JP2016223997A - 放射線カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】安価で高感度な放射線検出カメラを実現する。
【解決手段】放射線カメラは、放射線を遮蔽する材料で構成され、ピンホールを有する遮蔽体と、前記遮蔽体に囲まれ、前記ピンホールを通過した放射線を可視光に変換するシンチレータと、各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータ、および前記ピンホールの配置関係を示す情報とに基づいて、放射線源の位置を示す情報を生成して出力する演算回路と、を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、放射線源の２次元的な分布を撮影できる放射線カメラに関する。特に、環境中の放射線源の可視化を可能とする高感度な計測システムに関する。

放射性同位元素から放射される放射線の分布を撮影できる放射線カメラは、医療用途で広く利用されている。一方、近年、東日本大震災による福島原子力発電所の事故により、環境中にセシウム１３４，１３７を中心とする放射性物質が広く拡散し、住民の不安が高まっている。これに伴い、家屋、公園、学校、道路などの環境中の放射線量の計測の要望が高まっている。

環境中の放射線量を計測するための技術には、例えば特許文献１および特許文献２に開示された技術がある。特許文献１は、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）素子をセンサ素子として用いた放射線測定装置を開示している。特許文献２は、シンチレータを用いてガンマ線を光に変換し、その光を検出してガンマ線のエネルギー強度を計測するシステムを開示している。

特開２０１４−１０２１３４号公報 特開２０１４−９８６０５号公報

ＣｄＴｅ等の特殊な半導体素子を検出器として用いると、装置が高価になるという課題がある。一方、シンチレーションを用いたガンマカメラは、シンチレータが発光する際に全方向に光を射出するために、放射線の方向を高い精度で特定できないという課題がある。

本開示は、安価に製造でき、かつ、放射線の方向を高い精度で特定できる放射線カメラを提供する。

本開示の一態様に係る放射線カメラは、放射線を遮蔽する材料で構成され、ピンホールを有する遮蔽体と、前記遮蔽体に囲まれ、前記ピンホールを通過した放射線を可視光に変換するシンチレータと、各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータ、および前記ピンホールの配置関係を示す情報とに基づいて、放射線源の位置を示す情報を生成して出力する演算回路と、を備える。

本開示の他の態様に係る放射線カメラは、生体に放射線を出射する放射線源と、前記生体を透過した前記放射線を可視光に変換するシンチレータと、各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータ、および前記放射線源の配置関係を示す情報とに基づいて、前記生体の放射線画像の情報を生成して出力する演算回路と、を備える。

本開示のさらに他の態様に係る放射線カメラは、生体内の放射線源から出射された放射線の方向を特定の方向に制限するコリメータと、前記コリメータを通過した前記放射線を可視光に変換するシンチレータと、各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータの配置関係を示す情報とに基づいて、前記生体の放射線画像の情報を生成して出力する演算回路と、を備える。

上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、安価な装置で環境中の放射線源の分布を高感度かつ高解像度で可視化することが可能になる。

実施形態１におけるガンマカメラ１００の概略的な構成を示す断面図 データ処理装置３０の構成を示すブロック図 実施形態１における処理の全体像を示す図 演算回路３２が実行する１フレームあたりの処理の流れを示すフローチャート ガンマカメラの放射線源の位置算出方法を説明するための図 放射線検出材料とガンマ線との相互作用の強さ（エネルギー吸収率）の厚さ依存性を示す図 ガンマカメラの光学設計を説明するための図 シンチレータ３内の発光位置からマイクロレンズアレイ５までの距離Ｄをパラメータとして、マイクロレンズひとつあたりのフォトン数を計算した結果を示す図 実施例のガンマカメラの光学系を示す構成図 画素の平均化によるノイズ除去を説明するための第１の図 画素の平均化によるノイズ除去を説明するための第２の図 実施例における遮蔽体の構造を示す断面図 実施形態２におけるガンマカメラの構成を示す断面図 実施形態２におけるマイクロレンズアレイの構成を示す図 スマートフォン１４と連携したガンマカメラ（ガンマ線検出ユニット）１６の構成例を示す図 図１０Ａにおけるガンマカメラ１６の構成を示す図 実施形態３における放射線カメラの概略構成を示す図 シンチレータ３、マイクロレンズアレイ５、およびイメージセンサ６のそれぞれを、Ｘ線源２２を中心とする円弧上に配置した構成例を示す図 実施形態４のＳＰＥＣＴ装置の概略構成を示す図

（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

現在用いられている一般的なガンマカメラは、ＣｄＴｅ等の特殊で高価な半導体素子を検出器として用いている。これは、ガンマ線に対する高い感度を得るためには質量数の大きい元素を用いてガンマ線との相互作用を高める必要があるためである。このような半導体素子は単体でも高価であるが、イメージングのためには素子単体をアレイ状に配列する必要があるため、装置全体としてはさらに高価になる。現状、安価なガンマカメラは提供されていない。価格がネックになり、不安を抱いている地域住民が自宅や学校、道路等の生活環境で日常的にガンマカメラを使うことは不可能な状況である。

現在、避難住民の帰還と帰還後の安全な暮らしのために、懸命な放射線の除染作業が続けられている。このような作業は危険を伴うため、放射線の可視化が可能なガンマカメラが求められている。放射性物質の分布を可視化し、除染の前後で比較して除染の効果を「見える化」することで、住民の安心感が高まると言われている。

現状の除染作業では、住環境にある放射線物質を、表土ごと剥ぎ取って集積し保管場所で管理している。この保管場所から放射性物質が漏洩する可能性があるため、厳格に漏洩の有無を監視する必要がある。さらに、事故後の原子力発電所では、多くの汚染水タンクおよび汚染物質の保管場所から放射性物質が漏洩する事故が頻繁に起こっている。安価なガンマカメラを多数配置し、常時監視ができれば住民および作業者の安全確保に役立つと考えられる。安価で高性能なガンマカメラの実現は、福島の復興および安心・安全な住環境の実現のために不可欠である。

福島においても人が生活する領域では放射線量は１マイクロシーベルト／時間程度の低いレベルである。これを測定するためには高い放射線感度をもつ検出器が必要である。ガンマ線の検出に安価なシリコン半導体を使うことができれば、ガンマカメラを低価格で提供することが可能になる。しかしながら、シリコンは原子番号が小さく、ガンマ線との相互作用が小さいため感度を上げられないという課題があった。

ガンマカメラではなく、イメージングの必要のない放射線検出器としては、シンチレータとシリコン半導体とを組み合わせたシンチレーション検出器が広く用いられている。これはガンマ線をシンチレータに吸収させ、シンチレータからの発光をシリコン検出器で検出するという方法でガンマ線を検出する。これにより高い感度を実現したガンマ線検出器が作られている。この原理を応用したシンチレーション方式のピンホール型ガンマカメラも提案されている。しかし、シンチレータが発光する際に全方向に光を射出するために、放射線の方向が高精度に特定できないという課題があった。

本発明者は、従来技術における上記の課題を見出し、これらの課題を解決するための構成を検討した。その結果、シンチレータと検出器アレイとの間に複数のマイクロレンズを配置することにより、演算によって放射線源の位置を特定できることに想到した。これにより、環境中の放射線源の分布を高感度かつ高分解能で可視化することが可能になった。以下、本開示の実施形態の概要を説明する。

