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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Lesen eines Datensignals, das mit einem aktiven Pixel in einem
Sensor verbunden ist, der mehrere adressierbare Pixel aufweist,
in einer solchen Weise, daß die
Leseeffizienz optimiert wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine bekannte diagnostische Technik,
die in der Tomographie zum Lokalisieren von Tumoren verwendet wird,
umfaßt
die Injektion eines radioaktiven Isotops, das den Tumor als Ziel
hat, in den Blutstrom eines Patienten, so daß der Ort des Tumors abgeleitet
werden kann, indem der Ort des radioaktiven Isotops detektiert wird.
Typischerweise emittiert das radioaktive Isotop Hochenergie-γ-Strahlen,
die vom Ort des Tumors gestreut werden.
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Um die gewünschte Detektion zu erzielen, um
den genauen Ort des Tumors zu bestimmen, ist es notwendig, den Körper des
Patienten in einer solchen Weise abzubilden, daß nur jene γ-Strahlen detektiert werden,
die normal vom Körper
emittiert werden, und jene γ-Strahlen
zu ignorieren, die in andere Richtungen gestreut werden.
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Bekannte Herangehensweisen des Stands der
Technik zum Erfüllen
dieser Anforderung schließen
die Verwendung eines mechanischen Kollimators ein, der aus Blei
besteht und mehrere voneinander beabstandete Löcher aufweist, die einen ausreichend
engen Durchmesser aufweisen, um nur jene γ-Strahlen hindurch gehen zu
lassen, die parallel zu den Kollimatorlöchern emittiert werden. Der
Kollimator wird bewegt, bis ein Signal detektiert wird, woraufhin
der Ort des Kollimators es zuläßt, daß der Ort
des Radioisotops abgeleitet wird. Da jedoch der größte Teil
der radioaktiven Energie gestreut und daher nicht detek tiert wird,
ist eine solche Herangehensweise höchst uneffizient, und der Detektor
benötigt
eine lange Belichtungszeit, die hinsichtlich der Zeit kostspielig
ist, die erforderlich ist, um eine zuverlässige Messung durchzuführen, ebenso
wie sie für
den Patient unangenehm ist. Die Auslösung eines solchen Systems
hängt vom
Durchmesser der Löcher
im Kollimator ab und beträgt
typischerweise 8 mm. Sie kann verbessert werden, indem der Durchmesser
der Löcher
im Kollimator auf Kosten dessen reduziert wird, daß die Effizienz
noch weiter gesenkt wird, die auf jeden Fall typischerweise nicht
besser als 10–5 ist.
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Es ist offensichtlich wünschenswert,
die Meßzeit
so weit wie möglich
zu reduzieren, ohne die Detektionsgenauigkeit zu beeinträchtigen.
Dieser Anforderung ist teilweise durch die Verwendung einer Compton-Kamera
entsprochen worden, die eine Ringgeometrie verwendet, so daß gestreute
Photonen eher durch den Ring detektiert werden, als daß sie, wie
im Fall mechanischer Kollimatoren verloren gehen. Dies erübrigt die
Notwendigkeit eines Kollimators und läßt es zu, daß der Ausstrahlungswinkel der γ-Strahlen
berechnet wird. Für
den Zweck der vorliegenden Erfindung, die sich nicht mit der Physik des
Compton-Effekts
beschäftigt,
kann die Compton-Kamera als lediglich eine andere Art eines zweidimensionalen
Bildsensors betrachtet werden, der mehrere adressierbare Pixel aufweist,
von denen eines ein Signal emittiert, wenn es durch einen γ-Strahl erregt
wird.
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Insbesondere ist jedes Pixel eine
Diode, die ein Ladungssignal erzeugt, wenn sie durch einen γ-Strahl getroffen
wird. Ein γ-Strahl, der durch
das Radioisotop emittiert wird, wird nur detektiert werden, wenn
er einen Compton-Effekt erzeugt, indem er ein Ladungssignal erzeugt,
wodurch er etwas seiner Energie abgibt. In der Praxis ist es üblich, einen
zusammengesetzten Sensor einzusetzen, der mehrere voneinander beabstandete
Sensorschichten aufweist, die jeweils mindestens ein Sensormodul
enthalten, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, daß ein auftreffender γ-Strahl in
mindestens einer der Schichten einen Compton-Effekt erzeugen wird.
Das Mehrschicht-Sensormodul bildet einen ersten Detektor der Compton-Kamera.
Nachdem er so einen Compton-Effekt erzeugt hat, tritt der γ-Strahl dann
aus dem er sten Detektor aus. Um jedoch den Winkel des auftreffenden γ-Strahls zu berechnen,
wird der austretende γ-Strahl
auf einen zweiten Detektor gerichtet, in dem er vollständig absorbiert
wird, wodurch er seine gesamte restliche Energie abgibt.
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Als Ergebnis einer solchen Geometrie
ist es notwendig, Daten im ersten Detektor aus einer großen Anzahl
adressierbarer Pixeln längs
jeweiliger Kanäle
auszulesen, um zu detektieren, welches Pixel „aktiv" ist. Dies geschieht, indem zuerst die
Ladung, die mit jedem Pixel verbunden ist, unter Verwendung eines
Integrators in der Form eines Operationsverstärkers (OP AMP) integriert wird,
der einen Rückkopplungskondensator
aufweist. Der integrierte Ladungsimpuls wird dann verstärkt und
geformt, und das resultierende analoge Signal wird abgetastet und gehalten,
was es zuläßt, seine
Größe zu messen.
Um die Spitzengröße des geformten
Signals zu messen, muß das
geformte Signal sehr genau an seinem Spitzenwert abgetastet werden.
Dies erfordert eine genaue Bestimmung der Spitzenzeit, die zu einer
festen Zeitdifferenz tp nach der Emission der Ladung durch das angeregte
Pixel stattfindet. Die feste Zeitdifferenz tp ist eine Funktion
der RC-Zeitkonstante der Formerschaltung und ist daher bekannt.
