JP6306062B2 - 検出された放射量子のタイムスタンピング - Google Patents

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Description

本発明は、検出された放射量子のタイムスタンピングに関し、高エネルギー粒子物理学の用途に適用される。そのような用途は、チェレンコフ放射等、光学的光子の形態での放射量子の直接検出、及びシンチレータ要素によって生成される光学的光子による放射量子の間接検出を包含する。本発明は、ＰＥＴ撮像システムで特に適用され、より具体的には、本発明は、飛行時間（ＴＯＦ：time-of-flight）ＰＥＴ撮像システムで使用され得る。
ＰＥＴ撮像において、ＰＥＴ撮像領域内への患者や動物等の被験体の位置決め前に、被検体に放射性トレーサが投与される。放射性トレーサは、好ましくは被験体内の領域によって吸収され、取込み期間後にその分散が撮像される。その後、臨床医は、臓器等、画像内の特定の領域での相対的な取込みを解釈し、被験体の診断を行うことができる。放射性トレーサは放射性崩壊を生じ、これは陽電子の生成をもたらす。各崩壊事象が１つの陽電子を生成し、陽電子は、人体組織内に数ｍｍまで進み、その後、そこで消滅事象において電子と相互作用し、この消滅事象は、２つの逆向きのγ光子を生成する。２つのγ光子はそれぞれ５１１ｋｅＶのエネルギーを有し、その後、ＰＥＴ撮像領域の周りに放射状に配設されたγ光子検出器によって検出され、γ光子検出器はそれぞれ、入射γ光子によって衝突されたときに電気信号を生成する。本明細書では光検出器と光通信するシンチレータ要素を備えるように定義されたγ光子検出器において、シンチレータ要素は、高エネルギーγ光子を、幾つかの光学的光子を備えるシンチレーション光パルスに変換し、光検出器によって電気信号が生成される。タイムスタンピングユニットによって各電気信号にタイムスタンプが発行され、同時性判断ユニットにおいて他のタイムスタンプと比較される。２つのγ光子は、それらのタイムスタンプが互いに対して狭い時間間隔内で生じる場合、典型的には±３ｎｓ以内の場合に、同時と識別される。同時のγ光子を受け取る２つの検出器の位置は、消滅事象が生じた空間内のラインを定義し、このラインは応答ライン（ＬＯＲ：line of response）と称される。そのようなＬＯＲは、その後、撮像領域内部での放射性トレーサの分散を示す画像を生成するように再構成される。飛行時間（ＴＯＦ）ＰＥＴでは、消滅事象が生じたＬＯＲに沿った位置を位置特定し、それにより再構成画像の空間解像度を改良するために、２つの検出されたγ光子間の小さな時間差が更に使用される。相互作用深さ（ＤＯＩ：depth-of-interaction）ＰＥＴでは、視差誤差を減少させることによって再構成画像の空間解像度を改良するために、２つの検出されたγ光子の軌道が更に評価され得る。
ＰＥＴ撮像システムでは、一般に、受け取られたγ光子にタイムスタンプを発行するタイムスタンピングユニットは、典型的には、時間−デジタル変換器（ＴＤＣ：time-to-digital converter）等の計時ユニットと、タイムスタンプトリガユニットとを含む。計時ユニットは、タイムスタンプトリガユニットによって、同時性判断ユニットによる後続の解析のために各γ光子の受取りの時間を示すタイムスタンプを生成するようにされる。タイムスタンプトリガユニットは、その入力での信号が所定の閾値を超えたときに、計時ユニットにタイムスタンプを生成させ、このタイムスタンプの生成は、望ましくは、ＰＥＴ撮像システムの計時精度を最適化するためにγ光子の検出後できるだけすぐに行われる。
チェレンコフ放射等の放射量子の直接検出で計時目的のために使用されるタイムスタンピングユニットも同様に動作する。しかし、チェレンコフ放射の検出では、光検出器は、検出された放射量子から直接、従ってシンチレータ要素なしで電気信号を発生する。
計時ユニットの誤トリガは、いわゆる直接検出を採用するシステムにおいても、ＰＥＴ撮像システム等、間接検出を採用するシステムにおいても生じ得る問題であり、光検出器としてガイガーモードで動作するデジタルシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ：silicon photomultiplier）検出器を採用するシステムにおいて特に顕著である。デジタルＳｉＰＭ検出器は、ダークカウント雑音を受け、ダークカウント雑音は、光パルスや受け取られたγ光子等、妥当な事象がないときに、光検出器の出力で偽の電気パルスとして現れる。ダークカウント雑音からの電気パルスは、タイムスタンプトリガユニットによって頻繁に誤解され、誤って計時ユニットにタイムスタンプを生成させる。そのような誤トリガは、計時ユニットデッドタイムを生じ、このデッドタイムは、計時ユニットがリセットされなければならず、妥当な事象の受取りの時間を決定することができない期間である。ダークカウント雑音は、温度に大きく依存し、室温でさえかなりの計時ユニットデッドタイムを生じ得る。
ダークカウント雑音と妥当な事象からの信号との幾らかの区別は、タイムスタンプトリガユニットの閾値を高めることによって実現され得る。しかし、これは、限られた利益しか有さない。なぜなら、ダークカウント雑音と妥当な事象との両方から生じる電気パルスの信頼性の低い性質が、タイムスタンプトリガユニットをトリガするのに十分に大きい信号を幾つかの妥当な事象が生成しないというリスクを生じるからである。妥当な事象の見逃しは、検出感度を低下させる。ＰＥＴ撮像では、これは、システムの信号対雑音比を低下させる。タイムスタンプトリガユニットの閾値を高めることは、妥当な事象の受取りとそのタイムスタンプの時点との間の時間遅延を増加するという更なる欠点を有し、それにより、タイムスタンピングユニットの計時精度を低下させる。
ダークカウント雑音の影響を緩和するために、２つの更なる方法も導入されている。即ち、光検出器の冷却とトリガ妥当性検査とである。光検出器の冷却は、ダークカウント雑音の温度依存性によりダークカウント雑音を減少させ、典型的にはそのような撮像システムの要件である。これは、光検出器への大きな冷却装置の取付けを必要とし、システムサイズ、コスト、及び電力要件に悪影響を及ぼす。また、トリガ妥当性検査は、ＰＥＴ撮像に関して採用されている。トリガ妥当性検査において、γ光子から生じるシンチレーション光パルスに応答する光検出器からの電気信号が、トリガ妥当性検査信号を発生するために使用され、このトリガ妥当性検査信号は、トリガ信号がダークカウント雑音ではなくγ光子から発したものであることを示す。国際公開第２００６／１１１８８３Ａ２号で開示される既知のトリガ方式では、タイムスタンプトリガユニットは、シンチレーション光パルスでの最初の光学的光子が検出されたときに計時ユニットにタイムスタンプを生成させる。トリガ妥当性検査方式は、幾つかのそのような光検出器信号の論理ＡＮＤ／ＯＲに基づいて、対応する妥当性信号を発行し、この妥当性信号は、その後、そのような光検出器信号の所定数が閾値を超えるときに真になる。γ光子の受取りの結果生じる計時ユニットの妥当なトリガは、複数の光検出器でのシンチレーション光の検出によって特徴付けられ、真の妥当性信号を生じ、タイムスタンプの処理をもたらす。対照的に、ダークカウント雑音は、より少数の光検出器をトリガし、偽の妥当性信号を生じ、その結果、タイムスタンプが拒否され、計時ユニットがリセットされる。
しかし、これらの解決策は、ダークカウント雑音を許容レベルまで減少させるために光検出器が冷却されなければならないという欠点を依然として有する。更に、タイムスタンプトリガユニットの高い閾値が、実現可能な計時分解能を制限する。
本発明の目的は、高エネルギー粒子物理学の用途において、検出された放射量子のタイムスタンピングにおける雑音除去を改良することである。本発明の更なる目的は、そのような検出された放射量子の計時の精度を改良することである。
これらの目的は、光検出器画素アレイと、タイムスタンプトリガユニットと、計時ユニットとを備える放射線検出デバイスによって実現される。システム、方法、及びコンピュータプログラム製品も、これらの目的のために開示される。放射線検出デバイスにおいて、光検出器画素アレイは、光学的光子によってトリガされ得る１つ又は複数の画素セルを備える。タイムスタンプトリガユニットは、計時ユニットと通信する。タイムスタンプトリガユニットは、光検出器画素アレイから信号を受信するように構成され、更に、光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する画素セルトリガレートを決定するように構成される。本発明の第１の態様によれば、タイムスタンプトリガユニットは、光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する画素セルトリガレートに基づいて計時ユニットにタイムスタンプを生成させるように構成される。好ましい実装形態では、画素セルトリガレートが所定のレートを超える場合にタイムスタンプが生成される。他の企図される実装形態では、画素セルトリガレートが所定のレート未満である、所定のレートの所定の範囲内にある、又は所定のレートに等しい場合にタイムスタンプが生成される。これは、タイムスタンプトリガユニットが、シンチレーション光パルスでの最初の光学的光子が検出されたときに計時ユニットにタイムスタンプを生成させる既知の方法とは異なる。放射量子の検出を特徴付ける光パルスは、典型的には短期間だけ生じるので、一般に、検出された放射量子の計時における雑音の除去は、画素セルトリガレートに基づいて区別する、従って計時ユニットにタイムスタンプを生成させることによって改良される。例えば、ＰＥＴ撮像において、シンチレータ要素によるγ光子の受取りにより生じるシンチレーション光パルスは、光学的光子発生の高い初期レート、従って高い画素セルトリガレートによって特徴付けられ、一方、ダークカウント雑音は、より低いレートでの画素セルのトリガによって特徴付けられる。やはり想定されているいわゆる直接検出用途では、対象の元の光パルスは、同様に、光学的光子の短いパルスとして生じる。画素セルトリガレートに基づいて計時ユニットにタイムスタンプを生成させることによって、タイムスタンプトリガユニットは、光学的光子から生じる電気信号と、ダークカウント雑音によって引き起こされる電気信号との間の改良された区別を提供する。計時ユニットは、電気信号が光学的光子から発している確率が高いときにのみタイムスタンプを生成するので、雑音によってタイムスタンプを生成するようにトリガされた結果として計時ユニットがリセットされる頻度が減少される。その結果、検出される放射量子のタイムスタンピングでの雑音の除去が改良される。このようにして、雑音による誤トリガ後の計時ユニットの固有のリセット時間は、あまり頻繁には引き起こされず、計時ユニットは、より大きな時間の割合にわたって、光学的光子の検出をタイムスタンプするために利用可能である。計時ユニットを誤ってトリガする頻度の減少により生じる更なる利点は、光検出器の冷却要件の緩和である。これは、本発明を使用する計時ユニットが、既存の方法よりも高い温度でさえ、同じ時間の割合にわたってタイムスタンプを生成することが可能であるからである。例えば、ＰＥＴ撮像において、シンチレータ要素での光学的光子発生の高い初期レートにより、トリガレートも短期間で評価され得て、それにより、γ光子の受取りにより生じるシンチレーション光と、パルスダークカウント雑音との迅速な区別を可能にする。これは、計時精度を更に改良する。画素セルトリガレートに基づく計時ユニットのトリガにより得られる更なる利点は、その改良された雑音除去が、より少数の光学的光子の検出後にタイムスタンプの生成を可能にすることである。これは、タイムスタンプトリガユニットのトリガレベルを、光検出器の雑音レベルのより近くまで減少させることを可能にし、例えば最初の光学的光子の検出後のタイムスタンプの生成を可能にし、それによりタイムスタンピングユニットの計時分解能を改良する。
