JP2009544973A - 陽電子放出型断層撮影における飛行時間測定法 - Google Patents

Abstract

陽電子放出型断層撮影装置（１００）は、複数の放射線感知検出器システム（１０６）及び選択的トリガーシステム（１２０）を含む。選択的トリガーシステムは、検出されたガンマ放射線に由来する検出器信号（３１０）を特定し、偽の検出器信号（３１０）を無視する。一例において、装置（１００）は、Ｈを１以上の整数として、レベルＨのバイナリー階層分解に従って測定期間（Ｔ_ｍａｘ）を分解する時間−デジタル変換器を含む。

Description

本出願は、陽電子放出型断層撮影（ＰＥＴ）に関し、特に、飛行時間式（time of flight；ＴＯＦ）ＰＥＴにおける同時事象の検出に関する。本出願はまた、ＴＯＦ式以外のＰＥＴ、単光子放出型コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、及びノイズの存在下で放射線を検出する必要のあるその他の医療用途及び非医療用途にも適用される。

陽電子放出型断層撮影においては、ヒト患者の体内又はその他の検査対象内に陽電子放出アイソトープが導入される。陽電子は、陽電子消滅事象として知られる事象にて電子と反応し、５１１ｋｅＶのガンマ線の同時発生対を生成する。この同時発生ガンマ線対は同時計数線（ライン・オブ・レスポンス；ＬＯＲ）に沿って実質的に反対方向に進行する。通常、一致（コインシデンス）時間内に検出されたガンマ線対がＰＥＴスキャナによって記録される。典型的なスキャンにおいて、アイソトープの分布を表す画像又はその他の情報を生成するため、何百万ものこのような消滅が検出され、使用される。

ＰＥＴの１つの重要用途は医学であり、ＰＥＴスキャナにより提供される情報は、疾病の診断及び治療に関係する放射線医及びその他の医療専門家によって幅広く利用される。これに関し、患者に投与されるドーズ量及び撮像手順の長さを最小化しながら、比較的高い画質を有する画像を提供することが望ましい。

ＴＯＦ−ＰＥＴにおいては、２つの同時発生ガンマ線の検出間の実際の時間差が測定され、ＬＯＲに沿って事象の位置を推定するために使用される。そして、この位置情報は、再構成処理において、再構成画像の品質を改善するために使用され得る。所与の活動レベル及び撮像時間において、付加的な位置情報は、ＴＯＦ式でないＰＥＴによる画像と比較して改善された画質を有する画像を作り出すために使用され得る。別の見方をすると、比較的低いドーズ量及び／又は比較的短いスキャン時間を用いて、同等の品質の画像が取得され得る。

実際のＰＥＴシステムの性能は、その感度、エネルギー及び時間の分解能、時間応答性、及び検出器システムのその他の特性や、ノイズによって影響を受ける。商業的に入手可能なＰＥＴシステムにおいては、例えば光電管（ＰＭＴ）等の光センサアレイがシンチレータ材料の背後に配置されている。ＴＯＦシステムにおいては、必要な時間分解能を実現するため、例えばＬＹＳＯ、ＬＳＯ又はＬａＢｒ等の比較的高速なシンチレータ材料が使用される。例えばガイガー（Geiger）モードで駆動されるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）（ＧＭ−ＡＰＤ）のアレイ等の半導体光センサを使用することも提案されている。ＧＭ−ＡＰＤは、比較的良好な時間分解能を特徴とするものの、光子吸収に由来しないダークカウントを起こしやすい傾向にある。ダークカウントの率は、例えば、デバイス構造及びプロセスパラメータ、温度、並びに印加バイアス電圧などの要因に依存するが、ダークカウントは、結果として得られる画像の品質に悪影響を及ぼし得るものである。

従って、改善の余地が残されている。例えば、時間測定の精度を向上させながら、ダークカウント及びその他のノイズ源による偽の事象の影響を抑制することが望ましい。画質を低下させることに加えて、これらの偽の事象に反応し、処理してしまうことは、検出器の最大計数率を制限し、妥当であり得るカウントを損ねてしまい得るものである。これらの影響は、光センサのバイアス電圧を低減すること、又は事象のトリガー閾値を高めることによって改善され得るが、そうすることは、全体的な感度及び／又は時間測定の精度を低下させてしまう傾向にある。当然ながら、これらの事項はシステムの複雑さ、信頼性及びコストを踏まえて検討しなければならない。

実際のＴＯＦ−ＰＥＴの性能に影響を及ぼす他の１つの要因は、必須の時間測定を行うために使用される時間−デジタル変換器（time to digital converter；ＴＤＣ）である。

アナログＴＤＣは、一般的に、定電流源を用いて充／放電されるキャパシタの時定数に基づく。アナログＴＤＣは比較的高い時間分解能の測定を実現し得るが、必要とするアナログ回路、積分キャパシタ、及び電圧−時間変換回路が、アナログＴＤＣの魅力を制限してしまう。また、アナログＴＤＣは非線形応答をもたらす。非線形性を補償することは可能であるが、そうすることは変換時間を増大させ得る。変換時間がシンチレータパルスの長さを超えると、画素のデッドタイムが増大される。

