JP2017191086A - 放射線位置検出器及びｐｅｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置及び時間を精度良く特定することができる放射線位置検出器及びＰＥＴ装置を提供する。【解決手段】放射線位置検出器１０は、入射した放射線と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなるラジエータ１２と、二次元に配列された複数の画素１３ｂを有し、複数の画素１３ｂがラジエータ１２の裏面１２ｂに対応するように配置された光検出器１３と、光検出器１３から出力された信号に基づいて、チェレンコフ光を検出した複数の画素１３ｂの位置情報及びその時刻情報を取得し、取得した位置情報及び時刻情報、並びにラジエータ１２におけるチェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、ラジエータ１２におけるチェレンコフ光の発生個所の位置を求める制御部１５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、放射線位置検出器及びＰＥＴ装置に関する。

従来、ラジエータ（媒質）に放射線が入射した際に発生するチェレンコフ光を検出することで、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置を検出する検出器が知られている。例えば非特許文献１には、立方体形状のラジエータの全６面が光検出器で覆われた検出器が開示されている。この検出器では、光検出器によって検出されたチェレンコフ光の到達時間及び到達場所の分布から、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置が決定される。

また、非特許文献２には、チェレンコフ光を利用したＴＯＦ−ＰＥＴ装置が開示されている。この装置では、セグメントに分割されたラジエータで発生したチェレンコフ光を検出することによって、高い時間分解能で放射線が相互作用したセグメントが決定される。

また、非特許文献３には、リングイメージ型のチェレンコフ検出器が開示されている。この検出器では、加速器によって運ばれる粒子の軌道上にラジエータが配置され、ラジエータの後方に光検出器が配置される。この検出器では、光検出器によって検出されるリングの大きさから粒子が識別される。

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しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、全６面が光検出器で覆われているので、検出される信号量が増加する。また、光検出器が備える固有の時間分解能が考慮されていない。そのため、この技術では、光検出器の有限の時間分解能のために、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置を精度良く検出することが困難である。

また、非特許文献２に記載された技術では、ラジエータをセグメントに分割することによって、どのセグメントで相互作用が生じたかを決定する。そのため、相互作用位置の情報がラジエータのセグメントのサイズによって制限される。この場合、空間分解能の向上が制限される虞がある。

また、非特許文献３に記載された技術は、粒子の識別を目的とするものであり、ラジエータにおける相互作用位置が固定されていることが前提となる。そのため、この技術に基づいて、放射線とラジエータとの相互作用の位置を検出することは困難である。

本発明は、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置及び時間を精度良く特定することができる放射線位置検出器及びＰＥＴ装置を提供することを目的とする。

一形態の放射線位置検出器及びＰＥＴ装置は、入射した放射線と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなるラジエータと、二次元に配列された複数の画素を有し、複数の画素がラジエータの所定面に対応するように配置された光検出器と、光検出器から出力された信号に基づいて、チェレンコフ光を検出した複数の画素の位置情報及びその時刻情報を取得し、取得した位置情報及び時刻情報、並びにラジエータにおけるチェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、ラジエータにおけるチェレンコフ光の発生個所の位置を求める制御部と、を備える。

このような放射線位置検出器及びＰＥＴ装置では、ラジエータ内に放射線が入射すると、放射線が媒質と相互作用して光電子が放出される。そして、光電子がラジエータ内でチェレンコフ光を放出した場合、チェレンコフ光は光検出器を構成する複数の画素によって検出される。指向性が高いチェレンコフ光は、セグメント化されていないラジエータ内で一方向に伝播する。そのため、チェレンコフ光を検出した複数の画素の位置情報及び時間情報から、チェレンコフ光の伝播軌跡を辿り、チェレンコフ光の発生個所の位置を求めることができる。この発生個所の位置は、光電子の発生位置、すなわち放射線の相互作用位置と略同じであると考えられる。したがって、求められたチェレンコフ光の発生個所の位置から、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置及び時間を精度良く特定することができる。

また、制御部は、媒質を構成する原子のうち最も光電効果を起こしやすい原子のＫ殻から光電子が放出された場合におけるチェレンコフ光の伝播軌跡を用いて、発生個所の位置を求めてもよい。チェレンコフ光の放出角度は、媒質の屈折率と、光電子を放出した原子のＫ殻の束縛エネルギーとによって決定される。そのため、最も光電効果を起こしやすい原子のＫ殻から光電子が放出されたものと仮定することによって、チェレンコフ光の放出角度を複数考慮する必要がなくなる。

また、チェレンコフ光の伝播軌跡は、放射線が媒質と相互作用することによって放出された光電子の軌跡を中心とした円錐形状であり、発生個所の位置は、円錐形状の頂点の位置であってもよい。チェレンコフ光の発生個所の位置を円錐形状の頂点の位置として求めることによって、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置を一意的に決定することができる。

また、制御部は、チェレンコフ光を検出した複数の画素にフィッティングする楕円に関する楕円情報に基づいて、円錐形状の頂点の位置を求めてもよい。チェレンコフ光は、光電子の進行軌跡を中心とした円錐状に広がる。これにより、光電子が光検出器に対して傾斜して進行する場合には、検出された複数の位置情報が示す位置は楕円の軌道上に配置される。そのため、実際に検出された複数の画素がフィッティングする楕円に関する情報を用いることによって、円錐形状の頂点の位置をより正確に求めることができる。

