(57)【要約】      （修正有）【課題】元素分別が可能な既知の手法では、注目する元素のＸ線吸収端の前後に於ける二種のエネルギーのそれぞれで放射光源からの強力なＸ線を単色光に分光して用いている。実験室Ｘ線光源による単色光で元素分別が可能なＸ線ＣＴ装置を提供する。【解決手段】Ｘ線ＣＴ装置に於いて、Ｘ線エネルギーを識別できる検出器を使用することによって、元素に特有な吸収の効果を利用して、物質の元素ごとの分布を抽出できることを見出した。この原理を利用し、実験室Ｘ線光源による試料あるいは被写体内部の元素分布を画像化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線ＣＴ装置に於いて、Ｘ線エネルギーを識別できる検出器を使用することによって、元素ごとのＸ線吸収端前後の原子散乱因子虚数部の違いを利用して、被写体内部の元素分布を断面像によって画像化する方法。
【請求項２】
Ｘ線ＣＴ装置に於いて、Ｘ線エネルギーを識別できる検出器を使用することによって、元素ごとのＸ線吸収端前後の原子散乱因子虚数部の違いを利用して、被写体内部の元素分布を断面像によって画像化する機能を備えた装置。
【請求項３】
Ｘ線ＣＴ装置に於いて、Ｘ線エネルギーを識別できる検出器を使用することによって、元素ごとのＸ線吸収端前後の原子散乱因子虚数部の違いを利用して、被写体内部の元素分布を断面像によって画像化するソフトウェア。
【請求項４】
Ｘ線ＣＴ装置に於いて、Ｘ線エネルギーを識別できる検出器を使用することによって、元素ごとのＸ線吸収端前後の原子散乱因子虚数部の違いを利用して、被写体内部の元素分布を断面像によって画像化した図。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、元素のＸ線吸収端のエネルギーが元素ごとに異なる点に注目し、Ｘ線エネルギーを識別できる検出器を使用したＸ線ＣＴ装置である。この元素分布を画像化する方法、及びこの方法を使用して画像化するソフトウェア、並びにこの方法を使用した画像化する機能を備えた装置、並びにこの方法を使用して製作した図に関する。
【背景技術】  市販されているＸ線ＣＴ装置は、検出器にＸ線ＣＣＤカメラなどを使用している（特許文献１参照）。計測時間の短縮のため、検出器を一次元のアレイ状に並べたものや、二次元検出器の使用が公知である。
自然科学では、試料あるいは被写体を非破壊で検査することがよく行われている。Ｘ線ＣＴ装置もその一つで、内部のＸ線吸収係数分布を二次元あるいは三次元的に画像表示する。Ｘ線吸収係数分布は、物質を構成する元素の種類と密度によって決まる物理量である。現在のＸ線ＣＴ装置による画像から物質の元素の同定は、密度の仮定を伴う。デュアルエネルギースキャンによれば、血管造影で使用するヨウ素と組織が石灰化したカルシウムを分離することができる（特許文献２参照）。
元素分別可能なＸ線ＣＴ装置は、注目する元素のＸ線吸収端の前後に於ける二種のエネルギーのそれぞれで放射光源からの強力なＸ線を単色光に分光して入射光とし、一次元の冷却式多素子リチウムドリフテッドシリコン検出器を用いて実証された（非特許文献１参照）。最近も、放射光を分光した単色光により、二次元のＸ線ＣＣＤカメラによって撮影されている（非特許文献２参照）。
近年、Ｘ線の検出器の発展に伴い、エネルギー分解能を有する二次元検出器が出現した（非特許文献３参照）。この検出器はエネルギー閾値を設定することによって特定のＸ線エネルギーを選別して測定することができる。
【特許文献１】特許公開２００９−１３９３１４
【特許文献２】特許公開２０１３−１９２８０１（特開２００９−２９７４４２号公報）
