JP2016522891A - 訂正手段を備えたパルス処理回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、変換材料の１つ（例えば、放射線検出器の画素（11））において入射する光子（X）により生成された電流パルス（CP）の処理のための方法及びパルス処理回路（100）に関する。基準からのパルス形状のズレが検出され、高カウント率におけるパイルアップ効果及び／又は周辺画素の間の電荷共有によるパルスのくずれを識別するために使用される。ズレの検出は、例えば、パルス成形器（110）で、電流パルス（CP）からの双極性成形パルス及び／又は相互に比較可能な異なる形状の２つの成形パルスを生成することにより実現されてもよい。

Description

本発明は、変換材料の１つにおいて光子により生成された電流パルスをカウントする方法及びパルス処理回路に関する。

スペクトル分解フォトンカウンティング（spectrally resolved photon counting）を備えた医療画像処理装置は、検出器の画素に当たる光子の数（典型的にはX線又はガンマ）をカウントすることができ、エネルギーに従ってこれらを分類することができる放射線検出器を利用する。これは、通常では、容易にカウントできる電荷、電流及び／又は電圧パルスに光子を変換することにより実現される。パルス高又は積分は、光子エネルギーを示す。

このような検出器が対処しなければならない１つの問題は、高いカウント率の場合における続いて生じるパルスのパイルアップ（pile-up）又は重複である。他の問題は、周辺の画素の間での生成された電荷の分離である。双方の効果は、カウント率及び／又は光子エネルギーに関して誤った解釈をもたらす。

US4658216は、電流パルスを異なる時定数の２つのパルスに変換することによりパイルアップの問題に対処する手法を開示する。パイルアップの場合に長い方のパルスの評価が抑制されるように、短い方のパルスはパイルアップ棄却器により処理される。

WO2008/146230 A2は、入来するX線光子により生成されたパルスの高さが異なるエネルギービンでカウントするために閾値と比較される装置を開示する。並行して、パルスの最大値が検出される。最大値の間の時間的距離が短い時間ウィンドウ内にある場合、これは、パイルアップの指示として受け取られ、エネルギービンへの関連する寄与が無視される。

EP0396464 A2は、ガンマ線により生成されたパルスがデジタルサンプルに絶えず変換される核分光法を開示している。デジタルサンプルの数が所与の最大カウントを超えた場合、パルスのパイルアップが仮定される。

更に、どのようにパイルアップがガンマ線検出器のスペクトルに影響を及ぼすかについての理論的分析は、文献（CHAPLIN V.: “Analytical Modeling of pulse-pileup distortion using the true pulse shape; applications to Fermi-GBM”, NUCL. INST. AND METH. IN PHYSICS RESEARCH A, vol. 717, 2013-04-06, pages 21-36)）に記載されている。

US4634863 Aは、続いて生じるパルスのより良い分離を可能にするために、立ち上がり部分と異なるように立ち下がり部分を処理するパルス処理回路を開示している。

この背景技術に基づいて、光子、特にX線又はガンマ光子のような高エネルギー光子の正確な検出を可能にする手段を提供することが望ましい。

この目的は、請求項１に記載のパルス処理回路、請求項２に記載の方法、及び請求項１５に記載の放射線検出器により実現される。好ましい実施例は、従属項に開示される。

本発明の実施例によるパルス処理回路は、変換材料の１つにおいて光子により生成されて電極で検出された電流パルスをカウントすることに役立つ。本発明の基本的な実施例では、このようなパルス処理回路は、基準からの電流パルスの形状の少なくとも１つのズレの検出のための検出モジュールを有する。このズレは、電極での部分的な（すなわち、不完全な）電荷収集（“電荷共有（charge sharing）”）及び／又は続いて生じる電流パルスのパイルアップにより生じる。

前述の電流パルスは、典型的には、X線又はガンマ光子のような光子が適切な変換材料と相互作用するときに生成される。そのエネルギーは、材料の伝導帯・価電子帯（conduction resp. valence band）における電子−正孔対（electron-hole pair）を生成するために使用される。電界により駆動されて、生成された電荷雲は、変換材料の付近の電極に動く。ここで、関連する電流パルス（又は電荷パルス）を引き起こす。この電流パルスは、典型的には、顕著な末尾又は顕著でない末尾を有する（単極性）ピークの形状を有する。

電流パルスの形状のズレが検出されることに関する“基準”は、通常では、パイルアップ又は部分的な電荷収集により影響を受けていない“通常”又は“標準”の電流パルスを表すものと考えられる異なる形状（テンプレート）のセット又は範囲を有する。例えば、基準は、所与の間隔から選択されてもよい１つ以上のパラメータ（例えば、パルス高、時定数等）に応じた何らかのモデル曲線により記述されてもよい。

本発明は、変換材料の１つにおいて光子により生成されて電極で検出された電流パルスをカウントする方法に更に関する。この方法は、電極での部分的な電荷収集及び／又は続いて生じる電流パルスのパイルアップにより生じる基準からの電流パルスの形状の少なくとも１つのズレの検出を有する。

この方法は、一般的な形式で、前述のパルス処理回路で実行可能なステップを有する。従って、回路に提供される例は、方法にも同様に有効であり、逆も同様である。この方法は、特に記載のパルス処理回路を用いて実行されてもよい。

