JP2014510906A

JP2014510906A - 放射線撮像装置

Info

Publication number: JP2014510906A
Application number: JP2013553017A
Authority: JP
Inventors: ポールメラーマシュー
Original assignee: Create Technologies Ltd
Current assignee: Create Technologies Ltd
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2014-05-01
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: US20140029731A1; WO2012107720A2; US9190182B2; EP2673659B1; WO2012107720A3; JP5946848B2; EP2673659A2; GB201102175D0

Abstract

放射線検出器と、検出器に届く放射線を変調し、伝達関数によって定義されるフィールドモジュレータと、少なくともフィールドモジュレータの、姿勢を変更するためのスキャナシステムと、フィールドモジュレータの複数の角度方向の各々についての放射線測定値を、放射線検出器から受け取り、受け取った測定値を処理して画像領域の各位置から発生する放射線量を表す画像を導き出すように構成される画像再構成部とを備える放射線撮像装置であり、フィールドモジュレータの伝達関数は、低伝達領域であり、該低伝達領域で定義される角度方向から検出器への放射線入射を減衰させる低伝達領域と、高伝達領域であり、該高伝達領域で定義される角度方向から検出器に入射される放射線を検出器に伝達する高伝達領域とを含み、これらの領域は、高伝達領域の各入射角において、第１角度よりも小さい角度だけ前記高伝達領域の各入射角から離れている、低伝達領域の入射角が少なくとも１つ存在し、前記第１角度は１０°であり、高伝達領域の各入射角において、高伝達領域の他の入射角の大部分は、第２角度よりも大きな角度だけ前記高伝達領域の一の入射角から離れ、前記第２角度は２０°であるように、配置される、放射線撮像装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線場を撮像するための装置に関する。

放射線を「見る」ことができることが望ましい状況は多数ある。例えば、放射性廃棄物管理施設にてとりわけ放射能を帯びた物質を探し当てるために又は、施設が処理する核燃料の中身にアクセスするために必要となることがある。いくつかの種類の放射線は、人の目には見えず、従来の撮像システムには映らない。この問題に対処するためには、放射線を撮像するための専用の装置を開発する必要がある。これらのデバイスは、一般的に、放射線の方向選択性を提供するための、通常コリメータと称される、高密度の金属の相当な厚みをもつ配置に依存する。画像を生成するために、視野の全域でコリメータを「スキャン」する。コリメータの高密度の金属の厚みの結果として、これらの装置は嵩張り重くなる傾向があり、これらはいずれもその用途を制限する望ましくない特徴である。

スキャニング・フィールドモジュレータの原理を用いて構成された、従来の放射線撮像装置には、コリメータとしても知られる、管状のフィールドモジュレータを用いてきた。コリメータは、一般的に、高密度の金属製の長いチューブを備え、該チューブの一端には検出器が設置され、もう一端は開いているか又は低密度の材料の薄層で覆われている。信号対雑音比改善を目的として、放射線検出器の周りに、付加的な高密度の金属製の「バルブ」を追加することでコリメータはしばしば改善される。そしてスキャニング機構は、対象領域の各位置がスキャン中のいずれかの時点でチューブの端部で見えるように、このチューブの規定された対象領域の至る所を見渡す。こうすることで、方位の関数としての放射線量のマップを構成することができ、これは写真画像と同等の放射線を示すと考えてよい。従来の装置の欠点は、コリメータの大きなサイズ及び質量であり、これらの欠点はこの種の装置の用途分野を制限する。

アンチ・コリメーション(anti-collimation)として知られる代替的アプローチは、コリメータを、元のコリメータのチューブの中心を完全に満たす材料のロッドと置き換えることで、プロセスを効果的に逆転させる。これらの装置は、ロッドが特定の方向を指し示しているときに観測される放射線の低下を計測することによって機能する。アンチ・コリメーションには、同等のコリメータよりもロッドが一般的に軽く、小さいという利点がある。しかし、他の放射経路のいずれかの閉塞回避を図る必要があり、このことはスキャニング機構の設計を複雑化させるため、製造することが非常に困難な場合がある。さらに、この測定プロセスの性質は、この種のシステムのダイナミックレンジに大きな制限を加える。すなわち、このシステムは、「バックグラウンドの」計測から観測された計測を推測することに依存し、これは統計的に質が悪いプロセスである。この意味で、バックグラウンド測定値は、全測定の総和であるから、大半のコリメータ位置にて測定しようとしている信号がバックグラウンドよりもはるかに小さい場合が存在するはずである。しかし、全ての放射線測定は、「ポアソン雑音」と時折称される統計的プロセスによって特徴づけられる。この雑音は、その大きさが信号の大きさの平方根に比例するという特性を有する。バックグラウンドが１００万cPs(cPs:１秒当たりのカウント数)であり、特定の方向を指し示す管状のコリメータによる測定が１０cPsで行われる状況を考慮すると、実際のカウント速度は１cPsから２０cPsの範囲のどこかに該当する可能性が非常に高く、つまりプラスマイナス１０カウントの不確実性があることになる。しかし、もし同じ方向を指すアンチ・コリメータが、１秒当たり１００万から１０少ないカウントを測定すると、その方向からのカウント速度の不確実性はプラスマイナス１０００カウントとなる。つまり１万倍の放射線を測定可能なアンチコリメートシステムであっても、測定値の推定は同等の従来のコリメータよりも１００倍悪い。このことはアンチ・コリメーションタイプのシステムによって達成されるダイナミックレンジに本質的制限を加える。