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Um folglich zu wissen, wann das integrierte Ladungssignal
abzutasten ist, muß die
Zeit des Auftretens t0 jeder Ladungsemission
selbst genau bestimmt werden. Wenn dies geschehen ist, ist alles, was
dann nötig
ist, den gehaltenen integrierten Ladungsabtastwert zur Zeit tp abzutasten.
Ein Lesesystem zum Auslesen der Ladungssignale muß daher
einen genauen Triggerimpuls erzeugen, der mit dem Auftreten jeder
Ladungsemission zusammenfällt.
Es sind selbsttriggernde Systeme bekannt, in denen der Kanal, in
dem die Ladungsemission stattfindet, den Triggerimpuls mittels eines
pegelempfindlichen Diskriminators erzeugt. Die Impulshöhe wird
ebenfalls verriegelt, so daß sie
ausgelesen werden kann. Jedoch liefert ein solches System eine Information
hinsichtlich der Impulshöhe
nur in dem spezifischen Kanal, in dem die Ladungsemission stattfand,
und nicht in anderen Kanälen,
außer
manchmal in den nächst benachbarten
Kanälen.
Außer dem
werden keine Daten hinsichtlich der Zeit des Auftretens der Ladungsemission
geliefert.
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Es ist auch bekannt, den Triggerimpuls
mittels einer getrennten elektronischen Vorrichtung auf der gemeinsamen „Rückwandplatine" des Bildsensors
zu erzeugen. Jedoch schränkt
eine solche Anordnung den Bildsensor darauf ein, daß er ein „einseitiger" Detektor ist, was
es unmöglich
macht festzustellen, wo im Sensor die Ladungsemission stattgefunden
hat, ebenso wie er unpraktisch zu implementieren ist.
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Offensichtlich kann dann, wenn während jeder
Abtastung des zusammengesetzten Bildsensors jedes Pixel sequentiell
einzeln gelesen wird, die laufende Abtastung beendet werden, wenn
ein „aktives" Pixel detektiert
wird. Jedoch ist es aufgrund des Zeitzusatzes, der mit der Adressierung
jedes Pixels einzeln und dem Herunterladen der Pixeldaten längs eines
dedizierten Kanals zur weiteren Verarbeitung verbunden ist, unpraktisch,
jedes Pixel auf eine solche Weise zu lesen. Ferner wird erkannt
werden, daß zusätzlich zu
dem einen Pixel, mit dem die γ-Strahlanregung
verbunden ist, auch die anderen Pixel Störungen emittieren. Eine solche
Störung
kann zum Beispiel infolge der Gleichtaktdrift der OP AMPs auftreten,
die mit der Leseschaltung verbunden sind. Wenn die Pixel einzeln
gelesen werden, ist es schwierig, die Gleichtaktstörungskomponente
im „aktiven" Pixel quantitativ
genau zu bestimmen. Solche Überlegungen
sprechen dagegen, jedes Pixel getrennt zu adressieren, und begünstigen
eine Stapeladressierung mehrerer Pixel in einer einzigen Leseoperation
unter Verwendung mehrerer Kanäle
bezüglich
jeweils eines entsprechenden Pixels. Dies trägt zum Aufwand der Leseschaltung
bei, da deren verschiedene Komponenten für jeden Kanal wiederholt werden
müssen.
Wenn so eine große
Anzahl von Datensignalen auf getrennten Kanälen jeweils bezüglich eines
Pixels im Bildsensor gelesen worden ist, ist es dann notwendig,
die Daten zu verarbeiten, um festzustellen, welches Pixel „aktiv" ist, woraufhin der
Ort des Radioisotops abgeleitet werden kann.
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Außerdem ist, wie oben erläutert, ein
Signal mit einer von null verschiedenen Gleichtaktstörung mit
allen Pixeln verbunden, einschließlich des „aktiven" Pixels. Um die „aktiven" Pi xeldaten genau zu messen, muß die durchschnittliche
Gleichtaktstörung bestimmt
werden und von den „aktiven" Pixeldaten selbst
subtrahiert werden. Dies trägt
zur Verarbeitungszeit bei, und offensichtlich ist die erforderliche Verarbeitung
um so zeitaufwendiger, je mehr Pixel gleichzeitig verarbeitet werden.
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Folglich gibt es einen Kompromiß zwischen dem
sequentiellen pixelweisen Lesen der Daten mit der sich daraus ergebenden
hohen Adressierungszeit und der Unfähigkeit, Gleichtaktstörungen zu kompensieren;
und dem gleichzeitigen Lesen zu vieler Pixel, mit der sich daraus
ergebenden hohen Verarbeitungszeit und zusätzlichem Aufwand.
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Noch eine weitere Überlegung
betrifft das Feststellen eines zeitlichen Zusammentreffens von γ-strahlinduzierten
Emissionen in den beiden parallelen Detektoren einer Compton-Kamera.
Wie oben erläutert
worden ist, wird, um den Winkel des auftreffenden γ-Strahls
zu berechnen, der aus dem ersten Detektor ausgehende γ-Strahl auf
einen zweiten Detektor gerichtet, in dem er vollständig absorbiert
wird, wodurch er seine gesamte restliche Energie abgibt. Es ist
offensichtlich notwendig, Ereignisse in den beiden Detektoren zu
korrelieren, um festzustellen, daß sie vom selben γ-Strahl herrühren. Dies
geschieht, indem festgestellt wird, daß die beiden Ereignisse im wesentlichen
gleichzeitig sind. Jedoch kann ein genaues zeitliches Zusammentreffen
der beiden Ereignisse nur dann genau bestimmt werden, wenn die γ-Strahlemission
schnell gemessen wird. Detektoren des Stands der Technik setzen
einen Filter, der eine langsame Zeitkonstante aufweist, zur Formung
des Datensignals ein, das aus der γ-Strahlemission resultiert. Eine langsame
Zeitkonstante ist notwendig, um das Signal-/Rauschverhältnis zu
verbessern und um das Einrasten auf den Spitzenwert des geformten
Signals zu verbessern. Jedoch beeinträchtigt die Verwendung einer
langsamen Zeitkonstante die Genauigkeit, mit der die Spitzenzeit
gemessen werden kann, und dies wiederum reduziert die Genauigkeit, mit
der ein zeitliches Zusammentreffen entsprechender Ereignisse in
den beiden Detektoren festgestellt werden kann.
