JP2016180625A - 放射線検出装置、入出力較正方法、及び入出力較正プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】放射線検出器の高速かつ高精度なエネルギー較正を可能とする。【解決手段】第１の検出部が、放射線検出器内に設けられ、近傍に位置する少なくとも第１及び第２の放射線検出素子でそれぞれ検出された各放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認められる時間的範囲である相関時間内に検出された第１の放射線検出信号を検出する。また、第２の検出部が、各放射線検出素子で検出された放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認めらない時間的範囲である無相関時間内に検出された第２の放射線検出信号を検出する。生成部は、第１の放射線検出信号と第２の放射線検出信号との差分である第３の放射線検出信号を生成し、構成部が、第３の放射線検出信号を用いてエネルギー較正データを生成し、放射線検出器の入出力のエネルギー較正を行う。【選択図】図１４

Description

本発明の実施形態は、放射線検出装置、入出力較正方法、及び入出力較正プログラムに関する。

今日において、フォトンカウンティング（Photon Counting）方式の放射線検出器（以下、単に検出器という）を用いたフォトンカウンティングＣＴ装置（ＣＴ：Computed Tomography）が知られている。フォトンカウンティング方式の検出器は、積分型の検出器と異なり、被検体を透過したＸ線光子を個々に計数可能な信号を出力する。すなわち、フォトンカウンティング方式の検出器は、入射した放射線を、放射線エネルギーに比例した波高のパルス信号波形で出力する。このパルス波形を分析することで、検出器に入射した放射線エネルギーを推定できる。フォトンカウンティングＣＴ装置は、ＳＮ比（signal to noise ratio）の高いＸ線ＣＴ画像を再構成できる。

また、フォトンカウンティング方式の検出器から出力された信号は、Ｘ線光子のエネルギーの計測（弁別）に用いることができる。従って、フォトンカウンティングＣＴ装置では、１種類の管電圧のＸ線を曝射することで収集された投影データを、複数のエネルギー成分に分けて画像化できる。

ここで、物質を透過したＸ線光子を計測して対象物質を弁別するには、検出器出力と検出器に入射する蛍光Ｘ線エネルギー（入射エネルギー）との関係を較正することが必要となる。すなわち、いわゆる間接変換型の検出器の場合、ＳｉＰＭ素子の特性（増倍率、動作温度等）のばらつき、および、シンチレーション光検出効率のばらつき（検出器幾何構造のばらつき）が生じている。このため、検出器出力と入射エネルギーとの較正が必要となる。なお、間接変換型の検出器は、入射されたＸ線光子を、シンチレータでシンチレーション光子に変換し、固体シリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ：Silicon Photomultipliers）で増倍して出力する検出器である。

フォトンカウンティング方式の検出器のエネルギー較正を行う場合、チェッキングソース又は放射性同位体（ＲＩ：radioisotope）等の標準線源が用いられることが多い。しかし、チェッキングソース又はＲＩは放射能が限られている。厳格な管理が必要とされる数ＭＢｑ〜数ＧＢｑの標準線源を、１ｍ程離れた場所に置いて検出器の較正を行った場合、例えば１ｍｍ四方程度の大きさの各検出素子に対する放射線の入射線量は、数〜数千Ｂｑに著しく低下する。このため、数万個の検出素子を有する検出器のエネルギー較正を、標準線源を用いて行うことは、現実的には難しい。

これに対して、Ｘ線管球と検出器との間に載置した較正用の被写体の線減弱係数のエネルギープロファイルを微分して極大値を推定することで、被写体のＫ吸収端を得る手法が知られている。

しかし、上述の極大値を推定して被写体のＫ吸収端を得る手法は、被写体のＫ吸収端を表現する曲線の変曲点である、線減弱係数の微分波形の極大値を与える信号値が、検出器応答の程度に応じてシフトする。特に、シンチレータを用いた間接変換型の検出器に適用した場合、検出器のエネルギー分解能が２０％程度（１２２ｋｅＶで推定）と低いため、正確なＫ吸収端を検出することは困難となる。

また、検出器を構成するシンチレータの構成元素のうち、Ｌｕ（ルテチウム）を構成元素とするＬＹＳＯ（Cerium doped Lutetium Yttrium Orthosilicate）結晶又はＬＳＯ（Lu₂SiO₅）結晶等には、Ｌｕの不安定同位体が存在する。そして、安定化の際に、３本のガンマ線（８８ｋｅＶ、２０２ｋｅＶ、３０７ｋｅＶ）を、カスケード遷移を伴って放出する。この現象を用いてＬｕ元素の背景輻射を計測し、エネルギー較正を行う手法も提案されている。

しかし、この手法の場合、Ｌｕ放射能が低いため、較正に要する時間が長くなり、多くの電力を消費するおそれがある。また、装置を使用していない夜間等を選択して、較正を実行する必要がある。また、放射線検出装置では、０ｋｅＶ〜１５０ｋｅＶ帯のエネルギー較正が求められる。このため、上述の３本のガンマ線では、エネルギー較正精度が低くなってしまう。

特開２０１１−８５４７９号公報 特開２０１１−５１６８５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、高速かつ高精度なエネルギー較正が可能な放射線検出装置、入出力較正方法、及び入出力較正プログラムを提供することである。

実施形態によれば、第１の検出部が、放射線検出器内に設けられ、近傍に位置する少なくとも第１及び第２の放射線検出素子でそれぞれ検出された各放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認められる時間的範囲である相関時間内に検出された第１の放射線検出信号を検出する。また、第２の検出部が、各放射線検出素子で検出された放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認めらない時間的範囲である無相関時間内に検出された第２の放射線検出信号を検出する。生成部は、第１の放射線検出信号と第２の放射線検出信号との差分である第３の放射線検出信号を生成し、構成部が、第３の放射線検出信号を用いてエネルギー較正データを生成し、放射線検出器の入出力のエネルギー較正を行う。

