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JP6257916B2 - 光検出装置、放射線検出装置、放射線分析装置及び光検出方法 - Google Patents

光検出装置、放射線検出装置、放射線分析装置及び光検出方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、光検出装置、放射線検出装置、放射線分析装置及び光検出方法に関する。
光検出装置の一つとして、アバランシェフォトダイオードアレイを用いた光検出装置が知られている。この光検出装置は、単一光子レベルで光検出が可能であるという特徴を有する。また、この光検出装置は、アバランシェフォトダイオードの増倍率が基板温度及び周囲温度により変動するという問題がある。この問題を回避するために、温度に応じてアバランシェフォトダイオードに印加する逆電圧を変化させることは公知である。
特開２００２−８４２３５号公報
しかしながら、温度に応じてアバランシェフォトダイオードに印加する逆電圧を変化させるためには、温度センサ、温度センサ駆動回路及びバイアス電圧変更回路などが必要となり、構成が複雑になってしまうという問題があった。本発明が解決しようとする課題は、アバランシェフォトダイオードの増倍率の温度特性を容易に補償することができる光検出装置、放射線検出装置、放射線分析装置及び光検出方法を提供することである。
実施形態の光検出装置は、蛍光体と、アバランシェフォトダイオードアレイと、保持部と、除算部と、を有する。蛍光体は、放射線が入射されることにより、放射線のエネルギーに応じて光子を発生させる。アバランシェフォトダイオードアレイは、蛍光体と接し、蛍光体からの光に対して不感な第１アバランシェフォトダイオードを具備し、温度に応じて増倍された第１電気信号を出力する第１画素、及び、蛍光体と接し、蛍光体からの光に対して有感な第２アバランシェフォトダイオードを具備し、温度に応じて増倍された第２電気信号を出力する複数の第２画素を有する。保持部は、１つの第１画素が出力する第１電気信号の値を保持する。除算部は、複数の第２画素のそれぞれが出力する第２電気信号の積算値を、保持部が保持する第１電気信号の値で除算することにより、アバランシェフォトダイオードアレイに入射される光の光子数を算出する。
実施形態にかかる光検出装置の構成を模式的に例示する構成図。 アバランシェフォトダイオードアレイを上面から見た上面図。 ノイズに相当する値を第２保持回路に保持するまでに光検出装置が行う処理を示すフローチャート。 アバランシェフォトダイオードアレイに入射された光子数を算出するために光検出装置が行う処理を示すフローチャート。 実施形態にかかる光検出装置の動作による効果を示すグラフ。 実施形態にかかる光検出装置の変形例の構成を例示する構成図。 実施形態にかかる光検出装置の変形例のアバランシェフォトダイオードアレイを上面から見た上面図。 実施形態にかかる光検出装置を有する放射線分析装置の構成例を示す構成図。 図８に示した放射線分析装置における光検出装置の位置を模式的に示した模式図。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる光検出装置１００について説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態にかかる光検出装置１００の構成を模式的に例示する構成図である。図１に示すように、光検出装置１００は、電源回路１０１ａ，１０１ｂ、光に対して有感なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１０２ａ、光に対して不感なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１０２ｂ、前置増幅器１０３ａ，１０３ｂ、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１０４ａ，１０４ｂ及び信号処理回路１０５を有する。なお、アバランシェフォトダイオード１０２ａ，１０２ｂは、後述するアバランシェフォトダイオードアレイ１０２においてそれぞれ１つ以上配列されるものである。
電源回路１０１ａは、ＡＰＤ１０２ａに対し、逆電圧を降伏電圧以上に設定したガイガーモードで動作するように電圧を印加する。電源回路１０１ｂは、ＡＰＤ１０２ｂに対し、逆電圧を降伏電圧以上に設定したガイガーモードで動作するように電圧を印加する。電源回路１０１ａ，１０１ｂは、共通の電源とされてもよい。
