特表2016-540979IP Force 特許公報全文掲載

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2016-540979(P2016-540979A)
(43)【公表日】2016年12月28日
(54)【発明の名称】固体光電子増倍管信号のアクティブパルス成形
(51)【国際特許分類】
   G01T 1/20 20060101AFI20161205BHJP
   H01L 31/107 20060101ALI20161205BHJP
   H01L 31/02 20060101ALI20161205BHJP
   A61B 6/00 20060101ALI20161205BHJP
   A61B 6/03 20060101ALI20161205BHJP
【ＦＩ】
   G01T1/20 E
   G01T1/20 F
   G01T1/20 G
   H01L31/10 B
   H01L31/02 A
   A61B6/00 300Q
   A61B6/03 320R
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2016-533190(P2016-533190)
(86)(22)【出願日】2014年8月12日
(85)【翻訳文提出日】2016年7月12日
(86)【国際出願番号】US2014050636
(87)【国際公開番号】WO2015076880
(87)【国際公開日】20150528
(31)【優先権主張番号】14/088,124
(32)【優先日】2013年11月22日
(33)【優先権主張国】US
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100137545
【弁理士】
【氏名又は名称】荒川 聡志
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久
(74)【代理人】
【識別番号】100113974
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 拓人
(72)【発明者】
【氏名】ドリンスキー，セルゲイ
(72)【発明者】
【氏名】グオ，チャンジュン
【テーマコード（参考）】
2G188
4C093
5F849
【Ｆターム（参考）】
2G188AA02
2G188BB02
2G188BB04
2G188BB07
2G188BB15
2G188CC23
2G188DD05
2G188EE01
2G188EE05
2G188EE07
4C093AA01
4C093AA22
4C093CA32
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4C093EB17
4C093FC04
4C093FD09
5F849AA07
5F849BA03
5F849BB08
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5F849EA12
5F849JA18
5F849KA07
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5F849KA20
5F849LA06
5F849LA07
5F849XB01
5F849XB38
(57)【要約】
光電事象を検出し、それに応答して短いデジタルパルスを生成するための回路を備える光電子増倍管を開示する。一実施形態では、光電子増倍管は、マイクロセルのアレイを有する固体光電子増倍管を備える。一実施形態ではマイクロセルは、入射光子に応答して、約２ｎｓ以下の持続時間を有するデジタルパルス信号を生成する。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射放射線に応答して光子を生成するように構成されたシンチレータ層と、
複数のマイクロセルを備える固体光電子増倍管であって、各々のマイクロセルが、シンチレータで生成した光子に応答して、約２ｎｓ以下の持続時間を有するデジタルパルス信号を生成するように構成されている、固体光電子増倍管と
を備える放射線検出器モジュール。
【請求項2】
前記固体光電子増倍管が、各デジタルパルス信号を加算して加算信号を生成するように構成されている、請求項１に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項3】
前記デジタルパルス信号が、約０．２ｎｓ〜２ｎｓの持続時間を有する、請求項１に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項4】
前記デジタルパルス信号が、閾値電圧又は電流を超える最初のアナログ信号に応答して各々のマイクロセルで生成される、請求項１に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項5】
各マイクロセルが、
最初のアナログ信号を閾値電圧又は電流と比較し、最初のアナログ信号が閾値電圧又は電流を超える場合に出力信号を生成するように構成された比較器と、
