特開 2021-194354 放射線撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-194354(P2021-194354A)

(43)【公開日】2021年12月27日

(54)【発明の名称】放射線撮像装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 6/03 20060101AFI20211129BHJP

   G01T 1/24 20060101ALI20211129BHJP

【ＦＩ】

   A61B6/03 340A

   A61B6/03 373

   G01T1/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2020-104477(P2020-104477)

(22)【出願日】2020年6月17日

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】石津 崇章

(72)【発明者】

【氏名】小野内 雅文

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 史人

【テーマコード（参考）】

2G188

4C093

【Ｆターム（参考）】

2G188AA02

2G188BB02

2G188BB15

2G188CC29

2G188CC32

2G188DD05

2G188DD16

2G188DD22

2G188EE01

2G188EE25

2G188FF04

2G188FF19

4C093AA22

4C093CA13

4C093EA07

4C093FA05

4C093FA33

4C093FA45

4C093FD09

4C093FD11

(57)【要約】

【課題】
光子計数型検出器の分極化の影響を抑制できる放射線撮像装置を提供する。
【解決手段】
放射線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を被検体の周囲で回転させる回転部と、スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置であって、前記光子計数型検出器に高電圧を印加する高電圧電源と、前記高電圧が印加された前記光子計数型検出器の分極化が安定したか否かを判定し、分極化が安定したときにデータ収集を開始させる検出制御部と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を被検体の周囲で回転させる回転部と、
スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置であって、
前記光子計数型検出器に高電圧を印加する高電圧電源と、
前記高電圧が印加された前記光子計数型検出器の分極化が安定したか否かを判定し、分極化が安定したときにデータ収集を開始させる検出制御部と、を備えることを特徴とする放射線撮像装置。

【請求項2】

請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
高電圧を印加された以降の前記光子計数型検出器の波高値の経時変化を示す減衰曲線を記憶する記憶部をさらに備え、
前記検出制御部は、前記減衰曲線に基づいて前記光子計数型検出器の分極化が安定したか否かを判定することを特徴とする放射線撮像装置。

【請求項3】

請求項２に記載の放射線撮像装置であって、
前記検出制御部は、前記減衰曲線の微係数が所定の値に達する時間である安定時間を算出し、前記光子計数型検出器に高電圧が印加されてからの経過時間が前記安定時間に達したときに分極化が安定したと判定することを特徴とする放射線撮像装置。

【請求項4】

請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
前記検出制御部は、前記光子計数型検出器の波高値が予め定められた閾値以下であるか否かを判定し、前記波高値が前記閾値以下であるとき、前記光子計数型検出器に印加される高電圧を一度オフにしてから再度オンにすることを特徴とする放射線撮像装置。

【請求項5】

請求項４に記載の放射線撮像装置であって、
高電圧を印加された以降の前記光子計数型検出器の波高値の経時変化を示す減衰曲線を記憶する記憶部をさらに備え、
前記検出制御部は、前記減衰曲線の波高値が前記閾値以下に達する時間であるリフレッシュ時間を算出し、前記光子計数型検出器に高電圧が印加されてからの経過時間が前記リフレッシュ時間に達したときに波高値が前記閾値以下であると判定することを特徴とする放射線撮像装置。

【請求項6】

請求項１に記載の放射線撮像装置であって、
前記検出制御部は、前記回転部の回転速度が定速になってから分極化が安定したか否かについて判定することを特徴とする放射線撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光子計数型検出器を備える放射線撮像装置に係り、特に光子計数型検出器の分極化の影響を抑制する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

フォトンカウンティング（Photon Counting）方式を採用する検出器である光子計数型検出器を備える放射線撮像装置として、ＰＣＣＴ（Computed Tomography）装置の開発が進められている。光子計数型検出器は放射線光子のエネルギーを計測できるので、ＰＣＣＴ装置は従来のＣＴ装置よりも多くの情報を含んだ医用画像、例えば複数のエネルギー成分に分けられた医用画像を提示することができる。光子計数型検出器が有する固体撮像素子は、電圧が印加されることにより撮像可能な駆動状態になるものの、電圧が印加され続けると素子の劣化が進み寿命が短くなる。

【0003】

特許文献１には、固体撮像素子の劣化を防ぐために、撮像に関する情報が入力されたことに応じて固体撮像素子に電圧を印加して駆動状態にすることと、駆動状態になってから所定時間の経過後に非駆動状態にすることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３６３９７５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら特許文献１では、固体撮像素子の分極化に対する配慮がなされていない。固体撮像素子の半導体材料として用いられることが多いＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅは、実効原子番号が大きく高密度であるためＸ線阻止能が高いものの、電圧の印加時間の長さに応じて分極化が進み、検出器出力の波高値が徐々に低下する。検出器出力の波高値の変化は、計測されるＸ線光子のエネルギーに誤差を生じさせ、エネルギー成分に分けられた医用画像の画質に悪影響を与える。

