JP2016095134A

JP2016095134A - 放射線線量計

Info

Publication number: JP2016095134A
Application number: JP2013027375A
Authority: JP
Inventors: 石川　正純; Masazumi Ishikawa; 正純石川
Original assignee: Hokkaido University NUC
Current assignee: Hokkaido University NUC
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2016-05-26
Also published as: WO2014125944A1

Abstract

【課題】放射線のエネルギーに対する感度変化を補償して放射線線量検出を行う。
【解決手段】シンチレータ１２は、入射してくる電離放射線によって発光する。光電変換器２０は、シンチレータ１２の出力である光を電流に変換する。比較部２４は光電変換器２０からの出力について、その強度を２つ以上のしきい値と比較し、カウンタ２８が強度が２つ以上のしきい値以上のイベント数を、それぞれカウントし、２つ以上のカウント値を得る。演算部３０は、得られた２つ以上のカウント値を重み付け加算し得られた重み付け加算後のカウント値に応じて、電離放射線の線量を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シンチレータからの光をカウントして電離放射線線量を検出する放射線線量計に関する。

特許文献１には、非常に小さなシンチレータを利用し電離放射線を検出する放射線線量計が示されている。この特許文献１の装置では、シンチレータで得られた光を、光ファイバを介し光電変換器に供給し、ここで電気信号に変換する。そして、得られた電気信号のピークをカウントすることによって、電子放射線の入射量を検出している。この特許文献１の装置によれば、患者に小さなシンチレータを含む検出部を着けることで、患者の電離放射線被曝量を検出することが可能である。

ここで、人に照射される電離放射線線量は確実に管理される必要があり、放射線治療では被爆放射線線量を検出することが必須である。また、Ｘ線透視やＣＴの画像を見ながら患部に外科的処置を施すＩＶＲ（Interventional Radiology)では、治療対象の位置決定のためにＸ線を照射するため、その照射時間が長くなる場合もあり、被爆放射線線量の検出が重要である。

特許４７６６４０７号公報

上述のように、電離放射線線量検出には、治療用の比較的高いエネルギーのものから、Ｘ線透視などの比較的低いエネルギーのものがある。そこで、放射線線量計には、広いエネルギー範囲で適切な放射線線量検出ができることが望まれる。

本発明は、入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータと、このシンチレータからの出力である光を電流に変換する光電変換器と、この光電変換器からの出力について、その強度を２つ以上のしきい値と比較する比較部と、強度が２つ以上のしきい値以上のイベント数をそれぞれカウントし、２つ以上のカウント値を得るカウンタと、得られた２つ以上のカウント値を重み付け加算する演算部と、を有し、前記演算部で得た重み付け加算後のカウント値に応じて、電離放射線の線量を検出する。

また、一態様では、前記２つ以上のしきい値を用いて得られた２つ以上のカウント値は、カウント値を規格化して比較した際に、電離放射線のエネルギーレベルの変動に対し、反対の傾向を示すものである。

また、一態様では、前記シンチレータの電離放射線入射側の表面を覆い、前記シンチレータからの光を反射するリフレクタを有し、このリフレクタは、前記電離放射線の中のエネルギーが低いものについてもその吸収が少ない軽元素により構成されている。

また、一態様では、前記リフレクタは、プラスチックにより構成されている。

また、一態様では、前記リフレクタは、ポリエチレンにより構成されている。

本発明によれば、入射する電離放射線のエネルギーが広い範囲で変化しても、正確な放射線線量検出を行うことができる。

実施形態の放射線線量計（以下、適宜ＳＯＦと呼ぶ）の全体構成を示す図である。イオンチャンバによる検出結果とＳＯＦの検出結果の対応を示す図である。Ｘ線管電圧別のイオンチャンバによる検出結果とＳＯＦの検出結果の対応を示す図である。各種線量計におけるＸ線管電圧に対する感度を示す図である。ＴｉＯ₂（１００μｍ）のリフレクタを用いた場合のＳＯＦの感度についてのしきい値の影響を示す図である。ＴｉＯ₂（５０μｍ）のリフレクタを用いた場合のＳＯＦの感度についてのしきい値の影響を示す図である。ポリエチレン（１００μｍ）のリフレクタを用いた場合のＳＯＦの感度についてのしきい値の影響を示す図である。ポリエチレン（１００μｍ）のリフレクタを用いた場合における、２つのしきい値（１，１２ｋｅＶ）でのＳＯＦの感度を示す図である。ＳＯＦにおける、２つのしきい値のカウント値を利用した感度補償の状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、検出対象の電離放射線としてＸ線を取り上げて説明する。

