JPS6370153A - ２次元コンプトン・プロフィール影像方法およびその装置 - Google Patents

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、２次元コンプトン・プロフィール影像方法お
よびその装置に関し、言い換えれば検査領域に対するコ
ンプトン・プロフィールを位置の関数として定められ得
る方法およびその方法を実行するための装置に関するも
のである。

コンプトン散乱放射線が初期の一次のガンマ線またはＸ
線の波長を超える波長を有することが知られている。ま
た、この一次数射線の所定波長および散乱の所定角度に
対して、散乱放射線の強度が定められた波長のところで
最大を示すことが知られている。しかしながら、この波
長の両側において、関連角度内で散乱された放射線の強
度は零ではない。したがって、一層広い強度スペクトラ
ムが生じる。このスペクトラム、言い換えれば（波長お
よび散乱角度によって明確に定められる）パルス変換の
関数としてのコンプトン散乱放射線の強度は、コンプト
ン・プロフィールとして称せられている。

最近の研究は、生物学的な組織のコンプトン・プロフィ
ールがその構成に依存することを明らかにしている（Ｐ
ｈｙｓ、Ｍｅｄ、Ｂｉａｌ、、　Ｖｏｌ、２８．１４３
５頁、１９８３年）。同様のことが半導体材料に応用す
ることができる。

したがって、本発明の目的は、２次元コンプトン・プロ
フィール影像方法、言い換えれば層の個々のピクセル（
ｐｉｘｅｌ）　　におけるコンプトン・プロフィールの
決定を可能にする方法を提供することにある。

この目的は、 検査領域が、 （ｉ）小さな横断面を有し、 （１１）また、一次ビームの減衰が本質的にコンプトン
散乱によって引き起こされるように選択されるエネルギ
ーを有する 単一波長の前記一次ビームによって放射されるとともに
、 前記検査領域を通過後の前記一次ビームの強度は第１検
出器によって測定され、 第２検出器は前記一次ビームに対して所定角度で現われ
る散乱放射線の強度を波長に依存して測定し、 前記測定は複数の方向において前記検査領域を通して伸
びる複数の平行ビームに対して繰り返され、 個々のピクセルにおける前記一次ビームの減衰（Ｔ（ｒ
、　　β））は前記第１検出器の測定（直から再構成さ
れ、 前記検査領域のピクセルにおける里子エネルギーに依存
してコンプトン散乱密度（Ｓ　（Ｅ、　ｘ、　ｙ）　）
が与えられ、 またそのコンプトン散乱密度（Ｓ　（８，ｘ、　ｙ）　
）からピクセルの減衰（Ｆ、　、　Ｆｓ’）を酌量して
、前記第２検出器の位置におけるコンプトン散乱放射線
の強度が各ビーム路に対して演算され、関連ビーム路に
対して演算された強度（Ｒ）と測定された強度（Ｍ）と
の間の差から個々のピクセルにおける所定コンプトン散
乱密度を補正するための補正室が形成される 本発明によって成される。

本発明による影像方法は、まず散乱角度に関する散乱密
度が各ピクセルに対するエネルギーの関数として与えら
れることにもとづかれる。この基礎において、測定の間
において一層ビームによってたどられるビーム路に沿っ
て位置される各ピクセルに対して、一次放射線の強度が
知られ、また（一次放射線として）関連ピクセルへの途
中で、さらに（散乱放射線として）第２検出器への途中
で放射線によって招かれる減衰も知られる場合に、第２
検出器の位置における散乱放射線の強度を散乱放射線の
エネルギーの関数として定めることができる。ビーム路
に沿う全てのピクセルによって供給される散乱強度の合
計は、所定のコンプトン・プロフィールが実際の状況に
対応する場合に、測定強度に対応するべきである。一般
的には、これはその場合ではない。しかしながら、散乱
強度の演算値と測定１直との間の差から、ビーム路に沿
う個々のピクセル間において分配される補正１直を導出
することができる。この補正後に、こうして個々のピク
セルに対して演算されたコンプトン・プロフィールは既
に現実により良く対応する。この近似はさらなる繰り返
しステップによってもっと改良することができる。

