JP5779819B2

JP5779819B2 - 放射線検出器

Info

Publication number: JP5779819B2
Application number: JP2011195023A
Authority: JP
Inventors: 神野　郁夫; 郁夫神野; 邦章荒; 雅彦大高
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: JP2013057554A

Description

本発明は、放射線の入射方向に沿って複数の検出素子を配列した構造の放射線検出器に関し、更に詳しく述べると、その一部の検出素子に吸収体を付設することにより、高計数率の放射線の検出と高精度のエネルギ情報の収集とを同時に行うことができるようにした放射線検出器に関するものである。この技術は、例えば放射線透過撮像等に有用である。

周知のように、電磁放射線（以下、単に「放射線」と記す）であるＸ線やガンマ線は、高い透過能力を有することから、医療分野における診断をはじめ、工業分野における非破壊検査や結晶構造解析等に広く用いられている。近年、放射線の透過能力を利用した放射線透過撮像法としては、写真乾板に対する感光作用を用いたレントゲン撮影に代え、検出媒体に対する放射線の励起作用を電気的に検出し、その検出結果に基づいてデジタル画像を得る方式が主流となってきている。放射線検出器の内部に放射線のエネルギが付与されると、検出媒体の種類によって、例えば、半導体であれば電子・正孔対、ガスであれば電子・イオン対、シンチレータであれば蛍光、超伝導体であれば準粒子等の励起子が生成される。放射線検出器では、これらの励起子が電極に移動することによって付与エネルギに比例した電圧が誘起され、それによって人体等を透過した放射線のエネルギを測定することができる。

しかし、このような放射線検出器は、放射線が入射する毎に誘起電圧を測定するため、励起子が電極に移動している間に次の放射線が入射した場合には、前後する放射線を一つの放射線として認識してしまう虞がある。その結果、単位時間当たりに入射する放射線の線量（以下、単に「線量」ともいう）が制限されることになり、放射線透過撮像法（Ｘ線ＣＴスキャン等）のように短時間で非常に高い線量の放射線を測定する際には、放射線のエネルギ情報を利用できなくなる問題があった。逆に、低い線量に制限した場合には短時間で放射線透過像を得ることができなくなるため、例えば、医療用Ｘ線ＣＴスキャン等の用途において、心臓のような動きの速い臓器の鮮明な画像を得ることが極めて困難であった。そこで、放射線透過撮像装置では、Ｘ線のエネルギー測定は行わずに、電極に流れる電流を検出することにより、被検体内部を単位時間あたりに透過したＸ線の量を測定する方法が採用されている（特許文献１参照）。

一方、ヨウ素造影剤を用いて癌組織の有無を判定するための画像を得る場合、照射されたＸ線のごく一部しかヨウ素に吸収されないことから、人体に大量のＸ線を照射する必要があり、放射線被曝のリスクが高くなる問題があった。そこで、人体とヨウ素との間でＸ線の吸収率が異なることを利用したエネルギ差分法を採用した低被曝型のＸ線透過撮影装置が開発されている。この種のＸ線透過撮影装置では、２枚のＸ線フィルムの間に銅などの金属板を挟み白色Ｘ線を照射するもの、あるいは２種の単色Ｘ線を用いるものが一般的であり、これらにおいてはＸ線を電流として測定している。また一つ一つのＸ線のエネルギーを測定する方法を用いて、ランタン（Ｌａ）フィルタにより高エネルギ部分をカットしたフィルタＸ線を人体に照射し、人体を透過したフィルタＸ線のうち、ヨウ素のＫ吸収端を挟んだ上下２つのエネルギ範囲のＸ線数を測定し、これにより得られた２種のエネルギ情報をサブトラクトすることによって造影剤のみを強調した画像を得る技術も提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、前記のような従来の放射線検出器は、高い線量に対応することができる反面、個々の放射線から付与されたエネルギの情報が失われるため、例えば、従来型Ｘ線透過撮影に対しては、ある組織を通過したＸ線の量が多いか少ないかという情報しか得ることができない。そのため、このような放射線検出器を特許文献２に示されているようなエネルギ差分法に適用することは困難であった。

このような問題を解決できるものとして、入射した放射線から付与されたエネルギによって電荷を発生する検出媒体と、前記検出媒体における前記放射線の入射端からの距離が互いに異なる位置で、該検出媒体に設置された複数の電極とを備えた放射線検出器（特許文献３参照）、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータとフォトダイオードからなる検出素子を、放射線の入射方向に沿って複数配列した放射線検出器（非特許文献１参照）、あるいはＳｉ（Ｌｉ）半導体検出器からなる検出素子を放射線の入射方向に沿って複数配列した放射線検出器（非特許文献２参照）が提案されている。

