JP2014529074A - 放射線検出器 - Google Patents

Abstract

放射線検出器は、筐体（８）内でドライブ（４）によって回転されるように取り付けられたスラブの形態のシンチレータ結晶体（２）を含む。光子検出器（６）が結晶体（２）により放出される光子を検出する。結晶体（２）は多数の測定角度で回転され、放射線源によって放出された放射線が、光子検出器によって検出された光子を計数することによって測定される。これを利用して、放射源に向かう方向が判断される。【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばガンマ放射線を含む放射線の検出装置および放射線の検出方法に関する。

ガンマ放射線等の放射線検出装置は多くの技術分野で必要とされており、たとえば医療用同位体イメージングやセキュリティ用等のスクリーニング装置がある。

医療用同位体イメージングはそのような用途の１つである。この用途においては２つの一般的な放射線検出方法があり、シンチレーションカメラか、または陽電子放射型コンピュータ断層撮影法（ＰＥＴ）である。いずれの場合も、患者には放射性医薬品が投与され、これが体の特定の器官と相互作用する。次に、この放射性医薬品の位置は、それが放出するガンマ放射線を検出することによって推測できる。これから生理学的情報を収集することができる。

一般的なシンチレーションカメラでは、鉛コリメータによって検出可能なガンマ線の方向が選択され、それによってシンチレータに対して略垂直に走るガンマ線だけを検出できる。次に、シンチレータから発せられた光が光電子増倍管（ＰＭＴ）アレイによって検出され、異なるＰＭＴからの信号の強度の相対的な差により、ガンマ線が結晶体に衝突する地点が測定可能となる。コリメーションの既知の性質によって、患者の体内の放射源の位置を推測できる。

コリメータの種類としては、甲状腺等の小さな器官の画像化するためのピンホールコリメータ（実際、最初に提案されたシンチレータカメラはこのようにコリメートされた）と、それぞれ結晶体より大きい、または小さい領域を画像化するためのダイバージング／コンバージングコリメータがある。シンチレーションカメラは放射性同位体イメージングに好適ではあるものの、それには限界がある。コリメータは鉛製であるため、かなり重く、機器が大型で扱いにくいものとなる。その結果、持ち運びができず、したがって、病院内のある部屋の中に据え付けられる。そのため、スキャナまで連れて行けないほど重篤な患者の画像の撮影や手術室でのスキャナの使用は不可能である。

持ち運べるか否かが問題とならない場合、２台か３台のシンチレーションカメラを使って、３Ｄ断層画像を生成することができる。カメラが患者の周囲で回転して、一連の画像を撮影すると、これらは、単光子放射型断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）と呼ばれる処理において逆投影するか、または反復法で処理することができ、その結果、患者のスライス画像が生成される。これをＸ線コンピュータ断層撮影法、すなわちＣＴと組み合わせることができ、放射性同位体発生源のより正確な位置特定のための解剖学的データの提供が可能となる。

シンチレーションカメラが単光子の放射量を測定し、コリメーションを利用して入射ガンマ線の方向を判断するのに対し、ＰＥＴは、陽電子消滅が発生する時の２つの５５１ＫｅＶガンマ線の逆平行放射に依存している。３Ｄスライス画像は、４．５ｍｍの範囲の解像度を実現できる現代的な３Ｄ ＰＥＴで生成できる。ＰＥＴスキャナは持ち運べない。

放射線検出の他の用途はセキュリティ用である。たとえば、放射線ポータルモニタ（ＲＰＭ）は、貨物や人のスクリーニングに使用される。これらは、ガンマ線数の増加に依存することが多い。残念ながら、この方式は高い偽陽性率につながる可能性があり、それは、陶磁器タイル等の多くの正当な放射源が計数率の上昇の原因となりうるからである。２００４年１月には、６週間前に放射性ヨード治療を受けていた患者にオーランド空港の放射線アラームが反応し、この患者は拘束された上、衣服を脱がされ、検査された。これは極端な例であるが、装置のオペレータに不都合とコストが生じないようなレベルの精度の重要性を浮き彫りにしていることは確かである。

ＲＰＭにエネルギーウィンドウアルゴリズムを用いて偽陽性の数を減らすことは可能であるが、この種の検出器では、貨物の各品目を検出器に通す必要がある。

本発明の第一の態様によれば、特許請求項１に記載の放射線検出器が提供される。

他の態様では、特許請求項１１に記載の放射線検出器の操作方法が提供される。

スラブ型シンチレータ結晶体を使用し、この結晶体を様々な角度で回転させることによって、異なる角度で放射線検出器が測定した放射線強度を使って、検出対象の放射線源の方向を判断することができる。

