JP5648965B2 - 放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置、並びに該調整装置を用いたｘ線発生装置及び放射線検出器 - Google Patents
放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置、並びに該調整装置を用いたｘ線発生装置及び放射線検出器 Download PDFInfo
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Description
放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布 (エネルギースペクトルの空間依存性) を変更する装置、及びそれを用いた X 線発生装置と放射線検出器に関するものである。
X 線は医療や産業用途に広く用いられている。特に、X 線による透視は医療や産業に於いて欠かせないものになっている。
また、X 線や電子線、重粒子線 (イオンビーム) を用いた癌治療も行われている。
X 線の角度広がりや空間広がりは、透視イメージングに於いて、空間分解能を左右する要素であり、X 線線源位置における空間広がり (焦点) は小さいことが望ましい。
X 線は、完全並行光若しくは完全点光源 (点焦点) であることが理想とされている。
X 線は、完全並行光若しくは完全点光源 (点焦点) であることが理想とされている。
また、X 線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布も均一であるほうが望ましい。
イメージングに於いては、強度分布の不均一性は画像の濃淡に直結し 、エネルギー分布の不均一性は撮像装置の感度の不均一性を招き、結局は画像の濃淡に関係することになる。
イメージングに於いては、強度分布の不均一性は画像の濃淡に直結し 、エネルギー分布の不均一性は撮像装置の感度の不均一性を招き、結局は画像の濃淡に関係することになる。
制動輻射による X 線発生装置で発生した X 線は 、空間強度分布が均一であるとは言い難い。また、エネルギー空間分布も均一でない。
放射線検出器用のモンテカルロ計算コード GEANT3.2.1（ 非特許文献 1）による X線発生シミュレーションの結果例を図１８に示す。運動エネルギー950keV の電子線束を、タングステン 0.5 mm、銅 1.6 mm で構成される X 線ターゲットに入射した。図１８は X 線ターゲット後方 5cm の位置での X 線の個数の位置依存性 (空間強度分布) を示している。範囲は ±2cm であり、中心を通るあるスライスについての分布である。比較的強度分布が平坦な部分であるが 、それでもこのような分布となる。また、所謂ガウス分布でもない。
癌治療に於いても、これら不均一性は患部での放射線吸収線量の推定の際に問題になる。
非特許文献 2(p.209) によれば癌治療では、X 線を広く均一な空間分布とするために、X 線を発生させる X 線ターゲットの後にフラッティングフィルターと呼ばれる装置が設置される。若しくはダブルスキャッタリングフォイルという手法も用いられている。
ダブルスキャッタリングの手法は非特許文献 2 や非特許文献 3、非特許文献 4 にもある通り、陽子線等による癌治療等でも利用されている。
しかしながら、放射線は物質を透過する際には強度だけでなくエネルギー分布も同時に変化するため、これらを同時に所望の値へとコントロールするのは容易ではない。
また、物質を透過する放射線は物質内で散乱し 、進行方向を変えたりエネルギーを変えたりする。放射線照射位置において強度分布が均一になったとしても、方向は揃っていない可能性があり、使用目的によっては障害となり得る。
X 線の進行方向をそろえることで X 線透視画像の解像度を向上させようとする提案が特許文献 1 に開示されている。しかし 、放射線のエネルギーや強度の空間分布については考慮されていないので、改善の余地がある。
GEANT: Detector Description and Simulation Tool, CERN Program Library Long Writeup W5013
Waldemar H. Scharf 著 BIOMEDICAL PARTICLE ACCELERATORS, American Institute of Physics (1994)
Ahmad ESMAILI TORSHABI et. al., A Study on Beam Flattening Based on Compact Double Scatterer Applicable to Rotational Beam Irradiation System in the Proton Therapy Facility at CYRIC, Tohoku University, Progress in NUCLEARSCIENCE and TECHNOLOGY, Vol. 1, p.509-512 (2011)
Erik Grusellt, et. al., A general solution to charged particle beam ?attening using an optimized dual-scattering-foil technique, with application to proton therapy beams, Phys. Med. Biol. 39 p.2201-2216 (1994).