図１は、放射線の入射に伴い、放射線検出器内部で起こる放射線エネルギー検出過程を示す図である。 図２は、放射線エネルギーがシンチレーション光（蛍光Ｘ線）へ変換される素過程を説明するための模式図である。 図３は、一般的に用いられる高速動作可能なシンチレータの主な放射線吸収元素及び蛍光Ｘ線エネルギーを示す図である。 図４は、実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置の動作概念を示す図である。 図５は、相関時間及び無相関時間における蛍光Ｘ線の検出頻度を示す図である。 図６は、相関スペクトルの構築動作を説明するための図である。 図７は、実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置のエネルギー較正動作を説明するための図である。 図８は、エネルギーの原点、エネルギーの上限値及び蛍光Ｘ線の検出ピーク位置の関係を示す図である。 図９は、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置の要部のハードウェア構成図である。 図１０は、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置に設けられている検出器を示す図である。 図１１は、第１の実施形態のフォトンカウンティングＣＴ装置に設けられているデータ処理装置のブロック図である。 図１２は、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置の要部の回路図である。 図１３Ａは、第１の検出素子の蛍光Ｘ線信号の信号波形を示す図である。 図１３Ｂは、第１の検出素子の蛍光Ｘ線信号から生成されたトリガパルスを示す図である。 図１３Ｃは、第１の検出素子の蛍光Ｘ線信号の相関成分の検出時間を示す相関検出ウインドウを示す図である。 図１３Ｄは、第１の検出素子の蛍光Ｘ線信号の無相関成分の検出時間を示す無相関検出ウインドウを示す図である。 図１３Ｅは、第２の検出素子の蛍光Ｘ線信号の信号波形を示す図である。 図１３Ｆは、第２の検出素子の蛍光Ｘ線信号から生成されたトリガパルスを示す図である。 図１３Ｇは、第２の検出素子の蛍光Ｘ線信号の相関成分の検出時間を示す相関検出ウインドウを示す図である。 図１３Ｈは、第２の検出素子の蛍光Ｘ線信号の無相関成分の検出時間を示す無相関検出ウインドウを示す図である。 図１３Ｉは、第１の検出素子及び第２の検出素子の相関時間を示す図である。 図１３Ｊは、第１の検出素子及び第２の検出素子の無相関時間を示す図である。 図１４は、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置におけるエネルギー較正を行うまでの流れを示すフローチャートである。 図１５は、第２の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置における、隣接する検出素子の検出時間差に応じた重みに対応する波高値ヒストグラムを形成する動作を説明するための図である。

以下、一例としてＸ線光子に対応するシンチレータ光を電荷に変換する「間接変換型の放射線検出器」が設けられたフォトンカウンティングＣＴ装置の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
（概要）
まず、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置の概要を説明する。図１は、放射線の入射に伴い、放射線検出器（以下、単に検出器という）の内部で起こる放射線エネルギー検出過程を示している。この図１において、エネルギーＥＸ１の放射線がシンチレータ１へ入射したとき、シンチレータ１の内部では、図２を用いて以下の素過程で説明する物理過程を経て、放射線エネルギーをシンチレーション光（蛍光Ｘ線）へ変換する。

図２を用いて素過程を説明する。シンチレータに入射したエネルギーＥＸの放射線は、シンチレータを構成する元素（原子量Ｚ）と相互作用を起こす。原子量Ｚのシンチレータ構成元素の内殻電子束縛エネルギー以上の放射線がシンチレータに入射した場合、放射線がシンチレータ構成元素の内殻電子を励起状態へ遷移させる。この時、Ｋ殻の空孔がＬ殻の電子で埋められた際に、蛍光Ｘ線（エネルギーε）が発生する。

このように、シンチレータに放射線が入射することで蛍光Ｘ線が発生するが、図１に示すように、その蛍光Ｘ線がシンチレータ１の外部へ逃げてしまうことがある。外部へ逃げた蛍光Ｘ線が隣接するシンチレータ２で吸収された場合、隣接する検出器では検出器面に放射線が入射していないにも関わらず、エネルギーεの放射線を検出することとなる。以上のことから、Ｋ殻電子エネルギー以上の放射線が検出器に入射した場合、シンチレータ１ではエネルギーＥＸ１、ＥＸ１−ε、シンチレータ２ではエネルギーεの放射線が検出される。

ここで、エネルギーＥＸ１−ε、εの検出事象は同時に発生する。このため、各シンチレータ１、２の間で同時性を評価することで、各シンチレータ１、２に対応する検出素子で、蛍光Ｘ線のエネルギーを検出可能となる。図３に、一般的に用いられる高速動作可能なシンチレータの主な放射線吸収元素及び蛍光Ｘ線エネルギーを示す。図３に示すように、ＬＹＳＯ又はＬＳＯ等のＬｕ＋系のシンチレータの場合、５４．０７ｋｅＶにＫαの蛍光Ｘ線が現れ、５２．９７ｋｅＶにＫβの蛍光Ｘ線が現れる。また、ＧＳＯ又はＧＡＧＧ等のＧｄ＋系のシンチレータの場合、４３．００ｋｅＶにＫαの蛍光Ｘ線が現れ、４２．３１ｋｅＶにＫβの蛍光Ｘ線が現れる。また、ＹＡＧ又はＹＡＰ等のＹ＋系のシンチレータの場合、１４．９６ｋｅＶにＫαの蛍光Ｘ線が現れ、１４．８８ｋｅＶにＫβの蛍光Ｘ線が現れる。

