JP7437337B2

JP7437337B2 - 内部状態画像化装置および内部状態画像化方法

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Description

本発明は、放射線によって構造物の内部の状態を可視化するための内部状態画像化装置および内部状態画像化方法に関する。

高い放射線エネルギを必要とせず、鋳物などの検査対象物の表面近傍の有無を、後方散乱放射線を利用して確実に判定することのできる装置の一例として、特許文献１には、放射線発生源からの放射線照射方向前方に、検査対象物を保持して回転を与える回転テーブルを設けるとともに、その回転テーブル上の検査対象物からの後方散乱放射線をコリメータを介して検出する放射線検出器、およびその放射線検出器の出力を用いてＣＴ画像を構築する再構成演算装置を備え、検査対象物を、その検査領域の中心がコリメータの集光点に略一致し、かつ、その検査領域内を回転テーブルの回転軸が通るように当該回転テーブル上に配置した状態で、その回転テーブルを１８０°の角度範囲内で回転させて後方散乱放射線データを収集して断層像の構築に供することで、検査対象物を透過せずにその表面近傍の検査領域に到達する程度のエネルギの放射線を用いて表面近傍の欠陥の有無の検査を行う、ことが記載されている。

また、後方散乱放射線を用いた対象物撮像システムの一例として、特許文献２には以下の技術が記載されている。撮像システムは対象物を照射する放射線源を含み、放射線源は対象物の周りで回転可動である。撮像システムは、対象物からの後方散乱放射線を検出する検出器をも含む。検出器は、光源と検出器が対象物を中心に回転移動可能となるように対象物の実質的に同じ側に配置される。検出器は、各セグメントが対象物を通した射影の単一の視線を有しており、その視線に沿ってだけ放射線を検出するように複数の検出器セグメントに分離され得る。制限された視線は、各検出セグメントが後方散乱放射線の所望の成分を分離可能とする。放射線源と検出器は、異なる回転角度で対象物の複数の画像を収集し、対象物について互いに独立して移動ができる。複数の画像は、対象物の三次元復元を生成するために使用できる。

特開２００８－２３２７６５号公報特開２０１３－１７４５８７号公報

橋梁やトンネル、電力ケーブル、鉄道に代表される社会インフラ機器の老朽化が進んでいる。これらのインフラ機器を維持管理していくためには、検査技術の高度化による自動化、高効率化が求められている。

老朽化により生じる欠陥には、表面に現れるものと内部に生じるものとがあるが、特に、内部に生じる欠陥を早期に発見することが事故を防ぐために重要である。

内部を検査するには、レーダやＸ線、ガンマ線など、対象物を透過する電磁波を用いて対象物の密度情報を取得する方法を用いることが一般的である。例えば、放射線透過試験や、Ｘ線ＣＴ（ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）がある。

しかし、これらの方法は、対象物を線源とセンサとで挟み込んで走査する必要があり、大型構造物や片面にしかアクセスできない対象物に適用することは困難である。

また、放射線透過試験のような複雑な走査を用いないものであっても、透過信号は放射線の照射方向（以下、深さ方向）に沿って積分された信号であるため、対象物に生じる欠陥位置を三次元的に決定することは困難である。

このような課題に対応する方法として、例えば、特許文献１には、放射線発生源と、回転テーブルと、放射線検出器と、放射線検出器と回転テーブル上の検査対象物との間に設けられたコリメータと、再構成演算装置を備えるとともに、検査領域の中心が上記コリメータの集光点に一致し、その回転テーブルを１８０°以内の角度範囲内で回転させ、断層像を構築する方法について記載がある。

また、特許文献２には放射線源とセンサを対象物の同じ側に配置し、放射線を対象物に照射した際に生じる対象物からの後方散乱放射線を検出し、推定値から復元した後方散乱放射と検出した後方散乱放射線の差を最小化するように反復計算することで、対象物の密度分布を復元する方法について記載がある。

特許文献１記載の方法では、放射線源とセンサを対象物の同じ側に配置し、片側からのアクセスを可能としているものの、コリメータによって放射線の経路を限定し、回転させることで画像化している。しかし、後方散乱光子の数の計数率は一般に少ないため、放射線の経路を限定し、一点一点計測すると全体の計測には多くの時間を要する。

また、特許文献２記載の検査方法では、放射線源とセンサを対象物の同じ側に配置し、対象物の三次元的な密度分布を推定することを可能としている。しかし、散乱放射線強度に関する非線形積分方程式を立式し、対象物の密度分布を推定して差を最小化する逆問題の計算は非常に複雑である。散乱放射線が微小信号で、ノイズが大きい環境では誤差の影響が大きく、逆問題を解くことは一般に困難である。

