JP6212685B2 - デジタルカメラを有する電子端末を用いて放射線を測定する方法、当該端末装置および測定システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の画像要素を有するイメージセンサを備えるデジタルカメラを内蔵する電子端末ユニット、特に携帯電話の動作方法に関する。

放射性を示す放射線の線量を測定する技術において、線量計が知られている。線量計は、例えばロッド線量計、電離箱、フィルム線量計、熱ルミネセンス線量計、又はデジタル電子線量計として構成できる。しかしながら、特にコンピュータ断層写真撮影写真（computer tomograph：ＣＴ）のパルス放射線のような、高線量率（例えば１００Ｇ／ｈ超）を測定しようとすると、これら既知の電子線量計の使用には問題がある。

米国特許第７３９１０２８Ｂ１号明細書

したがって本発明は、放射線測定を他の方法で実現することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

この目的は、本発明に係る電子端末ユニットを動作させる方法、及び対応する端末装置によって達成される。

本発明は、最近多くの電子端末装置（例えば携帯電話、ノートコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ネットブック等）に組み込まれたデジタルカメラが、可視波長領域における電磁放射だけでなく、電離放射線（例えば放射性放射線）にも感度を有することから、これらの端末装置を放射線測定にも利用可能であるとの技術的、物理的知見に基づくものである。

本発明に係るデジタルカメラのイメージセンサを構成する個々の画像要素（画素）は、それぞれ入射放射に応じて電気出力信号を出力する。本発明に係る動作方法の構成では、個々の画像要素の出力信号は、それぞれ下限値及び上限値と比較される。出力信号が下限値と上限値との間にある場合には、計数イベントが作動する。両方の制限値は、デジタルカメラでそれぞれの対応する放射（例えば放射性放射線）を測定できるように設定される。

さらに本発明に係る動作方法は、イメージセンサで当初得られた空間分解能の損失と引き換えに、入射する電離放射線の線量値を可能な限り正確に測定するために、好ましくはデジタルカメラのイメージセンサを構成する個々の画像要素の出力信号を、統計的に評価する工程を備える。

本発明の好ましい例示的な態様においては、イメージセンサは、複数の画像要素を有する画像マトリックスを測定する。イメージセンサの各画像要素は、画像マトリックスの画像要素に割り当てられている。この画像マトリックスは、イメージセンサによって測定された画像をデジタルで表す。そして本発明では、画像マトリックスを統計的に評価し、線量値を、イメージセンサに入射する電離放射線の統計的評価において決定する。

さらに好ましくは、画像マトリックスから計数マトリックスを計算する。画像マトリックスの各画像要素に対応する計数マトリックスはそれぞれ、対応するカウンタを含んでいる。そして、画像マトリックスと対応する画像要素が下限値と上限値との間にあるとき、個々のカウンタがそれぞれ増分される。このように本発明の構成では、計数マトリックスを、画像マトリックスから直接演算できる。ただ、本発明の好ましい例示的な実施態様においては、計数マトリックスを演算する前に、画像マトリックスの追加的処理を行ってもよい。

さらに本発明では、計数マトリックスの個々のカウンタを加算して、電離放射線のエネルギー量を表す総計を得る。さらに、統計的評価において、対応する測定時間でエネルギー量を除算して、線量率を計算できる。

複数の画像要素を有するイメージセンサを備えるデジタルカメラを動作させる際に、個々の画像要素は故障により異常があったり、個々の画像要素の応答が変化したりする可能性があり、これに対応して放射線測定に誤りが生じるおそれがある。したがって、本発明の好ましい例示的な態様においては、画像マトリックスのそれぞれの画像要素に対する補正要素を含む誤差マトリックスが決定される。その後、個々の画像要素の誤差を補償するため、測定された画像マトリックスは誤差マトリックスと関連付けられる。例えば、画像マトリックスを誤差マトリックスと関連付けることにより、イメージセンサの個々の異常な画像要素を無視することができる。ただ、例えば経時特性変化を補償するために、誤差マトリックスはそれぞれの画像要素に対する補正特性を含むこともできる。例えば誤差マトリックスを、較正プロセスにおいてイメージセンサが所定の放射線を受けるときに決定できる。

さらに本発明の構成においては、好ましくは、イメージセンサによって現在測定されている画像マトリックスがそれぞれ一時的に記憶される。暫定的変化を検出するために、現在測定されている画像マトリックスは、先に測定され一時的に記憶された画像マトリックスと比較される。このように、好ましくは現在測定されている画像マトリックスと、以前に測定され一時的に記憶された画像マトリックスとの差分として、差分マトリックスを演算する。その後、上述の統計的評価は、好ましくは差分マトリックスに基づいて実行される。

