WO2002097471A1 - Procede et dispositif de mesure d'energie - Google Patents

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WO2002097471A1
WO2002097471A1 PCT/JP2002/003625 JP0203625W WO02097471A1 WO 2002097471 A1 WO2002097471 A1 WO 2002097471A1 JP 0203625 W JP0203625 W JP 0203625W WO 02097471 A1 WO02097471 A1 WO 02097471A1
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WO
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signal
pulse
energy
time
interval
Prior art date
Application number
PCT/JP2002/003625
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eiichi Tanaka
Tomohide Omura
Original Assignee
Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics K.K. filed Critical Hamamatsu Photonics K.K.
Publication of WO2002097471A1 publication Critical patent/WO2002097471A1/ja

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/17Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector
    • G01T1/171Compensation of dead-time counting losses
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D1/00Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
    • G01D1/04Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving integrated values

Definitions

  • the present invention relates to an energy measuring method and a measuring device for measuring the energy of a signal pulse by integrating the signal strength of a pulse waveform of an input signal pulse.
  • INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is widely applied not only to radiation energy measurement and dose measurement, but also to radiation detection position information and radiation image measurement, and particularly to gamma cameras used in nuclear medicine diagnosis, SPECT (Single photon emission computed tomography). It is also used for equipment such as PET (Positron emission tomography) equipment.
  • a radiation detector such as a scintillation detector using a scintillator is used to detect the radiation. Then, necessary information can be obtained by performing predetermined signal processing or further arithmetic processing on the detection signal output from the radiation detector.
  • a scintillation detector detects radiation incident on the scintillator by pulse-like scintillation light generated in the scintillator.
  • the optical signal pulse generated by the scintillation light is converted into an electric signal pulse by a photodetector such as a photomultiplier tube. That is, when the scintillation light is incident on the photocathode of the photomultiplier, a plurality of photoelectrons are generated from the photocathode in proportion to the light intensity.
  • the photoelectrons are collected at the first dynode and then successively dynodes. Is multiplied by a pulse signal and output as a pulse signal (current signal).
  • scintillation light of a scintillator used in a radiation detector has a pulse waveform such that the signal intensity attenuates exponentially, for example.
  • the total number of photoelectrons collected at the first dynode is the energy of the radiation absorbed by the scintillator. Corresponds to Lugi. Therefore, to measure the energy of radiation, it is necessary to integrate the output signal from the photomultiplier tube over an appropriate time interval.
  • the above integration time is preferably set so as to integrate most of the scintillation light. If this integration time is short, the number of photoelectrons collected decreases, and the statistical fluctuations decrease the energy resolution.
  • the pulse interval between signal pulses is the same as or shorter than the pulse width of each signal pulse.
  • the probability of intervals increases, and so-called “pile-up” occurs where two or more signal pulses overlap one another in time.
  • the signal strength (current signal) of the signal pulse whose energy is to be measured is integrated, the signal strengths of other signal pulses piled up in that signal pulse are simultaneously integrated.
  • the energy of the signal pulse to be measured cannot be measured correctly.
  • the integration time is set almost equal to the pulse time width.
  • the shorter the pulse width the shorter the integration time, the lower the probability of pileup at high count rates, and the better the count rate characteristics.
  • Tanaka et al.'S method (Reference 1: Nucl. Instr. Meth. Vol. 158, pp. 459-466, 1979) uses the delay line. But the integration time is reduced In this case, the pulse width is controlled so that the subsequent pulse does not occur, and by making the range sufficiently long, the low resolution and the decrease in the energy resolution at the counting rate are avoided.
  • the pulse width is determined by the delay line 'clipping method.
  • the method of shortening has the disadvantage that the energy resolution and the image resolution are reduced even at a low counting rate at which pile-up does not occur. Even in the method of Tanaka et al., If the pulse width is made extremely short so that a high counting rate can be measured, the resolution at a high counting rate decreases. In the method of Kolodziejczyk and the method of Wong, which use a signal obtained by adding the current signal and the integration signal with an appropriate weight, the current signal of the signal pulse fluctuates statistically and drastically over time. There was a disadvantage that the energy resolution and the image resolution were greatly reduced.
  • the present invention has been made in order to solve the above problems, and has an energy measuring method and measuring device capable of accurately and accurately measuring the energy of each signal pulse even at a high counting rate. It aims to improve the performance of radiation measurement and radiation image measurement.
  • an energy measurement method is an energy measurement method for measuring the energy of a signal pulse by integrating the signal strength of the pulse waveform of the signal pulse to be measured.
  • a pulse interval acquisition step for acquiring a pulse interval, which is a time interval from a signal pulse to a next signal pulse, for an input signal pulse; and (2) a pulse interval acquisition step which is set to correspond to the pulse interval.
  • Integral strength acquisition step for integrating the signal strength of the signal pulse to obtain the integrated signal strength at a predetermined integration time, and (3) acquiring the integrated signal strength acquired in the integral strength acquisition step and the pulse interval acquisition step
  • An energy calculation step of calculating energy corresponding to the total integrated intensity of the signal pulse from the determined pulse interval, and (4) energy calculation
  • One-sided pal It is characterized in that pile-up correction is performed based on the interval between laser beams and the energy after correction is calculated.
  • the energy measuring device is an energy measuring device for measuring the energy of a signal pulse by integrating the signal intensity with respect to the pulse waveform of the signal pulse to be measured.
  • a trigger signal generating means for inputting one of the branched signal pulses and generating a trigger signal corresponding to the signal pulse; and (b) inputting a trigger signal from the trigger signal generating means, and determining a signal strength based on the trigger signal.
  • a trigger signal from the trigger signal generating means is input as a gate signal generating means for generating a gate signal for instructing integration, and the pulse interval between signal pulses is from the trigger signal to the next trigger signal.
  • delay means for inputting the other of the input signal pulses and delaying them by a predetermined delay time. And (e) input the signal pulse delayed by the delay means and the gut signal from the gate signal generation means, and integrate the signal intensity of the signal pulse for a predetermined integration time set based on the instruction of the gout signal. (F) corresponding to the total integrated intensity of the signal pulse from the integrated signal intensity obtained by the gate integrating device and the pulse interval measured by the pulse interval measuring device.
  • Energy calculating means for calculating energy calculates the energy before correction calculated from the integrated signal strength and the pulse interval of the signal pulse to be measured, and Pile-up capture is performed from at least one of the integrated signal strength or energy of the previously input signal pulse and the pulse interval, and the energy after correction Is calculated.
  • energy is obtained from a pulse waveform, that is, a time change (current signal) of signal intensity, with respect to a signal pulse input as a measurement target, and the energy is obtained before the signal pulse.
  • Pile-up correction is performed using data obtained earlier for other input signal pulses. This eliminates the effects of other signal pulses piled up on the signal pulse Thus, the energy of each signal pulse can be measured correctly.
  • the signal pulse (current signal), which has a large influence of a noise signal, is not directly used, and the integrated signal intensity, pulse interval, and It uses the required energy. Thereby, the energy of the signal pulse can be measured accurately.
  • the energy of a signal pulse refers to the total integrated intensity obtained by integrating the signal intensity of the entire pulse waveform of the signal pulse to be measured. This corresponds to the integrated signal strength when the integration time is set to infinity.
  • FIG. 1 is a graph schematically showing an example of a pulse waveform of a signal pulse whose energy is to be measured.
  • 2A and 2B are graphs showing the occurrence of pile-up of a signal pulse.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the first embodiment of the energy measuring device.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the second embodiment of the energy measuring device.
  • FIGS. 5A and 5B are graphs showing the pulse interval and the effective integration time for the pulse waveform of the signal pulse.
  • FIG. 6 is a graph schematically showing another example of the pulse waveform of the signal pulse.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the third embodiment of the energy measuring device.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the energy calculation unit.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the energy calculation unit.
  • FIG. 10 is a graph showing a distribution of energy calculated values obtained by using a single exponential function correction method for an input signal pulse.
  • FIG. 11 is a graph showing FWHM and FWTM of the calculated energy value obtained by using the single exponential function correction method for the input signal pulse.
  • FIG. 12 is a graph showing FWHM and FWTM of the calculated energy value obtained by using the binomial approximation method, the ternary approximation method, and the polynomial correction method for the input signal pulse.
  • FIG. 13 is a graph showing the correlation between the number of input signal pulses and the number of outputs.
  • FIG. 14 is a graph showing FWHM and FWTM of the calculated energy value obtained by using the binomial approximation method, the ternary approximation method, and the polynomial correction method for the input signal pulse.
  • FIGS. 15A and 15B are darafs showing distributions of calculated energy values obtained by using the (A) three-term approximation method and the (B) polynomial approximation method with respect to the input signal pulse.
  • FIG. 16 is a graph showing the FWHM of the calculated energy value obtained by using the single exponential function correction method for the input signal pulse and the conventional correction method.
  • Figures 17A and 17B show the distributions of the calculated energy values obtained by using the (A) single exponential correction method and (B) the conventional correction method for the input signal pulse. It is.
  • FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the energy measuring device.
  • FIGS. 19A and 19B are graphs showing the setting of the integration time for performing the pulse waveform discrimination with respect to the signal pulse.
  • FIG. 20 is a graph showing a method of discriminating a pulse waveform of a signal pulse.
  • 121 21 A to FIG. 21C are graphs showing distributions of calculated energy values obtained by performing pulse waveform discrimination and pile-up correction on input signal pulses.
  • FIG. 22 is a graph showing FWHM and FWTM of the calculated energy values obtained by performing pulse waveform discrimination and pileup correction on the input signal pulse.
  • FIG. 23 is a graph showing the correlation between the number of input signal pulses and the number of outputs.
  • FIG. 24 is a block diagram showing the configuration of the fifth embodiment of the energy measuring device.
  • FIG. 25 is a perspective view showing the structure of a two-dimensional position detection type PET block detector.
  • a scintillator used as a radiation detector will be described using time waveform graphs shown in FIGS. 1, 2A and 2B.
  • a signal pulse output as a detection signal from the location detector will be described.
  • FIG. 1 is a graph schematically showing an example of a time waveform (current signal waveform) of signal intensity, which is a pulse waveform, of a signal pulse output from the scintillation detector in response to radiation detection.
  • the horizontal axis represents time t
  • the vertical axis represents the signal intensity (current value) of the signal pulse at each time.
  • an electric signal pulse P is output from a photodetector connected to the scintillator according to an optical signal pulse due to scintillation light generated in the scintillator.
  • the signal pulse P has a pulse waveform in which the signal strength rising at the time corresponding to the generation time of the scintillation light attenuates with a temporal spread over a certain pulse time width.
  • the pulse waveform of the signal pulse P has a time waveform f, which decays according to a single exponential function with the elapse of time t after the signal strength rises at the rise time. (t)
  • is a decay time constant of the signal intensity in the pulse waveform of the signal pulse
  • t is an elapsed time from the rising time of the signal pulse P
  • E is the total integral strength of the signal strength of the pulse waveform. The energy of the signal pulse P corresponding to the degree.
  • the energy of a signal pulse refers to the total integrated intensity obtained by integrating the signal intensity of the entire pulse waveform of the signal pulse to be measured. This corresponds to the integrated signal strength when the integration time is set to infinity.
  • a suitable integration time is set according to the pulse width and the decay time constant ⁇ of the signal pulse P, and the pulse waveform f (t ) Integrate the signal strength at. Assuming that the integration time for integrating the signal strength from the rising time of the signal pulse P is T, the integrated signal strength Q (T), which is the amount of integrated charge obtained, is
  • This integrated signal strength Q (T) corresponds to the integrated value of the signal strength in the range indicated by hatching in FIG. 1, and as the integration time ⁇ is increased, the signal having the total integrated strength is obtained. It approaches the energy E of the pulse P.
  • the integral response G (T) is
  • FIGS. 2A and 2B are graphs showing the occurrence of pile-up of a signal pulse.
  • Such signal pulse pile-up occurs, for example, when the number of radiations detected per unit time (count rate) in the scintillation detector is high and the pulse time interval between signal pulses is short. In other words, when the pulse interval between signal pulses becomes equal to or shorter than the pulse width of each signal pulse, as shown in the time waveform graph of FIG. Produce pile-ups that overlap each other.
  • the signal pulse P is shown as a signal pulse whose energy is to be measured.
  • the signal pulse P for each of the rising times of these signal pulses, the signal pulse P. Assuming that the rising time of the signal pulse Pi is 0, the rising time of the signal pulse Pi is 1 t, and the rising time of the signal pulse P 2 is 1 t 2 ( ⁇ t 2 ⁇ t! ⁇ 0). Also, have the pulse interval Nitsu from signal pulses of interest until the next signal pulse, T 2 the pulse interval of the signal pulses P 2, T have the signal pulses P. The pulse interval of the signal pulses P i Pulse interval at T. And
  • the signal pulse P Integration time T as the integral signal strength for.
  • an integrated signal intensity Q Q (T 0 ) obtained through integration over a period of time is obtained (integrated value in a shaded area in FIG. 2A).
  • the integration time ⁇ ⁇ , ⁇ 2 Niwata connexion integrating the integrated signal intensities (Tj, Q 2 (T 2 ) is obtained, respectively.
  • the signal pulse P is output.
  • the signal pulse P as shown in Figure 2A.
  • Signal pulse P in addition to the integral of its own signal strength.
  • Signal pulse P before the signal pulse. Includes an integral value of the other signal pulses P have signal strength P 2 are piled up.
  • the integrated signal strength Q. Is the signal pulse P.
  • the signal strength of, and the energy E which is its total integrated strength. Does not correspond directly. Therefore, this integrated signal strength Q. Is used as is, the signal pulse P. Energy E. Cannot be measured correctly.
  • the energy measuring method and measuring device perform such a pile-up correction by using a predetermined method and configuration, so that even if a signal pulse pile-up is occurring, the individual signal pulse It enables accurate and accurate measurement of energy.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the first embodiment of the energy measuring device according to the present invention.
  • This energy measuring device 1 is an energy measuring circuit (signal processing circuit) that measures the energy E of the signal pulse P by integrating the signal strength of the pulse waveform of the signal pulse P input as a measurement target. And includes an energy calculating unit 10 that performs an operation or the like for calculating the energy E of the signal pulse P.
  • signal processing circuit signal processing circuit
  • the signal pulse P to be measured in the energy measurement for example, the electric signal pulse of the detection signal from the scintillation detector shown in FIGS. 1, 2A, and 2B is input to the energy measurement device 1, The signal is branched into signal pulses.
  • the trigger signal generator 21 generates a trigger signal corresponding to the signal pulse P.
  • a threshold that is the lower limit of the signal intensity is set in advance, and when the signal intensity of the signal pulse P exceeds the threshold, the signal pulse Generates and outputs a trigger signal corresponding to P.
  • the trigger signal output from the trigger signal generator 21 is input to the good signal generator 22 and the pulse interval measuring device 23.
  • the gate signal generator 22 generates a gate signal for instructing integration of the signal strength with respect to the signal pulse P (for example, instructing ON / OFF of integration) based on the trigger signal.
  • the path interval measuring device 23 measures the time interval from the trigger signal to the next trigger signal as the pulse interval ⁇ from the signal pulse ⁇ ⁇ ⁇ to be measured to the next signal pulse.
  • the other branched signal pulse is input to the delay circuit 31.
  • the delay circuit 31 delays the input signal pulse ⁇ by a predetermined delay time and outputs it, since the signal strength is integrated based on the instruction by the gate signal.
  • the signal pulse ⁇ delayed by the delay circuit 31 is input to the Gout integrator 32.
  • the gate signal from the gate signal generator 22 is also input to the gate integrator 32.
  • the gate integrator 32 integrates the signal strength of the signal pulse ⁇ input from the delay circuit 31 by a predetermined integration time set based on the instruction of the gate signal, and obtains the obtained integrated signal strength Q. Output.
  • the energy calculator 10 for calculating the energy ⁇ of the signal pulse ⁇ receives the integrated signal strength Q obtained by the gate integrator 32 described above and the pulse interval ⁇ ⁇ measured by the pulse interval measuring device 23. Is done.
  • the energy calculation unit 10 performs the total integration of the signal pulse ⁇ from the integrated signal strength Q and the pulse interval while performing pile-up correction so that the influence of other signal pulses piled up on the signal pulse ⁇ is removed. Calculate the energy ⁇ corresponding to the intensity.
  • the energy measurement method of the signal pulse ⁇ ⁇ executed by the energy measurement device 1 of the present embodiment is schematically as follows (see FIG. 2 ⁇ ).
  • a signal pulse P input to the energy measurement device 1 as a measurement target.
  • the signal pulse P is output from the pulse interval measuring device 23.
  • the pulse interval T from to the next signal pulse.
  • the gate integrator 32 sets the pulse interval T based on the instruction of the gate signal.
  • the signal strength is integrated to obtain the integrated signal strength Q. (Integral intensity acquisition step).
  • the signal pulse P to be measured.
  • pulse interval T The signal pulse P for the energy before correction calculated from Input signal pulse (eg, the integrated signal strength (eg, integrated signal strength QJ or energy (eg, energy E and / or energy E) and pulse interval (eg, pulse interval 1 ⁇ ) This is used to perform pile-up correction, whereby the corrected energy E, in which the effects of other signal pulses piled up on the signal pulse P. are removed as much as possible, is calculated and output from the energy measuring device 1.