すなわち、コリメータによって放射線の経路を限定したり、逆問題を解いたりすることなく、広範囲に放射線を照射し、一括して検査領域の内部状態を画像化することができれば、より高速かつ効率的に内部検査が可能となることが期待できる。しかしながら、広範囲に放射線を照射すると、放射線が対象物内部で散乱した位置を特定できないため、対応する画素を順問題的に求めることができず、画像化することができない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、放射線散乱計測において、従来に比べて速やかに検査領域の内部状態を画像化できる内部状態画像化装置および内部状態画像化方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、放射線散乱計測による対象物の内部状態を画像化する内部状態画像化装置であって、前記対象物に向けて単色放射線を範囲で放出する放射線源と、前記放射線源から放出された前記単色放射線により生じた散乱光子を異なる位置で検出する検出器と、前記検出器で検出された前記散乱光子の光子エネルギーと強度を計測するエネルギー計測装置と、前記エネルギー計測装置において計測された光子エネルギーと強度から散乱位置と対応する１つ以上の画素を算出して画素値を演算して、演算した前記画素値を複数の検出器の位置分だけカウントアップする画像再構成装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べて速やかに検査領域の内部状態を画像化することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施例に係る内部状態画像化装置の全体構成を示すブロック図である。第１実施例に係る内部画像化方法を説明するための単一検出器の場合の概念図である。第１実施例に係る内部画像化方法を説明するための２個の検出器の場合の概念図である。第１実施例に係る内部画像化方法における第ｉ番目の検出器で得られるエネルギースペクトルの一例である。第１実施例に係る内部画像化方法における画素および画素値の算出方法を示す概念図である。第１実施例に係る第１の内部状態画像化方法を示すフローチャートである。第１実施例に係る第２の内部状態画像化方法を示すフローチャートである。本発明の第２実施例に係る内部状態画像化装置および方法の概念図である。第２実施例に係る内部状態画像化方法を示すフローチャートである。本発明の第３実施例に係る内部状態画像化装置および方法の概念図である。第３実施例に係る内部状態画像化方法を示すフローチャートである。本発明の第４実施例に係る内部状態画像化装置および方法の概念図である。第４実施例に係る内部状態画像化装置および方法の概念図である。第４実施例に係る内部状態画像化方法を示すフローチャートである。

以下に本発明の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法の実施例を、図面を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

＜第１実施例＞
本発明の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法の第１実施例について図１乃至図７を用いて説明する。

最初に、内部状態画像化装置の全体構成について図１を用いて説明する。図１は内部状態画像化装置の全体構成を示している。

図１に示す本実施例の内部状態画像化装置１は、放射線散乱計測による被検体１０２の内部状態を画像化するための装置であり、単色放射線を放出する放射線源１０１と、散乱光子を検出する複数の検出器１０６と、光子エネルギーと強度を計測するエネルギー計測装置１０７と、画像再構成装置１０８と、表示装置１０９と、記録装置１１０と、を備える。

放射線源１０１は、被検体１０２に向けて単色放射線を範囲で放出する放射線源であり、例えば単色のガンマ線源である。なお、単色に限らず、準単色でもよい。更には、特定エネルギーの放射線を放出する元素も放射線源１０１として使用可能である。

なお、ここで、準単色の放射線とは、エネルギースペクトルにおいて単一のピークをもつがその広がり（半値幅）が無視できない放射線を意味し、単色の放射線とは、単一のピークをもち、その広がりが実質的に無視できる放射線を意味するものとする。あるいは、単色の放射線は、準単色の放射線のうち半値幅が特に小さな放射線を意味するものとする。

具体的な種類としては、例えば、放射性同位体であるＣｓ－１３７、Ｚｎ－６５、Ｂｅ－７、Ｃｒ－５１、Ｃｏ－５８、Ｍｎ－５４、Ｈｇ－２０３、Ｓｒ－８５、Ｆ－１８、Ｇａ－６８、Ａｌ－２８、およびＫ－４２がある。また、レーザ逆コンプトン散乱によって生じるガンマ線も単色と見なすことができる。

放射線源１０１から照射されるガンマ線１０４は、被検体１０２に対して広い範囲を照射する。例えば、放射線源１０１が点線源であるとすると、３６０度に放射されるガンマ線１０４のうち、被検体１０２の照射したい範囲に開口したカバーに点線源となる放射線源１０１を入れることが考えられる。この時、コリメータなどの機構を開口部に備えることによって、いわゆるファンビームあるいはコーンビームを形成することで一定の指向性を持たせて、ビーム照射範囲に注目領域を限定することもできる。

放射線源１０１から照射されたガンマ線１０４は被検体１０２の内部でコンプトン散乱によって散乱放射線１０５を生じ、複数の検出器１０６のいずれかで検出される。被検体１０２はコンクリートや金属などのインフラ構造物であり、内部には異物混入，割れ，剥離などの欠陥１０３が生じていることがある。

検出器１０６は、エネルギー分解能を有する複数のガンマ線検出器であり、放射線源１０１から放出された単色放射線により生じた散乱光子を異なる位置で検出するために複数設けられる。それぞれの検出器１０６の放射線源１０１を原点とする相対座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）は既知であるか、相対座標を計測する構成によって計測可能である。複数の検出器１０６の各々は、好適には、被検体１０２の表面に対して、放射線源１０１と同一方向に配置されている。

ガンマ線検出器としては、例えば、Ｇｅ半導体、ＣｄＴｅ半導体、ＣｄＺｎＴｅ半導体、Ｓｉ半導体、Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ構造半導体、ＬａＢｒ_３シンチレータ、ＣｓＢｒ_３シンチレータ、ＬＹＳＯシンチレータ、ＬＳＯシンチレータ、ＧＡＧＧシンチレータ、ＣｓＩシンチレータ、ＮａＩシンチレータ、ＢＧＯシンチレータ、ＧＳＯシンチレータ、ＧＰＳシンチレータ、Ｌａ－ＧＰＳシンチレータ、ＬｕＡＧシンチレータ、およびＳｒＩシンチレータなどのうちいずれか１つ以上を用いることができる。