特許文献１は、三角法に基づき、局所的な放射線源を探し当てるのに検出器とともに用いるスロットのコリメータの構造を開示している。しかし、これは複雑な複数の線源がある環境に対応することができるものではなく、撮像装置でもない。

従来のシステムのさらなる欠点は、全ての姿勢にわたって余すところなくコリメータを移動させなければ画像を完成させられないことにあり、これには時間を要する。多くの場合、コリメータの向きの大多数は注意を引くようなものではない。

特開昭５４−１５１８８４号公報

本発明は、従来のシステムの欠陥に対処するものである。

本発明の一態様によると、
放射線検出器と、
検出器に届く放射線を変調し、伝達関数（a transmission function）によって定義されるフィールドモジュレータと、
少なくともフィールドモジュレータの、姿勢を変更するためのスキャナシステムと、
フィールドモジュレータの複数の角度方向の各々についての放射線測定値を、放射線検出器から受け取り、受け取った前記測定値を処理して画像領域の各位置から発生する放射線量を表す画像を導き出すように構成される画像再構成部と、を備える放射線撮像装置であり、
フィールドモジュレータの伝達関数は、
低伝達領域であり、該低伝達領域で定義される角度方向から検出器への放射線入射を減衰させる低伝達領域と、
高伝達領域であり、該高伝達領域で定義される角度方向から検出器に入射される放射線を検出器に伝達する高伝達領域とを含み、
これらの領域は、
高伝達領域の各入射角において、第１角度よりも小さい角度だけ、高伝達領域の各入射角から離れている、低伝達領域の入射角が少なくとも１つ存在し、前記第１角度は１０°であり、
高伝達領域の各入射角において、高伝達領域の他の入射角の大部分は、第２角度よりも大きな角度だけ、高伝達領域の一の入射角から離れ、前記第２角度は２０°であるように、配置される、
放射線撮像装置が提供される。

本発明の別の態様は、上述のとおり定義される放射線撮像装置を用いて領域をスキャンする方法であって、
フィールドモジュレータの複数の姿勢で、放射線入射を検出するステップを含み、
領域内の各要素に対して、その要素が、放射線検出器に対して、フィールドモジュレータの高伝達領域を通過する方向に存在する、少なくとも一つの姿勢が存在し、
互いに区別される、領域内の第１要素及び第２要素の組のいずれにも、
第１要素が、放射線検出器に対して、フィールドモジュレータの高伝達領域を通過する方向に存在し、同時に、第２要素が、放射線検出器に対して、フィールドモジュレータの低伝達領域を通過する方向に存在する、少なくとも一つの姿勢が存在し、
第１要素が、放射線検出器に対して、フィールドモジュレータの低伝達領域を通過する方向に存在し、同時に、第２要素が、放射線検出器に対して、フィールドモジュレータの高伝達領域を通過する方向に存在する、少なくとも一つの姿勢が存在する、
スキャニング方法を提供する。

本発明の実施形態は、所定の分解能のために、従来のコリメータよりも著しく幅広の開口部を有するフィールドモジュレータを用いることで、従来の撮像システムの欠陥に対処し、これにより効率を上げ、物理的サイズを減少させ、それでいて「アンチ・コリメータ」よりもはるかに効率的な統計的特性を有し、そのため、非常に良いダイナミックレンジをもつ放射線源撮像装置を組み立てるのに用いることができる。

より詳細には、従来のコリメータの角度分解能は、その開口部の大きさによって定義される。従って、良い分解能を達成するためには、開口部を比較的小さくする。これは、所望の方向から検出器に届く放射線量が少ないことを意味し、そのため信号対雑音比が潜在的に低い。信号対雑音比を改善するために、放射線のサンプリングにかける時間を増やすことができるが、これではスキャンが遅くなるため、望ましくない。あるいは、コリメータ内の金属量を増加（し、ノイズを構成する望ましくない放射線をより多く遮断）することもできるが、これではコリメータの費用、サイズ、及び重量が増加し、コリメータを支持し、移動させるのに必要なスキャニング機構の仕様が高まる。繰り返しになるが、これらは、全て望ましくない。本発明は、フィールドモジュレータを適切に構成することで実現され、所定の分解能を維持しつつ開口部を拡大できるものである。開口部が大きいほど、信号対雑音比を改善し、スキャンを早めること、及び／又は高密度物質の量を減少させることができる。このことは、従来のシステムの重量がほぼ５０キログラムであったことに対し、本発明の実施形態は、同レベルの性能（スキャン時間、分解能）を発揮しつつ、重量をこの５分の１未満に減少させることができる点で飛躍的な進歩である。

