(57)【要約】      （修正有）【課題】対象物の元素組成を同定する方法を提供する。【解決手段】この方法は、選択されたエネルギー範囲を獲得するために少なくとも１つのエネルギー選択規準に応じて照射エネルギー範囲のエネルギー範囲を選択するステップ（２１０）と、選択された元素を獲得するために、少なくとも１つの元素・選択規準に応じて、対象物の分析が実行される純粋な元素及び／又は化合物を選択するステップ（２１５）と、選択されたエネルギー範囲に応じて、選択された純粋な元素及び／又は化合物の吸収係数を決定するステップ（２２０）と、選択された純粋な元素及び／又は化合物の積分密度を決定するステップ（２３０）と、を含むことを特徴とする。【選択図】図２
2011221022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の照射方向からＸ線源（１１０）からのＸ線放射で対象物（１２０）を照射するステップ（２３０）と、
前記第１の照射方向のそれぞれの空間的に分解可能な透過経路毎に、少なくとも１つの選択された物質のそれぞれのための伝搬・吸収情報を生成するために、少なくとも１つの選択されたエネルギー範囲（４３０）に関して前記対象物（１２０）によるＸ線放射の伝搬・吸収を決定するステップ（２４０）と、
前記少なくとも１つの選択された物質に応じて前記伝搬・吸収データセットのエントリを吸収・係数データセットのエントリとそれぞれにマッピングすることにより、前記第１の照射方向の少なくとも１つの空間的に分解可能な透過経路に対して前記少なくとも１つの選択された物質のための積分密度を決定するステップ（２５０）と、
を含む、前記対象物（１２０）の組成を決定する方法であって、
区別可能な依存性が、前記少なくとも１つの選択された物質の各原子番号に対するスペクトル吸収特性と前記選択されたエネルギー範囲との間に存在するように、前記少なくとも１つの選択された物質が少なくとも１つの物質・選択規準に応じて選択され、前記選択されたエネルギー範囲が少なくとも１つのエネルギー・選択規準に応じて選択されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのエネルギー・選択規準は、前記選択されたエネルギー範囲（４３０）の下限（５５０）及び上限（５６０）を定義する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記上限（５６０）は、前記少なくとも１つの選択された物質の全質量減衰効果に関する散乱効果の最大割合を定義するスレッショルドに応じて決定される、請求項２に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのエネルギー・選択規準は、全質量減衰係数のうちの最大で１０〜９０％が散乱効果によって引き起こされることを定義する、請求項１から３のいずれか一項に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項５】
前記選択されたエネルギー範囲（４３０）の下限（５５０）は、光子の確実な検出が保証される最低エネルギー値に応じて選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つのエネルギー・選択規準は、蛍光ピークの場合のエネルギーと、電子励起ピークが起こる場合のエネルギーとのうちの少なくとも一方の照射エネルギーの除外を定義する、請求項１から５のいずれか一項に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのエネルギー・選択規準は、請求項１に記載のステップを実行するため使用される組成決定システム（１００）によって利用された物質により放射されたエネルギーの観点で影響を受ける照射エネルギーの除外を定義する、請求項１から６のいずれか一項に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの物質選択規準は、Ｅａ（Ｚ）・Ｚｂ（Ｅ）における指数ａ（Ｚ）の値が前記少なくとも１つの選択された物質の元素のすべての出現する原子番号Ｚに対し一意であることを定義する、請求項１から７のいずれか一項に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの物質選択規準は、Ｚ１及びＺ２が２つの異なる原子番号のうちのいずれか一方である場合に、最小限の差｜ａ（Ｚ１）−ａ（Ｚ２）｜を定義する、請求項１から８のいずれか一項に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項１０】
前記最小限の差は、０．００１〜０．０１０の範囲に入る、請求項９に記載の前記対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項１１】
ステップ（２５０）の後に、前記対象物（１２０）の中の少なくとも１つの空間的に分解可能な位置に対し、前記少なくとも１つの選択された物質の局所密度を決定するステップ（２６０）をさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の対象物（１２０）の組成を決定する方法。
【請求項１２】
ステップ（２３０）の前に、
前記第１の照射方向から前記Ｘ線源（１１０）によってＸ線で前記対象物（１２０）を照射するステップと、
前記少なくとも１つの物質・選択規準に応じて、少なくとも１つの選択された物質を獲得するために前記対象物（１２０）の分析が実行される少なくとも１つの物質を選択するステップ（２１０）と、
選択されたエネルギー範囲（４３０）を獲得するために前記少なくとも１つのエネルギー・選択規準に応じて、照射エネルギー範囲のうちのエネルギー範囲を選択するステップ（２１５）と、
前記少なくとも１つの選択されたＸ線エネルギー範囲に対して前記少なくとも１つの選択された物質の吸収係数を決定するステップ（２２０）と、
をさらに含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の対象物（１２０）の元素組成を同定する方法。
【請求項１３】
Ｘ線を放射するために動作するＸ線源（１１０）と、
第１の照射方向に関する対象物（１２０）によるＸ線の伝搬・吸収を決定することを可能にするＸ線検出器（１３０）と、
を備え、
前記Ｘ線検出器（１３０）は、コントローラ（１３１）と、命令（１３３）のセットを含む記憶装置（１３２）と、電源（１３４）と動作的に連結され、
前記コントローラ（１３１）は、前記命令（１３３）を実行するとき、前記決定された伝搬・吸収に基づいて、少なくとも１つの選択された物質及び少なくとも１つの選択されたエネルギー範囲に対し、第１の照射方向のそれぞれの透過経路に関する前記対象物（１２０）中の積分密度を決定するステップ（２５０）を実行するために少なくとも動作する、前記対象物（１２０）の組成を同定するために動作する組成決定システム（１００）であって、
区別可能な依存性が、前記少なくとも１つの選択された物質の各原子番号に対するスペクトル吸収特性と前記選択されたエネルギー範囲との間に存在するように、前記少なくとも１つの選択された物質は、少なくとも１つの物質・選択規準に応じて選択され、前記選択されたエネルギー範囲は、少なくとも１つのエネルギー・選択規準に応じて選択されることを特徴とする、組成決定システム（１００）。
【請求項１４】
前記コントローラ（１３１）は、前記対象物中の空間的に分解可能な位置に対し、前記少なくとも１つの選択された物質の局所密度を決定するために動作する、請求項１３に記載の前記対象物（１２０）の組成を同定するために動作する組成決定システム（１００）。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載の組成決定システム（１００）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物をイメージングする分野、より詳しくは、対象物の内部構造のイメージングに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の内部構造の非破壊イメージングのため最も用いられる技術のうちの一つは、対象物にＸ線放射を照射し、入射放射線のうちの透過割合を決定し、Ｘ線放射の透過割合を可視化することである。このように、Ｘ線放射に関して様々な密度をもつ構造体が可視化可能である。測定され、続いて可視化された透過Ｘ線放射は、以下で、「透過画像」と呼ばれる。