本発明に係る上記方法では、まず放射線量又は線量率の測定のみが可能となる。ただ、本発明の構成においては、基本的に、入射した電離放射線のスペクトル分布を少なくとも近似的に検出することもできる。この場合、イメージセンサに入射する光子により、光子エネルギーに応じて隣接する画像要素間の混信が生じるという事象を利用する。このように、比較的弱い光子では、一般に、イメージセンサの単一画像要素においてのみ計数イベントが作動する。対照的に、高エネルギー光子では、イメージセンサの隣接する画像要素のグループ全体において計数イベントが作動する。計数イベントのグループの空間的広がりは、光子エネルギーを反映する。したがって、本発明では好ましくは、隣接する計数イベントのグループ（一群）が、計数マトリックスにおいて決定される。さらにその後、隣接する計数イベントの個々のグループの空間的広がりが、対応する光子エネルギーを導出するために決定される。このように本発明に係る方法においては、対応する画像評価を通じて、入射放射線のスペクトル分布を決定することもできる。

また本発明に係る電子端末装置（例えば携帯電話）を用いた放射線測定では、測定された線量値又は測定された線量値から導出された制御信号を、端末装置に配置される送信器を用いて外部監視装置へ送信することもできる。携帯電話を用いた放射線測定においては、この通信を、例えば対応する携帯電話接続を用いて行える。ただ、本発明の構成においては、この通信をブルートゥース（商品名）モジュール、ＲＦＩＤトランスポンダ（ＲＦＩＤ：Radio-Frequency Identification、無線通信自動識別）、又はＷＬＡＮモジュール（ＷＬＡＮ：Wireless Local Area Network、無線ローカルエリアネットワーク）を用いて行うこともできる。

なお、本構成において、端末装置から外部監視装置に送信されるのは、測定された線量値だけではない。例えば、制御信号（例えば非常停止信号）を端末装置から外部監視装置に送信できる。一般的に、制御信号は測定された線量値から導出される。例えば、監視装置を放射線源（例えばコンピュータ断層撮影）と接続し、端末装置（例えば携帯電話）から受信した線量値が制限値を超えた場合に、放射線源の電源を切ることができる。

さらに、最近の電子端末装置（例えば携帯電話）では、典型的には、内蔵航行衛星受信器、例えばＧＰＳモジュール（ＧＰＳ：Global Positioning System、衛星航法システム）を用いて地理学的位置を決定することもできる。したがって本発明の好ましい例示的な態様においては、それぞれの端末装置の地理学的位置を、測定された線量値と共に外部監視装置に送信できる。このように外部監視装置は、空間的に分散された複数の端末装置の線量値及び位置を評価し、こうして線量値の地理的地図を生成できる。

また本発明に係る動作方法の構成においては、好ましくは、基準として機能する放射器の放射線を、端末装置が受けるように較正が行われる。

本発明の構成において用いられる端末装置は、例えばデジタルカメラを内蔵する携帯電話とでき、特にいわゆるスマートフォンが適切である。放射線測定を、スマートフォンのアプリケーションプログラム（「アプリ」）の構成において実行できるからである。ただ本発明は、用いる端末装置を携帯電話に限定しない。例えば、デジタルカメラによって、又はノートコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ネットブック等の携帯型コンピュータによっても実現できる。実施例の構成においては、複数の画像要素を有するイメージセンサを備えるデジタルカメラを、端末装置に内蔵していることが要求されるだけである。

イメージセンサは、例えばＣＣＤセンサ（ＣＣＤ：Charge Coupled Device、電荷結合素子）又はＣＭＯＳセンサ（ＣＭＯＳ：Complementary Metal Oxide Semiconductor、相補性金属酸化膜半導体）とできる。ただし本発明は基本的に、他のタイプのイメージセンサによっても実現可能である。

また本明細書において「線量値（dosage value）」とは、一般的に理解されているものであり、例えばエネルギー量、等価な量、又は入射される電離放射線の線量率が含まれる。

なお、本発明は特にパルス放射線の測定に好適である。この場合、イメージセンサの個々の画像要素はそれぞれ周期的に読み出される。また直接的に連続している読み出し動作間毎に、休止時間が設けられる。休止時間では、それぞれの画像要素は非動作状態であり、放射線を検出しない。したがって、パルス状の周期的な放射線の測定では、個々の放射パルスがそれぞれ休止時間に当たって、そのために検出されないおそれがある。したがって、本発明では、好ましくは個々の画像要素の休止時間が時間的にずらされるよう、イメージセンサの個々の画像要素が時間をずらして読み出される。これにより、イメージセンサのすべての画像要素に対して、放射パルスが休止時間に当たってしまうことが防止される。