これらの放射線検出器は、同一の検出素子を配列しているため構成が簡素化され、高い線量の放射線の検出とエネルギ情報の収集とが同時に行えるという優れた特徴を有するものの、各々の検出素子の入射放射線のエネルギに対する応答特性が類似しているため、エネルギ情報を精度良く求めるには、多大な計算を要するという問題があった。また、解析結果であるＸ線通過線上のヨウ素厚さを精度良く求めるためには、多数の初期推定Ｘ線エネルギー分布を用意し、アンフォールディングコードに入力する必要があった。更に、Ｘ線が被検体を通過した距離に対して求めておいた応答関数を解析に用いる必要があり、このため測定電流値から再構成したＣＴ画像を用いて、各測定点においてＸ線が被検体を通過した距離を算出する必要があった。

特開２００５−７７１５２号公報特開２００４−２２３１５８号公報特開２００７−７１６０２号公報

I. Kanno, et al., "A Current-Mode Detector for Unfolding X-ray Energy Distribution", Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Vol.45, No.11, p.1165-1170 (2008). R. Imamura, et al., "Unfolding Method with X-ray Path Length-Dependent Response Functions for Computed Tomography Using X-ray Energy Information", Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Vol.47, No.11, p.1075-1082 (2010).

本発明が解決しようとする課題は、高い線量の放射線の検出と放射線のエネルギ情報の収集とを同時に行うことができ、しかもエネルギ情報を精度良く取得することを可能とすることである。本発明が解決しようとする他の課題は、構成が複雑化せず、安価に製作できる放射線検出器を提供することである。

本発明は、入射した放射線から付与されたエネルギによって電荷を発生する複数の検出素子が、放射線の入射線上に入射端からの距離が互いに異なる位置に配設され、前記検出素子の列の検出素子間の１箇所以上に吸収体が設置されていることを特徴とする放射線検出器である。

前記の複数の検出素子は全て同一の検出媒体を用いた同一構造であり、それらを３〜６個、一列に配列するのが好ましい。前記吸収体としては、原子番号１３のＡｌから原子番号８３のＢｉまで（但し、原子番号４３のＴｃ及び原子番号６１のＰｍを除く）の元素を含む材料を用いる。

典型的な例としては、Ｘ線を測定し、Ｘ線のエネルギー情報から、被検体中のヨウ素造影剤を測定するための放射線検出器があり、その場合、前記の各検出素子は全て同一の検出媒体を用いた同一構造であり、それらが３個、放射線の入射線上に一列に配列されていて、前記吸収体は錫からなり、該吸収体が、前記検出素子の列の中間の検出素子及び／又は最後尾の検出素子の放射線入射端側に配置されている構成がある。

ここで前記検出素子の検出媒体は、半導体、シンチレータ、ガス、超伝導体、もしくは絶縁体などからなる。

本発明の放射線検出器によれば、高い線量の放射線の検出と放射線のエネルギ情報の収集とを同時に行うことができ、しかも吸収体を配置したことによって、多大な計算を要することなく、エネルギ情報を精度良く取得することが可能となる。また、同一の検出媒体を用いた同一構造の検出素子を用いることができるので、構成が単純化され、安価に製作することができる。

本発明に係る放射線検出器を用いたＸ線透過撮像装置の概略構成図。本発明に係る放射線検出器の一実施例を示す概略図。Ｘ線エネルギスペクトルの一例を示すグラフ。本発明の有用性を示す説明図。放射線検出器による測定形態を示す概略図。放射線検出器により得られた被検体の断面プロファイル。ヨウ素造影剤を観測した場合のＩ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフ。バリウム造影剤を観測した場合のＩ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフ。金造影剤を観測した場合のＩ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフ。

本発明の放射線検出器は、入射した放射線から付与されたエネルギによって電荷を発生する複数の検出素子が、放射線の入射線上に入射端からの距離が互いに異なる位置に、それぞれ放射線源に対向するように一列に配列され、前記検出素子の列の検出素子間の１箇所以上に吸収体が設置された構造である。各検出素子は全て同一の検出媒体を用いた同一構造であり、それらが３〜６個配設されている。

