(57)【要約】  本手法は、例えばコンピュータ断層撮影を含むＸ線ベースの撮像に使用するための、ケイ素ベースのエネルギー弁別光子計数検出器の使用に関する。記載された手法は、激突または偏向事象のためにそれらの適切なレベルを下回るエネルギーレベルを有するものとして検出され得る、コンプトン散乱によって影響を受けるＸ線光子の分解能および分類に対処する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数のエネルギースペクトル（１５０、１５２）でＸ線（２０）を放出するように構成されたＸ線源（１２）と、
ケイ素ベースの直接変換材料を含むＸ線検出器（２８）であって、前記Ｘ線検出器（２８）は、動作中に前記透過Ｘ線（２０）に応答して信号を生成するように構成され、前記信号は、各露光間隔について異なるエネルギーレベルで観察された光子計数に対応するＸ線検出器（２８）と、
前記Ｘ線検出器（２８）から前記信号を受信し、観察されたエネルギーレベルに基づいて少なくとも１つのそれぞれのエネルギースペクトル（１５０、１５２）について光子計数データを
第１の閾値を超える一次高エネルギービン（１３２）、
第２の閾値と前記第１の閾値との間の低エネルギービン（１３０）、および
廃棄閾値（１２０、１３６）を超え、前記第２の閾値を下回る二次高エネルギービン（１４０）
の１つにビニングするように構成された処理構成要素と
を備え、
前記処理構成要素は、前記一次高エネルギービン（１３２）および二次高エネルギービン（１４０）について導出された高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を使用し、かつ前記低エネルギービン（１３０）の低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）を使用して１つまたは複数の画像を生成するようにさらに構成される、Ｘ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項２】
前記処理構成要素が、観察されたエネルギーレベルに基づいて前記少なくとも１つのそれぞれのエネルギースペクトル（１５０、１５２）についての前記光子計数データを、少なくとも前記廃棄閾値（１２０、１３６）を下回る光子計数を含む廃棄ビン（１１０）にビニングするようにさらに構成される、請求項１に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項３】
前記第１の閾値が、低エネルギー／高エネルギー閾値（１２２）を含む、請求項１に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項４】
前記第２の閾値が、前記Ｘ線ビーム（２０）の最高エネルギーに基づくコンプトン閾値（１３８）を含む、請求項１に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項５】
前記廃棄閾値（１２０、１３６）が、前記第１の閾値に対応する前記エネルギーレベルで観察可能なコンプトン散乱の最高エネルギーに基づいて設定される、請求項１に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項６】
前記第１の閾値および前記第２の閾値の一方または両方が、観察されたコントラスト対ノイズ比（ＣＮＲ）または線量正規化コントラスト対ノイズ比（ＣＮＲＤ）に基づいて設定される、請求項１に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項７】
１つまたは複数のエネルギースペクトル（１５０、１５２）でＸ線（２０）を放出するように構成されたＸ線源（１２）と、
ケイ素ベースの直接変換材料を含むＸ線検出器（２８）であって、前記Ｘ線検出器（２８）は、動作中に前記透過Ｘ線（２０）に応答して信号を生成するように構成され、前記信号は、各露光間隔について異なるエネルギーレベルで観察された光子計数に対応するＸ線検出器（２８）と、
前記Ｘ線検出器（２８）から前記信号を受信し、観察されたエネルギーレベルに基づいて少なくとも１つのそれぞれの透過エネルギースペクトル（１５０、１５２）について光子計数データを
第１の閾値を超える一次高エネルギービン（１３２）、
第２の閾値と前記第１の閾値との間の低エネルギービン（１３０）、
第３の閾値と前記第２の閾値との間の二次高エネルギービン（１４０）、および
電子ノイズ閾値（１３６）と前記第３の閾値との間の未分解ビン（１５２）
の１つにビニングするように構成された処理構成要素と
を備え、
前記処理構成要素は、前記未分解ビン（１５２）の光子計数に基づいて補正高エネルギー光子計数データおよび補正低エネルギー光子計数データを生成し、前記補正高エネルギー光子計数データおよび低エネルギー光子計数データを使用して１つまたは複数の画像を生成するようにさらに構成される、Ｘ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項８】
前記処理構成要素が、観察されたエネルギーレベルに基づいて前記少なくとも１つのそれぞれの透過エネルギースペクトル（１５０、１５２）についての前記光子計数データを、前記電子ノイズ閾値を下回る廃棄ビン（１１０）にビニングするようにさらに構成される、請求項７に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項９】
前記第１の閾値が、低エネルギー／高エネルギー閾値（１２２）を含み、前記第２の閾値が、前記Ｘ線ビーム（２０）の最高エネルギーに基づくコンプトン散乱閾値（１３８）を含み、前記第３の閾値が、前記第１の閾値に対応するコンプトンエッジ（１５０）を含む、請求項７に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項１０】
前記処理構成要素が、前記一次高エネルギービン（１３２）の前記光子計数または前記一次および二次高エネルギービン（１３２、１４０）の前記光子計数の合計の少なくとも１つを選択することによって前記高エネルギー光子計数データを生成するように構成される、請求項７に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項１１】
前記処理構成要素が、前記未分解ビン（１５２）の前記光子計数に基づいて、スペクトル形状または検出器スペクトル応答関数の一方または両方を使用して前記未分解ビン（１５２）の前記光子計数を分解することによって補正高エネルギー光子計数データおよび補正低エネルギー光子計数データを生成するように構成される、請求項７に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項１２】