出力信号に応答してデジタルパルスを生成するように構成されたワンショット発生器と
を備える、請求項４に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項6】
前記比較器がシュミットトリガを備える、請求項５に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項7】
前記固体光電子増倍管がケイ素光電子増倍管を備える、請求項１に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項8】
前記マイクロセルがアバランシェフォトダイオードを備える、請求項１に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項9】
各固体光電子増倍管内のマイクロセルのアレイが、１ｍｍ2当たり約１００〜２５００個のマイクロセルを備える、請求項１に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項10】
前記デジタルパルス信号が、正方形、三角形、ガウス又は所定の波形を備える、請求項１に記載の放射線検出器モジュール。
【請求項11】
複数のマイクロセルを備える固体光電子増倍管であって、各マイクロセルが、光学光子に曝されると最初のアナログ信号を生成するように構成されており、マイクロセルが、最初のアナログ信号と比較パラメータの比較に基づいて約２ｎｓ以下の持続時間を有するデジタル出力信号を生成するように構成されている、固体光電子増倍管。
【請求項12】
前記固体光電子増倍管が、マイクロセルで生成したデジタル出力信号を加算して各々の加算信号を生成するように構成されている、請求項１１記載の固体光電子増倍管。
【請求項13】
各マイクロセルが、
第１のノードの最初のアナログ信号をサンプリングし、最初のアナログ信号を比較パラメータと比較するように構成された比較器と、
比較器で生成した出力に基づいてデジタル出力信号を生成するように構成されたワンショット発生器と
を少なくとも含む回路を備える、請求項１１に記載の固体光電子増倍管。
【請求項14】
前記比較器がシュミットトリガを備える、請求項１３に記載の固体光電子増倍管。
【請求項15】
前記比較パラメータが閾値電圧又は電流を備える、請求項１１に記載の固体光電子増倍管。
【請求項16】
前記デジタル出力信号が、正方形、三角形、ガウス又は所定の波形を備える、請求項１１に記載の固体光電子増倍管。
【請求項17】
撮像システムであって、
複数の固体光電子増倍管モジュールを備える検出器パネルであって、各々の光電子増倍管モジュールが複数のマイクロセルを備えており、各々のマイクロセルが、各々のマイクロセルで生成した最初のアナログ信号を比較閾値と比較するように構成された比較器と、比較器の出力に応答して２ｎｓ以下の持続時間を有するデジタルパルスを生成するように構成されたデジタルパルス発生器とを備えている、検出器パネルと、
検出器パネルから出力信号を得るように構成されたデータ取得回路であって、出力信号が、各々の固体光電子増倍管に対して集約されているデジタルパルスを使用して導出されるデータ取得回路と、
データ取得回路で得られた出力信号に基づいて画像を生成するように構成された画像再構成処理回路と、
画像を表示するように構成された少なくとも１つの画像表示ワークステーションと
を備える撮像システム。
【請求項18】
前記撮像システムが、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）、単光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）撮像システム、又はＸ線撮像システムの１つを備える、請求項１７に記載の撮像システム。
【請求項19】
前記比較器が、シュミットトリガを備える、請求項１７に記載の撮像システム。
【請求項20】
前記デジタルパルスが、正方形、三角形、ガウス又は所定の波形を備える、請求項１７に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示の主題は、Ｘ線及び核医学撮像システムなどの撮像システムで使用する検出システム
【背景技術】
【0002】
診断撮像技術は、患者の内部構造の画像の取得を可能にし、患者の内部構造の機能及び全体に関する情報を提供することができる。診断撮像システムは、患者の組織からの放射線の放出又は送出を含む様々な物理的原理に基づいて動作することができる。例えば、Ｘ線撮像システムは、いくつかの放出源から撮像ボリュームをわたって源の反対側に配置された検出器システムの方向へＸ線を患者に向けることができる。ボリュームを通過し、源と検出器との間に配置された任意の材料又は組織を通過するとＸ線の減衰が判定され、撮像された患者又は物体の内部領域の画像を非侵襲的に形成するために使用することができる。このような減衰情報を種々の偏位角度で取得し、減衰情報と一致する深さ情報を生成することができる。