ここで、純粋に例として添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明のある実施形態の概略図を示す。 図２は、図１の実施形態の一部の概略図を示す。 図３は、幾何学的配置の概略図を示す。 図４は、本発明の特定の実施形態を駆動するために使用される回路配置を示す。 図５は、上記実施形態を使用して得られる測定結果を示す。 図６は、上記実施形態を使用して得られる測定結果を示す。 図７は、代替的実施形態の一部の概略図である。

図面は概略的であり、正確な縮尺によらない。

放射線検出器は、スラブの形状を呈する物体が中心軸の周囲で回転されると、特定の方向から到来する放射線に曝される領域が変化するという原理に基づく。それゆえ、シンチレータを回転させることによって、このシンチレータが捕捉する放射線の量は回転角度によって異なり、それによって放射線の方向を測定できる。

図１と２を参照すると、放射線検出器は放射線センサを含み、この放射線センサは、本実施形態では厚さ方向２６のスラブ形状を有するシンチレータ結晶体２であって、厚さ方向に２６に垂直な横方向２４と縦方向２２に延びる結晶体と、シンチレータ結晶体２を回転軸３４の周囲で回転させるように構成されたモータ４の形態の駆動手段と、を含む。この実施形態では、回転軸３４がシンチレータ結晶体の縦方向に沿っているが、必ずしもそうである必要はない。

光電子増倍管６（ＰＭＴ）は、シンチレータの発光量を検出するために使用される。この機器は筐体８の中にあり、これは入射する放射線を大きく減衰させないが、完全に遮光性であり、外光は検出されない。筐体は図１では、内部の構成要素が見えるように、透明に描かれている。

放射線検出器は、駆動手段を制御し、データを処理するコントローラ３０によって制御される。コントローラ３０は、ハードウエアの形態でも、実際には、コンピュータを駆動するソフトウエアでもよく、図１では概略的に示されている。

シンチレータ結晶体２は、結晶体２をクランプ１４に支持される２つのパースペックス１２間に固定することによって、モータ４のシャフト１０に取り付けられる（図２）。クランプ１４は、パースペックスを保持するねじ１６と、モータのシャフト１０を保持するシャフト穴１８と、を有する。カプラは、オルダムカプラとして知られている種類のものを使用した。その他の形態の取付と連結も可能である。

シンチレータ結晶体２は、この実施形態においては、縦方向２２がモータのシャフト１０の回転軸に沿う状態で取り付けられているように示されている点に留意されたい。

シンチレータ結晶体は、発せられた光を全内部反射により捕捉する傾向があるため、ガンマ放射線に応答して発せられた光のほとんどが縁辺から放出される。一般的には光の約８０％が結晶体の内部で捕捉され、縁辺へと伝えられる。筐体８の内部は白く塗られ、光を拡散的に光電子増倍管６へと反射する。

一実施形態において、シンチレータ結晶体は正方形であり、すなわちスラブの縦方向の寸法が横方向の寸法と一致する。これは、結晶体内のすべての点で発せられた光がより均等に結晶体から出る可能性が高くなるような所望の条件を実現するのに少なくとも部分的に役立つ。

図３を参照すると、シンチレータ結晶体のうち、矢印２０によって示される放射線に曝露される有効面積Ａは、次式によって得られることがわかる。
Ａ＝（ｗｃｏｓα−ｄｓｉｎα）・ｈ
式中、ｗはスラブの横方向の幅であり、ｄはスラブの厚さであり、ｈはスラブの縦方向の長さであり、αはスラブが放射線の方向に垂直である名目上のゼロ方向に対するスラブの角度である。

使用時には、コントローラ３０によってモータ４がシンチレータ結晶体２を複数の測定角度で回転させる。各測定角度で、放射線源からシンチレータ結晶体２に入射する放射線により、シンチレータ結晶体２が光を放出し、これが放射線検出器６であるＰＭＴによって検出される。ある期間にわたって検出される放射線は、光電子増倍管のイベント数を計数することによって測定される。その結果、対応する測定角度での放射線強度の集合が得られる。

次に、コントローラ３０はこの情報を使って放射線強度の最小値を判断し、最小値が得られたスラブの角度はスラブの縁辺に入射する放射線に対応し、すなわち、最小角度において、スラブの縁辺が放射線源の位置の方向を指す。

