特表 2017-537471 光電変換器、検出器、及び走査装置

(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2017-537471(P2017-537471A)

(43)【公表日】2017年12月14日

(54)【発明の名称】光電変換器、検出器、及び走査装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20171117BHJP

   G01T 1/20 20060101ALI20171117BHJP

   G01T 1/161 20060101ALI20171117BHJP

   H01L 31/107 20060101ALI20171117BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20171117BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/146 D

   G01T1/20 E

   G01T1/20 G

   G01T1/161 C

   H01L31/10 B

   H01L27/144 K

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-525003(P2017-525003)

(86)(22)【出願日】2015年10月26日

(85)【翻訳文提出日】2017年6月27日

(86)【国際出願番号】CN2015092833

(87)【国際公開番号】WO2016074560

(87)【国際公開日】20160519

(31)【優先権主張番号】201410648328.4

(32)【優先日】2014年11月14日

(33)【優先権主張国】CN

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,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,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】515207606

【氏名又は名称】ライカン テクノロジー カンパニー リミテッド （スー チョウ）

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シエ，チングオ

(72)【発明者】

【氏名】ジュー，ジュン

(72)【発明者】

【氏名】ニウ，ミン

(72)【発明者】

【氏名】ワン，リューヤオ

【テーマコード（参考）】

2G188

4C188

4M118

5F849

【Ｆターム（参考）】

2G188AA02

2G188BB07

2G188CC23

2G188DD05

2G188DD35

2G188DD42

2G188EE39

4C188EE02

4C188FF07

4C188GG19

4C188JJ05

4C188JJ33

4C188KK35

4M118AB10

4M118BA06

4M118CA02

4M118CB11

4M118HA23

4M118HA24

4M118HA25

4M118HA35

5F849AA07

5F849BA01

5F849BA04

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5F849BA18

5F849BB03

5F849BB08

5F849EA04

5F849JA14

5F849JA18

5F849KA01

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5F849KA20

5F849LA06

5F849XB01

5F849XB05

5F849XB38

(57)【要約】

光電変換器は、シリコン光電子増倍管アレイ（５）と、シリコン光電子増倍管アレイ（５）に結合された導光体（４）とを含む。シリコン光電子増倍管アレイ（５）は、ｉ×ｊ個のシリコン光電子増倍管を水平面で接合することによって得られ、ｉとｊは、いずれも２以上の整数である。検出器は、シンチレーション結晶（１）、電子システム（３）、導光体（４）、及びシリコン光電子増倍管を含む。走査装置は、検出デバイス及びラックを含む。検出デバイスは、検出器を備え、検出器は、光電変換器を含む。シリコン光電子増倍管は、サイズが小さく、密接に配置される。適切な形状を有する導光体と組み合わせた適切なサイズのシリコン光電子増倍管を適切に配置することにより、高空間分解能のＰＥＴ検出器を構築することができ、ＰＥＴシステム全体の空間分解能が改善され、これにより、ＰＥＴ／ＭＲＩに用いることができ、ＤＯＩ及びＴＯＦ性能を有するＰＥＴ検出器を低コストで構築することができる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｉ×ｊ個のシリコン光電子増倍管を水平面で接合することによって形成されるシリコン光電子増倍管アレイを備え、
ｉは、前記水平面の長さ方向のシリコン光電子増倍管の数を示し、ｊは、前記水平面の幅方向のシリコン光電子増倍管の数を示し、ｉとｊは、共に２以上の整数である光電変換器。

【請求項2】

前記シリコン光電子増倍管アレイに結合された導光体を更に含む請求項１に記載の光電変換器。

【請求項3】

前記導光体の形状は、円錐、円柱、直方体、立方体又は角錐台状の多面体である請求項２に記載の光電変換器。

【請求項4】

前記導光体は、光ファイバ、フルカット透明素子、非フルカット透明素子又は連続透明素子である請求項２に記載の光電変換器。

【請求項5】

前記透明素子は、一般的な無機ガラス、有機ガラス又はシンチレーション結晶からなる請求項４に記載の光電変換器。

【請求項6】

前記導光体はＰ個の層を含み、Ｐは、０〜４の範囲である請求項２に記載の光電変換器。

【請求項7】

前記導光体の層の総厚は、０．１ｍｍ〜５０ｍｍである請求項６に記載の光電変換器。

【請求項8】

シンチレーション結晶と、
電子システムと、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換器と、を備える検出器であって、
前記シンチレーション結晶、導光体及び前記シリコン光電子増倍管アレイが、この順序で、光結合剤によって結合されている検出器。