空間的に強度やエネルギー分布の偏りをもつ放射線束のそれらを平均化若しくは放射線使用者が要求する分布にする方法を提供することである。
［１］入射放射線束が有する空間強度分布を所望の空間強度分布に換えるために、複数の貫通孔を有する放射線遮蔽体を前記放射線束の入射方向の下流または後方に備え、さらに放射線のエネルギー分布を調整するために厚さが中心部から外部若しくは周辺部に向かって段階的に若しくは連続的に変化する板を、前記の放射線遮蔽体の上流若しくは前方に備えることを特徴とする放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［２］前記厚さが中心部から外部若しくは周辺部に向かって段階的に若しくは連続的に変化する板は、中心部の厚さが外部若しくは周辺部よりも薄いことを特徴とする前記［１］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［３］前記遮蔽体が有する貫通孔を、前記遮蔽体の単位面積あたりに占める前記貫通孔の開口部の面積比率が前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に大きくなる様に配置することによって、前記の入射放射線束が有する空間強度分布を前記遮蔽体の透過後に均一化するような調整を行う放射線の空間強度分布調整装置であることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［４］前記遮蔽体が有する貫通孔は、配列ピッチを変えずに前記貫通孔の開口部の面積を前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に大きくすることを特徴とする前記［３］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［５］前記遮蔽体が有する貫通孔は、開口部が同一面積を有し、前記貫通孔の開口部の配列ピッチを前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に狭くすることを特徴とする前記［３］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［６］前記遮蔽体が有する貫通孔を、前記遮蔽体の単位面積あたりに占める前記貫通孔の開口部の面積比率が前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に小さくなる様に配置することによって、前記の入射放射線束が有する空間強度分布を前記遮蔽体の透過後に強度分布の中心部で大きくなるような調整を行う放射線の空間強度分布調整装置であることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［７］前記遮蔽体が有する貫通孔は、開口部の配置形状が、格子状、ハニカム状、円環状又はスリット状であることを特徴と前記［１］〜［６］のいずれかに記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［８］前記遮蔽体が有する貫通孔は、開口部の形状が、円形、楕円形、レーストラック形、三角形、四角形又は六角形であることを特徴とする前記［７］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［９］前記複数の貫通孔を有する遮蔽体と、前記厚さが中心部から外部若しくは周辺部に向かって段階的に若しくは連続的に変化する板とを一体化することによって、前記貫通孔の代わりに止め穴の構造とすることを特徴とする前記［１］〜［８］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
［１０］前記［１］〜［８］のいずれかに記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を有し、前記の遮蔽体が有する貫通孔は、Ｘ線の焦点からひろがって放射される放射線の方向に揃うような角度で成形されていることを特徴とするＸ線発生装置。
［１１］前記［９］に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を有し、前記の止め穴は、Ｘ線の焦点からひろがって放射される放射線の方向に揃うような角度で成形されていることを特徴とするＸ線発生装置。
［１２］前記放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を、Ｘ線ターゲットのＸ線照射方向の下流または後方に具備することを特徴とする前記［１０］に記載のＸ線発生装置。
［１３］前記放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を、Ｘ線ターゲットのＸ線照射方向の下流または後方に具備することを特徴とする前記［１１］に記載のＸ線発生装置。
［１３］前記放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を、Ｘ線ターゲットのＸ線照射方向の下流または後方に具備することを特徴とする前記［１１］に記載のＸ線発生装置。
［１４］前記［１］〜［９］のいずれかに記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を、放射線を検出する側に具備したことを特徴とする放射線検出器。
［発明の効果］
［発明の効果］
放射線空間強度分布 Iout(x, y) の調整は、局所的平均放射線透過率 A(x, y) は局所的平均開口面積比 ρ(x, y) に比例するので、局所的平均開口面積比 ρ(x, y) を決定することで出来、設計が容易である。
放射線のエネルギー空間分布と空間強度分布を同時に調整する場合も、放射線エネルギー空間分布の調整部分を先に設計し 、その放射線透過量を基に強度分布調整部分を設計できるので、設計が容易である。
局所的放射線透過率は、開口部を通過するか遮蔽されるかのいずれかの効果にて調整されるので、放射線空間強度分布は、線種や線質 (エネルギー分布) に影響されにくい。
構造はコリメーターであるので、コリメーターとしての機能も有し 、直進性の良いX 線を得られるので、X 線透過イメージングでの画像の画質向上や癌治療の際の照射線量及び吸収線量の高精度化に寄与する。
本発明による放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置は、光子線 (X 線、γ線)、荷電レプトン線 (電子など )、α線、イオン (重イオン) 粒子線、ハド ロン粒子線 (陽子、中性子など ) に適用できる。
