JP2020091274A - 放射線検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】放射線検出器の時間分解能を向上させること。【解決手段】実施形態に係る放射線検出器は、複数の検出素子と、読出回路と、演算回路とを備える。複数の検出素子は、各々が行方向に沿って配置され、検出した放射線に応じた電流パルスを生成する。読出回路は、複数のキャパシタと、第１及び第２のハイパスフィルタと、第１及び第２の行増幅器とを有する。複数のキャパシタは、各々が複数の検出素子のうちの２つの隣接する検出素子の電極間に配置される。第１及び第２のハイパスフィルタは、それぞれ、複数のキャパシタの第１の末端及び第２の末端に入力側が接続される。第１及び第２の行増幅器は、それぞれ、第１及び第２のハイパスフィルタの出力側に接続される。演算回路は、第１及び第２の行増幅器からの第１及び第２の出力に基づいて、放射線のタイミング情報を生成するように構成される。【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、放射線検出器に関する。
陽電子放射断層撮像法（Positron Emission Tomography：ＰＥＴ）によるＰＥＴ撮像において、患者へと取り込まれたトレーサ物質は、その物質の物理的、かつ、生体分子の特性により、患者の身体における特定の位置に集中する。そのトレーサは、陽電子を放射（放出）する。陽電子が電子と衝突したとき、ほぼ１８０度離れて移動する２本のガンマ線（５１１ｋｅＶ）を生み出す、消滅イベントが発生する。
ＰＥＴ装置は、ガンマ線の同時計数ペアを検出するために、患者の周辺に位置した複数の検出器を使用する。複数の検出器により構成される検出器リングが、各角度から向かってくるガンマ線を検出するために使用される。ＰＥＴ装置は、等方性の放射線の捕捉を最大化するために、実質的に円筒形とすることができる。ＰＥＴ装置は、数千の個別の結晶（例えば、ルテチウムオルトケイ酸塩（ＬＹＳＯ）又はその他のシンチレーション結晶）から成る場合がある。この数千の個別の結晶は、各シンチレーションイベントからの光パルスを計測するための受光素子（photodetector）とともに、モジュールにパッケージ化された２次元シンチレータアレイに配置される。例えば、シンチレータ結晶アレイの各素子からの光は、複数の光電子増倍管（PhotoMultiplier Tube：ＰＭＴ）で共有されたり、シンチレータ結晶アレイの素子と１対１の対応を有するシリコン光電子増倍管（Silicon PhotoMultipliers：ＳｉＰＭ）により検出されたりする。
トレーサの空間分布を再構成するために、トモグラフィー再構成を使用することがある。そのために、各検出されたイベントは、そのエネルギー（つまり、生成された光の量）、位置及びタイミングについて特徴付けられる。同時計数が２つのガンマ線の到達時間に基づいて検出されたとき、その２つのガンマ線が検出された２つの位置の間に線、つまりＬＯＲ（Line-of-Response）を引くことができ、陽電子消滅の位置はこのＬＯＲに沿ったどこかに存在するといえる。飛行時間（Time of Flight：ＴＯＦ）に基づいたＬＯＲに沿った統計的な分布を決定することにより、ＬＯＲに沿ったどの箇所で消滅が発生した可能性が高いのかを絞り込むためにタイミング情報もまた使用することができる。タイミング情報は、例えば、２つのガンマ線の間における到達時間の差と、複数の到達時間の分解能とである。
位置情報は、到達位置又は所定のガンマ線が検出されたシンチレータ結晶の識別、のどちらかを決定することができるということに依存する。ＰＭＴが受光素子として使用されるとき、多数対少数（many-to-few）の関係は、多数のシンチレータ結晶素子のアレイ（例えば、１００の結晶素子を有する１０×１０のアレイ）からの光が、少数のＰＭＴ（例えば、正方形に配置された４つのＰＭＴ）により検出され、かつ、読み出されている、ということになる。ＰＭＴで光シェアリングが存在する場合に、個別のＰＭＴにより計測されたパルス高さ／エネルギー間の割合に基づいて、相互作用点をおおよそに決定／推定するために、アンガーロジックを使用することができる。フラッドマップキャリブレーションを使用して、アンガーロジック位置空間は、個別の結晶素子に従ってセグメントすることができ、そのセグメンテーションはルックアップテーブルとして格納することができる。
上述の多数対少数の関係の１つの利点としては、多数のシンチレータ結晶からの信号を多重化し、かつ、読み出すのに、ほんの少しのチャネルしか必要としないので、読出エレクトロニクスを簡略化できることである。
シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）は、ＰＭＴに比べて検出エリアを小さくすることができるため、ＳｉＰＭと個別のシンチレータ結晶との間の１対１の対応付け（coupling）を可能とする。それにもかかわらず、ＰＥＴ検出のためのＳｉＰＭの使用において、読出数の低減が依然として望ましい場合がある。読出数を低減するための検出器は、都合のよいことに、タイミング及び／又はエネルギー情報の検出におけるパフォーマンスを犠牲にすることはないだろう。したがって、ＳｉＰＭベースのピクセル型ガンマ線検出器のための読出数を低減するための改善されたアプローチが望まれる。
米国特許出願公開第２０１８／０１５６９２６号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０２４６５９４号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０３１５０４６号明細書 米国特許出願公開第２０１５／０２８５９２２号明細書 米国特許出願公開第２０１８／０２８３９３８号明細書
発明が解決しようとする課題は、放射線検出器の時間分解能を向上させることである。
実施形態に係る放射線検出器は、複数の検出素子と、読出回路と、演算回路とを備える。前記複数の検出素子は、各々が行方向に沿って配置され、検出した放射線に応じた電流パルスを生成する。前記読出回路は、複数のキャパシタと、第１のハイパスフィルタと、第２のハイパスフィルタと、第１の行増幅器と、第２の行増幅器とを有する。前記複数のキャパシタは、各々が前記複数の検出素子のうちの２つの隣接する検出素子の電極間に配置される。前記第１のハイパスフィルタは、前記複数のキャパシタの第１の末端に入力側が接続される。前記第２のハイパスフィルタは、前記複数のキャパシタの前記第１の末端の他端である第２の末端に入力側が接続される。前記第１の行増幅器は、前記第１のハイパスフィルタの出力側に接続される。前記第２の行増幅器は、前記第２のハイパスフィルタの出力側に接続される。前記演算回路は、前記第１の行増幅器からの第１の出力及び前記第２の行増幅器からの第２の出力に基づいて、前記放射線のタイミング情報を生成するように構成される。
図１Ａは、一実施例に係る単一の結晶ブロック及び光電子増倍管（ＰＭＴ）を有する検出器モジュールの一例を示す図である。 図１Ｂは、一実施例に係るシンチレータ素子のアレイとして配置された結晶のブロックを有し、かつ、受光素子としてＰＭＴを使用する検出器モジュールの一例を示す図である。 図１Ｃは、一実施例に係るシンチレータ素子のアレイとして配置された結晶を有し、かつ、受光素子としてシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を使用する検出器モジュールの一例を示す図である。 図２Ａは、一実施例に係るＰＭＴを使用するガンマ線検出器（Gamma-Ray Detector：ＧＲＤ）モジュールの上面図の一例を示す図である。 図２Ｂは、一実施例に係るＰＭＴ−ＧＲＤモジュールの側面図の一例を示す図である。 図２Ｃは、一実施例に係るシンチレータ結晶アレイのシリーズの透視図の一例を示す図である。 図２Ｄは、一実施例に係るアンガーロジックを使用して計算された位置の関数としてのカウントのフラッドマップキャリブレーションの上面図の一例を示す図である。 