(57)【要約】【課題】検出器の応答関数を計算によって適切に求めるとともに、この応答関数を用いて未知の対象物に対する透過Ｘ線のエネルギー分布を高い精度で求めることができるエネルギー分解ＣＴの解析装置を提供する。【解決手段】エネルギー分解ＣＴの解析装置２０は、Ｘ線源１１から放出されて被検体を透過した透過Ｘ線を、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線としてＸ線を検出する検出器１２で測定することで得られた測定値を取得する取得部１３１と、検出器１２に入射するＸ線のエネルギーと検出器１２に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、測定値から透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する導出部１３３と、応答関数をＸ線の散乱要素を加味して演算する演算部１３２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源から放出されて被検体を透過した透過Ｘ線を、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線としてＸ線を検出する検出器で測定することで得られた測定値を取得する取得部と、
前記検出器に入射するＸ線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記測定値から前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する導出部と、
前記応答関数をＸ線の散乱要素を加味して演算する演算部とを備える
エネルギー分解ＣＴの解析装置。
【請求項２】
前記演算部は、確率論的シミュレーションによって前記応答関数を演算する、
請求項１に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【請求項３】
前記応答関数の設定エネルギーの幅が、０．１ｋｅＶ以上、２０ｋｅＶ未満である、
請求項１又は２に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【請求項４】
前記導出部は、前記応答関数と初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとを用いて、前記測定値をアンフォールディング解析することで前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出し、
前記初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとして、Ｘ線が前記被検体を通過することにより生じるＸ線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したＸ線のエネルギースペクトルを用いる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【請求項５】
前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出部をさらに備える、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【請求項６】
前記線減弱係数を算出する際の前記設定エネルギーの分割幅が、２０ｋｅＶ未満である、
請求項５に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【請求項７】
２種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を求めて、前記比から前記被検体の実効原子番号を評価する評価部をさらに備える、
請求項５又は６に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置と、
前記Ｘ線源と前記検出器とを有する測定部とを有する
Ｘ線ＣＴ装置。
【請求項９】
被検体を透過した透過Ｘ線を互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線としてＸ線を検出する検出器で測定することで得られた測定値から、前記検出器に入射するＸ線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する導出ステップと、
前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出ステップと、
２種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を算出して、前記被検体の実効原子番号を評価する評価ステップと、
前記応答関数をＸ線の散乱要素を加味した計算によって演算する演算ステップとを備える
エネルギー分解ＣＴの解析方法。
【請求項１０】
コンピュータを、
Ｘ線源から放出されて被検体を透過した透過Ｘ線を、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線としてＸ線を検出する検出器で測定することで得られた測定値を取得する取得部と、
前記検出器に入射するＸ線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記測定値から前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する導出部と、
前記応答関数をＸ線の散乱要素を加味して演算する演算部として機能させ、
前記演算部は、確率論的シミュレーションによって前記応答関数を演算する
エネルギー分解ＣＴの解析プログラム。
【請求項１１】
前記コンピュータを、
前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出部と、
２種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を求めて、前記比から前記被検体の実効原子番号を評価する評価部としてさらに機能させる、
請求項１０に記載のエネルギー分解ＣＴの解析プログラム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体を透過したＸ線のエネルギー分布を取得するエネルギー分解ＣＴの解析装置、Ｘ線ＣＴ装置、エネルギー分解ＣＴの解析方法、及びエネルギー分解ＣＴの解析プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体の実効原子番号を測定する試みがなされている。実効原子番号とは、化合物や混合物の平均的な原子番号を意味するものである。実効原子番号を測定することで、被検体を構成する元素の原子番号の平均値を把握することができる。被検体から試料を取得することなく実効原子番号を測定することによって、例えば、非均一な物質中の組成や組成分布等を、非破壊で迅速に測定することが可能となる。
【０００３】
非破壊実効原子番号測定は、Ｘ線を用いて行うことができる。Ｘ線を用いた実効原子番号測定には、Ｘ線の位相変化を用いる方法と、Ｘ線コンピュータ断層撮影法（ＣＴ；Computed Tomography）（以降、「Ｘ線ＣＴ」ともいう。）を用いる方法とが挙げられる。
【０００４】
Ｘ線の位相変化を用いる方法では、位相変化とＸ線の強度の減弱の比が実効原子番号の関数として変化することを利用して行われる（非特許文献１参照）。この方法では、厚さ数μｍ〜１０μｍのアルミニウム（Ａｌ）、鉄、ニッケル、銅を測定し、誤差約５％で実効原子番号を求めることができる。しかしこの方法には、大型のシンクロトロン装置から出力される単色Ｘ線を用いる必要がある。単色Ｘ線を用いるためには、シンクロトロン装置が必要となるため、市中の病院や工場等で測定を行うことが困難であった。
【０００５】
Ｘ線ＣＴを用いる方法では、Ｘ線ＣＴの結果得られる物質の線減弱係数を利用して行われる。すなわち、異なる二つのエネルギーＥ1及びＥ2に対するそれぞれの線減弱係数μ（Ｅ1）とμ（Ｅ2）との比は、μ（Ｅ1）／μ（Ｅ2）で表される。この線減弱係数の比が、実効原子番号の関数であることを利用する。従来、このような特定のエネルギーのＸ線に対する線減弱係数を得るためには、位相変化を用いる方法と同様にシンクロトロン施設の単色Ｘ線を用いた測定が必要であった（非特許文献２参照）。これに対して、発明者は、被検体を透過したＸ線のエネルギー分布を導出する、エネルギー分解Ｘ線ＣＴ測定法（以降、「エネルギー分解ＣＴ」ともいう。）を用いることを検討した。そして、エネルギー分解ＣＴの利用によって、一般的なＸ線管から放出される白色Ｘ線を用いて、特定のエネルギーのＸ線に対する線減弱係数を得るとともに、この線減弱係数から実効原子番号を測定することが可能となった（非特許文献３参照）。
【０００６】
非特許文献３ではＸ線検出器として、transXend検出器が用いられている（特許文献１参照）。transXend検出器とは図３に示すように、Ｘ線の進行方向に複数の検出素子を並べた検出器である。各検出素子では、Ｘ線を電流として測定することができる。Ｘ線のエネルギーと検出素子の位置の関数として、応答関数を用意することで、測定電流値を用いてＸ線のエネルギー分布を導出できる。エネルギー分解ＣＴに用いられる検出器としては、特許文献１のように検出素子をＸ線入射方向に並べた「積層型」のみならず、フラットパネル検出器等の２次元Ｘ線検出器を用いた「平面型」の検出器を用いることも可能である（特許文献２参照）。
【０００７】
非特許文献３においては、直径３０ｍｍのアクリル（ＰＭＭＡ；Polymethyl methacrylate）中に直径５ｍｍのＡｌが入っている被検体をエネルギー分解ＣＴで測定して、ＰＭＭＡ及びＡｌについて実効原子番号を２％の誤差で評価している。なお、非特許文献３のように、白色Ｘ線を用いたＣＴ測定データから、エネルギー分解ＣＴによって特定のエネルギーＥ1及びＥ2のＸ線に対する線減弱係数を求めるためには、検出器の応答関数が必要である。非特許文献３においては、被検体中に含有されるＰＭＭＡとＡｌとの様々な厚さの板を用意して、これらの板を透過したＸ線を測定することで、応答関数を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５３６７５７４号公報
【特許文献２】特開２０１７−１２５９３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】米山明男、竹谷敏、兵藤一行、武田徹、Isotope News 724, 9 (2014).
