JP6451862B2 - 情報処理装置、放射線検出器、放射線撮影装置、およびプログラム - Google Patents

情報処理装置、放射線検出器、放射線撮影装置、およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、γ線検出に係る情報処理装置、放射線検出器、放射線撮影装置、およびプログラムに関する。
図24は、従来構成に係る放射線検出器を示している。このような放射線検出器は、エネルギーの比較的高いγ線の検出を目的としたものであり、γ線を蛍光に変換するシンチレータ52と、シンチレータ52から発した蛍光を検出するSiPM(シリコンフォトマルチプライヤ)53とを有している。シンチレータ52は、直方体形状のシンチレータ結晶が配列されて構成されている。一方、SiPM53は、蛍光を検出する検出素子が配列されて構成されている。従来構成の放射線検出器については、特許文献1および特許文献2に詳しい。
図24の例では、シンチレータ結晶と検出素子とが1対1で対応している。従来の放射線検出器は、シンチレータ52から発生した蛍光は、検出素子のどれか1つで検出される。放射検出器は、どの検出素子が蛍光を検出したかを区別できるようになっている。これにより、蛍光を発生したのはどの結晶なのかが区別できる。蛍光は、検出に係る検出素子に対応するシンチレータ結晶で生じたものだからである。
この様な放射線検出器は、検出した蛍光の発生時刻を出力できるようになっている。蛍光の発生時刻を特定する方法としては、図25のような2つの方法が知られている。図25の左側は、蛍光を検出した素子の出力のみで蛍光の発生時刻を算出するという第一の方法である。図25の左側の場合は、網掛けで示すシンチレータ結晶から生じた蛍光は、この結晶に対応する素子で検出される。実は、この素子に限らず、全ての素子は、蛍光の入力状況を示す信号を出力し続けている。発生時刻の算出は、これら素子のうち蛍光の検出に係る1つの素子の出力に基づいて行われ、その他の素子の出力は算出に加味されない。
図25の右側は、全ての素子の出力で蛍光の発生時刻を算出するという第二の方法である。図25の右側の場合も網掛けで示すシンチレータ結晶から生じた蛍光は、この結晶に対応する素子で検出される。このときも全ての素子は、蛍光の入力状況を示す信号を出力し続けている。図25の左側の場合、全ての信号は加算され、単一の加算信号になる。発生時刻の算出は、この加算信号に基づいて行われ、全ての素子の出力が算出に加味される。とはいっても、蛍光の検出に係る素子以外の素子は、全て蛍光の入力が0であることを意味する信号しか送出しないので、結局、発生時刻の算出は、これら素子のうち蛍光の検出に係る1つの素子の出力に基づいて行われることにはなる。
従来の放射線検出器は、この様な2つの方法のどちらかで蛍光の発生時刻を算出するようになっている。
特開2011−059099号公報 特開平11−72566号公報
しかしながら、従来構成の放射線検出器は、多重散乱イベントに係る要因とS/N比に係る要因の2つにより蛍光の発生時刻が不正確になっているという事情への配慮が不足しており、結果として蛍光の発生時刻を正確に算出できる構成とはなっていない。
第一の方法は、多重散乱イベントに対して不利である。まずはこの多重散乱イベントについて説明する。図26は、通常の蛍光について説明している。すなわち、シンチレータ52に入射したγ線は、シンチレータ結晶のいずれか1つの内部で全て蛍光に変換される。このとき生じた蛍光は、当該シンチレータ結晶に対応する素子のみで検出される。この素子から出力される信号は、強いものとなる。蛍光がただ一つの素子に集中したからである。この様な蛍光の検出は、光電吸収イベントと呼ばれるものであるが、説明の便宜上、単発イベントと呼ぶことにする。
図27は、多重散乱イベントについて説明している。この場合のγ線は、シンチレータ52に入射したあと、あるシンチレータ結晶で部分的に蛍光に変換される。γ線の一部は蛍光に変換されずに生き延び、隣のシンチレータ結晶に向けて飛び去る。その後、生き延びたγ線は隣のシンチレータ結晶で蛍光に変換される。生じた2つの蛍光は、それぞれ異なる素子で検出されることになる。この様な蛍光の検出は、多重散乱イベントと呼ばれるものであるが、説明の便宜上、多重イベントと呼ぶことにする。
図27の場合、生じた2つの蛍光のどちらもγ線のエネルギーが部分的に光のエネルギーに変換されたものである。したがって、これら蛍光はいずれも、γ線のエネルギーの全てが光のエネルギーに変換されて生じた図26に示す蛍光よりも弱い光となる。これら、2つの弱い光は互いに異なる2つの素子で検出されることになる。図25の左側で説明した第一の方法の場合、2つの素子の出力のうちのいずれか1つのみを用いて蛍光の発生時刻の算出がなされる。つまり、多重イベントが発生すると、単発イベントと比べて弱い検出信号で蛍光の発生時刻を算出しなければならなくなる。
蛍光の発生時刻を算出する際、検出信号の強さは重要である。シンチレータ結晶で蛍光が発生するときには、全く光っていなかった結晶が、あるとき徐々に明るくなり、その後徐々に暗くなるという挙動をとる。素子から出力される検出信号もこの挙動を示すものであり、信号が次第に強くなり、それからだんだんと弱まっていく。
放射線検出器において、蛍光の発生時刻の決定は、次第に強まる検出信号がある閾値を超えるかどうかでなされる。従って、蛍光の発生時刻は、検出信号の立ち上がりが図28の左側のように急峻なほど正確となる。ところが検出信号が弱いと、信号の立ち上がりが図28の右側のように緩やかになってしまい、蛍光の発生時刻が遅めに見積もられてしまう。
第二の方法は、S/N比の点で不利である。第二の方法は、全ての素子の出力信号を加算した加算信号に基づいて蛍光の発生時刻を算出する。蛍光検出に係る素子以外の大多数の素子は、蛍光の入力が0である信号を出力し続けているので、加算信号は、蛍光強度の推移を示すシグナル成分しか含まれないはずである。しかし、加算信号には、シグナル成分に加えて素子が出力したノイズも含まれている。この加算信号に含まれるノイズ成分は、SiPM53上の素子の全てが一斉に出力したノイズを足し合わせたものとなっていて、かなり大きい。
