(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンチレータプレートと、
少なくとも1つの検出器ユニットであって、前記少なくとも1つの検出器ユニットのそれぞれが、
前記シンチレータプレートの裏面に配置され、出力のR×Sのマトリクス、ただしRおよびSは2以上の整数、を備える光電子増倍管と、
前記出力のR×Sのマトリクスから各出力を増幅してR×S個の増幅信号を生成するように構成された前置増幅器のR×Sアレイと、
前記R×S個の増幅信号から1組のR行の加算信号および1組のS列の加算信号を生成するように構成された信号変換回路とを備える、検出器ユニットと、
中性子がシンチレーションを引き起こす前記シンチレータプレートにおけるイベント位置を特定するために、前記R行の加算信号の組から導出された第1の時間積分合計の分布と、前記S列の加算信号の組から導出された第2の時間積分合計の分布とを解析するように構成された位置計算ユニットとを備える中性子カメラ。
【請求項２】
前記少なくとも1つの検出器ユニットが検出器ユニットのP×Qアレイであり、PおよびQは2以上の整数である、請求項1に記載の中性子カメラ。
【請求項３】
前記第1の時間積分合計の分布がP×R個の第1の時間積分合計を含み、前記第2の時間積分合計の分布がQ×S個の第2の時間積分合計を含む、請求項2に記載の中性子カメラ。
【請求項４】
前記位置計算ユニットが、P×R個の第1の時間積分合計に行当てはめ関数を当てはめて前記イベント位置の行座標を特定し、またQ×S個の第2の時間積分合計に列当てはめ関数を当てはめて前記イベント位置の列座標を特定するように構成されている、請求項2に記載の中性子カメラ。
【請求項５】
前記少なくとも1つの検出器ユニットが検出器ユニットのP×Qアレイであり、PおよびQは2以上の整数である、請求項4に記載の中性子カメラ。
【請求項６】
前記行当てはめ関数および前記の列当てはめ関数のそれぞれが、ガウス関数に比例する少なくとも1つの項を含む関数形式を有する、請求項4に記載の中性子カメラ。
【請求項７】
前記P×R個の第1の時間積分合計の前記当てはめおよび前記Q×S個の第2の時間積分合計の前記当てはめが最小2乗当てはめ方法を使用して遂行される、請求項4に記載の中性子カメラ。
【請求項８】
前記少なくとも1つの信号変換回路のそれぞれがフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)で実施され、前記位置計算ユニットが別のフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)で実施される、請求項1に記載の中性子カメラ。
【請求項９】
R個の行加算信号のそれぞれが、前記出力のR×Sのマトリクス内の対応する行からのすべての増幅信号の合計に比例し、前記S個の列加算信号のそれぞれが、前記出力のR×Sのマトリクス内の対応する列からのすべての増幅された出力の合計に比例する、請求項1に記載の中性子カメラ。
【請求項１０】
前記検出器ユニットは、前記R行の加算信号をR個のデジタル化された行加算信号に変換し、前記S列の加算信号をS個のデジタル化された列加算信号に変換するように構成されているR+S個のアナログデジタル(AD)変換器回路をさらに備える、請求項9に記載の中性子カメラ。
【請求項１１】
前記少なくとも1つの検出器ユニットが、前記R行の加算信号の組および前記S列の加算信号の組の積分を起動するように構成された信号弁別ユニットをさらに備える、請求項1に記載の中性子カメラ。
【請求項１２】
前記R行の加算信号の組および前記S列の加算信号の組から生成されたパラメータ値が所定の閾値を超過すると、前記信号弁別ユニットが前記R行の加算信号の組および前記S列の加算信号の組の積分を起動する、請求項11に記載の中性子カメラ。
【請求項１３】
シンチレータプレートおよび少なくとも1つの検出器ユニットを含んでいる中性子カメラを用意するステップであって、前記少なくとも1つの検出器ユニットのそれぞれに、前記シンチレータプレートの裏面に配置され、出力のR×Sのマトリクスを備える少なくとも1つの光電子増倍管と、前記出力のR×Sのマトリクスからの各出力を増幅してR×Sの増幅信号を生成するように構成された前置増幅器のR×Sアレイとが備わっており、ただしRおよびSが2以上の整数である、ステップと、
前記少なくとも1つの検出器ユニットのそれぞれについて、1組のR行の加算信号および1組のS列の加算信号を生成するステップと、
前記R行の加算信号の組から導出された第1の時間積分合計の分布および前記S列の加算信号の組から導出された第2の時間積分合計の分布を解析することによって、中性子がシンチレーションを引き起こす前記シンチレータプレートのイベント位置を求めるステップとを含む、中性子カメラを操作する方法。
【請求項１４】
前記少なくとも1つの検出器ユニットが検出器ユニットのP×Qアレイであり、PおよびQは2以上の整数である、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記イベント位置を求める前記ステップが、
前記第1の時間積分合計の分布に行当てはめ関数を当てはめて前記イベント位置の行座標を特定するステップと、
前記第2の時間積分合計の分布に列当てはめ関数を当てはめて前記イベント位置の列座標を特定するステップとを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
前記行当てはめ関数および前記の列当てはめ関数のそれぞれが、ガウス関数に比例する少なくとも1つの項を含む関数形式を有する、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
