JP5221528B2 - 飛行時間式ｐｅｔ用の集積複数チャネル時間−デジタル変換器 - Google Patents

Description

本出願はデータサンプリング、タイムスタンプ付与、及び関連技術に関する。本出願は、特に、飛行時間式（time of flight；ＴＯＦ）陽電子放出型断層撮影（ＰＥＴ）スキャニングにおける放射線検出事象のサブナノ秒の分解能のタイムスタンプ付与を提供する時間−デジタル（Time-to-digital）変換器に適用され、特にそれを参照して説明される。しかしながら、以下の開示はより一般的に、その他の医療用途における時間−デジタル変換器や、例えば光事象又は光速事象の計時、核プロセスにおける放射線検出事象の計時、及びその他の時間依存事象の計時など、そのような時間−デジタル変換を用いる用途、方法及び装置にも適用される。

ＰＥＴにおいては、ヒト患者又はその他の撮像対象に放射性医薬品が投与される。放射性医薬品は、陽電子を放出する放射線減衰事象を生成する。陽電子は、非常に短い距離を進行した後、２つの反対向きのガンマ線を生成する電子−陽電子消滅事象にて、周囲の撮像対象の近接電子と素早く相互作用する。これらのガンマ線は、撮像対象を囲む放射線検出器によって、それらの間に同時計数線（ライン・オブ・レスポンス；ＬＯＲ）を定める２つの実質的に同時の放射線検出事象として検出される。

ガンマ線は“実質的に同時に”検出されるが、関与する２つの放射線検出器の一方が、他方の放射線検出器より、電子−陽電子消滅事象に近い場合、２つの放射線検出事象間には小さい時間差が存在することになる。ガンマ線は光速で進行し、検出器は約２ｍ以下しか離れていないので、これら検出間のこの時間差は、典型的に約１ｎｓ以下であり、陽電子−電子消滅事象がガンマ線の経路に沿って２つの検出器から等距離にある場合には、限りなくゼロに近くなり得る。飛行時間式ＰＥＴ（ＴＯＦ−ＰＥＴ）において、放射線検出器は、ＬＯＲに沿って電子−陽電子消滅事象の位置を特定するために使用する小さい飛行時間差の測定を可能にするよう、十分に高速に動作する。ＬＯＲを飛行時間測定部からの時限情報と組み合わせるデータは、ヒストプロジェクションを呼ばれることがある。

ＴＯＦ−ＰＥＴでは、放射線検出事象はサブナノ秒の時間分解能でタイムスタンプを付与されるべきである。一般的に、時間分解能が向上するにつれ、ＬＯＲに沿っての消滅事象の位置特定の空間分解能も向上する。サブナノ秒の時間分解能で１００を超える数のチャネルの、放射線検出事象（エネルギー、及び空間位置若しくは分布）のデジタル化と、放射線検出事象の発生時間のデジタル化（時間−デジタル変換）との双方を実行する集積されたマルチチャネルの高性能且つ低電力の読み出し技術が要求される。入手可能なディスクリート時間−デジタル変換器は、高入力電力装置であり、ＴＯＦ−ＰＥＴでの使用には容易に適応されない。単一チップ上で検出及び処理を実行する集積ソリューションが有利となる。

既存の時間−デジタル変換器は、中央の基準クロックによって同期化されたリング発振器を用いている。時間−デジタル変換は、トリガー事象（例えば、ＰＥＴスキャニングの場合の放射線検出事象）が検出された時のリング発振器の遅延素子の状態をラッチすることに基づく。リング発振器は、インバータ又はバッファ等の幾つかのデジタル遅延素子からなる一連の相互接続を含んでいる。遅延チェーン（鎖）の出力が入力にフィードバックされる。この構成は、遅延チェーンが反転接続を含む場合には安定状態を有さない。

しかしながら、リング発振器をサブナノ秒の時間分解能での時間−デジタル変換に用いる場合、十分に高い精度を達成するは困難である。このような高い時間分解能を達成するため、各デジタル遅延素子の遅延は、例えば数ピコ秒から数十ピコ秒などと短くされる。例えば、ＣＭＯＳにおいては、短いゲート長にすることにより、十分に高速なデバイスが実現される。しかしながら、短いゲート長の高速デバイスを用いると、一般的に、デバイス間のマッチングが乏しくなるとともに、リング発振器内の相異なるデジタル遅延素子間の遅延バラつきがかなりの量になるため、タイムスタンプ付与の時間精度が制限されてしまう。これらの問題を、例えば長めのゲート長にするなど、デジタル遅延素子を再設計することによって解決しようとすることは、全体的な速度を低下させ、キャパシタンス及びデバイスの電力消費を増大させる。リング発振器のジッタはまた、例えば時間−デジタル変換器の出力にデジタル補正を施すことなどの収集後の処理によって解決され得る。しかしながら、このような補正は複雑さを増すものであり、帯域幅やシステムコストを増大させてしまう。さらに、このような補正を用いたとしても、幾らかのジッタが残ってしまう。

本出願は、上述の問題及びその他の問題を解決する、改善された時間−デジタル変換器、放射線検出器、ＰＥＴスキャナ、及びそれらに関連する方法を提供する。

一態様に従って、飛行時間式ＰＥＴスキャナが開示される。放射線検出器が、撮像領域から放射された放射線を検出するように配置される。放射線検出器は、放射線検出事象にタイムスタンプを付与するための少なくとも１つの時間−デジタル変換器を含む。時間−デジタル変換器は：リング発振器として動作可能に相互接続された複数のデジタル遅延素子；デジタル遅延素子に動作的に接続され、デジタル遅延素子に実質的に共通の遅延を設定するよう構成可能な遅延調整素子；及び放射線検出事象に応答して、少なくともリング発振器の状態に基づいて、タイムスタンプを生成するよう構成可能な読み出し回路を含む。

