JP6915980B2 - Ｘ線回折分光用コリメータ、関連装置およびその使用 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、物体によって回析された電離放射線の分光分析による前記物体の特性評価（characterization）である。本発明はまた、診断目的での生体組織の分析、及び、産業分野における又は安全関連の用途のための非破壊検査にも適用される。

頭文字ＥＤＸＲＤ（energy dispersive X-ray diffraction；エネルギー分散型Ｘ線回折）により広く知られているＸ線回折分光法は、物体を構成する材料を識別するためによく使用される非破壊分析技術である。この技術は、レイリー散乱とも呼ばれる、電離電磁放射線（ionizing electromagnetic radiation）の弾性散乱に基づいている。この技術は、既に、核物質の検査、及び、爆発物又は他の違法物質の検出に適用されている。一般に、この技術は、Ｘ線多重エネルギー放射（polyenergetic x-ray radiation）を使用して物体を照射し、その物体によって、その物体へ入射するＸ線放射の経路に対して典型的には１°〜２０°といった小さな角度で散乱された、放射線のエネルギースペクトルを決定することにある。このスペクトルを分析することにより、物体を構成する材料を同定することができる。具体的には、ほとんどの材料は、その原子または分子構造に依存する、設定されたスペクトル特性を有する。測定された散乱スペクトルと既知の材料の特性とを比較することにより、物体の組成を推測することができる。

現時点で知られている装置では、放射線源は、Ｘ線多重エネルギー放射を発する。このＸ線多重エネルギー放射は、物体、一次コリメータ又はプリコリメータに向かって伝播する。一次コリメータ（primary collimator）又はプリコリメータ（pre-collimator）は、精密にコリメート（collimate）されたＸ線放射（finely collimated x-ray radiation）を物体に向けるように、放射線源と物体との間に配置されている。そして、第２のコリメータが、分析対象物と検出器との間に配置され、後者（検出器）は、対象物によって散乱された放射線のエネルギースペクトルを取得することができる。この第２のコリメータの様々な形態が提案されている。それは以下の問題であり得る。
・国際公開２０１３／０９８５２０（特許文献１）に記載されているような、高密度の材料で生成された単純なアパーチャ（aperture；開口）。測定の感度はこのアパーチャのサイズによって制限され、アパーチャは、光学用途のピンホールカメラと同じように作用する。
・ＵＳ特許７８３５４９５Ｂ２（特許文献２）に記載されているような、互いに平行に延びるチャネル。これは、装置によって向けられる角度範囲をかなり制限する。
・Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ （２０００）のＭａｌｄｅｎによる文献「多重散乱角でのエネルギー分散型Ｘ線回折特性による荷物中の爆発物の検出のためのＣｄＺｎＴｅアレイ（A CdZnTe array for detection of explosives in baggage by energy-dispersive X-ray diffraction signatures at multiple scattering angles）」に記載されているような、全て同じ点に向かって収束するチャネル。この技術は繊細（sensitive）であるが、検査対象物のポイントごとのスキャンを必要とする。

最近の研究により、Ｘ線回折分光法は、健常組織を癌性腫瘍と区別するために、医学診断の分野で潜在的に使用可能であることが実証されている。具体的には、健常組織の特性が腫瘍の特性と異なることが研究によって示されている。例えばマンモグラフィでは、Ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ， Ｎｏ． ４４， １９９９， ｐｐ １７９１−１８０２のＫｉｄａｎｅ， Ｇ ｅｔ ａｌによる文献「正常及び腫瘍性の乳房組織のＸ線散乱特性（X-ray scatter signatures for normal and neoplastic breast tissue）」において、健常組織、線維腺組織（fibroglandular）及び悪性癌腫からそれぞれ得られたＸ線回折スペクトルの間には明確な差異があることが確立されている。健常組織または線維腺組織は約１．１ｎｍ^−１にピークを示したが、癌組織は約１．６ｎｍ^−１にピークを示した。単位ｎｍ^−１は、後述する既知の原理に従って、散乱された放射線のエネルギーおよびその散乱角を知ることによって得られる運動量伝達値を表す。

しかしながら、生物への潜在的な適用は、積算放射線量（integrated dose）及び検査期間に関する困難に直面する。具体的には、患者が受ける放射線量の最適化が大きな課題となっている時点で、感度と積算放射線量との間で妥協点を得ることを可能にする分析方法を提供する必要がある。さらに、分析される組織は、かなりの体積を占めることがあり、単一の取得において分析される体積は、検査される器官について可能な限り走査を制限するように最適であることが必要である。本発明は、これらの要求を満たす。

国際公開第２０１３／０９８５２０号 米国特許第７８３５４９５号明細書

本発明の１つの主題は、添付の特許請求の範囲による装置である。基本的には、この装置は、
前記物体を保持することが可能なホルダに向かって伝播する電離電磁放射線を生成するように構成された放射線源と、
前記放射線源と前記ホルダとの間に配置され、前記ホルダに向かって伝播軸に沿って伝播するコリメートされたビームを形成するように構成されたアパーチャを有する第１のコリメータと、
電離電磁放射線を検出してエネルギースペクトルを形成することが可能な画素を有する検出器と、
前記ホルダと前記検出器との間に配置され、前記ホルダによって保持された前記物体によって放射された放射線を、前記物体によって放射された前記放射線の散乱角に応じて、前記検出器に向けて選択的に方向付けるように構成された第２のコリメータと、
を有する。
前記第２のコリメータは、第１の端部と第２の端部との間で、中心軸の周りに延在し、複数のチャネルを含み、各チャネルは、側壁によって境界を定められ、前記第２のコリメータは、
・各チャネルは中央軸を有し、前記中央軸は、前記チャネルの中心において、前記チャネルの境界を定める前記側壁の間に延び、
・各チャネルの前記中央軸は、前記第２のコリメータの前記中心軸と、前記チャネルのコリメート角と呼ばれる鋭角をなし、
・各チャネルは、前記チャネルの中央軸と前記第２のコリメータの中心軸との交差によって形成される、焦点と呼ばれる点に関連付けられ、
・前記第２のコリメータは、前記コリメート角が異なる少なくとも２つのチャネルを含み、これらのチャネルにそれぞれ関連する焦点は、互いに異なり、前記第２のコリメータの前記中心軸に沿って互いに離間している、
ように構成され、
各チャネルは、前記ホルダに配置された前記物体の、前記第２のコリメータによって定義された焦点の周りに延在する基本体積によって放射された放射線を、所定の角度範囲で、前記検出器に向けて通過させる。

第２のコリメータは、電離電磁放射線によって照射された物体と検出器との間に配置されると、物体によって放射された放射線、特に様々な角度で散乱された放射線を、検出器に対して通過させる（送出する）ことが可能である。さらに、複数の異なる焦点を提供することにより、物体の様々な部分によって放射される放射線を同時に検出することができる。放出された放射線が散乱放射線である場合、これにより、コリメータを物体に対して移動させることなくこれらの様々な部分を同時に特徴付けることが可能となる。したがって、第２コリメータの各チャネルは、ホルダ上に配置された物体の基本体積によって放射された放射線を検出器に伝達し、前記基本体積は、第２のコリメータによって規定される焦点の周りに所定の角度範囲で延在する。

