Ｘ線センサ、Ｘ線診断装置および骨密度測定装置
【課題】必要スペースが小さく、Ｘ線受光量感度のダイナミックレンジが広いＸ線センサを提供する。
【解決手段】Ｘ線量に応じたスペクトルで発光するカラーシンチレータ２と、カラーシンチレータが発した光を受光し、受光した光のスペクトルに対し、光を複数の色ごとの電気信号に変換する受光素子４を１次元または２次元に配列して構成された半導体素子３と、半導体素子が変換した複数の電気信号を外部へ出力する信号出力部とを備える。
【解決手段】Ｘ線量に応じたスペクトルで発光するカラーシンチレータ２と、カラーシンチレータが発した光を受光し、受光した光のスペクトルに対し、光を複数の色ごとの電気信号に変換する受光素子４を１次元または２次元に配列して構成された半導体素子３と、半導体素子が変換した複数の電気信号を外部へ出力する信号出力部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラーシンチレータを用いたＸ線センサ、そのＸ線センサを用いたＸ線診断装置および骨密度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｘ線フィルムに代わり、入射するＸ線量をシンチレータによって光の発光量に変換し、さらにＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどにより発光量を電荷量に変換する半導体素子を備えたＸ線センサが普及しつつある。これにより、フィルムの現像が不要となり、また即座にＸ線画像を見ることができるようになるなど、その効用は計り知れない。このシンチレータは、入射するＸ線量に応じた発光強度、すなわち輝度が変化する単光色（たとえば緑色系統など）を発するものである。
【０００３】
被照射物がたとえば生体である場合、軟骨などの軟組織部と骨部の硬組織部でＸ線吸収率が大きく異なる。そのため、上述したようにシンチレータが単光色で発光すると、軟組織部と硬組織部の両方を見る必要がある場合、１回のＸ線照射の画像ではその両方を精細に見ることはできない。
【０００４】
すなわち、まず１回目のＸ線を照射（撮影）する。その後に、被照射物を透過するＸ線量を変えるため、Ｘ線発生装置の管電圧を切り替えるなどにより被照射物に照射するＸ線のエネルギを変える。そして、シンチレータをそれに応じた特性のものに変える。その後、２回目の撮影を行う。Ｘ線撮影を２回行うことにより、時間がかかると共に、生体に余計なＸ線を浴びさせてしまう不都合が生じる。
【０００５】
そこで、入射Ｘ線量に応じて、異なる発光色で発光するカラーシンチレータが提案され、その色帯域ごとの出力を１つにつなぎ合わせる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、そのカラーシンチレータを用いたイメージインテンシファイヤ（以下ＩＩと略す）が提案されている（例えば特許文献２参照）。このＩＩは、カラーシンチレータに面して曲面を有する受光センサを配し、受光センサで受ける光を電子に変換して小さい面に集め、さらに変換された電子により蛍光を発生させてＣＣＤカメラで撮る構成である。
【０００６】
また、Ｘ線発生装置の管電圧を変えて異なるエネルギのＸ線を被照射物に対して別々に照射することにより、Ｘ線透過率を求め、Ｘ線透過率から骨密度を算出する方法が示されている（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００３−２０２３８２号公報
【特許文献２】特開２００５−１０６５４１号公報
【特許文献３】特開２００５−８７２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、いわゆるＩＩは、装置が大掛かりとなり、費用がかかることとなり、一般への普及は困難である。
【０００８】
また、ＩＩの装置は、シンチレータに対して、被照射物と反対側に電荷を飛ばすために、奥行き方向に広いエリアが必要である。このため、たとえば、歯科用口腔内撮影装置などにおいて、生体の口腔内にＸ線センサを入れてＸ線撮影をする必要がある場合には適用できないという問題もある。
【０００９】
また、骨密度測定を行う際に、Ｘ線照射を２回行う必要があるため、生体には好ましくなく、また、同時に計測していないことから生体が動くことが考えられ、演算結果に多少なりとも誤差が生じることが予想される。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決するため、必要スペースが小さく、Ｘ線受光量感度のダイナミックレンジが広いＸ線センサ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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のＸ線センサは、Ｘ線量に応じたスペクトルで発光するカラーシンチレータと、前記カラーシンチレータが発した光を受光し、前記受光した光のスペクトルに応じた電気信号に変換する受光素子を１次元または２次元に配列して構成された半導体素子と、前記半導体素子が変換した電気信号を外部へ出力する信号出力部とを備えたことを特徴とする。この構成により、ダイナミックレンジを広く、かつＸ線量の分解能を小さくすることができる。また、小型化することもできる。
【００１２】
また、前記スペクトルは、前記カラーシンチレータが複数の発光側特定波長帯域の光を、受信したＸ線量に応じた強度で発して形成され、前記受光素子は、前記受光側特定波長帯域の光を透過し、前記受光側特定波長帯域が相異なる複数種のフィルタと、相異なる前記複数種のフィルタごとに対応する複数の光電変換素子とを備え、前記電気信号は、同種のフィルタに対応した光電変換素子ごとに形成される構成にすることもできる。
【００１３】
また、前記カラーシンチレータは、前記半導体素子に密着して配置された構成にすることができる。この構成により、カラーシンチレータで変換された光を効率よく受光素子に入射することができる。
【００１４】
また、前記カラーシンチレータは、光ファイバを束ねて形成されたファイバオプティカルプレートを介して前記半導体素子と接続された構成にすることもできる。この構成により、この構成により、カラーシンチレータで変換された光を効率よく受光素子に入射することができる。また、ファイバオプティカルプレートを放射状に形成することにより、Ｘ線センサの受光面より小さい半導体素子を用いることができる。
【００１５】
また、前記半導体素子は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサである構成にすることもできる。
【００１６】
また、本発明のＸ線画像表示装置は、上記記載のＸ線センサと、光電変換素子からの前記単数種もしくは複数種のフィルタに対応した電気信号に基いて、Ｘ線量を示す画像データを生成する画像処理装置と、前記画像データをＸ線画像として表示する表示部とを備え、前記画像処理装置は、前記Ｘ線画像データを、どの１または複数の電気信号に基づいて前記Ｘ線画像データを形成するかを切り替えるＸ線量帯域表示切り替え部を有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記表示部は、前記Ｘ線量を表示濃度を変えて表示する構成にすることもできる。
【００１８】
また、前記表示部は、前記Ｘ線量をカラー表示する構成にすることもできる。
【００１９】
また、本発明のＸ線診断装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生装置と、上記記載のＸ線画像表示装置とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の骨密度測定装置は、前記Ｘ線発生装置から照射され、生体の所定部位を透過するＸ線を受ける上記記載のＸ線センサと、前記Ｘ線センサの前記光電変換素子ごとの信号出力から前記Ｘ線量を演算するＸ線量演算部と、前記Ｘ線量演算部で演算したＸ線量に基づいて、Ｘ線が照射された前記生体の所定部位の骨密度を計算する骨密度計算部とを備えたことを特徴とする。この構成により、一度のＸ線照射により、骨密度を測定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、必要スペースが小さく、Ｘ線受光量感度のダイナミックレンジが広いＸ線センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明のＸ線センサ、Ｘ線画像表示装置および骨密度計測装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＸ線診断装置の構成を示す図である。Ｘ線診断装置は、Ｘ線を照射するＸ線発生装置１１ａと、Ｘ線を受光する半導体センサ１と、半導体センサ１からの信号を処理するＸ線画像表示装置２１と、信号処理された信号をＸ線量に応じて、画素ごとに表示濃度あるいは色を変えてＸ線画像を表示する表示部２４で構成されている。