発明の実施形態について説明する。
放射線の空間強度分布調整装置について説明する。
放射線の空間強度分布調整装置の単純な例は図１の横断面に示すようなものである。厚さが L である放射線遮蔽体に幅がdとなる開口部を有する貫通孔があり、貫通孔と貫通孔の間の非開口部の幅はaである。これは貫通孔を有する放射線遮蔽体１であるが実質的には放射線コリメーターである。ここでは、遮蔽体の全体で d 及び a が同じであるとする。d/(d+a) を局所的平均開口面積比ρと呼ぶことにする。
例えば 、a=d とすると、局所的平均開口面積比は 0.5 となる。
放射線束は図１ (a) の上部から空間的に一様に遮蔽体に垂直に入射するとすると、貫通孔に入射した放射線束はそのまま貫通孔を有する放射線遮蔽体を通過するが 、非開口部に入射した放射線束は、遮蔽体により減衰する。
この時、a=d であれば 、貫通孔を有する放射線遮蔽体を通過した放射線束と、貫通孔を有する放射線遮蔽体により減衰した放射線束は 1:1 の割合になる。
もし L が無限大であれば 、非開口部に入射した放射線は完全に遮蔽され 、貫通孔を通過した放射線束のみが遮蔽体を通過することになり、貫通孔を有する放射線遮蔽体全体での放射線束の透過率は 0.5(=a/(a+d)) となる
L の大きさは、A = ρ が厳密に成り立つかど うかを決める重要な要素である。もし 、非開口部に入射する放射線束の影響を 10％にするのであれば、入射放射線束に対し減衰率が0.9を示すような Lを用いる。影響を1％にするのであれば減衰率 0.99 が必要であり、L もそれに従い決定される。
このように、局所的に入射放射線束の空間強度分布が一様であると看做せる範囲において、L が入射放射線束に対し十分な遮蔽能力を示すような大きさであれば 、開口部面積dと非開口部面積aの比を決定することにより、局所的放射線透過率 A = ρ = a/(a + d)を決定することが出来る。
a と d の具体的な大きさは、放射線強度分布の精度をどの程度必要としているかによって異なる。遮蔽体を通過した放射線束の強度分布 Ioutは、厳密には図１(b) のグラフの実線で示すように、貫通孔の部分が大きく、非開口部のそれは0に近くなる、従って、放射線束の空間強度分布は該グラフの実線のような微細構造を持つ。巨視的には、該グラフの破線のような分布を持つと考えられる。
放射線利用者が高い放射線束の強度分布空間分解能を要求するのであれば 、放射線束の強度分布微細構造はより小さくなくてはならない。
1mm の空間分解能で X 線透視イメージングを行うのであれば 、X 線束の強度分布微細構造はそれと同等か小さくなくてはならない。最低でもa+dが1mmであることが必要であり、1/2 から 1/10 が目安となると思われる。
局所的開口部面積比ρを決定する単位面積は、最低でも2個分の開口部が完全に含まれるような正方形または円形の領域に対する面積である。
上記にあるような 1mm の空間分解能を要する場合、該単位面積は正方形の場合、一辺 2mm の領域の面積となる。この領域は一辺 5mm や一辺 10mm の場合も考えられる。
より高精度に放射線束の強度分布空間分解能を要求する場合、例えば、0.1mm の空間分解能で空間強度分布を制御する場合、a+d が 0.1mm となり、局所的開口部面積比 ρ を決定する単位面積の領域は、一辺 0.2mm、一辺 0.5mm、一辺 1mm が考えられる。
次に、入射する放射線束の空間分布が一様で無い場合を考える。簡単のため、一次元で考える。
図２(a) のグラフに示すような空間強度分布Iin(x) を持つ放射線束の空間強度分布を図２(c)のように平均化したいとする。そのためには、図２(b)のグラフのような局所的放射線透過率 A(x) を持った貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター)を用意すれば良い。そのような貫通孔を有する放射線遮蔽体は 、図２(A)にあるように、中心付近は局所的開口部面積比 ρ(x) が小さく、外部に行くにしたがってρ(x)が大きくなるようなものになる。遮蔽体を通過して強度が平均化された放射線の強度分布を Iout(x) とすると、Iout(x)=A(x)Iin(x) となるような A(x) を取ることになる。前述の通りLが十分大きい場合にはA(x)=ρ(x)と考えることが出来る。
逆に、入射する放射線の空間強度分布が一様若しくは一様若しくは図１８のようなものであった場合で、放射線利用者が他の分布 (例えばガウス分布) を要求している場合を考える。
簡単のため、空間強度分布が一様の場合を考える。
簡単のため、空間強度分布が一様の場合を考える。
図３(a) のグラフに示すような空間強度分布 Iin(x) を持つ放射線束の空間強
度分布を別の分布である図３(c) にしたいとする。そのためには、図３(b) のグラフのような局所的放射線透過率A(x)を持った貫通孔を有する放射線遮蔽体を用意すれば良い。そのような貫通孔を有する放射線遮蔽体は、図３(A) にあるように、中心付近は局所的開口部面積比が大きく、外部に行くにしたがって局所的開口部面積比が小さくなるようなものになる。貫通孔を有する放射線遮蔽体を通過して強度が変化した放射線の強度分布を Iout(x)とすると、Iout(x)=A(x)Iin(x) となるようなA(x) を取ることになる。前述の通りLが十分大きい場合には A(x) = ρ(x) と考えることが出来る。
度分布を別の分布である図３(c) にしたいとする。そのためには、図３(b) のグラフのような局所的放射線透過率A(x)を持った貫通孔を有する放射線遮蔽体を用意すれば良い。そのような貫通孔を有する放射線遮蔽体は、図３(A) にあるように、中心付近は局所的開口部面積比が大きく、外部に行くにしたがって局所的開口部面積比が小さくなるようなものになる。貫通孔を有する放射線遮蔽体を通過して強度が変化した放射線の強度分布を Iout(x)とすると、Iout(x)=A(x)Iin(x) となるようなA(x) を取ることになる。前述の通りLが十分大きい場合には A(x) = ρ(x) と考えることが出来る。
放射線透過率は局所的平均開口部面積比 ρ(x) によって決まる。ρ(x) となるような貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) を構成するには、図４ (a) のように貫通孔配列ピッチは変えずに貫通孔の開口面積を各位置で変化させる方法がある、