図３は、一実施例に係る位置情報を生成するためのアンガーロジックで使用できる出力を生成するために、電荷シェアリング用の複数のキャパシタ鎖（capacitor chains）を使用し、かつ、２段階加算増幅器を使用する、ハイブリッド２次元多重化スキーム回路図の一例を示す図である。 図４は、一実施例に係るＳｉＰＭの行中の電荷シェアリング用のキャパシタ鎖（複数のキャパシタ）の回路図の一例を示す図である。 図５は、一実施例に係る個別の行に対するゲイン値を設定するための重み付けレジスタを使用する２段階加算増幅器構成の回路図の一例を示す図である。 図６は、一実施例に係る重み付けレジスタと各個別の行に対するゲインとの間の関係を示す２段階加算増幅器構成の回路図の別の一例を示す図である。 図７は、一実施例に係る結晶識別に対する空間分解能を実証する、アンガーロジックを用いて計算された位置の関数としてカウントがプロットされた、ＳｉＰＭの単一の１次元（１Ｄ）アレイにより検出されたカウントのヒストグラムプロットの一例を示す図である。 図８は、一実施例に係るアンガーロジックを用いて計算される個別の結晶における位置の関数としてプロットされた、真ん中に配置された陽電子放出源を用いて互いに正反対（diametrical opposite）に置かれた、２つの１ＤＳｉＰＭアレイに対する同時計数カウントのヒストグラムプロットの一例を示す図である。 図９Ａは、一実施例に係るレジスタ鎖のレジスタンスの関数としてプロットされた、近傍の結晶／検出器間の間隔（アンガーロジックで計算）のパーセンテージとして計算された、位置の関数としてのカウントヒストグラムの半値全幅（Full-Width at Half-Maximum：ＦＷＨＭ）のプロットの一例を示す図である。 図９Ｂは、一実施例に係るキャパシタ鎖のキャパシタンスの関数としてプロットされた、位置の関数としてのカウントヒストグラムのＦＷＨＭのプロットの一例を示す図である。 図９Ｃは、一実施例に係るレジスタ鎖のレジスタンスの関数として描かれたピコ秒（picoseconds：ｐｓ）での同時計数時間分解能（Coincidence Time Resolution：ＣＴＲ）のプロットの一例を示す図である。 図９Ｄは、一実施例に係るキャパシタ鎖のキャパシタンスの関数としてプロットされたＣＴＲ値のプロットの一例を示す図である。 図９Ｅは、一実施例に係るハイパスフィルタにおけるキャパシタのキャパシタンスの関数としてプロットされたＣＴＲ値のプロットの一例を示す図である。 図９Ｆは、一実施例に係るエネルギー分解能がハイパスフィルタにおけるキャパシタのキャパシタンスの関数としてプロットされている、エネルギー（例えば５１１ｋｅＶ）のＦＷＨＭパーセンテージとして表されたエネルギー分解能のプロットの一例を示す図である。 図９Ｇは、一実施例に係るハイパスフィルタにおけるキャパシタのキャパシタンスの関数としてプロットされた位置／結晶ＩＤ分解能のＦＷＨＭのプロットの一例を示す図である。 図１０Ａは、一実施例に係るハイパスフィルタが３３ｐＦのキャパシタと４００Ωのレジスタとを含み、キャパシタ鎖におけるキャパシタが１００ｎＦのキャパシタンスを有する場合に、電荷パルスに対する時間の関数としてプロットされたパルス波形のプロットの一例を示す図である。 図１０Ｂは、一実施例に係るハイパスフィルタが４７０ｐＦキャパシタと４００Ωレジスタとを含み、キャパシタ鎖におけるキャパシタが１００ｎＦのキャパシタンスを有する場合に、電荷パルスに対する時間の関数としてプロットされたパルス波形のプロットの一例を示す図である。 図１１Ａは、一実施例に係るＰＥＴ装置の概観の一例を示す図である。 図１１Ｂは、一実施例に係るＰＥＴ装置の外観の一例を示す図である。
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る放射線検出器を説明する。なお、以下の説明において、既出の図に関して前述したものと同一又は略同一の機能を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合にのみ重複説明する。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表されている場合もある。
本実施形態に係る放射線検出器は、電荷シェアリング及びアンガーロジックを使用するシリコン光電子増倍管（Silicon PhotoMultipliers：ＳｉＰＭ）アレイの読出回路を備える。
以下、本実施形態に係る放射線検出器がガンマ線検出器である場合を例として、当該ガンマ線検出器における位置検出に関して説明する。より具体的には、検出器アレイにおける多くのガンマ線検出素子からの信号を、位置情報又は結晶識別（Identify：ＩＤ）情報がアンガーロジック（Anger logic）を用いて取り出されたいくつかの（４つの）出力に多重化するために電荷シェアリングを使用するガンマ線検出器の読出回路に関して説明する。
本実施形態に係る技術によれば、電荷シェアリングを実行するためにキャパシタ鎖を使用し、また、ガンマ線の検出により生じる電荷パルスに関して、シンチレーションベースのガンマ線検出器のアレイに沿った行の位置を決定するためにアンガーロジックを使用する方法及び装置が提供される。さらに、キャパシタ鎖（複数のキャパシタ）の複数の末端に構成された複数のハイパスフィルタは、タイミング情報を保存するためにパルス整形を実行する。電荷パルスに関する列位置を決定するために、２段階加算増幅器の構成が、アレイの複数の列の各々に関する２段階加算増幅器の相対的なゲインを制御する複数の重み付け増幅器とともに使用される。アレイの各検出素子は、シリコン光増倍管（例えば、降伏電圧を上回ってバイアスされたガイガーモード電子なだれ光ダイオード）である。位置情報は、２段階増幅器からの４つの出力に基づいて、アンガーロジックにより生成することができる。エネルギー情報及びタイミング情報は、２段階増幅器からの４つの出力の合計として生成することができる。
ＳｉＰＭベースのピクセル型ガンマ線検出器のための、読出数を低減する改善されたアプローチが望まれるのは、上述の通りである。ここに説明されるアプローチは、第１の段階で、（ｉ）行における電荷シェアリングアンガーロジックのためのキャパシタ鎖を使用することと、（ｉｉ）（ａ）ハイパスフィルタ及び／又は（ｂ）高帯域増幅器を用いて電荷シェアリング鎖の両端を終結することと、を様々に含むことができる。これらの構成によれば、（ｉ）ダークノイズ（dark noise）の抑制と、（ｉｉ）信号対ノイズ比（Signal-to-Noise Ratio：ＳＮＲ）の改善と、（ｉｉｉ）後続の加算段階に対するパルス波形の維持と、という利点がある。さらに、ここに説明されるアプローチは、第２の段階で、全ての行を加算し、かつ、４つの最終出力を生成するために、高帯域増幅器を用いた重み付けレジスタの使用を含むことができる。検出イベントが発生した結晶素子を一意的に（uniquely）識別するために、これら４つの出力についてアンガーロジックをその後実行することができる。
一般的に、上述の処理は、「電荷シェアリングアンガーロジック（charge-sharing Anger logic）」と呼ばれることがあり、ＰＭＴベースのピクセル型ガンマ線検出器に関連して生じる光シェアリングアンガーロジック（light-sharing Anger logic）と似ている。ここに説明される電荷シェアリングアンガーロジックが適用された放射線検出器において、ＳｉＰＭピクセルからの電荷は、アレイの列における検出素子の位置に関する情報（列情報、column information）を伝達するよう構成されたキャパシタを通して、４つの出力へと分布される。さらに、重み付けレジスタは、アレイの行における検出素子の位置に関する情報（行情報、row information）を伝達するよう構成されている。その上、行情報及び列情報は、従来的な光シェアリングアンガーロジックに対応する４つの出力へとエンコードされる。このため、本実施形態に係る新規のＳｉＰＭベースの検出器モジュール及び読出回路は、光シェアリングアンガーロジックを使用するＰＭＴベースの検出器モジュールについて構成された、既存のＰＥＴ装置と容易に統合することができる。既存のＰＥＴ装置は、ＰＥＴ／ＣＴ装置を含む。
