(57)【要約】【課題】光共有構成を有するＳｉＰＭベースの検出器のためのユニバーサル読み出し設計を提供する。【解決手段】本発明の実施形態は、光共有構成を有するＳｉＰＭベースのＰＥＴ検出器のタイミング性能を改良するために利用される。ユニバーサル読み出し設計は、適応グループ読み出しを利用してＳｉＰＭデバイスによって生成されたノイズが多く低速の信号を処理し、簡素化された読み出し電子回路で向上したタイミング能力を提供する。【選択図】図２
2018044952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）ベースの検出システム（１００）であって、
１つまたは複数のシンチレーション結晶（１１２）に関して配置されてシンチレーションブロック（２０４）を形成し、前記シンチレーション結晶（１１２）の１つまたは複数の消滅光子相互作用（１０５）を検出し、１つまたは複数の信号（１０３，１０７）を発生する１つまたは複数のＳｉＰＭ（１０２）と、
複数のバッファ増幅器（１０６）を含むフロントエンド回路（１１３）であって、各バッファ増幅器（１０６）は、少なくとも１つのそれぞれのＳｉＰＭ（１０２）と通信して前記信号（１０３，１０７）の１つまたは複数を複数のグループ読み出しユニット（１０８）に中継するフロントエンド回路（１１３）と、
前記フロントエンド回路（１１３）に結合され、前記複数のバッファ増幅器（１０６）からの前記信号（１０３，１０７）を選択的に加算するブロック読み出し回路（１１５）と、
前記フロントエンド回路（１１３）、前記グループ読み出し（１０８）、および前記ブロック読み出し回路（１１５）に単独または組み合わせて制御信号を提供し、前記グループ読み出しユニット（１０８）およびブロック読み出し回路（１１５）の各々からの前記１つまたは複数の信号を単独または組み合わせて利用してタイムスタンプ推定（５０４）を実行する制御および処理論理ユニット（１１０）とを備え、
前記バッファ増幅器（１０６）の１つまたは複数からの前記信号（１０３，１０７）は、加算器によって加算され、前記グループ読み出しユニット（１０８）の前記消滅光子相互作用（１０５）を表すタイミング信号およびエネルギー信号を提供し、前記ブロック読み出し回路（１１５）は、信号の加算を利用して前記シンチレーションブロック（２０４）の前記消滅光子相互作用（１０５）を表すブロックタイミング信号、ブロックエネルギー信号、および位置を提供する、ＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項２】
前記シンチレーション結晶（１１２）と前記ＳｉＰＭ（１０２）との間に配置された１つまたは複数の光ガイド（１１４）をさらに備える、請求項１に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項３】
前記位置が、二次元または三次元位置である、請求項１に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項４】
前記グループ読み出しユニット（１０８）が、１つまたは複数の選択されたバッファ増幅器（１０６）からの信号（１０３，１０７）を適応的に選択する適応スイッチアレイを備える、請求項１に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項５】
前記タイミング信号が、選択されたＳｉＰＭ（１０２）によって検出された消滅光子の時間表示である、請求項１に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項６】
前記エネルギー信号が、選択されたＳｉＰＭ（１０２）によって検出された消滅光子相互作用（１０５）の全エネルギー蓄積量を提供する、請求項１に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項７】
前記ブロック読み出し回路（１１５）が、前記複数のバッファ増幅器（１０６）からの前記信号（１０３，１０７）を加算し、タイミングチャネル（３１６）に加算したタイミング信号、エネルギーチャネル（３１７）に加算したエネルギー信号、および位置チャネル（３１８）に重み付けされた加算信号を提供する重み付け加算器（３１５）を備え、
前記タイミングチャネル（３１６）が、前記シンチレーションブロック（２０４）で検出された消滅光子相互作用（１０５）の時間表示であるタイミング出力を有し、
前記エネルギーチャネル（３１７）が、前記シンチレーションブロック（２０４）で検出された消滅光子相互作用（１０５）の全エネルギー蓄積量であるエネルギー出力を提供し、
前記位置チャネル（３１８）が、前記ブロック（１０４）で検出された前記消滅光子相互作用（１０５）の少なくとも二次元位置を表す出力信号（１０７）を有する、請求項１に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項８】
前記ＳｉＰＭ（１０２）が、複数のグループに分割され、前記グループの各々が、複数の光学的に結合されたシンチレーション結晶（１１２）に対応し、それぞれのグループ読み出し回路に接続される、請求項４に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項９】
グループ読み出しユニット（１０８）の前記選択されたバッファ増幅器（１０６）が、前記シンチレーションブロック（２０４）で検出された前記消滅光子相互作用（１０５）の光学光子分布に基づいて決定される、請求項４に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項１０】
リフレクタ（１１８）が、シンチレーション結晶（１１２）のグループ間に配置されて前記シンチレーションブロック（２０４）をサブブロック（１０４）に光学的に分離する、請求項１に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項１１】
