JP2010527021A - 仮想ｐｅｔ検出器及びｐｅｔ用の疑似画素化読み出し手法 - Google Patents

Abstract

例えばＰＥＴ又はＳＰＥＣＴ装置のような画像診断装置用の検出器アレイを設計する場合、仮想検出器又はピクセルは従来の１：１の比率から外れた比率でシンチレータ結晶１０、２０、４０を光検出器１２と組み合わせる。例えば、複数の光検出器は、ソフトウェアベース又はハードウェアベースとすることができる仮想ピクセル１０、２０、４０を作成するために単一の結晶に接着されることができる。この結晶へのガンマ線の衝突に対する光のエネルギー及びタイムスタンプ情報は、ビジュアライザ処理器を使用して又はトリガラインネットワーク及びＴＤＣロジックを使用して計算されることができる。加えて又は代わりに、複数の結晶５４は、複数の光検出器５２の各々と関連付けられる。特定の結晶へのガンマ線の衝突は次いで、等しい光の強度を記録する隣接する光検出器のテーブルルックアップにより決められ、上記光検出器５２に共通する結晶５４が衝突の場所と特定される。

Description

本出願は、異なる大きさのピクセル等を使用する医療応用におけるＰＥＴ(positron emission tomography)及び/又はＳＰＥＣＴ(single photon emission computed tomography)スキャナに特に有用である。しかしながら、説明する技術は、他の形式の走査システム及び/又は他の医療応用にも応用されることは分かっている。

ＰＥＴにおけるシンチレータピクセルの大きさは、結果生じる画像の空間分解能を決める主な要因である。従って、考慮している応用に依存して、スキャナ形状及びピクセルの大きさは、スキャナの性能及び競争力を最高にするように最適化される。例えば、全身用スキャナに使用される一般的なピクセルの大きさは、４×４ｍｍ^２であるのに対し、脳又は動物用スキャナでは、分解能を上げるために、２×２ｍｍ^２から１×１ｍｍ^２のピクセルの大きさが用いられる。シンチレータのピクセルと光検出器との１：１の結合は、性能を最適化するのにしばしば用いられ、言い換えると、各々の特定応用のために特別設計された光検出器が必要である。しかしながら、これは光検出の連鎖の大幅な変更もまた意味している。光電子増倍管及びアンガーロジック(Anger logic)を用いている従来のシステムでは、これはさらに、導光板の設計及び光電子増倍管の管の大きさは適合されなければならず、故にシステム開発及び製造費用が高くなることを意味している。

各々のシンチレータ素子と結合した検出器を多数持つことは、空間分解能を向上させ、これら複数の検出器は、シンチレータにおいてシンチレーション事象が起きた場所を決めることができる。しかしながら、ＴＯＦ型(time-of-flight)測定を決めるためのタイミング分解能は、複数の検出器の各々がほんの僅かな光だけしか見てなく、その光を別々の遅延で受信しているので、信用できない。それに反して、各シンチレータを対応する検出器と結合させることは、前記タイミング分解能を最適化するが、空間分解能は低下させる。結晶からの光を全て受信する単一の検出器は、正確なタイムスタンプを供給することができるが、分解能はシンチレータの大きさに制限される。

加えて、従来の結晶に基づくＰＥＴシステムでは、シンチレータ結晶は、前記光検出器と１：１で結合（画素化読み出し）又は結晶を特定するためのアンガーロジックを用いて導光板を介して結合されるかのどちらかである。画素化読み出しの欠点は、莫大な数のチャンネルであり、結晶の大きさがますます小さくなることによる光検出器の費用である。他方、アンガーロジックに基づくシステムは、多くの結晶を数個の光検出器にマッピングして、玉突き(pile up)及び不感時間(dead time)の増大及び従って低下する計数率特性を犠牲にさらに少ないチャンネル数となる。

従って、上述した欠陥を克服することを容易にするシステム及び方法に対する必要が技術的にまだ満たされていない。

ある態様によれば、画像診断システム用の仮想ピクセルアレイは、少なくともシンチレータ結晶を有する仮想ピクセル、前記シンチレータ結晶に光学的に結合された、前記結晶におけるシンチレーションに応答して出力信号を生成する複数の光検出器、及び前記複数の光検出器により検出されるような、前記シンチレータ結晶へのガンマ線の衝突に関連する前記出力信号を処理し、ガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを計算するバーチャライザ(virtualizer)を含む。

もう１つの態様によれば、仮想ピクセルに対するタイムスタンプを計算する方法は、この仮想ピクセルのシンチレータ結晶へのガンマ線の衝突を受信するステップ、ガンマ線の衝突に関連する光検出器の各々に対するエネルギー及び光検出器のタイムスタンプを決めるために、前記シンチレータ結晶に光学的に結合された複数の光検出器の各々からの出力信号を評価するステップ、並びにガンマ線の衝突に関連する前記複数の光検出器により検出されたエネルギーを組み合わせることにより、前記ガンマ線の衝突の総エネルギーを計算するステップを有する。前記方法はさらに、ガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを、前記複数の光検出器の少なくとも１つの光検出器により記録された前記光検出器のタイムスタンプの関数として計算するステップも含む。

さらにもう１つの態様は、画像診断装置用の検出器アレイに関連し、この検出器アレイは、アレイ状に配された複数の光検出器、及びアレイ状に配されると共に、前記複数の光検出器に光学的に結合された複数のシンチレータ結晶を有する。ここで光検出器アレイ及びシンチレータアレイは、幾つかのシンチレータ結晶が他のシンチレータ結晶とは異なる数の光検出器に結合されるように、互いにオフセットされている。この検出器アレイはさらに、ガンマ線が衝突した前記シンチレータ結晶に光学的に結合された複数の光検出器の１つ以上の検出器により生成した出力信号に基づいて、前記ガンマ線が衝突したシンチレータ結晶を特定する処理器を有する。

