JP5233029B2 - コンプトンカメラ - Google Patents

Description

本発明は、コンプトンカメラに係り、特に、ガンマ線トモグラフィー（ガンマ線源の三次元分布画像の取得）に用いるマルチヘッドのコンプトンカメラに関する。

従来、対象物から放出されたガンマ線をカメラ内に設置されたガンマ線検出器において測定し、ガンマ線源となる核種の分布を推測する装置であるコンプトンカメラを用いて、ガンマ線源の二次元画像を取得することが行われている。コンプトンカメラでは、検出器内でのコンプトン散乱及び光電吸収の連続イベントを計測することによって、ガンマ線の飛来方向をコンプトン円錐として推定できるため、物理的なコリメータを排除できる。また、検出器に高エネルギー分解能を持つ半導体検出器を用いることで、同時多核種放射線のイメージングができることが特徴である。

これまで、コンプトンカメラは、主に宇宙観測用途に用いられており、最近では核医学検査装置への応用研究が盛んに行われている。宇宙観測用途ではガンマ線の飛来方向の特定を目的としているため、奥行き方向の位置分解能については大きな問題とはならないが、核医学検査装置へ適用する場合には、全ての方向に対して位置分解能を高精度に保つ必要がある。

そこで、平行に並べた２台の電極分割型平板ゲルマニウム半導体検出器を備え、その前方に位置するガンマ線源から放出されるガンマ線を測定するガンマ線撮像装置において、前方の検出器に入射してコンプトン散乱し、散乱したガンマ線が後方の検出器に入射されて完全に吸収される事象を測定し、この測定事象について、コンプトン円錐を推定し、このような事象を２組以上測定することにより、円錐面が重なり合う位置をガンマ線源の位置として求めてガンマ線放出体の画像を形成するガンマ線撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２０８０５７号公報

しかしながら、特許文献１記載のガンマ線撮像装置では、検出器面が十分に大きい場合には、コンプトン円錐の頂点がガンマ線源から見て広い立体角の領域に分散されるため、奥行き方向の位置分解能を十分確保することができるが、検出器を大面積化することは、製造技術やコストの面から困難である。また、検出器面積が小さい場合には、ガンマ線源からみた検出器の占める立体角が小さくなり、奥行き方向の位置分解能が悪化する、という問題がある。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、検出器を大面積化することなく、奥行き方向の位置分解能を向上させることができるコンプトンカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明に係るコンプトンカメラは、対象物から放出された放射線を検出することが可能な位置に配置されると共に、各々放射線によるコンプトン散乱を検出して検出データを出力する複数の検出器と、前記複数の検出器の各々から出力された前記検出データの各々から得られるコンプトン円錐により定まる放射線源の位置を三次元空間に投影する投影手段と、前記投影手段で投影された位置の重なりの度合いが大きい部分を抽出して前記放射線源に基づく画像を再構成する再構成手段とを含んで構成されている。

第１の発明に係るコンプトンカメラによれば、各々放射線によるコンプトン散乱を検出して検出データを出力する複数の検出器が、対象物から放出された放射線を検出することが可能な位置に配置され、投影手段が、複数の検出器の各々から出力された検出データの各々から得られるコンプトン円錐により定まる放射線源の位置を三次元空間に投影し、再構成手段が、投影手段で投影された位置の重なりの度合いが大きい部分を抽出して放射線源に基づく画像を再構成する。

このように、複数の検出器の検出データから得られるコンプトン円錐を三次元空間に投影して放射線源に基づく画像を再構成するため、検出器各々の奥行き方向の位置分解能の精度を検出器の各々が補い合うため、検出器を大面積化することなく、奥行き方向の位置分解能を向上させることができる。