ＳｉＰＭは、既存のＰＭＴベースのアプローチに関連するＰＥＴ装置のパフォーマンスを著しく改善することができる、新規の半導体受光素子である。例えば、ＳｉＰＭベースのＰＥＴ装置は、ＳｉＰＭのより良い幾何学的な受光範囲と、より高い光子検出効率とを生かすことができる。その上、ＳｉＰＭは、検出器アレイにおける個別のシンチレータ結晶素子の断面エリアとおおよそ等しい検出エリアを有することができるため、入ってくる光子の位置情報を必然的に提供し、結果的にＳｉＰＭ受光素子と、結晶素子との間の１対１の対応が生じる。ＳｉＰＭのサイズは、結晶のサイズとマッチするようにカスタマイズすることができるので、最小光学シェアリング（minimum optical sharing）を用いて最適なパフォーマンスを達成するための１対１読出構成でＳｉＰＭ ＰＥＴ装置を作り上げることが可能である。しかし、高い読出チャネル密度でのデータ収集が可能な電子機器は、より低いチャネル密度を有する多重化された読出に比べて費用もより多くかかる。したがって、ＰＥＴアプリケーション用の最適な多重化回路を開発することが望ましい。
望ましくは、ＰＥＴアプリケーション用の多重化回路は、タイミング情報及びエネルギー情報の低下を招く可能性のある、望まれない副作用（side effect）を回避する。例えば、多重化ＳｉＰＭの２つの重大な副作用は、大きな全ピクセルエリアによるダークレートがより高くなることと、より大きな検出器のキャパシタンスによる、より幅広いパルス波形となる場合があることである。これら２つの副作用の両方がタイミングパフォーマンスの悪化を招くこともある。タイミングパフォーマンスの低下は、容量性の電荷シェアリングの使用及び／又はハイパスフィルタの追加により、少なくとも部分的に低減することができる。例えば、放射線検出器の特定の実施例において、電荷シェアリングを実行するＳｉＰＭの行を一緒に繋げるキャパシタ鎖は、シンプルだが高パフォーマンスな１次元（１Ｄ）ＳｉＰＭアレイ読出解決法を提供するために、ハイパスフィルタを用いて終結することができる。
ここで説明されるＰＥＴ装置、放射線検出器及びＳｉＰＭ読出回路とは対照的に、その他のアプローチは、様々な欠点に悩まされる。例えば、ＳｉＰＭのアレイの出力が、キャパシタ鎖無し、かつ、バッファとして作動する増幅器無しで単純に組み合わせられた／多重化された場合のパルス波形は、そうでない場合のパルス波形と比較して、著しく、かつ、不利に影響を受ける場合がある。さらに、ＳｉＰＭが一緒に繋げられた場合に、それらの集約されたキャパシタンスは、各ＳｉＰＭと比べてより大きくなり、多重化されたＳｉＰＭの出力パルスの減衰時間（decay time）を増加させるとともにパルス振幅を減少させる。その上、ダークカウントレートも、多重化されたＳｉＰＭの集約された総キャパシタンス／エリアに比例して増加することになる。結果として、これらその他のアプローチのタイミングパフォーマンスは、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の低下が原因で悪化する。
さらにバッファとして作動する増幅器を使用しないその他のアプローチに関し、ＳｉＰＭにより生成されたパルス波形は、出力端子でインピーダンスに敏感な場合がある。ＳｉＰＭの行の終端の増幅器段階無しだと、ＳｉＰＭの行からのパルス波形は、ダウンストリームからの信号及び回路構成要素の影響を受けやすく、多重化された信号のパルス波形を維持するために障害を示す。このようにして、これらのその他のアプローチは、ＰＥＴ装置のパフォーマンスのために重要なタイミング及びエネルギーの安定した読込（reading）の維持に失敗するかもしれない。
上述の通り、様々なアプリケーションに対する読出チャネル数を減らすために、アンガーロジックを使用することができる。例えば、ＰＭＴベースのＰＥＴ検出器は、位置情報に対する小さな結晶をデコードするために、光シェアリングアンガーロジックを使用する。
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、いくつかのガンマ線検出器（「ガンマカメラ」とも呼ばれる）の非限定的な実施例を示す。図１Ａにおいて、シンチレータ結晶は単一のモノリシックブロックであり、ガンマ線光子を、ここでは光電子増倍管（ＰＭＴ）として示されている、受光素子のアレイによって検出することができる第２の光子へと変換するシンチレーションイベントの位置である。このシンチレーションイベントの位置は、アンガーロジックを使用して決定することができる。例えば、４つのＰＭＴは、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」及び「Ｄ」とラベル付けられている。ｘ方向及びｙ方向に対応するアンガー座標は、それぞれ以下のように定めることができる。
その代わりに、別の実施例において、ｘ方向及びｙ方向に対応するアンガー座標は、それぞれ以下のように定めることもできる。
アンガーロジックのさらに他の実施例において、ｘ方向及びｙ方向に対応するアンガー座標は、上記の組合せにより、それぞれ定めることができ、すなわち次式の通りとなる。
ここでα∈｛０，１｝はピンクッション効果（pin cushion effects）を低減するために選択された定数である。
図１Ｂにおいて、シンチレータは、別個の結晶の周期的なアレイに分けられた状態へと切り分けられ、かつ、結晶アレイの個別の素子間の反射壁によって光学的に分離されている。このブロックにおける結晶間の光学的な分離は、隣接する結晶間の光シェアリングをある程度許容するくらい不完全なものの場合がある。受光素子がＰＭＴの場合に、隣接する結晶間の光シェアリングは、結晶を出た後に発生する光シェアリングと比較すると、小さい場合がある。その場合において、シンチレーションイベントは、位置をおおよそ決定するためにアンガーロジックを使用し、その後、アンガーロジックを用いて計算されたおおよその位置を結晶アレイのそれぞれの指数へとマップするルックアップテーブルを生成するためにフラッドマップキャリブレーションを使用して、アレイの個別の素子間で区別される。
図１Ｃにおいて、各結晶素子からの光は、個別のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）によって検出される。それぞれに受光素子を有する各結晶を用いて、受光素子中の光シェアリングを減らすことができる。さらに、各結晶は、例えば結晶素子間に設けられる反射性物質又は低屈折率を有する物質により、隣接する結晶素子から光学的に切り離すことができ、結果として光線が臨界角より大きいフレネル反射及び内部全反射となる。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、全て同じサイズのＰＭＴを使用して達成できる割合に比べて、シンチレータ結晶アレイのエリアのより大きな割合をカバーするために、２つの異なるＰＭＴのサイズ（２５ｍｍＰＭＴ及び３８ｍｍＰＭＴ）を使用するＰＭＴベースの検出器モジュールの非限定的な例の上面図及び側面図をそれぞれ示す。アレイ１及びアレイ５は、１１ピクセル×１６ピクセルであり、アレイ２、アレイ３及びアレイ４は、８ピクセル×１６ピクセルである。図２Ｃは、５つの結晶アレイの透視図を示し、図２Ｄは、アンガーロジックを使用して計算されたおおよその位置の関数としてのカウントのヒストグラムのフラッドマップキャリブレーションを示す。アンガーロジックは、おおよその位置を生成する。このため、ヒストグラムの局所最大値（maxima）は、個別の結晶素子の中心に対応すると識別することができ、またその後、位置情報（例えばチャネルｉの中心座標のベクトルｘ→ ｉ）決定の際に使用されるルックアップテーブルにおける位置キャリブレーションとして格納することもできる。さらに図２Ｄは、光シェアリングアンガーロジックでよく観察される「ピンクッション効果」を示している。
