JP2017044518A - 信号処理装置及び放射線測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】入力信号に含まれる測定対象の微弱信号のSN比が悪い状態からSN比が十分に良い状態までの広い範囲で対応でき、微弱信号の検出精度を改善できる信号処理装置及び放射線測定装置を提供すること。【解決手段】信号処理装置(1)は、測定対象の微弱信号を含む入力信号を取り込み、当該入力信号にノイズを加算したノイズ加算信号を第1の閾値で閾値処理し、前記第1の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第1の閾値処理信号を出力する第1の検出部(10)と、前記入力信号を前記第1の検出部と並列に取り込み、当該入力信号を第2の閾値で閾値処理し、前記第2の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第2の閾値処理信号を出力する第2の検出部(20)と、前記第1の閾値処理信号、前記第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分が前記微弱信号に対応した信号であるかを判別する判別部(30)と、を具備する。【選択図】図1

Description

本発明は、微弱信号を検出する信号処理装装置及び放射線測定装置に関する。
従来、背景ノイズに埋もれた微弱信号を検出するために確率共鳴(SR:Stochastic Resonance)を用いる方法が研究されている。例えば、微弱信号が含まれる入力信号に対してノイズを加算することで、微弱信号に確率共鳴を発現させる方法が知られている(例えば、特許文献1)。かかる確率共鳴の発現方法においては、ノイズが加算されたノイズ加算信号を閾値処理して2値化信号に変換し、微弱信号を再生する。
特開2013−135244号公報
しかしながら、特許文献1に記載された確率共鳴回路は、微弱信号が含まれる入力信号に対してノイズを加算するため、検出対象の微弱信号と背景ノイズとの比で表されるSN比によっては、ノイズを加算することでかえって微弱信号のSN比が悪化する問題がある。例えば、検出対象となる微弱信号の信号レベルが背景ノイズよりも十分に大きい場合に、入力信号にノイズを印加して確率共鳴を発現させてしまうと、微弱信号のSN比が悪化して再生不能になる可能性があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、入力信号に含まれる測定対象の微弱信号のSN比が悪い状態からSN比が十分に良い状態までの広い範囲で対応でき、微弱信号の検出精度を改善できる信号処理装置及び放射線測定装置を提供することを目的の一つとする。
本発明の信号処理装置は、測定対象の微弱信号を含む入力信号を取り込み、当該入力信号にノイズを加算したノイズ加算信号を第1の閾値で閾値処理し、前記第1の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第1の閾値処理信号を出力する第1の検出部と、前記入力信号を前記第1の検出部と並列に取り込み、当該入力信号を第2の閾値で閾値処理し、前記第2の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第2の閾値処理信号を出力する第2の検出部と、前記第1の閾値処理信号、前記第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分が前記微弱信号に対応した信号であるかを判別する判別部と、を具備したことを特徴とする。
また、本発明の放射線測定装置は、入射する放射線のエネルギーに応じた微弱信号を含む検出信号を出力する放射線検出部と、前記放射線検出部から前記検出信号を取り込んで、前記検出信号から微弱信号を検出する信号処理部と、前記信号処理部から出力される出力信号に基づいて放射線量を計測する線量換算部と、を具備した放射線測定装置であって、前記信号処理部は、測定対象の微弱信号を含む入力信号を取り込み、当該入力信号にノイズを加算したノイズ加算信号を第1の閾値で閾値処理し、前記第1の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第1の閾値処理信号を出力する第1の検出部と、前記入力信号を前記第1の検出部と並列に取り込み、当該入力信号を第2の閾値で閾値処理し、前記第2の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第2の閾値処理信号を出力する第2の検出部と、前記第1の閾値処理信号、前記第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分が前記微弱信号に対応した信号であるかを判別する判別部と、を備え、前記線量換算部は、前記第1の検出部と前記第2の検出部での前記微弱信号のそれぞれの増幅度に対応した個別の換算係数を適用して放射線量を計測することを特徴とする。
本発明によれば、入力信号に含まれる測定対象の微弱信号のSN比が悪い状態からSN比が十分に良い状態までの広い範囲で、測定対象の微弱信号の検出確率の改善を図ることが可能となる。