他の一態様に従って、時間−デジタル変換器が開示される。複数のデジタル遅延素子が、リング発振器として動作可能に相互接続される。デジタル遅延素子に実質的に共通の遅延を設定するよう構成可能な遅延調整素子が、デジタル遅延素子に動作的に接続される。読み出し回路が、トリガー事象に応答してリング発振器の状態を表す出力を生成するよう構成される。

他の一態様に従って、放射線検出器が開示される。放射線検知部が、放射線検出事象を表す信号を生成する。時間−デジタル変換器が、リング発振器として動作可能に相互接続された複数のデジタル遅延素子、デジタル遅延素子に動作的に接続され、デジタル遅延素子に実質的に共通の遅延を設定するよう構成可能な遅延調整素子、及び少なくとも前記信号が生成された時のリング発振器の状態に基づいて、放射線検出事象のタイムスタンプを生成するよう構成された読み出し回路を含む。

他の一態様に従って、リング発振器として動作可能に相互接続された複数の遅延素子を有するリング発振器を校正する方法が開示される。ランダム化されたトリガー事象に応答してリング発振器の出力のヒストグラムデータが決定される。遅延素子に実質的に共通の遅延を設定するよう、ヒストグラムデータに基づいて遅延素子の遅延が調整される。

他の一態様に従って、時間−デジタル変換器が開示される。複数のデジタル遅延素子が、リング発振器として動作可能に相互接続される。デジタル遅延素子は、当該デジタル遅延素子の遅延より実質的に長い移行時間を有する読み出しバッファを含む。アナログ−デジタル変換器が、トリガー事象に応答して遅延素子の値をデジタル化する。デコード回路が、デジタル化された値に基づいて、トリガー事象に対応するリング発振器の状態を計算する。計算された状態はデジタル遅延素子の遅延より短い時間分解能を有する。

他の一態様に従って、上述の時間−デジタル変換器を用いる放射線検出器及び飛行時間式ＰＥＴスキャナが開示される。

１つの効果は時間分解能が改善されることにある。

他の１つの効果は、時間−デジタル変換器の遅延素子群の遅延差が、周期的に、あるいは場合により実時間で、補正されることにある。

他の１つの効果は、集積された高分解能時間−デジタル変換器を備えた放射線検出器が提供されることにある。

他の１つの効果は、タイムスタンプ付与が一体化された検出器を具えた飛行時間式ＰＥＴスキャナが提供されることにある。

他の１つの効果は、各チャネルのタイムスタンプ付与及び信号積分が同時に行われ、飛行時間式ＰＥＴのための時間、エネルギー、及び陽電子のパラメータが提供されることにある。

以下の詳細な説明を読み、理解することによって、本発明の更なる効果が当業者に明らかになる。

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。

飛行時間式陽電子放出型断層撮影（ＰＥＴ）スキャナを示す図である。 時間−デジタル変換器の主要部を含む、図１の放射線検出器を示すブロック図である。 図２の時間−デジタル変換器のリング発振器の主要部を示す電気回路図である。 デジタル遅延素子の不一致を補正する前の、図２の時間−デジタル変換器の瓶カウンタによって収集されると予期される種類のヒストグラムデータを示す図である。 デジタル遅延素子の不一致を補正した後の、図２の時間−デジタル変換器の瓶カウンタによって収集されると予期される種類のヒストグラムデータを示す図である。 図３のリング発振器の時間分解能を高めるためのオーバーサンプリング手法を示す図である。 図１の放射線検出器の時間−デジタル変換器に好適に使用される他のリング発振器の主要部を示す電気回路図である。 図７のリング発振器のデジタル遅延素子群のうちの１つのオフからオンへの移行を示す図である。

図１を参照するに、飛行時間式陽電子放出型断層撮影（ＴＯＦ−ＰＥＴ）スキャナ２は、筐体４、及びカウチ６すなわち患者支持台を含んでいる。筐体４はボア型の撮像領域８を画成する。放射線検出器アレイ１０が、撮像領域８を眺めるように配置されている。認識されるように、単一の図示した放射線検出器アレイ１０は例示的なものであり、スキャナ２は典型的に、実質的に如何なる角度においてもデータを収集し得るように撮像領域８を取り囲む、１つ以上のリングを成すこのような検出器アレイを含んでいる。また、認識されるように、放射線検出器アレイ１０は例示的なものであり、典型的には、放射線検出器はスキャナ２の筐体４内に収容され、外側からは見えない。また、典型的に、放射線検出器の各リングは、何百又は何千という放射線検出素子を含んでいる。一部のＰＥＴスキャナにおいては、単一の放射線検出器リングが設けられ、他のＰＥＴスキャナにおいては、２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの放射線検出器リングが設けられる。また、一部の実施形態において、放射線検出器は、ガンマカメラ構成においてのように、１つ以上の検出器ヘッド上の１つ以上のアレイとして配置され得る。これら検出器ヘッドは、例えば患者に対して近付いたり離れたりするように移動可能であったり、患者の周りを移動可能であったり等、様々に移動可能であってもよい。カウチ６又はその他の支持台はヒト患者又はその他の撮像対象を撮像領域８内に位置付ける。必要に応じて、カウチ６は、３次元撮像データの収集を容易にするよう、放射線検出器１０のリングに略直交する軸方向に直線的に移動可能にされる。加えて、あるいは代えて、撮像対象は静止状態に保たれ、複数の放射線検出器リングが、３次元ＴＯＦ−ＰＥＴ撮像データを収集するために使用される。更なる他の実施形態においては、単一の検出器リングのみが設けられ、撮像対象は静止したままにされ、得られる画像は２次元となる。