R個の行加算信号のそれぞれが、前記出力のR×Sのマトリクス内の対応する行からのすべての増幅信号の合計に比例し、S個の列加算信号のそれぞれが、前記出力のR×Sのマトリクス内の対応する列からのすべての増幅された出力の合計に比例する、請求項13に記載の方法。
【請求項１８】
R行の加算信号の各組を1組のR個のデジタル化された行加算信号に変換するステップと、
S列の加算信号の各組を1組のS個のデジタル化された列加算信号に変換するステップとをさらに含む、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記R行の加算信号の組および前記S列の加算信号の組から生成されたパラメータ値が所定の閾値を超過したかどうかということに基づいて、前記第1および第2の時間積分合計の前記R個のデジタル化された行加算信号と前記S個のデジタル化された列加算信号の組の積分を起動するステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、米国エネルギー省によって与えられた契約第DE-AC05-00OR22725号に基づき連邦政府による資金提供を受けてなされたものである。連邦政府は本発明における一定の権利を有する。
【０００２】
関連出願
本出願は、2012年1月31日に出願した米国仮出願第61/592,785号の優先権の利益を主張するものである。
【０００３】
本発明は中性子検出器に関し、詳細には、イベント位置を特定するための行および列の加算アルゴリズムを使用する中性子カメラおよびその操作方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
アンガーカメラは、中性子カメラの1つのタイプである。アンガーカメラの「ヘッド」は、光電子増倍管(PMT)アレイに光学的に結合された平坦なシンチレータプレートを含む。このヘッドはフレームに取り付けられる。PMTの背後にフロントエンド電子装置およびバックエンド電子装置が取り付けられコンピュータシステムに接続される。コンピュータシステムは、カメラの動作を制御するとともに、取得画像の取得および保存を制御する。
【０００５】
アンガーカメラは、シンチレーション材料からの光分布パターンを解析して、シンチレータに捕獲された粒子の位置を求める。光はシンチレータによって放射される。結晶(crystal)の背後の光電子増倍管(PMT)が、蛍光の点滅(イベント)を検出する。コンピュータはイベントの回数をカウントする。この検出システムは、初期の用途が主としてガンマ線検出用であったため、ガンマカメラとも広く称されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
光電子増倍管内で生成された電子を検出するために、アンガーカメラのそれぞれの光電子増倍管に対して、前置増幅器のR×Sアレイが用意される。各前置増幅器からの信号の振幅を測定するために、前置増幅器の出力がデジタル化される。各光電子増倍管に対して、R行の加算回路およびS列の加算回路を含んでいる対応する加算回路が、各行および各列について、前置増幅器からの信号の振幅を数的に加算してヒストグラムを生成する。光電子増倍管のP×Qアレイについて、P×Q個の加算回路が、R個のエントリを含むP×Q行のヒストグラムと、S個のエントリを含むP×Q列のヒストグラムとを生成する。ヒストグラムの全体集合にはP×Q×(R+S)個のエントリが含まれ、これらが、イベントの位置を求めるために、位置計算回路によって解析され得る(中性子の検出)。
【０００７】
本開示の一態様によれば、中性子カメラが提供される。中性子カメラは、シンチレータプレートおよび少なくとも1つの検出器ユニットを含む。少なくとも1つの検出器ユニットのそれぞれが、シンチレータプレートの裏面に配置された、出力のR×Sのマトリクスを含んでいる光電子増倍管を含む。RおよびSは2以上の整数である。少なくとも1つの検出器ユニットのそれぞれが、出力のR×Sのマトリクスからの各出力を増幅してR×S個の増幅信号を生成するように構成された前置増幅器のR×Sアレイと、R×S個の増幅信号から1組のR行の加算信号および1組のS列の加算信号を生成するように構成された信号変換回路とをさらに含む。中性子カメラは、中性子がシンチレーションを引き起こす少なくとも1つのシンチレータプレートにおけるイベント位置を特定するために、少なくとも1組のR行の加算信号から導出された第1の時間積分合計(time-integrated sums)の分布と、少なくとも1組のS列の加算信号から導出された第2の時間積分合計の分布とを解析するように構成された位置計算ユニットをさらに含む。
【０００８】
本開示の別の態様によれば、中性子カメラを操作する方法が提供される。シンチレータプレートおよび少なくとも1つの検出器ユニットを含んでいる中性子カメラが提供される。少なくとも1つの検出器ユニットのそれぞれが、シンチレータプレートの裏面に配置された、出力のR×Sのマトリクスを含んでいる光電子増倍管と、出力のR×Sのマトリクスからの各出力を増幅してR×Sの増幅信号を生成するように構成された前置増幅器のR×Sアレイとを含む。RおよびSは2以上の整数である。少なくとも1つの検出器ユニットのそれぞれについて、R行の加算信号の行信号ヒストグラムおよびS列の加算信号の列信号ヒストグラムが生成される。行加算信号のそれぞれが、出力のR×Sのマトリクス内の対応する行からのすべての出力の合計に比例し、S個の列加算信号のそれぞれが、出力のR×Sのマトリクス内の対応する列からのすべての出力の合計に比例する。中性子がシンチレーションを引き起こす少なくとも1つのシンチレータプレートのイベント位置は、少なくとも1つの行信号ヒストグラムのそれぞれの時間積分合計と、少なくとも1つの列信号ヒストグラムのそれぞれの時間積分合計とを解析することによって求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施形態による完全なアンガーカメラ組立体を示す図である。