【0003】
さらに、単光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）及び陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）は、患者に投与され、分解により患者の体内の位置からガンマ線を放出させる放射性医薬品を利用することができる。放射性医薬品は通常、体内の生理学的又は生化学的プロセスに基づいて体に優先的に又は差次的に分散されるように選択される。例えば、腫瘍組織によって優先的に処理又は吸収される放射性医薬品を選択することができる。このような例では、放射性医薬品は通常、患者内の腫瘍組織の周囲に高い濃度で配置される。
【0004】
ＰＥＴ撮像においては、放射性医薬品は通常、患者内で分解又は減衰して電子に接触すると消滅する陽電子を放出し、プロセスにおいて反対側の方向に移動する一対のガンマ線を生成する。ＳＰＥＣＴ撮像では、放射性医薬品が患者内で分解又は減衰すると単一のガンマ線が生成される。これらのガンマ線は、各々のＰＥＴ又はＳＰＥＣＴスキャナ内の検出機構と相互作用して減衰事象を局在化させることを可能にし、それによって放射性医薬品が患者の全体に分散されている図を提供することができる。これにより、介護者は、患者内で放射性医薬品が偏在している場所の視覚化が可能となり、したがって患者の体内にある診断的意義を持つ生理学的構造及び／又は生化学的プロセスの場所を識別することができる。
【0005】
撮像技術のの例では、入射放射線を画像形成に使用することができる有用な電気信号に変換する検出器が用いられる。特定のこのような検出器技術は固体光電子増倍管を用いており、これは入射放射線に応答してシンチレータで生成された光学信号を検出するために有用となり得る。生じ得る１つの問題は、固体光電子増倍管を用いる特定の検出器技術において、検出器の画素が固体光電子増倍管内のマイクロセルで生成したアナログ信号のロングパルスに起因して、時間分解能が乏しい信号を生成することである。しかし、デジタル固体光電子増倍管回路の使用などのこれらの問題に対処するための現在の手法は複雑であり、検出器の構成要素の製造コストを押し上げてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】米国特許出願第２００９／１２１１４２号
【発明の概要】
【0007】
一実施形態では、放射線検出器を提供する。放射線検出器は、入射放射線に応答して光子を生成するように構成されたシンチレータ層と、複数のマイクロセルを備える固体光電子増倍管とを備える。各々のマイクロセルは、シンチレータで生成した光子に応答して、約２ｎｓ以下の持続時間を有するデジタルパルス信号を生成するように構成されている。
【0008】
さらなる実施形態では、固体光電子増倍管を提供する。固体光電子増倍管は、複数のマイクロセルを備える。各マイクロセルは、光学光子に曝されると最初のアナログ信号を生成するように構成されている。マイクロセルは、最初のアナログ信号を比較パラメータと比較し、比較に基づいて約２ｎｓ以下の持続時間を有するデジタル出力信号を生成する電子回路を備える。
【0009】
追加の実施形態では、撮像システムを提供する。撮像システムは、複数の固体光電子増倍管モジュールを備える検出器パネルを備える。各光電子増倍管モジュールは、複数のマイクロセルを備える。各マイクロセルは、各々のマイクロセルで生成した最初のアナログ信号を比較閾値とするように構成された比較器と、比較器の出力に応答してデジタルパルスを発生するように構成されたデジタルパルス発生器とを備える。デジタルパルスは、２ｎｓ以下の持続時間を有する。撮像システムはさらに、検出器パネルから出力信号を得るように構成されたデータ取得回路を備える。出力信号は、各々の固体光電子増倍管に対して集約されているデジタルパルスを使用して導出される。撮像システムはまた、データ取得回路で得られた出力信号に基づいて画像を生成するように構成された画像再構成処理回路と、画像を表示するように構成された少なくとも１つの画像表示ワークステーションとを備える。
【0010】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。図面を通じて、同様の符号は、同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の態様に従うＰＥＴ撮像システムの図表である。
【図2】本開示の態様に従う、ＰＥＴデータ取得システムのフロントエンドの一例のブロック図である。
【図3】本開示の態様に従う、検出器素子の斜視図を示す図である。
【図4】マイクロセル信号生成経路の簡略化電気モデルを示す図である。
【図5】アナログマイクロセル信号を使用した信号加算の一例を示す図である。
【図6】本開示の態様に従うマイクロセル信号生成経路の回路形式図を示す図である。
【図7】本開示の態様に従うファイアリングマイクロセルの簡略化電気モデルを示す図である。
【図8】本開示の態様に従うデジタルマイクロセル信号を使用した信号加算の一例を示す図である。