蛍光の発生時刻を算出する際、検出信号のS/N比は重要である。蛍光の発生時刻の決定は、加算信号がある閾値を超えるかどうかでなされる。したがって、加算信号のノイズ成分が少ない方が、より正確に蛍光の発生時刻を算出できるのである。
この様に、第一の方法および第二の方法はいずれも異なる理由によって蛍光の発生時刻を十分正確に算出できない。第一の方法は、多重散乱イベントの観点から不利であり、第二の方法はS/N比の観点から不利である。
本発明は、この様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、蛍光の発生時刻を正確に算出することができる放射線検出器を提供することにある。
本発明は上述の課題を解決するために次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係る情報処理装置は、放射線を蛍光に変換するとともに縦横に配列されたシンチレータ結晶と、互いに隣り合うシンチレータ結晶同士を光学的に隔絶する反射板とを備えるシンチレータと、蛍光を検出して検出信号を出力する検出素子を複数有する構成であって、シンチレータに光学的に結合されている光検出器とを備え、1つのシンチレータ結晶から発する蛍光は、当該シンチレータ結晶に対応する1つの検出素子によって検出される構成の放射線検出器に備えられる情報処理装置において、各検出素子から出力される検出信号を複製する複製手段と、複製された各検出信号のうち、蛍光の検出に係る1つの検出素子に由来する検出信号に基づいて蛍光の発生時刻である単発信号時刻を算出する単発イベント処理手段と、複製された各検出信号同士を加算して生成された加算信号に基づいて蛍光の発生時刻である加算信号時刻を算出する多重イベント処理手段と、複製された各検出信号に基づいて、光検出器に設けられた検出素子のうち蛍光を検出したものを特定する検出素子特定手段と、蛍光検出に係る検出素子の個数が1のとき単発信号時刻を蛍光の発生時刻として出力し、蛍光検出に係る検出素子の個数が複数のとき加算信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する出力切替手段とを備えることを特徴とするものである。
[作用・効果]本発明に係る情報処理装置は、蛍光の発生時刻を正確に算出することができる構成となっている。本発明に係る放射線検出器は、1つのシンチレータ結晶から発する蛍光は、当該シンチレータ結晶に対応する1つの検出素子によって検出される。したがって、蛍光の発生時刻は、蛍光の検出に係る1つの検出素子に由来する検出信号に基づいて算出されることになる。このとき算出される時刻を単発信号時刻と呼ぶことにする。
本発明は、単発信号時刻を算出する構成に加えて、多重イベントが起こった場合を考えて、各検出信号同士を加算して生成された加算信号に基づいて蛍光の発生時刻を算出する構成も有している。このとき算出される時刻を加算信号時刻と呼ぶことにする。
そして、本発明に係る放射線検出器は、蛍光検出に係る検出素子の個数が1のとき(単発イベントのとき)単発信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する構成となっている。単発イベントの場合は、信号の加算によるノイズの重畳の観点からいって単発信号時刻の方が加算信号時刻よりも正確となる。
また、本発明に係る放射線検出器は、蛍光検出に係る検出素子の個数が複数のとき(多重イベントのとき)加算信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する構成となっている。多重イベントの場合は、信号の加算によるシグナルの強化の観点からいって加算信号時刻の方が単発信号時刻よりも正確となる。
この様に本発明によれば、蛍光の発生状況に合わせて最適な方法で蛍光の発生時刻を算出することができる。
また、上述の情報処理装置において、多重イベント処理手段は、光検出器が有する前記検出素子の全てに基づいて算出された加算信号により加算信号時刻を算出すればより望ましい。
[作用・効果]上述の構成は、本発明のより具体的な構成を示している。光検出器が有する検出素子の全てに基づいて加算信号を生成すれば信号の加算によるシグナルの強化を確実に実行することができる。
また、上述の情報処理装置において、多重イベント処理手段は、光検出器が有する前記検出素子の一部に基づいて算出された加算信号により加算信号時刻を算出すればより望ましい。
[作用・効果]上述の構成は、本発明のより具体的な構成を示している。光検出器が有する検出素子の一部に基づいて加算信号を生成すれば、極力ノイズの重畳を抑制しつつ加算信号を生成することができる。
また、上述の情報処理装置において、多重イベント処理手段は、光検出器における検出素子が配列している検出素子配列をある区割りに従い分割してできる各領域についてそれぞれ加算信号時刻を算出し、出力切替手段は、蛍光検出に係る検出素子の個数が複数のとき、加算信号時刻のうち、蛍光検出に係る検出素子の全てを含む領域に由来するものを蛍光の発生時刻として出力すればより望ましい。
[作用・効果]上述の構成は、本発明のより具体的な構成を示している。上述のように構成すれば、蛍光の発生時刻として出力された加算信号時刻は、蛍光検出に係る検出素子の全てを含む領域に由来している。この様にすることで検出素子の一部について加算をすることで加算信号のノイズ成分を抑制しつつも、多重イベントの発生によって異なる検出素子から出力されるシグナル成分を取りこぼすことなく加算して加算信号時刻を算出することができる。
また、上述の情報処理装置において、多重イベント処理手段は、複数の区割りで検出素子配列を分割してできる領域についてそれぞれ加算信号時刻を算出する構成となっており、ある区割りに係る境界線と他の区割りに係る境界線は、同じ検出素子のペアの間を通過しなければより望ましい。
[作用・効果]上述の構成は、本発明のより具体的な構成を示している。検出素子が配列している検出素子配列に対する区割りのパターンが1つしかないと多重イベントが異なる領域を跨いで発生してしまうことが起こりえる。上述のように複数のパターンで区割りを生成しておけば、これら区割りのいずれかで規定される領域に多重イベントに係る蛍光を検出した検出素子が全て属することになる。