また、第２の発明に係るコンプトンカメラは、対象物から放出された放射線を検出することが可能な位置に配置されると共に、各々放射線によるコンプトン散乱を検出して検出データを出力する複数の検出器と、前記複数の検出器の各々から出力された前記検出データの各々から得られるコンプトン円錐を二次元平面に投影した投影像を用いて、放射線源が存在しない領域を排除した三次元空間を特定する特定手段と、前記複数の検出器の各々から出力された前記検出データの各々から得られるコンプトン円錐を、前記特定手段で特定された三次元空間に投影する投影手段と、前記投影手段で投影された位置の重なりの度合いが大きい部分を抽出して前記放射線源に基づく画像を再構成する再構成手段とを含んで構成されている。
また、前記特定手段は、前記投影像の重なりの度合いが大きい部分を前記放射線源の位置として抽出することができる。

第２の発明に係るコンプトンカメラによれば、特定手段が、複数の検出器の各々から出力された検出データの各々から得られるコンプトン円錐を二次元平面に投影した投影像を用いて、放射線源が存在しない領域を排除した三次元空間を特定し、投影手段が、複数の検出器の各々から出力された検出データの各々から得られるコンプトン円錐を、特定手段で特定された三次元空間に投影する。

このように、二次元平面に投影された放射線源の位置に基づいて抽出された抽出部分に含まれる三次元空間にコンプトン円錐を投影するため、上記効果に加え、投影領域の画素数が大きな三次元空間にコンプトン円錐を直接投影して画像を再構成する場合に比べて、処理を行う領域が限定されるため、効率的に画像を再構成することができる。

また、前記検出器によって、被検体に注入した薬剤に含まれる核種から放出される放射線を検出し、前記再構成手段によって前記被検体の診断画像を再構成するようにすることができる。

以上、説明したように、本発明に係るコンプトンカメラによれば、検出器を大面積化することなく、奥行き方向の位置分解能を向上させることができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、第１の実施の形態に係るコンプトンカメラ１０は、放射線源２０に検出面を対向して配置した２つのカメラヘッド１２ａ、１２ｂ、画像再構成の制御を行う制御部１４、操作指示等の入力を行うためのキーボードやマウス等で構成された入力装置１６、及び再構成された画像を表示するための表示装置１８で構成されている。

カメラヘッド１２ａ、１２ｂは、図２に示すように、前検出器２２及び後検出器２４で構成されている。前検出器２２として、例えばシリコン（Ｓｉ）を用い、後検出器２４として、例えばテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を用いたＳｉ／ＣｄＴｅ半導体検出器を、カメラヘッド１２ａ、１２ｂとして用いることができる。なお、図２では、説明のため、後検出器２４が１枚の場合について記載しているが、本実施の形態のコンプトンカメラ１０で用いられるカメラヘッド１２ａ、１２ｂは、複数の後検出器２４を備えている。後検出器２４を複数備えることにより、より精度よく放射線を検出することができるため、後述するコンプトン円錐の推定精度が向上する。

カメラヘッド１２ａ、１２ｂは、各々の検出面の中心を通る法線が直交するように配置されている。図１（ｂ）に示すｙｚ座標系で説明すると、座標原点に配置された放射線源２０に対して、ｚ軸上に検出面をｙ軸と平行にしてカメラヘッド１２ａが配置され、ｙ軸上に検出面をｚ軸と平行にしてカメラヘッド１２ｂが配置される。

制御部１４は、コンプトンカメラ１０全体の制御を司るＣＰＵ、後述する画像再構成処理のプログラム等各種プログラムを記憶した記憶媒体としてのＲＯＭ、ワークエリアとしてデータを一時的に格納するＲＡＭ、各種情報が記憶された記憶手段としてのＨＤＤ（ハードディスク）、ネットワークと接続するためのネットワークＩ／Ｆ（インタフェース）部、Ｉ／Ｏ（入出力）ポート、及びこれらを接続するバス等を含んで構成されている。Ｉ／Ｏポートには、入力装置１６及び表示装置１８が接続されている。また、制御部１４は、カメラヘッド１２ａ、１２ｂとも接続されており、カメラヘッド１２ａ、１２ｂで検出される検出データが制御部１４へ入力される。