また、チェレンコフ光の伝播軌跡は、放射線が媒質と相互作用することによって放出された光電子の軌跡を中心とした円錐形状であり、制御部は、チェレンコフ光を検出した複数の画素の重心の位置を求めると共に、重心を中心とする楕円であって且つチェレンコフ光を検出した複数の画素にフィッティングする楕円に関する楕円情報に基づいて、円錐形状の頂点の位置を求め、所定面に平行な方向における重心の位置を、所定面に平行な方向における発生個所の位置とし、所定面に垂直な方向における頂点の位置を、所定面に垂直な方向における発生個所の位置としてもよい。これにより、放射線が媒質と相互作用することによって放出された光電子が直進しなかった場合であっても、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置及び時間を精度良く特定することができる。

また、制御部は、時刻情報に基づいて、所定期間にチェレンコフ光を検出した複数の画素が所定数よりも多い場合には発生個所の位置を求め、所定期間にチェレンコフ光を検出した複数の画素が所定数よりも少ない場合には発生個所の位置を求めなくてもよい。所定期間に検出されたチェレンコフ光は、同じ放射線に起因して放出されたと考えることができる。光検出器の位置情報からチェレンコフ光の伝播軌跡を辿る場合、チェレンコフ光を検出した画素の数が少ないと、相互作用位置を正確に特定することが難しい。そこで、チェレンコフ光を検出した画素が所定数よりも多い場合にチェレンコフ光の発生個所の位置を求め、チェレンコフ光を検出した画素が所定数よりも少ない場合にチェレンコフ光の発生個所の位置を求めないことによって、位置特定の精度を高めることができる。

また、放射線位置検出器及びＰＥＴ装置は、所定面を除くラジエータの外面に設けられ、チェレンコフ光を吸収する光吸収層を更に備えてもよい。これにより、チェレンコフ光の媒質表面での反射を抑制し、ノイズを低減することができる。

一形態の放射線位置検出器及びＰＥＴ装置によれば、ラジエータにおいて放射線が媒質と相互作用した位置及び時間を精度良く特定することができる。

図１の（ａ）は、第１実施形態のＰＥＴ装置の概略図であり、図１の（ｂ）は、ＰＥＴ装置における検出器リングの断面図である。 図２は、第１実施形態の放射線位置検出器の構成図である。 図３の（ａ）及び（ｂ）は、媒質内で放出されるチェレンコフ光の一態様を説明するための模式図である。 図４の（ａ）及び（ｂ）は、媒質内での放射線の相互作用位置を特定する原理を説明するための図である。 図５の（ａ）及び（ｂ）は、媒質内での放射線の相互作用位置を特定する原理を説明するための図である。 図６は、第１実施形態の制御部での相互作用位置を特定する処理フローの一態様を示すフロー図である。 図７は、第２実施形態の放射線位置検出器の構成図である。 図８は、第２実施形態の制御部での相互作用位置を特定する処理フローの一態様を示すフロー図である。 図９の（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）は、媒質内での放射線の相互作用位置を特定する原理を説明するための図である。 図１０の（ａ）及び（ｂ）は、媒質内で放出されるチェレンコフ光の他態様を説明するための模式図である。 図１１は、第１実施形態の制御部での相互作用位置を特定する処理フローの他態様を示すフロー図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
［第１実施形態］

図１の（ａ）は、第１実施形態のＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置の概略図である。図１の（ｂ）は、ＰＥＴ装置の検出器リングの断面図である。図１の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、ＰＥＴ装置１は、被検体Ｔが載置されるベッド（図示せず）と、断面円形状の開口を有するガントリ２と、ガントリ２内の検出器リングで検出されたデータが転送される画像処理部３と、を備えている。また、ＰＥＴ装置１のガントリ２内の検出器リングにおいては、所定線Ｌ０を中心線とする円周上に、複数の放射線位置検出器１０が互いに接触するようにリング状に配列されている。このＰＥＴ装置１は、複数のスライス位置において被検体Ｔの断層像を取得するために、陽電子放出核種（陽電子を放出する放射性同位元素）で標識された薬剤が投与された被検体Ｔから放出されるγ線（放射線）を検出する装置である。

図２は、放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。図２に示されるように、放射線位置検出器１０は、ラジエータ１２及び光検出器１３を有する検出部１１と、信号処理回路１６、記憶媒体１７及び位置算出回路１８を有する制御部１５と、を備えている。第１実施形態の放射線位置検出器１０は、ラジエータ１２内において、被検体Ｔから放出されたγ線が媒質と相互作用した位置を三次元的に決定する。