１つの利点は、検出器アレイの設計費用が下がることである。

もう１つの利点は、多様の大きさのスキャナに万能な検出器アレイのチップにある。

もう１つの利点は、異なる大きさの結晶を利用している検出器アレイ又はスキャナ間の互換性を向上させることにある。

当業者は、以下の詳細な説明を読んで理解すると、本発明のさらに他の利点が分かるであろう。

本発明は、様々な構成要素及びこれら構成要素からなる装置、並びに様々なステップ及びステップからなる装置で形を成す。図面は様々な態様を説明することだけを目的とし、本発明を制限するとは解釈すべきではない。

様々なシンチレータアレイの何れかと光学的に結合されるように構成された検出器チップに用いられる仮想ピクセルを説明する。 上述したソフトウェアベースの仮想ピクセルに類似する方法で、万能なチップに用いられるハードウェアベースの仮想ピクセルを示す。 個々のパルスＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを用いて結晶のシンチレーションに応答する、４つの光検出器からの出力信号を説明する。 アンガーロジックを用いて、仮想ピクセルへのガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを決めることを容易にするハードウェアベースの仮想ピクセルの説明図。 標準的な画素化読み出し手法の利点を維持し、個々の光検出器に直接結合している結晶を含む一方、読み出しチャンネルの数を４分の１に減少させる、ＰＥＴ撮像システム用の疑似画素化(quasi pixelated)読み出し手法の一例を説明する。 ソフトウェアベースの仮想ピクセルを用いて、より小さな実ピクセルを組み合わせることを容易にする方法を説明する。 ハードウェアベースの仮想ピクセルを用いて、より小さな実ピクセルを組み合わせることを容易にする方法を説明する。 疑似画素化読み出し手法を可能すると共に、多数のシンチレーション結晶に直接結合された光検出器を有する検出器のための読み出しチャンネルを減少させる方法を説明する。 検出器、検出器アレイ、ピクセルアレイ、仮想ピクセル及び/又はここに説明される方法の１つ以上と一緒に用いられるような画像診断装置を説明する。

図１は、様々なシンチレータアレイ（図示せず）の何れかと光学的に結合されるように構成された検出器チップに用いられる仮想ピクセルを説明する。"仮想"ピクセルは、光検出器及びシンチレータ結晶の構成可能な組み合わせとすることができ、例えば１×１ｍｍ^２の光検出器の４×４の配列、すなわち所定の大きさの光検出器の他の何らかの大きさの配列のような、所定の標準型の検出器として役割を果たす又は現れるように構成される。この万能なチップは、同じチップが様々なＰＥＴスキャナに使用されることを可能にすることにより製造費用を下げる。ここで説明されるシステム及び方法がＰＥＴシステムに関して主に示されていても、上記システム及び/又は方法は、他の放射線検出システムと同様に、ＳＰＥＣＴシステムと一緒に使用されてもよい。

新しいＣＭＯＳベースの光検出器の新設計、製造及び検査は、労力がいる試みである。この障害を克服するために、ＰＥＴ及び/又はＳＰＥＣＴにおける全種類の用途に適するデジタルシリコン光電子増倍管検出器を設計することが望ましい。この問題は、幾つかの小さなピクセルを組み合わせてより大きな仮想ピクセルにすることで克服され、これはハードウェア又はソフトウェアのどちらか一方で行われることができる。例えば、４つのソリッドステート検出器が正方形に並べられることができ、４つの独立した検出器として動作する、単一の検出器として動作させるためにグループ化される等ができる。仮想ピクセルは、デジタルシリコン光電子増倍管に基づくＰＥＴ検出器に仮想化(virtualization)を導入することを容易にして、これは、光検出素子及び読み出し回路をチップに集積させる。従って、図１に説明される仮想ピクセルは、ソフトウェアベースの仮想化手法を示し、（ハードウェアベースの仮想化手法を示す）後続する図は、幾つかの小さな光検出器１２を接続してより大きな仮想ピクセルにすることを容易にする追加の回路を示す。これら回路は、検出器の性能を犠牲にすることなく、前記用途に適合する。結果として、フリーサイズ(one-size-fits-all)の検出器が設計され、従って、設計及び製造に関する費用を節約し、同じ大きさのモノリシックピクセルに比べ改善された読み出し性能となる。

ある実施例において、前記仮想ピクセルは、所定の大きさのシンチレータ結晶１０及び複数の小さな光検出器のピクセル１２を有する。様々な態様に従って、部分的な検出器のデータを組み合わせ、仮想ピクセル結晶の一部において感知されたガンマ線記録事象を表す最後の"衝突"にするために、バーチャライザ１４（例えば処理器）によりアルゴリズムが用いられる。加えて、タイミング分解能を向上させると共に、データレートを低下させるハードウェアが前記仮想ピクセルと一緒に用いられてもよい。

以下の実施例は、仮想ピクセルが有用であるシナリオを説明するために示される。例えば動物用スキャナの場合、１×１ｍｍ^２であるような、最も小さい実用的なピクセルの大きさを持つ光検出器を実装し、次いで前記検出器が脳又は人間用スキャナに用いられる場合、大きな結晶を２×２又は４×４の光検出器に接着することが望ましい。さらにこの実施例に対し、４個又は１６個の光検出器のピクセルが、結晶から放射された光子を検出することができ、別々のＦＰＧＡ(field programmable gate array)等に実装される外部ロジックは、ガンマ線の衝突のエネルギー及び時間を得るために前記ピクセルを組み合わせることができる。しかしながら、これは、前記ピクセルは結晶が放射した光の１／４又は１／１６しか分からないので、タイミング分解能を低下させることになり、これは、タイミング情報が特に重要であるＴＯＦ型のＰＥＴスキャナには大きなピクセルが使用されるので、特に不利である。タイミング分解能を損なうことなく、仮想ピクセルを構築するために、前記光検出器のトリガライン(trigger line)は、図２に関して以下に説明されるように、対称的に一緒に組み合わせることができる。

