(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査ゾーンに対して、該検査ゾーンを通って延在する回転軸のまわりを回転可能である走査ユニットを含み、前記検査ゾーンを横切る一次放射線ファンビームを生成する放射線源、及び複数の検出器素子を含む２次元検出器アレイも含み、前記２次元検出器アレイの測定表面の一部は、前記一次ファンビームからの一次放射線を検出するのに対し、前記２次元検出器アレイの測定表面の別の部分は、前記検査ゾーンにおいて生成される散乱放射線を検出するコンピュータ断層撮影装置であって、前記一次ファンビームの時間的及び空間的に周期的な変調のための変調ユニットが前記放射線源と前記検査ゾーンとの間に配設され、運動量移動スペクトルの決定のために、個々の前記検出器素子の測定される散乱放射線と、前記一次ファンビームの変調のために用いられる変調信号との間の相互相関が決定され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】
前記変調ユニットが、変調一次ファンビームの強度は時間的に変調され、該変調一次ファンビームの位相位置は空間的に変調されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項３】
前記変調ユニットが、前記回転軸、及び前記放射線源の焦点と前記検出器アレイの中心との間の接続線に対して垂直に延在する変調軸のまわりに円筒状に対称的に配設され、２つの絞り素子を具備し、これらの絞り素子は、前記変調軸に対して正反対に配設され、該変調軸のまわりにらせん状に配設され、該変調軸のまわりを回転可能であることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項４】
前記絞り素子が、前記一次ファンビームの時間的及び空間的な変調のために前記変調軸のまわりを一定角速度で回転可能であることを特徴とする請求項３に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項５】
前記絞り素子が、前記変調軸に沿って延在するシャフト上にらせん状であり、180°オフセットしているように取り付けられ、放射線を通さない絞りブレードのように構成されることを特徴とする請求項３に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項６】
前記変調ユニットが放射線を通さない外壁を持ち、前記絞り素子が２つの放射線透過性スリットによって形成され、これらのスリットが、前記外壁中にらせん状に、且つオフセットしているように延在することを特徴とする請求項３に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項７】
前記一次ファンビームを細分するために、前記変調ユニットが、複数の隣接するファンビームユニットに細分され、該ファンビームユニットの別個の変調のために構成されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【請求項８】
前記変調ユニットが、前記一次ファンビームの正弦波状の時間的及び空間的な変調のために構成されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ断層撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検査ゾーンに対して、該検査ゾーンを通って延在する回転軸のまわりを回転可能である走査ユニットを含み、前記検査ゾーンを横切る一次放射線ファンビーム(primary radiation fan beam)を生成する放射線源、及び複数の検出器素子を含む２次元検出器アレイも含み、前記２次元検出器アレイの測定表面の一部は、前記一次放射線ファンビームからの一次放射線を検出するのに対し、前記２次元検出器アレイの測定表面の別の部分は、前記検査ゾーンにおいて生成される散乱放射線を検出するコンピュータ断層撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のコンピュータ断層撮影装置は、欧州特許出願公開公報第01200652.4号（出願人整理番号：PHDE000032）に記載されている。この装置は、所謂弾性又は干渉性散乱X線(elastic or coherent scattered X-rays)を検出する。既知であるように、このようなX線は、X線量子が散乱プロセスの間にエネルギを損なわない場合に生じ、エネルギの損失を含むタイプの散乱は、コンプトン散乱と呼ばれる。散乱角が小さい（例えば、角度＜10°）場合には弾性散乱が主であるのに対し、散乱角が大きい場合にはコンプトン散乱が主である。コンプトン散乱とは対照的に、弾性的に散乱された放射線は、検査ゾーンの中にある物質のモジュール構造の特徴づけを可能にさせる。
