JP6912304B2 - 波高頻度分布取得装置、波高頻度分布取得方法、波高頻度分布取得プログラム及び放射線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、波高頻度分布取得装置、波高頻度分布取得方法、波高頻度分布取得プログラム及び放射線撮像装置、特に、フォトンカウンティング型のＸ線検出器の検出結果に基づいて波高頻度分布を生成する波高頻度分布取得装置、波高頻度分布取得方法、波高頻度分布取得プログラム及び放射線撮像装置に関する。

従来、コンピュータ断層撮影装置（ＣＴ）などのＸ線を利用した医療用の放射線撮像装置では、Ｘ線源から照射され被検体を透過したＸ線を検出器により検出し、被検体に起因したＸ線の減衰の情報を取得することで、被検体内の様子を画像化し診断に供している。

現在用いられている典型的な全身用ＣＴでは、高電圧を印加したＸ線管からＸ線を発生させ、被検体を透過したＸ線をシンチレータで検出している。シンチレータで検出されたＸ線は蛍光に変換され、この蛍光が例えばフォトダイオードなどの光デバイスに読み出されて電気信号として出力される。この検出器系は、いわゆる電流モード（或いは積分モード）で運用されている。すなわち、ある時間スパン、例えば１ミリ秒の間に発生した電気信号の総量が計測値となっており、Ｘ線フォトンの一つ一つは個別に計測されない。よって、例えばエネルギー１００ｋｅＶのＸ線フォトンが一つ検出された場合と、エネルギー５０ｋｅＶのＸ線フォトンが二つ検出された場合は、同一の計測結果がもたらされる。

近年、このような放射線撮像装置において、検出器系を電流モードではなくパルスモードで運用する、すなわち被検体を透過したＸ線フォトンの一つ一つを分解して検出することで、より高精度の診断装置を実現しようという動きが活発となっている。それぞれのＸ線フォトンを分解して検出することで、従来のＣＴでは得られなかったＸ線フォトンのエネルギー情報を得ることができる。このため、ＣＴの分野では、次世代の装置としてフォトンカウンティングＣＴ（ＰＣＣＴ）などと呼ばれ、従来のＣＴでは実現できなかった物質弁別や低被曝化が可能になると期待されている。

ところで、検出器をパルスモードで運用しようとした場合に、大きな問題となるのはＸ線フォトンの入射率が極めて高いことである。通常の全身用ＣＴでは、最大で検出器１平方ミリメートルあたり毎秒１０^９（１０^９ｃｐｓ／ｍｍ^２）のオーダのＸ線フォトンが検出されることがある。

ＣＴでの典型的な検出器ピクセルのサイズは１ｍｍ四方のオーダであり、例えば、検出器系が一つのＸ線フォトンの信号を処理するのに５０ナノ秒を要するとすると、あるＸ線フォトンの信号処理を実施している最中に別のＸ線フォトンの信号が何十個も来てしまったり、二つ以上のＸ線フォトンの信号を一つのＸ線フォトンの信号と誤認して信号処理をしてしまったりする（いわゆるパイルアップ）。これは検出器が飽和を起こしている状態であり、検出器が飽和してしまうと、Ｘ線フォトンを正しく計数することができず、またエネルギー情報も正しく得られない。

そこで、Ｘ線フォトンの信号処理時間を短縮するため、一つ一つのＸ線フォトンのエネルギーを精密に測定するのではなく、閾値を設けてこの閾値との大小のみを判別することによってＸ線フォトンを計数することができる。具体的には、ＰＣＣＴにおいて、放射線（Ｘ線）を検出した際のＸ線検出器の出力を、比較器を用いて所定の閾値と比較し、この閾値に対応するエネルギー以上のフォトンが単位時間中にいくつ検出されたかを計数する。

ここで、設定した閾値がどのエネルギーに対応しているかを較正する一つの手法として、特徴的なエネルギーを持つＸ線或いはガンマ線を入射させ、検出器における計数結果に基づいて、Ｘ線信号の単位時間あたりの計数率の波高（エネルギー）頻度分布を作成することにより、閾値とエネルギーの関係を得る手法がある。
例えば、特許文献１には、所定の閾波高Ｖ_ｎにおけるカウント数（計数率）をＣ（Ｖ_ｎ）、所定の波高Ｖ_ｎにおけるカウント数（計数率）、すなわち、波高頻度分布をｃ（Ｖ_ｎ）とするとき、以下の式が成り立つことが開示されている。

つまり、特許文献１の放射線計測装置では、Ｃ（Ｖ_ｎ−１）とＣ（Ｖ_ｎ）との差分から、波高分析結果としての、所定の波高Ｖ_ｎにおけるカウント数（計数率）ｃ（Ｖ_ｎ）、すなわち波高頻度分布を得ている。言い換えると、各閾値間の計数率の差を検出することで、各閾値に対応する計数率を算出して波高頻度分布を作成している。複数の閾値間の計数率の差を検出することで、各閾値に対応する計数率を算出して波高頻度分布を作成することが開示されている。

特開２０１５−１８４１１９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された放射線計測装置における波高頻度分布の作成方法では、計数率Ｃ（Ｖ_ｎ−１）とＣ（Ｖ_ｎ）は別々の測定で得られることから、両者が独立に統計誤差を持つことになる。波高頻度分布を求めるべくｃ（Ｖ_ｎ）を精度よく求めようとすると、特にＣ（Ｖ_ｎ−１）とＣ（Ｖ_ｎ）が同程度である場合は、差分ｃ（Ｖ_ｎ）を求めるために、両者に有意な差が生じるまで測定を続けなければならず、長い測定時間が必要となってしまう。一方、放射線検出器について、波高頻度分布に基づいてその較正を実施することがあり、較正に時間がかかることは当該検出器を利用した装置のコストアップを招来する。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、短時間で高精度の波高頻度分布を作成し、延いては、波高頻度分布を用いて較正を行う検出器を適用した放射線撮像装置のコストを低減することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、入射したＸ線を検出した検出信号の値が閾値以上である場合に該検出信号を計数して夫々計数率を出力する複数の計数部を備えた放射線検出器の波高頻度分布取得装置であって、第１測定用の閾値として、第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１を設定すると共に第２の計数部に対して第１の閾値Ｖ１よりも高い第２の閾値Ｖ２を設定し、第２測定用の閾値として前記第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１とは異なる第１の閾値Ｖ１’を再設定する閾値設定部と、前記第１測定及び前記第２測定を実施する測定制御部と、該測定制御部に従って行われた第１測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率と、第２測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率との差に基づいて、前記第１の計数部における前記第１の閾値Ｖ１に対する波高頻度分布を生成する波高頻度分布生成部と、を備えた波高頻度分布取得装置を提供する。