前記リフレクタ（１１８）が、前記サブブロック（１０４）間に配置され、前記グループ読み出しユニット（１０８）と位置合わせされるように前記ＳｉＰＭ（１０２）の１つまたは複数と対応する、請求項１０に記載のＳｉＰＭベースの検出システム（１００）。
【請求項１２】
フロントエンド回路（１１３）でそれぞれのバッファ増幅器（４０６）と共同してケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）（４０２）の配列から信号（４０３，４０７，４２９）を受信する複数のグループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）であって、前記ＳｉＰＭ（４０２）は、シンチレーション結晶（１１２）のアレイに光学的に結合され、前記シンチレーション結晶（１１２）の１つまたは複数の少なくとも１つの消滅光子事象を検出する複数のグループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）と、
前記フロントエンド回路（２０４）に結合され、前記ＳｉＰＭ（４０２）からの前記信号（４０３，４０７，４２９）を選択的に加算するブロック読み出し回路（１１５）と、
前記フロントエンド回路（２０４）、前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）、および前記ブロック読み出し回路（１１５）に単独または組み合わせて制御信号を提供し、前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）および前記ブロック読み出し回路（１１５）の各々からの前記信号の１つまたは複数を単独または組み合わせて利用してタイムスタンプ推定（５０４）を実行する制御および処理論理ユニット（４２０）とを備え、
前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）は、前記信号（４０３，４０７，４２９）を選択的に加算して前記消滅光子事象を表すグループタイミング信号およびグループエネルギー信号を提供する加算器（４１２）を備え、前記ブロック読み出し回路（１１５）は、信号の選択的加算を利用してブロックタイミング信号、ブロックエネルギー信号、および消滅光子事象を表す位置を提供する、読み出し電子装置（４００，４４４）。
【請求項１３】
前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）が、１つまたは複数の選択されたバッファ増幅器（４０６）からの信号を適応的に選択する１つまたは複数の適応スイッチ（４１０，４１５）を備える、請求項１２に記載の読み出し電子装置（４００，４４４）。
【請求項１４】
前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）のＳｉＰＭ（４０２）およびバッファ増幅器（４０６）の選択が、前記消滅光子事象の計数率によって決定される、請求項１２に記載の読み出し電子装置（４００，４４４）。
【請求項１５】
前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）が、前記計数率が指定の高い計数率を有する場合により少ない数のＳｉＰＭ（４０２）および対応するバッファ増幅器（４０６）を選択し、前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）が、前記計数率が指定の低い計数率を有する場合により多くの数のＳｉＰＭ（４０２）および対応するバッファ増幅器（４０６）を選択する、請求項１４に記載の読み出し電子装置（４００，４４４）。
【請求項１６】
前記シンチレーション結晶のアレイが、サブブロックに編成され、前記ブロック読み出し回路（１１５）が、前記サブブロック間のコンプトン散乱事象を回復して感度を改良するように利用される、請求項１２に記載の読み出し電子装置（４００，４４４）。
【請求項１７】
前記制御および処理論理ユニット（４２０）が、少なくとも１つのタイムスタンプ推定（５０４）を実行して前記消滅光子事象のタイミングを決定する、請求項１２に記載の読み出し電子装置（４００，４４４）。
【請求項１８】
前記ブロック読み出し回路（１１５）の前記加算したエネルギー信号が、前記消滅光子事象のエネルギーレベルを表示し、前記グループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）が、個々のグループ読み出しユニット（４０９，４１１，４２１）のエネルギーの加算した蓄積量を表すエネルギーチャネル（４１３，４１８）を備える、請求項１２に記載の読み出し電子装置（４００，４４４）。
【請求項１９】
ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）ベースの検出器にユニバーサル読み出しを提供する方法であって、
シンチレーションブロック（２０４）の１つまたは複数のケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を使用して放射事象を検出することと、
前記放射事象が単一のグループ事象または複数のグループ事象であるかどうかをプロセッサによって決定することと、
前記単一のグループ事象または前記複数のグループ事象の１つまたは複数のタイミング信号から１つまたは複数のタイムスタンプを得て、ルックアップテーブルに（ｉ）エネルギー分布、（ｉｉ）１つまたは複数の単一または複数のグループ事象間の空間距離、および（ｉｉｉ）前記事象間の観察された時間差を含む入力を記録することと、
前記ルックアップテーブルによって重み付け係数を含む多数の入力および値のセットを決定することと、
前記ルックアップテーブルによって前記タイムスタンプの最適化された平均を生成する重み付けされた時間値を計算することとを含む、方法。
【請求項２０】
