(57)【要約】  本発明は、コンピュータ断層撮影機と、弾性的散乱光線を測定する放射線測定器とに関する。コンピュータ断層撮影装置は、検査領域にある対象を透過する主放射を放射する放射源を有する。主放射は、対象との相互作用により一部が散乱される。検出器は散乱光を検出する検出要素を有する。これらの検出器要素は、主放射が透過する領域の外側にあり、散乱角度が小さくなる方向で有効寸法が小さくなる。
2007518986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査領域にある対象により異なる散乱角度で弾性的に散乱された光線を検出するコンピュータ断層撮影装置であって、
主放射を検査領域に行き渡らせる放射源と、
主放射が行き渡る領域の外にあり、散乱角度が小さくなるにつれて有効寸法が小さくなる検出器要素を有する検出器と、を有することを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置であって、
それぞれの検出器要素により検出できる散乱角度の領域が減るように検出器要素の一部をカバーする吸収要素を有することを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。
【請求項３】
請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置であって、
多色放射源と、エネルギー分解検出器要素を有する検出器と、を有することを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。
【請求項４】
請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置であって、
扇形光線を発生する放射源と、検出器と対象の間に配置された吸収薄膜と、を有し、薄膜は回転軸に平行に伸びる平面内にあり、放射扇をセクションに分割して、回転軸に平行な列にある検出器要素に主放射またはまったく同一のセクションから散乱された放射だけが実質的にあたるようにすることを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。
【請求項５】
請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置であって、
平面扇状光線または円錐状光線のいずれかとして主放射を発生する放射源と、
２次元検出器と、
検出器要素の一部が平面扇状光線により発生した散乱放射を受ける第１の動作モードと、検出器要素が円錐状光線として発生した主放射を受ける第２の動作モードと、を有することを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。
【請求項６】
弾性散乱光線を検出する検出器であって、複数のエネルギー分解検出要素を有する列を少なくとも１つ有し、検出要素の中心のピッチとその寸法は列方向において最大値に向けて増加することを特徴とする検出器。
【請求項７】
請求項６に記載の検出器であって、
２つの互いに隣接する検出器要素の中心のピッチをｇ＝ａｎ＋１−ａｎとし、
【数１】
2007518986.tif 000012
が成り立ち、ここで、ｒは散乱角度の分解能を表す定数であり、ｓは列方向で相互に隣接した２つの検出器要素の敏感領域間の距離であることを特徴とする検出器。
【請求項８】
請求項６に記載の検出器であって、
ｐｎ＝ａｎ＊ｒであることを特徴とする検出器。
【請求項９】
請求項６に記載の検出器であって、
相互に隣接する複数の副要素により形成された検出器要素を少なくとも１つ有することを特徴とする検出器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、コンピュータ断層撮影機と、弾性的散乱光線を測定する放射線測定器とに関する。このような装置は、医療や空港でのセキュリティにおける手荷物検査に使用される。基本的な性質は、散乱されて検出された光線により、その光線を散乱した物の外形を知ることができることである。