【図9】本開示の態様に従うマイクロセル信号生成経路の代替の回路形式図を示す図である。
【図10】本開示の態様に従うデジタルマイクロセル信号を使用した信号加算の概略例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本開示によれば、放射線検出に関連して固体光電子増倍管（例えば、ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ））の有用性を向上させるための手法が記載される。
【0013】
上述のように、ガイガーモードで動作しているマイクロセル（例えば、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ））を組み込んだ光センサを用いる様々な放射線検出手法が存在する。これらの手法のいくつかは、核検出器において使用され得るもののような大面積デバイスにおいて実施されている。例えば、ＳｉＰＭデバイスでは、各マイクロセルは、１００ｋΩから１ＭΩの抵抗値を示すクエンチ抵抗器を介して読み出しネットワークに接続することができる。検出した光子がアバランシェ事象を生成すると、マイクロセルは降伏電圧まで放電され、充電電流が放電事象を定量化する測定可能な信号を生成する。通常、単一光電子（ＳＰＥ）信号に関連するパルス形状は、高速の立ち上がり時間、続いて長い立ち下がり時間を有する。このようなパルスが多数のマイクロセル、例えばＳｉＰＭデバイスの画素を形成する多数のマイクロセルにわたって集約している場合に、得られた加算信号のパルス形状は、検出した光パルスを有する単一のマイクロセル応答のコンボリューションによって遅い立ち上がり時間（例えば、数１０ナノ秒）を有する。したがって、所与の光パルスに対して集約した信号の立ち上がり時間が遅いことにより、これらのデバイスとの良好な時間分解能を達成することは困難である。
【0014】
１つの手法では、この問題に対処するためにデジタルＳｉＰＭが用いられている。この手法では、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスを使用して、同一のケイ素ウェハ上に各マイクロセル（例えば、ＳＰＡＤ）専用の電子回路が製造される。この回路の機能は、アバランシェ事象を検出してマイクロセルを能動的にクエンチすることである。各回路は、メモリ素子（例えば、１ビット以上の素子）を有する。すべてのマイクロセルからタイムスタンプを収集するために、専用のネットワークツリーが使用される。イベント毎の検出した光子の数の情報を得るために専用の読み出しサイクルが実行されるので、各デジタルＳｉＰＭ専用のデジタルコントローラを必要とする。このような手法は、不所望に複雑である。
【0015】
本明細書で論じる本発明の手法は、デジタルＳｉＰＭの複雑化を招くことなく、ＳｉＰＭを使用して生成されたロングパルスアナログ信号に関連する問題を解決する。例として、一実装形態では、小型電子回路がＳｉＰＭ製造中に各マイクロセルに作成される。この回路はアバランシェ現像を検出し、従来のアナログパルスとは対照的に読み出しネットワークに非常に短い（例えば、約０．２ｎｓ〜２．０ｎｓ）デジタルパルス（すなわち、「ワンショット」）を生成する。この能動的感知方法は、安定した利得、低い過剰雑音係数、及び潜在的に高い光検出効率（ＰＤＥ）を確保することができる。本発明のＳｉＰＭデバイスは、高速のＳＰＥ応答、安定した利得、及び減少した感温性を提供する。さらに、本明細書で論じる本発明のＳｉＰＭデバイスの使用は、本発明のＳｉＰＭを用いる放射線検出器の簡略化した読み出し電子回路並びにより良好なエネルギー及び時間分解能を可能にする。
【0016】
本明細書で論じる陽電子放射断層撮影法（ＰＥＴ）もしくは単光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）撮像システムのような、又はこのようなＰＥＴもしくはＳＰＥＣＴ撮像機能（例えば、ＰＥＴ／ＭＲ、ＰＥＴ／ＣＴ、又はＳＰＥＣＴ／ＣＴ撮像システム）を含む複合型又はハイブリッド撮像システムのような核撮像システムの検出器の読み出しに関する。しかし、本発明のＳｉＰＭデバイスはまた、Ｘ線撮像診断法（例えば、Ｘ線透視法、マンモグラフィ、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、トモシンセシス、血管造影法など）に使用される放射線検出器などの、放射線又は核粒子の検出に使用される他の種類の撮像診断法又は検出器に用いることができることを理解されたい。しかし、説明を簡単にするために、かつ具体的な実施例と関連して考察を容易にするために、核撮像システムに関連して本発明の考察を行う。
【0017】
前述を念頭に次に図面を参照すると、図１は、本開示のいくつかの態様に従って動作するＰＥＴシステム１０を示している。ＰＥＴシステム１０は本明細書で説明され論じられるが、本発明の手法はまた、ＳＰＥＣＴ又はＣＴ撮像システムなどの他の撮像背景において有用であり得ることを理解されたい。