前記重み付けされた時間値を計算する前記ステップ中に、前記単一または複数のグループ事象の各々に関連するエネルギー蓄積量が推定され、前記タイムスタンプの前記最適化された平均は、各それぞれのグループ分散の逆数によって重み付けされる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
制御プロセッサに、グループ読み出し構成のタイミング、エネルギー、および位置を決定する動作を実行させるための記憶されたコンピュータ可読命令を含み、前記動作は、
シンチレーションブロック（２０４）の１つまたは複数のケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を使用して放射事象を検出することと、
前記放射事象が単一のグループ事象または複数のグループ事象であるかどうかをプロセッサによって決定することと、
前記単一のグループ事象または前記複数のグループ事象の１つまたは複数のタイミング信号から１つまたは複数のタイムスタンプを得て、ルックアップテーブルに（ｉ）エネルギー分布、（ｉｉ）１つまたは複数の単一または複数のグループ事象間の空間距離、および（ｉｉｉ）前記事象間の観察された時間差を含む入力を記録することと、
前記ルックアップテーブルによって前記タイミング信号を最適化する多数の入力および値のセットを決定することと、
前記ルックアップテーブルによって前記タイムスタンプの最適化された平均を生成する重み付けされた時間値を計算することとを含む、非一時的コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、医療撮像に関し、具体的には、光共有構成を有する検出器のための読み出し設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガンマ線検出器は、陽電子放射断層撮影装置（ＰＥＴ）システムなどの様々な用途に使用することができる。ＰＥＴシステムは、体内の機能プロセスの三次元画像を生成する核医学撮像を実行する。たとえば、ＰＥＴシステムは、患者の体内における陽電子放出核種の分布を表す画像を生成する。陽電子が消滅によって電子と相互作用するとき、陽電子−電子対の全質量は２つの５１１ｋｅＶ（すなわち、消滅）光子に変換される。光子は、応答線に沿って反対方向に放出される。消滅光子は、応答線に沿って検出器リングに設置される検出器によって検出することができる。図１（従来技術）に示すように、ＰＥＴ検出器１０は、リング状に配置される複数のモジュール２２を含む。各検出器モジュール２２は、複数の検出器ユニット、すなわちブロック２４から組み立てられる。消滅光子が同時に検出器ブロックに到達して検出される場合、これは同時発生と呼ばれる。次に、消滅光子検出情報を含む取得された光子検出データに基づいて画像が生成される。
【０００３】
近年、ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）が、ＰＥＴに広く使用されている。ＳｉＰＭは、一般的なケイ素基板に並列に接続され、一般的な負荷で動作する約１０〜約１００ミクロンの典型的なサイズの数万個のアバランシェフォトダイオードのタイル状アレイである。ＳｉＰＭデバイスの出力は、通常、トランスインピーダンス増幅器として実装可能なバッファ増幅器に接続される。従来の真空光電子増倍管チューブ（ＰＭＴ）と比較して、ＳｉＰＭはサイズが小さいという利点を有し、感光性領域のユニット当たりのバラツキを低減し、コストを低下させて大量生産を可能にする。他の優れた特徴は、高い光子検出効率（ＰＤＥ）、低いバイアス電圧、良好なタイミング分解能、および磁場に対する不感受性などの動作および性能に関する。しかし、ＳｉＰＭは、高い暗計数率、ＰＭＴに対する出力パルスの遅い立ち下がり時間、ならびにクロストークおよびアフターパルスなどの信号相関スプリアス効果といった欠点を有する。これらの影響は、ＰＥＴ検出器ブロックに接続されたＳｉＰＭデバイスの数により累積し、ブロックサイズが大きくなるにつれてタイミング分解能が大幅に低下する。
【０００４】
検出器ブロックにおいて、結晶は、ＳｉＰＭに光学的に結合される。シンチレータ結晶がＳｉＰＭデバイスに直接結合して１対１の読み出しを行う検出器設計では、シンチレータとＳｉＰＭとの間の光学光子の損失と伝搬が最小限であり、ＳｉＰＭデバイス間のクロストークが無視できるほど良好なタイミング性能が得られる。しかし、検出器は、各ＳｉＰＭに完全な読み出し電子回路を組み込むためには多数の読み出しチャネルを必要とし、相当量の電力を消費する。したがって、実装は非常に複雑かつ困難であり、高価となる。
【０００５】
さらに、入射５１１ｋｅＶ消滅光子の一部は、複数の結晶において複数の相互作用を生じ、したがって、結晶（光の共有）間のコンプトン散乱または光学光子拡散によって対応するＳｉＰＭの読み出しチャネルをもたらす。ＰＥＴ検出器では、合理的な信号対雑音比（ＳＮＲ）で画像を得るために高い感度が必要である。ＰＥＴスキャナの感度は、主に、検出システムの効率（たとえば、結晶の厚さおよび立体角範囲）によって決定される。優れたタイミング分解能を維持しながら、シンチレーションブロックのコンプトン散乱事象または光共有事象を回復する、向上した検出システムが必要とされる。以下の開示は、改良されたタイミング性能および検出効率を提供するために、上述の必要性に対処する。本発明の態様は、ＳｉＰＭデバイスによって生成されたノイズが多く低速の信号を処理し、電子チャネルの数を大幅に削減してコストを下げ、タイムオブフライト陽電子放射断層撮影装置（ＴＯＦ−ＰＥＴ）に対して、たとえば２５０ｐｓ以下の優れたタイミング能力を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第９３０４２１１号
【発明の概要】
【０００７】
上記および他の欠点または欠如は、以下に記載されるシステムの開発によって克服または緩和され得る。
【０００８】