また、上述の放射線検出器において、検出素子とシンチレータ結晶とが1対1対応で光学的に接続される構成とすることができる。
また、上述の放射線検出器において、検出素子が互いに独立して蛍光を検出することができる複数個の検出素子断片で構成することができる。
また、上述の放射線検出器において、シンチレータと光検出器とを光学的に接続するライトガイドを備える構成とすることができる。
[作用・効果]この様に本発明は様々な態様の放射線検出器に適用することができる。
本発明に係る放射線検出器は、蛍光の発生時刻を正確に算出することができる構成となっている。本発明は、単発信号時刻を算出する構成に加えて、多重イベントが起こった場合を考えて、各検出信号同士を加算して生成された加算信号に基づいて蛍光の発生時刻(加算信号時刻)を算出する構成も有している。本発明に係る放射線検出器は、蛍光検出に係る検出素子の個数が複数のとき(多重イベントのとき)加算信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する構成となっている。多重イベントの場合は、信号の加算によるシグナルの強化の観点からいって加算信号時刻の方が単発信号時刻よりも正確となる。
実施例1に係る放射線検出器の全体構成を説明する機能ブロック図である。 実施例1に係る放射線検出器の構成を説明する模式図である。 実施例1に係る放射線検出器で蛍光が発生する様子を示す模式図である。 実施例1に係る単発イベント処理部について説明する機能ブロック図である。 実施例1に係る単発イベント処理部の動作について説明する模式図である。 実施例1に係る多重イベント処理部について説明する機能ブロック図である。 実施例1に係る多重イベント処理部について説明する機能ブロック図である。 実施例1に係る多重イベント処理部の問題点について説明する機能ブロック図である。 実施例1に係る多重イベント処理部の問題点について説明する機能ブロック図である。 実施例1に係る検出素子認識部について説明する機能ブロック図である。 実施例1に係る出力切替部の動作について説明するフローチャートである。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 本発明の1変形例について説明する模式図である。 従来構成の放射線検出器を説明する模式図である。 従来構成の放射線検出器を説明する模式図である。 従来構成の放射線検出器の問題点を説明する模式図である。 従来構成の放射線検出器の問題点を説明する模式図である。 従来構成の放射線検出器の問題点を説明する模式図である。
以降、図面を参照しながら本発明に係る放射線撮影装置の形態について説明する。γ線は本発明の放射線に相当する。
<放射線検出器の全体構成>
本発明に係る放射線検出器1は、図1に示すようにγ線を蛍光に変換するシンチレータ結晶Cが縦横に配列されて一体化しているシンチレータ2と、シンチレータ2の下面に設けられているシンチレータ2から生じた蛍光を検出するSiPM3とを備えている。図1におけるシンチレータ2は、高さ方向に細長状のシンチレータ結晶Cが縦8×横8の二次元マトリックス状に配列されており、合計64個のシンチレータ結晶Cを備えている。SiPMは本発明の光検出器に相当する。
シンチレータ結晶Cは、セリウム元素を含有するLGSO(Lu,Gd)SiOで構成されており、γ線が入射すると、蛍光を発するような特性を有している。LGSOに代えてシンチレータ結晶CをGSO(GdSiO)等の他の材料で構成するようにしてもよい。シンチレータ結晶Cは、γ線を蛍光に変換する。
互いに隣り合うシンチレータ結晶Cは、蛍光を反射する反射板rを介して結合しており、一体化してシンチレータ2をなしている。互いに隣り合うシンチレータ結晶Cは、反射板rにより光学的には互いに隔絶されている。シンチレータ結晶Cで生じた蛍光は、結晶側面を覆う反射板rに反射されて隣のシンチレータ結晶Cに進むことができず、SiPM3に向けて出射する。このようにシンチレータ2は、γ線を蛍光に変換するとともに縦横に配列されたシンチレータ結晶Cと、互いに隣り合うシンチレータ結晶同士を光学的に隔絶する反射板rとを備えている。
SiPM3は、図2左側に示すように複数の検出素子3aを備えている。検出素子3aは、シンチレータ2が発する蛍光を検出する光センサーである。SiPM3には検出素子3aが縦8×横8の二次元マトリック状に配列されており、合計64個の検出素子3aが設けられている。SiPM3は、蛍光を検出する検出素子3aが配列されているとともに、シンチレータ結晶Cで生じた蛍光を複数の検出素子3aにより検出する構成となっている。SiPM3は、蛍光を検出して検出信号を出力する検出素子3aを複数有する構成であって、シンチレータ2に光学的に結合されている。
図2右側は、シンチレータ2とSiPM3とが光学的に結合されている様子を示している。図2右側に示すように、シンチレータ2における結晶の配列ピッチとSiPM3における検出素子3aの配列ピッチは一致している。したがって、シンチレータ2を構成するシンチレータ結晶Cは、検出素子3aが1対1で光学的に接続されている。この様なシンチレータ結晶Cから蛍光が発生すると、蛍光はその結晶に光学的に接続されたただ1つの検出素子3aによって検出されることになる。シンチレータ結晶Cで生じた蛍光は、その全てが1つの検出素子3aで検出されるというわけである。1つのシンチレータ結晶Cから発する蛍光は、当該シンチレータ結晶Cに対応する1つの検出素子3aによって検出される。
信号複製部11,単発イベント処理部12,多重イベント処理部13,検出素子認識部14,出力切替部15は、互いに協働してシンチレータ2で蛍光が発生した時刻を算出する構成となっている。出力切替部15から出力されるタイミング信号が意味する時刻は、蛍光の発生時刻となっており、シンチレータ2にγ線が入射した時刻を示してもいる。この様なタイミング信号は、陽電子放出型断層撮影装置において、消滅γ線に係る同時計数を実行するのに用いられる。
