ＴＯＦ−ＰＥＴ用のディジタルシリコン光電子増倍管
放射線検出器１０は、それぞれが検出器セル５０、５０'、５０''のアレイを含む検出器画素２２のアレイを含む。各検出器セルは、絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオード５２と、該光ダイオードに結合され且つ静止状態において第１のディジタル値を出力し該光ダイオードによる光子検出に応じて第２のディジタル値を出力するように構成されたディジタル回路５４、５４'、５４''とを含む。ディジタルトリガ回路６０、６０'、６０''、８４は、１以上の検出器セルのうち選択された数のものが第１のディジタル値から第２のディジタル値へと遷移したことに応じて、積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成される。読み出しディジタル回路６６、８２は、積算期間の間、検出器セルのアレイの検出器セルの、第１のディジタル状態から第２のディジタル状態への遷移の数のカウントを積算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射線検出の分野に関し、特に陽電子放出断層撮影（positron emission tomography、ＰＥＴ）、特に飛行時間（time-of-flight、ＴＯＦ）型ＰＥＴ用の高速放射線検出器に関し、特にこれに関して説明される。しかしながら本発明はより一般的に、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）及びコンピュータ断層撮影（ＣＴ）等のための放射検出器、並びに天文学のような他の用途のための高速放射線検出器に関連する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＰＥＴにおいては、患者又は他の撮像対象に放射性医薬品が投与される。該放射性医薬品は、陽電子を放出する放射線崩壊事象をもたらす。該陽電子は非常に短い距離を進み、電子−陽電子消滅事象により周囲の撮像対象の電子と急速に相互作用し、２つの反対方向のガンマ線を生成する。該ガンマ線は、撮像対象を囲む放射線検出器により、これら検出器の間の同時計測線（line of response、ＬＯＲ）を定義する２つの略同時の放射線検出事象として検出される。典型的に、放射線検出器は、各ガンマ線検出に応じた光のバースト又はシンチレーション（scintillation）を生成するシンチレータと、該光のバーストを対応する電気信号に変換する、該シンチレータに光学的に結合された光電子増倍管（ＰＭＴ）のアレイとを含む。幾つかのＰＥＴスキャナにおいては、ＰＭＴは、光のバーストの強度に比例したアナログ電流を生成する光ダイオードにより置き換えられる。
【０００３】
ガンマ線は「略同時に」検出されるが、２つの関与する放射線検出器の一方が、他方の放射線検出器よりも電子−陽電子消滅事象に近い場合には、２つの放射線検出事象の間に小さな時間差が生じる。ガンマ線は光速で進むため、この検出間の時間差は典型的におよそ数ナノ秒以下となる。ＴＯＦ−ＰＥＴにおいては、この小さな飛行時間の差の検出を可能とするために放射線検出器が十分に高速で動作し、ＬＯＲに沿った電子−陽電子消滅の位置を決定するために利用される。
【０００４】
従って、ＴＯＦ−ＰＥＴについては、放射線検出器はナノ秒以下の時間解像度を持つべきである。ＰＭＴは一般にＴＯＦ−ＰＥＴによる撮像を実行するために十分に高速であるが、ＰＭＴはかさばり、高電圧のバイアスを必要とし、高解像度のために望ましい小さな画素サイズには適さない。従来の光ダイオードはＴＯＦ−ＰＥＴのために十分に高速であるが、内部アプリケーションを欠き、悪い信号対ノイズ比に導く。従来の光ダイオードを用いて十分な信号を得るためには、信号を統合するため電荷感応型増幅器が典型的に利用され、このことは帯域幅を制限する。アバランシェ（avalanche）光ダイオードが利用されても良いが、アバランシェ光ダイオードは典型的に、ゲインにおける高いノイズレベル並びに高い温度及びバイアス感応性を示してしまう。
【０００５】
これらの困難に対処するため、例えばE. A. Georgievskyaらによる「The solid state silicon photomultiplier for a wide range of application」（17th Int'l Conf. on Photoelectronics and Night Vision Devices、Proceedings of SPIE vol. 5126（2003年））、及びGolovinらによる「Novel type of avalanche photodetector with Geiger mode operation」（Nuclear Instrument & Methods in Physical Research A、Vol. 518、560-564頁（2004年））において、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）検出器が提案されてきた。これらＳｉＰＭ検出器は、絶縁破壊領域においてバイアスされ、並列に相互接続された、小型のアバランシェ光ダイオードの画素化されたアレイを利用する。出力は、有限ガイガーモードにおいて動作する並列に相互接続されたアバランシェ光ダイオードの電流のアナログ合計である。ＳｉＰＭ検出器において検出された光子のそれぞれは、ＳｉＰＭの出力電流に１０６個のオーダーの電子を加える。光子検出に応答するガイガー放電は高速であり、信号の鋭い立ち上がりエッジをもたらし、正確な時間測定を容易化する。エネルギー解像度及び時間解像度は１／ｓｑｒｔ（Ｎ）に対応し、ここでＮは発火（firing）しているセルの数である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳｉＰＭ素子は、一定の欠点を持つ。光子検出により生成されたアナログ電流は、バイアス電圧、動作温度、及びクエンチング（quenching）抵抗値のような臨界的回路パラメータによって影響を受ける。これらの要因は、各光子検出により生成されるアナログ電流を変化させ、従ってＳｉＰＭのエネルギー解像度を制限する。アナログ構成はまた、高いダークカウントを生成すること、及び不完全なアバランシェ光ダイオードが検出器装置の製造歩留をかなり制限してしまうこと、といった欠点を持つ。
【０００７】
以下、上述の制限等を克服する改善された装置及び方法が考察される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様によれば、放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に使用するための検出器画素が開示される。検出器セルのアレイが備えられる。前記検出器セルのそれぞれが、絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードと、前記光ダイオードに結合されたディジタル回路とを含む。前記ディジタル回路は、静止（quiescent）状態において第１のディジタル値を出力し前記光ダイオードによる光子の検出に応じて第２のディジタル値を出力するように構成される。ディジタルトリガ回路が、１以上の前記検出器セルのうち選択された数の検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移したことに応じて、積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成される。読み出しディジタル回路が、前記積算期間の間、前記検出器セルのアレイの検出器セルの、前記第１のディジタル値の出力から前記第２のディジタル値の出力への遷移の数のカウントを積算する。
【０００９】
幾つかの実施例においては、ディジタルタイムスタンプ回路が、カウントに関連するディジタルタイムスタンプを出力するように構成される。前記ディジタルタイムスタンプは、時間基準信号に対するトリガ信号の時間に基づく。
【００１０】
他の態様によれば、放射線検出器は、シンチレータと、受信された放射線に応じて前記シンチレータにより生成された光のバーストを受信するように構成された、上述のパラグラフに開示された検出器画素のアレイとを含む。
【００１１】
他の態様によれば、飛行時間型陽電子放出断層撮影（ＴＯＦ−ＰＥＴ）システムが開示される。複数の上述の２つのパラグラフにおいて開示された放射線検出器が、撮像領域から放出されたガンマ線を検出するために配置される。ガンマ線対検出回路が、２つの前記放射線検出器による２つの略同時のガンマ線検出を特定する。同時計測線プロセッサが、前記２つのガンマ線検出を結ぶ空間的な同時計測線を決定する。飛行時間プロセッサが、前記２つの略同時のガンマ線検出の間の時間差に基づいて、前記同時計測線に沿った陽電子−電子消滅事象の位置を特定する。
【００１２】
他の態様によれば、放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に方法が実行される。ディジタル回路が、切り換え事象を定義するためにディジタル回路により絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードによる光子の検出に応じて第１のディジタル値から第２のディジタル値へと切り換えられる。積算期間の開始を示すトリガ信号が、複数の前記光ダイオードに関連する１以上の選択された数の前記切り換え事象に応じて生成される。前記積算時間の間、前記複数の光ダイオードに関連する切り換え事象のカウントが積算される。
【００１３】
幾つかの実施例においては、本方法は更に前記積算期間の間の積算に関連するディジタルタイムスタンプを生成するステップを更に含む。前記ディジタルタイムスタンプは、前記トリガ信号の生成の時間と基準時間信号とに基づく。
【００１４】
他の態様によれば、シンチレータと上述のパラグラフに記載の方法を実行するための回路とを含む、放射線検出器が開示される。
【００１５】
一利点は、ＴＯＦ−ＰＥＴ、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、透過型コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、天文学及び他の用途のために高データレートの放射線検出を提供することに存する。
【００１６】
他の利点は、ディジタル放射線検出器出力を提供することに存する。
【００１７】
他の利点は、ディジタル的にタイムスタンプを付された検出器出力を提供することに存する。
【００１８】
他の利点は、改善された空間的な検出器解像度を提供することに存する。
【００１９】
他の利点は、温度、バイアス電圧及び処理パラメータに対する低い感度を持つ、改善された検出器装置の製造歩留に存する。
【００２０】
以下の詳細な説明により、多くの更なる利点及び利益が当業者に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、種々の要素及び要素の構成、並びに種々の処理動作及び処理動作の構成の形態をとる。図面は単に好適な実施例を説明する目的のためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００２２】
図１を参照すると、飛行時間型陽電子放出断層撮影（ＴＯＦ−ＰＥＴ）スキャナ８は、撮像領域１２を観測するように構成された複数の放射線検出器１０を含む。図１において、複数の放射線検出器１０は、軸方向に沿った検出器の幾つかのリングに配置されるが、放射線検出器の他の配置が利用されても良い。更に、複数の放射線検出器１０は図式的に示されており、一般に放射線検出器はスキャナ８の筐体１４内に収容され、それ故外からは見えないものであり、放射線検出器の各リングは一般に数百又は数千の放射線検出器を含むことは理解されるべきである。幾つかのＰＥＴスキャナにおいては単一の放射線検出器リングのみが備えられ、他のものにおいては２つ、３つ、４つ、５つ又はそれ以上の放射線検出器リングが備えられる。図に示された検出器のリング構造の代わりに、検出器ヘッドが利用されても良いことは理解されるべきである。ＴＯＦ−ＰＥＴスキャナ８は、人間の患者又は他の撮像対象を撮像領域１２に配置するための寝台１６又はその他の支持器を含む。任意に、寝台１６は、概して放射線検出器１０のリングを横断する軸方向に直線的に移動可能であり、これにより３次元の撮像データの捕捉を容易化する。加えて、又は代替として、撮像対象は静的に保持され、３次元のＴＯＦ−ＰＥＴ画像データを捕捉するため放射線検出器の複数のリングが利用されても良い。更に他の実施例においては、単一の検出器のリングのみが備えられ、撮像対象は静的なままであり、結果の画像が２次元である。
【００２３】
ＴＯＦ−ＰＥＴ撮像の開始の前に、患者又は他の撮像対象に適切な放射性医薬品が投与される。該放射性医薬品は、陽電子を放出する放射性崩壊事象を経る放射性物質を含む。該陽電子は、撮像対象中の近隣の電子と共に急激に消滅する。結果の電子−陽電子消滅事象は、５１１ｋｅＶのエネルギーを持つ２つの反対方向に向くガンマ線を生成する。該ガンマ線は、光速即ち約３×１０８メートル／秒で進む。撮像領域１２は一般に約２メートル以下の径又は他の特徴的な大きさを持つため、陽電子−電子消滅事象の位置から複数の放射線検出器１０の１つの検出器までのガンマ粒子の飛行時間は、およそ数ナノ秒以下である。かくして、２つの反対方向に向くガンマ線は、２つの放射線検出器に略同時に到達する。
【００２４】
図１を更に参照し、更に図２を参照すると、各放射線検出器１０はシンチレータ２０を含み、該シンチレータ２０は、ガンマ線がシンチレータ２０に到達したときに、シンチレーション又は光のバーストを生成する。光のバーストは、シリコン基板２４にモノリシックに配置された検出器画素２２のアレイにより受信される。以下に説明されるように、検出器画素２２は、光子のカウントのディジタル表現（図１において「カウント」と示される）と、シンチレーション事象に対応する光のバーストがいつ検出器画素２２によって検出されたかを示すタイムスタンプのディジタル表現（図１において「タイムスタンプ」と示される）とを含む値を出力する、ディジタル検出器画素である。更に、複数の放射線検出器１０は例えば、どの放射線検出器１０が放射線検出事象を出力したかを示す検出器インデクス（図１において「ｎｄｅｔｅｃｔｏｒ」と示される）と、該放射線検出器のどの検出器画素が放射線検出事象に対応する光のバーストを検出したかを示す検出器画素インデクス（図１において「ｋｐｉｘｅｌ」と示される）とを含む、インデクス情報を出力する。シンチレータ２０は、シンチレーションバーストの急激な時間的崩壊を用いて５１１ｋｅＶのガンマ線に対して高い阻止パワーを提供するように選択される。幾つかの適切なシンチレータ物質は、ＬＳＯ、ＬＹＳＯ、ＭＬＳ、ＬＧＳＯ、ＬａＢｒ及びこれらの混合物である。他のシンチレータ物質が利用されても良いことは理解されるべきである。図２はシンチレータ２０を単結晶として示しているが、代わりにアレイ状の結晶が利用されても良い。加えて、シンチレーション光バーストの光子の検出器画素２２への透過を改善するために、シンチレータ２０と検出器画素２２との間に任意の平面状の光導体２６が挿入されても良い。シンチレータ２０及び光導体２６は任意に、シンチレーション光を画素２２へと誘導する反射性被覆２８に覆われても良い。
【００２５】
更に図１を参照すると、放射線検出事象に関連するディジタルデータは、選択されたデータ処理を実行するプリプロセッサ３０により処理される。例えば、１つのシンチレーション事象が複数の検出器画素により検出された場合、プリプロセッサ３０は、各放射線検出事象について空間座標ｒを特定し、検出された放射線粒子のエネルギーを推定するために、アンガー（Anger）ロジック又はその他の処理を利用しても良い。結果の各放射線検出事象についての空間情報及びエネルギー情報は、事象バッファ３２において保存される。他の実施例においては、シンチレータ層が検出器画素に対応するサイズのシンチレータタイルに分割され、各検出器画素が単一のシンチレータタイルに光学的に結合される。例えば、各シンチレータタイルは、結合された画素にシンチレーション光子を導くための、反射性被覆２８に類似した反射性被覆を含んでも良い。