本発明の別の態様によれば、画素セルトリガレートが閾値レート値を超える場合にタイムスタンプが生成される。画素セルトリガレートが閾値レート値を超えることに基づいてタイムスタンプの生成を決定することによって、放射量子から生じる光パルスからの画素セルトリガレートよりも低い画素セルトリガレートを典型的には生じるダークカウント雑音に対する区別が改良される。
本発明の別の態様によれば、画素セルトリガレートは、所定の遅延期間内に、光検出器画素アレイ内のトリガされた画素セルの数を計算することによって決定される。画素セルは、単一光学的光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ：single optical photon avalanche detector）（又はシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）画素セルとして知られている）でよく、これらは、画素セルがトリガされているか否かに対応するデジタル出力状態を有する。従って、レートは、遅延期間と称される所定の時間内にトリガされている、従って光学的光子の検出を示すトリガ状態に設定されている画素セルの数を計算、従って計数することによって決定され得る。所定の遅延期間の使用は、トリガされた画素セルの時間プロファイルに基づく光検出器画素アレイからの信号の区別を可能にする。
本発明の別の態様によれば、タイムスタンプは、画素セルトリガレート条件を満たす前に、トリガされた画素セルのカウント条件を満たすことに基づいて生成される。これらの条件は、例えば、トリガされた画素セルのカウント若しくは画素セルトリガレートが、それぞれ所定のカウント若しくはレートを超える、所定のカウント若しくはレート未満である、所定のカウント若しくはレートの所定範囲内である、又は所定のカウント若しくはレートに等しいというものでよい。有利には、光検出器アレイからの信号の信憑性は、タイムスタンプの生成前に改良され、改良された雑音除去をもたらす。
本発明の別の態様によれば、画素セルトリガレートが閾値レート値を超える前に、トリガされた画素セルのカウントが閾値カウント値を超える場合に、タイムスタンプが生成される。更に、画素セルトリガレートは、トリガされた画素セルのカウントが閾値カウント値を超えるときに始まる所定の遅延期間内で、光検出器画素アレイ（３ａ）内のトリガされた画素セルの数を計算することによって決定される。その結果、トリガされた画素セルのカウントが閾値カウント値を超え、次いでその後、所定の遅延期間の終了前により高いカウント値を超え、それにより閾値レート値が超えられる場合に、タイムスタンプが生成される。有利には、光検出器アレイからの信号の信憑性は、タイムスタンプの生成前に改良され、改良された雑音除去をもたらす。
本発明の別の態様によれば、計時ユニットからタイムスタンプを受け取るように構成されたタイムスタンプ調節ユニットが更に提供される。タイムスタンプ調節ユニットは、第１のタイムスタンプの時点から所定の遅延期間を減算することによって、調節された第１のタイムスタンプを生成するように構成され、この調節された第１のタイムスタンプは、所定のトリガされた画素セルのカウント条件が満たされた時点を示す。減算は、例えば制御ユニット内部の処理装置によって行われ得る。有利には、そのようなタイムスタンプは、より高い信頼性で他のタイムスタンプと比較され得る。なぜなら、タイムスタンプの時点が、光検出器アレイからの信号のプロファイルでの位置を高い信頼性で示すからである。そのようなタイムスタンプは、例えばＰＥＴ撮像で特に有用であり、γ量子の検出の時間がより正確に決定され得る。
本発明の別の態様によれば、タイムスタンプトリガユニットは、より後の時点で決定される第２の画素セルトリガレートに更に基づいて計時ユニットにタイムスタンプを生成させる。そのようなシステムは、タイムスタンプを生成するための決定を、より正確に決定された画素セルトリガレートプロファイルに基づかせることによって、電気信号とダークカウント雑音との間の改良された区別を可能にする。
本発明の別の態様によれば、タイムスタンプトリガユニットは、第１の画素セルトリガレートが第１の閾値レートを超え、より後の時点で決定される第２の画素セルトリガレートが第２の閾値レートを超える場合に、計時ユニットにタイムスタンプを生成させる。そのようなシステムは、タイムスタンプを生成するための決定を、光パルスのより正確に決定されたプロファイルに基づかせることによって、信号の更なる改良された区別を可能にする。特に、これは、妥当なシンチレーション事象を示すには不適切なエネルギーを有するシンチレーション光パルスからの電気パルスの拒否を可能にする。
本発明の別の態様によれば、第２の計時ユニットが提供され、タイムスタンプトリガユニットは、光検出器画素アレイ内の画素セルによる１つ又は複数の光学的光子の検出の時点を示すタイムスタンプを第２の計時ユニットに生成させるように更に構成される。より正確に決定された光パルスプロファイルに基づく区別を可能にすることによって、光検出器画素アレイからの信号が妥当な信号から生じたものである信頼性を更に改良するために、１つ又は複数の光学的光子の決定の時間を示す計時情報が使用され得る。そのような情報は、例えば、一見すると時間的に同時であるが、それらの光パルスプロファイルにより実際には散乱の結果生じたものである量子を拒否するために、ＰＥＴ撮像システムによって使用され得る。
本発明の別の態様によれば、第２の計時ユニットが提供され、タイムスタンプトリガユニットは、画素セルトリガレートが所定のトリガレート条件を満たす時点を示すタイムスタンプを第２の計時ユニットに生成させるように構成される。トリガレート条件は、例えば、画素セルトリガレートが所定のレートを超える、所定のレート未満である、所定のレートの所定範囲内である、又は所定のレートに等しいというものでよい。第２の計時ユニットによって提供されるトリガレート情報は、光検出器アレイからの信号が、放射量子の受取り等、妥当な事象を示すものとして決定される信頼性を更に改良するために使用され得る。
本発明の別の態様によれば、ＰＥＴ撮像システムが開示される。ＰＥＴ撮像システムは、前述の態様による複数の放射線検出デバイスを備え、各放射線検出デバイスが、光検出器画素アレイと光通信するシンチレータ要素を更に備える。改良された放射線検出デバイスは、有利には、ＰＥＴ撮像システムでの画像品質を改良する。
本発明の別の態様によれば、ＰＥＴ撮像システムが開示される。ＰＥＴ撮像システムは、少なくとも１つの第２の計時ユニットを有する本発明の幾つかの態様による複数の放射線検出デバイスを備える。各放射線検出デバイスは、光検出器画素アレイと光通信するシンチレータ要素を更に備える。ＰＥＴ撮像システムは、相互作用深さ計算ユニットを更に備える。ここで、相互作用深さ計算ユニットは、第１のタイムスタンプユニットによって生成される第１のタイムスタンプと第２のタイムスタンプユニットによって生成される第２のタイムスタンプとの時間差に基づいて、シンチレータ要素での放射量子の相互作用深さを計算するように構成される。相互作用深さは、シンチレータ要素での相互作用深さに時間差を関係付けるルックアップテーブル又は統計関数から計算され得る。そのようなルックアップテーブル又は統計関数は、シンチレータ要素の幾何形状に基づいて、ヒューリスティックな、又はシミュレートされた時間差情報から生成され得る。そのような計算は、処理装置によって実施され得る。そのような情報は、例えば、一見すると時間的に同時であるが、それらの軌跡により実際には散乱の結果生じたものである量子を拒否するために、ＰＥＴ撮像システムによって使用され得る。
本発明の別の態様によれば、ＰＥＴ撮像システムが開示される。ＰＥＴ撮像システムは、少なくとも１つの第２の計時ユニットを有する本発明の幾つかの態様による複数の放射線検出デバイスを備える。各放射線検出デバイスは、光検出器画素アレイと光通信するシンチレータ要素を更に備える。ＰＥＴ撮像システムは、タイムスタンプ補正ユニットを更に備える。ここで、タイムスタンプ補正ユニットは、第１の計時ユニットによって生成される第１のタイムスタンプと、第２の計時ユニットによって生成される第２のタイムスタンプとの加重平均に基づいて、補正されたタイムスタンプを計算するように構成される。加重平均は、タイムスタンプ間の時間差に関するルックアップテーブル又は統計関数から決定され得て、２つの入力されたタイムスタンプに基づいて、より正確なタイムスタンプを提供する。そのようなルックアップテーブル又は統計関数は、シンチレータ要素の幾何形状に基づいて、ヒューリスティックな、又はシミュレートされた時間差情報から生成され得る。そのような計算は、処理装置によって実施され得る。そのような情報は、例えばＰＥＴ撮像システムによって、タイミングジッタを減少させるために使用され得る。
本発明の別の態様によれば、計時方法が提供される。この計時方法は、例えばＰＥＴ撮像又はチェレンコフ撮像で使用され得る。この計時方法は、ｉ）光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルのトリガを示す信号を光検出器画素アレイから受信するステップと、ｉｉ）光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する少なくとも第１の画素セルトリガレートを決定するステップと、ｉｉｉ）光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する少なくとも第１の画素セルトリガレートに基づいて、放射量子の検出を示す第１のタイムスタンプを生成するステップとを含む。計時方法は、任意選択的に、本発明の他の態様に従って開示される追加の方法ステップを含んでもよい。
