(57)【要約】      （修正有）【課題】γ（ガンマ）線強度の計算時間を短縮することができること、任意の形状の遮へい材を用いて学習を行うことができること、及び実物の放射線源を用いることなく、放射線検出器の使用方法を実際の使用環境に近い形での学習を可能とする教材を提供する。【解決手段】独自の近似計算手法を用いることで、γ線強度の計算時間を短縮することにより、リアルタイムに仮想検出器４の模擬検出部のγ線強度Ｉを算出、γ線強度Ｉを仮想検出器の表示装置に表示し、実際の使用環境に近い形で放射線検出器の使用方法について学習することができる教材。【選択図】図１
2019049623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想放射線源と、仮想検出器と、複数個の放射線遮へい材と、特定の色に着色された作業台と、教材プログラムが導入されたコンピュータと、コンピュータと通信可能な撮像装置と、を備えた放射線遮へい教材であって、
仮想放射線源は、ＡＲマーカと、無線モジュールと、コンピュータと通信可能な制御装置と、バッテリーと、γ（ガンマ）線強度情報設定手段を備え、
仮想検出器は、ＡＲマーカと、無線モジュールと、コンピュータと通信可能な制御装置と、バッテリーと、表示装置と、入力手段を備え、
複数個の放射線遮へい材は、少なくとも上面となる面が異なる色に着色された複数個の放射線遮へい材から構成され、
作業台は、複数個の放射線遮へい材と異なる色に着色された作業領域を備え、
教材プログラムは、撮像装置が取得した仮想放射線源及び仮想検出器の各ＡＲマーカを含む作業領域画像に基づき仮想放射線源及び仮想検出器の位置情報を取得する手段と、
撮像装置が取得した仮想放射線源のＡＲマーカを含む作業領域画像に基づき仮想放射線源の線源情報を取得する手段と、
撮像装置が取得した放射線遮へい材を含む作業領域画像に仮想放射線源及び仮想検出器を除外してＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理を行い、放射線遮へい材の位置、厚さ及び材質の情報を取得する手段と、
仮想放射線源から無線通信によりγ線強度情報を取得する手段と、
仮想放射線源及び仮想検出器の位置情報、放射線遮へい材の位置、厚さ及び材質の情報、並びに、設定放射線情報に基づき仮想検出器の位置におけるγ線強度を算出し、算出したγ線強度を仮想検出器の表示装置に表示させる手段と、を備えることを特徴とする放射線の遮へい教材。
【請求項２】
仮想検出器の表示装置に表示させる手段が、仮想検出器の位置における線量をリアルタイムで代数計算のみにより算出することを特徴とする請求項１の放射線の遮へい教材。
【請求項３】
仮想放射線源が、仮想のγ線源であり、
算出したγ線強度を仮想検出器の表示装置に表示させる手段が、ガンマ線強度Ｉを下記式１で算出することを特徴とする請求項１または２の放射線の遮へい教材。
［式１］
2019049623.tif 000010
（μｍは線減弱係数、Ｂはビルドアップ係数、Ｌは遮へい材の厚さ、ｒは遮へい材中での入射軸方向の長さである。）
【請求項４】
仮想検出器が、γ線強度の数値の多寡に基づき、異なる音量の警告音を出力する音出力装置を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの放射線の遮へい教材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線の遮へい方法教育教材に関し、独自の近似計算方法によりγ（ガンマ）線強度の計算時間を短縮し、学習者の集中力を削ぐことなく、任意の形状の遮へい材を用いての、放射線の性質や遮へいのメカニズムを正しく直感的に理解することができ、実物の放射線源を用いることなく、放射線検出器の使用方法を実際の使用環境に近い形で学習することができる教材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、学習指導要領に放射線教育が導入されたことで、小中学校での放射線防護に関する実験が行われるようになっている。特に放射線の影響を受けやすい小中学生にとって、放射線防護についての知識を深めることは必要不可欠であり、放射線防護の観点から、放射線の遮へい方法と放射線検出器を用いて実体験することが重要であるとわかる。しかし現状は、遮へい方法を学ぶ教材として、放射線検出器や放射線源、鉛格納容器は安価ではなく入手が困難であり、現在は教材として、遮へい材の密度の大小による遮へい効果の違いや放射線の種類による遮へい方法の違いを記載したテキストまたは図が使用されている。
