X線検出器

X 線発生器と画像検出器を使用した投影放射線画像の取得。

X 線検出器は、 X 線の束、空間分布、スペクトル、およびその他の特性を測定するために使用される装置です。

検出器は、主に 2 つのカテゴリに分類できます。イメージング検出器 (写真乾板や X 線フィルム (写真フィルム) など。現在では主に、イメージングプレートやフラットパネル検出器などのさまざまなデジタル化デバイスに置き換えられています) と線量測定装置 (電離箱、ガイガー カウンター、線量計など。これらは、たとえば、放射線防護の機器や手順が継続的に有効であること を確認するために、局所的な放射線被曝、線量、線量率を測定するために使用されます) です。

X線画像

上部食道に刺さった魚骨。右の画像は造影剤なし、左の画像は造影剤を飲み込んだ状態。

どのようなタイプの画像検出器でも画像を取得するには、患者のX線撮影部位をX線源と受像器の間に置いて、その部位の内部構造の影を作り出します。X線は骨などの密度の高い組織によって部分的に遮断（「減衰」）され、軟部組織はより容易に透過します。X線が照射された部位は現像によって暗くなり、骨は周囲の軟部組織よりも明るく見えます。

バリウムやヨウ素を含む造影剤は放射線不透過性で、消化管（バリウム）に摂取するか、動脈や静脈に注射してこれらの血管を明瞭に映し出すことができる。造影剤には原子番号の高い元素が含まれており、骨のように基本的にX線を遮るため、かつては中空だった臓器や血管がより容易に見えるようになる。毒性のない造影剤を追求する中で、多くの種類の原子番号の高い元素が評価された。選ばれた元素の中には有害であることが判明したものがある。例えば、トリウムはかつて造影剤として使用されていたが（トロトラスト）、これは毒性があり、使用から数十年後に非常に高い癌発生率を引き起こした。現代の造影剤は改良されており、誰が造影剤に過敏症を示すかを判断する方法はないが、重篤なアレルギー反応の発生率は低い。[ 1 ]

X線フィルム

機構

典型的なX線フィルムには、ハロゲン化銀結晶の「粒子」が含まれており、通常は主に臭化銀です。[ 2 ]粒子のサイズと組成を調整することで、例えば現像画像の解像度を向上させるなど、フィルムの特性に影響を与えることができます。 [ 3 ]フィルムが放射線にさらされると、ハロゲン化物はイオン化し、自由電子が結晶欠陥に捕捉されます（潜像を形成）。銀イオンはこれらの欠陥に引き寄せられて還元され、透明な銀原子のクラスターを形成します。[ 4 ]現像工程では、これらの銀原子は不透明な銀原子に変換され、目に見える画像を形成します。最も多くの放射線が検出された部分が最も暗くなります。その後の現像工程では、感光粒子を安定化させ、感光されていない粒子を除去して、さらなる露光（例えば可視光による露光）を防ぎます。 [ 5 ] : 159 [ 6 ]

交換

デジタル X 線はフィルム X 線と同等に職業性肺疾患の特定に効果的であることを示す研究について議論するビデオ。

最初のレントゲン写真（X線画像）は、感光性ガラス乾板にX線を当てることで作成されました。その後すぐにガラス乾板はX線フィルムに置き換えられ、フィルムは数十年にわたって医療用および産業用の画像の撮影（および表示）に使用されてきました。[ 7 ]デジタルコンピュータは徐々に、デジタル画像化を可能にするのに十分なデータを保存・表示できるようになりました。1990年代以降、医療および歯科用アプリケーションでは、コンピュータ化されたレントゲン撮影とデジタルレントゲン撮影が写真フィルムに取って代わりましたが、フィルム技術は産業用のレントゲン撮影プロセス（溶接継ぎ目の検査など）では依然として広く使用されています。かつてレントゲン撮影および写真産業に不可欠であった金属銀は再生不可能な資源ですが、使用済みのX線フィルムから銀を簡単に回収できます。[ 8 ] X線フィルムには湿式現像処理設備が必要でしたが、新しいデジタル技術では必要ありません。画像をデジタルアーカイブすることで、物理的な保管スペースも節約できます。[ 9 ]