【請求項9】

前記シンチレーション結晶は、単結晶ストリップを含むアレイ結晶、非フルカットアレイ結晶、ノンカット連続結晶、又は連続結晶とアレイとを含む多層結晶である請求項８記載の検出器。

【請求項10】

１つのγ光子堆積イベントに応答して、前記光電変換器が電気パルス信号のｋ個の経路を生成し、ｋは４以上の整数であり、前記電子システムは、前記電気パルス信号のｋ個の経路を処理して、γ光子のエネルギ、位置及び時間に関する情報を取得する請求項８に記載の検出器。

【請求項11】

前記電子システムは、前記電気パルス信号のｋ個の経路を前処理せず、前記電気パルス信号のｋ個の経路を１つずつ直接読み込み、前記γ光子の堆積位置を算出する請求項１０に記載の検出器。

【請求項12】

前記電子システムは、前記電気パルス信号のｋ個の経路を前処理して電子チャネルの数を減少させ、前記電子パルス信号のｍ個の経路を取得し、ｍは、４以上、ｋ以下である請求項１０に記載の検出器。

【請求項13】

前記電子システムは、前記ｍ個の電気パルス信号に基づいて、位置アルゴリズムを使用して前記γ光子の堆積位置を算出する請求項１２に記載の検出器。

【請求項14】

前記電子システムは、時間アルゴリズムを用いて前記ｍ個の電気パルス信号に基づいて前記γ光子の堆積時間を算出し、前記時間アルゴリズムは、前記ｍ個の電気パルス信号の合計又は加重和を算出することと、前記合計された電気パルス信号の時間情報を前記γ光子の堆積時間として抽出することとを含む請求項１２に記載の検出器。

【請求項15】

ラックと、
前記ラックに搭載された検出装置と、を備え、前記検出装置は、検出器を備え、前記検出器は、請求項１乃至７のいずれかに記載の光電変換器を備える走査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０１４年１１月１４日に中華人民共和国専利局に提出された中国特許出願第２０１４１０６４８３２８．４号、発明の名称、「光電変換器、検出器、及び走査装置」の優先権を主張し、この文献は、その全体が参考として本願に援用される。

【0002】

本開示は、核医学イメージングの技術分野に関し、特に、光電変換器、光電変換器を含む検出器、及び検出器を含む走査装置に関する。

【背景技術】

【0003】

陽電子放出断層撮影（Positron Emission Tomography：以下、ＰＥＴ）検出器は、ＰＥＴ撮像装置の主要装置であり、ＰＥＴ検出器は、主にγ線がＰＥＴシステムに堆積したときの位置、時間、エネルギに関する情報を取得するために用いられる。ＰＥＴ検出器の性能は、ＰＥＴ撮像システム全体の性能を直接決定する。システムのイメージング性能を向上させるためには、使用される陽電子放出断層撮影検出器は、高い空間分解能、良好な時間分解能、良好なエネルギ分解能及び高い計数率等を有することが期待される。

【0004】

ＰＥＴ検出器の光電変換器は、前方シンチレーション結晶から出力されたシンチレーション光子を対応する電気パルスに変換し、この電気パルスを乗算及び増幅することにより、電子システムによって処理できるようにする。従来のＰＥＴ検出器では、光電変換デバイスは、通常、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード及び位置敏感型光電子増倍管を採用している。

【0005】

光電子増倍管では、通常、シンチレーション光子を光電面によって光電子に変換し、光電子を複数のダイノードで乗算し、最後に電気パルス信号をアノードから出力する。光電子増倍管の利得は、通常、約１０^６である。光電子増倍管は、高利得、低雑音、迅速な時間応答という利点を有しているため、光電子増倍管は、臨床ＰＥＴ光電変換デバイスの大部分に使用されている。光電子増倍管の体積は一般に大きく、このため、ＰＥＴ検出器の空間分解能及びＰＥＴシステム構造の設計の自由度が制限されることがある。光電子増倍管は、磁場内で正常に動作することができないため、ＰＥＴ／ＭＲＩデュアルモードイメージングシステムにおける光電変換デバイスとして機能することが困難である。