＜全体構成＞
検出部１０は、その拡大図に示すように、シンチレータ１２と、その先端表面を覆うリフレクタ１４とから構成される。シンチレータ１２は、例えば半径２５０μｍ程度の半球状のものであり、プラスチックシンチレータが好適である。なお、シンチレータ１２の材質等については、特許文献１に記載されている。

リフレクタ１４は、シンチレータ１２の半球状の先端表面を全体としてカバーするものであり、例えばポリエチレンフィルムが利用される。半球状のシンチレータ１２の基部側には直径０．５ｍｍの光ファイバ１６が接続される。また、光ファイバ１６の表面およびリフレクタ１４の表面を覆って、シールド材１８が、配置されている。シールド材１８は、例えば黒色のポリエチレンが利用される。

シンチレータ１２は、入射してくるＸ線を光（光信号）に変換し、その光信号が光ファイバ１６に入射する。リフレクタ１４は、シンチレータ１２から先端側に放出される光信号を反射して光ファイバ１６に送り込む。

光ファイバ１６の他端は、光電子増倍管２０に接続される。光電子増倍管２０は、光電変換器であり、光ファイバ１６から供給される光信号がその強度に応じた電気信号に変換される。光電子増倍管２０には、信号増幅器２２が接続されており、ここで光電子増倍管２０からの電気信号が増幅される。

信号増幅器２２の出力は、比較部である２つのディスクリミネータ２４−１，２４−２に入力される。このディスクリミネータ２４−１，２４−２には、しきい値設定部２６からしきい値１、しきい値２がそれぞれ供給されており、入力されてくる電気信号の中で、信号レベルがしきい値１、しきい値２以上のものをイベントとしてそれぞれ弁別する。そして、ディスクリミネータ２４−１，２４−２は、しきい値１，２との比較結果のイベント信号をそれぞれ得てこれを出力する。

ディスクリミネータ２４−１，２４−２からの２つのイベント信号はカウンタ２８−１，２８−２にそれぞれ入力され、それぞれカウントされ、２つのカウント値が演算部３０に入力される。演算部３０は、２つのカウント値を重み付け加算して、その結果を入射Ｘ線線量として出力する。なお、３以上のしきい値を用いて、３以上のカウント値を得て、それらを重み付け加算して、入射Ｘ線線量を得てもよい。

＜感度の調整について＞
ここで、本実施形態の線量計をＳＯＦ（Scintillator with Optical Fiber Dosimeter）と呼ぶ。一方、イオンチェンバ（電離箱：ＰＴＷ社製１５ｃｃＳＦＤイオンチェンバ）は、正確なＸ線量計測が行える基準値の計測に用いる。さらに、比較例として、従来から知られている、ＰＳＤ（Patient Skin Dosimeter; Unfors社製）、ＳＤＭ(Skin Dose Monitor; McMAHON Medical Incorporated社製）を使用し、ＳＯＦ線量計において、適切な線量検出が行えることを示す。

ここで、診断用などのＸ線発生装置では、Ｘ線のエネルギー情報として、Ｘ線管球の加速電圧（Ｘ線管電圧）が得られる場合が多い。そこで、Ｘ線管電圧をＸ線（放射線）エネルギー情報として利用する。

図２には、Ｘ線管電圧１１０ｋＶ，７５ｋＶ，４０ｋＶの３種類のＸ線管電圧においてＸ線線量を変更した場合の、イオンチェンバによる計測値と、ＳＯＦの計測値との関係を示している。このように、Ｘ線管電圧が一定であれば、２〜２０００μＧｙの範囲で良好な線形性が得られ、ＳＯＦによって線量を適切に測定できる。

一方、図３には、横軸にイオンチェンバによる線量をとり、縦軸にＳＯＦの線量をとり、３種類のＸ線管電圧の場合の結果を別々に示してある。図において、Ｘ線管電圧１１０ｋＶ（四角），７５ｋＶ（丸），４０ｋＶ（三角）で表してある。これより、Ｘ線管電圧によりＳＯＦの感度が変化することがわかる。

図４には、Ｘ線管電圧の変化に対する相対的な感度の変化について示してある。この例では、ＳＯＦ（黒丸）、ＰＳＤ（白丸）、ＳＤＭ（四角）の３つの線量計についてのＸ線管電圧に対する相対感度を示している。すなわち、ＩＶＲ透視でよく用いられるＸ線管電圧８０ｋＶの計測値を１として規格化して、Ｘ線管電圧４０〜１１０ｋＶにおける相対感度を示している。