【非特許文献１】ＡＫＩＲＡ  ＴＳＵＣＨＩＹＡＭＡ，ＫＥＮＴＡＲＯ  ＵＥＳＵＧＩ，ＴＳＵＫＡＳＡ  ＮＡＫＡＮＯ，ＡＮＤ  ＳＵＳＵＭＵ  ＩＫＥＤＡ，“Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ  ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｏｆ  Ｘ−ｒａｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｉｍａｇｅｓｕｓｉｎｇ  ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｚｅｄ  ｂｅａｍｓ，”Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｓｔ，Ｖｏｌｕｍｅ  ９０，ｐｐ．１３２−１４２，２００５．
【非特許文献２】Ａ．Ｃ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ｊ．Ｌｌａｃｅｒ，Ｌ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ  Ｆｉｎｍａｎ，Ｅ．Ｂ．Ｈｕｇｈｅｓ，Ｊ．Ｎ．Ｏｔｉｓ，Ｓ．Ｗｉｌｓｏｎ，ａｎｄ  Ｈ．Ｄ．Ｚｅｍａｎ，“Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｕｓｉｎｇ  ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ，”Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２２２，ｐｐ．３１９−３２３（１９８４）．
【非特許文献３】Ｈ．Ｔｏｙｏｋａｗａ，Ｋ．Ｋａｊｉｗａｒａ，Ｍ．Ｓａｔｏ，Ｍ．Ｋａｗａｓｅ，Ｔ．Ｈｏｎｍａ，Ｍ．Ｔａｋａｇａｋｉ，“Ｅｎｅｒｇｙ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｘ−ｒａｙ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ  ｗｉｔｈ  ａ  ｃｏｕｎｔｉｎｇ−ｔｙｐｅ  ｐｉｘｅｌ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ，”Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．ａｎｄ  Ｍｅｔｈ．Ａ，ｐｐ．８４−８７（２０１１）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】  元素分別が可能な既知の手法では、注目する元素のＸ線吸収端の前後に於ける二種のエネルギーのそれぞれで放射光源からの強力なＸ線を単色光に分光して用いている。実験室Ｘ線光源による単色光では元素分別が可能なＸ線ＣＴ装置の開発はＸ線の強度的な面で困難がある。
【課題を解決するための手段】  Ｘ線のエネルギーを識別できるＸ線二次元検出器をＸ線ＣＴ装置に導入することによって、自然科学分野での利用者に対し、実験室Ｘ線光源により、元素分別可能なＸ線ＣＴ装置を提供する。具体的な装置の模式図を図１に示した。
元素ごとのＸ線吸収端のエネルギーは、原子散乱因子虚数部の値によって決まっている。試料あるいは被写体の透過像を測定する際に、検出器の方のエネルギー閾値を注目する元素のＸ線吸収端の前後に設定することによって、使用する入射光が実験室Ｘ線光源からの白色であっても元素の分布を区別することができる。原子番号が隣接するストロンチウムとイットリウムの原子散乱因子虚数部の値と透過率の特徴を図２及び図３に示した。
注目する元素の吸収端前後に於ける二種類のエネルギー領域にて、それぞれでＸ線断面像を得て、これらのＸ線断面像の強度差あるいは強度比をとった画像が、特定の元素の分布を表すものとなる。測定と解析の手順の概略を図４に示した。
原子番号が隣接する鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛の原子散乱因子虚数部の値と透過率の特徴を図５及び図６に示した。測定と解析の手順の概略も図７に示した。