【００２６】
ガンマ線対検出回路３４は、放射線検出事象を処理し、対応する電子−陽電子消滅事象に属する略同時のガンマ線検出の対を特定する。該処理は例えば、エネルギーウィンドウ処理（即ち、約５１１ｋｅＶに配置された選択されたエネルギーフィルタリングウィンドウの外の放射線検出事象を破棄すること）、及び一致検出回路（即ち、選択された時間フィルタリング間隔よりも大きく互いから時間的に離れた放射線検出事象の対を破棄する）を含んでも良い。
【００２７】
ガンマ線対が特定されると、同時計測線（ＬＯＲ）プロセッサ３８が、２つのガンマ線検出事象に関連する空間情報（例えば、２つの事象がプロプロセッシング３０により計算された空間座標ｒ１及びｒ２によりそれぞれ表される）を処理し、２つのガンマ線検出を結ぶ空間的な同時計測線（ＬＯＲ）を特定する。陽電子−電子消滅事象により放出される２つのガンマ線は、空間的に反対方向を向いているため、電子−陽電子消滅事象がＬＯＲ上のどこかで発生したことが分かる。
【００２８】
ＴＯＦ−ＰＥＴにおいては、放射線検出器１０は、２つの「略同時の」ガンマ線検出の間の飛行時間の差を検出するために十分な高い時間的解像度を持つ。飛行時間プロセッサ４０は、２つのガンマ線検出事象の時間（図１において「ｔ１」及び「ｔ２」と示される）の時間差を解析し、ＬＯＲに沿った陽電子−電子消滅の位置を特定する。大量の陽電子−電子消滅事象について積算された結果は、ヒストプロジェクション（histprojection）のセット４２である。再構成プロセッサ４４は、フィルタリングされた逆投影法又は補正を伴う反復的な逆投影法のような、いずれかの適切なアルゴリズムを用いて、ヒストプロジェクションのセット４２を再構成された画像へと再構成する。結果の再構成された画像は画像メモリ４６に保存され、ユーザインタフェース４８に表示され、印刷され、保存され又はイントラネット若しくはインターネットにより通信される等しても良い。図示された実施例においては、ユーザインタフェース４８は放射線医又は他のユーザがＴＯＦ−ＰＥＴスキャナ８を制御することをも可能とし、他の実施例においては、別個のコントローラ又は制御コンピュータが備えられ得る。
【００２９】
図３を参照すると、放射線検出器１０の各画素２２は、検出器セル５０のアレイを含む。図３は、斯かる検出器セル５０の１つの一般的な回路図を示す。光ダイオード５２は絶縁破壊領域においてバイアスされ、ディジタル化回路５４への入力として動作する。ディジタル化回路５４の出力５６は、静止状態に対応する第１のディジタル値を持ち、光ダイオード５２による光子の検出に応じた第２のディジタル値へと遷移する。シンチレーションバーストの最初の光子が検出器されると、第１のディジタル値から第２のディジタル値への出力５６の切り換えが、オープンコレクタ型トリガラインドライバ６０を起動し、それによりトリガ信号が共通トリガライン又はバス６２に供給される。トリガ信号は次いで、光子カウンタ／ＦＩＦＯバッファ６６（ここでＦＩＦＯは「first in, first out」を意味する）を起動する。該光子カウンタ／ＦＩＦＯバッファ６６は、トリガ信号により開始された積算期間の間、第１のディジタル値から第２のディジタル値へのディジタル化回路５４の切り換えをカウントする。幾つかの他の実施例においては、捕捉可能化ライン６７が光子カウンタ６６を起動する。クエンチング回路７０（アクティブ型であってもパッシブ型であっても良い）が光ダイオード５２を通る電流を制限し、第２のディジタル値から第１のディジタル値へ戻すバイアス回路の遷移を容易化するように構成される。かくして、積算期間が終了する前に検出器セル５０が静止状態の第１のディジタル値へとクエンチングされると、検出器セル５０は１つよりも多い光子をカウントし得る。光子カウンタ／ＦＩＦＯバッファ６６に保存される最終的なカウントは、ディジタルバス６８を介してアクセス可能である。
【００３０】
光ダイオード５２は、ガイガーモード型の動作で適切にバイアスされる。光ダイオード５２が絶縁破壊を起こすと、アバランシェ絶縁破壊工程により大量の電荷（幾つかの光ダイオードにおいては例えば受信される検出毎に約１０６個の電子）が生成される。該電荷は主に、光ダイオード５２を通る電流を制限するための典型的には数百キロオームの有効抵抗を持つクエンチング回路７０を通って伝送される。電流がかくして制限されると、光ダイオード５２に残る電荷は空間的に分散し、光ダイオード５２のアバランシェ領域における電場を低減させる。このスクリーニングはアバランシェ工程をクエンチングし、残りのキャリアをアバランシェ／減少領域の外への流出により伝送させ、光ダイオード５２の回復を引き起こす。一般に、光ダイオード５２は、光ダイオード５２のエッジにおけるアバランシェ絶縁破壊を防止するために、周囲に保護リング（図示されていない）を含む。該保護リング構造は、アバランシェ絶縁破壊が起こるには低すぎる内部電場を持つ通常の逆バイアスされたＰＮダイオードとして適切に動作する。
【００３１】
図４Ａを参照すると、検出器セルの１つの一実施例５０'のより詳細な回路図が示されている。本実施例は、クエンチング抵抗として実施化されたパッシブ型クエンチング回路７０'を含む。光子を検出すると、光ダイオード５２の接合部が絶縁破壊し、光ダイオード５２及びクエンチング抵抗７０'を電流が流れ始める。該電流は抵抗７０'の両端の電圧降下を引き起こし、インバータ入力における電位を低下させる。ＶＤＤに対する電圧の差は、インバータ出力を「高」状態へと駆動するために十分に大きいべきである。インバータの切り換え特性は、トランジスタ幅を調節することにより最適化され得る。光ダイオード５２が絶縁破壊から回復すると、インバータ出力は自動的に「低」状態に戻る。
【００３２】
更に図４Ａを参照すると、検出器セル５０'は更に、不良な検出器セルを完全にスイッチオフするのではなく、不良な検出器セルが不正なトリガを生成することを防止する、抑制ロジック７４を実装する。不良な検出器セルは、トリガ確認回路（後述する）において考慮に入れられる過度の電流を生成する。検出器セル５０'を利用する場合、トリガライン６２は、プルアップレジスタ（図４Ａには図示されていない）を介して「高」レベルへと固定される。このようにして、全ての検出器セル５０'からのトリガが論理的に互いに「ＯＲ」演算され、最初の光子を検出した検出器セルによってトリガライン６２がプルダウンされる。
【００３３】
図４Ｂを参照すると、検出器セルの１つの他の実施例５０''のより詳細な回路図が示されている。本実施例は、静止状態レベルへと戻るための光ダイオード５２の接合部静電容量の放電を高速化し、光ダイオード５２の回復時間を減少させるための、アクティブ型クエンチング回路７０''を含む。所与の検出器セル５０''は迅速に回復する場合に積算期間の間１つよりも多い光子をカウントする見込みがより高いため、より短い回復時間が高い感度に導くことが予期され、また検出器セル５０''のより高いダイナミックレンジ及びより優れたエネルギー解像度へと導くことが予期される。階層型トリガネットワークが利用される場合には、光子カウンタ６６は、最初の光子を検出した検出器セルによってプルダウンされ、積算期間の間、主画素ロジック（図４には図示されていない）によりホールドダウンされる、トリガライン６２によって又は専用線によってイネーブルにされる。光子カウンタ６６によって積算される検出された光子の数は、トリガライン６２又は専用の読み出しラインの立ち上がりエッジにおいて、光子カウンタ６６からバッファ又は他のディジタル記憶装置（図４Ｂには図示されていない）に転送される。次いで、次のシンチレーションバースト検出事象に備えるため、例えばトリガライン６２上の反転され遅延された信号の低いレベルにより、カウンタ６６が自動的にリセットされる。本構成において、積算期間同士の間の待ち時間は、バッファ転送時間とカウンタ６６のリセット時間との和と同じくらい短くなり得、幾つかの実施例においては、ＣＭＯＳ実装について１ナノ秒よりも短くなることが予期される。図４Ｂの検出器セル５０''はまた、不良の検出器セルからの不正なトリガを防止するための抑制ロジック７４を含む。
【００３４】
図５を参照すると、放射線検出器１０の各画素２２は、検出器セル５０の２次元アレイと、関連する画素レベルディジタル画素ロジック８０とを含む。画素２２についてのディジタル読み出し回路は、検出器セルレベルにおいて、画素レベルディジタル捕捉読み出し回路８２と関連する回路とを含む。
【００３５】
図３及び５を参照すると、各検出器セル５０のディジタル化回路５４は、当該検出器セルの光ダイオード５２が絶縁破壊状態に入ったか否かを示す、閾値ベースのバイナリのディジタル出力を供給する。ディジタル回路５４は、光ダイオード５２が静止状態にあるときの第１のバイナリ値を出力し、光ダイオード電流が閾値を超えたとき（光子検出を示す）第２のバイナリ値へと遷移する。各光ダイオード５２の信号はかくして、検出器セル５０のレベルにおいてディジタル化される。検出器セルのディジタル遷移をカウントする画素レベルロジックにより読み出しが実行され、検出された光子の数を示すディジタル画素出力を生成する。アナログＳｉＰＭにおいて実行されるような、アナログ光ダイオード電流を合計してアナログ画素出力を生成することに比べると、図３及び５のディジタル化カウント方法は、バイアス変化、動作温度変化又はクエンチング回路７０の構成要素の公差等に対して大幅に敏感ではなくなる。これらの二次的な効果が、閾値型ディジタル回路５４の誤った切り換え又は切り換え損ないを引き起こさない限り、一般には検出セル５０のエネルギー解像度に影響を与えない。
【００３６】
幾つかの読み出し方式においては、検出器セル５０は、検出器セル５０のアレイの行及び列についてのアドレスデコーダを利用して、標準的なメモリブロックにおけるようにアドレス指定される。この方法はセルデータのシーケンシャルな読み出しを提供し、この場合には画素レベル読み出し回路８２が単純なディジタル積算器であり得る。他の読み出し方式においては、セルのラインが並行して読み出され、各ラインが部分的な合計のための自身の積算器を持ち、該部分的な合計が並列加算器ツリーにおいて加算される。更に他の読み出し方式においては、加算器が検出器セルに組み込まれ、それによりデータをクロックアウトする間にライン全体の合計が得られ、ラインの合計が該ラインにおける最後の検出器セルから読み出される。最後の読み出し方式における合計はパイプライン処理されることができ、該読み出しアーキテクチャは高速であり、短い読み出し間隔を可能とする。
【００３７】
検出器セルレベルの光子カウンタ６６又は画素レベル読み出し回路８２のカウンタが飽和しそうな場合は、カウンタは先頭に戻ることを許可されるべきではない。例えば、０乃至１５をカウントする４ビットのカウンタは、１５から０へと戻されるべきではない。先頭へ戻ることを回避することにより、カウンタの読み取り値が該カウンタの最高値（例えば４ビットのカウンタについては１５）である場合に画素２２の飽和が検出され得る。先頭へ戻ることを回避するためのビットの数は、専ら予期される最短のセル回復時間及び積算期間の最大長に依存する。積算ウィンドウは設計パラメータであるが、セル回復時間は統計的な性質である。なぜなら、光子検出可能性は、セル回復の間にゆっくりと上昇する過電圧の関数であるからである。しかしながらアクティブ的にクエンチングされるセルにおいては、最短回復時間はモノフロップ（monoflop）遅延により定義される。従ってこの場合には、オーバフローを回避するために十分にカウンタを大きく設計することが可能である。ディジタルバス６８は、空間又は時間的な制約に依存して、並列バスであっても良いし又は直列バスであっても良い。
【００３８】
更に図５を参照すると、ディジタル画素ロジック８０は更に、トリガディジタル回路８４と、トリガ確認回路８５と、画素２２の光子カウントを保存する出力バッファ８６とを含む。トリガディジタル回路８４は、基準クロック８８（図５には図示されていない適切な発振器又は他のクロック装置に接続された電気的トレースとして示される）にアクセスし、トリガディジタル回路８４のための時間基準を提供する。トリガディジタル回路８４は、グローバルな（例えばスキャナの）時間フレームで、放射線検出事象のタイムスタンプを決定する。スキャナの全ての画素２２のトリガディジタル回路モジュール８４は、好ましくは１００ｐｓ未満の精度で同期して動作する。基準信号８８は、画素のトリガディジタル回路モジュール８４を同期させるために利用され、スキャナ全体について、これらモジュールに共通の時間基盤を提供する。幾つかの実施例においては、積算期間は、トリガ信号の出現において開始する、固定された時間間隔である。他の実施例においては、積算期間は、新たなカウントの割合が閾値を下回る場合に動的に終了される。
【００３９】
トリガディジタル回路８４はまた、好ましくはカウントに関連するディジタルタイムスタンプ（図１参照）を出力するように構成される。該ディジタルタイムスタンプは、シンチレーションバーストからの光子を検出する検出器セル５０の最初の１つのトリガラインドライバ６０により出力されるトリガ信号の時間に基づく。任意に、画素ロジック８０は更に、データ補正レジスタ及び抑制シーケンスドライバを含む。また自動テスト・較正回路８７が任意に、画素ロジック８０により実装される。一テスト／較正方法においては、画素２２のダークカウントレート（ことによるとシンチレータ２０の固有の放射性により生成される背景カウントを含む）が監視される。他のテスト／較正方法においては、検出器セル５０に注入されるテスト電荷からの外部励起が、画素２２をテスト及び較正するために利用される。
【００４０】
図５を更に参照すると、暗電流、クロストーク又は熱励起等により、検出器セル５０の１つが誤ったトリガ信号を生成し積算期間を開始してしまうことが起こり得ることが理解されるであろう。トリガ確認回路８５はトリガ信号を確認し、該トリガ信号が不正なものであると決定された場合には積算を中止する。一方式においては、トリガ確認回路８５は、画素２２のバイアスネットワークを流れる電流を解析する。選択された時間間隔の間（例えば捕捉期間への１０ナノ秒の間）、弁別器又はその他の回路により測定された総電流が特定の電流閾値を下回ったままである場合、捕捉が中止され、次のトリガに備えて自動リセットシーケンスが起動される。電流が前記電流閾値を超える場合、弁別器出力が「高」レベルに上昇し、捕捉が継続される。幾つかの実施例においては、固定された積算期間を利用する代わりに、シンチレーションバーストの終了を検出するためにバイアス電流弁別器の立ち下りエッジが利用され、捕捉間隔の終了に略合致するように積算期間を適応させる。このことは、高いカウントレートの用途における山積を抑制する。他の適切な方法は、熱的なトリガは一般に相関しないため、短い時間ウィンドウ内で２つのトリガが熱的に生成される確率は、トリガを発するセルの距離に応じて減少するという事実を利用する。逆に、シンチレーションバーストは、画素２２の感光エリアに亘って検出器セル５０に作用するべきである。従って、トリガ確認回路８５は、例えば個々の検出器セル５０からのトリガを解析し、例えば２つの離れたラインが選択された時間ウィンドウ内でトリガ信号を生成した場合に、トリガ信号を正当なものと確認しても良い。トリガ確認には、単光子レベルよりも高いトリガ閾値において設定された調節可能な弁別器を持つ電流センサを利用するなど、他の方式が利用されても良い。
【００４１】