最大値等、角度に対する放射線の他の特徴を使用してもよい。スラブが単純で放射線源が１つの場合、最小値を使用するほうが最大値を使用する場合より精度が高い。改良型の構成では、測定された応答を角度に対する放射線強度の計算による曲線にフィットさせ、このフィットを使って角度を判断する。

放射線源が複数であるか放射線源が長い場合、放射線源の１つまたは複数の位置の測定には、測定データのより複雑な処理が必要となる。特に、測定角度に応じた放射線強度の測定値を、強度の異なる複数の放射線源から抽出した強度のモデルにフィットさせることができる。

以下により詳しく説明する特定の実施形態を使った測定結果を示す。

この特定の実施形態では、ＥＭＩ ９５３１Ｂ光電子増倍管６を使用した。これは、標準的特徴の１１ベネチアンブラインド型ＣｓＳｂダイノード、Ｓ−１１陰極タイプ管であり、１７５０Ｖで動作する時の出力は約２０００Ａ／Ｌｍである。もちろん、当業者であれば、他の増倍管も使用できることに気付くであろう。

理想的なシンチレータは、検出に好都合な波長で発光量が高くなるであろう。ガンマ線イメージング用として最も一般的に使用されるシンチレータは、タリウム活性化ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ：Ｔｈ）である。これは、その密度が３．７ｇ／ｃｍ^３と合理的程度に高く、一般的なエネルギーの線を比較的薄い結晶体の中で止めることができることと、Ｓ−１１光電陰極光電子増倍管が検出するのに好都合な約４２０ｎｍの波長の発光量が３８，０００ｐｈｏｔｏｎｓ／ＭｅＶと高いことによる。これはまた、大きな残光を示さない。実際に、ＮａＩ：Ｔｈは、多くの文献において、シンチレータの性能を調べる際の比較用ベンチマークとして使用される。ＮａＩ：Ｔｈは残念ながら、脆く、しかも非常に吸湿性が高いため、ガンマカメラで使用する場合は、ガラスの中に格納して大気中に存在する水分と確実に反応しえないようにしなければならない。このようなガラス格納ＮａＩ：Ｔｈは、シンチレータの１つの可能性である。

上記のものほど適当ではない代替物は、ポリビニルトルエン（ＰＶＴ）系プラスチックシンチレータ等の有機シンチレータである。ＰＶＴだけでは、発光波長が約３５０ｎｍであるために有益ではないが、芳香族第一蛍石（ａｒｏｍａｔｉｃ ｐｒｉｍａｒｙ ｆｌｕｏｒｓ）を加えると、これを４００〜５００ｎｍに増大でき、それと同時に明るさを３０％増大できる。残念ながら、ＰＶＴは、密度が１．０３ｇｃｍ^−３と非常に低く、減衰係数も０．０２６と低いため、より高いエネルギーのガンマ線を止める能力はやや低い。したがって、ＰＶＴはより低エネルギーのガンマ線の検出に適している。

他の代替策は、ＣｓＩシンチレータを使用することである。所望の特性を呈する一連の共添加元素とともにナトリウムまたはタリウムのいずれかをドープしたもの（ＣｓＩ：ＮａまたはＣｓＩ：Ｔｈ）が市販されている。密度と減衰係数はそれぞれ略同じで、４．５１ｇｃｍ^−３と６０ＫｅＶで２．２ｃｍ^−１である。ＣｓＩ：Ｎａは、発光量が３８，５００ｐｈｏｔｏｎｓ／ＭｅＶ^１９、波長が約４２０ｎｍであるが、若干吸湿性がある。ＣｓＩ：Ｔｈは、発光量が５２，０００ｐｈｏｔｏｎｓ／ＭｅＶとより高く、波長が約５６５ｎｍと、好都合さの点で劣る。しかしながら、これには吸湿性がなく、残光抑制のためにＥｕ^２＋を共添加したものが入手できる。

いずれのＣｓＩの選択肢も適当であるが、以下の結果は、生成される波長が使用されるＰＭＴによりよくマッチすることからＣｓＩ：Ｎａを用いて取得される。

シンチレータが光のパルスを発生すると、光電子増倍管がこれらを検出する。光電子増倍管の中では、光子が光電陰極に衝突して、光電子に変換される。これらの光電子は、ダイノード間電位勾配が大きくなる（ｕｐ）カスケード状のダイノード群に沿って引き出される（ｄｒａｗＮａＩｏｎｇ）。電子数は各段で増え、その結果、全体として約１０^６倍に増倍される。これらはダイノードチェーンの最終段で陽極に衝突し、電流を変動させる。その後、この変動をコンデンサと抵抗に伝え、電圧として検出することができる。