【0006】

アバランシェフォトダイオードでは、光電陰極によってシンチレーション光子が光電子に変換され、フォトダイオードのアバランシェ効果によって、光電子が増幅され、電気パルス信号が得られる。アバランシェフォトダイオードは、磁場内で正常に動作し、これは、ＰＥＴ／ＭＲＩデュアルモードイメージングシステムにおいて使用できる可能性を示している。アバランシェフォトダイオードは体積が小さく、より高い空間分解能を有するＰＥＴ検出器を設計するために使用することができる。既に、アバランシェフォトダイオードによって、より高い空間分解能を必要とする小動物用のＰＥＴが設計されている（Melanie Bergeron, Jules Cadorette, Jean-Francois Beaudoin, Martin D. Lepage, Ghislain Robert, Vitali Selivanov, Marc-Andre Tetrault, Nicolas Viscogliosi, Jeffrey P. Norenberg, Rejean Fontaine, and Roger Lecomte, "Performance Evaluation of the LabPET APD-Based Digital PET Scanner," IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 56, NO. 1, FEBRUARY 2009）。しかしながら、アバランシェフォトダイオードは、利得が約１０^４と不十分であり、雑音が大きく、このため、ＰＥＴ検出器の性能に影響を及ぼす。

【0007】

位置敏感型光電子増倍管は、光電子増倍管の全ての利点を有し、高い空間分解能を達成することができる。ある研究グループは、位置敏感型光電子増倍管によって、より高い空間分解能を必要とする小動物用のＰＥＴを既に開発し、良好なシステム性能を達成している（Qingguo Xie, Yuanbao Chen, Jun Zhu, Jingjing Liu, Xi Wang, Xin Chen, Ming Niu, Zhongyi Wu, Daoming Xi, Luyao Wang, Peng Xiao, Chin-Tu Chen, Chien-Min Kao "Implementation of LYSO-PSPMT Block Detector with an All-Digital DAQ System," in IEEE Transactions on Nuclear Science, pp.1487-1494, 2013）。しかしながら、位置敏感型光電子増倍管の価格は高く、この結果、ＰＥＴシステムのコストが上昇する。

【0008】

近年、低コストのシリコン光電子増倍管が注目を集めている。シリコン光電子増倍管は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードマイクロピクセルユニットアレイを含み、光電子増倍管に匹敵する１０^６の利得を有する。更に、シリコン光電子増倍管は、雑音が少なく、体積が小さく、磁場による影響を受けず、良好な時間性能を有し、大量生産によって低価格となり、ＰＥＴ検出器を構成するために使用できるよう適応化できる（Qingguo Xie, Robert G. Wagner, Gary Drake, Patrick DeLurgio, Yun Dong, Chin-Tu Chen, Chien-Min Kao, "Performance Evaluation of Multi-Pixel Photon Counters for PET Imaging," in Conference Record of the 2007 IEEE Nuclear Science Symposium, vol. 2, pp.969-974, 2007）。光電変換デバイスであるシリコン光電子増倍管は、従来の体積の大きな光電子増倍管と比較して、体積が小さく、配置構造がコンパクトであり、空間分解能の高いＰＥＴ検出器を構成することができ、最終的に全体のＰＥＴシステムの空間分解能を向上させる。また、シリコン光電子増倍管は、体積が小さく、複数の検出器構造を構築するのに便利であり、相互作用位置（Depth of Interaction：ＤＯＩ）検出能力を有するＰＥＴ検出器の構築に適するため、大体積の光電子増倍管と比較して、ＰＥＴシステム構造を構築するための柔軟性が大幅に改善される。シリコン光電子増倍管は、良好な時間性能を有し、これを用いてＴｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）能力を有するＰＥＴ検出器を構築することができ、これにより、ＰＥＴ画像の品質が改善される。シリコン光電子増倍管は利得が高く、動作過程で磁場の影響を受けないため、ＰＥＴ／ＭＲＩソリューション中のコア光電変換デバイスに最適である。光電子増倍管、特に位置敏感型光電子増倍管のコストは常に高いが、シリコン光電子増倍管の価格は、大量生産によって安くでき、ＰＥＴシステムのコストを大幅に削減することができる。

【0009】

シリコン光電子増倍管は、光電子増倍管に匹敵する利得を有すると共に、アバランシェフォトダイオードの利点である小さな体積、磁場に対する不感受性、及び良好な時間性能を有する。シリコン光電子増倍管は、光電子増倍管とアバランシェフォトダイオードの両方の利点を有する。シリコン光電子増倍管を陽電子放出断層撮影装置の光電変換デバイスとして使用し、良好な位置分解能が得られれば、シリコン光電子増倍管に基づいて、より高い空間分解能、ＤＯＩ及びＴＯＦの能力、ＰＥＴ／ＭＲＩへの適用性を有する低コストな陽電子放出断層撮影検出器を設計及び構築することができる。

【0010】

したがって、従来の技術における検出器の欠陥を克服するために、シリコン光電子増倍管を含む新しい光電変換器を実現することが必要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