【非特許文献２】M. Torikoshi, T. Tsunoo, M. Sasaki, M. Endo, Y. Noda, Y. Ohno, T. Kohno, K. Hyodo, K. Uesugi, N. Yagi, Electron density measurement with dual-energy X-ray CT using synchrotron radiation, Phys. Med. Biol., 48 (2003) 673.
【非特許文献３】Y. Yamashita, M. Kimura, M. Kitahara, T. Hamaguchi, I. Kanno, M. Ohtaka, M. Hashimoto, K. Ara, H. Onab, Measurement of effective atomic numbers using energy resolved computed tomography, J. Nucl. Sci. Technol., 51 (2014)1256.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献３によれば、白色Ｘ線を用いて得られたＣＴ測定データから、エネルギー分解ＣＴによって透過Ｘ線のエネルギー分布を導出して、異なる二つのエネルギーに対する線減弱係数を求めるとともに、実効原子番号を測定することができる。しかしながら、この場合には、検出器の応答関数が必要となり、予め被検体中に含有されている物質を用いて応答関数を求めておく必要があった。このため、被検体に含有される物質が未知の場合には、この方法は適用できないという課題があった。
【００１１】
一方、特許文献２では、決定論的方法を用いて計算により応答関数を求めることが開示されている。この方法によれば、検出器の応答関数を得ることで、被検体に含有される物質が未知の場合であっても実効原子番号を測定することができる。しかしながら、決定論的方法を用いて計算により応答関数を求める方法は、Ｘ線が通過する物質の質量減弱係数、密度、厚さを用いて、Ｘ線源から放出されたエネルギーＥを持つＸ線光子数と、物質を通過して検出器に入射するＸ線光子数との関係を計算するものである。すなわち、特許文献２に記載の方法は、単に入射Ｘ線と、物質を通過したＸ線との強度の計算を行っているに過ぎず、応答関数を適切に得ることができなかった。このため、このような応答関数を用いて求められるエネルギー分布も正確とはいえなかった。
【００１２】
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、本発明の目的の一つは、検出器の応答関数を計算によって適切に求めるとともに、この応答関数を用いて未知の対象物に対する透過Ｘ線のエネルギー分布を高い精度で求めることができるエネルギー分解ＣＴの解析装置、Ｘ線ＣＴ装置、エネルギー分解ＣＴの解析方法、及びエネルギー分解ＣＴの解析プログラムを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、応答関数をＸ線の散乱要素を加味して演算することで、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明は、以下に示す種々の具体的態様を提供する。
〔１〕Ｘ線源から放出されて被検体を透過した透過Ｘ線を、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線としてＸ線を検出する検出器で測定することで得られた測定値を取得する取得部と、前記検出器に入射するＸ線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記測定値から前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する導出部と、前記応答関数をＸ線の散乱要素を加味して演算する演算部とを備えるエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【００１５】
〔２〕前記演算部は、確率論的シミュレーションによって前記応答関数を演算する、〔１〕に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
〔３〕前記応答関数の設定エネルギーの幅が、０．１ｋｅＶ以上、２０ｋｅＶ未満である、〔１〕又は〔２〕に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
〔４〕前記導出部は、前記応答関数と初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとを用いて、前記測定値をアンフォールディング解析することで前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出し、前記初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとして、Ｘ線が前記被検体を通過することにより生じるＸ線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したＸ線のエネルギースペクトルを用いる、〔１〕〜〔３〕のいずれか１項に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
【００１６】
〔５〕前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出部をさらに備える、〔１〕〜〔４〕のいずれか１項に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
〔６〕前記線減弱係数を算出する際の前記設定エネルギーの分割幅が、２０ｋｅＶ未満である、〔５〕に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
〔７〕２種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を求めて、前記比から前記被検体の実効原子番号を評価する評価部をさらに備える、〔５〕又は〔６〕に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置。
〔８〕〔１〕〜〔７〕のいずれか１項に記載のエネルギー分解ＣＴの解析装置と、前記Ｘ線源と前記検出器とを有する測定部とを有するＸ線ＣＴ装置。
【００１７】
〔９〕被検体を透過した透過Ｘ線を互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線としてＸ線を検出する検出器で測定することで得られた測定値から、前記検出器に入射するＸ線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する導出ステップと、前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出ステップと、２種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を算出して、前記被検体の実効原子番号を評価する評価ステップと、前記応答関数をＸ線の散乱要素を加味して演算する演算ステップとを備えるエネルギー分解ＣＴの解析方法。
【００１８】
〔１０〕コンピュータを、Ｘ線源から放出されて被検体を透過した透過Ｘ線を、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線としてＸ線を検出する検出器で測定することで得られた測定値を取得する取得部と、前記検出器に入射するＸ線のエネルギーと前記検出器に付与されるエネルギーとの関係を示す応答関数を用いて、前記測定値から前記透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する導出部と、前記応答関数をＸ線の散乱要素を加味して演算する演算部として機能させ、前記演算部は、確率論的シミュレーションによって前記応答関数を演算することを特徴とするエネルギー分解ＣＴの解析プログラム。
【００１９】