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Es gibt daher offensichtlich ein
Bedürfnis, das
Lesen einer Anordnung von Pixeln in einem zweidimensionalen Bildsensor
zu optimieren, um die Zeit zu reduzieren, die es braucht, ein einzelnes „aktives" Pixel zu detektieren.
Verbunden mit diesem Bedürfnis
ist die Notwendigkeit, einen genauen Triggerimpuls bereitzustellen,
wenn eine Ladungsemission stattfindet, um die Zeit der Emission
(und folglich die Spitzenzeit) genau zu bestimmen, um es dadurch zu
erlauben, daß ein
zeitliches Zusammentreffen von Ereignissen in mehr als einem Detektor
richtig festgestellt wird, und um den Effekt einer Gleichtaktstörung aus
den „aktiven" Pixeldaten zu beseitigen,
so daß nur
die tatsächlichen
Daten gelesen werden.
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WO 9823974 (Elscint Ltd.) mit dem
Titel „Solid
state gamma camera" wurde
am 4. Juni 1998 veröffentlicht,
d. h. nach dem wirksamen Einreichungsdatum der vorliegenden Anmeldung,
stellt jedoch trotzdem den Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPC dar. WO
9823974 offenbart einen Gammakamerakopf, der aufweist: mehrere Signalquellen,
die jeweils mit einer Pixelposition verbunden sind, wobei jede Quelle
ein Signal erzeugt, wenn ein Gammastrahlabsorptionsereignis bei
oder ausreichend nahe ihrem verbundenen Pixel stattfindet, wobei
die mehreren Signalquellen mit einem zusammenhängenden Ausmaß von Pixeln
verbunden sind; und mehrere elektronische Schaltungen, von denen
jede Signale von mindestens zwei der mehreren Signalquellen empfängt, wobei
jede Schaltung die Signale nur von Quellen empfängt, die mit co-zusammenhängenden Pixeln
verbunden sind.
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Das US-Patent Nr. 5,023,455 (Vanstraelen), das
am 11. Juni 1991 veröffentlicht
wurde und den Titel „Radiation-sensitive
detector array and pre-amplification readout integrated circuit" trägt, offenbart
einen Strahlungsdetektor, der eine Anordnung strahlungsempfindlicher
Elemente mit jeweiligen Ausgängen
und einen Schaltungskomplex zum Lesen der Ausgänge solcher Elemente aufweist.
Die Anordnung strahlungsempfindlicher Elemente kann als eine Matrix
von Reihen und Spalten der strahlungsempfindlichen Elemente konfiguriert
werden. Der Schaltungskomplex ist vorgesehen, um die Spalten aufeinanderfolgend
zu aktivieren; und der Schaltungskomplex ist vorgesehen, um ab hängig von
Auftreten einer Strahlungsmenge über
einem Schwellenwert ein Triggersignal zu erzeugen. Auf diese Weise
kann die Identität
einer Reihe, in der ein Element aktiviert wird, bestimmt werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren und ein System zum Lesen eines „aktiven" Pixels in einem zweidimensionalen Bildsensor
oder einem Stapel voneinander beabstandeter Bildsensoren bereitzustellen,
die jeweils mehrere Pixel aufweisen.
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Gemäß einem breiten Aspekt der
Erfindung wird ein Verfahren zum Lesen eines Datensignals bereitgestellt,
das durch ein aktives Pixel in einem Sensor emittiert wird, der
mehrere adressierbare Pixel aufweist, wobei das Verfahren die Schritte
aufweist:
- (a) Gruppieren der mehreren Pixel
in mindestens zwei Gruppen, die jeweils einen Bruchteil der mehreren
adressierbaren Pixel aufweisen,
- (b) Identifizieren einer aktiven Gruppe adressierbarer Pixel,
in der sich das aktive Pixel befindet,
- (c) Bereitstellen einer Leseschaltung für die aktive Gruppe adressierbarer
Pixel, und
- (d) Lesen einer Größe des Datensignals
bezüglich
jedes Pixels in der aktiven Gruppe adressierbarer Pixel, um das
aktive Pixel zu identifizieren; gekennzeichnet durch:
- (e) Bereitstellen eines Startsignals, wenn das Datensignal durch
das aktive Pixel emittiert wird, und
- (f) Messung der Größe des Datensignals
zu einem vorbestimmten Zeitintervall tp nach dem Startsignal, um
die Größe des Datensignals
zu lesen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird ein System zum Lesen eines Datensignals bereitgestellt,
das durch ein aktives Pixel in einem Sensormodul emittiert wird,
das mehrere adressierbare Pixel aufweist, die in mindestens zwei
Gruppen angeordnet sind, wobei das System aufweist:
eine Identifikationseinrichtung,
die im allgemeinen mit jeder der Gruppen von Pixeln zur Überwachung jeder
der mindestens zwei Gruppen gekoppelt ist und die auf das Datensignal
zum Identifizieren einer aktiven Gruppe reagiert, die das aktive
Pixel enthält, ohne
das aktive Pixel selbst zu identifizieren,
eine Leseschaltung,
die reagierend mit der Identifikationseinrichtung zum Lesen einer
Größe des Datensignals
bezüglich
jedes Pixels in der aktiven Gruppe gekoppelt ist, um das aktive
Pixel zu identifizieren, wobei die Leseschaltung gekennzeichnet
ist durch:
eine Starteinrichtung, die auf das elektrische Signal zur
Erzeugung eines Startsignals zur Startzeit t0 reagiert,
und eine Pegelbestimmungseinrichtung, die reagierend mit der Starteinrichtung
zur Messung der Größe des Datensignals
zu einem vorbestimmten Zeitintervall Δt nach dem Startsignal gekoppelt
ist, um zwischen einem echten Signal und Signalgrundlinienpegel
zu unterscheiden.