また、同一開口面積である貫通孔の局所的数密度を図４(b) のように場所により変化させることで、貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) の局所的開口部面積比 ρ(x) を得ることも可能である。
上記２種類の局所的開口部面積比の実現方法の二次元での構造を上面から見た模式図が 、図５である。
さらに上記２種類の局所的開口部面積比の実現方法を組み合わせ、貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) の開口部面積と貫通孔の局所的密度の両方を変化させることにより、同等の効果を得ることが可能である。
二次元に一般化すれば 、ある空間強度分布 Iin(x, y) を持った放射線があるとすれば 、局所的放射線透過率 A(x, y) を持つ放射線コリメーターを通過させることにより、空間強度分布 Iout(x, y) をもった放射線を得ることが出来ることになる。
そして、その放射線透過率 A(x, y) は、前記の厚さLが十分大きい場合にはA(x, y)=ρ(x, y) と看做せる。
従って、局所的開口部面積比 ρ(x, y) を持つ貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) を製造し 、放射線束が通過する位置に設置することにより、放射線使用者が希望する放射線強度分布を提供することが出来る。
無論、貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) の貫通孔は、放射線源に向かった形状であることが望ましい。
貫通孔の形状は、円柱や円錐の一部分に限定されない。隣接する貫通孔に干渉しない範囲で、任意の底面を持つ柱体若しくは錐体の一部分となることが考えられる。
図５では、開口部が円形であるが 、円形である必然性はド リルによる切削工作の都合に他ならない。開口部が円形の場合で格子状に配置される場合、局所的開口部面積比 ρは正四角形の内接円の面積と該正四角形の面積の比である (π(d/2)2)/d2≒ 0.785 を越えることが出来ない。格子状に配置される場合で、より大きな局所的開口部面積比 ρ を得るには、開口部形状は矩形であることが望ましい。
格子状ではなく、ハニカム状に円を充填するのであれば、局所的開口部面積比 ρ は正六角形の内接円の面積と該正六角形の面積の比である π/(2×31/2)≒0.906 が限界となる。
平面をすき間無く埋めることが出来るのは、三角形、四角形及び六角形であることが知られている。局所的開口部面積比ρを最大にするには、開口部形状が三角形、四角形(矩形) 若しくは六角形であることが望ましい。
さらにいえば 、図６の様な円環状の開口部形状も考えられる。実際は円環状の非開口部を支える構造が必要であるため、図７で示される様に開口部に支柱部分が成形されることになる。その場合、開口部形状図６の様に楕円若しくはレーストラック型若しくは角の取れた矩形のようなものが円環状に並んだ形となる。
貫通孔を持つ放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) の製造に関しては、上記の通り切削加工や鋳造も考えられるが 、下記に示すような積層による方法が考えられる。ド リルによる切削加工は貫通孔の形状が円柱に限定されるため、積層による方法が望ましいと考えられる。積層による方法であれば 、矩形や正方形や六角形などの開口部形状を成形可能である。また、ドリルによる切削加工は、貫通孔の径を連続的に変化させることは困難であり、フォトエッチングはその点で有理である。
積層による方法は、厚さ0.10?1mmの薄い板状の材料に対し貫通穴をフォトエッチング等の微細加工技術によって成形し 、こうして製造された材料板 (薄コリメーター板) を必要な厚さまで積層することを特徴とする。積層する際には位置決めが必要であるので、予め位置決め用ピンが貫通するための位置決め穴も材料板に同時に形成しておく。または、予めエッジを精密に加工しておき、これを位置決め治具 (V 字ブロックとも呼ばれる) に押し付けながら位置決めすることも考えられる。
積層された材料板 (薄コリメーター板) は拡散接合や接着、溶接やろう付けなどで一体化することもできる。板厚が 1mm 以上あれば溶接やろう付けは有効であると思われる。1mm以下であれば 、拡散接合や接着の方が望ましい。
積層された材料板 (薄コリメーター板) は拡散接合や接着、溶接やろう付けなどで一体化することもできる。板厚が 1mm 以上あれば溶接やろう付けは有効であると思われる。1mm以下であれば 、拡散接合や接着の方が望ましい。
薄コリメーター板の厚さは 0.10mm から 1mm に限定されない。より微細な加工を要するのであれば 、最適な厚さを選択する。材質によっては、厚さ 5 μ m 以下の板に数μm の開口部を形成することも可能となっている。
逆に、厚さ 1mm で、開口部 2mm のものも可能である。
逆に、厚さ 1mm で、開口部 2mm のものも可能である。
貫通孔を持つ放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) の材料物質は、フォトエッチングの技術が確立されており且つ放射線遮蔽能力の高い材料が望ましい。銅、鉄やCRTシャドーマスク用の材料も選択肢に入る。遮蔽財として最も良いのはタングステンであるが 、純タングステンは非常に硬く加工が困難であり、その為複雑な形状に切削加工するのは困難とされている。一般的には焼結による形成が行われている。加工性を良くするためにタングステン合金 (ヘビーアロイ等) が用いられる場合もある。しかし 、幸いにもタングステン系金属のエッチング方法も開示されている (特許公開平０５?１７５１７０号公報、特許公開２００８?２５８３９５号公報、特許公開２０１１?１５１２８７号公報)。遮蔽能力は劣るが、放射線束が軟X線領域のX線であれば、貫通孔を持つ放射線遮蔽体(放射線コリメーター) の材料物質としてシリコンも選択肢に入る。
同様の加工ができる技術としてプレス加工があるが 、金型が必要であり、初期投資が大きくなりがちである。ただし 、鉛などエッチングに不向きな材料の加工に関してはプレス加工は有力な加工方法である。
中性子線束の遮蔽にはポリエチレン 、パラフィン 、などの高分子化合物が使われることが多い。また、中性子を捕捉しやすい硼素が添加される場合もある。しかしこれらはエッチングには不向きである。プレス加工であれば 、これらの材料の加工が可能であり、貫通孔を持つ放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) として利用出来る。