ＡＰＤ１０２ａは、ガイガーモードで個別に動作する光に対して有感なＡＰＤピクセル（第２画素）を構成する。ＡＰＤ１０２ｂは、ガイガーモードで個別に動作する光に対して不感なＡＰＤピクセル（第１画素）を構成する。そして、ＡＰＤ１０２ａ，１０２ｂは、２次元に配列されてアバランシェフォトダイオードアレイ１０２を構成している。つまり、ＡＰＤ１０２ａ及びＡＰＤ１０２ｂは、それぞれ同じ環境温度の影響を受ける。
図２は、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２を上面から見た上面図である。アバランシェフォトダイオードアレイ１０２は、図示しないシンチレータ（蛍光体１３０：図９参照）を介して受光した可視光の光子数に応じて発生した電荷を、図示しないクエンチ抵抗を介して電流パルスとして出力する。図２に示すように、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２は、複数（例えば約百〜数千個）のＡＰＤ１０２ａと、１つのＡＰＤ１０２ｂとを有する。アバランシェフォトダイオードアレイ１０２におけるＡＰＤ１０２ｂの位置は任意に設定されてよい。
ＡＰＤ１０２ａは、可視光の光子が入射されると、１光子相当の電流パルスを出力する。全てのＡＰＤ１０２ａは、互いに並列接続されている。従って、各ＡＰＤ１０２ａがそれぞれ出力した電流パルスは、重畳されて１つの電流パルスとなる。つまり、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２は、光子が入射されたＡＰＤ１０２ａの数（即ち入射される可視光の光子数に相当するものとする）にほぼ比例する面積の電流パルス（電流パルスの時間方向に対する面積は受光したＡＰＤ１０２ａの数、すなわち発生した総電荷量に比例する）を前置増幅器１０３ａに対して出力する。
ＡＰＤ１０２ｂは、可視光が入射されないように（例えば蛍光体１３０の入射側が）金属などで覆われおり、ＡＰＤ１０２ａとは独立して電流パルスを出力するように構成されている。アバランシェフォトダイオードは、光子が入射されなくても、例えば熱励起によって電流パルス（即ちノイズ）を発生させる。また、上述したように、アバランシェフォトダイオードは、増倍率が基板温度及び周囲温度などによって変動する。つまり、ＡＰＤ１０２ｂは、ガイガーモードにされているため、周囲の温度（又は基板の温度など）に応じて変動した１光子相当の波高の電流パルスをある確率で高い増倍率（１０５〜１０６）によって前置増幅器１０３ｂに対して出力する。
前置増幅器１０３ａは、ＡＰＤ１０２ａが出力した電流パルスをＭ倍にし、電圧パルスとしてＡＤＣ１０４ａに対して出力する。前置増幅器１０３ｂは、ＡＰＤ１０２ｂが出力した電流パルスをＮ倍にし、電圧パルスとしてＡＤＣ１０４ｂに対して出力する。なお、Ｍの値は、ＡＰＤ１０２ａの数に応じて設定される。また、Ｎの値は、例えば１ｐ．ｅ．パルスをＡＤ変換可能にするために、Ｍの値よりも大きな値に設定されている。
ＡＤＣ１０４ａは、前置増幅器１０３ａが出力した電圧パルスをＡＤ変換し、変換した電圧値を信号処理回路１０５に対して出力する。ＡＤＣ１０４ｂは、前置増幅器１０３ｂが出力した電圧パルスをＡＤ変換し、変換した電圧値を信号処理回路１０５に対して出力する。
信号処理回路１０５は、ゲート発生器１１０ａ，１１０ｂ、遅延回路１１１ａ，１１１ｂ、加算回路１１２ａ，１１２ｂ、第１保持回路１１３、第１除算回路１１４、第２保持回路１１５及び第２除算回路１１６を有する。
ゲート発生器１１０ａは、ＡＤＣ１０４ａが出力した電圧値（ＡＤ値）を受入れ、電圧値から微分波形を形成し、任意の閾値でゲート信号（ゲート）を生成する。ゲート信号は、電圧パルスを測定するために用いる信号であり、電圧パルスに対する積分開始と終了を特定する信号である。ゲート発生器１１０ｂは、ＡＤＣ１０４ｂが出力した電圧値（ＡＤ値）を受入れ、電圧値から微分波形を形成し、任意の閾値でゲート信号（ゲート）を生成する。
遅延回路１１１ａは、ＡＤＣ１０４ａが出力した電圧値（ＡＤ値）を受入れ、少なくとも１つの電圧パルスに対する積分を可能にするように、電圧値を遅延させて加算回路１１２ａに対して出力する。遅延回路１１１ｂは、ＡＤＣ１０４ｂが出力した電圧値（ＡＤ値）を受入れ、少なくとも１つの電圧パルスに対する積分を可能にするように、電圧値を遅延させて加算回路１１２ｂに対して出力する。