本発明は、高い光圧縮比を提供してＳｉＰＭのコストを低減し、高度に多重化され簡素化された電子回路で優れたタイミング性能を維持する、光共有構成を有するＳｉＰＭベースの検出器のためのユニバーサル読み出し設計を開示する。本発明は、従来の光電子増倍管（ＰＭ）チューブと比較して、ダークノイズおよび信号相関スプリアス効果を低減するために、当技術分野で現在直面している欠点に対処する。
【０００９】
グループ読み出し設計は、他のチャネルからの電子ノイズ、ダークノイズおよび光学クロストークの寄与が低減されたタイミング情報を提供し、したがって優れたタイミング分解能を提供する。さらに、一実施形態では、ＳｉＰＭデバイスのグループ多重化は、結晶光共有構成と一致し、改良された信号雑音比を得るためにアナログ領域で適応的に制御される。
【００１０】
一実施形態では、ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）ベースの検出システムは、光共有構成を有するユニバーサル読み出し設計を含む。検出システムは、１つまたは複数のシンチレーション結晶に関して配置されてシンチレーションブロックを形成し、シンチレーション結晶の１つまたは複数の消滅光子相互作用を検出し、１つまたは複数の信号を発生する１つまたは複数のＳｉＰＭと、複数のバッファ増幅器を含むフロントエンド回路であって、各バッファ増幅器は、少なくとも１つのそれぞれのＳｉＰＭと通信して信号の１つまたは複数を複数のグループ読み出しユニットに中継するフロントエンド回路と、フロントエンド回路に結合され、複数のバッファ増幅器からの信号を選択的に加算するブロック読み出し回路と、フロントエンド回路、グループ読み出し、およびブロック読み出し回路に単独または組み合わせて制御信号を提供し、グループ読み出しユニットおよびブロック読み出し回路の各々からの１つまたは複数の信号を単独または組み合わせて利用してタイムスタンプ推定を実行する制御および処理論理ユニットとを備え、バッファ増幅器の１つまたは複数からの信号は、加算器によって加算され、グループ読み出しユニットの消滅光子相互作用を表すタイミング信号およびエネルギー信号を提供し、ブロック読み出し回路は、信号の加算を利用してシンチレーションブロックの消滅光子相互作用を表すブロックタイミング信号、ブロックエネルギー信号、および位置を提供する。
【００１１】
一実施形態は、１つまたは複数の選択されたバッファ増幅器からの信号を適応的に選択する適応スイッチアレイを含むグループ読み出しユニットを含む。一態様では、タイミング信号は、選択されたＳｉＰＭによって検出された消滅光子の時間表示である。別の態様では、エネルギー信号は、選択されたＳｉＰＭによって検出された消滅光子相互作用の全エネルギー蓄積量を提供する。実施形態はまた、複数のバッファ増幅器からの信号を加算し、タイミングチャネルに加算したタイミング信号、エネルギーチャネルに加算したエネルギー信号、および位置チャネルに重み付けされた加算信号を提供する重み付け加算器を備えるブロック読み出し回路を含むことができ、タイミングチャネルは、シンチレーションブロックで検出された消滅光子相互作用の時間表示であるタイミング出力を有し、エネルギーチャネルは、シンチレーションブロックで検出された消滅光子相互作用の全エネルギー蓄積量であるエネルギー出力を提供し、位置チャネルは、ブロックで検出された消滅光子相互作用の少なくとも二次元位置を表す出力信号を有する。ＳｉＰＭは、複数のグループに分割することができ、グループの各々は、複数の光学的に結合されたシンチレーション結晶に対応し、それぞれのグループ読み出し回路に接続される。グループ読み出しユニットの選択されたバッファ増幅器は、シンチレーションブロックで検出された消滅光子相互作用の光学光子分布に基づいて決定される。
【００１２】
別の実施形態では、読み出し電子装置は、フロントエンド回路でそれぞれのバッファ増幅器と共同してケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）の配列から信号を受信する複数のグループ読み出しユニットであって、ＳｉＰＭは、シンチレーション結晶のアレイに光学的に結合され、シンチレーション結晶の１つまたは複数の少なくとも１つの消滅光子事象を検出する複数のグループ読み出しユニットと、フロントエンド回路に結合され、ＳｉＰＭからの信号を選択的に加算するブロック読み出し回路と、フロントエンド回路、グループ読み出しユニット、およびブロック読み出し回路に単独または組み合わせて制御信号を提供し、グループ読み出しユニットおよびブロック読み出し回路の各々からの信号の１つまたは複数を単独または組み合わせて利用してタイムスタンプ推定を実行する制御および処理論理ユニットとを備え、グループ読み出しユニットは、信号を選択的に加算して消滅光子事象を表すグループタイミング信号およびグループエネルギー信号を提供する加算器を備え、ブロック読み出し回路は、信号の選択的加算を利用してブロックタイミング信号、ブロックエネルギー信号、および消滅光子事象を表す位置を提供する。グループ読み出しユニットはまた、１つまたは複数の選択されたバッファ増幅器からの信号を適応的に選択する１つまたは複数の適応スイッチを備えることができる。さらに、グループ読み出しユニットのＳｉＰＭおよびバッファ増幅器の選択は、消滅光子事象の計数率によって決定することができる。
【００１３】
読み出し電子装置の１つの態様では、グループ読み出しユニットは、計数率が指定の高い計数率を有する場合により少ない数のＳｉＰＭおよび対応するバッファ増幅器を選択し、グループ読み出しユニットは、計数率が指定の低い計数率を有する場合により多くの数のＳｉＰＭおよび対応するバッファ増幅器を選択する。さらに、制御および処理論理ユニットは、少なくとも１つのタイムスタンプ推定を実行して消滅光子事象のタイミングを決定する。ブロック読み出し回路の加算したエネルギー信号は、消滅光子事象のエネルギーレベルを表示し、グループ読み出しユニットは、個々のグループ読み出しユニットのエネルギーの加算した蓄積量を表すエネルギーチャネルを備える。