【００２４】
半導体センサ１は、Ｘ線発生装置１１ａからの照射Ｘ線１２ａがＸ線被照射物１３ａを透過したＸ線１４ａ（透過Ｘ線）を受光する。カラーシンチレータ２は、半導体センサ１の表面に配置され、透過Ｘ線１４ａのＸ線量に応じて赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）（発光側特定波長帯域）の光を発する既存の物である。半導体素子３は、カラーシンチレータ２に密着し、受光素子４を２次元に配列して構成される。受光素子４は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）（受光側特定波長帯域）の光をそれぞれ透過するフィルタと、それぞれのフィルタに対して設けられた光電変換素子で構成され、カラーシンチレータ２で発せられた光を受光する。信号出力部５は、半導体素子３で受光した信号を、ケーブル７を介して外部に出力する。センサケース６は、シンチレータ２、半導体素子３、および信号出力部５を覆うケースである。
【００２５】
Ａ／Ｄ変換部２２は、Ｘ線センサ１からの赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のアナログ信号を少なくとも８ビット階調のデジタル信号に変換する。表示帯域切り替え部２３は、表示部２４で表示するＸ線画像を入射するＸ線量に対し、透過Ｘ線１４ａの量を限定した帯域のＸ線画像のみを表示するか、透過Ｘ線１４ａの量の全範囲におけるＸ線画像を表示するかを選択する。
【００２６】
なお、Ａ／Ｄ変換部２２でデジタル化された信号を表示部２４に表示する方法については、パーソナルコンピュータなどを用いた周知の技術であるので説明を省略する。
【００２７】
図２は、本実施の形態に係るＸ線センサ１の受光面を示す図である。受光素子４を説明するため、シンチレータ２の表示を省略する。受光素子４は、シンチレータ２が発する光の赤色成分を検出する受光素子４Ｒ、緑色成分を検出する受光素子４Ｇ、および青色成分を検出する受光素子４Ｂで構成される。Ｘ線センサ１に透過Ｘ線１４ａが入射されると、Ｘ線強度に応じた各色の信号が、２次元に配置された各受光素子４から順次、信号出力部５へ送られ、ケーブル７を介してＸ線画像表示装置２１へ出力される。
【００２８】
図３は、カラーシンチレータ２に入射される透過Ｘ線１４ａの量と各色成分の発光量の特性を示すグラフである。発光特性３１はカラーシンチレータ２の赤（Ｒ）の発光特性を示し、発光特性３２は緑（Ｇ）の発光特性を示し、発光特性３３は青（Ｂ）の発光特性を示す。受光素子４において、透過Ｘ線１４ａの量に対して発光量が変化する領域は、各色成分において連続している。従って、カラーシンチレータ２は、透過Ｘ線１４ａの量と１対１に対応するスペクトルを有する光を発する。
【００２９】
例えば、リウマチの診断などＸ線被照射物１３が人体の膝関節である場合、Ｘ線吸収率が大きくＸ線を透過しにくい硬組織部と、Ｘ線吸収率が小さくＸ線を透過しやすい軟組織部を見ることが必要である。このカラーシンチレータ２を用いることで、透過Ｘ線１４ａの量が大きく異なるＸ線被照射物１３ａのＸ線画像を１回のＸ線照射により、撮影することができる。
【００３０】
軟組織部からの透過Ｘ線量が、図３の発光特性３３が透過Ｘ線量に対して変化している領域内となるように、硬組織部からの透過Ｘ線量が、発光特性３１が変化している領域内となるように、Ｘ線発生装置１１ａの管電圧を適切な値に設定する。そのように設定すると、Ｘ線センサ１の撮影可能帯域において、軟組織部から硬組織部まで透過Ｘ線量を感知できる。すなわち、Ｘ線発生装置１１ａの管電圧を適切な値に設定することで、軟組織部および硬組織部を１回の撮影で同時に見ることができる。
【００３１】
また、表示帯域切り替え部２３は、Ａ／Ｄ変換された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）信号を、例えば赤（Ｒ）で示されるＸ線量帯域のみのＸ線画像を表示するか、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のすべてで示されるＸ線量帯域のＸ線画像を表示するかを選択できる。つまり、特定のＸ線量帯域のＸ線画像を表示することができる。これにより、硬組織部の陰影を精細に見たい場合、軟組織部をきめ細かく陰影を見たい場合、硬組織部および軟組織部を含めた全体を見たい場合に自由に設定を切り替えることができる。
【００３２】
図４は、軟組織部４２と硬組織部４３の両方を撮影する例とした人体の膝関節部４１のＸ線画像を示す図である。Ｘ線の透過率が高い軟組織部４２と、Ｘ線の透過率が低い硬組織部４３とを１回の撮影で得られる。さらに、表示切り替え部２３により、軟組織部４２あるいは硬組織部４３のみを詳細に表示することができる。
【００３３】
次に、シンチレータ２と受光素子４の配置関係について、図５、図６を参照しながら説明する。図５は、シンチレータ２と受光素子４の関係を示す断面図である。シンチレータ２と半導体素子３は密着して配置されている。なお、図５では、説明のため、シンチレータ２と半導体素子３に隙間を設けている。カラーシンチレータ２により、直線性を有する透過Ｘ線１４ａから変換された可視光１５は、散乱により光が分散するまでに受光素子４に入射する。従って、カラーシンチレータ２から、受光素子４に入射されるべき光が近隣の受光素子４に入り混じったりすることを極力抑えることができる。
【００３４】
これにより、いわゆるボケの少ない解像度の高い画像を得ることができる。さらには、Ｘ線センサ１の背面に大きなエリアを必要とすることもない。つまり、Ｘ線被照射物１３ａが例えば口腔内撮影の様に、Ｘ線センサ１を口腔内に挿入する必要がある時も、邪魔になることなく有用である。
【００３５】
図６は、図５とは、別のシンチレータ２と受光素子４の関係を示す断面図である。カラーシンチレータ２と受光素子４との間に、柱状の光ファイバを束ねたファイバーオプティカルプレート１６が設けられている。ファイバーオプティカルプレート１６は、画素ごとに、カラーシンチレータ２と受光素子４を接続する。従って、カラーシンチレータ２を半導体素子３上に密着せずに配置する構造に比べ、隣接する画素との信号の混合は少なくなり、分解能を高くすることができる。
【００３６】
また、図示しないが、ファイバーオプティカルプレート１６を、直線状ではなく、Ｘ線が入射する面を大きくし、半導体素子３側の面を小さくするように、放射状に配置することもできる。この構成にすることにより、大きなＸ線被照射物１３ａに対しても、小さい半導体素子３でＸ線画像を得ることができる。
【００３７】
次に、以上のような構成のＸ線診断装置の動作について説明する。まず、Ｘ線発生装置１１ａから所定のエネルギを持ったＸ線１２ａを発生させ、Ｘ線被照射物１３ａにＸ線を照射する。Ｘ線発生装置１１ａにおけるＸ線発生の詳細な原理、構成については説明を省略するが、Ｘ線被照射物１３ａのＸ線吸収率および観察したい部分、部位により、操作者がＸ線を発生させる源となるＸ線管の管電圧を変更し、照射Ｘ線１２ａのＸ線のエネルギを変える。なお、本実施の形態においては、Ｘ線画像を得ることができる照射Ｘ線１２ａのエネルギ帯域が広いので、その設定に不必要に注意を払う必要はない。
【００３８】
Ｘ線発生装置１１ａから所定エネルギ帯域で所定時間、照射Ｘ線１２ａが照射され、照射Ｘ線１２ａがＸ線被照射物１３ａを透過した透過Ｘ線１４ａがＸ線センサ１に入射する。透過Ｘ線１４ａは、Ｘ線被照射物１３ａを構成する物質のＸ線吸収率とその厚みに応じて、部分ごとに異なる透過Ｘ線量となる。さらに、カラーシンチレータ２が透過Ｘ線１４ａの量に応じた色で発光し、それを受光素子４は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）ごとに受光し、その強度に応じて電気信号に変換する。変換された電気信号を信号出力部５は、Ｘ線画像表示装置２１へ電気信号を出力する。