〔１１〕前記コンピュータを、前記エネルギー分布から、前記エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける前記被検体の線減弱係数を算出する算出部と、２種の前記設定エネルギーにおける前記線減弱係数から前記線減弱係数の比を求めて、前記比から前記被検体の実効原子番号を評価する評価部としてさらに機能させる、〔１０〕に記載のエネルギー分解ＣＴの解析プログラム
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、決定論的方法を用いて計算により求める場合よりも、検出器の応答関数をより適切に求めるとともに、未知の対象物に対する透過Ｘ線のエネルギー分布をより高い精度で求めることができる、エネルギー分解ＣＴの解析装置、Ｘ線ＣＴ装置、エネルギー分解ＣＴの解析方法、及びエネルギー分解ＣＴの解析プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態に係るＸ線ＣＴ装置及び解析装置のハードウェア構成の例を示すブロック図である。
【図２】実施形態に係るＸ線ＣＴ装置及び解析装置の機能構成の例を示すブロック図である。
【図３】実施形態に係る検出器の概略図である。
【図４】実施形態に係るエネルギー分解ＣＴの解析方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】実施例におけるＸ線源、被検体、及び検出器の配置関係を示す概略図である。
【図６】実施例における各検出素子の応答関数を示すグラフである。
【図７】ＰＭＭＡの厚さとＰＭＭＡを通過したＸ線の減弱との関係を示すグラフである。
【図８】実施例におけるファントムのエネルギー分解ＣＴ画像であって、４０ｋｅＶのＸ線を用いて再構成したものである。
【図９】実施例における線減弱係数の測定値と理論値と相対誤差を示すグラフであって、（ａ）はポリプロピレン（ＰＰ）の例、（ｂ）はＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）の例、（ｃ）はポリカーボネート（ＰＣ）の例、（ｄ）はＰＭＭＡの例、（ｅ）はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の例を示している。
【図１０】米国標準局のデータを用いた４０ｋｅＶと６５ｋｅＶの線減弱係数比μ（４０）／μ（６５）と実効原子番号の関係を示すグラフである。
【図１１】測定により得られた実効原子番号と、Mayneordの式で求めた実効原子番号との関係を示すグラフである。
【図１２】演算で求めた５種のプラスチックの線減弱係数を示すグラフである。
【図１３】実効原子番号の関数としての感度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態を説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００２３】
本明細書において、「〜」を用いてその前後に数値又は物性値を挟んで表現する場合、その前後の数値又は物性値を含むものとして用いることとする。例えば「１〜１００」との数値範囲の表記は、その下限値「１」及び上限値「１００」の双方を包含するものであり、「１以上１００以下」を表す。他の数値範囲の表記も同様である。
【００２４】
本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、エネルギー分解ＣＴの解析を行う、エネルギー分解ＣＴの解析装置（以降、「解析装置」ともいう。）を備えている。ここで、エネルギー分解ＣＴとは、被検体を透過した透過Ｘ線のエネルギー分布を求め、各測定点においてある特定のエネルギーを持つＸ線光子数をＣＴデータとし、これを用いて画像再構成を行うことで、特定のエネルギーのＸ線を用いたＣＴ画像を作成する手法をいう。得られたＣＴ画像は、用いた特定のエネルギーのＸ線に対する被検体内の物質の線減弱係数分布を示す。
【００２５】
Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線を放出するＸ線源と、Ｘ線を検出する検出器とを有しており、Ｘ線源から放出されて被検体を透過した透過Ｘ線を、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線として検出器で測定する。そして、解析装置は、応答関数を用いて、検出器で測定された測定値から透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する。応答関数とは、検出器に入射するＸ線のエネルギーと検出器に付与されるエネルギーとの関係を示すものである。さらに、解析装置は、少なくともＸ線の散乱要素を加味した演算によって応答関数を求める。
【００２６】
透過Ｘ線を互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線として測定するとは、被検体の任意の測定点を透過した透過Ｘ線を、検出器で複数種類を検出することで測定を行い、且つ検出器によって検出されるこれら複数種類の透過Ｘ線が、互いに異なるＸ線エネルギースペクトルを有することをいう。例えば、Ｘ線管から放出されたあるエネルギースペクトルを有するＸ線が被検体の任意の測定点を透過したのち、図３に示すようなtransXend検出器で測定される場合には、各検出素子に入射するＸ線エネルギースペクトルがそれぞれ異なるものとなる。そして、各検出素子で測定される電流値がそれぞれ異なるものとなる。このため、応答関数を利用して、各検出素子で測定された電流値から、被検体の任意の測定点を透過した後の透過Ｘ線のエネルギー分布を導出することができる。
【００２７】
Ｘ線の減弱は、スカラー量の掛け算で表現される。すなわち、Ａ×ＢとＢ×Ａとは同じ作用をもたらす。このため、上述のように、被検体透過後のＸ線をtransXend検出器の各検出素子で減弱させてＸ線エネルギースペクトルを変化させた場合と、例えば検出素子１個をＸ線が透過し、その後、被検体を透過した場合とでは、同じ作用をもたらす。このため、Ｘ線源側において、複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を放出するようにし、これらが被検体を透過したのちに一つの検出器で測定した場合と、複数の検出素子からなるtransXend検出器で測定した場合と同様の結果を得ることができる。したがって、透過Ｘ線を互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線として測定するためには、Ｘ線源側において、複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を放出するようにしてもよく、または、検出器側において、複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を検出するようにしてもよい。または、Ｘ線源側において、複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を放出するとともに、検出器側において、複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を検出するようにしてもよい。
【００２８】
Ｘ線源側において複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を放出する場合には、例えば、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を放出する複数のＸ線源を用いて、これら複数のＸ線源からＸ線を放出することによって行うことができる。または、Ｘ線源と被検体との間に、Ｘ線の吸収特性の異なる複数種類のフィルタを配置して、このフィルタを通過したＸ線を被検体に照射することによって行うことができる。このとき、例えばＸ線の吸収特性の異なる複数の領域を有する円板等を設けて、このフィルタ付き円板を回転させることで、被検体に照射するＸ線エネルギースペクトルを変化させてもよい。
【００２９】