加算回路１１２ａは、ゲート発生器１１０ａが生成したゲート信号に応じて、遅延回路１１１ａから受入れた電圧値を加算し、第２除算回路１１６に対して出力する。加算回路１１２ｂは、ゲート発生器１１０ｂが生成したゲート信号に応じて、遅延回路１１１ｂから受入れた電圧値を加算し、第１除算回路１１４に対して出力する。
つまり、ゲート発生器１１０ａ、遅延回路１１１ａ及び加算回路１１２ａは、ＡＤＣ１０４ａが出力した１つの電圧パルス（アバランシェフォトダイオードアレイ１０２に入射された光子数にほぼ比例する面積の電流パルス）を積分する積分回路となっている。
ゲート発生器１１０ｂ、遅延回路１１１ｂ及び加算回路１１２ｂは、ＡＤＣ１０４ｂが出力した１つの電圧パルス（１光子相当の面積の電流パルス）を積分する積分回路となっている。
第１保持回路１１３は、保持値Ｎ／Ｍを保持し、第１除算回路１１４に対して保持値を出力する。Ｎ／Ｍは、ＡＤＣ１０４ａ，１０４ｂと同じビット数の値にされている。
第１除算回路１１４は、加算回路１１２ｂが出力した１光子相当の面積の電流パルスを保持値Ｎ／Ｍで除算し、除算した結果を第２保持回路１１５に対して出力する。第１除算回路１１４が除算した結果は、ＡＰＤ１０２ｂが出力した電流パルスの倍率をＭ倍にしたものとなる。
第２保持回路１１５は、第１除算回路１１４が除算した結果（除算結果）を保持し、第２除算回路１１６に対して出力する。
第２除算回路１１６は、加算回路１１２ａが出力した電圧パルス（アバランシェフォトダイオードアレイ１０２に入射された光子数にほぼ比例する波高の電圧パルス）を第２保持回路１１５から受入れた除算結果で除算して出力する。つまり、第２除算回路１１６は、同じ環境温度の影響を受けた全ＡＰＤ１０２ａが出力する電流パルスの総和（積算値）をＡＰＤ１０２ｂが出力する電流パルスで除算することにより、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２に入射された光子数を算出する。ＡＰＤ１０２ａ及びＡＰＤ１０２ｂは、それぞれ同じ環境温度の影響を受けているので、第２除算回路１１６が算出した光子数は、温度によらず一定となる。
なお、光検出装置１００は、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２の前段に図示しない蛍光体が設けられ、蛍光体に入射される放射線のエネルギーに応じて蛍光体が発生させた光子数を検出する。光検出装置１００は、放射線を検出する放射線検出装置である。
次に、光検出装置１００の動作について説明する。図３は、ＡＰＤ１０２ｂが光子を入射されることなく出力した電圧パルス（ノイズ）に相当する値を第２保持回路１１５に保持するまでに光検出装置１００が行う処理を示すフローチャートである。
図３に示すように、ステップ１００（Ｓ１００）において、ＡＰＤ１０２ｂは、熱励起などによってある確率でノイズ（ノイズの源となるキャリア）を発生させる。
ステップ１０２（Ｓ１０２）において、ＡＰＤ１０２ｂは、温度に応じた利得でアバランシェ増幅（増倍）を行う。
ステップ１０４（Ｓ１０４）において、ＡＰＤ１０２ｂは、１光子相当の電流パルスを出力する。
ステップ１０６（Ｓ１０６）において、前置増幅器１０３ｂは、電流パルスをＮ倍に増幅し、電圧パルスに変換する。
ステップ１０８（Ｓ１０８）において、ＡＤＣ１０４ｂは、前置増幅器１０３ｂの出力をＡＤ変換し、変換した電圧値を出力する。
ステップ１１０（Ｓ１１０）において、遅延回路１１１ｂは、ＡＤＣ１０４ｂが出力した電圧値（ＡＤ値）を遅延させる。
ステップ１１２（Ｓ１１２）において、ゲート発生器１１０ｂは、ＡＤＣ１０４ｂが出力した電圧値（ＡＤ値）から微分波形を形成し、任意の閾値でゲートを生成する。
ステップ１１４（Ｓ１１４）において、加算回路１１２ｂは、ゲート発生器１１０ｂが生成したゲートに応じて電圧値（ＡＤ値）を加算する。
ステップ１１６（Ｓ１１６）において、第１除算回路１１４は、加算回路１１２ｂが加算した電圧値（ＡＤ値）をＮ／Ｍで除算する。
ステップ１１８（Ｓ１１８）において、第１除算回路１１４は、Ｓ１１６の処理による結果として、ＡＰＤ１０２ｂによる１光子相当の出力をＭ倍した電圧値（ＡＤ値）に換算する。
ステップ１２０（Ｓ１２０）において、第２保持回路１１５は、第１除算回路１１４が換算した値を１光子相当の電圧値（ＡＤ値）として保持する。