前記処理構成要素が、
前記一次高エネルギービン（１３２）および前記二次高エネルギービン（１４０）の前記光子計数を含む、測定された低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）を使用して、かつ測定された高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を使用して初期材料分解を実行することによって初期水面積密度推定値および初期ヨウ素面積密度推定値を導出すること、
フォワードモデルならびに前記初期水面積密度推定値および前記初期ヨウ素面積密度推定値を使用して前記未分解ビン（１５２）の光子計数を分解して高エネルギー光子計数補正項（ΔＮＨＥ）および低エネルギー光子計数補正項（ΔＮＬＥ）を生成すること、および
前記低エネルギー光子計数補正項（ΔＮＬＥ）を使用して前記測定された低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）を補正して補正低エネルギー光子計数を生成し、前記高エネルギー光子計数補正項（ΔＮＨＥ）を使用して前記測定された高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を補正して補正高エネルギー光子計数を生成すること
によって前記未分解ビン（１５２）の前記光子計数に基づいて補正高エネルギー光子計数データおよび補正低エネルギー光子計数データを生成するように構成される、請求項７に記載のＸ線ベースの撮像システム（１０）。
【請求項１３】
Ｘ線光子計数データを分解するための方法であって、
物体を通過するＸ線光子の透過を測定することによって前記物体について測定された透過Ｘ線スペクトルを取得することと、
前記測定された透過スペクトルに基づいて低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）、高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）、および未分解エネルギー光子計数を決定することと、
前記低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）および前記高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を使用して初期材料分解を実行して初期水面積密度推定値および初期ヨウ素面積密度推定値を生成することと、
シミュレートされたスペクトルと、前記初期水面積密度推定値および前記初期ヨウ素面積密度推定値からの減衰とを使用してシミュレートされた透過スペクトルを生成することと、
前記シミュレートされた透過スペクトルおよび前記未分解エネルギー光子計数に基づいて、低エネルギー光子計数補正（ΔＮＬＥ）および高エネルギー光子計数補正（ΔＮＨＥ）を生成することと、
前記低エネルギー光子計数補正（ΔＮＬＥ）を使用して前記低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）を補正して補正低エネルギー光子計数を生成し、前記高エネルギー光子計数補正（ΔＮＨＥ）を使用して前記高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を補正して補正高エネルギー光子計数を生成することと、
前記補正低エネルギー光子計数および前記補正高エネルギー光子計数を使用して後続の材料分解を実行して補正水面積密度推定値および補正ヨウ素面積密度推定値を生成することと
を含む、方法。
【請求項１４】
前記低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）、前記高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）、および前記未分解エネルギー光子計数を決定することが、前記測定された透過スペクトルに対してビニング動作を実行することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記初期水面積密度推定値および前記初期ヨウ素面積密度推定値が、前記未分解エネルギー光子計数を分解するために使用されるスペクトル形状またはスペクトル応答関数の一方または両方を導出するために使用される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記未分解エネルギー光子計数が、コンプトン散乱を受けたＸ線光子に対応する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
Ｘ線光子計数データを分解するための方法であって、
物体を通るＸ線光子の透過を測定することによって前記物体について測定された透過スペクトルを取得することと、
低エネルギー／高エネルギー閾値（１２２）を超える光子、およびコンプトン散乱を受け、前記低エネルギー／高エネルギー閾値（１２２）のコンプトンエッジ（１５０）を超え、前記Ｘ線ビーム（２０）の最高エネルギー光子の前記コンプトンエッジ（１５０）を下回る検出されたエネルギーをもたらす光子を考慮することによって高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を決定することと、
前記Ｘ線ビーム（２０）の前記最高エネルギー光子の前記コンプトンエッジ（１５０）を超え、前記低エネルギー／高エネルギー閾値（１２２）を下回る光子を考慮することによって低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）を決定することと、
前記低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）および前記高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を使用して材料分解を実行して水面積密度推定値およびヨウ素面積密度推定値を生成することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記水面積密度推定値または前記ヨウ素面積密度推定値の一方または両方に基づいて１つまたは複数の画像を生成することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記低エネルギー／高エネルギー閾値（１２２）の前記コンプトンエッジ（１５０）を下回る廃棄閾値（１２０、１３６）を下回る光子を廃棄することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）および前記高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）を決定することが、前記測定された透過スペクトルに対してビニング動作を実行することを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、材料分解の場面におけるような、ケイ素ベースの光子計数検出器を含む、エネルギー弁別光子計数検出器の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