そこで、本発明の目的は、空間分解能が高い光電変換器、この光電変換器を備えた検出器、及びこの検出器を備えた走査装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の目的は、より高い空間分解能を有する光電変換器を提供することである。光電変換器は、シリコン光電子増倍管アレイを含み、シリコン光電子増倍管は、ｉ×ｊ個のシリコン光電子増倍管を水平面で接合して形成され、ここで、ｉは、シリコン光電子増倍管の水平面における長さ方向の数を示し、ｊは、シリコン光電子増倍管の水平面における幅方向の数を示し、ｉとｊは、共に２以上の整数である。

【0013】

本発明の他の目的は、光電変換器を含む検出器を提供することである。検出器は、シンチレーション結晶、電子システム及び光電変換器を含み、シンチレーション結晶、導光体及びシリコン光電子増倍管アレイは、この順序で、光結合剤（optical coupling agent）によって結合される。

【0014】

本発明の他の目的は、検出器を含む走査装置を提供することである。走査装置は、検出装置とラックとを含み、検出装置はラックに取り付けられ、検出装置は検出器を含む。

【0015】

上述した技術的ソリューションからわかるように、本開示では、シリコン光電子増倍管を用いた光電検出ソリューションを採用する。シリコン光電子増倍管は、体積が小さく、コンパクトな配置構造を有しており、適切な大きさのシリコン光電子増倍管を適切な形状の導光体と協働させることにより、シンチレーション結晶の光子を導光体内に拡散させ、豊富な空間情報を使用して高い空間分解能のＰＥＴ検出器を構築でき、これによって最終的にＰＥＴシステム全体の空間分解能が向上する。更に、シリコン光電子増倍管を用いて、ＰＥＴ／ＭＲＩに適用可能なＤＯＩ及びＴＯＦの能力を有するＰＥＴ検出器を低コストで構築できる。

【0016】

本開示は、従来技術と比較して、以下の有益な効果を有する。

【0017】

１．体積が大きい光電子増倍管を用いた従来のソリューションと比較して、シリコン光電子増倍管を用いた光電検出システムソリューションでは、シリコン光電子増倍管の体積が小さく、配置構造がコンパクトであり、適切なサイズを有する適切な数のシリコン光電子増倍管を、適切な形状を有する光ガイドと協働させることができ、生来的に空間分解能が高いＰＥＴ検出器を構築することができ、最終的にＰＥＴシステム全体の空間分解能を向上させることができる。

【0018】

２．シリコン光電子増倍管は、光電子増倍管に匹敵する利得（１０^６）を有し、雑音は、許容可能なレベルである。従来の光電変換器であるアバランシェフォトダイオードは、利得が１０^４であり、雑音が大きいため、アバランシェフォトダイオードを含むＰＥＴ検出器は、性能が低い。

【0019】

３．シリコン光電子増倍管は体積が小さく、複数の検出器構造を構築するのに便利であり、ＤＯＩ検出能力を有するＰＥＴ検出器を構築するのに適しているため、体積が大きい光電子倍増管を用いる場合に比べて、ＰＥＴ検出器構造を構築する際の柔軟性が大幅に向上する。

【0020】

４．シリコン光電子増倍管は、時間性能が良好であり、ＴＯＦ能力を有するＰＥＴ検出器を構築するために使用でき、これによってＰＥＴ画像の品質を改善することができる。

【0021】

５．従来のＰＥＴ検出器で一般的に用いられている光電子増倍管は、磁場内で正常に動作することができず、したがって、ＰＥＴ／ＭＲＩデュアルモードイメージングシステムを研究開発する際に、光電変換器を選択することが困難であった。シリコン光電子増倍管は、利得が高く、動作過程で磁場の影響を受けず、したがって、シリコン光電子増倍管は、ＰＥＴ／ＭＲＩソリューションにおけるコア光電変換デバイスとしての最適な選択肢となる。

【0022】

６．光電子増倍管、特に位置敏感型光電子増倍管は、複雑な製造プロセスのために、常に高コストである。シリコン光電子増倍管は、大量生産することで低コストになり、これにより、ＰＥＴシステムを構築するためのコストを大幅に低減することができる。

【0023】

７．３種類の電子前処理回路により、シリコン光電子増倍管に基づいて構築されたＰＥＴ検出器のチャネル数を効果的に低減できるのみでなく、γ光子堆積の位置、エネルギ、時間に関する情報も失われず、シリコン光電子増倍管に基づいて構築されたＰＥＴ検出器を容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本開示の第１の実施形態による光電変換器の概略立体図である。

【図2】本開示の第２の実施形態による光電変換器の概略立体図である。

【図3】本開示の第３の実施形態による光電変換器の概略立体図である。

【図4】本開示によるレジスタネットワークによる４個のシリコン光電子増倍管信号から最終的に４個の重み付け信号経路がどのように形成されるかを示す概略図である。

【図5】本開示による、より簡単な抵抗ネットワークによって、シリコン光電子増倍管信号の１６チャネルから最終的に重み付け信号の４個の経路がどのように形成されるかを示す概略図である。