【0018】
図示のＰＥＴシステム１０は、検出器アセンブリ１２と、データ取得回路１４と、画像再構成処理回路１６とを含む。ＰＥＴシステム１０の検出器アセンブリ１２は通常、図１に示すように、撮像ボリュームの周囲に配置された多数の検出器モジュール（全体を参照番号１８で示す）を含む。本明細書で論じるように検出器アセンブリ１２は、モジュール１８を介して、陽電子消滅事象によって生成され、かつ撮像化ボリューム内の被写体から出射されるガンマ線に応答して信号を生成するように構成することができる。特定の実施態様では、検出器アセンブリ１２は、シンチレータと、光子検出電子回路とを含むことができる。検出器アセンブリ１２は、ＰＥＴデータを得るための任意の適切な構造及び構成のものであってもよい。例えば、図示の例のように、検出器アセンブリ１２は、完全な又は部分的なリングとして構成することができる。
【0019】
特定の実施態様では、ガンマ線は、検出器アセンブリ１２又は検出器モジュール１８のシンチレータ内のように、検出器モジュール１８内で検出され電気信号に変換され得る低エネルギーの光子に変換することができ、これはデジタル信号を出力するために調整され処理することができる。特定の撮像用途では、シンチレータに入射している放射線に応答して生成される光学光子が少ない（すなわち、低信号レベル）ことを克服するために、固体光電子増倍管（ＳｉＰＭ）は、シンチレータと組み合わせて信号の増幅を行うことができる。
【0020】
検出器モジュール１８で生成した信号は、潜在的な同時発生事象として一対のガンマ線検出を一致させるために使用することができる。すなわち、このようなＰＥＴ実装形態では、２つのガンマ線が対向する検出器に衝突する場合、陽電子消滅が２つの衝撃位置（ランダム及び散乱検出の相互作用の効果が存在しない）を結ぶ線上のどこかに生じたと判定することができる。ＳＰＥＣＴの実装形態では、道筋情報が、検出器アセンブリに関連する視準に少なくとも部分的に基づいて代わりに推定されてもよい。収集されたデータは分類されて一体化され、画像再構成処理回路１６などによる以降の処理で使用することができる。
【0021】
したがって、動作中には、データ取得回路１４は、信号が撮像化ボリューム内で出射されたガンマ線に応答して生成される検出器アセンブリ１２の検出器モジュール１８からの信号の読み出しに使用される。データ取得回路１４で得られる信号は、画像再構成処理回路１６に供給される。画像再構成処理回路１６は、導出されたガンマ線放出位置に基づいて画像を生成する。オペレータワークステーション２６はシステムオペレータによって、説明した構成要素の一部又はすべてに制御命令を供給し、データ取得及び画像生成を支援する様々な動作パラメータを構成するために利用される。オペレータワークステーション２６はまた、生成された画像を表示することもできる。或いは、生成された画像は、画像表示ワークステーション２８のような遠隔ビューイングワークステーションに表示してもよい。
【0022】
ＰＥＴシステム１０の動作の説明と考察を容易にするために、データ取得回路１４及び画像再構成処理回路１６は図１では他の図示された構成要素（例えば、検出器アセンブリ１２、オペレータワークステーション２６、及び画像表示ワークステーション２８）と別々に示されていることを理解されたい。しかし、特定の実施態様では、これらの回路の一部又はすべてが検出器アセンブリ１２、オペレータワークステーション２６、及び／又は画像表示ワークステーション２８の一部として設けられていてもよいことを理解されたい。例えば、検出器アセンブリ１２、オペレータワークステーション２６、及び／又は画像表示ワークステーション２８の一部として設けられる、データ取得回路１４の一部で実行される、又は一部として設けられるハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアは、本明細書に記載の様々な検出器読み出し及び／又は制御動作を実行するために使用することができる。特定の実装形態では、データ取得回路１４は、本明細書で論じる検出器読み出しステップを実行するための特別に構成され又はプログラムされたハードウェア、メモリ、又はプロセッサ（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））を含んでもよい。同様に、これらの読み出し機能のいくつかは、１つ以上の汎用又は専用プロセッサ及びそのようなプロセッサ上で実行するように構成された記憶されたコード又はアルゴリズムを使用して実行することができる。同様に、専用ハードウェア及び／又は回路の組み合わせは、本明細書で論じるステップを実施するために記憶されたコードを実行するように構成された１つ以上のプロセッサと共に使用することができる。
【0023】