記載のパルス処理回路及び方法は、フォトンカウンティング検出器における２つの重要な誤差源（すなわち、パイルアップ及び画素間の電荷共有）の検出を可能にする。これは、この効果が生成された電流パルスの形状において特徴的な形跡を残し、この形跡が適切な基準と電流パルスとを比較することにより検出可能であるという見識に基づく。

以下では、（一方に関してのみ説明されている場合であっても）前述のパルス処理回路及び方法の双方と組み合わせて実現され得る本発明の様々な好ましい実施例について説明する。

本発明の好ましい実施例では、電流パルスは、少なくとも１つの成形パルスに変換される。パルス処理回路は、この目的のために“パルス成形器”と呼ばれるサブユニットを有してもよい。成形パルスは、例えば、元の電流パルスよりも、後の電子機器によって容易に処理（カウント、エネルギー識別等）され得る電圧パルスでもよい。しかし、成形パルスはまた、単に電流パルスの同一のコピーでもよい点に留意すべきである。

成形パルスの生成が実現可能な多数の方法が存在する。好ましい実施例では、生成は、何らかの所与の畳み込みカーネル（例えば、ガウス関数又は両極性関数）によって元の電流パルスの畳み込みになるようなもの又は元の電流パルスの畳み込みを有するようなものである。

本発明の１つの好ましい基本的な実施例では、電流パルスは、少なくとも２つの（局所）極値（すなわち、最大値及び／又は最小値）を有する成形パルスに変換される、或いは変換可能である。このような成形パルスの好ましい例は、その残りの値に対して正及び負の双方の偏位を有する（後者は典型的には“ゼロ”として規定される）、或いは別の言葉で最大値及び最小値を有する両極性パルスである。両極性成形パルスは、例えば、両極性カーネルによる畳み込みにより、単極性電流パルスから生成されてもよい。両極性パルスは、好ましくは、等しい（絶対値の）高さの正及び負のパルス高を有する。

複数の極値を有する成形パルスの使用の利点は、（通常は極値の幅により決定される）高い時間分解能と、（通常はパルス高及び／又はパルスの積分により決定される）良好なエネルギー分解能とを同時に可能にする点にある。従って、パルスのパイルアップは、エネルギーの決定を損なうことなく、高いカウント率まで検出及び訂正可能になる。

特に前述の両極性成形パルスが使用される場合、成形パルスの高さは、好ましくは、少なくとも１つの正の閾値及び少なくとも１つの負の閾値に対して決定されてもよい。

前述の成形パルスの極値の数は、容易に疑いなく決定され得るパルス形状のパラメータである。従って、好ましい実施例では、“通常”の成形パルスの極値の数は、目前の成形パルスのズレが検出される基準としての役目をしてもよい。従って、極値の基準値を有さない成形パルスは、パイルアップ及び／又は電荷共有により影響を受けるものとして考えられてもよい。

本発明の第２の好ましい基本的な実施例によれば、電流パルスは、（例えば前述のパルス成形器により）異なる形状の少なくとも２つの成形パルスに変換される、或いは変換されてもよい。このような変換は、特に電荷共有の場合に、元の電流パルスの形状のズレを容易に決定するのに役立ってもよい。これに関して、２つのパルスは、パルス高の正規化の後に同一でない場合には、“異なる形状”であると考えられる点に留意すべきである。従って、時間軸の異なる拡大縮小は、定義上では異なる形状のパルスを生じる。

前述の実施例の任意選択の更なる進展では、成形パルスの少なくとも２つの特徴パラメータの間の関係が決定される。このような関係又は比較は、元の電流パルスの形状におけるズレの検出の非常に敏感な手段をしばしば提供する。更に、関係は、意図する形状のズレの検出に関係のない影響（例えば、光子エネルギー）からしばしば独立する。

前述の少なくとも２つの特徴パラメータは、例えば、成形パルスのパルス高、所与の時点での成形パルスの値、成形パルスの時間間隔若しくは時点、又は成形パルスの積分のうち少なくとも１つを有してもよい。関係は、例えば、２つの単極性成形パルスのパルス高又はこれらのパルス幅を比較してもよい。関係は、特に２つの特徴パラメータの間の商又は差（例えば、検出された成形パルスのパルス高と基準の成形パルスのパルス高との間の商）でもよい。

前述の実施例では、基準からの電流パルスの形状のズレは、好ましくは、成形パルスの上記の特徴パラメータの間の関係が、基準の成形パルスから推定される基準値の周辺の指定の範囲外の値を生成した場合に検出されてもよい。基準値の周辺の範囲のサイズは、例えば、（基準）パルスの形状における予想される変化に従って指定されてもよい。

前述の実施例では、上記の特徴パラメータのうち少なくとも２つは、例えば、所与の時点でのパルス高又はパルス値でもよく、上記の特徴パラメータの間の上記の関係は、商でもよい。或いは、他の実施例では、上記の特徴パラメータのうち少なくとも２つは、パルス最大値が生じる時間でもよく、特徴パラメータの間の上記の関係は、時間間隔（特に、これらのパルス最大値の時間の間の時間間隔）である。

本発明の他の実施例では、電流パルス及び／又は電流パルスから導出された成形パルスの少なくとも１つのパルス高が決定される。このパルス高の値は、電流パルスを生成した光子についての重要な情報（例えば、そのエネルギー）をしばしば提供する。更に又は或いは、電流パルス及び／又は成形パルスの少なくとも１つの（時間）積分が決定されてもよい。

