JPS5827298A

JPS5827298A - 計数装置

Info

Publication number: JPS5827298A
Application number: JP12510481A
Authority: JP
Inventors: 一生森
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-08-10
Filing date: 1981-08-10
Publication date: 1983-02-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光量子発生や原子核崩壊等のごとく到来間隔が
ボワソン分布で定まる完全な確率事象についてのｒｔ数
を行なうためのｉｌ’ｉｆｆ装置１に関するものである
。

光量子の到来頻朋が低い場合には、光量子を個々に扶出
し直接計数することが既に一般に行なわｔしている。し
かし例えばＣＴ（コンビ一一タトモグラフィ）スキャナ
のような到来頻度の極めて高い光量子の計測の場合、個
々に検出し直接計数することは、検出器や計数回路の動
作速度の点で今日の技術では困難とされ、なかばあきら
められていた。

ＣＴスキャナの場合、検出器へ到達するＸ線の元銚子を
個々に検出および計数している例はない。冒頻度で到達
する光１コ°子はレスポンスの遅い検出器にとって絶え
間ない光量子の流扛と同じでありどのＣＴスギャナにお
いても検出器の出力は連続的な電子の流れ、すなわち電
流である。

この出力は、ふつう前置増幅器で増幅され、次に一定の
サンプリング期間（数ｍ５ｅｃ）ｉ分回路にて積分され
、積分用コンデンサ等に蓄積された電荷−１：たはそｎ
に比例する情報（積分器出力■Ｊ−圧等）がφ（アナロ
グ−アイソタル）変換さ扛、得られたディジタルＩＮ報
が計′＃桜（電子Ｆｔｔ　Ｎ機）システムへ送ら扛る。

積分回路のかわりにロー・七スフイルターを設け、その
出力電圧を定ＪＵ＋的にサンプリングしてｔｖ’Ｄ変挾
するシステムもある。いずれにせよ、検出器からＡ／Ｄ
変換器までの間、情報はアナログ信号として扱われる。

このため、次のような問題点が浮かびあがる。

（１）　　もともと離散的な情報（光量子数）をアナロ
グ情報として取り扱い最後に寸だディジタル化すること
の不合理かある。

（２）　　アナログ糸の雑音を徹底的に低く押さえなけ
れば（例えば１０〜３０μＶ−ｒｍｓ）、低線量の場合
−ｆたは被検体透過時の被（・θざ体による光量子の減
弱が著しい場合、アナログ糸の雑音が顕在化し、得られ
たＣＴ両画像雑音を増大せしめる。本来ＣＴｉ１１ｇ像
の雑音の大きさは、光量子数で定まる物理限界を達成す
るのが理想である。

（３）検出器の光量子−′電荷変換係数および検出器か
らＡ／Ｄ変換器才での糸のイ百号伝達関数を徹底的に安
定化させないと、測定値に誤差を生じ、アーチファクト
で画質が劣化したり、ＣＴ値の信頼度が損わ扛ることに
なる。

（４）検出器への入射光量子が苓であっても、測定系の
出力（Ａ／Ｄ変換器の出力）は一般に零ではない。これ
は、検出器の暗電流や増幅器のオフセット電圧等のため
である。よって入力零のときの出力をオフセットデータ
として頻繁に求め、光量子が入射したときの出力からオ
フセットデータを減算するプロセスが必要である。

（５）到来する光量子は単色ではなく、広く分布したス
ペクトルをもっており、単一の光量子でも波長の短いほ
ど（エネルギの高いほど）、検出器の出力電荷は大きい
。しかし被検体内の組織の微妙な吸収係数の違いは光量
子のエイ・ルギが低いほうが強調されやすい傾向があシ
、これは従来のＸ線単純撮影での“柔かい被写体は柔か
いＸ線で撮影したほうがよい”という事実に相当する。

よってこの測定系の出力はエネルギの高い光量子によっ
て支配される割合が大きく、被検体の吸収のわずかな違
いをよシよく反映した低エネルギ部の寄与する率は小さ
くなり、結果としてＣＴ両画像低コントラスト分解能が
低下する。