最先端のＣＭＯＳプロセスにおいて、デジタルＴＤＣが実現され得る。その場合、ＴＤＣはＧＭ−ＡＰＤ又はその他のデジタル信号源と集積される。デジタルＴＤＣは、リング発振器、及び事象の時点におけるリング発振器の状態を記憶するラッチを含んでいる。しかしながら、このような設計は一般的に、事象間でシャットダウンされないため、比較的高い静的な消費電力を有する。故に、リング発振器に基づく時間−デジタル変換は、特に検出器画素ごとにＴＤＣが設けられるものなど、大型のセンサでの適用にあまり適さない。別の１つの代替策は、タップ付き遅延線及び副尺（バーニア）付きライン型ＴＤＣを使用することである。しかしながら、そのような実装もまた面積集中的なものであり、時間分解能は、プロセス変動や、例えば周囲温度及び動作電圧などの動作条件によって影響を受ける。

更なる他の１つのＴＤＣ技術は所謂パルスシュリンク法である（例えば、特許文献１参照）。そのようなシステムは、一般的に、測定されたパルスの幅を時間ｄＴだけ縮める１つ以上のパルスシュリンク用遅延素子を含む。一例において、パルスを消滅させるのに必要なサイクル数を決定するため、非同期カウンタが用いられる。

パルスシュリンクは比較的良好な線形性と低消費電力を実現し得るが、最悪の場合の変換時間Ｔ_ｃは、変換されるべきパルスの最大幅Ｔ_ｍａｘと時間分解能ｄＴとの関数：
Ｔ_ｃ＝Ｔ_ｍａｘ ^２／ｄＴ （１）
である。例えば、Ｔ_ｍａｘ＝１０ｎｓ且つｄＴ＝１０ｐｓの場合、最悪の場合の変換時間は約１０μｓとなる。このような長い変換時間はＴＯＦ−ＰＥＴ及びその他の高速システムでは受け入れられないものである。

従って、特に、比較的高い時間分解能及び短い変換時間を必要とする、ＴＯＦ−ＰＥＴ及びその他の用途にて使用するための、改善されたＴＤＣを提供することが依然として望まれる。

米国特許第６２８８５８７号明細書

上述の問題及びその他の問題が、本発明の態様によって解決される。

一態様に従って、放射線検出装置は、受信した放射線光子に応答してシンチレーション光子を生成するシンチレータ、及びシンチレータに光的に連通した光センサを含む。光センサはシンチレーション光子に応答して光センサ信号を生成する。当該装置はまた、光センサ信号が第１の信号基準を満たす場合に第１の出力信号を生成する第１の信号検出器、光センサ信号が第２の信号基準を満たす場合に第２の出力信号を生成する第２の信号検出器、及び第１及び第２の出力信号を評価し、シンチレータによって受信された放射線を表す光センサ信号を特定する放射線信号検出器を含む。

他の一態様に従って、方法は、ガンマ放射線検出器から信号を受信する段階、候補の検出器信号を特定するよう、受信した信号を評価する段階を含む。候補の検出器信号は、検出ガンマ放射線信号及び偽の信号を含む。当該方法はまた、検出ガンマ放射線信号を特定し、偽の信号を退けるため、候補の検出器信号を評価する段階、及び特定された検出器信号の測定されたガンマ放射線エネルギー及び測定された検出時刻のうちの少なくとも１つを表す出力を生成する段階を含む。

本発明の他の一態様に従って、陽電子放出型断層撮影装置は複数の検出器チャネルを含む。検出器チャネルは、放射線感知検出器、及び検出ガンマ放射線信号及び偽の信号を含む候補の検出器信号を特定するよう、検出器の出力を評価する手段を含む。検出器チャネルはまた、検出ガンマ放射線信号を特定するよう候補の検出器信号を限定する手段を含む。当該装置はまた、検出器チャネルに動作的に接続され、陽電子消滅を表す限定された検出器信号を特定する一致検出器を含む。

本発明の他の一態様に従って、装置は、ガンマ放射線感知検出器、放射線感知検出器に動作的に接続され、放射線感知検出器によって受信されたガンマ放射線を表す候補の検出器信号を選択的に特定し、限定する第１手段、及び第１手段に動作的に接続され、限定された検出器信号の検出時間を特定するタイムスタンプデータを生成する、パルスシュリンク式の時間−デジタル変換器を含む。

更なる他の一態様に従って、時間−デジタル変換方法は、測定すべき信号を受信する段階、及び測定期間を、各々が或る幅を有する複数の部分期間に分割する段階を含む。当該方法はまた、信号の幅を、複数の部分期間のうちの少なくとも１つの幅に相当する量だけ短縮する段階、短縮された信号の幅を測定する段階、及び前記量及び測定された幅を用いて信号の幅を決定する段階を含む。

他の一態様に従って、信号の幅を測定する装置は、測定期間を、各々が或る幅を有する複数の部分期間に分割する手段を含む。当該装置はまた、信号の幅を、複数の部分期間のうちの少なくとも１つの幅に相当する量だけ短縮する手段、短縮された信号の幅を測定する手段、及び前記量及び測定された幅を用いて信号の幅を計算する手段を含む。

以下の詳細な説明を読み、理解することによって、本発明の更なる態様が当業者に認識される。

本発明は、様々な構成要素及びそれらの配置、並びに様々な段階及びそれらの編成の形態を取り得る。図面は、好適実施形態を例示するためだけのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

撮像システムを示す図である。 ＰＥＴデータ収集システムの構成要素を示す図である。 選択的光子トリガーシステムの動作を示す図である。 選択的光子トリガーシステムの動作を示す図である。 撮像方法を示す図である。 時間測定方法を示す図である。 時間測定方法を示す図である。 時間−デジタル変換器を示す機能ブロック図である。