少なくとも２つの焦点は、コリメータの前記中心軸に沿って、２ｃｍより大きい距離、さらには４ｃｍより大きい距離だけ、互いに間隔を置いて配置される。

第２のコリメータは、中心軸の周りに延在し、厚さが５ｍｍよりも大きい円柱または円錐台を描くいわゆるベース壁を含むことができる。このベース壁は、中実でもよく、又は、コリメータの中心軸と一致する中央軸に沿って延びる中空キャビティを含んでもよい。

装置は、単独で、または技術的に可能な組み合わせで実装され得る以下の機能のいずれかを有しうる。
・例えばＸ線管である線源によって放出された電離放射線は、多重エネルギー線である。
・第２のコリメータは、その中心軸がコリメートされた入射ビームの伝播軸と同軸になるように配置される。
・検出器は、第２のコリメータの前記中心軸に垂直な、検出面と呼ばれる平面内に延在している。次に、複数の画素が、第２のコリメータの前記中心軸から半径方向距離と呼ばれる同じ距離に配置される。
・検出器は、検出器の各画素を仮想画素と呼ばれるものに細分することができる、マイクロプロセッサなどのコンピュータに接続される。

先の４つの点で述べた特徴を組み合わせることが望ましい。

装置は、ホルダ上に配置された分析対象の物体を含み、第２のコリメータによって規定される少なくとも１つの焦点、好ましくは複数の焦点がその分析対象の物体内に配置される。

本発明の別の主題は、本明細書に記載された装置を使用して、添付の特許請求の範囲の１つの請求項に記載された、物体を分析する方法である。この方法は、以下のステップを含む：
ａ）前記物体を前記装置の前記ホルダ上に置き、伝播軸に沿って前記物体に向かって伝播するコリメートされた入射ビームを形成するように、前記放射線源を用いて前記物体を照射し、前記物体は、前記第２のコリメータによって定義される複数の焦点が前記物体に配置されるように配置される、ステップと、
ｂ）前記検出器の各画素を使用して、前記コリメートされた入射ビームによる放射線に続いて前記物体によって散乱された放射線を検出し、前記検出された放射線の前記エネルギー分布を表すスペクトルを形成する、ステップと、
ｃ）前記物体の所与の体積要素によって散乱された放射線をそれぞれ受け取る複数の画素群を定義し、前記体積要素は、前記伝播軸上に配置され、２つの異なる画素群は、２つの異なる体積要素によって散乱された放射線を受け取る、ステップと、
ｄ）前のステップで定義された各画素群について、各画素によって取得されたスペクトルを結合して、前記画素群に関連付けられた合成スペクトルと称されるスペクトルを確立するステップと、
ｅ）種々の画素群にそれぞれ関連する前記合成スペクトルを使用して、前記物体の複数の体積要素を構成する前記材料の性質を決定する。

物体は、特に、生体組織であり得る。したがって、本発明は、組織の性質を非侵襲的に特徴付けることを可能にする。

他の利点および特徴は、非限定的な例として与えられ、以下に記載される添付の図面に示される、本発明の特定の実施形態の以下の説明からより明確に明らかになるであろう。

本発明にかかる材料を分析するための例示的な装置を示す図である。 図１Ａを参照して記載された装置のコリメータの第１の実施形態の断面図を示す図である。ここで、切断面は、コリメータの中心軸に平行でこの軸を通過する平面である。 チャネルによって観察される物体の基本体積の詳細を示す図である。 様々なチャネルに関連付けられた物体の基本体積と、検出器の画素に関連付けられた体積要素とを示す図である。 例示的な検出器を示す図である。 放射線源によって放出される放射線の例示的なスペクトルを示す図である。 コリメータの第１の実施形態の断面を示す図である。ここで、断面は、コリメータの中心軸に垂直である。 コリメータの第１の実施形態の断面を示す図である。ここで、断面は、コリメータの中心軸に垂直である。 図１Ａに示す装置に使用することができるコリメータの第２の実施形態を示す図である。 このコリメータの断面図である。ここで、切断面はコリメータの中心軸に垂直である。 このコリメータの断面図である。ここで、切断面はコリメータの中心軸に垂直である。 図２Ａに示された装置の三次元ビューを示す図である。 図２Ｄの概略的な断面図である。ここで、切断面は。コリメータの中心軸を通り、この中心軸に平行である。 図２Ａ〜図２Ｅに示されるコリメータと同様の幾何学的形状の、１０個の環状チャネルを含むコリメータの特性を示す図である。 図２Ａ〜図２Ｅに示されるコリメータと同様の幾何学的形状の、１０個の環状チャネルを含むコリメータの特性を示す図である。ここで、このコリメータは、図３に示すコリメータよりも大きな高さにわたって延在する。 図１Ａに示すような装置で物体を分析することを可能にする方法の主なステップを示す図である。

図１Ａは、材料を分析するための例示的な装置１を示す。放射線源１１は、電離性電磁放射線１２を放射し、この放射線は、その組成を判定したい物体１０に向かって伝播する。この装置は、放射線源１１によって放射された放射線をコリメートすることができる第１コリメータ又はプリコリメータ３０を有し、それによってコリメートされた入射ビーム１２ｃを形成する。そのビームは伝播軸１２ｚに沿って物体に向かって伝播する。その装置はまた、画素２０_ｉ，ｊを含む検出器２０を有し、各画素は、コリメートされた入射ビームによって照射された物体を通過した（transmitted by the object）放射線１４を検出することができ、この放射は、例えば、コリメートされた入射ビーム１２ｃを形成する放射の弾性散乱によって生成される。

分析装置１は、物体１０と検出器２０との間に配置された第２コリメータ４０を含む。このコリメータは、中心軸４５と称する軸の周りに延びている。中心軸４５に対するこの放射線の伝播の角度θ_１，θ_２，θ_３，θ_４に応じて、物体１０を通過した散乱放射線１４_１，１４_２，１４_３，１４_４を検出器に向けて選択的に方向付ける（direct）ことができる。用語「選択的に」は、検出器に向けて通過する放射線が、それが伝播している角度および放射された物体の部分に依存することを意味する。この第２コリメータは、本明細書の残りの部分でコリメータという用語で示され、本発明の重要な要素であり、以下でより詳細に説明される。

分析装置１は、図１Ａに示すような直交座標系Ｘ，Ｙ，Ｚが関連付けられた基準座標系（reference frame）内に配置される。物体はホルダ１０ｓ上に置かれ、または保持される。

表現「電離電磁放射線（ionizing electromagnetic radiation）」は、１ｋｅＶより高く、好ましくは５ＭｅＶより低いエネルギーの光子からなる電磁放射線を示す。電離放射線のエネルギー範囲は、１ｋｅＶと２ＭｅＶとの間に含まれ得るが、最も一般的には、１ｋｅＶと１５０ｋｅＶまたは３００ｋｅＶとの間に及ぶ。電離放射線は、Ｘ線放射線又はγ線放射線であってもよい。好ましくは、電離放射線源は多重エネルギー線であり、入射放射線は一般に数十ｋｅＶ以上又は数百ｋｅＶ程度に及ぶエネルギー範囲で放射される。これは、特にＸ線放射管である。

放射線検出器は、検出面Ｐ_２０と称する平面内に配置された画素２０_ｉ，ｊを含む検出器である。インデックスｉ，ｊは、検出面における各画素の座標を示す。画素は線形配列を形成し得るが、一般に、画素は、二次元の規則的なマトリクス配列を形成する。この特許出願に記載された例では、検出面は、コリメータの中心軸４５に垂直なＸＹ平面であり、後者の軸（中心軸４５）はコリメートされた入射ビーム１２ｃの伝播軸１２ｚと一致している。これは好ましい構成である。