ここで、カメラヘッド１２ａ、１２ｂにおける、放射線によるコンプトン散乱の検出及びコンプトン円錐の推定原理について説明する。カメラヘッド１２ａ及びカメラヘッド１２ｂは同じ作用であるので、ここでは、カメラヘッド１２ａについて説明し、カメラヘッド１２ｂについては説明を省略する。

図２に示すように、放射線源２０から放出された放射線は、前検出器２２に入射され、コンプトン散乱して後検出器２４に入射され、吸収される。カメラヘッド１２ａは、前検出器２２及び後検出器２４の放射線入射位置と、前検出器２２及び後検出器２４で吸収したエネルギーとを検出データとして出力する。この検出データからコンプトン運動に基づいて散乱角θが算出される。これにより、前検出器２２から後検出器２４へ入射した放射線の軌跡の放射線源２０方向への延長線を中心軸、放射線の前検出器２２への入射位置を頂点、及び２θを頂角とするコンプトン円錐が求められる。この円錐面内に放射線源２０が存在することを意味し、検出データを多数取得し、コンプトン円錐を重ねていくことで放射線源２０の位置を特定できる。

次に、図３を参照して第１の実施の形態のコンプトンカメラ１０における画像再構成処理の処理ルーチンについて説明する。

ステップ１００で、カメラヘッド１２ａ、１２ｂから出力される検出データを取得する。次に、ステップ１０２で、図４に示すように、取得した検出データから得られるコンプトン円錐を三次元空間に投影する。

次に、ステップ１０４で、投影されたコンプトン円錐に基づいて、逆投影法により逆投影像を算出する。具体的な方法は、図５（ａ）に示すように、三次元空間を細かな画素、例えば立方体状の画素に分割し、この三次元空間にコンプトン円錐を投影する。コンプトン円錐面を含む１画素分の画素部分を拡大して図５（ｂ）に示す。画素毎に、コンプトン円錐面のうち画素の内部に含まれる部分の面積Ｓに応じた重みをつけて度数を加算する。全ての検出データより得られるコンプトン円錐をそれぞれ投影して、度数を加算することにより、放射線源２０が存在する領域に度数が集中した逆投影像が算出される。

次に、ステップ１０６で、上記ステップ１０４で算出した逆投影像に対して、期待値最大化最尤法を用いて、放射線源２０に基づく画像を再構成する。上記ステップ１０４の処理では、実際には放射線源２０が存在しない部分にも度数が表れる場合があるため、さらに精度よく画像を再構成するための処理である。逆投影法によって得られた逆投影像により放射線源２０の位置として推定される線源分布に対する検出器の応答を計算し、この計算結果と実際の検出データとを比較して、よりもっともらしい線源分布に近づくように逆投影像に補正を施す。この処理を複数回繰り返して、最終的に実際の線源分布に近い分布を得て、画像を再構成する。

次に、ステップ１０８で、再構成した画像を表示装置１８に表示して、処理を終了する。

ここで、従来技術である一台のカメラヘッドを備えたコンプトンカメラで、点線源を観測した場合の位置分解能のシミュレーション結果の例を、図６に示す。カメラヘッド及び点線源の配置は、図１（ｂ）に示す本実施の形態のカメラヘッド１２ａ及び放射線源２０の配置と同様である。図６において、（ａ）は逆投影像、（ｂ）は期待値最大化最尤法による推定結果、及び（ｃ）は（ｂ）の分布のｚ軸射像である。図６（ｂ）において、度数分布が横長となっており、奥行き方向であるｚ軸方向の分解能が他の軸（ｙ軸）の分解能に対して非常に悪いことが分かる。図６（ｃ）のｚ軸射像をガウシアンで近似すると、標準偏差σが約１１ｍｍ程度であった。