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Folglich liefert die Erfindung einen
Kompromiß zwischen
dem sequentiellen Lesen jedes Pixels einzeln mit dem folgenden Zusatz
der Pixeladressierung und dem Fehlen einer Gleichtaktstörungskorrektur;
und dem Lesen aller Pixeln gleichzeitig mit dem folgenden Zusatz
der Verarbeitung. Insbesondere werden in der Erfindung alle adressierbaren
Pixel in Gruppen unterteilt, und in einem ersten Schritt wird nur
die aktive Gruppe identifiziert, die das „aktive" Pixel enthält. Dies kann sehr schnell
geschehen, indem ein Schwellenkomparator auf jedes Pixel in einer
ausgewählten
Gruppe angewendet und die Ausgabe aller Komparatoren verdrahtet
ODER-verknüpft wird,
um zu unterscheiden, ob die Ausgabe der Gruppe von Pixeln eine vorbestimmte
Schwelle überschreitet.
Wenn so die aktive Gruppe identifiziert worden ist, werden nun nur
die Pixel in dieser Gruppe einzeln sequentiell gelesen, um das „aktive" Pixel zu identifizieren,
woraufhin der Ort des Radioisotops abgeleitet wird. Insbesondere
macht eine solche Herangehensweise die Notwendigkeit überflüssig, die
Pixel in den nicht aktiven Gruppen zu lesen, wodurch eine beträchtliche
Lesezeit eingespart wird.
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In der aktiven Gruppe wird nur das „aktive" Pixel einen Signalpegel
aufweisen, der die Unterscheidungsschwelle überschreitet. Jedoch geben
die restlichen Pixel Anlaß zu
einer Gleichtaktstörung,
die auch das „aktive" Pixel beeinflussen
und daher kompensiert werden müssen,
damit die Gleichtaktstörungskomponente
aus dem Signalpegel des „aktiven" Pixels beseitigt
werden kann. Durch Lesen der Signalpegel der restlichen Pixel in
der aktiven Gruppe kann der durchschnittliche Gleichtaktstörungspegel
für die
nicht-aktiven Pixeln bestimmt werden und vom Datensignal bezüglich des „aktiven" Pixels subtrahiert
werden.
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Vorzugsweise ist das Datensignal
ein schnell ansteigender Stromimpuls, der aus einer Emission der
elektrischen Ladung abgeleitet wird, die sich daraus ergibt, daß das Pixel
durch einen γ-Strahl
getroffen wird. Der Stromimpuls wird durch einen Vorverstärker integriert,
um einen analogen Spannungsschritt zu erzeugen, der eine scharfe Änderung
des Pegels bei der Emission des Datensignals aufweist. Der Spannungsschritt
bildet ein Startsignal, das für die
Zeit der Emission t0 kennzeichnend ist und
dessen Größe proportional
zur akkumulierten Ladung ist, die durch den Stromimpuls erzeugt
wird und durch einen Rückkopplungskondensator
im Vorverstärker gesammelt
wird. Die Leseschaltung weist ferner mindestens einen Former bezüglich jedes
Pixels in der aktiven Gruppe auf, der auf den Spannungsschritt zur Verstärkung und
Formung der integrierten Ladung reagiert, um ein langsam ansteigendes
analoges Spannungssignal zu erzeugen, das ein großes Signal-/Rauschverhältnis aufweist.
Ein wichtiges Merkmal einer solchen Ausführungsform beruht in der Präzision,
mit der das geformte analoge Spannungssignal an seiner Spitze abgetastet
wird. Insbesondere weist die Leseschaltung bezüglich jedes Pixels in der aktiven
Gruppe auf:
einen schnellen Former, der eine schnelle Zeitkonstante
aufweist und auf das Startsignal zur Formung der Ladung reagiert,
um eine schnelle Antwortkurve zu erzeugen, die schnell über eine
vorbestimmte Schwelle steigt,
einen langsamen Former, der eine
langsame Zeitkonstante aufweist und auf das Startsignal zur Formung
der Ladung rea giert, um eine langsame Antwortkurve zu erzeugen,
die ein großes
Signal-/Rauschverhältnis
aufweist,
eine Verzögerungseinrichtung,
die mit dem schnellen Former zur Bestimmung einer Zeitverzögerung Δt für die schnelle
Antwortkurve gekoppelt ist, um die vorbestimmte Schwelle zu überschreiten,
und
eine Abtasteinrichtung, die mit der Verzögerungseinrichtung
und dem langsamen Former zur Abtastung der langsamen Antwortkurve
zu einem weiteren Zeitintervall tp – Δt nach der Zeitverzögerung Δt gekoppelt
ist, wobei tp die Zeit ist, zu der die langsame Antwortkurve ihren
Spitzenwert erreicht, um die langsame Antwortkurve im wesentlichen
bei ihrem Spitzenwert abzutasten.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Um die Erfindung zu verstehen und
wie sie in der Praxis ausgeführt
werden kann, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform anhand eines nur
nicht beschränkenden
Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm, das ein System zeigt, das eine erfindungsgemäße Leseschaltung
zum Lesen eines Sensors aufweist;
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2 bildhaft
einen erfindungsgemäßen Mehrschichtsensor,
der eine geschichtete Anordnung von Bildsensoren aufweist; und
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3 graphisch
den Effekt des Zeitgangs in einem integrierten Ladungssignal;
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4a und 4b graphisch eine erfindungsgemäße Lösung des
Problems, das mit dem Zeitgang eines integrierten Ladungssignals
verbunden ist;
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5 ein
schematisches Diagramm, das ein Detail der erfindungsgemäßen Leseschaltung
zeigt, und
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6a bis 6f graphisch verschiedene
Wellenformen, die mit der Leseschaltung verbunden sind, die alle
bezüglich
einer gemeinsamen Zeitbasis gezeichnet sind.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 ist
ein schematisches Diagramm, das ein System zeigt, das allgemein
als 10 dargestellt wird und ein Sensormodul 11 mit
einer Anordnung von 512 Pixeln 12 aufweist, die durch Siliziumdioden gebildet
werden, die auf einen auftreffenden γ-Strahl zur Erzeugung eines
Ladungssignals reagieren.