本発明によれば、短時間で高精度の波高頻度分布を作成し、延いては、波高頻度分布を用いて較正を行う検出器を適用した放射線撮像装置のコストを低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＰＣＣＴ装置の概略を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るＰＣＣＴ装置のコンピュータの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線検出器の概略を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線検出器の検出素子の配列とピクセルの関係の例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線検出器の検出素子の配列とピクセルの関係の例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線検出器の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。 ガンマ線を入射させた際に得られる波高頻度分布の例を示す参考図である。 本発明の第１の実施形態に係るＰＣＣＴ装置における波高頻度分布取得の流れを示すフローチャートである。 図７の波高頻度分布にエネルギー範囲を明示した例を示す参考図である。 本発明の第１の実施形態に係るＰＣＣＴ装置における他の波高頻度分布取得の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線検出器の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る波高頻度分布取得装置は、入射したＸ線を検出した検出信号の値が閾値以上である場合に検出信号を計数して夫々計数値を出力する複数の計数部を有する放射線検出器の波高頻度分布を取得するものである。本発明に係る波高頻度分布取得装置は、閾値設定部により、第１測定用の閾値として、第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１を設定すると共に第２の計数部に対して第１の閾値Ｖ１よりも高い第２の閾値Ｖ２を設定し、第２測定用の閾値として前記第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１とは異なる第１の閾値Ｖ１’を再設定し、測定制御部によって第１測定及び第２測定を実施し、波高頻度分布生成部がこの第１測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数値と、第２測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数値との差に基づいて、第１の計数部における第１の閾値に対する波高頻度分布を生成する波高頻度分布取得装置である。
このような波高頻度分布取得装置によれば、短時間で高精度の波高頻度分布を作成し、延いては、波高頻度分布を用いて較正を行う検出器を適用した放射線撮像装置のコストを低減することができる。

以下、より具体的に本発明の実施形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置の一例として、Ｘ線ＣＴ装置、特にＰＣＣＴ装置について図面を参照して説明する。

図１に示すように、ＰＣＣＴ装置は、撮影系としての、Ｘ線源１２０と、Ｘ線検出器１５０と、これらＸ線源１２０及びＸ線検出器１５０を対向配置し所定の回転軸を中心に回転するガントリ回転部１１０と、寝台１４０と、これら撮影系の動作を制御すると共に撮影系の動作に伴ってＸ線検出器１５０が取得した信号を処理する制御部１７０と、Ｘ線検出器１５０により得られたデータに基づいて再構成像を生成するコンピュータ１８０とを備えている。

Ｘ線源１２０は、例えば、Ｘ線管を適用することができる。Ｘ線源１２０は、管電圧で加速した電子ビームをタングステンやモリブデンなどのターゲット金属に衝突させ、その衝突位置（焦点）からＸ線を発生させることで、Ｘ線フォトンを放出する。Ｘ線源１２０近傍には、フィルタ１２５が設けられている。フィルタ１２５は、Ｘ線源１２０から放出されたＸ線フォトン１３０のフラックス及びエネルギー分布を調整する。従って、Ｘ線源１２０から放出されたＸ線フォトンは、フィルタ１２５によってフラックス及びエネルギー分布の調整を受けた後に、一部は被検体２００によって被検体内の物質分布に応じて吸収され、また一部は被検体２００を透過して後述するＸ線検出器１５０において検出される。

ガントリ回転部１１０は、Ｘ線源１２０及びＸ線検出器１５０を互いに対向配置し、所定の回転軸を中心に回転する。ガントリ回転部１１０の中央には、被検体２００が挿入される開口が設けられ、この開口内に、被検体２００が寝かせられる寝台１４０が配置されている。寝台１４０とガントリ回転部１１０とは、所定の方向に相対的に移動可能となっている。一般に、ＣＴでは全方向からのデータを取得するため、ガントリ回転部１１０を所定速度で回転させることで、Ｘ線源１２０及びＸ線検出器１５０を被検体２００の周囲を回転させながらデータを取得する。回転の速度は典型的には概ね毎秒１〜４回転である。また、ある１つの方向からの投影データ（１ビュー）を取得するのにデータを蓄積する時間は典型的に０．１〜１ミリ秒のオーダである。

Ｘ線検出器１５０は、Ｘ線検出器１５０に入射したＸ線フォトンを検出し、検出したＸ線フォトンのエネルギーに応じた検出信号を出力する検出部１５１と、検出部１５１から出力される検出信号を収集し処理する信号処理部１５２とを備えている。検出部１５１により出力されたＸ線フォトンの検出信号は、複数の信号処理部１５２によってパルスモードで処理され、計数される。ここでいう計数とは、検出したＸ線フォトンを数えることに加え、エネルギー情報を取得することも含む。なお、被検体２００で散乱されたＸ線を検出してしまうと望ましくない信号となるので、Ｘ線源１２０側から見て検出部１５１の手前にコリメータ１４５を配置し、散乱されたＸ線を遮断することが好ましい。Ｘ線検出器１５０の詳細は、後述する。