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄに描かれた光シェアリングアンガーロジックとは対照的に、ここに説明されるＳｉＰＭ検出器モジュールは、電荷シェアリングアンガーロジックに基づいた多重化を通して、読出数の低減を達成する。図３〜図５は、Ｎｘ×ＮｙのＳｉＰＭのアレイを、４つの出力Ｏ１〜Ｏ４へと多重化する、電荷シェアリング読出回路３００を示す。各行におけるＮｘのＳｉＰＭは、個別のキャパシタ鎖回路３１０（１），３１０（２），…，３１０（Ｎｘ）により組み合わせられる。これらのキャパシタ鎖回路からの出力は、２段階加算増幅器構成で構成された重み付けレジスタを使用して増幅され、かつ、組み合わせられる。
特定の実施例において、ＳｉＰＭの行は、アンガーロジックのキャパシタ鎖を使用して一緒に繋がれ、ハイパスフィルタが続き、そして増幅器により終結される。列情報は、その後、第２の段階の重み付けレジスタによりエンコードされる。その他の関数に加えて、増幅器はバッファとして作動し、回路を複数の部分（パート）へと区切り、かつ、分離する。このようにして、ＳｉＰＭのより多くの行が付け足された場合にも、信号のパルス波形及び振幅は低下しない。
図４は、特定の実施例において、行情報が個別のキャパシタ鎖回路３１０（１），３１０（２），…，３１０（Ｎｘ）を使用して多重化されることを示し、３１０（１）が代表として示している。キャパシタ鎖回路３１０（１）において、各ＳｉＰＭピクセルは、陰極（cathode）で降伏電圧（breakdown voltage）を上回って設定された高電圧（High-Voltage：ＨＶ）でバイアスされた受光素子Ｐｄ（例えば、パラレルガイガーモード電子なだれフォトダイオード）として表すことができ、この受光素子Ｐｄは、クエンチングレジスタ（quenching resistor）Ｒｑと直列に配置されている。第１のキャパシタ鎖回路３１０（１）におけるＳｉＰＭのからの信号／電流は、キャパシタＣ１，Ｃ２，…，ＣＮｘ−２，ＣＮｘ−１を含むキャパシタ鎖３１２（１）により組み合わせられる。レジスタＲｓは、キャパシタ鎖３１２（１）においてグラウンド（ground）とキャパシタとの間に設けられたバイアスレジスタとして作動し、キャパシタＣ１，Ｃ２，…，ＣＮｘ−２，ＣＮｘ−１から蓄積された電荷を少しずつ減らし（bleeding-off）、定常状態で、グラウンドに光ダイオード信号を格納する。キャパシタ鎖３１２（１）の各末端で、ハイパスフィルタ３１４（１）とハイパスフィルタ３１６（１）とは、それぞれパルスを形成するために設けられ、タイミング情報の劣化を妨げる。各ハイパスフィルタの後、増幅器Ａｘが設けられ、後続の回路素子からｉ番目のキャパシタ鎖回路３１０（１）を切り離すためのバッファとして作動する。そうでなければ、キャパシタ鎖回路のパフォーマンスは、終端インピーダンスとその他のダウンストリーム回路要素とに依存する場合がある。
図５は、特定の実施例において、列情報が２つの重み付けレジスタ回路３２０（１），３２０（２）を使用して多重化されることを示し、３２０（２）を代表として示している。上方のレジスタＲｙ１＿ｔ，Ｒｙ２＿ｔ，…，ＲｙＮｙ＿ｔは、様々な重みを個別のキャパシタ鎖回路３１０からの電圧Ｖｘｉ（図６参照）に適用する。同様に、下方のレジスタＲｙ１＿ｂ，Ｒｙ２＿ｂ，…，ＲｙＮｙ＿ｂは、様々な重みを個別のキャパシタ鎖回路３１０からの電圧Ｖｘｉ（図６参照）に適用する。上方のレジスタは、出力Ｏ２を生成するために、一方で、下方のレジスタは、出力Ｏ４を生成するために、それぞれ組み合わせられ、かつ、増幅される。これらの結果は、２段階加算増幅器構成を使用して達成される。
図６は、増幅の値を決定するためにレジスタ値Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒａ３と、Ｒｙ１，Ｒｙ２，…，ＲｙＮｙとして示された重み付けレジスタ値とを使用する２段階加算増幅器構成の非限定的な例を示す。出力電圧は、次式のように定められる。
特定の実施例において、第１の増幅器段階のゲイン１＋Ｒａ２／Ｒａ１は、｛１０，４０｝の区間に設定することができる。例えば、ゲインは、大体２０に設定する場合がある。さらに、特定の実施例において、ｉ番目の行に対応する第２の増幅器段階のゲインＲａ３／Ｒｙｉは、大体１に設定する場合がある。それぞれの行において、第２の増幅器段階に対するゲインは、重み付けレジスタ値Ｒｙｉに反比例し、複数の行のそれぞれに起因する合計された行信号Ｖｏｕｔｐｕｔの比を決定する。
出力は、アンガーロジックに従って、その後、組み合わせることができる。例えば、特定の実施例において、次式に従ってＸ値及びＹ値を生成することができる。
ただし、ここに説明された方法及び回路の趣旨から乖離することなく、Ｘ値及びＹ値を計算するのに各列増幅器Ａｙからの出力Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４を組み合わせるためにその他の式を使用することができる。
図７は、次式により与えられる非対称性に基づいたカウント数のプロットを示す。
ここで、シミュレーション条件を簡略化するために、７つのＳｉＰＭ検出器（つまりＮｙ＝１及びＮｘ＝７）の単一行のみが存在するとする。例えば、非対称性は、−Ｘとして解釈することができる。これらの結果は、個別の検出器の間で良好な分解能が取得されることを示す。図７は、結晶がいかにして電荷非対称性を使用して識別されるかを示すものである。電荷非対称性のヒストグラムは、７つの結晶に対応する７つのピークをはっきりと示す。７つのピーク位置が抽出された後、結晶識別（IDentities：IＤ）を割り当てるために、２つの隣接するピーク間の６つの中間点を特定し、かつ、使用することができる。結晶ＩＤ分解能は、７つのピークの半値全幅（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨＭ）を２つの隣接するピーク間の平均距離により割ることで平均として計算することができる。図７に示された例において、ＨＶは、降伏電圧を上回る５．５ボルトのバイアスがかけられており、ハイパスフィルタは、４７ｐＦのキャパシタンス（キャパシタＣｆ）と、５０Ωのレジスタンス（レジスタＲｆ）とを使用し、キャパシタ鎖において、キャパシタＣ１，Ｃ２，…，ＣＮｘ−２，ＣＮｘ−１は、１００ｎＦのキャパシタンスを有し、かつ、レジスタＲｓは１ｋΩのレジスタンスを有する。
図８は、図７に関し上記で説明されたのと同じパラメータを使用し、陽電子放射源が７つの検出器要素それぞれの、２つの１Ｄアレイ間に配置された場合に、生成された同時計数のペアのカウントを示す。
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄは、キャパシタ鎖におけるキャパシタンスの関数としてのパフォーマンス結果を示し、キャパシタ鎖がレジスタ鎖と置き換えられた場合に、パフォーマンスは、レジスタ鎖におけるレジスタのレジスタンスの関数として示される。上述の通り、図９Ａ及び図９Ｂで図示されたＩＤ分解能は、７つのピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を２つの隣接するピーク間の平均距離で割ることにより平均として計算することができる。ＩＤ分解能は、値Ｏ１及びＯ２を決定するために、１００ナノ秒（ｎｓ）と２００ナノ秒との両方の積分窓を使用して決定されたものである。大抵の場合、積分窓の異なるサイズに起因するＩＤ分解能における差はわずかであるが、その差がわずかではないときでも、１００ナノ秒の積分窓は、一貫してより良いＩＤ分解能をもたらした。図９Ａは、レジスタ鎖に対する結晶ＩＤ分解能を示し、図９Ｂは、キャパシタ鎖に対する結晶ＩＤ分解能を示す。
図９Ｃ及び図９Ｄに示されたタイミング分解能について、１Ｄ検出器アレイに関して、アンガーロジックの両端からの出力信号／波形を合計することができ、その後、合計された信号がしきい値を通過するときに、到達時間を計算することができる。その後精確な時間を得るために、線形補間を使用することができる。例えば、電荷は、１００ナノ秒（ｎｓ）窓を使用して部分的に積分することができる。電荷非対称性は、結晶を識別するために使用され、総電荷は、３−σ窓を用いて５１１ｋｅＶの総吸収イベントを選択するために使用される。ＦＷＨＭ時間分解能は、総吸収イベントのみを使用して、あり得る結晶のペアのそれぞれに関して、第１に計算される。７つの主なペアからの同時計数時間分解能（Coincidence Time Resolution：ＣＴＲ）曲線の平均は、平均的なＣＴＲ曲線を与え、それから最適なしきい値及び最良のＣＴＲが決定される。図９Ｃは、レジスタ鎖に対するＣＴＲ（すなわちタイミング分解能）を示し、図９Ｄは、キャパシタ鎖に対するＣＴＲを示す。