【０００２】
コンピュータ断層撮影機であって、Ｘ線源が扇形のＸ線ビームを発生し、そのＸ線ビームが対象を透過してＸ線検出器で検出されるものが、欧州特許第１１２７５４６号で開示されている。Ｘ線検出器は、その測定面の一部で主放射を検出し、他の部分で散乱放射を検出する。扇形の光線を幾つかのセクションに分割する、複数の薄膜が平面状に重なったコリメータ構成が対象とＸ線検出器の間にあり、回転軸に平行なスロットにある検出器要素が同一セクションからの放射だけを受ける。検出した散乱Ｘ線のエネルギーの測定に加えて、多色Ｘ線を発生するＸ線源を使用できるようにする検出器も知られている。
【０００３】
本発明の目的は、コンピュータ断層撮影機と弾性散乱Ｘ線を検出する放射検出器を改良することである。
【０００４】
この目的は、請求項１によると、検査領域にある対象により異なる散乱角度で弾性的に散乱された光線を検出するコンピュータ断層撮影装置により達成される。該コンピュータ断層撮影装置は、主放射を検査領域に行き渡らせる放射源と、主放射が行き渡る領域の外にあり、散乱角度が小さくなるにつれて有効寸法が小さくなる検出器要素を有する検出器と、を有する。
【０００５】
「コンピュータ断層撮影装置」という用語は一般的に使用されているだけではなく、対象の断面画像や層画像をいろいろな角度からの投影から生成できる全ての装置を含む。例えば、いろいろな角度から対象の画像を取得して、それから既知のＣＴタイプの再構成方法により層画像を再構成するＣ−アームＸ線装置を含む。
【０００６】
「主放射」は、放射源から発し、検査領域に行き渡る放射線であると一般的には理解され、例えば、薄い、線状または平坦な扇状の光線であり、方向は変わらないが検査領域にある対象により減衰されることがある。使用される放射線は、例えばＸ線であるが、ガンマ放射等の同位元素からの放射も使用される。対象に行き渡ると、光線は対象の物質と既知の相互作用を通して散乱される。すなわち、方向を変えて、検査領域に入った時とは異なる方向で対象と検査領域を離れる。エネルギー損失なしに方向変化が起きると、それは弾性散乱と言われる。この方向が変化した放射が散乱放射である。光線の方向と散乱光の変化後の方向がなす角度が散乱角である。いろいろな散乱角にわたる散乱光の分布は、散乱を起こした物質と光線のエネルギーに依存する。散乱光は検出器の検出器要素に入射し検出される。
【０００７】
散乱放射を特徴づける量はいわゆる運動量移動である：
【０００８】
【数２】
2007518986.tif 000003
ここで、ｃは光速、ｈはプランク定数、Ｅは光のエネルギー、Φは散乱角である。散乱角が小さい場合、ｓｉｎ（Φ）≒Φであるから、運動量移動を測定する精度は影響のある２つの量ＥとΦの精度に比例する。一般的に、ある量の最大測定精度Δｚのその量の絶対値ｚに対する比率がその分解能を与える。散乱角が小さい場合の運動量移動の分解能Δｘ／ｘは：
【０００９】
【数３】
2007518986.tif 000004
ここでΔＥはエネルギー決定の精度であり、ΔΦは散乱角決定の精度である。
【００１０】
単色放射源を使用して、エネルギー分解能ΔＥ／Ｅを放射光のエネルギーの実際の帯域幅から得られるコンピュータ断層撮影装置は知られている。さらに、多色放射源とエネルギー分解検出器（エネルギー分解能を決定する）を使用するコンピュータ断層撮影装置も知られている。エネルギーの分解能が与えられた場合に、運動量移動の分解能は同様の大きさのオーダーで得られ、散乱角の分解能ΔΦ／Φはエネルギーの分解能よりも認めうるほどに悪くはない。
【００１１】
散乱角の分解能はいろいろな影響により決まる。例えば、主放射はその伝搬方向に対して垂直方向の厚さは有限であり、同じ散乱角だが他の場所で散乱した散乱放射は検出器要素により検出される。検出器要素の大きさは散乱角の分解能に大きく影響する。技術的な理由で表面領域の一部（いわゆる敏感領域）でのみ放射を検出できる検出器要素が知られている。この場合、散乱角の分解能に影響するのは検出器要素の大きさではなく、敏感領域の大きさである。散乱角が変化しうる方向（すなわち、散乱角が減少または増加する方向）に延在するこれらの寸法のみが、散乱角の分解能に対して決定的である。それに垂直な寸法（dimensions）における変化は、同じ散乱角の散乱光の検出できる量にのみ影響する。
