DE102019000614A1

DE102019000614A1 - Sensorchip für die Lichtdetektion

Info

Publication number: DE102019000614A1
Application number: DE102019000614.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Lerche; Arne Berneking; Prof. Dr. Joni Shah Nadim
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-08-13
Also published as: EP3918375A1; WO2020156600A1; US20220128721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensorchip für die Lichtdetektion.Erfindungsgemäß wird ein Sensorchip bereitgstellt, welcher eine Linearkodierung von Signalen aus Mikrozellen mit einer x- und y- Position im Sensorchip durch eine Reihenschaltung von Kodierwiderständen R, R, R, .....Rbzw R, R, R, .....Rin den Auslesekanälen Chund Chbzw. Auslesekanälen Chc und Chverwirklicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensorchip der für einen Positronen-Emissions-Tomographie-Detektorring geeignet ist.
Nach dem Stand der Technik werden Positronen-Emissions-Tomographie-Detektorringe eingesetzt um die β⁺β^- Annihilationsstrahlung zu detektieren. Die Ringe bestehen aus Szintillationskristallen an die Sensoren angrenzen, die dazu in der Lage sind die Szintillationsstrahlung zu detektieren. Typische Detektoren sind SiPM (Silizium Photomultiplier). Der Aufbau gestaltet sich derart, dass der Detektorring in der Regel kreisförmig ist, wobei das zu vermessende Objekt, beispielsweise ein Körperteil eines Patienten oder Tieres in das Zentrum des Detektorrings (PET-Ring) gelegt wird. Durch die Verwendung von Radiodiagnostika wird β⁺β^- Annihilationsstrahlung erzeugt, die detektiert werden soll. Die β⁺β^- Annihilationsstrahlung, im Folgenden Vernichtungsstrahlung genannt, trifft auf Szintillationskristalle, die ringförmig um das zu untersuchende Objekt angeordnet sind und erzeugt die Szintillationsstrahlung. Die Szintillationsstrahlung wird wiederum von den SiMP registriert, die sich bezogen auf die Strahlungsquelle, in der konzentrischen Anordnung hinter dem Szintillationskristall befindet. Die SiMP können jedoch auch an anderen Seiten des Szintillationskristalls angeordnet sein, beispielsweise vor dem Szintillationskristall oder seitlich davon. Der Szintillationskristall ist ein dreidimensionaler Körper. Bezogen auf eine Anordnung, bei der das zu untersuchende Objekt vom Zentrum des Detektorrings Vernichtungsstrahlung emittiert, spannt der Querschnitt auf den die Vernichtungsstrahlung auf den Szintillationskristall trifft, eine xy-Ebene auf. Die Tiefe des Szintillationskristalls wird in dieser Nomenklatur als z-Achse bezeichnet. In einer idealisierten Darstellung befindet sich im Zentrum des Detektorrings ein zu untersuchendes Objekt bzw. eine Emissionsquelle für Strahlung einer Energie von 511 keV, die idealerweise senkrecht auf die xy-Ebene des Szintillationskristalls trifft und eine Eindringtiefe entlang der z-Achse des Szintillationskristalls aufweist. Die 511keV Vernichtungsstrahlung löst dann an einem Punkt des Szintillationskristalls entlang der z-Achse eine Szintillation aus, die vom Sensor, beispielsweise einem SiPM, als Signal registriert wird. Ein SiPM ist fähig sogar einzelne Photonen zu detektieren. Wenn das minimal benötigte Licht auf die aktive Sensorfläche trifft, erfährt die SiPM-Mikrozelle einen Durchbruch der Diode Die Mikrozellen werden deshalb auch Single Avalanche Photo Diode, SPAD genannt. Dies generiert einen Strompuls, welcher am Ausgang des Bauteiles gemessen werden kann. Ein sogenannter Quench-Widerstand verhindert, dass die Zelle einen kritischen Strom generiert, der so hoch wird, dass das Bauteil zerstört wird. Der Ausgangsstrom einer SiPM-Mikrozelle ist unabhängig von der Menge Licht, welche den Sensor erreicht und den Durchbruchprozess gestartet hat. Eine SiPM-Mikrozelle ist ein binärer Sensor, welcher detektiert, ob Licht einfällt oder nicht. Um quantitative Informationen über das einfallende Licht zu erhalten, besteht ein SiPM aus einer Vielzahl von Mikrozellen. Eine Mikrozelle besteht dabei aus einer Photodiode und einem Quenchwiderstand. Die Anzahl der durchgebrochenen Zellen gibt dann Informationen über die eingefallene Lichtmenge an.
Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Sensitivität des Szintillationskristalls und dessen Länge entlang der z-Achse. Je dicker (längere Ausdehnung in z-Richtung) der Szintillationskristall dimensioniert ist, desto empfindlicher ist er, da es umso wahrscheinlicher zu einem Szintillationsereignis kommt.
Bei der Detektion der Vernichtungsstrahlung werden von dem Punkt, an dem die Vernichtungsstrahlung emittiert wird, Strahlen in zwei entgegengesetzte Richtungen emittiert, so dass die Strahlen einen Winkel von 180° ausbilden. Die Linie, die durch diese Strahlen gebildet wird, wird als „line of response“ (LOR) bezeichnet. Entsprechend treffen bei einem ringförmigen Detektor entlang der LOR zwei Strahlen auf Szintillationskristalle, die - bezogen auf die ringförmige Anordnung in deren Zentrum sich die Emissionsquelle befindet - auf gegenüberliegenden Seiten liegen.
Für Detektoren mit einer Lichtdetektion durch Photodioden in Form von SiPMs an nur einer Seite des Szintillatioskristalls existieren verschiedene etablierte Methoden, um die x- und y-Position eines Events zu bestimmen. Diese beinhalten jedoch nicht die z-Position und somit ist nicht die genaue Position im Szintillationskristall bestimmt, wo das Gammaphoton auf der z-Achse gestoppt und in Licht umgewandelt wurde (Photokonversion). Wird die z-Position nicht mit bestimmt, kommt es bei der Bestimmung der LOR zu Parallaxefehlern, die auf das beschriebene Interaktionstiefenproblem (DOI-Problem) zurückzuführen sind. Das DOI-Problem kommt immer dann zu Stande, wenn die LOR nicht parallel zur z-Achse des Szintillatorkristalls ist. Je weiter sich das Emissionszentrum für eine LOR außerhalb des Zentrums der transaxialen Ebene eines PET-Rings befindet, desto größer wird das Problem. Dadurch kommt es beim Design eines PET-Ringes zu einem Kompromiss zwischen Erhöhung der Sensitivität durch längere Szintillationskristalle und Verringerung der DOI-Fehler durch kürzere Szintillationskristalle. In einigen Bereichen der PET-Anwendung besteht der Bedarf, eng am Untersuchungsobjekt anliegende PET-Ringe (Detektorringe) zu verwenden. Das ist insbesondere in der Medizin der Fall, wenn Patienten gleichzeitig mit einem MRT-Verfahren und einem PET-Verfahren untersucht werden sollen. Dann muss der PET-Ring in die Öffnung der MRT-Scannerröhre passen. Das hat zur Folge, dass der verwendete PET-Ring im Durchmesser klein dimensioniert sein muss, damit er in die Öffnung des MRT-Rings passt. Bei einer kleinen Dimensionierung des PET-Rings besteht jedoch das Problem, dass das zu untersuchende Objekt, beispielsweise ein Körperteil eines Kleintiers oder auch eines Menschen, zwar zentriert angeordnet werden kann, jedoch gemessen an dem Durchmesser des PET-Rings so dimensioniert ist, dass er bis weit in die Randbereiche der Öffnung des PET-Rings reicht. Damit sind jedoch auch Punkte, von denen Vernichtungsstrahlung ausgeht so dicht am PET-Ring positioniert, dass das DOI-Problem erheblich wird.