【００３９】
次に、Ａ／Ｄ変換部２２は、信号出力部５からの各電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。さらに、Ｘ線画像表示装置２１は、デジタル化された各電気信号の透過Ｘ線量を濃度表示データに変換する。次に、操作者が表示帯域切り替え部２３を操作し、見たい透過Ｘ線量帯域のＸ線画像のみを見るか、全体または２つ以上の帯域のＸ線画像を同時に見るかを切り替え、該当する濃淡表示データに基づいて、Ｘ線画像を表示部２４に表示する。ここで表示部２４は通常、ＣＲＴや液晶モニタであるが、これらに限定するものではない。
【００４０】
また、上記で説明したように、カラーシンチレータ２の発光色を忠実に再生すると、透過Ｘ線量の帯域ごとで異なる色、すなわち赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の濃淡で同時に異なる色で表示することができる。また、各色が受け持つ透過Ｘ線量帯域を透過Ｘ線量の大小順に、各色の濃淡出力をつなぎ合わせることで、単色（たとえば、グレースケール）で、透過Ｘ線量を表示することができる。
【００４１】
以上のように、本実施の形態に係るＸ線診断画像は、１回のＸ線照射により、Ｘ線透過率の低い硬組織部と、Ｘ線透過率の高い軟組織部を撮影可能である。従って、生体にＸ線を照射する回数を減らすことができる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態におけるＸ線センサを用いた骨密度測定装置の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る骨密度測定装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生装置１１ｂと、Ｘ線発生装置１１ｂからのＸ線を受光するＸ線センサ１と、Ｘ線センサ１が受光したＸ線の量から骨密度を算出する骨密度計測装置５１と、算出結果を表示する表示部５４で構成されている。生体１３ｂは、骨密度を計測する対象である。Ｘ線センサ１は、第１の実施の形態のＸ線センサと同様であるので同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
なお、Ｘ線発生装置１１ｂは、所定のエネルギ帯域を有する照射Ｘ線１２ｂを発生するものである。そして、Ｘ線発生装置１１ｂは、軟組織部および硬組織部で構成される生体１３ｂに照射Ｘ線１２ｂを照射させたときに透過する透過Ｘ線１４ｂが、軟組織部および硬組織部でのＸ線吸収量の違いを計測できるエネルギになるように設定されている。
【００４４】
ここで上記したように、Ｘ線センサ１のカラーシンチレータ２は、Ｘ線量の帯域に応じて異なる色帯域で輝度差を生じさせる。これによりＸ線センサ１は、異なるＸ線量帯域を示す信号を同時に出力することができる。このことはすなわち、異なるＸ線エネルギ入力に対する出力を同時に知ることができることと同じである。
【００４５】
すなわち、高エネルギのＸ線の入力に対する特性を、カラーシンチレータ２のＸ線量の多い色帯域、すなわち青（Ｂ）における出力信号とし、低エネルギのＸ線の入力に対する特性を、カラーシンチレータ２のＸ線量の少ない色帯域すなわち赤（Ｒ）における出力信号とする。
【００４６】
なお、本実施の形態のＸ線センサ１における半導体素子は、ＣＣＤを用いてもＣＭＯＳを使用してもよい。
【００４７】
また、Ｘ線センサ１で受光したＸ線量に関する信号は、骨密度計測装置５１に入力され、計測結果を表示部５４に表示する。Ｘ線量演算部５２は、Ｘ線センサ１から出力される信号を受光色（受光側特定波長帯域）ごとの信号出力からＸ線量帯域ごとのＸ線量を演算する。骨密度計算部５３は、Ｘ線量演算部５２で演算した各Ｘ線量帯域のＸ線量からＸ線照射された生体１３ｂの所定部位の骨密度を計算する。なお、Ｘ線量演算部５２および、骨密度計算部５３は、パーソナルコンピュータ等で実現されてもよい。
【００４８】
以下、本実施の形態における骨密度測定装置の動作について説明する。先ず、Ｘ線センサ１を骨密度を測定したい生体１３ｂに対し、Ｘ線発生装置１１ｂに正対するように設置する。そして、上記したような所定のエネルギ帯域を有するようにＸ線発生装置１１ｂの管電圧を所定値に設定する。この状態でＸ線発生装置１１ｂが生体１３ｂに対して照射Ｘ線１２ｂを照射し、生体１３ｂを透過した透過Ｘ線１４ｂをＸ線センサ１が受光する。
【００４９】
Ｘ線量演算部５２は、信号ケーブル７を介してＸセンサ１が受光して生成された信号を受け取ってＸ線量を算出する。この時、Ｘ線センサ１からの信号は、各Ｘ線量帯域によって異なる色、すなわち赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色の信号が個別に伝送され、各色での信号を処理することで各Ｘ線量帯域におけるＸ線量を算出する。なお、本実施の形態では前述したようにこのうち赤（Ｒ）と青（Ｂ）の２つの帯域の信号について取り扱うものとする。
【００５０】
ここで、図８に示す通り、Ｘ線の透過率は、空間照射後のＸ線強度６１に対して、Ｘ線エネルギが高ければ筋肉等の軟組織部透過後のＸ線強度６２は、骨などの硬組織部透過後のＸ線強度６３との比が小さく、Ｘ線エネルギが低いほどその比が大きいことが知られている。この特性を利用して２種のエネルギに対する透過強度の変化を測定し、計算処理すれば筋肉などの軟組織部による吸収と、骨などの硬組織部による吸収とを分離することが可能となる。この方法を差分法と言う。そこで、軟組織部による吸収分を除いて、硬組織部による吸収分だけを計算すると顎骨の骨密度を測定することが出来る。以下、骨密度を算出するための計算式と算出するまでのステップについて説明する。
【００５１】
一般的にエネルギＥのＸ線の吸収透過の基本式は、物質の質量吸収係数をμ（Ｅ）、厚さをｔ、密度をρとし、照射したＸ線強度をＩ0（Ｅ）とすると、その物質を透過するＸ線の強度Ｉ（Ｅ）は（式１）で示される。
【００５２】
Ｉ（Ｅ）＝Ｉ0（Ｅ）・ｅｘｐ（−μ（Ｅ）・ｔ・ρ） ・・・（式１）
【００５３】
そして、生体内では骨（硬組織部）は筋肉等（軟組織部）にはさまれているので、生体内を透過するＸ線の強度は（式２）と表すことができる。
【００５４】
Ｉ（Ｅ）＝Ｉ0（Ｅ）・ｅｘｐ（−μB（Ｅ）・ｔB・ρB−μM（Ｅ）・ｔM・ρM） ・・・（式２）
【００５５】
ただし、μB（Ｅ）はエネルギＥにおける骨の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）、μM（Ｅ）はエネルギＥにおける筋肉等の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）、ｔB、ｔMは骨および筋肉等の厚さ（ｃｍ）、ρB、ρMは骨および筋肉等の密度（ｇ/ｃｍ3）である。
【００５６】
ところで、高エネルギのＸ線で照射した場合のＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）には、高いエネルギ成分と低いエネルギ成分との両方が含まれている。このことからＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）をそれぞれＩL+H及びＩ0L+Hと表すこととする。また、低エネルギで照射したときのＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）には低いエネルギ成分しか含まれていないことから、それぞれＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）をＩL及びＩ0Lと表すこととする。ＩL+Hは（式３）、Ｉ0L+Hは（式４）と表すことができる。
【００５７】
ＩL+H＝ＩL＋ＩH ・・・（式３）
Ｉ0L+H＝Ｉ0L＋Ｉ0H ・・・（式４）
【００５８】
そして、低エネルギのＸ線を含む高エネルギのＸ線を照射したときの信号から、低エネルギのＸ線で照射したときの信号を差し引くと、高いエネルギ成分の寄与する信号だけを抽出でき、それは（式５）と（式６）で表すことができる。
【００５９】
ＩH＝ＩL+H−ＩL ・・・（式５）
Ｉ0H＝Ｉ0L+H−Ｉ0L ・・・（式６）
【００６０】
それゆえ、生体内を透過するＸ線の強度を表す上記した（式２）は、高いエネルギ成分により表される（式７）および低いエネルギ成分により表される（式８）となる。
【００６１】
