JP2020038185A - Photon counting detector and X-ray CT apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】高線束及び低線束両方の状況でもよく機能できる。【解決手段】本実施形態に係るフォトンカウンティング検出器は、第1の面と前記第1の面に並行する第2の面とを有する半導体結晶に配置される複数のマクロピクセルを含む。前記複数のマクロピクセルの各マクロピクセルは、再構成画像を生成するための投影データを収集する。前記各マクロピクセルは、前記各マクロピクセル内に配置される少なくとも1つの大マイクロピクセルと、前記各マクロピクセル内に配置される少なくとも2つの小マイクロピクセルとの2種類のみからなる。前記少なくとも2つも小マイクロピクセルのそれぞれの面積は、前記少なくとも1つの大マイクロピクセルの面積よりも小さい。【選択図】 図4BThe present invention is capable of performing well in both high flux and low flux situations. A photon counting detector includes a plurality of macropixels arranged in a semiconductor crystal having a first surface and a second surface parallel to the first surface. Each macropixel of the plurality of macropixels collects projection data for generating a reconstructed image. Each macro-pixel is of only two types, at least one large micro-pixel arranged within each macro-pixel and at least two small micro-pixels arranged within each macro-pixel. The area of each of the at least two small micropixels is smaller than the area of the at least one large micropixel. [Selection drawing] Fig. 4B
Description
本発明の実施形態は、フォトンカウンティング検出器およびX線CT装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a photon counting detector and an X-ray CT apparatus.
フォトンカウンティングコンピュータ断層撮影(computed tomography:CT)は、既存のCT撮像技法を大幅に改善する可能性を秘めたコンピュータ断層撮影技法である。フォトンカウンティングCTシステムは、個別の光子の相互作用を記録するフォトンカウンティング検出器を含む。各相互作用において蓄積したエネルギーを辿ることにより、フォトンカウンティングCT検出器の検出器ピクセルでは、エネルギー・ビンでのおよそのエネルギースペクトル又はカウントをそれぞれ記録する。対照的に、典型的なCTスキャナでは、固定の期間にわたりピクセルにおいて蓄積された総エネルギーが記録される、エネルギー積分型検出器を使用する。 Photon counting computed tomography (CT) is a computed tomography technique that has the potential to significantly improve existing CT imaging techniques. Photon counting CT systems include photon counting detectors that record the interaction of individual photons. By tracing the energy stored in each interaction, the detector pixels of the photon-counting CT detector each record an approximate energy spectrum or count in an energy bin. In contrast, a typical CT scanner uses an energy integrating detector in which the total energy stored in a pixel over a fixed period of time is recorded.
フォトンカウンティング検出器をCTシステムに組み込むためには、幾つかの問題が存在する。係る問題は、大きなデータボリューム及びカウントレートから生じる、検出器材料及びエレクトロニクスについての要求に関する。一例として、CT検出器の各mm2は、スキャン中に、1秒毎に数百万もの光子相互作用を受け取る可能性がある。X線源と検出器との間に小さな物質が存在する範囲での飽和状態を回避するために、パルス分解時間は、ピクセルにおける光子相互作用間の平均的な時間に比較して僅かであるべきである。飽和状態前であっても、検出器の機能性は、同じピクセルにおいて発生する2つ(以上)の光子相互作用が別個のイベントとして分離するには時間的に近すぎることによるパルスパイルアップが原因で、低下し始めている。この様な疑似的に同時計数された相互作用が、光子カウントの損失及びパルス波形の歪みに繋がる。これらの影響により、ピクセルデータのパルス成形、ビニング及び記録に対して関与するエレクトロニクスと同様に、検出器材料の物理的応答時間についての要求が、非常に高まっている。 There are several problems associated with incorporating photon counting detectors into CT systems. Such problems relate to the requirements for detector materials and electronics resulting from large data volumes and count rates. As an example, each mm 2 of the CT detector can receive millions of photon interactions every second during a scan. The pulse resolution time should be small compared to the average time between photon interactions at the pixel to avoid saturation in the area where there is small material between the X-ray source and the detector It is. Even before saturation, the functionality of the detector is due to pulse pile-up due to two (or more) photon interactions occurring at the same pixel being too close in time to separate as separate events. And it is starting to decline. Such quasi-coincided interactions lead to photon count loss and pulse waveform distortion. These effects greatly increase the demands on the physical response time of the detector material, as well as the electronics involved for pulse shaping, binning and recording of pixel data.
フォトンカウンティング検出器は、線量効率を落とすことなく、約1×1mm2に比べてさらに小さいピクセルサイズで製造することができる。より小さなピクセルを使用することで、ピクセル毎のカウントレートが減り、従ってより多くのエレクトロニクスを必要とするという犠牲を払い、パルス分解時間についての要求を悪化させる。ピクセルサイズ及び対応する読出しエレクトロニクスデザインが、フォトンカウンティング検出器デザインにおいて鍵となる部分である。CTスキャン中に1秒毎に数百万もの光子相互作用を含む高線束スキャン環境に関しては、フォトンカウンティング検出器(photon counting detector:PCD)についてより小さなピクセルサイズが好まれる。一般的に、フォトンカウンティングCTアプリケーションに対するピクセルサイズは、150μmから500μmにまで及ぶことがある。つまりピクセルサイズより小さければ、ピクセル間隔(ピクセルピッチ)はより近いということである。より小さなピクセルデザインは、フォトンカウンティングCTアプリケーションに対して500μmサイズに比べてより少ないピクセルから成る場合がある。PCDに対するより小さなピクセルデザインは比較的パルスパイルアップの影響を受けにくいため、高線束の場合には望ましい。しかし、より小さなピクセルの使用に関連するある問題は、重度のチャージシェアリング及び信号クロストークを原因とする検出器応答の低下である。 Photon counting detectors can be manufactured with pixel sizes even smaller than about 1 × 1 mm 2 without compromising dose efficiency. Using smaller pixels reduces the count rate per pixel, thus exacerbating the requirement for pulse resolution time at the expense of requiring more electronics. Pixel size and corresponding readout electronics design are key parts in photon counting detector design. For high flux scanning environments that involve millions of photon interactions per second during a CT scan, smaller pixel sizes are preferred for photon counting detectors (PCDs). Generally, pixel sizes for photon counting CT applications can range from 150 μm to 500 μm. That is, if the pixel size is smaller than the pixel size, the pixel interval (pixel pitch) is closer. Smaller pixel designs may consist of fewer pixels compared to 500 μm size for photon counting CT applications. Smaller pixel designs for PCDs are desirable for high flux because they are relatively insensitive to pulse pile-up. However, one problem associated with the use of smaller pixels is severe charge sharing and poor detector response due to signal crosstalk.
部分的なエネルギー蓄積及び多数のピクセルにおいて信号を生じる単一の光子は、フォトンカウンティングCTにおける難題をもたらす。チャージシェアリングは、相互作用がピクセル境界近くで発生し、近傍するピクセル間で放出されたエネルギーが共有され、従って幾つかのエネルギーがより低い光子として解釈される、その様なイベントのうちの一要因である。チャージシェアリングは、歪んだエネルギースペクトルという結果になる。飽和状態及びパイルアップ効果とは対照的に、部分的なエネルギー蓄積及び多数の相互作用光子は、より小さなピクセルサイズにより悪化させられることで問題が生じる。 Partial energy storage and a single photon producing a signal at a large number of pixels pose challenges in photon counting CT. Charge sharing is one of such events in which interactions occur near pixel boundaries, and the emitted energy is shared between neighboring pixels, so that some energy is interpreted as lower photons. Is a factor. Charge sharing results in a distorted energy spectrum. In contrast to saturation and pile-up effects, the problem is that partial energy storage and large numbers of interacting photons are exacerbated by smaller pixel sizes.
PCDに対してより大きなピクセルサイズを使用することは、検出器応答が典型的に良いということを基準に、より少ないチャージシェアリング及びクロストーク効果を提供する、ある1つの解決策である。より低いエネルギー部分に漏れるピークエネルギー部分がより小さく、これにより物質弁別に対する改善をもたらす可能性がある。この様にして、500μmサイズのピクセル等のような大きなピクセルサイズを使用することが、低線束スキャン環境において望ましい場合がある。PCDに大きなピクセルデザインを使用する一つの可能性のある欠点は、重度のパルスパイルアップを対処するために、エレクトロニクス又はその他の後処理の点について著しい負担を強いる。従って、物質弁別ノイズの観点から、小さなピクセルサイズは、高線束スキャン環境において、そして大きなピクセルサイズは、低線束スキャン環境において、それぞれ望ましい場合がある。フォトンカウンティングCTスキャン環境において、PCDは、患者のスキャン中、高線束及び低線束に典型的にさらされる。小さなピクセルデザインを使用するフォトンカウンティングCTスキャナにおけるPCDは、高線束に対してはよく機能することがあるが、低線束の状況においては機能が不十分なこともある。反して、大きなピクセルデザインを使用するフォトンカウンティングCTスキャナにおけるPCDは、低線束の状況に対して上手く機能するものの、高線束の状況では機能が不十分なこともある。 Using a larger pixel size for the PCD is one solution that provides less charge sharing and crosstalk effects based on the typically good detector response. The peak energy fraction that leaks into the lower energy fraction is smaller, which can lead to improvements to material discrimination. In this way, using large pixel sizes, such as 500 μm sized pixels, may be desirable in low flux scanning environments. One potential drawback of using a large pixel design for the PCD places a significant burden on electronics or other post-processing issues to address severe pulse pile-up. Thus, in terms of material discrimination noise, a small pixel size may be desirable in a high flux scan environment and a large pixel size may be desirable in a low flux scan environment. In a photon counting CT scan environment, the PCD is typically exposed to high and low flux during a patient scan. PCD in photon-counting CT scanners using small pixel designs may work well for high flux, but may perform poorly in low flux situations. Conversely, PCDs in photon counting CT scanners that use large pixel designs work well for low flux situations, but may perform poorly in high flux situations.
それゆえ、PCDでの小さなピクセルに関連するチャージシェアリング問題と同様に、PCDでの大きなピクセルの使用に関連するパルスパイルアップ問題を最小化することにより、高線束及び低線束両方のCTスキャン環境でも、十分に機能するフォトンカウンティングCT検出器に対する技術的な要求がある。 Therefore, by minimizing the pulse pile-up problem associated with the use of large pixels in the PCD, as well as the charge sharing problem associated with small pixels in the PCD, both high flux and low flux CT scan environments However, there is a technical need for a fully functioning photon counting CT detector.
本発明が解決しようとする課題は、チャージシェアリングを低減することで十分な検出器応答を維持しながら、パルスパイルアップの影響を比較的受けにくい高線束及び低線束両方を含むことができるスキャン環境で用いるCT検出器装置に向けられる。CT検出器装置は、ハイブリッドピクセルパターンデザインを実装するフォトンカウンティング検出器(photon counting detector:PCD)を使用することにより、高線束及び低線束両方の状況でもよく機能することができる。 The problem addressed by the present invention is that scans that can include both high and low fluxes that are relatively insensitive to pulse pile-up while maintaining sufficient detector response by reducing charge sharing It is directed to CT detector devices for use in the environment. CT detector devices can perform well in both high and low flux situations by using a photon counting detector (PCD) that implements a hybrid pixel pattern design.
本実施形態に係るフォトンカウンティング検出器は、第1の面と前記第1の面に並行する第2の面とを有する半導体結晶に配置される複数のマクロピクセルを含む。前記複数のマクロピクセルの各マクロピクセルは、再構成画像を生成するための投影データを収集する。前記各マクロピクセルは、前記各マクロピクセル内に配置される少なくとも1つの大マイクロピクセルと、前記各マクロピクセル内に配置される少なくとも2つの小マイクロピクセルとの2種類のみからなる。前記少なくとも2つも小マイクロピクセルのそれぞれの面積は、前記少なくとも1つの大マイクロピクセルの面積よりも小さい。 The photon counting detector according to the present embodiment includes a plurality of macropixels arranged on a semiconductor crystal having a first surface and a second surface parallel to the first surface. Each macro pixel of the plurality of macro pixels collects projection data for generating a reconstructed image. Each macro pixel is composed of only two types: at least one large micro pixel arranged in each macro pixel and at least two small micro pixels arranged in each macro pixel. The area of each of the at least two small micropixels is smaller than the area of the at least one large micropixel.