非侵襲的撮像技術は、被検体（患者、製造品、手荷物、包装、または乗客）の内部構造または特徴の画像を非侵襲的に得ることを可能にする。特に、そのような非侵襲的撮像技術は、データを取得し、画像を構築し、あるいは被検体の内部特徴を表すために、ターゲット体積を通るＸ線の差動透過または音波の反射などの様々な物理的原理に依存している。
【０００３】
例えば、Ｘ線ベースの撮像技術では、Ｘ線放射が人間の患者などの対象とする被検体に及び、放射の一部が検出器に衝突し、そこで強度データが収集される。デジタルＸ線システムでは、検出器は、検出器表面の個別のピクセル領域に衝突する放射の量または強度を表す信号を発生する。その後、信号を処理して、検討のために表示することができる画像を生成することができる。
【０００４】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）として知られる１つのそのようなＸ線ベースの技法では、スキャナは、Ｘ線源からの扇形または円錐形のＸ線ビームを、患者などの撮像されている物体の周りの多数の視野角位置に投影し得る。Ｘ線ビームは、物体を横切るときに減衰され、検出器における入射Ｘ線強度の強度を表す信号を発生する一組の検出器要素によって検出される。信号は、処理されてＸ線経路に沿った物体の線形減衰係数の線積分を表すデータを発生する。これらの信号は、典型的には、「投影データ」または単に「投影」と呼ばれる。フィルタ補正逆投影法などの再構築技法を使用することによって、患者または撮像された物体の対象とする領域の体積または体積レンダリングを表す画像を生成することができる。医療の場面では、次に再構築された画像またはレンダリングされた体積から病状または他の対象とする構造を特定または識別することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１０６３４８Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、これらのタイプの撮像技法で使用される放射検出器は、エネルギー積分（すなわち、取得間隔中に蓄積された全積分エネルギーの読み出し）モードまたは光子計数（各個々のＸ線光子が検出され、そのエネルギーが特徴付けられる）モードで動作する。エネルギー積分は、ほとんどの臨床用途におけるＸ線検出器の従来のモードである。しかしながら、エネルギー積分読み出し手法は、読み出し動作を含む、検出器に関連する電子ノイズが利用可能な信号を圧倒する可能性がある低フラックス撮像用途ではうまく機能しない。当業者に明らかなように、光子計数検出器は、分解能の向上、検出された光子を最適に重み付けすることによるコントラスト対ノイズ比を改善する能力、Ｘ線ビームの材料をより良好に描写する能力など、エネルギー積分検出器と比較して他の利点を提供する。
【０００７】
いくつかの用途では、光子計数は、エネルギー積分手法に関連する全積分エネルギー情報よりも興味深いものである。陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）用の従来のシンチレータベースの光子計数検出器は、高価であり、ＣＴなどの高計数率用途には実用的ではないケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を利用する。さらに、いくつかの光子計数手法は、検出された光子のエネルギーに関する情報なしで生の光子計数データのみをもたらすなど、それらが発生する情報のタイプにおいて制限される可能性がある。
【０００８】
対照的に、二重エネルギー（例えば、高および低エネルギー撮像）および／または材料分解撮像などの特定の技法は、一般的な意味で光子計数だけでなく、所与の露光間隔についてのスペクトル情報を得ることからも利益を得る。すなわち、そのような技法は、それぞれのエネルギービンに分割され、したがって異なるエネルギーでの光子事象を弁別し、それによって異なる光子エネルギー範囲で観察される光子の数を決定および計数する光子計数を利用する。この必要性に対処するために、特定のエネルギー弁別光子計数Ｘ線検出器技術を用いることができる。特定の場合には、そのような手法は、シンチレータベースの中間変換および後続の生成された光学光子の検出を用いる技法とは対照的に、入射Ｘ線を測定可能な信号（すなわち、直接変換材料を使用して生成される電子正孔対）に直接変換する検出媒体を用いる。
【０００９】
そのような直接変換材料の例は、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）およびテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む。しかしながら、これらの材料は、実際には対象となり得るより高い入射計数率が可能ではない。あるいは、ケイ素ストリップを直接変換のエネルギー弁別光子計数検出器の一部として用いることができる。そのようなケイ素ストリップベースの検出器は、ＣＺＴまたはＣｄＴｅ検出器よりも高い入射光子計数率が可能であり得る。しかしながら、ケイ素ストリップベースの検出器による主な減衰メカニズムは、コンプトン散乱であり、これは検出器の関連するエネルギー応答関数における線量効率およびスペクトル忠実度を実質的に低下させる可能性がある。特に、そのようなコンプトン散乱事象は、典型的には、そのエネルギーの一部を通過する際に相互作用する粒子（すなわち、偏向または散乱粒子）に伝達するＸ線光子をもたらし、それによってＸ線光子のエネルギーを変化させる（すなわち、低下させる）と共に、その軌道を潜在的に変化させる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施形態では、Ｘ線ベースの撮像システムが提供される。この実施形態によれば、Ｘ線ベースの撮像システムは、１つまたは複数のエネルギースペクトルでＸ線を放出するように構成されたＸ線源と、ケイ素ベースの直接変換材料を含むＸ線検出器とを含む。Ｘ線検出器は、動作中に透過Ｘ線に応答して信号を生成するように構成され、信号は、各露光間隔について異なるエネルギーレベルで観察された光子計数に対応する。Ｘ線ベースの撮像システムはまた、Ｘ線検出器から信号を受信し、観察されたエネルギーレベルに基づいて少なくとも１つのそれぞれのエネルギースペクトルについて光子計数データを第１の閾値を超える一次高エネルギービン、第２の閾値と第１の閾値との間の低エネルギービン、および廃棄閾値を超え、第２の閾値を下回る二次高エネルギービンの１つにビニングするように構成された処理構成要素を含む。処理構成要素は、一次高エネルギービンおよび二次高エネルギービンについて導出された高エネルギー光子計数を使用し、かつ低エネルギービンの低エネルギー光子計数を使用して１つまたは複数の画像を生成するようにさらに構成される。