図４は、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２に入射された光子数を算出するために光検出装置１００が行う処理を示すフローチャートである。
図４に示すように、ステップ２００（Ｓ２００）において、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２は、可視光を入射される。つまり、ＡＰＤ１０２ａのいくつかは、光子（フォトン）を入射される。
ステップ２０２（Ｓ２０２）において、光子を入射されたＡＰＤ１０２ａは、温度に応じた利得でアバランシェ増幅（増倍）を行う。
ステップ２０４（Ｓ２０４）において、光子を入射されたＡＰＤ１０２ａは、１光子相当の電流パルスを出力する。
ステップ２０６（Ｓ２０６）において、前置増幅器１０３ａは、光子を入射されたＡＰＤ１０２ａそれぞれが出力して重畳された電流パルスをＭ倍に増幅し、電圧パルスに変換する。
ステップ２０８（Ｓ２０８）において、ＡＤＣ１０４ａは、前置増幅器１０３ａの出力をＡＤ変換し、変換した電圧値を出力する。
ステップ２１０（Ｓ２１０）において、遅延回路１１１ａは、ＡＤＣ１０４ａが出力した電圧値（ＡＤ値）を遅延させる。
ステップ２１２（Ｓ２１２）において、ゲート発生器１１０ａは、ＡＤＣ１０４ａが出力した電圧値（ＡＤ値）から微分波形を形成し、任意の閾値でゲートを生成する。
ステップ２１４（Ｓ２１４）において、加算回路１１２ａは、ゲート発生器１１０ａが生成したゲートに応じて電圧値（ＡＤ値）を加算する。
ステップ２１６（Ｓ２１６）において、第２除算回路１１６は、加算回路１１２ａが加算した電圧値（ＡＤ値）を、第２保持回路１１５が保持した１光子相当の電圧値（ＡＤ値）で除算する。
ステップ２１８（Ｓ２１８）において、第２除算回路１１６は、Ｓ２１６の処理で除算した結果（電圧値）を光子数とみなして（変換して）出力する。
図５は、光検出装置１００の動作による効果を示すグラフである。なお、図５においては、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２が有するＡＰＤ１０２ａのうち、１００個のＡＰＤ１０２ａに光子が入射された場合が例に示されている。また、ＡＰＤ１０２ａ，ＡＰＤ１０２ｂに印加される逆電圧（Ｖｏｐ）は一定であるとする。図５（ａ）においては、温度変化に応じて変化する１光子相当のＡＤ値（加算回路１１２ｂの出力）が示されている。図５（ｂ）においては、温度変化に応じて変化する１００光子入射時のＡＤ値（加算回路１１２ａの出力）が示されている。
ＡＰＤ１０２ｂは光に対して不感であるが、熱励起等によるノイズによって電流パルスを出力する。この電流パルスを、ＡＰＤ１０２ａに１光子入射したときに出力される電流パルスと等しいとみなすことができる。従って、第２除算回路１１６が加算回路１１２ａの出力を加算回路１１２ｂの出力（第１除算回路１１４による除算後）で除算すると、図５（ｃ）に示すように、光検出装置１００が算出する光子数は、アバランシェフォトダイオードアレイ１０２に入射される光子数が同じであれば温度によらず一定となる。
このように、光検出装置１００は、同じ環境温度の影響を受けた全ＡＰＤ１０２ａが出力する電流パルスの面積をＡＰＤ１０２ｂが出力する１光子相当の電流パルスの面積で除算するので、環境温度によらずアバランシェフォトダイオードアレイ１０２に入射された光子数を算出することができ、アバランシェフォトダイオードの増倍率の温度特性を容易に補償することができる。
つまり、光検出装置１００は、温度センサ、温度センサ駆動回路及びバイアス電圧変更回路などがない場合にも、アバランシェフォトダイオードの増倍率の温度特性を容易に補償することができる。さらに、光検出装置１００は、入射される光子数を算出するので、複数個が並列されて用いられても、相互間のばらつきを補正する必要がない。また、光検出装置１００は、温度変化及び電源電圧変化のいずれに対しても、補正を行う必要がない。
（変形例）
図６は、光検出装置１００の変形例（光検出装置１００ａ）の構成を例示する構成図である。図７は、図６に示したＡＰＤ１２０ａ，１２０ｂが２次元に配列されて構成されるアバランシェフォトダイオードアレイ１２０を上面から見た上面図である。なお、図６に示した光検出装置１００ａの構成部分のうち、図１に示した光検出装置１００の構成要素と実質的に同じものには、同一の符号が付してある。
