信号处理装置及放射线测定装置的制作方法

本发明涉及对微弱信号进行检测的信号处理装置及放射线测定装置。

背景技术：

以往，研究出如下方法，该方法为了检测出掩埋于背景噪声中的微弱信号，使用随机谐振(SR：Stochastic Resonance)。例如，已知如下方法：将包含有微弱信号的输入信号与噪声相加，从而在微弱信号显现随机谐振(例如专利文献1)。在该随机谐振显现方法中，对相加了噪声的噪声相加信号进行阈值处理来转换为二值信号，并恢复微弱信号。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013－135244号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

然而，专利文献1记载的随机谐振电路将包含有微弱信号的输入信号与噪声相加，因此，存在如下问题：即，对于以检测对象的微弱信号与背景噪声之比来表示的SN比而言，由于相加了噪声反而会使微弱信号的SN比变差。例如，作为检测对象的微弱信号的信号电平充分大于背景噪声的情况下，若将噪声施加于输入信号来呈现随机谐振，则有可能因微弱信号的SN比变差从而无法恢复微弱信号。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的之一在于提供一种信号处理装置及放射线测定装置，其能在包含于输入信号的作为测定对象的微弱信号的SN比较差的状态到SN比充分良好的状态为止的较大范围内进行应对，能改善微弱信号的检测精度。

用于解决问题的技术方案

本发明的信号处理装置的特征在于包括：第一检测部，该第一检测部获取包含测定对象的微弱信号在内的输入信号，对该输入信号与噪声相加而得的噪声相加信号以第一阈值进行阈值处理，并输出第一阈值处理信号，该第一阈值处理信号包含超过所述第一阈值且为脉冲波形的所述微弱信号；第二检测部，该第二检测部与所述第一检测部并行地获取所述输入信号，以第二阈值对该输入信号进行阈值处理，并输出第二阈值处理信号，该第二阈值处理信号包含超过所述第二阈值且为脉冲波形的所述微弱信号；以及判别部，该判别部对所述第一阈值处理信号、所述第二阈值处理信号所包含的脉冲波形分量是否为与所述微弱信号对应的信号进行判别。

另外，本发明的发射线测定装置包括：放射线检测部，该放射线检测部输出包含有与入射的放射线的能量相应的微弱信号在内的检测信号；信号处理部，该信号处理部从所述放射线检测部获取所述检测信号，根据所述检测信号检测出微弱信号；以及剂量换算部，该剂量换算部基于从所述信号处理部输出的输出信号，测量放射剂量，该放射线测定装置的特征在于，所述信号处理部包括：第一检测部，该第一检测部获取包含作为测定对象的微弱信号在内的输入信号，对该输入信号与噪声相加而得的噪声相加信号以第一阈值进行阈值处理，并输出第一阈值处理信号，该第一阈值处理信号包含超过所述第一阈值且为脉冲波形的所述微弱信号；第二检测部，该第二检测部与所述第一检测部并行地获取所述输入信号，以第二阈值对该输入信号进行阈值处理，并输出第二阈值处理信号，该第二阈值处理信号包含超过所述第二阈值且为脉冲波形的所述微弱信号；以及判别部，该判别部对所述第一阈值处理信号、所述第二阈值处理信号所包含的脉冲波形分量是否为与所述微弱信号对应的信号进行判别，所述剂量换算部应用与所述第一检测部、所述第二检测部中所述微弱信号的各放大程度对应的各个换算系数来测量放射剂量。

发明效果

根据本发明，能在包含于输入信号的作为测定对象的微弱信号的SN比较差的状态到SN比充分良好的状态为止的较广范围内，改善测定对象的微弱信号的检测概率。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的信号处理装置的结构的框图。

图2是表示实施方式1所涉及的信号处理装置的结构的电路结构图。

图3是表示第一比较部中噪声相加信号与输出信号的关系的示意图。

图4是表示第二比较部中包含微弱信号的输入信号与输出信号的关系的示意图。

图5是表示实施方式2所涉及的放射线测定装置的结构的框图。

图6是表示实施方式1所涉及的信号处理装置的另一示例的电路结构图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的信号处理装置的结构的框图。本实施方式所涉及的信号处理装置能适用于利用随机谐振检测出微弱信号的各种装置。

如图1所示，实施方式1所涉及的信号处理装置1包括：第一检测部10，其起到随机谐振部的作用，即，将噪声施加于包含有作为测定对象的微弱信号在内的输入信号Vin并显现出随机谐振；第二检测部20，与第一检测部10并行地获取包含有作为测定对象的微弱信号在内的输入信号Vin，且不施加噪声来进行阈值处理；判别部30，对来自第一检测部10和第二检测部20的输出信号是否含有恢复出的微弱信号进行判断，输出包含与所判断出的微弱信号对应的脉冲波形分量在内的信号；以及计数部40，对来自判别部30的输出信号所包含的与微弱信号对应的脉冲数进行计数。