本開示は、例えば以下の項目に記載の態様を含む。

［項目１］
放射線を遮蔽する材料で構成され、ピンホールを有する遮蔽体と、
前記遮蔽体に囲まれ、前記ピンホールを通過した放射線を可視光に変換するシンチレータと、
各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、
各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータ、および前記ピンホールの配置関係を示す情報とに基づいて、放射線源の位置を示す情報を生成して出力する演算回路と、
を備える放射線カメラ。

［項目２］
前記演算回路は、前記複数の検出器から出力された複数の電気信号が示す画像における輝度値が相対的に高い複数の領域の位置と、前記複数のマイクロレンズの位置とに基づいて、前記シンチレータ内の発光位置を算出し、前記発光位置と前記ピンホールの位置とに基づいて、前記放射線源の位置を算出する、項目１に記載の放射線カメラ。

［項目３］
前記演算回路は、前記複数の電気信号の値の総和が所定の閾値を超えている場合にのみ、前記発光位置の算出および前記放射線源の位置の算出を行う、項目２に記載の放射線カメラ。

［項目４］
前記演算回路は、前記複数の検出器から出力された複数の電気信号が示す画像に対する平均化処理によって得られる画像における輝度値が相対的に高い複数の領域の各々の中心位置を算出し、各中心位置と各マイクロレンズの位置とに基づいて前記シンチレータ内の発光位置の３次元座標を算出し、前記発光位置と前記ピンホールの位置とに基づいて前記放射線源の２次元座標を算出する、項目１から３のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目５］
前記演算回路は、前記複数の検出器から出力された複数の電気信号の値の総和からガンマ線のエネルギー分布を算出することにより、前記放射線源の種類を特定する、項目１から４のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目６］
前記検出器アレイは動画像を取得し、
前記演算回路は、前記動画像のフレームごとに前記放射線源の２次元座標および放射線強度の２次元分布を算出し、他のカメラから得られた可視光画像に前記放射線強度の２次元分布の画像を重畳した画像データを生成して出力する、項目２から５のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目７］
前記シンチレータは、ヨウ化セシウム、ヨウ化ナトリウム、またはプラスチックを含む材料で構成されている、項目１から６のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目８］
前記複数のマイクロレンズの各々は、半球レンズまたはボールレンズである、項目１から７のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目９］
前記複数のマイクロレンズは、前記検出器アレイが配列された面に平行な互いに直交する２つの方向に沿って配列されており、前記２つの方向の各々における前記マイクロレンズの配列数は３以下である、
項目１から８のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目１０］
前記検出器アレイは、少なくとも１つのシリコンイメージセンサが有する複数の検出器のアレイである、項目１から９のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目１１］
前記遮蔽体は、鉛またはタングステンで構成されている、項目１から１０のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目１２］
前記遮蔽体は、前記シンチレータを囲む部分の厚さが２．０ｃｍ以上であり、
前記ピンホールは、前記遮蔽体に空けられた空孔であり、
前記空孔の径は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である、項目１から１１のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目１３］
前記ピンホールは、前記遮蔽体に空けられた空孔であり、
前記遮蔽体は、前記ピンホールを通過する放射線の量を調整するアタッチメントを取り付けることが可能な構造を有する、
項目１から１２のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目１４］
前記アタッチメントをさらに備え、
前記アタッチメントは、タングステン製である、項目１３に記載の放射線カメラ。

［項目１５］
前記遮蔽体における前記ピンホールの周辺の部分の厚さは、前記マイクロレンズアレイに近接する部分の厚さよりも大きい、項目１から１４のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目１６］
円弧上または直線上に配列された複数のイメージセンサを備え、
前記検出器アレイは、前記複数のイメージセンサにおける複数の検出器のアレイである、
項目１から１５のいずれかに記載の放射線カメラ。

［項目１７］
生体に放射線を出射する放射線源と、
前記生体を透過した前記放射線を可視光に変換するシンチレータと、
各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、
各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータ、および前記放射線源の配置関係を示す情報とに基づいて、前記生体の放射線画像の情報を生成して出力する演算回路と、
を備える放射線カメラ。

［項目１８］
生体内の放射線源から出射された放射線の方向を特定の方向に制限するコリメータと、
前記コリメータを通過した前記放射線を可視光に変換するシンチレータと、
各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、
各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータの配置関係を示す情報とに基づいて、前記生体の放射線画像の情報を生成して出力する演算回路と、
を備える放射線カメラ。

以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。

（実施形態１）
第１の実施形態として、本開示の放射線カメラをガンマカメラに適用した実施形態を説明する。

図１Ａは、本実施形態におけるガンマカメラ１００の概略的な構成を示す断面図である。ガンマカメラ１００は、環境中の計測対象エリアの放射線源の２次元分布に関する情報を生成する。例えば、放射線源の２次元分布を可視化した画像データを生成する。ガンマカメラ１００は、ピンホール２を有する筐体（遮蔽体）１と、筐体１の内部に配置されたシンチレータ３、透明基板４、複数のマイクロレンズ（マイクロレンズアレイ）５、およびイメージセンサ６とを備えている。

筐体１は、ガンマ線を遮蔽する材料（例えば鉛またはタングステン）で構成されている。筐体１は、ガンマ線が通過するピンホール２を有する。筐体１の外壁の厚さは、例えば２．０ｃｍ以上である。ピンホール２は、ガンマ線が入射する側の外壁に空けられた空孔であり、その径は、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。ここで「径」とは、空孔が円形の場合は直径を意味し、円形ではない場合は長さが最大である方向の長さを意味する。

シンチレータ３は、ピンホール２を通過したガンマ線の経路上に位置し、ガンマ線のエネルギーを吸収して多数のフォトンを発生させる。このように、シンチレータ３は、ガンマ線を可視光に変換する。

イメージセンサ６は、複数の光検出器（「光検出セル」または「画素」とも呼ぶ。）を有する検出器アレイ６ａを有する。複数の光検出器は、イメージセンサ６の撮像面上に２次元的に配列されている。各光検出器は、典型的にはフォトダイオードであり、可視光を受けて受光量に応じた電気信号を出力する。

透明基板４は、シンチレータ３とマイクロレンズアレイ５との間において両者を接合する部材である。マイクロレンズアレイ５は、シンチレータ３と検出器アレイ６ａとの間に位置する。本実施形態のマイクロレンズアレイ５は、２行２列に配列された４つのマイクロレンズを含む。これらのマイクロレンズの各々は、シンチレータ３から生じた可視光を検出器アレイ６ａに集束させる。

ガンマカメラ１００は、さらに、データ処理装置３０を備えている。データ処理装置３０は、イメージセンサ６に接続され、検出器アレイ６ａから出力された信号を処理して放射源の位置を示す情報を生成して出力する。

図１Ｂは、データ処理装置３０の構成を示すブロック図である。データ処理装置３０は、検出器アレイ６ａに電気的に接続された入力インタフェース（ＩＦ）３１と、信号処理を行う演算回路３２と、各種のデータを記録するメモリ３４と、装置全体の動作を制御する制御回路３５と、生成されたデータを出力する出力インタフェース（ＩＦ）３３とを備えている。出力インタフェース３３は、例えば外部のディスプレイに接続され、そこに処理結果が表示される。