放射線源１１は、一般に４０〜１５０ｋＶの電圧を受けるタングステン陽極を備えたＸ線管であり、この電圧は、入射放射線１２のエネルギー範囲を変更するために変化し得る。検出器２０は、Ｘ軸に沿って４０画素、Ｙ軸に沿って４０画素、すなわち１６００画素を含み、各画素は２．５×２．５ｍｍ^２の面積を有し、その厚さは５ｍｍである。各画素は、半導体材料、例えばＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅ、または好ましくは室温で分光測定を行うことができる任意の他の材料から作られる。それは、十分なエネルギー分解能を有するならば、シンチレータ材料であってもよい。検出器はエネルギー分解され（resolved in energy）、各画素により、約１ｋｅＶのエネルギーチャネルでスペクトルが得られる。放射線源１１は、例えば２０ｋｅＶなどの閾値よりも低いエネルギーの放射線のプリコリメータ３０への伝播を阻止するように、例えば銅で作られた金属スクリーンを含み得る。このスクリーンが銅で作られる場合、その厚さは、例えば０．２ｍｍに等しい。

第１コリメータ３０またはプリコリメータは、放射線源１１によって放射された放射線１２のほとんどを吸収するように緻密な材料のブロック３１を含む。これは、伝播軸１２ｚと称する軸に沿って伸びる、狭いコリメートされたビーム１２ｃを通過させる小さいアパーチャ３２を含む。小さなアパーチャ（aperture；開口）とは、アパーチャの直径またはその最大対角線が２ｃｍより小さいか、さらに１ｃｍよりも小さいということを意味する。この例では、アパーチャは直径１ｍｍの円筒である。

物体１０は、生きた生物組織、例えば、動物又は人間の身体の部分であってもよい。この装置は、医用撮像装置である。身体の部分は、特に、Ｘ線またはスキャンなどの第１の検査の後で、異常、特に癌性腫瘍の存在が疑われる器官であってもよい。この第１の検査はまた、組織内の異常のおおよその位置を決定することを可能にする。そして、装置１は、異常の位置およびその近傍の器官を構成する組織の性質を特徴付けるために、第２の指示の間に実施されてもよい。器官は、特に、骨または他の器官による減衰の影響を受けずに容易な分析を可能にするために、身体の周辺に位置する器官である。それは、特に、胸部、睾丸、または腹腔の器官であり得る。他の用途では、物体は、工業部品または荷物の一部であってもよく、装置１は、非破壊検査目的で使用される。

放射線検出器２０の各画素２０_ｉ，ｊは、以下を含む。
・第２コリメータ４０を介して物体１０を通過した放射線１４_１，１４_２，・・・，１４_ｎ，・・・，１４_Ｎの光子と相互作用することができる検出器材料。この材料は、シンチレータ材料、または、好ましくは、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅのような、室温で使用することができる半導体材料である。
・信号を生成することができる電子回路。その信号の振幅Ａは、検出器材料と相互作用する各光子によって堆積されるエネルギーＥに依存し、好ましくはエネルギーＥに比例する。
・取得期間と称される期間に検出された信号からＳ_ｉ，ｊと表されるエネルギースペクトルを確立することができる分光回路。

したがって、画素がマトリクス配列内に規則的に配置されている場合、各画素は、このマトリクス配列に従って物体を通過した放射線１４からスペクトルＳ_ｉ，ｊを生成することができる。

「エネルギースペクトル」という表現は、スペクトルの取得期間中に検出された信号の振幅Ａのヒストグラムに対応する。信号の振幅Ａと放射線のエネルギーＥとの間の関係は、当業者に知られている原理に従って、Ｅ＝ｇ（Ａ）であるようなエネルギー較正関数ｇを使用して取得され得る。したがって、エネルギースペクトルＳ_ｉ，ｊは、ベクトルの形態を取ることができ、その各項（term）Ｓ_ｉ，ｊ（Ｅ）は、エネルギー範囲Ｅ±（δＥ／２）で画素２０_ｉ，ｊによって検出される放射線量を表す。ここで、δＥは、そのスペクトルのエネルギー離散化ステップの分光幅である。

装置はまた、検出器２０の画素２０_ｉ，ｊによって測定された各スペクトルＳ_ｉ，ｊを処理することができる、演算器、または、例えばマイクロプロセッサであるプロセッサ２２を有する。特に、プロセッサは、本明細書で説明されるスペクトル処理および計算動作を実行するための一連の命令が格納されるプログラマブルメモリ２３に接続されたマイクロプロセッサである。これらの命令は、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭまたは別のタイプのメモリのような、プロセッサによって読取り可能な記憶媒体に保存され得る。プロセッサは、例えばスクリーンである表示装置２４に接続されてもよい。

コリメータ４０は、チャネル４２を含み、チャネルは、中心軸４５の周りに延び、中心軸４５に向かって収束する。より正確には、各チャネル４２_ｎは、所定の角度範囲Δθ_ｎに属する散乱角θ_ｎで、物体１０を通過して検出器２０に向かう通過放射線（transmitted radiation）１４_ｎを送出する（通過させる）ことができる。

図１Ｂは、中心軸４５を通過するＸＺ平面を切断面とする第２コリメータ４０の断面図を示す。この中心軸は、コリメータ４０の中心でコリメータ４０の厚さ（thickness）を通って延びている。コリメータ４０は、中心軸４５に対して垂直な２つの平面Ｐ_４０．１とＰ_４０．２との間に延在している。これらの平面はそれぞれ、コリメータの第１の端部４６および第２の端部４７を定義する。これは、それぞれ第１の端部４６_１，４６_２，４６_３，４６_４と第２の端部４７_１，４７_２，４７_３，４７_４との間にそれぞれ延在するチャネル４２_１，４２_２，４２_３，４２_４を含む。各第１の端部は、特徴付けの対象となる物体１０に面して配置されることを目的とし、一方、各第２の端部は、検出器２０に面して配置されることを目的とする。好ましくは、図１Ｂに示すように、コリメータ４０は、コリメータ４０の中心軸４５がコリメートされた入射ビーム１２ｃの軸１２ｚと一致するように、物体１０に面して配置される。

本明細書の残りの部分では、ｎは１以上でＮ以下の自然数であり、Ｎは厳密に正の整数である。ｎはコリメータの任意のチャネル４２_ｎを指定し、Ｎは第２コリメータのチャネル数を指定する。以下で定義される側壁４１_ｎ、または第１の端部４６_ｎまたは４７_ｎについても同様であり、指数ｎはチャネル４２_ｎを指す。

各チャネル４２_ｎは、少なくとも２つの側壁４１_ｎ−１，４１_ｎによって境界を定められる。ここで、近位壁（proximal wall）と称される壁４１_ｎ−１は、遠位壁（distal wall）と称される壁４１_ｎよりも中心軸４５に近い。したがって、チャネル４２_１，４２_２，４２_３および４２_４は、それぞれ、側壁４１_０および４１_１、側壁４１_１および４１_２、側壁４１_２および４１_３、及び、側壁４１_３および４１_４によって境界を定められている。これらの側壁は、放射線源１１が入射放射線１２を放射する放射エネルギー範囲内の電磁放射線を著しく減衰させるのに十分な高密度の材料から製造される。金属材料が好ましく、特にその原子番号が鉄の原子数（２６）以上、好ましくは鉛の原子数（８２）以上である材料が好ましい。鉛またはタングステンを主成分とする合金からなるコリメータが、従来からこの種の用途に用いられている。これらの壁の厚さは、一般的に、１ｃｍあるいは０．５ｃｍよりも小さい。壁の厚さは、コリメータ４０の第１の端部と第２の端部との間で変化してもよい。様々な壁の間に延在する各チャネルは、あまり減衰しない材料、例えば空気で満たされている。