【０００３】
対象物へのＸ線入射の減衰は、対象物の元素組成と、Ｘ線源の放射エネルギー範囲とに依存する。より具体的には、厚さ、物理的密度、及び、元素組成は、対象物のＸ線特性を決定するパラメータである。Ｘ線源は、放射されたＸ線放射のスペクトルパワー密度によって少なくとも特徴付けられる。
【０００４】
例えば、照射される対象物に関して空間的に固定された単一のＸ線源から対象物が照射される場合、取得可能な透過画像によるＸ線密度情報は、２次元である。対象物から２Ｄ画像情報を取得することは、Ｘ線撮影法と呼ばれる。異なる角度方向からのＸ線放射で対象物を照射すると、対象物の断面のような３Ｄ情報を可視化する透過画像が再構成できる。対応する技術は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）と呼ばれる。どちらの場合でも、画像化される量は、局所Ｘ線密度、又は、言い換えると、対象物へ入射したＸ線放射に関する対象物の物質の局所吸収パワーである。
【０００５】
対象物を構成する（複数の）物質の様々な元素を区別することは現在までのところ可能性がなかった。特に、同一のＸ線密度を提示する２つの対象物が実際に同じ元素組成を有しているかどうかを決定することは可能性がない。即ち、２つの対象物におけるＸ線放射の伝搬経路の様々な長さ及び／又は２つの対象物の密度は、対象物の非類似元素組成を補償する可能性があるからである。
【０００６】
明らかに、対象物の元素組成の知識が非常に重要である多くの事例がある。例えば、手荷物又は積荷検査では、爆発物が同じＸ線密度を有している他の物質から区別できるならば、非常に有益であろう。医療領域では、物質の元素自体が標識としての機能を果たすことができるので、有機物質の元素組成についての知識は、検査前に着目中の構造体に標識を付ける必要性を防ぎ、機能的な画像を生じることができる。例えば、数種類の癌は、局所カルシウム含有量が決定可能である場合、非常に高コントラストで画像化されることがあるマイクロ石灰化を生じるので、利用しなければならなかった筈の標識によって検査対象物（試料、生きている実体）を損傷する危険性を冒すことなく、早期に、かつ、より高い信頼性で癌性増殖の診断を可能にする。
【０００７】
当技術分野において知られているように、対象物の表面と対象物の直ぐ下で対象物の組成を決定することを可能にする方法は、蛍光画像を利用する。より具体的には、対象物は、原子の中の電子のエネルギー励起を引き起こすＸ線又は電子ビームによって照射され、次に、収集され検出される光子の放射を引き起こす。検出された光子は、対象物の元素毎の特性エネルギー範囲を提示する。この技術は、蛍光Ｘ線分光法（ＸＲＦ）と呼ばれ、Ｌ．Ｓ．Ｂｉｒｋｓ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  Ｘ−Ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」，（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．５，ｐｐ．６９２−６９７，１９５３）に開示される。しかし、この方法の用途は、対象物の外面の検査に限定される。対象物自体の蛍光スペクトルの減衰のため、約１０マイクロメートルを超える幾何学的寸法をもつ対象物の内部の元素イメージングにこの方法を適用する可能性がない。さらに、この方法では、対象物の構造を決定することを可能にする敏感な厚さは、典型的に１マイクロメートル未満である。
【０００８】
より厚い対象物の元素組成は、国際公開第２００９／０６６２１４号において教示されるようにＸ線吸収スペクトルのＫエッジを使用する方法を利用することにより決定することができる。この方法の実際的な限界は、光子のエネルギー範囲にある。様々な元素のＫエッジは、エネルギーの中に非常に広範に分散している。非常に多数の元素を網羅するため、Ｘ線放射の広いエネルギー範囲が網羅されなければならない。同様に、軽元素（例えば、原子番号２５より下）のＫエッジは、軟Ｘ線範囲（約５ｋｅＶ未満のエネルギーをもつ）に入る。この軟Ｘ線範囲で、典型的な寸法１００マイクロメートル未満をもつ非常に小さい対象物だけが十分なコントラストを用いて画像化できるように、放射線のうちの無視できない部分が対象物によって吸収される。国際公開第２００９／０６６２１４号に開示された方法は、軟Ｘ線が外気によって強く減衰されるという事実によってさらに制限される。対象物内の軽元素のイメージングは、このようにして真空下だけで実行することができる。しかし、生物（動物、植物、又は、これらの培養液）の場合、このことは、殆どの生物が低圧環境に耐えることができないので、実行可能な選択肢ではない。
【０００９】
Ｒ．Ｅ．Ａｌｖａｒｅｚ  ａｎｄ  Ａ．Ｍａｃｏｖｓｋｉ，「Ｅｎｅｒｇｙ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｘ−ｒａｙ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」，Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．７３４−７４４，１９７６（Ａｌｖａｒｅｚら）によって開示された方法は、Ｘ線光子と物質との間の３つの本質的な相互作用メカニズム、即ち、光電効果（ＰＥ）と、コンプトン散乱（ＣＳ）と、対生成（ＰＰ）とのエネルギー依存性を利用することにより、Ｋエッジを使用する方法と関連付けられた問題のうちのいくつかを解決する。この方法によれば、スペクトル情報と、普遍的な３つのＸ線吸収機能（μＰＥ、μＣＳ及びμＰＰ）についての知識とは、測定されたＸ線吸収を３つの基本成分に分解するため局所的に使用できる。しかし、Ａｌｖａｒｅｚらでは、３つのＸ線吸収機能（μＰＥ、μＣＳ及びμＰＰ）のエネルギー依存性が元素組成から独立していることと、この方法によるスペクトル測定量を用いて元素組成を推定する可能性がないこととが主張されている。
【００１０】
Ｍ．Ｆｉｒｓｃｈｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ＣＴ  ｗｉｔｈ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｘ−ｒａｙ  Ｐｉｘｅｌ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ−ａ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｔｕｄｙ」，２００６  ＩＥＥＥ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒｅｃｏｒｄ，Ｍ０６−４１６，ｐｐ．２２５７−２２５９）（Ｆｉｒｓｃｈｉｎｇら）は、化合物対象物の透過率Ｔ（Ｅ）を決定するステップと、透過率から元素又は化合物でもよい基本物質のエネルギー依存性質量減衰係数を導出するステップと、を含む、物質再構成方法を開示する。物質再構成は、対数化された透過率（測定され対数化された吸収値）を基本物質の組成（即ち、基本物質の固有密度にＸ線経路の長さを乗じた結果）とマッピングすることにより完成される。このマッピングは、対数化された透過率の疑似逆行列を決定することを必要とする。Ｆｉｒｓｃｈｉｎｇらは、前述のマッピングが実現可能であるための事前条件が、基本ベクトル（即ち、質量減衰係数）の数が独立エネルギービンの数によって制限されなければならないことをさらに教示する。その上、Ｆｉｒｓｃｈｉｎｇらは、必ずしも当たり前ではないが、基本ベクトルが線形独立でなければならないことを教示する。
【００１１】
米国特許出願公開第２００４／０１９０６７９号明細書は、各点が様々なエネルギーで走査される状態で患者の骨領域全域に亘って平行Ｘ線ビームをラスタ走査し、そして、軟組織、脂肪及び骨の相対面密度について解法するためアプリオリなスペクトル情報を用いる行列方程式を使用することにより透過Ｘ線ビームに沿って患者のインビボ３コンポーネント面密度組成を生体内で導出する方法を開示する。