図９Ｅは、２０℃での様々なオーバーバイアス値に対するハイパスフィルタで使用されたキャパシタンスの関数としてプロットされたＣＴＲを示している。ここで、オーバーバイアスは、ＨＶが降伏電圧を超える量である。より小さなフィルタキャパシタンス値は、信号のベースライン安定性に直接的な影響を与える低周波ノイズの抑制に役立つ。しかし、キャパシタンスが小さすぎる場合に、強い減衰が増幅器やデータ収集等その他のソースから効果的に電気的なノイズ（electrical noise）を増幅することになる。したがって、図９Ｅのために使用される実施例によると、３３ｐＦ及び５０Ωのハイパスフィルタの組み合わせが、最良なＣＴＲパフォーマンスを与える。オーバーバイアス電圧は、ＳｉＰＭのゲイン及び光検出効率を制御する。より高いオーバーバイアス電圧は、一般的に約６Ｖまではより優れた時間分解能を与えるが、それ以上はダークノイズを増加させ、パフォーマンスに著しい影響を与え始める。
同様に、図９Ｆは、様々なオーバーバイアス値に対するハイパスフィルタで使用されたキャパシタンスの関数としてプロットされたエネルギー分解能を示す。特定の実施例において、エネルギー分解能は、５１１ｋｅＶの総吸収ピークのＦＷＨＭを抽出することにより、各結晶に関して計算することができる。マイクロセルには数に限りがあるため、ＳｉＰＭは、異なる入力エネルギーに対して非線形の反応を示す。非線形性は、次式のようにおおよそパラメータ化することができる。
ここで、Ｑは、ＳｉＰＭ（例えば、Ｑ∝Ｏ１＋Ｏ２）から収集された総電荷、Ｅは入力ガンマ線のエネルギー、αとβとは、キャリブレーションデータに対して最も良いフィットを取得するために調整された２つの定数である。例えば、異なる設定での２つの定数は、２２Ｎａソースの５１１ｋｅＶ及び１２７５ｋｅＶの２つの特徴的な光子エネルギーを使用するキャリブレーションの間に決定することができる。その後、実際の相対的なエネルギー分解能は、次式の通り補正することができる。
図９Ｆに示されたエネルギー分解能は、フィルタキャパシタンスにあまり敏感ではない。オーバー電圧は他方で、エネルギー分解能により大きな影響を与える。より高い電圧は、高いダークノイズ及びより強いマイクロセル飽和状態を生じる。このような中、３．５Ｖは、２０℃で１０．４±０．１％の最良なエネルギー分解能を与える。
図９Ｇは、ＨＶの様々なオーバーバイアス値に対するハイパスフィルタで使用されたキャパシタンスの関数としてプロットされた、結晶ＩＤ分解能を示す。明らかに、フィルタキャパシタンスの選択が、アンガーロジックにおける電荷分布に影響を及ぼす。より弱いフィルタリングは、より優れた結晶分離をもたらす。しかし、控えめな結晶アレイに関して、個別の結晶は、結晶ＩＤ分解能（ＦＷＨＭ）が２５％よりも低い限りは、はっきりと識別することができる。その他のピッチについて予測される結晶ＩＤ分解能も、分解能がピッチの逆数に比例するとして、導出することができる。例えば、２×２ｍｍ２結晶を用いると、結晶ＩＤ分解能は、図９Ｇを生成するために使用された４×４ｍｍ２結晶を用いる結晶ＩＤ分解能の２倍になると予測される。
タイミング分解能とエネルギー分解能との両方がＰＥＴ装置のパフォーマンスに影響を与えるので、例えばハイパスフィルタに関して３３ｐＦのフィルタキャパシタンスと、ＨＶに関して４．５Ｖのオーバーバイアス電圧とを選択することにより、良いパフォーマンスを達成することができる。
ハイパスフィルタは、タイミング情報の低質下の回避及びダーク電流／カウントの抑制に関していくつかの利点を提供する。図１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれハイパスフィルタの有無でのパルス波形を示す（つまり、時間（ｎｓ）の関数としての電圧（ｍＶ））。ハイパスフィルタは、（ｉ）出力パルスの幅を減らし、（ｉｉ）高いダークレートでの影響を抑制し、（ｉｉｉ）信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を改善する。ゲインは、２段階増幅器により維持され、かつ、補償される。
上述の電荷シェアリングアンガーロジック読出回路は、その他のアプローチに勝る利点をいくつか持っている。まず、電荷シェアリングアンガーロジックが現在のＰＥＴ装置における光シェアリングと比較してタイミング分解能を改善する点である。第２に、キャパシタ鎖の使用が、レジスタ鎖を使用して取得されたものに比べて、より優れた結晶識別を示す点である。しかし、ここに開示された方法の実施例において、キャパシタ鎖は、抵抗素子（resistive elements）（すなわちレジスタ）も含む。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、画像再構成法を実行することができるＰＥＴ装置８００の非限定的な例を示す。当該ＰＥＴ装置８００は、長方形の検出器モジュールとしてそれぞれが構成された、多数のガンマ線検出器（Gamma-Ray Detectors：ＧＲＤｓ）（例えば、ＧＲＤ１，ＧＲＤ２からＧＲＤＮまで）を含む。検出器モジュールＧＲＤ１，…，ＧＲＤＮは、シンチレータ結晶アレイ、ＳｉＰＭの検出器アレイ及び読出回路３００を含むことができる。一実施例に従って、検出器リングは、４０個のＧＲＤを含む。別の実施例では、ＧＲＤが４８個存在するものもあり、そしてＰＥＴ装置８００に対してより大きなボアサイズを作るために、さらに多くの数のＧＲＤが使用される。
各ＧＲＤは、ガンマ線を吸収し、かつ、シンチレーション光子を放出する、個別の検出器結晶の２次元アレイを含む場合がある。シンチレーション光子は、こちらもＧＲＤ内に配置された光電子増倍管（PhotoMultiplier Tube：ＰＭＴ）の２次元アレイによって検出することができる。検出器結晶のアレイとＰＭＴとの間にライトガイドを設けることが可能である。
これに代えて、シンチレーション光子は、シリコン光電子増倍管（Silicon PhotoMultipliers：ＳｉＰＭ）のアレイにより検出することができ、各個別の検出器結晶は、個別のＳｉＰＭを有することがある。
各受光素子（例えば、ＰＭＴ又はＳｉＰＭ）は、シンチレーションイベントがいつ発生したかを示すアナログ信号と、検出イベントを生み出しているガンマ線のエネルギー情報とを生成することができる。その上、１つの検出器結晶から放出された光子は、１つ以上の受光素子によって検出される可能性があり、また、各受光素子で生み出されたアナログ信号に基づいて、検出イベントに対応する検出器結晶は、例えばアンガーロジック及び結晶デコーディングを使って決定することができる。
図１１Ｂは、被検体ＯＢＪから放射されたガンマ線を検出するために配置された、ガンマ線光子計数検出器（ＧＲＤ）を有するＰＥＴ装置の概略図を示す。当該ＧＲＤは、各ガンマ線検出に対応する、タイミング、位置及びエネルギーを測定することが可能である。一実施例において、ガンマ線検出器は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示されている様に、リング状に配置されている。検出器結晶は、シンチレータ結晶とすることができる。このシンチレータ結晶は、２次元アレイに配置された個別のシンチレータ素子を有し、当該シンチレータ素子は任意の公知のシンチレーション物質（scintillating material）とすることができる。ＰＭＴは、アンガーロジック及びシンチレーションイベントの結晶デコーディングを可能にするために、各シンチレータ素子からの光が多重ＰＭＴによって検出されるようにして配置されてもよい。