下記の記述は、特定の実施形態であるが、その他の実施形態は、代替例、均等例、そして変形例を含むこともできる。加えて、実施形態は、幾つか新規の特徴を含む場合があり、特定の特徴は、ここに説明されるデバイス、システム、そして方法を実行するために必要不可欠ではなくともよい。 The following description is of specific embodiments, but other embodiments may include alternatives, equivalents, and variations. In addition, embodiments may include some novel features, and particular features may not be essential for performing the devices, systems, and methods described herein.
本開示は、フォトンカウンティング検出器CTシステムに用いられたフォトンカウンティング検出器(photon counting detector:PCD)に焦点を置いている。「PCD」という用語は、本開示を通して「検出器」という用語と同義で使用される。フォトンカウンティングCTシステムが患者又は被検体をスキャンする場合に、スキャン環境は、高線束から低線束へ、或いはその逆へ、とスキャン環境が継続的に変化することがある。本開示を通して議論されるハイブリッドピクセルパターンデザインを備えたPCDは、PCDが高線束及び低線束両方のスキャン環境へとさらされる、スキャン環境の動的な変化の間であっても、チャージシェアリングを低減することにより十分な検出器応答を維持しつつ、パルスパイルアップの影響を比較的受けにくい。 The present disclosure focuses on a photon counting detector (PCD) used in a photon counting detector CT system. The term "PCD" is used synonymously with the term "detector" throughout this disclosure. When the photon counting CT system scans a patient or subject, the scanning environment may change continuously from high flux to low flux, or vice versa. PCDs with the hybrid pixel pattern design discussed throughout this disclosure provide charge sharing even during dynamic changes in the scan environment, where the PCD is exposed to both high and low flux scan environments. By reducing this, it is relatively insensitive to pulse pile-up while maintaining sufficient detector response.
図2Aに示された均一なピクセルパターンデザインは、16個の等しいサイズのマイクロピクセル52を備えた、1つのマクロピクセル50を示している。マクロピクセル50の面積が1mm2である場合、16個の等しいサイズのマイクロピクセルのピクセルサイズは、250μmである。当該例での検出器応答は、高線束スキャン環境でのパルスパイルアップの影響を比較的受けにくいという利益と、低線束スキャン環境での重度のチャージシェアリングの不利益といった、250μmのピクセルサイズに関連する特徴を呈する可能性がある。図2Bでも、1つのマクロピクセル60は、4つの等しいサイズのマイクロピクセル62を備える均一なピクセルパターンデザインを含む。マクロピクセル60の面積が図2Aにおけるマクロピクセル50と同じである場合、4個の等しいサイズのマイクロピクセルのピクセルサイズは、500μmである。当該例における検出器応答は、低線束スキャン環境での最小限のチャージシェアリングという利益と、高線束スキャン環境での増加したパルスパイルアップという不利益といった、500μmのピクセルサイズに関連する特徴を呈する可能性がある。それゆえ、PCD上の複数のマクロピクセルに対応する均一なピクセルパターンデザインの使用のみでは、高線束及び低線束両方を含むスキャン環境に対して上手く適合しない場合がある。 The uniform pixel pattern design shown in FIG. 2A shows one macropixel 50 with 16 equally sized micropixels 52. If the area of the macropixel 50 is 1 mm 2 , the pixel size of the 16 equally sized micropixels is 250 μm. The detector response in this example has a pixel size of 250 μm, with the benefit of being less susceptible to pulse pile-up in high flux scan environments and the disadvantage of severe charge sharing in low flux scan environments. May exhibit related features. Also in FIG. 2B, one macropixel 60 includes a uniform pixel pattern design with four equally sized micropixels 62. If the area of the macro pixel 60 is the same as the macro pixel 50 in FIG. 2A, the pixel size of the four equally sized micro pixels is 500 μm. The detector response in this example exhibits features associated with a pixel size of 500 μm, such as the benefit of minimal charge sharing in a low flux scan environment and the disadvantage of increased pulse pile-up in a high flux scan environment. there is a possibility. Therefore, using only a uniform pixel pattern design corresponding to multiple macropixels on the PCD may not be well suited for a scanning environment that includes both high flux and low flux.
本開示を通して記述されるPCDにおける各マクロピクセルに対するハイブリッドピクセルパターンは、少なくとも二つの異なったサイズのマイクロピクセルから成る均一でないピクセルパターンデザインを実装することにより、高線束及び低線束のスキャン環境に対してデザインされる。マクロピクセルのハイブリッドピクセルパターンデザインは、図1を参照し上記で説明された様なフォトンカウンティングCTスキャンシステムにおいて含まれている、PCDに関して実装することができる。 The hybrid pixel pattern for each macropixel in the PCD described throughout this disclosure provides a high and low flux scan environment by implementing a non-uniform pixel pattern design consisting of at least two differently sized micropixels. Designed. A hybrid pixel pattern design of macropixels can be implemented for the PCD included in a photon counting CT scan system as described above with reference to FIG.
以下、本実施形態に係る医用画像処理装置を含むX線CT(Computed Tomography)装置について図1のブロック図を参照して説明する。図1に示すX線CT装置1は、架台装置10と、寝台装置30と、医用画像処理装置の処理を実現するコンソール装置40とを有する。図1では説明の都合上、架台装置10を複数描画している。 Hereinafter, an X-ray CT (Computed Tomography) apparatus including the medical image processing apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the block diagram of FIG. The X-ray CT apparatus 1 illustrated in FIG. 1 includes a gantry device 10, a bed device 30, and a console device 40 that implements processing of a medical image processing device. In FIG. 1, for convenience of explanation, a plurality of gantry devices 10 are drawn.
なお、本実施形態では、非チルト状態での回転フレーム13の回転軸又は寝台装置30の天板33の長手方向をZ軸方向、Z軸方向に直交し、床面に対し水平である軸方向をX軸方向、Z軸方向に直交し、床面に対し垂直である軸方向をY軸方向とそれぞれ定義するものとする。 In this embodiment, the longitudinal direction of the rotation axis of the rotating frame 13 or the top plate 33 of the bed device 30 in the non-tilted state is perpendicular to the Z-axis direction and the Z-axis direction, and is an axial direction that is horizontal to the floor surface. Is defined as an axis direction orthogonal to the X-axis direction and the Z-axis direction and perpendicular to the floor surface as a Y-axis direction.
例えば、架台装置10及び寝台装置30はCT検査室に設置され、コンソール装置40はCT検査室に隣接する制御室に設置される。なお、コンソール装置40は、必ずしも制御室に設置されなくてもよい。例えば、コンソール装置40は、架台装置10及び寝台装置30とともに同一の部屋に設置されてもよい。いずれにしても架台装置10と、寝台装置30と、コンソール装置40とは互いに通信可能に有線または無線で接続されている。 For example, the gantry device 10 and the bed device 30 are installed in a CT examination room, and the console device 40 is installed in a control room adjacent to the CT examination room. Note that the console device 40 does not necessarily have to be installed in the control room. For example, the console device 40 may be installed in the same room with the gantry device 10 and the bed device 30. In any case, the gantry device 10, the bed device 30, and the console device 40 are communicably connected by wire or wirelessly.
架台装置10は、被検体PをX線CT撮影するための構成を有するスキャン装置である。架台装置10は、X線管11と、X線検出器12と、回転フレーム13と、X線高電圧装置14と、制御装置15と、ウェッジ16と、コリメータ17と、データ収集装置18(以下、DAS(Data Acquisition System)18ともいう)とを含む。 The gantry device 10 is a scanning device having a configuration for performing X-ray CT imaging of the subject P. The gantry device 10 includes an X-ray tube 11, an X-ray detector 12, a rotating frame 13, an X-ray high-voltage device 14, a control device 15, a wedge 16, a collimator 17, and a data collection device 18 (hereinafter, referred to as a data collection device). , DAS (Data Acquisition System) 18).
X線管11は、X線高電圧装置14からの高電圧の印加及びフィラメント電流の供給により、陰極(フィラメント)から陽極(ターゲット)に向けて熱電子を照射することでX線を発生する真空管である。具体的には、熱電子がターゲットに衝突することによりX線が発生される。例えば、X線管11には回転する陽極に熱電子を照射することでX線を発生させる回転陽極型のX線管がある。X線管11で発生したX線は、例えばコリメータ17を介してコーンビーム形に成形され、被検体Pに照射される。 The X-ray tube 11 is a vacuum tube that generates X-rays by irradiating thermoelectrons from a cathode (filament) to an anode (target) by applying a high voltage from an X-ray high voltage device 14 and supplying a filament current. It is. Specifically, X-rays are generated by the collision of the thermal electrons with the target. For example, the X-ray tube 11 includes a rotating anode type X-ray tube that generates X-rays by irradiating a rotating anode with thermoelectrons. The X-rays generated by the X-ray tube 11 are formed into a cone beam shape via, for example, a collimator 17 and are irradiated on the subject P.
X線検出器12は、X線管11から照射され、被検体Pを通過したX線を検出し、当該X線量に対応した電気信号をDAS18へと出力する。X線検出器12は、例えば、X線管11の焦点を中心として1つの円弧に沿ってチャネル方向に複数のX線検出素子が配列された複数のX線検出素子列を有する。X線検出器12は、例えば、チャネル方向に複数のX線検出素子が配列されたX線検出素子列がスライス方向(列方向、row方向)に複数配列された列構造を有する。 The X-ray detector 12 detects X-rays emitted from the X-ray tube 11 and passed through the subject P, and outputs an electric signal corresponding to the X-ray dose to the DAS 18. The X-ray detector 12 has, for example, a plurality of X-ray detection element rows in which a plurality of X-ray detection elements are arranged in the channel direction along one arc around the focal point of the X-ray tube 11. The X-ray detector 12 has, for example, a row structure in which a plurality of X-ray detection element rows in which a plurality of X-ray detection elements are arrayed in a channel direction are arranged in a slice direction (row direction, row direction).
X線検出器12は、具体的には、例えば、グリッドと、シンチレータアレイと、光センサアレイとを有する間接変換型の検出器でもよいし、図4A以降で後述するような、入射したX線を電気信号に変換する半導体素子を有する直接変換型の検出器でもよい。X線検出器12は、本実施形態に係るPCDの一例であり、以降PCD12とも呼ぶ。 Specifically, the X-ray detector 12 may be, for example, an indirect conversion type detector having a grid, a scintillator array, and an optical sensor array, or an incident X-ray detector as described later with reference to FIG. May be a direct conversion type detector having a semiconductor element for converting the signal into an electric signal. The X-ray detector 12 is an example of the PCD according to the present embodiment, and is hereinafter also referred to as the PCD 12.
シンチレータアレイは、複数のシンチレータを有する。シンチレータは、入射X線は、当該入射X線の強度に応じた個数の光子に変換する。 The scintillator array has a plurality of scintillators. The scintillator converts incident X-rays into photons of a number corresponding to the intensity of the incident X-rays.
グリッドは、シンチレータアレイのX線入射側の面に配置され、散乱X線を吸収する機能を有するX線遮蔽板を有する。なお、グリッドはコリメータと呼ばれる場合もある。 The grid has an X-ray shielding plate disposed on the surface of the scintillator array on the X-ray incident side and having a function of absorbing scattered X-rays. The grid may be called a collimator.
光センサアレイは、シンチレータからの受けた光を増幅して電気信号に変換し、当該入射X線のエネルギーに応じた波高値を有する出力信号(エネルギー信号)を生成する機能を有し、例えば、光電子増倍管(フォトマルチプライヤー:PMT)等の光センサを有する。 The optical sensor array has a function of amplifying light received from the scintillator, converting the light into an electric signal, and generating an output signal (energy signal) having a peak value according to the energy of the incident X-ray. It has an optical sensor such as a photomultiplier tube (photomultiplier: PMT).