アバランシェフォトダイオードアレイ１２０は、図示しないシンチレータ（蛍光体１３０：図９参照）を介して可視光の光子数に応じた電流パルスを出力する。図７に示すように、アバランシェフォトダイオードアレイ１２０は、複数（例えば約百〜数千個）のＡＰＤ１２０ａと、複数（例えば４つ）のＡＰＤ１０２ｂとを有する。アバランシェフォトダイオードアレイ１２０におけるＡＰＤ１２０ｂの位置は任意に設定されてよい。
ＡＰＤ１２０ａは、ガイガーモードで個別に動作する光に対して有感なＡＰＤピクセル（第２画素）を構成する。ＡＰＤ１２０ｂは、ガイガーモードで個別に動作する光に対して不感なＡＰＤピクセル（第１画素）を構成する。ＡＰＤ１２０ａ及びＡＰＤ１２０ｂは、それぞれ同じ環境温度の影響を受ける。
ＡＰＤ１２０ａは、可視光の光子が入射されると、１光子相当の電流パルスを出力する。全てのＡＰＤ１２０ａは、互いに並列接続されている。従って、各ＡＰＤ１２０ａがそれぞれ出力した電流パルスは、重畳されて１つの電流パルスとなる。つまり、アバランシェフォトダイオードアレイ１２０は、光子が入射されたＡＰＤ１２０ａの数（即ち入射される可視光の光子数に相当するものとする）にほぼ比例する面積の電流パルス（電流パルスの時間方向に対する面積は受光したＡＤＰ１０２ａの数、すなわち発生した総電荷量に比例する）を前置増幅器１０３ａに対して出力する。
ＡＰＤ１２０ｂは、可視光が入射されないように（例えば蛍光体１３０の入射側が）金属などで覆われおり、ＡＰＤ１２０ａとは独立して電流パルスを出力するように構成されている。全てのＡＰＤ１２０ｂは、互いに並列接続されている。従って、各ＡＰＤ１２０ｂがそれぞれ出力した電流パルスは、重畳されて１つの電流パルスとなる。つまり、アバランシェフォトダイオードアレイ１２０は、ノイズを発生させたＡＰＤ１２０ｂの数にほぼ比例する面積の電流パルスを前置増幅器１０３ｂに対して出力する。
前置増幅器１０３ｂ、ＡＤＣ１０４ｂ、ゲート発生器１１０ｂ、遅延回路１１１ｂ、加算回路１１２ｂは、入力される値が１光子相当であるとは限らない点を除いて、図１を用いて説明した動作と同じ動作を行う。
変換部１２２は、加算回路１１２ｂが出力した電圧パルスを１光子相当の波高の電圧パルスに変換し、第１除算回路１１４に対して出力する。例えば、変換部１２２は、ＡＰＤ１０２ｂが出力する電流パルスの面積が温度に応じて変動し得る変動幅、及び基準温度における１光子相当の電流パルスの面積などを用いて、加算回路１１２ｂが出力した電圧パルスの光子数（何光子相当であるか）を判定する。そして、変換部１２２は、加算回路１１２ｂが出力した電圧パルスを判定した光子数で除算することにより、１光子相当の波高の電圧パルスを算出する。２以上の第１画素と変換部を有する構成は、単位時間あたりに計測できる１光子相当の波高の電圧パルスの数が、１つの第１画素を有する場合に比べておおくなる。すなわち、１光子相当の波高の電圧パルスの計算精度が良くなる。
（実施例）
次に、放射線検出装置でもある光検出装置１００を有する放射線分析装置について説明する。図８は、光検出装置１００を有する放射線分析装置の構成例を示す構成図である。図９は、図８に示した放射線分析装置における光検出装置１００の位置を模式的に示した模式図である。放射線分析装置は、フォトンカウンティングＣＴを実行可能なＸ線ＣＴ装置である。すなわち、放射線分析装置は、光検出装置１００を備え、フォトンカウンティングによって被検体を透過したＸ線に由来する光子も計数することにより、ＳＮ比の高いＸ線ＣＴ画像データを再構成可能な装置である。
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では、光子のエネルギー値の計測を行なうことにより、Ｘ線のエネルギー成分の情報を得ることができる。フォトンカウンティングＣＴでは、１種類の管電圧でＸ線を照射することで収集されたデータを複数のエネルギー成分に分けて画像化することができる。
図８に示すように、放射線分析装置は、架台装置１０と、寝台装置２０と、コンソール装置３０とを有する。
架台装置１０は、被検体ＰにＸ線を照射し、被検体Ｐを透過したＸ線を計数する装置であり、Ｘ線照射制御部１１と、Ｘ線発生装置１２と、検出器１３（光検出装置１００を含む）と、収集部１４と、回転フレーム１５と、架台駆動部１６とを有する。
回転フレーム１５は、Ｘ線発生装置１２と検出器１３とを被検体Ｐを挟んで対向するように支持し、後述する架台駆動部１６によって被検体Ｐを中心した円軌道にて高速に回転する円環状のフレームである。