【００１２】
Ａｌｖａｒｅｚら及びＦｉｒｓｃｈｉｎｇらに概要が示された同じ理由のため、最大で３つの基本成分が米国特許出願公開第２００４／０１９０６７９号明細書に開示された方法を用いてせいぜい区別可能である。
【００１３】
より具体的には、Ａｌｖａｒｅｚら、Ｆｉｒｓｃｈｉｎｇら、及び、米国特許出願公開第２００４／０１９０６７９号明細書に開示された方法は、即ち、殆どの実際的な医療用途及び技術用途では、有効なＸ線エネルギー範囲は非常に低いので（典型的に、３００ｋｅＶ未満）、対生成が起こることなく、２つの基本成分しか実際には区別できない、という同じ欠点を被る。換言すると、実際的なエネルギー範囲に対して、３つの別個の元素又は基本成分の決定のため必要とされる３×３型行列の行列式は、非常に小さいので（ほぼ１０−６又は１０−７程度）、数値的な３×３型逆行列を作ることは実際的に不可能である。２×２型行列の行列式だけが十分な数値精度で実際には導出可能であり、２つの別個の元素又は基本成分しか区別できないという理論的主張を明らかにする。
【００１４】
国際公開第２００８／１４２４４６号は、Ｋエッジ吸収効果、光電効果、コンプトン散乱効果及び対生成効果が利用される方法を開示する。この方法は、対象物のエネルギー選択性Ｘ線吸収測定量と、対象物の構成要素成分（物質、相、分子、元素など）との獲得を含む。開示されていないアルゴリズムを使用して、対象物のスペクトル測定量は、その後に、スペクトル特性が測定されている構成要素に分解される。しかし、国際公開第２００８／１４２４４６号は、これらの構成要素成分に関してどのような制約、曖昧さ、及び、可能性があるかを開示することがなく、スペクトル測定量の所要のエネルギー分解能も開示することがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０６６２１４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０１９０６７９号明細書
【特許文献３】国際公開第２００８／１４２４４６号
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｌ．Ｓ．Ｂｉｒｋｓ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  Ｘ−Ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」，（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．５，ｐｐ．６９２−６９７，１９５３）
【非特許文献２】Ｒ．Ｅ．Ａｌｖａｒｅｚ  ａｎｄ  Ａ．Ｍａｃｏｖｓｋｉ，「Ｅｎｅｒｇｙ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｘ−ｒａｙ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」，Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．７３４−７４４，１９７６（Ａｌｖａｒｅｚら）
【非特許文献３】Ｍ．Ｆｉｒｓｃｈｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ＣＴ  ｗｉｔｈ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｘ−ｒａｙ  Ｐｉｘｅｌ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ−ａ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｔｕｄｙ」，２００６  ＩＥＥＥ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒｅｃｏｒｄ，Ｍ０６−４１６，ｐｐ．２２５７−２２５９）（Ｆｉｒｓｃｈｉｎｇら）
【発明の概要】
【００１７】
従って、本発明の目的は、前述の方法の制限を克服し、そして、例えば、医療用途にとって関心のあるエネルギー範囲内、即ち、３００ｋｅＶ未満（例えば、１２〜１２０ｋｅＶ）にあるＸ線のような電磁（ＥＭ）放射を使用して、例えば、対象物の表面から少なくとも１００マイクロメートルの深さで３つ以上の元素又は基本物質に関して、対象物の組成を非破壊的に決定することを可能にすることである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、決定された元素組成に基づいて、対象物の断面の２次元画像又は３次元モデルを作成することである。前述の対象物を視野に入れて、本発明は、放射線が元素組成を求められる対象物に衝突し、対象物を通る透過放射線が、例えば、Ｘ線光子の到達と、例えば、１ｋｅＶ未満のエネルギー分解能を用いて、光子のエネルギーとを検出するために動作する少なくとも１つのＸ線検出器によって検出されるＸ線源を用いて、又は、例えば、１ｋｅＶ未満のチューニング分解能を有しているＸ線源を利用することにより実現される。透過Ｘ線放射のスペクトルは、下限が対象物の外側での散乱及び／又は対象物自体による過剰な伝搬・吸収により与えられ、上限がＸ線管によって放射された最大利用可能エネルギー及び／又は対象物内の過剰な散乱によって与えられるエネルギー範囲でさらに処理され、有用なエネルギー範囲は、蛍光ピークが起こるエネルギーを除外する。透過測定毎に、測定されたデータのスペクトル内容を対象物が構成されているかもしれない個別の元素のエネルギー依存性スペクトル挙動と比較することにより、解が対応する透過測定線に沿った構成要素物質の積分密度を表現するエントリを含むベクトルにより構成される線形的な数学問題を定式化することができる。この方法は、点状の透過測定と、放射線撮影イメージングと、２Ｄ及び３Ｄコンピュータ断層撮影法とを含むいずれの既知のＸ線測定技術にも適用できる。
【００１９】
なお、本明細書中で用いられるような用語「物質」は、純粋な元素を指すことも化合物を指すこともある。
【００２０】
なお、本明細書中で用いられるような用語「純粋な元素」は、化学的に別の物質に分解することができない物質を指す。
【００２１】
なお、本明細書中で用いられるような用語「化合物」は、時間に応じて変化することがない予め定められた元素の混合物である物質を指す。
【００２２】
本明細書中で用いられるような用語「伝搬・吸収」は、対象物に入射するＥＭ放射エネルギーと対象物から放射する対応したＥＭ放射エネルギーとの間の比率として定義され、単位ｄＢで表現されることがある。
【００２３】
本明細書中で用いられるような用語「吸収係数」は、対象物に入射する電磁（ＥＭ）放射エネルギーと同じ対象物から放射する対応したＥＭ放射のＥＭエネルギーとの比率を、物体中の伝搬距離によって除算した商の対数として定義される。
【００２４】
用語「透過経路」と「伝搬経路」とは互換的に用いることができる。
【００２５】
本明細書中で用いられるような用語「積分密度」は、対象物中の伝搬長さと伝搬長さに沿った対象物の密度との積として定義される。結果として得られる積分密度は、単位ｋｇ／ｍ２で表現することができる。
【００２６】
本明細書中に概要が示された選択規準の１つずつは、論理積によって互いに関して参照される。
【００２７】
発明の実施形態の概要：
【００２８】
本発明によれば、Ｘ線エネルギーでスペクトル分解された透過測定は、検討中の対象物の組成に関する情報を取得するため利用することができる。本発明の実施形態は、透過測定を実施することが可能であり、そして、吸収スペクトルがＸ線エネルギーＥと原子番号Ｚとの非乗法的な関数ｆ（Ｅ，Ｚ）として所要の依存性を示すエネルギー範囲の選択に関係する。本発明の実施形態は、スペクトル分解された吸収データが少なくとも１つの選択された物質に関して検討中の対象物の平均組成を決定するため利用できる再構成方法を開示する。さらなる実施形態は、この再構成を実現するため、少なくとも１つの選択された物質についての一覧表にされた吸収データ及び／又は実際に測定された吸収スペクトルの使用について記載する。さらなる実施形態は、検討中の対象物の組成を対象物を通るＸ線の直線伝搬経路に沿って決定することができ、伝搬経路のそれぞれの物質組成の積分密度に対応する放射線撮影画像の各画素に値を生じる放射線撮影（２次元Ｘ線投影画像の作成）のための方法ステップを開示する。さらに別の実施形態は、対象物の２次元又は３次元断面が再構成され、各画素が検討中の対象物のための少なくとも１つの選択された物質の組成に関する情報を格納するコンピュータ断層撮影技術における本発明の使用を開示する。