回転フレーム13は、X線発生部とX線検出器12とを回転軸回りに回転可能に支持する。具体的には、回転フレーム13は、X線管11とX線検出器12とを対向支持し、後述する制御装置15によってX線管11とX線検出器12とを回転させる円環状のフレームである。回転フレーム13は、アルミニウム等の金属により形成された固定フレーム(図示せず)に回転可能に支持される。詳しくは、回転フレーム13は、ベアリングを介して固定フレームの縁部に接続されている。回転フレーム13は、制御装置15の駆動機構からの動力を受けて回転軸Z回りに一定の角速度で回転する。 The rotating frame 13 supports the X-ray generator and the X-ray detector 12 so as to be rotatable around a rotation axis. Specifically, the rotating frame 13 supports the X-ray tube 11 and the X-ray detector 12 so as to face each other, and rotates the X-ray tube 11 and the X-ray detector 12 by a control device 15 described later. It is. The rotating frame 13 is rotatably supported by a fixed frame (not shown) made of metal such as aluminum. Specifically, the rotating frame 13 is connected to an edge of the fixed frame via a bearing. The rotating frame 13 receives power from the driving mechanism of the control device 15 and rotates around the rotation axis Z at a constant angular velocity.
なお、回転フレーム13は、X線管11とX線検出器12に加えて、X線高電圧装置14やDAS18を更に備えて支持する。このような回転フレーム13は、撮影空間をなす開口(ボア)19が形成された略円筒形状の筐体に収容されている。開口はFOVに略一致する。開口の中心軸は、回転フレーム13の回転軸Zに一致する。なお、DAS18が生成した検出データは、例えば発光ダイオード(LED)を有する送信機から光通信によって架台装置の非回転部分(例えば固定フレーム。図1での図示は省略する。)に設けられた、フォトダイオードを有する受信機(図示せず)に送信され、コンソール装置40へと転送される。なお、回転フレームから架台装置の非回転部分への検出データの送信方法は、前述の光通信に限らず、非接触型のデータ伝送であれば如何なる方式を採用しても構わない。 The rotating frame 13 further includes and supports an X-ray high-voltage device 14 and a DAS 18 in addition to the X-ray tube 11 and the X-ray detector 12. Such a rotating frame 13 is housed in a substantially cylindrical housing in which an opening (bore) 19 forming an imaging space is formed. The opening substantially matches the FOV. The central axis of the opening coincides with the rotation axis Z of the rotation frame 13. The detection data generated by the DAS 18 is provided on a non-rotating portion (for example, a fixed frame, not shown in FIG. 1) of the gantry device by optical communication from a transmitter having, for example, a light emitting diode (LED). The data is transmitted to a receiver (not shown) having a photodiode, and is transmitted to the console device 40. Note that the method of transmitting the detection data from the rotating frame to the non-rotating portion of the gantry is not limited to the above-described optical communication, and any method may be adopted as long as it is a non-contact type data transmission.
X線高電圧装置14は、変圧器(トランス)及び整流器等の電気回路を有し、X線管11に印加する高電圧及びX線管11に供給するフィラメント電流を発生する機能を有する高電圧発生装置と、X線管11が照射するX線に応じた出力電圧の制御を行うX線制御装置とを有する。高電圧発生装置は、変圧器方式であってもよいし、インバータ方式であっても構わない。なお、X線高電圧装置14は、後述する回転フレーム13に設けられてもよいし、架台装置10の固定フレーム(図示しない)側に設けられても構わない。 The X-ray high-voltage device 14 has an electric circuit such as a transformer (transformer) and a rectifier, and has a function of generating a high voltage applied to the X-ray tube 11 and a function of generating a filament current supplied to the X-ray tube 11. It has a generator and an X-ray controller for controlling the output voltage according to the X-ray emitted by the X-ray tube 11. The high voltage generator may be of a transformer type or an inverter type. The X-ray high-voltage device 14 may be provided on a rotating frame 13 described later, or may be provided on a fixed frame (not shown) of the gantry device 10.
制御装置15は、CPU(Central Processing Unit)等を有する処理回路と、モータ及びアクチュエータ等の駆動機構とを有する。処理回路は、ハードウェア資源として、CPUやMPU(Micro Processing Unit)等のプロセッサとROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等のメモリとを有する。また、制御装置15は、特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit:ASIC)やフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(Field Programmable Gate Array:FPGA)、他の複合プログラマブル論理デバイス(Complex Programmable Logic Device:CPLD)、単純プログラマブル論理デバイス(Simple Programmable Logic Device:SPLD)により実現されてもよい。制御装置15は、コンソール装置40からの指令に従い、X線高電圧装置14及びDAS18等を制御する。前記プロセッサは、前記メモリに保存されたプログラムを読み出して実現することで上記制御を実現する。 The control device 15 has a processing circuit having a CPU (Central Processing Unit) and the like, and a driving mechanism such as a motor and an actuator. The processing circuit has, as hardware resources, a processor such as a CPU and an MPU (Micro Processing Unit) and a memory such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory). In addition, the control device 15 includes an application specific integrated circuit (ASIC), a field programmable gate array (FPGA), and another complex programmable logic device (CPLD). ), A simple programmable logic device (SPLD). The control device 15 controls the X-ray high-voltage device 14, the DAS 18, and the like according to a command from the console device 40. The processor realizes the above control by reading and implementing a program stored in the memory.
CPUは、ここに説明された機能を実行するコンピュータ読み取り可能命令のセットを含んでいるコンピュータプログラムを実行することができ、係るコンピュータプログラムは、任意の上述の非一時的電子メモリ及び/又はハードディスクドライブ、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)、FLASHドライブ、又はその他の任意の既知の格納媒体に格納されている。さらに、コンピュータ読み取り可能命令は、ユーティリティアプリケーション、バックグラウンドデーモン、又はオペレーティングシステムのコンポーネント、或いはそれらの組み合わせとして提供されてもよく、当業者にとっては既知のその他オペレーティングシステムがプロセッサと一体となって実行する。さらに、CPUは、命令を実行するために並行して協同的に動作する、マルチプルプロセッサとして実行することができる。 A CPU may execute a computer program that includes a set of computer-readable instructions that perform the functions described herein, such a computer program comprising any of the non-transitory electronic memory and / or hard disk drives described above. , CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), FLASH drive, or any other known storage medium. Further, the computer readable instructions may be provided as a utility application, a background daemon, or a component of an operating system, or a combination thereof, with other operating systems known to those skilled in the art executing together with the processor. . Further, the CPU may be implemented as a multiple processor, operating in parallel and cooperatively to execute instructions.
また、制御装置15は、コンソール装置40若しくは架台装置10に取り付けられた、後述する入力インターフェース43からの入力信号を受けて、架台装置10及び寝台装置30の動作制御を行う機能を有する。例えば、制御装置15は、入力信号を受けて回転フレーム13を回転させる制御や、架台装置10をチルトさせる制御、及び寝台装置30及び天板33を動作させる制御を行う。なお、架台装置10をチルトさせる制御は、架台装置10に取り付けられた入力インターフェース43によって入力される傾斜角度(チルト角度)情報により、制御装置15がX軸方向に平行な軸を中心に回転フレーム13を回転させることによって実現される。また、制御装置15は架台装置10に設けられてもよいし、コンソール装置40に設けられても構わない。なお、制御装置15は、前記メモリにプログラムを保存する代わりに、前記プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むように構成しても構わない。この場合、前記プロセッサは、前記回路内に組み込まれたプログラムを読み出して実行することで上記制御を実現する。 In addition, the control device 15 has a function of receiving an input signal from an input interface 43, which will be described later, attached to the console device 40 or the gantry device 10, and controlling the operation of the gantry device 10 and the couch device 30. For example, the control device 15 performs control to rotate the rotating frame 13 in response to the input signal, control to tilt the gantry device 10, and control to operate the bed device 30 and the top board 33. The control for tilting the gantry device 10 is performed by the control device 15 based on the tilt angle (tilt angle) information input by the input interface 43 attached to the gantry device 10, with the rotation frame around the axis parallel to the X-axis direction. 13 is rotated. Further, the control device 15 may be provided in the gantry device 10 or may be provided in the console device 40. Note that the control device 15 may be configured to directly incorporate the program into the circuit of the processor instead of storing the program in the memory. In this case, the processor realizes the above control by reading and executing a program incorporated in the circuit.
ウェッジ16は、X線管11から照射されたX線量を調節するためのフィルタである。具体的には、ウェッジ16は、X線管11から被検体Pへ照射されるX線が、予め定められた分布になるように、X線管11から照射されたX線を透過して減衰するフィルタである。例えば、ウェッジ16(ウェッジフィルタ(wedge filter)、ボウタイフィルタ(bow-tie filter))は、所定のターゲット角度や所定の厚みとなるようにアルミニウムを加工したフィルタである。 The wedge 16 is a filter for adjusting the X-ray dose emitted from the X-ray tube 11. More specifically, the wedge 16 transmits and attenuates the X-rays emitted from the X-ray tube 11 so that the X-rays emitted from the X-ray tube 11 to the subject P have a predetermined distribution. Filter. For example, the wedge 16 (wedge filter, bow-tie filter) is a filter formed by processing aluminum so as to have a predetermined target angle and a predetermined thickness.
コリメータ17は、ウェッジ16を透過したX線の照射範囲を絞り込むための鉛板等であり、複数の鉛板等の組み合わせによってスリットを形成する。なお、コリメータ17は、X線絞りと呼ばれる場合もある。 The collimator 17 is a lead plate or the like for narrowing an irradiation range of the X-ray transmitted through the wedge 16, and forms a slit by a combination of a plurality of lead plates and the like. Note that the collimator 17 is sometimes called an X-ray aperture.
DAS18は、X線検出器12により検出されたX線のカウントを示すデジタルデータ(以下、検出データともいう)を、複数のエネルギー帯域(以下、エネルギー・ビン、又は単にビンともいう)毎に生成する。検出データは、生成元のX線検出素子のチャンネル番号、列番号、収集されたビュー(投影角度ともいう)を示すビュー番号、及びエネルギー・ビン番号により識別されたカウント値のデータのセットである。DAS18は、例えば、検出データを生成可能な回路素子を搭載したASIC(Application Specific Integrated Circuit)により実現される。検出データは、コンソール装置40へと転送される。 The DAS 18 generates digital data indicating the count of X-rays detected by the X-ray detector 12 (hereinafter, also referred to as detection data) for each of a plurality of energy bands (hereinafter, also referred to as energy bins or simply bins). I do. The detection data is a set of data including a channel number, a column number, a view number indicating a collected view (also referred to as a projection angle) of the source X-ray detection element, and a count value identified by an energy bin number. . The DAS 18 is realized by, for example, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) equipped with a circuit element capable of generating detection data. The detection data is transferred to the console device 40.
例えば、DAS18は、検出器画素各々について前置増幅器、可変増幅器、積分回路及びA/D変換器を含む。前置増幅器は、接続元のX線検出素子からの電気信号を所定のゲインで増幅する。可変増幅器は、前置増幅器からの電気信号を可変のゲインで増幅する。積分回路は、前置増幅器からの電気信号を、1ビュー期間に亘り積分して積分信号を生成する。積分信号の波高値は、1ビュー期間に亘り接続元のX線検出素子により検出されたX線の線量値に対応する。A/D変換器は、積分回路からの積分信号をアナログデジタル変換して検出データを生成する。 For example, DAS 18 includes a preamplifier, a variable amplifier, an integrator, and an A / D converter for each detector pixel. The preamplifier amplifies an electric signal from the connection source X-ray detection element with a predetermined gain. The variable amplifier amplifies the electric signal from the preamplifier with a variable gain. The integrating circuit integrates the electric signal from the preamplifier over one view period to generate an integrated signal. The peak value of the integration signal corresponds to the X-ray dose value detected by the connection source X-ray detection element over one view period. The A / D converter performs analog-to-digital conversion of the integration signal from the integration circuit to generate detection data.
寝台装置30は、スキャン対象の被検体Pを載置、移動させる装置であり、基台31と、寝台駆動装置32と、天板33と、支持フレーム34とを備えている。 The couch device 30 is a device for placing and moving the subject P to be scanned, and includes a base 31, a couch driving device 32, a top plate 33, and a support frame.