このように、ＳＯＦでは、Ｘ線管電圧に応じて感度が大きく変化することがわかる。なお、イオンチェンバによる測定値を基準（常に１）としていることに変わりはない。

ここで、図４より、ＳＯＦにおける相対感度と、Ｘ線管電圧には一定の関係がある。そこで、相対感度を３次多項式でフィッティングして補正値を得ることが可能である。実際に、このような手法で感度補正を行うことで、いずれのＸ線管電圧においても正しい線量が得られるように感度補正することが可能である。しかしながら、これは実験室における実験において、Ｘ線管電圧のみから補正しており、周辺の影響を考慮していない。実際の測定においては、散乱線や透過Ｘ線を含む場合が多い。このような場合には、上述のような感度補正では正しい補正が行えない場合もある。さらに、シンチレータ１２の表面にはリフレクタ１４を配置しており、このリフレクタ１４がＸ線のフィルタとして機能するため、感度へ大きく影響することが考えられる。

図５には、ＳＯＦについて、リフレクタ１４として、厚み１００μｍ、しきい値６ｋｅＶとして、Ｘ線管電圧を変化させた場合の相対感度（Ｘ線管電圧８０ｋＶで規格化）について示してある。図中、白丸で示したものが実測値である。

ここで、モンテカルロシミュレーション（シミュレーションコード：ＥＧＳ４）により、しきい値を１ｋｅＶ〜１０ｋｅＶの範囲で変化させてその影響を調べた。この場合、しきい値の対象に応じて、傾向が異なることがわかる。また、検出Ｘ線のエネルギーについての弁別しきい値を６ｋｅＶとした場合に、ＳＯＦの検出値と一致しており、正しいシミュレーションが行われていることがわかる。また、図６に、ＴｉＯ₂のリフレクタ１４の厚みを５０μｍとした場合を示す。これより、感度の傾向がリフレクタ１４の厚みによっても変化することがわかる。

これらより、ＳＯＦの相対感度は、リフレクタ１４および弁別しきい値によって大きく影響を受けることがわかった。

そこで、リフレクタ１４をプラスチックなどの軽元素を利用したものについて、検討してみた。図７には、リフレクタ１４の材質をポリエチレンに変更ししきい値を１ｋｅＶ〜１０ｋｅＶの範囲で変化させた場合の、相対感度について示してある。このように、ＴｉＯ₂の場合と異なり、Ｘ線管電圧に対する相対感度の傾向についての極性（増加傾向、減少傾向）がしきい値によって異なっている。

図８には、しきい値として１ｋｅＶ（四角）、１２ｋｅＶ（丸）の２つの場合を取り上げて示してある。このように、２つのしきい値の場合の相対感度は、相対感度１に対し、極性が逆になっている。すなわち、しきい値１ｋｅＶでは、Ｘ線管電圧が８０ｋＶより小さくても大きくても相対感度は１より小さく、しきい値１２ｋｅＶでは、Ｘ線管電圧が８０ｋＶより小さくても大きくても相対感度は１より大きい。

そこで、２つしきい値における相対感度の特性を組み合わせることによって、Ｘ線管電圧の変化に対する感度を補償できる。すなわち、１ｋｅＶのカウント値（検出線量）と、１２ｋｅＶのカウント値（検出線量）を、１：１．８の重み付け加算し、Ｘ線管電圧８０ｋＶの２つの検出線量を重み付け加算したもので除算規格化することによって、図８において１ｋｅＶ：１２ｋｅＶ＝１：１．８（三角）で示す相対感度が得られる。

図９には、ＳＯＦの測定結果であるＳＯＦ（Measured）（黒丸），ＰＳＤの測定結果であるＰＳＤ（Measured）（菱形）、ＳＤＭの測定結果（Measured）（三角）、ＳＯＦのしきい値６ｋｅＶのシミュレーション結果であるＥＧＳ４（SOF Th:6keV）（四角）、ＳＯＦのしきい値１ｋｅＶと１２ｋｅＶのシミュレーション結果を１：１．８の重み付け加算した結果であるＥＧＳ４（Double Threshold）（白丸）を示してある。すなわち、白丸は、上述したしきい値として１ｋｅＶ、１２ｋｅＶの２つの場合のカウント値（検出線量）について、１：１．８の重みをそれぞれ乗算して加算して規格化したものである。

このように、重み付け加算を行った場合には、Ｘ線管電圧４０ｋＶ〜１１０ｋＶの広い範囲で、相対感度の変動が１％以内に収められている。なお、図中白四角で示した特性は、しきい値６ｋＶとした場合のシミュレーション結果であり、ＳＯＦの実際に検出結果である黒丸の特性と非常によく一致しており、シミュレーションの確かさが確認できる。また、ＰＳＤ、ＳＤＭの検出結果も示してある。ＳＯＦの２つのしきい値を利用するものの方が、感度変動が小さいことがわかる。

