JP7740967B2 - 放射線検出装置、放射線診断装置、放射線検出方法及びプログラム - Google Patents

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、放射線検出装置、放射線診断装置、放射線検出方法及びプログラムに関する。

ＰＥＴ装置用の放射線検出器において、チェレンコフ放射体（ラジエータ）内で生じたチェレンコフ光の伝播軌跡に基づいて、チェレンコフ光の放射角（チェレンコフ角）を推定し、推定した放射角を基に、チェレンコフ光発生位置を特定することができる。

チェレンコフ角は、ガンマ線がラジエータに付与する付与エネルギーに依存する。ここで、ガンマ線がラジエータに付与するエネルギーは、対消滅ガンマ線エネルギーである５１１ｋｅＶ程度と考えられるが、ガンマ線とラジエータとの相互作用は、コンプトン散乱があり、必ずしも５１１ｋｅＶに等しくはならない。この結果、チェレンコフ角に誤差が生じ、その結果、チェレンコフ光発生位置にも誤差が生じる場合がある。

特開２０１７－１９１０８６号公報

本明細書及び図面の開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、画質を向上させることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

実施形態に係る放射線検出装置は、シンチレータと、計測部と、推定部とを備える。計測部は、前記シンチレータにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測する。推定部は、前記付与エネルギーに基づいてチェレンコフ角を推定する。

図１は、実施形態に係る放射線診断装置の一例を示した図である。 図２は、実施形態に係る放射線検出装置の検出器の一例を示した図である。 図３は、実施形態に係る放射線検出装置について説明した図である。 図４は、実施形態に係る放射線検出装置について説明した図である。 図５は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理について説明した図である。 図６は、実施形態に係る背景について説明した図である。 図７は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理の手順について説明したフローチャートである。 図８は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理について説明した図である。 図９は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理について説明した図である。 図１０は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理について説明した図である。 図１１は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理について説明した図である。 図１２は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理について説明した図である。 図１３は、実施形態に係る放射線検出装置が行う処理について説明した図である。

以下、図面を参照しながら、放射線検出装置、放射線診断装置、放射線検出方法及びプログラムの実施形態について詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る放射線検出装置を含む放射線診断装置としてのＰＥＴ装置１００の構成を示す図である。図１に示すように、実施形態に係るＰＥＴ装置１００は、架台装置１と、コンソール装置２とを備える。架台装置１は、検出器３と、フロントエンド回路１０２と、天板１０３と、寝台１０４と、寝台駆動部１０６とを備える。

検出器３は、被写体Ｐの陽電子から放出された消滅ガンマ線が発光体と相互作用することにより励起状態となった物質が再び基底状態に遷移する際に再放出される光であるシンチレーション光（蛍光）を検出することにより、放射線を検出する検出器である。また、実施形態においては、検出器３は、チェレンコフ光も検出することができる。検出器３は、被写体Ｐ内の陽電子から放出された消滅ガンマ線の放射線のエネルギー情報を検出する。検出器３は、被写体Ｐの周囲をリング状に取り囲むように複数配置され、例えば複数の検出器ブロックからなる。検出器３の構成については、後ほど詳しく説明する。

また、架台装置１は、フロントエンド回路１０２により、検出器３の出力信号から計数情報を生成し、生成した計数情報を、コンソール装置２の記憶部１３０に格納する。なお、検出器３は、複数のブロックに区分けされ、フロントエンド回路１０２を備える。

フロントエンド回路１０２は、検出器３の出力信号をデジタルデータに変換し、計数情報を生成する。この計数情報には、消滅ガンマ線の検出位置、エネルギー値、及び検出時間が含まれる。例えば、フロントエンド回路１０２は、シンチレーション光を同じタイミングで電気信号に変換した複数の光検出素子を特定する。そして、フロントエンド回路１０２は、消滅ガンマ線が入射したシンチレータの位置を示すシンチレータ番号（Ｐ）を特定する。消滅ガンマ線が入射したシンチレータ位置を特定する手段は、各光検出素子の位置及び電気信号の強度に基づいて重心演算を行うことによって特定してもよい。また、シンチレータと光検出素子の各々の素子サイズが対応している場合には、例えば最大出力が得られた光検出素子に対応するシンチレータを消滅ガンマ線が入射したシンチレータ位置と仮定し、さらにシンチレータ間散乱を考慮して最終的に特定するなどする。