好ましくは、電流パルスは、（直接的に、或いは、これから生成された成形パルスのカウントを介して間接的に）カウントされてもよい。処理回路は、この目的のための特別のサブユニット（“カウンタ”）を備えてもよい。このようなカウントは、好ましくは、スペクトル分解能的に行われてもよい（すなわち、異なるエネルギー（又はエネルギー間隔）の光子に属する電流パルスがそれぞれの“エネルギービン（energy bin）”で別々にカウントされる）。

前述の実施例では、カウントされた電流パルス（又は光子）の数は、好ましくは、形状の検出されたズレ（特に、パルスのパイルアップによる形状のズレ）を考慮することにより訂正される。パルスのパイルアップの場合、２つ以上の重複するパルスは、例えば、単一のパルスとして誤ってカウントされる可能性がある。実際のカウント率のこのような過小評価は、何個の電流パルスがパイルアップにより影響を受けたかが知られている場合、訂正されてもよい。周辺の画素の間の電荷共有の場合、単一の光子は、周辺の画素で２回（又はそれより頻繁に）カウントされる可能性があり、実際のカウント率の過大評価をもたらす。従って、電流パルスの形状のズレがこのような電荷共有の状況を示す場合、カウント率は、（例えば、それぞれ関与する画素において検出されたズレの数の半分を減じることにより）下方に変更されてもよい。

一般的に、基準からの形状のズレが検出された電流パルスをカウントするために、少なくとも１つのカウンタが提供されてもよい。このカウンタにより提供される情報は、特に光子の訂正された全カウント率を推定するために使用されてもよい。

光子エネルギーが電流パルスから決定された場合、この値は、形状の検出されたズレ（特に、部分的な電荷収集（すなわち、“電荷共有）による形状のズレ）を考慮することにより訂正されてもよい。例えば、電流パルスの形状が周辺の画素の間の電荷共有の発生を示す場合、これらのパルスから導出されたエネルギー値は更なる評価から除外されてもよい。

本発明は、入射する光子を電極での電流パルスに変換する変換材料の１つを備えた変換器と、前述の種類のパルス処理回路（すなわち、基準からの電流パルスの形状の少なくとも１つのズレの検出のための検出モジュールを備えたもの）とを有する放射線検出器に更に関する。上記のズレは、電極での部分的な電荷収集及び／又は続いて生じる電流パルスのパイルアップにより生じる。パルス処理回路は、電流パルスを受信するために前述の電極に接続される。

変換器の変換材料は、通常では１次元配列又は２次元配列に配置され、放射線検出器によって生成可能な画像の画素に対応する。放射線検出器は、特に物体の放射線画像（特に、X線投影）を生成する画像処理装置に適用されてもよい。画像処理装置は、例えば、物体の投影画像が異なる視角から生成され、物体の断面又は容積測定の画像の再構成を可能にするコンピュータ断層撮影（CT：Computed Tomography）装置又はスキャナとして設計されてもよい。最も好ましくは、画像処理装置は、フォトンカウンティング・スペクトル（すなわち、エネルギー分解能）CTスキャナでもよい。

本発明の前記及び他の態様は、以下に説明する実施例から明らかになり、以下に説明する実施例を参照して説明する。
本発明による処理回路の一般的な実施例の概略図 両極性成形パルスが生成される図１の処理回路の実施例の概略図 重複しない両極性成形パルスの図 ２つの部分的に重複する両極性成形パルスの図 重複する単極性成形パルスの図 異なる形状の２つの成形パルスが並列に生成されて相互に比較される図１の処理回路の実施例の概略図 それぞれ電荷共有なし及び有りで生成された“良好”及び“不良”電流パルスの図 図７の電流パルスから成形パルスを生成するためのカーネルとして使用され得る両極性関数、狭幅ガウス関数及び広幅ガウス関数の図 図７の２つの電流パルスから図８の２つのガウス関数で導出された成形パルスの図 図７の２つの電流パルスから図８の広幅ガウス関数及び双極性関数で導出された成形パルスの図 図９及び図１０の曲線から導出されたパラメータ比の相図 パルス成形器を備えたパルス処理回路の実施例の概略図

100の整数倍で異なる同様の参照符号又は番号は、図面において同一の構成要素又は同様の構成要素を示す。

図１は、本発明の実施例によるパルス処理回路100を備えた放射線検出器を概略的に示している。この回路は、例えば、ASICにより実現されてもよい。放射線検出器は、X線又はガンマ放射線の入射する光子Xが可動の電荷雲に変換される複数の変換材料11（例えば、CdTe又はCZT）又は“画素”を備えた変換器10を更に有する。これらの電荷は、変換器10の表面の電極12で収集され、従って、関連する信号線13で電流パルスCP（又は“電荷パルス”）を生成してもよい。電極12は、典型的には陽極であり、単一の陰極（図示せず）は、通常は陽極の反対側に変換器10に配置される。