【0006】

そこで、本発明は、光子計数型検出器の分極化の影響を抑制できる放射線撮像装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために本発明は、放射線光子をエネルギー毎にカウントする光子計数型検出器を被検体の周囲で回転させる回転部と、スリップリングを介して前記回転部と通信する静止部と、を備える放射線撮像装置であって、前記光子計数型検出器に高電圧を印加する高電圧電源と、前記高電圧が印加された前記光子計数型検出器の分極化が安定したか否かを判定し、分極化が安定したときにデータ収集を開始させる検出制御部と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、光子計数型検出器の分極化の影響を抑制できる放射線撮像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例1のＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す図である。

【図2】実施例1の検出器パネルの構成を示す図である。

【図3】実施例1の機能ブロック図である。

【図4】放射線検出器の分極化の影響について説明する図である。

【図5】実施例1の処理の流れの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。本発明の放射線撮像装置は、放射線源と光子計数型検出器とを備える装置に適用される。以降の説明では、放射線がＸ線であり、放射線撮像装置がＸ線ＣＴ装置である例について述べる。

【実施例1】

【0011】

図１に本実施例のＸ線ＣＴ装置の全体構成図を示す。Ｘ線ＣＴ装置は、ガントリ１、演算装置２、表示装置３、ベッド４を備え、ベッド４に載置される被検者５で吸収されるＸ線光子をカウントし、カウント数に基づいて被検者５の断層画像を生成する装置である。以下、各部について説明する。

【0012】

ガントリ１は、Ｘ線管６と検出器パネル７を搭載して回転する回転部と、回転部を支持する静止部を有する。Ｘ線管６は１００ｋＶ程度の高電圧で加速した電子をターゲットに当てることによりＸ線を発生させる。検出器パネル７は、被検者５を挟んでＸ線管６と対向配置され、被検者５を透過したＸ線光子をカウントし、Ｘ線光子数の空間的な分布を計測する。被検者５を透過したＸ線光子数を、被検者５がいないときのＸ線光子数から減算することにより、被検者５で吸収されるＸ線光子数が求められ、投影データとして取得される。なお検出器パネル７は光子計数型検出器でありＸ線光子のエネルギーを計測できるので、エネルギー成分毎の投影データが取得される。検出器パネル７の詳細は図２を用いて後述する。

【0013】

Ｘ線管６と検出器パネル７が被検者５の周囲を回転する間に、Ｘ線管６による被検者５へのＸ線照射と、検出器パネル７によるＸ線光子のカウントが繰り返されることにより、様々な方向からの被検者５の投影データが取得される。投影データは、１秒の間に３０００枚程度取得され、演算装置２へ送信される。ベッド４は、投影データが取得される被検者５の位置を調整するために、ガントリ１の開口部に向けて水平移動する。

【0014】

演算装置２は、一般的なコンピュータ装置と同様のハードウェア構成であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等を備え、表示装置３や入力装置８、記憶装置９に接続される。演算装置２は、送信される複数の投影データを用いた画像再構成により断層画像を生成するとともに、各部の制御を行う。例えば、Ｘ線管６に印加される電圧や、Ｘ線管６と検出器パネル７の回転速度等の制御が演算装置２によって行われる。

【0015】

表示装置３は液晶ディスプレイやタッチパネル等であり、生成された断層画像等を表示する。入力装置８はキーボードやマウス等であり、Ｘ線管６に印加される電圧の設定等に用いられる。なお表示装置３がタッチパネルである場合、タッチパネルが入力装置８として機能する。記憶装置９はＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等であり、ＣＰＵで実行されるプログラムや投影データ、断層画像等の各種データを記憶する。

【0016】

図２を用いて検出器パネル７の一例について説明する。検出器パネル７は、放射線検出器１０とコリメータ１１とを有し、ガントリ１の回転部に設けられる。

【0017】

放射線検出器１０は、被検者５を透過したＸ線光子を検出する半導体検出器である。放射線検出器１０にはＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅが用いられ、Ｘ線が入射する側に高電圧電極１５が、反対側に複数の読み出し電極１３が設けられる。接地電圧である読み出し電極１３に対して高電圧電極１５には負の高電圧が印加され、高電圧電極１５と読み出し電極１３との間に電界が形成される。放射線検出器１０にＸ線光子が入射すると、Ｘ線光子のエネルギーに応じた数の電子と正孔が発生する。Ｘ線光子の入射によって発生した電子は、電極間の電界によって最も近い読み出し電極１３へ移動し、電気信号として読み出される。すなわち読み出し電極１３が放射線検出器１０の検出ピクセル１２に対応する。