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Beispielsweise kann das Sensormodul 11 ein
Teil einer Compton-Kamera
zur Verwendung in einer tomographischen Abbildung des Körpers eines Patienten
sein. Eine solche Compton-Kamera ist mit zwei getrennten Detektoren
ausgestattet: einer von ihnen ist ein Mehrschichtsensor, dessen
mehrere Schichten dazu dienen, den Compton-Effekt zu erhöhen, und
von denen jede mit ihrer eigenen unabhängigen Ausleseschaltung versehen
ist, um es zu ermöglichen,
das Datensignal auszulesen. Der zweite Detektor, der selbst kein
Merkmal der Erfindung ist, kann aus einer ähnlichen Pixelanordnung oder
irgendeinem anderen geeigneten Sensor zur Absorption des γ-Strahls
bestehen, der aus dem ersten Detektor kommt. Als Ergebnis gibt der γ-Strahl seine restliche
Energie im zweiten Detektor ab, wodurch es erlaubt wird, den Winkel
des γ-Strahls
in einer bekannten Weise zu berechnen.
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Die vorliegende Erfindung ist folglich
in erster Linie auf den ersten Detektor anwendbar, in dem die Pixelanordnungen 12 in 16 Gruppen
von Pixeln angeordnet sind, die jeweils 32 Pixel aufweisen.
Das Sensormodul 11 weist einen chipintegrierten Unterscheidungschaltungskomplex
bezüglich
jeder der 16 Gruppen von Pixeln in der Pixelanordnung 12 in
der Form eines Paars anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen
(ASICs) 13a und 13b auf, die falls erwünscht in
einer einzigen ASIC kombiniert sein können. Details der ASICs 13a und 13b werden
unten. unter Bezugnahme auf 5 der
Zeichnungen angegeben. Jeweilige Ausgabekanäle des Unterscheidungschaltungskomplexes
werden einer Ausleseschaltung 14 zur sequentiellen Auswahl
einer anderen Gruppe von Pixeln und Kopplung der Pixeln in der ausgewählten Gruppe
an die jeweiligen ersten und zweiten Datenbusse 15 und 16 zugeführt. Insbesondere
werden die Pixel in jeder Gruppe einem Mehrfacheingang-Diskriminator
zugeführt,
um ein zusammengesetztes Signal abzuleiten, das einer entsprechenden
Datenlei tung im ersten Datenbus 15 zugeführt wird.
Folglich wird der zusammengesetzte Signalpegel von allen Pixeln
in der jeweiligen Gruppe abgeleitet und befindet sich auf einem
Hochpegelzustand, wenn irgendeines der Pixel in der Gruppe „aktiv" ist, und befindet
sich andernfalls auf einem Tiefpegelzustand. Folglich wird sich
nur eine Datenleitung auf einem Hochpegelzustand befinden, was anzeigt,
welche der 16 Gruppen von Pixeln „aktiv" ist, während die anderen 15 Datenleitungen,
die den restlichen 15 Gruppen entsprechen, die insgesamt etwa
480 Pixel enthalten, sich inaktiv auf einem Tiefpegelzustand befinden,
was anzeigt, daß keines
der 480 Pixel „aktiv" ist. Folglich wird
durch die beschriebene Gruppierung der 512 Pixel in 16 Gruppen
und durch Unterscheidung zwischen der einen aktiven Gruppe und den
restlichen 15 inaktiven Gruppen der Ort des einen „aktiven" Pixels sehr deutlich
eingeengt; obwohl natürlich
in diesem Stadium noch nicht bekannt ist, welches der 32 Pixel
in dieser Gruppe das „aktive" Pixel ist.
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Alle 16 Datenleitungen im
ersten Datenbus 15 sind mit jeweiligen Eingängen eines
16-Eingang-ODER-Gatters 20 (das eine erste Logikeinrichtung
bildet) verbunden, dessen Ausgabe sich folglich auf einem Hochpegelzustand
(der einen ersten Logikpegel bildet) befindet, wenn irgendeine oder
mehrere der 16 Datenleitungen sich im Hochpegelzustand
befinden, was anzeigt, daß die
entsprechende Gruppe „aktiv" ist. Wenn keines
der 512 Pixel im Sensormodul 11 „aktiv" ist, dann befindet sich der Ausgang
des ODER-Gatters 20 auf einem Tiefpegelzustand (der einen
zweiten Logikpegel bildet). Wie unten unter besonderer Bezugnahme
auf 2 der Zeichnungen
erläutert
wird, können
mehrere Sensormodule zusammengebaut werden, um einen Mehrschicht-Bildsensor zu bilden,
der jeweils mehrere Sensormodule aufweist. Jedes Sensormodul weist ein
damit verbundenes ODER-Gatter 20 auf,
und die Ausgabe des ODER-Gatters in jedem Modul wird einem Eingang
eines 2-Eingang-UND-Gatters 21 zugeführt, dessen zweitem Eingang
eine Ausgabe aus dem zweiten Detektor zugeführt wird. Folglich befindet
sich der Ausgang des UND-Gatters 21 in
jedem Sensormodul nur dann auf einem Hochpegelzustand, wenn sich
die Ausgänge
von mindestens einem der ODER- Gatter 20 im
jeweiligen Sensormodul auf einem Hochpegelzustand befinden, und
sich gleichzeitig der Ausgang des zweiten Detektors auf einem Hochpegelzustand
befindet. Das UND-Gatter 21 läßt es folglich zu, daß ein zeitliches
Zusammentreffen von Ladungsemissionen, die sowohl vom ersten als
auch zweiten Detektor ausgehen, in Echtzeit festgestellt wird. Ein γ-Strahl kann
den Bildsensor schräg
treffen, und wenn er teilweise in einer Schicht absorbiert wird,
dann wird sich sein Winkel ändern, was
folglich seine anschließende
Detektion erlaubt.
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Eine Decodiereinrichtung 22 ist
an den ersten Datenbus 15 gekoppelt und reagiert auf das
zusammengesetzte Signal auf jeder seiner Datenleitungen zur Bestimmung,
welche der Datenleitungen sich auf einem Hochpegelzustand befinden,
wodurch eine Identität
der aktiven Gruppe festgestellt wird. Eine Timingeinrichtung 23 ist über das
UND-Gatter 21 an den Ausgang des ODER-Gatters 20 gekoppelt und reagiert
auf die Ausgabe des ODER-Gatters 20,
das sich auf einem Hochpegelzustand (d. h. dem ersten Logikpegel)
befindet, zur Erzeugung eines Zeitstempels, der einer Zeit der Erzeugung
des ersten Logikpegels entspricht, die im wesentlichen mit der Pixelantwort
zusammenfällt.