検出器側において複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線を検出する場合には、入射放射線に対する応答特性が異なる複数の検出素子を並べた検出器を用いることができる。このような検出器としては、特許第５３６７５７４号公報に記載のように、個々の検出器をＸ線入射方向に並べた積層型のものを用いることができる（図３参照）。この積層型の検出器は、transXend検出器とも称される。または、特開２０１７−１２５９３号公報に記載のように、被検体と検出器との間に設けられＸ線の吸収特性の異なる複数種類のフィルタと、フラットパネル検出器とを組み合わせた２次元Ｘ線検出器を用いた平面型のものを用いることができる。または、被検体と検出器との間にＸ線の吸収特性の異なる複数の領域を有する円板等を設けて、このフィルタ付き円板を回転させることで、被検体を通過して検出器に検出されるＸ線エネルギースペクトルを変化させてもよい。この場合、一つの検出器でフィルタ付き円板を通過したＸ線を検出することもできる。
【００３０】
以降、本実施形態においては、一つのＸ線源と、複数の検出素子をＸ線入射方向に並べた積層型の検出器を有し、透過Ｘ線を互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線として測定するＸ線ＣＴ装置及び解析装置を例に挙げて説明する。なお、本実施形態において、透過Ｘ線を互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線として測定するとは、積層型の検出器を構成する複数の検出素子によってＸ線を検出する場合において、それぞれの検出素子によって検出されるＸ線のエネルギースペクトルが異なるようにして、測定を行うことをいう。より具体的には、個々の検出素子が、例えば厚さ１ｍｍであって、Ｓｉの結晶にＬｉをドープ及びドリフトしたＳｉ（Ｌｉ）半導体によって構成される場合において、透過Ｘ線がこれらの検出素子を厚み方向に通過する際に、検出素子によって透過Ｘ線が吸収されることによって生じるエネルギースペクトルの変化を利用して、個々の検出素子が異なるＸ線エネルギースペクトルを有する透過Ｘ線を用いた測定を行うことをいう。
【００３１】
［１．構成］
本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置及び解析装置の構成について、図１〜図３を参照して説明する。
［１−１．ハードウェア構成］
図１に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１００は、解析装置２０と、これに接続されるＸ線源１１、検出器１２、表示装置５０を備えている。また、Ｘ線ＣＴ装置１００は、キーボード、マウス等の入力装置（図示略）と、Ｘ線源１１及び検出器１２を被検体に対して回転移動させる駆動装置（図示略）とをさらに備えている。この駆動装置によって、所定の角度間隔で全方向から被検体の透過Ｘ線を測定することができる。解析装置２０は、例えば、検出器１２で得られた測定データを処理するためのコンピュータによって構成されている。解析装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央処理装置）３０、メモリ４０、及び入出力インターフェース（図示略）を備え、これらがデータを転送するための経路であるバス（図示略）によって接続されている。解析装置２０は、入出力インターフェースを介して、Ｘ線源１１、検出器１２、表示装置５０、入力装置、及び駆動装置と接続されている。
【００３２】
なお、本実施形態において、コンピュータとは、ハードウェアとオペレーティングシステムとを含む概念であり、オペレーティングシステムの制御の下で動作するハードウェアを意味している。また、オペレーティングシステムが不要でアプリケーションプログラム単独でハードウェアを動作させるような場合には、そのハードウェア自体がコンピュータに相当する。ハードウェアは、少なくとも、ＣＰＵ等のマイクロプロセッサと、記録媒体に記録されたコンピュータプログラムを読み取るための手段とを備えている。
以下、各部の構成を説明する。
【００３３】
＜Ｘ線源＞
Ｘ線源１１は、Ｘ線を放出するＸ線管である。Ｘ線源１１は、カソードとアノードを有しており、カソードとアノードとの間に電圧を印加することで、カソードのフィラメントから電子を放出させることができる。そして、フィラメントから放出された電子がアノードに衝突することによって、Ｘ線が放出される。Ｘ線源１１から放出するＸ線は、被検体に向けて照射することができる。Ｘ線源１１から被検体に向けてＸ線が照射されると、被検体を透過したＸ線が検出器１２に入射する。
【００３４】
Ｘ線源１１から照射されるＸ線としては、特に限定されないが、例えば１２０ｋＶｐに加速した電子をアノードのタングステンターゲットに衝突させることで放出される白色Ｘ線を用いることができる。アノードから放出されたＸ線は、Ｘ線透過材料からなるＸ線透過窓を通じて出射される。Ｘ線透過窓に用いられるＸ線透過材料としては、例えば、ベリリウムが挙げられる。Ｘ線源１１から照射されるＸ線は、金属フィルタを透過させることで、金属フィルタに応じた特定のエネルギー成分を吸収させることができる。このように、金属フィルタを用いて所望のエネルギーを持つフィルタＸ線を放出するようにしてもよい。金属フィルタに用いられる材料としては、例えば、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、タングステン等が挙げられる。
【００３５】
＜検出器＞
検出器１２は、Ｘ線を検出する検出装置である。図３に示すように、本実施形態の検出器１２は、Ｘ線の進行方向にＣｈ１〜Ｃｈ４までの４個の要素検出器（検出素子）１３〜１６を配置した積層型の検出器である。各検出素子１３〜１６の検出媒体として、本実施形態ではＳｉ（Ｌｉ）半導体を用いている。検出素子１３〜１６の検出媒体はこれに限定されず、ＣｄＴｅ等の他種の半導体を用いてもよく、各種シンチレーター等の一般的な放射線検出器の検出媒体を利用することもできる。検出素子１３〜１６は、入射したＸ線から付与されたエネルギーによって電荷を発生することで、電流を出力する。検出器１２は、Ｘ線を電流として測定するため、大量のＸ線が検出器に入射した場合でも測定が可能である。一方、個々のＸ線のエネルギーを測定する方式のＸ線検出器においては計数率の制限から、５×１０5ｓ-1以上のＸ線光子数では十分な測定ができないとされている。検出素子１３〜１６から出力した電流は、各検出素子１３〜１６に対応して設けられた増幅器１７に送られて、増幅器１７によって増幅される。そして、検出素子１３〜１６に対応して、増幅器１７によって増幅されたＩ1〜Ｉ4の電流値が検出器１２の測定値として出力される。
【００３６】
このとき、検出素子１３〜１６のそれぞれが透過Ｘ線の吸収体ともなるため、Ｘ線の入射方向から一番手前側のＣｈ１の検出素子１３は、透過Ｘ線によって付与されるエネルギーが比較的に多い傾向にある。一方、Ｘ線の入射方向からＣｈ２、Ｃｈ３、Ｃｈ４の検出素子１４，１５，１６の順に離れるにつれて、透過Ｘ線によって付与されるエネルギーが減少する傾向にある。また、透過したＸ線がＣｈ１、Ｃｈ２、Ｃｈ３、Ｃｈ４の検出素子１３，１４，１５，１６に到達するにつれて、線質硬化でＸ線エネルギースペクトルは、低エネルギーのＸ線光子数が高エネルギーのＸ線光子数と比較して少なくなる。これにより、互いに異なる複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線として、透過Ｘ線を測定することができる。そして、Ｘ線のエネルギーと検出素子１３〜１６との位置の関数として、応答関数を用意することで、各検出素子１３〜１６によって測定される電流値を用いて透過Ｘ線のエネルギー分布を導出することができる。
【００３７】
＜表示装置＞
表示装置５０としては、例えば、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬディスプレイ（Organic Light-Emitting Diode Display）等のディスプレイが用いられる。
【００３８】
＜ＣＰＵ＞