特開昭６０?２３３１５４号公報には、ポリイミド 樹脂、エポキシ樹脂、ポリフェニレンスルフィド 樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミド イミド 樹脂及びポリエーテルイミド 樹脂からなる群から選ばれた高耐熱性と耐熱水性を有する一種又は二種以上をマトリックスとし 、中性子吸収材料を混合分散させてなることを特徴とする中性子吸収遮蔽材組成物が開示されている。また、該公報には、中性子吸収材料がガドリニウム含有材料、硼素含有材料、リチウム含有材料等であることも開示されている。
ポリイミドのエッチング方法については特許第３２５１５１５号公報にて開示されている。これは主に電子回路のフレキシブルプリント基盤のスルーホールの成形などに使われ、フィルム厚 25 μ m、穴サイズ 50 μ m?数百μ m の微細加工も可能である。従って、ポリイミド による、貫通孔を持つ放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) は構成可能である。
ポリイミドのエッチング方法については特許第３２５１５１５号公報にて開示されている。これは主に電子回路のフレキシブルプリント基盤のスルーホールの成形などに使われ、フィルム厚 25 μ m、穴サイズ 50 μ m?数百μ m の微細加工も可能である。従って、ポリイミド による、貫通孔を持つ放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) は構成可能である。
検出されるべき放射線束がパラレルビーム (平行) であると仮定できるときは、同じマスクを用いた薄コリメーター板を必要な厚さの分だけ用意すれば良い。
この場合、材料が鉄や鉛などプレス加工が可能なものなら、プレスも加工方法として選択肢に入る。
この場合、材料が鉄や鉛などプレス加工が可能なものなら、プレスも加工方法として選択肢に入る。
しかし、実際の放射線束はファンビームであったりコーンビームであったりすることが多い。この場合、薄コリメーター板は、各検出素子へのビームの入射角度にあわせ、各層で異なるド ットピッチと開口径を有する必要があるので、ファンビーム及びコーンビーム用貫通孔を持つ放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) の場合、金型が大量に必要となるのでプレス加工は不向きである。
薄コリメーター板を多数積層すると、薄コリメーター板開口部の状況によっては、各薄コリメーター板が密着せずに盛り上がってしまう可能性もある。これを防ぐには、薄コリメーター板積層後さらにある程度剛性のある板を設置し、薄コリメーター板を押さえ込むことが考えられる。
別の方法として、開口部成形の前に、薄コリメーター板開口部の板厚を薄コリメーター板の縁の部分よりも若干薄く (数％から 10％程度) 加工しておくこと (減肉) も考えられる。薄くするのは片面だけでも良いし 、両面でも良い。
ハーフエッチング加工を適用すれば 、この減肉加工は可能である。
別の方法として、開口部成形の前に、薄コリメーター板開口部の板厚を薄コリメーター板の縁の部分よりも若干薄く (数％から 10％程度) 加工しておくこと (減肉) も考えられる。薄くするのは片面だけでも良いし 、両面でも良い。
ハーフエッチング加工を適用すれば 、この減肉加工は可能である。
また、逆に 、薄コリメーター板よりも十分薄い (10 ％以下) の薄膜を、薄コリメーターの縁の部分に挟み込むことでも、同様の効果を得られる。
他にも、成膜等 (真空蒸着やスパッタリング、CVD) で縁の部分に薄い箔を追加し、薄コリメーター開口部についてはフォトマスクを用いて箔取り除くリフトオフという方法
もある。
薄コリメーター板の減肉により上下の薄コリメーター板に互いに噛み合うような凹凸構造を成型し 、これをもって位置決めすることもできる。特に 1mm 程度の厚い板状材料の場合に有効と考えられる。
もある。
薄コリメーター板の減肉により上下の薄コリメーター板に互いに噛み合うような凹凸構造を成型し 、これをもって位置決めすることもできる。特に 1mm 程度の厚い板状材料の場合に有効と考えられる。
一方で、多少の放射線透過率を犠牲に出来るのであれば 、特許第４６４３８８５号公報のように、貫通孔部分に低密度の物質を充填することにより、非開口部を支持することも可能である。
例えば 、図６の様な構造は、遮蔽体となる材質の薄膜と低密度物質の薄膜を軸に巻き付けていくことにより実現出来る。
例えば 、図６の様な構造は、遮蔽体となる材質の薄膜と低密度物質の薄膜を軸に巻き付けていくことにより実現出来る。
貫通孔の形状としては、図８に示されているような一般的にスリットと呼ばれている放射線コリメーターを使用しても良い。図８の放射線コリメーターは、放射線束入射方向に垂直に板状の遮蔽体を設置するものである。板状の遮蔽体同士の間隔を位置により変化させることにより。開口部の幅 d を位置により変化させることができる。
同様に、板状の遮蔽体の厚さはaに相当するので、板状の遮蔽体の厚さを設置する場所に合わせて変化させることにより、d(d+a)を変化させることも出来る。もちろんa及びdを両方変化させることも考えられる。
同様に、板状の遮蔽体の厚さはaに相当するので、板状の遮蔽体の厚さを設置する場所に合わせて変化させることにより、d(d+a)を変化させることも出来る。もちろんa及びdを両方変化させることも考えられる。
放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置について説明する。
放射線は、物質中を通過する際にエネルギー分布が変化する。例えばほぼ単色の電子線束や陽子線束はエネルギーが単調減少していく。一方で、制動輻射により発生した 10MeV以下の X 線束は線減弱係数がエネルギーに対し負の関係にあるので、物質を透過すると低いエネルギーの X 線は吸収されて減少し 高いエネルギーの X 線は多くが深部まで透過する。これを線質硬化 (ビームハードニング) と呼ぶ。
950keV の電子線をタングステンターゲットに入射した際に発生する X 線の、遮蔽体無し 、鉄 10mm の遮蔽体、鉄 20mm の遮蔽体を通過した際の X 線エネルギー分布 (GEANT3によるモンテカルロシミュレーション結果) を図９に示す。ターゲットから直進してきたものだけを表示した。遮蔽体無しの場合の X 線エネルギー平均値は 181keV、鉄 10mm の遮蔽体通過後では X 線エネルギー平均値は 213keV、鉄 20mm の遮蔽体通過後では X 線エネルギー平均値は 221keV となる。