【０００３】
引用した欧州特許出願公開公報第01200652.4号に開示されているコンピュータ断層撮影装置による干渉性散乱放射線の検出を可能にするために、扇状の放射線ビームは、ペンシルビームと呼ばれる多数のセグメントに細分され、故に、回転軸に対して平行な列の中にある検出器素子は、同じセグメントからの一次放射線又は散乱放射線にさらされる。このような多数のセグメントへの細分は、検査ゾーンと検出器アレイとの間に配設されるコリメータ装置の複数のラメラ(lamella)によって実現される。散乱X線量子のエネルギと散乱角（この散乱角は、散乱のないX線量子によってたどられたでろう軌道に対して、散乱X線量子の軌道がなす角度である）の半分の正弦との積に比例する、調べられる運動量移動は、その場合に繰り返しの代数的再構成法(iterative algebraic reconstruction technique)によって再構成され得る。一次ビームによって横切られる検査ゾーンにおける各ボクセル(voxel)に対して、このような再構成は、関連するボクセルにおける物質の特性である運動量移動スペクトル（運動量移動スペクトルは、散乱放射線の強度を運動量移動の関数として表わす）をもたらし、従って、物理的な構成に関して情報を得ることを可能にする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
検査ゾーンと検出器アレイとの間の空間はしばしば非常に限られることから、上記のコンピュータ断層撮影装置においては、放射方向において短いラメラ、例えば、10cm未満の長さを持つラメラしか用いられ得ない。このことは、前記放射線源の方向に発散する一次ファンビームのセグメントをもたらし、最終的に再構成においてアーチファクトをもたらす。それ故、本発明の目的は、個々の検出器素子に入射する干渉性散乱放射線が、運動量移動の明瞭な決定、従って、可能な限りアーチファクトがない再構成を可能にするように、扇状の放射線ビームが影響を及ぼされるように、コンピュータ断層撮影装置を構成することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明によれば、一次ファンビームの時間的及び空間的に周期的な変調のための変調ユニットが放射線源と検査ゾーンとの間に配設されることで達成される。前記放射線源によって生成される前記一次ファンビームのこのような変調のため、該一次ファンビームの各セグメントからの干渉性散乱放射線は、該放射線の該変調のために用いられる変調信号と測定される検出器信号の相関(correlation)によって明瞭に決定され得る。前記放射線源と前記検査ゾーンとの間の区域においては、たいてい、十分な余地がこのような変調ユニットを収容するために利用可能であり、前記変調ユニットは、どちらにしても限られた空間量しか必要としない。更に、上記のコリメータ装置のラメラとは異なり、このような変調ユニットは、前記検査ゾーンと検出器アレイとの間で可能な限り大きな寸法にする必要がない。
【０００６】
他の好ましい実施例は、従属請求項において開示されている。
【０００７】
一次ファンビームは、原則的に、様々な方法で変調され得る。しかしながら、好ましくは、請求項２に開示されている実施例にあるように、前記一次ファンビームの強度が時間的に変調される一方、該一次ファンビームの位相位置(phase position)は空間的に変調される。更に、この変調は、位置及び時間に依存する変調ユニットの透過係数（transmission factor）が可能な限り大きな変化を呈するような変調であると考えられ、これは、とりわけ、前記透過係数が0から1までの範囲を可能な限りカバーすることを意味する。
【０００８】
変調ユニットの構成に関しては多数の可能性がある。請求項３は、好ましい可能性を開示している。この実施例は、変調軸に対して正反対に配設される２つの絞り素子(diaphragm element)を具備し、前記変調軸は、回転軸に対して垂直に、且つ一次ファンビームの伝搬方向の横断方向に延在する。これらの絞り素子は、前記変調軸のまわりにらせん状に配設され、回転によって所望の変調を達成するようにこの軸のまわりを回転することが出来る。このらせん状の構成において、前記絞り素子は、前記変調軸のまわりを一回180°にわたって導かれるが、前記絞り素子は、前記変調軸のまわりを180°の整数倍導かれても良い。