ラジエータ１２は、入射したγ線と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなる。ラジエータ１２は、例えば、γ線が入射する表面１２ａと、表面１２ａに対向する裏面（所定面）１２ｂと、表面１２ａと裏面１２ｂとを接続する側面１２ｃと、を有する平板状をなしている。第１実施形態のＰＥＴ装置１では、複数の放射線位置検出器１０における各ラジエータ１２の表面１２ａが所定線Ｌ０に臨むように配置される。ラジエータ１２内では、入射した放射線の相互作用によって光電効果が起こる。例えば、ラジエータ１２に原子番号の大きな原子が含まれていると、光電効果が起こりやすい。また、ラジエータ１２内におけるシンチレーション光の発生はノイズの原因となり得る。そこで、ラジエータ１２は、原子番号の大きな原子を含み且つシンチレーション光を発生し難い媒質（例えば、鉛ガラス（ＳｉＯ_２＋ＰｂＯ）、フッ化鉛（ＰｂＦ_２）、ＰＷＯ（ＰｂＷＯ_４）等）によって形成され得る。

ラジエータ１２の裏面１２ｂを除く外面である表面１２ａ及び側面１２ｃには、ラジエータ１２内で発生した光を吸収する光吸収層１２ｄが設けられている。光吸収層１２ｄは、例えば表面１２ａ及び側面１２ｃに貼着されたブラックテープである。また、光吸収層１２ｄは、表面１２ａ及び側面１２ｃに塗布された黒色の塗布膜であってもよい。

図３は、ラジエータ１２内で放出されるチェレンコフ光の一態様を説明するための模式図である。図３の（ａ）には、ラジエータ１２及び光検出器１３が断面視で模式的に示されており、図３の（ｂ）には、光検出器１３が平面視で模式的に示されている。図３の（ａ）に示されるように、ラジエータ１２の表面１２ａにγ線Ｇが入射すると、γ線Ｇがラジエータ１２内で相互作用し、光電子Ｄが放出される。そして、この光電子Ｄによってラジエータ１２内でチェレンコフ光Ｃが放出される。チェレンコフ光Ｃは、光電子Ｄの軌跡ＤＴを中心として円錐状に広がる伝播軌跡ＣＴを描く。光電子Ｄの軌跡ＤＴが検出面１３ａに対して傾斜している場合、図３の（ｂ）に示されるように、チェレンコフ光Ｃを検出する画素１３ｂの位置Ｓを結ぶと楕円Ｎが形成される。

再び図２を参照する。光検出器１３は、ラジエータ１２の裏面１２ｂに設けられており、ラジエータ１２内で発生したチェレンコフ光を検出する。光検出器１３は、光電変換を行う複数の画素１３ｂが二次元に配列された検出面１３ａを有している。複数の画素１３ｂは、ラジエータ１２の裏面１２ｂに対応している。より具体的には、光検出器１３は、裏面１２ｂと検出面１３ａとが互いに対面するように、ラジエータ１２にカップリングされている。各画素１３ｂは、検出面１３ａにおける画素１３ｂの位置情報であるセグメントアドレス、及び、チェレンコフ光を検出した検出時刻を保持することができる。光検出器１３は、セグメントアドレス、及び検出時刻を示す時刻情報をリストデータとして制御部１５に出力する。各画素１３ｂは、例えばＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）によって構成され得る。

制御部１５は、信号処理回路１６と、記憶媒体１７と、位置算出回路１８と、を有する。信号処理回路１６は、光検出器１３からリストデータを複数取得し、取得したリストデータを時刻情報に基づいてソートする。更に、信号処理回路１６は、取得したリストデータが有効であるか否かを判定する。そして、リストデータが有効であると判定された場合、信号処理回路１６は当該リストデータを記憶媒体１７に記憶する。リストデータの有効性は、同じγ線に起因して放出されたチェレンコフ光を検出した画素１３ｂのリストデータの数が所定数以上であるか否かによって判定される。例えば、所定の時間幅をもったタイムウィンドウ内に入るリストデータの数が所定数以上であるか否かによってリストデータの有効性を判定することができる。この場合、タイムウィンドウの時間幅は、同時刻にチェレンコフ光を検出した画素１３ｂのみがタイムウィンドウ内に入るように設定されるものであり、例えば５００ｐｓである。

位置算出回路１８は、信号処理回路１６によって有効であると判定された複数のリストデータを記憶媒体１７から取得する。そして、ラジエータ１２中におけるチェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、複数のリストデータからチェレンコフ光の発生個所の位置が算出される。位置算出回路１８は、例えば演算処理が行われるＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭといったメモリにより構成される記憶装置、並びに、入出力装置等を含むコンピュータである。また、位置算出回路１８は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）回路で構成されてもよい。

ここで、ラジエータ１２内においてγ線Ｇが媒質と相互作用した位置を決定する原理について説明する。位置算出回路１８では、この決定原理に基づいて相互作用位置の算出が実行される。図３に示されるように、チェレンコフ光Ｃは、光電子Ｄの進行軌跡ＤＴを中心として円錐状に広がる伝播軌跡ＣＴを描く。このようなチェレンコフ光Ｃの放出角度θ_ｃは、ラジエータ１２の屈折率をｎとし、ラジエータ１２中での光電子の速度をβとすると、式（１）の関係を満たす。

第１実施形態では、ラジエータ１２を構成する原子のうち最も光電効果を起こしやすい原子のＫ殻から光電子Ｄが放出された場合における、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴを用いて相互作用位置が算出される。入射したγ線ＧのエネルギーをＥ_γ、電子の質量をｍ_ｅ、光電効果を起こす原子のＫ殻の束縛エネルギーをＥ_Ｂ．Ｅ．とすると、チェレンコフ光Ｃの放出角度θ_ｃは、式（２）で示されるように、一定の角度となる。

