JP5771180B2 - イメージング検出器およびイメージング検出方法 - Google Patents

Description

以下は、概してデータ取得に係り、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）に対して特定の用途を見出す。しかし、それは、他の医療イメージング応用及び非医療イメージング応用にも適している。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナは、長手方向軸又はｚ軸に関して試験領域の周りを回転する回転式ガントリに取り付けられているＸ線管を有する。検出器アレイは、Ｘ線管から試験領域の反対側に、角度のある円弧の範囲を定める。検出器アレイは、試験領域及びその中の被験者又は対象を横断する放射線を検出して、それを示す信号を発生させる。再構成部は、信号を再構成して、容積画像データを生成する。容積画像データは、１又はそれ以上の画像を生成するよう処理されてよい。

検出器アレイは、一般的に、処理電子回路へ電気的に結合されている光センサアレイへ光学的に結合されているシンチレータアレイを有する。シンチレータアレイは、自身に衝突した放射線を示す光を発生させ、光センサアレイは、その光を示す電気信号を生成し、そして、処理電子回路は、検出された放射線を示すデジタルデータを電気信号に基づき生成するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を有する。デジタルデータは、再構成部によって再構成される信号を発生させるよう処理される。

あいにく、検出技術はより多くのスライス、より小さなスライス幅、より低い信号、及びより速い回転時間へと進化し続けているが、ノイズ及び／又は空間分解能の制約がイメージング性能を制限しうる。

本願の態様は、上記の事項及び他に対処する。

一態様に従って、イメージング検出器は、シンチレータアレイと、前記シンチレータアレイへ光学的に結合される光センサアレイと、電流−周波数（Ｉ／Ｆ）変換器と、ロジックとを有する。前記Ｉ／Ｆ変換器は、積分器及び比較器を有する。前記Ｉ／Ｆ変換器は、現在の積分期間の間、前記光センサアレイによって出力された電荷を該電荷を示す周波数を有するデジタル信号に変換する。前記ロジックは、前記現在の積分期間に係る前記デジタル信号に基づき次の積分期間のための前記積分器のゲインを設定する。

他の実施形態においては、方法は、放射線衝突を示す電荷を、検出器タイルの電流−周波数（Ｉ／Ｆ）変換器を介して、前記電荷を示す周波数を有するデジタル信号に変換するステップと、前記Ｉ／Ｆ変換器の出力に基づき前記Ｉ／Ｆ変換器のゲインを特定するステップとを有する。

他の実施形態においては、イメージングシステムは、試験領域を横断する放射線を発する放射線源と、前記試験領域を横断する放射線を検出する検出器アレイとを有する。前記検出器アレイは、シンチレータアレイと、前記シンチレータアレイへ光学的に結合される光センサアレイと、電流−周波数（Ｉ／Ｆ）変換器とを有する。前記Ｉ／Ｆ変換器は、積分器及び比較器を有し、現在の積分期間の間、前記光センサアレイによって出力された電荷を該電荷を示す周波数を有するデジタル信号に変換する。ロジックは、前記現在の積分期間に係る前記デジタル信号に基づき次の積分期間のための前記積分器のゲインを設定する。

本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置において、並びに様々なステップ及びステップの配置において具体化してよい。図面は、単に、好ましい実施形態を表すためのものであり、本発明を限定するよう解されるべきではない。

イメージングシステムの例を表す。 検出器タイルの例を表す。 検出器電子回路の例を表す。 検出器電子回路の例を表す。 ゲイン曲線の例を表す。 ゲインステッピング図の例を表す。 ゲイン切り換えタイミング図の例を表す。 方法の例を表す。 複数のキャパシタを備える積分器リセットスイッチを表す。 １６個のキャパシタを備える積分器リセットスイッチを表す。

図１は、例えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナのようなイメージングシステム１００を表す。イメージングシステム１００は、一般的に、固定式ガントリ１０２及び回転式ガントリ１０４を有する。回転式ガントリ１０４は、固定式ガントリ１０２によって回転可能なように支持されており、長手方向軸又はｚ軸方向について試験領域１０６の周りを回転する。例えばｘ線管のような放射線源１０８が、回転式ガントリ１０４によって支持されており、試験領域１０６を横断する放射線を発する。