In den vergangenen Jahren wurde insbesondere die Auflösung bei Kleintier-PET-Scannern mit der Verwendung von pixilierten Szintillationskristallblöcken mit immer kleineren Pixelgrößen deutlich verbessert. Dabei ist die Pixelung auf der xy-Ebene verwirklicht, so dass sich im Szintillationskristall Röhren von Pixeln, die in z-Richtung ausgerichtet sind, ausbilden. Eine Verkleinerung der Pixelgröße in der xy-Ebene wurde besonders durch den Bedarf an immer höherer Ortsauflösung in Kleintier-PET-Scannern gefördert, da das untersuchte Objekt sehr klein ist. Mittlerweile hat die Pixelgröße bereits den Submillimeterbereich erreicht. Deswegen kommt es verstärkt zu zwei Problemen, die gelöst werden müssen. Erstens bestehen die pixilierten Kristallblöcke aus Kleber und Reflektorfolie, welche sich zwischen den einzelnen Szintillationskristallen befindet, um so einen pixilierten Block mit optisch gegeneinander isolierten Pixeln aufzubauen. Die Schicht Kleber und Reflektorfolie hat eine ungefähre Dicke von 70µm. Demzufolge haben pixilierte Arrays mit besonders geringem Pixelabstand einen erhöhten Sensitivitätsverlust. Im Falle eines Arrays mit 0.8 cm x 0.8 cm großen Kristallpixeln, wie sie zum Beispiel in [1] verwendet wurden, verringert sich das Verhältnis von Kleber und Folie zu Szintillationskristall deutlich, so dass Kleber und Folie bereits einen Anteil von 29 % ausmachen. Der Szintillationskristallanteil ist folgerichtig auf 71 % reduziert. In den anderen 29 % Volumen können Gammaquanten nur sehr ineffizient gestoppt und in Licht umgewandelt werden. Verwendet man noch kleinere pixilierte Arrays von beispielsweise 0.5 cm x 0.5 cm, reduziert sich der Kristallanteil sogar auf 59 %. Deswegen ist die Erhöhung der Auflösung mit pixilierten Arrays immer an einen Verlust von Sensitivität gebunden. Das zweite Problem mit pixilierten Szintillationskristallarrays ist, dass das emittierte Licht auf einen kleineren Bereich der SiPM-Detektorfläche konzentriert wird. Ein SiPM besteht aus mehreren Mikrozellen, welche, wie oben Beschrieben, als binäre Elemente funktionieren. Je mehr Licht einen SiPM trifft, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Lichtquanten auf die gleiche Mikrozelle des SiPM treffen. Diese zusätzlichen Lichtquanten können dann nicht detektiert werden. Konsequenter Weise ist die Wahrscheinlichkeit von Sättigung eines SIPM deutlich höher, wenn pixilierte Szintillationskristallarrays verwendet werden, da diese das Licht stärker auf einen kleinen Bereich des SiPM konzentrieren. Sättigungseffekte führen auch zu einer schlechteren Energieauflösung und Zeitauflösung der Detektoren.
Wie eingangs erwähnt, verwenden Detektoren vom Stand der Technik SiPM-basierte Sensortechnologien, um Magnetresonanztomographiekompatibilität (MRI-Kompatibilität) für den Gebrauch in MR/PET Hybridscannern zu ermöglichen. Ein weiteres Problem mit Hybridscannern ist, dass der Platz für PET-Detektoren und zugehörige Elektronik durch den Röhrendurchmesser des Magnetresonanztomographens (MRT) begrenzt ist. Dies trifft insbesondere für Ultra-Hochfeld-Tomographen zu. Als Konsequenz des schmaleren Röhrendurchmessers müssen die PET-Szintillationskristalle so kurz wie möglich sein. Kürzere Szintillationskristalle verringern ebenfalls die Sensitivität. Die bedeutet auch, dass sich durch die Bedingungen des Röhrendurchmessers der PET-Ring näher am Untersuchungsobjekt befindet. Abgesehen von Beschränkungen durch Hybridgeräte versucht man auch auf Grund einer höheren Sensitivität und geringerer Kosten PET-Ringe mit möglichst geringem Durchmesser zu verwenden.
Weiterhin ist bekannt, dass viele SiPM-Sensorkonzepte für PET Geräte eine Kodierung der Ausgangskanäle beinhalten, da durch die Erhöhung der Ausgangskanäle die Leistungsaufnahme des PET-Ringes erhört wird. Diese ist allerdings konstruktionsbedingt limitiert. Eine einfache Rechnung verdeutlicht dies. Ein PET-Ring mit einem Durchmesser von 8 cm und einer Länge von 10 cm resultiert in einer Detektoroberfläche von 251 cm². Wird eine 1-zu-1-Kopplung von Szintillationskristallen und SiPMs mit einer Kristallpixelgröße von 0.8 mm verwendet, werden bereits 39270 Auslesekanäle benötigt, falls jeder Kanal individuell ausgelesen wird.
Um höhere Ortsauflösungen zu erzielen, bestehen aktuelle Sensordesigns aus Sensorchips mit kleineren Pixelgrößen (d.h. aus mehreren, unabhängigen und in einer Matrix angeordneten, SiPMs). Hierbei bezeichnet ein Pixel des Sensorchips mehrere individuelle, parallel geschaltete Mikrozellen. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Auslesekanäle, welche durch die Leistungsaufnahme, Platz und Datenraten begrenzt sind. Als Konsequenz daraus wurden positionssensitive (PS) Kodierungsmethoden entwickelt, um die Anzahl der Auslesekanäle eines Chips zu reduzieren [1-3, 15]. Das aktuellste entwickelte Konzept heißt PS-SSPM [1] und basiert auf ladungsteilenden PS-SiPMs. Ladungsteilenden PS-SiPM-Mikrozellen detektieren das Licht wie herkömmliche SiPM-Mikrozellen. Jedoch beinhaltet dieses Sensorkonzept ein Widerstandsnetzwerk, welches die generierte Ladung abhängig von der Position und der Kodierung verteilt. Der in [1] vorgestellte Detektoraufbau besteht aus einem pixilierten Kristallarray mit einem Abstand von 0.8 mm.
Dieses aktuellste Detektorkonzept ermöglicht den Vorteil einer Ausgangskanalreduzierung durch die Kanalkodierung bei gleichzeitiger hoher Detektorarrayauflösung, welche durch den Gebrauch von pixilierten Szintillationskristallarrays mit einem Abstand von weniger als einem Millimeter erreicht wird. Allerdings beinhaltet es keine DOI-Informationsdetektion.
Ein in [4] publiziertes Konzept beweist die Möglichkeit einen PET-Detektor bestehend aus monolithischen Kristallen und SiPMs aufzubauen. Wie bereits zuvor erwähnt, lösen monolithische Kristalle das Problem von Sensitivitätsverlusten durch den Platzbedarf von Reflektorfolien und zugehörigen Klebern. Außerdem fallen durch das entfallende Zuschneiden und Verkleben der Szintillatorpixel die Produktionskosten von monolithischen Kristallen geringer aus. Die verwendete Dicke der Kristalle beträgt 2mm. Dadurch werden mit dem in [4] verwendeten Aufbau Parallaxefehler vermieden, was jedoch durch die geringe Ausdehnung des Szintillationskristalls in z-Richtung erkauft wird. Gleichzeitig ist die Detektionseffizienz durch die geringe Kristallhöhe jedoch gering.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten DOI-Informationen zu messen und damit Parallaxefehler zu korrigieren, welche zusätzlich an einer weiteren Kristallseite Licht detektieren. Besonders für SiPMs vom Stand der Technik erhöhen sich die Kosten dadurch immens. Ein Konzept für DOI-Detektion, welches nur an einer Kristallseite Licht detektiert und dabei monolithische Kristalle verwendet, ist in [5] publiziert und in [6] patentiert. Es verwendet das bekannte Prinzip, dass die Lichtverteilung des Kristalls abhängig von der DOI ist. Das verwendete Detektorkonzept ist mit monolithischen Kristallen an positionssensitive Photomultiplier (PMT) H8500 von Hamamatsu gekoppelt. Außerdem wird ein Widerstandsnetzwerk verwendet, welches Positionskodierung und damit auch Ausgangskanalreduzierung ermöglicht. Dabei wird die Standardabweichung der Lichtverteilung verwendet, um die DOI abzuschätzen. Zur Berechnung der Standardabweichung benötigt man das Moment der 1. und 2. Ordnung der Lichtverteilung. Das Moment 1. Ordnung ist bereits durch die Linearkodierung der Ausgangskanäle gegeben. Zur Bestimmung des Moments 2. Ordnung ist ein Summennetzwerk entwickelt worden und in das Widerstandsnetzwerk integriert
Einen Überblick von PET-Detektoren mit DOI-Detektion ist in [7] zusammengefasst. Beschreibungen und Ergebnisse von Kleintier-PET- und MR/PET-Hybridscannern, welche in den letzten Jahren entwickelt worden sind, befinden sich in [8-11].