【０００３】
従来の教育教材、特に小中学生向けの教材には放射線の性質や遮へいメカニズムを理解する上で重要な、放射線エネルギーの強さや遮へい材の厚さ及び密度と遮へいの関係を考慮していない描写が多く見られる。これは学術的な正確さを損なっており、間違った理解に繋がりやすい。また、放射線検出器の使用方法の学習法としては自身が実際に手を動かして空間線量を測定するという方法が挙げられるが、高精度の放射線検出器は高価であるため入手が困難である。一方、安価な放射線検出器を用いての学習法だと、バックグラウンド放射線の影響によって計測される線量がなかなか変化せず、きちんと動作しているか確認するためにそれなりの放射線量を持った放射線源（校正線源、ラドンボール等）が必要である。実物の線源を用いることは、特に放射線による健康影響を受けやすい小中学生にとって心理的負担が大きい。また、従来の技術として、実物の遮へい材とシミュレーションソフトウェアを用いて、放射線の性質を直感的に理解することができる教材（特許文献１）が存在しており、学術的に正確な放射線の挙動を学ぶことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０４１０４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の教材では、放射線の飛跡の計算時間には毎回数十秒〜数分必要であり、学習者が学習を行う上での障害となっていた。加えて、あらかじめ登録された形状の遮へい材しか使用できないという問題点も存在した。
そこで本発明は、独自の近似計算手法によりγ（ガンマ）線強度の計算時間を短縮することができること、任意の形状の遮へい材を用いて学習を行うことができること、及び実物の放射線源を用いることなく、放射線検出器の使用方法を実際の使用環境に近い形での学習を可能とする教材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、独自の近似計算手法を用いることで、γ（ガンマ）線強度の計算時間を大幅に短縮することが可能となり、学習者の集中力を削ぐことなく継続的に学習を行うことが可能であると考えた。学習者は１ｍ×１ｍ程度の作業台上に設置された仮想放射線源に対して、任意の形状の遮へい材を配置して遮へいを行う。仮想放射線源及び遮へい材の位置はＵＳＢカメラから取得した作業領域画像から画像処理技術を用いて取得され、独自の近似計算手法によって高速にγ線強度が算出される。学習者は作業台上で仮想検出器の模擬検出部を動かし、仮想放射線源や遮へい材の位置や厚さ、及び材質によるγ線強度の変化を確認することができる。
また、仮想検出器は実物の放射線検出器（シンチレーションサーベイメータ等）を模しており、学習者は実物の放射線検出器と同様に使用することが可能であるため、使用方法の習熟に繋がると考えた。
【０００７】
本発明は、以下の技術手段から構成される。
［１］仮想放射線源と、仮想検出器と、複数個の放射線遮へい材と、特定の色に着色された作業台と、教材プログラムが導入されたコンピュータと、コンピュータと通信可能な撮像装置と、を備えた放射線遮へい教材であって、
仮想放射線源は、ＡＲマーカと、無線モジュールと、コンピュータと通信可能な制御装置と、バッテリーと、γ（ガンマ）線強度設定手段を備え、
仮想検出器は、ＡＲマーカと、無線モジュールと、コンピュータと通信可能な制御装置と、バッテリーと、表示装置と、入力手段を備え、
複数個の放射線遮へい材は、少なくとも上面となる面が異なる色に着色された複数個の放射線遮へい材から構成され、
作業台は、複数個の放射線遮へい材と異なる色に着色された作業領域を備え、
教材プログラムは、撮像装置が取得した仮想放射線源及び仮想検出器の各ＡＲマーカを含む作業領域画像に基づき仮想放射線源及び仮想検出器の位置情報を取得する手段と、
撮像装置が取得した仮想放射線源のＡＲマーカを含む作業領域画像に基づき仮想放射線源の線源情報を取得する手段と、
撮像装置が取得した放射線遮へい材を含む作業領域画像に仮想放射線源及び仮想検出器を除外してＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理を行い、放射線遮へい材の位置、厚さ及び材質の情報を取得する手段と、
仮想放射線源から無線通信により設定γ（ガンマ）線強度情報を取得する手段と、
仮想放射線源及び仮想検出器の位置情報、放射線遮へい材の位置、厚さ及び材質の情報、並びに、設定γ線強度情報に基づき仮想検出器の位置におけるγ線強度を算出し、算出したγ線強度を仮想検出器の表示装置に表示させる手段と、を備えることを特徴とする放射線の遮へい教材。