そのため、チェレンコフ光Ｃを検出した画素１３ｂの位置を示すセグメントアドレスに基づいて、当該チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴを形成する円錐の形状を特定することができる。この円錐の頂点の位置は、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑであり、光電子Ｄの発生位置、すなわちγ線Ｇの相互作用位置と略同じである。

図４及び図５は、ラジエータ内でのγ線の相互作用位置を特定する原理を説明するための図である。以下の説明では、光検出器１３の検出面１３ａ上の任意の位置に原点を設定する。そして、検出面１３ａ上に設定されたＸ軸及びＹ軸と、ラジエータ１２側に延びるＺ軸とによって構成される直交座標系によって相互作用位置を特定する。この場合、光検出器１３の検出面１３ａの法線Ｈは、Ｚ軸に沿っている。光電子Ｄが検出面１３ａの法線Ｈに対して所定の角度で入射した場合、光検出器１３によって検出されるチェレンコフ光Ｃは、楕円Ｎを描く。図４の（ａ）には、光検出器１３によって検出された楕円Ｎの長軸の軸線Ｕ及び法線Ｈに沿った平面が示されており、図４の（ｂ）には、Ｘ−Ｙ平面が示されている。

図４の（ａ）では、楕円Ｎの長軸に沿った検出面１３ａが実線で示されており、光電子Ｄの進行軌跡ＤＴが破線で示されている。また、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴは二点鎖線で示されている。また、検出面１３ａの法線Ｈと光電子Ｄの進行軌跡ＤＴとのなす角度はθ_ｉであり、チェレンコフ光Ｃの放出角度はθ_ｃである。図４の（ａ）では、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴのうち、発生個所の位置Ｑから検出面１３ａまでの距離が最も短い軌跡（以下、「短辺ＳＴ」という場合がある）と、発生個所の位置Ｑから検出面１３ａまでの距離が最も長い軌跡（以下、「長辺ＬＴ」という場合がある）と、が示されている。なお、これらの短辺ＳＴと長辺ＬＴとの交点が発生個所の位置Ｑに相当し、ラジエータ１２に入射したγ線Ｇは当該位置において相互作用をしている。

図４の（ｂ）では、チェレンコフ光Ｃを検出した画素１３ｂの位置にフィッティングする楕円Ｎが描かれている。この楕円Ｎは、円錐状をなすチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴを角度θ_ｉで切断した形状であり、長さをａとする長軸と、長さをｂとする短軸と、を有する。また、図４の（ｂ）では、楕円Ｎの長軸に沿った軸線Ｕと、短軸に沿った軸線Ｖと、が示されている。この場合、軸線ＵとＸ軸とのなす角は、角度θ_ｅとなる。また、楕円Ｎの中心点の座標は（Ｘ_０、Ｙ_０）で示される。

図４において、光電子Ｄの進行軌跡ＤＴに垂直な仮想線であって、長辺ＬＴと検出面１３ａとの交点を通る仮想線を線Ｋとする。ここで、線Ｋから発生個所の位置Ｑまでの距離をＬ１とする。また、光電子Ｄの進行軌跡ＤＴの延長線と線Ｋとの交点から、短辺ＳＴの延長線又は長辺ＬＴと線Ｋとの交点までの距離をＲとする。また、光電子Ｄの進行軌跡ＤＴの延長線と検出面１３ａとの交点から線Ｋまでの距離をＬ２とする。また、光電子Ｄの進行軌跡ＤＴの延長線と検出面１３ａとの交点から、長辺ＬＴと線Ｋとの交点までの距離をｕとする。この場合、tanθ_ｃ、Ｌ２、ｕは、それぞれ以下の式（３）、式（４）、式（５）によって表すことができる。

ここで、以下の式（６）に示されるようにＰを定義すると、長軸の長さａ及び短軸の長さｂは、それぞれ式（７）、式（８）によって表される。

以上の式から、求める円錐形の頂点の位置、すなわちチェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑの座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、以下の式（９）、式（１０）の２通りに決定される。

図５の（ａ）には、ラジエータ１２及び光検出器１３が断面視で模式的に示されており、図５の（ｂ）には、光検出器１３が平面視で模式的に示されている。図５の（ａ）に示されるように、式（９）、式（１０）によって決定される発生個所の位置Ｑは、楕円Ｎの長軸方向の一方側と他方側との２か所に現れる。そのため、図５の（ｂ）に示されるような楕円Ｎの形状のみからでは、楕円Ｎの長軸方向の一方側と他方側との２つの発生個所の位置Ｑの候補のうち、いずれが実際の発生個所の位置Ｑであるかを決めることは困難である。そこで、以下の式（１１）を用いて、式（９）、式（１０）に示される２通りの候補（ｖベクトル＝（ｘ，ｙ，ｚ））から一方を実際の発生個所の位置Ｑとして特定する。

ここで、「ｉ」はｉ番目の光子を意味する。すなわち、ｔ_ｉはｉ番目の光子を検出した画素１３ｂの検出時刻を示すパラメータであり、ｒ_ｉベクトルは、原点からｉ番目の光子を検出した画素１３ｂまでのベクトルである。また、ｃは真空中での光速である。第１実施形態では、１つのイベントごとにτ_ｉ分布を求め、その分散の値を比較し、分散が小さい方の候補を発生個所の位置Ｑ、すなわち相互作用点として採用する。