制御部１７０は、コンピュータ１８０からの指示に従って、ガントリ回転部１１０、Ｘ線源１２０、寝台１４０、Ｘ線検出器１５０等を制御すると共に、Ｘ線検出器１５０において検出し収集された信号に所定の処理を行ってコンピュータ１８０に転送する。

コンピュータ１８０は、図２に示すように、ＣＰＵ１８１及び記憶部１８２を備えている。また、ＣＰＵ１８１は、図２に示すように、閾値設定部１８４、測定制御部１８５及び波高頻度分布生成部１８６の機能を実現する。コンピュータ１８０は、Ｘ線検出器１５０の信号処理部１５２から制御部１７０を介して取得した信号を記憶部１８２に記憶し、これらの信号等に基づいて被検体の断層像の再構成像を生成する。

閾値設定部１８４は、後述する検出器のサブピクセル２１のチャンネル１６５が有する複数の計数部３５１〜３５４（図６参照）に対して夫々閾値を設定する。閾値設定部１８４による閾値の設定についての詳細は後述する。
測定制御部１８５は、被検体に対する測定（撮影）を行うための制御信号を生成する他、波高頻度分布を生成するために必要な測定を行うための制御信号を生成し、制御部１７０に出力する。
波高頻度分布生成部１８６は、測定制御部１８５によって生成された測定のための制御信号に従って行われた測定で得られた検出器からの出力を、制御部１７０を介して受け取り、これに基づいて波高頻度分布を生成する。

また、コンピュータ１８０は、表示装置１９１及び入力装置１９２と接続され、画像生成部（図示せず）として機能するＣＰＵ１８１において生成された再構成像は、ＣＰＵ１８１の指示に従って、表示装置１９１に表示される。また、入力装置１９２は、Ｘ線ＣＴ装置における撮影条件等、すなわち、データの収集に必要なパラメータ、例えば、高圧電源（図示せず）からＸ線源１２０に印加する電圧の値や管電流、Ｘ線源１２０の回転動作の速度等の入力を受け付ける。表示装置１９１は、入力装置１９２により入力されたパラメータ及びその値等を表示させることができる。

なお、制御部１７０及びコンピュータ１８０は、その一部又は全部をＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ及び主記憶部を含むシステムとして構築することができ、制御部１７０及びコンピュータ１８０を構成する各部の機能は、予め記憶部に格納されたプログラムをＣＰＵがメモリにロードし、実行することにより実現することができる。また機能の一部または全部を、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）や ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのハードウェアで構成することも可能である。

続いて、Ｘ線検出器１５０について説明する。
Ｘ線検出器１５０は、複数のピクセル２０が二次元配列されピクセル毎にＸ線フォトンを検出して信号出力する検出部１５１と、検出部１５１の各ピクセル２０からの出力信号を収集し処理する信号処理部１５２とを備えている。

検出部１５１は、図３に示すように、Ｘ線検出器１５０の一単位であり、入射したＸ線フォトンを検出するピクセル２０が複数配列されて構成される。各ピクセル２０には、被検体２００を透過したＸ線フォトン１３０が入射し、計数される。検出部１５１に含まれるピクセル数は、例えば、長手方向に８９２個、短手方向に６４個とすることができる。

図３に示すように、検出部１５１は、Ｘ線源１２０を略中心とした円弧状に配置されており、ガントリ回転部１１０の回転に伴い、Ｘ線源１２０との位置関係を保ちながら回転する。従って、図３に示す例では、ピクセル２０が近似的に曲面状に配置されているように描写しているが、一般にはピクセルの表面は曲率の無い平面であることが多く、検出部１５１におけるピクセル２０の配置は多角形状になることもある。各ピクセル２０には、被検体２００を透過したＸ線フォトンが入射し、計数される。

なお、被検体２００で散乱されたＸ線フォトンを除去するために、ピクセル２０のＸ線源１２０側にはコリメータ１４５（図１参照）が配置されている。コリメータ１４５は、ピクセル２０とピッチ及び形状が一致するような二次元矩形コリメータであっても良いし、一次元のスリットコリメータであっても良い。

検出部１５１において、ピクセル２０は、サブピクセル２１としての検出素子が複数配列された検出素子群であり、この検出素子群がＸ線検出器１５０の一単位であるピクセル２０を構成している。すなわち、１つのピクセル２０は、複数のサブピクセル２１に分割された構成である。このようにすることで、処理回路あたりの計数率を低減させることができる。ピクセル２０に含まれるサブピクセル２１は、所謂フォトンカウンティング方式の検出素子であり、入射したＸ線フォトンを検出し、接続される信号処理部１５２において、例えば４つのエネルギー範囲に分別して計数を行う。

従って、Ｘ線検出器１５０では、サブピクセル２１が別個独立にＸ線フォトンを検出し、ピクセル２０を構成する複数の検出素子２１からの出力信号を加算することでピクセル２０毎に出力信号を生成している。
図４に、ピクセル２０として、複数の同一のサイズの検出素子２１が、チャネル方向に２素子、スライス方向に２素子の計４個配列されて構成される例を示した。図４の例では、ピクセル２０は例えば１ｍｍ四方であり、各サブピクセルは０．５ｍｍ四方となっている。以下、本実施の形態においては、ピクセル２０が４つのサブピクセル２１から構成されているものとして説明する。

本実施形態では、ピクセル２０のサイズは１ｍｍ四方であり、各ピクセルは０．５ｍｍ四方のサブピクセル４つに分割されている。この他にも様々な分割法が可能であり、３×３の９サブピクセルや４×４の１６サブピクセル、或いは縦と横で分割数を変えてｎ×ｍ（ｎとｍは自然数）に分割しても良い。

また、分割されたサブピクセルは大きさが同じである必要はなく、大きさの異なるサブピクセルへの分割に対しても本発明は適用できる。なお、サブピクセルに分割しない場合でも本発明は適用可能であり、以下の記述における「サブピクセル」を「ピクセル」に読み替えれば良い。