他の幾つかの実施例においては、カウンタ６６は、捕捉可能化ライン６７によりトリガされる。陽電子−電子消滅事象に関連しない光子の高い背景流束がある場合、最初の光子によりトリガすることは問題が多いものであり得る。該背景は例えば、シンチレータの二次低速崩壊モードの結果であり得る。斯かる場合においては、検出器セルは頻繁に発火し、画素の待ち時間を増大させる。より頑強なカウンタ起動を提供するため、検出器セルレベルにおいて（図３、４Ａ又は４Ｂ）、最初の光子の検出時に画素ロジックによってプルダウンされる（トリガラインは低下する）、又はバイアスネットワークを流れる電流がユーザ定義されたトリガレベルを超えたときにトリガ確認回路８５の弁別器によりプルダウンされる、別個の「捕捉可能化」ライン６７によって、光子カウンタがイネーブルにされる。該ラインは積算ウィンドウの長さを定義し、画素ロジックにより駆動される。検出器画素レベルにおいて（図５）、トリガ確認回路８５は、時間−ディジタル変換器／トリガ確認回路への入力として、トリガライン６２（単光子トリガの場合）か又は先端弁別器出力（多光子トリガの場合）を選択する多重化器８９を含むように拡張される。トリガ確認回路８５は、検出器セル５０、５０'、５０''に「捕捉可能化」信号６７を供給するように拡張される。代替として、単光子レベルにおけるトリガが必要とされない場合には、選択された数のセル（トリガライン）が同時にアクティブになった場合にトリガ信号を生成するように、適切なロジックが実装されても良い。該実装は、ディジタルの構成要素のみを必要とするという実用的な利点を持つ。しかしながら、この場合には、閾値は静的にのみ定義される。他の幾つかの実施例においては、検出器セルからオープンコレクタ型ドライバが任意に省略されても良く、トリガ確認回路において修正された設計が利用される。
【００４２】
図５を更に参照し、更に図６を参照すると、画素２２が２次元アレイで配列され、画素化された放射線検出器１０の感光面を定義する。図６に示された実施例は、画素２２の各ラインがＦＩＦＯバッファ９０により読み出される画素読み出しを利用する。出力バッファ９０はそれぞれトライステート型（tristate）出力バッファを含み、データが共有ディジタルデータバス９２を通って転送されることを可能とする。任意に、ライン出力バッファ９０における読み出し調停により、及び出力バッファ９２による共有バス調停により、事象が該事象のタイムスタンプに従って保存され、一定期間に亘って保存された事象データのストリームに導く。該任意の特徴は、一致する事象の検索をかなり単純化する。データ要求のデージーチェーン（daisy-chain）が、書き込みアクセス調停のために適切に利用される。デージーチェーン接続された合計が、オフチップでの転送のために放射線検出器出力バッファ９４へと転送される。
【００４３】
図７及び図８を参照すると、幾つかの実施例において、放射線検出器１０のディジタル回路（ディジタルバイアス回路５４、５４'及び５４''、ディジタルトリガ回路６０、６０'、６０''及び８４、並びに読み出しディジタル回路６６及び８２のような）が、シリコン基板２４上に配置されたＣＭＯＳ回路により定義される。種々の物理的なレイアウトが利用されることができる。図７に示された垂直に分離されたレイアウトにおいては、検出器セル５０、５０'、５０''のアレイの光ダイオード５２が光ダイオード層１００を定義し、光ダイオード層１００から分離され且つ電気的に結合されたＣＭＯディジタル回路層１０２においてディジタル回路が配置される。図８に示された代替のレイアウトにおいては、光ダイオード５２が光ダイオード層１００'を定義し、光ダイオード５２間に挿入された光ダイオード層１００'にＣＭＯＳディジタル回路（ディジタルバイアス回路５４、５４'及び５４''、ディジタルトリガ回路６０、６０'、６０''及び８４、並びに読み出しディジタル回路６６及び８２のような）が配置される。
【００４４】
ＣＭＯＳロジックは切り換え状態のときのみに電力を引き出すため、クロック８８によって継続してアクティブにクロック供給される放射線検出器１０の一部のみが、ベースラインの電力消費に寄与する。画素２２は、静止状態における絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオード５２の１つにより生成されるトリガ信号によってアクティブにされるため、電力消費は光子検出レートに依存し、従って受信される光子の流束にダークカウントのレートを加えたものに依存する。画素２２の電力消費の制御は、２つの捕捉間のそれぞれの画素の待ち時間を故意に増大させることにより実装され得る。このことは、画素の温度に依存する画素ロジック８０によって自動的に為され得る。画素の温度は、温度センサ（図示されていない）により直接測定されても良いし、画素２２のダークカウントレートから間接的に推定されても良い。
【００４５】
ＣＭＯＳロジックは切り換え状態のときのみに電力を引き出すため、アナログ実装に代えてＣＭＯＳ実装を利用することにより、全体の電力消費は劇的に削減され得る。例えば、アナログ実装の幾つかの実施例においては、チャネル毎の電力消費が３０ｍＷであり、チップのグローバル部分の電力消費は１６２ｍＷである。２８３３６個のチャネル又は１８９０個のチップを持つ臨床装置におけるような更に実用的な実装については、電力消費は１１５６Ｗの一定値となり得る。一方、ここで説明された種々の実装のようなＣＭＯＳ実装の場合の電力消費は、静的値と動的値との２つの異なる値を持つ。静的電力消費は、カウントがなくそれ故状態の切り換えがない場合に必要とされる電力である。該静的電力消費は、動的な切り換えのためのロジック用の電力を含む。なぜなら、ロジックはカウントを受信する準備ができている必要があるからである。動的電力消費は、検出器がアクティブにカウントを受信しており、それ故切り換え状態である場合に必要とされる電力である。アクティブ状態における電力消費はアクティビティの量に依存し、カウント及び状態の切り換えが多い程、多くの電力が必要とされる。同様の１８９０チップ検出器についての静的電力消費は、約１０Ｗ以下である。動的電力消費はアクティビティに依存して変化し得るが、典型的には約３００Ｗ以下である。
【００４６】
光のシンチレーションバーストが、１以上の画素２２の検出器セル５０、５０''、５０''の略全てを、積算期間の間に第１のディジタル状態から第２のディジタル状態へと遷移させるために十分に高い光子の流束を生成する場合、問題が生じ得る。この場合、画素２２が飽和し、実際の強度（即ち光子の流束）が正確に測定されない。この飽和の問題は、種々の方法で対処され得る。
【００４７】
一手法においては、光ダイオード５２により定義される感光エリアが、より多くのより小さい光ダイオードに分割される。各光ダイオードの減少された面積が、光子を検出する見込みを減少させる。より多くの光ダイオードの総数は光子の流束に対してより高い画素レベル感度をもたらすが、一般に各セルの減少された面積を完全には補償しない。検出器セルは、隣接する検出器セル間の光学的なクロストークを低減させるために、幾分かの間隔を持つべきである。典型的には、不透明な物質により満たされた溝が該間隔に用いられる場合には、セルの間隔は数ミクロン以下のオーダーである。かくして、セルの数を増大させることが一般に、セルの総面積に対する感応面積の割合を或る程度減少させる。加えて、セルのサイズを一定に保ちつつ検出器セルの数を増大させることが、一般にダークカウントレートの比例的な増大に導く。
【００４８】
図９を参照すると、飽和問題に対処するための他の手法において、感光エリアにおいて比例光ダイオード１１０が含まれる。比例ダイオード１１０は、ディジタル検出において利用される光ダイオード５２よりも大きい。比例光ダイオード１１０は、画素２２に入射する光子の流束が、画素２２の検出器セル５０、５０'及び５０''の略全てを積算期間の間に第１のディジタル状態から第２のディジタル状態へと遷移させるために十分高い場合、該流束に比例するアナログ光電流を生成するように構成される。製作を簡単化するため画素２２のアレイの一方の側に沿って示されているが、該アレイの中央又は該アレイの隅のような、該アレイに対する別の位置に比例光ダイオード１１０が配置されても良い。更に、幾つかの実施例においては、比例光ダイオード１１０は、画素２２のアレイの各隅に配置された比例光ダイオードのように、複数の小型の電気的に相互接続された比例光ダイオードとして分散されても良い。図９の変形例においては、光子を検出するため光ダイオード５２の最初の１つにより出力されたトリガ信号が、ガンマ線検出事象についてのタイミング情報を提供するために適切に利用される。かくして、放射線検出器１０により出力されたタイムスタンプが利用される。しかしながら、ディジタル光ダイオード５２が飽和した場合、ディジタルカウントを利用するのではなく、比例光ダイオード１１０により生成された光電流が、光子束の強度を示すために利用される。比例光ダイオード１１０は、従来のＰＩＮダイオード又は集積されたアナログ若しくはディジタル読み出し回路を持つアバランシェ光ダイオード等であっても良い。
【００４９】
ここで、画素化された放射線検出器が、ＴＯＦ−ＰＥＴ用途の例に関連して説明される。しかしながら当業者は、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、伝送コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、及び天文学の用途等のような他の用途のために、開示される画素化されたディジタル放射線検出器を容易に適応させることができる。光ダイオード５２が放射線に対して直接的に敏感である放射線検出用途については、シンチレータ２０は放射線検出器１０から適切に省略される。
【００５０】
実施例の殆どがディジタル回路に関連して説明されたが、本発明の一部がアナログ回路と共に実施例されても良いことを、当業者は理解すべきである。例えば、以下の説明は、アナログ回路システムにおいて不良なセルを無効化する方法を提供する。斯かる実施例は、本開示の範囲内に組み込まれるものとする。
【００５１】
アナログ回路システム用の不良セル無効化方法は、２つの別個の段階、即ち検知段階と較正段階とを有する。検知段階の間、ＳｉＰＭアレイ又は被験体（ＤＵＴ）は、遮光的な（light-tight）設定において閾値よりも高い公称バイアス電圧でバイアスされる。半導体におけるガイガー放電は、接合部において、１００，０００個の電子につき平均して約３個の二次光子を生成する。かくして、１，０００，０００のゲインを持つセルは、約３０個の光子を生成する。これら光子の平均波長は約１μｍであり、これにより光子が吸収される前にシリコン中の長い距離を進むことを可能とする。適切な遮蔽が利用されていない場合には、これらの光子の幾つかは、近隣のセルにおける絶縁破壊を引き起こす（一般に光クロストークと呼ばれる）。それ以外の光子はシリコンを脱出し、適切な単光子検出器により検出されることができる。検知検出器は、ＤＵＴセルに１：１結合されている必要がある。かくして、検知検出器のトリガレートはこのとき、個々のセルのダークカウントレートと直接に関連する。個々のＤＵＴセルについてゲイン及びその変動を直接的に測定するための、ＤＵＴの電荷パルスの付加的な測定が利用されても良い。しかしながら、十分な統計量を収集するためには、斯かる測定は測定時間のかなりの増加をもたらす見込みが高い。
【００５２】
検知段階において得られるデータに基づいて、レーザビームが不良セルを無効化する。加えて、必要ならば、画素毎のアクティブなセルの数が、画素のダイナミックレンジを等化するように調節されても良い。幾つかの実装例においては、不良セルを無効化するためにヒューズが利用される。ヒューズは付加的な面積を望ましくなく消費し得るが、ヒューズがガードリング上に配置される場合には該面積は最小化され得る。他の代替例は、ポリレジスタ自体を切断することであり得る。
【００５３】
第１の段階において利用される測定設定の例が、図１０に示される。図１０において、単光子カウンタアレイ２００は、コリメータ構造２２０を利用して、ＤＵＴ２１０に１：１結合される。当業者は、検知検出器がＤＵＴと同じ画素サイズを持つ場合には、システムの感度を増大させるために近接結合が利用されても良いことを、理解すべきである。単光子カウンタアレイ２００は、かなり低いダークカウントレートを持つ必要があり、従って少なくとも−５０℃まで冷却される必要がある。光子カウンタアレイ２００中の各検出器２３０は、ガイガーモード放電により放出される光子によりトリガされる。該検出器は行及び列をプルダウンすることにより該事象を示し、同じ事象を重複してカウントすることを防ぐためにホールドオフ間隔を開始する。該ホールドオフ間隔の長さは、ＤＵＴの回復時間に調節される必要がある。明確なホールドオフ間隔を得るため、アクティブクエンチング／再充電回路２４０が利用されても良い。事象の座標と相関してパルスの電荷を測定するために、付加的な回路が利用されても良い。１つの撮像カウンタセルのブロック模式図が図１１に示され、センサのブロック図が図１２に示される。
【００５４】
測定を加速させるため、ＤＵＴ温度を上昇させることが利用されても良い。較正段階において、無効化されるであろうセルのサブセットを選択するために、画素のダークカウントレート及びゲインデータが利用される。該サブセットは、いずれかの数の不良セルと、均一さを提供するために無効化され得るその他のセルとであっても良い。このことを実現するため、図１３に示される変更された検出器セルにおいて示されるような、これらセルにおけるヒューズを切断するため、レーザが利用される。
【００５５】
ディジタル無効化処理が利用されるか、アナログ無効化処理が利用されるかにかかわらず、不良と判断されたために無効化されたセルが幾つあるかをユーザが決定することを可能とするレポートが生成されても良い。該レポートは更に、無効化された不良セルの位置を提供しても良い。無効化された不良セルの位置は、幾つかの実施例においては、他のセルを無効化するために利用されても良い。一般にこのことは、検出器についての放射線のより均一な検出を可能とするため、幾つかの種類の幾何学的パターンで実行される。更に、他のセルの無効化は、手動入力若しくはフィードバック又はこれらの組み合わせに応じた、自動的なものであっても良い。
【００５６】
結果のシリコン光電子増倍管アレイは、無効なセルによる面積の損失により減少された感度の代わりに、より低いダークカウントレートを持つこととなる。ダイナミックレンジの損失は、より多くの小型サイズのセルを画素において統合することにより、前もって考慮されることができる。ヒューズの実装は、ディジタル回路と組み合わせて利用されても良いことも理解されるべきである。例えば、ヒューズが較正のために利用され、ディジタル回路がカウント検出のために利用されても良い。これらの種類の発想を組み込んだ他の実施例もが、本開示から予期される。
【００５７】
単光子レベルにおいてトリガが必要とされない幾つかの実施例においては、トリガ信号を生成し、ダークカウントを抑制するため、先端弁別器が利用されても良い。他の実施例においては、トリガ信号が、トリガラインに対して論理演算を適用することによりディジタル的に生成されても良い。例えば、画素が半分に又はブロックに分割されても良く、トリガ信号は双方の該半分が光子を検出した場合にのみ生成されても良い。斯かる実施例においては、ブロックの数及びサイズは、平均閾値及び選択性を設定するために調節されても良い。勿論、画素ブロックを相関させる他の幾何及び他の方法を含む（これらに限定されない）、他の同様の設計が実装されても良い。
【００５８】
本発明は、好適な実施例を参照しながら説明された。明らかに、以上の詳細な説明を参照し理解することにより、変更や代替が考案されるであろう。本発明は、添付される請求項又はその等価物の範囲内である限りにおいて、斯かる変更及び代替の全てを含むものと解釈されるべきことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】高速の画素化されたディジタル放射線検出器を利用するＴＯＦ−ＰＥＴシステムを示す。
【図２】図１のＴＯＦ−ＰＥＴシステムの画素化されたディジタル放射線検出器の１つの断面図を示す。
【図３】画素化されたディジタル放射線検出器の検出器セルの１つの概略的な回路図を示す。
【図４（Ａ）】検出器セルの１つの一実施例のより詳細な回路図を示す。
【図４（Ｂ）】検出器セルの１つの他の実施例のより詳細な回路図を示す。
【図５】画素化されたディジタル放射線検出器の１画素の回路図を示す。
【図６】画素化されたディジタル放射線検出器の１つの回路図を示す。
【図７】光ダイオードが光ダイオード層を定義し、光ダイオード層と分離され且つ電気的に結合されたディジタル回路層にディジタル回路が配置された、画素化されたディジタル放射線検出器の物理的なレイアウトの一実施例の断面図を示す。
【図８】光ダイオードが光ダイオード層を定義し、光ダイオード間に散在させられた光ダイオード層にディジタル回路が配置された、画素化されたディジタル放射線検出器の物理的なレイアウトの他の実施例の断面図を示す。