图2是实施方式1所涉及的信号处理装置1的电路结构图。如图2所示，第一检测部10包括：生成噪声的噪声生成部11；将由噪声生成部11生成的噪声与输入信号Vin相加来输出噪声相加信号的噪声相加部12；第一比较部13，该第一比较部13的一个输入端子输入有噪声相加信号，另一输入端子施加有第一阈值ref1，第一比较部13将噪声施加信号与第一阈值ref1进行比较来生成第一阈值处理信号；以及电压源14，该电压源14向第一比较部13的另一输入端子提供成为第一阈值ref1的参照电压。另外，噪声生成部11能对生成噪声的噪声强度进行设定。此外，第一比较部13由具有磁滞特性的比较器来构成。噪声生成部11所生成的噪声可以是在至少比测定对象信号的频率更宽的频带中成为相同强度的噪声。噪声生成部11所生成的噪声可以使用白噪声、高斯噪声(高斯白噪声)、1/f波动噪声等。

在第二检测部20中，向第二比较部23的一个输入端子输入输入信号Vin，向另一输入端子施加第二阈值ref2。由电压源24作为参照电压提供第二阈值ref2。第二比较部23对未施加噪声的输入信号Vin与第二阈值ref2进行比较，来生成第二阈值处理信号。此外，第二比较部23由具有磁滞特性的比较器来构成。

接着，说明实施方式1所涉及的信号处理装置的动作。

图3是表示输入至第一比较部13的噪声相加信号与从第一比较部13输出的输出信号的关系的示意图。该图所示噪声相加信号是将噪声生成部11所生成的噪声与包含有作为测定对象的微弱信号在内的输入信号Vin相加得到的信号。噪声相加信号的区间t1表示出与作为测定对象的微弱信号对应的脉冲波形分量。

第一比较部13对噪声相加信号与第一阈值ref1进行比较，在噪声相加信号大于第一阈值ref1的情况下，输出高电平信号(例如1)，在噪声相加信号小于第一阈值ref1的情况下，输出低电平信号(例如0)。由此，第一比较部13以第一阈值ref1对输入的噪声相加信号进行阈值处理，并输出具有与微弱信号对应的脉冲波形分量的第一阈值处理信号。第一检测部10将来自第一比较部13的输出端的第一阈值处理信号输入至判别部30。

此处，在第一检测部10中，由噪声相加部12将输入信号Vin与规定强度的噪声相加，因此，显现出随机谐振现象。由于该随机谐振现象，在输入信号Vin中存在有作为测定对象的微弱信号的区间t1，与不存在微弱信号的区间t1以外的信号电平相比，超过某一阈值的信号电平的概率急剧升高。第一比较部13着眼于存在微弱信号的区间t1的信号电平与不存在微弱信号的区间t1以外的信号电平之间的电平差，来设定适合于提取存在微弱信号的区间t1(即微弱信号本身)的第一阈值ref1。第一比较部13是具有磁滞特性的比较器，因此，第一比较部13的输出信号是如图3所示那样包含有与作为测定对象的微弱信号对应的区间t1成为高电平的脉冲波形分量的信号。

由此，在第一检测部10中，对包含有测定对象的微弱信号在内的输入信号相加规定强度的噪声来显现随机谐振，然后进行阈值处理，从而在微弱信号掩埋于背景噪声的测定环境、例如SN比<1(SN比表示微弱信号与背景噪声的信号强度比)的情况下，能恢复并提取出作为测定对象的微弱信号。第一比较部13输出包含有如下脉冲波形分量的第一阈值处理信号，该脉冲波形分量在与作为测定对象的微弱信号对应的期间t1成为高电平。

另一方面，在第二检测部20中，不对输入信号Vin与噪声进行相加，利用适于从输入信号Vin提取出作为测定对象的微弱信号的第二阈值ref2来进行阈值处理。图4是表示读取到第二检测部20的输入信号Vin与从第二比较部23输出的输出信号的示意图。该图所示输入信号Vin处于作为测定对象的微弱信号的信号电平相对于背景噪声充分大的状态。区间t1包含有作为测定对象的微弱信号即脉冲。

第二比较部23对所输入的输入信号Vin与第二阈值ref2进行比较，在输入信号Vin大于第二阈值ref2的情况下，输出高电平信号(例如1)，在输入信号Vin小于第二阈值ref2的情况下，输出低电平信号(例如0)。此处，在测定对象的微弱信号掩埋于背景噪声的测定环境、例如SN比>1的情况下，即便不使用随机谐振现象，在输入信号Vin中存在有作为测定对象的微弱信号的区间t1，与不存在微弱信号的区间t1以外的信号电平相比，成为超过某一阈值的信号电平。若对这种SN比良好的输入信号Vin施加噪声来显现随机谐振，则作为测定对象的微弱信号反而失真，检测精度变差。