第1の実施の形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。 第1の実施の形態に係る信号処理装置の構成を示す回路構成図である。 第1の比較部におけるノイズ加算信号と出力信号の関係を示す模式図である。 第2の比較部における微弱信号を含む入力信号と出力信号の関係を示す模式図である。 第2の実施の形態に係る放射線測定装置の構成を示すブロック図である。 第1の実施の形態に係る信号処理装置の別の例を示す回路構成図である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る信号処理装置は、確率共鳴を利用して微弱信号を検出する各種装置に適用可能である。
図1に示すように、第1の実施の形態に係る信号処理装置1は、測定対象の微弱信号を含む入力信号Vinに対してノイズを印加して確率共鳴を発現させる確率共鳴部として機能する第1の検出部10と、測定対象の微弱信号を含む入力信号Vinを第1の検出部10と並列に取り込んで、ノイズ印加せずに閾値処理する第2の検出部20と、第1の検出部10及び第2の検出部20からの出力信号に再生された微弱信号が含まれているか判別して、判別した微弱信号に対応したパルス波形成分を含む信号を出力する判別部30と、判別部30からの出力信号に含まれる微弱信号に対応したパルス数をカウントするカウント部40と、を備える。
図2は、第1の実施の形態に係る信号処理装置1の回路構成図である。図2に示すように、第1の検出部10は、ノイズを生成するノイズ生成部11と、入力信号Vinに対してノイズ生成部11によって生成されたノイズを加算してノイズ加算信号を出力するノイズ加算部12と、一方の入力端子にノイズ加算信号が入力され、他方の入力端子に第1の閾値ref1が与えられ、ノイズ加算信号を第1の閾値ref1と比較して第1の閾値処理信号を生成する第1の比較部13と、第1の比較部13に他方の入力端子に第1の閾値ref1となる参照電圧を供給する電圧源14と、を備える。なお、ノイズ生成部11は、生成ノイズのノイズ強度を設定可能である。また、第1の比較部13はヒステリシス特性を有するコンパレータで構成されている。ノイズ生成部11が生成するノイズは、少なくとも測定対象信号の周波数よりも広帯域において同じ強度となるノイズであってもよい。ノイズ生成部11が生成するノイズとしてはホワイトノイズ、ガウシアンノイズ(ホワイトガウスノイズ)、1/f揺らぎノイズなどを用いることができる。
第2の検出部20では、第2の比較部23の一方の入力端子に入力信号Vinが入力され、他方の入力端子に第2の閾値ref2が与えられる。第2の閾値ref2は電圧源24から参照電圧として供給される。第2の比較部23は、ノイズが印加されていない入力信号Vinを第2の閾値ref2と比較して第2の閾値処理信号を生成する。なお、第2の比較部23はヒステリシス特性を有するコンパレータで構成されている。
次に、第1の実施の形態に係る信号処理装置の動作について説明する。
図3は、第1の比較部13に入力されるノイズ加算信号と、第1の比較部13から出力される出力信号の関係を示す模式図である。同図に示すノイズ加算信号は、ノイズ生成部11で生成されたノイズを、測定対象の微弱信号を含む入力信号Vinに加算した信号である。ノイズ加算信号の区間t1には測定対象の微弱信号に対応したパルス波形成分が表れている。
第1の比較部13は、ノイズ加算信号と第1の閾値ref1を比較し、ノイズ加算信号が第1の閾値ref1より大きい場合にハイレベル信号(例えば1)を出力し、ノイズ加算信号が第1の閾値ref1より小さい場合にローレベル信号(例えば0)を出力する。このように、第1の比較部13は、入力されたノイズ加算信号を、第1の閾値ref1で閾値処理し、微弱信号に対応したパルス波形成分を有する第1の閾値処理信号を出力する。第1の検出部10は第1の比較部13の出力端からの第1の閾値処理信号を判別部30に入力する。
ここで、第1の検出部10では、ノイズ加算部12において、入力信号Vinに所定強度のノイズが加算されるため、確率共鳴現象が発現する。この確率共鳴現象により、入力信号Vinのうち測定対象の微弱信号が存在する区間t1においては、微弱信号が存在していない区間t1以外の信号レベルと比べてある閾値を超える信号レベルの確率が急激に高くなる。第1の比較部13には、微弱信号が存在する区間t1の信号レベルと、微弱信号が存在していない区間t1以外の信号レベルとのレベル差に着目し、微弱信号が存在する区間t1(すなわち微弱信号自体)を取り出すのに適した第1の閾値ref1が設定される。第1の比較部13はヒステリシス特性を有するコンパレータであるため、第1の比較部13の出力信号は、図3に示すように測定対象の微弱信号に対応した区間t1がハイレベルとなるパルス波形成分を含んだ信号となる。
このように、第1の検出部10においては、測定対象の微弱信号を含む入力信号に対して所定強度のノイズを加算して確率共鳴を発現させてから閾値処理することで、微弱信号が背景ノイズに埋もれているような測定環境、例えばSN比<1(SN比は微弱信号と背景ノイズの信号の強度比を表す)において、測定対象の微弱信号を再生して取り出すことができる。第1の比較部13は、測定対象の微弱信号に対応する期間t1がハイレベルとなるパルス波形成分を含んだ第1の閾値処理信号を出力する。