ＴＯＦ−ＰＥＴ撮像の開始に先立って、患者又はその他の撮像対象に好適な放射線医薬品が投与される。放射性医薬品は、陽電子を放出する放射性崩壊事象を被る放射線物質を含む。放出された陽電子は、素早く、撮像対象の電子とともに消滅する。得られる陽電子−電子消滅事象の各々は、５１１ｋｅＶのエネルギーを有する２つの反対向きのガンマ線を生成する。これらのガンマ線は光速、すなわち、約３×１０^８ｍ／ｓで進行する。撮像領域８は一般的に約２ｍ以下の直径又はその他の特性寸法を有するので、陽電子−電子消滅事象の位置から１つの放射線検出器アレイ１０までのガンマ線の飛行時間は数ナノ秒以下である。故に、２つの反対向きのガンマ線は２つの放射線検出器に、典型的にサブナノ秒の時間差で突き当たる。放射線検出器は、エネルギー、空間位置及びタイムスタンプを含めて放射線検出事象を記録し、このデータは事象バッファ１１に格納される。

放射線検出事象はガンマ線対検出回路１２によって処理され、対応する電子−陽電子消滅事象に属する実質的に同時のガンマ線検出の対が識別される。この処理は、例えば、エネルギーウィンドウをかけること（すなわち、５１１ｋｅＶの周りに配置された選択されたエネルギーフィルタリングウィンドウの外側の放射線検出事象を破棄すること）、及び同時発生（コインシデンス）検出回路（すなわち、選択された時間フィルタリング間隔より大きく互いに時間的に離れた放射線検出事象対を破棄すること）を含み得る。ガンマ線対が識別されると、２つのガンマ線検出事象に関する空間情報がライン・オブ・レスポンス（ＬＯＲ）プロセッサ１３によって処理され、２つのガンマ線検出を接続するライン・オブ・レスポンス（ＬＯＲ）の空間的な直線が特定される。１つの陽電子−電子消滅事象によって放出される２つのガンマ線は空間的に反対向きなので、その電子−陽電子消滅事象はそのＬＯＲ上の何処かで発生したことがわかる。

ＴＯＦ−ＰＥＴにおいては、放射線検出器１０は、２つの“実質的に同時の”ガンマ線検出間の飛行時間差を検出するのに十分な時間分解能を有する。すなわち、放射線検出事象は実質的に同時に起こるが、一般的に、２つの事象のタイムスタンプ間に飛行時間差に起因する小さい時間差が存在する。この時間差は一般的にサブナノ秒の域である。２つの実質的に同時のガンマ線検出事象のタイムスタンプ間の時間差は飛行時間プロセッサ１４によって分析され、陽電子−電子消滅事象の位置がＬＯＲに沿って特定される。多数の陽電子−電子消滅事象に関して累積された結果は、ヒストプロジェクションセット１５となる。ヒストプロジェクションセット１５は、再構成プロセッサ１６によって、例えばフィルタ補正逆投影法又は補正を用いた反復的逆投影法などの好適な再構成アルゴリズムを用いて、再構成画像へと再構成される。得られた再構成画像は、画像メモリ１７に格納され、ユーザインタフェース１８上で表示される。得られた再構成画像はまた、印刷され、記憶され、イントラネット又はインターネット上で通信され、あるいはその他の方法で使用されることが可能である。図示した実施形態においては、放射線医又はその他のユーザがＴＯＦ−ＰＥＴスキャナ２を制御することをユーザインタフェース１８が可能にする。他の実施形態においては、別個のコントローラ又は制御コンピュータが設けられてもよい。

図２を参照するに、放射線検出器アレイ１０は、典型的に、画素化された放射線センサのアレイである放射線検知部２０を含んでいる。典型的な構成において、シンチレーション結晶が５１１ｋｅＶガンマ線を吸収し、光のシンチレーションを生成する。そして、例えばフォトダイオード又は光電管（ＰＭＴ）等の光検出器アレイがシンチレーションを検出する。他の実施形態においては、半導体に基づく放射線検出器が、シンチレーション事象を介在せずに直接的に、ガンマ線を吸収・検出する。放射線検知部２０は、放射線検出事象を表す信号２２（そのシンチレーション事象を観測した複数の光検出器からの複数の信号を有していてもよい）を生成する。トリガー２４が信号２２の命中（ヒット）を監視し、ヒットが検出された場合、トリガー信号を生成する。トリガー信号が積分器２６による信号積分を開始させるために使用され、積分信号が生成される。積分信号は例えばアンガー（Anger）ロジック２８等の従来からの要素に好ましく入力され、アンガーロジック２８はこの信号を処理して、入射放射線粒子のエネルギー３０（好ましくは、１つ、２つ、３つ、又はそれより多くの光検出器によって観察されたシンチレーションエネルギーの積分又は和に関する）、及び放射線検出事象の空間位置３２（好ましくは、１つ、２つ、３つ、又はそれより多くの光検出器によって観察されたシンチレーションエネルギーの分布に関する）を決定する。信号２２はまた、放射線検出事象にタイムスタンプを付与するため、時間−デジタル変換器３４用のトリガー信号としても作用する。時間−デジタル変換器３４は、N個の遅延素子を有するリング発振器３６に基づく。

図３を参照するに、N=１６のデジタル遅延素子４０を有するリング発振器３６の例が示されている。N=１６構成の例を示すが、認識されるように、遅延素子の数は１６より多くても少なくてもよく、また、遅延素子の数は２のべき乗以外の数であってもよい（例えば、Ｎ＝１３も可能である）。デジタル遅延素子４０は相互に直列に接続され、この直列の最後の遅延素子は、リングトポロジーが形成されるよう、最初の遅延素子に戻るように接続されている。一般的に、Ｎ個の遅延素子を相互接続するＮ個の接続が存在する。この直列接続のうちの大部分は非反転接続であるが、リング発振器３６内の１つの接続４２は反転した相互接続である。他の実施形態においては、これとは異なるように分布された反転相互接続及び非反転相互接続も意図される。ドリフトを抑制するため、リング発振器３６は必要に応じて、位相ロックループ（ＰＬＬ）４３又はその他の調整ループによって、より遅い基準クロック又は発振器（図示せず）にロックされる。ＰＬＬ４３は、例えば複数の放射線検出器アレイに時間−デジタル変換を提供するため、共通の基準クロック又は発振器と組み合わせて、複数のリング発振器を同期させるように使用されることも可能である。