前述の信号線13は、電流パルスCPを、以下で“成形パルス”SPと呼ばれる２次パルスに変換するパルス処理回路100のパルス成形器110に（好ましくは、介在の電荷感応型増幅器CSAを介して）接続される。成形パルスSPは、例えば、電流パルスの時間積分（すなわち、入射する光子Xにより生成された電荷、従って光子エネルギー）に（少なくともほぼ）比例したパルス高を備えた電圧パルスでもよい。このパルス高は、パルス処理回路の識別及びカウント回路140において一式の閾値と比較される。ここで、それぞれのエネルギービンのカウントが増加する。

更なる手段がない場合、これまでに記載したスペクトル分解フォトカウンティングの設定お及び手順は、以下の問題に直面する。

理想的な電流パルスの積分は、実際には可能でない。この理由は、他のパルスが積分期間中に結果を汚す可能性があるため（“パルスのパイルアップ（pulse pile-up）”として知られる）、長い積分時間を必要とするからである。従って、パルス成形は、全体としての電流パルスに敏感でなく、その代わりに、電流パルス成分は、パルス中心から（時間軸で）距離が離れるほど低く重み付けされる。成形パルスは、典型的にはガウス関数であるパルス成形関数による電流パルスの畳み込みにより、うまく近似され得る。

従って、パルス成形の利点は、部分的に重複する異なる電流パルスですら、時間ドメインで相互に近すぎない場合には、相互から分離可能であるという点にある。しかし、欠点は、特に広い電流パルスは低すぎるエネルギー（“弾道欠損（"ballistic deficit）”としばしば呼ばれる効果）によって評価される点にある。

画素化したフォトンカウンティング検出器の大きい劣化作用は、周辺の画素の間の“電荷共有（charge sharing）”である。これは、光子が画素境界の近くに電荷雲を生成した場合に生じる。電荷雲は、陽極面に到達する前に数十ミクロンだけ広がるため、電荷雲の一部が１つの画素により収集され、他の部分が周辺の画素により収集されることが生じる可能性がある。１つの画素での単一のカウントではなく、それぞれ関与する画素について、それぞれ元のエネルギーの一部のみを表す２つの異なるカウントが記録される。電荷共有は、検出器のスペクトル反応において“低いエネルギーの尾引き（low energy tailing）を生成する。すなわち、単一の入射エネルギーについて、各画素は、（正確に識別されたエネルギーによって“良好”のカウントを表す）光子ピークを示すスペクトルだけでなく、全体の低いエネルギー範囲に分散された“不良”のカウントを示すスペクトルも測定する。低いエネルギーの尾引きは、例えば、材料分離アルゴリズムの信号対雑音比に大きく影響を与え、電荷共有のイベントが識別可能な場合には、かなり高い画像品質が潜在的に実現され得る。

更に、スペクトル性能及び入来するフォトンの正確な数を決定する能力は、線束（flux）の増加（すなわち、高いカウント率）と共に前述のパルスのパイルアップのため劣化する。パイルアップは、X線検出器10の内部だけでなく、カウント電子機器100の内部でも本質的に生じる。従って、カウント電子機器のパイルアップ特性にうまく対処する手段を有することが望ましい。

パルス成形器110により生成された成形パルスが単極性である場合、パルス高は、同じ極性を有する数個の閾値を使用することにより決定されてもよい。しかし、パルスが重複する可能性があるレベルまで率が増加するとすぐに、カウントされるイベントの数が減少し、検出されたスペクトルが歪められる。

電気的に導入されたパイルアップによるフォトンカウンティングの劣化は、成形パルスのパルス幅（不感時間（dead time））を短縮することにより、すなわち、成形の時定数を低減することにより、影響を受ける可能性がある。しかし、この定数は、入来する光子のエネルギーの指標であるパルス幅の精度（弾道欠損）も決定するため、任意に短く選択することはできない。これは、パイルアップの量とエネルギーの識別の精度との間のトレードオフが考慮される必要があることを意味する。

図１は、パイルアップ及び電荷共有の記載した問題に対処するために、ここで提案される基本的な手法を概略的に示している。この手法は、電流パルスCP及び／又はこれから導出された成形パルスSPの形状の詳細な分析又は検討に基づく。これは、電流パルスCP及び／又は成形パルスSPがこれらのパルス高に関して単にカウントされて分類されるのではなく、パルス形状の少なくとも１つの更なる特徴パラメータが決定され、“基準”（すなわち、基準値の所定のセット又は範囲）と比較されることを意味する。従って、パイルアップ及び／又は電荷共有による処理されたパルスの歪みについての情報を有する、この基準からの起こり得るズレが検出されてもよい。この情報を用いて、パルス処理回路100の評価モジュール130は、任意選択で、パルスエネルギーE及びパルスカウントnの元々決定された値を訂正し、処理回路の出力において訂正値(n,E)_corrを提供してもよい。この一般的な手法について、他の図面に示す具体的な実施例に関して以下に更に詳細に説明する。

図２〜５では、高いカウント率でパルスのパイルアップの問題に対処するのに特に適した第１の実施例が示されている。図２は、例えばASICとして実現された、関連するパルス処理回路200を概略的に示している。パルス処理回路200は、元の電流パルスCPを成形パルスSPに変換する特定のパルス成形器210により後続されるCSA（図示せず）を含む。