【図９】画素化されたディジタル放射線検出器エリアと、光子の流束が該画素化されたディジタル放射線検出器を飽和させるために十分に高い場合にアナログ光電流を生成する付加的な比例光ダイオードとを含む、改良型の装置の感光エリアの平面図を示す。
【図１０】アナログ回路を含む検出器のための不良セル無効化処理の第１段階において利用される測定セットアップの例を示す。
【図１１】１つの撮像カウンタセルの模式的なブロック図を示す。
【図１２】センサブロック図を示す。
【図１３】無効化のためにヒューズを組み込んだ光検出器を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射線検出の分野に関し、特に陽電子放出断層撮影（positron emission tomography、ＰＥＴ）、特に飛行時間（time-of-flight、ＴＯＦ）型ＰＥＴ用の高速放射線検出器に関し、特にこれに関して説明される。しかしながら本発明はより一般的に、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）及びコンピュータ断層撮影（ＣＴ）等のための放射検出器、並びに天文学のような他の用途のための高速放射線検出器に関連する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＰＥＴにおいては、患者又は他の撮像対象に放射性医薬品が投与される。該放射性医薬品は、陽電子を放出する放射線崩壊事象をもたらす。該陽電子は非常に短い距離を進み、電子−陽電子消滅事象により周囲の撮像対象の電子と急速に相互作用し、２つの反対方向のガンマ線を生成する。該ガンマ線は、撮像対象を囲む放射線検出器により、これら検出器の間の同時計測線（line of response、ＬＯＲ）を定義する２つの略同時の放射線検出事象として検出される。典型的に、放射線検出器は、各ガンマ線検出に応じた光のバースト又はシンチレーション（scintillation）を生成するシンチレータと、該光のバーストを対応する電気信号に変換する、該シンチレータに光学的に結合された光電子増倍管（ＰＭＴ）のアレイとを含む。幾つかのＰＥＴスキャナにおいては、ＰＭＴは、光のバーストの強度に比例したアナログ電流を生成する光ダイオードにより置き換えられる。
【０００３】
ガンマ線は「略同時に」検出されるが、２つの関与する放射線検出器の一方が、他方の放射線検出器よりも電子−陽電子消滅事象に近い場合には、２つの放射線検出事象の間に小さな時間差が生じる。ガンマ線は光速で進むため、この検出間の時間差は典型的におよそ数ナノ秒以下となる。ＴＯＦ−ＰＥＴにおいては、この小さな飛行時間の差の検出を可能とするために放射線検出器が十分に高速で動作し、ＬＯＲに沿った電子−陽電子消滅の位置を決定するために利用される。
【０００４】
従って、ＴＯＦ−ＰＥＴについては、放射線検出器はナノ秒以下の時間解像度を持つべきである。ＰＭＴは一般にＴＯＦ−ＰＥＴによる撮像を実行するために十分に高速であるが、ＰＭＴはかさばり、高電圧のバイアスを必要とし、高解像度のために望ましい小さな画素サイズには適さない。従来の光ダイオードはＴＯＦ−ＰＥＴのために十分に高速であるが、内部アプリケーションを欠き、悪い信号対ノイズ比に導く。従来の光ダイオードを用いて十分な信号を得るためには、信号を統合するため電荷感応型増幅器が典型的に利用され、このことは帯域幅を制限する。アバランシェ（avalanche）光ダイオードが利用されても良いが、アバランシェ光ダイオードは典型的に、ゲインにおける高いノイズレベル並びに高い温度及びバイアス感応性を示してしまう。
【０００５】
これらの困難に対処するため、例えばE. A. Georgievskyaらによる「The solid state silicon photomultiplier for a wide range of application」（17th Int'l Conf. on Photoelectronics and Night Vision Devices、Proceedings of SPIE vol. 5126（2003年））、及びGolovinらによる「Novel type of avalanche photodetector with Geiger mode operation」（Nuclear Instrument & Methods in Physical Research A、Vol. 518、560-564頁（2004年））において、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）検出器が提案されてきた。これらＳｉＰＭ検出器は、絶縁破壊領域においてバイアスされ、並列に相互接続された、小型のアバランシェ光ダイオードの画素化されたアレイを利用する。出力は、有限ガイガーモードにおいて動作する並列に相互接続されたアバランシェ光ダイオードの電流のアナログ合計である。ＳｉＰＭ検出器において検出された光子のそれぞれは、ＳｉＰＭの出力電流に１０６個のオーダーの電子を加える。光子検出に応答するガイガー放電は高速であり、信号の鋭い立ち上がりエッジをもたらし、正確な時間測定を容易化する。エネルギー解像度及び時間解像度は１／ｓｑｒｔ（Ｎ）に対応し、ここでＮは発火（firing）しているセルの数である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳｉＰＭ素子は、一定の欠点を持つ。光子検出により生成されたアナログ電流は、バイアス電圧、動作温度、及びクエンチング（quenching）抵抗値のような臨界的回路パラメータによって影響を受ける。これらの要因は、各光子検出により生成されるアナログ電流を変化させ、従ってＳｉＰＭのエネルギー解像度を制限する。アナログ構成はまた、高いダークカウントを生成すること、及び不完全なアバランシェ光ダイオードが検出器装置の製造歩留をかなり制限してしまうこと、といった欠点を持つ。
【０００７】
以下、上述の制限等を克服する改善された装置及び方法が考察される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様によれば、放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に使用するための検出器画素が開示される。検出器セルのアレイが備えられる。前記検出器セルのそれぞれが、絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードと、前記光ダイオードに結合されたディジタル回路とを含む。前記ディジタル回路は、静止（quiescent）状態において第１のディジタル値を出力し前記光ダイオードによる光子の検出に応じて第２のディジタル値を出力するように構成される。ディジタルトリガ回路が、１以上の前記検出器セルのうち選択された数の検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移したことに応じて、積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成される。読み出しディジタル回路が、前記積算期間の間、前記検出器セルのアレイの検出器セルの、前記第１のディジタル値の出力から前記第２のディジタル値の出力への遷移の数のカウントを積算する。
【０００９】
幾つかの実施例においては、ディジタルタイムスタンプ回路が、カウントに関連するディジタルタイムスタンプを出力するように構成される。前記ディジタルタイムスタンプは、時間基準信号に対するトリガ信号の時間に基づく。
【００１０】
他の態様によれば、放射線検出器は、シンチレータと、受信された放射線に応じて前記シンチレータにより生成された光のバーストを受信するように構成された、上述のパラグラフに開示された検出器画素のアレイとを含む。
【００１１】
他の態様によれば、飛行時間型陽電子放出断層撮影（ＴＯＦ−ＰＥＴ）システムが開示される。複数の上述の２つのパラグラフにおいて開示された放射線検出器が、撮像領域から放出されたガンマ線を検出するために配置される。ガンマ線対検出回路が、２つの前記放射線検出器による２つの略同時のガンマ線検出を特定する。同時計測線プロセッサが、前記２つのガンマ線検出を結ぶ空間的な同時計測線を決定する。飛行時間プロセッサが、前記２つの略同時のガンマ線検出の間の時間差に基づいて、前記同時計測線に沿った陽電子−電子消滅事象の位置を特定する。
【００１２】
他の態様によれば、放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に方法が実行される。ディジタル回路が、切り換え事象を定義するためにディジタル回路により絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードによる光子の検出に応じて第１のディジタル値から第２のディジタル値へと切り換えられる。積算期間の開始を示すトリガ信号が、複数の前記光ダイオードに関連する１以上の選択された数の前記切り換え事象に応じて生成される。前記積算時間の間、前記複数の光ダイオードに関連する切り換え事象のカウントが積算される。
【００１３】
幾つかの実施例においては、本方法は更に前記積算期間の間の積算に関連するディジタルタイムスタンプを生成するステップを更に含む。前記ディジタルタイムスタンプは、前記トリガ信号の生成の時間と基準時間信号とに基づく。
【００１４】
他の態様によれば、シンチレータと上述のパラグラフに記載の方法を実行するための回路とを含む、放射線検出器が開示される。
【００１５】
一利点は、ＴＯＦ−ＰＥＴ、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、透過型コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、天文学及び他の用途のために高データレートの放射線検出を提供することに存する。
【００１６】
他の利点は、ディジタル放射線検出器出力を提供することに存する。
【００１７】
他の利点は、ディジタル的にタイムスタンプを付された検出器出力を提供することに存する。
【００１８】
他の利点は、改善された空間的な検出器解像度を提供することに存する。
【００１９】
他の利点は、温度、バイアス電圧及び処理パラメータに対する低い感度を持つ、改善された検出器装置の製造歩留に存する。
【００２０】
以下の詳細な説明により、多くの更なる利点及び利益が当業者に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、種々の要素及び要素の構成、並びに種々の処理動作及び処理動作の構成の形態をとる。図面は単に好適な実施例を説明する目的のためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００２２】
図１を参照すると、飛行時間型陽電子放出断層撮影（ＴＯＦ−ＰＥＴ）スキャナ８は、撮像領域１２を観測するように構成された複数の放射線検出器１０を含む。図１において、複数の放射線検出器１０は、軸方向に沿った検出器の幾つかのリングに配置されるが、放射線検出器の他の配置が利用されても良い。更に、複数の放射線検出器１０は図式的に示されており、一般に放射線検出器はスキャナ８の筐体１４内に収容され、それ故外からは見えないものであり、放射線検出器の各リングは一般に数百又は数千の放射線検出器を含むことは理解されるべきである。幾つかのＰＥＴスキャナにおいては単一の放射線検出器リングのみが備えられ、他のものにおいては２つ、３つ、４つ、５つ又はそれ以上の放射線検出器リングが備えられる。図に示された検出器のリング構造の代わりに、検出器ヘッドが利用されても良いことは理解されるべきである。ＴＯＦ−ＰＥＴスキャナ８は、人間の患者又は他の撮像対象を撮像領域１２に配置するための寝台１６又はその他の支持器を含む。任意に、寝台１６は、概して放射線検出器１０のリングを横断する軸方向に直線的に移動可能であり、これにより３次元の撮像データの捕捉を容易化する。加えて、又は代替として、撮像対象は静的に保持され、３次元のＴＯＦ−ＰＥＴ画像データを捕捉するため放射線検出器の複数のリングが利用されても良い。更に他の実施例においては、単一の検出器のリングのみが備えられ、撮像対象は静的なままであり、結果の画像が２次元である。
【００２３】
ＴＯＦ−ＰＥＴ撮像の開始の前に、患者又は他の撮像対象に適切な放射性医薬品が投与される。該放射性医薬品は、陽電子を放出する放射性崩壊事象を経る放射性物質を含む。該陽電子は、撮像対象中の近隣の電子と共に急激に消滅する。結果の電子−陽電子消滅事象は、５１１ｋｅＶのエネルギーを持つ２つの反対方向に向くガンマ線を生成する。該ガンマ線は、光速即ち約３×１０８メートル／秒で進む。撮像領域１２は一般に約２メートル以下の径又は他の特徴的な大きさを持つため、陽電子−電子消滅事象の位置から複数の放射線検出器１０の１つの検出器までのガンマ粒子の飛行時間は、およそ数ナノ秒以下である。かくして、２つの反対方向に向くガンマ線は、２つの放射線検出器に略同時に到達する。
【００２４】
図１を更に参照し、更に図２を参照すると、各放射線検出器１０はシンチレータ２０を含み、該シンチレータ２０は、ガンマ線がシンチレータ２０に到達したときに、シンチレーション又は光のバーストを生成する。光のバーストは、シリコン基板２４にモノリシックに配置された検出器画素２２のアレイにより受信される。以下に説明されるように、検出器画素２２は、光子のカウントのディジタル表現（図１において「カウント」と示される）と、シンチレーション事象に対応する光のバーストがいつ検出器画素２２によって検出されたかを示すタイムスタンプのディジタル表現（図１において「タイムスタンプ」と示される）とを含む値を出力する、ディジタル検出器画素である。更に、複数の放射線検出器１０は例えば、どの放射線検出器１０が放射線検出事象を出力したかを示す検出器インデクス（図１において「ｎｄｅｔｅｃｔｏｒ」と示される）と、該放射線検出器のどの検出器画素が放射線検出事象に対応する光のバーストを検出したかを示す検出器画素インデクス（図１において「ｋｐｉｘｅｌ」と示される）とを含む、インデクス情報を出力する。シンチレータ２０は、シンチレーションバーストの急激な時間的崩壊を用いて５１１ｋｅＶのガンマ線に対して高い阻止パワーを提供するように選択される。幾つかの適切なシンチレータ物質は、ＬＳＯ、ＬＹＳＯ、ＭＬＳ、ＬＧＳＯ、ＬａＢｒ及びこれらの混合物である。他のシンチレータ物質が利用されても良いことは理解されるべきである。図２はシンチレータ２０を単結晶として示しているが、代わりにアレイ状の結晶が利用されても良い。加えて、シンチレーション光バーストの光子の検出器画素２２への透過を改善するために、シンチレータ２０と検出器画素２２との間に任意の平面状の光導体２６が挿入されても良い。シンチレータ２０及び光導体２６は任意に、シンチレーション光を画素２２へと誘導する反射性被覆２８に覆われても良い。
【００２５】
更に図１を参照すると、放射線検出事象に関連するディジタルデータは、選択されたデータ処理を実行するプリプロセッサ３０により処理される。例えば、１つのシンチレーション事象が複数の検出器画素により検出された場合、プリプロセッサ３０は、各放射線検出事象について空間座標ｒを特定し、検出された放射線粒子のエネルギーを推定するために、アンガー（Anger）ロジック又はその他の処理を利用しても良い。結果の各放射線検出事象についての空間情報及びエネルギー情報は、事象バッファ３２において保存される。他の実施例においては、シンチレータ層が検出器画素に対応するサイズのシンチレータタイルに分割され、各検出器画素が単一のシンチレータタイルに光学的に結合される。例えば、各シンチレータタイルは、結合された画素にシンチレーション光子を導くための、反射性被覆２８に類似した反射性被覆を含んでも良い。
【００２６】
ガンマ線対検出回路３４は、放射線検出事象を処理し、対応する電子−陽電子消滅事象に属する略同時のガンマ線検出の対を特定する。該処理は例えば、エネルギーウィンドウ処理（即ち、約５１１ｋｅＶに配置された選択されたエネルギーフィルタリングウィンドウの外の放射線検出事象を破棄すること）、及び一致検出回路（即ち、選択された時間フィルタリング間隔よりも大きく互いから時間的に離れた放射線検出事象の対を破棄する）を含んでも良い。