図１を参照するに、結合ＰＥＴ／ＣＴシステム１００は、ＰＥＴガントリー部１０２及びＣＴガントリー部１０４を含んでいる。ＰＥＴガントリー部１０２は、検査領域１０８を囲む、軸方向の１つ以上の放射線感知検出器１０６のリングを含んでいる。検出器１０６は、その放射線感知面で受けたガンマ光子に応答して光子を生成するシンチレータ材料１４０を含んでいる。生成された光子に応答して、シンチレータ１４０と光的に連通した光センサ１４２が電気信号を生成する。従って、検出器１０６は、検出されたガンマ放射線を表す出力信号を生成する。検出器１０６の数及び構成はシステム全体の設計及びその他の用途特有の要求の関数であるが、認識されるように、典型的なＰＥＴシステムは、桁にして１０^４の検出器チャネルを含み得る。

ＣＴ部１０４は、ＣＴ検査領域１１２の周りを回転する例えばｘ線管などの放射線源１１０を含んでいる。ｘ線源によって放射され、検査領域１１２を横切った放射線が、放射線感知検出器１１４によって検出される。

ＰＥＴガントリー部１０２及びＣＴガントリー部１０４は、好ましくは、共通の長手方向軸すなわちｚ軸に沿って置かれたそれぞれの検査領域１０８、１１２に近接して配置される。例えばヒト患者などの撮像対象１１８は、対象支持体１１６によって支持される。対象支持体１１６は、好ましくは、複数の長手方向位置でＰＥＴガントリー部１０２及びＣＴガントリー部１０４の双方によって対象１１８を所望のスキャン軌道に従ってスキャンすることができるよう、ＰＥＴ／ＣＴシステム１００と協働して長手方向に移動可能である。

ＣＴ検出器１１４からの信号は、ＣＴデータ収集システム１２２によって、検査領域１１２を通る複数の線又は光線に沿った放射線減衰を表すデータを生成するように処理される。ＣＴ再構成部１２６が好適な再構成アルゴリズムを用いてデータを再構成し、対象１１８の放射線減衰を表すボリューム画像データが生成される。

更に詳細に後述するように、ＰＥＴデータ収集システムは、複数の選択的光子トリガーシステム１２０_１、１２０_２、１２０_３、・・・、１２０_ｎを含んでいる。トリガーシステム群１２０は、それぞれの検出器チャネルに動作的に接続されて、検出放射線に由来する正当な検出器信号を選択的に識別する働きをし、例えばノイズ等の要因に由来する可能性が高い信号を無視する。図示した実施形態においては、トリガーシステム群１２０はまた、検出された事象の時間、エネルギー及び位置を表す信号を生成する。同時に検出され、故に消滅を描写するガンマ線対がコインシデンスロジック１２１によって特定される。

消滅データは、例えば好適な反復再構成アルゴリズム又は分析再構成アルゴリズムを用いてＰＥＴ再構成部１２９によって処理され、対象１１８内の放射性核種の分布を表すボリュームデータが生成される。

図示した複合ＰＥＴ／ＣＴシステム１００の場合、ＰＥＴ再構成部１２９はＣＴシステムからの情報を使用して、ＰＥＴデータに減衰補正又はその他の所望の補正を適用する。

操作者コンソール１２８がワークステーションコンピュータによって提供される。コンソール１２８は、例えばモニタ又はディスプレー等のヒトが読み取り可能な出力装置と、例えばキーボード及びマウス等の入力装置とを含む。コンソール１２８に常駐するソフトウェアにより、操作者は、ＰＥＴ再構成部１２９及びＣＴ再構成部１２６によって生成されたボリューム画像データを閲覧したり、その他の方法で操作したりすることが可能である。コンソール１２８に常駐するソフトウェアはまた、操作者が、所望のスキャンプロトコルを構築し、スキャンの開始及び終了を行い、スキャナ１００と何らかのやり取りをすることにより、システム１００の動作を制御することを可能にする。

システム１００の変更も意図される。例えば、スキャナのＣＴ部は、排除され、ＰＥＴガントリー部１０２から離して配置され、あるいは磁気共鳴（ＭＲ）スキャナ等の別のモダリティに置き換えられてもよい。減衰情報又は解剖学的情報はまた、ＰＥＴガントリー部１０２に結合された透過放射線源を用いて生成されてもよいし、あるいは別の放射線源から取得されてもよい。

図２は、典型的な選択的光子トリガーシステム１２０を示している。図示したように、トリガーシステム１２０は、１つ以上の検出器チャネルに動作可能に接続された入力を有する第１及び第２の信号検出器又は弁別器２０２_１及び２０２_２を含む、複数段のトリガーシステムを実現している。信号検出器群２０２は、それぞれの入力条件が満たされるとき、それぞれのトリガー出力信号を生成する。図示したように、第１の信号検出器２０２_１は、第１の比較的低い閾値を有するレベル検出器として実現される。第２の信号検出器２０２_２は、同様に、第２の比較的高い閾値を有するレベル検出器として実現される。２つのレベルのトリガーシステムを図示したが、理解されるように、更なる信号検出器群２０２ひいてはトリガーレベル群が設けられてもよい。単独の、あるいはレベル検出と組み合わされた、レベル（例えば、検出器信号の変化率又は積分値）以外のトリガー条件も意図される。