演算回路３２は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等の画像処理回路であり得る。演算回路３２は、各検出器から出力された電気信号と、検出器アレイ６ａ、マイクロレンズアレイ５、シンチレータ３、およびピンホール２の配置関係を示す情報とに基づいて、放射線源の位置を示す情報を生成して出力する。上記配置関係を示す情報は、例えば各検出器、各マイクロレンズ、シンチレータ３、およびピンホール２の位置座標の情報であり得る。この情報は、メモリ３４等の記録媒体に予め記録されている。生成される放射線源の位置を示す情報は、例えば放射線源の２次元の座標情報であり得る。

制御回路３５は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマイクロコンピュータ（マイコン）等の集積回路によって実現され得る。制御回路３５は、例えばメモリ３４に記録された制御プログラムを実行することにより、イメージセンサ６および後述する可視光カメラへの撮像指示を行う。制御回路３２と演算回路３２は、統合された１つの回路によって実現されていてもよい。

ピンホール２を通過したガンマ線は、シンチレータ３内で吸収され蛍光（即ち可視光）を発する。全方向に射出される蛍光の一部は、マイクロレンズアレイ５によってイメージセンサ６上に集光される。イメージセンサ６は、その光を検出し、画素ごとに受光量に応じた信号を出力する。

本実施形態のガンマカメラ１００の主な特徴は、シンチレータ３とイメージセンサ６との間にマイクロレンズアレイ５が配置されている点にある。これにより、イメージセンサ６の撮像面には、シンチレータ３内の発光点の位置および複数のマイクロレンズの位置によって定まる特定の位置の周辺に輝度の高い複数の領域が形成される。イメージセンサ６は、その輝度分布に応じた２次元イメージの信号を生成してデータ処理装置３０に送る。データ処理装置３０における演算回路３２は、イメージセンサ６から送られてきた２次元イメージの信号を処理し、放射線源の位置を特定し、２次元分布画像として不図示のディスプレイに表示する。

図２Ａは、本実施形態における処理の全体像を示す図である。本実施形態におけるガンマカメラ１００は、可視光イメージを取得する可視カメラユニット２００と組み合わせて用いられる。可視カメラユニット２００は、ガンマカメラ１００に隣接して配置される。可視カメラユニット２００は、イメージセンサ４６と、レンズ４８とを備える。イメージセンサ４６は、通常のカラー画像を生成して出力する。ガンマカメラ１００におけるイメージセンサ６および可視カメラユニット２００におけるイメージセンサ４６は、同時に撮像するように制御回路３５によって制御される。

図２Ａおよび図２Ｂを参照しながら、データ処理装置３０による動作を説明する。図２Ｂは、演算回路３２が実行する１フレームあたりの処理の流れを示すフローチャートである。ガンマカメラ１００のイメージセンサ６は、動画撮像モードで駆動される。例えば１５ｆｐｓ（フレーム毎秒）でフレームの画像を連続して出力する。演算回路３２は、得られた画像信号から総信号量（全画素の積算出力電子数に対応）を算出する（ステップＳ１０１）。そして、その値が一定の閾値を越えているか否かを判断する（ステップＳ１０２）。総信号量が閾値を超えている場合、ガンマ線を検出したと判断し、シンチレータ３内の発光位置を計算するステップＳ１０４および放射線源の位置を計算するステップＳ１０５に進む。総信号量が閾値以下の場合、ガンマ線は検出されなかったと判断してそのフレームの画像データを捨てる（ステップＳ１０３）。演算回路３２は、以上の処理をフレームごとに実行する。

本実施形態における演算回路３２は、ガンマ線の検出に用いる上記の閾値を、固定値ではなく検出中に変化させる。これは、イメージセンサ６のノイズ（暗電流）がイメージセンサ６の温度によって変動するためである。演算回路３２は、検出判定前に１００フレーム程度の画像データを平均化して基準値を決定しておく。その基準値に対して対象のフレームの総信号量が一定量以上大きい場合に、ガンマ線が検出されたと判断する。演算回路３２は、常に直前の１００フレーム程度の平均値を基準値として用いる。その際、ガンマ線が検出されたフレームのデータは基準値の計算から省くことにする。ここでは、１００フレームの平均値を基準値として用いる例を挙げたが、このような例に限定されない。平均化する対象のフレームの数は、イメージセンサ６の特性および使用環境に応じて最適な数に設定すればよい。イメージセンサ６のノイズが大きい場合、より多くのフレームのデータで平均化する必要がある。一方、使用する環境温度の変化が大きい場合、フレーム数を少なくして時間的な変動の成分を除去する必要がある。

次に、シンチレータ３内の発光位置を計算する処理（ステップＳ１０４）と、放射線源の位置を計算する処理（ステップＳ１０５）とを説明する。

図３は、これらの処理を説明するための図である。図３は、２行２列に配列されたマイクロレンズアレイ５を有するガンマカメラ１００のある断面を示している。ここで、イメージセンサ６の撮像面に平行な互いに直交する２つの方向を、ｘ軸方向およびｙ軸方向とし、これらに垂直な方向をｚ軸方向とする。マイクロレンズアレイ５は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に２つずつ並んだ４個のマイクロレンズを含む。マイクロレンズが４個であるため、それぞれのマイクロレンズで集束した光によってイメージセンサ６は、４点のイメージを得る（図２Ａの（ａ））。４点はそれぞれ、１つの画素に全フォトンが集中するわけではなく、複数の画素にまたがって広がりを持って検出される。それぞれの広がりを持った信号から、演算回路３２は、４点の中心位置（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）、（ｘ４，ｙ４）を求める。図３には、（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）の２点が示されている。４点の検出位置から光線を逆に辿ることにより、シンチレータ３内の発光位置（ｘ，ｙ，ｚ）を特定できる。４点の検出位置と４つのマイクロレンズの光学中心を通る直線の交点が発光位置（ｘ，ｙ，ｚ）である。発光位置（ｘ，ｙ，ｚ）とピンホール２の位置とを結ぶ直線が、イメージセンサ６から一定距離に位置する仮想的なスクリーンと交差する点の座標（Ｘ，Ｙ）がガンマ線源の座標を表している。以上の演算により、演算回路３２は、１つのガンマ線によるシンチレータ３の発光からその放射線源の位置を算出できる。

続いて、図２Ａを再び参照して放射線源の空間分布を検出する方法を説明する。

ガンマ線が検出された場合、図２Ａの（ａ）に示すように、信号中に輝度の高い４点が検出される。この４点の位置に基づいて、演算回路３２は、上述の算出方法を用いて放射線源の位置座標（Ｘ，Ｙ）を算出する。

図２Ａ（ｂ）は、フレームごとに算出された座標（Ｘ，Ｙ）を、放射線源の位置として示している。演算回路３２は、１つのフレームについて放射線源の位置を算出すると、その座標情報をメモリ３４に記録し、次のフレームについて図２Ｂに示す処理を実行する。演算回路３２は、放射線が検出されなかったフレームは捨て、放射線が検出されたフレームについては放射線源の位置座標（Ｘ，Ｙ）を算出しメモリ３４に記録する。演算回路３２は、以上の処理を繰り返し、統計的に意味のある検出が行われるまで検出を繰り返す。

検出が完了すると、演算回路３２は、放射線が検出されたｎ個のフレームにおける位置座標（Ｘ，Ｙ）に基づいて、ガンマ線源の２次元分布のイメージ（ガンマイメージと称する。）を生成して表示する（図３の（ｃ））。さらに、ガンマカメラ１００に近接して配置された可視カメラ２００による可視画像（図３の（ｄ））と重畳することにより、可視画像上にガンマ線源の分布を表示する（図３の（ｅ））。ここで可視画像とガンマイメージの画角は揃えておく必要がある。