【００１４】
本発明の実施形態は、ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）ベースの検出器にユニバーサル読み出しを提供する方法を含み、方法は、シンチレーションブロックの１つまたは複数のケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を使用して放射事象を検出することと、放射事象が単一のグループ事象または複数のグループ事象であるかどうかをプロセッサによって決定することと、単一のグループ事象または複数のグループ事象の１つまたは複数のタイミング信号から１つまたは複数のタイムスタンプを得て、ルックアップテーブルに（ｉ）エネルギー分布、（ｉｉ）１つまたは複数の単一または複数のグループ事象間の空間距離、および（ｉｉｉ）事象間の観察された時間差を含む入力を記録することと、ルックアップテーブルによって重み付け係数を含む多数の入力および値のセットを決定することと、ルックアップテーブルによってタイムスタンプの最適化された平均を生成する重み付けされた時間値を計算することとを含む。
【００１５】
１つの態様では、重み付けされた時間値を計算するステップ中に、単一または複数のグループ事象の各々に関連するエネルギー蓄積量が推定され、タイムスタンプの最適化された平均は、各それぞれのグループ分散の逆数によって重み付けされる。
【００１６】
本明細書で説明される非一時的コンピュータ可読媒体は、制御プロセッサに、グループ読み出し構成のタイミング、エネルギー、および位置を決定する動作を実行させるための記憶されたコンピュータ可読命令を含み、動作は、シンチレーションブロックの１つまたは複数のケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を使用して放射事象を検出することと、放射事象が単一のグループ事象または複数のグループ事象であるかどうかをプロセッサによって決定することと、単一のグループ事象または複数のグループ事象の１つまたは複数のタイミング信号から１つまたは複数のタイムスタンプを得て、ルックアップテーブルに（ｉ）エネルギー分布、（ｉｉ）１つまたは複数の単一または複数のグループ事象間の空間距離、および（ｉｉｉ）事象間の観察された時間差を含む入力を記録することと、ルックアップテーブルによってタイミング信号を最適化する多数の入力および値のセットを決定することと、ルックアップテーブルによってタイムスタンプの最適化された平均を生成する重み付けされた時間値を計算することとを含む。一態様では、選択された数の入力および値のセットを利用することができる。
【００１７】
したがって、異なるサイズ、形状、グループ、および構造に対応するように変形を設計して、費用効果の高い効率的な方法で方法を達成できるようにすることができる。構造的システム、ユニット、チャネル、および回路の用語は互換可能とすることができるが、機能は詳細な説明および図面に示すように説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術によるＰＥＴ検出器アセンブリを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の斜視図である。
【図３Ａ】一実施形態による適応グループ読み出しユニットの概略図である。
【図３Ｂ】一実施形態におけるブロック読み出し回路の概略図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態によるグループ読み出しユニットの斜視図である。
【図４Ｂ】一実施形態によるグループ読み出しユニットの斜視図である。
【図５】本発明の一態様における概略フローチャートを示す図である。
【図６】一実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照して、様々な実施形態をより完全に説明する。このような実施形態は、限定するものとして解釈されるべきではない。たとえば、１つまたは複数の態様を、他の実施形態および他のタイプのデバイスで利用することができる。一般に、図面を参照すると、これらの図は特定の実施形態を説明するためのものであり、限定することを意図するものではないことが理解されよう。
【００２０】
ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）のアレイは、陽電子放射断層撮影装置（ＰＥＴ）に広く使用されている。本発明は、従来の光電子増倍管チューブ（ＰＭＴ）と比較して、ＳｉＰＭデバイスの高いダークノイズおよび低速の信号に関連する問題を対処する。
【００２１】
本明細書で開示される本発明の実施形態は、ＳｉＰＭベースの光共有検出器のためのユニバーサル読み出しシステム設計に関する。システムは、総合的なコストを低減するために高度に多重化された信号で良好なタイミング性能を提供する適応グループ読み出しを含む。
【００２２】
グループ読み出し設計は、他のチャネル（すなわち、グループ）からの電子ノイズ、ダークノイズ、および光学クロストークの寄与が低減されたタイミング信号を提供し、したがって改良されたタイミング分解能を提供する。グループ読み出しの適応多重化は、結晶光共有構成と一致し、アナログ領域で制御されて単一のグループ事象の向上したＳＮＲおよび合理的な比を得ることができる。
【００２３】
さらに、本明細書の実施形態で開示される方法は、ＳｉＰＭデバイスによって生成されたノイズが多く低速の信号を処理し、電子チャネルの数を大幅に削減してコストを下げ、所望のタイミング分解能（たとえば、ＴＯＦ−ＰＥＴに対して２５０ｐｓ以下）を提供する。
【００２４】
本明細書の実施形態は、検出器ブロックを説明し、ここで多数のＳｉＰＭデバイスが、いくつかのグループに分割される。各グループは、複数の光学的に結合された結晶に対応する。グループの各ＳｉＰＭからの信号は共に加算され、その後、グループ読み出しは加算した信号をタイミングチャネルとエネルギーチャネルの両方に提供する。光共有検出器では、光学光子は複数のＳｉＰＭによって共有される。一態様では、グループ読み出しアーキテクチャは、ブロックの光学結合構成に一致するように設計される。