［２］仮想検出器の表示装置に表示させる手段が、仮想検出器の位置における線量をリアルタイムで代数計算のみにより算出することを特徴とする［１］の放射線の遮へい教材。
［３］仮想放射線源が、仮想のγ線源であり、算出したγ線強度を仮想検出器の表示装置に表示させる手段が、ガンマ線強度Ｉを下記式１で算出することを特徴とする［１］または［２］の放射線の遮へい教材。
［式１］
2019049623.tif 000003
（μｍは線減弱係数、Ｂはビルドアップ係数、Ｌは遮へい材の厚さ、ｒは遮へい材中での入射軸方向の長さである。）
［４］仮想検出器が、γ線強度の数値の多寡に基づき、異なる音量の警告音を出力する音出力装置を備えることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれかの放射線の遮へい教材。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、γ（ガンマ）線強度の計算時間を大幅に短縮することが可能となる。また、カラフルな遮へい材を使用することで積木玩具的な面白さを実現することも可能であり、さらに、ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法を採用しているため遮へい材の形状は制限を受けず、学習者の試行錯誤による学習効果の向上に繋がると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】仮想放射線源を使った放射線の遮へい教育教材の実施形態の構成図である。
【図２】ＡＲマーカが取り付けられている仮想放射線源の斜視図である。
【図３】ＡＲマーカが取り付けられている仮想放射線源の内部構成図である。
【図４】ＡＲマーカが模擬検出部に取り付けられている仮想検出器の斜視図である。
【図５】ＡＲマーカが模擬検出部に取り付けられている仮想検出器の内部構成図である。
【図６】γ（ガンマ）強度の近似計算手法の説明図である。
【図７】ＵＳＢカメラより取得した作業領域画像において、ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理前の説明図である。
【図８】ＵＳＢカメラより取得した作業領域画像において、ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理後の説明図である。
【図９】仮想放射線源を使った放射線の遮へい教育教材の作業台上において１０ｃｍ×１０ｃｍ×２ｃｍの鉛ブロックを用いて遮へいを行った場合の近似計算手法による処理の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［システム構成］
図１は、本実施形態の仮想放射線源を使った放射線遮へい教育教材の実施形態の構成図である。コンピュータ１と、ＵＳＢカメラ２と、ＡＲマーカ８が取り付けられている仮想放射線源３と、ＡＲマーカ１４が模擬検出部に取り付けられている仮想検出器４と、遮へい材５と、作業台６と、支持柱７を主要な構成要素とする。
コンピュータ１は、Ｗｉｎｄｏｗｓ  ＯＳ（登録商標）が搭載されたパソコンであり、例えばＣ言語のような、計算処理能力が高いプログラミング言語で記述した専用プログラムが動作する。また、液晶ディスプレイ等の表示装置及びマウス・キーボード等の入力装置を備える。
ＵＳＢカメラ２は、２００万画素のＣＭＯＳカメラであり、例えばカメラスタンドのような支持柱７によって作業台６全体が撮影できる位置に取り付けられている。
【００１１】
遮へい材５は、放射線の遮へい材料として広く用いられている、鉛、コンクリート、パラフィンなどを用いる。コンクリートは経済性が高く、厚さを実現しやすいため原子力発電所等の遮へいにも広く用いられており、鉛は密度が高いためγ（ガンマ）線の遮へいに適している。遮へい材は持ちやすさを考慮して、例えば２０ｃｍ×１０ｃｍ×６ｃｍ程度のブロックの使用が考えられるが、本実施形態では遮へい材の認識にＡＲマーカを使用しないため特に形状に制限はない。但し、作業台６上の遮へい材の位置と種類を遮へい材ごとの色の違いによって取得するため、遮へい材上面の色は材料ごとに変える必要があり、例えば、鉛は黒、コンクリートは灰色、パラフィンは白とする。
作業台６は、鉛ブロックやコンクリートブロックの重さにも耐えられる、１ｍ×１ｍのスチール製の台を使用する。作業台６の上面は遮へい材の色と区別するために、例えば淡い黄色に塗装する。また、遮へい材５が作業台から落下する事故を防ぐために作業台の縁に柵を設けることも可能である。
【００１２】