【図２】本開示の一実施形態によるアンガーカメラの信号流れの概略図である。
【図３】本開示の一実施形態によるアンガーカメラの光学パッケージの断面図である。
【図４】本開示の一実施形態によるA/D変換ユニットのP×Qアレイからの出力を示す概略図である。
【図５】本開示の一実施形態による光電子増倍管のP×Qアレイを含むアンガーカメラに関する位置計算の概略図である。
【図６】本開示の一実施形態による位置計算の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
前述のように、本発明は、イベント位置を特定するための行および列の加算アルゴリズムを使用する中性子カメラおよびその操作方法に関し、これらが、次に添付図とともに詳細に説明される。類似の対応する要素は類似の参照数字によって参照される。より大きな寸法を有する他の要素に対して、より小さな寸法を有する要素の明瞭な図解を可能にするために、添付図における様々な要素の寸法比は、原寸に比例していない。
【００１１】
本開示のアンガーカメラは、粒子が検出されるイベント位置を特定するための信号処理の速度を向上する信号処理技術を使用する。本開示のアンガーカメラは、より小さい視誤差およびより優れた均一性を低コストで提供する一方で、当技術分野で既知のHe3検出器の望ましい性能特性を保つ。本開示のアンガーカメラは、中性子散乱用途および他の荷電粒子検出用途向けに使用することができる。
【００１２】
図1は、本開示の一実施形態によるアンガーカメラの注釈付きの写真である。アンガーカメラは、3つの主要なモジュールを含む。第1のモジュールは光学パッケージである。第2のモジュールは前置増幅器モジュールである。第3のモジュールは、アナログデジタル(A/D)変換および位置計算をもたらすデジタルエレクトロニクスモジュールである。
【００１３】
このアンガーカメラは、検出器ユニットのP×Qアレイと、シンチレータプレートおよびガラススペーサを含んでいる第1のモジュールのサブセットと、位置計算ユニットを含んでいる第3のモジュールのサブセットとに分割することができる。PおよびQのそれぞれが2以上の整数であり得る。たとえば、PおよびQは2から20の範囲にあり得るが、より大きな数を使用することもできる。一実施形態では、検出器ユニットのP×Qアレイは正方形アレイであり、すなわちPがQに等しいアレイである。検出器ユニットのP×Qアレイ。検出器ユニットのP×Qアレイは、光電子増倍管(PMT)のP×Qアレイを含んでいる第1のモジュールの別のサブセットと、前置増幅器ユニットのP×Qアレイを含んでいる第2のモジュールと、A/D変換ユニットのP×Qアレイを含んでいる第3のモジュールの別のサブセットとを含む。各検出器ユニットは、PMT(第1のモジュールの構成要素)、前置増幅器ユニット(第2のモジュールの構成要素)およびA/D変換ユニット(第3のモジュールの構成要素)を含む。
【００１４】
シンチレータプレートは、中性子との相互作用に際して(すなわち中性子捕獲イベントに際して)シンチレーションを引き起こす。検出器のP×Qアレイが生成する電子信号には、シンチレータで生成され、PMTで捕獲されて増幅された光子が用いられる。位置計算は第3のモジュールの位置計算ユニットによって遂行され得、第3のモジュールは、検出器ユニットのP×Qアレイからデータを受け取り、このデータを処理して、粒子が検出されたイベント位置を特定する。
【００１５】
図2を参照すると、本開示の一実施形態によるアンガーカメラの信号流れの概略図が示されている。検出器ユニットのP×Qアレイの中の検出器ユニットが、第1のモジュール内のシンチレータプレートおよびガラススペーサならびに第3のモジュール内の位置計算ユニットとともに示されている。
【００１６】
アンガーカメラの第1のモジュールは、シンチレータプレート、ガラススペーサ、および光電子増倍管(PMT)のP×Qアレイを含む。シンチレータプレートには、中性子を捕獲することができ、中性子捕獲に際してシンチレーションを引き起こし得る任意の材料が含まれ得る。たとえば、シンチレータプレートは、ドーパントとしてリチウムおよびセリウムを有するケイ酸塩ガラスプレートを含むことができる。シンチレータプレートの厚さは1.5mmから2.0mmであり得るが、より薄いものやより厚いものも使用することができる。シンチレータプレートは、一般的には光学的に透明であり、すなわち、はっきりそれと分かる吸収なしで400nmから800nmの波長範囲の光を伝送する。
【００１７】
ガラススペーサは、シンチレータプレートとPMTの間に配置される透明なガラスプレートである。一実施形態では、シンチレータプレートは、ガラススペーサの反対側の表面にコーティングされてよい。ガラススペーサの厚さは2mmから5mmの範囲であり得るが、より薄いものやより厚いものも使用することができる。説明に役立つ実例では、シンチレータはBC-620を拡散させた(BC-620 diffused)反射材料を含むことができる。任意選択で、シンチレータプレートは、境界面での反射を低減するために屈折率整合材料を用いることによって、ガラススペーサに光学的に結合されてよい。
【００１８】
ガラススペーサは、PMTのP×Qアレイに光学的に結合される。PMTは、当技術分野で既知の任意のタイプであり得る。一実施形態では、PMTのP×QアレイにおけるPMTは、PMTの側面の間の物理的ギャップが最小化され得るように、矩形の形状を有することができる。
【００１９】
シンチレータプレート、ガラススペーサ、およびPMTのP×Qアレイは、一緒に組み立てられて第1のモジュールを形成する。図3は、シンチレータプレート、ガラススペーサ、およびP=Q=3の場合のPMTのP×Qアレイの例示的機構を示す。各PMTはガラススペーサの裏面に配置されており、シンチレータプレートはガラススペーサの前面に配置されている。外部光による雑音を最小化するために、第1のモジュールと第2のモジュールの間の境界面を光封止装置が取り巻いている。