放射線感受性の検出器アレイ１１２は、試験領域１０６を横切って放射線源１０８の反対側に角度のある円弧の範囲を定め、試験領域１０６を横断する放射線を検出する。表されている実施形態では、放射線感受性検出器アレイ１１２は、ｚ軸を横切る方向に沿って互いに対して配置されている複数の検出器モジュール１１４を有する。検出器モジュール１１４は、ｚ軸に沿って互いに対して配置されている複数の検出器モザイク又はタイル１１６を有する。１つの例において、検出器アレイ１１２は、２００１年７月１８日付けで出願された米国特許第６５１０１９５（Ｂ１）号明細書（発明の名称「Solid State X-Radiation Detector Modules and Mosaics thereof, and an Imaging Method and Apparatus Employing the Same」）に記載されている検出器アレイと実質的に同じであり、且つ／あるいは、該検出器アレイに基づく。この特許文献は、その全文を参照により本願に援用される。他の検出器アレイ配置も本願においては考えられている。

図２を参照すると、図１の線Ａ−Ａに沿った検出器タイル１１６の断面図が表されている。表されているタイル１１６は、物理的及び光学的に光センサアレイ２０４へ結合されているシンチレータアレイ２０２を有する。光センサアレイ２０４は、基板２０４を介して電子回路２０８へ電気的に結合されている。例えばコネクタピン又は他の電気的な経路のような電気経路２１２は、電源及びデジタルＩ／Ｏ信号を伝える。そのようなタイルの例は、「A New 2D-Tiled Detector for Multislice CT」、Luhta等、Medical Imaging 2006: Physics of Medical Imaging、Vol.6142、pp.275-286（２００６年）に記載されている。他の適切なタイルは、２００６年３月３０日付けで出願された米国特許出願第６０／７４３９７６号明細書（発明の名称「Radiation Detector Array」）に記載されている。この特許文献は、その全文を参照により本願に援用される。他の電子回路も考えられている。

図３は、電子回路２０８の例を表す。アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３１４は、積分器３０２（増幅器３０４及び積分キャパシタ３０６）と、比較器３１０とを有する。積分器３０２は、積分期間の間、光センサアレイ２０４及び、もし用いられるならばバイアス電流３００によって出力される電荷を積分する。比較器３１０は、増幅器３０４の出力を閾値と比較し、出力が閾値を上回る場合には、そのことを示す信号（例えば、パルス）を発生させる。リセットスイッチ３０８は、パルスの発生に応答して、積分期間の間に積分器３０２をリセットする。

上記の構成において、Ａ／Ｄ変換器３１４は、それが入力電荷を示すパルス周波数を有するパルス列を生成する点で、電流−周波数（Ｉ／Ｆ）変換器として用いられる。そのような電子回路の一例は、更に、２００１年１１月７日付けで出願された米国特許第６６７１３４５（Ｂ２）号明細書（発明の名称「Data Acquisition for Computed Tomography」）に記載されている。この特許文献は、その全文を参照により本願に援用される。他の適切な電子回路は、１９７５年１１月２８日付けで出願された米国特許第４０５２６２０号明細書（発明の名称「Data Acquisition for Computed Tomography」）に記載されている。いずれの文献も、その全文を参照により本願に援用される。他の変換器も本願においては考えられている。

デジタルロジック３１２は、比較器３１０の出力に含まれるパルスの検出に応答して、積分期間の境界において、及び／又は別なふうに、積分器３０２をリセットするようリセットスイッチ３０８を閉じることを含め、リセットスイッチ３０８を制御する。以下でより詳細に記載されるように、リセットスイッチ３０８は、２又はそれ以上の積分器ゲインに対応する２又はそれ以上のリセットキャパシタンスを有するよう構成されてよく、デジタルロジック３１２は、２又はそれ以上のリセットキャパシタンスから適切なリセットキャパシタンスを選択するために使用される積分器３０２のためのゲインを決定するよう構成されてよい。これは、より小さい電荷信号についてはより高いゲインを、より大きい電荷信号についてはより低いゲインを動的に選択すること、又はより小さい及びより大きい電荷信号を測定するためにダイナミックレンジを動的に切り換えることを可能にする。