Ｘ線発生装置（放射線源）１２は、Ｘ線を発生し、発生したＸ線を被検体Ｐへ照射する装置であり、Ｘ線管１２ａと、ウェッジ１２ｂと、コリメータ１２ｃとを有する。
Ｘ線管１２ａは、後述するＸ線発生装置１２により供給される高電圧により被検体ＰにＸ線ビームを照射する真空管であり、回転フレーム１５の回転にともなって、Ｘ線ビームを被検体Ｐに対して照射する。Ｘ線管１２ａは、ファン角及びコーン角を持って広がるＸ線ビームを発生する。
ウェッジ１２ｂは、Ｘ線管１２ａから曝射されたＸ線のＸ線量を調節するためのＸ線フィルタである。具体的には、ウェッジ１２ｂは、Ｘ線管１２ａから被検体Ｐへ照射されるＸ線が、予め定められた分布になるように、Ｘ線管１２ａから曝射されたＸ線を透過して減衰するフィルタである。
例えば、ウェッジ１２ｂは、所定のターゲット角度や所定の厚みとなるようにアルミニウムを加工したフィルタである。なお、ウェッジは、ウェッジフィルター（wedge filter）や、ボウタイフィルター（bow-tie filter）とも呼ばれる。また、放射線分析装置は、撮影条件に応じて切り替えられる複数種類のウェッジ１２ｂを有する。例えば、後述するＸ線照射制御部１１は、撮影条件に応じてウェッジ１２ｂを切り替える。例えば、Ｘ線発生装置１２は、２種類のウェッジを有する。
コリメータ１２ｃは、後述するＸ線照射制御部１１の制御により、ウェッジ１２ｂによってＸ線量が調節されたＸ線の照射範囲を絞り込むためのスリットである。
Ｘ線照射制御部１１は、高電圧発生部として、Ｘ線管１２ａに高電圧を供給する装置であり、Ｘ線管１２ａは、Ｘ線照射制御部１１から供給される高電圧を用いてＸ線を発生する。Ｘ線照射制御部１１は、Ｘ線管１２ａに供給する管電圧や管電流を調整することで、被検体Ｐに対して照射されるＸ線量を調整する。
また、Ｘ線照射制御部１１は、ウェッジ１２ｂの切り替えを行なう。また、Ｘ線照射制御部１１は、コリメータ１２ｃの開口度を調整することにより、Ｘ線の照射範囲（ファン角やコーン角）を調整する。なお、放射線分析装置は、複数種類のウェッジを、操作者が手動で切り替えるものであってもよい。
架台駆動部１６は、回転フレーム１５を回転駆動させることによって、被検体Ｐを中心とした円軌道上でＸ線発生装置１２と検出器１３とを旋回させる。
検出器１３は、図９に示した位置に光検出装置１００を備え、Ｘ線が入射するごとに、当該Ｘ線のエネルギー値を計測可能な信号を出力する。光検出装置１００は、蛍光体１３０に入射されたＸ線により発生した光子をアバランシェフォトダイオードアレイ１０２が検出する構成となっている。Ｘ線は、例えば、Ｘ線管１２ａから照射され被検体Ｐを透過したＸ線である。放射線分析装置は、演算処理を行なうことで、光検出装置１００が検出した放射線のエネルギー値を計測することができる。
収集部１４（図８）は、検出器１３の出力信号を用いた計数処理の結果である計数情報を収集する。すなわち、収集部１４は、検出器１３から出力される個々の信号を弁別して、計数情報を収集する。計数情報は、Ｘ線管１２ａから照射され被検体Ｐを透過したＸ線が入射するごとに検出器１３が出力した個々の信号から収集される情報である。具体的には、検出器１３に入射したＸ線の計数値とエネルギー値とが対応付けられた情報である。収集部１４は、収集した計数情報を、コンソール装置３０に送信する。
寝台装置２０は、被検体Ｐを載せる装置であり、天板２２と、寝台駆動装置２１とを有する。天板２２は、被検体Ｐが載置される板であり、寝台駆動装置２１は、天板２２をＺ軸方向へ移動して、被検体Ｐを回転フレーム１５内に移動させる。
なお、架台装置１０は、例えば、天板２２を移動させながら回転フレーム１５を回転させて被検体Ｐをらせん状にスキャンするヘリカルスキャンを実行する。または、架台装置１０は、天板２２を移動させた後に被検体Ｐの位置を固定したままで回転フレーム１５を回転させて被検体Ｐを円軌道にてスキャンするコンベンショナルスキャンを実行する。または、架台装置１０は、天板２２の位置を一定間隔で移動させてコンベンショナルスキャンを複数のスキャンエリアで行なうステップアンドシュート方式を実行する。
コンソール装置３０は、操作者による放射線分析装置の操作を受け付けるとともに、架台装置１０によって収集された計数情報を用いてＸ線ＣＴ画像データを再構成する装置である。コンソール装置３０は、入力装置３１と、表示装置３２と、スキャン制御部３３と、前処理部３４と、投影データ記憶部３５と、画像再構成部３６と、画像記憶部３７と、制御部３８とを有する。