本発明の実施形態は、画像領域に対して放射線画像を再構成することも可能にし、また全対象領域をより少ない労力でカバーする、フィールドモジュレータの姿勢（角度方向）のサブセットを適応的に選択することで、スキャン時間を減少させることができる。

本発明を具体化する放射線撮像装置の概略図である。本発明の実施形態において用いるフィールドモジュレータの一例を示す図である。図２のフィールドモジュレータとともに用いるスキャンニングパターンの図による説明である。図２のフィールドモジュレータの方向の角度座標の関数としての、高い放射強度の測定値の軌跡をプロットした図である。

添付の図面を参照しながら、例示のみを目的として、本発明の実施形態を以下に説明する。

図１は、放射線検出器１１０を囲うフィールドモジュレータ１００を備える放射線撮像装置の一実施形態を示しており、ここで放射線検出器１１０及びフィールドモジュレータ１００はいずれもスキャナシステム１２０に取り付けられている。スキャナシステム１２０は、ターンテーブル１２４を支持する基部１２２を備える。ターンテーブルは、垂直軸Ａ１周りを３６０°回転可能である。ターンテーブル１２４に固定されたアーム１２６は回動可能にフィールドモジュレータ１００を支持し、この実施例では、フィールドモジュレータは水平軸Ａ２周りを１８０°回転可能である。回転を起こすためのアクチュエータは、適切なギアやリンクとともに、基部１２２及びターンテーブル１２４に格納され、それぞれの軸周りの回転を駆動する。アクチュエータは、正確な回転制御を提供するためかつ角度位置を正確に感知するために、ステッピングモータまたは同種のものとすることができる。放射線検出器１１０へと又は放射線検出器１１０から電力及び信号を供給するために、適切な回転ジョイント及び連結部が設けられている。当然ながら、２つ又は３つの回転軸をもつジンバル等の、スキャナシステムマウントの代替的形態を用いることが可能である。本発明の好適な実施形態において、回転軸は互いに直角に交差する。

図１の装置は、既定のスキャンパターン（すなわち、一連の角度姿勢）を辿るように、フィールドモジュレータを駆動するために又は放射線検出器によるデータ出力の記録をとるために電子機器を含むことができる。あるいは、必要な制御を提供するために、前記装置を外部コンピュータ１３０に接続することができる。（後述する）放射線源、線源又は一般的線源の分布の画像再構成のためのデータ分析のために、内部画像再構成部及び／又は外部画像再構成部を設けることができる。画像再構成部は、例えば、専用の電子機器又は汎用のプログラム可能なコンピュータ１３０とすることができる。

本発明の放射線撮像装置に用いるフィールドモジュレータの要件、及び本発明の方法に用いる適切なスキャンパターンを、以下に記述する。その後、本発明の実施形態の詳細な具体例を記述する。

＜フィールドモジュレータ＞
フィールドモジュレータは、検出器に届く放射線を、吸収により変調させる物理的装置として規定されている。フィールドモジュレータによる吸収は一定ではなく、放射線が移動する方向に依存する。簡単なフィールドモジュレータの一例が図２に示されており、該フィールドモジュレータは、高密度の材料の球体１を備える。球体１は、放射線検出器を収容するための空洞２を中心にもち、また球体を通り抜けて空洞に届くスロット３をもつ。検出器に向かって、スロット面の方向で移動する放射線は吸収されず、一方で他の方向に移動する放射線の大部分は球体によって吸収される。

フィールドモジュレータは、伝達関数によって特徴付けられる。伝達関数T（v）は、方向vの関数としてフィールドモジュレータによって伝達される入射放射線の割合を表す。フィールドモジュレータは、検出器におけるフラックスがT（v）Φ（v）となるように、放射線フラックスΦ（v）を変調する。本発明の実施形態は、以下に規定する、伝達関数の特定の分類に属するフィールドモジュレータをもつ放射線撮像装置を備える。

伝達関数は、２つの概念的な領域、すなわち高伝達領域H及び低伝達領域Lに分離される。高伝達領域の伝達値は１であることが好ましいが、他の値とすることも可能である。低伝達領域は、可能な限り０に近い伝達値を有することが理想的である。全ての方向が低伝達領域又は高伝達領域のいずれかに属さなければならず、Hにおける任意の方向における全ての伝達値は、Lにおける任意の方向の伝達値よりも大きい。