  • the energy E is obtained from the pulse waveform, that is, the time change of the signal intensity, with respect to the signal pulse P input as the measurement object, and the energy E is obtained from the signal pulse P.
  • pile-up correction is performed using the data obtained earlier for the other signal pulses input earlier. As a result, the energy E of each signal pulse P can be measured correctly, excluding the influence of other signal pulses that have been piled up in the signal pulse P.
  • the signal intensity of the signal pulse P which has a large influence such as a noise signal generated in the signal pulse P, is not directly used as the data used for the signal pulse P, but the integrated signal intensity Q and the pulse whose signal intensity is integrated by the gate integrator 32 are used.
  • the pulse interval T measured by the interval measuring device 23 and the energy ⁇ ⁇ obtained therefrom are used for energy calculation. As a result, the energy ⁇ of the signal pulse ⁇ can be accurately measured.
  • an energy measuring method and an energy measuring apparatus capable of accurately and accurately measuring the energy of each signal pulse. Is realized. Such a method is applicable not only to the case where the pulse waveform of a signal pulse is represented by a single exponential function but also to a general time waveform in a wide range.
  • the current signal may be integrated by analog operation, or the signal waveform may be digitized by continuous sampling and then integrated by digital operation. It is also possible.
  • a method of inputting a clock pulse to the pulse interval measuring device 23 and counting the clock pulse to measure the time interval is used. Can be used.
  • the configuration of the energy measurement device and the energy measurement method including the energy calculation method executed by the measurement device will be described more specifically.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the second embodiment of the energy measuring device.
  • This energy measuring device 1 is used, for example, when the pulse waveform of a signal pulse ⁇ to be measured is represented by a single exponential function as in the examples shown in FIGS. 1, 2 and 2. In this configuration, the configuration can be applied to the energy measurement of the signal pulse.
  • the configuration of the energy measuring device 1 according to the present embodiment includes a trigger signal generator 21 and a gate.
  • the signal generator 22, the pulse interval measuring device 23, the delay circuit 31, and the gate integrator 32 are the same as those in the embodiment shown in FIG.
  • the energy calculator 10 in the present embodiment includes an energy calculator 11, a lookup table 12, and two buffer memories 40 and 41.
  • Energy calculator 1 1 is the signal pulse P to be measured. Corresponding to the input of the energy E. Perform the necessary calculations to calculate.
  • the coefficient table used in the calculation executed by the energy calculator 11 is stored in the no-rec table 12.
  • the buffer memory 40 stores the signal pulse P to be measured at each time.
  • the integrated signal strength Q input from the gate integrator 32.
  • the pulse interval T input from the pulse interval meter 23. Is stored.
  • the signal pulse P is stored in the buffer memory 41.
  • the integrated signal strength Q i and the pulse interval 1 ⁇ at the previous signal pulse P are stored. These data are input data for the calculation for calculating the energy performed by the energy calculator 11.
  • Buffer memory 40 (first buffer memory) that stores the data and the signal pulse P. Integrated signal strength of the signal pulses P 1 that is input before the Q and the pulse interval T! And a buffer memory 41 (second buffer memory) for storing the data, thereby making it possible to calculate the energy E while referring to each data stored in the buffer memory. The operation can be performed reliably.
  • the pulse waveform of the signal pulse P has a The single exponential function correction method, which is a method of calculating the energy E that can be applied when expressed by the exponential function of, will be described.
  • the pulse waveform of the signal pulse P 0 is represented by the time waveform f of formula (1) (t), Assuming that no signal pulse pile-up has occurred, the pulse interval T. Is the integrated signal strength Q obtained by integrating the signal strength with the integration time as. Is
  • the integrated signal strength Q. Is the signal pulse P. Includes an integral value of the signal pulse P have signal strength P 2, etc. before. Therefore, energy E.
  • the integral value of the signal strength to be removed is the signal pulse P to be measured when the pulse waveform is a single exponential function. Can be obtained from the integrated signal strength Q and the pulse interval T stored in the buffer memory 41 as data previously acquired for the signal pulse P i immediately before. From the above, the signal pulse P in the single exponential function correction method.
  • Energy E after pile-up correction for. Is the integrated signal strength Q stored in the buffer memory 40. And pulse interval T. From the integrated signal strength and the pulse interval 1 stored in the buffer memory 41, the following equation (6) is obtained.
  • the pulse interval T i to the next signal pulse is used as it is as the integration time of the signal intensity for each signal pulse pi.
  • the integration time it takes some time to read and reset the integrated value in the gate integrator 32. Therefore, it is necessary to set the integration time. Further, it is preferable to set a maximum integration time as an upper limit value of the integration time so that the signal intensity is not integrated over a long time when the pulse interval Ti becomes long.
  • the signal intensity is actually larger than the pulse interval T of the signal pulse P.
  • FIGS. 5A and 5B are graphs showing the pulse interval T and the effective integration time T ′ with respect to the pulse waveform of the signal pulse P.
  • the graph of FIG. 5A shows a signal waveform which is a time change of the signal intensity, similarly to FIG. 2A.
  • the graph of FIG. 5B shows an integrated waveform that is a temporal change of an integrated signal strength obtained by integrating the signal waveform shown in FIG. 5A.
  • the signal pulse P is used as an example.
  • ⁇ the pulse interval T 0 is maximum integration time T ma x in. The case where one T r ⁇ T max is satisfied is shown.
  • the signal pulse P Pulse interval at ⁇ .
  • the effective integration time T corresponding to. , Is ⁇ 0 ' T.
  • One Tr The intensity of the integrated signal output from the gate integrator 32 is signal pulse P.
  • the effective integration time from the start of integration for the signal waveform of ⁇ . 'The integral waveform increases with the integration of the signal strength over time. Then, it is reset at a reset time T r until the start of integration of the next signal pulse, and the gate integrator 32 reads the integrated value.
  • the effective integration time T ′ is set as the integration time of the signal strength, it is possible to prevent the integration time from being long and to set a suitable integration time according to the pulse interval T of each signal pulse P. By setting, the accuracy of the calculated energy E can be improved as much as possible.
  • the maximum integration time T max is set to, for example, about 3 ⁇ with respect to the decay time constant of the pulse waveform f (t).
  • the maximum integration time T max is set for the case where the pulse interval ⁇ is long, but the energy E is calculated for the case where the pulse interval T is short. May be set in advance. In this case, the minimum pulse interval is the signal pulse P to be measured.
  • the pulse interval T before and after the pulse interval T It is preferable to set each for.
  • the signal pulse P By providing a minimum pulse interval with respect to the previous pulse interval T i, the signal pulse P. Can be excluded if the pile-up of the previous signal pulse P i is too large. Also, the later pulse interval ⁇ . By providing a minimum pulse interval for the signal pulse P. It is possible to exclude the case where the integration time cannot be sufficiently secured.
  • a (T) is the energy E corresponding to the total integrated intensity from the integrated signal intensity Q 0 obtained by the gate integrator 32.
  • the pulse interval T of Is determined based on B (T) is a coefficient for performing pile-up correction using the integrated signal strength of the immediately preceding signal pulse Pi, and its value is the signal pulse P! Determined on the basis of the pulse interval T 1 Is determined.
  • the pulse interval T is calculated. And 1 ⁇ to determine the coefficients A (T 0 ) and ⁇ ( ⁇ ⁇ ⁇ ) to obtain the integrated signal strength Q stored in the buffer memory 40. From the integrated signal strength stored in the buffer memory 41 and the signal pulse P. Exact energy of E. Can be easily obtained.
  • the pulse waveform of the signal pulse P is a general time waveform (general waveform) that cannot be represented by a single exponential function will be described.
  • a general waveform of a signal pulse output from the scintillation detector in response to radiation detection is represented by, for example, a sum of a plurality of exponential functions having different decay time constants.
  • Fig. 6 shows an example of the pulse waveform of a signal pulse having such a general waveform.
  • Pulse waveform f (t) a component with a small decay time constant and a fast decay, and a component with a large decay time constant and a slow decay It is a graph which shows Eg (t) typically.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the third embodiment of the energy measuring device.
  • This energy measuring device 1 is used, for example, when the pulse waveform of the signal pulse P to be measured is a general waveform that cannot be represented by a single exponential function as in the example shown in FIG. It is configured to be applicable to the energy measurement.
  • the configuration of the energy measuring device 1 of the present embodiment is shown in FIG. 3 for a trigger signal generator 21, a gate signal generator 22, a pulse interval measuring device 23, a delay circuit 31, and a gate integrator 32. It is similar to the embodiment shown.
  • the energy calculator 10 includes an energy calculator 11, a lookup table 12, a buffer memory 45 on the data input side, and a buffer memory 50 on the energy output side.
  • Energy calculator 1 1 is the signal pulse P to be measured.
  • the look-up table 12 stores coefficient data used in the calculation performed by the energy calculator 11.
  • the signal pulse P to be measured at each time is stored.
  • the pulse interval T at consecutive J signal pulses (an integer greater than or equal to 1) before P is P 2 ,..., P j T 2 ,. .
  • the signal pulse P is stored in the buffer memory 50 on the energy output side. Energy E calculated for. Is stored. Also, the signal pulse P. J signals pulses P have P 2 before the, ..., energy E have E 2 at P j, ..., E j is also stored. Each of these data is input data for a calculation for calculating the energy performed by the energy calculator 11.
  • J is the signal pulse P to be measured. This is the number of signal pulses P,..., Pj used for pile-up correction among the signal pulses input before.
  • the number J is the number of data of the previous pulse intervals T 1 ,..., T ′ stored in the buffer memory 45 and the energy E before stored in the buffer memory 50.
  • ⁇ , E j also corresponds to the number of data.
  • C. (T) is the integrated signal strength Q obtained by the gate integrator 32.
  • E corresponding to the total integrated intensity. Is the coefficient for calculating the signal pulse P.
  • a coefficient for performing pile-up correction is determined based on the pulse interval T j of the signal pulses P j.
  • tj is the signal pulse P. Are those of corresponding to the rise time of the signal pulse P j when the rise time is set to 0 (see FIG. 2 A), expressed by using the pulse interval Tj,
  • the pulse interval ⁇ . Blue..., coefficient C with reference to Tj.
  • the integrated signal strength Q stored in the buffer memory 45 even when the pulse waveform of the signal pulse P 0 is a general waveform. From the energy E or E j stored in the buffer memory 50, the exact energy E of the signal pulse P 0. Can be easily obtained.
  • energy E. Coefficient C used to calculate For each of (T) and Cj (T) (j 1,..., J), the value of each coefficient is determined in advance for a plurality of pulse interval T values, and It is preferable to create a look-up tape and a look-up tape (see Figure 7) from the values.
  • the energy calculation method using the equation (1 2) for the general waveform is as follows. Of pile-up correction using J signal pulses before This is based on the term correction method. This equation (1 2) has the energy E, except that it ignores the effects of the J + 1 and subsequent signal pulses. It is an accurate expansion formula. On the other hand, to simplify the energy calculation and reduce the number of data used in the calculation, pile-up correction for general waveforms should be performed using approximation methods such as the binomial approximation method and the ternary approximation method Is also possible.
  • the signal pulse P. Energy E. Ignoring the signal pulse P 2 charges the previous signal pulses in the calculation (see FIG. 2 A), signal pulses P. from the rising time one t of the immediately preceding signal pulse P i It is assumed that the amount of charge up to the rise time 0 is caused by the signal pulse Pi. At this time, the signal pulse P after pile-up correction. Energy E. Is the following equation (1 4) ...
  • X is a correction coefficient empirically determined according to the pulse waveform.
  • FIG. 8 is a block diagram showing an example of the configuration of the energy calculation unit corresponding to the energy calculation method using the binomial approximation method according to equation (14).
  • the energy / energy calculation unit 10 includes an energy calculator 11, a lookup table 12, and two buffer memories 40 and 41 on the data input side. This configuration is the same as that shown in FIG. 4 except for the content of the operation executed by the energy calculator 11.
  • the buffer memory 40 In the buffer memory 40, the signal pulse to be measured at each point in time. Integral signal strength Q corresponding to. And pulse interval ⁇ . Is stored.
  • the buffer memory 41 stores the integrated signal strength and the pulse interval 1 ⁇ in the signal pulse.
  • the energy calculator 1 1 calculates the pulse interval T. And the coefficient D with reference to 1 ⁇ . (T.) And (T x ) or the coefficient D from the look-up table 12.
  • the values of (T 0 ) and (T are read. Thereby, the pile-up is performed by the equation (14) from the integrated signal strength Q 0 stored in the buffer memory 40 and the integrated signal strength stored in the buffer memory 41.
  • the corrected energy E can be determined.
  • X is a correction coefficient empirically determined according to the pulse waveform.
  • FIG. 9 is a block diagram showing an example of the configuration of an energy calculation unit corresponding to the energy calculation method using the three-term approximation method according to equation (15).
  • the energy calculator 10 includes an energy calculator 11, a look-up table 12, three buffer memories 40, 41, 42 for data input ⁇ J, and a buffer memory 50 for energy energy output J. It is configured.
  • the signal pulse P to be measured at each point in time. The integrated signal strength Q 0 and the pulse interval T. Is stored.
  • the buffer memory 41 stores the integrated signal strength Q and the pulse interval T of the signal pulse P 1.
  • the Roh Ffamemori 42, the integrated signal strength of Q 2 and pulse interval of the signal pulses [rho 2 T 2 are stored.
  • buffer memo on the energy output side Re: 50, the signal pulse P. Energy at E. And the energy pulse in the signal pulse are stored.
  • the energy calculator 1 1 calculates the pulse interval T. , Coefficient with reference to the ⁇ stomach and ⁇ 2 D. (T 0 ), D 1 (TJ, and D 2 (T 2 ) are determined, or the coefficient D is obtained from the lookup table 12 ( ⁇ 0 ), ⁇ 1 (Tj, and D 2 (T 2 ) read the value. more This integrated signal intensities stored in the buffer memory 40 Q 0, integrated signal intensity Q 2 that has been stored physician energy E stored in the buffer memory 5 0 and the buffer memory 4 2 From equation (15), the pile-up corrected energy I E can be obtained.
  • Simulations were performed on the energy measurements using the single exponential function correction method, the polynomial correction method, the binomial approximation method, or the three-term approximation method as the energy calculation method, and the effects were confirmed.
  • a large number of signal pulses having a predetermined pulse waveform and energy are generated at random at a predetermined average count rate, and the calculated energy value is simulated based on a predetermined energy calculation method and a pile-up correction method. And estimated the average wave height distribution and energy resolution.
  • the energy of each pulse signal is represented by the total number of photoelectrons collected in the first dynode of the photomultiplier tube, and the energy of each pulse signal measured is calculated according to the Poisson distribution according to the Poisson distribution. It was assumed that it fluctuated statistically. In addition, it was assumed that each pulse interval was measured accurately, and the measurement error of the pulse interval and the error due to digitization were ignored.
  • FIG. 10 is a graph showing a distribution of calculated energy values obtained by using a single exponential function correction method for an input signal pulse.
  • the horizontal axis shows the calculated value (channel) of the energy E for the signal pulse P
  • the vertical axis shows the count number for each channel.
  • the input count rate was simulated under four conditions: (1) 0.01 Mcps, (2) 1 Mcps, (3) 2.5 Mcps, and (4) 5 Mcps.
  • the resulting energy distribution is shown.
  • the energy resolution decreases slightly.However, pile-up capture suppresses energy shifts due to integration of the signal strength of other signal pulses and decreases in energy resolution. You can see that it is done.
  • Figure 11 shows the half-width (FWHM) of the energy calculated using the single exponential function method for the input signal pulse, and 10 ° /. It is a graph which shows a price range (FWTM). From these graphs, it can also be seen that by performing pile-up correction using the single exponential function correction method for signal pulses having a single exponential function pulse waveform, the energy resolution associated with the increase in the number of input signal pulses can be obtained. It can be seen that the decrease in the temperature was suppressed as much as possible.
  • a time waveform was assumed as a general waveform.
  • the energy was set to 2000 photoelectrons.
  • FIG. 12 is a graph showing FWHM and FWTM of the calculated energy value obtained by using the binomial approximation method, the trinomial approximation method, and the polynomial correction method for the input signal pulse.
  • the accuracy of the calculated energy value is improved.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the input count rate and the output count rate in the above simulation results, that is, the count rate characteristics.
  • FIG. 14 is a graph showing FWHM and FWTM of the calculated energy value obtained by using the binomial approximation method, the trinomial approximation method, and the polynomial correction method for the input signal pulse.
  • the input count rate is calculated as follows: (1) 0.1Mc ps, (2) 1Mc ps, (3) 2Mc ps, (4) 3Mc ps, and (5) 4Mc ps.
  • the energy distribution obtained by performing a simulation under each condition is shown. As the input count rate increases, the energy resolution decreases slightly and the center value of the energy distribution shifts slightly to the higher energy side.However, the energy shift and the decrease in energy resolution are suppressed by pile-up correction. You can see that it is.
  • the number of pileup correction terms (the number of signal pulses used for pileup correction) By increasing), the accuracy of the calculated energy value can be improved.
  • the number of terms of the pile-up correction increases, the calculation for calculating the energy becomes complicated, and when a lookup table is used, the number of necessary lookup tables and the amount of data increase.
  • a suitable number of terms and a correction method are selected and used based on the required accuracy of the calculated energy value ⁇ the expected input frequency of the signal pulse. Preferably.