【０００９】
請求項３に開示されているようなコンピュータ断層撮影装置の、とりわけ絞り素子の様々な実施例は、請求項４乃至６に記載されている。
【００１０】
請求項７において示されているように、変調ユニットはまた、各々別個の変調を備える複数の放射線ビームユニットが形成されるように構成され得る。
【００１１】
変調は、正弦波変調関数を選択することにより最も単純な方法で実現され、このことは、位置及び時間に依存する変調ユニットの透過係数が、該位置及び該時間に依存して正弦波状に変化することを意味する。
【００１２】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に記載する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に示されているコンピュータ断層撮影装置は、回転軸１４のまわりを回転することが出来るガントリ１を含み、この目的のため、ガントリ１はモータ２によって駆動される。放射線源S、例えばX線源は、ガントリ１上に取り付けられる。第１絞り装置３２を用いて、まず、円錐状の放射線ビーム４０が生成され、前記ビームは、所謂スリット絞りである第２絞り装置３１に入射し、第２絞り装置３１は、それから、扇状の放射線ビーム４１、即ち、所謂一次ファンビームを形成する。一次ファンビーム４１は、回転軸１４に対して垂直に延在し、小さなスリット幅のため、回転軸１４の方向には小さな寸法（例えば1mm）しか持たない。一次ファンビーム４１は、次いで、変調ユニット３３に入射し、変調ユニット３３は、放射線を時間的及び空間的に変調し、斯くして、変調一次ファンビーム４２をもたらす。
【００１４】
変調一次ファンビーム４２は円筒形の検査ゾーン１３を貫通(penetrate)し、前記検査ゾーン１３中には、例えば、患者テーブル上の患者（両方とも図示せず）又は技術的対象物が検査されるために存在し得る。ファンビーム４２は、検査ゾーン１３を横切った後、２次元検出器アレイDに入射する。２次元検出器アレイDは、ガントリ１上に取り付けられ、行列の形に配設される複数の検出器素子を含む。検出器素子は行及び列の中に配設され、前記列は、回転軸１４に対して平行に延在する一方、前記行は、回転軸に対して垂直な、例えば放射線源Sのまわりの円の弧に沿った面内に延在する。一般的に言えば、検出器の行は、検出器の列（例えば１６個）より著しく多くの検出器素子（例えば１０００個）を有する。一次ファンビーム４２は、図１においてハッチングによって示されている検出器アレイDの中央の検出器の行に入射するように方向づけられる。
【００１５】
モータ５の影響を受けての回転軸１４に沿った検査ゾーン１３の線形運動は、ガントリ１の回転運動に重ねられることができ、放射線源S及び検出器アレイDのらせん状の走査の動きをもたらす。技術的対象物が検査されるものである場合には、ガントリ１が静止し、対象物が回転軸１４のまわりを回転されても良い。
【００１６】
検出器アレイDによって取得される測定データは、所望の画像を再構成する又は別の方法で測定データを評価する画像処理コンピュータ１０に供給される。再構成画像又は決定された他のデータは、表示画面１１上に表示され得る。画像処理コンピュータ１０は、モータ２及び５のように、制御ユニット７によって制御される。
【００１７】
図２は、図１において示されているコンピュータ断層撮影装置の詳細を示している。X線源Sから開始し、第１絞り３２は、円錐状のX線ビーム４０を形成し、X線ビーム４０は、次いで、スリット絞り３１に入射する。この絞りから、一次放射線４１がファンビームの形で出射し、前記ファンビームはまた、所望の変調一次ファンビーム４２が生成されるように変調ユニット３３に入射し、このビームは次いで図２には図示されていない検査ゾーンに入射する。
【００１８】
スリット絞り３１のスリットは、w方向には例えば1mmしかない小さな寸法を持つ。しかしながら、このスリットはv方向には著しく広い。この寸法はまた、X線源Sの焦点、及び検出器Dの中心又はコンピュータ断層撮影装置の回転の中心の間の直接接続線２０と、一次放射線ビーム４１の一次ビーム２１との間の角度を特徴付ける角度Φによって特徴付けられることが出来る。角変数Φは、条件-Φfan/2≦Φ≦Φfan/2を満たし、ここで、Φfan/2は一次ファンビーム４１の角度の半分に相当する。変調ユニット３３は、変調ユニット３３の透過係数T(Φt)が、時間tで角度Φの関数として周期的に変化し、条件0≦T(Φ, t) ≦1が常に満たされるものであるように構成される。一次ファンビーム４１は、このようにして、空間的及び時間的に変調され、このことは、以下に詳細に記載するような検出器アレイDによって測定される散乱放射線の評価のための特別な利点を供給する。