このような放射線の個々の特性により、適当な厚さの板を用いれば 、エネルギー分布を変化させることが出来る。
板の厚さを位置によって変化させれば 、放射線利用者が要求するエネルギー空間分布を持った放射線を得ることが可能になる。
例えば 、中心部分のエネルギーが若干高い X 線束のエネルギー分布を平坦に近づけるには、中心部分は薄く外周に行くに従って厚くなるような、エネルギー分布を変化させる板３２を用いる。中心部分のエネルギー分布は変化なく、外周部分は線質硬化によりエネルギー分布が高い方へ移動する。
しかし 、これだけでは問題がある。物質を透過した放射線はエネルギー分布も変化するが 、強度も変化する。一般的には減少する。放射線利用者が要求するエネルギー空間分布を得ようとすると、空間強度分布が変化してしまうことになる。
そこで、エネルギー分布を変化させる板３２の後に、図１０のように、放射線空間強度分布調整装置３３を設置する。
前述の通り、放射線空間強度分布調整装置は放射線のエネルギー分布に影響を与えることなく放射線の空間強度分布を変えることが出来る。
対象の放射線束のエネルギー空間分布と空間強度分布が分かっていれば 、エネルギー分布を変化させる板の後での放射線のエネルギー空間分布と放射線の空間強度分布も分かることになる。その放射線の空間強度分布を基に放射線空間強度分布調整装置の局所的平均放射線透過率を設定する。
これにより、放射線のエネルギー空間分布と放射線の空間強度分布の両方を放射線利用者が求める分布にすることが出来る。
放射線のエネルギー分布を変化させる板と放射線空間強度分布調整装置の関係は、上述の通り、放射線入射側にエネルギー分布を変化させる板を設置し 、放射線空間強度分布調整装置はその後方に置かれることが望ましい。なぜなら、エネルギー分布を変化させる板にて放射線が散乱される可能性があり、それを放射線空間強度分布調整装置のコリメーター機能によって除去出来る可能性があるからである。
放射線を用いた撮像において、放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置は、被写体の前方 (放射線源側) または後方 (放射線検出器側) のどちらにも設置が可能である。
上記の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置は、エネルギー分布を変化させる板と放射線空間強度分布調整装置に分かれていたが、分離している必要は無い場合もある。
放射線空間強度分布調整装置の貫通穴を止め穴に置き換えて考えれば、止め穴の深さにより放射線のエネルギー分布が変化することが理解出来る。
従って、図１１のように、止め穴の深さを放射線エネルギー空間分布によって決定し 、それを基に止め穴の開口面積を決めれば実施例２と同様の効果を得ることが出来る。
これにより、エネルギー分布を変化させる板と放射線の空間強度分布調整装置を一体のものとして実現出来る。
微細貫通穴及び微細止め穴は、図１２に示すように、実施例１に記載した積層による方法で製造可能である。
放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を用いたX線発生装置について説明する。
一般的な X 線発生装置は、図１３に示すように、X 線焦点が X 線ターゲットの位置にある。そして、発生した X 線は、エネルギー空間分布及び空間強度分布は一様ではない。
このような場合、X 線ターゲットの後方に、上記放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を設置するとよい。設置位置は、あまり X 線ターゲットに近づけ過ぎると、X 線の空間分布が小さく、精密に放射線調整を行うには微細加工精度への要求が厳しくなる。一方で X 線ターゲットから離し過ぎると、逆に X 線空間分布が大きくなりすぎ 、大きな放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置が必要になる。
X 線は、エネルギー空間分布及び空間強度分布は測定またはシミュレーションにより分かるので、それを基に、実施例２に記載の方法で放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を設計する。
勿論、貫通孔の軸は X 線焦点を通るようにする。
従来の、陽極が X 線ターゲットを兼ねる X 線発生装置に於いては、X 線ターゲットにて電子線が焦点を結ぶようになっている。
本実施例では、X 線ターゲットの位置では電子線束は焦点を結んでいないことを特徴としている。かつ、電子線束が X 線ターゲットの前方または後方にて焦点を結ぶことが重要である。
従来の X 線管では、陽極 X 線ターゲットから反射された X 線が利用される場合も多い。本発明では、電子線束の収束位置に X 線を収束させるため、陽極 X 線ターゲットを透過した X 線を利用することになる。
図１４は、X 線ターゲットが電子線束焦点５５の後方に位置する場合の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を備える X 線発生装置の模式図である。電子線は電子線束５２は図の上方より X 線ターゲット５１に入射し 、X 線束５３となって下方に放射される。
電子線束は、一度焦点を結んだあとに発散し 、X 線ターゲットに入射して X 線に変換される。X 線は電子線入射方向に多く放射されるので、電子線入射方向にあわせた開口部形状を持つ放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を X 線ターゲット直後に設置する。
このようにすることで、X 線ターゲットで放射された X 線のうち電子線束入射方向に放射されたものだけを取り出すことが出来る。
また、X 線ターゲット上での電子線空間分布は焦点のそれよりも広いので、熱分布が局所化することを防ぐことも出来る。
図１５は、X 線ターゲットが電子線束焦点５５の前方に位置する場合の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を備える X 線発生装置の模式図である。
電子線束５２は図の上方より X 線ターゲット５１に入射し 、X 線束５３となって下方に放
射される。
電子線束５２は図の上方より X 線ターゲット５１に入射し 、X 線束５３となって下方に放
射される。
図１５においても、図１４の場合と同じく、X 線ターゲットで放射された X 線のうち電子線束入射方向に放射されたものだけを取り出すことが出来、X 線ターゲット上での電子線空間分布は焦点のそれよりも広いので、熱分布が局所化することを防ぐことも出来る。