コンプトン・プロフィールを定めるために、放射線がコ
ンプトン散乱によってのみに本質的に減衰されるような
エネルギーまたは波長の放射線を有する適当な単一波長
の放射線源を用いなければならない。これは一層低いエ
ネルギーまたは一層長い波長を有する散乱放射線の減衰
が第１検出器の信号によって形成された伝播断層放射線
写真（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｍｏｇｒａｍ）
から演算されることができる場合においてだけである。

この方法を行うための装置は、 （ａ）　　単一波長の放射線を発生させるための放射線
源（１）、 ら）検査領域を通過し、かつ小さな横断面を有する一層
ビームを形成するための一層ビーム絞り（３）、 （ｃ）　　前記一次ビームに配される第１検出器（６）
、（ｄ）　　定められた角度ａで現われる散乱放射線を
さえぎるエネルギー分析の第２検出器（１０）、（ｅ）
　　この第２検出器に接続されるパルス振幅解析器（１
２〜１４）および （ｆ）　　このパルス振幅解析器に接続されて、前記第
１および第２の検出器の測定値から前記検査領域のピク
セルにおけるコンプトン・プロフィールを繰り返して定
める演算手段（９） を具える ことを特徴とするものである。

本発明による好ましい実施態様は、 前記一次ビームに対して、前記第２検出器によって検出
される前記散乱放射線によって囲まれる前記角度は９０
度を超える ことを特徴とするものである。原則として、本発明は任
意の散乱角度に対して用いられるが、特に好ましい状況
は後方散乱放射線がさえぎられる場合、顕著には１５０
度と１６０度との間の散乱角度において生じる。

次に、本発明による２次元コンプトン・プロフィール影
像方法およびその装置の具体的実施例につき、図面を参
照しつつ説明する。

第１図において、１は放射線源を示している。

この放射線源１から、小さ９横断面を有する一層ビーム
２　（ペンシルビーム）が適当な一層ビーム絞り３によ
って形成される。この一次ビーム２は検査領域４を横切
る。この検査領域４において、例えば人体のような検査
されるべき物体５がテーブル上に位置されている。また
、検査領域４の他方側には第１検出器６が設けられてい
る。この第１検出器６は検査領域４を一層ビーム２が通
過後にその一層ビーム２の強度を測定する。

放射線源１、一次ビーム絞り３および第１検出器６は図
示されていない手段で機械的に結合されている。適当な
駆動装置を用いることにより、これら放射線源１、一次
ビーム絞り３および第１検出器６は検査領域４の中心の
まわりに回転するとともに、図面の平面において水平に
移動することができる。この結果として、検査領域４を
９次ビーム２によって多くの平行ビーム路に沿って、ま
た多くの種々の方向から走査することができる。

第１検出器６の出力信号は増幅器７を介してアナログ−
ディジタル変換器８に供給される。したがって、このア
ナログ−ディジタル変換器８に接続された演算装置９は
、各ビーム路の各方向に対してディジタルデータワード
を受は取る。このことにもとづいて、演算装置９は、一
次ビーム２によって走査される検査領域４の平面におい
て、実質的にコンプトン散乱によって決定される減衰分
布を定めるためのいわゆる伝播断層放射線写真を形成す
ることができる。

こうして、前述された装置は既知の第一世代コンピュー
タ断層放射線写真装置に大いに対応する。

しかしながら、数１００ＫｅＶのエネルギーを有するガ
ンマ量子を発する単一波長（ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉ
ｃ　）の放射線源１は例えば、４１２ＫｅＶのエネルギ
ーを有するガンマ量子を供給する放射性同位体金１９８
のような単一波長の放射線源である。

加えるに、装置は放射線源１、一次ビーム絞り３および
第１検出器６に対して機械的に堅固に結合される第２検
出器１０を有している。このほぼ１５５度の角度で（言
い換えれば後方に）散乱される散乱放射線を測定する第
２検出器１０は、エネルギー分解く析）能を有する。言
い換えれば、第２検出器１０は入射ガンマ量子のエネル
ギーに比例して振幅を有するパルスを供給する。この第
２検出器１０は半導体検出器であり得るとともに、例え
ばゲルマニウムまたはカドミウム−テルリウム等から成
り得る。