信号複製部11は本発明の複製手段に相当し、単発イベント処理部12は本発明の単発イベント処理手段に相当する。多重イベント処理部13は本発明の多重イベント処理手段に相当し、検出素子特定部14は本発明の検出素子特定手段に相当する。出力切替部15は本発明の出力切替手段に相当する。
検出素子3aは、個別に検出信号を出力するようになっている。従って、SiPM3の出力端子は、検出素子3aと同じ数だけの64のチャンネル数を有している。検出素子3aの出力端子は、信号複製部11に送出される。信号複製部11は、SiPM3の出力を複製して複製信号を生成する。複製信号の出力端子は、SiPM3の出力と同じく64チャンネルで構成される。この複製信号は、一方が単発イベント処理部12に入力され、もう一方が多重イベント処理部13に入力される。このようにして、単発イベント処理部12と多重イベント処理部13には、同じ信号が入力される。信号複製部11は、各検出素子3aから出力される検出信号を複製する。
<単発イベント処理部12と多重イベント処理部13>
単発イベント処理部12は、蛍光が図3左側に示すような単発イベントであったことを前提として蛍光の発生時刻を算出する構成となっている。単発イベントの場合、シンチレータ2に入射したγ線はあるシンチレータ結晶C1で蛍光に変換され、発生した蛍光は、反射板r(図2参照)に阻まれて隣のシンチレータ結晶に漏れ出すことがない。また、シンチレータ結晶C1以外のシンチレータ結晶は蛍光を発しない。このとき生じた蛍光は、シンチレータ結晶C1に対応する検出素子3a1のみで検出され、その他の検出素子は蛍光を検出しない。
多重イベント処理部13は、蛍光が図3右側に示すような多重イベントであったことを前提として蛍光の発生時刻を算出する構成となっている。多重イベントの場合、シンチレータ2に入射したγ線は、一部があるシンチレータ結晶C1で蛍光に変換され、蛍光に変換されなかった一部が隣のシンチレータ結晶C2に向かいそこで蛍光に変換される。このとき反射板rは、蛍光とは異なり、γ線を阻むことはできない。シンチレータ結晶C1で生じた蛍光は、シンチレータ結晶C1に対応する検出素子3a1のみで検出され、シンチレータ結晶C2で生じた蛍光は、シンチレータ結晶C2に対応する検出素子3a2のみで検出される。多重イベントに係る蛍光は、互いに隣り合う検出素子3a1,3a2で検出される。
シンチレータ2で発した蛍光は、単発イベントもしくは多重イベントのどちらかである。本発明の場合、蛍光が単発イベントである場合は、単発イベント処理部12が算出した時刻を蛍光の発生時刻とし、蛍光が多重イベントである場合は、多重イベント処理部13が算出した時刻を蛍光の発生時刻とする構成となっている。どちらの処理部12,13の出力を蛍光の発生時刻として採用するかは、出力切替部15が決定する。出力切替部15は、単発イベントの場合は単発イベント処理部12が算出した時刻を蛍光の発生時刻とし、出力切替部15は、多重イベントの場合は多重イベント処理部13が算出した時刻を蛍光の発生時刻とする。出力切替部15の具体的な動作は後述のものとする。
<単発イベント処理部12の具体的な構成>
図4は、単発イベント処理部12を構成する時刻算出部12a1〜12a64とOR回路12bを示している。なお、図4では、各検出素子3a1〜3a64と単発イベント処理部12とに介在する信号複製部11は省略されている。時刻算出部12a1〜12a64は、各検出素子3a1〜3a64の各々に個別に設けられており、各検出素子3aが蛍光を検出したかどうかを個別にモニタしている。
図5は、時刻算出部12aの動作を示している。検出素子3aは、蛍光を検出しないときであっても蛍光の検出が0である旨を示す信号を時刻算出部12aに送出し続けている。時刻算出部12aは、信号がある閾値を超えるかどうかをモニタし続ける。そして、検出素子3aが蛍光を検出すると、図5上段に示す三角波のようなタイムコースを有する信号を出力する。この様な信号は、時刻算出部12aに入力されることになる。このとき、信号は設定されている閾値を超えることになる。時刻算出部12aは、信号が閾値に達した時点を蛍光発生時刻として出力する。ただし、この蛍光発生時刻は、蛍光が単発イベントのときに限って正確なのであって、蛍光が多重イベントのときは、正確ではない可能性がある。この事情は、図27を用いて既に説明済みである。
OR回路12bは、時刻算出部12a1〜12a64の出力を受信し、時刻算出部12a1〜12a64のいずれかがタイミングに係る信号を出力した場合、これを通過させる構成である。OR回路12bにより、64チャンネルあったSiPM3の出力が1チャンネルの信号ラインにまとめられることになる。
図4の場合は、検出素子3a2が単発イベントに係る蛍光を検出した場合を示している。検出素子3a2は、これに接続されている時刻算出部12a2に蛍光の検出に係る信号を送信し、時刻算出部12a2は、当該信号に基づいて蛍光発生時刻を示す時刻データを生成し、これをOR回路12bに送出する。OR回路12bは送出された時刻データを出力側に通過させる。OR回路12bの出力が単発イベント処理部12の出力となる。この出力は、蛍光発生時刻を示すものであるが、この時点では出力切替部15に採用されるか分からないので、仮に単発信号時刻と呼ぶことにする。単発イベント処理部12は、複製された各検出信号のうち、蛍光の検出に係る1つの検出素子3aに由来する検出信号に基づいて蛍光の発生時刻である単発信号時刻を算出する。
<多重イベント処理部13の具体的な構成>
図6は、多重イベント処理部13を構成する加算部13aと加算信号時刻算出部13bを示している。なお、図6では、各検出素子3a1〜3a64と多重イベント処理部13とに介在する信号複製部11は省略されている。加算部13aは、各検出素子3a1〜3a64の出力を加算して加算信号を出力する。加算部13aにより64チャンネルあったSiPM3の出力が1チャンネルの信号ラインにまとめられることになる。
加算信号は、加算信号時刻算出部13bに送出される。加算信号時刻算出部13bの動作としては、図5で説明した時刻算出部12a1〜12a64の動作と同様である。