図１に示すコンピュータ１は、ＵＳＢカメラ２と有線接続されており、ＡＲマーカ８が取り付けられている仮想放射線源３と、ＡＲマーカ１４が模擬検出部に取り付けられている仮想検出器４とは、無線（例えば、Ｗｉ-Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））で接続されている。また、コンピュータ１の記憶装置には、例えばＣ言語のような、計算処理能力が高いプログラミング言語で記述した入力情報取得プログラム、γ（ガンマ）線強度計算プログラム及び出力プログラムが導入されている。本明細書では、説明の便宜上、入力情報取得プログラム、γ線強度計算プログラム及び出力プログラムを別のプログラムとして記述しているが、実際には１つの専用プログラムとして実装している。
【００１３】
コンピュータ１は、前述の入力情報取得プログラムによりＡＲマーカ８が取り付けられている仮想放射線源３から学習者が任意に選択したγ（ガンマ）線強度の設定情報を取得し、ＵＳＢカメラ２から取得した作業領域画像より、仮想放射線源と仮想検出器の模擬検出部１５に取り付けられているＡＲマーカ１４の位置情報、仮想放射線源の線源情報、ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法を用いて遮へい材の位置、厚さ、材質情報を取得する。ここで、仮想放射線源３からコンピュータ１へ送信したγ線強度の設定情報と、ＵＳＢカメラ２から取得した作業領域画像を基に取得したＡＲマーカ（１４，１８）の座標情報と、ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法を用いて取得した遮へい材の位置や厚さ、及び材質の情報を、γ線強度計算プログラムに入力する。γ線強度計算プログラムにより入力情報プログラムから取得した各算出結果を後述した式６に代入し、γ線強度を近似計算手法により算出する。γ線強度計算プログラムにより算出された結果は出力プログラムによりコンピュータ１からＡＲマーカが模擬検出部に取り付けられている仮想検出器４へ送信されアナログメータやＬＣＤのような表示装置に出力される。
仮想放射線源３より設定情報を送信する入力情報取得プログラムと、γ線強度計算結果を仮想検出器４の表示装置に出力する出力プログラムは、プログラミング言語であるＡｒｄｕｉｎｏ言語で記述している。また、ＡＲマーカ（８，１４）の位置情報と遮へい材の位置や厚さ、及び材質情報とγ線強度計算プログラムについては、画像処理に最も適しているＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ言語で記述している。
【００１４】
図２は仮想放射線源３の斜視図である。仮想放射線源３は図２に示すように、線源情報及び位置情報を取得するためのＡＲマーカ８、γ（ガンマ）線強度を設定するためのγ線強度設定ダイヤル９、及び放射線の照射のＯＮ・ＯＦＦを設定するための放射線照射設定スイッチ１０を備えて構成されている。また、図３はＡＲマーカが取り付けられている仮想放射線源３の内部構成図である。図３に示すように、通信用無線モジュール１１、制御用マイコンボード１２、及び電源用電池１３を備えて構成されている。
仮想放射線源３の形状は円筒形で、実験用の放射線源を模した形状だが、持ちやすさを考慮して大きさは直径５ｃｍ程度と実際の放射線源よりは大きめである。仮想放射線源３の本体の材質はプラスチックで、上部にはＡＲマーカ８が取り付けられており、作業台６上部に取り付けられたＵＳＢカメラ２によってＡＲマーカを読み取ることで、コンピュータ１上の専用プログラム側で仮想放射線源３の放射線源の種類及び位置を取得することができる。
【００１５】
γ（ガンマ）線強度設定ダイヤル９は、１０Ｐｈｏｔｏｎｓ（試行回数１０回）から１０７Ｐｈｏｔｏｎｓ（試行回数１００万回）までのγ線強度を設定することができる。放射線照射設定スイッチ１０は、スイッチが押し込まれているとき、放射線の照射がＯＮとなる。γ線強度設定ダイヤル９及び放射線照射設定スイッチ１０は、学習者が任意で設定することができ、γ線強度設定ダイヤルで設定したγ線強度及び放射線照射設定スイッチで設定した照射のＯＮ・ＯＦＦは、設定情報として制御用マイコンボード１２に搭載されている通信用無線モジュール１１を介してコンピュータ１へ送信される。また、γ線強度設定ダイヤル９、放射線照射設定スイッチ１０、及び通信用無線モジュール１１は、制御用マイコンボード１２に接続されており、電源用電池１３から制御用マイコンボードに電力が供給される。
【００１６】