被検体中のヨウ素造影剤を検出しようとする場合には、例えば錫を吸収体とし、この錫吸収体を一つの検出素子の前に配置する。典型的には、全て同一の検出媒体を用いた同一構造の３個の検出素子を、放射線の入射線上に一列に配列し、錫吸収体を前記検出素子の列の最後尾の検出素子の放射線入射端側に配置する。同一の複数個の検出素子を用いている場合には、それぞれの応答関数は互いに類似している。応答関数のわずかな差異は、ある検出素子の前方の検出素子によってＸ線が吸収されることによるＸ線のエネルギースペクトルの変化に起因する。同一の検出素子のみであれば、応答関数の変化はわずかであるが、一つの検出素子の前に吸収体を配置すると、Ｘ線のエネルギースペクトルは大きく変化し、吸収体の直後の検出素子の応答関数は、吸収体の前方の検出素子の応答関数と大きく異なることになる。そのため、エネルギ情報を精度良く取得することが可能となる。

吸収体を設置する位置は、先頭の検出素子の前方以外であればよい。吸収体を先頭の検出素子の前方に設置すると、３個の検出素子全ての応答関数が同じようになり、吸収体設置の意味がなくなるからである。吸収体は、最後尾の検出素子の前方のみならず、中間の検出素子の前方に設置してもよい。その場合には、先頭の検出素子の応答関数と、中間及び最後尾の検出素子の応答関数が異なってくる。また、最後尾の検出素子の前方と中間の検出素子の前方の両方に吸収体を設置することもできる。吸収体を複数個設置する場合、吸収体の材料を変えることも可能である。

本発明で利用可能な吸収体は、原子番号１３のＡｌから原子番号８３のＢｉまでの元素を含む材料である。アルミニウムよりも原子番号が小さい元素からなる材料を用いることも考えられるが、その場合には吸収体の厚さが大きくなり、実際的ではない。また、原子番号４３のＴｃ、原子番号６１のＰｍ、及び原子番号８４以上の元素を含む材料からなる場合は、放射性の同位元素を有するため、本発明で用いる吸収体としては不向きである。

被検体中のヨウ素造影剤を測定する場合に、吸収体の材料として、典型的には錫を用いるが、錫に限られるものではなく、アルミニウム、鉄、ヨウ素、ビスマス、タンタルなどを用いることもできる。例えば吸収体として錫を用いる場合、典型的には錫箔（金属箔）を用いるのがよいが、金属箔に限らず、酸化物などの粉末をアクリル樹脂製の薄い容器に充填したものなども使用可能である。

その他、例えば被検体中のバリウム造影剤を測定する場合には、吸収体としてアルミニウム、錫、銀、ビスマスなどが好適である。被検体中の金造影剤を測定する場合には、吸収体としてアルミニウム、金、タンタル、ビスマス、タングステンなどが好適である。

検出媒体は、半導体の他、シンチレータ、ガス、超伝導体、あるいは絶縁体などであってよい。なお、検出素子の数は、複数であれば特に制限されるものではないが、検出素子の数が多いほどエネルギ情報を精度よく得ることができるため、３個以上とすることが好ましい。他方、検出素子の数が過度に多いと放射線検出器の製作にかかるコストが高くなるため、６個以下とするのがよい。

以下の実施例では、透過Ｘ線画像を用いてヨウ素造影剤の厚さを示すＣＴ画像を得る場合を対象として具体的に説明するが、本発明の放射線検出器は、かかる用途に限らず、ガンマ線等を用いた種々の放射線検査装置にも同様に適用できることはいうまでもない。図１は、本発明に係る放射線検出器を用いたＸ線検査装置の概略構成図であり、図２はその放射線検出器の一実施例を示す概略図である。

＜Ｘ線検査装置と放射線検出器の構成＞
図１に示すように、Ｘ線検査装置１は、Ｘ線を被検体Ｓに向けて照射するＸ線管２、被検体Ｓを透過したＸ線を検出する多数の放射線検出器（Ｘ線検出器）３を縦横に配置してなる放射線検出器アレイ４、各放射線検出器からの出力を増幅する増幅器５、それらの各出力電流を読み取る電流読み取り装置６、造影剤厚さ演算装置７、画像化装置８等から構成される。

Ｘ線管２から照射されるＸ線としては、特に限定されないが、例えば１２０ｋＶｐに加速した電子をタングステンターゲットに衝突させ、放出された白色Ｘ線からＬａフィルタによって高エネルギ部分（３８．９ｋｅＶ以上）を除去して得られるフィルタＸ線等が好適である。Ｘ線管２から被検体Ｓに向けてＸ線が照射されると、被検体Ｓを透過したＸ線が放射線検出器アレイ４内の放射線検出器３に入射する。