なお本発明により、１μＧ／ｈ〜１００ｇ／ｈの広い測定範囲において線量率を測定できる。現在のところ、電子線量計では、ハードウェア変更（例えば減衰板）なしに、このような広い測定範囲を実現できない。

さらに本発明は、イメージセンサを内蔵デジタルカメラの構成要素とする端末装置に限定されない。寧ろ本発明は、イメージセンサを内蔵デジタルカメラの構成要素とせず、他の目的で機能させる端末装置に関しても適用できる。

また本明細書中において「電離放射線」とは、一般的に理解されているものであり、例えば放射性放射線、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、紫外線、ミューオン放射線、陽子放射線、中性子放射線及びＸ線が含まれる。

なお本発明は、上述した電子端末装置に対する動作方法に限定されるものでなく、本発明に係る動作方法が実行される端末装置に対しても適用される。

最後に、イメージセンサを有するデジタルカメラを内蔵する電子端末装置（例えば携帯電話）を使用して、イメージセンサに入射する電離放射線の線量値を決定する新規な方法も本発明に含まれる。

本発明のさらなる他の有用な展開は、従属請求項において特定され、あるいは図面を参照して好ましい例示的な実施の形態の説明を用いてより詳細に説明される。以下に図面を説明する。

図１は、それぞれがデジタルカメラを内蔵する多数の携帯電話を用いて放射線量を測定するための本発明に係るシステムの概略図である。 図２Ａは、本発明に係る動作方法を示すフローチャートである。 図２Ｂは、本発明に係る動作方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明に係る方法を用いて測定したグラフである。 図４は、本発明に係る方法を示す概略図である。

図１に、複数の携帯電話１．１〜１．４を用いて放射性放射線量の空間的分布を決定するための本発明に係るシステムを示す。携帯電話はそれぞれ、本発明の構成において放射線測定に用いられるデジタルカメラ２．１〜２．４を内蔵する。

図では、放射性放射線を放出する放射性放射線源３を概略的に示している。放射性放射線は、携帯電話１．１〜１．４のデジタルカメラ２．１〜２．４に入射し、後で詳細に説明するように検出される。

個々の携帯電話１．１〜１．４はそれぞれ、ＧＰＳ人工衛星航法装置４を用いて個々の携帯電話１．１〜１．４の実際の位置を決定するＧＰＳセンサ（図示せず）を有する。ＧＰＳセンサは、基本的に従来技術において知られており、したがって、詳細には説明しない。

個々の携帯電話１．１〜１．４はそれぞれ、それぞれの携帯電話１．１〜１．４の位置において入射してくる放射性放射線の放射線量を決定し、衛星を利用して決定されるそれぞれの携帯電話１．１〜１．４の位置と共に測定された線量値を中央監視装置５へ送信する。そして、中央監視装置５は、測定された線量値及び関連する位置の値からの放射線量の地理的分布を計算できる。

図２Ａ及び図２Ｂに、携帯電話１．１〜１．４に対する本発明に係る動作方法をフローチャートで示す。

まず、図に、マトリックス状に配置されて放射線を測定する多数の画像要素を有するイメージセンサ６を示す。イメージセンサ６を、例えば、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサとできる。

ステップ７では、イメージセンサ６によって４０〜６０ｆｐｓ（フレーム／秒）のフレームレートで測定される画像の値が入力される。任意選択的に、一枚の画像としてもよく、その場合必要に応じて、画像の一瞬を捉えるのに対応するシャッタ時間、又は逆にかなり長い露出時間に相当するシャッタ時間とすることができる。

その後、ステップ８において、測定された画像は画像メモリに記憶される。

次に、ステップ９において、ステップ８において記憶された実際の画像と、ステップ１０において記憶された基準画像との間の差分を得る。基準メモリには、先に撮像された画像から一の画像要素（画素）当たりの平均の輝度が含まれる。実際の差分に基づいて、例えば以下の式によって、平均を得ることができる。

（基準）＝（基準）×ｎ＋（新しい画素）×ｍ／（ｎ＋ｍ）
ここで、（基準）は、基準画像の輝度であり、
ｎは、ｎ＋ｍ＝１とする基準画像に対する重み係数であり、
ｍは、ｎ＋ｍ＝１とする新しい画像に対する重み係数であり、
（新しい画像）は、新しい画像の輝度である。