成形パルスSPは、正又は負の閾値を適用する能力を備えた複数の比較器を有する一体型のスペクトルカウント及び訂正モジュール220、230、240に転送される。CSAとパルス成形器との組み合わせは、比較可能な正及び負のパルス高を備えた両極性パルスSPを生成することができる。更に、比較器の信号を処理するロジックユニット及びデータ記憶ユニットが含まれる。ロジックは、１つのパルス列に寄与するイベントの数を決定し、パルス高を識別することができるべきである。

この実施例の中心の態様は、通常通りに同じ成形の時定数を備えるが、比較可能な正及び負のパルス高を備えた両極性パルス形状を備えた成形パルスSPを使用し、更に、この成形パルスを評価するために正及び負の閾値を備えた比較器を使用する概念にある。

パルス高は、正のパルス高及び正の閾値を使用して測定されてもよく、負の閾値を使用して負のパルス高を検出して測定されてもよい。パイルアップが生じた場合、冗長性は取り消され、第２のパルスのパルス高が負の閾値により検出されつつ、時間的に最初のパルスのパルス高は、正の閾値を使用して測定されてもよい。

図３及び４は、２つの例示的な両極性の成形パルスSP及びSP’についてこのことを示している。図３は、低いカウント率での状況を示している。２つのパルスSP及びSP’は、相互に離れており、別々に評価可能である。すなわち、これらはカウント可能であり、これらの（正又は負の）パルス高（円参照）は分類可能である。

その両極性の性質のため（或いはより具体的に、１つより多くの極値の存在のため）、成形パルスは、単一の単極性パルスよりも細かい時間的細部を有する。この構成の一部は、２つのパルスがカウント率の増加で相互に衝突する場合に保持される。

これが図４に示されている。第１の両極性パルスSPの最小値及び第２の両極性パルスSP’の最大値は、複雑な形状の重ね合わされたパルス（実線）を生じるように重複する。しかし、第１のパルスSPの最大値及び第２のパルスSP’の最小値は、実質的に影響を受けずに依然として検出可能である。従って、これらの部分的な重複にも拘わらず、重ね合わされた曲線において２つのパルスSP及びSP’を識別し、（第１のパルスSPの最大値及び第２のパルスSP’の最小値から）これらのパルス高を決定することすら可能である。図示の場合、最高の負の閾値は、２つのイベントをカウントする。従って、正しい数のイベントは、負の閾値により直接測定される。

この理由及び手法は、複数の極値を有する一般的なパルス形状に同様に適用可能である点に留意すべきである。

図５は、図３及び４からの両極性パルスと同じパルス幅を備えた２つの重複する単極性パルスでの高いカウント率の状況を示している。ここでは、増加したパルス幅の単一のパルスとして誤って解釈される単一のピーク（実線）が生じる。

要するに、入来する電流パルスのカウント及びエネルギー識別における誤りをもたらすパイルアップが生じる有効パルス幅は、同じ形状定数を備えた単極性パルス形状を使用したシステムに比べて、同じレベルの弾道欠損を維持しつつ、約２倍だけ短縮され得る。記載の実施例は、両極性パルス形状と、正及び負の閾値とを使用するフォトンカウンティングのためのASICを有する。このようなデバイスは、単極性パルス形状及び正の閾値のみを備えたASICに比べて良いカウント及びスペクトル性能を有する。良いカウント及びスペクトル性能は、システムが実際のイベントの数及びこれらのパルス高をより正確に決定する機能を有することを意味する。この手法は、スペクトルコンピュータ断層撮影のような高いX線の線束を用いた用途で動作される専用の読み出しASICを備えたスペクトル検出システムに特に適用され得る。

図６〜１１は、電荷共有に対処するのに特に適した本発明の第２の実施例を示している。（電荷共有により影響を受けた）“不良”電流パルスは、電流パルスの包絡線により、（影響を受けていない）“良好”パルスと異なり、成形パルスが電流パルスの最大値に関して異なる高さ及び異なるタイミングを示すことを意味する。この実施例の基本的な外燃は、１つではなく、それぞれ別々のパルス成形器が異なるパルス成形特性（例えば、異なるタイミング定数又は異なる成形包絡線）を有する画素毎に２つの別々のパルス成形器310a、310bを備えたパルス成形器集合310を使用することにある。従って、それぞれの入来する電流パルスは、異なるパルス形状を備えた２つの成形パルスSP1及びSP2を生成する。また、成形パルスの最大値は、相互の時間差を示してもよい。関連する検出モジュール320は、“不良”パルスから“良好”パルスを区別するために、成形パルス高の比及び／又はこれらの時間差を使用してもよい。更に、成形パルスの１つ（SP1）は、識別器及びカウンタ340により並列で処理される。検出モジュール320と識別器及びカウンタ340との結果は、パルスカウントn及び光子エネルギーEの訂正値(n,E)_corrを決定するために、評価モジュール330において組み合わされる。

前述の手法を更に示すために、図７は、シミュレーションによる“良好”電流パルスgCP及びシミュレーションによる“不良”電流パルスbCPを示している。“良好”パルスは、画素の中心の上の陰極の近くでその完全な電荷を置く40keVの光子により引き起こされる。このパルスでは、電荷共有又は他の有意な電荷損失は想定されず、これにより、このパルスは、以下では“良好”パルスの基準として機能する。“不良”パルスは、２つの画素の間の境界の上の陰極の近くで電荷雲を生成した80keVの光子の結果である。電荷雲の広がりのため、約50%の電荷は、周辺の画素のそれぞれにより記録され、これは、各画素で測定された40keV相当に事実上対応する。数学的には、電流パルスは、関数