ここで放射線検出器３は、図２に示すように、入射した放射線から付与されたエネルギによって電荷を発生する３個の検出素子１１，１２，１３が、Ｘ線の入射方向に沿って順に並ぶ形で配設され、その最後尾に位置する検出素子１３よりも放射線入射端側に、錫箔からなる吸収体１４を設置した構造である。各検出素子の検出媒体として、この例ではＳｉ（Ｌｉ）半導体を用いているが、ＣｄＴｅなど他種の半導体を用いることもできるし、各種シンチレータなど、一般的な放射線検出器の検出媒体を利用することもできる。各検出素子１１，…，１３から出力した電流が、各検出素子１１，…，１３に対応した数の増幅器５に送られる。

放射線検出器３にＸ線が入射すると、第１検出素子１１〜第３検出素子１３は、入射したＸ線から付与されたエネルギによって、それぞれ電流Ｉ₁〜Ｉ₃を出力する。検出電流Ｉ₁〜Ｉ₃は、増幅器５により増幅された後、電流読み取り装置６により測定され、造影剤厚さ演算装置７に出力する。造影剤厚さ演算装置７では、被検体Ｓ内のヨウ素造影剤の厚みが演算され、その演算結果に基づき画像化装置８が透過Ｘ線画像を生成する。

注入されたヨウ素造影剤が癌などの病巣や血管に滞留した被検体Ｓに、Ｘ線を照射すると、図３に示すように、ヨウ素のＫ吸収端のエネルギ準位（３３．２ｋｅＶ）付近が不連続となったＸ線エネルギスペクトルが得られる。なお、図３は、人体を模した厚さ１０ｃｍの水層中にヨウ素造影剤を模したヨウ素を含ませたものにフィルタＸ線を照射して得たＸ線エネルギスペクトルのグラフであり、Ｘ線の３つのエネルギ範囲Ｅ₁〜Ｅ₃とこれらエネルギ範囲Ｅ₁〜Ｅ₃に含まれるＸ線の個数Ｙ₁〜Ｙ₃とを示している。

＜試作した放射線検出器の構造と特性評価＞
試作した放射線検出器では、Ｓｉ（Ｌｉ）検出素子を３個用いている。図２に示すように、この放射線検出器の第２と第３のＳｉ（Ｌｉ）検出素子の間に、厚さ５８μｍの錫吸収体を設置した。この錫吸収体を設置した場合と設置しない場合とについて比較を行い、錫吸収体の効果を求めた。なお錫吸収体の厚さは５８μｍに限られるものではなく、適宜変更してよい。

この放射線検出器の特性を、以下のようにして評価した。図２の放射線検出器の前に、厚さが既知のアクリル及びヨウ素を、アクリルは７ｍｍから１０ｍｍ毎に４７ｍｍまで、またヨウ素は０μｍから１５μｍ毎に６０μｍまで、それぞれ変えて配置し、各検出素子で電流測定を行った。なお、ここでアクリル樹脂は、軟組織、あるいは軟組織と骨を模擬するものとして使用している。検出素子１１〜１３で得られた電流値をＩ₁〜Ｉ₃とし、Ｉ₂／Ｉ₁をｘ軸に、Ｉ₃／Ｉ₁をｙ軸に取ったグラフを図４に示す。錫吸収体がない場合（ａ）には、Ｉ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフは、アクリル厚さ、ヨウ素厚さが集約された形で、一つの線上に分布した。それに対して錫吸収体がある場合（ｂ）には、Ｉ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフは、アクリル厚さごとに分解され、ヨウ素厚さ−アクリル厚さの二つのパラメータにより、２次元的な地図が得られた。

次に、図５に示すようにＸ線源、被検体、及び放射線検出器を設置してＸ線を照射し、該被検体内部を透過したＸ線が放射線検出器に入射することによって各検出素子（検出素子番号１〜３）から生じた電流を測定した。なお、被検体はアクリル樹脂製の円柱であって、該円柱の中央部に設けた穴にヨウ素溶液を充填したものである。各測定点（ｘ，θ）での電流値比Ｉ₂／Ｉ₁及びＩ₃／Ｉ₁をＩ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフ上に記すことで、即座にその測定点（ｘ，θ）において、Ｘ線通過線上のアクリル厚さおよびヨウ素厚さを求めることができる。一方、アクリル樹脂およびヨウ素の平均吸収係数は文献などで既知であることから、上記のようにして得られたアクリル厚さおよびヨウ素厚さの情報により、従来のアンフォールディング法を用いることなく、次の式１を用いて、Ｘ線数Ｙ₁〜Ｙ₃を直接的に精度良く求めることができる。