当手法は元素に固有なＸ線吸収端を利用するため、周期律表で隣接する元素を原理的に区別可能な手法である。
【発明の効果】  Ｘ線のエネルギーを識別できる検出器をＸ線ＣＴ装置に導入することによって、試料あるいは被写体内部の元素分布を断面像によって画像化する方法を提供する。
当該方法を用いて、試料内部の元素分布を断面像によって画像化する機能を備えた装置を提供する。
当該装置に於いて、試料内部の元素分布を断面像によって画像化するソフトウェアを提供する。
当該ソフトウェアによって、試料内部の元素分布を断面像によって画像化した図を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  装置配置図（模式図）
【図２】  ストロンチウム（Ｓｒ，原子番号３８）とイットリウム（Ｙ，原子番号３９）の原子散乱因子虚数部
【図３】  炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３，３．７０ｇ／ｃｍ３，５５μｍ厚）とイットリウム箔（Ｙ，４．４５７  ３．７０ｇ／ｃｍ３，２５μｍ厚）の透過率（計算値）
【図４】  ストロンチウム（Ｓｒ，原子番号３８）とイットリウム（Ｙ，原子番号３９）を元素分別する測定と解析の手順の概略
【図５】  鉄（Ｆｅ，原子番号２６）、コバルト（Ｃｏ，原子番号２７）、ニッケル（Ｎｉ，原子番号２８）、銅（Ｃｕ，原子番号２９）、亜鉛（Ｚｎ，原子番号３０）の原子散乱因子虚数部
【図６】  鉄箔（Ｆｅ，７．８７４ｇ／ｃｍ３，２５μｍ厚）、コバルト箔（Ｃｏ，８．９ｇ／ｃｍ３，２５μｍ厚）、ニッケル箔（Ｎｉ，８．９０２ｇ／ｃｍ３，２５μｍ厚）、銅箔（Ｃｕ，８．９６ｇ／ｃｍ３，２５μｍ厚）、亜鉛箔（Ｚｎ，７．１３３ｇ／ｃｍ３，２５μｍ厚）の透過率（計算値）
【図７】  鉄（Ｆｅ，原子番号２６）、コバルト（Ｃｏ，原子番号２７）、ニッケル（Ｎｉ，原子番号２８）、銅（Ｃｕ，原子番号２９）、亜鉛（Ｚｎ，原子番号３０）を元素分別する測定と解析の手順の概略
【発明を実施するための最良の形態】  Ｘ線発生装置は白色Ｘ線のようにエネルギーに分布を持つ光源でなければならない。
Ｘ線検出器はＸ線エネルギーを識別できなければならない。閾値より低エネルギー側のＸ線を切り捨てることができる機能を有するか、あるいはウィンドウ幅内のエネルギーのＸ線だけを検出できる機能が必要である。測定時間の短縮のため、検出器は一次元あるいは二次元のものが望ましい。エネルギーの閾値あるいは幅は、識別する元素に対応して任意に設定できなければならない。
Ｘ線発生装置及びＸ線検出器に対して、試料台は相対的に回転可能で、０度から１８０度までの多くの方位から試料の透過像を撮影できるものでなければならない。
注目する元素のＸ線吸収端前後のエネルギー領域にて、前述の手法及び装置によって得られた画像を取得及び解析するソフトウェアによって、Ｘ線断面像を得る。これら画像の強度差あるいは強度比を計算し、注目する元素の位置を二次元平面内で確定する。次々に注目する元素のＸ線吸収端前後のエネルギー領域にて、元素の位置を二次元平面内で確定し、これらを別の色で重ねて表示した画像を作成し、元素ごとの分布図を作成する。
【実施例１】  本発明により周期表にて隣接する元素を分別可能な方法を備えたＸ線ＣＴ装置を製作し、ソフトウェアによって解析し、Ｘ線断面像とする場合の実施例を説明する。
点光源のＸ線発生装置からの白色Ｘ線を入射光とする。Ｘ線検出器として、二次元ピクセルアレイ検出器を用意する。これは設定した閾値より低エネルギー側のＸ線を計数しないことができる機能を有し、エネルギーの閾値を任意に設定できる。図１では、Ｘ線発生装置部（符号１）とＸ線検出器部（符号２）が固定で、試料ステージ部（符号３）が逐次回転する機構である。各部の間隔は試料の大きさによって可変である。
注目する元素、例えば原子番号３８のストロンチウム（Ｓｒ）と原子番号３９のイットリウム（Ｙ）が含まれた試料について説明する。