他の態様によれば、仮想ピクセルが検出器アレイに用いられる応用に基づいて、ユーザが（例えばプルダウンメニュー又は他の何らかのインタフェースを介して）仮想ピクセルの大きさを選択することを可能にするためのソフトウェアが用いられてもよい。ハード仮想ピクセルにおいて活性するトリガラインを選択するためのソフトウェアが用いられてもよく、これは仮想ピクセルの動作を操作することを容易にする。

図２は、上述したソフトウェアベースの仮想ピクセルに類似する方法で、万能なチップに用いられるハードウェアベースの仮想ピクセルを示す。仮想ピクセルは、この仮想ピクセルにより構成される小さい光検出器１２を接続するトリガライン２２を含む。加えて、ＴＤＣ(time-to-digital converter)２６は、組み合わされたピクセルの何れかに到達する最初の光子の時間を測定するのに用いられることができる。その上、2006年8月28日出願の米国特許出願番号11/467,670号（発明の名称"Digital Silicon Photomultiplier"）に開示されるように、結果生じる衝突を検証するのに検証信号の組み合わせが用いられる。この検証信号は、事象が実際の衝突であるか又は取得がダークカウント(dark count)により始まったかを判断するのに使用される。それは実際の衝突とノイズとを区別するのに使用される一方、ＴＤＣを止めるのに使用される最初のトリガレベルは、最適なタイミング分解能を得るためにノイズの下限よりちょっと上に設定される。仮想ピクセルにおいて、検証信号は、点火する最初のセルがＴＤＣを止めて、前記取得を開始するので有用である。従って、ダークカウントの場合、前記検証は、ピクセルが全部の取得を実施し、その後データを処分するのを防ぐ。ピクセルの不感時間中の如何なる衝突も不正確なタイムスタンプとなり、さらに不正確なエネルギーにもなり得るので、そうすることがピクセルの不感時間を増大させる。

前記検証は以下のようにする、デジタルシリコン光電子増倍管において、トリガネットワークは、ＴＤＣに接続された水平のトリガラインを作動させる仮想の列のラインに階層状に細分される。衝突の検証は、２本以上の列のトリガラインが検証すべき衝突に対する衝突を示すことを意味する。例えば、ある例によれば、４つの列が約５ｎｓ以内に活動を表す場合、このとき前記事象は実際の衝突とみなされることができる。そうでなければ、前記ピクセルは、次の衝突の準備をするためにすぐにリセットされる。５ｎｓ以内に夫々のラインにおいて４つのダークカウントを検出する可能性はかなり低く、上述の検証手法をかなり効果的にする。従って、仮想ピクセルにおける衝突を検証するために、少なくとも１つの光検出器が前記衝突を検証する。他の時間期間（例えば５ｎｓより上、５ｎｓ未満等）と同じく、活動を示す他の列数(例えば４つより上、４つ未満等のような)は、ここで説明した様々な検証手法と一緒に用いられること、及び上記の実施例が本質的な実例であり、説明した態様の範囲を制限するとは意味しないことが分かる。

"ソフト"及び"ハード"仮想化の違いは、ハード仮想化の場合、これらトリガラインは追加のＴＤＣ部品２６に接続された平衡ネットワークを介して接続されるので、仮想ピクセルに含まれる光検出器１２が衝突のタイムスタンプに直接貢献する。幾つかの実施例において、このＴＤＣ部品は、仮想ピクセルにより構成される夫々の光検出器からのダークカウントを合計する累算器(accumulator)も同様に有する。従って、光子統計は殆ど変わらないままである。２×２ｍｍ^２の仮想ピクセルが図２に示されたとしても、所望するなら、４つの仮想ピクセルが４×４ｍｍ^２等のピクセルを実現するのに使用されることができる。選択器／マルチプレクサ２８は、どのデータを１つ以上の出力バッファ（図示せず）に転送するか選択する。ある実施例において、ソフトウェアは、ピクセルの動作を操作するために、ハード仮想ピクセルにおいてどのトリガラインを活性させるかを決める。

ソフト仮想化において、最後の衝突のタイムスタンプ及びエネルギーは、アルゴリズムにより計算され、所望するならば、このアルゴリズムは性能を理由に外部のＦＰＧＡで実施されることもできる。前記アルゴリズムは、仮想ピクセルに含まれる全てのピクセルからのタイムスタンプ及びエネルギーを使用し、全てのピクセルが繋がったかのように、衝突のタイムスタンプ及びエネルギーを計算する。総エネルギーを計算することは単純明快である一方、タイムスタンプを計算することはより複雑となる。

組み合わされた衝突のタイムスタンプを計算する幾つかの方法が可能である。例えば、このタイムスタンプは、部分的なタイムスタンプのエネルギーの重み付き和として、アンガーロジックで用いた方法に類似するやり方で計算されることができる。つまり、図２Ａに描かれるように、４つの示される検出器の各々は、夫々のパルスＡ、Ｂ、Ｃ及びＤでのシンチレーションに応答し、その始まりは時間を示し、その範囲はエネルギーを示す。しかしながら、この方法は、ハードウェアにおいて実施されるべき幾つかの乗加算演算及び固定小数点除算を含む。もう１つの方法は、このタイムスタンプが光子統計を理由に最も正確であると仮定すれば、最も高いエネルギー（例えば図２Ａの実施例ではＣ）を持つ衝突のタイムスタンプを使用する。代わりに、部分的な衝突のエネルギーに関係なく、最も早いタイムスタンプ（図２ＡではＡ）が使用されることができ、この方法は、仮想ピクセルのトリガラインの配線を真似ている。ハード仮想化の場合以上に、タイムスタンプに影響を及ぼす誤差の発生源（例えば量子ノイズ、ＴＤＣシフト及び数値誤差）が幾つか存在していたとしても、ソフト仮想化はかなり安価であり、如何なる追加のハードウェアも必要ない。これは、より少ない数のゲートによる潜在的に高い製造歩留まりとなり得る。