その後、ステップ１１において、このように決定された差分は上限値及び下限値と比較される。測定された差分の値が上限値と下限値との間にある場合、計数イベントが作動する。

任意選択的に、図２Ｂに示した画素ノイズに対するメモリ１２を備えることができる。メモリには、較正プロセス１３において、一画素当たりのノイズ値が保存される。このために、複数回の測定が暗状態においてかつ放射線がない状態で行われる。マトリックスに関して、現在の画像と前回の画像との間の個々の差分が加算され（一画素当たりのノイズ値）、その後、例えば最大値、又は統計的評価の後に決定された値が記憶される（入射してくる背景放射にガウス分布を考慮）。さらに、外部閾値１４を加算できる。外部閾値は、より安定した結果を与えるよう、ステップ１５においてメモリ１２からの画素閾値に加算される。

その後、閾値比較１６により、閾値を超える場合、又は負号の場合には閾値に満たない場合、アナログ又はデジタル信号を出力する。ステップ１７において、その後、計数イベントがある単位時間にわたって加算される。

引き続いて、ステップ１８において、計数イベントの数（カウント）が毎分計算される。

較正テーブル１９を通じて、その後、規格化された線量率（例えば、一分当たりのカウント数に基づいた）又は規格化された量（カウント数の合計に基づいた）の割り当てが行われる。較正テーブルを、較正された放射線源を用いた測定プロセスを通じて、一グループのセンサに対して又はセンサごとに生成できる。任意選択的に、一点又は二点を用いた簡単な較正では、補正係数を用いることができる。

その結果、ステップ２０においては線量率が、ステップ２１においては量が、それぞれ出力される。

さらに、入射光子のエネルギー値を決定するために画像処理２２を行うこともできる。この場合、低エネルギーの光子では、一般にイメージセンサ６の単一画像要素においてのみ計数イベントが作動する。対照的に、高エネルギー光子では、イメージセンサ６の隣接する画像要素間の混信が生じ、このためイメージセンサ６の複数の隣接する画像要素のグループにおいて、計数イベントが作動する。その後、画像処理２２によって、このように作動された画像要素のグループを決定でき、スペクトル分布を近似的に計算できる。このようにして取得された値は、エネルギー値のデータベース２３と比較される。その後ステップ２４において、入射放射線のスペクトルが出力される。

図３に、異なるタイプの携帯電話の、測定された計数イベント（カウント）を、入射放射性放射線のエネルギー量Ｄの関数として示す。グラフから、対数対対数目盛における特性が極めて線形的に表されており、測定目的に適していることが判る。

図４に、本発明に係る原理を簡略化して概略的に再度示す。

まず、イメージセンサは、画像マトリックスを測定する。画像マトリックスは、続く信号評価で、故障により異常がある画像マトリックスの画像要素を無視するために、誤差マトリックスと関連付けられる。さらに、例えば経時劣化を補償するために、誤差マトリックスにより、個々の画像要素のそれぞれの特性を調整できる。このように取得された画像マトリックスは、その後、フレームバッファに一時的に記憶される。

次に、現在取得されている画像と画像メモリに一時的に記憶された先の画像との間の差分が得られる。その結果は差分マトリックスに保存される。

その後、閾値要素が、差分マトリックスの個々の値が上限値と下限値との間にあるか否かを判定する。個々の値が上限値と下限値との間にあると判定された場合、計数マトリックスにおいて計数イベントが作動される。

最後に、計数器は、計数マトリックス内全体の計数イベントの数を測定する。空間分解能と引き換えに、計数マトリックスのすべての要素を考慮に入れることにより、量を高精度で決定できる。

なお本発明は、上述した好ましい例示的な実施形態に限定されるものでない。むしろ本発明の概念を用いた種々の変形及び変更が可能であり、これら変形及び変更は本発明の保護の範囲内である。また本発明は、引用する請求項の特徴を含む従属請求項の技術事項の保護も請求するものである。

１．１〜１．４…携帯電話
２．１〜２．４…デジタルカメラ
３…放射線源
４…ＧＰＳ人工衛星航法装置
５…監視装置
６…イメージセンサ
７…ステップ「値入力」
８…ステップ「保存」
９…ステップ「差分取得」
１０…ステップ「基準画像」
１１…ステップ「閾値試験」
１２…画素ノイズ用メモリ
１３…較正プロセス
１４…外部閾値
１５…ステップ「加算」
１６…閾値比較
１７…ステップ「単位時間当りの総計」
１８…ステップ「一分当たり計数」
１９…較正テーブル
２０…線量率出力
２１…線量出力
２２…画像処理
２３…エネルギー値のデータベース
２４…スペクトル出力