本発明の別の態様によれば、本発明の計時方法態様による方法ステップを実施するためにコンピュータ実行可能命令を備えるコンピュータプログラム製品が開示される。コンピュータプログラム製品は、コンピュータ可読記憶媒体、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、磁気ハードドライブ、ＵＳＢドライブ、光ディスク、ＲＯＭ、又はＲＡＭでよく、更に、コンピュータ実行可能命令はダウンロード可能でよい。
本発明の別の態様によれば、放射線検出デバイスにおいて、計時ユニットは、時間−デジタル変換器である。時間−デジタル変換器は、典型的には、アナログ時間変換器よりも改良された時間的精度を提供し、放射量子の検出を計時する精度を改良する。
本発明の別の態様によれば、放射線検出デバイスでは、光検出器画素アレイ内の画素セルが、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）画素セルである。そのような画素セルは、高速応答性を有し、放射量子の検出で使用されるときに良好な計時精度を提供する。
本発明の別の態様によれば、放射線検出デバイスにおいて、光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する画素セルトリガレートが、０．００１ｎｓ〜２００ｎｓの範囲の時間間隔内で決定される。そのような時間間隔は、ダークカウント雑音と、放射量子から生じるシンチレーションパルスとの迅速な区別を可能にする。
本発明の別の態様によれば、放射線検出デバイスにおいて、光検出器アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する画素セルトリガレートは、光検出器画素アレイ内の画素セルによる１つ又は複数の光学的光子の検出後、０．００１ｎｓ〜２００ｎｓの範囲の時間間隔内で決定される。レートの決定前の特定数の光学的光子の検出は、光パルスのプロファイルでの所定の点からのトリガを可能にし、それにより再現性のある計時性能を提供する。
本発明の別の態様によれば、放射線検出デバイスは、妥当性検査論理ユニットを更に含む。妥当性検査ユニットは、光検出器画素アレイから信号を受信するように構成され、更に、光検出器画素アレイの少なくとも一部においてトリガされた画素セルの数を決定するように構成される。妥当性検査論理ユニットは、光検出器画素アレイの一部においてトリガされた画素セルの数に基づいて、妥当なタイムスタンプを示す妥当性検査信号を生成するように構成される。トリガされた画素セルの数は、例えば、画素セルアレイ内の画素セルのデジタル状態を並列加算器に逐次にシフトさせることによって決定され得る。提供される妥当性検査により、そのような構成は、有利には、シンチレーション光パルスとダークカウント雑音との区別を改良する。
本発明の特定の態様による複数のγ光子検出器を示す図である。 本発明の特定の態様による例示的なＰＥＴ撮像システムを示す図である。 フィリップスデジタル光子計数（ＰＤＰＣ：Philips Digital Photon Counting）ＰＥＴ撮像システムで使用される従来技術の計時方式を示す図である。 本発明の特定の態様による計時ユニット及びタイムスタンプトリガユニットの第１の実施形態を示す図である。 本発明の特定の態様による計時ユニット及びタイムスタンプトリガユニットの第２の実施形態を示す図である。
高エネルギー粒子物理学の用途で、検出された放射量子のタイムスタンピングにおける雑音除去を改良するために、放射線検出デバイスを備える本発明が提供される。システム、方法、及びコンピュータプログラム製品も提供される。光検出器画素アレイと、タイムスタンプトリガユニットと、計時ユニットとを備える放射線検出デバイスが、ＰＥＴ撮像システムでのγ光子検出を参照して述べられる。計時ユニットが時間−デジタル変換器（ＴＤＣ）である一実装形態が特に参照されるが、アナログ計時ユニット等、他の形態の計時ユニットも代替として採用され得ることを理解されたい。更に、本発明は、例えばチェレンコフ放射の直接検出を含めた高エネルギー粒子物理学のより広範な分野に適用されることを理解されたい。
ＰＥＴ撮像において、γ光子の検出は、複数のγ光子検出器によって行われる。そのようなγ光子検出器は、典型的には、ＰＥＴ撮像領域の周りに配設されて、ＰＥＴ撮像領域からγ光子を受け取る。動作時、光検出器と光通信するシンチレータ要素を備える各γ光子検出器は、シンチレータ要素でのシンチレーション光パルスの生成によって、γ光子の受取りに応答する。光学的光子によってトリガされ得る１つ又は複数の画素セルを備える光検出器画素アレイであってよい光検出器は、電気信号を発生することによって光学的光子の検出に応答する。γ光子の受取りを計時するプロセスはＰＥＴ撮像に重要であり、ここで、同時計数によってγ光子の発出位置が決定される。この計時プロセスは、典型的には、１つ又は複数のタイムスタンピングユニットによって行われ、タイムスタンピングユニットは、受け取られたγ光子にタイムスタンプを割り当てる。本発明の計時ユニット及びタイムスタンプトリガユニットは、ＰＥＴ撮像システムのタイムスタンピングユニット内で適用され、それらは協働して、各γ光子の検出の時点に対応するタイムスタンプを生成する。本発明では、タイムスタンプトリガユニットは、光検出器画素アレイから電気信号を受信するように構成され、更に、光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する少なくとも第１の画素セルトリガレートを決定するように構成される。更に、タイムスタンプトリガユニットは、光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルに関する少なくとも第１の画素セルトリガレートに基づいて計時ユニットにタイムスタンプを生成させるように構成される。その結果、タイムスタンプは、第１の画素セルトリガレートに基づいて、従って光学的光子検出レートに基づいて生成される。
図１は、本発明の特定の態様による複数のγ光子検出器を示す。図１には、複数のγ光子検出器１が示されており、各γ光子検出器が、対応する光検出器画素アレイ３ａ、３ｂ、３ｃ、又は３ｄと光通信するシンチレータ要素２ａ、２ｂ、２ｃ、又は２ｄを備える。見やすくするために、図１にはγ光子検出器１が４つだけ示されているが、より広い受取り領域からγ光子を受け取るためにこの構成が反復され得ることを理解されたい。複数のγ光子検出器１は、例えば、ＰＥＴ撮像システムの撮像領域の周りに配設され得る。見やすくするために、図１でのシンチレータ要素２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それらの対応する光検出器画素アレイ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから離隔されて示されている。しかし、実際には、例示的なシンチレータ要素２ａの面５と、その対応する光検出器画素アレイ３ａの面６とは、密接していてよく、又はそれら２つの間の光通信を容易にするために光屈折率整合層によって光学的に結合されていてもよい。更に、図１では、参照符号２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄによって例示される個々のシンチレータ要素は、反射及び光バリア層７、８によって互いから光学的に隔離されて、隣接するシンチレータ要素間のシンチレーション光の結合を防止する。そのような反射及び光バリア層７、８はまた、図１に示される光検出器画素アレイとの光インターフェース以外のシンチレータ要素２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの全ての表面で使用され得る。このようにして、シンチレータ要素内部で発生されたシンチレーション光は、対応する光検出器画素アレイによって検出されるまで、そのシンチレーション要素内部で保持される。動作時、シンチレータ要素２ａと、図１に網掛けして示されるその対応する光検出器画素アレイ３ａとによって例示されるγ光子検出器は、γ光子１０等の放射量子の受取りに応答する。γ光子１０は、放射性崩壊後の消滅事象の結果として生成された１対の逆向きのγ光子１０、１３の１つでよく、ここで、放射性崩壊が陽電子１４を生成し、陽電子１４は電子１５によって消滅される。放射性崩壊源は、例えば放射性トレーサでよい。シンチレータ要素２ａによるγ光子１０の受取りは、シンチレーション光１１の発生をもたらし、シンチレーション光１１は、光検出器画素アレイ３ａによって検出されてアレイ電気出力１２ａで電気信号を生じるまでは、全反射及び反射層７、８の組合せによってシンチレータ要素２ａ内部に保持される。光検出器画素アレイ３ａは、図１に濃い網掛けで示される１つ又は複数の光検出器画素６を備え、各光検出器画素６は、１つ又は複数の画素セル９を備える。従って、最小の光検出器要素は、画素セル９であり、これは、例えばガイガーモードで接続されたシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）でよい。