以上の処理により、演算回路３２は、放射線源の２次元分布を示す画像を生成することができる。この画像は、ディスプレイに表示してもよいし、可視画像に重畳された新たな画像データとして記録媒体に保存してもよい。

以上のように、本実施形態における演算回路３２は、複数の検出器の各々から出力された電気信号と、検出器アレイ、マイクロレンズアレイ、シンチレータ、およびピンホールの配置関係を示す情報とに基づいて、放射線源の位置を示す情報を生成して出力する。より具体的には、複数の検出器から出力された複数の電気信号が示す画像における輝度値が相対的に高い複数の領域の位置と、複数のマイクロレンズの位置とに基づいて、シンチレータ内の発光位置を算出し、発光位置とピンホールの位置とに基づいて、放射線源の位置を算出する。これにより、放射線源の位置を高い精度で特定することができる。

演算回路３２は、放射線源の位置の特定だけでなく、ガンマ線のエネルギー分光も同時に行ことができる。これは、シンチレータ３で発光する最大のフォトン数は検出されるガンマ線のエネルギーに比例することがわかっているためである。ガンマ線検出時に得られる信号電子数を横軸に、頻度を縦軸に表すと、図２Ａの（ｆ）に示すような電子数累積のグラフが得られる。このグラフに示される分布は、ガンマ線のエネルギーに相当する位置に信号ピークを持ち、低エネルギー側になだらかに変化する分布となる。あらかじめガンマ線エネルギーと信号電子数との関係を求めておけば、検出の際にガンマ線の核種を特定できる。原子力災害の周辺では、事故直後を除けば問題となる核種はセシウム１３７（半減期３０．２年、ガンマ線エネルギー６６２ｋｅＶ）とセシウム１３４（半減期２．０６年、ガンマ線エネルギー５６３ｋｅＶ）である。自然放射線と原子力災害に起因する放射線との区別や、ガンマカメラが正常に動作しているか否かの判定のために、ガンマ線エネルギーを検出する機能は有用である。

（実施例）
以下、実際に製作したガンマカメラの構成を説明する。

＜シンチレータ＞
本実施例のガンマカメラは、シリコンイメージセンサで高エネルギーのガンマ線を検出するためにシンチレータを用いている。シンチレータの選択は特に重要である。ガンマ線と物質との相互作用は材料の質量数で決まるため、できる限り大きい原子番号の材料を選択することが望ましい。シンチレータ用いる場合、ガンマ線吸収という観点ではＢＧＯ（ゲルマニウム酸ビスマス：Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２）が最も有効であるが、ＢＧＯは高価である。タリウム添加ヨウ化セシウム（ＣｓＩ（Ｔｌ））は比較的ガンマ線との相互作用が大きく、安価で、シリコン半導体の検出感度が高い５６５ｎｍの発光波長を持っている。安価で高性能なガンマカメラの実現という本実施例の目的に適しているため、シンチレータの材料としてタリウム添加ヨウ化セシウムを選択した。

図４は、放射線検出材料とガンマ線との相互作用の強さ（エネルギー吸収率）の厚さ依存性を示す図である。ＣｄＴｅでは５０％のガンマ線エネルギー吸収のためには１２ｍｍの厚さが必要である。ＣｓＩシンチレータでは、１５ｍｍで５０％のエネルギー吸収が、４０ｍｍで約９０％のエネルギー吸収が可能である。より安価なプラスチックシンチレーションファイバ（ＰＣＦ）の結果も図４に示している。プラスチックシンチレーションファイバは質量数が小さく、５０％のエネルギー吸収のためには７０ｍｍの厚さが必要である。このため、本実施例ではＰＣＦの使用を断念した。

安価なシンチレータとしては、タリウム添加ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ（Ｔｌ））も選択可能である。しかし、この材料はガンマ線吸収率が低く、発光波長もシリコンイメージセンサの感度の低い４１５ｎｍであることが課題となる。本実施例では、イメージセンサのサイズとガンマ線エネルギー吸収率とのバランスを考慮して、平面サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さが５ｍｍのタリウム添加ヨウ化セシウムを選択した。

＜マイクロレンズアレイ＞
次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら、本実施例におけるマイクロレンズアレイを含む光学系の設計を説明する。イメージセンサには固有のノイズがあるため、できるだけ多くのフォトンをイメージセンサに入射させる必要がある。例えばＣｓ１３７からエネルギー６６７ｋｅＶのガンマ線がＣＳＩ（Ｔｌ）シンチレータに入射した際には５６５ｎｍの波長のフォトンが最大２２０００個放出される。これらのフォトンをできる限り多くイメージセンサに入射させるための光学系の設計は重要である。

図５Ａに示すように、シンチレータ３内の発光位置からマイクロレンズアレイ５までの距離Ｄをパラメータとして、２×２、３×３、１０×１０の３種類のマイクロレンズアレイで集光した場合のマイクロレンズひとつあたりのフォトン数を計算した。図５Ｂは、その結果を示す図である。マイクロレンズを小さくすることによる焦点距離の短縮の効果を考慮しても、シンチレータの厚さを考えると、マイクロレンズ径はできるだけ大きくすることがフォトン数を増やすためには有効であることが分かる。この結果から、本実施例では、２×２のマイクロレンズアレイを選択した。図５Ｂから明らかなように、マイクロレンズはできるだけ大きく、焦点距離を縮めるためレンズパワーの大きいレンズを採用することがフォトン数を増やすために有効である。このような観点から、マイクロレンズとしては直径４．８ｍｍのボールレンズを採用した。４つのボールレンズを２×２（２行２列）で並べてマイクロレンズアレイを構成した。この例に限らず、マイクロレンズアレイにおける複数のマイクロレンズは、例えば１行２列、１行３列、２行３列、または３行３列に配列されていてもよい。これらの例は、複数のマイクロレンズが配列された２つの方向の各々におけるマイクロレンズの配列数が３以下の例である。設計によっては一方向あたりのマイクロレンズの配列数を４以上にしてもよい。

＜イメージセンサ＞
本開示のガンマカメラは基本的にはピンホールカメラの原理を採用しているため、空間解像度はイメージセンサのサイズに依存する。性能面からは、できるだけ撮像面の面積の大きいイメージセンサの採用が望ましい。しかし、撮像面の面積が拡大すると急速に価格が上昇する。このため、コストと性能とをバランスさせることが重要である。本実施例では、フォーザーズフォーマットのＣＭＯＳイメージセンサを選択した。フォーサーズフォーマットのイメージセンサの画面サイズは１７．３ｍｍ×１３ｍｍである。

以上の部品を用いて、ガンマカメラの光学系を構成した。図６は、実際の光学系の設計を示す図である。光学系は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍのシンチレータ３と、１０ｍｍ×１０ｍｍ×４ｍｍの透明板７と、２行２列に配列された直径４．８ｍｍの４個のボールレンズ５とを有する。これらが遮光板８で固定されている。フォーサーズサイズのイメージセンサ６（面積１７．３ｍｍ×１３ｍｍ）が、シンチレータ３からの発光のマイクロレンズ５による焦点位置の付近に配置されている。