前述を念頭に、図１に示すようなシステムの一実装形態の検出器技術を詳細に論じる。特に、ＰＥＴ又はＳＰＥＣＴシステムは、ガンマ線検出機構の一部として、検出器モジュール１８内などで固体光電子増倍管（例えば、ＳｉＰＭ）デバイスのアレイを利用することができる。このようなＳｉＰＭデバイスは、特定の実装形態では、衝突する光子を検出するためのマイクロセル（例えば、受動的にクエンチされたガイガーモードアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ））のアレイの形態をとることができる。一般に、光子検出に使用されるＳｉＰＭデバイスは、衝突事象の時間、事象に関連するエネルギー、及び検出器内の事象の位置などの特定のパラメータについての情報を提供することができる。これらのパラメータは、ＳｉＰＭによって生成される出力信号に適用される処理アルゴリズムによって決定することができる。
【0024】
一実施形態では、マルチチャネル読み出しフロントエンド特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）は、ＰＥＴ（又はＳＰＥＣＴ）システムにおいてＳｉＰＭのアレイとインターフェースする。ＡＳＩＣは、図１のデータ取得回路１４の一部として設けられてもよいし、各ＳｉＰＭをバイアスする能力と同じく各ＳｉＰＭの事象のタイミング、エネルギー、及び位置に関する情報を処理システム（例えば、処理回路１６）に提供するように構成してもよい。
【0025】
図２を参照すると、例えば図１のＰＥＴシステム１０と共に使用することができる、ＰＥＴデータ取得システム３０のフロントエンドの一例を表すブロック図が示されている。ＰＥＴデータ取得システム３０は、検出器モジュール１８及び／又はデータ取得回路１４の一部として複数のＳｉＰＭ４０及び複数のＡＳＩＣ３６を含むことができる。ガンマ線の相互作用に応答してシンチレータで生成された光は、ＳｉＰＭによって検出され、増幅される。この例では、各ＳｉＰＭ４０は、ＡＳＩＣ３６と電気的に連通するアノード出力３４を含む。すなわち、ＳｉＰＭ４０の出力は、各々のＡＳＩＣ３６への入力である。ＡＳＩＣ３６は次いで、出力として１つ以上のタイミング信号、エネルギー信号及び／又は位置信号を供給する。ＡＳＩＣ３６によって出力されたこれらの信号の各々は、ＡＳＩＣ３６による処理後に各々のＳｉＰＭ４０から取得した情報に対応している。非限定的な例として、一実施形態では、データ取得システム３０のフロントエンドは、１８のＳｉＰＭ４０を含むことができる。しかし、他の実装形態では、他の数のＳｉＰＭ４０がデータ取得システム３０内に存在することができる。
【0026】
特定の実装形態では、各ＳｉＰＭ画素４０は、半導体材料としてケイ素を使用して形成されているが、他の適切な半導体材料を代わりに使用してもよい（例えば特に、ＳｉＣ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ及びその合金）。本明細書で論じるように、各ＳｉＰＭ画素４０は、マイクロセルとも称される複数の巨視的単位を含む。例証として、単一のＳｉＰＭ４０が本発明の概念のいくつかを示すために図３に示されている。ＳｉＰＭ４０上のマイクロセル４６の数は通常、ＳｉＰＭ４０の有効ダイナミックレンジを提供するには十分な数である。ＳｉＰＭ４０の面積は、シンチレータ４２に形成された１つ以上の液晶素子５０を覆うには十分な面積である。しかし、ＳｉＰＭ４０の正確な数及び密度はオペレータや他の周知の要因によって所望の画像解像度によって決定されることを理解されたい。
【0027】
図３に示すように、単一のＳｉＰＭ画素４０は、シンチレータ４２から到達する単一の光学光子を出力信号に増幅する複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）又は「マイクロセル」４６で構成されている。通常、各ＳｉＰＭ４０は、多数のマイクロセル４６（例えば、１ｍｍ2当たり１００〜２，５００のＡＰＤ）を含有する。特定の実施形態では、マイクロセル４６の各々は、２０〜１００ミクロンの長さを有することができる。一実装形態では、マイクロセル４６の各々は、降伏電圧より数ボルト上の個々のガイガーモードＡＰＤとして動作し、各マイクロセル４６は他のマイクロセルのすべてと実質的に同一である。この動作モードでは、光学光子の吸収で生成した電子は、１つ以上の光子がマイクロセル４６によって吸収されると、個々のマイクロセル４６に限定されているアバランシェ降伏を開始する。
【0028】
各マイクロセル４６は、互いに独立して機能して光子を検出する。電荷の単一の個別のユニットは、その中に吸収された複数の光子から独立してマイクロセル４６から出射される。すなわち、各ガイガー降伏に対して、マイクロセル４６の出力信号は実質的に同じ形状及び電荷を有することになる。一実施形態では、ＳｉＰＭ４０などの信号が集約されるいくつかの領域上に一体化された電荷を生じさせるために、マイクロセルが並列で電気的に接続されている。マイクロセル４６の加算放電電流は、所与の領域上の放射線の入射を示している。準アナログ出力は、信号が集約されている領域上の入射光子束に関する強度情報を提供することができる。
【0029】