Detektorkonzepte, welche auf aktueller SiPM-basierter Technologie bestehen und eine Positionskodierung zur Kanalreduktion enthalten, beinhalten keine DOI-Detektion. Deswegen beinhalten PET-Ringe, die mit diesen Detektoren aufgebaut sind, Parallaxefehler in den rekonstruierten Bildern. Darüber hinaus verwenden die meisten Szintillationsdetektoren pixilierten Szinitllatorkristallarrays. Dieses führt wie oben beschrieben zu einem Verlust an Sensitivität bedingt durch die Reflektorfolie und dem Kleber zwischen den Kristallen des Arrays. Aufgrund der fehlenden DOI-Information ist man bei der dicke der Kristalle begrenzt. Eine Erhöhung der Sensitivität durch dickere Kristalle geht einher mit einem Verlust an Ortsauflösung bedingt durch fehlende DOI-Information und die daraus resultierenden Parallaxefehler. Die in [7] genannten DOI-Konzepte für pixilierte Kristalle sind prinzipiell auch mit beliebig kleinen Szinitllatorkristallen realisierbar, die erwähnten Nachteile wie Sättigungseffekte und Sensitivtätsverlust gelten aber auch für diese Konzepte.
Aktuell sind SiPM-Sensoren eine der teuersten Komponenten eines PET-Rings.
Das Konzept, welches in [5, 6] realisiert ist, verwendet positionssensitive PMT, welche nicht in starken magnetischen Feldern verwendet werden können. Dadurch sind sie nicht MRTkompatibel. Das Konzept könnte mit MRT-kompatiblen Avalanche Photodioden (APD) realisiert werden, was bis heute noch nicht geschehen ist. APDs sind Photodioden, welche durch Anlegen einer geeigneten Bias Spannung im proportionalen Arbeitsbereich betrieben werden. Ein von einem optischen Photon generiertes Ladungsträgerpaar erzeugt hierbei durch wiederholte sekundäre Ionisierung weitere Ladungsträgerpaare (Ladungsträgerlawinen). Der resultierende Photostrom hängt von der Lichtintensität ab, wie es bei PMTs der Fall ist. Trotzdem ist eine Realisierung dieses Konzeptes auf SiPM-Mikrozellenebene eine andere Herausforderung, da SiPM-Mikrozellen binäre Sensoren sind und in einem anderen Modus, dem sogenannten Geiger-Modus betrieben werden.
Die Möglichkeit von DOI-Detektion mit positionssensitiven PMTs ist in [10, 11] bewiesen worden.
Forschungsergebnisse mit Detektoren bestehend aus SiPMs und monolithischen Kristallen sind in [12] publiziert. In diesem Ansatz werden SiPMs auf der gleichen Art und Weise benutzt, wie das ursprüngliche Konzept für PMTs und APDs in [5, 6] publiziert wurde.
Die Deutschen Patentanmeldungen 10 2016 006 056, 10 2016 014 113 und 10 2016 008 904 offenbaren Sensorchips, mit denen das DOI Problem gelöst oder vermindert werden kann.
Bei dem in der Deutschen Patentanmeldung 10 2016 006 056 offenbarten Sensorchip müssen die Kodierwiderstände und die Widerstände, welche für den Stromteiler verwendet werden, signifikant kleiner sein, also mindestens um den Faktor 100, besser 1000 kleiner sein, als die Summierwiderstände, welche wiederum signifikant kleiner sein müssen als die Quenchwiderstände also um den Faktor 100, besser 1000. Dadurch wird wegen des begrenzten verfügbaren Platzes auf dem Sensorchip die Anzahl der zu kodierenden Mikrozellenpositionen begrenzt. Der dort offenbarte Sensorchip basiert jedoch darauf möglichst viele, einzelne Mikrozellen zu kodieren. Dies sollte darüber hinaus für eine möglichst große photosensitive Sensorfläche (d.h. große Ausdehnung in x- und/oder y- Richtung) gewährleistet sein. Weiterhin werden pro x- und/oder y- Richtung jeweils zwei Kodierwiderstände benötigt. Darüber hinaus wird die Differenz bzw. der Unterschied in der Größe zu den Nachbarwiderständen immer geringer, je mehr Mikrozellenpositionen entlang der x- bzw. y- Richtung kodiert werden müssen. Dies führt zu Limitierungen des mit den Sensorchips durchgeführten Kodierverfahrens. Genauso kann dieses Verfahren durch technische Produktionslimitierung begrenzt werden, wo es nicht mehr möglich ist, Widerstandsgrößen präzise zu integrieren bzw. es komplizierter ist, Widerstände vieler verschiedener Werte zu realisieren. Die Quench- und Summierwiderstände haben jeweils die gleiche Werte, im Gegensatz zu den Kodierwiderständen, was mit gängigen Technologien zur IC (Integrated circuits = integrierte Schaltungen) Herstellung leichter zu realisieren ist.
Ein weiterer Nachteil ist, dass produzierte ICs mit gleicher Kodierung von Kodierwiderständen nicht miteinander und deren Kanäle zusammengefasst werden können, ohne die Positionskodierung und die Wechselwirkungstiefenkodierung unwiederbringlich zu deaktivieren. Ein zusammenschalten mehrere Sensorchips mit kleiner Sensorfläche zu einer größeren Einheit mit großer Sensorflächer bei Beibehaltung der korrekten Positionskodierung und die Wechselwirkungstiefenkodierung ist sehr Vorteilhaft, da die Produktionsausbeute pro Flächeneinheit bei Sensorschips mit kleiner Fläche größer ist als bei Sensorschips mit großer Fläche. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Produktionsstückkosten aus. Weiterhin nehmen die Widerstände auf dem IC relativ viel Platz ein, weswegen verfügbare der Platz für Photodioden verringert ist, was zu einer Reduzierung der Photosensitiven Fläche und somit der Effizienz der Photodetektion (Photodetection Efficiency (PDE) führt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Sensorchip zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet mit dem der Parallaxenfehler bei der Bestimmung einer LOR verringert werden kann. Es soll ein Sensorchip zur Verfügung gestellt werden, der die Verwendung von Szintillations-Einkristallen für die Detektion von Signalen bei der Positronen-Emissions-Tomographie ermöglicht, wobei das DOI-Problem vermieden werden kann, indem der Parallaxenfehler bei der Bestimmung der LOR verringert wird.
Die Empfindlichkeit und die Auflösung des Sensorchips sollen verbessert werden. Weiterhin soll der Sensorchip geeignet sein zusammen mit einem MRT insbesondere bei hohen Magnetfeldern und geringen Magnetinnendurchmessern betrieben zu werden. Die Genauigkeit von klein dimensionierten PET-Ringen bzw. bei PET-Ringen, die eng am Untersuchungsobjekt anliegen, soll verbessert werden. Der Platzbedarf durch die der Messanordnung zugehörige Elektronik soll verringert werden. Die Kosten für die Vorrichtung sollen verringert werden. Der Sensorchip soll in seiner Anwendung nicht auf die Verwendung in der PET beschränkt sein, sondern soll generell für Szintillations-Einkristalle verwendet werden können. Weiterhin soll die Anzahl der Mikrozellenpositionen, die kodiert werden sollen, erhöht werden. Eine Kodierung über eine größere Anzahl von Mikrozellen als nach dem Stand der Technik soll ermöglicht werden, wobei die Limitierung durch auf dem IC realisierbare Widerstandswerte vermindert oder aufgehoben werden soll. Die von den Widerständen benötigte Fläche soll verringert werden, so dass auf dem Chip mehr Platz für Mikrozellen bzw. SPADs vorhanden ist. Aufgabe der Erfindung ist es auch gleichzeitig sowohl eine lineare Kodierung der Mikrozellenströme als auch eine quadratische Kodierung der von den Mikrozellenströme erzeugten Spannungsabfällen entsprechend ihrer xy Position zu erreichen, wobei die Kodierung insbesondere über die Grenzen eines individuellen Sensorchips erreicht werden soll um eine erfolgreiche Bestimmung der Position und Tiefe der Detektionsposition im monolithischen Kristall des Szintillationsdetektors zu erreichen, wenn monolithische Kristalle verwendet werden, die größer als ein einzelner Sensorchip sind, und deshalb mehrere Sensorchips zum registrieren des Szintillationslichtes erforderlich sind. Der Sensorchip soll eine Lichtdetektion, insbesondre im IR-, im visuellen und im UV-Bereich ermöglichen.
Ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs angegebenen Merkmalen.
Die eingangs genannten Aufgaben werden gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Sensorchip ist es nunmehr möglich, Parallaxenfehler bei der Bestimmung der LOR's, insbesondere bei Szintillations-Einkristallen, zu verringern. Die Empfindlichkeit und die Auflösung der Messmethode und der Vorrichtung werden verbessert. Der Einsatz von in z-Richtung längeren Szintillations-Einkristallen soll ermöglicht werden. Der Detektor kann zusammen mit einem MRT-Gerät betrieben werden. Insbesondere bei Geräten mit kleiner Dimensionierung oder wenn der PET-Ring eng am Untersuchungsobjekt anliegt wird der Parallaxenfehler verringert. Es wird Platz für die zugehörige Elektronik und Kosten eingespart. Der erfindungsgemäße Sensorchip erreicht eine sehr hohe Detailgenauigkeit. Denn die Anzahl der Abtastungen der Lichtverteilungsfunktion wird dadurch signifikant erhöht, da sogar eine Abtastung auf Mikrozellebene möglich ist. Dadurch erhöht sich die Granularität, welche für die Bestimmung des 2. Momentes verfügbar ist, um einen Faktor, der abhängig von den später beschriebenen Implementierungsmethoden bis zu 160 oder höher gegenüber herkömmlichen SiPM's, Photomultipliern bzw. Avalanche-Dioden betragen kann. Dies führt zu einer genaueren Bestimmung des Moments 2.Ordnung führt. Weiterhin wird die Anzahl der Mikrozellenpositionen, die kodiert werden sollen, erhöht. Eine Kodierung über eine größere Fläche von Mikrozellen als nach dem Stand der Technik wird ermöglicht, wobei keine Limitierung von Widerstandsgrößen vorliegt oder diese vermindert wird. Der Platz, den die Widerstände auf dem Chip einnehmen, wird verringert, weswegen verfügbare der Platz für Photodioden vergrößert wird. Es können Sensorchips mit größeren photosensitiven Flächen (größere Anzahl von Mikrozellen) kodiert werden. Eine Linearkodierung der Ströme und eine quadratische Kodierung der Spannungsabfälle sind über mehrere Sensorchips möglich. Es wird eine Lichtdetektion im IR-, im visuellen und im UV-Bereich ermöglicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist.
Erfindungsgemäß wird bei einem Sensorchip eine Linearkodierung von Strömen in einer Ausleserichtung x oder in zwei Ausleserichtungen x und y vorgenommen, wobei die Linearkodierung in x- und/oder y-Richtung durch eine Reihenschaltung von Kodierwiderständen erfolgt.
Dabei kann das linear-kodierte Signal für die x-Richtung an den Ausgängen Ch_A, und Ch_B, und für die y-Richtung an den Ausgängen Ch_C, und Ch_D, abgegriffen werden. Hierbei ergibt sich annährend lineare, ansteigende oder absteigende Abhängigkeiten zwischen den Signalen am Ausgang und der x-y-Position an welcher eine Signalinjektion durch die Mikrozellen in das Kodiernetzwerk erfolgt.
Das Verfahren kann mit allen Photosensoren, die eine Ortskodierung beinhalten, wobei diese möglichst einer Linearkodierung entsprechen soll, durchgeführt werden.
Hierbei muss sich das Ausgangssignal eines Kanals oder einer Kombination aus Kanälen möglichst linear aufsteigend mit der x- oder y Position ändern, während das Ausgangssignal eines anderen Kanals oder einer Kombination aus Kanälen sich möglichst linear absteigend mit der x- oder y- Position ändert. Unter einer Linearkodierung im Sinne der Erfindung ist jede Kodierung zu verstehen, die der Formel 1 entspricht. Hierbei ist Q1 die Ladung der über die e-Position aufsteigenden Ausgangskanäle und Q2 die Ladung der über die e-Position absteigenden Ausgangskanäle. Die Größe e bezeichnet die Kodierungsrichtung, also x oder y, c_1-6 bezeichnen Konstanten. $\begin{matrix} Q_{1} (e) = c_{1} \cdot e^{c_{2}} + c_{3} \\ Q_{2} (e) = c_{4} \cdot e^{c_{5}} + c_{6} \\ c_{1} = c o n s t . \in (0, \infty) \\ c_{4} = c o n s t . \in (- \infty,0) \\ c_{3}, c_{6} = c o n s t . \in (- \infty, \infty) \\ 0,5 < c_{2}, c_{5} < 1,5 \end{matrix}$
Die Klammern für die Ausdrücke c₁, c₄, c₃ und c₆ in Formel 1 sind offene Intervalle im mathematischen Sinne.
Formel 1 nimmt Rücksicht darauf, dass Ausführungsformen, die nicht den Anforderungen an eine exakte Linearität genügen, also nur annähernd lineare Kodierungen erzeugen, noch geeignet sein können, die erfindungsgemäße Lehre zu verwirklichen. Im Idealfall ist die Linearkodierung exakt linear. Für den Fall der exakten Linearität sind c₂ =1 und c₅ =1.
In Abhängigkeit von der Position der Mikrozelle wird der Photostrom auf die Ausgänge verteilt und mündet in Positionen innerhalb der Reihenschaltungen, welche eine der zu kodierenden Position entsprechende Anzahl von Kodierwiderständen R_h in Richtungen x bzw. R_v in y-Richtung haben. Abhängig von dieser Position werden die Photoströme auf die Ausgänge Ch_A, Ch_B, Chc und Ch_D verteilt, da abhängig von der Position mehr oder weniger Widerstände zwischen der Mikrozellenposition und den entsprechenden Ausgängen liegen und somit der Gesamtwiderstand zu den entsprechenden Ausgängen mit der Position variiert. Hierbei sind für N x-Positionen nur N+1 gleich große Widerstände nötig bzw. für M y-Positionen nur M+1 gleich große Widerstände nötig.
Im Folgenden werden Begriffe betreffend den Widerstand definiert.
Unter Widerstandswert im Sinne der Erfindung ist der nominale Wert des Widerstandes in Ohm zu verstehen. Bei Widerstandsmaterialen mit gleicher elektrischer Leitfähigkeit sind die Widerstandswerte bei gleicher Widerstandsgeometrie gleich groß. Bei Widerstandswerten mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit sind die Widerstandswerte bei gleicher Widestansgeometrie unterschiedlich groß. Bei Widerstandsmaterialien gleicher Leitfähigkeit und unterschiedlicher Widerstandsgeometrie sind die Widerstandswerte auch unterschiedlich groß.
Der Begriff Widerstand bezeichnet den physischen Widerstand als körperlichen Gegenstand der funktionell bezeichnet ist, ohne dass der Widerstandswert damit nominal festgelegt werden soll.
Der Sensorchip weist erfindungsgemäß eine Vielzahl von Mikrozellen auf, die sich dadurch auszeichnen, dass jeder Mikrozelle eine eigene (x,y)-Position zugeordnet wird. Eine Mikrozelle im Sinne der Erfindung besteht aus mindestens einer Photodiode D_n.m, und einem Stromteiler S_q,nm, mit Ausgängen S_q,v,nm, für die y-Richtung und Ausgängen S_q,h,nm für die x-Richtung, mit Mitteln zum Quenchen, beispielsweise Quenchwiderständen R_q,h,nm und R_q,v,nm der den generierten Photostrom der Dioden in zwei gleich große Anteile teilt. Alternativ können auch mehre Photodioden D_n,m _... D_n+l,m+k, mit zugehörigen Stromteilern und Quenchwiderständen zu einer Mikrozelle zusammengefasst werden, wobei I und k beliebige und dem Bedarf entsprechende ganze Zahlen sind. (2)
In den genannten Abkürzungen für die Stromteiler S und die Quenchwiderstände R_q bedeutet die Indizierung h, dass die entsprechenden Signalbusse in den Ausgang Ch_A, Ch_B, für die Indentifizierung der x Position, führt und dass die Indizierung v, dass die entsprechenden Signalbusse in den Ausgang Chc, Ch_D für die Identifizierung der y Position führt.
Als Photodioden können insbesondere Single Avalanche Photodiods (SPAD's) verwendet werden, wobei sich die Quenchwiderstände gleichzeitig die Funktion des Stromteilers übernehmen.