アナログバイアス電流は、実際の検出器信号がないときにデジタル化のための最小限の信号を発生させるために必要とされるので、明らかなように、ゲインを増大させることは、例えばゲイン係数だけ又はゼロへと、バイアス電流３００の量を低減させることを可能にし、そして、バイアス電流３００を低減させることは、（例えば、バイアス電流減少の平方根だけ）ショットノイズを低減させ、及び／又はバイアス電流減少に比例してフリッカノイズを低減することができる。線形誤差は、一般的に、信号レベル及びゲインとともに増減し、ゲイン値は、線形補正が用いられるならば、それとともに用いられてよい。低い信号レベルは、一般的に、適切な線形性を有しており、従って、そのような補正は、制限又は省略されてよい。電子回路２０８が対数（log）変換を有する構成においては、ゲイン係数は、対数変換器への入力であって、対数データを利用する再構成サブシステムに対してトランスペアレントであってよい。

デジタルロジック３１２は、また、比較器３１０の出力を処理する。一例において、この処理は、比較器３１０からのパスルの数をカウントし、積分期間の最初のパルスから積分期間の最後のパルスまでの時間を決定することを含む。このデータから、デジタルロジックユニット３１２は、パルスの周波数（例えば、（積分期間におけるパルスの数）／（積分期間における最初と最後のパルスの間の時間））を示す出力信号を生成することができる。この出力信号は、入力された電荷を示す。

図１に戻ると、再構成部１１８は、検出器アレイ１１２からの信号を再構成し、それを示す容積画像データを生成する。画像プロセッサ等は、画像データに基づき１又はそれ以上の画像を生成することができる。汎用のコンピュータシステムがオペレータ・コンソール１２０として働く。コンソール１２０に存在するソフトウェアは、オペレータがシステム１００の動作を制御することを可能にする。患者支持台１２２（例えば、カウチ）は、試験領域１０６において対象又は被験者（例えば、患者）を支持する。

図４は、リセットスイッチ３０８及びロジック３１２の実施例を表す。表されているリセットスイッチ３０８は、第１の積分器ゲインに対応する第１のキャパシタンスを有し、第１のスイッチ４０４へ結合されている第１のキャパシタ４０２と、第２の積分器ゲインに対応する第２のキャパシタンスを有し、第２のスイッチ４０８へ結合されている第２のキャパシタ４０６とを有する。２つのスイッチ／キャパシタの組が、例示される実施形態において示されているが、他の実施形態では、２よりも多いスイッチ／キャパシタの組が用いられてよい。かかる実施形態では、２又はそれ以上（全てを含む）組は、異なった積分ゲインに対応してよい。

スイッチ４０４及び４０８の夫々は、独立して、対応するキャパシタ４０２又は４０６が基準電圧と電気的に接続する第１の状態と、対応するキャパシタ４０２又は４０６が積分器３０２の入力と電気的に接続する第２の状態との間で切り換わる。スイッチ４０４及び４０８は、同時に第１の状態になることができるが、一方のスイッチ４０４又は４０８し如何なる時点においても第２の状態にならない。第２の状態にあるとき、夫々のキャパシタは、積分器３０２をリセットするために使用される。

ロジック３１２は、比較器３１０の出力信号においてパルスを識別して、それに応答してリセット信号を生成するパルス識別器４１０を有する。リセット信号は、スイッチ４０４及び４０８の選択された１つの切り換えを引き起こす情報を含む。例えば、信号は、積分期間の間に積分器３０２をリセットするためにその期間のためのゲインに対応するスイッチ４０４（又はスイッチ４０８）を積分期間の間に切り換えることをもたらす情報を含んでよい。

ロジック３１２は、積分期間の間のパルスカウント及び１又はそれ以上の閾値４１４に基づきゲイン信号を生成するゲイン信号発生器４１２を更に有する。カウンタ４１６は、積分期間の間、識別されたパルスをカウントし、パルスカウント値を発生させる。ゲイン信号は、ゲイン値又はゲイン係数を示す情報を含む（例えば、ゲインの変化を表す。）。それは、スイッチ４０４又は４０８のどちらが後の積分期間の間にリセットされるべきかを示す。情報は、２進数又は非２進数データにより表されてよい。