図４を参照すると、マイクロセルがそのようなセルのＳｉＰＭアレイ内の複数のマイクロセルの１つである、マイクロセル４６の簡略化電気モデルの一例が示されている。一例では、図示のマイクロセルは、アナログＳｉＰＭ内でガイガーモードで動作する単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイの一部であってもよい。図示の例では、モデルは、関連するカソード５２及びアノード５４と、下流の負荷装置５６とを有する。モデルのマイクロセル部７０は、フォトダイオードに関連付けることができるようなダイオードコンデンサ５８と、電流パルス６６とを含む。図示の例のクエンチ回路７８は、クエンチ抵抗器７２と、寄生クエンチコンデンサ６０とを含む。クエンチ回路７８の下流には、この例では、寄生抵抗器６２及び寄生インダクタ６４がモデル化されている。
【0030】
このモデルにおいて図示のマイクロセルのようなマイクロセル７０の個々のＡＰＤは、約１００ｋΩ〜約１ＭΩの通常の値を有するクエンチ抵抗器（Ｒq）７２を含むクエンチ回路７８を介して読み出しネットワークに接続されている。検出した光子がアバランシェ事象を生成すると、パルス電流６６が生成され、マイクロセルのダイオードコンデンサＣd５８は降伏電圧まで放電し、充電電流が測定可能な出力信号を生成する。単一光電子（ＳＰＥ）信号の通常のパルス形状７４は、高速の立ち上がり時間（すなわち、急激に上がっている箇所）、続いて長い立ち下がり時間（すなわち、ゆっくりと下がっている後部）を有する。
【0031】
図５を参照すると、従来のアナログパルス７４は、ＳｉＰＭ画素などを介して加算のために出力される。図５では、加算は、所与の加算事象について、ファイアリングマイクロセル８６だけでなく非ファイアリングマイクロセル８８（信号７４が出力されていない）の両方を含むことができる複数のマイクロセル上に示されている。集約信号９２の得られたパルス形状は、時間分解能が乏しい検出した光パルスを有する単一のマイクロセル応答のコンボリューションによって遅い立ち上がり時間（例えば、数１０ナノ秒）を有する。図示の例では、出力信号の集約は、回路寄生９０を受ける可能性がある（例えば、寄生抵抗器６２及び／又は寄生インダクタ６４）。
【0032】
本発明の手法によれば、小型電子回路がＳｉＰＭ４０の製造中に各マイクロセル４６（例えば、ＳＰＡＤ）の回路に組み込まれている。この回路はアバランシェ現像を検出し、読み出しネットワークで短い（例えば、約０．２ｎｓ〜２．０ｎｓ、約１ｎｓ以下など）デジタルパルス（例えば、「ワンショット」）を生成する。
【0033】
例として、図６を参照すると、本発明の手法に従うアバランシェフォトダイオード９８を有するマイクロセル回路の一例の回路図１００が示されている。この例では、マイクロセル４６は、一体化された電子回路感知を組み込んでいる。この回路によれば、ファイアリングマイクロセル８６からのパルス７４は、従来のマイクロセルに見られるもの、すなわちゆっくりと下がっている後部を有する急激に上がっている箇所と同様である。しかし、シュミットトリガのような、ワンショットパルス発生器１０４が続く比較器１０２は、回路１００に設けられて信号感知ノード１０８で信号を感知する。図示の例では、比較器１０２は、信号感知ノード１０８で感知された信号を閾値電圧（Ｖth）と比較する。すなわち、回路１００は、ワンショットパルス発生器１０４がトリガされるか否かの判定の点から電圧モードで動作する。図示の例では、デジタルワンショットパルス発生器１０４は、比較器１０２の出力に応答してトリガされる（すなわち、信号感知ノード１０８の信号は閾値電圧Ｖthを超え、その場合にワンショットパルスを生成し、そうでない場合には何もしない）。一実装形態では、生成されたパルスは、従来は出力として与えられるアナログパルス（例えば、パルス７４）の加算の代わりにいくつかの領域（例えば、ＳｉＰＭの面で）にわたって加算のために与えられる短持続時間（例えば、約１ｎｓ以下）のデジタルパルス１１０（例えば、正方形波形）である。理解されるように、正方形波形が一例として示されているが、デジタルパルス１１０は、正方形でない形状、例えばガウス又は三角形波形、又は任意の他の適切な所定の波形タイプであってもよい。理解されるように、デジタルパルス１１０の振幅及び持続時間は、設計によって固定されている。これは、アナログパルスの振幅が温度に敏感なＶbrに部分的に依存するパルス７４などのアナログパルスとは対照的である。
【0034】
ＳｉＰＭ４０に存在する複数のマイクロセル４６からのワンショットパルスの加算で生成した得られた波形は、正方形（又はガウスもしくは三角形又は任意の他の所定の形状）波形（長形のアナログパルス７４とは対照的に）などの短持続時間のデジタルパルス１１０のコンボリューションである。結果的に、加算された、又はその他の方法で集約されたデジタルパルス１１０は、シンチレータパルスに関連する減少した立ち上がり時間を有する短い立ち上がり時間（加算したアナログ信号とは対照的に）を有する信号出力をもたらす。
【0035】