まず、ストロンチウムのＫ吸収端（１６．１０５ｋｅＶ、図２の符号４）よりも低エネルギーに於ける異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の低エネルギー側の閾値を設定し（図３の符号６の矢印の両端）、それぞれの透過光強度を計測する。このＸ線エネルギー領域にウィンドウ幅を設定したのと同等のＸ線透過像を得るために、それぞれの設定での透過画像の強度の差を求め、入射光強度で規格化する。この操作を試料への入射角が系統的に異なるように測定し（図４の符号９）、ラドン変換した画像、すなわちサイノグラムを取得する。この時、点光源からのコーンビームによって得た画像は、平行ビームによって得られた画像と異なるが、これを考慮に入れた解析を施し、逆ラドン変換し、適当なフィルターをかけて、このエネルギー領域でのＸ線断面像を得る。
次に、ストロンチウムのＫ吸収端（図２の符号４）とイットリウムのＫ吸収端（１７．０３８ｋｅＶ、図２の符号５）との間のエネルギーに於ける異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の低エネルギー側の閾値を設定し（図３の符号７の矢印の両端）、それぞれの透過光強度を計測する（図４の符号１０）。同様の操作によって、このエネルギー領域でのＸ線断面像を得る。
続けて、イットリウムのＫ吸収端（図２の符号５）よりも高エネルギーに於ける異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の低エネルギー側の閾値を設定し（図３の符号８の矢印の両端）、それぞれの透過光強度を計測する（図４の符号１１）。同様の操作によって、このエネルギー領域でのＸ線断面像を得る。
ストロンチウムのＫ吸収端よりも低エネルギー領域に於ける異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の閾値を設定して得たＸ線断面像とストロンチウムのＫ吸収端とイットリウムのＫ吸収端との間のエネルギー領域に於ける異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の閾値を設定して得たＸ線断面像とを比較し、ストロンチウムが分布する領域を特定する。比較の方法は、画像の強度差、あるいは画像の強度比とする（図４の符号１２）。
更に、ストロンチウムのＫ吸収端とイットリウムのＫ吸収端との間のエネルギー領域に於ける異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の閾値を設定して得たＸ線断面像とイットリウムのＫ吸収端よりも高エネルギー領域に於ける異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の閾値を設定して得たＸ線断面像とを比較し、イットリウムが分布する領域を特定する。比較の方法は、画像の強度差、あるいは画像の強度比とする（図４の符号１３）。
得られたストロンチウムが分布する領域とイットリウムが分布する領域に異なる彩色を施し、元素分別したＸ線断面像を作成する（図４の符号１４）。
【実施例２】  本発明により周期表にて隣接する元素を分別可能な方法を備えたＸ線ＣＴ装置を製作し、ソフトウェアによって解析し、Ｘ線断面像とする場合の実施例を説明する。
点光源のＸ線発生装置からの白色Ｘ線を入射光とする。Ｘ線検出器として、二次元ピクセルアレイ検出器を用意する。これは設定した閾値より低エネルギー側のＸ線を計数しないことができる機能を有し、エネルギーの閾値を任意に設定できる。図１では、Ｘ線発生装置部（符号１）とＸ線検出器部（符号２）が固定で、試料ステージ部（符号３）が逐次回転する機構である。各部の間隔は試料の大きさによって可変である。
注目する元素、例えば原子番号２６の鉄（Ｆｅ）と原子番号２７のコバルト（Ｃｏ）が含まれた試料について説明する。