【００２７】
ガンマ線対が特定されると、同時計測線（ＬＯＲ）プロセッサ３８が、２つのガンマ線検出事象に関連する空間情報（例えば、２つの事象がプロプロセッシング３０により計算された空間座標ｒ１及びｒ２によりそれぞれ表される）を処理し、２つのガンマ線検出を結ぶ空間的な同時計測線（ＬＯＲ）を特定する。陽電子−電子消滅事象により放出される２つのガンマ線は、空間的に反対方向を向いているため、電子−陽電子消滅事象がＬＯＲ上のどこかで発生したことが分かる。
【００２８】
ＴＯＦ−ＰＥＴにおいては、放射線検出器１０は、２つの「略同時の」ガンマ線検出の間の飛行時間の差を検出するために十分な高い時間的解像度を持つ。飛行時間プロセッサ４０は、２つのガンマ線検出事象の時間（図１において「ｔ１」及び「ｔ２」と示される）の時間差を解析し、ＬＯＲに沿った陽電子−電子消滅の位置を特定する。大量の陽電子−電子消滅事象について積算された結果は、ヒストプロジェクション（histprojection）のセット４２である。再構成プロセッサ４４は、フィルタリングされた逆投影法又は補正を伴う反復的な逆投影法のような、いずれかの適切なアルゴリズムを用いて、ヒストプロジェクションのセット４２を再構成された画像へと再構成する。結果の再構成された画像は画像メモリ４６に保存され、ユーザインタフェース４８に表示され、印刷され、保存され又はイントラネット若しくはインターネットにより通信される等しても良い。図示された実施例においては、ユーザインタフェース４８は放射線医又は他のユーザがＴＯＦ−ＰＥＴスキャナ８を制御することをも可能とし、他の実施例においては、別個のコントローラ又は制御コンピュータが備えられ得る。
【００２９】
図３を参照すると、放射線検出器１０の各画素２２は、検出器セル５０のアレイを含む。図３は、斯かる検出器セル５０の１つの一般的な回路図を示す。光ダイオード５２は絶縁破壊領域においてバイアスされ、ディジタル化回路５４への入力として動作する。ディジタル化回路５４の出力５６は、静止状態に対応する第１のディジタル値を持ち、光ダイオード５２による光子の検出に応じた第２のディジタル値へと遷移する。シンチレーションバーストの最初の光子が検出器されると、第１のディジタル値から第２のディジタル値への出力５６の切り換えが、オープンコレクタ型トリガラインドライバ６０を起動し、それによりトリガ信号が共通トリガライン又はバス６２に供給される。トリガ信号は次いで、光子カウンタ／ＦＩＦＯバッファ６６（ここでＦＩＦＯは「first in, first out」を意味する）を起動する。該光子カウンタ／ＦＩＦＯバッファ６６は、トリガ信号により開始された積算期間の間、第１のディジタル値から第２のディジタル値へのディジタル化回路５４の切り換えをカウントする。幾つかの他の実施例においては、捕捉可能化ライン６７が光子カウンタ６６を起動する。クエンチング回路７０（アクティブ型であってもパッシブ型であっても良い）が光ダイオード５２を通る電流を制限し、第２のディジタル値から第１のディジタル値へ戻すバイアス回路の遷移を容易化するように構成される。かくして、積算期間が終了する前に検出器セル５０が静止状態の第１のディジタル値へとクエンチングされると、検出器セル５０は１つよりも多い光子をカウントし得る。光子カウンタ／ＦＩＦＯバッファ６６に保存される最終的なカウントは、ディジタルバス６８を介してアクセス可能である。
【００３０】
光ダイオード５２は、ガイガーモード型の動作で適切にバイアスされる。光ダイオード５２が絶縁破壊を起こすと、アバランシェ絶縁破壊工程により大量の電荷（幾つかの光ダイオードにおいては例えば受信される検出毎に約１０６個の電子）が生成される。該電荷は主に、光ダイオード５２を通る電流を制限するための典型的には数百キロオームの有効抵抗を持つクエンチング回路７０を通って伝送される。電流がかくして制限されると、光ダイオード５２に残る電荷は空間的に分散し、光ダイオード５２のアバランシェ領域における電場を低減させる。このスクリーニングはアバランシェ工程をクエンチングし、残りのキャリアをアバランシェ／減少領域の外への流出により伝送させ、光ダイオード５２の回復を引き起こす。一般に、光ダイオード５２は、光ダイオード５２のエッジにおけるアバランシェ絶縁破壊を防止するために、周囲に保護リング（図示されていない）を含む。該保護リング構造は、アバランシェ絶縁破壊が起こるには低すぎる内部電場を持つ通常の逆バイアスされたＰＮダイオードとして適切に動作する。
【００３１】
図４Ａを参照すると、検出器セルの１つの一実施例５０'のより詳細な回路図が示されている。本実施例は、クエンチング抵抗として実施化されたパッシブ型クエンチング回路７０'を含む。光子を検出すると、光ダイオード５２の接合部が絶縁破壊し、光ダイオード５２及びクエンチング抵抗７０'を電流が流れ始める。該電流は抵抗７０'の両端の電圧降下を引き起こし、インバータ入力における電位を低下させる。ＶＤＤに対する電圧の差は、インバータ出力を「高」状態へと駆動するために十分に大きいべきである。インバータの切り換え特性は、トランジスタ幅を調節することにより最適化され得る。光ダイオード５２が絶縁破壊から回復すると、インバータ出力は自動的に「低」状態に戻る。
【００３２】
更に図４Ａを参照すると、検出器セル５０'は更に、不良な検出器セルを完全にスイッチオフするのではなく、不良な検出器セルが不正なトリガを生成することを防止する、抑制ロジック７４を実装する。不良な検出器セルは、トリガ確認回路（後述する）において考慮に入れられる過度の電流を生成する。検出器セル５０'を利用する場合、トリガライン６２は、プルアップレジスタ（図４Ａには図示されていない）を介して「高」レベルへと固定される。このようにして、全ての検出器セル５０'からのトリガが論理的に互いに「ＯＲ」演算され、最初の光子を検出した検出器セルによってトリガライン６２がプルダウンされる。
【００３３】
図４Ｂを参照すると、検出器セルの１つの他の実施例５０''のより詳細な回路図が示されている。本実施例は、静止状態レベルへと戻るための光ダイオード５２の接合部静電容量の放電を高速化し、光ダイオード５２の回復時間を減少させるための、アクティブ型クエンチング回路７０''を含む。所与の検出器セル５０''は迅速に回復する場合に積算期間の間１つよりも多い光子をカウントする見込みがより高いため、より短い回復時間が高い感度に導くことが予期され、また検出器セル５０''のより高いダイナミックレンジ及びより優れたエネルギー解像度へと導くことが予期される。階層型トリガネットワークが利用される場合には、光子カウンタ６６は、最初の光子を検出した検出器セルによってプルダウンされ、積算期間の間、主画素ロジック（図４には図示されていない）によりホールドダウンされる、トリガライン６２によって又は専用線によってイネーブルにされる。光子カウンタ６６によって積算される検出された光子の数は、トリガライン６２又は専用の読み出しラインの立ち上がりエッジにおいて、光子カウンタ６６からバッファ又は他のディジタル記憶装置（図４Ｂには図示されていない）に転送される。次いで、次のシンチレーションバースト検出事象に備えるため、例えばトリガライン６２上の反転され遅延された信号の低いレベルにより、カウンタ６６が自動的にリセットされる。本構成において、積算期間同士の間の待ち時間は、バッファ転送時間とカウンタ６６のリセット時間との和と同じくらい短くなり得、幾つかの実施例においては、ＣＭＯＳ実装について１ナノ秒よりも短くなることが予期される。図４Ｂの検出器セル５０''はまた、不良の検出器セルからの不正なトリガを防止するための抑制ロジック７４を含む。
【００３４】
図５を参照すると、放射線検出器１０の各画素２２は、検出器セル５０の２次元アレイと、関連する画素レベルディジタル画素ロジック８０とを含む。画素２２についてのディジタル読み出し回路は、検出器セルレベルにおいて、画素レベルディジタル捕捉読み出し回路８２と関連する回路とを含む。
【００３５】
図３及び５を参照すると、各検出器セル５０のディジタル化回路５４は、当該検出器セルの光ダイオード５２が絶縁破壊状態に入ったか否かを示す、閾値ベースのバイナリのディジタル出力を供給する。ディジタル回路５４は、光ダイオード５２が静止状態にあるときの第１のバイナリ値を出力し、光ダイオード電流が閾値を超えたとき（光子検出を示す）第２のバイナリ値へと遷移する。各光ダイオード５２の信号はかくして、検出器セル５０のレベルにおいてディジタル化される。検出器セルのディジタル遷移をカウントする画素レベルロジックにより読み出しが実行され、検出された光子の数を示すディジタル画素出力を生成する。アナログＳｉＰＭにおいて実行されるような、アナログ光ダイオード電流を合計してアナログ画素出力を生成することに比べると、図３及び５のディジタル化カウント方法は、バイアス変化、動作温度変化又はクエンチング回路７０の構成要素の公差等に対して大幅に敏感ではなくなる。これらの二次的な効果が、閾値型ディジタル回路５４の誤った切り換え又は切り換え損ないを引き起こさない限り、一般には検出セル５０のエネルギー解像度に影響を与えない。
【００３６】
幾つかの読み出し方式においては、検出器セル５０は、検出器セル５０のアレイの行及び列についてのアドレスデコーダを利用して、標準的なメモリブロックにおけるようにアドレス指定される。この方法はセルデータのシーケンシャルな読み出しを提供し、この場合には画素レベル読み出し回路８２が単純なディジタル積算器であり得る。他の読み出し方式においては、セルのラインが並行して読み出され、各ラインが部分的な合計のための自身の積算器を持ち、該部分的な合計が並列加算器ツリーにおいて加算される。更に他の読み出し方式においては、加算器が検出器セルに組み込まれ、それによりデータをクロックアウトする間にライン全体の合計が得られ、ラインの合計が該ラインにおける最後の検出器セルから読み出される。最後の読み出し方式における合計はパイプライン処理されることができ、該読み出しアーキテクチャは高速であり、短い読み出し間隔を可能とする。
【００３７】
検出器セルレベルの光子カウンタ６６又は画素レベル読み出し回路８２のカウンタが飽和しそうな場合は、カウンタは先頭に戻ることを許可されるべきではない。例えば、０乃至１５をカウントする４ビットのカウンタは、１５から０へと戻されるべきではない。先頭へ戻ることを回避することにより、カウンタの読み取り値が該カウンタの最高値（例えば４ビットのカウンタについては１５）である場合に画素２２の飽和が検出され得る。先頭へ戻ることを回避するためのビットの数は、専ら予期される最短のセル回復時間及び積算期間の最大長に依存する。積算ウィンドウは設計パラメータであるが、セル回復時間は統計的な性質である。なぜなら、光子検出可能性は、セル回復の間にゆっくりと上昇する過電圧の関数であるからである。しかしながらアクティブ的にクエンチングされるセルにおいては、最短回復時間はモノフロップ（monoflop）遅延により定義される。従ってこの場合には、オーバフローを回避するために十分にカウンタを大きく設計することが可能である。ディジタルバス６８は、空間又は時間的な制約に依存して、並列バスであっても良いし又は直列バスであっても良い。
【００３８】
更に図５を参照すると、ディジタル画素ロジック８０は更に、トリガディジタル回路８４と、トリガ確認回路８５と、画素２２の光子カウントを保存する出力バッファ８６とを含む。トリガディジタル回路８４は、基準クロック８８（図５には図示されていない適切な発振器又は他のクロック装置に接続された電気的トレースとして示される）にアクセスし、トリガディジタル回路８４のための時間基準を提供する。トリガディジタル回路８４は、グローバルな（例えばスキャナの）時間フレームで、放射線検出事象のタイムスタンプを決定する。スキャナの全ての画素２２のトリガディジタル回路モジュール８４は、好ましくは１００ｐｓ未満の精度で同期して動作する。基準信号８８は、画素のトリガディジタル回路モジュール８４を同期させるために利用され、スキャナ全体について、これらモジュールに共通の時間基盤を提供する。幾つかの実施例においては、積算期間は、トリガ信号の出現において開始する、固定された時間間隔である。他の実施例においては、積算期間は、新たなカウントの割合が閾値を下回る場合に動的に終了される。
【００３９】
トリガディジタル回路８４はまた、好ましくはカウントに関連するディジタルタイムスタンプ（図１参照）を出力するように構成される。該ディジタルタイムスタンプは、シンチレーションバーストからの光子を検出する検出器セル５０の最初の１つのトリガラインドライバ６０により出力されるトリガ信号の時間に基づく。任意に、画素ロジック８０は更に、データ補正レジスタ及び抑制シーケンスドライバを含む。また自動テスト・較正回路８７が任意に、画素ロジック８０により実装される。一テスト／較正方法においては、画素２２のダークカウントレート（ことによるとシンチレータ２０の固有の放射性により生成される背景カウントを含む）が監視される。他のテスト／較正方法においては、検出器セル５０に注入されるテスト電荷からの外部励起が、画素２２をテスト及び較正するために利用される。
【００４０】
図５を更に参照すると、暗電流、クロストーク又は熱励起等により、検出器セル５０の１つが誤ったトリガ信号を生成し積算期間を開始してしまうことが起こり得ることが理解されるであろう。トリガ確認回路８５はトリガ信号を確認し、該トリガ信号が不正なものであると決定された場合には積算を中止する。一方式においては、トリガ確認回路８５は、画素２２のバイアスネットワークを流れる電流を解析する。選択された時間間隔の間（例えば捕捉期間への１０ナノ秒の間）、弁別器又はその他の回路により測定された総電流が特定の電流閾値を下回ったままである場合、捕捉が中止され、次のトリガに備えて自動リセットシーケンスが起動される。電流が前記電流閾値を超える場合、弁別器出力が「高」レベルに上昇し、捕捉が継続される。幾つかの実施例においては、固定された積算期間を利用する代わりに、シンチレーションバーストの終了を検出するためにバイアス電流弁別器の立ち下りエッジが利用され、捕捉間隔の終了に略合致するように積算期間を適応させる。このことは、高いカウントレートの用途における山積を抑制する。他の適切な方法は、熱的なトリガは一般に相関しないため、短い時間ウィンドウ内で２つのトリガが熱的に生成される確率は、トリガを発するセルの距離に応じて減少するという事実を利用する。逆に、シンチレーションバーストは、画素２２の感光エリアに亘って検出器セル５０に作用するべきである。従って、トリガ確認回路８５は、例えば個々の検出器セル５０からのトリガを解析し、例えば２つの離れたラインが選択された時間ウィンドウ内でトリガ信号を生成した場合に、トリガ信号を正当なものと確認しても良い。トリガ確認には、単光子レベルよりも高いトリガ閾値において設定された調節可能な弁別器を持つ電流センサを利用するなど、他の方式が利用されても良い。
【００４１】
他の幾つかの実施例においては、カウンタ６６は、捕捉可能化ライン６７によりトリガされる。陽電子−電子消滅事象に関連しない光子の高い背景流束がある場合、最初の光子によりトリガすることは問題が多いものであり得る。該背景は例えば、シンチレータの二次低速崩壊モードの結果であり得る。斯かる場合においては、検出器セルは頻繁に発火し、画素の待ち時間を増大させる。より頑強なカウンタ起動を提供するため、検出器セルレベルにおいて（図３、４Ａ又は４Ｂ）、最初の光子の検出時に画素ロジックによってプルダウンされる（トリガラインは低下する）、又はバイアスネットワークを流れる電流がユーザ定義されたトリガレベルを超えたときにトリガ確認回路８５の弁別器によりプルダウンされる、別個の「捕捉可能化」ライン６７によって、光子カウンタがイネーブルにされる。該ラインは積算ウィンドウの長さを定義し、画素ロジックにより駆動される。検出器画素レベルにおいて（図５）、トリガ確認回路８５は、時間−ディジタル変換器／トリガ確認回路への入力として、トリガライン６２（単光子トリガの場合）か又は先端弁別器出力（多光子トリガの場合）を選択する多重化器８９を含むように拡張される。トリガ確認回路８５は、検出器セル５０、５０'、５０''に「捕捉可能化」信号６７を供給するように拡張される。代替として、単光子レベルにおけるトリガが必要とされない場合には、選択された数のセル（トリガライン）が同時にアクティブになった場合にトリガ信号を生成するように、適切なロジックが実装されても良い。該実装は、ディジタルの構成要素のみを必要とするという実用的な利点を持つ。しかしながら、この場合には、閾値は静的にのみ定義される。他の幾つかの実施例においては、検出器セルからオープンコレクタ型ドライバが任意に省略されても良く、トリガ確認回路において修正された設計が利用される。