ＣＰＵ３０は、種々の制御や演算を行なう処理装置であり、メモリ４０に格納された後述する本件のプログラムを読み出して実行することにより、種々の機能を実現する。そして、ＣＰＵ３０が、これらのプログラムを実行することにより、図２で示すように、処理部１３０の各機能手段としてそれぞれ機能する。なお、処理部１３０における処理機能の実現手段はプログラムに限定されず、解析装置２０に搭載されるハードウェアにより実現されてもよい。例えば、処理部１３０を、ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵ等を内蔵したワンチップマイコンとして構成してもよいし、あるいは、デジタル回路やアナログ回路といった電子回路として形成してもよい。
【００３９】
＜メモリ＞
メモリ４０は、種々のデータやプログラムを格納するデータ記憶装置である。メモリ４０は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリや、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ、またはＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Device）等によって実現される。
【００４０】
［１−２．機能構成］
図２に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１００を機能的に表すと、測定部１１０、表示部１５０、及び処理装置２０を備えて構成される。処理装置２０は、処理部１３０、及び記憶部１４０を備える。
以下、各部の構成を説明する。
【００４１】
＜測定部＞
測定部１１０は、Ｘ線源１１と検出部１１２とを有している。Ｘ線源１１から放出されて被検体を透過した透過Ｘ線が検出部１１２に入射することで、検出部１１２は透過Ｘ線を検出する。解析装置２０は、Ｘ線源１１からＸ線を放出するタイミングを制御することで、所定の周期で被検体にＸ線を照射することができる。
【００４２】
＜検出部＞
検出部１１２は、検出器１２である。図３に示すように、検出部１１２の各検出素子１３〜１６に透過Ｘ線が入射することで、検出素子１３〜１６から電流が出力される。さらに、検出素子１３〜１６から出力されるとともに増幅器１７で増幅されたＩ1〜Ｉ4の電流値が測定値として、取得部１３１に出力される。
【００４３】
＜表示部＞
表示部１５０は、表示装置５０である。表示部１５０は、解析装置２０で信号処理された情報、及び記憶部１４０に格納される情報等を表示することができる。例えば、表示部１５０は、演算部１３２で求められる応答関数を表示することができる。また、表示部１５０は、導出部１３３で導出されるエネルギー分布を表示することができる。また、表示部１５０は、算出部１３４で求められる線減弱係数を表示することができる。また、表示部１５０は、評価部１３５で求められる実効原子番号を表示することができる。
【００４４】
＜記憶部＞
記憶部１４０は、メモリ４０を用いてデータを格納している。記憶部１４０は、解析装置２０で信号処理された情報、及び記憶部１４０に格納される情報等を表示することができる。例えば、記憶部１４０は、応答関数、エネルギー分布、線減弱係数、実効原子番号を格納することができる。また、記憶部１４０は、ＣＰＵ３０に実行させることで、後述する取得部１３１、演算部１３２、導出部１３３、算出部１３４、及び評価部１３５としてそれぞれ機能させるプログラムを予め保存する。これらのプログラムをあわせて、本件のプログラム（解析プログラム）と称する。
【００４５】
＜処理部＞
処理部１３０は、ＣＰＵ３０で演算処理される機能部位であり、各機能は個別のプログラムとして構成されている。処理部１３０は、図２で示すように、取得部１３１、演算部１３２、導出部１３３、算出部１３４、及び評価部１３５としてそれぞれ機能する。
【００４６】
本件のプログラムは、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷ等）、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＡＭ，ＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ＋Ｒ，ＤＶＤ−ＲＷ，ＤＶＤ＋ＲＷ，ＨＤ  ＤＶＤ等）、ブルーレイディスク、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク等の、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形態で提供される。そして、解析装置２０はその記録媒体からプログラムを読み取って内部記憶装置（例えば、メモリ４０）または外部記憶装置に転送し格納して用いる。または、本件のプログラムを、例えば磁気ディスク，光ディスク，光磁気ディスク等の図示しない記憶装置（記録媒体）に記録しておき、その記憶装置から通信経路を介して解析装置２０に提供するようにしてもよい。
【００４７】
＜取得部＞
取得部１３１は、検出部１１２で測定した測定値を取得するものである。取得部１３１は、取得した測定値を導出部１３３に出力する。なお、予め検出部１１２によって測定した測定値を記憶部１４０に格納しておき、取得部１３１はこの測定値を記憶部１４０から読み出すことで取得するようにしてもよい。
【００４８】
＜演算部＞
演算部１３２は、応答関数を少なくともＸ線の散乱要素を加味して演算するものである。ここで、ｉ番目の検出素子の応答関数とは、あるエネルギーＥのＸ線が検出器１２に入射した場合に、ｉ番目の検出素子に付与されるエネルギーということができる。そこで、演算部１３２は、所定の設定エネルギー範囲において、所定の設定エネルギー幅ごとに、所定のＸ線光子数のＸ線を検出器１２に入射させることで、検出素子１３〜１６に付与されたエネルギーを計算によって評価することで、応答関数を求める。
【００４９】
演算部１３２による演算は、確率論的シミュレーションによって応答関数を演算することが好ましく、中でもモンテカルロシミュレーション計算によって応答関数を演算することがより好ましい。モンテカルロシミュレーション計算は、例えば、モンテカルロシミュレーションコードGEANT4（S. Agostinelli, J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis, H. Araujo, P. Arce, M. Asai, D. Axen, S. Banerjee, G. Barrand, et al., GEANT4 - a simulation toolkit, Nucl. Instrum. Methods in Phys. Res., A506 (2003) 250.；参照）を用いて行うことができる。この際、検出素子１３〜１６を収納するシャーシボックスによる散乱Ｘ線や、各検出素子１３〜１６で発生する散乱Ｘ線も考慮することが好ましい。また、コンプトン効果や、二次電子の発生を考慮することが好ましい。すなわち、従来の決定論的方法では直進するＸ線のみを考慮していたのに対して、本実施形態における応答関数では、Ｘ線の散乱要素、コンプトン効果、二次電子の発生等を加味して応答関数の演算を行うものである。
【００５０】
演算部１３２によりシミュレーション計算によって応答関数を求める場合には、応答関数の設定エネルギー範囲は、下限値が通常２０ｋｅＶ、好ましくは１０ｋｅＶであり、上限値は加速電圧によって得られるＸ線の最大エネルギーとすることができる。すなわち、例えば、加速電圧が１２０ｋＶｐの場合には１２０ｋｅＶであり、１４０ｋＶｐの場合には１４０ｋｅＶである。また、応答関数の設定エネルギー幅は、通常０．５ｋｅＶ以上、好ましくは１ｋｅＶ以上であり、通常２０ｋｅＶ未満、好ましくは１０ｋｅＶ以下、より好ましくは５ｋｅＶ以下である。また、入射されるＸ線光子数は、１×１０9個程度でもよいが、計算に用いるＸ線光子数が多数の場合、数量に従って計算時間が長くなるため、１０8個程度で十分である。応答関数の設定エネルギー幅が上記範囲内であると、精度の高いエネルギー分布が得られる傾向にある。
【００５１】
＜導出部＞