ここで、信号処理の際のノイズ除去について説明する。イメージセンサ６は画素ごとにノイズを持っている。このため、信号が微弱な場合には単純な信号処理では放射線の信号がノイズに埋もれて検出できないことがある。本実施例のガンマカメラでは、Ｃｓ１３７からのエネルギー６６２ｋｅＶのガンマ線がＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータに入射した際にフォトンは最大２２０００個放出される。図５Ｂを参照すると、本実施例では、１マイクロレンズあたり約５５０個程度のフォトンがイメージセンサに入射する。シリコンイメージセンサ６の量子効率を７０％と仮定すると、約４００個の電子がイメージセンサ６で発生する計算になる。これらの電子が１画素に入射すれば検出は困難ではないが、実際には多くの画素に分散して入射する。１画素あたりの入射フォトン数が小さいと画素ノイズと信号が同程度となり検出が困難になる。

図７Ａは、実際に得られる画素ごとの信号の例を示す図である。図７Ｂは、信号強度の２次元分布の例を示す図である。図７Ａの上の図に示すように、ランダムノイズと信号とが同程度のレベルとなるため、信号を検出することは困難である。本実施例では、画素が微細な場合には画素間の平均化を行っても十分な精度でガンマ線の位置の検出が可能であることに着目し、１１×１１画素の平均化を行った。図７Ａおよび図７Ｂの下の図は、平均化後の検出信号の例を示している。ランダムノイズが平均化されて、信号ピークが検出され易くなることがわかる。このような平均化処理により、信号値の高い領域の中心座標を高い精度で求めることができる。

＜遮蔽材料＞
ガンマカメラではピンホール以外の場所から到達するガンマ線をできるだけ取り除くことにより解像度を向上させることができる。ガンマ線の遮蔽効果を高めるためには原子番号の大きい材料で厚くシンチレータを取り囲むことが有効である。Ｃｓ１３７のガンマ線を想定した場合、鉛材料では約６ｍｍで線量を５０％に低減でき、タングステンを用いた場合には約４ｍｍで線量を５０％に低減できる。従来のガンマカメラでは検出器を厚さ数ｃｍの鉛で完全に取り囲んで遮蔽するような設計が行われていた。遮蔽性能を重視して遮蔽材料の厚さを増すと、ガンマカメラは大型化し、重量も大きくなる。これによって撮影の負荷が大きくなり、可搬性が犠牲になる。従来のガンマカメラが大型で高価で取り扱いが困難であった理由のひとつは、この遮蔽体による大型化および重量化が原因であった。

そこで本実施例では発想を転換し、遮蔽材量をできるだけ減らすことで可搬性を上げ、コストを下げ、撮像負荷を低減し、子供や女性でも簡単に撮像できるようなガンマカメラを目指した。遮蔽材料を減らすことでピンホール以外の部分から入射するガンマ線の寄与が増加するため、測定対象の放射線源の線量測定の精度は低下し、空間解像度も低下する。本実施例において線量測定の絶対精度を犠牲にしたのは、空間線量を測定する安価で高性能な測定器が既に市販されており、そのような測定器と併用できると考えたためである。例えば、安価で高性能なシンチレーション検出器やガイガーカウンター等の測定器が市販されており、そのような空間線量計と本実施例のガンマカメラとを併用することができる。

ガンマカメラは、小さいピンホールを透過する特定の方向からのガンマ線だけを検出するため、原理的に空間線量の測定には向かない。空間線量計では、全方向からのガンマ線を検出できるため、弱い放射線量の場所ではガンマカメラに比べて１／１００〜１／１０００の時間で線量計測が可能である。従って、広い範囲の放射線をサーベイするような目的では、ガンマカメラではなく既存の空間線量計を用いることが合理的である。空間線量計でサーベイし、特異に強い放射線が検出された場所と方向とを特定した上で、その方向をガンマカメラで撮像することで放射線源を特定することができる。このような使用により、効率的な除染に役立てることができる。空間線量計を用いた線源の方向の特定には、例えば空間線量計の片面を鉛等で遮蔽して、周囲の線量を測定するといった方法が可能である。これにより、放射源のおおよその方向を特定できる。

遮蔽材料を減らした場合のもうひとつの課題である空間解像度の低下については、本実施例では、画像処理によって解決した。ピンホール以外を透過するガンマ線はイメージセンサの撮像面上のランダムな位置に入射する。このため、ガンマ線が入射した位置を示す画像（例えば図２Ａの（ａ））を生成する際に、信号処理によって取り除くことができる。具体的には、高い光強度が検出された位置の近傍に同様に高い光強度が検出されなかった独立した検出位置のデータを除外することにより、ピンホール以外を透過するガンマ線の影響を最小限にすることができる。

図８は、遮蔽体の構造の一例を示す断面図である。この実施例では、同じ厚さで重量を軽減できるように、鉛製の遮蔽体９−１、９−２が、シンチレータ３を取り巻くように配置されている。なお、図８では遮蔽体９−１、９−２が分断されているように見えるが、実際には連続した１つの構造体である。遮蔽体９−１、９−２の厚さは、ガンマ線の透過率が１０％以下になるように、約２０ｍｍとした。

イメージセンサ６は、図８では画素エリアのみが示されているが、実際にはパッケージに封入され画像処理チップとともに回路基板に接続されている。イメージセンサ６を完全に遮蔽しようとすると、遮蔽体の体積が増加し、重量が大きくなる。そこで、図８に示す実施例では、イメージセンサ６の裏面側が薄い（厚さ１０ｍｍ）鉛製の遮蔽体９−３で簡易的に遮蔽されている。このような構成により、全体の寸法を小さくすること、遮蔽体をシンチレータ３にできるだけ近接させること、および遮蔽体の構造を簡素化することができ、ガンマカメラの大幅な軽量化を実現した。このように、遮蔽体におけるピンホールの周辺の部分の厚さよりも、イメージセンサ（またはマイクロレンズアレイ）に近接する部分の厚さを薄くしてもよい。

＜ピンホール＞
図８において、鉛製の遮蔽体９−１、９−２の中央上部に開いた空孔がピンホール２であり、ここをガンマ線が透過する。図８に示す実施例では、ピンホール２を、鉛材料である遮蔽体９−１、９−２の上部と下部から円錐形に穴を開けて作成した。図中で最も狭い領域の径がピンホール径となる。図８は、直径約３ｍｍのピンホール２を設けた例を示している。本実施例では、ガンマ線の入射角が３０°以下となるように設計されている。一般的なピンホールカメラと同様に、このピンホール径がガンマカメラの性能を決定する重要な要素となる。ピンホール径が小さいほど解像度が高くなり、感度は低下する。ピンホールカメラでは感度と解像度とはトレードオフの関係にある。使用環境と目的に応じて、ピンホール径を変更できる様に、ピンホールアタッチメント１０を設計した。ピンホールアタッチメント１０は、鉛製の遮蔽体９−１、９−２の内部に納まる形状になっている。遮蔽体９−１、９−２は、ピンホールアタッチメント１０を取り付け可能な構造（本実施例では、ねじ溝９ａ）を有する。ピンホールアタッチメント１０は、遮蔽体９−１、９−２の上部のねじ溝９ａに固定できるようにねじ山が切られている。このアタッチメント１０を取り付けることでピンホール径は３ｍｍから１．５ｍｍに縮小できる。アタッチメントは用途に合わせて、ピンホール径が１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍの３種類を作成した。アタッチメント１０の材料は鉛でなくタングステンとした。これは、鉛は柔らかいため変形しやすく、遮蔽体との間に隙間ができるおそれがあるためである。タングステンを用いることで、隙間の発生を防ぐことができる。