【００４２】
図５を更に参照し、更に図６を参照すると、画素２２が２次元アレイで配列され、画素化された放射線検出器１０の感光面を定義する。図６に示された実施例は、画素２２の各ラインがＦＩＦＯバッファ９０により読み出される画素読み出しを利用する。出力バッファ９０はそれぞれトライステート型（tristate）出力バッファを含み、データが共有ディジタルデータバス９２を通って転送されることを可能とする。任意に、ライン出力バッファ９０における読み出し調停により、及び出力バッファ９２による共有バス調停により、事象が該事象のタイムスタンプに従って保存され、一定期間に亘って保存された事象データのストリームに導く。該任意の特徴は、一致する事象の検索をかなり単純化する。データ要求のデージーチェーン（daisy-chain）が、書き込みアクセス調停のために適切に利用される。デージーチェーン接続された合計が、オフチップでの転送のために放射線検出器出力バッファ９４へと転送される。
【００４３】
図７及び図８を参照すると、幾つかの実施例において、放射線検出器１０のディジタル回路（ディジタルバイアス回路５４、５４'及び５４''、ディジタルトリガ回路６０、６０'、６０''及び８４、並びに読み出しディジタル回路６６及び８２のような）が、シリコン基板２４上に配置されたＣＭＯＳ回路により定義される。種々の物理的なレイアウトが利用されることができる。図７に示された垂直に分離されたレイアウトにおいては、検出器セル５０、５０'、５０''のアレイの光ダイオード５２が光ダイオード層１００を定義し、光ダイオード層１００から分離され且つ電気的に結合されたＣＭＯディジタル回路層１０２においてディジタル回路が配置される。図８に示された代替のレイアウトにおいては、光ダイオード５２が光ダイオード層１００'を定義し、光ダイオード５２間に挿入された光ダイオード層１００'にＣＭＯＳディジタル回路（ディジタルバイアス回路５４、５４'及び５４''、ディジタルトリガ回路６０、６０'、６０''及び８４、並びに読み出しディジタル回路６６及び８２のような）が配置される。
【００４４】
ＣＭＯＳロジックは切り換え状態のときのみに電力を引き出すため、クロック８８によって継続してアクティブにクロック供給される放射線検出器１０の一部のみが、ベースラインの電力消費に寄与する。画素２２は、静止状態における絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオード５２の１つにより生成されるトリガ信号によってアクティブにされるため、電力消費は光子検出レートに依存し、従って受信される光子の流束にダークカウントのレートを加えたものに依存する。画素２２の電力消費の制御は、２つの捕捉間のそれぞれの画素の待ち時間を故意に増大させることにより実装され得る。このことは、画素の温度に依存する画素ロジック８０によって自動的に為され得る。画素の温度は、温度センサ（図示されていない）により直接測定されても良いし、画素２２のダークカウントレートから間接的に推定されても良い。
【００４５】
ＣＭＯＳロジックは切り換え状態のときのみに電力を引き出すため、アナログ実装に代えてＣＭＯＳ実装を利用することにより、全体の電力消費は劇的に削減され得る。例えば、アナログ実装の幾つかの実施例においては、チャネル毎の電力消費が３０ｍＷであり、チップのグローバル部分の電力消費は１６２ｍＷである。２８３３６個のチャネル又は１８９０個のチップを持つ臨床装置におけるような更に実用的な実装については、電力消費は１１５６Ｗの一定値となり得る。一方、ここで説明された種々の実装のようなＣＭＯＳ実装の場合の電力消費は、静的値と動的値との２つの異なる値を持つ。静的電力消費は、カウントがなくそれ故状態の切り換えがない場合に必要とされる電力である。該静的電力消費は、動的な切り換えのためのロジック用の電力を含む。なぜなら、ロジックはカウントを受信する準備ができている必要があるからである。動的電力消費は、検出器がアクティブにカウントを受信しており、それ故切り換え状態である場合に必要とされる電力である。アクティブ状態における電力消費はアクティビティの量に依存し、カウント及び状態の切り換えが多い程、多くの電力が必要とされる。同様の１８９０チップ検出器についての静的電力消費は、約１０Ｗ以下である。動的電力消費はアクティビティに依存して変化し得るが、典型的には約３００Ｗ以下である。
【００４６】
光のシンチレーションバーストが、１以上の画素２２の検出器セル５０、５０''、５０''の略全てを、積算期間の間に第１のディジタル状態から第２のディジタル状態へと遷移させるために十分に高い光子の流束を生成する場合、問題が生じ得る。この場合、画素２２が飽和し、実際の強度（即ち光子の流束）が正確に測定されない。この飽和の問題は、種々の方法で対処され得る。
【００４７】
一手法においては、光ダイオード５２により定義される感光エリアが、より多くのより小さい光ダイオードに分割される。各光ダイオードの減少された面積が、光子を検出する見込みを減少させる。より多くの光ダイオードの総数は光子の流束に対してより高い画素レベル感度をもたらすが、一般に各セルの減少された面積を完全には補償しない。検出器セルは、隣接する検出器セル間の光学的なクロストークを低減させるために、幾分かの間隔を持つべきである。典型的には、不透明な物質により満たされた溝が該間隔に用いられる場合には、セルの間隔は数ミクロン以下のオーダーである。かくして、セルの数を増大させることが一般に、セルの総面積に対する感応面積の割合を或る程度減少させる。加えて、セルのサイズを一定に保ちつつ検出器セルの数を増大させることが、一般にダークカウントレートの比例的な増大に導く。
【００４８】
図９を参照すると、飽和問題に対処するための他の手法において、感光エリアにおいて比例光ダイオード１１０が含まれる。比例ダイオード１１０は、ディジタル検出において利用される光ダイオード５２よりも大きい。比例光ダイオード１１０は、画素２２に入射する光子の流束が、画素２２の検出器セル５０、５０'及び５０''の略全てを積算期間の間に第１のディジタル状態から第２のディジタル状態へと遷移させるために十分高い場合、該流束に比例するアナログ光電流を生成するように構成される。製作を簡単化するため画素２２のアレイの一方の側に沿って示されているが、該アレイの中央又は該アレイの隅のような、該アレイに対する別の位置に比例光ダイオード１１０が配置されても良い。更に、幾つかの実施例においては、比例光ダイオード１１０は、画素２２のアレイの各隅に配置された比例光ダイオードのように、複数の小型の電気的に相互接続された比例光ダイオードとして分散されても良い。図９の変形例においては、光子を検出するため光ダイオード５２の最初の１つにより出力されたトリガ信号が、ガンマ線検出事象についてのタイミング情報を提供するために適切に利用される。かくして、放射線検出器１０により出力されたタイムスタンプが利用される。しかしながら、ディジタル光ダイオード５２が飽和した場合、ディジタルカウントを利用するのではなく、比例光ダイオード１１０により生成された光電流が、光子束の強度を示すために利用される。比例光ダイオード１１０は、従来のＰＩＮダイオード又は集積されたアナログ若しくはディジタル読み出し回路を持つアバランシェ光ダイオード等であっても良い。
【００４９】
ここで、画素化された放射線検出器が、ＴＯＦ−ＰＥＴ用途の例に関連して説明される。しかしながら当業者は、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、伝送コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、及び天文学の用途等のような他の用途のために、開示される画素化されたディジタル放射線検出器を容易に適応させることができる。光ダイオード５２が放射線に対して直接的に敏感である放射線検出用途については、シンチレータ２０は放射線検出器１０から適切に省略される。
【００５０】
実施例の殆どがディジタル回路に関連して説明されたが、本発明の一部がアナログ回路と共に実施例されても良いことを、当業者は理解すべきである。例えば、以下の説明は、アナログ回路システムにおいて不良なセルを無効化する方法を提供する。斯かる実施例は、本開示の範囲内に組み込まれるものとする。
【００５１】
アナログ回路システム用の不良セル無効化方法は、２つの別個の段階、即ち検知段階と較正段階とを有する。検知段階の間、ＳｉＰＭアレイ又は被験体（ＤＵＴ）は、遮光的な（light-tight）設定において閾値よりも高い公称バイアス電圧でバイアスされる。半導体におけるガイガー放電は、接合部において、１００，０００個の電子につき平均して約３個の二次光子を生成する。かくして、１，０００，０００のゲインを持つセルは、約３０個の光子を生成する。これら光子の平均波長は約１μｍであり、これにより光子が吸収される前にシリコン中の長い距離を進むことを可能とする。適切な遮蔽が利用されていない場合には、これらの光子の幾つかは、近隣のセルにおける絶縁破壊を引き起こす（一般に光クロストークと呼ばれる）。それ以外の光子はシリコンを脱出し、適切な単光子検出器により検出されることができる。検知検出器は、ＤＵＴセルに１：１結合されている必要がある。かくして、検知検出器のトリガレートはこのとき、個々のセルのダークカウントレートと直接に関連する。個々のＤＵＴセルについてゲイン及びその変動を直接的に測定するための、ＤＵＴの電荷パルスの付加的な測定が利用されても良い。しかしながら、十分な統計量を収集するためには、斯かる測定は測定時間のかなりの増加をもたらす見込みが高い。
【００５２】
検知段階において得られるデータに基づいて、レーザビームが不良セルを無効化する。加えて、必要ならば、画素毎のアクティブなセルの数が、画素のダイナミックレンジを等化するように調節されても良い。幾つかの実装例においては、不良セルを無効化するためにヒューズが利用される。ヒューズは付加的な面積を望ましくなく消費し得るが、ヒューズがガードリング上に配置される場合には該面積は最小化され得る。他の代替例は、ポリレジスタ自体を切断することであり得る。
【００５３】
第１の段階において利用される測定設定の例が、図１０に示される。図１０において、単光子カウンタアレイ２００は、コリメータ構造２２０を利用して、ＤＵＴ２１０に１：１結合される。当業者は、検知検出器がＤＵＴと同じ画素サイズを持つ場合には、システムの感度を増大させるために近接結合が利用されても良いことを、理解すべきである。単光子カウンタアレイ２００は、かなり低いダークカウントレートを持つ必要があり、従って少なくとも−５０℃まで冷却される必要がある。光子カウンタアレイ２００中の各検出器２３０は、ガイガーモード放電により放出される光子によりトリガされる。該検出器は行及び列をプルダウンすることにより該事象を示し、同じ事象を重複してカウントすることを防ぐためにホールドオフ間隔を開始する。該ホールドオフ間隔の長さは、ＤＵＴの回復時間に調節される必要がある。明確なホールドオフ間隔を得るため、アクティブクエンチング／再充電回路２４０が利用されても良い。事象の座標と相関してパルスの電荷を測定するために、付加的な回路が利用されても良い。１つの撮像カウンタセルのブロック模式図が図１１に示され、センサのブロック図が図１２に示される。
【００５４】
測定を加速させるため、ＤＵＴ温度を上昇させることが利用されても良い。較正段階において、無効化されるであろうセルのサブセットを選択するために、画素のダークカウントレート及びゲインデータが利用される。該サブセットは、いずれかの数の不良セルと、均一さを提供するために無効化され得るその他のセルとであっても良い。このことを実現するため、図１３に示される変更された検出器セルにおいて示されるような、これらセルにおけるヒューズを切断するため、レーザが利用される。
【００５５】
ディジタル無効化処理が利用されるか、アナログ無効化処理が利用されるかにかかわらず、不良と判断されたために無効化されたセルが幾つあるかをユーザが決定することを可能とするレポートが生成されても良い。該レポートは更に、無効化された不良セルの位置を提供しても良い。無効化された不良セルの位置は、幾つかの実施例においては、他のセルを無効化するために利用されても良い。一般にこのことは、検出器についての放射線のより均一な検出を可能とするため、幾つかの種類の幾何学的パターンで実行される。更に、他のセルの無効化は、手動入力若しくはフィードバック又はこれらの組み合わせに応じた、自動的なものであっても良い。
【００５６】
結果のシリコン光電子増倍管アレイは、無効なセルによる面積の損失により減少された感度の代わりに、より低いダークカウントレートを持つこととなる。ダイナミックレンジの損失は、より多くの小型サイズのセルを画素において統合することにより、前もって考慮されることができる。ヒューズの実装は、ディジタル回路と組み合わせて利用されても良いことも理解されるべきである。例えば、ヒューズが較正のために利用され、ディジタル回路がカウント検出のために利用されても良い。これらの種類の発想を組み込んだ他の実施例もが、本開示から予期される。
【００５７】
単光子レベルにおいてトリガが必要とされない幾つかの実施例においては、トリガ信号を生成し、ダークカウントを抑制するため、先端弁別器が利用されても良い。他の実施例においては、トリガ信号が、トリガラインに対して論理演算を適用することによりディジタル的に生成されても良い。例えば、画素が半分に又はブロックに分割されても良く、トリガ信号は双方の該半分が光子を検出した場合にのみ生成されても良い。斯かる実施例においては、ブロックの数及びサイズは、平均閾値及び選択性を設定するために調節されても良い。勿論、画素ブロックを相関させる他の幾何及び他の方法を含む（これらに限定されない）、他の同様の設計が実装されても良い。
【００５８】
本発明は、好適な実施例を参照しながら説明された。明らかに、以上の詳細な説明を参照し理解することにより、変更や代替が考案されるであろう。本発明は、添付される請求項又はその等価物の範囲内である限りにおいて、斯かる変更及び代替の全てを含むものと解釈されるべきことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】高速の画素化されたディジタル放射線検出器を利用するＴＯＦ−ＰＥＴシステムを示す。
【図２】図１のＴＯＦ−ＰＥＴシステムの画素化されたディジタル放射線検出器の１つの断面図を示す。
【図３】画素化されたディジタル放射線検出器の検出器セルの１つの概略的な回路図を示す。
【図４（Ａ）】検出器セルの１つの一実施例のより詳細な回路図を示す。
【図４（Ｂ）】検出器セルの１つの他の実施例のより詳細な回路図を示す。
【図５】画素化されたディジタル放射線検出器の１画素の回路図を示す。
【図６】画素化されたディジタル放射線検出器の１つの回路図を示す。
【図７】光ダイオードが光ダイオード層を定義し、光ダイオード層と分離され且つ電気的に結合されたディジタル回路層にディジタル回路が配置された、画素化されたディジタル放射線検出器の物理的なレイアウトの一実施例の断面図を示す。
【図８】光ダイオードが光ダイオード層を定義し、光ダイオード間に散在させられた光ダイオード層にディジタル回路が配置された、画素化されたディジタル放射線検出器の物理的なレイアウトの他の実施例の断面図を示す。
【図９】画素化されたディジタル放射線検出器エリアと、光子の流束が該画素化されたディジタル放射線検出器を飽和させるために十分に高い場合にアナログ光電流を生成する付加的な比例光ダイオードとを含む、改良型の装置の感光エリアの平面図を示す。
【図１０】アナログ回路を含む検出器のための不良セル無効化処理の第１段階において利用される測定セットアップの例を示す。