導出部１３３は、演算部１３２によって求められた応答関数を用いて測定値から透過Ｘ線のエネルギー分布を導出するものである。導出部１３３は、応答関数と初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとを用いて、測定値をアンフォールディング解析することで透過Ｘ線のエネルギー分布を導出することが好ましい。アンフォールディング解析は、公知の手法を用いて行うことができ、例えばアンフォールディングコードSANDIIを用いることができる（W. McElroy, S. Berg, T. Crockett, R. G. Hawkins, A computer-automated iterative method for neutron flux spectra determination by foil activation, Air Force Weapons Laboratory (1967).；参照）。
【００５２】
アンフォールディング解析を行う際の設定エネルギー範囲は、下限値が通常２０ｋｅＶ、好ましくは１０ｋｅＶであり、上限値は演算部１３２で設定される応答関数の設定エネルギー範囲と同様に、加速電圧によって得られるＸ線の最大エネルギーとすることができる。すなわち、例えば、加速電圧が１２０ｋＶｐの場合には１２０ｋｅＶであり、１４０ｋＶｐの場合には１４０ｋｅＶである。また、アンフォールディング解析を行う際の設定エネルギー幅は、通常０．１ｋｅＶ以上、好ましくは０．５ｋｅＶ以上、より好ましくは１ｋｅＶ以上であり、通常２０ｋｅＶ未満、好ましくは１０ｋｅＶ以下、より好ましくは５ｋｅＶ以下である。アンフォールディング解析を行う際の設定エネルギー幅が上記上限値を下回ると、精度の高いエネルギー分布が得られる傾向にある。また、アンフォールディング解析を行う際の設定エネルギー幅が上記下限値を上回ると、設定エネルギー幅に含まれるＸ線光子数が増加して統計誤差を抑えられる傾向にある。
【００５３】
アンフォールディング解析によって、設定エネルギー範囲と設定エネルギー幅に応じた個数のエネルギー分布を得ることができる。例えば設定エネルギー範囲が２０ｋｅＶから１２０ｋｅＶまであって、設定エネルギー幅が１ｋｅＶである場合には、２０ｋｅＶから例えば１２０ｋｅＶまでの各設定エネルギーにおける１０１個のエネルギー分布を得ることができる。
【００５４】
アンフォールディング解析のためには、初期推定Ｘ線エネルギースペクトルを入力する必要がある。一般的に、アンフォールディング解析の結果は、初期推定Ｘ線エネルギースペクトルに大きく依存する。このため、好適な初期推定Ｘ線エネルギースペクトルを用いることが望ましい。このような、初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとしては、例えば、Ｘ線が被検体を通過することにより生じるＸ線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したＸ線のエネルギースペクトルを用いることが好ましい。
以下、初期推定Ｘ線エネルギースペクトルについて説明する。なお、ここでは、基準物質をＰＭＭＡとする場合を例に挙げて説明する。
【００５５】
好適な初期推定Ｘ線エネルギースペクトルを得るため、まず、各測定点（ｘ，θ）におけるＸ線の減弱をＰＭＭＡによる減弱と仮定して、ＰＭＭＡの厚さを求める。すなわち、被検体中の物質の種類にかかわらず、被検体通過後にＸ線の入射方向から一番手前側のＣｈ１の検出素子１３（以降、「第一検出素子」ともいう。）で測定された電流値の減弱率を示す基準物質の厚さを求めることができる。
【００５６】
【数１】
2019045238.tif 000003
【００５７】
式（１）は、測定点（ｘ，θ）において被検体中のｎ種類の物質によって減弱を受けたＸ線が、第一検出素子によって測定された電流値を示す。Ｉ1（ｘ，θ）は測定点（ｘ，θ）で第一検出素子が測定した電流値、Ｉ0は、空気のみを通過したＸ線が第一検出素子で測定された場合の電流値である。また、μi（Ｅ）／ρiは物質ｉのエネルギーＥのＸ線に対する質量減弱係数、ρi*は物質ｉの密度（水溶性物質等は、密度が変化するため）、ｔi（ｘ，θ）は、測定点（ｘ，θ）においてＸ線が物質ｉを通過する距離を示す。
【００５８】
被検体がＰＭＭＡのみで構成されているとして、式（２）によりこの電流値を再現するＰＭＭＡ厚さを設定することが可能である。
【００５９】
【数２】
2019045238.tif 000004
【００６０】
ここで、式（２）中、（μP（Ｅ）／ρP）ρPｔP（ｘ，θ）において、μP（Ｅ）／ρPはエネルギーＥのＸ線に対するＰＭＭＡの質量減弱係数、ρPはＰＭＭＡの密度、そしてｔP（ｘ，θ）は測定点（ｘ，θ）においてＸ線が通過するＰＭＭＡの厚さを示す。このＰＭＭＡ厚さをＰＭＭＡ等価厚さと呼ぶ。このように、被検体の測定各点におけるＸ線減衰率を基準物質の等価厚さで表現し、その測定点における基準物質の等価厚さを通過したＸ線スペクトルを、解析の初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとして用いることができる。
【００６１】
＜算出部＞
算出部１３４は、導出部１３３によって求められたエネルギー分布から、エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける被検体の線減弱係数を算出するものである。算出部１３４は、エネルギー分布から、所望の設定エネルギーにおいて、設定エネルギー幅に含まれるＸ線光子数を被検体の各測定点について抽出する。さらに、算出部１３４は、抽出された各測定点のＸ線光子数をＣＴデータとして画像再構成を行うことで、所望の設定エネルギーのＸ線を用いたエネルギー分解ＣＴ画像を得ることができる。エネルギー分解ＣＴ画像の画素値は、各設定エネルギーにおけるエネルギーのＸ線に対する測定対象物質の線減弱係数分布を示している。このため、算出部１３４は、エネルギー分解ＣＴ画像の測定対象物質に対応する箇所の画素値から、測定対象物質の線減弱係数を求めることができる。この作業を設定エネルギー範囲に含まれる複数の設定エネルギーにおいて、エネルギー分解ＣＴ画像を得るとともに線減弱係数を求めることで、Ｘ線エネルギーの関数として、線減弱係数を得ることができる。このとき、設定エネルギー範囲に含まれる全ての設定エネルギーにおいて線減弱係数を得ることが好ましい。
【００６２】
線減弱係数を算出する際の設定エネルギーの分割幅は、通常０．１ｋｅＶ以上、好ましくは０．５ｋｅＶ以上、より好ましくは１ｋｅＶ以上であり、通常２０ｋｅＶ未満であり、好ましくは１５ｋｅＶ以下、より好ましくは１０ｋｅＶ以下、さらに好ましくは５ｋｅＶ以下である。線減弱係数を算出する際の設定エネルギー幅が上記上限値を下回ると、精度の高い線減弱係数が得られる傾向にある。また、線減弱係数を算出する際の設定エネルギー幅が上記下限値を上回ると、統計誤差を抑えられる傾向にある。
【００６３】
＜評価部＞
評価部１３５は、２種の設定エネルギーにおける線減弱係数から線減弱係数の比を求めて、この比から被検体の実効原子番号を評価するものである。米国標準局が刊行している原子番号−線減弱係数のテーブルを利用して、原子番号と２種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比との関数のグラフを求めておくことができる。そして、この原子番号と２種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比との関係のグラフにおいて、透過Ｘ線の測定を経て算出部１３４によって得られた２種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比の値が乗る点に相当する原子番号を、その物質の実効原子番号として求めることができる。
【００６４】
このとき、２種のエネルギーは任意に選定できるが、被検体を透過した透過Ｘ線は、低エネルギーのＸ線光子数の減弱が大きい傾向にある。すなわち、例えば、３０ｋｅＶや３５ｋｅＶ付近の低エネルギーのＸ線光子数は少なく、実験で得られたこれらのＸ線エネルギーの線減弱係数には誤差がより大きく含まれる傾向にある。このような誤差が生じることを避けるため、４０ｋｅＶ以上の２種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比を求めることが好ましい。例えば、４０ｋｅＶと６５ｋｅＶのＸ線に対する線減弱係数μ（４０）とμ（６５）とを用いて、その比μ（４０）／μ（６５）を計算することが好ましい。