エネルギー計測装置１０７は複数の検出器１０６で検出された散乱光子の光子エネルギーと強度とを計測するための装置であり、複数の検出器１０６のうち第ｉ番目（ｉは任意の自然数）の検出器１０６ｉで検出したガンマ線光子（散乱光子）の波高値を処理し、光子エネルギーＥｉを算出する。図１に示すように、エネルギー計測装置１０７は、検出器１０６と同数の処理装置群から構成されるものとすることができるが、一つの処理装置とすることができる。

画像再構成装置１０８は、エネルギー計測装置１０７において計測された光子エネルギーと強度から散乱位置と対応する１つ以上の画素を複数の検出器１０６ごとに算出して画素値を演算する装置である。以下、図２乃至図５を用いて、画像再構成装置１０８の動作原理を説明する。

画像再構成装置１０８は、第ｉ番目の検出器の信号をエネルギー計測装置１０７で処理して得られた光子エネルギーＥｉと放射線源１０１の放出エネルギーＥｉｎに基づいて、数式（１）に従って、被検体１０２の内部で生じたコンプトン散乱の散乱角θｉを算出する。

ここで、Ｅ０は約５１１ｋｅＶである。放射線源を原点（０，０，０）とすると、第ｉ番目の検出器１０６ｉの相対座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）と算出した散乱角θｉから求められる散乱点の候補（ｘ，ｙ，ｚ）は無数に存在し、一点に絞ることができない。

しかし、そのような散乱点の候補（ｘ，ｙ，ｚ）の集合は、図２に示すような図形になる。図２では、放射線源１０１から放射されるガンマ線１０４の照射範囲を扇形のファンビームで表しており、このファンビームを含む平面と紙面とが一致するような座標で上記の位置関係を示したものである。ただし、これは本発明を分かりやすく説明するためのものであり、本発明の構成はこれによって限定されるものではない。当然、コーンビーム照射などのより広範囲の照射方法でも同様の方法を適用することが可能である。

図２において、まず、放射線源１０１の座標（０，０，０）と検出器１０６ｉの座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）、真の散乱点２０２の座標（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）を通る円を考える。

次に、放射線源１０１の座標（０，０，０）と検出器１０６ｉの座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）を結ぶ直線を軸に、この円を回転させたときの真の散乱点２０２の座標（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）を含む側の回転面（このような点の集合は等エネルギー面２０３を形成する）とガンマ線１０４の照射範囲２０１の交わる点が散乱点の候補（ｘ，ｙ，ｚ）の集合２０４である。真の散乱点２０２の座標（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）が未知であっても、円周角の定理から、散乱角θｉであるような散乱点の候補（ｘ，ｙ，ｚ）の集合２０４を求めることができる。

画像再構成装置１０８は、実空間に対応する領域を適当なサイズで分割した画素（ボクセルまたはピクセル）を有する３次元（または２次元）画像を保有している。第ｉ番目の検出器で光子を検出するごとに、以上のようにして散乱点の候補（ｘ，ｙ，ｚ）を求め、それらの点を含むすべての画素の画素値をカウントアップする。

上記のように、画像再構成装置１０８は、複数ある散乱点の候補点（ｘ，ｙ，ｚ）を含むすべての画素の画素値をカウントアップするため、１個の検出器１０６のカウント結果からでは、内部状態を反映した画像にはならない。

図３は、検出器２個（１０６、１０６’）を用いた場合を示している。

図３に示すように、複数の検出器１０６を用いることで検出器１０６の数だけ等エネルギー面２０３，２０３’、すなわち集合２０４，２０４’が得られるが、真の散乱点２０２の座標（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）は検出器１０６の数、すなわち集合２０４，２０４’の数だけ画素値が積算される。これに対し、集合２０４，２０４’のうち、真の散乱点２０２以外の候補点では、１個分の検出器１０６、または検出器１０６’だけしか画素値が積算されない。

したがって、検出器１０６の数が増えれば増えるほど真の散乱点２０２の座標（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）を含む画素強調されていくのに対し、候補点を含む画素値は１つの検出器１０６の加算しかないため、最終的に小さなノイズ（一般にアーチファクトと呼ばれる）として処理できるようになる。

図４は、第ｉ番目の検出器１０６ｉで得られるエネルギースペクトル４０１の一例である。図４において、エネルギーＥを指定すると、そのエネルギーを持って検出器１０６で検出された光子数Ｃｉ（Ｅ）が得られる。Ｎ個の検出器１０６を用いるとこのようなエネルギースペクトルがＮセット得られる。

図５は、エネルギースペクトル４０１から画像化領域５０１における画素５０２および画素値Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）の算出方法を示す概念図である。画素値は以下の数式（２）に従って計算できる。

ここで、（ｘ，ｙ，ｚ）は画素５０２の座標であり、画素５０２に対応する第ｉ番目の検出器１０６ｉで検出した光子エネルギーＥｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の数式（３）に従って計算できる。