閾値Cを選択することで、あらゆる伝達関数を高伝達領域及び低伝達領域に分配することができる。任意の所定のモジュレータの閾値Cは、Ｈの平均伝達値、及びＬの平均伝達値から等距離となるように選択される。

上式において、T_Hは高伝達領域H全体の平均伝達値Tであり、T_Lは低伝達領域L全体の平均伝達値Tである。

大半のフィールドモジュレータにおいてCは唯一の値であるが、いくつかのフィールドモジュレータは、上述の定義を満足させるCの値を複数有し得る。Cの値を複数有し、従ってH及びLの定義を複数有し得るものにおいて、任意の１つの値Cが以下に記載する規則に適合する場合には、Cが他の値をとるときに適合しないとしても、モジュレータは意図された所望の特性を有する。

本発明の理想的な実施形態は、以下の特性をもつフィールドモジュレータの群の１つを用いる。

＜第１特性分解能＞
Hの構成要素である任意の入射角v _Hに対して、入射角v _Hとv _Lとの間の角度分離（the angular separation）が基準分解能βの半分未満である、低伝達領域Lの構成要素v _Ｌが少なくとも１つ存在するように、高伝達領域Hは存在する。すなわち、

＜第２特性高い開口部＞
Hの構成要素である任意の入射角v _H1に対して、同様にHの構成要素である大部分の他の入射角v _H2は、基準分解能βよりも大きな角度だけ離れているように、高伝達領域Hは存在する。すなわち、
上式において、
である。

フィールドモジュレータの基準分解能βは、所定の値（例えば高伝達領域の平均幅）とすることができ、ここにおいて各位置における当該幅は、高伝達領域の一端の位置と他端の最も近い位置との間隔である。

上述した定義は、フィールドモジュレータの群を定義するための方策を与える。実際には、適切なフィールドモジュレータには、高伝達領域の各入射角において、第１角度よりも小さい角度だけ高伝達領域の各入射角から離れている低伝達領域の入射角が少なくとも１つあり、前記第１角度は１０°である。高伝達領域の各入射角において、高伝達領域の他の入射角の大部分は、第２角度よりも大きな角度だけ高伝達領域の一の入射角から離れており、前記第２角度は２０°である。好適な実施形態によると、第１角度は５°であり、より好適には３°あるいは１°である。好適な実施形態によると、第２角度は少なくとも４０°であり、より好適には少なくとも８０°である。これらの角度は、中心又は最高点にある検出器に対して定義されることが好ましく、またこれらの角度検出器で範囲を定められた角度である。

＜スキャニングパターン＞
スキャニングパターンを画定することで、撮像装置を製造するために、前述の種類のうち、いずれのフィールドモジュレータを使用することもできる。フィールドモジュレータと同様、スキャニングパターンは一連の数学的法則によって定義される。このシステムは、２Ｄ又は３Ｄの位置管理システムのいずれかを構成するのに用いることができる。いずれの場合においても、線源領域が定義されている。２Ｄシステムにおいて、当該領域は撮像装置の中心部からの許容角度の組によって定義される場合があり、スキャンは中心部周りのフィールドモジュレータの一連の回転を含む。３Ｄシステムにおいては、当該領域が体積の場合があり、スキャンは３Ｄ空間内での一連の並進及び回転を含む。

領域をIで表し、その中のある位置をiで表す。スキャンは、フィールドモジュレータの姿勢sの組Sを含み、各sはある原点に対するフィールドモジュレータの並進及び／又は回転を含む。組は、連続的であるか又は有限数の別個の姿勢を含む。そして、有効なスキャンパターンは以下の特性により定義される。

＜特性１：完全なサンプリング＞
v _isを、検出器中心部から姿勢sの領域要素iを指す単位法線ベクトルとする。完全なサンプリングの特性は、領域Iの全ての要素に、v _isが高伝達領域Hに含まれる何らかの姿勢sがある場合に発揮される。このことは、領域の各部分が少なくとも一度観察されることを保証する。その状況における全ての要素のセットとして領域Iを定義することが等価な表現である。

＜特性２：弁別可能性＞
bよりも大きな角度で分離した任意の２つの領域要素i₁及びi₂において、bは所望の線源領域分解能であり、v _i1s1がHの要素であり、v _i2sがLの要素である姿勢s₁と、v _i1s2がLの要素であり、v _i2s2がHの要素である第２の姿勢s₂が少なくとも存在しなければならない。この特性は、全ての他の領域の値が０のときに、２つの位置を互いに識別（分解）することを可能にする姿勢が少なくとも１組あることを保証するものであり、この特性は画像を形成する最低必要条件である。画像についての重要な前提をたてることができる場合には、この特性だけで画像を形成することができる。