図３は、アンガーロジックを用いて、仮想ピクセルへのガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを決めることを容易にするハードウェアベースの仮想ピクセルの説明図である。例えば、光検出器チップは、図示されるように、２×２ｍｍ^２の結晶を持つスキャナに最適化される。同じチップは全身用スキャナに使用されることができ、ここで２×２ピクセルは、ＴＯＦに最適化されたタイミング分解能を持つ４×４ｍｍ^２の仮想ピクセルを達成するために組み合わされる。他方、同じ検出器は、例えば動物用スキャナにおいて導光板及び１×１ｍｍ^２の結晶にも接続される。代わりに、マッピング手法が導光板無しで使用されることもできる。アンガーロジックを実装する回路をチップ自身に置くことができ、従って、読み出しの型を残りのシステムに明白にする。仮想ピクセルにより構成される光検出器ピクセル１２の方向は、図３に示されるように、電子機器による如何なる"死角"も最小にするように最適化される。加えて、ピクセル１２間にある空間は、回路等を処理するのに利用されることができる。

仮想化に用いられる回路の量を最小にするために、幾つかの既存の構成要素（例えばＴＤＣ、Ｉ／Ｏバッファ、累算器等）が再利用されることができる。トリガネットワーク２２は、バッファの対称的な平衡木を形成する。加えて、衝突検証ロジック（図示せず）は、ダークカウントによるトリガを実際の衝突から切り離することを容易にするために、類似するやり方で接続される。各ピクセルからの検証信号の少なくとも１つは、取得が続くのに有効な衝突を示すことができる。実ピクセルにおける検証ロジックは、これを達成するために、仮想ピクセルの検証ロジックにとって代わられることができる。その上、前記取得のシーケンスは、仮想ピクセル状態機械(virtual pixel state machine)により制御されることができる。

加えて、仮想ピクセルの読み出し時間は、この読み出し時間がピクセルの大きさと共に増大するモノリシックの大きなピクセルに比べ、仮想ピクセルを作り上げる小さなピクセルの読み出し時間と略同じである。これは、より小さなピクセルの並列読み出しの結果であり、これは読むために多くのラインを持つ大きなピクセルで行うよりも早く行うことができる。

ここで説明した様々な態様がソフトウェアベースの仮想ピクセルとハードウェアベースの仮想ピクセルとを区別していとしても、ハード仮想ピクセル及びソフト仮想ピクセルの両方の組み合わせは、本出願の範囲及び意図に含まれていると理解されるべきである。例えば、分離したハード及びソフト仮想ピクセルの組み合わせが単一の仮想ピクセルアレイに用いられることができる。もう１つの実施例によれば、単一の仮想ピクセルは、図２及び３に関して説明したようなハード仮想ピクセルの特徴の何れか又は全部と同じく、図１に関して説明したようなソフト仮想ピクセルの特徴の何れか又は全部を用いることができる。その上、ソフト仮想ピクセルを用いていようが、ハード仮想ピクセルを用いていようが仮想ピクセルアレイは、所定の関心領域等に所望のピクセルの大きさを配置するために、異なる大きさの仮想ピクセルを用いることができる。

もう１つの実施例において、仮想ピクセルの大きさの組み合わせが単一の検出器アレイに用いられる。例えば、１×１の仮想ピクセルは、その位置での空間分解能を最大にするために関心領域の周りで用いられることができる一方、より大きな仮想ピクセル(例えば、２×２、４×４等)は、他の場所に用いられる。さらにもう１つの実施例によれば、１×１の仮想ピクセルは、空間分解能のために用いられ、それに隣接する２×２又は４×４の仮想ピクセルは、タイミング分解能のために用いられる。この実施例において、交互に並ぶ仮想ピクセルの大きさのパターンが同じ検出器アレイに用いられる。

図４は、ＰＥＴ又はＳＰＥＣＴ撮像システム用の疑似画素化読み出し手法の実施例を説明し、この手法は標準的な画素化読み出し手法の利点を維持しつつ、個々の光検出器に直接結合している結晶を含む一方、読み出しチャンネルの数を４分の１に減少させる。所定の感度のレベルを達成するのに使用される電子チャンネル及び光検出器５２の数は減少し、従って検出器のフロントエンドの費用の減少を可能にする検出器アレイ５０が説明される。加えて、結晶５４を感光性表面に直接結合することは、導光板の必要性を軽減する。その上、結晶のピッチは光検出器のピッチの半分の大きさとすることができる。図４に示されるように、結晶５４は、光検出器５２の感受性表面に直接接続されている。結晶の大きさは、光検出器のピッチの約半分であり、４：１のマッピングにつながる。これら結晶は、１つの結晶が単独で全ての光を中心の光検出器に送出する、２つの結晶が各辺に隣接する検出器と光を半分、１：１で共有する、及び４つの結晶が角で隣接する検出器と光の１／４を共有するように構成される。簡単なルックアップテーブルに基づくロジック（例えば、離散化アンガーロジック等）が、近接する光検出器間で共有される光の比率を測定することで結晶を特定するのに使用されることができる。

検出器アレイ５０は、従来の設計に必要とされるチャンネルのたった１／４だけで画素化読み出しを可能にする、従って電子機器のバックエンドの費用を減少させる利点を提案する。実際の画素化読み出しに反して、ガンマ線の衝突の２５％だけが単一のチャンネルの不感時間になる。この衝突の５０％は、２つのチャンネルの不感時間となり、衝突の残り２５％は、近接する光検出器間で共有する光のために、４つのチャンネルが不感である。検出器はその上、少なくとも２つの結晶により個々の相互作用が分けられているとき、コンプトンクロストーク(compton crosstalk)の検出を可能にする。