Ｅ０は前述の通り、約５１１ｋｅＶである。さらに、ｃｏｓθｉは以下の数式（４）に従って計算できる。

ここで、エネルギースペクトルＣｉ（Ｅ）は被検体１０２の内部状態を反映したコンプトン散乱のみではなく、周囲からの入射光子がバックグラウンド信号として含まれていることがある。このようなバックグラウンドを除去するために、被検体１０２を置かずに計測し、得られたエネルギースペクトルを用いて算出した画素値を、被検体１０２を置いて得られたエネルギースペクトルから差し引くこともできる。

以上のようにして、画素値を計算することができる。

図１に戻り、表示装置１０９は、画像再構成装置１０８において算出された画素値を表示するディスプレイなどの表示機器である。表示方法についてはディスプレイに三次元表示させるようにしてもよいし、メモリあるいはハードディスクといったコンピュータの記録装置１１０にデータとして記録する形態とすることができる。

次に、上述した本実施例における内部状態画像化装置１により好適に実行される、本実施例に係る放射線散乱計測による被検体１０２の内部状態を画像化する方法について図６および図７を参照して説明する。図６は第１の内部状態画像化方法を示すフローチャート、図７は第２の内部状態画像化方法を示すフローチャートである。

まず、放射線源１０１および複数の検出器１０６を被検体１０２の測定用のポイントに配置する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１が、放射線源１０１および検出器１０６を測定ポイントに配置するステップに相当する。この際、好適には複数の検出器１０６の各々を、被検体１０２の表面に対して、放射線源１０１と同一方向に配置する。

次に、放射線源１０１および複数の検出器１０６の各々の位置を記録する（ステップＳ１２）。このステップＳ１２が、放射線源１０１および検出器１０６の配置位置を記録するステップに相当する。

その後、放射線源１０１からガンマ線１０４を被検体１０２の広範囲に対して照射する。そして、このガンマ線１０４の照射により被検体１０２の内部で生じた散乱光子を複数の検出器１０６の各々で検出するとともに、検出値からエネルギー計測装置１０７によりエネルギースペクトルを記録する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３が、放射線源１０１から放射線を照射し、被検体１０２の内部で生じた散乱光子を検出器１０６で検出するステップ、および検出器１０６で検出された放射線のエネルギースペクトルを記録するステップに相当する。

次に、画像再構成装置１０８において、先に記録したエネルギースペクトルから、実空間の照射領域に対応する画素を１つ選定する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４が、放射線照射領域に対応する画素を選定するステップに相当する。

その後は、数式（２）～数式（４）に従って、ステップＳ１４で選定した画素の画素値を計算する（ステップＳ１５）。このステップＳ１５が、放射線源１０１、検出器１０６、および画素の位置関係から対応するエネルギーを算出するステップ、および算出されたエネルギーと記録されたエネルギースペクトルから画素に加算する画素値を算出するステップに相当する。

次いで、全画素の画素値の演算が終了しているかを判定する（ステップＳ１６）。まだ画素が残っていると判定されたときはステップＳ１４に処理を戻して、別の画素を選定して再度演算を実施する。

これに対し、すべての画素の画素値の演算が完了していると判定されたときは処理をステップＳ１７に進め、演算結果を表示装置１０９にて表示する（ステップＳ１７）とともに、記録装置１１０に記録して処理を完了する。このステップＳ１７が、画素値を表示するステップに相当する。

以上、エネルギースペクトルを計測した後に、画像再構成を実施する場合の手順を述べた。

この図６に示す手順とは別に、光子を検出するたびに対応する画素を算出し、画素値を算出することで、リアルタイムに演算結果を表示することが可能である。以下その手順について図７を用いて説明する。

まず、放射線源１０１と検出器１０６を測定ポイントに配置するとともに、画素値を０に初期化する（ステップＳ２１）。このステップＳ２１の一部が、放射線源１０１および検出器１０６を測定ポイントに配置するステップに相当する。

次に、ステップＳ２１で配置した放射線源１０１および複数の検出器１０６の各々の位置を記録する（ステップＳ２２）。このステップＳ２２が、放射線源１０１および検出器１０６の配置位置を記録するステップに相当する。

その後、放射線源１０１からガンマ線１０４を被検体１０２の広範囲に照射し、検出器１０６で光子１個を検出するが、その検出したタイミングで、エネルギー計測装置１０７でその光子のエネルギーを記録する（ステップＳ２３）。このステップＳ２３が、放射線源１０１から放射線を照射し、被検体１０２の内部で生じた散乱光子を検出器１０６で検出するステップ、および検出器１０６で検出された放射線のエネルギーを記録するステップに相当する。

次に、放射線源１０１および検出器１０６の位置、ならびにエネルギーから、数式（１）に従い、散乱角θｉを算出するとともに、図１乃至図３を用いて説明した散乱点の候補点（ｘ，ｙ，ｚ）の集合、すなわち等エネルギー面２０３とガンマ線１０４の照射範囲との交点を求める。そして、そのような候補点（ｘ，ｙ，ｚ）を含む複数の画素を選定する（ステップＳ２４）。このステップＳ２４が、放射線源１０１および検出器１０６の位置、ならびにエネルギーから散乱角を算出するステップ、および散乱角が同一となる画素を選定するステップに相当する。