一方、第2の検出部20においては、入力信号Vinに対してノイズ加算することなく、入力信号Vinから測定対象の微弱信号を取り出すのに適した第2の閾値ref2を用いて閾値処理している。図4は、第2の検出部20に取り込まれる入力信号Vinと、第2の比較部23から出力される出力信号を示す模式図である。同図に示す入力信号Vinは、測定対象の微弱信号の信号レベルが背景ノイズよりも相対的に十分に大きい状態である。区間t1に測定対象の微弱信号であるパルスが含まれている。
第2の比較部23は、入力された入力信号Vinと第2の閾値ref2を比較し、入力信号Vinが第2の閾値ref2より大きい場合にハイレベル信号(例えば1)を出力し、入力信号Vinが第2の閾値ref2より小さい場合にローレベル信号(例えば0)を出力する。ここで、測定対象の微弱信号が背景ノイズに埋もれないような測定環境、例えばSN比>1において、確率共鳴現象を利用しなくても、入力信号Vinのうち測定対象の微弱信号が存在する区間t1においては、微弱信号が存在していない区間t1以外の信号レベルと比べ、ある閾値を超える信号レベルになっている。このようなSN比が良好な入力信号Vinにノイズを印加して確率共鳴を発現させてしまうと、却って測定対象の微弱信号が歪んでしまって検出精度が劣化する。
そこで、ノイズ印加による確率共鳴を発現させていない入力信号Vinにおける、測定対象の微弱信号と背景ノイズの信号レベルの差に着目して第2の閾値ref2を決定している。本例では、第2の閾値ref2は、第2の検出部20に取り込まれる入力信号Vinの背景ノイズ(予想される平均的な背景ノイズ)より大きく、かつ、測定対象の微弱信号のピーク値(予想される平均的な微弱信号ピーク値)より小さい値に設定することが好ましい。このように第2の閾値ref2を設定することで、入力信号Vinに含まれる背景ノイズよりも微弱信号の信号レベルが高い測定環境において、ノイズ印加による信号歪を生じさせることなく、第2の閾値ref2を用いて測定対象の微弱信号を再生して取り出すことができる。第2の比較部23は、測定対象の微弱信号に対応する期間t1がハイレベルとなるパルス波形成分を含んだ第2の閾値処理信号を出力する。
判別部30は、第1の検出部10と第2の検出部20から並列に第1の閾値処理信号及び第2の閾値処理信号を取り込み、入力信号Vinに含まれる測定対象の微弱信号であるかどうかを判別する。第1の閾値処理信号及び第2の閾値処理信号には測定対象の微弱信号に対応したパルス波形成分の他にもノイズに起因したパルス成分が含まれる。判別部30は、測定対象の微弱信号に対応したパルス波形成分を特定するためのパラメータ(パルス幅等)を有している。判別部30は、入力された第1の閾値処理信号及び第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分が測定対象の微弱信号に対応したパルス波形成分であるか上記パラメータに基づいて判別する。また、判別部30は、第1の閾値処理信号と第2の閾値処理信号とで同時に測定対象の微弱信号に対応したパルス波形成分を検出した場合は、第2の閾値処理信号で検出された微弱信号を選択する。すなわち、ノイズ加算していない第2の検出部20による閾値処理で再生された微弱信号(パルス波形)を優先して選択する。
そして、判別部30は、第1の閾値処理信号、第2の閾値処理信号から検出された微弱信号の判別信号をカウント部40に出力する。この時、判別部30は、後工程での処理のために判別信号とは別に、又は判別信号に追加する形で第1の閾値処理信号と第2の閾値処理信号のうちどちらから微弱信号を判別したのかを示す情報を出力する。
第1の実施の形態においては、背景ノイズに比べて微弱信号の信号レベルが大きい場合(例えば、SN比>1)、第2の比較部23から出力される第2の閾値処理信号に再生されたパルス波形の方が、第1の比較部13から出力される第1の閾値処理信号に含まれたパルス波形よりも微弱信号である信頼性が高い。一方、背景ノイズに比べて微弱信号の信号レベルが小さい場合(例えば、SN比<1)、第1の比較部13から出力される第1の閾値処理信号に再生されたパルス波形の方が、第2の比較部23から出力される第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形よりも微弱信号である信頼性が高い。
したがって、第1の検出部10から出力される第1の閾値処理信号と、第2の検出部20から出力される第2の閾値処理信号とから並列に微弱信号の有無を判別することで、入力信号Vinに含まれる測定対象の微弱信号のSN比が悪い状態からSN比が十分に良い状態までの広い範囲で微弱信号の検出精度の改善を図ることができる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、上述した第1の実施の形態に係る信号処理装置を放射線測定装置に適用した例である。