結晶の誤認につながり得る蛍光Ｘ線を根絶するために、３×３の光検出器の範囲の観察は、さらに洗練された離散化ルックアップテーブルへの入力として使用されることができる。図４において、例えば結晶１は受信した光の１００％を光検出器１へ送出し、結晶２及び３は、検出器の組１、２及び１、３夫々を用いてこれらが受信した光の５０％を各々示す。結晶４は、受信した光を４つの光検出器全てに等しく分配する等である。

もう１つの実施例によれば、結晶５４を光検出器５２に対し互い違いのオフセット位置に取り付けることは、空間分解能を向上させる。例えば、所定の結晶からの光の１００％が前記光検出器のたった１つにより受信される場合、このとき処理器５６は、結晶が光を記録している光検出器の中心の下にあると判断する。例えば、処理器はメモリ５８に記憶されたルックアップテーブルを評価して、その位置が分かっている光検出器に光を伝達している特定の結晶を識別する。図４において、光検出器１が光の移動を記録し、その他の光検出器は移動を記録していないとき、処理器は、結晶１が光検出器１へ光のフルバースト(full burst)を移動することができる唯一の結晶であるため、衝突は結晶１に起こったと判断する。

２つの隣接する光検出器が受信する光の量が等しい場合、処理器は、光がこれら２つの光検出器にまたがるシンチレーション結晶からであると同様に判断する。例えば、光検出器１が光の移動を記録する場合、処理器５６により行われるメモリ５８におけるテーブルのルックアップは、衝突が結晶１、結晶２又は結晶３で受信したことを示す。他の光検出器が同等の光の移動を記録したかを評価することにより、処理器は光検出器に相互参照を付けることができ、的確な結晶を絶縁する。この実施例において、光検出器２が光検出器１により記録されたのと等しい光の移動を記録する場合、このとき処理器は、衝突が結晶２で起きたと判断する。代わりに、光検出器３が光検出器１により記録されたのと等しい光のバーストを記録する場合、このとき処理器は、結晶３が衝突を受信したと判断する。

４つの隣接する光検出器が受信する光の量が等しい場合、シンチレータ結晶は、４つの検出器の下で等しく位置決められていると判断される。図４において、４つの光検出器全てが略等しい光の移動を記録する場合、処理器は、衝突が結晶４で受信したと判断する。このように、検出器の大きさよりも小さな分解能を用いてシンチレーションの空間位置を決めるのに比較的簡単な比率が使用されることができる。

良好な空間分解能及び良好なタイミング分解能は相互に排他的な要因ではない。例えば、ある実施例が１つのガイガーモードアバランシェフォトダイオード(Geiger-mode APD)を備えるピクセルを用いることができ、これは、所定のアスペクト比からなる如何なる大きさのシンチレータ結晶にも良好なタイミング分解能を達成することを容易にすることができる。

図５は、より小さな実ピクセルを組み合わせることを容易にするために、ソフトウェアベースの仮想ピクセルを使用する方法６０を説明している。６２において、例えば図１に関して説明した仮想ピクセルのような、ソフトウェアベースの仮想ピクセルが用いられる。６４において、前記仮想ピクセルにある全ての実ピクセルからのタイムスタンプ及びエネルギーが評価される。６６において、例えば仮想ピクセルにある実ピクセルに記録された全てのエネルギーを合計することで、総エネルギーが計算される。仮想ピクセルに記録された衝突に対するタイムスタンプが６８において計算される。タイムスタンプを計算することは、１つ以上の異なる技術に従って行われる。

例えば、ある実施例によれば、タイムスタンプがアンガーロジック技術を用いて計算され、ここで計算されたタイムスタンプは、部分的なタイムスタンプのエネルギーの重み付き和である。もう１つの実施例によれば、６８で計算されたタイムスタンプは、最も高いエネルギーの衝突のタイムスタンプであり、これは光子統計に基づき最も正確であると仮定される。さらにもう１つの実施例によれば、６８で計算されたタイムスタンプは、部分的な衝突のエネルギーと関係ない、衝突に関連する最も早いタイムスタンプである。この実施例は、以下の図６と同様に、図２及び３のハードウェアベースの仮想ピクセルに関して説明したトリガラインのような、配線された(hard-wired)トリガラインに似ている。このように、ソフトウェアベースの仮想ピクセルは如何なる追加のハードウェアも必要としないので、仮想ピクセルの費用を極力抑える。

図６は、より小さな実ピクセルを組み合わせることを容易にするために、ハードウェアベースの仮想ピクセルを使用する方法８０を説明している。８２において、例えば上記図２及び３に関して説明したような、複数のより小さな実ピクセルを有するハードウェアベースの仮想ピクセルが用いられる。８４において、仮想ピクセルの総エネルギー及びタイムスタンプへの実ピクセル各々の貢献が評価される。８６において、例えば仮想ピクセルにある全ての実ピクセルのエネルギーを合計することで、仮想ピクセルに記録された総エネルギーが計算される。

８８において、ガンマ線の衝突に対するタイムスタンプは、配線されたトリガライン、ＴＤＣ及び構成要素を用いて決められる。例えば、ハード仮想ピクセルにより構成される全てのピクセルは、ＴＤＣに接続された平衡ネットワークを介して接続されるトリガラインを持つので、全てのピクセルは、衝突のタイムスタンプに直接貢献することができる。