基台31は、支持フレーム34を鉛直方向に移動可能に支持する筐体である。 The base 31 is a housing that supports the support frame 34 movably in the vertical direction.
寝台駆動装置32は、被検体Pが載置された天板33を天板33の長軸方向に移動するモータあるいはアクチュエータである。寝台駆動装置32は、コンソール装置40による制御、または制御装置15による制御に従い、天板33を移動する。例えば、寝台駆動装置32は、天板33に載置された被検体Pの体軸が回転フレーム13の開口の中心軸に一致するよう、天板33を被検体Pに対して直交方向に移動する。また、寝台駆動装置32は、架台装置10を用いて実行されるX線CT撮影に応じて、天板33を被検体Pの体軸方向に沿って移動してもよい。寝台駆動装置32は、制御装置15からの駆動信号のデューティ比等に応じた回転速度で駆動することにより動力を発生する。寝台駆動装置32は、例えば、ダイレクトドライブモータやサーボモータ等のモータにより実現される。 The couch driving device 32 is a motor or an actuator that moves the table 33 on which the subject P is placed in the longitudinal direction of the table 33. The couch driving device 32 moves the couchtop 33 according to control by the console device 40 or control by the control device 15. For example, the couch driving device 32 moves the table 33 in a direction perpendicular to the object P such that the body axis of the object P placed on the table 33 coincides with the central axis of the opening of the rotating frame 13. I do. Further, the couch driving device 32 may move the couchtop 33 along the body axis direction of the subject P in accordance with X-ray CT imaging performed using the gantry device 10. The couch driving device 32 generates power by being driven at a rotation speed corresponding to a duty ratio of a driving signal from the control device 15 or the like. The couch driving device 32 is realized by a motor such as a direct drive motor or a servo motor.
支持フレーム34の上面に設けられた天板33は、被検体Pが載置される板である。なお、寝台駆動装置32は、天板33に加え、支持フレーム34を天板33の長軸方向に移動してもよい。 The top plate 33 provided on the upper surface of the support frame 34 is a plate on which the subject P is placed. The bed driving device 32 may move the support frame 34 in the longitudinal direction of the top plate 33 in addition to the top plate 33.
コンソール装置40は、メモリ41と、ディスプレイ42と、入力インターフェース43と、処理回路44とを有する。メモリ41と、ディスプレイ42と、入力インターフェース43と、処理回路44との間のデータ通信は、バス(BUS)を介して行われる。なお、コンソール装置40は架台装置10とは別体として説明するが、架台装置10にコンソール装置40またはコンソール装置40の各構成要素の一部が含まれてもよい。 The console device 40 has a memory 41, a display 42, an input interface 43, and a processing circuit 44. Data communication among the memory 41, the display 42, the input interface 43, and the processing circuit 44 is performed via a bus (BUS). Although the console device 40 is described as being separate from the gantry device 10, the gantry device 10 may include the console device 40 or some of the components of the console device 40.
メモリ41は、種々の情報を記憶するHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)、集積回路記憶装置等の記憶装置である。メモリ41は、例えば、投影データや再構成画像データを記憶する。メモリ41は、HDDやSSD等以外にも、CD、DVD、フラッシュメモリ等の可搬性記憶媒体や、RAM(Random Access Memory)等の半導体メモリ素子等との間で種々の情報を読み書きする駆動装置であってもよい。また、メモリ41の保存領域は、X線CT装置1内にあってもよいし、ネットワークで接続された外部記憶装置内にあってもよい。例えば、メモリ41は、CT画像や表示画像のデータを記憶する。また、メモリ41は、本実施形態に係る制御プログラムを記憶する。 The memory 41 is a storage device such as a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), or an integrated circuit storage device for storing various information. The memory 41 stores, for example, projection data and reconstructed image data. The memory 41 is a drive device that reads and writes various information between a portable storage medium such as a CD, a DVD, and a flash memory, and a semiconductor memory element such as a RAM (Random Access Memory) in addition to the HDD and the SSD. It may be. Further, the storage area of the memory 41 may be in the X-ray CT apparatus 1 or in an external storage device connected via a network. For example, the memory 41 stores data of a CT image and a display image. Further, the memory 41 stores a control program according to the present embodiment.
ディスプレイ42は、各種の情報を表示する。例えば、ディスプレイ42は、処理回路44によって生成された医用画像(CT画像)や、操作者からの各種操作を受け付けるためのGUI(Graphical User Interface)等を出力する。例えば、ディスプレイ42としては、例えば、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)、CRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ、有機ELディスプレイ(OELD:Organic Electro Luminescence Display)、プラズマディスプレイ又は他の任意のディスプレイが、適宜、使用可能となっている。また、ディスプレイ42は、架台装置10に設けられてもよい。また、ディスプレイ42は、デスクトップ型でもよいし、コンソール装置40本体と無線通信可能なタブレット端末などで構成されることにしても構わない。 The display 42 displays various information. For example, the display 42 outputs a medical image (CT image) generated by the processing circuit 44, a GUI (Graphical User Interface) for receiving various operations from the operator, and the like. For example, as the display 42, for example, a liquid crystal display (LCD: Liquid Crystal Display), a CRT (Cathode Ray Tube) display, an organic EL display (OELD: Organic Electro Luminescence Display), a plasma display, or any other display is appropriately used. , Has become available. The display 42 may be provided on the gantry device 10. Further, the display 42 may be a desktop type, or may be configured by a tablet terminal or the like that can wirelessly communicate with the console device 40 main body.
入力インターフェース43は、操作者からの各種の入力操作を受け付け、受け付けた入力操作を電気信号に変換して処理回路44に出力する。例えば、入力インターフェース43は、投影データを収集する際の収集条件や、CT画像を再構成する際の再構成条件、CT画像から後処理画像を生成する際の画像処理条件等を操作者から受け付ける。入力インターフェース43としては、例えば、マウス、キーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、タッチパッド及びタッチパネルディスプレイ等が適宜、使用可能となっている。なお、本実施形態において、入力インターフェース43は、マウス、キーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、タッチパッド及びタッチパネルディスプレイ等の物理的な操作部品を備えるものに限られない。例えば、装置とは別体に設けられた外部の入力機器から入力操作に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を処理回路44へ出力する電気信号の処理回路も入力インターフェース43の例に含まれる。入力インターフェース43は、架台装置10に設けられてもよい。又、入力インターフェース43は、コンソール装置40本体と無線通信可能なタブレット端末などで構成されることにしても構わない。 The input interface 43 receives various input operations from the operator, converts the received input operations into electric signals, and outputs the electric signals to the processing circuit 44. For example, the input interface 43 receives, from the operator, acquisition conditions for acquiring projection data, reconstruction conditions for reconstructing a CT image, image processing conditions for generating a post-processed image from a CT image, and the like. . As the input interface 43, for example, a mouse, a keyboard, a trackball, a switch, a button, a joystick, a touch pad, a touch panel display, and the like can be appropriately used. Note that, in the present embodiment, the input interface 43 is not limited to one having physical operation components such as a mouse, a keyboard, a trackball, a switch, a button, a joystick, a touch pad, and a touch panel display. For example, an example of the input interface 43 includes an electric signal processing circuit that receives an electric signal corresponding to an input operation from an external input device provided separately from the device and outputs the electric signal to the processing circuit 44. . The input interface 43 may be provided in the gantry device 10. Further, the input interface 43 may be configured by a tablet terminal or the like that can wirelessly communicate with the console device body.
処理回路44は、入力インターフェース43から出力される入力操作の電気信号に応じてX線CT装置1全体の動作を制御する。例えば、処理回路44は、ハードウェア資源として、CPUやMPU、GPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサとROMやRAM等のメモリとを有する。処理回路44は、メモリに展開されたプログラムを実行するプロセッサにより、システム制御機能441、前処理機能442、再構成処理機能443及び表示制御機能444を実行する。なお、各機能(システム制御機能441、前処理機能442、再構成処理機能443および表示制御機能444)は単一の処理回路で実現される場合に限らない。複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより各機能を実現するものとしても構わない。 The processing circuit 44 controls the overall operation of the X-ray CT apparatus 1 in accordance with an input operation electric signal output from the input interface 43. For example, the processing circuit 44 has, as hardware resources, a processor such as a CPU, an MPU, and a GPU (Graphics Processing Unit) and a memory such as a ROM and a RAM. The processing circuit 44 executes a system control function 441, a pre-processing function 442, a reconstruction processing function 443, and a display control function 444 by a processor that executes a program expanded in the memory. Note that each function (the system control function 441, the preprocessing function 442, the reconfiguration processing function 443, and the display control function 444) is not limited to being realized by a single processing circuit. A processing circuit may be configured by combining a plurality of independent processors, and each processor may execute a program to realize each function.
システム制御機能441は、入力インターフェース43を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、処理回路44の各機能を制御する。具体的には、システム制御機能441は、メモリ41に記憶されている制御プログラムを読み出して処理回路44内のメモリ上に展開し、展開された制御プログラムに従ってX線CT装置1の各部を制御する。例えば、処理回路44は、入力インターフェース43を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、処理回路44の各機能を制御する。例えば、システム制御機能441は、スキャン範囲、撮影条件等を決定するための被検体Pの2次元の位置決め画像を取得する。なお、位置決め画像は、スキャノ画像またはスカウト画像とも呼ばれる。 The system control function 441 controls each function of the processing circuit 44 based on an input operation received from the operator via the input interface 43. Specifically, the system control function 441 reads out the control program stored in the memory 41, expands it on the memory in the processing circuit 44, and controls each unit of the X-ray CT apparatus 1 according to the expanded control program. . For example, the processing circuit 44 controls each function of the processing circuit 44 based on an input operation received from the operator via the input interface 43. For example, the system control function 441 acquires a two-dimensional positioning image of the subject P for determining a scan range, imaging conditions, and the like. Note that the positioning image is also called a scano image or a scout image.
前処理機能442は、DAS18から出力された検出データに対して対数変換処理やオフセット補正処理、チャネル間の感度補正処理、ビームハードニング補正、検出器キャリブレーション、検出器非線形性、極性効果、ノイズバランシング、そして物質弁別に対する補正等の前処理を施したデータを生成する。なお、前処理前のデータ(検出データ)および前処理後のデータを総称して投影データと称する場合もある。また、前処理機能442は、前処理部の一例である。 The pre-processing function 442 performs logarithmic conversion processing, offset correction processing, sensitivity correction processing between channels, beam hardening correction, detector calibration, detector non-linearity, polarity effect, noise on the detection data output from the DAS 18. Generates data that has been subjected to preprocessing such as balancing and correction for material discrimination. The data before the pre-processing (detection data) and the data after the pre-processing may be collectively referred to as projection data. The pre-processing function 442 is an example of a pre-processing unit.
再構成処理機能443は、前処理機能442にて生成された投影データに対して、フィルタ補正逆投影法や逐次近似再構成法、確率論的画像再構成法等を用いた再構成処理を行ってCT画像データを生成する。また、再構成処理機能443は、再構成処理部の一例である。CT画像データには、必要に応じ、画像のフィルタリングやスムージング、ボリュームレンダリング処理、画像差分処理を行ってもよい。 The reconstruction processing function 443 performs a reconstruction process on the projection data generated by the preprocessing function 442 using a filter-corrected backprojection method, an iterative approximation reconstruction method, a stochastic image reconstruction method, or the like. To generate CT image data. The reconfiguration processing function 443 is an example of a reconfiguration processing unit. The CT image data may be subjected to image filtering, smoothing, volume rendering processing, and image difference processing as needed.