なお、重み付け加算をした加算結果について、線量に変換する際に、基準となる検出値に変換する演算が必要であり、実際の線量算出の際に加算結果について規格化する必要はなく、線量に変換すればよい。

ここで、図８に示すように、しきい値の変更により、相対感度は大きく変化する。適切な１組の相対感度を選択することが好ましい。ＳＯＦについての仕様が決定された段階で、シミュレーションして、適切なものを選択すればよい。また、基本的に逆傾向にある２つの相対感度を選択することが好ましいが、必ずしも２つに限定されることはなく、３つ以上のしきい値での相対感度を重み付け加算してもよい。

実際の装置については、製造した際に、所定のＸ線管電圧の変化範囲について、いくつかのしきい値で測定実験を行い、しきい値、重みを決定する較正作業を行うとよい。

また、上述の例では、リフレクタ１４について、ポリエチレンを用いたが、ポリエチレンではなく、ポリプロピレンなど他のプラスチックを用いることも好適である。

すなわち、原子量の大きな元素であると、エネルギーの低い放射線についての吸収量が大きくなり、カウント値の放射線エネルギーに対する感度特性として、上述したようなものが得られないが、軽元素であれば、エネルギーの低い放射線についても吸収量が小さく、エネルギーの低い放射線について上述したような感度特性が得られると考えられる。原子量がアルミニウム以下の比較的原子量の小さな軽元素であれば、金属を利用することも可能であり、プラスチックにアルミニウムなどを混入させたものも好適である。

なお、しきい値については、エネルギー変化の大きさで示したが、実際には信号増幅器２２の出力である電気信号の大きさ（電流値または電圧値）についてのしきい値であり、ディスクリミネータ２４におけるしきい値を適切な２つ（複数）に設定すればよい。さらに、特許文献１に記載されているような他の信号処理についても行うとよい。

また、検出対象の電離放射線として、Ｘ線について説明したが、γ線などの他の電離放射線についても同様に適用することが可能である。

このように、本実施形態によれば、ディスクリミネータ２４におけるしきい値を複数として、カウンタ２８で得られた２つのカウント結果について、演算部３０で重み付け加算を行う。これによって、検出対象の電離放射線のエネルギーの大小に対する感度変化を補償して適切な線量検出が行える。この際、シンチレータ１２を覆うリフレクタの材質はプラスチック、特にポリエチレンが好適であり、これによってしきい値の大小に応じて検出対象の電離放射線のエネルギーの大小に対する規格化した感度変化の傾向（極性）が反対のものが得られる。そこで、２つのしきい値での検出結果を適当な重みを利用した重み付け加算によって感度補償が行える。すなわち、１つのしきい値での感度特性を数学的に補償したのでは、散乱線などの周辺状況変化の影響について補償できないが、２つのしきい値での感度特性を利用することで、周辺状況の変化に応じた感度特性の変化についても補償することが可能になると考えられる。

１０検出部、１２シンチレータ、１４リフレクタ、１６光ファイバ、１８シールド材、２０光電子増倍管、２２信号増幅器、２４ディスクリミネータ、２６しきい値設定部、２８カウンタ、３０演算部。

Claims

入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータと、
このシンチレータからの出力である光を電流に変換する光電変換器と、
この光電変換器からの出力について、その強度を２つ以上のしきい値と比較する比較部と、
強度が２つ以上のしきい値以上のイベント数をそれぞれカウントし、２つ以上のカウント値を得るカウンタと、
得られた２つ以上のカウント値を重み付け加算する演算部と、
を有し、
前記演算部で得た重み付け加算後のカウント値に応じて、電離放射線の線量を検出する放射線線量計。
請求項１に記載の放射線線量計であって、
前記２つ以上のしきい値を用いて得られた２つ以上のカウント値は、カウント値を規格化して比較した際に、電離放射線のエネルギーレベルの変動に対し、反対の傾向を示すものである、放射線線量計。
請求項２に記載の放射線線量計であって、
前記シンチレータの電離放射線入射側の表面を覆い、前記シンチレータからの光を反射するリフレクタを有し、
このリフレクタは、前記電離放射線の中のエネルギーが低いものについてもその吸収が少ない軽元素により構成されている、放射線線量計。
請求項３に記載の放射線線量計であって、
前記リフレクタは、プラスチックにより構成されている、放射線線量計。
請求項４に記載の放射線線量計であって、
前記リフレクタは、ポリエチレンにより構成されている、放射線線量計。