正確な検出時間測定が特に重要であるＴＯＦ−ＰＥＴシステムとともに使用することにとりわけ適した図示の例においては、第１の信号検出器２０２_１の閾値は、シンチレーションのｋ番目の個別的な光子によって生成されると予期される信号に対応するレベルに設定される。一例において、第１の閾値は、最初の光子に対応する値に設定される。しかしながら、この閾値は２番目又はその他の時間的に続く光子を検出するように設定されてもよい。また、トリガー生成は、従来のレベル検出器を用いて為されずに、例えばＧＭ−ＡＰＤ（又は複数画素のＧＭ−ＡＰＤ）を用いて第１光子トリガーを実現することによって等、異なる方法でシンチレーション光子から得られてもよい。放射線光子の検出後の初期のシンチレーション光子により引き起こされる信号でのトリガー生成は通常、特に放射線光子の検出と検出器１０６の出力信号の生成との間の時間変化又はジッタが比較的小さい場合、時間測定の精度を向上させるものと期待され得る。他方で、そうすることは、第１の信号検出器２０２_１をノイズ又はその他の偽の事象に対して一層敏感なものにする傾向にある。故に、第２の信号検出器２０２_２の閾値は、第１の信号検出器２０２_１によって識別された可能性ある事象を、高い確率で正当な光子信号に由来するものとして確認あるいは制限するために使用可能なレベルに設定される。このように、第１のトリガー信号は候補の、あるいは単一の光子トリガー信号と見なすことができ、第２のトリガーは適格な、あるいは有効な光子トリガー信号と見なすことができる。

ヒットロジック又はトリガーロジック２０４は、正当な検出器信号に由来する可能性がある検出器信号を識別するための一つ以上の合否基準に従って、信号検出器群２０２からのトリガー出力信号を評価し、ノイズ又はその他の要因に由来する可能性が高い信号を無視する。１つの好適な合否基準は、候補の光子トリガー信号の後のアクセプタンス時間ウィンドウ内に適格な光子トリガー信号が続くかどうかを判定するものである。そうであれば、その検出器信号は正当な検出器信号として扱われる。そうでなければ、その検出器信号は、例えば不当なものとしてマーキングされ、無視される。

トリガーロジック２０４は、続いて、エネルギー測定システム２０６及び時間測定システム２０８に接続されている。エネルギー測定システム２０６は、検出されたガンマ光子のエネルギーを表す出力を生成する。図２に示したように、エネルギー測定システム２０６は、積分器２０９、タイマー２１０、及びアナログ−デジタル変換器２１２を含んでいる。トリガーロジック２０４から正当な検出器信号を受信すると、タイマー２１０は積分器２０９に検出器信号を所望の積分期間にわたって積分させる。当業者に認識されるように、積分器２０９の出力は検出されたガンマ光子のエネルギーを表す。そして、積分器２０９の出力はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）２１２によってデジタル化される。

例えば時間−デジタル変換器（ＴＤＣ）等の時間測定システム２０８は、ガンマ光子が検出された時間を表す時間スタンプデータを生成する。図２に示したように、時間測定システム２０８は、高速ＤＬＬクロック２１４、ラッチ２１６、及び復号器２１８を含んでいる。トリガーロジック２０４から正当な検出器信号を受信すると、ラッチ２１６はクロック２１４のその当時の値をラッチする。このクロック値は復号器によって復号化され、光子の時間スタンプが生成される。

個々のチャネルを識別するため、チャネル識別器２２４が使用される。認識されるように、チャネル情報は、関連する検出器チャネルの物理的な位置を特定し、ひいては関連ＬＯＲの座標を定めるために使用され得る。

入力／出力バス２２６が、トリガーシステム１２０とＰＥＴデータ収集システムの残りの部分との間の通信インタフェースを提供する。より具体的には、バス２２４は、所与の検出器信号に関するタイムスタンプ、エネルギーレベル、及びチャネル識別子などの情報を通信するために使用される。バス２２６はまた、トリガーシステム１２０の動作を制御したり、あるいは所望の設定１２０を提供したりする等のために必要な制御情報を供給するために使用され得る。

否認入力又は無効化入力２２０が、必要に応じてデータ収集を無効にするために使用される。一例において、データ収集は複合スキャナの動作に協調して無効にされる。複合ＰＥＴ／ＭＲシステムの場合、例えば、時間変化する傾斜磁場、及び磁気共鳴の励起・検出プロセスに関連して生成されるその他の信号は、検出器信号を信頼できないものにしてしまい得る。従って、それに協調してＰＥＴデータ収集を無効にすることが望ましいことがあり得る。否認入力２２０（又は他の入力）はまた、領域共通トリガー手法を実現することによって、同胞ロジックを実現するよう選択チャネル群の変換を強制するために使用されてもよい。例えば、隣接チャネル群自体はトリガー信号を生成していなくても、トリガーされた１つのチャネルの隣接チャネル群のうちの一定数を読み出すことが望ましいことがあり得る。

校正入力２２２が、例えば、エネルギー測定システム２０６、時間測定システム２０８及び検出器２２０の閾値などを校正することによって、トリガーシステム１２０を校正するために使用される。校正の過程で閾値を変化させることにより、トリガー閾値の現実的な校正が達成され得る。エネルギー測定システム２０６は、校正パルスの長さ及び／又は振幅を変化させることによって校正され得る。なお、否認２２０及び校正２２２は別個の入力として図示したが、認識されるように、入力／出力バス２２６を介して好適な制御信号が提供されてもよい。

コントローラ２２８がトリガーシステム１２０の動作を制御する。コントローラは、トリガー閾値若しくはその他関連する動作パラメータや、高速クロックを制御するためのバイアス電流などを、検出器２０２に供給するために使用され得る。コントローラ２２８はまた、例えば始動時の初期化、セルフテスト及び自己診断、バス２２６上での通信などの機能を実行するために使用され得る。