Ein Verzögerungsgatter 24 (das
eine Verzögerungseinrichtung
bildet), das an die Timingeinrichtung 23 gekoppelt ist,
reagiert auf die Ausgabe des ODER-Gatters 20, das sich
auf einem Hochpegelzustand befindet, zur Erzeugung einer Zeitverzögerung tD, die über
eine Verzögerungsleitung 25 einer
Verriegelungsschaltung in einer (nicht gezeigten) Abtast-Halte-Schaltung
innerhalb der ASIC 13 zugeführt wird, so daß das Datensignal,
das durch das „aktive" Pixel erzeugt wird,
mit einer Zeitverzögerung
tp = Δt
+ tD nach seiner Erzeugung abgetastet werden
kann, wobei Δt
die Zeitdifferenz zwischen der tatsächlichen Ladungsemission und
ihrer Unterscheidung ist.
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Der zweite Datenbus 16 wird
durch eine analoge Datenleitung 26 gebildet, die über einen
Zuordner 27 (der eine Auswahleinrichtung bildet) mit jedem der
Pixeln in einer ausgewählten
der Gruppen gekoppelt ist, um darauf jeweilige Signalpegel von jedem der
Pixel in der ausgewählten
Gruppe zu empfangen. Der Zuordner 27 reagiert auf ein Startsignal,
das einem Starteingang desselben über die Verzögerungsleitung 25 zugeführt wird,
um die Pixeladressen in der aktiven Gruppe zu durchlaufen, um auf
der analogen Datenleitung 26 seriell ein analoges Signal
auszugeben, das der Reihe nach dem Signalpegel jedes Pixels in der
aktiven Gruppe entspricht. Die analoge Datenleitung 26 ist
an einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 30 gekoppelt, dessen
Ausgabe ein Digitalsignal ist, das für den Signalpegel des entsprechenden Pixels
in der aktiven Gruppe repräsentativ
ist.
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Die Digitalsignalausgabe durch den
ADC 30 wird einem digitalen Signalprozessor (DSP) 31 zugeführt (der
eine Unterscheidungseinrichtung bildet) der programmiert ist, den
Signalpegel jedes Pixels in der ausgewählten Gruppe mit einer Unterscheidungsschwelle
zu vergleichen, um das aktive Pixel als jenes Pixel zu identifizieren,
dessen Signalpegel die Unterscheidungsschwelle überschreitet.
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Der DSP 31 dient auch als
eine Gleichtaktstörungspegel-Bestimmungseinrichtung
zur Bestimmung eines durchschnittlichen Gleichtaktstörungspegels,
der mit den 31 Pixeln in der ausgewählten Gruppe verbunden ist,
deren Signalpegel nicht mit einem „aktiven" Pixel in Einklang stehen. Die Gleichtaktstörungspegel
der 31 inaktiven Pixeln werden gemittelt und dann vom Signalpegel
des „aktiven" Pixels subtrahiert,
um die Gleichtaktstörung
zu korrigieren. Der DSP 31 erzeugt einen digitalen Datenstrom,
der Daten enthält,
die repräsentativ
für die
Modulnummer, die Identität
der aktiven Gruppe, die Identität
des aktiven Pixels, den Zeitstempel des aktiven Pixels und dessen
gleichtaktstörungskorrigierten
Signalpegel sind. Der resultierende digitale Datenstrom wird dann zu
einem Computer 32 übertragen,
wo er verarbeitet wird, falls erforderlich: wobei dies kein Merkmal
der vorliegenden Erfindung ist. Die Modulnummer ist ein vorprogrammierter
Code, der in das entsprechende Sensormodul 11 heruntergeladen
wird und der so identifiziert, von welchem Sensormodul ein Datensignal
emittiert wurde. Der Zeitstempel gibt die Zeit beruhend auf einer
(nicht gezeigten) gemeinsamen Echtzeituhr an, bei der eine Ladungsemission
durch das identifizierte Pixel stattfand. Diese Daten sind relevant,
wenn zusammenfallende Daten vom ersten Detektor mit den entsprechenden
Daten vom zweiten Detektor kombiniert werden, um den Ort des auftreffenden γ-Strahls
und seinen Einfallwinkel zu berechnen. Es sollte jedoch beachtet
werden, daß die
Zeitstempel nicht verwendet werden, um ein zeitliches Zusammentreffen
einer Ladungsemission aus den ersten und zweiten Detektoren festzustellen:
dies wird in Echtzeit unter Verwendung von Logikgattern festgestellt,
wie oben unter Bezugnahme auf 1 der
Zeichnungen erläutert.
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Es sind getrennte (nicht gezeigte)
Stromversorgungen für
die analogen und digitalen Abschnitte der Leseschaltung 14 vorgesehen,
so daß sich
der analoge und digitale Strom unterscheiden, wie durch die strichpunktierte
Linie gezeigt. Um die erwünschte Unterscheidung
zwischen den analogen und digitalen Komponenten aufrechtzuerhalten,
während
dennoch eine ungehinderte Datenübertragung
zwischen den beiden zugelassen wird, werden Optokoppler eingesetzt.
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2 zeigt
bildhaft einen Mehrschichtsensor 40, der ein Teil eines
ersten Detektors für
eine Compton-Kamera ist und fünf
parallele identische Sensorebenen aufweist, die jeweils mit 41 bezeichnet
werden und eine Anordnung von neun Sensormodulen 11 aufweisen,
wie oben unter Bezugnahme auf 1 der
Zeichnungen beschrieben. Jedes der Sensormodule 11 in jeder
Sensorebene 41 ist an eine jeweilige Leseschaltung 42 gekoppelt,
so daß neun
Leseschaltungen für
jede Sensorebene erforderlich sind. Jeweilige Ausgänge 43 jeder
der Leseschaltungen 42 sind über einen Datenbus 44 an
einen Computer 45 gekoppelt.