上記の実施形態は、現在の積分期間の電荷信号レベルに基づき、後の積分期間のためのゲインを動的に制御することを可能にする。そのようなものとして、入力された電荷信号、従って、パルスカウントが積分期間の間比較的高い場合には、より低いゲイン／より高いキャパシタンスが次の積分期間のために選択される。より低いキャパシタンスを用いることは、より高いゲインキャパシタを用いることと比べて、より高い信号を飽和する前に受け入れるよう増幅器のダイナミックレンジの上限を広げる。

入力された電荷信号、従って、パルスカウントが積分期間の間比較的低い場合には、より高いゲイン／より低いキャパシタンスが次の積分期間のために選択される。より低い値のキャパシタを用いることは、より高い値のキャパシタを用いることと比べて、より小さい信号を測定するようダイナミックレンジの下限を広げる。本願で論じられるように、ダイナミックレンジの下限を広げることは、積分器３０２に投入されるバイアス電流の量を低減することを可能にする。

上記の例では、スイッチ４０４及び４０８は独立して切り換えられ、積分器３０２は、第１のゲインに対応する第１のキャパシタ４０２、又は第２のゲインに対応する第２のキャパシタ４０６のいずれか一方を積分器３０２の入力へ電気的に接続することによって、リセットされる。他の実施形態では、スイッチ４０４及び４０８は、同時に切り換えられてもよい。そのような実施形態では、より低いリセットゲインが、スイッチ４０４及び４０８の両方を同時に閉じることによって設定され得る。このとき、リセットキャパシタンスは、第１及び第２のキャパシタンスの和である。より高いリセットゲインは、上述されたように、スイッチ４０４（又は代替的にスイッチ４０８）を閉じて、第１のキャパシタ４０２（又は第２のキャパシタ４０６）を積分器３０２の入力へ電気的に接続することによって、設定され得る。

そのようなものとしてキャパシタを共有することは、キャパシタが共有されない実施形態と比べて第２のキャパシタ４０６（又は第１のキャパシタ４０２）を小さくすることができるので、リセットスイッチ３０８のフットプリントを小さくすることを可能にする。更に、集積回路のレイアウトにおいては、所与のサイズのキャパシタは、制御可能な、寄生がないスイッチによって接続されるより小さいキャパシタから作られてよく、このとき、１つの大きなキャパシタンス値は、スイッチを介して接続される複数（例えば、１６個）の等しい又は等しくないサイズのより小さいキャパシタから作られてよい。これは、回路のゲイン（リセットキャパシタンス値）が、デジタル２進法で（例えば、１から１６まで）選択されることを可能にするとともに、キャパシタの値がプロセス変動を考慮するようそれらのレイアウト位置を介して正確に再現されることを可能にする。これにより、ゲイン切り換えのための正確な線形性を得ることができ、実質的に線形なゲイン変化実施を構成することが可能となる。

上記の実施形態に係る１つの限定されない実施が、図９のブロック図において示されている。リセットスイッチ３０８は、スイッチ９０４を介して並列に電気的に接続され得る複数のキャパシタ９０２を有し、特定のキャパシタンス値は、スイッチ９０４の１又はそれ以上を選択的に閉じることによって設定可能である。他の限定されない実施は、図１０のブロック図に示されている。リセットスイッチ３０８は、特定のリセットキャパシタンス値（例えば、４、１６、又は他の数のリセットキャパシタンス値）を提供するよう並列に電気的に接続され得る１６個のキャパシタＣ１，・・・，Ｃ１６を有する。図９に示されるのと同じ、寄生がないスイッチが、図１０に関連して使用されてよい。

表１は、キャパシタＣ１，・・・，Ｃ１６の限定されない組み合わせを示す。それらは、４つのリセットキャパシタンス値ＲＳ１，・・・，ＲＳ４を提供するために使用されてよく、それにより、キャパシタンスの２値組み合わせが、トータル値の１／１６の増分においてキャパシタンスの値を生成するよう選択され得る。表２は、１６個のキャパシタンス値ＲＳ１，・・・，ＲＳ１６を提供するために使用され得るキャパシタＣ１，・・・，Ｃ１６の限定されない組み合わせを示す。