第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置の場合、図４に示すように、隣接する検出素子１１、１２の出力信号発生時間をｔ１、ｔ２とし、モニタ部１３で両者の検出時間差ｔ１−ｔ２を測定する。図５は、横軸が検出時間差ｔ１−ｔ２で縦軸が検出頻度のグラフである。この図５に示すように、検出時間差ｔ１−ｔ２の検出頻度分布のグラフは、大きなマイナスの検出時間差の検出頻度から、検出時間差「０（原点）」の検出頻度にかけて曲線的に上昇し、検出時間差「０（原点）」の検出頻度から、大きなプラスの検出時間差の検出頻度にかけて曲線的に下降するグラフとなっている。換言すると、検出時間差ｔ１−ｔ２の検出頻度分布のグラフは、同時に発生した信号の検出頻度である、検出時間差「０（原点）」の検出頻度をピークとする曲線的なグラフとなっている。この頻度分布のピークの検出時間差「０（原点）」を中心とした所定の時間的範囲を、以後、「相関時間（相関時間領域）」という。また、「相関時間」の両肩に相当する時間的範囲（平坦なグラフとなる検出頻度の時間的範囲）を、以後、「無相関時間（無相関時間領域）」という。

計数率が十分に小さい事象（＜１０ｋｃｐｓ／検出素子）を計測している場合、無相関事象の計測頻度は非常に小さくなる。これに対して、計数率の大きい事象（＞１００ｋｃｐｓ／検出素子）を計測した場合、無相関事象の計測頻度は大きな計数となる。計数率が大きいとき、相関時間領域の検出事象には、蛍光Ｘ線の発生によって真に計測された事象以外に、同時に計測された偶発的な事象も含まれることとなる。すなわち、図５の原点（検出時間差０）の周囲の相関時間成分には、図５に斜線で示す無相関時間の検出事象も含まれている。

図６に、計測時間で正規化された相関＋無相関スペクトル、無相関スペクトル、及び、両者の差分スペクトルのグラフを示す。図６に一点鎖線で示すグラフが、相関＋無相関スペクトルのグラフである。図６に点線で示すグラフが、無相関スペクトルのグラフである。図６に実線で示すグラフが、両者の差分スペクトルのグラフである。この図６からわかるように、相関＋無相関スペクトル（一点鎖線のグラフ）と無相関スペクトル（点線のグラフ）との差を取ることで、相関時間のみに対応する蛍光Ｘ線の検出スペクトル（実線のグラフ）を得ることができる。

図７及び図８は、このように得られた相関時間のみに対応する蛍光Ｘ線の検出スペクトルを用いた検出器のエネルギー較正の概念を説明するための図である。エネルギーの原点を、検出器出力のゼロレベルＥ０、エネルギーの上限値をＸ線管球の管球電圧Ｅ１（加速電圧）、上述のように得られた蛍光Ｘ線Ｅｆの検出ピーク位置をＰｆとする。各々のエネルギーの関係を、図８に示す。推定誤差の比較的大きなエネルギー上限値の推定位置Ｅ１に、蛍光Ｘ線エネルギーの検出位置を用いることができるため、高精度なエネルギー較正が可能となる。なお、エネルギーの上限値を表す信号位置Ｅ１は、例えば参考文献（特開２０１４−１６１５９０号公報）に開示されている手法で推定できる。

（ハードウェア構成）
図９に、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置の要部のハードウェア構成図を示す。フォトンカウンティングＣＴ装置は、被検体を透過したＸ線に由来する光子（Ｘ線光子）を、フォトンカウンティング方式の検出器（２２）を用いて計数することで、ＳＮ比の高いＸ線ＣＴ画像データを再構成する。個々の光子は、異なるエネルギーを有する。フォトンカウンティングＣＴ装置は、光子のエネルギー値の計測を行うことで、Ｘ線のエネルギー成分の情報を得る。フォトンカウンティングＣＴ装置は、１種類の管電圧でＸ線管球（２１）を駆動して収集された投影データを複数のエネルギー成分に分けて画像化する。

すなわち、フォトンカウンティングＣＴ装置は、図９に示すように、Ｘ線管球２１、検出器２２、読み出し部２３、トリガ生成部２４、分析部２５、データ蓄積部２６、読み出し部２７、トリガ生成部２８、分析部２９、データ蓄積部３０、モニタ部１３、及び、データ処理装置３２を有する。Ｘ線管球２１及び検出器２２は、被検体を挟んで対向するように回転フレームに設けられている。Ｘ線管球２１及び検出器２２は、被検体の周囲を高速に回転しながらＸ線の曝射、及び、Ｘ線光子の計数を行う。

図１０に、検出器２２の一例を示す。検出器２２は、シンチレータと光電子増倍管等の光センサにより構成される第１の検出素子１１及び第２の検出素子１２等の複数の検出素子が、チャンネル方向にＮ列、被検体の体軸方向にＭ列配置された面検出器となっている。各検出素子は、Ｘ線光子が入射すると、１パルスの電気信号を出力する。各検出素子が出力した個々のパルスを弁別することで、検出素子に入射したＸ線光子の数を計数できる。また、パルスの強度に基づく演算処理を行うことで、計数したＸ線光子のエネルギー値を計測できる。

読み出し部２３〜データ蓄積部２６は、第１の検出素子１１で検出された蛍光Ｘ線信号の信号処理系である。また、読み出し部２７〜データ蓄積部３０は、第２の検出素子１２で検出された蛍光Ｘ線信号の信号処理系である。第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置は、このような信号処理系を、検出素子の数分、備えている。モニタ部１３は、第１の検出素子１１、及び、第１の検出素子１１に隣接する第２の検出素子からの蛍光Ｘ線信号を用いて、上述の相関成分の検出時間を示す相関検出ウインドウ、及び、上述の無相関成分の検出時間を示す無相関検出ウインドウを生成する。