次に、制御部１５による処理フローについて説明する。図６は、制御部１５での相互作用位置を特定する処理フローの一態様を示すフロー図である。まず、信号処理回路１６が、光検出器１３の各画素１３ｂから出力されたリストデータを取得する（ステップＳ１）。リストデータは、画素１３ｂがチェレンコフ光を検出した時刻を示す時刻情報と、当該画素１３ｂの位置を示すセグメントアドレスと、を含んでいる。

信号処理回路１６は、取得した複数のリストデータを時刻情報に基づいてソートする（ステップＳ２）。そして、信号処理回路１６は、ソートされたリストデータからタイムウィンドウ内に入るリストデータ群を取得し、取得されたリストデータ群を構成するリストデータの数を判定する（ステップＳ３）。この場合、リストデータ群を構成する各リストデータにおける互いの時刻情報の差は、タイムウィンドウの時間幅に収まっている。ステップＳ３において、リストデータ群を構成するリストデータの数が所定数以上の場合には、これらのリストデータが記憶媒体１７に転送され、記憶される（ステップＳ４）。また、リストデータ群を構成するリストデータの数が所定数未満の場合には、これらのリストデータは無効なデータとして処理される。この場合には、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを求めない。一例として、ステップＳ３では、リストデータの数が５つ以上のときに有効なデータであると判定する。ただし、実際には、閾値は任意に決めることができる。

続いて、位置算出回路１８によって、記憶媒体１７に記憶されたリストデータ群に基づく楕円フィッティングが行われる（ステップＳ５）。すなわち、位置算出回路１８は、リストデータ群を構成する各リストデータのセグメントアドレスが示す位置がフィッティングする楕円を導出する。第１実施形態では、リストデータ群を構成するリストデータの数が５つ以上であるため、楕円を一つに特定することができる。楕円フィッティングは、例えばロバスト推定を用いた近似によって求めることができる。位置算出回路１８は、導出された楕円の情報から、楕円の中心（Ｘ_０，Ｙ_０）の座標、長軸の長さａ、短軸の長さｂ、及び、Ｘ軸に対する長軸の角度θ_ｅを取得する。

そして、位置算出回路１８は、取得された楕円の情報を用いて、上記の決定原理に基づいて円錐の頂点の座標を算出し（ステップＳ６）、この座標の位置を相互作用位置として出力する（ステップＳ７）。制御部１５では、リストデータ数が５以上であるリストデータ群の全てにおいて相互作用点を出力する。相互作用点の座標情報と検出された時刻情報とが画像処理部３に転送されると、画像処理部３において断層像が生成される。

以上説明した放射線位置検出器１０及びＰＥＴ装置１では、ラジエータ１２内にγ線Ｇが入射すると、ラジエータ１２内でγ線Ｇが媒質と相互作用して光電子Ｄが放出される。そして、光電子Ｄがラジエータ１２内でチェレンコフ光Ｃを放出した場合、チェレンコフ光Ｃは光検出器１３を構成する複数の画素１３ｂによって検出される。チェレンコフ光Ｃは指向性が高く、セグメント化されていないラジエータ１２内で一方向に伝播する。そのため、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂのセグメントアドレスから、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴを辿り、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを求めることができる。この発生個所の位置Ｑは、光電子Ｄの発生位置、すなわちγ線Ｇの相互作用位置と略同じである。したがって、求められたチェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑから、ラジエータ１２においγ線Ｇが媒質と相互作用した位置（三次元的な位置）及び時間を精度良く特定することができる。

また、制御部１５は、ラジエータ１２を構成する原子の種類のうちで最も光電効果を起こしやすい原子のＫ殻から光電子Ｄが放出された場合におけるチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴを用いている。チェレンコフ光Ｃの放出角度θ_ｃは、ラジエータ１２の屈折率ｎと、光電子Ｄを放出した原子のＫ殻の束縛エネルギーと電子の質量とによって決定される。すなわち、同じラジエータ１２内であっても、光電子Ｄを放出した原子によってチェレンコフ光Ｃの放出角度θ_ｃは変化する。つまり、光電子Ｄを放出した原子の種類が異なる場合には、チェレンコフ光Ｃは異なる伝播軌跡を描く。第１実施形態では、最も光電効果を起こしやすい原子のＫ殻から全ての光電子Ｄが放出されたものと仮定することによって、チェレンコフ光Ｃの放出角度θ_ｃを複数考慮する必要がなくなる。

また、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴは、γ線Ｇが媒質と相互作用することによって放出された光電子Ｄの軌跡を中心とした円錐形状（γ線Ｇが媒質と相互作用することによって放出された光電子が直進する間の軌跡を中心とした円錐形状）であり、発生個所の位置Ｑは円錐形状の頂点として特定される。チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを円錐形状の頂点の位置として求めることによって、相互作用の位置を一意的に決定することができる。