【００１１】
別の実施形態では、Ｘ線ベースの撮像システムが提供される。この実施形態によれば、Ｘ線ベースの撮像システムは、１つまたは複数のエネルギースペクトルでＸ線を放出するように構成されたＸ線源と、ケイ素ベースの直接変換材料を含むＸ線検出器とを含む。Ｘ線検出器は、動作中に透過Ｘ線に応答して信号を生成するように構成され、信号は、各露光間隔について異なるエネルギーレベルで観察された光子計数に対応する。Ｘ線ベースの撮像システムはまた、Ｘ線検出器から信号を受信し、観察されたエネルギーレベルに基づいて少なくとも１つのそれぞれの透過エネルギースペクトルについて光子計数データを第１の閾値を超える一次高エネルギービン、第２の閾値と第１の閾値との間の低エネルギービン、第３の閾値と第２の閾値との間の二次高エネルギービン、および電子ノイズ閾値と第３の閾値との間の未分解ビンの１つにビニングするように構成された処理構成要素を含む。処理構成要素は、未分解ビンの光子計数に基づいて補正高エネルギー光子計数データおよび補正低エネルギー光子計数データを生成し、補正高エネルギー光子計数データおよび低エネルギー光子計数データを使用して１つまたは複数の画像を生成するようにさらに構成される。
【００１２】
さらなる実施形態では、Ｘ線光子計数データを分解するための方法が提供される。この方法によれば、測定された透過Ｘ線スペクトルは、物体を横切るＸ線光子を測定することによって物体について取得される。測定された透過スペクトルに基づいて、低エネルギー光子計数、高エネルギー光子計数、および未分解エネルギー光子計数が決定される。初期材料分解が低エネルギー光子計数および高エネルギー光子計数を使用して実行され、初期水面積密度推定値および初期ヨウ素面積密度推定値を生成する。シミュレートされた透過スペクトルは、シミュレートされたスペクトルと、初期水面積密度推定値および初期ヨウ素面積密度推定値からの減衰とを使用して生成される。シミュレートされた透過スペクトルおよび未分解エネルギー光子計数に基づいて、低エネルギー光子計数補正および高エネルギー光子計数補正が生成される。低エネルギー光子計数は、低エネルギー光子計数補正を使用して補正されて補正低エネルギー光子計数を生成し、高エネルギー光子計数は、高エネルギー光子計数補正を使用して補正されて補正高エネルギー光子計数を生成する。後続の材料分解は、補正低エネルギー光子計数および補正高エネルギー光子計数を使用して実行され、補正水面積密度推定値および補正ヨウ素面積密度推定値を生成する。
【００１３】
別の実施形態では、Ｘ線光子計数データを分解するための方法が提供される。この方法によれば、測定された透過スペクトルは、物体を通るＸ線光子の透過を測定することによって物体について取得される。高エネルギー光子計数は、低エネルギー／高エネルギー閾値を超える光子、およびコンプトン散乱を受け、低エネルギー／高エネルギー閾値のコンプトンエッジを超え、Ｘ線ビームの最高エネルギー光子のコンプトンエッジを下回る検出されたエネルギーをもたらす光子を考慮することによって決定される。低エネルギー光子計数は、Ｘ線ビームの最高エネルギー光子のコンプトンエッジを超え、低エネルギー／高エネルギー閾値を下回る光子を考慮することによって決定される。材料分解が低エネルギー光子計数および高エネルギー光子計数を使用して実行され、水面積密度推定値およびヨウ素面積密度推定値を生成する。
【００１４】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読解すればより良好に理解され、添付の図面においては、図面全体を通して同一の符号は同一の部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の態様による、患者のＣＴ画像を取得して画像を処理するように構成されたコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムの一実施形態の概略図である。
【図２】本開示の態様による、様々な入射エネルギーレベルでのケイ素ベースの光子計数検出器のスペクトル応答を示す図である。
【図３】本開示の態様による、２４ｃｍの水を横切った後の１４０ｋＶでの検出されたスペクトルを示す図である。
【図４】本開示の態様による、廃棄閾値を下回る光子計数がさらなる動作から廃棄される第１のビニング構成を示す図である。
【図５】本開示の態様による、廃棄閾値とコンプトン閾値との間の光子計数がさらなる動作のために二次高エネルギービンでビニングされる第２のビニング構成を示す図である。
【図６】本開示の態様による、廃棄されたコンプトン散乱光子（最も左側のグラフ）および利用されたコンプトン散乱光子（最も右側のグラフ）についての低および高エネルギーでのスペクトルを示す図である。
【図７】本開示の態様による、電子ノイズ閾値とさらなる閾値との間の光子計数が後続の分解のために未分解エネルギービンでビニングされる第３のビニング構成を示す図である。
【図８】本開示の態様による、未分解光子計数を分解するためのプロセスフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１つまたは複数の具体的な実施形態を、以下に記載する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供することを目的として、実際の実施態様のすべての特徴は、本明細書には記載されないことがある。あらゆるエンジニアリングまたは設計プロジェクトなどの実際の実施態様の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応など実施態様に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施態様ごとに異なる可能性があることを理解されたい。さらに、このような開発努力は、複雑で時間がかかるが、それでもなお本開示の利益を有する当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることを理解されたい。