また、フロントエンド回路１０２は、各光検出素子から出力された電気信号の強度を積分計算するあるいは電気信号強度が閾値を超えた時間（Ｔｉｍｅ ｏｖｅｒ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を計測し検出器３に入射した消滅ガンマ線のエネルギー値（Ｅ）を特定する。また、フロントエンド回路１０２は、検出器３によって消滅ガンマ線によるシンチレーション光が検出された検出時間（Ｔ）を特定する。なお、検出時間（Ｔ）は、絶対時刻であってもよいし、撮影開始時点からの経過時間であってもよい。このように、フロントエンド回路１０２は、シンチレータ番号（Ｐ）、エネルギー値（Ｅ）、及び検出時間（Ｔ）を含む計数情報を生成する。

なお、フロントエンド回路１０２は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）或いは、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ））等の回路により実現される。フロントエンド回路１０２は、フロントエンド部の一例である。

天板１０３は、被写体Ｐが載置されるベッドであり、寝台１０４の上に配置される。寝台駆動部１０６は、処理回路１５０の制御機能１０５ｆによる制御の下、天板１０３を移動させる。例えば、寝台駆動部１０６は、天板１０３を移動させることで、被写体Ｐを架台装置１の撮影口内に移動させる。

コンソール装置２は、操作者によるＰＥＴ装置１００の操作を受け付け、ＰＥＴ画像の撮影を制御するとともに、架台装置１によって収集された計数情報を用いてＰＥＴ画像を再構成する。図１に示すように、コンソール装置２は、処理回路１５０と、入力装置１１０と、ディスプレイ１２０と、記憶部１３０とを備える。なお、コンソール装置２が備える各部は、バスを介して接続される。処理回路１５０の詳細については後述する。

入力装置１１０は、ＰＥＴ装置１００の操作者によって各種指示や各種設定の入力に用いられるマウスやキーボード等であり、入力された各種指示や各種設定を、処理回路１５０に転送する。例えば、入力装置１１０は、撮影開始指示の入力に用いられる。

ディスプレイ１２０は、操作者によって参照されるモニター等であり、処理回路１５０による制御の下、被写体の呼吸波形やＰＥＴ画像を表示したり、操作者から各種指示や各種設定を受け付けるためのＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を表示したりする。

記憶部１３０は、ＰＥＴ装置１００において用いられる各種データを記憶する。記憶部１３０は、例えば、メモリで構成され、一例として、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ（ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ）等の半導体メモリ素子や、ハードディスク、光ディスク等によって実現される。記憶部１３０は、シンチレータ番号（Ｐ）、エネルギー値（Ｅ）、及び検出時間（Ｔ）が対応づけられた情報である計数情報、同時計数情報の通し番号であるコインシデンスＮｏ．に計数情報の組が対応づけられた同時計数情報、または同時計数情報を集計して得られる射影データ、再構成されたＰＥＴ画像等を記憶する。

処理回路１５０は、計測機能１５０ａ、推定機能１５０ｂ、取得機能１５０ｃ、特定機能１５０ｄ、再構成機能１５０ｅ、制御機能１５０ｆ、受付機能１５０ｇ、画像生成機能１５０ｈ、表示制御機能１５０ｉを有する。なお、計測機能１５０ａ、推定機能１５０ｂ、取得機能１５０ｃ、特定機能１５０ｄの各機能については、後ほど詳しく説明する。

実施形態では、計測機能１５０ａ、推定機能１５０ｂ、取得機能１５０ｃ、特定機能１５０ｄ、再構成機能１５０ｅ、制御機能１５０ｆ、受付機能１５０ｇ、画像生成機能１５０ｈ、表示制御機能１５０ｉにて行われる各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶部１３０へ記憶されている。処理回路１５０はプログラムを記憶部１３０から読み出し、実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路１５０は、図１の処理回路１５０内に示された各機能を有することになる。

なお、図１においては単一の処理回路１５０にて、計測機能１５０ａ、推定機能１５０ｂ、取得機能１５０ｃ、特定機能１５０ｄ、再構成機能１５０ｅ、制御機能１５０ｆ、受付機能１５０ｇ、画像生成機能１５０ｈ、表示制御機能１５０ｉにて行われる処理機能が実現されるものとして説明するが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路１５０を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。換言すると、上述のそれぞれの機能がプログラムとして構成され、１つの処理回路１５０が各プログラムを実行する場合であってもよい。別の例として、特定の機能が専用の独立したプログラム実行回路に実装される場合であってもよい。