トリガーシステム１２０は、個別電子回路若しくは集積電子回路、又はそれらの組み合わせに基づいて実装され得る。しかしながら、比較的多いチャネル数のため、トリガーシステム１２０は有利には、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を用いて実装される。複数のチャネルに関する回路１２０が共通の１つのＡＳＩＣにて実装されてもよい。

次に、図３を参照して、典型的な検出器信号に関するレベル検出器２０２及びトリガーロジック２０４の動作を説明する。図３Ａは、ＬＹＳＯシンチレータ１４０に光的に連通したＧＭ−ＡＰＤ光センサ１４２を含む検出器チャネルによって生成された信号３０２を示している。横軸は時間をナノ秒（ｎｓ）単位で表しており、縦軸は検出器信号の振幅を表している。第１の信号検出器２０２_１の閾値を３０４で示す。第２の信号検出器２０２_２の閾値を３０６で示す。

信号３０２は、ダークカウント又はその他のノイズに由来するノイズ信号３０８を含んでいる。信号３０２はまた、５１１ｋｅＶシンチレーション事象に由来する信号３１０を含んでいる。見て取れるように、信号３１０は比較的速い上昇時間とそれに続く概して指数関数的な減衰とによって特徴付けられる。第１のレベルの閾値３０４を超えるノイズ信号３０８が第１の信号検出器２０２_１によって検出され、第１の信号検出器２０２_１は対応する単光子（ＳＰ）すなわち可能性ある光子トリガー信号を生成する。第２の閾値３０６を超える例えば正当なシンチレーション信号３１０等の信号が第２の信号検出器２０２_２によって検出され、第２の信号検出器２０２_２は適格なトリガー信号すなわち有効（ＥＮ）トリガー信号を生成する。

図３Ｂをも参照するに、第１の信号検出器２０２_１からの可能性ある光子トリガー信号を受信すると、トリガーロジック２０４はアクセプタンス時間ウィンドウ３１２を開く。図示したように、アクセプタンス時間ウィンドウは約５ｎｓである。しかしながら、個々の検出器システムの特性又はその他の用途特有の要求に応じて、その他のウィンドウが用いられてもよい。アクセプタンス時間ウィンドウ３１２内に有効トリガー信号が受信されない場合、検出信号はノイズ信号３０８に由来するものと見なされる。逆に、アクセプタンス時間ウィンドウ中に適格信号３１４が受信される場合、信号３１０は正当な光子信号であると見なされる。シンチレータの減衰期間中に受信されたノイズ信号３０８は、シンチレーション信号の揺らぎ、ダークカウント又はその他のノイズに由来したものであり得る。これらの信号も無視される。何故なら、低い閾値レベルと交差しないため、あるいは交差したとしても対応するアクセプタンスウィンドウ内に有効トリガーが受信されないためである。

なお、様々な閾値及び時間ウィンドウが動的に可変であってもよい。例えば、アクセプタンス時間ウィンドウの幅は、（例えば、検出信号と有効信号との間の時間差を測定することにより、）信号３０２の上昇時間の関数として変更されてもよい。

正当な光子の場合、アクセプタンスウィンドウ３１２の終了すなわち満了は、エネルギー測定システム２０６及び時間測定システム２０８によって、全体として３１６で図示したデータ収集プロセスを開始するために使用される。一例において、トリガーロジック２０４は、検出されたガンマのタイムスタンプとして機能するその当時のクロック値を、ラッチ２１６にラッチさせる。同様に、トリガーロジック２０４は、検出されたガンマのエネルギーを測定するため、検出信号の積分を開始する。アクセプタンス時間ウィンドウ３１２の終了をデータ収集プロセスの開始のために使用することの特別な利点は、特にアクセプタンス時間ウィンドウ３１２が一定値を有するとき、実現が容易であることである。データ収集は、その他の方法で開始されることも可能である。例えば、可能性ある光子トリガー信号から得られた信号によって、そして特に、そのトリガー信号に対して既知の時間的関係を有する得られた信号によって、データ収集は開始されてもよい。

他の一例においては、可能性ある光子トリガー信号を受信すると、ラッチ２１６はタイムスタンプをラッチあるいはマークする。アクセプタンス時間ウィンドウ３１２内に有効光子トリガー信号が受信された場合、トリガーロジック２０４はその事象を正当なものとしてマークさせ、タイムスタンプを保持させる。それ以外の場合、例えばタイムスタンプ又は対応する事象を不当なものとしてマークすることにより、タイムスタンプは破棄される。可能性ある光子トリガー信号も同様に、エネルギー測定プロセスを開始するために用いられ得る。その場合、エネルギー測定は、有効光子トリガー信号がアクセプタンス時間ウィンドウ内に受信される場合のみ維持される。このような実現例は、特に、例えば上述のように動的に変更可能なアクセプタンス時間ウィンドウの場合のように、アクセプタンス時間ウィンドウ３１２が可変幅を有する状況に適している。

次に、図４に関連し、撮像方法を説明する。

段階４００にて、ＰＥＴ検査又はその他の所望の検査が開始される。

段階４０２にて、検出器チャネルからの信号３０２が監視される。

段階４０４にて、例えば第１の閾値３０４を超える信号を識別することにより、正当な光子に由来する可能性がある候補信号が識別される。

段階４０６にて、例えば信号３０２がアクセプタンス時間ウィンドウ内に第２の閾値３０６を超えるかを決定することにより、候補信号が限定される。そうでない場合、処理は段階４０２へと戻る。

そうである場合、段階４０８にて、タイムスタンプ、エネルギー、チャネル位置、及び／又はその他の所望の事象データが取得される。上述のように、これら事象データの一部又は全ては、検出光子を表すものとして信号を限定することに先立って測定されてもよい。