各ピクセル２０を構成する各検出素子２１は、例えば、図５に示すように、検出層４０を挟むように正負の電極４１，４２が設けられ、各電極４１，４２に信号処理部１５２が接続された構造を有している。
本実施形態では、Ｘ線フォトン１３０の入射面（図５における検出層４０の上面）に設けられた負の電極４１（以下、「共通電極４１」という）が、ピクセル２０全体を覆う共通電極となっている。また、正の電極４２（以下、「個別電極４２」という）は、サブピクセルとしての検出素子２１毎に設けられ、信号処理部１５２の個別のチャンネル１６５が各個別電極４２に接続されている。すなわち、サブピクセル毎に信号を読み出し、エネルギー情報の取得を含むＸ線フォトンの計数を行うようになっている。

このように、ピクセル２０は、１つの共通電極４１とサブピクセル２１（検出素子）に対応する数の個別電極４２とを備えている。言い換えると、ピクセル２０は、検出層４０の表面内で、複数の個別電極４２を含み、図５中に破線で図示したように、１つの個別電極４２に対応した領域が１つのサブピクセル２１を形成する構成となっている。図５に示す例のように、検出層４０として、直接型放射線検出素材を使用した場合には、ピクセル２０の上面から見た場合にはサブピクセル２１の境界（図４参照）が物理的には見えない場合もあるが、放射線検出器としてはサブピクセルに分割されている。

なお、検出層４０には、微細加工が容易であり、直接電気信号を読み出すことが可能な、例えばテルル化カドミウム、テルル化亜鉛カドミウム、臭化タリウム、沃化水銀、沃化ビスマスなどの直接型放射線検出素材である化合物半導体を適用することが好ましい。この他、検出層４０には、シンチレータ（間接型放射線検出素材）に光デバイスを光学結合したものを使用することも可能である。また、検出層４０の厚さは、０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。

Ｘ線フォトン１３０は共通電極４１側から検出層４０に入射し、Ｘ線フォトンが検出されてそのエネルギーに応じた量の電荷が生じる。共通電極４１には図示しない高圧電源により、例えば、−６００Ｖの電圧が印加される。共通電極４１及び個別電極４２ではＸ線フォトンが減衰しないことが望ましい。共通電極４１及び個別電極４２は、検出層４０に比べて充分に薄く、１μｍ以下の厚みに加工することが可能である。

信号処理部１５２は、図６に示すように、サブピクセル２１毎にチャンネル１６５を備え、当該ピクセル２０に属するサブピクセル２１からの出力信号をチャンネル１６５で検出し、信号加算部において所定の条件に従って加算し、各ピクセル２０の出力信号として収集し処理する。

図６に、各サブピクセル２１に接続される信号処理部１５２の各チャンネル１６５の例を示す。各チャンネル１６５は、電荷信号として検出したＸ線フォトンを電圧信号に変換する電荷有感型前置増幅器３１０と、電荷有感型前置増幅器３１０により変換された電圧信号の整形を行う波形整形増幅器３２０と、電圧信号に係る電圧と閾値（リファレンス電圧）を比較してエネルギー情報を得るための４つの計数部３５１〜３５４を備えている。計数部３５１〜３５４は、夫々コンパレータ３３１〜３３４と、カウンタ３４１〜３４４とを備えている。

このように構成されたチャンネル１６５における信号処理は以下のように行われる。ピクセル２０中の任意のサブピクセルから読み出された信号は、まず電荷有感型前置増幅器３１０によって電荷信号から電圧信号に変換され、波形整形増幅器３２０に出力される。電荷有感型前置増幅器３１０において変換された電圧信号は、波形整形増幅器３２０において整形され（以下、整形された後の電圧信号を「検出信号」という）、エネルギー情報を得るために計数部３５１〜３５４において閾値（リファレンス電圧）以上の波高を持つ信号が計数される。

図６においてはエネルギー情報を得るために４つのコンパレータ３３１〜３３４が設けられていることから、各コンパレータにはそれぞれ異なる閾値Ｖ１〜Ｖ４が供給され、各コンパレータ３３１〜３３４において検出信号と閾値Ｖ１〜Ｖ４とが比較される。検出信号がこれら閾値よりも大きかった場合、当該コンパレータと対応するカウンタ３４１〜３４４がカウントアップする。

これにより、Ｘ線フォトンをそのエネルギーに応じて４種類に分別して計数することができる。図示しないトリガー回路がイベントを検出してから所定の処理時間の後、信号処理部１５２の個別のチャンネル１６５にリセットがかけられ、次のイベントの計数が可能な状態に戻る。所定の測定時間（１ビュー）が終了したら、カウントアップを停止し、各カウンタの計数率が制御部１７０に対して出力される。
なお、コンパレータの数は本実施形態においては２つ以上で任意に設計することができる。

（計数部の較正）
各コンパレータ３３１〜３３４に供給される閾値Ｖ１〜Ｖ４は、複数のサブピクセルに対して同じ電圧を供給することができる。しかし、検出層４０、或いは信号処理回路の個別のチャンネル１６５の個性（コンパレータ３４１〜３４４の個性を含む）により、同じ閾値が計数部毎に異なるエネルギーに対応することがある。すなわち、同じ閾値を設定しても計数部毎に（統計誤差の影響を除いても）同じ計数が得られないことがある。このような場合は、計数部毎に較正を行うことが好ましい。

較正を行う際には、特徴的なエネルギーを持つＸ線或いはガンマ線を入射させ、各閾値設定に対する波高頻度分布を取得する。特徴的なエネルギーを持つＸ線或いはガンマ線の例として、Ｘ線或いはガンマ線の輝線、具体的には^２４１Ａｍから放出される６０ｋｅＶのガンマ線、^５７Ｃｏから放出される１２２ｋｅＶのガンマ線、^１３３Ｂａから放出される３１および３５ｋｅＶの特性Ｘ線、放射線を照射された鉛から放出される７５ｋｅＶおよび８５ｋｅＶの特性Ｘ線などが好適である。輝線の他にも、これらの輝線のコンプトンエッジや後方散乱ピーク、Ｘ線管に印加する管電圧によって決まるＸ線フォトンの最大エネルギーなども特徴的なエネルギーの例として挙げられる。