因此，对于不利用噪声施加来显现随机谐振的输入信号Vin，根据该输入信号Vin中作为测定对象的微弱信号与背景噪声的信号电平之差来决定第二阈值ref2。在本例中，第二阈值ref2优选为设定成如下值：大于读取到第二检测部20的输入信号Vin的背景噪声(预想的平均背景噪声)，且小于作为测定对象的微弱信号的峰值(预想的平均微弱信号峰值)。通过如此设定第二阈值ref2，在输入信号Vin中包含的微弱信号的信号电平高于背景噪声的测定环境中，能利用第二阈值ref2来恢复并提取出作为测定对象的微弱信号，而不会因噪声施加而产生信号失真。第二比较部23输出包含有如下脉冲波形分量的第二阈值处理信号，即，该脉冲波形分量在与作为测定对象的微弱信号对应的期间t1成为高电平。

判别部30从第一检测部10和第二检测部20并行地获取第一阈值处理信号和第二阈值处理信号，对是否是输入信号Vin所包含的作为测定对象的微弱信号进行判别。第一阈值处理信号和第二阈值处理信号中，除了包含与作为测定对象的微弱信号对应的脉冲波形分量以外，还包含噪声引起的脉冲分量。判别部30具有用于确定与作为测定对象的微弱信号对应的脉冲波形分量的参数(脉宽等)。判别部30基于上述参数，对输入的第一阈值处理信号和第二阈值处理信号所包含的脉冲波形分量是否为与作为测定对象的微弱信号对应的脉冲波形分量进行判断。此外，在从第一阈值处理信号和第二阈值处理信号中同时检测出与作为测定对象的微弱信号对应的脉冲波形分量的情况下，判别部30选择从第二阈值处理信号中检测出的微弱信号。即，优选选择由未相加噪声的第二检测部20的阈值处理恢复出的微弱信号(脉冲波形)。

然后，判别部30将从第一阈值处理信号、第二阈值处理信号检测出的微弱信号的判别信号输出至计数部40。此时，判别部30为了后续工程处理，输出判别信号以外的信息，或者以在判别信号上追加的形式来输出该信息，其中，该信息表示从第一阈值处理信号还是从第二阈值处理信号中判别出微弱信号。

在实施方式1中，微弱信号的信号电平大于背景噪声的情况下(例如，SN比>1)，从第二比较部23输出的第二阈值处理信号恢复出的脉冲波形与从第一比较部13输出的第一阈值处理信号所包含的脉冲波形相比，前者微弱信号的可靠性更高。另一方面，微弱信号的信号电平小于背景噪声的情况下(例如，SN比<1)，从第一比较部13输出的第一阈值处理信号恢复出的脉冲波形与从第二比较部23输出的第二阈值处理信号所包含的脉冲波形相比，前者微弱信号的可靠性更高。

因而，通过根据从第一检测部10输出的第一阈值处理信号与从第二检测部20输出的第二阈值处理信号并行地判别有无微弱信号，从而在输入信号Vin所包含的作为测定对象的微弱信号的SN比较差的状态到充分良好的状态为止的较大范围内，均能改善微弱信号的检测精度。

(实施方式2)

实施方式2是将上述实施方式1所涉及的信号处理装置应用于放射线测定装置的示例。

图5是表示本发明的实施方式2所涉及的放射线测定装置100的整体结构的框图。在实施方式2中，在输入的测定对象的微弱信号即放射线的SN比较差的状态到SN比充分良好的状态为止的较大范围内，均能改善放射线的检测概率。

放射线测定装置100具有：闪烁体101，其产生与入射的放射剂量对应的闪烁光；光导102，反射由闪烁体101产生的闪烁光；光检测器103，输出与经由光导102引导的闪烁光对应的微弱信号；信号处理装置2，输入有从光检测器103输出的微弱信号；以及剂量换算部104，输入有从信号处理装置2输出的信号。在本例中，将由闪烁体101、光导102和光检测器103构成的结构要素称作放射线检测部。

若从外部向闪烁体101入射放射线，则闪烁体101产生与施加于闪烁体101的放射线的能量相应的闪烁光(荧光)。闪烁体101产生的闪烁光入射到光导102，在光导102内重复进行反射，并到达光检测器103。光检测器103通过光电效应来输出与闪烁光的入射光量对应的微弱信号，将包含该微弱信号在内的输入信号Vin输入到信号处理装置2。

信号处理装置2的基本结构与实施方式1所涉及的信号处理装置1相同，但具有计数部41，其分别基于第一阈值处理信号和第二阈值处理信号进行脉冲计数。另外，对信号处理装置2的结构要素中具有与实施方式1的信号处理装置1相同功能的结构要素，标注相同标号并说明。