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Ein γ-Strahl, der auf den Sensor 40 trifft, weist
genügend
Energie auf, um durch dessen alle Schichten 41 zu dringen; erzeugt jedoch nur dann ein Ladungsdatensignal,
wenn er teilweise durch ein Pixel in mindestens einer Sensorebene
absorbiert wird. Wie oben erläutert,
erhöht
die Bereitstellung mehrerer Schichten die Wahrscheinlichkeit, daß ein Compton-Effekt
in mindestens einem Pixel des Sensors stattfinden wird. Es sollte
beachtet werden, daß dasselbe
Ziel erreicht werden kann, indem der Oberflächenbereich jeder Sensorebene
erhöht
wird.
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Damit das Ladungssignal, das durch
ein „aktives" Pixel emittiert
wird, durch die Leseschaltung 42 gelesen werden kann, muß das Ladungssignal
nach einer Vorverstärkung,
zuerst geformt werden, woraufhin seine Spitzengröße abgetastet und gemessen werden
kann. 3 zeigt graphisch
drei Kurven 50, 51 und 52, die die jeweiligen
Ladungssignale repräsentieren,
die zur selben Zeit t0 ausgehen und jeweils einen
anderen Spitzenwert Vp aufweisen.
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Erneut auf die Beschreibung der Leseschaltung
unter Bezugnahme auf 1 der
Zeichnungen bezugnehmend, wird daran erinnert, daß eine Zeitverzögerung tD über
eine Verzögerungsleitung 25 einer
Verriegelungsschaltung in einer (nicht gezeigten) Abtast-Halte-Schaltung
innerhalb der ASIC 13a zugeführt wird, so daß das Datensignal,
das durch das „aktive" Pixel erzeugt wird,
bei einer Zeitverzögerung tp
nach seiner Erzeugung abgetastet werden kann. Die Zeitverzögerung tD kann beruhend auf dem Wert von Δt und der
Spitzenzeit tp vorbestimmt werden, die aus der RC-Zeitkonstante
des Formers bekannt ist, so daß wenn
der Beginn des Signals zur Zeit t0 bekannt
ist, die Kurve dann exakt an der Spitzenzeit tp abgetastet werden
kann, um den Spitzenwert Vp zu erhalten. Tatsächlich ist dies nicht machbar,
da die Zeit t0 des Ladungssignals, das vom „aktiven" Pixel ausgeht, niemals
präzise
bestimmt werden kann, da es zuerst notwendig ist, zwischen tatsächlichen
Pixeldaten, die von einem auftreffenden γ-Strahl herrühren, und dem Signalgrundlinienpegel
zu unterscheiden. Eine solche Unterscheidung wird durch Vergleichen
des Signals mit einer vorbestimmten Schwelle 53 unter Verwendung
eines herkömmlichen Komparators
durchgeführt.
Die Zeit, die es für
jedes der Signale braucht, um die Schwelle 53 zu passieren,
hängt vom
Spitzenwert Vp des Signals ab und variiert folglich von einem Signal
zum anderen. Dieser Effekt ist als „Zeitgang" bekannt und muß kompensiert werden, um jedes
der drei Signale zur korrekten Zeit abzutasten, um den jeweiligen
Spitzenwert zu erhalten. Ohne eine solche Kompensation gibt es keine
konstante Verzögerung
zwischen der Zeit, zu der jede Kurve durch die Schwelle geht, und der
Zeit, zu der die Kurve ihren Spitzenwert erreicht.
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Die 4a und 4b zeigen graphisch eine
Lösung
des Problems des Zeitgangs, mittels derer die gewünschte Kompensation bewirkt
werden kann. So zeigt 4a eine
typische integrierte Ladungskurve 55, die eine bekannte
Spitzenzeit tp aufweist. Wie oben erläutert, reicht dies von sich
aus nicht aus, um den Spitzenwert Vp genau zu messen, da es zuerst notwendig
ist, einen zuverlässigen
Zeitursprung t0 zu bestimmen, wobei ein
Schwellendiskriminator verwendet wird, wie oben erläutert.
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Um diese Aufgabe zu lösen, stellt
die Erfindung einen zweiten Former bereit, der eine sehr viel schnellere
Zeitkonstante aufweist, um eine (in 4b gezeigte)
scharfe Kurve 56 zu erzeugen, die die Schwelle nach einer
Zeit Δt überschreitet,
die sehr viel kleiner als die Spitzenzeit tp des langsamen Formers
ist. Wenn so aus der Kurve 56 festgestellt worden ist,
daß das
Signal Pixeldaten und nicht dem Signalgrundlinienpegel entspricht,
kann die erste Kurve 55 nach einer Zeitverzögerung tD abgetastet werden, die gleich tp – Δt ist. Es
ist natürlich
wahr, daß Δt nicht genau
bekannt ist, da die Kurve 56 mit ihrer schnellen Anstiegszeit
ebenfalls einem Zeitgang unterworfen ist und Δt daher von deren Spitzenwert
abhängt.
Da jedoch der Wert von Δt
verglichen mit dem Wert von tp sehr klein ist, hat jeder Fehler
in Δt einen
zu vernachlässigenden
Effekt auf die Verzögerung
tp – Δt, nach der
die erste Kurve 55 abgetastet wird, um den Wert von tp
zu lesen.
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5 zeigt
ein Detail der Leseschaltung 42, das die Anwendung von
doppelten Formern veranschaulicht, die unterschiedliche Zeitkonstanten
aufweisen, um den Zeitgang zu kompensieren. In dem Maß, in dem
die Leseschaltung 42 Komponenten enthält, die auch in anderen Figuren
gezeigt werden, werden identische Bezugsziffern eingesetzt. Folglich wird
jedes Pixel 12 in einer ausgewählten Gruppe einem Integrator 60 zugeführt, der
durch einen Vorverstärker 61 gebildet
wird, der einen Rückkopplungskondensator 62 aufweist.
Die integrierte Ausgabe des Vorverstärkers 61 wird durch
einen ersten CR-RC-Former 63 gefiltert (der einen langsamen Former
bildet), und dann zu einer Abtast-Halte-Einheit 64 geschickt.