【００６５】
本実施形態に係る解析方法によれば、実効原子番号の測定範囲は、その下限は通常３以上、好ましくは５以上であり、その上限は通常８３以下、好ましくは４０以下、より好ましくは２５以下である。
【００６６】
［２．動作］
上述したＸ線ＣＴ装置１００及び解析装置２０の動作によって行う、本実施形態のエネルギー分解ＣＴの解析方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００６７】
被検体に対する透過Ｘ線の測定を行うに際して、まず測定に用いられるＸ線ＣＴ装置１００に備えられる検出器１２に固有の応答関数を導出する（ステップＳ１０１：導出ステップ）。応答関数の導出は、導出部１３３が、Ｘ線の散乱要素を加味して演算することで行うことができる。本実施形態では、演算部１３２は、モンテカルロシミュレーションコードを用いた確率論的シミュレーションによって応答関数を演算する。導出部１３３は、求めた応答関数を記憶部１４０に出力する。記憶部１４０は、導出部１３３によって求められた応答関数を格納する。
【００６８】
次に、解析装置２０は、Ｘ線源１１からＸ線を放出させるとともに、検出部１１２によって被検体を透過した透過Ｘ線を測定する（ステップＳ１０２：測定ステップ）。検出部１１２は、測定値を解析装置２０に出力する。解析装置２０は、取得部１３１から出力された測定値を取得部１３１によって取得する。そして、解析装置２０は、取得部１３１によって取得した測定値を、導出部１３３に出力する。
【００６９】
導出部１３３は、ステップＳ１０１で導出した応答関数を記憶部１４０から読み出して、この応答関数を用いて、ステップＳ１０２で測定された測定値から透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する（ステップＳ１０３：導出ステップ）。本実施形態では、導出部１３３は、応答関数と初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとを用いて、測定値をアンフォールディング解析することで透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する。またこのとき、導出部１３３は、２０ｋｅＶから１２０ｋｅＶまでの設定エネルギー範囲において、１ｋｅＶ幅で１０１個のエネルギー分布を得ている。導出部１３３は、求めたエネルギー分布を算出部１３４に出力する。
【００７０】
続いて、算出部１３４は、ステップＳ１０３で導出したエネルギー分布から、エネルギー分布に含まれる設定エネルギーにおける被検体の線減弱係数を算出する（ステップＳ１０４：算出ステップ）。本実施形態では、算出部１３４は、導出部１３３によって求められた２０ｋｅＶから１２０ｋｅＶまでの設定エネルギー範囲において、１ｋｅＶ幅で１０１個のエネルギー幅数のデータをもとに画像再構成を行い、得られたエネルギー分解ＣＴ画像から測定対象物質の線減弱係数を求める。これにより、算出部１３４は、Ｘ線エネルギーの関数として線減弱係数を得る。算出部１３４は、求めた線減弱係数を評価部１３５に出力する。
【００７１】
評価部１３５は、２種の設定エネルギーにおける線減弱係数から線減弱係数の比を算出して、被検体の実効原子番号を評価する（ステップＳ１０５：評価ステップ）。このとき、評価部１３５は、米国標準局が刊行している原子番号−線減弱係数のテーブルを利用して予め作製しておいた、原子番号と２種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比との関数のグラフを記憶部１４０から読み出す。そして、読み出された原子番号と２種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比との関数のグラフにおいて、ステップＳ１０４で得られた線減弱係数から算出される２種の設定エネルギーにおける線減弱係数の比の値を参照することで、実効原子番号を求める。評価部１３５は、求めた実効原子番号のデータを表示部１５０に送信する。表示部１５０は、実効原子番号データを受信して、実効原子番号を表示する。
【００７２】
上記説明では、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５により、検出器１２の応答関数を導出した上で、被検体の実効原子番号を評価する場合を例に挙げて説明した。応答関数は検出器１２に固有のものであるため、ステップＳ１０１において検出器１２の応答関数を導出した後に、さらに他の被検体の実効原子番号を評価する場合には、ステップＳ１０１を省略して、ステップＳ１０２〜Ｓ１０５により評価を行うことができる。このとき、ステップＳ１０１で導出した応答関数を繰り返し用いることができる。
【００７３】
［３．効果］
（１）解析装置２０によれば、演算部１３２による演算によって、検出器１２に固有の応答関数を求めることができる。演算によって求めた応答関数を用いることで、検出器１２によって測定された未知の測定対象物に対する測定値から、導出部１３３は透過Ｘ線のエネルギー分布を導出することができる。このとき、演算部１３２は、Ｘ線の散乱要素を加味し、応答関数を演算する。このように、解析装置２０では応答関数の演算に散乱要素が含まれることで、決定論的方法を用いて計算により求める場合よりも本来のＸ線の挙動が反映されて、検出器１２の応答関数をより適切に求めることができる。さらに、このような応答関数を用いることで、未知の測定対象物に対する透過Ｘ線のエネルギー分布をより高い精度で求めることができる。
【００７４】
（２）導出部１３３は、応答関数と初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとを用いて、測定値をアンフォールディング解析することで透過Ｘ線のエネルギー分布を導出する。このとき、導出部１３３は、初期推定Ｘ線エネルギースペクトルとして、Ｘ線が被検体を通過することにより生じるＸ線の減弱と同様の減弱を示す等価厚さを有する基準物質を通過したＸ線のエネルギースペクトルを用いている。これにより、初期推定Ｘ線エネルギースペクトルを適切に設定することで、エネルギー分布をより正確に求めることが可能となった。また、このエネルギー分布から、線減弱係数をより正確に求めることが可能となった。
【００７５】
（３）評価部１３５は、２種の設定エネルギーにおける線減弱係数から線減弱係数の比を求めて、この比から被検体の実効原子番号を評価する。これにより、被検体の線減弱係数を直接比較することで区別が困難な場合であっても、線減弱係数の比から実効原子番号を求めることで、被検体の明確な識別が可能となった。
【００７６】
［４．用途］
Ｘ線ＣＴ１００及び解析装置２０は、被検体を透過した透過Ｘ線を測定することによって、被検体（検査対象物）の実効原子番号の測定に用いられる。被検体は特に限定されないが、例えば、動物、植物、果実、木材、樹脂、プラスチック、ゴム、ガラス、セラミック、金属、又はこれらの複合材等が挙げられる。動物としては、人体にも用いることができる。人体等の生体に用いる場合には、実効原子番号によって、生体中の血管、臓器、組織、骨等の識別に用いることができる。また、リンゴ等の果実に用いる場合には、実効原子番号によって、糖度の測定に用いることができる。また、ウシ、ブタ等の家畜や、マグロ等の水産物に用いる場合には、筋肉部位と脂肪部位との識別に用いることができる。その他、手荷物検査等において、爆発物や薬物の検査に用いることができる。
【００７７】
［５．その他］
上記の実施形態では、検出器１２が４個の検出素子１３〜１６を有する場合を例に挙げて説明した。検出素子の数は複数であればよく特に制限されるものではないが、検出素子の数が多いほど、透過Ｘ線を複数のＸ線エネルギースペクトルを有するＸ線として測定することによって、精度の高いエネルギー分布が得られる傾向にある。このため、検出素子の数は、通常３個以上、好ましくは４個以上である。一方、検出素子の数が多いと検出器１２の製作にかかるコストが高くなるため、通常１０個以下、好ましくは６個以下である。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例により限定されるものではない。