【００１７】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「１つの（ａ）、（ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つまたは複数存在することを意味するものとする。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的なものであって、列挙した要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものとする。さらに、以下の説明におけるあらゆる数値例は非限定的なものであり、したがって追加の数値、範囲および百分率は開示している実施形態の範囲内にあるものとする。
【００１８】
以下の説明は一般に医用撮像の場面で提供されるが、本技法はそのような医療の場面に限定されないことを理解されたい。実際に、そのような医療の場面における例および説明の提供は、現実の実施態様および用途の事例を提供することによって説明を容易にすることに過ぎない。しかしながら、本手法は、製造された部品または商品の非破壊検査（すなわち、品質管理または品質検討用途）、および／または包装、箱、荷物の非侵襲的検査など（すなわち、セキュリティまたはスクリーニング用途）の他の場面でも利用することができる。一般に、本手法は、光子計数の場面におけるエネルギー弁別が望ましい、任意の撮像またはスクリーニングの場面において望ましい可能性がある。
【００１９】
本明細書で説明されるように、エネルギー分解光子計数検出器は、従来のエネルギー積分検出器では利用可能ではないスペクトル情報を提供することができる。あるタイプのエネルギー弁別光子計数検出技術は、直接変換センサ材料としてケイ素ストリップを用いる。直接変換材料としてのケイ素の使用は、ＣＺＴまたはＣｄＴｅなどの他の直接変換材料で得ることができるよりも高い計数率能力を提供するかもしれないが、コンプトン吸収メカニズムのためにスペクトル忠実度が低下するという潜在的なコストがかかる。特に、ＣＺＴおよびＣｄＴｅと比較してケイ素の原子番号が比較的小さいため、コンプトン散乱が吸収メカニズムとして支配的であるのに対して、光電吸収は、ＣＺＴおよびＣｄＴｅ直接変換センサにおいて支配的である。その結果、ケイ素直接変換センサのより高いＸ線エネルギーでは、Ｘ線光子の大部分は、光電効果に対してコンプトン効果（すなわち、散乱相互作用による部分エネルギー損失）を示す（すなわち、検出器における実質的に完全なエネルギー蓄積−直接変換Ｘ線検出器にとって望ましいメカニズム）。コンプトン効果を示すＸ線光子におけるエネルギーの部分損失に関して、散乱事象によって失われるエネルギーは、偏向角と初期エネルギーの関数である。ケイ素ベースの検出器を使用して観察されるコンプトン効果を示すＸ線光子の大部分は、より悪いエネルギー分解能をもたらし、観察された堆積エネルギーに基づいてＸ線光子の正しいエネルギーレベルを決定することを困難にする。例として、ケイ素ベースの光子計数検出器は、その検出器応答において約６６％のコンプトン散乱を有する可能性があり、これはスペクトル忠実度および線量効率を低下させる。
【００２０】
理論的には、デコンボリューション手法を使用して検出されたスペクトルから元のスペクトルを復元し、それによってコンプトン効果に起因する損失に対処することができる。しかしながら、実際には、この手法は、検出されたスペクトルが臨床的または非実験室の設定で典型的には利用可能なものを超えて、非常に高いエネルギー分解能を有する場合にのみ可能である。したがって、実際の用途では、ケイ素ベースの検出器は、デコンボリューションタイプのアルゴリズムには不十分な、測定事象を分類および特徴付けるための限られた数のエネルギービンを有するだけである。
【００２１】
本手法は、コンプトン散乱光子から有用な情報を抽出するために、ケイ素ベースの光子計数Ｘ線検出器におけるコンプトン散乱のこれらの影響に異なる方法で対処する。これらの技法は、コンピュータ断層撮影検出器または他の適切なタイプの放射線写真用Ｘ線検出器などのケイ素ベースの光子計数検出器の二重または多重エネルギー性能を改善する。
【００２２】
前述の説明を念頭に置いて、図１は、本明細書で説明されるエネルギー弁別光子計数手法の態様による、画像データを取得および処理するための撮像システム１０の一実施形態を示す。図示の実施形態では、システム１０は、複数のエネルギースペクトル（二重エネルギーの状況における高および低エネルギースペクトルまたは光子計数の状況における多重エネルギースペクトルなど）でＸ線投影データを取得し、組織または材料タイプを特徴付けるための材料分解を含む投影データを処理し、かつ表示および分析のために、投影データを体積再構築へと再構築するように設計されたコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムである。ＣＴ撮像システム１０は、撮像セッション中に、異なるエネルギー特性を有する複数のスペクトルでのＸ線生成を可能にする１つまたは複数のＸ線管または固体放出構造などの１つまたは複数のＸ線源１２を含む。例えば、放出スペクトルは、それらの平均値、中央値、最頻値、最大値、または最小値のＸ線エネルギーの１つまたは複数において異なってもよい。
【００２３】
例として、一実施形態では、Ｘ線源１２（例えば、Ｘ線管）は、比較的低エネルギーの多色放射スペクトル（例えば、約８０ｋＶｐのＸ線管動作電圧）と、比較的高エネルギーの多色放出スペクトル（例えば、約１４０ｋＶｐのＸ線管動作電圧）との間で切り換えられてもよい。理解されるように、Ｘ線源（単数または複数）１２は、本明細書に列挙したもの以外のエネルギーレベル（すなわち、特定のｋＶｐ範囲を含むスペクトル）付近に局在する多色スペクトルで、および／または所与の検査に対して２つより多い放出スペクトルで放出することができる。放出のためのそれぞれのエネルギーレベルの選択は、少なくとも部分的には、撮像される解剖学的構造および組織の特徴付けのために対象とする材料に基づいてもよい。
【００２４】