次いで、ステップＳ２４で選定した複数の画素に対して画素値をカウントアップ（＋１）する（ステップＳ２５）。このステップＳ２５が、画素に検出数を加算するステップ相当する。

次いで、現在の計数値が目的の内部状態画像化精度に対して十分な統計量となったか否かを判定する（ステップＳ２６）。まだ統計量が十分でないと判定されたときは処理をステップＳ２３に戻して、再び散乱光子を検出し、再度画素の選定及び画素値の演算を実施する。

これに対し、ステップＳ２６にて十分な統計量が得られたと判定されたときは計測を終了して処理をステップＳ２７に進め、演算結果を表示装置１０９にて表示する（ステップＳ２７）とともに、記録装置１１０に記録して処理を完了する。このステップＳ２７が、検出数が加算された画素を表示するステップに相当する。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本発明の第１実施例の内部状態画像化装置１は、被検体１０２に向けて単色放射線を範囲で放出する放射線源１０１と、放射線源１０１から放出された単色放射線により生じた散乱光子を異なる位置で検出する検出器１０６と、検出器１０６で検出された散乱光子の光子エネルギーと強度を計測するエネルギー計測装置１０７と、エネルギー計測装置１０７において計測された光子エネルギーと強度から散乱位置と対応する１つ以上の画素を算出して画素値を演算する画像再構成装置１０８と、を備える。

これによって、被検体１０２内の内部領域に広範囲に放射線を照射し、一括して検査領域の内部状態を画像化することが可能となる。従って、複雑な処理を行うことなく、かつ全体の計測に要する時間が長くなることを避けることができる。

また、放射線散乱計測による被検体１０２の内部状態を画像化する方法では、放射線源１０１および検出器１０６を測定ポイントに配置するステップと、放射線源１０１および検出器１０６の配置位置を記録するステップと、放射線源１０１から放射線を照射し、被検体１０２の内部で生じた散乱光子を検出器１０６で検出するステップと、検出器１０６で検出された放射線のエネルギースペクトルを記録するステップと、放射線照射領域に対応する画素を選定するステップと、放射線源１０１、検出器１０６、および画素の位置関係から対応するエネルギーを算出するステップと、算出されたエネルギーと記録されたエネルギースペクトルから画素に加算する画素値を算出するステップと、を有することによって、上述の内部状態画像化装置１によって得られる効果と同じ効果が得られる。

更に、放射線散乱計測による被検体１０２の内部状態を画像化する方法であって、放射線源１０１および検出器１０６を測定ポイントに配置するステップと、放射線源１０１および検出器１０６の配置位置を記録するステップと、放射線源１０１から放射線を照射し、被検体１０２の内部で生じた散乱光子を検出器１０６で検出するステップと、検出器１０６で検出された放射線のエネルギーを記録するステップと、放射線源１０１および検出器１０６の位置、ならびにエネルギーから散乱角を算出するステップと、散乱角が同一となる画素を選定するステップと、画素に検出数を加算するステップと、検出数が加算された画素を表示するステップと、を有することによっても、上述の内部状態画像化装置１によって得られる効果と同じ効果が得られる。また、本方法では、リアルタイムで画素値が得られる、との効果が得られる。

また、複数の検出器１０６は、被検体１０２の表面に対して放射線源１０１と同一方向に配置されるため、簡易に検出器１０６を複数配置することができるとともに、検出結果の演算処理に要する時間をより短くすることができる。

更に、画像再構成装置１０８において算出された画素値を表示する表示装置１０９を更に備えることで、得られた結果を容易に把握することができる。

＜第２実施例＞
本発明の第２実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法について図８および図９を用いて説明する。図８は第２実施例に係る内部状態画像化装置および方法の概念図、図９は内部状態画像化方法を示すフローチャートである。

第２実施例の内部状態画像化装置では、検出器として一般的にコンプトンカメラ８０１と呼ばれている検出器を用いる。図８に示すように、コンプトンカメラ８０１では、散乱光子を検出すると光子エネルギーを測定するとともに、光子の入射方向の候補をコンプトンカメラ８０１を頂点とする円錐８０２の側面に限定することができる。

この円錐８０２の頂角はコンプトンカメラ８０１により算出可能であり、形成される円錐８０２は、一般にコンプトンコーンと呼ばれる。この原理を用いて、第１実施例で説明した演算処理と同様の処理により、散乱光子エネルギーとコンプトンカメラ８０１の位置から算出した散乱点の候補（ｘ，ｙ，ｚ）となる集合である等エネルギー面２０３とガンマ線１０４の照射範囲２０１とコンプトンコーン８０２との交点８０３，８０４を算出することで、さらに候補点の画素を絞ることができる。

なお、１つのコンプトンカメラ８０１により求められる散乱点の候補（ｘ，ｙ，ｚ）は複数存在し、一点に絞ることはできないことは第１実施例と同様であり、コンプトンカメラ８０１を複数設ける。

なお、用いる検出器はすべてコンプトンカメラ８０１である必要は無く、コンプトンカメラ８０１と混ぜて複数のうち一つ以上を第１実施例と同様にガンマ線検出器等を用いることができる。