【００２９】
本発明の実施形態による対象物の組成を決定する方法は、第１の照射方向からＸ線源からのＸ線放射で対象物を照射する手順と、第１の照射方向のそれぞれの空間的に分解可能な透過経路毎に、少なくとも１つの選択された物質のそれぞれのための伝搬・吸収情報を生成するために少なくとも１つの選択されたエネルギー範囲に関して対象物によるＸ線放射の伝搬・吸収を決定する手順と、少なくとも１つの選択された物質に応じて伝搬・吸収データセットのエントリを吸収・係数データセットのエントリとそれぞれにマッピングすることにより、第１の照射方向の少なくとも１つの空間的に分解可能な透過経路に対して少なくとも１つの選択された物質のための積分密度を決定する手順と、を含み、区別可能な依存性が少なくとも１つの選択された物質の各原子番号に対するスペクトル吸収特性と選択されたエネルギー範囲との間に存在するように、少なくとも１つの選択された物質が少なくとも１つの物質・選択規準に応じて選択され、選択されたエネルギー範囲が少なくとも１つのエネルギー・選択規準に応じて選択される。
【００３０】
本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのエネルギー・選択規準が選択されたエネルギー範囲の下限及び上限を定義する。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、上限は、少なくとも１つの選択された物質の全質量減衰効果に関する散乱効果の最大割合を定義するスレッショルドに応じて決定される。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのエネルギー・選択規準は、全質量減衰係数のうちの最大で１０〜９０％が散乱効果によって引き起こされることを定義する。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、選択されたエネルギー範囲の下限は、Ｘ線検出器による光子の確実な検出が保証される最低エネルギー値に応じて選択され、又は、換言すると、選択されたエネルギー範囲の下限は、十分な光子がＸ線検出器によって検出できる最低エネルギー値に応じて選択される。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのエネルギー選択規準は、蛍光ピークの場合のエネルギーと、電子励起ピークが起こる場合のエネルギーとのうちの少なくとも一方の照射エネルギーの除外を定義する。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのエネルギー選択規準は、組成決定システムのＸ線源によって利用された物質による放射エネルギーの観点で影響を受ける照射エネルギーの除外を定義する。
【００３６】
本発明の実施形態によれば、少なくとも１つの物質選択規準は、Ｅａ（Ｚ）・Ｚｂ（Ｅ）における指数ａ（Ｚ）の値がすべての出現する原子番号Ｚに対し一意であることを定義する。
【００３７】
実施形態では、少なくとも１つの物質選択規準は、例えば、０．００１〜０．０１０の範囲に入り、例えば、０．００２、０．００３、０．００４、０．００５、０．００６、０．００７、０．００８又は０．００９でもよい最小限の差｜ａ（Ｚ１）−ａ（Ｚ２）｜を定義する。Ｚ１及びＺ２は、２つの異なる原子番号のうちのいずれか一方でもよい。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、対象物の組成を決定する方法は、第１の照射方向の少なくとも１つの空間的に分解可能な透過経路に対して少なくとも１つの選択された物質のための積分密度を決定するステップの後に、対象物中の少なくとも１つの空間的に分解可能な位置に対し、少なくとも１つの選択された物質の局所密度を決定する手順をさらに含む。
【００３９】
本発明の実施形態による組成決定システムは、対象物の組成を同定するために動作し、Ｘ線を放射するために動作するＸ線源と、第１の照射方向に関する対象物によるＸ線の伝搬・吸収を決定することを可能にするＸ線検出器とを備え、Ｘ線検出器（１３０）は、コントローラと、命令のセットを含む記憶装置と、電源と動作的に連結され、コントローラは、命令を実行するとき、決定された伝搬・吸収に基づいて、少なくとも１つの選択された物質及び少なくとも１つの選択されたエネルギー範囲に対して、第１の照射方向のそれぞれの透過経路に関する対象物中の積分密度を決定する手順を実行するために少なくとも動作し、区別可能な依存性が少なくとも１つの選択された物質の各原子番号に対するスペクトル吸収特性と選択されたエネルギー範囲との間に存在するように、少なくとも１つの選択された物質は、少なくとも１つの物質選択規準に応じて選択され、選択されたエネルギー範囲は、少なくとも１つのエネルギー選択規準に応じて選択される。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、コントローラは、検出器による対象物中の空間的に分解可能な位置に対し、少なくとも１つの選択された物質の局所密度を決定するために動作する。
【００４１】
本発明の実施形態は、本明細書中に開示された手順のいずれかを実行する組成決定システムの使用を開示する。
【００４２】
本発明の実施形態によれば、吸収係数データセットは、各エントリが次式：
【数１】
2011221022.tif 000003
によって定義される行列であり、式中、ｊは、少なくとも１つの選択された物質の列インデックスであり、ｉは、少なくとも１つの選択されたエネルギーチャネルのそれぞれの行インデックスであり、μは、少なくとも１つの選択された物質の吸収係数であり、ρは、少なくとも１つの選択された物質の密度である。
【００４３】
本発明の実施形態によれば、対象物・吸収データセットは、各エントリが、少なくとも１つの透過経路のうちの選択された１つに対する少なくとも１つの選択されたエネルギー範囲のそれぞれの対象物によるＸ線放射の伝搬・吸収を表現するベクトル
【数２】
2011221022.tif 000004
である。
【００４４】
本発明の実施形態によれば、対象物の元素組成を同定する方法は、第１の照射方向からＸ線源によってＸ線で対象物を照射する手順の前に、少なくとも１つの物質選択規準に応じて、少なくとも１つの選択された物質を獲得するために対象物の分析が実行される少なくとも１つの物質を選択する手順と、選択されたエネルギー範囲を獲得するための少なくとも１つのエネルギー選択規準に応じて、照射エネルギー範囲のエネルギー範囲を選択する手順と、少なくとも１つの選択されたＸ線エネルギー範囲に対する少なくとも１つの選択された物質の吸収係数を決定する手順とを含む。
【００４５】
本発明は、対象物の組成を同定するために動作する組成決定システムをさらに開示する。
【００４６】
本発明のそれぞれの実施形態では、前述の方法ステップの１つずつは、少なくとも２つ、少なくとも３つ、少なくとも４つ、最大で、例えば、少なくとも２０までの物質に関しても実行することが可能である。対応して、組成決定システムは、少なくとも２つ、少なくとも３つ、少なくとも４つ、最大で、例えば、少なくとも２０の物質に関して対象物の組成を特定するため動作し、対象物の組成を決定するため使用可能である。
【００４７】