デジタル遅延素子は高精度バイアス回路４４によってバイアスされる。高精度バイアス回路４４の使用は、バイアスにより遅延時間が変化するデジタル遅延素子４０の時間遅延を、一定の変動しないものにする助けとなる。この例に係るリング発振器３６は３２の安定状態を循環する。ここでは、個々のデジタル遅延素子４０を参照することを容易にするため、直列接続された遅延素子群を連続する大文字“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、・・・、“Ｐ”で表記する。この直列相互接続は、“Ａ”の出力を“Ｂ”へと送り、“Ｂ”の出力を“Ｃ”へと送り、“Ｃ”の出力を“Ｄ”へと送り、等々、“Ｐ”の出力が“Ａ”に戻されてリングが完成するまで続ける。リング発振器３６がデジタル遅延素子群４０の全てに“０”の値を用いて初期化された場合、リング発振器３６の初期状態は、“００−００００００００００００００”で表され得る。ただし、記号“−”は反転接続を意味する。一遅延期間（Ｔ_ｄ）の後、リング発振器３６は、デジタル遅延素子“Ｂ”の“０”が反転されてデジタル遅延素子“Ｃ”に伝達されることにより“１”の値を１つ有する状態“００−１０００００００００００００”に移行する。残りのデジタル遅延素子は、反転されていない“０”の値を受け取るため値の変化はない。第２の遅延期間Ｔ_ｄの後、リング発振器３６は“００−１１００００００００００００”に移行し、第３の遅延期間Ｔ_ｄの後、リング発振器３６は“００−１１１０００００００００００”に移行し、第１６の遅延期間後に値“１１−１１１１１１１１１１１１１１”に到達するまで続く。第１７の遅延期間Ｔ_ｄの後、リング発振器３６は“１１−０１１１１１１１１１１１１１”に移行する。この段階では、反転接続は、遅延素子“Ｂ”の“１”を、それが遅延素子“Ｃ”に取り込まれる前に“０”に反転させるからである。第１８の遅延期間後、リング発振器３６は“１１−００１１１１１１１１１１１１”に移行し、第３１の遅延期間後にリング発振器３６が“０１−００００００００００００００”に移行するまで続く。そして、第３２の遅延期間後、リング発振器３６は当初の“００−００００００００００００００”状態へと戻り、期間３２×Ｔ_ｄを有するリング発振器３６の１サイクルが完成される。

以上の分析は、デジタル遅延素子４０の全てが同一の遅延Ｔ_ｄを有すると仮定している。しかしながら、デジタル遅延素子４０の不一致のため、全てのデジタル遅延素子４０のバイアスが同一であったとしても、この仮定は事実上誤ったものとなり得る。すなわち、高精度バイアス回路４４がデジタル遅延素子４０の各々且つ全てに厳密に同一のバイアスを供給したとしても、製造上の限界などに起因するデジタル遅延素子４０間のバラつきのため、これらの素子の遅延は実質的に互いに異なるものとなり得る。

従って、ジッタを抑制してリング発振器３６の時間的精度を高めるようデジタル遅延素子４０を一致させるために、各デジタル遅延素子４０は更に、個々の微調整用のトリミングバイアス４６を有している。バイアス４４、４６の選定は、例えばＣＭＯＳ又は差動電流モードロジック等、デジタル遅延素子４０のロジックのスタイル又は構成に依存する。ＣＭＯＳにおいては、トリミングバイアス４６は、各デジタル遅延素子の遅延を独立に制御するよう、高精度バイアス回路４４の、例えば電源電圧、負荷容量、又は電流制限などのバイアス条件を変化させ得る。差動ロジックにおいては、遅延はバイアス電流にほぼ反比例するため、個々の遅延はバイアス電流の制御によって制御可能である。バイアス制御以外の機構によるトリミングも意図される。

引き続き図３を参照しながら図２を再び参照し、個々のトリミングバイアス４６の値を決定する好適手法を説明する。リング発振器３６の遅延素子４０は、対応する読み出しバッファ４８及びラッチ５０を含んでおり、これらはトリガー事象に応答して遅延素子４０のデジタル値を受信して保持する。放射線検出器１０の場合、トリガー事象はトリガー２４によって生成される、放射線検出事象を表すトリガー信号によって好ましく提供される。ラッチされた値はデコーダ５２によってデコードされ、リング発振器３６の状態値が生成される。表１は、リング発振器３６の３６個の相異なる状態についての取り得るデコーダ出力の組の一例を示している。表１のデコーダ値は単なる例であり、ラッチされた値は実質的に如何なるデコーダ値の組にもマッピングされ得る。

表１には、何れの遅延素子の遅延がリング発振器状態の持続性を制御するかも示している。例えば、１０進数でのデコーダ値２に対応する状態“００−１１００００００００００００”を考える。この状態は、遅延素子“Ｅ”が遅延素子“Ｄ”からの入力“１”の存在によって“０”から“１”に切り替わるまで持続する。故に、状態“００−１１００００００００００００”の持続性は、遅延素子“Ｅ”の遅延に依存する。一部の実施形態において、状態“００−１１００００００００００００”（デコーダ値２）の持続性は、“１１−００１１１１１１１１１１１１”（デコーダ値１８）の持続性と同一であるはずである。後者の状態は、遅延素子“Ｅ”が“１”から“０”に切り替わるまで持続するからである。他の実施形態においては、これら２つの状態の持続性は、“１”→“０”の移行における遅延に対する“０”→“１”の移行における遅延の差異に起因して異なり得る。