本実施例では、放射線量の低い場所では、アタッチメント１０を外して高感度に放射線を測定することができる。一方、放射線量の高い場所では例えばピンホール径１．５ｍｍのアタッチメントを装着し、高解像度で測定を行うことができる。

以上の構成で作製されたガンマカメラを用いてガンマ線画像の取得試験を行った。ガンマ線源としては８．７ＭＢｑのＣｓ１３７を用い、１ｍ離れた位置で検出を行った。この位置でのシンチレーションカウンタで測定した放射線量は０．８１マイクロシーベルト毎時であった。直径１．５ｍｍのピンホールを有するアタッチメントを用いた本実施例のガンマカメラで検出を行った。２０分間の検出で２８２カウントのガンマ線検出シグナルが得られた（１４．１ＣＰＭ）。この検出信号を上述のデータ処理方式で画像化したところ、ガンマ線源の位置に相当する箇所にガンマ線画像が得られた。これにより、本実施例のガンマカメラの性能が実証できた。国際放射線防護委員会（ＩＣＲＰ）の勧告では、一般公衆の人工放射線の限度は０．２３マイクロシーベルト毎時と定められている。よって、この放射線量が測定可能なガンマカメラが求められている。上記の実測結果から、０．２３マイクロシーベルト毎時の環境でも２０分間の計測で８０ＣＰＭの検出が可能である。このように、実用的な環境放射線の測定が可能となった。

（実施形態２）
上述のように、放射線を検出する部分（特に遮蔽体）をできるだけコンパクトに設計することで軽量化が実現できる。第２の実施形態として、空間解像度を向上させるために第１の実施形態よりも大きいイメージセンサ６を用いながら、よりコンパクトに設計されたガンマカメラを説明する。

図９Ａは、本実施形態におけるガンマカメラの構成を示す断面図である。図９Ｂは、マイクロレンズアレイの構成を示す図である。図９Ｂの上の図は、マイクロレンズアレイの平面図であり、下の図は、上の図のＡ−Ａ’線断面図である。図示されるように、本実施形態では、３×３（３行３列）で配列された９個のマイクロレンズが用いられ、それに伴って比較的大型のイメージセンサ６が用いられる。

本実施形態において用いられるイメージセンサ６は、例えばＡＰＳ−Ｃフォーマット（画素領域寸法２３．６ｍｍ×１５．８ｍｍ）のＣＭＯＳイメージセンサである。３行３列に配列された９個のマイクロレンズを用いている。ただし９個のすべてのマイクロレンズで集光された光束の全てがイメージセンサ６の撮像面（即ち画素領域）に入るのではなく、発光場所によって異なる２つ以上のマイクロレンズを透過した光束が画素領域で捉えられるように光学系が設計されている。これは、１つのマイクロレンズで補足されるフォトンの数をできるだけ大きくすることと、イメージセンサ６の面積をできるだけ有効に使うことを意図したためである。実施形態１において説明したように、２つ以上の光束の中心位置がイメージセンサ６で検出されれば光線を逆にたどることにより発光位置を特定できる。本実施形態でも、同様の演算を行うことにより、発光位置および放射源の位置を特定できる。

本実施形態でも、図８の構成と同様、鉛の構造物である遮蔽体９−１、９−２における空孔がピンホール２を構成する。ピンホール２を通過したガンマ線はシンチレータ３の内部で発光する。シンチレータ３には、上記の実施例と同じく、例えばタリウム添加ヨウ化セシウム（ＣｓＩ（Ｔｌ））を用いることができる。発光した光はマイクロレンズアレイ５−１、５−２を透過してイメージセンサ６上に集光される。マイクロレンズアレイ５−１、５−２の各々は、３行３列に配列された同じ形状の９個の球面マイクロレンズを含む。マイクロレンズアレイ５−１、５−２を対向させて張り合わせることでボールレンズと同等の強いレンズパワーが実現される。図９Ａに示すように、遮蔽体９−１、９−２には、シンチレータ３を固定するための治具１１、およびマクロレンズアレイ５−１、５−２を固定するための治具１２が設けられている。マイクロレンズアレイ５−１のマイクロレンズ間の領域には遮光膜１３が形成されている。

実施形態１では、可視カメラやデータ信号処理などのガンマカメラに必要な機能はすべて一台のガンマカメラに搭載されていた。本実施形態では、スマートフォンやタブレット端末と連携してガンマカメラとして機能するシステムを構築した例を説明する。演算や画像処理、記憶装置はスマートフォン側の機能を用いることにより、安価なシステムを実現することができる。さらに、スマートフォンにはカメラ、通信機能、ＧＰＳ機能が標準的に装備されているので、これらを用いることでより高機能なガンマカメラを安価に提供できる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、スマートフォン１４と連携したガンマカメラ（ガンマ線検出ユニット）１６の構成例を示している。図１０Ａに示すように、内蔵カメラ１５を備えたスマートフォン１４にガンマ線検出ユニット１６を取り付けて使用する。図１０Ｂは、ガンマ線検出ユニット１６の詳細構成を示す断面図である。筐体１７の内部の放射線検出部は図９Ａに示したものを使用した。イメージセンサチップ１８は、画像信号処理基板１９−１に接続されており、そこからスマートフォンとの通信用の基板１９−２が接続されている。画像信号処理基板１９−１に、図１Ｂに示す演算回路３２と同様の演算回路が搭載されている。電源はバッテリー２０から供給される。このバッテリー２０は背面側からのガンマ線がシンチレータに進入するのを防ぐ遮蔽材としての役割も果たしている。

ガンマカメラの制御は、あらかじめスマートフォン１４にインストールされた制御用のアプリケーションを起動することにより行われる。測定開始時にスマートフォン１４の内臓カメラ１４で測定領域の写真を撮像する。スマートフォン１４からの測定開始の信号をガンマ線検出ユニット１６が受けて放射線検出を開始する。放射線画像の作成方法は基本的には実施形態１の方法と同じであるが、一部の演算はスマートフォンの側で行われてもよい。

本実施形態では、３×３のマイクロレンズアレイを用いており、マイクロレンズで集光された光束の一部がイメージセンサで検出される。演算回路は、動画モードで連続して得られる画像信号から総信号量（全画素の積算出力電子数に対応）を算出する。その値が一定の閾値を越えている場合、ガンマ線を検出しているとして、シンチレータ内の発光位置の算出を行う。本実施形態の光学系は、３×３のマイクロレンズアレイからの光束のうち、必ず２点以上の光束が検出されるように設計されている。よって、検出された光束の中心位置（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、・・・を求め、検出位置から光線を逆にたどることにより、シンチレータ３内の発光位置（ｘ，ｙ，ｚ）を計算することができる。その座標情報と、ピンホール２の位置情報とから、ガンマ線源の座標（Ｘ，Ｙ）を計算することができる。ここまでの演算はガンマ線検出ユニット１６内の画像処理基板１９−１が行う。

得られた放射線源の座標（Ｘ，Ｙ）と検出信号量（または放射線カウント数）を示す情報は、通信基板１９−２を用いて、無線通信によってスマートフォン１４に送信される。これ以降の信号処理はスマートフォン１４が行う。スマートフォン１４は、放射線測定開始時に撮影したカラー画像の上に、ガンマ線検出ユニット１６から受け取った放射線源の座標と放射線カウント数の情報を表示する。ただし、放射線の測定は長時間になるので、スマートフォンのバッテリー容量を保つために、画像は常時表示でなく、定期的またはスマートフォンに触ったときのみ表示するような設定とすることができる。測定の完了は、あらかじめ測定時間を設定するモードと放射線カウント数が一定量に達すると自動的に測定を終了するモードとが選択できることが望ましい。