第２検出器１０は、増幅器１１およびアナログ−ディジ
タル変換器１２を介してメモリ１３のアドレス入力に接
続されている。このアナログ−ディジタル変換器１２の
動作は十分に速いとともに、先の第２検出器１０による
各Ｘ線量子の検出に応答して、この第２検出器１０の出
力信号の振幅に対応する信号を形成する。このようにし
て、電圧パルスがディジタルデータワードに変換される
毎に、このデータワードに対応するメモ１月３における
アドレスが番地指定される。このアナログ−ディジタル
変換と同期して加算器１４が働いて番地指定されたメモ
リ位置の内容に１を加えるとともに、この結果を再び同
一メモリ１３に戻して書き込む。こうして、検査領域４
を通る９次ビームの各ビーム路に対して、いつもほぼ同
一値である量子エネルギーを有するＸ線塁子が計数され
る。こうして、デ、イジタルーアナログ変換器１２、メ
モリ１３および加算器１４は、−組の測定値旧Ｅ１）、
シＩ（８２）、　・・・、　Ｍ（Ｅｔ）を供給するパル
ス振幅解析器として作用する。なお、これら測定値λＩ
（Ｅｌ）、　Ｍ（Ｅ２）、　　・・・、　Ｍ（Ｅｔ）　
は種々のエネルギー範囲Ｅｌ、　Ｅ２．　・・・、Ｅｔ
に対して散乱放射線の強度を表わす。

一組の測定値Ｍ（ε１）、　Ｍ（Ｅ２）、　・・・、）
Ａ（巳ｔ）および第１検出器６の出力信号によって演算
された伝播コンピュータ断層放射線写真にもとづいて、
演算装置９は各ピクセルおよび各エネルギー変換または
各パルス変換に対して（検査領域４に関して第２検出器
１０の位置によって与えられる）散乱角度に関する散乱
密度を演算する。この演算の終わりに、各パルス変換に
関して検査領域４の散乱特性についての画像（影像）は
メモリ装置１５に記憶される。この画像はモニタ１６に
よって表示させることができる。しかしながら、代わり
に、各ピクセル（または多数のピクセルについて平均化
されたもの）に対して、パルス変換の関数として散乱特
性、言い換えればコンプトン・プロフィールを再生する
ことが可能である。

次に、コンプトン・プロフィールを定める方法を第２図
に与えられるフローチャートに関して詳細に説明する。

５ＴＡＲＴ　　（ブロック１００）後において、第１お
よび第２の検出器６，１０の測定値が形成される。この
第１検出器６は、−組の測定値Ｔ（ｒ、　　β）を供給
する。これら測定値Ｔ（ｒ、　　β）は、ビーム路と検
査領域４の中心との間の距離ｒに依存するそのビーム路
における伝播に対する測定であるとともに、このビーム
路が検査領域４を通過する角度βに依存する。第２検出
器１０は、また距離ｒおよび角度βにも依存して、しか
し散乱放射線のエネルギーＥにも依存する一組の測定値
Ｍ（Ｅ、　ｒ、　　β）を供給する。

一次ビームが照射される検査領域４の平面における減衰
分布は測定値Ｔ　（ｒ、　　β）から決定される（ブロ
ック１０２）。このオペレーションに対して必要とされ
る再構成方法はコンピュータ断層放射線写真撮影分野に
おける当業者に良く知られているので、これら再構成方
法は、ここでは説明しない。