図１１Ｂは、ＰＥＴ装置８００の配置例を示しており、図１１Ｂには、天板８１６に横たわる撮像される被検体ＯＢＪと、被検体周辺及び天板８１６を囲うように配置されたＧＲＤ１からＧＲＤＮまでのＧＲＤモジュールとが示されている。ＧＲＤは、ガントリ８４０に固定して接続された円形構成要素８２０に固定して接続されている場合がある。ガントリ８４０は、ＰＥＴ装置８００のいくつもの部材を格納する。ＰＥＴ装置８００のガントリ８４０は、また、被検体ＯＢＪと天板８１６とが通過できるような開口を含み、消滅イベントにより被検体ＯＢＪからそれぞれ反対方向に放出されるガンマ線は、ＧＲＤによって検出可能である。ガンマ線のペアについての同時計数を決定するために、タイミング及びエネルギー情報を使用することが可能である。
図１１Ｂにおいて、ガンマ線検出データの収集、格納、処理及び配布用の回路構成及びハードウェアも示されている。回路構成及びハードウェアは、プロセッサ８７０、ネットワークコントローラ８７４、メモリ８７８及びデータ収集システム（ＤＡＳ）８７６を含む。ＰＥＴ装置８００は、ＧＲＤからの検出測定結果をＤＡＳ８７６、プロセッサ８７０、メモリ８７８、ネットワークコントローラ８７４へ送信するデータチャネルも含む。データ収集システム８７６は、検出器からの検出データの取得、デジタル処理及び送信を制御することができる。一実施例において、ＤＡＳ８７６は、寝台の天板８１６の移動を制御する。プロセッサ８７０は、ここで述べられたような、検出データの前再構成処理、検出データからの画像再構成、画像データの後再構成処理等を含む機能を実行する。
プロセッサ８７０は、画像再構成法を実行するよう構成される場合がある。プロセッサ８７０は、特定用途向け集積回路(ＡＳＩＣ)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(ＦＰＧＡ)又はその他の複合プログラマブル論理デバイス(ＣＰＬＤ)などの個々の論理ゲートとして動作し得るＣＰＵ（中央演算処理装置）を含むことができる。ＦＰＧＡ又はＣＰＬＤの実装形態は、ＶＨＤＬ、ベリログ（Ｖｅｒｉｌｏｇ）又は任意の他のハードウェア記述言語でコーディングされていてもよく、当該コードはＦＰＧＡ又はＣＰＬＤ内の電子メモリに直接格納されてもよいし、別箇の電子メモリ内に直接格納されてもよい。さらに、メモリは、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）又はフラッシュメモリ等の不揮発性であってもよい。またメモリは、スタティックＲＡＭ又はダイナミックＲＡＭなど揮発性でもよい。ＦＰＧＡ又はＣＰＬＤとメモリとの間の相互作用のような電子メモリを管理するためのマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサなど、プロセッサが提供されていてもよい。
代替的に、プロセッサ８７０におけるＣＰＵは、画像再構成法を実行するコンピュータ読み取り可能な命令（computer-readable instructions）のセットを含むコンピュータプログラムを実行することができ、当該コンピュータプログラムは、任意の上述の非一過性の電子メモリ及び／又はハードディスクドライブ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＦＬＡＳＨドライブ、又は任意の他の公知の記憶媒体に格納される。さらに、当該コンピュータ読み取り可能な命令は、米国のＩｎｔｅｌからのＸｅｏｎプロセッサ又は米国のＡＭＤからのＯｐｔｅｒｏｎプロセッサなどのプロセッサと、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＶＩＳＴＡ、ＵＮＩＸ（登録商標）、Ｓｏｌａｒｉｓ、ＬＩＮＵＸ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ、ＭＡＣ−ＯＳなどのオペレーティングシステム及び他のオペレーティングシステムとともに実行する、ユーティリティアプリケーション、バックグラウンドデーモン又はオペレーティングシステムの構成要素やそれらの組合せとして提供され得る。さらに、ＣＰＵは、命令を実施するために並列に協働的に動作する複数のプロセッサとして実装され得る。
メモリ８７８は、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、ＦＬＡＳＨドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭ又は当技術分野において公知の他の電子記憶媒体であってもよい。
米国のＩｎｔｅｌ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＩｎｔｅｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標） ＰＲＯネットワークインターフェースカードなどのネットワークコントローラ８７４は、ＰＥＴ装置８００の様々な部分間をインターフェースすることができる。さらに、ネットワークコントローラ８７４は、外部ネットワークとインターフェースすることもできる。理解されている通り、外部ネットワークは、インターネットなどの公衆ネットワークやＬＡＮ又はＷＡＮネットワークなどのプライベートネットワーク、それらの任意の組合せでもよく、また、ＰＳＴＮ又はＩＳＤＮサブネットワークを含むこともできる。外部ネットワークはまた、イーサネット（登録商標）ネットワークなど、有線であってもよいし、ＥＤＧＥ、３Ｇ及び４Ｇなどのワイヤレスセルラーシステムを含むセルラーネットワークなどの無線であってもよい。無線のネットワークはまた、ＷｉＦｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又は任意の他の公知の通信の無線方式であってもよい。
上述の実施形態に係る技術によれば、以下のことが言える。
実施形態に係る放射線検出器（検出器モジュールＧＲＤ１〜Ｎ）は、複数の検出素子（受光素子Ｐｄ）と、読出回路３００と、演算回路とを備える。複数の検出素子は、各々が行方向（ｘ方向）に沿って配置され、検出した放射線（例えばガンマ線）に応じた電流パルスを生成する。読出回路（例えばキャパシタ鎖回路３１０）は、複数のキャパシタ（各行のキャパシタ鎖３１２）と、第１のハイパスフィルタ（例えばハイパスフィルタ３１６）と、第２のハイパスフィルタ（例えばハイパスフィルタ３１４）と、第１の行増幅器（増幅器Ａｘ）と、第２の行増幅器（増幅器Ａｘ）とを有する。複数のキャパシタは、各々が複数の検出素子のうちの２つの隣接する検出素子の電極間に配置される。第１のハイパスフィルタは、複数のキャパシタの第１の末端に入力側が接続される。第２のハイパスフィルタは、複数のキャパシタの第１の末端の他端である第２の末端に入力側が接続される。第１の行増幅器は、第１のハイパスフィルタの出力側に接続される。第２の行増幅器は、第２のハイパスフィルタの出力側に接続される。演算回路は、第１の行増幅器からの第１の出力及び第２の行増幅器からの第２の出力に基づいて、放射線のタイミング情報を生成するように構成される。また、演算回路は、第１の出力及び第２の出力に基づいて、複数の検出素子の行に沿った位置と、複数の検出素子の行における電流パルスが生じた検出素子とのうちいずれか一方を推定するアンガーロジックをさらに実行するように構成される。なお複数のキャパシタ鎖回路３１０を有する読出回路３００においては、第１の行増幅器からの第１の出力は、後段の第１の列増幅器を介して、第３の出力（出力Ｏ１）として演算回路に供給されている。同様に、第２の行増幅器からの第２の出力は、後段の第３の列増幅器を介して、第５の出力（出力Ｏ２）として演算回路に供給されている。