図示の例では、側壁４１_１，４１_２，４１_３，４１_４は、実質的に円錐台形状（frustoconical shape）を有し、コリメータの中心軸４５の周りに延在する。各側壁４１_ｎの円錐台形状は、中心軸４５上に位置する頂点と、側壁によって境界を定められたチャネル４２_ｎの第２の端部４７_ｎにおいて中心軸４５の周りに延在する環状の母線（annular generatrice）とによって定義され得る。したがって、中心軸４５に対して垂直に延びる横断面Ｐ_４０において、各チャネルの断面は、その中心がこの中心軸上に位置するリングの一部を表す。リングという用語は、円形または多角形のリングを示す。

この例では、コリメータは、ベース壁４１_０と称される中央壁を含み、ベース壁４１_０は中実（solid）であり、その外半径がチャネル４２_１を境界付けている。このベース壁は、コリメータの中心軸とこの中心軸に最も近いチャネルとの間に延在する。このベース壁は円柱形または円錐台形である。ベース壁は、伝播軸１２_ｚに平行な入射方向で物体を通過する放射線の通過を防止するように、中心軸４５の周りに延在する。一変形形態によれば、実施形態がどのようなものであっても、コリメータは、中空のベース壁４１_０を含んでもよい。この場合、ベース壁は、中心軸４５の周りに延在して円筒または円錐を定義し、その中央軸（median axis）がコリメータの中心軸４５であるキャビティの境界を示す。これにより、物体１０を通過後に中心軸４５に沿って伝播する放射線のスペクトルを、検出器２０によって測定することができる。コリメータの中心軸がコリメートされた入射ビーム１２ｃの伝播軸１２ｚと一致するとき、これにより、検出器２０によって、物体を通過するが物体から逸脱しない（not deviated by）放射線のスペクトルの測定が可能になる。これにより、検査対象の物体に起因するコリメートされた放射線１２ｃを減衰させることが可能となる。

各側壁は、外側半径および／または内側半径の間に延びる。コリメータの第１の端部４６におけるこれらの半径は、中心軸４５に最も近い壁の数ミリメートルから、中心軸４５から最も遠い側壁の数センチメートル（例えば１ｃｍまたは２ｃｍ）までの間で変化する。第２の端部４７では、これらの外側半径は、最も近い壁の数ミリメートルから、最も遠い壁の数センチメートル（例えば６ｃｍ）までの間で変化する。チャネル４２_ｎのアパーチャ、すなわちそれを囲む側壁間の距離は、例えば、第１の端部４６_ｎで１ｍｍより小さく、第２の端部４７_ｎで１ｍｍと１ｃｍとの間に含まれる。

各チャネル４２_ｎは、その第１の端部４６_ｎと第２の端部４７_ｎとの間で、中央軸４４_ｎの周りに延びている。図１Ｂは、チャネル４２_１，４２_２，４２_３および４２_４にそれぞれ関連する中央軸４４_１，４４_２，４４_３および４４_４を示す。中央軸とは、チャネルの中心に沿って延びる軸、すなわち、チャネルの境界となる側壁からの距離が等しい軸を意味する。チャネル４２_ｎの各中央軸４４_ｎは、コリメータの中心軸４５に対して傾斜しているので、チャネル４２_ｎのコリメート角と呼ばれる鋭角θ_ｎを形成する。

図１Ｂはまた、チャネル４２’_１，４２’_２，４２’_３および４２’_４を示し、そのコリメート角は、それぞれ、チャネル４２_１，４２_２，４２_３および４２_４のコリメート角と同一である。したがって、この例では、複数のチャネルが同じコリメート角を有し得る。

チャネル４２_ｎの各中央軸４４_ｎは、焦点と呼ばれる点Ｐ_ｎでコリメータの中心軸４５と交差する。このコリメータの注目すべき点は、それぞれのコリメート角θ_１，θ_２，θ_３，θ_４が異なるチャネルに関連する焦点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４が、互いに離間していることである。換言すれば、これは従来技術との顕著な違いであり、コリメータのチャネル４２_ｎは、以下のように、コリメータの中心軸４５と交差する中央軸４４_ｎの周りに延びている
・同じコリメート角度θ_ｎを有する２つのチャネル４２_ｎ，４２’_ｎの中央軸４４_ｎ，４４’_ｎは、セカント（secant）であり、コリメート角θ_ｎで、コリメータの中心軸４５に沿って位置する焦点Ｐ_ｎと呼ばれる同じ点で交差する。
・コリメート角（θ_ｎ，θ_ｎ’）が異なる２つのチャネル４２_ｎ，４２_ｎ’の中央軸４４_ｎ，４４_ｎ’は、コリメータの中心軸４５に沿って位置する２つの異なる焦点Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ’において中心軸と交差する。

各チャネル４２_ｎは、焦点Ｐ_ｎの周りで物体１０を通過した放射線１４_ｎを通過させることができ、この放射線１４_ｎは、チャネルのコリメート角θ_ｎの周りに延びる角度範囲Δθ_ｎで伝播する。コリメート角度θ_ｎとは別に、この角度範囲Δθ_ｎは、チャネルの直径またはその対角線、およびその第１の端部４６_ｎと第２の端部４７_ｎとの間のチャネル４２_ｎの長さに依存する。この長さが長いほど、コリメート角θ_ｎの周りの角度範囲Δθ_ｎは狭くなる。チャネルのアパーチャが小さいほど、コリメート角θ_ｎの周りの角度範囲Δθ_ｎは狭くなる。チャネル４２_ｎのアパーチャは、それを囲む２つの近位壁と遠位壁との間の距離を示す。

焦点が互いに離間しているという事実は、物体１０の様々な部分を同時に検査することを可能にする。具体的には、図１Ｂに示すように、焦点Ｐ_１，Ｐ_２，・・・，Ｐ_ｎ，・・・，Ｐ_Ｎのすべてまたは一部が物体１０に含まれるように、コリメータ４０は、物体１０と検出器２０との間に配置される。一般に、コリメータに最も近い焦点とコリメータから最も遠い焦点との間の距離は、目標とする用途に応じて１〜１００ｃｍであり、好ましくは２〜５０ｃｍである。これは、図１Ｂにおいて、点Ｐ_１と点Ｐ_４との間の距離に対応する。生物学的組織への適用の場合、この距離は、１ｃｍ〜１０ｃｍであり、好ましくは２ｃｍ〜１０ｃｍである。

図１Ｃは、チャネル４２_ｎに関連する角度範囲Δθ_ｎの定義を示す。そのアパーチャのために、このチャネルは、最小のコリメート角度θ_ｎ ^ｍｉｎおよび最大のコリメート角度θ_ｎ ^ｍａｘによって画定される角度範囲Δθ_ｎで、物体によって放射される（または物体を通過する）放射線を通過させることができる。これらの２つの限界角は、チャネル４２_ｎから物体１０を見たときの立体角（solid angle）Ω_ｎの限界４８_ｎ，４８’_ｎを表すことによって決定される。この立体角Ω_ｎと入射ビーム１２ｃとの交点によって、チャネルから見た物体の基本体積（elementary volume）Ｖ_ｎを定義することが可能になる。この基本体積は、コリメータの中心軸４５に沿った座標範囲Δｚ_ｎを占め、この範囲はチャネル４２_ｎに関連する空間的拡張（spatial extension）と呼ばれる。明瞭化のために、入射ビーム１２_ｃは図１Ｃには示されていない。このビームは、この例ではコリメータ４０の中心軸４５と同軸の伝播軸１２_ｚに沿って延びる。