２つの異なったゲインに係るダイナミックレンジの上限及び下限の例が図５に示されている。ｙ軸はＡ／Ｄ変換器の出力信号を表し、ｘ軸は積分器３０２の入力における電流を表す。２つのゲイン曲線、すなわち、低位ゲイン曲線５０４及び高位ゲイン曲線５０２が図５には示されている。低位ゲイン曲線５０４は、高位ゲイン曲線５０２の飽和点５０８と比べて高い電荷レベル飽和点５０６を有するが、高位ゲイン曲線５０２は、低位ゲイン曲線５０４のノイズフロア５１２と比べて低いノイズフロア５１０を有する。そのようなものとして、低位ゲイン曲線５０４は、より高い電荷レベルに適し、高位ゲイン曲線５０２は、より低い電荷レベルに適する。線形なゲイン曲線が表されているが、非線形なゲイン曲線も本願では考えられている。

図６は、適切なゲインステッピング図の例を表す。ｙ軸は積分期間の間のゲインを表し、ｘ軸は積分期間の間のカウント値を表す。表されている実施形態においては、ゲインは１ｘと４ｘとの間で切り換えられる。表されているゲインステップ及びゲイン切り換え位置は、例示のために提供され、本発明を限定しない。他の実施形態では、他のゲイン値（例えば、１、２、４、１６、３２等、又は非２進ステップ）が使用されてよく、且つ／あるいは、２よりも多いゲイン値が使用されてよい（例えば、４、８、１６、・・・、５１２等、又は非２進値）。

表されている実施形態において、ゲインは１ｘにあるとすると、ゲインは、後の積分期間のパルスカウントが１６以上である限り、１ｘのままである。積分期間のパルスカウントが１６を下回る場合には、次の積分期間のためのゲインは、上述されたようにより低いキャパシタンスのキャパシタを選択することにより、４ｘに切り換えられる。４ｘのゲインは、後の積分期間のパルスカウントが１２８よりも小さい限り、４ｘのままである。後の積分期間のパルスカウントが１２８を上回る場合には、次の積分期間のためのゲインは、上述されたようにより高いキャパシタンスのキャパシタを選択することにより、１ｘに切り換えられる。

図７は、ゲイン切り換えタイミング図の例を示す。表されている図においては、ゲインは、リセットパルス７０４の後に７０２で、サンプルクロックの正の半分７０６の間に、切り換えられる。一例において、これは、リセット電荷が正確であるように積分器リセットキャパシタを充電するのに十分な時間があることを確かにしうる。他の実施形態では、ゲインは別なふうに切り換えられる。

図８は、方法を表す。

８０２で、積分器ゲインが設定される。

８０４で、積分期間のために積分器３０２がリセットされる。

８０６で、積分期間の間、電荷が累算される。

８０８で、積分期間の間、累算された電荷が所定の電荷閾値を超える場合に、パルスが生成される。

８１０で、積分期間の間、累算された電荷が所定の電荷閾値を超える場合に、積分器３０２がリセットされる。

８１２で、積分期間のパルスがカウントされる。

８１４で、パルスカウントが所定の範囲外にある場合に、積分器３０２のゲイン値が変更される。本願で記載されるように、これは、パルスカウントが第１のパルスカウント閾値を下回る場合にゲインを増大させ、パルスカウントが第２のパルスカウント閾値を上回る場合にゲインを減少させることを含んでよい。

動作８０４乃至８１４は、１又はそれ以上の積分期間について繰り返される。

本発明は、様々な実施形態を参照して本願において記載されてきた。変形及び代替は、本願の記載を読むことで当業者に想到可能である。本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等の適用範囲内にある限り、そのような変形及び代替の全てを包含すると考えられる。

Claims (11)