Anstelle eines Quenchwiderstandes kann der Quenchprozess auch durch aktives Quenchen, mit den dem Fachmann bekannten Methoden bzw. Mitteln zum Quenchen, z. B. unter Verwendung eines Transistors und eines Komparators, eingeleitet werden. In der folgenden Beschreibung wird in den offenbarten Ausführungsformen ein Quenchwiderstand Rq beziehungsweise ein mit den Quenchwiderständen R_q„v,nm und R_q,h,nm realisierter Stromteiler S offenbart. Jedoch kann bei allen Ausführungsformen auch ein anderes äquivalentes Mittel zum Quenchen, beispielsweise ein Transistor oder Komparator eingesetzt werden, so dass die Offenbarung nicht auf die Verwendung eines Quenchwiderstandes beschränkt ist.
Die Mikrozellen sind in einem Raster angeordnet, bei dem die Mikrozellen in Reihen in x-Richtung und in y-Richtung angeordnet sind. Dabei sind die Mikrozellen in Reihen bzw. Spalten vorzugsweise parallel zur der x- Achse und der y-Achse angeordnet. Typischerweise sind 10, 50,100 oder 1000 Mikrozellen in jeweils der x-Richtung und der y-Richtung angeordnet. Die Anordnung enthält dann N Spalten in x-Richtung x_n = x₁, x₂, x₃, ....x_N mit n = 1, 2, ... N und M Reihen in y-Richtung y_m = y₁, y₂, y₃.... y_M mit m = 1, 2, ....M. Darüberhinaus sind N und M jeweils auch die Anzahl der Mikrozellen in x und y Richtung. Die Richtungen x und y sind vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet, sie können jedoch auch in einem Winkel angeordnet sein, der von 90° abweicht, so dass ein Rautenmuster entsteht.
Diese Anordnung bildet einen Block. Ein Sensorchip kann eine Mehrzahl von Blöcken aufweisen, die in einem Raster angeordnet sind. Dabei kann ein Block auf dem gleichen Substrat (oder Waver, oder Chip) untergebracht werden, oder auf unterschiedlichen.
Die Ausgänge der mit den Quenchwiderständen realisierten Stromteiler S_q,nm, sind über die Verbindungen C_h,nm und C_v,nm mit Signalbussen N_s,h,n für die x- und Signalbussen N_s,v,m für die y-Richtung verbunden. Die Signalbusse N_s.h.n münden in die Knotenpunkten K_h,n (n = 1, 2, 3 .....N) und sind über Reihenschaltung von Kodierwiderständen R_h,0, R_h,1, ... R_h,N, mit den Ausgängen Ch_A, Ch_B verbunden. Die Signalbusse N_s,v,m münden an den Knotenpunkten K_v,m (m = 1, 2, 3 .....M) und sind über Reihenschaltung von Kodierwiderständen R_v,0, R_v,1, ... R_v,NM, mit den Ausgängen Chc, Ch_D verbunden.
Darüber hinaus kann über Kontakte des Sensorchips eine elektrische Verbindung der Signalbusse N_s,v,0 ... N_s,v,m und N_s,h,0 ... N_s,h,N zwischen verschiedenen Sensorchips und mit externen elektronischen oder elektrischen Schaltungen ermöglicht werden.
Der 1. Ausgang aller Stromteiler in derselben Spalte n des Sensorchips sind mit dem gleichen Signalbus N_s,h,n des Sensorchips verbunden. Somit gelangen alle Signale aus einer Spalte des Sensorchips in denselben Signalbus der außerdem an dem Knotenpunkt K_h,n in die Reihenschaltung von Kodierwiderständen R_h,0, R_h,1, ... R_h,N, mündet.
Der 2. Ausgang aller Stromteiler in derselben Reihe h des Sensorchips sind mit dem gleichen Signalbus N_s,v,m des Sensorchips verbunden. Somit gelangen alle Signale aus einer Spalte des Sensorchips in denselben Signalbus der außerdem an dem Knotenpunkt K_v,m in die Reihenschaltung von Kodierwiderständen R_h,0, R_v,1, ... R_v,M, mündet.
Mit der Reihenschaltung aus den Kodierwiderständen R_h,0, R_h,1, ... R_h,N, wird die Linearkodierung der Ströme in horizontaler Ausleserichtung (d.h. x-Richtung) gewährleistet. Mit der Reihenschaltung aus den Kodierwiderständen R_v,0, R_v,1, ... R_v,M, wird die Linearkodierung der Ströme in vertikaler Ausleserichtung (d.h. y-Richtung) gewährleistet.
Um eine lineare Kodierung der Ströme in x-Richtung zu erwirken, müssen die Kodierwidersdtandswerte R_h,1, ... R_h,N-1 den gleichen Wert R_h haben. Um eine lineare Kodierung der Ströme in y-Richtung zu erwirken, müssen die Kodierwiderstandswerte R_v,1, ... R_v,M-1 den gleichen Wert R_v haben.
Ist die Anzahl der Pixel in x-Richtung und y-Richtung verschieden, so können sich die Kodierwiderstandswerte für die x-Richtung und die y-Richtung unterschieden.
Die Anzahl der Kodierwiderstände N für R_h und M für R_v pro Sensorchip beträgt mindestens zwei, und kann Werte von 0,001 Ohm bis 100 MOhm annehmen. Die Anzahl ist dabei eher durch praktische Gegebenheiten begrenzt.
Die Kodierwiderstandswerte für Kodierung Ch_A und Ch_B der x-Richtung sowie Chc und Ch_D entsprechend der y-Richtung können verschieden groß sein. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn in x- und y- Richtung unterschiedliche viele Mikrozellen vorhanden sind, so dass der Sensorchip oder die Mikrozellen von der quadratischen Form abweichen. In diesem Fall können die Kodierwiderstandswerte, die die größere Anzahl von Pixel kodieren, kleiner sein als in die entlang der anderen Richtung, in der weniger viele Pixelpostionen zu kodieren sind. In einer Ausführungsform können die Summen der Kodierwiderstandswerte für die beiden Richtungen x und y gleich sein.
Um eine Verbindung mehrerer Sensorchips untereinander zu ermöglichen, müssen die Widerstandswerte R_h,0 und R_h,N den gleichen Wert R_h/2 haben. Um eine Verbindung mehrerer Sensorchips untereinander zu ermöglichen, müssen die Widerstandswerte R_v,o und R_v,M den gleichen Wert R_v/2 haben. Ist die Verbindung hergestellt, so summieren sich die beiden Widerstände R_h/2 bzw. R_v/2 zu einem Widerstand R_h bzw. R_v auf.
Insgesamt sind für N bzw. M x- bzw. y- Positionen nur N+1 bzw. M+1 Kodierwiderstände erforderlich.
Der X und Y Mittelwert der mit der aktiven Sensorfläche des Sensorchip detektierten Lichtverteilung kann gemäß $〈 X 〉 = (B - A) / (A + B)$
$〈 Y 〉 = (C - D) / (C + D) berechnet werden .$
Die Gesamtlichtmenge E bestimmt sich zu $〈 E 〉 = A + B + C + D .$
A, B, C, D sind die Signale, welche über die Ausgänge Ch_A, Ch_B, Chc und Ch_D abgegriffen werden können. Sie sind im allgemeinen Ströme, es können Ladungen sein, wenn die Ströme durch entsprechende elektronische Bauteile über Zeitintervalle integriert werden.
Bei der Verwendung des Sensorchips mit einem Szintillator ist <E> proportional zur Energie des detektierten Gammaphotons. <X> und <Y> liefern nach Kalibrierung die x und y - Positionen der Fotokonversion innerhalb der aktiven Sensorfläche des Sensorchips.
Um die aktive Sensorfläche des Sensorchips zu vergrößern, kann der Sensorchip vergrößert werden.
Alternativ können identische und auf gleiche Weise produzierte Chips problemlos zusammengefasst werden. Dabei werden die die Ausgangskanäle Ch_A, Ch_B, Chc und Ch_D der verschiedenen Sensorchips so miteinander verbunden, dass jeweils nur zwei Kanäle an den beiden Enden des Chips je Kodierrichtung ausgelesen werden müssen. (4) Dadurch wird es möglich, über noch größere Flächen zu kodieren, da die zu kodierende Fläche nicht mehr durch die Kodierwiderstandsgrößen limitiert ist.