これに対し、本実施の形態のコンプトンカメラ１０によるシミュレーション結果を図７に示す。図７において、（ａ）は逆投影像、（ｂ）は期待値最大化最尤法による推定結果、及び（ｃ）は（ｂ）の分布のｚ軸射像である。図７（ｃ）のｚ 軸射像をガウシアンで近似すると、標準偏差σが約２．４ｍｍであり、カメラヘッドが一台の場合の結果と比較して改善された（図８参照）。

また、図９（ａ）に示すように配置された２本の棒状線源３０を、従来技術である二次元の画像再構成の手法により再構成すると、図９（ｂ）に示すように、単純にそれぞれのカメラヘッドに対しての射影像が得られるに留まるが、本実施の形態のように、三次元空間で画像再構成を行うことにより、それぞれのカメラヘッドの持つ奥行き方向の位置分解能の情報を捨てることなく画像再構成が可能となり、図９（ｃ）に示すように、２本の棒状線源３０の位置のずれを反映した画像を得ることができる。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るコンプトンカメラ１０によれば、カメラヘッドを２台配置することにより、奥行き方向の位置分解能を改善することができるため、カメラヘッドの検出面を大面積化することなく、奥行き方向の位置分解能を向上させることができる。また、三次元空間で画像再構成を行うことにより、各カメラヘッドにより撮像された奥行き方向の情報を捨てることなく画像再構成を行うことができ、画像再構成の精度が向上する。

なお、第１の実施の形態では、２台のカメラヘッドを、検出面の法線が直交するように配置する場合について説明したが、３台以上のカメラヘッドを用いてもよく、各カメラヘッドの配置は、他のカメラヘッドの奥行き方向の位置分解能の悪さを補完するように配置するとよい。

次に、第２の実施の形態に係るコンプトンカメラについて説明する。第１の実施の形態では、画像を再構成する際、投影法及び期待値最大化最尤法を直接三次元空間に適用した場合について説明したが、第２の実施の形態では、二次元及び三次元での画像再構成を組み合わせた場合について説明する。なお、第２の実施の形態に係るコンプトンカメラの構成は、第１の実施の形態に係るコンプトンカメラ１０と同一であるので、説明を省略する。

図１０を参照して、第２の実施の形態のコンプトンカメラ１０における画像再構成処理の処理ルーチンについて説明する。なお、第１の実施の形態のコンプトンカメラ１０における画像再構成処理と同一の処理については、同一の符号を付して説明を省略する。

ステップ２００で、取得した検出データから得られるコンプトン円錐を二次元平面に投影する。図１１（ａ）に示すように、カメラヘッド１２ａ、１２ｂの各々から放射線源２０までの距離を仮定し、仮定した放射線源２０の位置で、各カメラヘッド１２ａ、１２ｂの検出面と平行な二次元平面を想定する。なお、放射線源２０までの距離は、各カメラヘッド１２ａ、１２ｂから、カメラヘッド１２ａ、１２ｂの検出面の法線の交点間での距離を用いたり、放射線源２０の表面までの距離を公知の技術で実際に測定した距離を用いたりすることができる。

この平面に検出データに基づくコンプトン円錐を投影して描かれる楕円を用いて、二次元平面において逆投影法により逆投影像を算出する。具体的には、図１１（ｂ）に示すように、二次元平面を細かな画素に分割し、各画素に含まれる楕円の長さに応じた重みをつけて度数を加算する。続いて、期待値最大化最尤法を適用して画像再構成を行い、図１１（ｃ）に示すように、二次元の画像再構成結果から有意な線源分布の輪郭３２を抽出する。

次に、ステップ２０２で、図１１（ｄ）に示すように、抽出された線源分布の輪郭３２上の任意の１点３４と、カメラヘッド１２ａ、１２ｂ各々の検出面上の任意の１点３６とを結ぶ直線３８群によって張られる領域ｖを抽出する。図１１（ｅ）に示すような領域ｖをカメラヘッド１２ａ、１２ｂの各々について抽出し、全ての領域ｖの共通部分から、さらに三次元空間で有意に線源が存在する領域Ｖを抽出する。