図１５に於いては、電子線束は焦点を結ぶ前に X 線ターゲットに入射する。これにより、電子線束の空間電荷効果による影響を減少させることが出来る。
また、放射された X 線は一度焦点を結ぶ。X 線像の拡大を試みる場合においては、X線焦点に被写体を出来る限り近づけることが重要であるが 、この場合は原理的にはX線焦点の位置に被写体を置くことが可能になる。
ただし 、実際の焦点サイズは、放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置のコリメーター機能に依存する。
実施例３は透過型 X 線発生装置であったが 、図１６、図１７のように、反射型の回転型X線ターゲット５８を持つ X 線源 (X 線管) に対しても、放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を適用出来る。
図１６において、電子線源 (陰極) ５７から放出された電子線束５２は陰極と陽極の間に印加された高電圧による電場で加速され、回転型 X 線ターゲット５８に衝突して X 線に変換される。回転型X線ターゲットの電子線束５２入射側に放出されたX線の一部が、X線束５３として取り出され利用される。図１６では、X 線束焦点５６の前方に放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置５４を設置した例である。図１７は、X 線束焦点５６の後方に放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置５４を設置した例である。
放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を用いた放射線検出器
について説明する。
について説明する。
実施例３は、放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装が放射線源側にある場合であったが 、放射線検出器が放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を具備する場合も考えられる。
これは、放射線源側に放射線空間強度分布調整装置若しくは放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を具備するのが難しい場合に効果があると考えられる。
勿論、これは、ある特定の空間強度分布及びエネルギー空間分布が既知である放射
線源に対し 、該放射線源用に設計された放射線検出器用の放射線空間強度分布調整装置であって、放射線源と放射線検出器の位置関係が規定されていることも必要である。
線源に対し 、該放射線源用に設計された放射線検出器用の放射線空間強度分布調整装置であって、放射線源と放射線検出器の位置関係が規定されていることも必要である。
X 線 CT 装置やある種の X 線撮像装置は、X 線源と X 線検出器との位置関係は変わらないので、この場合に相当する。
放射線検出器がピクセル構造であって複数の検出器の集合体でありそれぞれが独立した信号を出すものであるのであれば 、放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置の開口部位置は放射線検出器の位置に合わせて成形することが良く、開口部面積により放射線透過量を決定するのが望ましい。
この場合、開口部と放射線検出器ピクセルの位置決めを正確に行うことが重要となる。あらかじめ検出器に位置決め用治具を具備し 、放射線検出器用の放射線空間強度分布調整装置若しくは放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を位置決めすることが望ましい。
放射線検出器ピクセルと放射線空間強度分布調整装置または放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置の開口部は、必ず一対一の関係でなくてはならない訳ではなく、2:1 や 1:2、3:2 といったように整数対整数の関係も考えられる。しかし 、開口部に対し放射線検出器ピクセルが複数ある場合、非開口部に掛かる放射線検出器ピクセルが存在し得るので、放射線検出器ピクセルに対し複数の開口部がある場合の方が望ましい。
また、開口部に対し放射線検出器ピクセルが複数ある場合というのは、各ピクセルに対する開口部のコリメーター機能が発揮出来ない状態でもある。故に、単一の放射線検出器ピクセルに対し単一若しくは複数の開口部がある場合の方が望ましい。
また、開口部に対し放射線検出器ピクセルが複数ある場合というのは、各ピクセルに対する開口部のコリメーター機能が発揮出来ない状態でもある。故に、単一の放射線検出器ピクセルに対し単一若しくは複数の開口部がある場合の方が望ましい。
一方で、X線フィルム等のマクロ的には連続した構造の放射線検出器であれば 、開口部の位置を厳密に合わせる必要はない。従って、開口部の密度により放射線透過率を決定することも出来る。
本願の図に於いて、貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) １は、貫通孔を有するする部分しか描かれていない場合があるが 、該放射線遮蔽体は必要に応じて貫通孔を有しない部分を追加若しくは拡げることが出来る。例えば 、X 線発生装置において、本来利用されるべきX線以外の漏洩 X 線を遮蔽するための放射線遮蔽体に貫通孔を設けて、貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター) １とすることも出来る。
放射線検出器の筐体には、放射線検出器本体 (放射線検出素子) と電気信号読み出し回路が収納去れている場合が多い。電子回路等は放射線耐性が高くないものも存在し 、電子回路等が存在する部分には強い放射線を照射しないことが望ましい。特に、本実施例において、放射線検出素子の部分には貫通孔を有し 、電気信号読み出し回路が収納されている部分には貫通孔を有しないような放射線遮蔽体とすることが望ましい。
放射線のエネルギー分布及び強度分布を同時に調整可能であるため、均一な照射線量空間分布を得ることが出来、X 線、電子線、陽子線、(重) イオン線その他の粒子線癌治療において、正確な線量照射が可能になり、吸収強度分布の推定も容易となる。
X線透視イメージングについても同様に均一な照射線量空間分布を得ることが出来、視野の隅まで十分な平坦度の露光が可能になる。