【００２０】
戻って図2を参照すると、各PMTがR×S個のピクセルを含むことができる。この場合、各PMTは、出力のR×Sのマトリクスを含む。PMTの各出力が、PMT内の単一のピクセルに対応する。RおよびSは2以上の整数である。一実施形態では、RおよびSのそれぞれが4から128の範囲にあり得る。
【００２１】
構造的支持のために、PMTのP×Qアレイがフレームに取り付けられ得る。PMTの物理的位置をフレームに対して固定するための取付けシステムを使用することができる。一実施形態では、P×Qアレイに対して0.1mm未満の公差でPMTを配置するために、ピン先端の(pin tipped)止めねじを使用している取付けシステムを使用することができる。取付けシステムは、ガラススペーサおよびシンチレータプレートにPMTを結合しておく圧力を与えるために、任意選択でばね先端の(spring tipped)止めねじを使用することができる。
【００２２】
一実施形態では、PMTの周囲および基部のまわりに配置された独立気泡フォームテープによって、PMTのP×Qアレイ、シンチレータプレート、およびガラススペーサから外部光を遮断することができる。それに加えて、PMTとPMTを配置するためのベゼルとの間の厚さの何らかの差異によって光が第1のモジュールに当たるのを阻止するために、基部テープが使用されてよい。独立気泡フォームテープおよび基部テープの厚さは、必要に応じて選択することができ、1/32インチから1/8インチ(0.794mmから3.175mm)の範囲であり得る。さらに、PMTの間に光シールを設けるために非接着剤フォームを用いてもよい。
【００２３】
光学パッケージ内で、光学ゲルのクッキーを使用して、ガラススペーサとPMTのP×Qアレイの間に光結合をもたらしてよく、こうすると、いずれかのPMTが故障した場合、個々のPMTを交換することができる。光学ゲルのクッキーの厚さは0.25mmから2.0mmであり得るが、より薄いものやより厚いものも使用することができる。
【００２４】
前置増幅器モジュールは、前置増幅器パッケージのP×Qアレイを含む。各前置増幅器パッケージが、対応するPMTのR×Sのセルの利得の差異を補償するように構成された前置増幅器のR×Sアレイを含む。一実施形態では、前置増幅器は、フィードバック抵抗を使用するトランスインピーダンス増幅器でよい。フィードバック抵抗は、別々の光電管要素の利得の差異、すなわち出力のR×Sのマトリクスを生成する、各PMTのR×Sのピクセルの利得の差異を補償するように特に選択される。PMTと対応する前置増幅器パッケージとのそれぞれの対は、検出器ユニットをアンガーカメラへ組み込む前に、または組み込むとき、フィードバック抵抗の値を適切に設定することによって調整されてよい。
【００２５】
前置増幅器のそれぞれのR×Sアレイは、対応するPMTの出力のR×Sのマトリクスからのそれぞれの出力を増幅するように構成されている。検出器ユニットのP×Qアレイの各検出器ユニット内の信号変換回路に、R×S個の増幅信号が供給される。検出器ユニットのP×Qアレイを含む各アンガーカメラ内に、信号変換回路のP×Qアレイが設けられる。したがって、出力のR×Sのマトリクスからの各出力が、前置増幅器の対応するR×Sアレイを使用して増幅され、R×S個の増幅出力が、前置増幅器の対応するR×Sアレイから信号変換回路に供給される。
【００２６】
各検出器ユニット内で、前置増幅器パッケージは、PMTの出力のR×Sのマトリクスから、増幅信号のR×Sのマトリクスを生成する。前置増幅器パッケージから生成された増幅信号のR×Sのマトリクスは、デジタルエレクトロニクスモジュール内の信号変換回路に供給される。
【００２７】
信号変換回路は、行および列の加算器ユニットのP×QアレイおよびA/D変換ユニットのP×Qアレイを含む。各検出器ユニットは、行および列の加算器ユニットおよびA/D変換ユニットを含む。行および列の加算器ユニットのそれぞれが、R行の加算回路およびS列の加算回路を含む。各行の加算回路が、所与の行に対して各列にわたって加算を遂行する。各列の加算回路が、所与の列に対して各行にわたって加算を遂行する。本明細書で用いられる「行加算」は、所与の行に対する各列にわたる加算を表し、「列加算」は、所与の列に対する各行にわたる加算を表す。一実施形態では、各信号変換回路はフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)で実施することができる。
【００２８】
R行の加算回路のそれぞれが、増幅信号のP×Qのマトリクス内のR行のうちの1つに関してS個の増幅信号を数的に加算する。R行の加算回路のそれぞれが、増幅信号のR×Sのマトリクス内の同一の行に対応するS個のアナログ信号を入力として使用するアナログ加算器(加算増幅器など)として実施され得て、入力として使用されるS個のアナログ信号の振幅の合計に比例する出力を生成する。R行の加算回路が、前置増幅器パッケージからの増幅信号のR×SのマトリクスのR個の別々の行に対応するR行の加算信号を生成する。したがって、R行の加算信号のそれぞれが、各検出器ユニット内のPMTの出力のR×Sのマトリクス内の対応する行から生じるすべての増幅信号の合計に比例する。
【００２９】
S行の加算回路のそれぞれが、増幅信号のP×Qのマトリクス内のS列のうちの1つに関してR個の増幅信号を数的に加算する。S列の加算回路のそれぞれが、増幅信号のR×Sのマトリクス内の同一の列に対応するR個のアナログ信号を入力として使用するアナログ加算器(加算増幅器など)として実施され得て、入力として使用されるR個のアナログ信号の振幅の合計に比例する出力を生成する。S列の加算回路が、前置増幅器パッケージからの増幅信号のR×SのマトリクスのS個の別々の列に対応するS列の加算信号を生成する。S列の加算信号のそれぞれが、各検出器ユニット内のPMTの出力のR×Sのマトリクス内の対応する列から生じるすべての増幅された出力の合計に比例する。