図１Ｄは、物体１０と検出器２０との間に配置された、上の図を参照して説明したコリメータ４０を示す。３つのチャネル４２_１，４２_２，４２_４の中央軸４４_１，４４_２，４４_４が示され、それぞれ関連する焦点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_４が示されている。各チャネルに向けられる物体１０の基本体積Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_４も示されている。中心軸４５に沿った焦点の分布によって、検査された様々な基本体積はこの軸に沿って分布することができる。したがって、検出器２０の画素２０_ｉ，ｊは、それらの配置に対向したチャネルに応じて、これらの基本体積の１つまたは他のものを表す散乱放射線のスペクトルを取得する。チャネルは、好ましくは、基本体積ができるだけ重ならないように配置される。

コリメータの第１の端部および第２の端部は、この例では、コリメータ４０がその間を延びる平面Ｐ_４０．１およびＰ_４０．２にそれぞれ対応する。それらは、コリメータの高さと呼ばれる高さＨによって分離され、この高さＨは、一般に５〜１００ｃｍ、好ましくは５〜５０ｃｍの間に含まれる。それが高ければ高いほど、各チャネル４２_ｎに関連する角度範囲Δθ_ｎが狭くなり、それによって角度分解能は改善されるが、コリメータのコスト、体積（bulk）および重量が大きくなる。

物体１０とコリメータ４０との間の距離ｄ_１は調整することができ、ゼロであってもよく、このときコリメータは物体と接触する。それはまた、数ｃｍに達することがあり、通常は１０ｃｍ未満である。コリメータ４０を検出器２０から離す距離ｄ_２についても同様である。一般に、コリメータは、複数の焦点、好ましくはすべての焦点が物体１０に含まれるように配置される。このようにして、検出器２０は、焦点Ｐ_ｎの周りに伸びる、対象物の様々な基本体積Ｖ_ｎから来る通過放射線１４_ｎを検出することを可能にする。

検出器２０は、好ましくはコリメータ４０の中心軸４５に対して垂直である、２つの平面Ｐ_２０．１とＰ_２０．２との間に延在している。したがって、この例では、検出器は、コリメートされた入射ビーム１２_ｃの伝播軸１２_ｚに対して垂直に延在する。検出器２０の厚さεは、２つの平面Ｐ_２０．１とＰ_２０．２との間の距離に対応する。これは、一般に１〜１０ｍｍであり、この例では５ｍｍに達する。

検出器の各画素２０_ｉ，ｊは、コリメータの中心軸４５から、半径方向距離（radial distance）と呼ばれる距離Ｒに配置される。この実施形態のように、検出器２０がこの中心軸４５に垂直に延在するとき、中心軸４５から（つまりコリメートされたビーム１２ｃの軸１２ｚから）等距離にあるすべての画素２０_ｉ，ｊを含む画素群２０_Ｒを定義することが可能である。画素群２０_Ｒは、その半径方向距離Ｒが同一である画素２０_ｉ，ｊに対応する。コリメータの幾何学的形状のために、各画素群２０_Ｒは、その群の画素２０_ｉ，ｊから物体を見たときの立体角δΩ_ｉ，ｊと、コリメートされた入射ビーム１２ｃとの交点に対応する、物体の１つの体積要素（volume element）δＶ_Ｒと関連付けられている。この体積要素δＶ_Ｒは、検出器とこの体積要素との間の距離ｚと、散乱角θ_Ｒとに依存して定義される。

図１Ｅは、サイズが２．５ｍｍ×２．５ｍｍで、厚さε＝５ｍｍの平行六面体ピクセルを含み、画素が４０ピクセル×４０ピクセルの２次元マトリクス配列に配列された、例示的な検出器を示す。コリメータ４０の中心軸４５も示されている。したがって、有用な検出領域は１００ｍｍ×１００ｍｍである。各画素２０_ｉ，ｊは、この画素に面して配置されたチャネル４２_ｎを通過する散乱放射線のエネルギーを表す信号を収集することができる、電子回路２１に接続されている。この図はまた、画素２０_ｉ，ｊの半径方向距離Ｒを示している。検出器２０は、これらの画素が分散されているピッチよりも小さい空間分解能で、検出された放射線の影響点（point of impact）の場所を見つけるために、複数の隣接する画素によって発せられた信号を分析することからなる第１の処理操作を実行することができる、プロセッサ２２（上述）に接続されている。このような処理は、当業者にはサブピクセル化（sub-pixelation）または追加ピクセル化（sur-pixelation）として知られており、仮想画素２０^＊ _ｋ，ｌと呼ばれるものを形成することを意味する。各仮想画素の領域は、例えば１ｍｍ× １ｍｍ、または０．５ｍｍ×０．５ｍｍであってもよい。したがって、検出器２０の空間分解能が向上する。

図１Ｆは、放射線源１１によって放出される放射線１２の例示的なスペクトルを示す。このスペクトルは、エネルギー（横座標）の関数としての光子の数（縦座標）を表す。上記のように配置された減衰銅スクリーンに起因して、２０ｋｅＶ以下の有意な信号が存在しないことに留意されたい。ピークは、タングステンのＸ線蛍光ピークに対応する。この放出された放射線のスペクトル範囲は２０〜１００ｋｅＶの間に広がっていることが分かり、これはこのタイプの分析では一般的ではない。

図１Ｇおよび図１Ｈは、上述したコリメータ４０の断面を示し、切断面は、それぞれ、図１Ｄに示す平面Ｐ_４０．１および平面Ｐ_４０．２である。

コリメータ４０は、アパーチャを含むプレートの組立体（assembly）の形態をとり、各プレートは１ｍｍの厚さを有してもよい。各アパーチャのサイズは、平面Ｐ_４０．２に近づくにつれて大きくなる。したがって、プレートの組立体はコリメータを形成し、その各チャネルは、互いに接着結合されたプレートのアパーチャによって形成される。これらの図の各々において、白い破線で、各側壁４１_１，４１_２，４１_３，４１_４が示されている。この構成では、各側壁は、軸４５の周りの正方形の母線リング（square generatrice ring）を描く。

図２Ａは、コリメータの各チャネル４２_ｎが環状である別の実施形態を示す。したがって、中心軸４５に対して垂直に延びる平面Ｐ_４０において、各チャネルは、リングを描く断面を有する。リングは、多角形または円形の母線であってもよい。各チャネル４２_ｎの各中央軸４４_ｎは、チャネルを囲む側壁４１_ｎ−１および側壁４１_ｎから等しい距離に位置する円錐面上にあり、その中心軸４５に含まれる頂点は焦点Ｐ_ｎに対応する。前述の実施形態と同様に、各チャネル４２_ｎには、中央軸４４_ｎとコリメータ４０の中心軸４５との交点に対応する焦点Ｐ_ｎが対応する。