引き続き図２を参照しながら図４及び５をも参照するに、放射線検出事象に対応するリング発振器状態は瓶（bin）カウンタによって仕分けられる。放射線検出事象に関する仕分けられたリング発振器状態の出現数は、ヒストグラムデータを形成する。ランダムな放射線検出事象であっても様々な遅延素子４０の遅延に幾らかの差異がある場合、ヒストグラムデータの瓶群は、図４にプロットされるように幾らかのバラつきを示すことが予期される。陽電子を発生する放射線崩壊は時間的にランダムに起こるので、放射線検出事象は時間的にランダムに出現するはずである。従って、様々なデジタル遅延素子４０の遅延が相等しい場合、各リング発振器状態の持続性は相等しくなるはずであるので、出現数のヒストグラムも統計的な限界の範囲内で平坦になるはずである。しかしながら、特定のデジタル遅延素子が比較的短い遅延を有する場合、該遅延に依存する持続性を有するリング発振器状態は比較的低い頻度で出現することになる。逆に、特定のデジタル遅延素子が比較的長い遅延を有する場合、該遅延に依存する持続性を有するリング発振器状態は比較的高い頻度で出現することになる。図４のヒストグラムは、如何なる所与のデジタル遅延素子４０においても“０”→“１”の移行と“１”→“０”の移行とは略等しい遅延を有するという仮定の下で導き出されたものである。この場合、例えば、状態“００−１１００００００００００００”（デコーダ値２）の持続性は、“１１−００１１１１１１１１１１１１”（デコーダ値１８）の持続性と略同一である。何れも遅延素子“Ｅ”の切り替わりによって制御されるからである。故に、状態“００−１１００００００００００００”及び“１１−００１１１１１１１１１１１１”の瓶は結合されることができ、“０”→“１”及び“１”→“０”という逆極性のその他の移行対も同様であるので、図４の３２個の瓶は１６個の瓶に削減される。他の例では、“０”→“１”及び“１”→“０”の移行は別々に取り扱われてもよく、その場合には３２個の瓶が用いられる。

図４のプロット例のようなヒストグラムデータはヒストグラム分析器５６によって分析され、各デジタル遅延素子４０の実際の遅延が決定される。所与の個々の遅延素子において、遅延は、該個々の遅延素子の切り替わりによって持続性が制御される状態又は状態群の出現数に比例する。従って、何れの遅延素子が比較的長い遅延を有し、何れの遅延素子が比較的短い遅延を有するかを決定することは容易である。ヒストグラム分析器５６は、全ての遅延素子４０に共通の一様な遅延が得られるよう、比較的短い遅延を長くし、比較的長い遅延を短くするため、バイアストリマー４６を調節する。例えば、差動ロジックにおいて、移行速度がバイアス電流に対してほぼ線形となるよう動作点が選択される。従って、インデックス“ｑ”を付けられた遅延素子によって持続性が制御される状態の出現数をＮ_ｑ、総出現数（すなわち、放射線検出事象の総数）を瓶数で割った値をＮ_ａｖｇとして、好適なバイアス電流補正は比Ｎ_ａｖｇ／Ｎ_ｑに関係する。

“０”→“１”及び“１”→“０”の移行が別々に仕分けられる場合、所与の遅延素子の微調整は、該遅延素子によって持続性が制御される２つの状態の平均値に基づき得る。他の例では、デジタル遅延素子４０は、“０”→“１”及び“１”→“０”の移行に関する遅延が独立して微調整され、“０”→“１”及び“１”→“０”の移行に関する微調整（トリム）が別々に行われ得るように構成されてもよい。

トリム補正の後、瓶５４は必要に応じてクリアされ、より多くのデータが収集される。バイアストリマー４６の調整後に収集されるヒストグラムデータは、出現数のヒストグラムが統計的限界の範囲内で平坦であって、全ての遅延素子４０に共通の一様な遅延Ｔ_ｄを指し示す図５のデータと同様になるはずである。必要に応じて、この補正は繰り返されてもよい。例えば、図５のヒストグラムが依然として、リング発振器３６の様々な状態の出現数に許容できないバラつきを示す場合、図５のヒストグラムデータに基づいて再度のバイアス調整が実行され得る。この補正を、ＰＥＴデータが収集されるときに実質的にリアルタイムで実行することが意図される。例えば、仕分けが数秒から数分の期間をかけて実行された後、収集されたヒストグラムデータに基づいてバイアストリマー４６の調整が行われ、そして、このサイクルが撮像中に反復的に繰り返され、リアルタイムの、あるいは略リアルタイムのトリミング調整が実現される。

バイアストリマー４６の範囲は、デジタル遅延素子４０の最悪の場合の遅延差を補正するのに十分な大きさにされるべきである。例えば、“最悪の場合の差”はデジタル遅延素子４０間の予期される、あるいは実験的に決定される製造バラつきによって推定され得る。トリムの調整は、ＰＥＴ撮像中に実行されてもよいし、別個の検出器校正処理にて、例えば校正時間の短縮のために多数の放射線検出事象をもたらすよう高濃度の放射性物質を有するファントムを用いて実行されてもよい。ファントムの使用することのほかに、例えば自然バックグラウンド放射能や、Ｌｕ等の放射性元素でのシンチレーション材料の汚染によって存在する放射線崩壊は、撮像装置が患者データ収集モードにないときに校正処理に十分なカウント数をもたらす好適なランダム事象発生器である。また、例えば、乱数発生器又はアナログノイズ発生器を有する等によって、トリム校正に使用するためのランダムトリガー事象を定める、その他のランダムなトリガーが、時間−デジタル変換器３４を校正するために用いられてもよい。実際、十分に高いレートで時間的にランダムに発生する実質的に如何なるトリガー事象も、バイアストリマー４６を調整するために使用されることが可能である。この校正はまた、時間−デジタル変換器３４のアナログ経路上の全ての異なる非線形性を補正するため、ラッチ及び読み出しバッファに拡張され得る。