本発明のこれらの特徴及び利点とさらなる特徴及び利点は、添付図面を参照して、単なる一例として記載された、本発明の実施形態についての以降の説明を考慮してより明瞭に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】本発明の実施形態による対象物の組成を同定するために動作する組成決定システムの略図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態によるＸ線検出器の略ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による元素組成を同定する方法のフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態による原子番号の関数として指数ａ（Ｚ）を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態によるＸ線源のエネルギーの関数として放射された照射強度を示す図である。
【図５】本発明の実施形態によるＸ線源から放射された照射エネルギー及び選択されたエネルギー範囲の関数としてアルミニウムの質量減衰係数を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態による対象物の物質密度の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
例示の簡単さ及び明瞭さのため、図面に表された要素は必ずしも正しい縮尺で描かれていないことが認められるであろう。例えば、一部の要素の寸法は、明瞭さのため他の要素より誇張されることがある。さらに、適切であると考えられる場合、参照符号及び／又は参照文字は、同一の要素又は類似した要素を示すために図面の間で繰り返されることがあるが、すべての図面の説明中で参照されるとは限らないことがある。
【００５０】
発明の実施形態の詳細な説明
【００５１】
本明細書中で用いられる用語「３次元モデル」は、３次元対象物の２次元表現と、３次元対象物の断面とを指す。従って、３次元モデルは、例えば、当技術分野において知られているように、コンピュータ断層撮影法によって生成された画像を含むことがある。
【００５２】
ここで図１Ａを参照する。組成決定システム１００は、Ｘ線源１１０と、例えば、分光計によって具現化されることがあるＸ線検出器１３０とを含む。Ｘ線源１１０は、Ｘ線ビーム１１５を放射するために動作し、対象物１２０及びＸ線検出器１３０は、Ｘ線ビーム１１５の伝搬経路内にある。
【００５３】
Ｘ線検出器１３０は、コントローラ１３１、命令のセット１３３を含む記憶装置１３２、及び、電源１３４と共に動作する。コントローラ１３１は、命令１３３を実行するとき、本明細書中に概要が示された方法を実施する手順のうちの少なくとも１つを実行する。なお、コントローラ１３１、記憶装置１３２、命令１３３、及び、電源１３４は、本明細書中では、Ｘ線検出器１３０の中に組み込まれているものとして例示されているが、このことは、決して限定として解釈されるべきではない。従って、コントローラ１３１及び電源１３４は、例えば、Ｘ線検出器１３０に外付けされてもよく、又は、Ｘ線検出器１３０と動作的に連結されてもよい。
【００５４】
本明細書中で詳細に概要が示されるように、選択されたエネルギー範囲及び選択された物質に関して、別個又は区別可能な依存性が、選択された物質の各原子番号に対するスペクトル吸収特性と選択された物質に照射するため使用される選択されたエネルギー範囲との間に存在する。その結果として、対象物の物質再構成は、例えば、３つ以上、４つ以上、又は、５つ以上の物質に対して可能である。
【００５５】
物質選択：
【００５６】
次に図２及び図３をさらに参照する。この方法は、本発明の実施形態によれば、ボックス２１０によって示されるように、少なくとも１つの選択された物質を獲得するために少なくとも１つの物質・選択規準に応じて、対象物１２０を分析するために使われる少なくとも１つの物質を選択する手順を含む。本発明の実施形態によれば、少なくとも１つの物質・選択規準は、対象物１２０中の元素組成の明瞭な決定を行うため、純粋な元素の選択に関して、指数ａ（Ｚ）の値がすべての出現するＺに対して一意であることを定義する。対応して、少なくとも１つの物質・規準は、純粋な元素に関して、選択された純粋な元素の１つずつが、これらの指数ａ（Ｚ）の値の間に最小限の差，例えば、０．００５を提示すべきことを定義する。同様に、化合物に関して、少なくとも１つの物質・選択規準は、少なくとも１つの選択された化合物のうちの各元素の指数ａ（Ｚ）が互いに対して最小限の差、例えば、０．００５を有するべきであることを定義する。
【００５７】
さらに、純粋な元素及び化合物を含む選択された物質に対して、少なくとも１つの選択された化合物の各元素のａ（Ｚ）の値は、少なくとも１つの選択された純粋な元素の値ａ（Ｚ）に関する最小限の差を提示しなければならない。例えば、化合物のいずれかの元素の値ａ（Ｚ）と、いずれかの純粋な元素の値ａ（Ｚ）との間の最小限の差Ｄは、差、例えば、０．００５を提示するように定義されることがある。要約すると、｜ａ（Ｚ１）−ａ（Ｚ２）｜の最小限の差の条件は、選択された（複数の）純粋な元素及び／又は（複数の）化合物に関するすべてのａ（Ｚ）の値に対し充足されるべきである。なお、ａ（Ｚ）の値は、単調に又は非単調に増加又は減少しうる。最小限の差０．００５は、単に例示の目的に過ぎない。対応して、本発明のそれぞれの実施形態では、少なくとも１つの物質・選択規準は、例えば、０．００１〜０．０１０の範囲に入り、例えば、０．００２、０．００３、０．００４、０．００５、０．００６、０．００７、０．００８、又は、０．００９でもよい最小限の差｜ａ（Ｚ１）−ａ（Ｚ２）｜を定義する。Ｚ１及びＺ２は、２つの異なる原子番号のうちのいずれか一方でもよい。
【００５８】
本発明の実施形態によれば、少なくとも１つの物質・選択規準は、対象物１２０中に存在すると思われる物質にさらに関係することがある。例えば、１３より下の原子番号を有する純粋な元素が対象物１２０の中に存在しないこと、又は、Ｘ線放射が対象物１２０による影響を受ける全体的な伝搬・吸収に関して無視できる量の中に存在することが仮定されることがある。
【００５９】
少なくとも１つの物質についての結果として生じる選択候補は、選択物質領域３２０によって概略的に示され、位置３３１及び３３２によってそれぞれ概略的に示されるように、少なくともほぼ等しい値をａ（Ｚ）に与えるので、例えば、原子番号２２及び２３を有する純粋な元素を除外する物質除外領域３３０によってさらに定義される。さらに、選択物質領域３２０は、例えば、１３より下の原子番号を有する純粋な元素を除外する。換言すると、物質除外領域３３０は、例えば、１３のような所定のスレッショルド値を下回る原子番号を有する元素を包含する。
【００６０】
なお、図３を参照して本明細書中で例示される選択された少なくとも１つの物質は、単に例示の目的に過ぎず、決して限定として解釈されるべきでない。従って、少なくとも１つの物質のため行われた選択は、他のシステム構成及び／又は用途のため異なることがある。
【００６１】
少なくとも１つの選択されたＸ線エネルギー範囲のエネルギーチャネルの数は、少なくとも１つの選択された物質の数以上でなければならない。より具体的には、選択されたエネルギー範囲のチャネルは、組成決定システム１００によって解決可能である伝搬・吸収値に対応する。
【００６２】
エネルギー範囲選択：
【００６３】
ボックス２１５によって示されるように、この方法は、本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのエネルギー・選択規準に応じて照射エネルギー範囲のエネルギー範囲を選択する手順と、選択されたエネルギー範囲を生成する手順とをさらに含む。構成要素元素に関する対象物１２０の分析は、本明細書中で以下に詳細に概略が示されるように、選択されたエネルギー範囲に応じて実行される。
【００６４】
図４は、離散的な放射ピークを有しているＸ線源１１０の放射曲線（ｋｅＶ単位のエネルギーの関数として任意単位の照射強度）を例示するグラフ４００を概略的に示す。Ｘ線源１１０によって照射される全物質は、離散的な蛍光放射ピーク４１０を放射することができる。その上、Ｘ線源１１０は、Ｘ線源１１０の中の電子励起によって生成されるピーク４２０を放射することがある。ピーク４１０及び／又は４２０のエネルギーは、Ｘ線源１１０の中の物質に依存する。さらに、斜線領域は、例示された選択されたエネルギー範囲４３０を概略的に示す。例えば、選択されたエネルギー範囲４３０のようなエネルギー範囲を選択するエネルギー・選択規準は、本明細書中で以下に詳細に概略が示される。
【００６５】