図２は、本発明の特定の態様による例示的なＰＥＴ撮像システムを示す。図１の例示的なγ光子検出器は、例えば、図２に示されるシステムで使用され得る。図２において、ＰＥＴ撮像システム２０は、複数のγ光子検出器モジュール、又はより具体的には撮像領域２１の周りに配設されたγ光子検出器モジュール２４、２５を備える。各γ光子検出器モジュール２４、２５は、図１での要素２ａと３ａの組合せによって形成されるγ光子検出器等、１つ又は複数のγ光子検出器を備えていてよい。γ光子検出器モジュール２４、２５内部の各γ光子検出器は、γ光子の受取りを示す電気信号を生成し、そこからの電気信号が、バスを介してタイムスタンピングユニット２８によって受信される。タイムスタンピングユニット２８は、単一のユニットとして示されているが、１つ又は複数のタイムスタンピングユニットが各γ光子検出器モジュール２４に関連付けられるように反復されてもよく、それにより、γ光子が受け取られるγ光子検出器に対して局所的にタイムスタンピング機能を提供する。動作時、それぞれγ光子検出器モジュール２４、２５による例示的なγ光子２２、２３の検出は、それぞれバス２６及びバス２７を介してタイムスタンピングユニット２８によって受信される電気信号を生じる。各バス２６、２７は、各γ光子検出器モジュール２４、２５内部の１つ又は複数のγ光子検出器の１つ又は複数のアレイ電気出力１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ（図１）を表す。図２に戻ると、タイムスタンピングユニット２８は、受け取られた各γ光子の受取りの時点を示す少なくとも１つのタイムスタンプを発行する。更に、タイムスタンピングユニット２８内部に積分ユニットが含まれてもよく、各γ光子に関連付けられるシンチレーション光を積分して、γ光子のエネルギーを決定する。タイムスタンピングユニット２８は、同時性判断ユニット２９と通信し、同時性判断ユニット２９は、受け取られたγ光子のタイムスタンプが互いに狭い時間間隔（典型的には、±３ｎｓ）内で生じる場合には、受け取られたγ光子を同時と識別する。同時性判断ユニット２９は、更に、受け取られた各γ光子に関連付けられるエネルギーを分析し、所定のエネルギー窓の外にあるγ光子エネルギーを有する一見すると同時のγ光子を拒否することができる。同時性判断ユニット２９は、再構成処理装置３０と通信し、再構成処理装置３０は、同時と考えられる受け取られた光子の各対に関する応答ラインを構成し、更に、複数のそのような応答ラインを処理して、同時のγ光子の発出位置の画像を表現するデータを再構成する。飛行時間（ＴＯＦ）ＰＥＴでは、再構成処理装置は、受け取られた同時のγ光子間の小さな時間差を更に考慮に入れて、それらの発出位置をより良く位置特定することができる。相互作用深さ（ＤＯＩ）ＰＥＴでは、視差誤差を減少させることによって再構成画像の空間解像度を改良するために、２つの検出されたγ光子の軌跡が更に評価され得る。再構成処理装置３０は、画像処理ユニット３１と更に通信し、画像処理ユニット３１は、同時の光子の発出位置を表現するデータを処理して、出力デバイスでの画像の表示に適したフォーマットにするように構成される。画像処理ユニット３１は、ディスプレイやプリンタ等、画像を表示する出力デバイス３２と更に通信する。制御ユニット３３は、ＰＥＴ撮像システムの全ての上記のユニットと通信し、上述した動作を調整する。
使用時、人体又は動物の身体の一部分等、撮像対象の一部分が、図２における例示的なＰＥＴ撮像システムの撮像領域２１内に位置決めされる。その部分は、放射性トレーサの取込みを測定することが望まれる被験体内部の臓器でよい。撮像領域２１内での被験体の一部分の位置決め前に、被験体に放射性トレーサが投与され得て、取込み期間が経過させられ得る。撮像プロセス中、複数のγ光子検出器１が、撮像領域２１内部での放射性崩壊事象、例えば被験体に投与された放射性トレーサの崩壊により生じるγ光子を受け取る。撮像プロセスの後、ＰＥＴ撮像システム２０は、撮像領域２１内部での放射性トレーサの分布を示す画像を生成する。本発明の計時ユニット及びタイムスタンプトリガユニットは、図２におけるタイムスタンピングユニット２８内で適用される。
本発明の利益を強調するために、図３は、フィリップスデジタル光子計数（ＰＤＰＣ：Philips Digital Photon Counting）ＰＥＴ撮像システムで使用される従来技術の計時方式を示す。そのようなシステムは、国際公開第２００６／１１１８８３Ａ２号に開示されている。従来技術の図３では、シンチレータ要素４０は、光検出器画素アレイ４１と光通信して、γ光子検出器を形成する。複数のそのようなγ光子検出器が、図２に示されるＰＥＴ撮像システム２０で使用され得る。従来技術の図３に戻ると、シンチレータ要素４０内部で生成されたシンチレーション光は、光検出器画素アレイ４１内部の画素セルによって検出される。光検出器画素アレイ４１は、１つ又は複数の光検出器画素を備え、各光検出器画素は、１つ又は複数の画素セルを備える。画素セルは、単一光学的光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）（又はシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）として知られている）でよく、ガイガーモードで動作され得る。動作時、ＳｉＰＭ又は画素セルは最初にリセットされ、それにより、その出力は論理偽状態である。ＳｉＰＭによる光学的光子の受取りは、その接合の破壊、及びその出力での論理真状態のトリガを生じる。従って、光検出器画素アレイ４１での最小の光検出器要素は画素セルであり、各画素セルは個別にイネーブル及びディスエーブルにされ得て、その論理出力が読み出され得る。一構成では、光検出器画素は、約４ｍｍのピッチを有し、画素セルは、約５０ミクロンのピッチを有する。従って光検出器画素は数千の画素セルを備え得るが、１つ又は複数の画素セルを備える実装形態も企図される。光検出器画素アレイ４１内部の画素セルは、画素セル行４２、４３によって例示されるような幾つかの行に配列される。見やすくするために２つの行のみが図示されている。１つ又は複数のそのような画素セル行が存在し得る。更に、論理ＯＲ演算（図示せず）が、画素セル行４２、４３内の１つ又は複数の画素セルの出力に対して行われ、行トリガ出力４８、４９で行トリガ信号を発生するために使用される。従って、行トリガ出力４８、４９は、その画素セル行４２、４３内の画素セルの１つ又は複数が論理真状態にトリガされているときには、論理真状態に設定される。図１を例示的に参照すると、シンチレータ要素４０は、要素２ａに対応し、光検出器画素アレイ４１は、要素３ａに対応する。
従来技術の図３に戻ると、時間−デジタル変換器（ＴＤＣ）４４として実装される計時ユニットが、トリガ論理ユニット４５によってトリガされるときに、シンチレータ要素４０によるγ光子の受取りの時点を示すタイムスタンプを生成する。妥当性検査論理ユニット４６の妥当性検査出力６０が、制御ユニット３３へのタイムスタンプの出力を制御し、それにより、行トリガ出力４８、４９での電気信号がγ光子から生じていると思われる場合にはタイムスタンプが制御ユニット３３に出力され、そうでない場合にはタイムスタンプが出力されず、ＴＤＣがリセットされる。任意選択的な積分器ユニット４７は、γ光子の受取りに応答して生成されるシンチレーション光を積分することによって、受け取られた各γ光子のエネルギーを決定するために使用され得る。γ光子エネルギーは、ＰＥＴ撮像等の用途で有用なパラメータであり、同時性判断ユニットが、γ光子エネルギーを使用して、散乱されたγ光子と散乱されていないγ光子との区別を改良し、それにより応答ラインの妥当性を決定することができる。任意選択的な積分器ユニット４７は、光検出器画素アレイ４１内の画素セルによって検出されるシンチレーション光の総量を示す信号を発生するように構成され得る。積分器ユニット４７による積分は、トリガ論理ユニット４５がＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させるときに制御ユニット３３によって開始され得る。任意選択的な制御ユニット３３は、上述した様々な動作を調整することができ、更に、ＴＤＣ４４からタイムスタンプを受け取ることができ、更に、図１に示されるＰＥＴ撮像システム２０内部の同時性判断ユニット２９へのタイムスタンプの転送を制御することができる。
動作時、従来技術の図３でのシンチレータ要素４０によるγ光子の受取りは、多数の光学的光子を備えるシンチレーション光パルスの発生をもたらす。光学的光子は、光検出器画素アレイ４１内の画素セルによって検出され、対応する画素セル行４２、４３内の１つ又は複数の画素セルが光学的光子を検出する場合に、行トリガ出力４８、４９で論理真状態を生じる。シンチレーション光は、複数の画素セル行４２、４３からの画素セルによるその光学的光子の検出によって特徴付けられ、従って複数の行トリガ出力４８、４９での論理真状態によって特徴付けられる。トリガ論理ユニット４５は、複数の行トリガ出力４８、４９に対して論理演算を行って、ＴＤＣトリガ接続６４で信号を発生し、この信号は、所定の論理条件が満たされるときにＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させる。典型的には、検出の感度を最適化するために、できるだけ少ない行トリガ出力４８、４９が論理真状態にあるときにタイムスタンプを生成することが望まれる。従って、最小のトリガ閾値は、トリガ論理ユニット４５をＯＲ論理ユニットとして構成することによって実現され、ここで、ＴＤＣトリガ接続６４は、行トリガ出力４８、４９の１つ又は複数が論理真状態であるときにＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させる。そのような構成は、最初の光学的光子の検出後のタイムスタンプの生成に対応する。代替として、行トリガ出力４８、４９の所定の選択を入力として有するＡＮＤ及びＯＲ論理の組合せを用いてトリガ論理ユニット４５を実現することによって、改良されたダークカウント雑音除去を伴うより高い閾値が実現され得る。
従来技術の図３での妥当性検査論理ユニット４６は、画素セル行４２、４３での光学的光子の検出を示す行トリガ出力４８、４９からの信号を受信して、これらの信号がγ光子から発したかどうか判断する論理回路を含む。光検出器画素アレイ４１での所定数の行トリガ出力４８、４９が、対応する画素セル行４２、４３内の画素セルによる１つ又は複数の光学的光子の検出を示す真状態に設定されているとき、妥当性検査論理ユニット４６は、妥当性検査出力６０で真信号を発生する。妥当性検査出力６０の状態を変えるのに必要とされる画素セルの閾値数は、ＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させるためにトリガ論理ユニット４５によって必要とされる閾値数よりも高い。このようにすると、妥当性検査論理ユニット４６は、典型的には光検出器画素アレイ４１内部の少ない総数の画素セルを真状態に設定する雑音と、光検出器画素アレイ４１内部のはるかに多い総数の画素セルを真状態に設定するシンチレーション光パルスとの区別を提供する。所定数の行トリガ出力４８、４９が真状態に設定されていることを妥当性検査論理ユニット４６が確認した場合、シンチレーション光パルスはγ光子から発していると解釈され、妥当性検査出力６０は、ＴＤＣ４４に、タイムスタンプを制御ユニット３３に出力させる。トリガ論理ユニット４５によってトリガされたときに生成されたタイムスタンプは、次いでレジスタ（図示せず）から制御ユニット３３に転送される。所定数の行トリガ出力４８、４９が真状態に設定されていることを妥当性検査論理ユニット４６が確認しない場合には、タイムスタンプは制御ユニット３３に転送されず、ＴＤＣ４４及び積分器ユニット４７は制御ユニット３３によってリセットされる。