測定が完了した後、スマートフォン１４は、例えば、放射線検出画像に対してノイズ除去と平滑化を行い、放射線量に応じて濃淡をつけた画像をカラー写真に重畳した新たな画像のデータを作成して記録する。ガンマ線検出時に得られた信号電子数を横軸に、縦軸に頻度を表すガンマ線エネルギー分光のグラフ（例えば図２Ａ（ｆ））を作成し記憶装置に記録してもよい。さらに、スマートフォン１４のＧＰＳ機能を用い、測定した場所と時間の情報を地図データ上に記録してもよい。スマートフォン１４の通信機能を利用して、これらのデータをインターネット上にアップロードすることも可能である。

以上のように、本実施形態のガンマカメラは、スマートフォン１４の機能を活用することで安価に構成できる。さらに、スマートフォン１４の機能を活用することでガンマカメラの機能を向上させることが可能になる。

（実施形態３）
ここまでの実施形態では、環境中のガンマ線源を撮影するためのガンマカメラへの応用例を示した。本実施形態では、医療用途や検査用途で広く用いられているＸ線撮像システムへの適用例について説明する。Ｘ線撮像システムには、発生させたＸ線を生体または試料に透過させて撮像するシステムが広く用いられている。旧来は、感光フィルムを用いた撮影が行われていたが、近年ではイメージセンサを用いるデジタル式のＸ線撮像システムが中心になっている。低エネルギー（例えば１０ｋｅＶ未満）のＸ線ではシリコン半導体の検出感度が十分に高いため、直接シリコンイメージセンサでＸ線を検出できる。しかし、透過性の高い高エネルギー（例えば１００ｋｅＶ以上）のＸ線撮像装置では、シリコンの感度が不足する。そこで、本実施形態では、シンチレータとシリコンイメージセンサとを組み合わせることにより、高い感度でＸ線を検出できる放射線カメラを実現している。

既に述べたように、シンチレータは蛍光を全方向に放出するため、厚いシンチレータから発した光は拡散してイメージセンサに届く。このため解像度が低下するという問題があった。この問題を避けるために、シンチレータとシリコンイメージセンサとの間に光ファイバを束にしてイメージを伝送するファイバオプティックプレートを挿入してイメージの広がりを抑制する方法が用いられている。しかし、ファイバオプティックプレートを用いてもシンチレータ内の光の広がりは抑えられず、また、解像度はファイバの太さ以上には上げられない。このため、ファオバオプティックプレートを用いた方式では解像度に限界があった。本実施形態のように、シンチレータとイメージセンサとをマイクロレンズアレイで結合することにより、シンチレータでの光の広がりの影響を除外して高い解像度を得ることができる。

図１１Ａは、本実施形態における放射線カメラ（Ｘ線イメージング装置とも呼ぶ。）の概略構成を示す図である。Ｘ線源２２で発生したＸ線２３は、生体２１を透過し、ＣｓＩシンチレータ３内で吸収されて蛍光（可視光）が発生する。蛍光は透明基板４を透過し、マイクロレンズアレイ５で集光されイメージセンサ６上の複数の点に結像する。ここでは大面積の画素領域を実現するために複数のイメージセンサ６を１つの面上（直線上）に並べている。イメージセンサ６の配列数を増やすことで容易に撮像面積を増加させることができる。既に述べた方法で撮像面上の複数の検出点からシンチレータ３内の発光位置を算出できる。この発光位置の情報に基づいて、制御回路は、発光位置と線源２２とを結ぶ直線上のＸ線透過画像（放射線画像とも呼ぶ。）を生成することができる。この方法により、シンチレータ３内での蛍光の広がりの影響をなくし正確な発光位置が算出可能となる。すなわち、Ｘ線イメージング装置の解像度を大幅に向上できる。

図１１Ｂは、シンチレータ３、マイクロレンズアレイ５、およびイメージセンサ６のそれぞれを、Ｘ線源２２を中心とする円弧上に配置した構成例を示す図である。このような構成で、装置全体をＸ線源２２を中心に回転させながら撮像することで生体２１をさまざまな方向からＸ線で撮影することができる。得られた画像を再構成処理することで、物体の内部構造の情報を得ることができる。これは、コンピュータ断層撮影法（Ｘ線ＣＴ）と呼ばれる方式に本開示のＸ線検出方法を適用した例である。

本実施形態の課題は、同時に多数の蛍光が発生してイメージセンサ６に入射した場合、それぞれの蛍光を分離できず、発光位置が特定できなくなる点である。少ない数の同時検出であれば演算によりある程度分離が可能であるが、１フレームには一つの蛍光が検出されることが望ましい。このためには、光源の強度を下げて時間をかけて撮影を行うか、イメージセンサ６のフレームレートを高くして高速撮像を行う必要がある。最近では、１００００ｆｐｓを超えるようなグローバルシャッタを搭載した高速イメージセンサが市販されるようになっている。このような高速イメージセンサを用いることもできる。しかし、通常のイメージセンサと比べると高価であるため、性能とコストを見極めて設計する必要がある。

ここではＸ線源を用いた装置について説明したが、線源はＸ線でなくガンマ線であってもよい。Ｘ線とガンマ線は同じ短波長の電磁波であり、その電磁波としての振る舞いに差は無い。発生原理が異なり、原子核内のエネルギー遷移により発生するのがガンマ線であり、軌道電子のエネルギー遷移により発生するのがＸ線である。ガンマ線源を光源に用いることにより、安価で軽量かつ小型の装置を構成できる。

Ｘ線イメージング装置は医療用だけでなく、手荷物・食品・工業製品の非破壊検査などの分野で広く用いられている。本開示の放射線カメラの機構はこのようなＸ線イメージング装置の解像度を向上できるため、幅広い分野に適用が可能である。

（実施形態４）
次に第４の実施形態として、ガンマカメラの核医学的検査への応用例を説明する。

核医学的検査では、単フォトン放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）や、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）と呼ばれる技術が用いられている。ＳＰＥＣＴは、微量のガンマ線を放出する放射性同位元素（クエン酸ガリウム、塩化タリウムなど）を体内に入れ、その分布状況を放射線量から読み取りコンピュータで断層画像化する。一方、ＰＥＴでは陽電子を放出する放射性同位元素を体内に注入し、体内の陰電子と結合して発生する消滅ガンマ線を測定し断層画像化する。どちらの方法もガンマ線を検出するので、本開示の放射線カメラの原理が適用できる。

図１２は、本開示のガンマ線検出方法を適用したＳＰＥＣＴ装置の例を示す構成図である。第３の実施形態のＸ線イメージング装置との違いは、線源が生体２１内にある点である。線源の位置が不明であるため、検出器アレイ（イメージセンサ６）の前にコリメータ２６を配置し、ガンマ線の入射方向を制限する必要がある。体内の放射性同位元素２４から放出されたガンマ線２５はコリメータ２６で選別され、ＣｓＩシンチレータ３内で吸収されて蛍光が発生する。蛍光は透明基板４を透過し、マイクロレンズアレイ５で集光されイメージセンサ６上の複数の点に結像する。ここでも大面積の画素領域を実現するために複数のイメージセンサ６を面上に並べているが、イメージセンサ６の数は１つでもよい。このような構成により、制御回路は、上述の実施形態と同様の演算を行うことにより、生体２１の放射線画像を得ることができる。