次に図５をさらに参照する。一般に、物質中のＸ線放射の質量減衰係数は、少なくとも一部が光吸収及び散乱である様々な物理現象の関数である。それぞれの減衰係数の合計は、元素アルミニウムに関して図５に概略的に示されるように、全体の達成吸収効果である。より具体的には、破線５１０及び点線５２０は、光子吸収及び散乱にそれぞれに起因して放射された光子エネルギーの関数として質量減衰係数を概略的に示す。光子吸収効果及び散乱効果の合計は、連続線５３０で概略的に示される。
【００６６】
少なくとも１つのエネルギー・選択規準は、照射された物質によるＸ線光子の伝搬・吸収の特性に基づき、そして、反対側の散乱の増加する寄与によって決定される選択されたエネルギー範囲４３０の上限を指す。より具体的には、散乱及び光吸収のそれぞれの吸収係数の値は元素に依存するので、照射エネルギーが高くなるほど、散乱は光吸収効果に関して徐々に優勢になる。本発明の実施形態によれば、選択されたエネルギー範囲４３０の上限は、全質量減衰効果に関する散乱効果の最大割合を定義するスレッショルドに応じて決定される。最大割合のためのスレッショルドは、１％〜９０％の範囲に入るべきであり、典型的に、少なくとも約８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％又は１５％である。
【００６７】
図５に関して、斜線領域の下限５５０及び上限５６０は、それぞれ、選択されたエネルギー範囲４３０の下限及び上限を概略的に表す。エネルギー範囲の下限５５０は、十分な光子がＸ線検出器１３０によって検出可能である最低エネルギー値に応じて、即ち、光子の確実な検出が保証されるように選択される。このエネルギー値は、システム構成及び検査されるべき対象物の伝搬・吸収特性に依存する。Ｘ線源によって放射されたある一定の照射エネルギーより下で、透過Ｘ線光子の数は、Ｘ線検出器による確実な検出のため十分ではないことがある。Ｘ線放射のためのより低い検出可能なエネルギー限界は、Ｘ線源の出口窓のサイズと、Ｘ線伝搬媒体と、例えば、１０ｃｍから１００ｃｍまで変化するＸ線源からＸ線検出器までの伝搬経路の長さとに依存することがある。伝搬媒体が空気だけである場合、Ｘ線検出器による確実な検出を保証するＸ線源によって放射されるべきＸ線放射のエネルギー下限は、例えば、少なくとも約４ｋｅＶである。対象物がＸ線放射の伝搬経路の中にある場合、減衰が増加され、放射されるべきＸ線放射のエネルギー下限の増加を対応して要求する。例えば、対象物１２０が厚さ１ｍｍを有するセルロースである場合、下限は少なくとも約８ｋｅＶまで増加する。対応して、最低エネルギー値は、例えば、少なくとも４ｋｅＶ、５ｋｅＶ、又は、６ｋｅＶでもよく、最大で、例えば、７ｋｅＶ、８ｋｅＶ、９ｋｅＶ、又は、１０ｋｅＶでもよく、よって、有用なエネルギー範囲は、例えば、４ｋｅＶから１０ｋｅＶまででもよい。
【００６８】
選択されたエネルギー範囲４３０の上限５６０は、散乱が選択された物質の全質量減衰係数の、例えば、１％〜１０％を占めるエネルギーに応じて選択される。なお、光吸収損失が支配的である（即ち、全減衰の５０％未満を占める）エネルギー値は、物質毎に異なることがあり、元素の原子番号が増大すると共に増加する。例えば、伝搬・吸収の５０％が光吸収を原因とする点は、水素（Ｚ＝１）に対して２．４ｋｅＶであり、タングステン（Ｚ＝７４）に対して４２０．８ｋｅＶである。
【００６９】
選択されたエネルギー範囲４３０を獲得するため除外されることがあるさらなるエネルギー範囲は、Ｘ線蛍光ピークを有するエネルギー値である。このようなＸ線蛍光ピークは、Ｘ線源１１０の外側で生成された蛍光光子に起因して生じることがある。よって、これらの蛍光光子の経路は、未知であり、対象物１２０とは独立であることが可能である。可能である場合、対象物１２０とは独立であるエネルギー範囲又はピークは、対象物１２０だけに依存する選択されたエネルギー範囲を獲得するため除外されるべきである。明らかに、選択されたエネルギー範囲は、種々のシステム構成に対し異なることがあり、対象物１２０及び対象物の周囲を含む照射された媒体に応じて少なくとも決定される。
【００７０】
さらに、対象物１２０に依存しないため除外されることがあるエネルギー範囲は、組成決定システム１００において利用される物質による影響を受けるエネルギー範囲である。対応して、除外されることがある個別のエネルギー範囲の実施例は、例えば、６．４ｋｅＶでの鉄からのＫα線及び７．１ｋｅＶでの鉄からのＫβ線であるか、又は、１０．５ｋｅＶでの鉛からのＬα線及び１２．６ｋｅＶでの鉛からのＬβ線である。このため、スチール及び鉛がＸ線設備の構築のため使用されることがよくある。
【００７１】
なお、前述の点から見て、用語「選択されたエネルギー範囲」は、いくつかの実施形態では、単一の連続するエネルギー範囲を指すことがある。代替的に、用語「選択されたエネルギー範囲」は、いくつかの実施形態では、１つずつの個別のエネルギー範囲自体は連続しているが、中間にギャップを含む複数の連続しない個別のエネルギー範囲を指すことがある。
【００７２】
エネルギー範囲全体に亘って吸収を測定するためのセットアップ
【００７３】
種々のセットアップ及び方法がＸ線検出器１３０で光子とそれぞれのエネルギー範囲とを測定するため利用されることがある。本発明の実施形態では、Ｘ線検出器１３０は、スペクトル感度が高く（即ち、Ｘ線検出器が分光計によって具現化される）、そして、例えば、少なくとも１ｋｅＶの分解能で入射光子のエネルギー値を分解するため動作することがある。別の実施形態では、Ｘ線検出器１３０は、スペクトル感度が低く、一方、Ｘ線源１１０は、波長可変であり、かつ、選択されたエネルギー範囲を網羅するために動作する狭帯域Ｘ線源である。後者の実施形態によるＸ線源１１０の最大エネルギー帯域幅は、例えば、１ｋｅＶ以下である。
【００７４】
原子番号Ｚの関数としてのスペクトル吸収特性のモデリング：
【００７５】
一般に、伝搬・吸収を原因とする放射線強度の低下は、例えば、ランベルト・ベールの法則：
【数３】
2011221022.tif 000005
によって特徴付けることが可能であり、式中、Ｉ０は入射放射線強度を表現し、μは吸収係数を表現し、ｘは放射線が伝搬する対象物１２０の厚さを表現し、Ｉは距離ｘに亘る伝搬後の放射線強度を表現する。光子伝搬・吸収のため、選択されたエネルギー範囲が位置し（ボックス２１５）、原子番号Ｚをもつ化学元素の吸収係数μは、以下の依存性：
【数４】
2011221022.tif 000006
を有し、式中、ρは物質の密度を表現し、ｃは定数を表現し、Ｅは放射線のエネルギーを表現し、Ｚは原子番号を表現する。
【００７６】
数学的項
【数５】
2011221022.tif 000007
の指数は一定ではない。より具体的には、原子番号のそれぞれの指数は、エネルギーに依存し、逆もまた同様である。その結果、乗算の両方の部分が放射線エネルギーＥ及び原子番号Ｚに依存する。
【００７７】
なお、指数が一定である場合、様々な元素からのμの合計は、２つの因子の積に書き直すことができ、第１の因子だけがエネルギー依存性であり、第２の因子Ｚは合計であり、合計の各部分は原子番号だけに依存している。よって、第２の因子は、エネルギー依存性測定を用いて元素成分に分離できないことがある。従って、元素組成は、スペクトル伝搬・吸収の関数として決定できない。しかし、式３に表されるように、エネルギーＥと原子番号Ｚの乗算は相互依存性であるため、各元素の相対密度は、様々な吸収係数μ（Ｅ）に基づいて決定することが可能であり、即ち、異なるエネルギーＥを用いる複数の測定量は、関連する原子番号Ｚに分離することが可能である。その結果として、選択されたエネルギー範囲４３０の吸収係数μに対する対象物１２０の各元素の寄与は、決定することが可能である。
【００７８】
吸収係数μの決定：
【００７９】
ボックス２２０によって概略的に示されるように、対象物１２０の元素組成を決定する方法は、本発明の実施形態によれば、選択されたＸ線照射エネルギーの中で元素物質のＸ線吸収係数μを決定する手順を含む。
【００８０】