データ蓄積部２６は、１回の時間が例えば１秒又は２秒等の相関シーケンスの時間内において、第１の検出器１１で検出された蛍光Ｘ線信号の波高値のうち、相関検出ウインドウの間に検出される波高値、及び、無相関検出ウインドウの間に検出される波高値を記憶する。同様に、データ蓄積部３０は、１回の相関シーケンスの時間内において、第２の検出器１２で検出された蛍光Ｘ線信号の波高値のうち、相関検出ウインドウの間に検出される波高値、及び、無相関検出ウインドウの間に検出される波高値を記憶する。

データ処理装置３２は、図１１に示すように一般的なパーソナルコンピュータ装置と同様のハードウェア構成を有している。すなわち、データ処理装置３２は、ＣＰＵ５０、ＲＯＭ５１、ＲＡＭ５２、ＨＤＤ５３、入出力Ｉ／Ｆ５４、および通信Ｉ／Ｆ５５を有している。入出力Ｉ／Ｆ５４には、キーボード装置及びマウス装置等の入力部５７及び表示部５８が接続されている。ＣＰＵは、「Central Processing Unit」の略記である。ＲＯＭは、「Read Only Memory」の略記である。ＲＡＭは、「Random Access Memory」の略記である。ＨＤＤは、「Hard Disk Drive」の略記である。Ｉ／Ｆは、「Interface」の略記である。

ＣＰＵ５０〜通信Ｉ／Ｆ５５は、バスライン５６を介して相互に接続されている。また、通信Ｉ／Ｆ５５は、被検体が載置される架台装置に接続されている。また、ＲＯＭ５１又はＨＤＤ５３等の記憶部には、検出器２２の出力と入射エネルギーとの較正（エネルギー較正）を行うための入出力較正プログラムが記憶されている。データ処理装置３２のＣＰＵ５０は、入出力較正プログラムに従って、読み出し部２３、２７の読み出し制御、トリガ生成部２４、２８のトリガ生成制御等の各部の動作を制御する。また、ＣＰＵ５０は、入出力較正プログラムに従って、生成部６１及び較正部６２として機能する。そして、隣接する検出素子の検出時間差スペクトルにおいて、同時計数率の大きい相関時間成分と、同時計数率の低い無相関時間成分の計数比に応じた重みをエネルギーｂｉｎ（波高値）に加算する演算を行うことで、エネルギー較正を行う。なお、生成部６１及び較正部６２のうち、いずれか一方又は両方を、ハードウェアで構成してもよい。

（各信号処理系の回路構成）
次に、図１２に、第１及び第２の検出素子１１、１２で検出された蛍光Ｘ線信号の各信号処理系の回路図を示す。第１及び第２の検出素子１１、１２は、第１及び第２の放射線検出素子の一例である。図１２に示すように、読み出し部２３及び読み出し部２７は、それぞれオペアンプ回路となっている。トリガ生成部２４は、比較器２４ａ及び閾値発生回路２４ｂを備えている。トリガ生成部２４は、比較器２４ａにおいて、読み出し部２３から供給された蛍光Ｘ線信号と所定の閾値とを比較し、比較結果を出力する。同様に、トリガ生成部２８は、比較器２８ａ及び閾値発生回路２８ｂを備えている。トリガ生成部２８は、比較器２８ａにおいて、読み出し部２７から供給された蛍光Ｘ線信号と所定の閾値とを比較し、比較結果を出力する。

分析部２５及び分析部２９は、それぞれ光子計測部となっており、蛍光Ｘ線信号の光子数のカウント値に対応する波高値を生成する。モニタ部１３は、一つ又は複数のＡＮＤ回路等の論理回路を備えている。モニタ部１３は、比較器２４ａ及び比較器２８ａからの比較結果に基づいて、上述の相関成分を検出するための相関検出ウインドウ、及び、上述の無相関成分を検出するための無相関検出ウインドウを生成する。

データ蓄積部２６は、相関検出ウインドウの間に検出される波高値の記憶領域２６ａ、及び、無相関検出ウインドウの間に検出される波高値の記憶領域２６ｂを備えている。データ蓄積部２６は、相関シーケンスの時間内において、第１の検出器１１で検出された蛍光Ｘ線信号の波高値のうち、モニタ部１３で示される相関検出ウインドウの間に検出される波高値を記憶領域２６ａに記憶する。また、データ蓄積部２６は、モニタ部１３で示される無相関検出ウインドウの間に検出される波高値を、記憶領域２６ｂに記憶する。

同様に、データ蓄積部３０は、相関検出ウインドウの間に検出される波高値の記憶領域３０ａ、及び、無相関検出ウインドウの間に検出される波高値の記憶領域３０ｂを備えている。データ蓄積部３０は、相関シーケンスの時間内において、第２の検出器１２で検出された蛍光Ｘ線信号の波高値のうち、モニタ部１３で示される相関検出ウインドウの間に検出される波高値を記憶領域３０ａに記憶する。また、データ蓄積部３０は、モニタ部１３で示される無相関検出ウインドウの間に検出される波高値を、記憶領域３０ｂに記憶する。

読み出し部２３、２７、トリガ生成部２４、２８、分析部２５、２９、データ蓄積部２６の記憶領域２６ａ及びデータ蓄積部３０の記憶領域３０ａは、第１の検出部の一例である。また、読み出し部２３、２７、トリガ生成部２４、２８、分析部２５、２９、データ蓄積部２６の記憶領域２６ｂ及びデータ蓄積部３０の記憶領域３０ｂは、第２の検出部の一例である。