図４は仮想検出器４の傾斜図である。仮想検出器４は、図４に示すように、ＡＲマーカ１４、ＡＲマーカが取り付けられた模擬検出部１５、γ（ガンマ）線強度の値を表示する表示装置１６、γ線強度の表示単位切り替えや音声出力装置、及び無線通信のＯＮ・ＯＦＦ操作を行うための操作スイッチ１７を備えて構成されている。また、図５は仮想検出器４の本体の内部構成図である。γ線強度の高低を警告音によって知らせる音声出力装置１８、通信用無線モジュール１９、制御用マイコンボード２０、電源用電池２１で構成されている。
表示装置１６は、例えばアナログメータやＬＣＤを用いることができる。
操作スイッチ１７では、γ線強度の表示単位切り替えや音声出力装置及び無線通信のＯＮ・ＯＦＦ操作を行うことができる。
音声出力装置１８は、例えば汎用的なスピーカを用いることができ、γ線強度の高低を警告音によって確認することも可能である。
【００１７】
仮想検出器４の本体はプラスチック製で、実物の、例えばシンチレーションサーベイメータのような放射線検出器を模しており、使用者は棒状の仮想検出器の模擬検出部１５を持って学習を行う。仮想検出器の模擬検出部１５にはＡＲマーカ１４が取り付けられているので、作業台６上部に取り付けられたＵＳＢカメラ２によって、コンピュータ１上の専用プログラム側で模擬検出部１５の位置を取得することができる。その位置情報と仮想放射線源３の設定情報及び遮へい材５の位置や厚さ、及び材質の情報を基にコンピュータ１上の専用プログラムによって、近似計算手法を用いてγ（ガンマ）線強度が算出される。算出結果は、通信用無線モジュール１９を介して制御用マイコンボード２０へ送信後、表示装置１６によって表示される。また、表示装置１６、操作スイッチ１７、音声出力装置１８、通信用無線モジュール１９、は制御用マイコンボード２０に接続されており、電源用電池２１から制御用マイコンボード２０に電力が供給される。
【００１８】
本実施形態で使用する遮へい材５は、高いエネルギーを持つγ（ガンマ）線を遮へいするためによく用いられている鉛やコンクリートなどの使用を想定している。そのため、γ線より透過作用が低いα（アルファ）線やβ（ベータ）線は、簡単に遮へいされてしまうため、γ（ガンマ）線強度の計算では考えないものとする。
【００１９】
仮想放射線源３と仮想検出器４の位置を測定する手段としては、拡張現実感「ＡＲ」の技術を採用している。ここで、「ＡＲ」とは、Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙの略称であり、コンピュータを用いて現実環境に情報を付加する技術である。例えば、ＵＳＢカメラ２で撮影したＡＲマーカの位置を認識して当該位置から座標情報を計算し、それを基にＵＳＢカメラで撮影した現実の映像とＣＧなどのグラフィックなどを合成して表示するというものである。本実施形態では、ＡＲ技術によって仮想放射線源３と仮想検出器４の位置情報を取得する。
具体的には、仮想放射線源３と仮想検出器の模擬検出部１５それぞれにＡＲマーカを取り付けている。ＡＲマーカは、例えば、接着剤または両面テープで貼付する。ＡＲマーカのパターンは装置種別と紐付けられているため、専用プログラムはＡＲマーカの撮像画像により装置種別を特定することができる。
【００２０】
本実施形態では、放射線のあらゆる挙動の計算で用いられているモンテカルロシミュレーションソフトである、日本原子力研究開発機構が提供するＰＨＩＴＳ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  ａｎｄ  Ｈｅａｖｙ  Ｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｃｏｄｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）及びＥＧＳ４（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｍｍａ  Ｓｈｏｗｅｒ）のような計算に多くの時間を費やすシミュレーションソフトは用いず、独自のアルゴリズムである近似計算手法を用いることで、γ（ガンマ）線強度の計算時間を短縮することを可能としている。以下に、近似計算手法について詳細に説明する。
【００２１】