次に、ステップ２０４で、第１の実施の形態の画像再構成処理のステップ１０２と同様の処理により、上記ステップ２０２で抽出された領域Ｖに含まれる三次元空間に検出データに基づくコンプトン円錐を投影し、続くステップ１０４及びステップ１０６で、逆投影法及び期待値最大化最尤法により放射線源２０に基づく画像を再構成する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係るコンプトンカメラによれば、二次元での画像再構成と比較して画素数が多くなり、かつ求めるべき分布の自由度が一つ増える三次元での画像再構成の際に、絞り込まれた領域だけを対象に処理を行うことで、直接三次元で画像再構成を行う場合に比べ、効率的に画像再構成を行うことができる。

なお、第２の実施の形態では、上記ステップ２００において、二次元平面において逆投影法及び期待値最大化最尤法を適用して画像再構成を行う場合について説明したが、特にこれに限定されず、フーリエ変換法などを用いて画像再構成を行ってもよい。

本実施の形態に係るコンプトンカメラの（ａ）概略構成を示すブロック図、及び（ｂ）カメラヘッドの配置を示す図である。 カメラヘッドの構成及びコンプトン円錐の推定原理を示す概略図である。 第１の実施の形態のコンプトンカメラにおける画像再構成処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 三次元空間に投影したコンプトン円錐の一例を示す図である。 三次元空間における逆投影法を説明するための図である。 従来技術であるカメラヘッドが１台の場合の（ａ）逆投影像を示す図、（ｂ）期待値最大化最尤法による推定結果を示す図、及び（ｃ）同図（ｂ）の分布のｚ軸射像を示す図である。 本実施の形態に係るコンプトンカメラの（ａ）逆投影像を示す図、（ｂ）期待値最大化最尤法による推定結果を示す図、及び（ｃ）同図（ｂ）の分布のｚ軸射像を示す図である。 カメラヘッドの台数と奥行き方向の位置分解能を示す図である。 ２本の棒状線源を観測した場合の（ａ）放射線源及びカメラヘッドの配置を示す図、（ｂ）従来技術である二次元の画像再構成で再構成された画像を示す図、（ｃ）本実施の形態のコンプトンカメラで画像再構成した画像を示す図である。 第２の実施の形態のコンプトンカメラにおける画像再構成処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 第２の実施の形態における領域抽出の（ａ）仮定した放射線源２０の位置における平面を示す図、（ｂ）二次元空間における逆投影法を説明する図、（ｃ）二次元の画像再構成結果から線源分布の輪郭を抽出した図、（ｄ）領域ｖの抽出を説明する図、及び（ｅ）三次元空間で有意に線源が存在する領域Ｖを抽出した図である。

符号の説明

１０ コンプトンカメラ
１２ａ カメラヘッド
１２ｂ カメラヘッド
１４ 制御部
１６ 入力装置
１８ 表示装置
２０ 放射線源

Claims (2)

1. 対象物から放出された放射線を検出することが可能な位置に配置されると共に、各々放射線によるコンプトン散乱を検出して検出データを出力する複数の検出器と、
   前記複数の検出器の各々から出力された前記検出データの各々から得られるコンプトン円錐を二次元平面に投影した投影像を用いて、放射線源が存在しない領域を排除した三次元空間を特定する特定手段と、
   前記複数の検出器の各々から出力された前記検出データの各々から得られるコンプトン円錐を、前記特定手段で特定された三次元空間に投影する投影手段と、
   前記投影手段で投影された位置の重なりの度合いが大きい部分を抽出して前記放射線源に基づく画像を再構成する再構成手段と、を含み、
   前記検出器によって、被検体に注入した薬剤に含まれる核種から放出される放射線を検出し、前記再構成手段によって前記被検体の診断画像を再構成するようにした
   コンプトンカメラ。
2. 前記特定手段は、前記投影像の重なりの度合いが大きい部分を前記放射線源の位置として抽出する請求項１記載のコンプトンカメラ。