Für jede Pixelspalte x und/oder Pixelreihe y der beiden Ausführungsformen werden die Potentiale an den Signalbussen N_S,h,1, N_S,h,2... N_S,h,N bzw. N_S,v,1, N_S,v,2... N_s,v,m über die Summierwiderstände R_S,h,n bzw. R_S.v.m, abgegriffen und in ein Summiernetzwerk N_S,h bzw. N_S,v mit nachgeschalteter Summierverstärker O_h bzw. O_v mit den Ausgangskanälen Ch_E und Ch_F geführt. Dabei ist eine Ausführungsform möglich, bei der die Signalbusse N_S,h,1, N_S,h,2, ... N_S,h,N für die x-Richtung und/oder die Signalbusse N_S,v,1, N_S,v,2,... N_s,v,m für die y-Richtung an ein externe Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken N_S,h und N_S,v, nachgeschalteter Summierverstärkern O_h und O_v mit den Ausgangskanälen Ch_E und Ch_F angeschlossen sind. Die Widerstandswerte für die Summierwiderstände R_S,h,n bzw. R_S,v,m sind jeweils in einem Summiernetzwerk N_S,h bzw. N_S,v gleich groß. Die Summierwiderstandswerte können zwischen 1 Ω bis 100 MΩ liegen. Die Summierwiderstände R_S,h,n bzw. R_S,v,m müssen dabei so groß sein, dass der generierte Photostrom von den Mikrozellen nicht wesentlich beeinflusst wird, jedoch klein genug, um nicht das Quenchverhalten der Mikrozellen zu beeinflussen. Die Summierwiderstände R_S,h,n bzw. R_S,v,m sind über die Signalbusse der Summiernetzwerke N_S,h bzw. N_S,v zusammengeführt. Somit werden die Signale aufsummiert. Die Summierverstärker O_h und/oder O_v können einen Operationsverstärker OP_h bzw. OP_v, beinhalten, der geerdet ist und eine negative Rückkopplung mit einem Widerstand R_S,h bzw. R_S,v besitzt. Über das Verhältnis von R_S,h/R_S,h,n bzw. R_S,v/R_S,v,m kann die Verstärkung des Signals der Ausgangskanäle Ch_E und Ch_F eingestellt werden. Die Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken N_S,h und N_S,v, nachgeschalteter Summierverstärkern O_h und O_v können in den Sensorchip intergiert sein oder es können sich jeweils Teile davon weniger bevorzugt außerhalb des Sensorchips befinden. Insbesondere können die Widerstände R_S,h,1, ..., R_S,h,n und R_S,v,1, ..., R_S,v,m auf den Sensorchip integriert werden, so dass nur die Summiernetzwerke N_S,h und N_S,v als Signalbusse aus dem betreffenden Sensorchips herausgeführt werden müss en und mit externen Summierverstärkern O_h und/oder O_v verbunden werden können. Befindet sich die gesamte Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken N_S,h und N_S,v, nachgeschalteter Summierverstärkern O_h und O_v außerhalb des Sensorchips, so hat dies zur Folge, dass alle Netze N_S,h,n und/oder N_S,v,m als Signalbusse aus dem Sensorchip herausgeführt werden, was zu einer sehr hohen Anzahl von Ausgangskanälen führt. Sind die Summierwiderstände R_S,h,n und/oder R_S,v,m in dem Sensorchip integriert, müssen nur die Summiernetzwerke N_S,h und/oder N_S,v aus dem Sensorchip herausgeführt werden, was mit jeweils einem Ausgangskanal pro Netzwerk realisiert werden kann. Es ist daher zum Ermöglichen der Vernetzung mehrerer Sensorchips bevorzugt, nicht die komplette Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken N_S,h und N_S,v, nachgeschalteter Summierverstärkern O_h und O_v in den Sensorchip zu integrieren und die Signalbusse N_S,h,1, N_S,h,2 , ... , N_S,h,N und N_S,v,1 , N_S,v,2 , ... N_S,v,M aus dem Sensorchip herauszuführen, sondern nur die Widerstände R_S,h,1, ..., R_S,h,n und R_S,v,1, ..., R_S,v,m auf den Sensorchip zu integrieren und nur die Summiernetzwerke N_S,h und N_S,v aus dem betreffenden Sensorchips herauszuführen.
Die Potentiale Φ(N_S,h,n) bzw. Φ (N_S,v,m) an den Signalbussen N_S,h,n und N_S,v,m sollten jeweils möglichst genau eine quadratisch Abhängigkeit der Position der Photoströme der Mikrozellen in x- und y-Richtung aufweisen. Dies ist erforderlich um das Moment 2. Ordnung der Signalverteilung entlang der x-Richtung und entlang der y-Richtung zu erhalten. Dies ist annäherungsweise gewährleistet, wenn die Widerstandswerte der Summierwiderstände R_S,h,1, ..., R_S,h,n und R_S,v,1, ..., R_S,v,m deutlich größer (> Faktor 10) als die Widerstandswerte der Widerstände R_h,0, R_h,1, ... R_h,N, und R_v,0, R_v,1, ... R_v,M sind. In diesem Fall ist der Strom, welcher über die Widerstände R_S,h,1, ..., R_S,h,N und R_S,v,1, ..., R_S,v,m fließt vernachlässigbar zum Strom welcher über die Reihenschaltungen R_h,0, R_h,1, ... R_h,N, und R_v,0, R_v,1, ... R_v,M fließt. Die Ausgänge Ch_A, Ch_B, Chc und Ch_D werden vorzugsweise mit den Eingängen von externen (nicht auf dem Chip integrierten) Verstärker mit sehr geringer Eingangsimpednaz verbunden, weshalb das Potential der Ausgänge Ch_A, Ch_B, Chc und Ch_D bezogen auf die Knotenpunkte K_h,₁, ..., K_h,N und K_v,1, ... , K_v,M 0 ist, d.h. auf Masse liegt. Dann ergibt sich für den Gesamtwiderstand, welcher der Strom auf dem Signalbuss N_S,h,i an i-ter Position entlang der x-Richtung sieht: $R_{K_{h, i}} = \frac{(\sum_{l = 0}^{l = 1} R_{h, l}) (\sum_{l = i + 1}^{l = N} R_{h, l})}{\sum_{l = 0}^{l = N} R_{h, l}} = \frac{(i + \frac{1}{2}) (N - i + \frac{1}{2}) R_{h}^{2}}{N \cdot R_{h}}$
Dieser hängt quadratisch von der Position i ab. Wegen des Ohm'schen Gesetzes U=R*I sind dann auch die Potentiale an den Knotenpunkten K_h,i, welche sich aus dem Produkt von R_k
h,l und den von den mit dem Signalbuss N_S,h,i verbundenen Mikrozellen kommenden Strom ergeben, quadratisch in der Position kodiert. Wie in [5] beschrieben, bildet die Reihenschaltung R_h,0, R_h,1, ... R_h,N einen Spannungsteiler für den in den Knotenpunkten K_h,l injizierten Strom, welcher zu zusätzliche aufsummierten Spannungsbeiträgen führt, welche letztendlich aber nur als von i unabhängiger Proportionalitätsfaktor N/2. Äquivalente Betrachtungen gelten für N_S,v,l an i-ter Position entlang der y-Richtung. Bei Verwendung der Widerstandswerte R_h,0= R_h,N= R_h/2 und R_v,0= R_v,M= R_v/2 und R_h,i,..., R_h,N-1= R_h und R_v,i,..., R_v,M-1= R_v stellt sich ein quadratischer Gesamtwiderstandswert an den Knotenpunkten K_h,1, ... , K_h,N und K_v,1 , ... , K_v,M und damit die benötigte quadratisch verlaufende Potentialverteilung in den Signalbussen N_S,v,m und/oder N_S,h,n automatisch ein. Die daraus resultierenden Signale an den Ausgängen Ch_E, Ch_F der Summiernetzwerke O_h und O_v sind proportional zur Breite der Lichtverteilung, welche auf dem Sensorchip auftrifft. Die Breite der Lichtverteilung korreliert stark mit der wechselwirkungstiefe des Gammaphotons und erlaubt deshalb nach Kalibrierung der Schaltungen in die Bestimmung derselben. Gleichzeitig ist die lineare Kodierung für den Photostrom gegeben, welcher über die Ausgängen Ch_A, Ch_B, Chc und Ch_D eine Bestimmung der Wechselwirkungspostion in der x-y Ebene erlaubt. Die Potentiale Φ(N_S,h,n) bzw. Φ (N_S,v,m) an den Signalbussen N_S,h,n und N_s,v,m können durch entsprechende zusätzliche Widerstände oder durch modifizierte Kodierwiderstände auch von einer exakten quadratischen Kodierung abweichen. Hierbei muss für die resultierende Potentialkodierung (Φ²ⁿ)^k mit n= 1, 2, 3... und 0,5 < k < 1,5 gelten.