もう１つの実施例によれば、より大きな又はより小さな走査アプリケーションに所定の結晶の大きさを持つ標準的なチップを使用することを容易にするために、アンガーロジックが用いられることができる。例えば、光検出器チップは、２×２ｍｍ^２の結晶を持つスキャナに最適化されることができ、４つの２×２ピクセルが組み合わされ、ＴＯＦに最適化されたタイミング分解能を持つ４×４ｍｍ^２の仮想ピクセルを実現する場合、同じチップが全身用スキャナに使用されることができる。加えて又は代わりに、同じ検出器チップは、例えば動物用スキャナにおいて、導光板及び１×１ｍｍ^２の結晶に接続されることができる。さらに、２×２ｍｍ^２のチップは、図４に関して上述したように、マッピングにおいて１×１ｍｍ^２の結晶に結合されることができる。アンガーロジックを実装する回路を同じチップ上に置くことができ、従って、読み出しの型を残りのシステムに明白にする。仮想ピクセルを構築する光検出器のピクセルの方向は、上記図３に見られるように、電子機器による死角を最小にするように最適化されることができる。

図７は、疑似画素化読み出し手法を可能にすると共に、上述した検出器５０のような、多数のシンチレーション結晶に直接結合された光検出器を有する検出器のための読み出しチャンネルを減少させる方法１００を説明する。この実施例において、結晶は、これら結晶が結合している光検出器のピッチの大きさの半分のピッチを持つ。ある実施例によれば、１０２において、第１の光検出器に衝突が検出される。１０４において、前記第１の光検出器に隣接する第２の光検出器が略等しい量の光を有する衝突を記録したかに関する判断を行う。１０６において、衝突がどこで受信したかを決めるために、略等しい衝突を記録している全ての隣接する光検出器に対しテーブルルックアップが行われる。１０８において、前記略等しい衝突を記録した光検出器に基づいて、衝突を受信した結晶が特定される。

ある実施例によれば、１０２において第１の光検出器は衝突を記録し、１０４において前記判断によって第２の光検出器は衝突を記録しない。このシナリオにおいて、１０６におけるテーブルのルックアップは、１０８における単一の結晶の特定となり、これは単独で第１の光検出器に結合され、如何なる他の光検出器とは重畳しない結晶である。もう１つの実施例によれば、２つの隣接する光検出器は、１０２及び１０４で検出されるのと略同じ規模の衝突を受信し、このとき１０６での前記ルックアップは、１０８におけるこれら光検出器を両方とも重複する共に、他の光検出器を重複しない結晶の特定となる。さらにもう１つの実施例よれば、４つの光検出器は、１０２及び１０４で決めたように、略等しい衝突を記録する。この場合、１０６での前記ルックアップは、１０８における４つの光検出器全ての角を重複する結晶を特定する。

図８は、検出器、検出器アレイ、ピクセルアレイ、仮想ピクセル及び/又はここで説明した方法のうち１つ以上と一緒に用いられるような画像診断装置１２０を説明している。この画像診断装置１２０は、ハウジング１２２及び被験者支持台１２４を含む。検出器アレイ１２６は前記ハウジング１２２内に封入されている。検出器アレイ１２６は、複数の個別の検出器要素１２８を含む。前記アレイ１２６は、検出器要素１２８が撮像領域１３０の周りに均等に分配されるように配される。前記検出器アレイ１２６は、検出器１２８からなるリング、多重のリング又は互いに対向して置かれる別個の平坦パネルとすることができる。検出器１２８の実際の配置又は配列が何であろうとも、各検出器は、同時検出を容易にするために、前記撮像領域をまたいで対の片方の検出器を複数持つように、検出器を配列することが好ましい。ＰＥＴでは、ガンマ線の対は、撮像領域における陽電子消滅事象(positron annihilation event)により製造され、反対方向に伝わる。これらガンマ線は、一方のガンマ線が検出器に到達するために、他方のガンマ線よりも遠くに伝わる場合、検出器の間における僅かな遅延（約ナノ秒）で対として検出される。

ＰＥＴスキャンを開始する前に、被験者は放射性医薬品を注入される。この放射性医薬品は、タグ分子に結合された放射線素子を含んでいる。このタグ分子は、撮像される領域に関連付けられ、正常な生体プロセスを介してそこに集まる傾向がある。例えば、がん細胞を急速に増殖させることは、これら細胞をコピーする異常なほど高いエネルギー量を消費する傾向がある。それで、放射線医薬品は、例えばエネルギーを作る、上記領域に集まる及び画像内に"ホットスポット"として現れるために、細胞が通常代謝するグルコースのような分子にリンク付けされることができる。他の技術は、循環系に流れているタグ付き分子を監視する。

ＰＥＴ撮像にとって、選択したラジオアイソトープは、陽電子を放射する。この陽電子は、２つの対向するガンマ線を作り出す消滅反応でこの陽電子が消滅する前に、非常に短い距離（約ナノメートル）を移動するだけである。ガンマ線の対は、検出器の反対の対に当たる光の速さで反対方向に伝わる。

ガンマ線が検出器アレイ１２６に当たるとき、時間信号は結果生じる電子パルスの前縁から生じる。トリガ処理器１３２は、各々受信したガンマ線のエネルギーの特性をしめすエネルギースパイク(energy spike)、例えばパルス下の集積領域、に対し各検出器１２８を監視する。前記トリガ処理器１３２は、クロック１３３を調べ、各々検出したガンマ線を前縁の受信スタンプの時間でスタンプする。このタイムスタンプは最初に事象検証処理器１３４により使用され、どのガンマ線がＬＯＲ(line of response)を規定する対であるかを決める。ガンマ線は光の速度で伝わるので、検出されたガンマ線が数ナノ秒より多くずれて到達する場合、これらガンマ線はおそらく同じ消滅事象によって生じずに、処分される。略同時の事象における僅かな差はさらに前記ＬＯＲに沿って前記消滅事象を配置するのに使用されることができるので、特にＴＯＦ−ＰＥＴにおいてタイミングは重要である。コンピュータ処理器のクロック速度が速くなるにつれて、事象がそのＬＯＲに沿って配置される精度は高くなる。ＳＰＥＣＴカメラにおいて、各々検出されたガンマ線のＬＯＲ又は軌道は、視準（コリメーション）により決められる。