＜特性３：可逆性＞
スキャニングシステムの欠点として、完全な画像を形成するまでに、非常に多くの順次読取を行われなければならないことがある。多くの場合、画像の大部分には注意を引くものがほとんど含まれていないため、このことは非常に不十分である。本発明のフィールドモジュレータの群の更なる利点は、有限数の線源が存在すると事前に知られている場合には、これらの線源の位置や大きさを、はるかに小さい測定値のサブセットから推測することを可能にするスキャンパターンを定義することができることにある。

上述のスロットをもつ球体のフィールドモジュレータを検討されたい。この装置を、スロットが鉛直方向に対して４５°（すなわち、図１における（４５，１））に配向されるように回転し、その後垂直軸（すなわち、紙面の上側から下側に及ぶ軸）を中心に回転すると、放射線検出器で、放射線検出器からみて水平面のプラスマイナス４５°以内の範囲にある任意の線源を回転中のどこかの時点で確認することができる。より高度の高い位置は回転の遅い時点で確認され、より高度の低い位置は回転の早い時点で確認される。最大の検出器応答を探すことで、線源が現れる回転を特定できる。この運動が、２２５°まで回転させたスロットにて繰り返されると、全く同じプロセスが起こる。しかし、今回は高度の高い位置ほど、回転中の早い時点で現れ、高度の低いポイントほど遅い時点で現れる。対称性により、２つの最大回転角度の平均角度は、線源の方位角でなければならない。線源の高度角は、２つの回転角度の差の半分である。

このようなスキームは、任意の分布をもつ任意の数の線源について考え出すことができる。N個の線源の任意の配列は、線源位置のN組で表されている。N組を正確に特定できるようにするためには、スキャンパターンに複数の特徴が必要である。N組の、どの線源の位置も、少なくとも１つの姿勢で放射線検出器に現れる必要がある。線源を見つけることができるようにするためには、可能性のある各N組を他の全てのN組と区別することができる必要がある。すなわち、スキャン中の全ての姿勢にて、組同士が互いと完全に同一にみえてはならない。

この条件の厳密な定義は以下の通りである。識別しなければならない個別の要素の最大数をNとする。最大撮像機能を発揮するにあたり、N_dは、b/2よりもI_dの要素から遠く離れたIの要素がないように、領域Iをカバーするのに必要な別個の領域要素I_dの数であり、すなわち、
である。

上式において、dは適切に選択された距離測定値であり、bは所望の分解能である。N_dは、Nが取り得る最大値である。しかし、特定用途の前提をたてることで、領域内の複数の別個の線源に上限を設けることが実現可能である。この場合には、より小さな値N＜N_dを用いることができる。

別個の領域の位置は、別個の領域の位置i_d, {i_dj,i_dk…i_dN}の_NdC_N のN組に分類することができ、ここにおいて、_nC_kは２項係数を示す。各N組、k及びスキャンの各姿勢sにおいて、該組の１つ以上の要素がH内にあれば、k番目の組が姿勢sにて「現れる」といえる。スキャンを完全に可逆的とするためには、全ての対の組に、組の一方が現れ、他方が現れない姿勢が少なくとも１つ必要である。

＜画像の再構成＞
以下の処理は、画像再構成部によって行われる。スキャンの結果は、放射線測定値の組Rであり、それぞれ姿勢の組Sに対応している。所望の出力は、領域I_d内のそれぞれの別個の領域の位置i_dnで発生する放射線量を示す画像である。個別の測定値r_mは、個別の領域の位置に直接関連しない。しかし、可逆性基準が満たされているのであれば、適切な画像再構成アルゴリズムを用いることで、画像を算出することが可能である。

再構成への中間段階として、画像領域の各位置i_dnにて発生する放射線量を各測定値r_mに関連付けるシステム行列Aが構成される。
r＝Aｉ

上式において、rは全ての測定値のベクトルであり、iは画像領域の各位置から放出される放射線量のベクトルであり、Aはシステム行列である。ここにおいて、N個の領域の位置及びM個の測定値があり、フィールドモジュレータの姿勢は回転行列P_mによって表わされ、画像領域におけるn番目の位置の、m番目の測定値への寄与はT(Pm^-1 v _n )に比例する。ここにおいて、Tはフィールドモジュレータ伝達関数であり、v _nは測定ポイントを始点とし、画像領域のn番目の位置を指す単位ベクトルである。行列Ａは従って、以下の式によって表される。

上式において、Kは放射線検出器の感度を表わす校正係数である。伝達関数T及び校正係数Kは、既知の大きさの平行平面の放射線場の存在下で、システムを各姿勢にて回転させることによる校正運動の中で同時に決定することができる。あるいは、フィールドモジュレータの設計のコンピュータシミュレーションを通じて値を決定することができる。