ＩL＝Ｉ0L・ｅｘｐ（−μBL・ｔB・ρB−μML・ｔM・ρM） ・・・（式７）
ＩH＝Ｉ0H・ｅｘｐ（−μBH・ｔB・ρB−μMH・ｔM・ρM） ・・・（式８）
【００６２】
（式７）および（式８）の両辺の対数を取ることによりそれぞれ（式９）と（式１０）となる。
【００６３】
ｌｎ（ＩL／Ｉ0L）＝−μBL・ｔB・ρB−μML・ｔM・ρM ・・・（式９）
ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）＝−μBH・ｔB・ρB−μMH・ｔM・ρM ・・・（式１０）
【００６４】
そして、高いエネルギ成分により表される（式１０）を変形すると、筋肉等の厚さと筋肉等の密度の積であるｔM・ρMは、（式１１）となる。
【００６５】
ｔM・ρM＝（−ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）−μBH・ｔB・ρB）／μMH ・・・（式１１）
【００６６】
この（式１１）を上記（式９）に代入して計算すると、骨の厚さと骨の密度の積であるｔB・ρBは（式１２）となる。
【００６７】
ｔB・ρB＝（ｌｎ（ＩL／Ｉ0L）−ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）μML／μMH）／（−μBL＋μBHμML／μMH） ・・・（式１２）
【００６８】
そして、μML／μMH＝Ｒm、μBL／μBH＝Ｒb、μBH＝ｍbとすると、この（式１２）は、（式１３）となる。
【００６９】
ｔB・ρB＝（ｌｎ（ＩL／Ｉ0L）−ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）Ｒm）／（Ｒm−Ｒb）ｍb ・・・（式１３）
【００７０】
この（式１３）を用いることで、骨の単位面積あたりの密度ｔB・ρB（ｇ/ｃｍ2）を、求めることができる。
【００７１】
ここで、Ｒmは筋肉等の軟組織部における質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）の低エネルギと高エネルギとの比であり、Ｒbは骨の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）の低エネルギと高エネルギとの比である。またｍbは高エネルギでの骨の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）であり、いずれも機器の校正時に容易に求められる機器ごとに異なる定数である。
【００７２】
また、ＩHおよびＩ0Hは、高エネルギのＸ線で照射した場合のカラーシンチレータ２の色帯域青（Ｂ）で検出した信号レベルから算出したもので、Ｉ0Hは生体に入射する前の出力からあらかじめ求められ、ＩHは生体透過後のＸ線センサ１から算出して求められる。
【００７３】
同様にＩLおよびＩ0Lは、低エネルギのＸ線で照射した場合のカラーシンチレータ２の色帯域赤（Ｒ）で検出した信号レベルから算出したもので、Ｉ0Lは生体に入射する前の出力からあらかじめ求められ、ＩLは生体透過後のＸ線センサから算出して求められる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、一実施の形態として上記（式１）から（式１３）までの演算を行うプログラムを骨密度計算部５３において実行することで骨密度を算出するものである。
【００７５】
本発明の第１および第２の実施の形態に係るＸ線センサのシンチレータが発する光（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の発光側特定波長帯域は、受光素子４Ｒ、４Ｇ、４Ｂが受光する受光側特定波長帯域と同一であることが好ましい。しかし、両波長帯域がずれていても、演算を行うことにより分離させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明のＸ線診断装置は、小型であり、一度の測定でＸ線の透過率の大きい部位と小さい部位を詳細に検出することができ、被検体に照射するＸ線量を減らすことができるという利点を有し、骨密度測定などＸ線診断において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線診断装置の構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線センサのＸ線入射側から見た平面図
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るカラーシンチレータの透過Ｘ線量と各色の発光量の特性を示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線センサのカラーシンチレータと受光素子の位置関係を示す図
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線センサのカラーシンチレータと受光素子の位置関係を示す図
【図６】人体の膝関節のＸ線画像を示す図
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る骨密度測定装置の構成を示す構成図
【図８】軟組織および硬組織に対するＸ線エネルギと透過率の関係を示す図
【符号の説明】
【００７８】
１ 半導体センサ
２ カラーシンチレータ
３ 半導体素子
４ 受光素子
５ 信号出力部
６ センサケース
７ ケーブル
１１ａ、１１ｂ Ｘ線発生装置
１２ａ、１２ｂ 照射Ｘ線
１３ａ Ｘ線被照射物
１３ｂ 生体
１４ａ、１４ｂ 透過Ｘ線
１５ 可視光
１６ ファイバーオプティカルプレート
２１ Ｘ線画像表示装置
２２ Ａ／Ｄ変換部
２３、５２ Ｘ線量演算部
２４、５４ 表示部
３１、３２、３３ 発光特性
４１ 膝関節部
４２ 軟組織部
４３ 骨部
５１ 骨密度計測装置
５３ 骨密度計算部
６１ 空間照射後のＸ線強度
６２ 軟組織部透過後のＸ線強度
６３ 硬組織部透過後のＸ線強度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラーシンチレータを用いたＸ線センサ、そのＸ線センサを用いたＸ線診断装置および骨密度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｘ線フィルムに代わり、入射するＸ線量をシンチレータによって光の発光量に変換し、さらにＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどにより発光量を電荷量に変換する半導体素子を備えたＸ線センサが普及しつつある。これにより、フィルムの現像が不要となり、また即座にＸ線画像を見ることができるようになるなど、その効用は計り知れない。このシンチレータは、入射するＸ線量に応じた発光強度、すなわち輝度が変化する単光色（たとえば緑色系統など）を発するものである。
【０００３】
被照射物がたとえば生体である場合、軟骨などの軟組織部と骨部の硬組織部でＸ線吸収率が大きく異なる。そのため、上述したようにシンチレータが単光色で発光すると、軟組織部と硬組織部の両方を見る必要がある場合、１回のＸ線照射の画像ではその両方を精細に見ることはできない。
【０００４】
すなわち、まず１回目のＸ線を照射（撮影）する。その後に、被照射物を透過するＸ線量を変えるため、Ｘ線発生装置の管電圧を切り替えるなどにより被照射物に照射するＸ線のエネルギを変える。そして、シンチレータをそれに応じた特性のものに変える。その後、２回目の撮影を行う。Ｘ線撮影を２回行うことにより、時間がかかると共に、生体に余計なＸ線を浴びさせてしまう不都合が生じる。
【０００５】
そこで、入射Ｘ線量に応じて、異なる発光色で発光するカラーシンチレータが提案され、その色帯域ごとの出力を１つにつなぎ合わせる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、そのカラーシンチレータを用いたイメージインテンシファイヤ（以下ＩＩと略す）が提案されている（例えば特許文献２参照）。このＩＩは、カラーシンチレータに面して曲面を有する受光センサを配し、受光センサで受ける光を電子に変換して小さい面に集め、さらに変換された電子により蛍光を発生させてＣＣＤカメラで撮る構成である。
【０００６】
また、Ｘ線発生装置の管電圧を変えて異なるエネルギのＸ線を被照射物に対して別々に照射することにより、Ｘ線透過率を求め、Ｘ線透過率から骨密度を算出する方法が示されている（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００３−２０２３８２号公報