【００３０】
一実施形態では、行および列の加算器ユニットのP×Qアレイに対してサスペンションマウンティングシステムを使用することができる。サスペンションマウンティングシステムにより、行および列の加算器ユニットのP×Qアレイは、結合プロセスの間、PMTと整合したまま、前置増幅器パッケージのP×Qアレイを実施している回路基板との接続が維持され得る。
【００３１】
R行の加算信号およびS列の加算信号は、A/D変換および信号弁別のユニットに伝送される。特にRおよびSが大きな値の整数であるとき、増幅信号のR×SのマトリクスをR+S個の加算信号に変換する信号処理により、計算をかなり簡潔にすることができる。たとえば、R=S=8の場合、8×8個の信号が8+8個の信号に減少され得る。
【００３２】
各検出器ユニット内で、R行の加算信号およびS列の加算信号は、事前設定の遅延時間を用いてプログラムされた遅延ラインによって遅延され得る。たとえば、遅延時間は100ナノ秒から400ナノ秒の範囲にあり得る。遅延信号も、A/D変換および信号弁別のユニットに伝送され得る。
【００３３】
各検出器ユニット内のA/D変換および信号弁別のユニットは、A/D変換ユニットおよび信号弁別ユニットを含む。各A/D変換ユニットに含まれるR+S個のアナログデジタル(AD)変換器回路は、R行の加算信号をR個のデジタル化された行加算信号に変換し、S列の加算信号をS個のデジタル化された列加算信号に変換するように構成されている。説明に役立つ実例として、A/D変換ユニットは、10ビットのパイプラインを有するA/Dコンバータであり得る。
【００３４】
信号弁別ユニットは、たとえばA/D変換ユニットにおいて、R行の加算信号およびS列の加算信号(またはR行の加算信号およびS列の加算信号の全体の振幅を測定する導出された量)の中で少なくとも1つの信号の振幅が所定の閾値を超過するときに限って信号の時間積分を起動する、(ヒステリシスを有する)単純な閾値弁別器回路であり得る。
【００３５】
さらに、各検出器ユニット内の信号弁別ユニットは、信号弁別ユニットのうちの1つが、所定の閾値を超過する信号が検出されたと判断した場合、(所定の閾値を超過する信号が検出されたときから、同一の事前設定の遅延時間を用いて)A/D変換ユニットのすべてのP×Qアレイにおける信号の積分を起動するのにその信号が使用され得るように、他の検出器ユニットの他の信号弁別ユニットと通信する。信号弁別ユニットは、少なくとも1つの行の信号ヒストグラムおよび少なくとも1つの列の信号ヒストグラムの時間積分合計のための信号の積分を起動するように構成されている。したがって、信号弁別ユニットにより、スプリアス雑音を切り捨てることができ、また、検出器ユニットのうちの1つにおけるR行の加算信号およびS列の加算信号の中で所定の閾値を超過する信号が検出されたときに限ってA/D変換ユニットの動作を開始することができる。
【００３６】
各検出器ユニットの信号変換回路は、R個のデジタル化された行加算信号の行信号ヒストグラムと、S個のデジタル化された列加算信号の列信号ヒストグラムとを生成するように構成されている。上記で論じたように、R個の行加算信号のそれぞれが、出力のR×Sのマトリクス内の対応する行からのすべての増幅信号の合計に比例し、S個の列加算信号のそれぞれが、出力のR×Sのマトリクス内の対応する列からのすべての増幅された出力の合計に比例する。
【００３７】
図4を参照して、概略図は、A/D変換ユニットのP×Qアレイからの出力を示す。i番目の行およびj番目の列における検出器ユニット内のR個のデジタル化された行加算信号は、R個の要素を含むベクトルXijとして表すことができる。ベクトルXijの各要素は、その位置が、出力のR×Sのマトリクス内の行の位置に対応するような順番に配置され得る。たとえば、ベクトルXij内の第1の要素は、出力のR×Sのマトリクス内の第1の行から生じるすべての増幅信号の合計に比例し、ベクトルXij内の第2の要素は、出力のR×Sのマトリクス内の第2の行から生じるすべての増幅信号の合計に比例する、などである。
【００３８】
i番目の行およびj番目の列における検出器ユニット内のS個のデジタル化された列加算信号は、S個の要素を含むベクトルYijとして表すことができる。ベクトルYijの各要素は、その位置が、出力のR×Sのマトリクス内の列の位置に対応するような順番に配置され得る。たとえば、ベクトルYij内の第1の要素は、出力のR×Sのマトリクス内の第1の列から生じるすべての増幅信号の合計に比例し、ベクトルYij内の第2の要素は、出力のR×Sのマトリクス内の第2の列から生じるすべての増幅信号の合計に比例する、などである。したがって、各検出器ユニットについて、A/D変換ユニットのP×Qアレイからの出力信号として2つのベクトルが生成される。
【００３９】
iはPを超過せず、jはQを超過しないように選択された正整数iとjの任意の組合せに関して、ベクトルXijは、P×Qの検出器ユニットアレイのi番目の行内およびj番目の列内にある検出器ユニット内のR×Sの増幅信号から生成されたR行の加算信号の行信号ヒストグラムを表し、ベクトルYijは、P×Qの検出器ユニットアレイのi番目の行内およびj番目の列内にある検出器ユニット内のR×Sの増幅信号から生成されたS列の加算信号の列信号ヒストグラムを表す。
【００４０】
一実施形態では、信号弁別ユニットは、A/D変換ユニットのP×Qアレイからの、行信号ヒストグラムのうちのいずれか、または列信号ヒストグラムのうちのいずれかから生成されたパラメータ値が所定の閾値を超過した場合、信号の積分を起動する。行信号ヒストグラムおよび列信号ヒストグラムの時間積分合計のための信号の積分は、行信号ヒストグラムおよび列信号ヒストグラムから導出されたパラメータ値が所定の閾値を超過したかどうかということに基づいて起動され得る。