Die Implementierung der beschrieben linearen und quadratischen Kodierung mithilfe der Reihenschaltung R_h,0, R_h,1, ... R_h,N und R_v,0, R_v,1, ... R_v,M, der Herausführung der Signalbusse N_S,h,1, N_S,h,2... N_S,h,N und N_S,v,1, N_S,v,2... N_s,v,m bzw., der Integration der Summierwiderstände R_S,h,1, ..., R_S,h,N und R_S,v,1, ..., R_S,v,m auf dem Sensorchip und Herausführung der Signalbusse N_S,h und N_S,v und die Verwendung externer Summiernetzwerke O_h und O_v bzw. externer Operationsverstärker mit Rückkopplungswiderständen R_S,h und R_S,v (6) erlaubt eine Zusammenschaltung von mehreren Sensorchips gemäß 3 und 7 unter Beibehaltung der Information über die Wechselwirkungstiefe und die Wechselwirkungsposition ind er x-y-Ebene.
Die Potentiale Φ(N_S.h.n) bzw. Φ (N_S,v,m) an den Netzen N_S,h,n und N_S,v,m können durch entsprechende zusätzliche Widerstände oder durch modifizierte Kodierwiderstände auch von einer exakten quadratischen Kodierung abweichen. Hierbei muss für die resultierende Potentialkodierung (Φ²ⁿ)^k mit n= 1, 2, 3... und 0,5 < k < 1,5 gelten.
Die Figuren zeigen Darstellungen des erfindungsgemäßen Schaltkreises eines Sensorchips und Teilen davon.
Es zeigt:

1:.Eine Darstellung in der einzelne Mikrozellen über Signalbusse mit den Ausgangskanä len mit der erfindungsgemäßen Linearkodierung verbunden sind.
2: Eine Ausführungsform, bei der vier SPADs mit zugehörigen Quenchwiderständen zu einer Mikrozelle zusammengefasst sind
3: Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken und nachgeschalteten Summierverstärkern.
4: Eine Ausführungsform, bei der 4 Sensorchips über eine gesamte Reihe und Spalte verbunden sind.
5: Eine Darstellung wie in 1 mit Summiernetzwerken.
6: Summierverstärker als externe Beschaltung für auf dem Sensorchip integrierte Summiernetzwerke.
7: Eine Darstellung wie in 4 mit auf dem Sensorchip implementierten Summier netzwerken.

In 1 sind Mikrozellen mit Photodioden D_nm dargestellt, welche in einen Stromteiler S_q,nm münden, der mit den Quenchwiderständen R_q,h,nm, R_q,v,nm realisiert ist. Die Ausgänge der Stromteiler R_q,h,nm münden in Signalbusse N_S,h,n„ welche in die Knotenpunkte K_h,n und über die Reihenschaltung R_h,0, R_h,1, ... R_h,N, in die Ausgangskanäle Ch_A und Ch_B münden. Die Ausgänge der Stromteiler R_q,v,nm münden in Signalbusse N_S,v,m,, welche in die Knotenpunkte K_v,m und über die Reihenschaltung R_v,0, R_v,1, ... R_v,M in die Ausgangskanäle Chc und Ch_D münden. In den Ausgängen Ch_A und Ch_B bzw. Chc und Ch_D befindet sich eine Reihenschaltung mit den Widerständen R_h,0 - R_h,N R_v,0 - R_v,M.
In 2 sind vier SPADs mit zugehörigen Quenchwiderständen zu einer Mikrozelle zusammengesetzt. In ihr haben die gleichen Elemente der Mikrozelle dieselben Bezeichnungen, wie in 1. Innerhalb dieses Sensors münden alle Ausgänge der Stromteiler mit den Kodierwiderständen R_h,nm in einen Punkt C_h,11 der mit dem Eingang eines nicht dargestellten Signalbus N_S,h,n verbunden wird. Innerhalb dieses Sensors münden alle Ausgänge der Stromteiler mit den Widerständen R_v,nm in einen Punkt C_v,11 der mit dem Eingang eines nicht dargestellten Signalbus N_S,v,m verbunden wird.
3 zeigt Summierschaltungen, in der die Summiernetzwerke N_S,v und N_S,h, die mit Operationsverstärkern OP_v bzw. OP_h verbunden sind, und an ihrem nicht invertierenden Eigang mit einer Erdung verbunden sind. Über den Ausgangskanal Ch_E, bzw. Ch_F wird eine negative Rückkopplung mittels der Widerstände Widerstand R_S,h bzw. R_S,v erreicht.
4 zeigt vier Sensorchips M₁, M₂, M₃, M₄ die über Ch_1A, Ch_1B, Ch_2A und Ch_2B bzw. Ch_3A, Ch_3B, Ch_4A und Ch_4,B sowie die Ausgangskanäle Ch_3D, Ch_3C, Ch_1D und Ch_1C bzw. Ch_4D, Ch_4C, Ch_2D und Ch_2C verbunden sind.
Analog sind die Summiernetzwerke N_S1,v,1 - N_S2,v,1, N_S1,v,2- N_S2,v,2, N_S1,v,M - N_S2,v,M sowie N_S3,v,1 - N_S4,v,1, N_S3,v,2- N_S4,v,2, N_S3,v,M- N_S4,v,M und N_S3,h,1 - N_S1,h,1, N_S3,h,2- N_S1,h,2, N_S3,h,N - N_S1,h,N sowie N_S4,h,1 - N_S2,h,1, N_S4,h,2- N_S2,h,2, N_S4 _h.N - N_S2,h,N über die Sensorchips M₁, M₂, M₃, M₄ verbunden
In 5 sind Mikrozellen mit Photodioden D_nm dargestellt, welche in einen Stromteiler S_q,nm münden, der mit den Quenchwiderständen R_q,h,nm, R_q,v,nm realisiert ist. Die Ausgänge der Stromteiler R_q,h,nm münden in Signalbusse N_S,h,n,, welche in die Knotenpunkte K_h,n und über die Reihenschaltung R_h,0, R_h,1, ... R_h,N, in die Ausgangskanäle Ch_A und Ch_B münden. Die Ausgänge der Stromteiler R_q,v,nm münden in Signalbusse N_S,v,m,, welche in die Knotenpunkte K_v,m und über die Reihenschaltung R_v,0, R_v,1, ... R_v,M in die Ausgangskanäle Chc und Ch_D münden. Die Wiedrstände R_h,0 - R_h,N bzw. R_v,0 - Rv,_m bilden eine Reihenschaltung deren Enden die Ausgänge Ch_A und Ch_B bzw. Chc und Ch_D sind. Die Widerstände R_S,h,1, ..., R_S,h,n und R_S,v,1, ..., R_S,v,m sind auf den Sensorchip integriert und nur die Summiernetzwerke N_S,h und N_S,v werden aus dem Sensorchips herausgeführt.
In 6 münden Summiernetzwerke N_S,v und N_S,h in die Operationsverstärker OP_v und OP_h. , welche geerdet sind und in die Ausgangskanäle Ch_F und Ch_E münden. Die Operationsverstärker werden über die Widerstände R_S,v und R_S,h negativ rückgekoppelt.
7 zeigt vier Sensorchips M₁, M₂, M₃, M₄ über die sich die Ausgangskanäle Ch_1A, Ch_1B, Ch_2A und Ch_2B bzw. Ch_3A, Ch_3B, Ch_4A und Ch_4,B sowie die Ausgangskanäle Ch_3D, Ch_3C, Ch_1D und Ch_1C bzw. Ch_4D, Ch_4C, Ch_2D und Ch_2C verbunden sind.
Analog sind die Summiernetzwerke N_S1,v- N_S4,v und N_S1,h- N_S4,h über die Sensorchips M₁, M₂, M₃, M₄ verbunden.
Zitierter Stand der Technik:

[1]: Gola, A., et al., „A Novel Approach to Position-Sensitive Silicon Photomultipliers: First Results“.
[2]: Schulz, V., et al., „Sensitivity encoded silicon photomultiplier-a new sensor for high-resolution PET-MRI.“ Physics in medicine and biology 58.14 (2013): 4733.
[3]: Fischer, P., Piemonte, C., „Interpolating silicon photomultipliers“, NIMPRA, Nov. 2012.