により表されてもよい。Eは、位置

において置かれた全体の電荷を表し（光子エネルギーに比例する）、

は、

によって時間tでの電流パルスの包絡線を記述する。

“良好”及び“不良”パルスは、定性的に異なる包絡線

だけ異なり、これは、それぞれ画素の重みの電位の異なる領域を通じた電荷の弾道の結果である。“不良”パルスは、典型的には、電荷が収集されるかなり前に２倍の大きさの周辺パルス成分を示すが、主なパルス成分は、基準パルスに比べて低い。更に、“不良”パルスは、典型的に、滑らかな立ち下がりを有する。“不良”パルスのこれらの前述の特徴は、パルスが終了する前のちょうど最後の10nsに共有の電荷が“除去”されるという事実のためである。

パルス成形は、パルス成形関数g・f(t)と電流パルスの畳み込みにより、数学的に記述されてもよい。ここで、gは（電子）利得を記述する。すなわち、以下のようになる。

前述のように、画素毎に２つのパルス成形器は、以下では同時に使用され、それぞれがそれぞれ異なるパルス成形関数g₁・f₁(t)及びg₂・f₂(t)を有する。２つの例が特に調べられる。第１の例では、それぞれ5ns及び20nsの異なるシグマ幅のガウスパルス成形関数が組み合わされる。第２の例では、5nsのシグマ幅のガウスパルス成形関数は、両極性パルス成形関数と組み合わされる。両極性パルス成形関数は、一種の“エッジ検出”フィルタとして見なされてもよく、これは、例えば、ガウスパルス成形の導関数を取ることにより生成されてもよい。

図８は、パルス成形関数の前述の３つの例（畳み込みカーネル）、すなわち、狭幅ガウス関数nG（σ=5ns）、広幅ガウス関数wG（σ=20ns）及び両極性関数BPを示している。

図９は、図８のガウスパルス成形関数nG及びwGを図７の電流パルスに適用した結果を示している（名称は自明であり、例えば、曲線“bCP+nG”は狭幅ガウスnGと不良電流パルスbCPの畳み込みに対応する）。便宜上、“良好”パルスの最大値が単一の値を有するように正規化が選択されている。

図１０は、図８の広幅ガウスパルス成形関数wG及び両極性関数BPを図７の電流パルスに適用した結果を示している。この場合も同様に、“良好”パルスの最大値が単一の値を有するように正規化が選択されている。

成形パルスの対毎に、パルス高の比qが第１の量として受け取られる。パルス高の比qは以下のようになる。

パルスの全体の電荷E（すなわち、元の光子エネルギー）が比を使用することにより取り消される点に留意することが重要である。すなわち、電流パルスの定性的な形状のみが関係するが、そのパルス高は関係しない。各パルス成形器の利得は、一定の係数g₁/g₂を生成する。

以下では、“良好”基準パルスでは成形パルスの最大の高さが単一になるように、パルス成形器のそれぞれのg₁及びg₂が較正されることを仮定する。

第２の量として、（２つの異なる成形器で成形された同じ電流パルスの）成形パルスの最大値の間の時間差δtが考慮される。この値について、

が“良好”基準パルスとして受け取られ、入射するパルスの値

と比較される。以下では、理想的な“良好”パルスではゼロになる量

（すなわち、差の差）について説明する。

図１１は、図９及び１０に示すパルス成形器の組み合わせについて成形パルスの最大値の間のパルス高の比qと時間差δtとを含む“相図”を示している。第１の例（図９）では、パルス高の比q（すなわち、5nsのガウスnsに対して20nsのガウスwGの比）は、“良好”パルスに比べて“不良”パルスでは約10%大きい。更に、それぞれ“良好”パルスと“不良”パルスとの間に0.6nsのδtが存在する。

第２の例（図１０）では、両極性“エッジ”検出パルス成形関数が第２のパルス成形器のために選択されているため、パルス高の比qはかなり顕著になる。この場合、qは、“良好”パルスに比べて“不良”パルスでは約30%大きくなるが、約0.1nsのδtは非常に小さい。

“良好”基準パルスの周辺の許容範囲gGを規定することによりパルスを“良好”又は“不良”としてマーキングするために、測定量q及びδtの一方（又は双方）を使用することができる。入射するパルスの量が設定された範囲外である場合、“不良”として識別される。この場合、パルス高情報は評価されない。その代わりに任意選択で、電荷共有のカウントが生じたという更なる情報を提供するために、“不良パルス”カウンタが増加してもよい。しかし、この情報は、エネルギー識別のために使用されないが、依然として画素毎の全カウント率を決定するために使用されてもよい。

前述の実施例は、必要な量を生成するための画素毎の更なるアナログ及びデジタル電子機器を含む変更されたASICを必要とする。より詳細には、パルス最大値が指定の時間範囲内にあるか否かを検査するために、時定数に従った同時電子機器（coincidence electronics）が使用されてもよい。電流パルスと成形パルスとの間の比を構築するために、アナログ分割器が使用されてもよい。