放射線検出器における強度分布を均一に近づけることができ、放射線検出器側信号処理装置等での強度分布の補正が容易になる。ひいては、放射線検出器の実質的なダイナミックレンジの改善に繋がる。
放射線による透過イメージングにおいて放射線源側で照射線量空間分布を調整する場合は、被写体には余分な放射線を照射する必要がなく、医学利用において患者の被曝量を減少させることが出来る。
１ 貫通孔を有する放射線遮蔽体 (放射線コリメーター)
２ 貫通孔を通過した放射線束
３ 非開口部に入射し減衰した放射線束
３１ 放射線束
３２ エネルギー分布を変化させる板
３３ 放射線空間強度分布調整装置
３４ 放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置
３５ 薄コリメーター板
５１ X 線ターゲット
５２ 電子線束
５３ X 線束
５４ 放射線空間強度分布調整装置若しくは放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分
布の調整装置
５５ 電子線束焦点
５６ X 線束焦点
５７ 電子線源 (陰極)
５８ 回転型 X 線ターゲット (陽極)
２ 貫通孔を通過した放射線束
３ 非開口部に入射し減衰した放射線束
３１ 放射線束
３２ エネルギー分布を変化させる板
３３ 放射線空間強度分布調整装置
３４ 放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置
３５ 薄コリメーター板
５１ X 線ターゲット
５２ 電子線束
５３ X 線束
５４ 放射線空間強度分布調整装置若しくは放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分
布の調整装置
５５ 電子線束焦点
５６ X 線束焦点
５７ 電子線源 (陰極)
５８ 回転型 X 線ターゲット (陽極)
Claims (14)
- 入射放射線束が有する空間強度分布を所望の空間強度分布に換えるために、複数の貫通孔を有する放射線遮蔽体を前記放射線束の入射方向の下流または後方に備え、さらに放射線のエネルギー分布を調整するために厚さが中心部から外部若しくは周辺部に向かって段階的に若しくは連続的に変化する板を、前記の放射線遮蔽体の上流若しくは前方に備えることを特徴とする放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記厚さが中心部から外部若しくは周辺部に向かって段階的に若しくは連続的に変化する板は、中心部の厚さが外部若しくは周辺部よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記遮蔽体が有する貫通孔を、前記遮蔽体の単位面積あたりに占める前記貫通孔の開口部の面積比率が前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に大きくなる様に配置することによって、前記の入射放射線束が有する空間強度分布を前記遮蔽体の透過後に均一化するような調整を行う放射線の空間強度分布調整装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記遮蔽体が有する貫通孔は、配列ピッチを変えずに前記貫通孔の開口部の面積を前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に大きくすることを特徴とする請求項３に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記遮蔽体が有する貫通孔は、開口部が同一面積を有し、前記貫通孔の開口部の配列ピッチを前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に狭くすることを特徴とする請求項３に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記遮蔽体が有する貫通孔を、前記遮蔽体の単位面積あたりに占める前記貫通孔の開口部の面積比率が前記遮蔽体の中心部から外部若しくは周辺部に向かって、段階的に若しくは連続的に小さくなる様に配置することによって、前記の入射放射線束が有する空間強度分布を前記遮蔽体の透過後に強度分布の中心部で大きくなるような調整を行う放射線の空間強度分布調整装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記遮蔽体が有する貫通孔は、開口部の配置形状が、格子状、ハニカム状、円環状又はスリット状であることを特徴と請求項１〜６のいずれかに記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記遮蔽体が有する貫通孔は、開口部の形状が、円形、楕円形、レーストラック形、三角形、四角形又は六角形であることを特徴とする請求項７に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 前記複数の貫通孔を有する遮蔽体と、前記厚さが中心部から外部若しくは周辺部に向かって段階的に若しくは連続的に変化する板とを一体化することによって、前記貫通孔の代わりに止め穴の構造とすることを特徴とする請求項１〜８に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を有し、前記の遮蔽体が有する貫通孔は、Ｘ線の焦点からひろがって放射される放射線の方向に揃うような角度で成形されていることを特徴とするＸ線発生装置。
- 請求項９に記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を有し、前記の止め穴は、Ｘ線の焦点からひろがって放射される放射線の方向に揃うような角度で成形されていることを特徴とするＸ線発生装置。
- 前記放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を、Ｘ線ターゲットのＸ線照射方向の下流または後方に具備することを特徴とする請求項１０に記載のＸ線発生装置。
- 前記放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を、Ｘ線ターゲットのＸ線照射方向の下流または後方に具備することを特徴とする請求項１１に記載のＸ線発生装置。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の放射線の空間強度分布及びエネルギーの空間分布の調整装置を、放射線を検出する側に具備したことを特徴とする放射線検出器。
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