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る放射線測定装置100の全体構成を示すブロック図である。第2の実施の形態では、入力される測定対象の微弱信号である放射線のSN比が悪い状態からSN比が十分に良い状態までの広い範囲で放射線の検出確率の改善を図ることができる。
放射線測定装置100は、入射した放射線量に応じたシンチレーション光を発生するシンチレータ101と、シンチレータ101で発生したシンチレーション光を反射させるライトガイド102と、ライトガイド102を介して導かれたシンチレーション光に応じた微弱信号を出力する光検出器103と、光検出器103から出力された微弱信号を入力する信号処理装置2と、信号処理装置2から出力された信号を入力する線量換算部104を有する。本例では、シンチレータ101、ライトガイド102及び光検出器103からなる構成要素を放射線検出部と呼ぶこととする。
シンチレータ101は、外部から放射線が入射すると、放射線がシンチレータ101に与えたエネルギーに応じたシンチレーション光(蛍光)を発生させる。シンチレータ101で発生したシンチレーション光は、ライトガイド102に入射し、ライトガイド102内で反射を繰り返し、光検出器103に到達する。光検出器103は、光電効果によりシンチレーション光の入射光量に応じた微弱信号を出力し、この微弱信号を含む入力信号Vinを信号処理装置2に入力する。
信号処理装置2は、第1の実施の形態に係る信号処理装置1と基本構成は同じであるが、第1の閾値処理信号と第2の閾値処理信号に基づいたパルスカウントを別々に行うカウント部41を有している。なお、信号処理装置2の構成要素のうち第1の実施の形態の信号処理装置1と同一機能を有する構成要素は同一符号を用いて説明する。
判別部31は、第1の閾値処理信号と第2の閾値処理信号から別々に微弱信号に対応したパルス波形を検出してパルス判別結果をカウント部41へ出力する。第1の閾値処理信号と第2の閾値処理信号で同時に微弱信号が検出された場合には、カウント部41において第2の閾値処理信号のパルス判別結果のみを選択したことを通知するための選択情報がカウント部41へ与えられる。
カウント部41は、第1の検出部10から出力される第1の閾値処理信号に基づいて再生された微弱信号のパルス数を計測する第1のパルスカウント部42と、第2の検出部20から出力される第2の閾値処理信号に基づいて再生された微弱信号のパルス数を計測する第2のパルスカウント部43と、を有する。第1のパルスカウント部42は、第1の閾値処理信号と第2の閾値処理信号から同時に微弱信号が検出された場合に、判別部31から通知される選択信号によって第1の閾値処理信号に基づいたパルス判別結果を除外する。
具体的には、カウント部41は、第1のパルスカウント部42において第1の閾値処理信号のパルス判別結果からパルス数の計測を行い、第2のパルスカウント部43において第2の閾値処理信号のパルス判別結果からパルス数の計測を行う。そして、カウント部41は、第1のパルスカウント部42、第2のパルスカウント部43から出力されるパルスカウント数をそれぞれ線量換算部104に入力する。
線量換算部104は、第1のパルスカウント部42で計測されたパルスカウント数と第2のパルスカウント部43で計測されたパルスカウント数とを、それぞれに適合した線量換算用の換算係数をそれぞれ適用して放射線量に換算する。なお、換算係数とは、第1のパルスカウント部42及び第2のパルスカウント部43で計測されたパルス数からシンチレータ101に入射した放射線量に変換するための係数である。第1の検出部と第2の検出部とで微弱信号の増幅率が異なるので、第1の検出部と第2の検出部での微弱信号ぞれぞれの増幅度に対応する換算係数が準備される。
このように、線量換算部104は、第1のパルスカウント部42のパルスカウント数と、第2のパルスカウント部43のパルスカウント数に対して、それぞれ異なる換算係数を適用するので、第1の検出部10と第2の検出部20といった増幅率の異なる2系統で微弱信号を検出しても、正確に入射放射線量を算出することができる。
なお、放射線測定装置100に対して、基準放射線源などを用いて時間当たり一定量の放射線を入射させることにより、線量換算部104における換算係数を求めることが可能である。例えば、基準放射線源から一定の既知の割合で基準放射線が放射されている場合を考える。かかる場合、基準放射線から入射される放射線の一定時間あたりの入射放射線量や、微弱信号のパルス形状は既知である。そのため、当該放射線の入射時に第1のパルスカウント部42と第2のパルスカウント部43で一定時間あたりのパルス数をそれぞれ測定すれば、第1のパルスカウント部42のパルスカウント数に対して適切な換算係数と、第2のパルスカウント部43のパルスカウント数に対して適切な換算係数とを求めることができる。
また、換算係数は入射する放射線の核種や線種などに応じて適宜変更するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態においては、第1の比較部13及び第2の比較部23において入力された信号が閾値以上の場合に1を出力し、信号が閾値未満の場合に0を出力したが、第1の比較部13又は第2の比較部23の出力はこれに限られない。例えば、第1の比較部13又は第2の比較部23は、入力された信号が閾値以上の場合に0を出力し、信号が閾値未満の場合に1を出力してもよい。