【００１９】
例えば、変調ユニット３３の透過係数Tは、
T(Φ, t) = A0sin(A1・Φ + A2・t)
という法則(rule)に従って選ばれても良い。
【００２０】
この法則から明らかに分かるように、固定角Φの場合には、透過係数は、周波数A2/(2π)で時間の関数として周期的に変化する。この透過法則の位相は、スリット絞り３１のスリットに沿ったv軸の地点でも繰り返され、即ち間隔ΔΦ= 2π/A1ごとに繰り返される。それ故、変数A1は、2πn/Φfanという値を持つはずであり、ここでnは正の整数値を表わす。パラメータnの選択の意義(significance)は、以下に詳細に説明する。
【００２１】
図３及び４は、上記の条件を満たす変調ユニット３３の実施可能な例を示している。図３は、図２と同じ視点からのこのような変調ユニット３３の側面図である。放射線透過性ハウジング(radiation transparent housing)３４中には、v方向に延在する変調軸１６に沿って延在するシャフト３７が示されている。シャフト３７上には、２つの絞り素子３５及び３６が、正反対に位置するように配設され、前記素子はv方向においてシャフト３７のまわりにらせん状に延在する。これらの絞り素子３５及び３７は、例えば、v軸に沿って同じ地点から開始する一方、相対的に180°回転されるように配設される２つのねじ山となぞらえられ得る。
【００２２】
図４は、図３に示されている平面E1、E2、E3及びE4、即ち、v軸に対して垂直に延在する平面に沿った変調ユニット３３の断面図を示している。一次ビーム４３は、図４においては点線で表わされており、変調軸１６を通って延在する。ハウジング３４内の絞り素子３５及び３６が断面図で示されており、この図は、隣接するように様々な断面を示している。絞り素子のハッチングされている場所３５１及び３６１は、平面E1における絞り素子３５及び３６の断面を表わしている。他の場所３５２、３５３及び３５４並びに３６２、３６３及び３６４は、平面E2、E3及びE4における絞り素子３５及び３６の各々の断面を表わしている。このようにして、絞り素子３５及び３６の図示されている断面と、図２に示されている角度Φとの間には線形な関係が存在し、このことは、絞り素子３５及び３６が、考慮に入れられる角度Φに依存して、図４に示されているような断面図において異なる角位置を占めることを意味する。
【００２３】
絞り素子３５及び３６は、好ましくは、アルミニウムなどの材料で作られる。モータ(図示せず)を用いて、絞り素子３５及び３６又はシャフト３７は、一次放射線が固定角Φにおいて時間的に符号化され、変調の位相が、既知であり、角度Φに対して線形に比例するように、絞り素子３５及び３６が既知の位相及び一定角速度で変調軸１６のまわりを回転するように、駆動され得る。図示されている変調ユニット３３の実施例は、切断装置の回転軸のまわりにらせん状に延在する２つの正反対に配設された切断ブレードを具備する手動の芝刈り機の切断装置となぞらえられ得ることに注意されたい。
【００２４】
絞り素子３５及び３６の厚さは、これらの絞り素子が回転される場合に正弦透過(sinusoidal transmission)が得られるような厚さであるよう選ばれる。例えば、上記透過法則の変数A0に対しては値0.495が選ばれることができ、変数A2に対しては値0.505が選ばれることが出来る。図３及び４に示されている変調ユニットは、変調の位相がファンビーム４１に沿った位置に関連づけられる場合に一次放射線４１の強度の時間変調を実現する。
【００２５】
ガントリ１は、測定値の取得のために回転し、故に、検出器アレイDの検出器素子は、複数の角位置から一次放射線及び散乱放射線を検出する。各検出器列の中央の１つ又は複数の検出器素子が一次放射線を検出するのに対して、散乱放射線（二次放射線）は各列において更に外側に位置する検出器素子によって検出される。当該運動量移動のスペクトルが位置u、vの関数として再構成されるものである運動量移動は、散乱X線量子のエネルギと散乱角の半分の正弦との積であることが知られている。運動量移動が決定されることを可能にするために、一方では散乱角が知られなければならず、他方では散乱X線量子のエネルギが知られなければならない。散乱角は、検出器素子の位置及び散乱プロセスが行なわれている一次ファンビーム中の地点の位置によって与えられる。散乱X線量子のエネルギが測定されなければならない（このことは、検出器素子はエネルギ分解測定(energy resolved measurement)が可能であるべきことを意味する）か、又は可能な限り小さい範囲からの量子エネルギを備えるX線（理想的な場合には単色X線）の使用がなされなければならないかのいずれかである。