ＬＯＲは、事象記憶バッファ１４４に記憶され、再構成処理器１４６は、フィルタ補正逆投影法又は他の適切な再構成アルゴリズムを用いて、ＬＯＲを被験者の画像表示に再構成する。この再構成は、ユーザのために表示装置１４８上に表示、印刷、後で使用するために保存する等をすることができる。

Claims (32)

1. 画像診断システム用の仮想ピクセルアレイにおいて、
   少なくともシンチレータ結晶を有する仮想ピクセル、
   前記シンチレータ結晶に光学的に結合された、前記結晶におけるシンチレーションに応答して出力信号を生成する複数の光検出器、及び
   前記複数の光検出器により検出されるような、前記シンチレータ結晶へのガンマ線の衝突に関連する前記出力信号を処理し、前記ガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを計算するバーチャライザ
   を有する仮想ピクセルアレイ。
2. 前記仮想ピクセルはソフトウェアベースの仮想ピクセルであり、前記バーチャライザは前記タイムスタンプを計算するアルゴリズムを利用する請求項１に記載の仮想ピクセルアレイ。
3. 前記バーチャライザは、前記複数の光検出器の各々の出力信号から前記タイムスタンプを、部分的な光検出器のタイムスタンプのエネルギーの重み付き和として計算する請求項２に記載の仮想ピクセルアレイ。
4. 前記バーチャライザは、前記タイムスタンプを、前記仮想ピクセルにおける他の光検出器と比べて最も高いエネルギーレベルを記録している光検出器の出力信号の関数として計算する請求項２に記載の仮想ピクセルアレイ。
5. 前記バーチャライザは、前記タイムスタンプを、前記仮想ピクセルにおける光検出器により記録された最も早い光検出器のタイムスタンプの関数として計算する請求項２に記載の仮想ピクセルアレイ。
6. 前記仮想ピクセルはハードウェアベースの仮想ピクセルであり、前記複数の光検出器からＴＤＣへトリガラインを接続するネットワークを有する請求項１に記載の仮想ピクセルアレイ。
7. 少なくとも１つの出力バッファへ転送するための前記ネットワークを介して受信した全ての光検出器のタイムスタンプからタイムスタンプのデータを選択する選択器／マルチプレクサをさらに有する請求項６に記載の仮想ピクセルアレイ。
8. 前記仮想ピクセルは画像診断装置に配置され、前記バーチャライザは、
   ガンマ線の衝突に応答して、前記仮想ピクセルにおける複数の光検出器に関連するエネルギー及びタイムスタンプを評価するためのルーチン又は手段、
   前記ガンマ線の衝突に関連する総エネルギーを計算するためのルーチン又は手段、及び
   前記ガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを計算するためのルーチン又は手段
   を含んでいる、請求項１に記載の仮想ピクセルアレイ。
9. 前記複数の光検出器は、４×４のアレイで配された１６個の光検出器を含む請求項１に記載の仮想ピクセルアレイ。
10. 前記複数の光検出器は、２×２のアレイで配された４個の光検出器を含む請求項１に記載の仮想ピクセルアレイ。
11. 矩形格子状に配された複数のシンチレータ結晶、
    各２×２のアレイにおいて、前記光検出器の１つは、１つの前記シンチレータ結晶だけに光学的に結合され、前記光検出器の１つは、２つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合され、前記光検出器の２つは、４つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合されるようなオフセット関係で前記シンチレータ結晶に光学的に結合された光検出器からなる複数の２×２のアレイ
    をさらに有する請求項１０に記載の仮想ピクセルアレイ。
12. 画像診断装置に用いられる、請求項１に記載の仮想ピクセルに対するタイムスタンプを計算する方法であり、
    ガンマ線の衝突を記録すると、前記仮想ピクセルにおける前記複数の光検出器に関連するエネルギー及びタイムスタンプを評価するステップ、
    前記ガンマ線の衝突に関連する総エネルギーを計算するステップ、及び
    前記ガンマ線の衝突に対する前記タイムスタンプを計算するステップ
    を含む方法。
13. 請求項１に記載の仮想ピクセルアレイを用いて、核画像装置を設計する方法において、
    前記シンチレータ結晶を前記光検出器に、少なくとも１：１の比率で光学的に結合している、高い空間分解能を備える装置を設計するステップ、及び
    前記シンチレータ結晶を前記光検出器に、シンチレータ結晶と光検出器の比率を１：４、又はそれより小さい比率で光学的に結合している、高い時間分解能を備える装置を設計するステップ
    を有する方法。
14. 仮想ピクセルに対するタイムスタンプを計算する方法において、
    前記仮想ピクセルのシンチレータ結晶へのガンマ線の衝突を受信するステップ、
    前記ガンマ線の衝突に関連する光検出器の各々に対するエネルギー及び光検出器のタイムスタンプを決めるために、前記シンチレータ結晶に光学的に結合された複数の光検出器の各々からの出力信号を評価するステップ、
    前記ガンマ線の衝突に関連する前記複数の光検出器により検出された前記エネルギーを組み合わせることにより、前記ガンマ線の衝突の総エネルギーを計算するステップ、並びに
    前記ガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを、前記複数の光検出器の少なくとも１つの光検出器により記録された前記光検出器のタイムスタンプの関数として計算するステップ
    を有する方法。
15. 前記ガンマ線の衝突に対する前記タイムスタンプを、前記ガンマ線の衝突に関連する前記複数の光検出器の各々からの部分的な光検出器のタイムスタンプのエネルギーの重み付き和として計算するステップをさらに有する請求項１４に記載の方法。
16. 前記タイムスタンプを、前記仮想ピクセルにおける他の光検出器と比べて最も高いエネルギーレベルを記録している光検出器の光検出器のタイムスタンプの関数として計算することをさらに有する請求項１４に記載の方法。