５− このようなアナログ的な測定法の原理的構成の一例を第
１図に示す。

ｌは電離箱タイプの放射線検出器であり、応答速度はさ
ほど速くなく、ＣＴ装置のように高線量率の場合、出力
は連続したＭＥ、流と見なせる。

２は数題〜数十順の帰還抵抗をもったＦＪｉＴ誼増幅器
であり、この場合、電流−賞も圧変換器として動作する
。３は入力抵抗と帰還容量との積で積分定数が定捷る積
分回路である。ＣＴスキャナの場合これら放射線検出器
ｉ　、　１４ｉＪｆｆｆｉＪ￥Ｉ幅器２および積分回路
３は数１００〜数１０００チヤネル並設される。そして
、マルチルクザ４でこｔしら多数のチャイ・ルを順次選
択し、選択された積分回路３の出力電圧は晶速昼梢度の
Ａ／Ｄ変換器５でディジタル化され、計算機へ送られる
。

上述した問題点（１）〜（５）は到来した光量子を個個
に検出し、計数するようにす扛はＴべで解決する。

しかしながら、ＣＴスキャナのような一線血率の場合、
検出器および計数回路の動作速度は極６− めて速くなくてはならない。ちなみに、代表的な現行機
種の例をあげれば、単一の検出器に毎秒到来する光量子
数はおおむね次表のようになっている。

〈表〉（但し、線量条件は１２０　ｋＶ／２０　ｍＡの連続Ｘ
線である。）一般ＯＣＴスキャナにおいては、Ａｌｌ　Ａｉｒ（空気
のみ）の場合の計測は多少軸度が悪くても許さ扛る場合
が多いので、こｎらについては何らかの方法で逃げられ
ると仮定しても、実際の被検体が入った場合は到来光量
子を最低限±０．１％程度の梢度で計則する必要がある
。この値は到来光量子数によって定まるＳ／Ｎ比の物理
限界を計数誤差が乱さない程度におさえるということか
′ら定寸る。被検体として人間の頭部を考えると、この
ときの光量子数は１２０　ｎｓの水とそう大きく違わな
いので４×１０１７秒の光は子到来について考える。よ
って検出系及び計数回路は４　Ｘ　１０’回／セνの光
量子到来に充分に追随する速度ケ持っていなければなら
カい。しかし光量子の到来間隔は均等に分布しておらず
、ランダムに分布しているので、単純に４０　ＲＩＩＨ
ｚの計数速度會もつ測定糸を用いたのでは余く不充分で
ある。すなわち、４×１０１７秒の到来元叶子を０．１
係の梢度で計数するには、４０　ＧＨｚのＫ］゛数速度
をもつ検出器およびキ１′数回路が必要と試算されるが
、これを例えば１００　（ｌチャネルも設けるのは不可
能というほどではないとしても、製造等にかかる費用お
よび規模等の点で全く非現実的である。

第２図〜第５図を参照して、一般の憔出器および計数回
路の場合に生ずる現Ｍ！、ｆ：ｌ′Ｉ兄明する。

第２図に示すタイムチャートにおいて、光量子は波形Ｐ
Ｓの工うに平均してｔ秒間に１個の割合で、且つ相互の
間隔はランダムに検出器に到来するものとする。そして
、検出器の応答が遅く、を秒間ＶＣ１個の光量子しか分
離できず、を秒未満の間隔をおいて到来した複数の光量
子はまとめて１個の）ぐルスとして出力される。この現
象を以下「パンチング」と呼ぶことにするが、この種の
検出器では一般にしばしばおこる現象である。ここで検
出器は到来した光量子による信号を雑音から弁別するた
めのディスクリミネータを含んでいるものとする。波形
ＤＳがディスクリミネータの出力であるが、これを受け
る計数回路か充分に速いものだとしても、この例では結
局到来光量子数の半分の７個しか検出できないことにな
る。

第３図に、検出器の応答速度は理想的であるが、計数回
路の速度が遅い場合の例を示す。計数回路が動作するた
めには１回の計数につき信号のＨ（ハイレベル）の時間
はｔＨ以上、Ｌ（ローレベル）の時間はｔＬ以上持続す
ることか必要であるので、検出器の出力が波形ＰＳのよ
うに正９− ノ’？ルスであるならその時間かｔＨ以上持続するよう
に、検出器出力を整形する必要がある。その整形出力が
波形ＳＳである。ｔ＋ｉ　＋　ｔｔ　＝　ｔであるとし
、検出器出力のｉ４ルス幅をぎりき′りのｔＨに整形し
ても、この例では計数値Ｒのようにやはり半数の７個し
か計数できていない。