なお、検出エネルギーと出力波高の非線形性が無視できない場合は、入射するＸ線或いはガンマ線の持つ特徴的なエネルギーを、較正の対象となるエネルギー領域にできるだけ近くすることが好適である。

図７に、^５７Ｃｏからのガンマ線を入射させた際に得られる波高頻度分布の例を示す。図７に示す波高頻度分布によれば、１２２ｋｅＶの光電ピークが閾値設定４７に対応していることを読み取ることができる。別の測定で６０ｋｅＶが閾値設定２３に対応することがわかれば、両者を内挿することにより、例えば８０ｋｅＶ以上のイベントを計数したい場合には閾値を３１に設定すれば良いことがわかり、計数部３５１〜３５４の較正ができる。

なお、波高頻度分布は全エネルギー領域（或いは全閾値領域）で取得する必要はなく、入射するＸ線或いはガンマ線の特徴的なエネルギーの近傍に限って取得しても良い。例えば上記した例では、閾値設定が４０〜５５の領域だけで波高頻度分布を取得したとしても、１２２ｋｅＶの光電ピークがどの閾値設定に対応しているかを求めることができる。

（波高頻度分布の取得）
波高頻度分布生成部１８６は、波高頻度分布を計数部３５１〜３５４の夫々について作成する。以下、計数部３５１（以下、「第１の計数部３５１」とする。）の波高頻度分布の作成について説明する。本実施形態においては、第１の計数部３５１の波高頻度分布を取得するに際し、第１の計数部３５１と隣接する計数部３５２（以下、「第２の計数部３５２」とする）の計数率（計数値）も利用する。なお、本実施形態では計数部が４つである例について説明したが、計数部の数は必要に応じて適宜変更することができる。
具体的には、図８のフローチャートに従って波高頻度分布を作成、取得する。

閾値設定部１８４が、ステップＳ１１において、第１の計数部３５１に対して閾値Ｖ１を設定し、ステップＳ１２において、第２の計数部３５２に対して閾値Ｖ２を設定する。つまり、閾値設定部１８４は、測定Ａ用の閾値として、第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１を設定すると共に第２の計数部に対して第１の閾値Ｖ１よりも高い第２の閾値Ｖ２を設定する。

続いて、ステップＳ１３で、測定制御部１８５が測定Ａを行うための制御信号を生成し、制御部１７０に出力する。制御部１７０では、測定制御部１８５からの制御信号に従って、ガントリ回転部１１０、Ｘ線源１２０、寝台１４０、Ｘ線検出器１５０等を制御し、測定Ａを実施する。

次のステップＳ１４では、閾値設定部１８４が第１の計数部に対する第１の閾値を再設定する。すなわち、閾値設定部１８４は、測定Ｂ用の閾値として第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１を第１の閾値Ｖ１’に再設定する。この時、閾値設定部１８４は、第１の閾値Ｖ１’が第２の閾値Ｖ２より小さく、第１の閾値Ｖ１と異なる値となるように再設定し、第２の閾値Ｖ２はそのままとする。そして、ステップＳ１５において、測定制御部１８５が測定Ｂを行うための制御信号を生成し、制御部１７０に出力する。制御部１７０では、測定制御部１８５からの制御信号に従って、測定Ｂを実施する。

ステップＳ１６で、波高頻度分布生成部１８６が、測定Ａによって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率と、測定Ｂによって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率との差に基づいて、第１の計数部３５１における第１の閾値に対する波高頻度分布を生成する。

具体的には、第１の計数部３５１について、閾値Ｖ１_ｎにおける波高頻度分布ｃ１（Ｖ１_ｎ）は以下のように取得される。上述のように、測定制御部１８５は、ステップＳ１３及びステップＳ１５において、第１の計数部３５１と同じサブピクセルに接続されている第２の計数部３５２に対し、Ｖ２_ｍ＞Ｖ１_ｎとなるような閾値Ｖ２_ｍを用い、以下のような設定で測定Ａ及びＢを実施している。
測定Ａ：（Ｖ１、Ｖ２）＝（Ｖ１_ｎ−１、Ｖ２_ｍ）
測定Ｂ：（Ｖ１、Ｖ２）＝（Ｖ１_ｎ、Ｖ２_ｍ）

この測定Ａと測定Ｂとにおいて、第２の計数部３５２で得られる計数率Ｃ２（Ｖ２_ｍ）の期待値が同じであることを利用し、以下の式（２）で波高頻度分布ｃ１（Ｖ１_ｎ）を求める。これは、図９におけるエネルギー範囲４４０に対応する計数率と、エネルギー範囲４５０に対応する計数率の差を利用して、エネルギー範囲４００に対応する波高頻度分布を求めることに相当する。

なお、Ｃｔｏｔは総計数率（単位時間あたりの総カウント数）を示し、一つの信号処理部１５２の各チャンネル１６５においては、計数部３５１〜３５４によらず同じ値である。また、Ｃ１、ｃ１はそれぞれ計数部３５１で得られる計数率および計数部３５１での波高頻度分布である。計数率は、計数値を測定時間で規格化することで得られる。

このようにして得られた波高頻度分布を、ステップＳ１７で記憶部１８２に記憶させる。そして、次のステップＳ１８で、ターゲットとなる範囲の波高頻度分布が得られたか否かを判定し、得られていないと判定された場合にはステップＳ１９に進み第１の閾値を再設定して、ステップＳ１２〜ステップＳ１８の処理を繰り返す。ステップＳ１８で、ターゲットとなる範囲の波高頻度分布が得られたと判定された場合には、波高頻度分布の取得処理が終了する。