図6の場合は、検出素子3a1,検出素子3a2が多重イベントに係る蛍光を検出した場合を示している。検出素子3a1,検出素子3a2の出力信号は弱いものとなる。これら検出素子が検出した蛍光は、2つのルートに分かれたγ線が発する弱いものだからである。しかし、検出素子3a1,検出素子3a2の出力信号は、図7に示すように加算部13aで合計されるので、信号の強度としては、単発イベントのときの蛍光検出のときと同程度のレベルとなる。加算信号時刻算出部13bは、このような強い加算信号に基づいて蛍光の発生時刻を算出する。
加算信号時刻算出部13bの出力する発生時刻に関する信号が多重イベント処理部13の出力となる。この出力は、蛍光発生時刻を示すものであるが、この時点では出力切替部15に採用されるか分からないので、仮に加算信号時刻と呼ぶことにする。多重イベント処理部13は、複製された各検出信号同士を加算して生成された加算信号に基づいて蛍光の発生時刻である加算信号時刻を算出する。多重イベント処理部13が有する加算部13aは、SiPM3が有する検出素子3aの全てに基づいて加算信号を生成する。
加算信号は、多くのノイズを含んでいるのでこれについて説明する。図8は、各検出素子3a1〜3a64がノイズを出力しない場合に生成されるはずの理想に係る加算信号である。この加算信号は、ノイズ成分を含んでおらず、単発イベントに係る蛍光を検出した検出素子3aの出力信号と比べて遜色がない。
しかし、実際は、各検出素子3a1〜3a64はノイズを出力する。加算部13aが加算処理を行うときに64チャンネル分のノイズ成分まで足し合わせて加算信号に重畳させてしまう。従って、実際の加算信号には、図9に示すように相当に強いノイズを含んでしまっている。
蛍光が多重イベントであったとき、加算信号時刻の信頼性は単発信号時刻よりも高くなる。単発イベント処理部12は、弱い蛍光強度に基づいてしか蛍光発生時刻を算出できない一方、多重イベント処理部13は、弱い蛍光強度に係る信号同士を足し合わせることで信号強度を強くして加算信号時刻を算出することができるからである。
かといって、蛍光が単発イベントであったとき、加算信号時刻の信頼性は単発信号時刻よりも劣る。多重イベント処理部13では、単発イベント処理部12では起こりえないノイズの重畳が生じるからである。したがって、イベントの種類によってどちらの処理部12,13の出力を採用するかを切り替える必要がある。この切り替えを実行するのは出力切替部15である。出力切替部15は、検出素子認識部14により蛍光がどちらのイベントだったのかを認識して動作するようになっている。
<検出素子認識部14>
図10は、検出素子認識部14を具体的に説明している。検出素子認識部14には、各検出素子3a1〜3a64から信号が入力されている。この入力される信号は、信号複製部11で複製された検出信号でもよいし、図4で示した時刻算出部12a1〜12a64の出力でもよい。図10では、各検出素子3a1〜3a64と検出素子認識部14とに介在する信号複製部11または時刻算出部12a1〜12a64は省略されている。
検出素子認識部14は、蛍光の検出信号を発した検出素子は、検出素子3a1〜3a64のうちのどれであるかを認識することができる。この検出素子認識部14に従えば、シンチレータ2で発生した蛍光の発生源がシンチレータ2を構成するシンチレータ結晶Cがどれであるかを知ることができる。検出素子とシンチレータ結晶Cとは1対1で対応しているからである。検出素子特定部14は、複製された各検出信号に基づいて、SiPM3に設けられた検出素子3aのうち蛍光を検出したものを特定する。
仮に、シンチレータ2で発生した蛍光が図4で説明したように、単発イベントに係るものであれば、蛍光を発したシンチレータ結晶は、ただ1つであり、蛍光の検出信号を発した検出素子も1つとなる。したがって、この場合、検出素子認識部14は、ただ1つの検出素子を蛍光の検出に係るものとして認識する。一方、シンチレータ2で発生した蛍光が多重イベントに係るものであれば、蛍光を発したシンチレータ結晶は、複数であり、蛍光の検出信号を発した検出素子も複数となる。したがって、この場合、検出素子認識部14は、複数の検出素子を蛍光の検出に係るものとして認識する。つまり、検出素子認識部14が何個の検出素子を蛍光の検出に係るものとして認識するかで、シンチレータ2で発生した蛍光が単発イベント、多重イベントのどちらのイベントに係るものなのか判別することができるのである。
<出力切替部15>
出力切替部15は、このような原理に基づいて単発信号時刻と加算信号時刻のどちらかを蛍光の発生時刻として出力するように構成されている。出力切替部15には、単発イベント処理部12,多重イベント処理部13,検出素子認識部14より信号が入力される構成となっている(図1参照)。シンチレータ2で蛍光が生じると、出力切替部15には単発イベント処理部12から単発信号時刻、多重イベント処理部13からは加算信号時刻、および検出素子認識部14からは蛍光の検出に係る検出素子を表す信号が入力される。
出力切替部15は、各部から信号を受信すると、図11のフローチャートに示すように、蛍光を検出した検出素子の個数で動作を変化させる。蛍光を検出した検出素子が複数ある場合、出力切替部15は、加算信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する。また、蛍光を検出した検出素子がただ1つの場合、出力切替部15は、単発信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する。
各部11,12,13,14,15は、放射線検出器に搭載されるマイコンによって実現され、情報処理装置を構成する。これら各部11,12,13,14,15の構成を異なる情報処理装置により分割して実行する様にしてもよい。
以上のように、本発明に係る放射線検出器は、蛍光の発生時刻を正確に算出することができる構成となっている。本発明に係る放射線検出器は、1つのシンチレータ結晶Cから発する蛍光は、当該シンチレータ結晶Cに対応する検出素子3aによって検出される。したがって、蛍光の発生時刻は、蛍光の検出に係る1つの検出素子3aに由来する検出信号に基づいて算出されることになる。このとき算出される時刻が単発信号時刻である。