【００１２】
従って、有効寸法は散乱角変化の方向に延在する検出器要素の敏感領域の寸法であると理解される。例えば、検出器要素の敏感領域が四角形表面を有し、その表面の一辺が、散乱角が変化する方向に延在する場合、この辺の長さは検出器要素の有効寸法に対応する。これらの考え方は散乱角の精度ΔΦの場合特に有効であるが、その理由は散乱角の変化は散乱放射の方向に対して垂直であると仮定できるからである。
【００１３】
上で説明したように、運動量移動の分解能を全ての検出器にわたって一定またはある最大値より下にする場合、検出器要素の有効寸法は、散乱角に依存する値より下になければならず、散乱角が小さくなる方向で小さくなる。これは、散乱角が小さくなる方向で検出器要素の有効寸法が小さくなることで達成される。この条件は要求される分解能により、すべての検出器要素に対してあてはまらなくてもよいが、例えば、散乱角が小さい散乱光を検出する検出器要素にはあてはまる。散乱角が大きい散乱光を検出する検出器要素の有効寸法は、例えば同じである。要求された分解能よりよい分解能は後者の要素で実現される。
【００１４】
検出器要素は、前記検出器要素以外には、例えば主放射を検出する検出器要素等のさらに別の検出器要素を有していてもよい。コンピュータ断層撮影装置は、例えば、主放射を検出する第１の検出器と散乱放射を検出する第２の検出器等の、さらに別の検出器を有してもよい。
【００１５】
同じ大きさの検出器要素や同じ大きさの敏感領域を有する検出器要素から検出器ができている場合、最小分解能は散乱角が小さい散乱光を検出する検出器要素には保証されていないことが多い。しかし、本発明のさらに別の実施形態は、請求項２に記載したように、検出器要素の有効寸法が大きすぎる検出器であっても要求された分解能を達成することができる。これは、吸収要素がその検出器要素の一部をカバーすることによりその有効寸法を減らすことにより達成される。これは、例えば、既存の検出器の分解能を向上することにより可能になる。検出器要素の大きさに応じて検出器の全ての検出器要素をカバーする必要はないが、散乱角が小さい散乱光を検出する散乱要素のみはカバーする。
【００１６】
請求項３のさらに別の実施形態によると、多色放射、すなわちエネルギーの異なる放射を発生する放射源の使用が可能となる。このような放射源は、例えばＸ線放射の場合、単色光源よりも安価でありあきらかにパワーが強い。散乱角の分解能も放射エネルギーに依存するので、同時にエネルギー分解検出器を使用しなければならないが、放射源のパワーが強いという有利性は追加コストを補ってあまりある。
【００１７】
請求項４のさらに別の実施形態は、平面扇状で光線を発生する放射源の使用を最適化する。引用した欧州特許出願公開公報第１１２７５４６号をここで参照する。この文献には、薄膜の使用と効果が詳細に記載されている。請求項５に記載のさらに別の実施形態は、欧州特許出願第１１２７５４６号の請求項３に対応する。この文献は、さらに詳細のためにもう一度参照する。このさらに別の実施形態によると、第１の動作モードのコンピュータ断層撮影装置で散乱光を検出し、検出器全体を利用して、第２の動作モードで従来のコンピュータ断層撮影装置を捉えることを可能とする。
【００１８】
さらにまた、本目的は、弾性散乱光線を検出する検出器であって、複数のエネルギー分解検出要素を有する列を少なくとも１つ有し、中心のピッチとその寸法は列方向において最大値へ増加する。検出器は、上記の検出器要素に加えてさらに別の検出器要素を含んでいてもよい。
【００１９】