一方、このようにして得られた本実施形態に係る波高頻度分布に対して、上述した特許文献１に開示された従来の方法では、下記の式（３）により波高頻度分布を求めている。式（３）において、Ｃｔｏｔは総計数率（単位時間あたりの総カウント数）を示し、一つの信号処理部１５２の各チャンネル１６５においては、計数部３５１〜３５４によらず同じ値である。これは、図９におけるエネルギー範囲４１０に対応する計数率と、エネルギー範囲４２０に対応する計数率の差を利用して、エネルギー範囲４００に対応する波高頻度分布を求めることに相当する。
なお、Ｃ１、ｃ１はそれぞれ計数部３５１で得られる計数率および計数部３５１での波高頻度分布を表す。計数率は、計数値を測定時間で規格化することで得られる。

続いて、本実施形態による波高頻度分布の作成方法によって測定時間が短縮されることを示す。このため、ここでは、計数部３５１の閾値をＶ１_ｎ−１に設定した際の計数率Ｃ１（Ｖ１_ｎ−１）（図９のエネルギー範囲４１０に対応）が１００ｃｐｓ、Ｖ１_ｎに設定した際の計数率Ｃ１（Ｖ１_ｎ）（図９のエネルギー範囲４２０に対応）が９０ｃｐｓ、計数部３５２の閾値をＶ２_ｍに設定した際の計数率Ｃ２（Ｖ２_ｍ）（図９のエネルギー範囲４３０に対応）が８０ｃｐｓである場合を例として考える。
１秒間測定した場合、エネルギー範囲４００に対応する波高頻度分布ｃ１（Ｖ１_ｎ）の期待値は、従来の方法、本実施例ともに１０カウントとなる。一方で、ｃ１（Ｖ１_ｎ）の精度は、ポアソン分布から下記のように計算される。

以上の計算より、この例では本実施形態により精度が１３．８／５．５＝２．５倍上がることが確認された。一般に、測定精度は測定時間の平方根に比例するので、同じ測定精度を達成するのに必要な測定時間が６倍以上短くて済むことになる。

従来の方法で波高頻度分布を求める際は、各閾値に対して１回ずつ測定を行い、各閾値間の計数率の差を検出した。一方で、本実施形態による波高頻度分布作成方法を用いると、計数部３５１における閾値Ｖ１_ｎに対し、Ｖ１_ｎよりも大きい閾値Ｖ２_ｍを他の計数部３５２に設定した状態で２回の測定Ａ，Ｂを実施する必要があり、測定回数が従来の方法に比べて最大２倍に増えることになる。よってＶ２_ｍは、全体としての測定時間が少なくて済むよう、Ｖ１_ｎに近い値を設定し、Ｃ２（Ｖ２_ｍ）を大きくすることが望ましい。測定回数が２倍に増えても本実施形態の方が測定精度が高くなる条件については、従来の方法で２倍の測定時間を費やせる場合を想定すればよく、下記の式（４）のように計算される。

近似的にＣ１（Ｖ１_ｎ−１）とＣ１（Ｖ１_ｎ）が等しいと見做せば、Ｃ２（Ｖ２_ｍ）がＣ１（Ｖ１_ｎ）の半分以上になるようにＶ２_ｍを（Ｖ１_ｎに近い値に）設定することが好適である。

測定時間については、異なる閾値に対して独立に値を設定することができる。波高頻度分布に必要な精度が与えられれば、計数率Ｃ１（Ｖ１）、Ｃ２（Ｖ２）或いはこれらの差に応じて必要な測定時間を求めることができる。よって、閾値の値に応じて測定時間をフレキシブルに設定することで、全体の測定時間を短縮することができ、好適である。

なお、測定ＡおよびＢで計数率Ｃ（Ｖ）を求めるに際しては、計数を実測時間ではなくライブタイム（実測時間から測定系のデッドタイムを差し引いた時間）で規格化する必要があることに注意すべきである。このためには、例えば測定ＡおよびＢで同じ実測時間を設定するケースでは、デッドタイムを揃えるために同じトリガー条件の元で測定を実施することが好適である。或いは、デッドタイムが無視できる程度、例えば１％以下になるような低い計数率で測定を実施することが好適である。

実際には波高頻度分布を求めたい複数のＶ_ｎに対して同じＶ_ｍを設定することで測定回数を減らし、測定時間を短縮することができる。例えば、（Ｖ１，Ｖ２）＝（Ｖ１_ｎ−２，Ｖ２_ｍ），（Ｖ１_ｎ−１，Ｖ２_ｍ），（Ｖ１_ｎ，Ｖ２_ｍ）という設定で３回の測定を実施できる。この場合、Ｖ１_ｎ−１およびＶ１_ｎに対応する２つの波高頻度分布ｃ１（Ｖ１_ｎ−１）、ｃ１（Ｖ１_ｎ）を３回の測定で得ることができ、測定回数の増加を抑えることができるので好適である。

（他の計数部の波高頻度分布の取得）
上述したように、波高頻度分布は計数部夫々に対して求める必要がある。上述の例では計数部３５１の波高頻度分布を取得する方法について述べた。他の計数部についても、上述した手法と同様の手順により、短い時間で波高頻度分布を取得することができる。本実施形態では、測定時間を短縮するために、４つの計数部に対し、その閾値Ｖ１〜Ｖ４を設定して測定を行うことにより波高頻度分布を取得する。

このような波高頻度分布は、例えば、図１０のフローチャートに従って取得することができる。
ステップＳ２１において、閾値設定部１８４が、第１〜第４の計数部３５１〜３５４について、夫々異なる閾値Ｖ１〜Ｖ４を設定する。次のステップＳ２２において、測定制御部１８５が測定Ａを行うための制御信号を生成し、制御部１７０に出力する。制御部１７０では、測定制御部１８５からの制御信号に従って、ガントリ回転部１１０、Ｘ線源１２０、寝台１４０、Ｘ線検出器１５０等を制御し、測定Ａを実施する。