特定の実施態様では、源１２は、Ｘ線ビーム２０を操縦し、Ｘ線ビーム２０の高強度領域の形状および／または範囲を画定し、Ｘ線ビーム２０のエネルギープロファイルを制御または画定し、かつ／または対象とする領域内にない患者２４の部分へのＸ線露光を制限するために使用され得るフィルタアセンブリまたはビーム整形器２２に近接して配置することができる。実際には、フィルタアセンブリまたはビーム整形器２２は、源１２と撮像体積との間でガントリ内に組み込まれてもよい。
【００２５】
Ｘ線ビーム２０は、被検体（例えば、患者２４）または対象とする物体（例えば製造された構成要素、手荷物、包装など）が配置されている領域に入る。被検体は、Ｘ線２０の少なくとも一部を減衰させ、その結果、本明細書で説明されるように複数の検出器要素（例えば、ピクセル）によって形成された検出器アレイ２８に作用する減衰したＸ線２６が生じる。本明細書で説明されるように、検出器２８は、その出力が測定された位置で、スキャンまたは撮像セッションに対応する時間間隔にわたって検出器に衝突する光子の数とエネルギーに関する情報を伝えるエネルギー弁別光子計数検出器を含む光子計数検出器であり得る。特定のそのような実施形態では、エネルギー弁別光子計数検出器は、ケイ素ストリップに基づく検出器などの直接変換タイプの検出器（すなわち、シンチレータ中間変換を用いない）であり得る。
【００２６】
各検出器要素は、ビームが検出器２８に当たる間隔中に検出器要素の位置で入射Ｘ線光子（例えば、入射光子のエネルギーおよび数）を表す電気信号を発生する。電気信号を取得して処理し、１つまたは複数の投影データセットを生成する。図示の例では、検出器２８は、システムコントローラ３０に結合されており、システムコントローラ３０は検出器２８によって生成されたデジタル信号の取得を命令する。
【００２７】
システムコントローラ３０は、フィルタ化、検査および／または較正プロトコルを実施するように撮像システム１０の動作を命令し、取得したデータを処理することができる。Ｘ線源１２に関して、システムコントローラ３０は、Ｘ線検査シーケンスのために電力、焦点場所、制御信号などを供給する。特定の実施形態によれば、システムコントローラ３０は、フィルタアセンブリ２２、ＣＴガントリ（またはＸ線源１２および検出器２８が取り付けられる他の構造的支持体）、ならびに／または検査の過程にわたる患者支持体の並進および／もしくは傾斜の動作を制御し得る。
【００２８】
加えて、システムコントローラ３０は、モータコントローラ３６を介して、撮像システム１０の構成要素および／または被検体２４を移動させるために使用される線形位置決めサブシステム３２および／または回転サブシステム３４の動作を制御することができる。システムコントローラ３０は、信号処理回路および関連するメモリ回路を含むことができる。そのような実施形態では、メモリ回路は、Ｘ線源１２および／またはフィルタアセンブリ２２を含む撮像システム１０を動作させ、本明細書で説明されるステップおよびプロセスに従って、検出器２８によって取得されたデジタル測定値を処理するためにシステムコントローラ３０によって実施されるプログラム、ルーチン、および／または符号化アルゴリズムを記憶し得る。一実施形態では、システムコントローラ３０は、プロセッサベースのシステムの全部または一部として実装することができる。
【００２９】
源１２は、システムコントローラ３０内に含まれるＸ線コントローラ３８によって制御することができる。Ｘ線コントローラ３８は、電力、タイミング信号、および／または焦点サイズおよびスポット場所を源１２に提供するように構成することができる。加えて、いくつかの実施形態では、Ｘ線コントローラ３８は、システム１０内の異なる場所にある管またはエミッタが互いに同期して、もしくは互いに独立して動作することができるように源１２を選択的に作動させ、または撮像セッション中に異なるエネルギープロファイル間で源を切り替えるように構成され得る。
【００３０】
システムコントローラ３０は、データ取得システム（ＤＡＳ）４０を含むことができる。ＤＡＳ４０は、検出器２８からのデジタル信号など、検出器２８の読み出し電子回路によって収集されたデータを受信する。次に、ＤＡＳ４０は、コンピュータ４２などのプロセッサベースのシステムによる後続の処理のためにデータを変換および／または処理することができる。本明細書で説明される特定の実施態様では、検出器２８内の回路は、データ取得システム４０への送信前に検出器のアナログ信号をデジタル信号に変換することができる。コンピュータ４２は、コンピュータ４２によって処理されたデータ、コンピュータ４２によって処理されるべきデータ、またはコンピュータ４２の画像処理回路４４によって実施される命令を記憶することができる１つまたは複数の非一時的メモリ装置４６を含むかまたはそれらと通信することができる。例えば、コンピュータ４２のプロセッサは、メモリ４６に記憶された１つまたは複数の命令セットを実施することができ、メモリ４６は、コンピュータ４２のメモリ、プロセッサのメモリ、ファームウェア、または同様のインスタンス化であってもよい。
【００３１】
コンピュータ４２はまた、オペレータワークステーション４８を介してオペレータによって提供される命令およびスキャンパラメータに応答してなど、システムコントローラ３０によって可能にされる機能（すなわち、スキャン動作およびデータ取得）を制御するように適合することができる。システム１０はまた、オペレータが関連するシステムデータ、撮像パラメータ、生の撮像データ、再構成データ（例えば、軟組織画像、骨画像、セグメント化された血管樹など）、材料基礎画像、および／または材料分解などを見ることを可能にするオペレータワークステーション４８に結合されたディスプレイ５０を含むことができる。加えて、システム１０は、オペレータワークステーション４８に結合され、任意の所望の測定結果を印刷するように構成されたプリンタ５２を含むことができる。ディスプレイ５０およびプリンタ５２はまた、（図１に示すように）直接またはオペレータワークステーション４８を介してコンピュータ４２に接続されてもよい。さらに、オペレータワークステーション４８は、画像保管通信システム（ＰＡＣＳ）５４を含むか、またはそれに結合することができる。ＰＡＣＳ５４は、遠隔システムまたはクライアント５６、放射線科情報システム（ＲＩＳ）、病院情報システム（ＨＩＳ）、または内部もしくは外部のネットワークに結合することができ、そのようにして様々な場所の第三者が画像データにアクセスすることができる。
【００３２】