本発明によるコンピュータ断層撮影装置および本発明による検出器における「検出器要素」という用語は、好ましくは同一サイズの、互いに隣接する複数の副要素により形成された検出器要素もカバーする。このような検出器要素のアクティブ領域は、全ての副要素のアクティブ領域の全体により形成される。有効寸法の上記要求への適用は、少なくともおおよそは検出器要素ごとの副要素数により起こる。
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明をより詳しく説明する。
【００２１】
図１に示したコンピュータ断層撮影機は、回転軸１４の回りを回転できるガントリー１を有する。ガントリー１は、この目的のため、モータ２により駆動される。放射線源Ｓ（例えばＸ線放射器）がガントリー１に取り付けられている。検査に使用する放射線ビームは、第１の絞り構成３１及び／または第２の絞り構成３２により画成される。第１の絞り構成３１がアクティブであるとき、フルラインの放射扇が形成される。この放射扇は、ｚ方向に平行な回転軸１４に垂直であり、ｚ方向の大きさが最も小さい（例えば１ｍｍより小さい）。しかし、第２の絞り構成３２が放射経路中でアクティブであるとき、破線で示した放射円錐４２が形成される。この放射円錐４２は、回転軸１４と垂直な平面内で放射扇４１と同じ形状を有するが、回転軸１４の方向の大きさは非常に大きい。
【００２２】
放射ビーム４１または４２は、円筒形の検査領域１３を透過する。この検査領域１３には、例えば、看者が看者検査台（両方とも図示せず）の上にいるか、あるいは技術的な対象がある。放射線ビーム４１または４２は、検査領域１３を透過した後、ガントリー１に取り付けられた２次元検出器構成１６に入射する。この検出器構成１６はマトリックス状に配置された複数の検出器要素を含む。検出器要素は、行と列とに配置されている。列がｚ方向に並んでいる、すなわち回転軸と並行である。検出器行は、回転軸と垂直な平面内、例えば、放射線源Ｓの回りの円周上にある。検出器行は、通常、検出器列よりも大幅に多くの検出器要素を含んでいる（例えば検出器行が１０００に対して検出器列が１６）。
【００２３】
検査対象が看者でなければ、検査中にその対象を回転させ、放射線源Ｓと検出器構成１５は静止している。対象は、モータにより回転軸１４と並行に移動する。モータ５と２が同時に動くとき、放射線源Ｓと検出器構成１６はヘリカルスキャンの動きをする。
【００２４】
図１において、放射ビーム４１、４２、検査領域１３、及び検出器構成１６は、相互に適合（adapted）している。放射扇４１と放射円錐４２の大きさは、検査領域１３に放射が完全に行き渡るように、回転軸に垂直な平面１４に合うように選択する。検出器構成の行の長さは、放射ビーム４１、４２が完全に検出できるように選択する。放射円錐４２は、検出器構成１６により完全に捉えることができるように、検出器列の長さに従って選択する。放射扇４１のみが検査領域を透過する場合、中央の検出器行にあたる。
【００２５】
図２は、異なる視点から見た図１の構成の一部を示す図である。図に示した座標系は方位を定めるために設けた。図１のコンピュータ断層撮影装置は、第１の動作モードで動作する。この目的のため、第１の絞り構成３１と第２の絞り構成３２が放射源Ｓと対象１３の間の放射経路中にあり、扇形放射ビーム４１を発生するようになっている。理想的には、放射扇４１はｚ方向の大きさは０である。そのため、図２ではこの扇をラインＣＦとして示した。さらにまた、検出器列ＤＥＴの一部のみを示し、検出器１６の全体は示していない。列部分ＤＥＴの検出器要素は散乱放射を検出する。Ｘ線は、回転軸１４と放射扇の間の交点で、散乱角度Φ１で散乱されるものと仮定する。これらの散乱光は検出要素ＥＬ１に入射する。この検出器要素ＥＬ１は、放射扇から距離ａ１離れており、散乱位置からは距離dだけ離れている。検出器要素はｚ方向の大きさ（すなわち高さ）を有するので、散乱角度が少し大きくても小さくてもＥＬ１で検出される。この角度領域は式（２）ではΔΦで示した。検出器要素の敏感領域は高さ全体に延在すると仮定する。
【００２６】
これは、放射扇から距離ａ２だけ離間した検出要素ＥＬ２についても同様に成り立つ。この結果、すべての検出要素ｎに対して成り立つ一般的な幾何学的関係式が得られる：