γ（ガンマ）線強度の近似計算手法について説明する。本実施形態では、仮想放射線源３はγ（ガンマ）線を放出する放射線源を想定している。このγ線が厚さＬの媒質を通過したとき、γ線の強度Ｉは媒質入射時の強度Ｉ０に対して減衰し、入射軸長ｒの地点でのγ線強度Ｉは（経験）式１で表される。ｒは媒質中での入射軸方向の長さを表す。μｍは線減弱係数であり、放射線核種の種類及び媒質により異なる値を持ち、媒質中での光電効果、コンプトン効果及び電子対生成効果による散乱・吸収を含んだ物理定数である。この線減弱係数は、媒質中で指数関数的に減少していく効果も表している。式１中において、４πｒ２で除算を行っているのは、γ線強度Ｉ０が線源からの距離の逆二乗で減衰していく現象を表している。Ｂはビルドアップ係数と呼ばれ、コンプトン散乱などの多重散乱により媒質入射軸方向のガンマ線の数が増加する現象を表している。
［式１］
2019049623.tif 000004
【００２２】
図６は、学習者によって配置された、仮想放射線源３の中心点であるＩＯと、仮想検出器の模擬検出部１５の点Ｐの間に遮へい材Ａ、Ｂを任意で配置した場合の近似計算についての説明図である。図６中のＬの添え字のａはＡｉｒ、ｍはＭａｔｅｒｉａｌを意味しており、それぞれ空気中の距離、媒質中の距離を表している。同じように、空気中の線減弱係数をμａとし、媒質中の線減弱係数をμｍとした。また、ｒは仮想放射線源３の中心点であるＩＯから仮想検出器の模擬検出部１５の点Ｐまでの距離を表している。これらのことから、式１に数値を代入することで、式２を得る。
［式２］
2019049623.tif 000005
【００２３】
空気の線減弱係数は、コンクリートなどの教材で使う遮へい材に比べて非常に小さいので、本実施形態では空気中の線減弱係数をμａ＝０とし、空気の影響を無視することで、式３を得る。
［式３］
2019049623.tif 000006
【００２４】
さらにビルドアップ係数Ｂは、式４のように近似することができる。
［式４］
2019049623.tif 000007
【００２５】
ビルドアップ係数Ｂは式４から、式５のようにまとめる。
［式５］
2019049623.tif 000008
【００２６】
式１、式２、式３、式４及び式５より、γ（ガンマ）線強度は式６のように表すことができる。
［式６］
2019049623.tif 000009
【００２７】
式６を用いることで、媒質中の見かけの長さの合計を、ＵＳＢカメラ２から取得した作業領域画像から距離計算を行うことで、作業台６上の任意の点のγ（ガンマ）線強度を、代数計算のみにより高速で計算することが可能である。さらに、この計算を、メッシュ状に区切った作業台上の各メッシュに対して行えば、モンテカルロシミュレーションソフトで多くの計算イベントを発生させるような計算を行わずに、高速で作業領域における線量の２次元分布の近似値を求めることも可能である。
【００２８】
次に、ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法について説明する。
ＵＳＢカメラ２から取得した作業領域画像を、正方形のメッシュ状に区切る。この正方形に区切られた各メッシュのＲＧＢ値をＲＧＢ色認識によって読み取り、各メッシュ内にあるＲＧＢ値の割合が高いものを判別する。判別を行った後、割合が高いＲＧＢ値を各メッシュ全体のＲＧＢ値として、メッシュ内のＲＧＢ値として置き換える。また、専用プログラムでは、ＲＧＢ値によって遮へい材の材質が登録されているため、各メッシュ内の材質を特定することが可能である。例えば、黒であれば鉛、灰色であればコンクリート、白であればパラフィンであると判定する。
本実施形態では、γ（ガンマ）線強度の計算に独自の近似計算手法を採用しているが、仮想放射線源３から仮想検出器の模擬検出部１５までの空間に、どのような材質の遮へい材がどのくらいの厚さで存在しているかを、ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法によって取得する必要がある。遮へい材の厚さはメッシュのカウント数から取得することができる。遮へい材の位置や厚さ、及び材質の情報を取得する際のＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法を用いたメッシュのカウント方法について図７、図８を用いて以下で説明する。
【００２９】
図７は、作業台上のＵＳＢカメラ２から取得した作業領域画像の一部を拡大したものである。各遮へい材Ａ、Ｂの色は、鉛は黒色、パラフィンは白色とする。専用プログラムは、ＵＳＢカメラ２から取得した作業領域画像からＡＲマーカを認識し、仮想放射線源３と仮想検出器の模擬検出部１５の位置を取得しているため、仮想放射線源３及び仮想検出器の模擬検出部１５の周囲は、メッシュ化処理からは除外され、遮へい材５としては認識されない。取得した作業領域画像はＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法を用いて処理し、作業台６上の状況は、専用プログラム側で図８のように認識される。ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理後、専用プログラムは仮想放射線源３の中心点であるＩＯから仮想検出器の模擬検出部１５の点Ｐまでにどの遮へい材が何メッシュ分存在しているかカウントする。