プログラムの次のステップ（ブロック１０３）の間にお
いて、散乱係数Ｓ　（Ｅ、　Ｘ、　ｙ）が与えられる。

この散乱係数Ｓ（ε、　Ｘ、　ｙ）は、散乱密度と、関
連エネルギー範囲（Ｅｌ、　Ｅ２．　　・・・、εむ）
に関すると同時に第２検出器１０によってカバーされる
空間角度に関する微分散乱横断面との積を表わす。ピク
セルの散乱係数は、いかなる散乱もそのピクセル外の検
査領域において起こらなければ、第２検出器１０および
パルス振幅解析器（アナログ−ディジタル変換器１２、
メモ１Ｊ１３および加算器１４〉によって供給される関
連エネルギー範囲に対する測定値に直接的に比例するだ
ろう。散乱係数Ｓ（Ｅ、　Ｘ、　ｙ）はエネルギー依存
が全てのピクセルに対して等しいと仮定される場合にコ
ンピュータ断層放射線写真から導出され得るとともに、
関連ピクセルに対する減衰値と乗算される。しかしなが
ら、代わりに、散乱係数Ｓ（Ｅ、　Ｘ、　ｙ）を各ピク
セルおよび各エネルギー範囲に対する定数として用いる
ことは可能である。この場合において、この導入は再構
成方法の間において起こるべきではない。これらの散乱
係数Ｓ（Ｅ、　Ｘ、　ｙ）値はむしろ再構成方法の実行
の始まる前にメモリに記憶されるべきである。

次の２つのステップの間において、ビーム路の位置が与
えられ、この際にビーム路が検査領域４を通じて伸びる
角度βが与えられ（ブロック１０４）、またビーム路と
検査領域４と間の距離ｒが与えられる（ブロック１０５
）。

続いて、原点が検査領域４の中心に一致しかつｙ軸が角
度βでビーム路によって横切られるカーテシアンｘ−ｙ
座標系において、座標×（「、β）、ｙ　（ｒ、β）が
検査領域４においてビーム路に沿って位置されるピクセ
ルに対して決定される（ブロック１０６）。この決定は
、次式によって行われる。

ｘ−ｃｏｓ　　β＋ｙ−ｓｉｎ　　β＝　　ｒ　　　　
　　　（１）次に（ブロック１０７　）　、補正値が距
離ｒおよび角度βによって定められるビーム路に沿って
位置されるピクセルに対して、また各エネルギー範囲に
対して形成される。この補正値は同一エネルギー範囲の
同一ピクセルに対して記憶された散乱係数の値に加算さ
れる。また、この補正値は、散乱係数の所定値と実際１
直との間の偏差が減少されるように選択される。この手
続は、次に第３図に関して説明する。

所定のエネルギー範囲（Ｅ＝Ｅ１−ブロック１０８）に
対して、第２検出器１０、増幅器１１、アナログ−ディ
ジタル変換器１２、メモリ１３および加算器１４によっ
て発生する信号へのピクセルによる寄与Ｂが演算される
。この寄与Ｂは、次のように演算される。

Ｂ＝ｃ＊Ｓ＊Ｆｐ　＊Ｆ、　　　　　　（２）ナオ、Ｓ
は散乱係数、Ｆ、は関連ピクセルへのビーム路に沿って
９次ビームが出会う減衰（言い換えれば、ピクセルに達
する一次放射線の小部分）、Ｆｌは散乱放射線が第２検
出器１０に達するまでにピクセルから出て来るその散乱
放射線が出会う減衰（言い換えれば、ピクセルにおいて
発生されかつ第２検出器ＩＯに達する散乱放射線の小部
分）、Ｃは検査領域４と無関係で（例えば、放射線源１
の強度、第２検出器１０の感度のような）装置の残りの
特性にのみ依存する定数である。要素Ｆｐは先の演算さ
れたコンピュータ断層放射線写真（ブロック１０２）か
ら直接的に導出することができる。

この理由は、関連ピクセルと放射線源１との間における
ビーム路に沿って位置されるピクセルの減衰が先の演算
されたコンピュータ断層放射線写真から知られるためで
ある。