【００２５】
一実施形態では、図２に示すように、検出器ブロック１００が示されている。複数の検出器ブロック１００は、患者ボアの周りでリング状に配置されるように構成することができる。図２に示すように、ＳｉＰＭベースの検出器ブロック１００は、複数のＳｉＰＭ１０２と、シンチレータ結晶１１２と、光ガイド１１４と、フロントエンド回路１１３と、グループ読み出し１０８と、ブロック読み出し１１５とを含む。フロントエンド（ＦＥ）回路１１３は、現在のバッファとして機能することができる複数のＳｉＰＭ１０２にそれぞれ結合された複数のバッファ増幅器１０６を含む。５１１ｋｅＶ消滅光子が結晶１１２で検出されると、光学光子が生成される。光ガイド１１４は、生成された光学光子を収集し、それらをＳｉＰＭ１０２に導いて電流信号を発生する。各バッファ増幅器１０６は、ブロック読み出し回路１１５に出力信号１０７、およびそれぞれのグループ読み出しユニット１０８に出力信号１０３を提供し、各バッファ増幅器は、１つまたは複数のグループ読み出しユニットに接続される。
【００２６】
複数のＳｉＰＭ１０２は、サブブロック１０４を形成するようにグループで配置され、ここで複数のバッファ増幅器１０６が、複数のＳｉＰＭ１０２の出力信号をそれぞれ受信する。サブブロック１０４において、各バッファ増幅器は、少なくとも１つのグループ読み出しユニット１０８に結合され、信号１０３は、タイミングチャネル（短い整形時定数を有する）とエネルギーチャネル（長い整形時定数を有する）の両方を含み、タイミング（たとえば、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）およびエネルギー（たとえば、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）情報を制御および処理論理ユニット１１０に提供する読み出しユニットによって加算され次に処理される。図２では、ＳｉＰＭグループ読み出し構成は、リフレクタ１１８の配置と一致する。各サブブロック１０４は、光ガイド１１４の検出された５１１ｋｅＶ消滅光子の光学光子を共有し、サブブロック間の光学光子クロストークを防止するリフレクタ１１８（たとえば、ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｓｐｅｃｕｌａｒ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ（ＥＳＲ））の使用により他のサブブロックの結晶から光学的に分離される、複数の結晶１１２に対応する。結晶のガンマ線相互作用１０５が、ここに示されている。
【００２７】
ブロック内のＳｉＰＭ１０２は、エネルギー（Ｅｂ）、タイミング（Ｔｂ）、および二次元位置（たとえば、Ｘ位置およびＺ位置）情報を制御および処理論理ユニット１１０に提供するブロック読み出し回路１１５を共有する。一実施形態では、グループ読み出し１０８は、ＳｉＰＭによって生成されたノイズが多く低速の信号を処理し、読み出しチャネルの数を削減して改良されたタイミング性能を提供することができる。一実施形態では、ユニバーサル読み出しシステム、特にＳｉＰＭベースの光共有検出器は、サブブロック間でコンプトン散乱事象を回復することによって高い感度を維持しながら、改良されたタイミング性能を達成する。
【００２８】
他のチャネル（すなわち、サブブロック）からの電子ノイズ、ダークノイズ、および光学クロストークの寄与が低減されたという利点を有するグループ読み出し設計は、改良されたタイミング分解能を提供する。２つ以上のサブブロックにエネルギーを蓄積するサブブロック間のコンプトン散乱事象の場合、ブロックの各ＳｉＰＭデバイス１０２からの信号もまた、共に加算され次にブロック読み出し回路１１５で処理されて、制御および処理論理ユニット１１０におけるさらなる処理のためのタイミング（Ｔｂ）およびエネルギー（Ｅｂ）信号を提供する。
【００２９】
図３Ａの一実施形態では、図２のグループ（たとえば、サブブロック）読み出しユニット１０８は、適応スイッチングを示している。グループ読み出し１０８において、ＳｉＰＭおよびバッファからの出力信号１０３は、適応スイッチ３１１を介して加算器３１２に中継される。次に、タイミングチャネル３１３およびエネルギーチャネル３１４が、プロセッサ１１０と通信される。
【００３０】
ブロック読み出し回路１１５の一実施形態では、図３Ｂに示すように、ＳｉＰＭおよびバッファからの出力信号１０７は、所望に応じて加算器および重み付けモジュール３１５で加算および／または重み付けされ、次にタイミングチャネル３１６、エネルギーチャネル３１７、および位置チャネル３１８でそれぞれ処理されてタイミング、エネルギー、および二次元位置情報をプロセッサ１１０に提供する。１つの態様では、指定される位置は、一次元、二次元、または三次元であってもよい。
【００３１】
図４Ａは、システム４００に対して低い計数率条件で動作する適応グループ読み出しを示している。ＳｉＰＭ４０２（たとえば、ＳｉＰＭ１、ＳｉＰＭ２．．．など）の出力は、各それぞれのバッファ４０６（たとえば、バッファ１、バッファ２．．．など）に接続され、次にグループ読み出しＩ（４０９）に電流信号４０３、およびグループ読み出しＩＩ（４１１）に電流信号４０７を提供する。グループ読み出しＩ（４０９）において、適応スイッチ４１０は、制御および処理論理ユニット４２０によって制御され、指定されたＳｉＰＭ（たとえば、ＳｉＰＭ／バッファ１，２，および３）からの信号を選択し、これらは加算器４１２で加算され、次にタイミングチャネル４１４とエネルギーチャネル４１３の両方で処理される。それぞれのタイミングおよびエネルギー信号（Ｔ１およびＥ１）は、制御および処理論理ユニット４２０に提供される。グループ読み出しＩＩ（４１１）の適応スイッチ４１５は、ＳｉＰＭ／バッファ４，５，および６から指定された信号を選択し、次にタイミングチャネル４１７およびエネルギーチャネル４１８で加算した信号を処理してタイミングおよびエネルギー信号を制御および処理論理ユニット４２０に提供する。
