JP2010530535A - スペクトル光子計数検出器 - Google Patents

Abstract

ある装置が、検出光子のエネルギーを示すピーク振幅を持つパルスを生成する積分器１２０を含む。第１の放電回路１３６は、第１の放電速度で上記積分器１２０を放電させ、第２の放電回路１２４は、第２の放電速度で上記積分器１２０を放電させる。第１の放電速度は、上記第２の放電速度より小さい。

Description

本願は一般に、スペクトル光子計数検出器に関する。コンピュータ断層撮影（ＣＴ）に対する特定の用途を用いて説明されるが、本願は、異なるエネルギーを持つ検出光子をエネルギー分解することが望ましい他の用途にも関する。

従来のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムは、検査領域を横断する多エネルギー(poly-energetic)イオン化（Ｘ線）光子を放出する放射線源を含む。放射線源から見て検査領域の反対側に配置される放射線感知検出器は、検査領域を横断する光子を検出するピクセルを含む。各ピクセルは、各検出光子に関する電流を生成する。この電流は、積分され、測定間隔の間に検出される全ての光子の堆積されたエネルギーに関する測定を産生する。

粒子物理用途において使用されるような従来のエネルギー分解計数検出器は、検出光子を示す電流を処理し、検出光子のエネルギーを示すピーク振幅を持つアナログ電圧パルスを生成するパルス整形器を含む。検出器は、２つ又はこれ以上のエネルギーレベルに基づきセットされる２つ又はこれ以上の閾値と電圧パルスの振幅とを比較する識別器も含む。検出器は、パルスの振幅が上昇して閾値と交差するときをカウントする、各閾値に対するカウンタを更に含む。カウントは、エネルギー範囲へとエネルギービン化され、検出光子は、ビン化されたカウントに基づきエネルギー分解されることができる。

例示的なパルス整形器は、ピクセルからの流入電荷を蓄積する帰還コンデンサを備える積分増幅器と、帰還コンデンサを放電させる相互コンダクタンス増幅器とを含む。残念なことに、パルス整形器は、比較的長い減衰テールを持つパルスを生成する。結果として、第１のパルスの減衰テールと後続パルスの立ち上がり振幅とが重複する場合がある。パルスがそのように重複すると、それらの振幅は結合することができる。すると、第１のパルスの振幅貢献により後続パルスの振幅がシフトされる。結果として、パルスが正確にエネルギー識別されることができず、検出粒子のエネルギー分布が誤ってシフトされる場合がある。

別のパルス整形器は、積分増幅器を含み、この増幅器では、帰還コンデンサを放出するのにスイッチが使用される。スイッチを突然リセットすると、コンデンサが放電される。これは結果として、以前に述べた相互コンダクタンス増幅器を用いるときのテールと比較して、かなり短いパルステールを生じさせる。残念なことに、スイッチをリセットするためのトリガーは、積分時間間隔の間、パルスの振幅が最小閾値を超えることを必要とする。従って、小さな入力電荷パルス（これは、例えば、Ｋ蛍光が原因でＣＺＴセンサにおいて生成されることができ、３０ｋｅＶ未満のエネルギーを持つ）に関して、整形器は、最小閾値（これは、ＣＺＴセンサの場合、Ｋ蛍光光子を計数することを回避するため３０ｋｅＶ以上にセットされることができる）以下であるピーク振幅を持つパルスを生成することができる。結果として、スイッチはリセットされず、積分増幅器の出力はシフトされる。結果として、最小閾値を超えるエネルギーを持つ後続の電荷パルスのピーク振幅が、より高いエネルギーへと誤ってシフトされる場合がある。

本出願の側面は、上述した事項その他に対処する。

１つの側面によれば、装置は、検出光子のエネルギーを示すピーク振幅を持つパルスを生成する積分器を含む。第１の放電回路は、第１の放電速度（又はレート）で上記積分器を放電させ、第２の放電回路は第２の放電速度で上記積分器を放電させる。第１の放電速度は、上記第２の放電速度より小さい。