このようにして得られたＹ₁〜Ｙ₃の中のＹ₂を用いて、ＣＴ画像を再構成したＣＴ値の断面プロファイルを図６に示す。図６の横軸は被検体の中心を０ｍｍとしてＸ線を透過させた位置を示し、縦軸はＣＴ値を示している。参考のため，従来法である電流値を用いたＣＴ値を、見やすくするために負の値で示してある。本発明に係る放射線検出器を用いて得られた結果は、理論値と同じＣＴ値を示し、しかも従来法である電流ＣＴ値よりもヨウ素の大きなＣＴ値が得られている。他方、錫吸収体を用いない場合には、ＣＴ値は小さくなり、電流ＣＴ値と同程度である。

ところで、血管にカルシウムが沈着している場合、従来の電流測定ＣＴでは、ヨウ素造影剤との区別がつかないことがある。そのため、従来の電流測定ＣＴでは、Ｘ線管電圧を変化させ、２回の照射を行う。例えば、７０ｋＶｐと１４０ｋＶｐとの２回のＸ線照射を行うことでエネルギー情報を得、これからヨウ素かカルシウムかを区別している。

しかし、この方法では、２回のＸ線照射を受けるため被曝量が増える問題がある。それに対して本発明に係る放射線検出器で測定を行えば、１回の照射で、いくつかのエネルギー範囲のＸ線数を用いたＣＴ画像を作ることでヨウ素かカルシウムかの区別がつく。すなわち、カルシウムの場合、Ｋ吸収端が低いエネルギーにあるので、２０ｋｅＶ以上ではエネルギーが低い方が吸収が大きく、Ｘ線のエネルギーが高くなると吸収されにくくなる。一方で、ヨウ素はＫ吸収端が３３．２ｋｅＶにあるので、３３．２ｋｅＶよりも高いエネルギーのＸ線の吸収が大きくなる。従って、Ｘ線のエネルギーが高くなるにつれて、ＣＴ値が単調に小さくなるのがカルシウムで、３３．２ｋｅＶより高いエネルギーでＣＴ値が大きくなるのがヨウ素であり、区別することができる。従って、本発明の放射線検出器を使用し、１回のＸ線照射による測定で複数のエネルギ範囲のＸ線数を用いたＣＴ画像を形成し、Ｘ線のエネルギに対するＣＴ値の変化のパターンにより、被検体中のカルシウムとヨウ素を区別するＸ線検査が行える。

以上の実施例では、主として、ヨウ素造影剤を観測するために、錫吸収体を用いた例で説明した。しかし、吸収体は錫に限るものではなく、ヨウ素より小さい原子番号のアルミニウム、鉄なども可能であり、またヨウ素より大きい原子番号を持つタンタルも利用できる。例として、アルミニウム（Ａｌ）、ヨウ素（Ｉ）、及びビスマス（Ｂｉ）吸収体を用いたＩ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフを、図７（ａ）〜（ｃ）に示す。

バリウム造影剤の場合についても同様に、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、及びビスマス（Ｂｉ）吸収体を用いたＩ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフを、図８（ａ）〜（ｃ）に示す。

金造影剤を観測する場合には、Ｘ線管出口に厚さ３ｃｍのＡｌフィルタなどを設置し、被検体および放射線検出器に入射するＸ線のエネルギースペクトルのピークエネルギーが金のＫ吸収端のエネルギー値よりも高い値となるようにする。３番目の検出素子の前に、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、及びビスマス（Ｂｉ）吸収体を設置した場合のＩ₂／Ｉ₁−Ｉ₃／Ｉ₁のグラフを、図９（ａ）〜（ｃ）に示す．

本発明に係る放射線検出器は、エネルギ差分法を用いた医療用のＸ線検査装置、あるいは産業用のＸ線検査装置やガンマ線検査装置等に好適に使用できる。特に、医療用Ｘ線ＣＴスキャンにおいて、ヨウ素造影剤の検出が容易となり、癌の発見に寄与できる。また、ＣＴ測定のみならず、胸部レントゲン撮影のようなＸ線透過撮影法においても、Ｘ線が透過した線上のヨウ素厚さ、軟組織厚さ、および骨厚さの同定に使用可能である。更には、カテーテル手術において、人体内部のカテーテルの撮像にも利用可能である。

１１，１２，１３検出素子
１４吸収体

Claims

被検体中のヨウ素造影剤を測定するための放射線検出器であって、入射した放射線から付与されたエネルギによって電荷を発生する３個の、全て同一の検出媒体を用いた同一構造の検出素子が、放射線の入射線上に入射端からの距離が互いに異なる位置に、一列に配設されており、前記検出素子の列の中間の検出素子または最後尾の検出素子の放射線入射端側に、錫からなる吸収体が配置されていることを特徴とする放射線検出器。
前記検出素子の検出媒体が、半導体またはシンチレータからなる請求項１記載の放射線検出器。