[4]: Espana, S., et al., „DigiPET: sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators“.
[5]: Lerche, Ch. W., et al., „Depth of interaction detection for y-ray imaging“.
[6]: US7476864 (B2).
[7]: Ito, M., et al., „Positron Emission Tomography (PET) Detectorts with Depth-of-Intercation (DOI) Capability“.
[8]: Judenhofer, M. S., et al., „Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging“.
[9]: Ziegler, S. I., et al., „A prototype high-resolution animal positron tomograph with avalanche photodiode arrays and LSO crystals“.
[10]: Balcerzyk, M., et al., „Preliminary performance evaluation of a high resolution small animal PET scanner with monolithic crystals and depth-of-interaction encoding“.
[11]: Balcerzyk, M., et al., „Initial performance evaluation of a high resolution Albira small animal positron emission tomography scanner with monolithic crystals and depth-of-interaction encoding from a user's perspective“.
[12]: Gonzalez Martinez, A. J., et al., „Innovative PET detector concept based on SiPMs and continuous crystals“.
[13]: Siegel, S., et al., „Simple Charge Division Readouts for Imaging Scintillator Arrays using a Multi-Channel PMT“.
[14]: McElroy, D. P., et al., „First Results From MADPET-II: A Novel Detector and Readout System for High Resolution Small Animal PET“.
[15]: Berneking, A., „Characterization of Sensitivity encoded Silicon Photomultiplier for high resolution simultaneous PET/MR Imaging", Diploma thesis, RWTH Aachen University, 3.12.2012.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016006056 [0013, 0014]
DE 102016014113 [0013]
DE 102016008904 [0013]
US 7476864 [0056]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Berneking, A., „Characterization of Sensitivity encoded Silicon Photomultiplier for high resolution simultaneous PET/MR Imaging“, Diploma thesis, RWTH Aachen University, 3.12.2012 [0056]

Claims

Sensorchip mit einer Vielzahl von Mikrozellen, denen eine xy-Position zugeordnet ist, bestehend aus einer Photodiode D_n,m,einem Stromteiler S_q,nm, mit Ausgängen S_q,v,nm, für die y-Richtung und Ausgängen S_q,h,nm für die x-Richtung, wobei die die Ausgänge S_q,h,nm mit einem Mittel R_q,h,nm zum Quenschen des Stroms und die Ausgänge S_q,v,nm mit Mitteln R_q,v,nm zum Quenchen des Stroms ausgestattet sind, welche den generierten Photostrom der Dioden D_n,m in zwei gleich große Anteile teilt, wobei die Mikrozellen in einer Folge von N Spalten in x-Richtung x_n,= x₁, x₂, x₃,...x_n mit n= 1, 2, 3, ...N und M Reihen in y-Richtung y_m,= y₁, y₂, y₃,...y_m mit m= 1, 2, 3, ...M angeordnet sind und die Ausgänge S_q,h,nm der Stromteiler S_q,nm für die x-Richtung mit den Ausgangskanälen Ch_A und Ch_B für die x-Richtung verbunden sind, wobei Stromleiter der selben x-Position des Sensorchips mit dem gleichen Signalbus N_S,h,i verbunden sind, der in den Auslesekanal Ch_A und Ch_B in x-Richtung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Auslesekanälen Ch_A und Ch_B eine Reihenschaltung von Kodierwiderständen R_h,0, R_h,1, R_h,2, .....R_h,N befindet, wobei die Signalbusse N_S,h,i in Knotenpunkte K_h,n mit n = 1, 2, 3,.....N münden, welche sich zwischen den Kodierwiderständen R_h,0, R_h,1, R_h,2, .....R_h,N befinden wodurch eine Linearkodierung bewirkt wird und eine Linearkodierung dann gegeben ist, wenn die Bedingung nach Formel 1 $\begin{matrix} Q_{1} (e) = c_{1} \cdot e^{c_{2}} + c_{3} \\ Q_{2} (e) = c_{4} \cdot e^{c_{5}} + c_{6} \\ c_{1} = c o n s t . \in (0, \infty) \\ c_{4} = c o n s t . \in (- \infty,0) \\ c_{3}, c_{6} = c o n s t . \in (- \infty, \infty) \\ 0,5 < c_{2}, c_{5} < 1,5 \end{matrix}$
erfüllt ist.
Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem die Ausgänge der Stromteiler S_q,v,nm für die y-Richtung mit den Ausgangskanälen Chc und Ch_D für die y-Richtung verbunden sind, der in den Auslesekanal Chc und Ch_D in y-Richtung mündet, wobei Stromleiter der selben y-Position des Sensorchips mit dem gleichen Signalbus N_S,v,l verbunden sind, der in den Auslesekanal Chc und Ch_D in y-Richtung mündet, unddass sich in den Ausleekanälen Chc und Ch_D eine Reihenschaltung von Kodierwiderständen R_v,0, R_v,1, R_v,2, R_v,m befindet, wobei die Signalbusse N_S,v,l in Knotenpunkte K_v,m mit m = 1, 2, 3,.....M münden, welche sich zwischen den Kodierwiderständen R_v,0, R_v,1, R_v,2, R_v,M befinden wodurch eine Linearkodierung bewirkt wird und eine Linearkodierung dann gegeben ist, wenn die Bedingung nach Formel 1 $\begin{matrix} Q_{1} (e) = c_{1} \cdot e^{c_{2}} + c_{3} \\ Q_{2} (e) = c_{4} \cdot e^{c_{5}} + c_{6} \\ c_{1} = c o n s t . \in (0, \infty) \\ c_{4} = c o n s t . \in (- \infty,0) \\ c_{3}, c_{6} = c o n s t . \in (- \infty, \infty) \\ 0,5 < c_{2}, c_{5} < 1,5 \end{matrix}$
erfüllt ist.
Sensorchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Photodioden D_n,m mit Stromteilern S_q,nm und Mitteln zum Quenschen R_q.h.nm zu einer Mikrozelle zusammengefasst sind und für die x-Position in einen Signalbus N_Shn münden.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Photodioden D_n,m mit Stromteilern S_q,nm und Mitteln zum Quenschen R_q,v,nm zu einer Mikrozelle zusammengefasst sind und für die y-Position in einen Signalbus N_Svm münden.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierwiderstandswerte der Kodierwiderstände für die Kodierung der x-Position R_h,1,....R_h,N-1 den gleichen Wert haben.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierwiderstandswerte für die Kodierwiderstände für die Kodierung der y-Position R_v,1,....R_vM-1 den gleichen Wert haben.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kodierwiderstände für R_h,n und für Rv,_m einen Kodierwiderstandswert zwischen 0,001 Ohm und 100 MOhm haben.
Sensorchip nach einem der Ansrpüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Mikrozellen in x-Richtung und die Anzahl M der Mikrozellen in y-Richtung verschieden sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierwiderstansdwerte für die Kodierung Ch_A-Ch_B und Ch_C-Ch_o verschieden sind.)
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalbusse N_S,h,1, N_S,h,2... N_S,h,N und/oder N_S,v,1, N_S,v,2... N_S,v,M über Summierwiderstände R_S,h,n und/oder R_S,v,m in Summiernetzwerke N_S,h und/oder N_S,v geführt werden, denen ein Operationsverstärker O_h, O_v mit den Ausgangsgangskanälen Ch_E und/oder Ch_F nachgeschaltet ist.
Sensorchip nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die die Operationsverstärker O_h, O_v mit den Ausgangsgangskanälen Ch_E und/oder Ch_F außerhalb des Sensorchips angeordnet sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Summiernetzwerke N_S,h, N_S,v außerhalb des Sensorchips angeordnet sind.
Sensorchip nach einem den Ansprüche 10, bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Summierwiderstände R_S,h,1, R_S,v,m, außerhalb des Sensorchips angeordnet sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 Sensorchips in x-Richtung und/oder in y-Richtung über gemeinsame Signalbusse N_S,h,1, N_S,h,2... N_S,h,N und/oder N_S,v,1, N_S,v,2... N_s,v,m verbunden sind die in Summierwiderstände R_S,h,n, R_S,v,m, die in Summiernetzwerke N_S,h, N_S,v münden.
Sensorchip nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte R_s,h,o und R_s,h,N den Wert R_s,h,n/2 sowie die Widerstandswerte R_s,v,0 und R_{s v M} den Widerstandswert R_s,v,m/2 haben.