  • the integrated signal strength Q and pulse interval T obtained for each of the continuously input signal pulses P are collected in list mode and collected after or after data collection.
  • energy calculation may be performed offline in parallel with. In such a case, it is possible to execute an operation to calculate the energy by software separately from the data collection, as in the polynomial correction method under the condition that the number of terms J of the pile-up correction is increased. It can be applied to complicated calculations.
  • the energy calculation unit 10 of the configuration of the energy measurement device 1 described above is replaced with another energy calculation device (for example, software for energy calculation). It is possible to adopt a configuration that has a In this case, the energy measuring device 1 may be provided with a recording means for recording data such as the integrated signal strength Q and the pulse interval T on a predetermined recording medium instead of the energy calculating section 10.
  • signal processing is performed after shaping the pulse waveform, for example, by removing a component with a long decay time constant using a waveform shaping circuit such as a differentiating circuit. May be performed.
  • the emission pulse waveform can be expressed by a single exponential function
  • Wong's method has already been described as a conventional method.
  • the single exponential function correction method according to the present invention Using the Wong method described above, energy calculation and pile-up capture simulation were performed, respectively.
  • signal pulses are smoothed by a smoothing circuit before signal processing, and the smoothing time is 10 ns (conventional 1), Under the three conditions of 20 ns (conventional 2) and 50 ns (conventional 3), Simulation was performed.
  • FIG. 16 is a graph showing FWHM of the calculated energy value obtained by using the single exponential function correction method and the conventional correction method Wong's method for the input signal pulse. From these graphs, it can be seen that the single exponential function correction method is more effective in suppressing the decrease in energy resolution due to an increase in the input counting rate than using the Wong method together with signal pulse smoothing. .
  • FIGS. 17A and 17B are graphs showing distributions of calculated energy values obtained by using (A) a single exponential function capture method and (B) a Wong method for an input signal pulse. is there.
  • the input count rate is calculated under the following four conditions: (1) 0.1 McPs, (2) McPs, (3) 2.5 Mcps, and (4) 5 Mcps.
  • Each shows an energy distribution obtained by performing a simulation. From these graphs, it can be seen that the single exponential function correction method is more effective in suppressing the reduction in energy resolution due to an increase in the input counting rate.
  • Pulse shape discrimination is a technique in which multiple scintillators with different luminescence decay time constants are attached to a photomultiplier tube, and the signal waveforms indicate which scintillator detected radiation and emitted light. This is a method of detecting by discriminating from For example, by attaching a scintillator for ⁇ -rays and a scintillator for neutrons to one photomultiplier tube and applying waveform discrimination, ⁇ -rays and neutrons can be simultaneously discriminated and measured.
  • Some scintillators have different emission decay time constants depending on the type of radiation detected, such as y-rays, corrugated lines, and heavy ion beams.
  • the type of radiation can be discriminated and measured by a waveform discrimination method.
  • waveform discrimination There are various specific methods for waveform discrimination. In the following example, waveform discrimination is performed using the fact that the ratio of the integration values obtained by integrating two different time periods of the signal pulse differs depending on the luminescence decay time constant. , But is not limited to this.
  • FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the fourth embodiment using such a waveform discrimination method.
  • the energy measuring device 1 is configured such that, when two types of signal pulses of a single exponential function having any of different attenuation time constants ⁇ 1 ⁇ 2 are input as the signal pulses P to be measured, It has a configuration that can be applied to the energy measurement of signal pulses.
  • the configuration of the energy measuring device 1 of the present embodiment is the same as that of the embodiment shown in FIG. 3 for the trigger signal generator 21, the gate signal generator 22, the delay circuit 31, and the gate integrator 32. It is.
  • a sample time setting unit 24 including a function as a pulse interval measuring means is provided instead of the pulse interval measuring device 23, a sample time setting unit 24 including a function as a pulse interval measuring means is provided.
  • An effective integration time T ′ (see equation (7)), which is a sample time for signal intensity integration, is set, and instructed to the gate signal generator 22.
  • the gate signal generator 22 indicates integration of the signal strength based on the trigger signal input from the trigger signal generator 21 and the effective integration time T 'specified by the sample time setting unit 24. To generate a gate signal.
  • the gate integrator 32 receives the signal pulse from the delay circuit 31 based on the instruction of the gate signal. Is integrated.
  • the integrated signal strength obtained by integration at the effective integration time T ′ specified by the Gout signal is passed through an A / D converter 33 consisting of a sample-hold circuit and an ADC to obtain integrated signal strength data Q. Is output as
  • each signal pulse ⁇ Apart from the effective integration time T 'set for each, the integration time' ⁇ is indicated.
  • the integrated signal strength obtained by the integration at is Sample and hold circuit and via the AZD converter 3 4 made of ADC, is output as the integrated signal intensity data Q p.
  • the integrated signal strength Q 0 output from the A / D converter 33 and the integrated signal strength Q p output from the A / D converter 34 are input to the pulse waveform discriminator 25.
  • the energy calculator 10 includes an energy calculator 11, a lookup table 12, and two buffer memories 46 and 47. Eneorhegy calculator 11 The signal pulse P to be measured. In response to the input, the energy-E. Perform the necessary calculations to calculate. Further, the lookup table 12 stores coefficient data used in the calculation performed by the energy calculator 11.
  • Respect, / / 0 converter 3 three et outputted integrated signal strength Q 0, sample time setter 2 4 output from the pulse interval T.
  • And the waveform discrimination result X output from the pulse waveform discriminator 25. are input to the energy calculator 11 and stored in the buffer memory 46, respectively.
  • the signal pulse P is supplied to the buffer memory 47.
  • the integrated signal strength Q, the pulse interval T, and the waveform discrimination result Xl at are stored. These data are input data for the calculation for calculating the energy performed by the energy calculator 11.
  • the coefficients A ( ⁇ ) and ⁇ , ( ⁇ ) corresponding to the pulse waveform with the decay time constant ⁇ , and the coefficients A 2 (T) and ⁇ 2 ( ⁇ ) corresponding to the pulse waveform with the decay time constant ⁇ 2 are as follows. Alternatively, it may be calculated by the energy calculator 11 each time. Or the coefficient A!
  • the lookup table 12 may be created by performing an operation for obtaining ( ⁇ ), ⁇ , ( ⁇ ), ⁇ 2 ( ⁇ ), and ⁇ 2 ( ⁇ ) in advance. In this case, pulse waveform discrimination It is necessary to provide a look-up table with twice the number and data amount as compared with the case where no data is obtained.
  • FIGS. 19A and 19B are graphs showing the setting of the integration time for performing the pulse waveform discrimination for the signal pulse P.
  • the graph of FIG. 19A shows a signal waveform which is a time change of the signal strength.
  • the graph of FIG. 19B shows an integrated waveform which is a temporal change of an integrated signal strength obtained by integrating the signal waveform shown in FIG. 19A.
  • FIG. 20 is a graph showing a method of discriminating a pulse waveform of a signal pulse.
  • the horizontal axis indicates the effective integration time T ′ that varies depending on the pulse interval T of each signal pulse P
  • the vertical axis indicates the ratio Q of the integrated signal strength.
  • ZQ p is shown.
  • the difference between the pulse waveform of the decay time constant ⁇ and the pulse waveform of the decay time constant ⁇ 2 causes the integrated signal strengths Q 0 and Q even if the integration times ⁇ '( ⁇ '> ⁇ ⁇ ) are equal.
  • the ratio of p R ( ⁇ ') Q.
  • ZQ P has different values. Therefore, by using the value of this ratio, two types of pulse waveforms can be discriminated.
  • the graph of Fig. 20 shows the ratio R of the integrated signal strength in the pulse waveform with the decay time constant ⁇ i.
  • ri (T ') and R 2 ( ⁇ ') integration time difference enables discrimination in the pulse waveform discriminator 25 sets the minimum integration time T mi n for the effective integration time T '. Also, a waveform discrimination curve R p ( ⁇ ') is set approximately at the center of the two curves of the ratio ( ⁇ ') and R 2 ( ⁇ ').
  • FIG. 21A to 21C are graphs showing distributions of calculated energy values obtained by performing pulse waveform discrimination and pile-up correction on an input signal pulse, and FIG. 21A shows a correction of integration time.
  • Figure 21B shows the energy distribution under the condition 2 in which only the integration time was corrected, and
  • Figure 21B shows the energy distribution under the condition 2 in which only the integration time was corrected.
  • the energy distribution under condition 3 is also shown.
  • FIG. 22 is a graph showing FWHM and FWTM of an energy calculation value obtained by performing pile waveform discrimination and pileup correction on an input signal pulse.
  • FWHM and FWTM are shown for each of the conditions 1, 2, and 3. From these graphs, it can be seen that under condition 3 in which both the integration time correction and the pile-up correction were performed, the decrease in energy resolution due to an increase in the number of input signal pulses was suppressed as much as possible.
  • FIG. 23 is a graph showing the count rate characteristics in the above simulation results.
  • the output count rate is saturated at 1 OMcps.
  • FIG. 24 is a block diagram showing the configuration of such an embodiment.
  • the block detector used here converts scintillator SC crystals such as BGO (bismuth germanate) into a two-dimensional matrix (for example, a matrix with 8 rows and 8 columns).
  • An array of four square photomultiplier tubes PMT optically coupled, and the signal pulses from the four photomultiplier tube PMTs are designated as P A , P B , P c , and P D , respectively.
  • the energies of these signal pulses are E A , E B , E c , and E D , respectively, and the total energy is E.
  • the X and Y coordinates of the scintillator that detected the y-ray are Equation ⁇ _ (E A + E B )-(E C + E D ), ⁇ _ (E A + E C )-(E B + E D )... h 9)
  • one position detection type photomultiplier may be used instead of the four photomultipliers.
  • the configuration of the energy measuring device 1 of the present embodiment is basically a modification of the configuration shown in FIG. Specifically, the trigger signal generator 21, the gate signal generator 22, and the pulse interval measuring device 23 are the same as those in the embodiment shown in FIG.
  • the trigger signal generator 21 receives the signal pulse P generated by the sum circuit 35. Is entered.
  • Gut integrator 32 A, 32 B, 32 c , 32 D, and 3 2 E is provided.
  • the energy calculator 10 calculates the integrated signal strength Q A corresponding to the signal pulses P AQ , P B0 , P co , P D0 , and P 0 , respectively, for the buffer memories 40 and 41. , Q B0 , Q co , Q D0 , and Q. Is stored in the buffer memory 40 A , 40 B ,
  • Respective energy calculator 1 1 A, 1 1 B, the ll c, 1 1 D, and 1 1 E is provided on.
  • the look-up table 12 provided in the energy calculating unit 10 is not shown.
  • the signal pulse P A. A delay circuit 31 A, gate integrator 3 2 A, to signal processing by the buffer memory 40 A, 41 A, and the energy calculator 1 1 A, the corresponding energy E A0 is calculated.
  • the signal pulse P co is the delay circuit 3 l c, Gut integrator 32 C, the buffer memory 4 O c, 4 l c, and to signal processing by the energy calculator 1 1 c, the corresponding energy E c. Is calculated. Also, the signal pulse P D. A delay circuit 3 1 D, the gate integrator 3 2 D, the signal processing by the buffer memory 40 D, 41 D, and the energy calculator 1 1 D, the corresponding energy E D0 is calculated.
  • the signal pulse P A. , P B0 , P c . , And the signal pulses P 0 to P D0 is added, the entire delay circuit 3 1 E, gate integrator 32 E, the buffer memory 40 E, 41 E, and is a signal processed by the E energy calculator 1 1 E, the corresponding Energy E. Is calculated. Then, from these energies E A0 , E B0 , E co , E D0 , and E 0 , the position of the scintillator that has detected the ⁇ -ray is obtained using Expression (19).
  • the X and ⁇ coordinates obtained in this way are not necessarily proportional to the exact X and ⁇ coordinates of the scintillator, and include statistical noise.
  • the exact position of the scintillator is known to be one of multiple positions from the array, it is necessary to convert the measured coordinate values to the correct coordinate values using a look-up table prepared in advance .
  • energy ⁇ . Is equivalent to the energy of the detected radiation, so the energy of the radiation is selected by performing wave height analysis on this signal. .
  • pile-up correction of signal pulses is not limited to the above-described single exponential function correction method, binomial approximation method, three-term approximation method, and polynomial correction method, but also uses the integrated signal strength, pulse interval, and energy If so, various correction methods may be used according to a specific pulse waveform or the like.
  • the configuration of the buffer memory provided in the energy calculation unit 10 is appropriately changed according to data used in the pile-up correction.
  • the energy measuring method and measuring device are used as a measuring method and a measuring device capable of correctly and accurately measuring the energy of each signal pulse even at a high counting rate.
  • energy is calculated from the integrated signal strength and pulse interval of the signal pulse to be measured, and at least one of the integrated signal strength or energy of the signal pulse input before the signal pulse and the pulse interval.
  • the energy measuring method and the measuring apparatus for performing pileup correction from it is possible to accurately and accurately measure the energy of each signal pulse by excluding the influence of other signal pulses piled up in the signal pulse. .
  • the above-mentioned energy measuring method and measuring device are various devices that need to measure information on radiation energy and radiation detection position, for example, a scintillation detector, an energy statometer, a radiation position detector, It can be widely applied to such devices as gamma force melody, SPECT device, and PET device, and can maintain good energy resolution and resolution of these devices even at high counting rates.