光刺激性蛍光体

光刺激性蛍光体プレート

リン光板撮影法[ 10 ]は、光刺激ルミネッセンス（PSL）を用いてX線を記録する方法であり、 1980年代に富士写真フィルム社が初めて開発した。 [ 11 ]写真乾板の代わりに光刺激性リン光板（PSP）が使用される。この乾板にX線を照射すると、リン光体中の励起電子は、乾板表面を通過するレーザー光によって刺激されるまで、結晶格子内の「色中心」に「捕捉」されたままとなる。 [ 12 ]レーザー刺激中に放出された光は光電子増倍管によって集められ、得られた信号はコンピュータ技術によってデジタル画像に変換される。PSP乾板は再利用することができ、既存のX線装置を改造することなく使用することができる。この技術はコンピューテッドラジオグラフィー（CR）とも呼ばれる。[ 13 ]

画像増強装置

胆嚢摘出術中に撮影されたレントゲン写真

X線は、血管造影検査や、透視法を用いた管腔臓器の造影検査（例：小腸または大腸のバリウム注腸検査）といった「リアルタイム」検査にも用いられます。動脈系への医療介入である血管形成術では、治療可能な病変を特定するために、X線感受性造影剤に大きく依存しています。

半導体検出器

固体検出器は半導体を用いてX線を検出します。直接デジタル検出器は、X線光子を直接電荷に変換し、デジタル画像を生成することから、このように呼ばれています。間接型システムには、例えば最初にX線光子を可視光に変換し、次に電子信号に変換するといった中間ステップが含まれる場合があります。どちらのシステムも、通常、薄膜トランジスタを用いて電子信号を読み出し、デジタル画像に変換します。フィルムやCRとは異なり、デジタル画像を得るために手動によるスキャンや現像工程は不要であるため、この意味ではどちらのシステムも「直接型」です。[ 14 ]どちらのタイプのシステムも、CRよりも量子効率がかなり高いです。 [ 14 ]

直接検出器

1970年代以降、リチウムをドープしたシリコンまたはゲルマニウム（Si(Li) またはGe(Li)）半導体検出器が開発されました。[ 15 ] X線光子は半導体内で電子正孔対に変換され、収集されてX線を検出します。温度が十分に低い場合（検出器をペルチェ効果またはさらに冷たい液体窒素で冷却する）、X線エネルギースペクトルを直接決定することが可能です。この方法はエネルギー分散型X線分光法（EDXまたはEDS）と呼ばれ、小型の蛍光X線分光計でよく使用されます。従来の半導体製造方法で製造されるシリコンドリフト検出器（SDD）は、費用対効果が高く、分解能の高い放射線測定を提供します。[ 16 ] Si(Li)などの従来のX線検出器とは異なり、液体窒素で冷却する必要はありません。これらの検出器はイメージングにはほとんど使用されておらず、低エネルギーでのみ効率的です。[ 17 ]

医療用画像における実用化は2000年代初頭に始まりました。[ 18 ]アモルファスセレンは、その高い空間分解能とX線吸収特性により、マンモグラフィーや一般的な放射線撮影用の市販の大面積フラットパネルX線検出器に使用されています。 [ 19 ]しかし、セレンの原子番号が低いため、十分な感度を得るには厚い層が必要になります。[ 20 ]

テルル化カドミウム（Cd Te）および亜鉛との合金であるテルル化カドミウム亜鉛は、広いバンドギャップと高い量子数により室温で高効率に動作することから、X線検出用の最も有望な半導体材料の1つと考えられています。[ 21 ] [ 22 ]現在の用途には骨密度測定とSPECTが含まれますが、放射線画像に適したフラットパネル検出器はまだ生産されていません。[ 23 ]現在の研究開発は、 CERNのMedipix検出器や科学技術施設評議会のHEXITEC検出器などのエネルギー分解ピクセル検出器を中心に行われています。[ 24 ] [ 25 ]

PINフォトダイオードや1N4007などの一般的な半導体ダイオードは、 X線ビーム内に置かれると光起電力モードで少量の電流を生成します。 [ 26 ] [ 27 ]