図２を参照するに、ＴＯＦ−ＰＥＴスキャン中に放射線検出事象にタイムスタンプを付与することは、トリミングされた時間−デジタル変換器３４によって以下のようにして行われる。デコーダ５２の出力が、少なくともトリガー事象（例えば、放射線検出事象を表す信号２２）の時点でのリング発振器３６の状態に基づいて計算されたタイムスタンプ５８の最下位ビット（ＬＳＢ）を提供する。しかしながら、リング発振器３６は速く循環しており、１つのフルサイクルは典型的にサブナノ秒から数ナノ秒の周期を有する。（遅延素子４０当たり共通の遅延Ｔ_ｄを有するリング発振器３６の例では、フルサイクルは周期３２×Ｔ_ｄを有する。）より大きい時間枠に及ぶタイムスタンプを提供するため、粗いカウンタ６０が、サイクル数、ハーフサイクル数、又はリング発振器３６のサイクルの別の時間単位を計数する。例えば一手法において、粗カウンタは、リング発振器３６のフルサイクルを計数するため、１つの遅延素子の出力を分岐する。粗カウンタが計数値を増加させるときに起こり得る移行エラーを回避するため、場合により、同一だが反転された遅延素子出力を分岐することによって第２の粗カウンタが設けられる。このような２つの時間的にずらされた粗いカウンタを使用することは、移行エラーを効果的に防止する。タイムスタンプ５８は、粗カウンタ６０によって提供される最上位ビット（ＭＳＢ）を、デコーダ５２が指し示すリング発振器３６の状態によって提供される最下位ビット（ＬＳＢ）と組み合わせることによって構築される。

図６を参照するに、リングカウンタに基づく時間−デジタル変換器の時間分解能を高める一手法は、遅延素子当たり２つのサブ遅延素子、例えば比較的高速の読み出しバッファ７０及び比較的低速の読み出しバッファ７２等、を用いるオーバーサンプリングを使用する。（遅延素子７０、７２は好適には図２に示した読み出しバッファ４８に対応する。）各デジタル遅延素子４０の状態は、高速のサブ遅延素子すなわち読み出しバッファ７０と、低速のサブ遅延素子すなわち読み出しバッファ７２とによって並行して送られる。２つの読み出しバッファ７０、７２の輸送時間の差は、トランジスタ構造によって粗調整され、理想的には瓶幅の半分（例えば、Ｔ_ｄ／２）であるべきである。微調整は好ましくは、速度を制御する別々のバイアス回路、すなわち、高速読み出しバッファ７０用の１つのバイアス回路構成７４及び低速読み出しバッファ７２用の別の１つのバイアス回路構成７６、を有することによって実現される。ランダムに分散された到来トリガー事象を用いることによって校正が行われ、図２のバイアストリマー４６に関して示したトリミング回路と同様に、均等に分散されたヒット確率を狙った調整がもたらされる。各デジタル遅延素子４０とともに、一対の速度差を有する読み出しバッファ７０、７２を用い、且つ読み出しバッファ７０、７２の出力をラッチ５０に送ることにより、実効的な瓶幅が１／２に狭められる（すなわち、時間分解能が向上される）。１６個の遅延素子４０を有する図示の例においては、各遅延素子が２つの読み出しバッファに対応する２つの出力を作り出すため、３２個のラッチ出力が提供される。デジタル遅延素子４０当たり３つ、４つ、又はそれより多くの異なる速さの読み出しバッファを含めることにより、瓶幅は更に狭められ得る。例えば、３つの相異なる速度の３つの読み出しバッファを用いると、瓶幅の１／３化が達成され得る。一部の実施形態において、異なる速さの読み出しバッファの各々は、個別にトリミングされるように構成される。

図７及び８を参照して、時間分解能を向上させるために他の手法を用いる他のリング発振器３６’を開示する。リング発振器３６’は、リング発振器として相互接続されたデジタル遅延素子群４０を含んでいる。しかしながら、読み出しバッファ４８は、瓶幅（図８においてＴ_ｂｉｎと表記する）と同等、あるいはそれを超えるゆっくりした期間を有する、例えば図８に示した“０”→“１”移行８０のような、実質的に遅くされた“０”→“１”及び“１”→“０”の移行を有する変更された読み出しバッファ４８’で置き換えられている。対照的に、図２の読み出しバッファ４８は瓶幅より実質的に短い移行時間を有し、無視できるほど短い移行時間中を除いて、各デジタル遅延素子４０はラッチ５０の位置で“０”又は“１”の何れかの値を有する。図示した移行８０は“０”→“１”の移行であるが、“１”→“０”の移行も同様にゆっくりである。各デジタル遅延素子４０の読み出しバッファ４８’の出力は、アナログ−デジタル変換器８４に続かれるサンプルホールド回路８２への入力として作用する。各デジタル遅延素子４０の読み出しバッファ４８’の出力は、それに結合されたサンプルホールド回路８２及びアナログ−デジタル変換器８４によって個々にデジタル化される。図示した実施形態においては、アナログ−デジタル変換器８４は、図８に示すように“００”、“０１”、“１０”又は“１１”という４つの取り得るデジタル出力のうちの１つを提供する２ビット変換器である。例えば、図８中“トリガー”と表記された事象に時点において、サンプルホールド回路８２は、アナログ−デジタル変換器８４の“０１”の離散化レベル内にある遅延素子信号のスナップショットを撮り、その結果、アナログ−デジタル変換器８４は“０１”を出力する。より多くのビット数を有するアナログ−デジタル変換器も使用され得る。例えば、４ビット変換器は“００００”から“１１１１”までの範囲の１６レベルを提供する。しかしながら、典型的に、速いデジタル化ほど、少ないビットが関連付けられる。このデジタル化は、アナログ値をサンプリングすることによる瓶幅の補間を可能にする。この補間は、アナログ−デジタル変換器８４の分解能によって制限される。図示した２ビット変換器の場合、瓶は４つのサブ瓶に分割される。より一般的には、Ｍビットのアナログ−デジタル変換器の場合、瓶は２^Ｍ個のサブ瓶に分割され得る。