そして第２図、第３図のいずれの例でも検出器の時間応
答特性の不安定性によりパンチングの状況が変わるか、
あるいはｔＨｌｃ設定したパルス幅のドリフト等が原因
するなどして、入力光斌子数の例係が数え落されるかと
いう特性が変動し、ディジタル的な側足系としたにもが
かわらず感度のドリフトが生ずることになる。

第４図に通常の回路にて、最小動作サイクル時間内に平
均Ｍ個のランダム事象が到来した場合の計数効率にの特
性を示す。この特性ｉｉＫ＝ｅ−Ｍなる式であられされ
る。第５し１は最小動作サイクルＩ　Ｏｎｇの回路で１
　ｍｇ計数した結果の計数値Ｒを示す。こ扛ら第４図お
よび第５図より回路の動作速度を落とせば、数え洛とし
率が著１０− しくなシ、ある入力頻度以上ではかえって計数結果が減
少することかわかる。こｎに対して、信号源の性質（光
量子の到来間隔の統計的性質）をよく分析し、若干の回
路を付加すれば、相幽量の数え落としが生じても原情報
を回復できると考えられる。

本発明はこのような点に着目してなされたもので動作速
度のさほど高くない回路で極めて高頻度のランダム事象
を充分な精度で計測できる計数装置を提供することを目
的としている。

すなわち、このような目的を達成する本発明の特徴は、
到来間隔かポワソン分布で定まる事象を計数する計数装
置において、前記事象を直接計数する有限の動作速度を
有する計数回路と、このビし数回路の計数値に対して該
計数回路の最高動作周波数および原信号のポヮソン分布
特性に基き、予め算出される変換テーブルを用いて前Ｈ
己計数回路における数え落し補正を施して出力する補正
回路とを具備することにある。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第６−は本発明をＣＴスキャナ等における放射線検出系
に適用した場合の一実施例の構成を示すものである。

１１（１１−１〜１ノーｎ）は光量子等のランダム事象
の到来を検出する検出器、１２（１２−１〜ｌ２−ｎ）
は検出器１ノの出力から信号と雑音とを弁別し４Ｎ号を
抽出する弁別器である。１３（Ｊ　、？　−１〜ｌ　、
？　−ｎ　）は弁別器１２の出力を計数する６ト数向路
であり、検出器１１から計数回路１３までの基金ての計
数性能は、事象到来間隔がｔｓｅｃ以上のときは完全に
計数し、Ｌｓｅｃ未満のときは・々ンチングをおこすも
のとする。この系がｎチャンネル並列に動作している。

計数回路２．９の谷チャンイルの出力はアドレス制御ｆ
ｉｌＳ１４の制御によりマルチゾレサ１５にて順次切換
走査され時分割的に導出される。その出力（計数結果Ｒ
）は乗算器１６〜２１と加算器２２で仄式の工うな演其
か殉こされ加算器２２の出力はＲ′となる。

ｎ’　＝Ｒ−１−ａ１Ｒ２＋ａ２Ｒ３＋ａ３Ｒ’　　　
　　・＝（１）乗算器１６の出力はＲ１乗算器１７の出
力はＲ１乗算器１８の出力はＲである。メモリ２３はア
ドレス制御部１４のアゾレス出力によシ各チャンネルに
対応した定数”１　ｒ　ａ２　＋　ａｌｌを読み出しそ
れぞれ乗算器１９，２０．２１に与える。