【図１１】１つの撮像カウンタセルの模式的なブロック図を示す。
【図１２】センサブロック図を示す。
【図１３】無効化のためにヒューズを組み込んだ光検出器を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に使用するための検出器画素であって、前記検出器画素は、
検出器セルのアレイであって、前記検出器セルのそれぞれが、絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードと、前記光ダイオードに結合され且つ静止状態において第１のディジタル値を出力し前記光ダイオードによる光子の検出に応じて第２のディジタル値を出力するように構成されたディジタル回路と、を含む、検出器セルのアレイと、
１以上の前記検出器セルのうち選択された数の検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移したことに応じて、積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成された、ディジタルトリガ回路と、
前記積算期間の間、前記検出器セルのアレイの検出器セルの、前記第１のディジタル値の出力から前記第２のディジタル値の出力への遷移の数のカウントを積算する、読み出しディジタル回路と、
を有する、検出器画素。
【請求項２】
各前記検出器セルは更に、
前記光ダイオードによる光子の検出の後、前記検出器セルを前記静止状態へと戻すように構成されたクエンチング回路を含む、請求項１に記載の検出器セル。
【請求項３】
前記検出器画素における電流を監視し、中止基準に応じて前記カウントの積算を中止する、トリガ確認回路を更に含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項４】
前記読み出しディジタル回路は、
前記第２のディジタル値をバッファリングする、各前記検出器セルに関連するバッファと、
前記第２のディジタル値を持つ前記検出器セルに関連するバッファをシーケンシャルに積算し前記カウントを生成するように構成された、画素レベル読み出し回路と、
を含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項５】
前記読み出しディジタル回路は、
それぞれが、前記積算期間の間、関連する前記検出器セルの、前記第１のディジタル値の出力から前記第２のディジタル値の出力への遷移を積算するように構成された、各前記検出器セルに関連する積算器と、
前記積算期間の終了時に前記積算器に保存された値を合計し前記カウントを生成する、加算回路と、
を含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項６】
前記ディジタルトリガ回路は、
前記カウントに関連するディジタルタイムスタンプを出力するように構成された、ディジタルタイムスタンプ回路を含み、前記ディジタルタイムスタンプは、時間基準信号に対するトリガ信号の時間に基づく、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項７】
前記検出器画素に入射する光子の流束に比例するアナログ光電流を生成するように構成された比例光ダイオードと、
前記光子の流束の受信の時間を示すトリガ信号の時間に基づいてタイムスタンプを生成する、前記検出器セルのアレイに接続されたディジタルタイムスタンプ回路と、
を更に含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項８】
シンチレータと、
受信された放射線に応じて前記シンチレータにより生成された光のバーストを受信するように構成された、請求項１に記載の検出器画素のアレイと、
を有する放射線検出器。
【請求項９】
前記画素のアレイは、共通シリコン基板にモノリシックに配置される、請求項８に記載の放射線検出器。
【請求項１０】
前記検出器セルのアレイの前記光ダイオードは、光ダイオード層を定義し、前記ディジタル回路、前記ディジタルトリガ回路及び前記読み出しディジタル回路は、前記光ダイオード層と分離され且つ電気的に結合されたディジタル回路層を定義する、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１１】
前記検出器セルのアレイの前記光ダイオードは、光ダイオード層を定義し、前記ディジタル回路、前記ディジタルトリガ回路及び前記読み出しディジタル回路は、前記光ダイオードの間に散在させられ、前記光ダイオード層に配置される、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１２】
前記ディジタル回路、前記ディジタルトリガ回路及び前記読み出しディジタル回路の少なくともかなりの部分がＣＭＯＳ回路である、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１３】
前記共通シリコン基板にモノリシックに配置された多重化回路を更に含み、前記多重化回路は、前記検出器画素の前記読み出しディジタル回路により生成されたカウントをディジタル的に多重化し、ディジタル放射線検出器出力信号を生成する、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１４】
前記ディジタルトリガ回路は、単一の前記検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移したことに応じて、前記積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成された、請求項８に記載の放射線検出器。
【請求項１５】
前記ディジタルトリガ回路は、複数の前記検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移し、選択されたトリガ電流レベルを超える電流を生成したことに応じて、前記積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成された、請求項８に記載の放射線検出器。
【請求項１６】
撮像領域から放出されたガンマ線を検出するために配置された、複数の請求項８に記載の放射線検出器と、
２つの前記放射線検出器による２つの略同時のガンマ線検出を特定する、ガンマ線対検出回路と、
前記２つのガンマ線検出を結ぶ空間的な同時計測線を決定する、同時計測線プロセッサと、
前記２つの略同時のガンマ線検出の間の時間差に基づいて、前記同時計測線に沿った陽電子−電子消滅事象の位置を特定する、飛行時間プロセッサと、
を有する、飛行時間型陽電子放出断層撮影システム。
【請求項１７】
放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に実行される方法であって、前記方法は、
絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードによる光子の検出に応じて第１のディジタル値から第２のディジタル値へとディジタル回路を切り換えるステップを有し、前記切り換えが切り換え事象を定義し、前記方法は更に、
複数の前記光ダイオードに関連する１以上の選択された数の前記切り換え事象に応じて、積算期間の開始を示すトリガ信号を生成するステップと、
前記積算時間の間、前記複数の光ダイオードに関連する切り換え事象のカウントを積算するステップと、
を有する方法。
【請求項１８】
前記切り換え事象に続いて、前記第１のディジタル値に対応する静止状態へと前記光ダイオードをクエンチングするステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記積算を監視するステップと、
前記監視するステップにより決定された中止基準の出現に応じて、前記積算を中止するステップと、
を更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記積算期間の間の積算に関連するディジタルタイムスタンプを生成するステップを更に含み、前記ディジタルタイムスタンプは、前記トリガ信号の生成の時間と基準時間信号とに基づく、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記積算期間の開始を示す前記トリガ信号の生成と、前記積算期間の間の前記カウントの積算と、前記カウントに関連する前記ディジタルタイムスタンプの生成とを繰り返し、それぞれが関連する前記ディジタルタイムスタンプを持つ複数のカウントを生成するステップと、
それぞれの関連する前記ディジタルタイムスタンプによって前記カウントをソートし、時間によりソートされた事象データのストリームを生成するステップと、
を更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光ダイオードの略全てが前記積算期間の間に前記切り換え事象に関与するために十分に光子の流束が高い場合に、別個の比例ダイオードを利用して前記光子の流束に比例するアナログ光電流を生成するステップと、
を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
シンチレータと請求項１７に記載の方法を実行するための回路とを含む、放射線検出器。
【請求項２４】
光ダイオード層を定義する複数の光ダイオードと、
前記光ダイオードによる光子の検出に応じて１つ以上のディジタル値を供給するためのディジタル回路と、
前記ディジタル回路が配置されたシリコン基板と、
を有する放射線検出器。
【請求項２５】
前記ディジタル回路は、前記光ダイオード層から分離され且つ前記光ダイオード層と電気的に結合されたディジタル回路層を形成する、請求項２４に記載の放射線検出器。
【請求項２６】
前記ディジタル回路は、複数の前記光ダイオードの間に少なくとも部分的に散在させられて前記光ダイオード層に配置される、請求項２４に記載の放射線検出器。
【請求項２７】
前記１つ以上のディジタル値はタイムスタンプ、検出器インデクス、検出器画素インデクス又は光子のカウントである、請求項２４に記載の放射線検出器。
【請求項２８】
検出器セルのアレイであって、前記検出器セルのそれぞれが光ダイオードと前記光ダイオードに結合されたディジタル回路とを含む検出器セルのアレイを有し、
前記ディジタル回路は、前記光ダイオードによる光子の検出に応じて、第１のディジタル値出力から第２のディジタル値出力へと遷移する、検出器画素。
【請求項２９】
所定の数の前記検出器セルが前記第１のディジタル値出力から前記第２のディジタル値出力へ遷移した場合に、積算期間の開始時間を示すトリガ信号を供給する、ディジタルトリガ回路を更に有する、請求項２８に記載の検出器画素。
【請求項３０】
前記第１のディジタル値出力から前記第２のディジタル値出力への前記検出器セルの遷移をカウントする読み出しディジタル回路を更に有する、請求項２８に記載の検出器画素。
【請求項３１】
前記検出器画素における電流を監視し、中止基準に応じて積算処理を中止する、トリガ確認回路を更に有する、請求項２８に記載の検出器画素。
【請求項３２】
撮像されるべき対象を受容するように構成された撮像領域と、
少なくとも部分的に前記撮像領域の周りに配置された複数の検出器と、
を有し、前記複数の検出器の少なくとも１つが、
シンチレータと、
前記シンチレータからの光子を検出するための光ダイオードと、
前記光ダイオードによる光子の検出に応じて１つ以上のディジタル値を供給するためのディジタル回路と、
を有する、陽電子放出断層撮影システム。
【請求項３３】
放射事象に応じてシンチレーション事象を生成するステップと、
前記シンチレーション事象を検出するステップと、
前記検出されたシンチレーション事象に対してディジタルタイムスタンプを割り当てるステップと、
再構築法において前記ディジタルタイムスタンプを利用して医用画像を生成するステップと、
を有する、医用画像を生成する方法。
【請求項３４】
シンチレータと、
絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードと、
前記光ダイオードが絶縁破壊領域に入ったか否かを示すバイナリのディジタル出力を供給するディジタル回路と、
を有する検出器。
【請求項３５】
シンチレータと、
前記シンチレータから事象を検出するための光ダイオードと、
前記光ダイオードの事象に応じてディジタル値を供給するための回路と、
を有し、前記回路は、光ダイオードの事象が無い場合には静的な電力消費モードで動作し、光ダイオードの事象がある場合には動的な電力消費モードで動作する、検出器。
【請求項３６】
シンチレータと、
前記シンチレータから事象を検出するための光ダイオードと、
前記光ダイオードの事象に応じてディジタル値を供給するための回路と、
を有する検出器であって、前記検出器により必要とされる電力消費は、光ダイオードの事象に応じてアナログ値を供給する回路を持つアナログ検出器により必要とされる電力消費の少なくとも約３分の１である、検出器。
【請求項３７】
検出器アレイの個々のセルのダークカウントレートを検知するステップと、
検知されたダークカウントに基づいてどのセルが不良であるかを決定するステップと、
不良であると決定されたセルに関連するヒューズを切断するためにレーザを利用するステップと、
を有する、撮像検出器のセルを無効化する方法。
【請求項３８】
不良なセルの位置を決定するステップと、
前記不良なセルの位置に基づいて１以上の不良でないセルを無効化するステップと、
を更に有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
検出器アレイの個々のセルのダークカウントレートを検知するための手段と、
検知されたダークカウントに基づいて、どのセルが不良であるかを決定するための手段と、
不良であると決定されたセルに関連するヒューズを切断するためにレーザを利用するための手段と、
を有する、撮像検出器。
【請求項４０】
不良なセルの位置を決定するための手段と、
前記不良なセルの位置に基づいて１以上の不良でないセルを無効化するための手段と、
を更に有する、請求項３９に記載の撮像検出器。
【請求項４１】
放射線に応じて光子を生成するためのシンチレータと、
前記シンチレータにより生成された光子を検出するための複数の光検出器と、
前記複数の光検出器により検出された光子に応じてディジタル出力を供給するためのディジタル回路と、
を有し、前記ディジタル回路は前記複数の光検出器のうちいずれかの数の光検出器をディジタル的に無効化する手段を含む、撮像検出器。
【請求項４２】
前記光検出器を無効化する手段は、不良であるとみなされた光検出器を無効化する、請求項４１に記載の撮像検出器。
【請求項４３】
前記光検出器を無効化する手段は更に、前記無効化された不良な光検出器と所定の幾何学的関係にある１以上の光検出器を無効化する、請求項４２に記載の撮像検出器。
【請求項４４】
撮像検出器のための較正方法であって、
前記撮像検出器に複数の光検出器を備えるステップと、
前記複数の光検出器の応答性をテストするステップと、
どの前記光検出器が不良であるかを決定するステップと、
不良であると決定された前記光検出器を無効化するステップと、
を有する較正方法。
【請求項４５】
前記無効化された不良な光検出器と所定の幾何学的関係にある１以上の光検出器を無効化するステップを更に有する、請求項４４に記載の較正方法。
【請求項４６】
前記無効化された光検出器のレポートを供給するステップを更に有する、請求項４４に記載の較正方法。
【請求項４７】
前記レポートは、前記無効化された光検出器の空間的な分布を含む、請求項４６に記載の較正方法。
【請求項１】
放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に使用するための検出器画素であって、前記検出器画素は、
検出器セルのアレイであって、前記検出器セルのそれぞれが、絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードと、前記光ダイオードに結合され且つ静止状態において第１のディジタル値を出力し前記光ダイオードによる光子の検出に応じて第２のディジタル値を出力するように構成されたディジタル回路と、を含む、検出器セルのアレイと、