アナログ−デジタル変換器８４の出力はデコーダ８６に入力され、デコーダ８６は、組み合わせ論理、ルックアップテーブル８８の参照などを用いて、アナログ−デジタル変換器８４のデジタル化された出力に基づいてリング発振器３６’の状態を得る。１６この遅延素子４０及び２ビットのアナログ−デジタル変換器８４を有する例示の実施形態においては、状態数は１２８（１６素子×２極性×４離散化レベル）であり、出力状態を表すために７ビット９０を必要とする。デジタル化を用いない場合には３２状態（１６素子×２極性；表１参照）が存在することになるので、このことは、２ビットのアナログ−デジタル変換処理によって時間的な瓶幅が１／４に狭められることを意味する。サンプルホールド回路８２、アナログ−デジタル変換器８４、及び必要に応じてルックアップテーブル８８を含むデコード回路８６は、リング発振器３６’が図２の時間−デジタル変換器３４のリング発振器３６を置き換えるときに、変換器３４の読み出し回路部５０、５２を好適に置き換える読み出し回路の部分を定める。

図７及び８の手法は、リング発振器の全てのアナログ情報を利用する。図８に示した概して“Ｓ字”型の移行のような遅い移行８０は、アナログ−デジタル変換によって、線形あるいは実質的に線形とし得るサブサンプル軸に自動的に変換される。ルックアップテーブル８８を用いて、移行の非線形性や上昇特性と下降特性との差（“１”→“０”移行に対する“０”→“１”移行）等を不具にすることが可能なデジタル補正が行われ得る。ルックアップテーブル８８内の補正により、遅延素子４０間、又は読み出しバッファ４８’間の不一致を不具にすることも意図される。しかしながら、他の実施形態においては、図７及び８のアナログ−デジタル変換は、図２及び３のトリミングと、該トリミングが遅延素子の不整合を補正するようにして組み合わされる。図３のヒストグラムに基づく校正は、一様な瓶幅のサブ瓶をデジタル化することを実現するようにルックアップテーブル８８を校正することにも使用され得る。リング発振器３６’には、実質的に如何なる種類のロジックが使用されてもよい。移行８０はゆっくりであるため、遅延素子４０は、実質的に一層狭い帯域幅と一層低い電力を有するように設計されることが可能である。移行８０が隣接する複数の瓶に重なることが意図される。このような重なりは、リニアスケールで瓶群を横切る時間軸を組み合わせる助けとなるので有利となり得る。

放射線検出器及びＴＯＦ−ＰＥＴへの適用例を参照して、様々な時間−デジタル変換器を説明した。放射線検出器及びＴＯＦ−ＰＥＴへの適用例を参照して説明したものの、ここで開示した時間−デジタル変換器は、例えば素粒子物理学研究での放射線検出事象を記録すること、及び一般的な高速の時間依存型サンプリングを行うこと等、サブナノ秒の時間管理及びタイムスタンプ付与を必要とするその他の分野にも適用される。

好適な実施形態を参照しながら本発明を説明した。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 (22)