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Description

明細書
エネルギー測定方法及び測定装置
技術分野
本発明は、 入力された信号パルスのパルス波形に対し、 その信号強度を積分し て信号パルスのエネルギーを測定するエネルギー測定方法及び測定装置に関する ものである。 本発明は放射線のエネルギー計測や線量計測のみならず、 放射線の 検出位置情報や放射線画像の計測などにも広く応用され、 とくに核医学診断に用 いられるガンマカメ ラ、 S P E C T (Single photon emission computed tomography)装 、 P E T (Positron emission tomography)装 などにも 、用され る。
背景技術
γ線や荷電粒子などの放射線 (エネルギー線) について測定を行う場合、 放射 線の検出には、例えばシンチレータを用いたシンチレーション検出器などの放射 線検出器が用いられる。そして、放射線検出器から出力された検出信号に対して、 所定の信号処理あるいはさらに演算処理等を行うことにより必要な情報が得ら れる。
例えば、 シンチレーシヨン検出器では、 シンチレータ中で発生するパルス状の シンチレーシヨン光によって、 シンチレータに入射した放射線を検出する。 この シンチレーシヨン光による光信号パルスは、光電子増倍管などの光検出器で電気 信号パルスに変換される。 すなわち、 シンチレーシヨン光が光電子増倍管の光電 面に入射するとその光電面から光強度に比例して複数の光電子を発生し、 この光 電子は第一ダイノードに集められたのち、順次後続のダイノードによって増倍さ れ、 パルス信号 (電流信号) となって出力される。
一般に、放射線検出器に使用されるシンチレータのシンチレーション光は例え ば指数関数的に信号強度が減衰するようなパルス波形を有する。 そして、 第一ダ ィノードに集められる光電子の総数がシンチレータに吸収された放射線のエネ ルギ一に対応する。 そこで放射線のエネルギーを計測するには、 光電子増倍管か らの出力信号を適当な時間間隔にわたって積分する必要がある。 一般に 1つの信 号パルスによって、第一ダイノードに集められる光電子の総数は十分大きくない ので、上記の積分時間はシンチレーション光の大部分を積分するように設定する のが好ましい。 この積分時間が短い場合には集められる光電子数が減少するため、 その統計的な変動によって、 エネルギー分解能が低下する。
放射線検出器による放射線の単位時間当たりの検出数 (計数率) が高い状態で 測定が行われると、 信号パルス間のパルス間隔が、 個々の信号パルスのパルス幅 と同程度またはそれよりも短い時間間隔となる確率が増大し、 2以上の信号パル スが互いに時間的に重なり合う、 いわゆる 「パイルアップ」 が発生する。 このと き、 エネルギーを測定しょうとする信号パルスに対して信号強度 (電流信号) の 積分を行うと、 その信号パルスにパイルアップしている他の信号パルスの信号強 度が同時に積分されてしまい、 測定対象となっている信号パルスのエネルギーを 正しく測定することができないという問題を生じる。
パルス波形が 1つの指数関数で表される場合、パイルアップによる誤差を少な くするために従来からよく用いられる比較的簡単な方法は、 デレイライン ·クリ ッビング法によつてパルスの時間幅を短縮し、積分時間をそのパルス時間幅にほ ぼ等しく設定する方法である。 この場合、 パルスの時間幅を短くするほど積分時 間も短くすることができ、 高い計数率においてパイルァップを生ずる確率が減少 し、 計数率特性を向上することができるが、 その代わり、 各信号パルスごとに光 電子増倍管の第一ダイノ一ドに集められる光電子数が減少し、パイルァップが発 生しないような低い計数率においてもエネルギー分解能が低下する欠点があつ た。
これを改良する従来技術の 1つとして、 Tanakaらの方法(文献 1: Nucl. Instr. Meth. Vol. 158, pp. 459-466, 1979) では、 上記のようにデレイライン .タリ ッビング法によってパルスの時間幅を短縮するが、積分時間を後続パルスの発生 によつて制御し、後続パルスが発生しなレ、範囲において十分長くすることによつ て、 低レ、計数率におけるエネルギー分解能の低下を避けている。
また、 Kolodziejczykの方法(文献 2:米国特許第 5 4 3 0 4 0 6号公報)では、 パルス信号 (電流信号) とそれを時間的に積分した積分信号とを適当な荷重で加 算することによって、 時間的に一定で、 かつ振幅がエネルギーに比例するような 加算信号を発生させ、 この加算信号の振幅をサンプリングして測定する方法が用 いられている。 測定対象の信号パルスの加算信号を後続の信号パルスが到来する 直前にサンプリングし、 その値を計測することによって、 後続の信号パルスのパ ィルァップの影響を除去することができるが、 前の信号パルスのパイルァップの 影響を除去することはできない。
さらに、 他の方法として、 Wongの方法 (文献 3 :国際特許 WO 9 8 / 5 0 8 0 2号公報) がある。 この方法は、上記した Kolodziejczykの方法と同様に電流信号 と積分信号の加算信号を測定する方法を用いているが、 さらに測定対象の信号パ ルスより以前に到来したすべての信号パルスの影響も捕正するように改良したも のである。
発明の開示
シンチレーシヨン検出器などの放射線検出器を利用して放射線を計測する場 合、 計数率が高くなつて信号パルスのパイルアップが起こると、 エネ^/ギ一の測 定値に誤差を生じたり、 エネルギー分解能が低下する。 シンチレーシヨン検出器 を利用したガンマカメラ、 S P E C T装置、 P E T装置などの放射線画像計測装 置において信号パルスのパイルアップが起こると、放射線エネルギーのみならず、 放射線の検出位置を示す位置信号も正しく計測されないので、得られる放射線画 像の解像力が低下したり画像に歪みを生じたりする。 これらの高計数率における 問題は従来のパイルアップ捕正法によってある程度防ぐことができるが、不十分 であった。
すなわち、 前記したようにデレイライン'クリッビング法によってパルス幅を 短縮する方法では、パイルアップが発生しないような低い計数率においてもエネ ルギー分解能や画像解像力が低下する欠点があった。 Tanakaらの方法でも、 高い 計数率まで測定できるようにパルス幅を極端に短かくすると高い計数率での分 解能が低下する。 電流信号と積分信号とを適当な荷重で加算した信号を用いる Kolodziejczykの方法および Wongの方法では、 信号パルスの電流信号が時間の経 過とともに統計的に激しく変動するために、 計数率の増大とともにエネルギー分 解能や画像解像力が大きく低下する欠点があった。 また、 これらの方法はすべて シンチレーションのパルス波形が単一の指数関数で近似できる場合にのみ応用 することができ、 それ以外の場合、 例えば減衰時定数の異なる 2つ以上の指数関 数の和として近似されるような場合には適用できないという欠点があった。 本発明は、 以上の問題点を解決するためになされたものであり、 高い計数率に おいても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度良く測定することが 可能なエネルギー測定方法及び測定装置を提供し、 放射線計測や放射線画像計測 の性能を向上することを目的とする。
このような目的を達成するために、 本発明によるエネルギー測定方法は、 測定 対象の信号パルスのパルス波形に対し、 その信号強度を積分して信号パルスのェ ネルギーを測定するエネルギー測定方法であつて、 ( 1 )入力された信号パルスに 対し、 信号パルスから次の信号パルスまでの時間間隔であるパルス間隔を取得す るパルス間隔取得ステツプと、 ( 2 )パルス間隔に対応するように設定された所定 の積分時間で、 信号パルスの信号強度を積分して積分信号強度を取得する積分強 度取得ステツプと、 ( 3 )積分強度取得ステップで取得された積分信号強度、及び パルス間隔取得ステップで取得されたパルス間隔から、 信号パルスの全積分強度 に対応するエネルギーを算出するエネルギー算出ステップとを備え、 (4 )ェネル ギー算出ステップにおいて、 測定対象の信号パルスでの積分信号強度及びパルス 間隔から算出された捕正前のエネルギーに対して、 該信号パルスよりも前に入力 された信号パルスでの積分信号強度またはエネルギーの少なくとも一方及ぴパル ス間隔からパイルアップ補正を行って、 補正後のエネルギーを算出することを特 徴とする。
また、 本発明によるエネルギー測定装置は、 測定対象の信号パルスのパルス波 形に対し、 その信号強度を積分して信号パルスのエネルギーを測定するエネルギ 一測定装置であって、 (a )入力された信号パルスを分岐した一方を入力し、信号 パルスに対応するトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、 ( b )トリガ信号 生成手段からのトリガ信号を入力し、 トリガ信号に基づいて、 信号強度の積分を 指示するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、 (c )トリガ信号生 成手段からのトリガ信号を入力し、 信号パルスでのパルス間隔として、 トリガ信 号から次のトリガ信号までの時間間隔を計測するパルス間隔計測手段と、 (d )入 力された信号パルスを分岐した他方を入力し、 所定の遅延時間だけ遅延させる遅 延手段と、 ( e )遅延手段で遅延された信号パルス、及びゲート信号生成手段から のグート信号を入力し、 グート信号の指示に基づいて設定された所定の積分時間 で、信号パルスの信号強度を積分して積分信号強度を取得するゲート積分手段と、 ( f ) ゲート積分手段で取得された積分信号強度、 及びパルス間隔計測手段で計 測されたパルス間隔から、 信号パルスの全積分強度に対応するエネルギーを算出 するエネルギー算出手段とを備え、 (g )エネルギー算出手段は、測定対象の信号 パルスでの積分信号強度及びパルス間隔から算出された補正前のエネルギーに対 して、 該信号パルスよりも前に入力された信号パルスでの積分信号強度またはェ ネルギ一の少なくとも一方及びパルス間隔からパイルアップ捕正を行って、 補正 後のエネルギーを算出することを特徴とする。
上記したエネルギー測定方法及び測定装置においては、 測定対象として入力さ れた信号パルスに対して、パルス波形、すなわち信号強度の時間変化(電流信号) からエネルギーを求めるとともに、 その信号パルスよりも前に入力された他の信 号パルスに対して先に取得されたデータを用いて、 パイルアップ補正を行ってい る。 これにより、 信号パルスにパイルアップされた他の信号パルスの影響を除外 して、 個々の信号パルスのエネルギーを正しく測定することができる。
また、 信号パルスに対する補正前のエネルギーの算出及びパイルァップ捕正に 用いるデータとして、 雑音信号などの影響が大きい信号パルス (電流信号) を直 接に用いず、 積分信号強度、 パルス間隔、 及びそれらから求められたエネルギー を用いている。 これにより、 信号パルスのエネルギーを精度良く測定することが できる。 以上より、 信号パルス間のパルス間隔が短く、 信号パルスにパイルアツ プを生じている場合であっても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精 度良く測定することが可能なエネルギー測定方法及び測定装置が実現される。 なお、 本明細書において、 信号パルスのエネルギーとは、 測定対象となる信号 パルスのパルス波形について、 その全体で信号強度を積分した全積分強度を指し ている。 これは、 積分時間を無限大とした場合の積分信号強度に相当する。 図面の簡単な説明
図 1は、 エネルギーの測定対象となる信号パルスのパルス波形の一例を模式的 に示すグラフである。
図 2 A及び図 2 Bは、 信号パルスのパイルアップの発生について示すグラフで ある。
図 3は、 エネルギー測定装置の第 1実施形態の構成を示すプロック図である。 図 4は、 エネルギー測定装置の第 2実施形態の構成を示すプロック図である。 図 5 A及び図 5 Bは、 信号パルスのパルス波形に対するパルス間隔及び実効積 分時間について示すグラフである。
図 6は、 信号パルスのパルス波形の他の例を模式的に示すグラフである。
図 7は、 エネルギー測定装置の第 3実施形態の構成を示すプロック図である。 図 8は、 エネルギー算出部の構成の例を示すプロック図である。
図 9は、 エネルギー算出部の構成の例を示すプロック図である。
図 1 0は、 入力信号パルスに対して単一指数関数捕正法を用いて求められたェ ネルギー算出値の分布を示すグラフである。 図 1 1は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法を用いて求められたェ ネルギー算出値の F WHM及び F W T Mを示すグラフである。
図 1 2は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正法 を用いて求められたエネルギー算出値の F WHM及び F WTMを示すグラフであ る。
図 1 3は、 入力信号パルス数と出力数との相関について示すグラフである。 図 1 4は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正法 を用いて求められたエネルギー算出値の F WHM及び F WTMを示すグラフであ る。
図 1 5 A及び図 1 5 Bは、入力信号パルスに対して( A) 3項近似法、及び( B ) 多項近似法を用いて求められたエネルギー算出値の分布を示すダラフである。 図 1 6は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法、 及び従来の捕正法を 用いて求められたエネルギー算出値の FWHMを示すグラフである。
図 1 7 A及び図 1 7 Bは、入力信号パルスに対して(A)単一指数関数補正法、 及び (B ) 従来の補正法を用いて求められたエネルギー算出値の分布を示すダラ フである。
図 1 8は、エネルギー測定装置の第 4実施形態の構成を示すブロック図である。 図 1 9 A及び図 1 9 Bは、 信号パルスに対してパルス波形弁別を行うための積 分時間の設定について示すグラフである。
図 2 0は、 信号パルスのパルス波形の弁別方法について示すグラフである。
121 2 1 A〜図 2 1 Cは、 入力信号パルスに対してパルス波形弁別及びパイルァ ップ補正を行って求められたエネルギー算出値の分布を示すグラフである。
図 2 2は、 入力信号パルスに対-してパルス波形弁別及ぴパイルァップ補正を行 つて求められたエネルギー算出値の FWHM及ぴ FWTMを示すグラフである。 図 2 3は、 入力信号パルス数と出力数との相関について示すグラフである。 図 2 4は、エネルギー測定装置の第 5実施形態の構成を示すプロック図である。 図 2 5は、 2次元位置検出型の P E T用ブロック検出器の構造を示す斜視図で ある。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図面とともに本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置の好適な実 施形態について詳細に説明する。 なお、 図面の説明においては同一要素には同一 符号を付し、 重複する説明を省略する。
まず、 本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置における測定対象となる 信号パルスの例として、 図 1、 図 2 A、 及び図 2 Bに示す時間波形のグラフを用 いて、 放射線検出器として用いられるシンチレーシヨン検出器から検出信号とし て出力される信号パルスについて説明する。
図 1は、 シンチレーシヨン検出器から放射線検出に対応して出力される信号パ ルスについて、 そのパルス波形である信号強度の時間波形 (電流信号波形) の一 例を模式的に示すグラフである。 このグラフにおいて、 横軸は時間 tを、 また、 縦軸は各時刻における信号パルスの信号強度 (電流値) を示している。
シンチレーシヨン検出器では、 シンチレータ中で発生するシンチレーション光 による光信号パルスに応じて、 シンチレータに接続された光検出器から電気信号 パルス Pが出力される。 この信号パルス Pは、 一般に、 シンチレーシヨン光の発 生時刻に対応する時刻に立ち上がつた信号強度が、 ある程度のパルス時間幅にわ たる時間的な広がりを持って減衰するパルス波形を有する。
具体的には、 信号パルス Pのパルス波形は、 例えば、 図 1に示すように、 信号 強度が立ち上がり時刻で立ち上がった後に、 時間 tの経過とともに単一の指数関 数にしたがって減衰する時間波形 f ( t )
f (t) = (E / T) exp( -t / T) …ひ)
で近似されるパルス波形を示す。 ここで、 式 (1 ) において、 τは、 信号パル Ρのパルス波形での信号強度の減衰時定数、 tは、 信号パルス Pの立ち上がり時 刻からの経過時間を示している。 また、 Eは、 パルス波形の信号強度の全積分強 度に対応する信号パルス Pのエネルギーである。
なお、 本明細書において、 信号パルスのエネルギーとは、 測定対象となる信号 パルスのパルス波形について、 その全体で信号強度を積分した全積分強度を指し ている。 これは、 積分時間を無限大とした場合の積分信号強度に相当する。 信号パルス Pに対してエネルギー Eの測定を行う場合、 信号パルス Pのパルス 幅や減衰時定数 τに応じて好適な積分時間を設定し、 設定された積分時間にわた つて、 パルス波形 f (t) での信号強度を積分する。 信号パルス Pの立ち上がり 時刻から信号強度の積分を行う積分時間を Tとすると、 得られる積分電荷量であ る積分信号強度 Q (T) は、 次式
Q ) - [ f(t)dt = E{l-exp(-T/T)} (2) で表される。
この積分信号強度 Q (T) は、 図 1中において斜線を付して示した範囲での信 号強度の積分値に相当し、 積分時間 τを長くするにしたがって、 全積分強度であ る信号パルス Pのエネルギー Eに近付く。 表式上の便利のため、 積分レスポンス G (T) を
G(7,) = l-exp( -Τ/τ) : ---(3)
のように定義すると、 式 (2) に示した積分信号強度は Q (T) =EG (T) と なる。
図 2 A及び図 2 Bは、 信号パルスのパイルアップの発生について示すグラフで ある。 このような信号パルスのパイルァップは、 例えば、 シンチレーシヨン検出 器における放射線の単位時間当りの検出数 (計数率) が高く、 信号パルス間のパ ルス時間間隔が短くなつた場合に発生する。 すなわち、 信号パルス間のパルス間 隔が、 個々の信号パルスのパルス幅と同程度またはそれよりも短くなると、 図 2 Aの時間波形のグラフに示すように、 2以上の信号パルス Pのパルス波形が互い に重なり合うパイルアップを生じる。 図 2 Aのグラフにおいては、 エネルギーを測定しょうとする信号パルスとして 図示した信号パルス P。のパルス波形に対し、信号パルス P。よりも前の連続する 2つの信号パルス Pい P2について、 それぞれ同様にパルス波形を示している。 これらの信号パルス P 及び P 2は、 いずれも測定対象の信号パルス P。に対して パイルアップしている。