1. シンチレータアレイと、
   前記シンチレータアレイへ光学的に結合される光センサアレイと、
   積分器及び比較器を有し、現在の積分期間の間、前記光センサアレイによって出力された電荷を該電荷を示す周波数を有するデジタル信号に変換する電流−周波数変換器と、
   前記現在の積分期間に係る前記デジタル信号に基づき次の積分期間のための前記積分器のゲインを設定するロジックと、
   前記ロジックによって設定される前記ゲインに基づき前記積分器をリセットするリセットスイッチと
   を有し、
   前記リセットスイッチは、第１のキャパシタンスを有する第１のリセットキャパシタと、異なる第２のキャパシタンスを有する第２のリセットキャパシタとを有し、前記第１のキャパシタンス又は前記第２のキャパシタンスは第１のリセットゲインに対応し、前記第１のキャパシタンス及び前記第２のキャパシタンスの和は第２のリセットゲインに対応し、前記第１のリセットキャパシタ及び前記第２のリセットキャパシタは、前記積分器をリセットするために同時に用いられる、
   イメージング検出器。
2. 前記積分器は、前記電荷を累算し、
   前記比較器は、累算された電荷が所定の閾値を超える場合にパルスを生成し、
   前記ロジックは、パルスが生成される場合に前記積分器をリセットし、前記現在の積分期間に係るパルスカウントに基づき前記ゲインを設定する、
   請求項１に記載のイメージング検出器。
3. 前記ロジックは、前記パルスカウントが第１のカウント閾値を下回ることに応答して前記ゲインを増大させる、
   請求項２に記載のイメージング検出器。
4. 前記ゲインを増大させることで前記電流−周波数変換器のノイズフロアが低減され、前記ゲインを増大させる前よりも小さい電荷が前記電流−周波数変換器によって測定可能となる、
   請求項３に記載のイメージング検出器。
5. 前記ロジックは、前記パルスカウントが第２のカウント閾値を上回ることに応答して前記ゲインを減少させる、
   請求項２乃至４のうちいずれか一項に記載のイメージング検出器。
6. 前記ゲインを減少させることで前記電流−周波数変換器の飽和レベルが増大し、前記ゲインを減少させる前よりも高い電荷が前記電流−周波数変換器によって飽和の前に測定可能となる、
   請求項５に記載のイメージング検出器。
7. 前記ロジックは：
   前記比較器の出力におけるパルスをカウントするカウンタ；
   １又はそれ以上のカウント閾値；及び
   前記カウント及び前記１又はそれ以上のカウント閾値に基づき前記ゲインを示すゲイン信号を生成するゲイン信号発生器
   を有する、
   請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のイメージング検出器。
8. 前記ロジックは：
   前記比較器の前記出力におけるパルスを識別するパルス識別器
   を更に有し、
   前記カウンタは、識別されたパルスをカウントし、前記ゲイン信号発生器は、前記識別されたパルスのカウントに基づき前記ゲイン信号を生成する、
   請求項７に記載のイメージング検出器。
9. 前記ロジックは、前記パルス識別器が前記比較器の前記出力におけるパルスを識別したことに応答して、前記現在の積分期間と前記次の積分期間との間の境界で前記リセットスイッチをリセットする、
   請求項８に記載のイメージング検出器。
10. 放射線衝突を示す電荷を、検出器タイルの、積分器及び比較器を有する電流−周波数変換器を介して、前記電荷を示す周波数を有するデジタル信号に変換するステップと、
    前記電流−周波数変換器の出力に基づき前記電流−周波数変換器のゲインを特定するステップと、
    前記特定されたゲインに基づき前記積分器をリセットするステップと
    を有し、
    前記リセットするステップは、第１のキャパシタンスを有する第１のリセットキャパシタと、異なる第２のキャパシタンスを有する第２のリセットキャパシタとを有するリセットスイッチによって実行され、前記第１のキャパシタンス又は前記第２のキャパシタンスは第１のリセットゲインに対応し、前記第１のキャパシタンス及び前記第２のキャパシタンスの和は第２のリセットゲインに対応し、前記第１のリセットキャパシタ及び前記第２のリセットキャパシタは、前記積分器をリセットするために同時に用いられる、
    イメージング検出方法。
11. 前記電流−周波数変換器のゲインを特定するステップは、現在の積分期間に係る前記電流−周波数変換器の出力に基づき次の積分期間のためのゲインを特定するステップを含む、
    請求項１０に記載のイメージング検出方法。

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