上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）或いは、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶部１３０に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。

なお、図１において、計測機能１５０ａ、推定機能１５０ｂ、取得機能１５０ｃ、特定機能１５０ｄ、再構成機能１５０ｅ、制御機能１５０ｆ、受付機能１５０ｇ、画像生成機能１５０ｈ、表示制御機能１５０ｉは、それぞれ、計測部、推定部、取得部、特定部、再構成部、制御部、受付部、画像生成部、表示制御部の一例である。

なお、処理回路１５０に代えて、フロントエンド回路１０２が、計測部、推定部、取得部、特定部等の処理を担ってもよい。

処理回路１５０は、再構成機能１５０ｅにより、フロントエンド回路１０２から取得したデータに基づいて、ＰＥＴ画像の再構成を行い、画像生成機能１５０ｈにより、画像の生成を行う。

処理回路１５０は、制御機能１５０ｆにより、架台装置１及びコンソール装置２を制御することによって、ＰＥＴ装置１００の全体制御を行う。例えば、処理回路１５０は、制御機能１５０ｆにより、ＰＥＴ装置１００における撮影を制御する。また、処理回路１０５は、制御機能１５０ｆにより、寝台駆動部１０６を制御する。

処理回路１５０は、受付機能１５０ｇにより、入力装置１１０を通じて、ユーザから情報の入力を受け付ける。また、処理回路１５０は、表示制御機能１５０ｉにより、ＰＥＴ画像その他のデータをディスプレイ１２０に表示させる。

続いて、実施形態に係る検出器３の構成について、図２～図６を用いて説明する。

図２に、実施形態に係る検出器３の一例が示されている。検出器３は、シンチレータ結晶３ａと、光検出素子からなる光検出面３ｂとからなる。実施形態では、結晶サイズに依存しない検出位置分解を実現することができ、後述の発光点推測処理とあわせて、サブクリスタルレベル、すなわちその結晶におけるどの位置で発光が起こったかも考慮して、ＬＯＲ（Ｌｉｎｅ Ｏｆ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）の両端を推定することができる。すなわち、連続座標を用いたＬＯＲの同定を行うことができ、対消滅点の推定精度を向上することができる。なお、実施形態は、図２に示した例に限られず、例えば、シンチレータ結晶３ａはモノリシック結晶であってもよく、また光検出素子からなる光検出面は、シンチレータ結晶の６面に例えば配置されてもよい。

シンチレータ結晶３ａの材質としては、例えばチェレンコフ光を発生させるのに適した材質、例えば、ゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ、Ｂｉｓｍｕｔｈ Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）や、鉛ガラス（ＳｉＯ₂＋ＰｂＯ）、フッ化鉛（ＰｂＦ₂）、ＰＷＯ（ＰｂＷＯ₄）等の鉛化合物を用いることができる。また、別の例として、例えば、ＬＹＳＯ（Ｌｕｔｅｔｉｕｍ Ｙｔｔｒｉｕｍ Ｏｘｙｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＬＳＯ（Ｌｕｔｅｔｉｕｍ Ｏｘｙｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＬＧＳＯ（Ｌｕｔｅｔｉｕｍ Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ Ｏｘｙｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）等やＢＧＯ等の、シンチレータ結晶を用いてもよい。光検出面３ｂを構成する光検出素子は、例えば複数の画素からなり、これらの画素それぞれは、例えばＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）で構成される。また、検出器３の構成は、上述の例に限られず、一例として、光検出素子は、例えばＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）や、光電子増倍管を用いてもよい。

図３を用いて、検出器３が検出するチェレンコフ光及びシンチレーション光について説明する。図３に示されるように、被検体Ｐ内の陽電子から放出された対消滅ガンマ線のうちの一方の入射ガンマ線１０が、シンチレータ結晶３ａに含まれる発光体（ラジエーター）と相互作用することにより、散乱ガンマ線１１と、荷電粒子である反跳電子１２が発生する。このうち、発生した荷電粒子である反跳電子１２が、シンチレータ結晶３ａ中の媒質中の光の位相速度よりも早い速度で動くことによって、衝撃波の光であるチェレンコフ光１６が発生する。光検出面３ｂは、チェレンコフ光１６を、荷電粒子である反跳電子１２の進行方向と光検出面３ｂとの交点である点１９を中心として楕円状に広がるチェレンコフリング１７として検出する。チェレンコフ光はシンチレーション光と比較して短時間で発生するので、応答特性が良く、ＬＯＲの推定において時間分解能という点で有利である。