【００３２】
図４Ｂは、システム４４４において高い計数率条件で動作する適応グループ読み出しを示している。ＳｉＰＭ４０２（たとえば、ＳｉＰＭ１、ＳｉＰＭ２．．．など）の出力は、各それぞれのバッファ４０６（たとえば、バッファ１、バッファ２．．．など）に接続され、次にグループ読み出しＩ（４０９）に電流信号４０３、グループ読み出しＩＩ（４１１）に電流信号４０７、およびグループ読み出しＩＩＩ（４２１）に電流信号４２９を提供する。グループ読み出しＩ（４０９）において、適応スイッチ４１０は、グループ読み出しＩ（４０９）の適応スイッチ４１０がより少ない数のバッファ（たとえば、ＳｉＰＭ／バッファ１および２）を選択するように、制御および処理論理ユニット４２０によって制御される。したがって、グループ読み出しＩＩ（４１１）およびグループ読み出しＩＩＩ（４２１）は、それぞれＳｉＰＭ／バッファ３および４、ならびにＳｉＰＭ／バッファ５および６から信号を収集する。
【００３３】
図５の一実施形態では、フローチャートは、タイミング信号の決定およびタイミング分解能の改良（たとえば、同時分解時間（ＣＲＴ））を示している。判定処理システム５００は、第１のステップ５０２において、単一のサブブロック（グループ）事象が発生したか否かを判定する。イエスの場合、特定のグループ読み出しのタイミング信号からタイムスタンプ推定５０４が得られる。ノーの場合、次に２つのグループ読み出しユニットからの信号が、同じ事象についてブロック読み出し回路（５０６）から得られた信号と共に得られる。１つの態様では、２つのグループ読み出しユニットからの信号が得られるが、複数のグループユニットからの信号は、任意の順序および配置で得ることができる。
【００３４】
具体的に（Ｉ）エネルギー分布、（ＩＩ）１つまたは複数の単一または複数のグループ事象（相互作用）間の空間距離、および（ＩＩＩ）事象間の観察された時間差を含むこれらの信号は、ルックアップテーブルでチェックされ（５０８）、タイムスタンプの重み付けされた平均値を計算する際に使用される入力および値の数を決定する（５１２）。ルックアップテーブルは、処理ユニットの一部として予め決定することができる。単一の一致事象からの複数のタイミングおよびエネルギー信号の対（Ｎ）が、ルックアップテーブルに送られる。ルックアップテーブルの出力は、選択されたタイミングおよびエネルギー信号の対であり、重み付けされた平均タイミングスタンプを計算する。さらに、ルックアップテーブルは、タイミングおよびエネルギー信号の対の所定の重み付け係数および／または選択戦略を含むことができる。
【００３５】
各グループ読み出しユニットからの時間信号Ｔ1，Ｔ2は、５１１ｋｅＶ消滅光子の到達時間の独立した測定値を表すので、次にそれぞれのエネルギー蓄積量（Ｅ１およびＥ２）での各それぞれの分散の逆数によって重み付けされた２つのグループタイミング信号の平均としてタイムスタンプが計算される（５１２）。２つのグループタイミング信号からのタイムスタンプＴstampの重み付けされた平均は、式１に示すように表すことができる。
【００３６】
【数１】
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図６では、検出器ブロック２００は、リフレクタの配置に関係なく、いくつかのＳｉＰＭデバイスグループとして分割される。図示のように、ＳｉＰＭベースの検出器２００は、単一のブロック２０４に配置された複数のＳｉＰＭ２０２と、複数のＳｉＰＭ２０２にそれぞれ結合された複数のバッファ増幅器２０６と、複数のグループ読み出し２０８（たとえば、２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ，２０８ｄ，２０８ｅ）とを含み、入力フロントエンド回路２１３内の各バッファ増幅器は、少なくとも１つのグループ読み出しユニット２０８に結合され、信号は、タイミングチャネルとエネルギーチャネルの両方によって加算され次に処理され、タイミング（たとえば、Ｔ１〜Ｔ５）およびエネルギー（たとえば、Ｅ１〜Ｅ５）信号を制御および処理論理ユニット２１０に提供する。フロントエンド制御信号２２０は、制御および処理論理ユニット２１０によって提供される。ブロック２０４で検出された個々のガンマ線（たとえば、５１１ｋｅＶ消滅光子）事象に対して、光学光子は、複数の結晶２１２、したがって光ガイド２１４およびＳｉＰＭデバイス２０２によって共有される。単一のグループ事象の合理的な比を達成するために、グループ読み出しアーキテクチャは、単一の読み出しグループの光学光子の大部分を収集するために光拡散（すなわち、光学光子分布）よりはるかに大きく構成することができる。このグループ読み出しは、他のＳｉＰＭからの電子ノイズ、ダークノイズおよび光学クロストークの寄与が低減された所望のタイミングおよびエネルギー情報を提供し、したがって改良されたタイミング分解能を提供する。
【００３７】
図６のシステム２００に示すように、シンチレーションブロック２０４の各ＳｉＰＭ２０２からの信号もまた、ブロック読み出し２０７で共に加算され次に処理されて、制御および処理論理ユニット２１０におけるさらなる処理のためのタイミング（Ｔｂ）、エネルギー（Ｅｂ）、および位置信号（Ｘ，Ｚ）を提供する。さらに、個々のガンマ線（たとえば、５１１ｋｅＶ）事象２０５の間、シンチレーション光子は、複数のグループ読み出しユニット２０８によって共有することができる。
【００３８】
要約すると、本明細書の実施形態に開示される方法は、ＳｉＰＭデバイスによって生成されたノイズが多く（すなわち、暗電流）、低速の信号を処理することができる。ユニバーサル読み出し設計は、単一のグループ事象の所望の比を維持しながら読み出しチャネルの数を大幅に削減するように適応的に多重化することと、光共有構成を有するＳｉＰＭベースの検出器のための改良されたタイミング分解能を提供することとを含む。