（各信号処理系の動作）
このような第１及び第２の検出素子１１、１２で検出された蛍光Ｘ線信号の各信号処理系の動作を、詳細に説明する。図１３Ａは、第１の検出素子１１の蛍光Ｘ線信号の信号波形である。最初の波形は、相関事象ＳＪ１１の波形である。３番目の波形は、無相関事象ＮＳＪ１１の波形である。４番目の波形は、無相関事象ＮＳＪ１２の波形である。５番目の波形は、相関事象ＳＪ１２の波形である。このような第１の検出素子１１の蛍光Ｘ線信号は、読み出し部２３により読み出され、トリガ生成部２４の比較器２４ａに供給される。

比較器２４ａには、閾値発生回路２４ｂからの所定レベルの閾値が供給されている。図１３Ａの点線が、閾値発生回路２４ｂの閾値である。比較器２４ａは、各事象の蛍光Ｘ線信号と閾値とを比較する。そして、比較器２４ａは、閾値以上の蛍光Ｘ線信号を検出したタイミングで、図１３Ｂに示すトリガパルスを生成し、モニタ部１３に供給する。モニタ部１３は、トリガパルスが供給されると、図１３Ｃに示すように、蛍光Ｘ線信号の相関成分の検出時間を示す相関検出ウインドウを生成する。この相関検出ウインドウの時間は、図１３Ｃの例では、「τ」となっている。図１３Ｃに示すように、トリガパルスが供給される毎に、時間τの相関検出ウインドウがモニタ部１３により生成される。

また、モニタ部１３は、上述の相関検出ウインドウの生成時間が終了すると、図１３Ｄに示すように、相関検出ウインドウに続けて、３τの時間分、無相関検出ウインドウを生成する。すなわち、モニタ部１３は、相関検出ウインドウの時間τが経過するタイミングで、時間３τの無相関検出ウインドウを生成する。この相関検出ウインドウの時間及び無相関検出ウインドウの時間は、任意の時間に設定すればよい。全て時間の事象を評価すると、膨大な時間を要する。しかし、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置の場合、相関時間をτ、無相関時間を３τとして評価を行う。これにより、短時間で評価を完了できる。

一方、図１３Ｅは、第２の検出素子１２の蛍光Ｘ線信号の信号波形である。最初の波形は、相関事象ＳＪ２１の波形である。２番目の波形は、無相関事象ＮＳＪ２１の波形である。３番目の波形は、無相関事象ＮＳＪ２２の波形である。４番目の波形は、相関事象ＳＪ２２の波形である。このような第２の検出素子１２の蛍光Ｘ線信号は、読み出し部２７により読み出され、トリガ生成部２８の比較器２８ａに供給される。

比較器２８ａには、閾値発生回路２８ｂからの所定レベルの閾値が供給されている。図１３Ｅの点線が、閾値発生回路２８ｂの閾値である。比較器２８ａは、各事象の蛍光Ｘ線信号と閾値とを比較する。そして、比較器２８ａは、閾値以上の蛍光Ｘ線信号を検出したタイミングで、図１３Ｆに示すトリガパルスを生成し、モニタ部１３に供給する。モニタ部１３は、トリガパルスが供給されると、図１３Ｇに示すように、蛍光Ｘ線信号の相関成分の検出時間を示す相関検出ウインドウを生成する。この相関検出ウインドウの時間は、上述と同様に、「τ」となっている。図１３Ｇに示すように、トリガパルスが供給される毎に、時間τの相関検出ウインドウがモニタ部１３により生成される。

また、モニタ部１３は、上述の相関検出ウインドウの生成時間が終了すると、図１３Ｈに示すように、相関検出ウインドウに続けて、３τの時間分、無相関検出ウインドウを生成する。すなわち、モニタ部１３は、相関検出ウインドウの時間τが経過するタイミングで、時間「３τ」の無相関検出ウインドウを生成する。

次に、モニタ部１３は、図１３Ｃ及び図１３Ｇに示した各相関検出ウインドウが重なっている時間を検出する。図１３Ｉは、各相関検出ウインドウが重なっている時間に生成されるハイレベル（１）の信号を示している。各相関検出ウインドウが重なっている時間は、図５を用いて説明した相関時間を示す。図１３Ｃに右斜線で示す時間が、第１の検出素子の蛍光Ｘ線信号に対応する相関時間を示している。また、図１３Ｇに右斜線で示す時間が、第２の検出素子の蛍光Ｘ線信号に対応する相関時間を示している。

データ蓄積部２６は、モニタ部１３からハイレベル（１）の信号が供給されている間、分析部（光子計測部）２５からの光子計測出力を、データ蓄積部２６の記憶領域２６ａに記憶する（光子イベントを積む）。これにより、記憶領域２６ａには、相関時間に対応する相関成分及び無相関成分を含む、光子イベントが記憶される。同様に、データ蓄積部３０は、モニタ部１３からハイレベル（１）の信号が供給されている間、分析部（光子計測部）２９からの光子計測出力を、データ蓄積部３０の記憶領域３０ａに記憶する（光子イベントを積む）。これにより、記憶領域３０ａには、相関時間に対応する相関成分及び無相関成分を含む、光子イベントが記憶される。