【図6】シリコン光電子増倍管のカソード信号及びアノード信号を同時に取得することによって、１６個のシリコン光電子増倍管信号から最終的に重み付けされた信号の８つの経路がどのように形成されるかを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

シリコン光電子増倍管は、光電子増倍管に匹敵する利得を有すると共に、アバランシェフォトダイオードの特徴である小さな体積、磁場に対する不感受性、良好な時間性能、及び大量生産された場合の低価格といった利点を有する。シリコン光電子増倍管は、光電子増倍管とアバランシェフォトダイオードの両方の利点を有する。この利点を十分に利用し、対応する導光体を設計することによって、シンチレーション結晶の光子を導光体内で拡散させることができる。このような豊富な空間分布情報と、後段の電子設計及び位置読み取りアルゴリズムとを組み合わせることにより、γ光子の体積位置情報を正確に取得することができ、したがって、ＰＥＴ検出器の空間分解能は、シリコン光電子増倍管のサイズ制限を超えることができる。

【0026】

以上の分析に基づき、本開示は、空間分解能がより高く、ＤＯＩ及びＴＯＦの能力を有し、ＰＥＴ／ＭＲＩに適用され、コストが低い光電変換器、光電変換器を含む検出器、及び検出器を含む走査装置を提供する。

【0027】

走査装置は、検出装置とラックとを含み、検出装置は、ラックに取り付けられ、検出装置は検出器を含む。

【0028】

検出器は、シンチレーション結晶、電子システム及び光電変換器を含む。光電変換器は、シリコン光電子増倍管アレイと、シリコン光電子増倍管アレイに結合された導光体とを含む。シンチレーション結晶、導光体及びシリコン光電子増倍管アレイは、この順序で、光結合剤によって、結合される。シリコン光電子増倍管は、体積が小さく、複数の検出器構造を構築するのに便利であり、ＤＯＩ検出能力を有するＰＥＴ検出器を構築するのに適しているため、体積が大きい光電子倍増管と比べて、ＰＥＴ検出器構造を構築する際の柔軟性が向上する。シリコン光電子増倍管は、時間性能が良好であり、ＴＯＦ能力を有するＰＥＴ検出器を構築するために使用でき、これによってＰＥＴ画像の品質が改善される。

【0029】

シリコン光電子増倍管アレイは、ｉ×ｊ個のシリコン光電子増倍管を水平面で接合することによって形成され、ここで、ｉとｊは、共に２以上の整数である。シンチレーション結晶、導光体及びシリコン光電子増倍管アレイは、この順序で、光結合剤によって、結合されている。シンチレーション結晶からのシンチレーション光子は、導光体を通過する際に拡散し、導光体に結合されたシリコン光電子増倍管によって受光された光子の分布に基づいて、位置アルゴリズムと組み合わせて、シンチレーション結晶内のγ光子の堆積位置を正確に取得することができる。体積の大きな光電子増倍管を用いた従来のソリューションと比較して、シリコン光電子増倍管を用いた光電子増倍管では、シリコン光電子増倍管は、体積が小さく、価格が安く、コンパクトな構造を有するため、シリコン光電子増倍管を用いてＰＥＴ検出器を構築した場合、検出器の空間解像度が改善され、最終的に、システムの画像品質を向上させることができる。更に、シリコン光電子増倍管は、光電子増倍管に匹敵する利得（１０^６）を有し、雑音は、許容可能なレベルである。従来の光電変換器であるアバランシェフォトダイオードは、利得が１０^４であり、雑音が大きいため、アバランシェフォトダイオードを含むＰＥＴ検出器の性能は低かった。

【0030】

図１に示すように、検出器は、γ光子をシンチレーション光子に変換するシンチレーション結晶１と、シンチレーション光子を電気パルス信号に変換する光電変換器２と、電気パルス信号に基づいてγ光子堆積の位置、エネルギ及び時間信号を算出する電子システム３とを含む。光電変換器２は、導光体４と、導光体４に結合されたシリコン光電子増倍管５とを備え、シンチレーション結晶１、導光体４、シリコン光電子増倍管５は、この順序で、光結合剤によって、結合されている。光結合剤は光学接着剤であってもよい。

【0031】

導光体は、光ファイバ、フルカット透明素子、非フルカット透明素子又は連続透明素子である。透明素子は、一般的な無機ガラス、有機ガラス又はシンチレーション結晶から形成される。