一方、反跳電子１２は、その後シンチレータ結晶３ａと種々の相互作用を行い、シンチレータ結晶３ａに対してシンチレーション光としてエネルギーを付与する。光検出面３ｂは、シンチレーション光を、シンチレーションイベントの位置分布情報１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等として検出する。

図４を用いて、検出器３が検出するチェレンコフイベント及びシンチレーションイベントについて説明する。チェレンコフ放射分布３ｂ１は、光検出面３ｂが検出するイベントのうち、チェレンコフイベントを示している。荷電粒子が発生した時刻の推定時刻をｔ₀として、光検出面３ｂは、時刻ｔ₀から、ｔ₀＋Δｔまでの間に検出した検出イベントを、チェレンコフイベントに関する位置分布情報１７ａ、１７ｂ、１７ｃとして検出する。ここで、Δｔは、荷電粒子が発生してから、チェレンコフ光が光検出面３ｂに到達するまでに時刻に対応する時刻であり、例えば１００ｐｓ程度の時刻である。一方、シンチレーション光分布３ｂ２は、光検出面３ｂが検出するイベントのうち、シンチレーションイベントを示している。光検出面３ｂは、シンチレーションイベントの場合、荷電粒子が発生した時刻の推定時刻ｔ₀以降の時刻に検出された検出イベントを、シンチレーションイベントに関する位置分布情報１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等として検出する。

図５に、検出器３が検出する放射光子数及び検出器出力の時間変化の一例が示されている。グラフ３０は、光検出面３ｂが検出した放射光子数の時間変化の概略を示している。放射光子数のうち、荷電粒子が発生した直後の成分、例えば領域３７で示される放射光子数の成分は、チェレンコフ光由来の成分であると考えられる。これに対して、残りの成分は、シンチレーション光由来の成分であると考えられる。検出器出力信号３１は、光検出面３ｂにおける検出器出力の時間変化を示している。検出器出力のうち、荷電粒子が発生した直後の成分は、チェレンコフ光由来の成分が多く含まれ、荷電粒子が発生したから時間が経過した後の成分には、シンチレーション成分が多く含まれる。

続いて、図４に戻り、検出されたチェレンコフイベントから、荷電粒子生成位置を推定する方法について説明する。チェレンコフイベントに関する位置分布情報１７ａ、１７ｂ、１７ｃ等から生成されるチェレンコフリング１７は、荷電粒子の発生点１３を頂点とし、荷電粒子の進行方向を軸とし、軸とのなす角度がチェレンコフ角θ_Cの円錐の断面となる。この時、チェレンコフ角θ_Cについて、以下の式（１）が成り立つ。

ここで、ｎはシンチレータ結晶３ａの媒質であり、βは以下の式（２）であらわされる荷電粒子の速度の光速度に対する比である。

ここで、ｖは荷電粒子（反跳電子）の速度であり、ｃは光速度であり、ｍ₀は、電子の静止質量であり、Ｅ_eは荷電粒子のエネルギーである。ここで、式（２）により、荷電粒子のエネルギーが与えられれば荷電粒子の速度の光速度に対する比βが定まるから、これを式（１）の右辺に代入することにより、チェレンコフ角θ_Cを算出することができる。

ここで、従来は、例えば荷電粒子のエネルギーＥ_eは、検出イベントによらず一定、例えば５１１ｋｅＶであると考えて、チェレンコフ角θ_Cが算出される場合があった。しかしながら、チェレンコフ角θ_Cを算出する際の荷電粒子のエネルギーが実際の値からずれると、チェレンコフ角θ_Cが不正確になり、この結果、発光点の推定に誤差が生じる場合がある。

図６は、チェレンコフ角と荷電粒子生成位置との関係を示した図である。図６では、チェレンコフリング１７の長軸を含む断面でのチェレンコフ光の光円錐が示されており、点２１ａ及び２１ｂがチェレンコフリング１７の長軸を構成する点、点１９がチェレンコフリングの中心点となる。ここで、チェレンコフ角θ_Cの算出が正確であれば、荷電粒子の発生点１３の算出も正確なものとなる。しかしながら、荷電粒子のエネルギーＥ_eの算出に誤差があるため算出されたチェレンコフ角θ^' _cに誤差があると、荷電粒子の発生点の推定点２０にも誤差が生じる。