【特許文献２】特開２００５−１０６５４１号公報
【特許文献３】特開２００５−８７２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、いわゆるＩＩは、装置が大掛かりとなり、費用がかかることとなり、一般への普及は困難である。
【０００８】
また、ＩＩの装置は、シンチレータに対して、被照射物と反対側に電荷を飛ばすために、奥行き方向に広いエリアが必要である。このため、たとえば、歯科用口腔内撮影装置などにおいて、生体の口腔内にＸ線センサを入れてＸ線撮影をする必要がある場合には適用できないという問題もある。
【０００９】
また、骨密度測定を行う際に、Ｘ線照射を２回行う必要があるため、生体には好ましくなく、また、同時に計測していないことから生体が動くことが考えられ、演算結果に多少なりとも誤差が生じることが予想される。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決するため、必要スペースが小さく、Ｘ線受光量感度のダイナミックレンジが広いＸ線センサ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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のＸ線センサは、Ｘ線量に応じたスペクトルで発光するカラーシンチレータと、前記カラーシンチレータが発した光を受光し、前記受光した光のスペクトルに応じた電気信号に変換する受光素子を１次元または２次元に配列して構成された半導体素子と、前記半導体素子が変換した電気信号を外部へ出力する信号出力部とを備えたことを特徴とする。この構成により、ダイナミックレンジを広く、かつＸ線量の分解能を小さくすることができる。また、小型化することもできる。
【００１２】
また、前記スペクトルは、前記カラーシンチレータが複数の発光側特定波長帯域の光を、受信したＸ線量に応じた強度で発して形成され、前記受光素子は、前記受光側特定波長帯域の光を透過し、前記受光側特定波長帯域が相異なる複数種のフィルタと、相異なる前記複数種のフィルタごとに対応する複数の光電変換素子とを備え、前記電気信号は、同種のフィルタに対応した光電変換素子ごとに形成される構成にすることもできる。
【００１３】
また、前記カラーシンチレータは、前記半導体素子に密着して配置された構成にすることができる。この構成により、カラーシンチレータで変換された光を効率よく受光素子に入射することができる。
【００１４】
また、前記カラーシンチレータは、光ファイバを束ねて形成されたファイバオプティカルプレートを介して前記半導体素子と接続された構成にすることもできる。この構成により、この構成により、カラーシンチレータで変換された光を効率よく受光素子に入射することができる。また、ファイバオプティカルプレートを放射状に形成することにより、Ｘ線センサの受光面より小さい半導体素子を用いることができる。
【００１５】
また、前記半導体素子は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサである構成にすることもできる。
【００１６】
また、本発明のＸ線画像表示装置は、上記記載のＸ線センサと、光電変換素子からの前記単数種もしくは複数種のフィルタに対応した電気信号に基いて、Ｘ線量を示す画像データを生成する画像処理装置と、前記画像データをＸ線画像として表示する表示部とを備え、前記画像処理装置は、前記Ｘ線画像データを、どの１または複数の電気信号に基づいて前記Ｘ線画像データを形成するかを切り替えるＸ線量帯域表示切り替え部を有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記表示部は、前記Ｘ線量を表示濃度を変えて表示する構成にすることもできる。
【００１８】
また、前記表示部は、前記Ｘ線量をカラー表示する構成にすることもできる。
【００１９】
また、本発明のＸ線診断装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生装置と、上記記載のＸ線画像表示装置とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の骨密度測定装置は、前記Ｘ線発生装置から照射され、生体の所定部位を透過するＸ線を受ける上記記載のＸ線センサと、前記Ｘ線センサの前記光電変換素子ごとの信号出力から前記Ｘ線量を演算するＸ線量演算部と、前記Ｘ線量演算部で演算したＸ線量に基づいて、Ｘ線が照射された前記生体の所定部位の骨密度を計算する骨密度計算部とを備えたことを特徴とする。この構成により、一度のＸ線照射により、骨密度を測定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、必要スペースが小さく、Ｘ線受光量感度のダイナミックレンジが広いＸ線センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明のＸ線センサ、Ｘ線画像表示装置および骨密度計測装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＸ線診断装置の構成を示す図である。Ｘ線診断装置は、Ｘ線を照射するＸ線発生装置１１ａと、Ｘ線を受光する半導体センサ１と、半導体センサ１からの信号を処理するＸ線画像表示装置２１と、信号処理された信号をＸ線量に応じて、画素ごとに表示濃度あるいは色を変えてＸ線画像を表示する表示部２４で構成されている。
【００２４】
半導体センサ１は、Ｘ線発生装置１１ａからの照射Ｘ線１２ａがＸ線被照射物１３ａを透過したＸ線１４ａ（透過Ｘ線）を受光する。カラーシンチレータ２は、半導体センサ１の表面に配置され、透過Ｘ線１４ａのＸ線量に応じて赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）（発光側特定波長帯域）の光を発する既存の物である。半導体素子３は、カラーシンチレータ２に密着し、受光素子４を２次元に配列して構成される。受光素子４は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）（受光側特定波長帯域）の光をそれぞれ透過するフィルタと、それぞれのフィルタに対して設けられた光電変換素子で構成され、カラーシンチレータ２で発せられた光を受光する。信号出力部５は、半導体素子３で受光した信号を、ケーブル７を介して外部に出力する。センサケース６は、シンチレータ２、半導体素子３、および信号出力部５を覆うケースである。
【００２５】
Ａ／Ｄ変換部２２は、Ｘ線センサ１からの赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のアナログ信号を少なくとも８ビット階調のデジタル信号に変換する。表示帯域切り替え部２３は、表示部２４で表示するＸ線画像を入射するＸ線量に対し、透過Ｘ線１４ａの量を限定した帯域のＸ線画像のみを表示するか、透過Ｘ線１４ａの量の全範囲におけるＸ線画像を表示するかを選択する。
【００２６】
なお、Ａ／Ｄ変換部２２でデジタル化された信号を表示部２４に表示する方法については、パーソナルコンピュータなどを用いた周知の技術であるので説明を省略する。
【００２７】
図２は、本実施の形態に係るＸ線センサ１の受光面を示す図である。受光素子４を説明するため、シンチレータ２の表示を省略する。受光素子４は、シンチレータ２が発する光の赤色成分を検出する受光素子４Ｒ、緑色成分を検出する受光素子４Ｇ、および青色成分を検出する受光素子４Ｂで構成される。Ｘ線センサ１に透過Ｘ線１４ａが入射されると、Ｘ線強度に応じた各色の信号が、２次元に配置された各受光素子４から順次、信号出力部５へ送られ、ケーブル７を介してＸ線画像表示装置２１へ出力される。
【００２８】
図３は、カラーシンチレータ２に入射される透過Ｘ線１４ａの量と各色成分の発光量の特性を示すグラフである。発光特性３１はカラーシンチレータ２の赤（Ｒ）の発光特性を示し、発光特性３２は緑（Ｇ）の発光特性を示し、発光特性３３は青（Ｂ）の発光特性を示す。受光素子４において、透過Ｘ線１４ａの量に対して発光量が変化する領域は、各色成分において連続している。従って、カラーシンチレータ２は、透過Ｘ線１４ａの量と１対１に対応するスペクトルを有する光を発する。