次に、モニタ部１３は、図１３Ｃに示した第１の検出素子１１に対応する相関検出ウインドウ及び図１３Ｈに示した第２の検出素子１２の無相関検出ウインドウが重なっている時間を検出する。さらに、モニタ部１３は、図１３Ｇに示した第２の検出素子１２に対応する相関検出ウインドウ及び図１３Ｄに示した第１の検出素子１１に対応する無相関検出ウインドウが重なっている時間を検出する。図１３Ｊのハイレベルの信号は、上述の相関検出ウインドウ及び無相関検出ウインドウが重なっている時間を示している。上述の相関検出ウインドウ及び無相関検出ウインドウが重なっている時間は、図５を用いて説明した無相関時間を示す。図１３Ｄ及び図１３Ｈに左斜線で示す時間が、第１の検出素子１１及び第２の検出素子１２の蛍光Ｘ線信号に対応する無相関時間を示している。

モニタ装置３１は、このような無相関時間を検出している間、データ蓄積部２６及びデータ蓄積部３０に対して、ローレベル（０）の信号を供給する。データ蓄積部２６は、モニタ部１３からローレベル（０）の信号が供給されている間、分析部（光子計測部）２５からの光子計測出力を、データ蓄積部２６の記憶領域２６ｂに記憶する（光子イベントを積む）。これにより、記憶領域２６ｂには、無相関時間に対応する無相関成分の光子イベントが記憶される。同様に、データ蓄積部３０は、モニタ部１３からローレベル（０）の信号が供給されている間、分析部（光子計測部）２９からの光子計測出力を、データ蓄積部３０の記憶領域３０ｂに記憶する（光子イベントを積む）。これにより、記憶領域３０ｂには、無相関時間に対応する無相関成分の光子イベントが記憶される。

なお、図１３Ａの最初の相関事象ＮＪ１１の波形と、３番目の無相関事象ＮＳＪ１１との間に発生している蛍光Ｘ線信号に対応する相関検出ウインドウ（図１３Ｃ参照）に重なる相関検出ウインドウ又は無相関検出ウインドウは存在しない。このため、最初の相関事象ＮＪ１１の波形と、３番目の無相関事象ＮＳＪ１１との間に発生している蛍光Ｘ線信号に対応する光子計測出力は、データ蓄積部２６及びデータ蓄積部３０には蓄積されない。このように、ウインドウの重なりを持たない蛍光Ｘ線信号の光子計測出力を蓄積しないことで、エネルギー較正処理等を高速化できる。

（エネルギー較正動作）
データ処理装置３２は、このように各データ蓄積部２６、３０に記憶された各光子イベントを用いてエネルギー較正定数を決定し、エネルギー較正を行う。図１４のフローチャートに、エネルギー較正を行うまでの流れを示す。この図１４のフローチャートの各ステップ（手順）のうち、ステップＳ１〜ステップＳ４が、上述のデータ蓄積部２６及びデータ蓄積部３０に光子計測出力を記憶するまでの流れを示している。簡単に説明すると、ステップＳ１では、モニタ部１３が、図４を用いて説明したように、第１及び第２の検出素子１１、１２等の近傍する検出素子でそれぞれ検出された放射線光子（蛍光Ｘ線の光子）の検出時間差（ｔ１−ｔ２）を計算する。

ステップＳ２では、モニタ部１３が、検出時間差（ｔ１−ｔ２）は、図５に示す相関時間内であるか否かを判別する。相関時間内であると判別された場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、処理がステップＳ３に進み、図１２に示したデータ蓄積部２６の記憶領域２６ａ及びデータ蓄積部３０の記憶領域３０ａに、分析部（光子計測部）２５からの光子計測出力を記憶する（光子イベントを積む）。これにより、記憶領域２６ａ及び記憶領域３０ａに、相関時間に対応する相関成分及び無相関成分を含む、光子イベントが記憶される。

これに対して、検出時間差（ｔ１−ｔ２）は、相関時間内ではないと判別された場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、処理がステップＳ４に進み、図１２に示したデータ蓄積部２６の記憶領域２６ｂ及びデータ蓄積部３０の記憶領域３０ｂに、分析部（光子計測部）２５からの光子計測出力を記憶する（光子イベントを積む）。これにより、記憶領域２６ｂ及び記憶領域３０ｂに、無相関時間に対応する無相関成分の光子イベントが記憶される。

このような相関シーケンスは、例えば１秒又は２秒等の所定時間分、繰り返し実行される。これにより、データ蓄積部２６及びデータ蓄積部３０には、上述の所定時間分の各光子イベントが蓄積される。

次に、ステップＳ５では、生成部６１が、データ蓄積部２６及びデータ蓄積部３０に蓄積された各光子イベントから、図６中、一点鎖線のグラフで示す相関＋無相関スペクトル、及び、図６中、点線のグラフで示す無相関スペクトルを構築する。そして、生成部６１は、ステップＳ６において、以下の数１式の演算を行うことで、図６中、実線のグラフで示す相関スペクトルのみを抽出する。

相関スペクトル＝（相関＋無相関スペクトル）−α（無相関スペクトル）・・・（数１式）

数１式に示す「α」の値は、相関検出ウインドウの幅（τ）と無相関検出ウインドウの幅（３τ）で正規化可能な値に設定される。これにより、例えば相関検出ウインドウの幅が狭く（検出時間が短く）、無相関検出ウインドウ幅が広い（検出時間が長い）等の、アンバランスな検出状況下でも、αの値を適宜設定することで、単位時間あたりのカウント数が等価な演算を可能とすることができる。

次に、相関スペクトルは、蛍光Ｘ線の主要なエネルギーで生成されていることが推定される。このため、ステップＳ７では、較正部６２が、相関スペクトルの最大計数率を与える波高値を算出し、算出した波高値をシンチレータの蛍光Ｘ線エネルギーに対応させる。第１、第２の検出素子１１、１２等の検出素子の検出出力の線形性が保証されていれば、図７及び図８を用いて説明したように、検出器出力のゼロレベルＥ０（エネルギーの原点）と、相関スペクトルの最大計数率を与える波高値（図８の例では、Ｐｆ/Ｅｆ）を結ぶ直線で示されるエネルギー較正データでエネルギー較正を行うことができる。