ダイノードチェーンに沿った電圧勾配が必要である。単純な線形の分周器では良好な結果が得られず、実験用に適応された分周器は図４に示されているものである。一連の抵抗が線形ではない点に留意されたく、これはＰＭＴで発生しうる空間電荷効果を減少させるためである。あるいは、必要な電圧の各々を別々に発生させるための駆動回路を設けることができる。

モータ４はステップモータであり、これは、シンチレータを既知の位置まで回転できるようにするのに有益であるからである。別のモータを、たとえばモータの回転位置を特定するシステムと連結して使用してもよい。

使用した筐体はＰＶＣであり、これは比較的安価で効果的であるからである。関心対象の厚さと波長で、ＰＶＣによる減衰率は到達したガンマ放射線のわずか０．８４％であるため、ＰＶＣは良好な特性を有する。それゆえ、一般に、筐体のガンマ線減衰率はＡｍ−２４１放射線源から放出されるガンマ線の波長ピークで最大でも１％である。

多くのシンチレータ結晶体のアスペクト比で、シンチレータによる発光量の多くが全内部反射によって封じ込められ、シンチレータ結晶体の縁辺から出る。光をＰＭＴ ６に入射させるために、従来の塗料を使って筐体８の内部を白く塗り、拡散反射器とする。筐体を光電子増倍管の領域において円錐台形の形態として、シンチレータからの光をＰＭＴ ６に向けるのに役立ててもよいことに留意されたい。

ガンマ線放射源としてＡｍ ２４１とＢａ−１３３点源を使って得た実験結果が、図５に示されている。シンチレータの回転に伴う応答の変化がはっきりとわかる。最小値の位置を、図６に示されるように良好な精度で特定することが可能である。最小値は放射線源の方向を示す。

シンチレータの最適化とともに、機器の効率を最大限にすることが望ましい。これによって必要な曝露時間の短縮とカウント数間の差の増大が実現し、これらはスキャン時間の短縮と解像度の増大の両方につながる。

したがって、代替的な実施形態ではＰＭＴがシンチレータ結晶体の縁辺に直接連結される。図７は、光導波管３２を使ってこれを行い得る方法を示している。このような連結により、光入射効率が向上し、したがって必要な曝露時間も短縮される。

また別の方法は、異なるＰＭＴを使用することである。たとえば、約５６５ｎｍの波長でピーク検出を有するＰＭＴを使ってもよい。この場合、ＣｓＩ：Ｎａの代わりにＣｓＩ：Ｔｈを使用してもよい。それによる利点は、光収率が３８，５００から６５，０００ｐｈｏｔｏｎｓ／ＭｅＶに増大することである。Ｅｕ^２＋を共添加したＣｓＩ：Ｔｈを使用することも可能であり、これによって残光が減り、より信頼性の高い結果が得られる。

有向性は、スラブの横方向の縁辺または面等の１つまたは複数の表面を、たとえば鉛等の吸収材料で被覆し、反対の延辺または面にはそのような吸収材料を設けないままとすることによってさらに増大させてもよい。次に、この装置は、放射線検出器に面する表面が吸収面かそうでないかに応じて、吸収する放射線に対して異なる応答を示す。

本発明の装置は、医療分野だけでなく、セキュリティシステムの場合にも特に有用であることもある。特に、この装置を放射線源の制御が望まれる一定の場所に取り付け、その一定の場所の周囲の放射線源をモニタするために使用してもよい。この用途では、装置を長い測定時間にわたりゆっくりと動作させてもよく、それによって検出器は１０ｍ、１００ｍまたはそれより広範囲で発生源からの放射線を検出できる。このようして、この装置をある領域のモニタに使用してもよい。装置の有向性は、信号が検出された場合に信号発生源を特定できることを意味する。

回転軸を垂直にした複数の放射線検出器を使用して、複数の軸の周囲の放射線源に対する角度を特定してもよい。それゆえ、垂直軸の周囲の角度を「経度」、水平軸の周囲の角度を「緯度」と考えると、回転軸が水平であるものと回転軸が縦であるものの計２つの放射線検出器を使うことにより、放射線源の「経度」と「緯度」の両方を判断してもよい。換言すれば、回転軸が垂直な２つの検出器を使って、二次元平面内の方向だけでなく、三次元での放射線源の方向を特定してもよい。

固定型の設備の場合、複数の放射線検出器を関心対象領域の中の様々な位置に取り付け、三角法によって放射線源の位置を固定できるようにするか、実際に、単に放射線検出が可能な領域を拡張することによって、範囲を広げてもよい。