別の側面では、放射線感知検出器が、検出光子のエネルギーを示す振幅を持つ信号を生成する積分コンデンサを備える増幅器を含む。電圧制御電流源が、上記信号の振幅に基づき上記積分コンデンサを放電させ、スイッチは、上記信号の振幅が光子エネルギー閾値を超えるとき、上記積分コンデンサをリセットする。

別の側面では、ある方法が、検出光子のエネルギーを示すピーク振幅を持つパルスを生成するため電荷を積分するステップと、上記電荷を保持する電荷ストレージデバイスを第１の放電速度で放電させるステップと、上記パルスのピーク振幅が光子エネルギー閾値を超えるとき上記電荷ストレージデバイスをリセットするステップとを含む。

撮像システムを示す図である。 撮像システムの一部の実現を示す図である。 積分器をリセットする場合及びしない場合のパルスを示す図である。 ある方法を示す図である。 撮像システムの一部の実現を示す図である。 積分されたパルスを示す図である。 微分された積分パルスを示す図である。

本発明の更に追加的な利点は、以下の詳細な説明を読み及び理解することにより当業者に理解されるだろう。

本発明は、様々な要素及び要素の配列の形式並びに様々なステップ及びステップの配列の形式を取ることができる。図面は、好ましい実施形態を説明するためだけにあり、本発明を限定するものとして解釈されるべきものではない。

図１を参照すると、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム１００は、長軸方向又はｚ軸周りで検査領域１０８の周りを回転する回転ガントリ部１０４を含む。例えばＸ線管といったＸ線源１１２が、回転ガントリ部１０４により支持され、検査領域１０８を横断する多エネルギー放射線ビームを放出する。

放射線感知検出器１１６は、少なくとも１８０度プラスファン角度にわたり源１１２により放出される光子を検出する複数のピクセル１１８を含む。各ピクセル１１８は、検出光子ごとに例えば電流又は電圧といった対応する電気信号を生成する。適切な検出器の例は、（例えば、カドミウムテルル化亜鉛（ＣＺＴ）ベースの検出器といった）直接変換検出器、及び光センサと光学通信状態にあるシンチレータを含むシンチレータベースの検出器を含む。

帰還コンデンサ等を持つ演算増幅器といった積分器１２０は、電気信号を処理し、例えば電圧といったパルス又は検出光子を示す他のパルスを生成する。この例では、パルスは、検出光子のエネルギーを示すピーク振幅を持つ。

積分器リセッタ１２４は積分器１２０を選択的にリセットする。このリセットにより、積分器１２０が放電される。ある例では、積分器１２０の出力は、リセットに応答してプレ積分状態に移行する。図示された例において、リセットは、後で詳しく述べるように積分時間及びエネルギー識別器１３２の出力に基づき積分器１２０をいつリセットするかを決定するリセット決定部１２８により制御される。ある例では、積分器１２０を急速にリセットすると、積分器１２０により累積される電荷が放電される。これは、時間一定(time constant)積分器１２４を介して電荷を単純に減衰させることに比べて、減衰するパルステールの持続時間を減らすことができる。短縮されたテールは、後続パルスがこのパルスのテールと重なることになる確率を減らすことができる。

例えば電圧制御型電流源等といった放電増幅器１３６は、積分器１２０の出力に基づき、積分器１２４により累積される電荷を放電させる。一般に、積分器リセッタ１２４は、第１の放電速度で積分器１２０を放電させ、放電増幅器１３６は、第２の放電速度で積分器を放電させる。この場合、第１の放電速度は、第２の放電速度より高速である。放電増幅器１３６を用いて積分器１２０を放電させると、意図されたベースライン電圧を超えて出力電圧がシフトすることを防止するのが容易になる。最小の所望光子エネルギー閾値以下のエネルギーを持つ検出光子に対応する電荷を積分器１２０が積分するとき、斯かるシフトが生じる。この閾値以下のエネルギーでは、積分器リセッタ１２４を起動させることができない。例示によれば、（エネルギー識別器１３２の出力から決定される）最小の所望光子エネルギー閾値に達しない場合、積分器リセッタ１２４が積分器１２０において累積された電荷をリセットしないよう構成されるとき、最小の所望光子エネルギー閾値を超えない検出光子に対応する累積された電荷が、連続した電荷パルスの積分開始を決定するベースラインをシフトさせることができる。放電増幅器１３６は、斯かる電荷を放電する。ノイズ及び／又は漏れ電流は、ベースラインにおける斯かるシフトにも貢献する場合がある。