実際、ガンマ線が検出器３に付与するエネルギーは、概ね対消滅ガンマ線エネルギーである５１１ｋｅＶ程度と考えられるが、ガンマ線とシンチレータ結晶との相互作用には、コンプトン散乱があり、実際には必ずしも５１１ｋｅＶに等しくはならない。この結果、ガンマ線が検出器３に付与するエネルギーが常に５１１ｋｅＶであると考えたのでは、チェレンコフ角に誤差が生じ、その結果、チェレンコフ光発生位置にも誤差が生じる場合がある。

かかる背景に鑑みて、実施形態に係る放射線検出装置では、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、シンチレータにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測し、推定機能１５０ｂにより、当該付与エネルギーに基づいてチェレンコフ角を推定する。これにより、荷電粒子生成位置の推定精度を向上することができ、画質を向上させることができる。

以下、図８～１２を適宜参照しながら、図７を用いて、かかる構成について説明する。

はじめに、ステップＳ１００において、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、検出器が検出した信号に対してパルス解析を行い、チェレンコフ光子数Ｎ_cher、ガンマ線の入射により発生した荷電粒子がシンチレータに付与した付与エネルギーＥ_e及びシンチレーション光の検出時刻ｔ₀を推定する。

そのようなパルス解析の一例が、図８及び図９に示されている。パルス解析の方法の第１の例として、図８に示されるように、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、検出器３からフロントエンド回路１０２を通じて取得した検出器出力信号３１を時間の関数として理論曲線３２にフィッティングを行うことにより、チェレンコフ光子数Ｎ_cherを算出する。また、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、フィッティングの結果に基づいて、シンチレータ結晶３ａにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーＥ_eを計測する。

一例として、検出器出力信号３１の理論曲線Ｉは、チェレンコフ光による検出器出力信号Ｉ₁と、シンチレーション光による検出器出力信号Ｉ₂との和で表現できると考えられる。従って、ａ及びｂをパラメータとして、理論曲線Ｉ＝ａＩ₁＋ｂＩ₂とし、例えば処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、検出器出力信号３１を当該理論曲線でパラメータ推定を行う。続いて、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、検出器出力信号３１を、チェレンコフ光による検出器出力信号の成分と、シンチレーション光による検出器出力信号の成分とに分離し、チェレンコフ光による検出器出力信号の成分と、シンチレーション光による検出器出力信号の成分それぞれを抽出する。処理回路１５０は、推定機能１５０ｂにより、抽出したチェレンコフ光による検出器出力信号の成分に基づいて、チェレンコフ光子数Ｎ_cherを推定する。一方、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、抽出したシンチレーション光による検出器出力信号の成分に基づいて、シンチレーションを起こした際の付与エネルギーＥ_eを計測する。また、処理回路１５０は、検出器出力信号３１が初めて閾値を超えた時刻に基づき、シンチレーション光の検出時刻ｔ₀を推定する。

また、別の例として、上述の処理は、機械学習により行われてもよい。すなわち、機械学習により生成された学習済みモデルは、検出器出力信号を入力として、チェレンコフ光子数Ｎ_cher、付与エネルギーＥ_e及び検出時刻ｔ₀を出力する。処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、かかる学習済みモデルに検出器出力信号３１を入力することにより、チェレンコフ光子数Ｎ_cher、付与エネルギーＥ_e及び検出時刻ｔ₀を算出する。当該学習済みモデルの学習は、検出器出力信号と、チェレンコフ光子数Ｎ_cher、付与エネルギーＥ_e及び検出時刻ｔ₀とが紐づけられた多数の訓練データを用いることにより行われる。

パルス解析の方法の第２の例として、図９に示されるように、複数の積分ゲートを用いて波形を積分する方法がある。図９において、ゲート３３は、チェレンコフ成分を抽出するための第１の積分ゲートであり、検出器出力信号３１のうち、時刻ｔ₀から時刻ｔ₀＋Δｔまでの信号成分を抽出する。処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、検出器出力信号３１に対してチェレンコフ光が発生した時刻の推定時刻から第１の時刻までの信号を抽出する第１の積分ゲートであるゲート３３を適用し、積分された信号に基づいて、チェレンコフ光子数を推定する。すなわち、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、チェレンコフ光が発生した時刻の推定時刻から第１の時刻までの検出器出力信号３１に基づいて、チェレンコフ光子数Ｎ_cherを推定する。