シンチレータ結晶体と光電子増倍管の代わりに、ゲルマニウムガンマ線検出器を使用してもよい。このような検出器は一般に、平坦な半導体装置の形態である。ゲルマニウム検出器は、シンチレータ結晶体と同様の方法で回転台座の上に取り付けてもよい。

Claims (15)

1. シンチレータ結晶体と、
   前記シンチレータ結晶体を支持し、前記シンチレータ結晶体を回転軸の周囲で回転させる回転台座と、
   前記シンチレータ結晶体を前記回転軸の周囲で制御可能な角度で回転させるように構成された駆動手段と、
   放射線に応答して前記シンチレータ結晶体が放出する光子を測定するように構成された光子検出器と、
   を含む放射線検出器において、
   前記シンチレータ結晶体が、前記回転軸の周囲での前記シンチレータ結晶体の回転角度に応じて変化する、放射線源からの放射線に対する断面を示すような形状とされることを特徴とする放射線検出器。
2. 請求項１に記載の放射線検出器において、
   前記駆動手段に対して、前記放射線センサを複数の測定角度で回転させ、前記複数の角度での前記放射線センサの応答を測定させ、前記複数の測定角度での光子の測定値から放射線源の方向を判断させるように構成された処理手段をさらに含むことを特徴とする放射線検出器。
3. 請求項１または２に記載の放射線検出器において、
   前記シンチレータ結晶体が厚さ方向を有するスラブの形態であり、前記シンチレータ結晶体が、前記厚さ方向が前記回転軸に対して実質的に垂直となるように前記回転台座に取り付けられることを特徴とする放射線検出器。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射線検出器において、
   前記シンチレータ結晶体と光子検出器を取り囲む筐体をさらに含み、前記筐体の内部は反射面または白であり、前記シンチレータ結晶体によって放出された光子を反射して、これらが前記光子検出器によって検出可能とされていることを特徴とする放射線検出器。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の放射線検出器において、
   前記シンチレータ結晶体を前記光子検出器に連結する光導波管をさらに含むことを特徴とする放射線検出器。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の放射線検出器において、
   前記駆動手段がステップモータであることを特徴とする放射線検出器。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の放射線検出器において、
   前記シンチレータ結晶体がＮａＩ：Ｔｈ、ＣｓＩ：ＴｈまたはＣｓＩ：Ｎａからなることを特徴とする放射線検出器。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の放射線検出器において、
   前記シンチレータ結晶体の前記厚さが１ｍｍ〜５ｍｍであり、前記シンチレータ結晶体の横方向の幅と縦方向の長さの各々が１０ｍｍ〜２００ｍｍであることを特徴とする放射線検出器。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線検出器において、
   前記駆動手段が、前記駆動軸に沿ったシャフトを有する駆動モータであり、
   前記放射線検出器が、前記シャフトに取り付けられた前記回転台座の上に取り付けられた２つの取付シートをさらに含み、
   前記シンチレータ結晶体が前記２つの取付シート間に取り付けられていることを特徴とする放射線検出器。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の放射線検出器において、
    前記光子検出器が光電子増倍管であることを特徴とする放射線検出器。
11. 放射線源からの放射線を検出するための放射線検出器の操作方法において、
    シンチレータ結晶体を回転軸の周囲で複数の測定角度で回転させ、前記回転軸の周囲での前記シンチレータ結晶体の回転角度に応じて変化する、放射線源からの放射線に対する断面が示されるようにするステップと、
    前記複数の角度での前記放射線源からの放射線に応答して前記シンチレータ結晶体により放出される光子を測定するステップと、
    前記複数の測定角度で測定された前記応答から前記放射線源の方向を判断するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    前記放射線源の放射線の方向を判断する前記ステップが、前記複数の測定角度で測定された前記応答における少なくとも１つの最小値および／または最大値から前記放射線源を特定することを特徴とする方法。
13. 請求項１１または１２に記載の方法において、
    前記放射線源が医療用ガンマ線源であることを特徴とする方法。
14. 請求項１１または１２に記載の方法において、
    前記放射線検出器を固定された位置に取り付けるステップと、前記放射線検出器を操作して、前記放射線検出器の付近に導入された放射線源をモニタするステップと、を含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１１乃至１４の何れか１項に記載の方法において、
    複数の放射線源があり、前記複数の測定角度で測定された前記応答から前記放射線源の方向を判断するステップが、前記複数の放射線源の方向を判断することを特徴とする方法。

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