【００２６】
位置に依存する運動量移動スペクトルを再構成するためには、まず、検出器に達する散乱信号に対して、例えば、D.C.Champeney “Fourier transforms and their physical applications”, Academic Press, 1973に記載されている位相弁別検出を行なう必要がある。この目的のため、相互相関が、所与の検出器素子によって検出される散乱信号、即ち、所与の検出器素子によって測定される散乱放射線と、一次ファンビームの対応セグメントに対して変調ユニットによって生成される正弦変調信号との間で行なわれる。一次ファンビームのこのセグメントは、X線源の焦点と、関連する検出器素子が位置する検出器列とによって決定される平面内に位置する。散乱信号は、常に、関連する散乱が対象物において散乱することにより生じている一次ビームを持つ位相中にあることから、前記相互相関は常に正の結果(positive result)をもたらすのに対し、位相中にない２つの信号の相互相関は零に向かう傾向がある。
【００２７】
ペンシル状のビームの干渉性散乱は、小さな散乱角の場合に最も高い強度値を持ち、散乱角が増大するにつれて零に向かう傾向にある。それ故、所与の検出器素子が考慮に入れられる場合には、関連する検出器素子に入射する散乱の散乱角が増大する場合に一次ファンビームのセグメントからの散乱の寄与は低減する。それ故、散乱角が10°より大きい場合は、干渉性散乱は、一次ファンビームの近傍のセグメントからは検出器素子に達し得ない。それ故、一次ファンビームは、所与の数の、例えば（図２に図示されているような）５つのセクションに細分されることができ、各セクションは同一の位相特性を持つ。この場合には、上記の透過法則のパラメータA1は、値2πn/Φfanを持ち、ここではn = 5であろう。
【００２８】
変調の記載されている可能性に加えて、他の可能性も実施可能である。前記他の可能性は、単に、時間変調が一次ファンビームの各固定された地点において規則正しく変化し、時間変調の位相が一次ファンビームに沿って連続的に変化することが確実にされるに過ぎないものである。
【００２９】
図５は、変調ユニット３３の他の実施例を示している。図５における変調ユニットは、入射X線が略々完全に吸収されるような厚さを持つ材料から作られるハウジング７０を持つ。中空シャフト７１の一方は、変調軸１６のまわりでの変調ユニット３３の回転を可能にするためにモータに接続される。このハウジング中には、２つのらせん状のスリット７２及び７３が設けられ、これらのスリット７２及び７３は、相互にオフセットされ、変調軸１６のまわりに延在し、X線の通過を可能にする。スリット７２及び７３の傾き、回転(turn)の数、スリット７２及び７３の軸方向の長さ及び幅、並びにスリット７２及び７３の相対位置は、所望の変調に適合され、ここでは単なる一例として示されているに過ぎない。このような変調ユニットはまた、一次ファンビームの所望の変調を達成することも出来る。このようにして、一次ファンビームは、図６に示されているようなある種の「櫛」関数に分解され、ここで、「櫛」の「歯」Pは、規則正しく繰り返される(recurrent)ように軸vに沿って延在する。
【００３０】
欧州特許出願公開公報第01200652.4号に記載されているようなコリメータアレイの１つ以上のラメラもまた、検査されるべき対象物と検出器アレイとの間に設けられ得ることにも注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンピュータ断層撮影装置の概略図である。
【図２】図１に示されているようなコンピュータ断層撮影装置の一部を示す。
【図３】本発明による変調ユニットの第１実施例を示す。
【図４】図３に示されているような変調ユニットの断面図である。
【図５】本発明による変調ユニットの第２実施例を示す。
【図６】図５に示されている変調ユニットの透過係数の変化を示す。
【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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