本発明の実施形態による対象物の吸収係数μを決定する方法が本明細書中で例示される。しかし、これらの方法は、決して限定であると解釈されるべきでない。従って、吸収係数μを決定する付加的又は代替的な方法は、例えば、当技術分野において知られているように、利用することができる。吸収係数μを決定するため、ＥＭエネルギーの２回の測定：対象物に入射する前にＥＭ放射線エネルギーを獲得する第１の測定と、対象物を透過したエネルギーの第２の測定とが必要とされる。本発明の実施形態によれば、第１の測定及び第２の測定は、同時に第１の伝搬経路及び第２の伝搬経路のため並列に実行されることがあり、第１の伝搬経路は対象物を含まず、第２の伝搬経路は対象物を含む。別の実施形態では、第１の測定及び第２の測定は、異なる時点で別々に実行されることがある。対象物を含まない状態に伝搬を維持することにより第１の測定を実行した後、第２の測定は、例えば、対象物を伝搬経路の中へ移動させることにより実行されることがある。長時間に亘る電力安定性及びエネルギー分布の観点で長時間に亘るＸ線源及びＸ線検出器の安定性に依存して、第１の測定と第２の測定との間で必要とされる遅延は変化することがある。
【００８１】
純粋な元素のための吸収係数は、純粋な元素のデータを特定の光子エネルギーでの吸収係数と関連付けるルック・アップ・テーブル（ＬＵＴ）に応じて決定することができる。化合物のための吸収係数は、純粋な元素を含むことから決定することができるか、又は、ＬＵＴに応じて決定されることもある。このようなＬＵＴは、例えば、文献：Ｃ．Ｔ．Ｃｈａｎｔｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ，「Ｘ−Ｒａｙ  Ｆｏｒｍ  Ｆａｃｔｏｒ，Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｔａｂｌｅｓ」（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｆ．Ｄａｔａ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．４，ｐｐ．５９７−１０４８，２０００、及び、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｆ．Ｄａｔａ，Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．１，ｐｐ．７１−６４３，１９９５）に基づいている。付加的又は代替的に、少なくとも１つの選択された物質の１つずつの吸収係数、及び、選択されたエネルギー範囲を決定する方法は、少なくとも１つの選択された物質を用いてスペクトル基準測定を実行することを含むことがある。従って、少なくとも１つの選択された物質に対する吸収係数は、ＬＵＴによって、及び／又は、基準測定を実行することによって決定することができ、又は、物質の選択に対する吸収係数は、ＬＵＴに応じて決定することができるが、残りの物質に対して、吸収係数は実行される測定に応じて決定されることがある。いずれの場合も、選択されたエネルギー範囲４３０内の選択された物質の１つずつに対する吸収係数μは、別々に決定される。
【００８２】
元素Ｓｉ及びＡｌのための基準測定の値は、本明細書中では、それぞれに以下の表１及び表２に例示される。基準測定は、以下の設備、即ち、Ｘ線源：Ｈａｍａｍａｔｓｕ  Ｌ１０１０１、Ｘ線検出器：Ａｍｐｔｅｋ  Ｘ−１２３、部品番号ＺＹ−ＦＳ０８２ＭＤ−Ｇ３ＳＰを用いて実行された。
【表１】
2011221022.tif 000008
【表２】
2011221022.tif 000009
【００８３】
選択された物質のための吸収係数データセットの決定
【００８４】
物質の吸収係数の一覧表にされたデータに基づいて、及び／又は、選択されたエネルギー範囲４３０において実行された物質の吸収係数を決定するこれらの基準測定に基づいて、吸収係数データセットは、対象物１２０の構成要素であると思われる物質に対し導出できる。吸収係数データセットは、本明細書中では、係数行列Ｂによって具現化され、ここで、各行列エントリは、式
【数６】
2011221022.tif 000010
に基づき、式中、ｊは物質の列インデックスであり、即ち、各列はそれぞれの物質を表現し、ｉはエネルギーチャネルの行インデックスであり、即ち、各行が様々なエネルギ−チャネルを表現し、μは吸収係数であり、ρは構成要素物質の密度である。
以下の表３は、Ｓｉのための基準測定（表１）及びＡｌのための基準測定（表２）から決定された行列Ｂを例示する。
【表３】
2011221022.tif 000011
【００８５】
ボックス２３０によって示されるように、この方法は、続いて、第１の複数の様々な放射方向からのＸ線放射で対象物１２０を照射する手順と、続いて、ボックス２４０によって示されるように、第１の照射方向に関して、空間的に分解可能な透過経路毎に、選択されたＸ線エネルギー範囲に亘る対象物１２０によるＸ線照射の伝搬−吸収を決定する手順とを含む。選択されたエネルギー範囲は、本明細書中に概略が示されたエネルギー選択規準に応じて選択される。具体的には、波長可変照射源又はエネルギー分解Ｘ線検出器を利用することにより、本明細書中ではベクトル
【数７】
2011221022.tif 000012
として具現化された伝搬−吸収データセットを構築することが可能であり、ベクトル
【数８】
2011221022.tif 000013
の各エントリが、１つの透過経路のための選択されたエネルギー範囲に亘るエネルギーチャネルに対する対象物１２０によるＸ線ビーム１１５の伝搬−吸収を表現する。例えば、第１の照射方向の透過経路を考慮すると、ベクトル
【数９】
2011221022.tif 000014
の第１の要素ｍ１は、例えば、１１．５４ｋｅＶのような選択されたエネルギー範囲の第１のエネルギーチャネルの伝搬−吸収を表現し、ベクトル
【数１０】
2011221022.tif 000015
の第２の要素ｍ２は、同じ透過経路のための選択されたエネルギー範囲のそれぞれの第２のエネルギーチャネルに対する伝搬−吸収１１．５８ｋｅＶを表現しうる。
【００８６】
元素Ａｌ及びＳｉに関するこのような測定の結果が本明細書では以下の表４に一覧される。
【表４】
2011221022.tif 000016
【００８７】
選択された物質の積分密度の決定
【００８８】
ボックス２５０によって示されるように、この方法は、次に、第１の照射方向に関する空間的に分解可能な透過経路毎に少なくとも１つの選択された物質の積分密度を決定する手順を含む。具体的には、ベクトル
【数１１】
2011221022.tif 000017
及び行列Ｂは、エネルギーチャネルの行位置がベクトル
【数１２】
2011221022.tif 000018
のエネルギーチャネルの行位置と一致するように構築されるべきであり、その結果、測定されたベクトル
【数１３】
2011221022.tif 000019
は、
【数１４】
2011221022.tif 000020
の通りに行列Ｂの１つずつの純粋な要素と対応してマッピングすることができ、ここで、ベクトルの各要素は、
【数１５】
2011221022.tif 000021
であり、即ち、選択された物質のうちの１つの固有密度と対象物１２０の中だけの同じ透過経路又は伝搬経路の長さとの積に等しい。換言すると、
【数１６】
2011221022.tif 000022
の各要素は、所定の画素Ｘｍｎに対して、それぞれの物質の積分密度を表現する。しかし、行列Ｂをベクトル
【数１７】
2011221022.tif 000023
とマッピングできるようにするため、式（４）は、以下の通り、式（５）：
【数１８】
2011221022.tif 000024
に操作されるべきである。
【００８９】
対象物１２０中の積分密度が実際に選択された物質で構成されるかどうかを決定し、そして、肯定である場合に、対象物１２０中でのこれらの相対位置を決定するため、対象物がＸ線ビーム１１５で照射され、前述の概要が示された手順に応じて、例えば、２つの異なる物質、即ち、密度ρ１を有する第１の物質１２１と、密度ρ２を有する第２の物質１２２とで構成される対象物１２０を概略的に示す図６の構成を可能にさせ、第１の物質１２１及び第２の物質１２２は、選択された純粋な元素又は選択された化合物のいずれか一方である。具体的には、対象物１２０がＸ線ビーム１１５で照射され、前述の概要が示された手順に応じて、ベクトル