【００４１】
一旦、信号弁別ユニットが、事前設定の閾値を超過する信号を検出してトリガ信号を生成すると、各検出器ユニット内の、R個のデジタル化された行加算信号の行信号ヒストグラムおよびS個のデジタル化された列加算信号の列信号ヒストグラムが、事前設定の期間にわたって積分される。事前設定の期間は、たとえば200ナノ秒から1,000ナノ秒の範囲にあり得る。言い換えれば、ベクトルXijの各要素およびベクトルYijの各要素は、iおよびjの各値について、すなわち検出器ユニットのそれぞれについて、時間積分される。
【００４２】
一実施形態では、R個のデジタル化された行加算信号の行信号ヒストグラムおよびS個のデジタル化された列加算信号の列信号ヒストグラムの積分は、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を使用して遂行することができ、FPGAは、弁別器ユニットのP×Qアレイからトリガ信号形式の出力を受け取って、R個のデジタル化された行加算信号およびS個のデジタル化された列加算信号のそれぞれを、時間積分する。各ヒストグラムは、要素ごとに、時間積分される。P×Q個のA/D変換と信号弁別ユニットのそれぞれの間のトリガ信号は、P×Q個の検出器ユニットを含む検出器アレイの全体にわたって積分のタイミングを同期させる必要もある。
【００４３】
説明に役立つ限定的でない実例では、検出器ユニットアレイは、行信号または列信号がハードウェア弁別器の閾値を超過するときは常に、FPGAロジックが、全体に及ぶトリガ信号を高レベルに設定するように構成され得る。デジタルエレクトロニクスモジュールのすべての基板は、全体に及ぶトリガ信号を開始タイミングに用いることができる。この信号(一般的には2つの刻み)の後のプログラム可能な刻み(たとえば刻み1つの持続時間は約50ナノ秒である)の数、A/D変換の積算器ゲートおよび信号弁別ユニットは、P×Q個の検出器ユニットのそれぞれのハードウェア積分プロセスを開始するために解放され得る。m回の刻みの後、積算器の出力が取得され得る。整数mは、プログラム可能であって、一般的な用途では約12であり得る。これは、600ナノ秒の積分時間に相当し、最初の200ナノ秒がベースライン信号をもたらす。したがって、P×Q×(R+S)個の信号のうちのいずれかがアンガーカメラのハードウェアを起動する場合は常に、FPGAロジックによって、P×Q×(R+S)個のA/D変換値が時間スタンプとともに取得され得る。
【００４４】
A/D変換および信号弁別のユニットのP×Qアレイから生成された時間積分データは、位置計算ユニットに伝送される。位置計算ユニットは、シンチレータプレート内のイベント位置を特定するために、P×Q個の行信号ヒストグラムを時間積分し、また、P×Q個の列信号ヒストグラムを時間積分して解析するように構成されている。検出器ユニットのP×Qアレイのそれぞれについて、対応する行信号ヒストグラムの時間積分合計および対応する列信号ヒストグラムの時間積分合計が解析される。イベント位置は、中性子がシンチレーションを引き起こす位置、すなわち捕獲イベントおよびそれに伴う光電子放出が現われる位置を表す。
【００４５】
位置計算ユニットは、本明細書でアンガーカメラの位置計算(ACPC)基板と称される回路基板の要素として実施することができる。たとえば、位置計算ユニットはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)として実施することができる。位置計算ユニットは、イベント位置を計算することの他に、検出されたイベントのパターンおよび期間を解析することによってガンマ線粒子に起因するイベントを棄却するタスクを遂行することができる。
【００４６】
A/D変換および信号弁別のユニットのP×Qアレイからの出力は、P×Q×(R+S)個の値を含む。P×Q×R個の時間積分出力値は、A/D変換および信号弁別のユニットのP×Qアレイからの時間積分されたデジタル化行加算信号に対応し、P×Q×S個の時間積分出力値は、A/D変換および信号弁別のユニットのP×Qアレイからの時間積分されたデジタル化列加算信号に対応する。
【００４７】
一実施形態では、PMTのP×Qアレイは、P行およびQ列の構成に配置され得て、各PMTから、出力のR×Sのマトリクスが、PMTのP×Qアレイの行方向に平行なR行と、PMTのP×Qアレイの列方向に平行なS列とを含むように生成され得る。この場合、P×Q×R個の時間積分されたデジタル化行加算信号が、PMTのP×Qアレイの種々の列にわたってさらに加算され得る。具体的には、1からPの範囲の所与の値iのそれぞれについて、また、1からRの範囲の所与の値kのそれぞれについて、(単一の検出器ユニットの)A/D変換および信号弁別のユニットのそれぞれからのR個のデジタル化された行加算信号のk番目の要素は、PMTのP×Qアレイの列番号の変化を表すインデックスの全範囲にわたって、たとえばPMTのP×Qアレイのi番目の行内のPMTのすべてに相当する1以上でQ以下のlの全範囲にわたって、加算され得る。この加算により、P×Q×R個の時間積分されたデジタル化行加算信号が、P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号へと減少する。時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号のそれぞれが、時間積分合計、すなわち時間積分することによって生成された合計である。この加算は、カメラ内のピクセルの全体の行、すなわちカメラの全体に及ぶ「カメラ行」を包含する。時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号のそれぞれが、アンガーカメラ内に存在する画素アレイ内のP×R個の種々の行の中の同一の行に沿ったA/D変換および信号弁別のユニットからのすべての増幅信号の時間積分に対応する。