段階４１０にて、検査が完了するまで検出器チャネルが監視される。

段階４１２にて、検出事象群を表すボリュームデータ又は体積空間データを生成するよう、事象データが再構成される。なお、説明の明瞭化のため、方法段階４０２−４０８を単一の検出器チャネルを監視することに関して説明したが、当業者に認識されるように、通常は複数の検出器チャネルが監視され、様々なチャネルからのデータが再構成処理にて使用される。

段階４１４にて、体積空間データを表すヒトが読み取り可能な１つ以上の画像が生成される。

様々な代替例も意図される。例えば、以上の技術は、ＴＯＦ式でないＰＥＴ、単光子放出型コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）や、ノイズの存在下で正確な信号検出を必要とするその他の医療用途及び非医療用途にも適用可能である。これら技術は、より一般的に、タイムスタンプデータを収集するパルス検出器又は信号検出器に適用可能である。その例には、例えば基準トリガーと検出シンチレーションパルス（シャワー）との間の飛行時間を測定する高エネルギー物理実験における電離放射線又は非電離放射線の検出、及びレーザ距離測定が含まれる。用途特有の要求に応じて、エネルギー測定及びタイムスタンプ測定の一方又は双方が省略されてもよい。その他の測定も提供され得る。

タイミング測定の精度は、一般的に、比較的速い時間応答及び比較的低いタイミングジッタを有する検出器の恩恵を受けるが、個々の用途の速さ、感度、及びエネルギー等についての要求に応じて、その他の検出器又は検出器構成も意図される。例えば、ＡＰＤはガイガーモード以外で動作されてもよい。光センサ１４０はまた、光電管（ＰＭＴ）、マルチアノード型ＰＭＴ、又はその他の感光デバイスを用いて実現されてもよい。以下に限られないがＬＳＯ、ＬａＢｒ、ＧＳＯ及びＢＧＯを含むその他のシンチレータ１４２材料が用いられてもよい。他の一代替例として、半導体検出器及びその他の直接変換検出器が用いられてもよい。

また、エネルギー測定システム２０６及び時間測定システム２０８は、その他の好適技術を用いて実現されてもよい。時間測定システム２０８の１つの代替例は、測定すべきパルス又は信号の幅を短くするため、階層的パルス幅短縮技術を用いる。パルス幅短縮は、変換時間が最大パルス幅の関数であるパルスシュリンク技術又はその他の時間測定技術に特に適する。

次に、このような方法を、図５及び６に関連付けて説明する。段階５０２にて、測定される信号の最大予測幅に相当する測定期間Ｔ_ｍａｘがＮ個の部分期間に分割される。ただし、Ｎは２以上の整数である。部分期間は任意の数及び長さを有してもよいが、部分期間の数Ｎは有利には、関係：
Ｎ＝２^ｘ （２）
に従って確立される。ただし、ｘは１以上の整数である。同様に、部分期間の幅Ｔ_ｗは、関係：
Ｔ_ｗ＝Ｔ_ｍａｘ／Ｎ （３）
に従って確立し得る。別の見方をすると、測定期間の分割は、Ｈを１以上の整数として、測定期間Ｔ_ｍａｘのＨレベルへのマルチレベル階層分解として表すことが可能である。

このような構成の非限定的な一例を図６に示す。測定期間Ｔ_ｍａｘは任意単位（ＡＵ）で１００の幅を有する。図示したように、測定期間は、各々が２５ＡＵの幅を有する４つの部分期間に分割されている。別の見方をすると、この部分分割は測定期間の２レベルバイナリー階層分解（すなわち、Ｈ＝２）と見ることができる。

段階５０４にて、任意の時間幅Ｔ_ｐを有する被測定信号６０２が受信される。図６の例においては、この被測定信号は７０ＡＵの幅Ｔ_ｐを有する。

段階５０６にて、被測定信号の幅Ｔ_ｐに対応する部分期間ｎを決定するため、総時間の測定が実行される。言い換えると、被測定信号の幅は、１つ以上の部分期間の幅に相当する量だけ短縮される。図示した例においては、被測定信号の幅Ｔ_ｐは第３の部分期間の範囲内である（すなわち、ｎ＝２）。

段階５０８にて、決定された部分期間内の被測定信号６０２の部分Ｔ_ｍが測定される。一例において、この幅はパルスシュリンク技術を用いて測定される。図６に示すように、測定される部分Ｔ_ｍは第３の部分期間の先頭から２０ＡＵである。別の見方をすると、測定される部分Ｔ_ｍは第３の部分期間の末尾から５ＡＵである。

段階５１０にて、被測定信号の幅Ｔ_ｐを計算するため、決定された部分期間ｎ及び決定された部分Ｔ_ｍが使用される。部分期間群が均等な幅を有する場合、被測定信号の幅Ｔ_ｐは、関係：
Ｔ_ｐ＝（（ｎ−１）×Ｔ_ｗ）＋Ｔ_ｍ （４）
に従って決定することができる。ただし、Ｔ_ｍは部分期間の先頭からで表している。図６の例においては、被測定信号の幅Ｔ_ｐは（（２−１）×２５）＋２０＝７０ＡＵである。等式（５）：
Ｔ_ｐ＝Ｔ_ｍａｘ−（（Ｎ−ｎ）×Ｔ_ｗ）＋Ｔ_ｍ （５）
は、測定期間Ｔ_ｍａｘに対する被測定信号の幅Ｔ_ｐを表す。ただし、Ｔ_ｍはこの場合も部分期間の先頭からで表している。等式（４）及び（５）は、不均等な幅を有する部分期間群の場合や、Ｔ_ｍが部分期間の末尾からで表される場合にも、容易に一般化され得る。