これに対して、ゲート３４は、シンチレーション成分を抽出するための第２の積分ゲートであり、検出器出力信号３１のうち、時刻ｔ₀＋Δｔ以降の信号成分を抽出する。処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、検出器出力信号３１のうち、第１の時刻以降の信号を抽出する第２の積分ゲートであるゲート３４を適用し、積分された信号に基づいて、付与エネルギーＥ_eを計測する。すなわち、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、第１の時刻以降の検出器出力信号３１に基づいて付与エネルギーＥ_eを計測する。

また、処理回路１５０は、検出器出力信号３１が初めて閾値を超えた時刻に基づき、シンチレーション光の検出時刻ｔ₀を推定する。

このように、処理回路１５０は、計測機能１５０ａにより、シンチレータ結晶３ａにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測する。

なお、以上の例では、ステップＳ１００において、処理回路１５０が計測機能１５０ａによりパルス解析を行ってチェレンコフ光子数Ｎ_cher、付与エネルギーＥ_e、シンチレーション光の検出時刻ｔ₀等を推定する場合について説明したが、実施形態はこれに限られず、フロントエンド回路１０２が、同様の処理を担ってもよい。

続いて、ステップＳ１１０において、ステップＳ１００で算出されたチェレンコフ光子数Ｎ_cherが閾値ｎ_thを超える場合に、図４に示されるように、処理回路１５０は、取得機能１５０ｃにより、Δｔを例えば１００ｐｓ程度の値として、時刻ｔ₀からｔ₀＋Δｔの間のイベントを抽出し、当該イベントに関する光検出素子の座標を取得する。一例として、処理回路１５０は、取得機能１５０ｃにより、当該イベントに関するＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）の座標を取得する。換言すると、処理回路１５０は、取得機能１５０ｃにより、ステップＳ１００で推定したチェレンコフ光子数Ｎ_cher及び時間情報に基づいて取得するチェレンコフイベントを特定することで、チェレンコフ光が発生した際に検出されるチェレンコフイベントの位置分布情報１７ａ、１７ｂ、１７ｃ等を取得する。なお、処理回路１５０は、取得機能１５０ｃにより、シンチレーションイベントの位置分布情報１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等を取得してもよい。かかる場合、処理回路１５０は、取得機能１５０ｃにより、それらのシンチレーションイベントの位置分布情報に基づいて、付与エネルギーＥ_eを再度算出してもよい。

続いて、ステップＳ１２０において、処理回路１５０は、推定機能１５０ｂにより、ステップＳ１００またはステップＳ１１０で推定された付与エネルギーＥ_eに基づいて、チェレンコフ放射角θ_Cを推定する。具体的には、処理回路１５０は、推定機能１５０ｂにより、式（２）の右辺に付与エネルギーＥ_eを代入することによりえられたβの値を式（１）に代入することにより、チェレンコフ放射角θ_Cを推定する。

続いて、ステップＳ１３０について、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１１０で取得されたチェレンコフイベントの座標と、ステップＳ１２０で推定したチェレンコフ放射角θ_Cとに基づいて、荷電粒子生成位置を特定する。すなわち、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１１０で取得されたチェレンコフイベントの座標と、ステップＳ１２０で推定したチェレンコフ放射角θ_Cとに基づいて、チェレンコフ光の放射点を特定する。一例として、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１１０で取得されたチェレンコフイベントの位置分布情報１７ａ、１７ｂ、１７ｃ等に基づいて、チェレンコフリング１７を推定し、推定したチェレンコフリング１７とステップＳ１２０で推定したチェレンコフ放射角θ_Cに基づいて、チェレンコフ光の放射点となる点の候補点を算出する。具体的には、当該放射点を頂点としてチェレンコフ放射角θ_Cで広がる円錐の断面がチェレンコフリング１７となるような点が、そのような放射点となる点の候補点となる。そのような点は、一般には２か所存在する。