前述のように、ＳｉＰＭ光検出器の欠点は、それらのガイガーモード動作において固有の高いダークカウント雑音である。従来技術の図３に示されるようなγ光子検出器で使用されるとき、ダークカウント雑音によって引き起こされる行トリガ出力４８、４９での電気信号は、γ光子の検出により生じる電気信号と同様の特性を有し、それら２つの区別を混乱させる。従って、画素セル行４２、４３内の画素セルでのダークカウント雑音により、トリガ論理ユニット４５がＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させることはあるが、妥当性検査論理ユニット４６の妥当性検査出力６０を真状態に設定してＴＤＣ４４がタイムスタンプをユニット３３に出力するように適切に動作させることはできない。この場合、ＴＤＣ４４は、次のタイムスタンプを生成するための準備の際にリセットされる。図３の従来技術のシステムでは、ＴＤＣのリセットは、約５０ｎｓかかる。その結果、ＴＤＣ４４の誤トリガは、約５０ｎｓの「デッドタイム」を生じ、その間、ＴＤＣ４４はタイムスタンプを生成することができない。ＰＥＴ撮像で使用されるそのような光検出器でのダークカウント雑音は、室温で毎秒１０００万パルスに達することが判明しており、従って、トリガ論理ユニット４５が、できるだけ低い閾値で、従って最初の光学的光子の検出後にＴＤＣ４４を始動させるように構成されるとき、デッドタイムは５０％となる。その結果、ＴＤＣ４４は、時間の５０％にわたってタイムスタンプを発行することができず、γ光子に対する感度を低下させる。図３に示される従来技術システムでは、雑音区別は、トリガ論理ユニット４５と妥当性検査論理ユニット４６との両方をそれぞれ真出力状態にするのに必要とされる行トリガ出力４８、４９の数に関する閾値によって提供される。それにも関わらず、光検出器はまた、その中断がγ光子の計時に支障を及ぼさないように、ダークカウント雑音を減少させるために冷却されなければならない。
本発明では、検出された放射量子の計時における雑音除去を改良するために別の手法が取られる。本発明では、ＴＤＣによって例示される計時ユニットは、光検出器画素アレイ内での画素セルトリガレートに基づいて、従って光学的光子検出レートに基づいてタイムスタンプトリガユニットによってタイムスタンプを生成するようにされる。本発明者らは、画素セルトリガレートに基づいて計時ユニットにタイムスタンプを生成させることが、光学的光子による画素セルのトリガとダークカウント雑音による画素セルのトリガとの改良された区別を提供することを見出している。その結果、ダークカウント雑音が計時ユニットにタイムスタンプを生成させる頻度が減少され、雑音により引き起こされたデッドタイムによって計時ユニットがディスエーブルにされる時間の割合が減少される。従って、計時ユニットは、より大きな時間の割合にわたって、γ光子の受取りをタイムスタンプすることが可能である。計時ユニットの改良された時間利用は、有利には、光検出器の冷却要件を緩和する。また、計時ユニットのより少ない活動は、それ自体の電力消費を減少させ、それにより近隣の光検出器の温度を低下させ、光検出器のダークカウント雑音を更に減少させる。更に、改良された計時方法は、改良された計時精度を有し、これは、ＰＥＴ撮像システムで使用されるときに画像解像度を改良する。
対照的に、従来技術の図３におけるシステムは、所定数の光検出器画素セルがトリガされているときに、ＴＤＣ４４によって実装される計時ユニットがタイムスタンプを生成するように構成される。
図４は、本発明の特定の態様による計時ユニット及びタイムスタンプトリガユニット７１の第１の実施形態を示す。図４において、シンチレータ要素４０は、光検出器画素アレイ４１と光通信して、γ光子検出器を形成する。シンチレータ要素４０内部で発生されたシンチレータ光が、光検出器画素アレイ４１によって検出される。複数のそのようなγ光子検出器が、図２に示されるＰＥＴ撮像システム２０で使用され得る。例えばチェレンコフ放射からの光学的光子が同様に直接検出され得るが、シンチレータ要素４０は存在しない。光検出器画素アレイ４１は、１つ又は複数の画素セルをそれぞれ備える１つ又は複数の光検出器画素を備える。画素セルは、単一光学的光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）（又はシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）として知られている）でよく、ガイガーモードで動作され得て、ここで、光学的光子の受取りは、接合の破壊、及び画素セル出力での論理真状態を生じる。動作時、ＳｉＰＭ又は画素セルは最初にリセットされ、それにより、その出力は論理偽状態である。ＳｉＰＭによる光学的光子の受取りは、その接合の破壊を生じ、それによりその出力をトリガして論理真状態に変える。従って、光検出器画素アレイ４１での最小の光検出器要素は画素セルであり、各画素セルは個別にイネーブル及びディスエーブルにされ得て、その論理出力が読み出され得る。一構成では、光検出器画素は、約４ｍｍのピッチを有し、画素セルは、約５０ミクロンのピッチを有して幾つかの行に配列される。従って光検出器画素は数千の画素セルを備え得るが、１つ又は複数のセルを備える実装形態も企図される。光検出器画素アレイ４１内部の画素セルは、画素セル行４２、４３によって例示されるような幾つかの行に配列され得る。見やすくするために２つの行のみが図示されている。１つ又は複数のそのような画素セル行が存在し得る。更に、論理ＯＲ演算（図示せず）が、画素セル行４２、４３内の１つ又は複数の画素セルの出力に対して行われ、行トリガ出力４８、４９で行トリガ信号を発生するために使用される。従って、行トリガ出力４８、４９は、その画素セル行４２、４３内の画素セルの１つ又は複数が論理真状態であるときに、論理真状態に設定される。図１を例示的に参照すると、シンチレータ要素４０は、要素２ａに対応し、光検出器画素アレイ４１は、要素３ａに対応する。図４に戻ると、ＴＤＣ４４によって例示される計時ユニットは、ＡＮＤ論理５０がＴＤＣトリガ接続６４で論理真状態を生成するときに、シンチレータ要素４０によるγ光子の受取りの時点を示すタイムスタンプを生成する。計時ユニットを実装するために、アナログ計時ユニット等、代替の計時ユニットも使用され得る。パルス短縮ユニット５１は、１つ又は複数の単安定回路５２、５３を備え、各単安定回路５２、５３は、画素セル行４２、４３から電気信号を受信し、対応する画素セル行４２、４３での１つ又は複数の画素セルが真状態（光学的光子の検出を示す）にトリガされていることを対応する行トリガ出力４８、４９での信号が示すときに論理真出力パルスを生成するように構成される。単安定パルスの期間は、０．００１ｎｓ〜１０ｎｓの範囲内でよく、好ましくは０．００１ｎｓ〜５ｎｓの範囲内であり、更に好ましくは０．００１ｎｓ〜１ｎｓの範囲内であり、最も好ましくは０．００１ｎｓ〜０．５ｎｓの範囲内である。このようにして、単安定回路５２、５３は、その対応する画素セル行４２、４３内の画素セルによって単一の光学的光子が検出されているときに、論理真出力パルスを発生する。その後、パルス短縮ユニット５１内の単安定回路５２、５３の電気出力が、一次トリガ論理ユニット５４に接続される。一次トリガ論理ユニット５４の出力５７は、所定のトリガ条件が満たされるときに論理真状態を出力するように構成される。一実装形態では、一次トリガ論理ユニット５４は論理ＯＲ演算を行い、それにより、その出力５７は、パルス短縮ユニット５１内の単安定回路の任意の１つがその閾値条件を満たした後に、遅延ユニット５６の遅延期間によって決定される一定時間にわたって遅延ユニット５６に出力５８で論理真出力パルスを発生させる。このようにして、遅延ユニット５６は、光検出器画素アレイ４１内の画素セルの任意の１つで単一の光子が検出された後に一定時間、論理真出力パルスを発生するように構成される。別の実装形態では、一次トリガ論理５４は、光検出器画素アレイ４１内の画素セルの任意の所定の選択に関してパルス短縮ユニット５１内の単安定回路５２、５３に関する閾値条件が満たされるときに出力５７を論理真状態にさせる論理の任意の組合せを備えることができる。このようにして、遅延ユニット５６は、任意の数ｎの光学的光子が光検出器画素アレイ４１内の画素セルによって検出された後に、遅延ユニット５６の遅延期間によって決定される一定の遅延期間にわたって出力５８で論理真出力パルスを発生するように構成され得る。従って、論理真出力パルスは、第ｎの光学的光子が検出された後又は第ｎの画素セルがトリガされた後に一定の遅延期間にわたって生成される。その後、遅延ユニット５６の遅延期間内に二次トリガ論理ユニット５５の出力５９が真状態に設定される場合、ＡＮＤ論理５０の出力６４は、ＴＤＣにタイムスタンプを発生させる。タイムスタンプの時点は、第ｎの光学的光子又は第ｎの画素セルがトリガされた時間と遅延ユニット５６の遅延期間との和によって決定されるので、第ｎの光学的光子が検出された時点又は第ｎの画素セルがトリガされた時点は、タイムスタンプの時点から遅延ユニット５６の遅延期間を減算することによって決定され得る。これは、ＰＥＴ撮像で、計時測定の再現性を改良するのに有用な用途を有する。
二次トリガ論理ユニット５５は、１つ又は複数の行トリガ出力４８、４９から電気信号を受信する。その出力５９は、行トリガ出力４８、４９に関する所定の論理条件が満たされるときに論理真状態になるように構成される。この条件は、例えば、画素セルトリガレートが所定のレートを超える、所定のレート未満である、所定のレートの所定の範囲内にある、又は所定のレートに等しいことに対応していてよい。このようにして、タイムスタンプは、画素セルトリガレートに基づいて生成される。一実装形態では、二次トリガ論理５５は、論理真状態の行トリガ出力４８、４９の総数が所定数を超えるときに出力５９で論理真信号を発生するように構成され、この所定数は、一次トリガ論理ユニット５４にその出力５４を論理真状態に設定させる数よりも大きい。二次トリガ論理出力５９を論理真状態に設定するのに必要とされる行トリガ出力４８、４９の数は、例えば２以上でよい。遅延ユニット５６での遅延期間は、画素セルトリガレートが決定される期間を決定する。画素セルトリガレートは、遅延ユニット５６の遅延期間内に、二次トリガ論理ユニット５５を真状態に設定するのに必要とされるトリガされる画素セルの閾値数と一次トリガ論理ユニット５４を真状態に設定するのに必要とされる閾値数との差を計算することによって決定される。例えば、一次トリガ論理ユニット５４の出力５７を論理真状態に設定するのに必要とされる画素セルの数に対する閾値を１に設定し、二次トリガ論理ユニット５５の出力５９を論理真状態に設定するのに必要とされる画素セルの数を２に設定し、遅延ユニット５６の遅延期間を１００ｐｓに設定することは、１００ｐｓ当たりに１つの画素セルがトリガされる閾値画素セルトリガレートを生じ、これは、１００ｐｓ当たりに１つの光学的光子に対応する。画素セル行４２、４３内の画素セルは、一次トリガ論理ユニット５４の出力５７に続いて又はＡＮＤ論理５０の出力６４に続いてリセットされ得て、次のタイムスタンプを生成するために光検出器画素アレイ４１内の画素を準備する。