要するに、以下の特徴のうち１つ以上により特徴付けられるパルス処理回路及び方法について説明した。

・画素毎に２つのパルス成形器及びアナログ信号処理を備えたデバイス。

・“良好”及び“不良”パルスについて決定するための拡張した“位相空間”を得るための２つより多くのパルス成形器を備えたデバイス。

・元の電流パルスも分析されるデバイス（すなわち、１つの“パルス成形器”が元の電流パルスを送出する前述の実施例のいずれかに等価なもの）。

・信号処理について成形パルスの最大値のパルス高の比が使用される前述の実施例のいずれか。

・信号処理について成形パルスの信号比が使用される前述の実施例のいずれか（これは、パルス最大値が同時ではなく、これにより、パルス最大値の比が使用されないため、前述の実施例とは異なるが、例えば、信号比の最大値が使用される）。

・信号処理について成形パルスの最大値の間の時間差が使用される前述の実施例のいずれか。

・信号処理について前述の方法のいずれかの組み合わせが使用される前述の実施例のいずれか。

・不良パルスを識別した後に更なる情報を提供するために（例えば、全カウント率を決定するために）増加する“不良パルス”カウンタが含まれる前述の実施例のいずれか。

本発明は、例えば、医療画像処理システム、学術目的の器具又は本土防衛における直接変換検出器に基づく全ての種類のフォトンカウンティング放射線検出器に適用可能である。

図１２は、本発明の記載の実施例によるパルス処理回路のパルス成形部の例示的な回路図を示している。図示の回路は、通常では物体（図示せず）の投影画像を生成する２次元配列に配列された数千ものユニットを有する大きい放射線検出器の単一のユニット又は“画素”である。

画素ユニットは、入射するX線光子Xが電荷信号に変換される（直接）変換ユニット10を有する。変換ユニット10は、コンデンサC_sに並列の電源を有するその等価な回路により概略的にのみ表されている。

変換ユニット10の電荷信号は、前処理ユニット20の電荷感応型増幅器（CSA：charge sensitive amplifier）21の負の入力に提供される。この増幅器21の正の入力は、マス（mass）に接続され、増幅器21の出力電圧V₁は、抵抗R₁及びコンデンサC₁を介して並列に負の入力にフィードバックされる。

電荷感応型増幅器21の出力は、ポールゼロキャンセル（pole-zero cancellation）としての役目をする更なる抵抗R₂及びコンデンサC₂の並列配置を有するフィルタ30に更に提供される（好ましくは、R₂・C₂=R₁・C₁）。

前述のフィルタ30の出力は、パルス成形器110に属する更なる増幅器111の（負の）入力に接続される。この増幅器111の正の入力はマスに接続され、その出力電圧V₀は、抵抗R_f及びコンデンサC_fの並列配置を介して負の入力にフィードバックされる。

パルス成形器110は、その出力において、変換ユニット10で検出された光子Xにより置かれたエネルギーに対応する形状（特に、高さ）を備えた成形パルスを生成する。これらのパルスは、パルス（従って光子エネルギー）が異なるレベル又はクラスに割り当てられるように、異なる閾値を有する一式の識別器140の入力に提供される。次の部分では、一式のカウンタが提供され、各カウンタがこの関連する識別器を通過するパルスをカウントするために１つの識別器の出力に接続される。

従って、説明した画素ユニットは、入射放射線のエネルギー分解フォトンカウンティング検出を提供する。

図面及び前述の説明において本発明について詳細に図示及び説明したが、このような図示及び説明は、限定的ではなく、説明的又は例示的であると考えられるべきである。本発明は、開示の実施例に限定されない。開示の実施例に対する他の変形は、図面、開示及び特許請求の範囲の研究から、特許請求の範囲に記載の発明を実施する当業者により認識及び実施されてもよい。特許請求の範囲において、“有する”という用語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、単数（不定冠詞）は複数を除外するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、特許請求の範囲に記載の複数の項目の機能を実現してもよい。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に或いは他のハードウェアの一部として、光記憶媒体又はソリッドステート媒体のような適切な媒体に格納／分配されてもよく、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介したような他の形式で分配されてもよい。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

US4634863 Aは、続いて生じるパルスのより良い分離を可能にするために、立ち上がり部分と異なるように立ち下がり部分を処理するパルス処理回路を開示している。
文献で提案されている他の手順では、電荷感応型増幅の後に、パルスはそれぞれ低速及び高速の成形時定数で検出信号から成形される（AURICCHIO N ET AL: “Twin shaping filter techniques for compensating the signals in CZT/CdTe detectors”, 2004 IEEE NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM CONFERENCE RECORD 16-22 OCT. 2004 ROME, ITALY, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 16 October 2004, pages 4461-4465）。これらのパルスの高さの比は、電荷のトラッピングのため、検出器の分光動作を訂正するために使用される。
US2008/149842は、パルスがそれぞれ低速及び高速の成形時定数で検出信号から成形される同様の手順を開示している。これらのパルスの高さの比は、画素の間の電荷共有が生じたイベントを識別し、これらの同時の信号を合計するために使用される。
US5021664は、単極性パルス及びその関連する両極性の導関数が検出信号から生成される放射線検出器を開示している。パルスの高さのズレは、訂正可能な弾道効果を示す。
WO2013/006453A1は、較正されたFCCイベント訂正関数と個々に検知された放射線検出イベントについて計算された訂正値との比較に基づいて、完全電荷収集（FCC：full charge collection）イベントと不完全電荷収集（ICC：incomplete charge collection）イベントとを区別することができる放射線検出器を開示している。放射線検出イベントがICCイベントであると決定された場合、ICCイベントのスペクトルは拒否され、スペクトル分析に含まれることから除外される。
WO2011/002452A1は、放射線スキャナにおいてパルスのパイルアップ及び／又は電荷共有を訂正する技術に関する。光子が当たることから生じたパルスのエネルギースペクトルが入力スペクトルが与えられたときの単一の光子が当たることから生成されたパルスのエネルギー範囲より大きい場合、及び／又は周辺のパルスから生成されたパルスが時間的な一致を有する場合、パルスのパイルアップ及び／又は電荷共有が識別されてもよく、訂正機構が適用されてもよい。