表示制御機能444は、入力インターフェース43を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、再構成処理機能443によって生成されたCT画像データを公知の方法により、任意断面の層像データや3次元画像データに変換する。なお、3次元画像データの生成は再構成処理機能443が直接行なっても構わない。また、表示制御機能444は、表示制御部の一例である。
なお、本実施形態において、「投影面」とは、X線がX線管11からPCD12まで通過するボリュームを指す。「被検体空間」とは、投影面とガントリの開口部とが交わるところを指す。「画像空間」は、X線管11がガントリの開口の周りを回転するときの、X線管11の全ての投影角に対応する投影面の統合を含む。画像空間は、被検体Pの寸法よりも広い範囲に亘るボリュームに対して画像再構成を可能にするので、被検体空間に比べて、通常は大きい。
The display control function 444 converts the CT image data generated by the reconstruction processing function 443 based on an input operation received from the operator via the input interface 43 into layer image data or three-dimensional data of an arbitrary cross section by a known method. Convert to image data. Note that the generation of the three-dimensional image data may be directly performed by the reconstruction processing function 443. The display control function 444 is an example of a display control unit.
In the present embodiment, the “projection plane” indicates a volume through which X-rays pass from the X-ray tube 11 to the PCD 12. The “subject space” refers to a place where the projection plane intersects with the opening of the gantry. “Image space” includes the integration of projection planes corresponding to all projection angles of X-ray tube 11 as X-ray tube 11 rotates around the opening of the gantry. The image space is usually larger than the object space, since the image space allows image reconstruction for a volume that is wider than the size of the object P.
被検体Pが被検体空間を占め、且つ架台装置10が各投影角で被検体Pを通してX線透過/減衰の投影データを収集しながら、X線管11が一連の投影角を通して回転した場合に、スキャンは実行される。 When the subject P occupies the subject space and the gantry 10 rotates through a series of projection angles while the gantry 10 collects X-ray transmission / attenuation projection data through the subject P at each projection angle. , A scan is performed.
一般的に、PCD12は、所定数のエネルギー・ビンのそれぞれに対するフォトン数を出力する。一実装では、PCD12は、所定のジオメトリにおいて被検体Pの周りに疎に位置される。
一実装例において、X線管11は、X線エネルギーの幅広いスペクトルを放射する単一の線源である。
Generally, PCD 12 outputs the number of photons for each of a predetermined number of energy bins. In one implementation, the PCD 12 is sparsely positioned around the subject P in a predetermined geometry.
In one implementation, X-ray tube 11 is a single source that emits a broad spectrum of X-ray energy.
PCD12は、テルル化カドミウム(CdTe)、テルル化カドミウム亜鉛(CZT)、シリコン(Si)、ヨウ化水銀(HgI2)やガリウムヒ素(GaAs)など、半導体に基づいた直接変換型のX線放射線検出器を使うことができる。半導体に基づく直接変換型のX線検出器は、シンチレータ検出器等の間接変換型の検出器に比べて、時間応答がはるかに速い。直接変換型の検出器のこの速い時間応答により、検出器が個別のX線検出器イベントを分解することを可能にする。しかし、臨床的なX線アプリケーションにおいては典型的な高X線束で、検出イベントの幾つかにパイルアップが発生する可能性がある。検出されたX線のエネルギーは、直接変換型の検出器により生成された信号に比例して、検出イベントは、スペクトルCTに対するスペクトル的に分解されたX線データを生み出すエネルギー・ビンへと整理することができる。 PCD12 is a direct conversion type X-ray radiation detection based on semiconductors such as cadmium telluride (CdTe), cadmium zinc telluride (CZT), silicon (Si), mercury iodide (HgI 2 ), and gallium arsenide (GaAs). You can use a container. A direct conversion type X-ray detector based on a semiconductor has a much faster time response than an indirect conversion type detector such as a scintillator detector. This fast time response of the direct conversion detector allows the detector to resolve individual X-ray detector events. However, at high x-ray flux typical of clinical x-ray applications, pile-up can occur in some of the detection events. The energy of the detected X-rays is proportional to the signal generated by the direct conversion detector, and the detection events are organized into energy bins that produce spectrally resolved X-ray data for the spectral CT. be able to.
本開示において、PCD12からの信号は、図示されていない読出し回路により制御されている。読出しチャンネルは、増幅器により処理されたアナログ信号を出力し、その後アナログデジタル(A/D)変換器へと入力される。係るA/D変換器は、高周波数(一般的には40〜100MHz)でクロック駆動されており、デジタル信号を出力する。係るデジタル信号は、その後入射光子の検出用のプロセッサへと転送される。デジタルサンプルは、信号のタイムスタンプ及び振幅を決定するデジタルフィルタにおいて実行されるアルゴリズムにより処理される。読出し回路は、継続的にアナログ信号をサンプルし、且つ画像処理チェーンにおいてさらに処理されるための大きなデータセットを生み出す。 In the present disclosure, the signal from the PCD 12 is controlled by a read circuit (not shown). The read channel outputs an analog signal processed by the amplifier, which is then input to an analog-to-digital (A / D) converter. Such an A / D converter is clocked at a high frequency (generally 40 to 100 MHz) and outputs a digital signal. Such digital signals are then transferred to a processor for detection of incident photons. The digital samples are processed by an algorithm implemented in a digital filter that determines the time stamp and amplitude of the signal. The readout circuit continually samples the analog signal and produces a large data set for further processing in the image processing chain.
開示された実施形態は、より大きな厚み(T〜3.0mm)でのより薄い検出器(例えば、W<2.0mm)の使用を容易にする。係る検出器では、表面でチャージ損失することなくより高い動作領域を維持しつつ、チャージ収集効率を改善する。重み付け電位は、移動するチャージが検出器においてドリフトする場合に、移動するチャージとチャージの電極との間の結合を説明するものである。 The disclosed embodiments facilitate the use of thinner detectors (eg, W <2.0 mm) at larger thicknesses (T-3.0 mm). Such a detector improves charge collection efficiency while maintaining a higher operating area without charge loss at the surface. The weighted potential describes the coupling between the moving charge and the electrodes of the charge as the moving charge drifts at the detector.
図3Aは、500μmピクセル及び250μmピクセルそれぞれでのピクセルサイズを用いる均一なピクセルパターンデザインを含むPCDに対する、100キロ電子ボルト(kilo electron-volts:keV)でのX線応答例を示すグラフである。実線は、250μmピクセルを有するPCDを、破線は500μmピクセルを有するPCDを、それぞれ表す。両方のPCDは、例として、厚さ2mmであり、面積1mm2でのマクロピクセルとを有する。ピクセルサイズ500μmでの均一なピクセルパターンデザインを有するマクロピクセルは、面積1mm2をマクロピクセルにおいて4個のマイクロピクセルを含むことがあるだろう。またピクセルサイズ250μmでの均一なピクセルパターンデザインを有するマクロピクセルは、面積1mm2のマクロピクセルにおいて16個のマイクロピクセルを含むことがあるだろう。破線は500μmの均一なピクセルを有するPCDを表す。250μm及び500μm2つの異なるピクセルサイズは、ピクセルサイズによる異なる検出器応答を示すために、示される。図3Aに示されるグラフの縦軸は、100keV入力に対する特定のエネルギーで検出された、カウント又はパーセンテージを反映している。グラフは、250μmピクセルは、より高いチャージシェアリングイベントを有することを示す。理想的な検出器は、デルタ関数を表す検出器応答を有するだろう。グラフは、ピクセルサイズ及び対応する読出しエレクトロニクスが、PCDデザインにとって如何に重要な事柄であるかを示す。 FIG. 3A is a graph illustrating an example x-ray response at 100 kiloelectron volts (keV) for a PCD that includes a uniform pixel pattern design using pixel sizes at 500 μm and 250 μm pixels, respectively. Solid lines represent PCDs with 250 μm pixels, and dashed lines represent PCDs with 500 μm pixels. Both PCDs are, for example, 2 mm thick and have macro pixels with an area of 1 mm 2 . A macropixel having a uniform pixel pattern design with a pixel size of 500 μm may include four micropixels in a macropixel with an area of 1 mm 2 . Also, a macropixel having a uniform pixel pattern design with a pixel size of 250 μm may include 16 micropixels in a macropixel having an area of 1 mm 2 . The dashed line represents a PCD with 500 μm uniform pixels. Two different pixel sizes, 250 μm and 500 μm, are shown to indicate different detector responses due to pixel size. The vertical axis of the graph shown in FIG. 3A reflects the count or percentage detected at a particular energy for a 100 keV input. The graph shows that the 250 μm pixel has a higher charge sharing event. An ideal detector would have a detector response that represented a delta function. The graph shows how pixel size and corresponding readout electronics are important for PCD design.
図3Aの例においてより小さなマイクロピクセルでの均一なピクセルパターンデザインを有するPCDは、毎秒1平方ミリメートル辺り数百万もの光子相互作用から成ることがある、高線束スキャン環境にとって望ましい。より小さなマイクロピクセルに関連する1つの利点として、パルスパイルアップ問題の影響を比較的受けにくいという点である。しかし、図3に示された様に起こり得る重度のチャージシェアリングのせいで、より小さなピクセルサイズほど、検出器応答低下の影響を受けやすいように見える。この例における500μmの様に大きなピクセルサイズは、より低いチャージシェアリング及びクロストーク効果を提供することができ、改善された検出器応答をもたらす可能性がある。低いエネルギー部分へのピークエネルギー漏れの一部は、小さくなり、物質弁別ノイズを減らすことが可能となる。しかし、より大きなマイクロピクセルデザインは、重度のパルスパイルアップに対処するため、エレクトロニクス又はその他の後処理に対する負荷を増大させる。 A PCD with a uniform pixel pattern design with smaller micropixels in the example of FIG. 3A is desirable for high flux scanning environments, which may consist of millions of photon interactions per square millimeter per second. One advantage associated with smaller micropixels is that they are relatively insensitive to pulse pile-up problems. However, due to the possible severe charge sharing as shown in FIG. 3, smaller pixel sizes appear to be more susceptible to detector response degradation. Pixel sizes as large as 500 μm in this example can provide lower charge sharing and crosstalk effects, and can result in improved detector response. Part of the peak energy leakage to the lower energy part is smaller, which makes it possible to reduce the material discrimination noise. However, larger micropixel designs increase the burden on electronics or other post-processing to deal with severe pulse pile-up.
物質弁別ノイズの観点からすると、図3Bに図示されたグラフにおいて示される通り、小さなピクセルサイズは高い線束スキャン環境で好まれ、大きなピクセルサイズは低線束スキャン環境で好まれる。図3Bにおけるグラフは、高線束及び低線束スキャン環境における弁別ノイズとピクセルサイズとの関係性を示す。図3Bにおけるグラフの縦軸は、弁別ノイズを表し、横軸は、250−500μmのピクセルサイズ範囲を表す。黒マルは、ピクセルサイズが大きくなるにつれての低線束スキャン環境における弁別ノイズのレベルを反映し、白マルは、ピクセルサイズが大きくなるにつれての高線束スキャン環境における弁別ノイズのレベルを反映する。図3Bのグラフによれば、各マルは、ピクセルサイズが増す高線束環境において弁別ノイズも増加することと、低線束スキャンにおいてはピクセルサイズが増えるのに従って弁別ノイズが低減することと、を明らかにしている。この様にして、小さな又は大きなピクセルを含む、均一なピクセルサイズデザインを用いる検出器を使用することで、ある利点及び欠点をもたらす場合がある。 In terms of material discrimination noise, as shown in the graph illustrated in FIG. 3B, small pixel sizes are preferred in a high flux scan environment, and large pixel sizes are preferred in a low flux scan environment. The graph in FIG. 3B illustrates the relationship between discrimination noise and pixel size in a high flux and low flux scan environment. The vertical axis of the graph in FIG. 3B represents discrimination noise, and the horizontal axis represents a pixel size range of 250-500 μm. The black circles reflect the level of discrimination noise in a low flux scan environment as the pixel size increases, and the white circles reflect the level of discrimination noise in a high flux scan environment as the pixel size increases. According to the graph of FIG. 3B, each circle reveals that the discrimination noise also increases in a high flux environment where the pixel size increases, and that the discrimination noise decreases as the pixel size increases in the low flux scan. ing. In this way, using a detector with a uniform pixel size design, including small or large pixels, may provide certain advantages and disadvantages.