また、制御部１５は、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂにフィッティングする楕円に関する情報に基づいて、円錐形状の頂点の位置を求めている。チェレンコフ光Ｃは、光電子Ｄの進行軌跡ＤＴを中心とした円錐状に広がる。これにより、光電子Ｄが光検出器１３に対して傾斜して進行する場合には、検出された複数のセグメントアドレスが示す位置は楕円の軌道上に配置される。そのため、実際に検出されたセグメントアドレスの位置がフィッティングする楕円に関する情報を用いることによって、円錐形状の頂点の位置をより正確に求めることができる。

また、制御部１５は、取得した時刻情報に基づいて、略同時刻である所定期間（上述した例では５００ｐｓ）にチェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂ（すなわち、位置情報の数）が所定数以上の場合にはチェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを求め、当該所定期間にチェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂが所定数未満の場合にはチェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを求めない。略同時刻である所定期間に検出されたチェレンコフ光Ｃは、同じγ線Ｇに起因して放出されたと考えることができる。複数の画素１３ｂの位置情報からチェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴを辿る場合、位置情報の数が少ないと、相互作用位置を正確に特定することが難しい。そこで、検出された位置情報が所定数以上の場合にチェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを求め、検出された位置情報が所定数未満の場合に位置情報を無効なデータとする（すなわち、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを求めない）ことによって、位置特定の精度を高めることができる。

なお、制御部１５は、取得した時刻情報に基づいて、所定期間にチェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂが所定数を超える場合に発生個所の位置Ｑを求め、当該所定期間にチェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂが所定数以下の場合に発生個所の位置Ｑを求めなくてもよい。つまり、制御部１５は、取得した時刻情報に基づいて、所定期間にチェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂが所定数よりも多い場合に発生個所の位置Ｑを求め、当該所定期間にチェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂが所定数よりも少ない場合に発生個所の位置Ｑを求めなければよい。

また、ラジエータ１２の裏面１２ｂを除く表面１２ａ及び側面１２ｃには、光吸収層１２ｄが設けられているので、媒質表面でのチェレンコフ光Ｃの反射を抑制し、ノイズを低減することができる。
［第２実施形態］

第２実施形態の放射線位置検出器１１０では、光検出器１１３を構成する画素１１３ｂがＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）によって構成される点で、第１実施形態の放射線位置検出器１１０と相違している。以下、主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

図７は、第２実施形態の放射線位置検出器の構成図である。図７に示されるように、放射線位置検出器１１０は、ラジエータ１２及び光検出器１１３を有する検出部１１１と、信号処理回路１１６、記憶媒体１７及び位置算出回路１８を有する制御部１１５と、を備えている。光検出器１１３は、第１実施形態と同様にラジエータ１２の裏面１２ｂに設けられており、ラジエータ１２内で放出されたチェレンコフ光を検出する。光検出器１１３は、光電変換を行う複数の画素１１３ｂがアレイ状に配置された検出面１１３ａを有している。検出面１１３ａを構成する各画素１１３ｂは、検出した光に応じたアナログ信号を制御部１１５に出力する。各画素１１３ｂは、例えばＳｉＰＭによって構成され得る。

制御部１１５は、信号処理回路１１６と、記憶媒体１７と、位置算出回路１８と、を有する。信号処理回路１１６は、光検出器１１３から出力されたアナログ信号をデジタル化することによって、チェレンコフ光を検出した画素１１３ｂのセグメントアドレスを取得する。また、信号処理回路１１６は、アナログ信号を取得した時刻を時刻情報として取得する。そして、信号処理回路１１６は、取得したセグメントアドレス及び時刻情報を含むリストデータが有効であるか否かを判定する。そして、リストデータが有効であると判定された場合には、当該リストデータを記憶媒体１７に記憶する。リストデータの有効性の判断手法は、第１実施形態と同様である。

次に、制御部１１５による処理フローについて説明する。図８は、第２実施形態の制御部１１５での相互作用位置を特定する処理フローの一態様を示すフロー図である。まず、信号処理回路１１６は、光検出アレイの各画素１１３ｂから出力されたアナログ信号からセグメントアドレスを取得する（ステップＳ１０１）。次に、信号処理回路１１６は、時刻情報とセグメントアドレスとを含むリストデータを作成する（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部１１５は、第１実施形態と同様にステップＳ２〜ステップＳ７の処理によって、相互作用位置を出力する（ステップＳ７）。制御部１１５では、リストデータ数が５以上であるリストデータ群の全てにおいて相互作用点を出力する。制御部１１５によって算出された相互作用点の座標情報と検出された時刻情報とは、画像処理部３に転送される。

以上説明した第２実施形態の放射線位置検出器１１０においても、第１実施形態と同様に、ラジエータ１２内でγ線Ｇが媒質と相互作用した位置及び時間を精度良く特定することができる。

以上、本発明の第１及び第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は上述した第１及び第２実施形態に限られるものではない。例えば、楕円の長軸方向の一方側と他方側との２つの発生個所の位置Ｑの候補のうちいずれが発生個所の位置Ｑであるかを決める方法として、式（１１）を用いる例を示したが、これに限定されない。