1. 撮像領域から放射された放射線を検出するように配置された放射線検出器であり、放射線検出事象にタイムスタンプを付与するための少なくとも１つの時間−デジタル変換器を含む放射線検出器；
   を有する飛行時間式ＰＥＴスキャナであって：
   前記時間−デジタル変換器は：
   リング発振器として動作可能に相互接続された複数のデジタル遅延素子、
   前記デジタル遅延素子に動作的に接続され、前記複数のデジタル遅延素子に実質的に共通の遅延を設定するように前記複数のデジタル遅延素子のうちの１つ以上の遅延を独立に調整するよう構成可能な複数の遅延調整素子、及び
   放射線検出事象に応答して、少なくとも前記リング発振器の状態に基づいて、タイムスタンプを生成するよう構成可能な読み出し回路、
   を含む、
   飛行時間式ＰＥＴスキャナ。
2. 前記撮像領域から放射された放射線を検出するように配置された前記放射線検出器を複数含み、更に：
   前記放射線検出事象の前記タイムスタンプに基づいて、２つの実質的に同時の放射線検出事象を識別するペア検出回路；
   前記２つの放射線検出事象を接続する空間的なライン・オブ・レスポンスを決定するラインオブレスポンス・プロセッサ；及び
   前記２つの実質的に同時の放射線検出事象の前記タイムスタンプ間の時間差に基づいて、前記ライン・オブ・レスポンスに沿って事象発生源の位置を特定する飛行時間プロセッサ；
   を含む請求項１に記載の飛行時間式ＰＥＴスキャナ。
3. 前記放射線検出器の前記時間−デジタル変換器の前記読み出し回路は更に、前記リング発振器の状態サイクル数又はサブサイクル数のカウントを生成する粗カウント回路を含み、前記タイムスタンプを生成することは更に前記カウントに基づく、請求項１に記載の飛行時間式ＰＥＴスキャナ。
4. 前記放射線検出器の前記時間−デジタル変換器は更に：
   放射線検出事象に応答して前記リング発振器の出力のヒストグラムデータを収集する回路；及び
   前記デジタル遅延素子に前記実質的に共通の遅延を設定するよう、前記ヒストグラムデータに基づいて前記遅延調整素子を調整する回路；
   を含む、請求項１に記載の飛行時間式ＰＥＴスキャナ。
5. 前記放射線検出器の前記時間−デジタル変換器の前記遅延調整素子は：
   前記デジタル遅延素子用のバイアス回路であり、前記デジタル遅延素子の遅延に影響を及ぼす前記デジタル遅延素子のバイアス条件の独立制御を提供するよう、独立して制御可能なバイアス回路、
   を含む、請求項１に記載の飛行時間式ＰＥＴスキャナ。
6. 前記放射線検出器の前記時間−デジタル変換器の各デジタル遅延素子は、前記共通の遅延の所定部分を表す２つ以上のサブ遅延素子を含み、前記読み出し回路は、前記リング発振器の状態を、前記サブ遅延素子の状態に基づいて、前記共通の遅延より短い時間分解能で計算する、請求項１に記載の飛行時間式ＰＥＴスキャナ。
7. リング発振器として動作可能に相互接続された複数のデジタル遅延素子；
   前記デジタル遅延素子に動作的に接続され、前記複数のデジタル遅延素子に実質的に共通の遅延を設定するように前記複数のデジタル遅延素子のうちの１つ以上の遅延を独立に調整するよう構成可能な複数の遅延調整素子；及び
   トリガー事象に応答して、前記リング発振器の状態を表す出力を生成するよう構成可能な読み出し回路；
   を有する時間−デジタル変換器。
8. 前記読み出し回路は：
   前記リング発振器の状態サイクル数又はサブサイクル数のカウントを生成する粗カウント回路、
   を含む、請求項７に記載の時間−デジタル変換器。
9. ランダム化されたトリガー事象に応答して前記リング発振器の出力のヒストグラムデータを収集する回路；及び
   前記デジタル遅延素子に前記実質的に共通の遅延を設定するよう、前記ヒストグラムデータに基づいて前記遅延調整素子を調整する回路；
   を含む、請求項７に記載の時間−デジタル変換器。
10. 前記デジタル遅延素子は、当該デジタル遅延素子のバイアス条件に依存する遅延を有し、前記遅延調整素子は：
    前記デジタル遅延素子用のバイアス回路であり、前記デジタル遅延素子の前記バイアス条件の独立制御を提供するよう独立して制御可能なバイアス回路、
    を含む、請求項７に記載の時間−デジタル変換器。
11. 前記デジタル遅延素子は、前記共通の遅延より実質的に短い移行時間を有する、請求項７に記載の時間−デジタル変換器。
12. 前記デジタル遅延素子は、前記共通の遅延より実質的に長い移行時間を有する読み出しバッファを含み、前記読み出し回路は：
    前記トリガー事象に応答して前記遅延素子の値をデジタル化するアナログ−デジタル変換器；及び
    デジタル化された値に基づいて、前記リング発振器の状態を、前記共通の遅延より短い時間分解能で計算するデコード回路；
    を含む、請求項７に記載の時間−デジタル変換器。
13. 前記デコード回路はルックアップテーブルを参照する、請求項１２に記載の時間−デジタル変換器。
14. 各デジタル遅延素子は：
    前記共通の遅延のオーバーサンプリングを提供する２つ以上のサブ遅延素子、
    を含む、請求項７に記載の時間−デジタル変換器。
15. 放射線検出事象を表す信号を生成する放射線検知部；及び
    請求項７に記載の時間−デジタル変換器であり、少なくとも前記信号が生成された時の前記リング発振器の状態に基づいて、前記放射線検出事象のタイムスタンプを生成するよう構成された読み出し回路を含む時間−デジタル変換器；
    を有する放射線検出器。
16. リング発振器として動作可能に相互接続された複数の遅延素子を有するリング発振器を校正する方法であって：
    ランダム化されたトリガー事象に応答して前記リング発振器の出力のヒストグラムデータを決定する段階；及び
    前記複数の遅延素子に実質的に共通の遅延を設定するよう、前記ヒストグラムデータに基づいて前記複数の遅延素子の遅延を独立に調整する段階；
    を有する方法。
17. 前記調整する段階は：
    前記遅延に影響を及ぼすデジタル素子のバイアスを調整すること、及び
    サブ瓶幅の分解能での前記リング発振器の読み出しに使用されるアナログ−デジタル変換パラメータを調整すること、及び
    サブ瓶幅の分解能での前記リング発振器の読み出しに使用されるオーバーサンプリング読み出しバッファの遅延を調整すること、
    のうちの少なくとも１つを有する、請求項１６に記載の方法。
18. リング発振器として動作可能に相互接続された複数のデジタル遅延素子であり、当該デジタル遅延素子の遅延より実質的に長い移行時間を有する読み出しバッファを含むデジタル遅延素子；
    トリガー事象に応答して前記遅延素子の値をデジタル化するアナログ−デジタル変換器；及び
    デジタル化された値に基づいて、前記トリガー事象に対応する前記リング発振器の状態を計算するデコード回路であり、計算された状態は前記デジタル遅延素子の遅延より短い時間分解能を有するデコード回路；
    を有する時間−デジタル変換器。
19. 前記アナログ−デジタル変換器は：
    前記デジタル遅延素子のアナログ値を取得するサンプルホールド回路；及び
    前記サンプルホールド回路に接続され、前記アナログ値を少なくとも２ビットの分解能でデジタル化するアナログ−デジタル変換回路；
    を含む、請求項１８に記載の時間−デジタル変換器。
20. 前記デコード回路はルックアップテーブルを参照する、請求項１８に記載の時間−デジタル変換器。
21. 放射線検出事象を表す信号を生成する放射線検知部；及び
    請求項１８に記載の時間−デジタル変換器であり、前記アナログ−デジタル変換器が前記放射線検出事象を表す信号に応答して前記遅延素子の値をデジタル化するように構成された、時間−デジタル変換器；
    を有する放射線検出器。
22. 各々が、放射線検出事象を表す信号を生成するように構成された放射線検知部と、請求項１８に記載の時間−デジタル変換器であり、少なくとも前記リング発振器の状態に基づいて、前記放射線検出事象のタイムスタンプを構築するように構成された時間−デジタル変換器とを含む、放射線検出器；
    前記放射線検出事象の前記デジタル化された値に基づいて、２つの実質的に同時の放射線検出事象を識別するペア検出回路；
    前記２つの放射線検出事象を接続する空間的なライン・オブ・レスポンスを決定するラインオブレスポンス・プロセッサ；及び
    前記２つの実質的に同時の放射線検出事象の前記タイムスタンプ間の時間差に基づいて、前記ライン・オブ・レスポンスに沿って事象発生源の位置を特定する飛行時間プロセッサ；
    を有する飛行時間式ＰＥＴスキャナ。

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