【数１９】
2011221022.tif 000025
の構築を可能にする。軸Ｘは、Ｘ線ビーム１１５の伝搬方向を概略的に示し、対象物１２０を通る透過経路ΔＸをさらに定義する。以下の検討を簡略化するため、対象物１２０の中の積分密度は、透過経路ΔｘＡ及びΔｘＢに関して概略が示されるが、他の透過経路が対象物１２０の中に存在しても構わないので、このことは、決して限定するものとして解釈されるべきではない。透過経路ΔｘＡに沿って存在する積分密度は、典型的にＸ線検出器１３０に投影され、画素ｘＡ，ｍｎによって可視化される。
【００９０】
測定されたベクトル
【数２０】
2011221022.tif 000026
は、画素ｘｍｎ毎に対象物１２０の中の第１の物質１２１の積分密度及び第２の物質１２２の積分密度の決定を可能にする。図６に例示された対象物１２０の中の透過経路ＸＡｍｎに関して、選択された物質の積分密度の値は、以下の数学的項：
【数２１】
2011221022.tif 000027
【数２２】
2011221022.tif 000028
によって定義され、透過経路ＸＢｍｎに関して、選択された物質の積分密度は、
【数２３】
2011221022.tif 000029
として定義されることになり、ここで、Ｚ１及びＺ２は、第１の物質１２１及び第２の物質１２２のそれぞれの原子番号である。例えば、対象物１２０の第１の物質１２１が鉄であること、及び、第２の物質１２２がアルミニウムであることと、例えば、Ｘ１＝０．０３ｍ、Ｘ２＝０．０５ｍ、Ｘ３＝０．０８ｍ及びＸ４＝０．１２ｍとを考慮すると、ＸＡに関する積分密度は、鉄に対して０．２４ｋｇ／ｍ２となり、アルミニウムに対して０．３５ｋｇ／ｍ２となり、ＸＢに関する積分密度は、アルミニウムに対して０．３２ｋｇ／ｍ２となる。明らかに、式５において概要が示された線形問題は、Ｘ線検出器１３０によって空間的に分解可能である透過経路毎に解くことができるので、画素ｘｍ，ｎによって描かれた画像を獲得し、対応する透過経路に関して、対象物１２０の中に存在すると仮定される選択された物質の積分密度が決定される。
【００９１】
Ｓｉ及びＡｌのための表１〜４に関して、線形問題の解は以下の通りである（表５）。
【表５】
2011221022.tif 000030
【００９２】
局所密度の決定
【００９３】
ボックス２６０によって示されるように、この方法は、次に、少なくとも１つの空間的に分解可能な位置に関して、対象物１２０の中の少なくとも１つの選択された物質の局所密度ρｎを決定する手順を含む。具体的には、例えば、当技術分野において知られた断層撮影走査を利用することにより、例えば、断面毎に対象物１２０の中の選択された物質の位置に関する情報を与える対象物１２０の断面画像を提供するコンピュータ化モデルを描くことができる。図６に例示された対象物１２０に関して、第１の物質１２１及び第２の物質１２２のそれぞれの各構造体の２次元又は３次元を、空間内での構造体の相互の相対位置と共に決定することができる。従って、第１の物質１２１及び第２の物質１２２のそれぞれの構造体の形状が決定されることがある。
【００９４】
選択された少なくとも１つの物質が対象物１２０の中に存在しない実施形態では、積分密度はゼロに等しい。
【００９５】
Ｘ線検出器の空間次元に依存して、即ち、０次、１次、２次の空間次Ｘ線検出器だけが利用できる場合、Ｘ線検出器の付加的な機械的走査が対象物１２０のより高次の空間次元表現を獲得するために必要であることがある。例えば、対象物１２０の２次元断面図又は対象物の３次元モデルを獲得するため、断層撮影データ捕捉方法を利用することが必要であることがある。従って、様々な原理が当技術分野においてよく知られている。
【００９６】
ステップ２３０から２６０は、異なる照射方向に対して、それぞれ、複数回繰り返されることがある。従って、対象物の３次元表現が断面画像の形式で描かれることがある。
【００９７】
本発明の一部の実施形態では、ボックス２７０によって示されるように、この方法は、手順２１０で行われた少なくとも１つの物質の選択が正しいかどうかを推定する手順を含むことがある。上記手順は手順２６０の後に限り実行されるものとして例示されているが、このことは、決して限定として理解されるべきでない。従って、手順２７０は、代替的に手順２５０の後で、手順２６０の前に実行されてもよい。
【００９８】
式（５）から、当てはめの質が以下の通り計算できる。
【数２４】
2011221022.tif 000031
【００９９】
測定の精度は、正規化された残余のノルムを定義する項：
【数２５】
2011221022.tif 000032
の関数である確率によって表現することができる。不正確な測定に関する最も重要な課題は、元素の不完全な選択であろう。
【０１００】
なお、本明細書中で用いられるような用語「少なくとも１つの物質」は、本発明のそれぞれの実施形態では、例えば、用語「少なくとも２つの物質」又は「少なくとも３つの物質」で置き換えることが可能である。対応して、本発明のそれぞれの実施形態では、本明細書中で概要が示された手順２１０から２７０のうちの１つずつは、少なくとも２つの物質、少なくとも３つの物質、少なくとも４つの物質、少なくとも５つの物質、そして、以下同様に、例えば、最大で少なくとも２０の物質のため実行することが可能である。従って、手順２１０は、このようにして、少なくとも４つの選択された物質を獲得するために物体の分析が実行される少なくとも４つの物質を選択するステップを含むことがあり、少なくとも４つの物質は、本明細書中で概要が示された少なくとも１つの物質選択規準に応じて選択される。ステップ２１５から２７０は、その後、これらの少なくとも４つの物質のため実行される。例えば、ステップ２５０は、その後、第１の照射方向に関して空間的に分解可能な透過線毎に少なくとも４つの選択された物質の積分密度を決定する手順を同様に含むであろう。ステップ２３０から２６０は、その後、第２の照射方向に関して繰り返されることがある。換言すると、ステップ２３０から２７０は、複数の異なる照射方向に関して実行されることがある。
【０１０１】
ステップ２７０は、ステップ２３０から２６０の完了時にいつでも実行されることがある。例えば、ステップ２７０は、最初若しくは最後に、又はステップ２３０から２６０が完了したときに少なくとも１回実行され、又は、ステップ２３０から２６０が完了する度に実行されることがある。
【０１０２】
なお、本発明の実施形態は、本明細書中では、Ｘ線に関する開示に限られるが、このことは、決して、限定として解釈されるべきでない。
【０１０３】
なお、「１つの」要素が参照されるとき、このことは、この要素が１つだけ存在することを意味すべきでない。従って、本明細書中で用いられるような「１つの」要素は、「少なくとも１つの」この要素が存在することを同様に意味することがある。
【０１０４】
状態図、フローチャート、又は、両方が実施形態を説明するため用いられることがあるが、本発明は、これらの図、又は、対応する説明に限定されない。例えば、フローは、図示されたボックス又は状態の１つずつを進む必要がなく、又は、図示かつ説明されている順序と全く同じ順序で進む必要がない。
【０１０５】
本発明の種々の特徴が単一の実施形態の文脈で説明されることがあるが、特徴は、別個に、又は、いずれかの適当な組み合わせで提供されることもある。逆に、本発明は、本明細書中では、簡単にするため別個の実施形態の文脈で説明されることがあるが、本発明は、単一の実施形態で実施されることもある。
【０１０６】
開示された技術が、ここまでに特に示され説明された事項に限定されないことは、当業者によって認められるであろう。
【図１Ａ】
2011221022.tif 000033
【図１Ｂ】
2011221022.tif 000034
【図２】
2011221022.tif 000035
【図３】
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【図４】
2011221022.tif 000037
【図５】
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【図６】
2011221022.tif 000039
【外国語明細書】
2011221022000001.pdf