本発明は、単発信号時刻を算出する構成に加えて、多重イベントが起こった場合を考えて、各検出信号同士を加算して生成された加算信号に基づいて蛍光の発生時刻を算出する構成も有している。このとき算出される時刻が加算信号時刻である。
そして、本発明に係る放射線検出器は、蛍光検出に係る検出素子3aの個数が1のとき(単発イベントのとき)単発信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する構成となっている。単発イベントの場合は、信号の加算によるノイズの重畳の観点からいって単発信号時刻の方が加算信号時刻よりも正確となる。
また、本発明に係る放射線検出器は、蛍光検出に係る検出素子3aの個数が複数のとき(多重イベントのとき)加算信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する構成となっている。多重イベントの場合は、信号の加算によるシグナルの強化の観点からいって加算信号時刻の方が単発信号時刻よりも正確となる。
この様に本発明によれば、蛍光の発生状況に合わせて最適な方法で蛍光の発生時刻を算出することができる。
本発明は、上述の構成に限られず、下記のように変形実施することができる。
(1)実施例1の構成によれば、多重イベント処理部13は、全ての検出素子3a1〜3a64を加算した加算信号に基づいて加算信号時刻を算出していたが、本発明はこの構成に限られない。検出素子の一部の出力を加算して算出された加算信号に基づいて加算信号時刻を生成するような構成としてもよい。本変形例に係る多重イベント処理部13が有する加算部13aは、SiPM3が有する検出素子3aの一部に基づいて加算信号を生成する。加算部13aは、より具体的には、SiPM3における検出素子3aが配列している検出素子配列をある区割りに従い分割してできる各領域についてそれぞれ加算信号時刻を算出する。多重イベント処理部13は、複数の区割りで検出素子配列を分割してできる領域についてそれぞれ加算信号時刻を算出する。
図12は、本変形例の一例を示している。図12では、SiPM3における検出素子3a1〜3a64が配列された検出面が4つの領域R1,R2,R3,R4に分割されている。本発明によれば、他のパターンの区割りで、検出素子3aの並びを分割することもできる。
図12における領域R1には検出素子3a縦4×横4の二次元マトリックス状に配列されている。検出素子3aの並びは、その他の領域R2,R3,R4も同様である。領域R1に設けられた16個の検出素子3aを検出素子3a1〜3a16と呼び、領域R2に設けられた16個の検出素子3aを検出素子3a17〜3a32と呼ぶことにする。同様に、領域R3に設けられた16個の検出素子3aを検出素子3a33〜3a48と呼び、領域R4に設けられた16個の検出素子3aを検出素子3a49〜3a64と呼ぶことにする。図12が示す検出素子3aの並びの区割りは一例である。
本変形例の場合、各領域で独立に加算信号時刻が算出される。図13はこの事情を説明している。領域R1に係る検出素子3a1〜3a16は、対応する多重イベント処理部13R1に接続され、領域R2に係る検出素子3a17〜3a32は、対応する多重イベント処理部13R2に接続されている。領域R3に係る検出素子3a33〜3a48は、対応する多重イベント処理部13R3に接続され、領域R2に係る検出素子3a49〜3a64は、対応する多重イベント処理部13R4に接続されている。
多重イベント処理部13R1は、対応する領域R1内で蛍光の検出があった場合に加算信号時刻を出力切替部15に出力し、他の領域R2,R3,R4内で蛍光の検出があった場合は、加算信号時刻を出力切替部15に出力しない。この様な事情は他の多重イベント処理部13R2,13R3,13R4も同様である。
出力切替部15が蛍光を検出した検出素子の個数に応じて単発信号時刻と加算信号時刻とのいずれかを蛍光の発生時刻として出力する構成は実施例1と同様である。出力切替部15は、蛍光検出に係る検出素子3aの個数が1のとき、単発信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する。出力切替部15は、蛍光検出に係る検出素子3aの個数が複数のとき、加算信号時刻のうち、蛍光検出に係る検出素子3aの全てを含む領域に由来するものを蛍光の発生時刻として出力する。
本変形例のようにSiPM3が有する検出素子3aの一部に基づいて加算信号を生成すれば、極力ノイズの重畳を抑制しつつ加算信号を生成することができる。また、本変形例に係る蛍光の発生時刻として出力された加算信号時刻は、蛍光検出に係る検出素子3aの全てを含む領域に由来している。この様にすることで検出素子3aの一部について加算をすることで加算信号のノイズ成分を抑制しつつも、多重イベントの発生によって異なる検出素子3aから出力されるシグナル成分を取りこぼすことなく加算して加算信号時刻を算出することができる。
(2)上述の変形例は、図14に示すように多重イベントが単一の領域内で発生することを前提としている。図15のように、多重イベントが複数の領域に跨がって発生すると、各検出素子が出力する蛍光の検出信号は、同じ多重イベント処理部13には入力されない。すると、各検出信号は、加算されないので、図7で説明したような強い信号を得ることができなくなり、蛍光の発生時刻の正確な算出に影響が出てしまう。
そこで、図12で説明した変形例に加えて、図16左側に示すようにSiPM3の検出面を別の図12とは別のパターンで区割りをするようにしてもよい。図16左側の場合、SiPM3における検出素子3a1〜3a64が配列された検出面が9つの領域Ra〜Riに分割されている。領域Raに属する9つの検出素子3aは、対応する多重イベント処理部13Raに接続されている。この様な接続方法は、他の領域Rb〜Riおよび多重イベント処理部13Rb〜13Riの間でも同様である。図16左側が示す検出素子3aの並びの区割りは一例である。本発明によれば、他のパターンの区割りで、検出素子3aの並びを分割することもできる。