間接検出器

間接型検出器は、シンチレータを用いてX線を可視光に変換し、TFTアレイで読み取ります。この方式は、現在の（アモルファスセレン）直接型検出器に比べて感度に優れていますが、解像度が低下する可能性があります。[ 20 ]間接型フラットパネル検出器（FPD）は、現在、医療、歯科、獣医、産業用途で広く使用されています。

TFT アレイは、アモルファスまたは無秩序な状態のシリコンの薄い層で覆われたガラス シートで構成されています。微視的スケールでは、シリコンには何百万ものトランジスタが、グラフ用紙のグリッドのように、高度に整然と配列して刻印されています。これらの薄膜トランジスタ(TFT) はそれぞれ、個別のピクセル(画素)を構成する光吸収フォトダイオードに接続されています。フォトダイオードに当たった光子は、電子正孔対と呼ばれる 2 つの電荷キャリアに変換されます。生成される電荷​​キャリアの数は入射光子の強度に応じて変化するため、電圧に迅速に変換され、次にデジタル信号に変換される電気パターンが生成されます。このデジタル信号はコンピューターによって解釈され、デジタル画像が生成されます。シリコンは優れた電子的特性を備えていますが、X 線光子の吸収率は特に高くありません。このため、X 線はまず、ガドリニウム酸硫化物やヨウ化セシウムなどの材料で作られたシンチレーターに当たります。シンチレータは X 線を吸収し、それを可視光の光子に変換して、フォトダイオード アレイに渡します。

線量測定

ガス検知器

ワイヤシリンダー型ガス放射線検出器の印加電圧の関数としてのイオン電流のプロット。

X線がガスを通過すると、ガスは電離し、陽イオンと自由電子を生成します。入射光子は、そのエネルギーに比例した数のイオン対を生成します。ガスチャンバー内に電界が存在する場合、イオンと電子は異なる方向に移動し、検出可能な電流が発生します。ガスの挙動は、印加電圧とチャンバーの形状に依存します。これにより、以下に説明するいくつかの異なるタイプのガス検出器が存在します。

電離箱は約100 V/cmの比較的低い電界を使用して、イオンと電子が再結合する前にそれらをすべて抽出します。[ 28 ]これにより、ガスがさらされる線量率に比例した安定した電流が得られます。 [ 7 ]電離箱は、放射線量レベルをチェックするための手持ち式放射線サーベイメーターとして広く使用されています。

比例計数管は、円筒形のチャンバーの中央に細い正電荷を帯びた陽極線を配置した構造を採用しています。ガスの大部分は電離室として機能しますが、陽極線に最も近い領域では、電子がガス分子を電離させるのに十分な電界が発生します。これにより雪崩効果が生じ、出力信号が大幅に増加します。すべての電子がほぼ同じ大きさの雪崩を引き起こすため、収集される電荷​​は吸収されたX線によって生成されたイオン対の数に比例します。これにより、入射する各光子のエネルギーを測定することができます。

ガイガー・ミュラー計数管はさらに高い電界を用いて紫外線光子を発生させます。[ 29 ]これにより新たな雪崩が発生し、最終的には陽極線周囲のガスが完全に電離します。これにより信号は非常に強くなりますが、各イベントの後にデッドタイムが発生し、X線エネルギーの測定が不可能になります。[ 30 ]

ガス検出器は通常、ガス体積全体の平均線量率または上で説明したように相互作用する光子の数のみを測定する単一ピクセル検出器ですが、ワイヤチャンバー内に多数の交差したワイヤを配置することで空間分解能を持たせることができます。

シリコンPN太陽電池

1960年代には、シリコンPN太陽電池が極端紫外線、軟X線、硬X線を含むあらゆる形態の電離放射線の検出に適していることが実証されました。この検出方法は、電離放射線が原子に衝突して自由電子を放出するプロセスである光電離によって機能します。 [ 31 ]このタイプの広帯域電離放射線センサーには、太陽電池、電流計、そして不要な波長を遮断しながら電離放射線を太陽電池に照射する可視光フィルターが太陽電池の上部に設置されます。

ラジオクロミックフィルム

自己現像型ラジオクロミックフィルムは、特に放射線治療物理学において、線量測定やプロファイリングの目的で非常に高解像度の測定を提供することができる。[ 32 ]

参考文献

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