実施形態に係る放射線検出器（検出器モジュールＧＲＤ１〜Ｎ）は、２次元検出器アレイ（ＳｉＰＭアレイ）と、複数のキャパシタ（各行のキャパシタ鎖３１２）と、複数のハイパスフィルタ（各行のハイパスフィルタ３１４及びハイパスフィルタ３１６）と、複数の行増幅器（各行の各末端の増幅器Ａｘ）と、互いに並列な２つの重み付けレジスタ（上方のレジスタＲｙｉ＿ｔ及び下方のレジスタＲｙｉ＿ｂ，ｉ＝１〜Ｎｙ）と、第１の列増幅器（例えば出力Ｏ１側の増幅器Ａｙ）と、第２の列増幅器（例えば出力Ｏ３側の増幅器Ａｙ）と、第３の列増幅器（例えば出力Ｏ２側の増幅器Ａｙ）と、第４の列増幅器（例えば出力Ｏ４側の増幅器Ａｙ）と、演算回路とを備える。２次元検出器アレイは、検出した放射線（例えばガンマ線）に応じた電流パルスを生成する複数の検出素子が列方向（ｙ方向）及び行方向（ｘ方向）に沿って配置される。複数のキャパシタは、２次元検出器アレイの各行に沿って配置される。複数のハイパスフィルタの各々は、複数のキャパシタの各行の各末端に入力側が接続される。複数の行増幅器の各々は、複数のハイパスフィルタの各出力側に接続される。互いに並列な２つの重み付けレジスタの各セットは、複数の行増幅器の各出力側に接続される。例えば、２つの重み付けレジスタは、列方向に互いに並列である。第１の列増幅器は、行方向の一端に設けられる互いに並列な２つの重み付けレジスタのセットのうちの一方のセットに接続される。第２の列増幅器は、一端の他方のセットに接続される。第３の列増幅器は、行方向の他端に設けられる互いに並列な２つの重み付けレジスタのセットのうちの一方のセットに接続される。第４の列増幅器は、他端の他方のセットに接続される。演算回路は、第１の列増幅器からの第１の出力（出力Ｏ１）、第２の列増幅器からの第２の出力（出力Ｏ３）、第３の列増幅器からの第３の出力（出力Ｏ２）及び第４の列増幅器からの第４の出力（出力Ｏ４）に基づいて、放射線のタイミング情報を生成するように構成される。また、演算回路は、第１の出力、第２の出力、第３の出力及び第４の出力に基づいて、列方向の位置と、電流パルスが生じた２次元検出器アレイにおける列とのうちのいずれか一方を推定するとともに、行方向の位置と、電流パルスが生じた２次元検出器アレイにおける行とのうちのいずれか一方を推定するアンガーロジックをさらに実行するように構成される。
なお、タイミング情報を生成する回路と、アンガーロジックを実行する回路とは、１つの回路として一体に構成されていてもよいし、それぞれ異なる回路として個別に構成されていてもよい。また、タイミング情報やエネルギー情報を生成する回路は、例えばアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を含む。この場合、アンガーロジックを実行する回路から出力された推定結果（アナログ信号）が、当該ＡＤＣによりアナログ／デジタル変換される場合もある。
このように、本実施形態に係る放射線検出器では、多重化された読出回路における複数のレジスタが複数のキャパシタに置き換えられている。この構成によれば、信号の立ち上がり時の減衰を低減することができる。信号の立ち上がりを早くすることは、発生した電気信号が所定の閾値を超えるまでの時間を短縮することに寄与する。また、信号の減衰を低減することは、波高値の低下に伴う信号の立ち上がりの鈍化を抑制することに寄与する。つまり、高周波成分が減衰されにくいキャパシタが適用された、本実施形態に係る読出回路を備える放射線検出器によれば、良好なタイミング情報を取得することができる。
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、放射線検出器の時間分解能を向上させることができる。
上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ、ＧＰＵ、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）等の回路を意味する。ＰＬＤは、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ）を含む。プロセッサは記憶回路に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。プログラムが保存された記憶回路は、コンピュータ読取可能な非一時的記録媒体である。なお、記憶回路にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。また、プログラムを実行するのではなく、論理回路の組合せにより当該プログラムに対応する機能を実現してもよい。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。さらに、図１１Ｂにおける複数の構成要素を１つのプロセッサへ統合してその機能を実現するようにしてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
３００…読出回路、
３１０…キャパシタ鎖回路（読出回路）、
３１２…キャパシタ鎖（複数のキャパシタ）、
３１４…ハイパスフィルタ（第２のハイパスフィルタ）、
３１６…ハイパスフィルタ（第１のハイパスフィルタ）、
３２０…重み付けレジスタ回路、
８００…ＰＥＴ装置、
８１６…天板、
８２０…円形構成要素、
８４０…ガントリ、
８７０…プロセッサ、
８７４…ネットワークコントローラ、
８７６…データ収集システム（ＤＡＳ）、
８７８…メモリ、
Ａｘ…増幅器（行増幅器）、
Ａｙ…増幅器（列増幅器）、
Ｃｆ…ハイパスフィルタのキャパシタ、
Ｃｉ（ｉ＝１〜Ｎｘ−１）…キャパシタ鎖のキャパシタ（複数のキャパシタ）、
ＧＲＤ１〜ＧＲＤＮ…検出器モジュール（放射線（ガンマ線）検出器）、
Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４…出力（第３〜第６の出力）、
Ｐｄ…受光素子（複数の検出素子）、
Ｒｆ…レジスタ（ハイパスフィルタのレジスタ）、
Ｒｑ…レジスタ（クエンチングレジスタ）、
Ｒｓ…レジスタ（バイアスレジスタ）、
Ｒｙｉ＿ｔ（ｉ＝１〜Ｎｙ）…レジスタ（上方のレジスタ）、
Ｒｙｉ＿ｂ（ｉ＝１〜Ｎｙ）…レジスタ（下方のレジスタ）。

Claims (20)

  1. 各々が行方向に沿って配置され、検出した放射線に応じた電流パルスを生成する複数の検出素子と、
    各々が前記複数の検出素子のうちの２つの隣接する検出素子の電極間に配置される複数のキャパシタと、前記複数のキャパシタの第１の末端に入力側が接続される第１のハイパスフィルタと、前記複数のキャパシタの前記第１の末端の他端である第２の末端に入力側が接続される第２のハイパスフィルタと、前記第１のハイパスフィルタの出力側に接続される第１の行増幅器と、前記第２のハイパスフィルタの出力側に接続される第２の行増幅器とを有する読出回路と、
    前記第１の行増幅器からの第１の出力及び前記第２の行増幅器からの第２の出力に基づいて、前記放射線のタイミング情報を生成するように構成される演算回路と
    を具備する放射線検出器。
  2. 前記演算回路は、前記第１の出力及び前記第２の出力に基づいて、前記複数の検出素子の行に沿った位置と、前記複数の検出素子の行における前記電流パルスが生じた検出素子とのうちいずれか一方を推定するアンガーロジックをさらに実行する、請求項１に記載の放射線検出器。
  3. 前記行方向に沿って配置された複数の検出素子は、列方向に沿って配置されることにより２次元検出器アレイを構成し、
    前記読出回路において、前記第１の行増幅器、前記第１のハイパスフィルタ、前記複数のキャパシタ、前記第２のハイパスフィルタ及び前記第２の行増幅器は、前記２次元検出器アレイの各行に沿って設けられ、
    前記読出回路は、前記複数の第１の行増幅器の出力側に接続される複数の第１の重み付けレジスタと、前記複数の第１の重み付けレジスタの出力側に接続される第１の列増幅器と、前記複数の第１の行増幅器の出力側に前記複数の第１の重み付けレジスタとは並列に接続される複数の第２の重み付けレジスタと、前記複数の第２の重み付けレジスタの出力側に接続される第２の列増幅器とをさらに有し、
    前記複数の第１の行増幅器の各々からの第１の出力に関する、前記第１の列増幅器のゲインは、前記複数の第１の行増幅器の各々の出力側に接続された第１の重み付けレジスタのレジスタンス値に基づき、
    前記複数の第１の行増幅器の各々からの第１の出力に関する、前記第２の列増幅器のゲインは、前記複数の第１の行増幅器の各々の出力側に接続された第２の重み付けレジスタのレジスタンス値に基づき、
    前記演算回路は、前記第１の列増幅器からの第３の出力及び前記第２の列増幅器からの第４の出力に基づいて、前記列方向の位置と、前記電流パルスが生じた前記２次元検出器アレイにおける列とのうちいずれか一方を推定するアンガーロジックを実行する、