判别部31根据第一阈值处理信号和第二阈值处理信号分别检测出与微弱信号对应的脉冲波形，并将脉冲判别结果输出至计数部41。在第一阈值处理信号和第二阈值处理信号中同时检测出微弱信号的情况下，向计数部41施加用于通知在计数部41中仅选择了第二阈值处理信号的脉冲判别结果的选择信息。

计数部41具有：第一脉冲计数部42，其对基于从第一检测部10输出的第一阈值处理信号而恢复出的微弱信号的脉冲数进行测量；以及第二脉冲计数部43，其对基于从第二检测部20输出的第二阈值处理信号而恢复出的微弱信号的脉冲数进行测量。在从第一阈值处理信号和第二阈值处理信号同时检测出微弱信号的情况下，第一脉冲计数部42根据由判别部31通知的选择信号，排除基于第一阈值处理信号的脉冲判别结果。

具体地，在计数部41中，由第一脉冲计数部42根据第一阈值处理信号的脉冲判别结果来测量脉冲数，由第二脉冲计数部43根据第二阈值处理信号的脉冲判别结果来测量脉冲数。然后，计数部41将从第一脉冲计数部42、第二脉冲计数部43输出的脉冲计数分别输入至剂量换算部104。

剂量换算部104对第一脉冲计数部42测量的脉冲计数和第二脉冲计数部43测量的脉冲计数分别适用对应的剂量换算用的换算系数，来换算为放射剂量。另外，换算系数是指用于根据第一脉冲计数部42和第二脉冲计数部43测量的脉冲数、换算为入射到闪烁体101的放射剂量的系数。第一检测部和第二检测部中的微弱信号的放大率不同，因此，准备与第一检测部、第二检测部的微弱信号各自的放大程度对应的换算系数。

由此，剂量换算部104对第一脉冲计数部42的脉冲计数、第二脉冲计数部43的脉冲计数分别适用不同的换算系数，因此，在第一检测部10、第二检测部20这样放大率不同的2个系统中检测出微弱信号，也能准确地计算出入射放射剂量。

另外，对于放射线测定装置100利用基准放射线源等按照时间入射一定量的放射线，从而能求出剂量换算部104中的换算系数。例如，考虑从基准放射源以固定已知比例放射出基准放射线。在该情况下，从基准放射线入射的放射线的每一固定时间的入射放射剂量、微弱信号的脉冲形状等是已知的。因此，若在入射该放射线时由第一脉冲计数部42和第二脉冲计数部43分别测定每一固定时间内的脉冲数，则能求出适于第一脉冲计数部42的脉冲计数的换算系数、以及适于第二脉冲计数部43的脉冲计数的换算系数。

此外，可根据入射的放射线的核素、射线种类等，适当地变更换算系数。

此外，在上述实施方式中，在第一比较部13和第二比较部23中输入的信号在阈值以上的情况下输出1，信号小于阈值的情况下输出0，但第一比较部13或第二比较部23的输出不限于此。例如，可以在第一比较部13或第二比较部23中，输入的信号在阈值以上的情况下输出0，信号小于阈值的情况下输出1。

此外，在上述实施方式中，使用了第一检测部10和第二检测部20这2个检测部，但检测部的数量不限于此。例如，可使用2值化处理的阈值各不相同的3个以上的检测部。此外，判别部不限于上述结构。

此外，在上述实施方式中，例示了仅包括1个第一检测部10的结构，但如图6所示，可以是如下结构：并行设置多个第一检测部10-1～10-N，对作为检测对象的微弱信号施加独立的噪声，在加法部50中将各第一检测部10-1～10-N的输出信号相加，以由低通滤波器构成的波形整形部51波形整形为矩形波并输出。此时，设定于电压源14的第一阈值ref1可以是共用的值，也可以独立调整。这样，通过在多个第一检测部10-1～10-N中对微弱信号施加独立的噪声，能进一步改善SN比。

另外，本发明不限于上述实施方式，可分别变更来实施。在上述实施方式中，附图中图示的大小、形状等不限于此，在发挥本发明的效果的范围内，可进行适当变更。此外，只要不脱离本发明的目的的范围，就可实施适当变更。

标号说明

1、2 信号处理装置

10 第一检测部

11 噪声生成部

12 噪声相加部

13 第一比较部

14、24 电压源

20 第二检测部

23 第二比较部

30、31 判别部

40、41 计数部

42 第一脉冲计数部

43 第二脉冲计数部

50 加法部

51 波形整形部

100 放射线计测装置

101 闪烁体

102 光导

103 光检测器

104 剂量换算部

Vin 输入信号

ref1 第一阈值

ref2 第二阈值