このようにして、遅延期間の最後に、遅延ユニット５６の出力５８は、光検出器画素アレイ４１内部での画素セルトリガレートが所定のレートを超えるとき、従って光学的光子検出レートが所定のレートを超えるときに、ＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させる。更に、この構成では、タイムスタンプの時点は、最初の画素セルがトリガされた時間と遅延ユニット５６の遅延期間との和に対応し、最初のトリガされた画素セルの検出の時点を後で計算できるようにする。より一般的には、一次トリガ論理ユニット５４の出力５７を真論理状態に設定するのに必要とされる画素セルの数に対する閾値又はそのような数の範囲を調節することによって、また同様に、二次トリガ論理ユニット５５の出力５９を真論理状態に設定するのに必要とされる画素セルの数に対する閾値又はそのような数の範囲を調節することによって、他の画素セルトリガレートベースの条件を満たした後にタイムスタンプが生成され得る。明らかに、一次トリガ論理ユニット５４がその出力をハイ状態に設定するために、少なくとも１つの画素セルがトリガされなければならない。しかし、上記の画素セルトリガレート条件に加えて、更に、一次トリガ論理ユニット５４がその出力を論理真状態に設定するための条件を調節することによって、トリガされる画素セルの閾値数の事前の検出を条件としてタイムスタンプの生成が行われてもよい。このようにすると、タイムスタンプの時点は、一次トリガ論理ユニット５４に関する入力条件を満たした後の遅延ユニット５６の遅延期間である。このようにして、図４における回路は、第ｎの光学的光子の検出の時点と遅延ユニット５６の遅延期間との和に対応するタイムスタンプを生成するように構成され得て、このタイムスタンプは、最初にｎ個のトリガされた光学的光子が検出され、その後、画素セルトリガレート条件が満たされることを条件とする。そのような実装形態は、有利には、検出された光学的光子のプロファイルに基づいてタイムスタンプを生成することによって雑音の除去を改良する。
図４でのパルス短縮ユニット５１内の単安定回路に関するパルス期間は、一次トリガ論理ユニット５４への入力でのトリガパルスの重畳を防止するために、望ましくは遅延ユニット５６の遅延期間よりも短い。好ましくは、ダークカウント雑音と、γ光子の受取りを示す電気信号とを迅速に区別するために、遅延ユニット５６の遅延期間はできるだけ短くされる。改良された計時性能は、遅延ユニット５６での遅延期間に関する範囲０．００１ｎｓ〜２００ｎｓ、範囲０．００１ｎｓ〜２０ｎｓ、範囲０．００１ｎｓ〜１０ｎｓ、範囲０．００１ｎｓ〜１ｎｓといった一連の範囲にわたって確認されている。従来技術と比較すると、図４によって例示される計時方式によって、改良された雑音区別が提供される。なぜなら、画素セルトリガレート、従って光学的光子検出レートが所定のレート条件を満たさない限りタイムスタンプが生成されないからである。雑音と、γ光子の検出により生じる実際のシンチレーション光パルスとに関して、各場合にトリガされる画素セルの総数よりも、光学的光子検出レートが顕著に異なるという観察結果が利用される。
上述のように、図４での構成は、γ光子によって生成される最初の光学的光子がＡＮＤ論理５０を作動させるように適合され得て、その後、遅延ユニット５６の遅延期間内に、シンチレータ要素４０での光学的光子発生のレートが二次トリガ論理５５を論理真状態にさせるのに十分であるという条件下で、ＴＤＣ４４によってタイムスタンプが発生される。従って、最初の光学的光子の検出の時間は、タイムスタンプの時点から遅延ユニット５６の遅延期間を減算することによって決定され得る。また、この構成は、第ｎの光学的光子が遅延ユニット５６を介してＡＮＤ論理５０を作動させるように、且つｋ（ｋはｎよりも大きい）以上の光学的光子が二次トリガ論理ユニット５５を真論理状態に設定するように適合され得る。従って、遅延期間によって決定される期間当たり（ｋ−ｎ）個の光学的光子によって決定されるレート条件が超えられているという条件下で、第ｎの光学的光子の検出後、遅延期間によって決定される時点でタイムスタンプが生成される。タイムスタンプを生成するのに必要とされる閾値光学的光子検出レートは、以下のものによって調節され得る。ｉ）遅延ユニット５６の遅延期間、ｉｉ）パルス短縮ユニット５１内の各単安定回路をトリガするために論理真状態に設定されなければならない画素セルの閾値数、ｉｉｉ）一次トリガ論理ユニット５４の出力の変化を引き起こすために論理真状態に設定されなければならない画素セルの閾値数、又はｉｖ）二次トリガ論理ユニット５５の出力の変化を引き起こすために論理真状態に設定されなければならない画素セルの閾値数。一般に、タイムスタンプを生成するのに必要とされる閾値光学的光子検出レートを増加させることは、ダークカウント雑音によるＴＤＣの誤トリガへの感受性を減少させる。閾値レートを高くしすぎることは、幾らかの光パルスが見逃されるので、γ光子による生じるシンチレーション光パルスへの感受性を減少させる。
１つの例示的実装形態では、図４でのシステムは、最初の光学的光子が一次トリガ論理５４を介してＡＮＤ論理５０を作動させるように構成され、二次トリガ論理５５は、より高いトリガレベルで、従ってより多数の光学的光子が遅延ユニット５６の遅延期間内に後で検出されたときに、ＡＮＤ論理５０がＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させるようにするように構成される。典型的なシンチレータ要素材料ＬＹＳＯは、５１１ｋｅＶでの単一のγ光子の受取りに応答して、約２０００個の光子を生成する。これらは、ＬＹＳＯで約４０ｎｓの崩壊時間を受け、５０光子／ｎｓの初期光学的光子束をもたらす。１ｎｓの遅延期間を有するように遅延ユニット５６を設定することによって有意な雑音区別が提供され得て、その場合、二次トリガ論理５５の出力５９は、検出される光子束が約５光子／ｎｓを超えるときに論理真状態であるように構成されるべきである。
図４での任意選択的な妥当性検査論理ユニット４６は論理回路を含み、この論理回路は、画素セル行４２、４３内の光学的光子の検出を示す行トリガ出力４８、４９からの信号を受信して、これらの信号がγ光子から発したかどうか判断する。従って、任意選択的な妥当性検査論理ユニット４６は、光検出器画素アレイ４１内の所定数の行トリガ出力４８、４９が、対応する画素セル行４２、４３内の画素セルによる１つ又は複数の光学的光子の検出を示す真状態に設定されているときに、妥当性検査出力６０で真信号を発生するように構成され得る。妥当性検査出力６０の状態を変えるのに必要とされる画素セルの閾値数は、好ましくは、ＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させるためにトリガ論理ユニット４５によって必要とされるよりも高い数に設定される。このようにすると、妥当性検査論理ユニット４６は、雑音（典型的には光検出器画素アレイ４１内部の少ない総数の画素セルを真状態に設定する）と、光シンチレータ要素４０によるγ光子の受取りにより生じるシンチレーション光パルス（光検出器画素アレイ４１内のはるかに多い総数の画素セルを真状態に設定する）との更なる区別を提供するために使用され得る。所定数の行トリガ出力４８、４９が真状態に設定されていることを任意選択的な妥当性検査論理ユニット４６が確認した場合、シンチレーション光パルスはγ光子から発していると解釈され、妥当性検査出力６０は、ＴＤＣ４４に、タイムスタンプを制御ユニット３３に出力させる。トリガ論理ユニット４５によってトリガされたときに生成されたタイムスタンプは、次いでレジスタ（図示せず）から制御ユニット３３に転送される。所定数の行トリガ出力４８、４９が真状態に設定されていることを任意選択的な妥当性検査論理ユニット４６が確認しない場合、タイムスタンプは制御ユニット３３に転送されず、ＴＤＣ４４及び積分器ユニット４７は制御ユニット３３によってリセットされる。
好ましくは、任意選択的な妥当性検査論理ユニット４６の出力を妥当な状態に設定するのに必要とされる行トリガ出力４８、４９の所定数は、トリガ接続６４で論理真信号の約１０ｎｓ以内のシンチレーション光パルスに応答して真の妥当性検査出力６０が生成されるようなものである。このようにすると、雑音がＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させる場合、そのリセットは、１０ｎｓ以内に、従って長すぎる遅延なく開始され得る。
図４での任意選択的な積分器ユニット４７は、γ光子の受取りに応答して生成されるシンチレーション光を積分することによって、受け取られた各γ光子のエネルギーを決定するために使用され得る。各γ光子のエネルギーは、ＰＥＴ撮像等、高エネルギー物理学の用途で使用され得るパラメータであり、散乱されたγ光子と散乱されていないγ光子との区別を改良し、それにより時間的に同時のγ光子からの応答ラインの妥当性を決定するために、各γ光子のエネルギーが同時性判断ユニットによって使用され得る。従って、積分器ユニット４７は、光検出器画素アレイ４１内の画素セルによって検出されるシンチレーション光の総量を示す信号を発生するように構成され得る。積分は、画素セル行４２、４３内の画素セルの論理出力を積分器ユニット４７に断続的に多重式に転送し、論理真状態の画素セルの数を加算することによって行われ得る。積分器ユニット４７による積分は、トリガ論理ユニット４５がＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させるときに制御ユニット３３によって開始され得る。
図４での任意選択的な制御ユニット３３は、上述した様々な動作を調整することができ、更に、タイムスタンプをＴＤＣ４４から受信することができ、更に、図１に示されるＰＥＴ撮像システム２０内の同時性判断ユニット２９へのタイムスタンプの転送を制御することができる。
図５は、本発明の特定の態様による計時ユニット及びタイムスタンプトリガユニットの第２の実施形態を示す。図５における実施形態は、第１の画素セルトリガレート条件が満たされ、次いで第２の画素セルトリガレート条件も満たされた後にタイムスタンプを生成するように構成される。改良された雑音除去は、後の時点でトリガレート条件が満たされてからタイムスタンプが生成されるという要件によって提供される。これは、シンチレーション光の光学的光子検出レートのプロファイルに基づくタイムスタンプの生成を可能にする。このようにして、例示的なＴＤＣ４４によって実装される計時ユニットは、光検出器画素アレイ内の画素セルからの電気信号がシンチレーション光から生じているものである確率が更に高くなるまでは開始されない。これは、雑音によってタイムスタンプを生成するようにされた後の計時ユニットのリセットに関連付けられるデッドタイムを回避する。図４に示される第１の実施形態と同様に、例示的なＴＤＣ４４によって実装される計時ユニットは、代替として、アナログ計時ユニット等、別の計時ユニットによっても実装され得ることを理解されたい。