【００７９】
図５の実験配置図に示すように、Ｘ線源１１、検出器１２、及び被検体を配置して、実効原子番号の測定を行った。ここでは、Ｘ線源１１として白色Ｘ線を放出するＸ線管を用いている。Ｘ線管のアノードから放出されたＸ線は、ベリリウム及びアルミニウム製のフィルタを通過する。さらに、１ｍｍ径の孔を有するコリメーターを通じてＸ線を放出させている。Ｘ線源１１と検出器１２との間の距離を３００ｍｍとなるように配置した。また、被検体は、Ｘ線源１１と検出器１２とそれぞれからの距離が１５０ｍｍとなるように中間に配置した。被検体としては、直径３０ｍｍのＰＭＭＡ円柱に直径５ｍｍの４種のプラスチック棒を入れたファントムを用いた。ここで用いた４種のプラスチックは、ポリプロピレン（ＰＰ）、ＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である。
【００８０】
まず、計算により、検出器１２の個々の検出素子１３〜１６の応答関数を導出した。ここでは、検出素子１３〜１６が収納されるアルミニウム製シャーシボックス等によるＸ線の散乱も考慮に入れるため、モンテカルロシミュレーションコードGEANT4を用いたモンテカルロシミュレーションによって応答関数を求めた。このとき、２０ｋｅＶから１２０ｋｅＶの間のエネルギーで１ｋｅＶごとに１０8個のＸ線を検出器１２に入射させて、Ｃｈ１〜Ｃｈ４の４個の検出素子１３〜１６に付与されたエネルギーを計算によって評価することで応答関数を求めた。求めた応答関数を図６に示す。
【００８１】
次に、図５を参照して説明した系において、被検体を透過した透過Ｘ線を４個の検出素子１３〜１６で測定した。測定はＸ線管電圧１２０ｋＶ、管電流２．４ｍＡ、測定時間１秒の条件で行った。このとき、ファントムを、並進移動（ｘ）０．４ｍｍ、回転移動（θ）５度の並進−回転測定を行いながら測定を行った。
【００８２】
続いて、各検出素子１３〜１６で測定された電流の測定値を入力として、既に求めた応答関数を用いて、アンフォールディング解析を行った。ここでは、SANDIIを用いてアンフォールディング解析を行った。この際に、設定エネルギー幅は１ｋｅＶ、設定エネルギー範囲を２０ｋｅＶから１２０ｋｅＶまでとした。このとき、Ｘ線源１１に最も近いＣｈ１の検出素子１３の電流値について、Ｘ線が空気のみを透過した場合の電流値I0と、測定点（ｘ，θ）における値I（ｘ，θ）との比をとることで、減弱の度合いを求めた。そして、ＰＭＭＡの厚さと、ＰＭＭＡを透過したＸ線の減弱率との関係を示す図７のグラフを用いて、ファントム透過によるＸ線の減弱をＰＭＭＡによる減弱として換算することで、Ｘ線源１１に最も近い検出素子１３の減弱の度合いを実現するＰＭＭＡ厚さを求めた。このＰＭＭＡ換算厚さのＰＭＭＡを透過したＸ線エネルギースペクトルを計算で求め、アンフォールディングの際の初期Ｘ線エネルギースペクトルとして用いた。
【００８３】
アンフォールディングの結果、設定エネルギー範囲が２０ｋｅＶから１２０ｋｅＶまであって、設定エネルギー幅が１ｋｅＶでの１０１個のＸ線エネルギー分布を得て、これをＣＴデータとして画像再構成により２０〜１２０ｋｅＶまで１ｋｅＶごとのＸ線を用いたエネルギー分解ＣＴ画像を得た。このうち、図８では４０ｋｅＶのＸ線で再構成したエネルギー分解ＣＴ画像を例示している。このエネルギー分解ＣＴ画像において、各測定対象物質に対応する箇所の画素値から、ＰＰ、ＡＢＳ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、及びＰＶＤＦの４０ｋｅＶの線減弱係数を求めた。この作業を２０ｋｅＶから１２０ｋｅＶまでの全てのエネルギー分解ＣＴ画像に対して行うことで、図９に示すように、Ｘ線エネルギーの関数として、線減弱係数を得た。図９では、線減弱係数の測定値を実線で、理論値を破線で、相対誤差を細線で示している。ここでの理論値は、米国標準局のデータ（J. H. Hubbell, S. M. Seltzer, Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients from 1 keV to 20 MeV for elements Z = 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest. The Physical Measurement Laboratory, The National Institute of Standard and Technology; 2010. Available from: http://www.nist.gov /pml/data /xraycoef / index.cfm.；参照）を示してある。また、「（測定値−理論値）／理論値」を相対誤差として示している。
【００８４】
米国標準局が刊行している原子番号−線減弱係数のテーブルを利用して作成した、原子番号の関数として、４０ｋｅＶと６５ｋｅＶの線減弱係数の比であるμ（４０）／μ（６５）のグラフを図１０に示す。
図９から各プラスチックのμ（４０）／μ（６５）の線減弱係数の比を求め、図１０において、μ（４０）／μ（６５）の値が曲線に乗る点の原子番号から実効原子番号を求めた。測定により得られた各プラスチックの実効原子番号を、「実験４０／６５ｋｅＶ」として図１１に示した。
ここで、実施例で用いた５種のプラスチックの化学式、密度及び実効原子番号を、表１に示す。表１で示した実効原子番号は、Mayneordの式（W. V. Mayneord, The significance of the roentgen, Acta. Int. Union Against Canc. 2 (1937) 271.；参照）で求めた実効原子番号Zeffを示している。
【００８５】
【表１】
2019045238.tif 000005
【００８６】
さらに、混合則（J. H. Hubbell, Photon mass attenuation and energy-absorption coefficients from 1 keV to 20 MeV, Int. J. Appl. Radiat. Isot., 33 (1982) 1269.；参照）によって求めた上記５種のプラスチックの線減弱係数をＸ線エネルギーの関数として、図１２に示す。この混合側で求めた線減弱係数から求めたμ（４０）／μ（６５）の線減弱係数の比から、図１０を用いて実効原子番号を測定した。この混合則で求めた線減弱係数から求めたμ（４０）／μ（６５）を用いて評価した実効原子番号についても、「計算」として図１１に示した。
【００８７】
表１に示すように本実施例では、実効原子番号が５．４４から７．８８のプラスチックについて、実効原子番号測定を実証した。ＰＣとＰＭＭＡについて、線減弱係数からでは区別が困難であるが、実効原子番号を求めることにより、図１１に示すように明確な識別が可能となった。計算で求めた線減弱係数の比が示す実効原子番号から値がずれるが、あらかじめ標準試料を用いた実験を行うことで、測定値と実効原子番号の対応を取ることができる。
【００８８】
実効原子番号−線減弱係数の比（Zeff−μ（４０）／μ（６５））を実効原子番号について差分を取ると、図１３のようにμ（４０）／μ（６５）に関するZeffの感度が得られる。実効原子番号５．４４においては、感度は約０．０４である。この値以上の範囲について実効原子番号の測定が可能であるとすると、本実施例の系では、実効原子番号２５程度までの測定が可能と推測できる。ただし、Ｘ線管電圧を増加させた場合には、Ｘ線管電圧の増加に伴い測定可能な実効原子番号の上限が広がると予測される。
【符号の説明】
【００８９】
１００  Ｘ線ＣＴ装置
１１  Ｘ線源
１２  検出器
２０  解析装置
１１０  測定部
１１２  検出部
１３０  処理部
１３１  取得部
１３２  演算部
１３３  導出部
１３４  算出部
１３５  評価部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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