図９は、式（９）、式（１０）で示した２つの候補から発生個所の位置Ｑを決定する他の方法の原理を説明する図である。図９の（ａ)は、楕円の長軸方向の一方側（図面において下側）からチェレンコフ光Ｃが放出された状態を示す模式図である。図９の（ｂ）は、図９の（ａ）の場合にチェレンコフ光Ｃを検出した画素の位置Ｓを示す模式図である。また、図９の（ｃ)は、楕円の長軸方向の他方側（図面において上側）からチェレンコフ光Ｃが放出された状態を示す模式図である。図９の（ｄ）は、図９の（ｃ）の場合にチェレンコフ光を検出した画素の検出面１３ａにおける位置を示す模式図である。

ラジエータ１２中を伝播する光子は、一定の確率で散乱又は吸収され得るため、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑから検出面１３ａまでの光路が短いほど、画素による検出の確率は高くなり、逆に、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑから検出面１３ａまでの光路が長いほど、画素による検出の確率は低くなる。それ故、図９の（ｂ）及び（ｄ）に示されるように、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡ＣＴにおいて光路長が短い短辺ＳＴ側に配置された画素によって、より多くの光子が検出され得る。そこで、楕円の長軸の一方側と他方側とのいずれに近い側で、より多くの光子が検出されたかを判定することによって、２つの候補から発生個所の位置Ｑを決定することができる。すなわち、図９の（ｂ）では楕円の下側にチェレンコフ光Ｃを検出した画素（図面では画素の位置Ｓとして示される）が偏っているので、図９の（ａ）のように、光電子Ｄが下から上に向かって放出されたものとして、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを決定することができる。また、図９の（ｄ）では楕円の上側にチェレンコフ光Ｃを検出した画素が偏っているので、図９の（ｃ）のように、光電子Ｄが上から下に向かって放出されたものとして、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑを決定することができる。

また、ラジエータ１２を構成する材料として、鉛ガラス（ＳｉＯ_２＋ＰｂＯ）、フッ化鉛（ＰｂＦ_２）、ＰＷＯ（ＰｂＷＯ_４）を挙げたが、これらに限定されない。検出の対象となる放射線（γ線以外も含む）のエネルギーに応じて屈折率、密度等を考慮して上記以外の材料をラジエータ１２として使用してもよい。

また、放射線位置検出器がＰＥＴ装置に用いられる例を示したが、これに限定されない。上記の放射線位置検出器は、発光に対する時間の揺らぎが殆ど生じないため、ＴＯＦ−ＰＥＴ装置に用いてもよい。

また、ラジエータ１２の表面１２ａ及び側面１２ｃに光吸収層１２ｄが形成されている例を示したがこれに限定されない。例えば、放出されるチェレンコフ光Ｃの拡がりに対してラジエータ１２が十分に平面状に広い場合には、側面１２ｃによる光の反射を考慮しなくてもよい。この場合、側面１２ｃの光吸収層１２ｄをなくして、表面１２ａのみに光吸収層１２ｄを形成してもよい。

また、制御部１５は、以下のように、チェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑ（すなわち、光電子Ｄの発生位置、γ線Ｇの相互作用位置）を求めることができる（以下、「第１座標決定処理」という）。図１０は、ラジエータ１２内で放出されるチェレンコフ光の他態様を説明するための模式図である。図１０の（ａ）には、ラジエータ１２が断面視で模式的に示されており、図１０の（ｂ）には、光検出器１３が平面視で模式的に示されている。

まず、図１０の（ｂ）に示されるように、制御部１５が、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂの位置Ｓについて重心Ａの位置を求める。一例として、ラジエータ１２の裏面１２ｂに平行なＸ軸方向及びＹ軸方向における重心Ａの位置（すなわち、重心ＡのＸ座標Ｘ_ｃｍ及びＹ座標Ｙ_ｃｍ）は、下記の式（１２）で求めることができる。ここで、Ｎは、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂの数であり、Ｅ_ｉは、ｉ番目の光子の検出エネルギーであり、Ｘ_ｉ及びＹ_ｉは、それぞれ、ｉ番目の光子を検出した画素１３ｂのＸ座標及びＹ座標である。

続いて、制御部１５が、重心Ａを中心とする楕円Ｎであって且つチェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂの位置Ｓにフィッティングする楕円Ｎを求める。そして、制御部１５が、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、楕円Ｎに関する楕円情報に基づいて、チェレンコフ光Ｃの伝播軌跡である円錐形状の頂点の位置を求める。ここでは、制御部１５は、ラジエータ１２の裏面１２ｂに垂直なＺ軸方向における円錐形状の頂点の位置（すなわち、円錐形状の頂点のＺ座標）を求める。

続いて、制御部１５が、重心ＡのＸ座標Ｘ_ｃｍ及びＹ座標Ｙ_ｃｍを、Ｘ軸方向及びＹ軸方向におけるチェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑ（すなわち、チェレンコフ光Ｃの発生個所のＸ座標及びＹ座標）とし、円錐形状の頂点のＺ座標を、Ｚ軸方向におけるチェレンコフ光Ｃの発生個所の位置Ｑ（すなわち、チェレンコフ光Ｃの発生個所のＺ座標）とする。

以上の第１座標決定処理によっても、ラジエータ１２においてγ線Ｇが媒質と相互作用した位置及び時間を精度良く特定することができる。このような発生個所の位置Ｑの特定は、図１０の（ａ）に示されるように、γ線Ｇが媒質と相互作用することによって放出された光電子Ｄが直進しなかった場合に、特に有効である。