この他、ステップＳ８において、波高値の原点、特性Ｘ線エネルギー位置、又は、上述の参考文献（特開２０１４−１６１５９０号公報）に開示されているＸ線スペクトルの端部（図７参照）等の他の方法で算出したエネルギー位置との関係を用いて、エネルギー較正を行ってもよい。また、較正部６２は、蛍光Ｘ線エネルギーの幅から、検出器２２のエネルギー分解能の演算を行ってもよい。これにより、図１４のフローチャートの処理が終了する。なお、分解能は、エネルギー値が近い二つの異なる放射線を別の物として観測可能な精度である。

（エネルギー較正動作の詳細）
以下、ステップＳ８におけるエネルギー較正動作の一例を説明する。データ処理装置３２の構成部６２は、図８に示すように、エネルギーの上限値であるＸ線管球２１の管球電圧（加速電圧）「Ｅ１」、検出器出力のゼロレベル（原点）「Ｅ０」、特性Ｘ線エネルギー位置である相関スペクトルの最大計数率を与える波高値「Ｐｆ/Ｅｆ」をそれぞれ導出する。そして、構成部６２は、例えば回帰分析又は最小二乗法等を用いて、これら３点からエネルギー較正データを生成し、エネルギー較正を行う。これにより、推定誤差の比較的大きなエネルギー上限値の推定位置Ｅ１に、蛍光Ｘ線エネルギーの検出位置を用いることができるため、高精度なエネルギー較正を行うことができる。

（第１の実施の形態の効果）
以上の説明から明らかなように、第１の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置は、隣接する検出素子において、それぞれ同時に計測される放射線エネルギーを計測し、検出器内部で発生した蛍光Ｘ線プロファイルを得る。蛍光Ｘ線は単色のエネルギーである。このため、検出器２２のエネルギー分解能に影響されることなく、正確な放射線エネルギー位置を得ることができる。また、検出器２２のエネルギー分解能を推定することも可能となる。また、全て時間の事象を評価するのではなく、上述の相関時間をτ及び無相関時間を３τ等のように限られた時間内で評価を行うことで、短時間でエネルギー較正を完了させることができる。

また、標準線源等の特別な較正用の被写体を用いることなく、エネルギー較正を行うことができる。このため、フォトンカウンティングＣＴ装置の使用中（撮影中）も、較正用のデータを取得できる。また、検出器２２の温度特性の補正も容易とすることができる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置を説明する。この第２の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置は、時間相関スペクトルを用いて、隣接する検出素子の検出時間差に応じた重み付け係数を算出し、算出した重み付け係数で各波高値を重み付け処理して波高値ヒストグラムを形成する。これにより、上述の相関＋無相関ヒストグラム及び無相関ヒストグラムの形成を不要とすることができる。以下、このような差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。

すなわち、上述の時間相関ヒストグラムは、図１５に示すように検出時間差がある。また、オフセットを有する。第２の実施の形態のフォトンカウンティングＣＴ装置のＣＰＵ５０は、算出部として機能することで、以下の数２式の演算を行うことで、隣接する検出素子の検出時間差に応じた重み付け係数（Ｗｔ）を算出し、また、ＣＰＵ５０は、処理部として機能することで、対応する各波高値を重み付け処理する。なお、以下の数２式において、「Ｃｐ」は、波高値の最大値（カウントピーク）である。また、「Ｃ０」は、カウントオフセットである。「Ｃ（ｔ）」は、その時刻の波高値である。

Ｗ（ｔ）＝（Ｃ（ｔ）−Ｃ０）／（Ｃｐ−Ｃ０）・・・（数２式）

具体的には、第１の検出素子１１の波高値がｐ１、第２の検出素子１２の波高値がｐ２であり、各波高値の検出時間差がｔ０の場合に、時間相関スペクトルの結果から、時間差ｔ０に対する重みＷ（ｔ０）を、各相関ヒストグラムＨ１、Ｈ２に加える（Ｈ１（ｐ１）＋Ｗ（ｔ０）、Ｈ２（ｐ２）＋Ｗ（ｔ０））。

これにより、隣接する検出素子の検出時間差に応じた重み付け係数を反映した各波高値の波高値ヒストグラムを形成することができる。このため、上述の相関＋無相関ヒストグラム及び無相関ヒストグラムの形成を不要とすることができる他、上述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

例えば、上述の実施の形態の説明では、検出器は、シンチレータを用いた間接変換型の検出器であることとした。しかし、間接変換型の検出器の代わりに、直接変換型の検出器を用いてもよい。一例として、テルル化カドミウム半導体（ＣｄＴｅ，ＣｄＺｎＴｅ）の半導体検出器を用いることができる。この場合、カドミウム（Ｃｄ）の２３．１７ｋｅＶ（Ｋα）及び２２．９８ｋｅＶ（Ｋβ）の蛍光Ｘ線エネルギーを取り扱うことになる。

また、上述の各実施の形態の説明では、隣接する第１の検出素子１１及び第２の検出素子１２の相関性を評価することとした。しかし、一つ又は複数の検出素子を跨いだ各検出素子の間の相関性を評価してもよい（近傍の検出素子間の相関性を評価してもよい）。