【００３０】
カウント方法は、専用プログラム上で仮想放射線源３の中心点であるＩＯから仮想検出器の模擬検出部１５の点Ｐまで直線を引き、その直線の距離ｒにかかるメッシュの個数をカウントする。例えば図８の場合、プログラム側では鉛（黒）の長さＬｍ１はメッシュ８個、パラフィン（白）の長さＬｍ２はメッシュ７個、というように認識される。これらを式５、式６のＬｍ１、Ｌｍ２に代入し、鉛、パラフィンに合わせた線減弱係数をμｍに代入することで、近似計算を行うことができる。各メッシュのサイズは、使用状況及び必要な精度によって変更されるが、教育教材として利用する場合、例えば０．２５ｃｍ×０．２５ｃｍ程度のメッシュとなる。各メッシュのサイズが０に近づくほど、実際の厚さとの誤差も０に近づく。作業台６上の全ての遮へい材の位置や厚さ、及び材質の情報はＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法によって取得されるため、遮へい材が複数配置されている場合でも、γ（ガンマ）線強度は近似計算手法を用いて算出することが可能である。そのため、遮へい材の形状や個数を気にすること無く、作業台上に遮へい材を複数配置することが可能となる。
【００３１】
［学習方法］
本実施形態の放射線の遮へい教育教材は、次に述べる手順で使用される。
指導者は、コンピュータ１、仮想放射線源３、仮想検出器４を起動の上で、作業台６上の離れた位置に仮想放射線源３と仮想検出器４を配置する。その際、仮想放射線源３から放出されるとγ（ガンマ）線強度及び放射線の照射のＯＮ・ＯＦＦを、γ線強度設定ダイヤル９及び放射線照射設定スイッチ１０で設定する。仮想放射線源３に使用している放射線源を決定する線源情報は、仮想放射線源３に取り付けられたＡＲマーカに紐付けられているので、ＡＲマーカを撮影し、専用プログラムで解析することにより線源情報を取得することができる。また、仮想検出器４は、スピーカのＯＮ・ＯＦＦ、コンピュータ１と仮想検出器４間の無線通信のＯＮ・ＯＦＦを操作スイッチ１７で設定する。次に、仮想放射線源３と仮想検出器４に当たらないように遮へい材５を作業台６上に配置する。このとき、学習者は遮へい材５を任意の場所に配置することができる。配置が終了した後、指導者はコンピュータ１上で操作を行い、専用プログラムを起動し、γ線強度の計算を開始する。専用プログラムの起動後、学習者は自由に仮想検出器の模擬検出部１５を動かして任意の点（現在位置）のγ線強度Ｉの値を、仮想検出器４の表示装置１６で確認する。この際γ線強度Ｉの値はγ線強度計算プログラムによって高速に算出され、リアルタイムに仮想検出器４に取り付けられた表示装置１６で確認できるほか、実物の放射線検出器と同様に警告音の大小でも確認できる。
【００３２】
図９は、仮想放射線源３を使った放射線の遮へい教育教材の作業台６上において２０ｃｍ×１０ｃｍ×６ｃｍの鉛ブロック（密度１１．３４ｇ／ｃｍ３）を用いて遮へいを行った場合の近似計算手法による処理の一例である。
γ（ガンマ）線強度設定ダイヤル９を１０７（試行回数１０００万回）で、放射線照射設定スイッチ１０をＯＮに設定した仮想放射線源３を作業台６上に配置する。２０ｃｍ×１０ｃｍ×６ｃｍの鉛ブロック（密度１１．３４ｇ／ｃｍ３）は仮想放射線源３を遮へいするように配置されている。次に、ＵＳＢカメラ２によってリアルタイムに取得している作業領域画像より、仮想放射線源３に取り付けられたＡＲマーカ８を認識し、仮想放射線源３の線源情報をＣｓ―１３７（セシウム１３７）と特定する。また、作業領域画像でＡＲマーカ８，１４を認識することで、仮想放射線源３の中心点であるＩ０の座標が（２０、５０）、仮想検出器の模擬検出部１５の点Ｐ１５の座標が（７０、５０）と決定される。各位置座標情報より仮想放射線源３の中心点であるＩ０から仮想検出器の模擬検出部１５の点Ｐまでの距離ｒの値が５０ｃｍであると算出される。次に、ＵＳＢカメラ２より取得した作業領域画像からＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理技法を用い、遮へい材Ａの位置、厚さ、材質情報を取得する。この一例でのメッシュ化処理では、作業領域画像を０．２５ｃｍ×０．２５ｃｍのメッシュ状に区切っており、仮想放射線源３と仮想検出器の模擬検出部１５はメッシュ化処理から除外される。ＲＧＢ色認識によるメッシュ化処理により遮へい材Ａのメッシュは４０個とカウントされ遮へい材Ａの厚さＬｍ１が１０ｃｍの鉛ブロックであると決定される。また、取得した仮想放射線源３の線源情報及び遮へい材Ａの材質により、線減弱係数μｍが１．１９８であると決定される。