エネルギー識別器１３２は、例えば、特定のエネルギーレベルにそれぞれ対応する１つ又は複数の閾値と生成されたパルスの振幅とを比較することにより、パルス整形器１２０により生成される電圧パルスをエネルギー識別する。振幅が増加し、対応する閾値と交差するとき、エネルギー識別器１３２は出力信号を生成する。１つ又は複数の閾値に対する信号が、リセット決定部１２８に提供される。この決定部は、積分器１２０をリセットするためにいつ積分器リセッタ１２４を起動させるかを決定するとき、斯かる信号を使用する。

カウンタ１４０は、閾値ごとに各エネルギー識別器１３２により生成される信号数を計数する。各閾値に対する計数は、その各閾値を超えるエネルギーを持つ検出光子の数を示す。一例を挙げると、カウンタ１４０は、１平方ミリメートルにつき毎秒約１０^９のカウント数（ｃｐｓ／ｍｍ^２）の割合で、光子を計数する。計数は、閾値に対応するエネルギー範囲又はビンにおける検出光子をエネルギービン化するのに使用される。

再構成器１４４は、信号のスペクトル特性に基づき複数のピクセル１１８により生成される信号を選択的に再構成する。

寝台といった対象物支持部１４８は、検査領域１０８において患者又は他の対象物を支持する。対象物支持部１４８は、スキャン手順を実行するとき検査領域１０８に対して対象物をガイドするよう移動可能である。

汎用コンピュータが、オペレータ端末１５２として機能する。端末１５２は、例えばモニタ又はディスプレイといった人間が読み取れる出力デバイスと、例えばキーボード及びマウスといった入力デバイスとを含む。例えばグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を介して、端末１５２にあるソフトウェアは、オペレータがスキャナ１００を制御し、スキャナと対話することを可能にする。斯かる対話は、スペクトル特性に基づき信号を再構成する命令を含むことができる。

図２は、システム１００の一部の非限定的な実現の例を示す。この実現において、積分器１２０は、演算増幅器（オペアンプ）２０４の反転入力に接続される帰還コンデンサ２０８を備えるオペアンプ２０４を含む。ピクセル１１８からの信号は、オペアンプ２０４の反転入力にも提供される。この例では、電圧源「ＨＶ」は、ピクセル１１８に関するバイアス電圧を提供するために使用される。ＣＺＴピクセルの場合、ＨＶは、約７００ボルト（７００Ｖ）の電圧を提供するよう構成されることができる。ある例では、斯かる電圧は、高内部電場を構築するのに使用される。

オペアンプ２０４により出力される電圧パルス（「Ｖ_ｏｕｔ」）は、エネルギー識別器１３２に提供される。この識別器は、Ｎ個の異なるエネルギー閾値ＴＨ_１、ＴＨ_２、...、ＴＨ_Ｎ（集合的に閾値_Ｎ又はＴＨ_Ｎと参照される）とパルスの振幅とを比較するＮ個の比較器２１２_１、２１２_２、...、２１２_Ｎ（集合的に比較器２１２と参照される）を含む。この例では、ＴＨ_１は最も低い閾値であり、ＴＨ_Ｎは最も高い閾値である。パルスの振幅が対応する閾値を超えるとき、比較器２１２の出力は低から高へ（又は、高から低へ）移行する。移行は、検出光子が閾値を超えるエネルギーを持つことを示す。比較器２１２からの信号は、カウンタ１４０の個別のサブカウンタに提供される。各サブカウンタは、対応する閾値に対する移行を計数する。