続いて、ステップＳ２３で、閾値設定部１８４が、第１の計数部３５１の閾値Ｖ１及び第３計数部３５３の閾値Ｖ３を増やして次の値となるように再設定する。再設定された閾値に従って、ステップＳ２４で測定制御部１８５が、測定Ｂを実施する。ステップＳ２５では測定Ａ及び測定Ｂで得られた計数率から波高頻度分布を取得し、得られた波高頻度分布を記憶部１８２に記憶する（ステップＳ２６）。ここで得られた波高頻度分布が、ターゲットとなる範囲を網羅しているか否か判定し、得られていないと判定された場合にはステップＳ２８に進む。ステップＳ２７で、ターゲットとなる範囲の波高頻度分布が得られたと判定された場合には、波高頻度分布の取得処理が終了する。

ステップＳ２８では、第２の計数部３５２の閾値Ｖ２を増やして次の値となるように再設定する。この時、必要に応じて第４の計数部３５４の閾値Ｖ４も増やす。次のステップＳ２９で、ステップＳ２８で設定された閾値に従って測定Ａ’を実施する。そして、ステップＳ３０で、波高頻度分布生成部１８６が、直近の２回の測定から得られた計数率に基づいて波高頻度分布を生成し、ステップＳ３１で生成した波高頻度分布を記憶部１８２に記憶する。次のステップＳ３２で、ターゲットとなる範囲の波高頻度分布が得られたか否かを判定し、得られていないと判定された場合にはステップＳ２３に進み、ステップＳ２３〜ステップＳ３２の処理を繰り返す。ステップＳ２７またはステップＳ３２で、ターゲットとなる範囲の波高頻度分布が得られたと判定された場合には、波高頻度分布の取得処理が終了する。

上述した閾値と測定の関係をまとめると、４つの計数部に対して設定した閾値Ｖ１〜Ｖ４と計測は以下のような関係となる。但しＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４とする。
測定Ａ：（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）＝（Ｖ１_ｎ−１、Ｖ２_ｍ−１、Ｖ３_ｐ−１、Ｖ４_ｑ−１）
測定Ｂ：（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）＝（Ｖ１_ｎ、Ｖ２_ｍ−１、Ｖ３_ｐ、Ｖ４_ｑ−１）
測定Ａ’：（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）＝（Ｖ１_ｎ、Ｖ２_ｍ、Ｖ３_ｐ、Ｖ４_ｑ）
測定Ｂ’：（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）＝（Ｖ１_ｎ＋１、Ｖ２_ｍ、Ｖ３_ｐ＋１、Ｖ４_ｑ）
・・・

ステップＳ２５及びステップＳ３０における波高頻度分布算出処理は、これらの測定で得られた各計数率Ｃから、以下の式（５）に従って行われる。すなわち、式（５）に従って、第１の計数部３５１〜第３の計数部３５３の波高頻度分布を効率よく求めることができる。計数部３５４については、別途上述の手法を用いた測定から波高頻度分布を求めれば良い。

なお、計数部３５４の閾値Ｖ４については、必ずしもＶｑ−１，Ｖｑ，Ｖｑ＋１というように一つ刻みで変化させる必要はない。例えば、Ｖ３よりも十分高い値に固定することも可能であるものの、「エネルギー範囲４５０を狭くすることで誤差を減らし、測定時間を短くする」という本実施形態の趣旨に照らすと、上の式のようにＶ３に合わせて少しずつ値を変化させることが好適である。

このように、図６のような簡易な構成および４つの計数部に対して４つの閾値という少ないパラメータ数を保ちつつ、短い時間で精度の良い波高頻度分布を作成して検出器の較正を行うことにより、安価な放射線検出器或いは放射線撮像装置を実現することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態のＰＣＣＴ装置について述べる。以下の説明において、第１の実施形態におけるＰＣＣＴ装置と同一の構成については同符号を付し、その説明を省略する。

（信号処理部の動作）
第２の実施形態では、処理回路の動作が第１の実施形態と異なる。各サブピクセルに接続される信号処理部１５２の個別のチャンネル１１６５の例を図１１に示す。波形整形増幅器３２０から出力された信号は、計数部１３５１〜１３５４において閾値（リファレンス電圧）との波高の大小に応じて計数される。

具体的には、計数部１３５１においては閾値Ｖ１とＶ２の間の波高を持つ信号が、計数部１３５２においては閾値Ｖ２とＶ３の間の波高を持つ信号が、計数部１３５３においては閾値Ｖ３とＶ４の間の波高を持つ信号が、計数部１３５４においては閾値Ｖ４以上の波高を持つ信号が計数される。なお、閾値はＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４となるように設定される。

例えば、信号の波高がＶ２とＶ３の間であった場合、コンパレータ３３１および３３２から信号が出力され、コンパレータ３３３および３３４からは信号が出力されない。カウンタ１３４１には、コンパレータ３３１および３３２の両方からの信号が入力されるため、元の信号がＶ１とＶ２の間の波高を持っていないと判断し、このイベントを計数しない。

カウンタ１３４２では、コンパレータ３３２からの信号のみが入力され、コンパレータ３３３からの信号は入力されないことから、信号がＶ２とＶ３の間の波高を持っていると判断し、このイベントを計数する。なお、図１１においてはエネルギー情報を得るために４つのコンパレータ３３１〜３３４が設けられているが、この数は本実施形態においては２つ以上で任意に設計することができる。