まず、鉄のＫ吸収端（７．１１２ｋｅＶ、図５の符号１５）の前後のエネルギー領域に於いて、それぞれ異なる二箇所のＸ線エネルギーに検出器の低エネルギー側の閾値を設定し（図６の符号２０及び２１の矢印の両端）、それぞれの透過光強度を計測する。Ｘ線エネルギー領域にウィンドウ幅を設定したのと同等のＸ線透過像を得るために、それぞれの設定での透過画像の強度の差を求め、入射光強度で規格化する。この操作を試料への入射角が系統的に異なるように測定し（図７の符号２６）、ラドン変換した画像、すなわちサイノグラムを取得する。この時、点光源からのコーンビームによって得た画像は、平行ビームによって得られた画像と異なるが、これを考慮に入れた解析を施し、逆ラドン変換し、適当なフィルターをかけて、鉄のＫ吸収端の前後のエネルギー領域にて二種のＸ線断面像を得る（図７の符号２６の鉄の部分）。この二つのＸ線断面像を比較し、鉄が分布する領域を抽出する。比較の方法は、画像の強度差、あるいは画像の強度比とする（図７の符号２７の鉄の部分）。
同様に、注目する別の元素、例えばコバルト（Ｃｏ、７．７０９ｋｅＶ、図５の符号１６）に対しても、吸収端の前後のエネルギー領域にて（図６の符号２１、２２）、二種の断面像を得る（図７の符号２６のコバルトの部分）。この二つのＸ線断面像を比較し、コバルトが分布する領域を抽出する。比較の方法は、画像の強度差、あるいは画像の強度比とする（図７の符号２７のコバルトの部分）。
元素の種類は二種類に限らず、例えば、鉄やコバルトに加えて、ニッケル（Ｎｉ、８．３３３ｋｅＶ、図５の符号１７、図６の符号２２、２３）、銅（Ｃｕ、８．９７９ｋｅＶ、図５の符号１８、図６の符号２３、２４）、亜鉛（Ｚｎ、９．６５９ｋｅＶ、図５の符号１９、図６の符号２４、２５）についても、同様に元素分布の断面像を作成可能である。
得られた鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛が分布するそれぞれの領域に異なる彩色を施し、元素分別したＸ線断面像を作成する（図７の符号２８）。
【符号の説明】１    Ｘ線発生装置部
２    Ｘ線検出器部
３    試料ステージ部
４    ストロンチウム（Ｓｒ）のＫ吸収端（１６．１０５ｋｅＶ）
５    イットリウム（Ｙ）のＫ吸収端（１７．０３８ｋｅＶ）
６    ＳｒのＫ吸収端より低いエネルギー領域
７    ＳｒのＫ吸収端とＹのＫ吸収端との間のエネルギー領域
８    ＹのＫ吸収端より高いエネルギー領域
９    ＳｒのＫ吸収端より低いエネルギー領域で測定したＸ線透過像
１０  ＳｒのＫ吸収端とＹのＫ吸収端との間のエネルギー領域で測定したＸ線透過像
１１  ＹのＫ吸収端より高いエネルギー領域で測定したＸ線透過像
１２  Ｓｒを抽出したＸ線断面像
１３  Ｙを抽出したＸ線断面像
１４  ＳｒとＹを重ね合わせたＸ線断面像
１５  鉄（Ｆｅ）のＫ吸収端（７．１１２ｋｅＶ）
１６  コバルト（Ｃｏ）のＫ吸収端（７．７０９ｋｅＶ）
１７  ニッケル（Ｎｉ）のＫ吸収端（８．３３３ｋｅＶ）
１８  銅（Ｃｕ）のＫ吸収端（８．９７９ｋｅＶ）
１９  亜鉛（Ｚｎ）のＫ吸収端（９．６５９ｋｅＶ）
２０  ＦｅのＫ吸収端より低いエネルギー領域
２１  ＦｅのＫ吸収端とＣｏのＫ吸収端との間のエネルギー領域
２２  ＣｏのＫ吸収端とＮｉのＫ吸収端との間のエネルギー領域
２３  ＮｉのＫ吸収端とＣｕのＫ吸収端との間のエネルギー領域
２４  ＣｕのＫ吸収端とＺｎのＫ吸収端との間のエネルギー領域
２５  ＺｎのＫ吸収端より高いエネルギー領域
２６  Ｘ線透過像
２７  個々のＸ線断面像
２８  重ね合わせたＸ線断面像
【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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