認識されるように、上述の技術は、従来のパルスシュリンク変換器に対して、変換時間を１／４^Ｈだけ短縮する。

図７は、Ｎ＝２、Ｔ_ｗ＝０．５×Ｔ_ｍａｘ、且つＨ＝１とした例示的なＴＤＣシステム７００を示している。図示したように、ＴＤＣシステム７００は、タップ付き遅延線７０２、第１の時間−デジタル変換器７０４_１及び第２の時間−デジタル変換器７０４_２、並びに第１の論理和（ＡＮＤ）関数７０６_１を含んでいる。遅延線７０２は幅Ｔ_ｍａｘを有し、時間Ｔ_ｍａｘ／２に相当する点７０８にタップを設けられている。第１の論理和（ＡＮＤ）関数７０６_１は、遅延線の入力７１０及び中点７０８に接続されている。

時間−デジタル変換器７０４は、最大長Ｔ_ｍａｘ／２を有するパルス用に設計されたパルスシュリンクＴＤＣである。第１の時間−デジタル変換器７０４_１は、第１のＡＮＤ関数７０６の出力に接続されている。第２の時間−デジタル変換器は遅延線７０２の出力に接続されている。

一例において、パルスシュリンク変換器７０４は、非対称インバータを含むフィードバック遅延線を含む。非対称インバータは僅かに異なる上昇時間及び下降時間を有するため、入力パルス幅をｄＴだけ短縮する。非対称カウンタが、パルスが消滅するのに要するサイクル数を計数する。なお、その他の好適な時間デジタル変換器実装やパルスシュリンクが用いられてもよい。

動作時、未知の幅Ｔ_ｐを有する被測定信号６０２が遅延線７０２の入力７１０で受信される。信号６０２がＴ_ｍａｘ／２より大きい幅を有する場合（すなわち、ｎ＝１）、幅Ｔ_ｐ−Ｔ_ｍａｘ／２を有する短縮されたパルスが第１の時間−デジタル変換器７０４_１に送られ、その出力がＴ_ｍを決定するために使用される。パルスがＴ_ｍａｘ／２より短い場合（すなわち、ｎ＝０）、第１の時間−デジタル変換器７０４_１及び第２の時間−デジタル変換器７０４_２は短縮されたパルスを受け取り、その出力がＴ_ｍを決定するために使用される。なお、必要な計算を行うために用いる演算関数及び様々な制御関数は、説明の明瞭化のため省略する。２つの部分期間を有するとして説明したが、３つ以上の部分期間としてもよい。

部分領域群は重なり合わないので、例示したシステム７００は部分領域Ｔ_ｐ＜０．５Ｔ_ｍａｘ及びＴ_ｐ＞０．５Ｔ_ｍａｘに関して区分的な線形応答を示す。しかしながら、変換器７０４間の相違と、遅延線７０２の効果及びＡＮＤ関数７０６は、部分領域のマッチングに影響を及ぼし得るものであり、例えば、部分領域間の交差部における不整合や、異なる部分領域における異なる利得又は傾きをもたらし得る。測定後の補正法において、様々な部分領域に必要なオフセット及び利得補正が、校正表に、あるいはその他の方法で好適メモリ記憶される。遅延等化補正法において、利得は、様々な変換器７０４の時間分解能ｄＴを調整することによって校正され得る。部分領域間のオフセットは、遅延線に調整可能な遅延素子を挿入することによって補正され得る。この遅延素子は、所望の部分領域間に共通の交差部を提供するように調整される。

図７に示したように、階層分解の各レベルＨに１つの変換器７０４が使用される。変換器７０４の数は、例えば、階層レベルごとに１つの変換器７０４を用い、変換器群を然るべく多重化することによって等、様々な部分領域間で変換器を多重化することによって削減されてもよい。さらに、同一の遅延線で様々なレベル階層を実現することができ、それにより、その面積要件が緩和される。

好適な実施形態を参照しながら本発明を説明してきた。以上の詳細な説明を読み、理解した者は改良及び改変に想到し得る。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等範囲に入る限りにおいて、そのような全ての改良及び改変を含むとして解釈されるものである。

Claims (31)