図２Ｂおよび図２Ｃは、コリメータ４０の断面図を示し、それぞれの切断面は、それらの間でコリメータ４０が延びる平面Ｐ_４０．１および平面Ｐ_４０．２である。これにより、各チャネルの環状断面を観察することができる。

図２Ｄは、図２Ａに示された装置の斜視図である。物体１０、コリメータ４０、検出器２０、およびコリメートされたビーム１２ｃによる放射線の影響下で物体１０によって散乱された光線１４が見られる。図２Ｅは、図２Ｄの断面図であり、切断面は、コリメータ４０の中心軸４５を通り、この中心軸に平行である。この例では、物体は、脂肪組織に対応するマトリクス１０．２に含まれる繊維腺組織１０．１からなる。最後に、物体は、黒い斑点で表される癌腫１０．３を含む。

図３は、１０個の環状チャネルを含む、図２Ａ〜図２Ｅに示すものと同様のコリメータの特性を示す。このコリメータはＤｅｎａｌ製で、９０％以上のタングステンからなり、ニッケル、鉄及びコバルトが残りを構成している。それは、物体に隣接する第１の平面Ｐ_４０．１と、検出器に隣接する第２の平面Ｐ_４０．２との間に、１００ｍｍの高さにわたって延在している。第１の平面Ｐ_４０．１および第２の平面Ｐ_４０．２は、それぞれ物体および検出器に接触するように配置される（ｄ_１＝ｄ_２＝０）。第１の平面Ｐ_４０．１の高さでは、チャネル４２_１，４２_２，４２_３，４２_４，４２_５，４２_６，４２_７，４２_８，４２_９，４２_１０の中央軸は、中心軸４５から、それぞれ、１．６ｍｍ，４．３ｍｍ，６ｍｍ，７．５ｍｍ，８．９ｍｍ，１０．４ｍｍ，１１．９ｍｍ，１３．４ｍｍ，１４．８ｍｍ，１６．２ｍｍ離れている。各チャネルのアパーチャは、０．５ｍｍに等しい。第２の平面Ｐ_４０．２の高さでは、コリメータは、中心軸の周りに円筒を形成する、直径５ｍｍの中実の中央壁（またはベース壁）を含む。これはまた、側壁４１_１，４１_２，４１_３，４１_４，４１_５，４１_６，４１_７，４１_８，４１_９，４１_１０を含み、これらの側壁は、中心軸４５からの距離が、それぞれ、１６．５ｍｍ，２３ｍｍ，２８ｍｍ，３２ｍｍ，３５．５ｍｍ，３９ｍｍ，４２ｍｍ，４５ｍｍ，４７．５ｍｍ，５０ｍｍに位置する。

計算により、各チャネル４２_ｎで向けられる（addressed）角度範囲を決定することが可能になっている。横座標は、ｚ軸に沿った検出器に対する距離ｚを表し、検出器は、ｚ＝０に位置する。散乱角度は、この次の図に示されているカラースケールに従って表示される。コリメータの中心軸４５に最も近いチャネル４２_１を除いて、各チャネル４２_ｎは、中心軸から最も遠いチャネルについては約１°以上、最も近いチャネルについては数度まで延びる角度範囲Δθ_ｎを規定する（address）ことが分かるだろう。例えば、チャネル４２_２に関連する角度範囲は、６°〜１０°に含まれる。横座標は、コリメータの中心軸４５に沿った各チャネル４２_ｎに向けられる空間的拡張Δｚ_ｎを測定することを可能にし、そのような空間的拡張は図１Ｃを参照して定義される。チャネル４２_２に対応する空間拡張Δｚ_２が示されている。コリメータに最も近いチャネル４２_１は、このチャネルに向けられる小さな角度のために、大きな空間的拡張を有し、この角度は、十分の数度〜４度に含まれる。

この図によって、中心軸４５からの半径方向距離Ｒに位置する各ピクセルについて、検出器に対して向けられた散乱角θ_Ｒおよび検出器に対する距離ｚを決定することがさらに可能となり、それによって画素から見える物体１０の体積要素δＶ_Ｒを決定することが可能となる。縦座標は半径方向距離Ｒを表し、半径方向距離Ｒは、数ｍｍ（中心軸４５に最も近い画素）と、検出器の半幅に対応する５０ｍｍとの間で変化する。例えば、コリメータの軸４５から半径方向距離Ｒ＝２０ｍｍに位置する各画素は、コリメートされたビーム１２_ｃの伝播軸１２_ｚに沿って、検出器から１２６ｍｍと１３０ｍｍとの間に含まれる距離範囲δｚ_Ｒ＝２０に配置された物体１０の体積要素δＶ_Ｒを通過する散乱放射線を検出し、ここで、この放射は、８°と９°との間に含まれる散乱角θ_Ｒで放射される。

図４は、前の例で説明したものと同様のコリメータを使用して作成されたが、その高さは２４０ｍｍに達する、類似のモデルを示す。第１の端部４６_ｎおよび第２の端部４７_ｎにおける各チャネルの寸法は、前の例で説明した寸法と同様である。このコリメータは、２４０ｍｍの高さに亘って延び、物体および検出器と接触して配置される。コリメータの中心軸４５に最も近い第１のチャネル４２_１を除く各チャネル４２_ｎについて、コリメータの中心軸４５まわりの角度範囲Δθ_ｎおよび空間的拡張Δｚが減少することが観察される。このようなコリメータにより、検査対象の物体をより細かくメッシュ分割する（mesh）ことができ、各チャネル４２_ｎに関連する基本体積Ｖ_ｎをより良好に分離することができることが理解されよう。図３と同様に、この図によって、コリメータの軸４５から半径方向距離Ｒに位置する各画素から見た物体の体積要素δＶ_Ｒを規定する、検出器に関して向けられた散乱角θ_Ｒおよび検出器に対する距離ｚが、把握される。

図３および図４は、コリメータの軸４５に対する半径方向距離Ｒに従って、検出器の様々な画素が、３０〜４０ｍｍの全深さにわたって物体を観察することを可能にすることを示している。ここで、この深さは、コリメータの軸４５に最も近い第１のチャネル４２_１を考慮せずに決定される。コリメート角θ_１が小さいので、コリメータは、より大きな深さに対応する。これは、そのようなコリメータの利点を示し、物体と検出器との相対的な動きなしに、物体をかなりの深さにわたって特徴付けることを可能にする。

次に、上記のような装置１及びコリメータを用いて物体１０を分析する方法について説明する。

図１Ａの場合と同様に、コリメータ４０は、その中心軸４５がコリメートされた入射ビーム１２ｃが伝播する軸１２ｚと一致するように配置される。検出器２０は、中心軸４５に対して垂直に延びている。レイリー弾性散乱の影響下で、入射放射線１２_ｃのいくつかは、以下の式のように、軸１２_ｚに対して鋭角θで散乱される。

ここで、
・ｄは、物体を構成する材料の原子または分子の配列の距離特性である。解析された材料が結晶である場合、ｄは面間隔（interplanar spacing）に対応する。
・Ｅは、散乱放射線のエネルギーであり、ｋｅＶで表される。
・θは、散乱されていない放射線の経路に対する散乱角である。
・ｈ及びｃは、それぞれプランク定数と光速である。