【００３３】
コンピュータ１上の専用プログラムで算出された各値である、仮想放射線源３のγ（ガンマ）線強度設定ダイヤル９で設定したγ線強度Ｉ０＝１０７Ｐｈｏｔｏｎｓ（試行回数１０００万回）、仮想放射線源３から仮想検出器の模擬検出部１５までの距離ｒ＝５０ｃｍ、遮へい材Ａの厚さＬｍ１＝１０ｃｍ、遮へい材Ａの材質より線減弱係数μｍ＝１．１９８前述した式６に代入するこの一例では、作業台６上に１個のみ遮へい材が配置されているため、遮へい材の厚さＬｍ２は０ｃｍとする。ゆえに、γ線強度Ｉの値は約０．０２５９Ｐｈｏｔｏｎｓと算出される。
そして、仮想検出器の制御用マイコンボード１２に搭載されている通信用無線モジュール１１を介してコンピュータから算出結果を受信し、学習者が握っている仮想検出器の表示装置１６にγ線強度Ｉの値が表示される。
コンピュータ１上の専用プログラムで取得する、学習者が握っている仮想検出器の模擬検出部１５の座標は、ＵＳＢカメラ２で取得する作業領域画像がリアルタイムで更新され、学習者が握っている仮想検出器の模擬検出部１５に取り付けられたＡＲマーカ１４を認識し、取得する。そのため、学習者は仮想検出器の模擬検出部１５をステージ上で自由に動かすことができ、リアルタイムで任意の点のγ線強度Ｉを算出することができる。
仮想放射線源３から仮想検出器の模擬検出部１５までの距離ｒは仮想放射線源３の位置座標から仮想検出器の模擬検出部１５の座標の差を用いて、三平方の定理より求めることができる。また、遮へい材Ａの厚さＬｍ１はメッシュの個数により求められるため、仮想放射線源３または仮想検出器の模擬検出部１５の座標を変化させても、同様に計算することで求めることができる。
【００３４】
［実施形態の効果］
本実施形態の放射線の遮へい教材によれば、２０ｃｍ×１０ｃｍ×６ｃｍの鉛ブロック（密度１１．３４ｇ／ｃｍ３）を用いて遮へいを行った場合の模擬検出部１５の配置場所のγ（ガンマ）線強度の計算時間は１ミリ秒以下であった。特許文献１で採用された粒子輸送計算コードＰＨＩＴＳでは、入力ファイル上のｍａｘｃａｓとｍａｘｂｃｈを乗算した後の数である試行回数やコンピュータの性能によって計算時間が変動する。また、特許文献１の発明は、学習者がＡＲマーカを取り付けた遮へい材を作業台上に配置した後、粒子輸送計算コードＰＨＩＴＳを用いてγ線強度の計算を行うので計算時間がかかり、リアルタイムでの学習が可能ではなかった。特許文献１で採用された粒子輸送計算コードＰＨＩＴＳでは、作業領域全体のγ線強度を計算する必要性があり、１０７Ｐｈｏｔｏｎｓ（試行回数１０００万回）でのγ線強度の分布の計算時間はおよそ３０分を必要としていた。
実施形態で採用しているＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇによるγ線強度計算プログラムでは作業領域全体のγ線強度を計算する必要性はなく、模擬検出部１５の配置場所のγ線強度の計算時間は１ミリ秒しか必要としないため、特許文献１に比べγ線強度の計算時間は大幅に短縮される。そのため、任意の点のγ線強度は仮想検出器の表示装置にリアルタイムで表示され、学習者の集中力を削ぐことなく放射線の性質や遮へいのメカニズムを正しく直感的に理解することが可能となった。
【符号の説明】
【００３５】
１  コンピュータ
２  ＵＳＢカメラ
３  仮想放射線源
４  仮想検出器
５  遮へい材（例えば、パラフィン、鉛、コンクリート）
６  作業台
７  支持柱
８  仮想放射線源に取り付けられたＡＲマーカ
９  γ（ガンマ）線強度設定ダイヤル
１０  放射線照射設定スイッチ
１１  仮想放射線源の通信用無線モジュール
１２  仮想放射線源の制御用マイコンボード
１３  仮想放射線源の電源用電池
１４  仮想検出器に取り付けられたＡＲマーカ
１５  模擬検出部
１６  表示装置
１７  操作スイッチ
１８  音声出力装置
１９  仮想検出器の通信用無線モジュール
２０  仮想検出器の制御用マイコンボード
２１  仮想検出器の電源用電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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