図４の要素に加えて、図５は、三次トリガ論理ユニット６３を含み、三次トリガ論理ユニット６３は、１つ又は複数の行トリガ出力４８、４９、６７、６８から電気信号を受信する。三次トリガ論理ユニット６３の出力６９は、遅延ユニット６１によって決定される遅延期間内にトリガされる画素セルの数が所定のカウント条件を満たすときに論理真状態になるように構成される。従って、画素セルトリガレートは、図４を参照して前述したような所定のレート条件を満たす。図５での三次トリガ論理ユニット６３の出力６９は、光検出器画素アレイ４１内の画素セルによって任意の数の光学的光子が検出されるときに論理真状態になるように構成され得る。更に、この出力は、この数が一致される、超えられる、超えられない、又は所定の範囲内にあるときに論理真状態になるように構成され得る。このようにして、遅延ユニット２と合わせて三次トリガ論理６３によって決定される画素セルトリガレートが、所定のレートよりも大きいか、所定のレートよりも小さいか、所定のレートに等しいか、又は所定のレートの所定の範囲内にあるかに応じて、ＴＤＣ４４によってタイムスタンプが発行され得る。図５での第２の遅延ユニット６１は、図４での遅延ユニット５６と同様に動作する。画素セル行４２、４３、６５、６６内の画素セルは、一次トリガ論理ユニット５４の出力５７に続いて又はＡＮＤ論理６２の出力６４に続いてリセットされ得て、次のタイムスタンプを生成するために光検出器画素アレイ４１内の画素を準備する。また、図５での実施形態では、追加のＡＮＤ論理６２も含まれる。より多数の光検出器画素に合うように回路をスケール調整できる可能性を示すために、追加の画素セル行６５、６６及びそれらの対応する出力も図５に示されているが、回路は、１つ又は複数のそのような画素セル行と共に動作するように適合され得て、各行が１つ又は複数の画素セルを含むことを理解されたい。
図５での実施形態は、γ光子の受取り後にシンチレータ要素４０で発生されるシンチレーション光パルスが、典型的には、高速の初期光学的光子検出レートと、それに続く光学的光子検出レートの低下とによって特徴付けられるという観察結果を利用するように構成され得る。そのようなプロファイルは、ＰＥＴ撮像システムでのγ光子からのシンチレーション光パルスに典型的であり、シンチレーション光の急速な初期増加に続いて、指数関数的な崩壊が生じる。崩壊定数は、４０ｎｓ程度でよい。対照的に、ランダムに発生されるダークカウント雑音からのプロファイルは、より均一な画素セルトリガレートを生じる。例えばチェレンコフ放射からの光学的光子が同様に直接検出され得るが、シンチレータ要素４０は存在しない。図５に示される第２の実施形態では、二次トリガ論理５５の出力７０を設定するのに必要とされる閾値画素セルトリガレートを、特定のレートが超えられることに依存させ、また、三次トリガ論理６３の出力６９を設定するのに必要とされる閾値画素セルトリガレートを、特定のレートが超えられるか、超えられないか、又は狭い範囲内にあるかに依存させることによって、画素セルトリガレートのこれらの特徴的な相違が利用され得る。この例では、これは、図５に示されるシステムによって、三次トリガ論理６３の出力６９を論理真状態にするのに必要とされる行トリガ出力４２、４３、６５、６６の数が、二次トリガ論理５５の出力７０を論理真状態にさせるのに必要とされる数よりも低い数を中心とする狭い範囲内にあるように構成することによって実現され得る。このようにして、タイムスタンプの生成は、初期画素セルトリガレートが超えられ、後続の画素セルトリガレートがより低い所定の範囲内にあることに応じて行われ得る。二次トリガ論理５５及び三次トリガ論理６３によって設定される閾値トリガレート条件を調節することによって、２つの時点で決定される画素セルトリガレート、従って光学的光子発生レートの任意の所望のプロファイルに応じてタイムスタンプの生成が行われ得る。
図５に示される実施形態の１つの例示的実装形態では、パルス短縮器ユニット５１内の単安定回路がそれぞれ０．５ｎｓの期間を有し、遅延ユニット５６が１ｎｓの遅延期間を有し、遅延ユニット６１が１０ｎｓの遅延期間を有する。更に、一次トリガ論理５４の出力５７は、パルス短縮器ユニット５１からのその入力の任意の１つが論理真状態であるときに論理真状態になるように構成される。二次トリガ論理ユニット５５の出力５９は、遅延ユニット５６の１ｎｓ遅延期間中に光検出器画素アレイ４１内でトリガされるセルの数、従って画素セルトリガレートが毎秒１０６カウントを超えるγ光子受取りレートに対応するときに論理真状態になるように構成される。三次トリガ論理ユニット６３の出力６９は、遅延ユニット６１の１０ｎｓ期間中に光検出器画素アレイ４１内でトリガされるセルの数、従って画素セルトリガレートが毎秒１０５カウントを超えるγ光子受取りレートに対応するときに論理真状態になるように構成される。パルス短縮器ユニット１は、光検出器画素アレイ４１での全ての画素セル行４２、４３、６５、６６に対応する行トリガ出力４８、４９、６７、６８から信号を受信する。このようにして、光検出器画素アレイ４１内の画素セルの任意の１つが論理真状態に設定されるとき、一次トリガ論理５４の出力は、０．５ｎｓの期間にわたって論理真状態に設定される。これは、最初の光学的光子による一次トリガ論理５４の出力５７のトリガに対応する。遅延ユニット５６は、１ｎｓの遅延期間だけ、ＡＮＤ論理５０へのこのパルスの伝播を遅延する。その一方で、二次トリガ論理ユニット５５は、その入力で行トリガ出力４８、４９、６７、６８がその所定のレート条件を満たすかどうか判断し、このレート条件は、毎秒１０６カウントを超えるγ光子受取りレートに対応する。この条件が遅延ユニット５６の１ｎｓ遅延期間内に満たされる場合、その出力７０は論理真状態に設定され、これは、遅延ユニット５６の１ｎｓ遅延期間の最後に、ＡＮＤ論理５０からの論理真出力を生じる。遅延ユニット６１は、１０ｎｓの遅延期間だけ、ＡＮＤ論理６２へのこのパルスの伝播を遅延する。その一方で、三次トリガ論理ユニット６３は、この第２の１０ｎｓ遅延期間内に、その入力で行トリガ出力４８、４９、６７、６８がその所定のレート条件を満たすかどうか判断し、このレート条件は、毎秒１０５カウントを超えるγ光子受取りレートに対応する。この条件が遅延ユニット６１の１０ｎｓ期間中に満たされる場合、その出力６９は論理真状態に設定され、これは、遅延ユニット６１の１０ｎｓ期間の最後に、ＴＤＣトリガ接続６４で論理真出力を生じ、それにより、ＡＮＤ論理６２からの出力は、ＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させる。このようにして、タイムスタンプの生成は、第１と第２の画素セルトリガレート条件が順に満たされることに依存する。従って、光検出器画素アレイ４１内部の画素セルのトリガがシンチレーション光パルスから生じたものである信頼性がはるかに高いレベルであるときに、タイムスタンプが生成される。明らかに、一次、二次、及び三次トリガ論理ユニット５４、５５、及び６３の他の構成、ＡＮＤ論理５０及び６２の代替の論理実施形態、並びに遅延ユニット５６及び６１での代替の遅延が、第１及び第２の画素セルトリガレート条件を望まれる任意のレートに設定するために使用され得る。光検出器画素アレイ内の画素セルは、出力５７、７０、若しくは６９、又は６４のいずれかが真論理状態に設定されるのに続いてリセットされてよく、次のタイムスタンプを生成するために画素セルを準備する。上記の論理回路をプログラム可能にすることによって、この構成は更に、例えば、ＰＥＴ撮像スキャンの実行時の回路の使用の合間又は使用中に再構成され得る。それを行う際、システムは、使用中に感度と雑音除去との両方を調節するように再構成され得る。
第１の実施形態を参照して述べたように、図５に示される任意選択的な積分器ユニット４７は、更に、受け取られたγ光子からのシンチレーション光を積分することができる。第１の実施形態でも述べたように、任意選択的な妥当性検査論理ユニット４６は、光検出器画素アレイ４１内のトリガされた画素セルの総数に基づいて、ＴＤＣ４４から制御ユニット３３へのタイムスタンプの出力又はその拒否を制御することによって、雑音に対する更なる区別を提供することができる。更に、任意選択的な制御ユニット３３は、様々な上記のプロセスを調整することができる。
第３の実施形態によれば、図４に示される第１の実施形態は、更に第２のＴＤＣを供給され、第２のＴＤＣは、ＴＤＣ４４と同様に動作し、本明細書では以後、基準時間−デジタル変換器（ＲＴＤＣ：reference time-to-digital converter）と称される。ＲＴＤＣは、一次トリガ論理ユニット５４の出力５７から電気信号を受信し、この出力が論理偽状態から論理真状態に移行するときに第２のタイムスタンプを生成するように構成される。このようにして、二次トリガ論理ユニットに関するトリガレート条件が満たされるときにタイムスタンプが生成されるだけでなく、一次トリガ論理ユニット５４に関する条件が満たされるときにも第２のタイムスタンプが生成される。一次トリガ論理ユニット５４に関する条件に関係する第２のタイムスタンプは、特定の光学的光子検出レート条件を示すのではなく、特定数の光学的光子の検出の時点を示す。ＲＴＤＣによって生成されたタイムスタンプは、一次トリガ論理５４をトリガしたシンチレーション光パルスの形状に関係する情報を提供するために使用され得る。このパルス形状情報は、その後、タイムウォーク補正を行うため、又はシンチレータ要素４０でのγ光子の相互作用深さを推定し、それにより元のγ光子の検出の空間解像度を改良するために使用され得る。この相互作用深さは、γ光子の入射角に基づく区別を可能にするので、その後、γ光子の同時の対を決定する空間解像度を更に改良するためにＰＥＴ撮像システムで使用され得る。この情報は、一見すると同時の２つのγ光子に関して比較され得て、同時に見えるが、それらの入射角により実際には視差誤差を受けているγ光子を拒否する。ＲＴＤＣによって生成される第２のタイムスタンプは、ＴＤＣ４４によって生成されるタイムスタンプよりも高い誤トリガのリスクがあり、従ってＴＤＣ４４よりも多くの妥当なγ光子を見逃すが、ＴＤＣ４４からのタイムスタンプと合わせて生成されるとき、撮像システムの空間解像度を改良するために複合データがこのようにして使用され得る。上述のように、トリガ論理ユニット５４及び５５は、幾つかの時点からのシンチレーション光パルスの特性のサンプリングが可能になるようにプログラム可能にされ得る。この第３の実施形態で述べる回路はまた、シンチレーション光パルス全体にわたって異なる時点で追加のタイムスタンプを生成するために、又はＴＤＣ４４がタイムスタンプを生成するための前提条件として、それぞれ対応する時間−デジタル変換器を有する追加のトリガ論理ユニットを含むことによって適合され得る。追加のタイムスタンプは、シンチレーション光パルスの形状の決定を改良し、それにより、更に正確なタイムウォーク補正を提供し、タイミングジッタを減少させ、相互作用深さの推定を改良するために使用され得る。ＴＤＣ４４がタイムスタンプを生成するための前提として使用されるとき、得られるタイムスタンプは、画素セルからの電気信号がγ光子から発している確率が更に高い状態で生成されるという利益を有する。