次に図4Aを参照すると、ハイブリッドピクセルパターンデザインでの複数のマクロピクセルを含むフォトンカウンティング検出器アレイ70が示される。フォトンカウンティング検出器アレイ70は、CdZnTe又はCdTeのような半導体材料により形成された結晶71(半導体結晶)を含む。結晶71の1つの面は、大きな単一のカソード電極76を有する。結晶の反対面が陽極面72であり、長方形或いは四角形の陽極ピクセル74を含む。小さなピクセルサイズデザイン或いは大きなピクセルサイズデザインのどちらか一方の使用に関連するどんな欠点も最小化しながら、大きなピクセルサイズデザインと同様に小さなピクセルサイズデザインを使用する利益を享受するために、ハイブリッドピクセルパターンデザインが使用される。検出器アレイ70の厚さは、Tで表される。本開示の一例で、検出器アレイ70の厚さは、X線のパワーを止めるには十分な3mmである。なお、検出器アレイ70の厚さは、アプリケーション、半導体材料、及び検出器デザインに関連したその他の事柄のタイプにより、異なってもよい。検出器アレイ70の各個別のピクセル74は、ハイブリッドピクセルパターンデザインでのマクロピクセルである。検出器アレイ70での各マクロピクセルは、均一なサイズである一方で、マクロピクセルは、様々なサイズのマイクロピクセルを含む。例えば検出器は、12×8アレイのマクロピクセル(96個のマクロピクセル)、12×12アレイのマクロピクセル(144個のマクロピクセル)、又は16×16アレイのマクロピクセル(256個のマクロピクセル)を含むことができるが、特定の検出器に関連したマクロピクセルのアレイを限定する意図はない。 Referring now to FIG. 4A, a photon counting detector array 70 including a plurality of macropixels in a hybrid pixel pattern design is shown. The photon counting detector array 70 includes a crystal 71 (semiconductor crystal) formed of a semiconductor material such as CdZnTe or CdTe. One face of the crystal 71 has a large single cathode electrode 76. The opposite side of the crystal is the anode surface 72, which includes a rectangular or square anode pixel 74. Hybrid pixel pattern design to enjoy the benefits of using small pixel size designs as well as large pixel size designs while minimizing any disadvantages associated with using either small pixel size designs or large pixel size designs Is used. The thickness of the detector array 70 is denoted by T. In one example of the present disclosure, the thickness of the detector array 70 is 3 mm, which is sufficient to stop X-ray power. It should be noted that the thickness of the detector array 70 may vary depending on the type of application, semiconductor material, and other considerations associated with the detector design. Each individual pixel 74 of the detector array 70 is a macro pixel in a hybrid pixel pattern design. Each macropixel in the detector array 70 is of uniform size, while macropixels include micropixels of various sizes. For example, the detector may be a 12 × 8 array of macropixels (96 macropixels), a 12 × 12 array of macropixels (144 macropixels), or a 16 × 16 array of macropixels (256 macropixels). , But is not intended to limit the array of macropixels associated with a particular detector.
一例において、図4Aに示された検出器アレイ70のマクロピクセルは、1mm×1mmの面積を有する。マクロピクセルの面積は、任意のサイズとすることができ、1mm×1mmの面積に拘泥されない。 In one example, the macropixels of detector array 70 shown in FIG. 4A have an area of 1 mm × 1 mm. The area of the macropixel can be of any size and is not restricted to an area of 1 mm × 1 mm.
本開示は、図4Bに例として示された様なマクロピクセルにおける均一でないマイクロピクセルから成る、ハイブリッドピクセルパターンデザインを使用することにより、パルスパイルアップ及びチャージシェアリング問題を最小化する。図4Bは、ハイブリッドピクセルパターンデザイン用いたマクロピクセル74を含む。マクロピクセル74は、2つの異なるサイズのマイクロピクセルを含む。当該例において、マクロピクセル74における1個の大きなマイクロピクセル82(大マイクロピクセルともいう)が12個のより小さなマイクロピクセル80(小マイクロピクセルともいう)で囲まれる。この例におけるマクロピクセル74は、合計12個のマイクロピクセルから成る。この例におけるマクロピクセル74が1mm×1mmの面積を有する場合、その場合に大きなマイクロピクセル82は、小さなマイクロピクセル80の一つの面積に比べて四倍大きい面積を有する。当該例におけるより小さなマイクロピクセルは、250μmサイズを有し、大きなマイクロピクセルは、500μmサイズを有する。マクロピクセル74に対するハイブリッドピクセルパターンデザインは、マクロピクセル74のマイクロピクセル間のチャージシェアリング及びクロストークを最小化するために低線束スキャン環境での一個のより大きな500μmマイクロピクセル82に実質的に頼りつつ、パルスパイルアップ問題を回避するために高線束スキャン環境にわたり250μmマイクロピクセル80に実質的に頼ってもよい。大きなマイクロピクセル82は、低線束スキャン環境の下でより良い情報を提供することが期待され、小さなマイクロピクセル80は、高線束スキャン環境の下で、それぞれより良い情報を提供することが期待される。
言い換えれば、少なくとも1つの大きなマイクロピクセル82に関する検出器応答の第1のセットから取得される情報は、低線束スキャン環境における少なくとも2つの小さなマイクロピクセル80を較正するために用いられてもよい。反対に、少なくとも2つの小さなマイクロピクセル80に関する検出器応答の第2のセットから取得される情報は、高線束スキャン環境における少なくとも1つの大きなマイクロピクセル80を較正するために用いられてもよい。マクロピクセルにおける、大小両方のマイクロピクセルに対する検出器応答は、スキャン環境(高線束/低線束)のタイプに関係なく使用される。
The present disclosure minimizes pulse pile-up and charge sharing problems by using a hybrid pixel pattern design consisting of non-uniform micro-pixels in macro-pixels as shown by way of example in FIG. 4B. FIG. 4B includes a macro pixel 74 with a hybrid pixel pattern design. Macro pixel 74 includes two different sized micro pixels. In this example, one large micropixel 82 (also called a large micropixel) in the macropixel 74 is surrounded by twelve smaller micropixels 80 (also called small micropixels). The macro pixel 74 in this example is composed of a total of 12 micro pixels. If the macropixel 74 in this example has an area of 1 mm × 1 mm, then the large micropixel 82 has an area four times larger than the area of one of the small micropixels 80. The smaller micropixel in this example has a 250 μm size and the larger micropixel has a 500 μm size. The hybrid pixel pattern design for the macropixel 74 substantially relies on a single larger 500 μm micropixel 82 in a low flux scanning environment to minimize charge sharing and crosstalk between the micropixels of the macropixel 74. , May rely substantially on 250 μm micropixels 80 over a high flux scanning environment to avoid pulse pile-up problems. Large micropixels 82 are expected to provide better information under a low flux scan environment, and small micropixels 80 are each expected to provide better information under a high flux scan environment. .
In other words, information obtained from the first set of detector responses for at least one large micropixel 82 may be used to calibrate at least two small micropixels 80 in a low flux scan environment. Conversely, information obtained from the second set of detector responses for at least two small micropixels 80 may be used to calibrate at least one large micropixel 80 in a high flux scanning environment. The detector response for both large and small micropixels in a macropixel is used regardless of the type of scanning environment (high flux / low flux).
マクロピクセルに対する均一なピクセルパターンデザインとは違って、ハイブリッドピクセルパターンデザインは、大小のマイクロピクセル間のよいバランスを保つことができる。Shockley−Ramo定理から、各マクロピクセルに対する重み付け領域及び重み付け電位は、マイクロピクセルサイズそのものにより決定されることであろう。ハイブリッドピクセルパターンとは、入力線束レートの範囲にわたる検出器のスペクトルフォトンカウンティング性能を最適化する目的のために、2サイズ以上のピクセルを含む、検出器パターンである。上記例において、マクロピクセルのためのハイブリッドピクセルパターンは、2つの異なるサイズのマイクロピクセルを含む。しかし、ハイブリッドピクセルパターンデザインのマクロピクセルは、3つの異なるサイズのマイクロピクセル、又は4つの異なるサイズのマイクロピクセルを含むこともできる。検出器応答は、マクロピクセルにおける3つ又は4つの異なるサイズのマイクロピクセルと複合して増える。 Unlike a uniform pixel pattern design for macropixels, a hybrid pixel pattern design can maintain a good balance between large and small micropixels. From the Shockley-Ramo theorem, the weighting region and weighting potential for each macropixel will be determined by the micropixel size itself. A hybrid pixel pattern is a detector pattern that includes pixels of two or more sizes for the purpose of optimizing the detector's spectral photon counting performance over a range of input flux rates. In the above example, the hybrid pixel pattern for a macro pixel includes two different sized micro pixels. However, the macropixels of the hybrid pixel pattern design may include three different sized micropixels, or four different sized micropixels. The detector response increases in combination with three or four differently sized micropixels in the macropixel.
小さなマイクロピクセルは、250μmサイズであると説明したものの、様々なサイズが、例えば225μmサイズ、200μmサイズ、175μmサイズ、150μmサイズ等がより小さなマイクロピクセルに使用することができ、略150μmから略300μmまでの間のサイズでもよい。典型的に、250μm以下のサイズは、高線束スキャン環境での所望の結果と関連付けられるより小さなマイクロピクセルサイズデザインに対して使用することができる。 Although small micropixels have been described as being 250 μm in size, various sizes, such as 225 μm, 200 μm, 175 μm, 150 μm, etc., can be used for smaller micropixels, from about 150 μm to about 300 μm. It may be a size between. Typically, sizes of 250 μm or less can be used for smaller micropixel size designs associated with the desired results in a high flux scanning environment.
また、大きなマイクロピクセルは、500μmサイズであると説明したものの、様々なサイズが、例えば、450μmサイズ、400μmサイズ、350μmサイズ、300μmサイズ等が大きなマイクロピクセルに使用することができ、略300μmから略600μmまでの間のサイズでもよい。 Although the large micropixel is described as having a size of 500 μm, various sizes, for example, 450 μm, 400 μm, 350 μm, and 300 μm can be used for a large micropixel. Sizes up to 600 μm may be used.
また、大きなマイクロピクセルと小さなマイクロピクセルとは相似の関係を有するようにサイズが設定される。例えば、大きなマイクロピクセルおよび小さなマイクロピクセルは、マクロピクセルの一辺の半分の長さは、大きなマイクロピクセルの少なくとも一辺の長さに相当し、大きなマイクロピクセルの一辺の半分の長さは、小さなマイクロピクセルの少なくとも一辺の長さに相当する関係を有してもよい。このように、大きなマイクロピクセルと小さなマイクロピクセルとは自己相似の関係であってもよい。自己相似の関係を有する大きなマイクロピクセルと小さなマイクロピクセルとがX線検出器12の検出面に平面充填される。 The size is set so that the large micropixel and the small micropixel have a similar relationship. For example, for a large micropixel and a small micropixel, half the length of one side of the macropixel is equal to at least one side of the large micropixel, and half the length of one side of the large micropixel is the small micropixel. May have a relationship corresponding to the length of at least one side. Thus, a large micropixel and a small micropixel may have a self-similar relationship. Large and small micropixels having a self-similar relationship are flat-filled on the detection surface of the X-ray detector 12.
一般的に、小さなマイクロピクセルに対する最小ピクセルサイズに関する明確な決まりは存在しない。しかし、チャージシェアリング効果は、ピクセルサイズが小さくなるにつれて増える。150μmサイズに比べてより小さなピクセルサイズは、CTアプリケーションの関心ではないかもしれない。各マイクロピクセルは、特定のマイクロピクセルからの信号を取り扱うために、エレクトロニクス読み出すチャンネルを有する。特定用途向け集積回路(ASIC)が、その様なアプリケーションに対してよく使用される。各エレクトロニクスチャンネルは、典型的にプリ増幅器、成形機(シェーパー、CR−RCシェーパ等)、又は(アナログ−デジタル変換される又は比較器により実装される)イベント振幅を記録するためのハイ/ローパスフィルタ及びデジタイザを含む。大半の読出しエレクトロニクスに対して、例えばASICに対して、全ての読出しチャンネルは、典型的に同じ物理的なサイズである。検出器のハイブリッドピクセルパターンデザインと一致するための異なる物理的なサイズの読出しチャンネルが使用されてもよいし、又は同じ物理的なサイズでの読出しチャンネルは、インターポーザーの力を借りて使用されてもよい。 In general, there is no clear rule on the minimum pixel size for small micropixels. However, the charge sharing effect increases as the pixel size decreases. Pixel sizes smaller than the 150 μm size may not be of interest for CT applications. Each micropixel has an electronics readout channel to handle signals from a particular micropixel. Application specific integrated circuits (ASICs) are often used for such applications. Each electronics channel is typically a pre-amplifier, a molding machine (shaper, CR-RC shaper, etc.), or a high / low-pass filter to record the event amplitude (analog-to-digital converted or implemented by a comparator). And a digitizer. For most read electronics, eg, for ASICs, all read channels are typically the same physical size. Readout channels of different physical sizes may be used to match the hybrid pixel pattern design of the detector, or readout channels of the same physical size may be used with the help of an interposer Is also good.