この実現において、積分器リセッタ１２４は、帰還コンデンサ２０８と電気的に並列なスイッチ２２０を含む。リセット決定部１２８は、スイッチ２２０が閉じられ、かつコンデンサ２０８が短絡されるよう、積分器リセッタ１２４を制御し、積分時間が経過し、かつパルスの振幅が少なくとも最低の閾値ＴＨ_１を超えるとき放電させる。そうでない場合、スイッチ２２０は、開かれている。リセット決定部１２８は、比較器２１２_１の出力信号に基づきパルスの振幅が最低閾値ＴＨ_１を超えるときを決定する。必要に応じて、コンデンサ１２８をリセットするため積分器リセッタ１２４を起動するのに、他の比較器２１２_２−２１２_Ｎからの出力が、リセット決定部１２８に提供され、この決定部により使用されることもできる。

パルスが最大振幅に達した後リセットが起動されるよう、リセット決定部１２８は構成される。これは、最大電荷収集時間Ｔ_Ｍａｘが経過した後、積分器リセッタ１２４を起動することにより実現されることができる。例えば、積分が始まる時間Ｔ_０から時間Ｔ_Ｍａｘ過ぎた後リセットが行われるよう、リセット決定部１２８は構成されることができる。異なる開始点を使用するとき、例えば、振幅が最低閾値ＴＨ_１を超える時間Ｔ_１を使用するとき、リセット時間はＴ_Ｍａｘ−εに基づきセットされることができる。ここで、εは、Ｔ_１とＴ_０との間の時間差ΔＴである。時間差εは、異なるパルスサイズに対して同様とすることができる。異なるパルスサイズ間でかなりの差がある場合、εは最低閾値ＴＨ_１に達するのに必要な最短時間に対応するよう選択されることができる。この技術を用いると、積分器１２０により導入される遅延は、あるとしても、積分器出力が最低閾値ＴＨ_１に達するのにかかる時間に少なくとも部分的に含まれる。

リセットがある場合及びない場合のパルス波形の例が、図３に表される。テール３０４は、パルス最大が発生したあと積分器リセッタ１２４がコンデンサ２０８をリセットするときのパルステールを示す。テール３０８は、コンデンサ２０８が放電増幅器１３６により放電されるときのパルステールを示す。図示されるように、パルス幅又はパルス持続時間は、リセットを省略する場合よりも、積分器リセッタ１２４によるリセットを介して実質的に減らされることができる。上記したように、そのようにパルス幅を減らすことは、後続パルスが、減衰するパルスのテールに重なることになる確率を減らすことができる。従って、そのようにパルス幅を減らすことは、積分された(piled-up)パルスが原因で導入されるエネルギー分布誤差を減らすことができ、及び／又は結果として比較的より高い測定可能な計数レートを生じさせることができる。

リセットの時又はその直後に、積分器１２０の出力電圧はベースラインに戻り、ピクセル１１８からの後続の電荷パルスは、ベースライン電圧から開始して処理されることができる。上記したように、積分時間が経過した後パルスの振幅がＴＨ_１を超えるとき、積分器リセッタ１２４はコンデンサ２０８を急速に放電させる。しかしながら、パルスの振幅がＴＨ_１を越えないとき、コンデンサ２０８を放電させるために積分器リセッタ１２４が起動されることはない。そして、出力電圧がベースラインに戻るよう、放電増幅器１３６はコンデンサ２０８を放電させる。

放電増幅器１３６は、例えば電圧制御型電流源又は他の相互コンダクタンス増幅器といった相互コンダクタンス回路２２４を含む。図示されるように、相互コンダクタンス回路２２４はコンデンサ２０８と並列の抵抗性回路として振る舞う。図示された実現において、共通の電流源２２８は、トランジスタ２３６及び２４０の差分のペア２３２に電流を提供し、オペアンプ２０４の出力電圧は、トランジスタ２３６のゲートに提供される。オペアンプ２０４の出力電圧Ｖ_ｏｕｔがベースライン電圧を超えて上昇するとき、トランジスタ２３６のゲートでの電圧はトランジスタ２３６をバイアスさせ、トランジスタ２４０で出力される電流Ｉ_ｃｏｍｐは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの関数として変化する。電流Ｉ_ｃｏｍｐは一般に、ピクセルからの電荷とは反対の方向又は符号を持つ。これにより、Ｃ_Ｆにわたる電圧がＶ_Ｏｕｔ−Ｖ_{ｐｒｅＲｅｆ}＝０に戻ることがもたらされるよう、入力電荷がキャンセルされる。そのように、オペアンプ２０４の出力電圧は、コンデンサ２０８を放電させるよう相互コンダクタンス回路２２４を操作する。