撮像プロセスは、行列方程式を解くための多くの定着した技法の１つを用いることで完了する。ＡＲＴ（Algebraic Reconstruction Technique:代数的再構成法）又はＳＩＲＴ（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique:同時反復再構成技法）等の周知の反復技法の１つを用いることが好ましく、ここにおいて負の値は禁じられている。

＜適応スキャニング＞
場合によっては、有限数の線源位置があることを事前に推測することができない。しかし、依然として線源の数に制限のない完全なスキャンが不十分な場合もある。この場合、撮像プロセスを加速させるために、以下の適応スキャニング方法を用いることが可能である。

存在する線源の数に関する当初の推定が適応され、上述の説明によるスキャニングパターンが定義され適用される。この段階で推定される線源の数は、適当な実際の数よりも著しく小さくあるべきであり、２を選択するとよい。画像は上述の方法によって作り出される。線源の数について、任意であり、恐らくは誤った前提が適用されたため、画像は実際のものとは異なる表示である可能性が高い。しかし、これは真の画像が何であるかについての有効な「予想」となる。この「予想」を、まだ観測されていない計測値を見積もるために、システム行列Ａで乗じることができる。予測計測値は、次にどの計測を行うかを決定するために用いられる。

次の計測値を選択するために取り得る1つの方法は以下の通りである。得られた任意の組の計測値において、非常に似た姿勢にてとられた計測値とは明らかに異なる計測値は最も参考になるものである。予測計測値において、既に観測された計測値と最も似ている姿勢に対応するものが正確である可能性が高い。

スキャンが別個の姿勢の組で構成されるのであれば、初期スキャンの姿勢に「隣接するもの」である姿勢の組は、初期スキャンにおいて姿勢を漸増で回転させることで得られる組と規定することができる。例えば、２つの直交する軸周りの順次的な回転によって各姿勢が達成されるスキャンを考慮されたい。各姿勢は、２つの回転角度θ及びφによって識別できる。任意の所定の姿勢[θ,φ]と隣接するものは従って、 [θ+δθ,φ], [θ-δθ,φ], [θ,φ+δφ] 及び[θ,φ-δφ]であり、δθ及びδφは、スキャンパターンを定義する角度の増分ステップである。観測された各姿勢について、各姿勢とそれにすぐ隣接する４つの姿勢との絶対差の合計を、予測された観測データから算出することができる。隣接するものとの予測された差が最大となる姿勢が、次に観測をすべき姿勢である。

一度次の観測がされると、画像は再度算出され、その後予測計測値を再度算出するのに用いられる。絶対差の合計は、その時点で未観測の隣接する各姿勢に対して、最後の計測値まで算出される。これらのうち、いずれかが既定の閾値よりも大きい場合には、隣接するものの中で絶対距離の合計が最も大きいものが次に観測を行う計測値であり、このプロセスは繰り返される。

隣接するものがいずれも閾値を上回らない場合には、その時点で未観測の測定値のうち隣接する絶対差の予測合計の最も高いものを探す。この観測の絶対差の合計が閾値よりも高い場合には、それが次に観測される計測値となる。そうでない場合には、スキャンを完了する。

閾値はいくつかの方法によって決定できる。撮像装置が繰り返しの作業に適用される場合には、実験を通じてよい値が手動で得られる。あるいは、絶対的な閾値としてではなく、測定値の大きさを参照して決定することができる。この場合には、閾値を、値の平方根と比例するように決定することが好ましい。このようにすることでノイズに対する均一の感度が備わるからである。例えば、評価される観測値に対して、絶対差の合計が観測値の平方根の１０倍を超えなければならないように閾値を設けることが、多くの場合によい選択となる。

＜放射線撮像装置及びスキャン方法の具体的な実施形態＞
上述の群のフィールドモジュレータは、放射線を吸収する物質を用いて製造することができる。例えば、球状の金属球１の中に含まれる球状の放射線検出器を考慮されたい。放射線検出器を露出させるために、球の片面にスロットが切り開かれ、球による放射線の減衰は入射角に依存する。スキャナは、フィールドモジュレータ及び検出器組立体を、それらを２つの軸の周りで回転させる機械的手段（例えばジンバル）に固定することで実施される。

このフィールドモジュレータに適切なスキャニングパターンは以下の通りである。任意の初期表示の姿勢（１，１）から始まり、放射線測定値が記録され、フィールドモジュレータは姿勢（１，２）を獲得するために、小さな増加量Ｒ１で、垂直軸周りに回転させられる。

測定値の記録及び小さなインクリメントによる回転のプロセスは、垂直軸周りに総回転（３６０°）し、フィールドモジュレータが元の姿勢に戻るまで繰り返される（Ｒｎ）。

その後、フィールドモジュレータは、姿勢（２，１）を獲得するために、スロットの中心線周りに、小さな増加量で回転させられる（Ｌ１）。測定値をとり、その後に漸増の回転Ｒｎをするプロセスはその後繰り返される。