図１０に、そのような状況が示されている。図１０は、光検出面３ｂと垂直方向からチェレンコフイベントを見た図であり、点２１ａ及び２１ｂが、チェレンコフリング１７の長軸を構成する点、点１９が、チェレンコフリング１７の楕円の中心点となる。ここで、放射点となる点の候補点として、真の放射点である点１３ａの他に、例えば点１３ｂが、放射点となる点の候補となる。ここで、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１１０で取得されたチェレンコフイベントの時刻情報に基づいて、放射点となる点の候補から、真の放射点を選択する。すなわち、例えば図１０において、点１３ａが真の放射点であった場合、チェレンコフ光は点２１ａより点２１ｂの方に早く到達するから、点２１ｂに係るイベントの時刻は、点２１ａに係るイベントの時刻より早くなる。逆に、点１３ｂが真の放射点であった場合、チェレンコフ光は点２１ｂより点２１ａの方に早く到達するから、点２１ａに係るイベントの時刻は、点２１ｂに係るイベントの時刻より早くなる。すなわち、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、チェレンコフイベントの時刻情報に基づいて、チェレンコフ光が早く到達している側の放射点となる点の候補を、真の放射点として特定する。

なお、本ステップにおける放射点の特定については、幾何学的な計算に基づいて荷電粒子の生成位置を特定する場合について説明したが、実施形態はこれに限られず、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ＤＮＮ（Ｄｅｅｐ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等、機械学習を用いて、荷電粒子の生成位置を特定してもよい。

続いて、ステップＳ１４０において、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１００で推定された付与エネルギーＥ_eと、散乱モデルとに基づいて、ガンマ線の入射角を推定する。

図１１に、入射ガンマ線１０、散乱ガンマ線１１と反跳電子１２の関係が再び示されている。図１１のように、入射ガンマ線１０が、荷電粒子の発生点１３でコンプトン散乱等を起こした結果、散乱ガンマ線１１と反跳電子１２が生成される。ここで、Ｋｌｅｉｎ－Ｎｉｓｈｉｎａの式によると、以下の式（３）及び式（４）が成り立つ。

ここで、Ｅγは入射ガンマ線のエネルギー、Ｅ^'γは散乱ガンマ線のエネルギーである。ここで、入射ガンマ線のエネルギーは既知であるから、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１００で推定された付与エネルギーＥ_eと式（４）とに基づいて、ガンマ線の散乱角θを算出することができる。また、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、運動量保存則及びエネルギー保存則に基づいて、図１１に示される反跳電子の散乱角φを算出することができる。従って、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、入射ガンマ線の入射方向と、反跳電子の進行方向との間のなす角を算出することができる。換言すると、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、入射ガンマ線の入射方向と反跳電子の進行方向を特定することができる。

図１２に、かかる状況が示されている。図１２において、シンチレータ結晶３ａにガンマ線が入射し荷電粒子の発生点１３で発生した荷電粒子によるチェレンコフ光が光検出面３ｂで検出され位置分布情報１７ａ、１７ｂ、１７ｃ等が得られた場合、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、入射ガンマ線の入射方向としてありうる方向は、円錐４０で示される方向であると特定する。一例として、図１２において、直線５１で示される円錐４０上の方向は、入射ガンマ線の入射方向としてありうる方向となる。このようにして、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、特定したチェレンコフ光の放射点に基づいて、ガンマ線の入射方向の範囲を特定する。

続いて、ステップＳ１５０において、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１４０で特定したチェレンコフ光の放射点に基づいて、対消滅点ガンマ線の散乱ＬＯＲの除去又は補正を行う。具体的には、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１４０で特定したガンマ線の入射角としてとりうる範囲を定める円錐を考慮して、多重散乱ＬＯＲ（Ｌｉｎｅ Ｏｆ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）の除去、補正を行う。かかる状況が、図１３に示されている。