Die analoge Ausgabe der Abtast-Halte-Einheit 64 wird durch
einen Multiplexer 65 gemulti plext, so daß das Signal,
das jedem der 32 Pixel in jeder Gruppe entspricht, abgetastet
und verarbeitet werden kann.
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Die Ausgabe des Vorverstärkers 61 wird auch
einem zweiten CR-RC-Former 66 zugeführt (der einen schnellen Former
bildet), der eine Integrationszeit (d. h. Spitzenzeit) aufweist,
die in ihrer Größenordnung
zehnmal kürzer
als jene des ersten Formers 63 ist. Die Ausgabe des zweiten
Formers 66 wird einem Pegeldiskriminator 67 zugeführt, dessen Schwelle
eine ausreichende Größe aufweist,
um zwischen einem echten Signal und dem Signalgrundlinienpegel zu
unterscheiden. Die Ausgabe des Pegeldiskriminators 67 wird
einer monostabilen Kippschaltung 68 zugeführt, deren
Ausgang an das Gate eines MOSFET 69 gekoppelt ist. Die
monostabile Kippschaltung 68 reagiert folglich auf ein „aktives" Pixel in der jeweiligen
Gruppe zur Erzeugung eines kurzen Triggerimpulses zum Schalten des
MOSFET 69. Die MOSFETs 69 jeder Gruppe sind in
einer verdrahteten ODER-Konfiguration geschaltet, so daß wenn irgendeines
der Pixel in der ausgewählten
Gruppe „aktiv" ist, sich die kombinierte
Ausgabe der MOSFETs 69 auf einem Hochpegelzustand befinden
wird.
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Folglich erlaubt der zweite Former 66 eine sehr
schnelle Unterscheidung bezüglich
eines „aktiven" Pixels, wonach das
langsam integrierte Signal, das durch den ersten Former 63 erzeugt
wird, nach einer konstanten Verzögerungszeit
tD genau abgetastet werden kann, um seinen
Spitzenwert Vp festzustellen.
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Die 6a bis 6f fassen die verschiedenen Signalpegel
zusammen, die mit einem „aktiven" Pixel verbunden
sind, die al- le gemäß einer
gemeinsamen Zeitbasis gezeichnet sind. So zeigt 6a das tatsächliche Ladungssignal, das
durch ein Pixel emittiert wird, das sich daraus ergibt, daß es durch
einen γ-Strahl getroffen
wird. Wie oben erläutert,
ist dieses Signal ein scharfer Stromimpuls, der zur Zeit t0 beginnt, fast augenblicklich auf einen
Spitzenwert ansteigt und dann auf null abfällt.
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6b stellt
die entsprechende Wellenform nach einer Vorverstärkung dar. Wie oben angegeben,
integriert der Vorverstärker
das Ladungsdatensignal, um ein analoges Spannungssignal zu erzeugen,
das eine scharfe Änderung
des Pegels bei einer Emis sion des Datensignals aufweist. Die scharfe Änderung
des Pegels definiert die Startzeit t0 des
Datensignals.
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Die 6c und 6d zeigen die langsam bzw. schnell
geformten Datensignale. In 6c steigt
das geformte Signal zu einer Zeit tp nach der Startzeit t0 zu einem Spitzenwert Vp an und fällt dann
auf null ab, wie durch die gepunktete Linie gezeigt. Die Wellenform
muß zur
Zeit tp abgetastet und gehalten werden, um den Spitzenwert Vp aufzunehmen.
Es wird in 6d deutlich
gezeigt, daß das
schnell geformte Signal nach einem Zeitintervall Δt, das sich
der Startzeit t0 anschließt, durch
die Schwelle ansteigt.
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6e zeigt
die Ausgabe der (in 5 gezeigten)
monostabilen Kippschaltung 68, die ein scharfer, zur Zeit
t0 + Δt
erzeugter Rechteckimpuls ist und die über den MOSFET 69 der
(in 1 gezeigten) Verzögerungsschaltung 24 zugeführt wird,
um die Verzögerungsschaltung 24 zu
triggern, wodurch nach einer weiteren Verzögerungszeit tD,
die gleich tp – Δt ist, das
langsam integrierte Signal, das in 6c gezeigt
wird, an seinem Spitzenwert Vp abgetastet wird.
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Es wird erkannt werden, daß während die Verwendung
einer parallelen Unterscheidung unter Verwendung von langsamen und
schnellen Formern einen besonderen Vorteil für den erfindungsgemäßen Sensor
hat, das Prinzip der parallelen Unterscheidung eine allgemeinere
Anwendung finden kann. Insbesondere ist zu beachten, daß dort,
wo eine hohe Geschwindigkeit nicht wesentlich ist, eine solche Unterscheidung
vorteilhaft mit bekannten Bildsensoren eingesetzt werden kann, bei
allen, deren Pixel ausgelesen werden, um die Pixeldaten mit größerer Genauigkeit
lesen zu lassen. Ebenso wird es klar sein, daß andere Modifikationen an
den beschriebenen besonderen Ausführungsformen durchgeführt werden
können,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
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So ist es zum Beispiel zu verstehen,
daß während die
Erfindung insbesondere hinsichtlich der Detektion von γ-Strahlemissionen
beschrieben worden ist, dieselben Prinzipien ebenso gut für die Detektion
anderer Hochenergieteilchen anwendbar sind. Wie ferner erkannt werden
wird, können
solche Hochenergieteilchen Photonen oder geladene Teilchen sein.
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Ebenso ist zu verstehen, daß obwohl
die Verwendung der Mehrpixelsensoren in einer Compton-Kamera beschrieben
worden ist, dieselben Prinzipien gleich gut zur Verwendung mit einem
Hybridphotonendetektor und zum Auslesen von Sekundärelektronenvervielfacherröhren geeignet
sind.
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Es sollte außerdem betont werden, daß wenn die
Sensormodule auf Silizium beruhen, jedes Pixel praktisch eine Diode
ist. Jedoch können
auch andere Halbleitersensoren eingesetzt werden, wobei in diesem
Fall die Pixel hochohmige Elemente sind.