次いで、本実施例の内部状態画像化方法について図９を用いて説明する。

図９に示す本実施例の処理では、図７で説明した内部状態画像化の各ステップのうち、ステップＳ２４に換わってステップＳ３１およびステップＳ３２が実行される。

図９に示すように、ステップＳ２３の後、コンプトンコーン８０２を算出する（ステップＳ３１）。続いて、等エネルギー面２０３と照射範囲とコンプトンコーン８０２の交点に対応する候補画素を選定する（ステップＳ３２）。

また、ステップＳ２５では、第１実施例と同様に、ステップＳ２４で選定した複数の画素に対して画素値をカウントアップ（＋１）する。

その他の構成・動作は前述した第１実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の第２実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法においても、前述した第１実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法とほぼ同様な効果が得られる。

また、検出器１０６として、コンプトンカメラ８０１を利用し、画素を選定するステップにおいて、コンプトンコーン８０２を算出し、コンプトンコーン８０２と同一の散乱角となる画素の交点を候補画素として選定することにより、光子の入射方向の候補を限定できるため、演算負荷を軽減することができる。従って、より速やかに画素値を得ることができるとともに、装置構成を簡略化することができる。

＜第３実施例＞
本発明の第３実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法について図１０および図１１を用いて説明する。図１０は第３実施例に係る内部状態画像化装置および方法の概念図、図１１は内部状態画像化方法を示すフローチャートである。

第３実施例の内部状態画像化装置では、第１実施例の内部状態画像化装置１とは異なり、検出器１０６を１つとするとともに、放射線源１０１と検出器１０６との相対位置を可変として、その相対位置関係１００２が時々刻々変化するようにしたものである。そのため、検出器１０６が光子を検出したタイミングにおける放射線源１０１に対する検出器１０６の相対座標を計測する位置計測部１００１を更に設けている。

本実施例では、検出器１０６の位置が変化しているため、異なる測定位置で散乱光子の検出データが複数得られることから、単一の検出器１０６のみで内部状態の画像を再構成することができる。当然、検出器１０６を複数で構成することも可能であり、その場合はより速やかに画素値が得られる。

次いで、本実施例の内部状態画像化方法について図１１を用いて説明する。

図１１に示す本実施例の処理では、図７で説明した内部状態画像化の各ステップのうち、ステップＳ２２に換わってステップＳ４１が実行される。

図１１に示すように、ステップＳ２１の後、位置が可変の検出器１０６で光子を検出したタイミングにおける放射線源１０１に対する検出器１０６の相対位置を計測して記録する（ステップＳ４１）。

以後のステップＳ２３～Ｓ２７は第１実施例と同様であるが、ステップＳ２４では、計測した放射線源１０１と検出器１０６との相対位置を用いて候補画素を選定する。また、ステップＳ２６で十分な統計量が得られていないと判定されたときは、ステップＳ４１まで戻って再び散乱光子を検出し、検出器１０６の放射線源１０１に対する相対位置を計測、画素の選定及び画素値の演算を実施する。ステップＳ２６にて十分な統計量が得られていると判定されれば計測を終了し、ステップＳ２８にて演算結果を表示装置１０９に表示し、記録装置１１０に記録する。

本発明の第３実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法においても、前述した第１実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法とほぼ同様な効果が得られる。

また、放射線源１０１と検出器１０６との相対位置を可変とし、放射線源１０１と検出器１０６の位置を記録するステップでは、放射線源１０１に対する検出器１０６の相対位置を計測し、画素を選定するステップでは、計測した放射線源１０１と検出器１０６との相対位置を用いて候補画素を選定することにより、検出器１０６を複数設ける必要がなくなる、との効果が得られる。

なお、本実施例における検出器１０６は、第２実施例のようにコンプトンカメラ８０１を用いることができる。

＜第４実施例＞
本発明の第４実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法について図１２乃至図１４を用いて説明する。図１２および図１３は第４実施例に係る内部状態画像化装置および方法の概念図、図１４は内部状態画像化方法を示すフローチャートである。

第４実施例の内部状態画像化装置では、第１実施例の内部状態画像化装置１のうち、図１１に示すように、エネルギー計測装置１０７Ｃは、放射線検出時間を計測し、既定の時間幅の中で検出した放射線が同時か否かを判定する同時検出判定部１２０１を有する。

また、画像再構成装置１０８Ｃは、図１１に示すように、同時に検出器１０６に到達したと判定された放射線を検出した検出器１０６の位置（すなわち、検出器１０６に到達した放射線の位置といえる）と光子エネルギーから画素と画素値を演算する計算部１２０２を有する。

図１２は、第ｉ番目の検出器１０６ｉと第ｊ番目の検出器１０６ｊとで非同時に散乱光子を検出した場合の画素値の算出方法を示している。図１２に示すように、非同時に散乱光子を検出した場合は第１実施例で示した方法で候補画素を算出する。

図１３は、図１２と同じ検出器１０６の位置関係において、第ｉ番目の検出器１０６ｉと第ｊ番目の検出器１０６ｊとで同時に散乱光子を検出した場合の画素値の算出方法を示している。このように、同時に散乱光子を検出した場合は、片方の検出器１０６ｉ、もしくは検出器１０６ｊの内部でコンプトン散乱が生じ、もう一方の検出器１０６ｊ、もしくは検出器１０６ｉでその散乱光子を検出したものと考えることができる。