以下の式のように、文字χで表され、ｎｍ^−１で表される、運動量伝達と呼ばれる量を表現することは、一般的である。

各画素２０_ｉ，ｊ、そしてさらには（a fortiori）各仮想画素２０^＊ _ｋ，ｌに対応するのは、散乱放射線１４が画素に到達する最も可能性の高い角度に対応する散乱角θである。この追加ピクセル化の利点は、小さなサイズの画素が得られ、それにより、それらに到達し易い散乱放射線の角度範囲を減少させることである。具体的には、画素のサイズを減少させることによって、画素から物体を見た状態における各立体角δΩ_ｉｊのサイズが減少する。したがって、サブピクセル化は、小さなサイズの仮想画素２０^＊ _ｋ，ｌを得ることができるので、有利である。

検出器２０がコリメータ４０の中心軸４５に垂直に延びているので、所与の散乱角に関連する画素２０_ｉ，ｊまたは仮想画素２０^＊ _ｋ，ｌの位置は環状の配置を有する。これらの画素は画素群２０Ｒを形成し、この群の各画素は物体１０の所与の体積要素δＶ_Ｒに向けられる。所与の画素群の画素は、コリメータの中心軸４５からの同じ半径方向距離Ｒに配置される。画素と体積要素との関連付けは、この画素によって受け取られる散乱放射線が主にこの体積要素δＶ_Ｒから来るという事実を示す。

次に、材料を分析する方法は、図５を参照して説明する以下のステップを含む。
ａ）物体１０が放射線源１１によって好ましくはプリコリメータ３０を通って照射され、コリメートされた入射ビーム１２_ｃによって物体が照射され、ビームが伝播軸１２_ｚに沿って伝播するステップ。これは、図５のステップ１００に対応する。
ｂ）検出器の各画素２０_ｉ，ｊ、または好ましくは各仮想画素２０^＊ _ｋ，ｌが、物体１０によって散乱された放射線１４のエネルギースペクトルＳ^Ｅ _ｉ，ｊ（またはＳ^Ｅ _ｋ，ｌ）を取得するステップであって、各画素（または各仮想画素）は、物体内の体積要素δＶ_Ｒに関連付けられている。好ましくは、各体積要素には２つ以上の画素が向けられている。これは、図５のステップ１２０に対応する。
ｃ）複数の画素群２０_Ｒが定義され、各画素群が、物体１０内の所与の体積要素δＶ_Ｒから来る散乱放射線を受ける画素を含み、この体積要素は伝播軸１２_ｚ上に配置され、２つの異なる画素群２０_Ｒ、２０_Ｒ’は、検出器からの２つの異なる距離ｚ，ｚ’にそれぞれ位置する２つの異なる体積要素δＶ_Ｒ，δＶ_Ｒ’によって散乱された放射線を受けるステップ。この例では、各画素群は、コリメータの中心軸（４５）から同じ半径方向距離Ｒに位置する画素に対応する。
ｄ）各群に位置する画素（２０_ｉ，ｊ、２０^＊ _ｋ，ｌ）に対応する各スペクトルＳ^Ｅ _ｉ，ｊ（またはＳ^Ｅ _ｋ，ｌ）を組み合わせて、結合エネルギースペクトルと呼ばれる、その群を示すエネルギースペクトルＳ^Ｅ _Ｒを形成するステップであって、各結合エネルギースペクトルは物体内の１つの体積要素δＶ_Ｒに対応する。これは、図５のステップ１４０に対応する。この結合は、所与のグループの画素のすべてのスペクトルの単純な加算であってもよい。
ｅ）この物体の複数の体積要素（δＶ_Ｒ、δＶ_Ｒ’）を構成する材料の性質が、様々な結合スペクトルを用いて決定されるステップ。これは、図５のステップ１６０に対応する。

各体積要素δＶ_Ｒに関して、検出器に対する距離ｚが関連付けられてもよい。各体積要素δＶ_Ｒは、コリメートされた入射ビーム１２ｃの伝播軸１２ｚ上に位置する。各体積要素δＶ_Ｒには、散乱放射線が体積要素δＶ_Ｒと画素群の各画素との間を伝播する角度に対応する散乱角θ_Ｒが対応する。

この方法は、検出器からの様々な距離ｚに位置する体積要素δＶ_Ｒを構成する材料の性質を推定することを可能にする。

ステップ１６０は、以下のように実行されてもよい。このステップは、材料ｉが検出器から距離ｚに位置する場合に、コリメータの中心軸からの半径方向距離Ｒに位置する各画素によって得られるスペクトルを含む、Ｒｅｐと示される応答行列が設定されていることを想定する。この行列の各項Ｒｅｐ（Ｅ，Ｒ，ｚ，ｉ）は、材料ｉが検出器から距離ｚに位置する場合の、コリメータの中心軸から半径方向距離Ｒに位置する画素によってエネルギーＥで検出された光子の数を表す。

この応答行列は、Ｎ_Ｅ×Ｎ_Ｒ行およびＮ_Ｚ×Ｎ_ｉ列を含む。ここで、Ｎ_Ｅ、Ｎ_Ｒ、Ｎ_ｚ及びＮ_ｉは、それぞれ、各スペクトルのエネルギーチャネルの数、半径方向距離Ｒの数、距離ｚの数及び対象となる材料ｉの数である。

コリメータの中心軸に対するＮ_Ｒ個の半径方向距離Ｒについて得られた様々な結合スペクトルＳ^Ｅ _Ｒを連結して、Ｎ_Ｅ×Ｎ_Ｒサイズの全体スペクトル（overall spectrum）と呼ばれるベクトルＳを形成してもよい。ベクトルＳの各項Ｓ（Ｅ，Ｒ）は、コリメータの中心軸からの半径方向距離Ｒに位置する画素によってエネルギーＥで検出された光子の数を表す。

この方法は、検出器からの距離ｚにおける材料ｉの割合ｆ（ｚ，ｉ）を決定すること、つまり、各項が割合ｆ（ｚ，ｉ）である、（Ｎ_ｚ×Ｎ_ｉ，１）サイズの割合のベクトルｆを求めることを目的としている。

したがって、Ｓ＝Ｒｅｐ＊ｆ（３）である。
ここで、＊は行列乗算を表し、ベクトルＳの各項Ｓ（Ｅ，Ｒ）は、以下で示される。

行列Ｒｅｐは、以下のように実行される較正ステップにおいて決定される。
・実験的測定（experimental measurements）を使用して、物体を既知の標準物質によって置き換える、
・又は、シミュレーションによって、材料を通る光子の経路をシミュレーションする計算コードを用いる、
・又は、実験的測定およびシミュレーションを組み合わせる。

このような較正ステップは、従来の手順である。

ベクトルＳ、ｆ、および行列Ｒｅｐは、以下のように成分ごとに書き出される。

ここで、Ｅｍｉｎ、Ｒｍｉｎ、ｚｍｉｎ及びｉｍｉｎは、それぞれ、Ｅ、Ｒ、ｚ及びｉの最小指数を示し、Ｅｍａｘ、Ｒｍａｘ、ｚｍａｘ及びｉｍａｘは、それぞれＥ、Ｒ、ｚ及びｉの最大指数を示す。

応答行列Ｒｅｐを決定し、測定値から全体スペクトルＳを得た後、再構成アルゴリズムを使用して組成物（compositions）ｆのベクトルの推定値

を得ることが可能である。一般的に使用される反復再構成アルゴリズムの中で、ＭＬＥＭアルゴリズム（最尤期待値最大化（maximum likelihood expectation maximization）を表すＭＬＥＭ）が使用され得る。このようなアルゴリズムによれば、ベクトル