（波高頻度分布の取得）
計数部１３５１で得られる計数率をＤ１とすると、この値は第１の実施形態の構成で得られる計数率と次の関係にある。

よって、閾値Ｖ１_ｎにおける波高頻度分布ｃ１（Ｖ１_ｎ）を取得する場合は、第１の実施形態と同様にＶ２_ｍ＞Ｖ１_ｎとなるような閾値Ｖ２_ｍを用い、以下のような設定で測定を実施する。
測定Ａ：（Ｖ１、Ｖ２）＝（Ｖ１_ｎ−１、Ｖ２_ｍ）
測定Ｂ：（Ｖ１、Ｖ２）＝（Ｖ１_ｎ、Ｖ２_ｍ）
測定によって得られた計数率を用いて、次の式で波高頻度分布ｃ１（Ｖ１_ｎ）を求めることができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

上述した各実施形態の他、例えば、上述した第２の実施形態のようにカウンタに二つのコンパレータの出力を入力するのではなく、制御部１７０の中で二つの計数部で得られる計数の差を計算して出力することにより、第２の実施形態と同様の機能を実現することが可能である。

また、本実施形態ではｎの値を一つずつ変化させて波高頻度分布を求めたが、波高頻度分布をどのくらいの密度で得る必要があるかに応じて、例えばｎの値を二つずつ変化させると言った変更を加えることが可能である。

さらに、本実施形態では、直接型放射線検出素材の上面に共通電極、下面に個別電極を設けることでサブピクセル分割を実施しているが、共通電極を設けず、上面もサブピクセルごとに電極を設けても良い。同様に、複数の放射線検出器において、隣接する放射線検出器のピクセル２０は、上面の共通電極を共有しても良いし、個別に電極を有しても良い。

また、検出器の素材として直接型放射線検出素材ではなく、シンチレータ（間接型放射線検出素材）に光デバイスを光学結合したものを使用することもできる。この場合のサブピクセル分割の方法としては、周囲を遮光剤に覆われたシンチレータをサブピクセルごとに設けても良いし、一つのシンチレータに対し、レーザーによるマイクロクラックをサブピクセル間に発生させる手法によってサブピクセル分割しても良い。また光学デバイスとしては、光電子増倍管（ＰＭＴ）、フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）などを使用することができる。

２０・・・ピクセル、２１・・・サブピクセル、４０・・・検出層、４１，４２・・・電極、１１０・・・ガントリ回転部、１２０・・・Ｘ線源、１２５・・・１３０・・・Ｘ線フォトン、１４０・・・寝台、１４５・・コリメータ、１５０・・・Ｘ線検出器、１５１・・・検出部、１５２・・・信号処理部、１６５・・・チャンネル、１７０・・・制御部、１８０・・・コンピュータ、１８１・・・ＣＰＵ，１８２・・・記憶部、１８４・・・閾値設定部、１８５・・・測定制御部、１８６・・・波高頻度分布生成部、１９１・・・表示装置、１９２・・・入力装置

Claims (8)

1. 入射したＸ線を検出した検出信号の値が閾値以上である場合に該検出信号を計数して夫々計数値を出力する複数の計数部を備えた放射線検出器の波高頻度分布取得装置であって、
   第１測定用の閾値として、第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１を設定すると共に第２の計数部に対して第１の閾値Ｖ１よりも高い第２の閾値Ｖ２を設定し、第２測定用の閾値として前記第１の計数部に対して第１の閾値Ｖ１とは異なる第１の閾値Ｖ１’を再設定する閾値設定部と、
   前記第１測定及び前記第２測定を実施する測定制御部と、
   該測定制御部に従って行われた前記第１測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率と、前記第２測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率との差に基づいて、前記第１の計数部における前記第１の閾値Ｖ１に対する波高頻度分布を生成する波高頻度分布生成部と、を備えた波高頻度分布取得装置。
2. 前記第１の計数部が、前記第１の閾値と前記第２の閾値との間の波高を有する検出信号の計数値を出力する請求項１記載の波高頻度分布取得装置。
3. 前記閾値設定部が、前記第１の閾値を再設定する際に、前記第２の閾値よりも小さい値に設定する請求項１又は請求項２記載の波高頻度分布取得装置。
4. 前記閾値設定部が、前記第２の閾値を、該第２の閾値以上の波高を有する検出信号の計数率が、前記第１の閾値以上の波高を有する検出信号の計数率の半分以上となるように設定する請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の波高頻度分布取得装置。
5. 前記計数率は、計数値を測定した時間で規格化して得られるものである請求項１に記載の波高頻度分布取得装置。
6. 入射したＸ線を検出した検出信号の値が閾値以上である場合に該検出信号を計数して夫々計数値を出力する複数の計数部を備えた放射線検出器の波高頻度分布取得方法であって、
   前記計数部に対して、第１測定用の閾値として、第１の計数部に対して第１の閾値を設定すると共に第２の計数部に対して第１の閾値よりも高い第２の閾値を設定し、第２測定用の閾値として前記第１の計数部に対して第１の閾値を再設定する閾値設定ステップと、
   前記第１測定及び前記第２測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数値を取得する計数値取得ステップと、
   前記第１測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率と、前記第２測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率との差に基づいて、前記第１の計数部における前記第１の閾値に対する波高頻度分布を生成する波高頻度分布生成ステップと、を備えた波高頻度分布取得方法。
7. 入射したＸ線を検出した検出信号の値が閾値以上である場合に該検出信号を計数して夫々計数値を出力する複数の計数部を備えた放射線検出器の波高頻度分布取得プログラムであって、
   前記計数部に対して、第１測定用の閾値として、第１の計数部に対して第１の閾値を設定すると共に第２の計数部に対して第１の閾値よりも高い第２の閾値を設定し、第２測定用の閾値として前記第１の計数部に対して第１の閾値を再設定する閾値設定ステップと、
   前記第１測定及び前記第２測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数値を取得する計数値取得ステップと、
   前記第１測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率と、前記第２測定によって得られた第１の計数部及び第２の計数部の計数率との差に基づいて、前記第１の計数部における前記第１の閾値に対する波高頻度分布を生成する波高頻度分布生成ステップと、をコンピュータに実行させる波高頻度分布取得プログラム。
8. 請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の波高頻度分布取得装置を備えた放射線撮像装置。

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