ここで、 図 2 Aに示すように、 これらの信号パルスそれぞれの立ち上がり時刻 について、 信号パルス P。の立ち上がり時刻を 0として、 信号パルス Piの立ち上 がり時刻を一 tい信号パルス P2の立ち上がり時刻を一 t 2 (- t 2< - t !< 0) とする。 また、 対象とする信号パルスから次の信号パルスまでのパルス間隔につ いて、信号パルス P 2でのパルス間隔を T2、信号パルス P iでのパルス間隔を Τい 信号パルス P。でのパルス間隔を T。とする。
これらの信号パルスのパルス波形に対し、 信号パルス P i ( i =2、 1、 0) のそれぞれについて、 次の信号パルスまでのパルス間隔 T iを積分時間として信 号強度の積分を行うとする。 このとき、 信号パルス P。に対する積分信号強度と して、 積分時間 T。にわたつて積分した積分信号強度 QQ (T0) が得られる (図 2 A中において斜線を付して示した範囲での積分値)。 同様に、 信号パルス Pい P2に対する積分信号強度として、 積分時間 Ί\、 Τ2にわたつて積分した積分信 号強度 (Tj、 Q2 (T2) がそれぞれ得られる。
測定しょうとする信号パルス Ρ。のエネルギ^" Ε。は、図 2 Β中において斜線を 付して示すように、 信号パルス Ρ。のパルス波形に含まれる信号強度の全体を積 分した積分信号強度に相当する。 ここで、 信号パルスの頻度が低くパイルアップ が発生していない場合には、測定対象としている信号パルスのパルス波形 f ( t ) が既知であれば、 上記した式 (2) を用いて、 積分信号強度 Q。、 及び積分時間 であるパルス間隔 T。から、 信号パルス P。のエネルギーを E。 = Q。ZG (T0) と求めることができる。
一方、 信号パルスのパイルアップが発生している場合には、 信号パルス P。に 対して実際に得られる積分信号強度 Q。は、 図 2 Aに示すように、信号パルス P。 自体の信号強度の積分値に加えて、 信号パルス P。よりも前の信号パルスで信号 パルス P。にパイルアップしている他の信号パルス Pい P 2の信号強度の積分値 を含んでいる。 このとき、 積分信号強度 Q。は、 信号パルス P。の信号強度、 及び その全積分強度であるエネルギー E。と直接には対応しない。 したがって、 この 積分信号強度 Q。をそのまま用いたのでは、 信号パルス P。のエネルギー E。を正 しく測定することができない。
以上より、 信号パルスのパイルァップが発生した場合、 信号パルス Pのエネノレ ギー Eを正しく測定するためには、 エネルギー Eを算出する際に、 測定対象の信 号パルス Pにパイルアップしている他の信号パルスの影響を除去するパイルアツ プ補正を行う必要がある。
本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置は、 このようなパイルァップ捕 正を所定の方法及び構成を用いて行うことにより、 信号パルスのパイルァップが 発生している場合であっても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度 良く測定することを可能とするものである。
図 3は、 本発明によるエネルギー測定装置の第 1実施形態の構成を示すプロッ ク図である。 本エネルギー測定装置 1は、 測定対象として入力された信号パルス Pのパルス波形に対し、 その信号強度を積分することによつて信号パルス Pのェ ネルギー Eを測定するエネルギー測定回路 (信号処理回路) であり、 信号パルス Pのエネルギー Eを算出するための演算等を行うエネルギー算出部 1 0を含んで 構成されている。
エネルギー測定の測定対象となる信号パルス P、 例えば図 1、 図 2 A、 及び図 2 Bに示したシンチレーション検出器からの検出信号の電気信号パルスは、 エネ ルギー測定装置 1に入力され、 2つの信号パルスに分岐される。
分岐された一方の信号パルスは、 トリガ信号生成器 2 1へと入力される。 トリ ガ信号生成器 2 1は、 信号パルス Pに対応するトリガ信号を生成する。 具体的に は、 例えば、 入力された信号パルス Pのパルス波形に対して、 信号強度の下限値 となるスレツショルドをあらかじめ設定しておき、 信号パルス Pの信号強度がス レツショルドを超えたときに、 その信号パルス Pに対応するトリガ信号を生成し て出力する。
トリガ信号生成器 2 1から出力されたトリガ信号は、 グート信号生成器 2 2及 びパルス間隔計測器 2 3へと入力される。 ゲート信号生成器 2 2は、 トリガ信号 に基づいて、 信号パルス Pに対する信号強度の積分を指示 (例えば積分の O N/ O F Fを指示) するためのゲート信号を生成する。 また、 パ ス間隔計測器 2 3 は、 測定しょうとする信号パルス Ρから次の信号パルスまでのパルス間隔 Τとし て、 トリガ信号から次のトリガ信号までの時間間隔を計測する。
一方、 分岐された他方の信号パルスは、 遅延回路 3 1へと入力される。 遅延回 路 3 1は、 ゲート信号による指示に基づいて信号強度の積分を行うため、 入力さ れた信号パルス Ρを所定の遅延時間だけ遅延させて出力する。
遅延回路 3 1によって遅延された信号パルス Ρは、 グート積分器 3 2へと入力 される。 また、 このゲート積分器 3 2には、 ゲート信号生成器 2 2からのゲート 信号も入力されている。 ゲート積分器 3 2は、 このゲート信号の指示に基づいて 設定された所定の積分時間によって、 遅延回路 3 1から入力された信号パルス Ρ の信号強度を積分し、 得られた積分信号強度 Qを出力する。
信号パルス Ρのエネルギー Εを算出するエネルギー算出部 1 0には、 上記した ゲート積分器 3 2で取得された積分信号強度 Qと、 パルス間隔計測器 2 3で計測 されたパルス間隔 Τとが入力される。 エネルギー算出部 1 0は、 信号パルス Ρに パイルアップされた他の信号パルスの影響が除去されるようにパイルアップ補正 を行いつつ、 積分信号強度 Q及びパルス間隔丁から、 信号パルス Ρの全積分強度 に対応するエネルギー Εを算出する。
本実施形態のエネルギー測定装置 1によって実行される信号パルス Ρのェネル ギー測定方法は、 概略以下の通りである (図 2 Α参照)。 まず、 エネルギー測定装置 1に測定対象として入力された信号パルス P。に対 して、 パルス間隔計測器 2 3において、 その信号パルス P。から次の信号パルス までのパルス間隔 T。を取得する (パルス間隔取得ステップ)。 また、 ゲート積分 器 3 2において、 ゲート信号の指示に基づいてパルス間隔 T。に対応するように 設定された所定の積分時間で、 信号パルス P。の信号強度を積分して積分信号強 度 Q。を取得する (積分強度取得ステップ)。
そして、 これらの積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。から、 エネルギー算出部 1 0において、 信号パルス P。のエネルギー E。を算出する (エネルギー算出ステ ップ)。
このとき、測定しょうとする信号パルス P。での積分信号強度 Q。及びパルス間 隔 T。から算出された補正前のエネルギーに対して、その信号パルス P。よりも前 に入力された信号パルス (例えば信号パルス P J について先に取得されている 積分信号強度 (例えば積分信号強度 Q J またはエネルギー (例えばエネルギー E の少なくとも一方及びパルス間隔 (例えばパルス間隔 1\ ) を用いてパイル アップ補正を行う。 これにより、 信号パルス P。にパイルアップされた他の信号 パルスの影響が極力除去された補正後のエネルギー E。が算出されて、 エネルギ 一測定装置 1から出力される。
上述したエネルギー測定装置及び測定方法の効果について説明する。
本実施形態のエネルギー測定装置 1及ぴエネルギー測定方法においては、 測定 対象として入力された信号パルス Pに対して、 パルス波形、 すなわち信号強度の 時間変化からエネルギー Eを求めるとともに、 その信号パルス Pよりも前に入力 された他の信号パルスに対して先に取得されているデータを用いて、 パイルアツ プ捕正を行っている。 これにより、 信号パルス Pにパイルアップきれた他の信号 パルスの影響を除外して、 個々の信号パルス Pのエネルギー Eを正しく測定する ことができる。
また、 信号パルス Pに対する補正前のエネルギーの算出及びパイルァップ補正 に用いるデータとして、 信号パルス Pに発生する雑音信号などの影響が大きい信 号パルス Pの信号強度を直接に用いず、 ゲート積分器 3 2によって信号強度が積 分された積分信号強度 Q、 パルス間隔計測器 2 3で計測されたパルス間隔 T、 及 びそれらから求められたエネルギー Εをエネルギー算出に用いている。 これによ り、 信号パルス Ρのエネルギー Εを精度良く測定することができる。
以上より、 信号パルス間のパルス間隔が短く、 信号パルス同士にパイルァップ を生じている場合であっても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度 良く測定することが可能なエネルギー測定方法及び測定装置が実現される。 この ような方法は、 信号パルスのパルス波形が単一の指数関数で表される場合に限ら ず、 一般的な時間波形に対して、 広い範囲で適用が可能である。
なお、 エネルギー測定装置 1に含まれる各回路要素等については、 必要に応じ て、 様々なものを用いて良い。 ゲート積分器 3 2による信号強度の積分について は、 アナログ演算で電流信号を積分しても良いし、 あるいは、 連続的なサンプリ ングによって信号波形をデジタル化した後に、 デジタル演算で積分を行う構成と することも可能である。 また、 パルス間隔計測器 2 3によるパルス間隔の計測に ついては、 例えば、 パルス間隔計測器 2 3にクロックパルスを入力しておき、 ク ロックパルスを計数することによつて時間間隔を計測する方法を用いることがで きる。
エネルギー測定装置の構成、 及び測定装置で実行されるエネルギーの算出方法 を含むエネルギー測定方法について、 さらに具体的に説明する。
図 4は、 エネルギー測定装置の第 2実施形態の構成を示すプロック図である。 このエネルギー測定装置 1は、 例えば、 測定対象となる信号パルス Ρのパルス波 形が図 1、 図 2 Α、 及び図 2 Βに示した例のように単一の指数関数で表される場 合において、 その信号パルスのエネルギー測定に適用することが可能な構成とな つている。
本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 トリガ信号生成器 2 1、 ゲート 信号生成器 2 2、 パルス間隔計測器 2 3、 遅延回路 3 1、 及ぴゲート積分器 3 2 については、 図 3に示した実施形態と同様である。
本実施形態におけるエネルギー算出部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルツ クアップテーブル 1 2と、 2つのバッファメモリ 4 0、 4 1とを有して構成され ている。 エネルギー演算器 1 1は、 測定対象である信号パルス P。の入力に対応 して、 そのエネルギー E。を算出するために必要な演算を行う。 また、 ノレックァ ップテーブル 1 2には、 後述するように、 エネルギー演算器 1 1で実行される演 算において用いられる係数のデータが格納されている。
バッファメモリ 4 0には、 各時点で測定対象となっている信号パルス P。に対 応して、 ゲート積分器 3 2から入力された積分信号強度 Q。、 及びパルス間隔計 測器 2 3から入力されたパルス間隔 T。が記憶される。 また、 バッファメモリ 4 1には、 信号パルス P。よりも前の信号パルス P での積分信号強度 Q i及びパル ス間隔 1\が記憶される。 これらの各データは、 エネルギー演算器 1 1で行われ るエネルギーを算出するための演算に対する入力データとなる。
このように、 エネルギー E。を算出するための演算を行うエネルギー演算器 1
1と、 測定対象の信号パルス P。での積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。を記憶 するバッファメモリ 4 0 (第 1バッファメモリ) と、 信号パルス P。よりも前に 入力された信号パルス P 1での積分信号強度 Q 及びパルス間隔 T!を記憶するバ ッファメモリ 4 1 (第 2バッファメモリ) とを有するエネルギー算出部 1 0の構 成とすることにより、 バッファメモリに記憶された各データを参照しつつ、 エネ ルギー Eを算出するための演算を確実に行うことができる。
図 4に示したエネルギー測定装置 1の構成、 特にエネルギー算出部 1 0の構成 を参照しつつ、 信号パルス Pのパルス波形が式 (1 ) に示した時間波形 f ( t ) のように単一の指数関数で表される場合に適用が可能なエネルギー Eの算出方法 である単一指数関数補正法について説明する。
信号パルス P 0のパルス波形が式 (1 ) の時間波形 f ( t ) で表される場合、 信号パルスのパイルアップが発生していないとすると、 パルス間隔 T。を積分時 間として信号強度を積分した積分信号強度 Q。は、
2。 = 。{1— exp( -Τ0 Ιτ)} = E0G(T0) … (4)
となる。 このとき、 信号パルス P。のエネルギー E。は、 ノ ッファメモリ 40に記 憶されている積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。から、
E0 =- -(5)
° G(T0) と求められる。
これに対して、 信号パルスのパイルアップが発生している場合には、 積分信号 強度 Q。は、信号パルス P。よりも前の信号パルス Pい P2等の信号強度の積分値 を含んでいる。 したがって、 エネルギー E。を正しく求めるには、 式 (5) の右 辺 QoZG (Τ0) から信号パルス P2等の信号強度の積分値を除去するパイ ルアップ補正を行う必要がある。 そして、 この除去すべき信号強度の積分値は、 パルス波形が単一の指数関数である場合には、 測定対象である信号パルス P。の 直前の信号パルス P iに対して先に取得されたデータとしてバッファメモリ 41 に記憶されている積分信号強度 Q 及びパルス間隔 T から求めることができる。 以上より、 単一指数関数補正法においては、 信号パルス P。に対するパイルァ ップ補正後のエネルギー E。は、 バッファメモリ 40に記憶されている積分信号 強度 Q。及びパルス間隔 T。と、バッファメモリ 41に記憶されている積分信号強 度 及びパルス間隔 1 とから、 以下の式 (6)
E0 =-^-Ql Q^-^,T) … (
0 G(TQ) 1 G{TX) J によって求めることができる。
上記した式( 6 )では、各信号パルス p iに対する信号強度の積分時間として、 次の信号パルスまでのパルス間隔 T iをそのまま用いている。 これに対して、 実 際には、 ゲート積分器 32での積分値の読取及びリセットにある程度の時間を要 することを考慮して、 積分時間を設定する必要がある。 また、 パルス間隔 Tiが 長くなった場合に長時間にわたって信号強度を積分することがないように、 積分 時間の上限値として最大積分時間を設定しておくことが好ましい。
ゲート積分器 32において積分値の読取及びリセットに要するリセット時間を Ί\、上限値として設定された最大積分時間を Tmaxとすると、信号パルス Pのパ ルス間隔 Tに対して、 実際に信号強度の積分を行う実効積分時間 T' は、
T^mm(Tmax,T-Tr) … )
となる。
図 5 A及び図 5 Bは、 信号パルス Pのパルス波形に対するパルス間隔 T及び実 効積分時間 T' について示すグラフである。 ここで、 図 5 Aのグラフは、 図 2A と同様に、 信号強度の時間変化である信号波形を示している。 また、 図 5 Bのグ ラフは、 図 5 Aに示した信号波形を積分した積分信号強度の時間変化である積分 波形を示している。
図 5 A及び図 5 Bにおいては、 例として、 信号パルス P。でのパルス間隔 T0が 最大積分時間 Tma xに対して Τ。一 Tr<Tmaxを満たしている場合について示し ている。 このとき、信号パルス P。でのパルス間隔 τ。に対応する実効積分時間 T 。, は、 Τ0' =T。一 Trとなる。 ゲート積分器 32から出力される積分信号強度 は、 信号パルス P。の信号波形に対し、 図 5 Bに示すように、 積分開始から実効 積分時間 Τ。' にわたつて信号強度の積分によって増加する積分波形となる。 そ して、次の信号パルスの積分開始までのリセット時間 T rでリセットされ、また、 ゲート積分器 32において積分値の読取が実行される。
このように、 実効積分時間 T' を信号強度の積分時間とすることにより、 積分 時間が長時間にわたることを防止するとともに、 信号パルス Pそれぞれでのパル ス間隔 Tに応じて好適な積分時間を設定して、 算出されるエネルギー Eの精度を 極力向上させることができる。 なお、 最大積分時間 Tmaxは、 例えば、 パルス波 形 f (t) の減衰時定数てに対して、 3 τ程度に設定される。 また、 この実効積分時間 T' では、 パルス間隔 Τが長い場合に対して最大積分 時間 Tmaxを設定したが、 逆にパルス間隔 Tが短い場合に対しては、 エネルギー Eの算出を実行するための最小パルス間隔を設定しておいても良い。 この場合、 最小パルス間隔は、 測定対象の信号パルス P。の前のパルス間隔 Tい 及び後のパ ルス間隔 T。に対してそれぞれ設定しておくことが好ましい。
前のパルス間隔 T iに対して最小パルス間隔を設けることにより、 信号パルス P。に対する前の信号パルス P iのパイルアップが大き過ぎる場合を除外するこ とができる。 また、 後のパルス間隔 τ。に対して最小パルス間隔を設けることに より、 信号パルス P。の積分時間が充分に確保できない場合を除外することがで さる。
上記した実効積分時間 T' の適用に対し、 パルス間隔 Tに対応する積分レスポ ンス G (T) に代えて実効積分時間 T' に対応する実効積分レスポンス H (T) を定義すると、 この H (T) は、
H{T) = G{T') = 1 - exp( -ΤΊτ) ·'·(8)
と表される。 信号パルス Ρ。に対するパイルアップ補正後のエネルギー Ε。は、 こ の実効積分レスポンス Η (Τ) を用いて、 上記した式 (6) を修正した以下の式 (9)
Figure imgf000020_0001
Q^AiT^-Q.-BiT,) (9) によって求めることができる。
この式 (9) において、 A (T) は、 ゲート積分器 32で取得された積分信号 強度 Q 0から全積分強度に対応するエネルギー E。を求めるための係数であり、そ の値は信号パルス P。のパルス間隔 T。に基づいて決定される。また、 B (T)は、 直前の連続する信号パルス Piでの積分信号強度 を用いてパイルアップ捕正 を行うための係数であり、その値は信号パルス P!のパルス間隔 T 1に基づいて決 定される。
以上より、 エネルギー演算器 1 1において、 パルス間隔 T。及び 1\を参照して 係数 A (T 0) 及び Β ( Τ χ ) を決定することによって、 バッファメモリ 4 0に記 憶されている積分信号強度 Q。、 及びバッファメモリ 4 1に記憶されている積分 信号強度 から、 信号パルス P。の正確なエネルギー E。を容易に求めることが できる。