の各項の値は、以下の式を用いて得られ得る。

ここで、指数ｑは、各反復のランクを示す。

一実施形態によれば、この方法は、各スペクトルＳ^Ｅ _ｉ，ｊが、式（２）を使用して、運動量伝達の分布を表すスペクトルＳ^Ｘ _ｉ，ｊに変換され、角度θが画素２０_ｉ，ｊに関連する角度θに対応する（または、適切な場合には仮想画素２０^＊ _ｋ，ｌ）、変数を変更するステップを含む。このようなスペクトルは、エネルギースペクトルではなく、実際には、検出された放射線のエネルギー分布を表すスペクトルのままである。

本発明は、診断を行うために必要なデータを提供するために使用される可能性がある。例えば、Ｘ線撮影、Ｘ線断層撮影、超音波検査またはＭＲＩのような画像化方法によって予め検出された疑わしい領域で実施される可能性がある。これにより、疑わしいと考えられる組織の生体内での（in vivo）特徴付けが可能になり、生検などの、より侵襲的でより外傷性の大きな技法を使用する必要性を避けることが可能となる。知るべき場所が考慮されるという事実は、疑わしい領域に集中し、患者が浴びる積算放射線量を制限することを可能にする。具体的には、得られると考えられるこのような知識を用いて、コリメートされたビームの軸１２_ｚが予め決定された疑わしい領域を通過するように装置を使用することができる。

本発明は、荷物の検査、不正な物質の検出、構造の完全性の検査など、他の非破壊材料検査アプリケーションでも実施されることが可能である。

Claims (14)

1. 物体を分析するための装置であって、
   前記物体を保持することが可能なホルダに向かって伝播する電離電磁放射線を生成するように構成された放射線源と、
   前記放射線源と前記ホルダとの間に配置され、前記ホルダに向かって伝播軸に沿って伝播するコリメートされたビームを形成するように構成されたアパーチャを有する第１のコリメータと、
   電離電磁放射線を検出してエネルギースペクトルを形成することが可能な画素を有する検出器と、
   前記ホルダと前記検出器との間に配置され、前記ホルダによって保持された前記物体によって放射された放射線を、前記物体によって放射された前記放射線の散乱角に応じて、前記検出器に向けて選択的に方向付けるように構成された第２のコリメータと、
   を有し、
   前記第２のコリメータは、第１の端部と第２の端部との間で、中心軸の周りに延在し、複数のチャネルを含み、各チャネルは、側壁によって境界を定められ、前記中心軸は、第１のコリメータによって規定される前記伝播軸と同軸であり、前記第２のコリメータは、
   ・各チャネルは中央軸を有し、前記中央軸は、前記チャネルの中心において、前記チャネルの境界を定める前記側壁の間に延び、
   ・各チャネルの前記中央軸は、前記第２のコリメータの前記中心軸と、前記チャネルのコリメート角と呼ばれる鋭角をなし、
   ・各チャネルは、前記チャネルの中央軸と前記第２のコリメータの中心軸との交差によって形成される、焦点と呼ばれる点に関連付けられ、
   ・前記第２のコリメータは、前記コリメート角が異なる少なくとも２つのチャネルを含み、これらのチャネルにそれぞれ関連する焦点は、互いに異なり、前記第２のコリメータの前記中心軸に沿って互いに離間している、
   ように構成され、
   各チャネルは、前記ホルダに配置された前記物体の、前記第２のコリメータによって定義された焦点の周りに延在する基本体積によって放射された放射線を、所定の角度範囲で、前記検出器に向けて通過させ、
   前記第２のコリメータは、前記物体の内部における複数の焦点を規定する、
   装置。
2. 前記第２のコリメータは、同じコリメート角を有する複数のチャネルを備え、前記チャネルは、前記第２のコリメータの前記中心軸の周りに延び、前記チャネルの前記焦点は一致している、
   請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも１つのチャネルが、前記中心軸に垂直な平面内に断面を有し、前記断面が前記第２のコリメータの前記中心軸の周りのリングの全てまたは一部を形成する、
   請求項１又は２に記載の装置。
4. 少なくとも１つのリングは、円形または多角形である、
   請求項３に記載の装置。
5. 少なくとも２つの焦点は、前記第２のコリメータの前記中心軸に沿って２ｃｍよりも大きい距離だけ離間されている、
   請求項１，２，３又は４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第２のコリメータのチャネルの境界を定める各側壁は、原子番号が２６よりも大きい材料から製造される、
   請求項１，２，３，４又は５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第２のコリメータの各チャネルは、近位壁と称される側壁と、遠位壁と称される側壁とによって境界を定められ、前記近位壁は、前記遠位壁よりも中心軸に近く、これらの壁のそれぞれは、
   ・前記中心軸上に位置する頂点と、
   ・前記第２の端部において、リングの全部または一部を描く母線と、
   によって定義される円錐台領域を形成するように、前記チャネルの前記第１の端部と前記第２の端部との間に延在する
   請求項１，２，３，４，５又は６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記第２のコリメータは、前記中心軸の周りに延在し、５ｍｍよりも大きい厚さの、円柱又は円錐台を描く、ベース壁を含む、
   請求項１，２，３，４，５，６又は７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記検出器は、前記第２のコリメータの前記中心軸に垂直な平面内に延在する、
   請求項１，２，３，４，５，６，７，又は８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記検出器は、前記検出器の各画素を仮想画素に細分することができるマイクロプロセッサに接続され、複数の画素又は仮想画素が所与のチャネルの延長に配置される、
    請求項１，２，３，４，５，６，７，８，又は９のいずれか一項に記載の装置。
11. 請求項１に記載の装置を使用して物体を特徴付ける方法であって、
    ａ）前記物体を前記装置の前記ホルダ上に置き、伝播軸に沿って前記物体に向かって伝播するコリメートされた入射ビームを形成するように、前記放射線源を用いて前記物体を照射し、前記物体は、前記第２のコリメータによって定義される複数の焦点が前記物体に配置されるように配置される、ステップと、
    ｂ）前記検出器の各画素を使用して、前記コリメートされた入射ビームによる放射線に続いて前記物体によって散乱された放射線を検出し、前記検出された放射線のエネルギー分布を表すスペクトルを形成する、ステップと、
    ｃ）前記物体の所与の体積要素によって散乱された放射線をそれぞれ受け取る複数の画素群を定義し、前記体積要素は、前記伝播軸上に配置され、２つの異なる画素群は、２つの異なる体積要素によって散乱された放射線を受け取る、ステップと、
    ｄ）前のステップで定義された各画素群について、各画素によって取得されたスペクトルを結合して、前記画素群に関連付けられた合成スペクトルと称されるスペクトルを確立するステップと、
    ｅ）種々の画素群にそれぞれ関連する前記合成スペクトルを使用して、前記物体の複数の体積要素を構成する材料の性質を決定するステップと、
    を含む方法。
12. ・前記第２のコリメータの前記中心軸は、前記コリメートされたビームの前記伝播軸と一致し、
    ・前記検出器は、前記第２のコリメータの前記中心軸に対して垂直に延在し、各画素群は、前記第２のコリメータの前記中心軸からの半径方向距離と呼ばれる同じ距離に位置する画素を含む、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記コリメートされた入射ビームの方向は、前記物体の事前の検査によって得られるとされる知識に基づいて定義される、
    請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記事前の検査が、Ｘ線撮影、またはＸ線断層撮影、または超音波検査、または磁気共鳴映像法によって実行される、
    請求項１３に記載の方法。

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