    請求項２に記載の放射線検出器。
  4. 前記読出回路は、前記複数の第２の行増幅器の出力側に接続される複数の第３の重み付けレジスタと、前記複数の第３の重み付けレジスタの出力側に接続される第３の列増幅器と、前記複数の第２の行増幅器の出力側に前記複数の第３の重み付けレジスタとは並列に接続される複数の第４の重み付けレジスタと、前記複数の第４の重み付けレジスタの出力側に接続される第４の列増幅器とをさらに有し、
    前記複数の第２の行増幅器の各々からの第２の出力に関する、前記第３の列増幅器のゲインは、前記複数の第２の行増幅器の各々の出力側に接続された第３の重み付けレジスタのレジスタンス値に基づき、
    前記複数の第２の行増幅器の各々からの第２の出力に関する、前記第３の列増幅器のゲインは、前記複数の第２の行増幅器の各々の出力側に接続された第４の重み付けレジスタのレジスタンス値に基づき、
    前記演算回路は、前記第３の出力、前記第４の出力、前記第３の列増幅器からの第５の出力及び前記第４の列増幅器からの第６の出力に基づいて、前記列方向の前記位置と、前記電流パルスが生じた前記２次元検出器アレイにおける前記列とのうちいずれか一方を推定することに加え、前記行方向の位置と、前記電流パルスが生じた前記２次元検出器アレイにおける行とのうちいずれか一方を推定するアンガーロジックを実行する、
    請求項３に記載の放射線検出器。
  5. 前記第１、第２、第３及び第４の列増幅器の各列増幅器に関して、前記対応する複数の重み付けレジスタの複数のレジスタンス値は、前記列方向の前記位置に関する前記アンガーロジックにより生成される複数の値の間に一様な間隔をもたらすように選択される、請求項４に記載の放射線検出器。
  6. 前記各行の複数のキャパシタに関して、前記複数のキャパシタの複数のキャパシタ値は、前記行方向の前記位置に関する前記アンガーロジックにより生成される複数の値の間に一様な間隔をもたらすように選択される、請求項２又は３に記載の放射線検出器。
  7. 前記行方向に沿って配置される前記複数の検出素子の各々は、降伏電圧を上回ってバイアスされたシリコン光電子増倍管である、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
  8. 前記行方向に沿って配置される前記複数の検出素子にそれぞれ直列に接続される複数のバイアスレジスタをさらに備え、
    前記複数のバイアスレジスタの各々の一端は、グラウンドに接続される、
    請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
  9. 前記行方向に沿って配置される前記複数の検出素子にそれぞれ直列に接続される複数のバイアスレジスタをさらに備え、
    前記複数の検出素子は、１ボルトから１０ボルトまでの範囲内の所定の電圧によって降伏電圧を上回るようにバイアスされ、
    前記第１のハイパスフィルタ及び前記第２のハイパスフィルタは、それぞれ、１０ピコファラドから５００ピコファラドまでの範囲内の所定のキャパシタンスのキャパシタと、１０オームから５００オームまでの範囲内の所定のレジスタンスのレジスタとを有し、
    前記複数のキャパシタは、１０ナノファラドから１０００ナノファラドまでの範囲内の所定のキャパシタンスを有する、
    請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
  10. 前記第１の列増幅器は、前記第３の出力の時間応答における前記第３の出力の終端インピーダンスの効果を低減し、
    前記第２の列増幅器は、前記第４の出力の時間応答における前記第４の出力の終端インピーダンスの効果を低減する、
    請求項３に記載の放射線検出器。
  11. 前記複数の第１の行増幅器のうちの任意の第１の行増幅器と、前記任意の第１の行増幅器に対して直列に接続される、前記第１の重み付けレジスタ及び前記第１の列増幅器とは、２段階加算増幅器を構成し、
    前記任意の第１の行増幅器と、前記任意の第１の行増幅器に対して直列に接続される、前記第２の重み付けレジスタ及び前記第２の列増幅器とは、前記２段階加算増幅器とは別の２段階加算増幅器を構成する、
    請求項３に記載の放射線検出器。
  12. 前記複数のキャパシタの各々に直列又は並列に接続されるレジスタをさらに備える、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
  13. 検出した放射線に応じた電流パルスを生成する複数の検出素子が列方向及び行方向に沿って配置される２次元検出器アレイと、
    前記２次元検出器アレイの各行に沿って配置される複数のキャパシタと、
    前記複数のキャパシタの各行の各末端に入力側が接続されるハイパスフィルタと、
    前記複数のハイパスフィルタの各出力側に接続される行増幅器と、
    前記複数の行増幅器の各出力側に接続される互いに並列な２つの重み付けレジスタと、
    前記行方向の一端に設けられる前記互いに並列な２つの重み付けレジスタのセットのうちの一方のセットに接続される第１の列増幅器と、
    前記一端の他方のセットに接続される第２の列増幅器と、
    前記行方向の他端に設けられる前記互いに並列な２つの重み付けレジスタのセットのうちの一方のセットに接続される第３の列増幅器と、
    前記他端の他方のセットに接続される第４の列増幅器と、
    前記第１の列増幅器からの第１の出力、前記第２の列増幅器からの第２の出力、前記第３の列増幅器からの第３の出力及び前記第４の列増幅器からの第４の出力に基づいて、前記放射線のタイミング情報を生成するように構成される演算回路と
    を具備する放射線検出器。
  14. 前記演算回路は、前記第１の出力、前記第２の出力、前記第３の出力及び前記第４の出力に基づいて、列方向の位置と、前記電流パルスが生じた前記２次元検出器アレイにおける列とのうちのいずれか一方を推定するとともに、前記行方向の位置と、前記電流パルスが生じた前記２次元検出器アレイにおける行とのうちのいずれか一方を推定するアンガーロジックをさらに実行する、請求項１２記載の放射線検出器。
  15. 吸収した放射線に応じたシンチレーション光子を生じ、前記複数の検出素子の各々に対応するシンチレータ結晶が２次元アレイ状に配置されるシンチレータ結晶アレイをさらに備え、
    前記演算回路は、前記シンチレーション光子が生じた前記シンチレータ結晶アレイのシンチレータ結晶を推定するアンガーロジックを実行する、
    請求項１４に記載の放射線検出器。
  16. 前記複数の検出素子の各々は、降伏電圧を上回ってバイアスされたシリコン光電子増倍管である、請求項１３乃至１５のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
  17. 前記演算回路は、前記第１の出力、前記第２の出力、前記第３の出力及び前記第４の出力に基づいて、エネルギー情報をさらに生成する、請求項１３乃至１６のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
  18. 前記エネルギー情報は、前記第１の出力、前記第２の出力、前記第３の出力及び前記第４の出力の合計を使用して生成される、吸収された放射線のエネルギーを含む、請求項１７に記載の放射線検出器。
  19. 前記タイミング情報は、前記第１の出力、前記第２の出力、前記第３の出力及び前記第４の出力の合計を使用して生成される、吸収された放射線の到達時間を含む、請求項１３乃至１８のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
  20. 前記複数のハイパスフィルタの各々は、前記２次元検出器アレイの前記複数の検出素子のうちの１つにより検出された放射線の到達時間のタイミング情報を最適化するパルス波形をもたらすように選択された値をそれぞれ有するレジスタ及びキャパシタを含む、請求項１３乃至１９のうちのいずれか１項に記載の放射線検出器。
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