従って、この実現において、識別器１３２（「測定可能なパルス」）により測定されるエネルギーの範囲に含まれるエネルギーを持つパルスのパルス持続時間は、積分器リセッタ１２４を介して短縮される。これは、パルス多重衝突(pulse pile up)の確率を減らす。最低閾値を超えないピーク振幅を持つパルスに対して、放電増幅器１３６は、コンデンサ２０８を放電させる。

動作が以下、図４を参照して説明されることになる。ステップ４０４で、光子が検出される。ステップ４０８で、検出光子を示す電荷が、積分増幅器により積分される。パルスは、光子のエネルギーを示す振幅を持つ。ステップ４１２で、パルスは、複数のエネルギー閾値にわたりエネルギー識別される。ステップ４１６で、パルスの振幅が、最小の所望の閾値に対応する閾値を超えるかどうかが決定される。ステップ４２０で、パルスの振幅が斯かる閾値を超える場合、積分器リセッタ１２４は積分増幅器１２０をリセットする。リセットされた後、積分器１２０の出力はベースライン電圧に戻り、積分器１２０は後続の検出光子に対応する電荷を積分することができる。ステップ４２４で、パルスのピーク振幅がこの閾値を超えない場合、累積された電荷は放電増幅器１３６を介して放電され、積分器１２０は後続の検出光子に対応する電荷を積分することができる。上記したように、エネルギー識別されたパルスは、検出光子をエネルギー分解するのに使用され、複数のピクセル１１８からの信号が、検出光子のスペクトル特性に基づき再構成される。

変形例が説明される。

別の実施形態では、パルスのピーク振幅が、コンデンサ２０８を放電させるため積分器リセッタ１２４をいつ起動させるかを決定するのにも使用される。例が、図５に表される。図５は、例えばパルスのピーク振幅位置を特定する微分回路又は他の最大特定部といったパルス振幅最大特定部５０４を持つシステム１００を示す。図示されるように、パルスの振幅最大特定部５０４の出力及び比較器２１２_１の出力は、コンデンサ２０８を放電させるため積分器リセッタ１２４をいつ起動させるかを決定するのにリセット決定部１２８に提供及び使用される。他の実施形態では、リセット決定部１２８によりちょうど最大振幅が使用される。

図示される実現において、パルスの振幅最大特定部５０４は、振幅が増加から減少に転じるとき、又は（正から負へ）減少しながらゼロクロスするとき最大振幅に達したと決定する。図６に示されるように、パルスの振幅最大特定部５０４は、重複するパルス６１２及び６１６において、最大振幅６０４及び６０８を検出する。この例では、パルス６１２に対する最大振幅６０４が検出されるとき、積分器リセッタ１２４はコンデンサ２０８をリセットするために起動され、パルス６１６は無視される。他の実施形態では、パルス６１６は、無視されない。図７は、個別のパルス６０４及び６０８に対する微分された出力信号７０４及び７０８を示す。

用途として、荷物検査、非破壊検査、医療デジタル式蛍光透視法、マンモグラフィ、Ｘ線だけでなく他の産業及び医療用途を含む。

本発明が、好ましい実施形態を参照して説明されてきた。上記の詳細な説明を読み及び理解すれば、第三者は、修正及び変更を思いつくことができる。それらの修正及び変更が添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内にある限り、本発明は、すべての斯かる修正及び変更を含むものとして構築されることが意図される。

Claims (25)