要素Ｆ、は先に演算されたコンピュータ断層放射線写真
から直接的に導出することができない。

この理由は、散乱放射線の量子エネルギーが一次放射線
の量子エネルギーに較べて十分に低いためである。例え
ば、一次ビームにおける量子エネルギーが４１２ＫｅＶ
に達する場合に、１５５度の散乱角度に対して、最大コ
ンプトン散乱はほぼ１６２．４ＫｅＶのエネルギーで得
られる。非常に低いエネルギーを有する散乱放射線の減
衰は一次放射線の減衰に較べて十分に大きい。しかしな
がら、一次数射線のエネルギーは、放射線の減衰が本質
的にコンプトン散乱によって起こるように選択され、ま
た種々のエネルギーに対するコンプトン散乱による減衰
の割合は物体の散乱特性と無関係であるために、関連ピ
クセルと第２検出器１０との間に位置されるピクセルに
おける減衰値が定数要素と乗算される時には、二次放射
線の減衰はコンピュータ断層放射線写真における減衰か
ら導出することができる。

この要素は、一次ビームのエネルギーに対して全散乱横
断面によって除算された散乱放射線のエネルギーに対す
る全散乱横断面に対応する。種々のエネルギーに対する
全散乱横断面に関する演算は、（例えば、１９６９年８
月にｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆＳ
ｔａｎｄａｒｄｓによって刊行されたＨｕｂｂｅｌ著の
“ＰｈｏｔｏｎＣｒｏｓｓ　５ｅｃｔｉｏｎｓ、　Ａｔ
ｔｅｎｕａｔｉｏｎ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ・・・
”のような）著作物から知られる。散乱放射線のエネル
ギーに関して、この要素はほぼ１．４に達する。

同様に、一次ビームによってたどられるビーム路に沿っ
た全ての他のピクセルについての寄与ハ演算されて合計
される（ブロック１１０）。これらの寄与の合計値Ｒは
、散乱係数の所定分布（ブロック１０３）が検査領域に
おいて現実に存する分布と本当に対応する場合には、同
一エネルギーおよび同一ビーム路に対して検出器または
パルス振幅解析器によって定められる測定値Ｍに対応す
るべきである。これは一般的にその場合ではないために
、測定値Ｍと演算値Ｒとの間における相違に対応する補
正値が、同一ビーム路ｒ、βおよび同一エネルギーに対
していつも形成される（ブロック１１１）。こうして、
定められた補正値にはビーム路に沿うピクセルの数によ
って除算され、１より小さい要素ａによって重み付けら
され、関連画紫ＸＶおよび関連エネルギーに対して与え
られる値Ｓに加算される（ブロック１１２）。こうして
形成された値はすでに先に与えられた値に較べて一層良
く実際の値に近づく。

ステップ１０９およびステップ１１２は、補正が最後の
エネルギー範囲Ｅ＝Ｅｔに対しても行われる（ブロック
１１３）まで、他のエネルギー範囲８２゜Ｅ３等・・・
に対して繰り返される。

次に、新しいビーム路が値ｒ１言い換えればビーム路と
検査領域４の中心との間の距離を変えることによって定
められる（ブロック１１４）。したがって、先のビーム
路に隣接して、また先のビーム路に平行に伸びるビーム
路が与えられる。このビーム路に対して、ステップ１０
６からステップ１１３までが繰り返される。この後にお
いて、補正が角度βて検査領域４を通じて伸びる全ての
ビーム路に対して行われるまで、次のビーム路が与えら
れる等である。

次に、ビーム路の異なる方向βが与えられ（ステップ１
１５　）　、ステップ１０５からステップ１１４までが
９次ビームが測定の間において検査領域を通過する全て
の角度位置が処理されるまで繰り返される。

この繰り返しオペレーションは、ステップ１０４からス
テップ１１５までがいく回か繰り返される他の繰り返し
によって引き続かれ得る（ブロック１１６）。繰り返し
数は定められ得る。しかしながら、代わりに、補正（ブ
ロック１１１）が連続的に所定のスレッショルド値以下
になるときに繰り返しを中断することは可能である。こ
の場合に、適当に実際の分布に近い補正分布Ｓ（Ｅ、　
Ｘ、　ｙ）が得られる。