第ｉ番目の検出器１０６ｉでコンプトン散乱が生じ、第ｊ番目の検出器１０６ｊでその散乱光子を検出したとすると、第２実施例と同様に、コンプトンコーン８０２を以下のように描くことができる。コンプトンコーン８０２は第ｉ番目の検出器１０６ｉと第ｊ番目の検出器１０６ｊの座標を結んだ直線を中心軸とし、半頂角θｃは次の数式（５）に従って計算される。

ここで、Ｅｉは被検体１０２の内部で散乱した光子が第ｉ番目の検出器１０６ｉに付与したエネルギー、Ｅｊは第ｉ番目の検出器１０６ｉでコンプトン散乱した散乱光子が第ｊ番目の検出器１０６ｊに付与したエネルギーであり、Ｅ０は５１１ｋｅＶである。

等エネルギー面２０３は、放射線源１０１の位置に対する第ｉ番目の検出器１０６ｉの相対座標と、数式（１）においてＥｉをＥｉ＋Ｅｊに置き換えたものから算出した散乱角を用いて描画することができる。

図１２で示した非同時事象と、図１３で示した同時事象は互いに背反であるため、それぞれの事象を用いた内部状態の画像化が可能である。最終的な画像の表示においては、それらを独立に表示することも可能であるし、画素値を重み付き加算することによりアーチファクトを小さくしつつ、検出事象を有効に利用して短時間に画像化が可能となる。

次いで、本実施例の内部状態画像化方法について図１４を用いて説明する。

図１４に示すように、図７で説明した内部状態画像化の処理におけるステップＳ２３で光子エネルギーを記録した後、同時検知かどうかを判定する（ステップＳ５１）。このステップＳ５１が、放射線の検出時間を計測し、既定の時間幅の中で検出した放射線が同時か否かを判定するステップに相当する。

ステップＳ５１において同時でないと判定されたときは、ステップＳ２４に進め、第１実施例と同様に等エネルギー面２０３と放射線の照射範囲との交点を候補画素として選定する（ステップＳ２４）。その後、非同時事象に対する画素値の重みを設定（ステップＳ５２）し、これらの重み付きで選定した画素の画素値をカウントアップ（＋重み）する（ステップＳ５４）。その後、現在の計数値が目的の内部状態画像化精度に対して十分な統計量となったか否かを判定する（ステップＳ２６）。

これに対し、ステップＳ５１にて同時と判定された場合は、コンプトンコーン８０２を算出する（ステップＳ３１）。続いて、等エネルギー面２０３と照射範囲とコンプトンコーン８０２との交点を候補画素をとして選定する（ステップＳ３２）。

その後、同時事象に対する画素値の重みを設定（ステップＳ５３）したうえで、これらの重み付きで選定した画素の画素値をカウントアップ（＋重み）する（ステップＳ５４）。その後、現在の計数値が目的の内部状態画像化精度に対して十分な統計量となったか否かを判定する（ステップＳ２６）。

上述のステップＳ５２、あるいはステップＳ５３において選定する重みは、何らかの入力部を用いてあらかじめ与えておくことができる。

なお、リアルタイムに画素値をカウントアップする方法に変えて、非同時事象と同時事象で独立に画像化した後に、重みを変化させてそれぞれの画像を重み付きで加算して表示することができる。この場合、重み付きで加算して表示することができる。

本発明の第４実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法においても、前述した第１実施例の内部状態画像化装置および内部状態画像化方法とほぼ同様な効果が得られる。

また、放射線の検出時間を計測し、既定の時間幅の中で検出した放射線が同時か否かを判定するステップを更に有し、画素を選定するステップでは、同時と判定されなかった場合は、放射線源１０１の位置、検出器１０６の位置、およびエネルギーから散乱角を算出し、同一散乱角となる画素を選定し、同時と判定された場合には、コンプトンコーン８０２を算出するとともにコンプトンコーン８０２と同一散乱角となる画素の交点を候補画素として選定することにより、それぞれの事象を用いた内部状態の可視化を図れ、被検体１０２の内部をより正確に写した精度の高い画素値を得ることができる。

更に、同時と判定されない場合と同時と判定される場合のそれぞれ重みを設定し、選定した画素の画素値を重み付きで加算することで、アーチファクトを小さくしつつ、検出事象を有効に利用して短時間に画像化が可能となる。

また、同時と判定されない場合と同時と判定される場合のそれぞれの内部状態画像を保有し、内部状態画像を演算して合成することにより、より精度の高い画素値が得られるようになる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１…内部状態画像化装置
１０１…放射線源
１０２…被検体（対象物）
１０３…欠陥
１０４…ガンマ線
１０５…散乱放射線
１０６，１０６’，１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ，１０６ｅ，１０６ｆ，１０６ｉ，１０６ｊ…検出器
１０７，１０７Ｃ…エネルギー計測装置
１０８，１０８Ｃ…画像再構成装置
１０９…表示装置
１１０…記録装置
２０１…照射範囲
２０２…真の散乱点
２０３，２０３’…等エネルギー面
２０４，２０４’…選定する画素の候補点の集合
４０１…エネルギースペクトル
５０１…画像化領域
５０２…画素
８０１…コンプトンカメラ
８０２…円錐，コンプトンコーン
８０３，８０４…コンプトンコーンと等エネルギー面の交点
１００１…位置計測部（位置センサ）
１００２…相対位置関係
１２０１…同時検出判定部（同時計数部）
１２０２…計算部