また、上述した実施の形態においては、第1の検出部10と第2の検出部20の2つの検出部を用いたが、検出部の数はこれに限らない。例えば、それぞれ2値化処理の閾値が異なる3つ以上の検出部を用いるようにしてもよい。また、判別部は上記の構成に限らない。
また、上述した実施の形態においては、第1の検出部10を1つだけ備えた構成を例示したが、図6に示すように、複数の第1の検出部10−1〜10−Nを並列に設けて検出対象の微弱信号に対して独立したノイズを印加し、各第1の検出部10−1〜10−Nの出力信号を加算部50で加算し、ローパスフィルターからなる波形整形部51で矩形波に波形整形してから出力する構成としてもよい。このとき、電圧源14に設定する第1の閾値ref1は共通の値としてもよいし又は個別に調整してもよい。このように複数の第1の検出部10−1〜10−Nにおいて独立したノイズを微弱信号に印加することで、SN比の改善をさらに図ることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。
1、2 信号処理装置
10 第1の検出部
11 ノイズ生成部
12 ノイズ加算部
13 第1の比較部
14、24 電圧源
20 第2の検出部
23 第2の比較器
30、31 判別部
40、41 カウント部
42 第1のパルスカウント部
43 第2のパルスカウント部
50 加算部
51 波形整形部
100 放射線計測装置
101 シンチレータ
102 ライトガイド
103 光検出器
104 線量換算部
Vin 入力信号
ref1 第1の閾値
ref2 第2の閾値

Claims (4)

  1. 測定対象の微弱信号を含む入力信号を取り込み、当該入力信号にノイズを加算したノイズ加算信号を第1の閾値で閾値処理し、前記第1の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第1の閾値処理信号を出力する第1の検出部と、
    前記入力信号を前記第1の検出部と並列に取り込み、当該入力信号を第2の閾値で閾値処理し、前記第2の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第2の閾値処理信号を出力する第2の検出部と、
    前記第1の閾値処理信号、前記第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分が前記微弱信号に対応した信号であるかを判別する判別部と、を具備したことを特徴とする信号処理装置。
  2. 前記判別部は、前記第1の閾値処理信号と前記第2の閾値処理信号とに同じタイミングで前記パルス波形が表れた場合、前記第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形を優先的に選択することを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。
  3. 前記判別部で微弱信号として判別された前記第1の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分と、前記第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分とを、個別にカウントするパルスカウント部を具備したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の信号処理装置。
  4. 入射する放射線のエネルギーに応じた微弱信号を含む検出信号を出力する放射線検出部と、
    前記放射線検出部から前記検出信号を取り込んで、前記検出信号から微弱信号を検出する信号処理部と、
    前記信号処理部から出力される出力信号に基づいて放射線量を計測する線量換算部と、を具備した放射線測定装置であって、
    前記信号処理部は、測定対象の微弱信号を含む入力信号を取り込み、当該入力信号にノイズを加算したノイズ加算信号を第1の閾値で閾値処理し、前記第1の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第1の閾値処理信号を出力する第1の検出部と、前記入力信号を前記第1の検出部と並列に取り込み、当該入力信号を第2の閾値で閾値処理し、前記第2の閾値を超えた前記微弱信号がパルス波形として含まれる第2の閾値処理信号を出力する第2の検出部と、前記第1の閾値処理信号、前記第2の閾値処理信号に含まれたパルス波形成分が前記微弱信号に対応した信号であるかを判別する判別部と、を備え、
    前記線量換算部は、前記第1の検出部と前記第2の検出部での前記微弱信号のそれぞれの増幅度に対応した個別の換算係数を適用して放射線量を計測することを特徴とする放射線測定装置。
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