【００２７】
【数４】
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物質の状態（statements  on  the  material）に関する弾性散乱の一部は、少なくともＸ線の場合、小さな角度領域のみで生じる。この角度領域は、例えば、エネルギーが２０ないし２００ｋｅＶのＸ線の場合、１°ないし１５°の間である。以降の実施形態を分かりやすくするため、図面は寸法通りには描かれていない。角度が小さい場合、その角度の正接はその角度自体にほぼ近いので、
【００２８】
【数５】
2007518986.tif 000006
距離ｄは一定で、角度Φｎは小さいから、
【００２９】
【数６】
2007518986.tif 000007
すなわち、検出器要素が放射扇に近いほど、精度Δａは小さくなければならない。またはｚ方向の検出器要素の寸法は小さくなければならない。したがって、検出器要素の有効寸法は、その高さにより決まる（constituted）。２つの相互に隣接する検出器要素の中心間の距離またはピッチｇは、２つの高さの半分の合計である：
【００３０】
【数７】
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検出器要素の放射扇までの距離ａｎを対応する高さｐｎの商は比ｒを定める：
【００３１】
【数８】
2007518986.tif 000009
散乱角の解像度を一定にするためには、この比が一定でなければならない。すなわち、全ての検出器要素について同一でなければならない。このように、検出器要素の平均距離は、再帰的に決定することができる：
【００３２】
【数９】
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したがって、放射扇からの最初の検出器要素の平均距離を求めればよい。残りの平均距離は再帰的に計算できる。あるいは、検出器要素の残りの高さは、ａｎについて方程式７を解き、式８のａｎとａｎ＋１に代入すれば計算できる。
【００３３】
図４は、例によりこのような検出器の寸法を示す図である。最も下の検出器要素は、放射扇から２０ｍｍだけ離れている。距離ｄは６００ｍｍである。達成すべき解像度は５％であり、すなわち、ｒ＝０．０５である。ｇｎは、互いに隣接する検出器要素の中心間の距離またはピッチを示す。
【００３４】
技術的な理由により、検出器要素の敏感領域はｚ方向において互いに隣接しておらず、ｚ方向の寸法がｓである非敏感領域が互いに隣接する検出器要素間に配置されることがある。その場合、式（８）は：
【００３５】
【数１０】
2007518986.tif 000011
図６は、例によりこのような検出器の寸法を示す図である。最も下の検出器要素は、放射扇から２５ｍｍだけ離れている。距離ｄは１０００ｍｍである。達成すべき解像度は４％であり、すなわちｒ＝０．０４である。ｇｎは、２つの互いに隣接する検出器要素の中心間の距離またはピッチを示す。
【００３６】
ＥＰ１１２７５４６に記載されているように、図１ａに示したコリメータ構成６は、検査領域１３と複数の平面薄膜６０を含む検出器構成１６の間にある。前記薄膜６０はＸ線放射を強く吸収する材料でできており、回転軸１４と平行に延在し、放射源Ｓの焦点で交差する平面内にある。コリメータ構成６は、放射扇４１を複数の相互に隣接するセクションに分割し、検出器要素の列が、セクションからの主放射または散乱放射により排他的にあたるようにする。
【００３７】
図２の上記説明は、単一の散乱位置だけに関係する。しかし、実際には、Ｘ線はＣＦに沿った対象１３全体で散乱されるので、各検出器要素はいろいろな散乱角度で多数の散乱光を検出する。幾つかの投影からなるデータの組みを、上記を評価するために、別々に取得する。対象は各投影で放射源及び検出器に対して小さな角度だけ回転され、散乱光を新しく検出する。図１の回転ガントリー１上の検出器１６により捉えられたテストデータは、画像処理部１０に送られる。画像処理部１０は、通常は空間内の固定された場所にあり、コレクタリングを介して検出器ユニットと接続されている。コレクタリングは非接触方式で動作し、詳細には示していない。