１以上の前記検出器セルのうち選択された数の検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移したことに応じて、積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成された、ディジタルトリガ回路と、
前記積算期間の間、前記検出器セルのアレイの検出器セルの、前記第１のディジタル値の出力から前記第２のディジタル値の出力への遷移の数のカウントを積算する、読み出しディジタル回路と、
を有する、検出器画素。
【請求項２】
各前記検出器セルは更に、
前記光ダイオードによる光子の検出の後、前記検出器セルを前記静止状態へと戻すように構成されたクエンチング回路を含む、請求項１に記載の検出器セル。
【請求項３】
前記検出器画素における電流を監視し、中止基準に応じて前記カウントの積算を中止する、トリガ確認回路を更に含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項４】
前記読み出しディジタル回路は、
前記第２のディジタル値をバッファリングする、各前記検出器セルに関連するバッファと、
前記第２のディジタル値を持つ前記検出器セルに関連するバッファをシーケンシャルに積算し前記カウントを生成するように構成された、画素レベル読み出し回路と、
を含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項５】
前記読み出しディジタル回路は、
それぞれが、前記積算期間の間、関連する前記検出器セルの、前記第１のディジタル値の出力から前記第２のディジタル値の出力への遷移を積算するように構成された、各前記検出器セルに関連する積算器と、
前記積算期間の終了時に前記積算器に保存された値を合計し前記カウントを生成する、加算回路と、
を含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項６】
前記ディジタルトリガ回路は、
前記カウントに関連するディジタルタイムスタンプを出力するように構成された、ディジタルタイムスタンプ回路を含み、前記ディジタルタイムスタンプは、時間基準信号に対するトリガ信号の時間に基づく、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項７】
前記検出器画素に入射する光子の流束に比例するアナログ光電流を生成するように構成された比例光ダイオードと、
前記光子の流束の受信の時間を示すトリガ信号の時間に基づいてタイムスタンプを生成する、前記検出器セルのアレイに接続されたディジタルタイムスタンプ回路と、
を更に含む、請求項１に記載の検出器画素。
【請求項８】
シンチレータと、
受信された放射線に応じて前記シンチレータにより生成された光のバーストを受信するように構成された、請求項１に記載の検出器画素のアレイと、
を有する放射線検出器。
【請求項９】
前記画素のアレイは、共通シリコン基板にモノリシックに配置される、請求項８に記載の放射線検出器。
【請求項１０】
前記検出器セルのアレイの前記光ダイオードは、光ダイオード層を定義し、前記ディジタル回路、前記ディジタルトリガ回路及び前記読み出しディジタル回路は、前記光ダイオード層と分離され且つ電気的に結合されたディジタル回路層を定義する、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１１】
前記検出器セルのアレイの前記光ダイオードは、光ダイオード層を定義し、前記ディジタル回路、前記ディジタルトリガ回路及び前記読み出しディジタル回路は、前記光ダイオードの間に散在させられ、前記光ダイオード層に配置される、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１２】
前記ディジタル回路、前記ディジタルトリガ回路及び前記読み出しディジタル回路の少なくともかなりの部分がＣＭＯＳ回路である、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１３】
前記共通シリコン基板にモノリシックに配置された多重化回路を更に含み、前記多重化回路は、前記検出器画素の前記読み出しディジタル回路により生成されたカウントをディジタル的に多重化し、ディジタル放射線検出器出力信号を生成する、請求項９に記載の放射線検出器。
【請求項１４】
前記ディジタルトリガ回路は、単一の前記検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移したことに応じて、前記積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成された、請求項８に記載の放射線検出器。
【請求項１５】
前記ディジタルトリガ回路は、複数の前記検出器セルが前記第１のディジタル値から前記第２のディジタル値へと遷移し、選択されたトリガ電流レベルを超える電流を生成したことに応じて、前記積算期間の開始を示すトリガ信号を出力するように構成された、請求項８に記載の放射線検出器。
【請求項１６】
撮像領域から放出されたガンマ線を検出するために配置された、複数の請求項８に記載の放射線検出器と、
２つの前記放射線検出器による２つの略同時のガンマ線検出を特定する、ガンマ線対検出回路と、
前記２つのガンマ線検出を結ぶ空間的な同時計測線を決定する、同時計測線プロセッサと、
前記２つの略同時のガンマ線検出の間の時間差に基づいて、前記同時計測線に沿った陽電子−電子消滅事象の位置を特定する、飛行時間プロセッサと、
を有する、飛行時間型陽電子放出断層撮影システム。
【請求項１７】
放射線粒子を光のバーストに変換するシンチレータと共に実行される方法であって、前記方法は、
絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードによる光子の検出に応じて第１のディジタル値から第２のディジタル値へとディジタル回路を切り換えるステップを有し、前記切り換えが切り換え事象を定義し、前記方法は更に、
複数の前記光ダイオードに関連する１以上の選択された数の前記切り換え事象に応じて、積算期間の開始を示すトリガ信号を生成するステップと、
前記積算時間の間、前記複数の光ダイオードに関連する切り換え事象のカウントを積算するステップと、
を有する方法。
【請求項１８】
前記切り換え事象に続いて、前記第１のディジタル値に対応する静止状態へと前記光ダイオードをクエンチングするステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記積算を監視するステップと、
前記監視するステップにより決定された中止基準の出現に応じて、前記積算を中止するステップと、
を更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記積算期間の間の積算に関連するディジタルタイムスタンプを生成するステップを更に含み、前記ディジタルタイムスタンプは、前記トリガ信号の生成の時間と基準時間信号とに基づく、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記積算期間の開始を示す前記トリガ信号の生成と、前記積算期間の間の前記カウントの積算と、前記カウントに関連する前記ディジタルタイムスタンプの生成とを繰り返し、それぞれが関連する前記ディジタルタイムスタンプを持つ複数のカウントを生成するステップと、
それぞれの関連する前記ディジタルタイムスタンプによって前記カウントをソートし、時間によりソートされた事象データのストリームを生成するステップと、
を更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光ダイオードの略全てが前記積算期間の間に前記切り換え事象に関与するために十分に光子の流束が高い場合に、別個の比例ダイオードを利用して前記光子の流束に比例するアナログ光電流を生成するステップと、
を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
シンチレータと請求項１７に記載の方法を実行するための回路とを含む、放射線検出器。
【請求項２４】
光ダイオード層を定義する複数の光ダイオードと、
前記光ダイオードによる光子の検出に応じて１つ以上のディジタル値を供給するためのディジタル回路と、
前記ディジタル回路が配置されたシリコン基板と、
を有する放射線検出器。
【請求項２５】
前記ディジタル回路は、前記光ダイオード層から分離され且つ前記光ダイオード層と電気的に結合されたディジタル回路層を形成する、請求項２４に記載の放射線検出器。
【請求項２６】
前記ディジタル回路は、複数の前記光ダイオードの間に少なくとも部分的に散在させられて前記光ダイオード層に配置される、請求項２４に記載の放射線検出器。
【請求項２７】
前記１つ以上のディジタル値はタイムスタンプ、検出器インデクス、検出器画素インデクス又は光子のカウントである、請求項２４に記載の放射線検出器。
【請求項２８】
検出器セルのアレイであって、前記検出器セルのそれぞれが光ダイオードと前記光ダイオードに結合されたディジタル回路とを含む検出器セルのアレイを有し、
前記ディジタル回路は、前記光ダイオードによる光子の検出に応じて、第１のディジタル値出力から第２のディジタル値出力へと遷移する、検出器画素。
【請求項２９】
所定の数の前記検出器セルが前記第１のディジタル値出力から前記第２のディジタル値出力へ遷移した場合に、積算期間の開始時間を示すトリガ信号を供給する、ディジタルトリガ回路を更に有する、請求項２８に記載の検出器画素。
【請求項３０】
前記第１のディジタル値出力から前記第２のディジタル値出力への前記検出器セルの遷移をカウントする読み出しディジタル回路を更に有する、請求項２８に記載の検出器画素。
【請求項３１】
前記検出器画素における電流を監視し、中止基準に応じて積算処理を中止する、トリガ確認回路を更に有する、請求項２８に記載の検出器画素。
【請求項３２】
撮像されるべき対象を受容するように構成された撮像領域と、
少なくとも部分的に前記撮像領域の周りに配置された複数の検出器と、
を有し、前記複数の検出器の少なくとも１つが、
シンチレータと、
前記シンチレータからの光子を検出するための光ダイオードと、
前記光ダイオードによる光子の検出に応じて１つ以上のディジタル値を供給するためのディジタル回路と、
を有する、陽電子放出断層撮影システム。
【請求項３３】
放射事象に応じてシンチレーション事象を生成するステップと、
前記シンチレーション事象を検出するステップと、
前記検出されたシンチレーション事象に対してディジタルタイムスタンプを割り当てるステップと、
再構築法において前記ディジタルタイムスタンプを利用して医用画像を生成するステップと、
を有する、医用画像を生成する方法。
【請求項３４】
シンチレータと、
絶縁破壊領域においてバイアスされる光ダイオードと、
前記光ダイオードが絶縁破壊領域に入ったか否かを示すバイナリのディジタル出力を供給するディジタル回路と、
を有する検出器。
【請求項３５】
シンチレータと、
前記シンチレータから事象を検出するための光ダイオードと、
前記光ダイオードの事象に応じてディジタル値を供給するための回路と、
を有し、前記回路は、光ダイオードの事象が無い場合には静的な電力消費モードで動作し、光ダイオードの事象がある場合には動的な電力消費モードで動作する、検出器。
【請求項３６】
シンチレータと、
前記シンチレータから事象を検出するための光ダイオードと、
前記光ダイオードの事象に応じてディジタル値を供給するための回路と、
を有する検出器であって、前記検出器により必要とされる電力消費は、光ダイオードの事象に応じてアナログ値を供給する回路を持つアナログ検出器により必要とされる電力消費の少なくとも約３分の１である、検出器。
【請求項３７】
検出器アレイの個々のセルのダークカウントレートを検知するステップと、
検知されたダークカウントに基づいてどのセルが不良であるかを決定するステップと、
不良であると決定されたセルに関連するヒューズを切断するためにレーザを利用するステップと、
を有する、撮像検出器のセルを無効化する方法。
【請求項３８】
不良なセルの位置を決定するステップと、
前記不良なセルの位置に基づいて１以上の不良でないセルを無効化するステップと、
を更に有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
検出器アレイの個々のセルのダークカウントレートを検知するための手段と、
検知されたダークカウントに基づいて、どのセルが不良であるかを決定するための手段と、
不良であると決定されたセルに関連するヒューズを切断するためにレーザを利用するための手段と、
を有する、撮像検出器。
【請求項４０】
不良なセルの位置を決定するための手段と、
前記不良なセルの位置に基づいて１以上の不良でないセルを無効化するための手段と、
を更に有する、請求項３９に記載の撮像検出器。
【請求項４１】
放射線に応じて光子を生成するためのシンチレータと、
前記シンチレータにより生成された光子を検出するための複数の光検出器と、
前記複数の光検出器により検出された光子に応じてディジタル出力を供給するためのディジタル回路と、
を有し、前記ディジタル回路は前記複数の光検出器のうちいずれかの数の光検出器をディジタル的に無効化する手段を含む、撮像検出器。
【請求項４２】
前記光検出器を無効化する手段は、不良であるとみなされた光検出器を無効化する、請求項４１に記載の撮像検出器。
【請求項４３】
前記光検出器を無効化する手段は更に、前記無効化された不良な光検出器と所定の幾何学的関係にある１以上の光検出器を無効化する、請求項４２に記載の撮像検出器。
【請求項４４】
撮像検出器のための較正方法であって、
前記撮像検出器に複数の光検出器を備えるステップと、
前記複数の光検出器の応答性をテストするステップと、
どの前記光検出器が不良であるかを決定するステップと、
不良であると決定された前記光検出器を無効化するステップと、
を有する較正方法。
【請求項４５】
前記無効化された不良な光検出器と所定の幾何学的関係にある１以上の光検出器を無効化するステップを更に有する、請求項４４に記載の較正方法。
【請求項４６】
前記無効化された光検出器のレポートを供給するステップを更に有する、請求項４４に記載の較正方法。
【請求項４７】
前記レポートは、前記無効化された光検出器の空間的な分布を含む、請求項４６に記載の較正方法。
【図２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図３】
【図４（Ａ）】
【図４（Ｂ）】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図３】
【図４（Ａ）】
【図４（Ｂ）】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００８−５３８６０６（Ｐ２００８−５３８６０６Ａ）
【公表日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５０７２１５（Ｐ２００８−５０７２１５）
【出願日】平成１８年４月１０日（２００６．４．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００６／０５１０８９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１１１８８３
【国際公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１０日（２００６．４．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００６／０５１０８９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１１１８８３
【国際公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
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