【0032】

シンチレーション結晶は、単結晶ストリップを含むアレイ結晶、非フルカットアレイ結晶、ノンカット連続結晶、又は連続結晶とアレイ結晶とを含む多層結晶を含む。

【0033】

シンチレーション結晶は、無機シンチレーション結晶であり、ゲルマン酸ビスマス、ケイ酸ルテチウム、臭化ランタン、ケイ酸ルテチウム、ケイ酸イットリウム、フッ化バリウム、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化セシウム等から形成される。

【0034】

従来の技術では、異なる製造業者によって製造されているシリコン光電子倍増管は、シリコン光電子増倍管（silicon photomultiplier：ＳｉＰＭ）、マルチピクセルフォトカウンタ（multi-pixel photo counter：ＭＰＰＣ）、ガイガーモードアバランシェフォトダイオード（Geiger-mode avalanche photodiode：Ｇ−ＡＰＤ）、デジタルシリコン光電子増倍管（digital silicon photomultiplier：ｄＳｉＰＭ）を含む異なる名称で呼ばれている。これらは、名称が異なるが、実際には、全てが本開示におけるシリコン光電子増倍管を指し、同じ原理及び機能を有する。本開示では、これらをまとめてシリコン光電子増倍管と呼び、本開示の保護範囲は、名称の相違によって変更されるものではない。すなわち、名称の相違によって、その製品が本発明の概念とは異なる発明概念に属するとは考えられない。本開示で開示するシリコン光電子増倍管の実際の保護範囲は、従来技術において異なる製造業者によって異なる名称を付されたシリコン光電子増倍管に関連する製品を含む。

【0035】

１つのシリコン光電子増倍管の検出領域は、１×１ｍｍ^２〜６×６ｍｍ^２であり、マイクロピクセルユニットの面積は、２５×２５μｍ^２〜１００×１００μｍ^２の範囲である。

【0036】

導光体の形状は、円錐、円柱、直方体、立方体、角錐台状多面体であってもよく、実際には、ここに詳細に列挙していない他の形状であってもよい。導光体は、光ファイバ、フルカット透明素子、非フルカット透明素子、連続透明素子又は他の透明素子を含み、透明素子は、一般的な無機ガラス、有機ガラス及びシンチレーション結晶から形成される。導光体は、Ｐ層を含み、Ｐは０〜４の範囲である。導光体の層の総厚は、０．１ｍｍから５０ｍｍの範囲である。図１及び図２は、導光体の層の数ｍが１であり、導光体が連続透明素子である場合のみを示している。

【0037】

光電変換器は、ｉ×ｊ個のシリコン光電子増倍管を水平面で接合することによって形成されたシリコン光電子増倍管アレイを含み、２以上の整数であるｉは、水平面の長さ方向のシリコン光電子増倍管の数であり、２以上の整数であるｊは、水平面の幅方向のシリコン光電子増倍管の数である。１つのγ光子堆積イベントに応答して、光電変換器は、電気パルス信号のｋ個の経路を生成し、ｋは、４以上の整数である。電子システムは、電気パルス信号のｋ個の経路を処理して、γ光子のエネルギ、位置及び時間に関する情報を取得する。γ光子の位置、エネルギ及び時間に関する情報を取得するために電気信号を処理するように構成された電子システムは、電気パルス信号のｋ個の経路を前処理せず、電気パルス信号のｋ個の経路を１個毎に直接読み取り、最尤推定法と人工ニューラルネットワーク測位アルゴリズムを用いてγ光子の堆積位置を算出する。

【0038】

γ光子の位置、エネルギ及び時間に関する情報を取得するために電気信号を処理するように構成された電子システムは、電気パルス信号のｋ個の経路を前処理することによって電子チャネルの数を減らすことができる。前処理回路には、Ａｎｇｅｒ回路、離散比例カウンタ（discretized proportional counter：ＤＰＣ）回路、及びクロスワイヤ回路が含まれる。電気パルス信号のｋ個の経路を前処理することによって、電気パルス信号の経路は、ｍ個となり、ｍは４以上でｋ以下の整数である。図４から図６は、それぞれ、Ａｎｇｅｒ回路、ＤＰＣ回路及びクロスワイヤ回路を示している。上述した３種類の電子前処理回路により、シリコン光電子増倍管に基づいて構築されたＰＥＴ検出器のチャネル数を効果的に低減できるのみでなく、γ光子の堆積の位置、エネルギ、時間に関する情報が失われず、シリコン光電子増倍管に基づいて構築されたＰＥＴ検出器を容易に実現することができる。