最終的に、フィールドモジュレータを、スロットの中心線周りに漸増で回転させ、垂直軸周りの完全な回転を完了させる第２プロセスは、フィールドモジュレータが１８０°回転するまで繰り返される。

いずれの場合も増加量は、球体の中心から外側の開口部までとして計測し、スロットの角度幅よりも小さくなるように、選択するべきである。

このようなスキャンの出力は、それぞれがフィールドモジュレータの姿勢を表す２つの角度と関連づけられた一連の放射線測定値である。それぞれの角度における漸増の変化が一定であれば、放射線計測値をマップによって示すことができる。ここにおいて、垂直軸周りの回転の増加数はマップ上のｘ軸の位置と対応し、スロットの中心線周りの回転の増加数はマップ上のｙ軸の位置と対応する。各測定値はマップにおける「ピクセル値」となる。図４は、このようなマップを簡略化させた例であり、以下にて説明する。マップ上の黒い線は、高い放射線強度の測定値の軌跡である。このマップは画像ではないが、以下に記すように画像に関連させることができる。

検出器に対する線源の位置は、緯度及び経度と似た、高度角（又は仰角）及び方位角によって符号化することができる。高度０及び方位角１８０°の線源は、マップの中心を通る水平軸及び１８０°の垂直軸から成る十字形２０の高測定値の軌跡を作り出す。線源の高度にばらつきがあると、十字形は非対称に発展し、２つの分離した曲線２１に分かれる。上側の曲線が右に曲がる場合、線源は正の高度を有し、逆もまた同様である。線源の方位角が変更されると、垂直軸はそれに応じて変わる（図面における２２のように変わる）。高度が高ければ高いほど、曲線２３は際立つ（この曲線は負の高度及び９０°の方位角も示す）。このマップの分析により、放射線撮像装置に対する線源又は複数の線源の角度座標が決定される。当然、上述の画像再構成技法によって、１つ以上の局所的な線源又はより複雑な線源の分布を完全に撮像することができる。

＜さらなる実施形態＞
本発明の実施形態は上記の実施例に限定されない。

フィールドモジュレータは、高伝達領域を画定するために、単一のスロット形状の開口部を有することに制限されない。前記スロット又は各スロットは、直線状にする必要はなく、曲線状に又は角を有するように（例えばＬ字型に）することもできる。モジュレータには、１つ以上のスロットに加えて又はその代わりに、開口部を形成するいくつかのシリンダ状又は円錐状の穴を設けることもできる。当該穴は、定義された基準を満たすように、フィールドモジュレータの周りの適切な位置に間隔をあけて配置することができる。スロットは、検出器の周りに１８０°延在する必要はなく、例えば９０°又は３６０°まで存在してもよい。後者は、製造するのに特に容易であり、ある例では、２つの金属の半球を備えることができ、それらを間隔を空けて背中合わせに配置して、スロットを画定し、得られる本体の中心に検出器を収容することができる。いずれの実施形態における開口部の幅も固定する必要はなく、様々な分解能を提供するために調節可能とすることができる。

当然ながら、本発明は電磁波放射線及び質量をもつ粒子の放射線を含む、幅広い種類の放射線（例えば、赤外線、光学的放射、Ｘ線、ガンマ線及び中性子を含む核放射線）に適用可能である。特に従来の光学機器によって容易に撮像することができなかった放射線（例えば、１０keVから１０Mevのエネルギー範囲のガンマ線、及び１keVから１００keVの範囲のＸ線）に適用可能である。

放射線撮像装置において用いられる放射線検出器は、特定すべき線源からの放射線に対して感度のよい、任意の適切な検出器を備えることができ、検出器は分光学的なものであってもそうでなくてもよい。例えば核応用における検出器の一例として、いわゆる「ガンマカメラ」が挙げられる。検出器の感度のあらゆる異方性をフィールドモジュレータの伝達関数に数学的に組み込むことができる。検出器は、複数の別個の検出器を備えることができる。

放射線源撮像装置には、放射線検出器に加えて、フィールドモジュレータに取り付けた光学カメラも設けることができる。カメラをフィールドモジュレータと一緒にスキャンし、視野をくまなく捜索し、それにより放射線源分析の領域とともに登録された画像を提供することができる。（これは、放射線検出器に対するカメラの適切な角度オフセット及び空間オフセットを考慮に入れることで、例えばカメラをモジュレータの後部に取り付けることで行うことができる。）こうすることで、放射線源の角度座標を、調査対象の空間の光学画像における位置等の実世界の特徴と関連付けることができる。光学カメラの代替としては、周囲の面の立体地図を作り上げるために、表面から散乱した光のパルスビームの飛行時間測定法を用いるレーザースキャナを使用することができる。