【００３８】
画像処理部１０は、いろいろな画像処理動作を実行することができる。２つの再構成アルゴリズムを例として説明する。これらのアルゴリズムは上記のデータの組みを評価するのに特に好適である。第１のアルゴリズムは、まだ公開されていないドイツ特許出願第１０２５２６６２号（出願人参照番号ＰＨＤＥ０２０２５７）に記載されている。第２のアルゴリズムは、まだ公開されていない欧州特許出願第０３１０３７８９．８号（出願人参照番号ＰＨＤＥ０３０３４９）に記載されている。これらのアルゴリズムは両方の文献で非常に詳しく説明されているので、その説明はここでは省略し、それぞれの文献を明示的に参照しておく。
【００３９】
図２の検出器に替えて、図１に示した検出器を図１のコンピュータ断層撮影装置に備えてもよい。検出器要素ＥＬは、すべてこの検出器ＤＥＴ中でお互いに同一の距離またはピッチＰＩＴを有する。さらにまた、同じ高さと、同じ有効寸法とを有する。要求される分解能は、図３に示されていない放射扇の近くにある下の方の検出器要素により達成することはできない。有効寸法を減らすため、Ｘ線放射を吸収する吸収要素ＧＤは、これらの検出器要素の前に設けられる。この吸収要素は、検出器要素の高さが上記説明の値まで減少するように大きさが決められている。上の方の検出器要素には吸収要素は必要ないが、その理由は比率ｒとこれに基づく分解能が要求値よりも小さいからである。吸収要素は単一の構成要素として構成されてもよい。この構成要素は、検出器の前に吸収マスクとして設けられる。右側半分はｚ軸について９０°回転した検出器を示す。こうすると、吸収要素が線状であることが分かる。
【００４０】
図５は、例によりこのような検出器の寸法を示す図である。検出器要素の平均ピッチは一定であり、その値は２．５ｍｍである。最も下の検出器要素の行は、放射扇から３０ｍｍだけ離れている。距離ｄは１０００ｍｍである。達成すべき解像度は４％であり、それゆえｒ＝０．０４である。ｒは４％より低いので、上の方の検出器要素は吸収要素が必要ないことが分かる。
【００４１】
図１のコンピュータ断層撮影装置は、第２の動作モードでも動作する。この場合、検査領域中の主放射の減衰のみが再構成される。この目的のため、第１の絞り構成３１は放射経路から取り除かれ、第２の絞り構成３２のみがアクティブであり、放射円錐４２を発生する。また、コリメータ（図示せず）は検出器構成１６と検査領域１３の間の領域から取り除かれる。検出器と吸収要素もその構成と大きさに応じて取り除かれてもよい。テストデータを取得した場合、ガントリーは回転軸の回りに回転し、全ての検出器要素に主放射があたるようにする。検査領域のスライス中の減衰をその後の再構成ステップで再構成する。好適な再構成法はドイツ特許出願第１９８４５１３３４（出願人参照番号ＰＨＤ９８．１２３）に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明によるコンピュータ断層撮影機を示す概略図である。
【図１ａ】コリメータ構成を示す図である。
【図２】第１の検出器との幾何学的関係を示す図である。
【図３】第２の検出器との幾何学的関係を示す図である。
【図４】第１の検出器の寸法のリストである。
【図５】第２の検出器の寸法のリストである。
【図６】第３の検出器の寸法のリストである。
【図１】
2007518986.tif 000013
【図１ａ】
2007518986.tif 000014
【図２】
2007518986.tif 000015
【図３】
2007518986.tif 000016
【図４】
2007518986.tif 000017
【図５】
2007518986.tif 000018
【図６】
2007518986.tif 000019
【国際調査報告】
2007518986.tif 000020
2007518986.tif 000021
2007518986.tif 000022