図16右側において、記号が付された検出素子は、図12で説明したSiPM3の検出面を4分割てできる各領域R1,R2,R3,R4の端部に位置する検出素子となっており、記号☆で示す検出素子は領域R1内の検出素子であり、自身の属する領域R1とは異なる領域に接しているものを示している。記号○で示す検出素子は領域R2内の検出素子であり、自身の属する領域R2とは異なる領域に接しているものを示している。記号△で示す検出素子は領域R3内の検出素子であり、自身の属する領域R3とは異なる領域に接しているものを示している。記号▼で示す検出素子は領域R4内の検出素子であり、自身の属する領域R4とは異なる領域に接しているものを示している。
図12で示したSiPM3の検出面を4分割する方法では、記号☆で示す検出素子とその隣に位置する記号☆で示す検出素子との2つの検出素子の間で多重イベントが生じたとすると、これら検出素子の出力信号は図7の説明通り加算され、分割による不具合を来さない。記号の同じ検出素子は属する領域が同じなので、これらの出力は加算されるからである。
ところが、記号☆で示す検出素子とその隣に位置する記号○で示す検出素子との2つの検出素子の間で多重イベントが生じると、図15で説明した問題が生じる。この分割による不具合は、より一般的な表現では、記号の種類が異なるとともに互いに隣接する2つの検出素子の間で生じるということができる。記号の異なる検出素子は属する領域が異なり、これらの出力は加算されることがない。この2つの検出素子の組み合わせは、多重イベントが生じても信号の加算ができないものなのである。
これらの事情を踏まえて図16の区割りを見てみると、隣り合う2つの検出素子のうち「☆」と「○」のペアは4つあるが、そのうちの3つは領域Rbに属し、1つは領域Reに属している。つまり、記号「☆」と記号「○」のように図12においては多重イベントが生じても信号の加算ができない検出素子の組み合わせについて、図16の場合、全て信号の加算ができる。
この様な事情は他の組み合わせについても同様である。隣り合う2つの検出素子のうち「☆」と「△」のペアは4つあるが、そのうちの3つは領域Rdに属し、1つは領域Reに属している。また、隣り合う2つの検出素子のうち「○」と「▼」のペアは4つあるが、そのうちの2つは領域Reに属し、2つは領域Rfに属している。同様に、隣り合う2つの検出素子のうち「▼」と「△」のペアは4つあるが、そのうちの2つは領域Reに属し、2つは領域Rhに属している。
つまり、図12の場合では、多重イベントが生じても信号の加算ができない検出素子の組み合わせの全てについて、図16の場合、全て信号の加算ができる。同じ領域に属する検出素子の出力信号は、互いに加算されるからである。本変形例ではこの様な事情を利用して図15で説明した不具合を生じさせないようにしている。
図12において多重イベントが生じても信号の加算ができない検出素子の組み合わせの全てについて、信号の加算ができる図16のような区割りを用意するには工夫が必要である。図17は、図12で説明した4分割に係る区割りを破線で示し、図16で説明した9分割に係る区割りを実線で表している。図17を参照すれば分かるように、4割に係る区割りの境界線と9分割に係る区割りの境界線は、所々で交差はするものの、重なっている部分がない。つまり、4割に係る区割りの境界線と9分割に係る区割りの境界線は、同じ検出素子3aのペアの間を通過しない。図16で説明した9分割の区割りは、このような条件に基づいて構成されたものである。この様な構成とすることで、4分割に係る区割りで異なる領域に区分けされる検出素子3aのペアが9分割に係る区割りでも異なる領域に区分けされてしまうようなことがない。
したがって、本変形例によれば、互いに隣接する検出素子3aのペアは必ず少なくとも1つの領域に属することになるわけである。その領域が4分割に係るものであるかそれとも9分割に係るものであるかは検出素子3aのペアの位置によって変化する。つまり、図16の区割りでも、図15のように多重イベントが複数の領域に跨がって発生することは起こりえる。
そこで、本変形例では図18のように、図12の4分割に係る多重イベント処理部13R2,13R3,13R4から構成されるセットと、図16の9分割に係る多重イベント処理部13Ra〜13Riとで構成されるセットの2セットを有している。信号複製部11は、検出素子3a1〜3a64の信号を複製して、4分割に係るセットに属する多重イベント処理部13に入力させる複製と、9分割に係るセットに属する多重イベント処理部13に入力させる複製とを用意する。各多重イベント処理部13は、信号複製部11が用意した信号の複製に基づいて動作する。
各多重イベント処理部13R1〜13R4,13Ra〜13Riは、出力切替部15に接続されている。出力切替部15は、図1で説明した検出素子認識部14の出力に基づいて多重イベントが生じた際にいずれの検出素子が蛍光を捉えたかを知る。出力切替部15は、蛍光を検出した検出素子に応じていずれの多重イベント処理部13由来の出力を通過させるかを変更するようにしている。
出力切替部15の切り替え動作について説明する。例えば、図19の斜線に示す2つの検出素子で蛍光が検出されたものとする。この2つの検出素子は、4分割に係る各領域R1,R2,R3,R4のうち領域R1に属するので、網掛けで示す多重イベント処理部13R1のみが加算信号時刻を出力し、他の領域R2,R3,R4に係る多重イベント処理部13は加算信号時刻を出力しない。
加算信号時刻を出力するのは多重イベント処理部13R1だけではない。図20を参照すれば分かるように蛍光検出に係る2つの検出素子は、一方が9分割に係る領域Raに、もう一方が領域Rbに属するので、網掛けで示す多重イベント処理部13Ra,13Rbが加算信号時刻を出力する。
図21に示すように、出力切替部15には、これら多重イベント処理部13R1,13Ra,13Rbから加算信号時刻に関するデータD1,Da,Dbのそれぞれが出力される。出力切替部15は、これらデータを出力した多重イベント処理部13R1,13Ra,13Rbのうち、多重イベントに係る蛍光を検出した2つの検出素子のいずれもが属している領域に接続されているものを選択し、選択された多重イベント処理部に由来するデータを蛍光の発生時刻として出力する構成となっている。図19,図20の例の場合、蛍光検出に係る2つの検出素子は、4分割に係る各領域R1にいずれも属するから、出力切替部15は、データD1,Da,Dbのうち多重イベント処理部13R1に係るデータD1を出力することになる。