検出器２２、読み出し部２３、トリガ生成部２４、分析部２５、データ蓄積部２６、読み出し部２７、トリガ生成部２８、分析部２９、データ蓄積部３０、モニタ部１３、及び、データ処理装置３２の機能は、ソフトウェアによって実現することもできる。たとえば、第１の検出部、第２の検出部、生成部、及び構成部の機能は、第１の検出部、第２の検出部、生成部、及び構成部が行うこととして説明した処理の手順を規定した入出力較正プログラムをコンピュータに実行させることで、実現される。入出力較正プログラムは、ハードディスク又は半導体メモリ素子等に記憶され、ＣＰＵ又はＭＰＵ等のプロセッサによって読み出されて実行される。また、この入出力較正プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc−Read Only Memory）、ＭＯ（Magnetic Optical disk）又はＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記録されて、配布され得る。

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

このような各実施形態およびその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ シンチレータ
２ シンチレータ
１１ 第１の検出器
１２ 第２の検出器
１３ モニタ部
２１ Ｘ線管球
２２ 検出器
２３ 読み出し部
２４ トリガ生成部
２５ 分析部
２６ データ蓄積部
２７ 読み出し部
２８ トリガ生成部
２９ 分析部
３０ データ蓄積部
３２ データ処理装置
５０ ＣＰＵ
６１ 生成部
６２ 較正部

Claims (8)

1. 放射線検出器内に設けられ、近傍に位置する少なくとも第１及び第２の放射線検出素子でそれぞれ検出された各放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認められる時間的範囲である相関時間内に検出された第１の放射線検出信号を検出する第１の検出部と、
   前記各放射線検出素子で検出された放射線検出信号のうち、前記各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認めらない時間的範囲である無相関時間内に検出された第２の放射線検出信号を検出する第２の検出部と、
   前記第１の放射線検出信号と前記第２の放射線検出信号との差分である第３の放射線検出信号を生成する生成部と、
   前記第３の放射線検出信号を用いてエネルギー較正データを生成し、前記放射線検出器の入出力のエネルギー較正を行う較正部と、
   を有する放射線検出装置。
2. 前記生成部は、相関時間成分及び無相関時間成分で構成される前記第１の放射線検出信号と、無相関時間成分で構成される前記第２の放射線信号との差分である、相関時間成分で構成される前記第３の放射線検出信号を生成すること
   を特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記第１の検出部は、前記各放射線検出信号を検出したタイミングで所定時間分の相関検出時間をそれぞれ設定し、前記各相関検出時間同士が重なる時間を前記相関時間として前記放射線検出信号の検出を行い、
   前記第２の検出部は、前記相関検出時間に続けて所定時間分の無相関検出時間をそれぞれ設定し、設定した前記無相関検出時間と、前記相関時間とが重なる時間を前記無相関時間として前記放射線検出信号の検出を行うこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射線検出装置。
4. 前記生成部は、無相関時間成分のみを含む前記放射線検出信号に、前記相関時間及び前記無相関時間で正規化可能な値の係数を乗算処理したうえで、相関時間成分及び無相関時間成分を含む前記放射線検出信号との差分である、相関時間成分のみを含む前記放射線検出信号を生成すること
   を特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか一項に記載の放射線検出装置。
5. 前記較正部は、上限値として設定された放射線発生源の印加電圧のエネルギー位置と、前記第１及び前記第２の放射線検出素子における前記放射線検出信号の検出時間差がゼロの放射線検出信号のエネルギー位置とを結ぶ線分に対応するエネルギー較正データで、前記放射線検出器の入出力のエネルギー較正を行うこと
   を特徴とする請求項１から請求項４のうち、いずれか一項に記載の放射線検出装置。
6. 放射線検出器内に設けられ、近傍に位置する少なくとも第１及び第２の放射線検出素子でそれぞれ検出された各放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認められる時間的範囲である相関時間内に検出された放射線検出信号を検出する第１の検出部と、
   前記第１及び前記第２の放射線検出素子における前記放射線検出信号の検出時間差に対応する重み付け係数を算出する算出部と、
   前記重み付け係数を用いて、各検出時刻における前記放射線検出信号を重み付け処理する処理部と、
   前記重み付け処理された前記放射線検出信号を用いてエネルギー較正データを生成し、前記放射線検出器の入出力のエネルギー較正を行う較正部と、
   を有する放射線検出装置。
7. 第１の検出部が、放射線検出器内に設けられ、近傍に位置する少なくとも第１及び第２の放射線検出素子でそれぞれ検出された各放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認められる時間的範囲である相関時間内に検出された第１の放射線検出信号を検出する第１の検出手順と、
   第２の検出部が、前記各放射線検出素子で検出された放射線検出信号のうち、前記各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認めらない時間的範囲である無相関時間内に検出された第２の放射線検出信号を検出する第２の検出手順と、
   生成部が、前記第１の放射線検出信号と前記第２の放射線検出信号との差分である第３の放射線検出信号を生成する生成手順と、
   構成部が、前記第３の放射線検出信号を用いてエネルギー較正データを生成し、前記放射線検出器の入出力のエネルギー較正を行う較正手順と、
   を有する入出力較正方法。
8. 第１の検出部が、放射線検出器内に設けられ、近傍に位置する少なくとも第１及び第２の放射線検出素子でそれぞれ検出された各放射線検出信号のうち、各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認められる時間的範囲である相関時間内に検出された第１の放射線検出信号を検出する第１の検出ステップと、
   第２の検出部が、前記各放射線検出素子で検出された放射線検出信号のうち、前記各放射線検出信号の検出時刻の相関性が認めらない時間的範囲である無相関時間内に検出された第２の放射線検出信号を検出する第２の検出ステップと、
   生成部が、前記第１の放射線検出信号と前記第２の放射線検出信号との差分である第３の放射線検出信号を生成する生成ステップと、
   構成部が、前記第３の放射線検出信号を用いてエネルギー較正データを生成し、前記放射線検出器の入出力のエネルギー較正を行う較正ステップと、
   をコンピュータに実行させる入出力較正プログラム。

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