図１３において、シンチレータ結晶３ａ１で発生した荷電粒子の生成点が点１３ａであり、シンチレータ結晶３ａ２で発生した荷電粒子の生成点が点１３ｂであった場合を考える。処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１４０において、円錐４０ａで定められる範囲の方向が、点１３ａで生成された荷電粒子に係るガンマ線の入射方向であり、円錐４０ｂで定められる範囲の方向が、点１３ｂで生成された荷電粒子に係るガンマ線の入射方向であると特定する。ステップＳ１５０において、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、ステップＳ１４０で特定されたこれらの情報を総合的に考慮して、多重散乱ＬＯＲの除去、補正を行う。例えば、処理回路１５０は、特定機能１５０ｄにより、特定したガンマ線の対消滅点６１について、互いに反対方向に対消滅点から飛び出るガンマ線の軌跡が、それぞれ円錐４０ａ及び円錐４０ｂ上に入るから、ガンマ線の対消滅点として妥当であると判断する。一方、対消滅点６２については、対消滅点から互いに反対方向に飛び出るガンマ線が、片方が円錐４０ａ上に入る場合それと対となるガンマ線は円錐４０ｂ上に入らず、逆に一方のガンマ線が円錐４０ｂに入る場合はそれと対になるガンマ線は円錐４０ａ上に入らない関係にあることから、これらのガンマ線のペアには多重散乱が起こっている可能性が大きいと判断し、ＬＯＲの除去及び補正を行う。

このように、実施形態に係る放射線検出装置は、シンチレータにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測する計測部と、当該付与エネルギーに基づいてチェレンコフ角を推定する推定部とを備える。これにより、コンプトン散乱等の効果を含め付与エネルギーの値が計測できるので、チェレンコフ角をイベントごとに精度よく推定することができ、発光点の推定精度を向上することができる。さらに、電子の運動方向や散乱ガンマ線の散乱角を推定することもでき、これを基に、ガンマ線の入射方向の推定や、散乱線補正の補正・除去を行うことも可能となる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、画質を向上させることができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

３ 検出器
１５０ 処理回路
１５０ａ 計測機能
１５０ｂ 推定機能
１５０ｃ 取得機能
１５０ｄ 特定機能
１５０ｅ 再構成機能
１５０ｆ 制御機能
１５０ｇ 受付機能
１５０ｈ 画像生成機能
１５０ｉ 表示制御機能

Claims (11)

1. シンチレータと、
   前記シンチレータにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測する計測部と、
   前記付与エネルギーに基づいてチェレンコフ角を推定する推定部と
   を備える放射線検出装置。
2. 前記チェレンコフ光が発生した際に検出されるチェレンコフイベントの位置分布情報を取得する取得部と、
   前記チェレンコフ角と前記位置分布情報とに基づいて前記チェレンコフ光の放射点を特定する特定部とを更に備える、
   請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記取得部は、時間情報に基づいて取得するチェレンコフイベントを特定することで前記位置分布情報を取得する、
   請求項２に記載の放射線検出装置。
4. 前記計測部は、前記シンチレータにガンマ線が入射した後の検出器出力信号に基づいて発生したチェレンコフ光子数を推定し、
   前記取得部は、推定した前記チェレンコフ光子数に基づいて、前記位置分布情報を取得する、請求項２に記載の放射線検出装置。
5. 前記計測部は、前記検出器出力信号を時間の関数として理論曲線にフィッティングを行うことにより、前記チェレンコフ光子数を推定し、前記フィッティングの結果に基づいて、前記付与エネルギーを計測する、請求項４に記載の放射線検出装置。
6. 前記計測部は、前記チェレンコフ光が発生した時刻の推定時刻から第１の時刻までの前記検出器出力信号に基づいて前記チェレンコフ光子数を推定し、前記第１の時刻以降の前記検出器出力信号に基づいて前記付与エネルギーを計測する、請求項４に記載の放射線検出装置。
7. 前記特定部は、特定した前記チェレンコフ光の放射点に基づいて、前記ガンマ線の入射方向を特定する、請求項２に記載の放射線検出装置。
8. 前記特定部は、特定した前記チェレンコフ光の放射点に基づいて、対消滅ガンマ線の散乱ＬＯＲ（Ｌｉｎｅ Ｏｆ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）の除去又は補正を行う、請求項２に記載の放射線検出装置。
9. シンチレータと、
   前記シンチレータにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測する計測部と、
   前記付与エネルギーに基づいてチェレンコフ角を推定する推定部と
   を備える
   放射線診断装置。
10. シンチレータにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測し、
    前記付与エネルギーに基づいてチェレンコフ角を推定する、放射線検出方法。
11. シンチレータにガンマ線が入射し、チェレンコフ光を発生した後にシンチレーションを起こした際の付与エネルギーを計測し、
    前記付与エネルギーに基づいてチェレンコフ角を推定する処理をコンピュータに実行させる、プログラム。