乗算器１９，２０．２１の出力はそれぞれａＩＲ。

ａ２Ｒ３，ａ３Ｒ’である。加算器２２ではマルチプレ
クサ１５の出力Ｒと乗算器１９，２０．２１の出力とを
加算してＲ′が求められる。

ここで定数’１　ｒ　ａｌ　Ｉ　＆＊は次のようにして
求められる。

１回光量子が到来してからｔｓｅｃ以内にもう１個以上
の光量子か到来する確率Ｐは、ポワソン分布式によシ次
式で与えられる。

ここでＭはｔｓｅｃ内の平均光量子到来数である。

すなわちこのＰが数え落とし率であるから計１３− 数率には次のようになる。

＝１−（１−ｅ　　　’）＝ｅ　　　’　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　−（３）ここでＮは計数期間
Ｔｓｅｃ内に到来する総光Ｍ子数であり、Ｍ＝そ・Ｎで
ある。

すなわち真の光量子到米数Ｎと計数結果ＩＬとの関係は
次の式で示される。

、１Ｒ＝　Ｋ　・Ｎ　＝　Ｎ　ｅ　　Ｔ−（４）Ｍ＝テ・Ｎ
　（ｌの領域では・・・（５）となり、これはＭ＝１−Ｉでは単調増加であり第５図に
示したＲの特性から御飯的にＮを求めることができる。

Ｎ＝　Ｆ（Ｒ）＝　Ｒ（１＋ａ　Ｉ　Ｒ十ａ　ｔ　Ｒ２
＋ａ　、Ｒ’十−・−）　・−（６）１４− このａｌ　　＋　”２　＊　ａｌ・・・はテの関数であ
り、ここでは特に解析的に求めることはしないがａ３オ
でとっておけは通常の場合充分と思われる。

（５）式をＮの４次寸でにとどめれば解析的にＦ［有］
）を比較的容易に求めることができるがここでは省略す
る。

パンチングケ起さない事象到来間隔の最小値ｔを実測し
、一方計数期間Ｔは固定することか容易だから、Ｋ＝ｅ
−Ｎｔ／Ｔを予じめ計算１各Ｎに対してＫを算出するこ
とができる。そしてこの結果よりＲ（＝ＫＮ）とＮとの
関係が求められ、ＲからＮへの変換テーブルを作ること
ができる。この変換テーブルを数次の多項式で近似すれ
ば（６）式が得られる。

上記（６）式より加算器２２の出力Ｒ’＃Ｎであること
かわかる。

各チャンネルのｔが同一であれば乗算器１６〜２ノ、加
算器２２からなる演算回路は前述の変換テーブルに置き
かえることができる。しかしここでは、一般にｔは各チ
ャンイ・ル毎に異なるものであることを考初、シ（６）
式の定数ａ１．ａ２゜ａｌを各チャンネルについて蘭々
に前述の原理で算出し、メモリ２３に格納しておくよう
にする。さらに各チャンネルのｔは一般にドリフトする
ものであるから、それをギヤリプレージョンしてａｌ　
＋　”２　＊　”＊の定数を作りなおすために、既知の
事象到来数ＮにてＲを実６１１［する。

例えばｘＰｔＭの光電子を測定する場合、線積率モニタ
２４で常時モニタさｊ、たＸ　線１＊報をホスト計算機
システム２５に送るようにし、同時に減弱体制御器２６
でＸ線透過率が既知の減弱体を予定のタイミングでＸ線
パス伸入させる。あるいは逆にオペレータか既知の減弱
体をＸ線Ａ’スに挿入しその情報を計算機システム２５
へ入力してもよい。こうすることによりホスト計算機シ
ステム２５はＮ’ｊ知ることができる・同時に各計算数
部の出力Ｒは計３１４．機システム２５に送られ、計算
機システム２５はＲとＮとの関係からＫ（＝ｅ−Ｎｔ／
Ｔ）を求め、ＫとＮからｔ／Ｔを求め、これよりＲから
Ｎへの変換テーブル分作りなおし、さらにａｌ　＋　ａ
２１　ａｌ　を求めなおすことができる。求められた’
Ｉ　＋　”２　＋　ａｌはメそり２３に格納される。な
お、検出器１ノの幾可学的形状等からＮは各チャンネル
毎に少しずつ異なるがこの違いはにζ１と見なせるよう
な低線量率で各チャンネルのＲを実測することによりホ
スト計算機システム２５は認識することができるのでＮ
の精度に対して支障を生ずることはない。