【００２９】
例えば、リウマチの診断などＸ線被照射物１３が人体の膝関節である場合、Ｘ線吸収率が大きくＸ線を透過しにくい硬組織部と、Ｘ線吸収率が小さくＸ線を透過しやすい軟組織部を見ることが必要である。このカラーシンチレータ２を用いることで、透過Ｘ線１４ａの量が大きく異なるＸ線被照射物１３ａのＸ線画像を１回のＸ線照射により、撮影することができる。
【００３０】
軟組織部からの透過Ｘ線量が、図３の発光特性３３が透過Ｘ線量に対して変化している領域内となるように、硬組織部からの透過Ｘ線量が、発光特性３１が変化している領域内となるように、Ｘ線発生装置１１ａの管電圧を適切な値に設定する。そのように設定すると、Ｘ線センサ１の撮影可能帯域において、軟組織部から硬組織部まで透過Ｘ線量を感知できる。すなわち、Ｘ線発生装置１１ａの管電圧を適切な値に設定することで、軟組織部および硬組織部を１回の撮影で同時に見ることができる。
【００３１】
また、表示帯域切り替え部２３は、Ａ／Ｄ変換された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）信号を、例えば赤（Ｒ）で示されるＸ線量帯域のみのＸ線画像を表示するか、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のすべてで示されるＸ線量帯域のＸ線画像を表示するかを選択できる。つまり、特定のＸ線量帯域のＸ線画像を表示することができる。これにより、硬組織部の陰影を精細に見たい場合、軟組織部をきめ細かく陰影を見たい場合、硬組織部および軟組織部を含めた全体を見たい場合に自由に設定を切り替えることができる。
【００３２】
図４は、軟組織部４２と硬組織部４３の両方を撮影する例とした人体の膝関節部４１のＸ線画像を示す図である。Ｘ線の透過率が高い軟組織部４２と、Ｘ線の透過率が低い硬組織部４３とを１回の撮影で得られる。さらに、表示切り替え部２３により、軟組織部４２あるいは硬組織部４３のみを詳細に表示することができる。
【００３３】
次に、シンチレータ２と受光素子４の配置関係について、図５、図６を参照しながら説明する。図５は、シンチレータ２と受光素子４の関係を示す断面図である。シンチレータ２と半導体素子３は密着して配置されている。なお、図５では、説明のため、シンチレータ２と半導体素子３に隙間を設けている。カラーシンチレータ２により、直線性を有する透過Ｘ線１４ａから変換された可視光１５は、散乱により光が分散するまでに受光素子４に入射する。従って、カラーシンチレータ２から、受光素子４に入射されるべき光が近隣の受光素子４に入り混じったりすることを極力抑えることができる。
【００３４】
これにより、いわゆるボケの少ない解像度の高い画像を得ることができる。さらには、Ｘ線センサ１の背面に大きなエリアを必要とすることもない。つまり、Ｘ線被照射物１３ａが例えば口腔内撮影の様に、Ｘ線センサ１を口腔内に挿入する必要がある時も、邪魔になることなく有用である。
【００３５】
図６は、図５とは、別のシンチレータ２と受光素子４の関係を示す断面図である。カラーシンチレータ２と受光素子４との間に、柱状の光ファイバを束ねたファイバーオプティカルプレート１６が設けられている。ファイバーオプティカルプレート１６は、画素ごとに、カラーシンチレータ２と受光素子４を接続する。従って、カラーシンチレータ２を半導体素子３上に密着せずに配置する構造に比べ、隣接する画素との信号の混合は少なくなり、分解能を高くすることができる。
【００３６】
また、図示しないが、ファイバーオプティカルプレート１６を、直線状ではなく、Ｘ線が入射する面を大きくし、半導体素子３側の面を小さくするように、放射状に配置することもできる。この構成にすることにより、大きなＸ線被照射物１３ａに対しても、小さい半導体素子３でＸ線画像を得ることができる。
【００３７】
次に、以上のような構成のＸ線診断装置の動作について説明する。まず、Ｘ線発生装置１１ａから所定のエネルギを持ったＸ線１２ａを発生させ、Ｘ線被照射物１３ａにＸ線を照射する。Ｘ線発生装置１１ａにおけるＸ線発生の詳細な原理、構成については説明を省略するが、Ｘ線被照射物１３ａのＸ線吸収率および観察したい部分、部位により、操作者がＸ線を発生させる源となるＸ線管の管電圧を変更し、照射Ｘ線１２ａのＸ線のエネルギを変える。なお、本実施の形態においては、Ｘ線画像を得ることができる照射Ｘ線１２ａのエネルギ帯域が広いので、その設定に不必要に注意を払う必要はない。
【００３８】
Ｘ線発生装置１１ａから所定エネルギ帯域で所定時間、照射Ｘ線１２ａが照射され、照射Ｘ線１２ａがＸ線被照射物１３ａを透過した透過Ｘ線１４ａがＸ線センサ１に入射する。透過Ｘ線１４ａは、Ｘ線被照射物１３ａを構成する物質のＸ線吸収率とその厚みに応じて、部分ごとに異なる透過Ｘ線量となる。さらに、カラーシンチレータ２が透過Ｘ線１４ａの量に応じた色で発光し、それを受光素子４は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）ごとに受光し、その強度に応じて電気信号に変換する。変換された電気信号を信号出力部５は、Ｘ線画像表示装置２１へ電気信号を出力する。
【００３９】
次に、Ａ／Ｄ変換部２２は、信号出力部５からの各電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。さらに、Ｘ線画像表示装置２１は、デジタル化された各電気信号の透過Ｘ線量を濃度表示データに変換する。次に、操作者が表示帯域切り替え部２３を操作し、見たい透過Ｘ線量帯域のＸ線画像のみを見るか、全体または２つ以上の帯域のＸ線画像を同時に見るかを切り替え、該当する濃淡表示データに基づいて、Ｘ線画像を表示部２４に表示する。ここで表示部２４は通常、ＣＲＴや液晶モニタであるが、これらに限定するものではない。
【００４０】
また、上記で説明したように、カラーシンチレータ２の発光色を忠実に再生すると、透過Ｘ線量の帯域ごとで異なる色、すなわち赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の濃淡で同時に異なる色で表示することができる。また、各色が受け持つ透過Ｘ線量帯域を透過Ｘ線量の大小順に、各色の濃淡出力をつなぎ合わせることで、単色（たとえば、グレースケール）で、透過Ｘ線量を表示することができる。
【００４１】
以上のように、本実施の形態に係るＸ線診断画像は、１回のＸ線照射により、Ｘ線透過率の低い硬組織部と、Ｘ線透過率の高い軟組織部を撮影可能である。従って、生体にＸ線を照射する回数を減らすことができる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態におけるＸ線センサを用いた骨密度測定装置の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る骨密度測定装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生装置１１ｂと、Ｘ線発生装置１１ｂからのＸ線を受光するＸ線センサ１と、Ｘ線センサ１が受光したＸ線の量から骨密度を算出する骨密度計測装置５１と、算出結果を表示する表示部５４で構成されている。生体１３ｂは、骨密度を計測する対象である。Ｘ線センサ１は、第１の実施の形態のＸ線センサと同様であるので同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
なお、Ｘ線発生装置１１ｂは、所定のエネルギ帯域を有する照射Ｘ線１２ｂを発生するものである。そして、Ｘ線発生装置１１ｂは、軟組織部および硬組織部で構成される生体１３ｂに照射Ｘ線１２ｂを照射させたときに透過する透過Ｘ線１４ｂが、軟組織部および硬組織部でのＸ線吸収量の違いを計測できるエネルギになるように設定されている。
【００４４】
ここで上記したように、Ｘ線センサ１のカラーシンチレータ２は、Ｘ線量の帯域に応じて異なる色帯域で輝度差を生じさせる。これによりＸ線センサ１は、異なるＸ線量帯域を示す信号を同時に出力することができる。このことはすなわち、異なるＸ線エネルギ入力に対する出力を同時に知ることができることと同じである。
【００４５】
すなわち、高エネルギのＸ線の入力に対する特性を、カラーシンチレータ２のＸ線量の多い色帯域、すなわち青（Ｂ）における出力信号とし、低エネルギのＸ線の入力に対する特性を、カラーシンチレータ２のＸ線量の少ない色帯域すなわち赤（Ｒ）における出力信号とする。
【００４６】