17. 前記タイムスタンプを、前記仮想ピクセルにおける光検出器により記録される最も早い光検出器のタイムスタンプの関数として計算するステップをさらに有する請求項１４に記載の方法。
18. 前記タイムスタンプを、前記複数の光検出器の各々からのトリガラインとのネットワーク接続を介してＴＤＣで受信した部分的なタイムスタンプの関数として計算するステップをさらに有する請求項１４に記載の方法。
19. 複数のシンチレータ結晶を矩形格子状に配するステップ、及び
    各２×２のアレイにおいて、前記光検出器の１つは、１つの前記シンチレータ結晶だけに光学的に結合され、前記光検出器の１つは、２つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合され、前記光検出器の２つは、４つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合されるようなオフセット関係で前記シンチレータ結晶に光検出器からなる複数の２×２のアレイを光学的に結合するステップ
    をさらに有する請求項１４に記載の方法。
20. 請求項１４に記載の方法を実行するようにプログラミングされた処理器又はコンピュータ読み取り可能媒体。
21. アレイ状に配された複数の光検出器、
    アレイ状に配されると共に、前記複数の光検出器に光学的に結合された複数のシンチレータ結晶、並びに
    ガンマ線が衝突したシンチレータ結晶に光学的に結合された前記複数の光検出器の１つ以上により生成した出力信号に基づいて、前記ガンマ線が衝突したシンチレーション結晶を特定する処理器
    を有する画像診断装置用の検出器アレイにおいて、
    前記光検出器アレイ及び前記シンチレータアレイは、幾つかのシンチレータ結晶が他のシンチレータ結晶とは異なる数の光検出器に結合されるように、互いにオフセットされている検出器アレイ。
22. 各シンチレータ結晶の各辺の長さは、各検出器が９個のシンチレータ結晶に関連するように、各光検出器の各辺の長さの約１／２である請求項２１に記載の検出器アレイ
23. 矩形格子状に配された複数のシンチレータ結晶、
    各２×２のアレイにおいて、前記光検出器の１つは、１つの前記シンチレータ結晶だけに光学的に結合され、前記光検出器の１つは、２つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合され、前記光検出器の２つは、４つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合されるようなオフセット関係で前記シンチレータ結晶に光学的に結合された光検出器からなる複数の２×２のアレイ
    をさらに有する請求項２１に記載の検出器アレイ。
24. 請求項２１に記載の検出器アレイにおいて、前記処理器は、
    第１の光検出器に光の記録を検出するためのルーチン又は手段、
    前記第１の光検出器に隣接する第２の光検出器は、少なくとも前記第１の光検出器で記録された光の量に等しい光の量を記録したかを判断するためのルーチン又は手段、
    略等しい光の量を記録している光検出器のテーブルルックアップを行うためのルーチン又は手段、及び
    ガンマ線の衝突が受信されたシンチレータ結晶として、前記略等しい光の量を記録している全ての光検出器を重複しているシンチレータ結晶を特定するためのルーチン又は手段
    を含む検出器アレイ。
25. 請求項２１に記載の検出器アレイにおけるシンチレータ結晶を特定する方法において
    第１の光検出器においてガンマ線からの光の記録を検出するステップ、
    前記第１の光検出器に隣接する第２の光検出器は、少なくとも前記第１の光検出器で記録された光の量に等しい光の量を記録したかを判断するステップ、
    略等しい光の量を記録している光検出器のテーブルルックアップを行うステップ、及び、
    前記ガンマ線が衝突した前記シンチレータ結晶として、前記略等しい光の量を記録している全ての光検出器を重複しているシンチレータ結晶を特定するステップ
    を有する方法。
26. 請求項２１に記載の検出器アレイにおけるガンマ線の衝突地点を特定する方法において、
    複数のシンチレータ結晶を矩形格子状に配するステップ、及び
    各２×２のアレイにおいて、前記光検出器の１つは、１つの前記シンチレータ結晶だけに光学的に結合され、前記光検出器の１つは、２つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合され、前記光検出器の２つは、４つの前記シンチレータ結晶に光学的に結合されるようなオフセット関係で前記シンチレータ結晶に光検出器からなる複数の２×２のアレイを光学的に結合するステップ
    を有する方法。
27. 光検出器のアレイ、
    複数の選択可能な大きさの何れかであるシンチレータ結晶のアレイ、及び
    ガンマ線の衝突に対するタイムスタンプを計算するために、前記光検出器のアレイの夫々の部分により検出されたように、前記シンチレータ結晶の１つへの前記ガンマ線の衝突に関連する出力信号を処理する処置手段
    を有する再構成可能なピクセルアレイ。
28. 各ピクセルは、１×１、２×２又は４×４の少なくとも１つからなる光検出器アレイの大きさを持つように構成される請求項２７に記載のピクセルアレイ。
29. 前記アレイの大きさは選択可能である請求項２８に記載のピクセルアレイ。
30. 全身用スキャナ、動物用スキャナまたは脳スキャナの少なくとも１つに用いられる請求項２７に記載のピクセルアレイ。
31. シンチレータ結晶と光検出器の比率は、４：１、１：１及び１：４の１つとなるように選択される請求項２８に記載のピクセルアレイ。
32. 前記検出器を用いて第１のスキャナを第１のピクセルアレイ構造で構築するステップ、及び
    前記検出器を用いて第２のスキャナを第２のピクセルアレイ構造で構築するステップ、
    を有する請求子２７に記載のピクセルアレイを作成する方法において、
    前記第１及び第２のピクセルアレイ構造は、光検出器とシンチレータ結晶の異なる比率を利用している方法。

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