入力装置３１は、放射線分析装置の操作者が各種指示や各種設定の入力に用いるマウスやキーボード等を有し、操作者から受け付けた指示や設定の情報を、制御部３８に転送する。例えば、入力装置３１は、操作者から、Ｘ線ＣＴ画像データの撮影条件や、Ｘ線ＣＴ画像データを再構成する際の再構成条件や、Ｘ線ＣＴ画像データに対する画像処理条件等を受け付ける。
表示装置３２は、操作者によって参照されるモニタであり、制御部３８による制御のもと、Ｘ線ＣＴ画像データを操作者に表示したり、入力装置３１を介して操作者から各種指示や各種設定等を受け付けるためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したりする。
スキャン制御部３３は、後述する制御部３８の制御のもと、Ｘ線照射制御部１１、架台駆動部１６、収集部１４及び寝台駆動装置２１の動作を制御することで、架台装置１０における計数情報の収集処理を制御する。
前処理部３４は、収集部１４から送信された計数情報に対して、対数変換処理、オフセット補正、感度補正、ビームハードニング補正等の補正処理を行なうことで、投影データを生成する。
投影データ記憶部３５は、前処理部３４により生成された投影データを記憶する。すなわち、投影データ記憶部３５は、Ｘ線ＣＴ画像データを再構成するための投影データ（補正済み計数情報）を記憶する。なお、以下では、投影データを計数情報として記載する場合がある。
画像再構成部３６は、投影データ記憶部３５が記憶する投影データを用いてＸ線ＣＴ画像データを再構成する。再構成方法としては、種々の方法があり、例えば、逆投影処理が挙げられる。また、逆投影処理としては、例えば、ＦＢＰ（Filtered Back Projection）法による逆投影処理が挙げられる。また、画像再構成部３６は、Ｘ線ＣＴ画像データに対して各種画像処理を行なうことで、画像データを生成する。画像再構成部３６は、再構成したＸ線ＣＴ画像データや、各種画像処理により生成した画像データを画像記憶部３７に格納する。
ここで、フォトンカウンティングＣＴで得られる計数情報から生成された投影データには、被検体Ｐを透過することで減弱されたＸ線のエネルギー情報が含まれている。このため、画像再構成部３６は、例えば、特定のエネルギー成分のＸ線ＣＴ画像データを再構成することができる。また、画像再構成部３６は、例えば、複数のエネルギー成分それぞれのＸ線ＣＴ画像データを再構成することができる。
また、画像再構成部３６は、例えば、各エネルギー成分のＸ線ＣＴ画像データの各画素にエネルギー成分に応じた色調を割り当て、エネルギー成分に応じて色分けされた複数のＸ線ＣＴ画像データを生成することができ、更に、これら複数のＸ線ＣＴ画像データを重畳した画像データを生成することができる。
また、画像再構成部３６は、物質固有のＫ吸収端を利用して、当該物質の同定が可能となる画像データを生成することができる。Ｋ吸収端の前後では、Ｘ線の減弱係数が大きく異なるため、計数値も大きく変化する。例えば、画像再構成部３６は、Ｋ吸収端より小さいエネルギー領域の計数情報を再構成した画像データと、当該Ｋ吸収端より大きいエネルギー領域の計数情報を再構成した画像データとを差分した差分画像データを生成する。例えば、造影剤の主成分のＫ吸収端を用いて生成された差分画像データは、当該造影剤が存在する領域が主に描出された画像となる。また、画像再構成部３６が生成する他の画像データとしては、単色Ｘ線画像データや密度画像データ、実効原子番号画像データ等が挙げられる。
制御部３８は、架台装置１０、寝台装置２０及びコンソール装置３０の動作を制御することによって、放射線分析装置の全体制御を行う。具体的には、制御部３８は、スキャン制御部３３を制御することで、架台装置１０で行なわれるＣＴスキャンを制御する。また、制御部３８は、前処理部３４や、画像再構成部３６を制御することで、コンソール装置３０における画像再構成処理や画像生成処理を制御する。また、制御部３８は、画像記憶部３７が記憶する各種画像データを、表示装置３２に表示するように制御する。