図5Aに関して、図4Bに示されたデザインとは異なるハイブリッドピクセルパターンデザインを有するマクロピクセル90が図示される。マクロピクセル90は、2つの大きなマイクロピクセル92と8つの小マイクロピクセル94とを含む。当該例では、1mm×1mmの面積を有するマクロピクセル90において、ピクセルサイズ500μmでの大きなマイクロピクセルを2つと、ピクセルサイズ250μmでのより小さなマイクロピクセル8つと、を有する。マクロピクセル90は、当該デザインで合計10個のマイクロピクセルを含む。ハイブリッドピクセルデザインでも、高線束及び低線束両方のスキャン環境に関し、マクロピクセル90において、異なる2つのサイズのマイクロピクセルを使用する利益を、やはり享受している。加えて、2つの大きなマイクロピクセル及び8つのより小さなマイクロピクセルの使用は、より大きなマイクロピクセルの追加のおかげで、より良い解像度を備える画像をもたらす。 Referring to FIG. 5A, a macro pixel 90 having a hybrid pixel pattern design different from the design shown in FIG. 4B is illustrated. The macro pixel 90 includes two large micro pixels 92 and eight small micro pixels 94. In this example, a macro pixel 90 having an area of 1 mm × 1 mm has two large micro pixels with a pixel size of 500 μm and eight smaller micro pixels with a pixel size of 250 μm. The macro pixels 90 include a total of 10 micro pixels in the design. The hybrid pixel design still enjoys the benefits of using two different sized micropixels in the macropixel 90 for both high flux and low flux scanning environments. In addition, the use of two large micropixels and eight smaller micropixels results in an image with better resolution, thanks to the addition of larger micropixels.
図5Bは、図5Aに示されたマクロピクセル90のハイブリッドピクセルパターンデザインを含む、6つのマクロピクセル100のグループを示す。6つのマクロピクセルのグループは、フォトンカウンティング検出器のどの部分が陽極面で類似するかの例である。 FIG. 5B shows a group of six macropixels 100, including the hybrid pixel pattern design of macropixels 90 shown in FIG. 5A. A group of six macropixels is an example of which parts of the photon counting detector are similar on the anode side.
図5Cに関して、図5A及び5Bに示されたデザインとは異なるハイブリッドピクセルパターンデザインを有するマクロピクセル91が示される。係るマクロピクセル91は、3つの大きなマイクロピクセル93と4つのより小さなマイクロピクセル95とを含む。当該例では、1mm×1mmの面積を有するマクロピクセル91において、3つの大きなマイクロピクセルはピクセルサイズ500μmを有し、4つの小さなマイクロピクセルはピクセルサイズ250μmを有する。マクロピクセル91は、当該デザインで合計7個のマイクロピクセルを含む。ハイブリッドピクセルパターンデザインでも、高線量及び低線束両方のスキャン環境に対してマクロピクセル91において、異なるサイズのマイクロピクセルを使用する利益を享受する。3つの大きなマイクロピクセル及び4つの小さなマイクロピクセルの使用は、より良い解像度を備えた画像をもたらす。 Referring to FIG. 5C, a macropixel 91 having a hybrid pixel pattern design different from the designs shown in FIGS. 5A and 5B is shown. Such a macropixel 91 includes three large micropixels 93 and four smaller micropixels 95. In this example, in a macropixel 91 having an area of 1 mm × 1 mm, three large micropixels have a pixel size of 500 μm and four small micropixels have a pixel size of 250 μm. The macro pixel 91 includes a total of seven micro pixels in the design. Hybrid pixel pattern designs also benefit from using different sized micropixels in macropixels 91 for both high dose and low flux scan environments. The use of three large micropixels and four small micropixels results in an image with better resolution.
高線束スキャン環境は、ピクセルで構成されたテルル化カドミウム(cadmium telluride:CdTe)半導体センサを使用する高速エネルギー解像されたフォトンカウンティングX線撮像アレイを含み、且つ臨床的なCT X線源で計測された1平方ミリメートル辺り毎秒1億カウント(Mcps/mm2)を超える出力カウントレート(output count rate:OCR)実現したことを含む。高速特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit:ASIC)は、ピクセルで構成されたCdTeセンサ及びテルル化カドミウム亜鉛(cadmium zinc telluride:CdZnTe)センサから読み出すために二次元(two dimensional:2D)アレイの入力が用いられる。2DのASICは、臨床的CTに関する30keVから140keVの間であるダイナミックレンジ全体にわたり、線形エネルギー応答による4つのエネルギー・ビンを有する。ダイナミックレンジ全体にわたる均一なエネルギー分解能は、直接的な変換センサからのチャージ収集が上手くいっていることを示す。エネルギー分解能は、センサから影響を受けない実行での分極を示すX線への変化する長い照射にわたり、高X線束で維持される。結果は、良好なエネルギー分解能及び低ノイズフロアの状態で、臨床的なCT X線源からの高速出力カウントレートを実証している。センサ及びASICは、既存の臨床的なCTシステムへと適応するようデザインされるべきである。 The high flux scan environment includes a fast energy resolved photon-counting x-ray imaging array using a cadmium telluride (CdTe) semiconductor sensor composed of pixels and measured with a clinical CT x-ray source Output count rate (OCR) of over 100 million counts per second per square millimeter (Mcps / mm 2 ). High-speed application-specific integrated circuits (ASICs) are two-dimensional (two-dimensional) arrays for reading from CdTe sensors composed of pixels and cadmium zinc telluride (CdZnTe) sensors. Input is used. The 2D ASIC has four energy bins with a linear energy response over the dynamic range between 30 keV and 140 keV for clinical CT. A uniform energy resolution over the entire dynamic range indicates that charge collection from the direct conversion sensor is successful. Energy resolution is maintained at a high x-ray flux over varying long exposures to x-rays exhibiting polarization in a run unaffected by the sensor. The results demonstrate a fast output count rate from a clinical CT X-ray source with good energy resolution and low noise floor. Sensors and ASICs should be designed to accommodate existing clinical CT systems.
CdTe又はCZT基板を使用するフォトンカウンティング検出器が、CTシステムに対して見込みある候補であるが、チャージシェアリング及びパルスパイルアップを含む問題に悩まされる。チャージシェアリング特性を改善するために、検出器に対して増加したマイクロピクセルサイズを組み込むハイブリッドピクセルパターンデザインを使用することにより、パルスパイルアップの増加を最小化するのと同様に、より小さなマイクロピクセルの使用のおかげで、増加するパイルアップによる損害の犠牲になることはない。ハイブリッドピクセルパターンデザインは、CdTe検出器における重要なデザイン検討事項である。ハイブリッドピクセルパターンデザインを使用することにより、特定のタスク及びチャージ形成時間に依存する最適なピクセルサイズを決定する必要無しに、高線束及び低線束両方のスキャン環境でより良い結果を可能にする。 Photon counting detectors using CdTe or CZT substrates are promising candidates for CT systems, but suffer from problems including charge sharing and pulse pile-up. Smaller micropixels, as well as minimizing increased pulse pileup, by using a hybrid pixel pattern design that incorporates increased micropixel size for the detector to improve charge sharing characteristics Thanks to the use of, there is no sacrifice of damage due to the increased pile-up. Hybrid pixel pattern design is an important design consideration in CdTe detectors. Using a hybrid pixel pattern design allows for better results in both high flux and low flux scanning environments without having to determine the optimal pixel size depending on the specific task and charge build time.
また、本実施形態に示すハイブリッドピクセルパターンデザインでは、大きなマイクロピクセルにおいてパイルアップが発生するような場合は、大きなマイクロピクセルを使用せずに小さなマイクロピクセルのみを使用するなど、使用するマイクロピクセルを切り換えて検出データを取得してもよい。 In the hybrid pixel pattern design described in the present embodiment, when pile-up occurs in a large micropixel, the micropixel to be used is switched, such as using only a small micropixel without using a large micropixel. May be used to acquire the detection data.
マイクロピクセルを切り替える判定手法としては、例えば位置決め画像(スキャノ画像)を撮影した時の検出データに基づいて、または、次のビューの撮影におけるパイルアップの状態を推定するため、1つ前のビューの検出データの値(エネルギー値など)が閾値以上である場合に、処理回路44(例えば、システム制御機能441または前処理機能442)が、次のビューの撮影において小さなマイクロピクセルのみを使用するように切り換えてもよい。なお、1つ前のビューに限らず、2以上前のビューの検出データの値に基づいて、撮影対象ビューにおいて使用するマイクロピクセルのサイズを決定してもよい。なお、これに限らず、検出器データがパイルアップするか否かを判定する一般的な手法であれば、どのような手法でも適用できる。 As a determination method for switching the micro pixel, for example, based on detection data at the time of capturing a positioning image (scano image), or to estimate a pile-up state in capturing of the next view, If the value of the detection data (such as the energy value) is equal to or greater than the threshold, the processing circuit 44 (eg, the system control function 441 or the pre-processing function 442) uses only small micropixels in capturing the next view. You may switch. Note that the size of the micropixel used in the shooting target view may be determined based on the value of the detection data of the two or more previous views, not limited to the immediately preceding view. The present invention is not limited thereto, and any general method for determining whether or not detector data piles up can be applied.
使用するマイクロピクセルのサイズは、X線検出器12の位置に応じて決定されてもよい。例えば、高線束のX線が照射されることが予測される、X線検出器12の列方向及び/又はチャネル方向の端部においては小さなマイクロピクセルのみが使用され、低線束のX線が照射されることが予測される、X線検出器12の列方向及び/又はチャネル方向の中央部においては大きなマイクロピクセルと小さなマイクロピクセルとの両方が使用されてもよい。当該端部と当該中央部とは、例えば、ユーザにより指定されてもよいし、処理回路44により自動的に決定されてもよい。 The size of the micropixel to be used may be determined according to the position of the X-ray detector 12. For example, only small micropixels are used at the column and / or channel ends of the X-ray detector 12, which are expected to emit high flux X-rays, and low flux X-rays are emitted Both large and small micropixels may be used in the column and / or channel center of the X-ray detector 12, which is expected to be performed. The end portion and the center portion may be specified by a user, for example, or may be automatically determined by the processing circuit 44.
また、DAS18がPCD12から検出データを取得した後に、大きなマイクロピクセルで得られる検出データを後段の処理(スペクトル画像の生成など)に用いずに、小さなマイクロピクセルで得られる検出データだけを用いるようにしてもよい。すなわち、小さなマイクロピクセルで得られる検出データを残し、大きなマイクロピクセルで得られる検出データを捨てるように切り換えて利用してもよい。 Also, after the DAS 18 obtains the detection data from the PCD 12, the detection data obtained by the large micropixel is not used for the subsequent processing (such as generation of a spectral image), and only the detection data obtained by the small micropixel is used. You may. That is, the detection data obtained by the small micropixels may be left and the detection data obtained by the large micropixels may be switched and used.
