均光子数（＜ｎ１＞、＜ｎ２＞）は、先のステップＳ５０３で取得した平均光子数を用いる。また、再構成の方法として、再構成部４１５は、例えば、逐次近似再構成法やフィルタードバックプロジェクション（ＦＢＰ）法などを用いて、平均光子数＜ｎ１＞から線減弱係数μ(Ｅ1)を取得し、平均光子数（＜ｎ２＞）から線減弱係数μ(Ｅ2)を取得することができる。
制御部１０５は、表示制御部として機能して、再構成部４１５の再構成処理により取得された平均エネルギーＥ１、Ｅ2のそれぞれに対応する線減弱係数μ(Ｅ1)、μ(Ｅ2)を診断用情報として表示装置１１０に表示させることが可能である。また、制御部１０５は、平均エネルギーＥ１、Ｅ2のそれぞれに対応する線減弱係数μ(Ｅ1)、μ(Ｅ2)を、第１実施形態で説明した平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞に基づく画像と組み合わせて、診断用画像として表示装置１１０に表示させることも可能である。
本実施形態によれば、管電圧を変化させた測定を行わず、所定の管電圧の下に照射された放射線のエネルギーを近似した複数の平均エネルギーおよび複数の平均エネルギーのそれぞれに対応する平均光子数に基づいて、平均エネルギーＥ１、Ｅ2のそれぞれに対応する被検体を構成する物質の線減弱係数を取得することができる。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態では複数の平均エネルギーそれぞれに対応する線減弱係数を用いて、被検体を構成する物質の密度を取得する処理と、被検体を構成する物質の体積比率を取得する処理を説明する。図１０は、第５実施形態におけるＣＴ装置２５０の構成例を示す図である。図１０に示すように、ＣＴ装置２５０は、放射線発生装置１０１、放射線検出装置１０４、放射線発生装置１０１および放射線検出装置１０４を対向させた状態で回転駆動する回転曝射部４１３、および情報処理装置１１６を有する。基本的な構成は図４のＣＴ装置２００と同様であるが、本実施形態では、情報処理装置１１６のデータ処理部１０６の構成において、密度取得部５１０および体積比率取得部５２０を有する点で、図４で説明したＣＴ装置２００の機能構成と相違する。密度取得部５１０および体積比率取得部５２０は、例えば、不図示のＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリから読み込んだプログラムを用いて、各部の機能が構成される。
密度取得部５１０は、再構成部４１５により再構成された線減弱係数と、被検体を構成する物質の質量減弱係数とに基づいて、被検体を構成する物質の密度を取得することが可能である。また、体積比率取得部５２０は、再構成部４１５により再構成された線減弱係数と、被検体を構成する物質の線減弱係数とに基づいて、被検体を構成する物質の体積比率を取得することが可能である。被検体内部の位置r、エネルギーＥjの線減弱係数μ(r, Ｅj)は、質量減弱係数を用いて、数１７式のように書ける。被検体を構成する複数種類の物質が不図示の入力部を介して設定されると、密度取得部５１０および体積比率取得部５２０は入力部を介して設定された複数種類の物質に対応した質量減弱係数や線減弱係数の情報を取得することが可能であり、取得した質量減弱係数や線減弱係数の情報を、物質の密度や体積比率の取得演算に用いることが可能である。
ここでｎkは被検体を構成する物質の種類の数、φkはｋ番目の物質の質量減弱係数、ρkはｋ番目の物質の密度である。数１７式は変数の数がｎk個である連立一次方程式であり、放射線の平均エネルギーがｎk種類あり、連立一次方程式の係数行列のランクが落ちていなければ、連立一次方程式を解くことができ、ｎk個の変数の解を取得することができる。例えば、第４実施形態で示した例では、２種類の平均エネルギーに対応する線減弱係数が得られたのであるから、被検体を構成する物質が軟部組織と骨との２種類であるとすると、連立一次方程式を解くことで、それぞれの物質（軟部組織、骨）の密度を取得することができる。
また、線減弱係数は体積比率を用いて、数１８式のように書くこともできる。
ここでｃkはｋ番目の物質の体積比率である。またμkはｋ番目の物質の線減弱係数であり、物質の密度を平均的な値に仮定すれば予め求めておくことができる。数１８式は変数の数がｎk個である連立一次方程式であり、放射線の平均エネルギーがｎk種類あり、連立一次方程式の係数行列のランクが落ちていなければ、連立一次方程式を解くことができ、ｎk個の変数の解を取得することができる。例えば、第４実施形態で示した例では、２種類の平均エネルギーに対応する線減弱係数が得られたのであるから、被検体を構成する物質が軟部組織と骨との２種類であるとすると、連立一次方程式を解くことで、それぞれの物質（軟部組織、骨）の体積比率を取得することができる。
制御部１０５は、密度取得部５１０および体積比率取得部５２０の処理結果を表示装置１１０に表示させる。制御部１０５は、被検体を構成する物質の密度または物質の体積比率を表示装置１１０に表示させることが可能である。また、制御部１０５は、被検体を構成する物質の密度もしくは体積比率を示す情報を、第１実施形態で説明した平均光子数＜ｎ1＞、＜ｎ2＞に基づく画像と組み合わせて、診断用画像として表示装置１１０に表示させることも可能である。
本実施形態によれば、管電圧を変化させた測定を行わず、所定の管電圧の下に照射された放射線のエネルギーを近似した複数の平均エネルギーに基づいて、被検体を構成する物質の密度もしくは体積比率を取得することができる。
（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