なお、本実施の形態のＸ線センサ１における半導体素子は、ＣＣＤを用いてもＣＭＯＳを使用してもよい。
【００４７】
また、Ｘ線センサ１で受光したＸ線量に関する信号は、骨密度計測装置５１に入力され、計測結果を表示部５４に表示する。Ｘ線量演算部５２は、Ｘ線センサ１から出力される信号を受光色（受光側特定波長帯域）ごとの信号出力からＸ線量帯域ごとのＸ線量を演算する。骨密度計算部５３は、Ｘ線量演算部５２で演算した各Ｘ線量帯域のＸ線量からＸ線照射された生体１３ｂの所定部位の骨密度を計算する。なお、Ｘ線量演算部５２および、骨密度計算部５３は、パーソナルコンピュータ等で実現されてもよい。
【００４８】
以下、本実施の形態における骨密度測定装置の動作について説明する。先ず、Ｘ線センサ１を骨密度を測定したい生体１３ｂに対し、Ｘ線発生装置１１ｂに正対するように設置する。そして、上記したような所定のエネルギ帯域を有するようにＸ線発生装置１１ｂの管電圧を所定値に設定する。この状態でＸ線発生装置１１ｂが生体１３ｂに対して照射Ｘ線１２ｂを照射し、生体１３ｂを透過した透過Ｘ線１４ｂをＸ線センサ１が受光する。
【００４９】
Ｘ線量演算部５２は、信号ケーブル７を介してＸセンサ１が受光して生成された信号を受け取ってＸ線量を算出する。この時、Ｘ線センサ１からの信号は、各Ｘ線量帯域によって異なる色、すなわち赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色の信号が個別に伝送され、各色での信号を処理することで各Ｘ線量帯域におけるＸ線量を算出する。なお、本実施の形態では前述したようにこのうち赤（Ｒ）と青（Ｂ）の２つの帯域の信号について取り扱うものとする。
【００５０】
ここで、図８に示す通り、Ｘ線の透過率は、空間照射後のＸ線強度６１に対して、Ｘ線エネルギが高ければ筋肉等の軟組織部透過後のＸ線強度６２は、骨などの硬組織部透過後のＸ線強度６３との比が小さく、Ｘ線エネルギが低いほどその比が大きいことが知られている。この特性を利用して２種のエネルギに対する透過強度の変化を測定し、計算処理すれば筋肉などの軟組織部による吸収と、骨などの硬組織部による吸収とを分離することが可能となる。この方法を差分法と言う。そこで、軟組織部による吸収分を除いて、硬組織部による吸収分だけを計算すると顎骨の骨密度を測定することが出来る。以下、骨密度を算出するための計算式と算出するまでのステップについて説明する。
【００５１】
一般的にエネルギＥのＸ線の吸収透過の基本式は、物質の質量吸収係数をμ（Ｅ）、厚さをｔ、密度をρとし、照射したＸ線強度をＩ0（Ｅ）とすると、その物質を透過するＸ線の強度Ｉ（Ｅ）は（式１）で示される。
【００５２】
Ｉ（Ｅ）＝Ｉ0（Ｅ）・ｅｘｐ（−μ（Ｅ）・ｔ・ρ） ・・・（式１）
【００５３】
そして、生体内では骨（硬組織部）は筋肉等（軟組織部）にはさまれているので、生体内を透過するＸ線の強度は（式２）と表すことができる。
【００５４】
Ｉ（Ｅ）＝Ｉ0（Ｅ）・ｅｘｐ（−μB（Ｅ）・ｔB・ρB−μM（Ｅ）・ｔM・ρM） ・・・（式２）
【００５５】
ただし、μB（Ｅ）はエネルギＥにおける骨の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）、μM（Ｅ）はエネルギＥにおける筋肉等の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）、ｔB、ｔMは骨および筋肉等の厚さ（ｃｍ）、ρB、ρMは骨および筋肉等の密度（ｇ/ｃｍ3）である。
【００５６】
ところで、高エネルギのＸ線で照射した場合のＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）には、高いエネルギ成分と低いエネルギ成分との両方が含まれている。このことからＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）をそれぞれＩL+H及びＩ0L+Hと表すこととする。また、低エネルギで照射したときのＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）には低いエネルギ成分しか含まれていないことから、それぞれＩ（Ｅ）及びＩ0（Ｅ）をＩL及びＩ0Lと表すこととする。ＩL+Hは（式３）、Ｉ0L+Hは（式４）と表すことができる。
【００５７】
ＩL+H＝ＩL＋ＩH ・・・（式３）
Ｉ0L+H＝Ｉ0L＋Ｉ0H ・・・（式４）
【００５８】
そして、低エネルギのＸ線を含む高エネルギのＸ線を照射したときの信号から、低エネルギのＸ線で照射したときの信号を差し引くと、高いエネルギ成分の寄与する信号だけを抽出でき、それは（式５）と（式６）で表すことができる。
【００５９】
ＩH＝ＩL+H−ＩL ・・・（式５）
Ｉ0H＝Ｉ0L+H−Ｉ0L ・・・（式６）
【００６０】
それゆえ、生体内を透過するＸ線の強度を表す上記した（式２）は、高いエネルギ成分により表される（式７）および低いエネルギ成分により表される（式８）となる。
【００６１】
ＩL＝Ｉ0L・ｅｘｐ（−μBL・ｔB・ρB−μML・ｔM・ρM） ・・・（式７）
ＩH＝Ｉ0H・ｅｘｐ（−μBH・ｔB・ρB−μMH・ｔM・ρM） ・・・（式８）
【００６２】
（式７）および（式８）の両辺の対数を取ることによりそれぞれ（式９）と（式１０）となる。
【００６３】
ｌｎ（ＩL／Ｉ0L）＝−μBL・ｔB・ρB−μML・ｔM・ρM ・・・（式９）
ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）＝−μBH・ｔB・ρB−μMH・ｔM・ρM ・・・（式１０）
【００６４】
そして、高いエネルギ成分により表される（式１０）を変形すると、筋肉等の厚さと筋肉等の密度の積であるｔM・ρMは、（式１１）となる。
【００６５】
ｔM・ρM＝（−ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）−μBH・ｔB・ρB）／μMH ・・・（式１１）
【００６６】
この（式１１）を上記（式９）に代入して計算すると、骨の厚さと骨の密度の積であるｔB・ρBは（式１２）となる。
【００６７】
ｔB・ρB＝（ｌｎ（ＩL／Ｉ0L）−ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）μML／μMH）／（−μBL＋μBHμML／μMH） ・・・（式１２）
【００６８】
そして、μML／μMH＝Ｒm、μBL／μBH＝Ｒb、μBH＝ｍbとすると、この（式１２）は、（式１３）となる。
【００６９】
ｔB・ρB＝（ｌｎ（ＩL／Ｉ0L）−ｌｎ（ＩH／Ｉ0H）Ｒm）／（Ｒm−Ｒb）ｍb ・・・（式１３）
【００７０】
この（式１３）を用いることで、骨の単位面積あたりの密度ｔB・ρB（ｇ/ｃｍ2）を、求めることができる。
【００７１】
ここで、Ｒmは筋肉等の軟組織部における質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）の低エネルギと高エネルギとの比であり、Ｒbは骨の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）の低エネルギと高エネルギとの比である。またｍbは高エネルギでの骨の質量吸収係数（ｃｍ2/ｇ）であり、いずれも機器の校正時に容易に求められる機器ごとに異なる定数である。
【００７２】
また、ＩHおよびＩ0Hは、高エネルギのＸ線で照射した場合のカラーシンチレータ２の色帯域青（Ｂ）で検出した信号レベルから算出したもので、Ｉ0Hは生体に入射する前の出力からあらかじめ求められ、ＩHは生体透過後のＸ線センサ１から算出して求められる。
【００７３】
同様にＩLおよびＩ0Lは、低エネルギのＸ線で照射した場合のカラーシンチレータ２の色帯域赤（Ｒ）で検出した信号レベルから算出したもので、Ｉ0Lは生体に入射する前の出力からあらかじめ求められ、ＩLは生体透過後のＸ線センサから算出して求められる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、一実施の形態として上記（式１）から（式１３）までの演算を行うプログラムを骨密度計算部５３において実行することで骨密度を算出するものである。
【００７５】