従来のＳＰＥＣＴ装置では、シンチレータ内での蛍光の拡散を抑えるため、シンチレータをコリメータと同じサイズに分割し柱状のシンチレータを並べて光検出器に結合するような構成が用いられてきた。このようなシンチレータおよび検出器の機械加工および組み立てにはコストがかかる。本実施形態のようにシンチレータ３とイメージセンサ６とをマイクロレンズアレイ５で結合する方式はコスト削減に有効である。ここではＳＰＥＣＴの例を示したが、ＰＥＴについてもガンマ線の検出を行う基本的な構成は同じである。ＰＥＴの場合は反対方向に放出される二つのガンマ線を検出する必要がある。このため、本開示の技術をＰＥＴに応用する場合は、コリメータ、シンチレータ、マイクロレンズ、イメージセンサの各々を、体を取り囲むように円形状または円弧状に配置すればよい。

１ ガンマ線遮蔽筐体
２ ピンホール
３ シンチレータ
４ 透明基板
５，５−１，５−２ マイクロレンズアレイ
６ イメージセンサ
７ 透明板
８ 遮光材料
９−１，９−２，９−３ 鉛遮蔽体
１０ タングステン製ピンホールアダプタ
１１ シンチレータ固定冶具
１２ マイクロレンズ固定冶具
１３ 遮光膜
１４ スマートフォン
１５ スマートフォン内蔵カメラ
１６ ガンマ線検出ユニット
１７ ガンマ線検出ユニット筐体
１８ イメージセンサチップ
１９−１ 画像処理基板
１９−２ 通信基板
２０ バッテリー
２１ 生体
２２ Ｘ線源
２３ Ｘ線
２４ 放射性同位元素
２５ ガンマ線
２６ コリメータ
３０ データ処理装置
３１ 入力インタフェース
３２ 演算回路
３３ 出力インタフェース
３４ メモリ
３５ 制御回路
４６ イメージセンサ
４８ レンズ
１００ ガンマカメラ
２００ 可視カメラユニット

Claims (18)

1. 放射線を遮蔽する材料で構成され、ピンホールを有する遮蔽体と、
   前記遮蔽体に囲まれ、前記ピンホールを通過した放射線を可視光に変換するシンチレータと、
   各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、
   各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
   前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータ、および前記ピンホールの配置関係を示す情報とに基づいて、放射線源の位置を示す情報を生成して出力する演算回路と、
   を備える放射線カメラ。
2. 前記演算回路は、前記複数の検出器から出力された複数の電気信号が示す画像における輝度値が相対的に高い複数の領域の位置と、前記複数のマイクロレンズの位置とに基づいて、前記シンチレータ内の発光位置を算出し、前記発光位置と前記ピンホールの位置とに基づいて、前記放射線源の位置を算出する、請求項１に記載の放射線カメラ。
3. 前記演算回路は、前記複数の電気信号の値の総和が所定の閾値を超えている場合にのみ、前記発光位置の算出および前記放射線源の位置の算出を行う、請求項２に記載の放射線カメラ。
4. 前記演算回路は、前記複数の検出器から出力された複数の電気信号が示す画像に対する平均化処理によって得られる画像における輝度値が相対的に高い複数の領域の各々の中心位置を算出し、各中心位置と各マイクロレンズの位置とに基づいて前記シンチレータ内の発光位置の３次元座標を算出し、前記発光位置と前記ピンホールの位置とに基づいて前記放射線源の２次元座標を算出する、請求項１から３のいずれかに記載の放射線カメラ。
5. 前記演算回路は、前記複数の検出器から出力された複数の電気信号の値の総和からガンマ線のエネルギー分布を算出することにより、前記放射線源の種類を特定する、請求項１から４のいずれかに記載の放射線カメラ。
6. 前記検出器アレイは動画像を取得し、
   前記演算回路は、前記動画像のフレームごとに前記放射線源の２次元座標および放射線強度の２次元分布を算出し、他のカメラから得られた可視光画像に前記放射線強度の２次元分布の画像を重畳した画像データを生成して出力する、請求項２から５のいずれかに記載の放射線カメラ。
7. 前記シンチレータは、ヨウ化セシウム、ヨウ化ナトリウム、またはプラスチックを含む材料で構成されている、請求項１から６のいずれかに記載の放射線カメラ。
8. 前記複数のマイクロレンズの各々は、半球レンズまたはボールレンズである、請求項１から７のいずれかに記載の放射線カメラ。
9. 前記複数のマイクロレンズは、前記検出器アレイが配列された面に平行な互いに直交する２つの方向に沿って配列されており、前記２つの方向の各々における前記マイクロレンズの配列数は３以下である、
   請求項１から８のいずれかに記載の放射線カメラ。
10. 前記検出器アレイは、少なくとも１つのシリコンイメージセンサが有する複数の検出器のアレイである、請求項１から９のいずれかに記載の放射線カメラ。
11. 前記遮蔽体は、鉛またはタングステンで構成されている、請求項１から１０のいずれかに記載の放射線カメラ。
12. 前記遮蔽体は、前記シンチレータを囲む部分の厚さが２．０ｃｍ以上であり、
    前記ピンホールは、前記遮蔽体に空けられた空孔であり、
    前記空孔の径は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項１から１１のいずれかに記載の放射線カメラ。
13. 前記ピンホールは、前記遮蔽体に空けられた空孔であり、
    前記遮蔽体は、前記ピンホールを通過する放射線の量を調整するアタッチメントを取り付けることが可能な構造を有する、
    請求項１から１２のいずれかに記載の放射線カメラ。
14. 前記アタッチメントをさらに備え、
    前記アタッチメントは、タングステン製である、請求項１３に記載の放射線カメラ。
15. 前記遮蔽体における前記ピンホールの周辺の部分の厚さは、前記マイクロレンズアレイに近接する部分の厚さよりも大きい、請求項１から１４のいずれかに記載の放射線カメラ。
16. 円弧上または直線上に配列された複数のイメージセンサを備え、
    前記検出器アレイは、前記複数のイメージセンサにおける複数の検出器のアレイである、
    請求項１から１５のいずれかに記載の放射線カメラ。
17. 生体に放射線を出射する放射線源と、
    前記生体を透過した前記放射線を可視光に変換するシンチレータと、
    各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、
    各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
    前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータ、および前記放射線源の配置関係を示す情報とに基づいて、前記生体の放射線画像の情報を生成して出力する演算回路と、
    を備える放射線カメラ。
18. 生体内の放射線源から出射された放射線の方向を特定の方向に制限するコリメータと、
    前記コリメータを通過した前記放射線を可視光に変換するシンチレータと、
    各々が可視光を検出して電気信号を出力する複数の検出器が配列された検出器アレイと、
    各々が前記シンチレータと前記検出器アレイとの間に配置され、前記シンチレータから生じた可視光を前記検出器アレイに集束させる複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
    前記検出器アレイに接続された演算回路であって、前記複数の検出器の各々から出力された前記電気信号と、前記検出器アレイ、前記マイクロレンズアレイ、前記シンチレータの配置関係を示す情報とに基づいて、前記生体の放射線画像の情報を生成して出力する演算回路と、
    を備える放射線カメラ。

Images