全体的な撮像システム１０の前述の説明を念頭に置き、図２および図３を参照して、コンプトン散乱Ｘ線光子から情報を抽出する本手法のさらなる文脈を確立するために、スペクトル応答のさらなる説明を提供する。図２を参照すると、いくつかの典型的な入射エネルギーレベル（例えば、３０ｋｅＶ、５０ｋｅＶ、７０ｋｅＶ、９０ｋｅＶ、１１０ｋｅＶ、および１３０ｋｅＶ）でのケイ素ベースの光子計数検出器のスペクトル応答が示されている。逆に、図３は、２４ｃｍの水ファントムのスキャンについて、１４０ｋＶｐで動作するＸ線管から検出された制動放射スペクトル、すなわち、二重エネルギー撮像の状況における一般的な「高」エネルギースペクトルを示す。図２に示すように、所与の入射エネルギーのスペクトル応答関数は、入射エネルギーにおけるピークまたは「デルタパルス」１００と、コンプトン散乱によって引き起こされる低エネルギーにおける半一定プラトー１０４とからなる（すなわち、高エネルギーＸ線光子は、それらのエネルギーの一部を「喪失」し、散乱事象において偏向し、それによってスペクトルの低エネルギー端で検出される）。このコンプトン散乱は、ケイ素ベースの検出器を使用するときに、検出されたスペクトルの低エネルギーにおける光子の大部分の原因となる。
【００３３】
図３を参照すると、図３のプロットされたスペクトルは、Ｘ線管が１４０ｋＶｐで動作するときの２４ｃｍの水ファントムのスキャンに対するものである。理解され得るように、スペクトルが撮像物体によって減衰されると、スペクトルのコンプトン散乱部分（すなわち、スペクトルの低またはより低エネルギー端）は、大部分の低エネルギー光電光子が物体によって吸収されるので、光電部分（すなわち、スペクトルの高またはより高エネルギー端）からよりよく分離される。
【００３４】
以下の図および説明は、ケイ素ベースの光子計数検出器の状況においてコンプトン散乱の影響を処理するための様々な手法を記載している。
【００３５】
図４〜図６は、取得したデータセットのコンプトン散乱光子に対処するための特定の手法を示す。図４では、すべての潜在的な電子ノイズおよびコンプトン散乱事象（選択された廃棄閾値１２０を下回る事象）が廃棄され（廃棄セットまたはビン１１０）、これは、この例ではさらなる計算および動作から多数の検出された光子すべてを廃棄することからなる。残りの観察された光子計数は、特定された低エネルギー／高エネルギー閾値１２２に対するそれらの観察されたエネルギーに基づいて低エネルギービン１３０と高エネルギービン１３２との間でビニングされる。
【００３６】
逆に、図５では、ビニング戦略が用いられ、ここでは廃棄可能な電子ノイズ（廃棄ビン１１０）と有用な情報を抽出するために回収またはビニングされる可能性があるコンプトン散乱事象とを区別するために別々の廃棄閾値１３６およびコンプトン散乱閾値１３８が用いられる。廃棄閾値１３６は、一次高エネルギー事象と一次低エネルギー事象とを区別するために閾値１２２として使用されるエネルギーレベルで観察可能なコンプトン散乱の最高エネルギーであるなど、低エネルギー（ＬＥ）／高エネルギー（ＨＥ）閾値１２２の関数として決定することができる。すなわち、最適化された廃棄閾値１３６は、低エネルギー／高エネルギー閾値１２２における光子のコンプトンエッジとして特徴付けることができる。同様に、コンプトン閾値１３８および低エネルギー／高エネルギー閾値１２２の閾値最適化は、最高のコントラスト対ノイズ比（ＣＮＲ）または線量正規化コントラスト対ノイズ比（ＣＮＲＤ）についてスクリーニングすることによって達成することができる。コンプトン閾値１３８はまた、Ｘ線ビームの最高エネルギーの光子のコンプトン散乱から生じる可能性のある最高エネルギーのコンプトン散乱事象、すなわち図３に示すスペクトルに対する１４０ｋｅＶの光子に対しては約５０ｋｅＶに基づいて選択され得る。
【００３７】
例として、図５では、低エネルギー光子と高エネルギー光子とを区別するためのエネルギー閾値１２２が図５に示すように６５ｋｅＶであると特定される場合、次に廃棄閾値は、６５ｋｅＶの入射エネルギーからのコンプトン散乱の最高エネルギーである１３ｋｅＶであると特定することができる。１３ｋｅＶと閾値１３８（ここでは図４のように約４０ｋｅＶ）との間の観察された光子は、コンプトン散乱事象を介してエネルギーを失い、低エネルギーコンプトン散乱事象として観察または測定されている高エネルギー光子の入射によって主にまたは完全に引き起こされるので、このビン（すなわち、ビン１４０）で観察された光子は、高エネルギー光子として計数され、廃棄ビン１１０と低エネルギービン１３０との間に二次高エネルギービン１４０を効果的に作り出す。２つの高エネルギービンの計数を組み合わせて、材料分解画像、軟組織画像、骨画像、セグメント化された血管樹などのような１つまたは複数の画像の生成において低エネルギー計数データと併せて使用することができる。
【００３８】
このビニング戦略は、スペクトル分離および線量効率に大きな影響を与える。図６は、図４に示す手法による廃棄されたコンプトン散乱光子（最も左側のグラフ）および図５に示す手法による利用されたコンプトン散乱光子（最も右側のグラフ）についての低および高エネルギーでのスペクトルを示す。これらの例では、低および高エネルギースペクトルは、２４ｃｍの水を通して、４０ｋｅＶのコンプトン閾値で得られた。示すように、低エネルギースペクトル１５０は変化しないが、コンプトン散乱事象が利用される高エネルギースペクトル１５２は、そのような事象が廃棄される場所よりも高く、その結果、実質的により有用な高エネルギー事象が検出される。
【００３９】
特徴付けられた低エネルギー事象と高エネルギー事象との間の不均衡は、図５に示すビニング手法から観察され得、これはそのような不均衡が観察されるノイズ特性を増幅し得るので、材料分解の場面において最適にはなり得ない。しかしながら、エネルギー閾値１２２をより高くシフトすることは、廃棄閾値１３６もそれに従ってより高くシフトされ、これはより多くの光子が廃棄されることを意味するので、低エネルギーフラックスと高エネルギーフラックスとの間のこの不均衡に対する満足のいく解決策ではない。したがって、場合によっては、平衡フラックスと線量効率の間にトレードオフがある場合がある。
【００４０】
この状況に対処するために、追加の実施態様を用いることができる。図７に示すように、一例では、このさらなる実施態様は、一次低エネルギー／高エネルギー閾値１２２を約７０〜７５ｋｅＶなどに増加させ、廃棄閾値を電子ノイズをわずかに上回るように低下させ、閾値は、例えば約５ｋｅＶまでの電子ノイズ閾値１３６として表される。上述のように低エネルギー／高エネルギー閾値１２２に基づいて決定されるコンプトンエッジ１５０は、これらの状況では約１８〜２０ｋｅＶである。したがって、検出された光子が低エネルギービンと高エネルギービンの両方に由来する未分解または混合エネルギービン１５２が存在する。
【００４１】