本発明の第１および第２の実施の形態に係るＸ線センサのシンチレータが発する光（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の発光側特定波長帯域は、受光素子４Ｒ、４Ｇ、４Ｂが受光する受光側特定波長帯域と同一であることが好ましい。しかし、両波長帯域がずれていても、演算を行うことにより分離させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明のＸ線診断装置は、小型であり、一度の測定でＸ線の透過率の大きい部位と小さい部位を詳細に検出することができ、被検体に照射するＸ線量を減らすことができるという利点を有し、骨密度測定などＸ線診断において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線診断装置の構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線センサのＸ線入射側から見た平面図
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るカラーシンチレータの透過Ｘ線量と各色の発光量の特性を示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線センサのカラーシンチレータと受光素子の位置関係を示す図
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線センサのカラーシンチレータと受光素子の位置関係を示す図
【図６】人体の膝関節のＸ線画像を示す図
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る骨密度測定装置の構成を示す構成図
【図８】軟組織および硬組織に対するＸ線エネルギと透過率の関係を示す図
【符号の説明】
【００７８】
１ 半導体センサ
２ カラーシンチレータ
３ 半導体素子
４ 受光素子
５ 信号出力部
６ センサケース
７ ケーブル
１１ａ、１１ｂ Ｘ線発生装置
１２ａ、１２ｂ 照射Ｘ線
１３ａ Ｘ線被照射物
１３ｂ 生体
１４ａ、１４ｂ 透過Ｘ線
１５ 可視光
１６ ファイバーオプティカルプレート
２１ Ｘ線画像表示装置
２２ Ａ／Ｄ変換部
２３、５２ Ｘ線量演算部
２４、５４ 表示部
３１、３２、３３ 発光特性
４１ 膝関節部
４２ 軟組織部
４３ 骨部
５１ 骨密度計測装置
５３ 骨密度計算部
６１ 空間照射後のＸ線強度
６２ 軟組織部透過後のＸ線強度
６３ 硬組織部透過後のＸ線強度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線量に応じたスペクトルで発光するカラーシンチレータと、
前記カラーシンチレータが発した光を受光し、前記受光した光のスペクトルに応じた電気信号に変換する受光素子を１次元または２次元に配列して構成された半導体素子と、
前記半導体素子が変換した電気信号を外部へ出力する信号出力部とを備えたことを特徴とするＸ線センサ。
【請求項２】
前記スペクトルは、前記カラーシンチレータが複数の発光側特定波長帯域の光を、受信したＸ線量に応じた強度で発して形成され、
前記受光素子は、
前記受光側特定波長帯域の光を透過し、前記受光側特定波長帯域が相異なる複数種のフィルタと、
相異なる前記複数種のフィルタごとに対応する複数の光電変換素子とを備え、
前記電気信号は、同種のフィルタに対応した光電変換素子ごとに形成される請求項１記載のＸ線センサ。
【請求項３】
前記カラーシンチレータは、前記半導体素子に密着して配置された請求項１または２記載のＸ線センサ。
【請求項４】
前記カラーシンチレータは、光ファイバを束ねて形成されたファイバオプティカルプレートを介して前記半導体素子と接続された請求項１または２記載のＸ線センサ。
【請求項５】
前記半導体素子は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサである請求項１〜４のいずれか一項に記載のＸ線センサ。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか一項に記載のＸ線センサと、
光電変換素子からの前記単数種もしくは複数種のフィルタに対応した電気信号に基いて、Ｘ線量を示す画像データを生成する画像処理装置と、
前記画像データをＸ線画像として表示する表示部とを備え、
前記画像処理装置は、前記Ｘ線画像データを、どの１または複数の電気信号に基づいて前記Ｘ線画像データを形成するかを切り替えるＸ線量帯域表示切り替え部を有するＸ線画像表示装置。
【請求項７】
前記表示部は、前記Ｘ線量を表示濃度を変えて表示する請求項６記載のＸ線画像表示装置。
【請求項８】
前記表示部は、前記Ｘ線量をカラー表示する請求項６記載のＸ線画像表示装置。
【請求項９】
Ｘ線を発生するＸ線発生装置と、
請求項６〜８のいずれか一項に記載のＸ線画像表示装置とを備えたＸ線診断装置。
【請求項１０】
Ｘ線を発生するＸ線発生装置と、
前記Ｘ線発生装置から照射され、生体の所定部位を透過するＸ線を受ける請求項２〜５のいずれか一項に記載のＸ線センサと、
前記Ｘ線センサの前記光電変換素子ごとの信号出力から前記Ｘ線量を演算するＸ線量演算部と、
前記Ｘ線量演算部で演算したＸ線量に基づいて、Ｘ線が照射された前記生体の所定部位の骨密度を計算する骨密度計算部とを備えた骨密度測定装置。
【請求項１】
Ｘ線量に応じたスペクトルで発光するカラーシンチレータと、
前記カラーシンチレータが発した光を受光し、前記受光した光のスペクトルに応じた電気信号に変換する受光素子を１次元または２次元に配列して構成された半導体素子と、
前記半導体素子が変換した電気信号を外部へ出力する信号出力部とを備えたことを特徴とするＸ線センサ。
【請求項２】
前記スペクトルは、前記カラーシンチレータが複数の発光側特定波長帯域の光を、受信したＸ線量に応じた強度で発して形成され、
前記受光素子は、
前記受光側特定波長帯域の光を透過し、前記受光側特定波長帯域が相異なる複数種のフィルタと、
相異なる前記複数種のフィルタごとに対応する複数の光電変換素子とを備え、
前記電気信号は、同種のフィルタに対応した光電変換素子ごとに形成される請求項１記載のＸ線センサ。
【請求項３】
前記カラーシンチレータは、前記半導体素子に密着して配置された請求項１または２記載のＸ線センサ。
【請求項４】
前記カラーシンチレータは、光ファイバを束ねて形成されたファイバオプティカルプレートを介して前記半導体素子と接続された請求項１または２記載のＸ線センサ。
【請求項５】
前記半導体素子は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサである請求項１〜４のいずれか一項に記載のＸ線センサ。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか一項に記載のＸ線センサと、
光電変換素子からの前記単数種もしくは複数種のフィルタに対応した電気信号に基いて、Ｘ線量を示す画像データを生成する画像処理装置と、
前記画像データをＸ線画像として表示する表示部とを備え、
前記画像処理装置は、前記Ｘ線画像データを、どの１または複数の電気信号に基づいて前記Ｘ線画像データを形成するかを切り替えるＸ線量帯域表示切り替え部を有するＸ線画像表示装置。
【請求項７】
前記表示部は、前記Ｘ線量を表示濃度を変えて表示する請求項６記載のＸ線画像表示装置。
【請求項８】
前記表示部は、前記Ｘ線量をカラー表示する請求項６記載のＸ線画像表示装置。
【請求項９】
Ｘ線を発生するＸ線発生装置と、
請求項６〜８のいずれか一項に記載のＸ線画像表示装置とを備えたＸ線診断装置。
【請求項１０】
Ｘ線を発生するＸ線発生装置と、
前記Ｘ線発生装置から照射され、生体の所定部位を透過するＸ線を受ける請求項２〜５のいずれか一項に記載のＸ線センサと、
前記Ｘ線センサの前記光電変換素子ごとの信号出力から前記Ｘ線量を演算するＸ線量演算部と、
前記Ｘ線量演算部で演算したＸ線量に基づいて、Ｘ線が照射された前記生体の所定部位の骨密度を計算する骨密度計算部とを備えた骨密度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１５９９２５（Ｐ２００７−１５９９２５Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６２０９６（Ｐ２００５−３６２０９６）
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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