図７を参照すると、簡略化電気モデル１２０が図６の回路１００に対応して示されている。このモデルに示すように、信号感知ノード１０８で感知されたパルス７４は、比較器１０２への入力（例えば、シュミットトリガ）として使用される。比較器１０２の出力は、ワンショットパルス発生器１０４が閾値電圧（Ｖth）との比較に基づいて所与の読み出し中にトリガされるか否かを決定する。トリガされる場合、ワンショットパルス発生器１０４は、下流の加算ノードに出力としてデジタルパルス１１０を生成する。
【0036】
例として、図８を参照すると、直列のマイクロセル４６のアレイ（すなわち、１−Ｎ）が示されている。描写を簡単にするために、第１のマイクロセルの構成についてのみ詳細に示している。この例では、加算回路１３０のようなマイクロセル４６の種々のデジタルパルス出力が集約されて加算され、検出器の読み出し中にＳｉＰＭ４０の出力として供給される。
【0037】
以上の考察は一般に電圧の動作モードに関するものであるが、他の実施形態では、電流の動作モードを用いてもよい。例として、図９を参照すると、ＳｉＰＭ４０で使用するのに適切であり、電流モードにおける電子感知を組み込んでいるマイクロセル４６が示されている。この例では、バイアス及び電流感知構成要素１３４が、マイクロセル４６に含まれている。バイアス及び電流感知構成要素１３４は、図９でＩinとして示されているように、バイアスをアバランシェフォトダイオード９８に与え、アバランシェフォトダイオード９８を通って流れる電流を感知する。バイアス及び電流感知構成要素１３４は次に、電流Ｉoutを電流比較器１３６に出力する。電圧比較器と同様に、電流比較器１３６は、バイアス及び電流センサ１３４から受け取った電流を閾値電流Ｉthと比較する。この比較に基づいて、ワンショットパルス発生器１０４が読み出し期間の間にトリガされるか、又はされない。トリガされる場合、ワンショットパルス発生器１０４はＳｉＰＭ内の加算ノードへの出力として、短持続時間のデジタルパルス１１０、例えば、２．０ｎｓ又は１ｎｓ未満の持続時間を有する正方形（又はガウスもしくは三角形）波形を生成する。
【0038】
以上の考察を念頭に置いて、画素内で加算された集積電子回路と共にマイクロセルの概略構造が図１０に示されている。この例では、画素アレイ内のマイクロセル４６（１−Ｎ）は、電子回路を組み込んでおり、上述のように電圧モード又は電流モードのいずれかで動作することができる。さらに、特定の実施形態では、アレイ内の異なるマイクロセル４６は、異なるモードで動作することができる。例えば、マイクロセル４６のいくつかは、電圧モードで動作することができるが、他のマイクロセル４６は電流モードで動作する。或いは、マイクロセル４６は、いずれのモードでも動作するために必要な回路を組み込むことができ、したがってシステム又はユーザの指示に基づいて、モード間で切り換え可能である。
【0039】
この例に示すように、マイクロセル４６のデジタルパルス出力１１０は、読み出し動作中にＳｉＰＭ４０内の加算回路又は構成要素に与えられてもよい。加算デジタルパルス出力は次いで、ＳｉＰＭ４０の出力として与えることができる。
【0040】
本発明の技術的効果は、それに限定されないが、高速の単一光電子応答、安定した利得、及び減少した感温性を有するＳｉＰＭを含む。技術的効果はまた、向上したエネルギー及び時間分解能を含む。技術的効果はまた、固体光電子増倍管で使用するマイクロセルを含み、マイクロセルは、電流モード又は電圧モードで動作するデジタルパルスを出力することができる。
【0041】
本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
【符号の説明】
【0042】
１０ ＰＥＴシステム
１２ 検出器アセンブリ
１４ データ取得回路
１６ 画像再構成処理回路
１８ 検出器モジュール
２６ オペレータワークステーション
２８ 画像表示ワークステーション
３０ ＰＥＴデータ取得システム
３４ アノード出力
３６ 特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）
４０ ケイ素光電子増倍管（ＳｉＰＭ）
４２ シンチレータ
４６ マイクロセル
５０ 液晶素子
５２ カソード
５４ アノード
５６ 負荷装置
５８ ダイオードコンデンサ
６０ 寄生クエンチコンデンサ
６２ 寄生抵抗器
６４ 寄生インダクタ
６６ 電流パルス、パルス電流
７０ マイクロセル、マイクロセル部
７２ クエンチ抵抗器
７４ アナログパルス
７８ クエンチ回路
８６ ファイアリングマイクロセル
８８ 非ファイアリングマイクロセル
９０ 回路寄生
９２ 集約信号
９８ アバランシェフォトダイオード
１００ 回路、回路図
１０２ 比較器
１０４ ワンショットパルス発生器
１０８ 信号感知ノード
１１０ デジタルパルス、デジタルパルス出力
１２０ 簡略化電気モデル
１３０ 加算回路
１３４ バイアス及び電流感知構成要素、電流センサ
１３６ 電流比較器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】

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