1. 受信した放射線光子に応答してシンチレーション光子を生成するシンチレータ；
   前記シンチレータに光的に連通し、前記シンチレーション光子に応答して光センサ信号を生成する光センサ；
   前記光センサ信号が第１の信号基準を満たす場合に第１の出力信号を生成する第１の信号検出器；
   前記光センサ信号が第２の信号基準を満たす場合に第２の出力信号を生成する第２の信号検出器；
   前記第１及び第２の出力信号を評価し、前記シンチレータによって受信された放射線を表す光センサ信号を特定する放射線信号検出器；
   を有する放射線検出装置。
2. 前記第１の信号基準は、受信放射線光子に応答して前記シンチレータによって生成された時間的に初期のシンチレーション光子を表す光センサ信号を識別する、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の信号基準は、前記受信放射線光子に応答して前記シンチレータによって生成された時間的に後続のシンチレーション光子を表す光センサ信号を識別する、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の信号基準は第１レベルの閾値を含み、前記第２の信号基準は第２レベルの閾値を含み、前記第２の閾値の大きさは前記第１の閾値の大きさより大きい、請求項１に記載の装置。
5. 前記光センサはダークカウントを生成し、前記放射線信号検出器は、前記光センサによって生成されたダークカウントに由来する光センサ信号を退ける、請求項１に記載の装置。
6. 前記放射線信号検出器は、第１の出力信号の生成に続くアクセプタンス時間ウィンドウ内に第２の出力信号が生成されるかを決定する、請求項１に記載の装置。
7. 前記放射線信号検出器に動作的に接続された時間測定システムを更に含み、前記時間測定システムは、特定された光センサ信号を表すタイムスタンプを生成する、請求項１に記載の装置。
8. 前記タイムスタンプは、前記光センサ出力信号が前記第１の信号基準を満たした時刻である、請求項７に記載の装置。
9. 前記時間測定システムは、測定されるパルスの幅を短縮するパルス幅短縮手段を含む、請求項７に記載の装置。
10. 短縮されたパルスの幅を測定するパルスシュリンク時間−デジタル変換器、更に含む請求項９に記載の装置。
11. 前記放射線信号検出器に動作的に接続されたエネルギー測定システムを更に含み、前記エネルギー測定システムは、選択的に特定された光センサ出力信号を測定し、受信した放射線光子を表す信号を生成する、請求項１に記載の装置。
12. ＴＯＦ−ＰＥＴシステムを更に含む請求項１に記載の装置。
13. 検出ガンマ放射線信号及び偽の信号を含む候補の検出器信号を特定するよう、ガンマ放射線検出器からの信号を評価する段階；
    検出ガンマ放射線信号を特定し、偽の信号を退けるため、前記候補の検出器信号を評価する段階；
    特定された検出器信号の測定されたガンマ放射線エネルギー及び測定された検出時刻のうちの少なくとも１つを表す出力を生成する段階；
    を有する方法。
14. 前記放射線検出器は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを含み、前記偽の信号は前記アバランシェフォトダイオードによって生成されるダークカウントを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記検出ガンマ放射線は、陽電子消滅を表すガンマ光子を含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記ガンマ放射線検出器からの信号を評価する段階は、受信した検出器信号を第１の閾値と比較することを含み、前記候補の検出器信号を評価する段階は、前記受信した検出器信号を第２の閾値と比較することを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 候補信号の特徴を測定する段階；
    測定された特徴を用いて前記第２の閾値を調整する段階；
    を含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の閾値は、ガンマ放射線光子の検出直後の前記検出器の出力に相当する値を有し、前記第１の閾値は検出器ノイズ出力にも相当する、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第１の閾値は、前記検出ガンマ放射線光子に応答したシンチレーションによって生成された時間的に最初のシンチレーション光子及び２番目のシンチレーション光子のうちの少なくとも一方に応答しての前記検出器の出力に相当する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記候補の検出器信号を評価する段階は、
    前記候補の検出器信号の特定に続くアクセプタンス時間ウィンドウを設定する段階；
    前記アクセプタンス時間ウィンドウ内での前記検出器信号の特徴を評価する段階；
    を含む、請求項１３に記載の方法。
21. 前記アクセプタンス時間ウィンドウは約５ｎｓである、請求項２０に記載の方法。
22. 複数の検出器チャネルであり、少なくとも一部の検出器チャネルは：
    放射線感知検出器；
    検出ガンマ放射線信号及び偽の信号を含む候補の検出器信号を特定するよう、前記検出器の出力を評価する手段；
    前記検出ガンマ放射線信号を特定するよう前記候補の検出器信号を限定する手段；
    を含む複数の検出器チャネルと、
    前記複数の検出器チャネルに動作的に接続され、陽電子消滅を表す限定された検出器信号を特定する一致検出器と、
    を有する陽電子放出型断層撮影装置。
23. ガンマ放射線感知検出器；
    前記放射線感知検出器に動作的に接続され、前記放射線感知検出器によって受信されたガンマ放射線を表す候補の検出器信号を選択的に特定し、限定する第１手段；
    前記第１手段に動作的に接続され、限定された検出器信号の検出時間を特定するタイムスタンプデータを生成する、パルスシュリンク式の時間−デジタル変換器；
    を有する装置。
24. 測定すべき信号を受信する段階；
    測定期間を、各々が或る幅を有する複数の部分期間に分割する段階；
    前記信号の幅を、前記複数の部分期間のうちの少なくとも１つの幅に相当する量だけ短縮する段階；
    短縮された信号の幅を測定する段階；及び
    前記量及び測定された幅を用いて、前記信号の幅を決定する段階；
    を有する時間−デジタル変換方法。
25. 前記幅を測定する段階は、パルスシュリンク式の時間−デジタル変換器を用いて、前記短縮された信号の幅を測定することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記分割する段階は、ｘを１以上の整数として、前記測定期間を２^ｘ個の部分期間に分割することを含む、請求項２４に記載の方法。
27. 各部分期間は等しい幅を有する、請求項２４に記載の方法。
28. 前記測定期間は、Ｈを１以上の整数として、レベルＨのバイナリー階層分解に従って分割される、請求項２４に記載の方法。
29. 前記信号の幅を短縮するために遅延線を用いることを含む、請求項２４に記載の方法。
30. 信号の幅を測定する装置であって：
    測定期間を、各々が或る幅を有する複数の部分期間に分割する手段；
    前記信号の幅を、前記複数の部分期間のうちの少なくとも１つの幅に相当する量だけ短縮する手段；
    短縮された信号の幅を測定する手段；及び
    前記量及び測定された幅を用いて、前記信号の幅を計算する手段；
    を有する装置。
31. 前記測定する手段はパルスシュリンク式の時間−デジタル変換器を含み、前記パルスシュリンク式の時間−デジタル変換器は非対称インバータを含む、請求項３０に記載の装置。

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