【００４８】
同様に、P×Q×S個の時間積分されたデジタル化列加算信号が、PMTのP×Qアレイの種々の行にわたってさらに加算され得る。具体的には、1からQの範囲の所与の値jのそれぞれについて、また、1からSの範囲の所与の値lのそれぞれについて、(単一の検出器ユニットの)A/D変換および信号弁別のユニットのそれぞれからのS個のデジタル化された列加算信号のl番目の要素は、PMTのP×Qアレイの行番号の変化を表すインデックスの全範囲にわたって、たとえばPMTのP×Qアレイのj番目の行内のPMTのすべてに相当する1以上でP以下のkの全範囲にわたって、加算され得る。この加算により、P×Q×S個の時間積分されたデジタル化列加算信号が、Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号へと減少する。時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号のそれぞれが、時間積分合計である。この加算は、カメラ内のピクセルの全体の列、すなわちカメラの全体に及ぶ「カメラ列」を包含する。時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号のそれぞれが、アンガーカメラ内に存在する画素アレイ内のQ×S個の種々の列の中の同一の列に沿ったA/D変換および信号弁別のユニットからのすべての増幅信号の時間積分に対応する。
【００４９】
この加算プロセスにより、P×Q×R個の時間積分されたデジタル化行加算信号が、P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号へと減少し、P×Q×S個の時間積分されたデジタル化列加算信号が、Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号へと減少する。
【００５０】
図5は、P×Q×R個の時間積分されたデジタル化行加算信号およびP×Q×S個の時間積分されたデジタル化列加算信号を示す。水平方向は、PMTのP×Qアレイの行方向を表し、これは、各PMTからの出力のR×Sアレイの行方向と同一である。垂直方向は、PMTのP×Qアレイの列方向を表し、これは、各PMTからの出力のR×Sアレイの列方向と同一である。
【００５１】
P×Q×R個の時間積分されたデジタル化行加算信号の各値はxkijで表され、iは対応するPMTの行番号を表し、jは対応するPMTの列番号を表し、kは(対応するPMT内の出力のR×Sアレイ内の)行加算が遂行される行番号を表す。前述のように、R×Sアレイ内の所与の行に対して、対応するPMT内の列インデックスのすべての値にわたって(すなわち1からSまで)、それぞれの時間積分されたデジタル化行加算信号を生成する加算が遂行される。あらゆる所与の対のインデックスiとkに対するすべての可能なインデックス値jについて、P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号を生成するそれぞれの加算が遂行される。P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号のそれぞれが、iとkの1対のインデックスによって特徴付けられ得る。
【００５２】
P×Q×S個の時間積分されたデジタル化列加算信号の各値はylijで表され、iは対応するPMTの行番号を表し、jは対応するPMTの列番号を表し、lは(対応するPMT内の出力のR×Sアレイ内の)列加算が遂行される列番号を表す。前述のように、R×Sアレイ内の所与の列に対して、対応するPMT内の行インデックスのすべての値にわたって(すなわち1からRまで)、それぞれの時間積分されたデジタル化列加算信号を生成する加算が遂行される。あらゆる所与の対のインデックスjとlに対するすべての可能なインデックス値iについて、Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号を生成するそれぞれの加算が遂行される。Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号のそれぞれが、jとlの1対のインデックスによって特徴付けられ得る。
【００５３】
一旦、位置計算ユニットがP×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号およびQ×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号を生成すると、位置計算ユニットは、P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号の分布を、カメラ行位置の関数として解析することができ、また、Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号の分布を、カメラ列位置の関数として解析することができる。一般に、行方向に沿ったP×R個の別個の座標に対応するP×R個のカメラ行および列方向に沿ったQ×S個の別個の座標に対応するQ×S個のカメラ列が、各PMTについて検出器ユニットのP×QアレイおよびピクセルのR×Sアレイを使用しているアンガーカメラ内に存在する。
【００５４】
P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号が、R行の加算信号のP×Q組から導出された時間積分合計の分布としてもたらされる。時間積分合計のこの分布は、本明細書では第1の時間積分合計と称される。Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号が、S列の加算信号のP×Q組から導出された第2の時間積分合計の分布としてもたらされる。時間積分合計のこの分布は、本明細書では、第1の時間積分合計から区別するために第2の時間積分合計と称される。中性子がシンチレーションを引き起こす少なくとも1つのシンチレータプレートのイベント位置を特定するために、第1の時間積分合計の分布および第2の時間積分合計の分布が解析される。