【0039】

電子システムは、位置アルゴリズムを使用して、ｍ個の電気パルス信号に基づいてγ光子の堆積位置を算出する。位置アルゴリズムは、重心法（centroid method）、Ａｎｇｅｒ−Ｌｏｇｉｃ法、最尤推定法及び人工ニューラルネットワーク測位アルゴリズムを含む。

【0040】

電子システムは、時間アルゴリズムを使用して、ｍ個の電気パルス信号に基づいてγ光子の堆積時間を算出することができる。時間アルゴリズムとは、ｍ個の電気パルス信号の合計又は加重和を算出して総電気パルス信号を取得し、γ光子の堆積時間として総電気パルス信号の時間情報を抽出するアルゴリズムである。

【0041】

時間計算アルゴリズムは、ＣＦＤ（Constant Fraction Drimination）法、ＬＥＤ（Leading Edge Discrimination）法、ＭＶＴ（Multi-Voltage Threshold）法、ＲＴＳ（Regular-Time Sampling）法を含む。

【0042】

以下、本開示の実施形態を示す図面を参照して、本開示の実施形態における技術的ソリューションを詳細に説明する。ここに開示する実施形態は、本開示の実施形態の全てではなく一部に過ぎないことは明らかである。本開示の実施形態に基づいて当業者が創造的な作業なしで想到できる他の実施形態は、本開示の保護範囲に含まれる。

【0043】

第１の実施形態
図１に示すように、検出器は、シンチレーション結晶１と、光電変換器２と、電子システム３とを含む。シンチレーション結晶１は、水平面上で同じサイズの１２×１２のシンチレーション結晶ストリップを接合することによって形成される。シンチレーション結晶１の底面は導光体４の上面に直接結合されている。シリコン光電子増倍管アレイ５は、同じサイズの４×４シリコン光電子増倍管を含む。導光体は、１層のみからなり、直方体の形状を有し、厚さは１３ｍｍであり、ガラス製である。電子システム３では、まず、チャネル数を１６から４に減らすためのＤＰＣ回路を採用し、Ａｎｇｅｒ−Ｌｏｇｉｃアルゴリズムを用いてγ光子の堆積位置を求める。γ光子の堆積時間に関する情報を取得する方法は、ＤＰＣ回路から出力された４個の信号の経路の合計を計算することと、γ光子の堆積時間として合計信号の時間を抽出することを含む。

【0044】

第２の実施形態
図２に示すように、検出器は、シンチレーション結晶１、光電変換器２及び電子システム３を含む。シンチレーション結晶１は、水平面上で同じサイズの１２×１２のシンチレーション結晶ストリップを接合することによって形成される。シンチレーション結晶１の底面は、導光体４の上面に直接結合されている。シリコン光電子増倍管アレイ５は、同じサイズの４×４シリコン光電子増倍管を含む。導光体は、１層のみで構成され、角錐台状の六面体形状を有し、すなわち、上面及び下面が正方形であり、４個の側面が台形であり、厚さが１３ｍｍであり、上面及び下面の面積が異なる。電子システム３では、まず、クロスワイヤ回路を用いてチャネル数を１６から８に減らし、次に、最尤推定法を用いてγ光子の堆積位置を求める。γ光子の堆積時間に関する情報を取得する方法は、クロスワイヤ回路から一方向に出力された４個の信号の経路の合計を算出することと、γ光子の堆積時間として合計信号の時間を抽出することを含む。

【0045】

第３の実施形態
図３に示すように、シリコン光電子増倍管に基づく位置検出型ＰＥＴ検出器は、シンチレーション結晶１と、光電変換器２と、電子システム３とを含む。シンチレーション結晶１は、水平面上で同じサイズの１２×１２のシンチレーション結晶ストリップを接合することによって形成される。シンチレーション結晶１の底面は導光体４の上面に直接結合されている。シリコン光電子増倍管アレイ５は、同じサイズの４×４シリコン光電子増倍管を含む。導光体は、１つの層のみで形成され、角錐台状の十面体形状、すなわち直方体と六面体を有し（直方体と六面体とが連続する導光体）、上面及び下面が正方形であり、８個の側面のうち、４個の側面が矩形であり、４個の側面が台形であり、厚さが１３ｍｍであり、上面及び下面の面積が異なる。電子システム３では、まず、クロスワイヤ回路を用いてチャネル数を１６から８に減らし、次に、最尤推定法を用いてγ光子の堆積位置を求める。γ光子の堆積時間に関する情報を取得する方法は、クロスワイヤ回路から一方向に出力された４個の信号の経路の合計を算出することと、γ光子の堆積時間として合計信号の時間を抽出することを含む。