【0018】

コリメータ１１は、被検者５等で発生する散乱線の放射線検出器１０への入射を抑制するために、複数の孔を有する金属製の格子であって放射線検出器１０の前段に設けられる。コリメータ１１には、タングステンやモリブデン等の比重及び原子番号の大きい金属が用いられ、コリメータ１１の孔は検出ピクセル１２に対応するように位置が合わせられる。

【0019】

図３を用いて、Ｘ線光子の検出に係る機能ブロックについて説明する。図３の機能ブロックには、演算装置２や放射線検出器１０、高電圧電極１５、読み出し電極１３とともに、フロントエンドＩＣ１４、データ収集回路２１、スリップリング２２、検出制御部２３、高電圧電源２４が含まれる。

【0020】

フロントエンドＩＣ１４は、基板上に搭載された複数のＩＣで構成され、読み出し電極１３で読み出された電気信号をＡ／Ｄ変換してデータ収集回路２１へ出力する。データ収集回路２１は、多数のデジタル信号を統合し、スリップリング２２を介して演算装置２へ送信する。

【0021】

演算装置２は受信したデータを用いた画像再構成により断層画像を生成するとともに、入力装置８を介して設定されるスキャン条件等に基づいてガントリ１の回転部に備えられる検出制御部２３を制御する。なお生成された断層画像は表示装置３に表示されたり、記憶装置９に保存されたりする。記憶装置９には演算装置２に送信されたデータが保存されても良い。

【0022】

検出制御部２３は演算装置２からの指示に従って、データ収集回路２１とともに、高電圧電源２４を制御する。高電圧電源２４は高電圧電極１５に高電圧を印加する回路である。すなわち、検出制御部２３によって、高電圧電極１５に高電圧を印加するか否かが制御されるとともに、データ収集回路２１にデータ収集を開始させるか否かが制御される。

【0023】

図４を用いて、放射線検出器１０の分極化の影響について説明する。図４（ａ）は放射線検出器１０にＸ線光子が入射したときに生成される出力波形の一例であり、横軸は時間、縦軸は検出器出力である。また図４（ｂ）は出力波形の波高値の経時変化である減衰曲線の一例であり、横軸は高電圧の印加時間、縦軸は検出器出力の波高値である。

【0024】

光子計数型検出器では、不感時間τの間にＸ線光子が入射する毎にパルス出力２０１が生じ、パルス出力２０１の波高値は光子エネルギーに比例する。図４（ａ）には、入射したＸ線光子の光子エネルギーが低いときのパルス出力２０１Ｌと、高いときのパルス出力２０１Ｍが例示される。すなわち検出器出力を閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３等で区分けすることによって、光子エネルギー毎にＸ線光子を弁別できる。

【0025】

しかしながら、放射線検出器１０に高電圧が印加され続けると内部に電子や正孔がトラップされ、高電圧の印加時間の経過とともに分極化が進む。分極化は電子や正孔の移動を遅らせるので、電極間で発生した電子の一部は不感時間τ内に読み出し電極１３へ達することができず、図４（ｂ）に示すように印加時間が長くなるにつれて波高値が低下する。すなわち、同じ光子エネルギーのＸ線光子が入射したとしても、異なる波高値になるので、計測されるＸ線光子のエネルギーに誤差が生じる。なお、波高値の変化量は高電圧が印加された直後、例えば図４（ｂ）の期間１が最も大きく、期間２、期間３と時間が進むにつれて小さくなる。つまり、放射線検出器１０の分極化は、高電圧の印加時間の経過とともに安定する。

【0026】

そこで本実施例では、放射線検出器１０の分極化が安定してからデータ収集を開始する。なお出力波形の波高値が低下し過ぎると放射線検出器１０のＳＮＲも低下するので、所定の閾値以上の波高値となる期間、例えば図４（ｂ）の期間３ではなく期間２でデータ収集が行われることが望ましい。
図５を用いて、本実施例の処理の流れについて説明する。

【0027】

（Ｓ５０１）
演算装置２が、被検者５に係るデータである被検体データを取得する。被検体データは、操作者によって入力装置８から入力されたり、ネットワークを介して送信されたりする。被検体データを取得した演算装置２はデータ収集の準備を指示する信号を検出制御部２３に送信する。

【0028】

（Ｓ５０２）
検出制御部２３は、データ収集の準備を指示する信号を受信すると、高電圧電源２４をオンにする。高電圧電源２４がオンになることにより、高電圧電極１５に高電圧が印加され、放射線検出器１０がＸ線光子を検出できるようになるとともに、分極化が進行し始める。

【0029】

（Ｓ５０３）
演算装置２が、被検者５のスキャンに係る条件であるスキャン条件を取得する。スキャン条件は、操作者によって入力装置８から入力されたり、ネットワークを介して送信されたりする。スキャン条件を取得した演算装置２はガントリ１に対して被検者５のスキャンを指示する。