以上の原理により、第５図に示す破線のようにＭ＝１．
０￥１′ではすなわち単調増加の範囲では計数結果を補
正してリニアに計数することができる。そしてこの計数
精度は信号源の統計的性質からくる変動を考えると充分
に高いものである。

このようにすれば平均周波数ｆ　［ｉ％／ｓｅｅのラン
ダム事象を計数する検出系および計数糸の最高動作周波
数はｆ回／ｌｅ　ｅでよいことになる。従って、妥当な
コストと規模で直接光蓋子計数型ＯＣＴスキャナを実現
し得るなど、従来高速計数が１７− 困難であるため実現できなかった分野についても対象が
ランダム事象である限り実現することが可能となる。

なお、本発明は上述し且つ図面に示す実施例にのみ限定
されずその要旨會変史しない範囲内で種々変形して実施
することができる。

例えば第６図においては、ＲがらＮへの変換を多項式の
計算により実施するものを示したが、人容前のメモリを
用いれば■（がらＮへの変換を各チャンネル毎に独立に
設けたＲがらＮへの直接変換テーブルを用いて行なうこ
とも可能である。さらに乗算器群と加算器による＄３４
７：を汎用アレイプロセッサで行なうこともＨＴ能であ
る＠また純然たるソフトウェアで上述の補正−ト算を実
現することも可能である。

以上詳述したように本発明によれば動作速度のさほど醒
、くない回路を用いて極めて高頻度のランダム事ａ！を
充分な精度でｇ１側できる計数装置を提供することがで
きる。

１８−

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の一例の構成を示すブロック図、第２
．第３図は従来装置において数え落しを生ずる理由を説
明するためのタイミングチャート、第４．第５図は従来
装置における計数特性を説明するための図、第６図は本
発明の一実施例の構成を示すブロック図である。１１（１１−１〜ＪＪ−ｎ）・・・検出器、１２（１２
−１〜１２−　ｎ　）−弁別器、１３（１３−Ｊ　〜Ｊ
　ｓ　−ｎ　）　・・・計数回路、１４（１４−１〜１
４−ｎ）・・・アドレス制御回路、１５・・・マルチプ
レクサ、１６〜２ノ・・・乗其器、２２・・・加算器、
２３・・・メモリ、２４・・・線量率モニタ、２５・・
・計算機システム、２６・・・減弱体制御器。出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦１９−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）到来間隔がポワソン分布で定まる事象を計数する
計数装置において、前記事象を＠接計数する有限の動作
速度を有する計数回路と、この計数回路の計数値に対し
て該計数回路の最高動作周波数および原信号のポワソン
分布特性に基き予め算出される変換テーブルを用いて前
記計数回路における数え落し補正を施して出力する補正
面路とを具備してなる計数装置。
（２）補正回路は、予め計数回路の最小計数間隔ｔ、計
数期間Ｔに対して到来事象数Ｎの各個毎の岨−数率に＝
　、　−Ｎ　ｔ／ｌを算出し、前記計数回路の計数値Ｒ
に対しＲ＝　ＫＮよシ作成しておいた針数値Ｒから貞の
到来事象数Ｎを求める変換テーブルを用いて前記計数回
路の計数値Ｒに補正を施すことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の計数装置。
（３）　　補正回路は、計数回路の最小計数間隔ｔ、計
数１０１間Ｔに対して到来事象数Ｎの各個毎の計数率に
＝ｅ　−Ｎｔ／”ｔＷ出Ｌ、ＤｆＪ　Ｒｅ　ｉｔ数回路
ノｉｔ数値Ｒに対しＲ＝　ＫＮよシ作成される計数値Ｒ
から真の到来事象数Ｎ請求める変換テーブルをＮ　’＝
　Ｒ−１−ａ　Ｉ　Ｒ２＋ａ　２　Ｒ３＋ａ　３　Ｒ’
　”　Ｒ’なる式でｉ！ｉ　世、（２予め算出ｉｃ：　
ｔ、ｒｔした定数ａ＋＋ａｚ＋ａ３を用いてＤｆＪ記「
１数回路の計数値に対して上式テ示される近似演算を行
なってこの値Ｒを補正出力とすること’ｆｘ％徴とする
％　、￥ｒ　請求の範囲第１項記載の開数装置。