【0046】

図４は、Ａｎｇｅｒ回路の概略図である。図４は、抵抗ネットワークによって、シリコン光電子増倍管信号の４個のチャネルから、最終的に４個の重み付けされた信号の経路をどのように構成するかを示している。具体的には、信号の各チャネルを各方向の異なる抵抗比で重み付けした後、重心法を用いてシリコン光電子増倍管信号を生成する位置を算出する。図４に示す原理に基づき、創造的な作業なしで、１６又は６４チャネルの信号から最終的に４個の重み付け信号の経路を構成することもできる。

【0047】

図５は、ＤＰＣ回路の概略図を示している。図５には、より単純な抵抗ネットワークによって、シリコン光電子増倍管信号の１６チャネルから、最終的に４個の重み付けされた信号の経路をどのように構成するかを示している。このように、この回路では、各経路内の異なる位置のシリコン光電子増倍管信号に異なる加重値が適用され、Ａｎｇｅｒ−Ｌｏｇｉｃアルゴリズムを使用して位置が生成される。回路内の抵抗は概略的なものに過ぎないことは明らかである。図５に示す原理に基づき、創造的な作業なしで、抵抗の一部又は抵抗の数を変更するだけでシリコン光電子増倍管チャネル信号のｘ×ｙ経路から最終的に４個の重み付けされた信号の経路を構成でき、ここで、ｘとｙは、いずれも２以上の整数である。

【0048】

図６は、クロスワイヤ回路の概略図である。図６には、シリコン光電子増倍管のカソード信号とアノード信号を同時に取得することによって、１６個のシリコン光電子増倍管信号から重み付け信号の８つの経路が最終的にどのように形成されるかが示されている。この図から明らかなように、この回路によって、ｘ×ｙ個のシリコン光電子増倍管信号の経路をｘ＋ｙ個の信号の経路に削減することができ、ここで、ｘとｙは２以上の整数である。次に、最尤推定法又は人工ニューラルネットワークアルゴリズムを用いて位置を生成する。図６に示す原理は、創造的な作業なしで、他のｘ×ｙ個のシリコン光電子増倍管の経路の場合に適用でき、ここで、ｘとｙは２以上の整数である。

【0049】

本発明は、従来技術と比較して、以下の効果を有する。

【0050】

１．体積が大きい光電子増倍管を用いた従来のソリューションと比較して、シリコン光電子増倍管を用いた光電検出システムソリューションでは、シリコン光電子増倍管の体積が小さく、配置構造がコンパクトであり、適切なサイズを有する適切な数のシリコン光電子増倍管を、適切な形状を有する光ガイドと協働させることができ、生来的に空間分解能が高いＰＥＴ検出器を構築することができ、最終的にＰＥＴシステム全体の空間分解能を向上させることができる。

【0051】

２．シリコン光電子増倍管は、光電子増倍管に匹敵する利得（１０^６）を有し、雑音は、許容可能なレベルである。従来の光電変換器であるアバランシェフォトダイオードは、利得が１０^４であり、雑音が大きいため、アバランシェフォトダイオードを含むＰＥＴ検出器は、性能が低い。

【0052】

３．シリコン光電子増倍管は体積が小さく、複数の検出器構造を構築するのに便利であり、ＤＯＩ検出能力を有するＰＥＴ検出器を構築するのに適しているため、体積が大きい光電子倍増管を用いる場合に比べて、ＰＥＴ検出器構造を構築する際の柔軟性が大幅に向上する。

【0053】

４．シリコン光電子増倍管は、時間性能が良好であり、ＴＯＦ能力を有するＰＥＴ検出器を構築するために使用でき、これによってＰＥＴ画像の品質を改善することができる。

【0054】

５．従来のＰＥＴ検出器で一般的に用いられている光電子増倍管は、磁場内で正常に動作することができず、したがって、ＰＥＴ／ＭＲＩデュアルモードイメージングシステムを研究開発する際に、光電変換器を選択することが困難であった。シリコン光電子増倍管は、利得が高く、動作過程で磁場の影響を受けず、したがって、シリコン光電子増倍管は、ＰＥＴ／ＭＲＩソリューションにおけるコア光電変換デバイスとしての最適な選択肢となる。

【0055】

６．光電子増倍管は、複雑な製造プロセスのために、常に高コストである。シリコン光電子増倍管は、大量生産することで低コストになり、これにより、ＰＥＴシステムを構築するためのコストを大幅に低減することができる。

【0056】

７．３種類の電子前処理回路により、シリコン光電子増倍管に基づいて構築されたＰＥＴ検出器のチャネル数を効果的に低減できるのみでなく、γ光子堆積の位置、エネルギ、時間に関する情報も失われず、シリコン光電子増倍管に基づいて構築されたＰＥＴ検出器を容易に実現することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】