1. 検出光子のエネルギーを示すピーク振幅を持つパルスを出力で生成する積分器と、
   第１の放電速度で前記積分器を放電させる第１の放電回路と、
   第２の放電速度で前記積分器を放電させる第２の放電回路とを有し、前記第１の放電速度が、前記第２の放電速度より小さい、装置。
2. 前記第１の放電回路が、前記積分器を放電させるために前記積分器の入力に提供される補償信号を生成する、請求項１に記載の装置。
3. 前記補償信号が、前記パルスの振幅の関数である、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の放電回路が、前記積分器の電荷ストレージデバイスを放電させる相互コンダクタンス増幅器を含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記相互コンダクタンス増幅器が、前記パルスの振幅に基づき出力信号を生成し、前記出力信号は、前記積分器の入力に提供される、請求項４に記載の装置。
6. 前記積分器の積分コンデンサにわたり電圧がＶ_Ｏｕｔ−Ｖ_{ｐｒｅＲｅｆ}＝０に戻るよう、前記第１の放電回路が、前記積分器を放電させ、Ｖ_ｏｕｔは、前記積分器の出力電圧であり、Ｖ_{ｐｒｅＲｅｆ}が、参照電圧である、請求項１に記載の装置。
7. 前記パルスの振幅が光子エネルギー閾値を超えるとき、信号を生成するリセット決定部を更に含み、前記第２の放電回路が、前記信号に基づき前記積分器を放電させる、請求項１に記載の装置。
8. 前記第２の放電回路が、前記積分器を短絡させるスイッチを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記第２の放電回路を持つ前記積分器を放電させることが、前記パルスの減衰するテールの持続時間を短縮させる、請求項１に記載の装置。
10. 前記振幅が光子エネルギー閾値を超えるかどうかを示す信号を生成するエネルギー識別器と、
    前記信号に基づき前記積分器を放電させるために前記第２の放電回路を起動させるリセット決定部とを更に含む、請求項１に記載の装置。
11. 前記パルスの最大振幅を特定するパルス最大振幅特定部を更に含み、前記第２の放電回路が、前記パルス最大振幅に基づき前記積分器を放電させる、請求項１に記載の装置。
12. 最大電荷収集時間が経過した後、前記第２の放電回路が前記積分器を放電させる、請求項１に記載の装置。
13. 前記装置が、コンピュータ断層撮影システムの一部を形成する、請求項１に記載の装置。
14. 放射線感知検出器であって、
    検出光子のエネルギーを示す振幅を持つ信号を生成する積分コンデンサを備える増幅器と、
    前記信号の振幅に基づき前記積分コンデンサを放電させる電圧制御電流源と、
    前記信号の振幅が光子エネルギー閾値を超えるとき、前記積分コンデンサをリセットするスイッチとを有する、放射線感知検出器。
15. 前記電圧制御電流源が、前記増幅器の前記信号の関数であり、かつ前記積分コンデンサを放電させるため前記増幅器に対する入力として提供される補償信号を生成する、請求項１４に記載の放射線感知検出器。
16. 前記増幅器により出力される信号が、前記電圧制御電流源を操作する、請求項１４に記載の放射線感知検出器。
17. 前記積分コンデンサに累積される電荷が、前記スイッチを介して第１の放電速度で放電し、前記電圧制御電流源を介して第２の放電速度で放電し、前記第１の放電速度は、前記第２の放電速度より高速である、請求項１４に記載の放射線感知検出器。
18. 前記パルスの振幅が光子エネルギー閾値を超えるとき、前記スイッチが前記積分器を放電させる、請求項１４に記載の放射線感知検出器。
19. 検出光子のエネルギーを示すピーク振幅を持つパルスを生成するため電荷を積分するステップと、
    前記電荷を保持する電荷ストレージデバイスを第１の放電速度で放電させるステップと、
    前記パルスのピーク振幅が光子エネルギー閾値を超えるとき前記電荷ストレージデバイスをリセットするステップとを有する、方法。
20. 前記電荷ストレージデバイスをリセットするステップが、前記電荷ストレージデバイスを前記第１の放電速度で放電させるよりも高速な速度で前記格納された電荷を放電させる、請求項１９に記載の方法。
21. 前記パルスのピーク振幅後、前記電荷ストレージデバイスをリセットするステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
22. 最大電荷収集時間が経過した後、前記電荷ストレージデバイスをリセットするステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
23. スイッチを介して前記電荷ストレージデバイスをリセットするステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
24. 相互コンダクタンス増幅器を介して前記ストレージデバイスの前記電荷を放電させるステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
25. 前記電荷ストレージデバイスを短絡させることにより前記パルスの幅を短縮するステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。

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