【００５５】
第1の時間積分合計の分布が含んでいるP×R個の第1の時間積分合計は、P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号である。第2の時間積分合計の分布が含んでいるQ×S個の第2の時間積分合計は、Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号である。
【００５６】
位置計算ユニットは、P×R個の第1の時間積分合計に行当てはめ関数を当てはめてイベント位置の行座標を特定し、またQ×S個の第2の時間積分合計に列当てはめ関数を当てはめてイベント位置の列座標を特定するように構成され得る。このために、P×R個の第1の時間積分合計は、たとえばX軸などの座標軸上にプロットすることができ、Q×S個の第2の時間積分合計は、たとえばY軸などの別の座標軸上にプロットすることができる。一実施形態では、行当てはめ関数および列当てはめ関数のそれぞれが、対応する軸上の最大値のポイントからの距離を厳密に縮小する関数形式を有することができる。一実施形態では、この関数形式は、ガウス関数に比例する少なくとも1つの項を含むことができる。
【００５７】
P×R個の第1の時間積分合計の当てはめおよびQ×S個の第2の時間積分合計の当てはめは、(ヒストグラムで表すことができる)分布に関数を当てはめるための任意の当てはめ方法を使用して遂行することができる。たとえば、当てはめは、最小2乗当てはめ方法を使用して遂行することができる。
【００５８】
図6を参照すると、P×R個の時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号は、第1のヒストグラムを生成するために、アンガーカメラ内のカメラ行の物理的順番を複製する順番で表され得る。同様に、Q×S個の時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号は、第2のヒストグラムを生成するために、アンガーカメラ内のカメラ列の物理的順番を複製する順番で表され得る。話を簡単にするために、図6は、P=Q=2かつR=S=4の場合について示されている。8つの(すなわちP×R個の)時間積分されたデジタル化カメラ行加算信号に関する第1のヒストグラムは「Xプロファイル」としてプロットされている。8つの(すなわちQ×S個の)時間積分されたデジタル化カメラ列加算信号に関する第2のヒストグラムは「Yプロファイル」としてプロットされている。第1のヒストグラムは、R行の加算信号のP×Q組から導出された時間積分合計の第1の分布を表す。第2のヒストグラムは、S列の加算信号のP×Q組から導出された時間積分合計の第2の分布を表す。
【００５９】
時間積分合計の第1の分布は、第1のヒストグラムとしてX軸上にプロットすることができ、第1の行当てはめ関数を用いて当てはめられる。説明に役立つ限定的でない実例では、行当てはめ関数は、次の関数形式を有することができ、
A{a1exp[-b1(x-μ)2]+a2exp[-b2(x-μ)2]}
この式で、Aは比例定数であり、a1、a2、b1、およびb2は、当てはめ関数(すなわちモデル関数)の形状に影響を及ぼす当てはめパラメータであって、μは、当てはめ関数を、P×R個のカメラ行位置の中で行番号が変化する方向に相当する方向に沿って横方向へシフトするパラメータである。
【００６０】
時間積分合計の第2の分布は、第2のヒストグラムとしてY軸上にプロットすることができ、第2の行当てはめ関数を用いて当てはめられる。説明に役立つ限定的でない実例では、列当てはめ関数は、次の関数形式を有することができ、
B{a1exp[-b1(y-λ)2]+a2exp[-b2(y-λ)2]}
この式で、Bは比例定数であり、a1、a2、b1、およびb2は行当てはめ関数と同一の当てはめパラメータであって、λは、当てはめ関数を、Q×S個のカメラ列位置の中で列番号が変化する方向に相当する方向に沿って横方向へシフトするパラメータである。
【００６１】
行当てはめ関数および列当てはめ関数は、μ=λとなるパラメータの値を求めるように同時に当てはめることができ、これによってシンチレータプレート内のイベント位置が求められる。光円錐画像の強度プロットと、μ=λとなる測定された値によって求められたピークの位置との間の比較は、光円錐の中心(イベント位置に相当する)と、本開示の方法を使用して計算されたイベント位置の間の優れた一致を示す。本明細書では、それぞれ2つのガウス関数を含んでいる1組の当てはめ関数が説明されてきたが、イベント位置からの距離に対する別の関数依存性を有する他の当てはめ関数を用いることも、本明細書では明白に企図されている。
【００６２】
本発明が特定の実施形態に関して説明されてきたが、当業者には多数の代替形態、修正形態および変形形態が明らかになるはずであることが、前述の記述を考慮すれば明白である。本開示の様々な実施形態のそれぞれが、当業者には理解されるように、別様に明白に開示された場合または不可能な場合を除けば、単独で、または本開示の他の実施形態と組み合わせて実施することができる。したがって、本発明は、本発明の範囲および精神ならびに以下の特許請求の範囲に入るような代替形態、修正形態および変形形態をすべて包含するように意図されている。
【符号の説明】
【００６３】
PMT……光電子増倍管
【図１】
0006312606.tif 000002
【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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