知られるように、散乱放射線の量子エネルギーＥとパル
ス変換Ｑとの間には、次の関係が存在する。

なお、Ｃは、光速であり、ＥＰ　は一次ビームの量子エ
ネルギーであり、ａは散乱角度である。この結果、前述
された方法の手段によって各ピクセルに対して繰り返し
て定められる値Ｓ　（Ｅ）は値５（Ｑ）に変換すること
ができる。この値Ｓ　（Ｑ）はまた所望の場合には、積
分Ｊ　Ｓ　（Ｑ）　ｄｑが関連ピクセルに対する伝播画
像の１１に乱係数に等しいように標準化され得る。また
、関連ピクセルに対してコンプトン・プロフィールの変
化を表す。そして、構成が完了され得る（ブロック１１
８）。

所定散乱角度に対するパルス変換と散乱量子のエネルギ
ーとの間の明確な関係のために、エネルギーの関数とし
て個々のビーム路に対するステップ１０１で定められる
測定値はまたパルス変換の関数として与えることができ
る。この場合に、個々のピクセルに対する散乱係数は、
ブロック１０３におけるパルス変換の関数として与えら
れる。この後において、ブロック１１７での散乱放射線
スペクトラムをコンプトン・プロフィールへの前述され
た変換を省略することができる。

トン・プロフィール影像方法およびその装置を説明する
ための図面であって、 第１図は本発明による方法を行うための装置の概略図、 第２図は種々のピクセルに対するコンプトン・プロフィ
ールを決定するためのフローチャート図、第３図は第２
図とともに用いられるサブルーチンのフローチャート図
である。

１・・・放射線源　　　　２・・・一次ビーム３・・・
一次ビーム絞り ４・・・検査領域　　　　５・・・物体６・・・第１検
出器　　　７・・・増幅器訃・・アナログ−ディジタル
変換器 ９・・・演算装置　　　　１０・・・第２検出器１１・
・・増幅器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検査領域が、 （ｉ）小さな横断面を有し、 （ｉｉ）また、一次ビームの減衰が本質的にコンプトン
   散乱によって引き起こされるように選択されるエネルギ
   ーを有する 単一波長の前記一次ビームによって放射さ れるとともに、 前記検査領域を通過後の前記一次ビームの 強度は第１検出器によって測定され、 第２検出器は前記一次ビームに対して所定 角度で現われる散乱放射線の強度を波長に依存して測定
   し、 前記測定は複数の方向において前記検査領 域を通して伸びる複数の平行ビームに対して繰り返され
   、 個々のピクセルにおける前記一次ビームの 減衰は前記第１検出器の測定値から再構成され、 前記検査領域のピクセルにおける量子エネ ルギーに依存してコンプトン散乱密度が与えられ、 またそのコンプトン散乱密度からピクセル の減衰を酌量して、前記第２検出器の位置におけるコン
   プトン散乱放射線の強度が各ビーム路に対して演算され
   、関連ビーム路に対して演算された強度と測定された強
   度との間の差から個々のピクセルにおける所定コンプト
   ン散乱密度を補正するための補正値が形成される ことを特徴とする２次元コンプトン・プロフィール影像
   方法。 ２、（ａ）単一波長の放射線を発生させるための放射線
   源、 （ｂ）検査領域を通過し、かつ小さな横断面を有する一
   次ビームを形成するための一次ビーム絞り、 （ｃ）前記一次ビームに配される第１検出器、（ｄ）定
   められた角度で現われる散乱放射線をさえぎるエネルギ
   ー分析の第２検出器、 （ｅ）この第２検出器に接続されるパルス振幅解析器お
   よび （ｆ）このパルス振幅解析器に接続されて、前記第１お
   よび第２の検出器の測定値から前記検査領域のピクセル
   におけるコンプトン・プロフィールを繰り返して定める
   演算手段 を具える ことを特徴とする２次元コンプトン・プロフィール影像
   装置。 ３、前記放射線源としては好ましくは金１９８の放射性
   同位体を用いる ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の２次元
   コンプトン・プロフィール影像装置。 ４、前記一次ビームに対して、前記第２検出器によって
   検出される前記散乱放射線によって囲まれる前記角度は
   ９０度を超える ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の２次元
   コンプトン・プロフィール影像装置。