【0030】

（Ｓ５０４）
ガントリ１の回転部が回転を開始する。所定の加速期間の後、回転部はスキャン条件で定められたスキャン速度、例えば０．５ｓ／回転で回転する。

【0031】

（Ｓ５０５）
検出制御部２３は、放射線検出器１０の分極化が安定したか否かを判定する。本ステップは分極化が安定するまで繰り返され、分極化が安定するとＳ５０６へ処理が進められる。また本ステップは、Ｓ５０４にて回転部の回転速度が定速になってから実行されることが望ましい。

【0032】

分極化が安定したか否かは、図４（ｂ）に例示される減衰曲線に基づいて判定されても良い。例えば、放射線検出器１０が自然放射線を検出することによって出力される波高値の経時変化が所定の値以下になったときに分極化が安定したと判定される。または、データ収集に先立って計測された減衰曲線を用いて、高電圧が印加されてから分極化が安定するまでの時間である安定時間が予め算出され、高電圧電源２４がオンになった時点からの経過時間が安定時間に達したときに分極化が安定したと判定される。なお安定時間は、減衰曲線の微係数が所定の値に達する時間として算出され、減衰曲線とともに記憶装置９に記憶される。

【0033】

（Ｓ５０６）
検出制御部２３は、放射線検出器１０の波高値が所定の閾値より大きいか否かを判定する。波高値が閾値より大きければＳ５０８へ、波高値が閾値以下であればＳ５０７へ処理が進められる。

【0034】

波高値が所定の閾値より大きいか否かは、図４（ｂ）に例示される減衰曲線に基づいて判定されても良い。例えば、放射線検出器１０が自然放射線を検出することによって出力される波高値が閾値と比較される。または、データ収集に先立って計測された減衰曲線を用いて、波高値が閾値以下になるまでの時間であるリフレッシュ時間が予め算出され、高電圧電源２４がオンになった時点からの経過時間がリフレッシュ時間に達したときに波高値が閾値以下であると判定される。

【0035】

（Ｓ５０７）
検出制御部２３は、放射線検出器１０の分極化を解消するためにリフレッシュ処理を実行する。リフレッシュ処理とは高電圧電源２４を一旦オフにしてから再度オンにする処理である。すなわち、高電圧電源２４がオフになることで放射線検出器１０の分極化が解消されるとともに印加時間がリセットされ、高電圧電源２４が再度オンになることで放射線検出器１０がＸ線光子を検出できるようになる。リフレッシュ処理の実行後は、Ｓ５０５へ処理が戻る。

【0036】

（Ｓ５０８）
ガントリ１の回転部がスキャンデータを収集する。すなわち、Ｘ線管６から被検者５へＸ線が照射され、被検者５を透過したＸ線光子が放射線検出器１０に入射する。そして放射線検出器１０に入射したＸ線光子が生成する電子が読み出し電極１３で読み出され、フロントエンドＩＣ１４でのＡ／Ｄ変換やデータ収集回路２１でのデータ統合を経て、スキャンデータとして演算装置２へ送信される。

【0037】

（Ｓ５０９）
演算装置２は、スキャンデータの収集が終了したか否かを判定する。本ステップはスキャンデータの収集が終了するまで繰り返され、スキャンデータの収集が終了するとＳ５１０へ処理が進められる。

【0038】

（Ｓ５１０）
検出制御部２３は、高電圧電源２４をオフにする。

【0039】

以上説明した処理の流れにより、光子計数型検出器の分極化の影響を抑制できる放射線撮像装置を提供することができる。すなわち分極化が安定してからスキャンデータが収集されるので、計測されるＸ線光子のエネルギーに誤差を低減でき、エネルギー成分に分けられた医用画像の画質に悪影響を与えずに済む。

【0040】

なお、Ｓ５０６とＳ５０７は必須ではなく、Ｓ５０５で分極化が安定したと判定されたあと、Ｓ５０８へ処理が進められても良い。Ｓ５０６とＳ５０７が処理の流れに含まれる場合、出力波形の波高値が低下し過ぎることがないので、放射線検出器１０のＳＮＲの低下を抑制できる。

【0041】

なお本発明の放射線撮像装置は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

【符号の説明】

【0042】

１：ガントリ、２：演算装置、３：表示装置、４：ベッド、５：被検者、６：Ｘ線管、７：検出器パネル、８：入力装置、９：記憶装置、１０：放射線検出器、１１：コリメータ、１２：検出ピクセル、１３：読み出し電極、１４：フロントエンドＩＣ、１５：高電圧電極、２１：データ収集回路、２２：スリップリング、２３：検出制御部、２４：高電圧電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】