フィールドモジュレータは、低伝達領域を提供するために、鉛、タングステン又は金等の高密度の材料で製造することが好ましい。高伝達領域は、低伝達領域の材料に開口部で構成することができ、又は単に薄い材料とすることができる。高伝達領域は、空気で満たすか又はプラスチック材料等の低減衰材料で満たすことができる。フィールドモジュレータは、一体物とするか又は、複数の物体で構成するか又は、入れ子になったフィールドモジュレータの組とすることができる。

Claims

放射線検出器と、
前記検出器に届く放射線を変調し、伝達関数によって定義されるフィールドモジュレータと、
少なくとも前記フィールドモジュレータの、姿勢を変更するためのスキャナシステムと、
前記フィールドモジュレータの複数の角度方向の各々についての放射線測定値を、前記放射線検出器から受け取り、受け取った前記測定値を処理して画像領域の各位置から発生する放射線量を表す画像を導き出すように構成される画像再構成部と、を備える放射線撮像装置であり、
前記フィールドモジュレータの前記伝達関数は、
低伝達領域であり、前記低伝達領域で定義される角度方向から前記検出器への放射線入射を減衰させる低伝達領域と、
高伝達領域であり、前記高伝達領域で定義される角度方向から前記検出器に入射される放射線を前記検出器に伝達する高伝達領域とを含み、
これらの領域は、
前記高伝達領域の各入射角において、第１角度よりも小さい角度だけ、前記高伝達領域の各入射角から離れている、前記低伝達領域の入射角が少なくとも１つ存在し、前記第１角度は１０°であり、
前記高伝達領域の各入射角において、前記高伝達領域の他の入射角の大部分は、第２角度よりも大きな角度だけ、前記高伝達領域の一の入射角から離れ、前記第２角度は２０°であるように、配置される、
放射線撮像装置。
前記第１角度は、前記高伝達領域の平均角度幅の半分である、請求項１に記載の放射線撮像装置。
前記第２角度は、前記高伝達領域の平均角度幅の１０倍である、請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
前記第１角度は、３°であり、好適には１°である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
前記第２角度は、少なくとも４０°であり、好適には少なくとも８０°である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
前記高伝達領域は、前記低伝達領域によって互いに分離された１つ以上の別個のサブ領域を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
前記高伝達領域は、前記低伝達領域を含む材料に設けられるスロットを少なくとも１つ備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
前記画像再構成部は、前記放射線測定値を前記画像領域の位置に関連付ける行列方程式を解くように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
前記高伝達領域は、閾値よりも大きな伝達値を有する、前記フィールドモジュレータの前記伝達関数の全領域を含み、
前記低伝達領域は、閾値以下の伝達値を有する、前記フィールドモジュレータの前記伝達関数の全領域を含む、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
前記閾値は、前記高伝達領域全体の平均伝達値、及び前記低伝達領域全体の平均伝達値から等距離の伝達値である、請求項９に記載の放射線撮像装置。
連続する前記放射線測定値のために、前記スキャナシステムが、放射線測定値を取得していない姿勢であり、前記放射線測定値の、隣接する姿勢との、予測される差が最大となる姿勢に変更するように構成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
前記放射線測定値は、既に取得された測定値、及び適した放射線画像に基づいて予測される、請求項１１に記載の放射線測定値。
請求項１〜１２のいずれか一項で定義される放射線撮像装置を用いて領域をスキャンする方法であり、
前記フィールドモジュレータの複数の姿勢で、前記放射線入射を検出するステップを含み、
前記領域内の各要素に対して、その要素が、前記放射線検出器に対して、前記フィールドモジュレータの前記高伝達領域を通過する方向に存在する、少なくとも一つの姿勢が存在し、
互いに区別される、前記領域内の第１要素及び第２要素の組のいずれにも、
前記第１要素が、前記放射線検出器に対して、前記フィールドモジュレータの前記高伝達領域を通過する方向に存在し、同時に、前記第２要素が、前記放射線検出器に対して、前記フィールドモジュレータの前記低伝達領域を通過する方向に存在する、少なくとも一つの姿勢が存在し、
前記第１要素が、前記放射線検出器に対して、前記フィールドモジュレータの前記低伝達領域を通過する方向に存在し、同時に、前記第２要素が、前記放射線検出器に対して、前記フィールドモジュレータの前記高伝達領域を通過する方向に存在する、少なくとも一つの姿勢が存在する、スキャニング方法。
Ｎ個の領域要素の可能な組み合わせの実質的に全ての組につき、ある組み合わせの少なくとも１つの要素が前記高伝達領域内に存在し、前記組の他の組み合わせの全ての要素が前記低伝達領域に存在する、姿勢が存在するように、前記複数の姿勢は配置され、Ｎは前記領域における可能な放射線源の最大数である、請求項１３に記載のスキャニング方法。