なお、光検出装置１００は、上述したＸ線ＣＴ装置以外にも用いられる。例えば、光検出装置１００は、Ｘ線診断装置、ＰＥＴ（Positron Emission computed Tomography）装置及びＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission Computed Tomography）装置等の核医学イメージング装置、並びにＸ線ＣＴ装置と核医学イメージング装置とを組み合わせた「ＰＥＴ−ＣＴ装置」及び「ＳＰＥＣＴ−ＣＴ装置」等にも用いられる。また、光検出装置１００は、ＰＥＴ装置の受光部として用いられ、ＭＲＩ（磁気共鳴画像装置）が組み合わされた装置を構成してもよい。
また、本発明のいくつかの実施形態を複数の組み合わせによって説明したが、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。これら新規の実施形態は、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ともに、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。
１０ 架台装置
１３ 検出器
２０ 寝台装置
３０ コンソール装置
１００，１００ａ 光検出装置
１０１ａ，１０１ｂ 電源回路
１０２，１２０ アバランシェフォトダイオードアレイ
１０２ａ，１０２ｂ，１２０ａ，１２０ｂ ＡＰＤ
１０３ａ，１０３ｂ 前置増幅器
１０４ａ，１０４ｂ ＡＤＣ
１１０ａ，１１０ｂ ゲート発生器
１１１ａ，１１１ｂ 遅延回路
１１２ａ，１１２ｂ 加算回路
１１３ 第１保持回路
１１４ 第１除算回路
１１５ 第２保持回路
１１６ 第２除算回路
１２２ 変換部

Claims (6)

  1. 放射線が入射されることにより、放射線のエネルギーに応じて光子を発生させる蛍光体と、
    前記蛍光体と接し、前記蛍光体からの光に対して不感な第１アバランシェフォトダイオードを具備し、温度に応じて増倍された第１電気信号を出力する第１画素、及び、前記蛍光体と接し、前記蛍光体からの光に対して有感な第２アバランシェフォトダイオードを具備し、温度に応じて増倍された第２電気信号を出力する複数の第２画素を有するアバランシェフォトダイオードアレイと、
    １つの前記第１画素が出力する前記第１電気信号の値を保持する保持部と、
    前記複数の第２画素のそれぞれが出力する前記第２電気信号の積算値を、前記保持部が保持する前記第１電気信号の値で除算することにより、前記アバランシェフォトダイオードアレイに入射される光の光子数を算出する除算部と、
    を有する光検出装置。
  2. 前記アバランシェフォトダイオードアレイは、
    複数の前記第１画素を有し、
    複数の前記第１画素のそれぞれが出力する、温度に応じて増倍された電気信号の積算値から、１つの前記第１画素が出力する前記第１電気信号の値を得る変換部をさらに有し、
    前記保持部は、
    前記変換部が得た前記第１電気信号の値を保持する
    請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記第１及び第２アバランシェフォトダイオードは、
    ガイガーモードで動作する
    請求項１又は２に記載の光検出装置。
  4. 前記蛍光体が発生させた光子数を算出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置を有する放射線検出装置。
  5. 放射線源と、
    前記放射線源が放射した放射線に起因する光子数を算出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置と、
    を有する放射線分析装置。
  6. 放射線が入射されることにより、放射線のエネルギーに応じて光子を発生させる蛍光体と接し、前記蛍光体からの光に対して不感な第１アバランシェフォトダイオードを具備し、温度に応じて増倍された第１電気信号を出力する第１画素、及び、前記蛍光体と接し、前記蛍光体からの光に対して有感な第２アバランシェフォトダイオードを具備し、温度に応じて増倍された第２電気信号を出力する複数の第２画素を有するアバランシェフォトダイオードアレイに入射される光の光子数を算出する光検出方法であって、
    １つの前記第１画素が出力する前記第１電気信号の値を保持する工程と、
    前記複数の第２画素のそれぞれが出力する前記第２電気信号の積算値を、保持した前記第１電気信号の値で除算する工程と、
    を含む光検出方法。
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