ここで、 エネルギー E。の算出に用いられる係数 A ( T ) 及び B ( T ) のそれ ぞれについては、 複数のパルス間隔 Tの値に対してあらかじめ各係数の値を求め ておき、 それらの係数の値からルックアップテーブル 1 2 (図 4参照) を作成し ておくことが好ましい。これにより、取得されたパルス間隔 T。及び 1\に対して、 ルックアップテーブル 1 2に含まれている係数 A (T) のルックアップテーブル 及び係数 B ( T) のルックアップテーブルの 2つのルックアップテーブルからそ れぞれ係数の値 A ( T 0) 及ぴ B (T J を読み出して、 パイルアップ捕正がされ たエネルギー E。を短時間で効率的に算出することが可能となる。
次に、 信号パルス Pのパルス波形が単一の指数関数で表せない一般的な時間波 形 (一般波形) である場合について説明する。
シンチレーション検出器から放射線検出に対応して出力される信号パルスの一 般波形は、 例えば、 減衰時定数が異なる複数の指数関数の和によって表される。 図 6は、 このような一般波形を有する信号パルスのパルス波形の例として、 減衰 時定数が小さく減衰が早い成分と、 減衰時定数が大きく減衰が遅い成分とを含む パルス波形 f ( t ) = E g ( t ) を模式的に示すグラフである。
このような一般波形を有する信号パルスに対するパイルァップ捕正では、 時間 波形の相違により、 上記した式 (6 ) または式 (9 ) を適用することはできない 、 信号パルスにパイルアップされる前の信号パルスによる信号強度 (電荷量) を先に測定された他の信号パルスのエネルギーから推定して、 同様に、 パイルァ ップ補正を行うことが可能である。 図 7は、 エネルギー測定装置の第 3実施形態の構成を示すプロック図である。 このエネルギー測定装置 1は、 例えば、 測定対象となる信号パルス Pのパルス波 形が図 6に示した例のように単一の指数関数で表せない一般波形である場合にお いて、 その信号パルスのエネルギー測定に適用することが可能な構成となってい る。
本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 トリガ信号生成器 2 1、 ゲート 信号生成器 2 2、 パルス間隔計測器 2 3、 遅延回路 3 1、 及びゲート積分器 3 2 については、 図 3に示した実施形態と同様である。
本実施形態におけるエネルギー算出部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ノレツ クアップテーブル 1 2と、 データ入力側のバッファメモリ 4 5と、 エネルギー出 力側のバッファメモリ 5 0とを有して構成されている。エネルギー演算器 1 1は、 測定対象である信号パルス P。の入力に対応して、そのエネルギー E。を算出する ために必要な演算を行う。 また、 ルックアップテーブル 1 2には、 エネルギー演 算器 1 1で実行される演算において用いられる係数のデータが格納されている。 データ入力側のバッファメモリ 4 5には、 各時点で測定対象となっている信号 パルス P。に対応して、 ゲート積分器 3 2から入力された積分信号強度 Q 0、 及ぴ パルス間隔計測器 2 3から入力されたパルス間隔 T。が記憶される。 また、 信号 パルス P。よりも前の連続する J個( J = 1以上の整数)の信号パルス Pい P 2、 ···、 P jでのパルス間隔 Tい T 2、 ···、 T jも記憶されている。 また、 エネルギー 出力側のバッファメモリ 5 0には、 信号パルス P。に対して算出されたエネルギ 一 E。が記憶される。また、信号パルス P。よりも前の J個の信号パルス Pい P 2、 ···、 P jでのエネルギー Eい E 2、 ···、 E jも記憶されている。 これらの各データ は、 エネルギー演算器 1 1で行われるエネルギーを算出するための演算に対する 入力データとなる。
図 7に示したエネルギー測定装置 1の構成、 特にエネルギー算出部 1 0の構成 を参照しつつ、 信号パルス Pのパルス波形が一般波形である場合に適用が可能な エネルギー Eの算出方法である多項補正法について説明する。
図 6にその例を示したように、 信号パルス Pのパルス波形が一般的な時間波形 として f (t) -E g ( t) と表されているとすると、 単一の指数関数の場合に 関して式 (3> に示した積分レスポンスに対応する積分レスポンス G (T) は、
G(T) = g{t)dt -(10) となる。 さらに、 ゲート積分器 3 2でのリセット時間 Tr及び最大積分時間 Tma xを考慮して式 (7) の実効積分時間 T' を適用すると、 式 (8) に示した実効 積分レスポンスに対応する実効積分レスポンス H (丁) は、
H(T)^G(T') = g(t)dt -(11) と表される。 信号パルス P。に対するパイルアップ捕正後のエネルギー E。は、 こ の実効積分レスポンス H (T) を用い、 以下の式 (1 2)
E _ _ Qo , H ( +Γ。)— H ( )
° Η(Τ0) 3 Η(Τ0)
= Q0 -C0(T0)- j EJ -Cj(TJ) 〜(12) によって求めることができる。
ここで、 Jは、 測定対象の信号パルス P。よりも前に入力された信号パルスの うちでパイルアップ補正に用いる信号パルス Pい ···、 P jの個数である。 この個 数 J個は、 上記したバッファメモリ 4 5に記憶されている前のパルス間隔 T 1、 ·-'、 T;のデータ数、 及びバッファメモリ 5 0に記憶されている前のエネルギー Eい ···、 E jのデータ数とも対応している。
また、 この式 (1 2) において、 C。 (T) は、 ゲート積分器 3 2で取得され た積分信号強度 Q。から全積分強度に対応するエネルギー E。を求めるための係 数であり、その値は信号パルス P。のパルス間隔 T。に基づ!/、て決定される。また、 C j (Tj) =ci ( tい T。) ( j = 1, …ヽ J) は、 信号パルス P。よりも前の J個の信号パルス P jそれぞれでのエネルギー E iを用いてパイルアップ補正を 行うための係数であり、 信号パルス P jのパルス間隔 T jに基づいて決定される。 なお、 t jは、 信号パルス P。の立ち上がり時刻を 0としたときの信号パルス P j の立ち上がり時刻に対応するものであり (図 2 A参照)、 パルス間隔 Tjを用いて 表すと、
tj ^T1 +T2 +…… + -(13)
である。
以上より、 エネルギー演算器 1 1において、 パルス間隔 Τ。、 Τい …、 Tjを 参照して係数 C。 (T0)、 C } - (Tj) を決定することによって、 信号パルス P0 のパルス波形が一般波形の場合でも、 バッファメモリ 4 5に記憶されている積分 信号強度 Q。、 及びバッファメモリ 50に記憶されているエネルギー Eい 一、 E jから、 信号パルス P 0の正確なエネルギー E。を容易に求めることができる。 ここで、 エネルギー E。の算出に用いられる係数 C。 (T) 及び Cj (T) ( j = 1、 ···、 J) のそれぞれについては、 複数のパルス間隔 Tの値に対してあらかじ め各係数の値を求めておき、 それらの係数の値からそれぞれルツクアツプテープ、 ル 1 2 (図 7参照) を作成しておくことが好ましい。 これにより、 パイルアップ 補正がされたエネルギー E。を短時間で効率的に算出することが可能となる。 また、 パイルアップ捕正に用いる信号パルスの個数 Jについては、 Jを多くす るほど、 パイルアップ補正の精度、 したがって算出されるエネルギー E。の精度 が向上される。 実際には、 測定対象である信号パルスのパルス波形や信号パルス の入力頻度、 エネルギー E。を算出するための演算に要する時間、 用意するルツ クアップテーブルのデータ量などを考慮して、 好適な個数に Jを設定することが 好ましい。
一般波形に対する式 (1 2) によるヱネルギー算出方法は、 上述したように、 信号パルス P。よりも前の J個の信号パルスを用いてパイルアップ捕正を行う多 項補正法によるものである。 この式 (1 2 ) は、 J + 1番目以降の信号パルスの 影響を無視することを除けば、 エネルギー E。の正確な展開式となっている。 こ れに対して、 エネルギー演算を簡単化するとともに演算に用いるデータ数を減少 するため、 2項近似法や 3項近似法などの近似法を用いて、 一般波形でのパイル アップ補正を行うことも可能である。
まず、 2項近似法では、 信号パルス P。のエネルギー E。の算出において信号パ ルス P 2以前の信号パルスの電荷を無視し (図 2 A参照)、 直前の信号パルス P i の立ち上がり時刻一 t から信号パルス P。の立ち上がり時刻 0までの電荷量を、 すべて信号パルス P iによるものと仮定する。 このとき、 パイルアップ補正後の 信号パルス P。のエネルギー E。は、 以下の式 (1 4 )
Figure imgf000025_0001
によって近似的に求めることができる。 ただし、 Xは、 パルス波形に応じて経験 的に定められる捕正係数である。
図 8は、 式 (1 4 ) による 2項近似法を用いたエネルギーの算出方法に対応す るエネルギー算出部の構成の一例を示すプロック図である。 このエネ^/ギー算出 部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルックアップテーブル 1 2と、 データ入力 側の 2つのバッファメモリ 4 0、 4 1とを有して構成されている。 この構成は、 エネ ギー演算器 1 1で実行される演算の内容を除けば、 図 4に示したものと同 等である。
ノ ッファメモリ 4 0には、 各時点で測定対象となっている信号パルス Ρ。に対 応して、 積分信号強度 Q。及びパルス間隔 Τ。が記憶される。 また、 バッファメモ リ 4 1には、 信号パルス での積分信号強度 及びパルス間隔 1\が記憶され る。
エネルギー演算器 1 1は、 パルス間隔 T。及び 1\を参照して係数 D。 (T。) 及 び (Tx) を決定し、 または、 ルックアップテーブル 1 2から係数 D。 (T0) 及び (T の値を読み出す。 これにより、 バッファメモリ 40に記憶されて いる積分信号強度 Q0、 及びバッファメモリ 41に記憶されている積分信号強度 から、 式 (14) によってパイルアップ補正されたエネルギー E。を求めるこ とができる。
また、 3項近似法では、 信号パルス P。のエネルギー E。の算出において信号パ ルス P 3以前の信号パルスの電荷を無視し、 信号パルス P iでのエネルギー E の 影響は正しく補正するとともに、信号パルス P2の立ち上がり時刻一 t 2から信号 パルス の立ち上がり時刻一 t までの電荷量を、 すべて信号パルス P2による ものと仮定する。 このとき、 パイルアップ補正後の信号パルス P。のエネルギー E0は、 以下の式 (15)
E0 = Q0 - Ex {H (t1 +T0)-H (t, )}-Q2 H (†'2 Η("·χ
(ゾ 2)
= Q0-D0(T0)-E1-Dl(Tl)-Q2-D2(T2) —(15) によって近似的に求めることができる。 ただし、 Xは、 パルス波形に応じて経験 的に定められる捕正係数である。
図 9は、 式 (1 5) による 3項近似法を用いたエネルギーの算出方法に対応す るエネルギー算出部の構成の一例を示すブロック図である。 このエネルギー算出 部 10は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルックアップテーブル 1 2と、 データ入力 彻 Jの 3つのバッファメモリ 40、 41、 42と、 エネノレギー出力個 Jのバッファメ モリ 50とを有して構成されている。
データ入力側のバッファメモリ 40には、 各時点で測定対象となっている信号 パルス P。に対応して、積分信号強度 Q 0及びパルス間隔 T。が記憶される。また、 バッファメモリ 41には、信号パルス P ,での積分信号強度 Q 及びパルス間隔 T が記憶される。 また、 ノ ッファメモリ 42には、 信号パルス Ρ2での積分信号強 度 Q2及びパルス間隔 Τ2が記憶される。 また、 エネルギー出力側のバッファメモ リ 5 0には、 信号パルス P。でのエネルギー E。及び信号パルス でのエネノレギ 一 が記憶される。
エネルギー演算器 1 1は、 パルス間隔 T。、 Τい 及び Τ2を参照して係数 D。 (T0)、 D1 (TJ、 及び D 2 (T2) を決定し、 または、 ルックアップテープノレ 1 2から係数 D。 (Τ0)、 Ό1 (Tj、 及び D2 (T2) の値を読み出す。 これに より、 バッファメモリ 40に記憶されている積分信号強度 Q0、 バッファメモリ 5 0に記憶されているエネルギー Eい 及びバッファメモリ 4 2に記憶されてい る積分信号強度 Q2から、 式 (1 5) によってパイルアップ補正されたエネルギ 一 E。を求めることができる。
上述した単一指数関数補正法、 多項補正法、 2項近似法、 または 3項近似法を エネルギーの算出方法として用いたエネルギー測定についてそれぞれシミュレー シヨンを行い、 その効果の確認を行った。 このシミュレーションでは、 所定のパ ルス波形とエネルギーを有する多数の信号パルスを所定の平均計数率で時間的に ランダムに発生させ、 所定のエネルギー算出法及びパイルァップ捕正法に基づい てエネルギーの算出値をシミュレートし、 平均の波高分布やエネルギー分解能を 推定した。 各パルス信号のエネルギーは光電子増倍管の第一ダイノ一ドに集めら れる全光電子数で表し、 計測される各パルス信号のエネルギーは所定の積分時間 内に集められる光電子数がポアッソン分布にしたがって統計的に変動すると仮定 した。 また各パルス間隔は正確に測定されるものと仮定し、 パルス間隔の測定誤 差及びデジタル化による誤差は無視した。
まず、 単一指数関数補正法によるエネルギー算出及ぴパイルァップ捕正のシミ ユレーシヨン結果について、 図 1 0及び図 1 1を参照して説明する。 ここでは、 信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数 τ = 240 n sの単一の指数闋 数成分による時間波形を仮定し、エネルギーは光電子数で 1 000とした。また、 他の条件については、 リセット時間を Tr= 50 n s、最大積分時間を Tma x= 1 000 n sにそれぞれ設定した。 図 10は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法を用いて求められたェ ネルギー算出値の分布を示すグラフである。 このグラフにおいて、 横軸は、 信号 パルス Pに対するエネルギー Eの算出値 (channel) を示し、 縦軸は、 channel 毎のカウント数を示している。
図 10においては、 入力計数率について、 (1) 0. 01Mc p s、 (2) 1 M c p s、 (3) 2. 5Mc p s、 及び(4) 5 M c p sの 4条件でそれぞれシミュ レーションを行って得られたエネルギー分布を示している。 入力計数率が増大す るにつれて、 エネルギー分解能がやや低下しているものの、 パイルアップ捕正に よって、他の信号パルスの信号強度が積分されることによるエネルギーのシフト、 及びエネルギー分解能の低下が抑制されていることがわかる。
また、 図 1 1は、 入力信号パルスに対して単一指数関数捕正法を用いて求めら れたエネルギー算出値の半値幅 (FWHM) 及び 10°/。値幅 (FWTM) を示す グラフである。 これらのグラフからも、 単一指数関数のパルス波形を有する信号 パルスに対して、 単一指数関数補正法を用いてパイルアップ補正を行うことによ つて、 入力信号パルス数の増大に伴うエネルギー分解能の低下が極力抑制されて いることがわかる。
次に、 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正法によるエネルギー算出及びパ ィルアップ補正の第 1のシミュレーション結果について、 図 1 2及び図 1 3を参 照して説明する。 ここでは、 信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数て ェ = 240 n sの第 1指数関数成分、及ぴ τ 2 = 50 n sの第 2指数関数成分を強 度比 70%: 30%で含む時間波形を一般波形として仮定した。 また、 他の条件 については、 リセット時間を Tr= 50 n s、最大積分時間を Tmax= 1000 n sにそれぞれ設定し、 エネルギーは光電子数で 2000とした。
図 12は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法 を用いて求められたエネルギー算出値の FWHM及び FWTMを示すグラフであ る。 ここで、 2項近似法においては、 捕正係数を x= 1. 1とした。 また、 3項 近似法においては、補正係数を X = 1. 2とした。また、多項補正法においては、 パイルアップ補正に用いる信号パルスの個数を J = 5とした。 . これらのグラフから、 一般波形のパルス波形を有する信号パルスに対して、 2 項近似法、 3項近似法、 または多項補正法を用いてパイルアップ補正を行うこと によって、 入力信号パルス数の増大に伴うエネルギー分解能の低下が極力抑制さ れていることがわかる。
また、 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法のそれぞれについて比較する と、 パイルアップ補正の項数を 2項から 3項、 多項 (J = 5) と多くすることに よって、 得られるエネルギーの算出値の精度が向上されている。
また、 図 1 3は、 上記したシミュレーション結果における入力計数率と出力計 数率の関係、 すなわち計数率特性を示すグラフである。 最小積分時間を 1 0 O n sに設定した結果、 信号パルスのうち前後のパルス間隔がともに 100 n s (合 計 200 n s) 以上のもののみが検出されるため、 出力計数率は 5Mc p sで飽 和している様子が示されている。
次に、 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法によるエネルギー算出及びパ ィルアップ補正の第 2のシミュレーション結果について、 図 14、 図 1 5A、 及 び図 15 Bを参照して説明する。ここでは、信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数 τ 1= 1000 η 3の第 1指数関数成分、 τ 2= 210 n sの第 2指数 関数成分、 及び τ 3 = 26 n Sの第 3指数関数成分を強度比 30% : 30% : 4 0%で含む時間波形を一般波形として仮定した。 また、 他の条件については、 図
12及び図 1 3の場合と同様である。
図 14は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法 を用いて求められたエネルギー算出値の FWHM及び FWTMを示すグラフであ る。 ここで、 2項近似法においては、 補正係数を x = l. 7とした。 また、 3項 近似法においては、捕正係数を X = 2. 0とした。また、多項捕正法においては、 パイルアップ補正に用いる信号パルスの個数を J = 5 (多項 1)及び J = l 0 (多 項 2) とした。