大きなマイクロピクセルの検出データを捨てるか否かは、DAS18または処理回路44(例えば、システム制御機能441または前処理機能442)が、大きなマイクロピクセルで検出した検出エネルギーがパイルアップしている、または検出データのエネルギーが閾値以上である場合に、大きなマイクロピクセルの検出データを使用しない(捨てる)と決定すればよい。または、検出データの利用時に、大きなマイクロピクセルの検出データの重みを小さくし、小さなマイクロピクセルの検出データの重みを高くするなどの処理をしてもよい。 Whether the detection data of the large micropixel is discarded depends on whether the DAS 18 or the processing circuit 44 (for example, the system control function 441 or the preprocessing function 442) has piled up the detection energy detected by the large micropixel, or If the energy of the data is equal to or larger than the threshold, it may be determined not to use (discard) the detection data of the large micropixel. Alternatively, when the detection data is used, processing may be performed such as reducing the weight of the detection data of the large micropixel and increasing the weight of the detection data of the small micropixel.
このように、パイルアップしていない小さなマイクロピクセルの検出データを利用することで、検出データの信頼性を向上させ、検出精度を高めることができる。 As described above, by using detection data of small micropixels that have not been piled up, reliability of the detection data can be improved and detection accuracy can be improved.
また反対に、低線束のスキャン環境においては、小さなマイクロピクセルの検出データを使用せずに、大きなマイクロピクセルの検出データのみを利用するようにしてもよい。
この場合は、上述したPCD12の切り換えと同様に、PCD12で使用するマイクロピクセルを切り換えてもよいし、PCD12から検出データを取得してから、DAS18または処理回路44において、大きなマイクロピクセルの検出データのみを利用するようにしてもよい。または、DAS18または処理回路44が、大きなマイクロピクセルの検出データの重みを大きくし、小さなマイクロピクセルの検出データの重みを小さくして、後段の処理に検出データを用いてもよい。
また、本実施形態に係るPCD12は、2種類のピクセルパターンであるので、3つ以上のピクセルパターンデザインを用いる場合と比較して、PCD12のキャリブレーションが容易となる。
Conversely, in a low-flux scan environment, only the detection data of the large micropixels may be used without using the detection data of the small micropixels.
In this case, similarly to the switching of the PCD 12 described above, the micro pixel used in the PCD 12 may be switched, or after the detection data is acquired from the PCD 12, only the detection data of the large micro pixel is detected in the DAS 18 or the processing circuit 44. May be used. Alternatively, the DAS 18 or the processing circuit 44 may increase the weight of the detection data of the large micropixel and decrease the weight of the detection data of the small micropixel, and use the detection data in the subsequent processing.
Further, since the PCD 12 according to the present embodiment has two types of pixel patterns, the calibration of the PCD 12 becomes easier as compared with the case where three or more pixel pattern designs are used.
ここで、上述したマクロピクセル及びマイクロピクセルは、概念的なものである。実際に想定されるX線検出器12の構成例について図6を参照して説明する。
図6は、図5Cに示すハイブリッドピクセルパターンを実際の構成例として表現した図である。実際には、陽極ピクセル74の一例であるマクロピクセル91として、金属などの電気抵抗の小さい物質からなるアノード電極99(アノードパターンともいう)が結晶71上に形成される。これらは、電気的に絶縁されるか、もしくは連続しないギャップ97を設けて配置される。
アノード電極99とギャップ97との構成により、大きなマイクロピクセル93と小さなマイクロピクセル95によるハイブリッドピクセルパターンが形成される。
Here, the above-mentioned macro pixel and micro pixel are conceptual. A configuration example of the actually assumed X-ray detector 12 will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a diagram expressing the hybrid pixel pattern shown in FIG. 5C as an actual configuration example. Actually, an anode electrode 99 (also referred to as an anode pattern) made of a substance having a low electric resistance such as a metal is formed on the crystal 71 as a macro pixel 91 which is an example of the anode pixel 74. These are electrically insulated or arranged with discontinuous gaps 97.
With the configuration of the anode electrode 99 and the gap 97, a hybrid pixel pattern including the large micropixels 93 and the small micropixels 95 is formed.
次に図7Aに関して、ハイブリッドピクセルパターンデザインの様々なマイクロピクセルは、増幅器及びカウンタの入力段200でのスイッチを含む。所定のカウンタに入力を提供するチャンネルは、CTスキャンのコースにわたって、又はスキャンからスキャンまでに、動的に変化してもよい。これにより、最適且つ効果的なピクセルサイズと、増幅器/カウンタ段でのパルスパイルアップ及び検出器ピクセルにおけるクロストーク間のトレードオフとの、コンフィギュアラブル且つ動的な管理が可能になる。ピクセルP1、P2、P3は、均一のサイズ及び形の場合もあるし、代わりにサイズや形が混在する場合もある。例えば、低カウントレート(10Mcps/mm2以下)で、ピクセル信号は、同じ増幅器/カウンタ段へと一緒に入力されてもよく、それによりクロストークの有害な効果を軽減する。同様に、100Mcps/mm2以上の高カウントレートで、ピクセル信号は、パルスパイルアップの有害な効果を軽減するために、別個の増幅器/カウンタ段へと切り替えられてもよい。ボックス202は、ハイブリッドピクセルパターンデザインを有するPCDからの入力チャンネルを表す。当該例におけるP1、P2、P3は、異なるサイズのマイクロピクセルの組み合わせを含むことができる、マイクロピクセルを表す。図示の各マイクロピクセルは、スイッチによって、ボックス206で示されるカウンタ段及び増幅器へと接続されてもよい。 Referring now to FIG. 7A, the various micropixels in the hybrid pixel pattern design include switches at the input stage 200 of the amplifier and counter. The channel providing the input to a given counter may change dynamically over the course of a CT scan or from scan to scan. This allows for configurable and dynamic management of the optimal and effective pixel size and the trade-off between pulse pile-up at the amplifier / counter stage and crosstalk at the detector pixels. Pixels P1, P2, and P3 may be of uniform size and shape, or may have a mixture of sizes and shapes instead. For example, at low count rates (less than 10 Mcps / mm 2 ), pixel signals may be input together into the same amplifier / counter stage, thereby reducing the deleterious effects of crosstalk. Similarly, at high count rates of 100 Mcps / mm 2 and higher, the pixel signal may be switched to a separate amplifier / counter stage to mitigate the deleterious effects of pulse pile-up. Box 202 represents an input channel from a PCD with a hybrid pixel pattern design. P1, P2, P3 in the example represent micropixels, which can include combinations of micropixels of different sizes. Each of the illustrated micropixels may be connected by a switch to a counter stage and amplifier indicated by box 206.
図7Aにおいて、マイクロピクセルP1は、スイッチS1aを介しカウンタ段C1及び増幅器へと接続することができる。同様に、マイクロピクセルP2はスイッチS2aを介してC2へと接続することができ、マイクロピクセルP3はスイッチS3を介してC3へと接続することができる。代わりに、スイッチS1bは、マイクロピクセルP1及びP2へと接続することができ、スイッチS2bはマイクロピクセルP2及びP3へと接続することができる。図7Aにおいて、示された3つのマイクロピクセル(P1、P2、P3)は、スイッチS1b及びS2bにより共に接続されている。当該図示例で、ピクセルP1及びP2からの信号は、カウンタC3へと送られる。これは、スイッチS1b及びS2bが閉じられている一方で、スイッチS1a及びS2aが開いていることにより、達成される。ピクセルP1、P2、P3が物理的に隣接し合う場合、ピクセルP1、P2、P3を別々にするよりも、クロストークパフォーマンスにおける改善をもたらすことがある、P1+P2+P3の効果的なピクセルサイズを作り出す。 In FIG. 7A, the micropixel P1 can be connected to the counter stage C1 and the amplifier via a switch S1a. Similarly, micropixel P2 can be connected to C2 via switch S2a, and micropixel P3 can be connected to C3 via switch S3. Alternatively, switch S1b can be connected to micropixels P1 and P2, and switch S2b can be connected to micropixels P2 and P3. In FIG. 7A, the three micropixels (P1, P2, P3) shown are connected together by switches S1b and S2b. In the illustrated example, the signals from pixels P1 and P2 are sent to counter C3. This is achieved by having switches S1a and S2a open while switches S1b and S2b are closed. If pixels P1, P2, P3 are physically adjacent, creating an effective pixel size of P1 + P2 + P3, which may result in an improvement in crosstalk performance, rather than separating pixels P1, P2, P3.
図7Bは、ピクセルP1からの信号がスイッチS1aを介してカウンタC1へと送られ、ピクセルP2からの信号がS2aを介してカウンタC2へと送られ、そしてピクセルP3からの信号がS3を通してカウンタC3へと送られる、別の図示例である。ピクセルを別個に維持することにより、パルスパイルアップ問題を最小限することができ、高線束スキャン環境でより好ましいかもしれない。図7Cにおいて、ピクセルP1は、スイッチS1aを介してカウンタC1へと送られ、ピクセルP2及びP3は、スイッチS2b及びS3を介してC3へと送られる。特定のカウンタへと入力を提供するチャンネルは、フォトンカウンティング検出器の各マクロピクセルと関連付けられるハイブリッドピクセルパターンに対して最適且つ効果的なピクセルサイズを構成するために、動的に変化してもよい。 FIG. 7B shows that the signal from pixel P1 is sent to counter C1 via switch S1a, the signal from pixel P2 is sent to counter C2 via S2a, and the signal from pixel P3 is sent to counter C3 via S3. It is another illustration example sent to. By keeping the pixels separate, pulse pile-up problems can be minimized and may be better in high flux scanning environments. In FIG. 7C, pixel P1 is sent to counter C1 via switch S1a, and pixels P2 and P3 are sent to C3 via switches S2b and S3. The channel providing the input to a particular counter may change dynamically to configure the optimal and effective pixel size for the hybrid pixel pattern associated with each macropixel of the photon counting detector. .
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and equivalents thereof.
1 X線CT装置
10 架台装置
11 X線管
12 X線検出器(PCD)
13 回転フレーム
14 X線高電圧装置
15 制御装置
16 ウェッジ
17 コリメータ
18 データ収集装置(DAS)
19 開口(ボア)
30 寝台装置
31 基台
32 寝台駆動装置
33 天板
34 支持フレーム
40 コンソール装置
41 メモリ
42 ディスプレイ
43 入力インターフェース
44 処理回路
441 システム制御機能
442 前処理機能
443 再構成処理機能
444 表示制御機能
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 X-ray CT apparatus 10 Mounting apparatus 11 X-ray tube 12 X-ray detector (PCD)
Reference Signs List 13 rotating frame 14 X-ray high voltage device 15 control device 16 wedge 17 collimator 18 data acquisition device (DAS)
19 Opening (bore)
Reference Signs List 30 bed apparatus 31 base 32 bed driving apparatus 33 top plate 34 support frame 40 console apparatus 41 memory 42 display 43 input interface 44 processing circuit 441 system control function 442 preprocessing function 443 reconstruction processing function 444 display control function
Claims (17)
前記各マクロピクセルは、
前記各マクロピクセル内に配置される少なくとも1つの大マイクロピクセルと、前記各マクロピクセル内に配置される少なくとも2つの小マイクロピクセルとの2種類のみからなり、
前記少なくとも2つも小マイクロピクセルのそれぞれの面積は、前記少なくとも1つの大マイクロピクセルの面積よりも小さい、フォトンカウンティング検出器。 A plurality of macropixels disposed on a semiconductor crystal having a first surface and a second surface parallel to the first surface, wherein each of the plurality of macropixels generates a reconstructed image; Collect projection data for
Each of the macro pixels is
Consisting of only two types: at least one large micro pixel arranged in each macro pixel and at least two small micro pixels arranged in each macro pixel;
The photon counting detector, wherein an area of each of the at least two small micropixels is smaller than an area of the at least one large micropixel.
前記複数のマクロピクセルは、前記第2の面を覆う、請求項1から請求項15のいずれか1項に記載のフォトンカウンティング検出器。 A cathode electrode that covers the first surface;
The photon counting detector according to claim 1, wherein the plurality of macropixels cover the second surface.
前記X線管から照射されて被検体を透過したX線を検出する、請求項1から請求項15のいずれか1項に記載のフォトンカウンティング検出器と、
を具備するX線CT装置。 An X-ray tube for irradiating X-rays,
The photon counting detector according to any one of claims 1 to 15, wherein the photon counting detector detects X-rays emitted from the X-ray tube and transmitted through the subject.
An X-ray CT apparatus comprising:
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