１００：放射線撮影装置、１０１：放射線発生装置、１０４：放射線検出装置、１０５：制御部、１０６：データ処理部、１０７：積率利用部、１０８：平均エネルギー決定部、１０９：平均光子数算出部、１１０：表示部

Claims (17)

  1. 検出部を含み、一定の管電圧に基づいてある時間毎に前記検出部に照射された放射線の総エネルギーを測定情報として取得する検出手段と、
    前記放射線を複数回検出した測定情報の積率に基づいて、前記放射線の第二の測定情報を取得する積率利用手段と、
    前記放射線のエネルギー分布を近似するための複数のエネルギーを決定するエネルギー決定手段と、
    前記複数のエネルギーのそれぞれに対応した光子数を、前記第二の測定情報に基づいて算出する算出手段と、
    を備え、
    前記積率利用手段は、前記測定情報の積率に基づいて、前記検出手段に入射した前記放射線の平均光子数を前記第二の測定情報として取得することを特徴とする放射線撮影装置。
  2. 前記光子数に基づく画像を表示手段に表示させる表示制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮影装置。
  3. 前記算出手段は、前記複数のエネルギーと、前記測定情報の平均値および前記第二の測定情報とを用いて、前記複数のエネルギーのそれぞれに対応した光子数を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の放射線撮影装置。
  4. 前記エネルギー決定手段は、前記放射線のスペクトル分布を複数の領域に分割し、前記分割されたそれぞれの領域のスペクトル分布に基づくエネルギーの平均値を、前記放射線のエネルギー分布を近似するエネルギーとして決定することを特徴とする請求項１または２に記載の放射線撮影装置。
  5. 前記エネルギー決定手段は、被検体を構成する物質の吸収端のエネルギーに基づいて、前記放射線のスペクトル分布を複数の領域に複数に分割することを特徴とする請求項４に記載の放射線撮影装置。
  6. 前記光子数と、被検体を構成する物質の線減弱係数とを用いて、前記物質の長さを算出する物質長さ算出手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の放射線撮影装置。
  7. 前記光子数と、被検体を構成する物質の質量減弱係数とを用いて、前記物質の単位面積あたりの質量を算出する質量算出手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の放射線撮影装置。
  8. 前記表示制御手段は、前記物質の単位面積当たりの質量を前記表示手段に表示させることを特徴する請求項６に記載の放射線撮影装置。
  9. 前記表示制御手段は、前記物質の長さを前記表示手段に表示させることを特徴する請求項７に記載の放射線撮影装置。
  10. 放射線を照射する放射線発生手段および前記検出手段の動作を制御する撮影制御手段を更に備え、
    前記撮影制御手段は、
    一定の管電圧に基づいて前記放射線発生手段から前記放射線を照射させ、
    前記検出手段を制御して、前記検出手段に入射した前記放射線の検出結果を一定時間毎に出力させて前記測定情報を取得することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の放射線撮影装置。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の放射線撮影装置と、
    前記放射線撮影装置で取得された複数のエネルギーのそれぞれに対応した光子数に基づいて、前記複数のエネルギーのそれぞれに対応する線減弱係数を再構成する再構成手段と、
    を備えることを特徴とするＣＴ装置。
  12. 前記再構成された線減弱係数と、被検体を構成する物質の質量減弱係数とに基づいて、前記物質の密度を取得する密度取得手段を更に備えることを特徴とする請求項１１に記載のＣＴ装置。
  13. 前記再構成された線減弱係数と、被検体を構成する物質の線減弱係数とに基づいて、前記物質の体積比率を取得する体積比率取得手段を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載のＣＴ装置。
  14. 前記再構成手段の処理結果を表示手段に表示させる表示制御手段を更に備え、
    前記表示制御手段は、前記物質の密度または前記物質の体積比率を前記表示手段に表示させることを特徴とする請求項１３に記載のＣＴ装置。
  15. 検出部を含む検出手段により、一定の管電圧に基づいてある時間毎に前記検出部に照射された放射線の総エネルギーを測定情報として取得する工程と、
    前記放射線を複数回検出した測定情報の積率に基づいて、前記放射線の第二の測定情報を取得する工程と、
    前記放射線のエネルギー分布を近似するための複数のエネルギーを決定する工程と、
    前記複数のエネルギーのそれぞれに対応した光子数を、前記測定情報および第二の測定情報に基づいて算出する工程と、
    を有し、
    前記放射線の第二の測定情報を取得する工程は、前記測定情報の積率に基づいて、前記検出手段に入射した前記放射線の平均光子数を前記第二の測定情報として取得することを特徴とする放射線撮影方法。
  16. 前記光子数に基づく画像を表示手段に表示させる工程を更に有することを特徴とする請求項１５に記載の放射線撮影方法。
  17. コンピュータに、請求項１５または１６に記載の放射線撮影方法の各工程を実行させるためのプログラム。
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