【００３９】
本発明の様々な実施形態は、上述したように、任意の数の設計、形状およびサイズを包含することができる。このように個々の実施形態を説明してきたが、読み出し構成の個々の実施形態を任意の光共有システムで使用するために統合して組み合わせることができる。
【００４０】
１つの態様では、構成を変更して各ＳｉＰＭに対して完全な読み出し電子デバイスを利用することができる。この設計は、複数の読み出しチャネルを利用し、より多くの電力を消費する。簡素化され、複雑さが最小限に抑えられ得る構成は、コストを下げて実装を容易にする。
【００４１】
別の態様では、このように説明された実施形態は、１：１結合（光ガイドなし）または光共有検出器の両方でＳｉＰＭを利用する。
【００４２】
いくつかの実施形態によれば、不揮発性メモリまたはコンピュータ可読媒体（たとえば、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードドライブ、フラッシュメモリ、ＣＤ  ＲＯＭ、磁気媒体など）に記憶されたコンピュータプログラムアプリケーションは、実行時にコントローラまたはプロセッサに、上述したように、光電子増倍管アレイからのグループチャネルおよびブロックチャネルデータを使用してＰＥＴスキャナの同時分解時間（ＣＲＴ）を改良するなどの本明細書で論じられる方法を実行するように命令するおよび／または実行させることができるコードまたは実行可能命令を含むことができる。
【００４３】
コンピュータ可読媒体は、一時的な伝播信号を除いて、すべての形態ならびにタイプのメモリおよびすべてのコンピュータ可読媒体を含む非一時的コンピュータ可読媒体であってもよい。一実装形態では、不揮発性メモリまたはコンピュータ可読媒体は、外部メモリであってもよい。
【００４４】
特定のハードウェアおよび方法について本明細書で説明したが、本発明の実施形態に従って任意の数の他の構成を提供することができることに留意されたい。したがって、本発明の基本的な新規な特徴について図示し、説明し、指摘してきたが、例示した実施形態の形態および詳細について、ならびにその動作について、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な省略、置換、および変更が当業者によってなされ得ることが理解されるであろう。１つの実施形態から別の実施形態への要素の置換も完全に意図され、考慮される。本発明は、添付の特許請求の範囲およびその中の記述の均等物に関してのみ定義される。
【００４５】
本発明は、いくつかの例示的な実施形態のみを参照してかなり詳細に説明されているが、本発明の範囲から実質的に逸脱することなく、開示された実施形態に対して様々な修正、省略、追加および置換を行うことができるので、これらの実施形態のみに本発明を限定することを意図するものではないことが理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または設備に適応させるために多くの修正を行うことができる。したがって、上記の発明は、限定ではなく例示として説明されていることを理解されたい。したがって、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲および趣旨内に含まれ得るすべての修正、省略、追加、置換などを含むことが意図される。
【符号の説明】
【００４６】
１０  ＰＥＴ検出器
２２  検出器モジュール
２４  ブロック
１００  ＳｉＰＭベースの検出器ブロック
１０２  ＳｉＰＭデバイス
１０３  出力信号
１０４  サブブロック
１０５  ガンマ線相互作用
１０６  バッファ増幅器
１０７  出力信号
１０８  グループ読み出しユニット
１１０  制御および処理論理ユニット、プロセッサ
１１２  シンチレータ結晶
１１３  フロントエンド回路
１１４  光ガイド
１１５  ブロック読み出し回路
１１８  リフレクタ
２００  検出器ブロック、システム
２０２  ＳｉＰＭデバイス
２０４  シンチレーションブロック
２０５  事象
２０６  バッファ増幅器
２０７  ブロック読み出し
２０８  グループ読み出しユニット
２０８ａ  グループ読み出しユニット
２０８ｂ  グループ読み出しユニット
２０８ｃ  グループ読み出しユニット
２０８ｄ  グループ読み出しユニット
２０８ｅ  グループ読み出しユニット
２１０  制御および処理論理ユニット
２１２  結晶
２１３  入力フロントエンド回路
２１４  光ガイド
２２０  フロントエンド制御信号
３１１  適応スイッチ
３１２  加算器
３１３  タイミングチャネル
３１４  エネルギーチャネル
３１５  重み付けモジュール
３１６  タイミングチャネル
３１７  エネルギーチャネル
３１８  位置チャネル
４００  システム
４０２  ＳｉＰＭ
４０３  電流信号
４０６  バッファ
４０７  電流信号
４０９  グループ読み出しＩ
４１０  適応スイッチ
４１１  グループ読み出しＩＩ
４１２  加算器
４１３  エネルギーチャネル
４１４  タイミングチャネル
４１５  適応スイッチ
４１７  タイミングチャネル
４１８  エネルギーチャネル
４２０  制御および処理論理ユニット
４２１  グループ読み出しＩＩＩ
４２９  電流信号
４４４  システム
５００  判定処理システム
５０２  第１のステップ
５０４  タイムスタンプ推定
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2018044952.tif 000009
【図５】
2018044952.tif 000010
【図６】
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【外国語明細書】
2018044952000001.pdf