Claims

放射線散乱計測による対象物の内部状態を画像化する内部状態画像化装置であって、
前記対象物に向けて単色放射線を範囲で放出する放射線源と、
前記放射線源から放出された前記単色放射線により生じた散乱光子を異なる位置で検出する検出器と、
前記検出器で検出された前記散乱光子の光子エネルギーと強度を計測するエネルギー計測装置と、
前記エネルギー計測装置において計測された光子エネルギーと強度から散乱位置と対応する１つ以上の画素を算出して画素値を演算して、演算した前記画素値を複数の検出器の位置分カウントアップする画像再構成装置と、を備える
ことを特徴とする内部状態画像化装置。
請求項１に記載の内部状態画像化装置において、
前記検出器は、前記対象物の表面に対して前記放射線源と同一方向に配置される
ことを特徴とする内部状態画像化装置。
請求項１に記載の内部状態画像化装置において、
前記検出器として、コンプトンカメラを利用する
ことを特徴とする内部状態画像化装置。
請求項１に記載の内部状態画像化装置において、
前記検出器は、前記放射線源に対する相対位置が可変であり、
前記放射線源に対する前記検出器の相対位置を計測する位置センサを更に有する
ことを特徴とする内部状態画像化装置。
請求項１に記載の内部状態画像化装置において、
前記エネルギー計測装置は、放射線検出時間を計測し、既定の時間幅の中で検出した放射線が同時か否かを判定する同時計数部を有しており、
前記画像再構成装置は、同時に前記検出器に到達した放射線の位置とエネルギーから画素と画素値を演算する計算部を有している
ことを特徴とする内部状態画像化装置。
請求項１に記載の内部状態画像化装置において、
前記画像再構成装置において算出された前記画素値を表示する表示装置を更に備える
ことを特徴とする内部状態画像化装置。
放射線散乱計測による対象物の内部状態を画像化する方法であって、
放射線源および検出器を測定ポイントに配置するステップと、
前記放射線源および前記検出器の配置位置を記録するステップと、
前記放射線源から放射線を照射し、前記対象物の内部で生じた散乱光子を前記検出器で検出するステップと、
前記検出器で検出された放射線のエネルギースペクトルを記録するステップと、
放射線照射領域に対応する画素を選定するステップと、
前記放射線源、前記検出器、および画素の位置関係から対応するエネルギーを算出するステップと、
算出された前記エネルギーと記録された前記エネルギースペクトルから前記画素に加算する画素値を算出するステップと、を有し、
上記の各ステップを異なる位置あるいはタイミングで複数回実行し、
得られた、配置位置を変えた際の、それぞれの配置位置で取得される画素値を加算するステップを更に有する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。
放射線散乱計測による対象物の内部状態を画像化する方法であって、
放射線源および検出器を測定ポイントに配置するステップと、
前記放射線源および前記検出器の配置位置を記録するステップと、
前記放射線源から放射線を照射し、前記対象物の内部で生じた散乱光子を前記検出器で検出するステップと、
前記検出器で検出された放射線のエネルギーを記録するステップと、
前記放射線源および前記検出器の位置、ならびに前記エネルギーから散乱角を算出するステップと、
前記散乱角が同一となる画素を選定するステップと、
前記画素に検出数を加算するステップと、
前記検出数が加算された前記画素を表示するステップと、を有し、
上記の各ステップを異なる位置あるいはタイミングで複数回実行する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。
請求項８に記載の内部状態画像化方法において、
前記検出器として、コンプトンカメラを利用し、
前記画素を選定するステップにおいて、コンプトンコーンを算出し、コンプトンコーンと同一の散乱角となる画素の交点を候補画素として選定する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。
請求項７または８に記載の内部状態画像化方法において、
前記放射線源と前記検出器との相対位置を可変とし、
前記放射線源および前記検出器の位置を記録するステップでは、前記放射線源に対する前記検出器の相対位置を計測し、
前記画素を選定するステップでは、前記計測した前記放射線源と前記検出器との相対位置を用いて候補画素を選定する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。
請求項８に記載の内部状態画像化方法において、
前記放射線の検出時間を計測し、既定の時間幅の中で検出した前記放射線が同時か否かを判定するステップを更に有し、
前記画素を選定するステップでは、
同時と判定されなかった場合は、前記放射線源の位置、前記検出器の位置、および前記エネルギーから前記散乱角を算出し、同一の散乱角となる画素を選定し、
同時と判定された場合には、コンプトンコーンを算出するとともに前記コンプトンコーンと同一の散乱角となる画素の交点を候補画素として選定する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。
請求項１１に記載の内部状態画像化方法において、
同時と判定されない場合と同時と判定される場合のそれぞれ重みを設定し、選定した前記画素の画素値を重み付きで加算する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。
請求項１１に記載の内部状態画像化方法において、
同時と判定されない場合と同時と判定される場合のそれぞれの内部状態画像を保有し、内部状態画像を演算して合成する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。
請求項７に記載の内部状態画像化方法において、
前記画素値を表示するステップを更に有する
ことを特徴とする内部状態画像化方法。