この目的は、請求項１に記載のパルス処理回路、請求項２に記載の方法、及び請求項１８に記載の放射線検出器により実現される。好ましい実施例は、従属項に開示される。

Claims (21)

1. 変換材料の１つにおいて光子により生成されて電極で検出された電流パルスをカウントするパルス処理回路であって、
   基準からの電流パルスの形状のズレの検出のための検出モジュールであり、前記ズレは、前記電極での部分的な電荷収集及び／又は続いて生じる電流パルスのパイルアップにより生じる検出モジュールを有するパルス処理回路。
2. 変換材料の１つにおいて光子により生成されて電極で検出された電流パルスをカウントする方法であって、
   基準からの電流パルスの形状のズレを検出するステップであり、前記ズレは、前記電極での部分的な電荷収集及び／又は続いて生じる電流パルスのパイルアップにより生じるステップを有する方法。
3. 電流パルスを少なくとも１つの成形パルス、特に電圧パルスに変換するパルス成形器を有することを特徴とする、請求項１に記載のパルス処理回路。
4. 前記成形パルスは、ガウス関数及び／又は双極性関数での前記電流パルスの畳み込みを有することを特徴とする、請求項３に記載のパルス処理回路。
5. 前記電流パルスは、異なる形状の少なくとも２つの成形パルスに変換される、或いは変換可能であることを特徴とする、請求項１に記載のパルス処理回路又は請求項２に記載の方法。
6. 前記２つの成形パルスの特徴パラメータの間の関係が決定されることを特徴とする、請求項５に記載のパルス処理回路又は方法。
7. 前記特徴パラメータは、パルス高、所与の時点でのパルス値、時間間隔、時点又は積分のうち少なくとも１つを有することを特徴とする、請求項６に記載のパルス処理回路又は方法。
8. 基準からの電流パルスの形状の前記ズレは、前記特徴パラメータの間の前記関係が基準の電流パルスから推定される基準値の周辺の指定の範囲外の値を生成した場合に検出されることを特徴とする、請求項６に記載のパルス処理回路又は方法。
9. 前記特徴パラメータのうち少なくとも２つは、所与の時点でのパルス高又はパルス値であり、前記特徴パラメータの間の前記の関係は、商であることを特徴とする、請求項８に記載のパルス処理回路又は方法。
10. 前記特徴パラメータのうち少なくとも２つは、パルス最大値が生じる時間であり、前記特徴パラメータの間の前記関係は、時間間隔であることを特徴とする、請求項８に記載のパルス処理回路又は方法。
11. 前記電流パルスは、少なくとも２つの極値を備えた成形パルスに変換される、或いは変換可能であることを特徴とする、請求項１に記載のパルス処理回路又は請求項２に記載の方法。
12. 前記成形パルスは両極性であることを特徴とする、請求項１１に記載のパルス処理回路又は方法。
13. 前記成形パルスの高さは、少なくとも１つの正の閾値及び少なくとも１つの負の閾値に対して決定されることを特徴とする、請求項１１に記載のパルス処理回路又は方法。
14. 一式の基準値からの前記成形パルスの極値の数のズレが検出されることを特徴とする、請求項１１に記載のパルス処理回路又は方法。
15. 前記電流パルス及び／又はこれから導出された成形パルスの少なくとも１つの高さが決定されることを特徴とする、請求項１に記載のパルス処理回路又は請求項２に記載の方法。
16. 電流パルスをカウントするための少なくとも１つのカウンタが提供されることを特徴とする、請求項１に記載のパルス処理回路又は請求項２に記載の方法。
17. カウントされた電流パルスの数は、形状の検出されたズレを考慮することにより訂正されることを特徴とする、請求項１６に記載のパルス処理回路又は方法。
18. 基準からの前記形状のズレが検出された電流パルスをカウントするための少なくとも１つのカウンタが提供されることを特徴とする、請求項１に記載のパルス処理回路又は請求項２に記載の方法。
19. 前記カウンタは、光子の訂正された全カウント率を推定するために使用されることを特徴とする、請求項１８に記載のパルス処理回路又は方法。
20. 光子エネルギーは、前記電流パルスから導出され、形状の検出されたズレを考慮することにより訂正されることを特徴とする、請求項１に記載のパルス処理回路又は請求項２に記載の方法。
21. 入射する光子を電極での電流パルスに変換する変換材料の少なくとも１つを備えた変換器と、
    請求項１に記載のパルス処理回路と
    を有する放射線検出器。

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