未分解ビン１５２の低エネルギー光子と高エネルギー光子の混合物は、様々な手法を使用して分解することができる。一実施態様では、電子ノイズ閾値１３６から低エネルギー／高エネルギー閾値のコンプトンエッジまたは閾値１５０までのＸ線光子は、少なくとも一次低エネルギーおよび高エネルギービン１３０、１３２内に明確に含まれるＸ線光子から導出され得るスペクトル形状およびスペクトル応答関数を使用して分解され得る。補正高エネルギー計数を組み合わせて、材料分解画像、軟組織画像、骨画像、セグメント化された血管樹などのような１つまたは複数の画像の生成において補正低エネルギー計数データと併せて使用することができる。
【００４２】
例として、図８は、フォワードモデルを使用してビン１５２の低エネルギー光子と高エネルギー光子の混合物を分解する１つの材料分解手法のステップを示すフローチャートを示す。この手法では、測定されたデータは、最初にビン１１０および１５２のデータを廃棄し、水およびヨウ素の面積密度、すなわち水およびヨウ素密度分布の投影データを導出する標準的な材料分解プロセスを受ける。未分解ビン１５２の測定された計数は次に、水およびヨウ素面積密度推定値を、検出器応答および材料分解プロセスをエミュレートするフォワードモデルに供給して補正項（すなわち、Δ）を生成することによって分解される。低および高エネルギーでの分解された計数は、測定された計数に加算され、最終的な材料分解が低および高エネルギービンの補正計数に基づいて実行される。
【００４３】
より詳細な説明として、図８のフローチャートは、Ｘ線管放出スペクトルＳ０（Ｅ）および撮像を受けている物体に基づいて、Ｘ線スペクトルが物体によって減衰され（ブロック１８０）、透過スペクトルＳ（Ｅ）が得られる例を示す。透過スペクトルは、光子計数検出によって検出され（ブロック１８２）、低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）、高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）、および分解されるべき光子計数（Ｎｍｉｘ）を生成するように（図７で説明したビニング動作に基づいて）処理される。
【００４４】
図示の例では、低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）および高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）は、他の出力の中でも特に、ヨウ素面積密度推定値および水面積密度推定値をもたらす材料分解プロセス１８４で使用される。シミュレートされたスペクトルＳ０（Ｅ）（これは初期透過スペクトルに対応する）は、導出された水およびヨウ素面積密度推定値に基づいて減衰され（ブロック１９０）、シミュレートされた透過信号に対する透過スペクトルＳ（Ｅ）を決定する。次いで、分解されるべき光子計数（Ｎｍｉｘ）は、シミュレートされた透過スペクトルと共に、光子計数検出器モデル１９２への入力として提供されてもよく、これは出力として、測定された透過データから決定される低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）および高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）に対する、推定上は増加である、低エネルギーおよび高エネルギー計数に対する補正（ΔＮＬＥおよびΔＮＨＥ）をもたらす。低エネルギー光子計数（ＮＬＥ）および高エネルギー光子計数（ＮＨＥ）に伴う変化（ΔＮＬＥおよびΔＮＨＥ）は、光子計数補正ステップ１９６への入力として提供され、補正低エネルギー光子計数（補正ＮＬＥ）および補正高エネルギー光子計数（補正ＮＨＥ）が決定される。補正低エネルギー光子計数（補正ＮＬＥ）および補正高エネルギー光子計数（補正ＮＨＥ）は、次いで、材料分解プロセス１９８への入力として提供され得、これは１つの出力として、補正ヨウ素および水面積密度推定値を提供する。
【００４５】
本発明の技術的効果は、低エネルギーのビンと廃棄された計数のビンとの間に追加の高エネルギービンを用いることならびに／またはスペクトル形状および／もしくはスペクトル応答関数を使用して不確定のコンプトン散乱光子を分解するなどによってコンプトン散乱効果が対処される、ケイ素ベースの光子計数検出器を含むシステムを含む。
【００４６】
本明細書は、最良の様式を含む本発明を開示するため、およびどのような当業者も、任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４７】
１０  撮像システム
１２  Ｘ線源
２０  Ｘ線ビーム、Ｘ線
２２  フィルタアセンブリ、ビーム整形器
２４  患者、被検体
２６  減衰したＸ線
２８  検出器、検出器アレイ
３０  システムコントローラ
３２  線形位置決めサブシステム
３４  回転サブシステム
３６  モータコントローラ
３８  Ｘ線コントローラ
４０  データ取得システム（ＤＡＳ）
４２  コンピュータ
４４  画像処理回路
４６  非一時的メモリ装置、メモリ
４８  オペレータワークステーション
５０  ディスプレイ
５２  プリンタ
５４  画像保管通信システム（ＰＡＣＳ）
５６  遠隔システム、クライアント
１００  ピーク、デルタパルス
１０４  半一定プラトー
１１０  廃棄ビン
１２０  廃棄閾値
１２２  低エネルギー（ＬＥ）／高エネルギー（ＨＥ）閾値
１３０  低エネルギービン
１３２  高エネルギービン
１３６  廃棄閾値、電子ノイズ閾値
１３８  コンプトン散乱閾値、コンプトン閾値
１４０  ビン、二次高エネルギービン
１５０  コンプトンエッジ、閾値、低エネルギースペクトル
１５２  ビン、未分解ビン、混合エネルギービン、高エネルギースペクトル
１８０  ブロック
１８２  ブロック
１８４  材料分解プロセス
１９０  ブロック
１９２  光子計数検出器モデル
１９６  光子計数補正ステップ
１９８  材料分解プロセス
ＮＬＥ  低エネルギー光子計数
ＮＨＥ  高エネルギー光子計数
Ｎｍｉｘ  分解されるべき光子計数
ΔＮＬＥ  低エネルギー計数に対する補正
ΔＮＨＥ  高エネルギー計数に対する補正
【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】
2020503944.tif 000009
【図８】
2020503944.tif 000010
【国際調査報告】
2020503944.tif 000011
2020503944.tif 000012
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