また、制御部１５は、上述した第１座標決定処理、又は、図６及び図８のステップＳ５及びステップＳ６に相当する第２座標決定処理を、以下のように、検出光子数に応じて実施することができる。図１１は、第１実施形態の制御部での相互作用位置を特定する処理フローの他態様を示すフロー図である。なお、以下、第１実施形態の場合について説明するが、第２実施形態の場合についても同様である。

まず、信号処理回路１６が、光検出器１３の各画素１３ｂから出力されたリストデータを取得する（ステップＳ１）。リストデータは、画素１３ｂがチェレンコフ光を検出した時刻を示す時刻情報と、当該画素１３ｂの位置を示すセグメントアドレスと、を含んでいる。続いて、信号処理回路１６が、取得した複数のリストデータを時刻情報に基づいてソートする（ステップＳ２）。そして、信号処理回路１６が、ソートされたリストデータからタイムウィンドウ内に入るリストデータ群を取得し、取得されたリストデータ群を構成するリストデータの数を判定する（ステップＳ３ａ）。ステップＳ３ａにおいて、リストデータ群を構成するリストデータの数が第１閾値以上の場合には、これらのリストデータが記憶媒体１７に転送され、記憶される（ステップＳ４）。また、リストデータ群を構成するリストデータの数が第１閾値未満の場合には、これらのリストデータは無効なデータとして処理される。

続いて、位置算出回路１８が、検出光子数（すなわち、チェレンコフ光Ｃを検出した複数の画素１３ｂの数）が第２閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において、検出光子数が第２閾値以上の場合には、位置算出回路１８が、図６及び図８のステップＳ５及びステップＳ６に相当する第２座標決定処理を実施する（ステップＳ１１）。ステップＳ１０において、検出光子数が第２閾値未満の場合には、位置算出回路１８が、上述した第１座標決定処理を実施する（ステップＳ１２）。なお、第１閾値と第２閾値とは、互いに独立して設定することができる。

１…ＰＥＴ装置、１０…放射線位置検出器、１２…ラジエータ（媒質）、１２ｂ…裏面（所定面）、１２ｄ…光吸収層、１３…光検出器、１３ｂ…画素、１５…制御部、Ｃ…チェレンコフ光、ＣＴ…伝播軌跡、Ｄ…光電子。

Claims (8)

1. 入射した放射線と相互作用することによってチェレンコフ光を発生させる媒質からなるラジエータと、
   二次元に配列された複数の画素を有し、複数の前記画素が前記ラジエータの所定面に対応するように配置された光検出器と、
   前記光検出器から出力された信号に基づいて、前記チェレンコフ光を検出した複数の前記画素の位置情報及びその時刻情報を取得し、取得した前記位置情報及び前記時刻情報、並びに前記ラジエータにおける前記チェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、前記ラジエータにおける前記チェレンコフ光の発生個所の位置を求める制御部と、を備える、放射線位置検出器。
2. 前記制御部は、前記媒質を構成する原子のうち最も光電効果を起こしやすい前記原子のＫ殻から光電子が放出された場合における前記チェレンコフ光の前記伝播軌跡を用いて、前記発生個所の前記位置を求める、請求項１に記載の放射線位置検出器。
3. 前記チェレンコフ光の前記伝播軌跡は、前記放射線が前記媒質と相互作用することによって放出された光電子の軌跡を中心とした円錐形状であり、
   前記発生個所の前記位置は、前記円錐形状の頂点の位置である、請求項１又は２に記載の放射線位置検出器。
4. 前記制御部は、前記チェレンコフ光を検出した複数の前記画素にフィッティングする楕円に関する楕円情報に基づいて、前記円錐形状の前記頂点の前記位置を求める、請求項３に記載の放射線位置検出器。
5. 前記チェレンコフ光の前記伝播軌跡は、前記放射線が前記媒質と相互作用することによって放出された光電子の軌跡を中心とした円錐形状であり、
   前記制御部は、
   前記チェレンコフ光を検出した複数の前記画素の重心の位置を求めると共に、前記重心を中心とする楕円であって且つ前記チェレンコフ光を検出した複数の前記画素にフィッティングする前記楕円に関する楕円情報に基づいて、前記円錐形状の頂点の位置を求め、
   前記所定面に平行な方向における前記重心の位置を、前記所定面に平行な前記方向における前記発生個所の位置とし、前記所定面に垂直な方向における前記頂点の位置を、前記所定面に垂直な前記方向における前記発生個所の位置とする、請求項１又は２に記載の放射線位置検出器。
6. 前記制御部は、前記時刻情報に基づいて、所定期間に前記チェレンコフ光を検出した複数の前記画素が所定数よりも多い場合には前記発生個所の前記位置を求め、前記所定期間に前記チェレンコフ光を検出した複数の前記画素が前記所定数よりも少ない場合には前記発生個所の前記位置を求めない、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放射線位置検出器。
7. 前記所定面を除く前記ラジエータの外面に設けられ、前記チェレンコフ光を吸収する光吸収層を更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の放射線位置検出器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の放射線位置検出器を備える、ＰＥＴ装置。