Claims (11)

1. 複数の画像要素を有するイメージセンサ(6)を備える電子端末ユニット(1.1-1.4)の動作方法であって、
   イメージセンサ(6)に入射する電離放射線量値をイメージセンサ(6)を用いて決定するものであり、
   ａ）イメージセンサ(6)の個々の画像要素はそれぞれ周期的に読み出され、
   ｂ）直接的に連続している読み出し動作間に、それぞれの画像要素は非動作状態であり放射線を検出しない休止時間が設けられ、
   ｃ）個々の画像要素の休止時間が時間的にずらされるよう、イメージセンサ(6)の画像要素が時間をずらして読み出されることを特徴とする動作方法。
2. 請求項１に記載の動作方法であって、
   ａ）イメージセンサ(6)の個々の画像要素に関して、関連する画像要素をそれぞれ含んでおり、イメージセンサ(6)の該画像要素に関連する電気出力信号がそれぞれ割り当てられる画像マトリックスを、イメージセンサ(6)によって測定する工程と、
   ｂ）画像マトリックスを統計的に評価し、該統計的評価において線量値を計算する工程と
   を含み、
   前記統計的評価は、
   ｂ１）計数マトリックスのカウンタを加算して電離放射線のエネルギー量を表す総計を得る工程、及び／又は
   ｂ２）エネルギー量を測定時間で除して線量率を計算する工程
   を含むことを特徴とする動作方法。
3. 請求項１又は２に記載の動作方法であって、
   測定された線量値及び／又は該測定された線量値から導出される制御信号を、端末装置(1.1-1.4)に配置される送信器を用いて、端末装置(1.1-1.4)から外部監視装置(5)へ送信する工程を含むことを特徴とする動作方法。
4. 請求項３に記載の動作方法であって、前記送信器は、
   ａ）ブルートゥース（商品名）モジュール、
   ｂ）ＲＦＩＤトランスポンダ、
   ｃ）携帯電話、又は
   ｄ）ＷＬＡＮモジュール
   であることを特徴とする動作方法。
5. 請求項３又は４に記載の動作方法であって、
   ａ）端末装置(1.1-1.4)に内蔵された位置検出センサを用いて、端末装置(1.1-1.4)の地理学的位置を検出する工程と、
   ｂ）地理学的位置を端末装置(1.1-1.4)から外部監視装置(5)へ送信する工程と、
   を含むことを特徴とする動作方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一に記載の動作方法であって、
   端末装置(1.1-1.4)が基準放射器の放射線を受けて、線量値の計算を較正する工程を含むことを特徴とする動作方法。
7. 請求項３〜６のいずれか一に記載の動作方法であって、
   前記端末装置(1.1-1.4)が、
   ａ）携帯電話、
   ｂ）デジタルカメラ、又は
   ｃ）携帯型コンピュータ
   であることを特徴とする動作方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一に記載の動作方法であって、
   前記イメージセンサ(6)がＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサであることを特徴とする動作方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一に記載の動作方法であって、
   前記測定された電離放射線は、
   ａ）アルファ線、
   ｂ）ベータ線、
   ｃ）ガンマ線、
   ｄ）紫外線、
   ｅ）Ｘ線、
   ｆ）ミューオン放射線、
   ｇ）中性子放射線、
   ｈ）陽子放射線
   の少なくともいずれか一を含むことを特徴とする動作方法。
10. 端末装置(1.1-1.4)であって、
    ａ）複数の画像要素を有するイメージセンサ(6)と、
    ｂ）アプリケーションプログラムを記憶するプログラムメモリと、
    ｃ）アプリケーションプログラムを実行するプロセッサと、
    を備える端末装置(1.1-1.4)であって、
    ｄ）プログラムメモリにおいて記憶されたアプリケーションプログラムは、請求項１〜９のいずれか一に記載の動作方法を実行することを特徴とする端末装置。
11. 放射線を測定するシステムであって、
    ａ）請求項１０に記載の複数の端末装置(1.1-1.4)と、
    ｂ）監視装置(5)と、
    ｃ）端末装置と監視装置(5)との間のワイヤレス接続装置と、
    を備える放射線を測定するシステムであって、
    端末装置(1.1-1.4)は、それぞれの端末装置(1.1-1.4)の測定された線量値及び／又は地理学的位置をワイヤレス接続装置を介して監視装置に送信することを特徴とするシステム。

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