検出素子3aが配列している検出素子配列に対する区割りのパターンが1つしかないと多重イベントが異なる領域を跨いで発生してしまうことが起こりえる。上述のように複数のパターンで区割りを生成しておけば、これら区割りのいずれかで規定される領域に多重イベントに係る蛍光を検出した検出素子3aが全て属することになる。
また、図22に示すように蛍光検出に係る2つの検出素子が4分割に係る領域の1つに属していると同時に、9分割に係る領域の1つに属している場合、多重イベント処理部13R1は、属する検出素子の個数がより少ない9分割に係る領域に由来する加算信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する構成となっている。加算信号を生成する際に加算に係る検出素子の個数が少ないほどS/N比の点で有利だからである。
(3)本発明に係る検出素子3aは、図23左側に示すように、互いに独立して蛍光を検出することができる複数個の検出素子断片で構成されていてもよい。
(4)実施例1の構成によれば、シンチレータ2とSiPM3とが直接的に結合されていたが、発明はこの構成に限られない。図23右側に示すようにシンチレータ2とSiPM3とに挟まれる位置に蛍光を通過させるライトガイド4を備える構成としてもよい。ライトガイド4は、シンチレータ2とSiPM3とを光学的に接続している。
(5)本発明は、PET装置などのγ線を検出する構成の放射線撮影装置に搭載することができる。この様に本発明は様々な態様の放射線検出器に適用することができる。
(6)本発明に係る情報処理装置は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
以上のように、本発明は医用分野に適している。
C シンチレータ結晶
2 シンチレータ
3 光検出器(SiPM)
3a 検出素子
11 信号複製部(複製手段)
12 単発イベント処理部(単発イベント処理手段)
13 多重イベント処理部(多重イベント処理手段)
14 検出素子特定部(検出素子特定手段)
15 出力切替部(出力切替手段)

Claims (11)

  1. 放射線を蛍光に変換するとともに縦横に配列されたシンチレータ結晶と、互いに隣り合うシンチレータ結晶同士を光学的に隔絶する反射板とを備えるシンチレータと、
    蛍光を検出して検出信号を出力する検出素子を複数有する構成であって、前記シンチレータに光学的に結合されている光検出器とを備え、
    1つのシンチレータ結晶から発する蛍光は、当該シンチレータ結晶に対応する1つの検出素子によって検出される構成の放射線検出器に備えられる情報処理装置において、
    各検出素子から出力される検出信号を複製する複製手段と、
    複製された各検出信号のうち、蛍光の検出に係る1つの前記検出素子に由来する検出信号に基づいて蛍光の発生時刻である単発信号時刻を算出する単発イベント処理手段と、
    複製された各検出信号同士を加算して生成された加算信号に基づいて蛍光の発生時刻である加算信号時刻を算出する多重イベント処理手段と、
    複製された各検出信号に基づいて、前記光検出器に設けられた検出素子のうち蛍光を検出したものを特定する検出素子認識手段と、
    蛍光検出に係る前記検出素子の個数が1のとき前記単発信号時刻を蛍光の発生時刻として出力し、蛍光検出に係る前記検出素子の個数が複数のとき前記加算信号時刻を蛍光の発生時刻として出力する出力切替手段とを備えることを特徴とする情報処理装置。
  2. 請求項1に記載の情報処理装置において、
    前記多重イベント処理手段は、前記光検出器が有する前記検出素子の全てに基づいて算出された加算信号により加算信号時刻を算出することを特徴とする情報処理装置。
  3. 請求項1に記載の情報処理装置において、
    前記多重イベント処理手段は、前記光検出器が有する前記検出素子の一部に基づいて算出された加算信号により加算信号時刻を算出することを特徴とする情報処理装置。
  4. 請求項3に記載の情報処理装置において、
    前記多重イベント処理手段は、前記光検出器における前記検出素子が配列している検出素子配列をある区割りに従い分割してできる各領域についてそれぞれ加算信号時刻を算出し、
    前記出力切替手段は、蛍光検出に係る前記検出素子の個数が複数のとき、前記加算信号時刻のうち、蛍光検出に係る前記検出素子の全てを含む領域に由来するものを蛍光の発生時刻として出力することを特徴とする情報処理装置。
  5. 請求項4に記載の情報処理装置において、
    前記多重イベント処理手段は、複数の区割りで検出素子配列を分割してできる領域についてそれぞれ加算信号時刻を算出する構成となっており、ある区割りに係る境界線と他の区割りに係る境界線は、同じ検出素子のペアの間を通過しないことを特徴とする情報処理装置。
  6. 請求項1に記載の情報処理装置を備えることを特徴とする放射線検出器。
  7. 請求項6に記載の放射線検出器において、
    前記検出素子と前記シンチレータ結晶とが1対1対応で光学的に接続されていることを特徴とする放射線検出器。
  8. 請求項6に記載の放射線検出器において、
    前記検出素子は、互いに独立して蛍光を検出することができる複数個の検出素子断片で構成されることを特徴とする放射線検出器。
  9. 請求項6ないし請求項8のいずれかに記載の放射線検出器において、
    前記シンチレータと前記光検出器とを光学的に接続するライトガイドを備えることを特徴とする放射線検出器。
  10. 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の情報処理装置を備えることを特徴とする放射線撮影装置。
  11. コンピュータに請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の情報処理装置の各手段として機能させるプログラム。

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