これらのグラフから、 図 1 2に示したグラフと同様に、 一般波形のパルス波形 を有する信号パルスに対して、 2項近似法、 3項近似法、 または多項補正法を用 いてパイルアップ補正を行うことによって、 入力信号パルス数の増大に伴うエネ ルギー分解能の低下が極力抑制されていることがわかる。
また、 2項近似法、 3項近似法、 J = 5とした多項補正法、 及び J = 10とし た多項捕正法のそれぞれについて比較すると、 パイルアップ補正の項数を多くす ることによって、 得られるエネルギーの算出値の精度が向上されている。
また、 図 1 5 A及ぴ図 1 5 Bは、 入力信号パルスに対して (A) 3項近似法、 及び (B) J = 5とした多項近似法を用いて求められたエネルギー算出値の分布 を示すグラフである。
図 15 A及び図 15 Bにおいては、入力計数率について、 (1) 0. O lMc p s、 (2) lMc p s、 (3) 2Mc p s、 (4) 3Mc p s、 及び (5) 4Mc p sの 5条件でそれぞれシミュレーションを行って得られたエネルギー分布を示し ている。 入力計数率が増大するにつれて、 エネルギー分解能がやや低下し、 エネ ルギ一分布の中心値がやや高エネルギー側にシフトしているものの、 パイルアツ プ補正によって、 エネルギーのシフト及びエネルギー分解能の低下が抑制されて いることがわかる。
ここで、 一般波形の場合に適用される 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正 法においては、 上述したように、 パイルアップ捕正の項数 (パイルアップ補正に 用いる信号パルスの個数) を多くすることによって、 得られるエネルギーの算出 値の精度が向上する。 一方、 パイルアップ補正の項数が多くなると、 エネルギー を算出するための演算が複雑となり、 また、 ルックアップテーブルを用いる場合 には、 必要なルックアップテーブルの個数及ぴデータ量が増大する。 このため、 パイルアップ捕正の項数については、 必要とされるエネルギー算出値の精度ゃ予 想される信号パルスの入力頻度などから、 好適な項数及び補正法を選択して用い ることが好ましい。
また、 エネルギー測定においては、 連続的に入力される信号パルス Pのそれぞ れについて、 取得された積分信号強度 Q及びパルス間隔 Tをリストモードでデー タ収集しておき、 データ収集後またはデータ収集と並行してオフラインでエネル ギー算出を行う場合がある。 このような場合には、 データ収集とは別に、 ソフ ト ウェアによってエネルギーを算出するための演算を実行することが可能であり、 パイルァップ補正の項数 Jを多くした条件での多項補正法のような複雑な演算に ついても適用が可能である。
このようにオフラインでエネルギー算出を行う場合の装置構成については、 上 記したエネルギー測定装置 1の構成のうち、 エネルギー算出部 1 0を別装置であ るエネルギー算出装置 (例えばエネルギー算出用のソフトウエアを有するコンビ ユータ)とする構成が可能である。この場合、エネルギー測定装置 1においては、 エネルギー算出部 1 0に代えて、 積分信号強度 Q及びパルス間隔 Tなどのデータ を所定の記録媒体に記録する記録手段を設けておけば良い。
また、 単一指数関数以外の一般波形に対するエネルギー測定においては、 例え ば、 微分回路などの波形整形回路によつて減衰時定数の長い成分を除去しておく など、 パルス波形を整形した後に信号処理を行う構成としても良い。
なお、発光パルス波形が単一の指数関数で表せる場合、従来の方法として Wong の方法があることをすでに記載した力 これらの方法による効果を比較するため、 本発明による単一指数関数補正法、 及び上記した Wongの方法を用いて、 それぞ れエネルギー算出及びパイルアップ捕正のシミュレーションを行った。ここでは、 信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数 τ = 3 0 0 n sの単一の指数関 数成分による時間波形を仮定し、エネルギーは光電子数で 2 0 0 0とした。また、 Wongの方法については、 電流信号に含まれる雑音信号の影響を低減するために、 信号処理前に平滑回路で信号パルスの平滑化を行うこととし、 平滑時間 1 0 n s (従来 1 ) 、 2 0 n s (従来 2 )、 及び 5 0 n s (従来 3 ) の 3条件でそれぞれシ ミュレーションを行った。
図 16は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法、 及び従来の補正法で ある Wongの方法を用いて求められたエネルギー算出値の FWHMを示すグラフ である。 これらのグラフから、 信号パルスの平滑化とともに Wongの方法を用い た場合よりも、 単一指数関数補正法の方が、 入力計数率の増大に伴うエネルギー 分解能の低下の抑制効果が高いことがわかる。
また、 図 1 7 A及び図 1 7Bは、 入力信号パルスに対して (A) 単一指数関数 捕正法、 及び (B) Wongの方法を用いて求められたエネルギー算出値の分布を 示すグラフである。
図 1 7 A及び図 1 7 Bにおいては、 入力計数率について、 (1) 0. O lMc p s、 (2) lMc p s、 (3) 2. 5Mc p s、 及び (4) 5Mc p sの 4条件 でそれぞれシミュレーションを行って得られたエネルギー分布を示している。 こ れらのグラフからも、 単一指数関数補正法の方が、 入力計数率の増大に伴うエネ ルギー分解能の低下の抑制効果が高いことがわかる。
次に、 本発明によるエネルギー測定装置の第 4実施形態として、 パルス波形弁 別を用いた場合について説明する。 パルス波形弁別 (P SD : Pulse Shape Discrimination) とは、 異なつた発光減衰時定数をもつ複数のシンチレータを光 電子増倍管に取り付け、 どのシンチレータが放射線を検出して発光したかを信号 波形の相違から弁別して検出する方法である。 たとえば 1つの光電子増倍管に γ 線用シンチレータと中性子用シンチレータを取り付けて波形弁別を適用すると、 γ線と中性子線を同時に弁別して計測することができる。 また、 シンチレータの なかには y線、 ひ線、 重粒子線など、 検出した放射線の種類によって互いに異な る発光減衰時定数を示すものがある。 このようなシンチレータを用いると波形弁 別法によって放射線の種類を弁別して計測できる。 具体的な波形弁別法として 種々の方法がある。 以下の例では信号パルスを 2つの異なる時間積分して得られ る積分値の比が発光減衰時定数によって異なることを利用して波形弁別する方法 を用いるが、 これに限定されるものではない。
図 1 8はこのような波形弁別法を用いた第 4実施形態の構成を示すプロック図 である。 このエネルギー測定装置 1は、 測定対象となる信号パルス Pとして、 異 なる減衰時定数 τ 1 τ 2のいずれかを有する単一指数関数波形の 2種類の信号パ ルスが入力される場合において、 その信号パルスのエネルギー測定に適用するこ とが可能な構成となっている。
本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 トリガ信号生成器 2 1、 ゲート 信号生成器 2 2、 遅延回路 3 1、 及ぴゲート積分器 3 2については、 図 3に示し た実施形態と同様である。
本実施形態においては、 パルス間隔計測器 2 3に代わって、 パルス間隔計測手 段としての機能を含むサンプル時間設定部 2 4が設けられている。 サンプル時間 設定部 2 4は、 信号パルス Ρ。でのパルス間隔 Τ。を計測するとともに、 計測され たパルス間隔 Τ。に基づいて、 信号強度の積分を行うサンプル時間である実効積 分時間 T ' (式 (7 ) 参照) を設定し、 ゲート信号生成器 2 2に指示する。 ゲート 信号生成器 2 2は、 トリガ信号生成器 2 1から入力されたトリガ信号、 及ぴサン プル時間設定部 2 4から指示された実効積分時間 T ' に基づいて、 信号強度の積 分を指示するためのゲート信号を生成する。
ゲート積分器 3 2は、 ゲート信号の指示に基づいて、 遅延回路 3 1から入力さ れた信号パルス Ρ。の信号強度を積分する。 グート信号によつて指示された実効 積分時間 T ' での積分によって得られる積分信号強度は、 サンプルホールド回路 及び A D Cからなる A/D変換器 3 3を介して、 積分信号強度データ Q。として 出力される。
一方、 ゲート積分器 3 2に対して、 各信号パルス Ρ。毎に設定される実効積分 時間 T ' とは別に、 積分時間 Τ ρが指示されている。 この積分時間 Τ ρは、 想定さ れる実効積分時間 T ' よりも短い時間 (Τ ' 〉Τ ρ ) となるように、 あらかじめ 固定に設定されている。 積分時間 Τ。での積分によって得られる積分信号強度は、 サンプルホールド回路及び A D Cからなる AZD変換器 3 4を介して、 積分信号 強度データ Q pとして出力される。
A/D変換器 3 3から出力された積分信号強度 Q 0、 及び A/D変換器 3 4か ら出力された積分信号強度 Q pは、 パルス波形弁別器 2 5に入力される。 パルス 波形弁別器 2 5は、積分時間が異なる積分信号強度 Q。及び Q pの比 Q。ZQ pを用 い、 あらかじめ設定された波形弁別条件に基づいて複数種類 (ここでは 2種類) のパルス波形の弁別を行い、 得られた波形弁別結果 x。 (x。= lまたは 2 ) を出 力する。
エネルギー算出部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルックアップテーブル 1 2と、 2つのバッファメモリ 4 6、 4 7とを有して構成されている。 エネノレギー 演算器 1 1は、 測定対象である信号パルス P。の入力に対応して、 そのエネルギ 一 E。を算出するために必要な演算を行う。 また、 ルックアップテーブル 1 2に は、 エネルギー演算器 1 1で実行される演算において用いられる係数のデータが 格納されている。
各時点で測定対象となっている信号パルス P。に対して、 //0変換器3 3か ら出力された積分信号強度 Q 0、 サンプル時間設定部 2 4から出力されたパルス 間隔 T。、 及びパルス波形弁別器 2 5から出力された波形弁別結果 X。は、 それぞ れエネルギー演算器 1 1に入力されるとともに、 バッファメモリ 4 6に記憶され る。 また、 ノ ッファメモリ 4 7には、 信号パルス P。よりも前の信号パルス P!で の積分信号強度 Qい パルス間隔 Tい 及び波形弁別結果 X lが記憶される。 これ らの各データは、 エネルギー演算器 1 1で行われるエネルギーを算出するための 演算に対する入力データとなる。
図 1 8に示したエネルギー測定装置 1の構成を参照しつつ、 パルス波形弁別を 伴う場合でのエネルギー Eの算出方法について具体的に説明する。
測定対象としてエネルギー測定装置 1に入力される信号パルス Pについて、 異 なる減衰時定数 τ い て 2によるパルス波形を有する 2種類の信号パルスが存在す るものとする。 このとき、 減衰時定数 r k (k = lまたは 2) の信号パルスに対 応するパルス波形 i k (t)、積分信号強度 Qk (T)、及び積分レスポンス Gk (T) は、 それぞれ
Λ (り = (E/Tk) xp( -tlTk) (k = 1 or 2) … (16a)
Qk( ) = \ {t)dt = E{\- exp( -Tlrk)} …(16b)
G,(r) = l-exp(-r/r …(16c)
となる。
また、 2つの積分時間のうち長い方の実効積分時間 T' を、 リセット時間 1\ 及び最大積分時間 Tma xを用いて式 (7) によって設定すると、 実効積分レスポ ンス Hk (T) は、
Hk{T) = Gk( ) = 1― exp( - T lて k、 … (17)
と表される。 また、 短い方の積分時間 τρは、 上述のようにあらかじめ固定に設 定される。
図 1 8に示すように、測定対象の信号パルス Ρ。及びその前の信号パルス Ρェで の波形弁別結果をそれぞれ k = x 0、 X x (いずれも 1または 2) とする。 このと き、信号パルス P。に対するパイルァップ捕正後のエネルギー E。は、以下の式( 1 8)
Figure imgf000035_0001
= Qo -Axo(T0 -Q1-sxl(T1) -08)
によって求めることができる。
なお、 減衰時定数 τ のパルス波形に対応する係数 A (Τ)、 Β, (Τ)、 及び 減衰時定数 τ 2のパルス波形に対応する係数 A 2 (T)、 Β2 (Τ) については、 ェ ネルギー演算器 1 1においてその都度演算して求めても良い。 あるいは、 係数 A ! (Τ)、 Β, (Τ)、 Α2 (Τ)、 及び Β2 (Τ) を求める演算をあらかじめ行って ルックアップテーブル 1 2を作成しておいても良い。 この場合、 パルス波形弁別 を行わない場合に比べて、 2倍の個数及びデータ量のルックアップテーブルを用 意する必要がある。
ここで、 パルス波形弁別器 25において行われる、 減衰時定数てい τ 2による 2種類のパルス波形を弁別するパルス波形弁別について説明しておく。
図 19 Α及び図 19 Bは、 信号パルス Pに対してパルス波形弁別を行うための 積分時間の設定について示すグラフである。 ここで、 図 1 9 Aのグラフは、 信号 強度の時間変化である信号波形を示している。 また、 図 1 9Bのグラフは、 図 1 9 Aに示した信号波形を積分した積分信号強度の時間変化である積分波形を示し ている。
本実施形態のエネルギー測定装置 1においては、 図 1 9 A及び図 1 9 Bに示す ように、 信号パルス P。の信号強度の積分に対して、 2つの積分時間 Τ。' 及び Τ ρが設定される。 このうち、 長い方の積分時間である Τ0' は、 図 5 A及び図 5 B に示したパルス波形弁別を伴わない場合と同様の通常の実効積分時間である。 一 方、 短い方の積分時間である Tpは、 パルス波形弁別のために固定に設定された 積分時間である。 パルス波形弁別器 25では、 長い積分時間 Τ ' で求められた積 分信号強度 Q。と、 短い積分時間 Τρで求められた積分信号強度 Qpとを比較する ことによって、 2種類のパノレス波形が弁別される。
図 20は、 信号パルスのパルス波形の弁別方法について示すグラフである。 こ のグラフにおいて、 横軸は、 個々の信号パルス Pのパルス間隔 Tに依存して変動 する実効積分時間 T 'を示し、縦軸は、積分信号強度の比 Q。ZQ pを示している。 減衰時定数 τ のパルス波形と、 減衰時定数 τ 2のパルス波形とでは、 その減衰 速度の違いにより、 積分時間 Τ' (Τ' >Τρ) が等しい場合でも、 積分信号強度 Q0及び Qpの比 R (Τ') =Q。ZQPが互いに異なる値となる。 したがって、 こ の比の値を利用することにより、 2種類のパルス波形を弁別することができる。 図 20のグラフには、 減衰時定数 τ iのパルス波形での積分信号強度の比 R
(Τ') (Τ') /G1ρ)、 及び減衰時定数 τ 2のパルス波形での積分信 号強度の比 R2 (Τ') =G2 (Τ') /G2 (Tp) について、 それぞれ実効積分時 間 T' に対する依存性を示している。
積分時間が T' 二 Τρであれば、 これらの比は (T,) =R2 (Τ') =1で ある。 そして、 実効積分時間 T' が長くなるにしたがって、 比 Ri (Τ') 及び R 2 (Τ') はそれぞれ増大すると同時に、 両者の差が増大する。 これに対して、 比
Ri (Τ') 及び R2 (Τ') の差がパルス波形弁別器 25において判別可能となる 積分時間によって、 実効積分時間 T' に対する最小積分時間 Tmi nを設定する。 また、 比 (Τ') 及び R2 (Τ') の 2つの曲線の略中心に、 波形弁別曲線 Rp (Τ') を設定しておく。
これにより、 信号パルス Ρ。から実際に求められた積分信号強度の比 R (Τ')
= QQZQPの値に対して、パルス波形弁別器 25において上記した波形弁別曲線 Rp (Τ')の値と比較を行うことによって、パルス波形を弁別することができる。 すなわち、 求められた比が Q0ZQP>RPであれば、 測定対象となっている信 号パルス P。は減衰時定数 τ 1のパルス波形を有するものである。 このとき、 パル ス波形弁別器 25は、 波形弁別結果として X。== 1を出力する。 一方、 Q。ZQP < Rpであれば、 信号パルス P 0は減衰時定数て 2のパルス波形を有するものであ る。 このとき、 パルス波形弁別器 25は、 波形弁別結果として x。= 2を出力す る。
このように、 パルス波形弁別を伴ってエネルギー測定を行うことにより、 例え ばそれぞれ異なる減衰時定数を有する複数のシンチレータからの信号パルスがェ ネルギ一の測定対象として入力されるような場合など、 異なるパルス波形の信号 パルスが入力される場合において、 それぞれのパルス波形に対応する好適な算出 方法を用いてエネルギーの算出を行うことができる。
上記したパルス波形弁別を伴う場合について、 エネルギー算出及びパイルアツ プ補正のシミュレーションを行った。 ここでは、 信号パルス Pのパルス波形につ いて、それぞれ減衰時定数 τ != 100 n sまたはて 2= 50 n sの単一の指数関 数成分による 2種類の時間波形を仮定し、 これらのパルスは同じ確率でランダム に発生すると仮定した。 また、 エネルギーは一定 (光電子数 2000) とした。 また、 他の条件については、 リセット時間を Tr=5 O n s、 固定の積分時間を Tp=30 n s, 実効積分時間 T' に対する最小積分時間を Tmi n=50 n s、 最 大積分時間を Tmax= 500 n sにそれぞれ設定した。
図 21 A〜図 21 Cは、 入力信号パルスに対してパルス波形弁別及びパイルァ ップ補正を行って求められたエネルギー算出値の分布を示すグラフであり、 図 2 1 Aは、 積分時間の補正及びパイルァップ補正を行わなかった条件 1でのエネル ギー分布、図 21 Bは、積分時間の補正のみを行った条件 2でのエネルギー分布、 図 2 1 Cは、 積分時間の補正及びパイルァップ補正を両方とも行つた条件 3での エネルギー分布をそれぞれ示している。
また、 各グラフには、 入力計数率について、 (1) 0. lMc ;p s、 (2) 1M c p s、 (3) 2. 5Mc p s、 及ぴ (4) 5 M c p sの 4条件でそれぞれシミュ レーションを行って得られたエネルギー分布を示している。
まず、 パイルァップ補正を行わず、 かつ、 積分時間の補正を行わずに積分信号 強度 Qをそのままエネルギー Eとした図 21 Aのグラフでは、 入力計数率が増大 するにつれて、 エネルギー分解能が低下するとともに、 積分時間が短くなること による低エネルギー側の分布、 及び信号パルスのパイルァップによる高工ネルギ 一側の分布を生じている。 また、 積分時間の補正のみを行った図 21 Bのグラフ では、 積分時間による低エネルギー側の分布はなくなつているものの、 パイルァ ップによる高エネルギー側の分布は残っている。
これに対して、 積分時間の補正及びパイルアップ補正を両方とも行った図 21 Cのグラフでは、 低エネルギー側及び高エネルギー側の分布がいずれも解消され ている。 また、 そのエネルギー分解能も向上されている。
図 22は、 入力信号パルスに対してパイル波形弁別及びパイルァップ補正を行- って求められたエネルギー算出値の FWHM及び FWTMを示すグラフであり、 図 2 1 A〜図 2 1 Cと同様に、 条件 1、 2、 及び 3のそれぞれについて対応する グラフを示している。 これらのグラフから、 積分時間の補正及びパイルアップ捕 正を両方とも行った条件 3において、 入力信号パルス数の増大に伴うエネルギー 分解能の低下が極力抑制されていることがわかる。
また、 図 2 3は、 上記したシミュレーション結果における計数率特性を示すグ ラフである。 この場合は最小積分時間を 5 0 n sに設定した結果、 出力計数率は 1 OMc p sで飽和している。
次に、 エネルギー測定装置の第 5実施形態として、 ガンマカメラや P ET装置 などに用いられる 2次元位置検出型の放射線検出器からの信号パルスに対して適 用する場合について説明する。 ここでは、 その一例として、 P ET装置によく用 いられる 2次元位置検出型のプロック検出器からの信号パルスに対して適用する 場合について述べる。 図 2 4はこのような実施形態の構成を示すプロック図であ る。 ここで用いたブロック検出器は、 図 2 5に示すように、 B GO (ゲルマニュ ゥム酸ビスマス) などのシンチレータ S Cの結晶を 2次元のマトリックス状 (例 えば 8行 8列のマトリ ックス) に配列して、 4本の角形光電子増倍管 PMTを光 学的に結合したもので、 4本の光電子増倍管 PMTからの信号パルスをそれぞれ PA、 PB、 Pc、及び PDとし、 これらの各信号パルスのエネルギーをそれぞれ E A、 EB、 Ec、 及び EDとし、 それらを合計したエネルギーを Eとすると、 y線を 検出したシンチレータの X座標及び Y座標は、 それぞれ次式 χ _ (EA +EB)-(EC +ED) , γ _ (EA +EC)-(EB +ED) …ひ 9)
Ε ' Ε によって求められる。 なお、 4本の光電子増倍管の代わりに一本の位置検出型光 電子増倍管を用いてもよい。
このような装置で信号パルスのパイルァップが起こると、 放射線のエネルギー が正しく測定されないのみならず、 放射線の検出位置が正しく測定されないため に解像力の劣化や画像歪みが発生する。 本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 基本的には、 図 4に示した構成 を変形したものである。 具体的には、 トリガ信号生成器 21、 ゲート信号生成器 22、 及びパルス間隔計測器 23については、 図 4に示した実施形態と同様であ る。
また、 測定対象として入力される 4つの信号パルス PA0、 PB0、 Pco、 及び
P D。に対して、 それらの信号パルスを加算して合計の信号パルス P。を生成する 和回路 35が設けられている。 トリガ信号生成器 21には、 この和回路 3 5で生 成された信号パルス P。が入力される。
—方、 遅延回路 3 1及びゲート積分器 32については、 PA。、 PB。、 Pco、 PD。、及び P。の 5つの信号パルスそれぞれに対応して、遅延回路 31A、 3 1B
31 c、 31 D、 及び 3 1 E、 グート積分器 32 A、 32 B、 32 c、 32 D、 及び 3 2 Eが設けられている。
また、 エネルギー算出部 10には、 ノ ッファメモリ 40及び 41については、 信号パルス PAQ、 PB0、 Pco、 PD0、 及び P0にそれぞれ対応する積分信号強度 QA。、 QB0、 Qco、 QD0、 及び Q。が記憶されるバッファメモリ 40A、 40 B
40c、 40D、 及び 40E、 信号パルス PAい PBい Pcい PDい 及び Piにそ れぞれ対応する積分信号強度 QA1、 QB1、 QC1、 QD1、 及び Q が記憶されるバ ッファメモリ 41 A、 41 B、 41 c、 41 D、及び 41Eが設けられている。 また、 信号パルス P。に対応するパルス間隔 T。が記憶されるバッファメモリ 4 Οτ、 及 び信号パルス Ρ 1に対応するパルス間隔 Τ 1が記憶されるバッファメモリ 41丁が 設けられている。
さらに、 エネルギー演算器 1 1については、 信号パルス PA0、 PB0、 Pco、 PD。、 及び P。にそれぞれ対応するエネルギー演算器 1 1A、 1 1B、 l l c、 1 1D、 及び 1 1Eが設けられている。 なお、 この図 24においては、 エネルギー算 出部 10に設けられるルックアップテーブル 1 2については、 図示を省略してい る。 以上の構成において、信号パルス PA。は、遅延回路 31A、ゲート積分器 3 2A、 バッファメモリ 40A、 41A、 及びエネルギー演算器 1 1Aによって信号処理さ れ、 対応するエネルギー E A0が算出される。 また、 信号パルス PB0は、 遅延回路 3 1 B、 ゲート積分器 32B、 バッファメモリ 40B、 41 B、 及びエネルギー演算 器 1 1Bによって信号処理され、 対応するエネルギー EB。が算出される。 また、 信号パルス P coは、遅延回路 3 lc、グート積分器 32C、バッファメモリ 4 Oc、 4 lc、及びエネルギー演算器 1 1 cによって信号処理され、 対応するエネルギー Ec。が算出される。 また、 信号パルス PD。は、 遅延回路 3 1D、 ゲート積分器 3 2D、バッファメモリ 40D、 41D、及びエネルギー演算器 1 1Dによって信号処 理され、 対応するエネルギー ED0が算出される。
また、 信号パルス PA。、 PB0、 Pc。、 及び P D0が加算された信号パルス P0 は、 遅延回路 3 1 E、 ゲート積分器 32 E、 バッファメモリ 40 E、 41 E、 及びェ ネルギー演算器 1 1Eによって信号処理され、対応する全体のエネルギー E。が算 出される。そして、 これらのエネルギー EA0、 EB0、 Eco、 ED0、及び E0から、 式 (19) を用いて γ線を検出したシンチレータの位置が求められる。
ただし、 このようにして得られる X座標及び Υ座標は必ずしもシンチレータの 正確な X座標及び Υ座標に比例しておらず、 かつ統計雑音を含んでいる。 一方、 シンチレータの正確な位置はその配列から複数の位置のいずれかであることが判 つているので、 あらかじめ用意されたルックアップテーブルによって、 測定され た座標値を正しい座標値に変換する必要がある。 また、 エネルギー Ε。は検出さ れた放射線のエネルギーに相当するので、 この信号を波高分析することによって 放射線のエネルギー選別を行う。 .
本発明によるエネルギー測定方法及ぴ測定装置は、 上記した実施形態に限られ るものではなく、 様々な変形が可能である。 例えば、 信号パルスのパイルアップ 補正については、 上述した単一指数関数補正法、 2項近似法、 3項近似法、 及び 多項補正法に限らず、 積分信号強度、 パルス間隔、 及びエネルギーを用いるもの であれば、 具体的なパルス波形等に応じて様々な補正法を用いて良い。
また、 エネルギー算出部 1 0に設けるバッファメモリの構成については、 パイ ルァップ補正で使用されるデータに応じて適宜構成を変更することが好ましい。 産業上の利用可能性
本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置は、以上詳細に説明したように、 高 ヽ計数率においても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度良く測 定することが可能な測定方法及び測定装置として利用可能である。 すなわち、 測 定対象の信号パルスでの積分信号強度及びパルス間隔からエネルギーを算出する とともに、 その信号パルスよりも前に入力された信号パルスでの積分信号強度ま たはエネルギーの少なくとも一方及びパルス間隔からパイルァップ捕正を行うェ ネルギー測定方法及び測定装置によれば、 信号パルスにパイルァップされた他の 信号パルスの影響を除外して、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度 良く測定することができる。
このような信号パルスのパイルァップの問題は、 様々な形態の放射線検出器そ の他の装置において生じるものである。 したがって、 上記したエネルギー測定方 法及び測定装置は、 放射線のエネルギーや放射線の検出位置に関する情報の測定 が必要な様々な装置、 例えばシンチレーシヨン検出器、 エネルギースぺタトロメ ータ、放射線位置検出器、ガンマ力メラ、 S P E C T装置、及び P E T装置など、 に対して広く適用することが可能であり、 これらの装置のエネルギー分解能や解 像力を高い計数率においても良好に保つことができる。

Claims

請求の章 囲
1 . 測定対象の信号パルスのパルス波形に対じ、その信号強度を積分し て前記信号パルスのエネルギーを測定するエネルギー測定方法であって、 入力された信号パルスに対し、 前記信号パルスから次の信号パルスまでの時間
5 間隔であるパルス間隔を取得するパルス間隔取得ステップと、
前記パルス間隔に対応するように設定された所定の積分時間で、 前記信号パル スの信号強度を積分して積分信号強度を取得する積分強度取得ステップと、 前記積分強度取得ステップで取得された前記積分信号強度、 及び前記パルス間 隔取得ステップで取得された前記パルス間隔から、 前記信号パルスの全積分強度 10 に対応するエネルギーを算出するエネルギー算出ステップとを備え、
前記エネルギー算出ステップにおいて、 測定対象の前記信号パルスでの前記積 分信号強度及び前記パルス間隔から算出された補正前のエネルギーに対して、 該 信号パルスよりも前に入力された信号パルスでの前記積分信号強度または前記ェ ネルギ一の少なくとも一方及び前記パルス間隔からパイルアップ補正を行って、 5 補正後の前記エネルギーを算出することを特徴とするエネルギー測定方法。
2 . 前記エネルギー算出ステップにおいて、前記パルス間隔 Tに基づい て決定される係数 A (T ) 及び B ( T) を用い、
時刻 t。に入力された信号パルス P。の前記エネルギー E。を、 前記信号パルス P。での積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。と、 時刻 ( t ! < t 0 ) に連続し 0 て入力された信号パルス P 2での積分信号強度 Q x及びパルス間隔 T とから、 次 式
E。 = Q。 · A ( T 0) - Q 1 · B ( T
' により算出することを特徴とする請求項 1記載のエネルギー測定方法。
3 . 前記エネルギー算出ステップにおいて、測定対象の前記信号パルス 5 よりも前に入力された信号パルスのうちで前記パイルァップ補正に用いる信号パ ルスの個数を J個 (J = l以上の整数) とするとともに、 前記パルス間隔 Tに基 づいて決定される係数 C。 (T) 及び Cj (T) (j =l、 ··'、 J) を用い、 時刻 t。に入力された信号パルス P。の前記エネルギー E。を、 前記信号パルス P0での積分信号強度 Q。及ぴパルス間隔 T。と、 それぞれ時刻 t j (t 3 < t j— J に連続して入力された J個の信号パルス P jでのエネルギー E j及びパルス間隔 T jとから、 次式
0 = 0 " C 0 (上、0)
-∑
Figure imgf000044_0001
3. · Cj (Τ】.)
により算出することを特徴とする請求項 1記載のエネルギー測定方法。
4. 前記エネルギー算出ステップにおいて、前記パルス間隔 Τに基づい て決定される係数 D。 (Τ)、 Ό1 (Τ) 及び D2 (T) を用い、
時刻 t。に入力された信号パルス P。の前記エネルギー E。を、 前記信号パルス P 0での積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。と、 時刻 1^ ( t !< t 0) に連続し て入力された信号パルス P でのエネルギー E i及びパルス間隔 と、 時刻 t 2 ( t 2< t に連続して入力された信号パルス P2での積分信号強度 Q2及ぴパル ス間隔 T2とから、 次式
t 0 = Q 0 ' ^ 0 ( 0)
1 ■ Ό1 (T 一 Q2 - D2 (T2)
により算出することを特徴とする請求項 1記載のエネルギー測定方法。
5. 前記エネルギー算出ステップにおいて、前記パルス間隔 Τに基づい て決定され、 前記エネルギーの算出に用いられる前記係数のそれぞれについて、 複数の前記パルス間隔の値に対してあらかじめ求められた前記係数の値から作成 されたルックアップテーブルを用いることを特徴とする請求項 2〜 4の!/、ずれか 一項記載のエネルギー測定方法。
6. 前記信号パルスのパルス波形をあらかじめ設定された波形弁別条件 に基づいて複数種類のパルス波形に弁別するパルス波形弁別ステップをさらに備 、 前記エネルギー算出ステップにおいて、 前記パルス波形弁別ステップで弁別さ れた前記パルス波形の種類に対応した算出方法を用いて前記エネルギーを算出す ることを特徴とする請求項 1〜 5のいずれか一項記載のエネルギー測定方法。
7 . 測定対象の信号パルスのパルス波形に対し、その信号強度を積分し て前記信号パルスのエネルギーを測定するエネルギー測定装置であつて、 入力された信号パルスを分岐した一方を入力し、 前記信号パルスに対応するト リガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、
前記トリガ信号生成手段からの前記トリガ信号を入力し、 前記トリガ信号に基 づいて、 信号強度の積分を指示するためのグート信号を生成するゲート信号生成 手段と、
前記トリガ信号生成手段からの前記トリガ信号を入力し、 前記信号パルスでの パルス間隔として、 前記トリガ信号から次のトリガ信号までの時間間隔を計測す るパルス間隔計測手段と、
入力された前記信号パルスを分岐した他方を入力し、 所定の遅延時間だけ遅延 させる遅延手段と、
前記遅延手段で遅延された前記信号パルス、 及び前記グート信号生成手段から の前記グート信号を入力し、 前記ゲート信号の指示に基づいて設定された所定の 積分時間で、 前記信号パルスの信号強度を積分して積分信号強度を取得するゲー ト積分手段と、
前記グート積分手段で取得された前記積分信号強度、 及び前記パルス間隔計測 手段で計測された前記パルス間隔から、 前記信号パルスの全積分強度に対応する エネルギーを算出するエネルギー算出手段とを備え、
前記エネルギー算出手段は、 測定対象の前記信号パルスでの前記積分信号強度 及び前記パルス間隔から算出された補正前のエネルギーに対して、 該信号パルス よりも前に入力された信号パルスでの前記積分信号強度または前記エネルギーの 少なくとも一方及び前記パルス間隔からパイルアップ補正を行って、 補正後の前 記エネルギーを算出することを特徴とするエネルギー測定装置。
8. 前記エネルギー算出手段は、前記パイルァップ補正の演算を含む前 記エネルギーを算出するための演算を行うエネルギー演算手段と、 測定対象の前 記信号パルスでの前記積分信号強度及び前記パルス間隔を記憶する第 1バッファ メモリと、 該信号パルスよりも前に入力された信号パルスでの前記積分信号強度 または前記エネルギ一の少なくとも一方及び前記パルス間隔を記憶する第 2バッ ファメモリとを有することを特徴とする請求項 Ί記載のエネルギー測定装置。
9. 前記エネルギー算出手段は、前記パルス間隔 Tに基づいて決定され る係数 A (T) 及び B (T) を用い、
時刻 t。に入力された信号パルス P。の前記エネルギー E。を、 前記信号パルス
P 0での積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T Qと、 時刻 t ( t !< t。) に連続し て入力された信号パルス P!での積分信号強度 Q i及びパルス間隔 Tェとから、 次 式
E。 = Q。 · A (T0) -Qx · B (Tx)
により算出することを特徴とする請求項 7または 8記載のエネルギー測定装置。
10. 前記エネルギー算出手段は、測定対象の前記信号パルスよりも前 に入力された信号パルスのうちで前記パイルァップ補正に用いる信号パルスの個 数を J個 (J = l以上の整数) とするとともに、 前記パルス間隔 Tに基づいて決 定される係数 C。 (T) 及び Cj (T) (j = l、 ···、 J) を用い、
時刻 t。に入力された信号パルス P。の前記エネルギー E。を、 前記信号パルス
P0での積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。と、 それぞれ時刻 t j (t j t j—J に連続して入力された J個の信号パルス P 5でのエネルギー E j及びパルス間隔 Tjとから、 次式
E 0 = Q 0 · (Ί 0)
ー∑〗=1...】Ε】 ■ Cj (Tj)
により算出することを特徴とする請求項 7または 8記載のエネルギー測定装置。
1 1. 前記エネルギー算出手段は、前記パルス間隔 τに基づいて決定さ れる係数 DQ (T)、 Dx (T) 及び D2 (T) を用い、
時刻 t。に入力された信号パルス P Qの前記エネルギー E Qを、 前記信号パルス P。での積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。と、 時刻 I (1^< ΐ。) に連続し て入力された信号パルス Ρ!でのエネルギー E i及びパルス間隔 T 1と、 時刻 t 2 (t 2< t に連続して入力された信号パルス P 2での積分信号強度 Q 2及びパル ス間隔 T2とから、 次式
E。 = Q。 ■ D。 (T0)
α · Ό1χ) 一 Q2 - D2 (T2)
により算出することを特徴とする請求項 7または 8記載のエネルギー測定装置。
1 2. 前記エネルギー算出手段は、前記パルス間隔 Τに基づいて決定さ れ、 前記エネルギーの算出に用いられる前記係数のそれぞれについて、 複数の前 記パルス間隔の値に対してあらかじめ求められた前記係数の値から作成されたル ックアツプテーブルを有することを特徴とする請求項 9〜 1 1のいずれか一項記 載のエネルギー測定装置。
1 3. 前記信号パルスのパルス波形をあらかじめ設定された波形弁別条 件に基づいて複数種類のパルス波形に弁別するパルス波形弁別手段をさらに備え、 前記エネルギー算出手段は、 前記パルス波形弁別手段で弁別された前記パルス 波形の種類に対応した算出方法を用いて前記エネルギーを算出することを特徴と する請求項 7〜 1 2のいずれか一項記載のエネルギー測定装置。
14 · 前記ゲート積分手段において前記信号パルスの信号強度を積分す る前記積分時間を、 測定対象の前記信号パルスそれぞれに対して、 あらかじめ設 定された最大積分時間 Tmax、 及び前記パルス間隔 Tから前記グート積分手段の リセット時間 1\を引いた時間 T— 1\のうちの短い時間である実効積分時間 T ' T' =m i n (Tmax, T— Tr)
として設定することを特徴とする請求項 7〜 1 3のいずれか一項記載のエネルギ
46
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