第３の実施形態の例示的な実装形態では、図４でのシステムは、最初の検出された光学的光子が一次トリガ論理５４の出力５７を論理真状態にするように構成され、また、二次トリガ論理５５が、光検出器画素アレイ４１内の画素セルに関する画素セルトリガレートがγ光子からの予想される初期レートを超えるときにＡＮＤ論理５０がＴＤＣ４４にタイムスタンプを生成させるようにするように構成される。このレートは、例えば、５０光学的光子／ｎｓでよい。遅延ユニット５６は、例えば１ｎｓの遅延期間を有するように構成され得る。従って、一次トリガ論理ユニット５４の出力５７からの電気信号を受信するＲＴＤＣは、最初の光学的光子が検出されるときにタイムスタンプを生成するように構成される。計時が正確であるとき、ＲＴＤＣタイムスタンプとＴＤＣタイムスタンプとの時間差は、遅延ユニット５６の遅延時間に、シンチレーション光パルスの立ち上がり時間を加えた値、従って約１ｎｓに等しいと予想される。しかし、これが当てはまらない場合、これが当てはまるようにＴＤＣのクロック期間にスケーリング係数を乗算することによってタイムウォーク補正が実施され得る。更に、シンチレータ要素での放射量子に関する相互作用深さの計算が、ＰＥＴ撮像システムの空間解像度を改良するために行われ得る。相互作用深さの計算は、相互作用深さ計算ユニットによって実施され得て、このユニットは、シンチレータ要素での相互作用深さに時間差を関係付けるルックアップテーブル又は統計関数を使用して相互作用深さを計算するように構成される。そのようなルックアップテーブル又は統計関数は、シンチレータ要素の幾何形状に基づいて、ヒューリスティックな又はシミュレートされた時間差情報から生成され得る。
第４の実施形態によれば、図５に示される第２の実施形態は、第２のＴＤＣ（本明細書では以後、基準時間−デジタル変換器（ＲＴＤＣ）と称される）と第３のＴＤＣとを更に供給される。どちらの追加のＴＤＣも、ＴＤＣ４４と同様である。第２のＴＤＣ又はＲＴＤＣは、一次トリガ論理ユニット５４の出力５７から電気信号を受信し、この出力での信号が論理偽状態から論理真状態に移行するときに第２のタイムスタンプを生成するように構成される。第３のＴＤＣは、二次トリガ論理ユニット５５の出力７０から電気信号を受信し、この出力が論理偽状態から論理真状態に移行するときに第３のタイムスタンプを生成するように構成される。このようにして、γ光子の受取り後に３つのタイムスタンプが生成される。第１のタイムスタンプは、一次、二次、及び三次トリガ論理ユニット５４、５５、及び６３に関するトリガ条件がそれぞれ満たされているときにＴＤＣ４４によって生成される。実際には、これは、生成されるべき３つのタイムスタンプの最後のものである。第２のタイムスタンプは、一次トリガ論理ユニット５４に関する条件が満たされるときに生成される。第２のタイムスタンプは、特定数の光学的光子の検出を示す。第３のタイムスタンプは、二次トリガ論理ユニット５５に関する条件に関係し、光検出器画素アレイ４１内の画素セルに関する所定の画素セルトリガレートが満たされていることを示す。更なる第２及び第３のタイムスタンプは、一次トリガ論理５４をトリガしたシンチレーション光パルスの形状に関係する更なる情報を提供する。第３の実施形態と同様に、このパルス形状情報は、その後、タイムウォーク補正を行うため、又はシンチレータ要素４０でのγ光子の相互作用深さを推定し、それにより元のγ光子の検出の空間解像度を改良するために使用され得る。トリガ論理ユニットをプログラム可能にすることによって、この構成によって、サンプリング点の大きな変化が可能になる。この第４の実施形態で述べる回路はまた、シンチレーション光パルス全体にわたって異なる時点で追加のタイムスタンプを生成するために、それぞれ対応する時間−デジタル変換器を有する１つ又は複数の更なるトリガ論理ユニットを追加することによって拡張され得る。そのようなタイムスタンプは、同様に、シンチレーション光パルスの形状の決定を改良し、それにより、更に正確なタイムウォーク補正、又は相互作用深さの改良された推定を提供するために使用され得る。
第４の実施形態の例示的実施形態では、図５での回路は、パルス短縮器ユニット５１内の単安定回路がそれぞれ０．５ｎｓの期間を有し、遅延ユニット５６が１ｎｓの遅延期間を有し、遅延ユニット６１が１０ｎｓの遅延期間を有するように構成される。更に、一次トリガ論理５４の出力５７は、パルス短縮器ユニット５１からのその入力の任意の１つが論理真状態であるときに論理真状態であるように構成される。二次トリガ論理ユニット５５の出力７０は、遅延ユニット５６の１ｎｓ期間中に光検出器画素アレイ４１内でトリガされるセルの数が毎秒１０６カウントを超えるγ光子受取りレートに対応するときに論理真状態になるように構成される。三次トリガ論理ユニット６３の出力６９は、遅延ユニット６１の１０ｎｓ期間中に光検出器画素アレイ４１内でトリガされるセルの数が毎秒１０５カウントを超えるγ光子受取りレートに対応するときに論理真状態になるように構成される。パルス短縮器ユニット１は、光検出器画素アレイ４１での全ての画素セル行４２、４３、６５、６６に対応する行トリガ出力４８、４９、６７、６８から信号を受信する。このようにして、光検出器画素アレイ４１内の画素セルの任意の１つが論理真状態に設定されるとき、一次トリガ論理５４の出力は、０．５ｎｓの期間にわたって論理真状態に設定される。これは、最初の光学的光子による一次トリガ論理５４の出力５７のトリガに対応する。従って、出力５７に接続された基準ＴＤＣ（図示せず）は、この条件が満たされるときにタイムスタンプを生成する。二次トリガ論理ユニット５５の出力は、光検出器画素アレイ４１内の画素セルに関する画素セルトリガレートが毎秒１０６カウントを超えるγ光子受取りレートに対応するときに論理真状態になるように構成される。第３のＴＤＣ（図示せず）は、この条件が満たされるときにタイムスタンプを生成する。最後に、三次トリガ論理６３に関する条件が満たされ、従ってγ光子受取りレートが毎秒１０５カウントを超えるという条件下で、ＴＤＣ４４がタイムスタンプを生成する。このようにして、γ光子の受取りは、順次に３つのタイムスタンプの生成をもたらし、これらは、シンチレーション光パルスの形状の決定を改良し、それにより、更に正確なタイムウォーク補正、又は相互作用深さの改良された推定を提供するために使用され得る。
要約すると、改良された雑音除去を伴う検出された放射量子をタイムスタンプするための計時ユニット及びタイムスタンプトリガユニットを、ＰＥＴ撮像システムを特に参照して述べてきた。本発明は、高エネルギー粒子物理学の用途での放射量子の検出、並びにチェレンコフ放射等、光学的光子の形態での放射量子の直接検出における更なる用途を有する。タイムスタンプトリガユニットが、光検出器画素アレイ内の画素セルに関する画素セルトリガレートに基づいて計時ユニットにタイムスタンプを生成させるという協働によって、改良された雑音除去が実現される。開示される本発明によって、改良された計時分解能が実現され、本発明の改良された雑音除去は、より少数の光学的光子の検出後にタイムスタンプの生成を可能にする。また、改良された雑音除去、及び誤トリガレートの減少により、光検出器の冷却要件が緩和され、室温により近い温度での光検出器の動作を可能にする。
本発明を図面及び前述の説明で詳細に例示及び説明してきたが、そのような例示及び説明は、例示的又は説明的なものとみなされるべきであり、限定とみなされるべきではない。本発明は、開示される実施形態に限定されず、高エネルギー粒子物理学の分野での様々な用途で放射量子の検出を計時するために使用され得る。

Claims (14)

  1. 光学的光子によってトリガされ得る１つ又は複数の画素セルを有する光検出器画素アレイと、
    少なくとも１つの計時ユニットと通信するタイムスタンプトリガユニットと
    を備える放射線検出デバイスであって、
    前記タイムスタンプトリガユニットは、前記光検出器画素アレイからの信号を受信し、更に、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する少なくとも第１の画素セルトリガレートを決定し、
    前記少なくとも第１の画素セルトリガレートは、所定の遅延期間内に、前記光検出器画素アレイ内のトリガされた画素セルの数を計算することによって決定され、
    前記タイムスタンプトリガユニットは、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する前記少なくとも第１の画素セルトリガレートに基づいて前記少なくとも１つの計時ユニットに前記所定の遅延期間の終了を示す第１のタイムスタンプを生成させる、
    放射線検出デバイスにおいて、
    前記第１のタイムスタンプは、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する第２の画素セルトリガレートに更に基づいて生成され、前記第２の画素セルトリガレートは、前記第１の画素セルトリガレートに対して後の時点で決定されることを特徴とする、
    放射線検出デバイス。
  2. 前記タイムスタンプトリガユニットは、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する前記少なくとも第１の画素セルトリガレートが閾値レート値を超える場合に、前記少なくとも１つの計時ユニットに前記第１のタイムスタンプを生成させる、請求項１に記載の放射線検出デバイス。
  3. 前記第１のタイムスタンプは、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関するトリガされた画素セルのカウントに更に基づいて生成され、
    前記第１のタイムスタンプは、前記少なくとも第１の画素セルトリガレートが所定の画素セルトリガレート条件を満たす前に、前記トリガされた画素セルのカウントが、所定のトリガされた画素セルのカウント条件を満たす場合に生成される、
    請求項１に記載の放射線検出デバイス。
  4. 前記所定のトリガされた画素セルのカウント条件は、前記トリガされた画素セルのカウントが閾値カウント値を超えることであり、
    前記所定の画素セルトリガレート条件は、前記少なくとも第１の画素セルトリガレートが閾値レート値を超えることであり、
    前記所定の遅延期間は、前記トリガされた画素セルのカウントが前記閾値カウント値を超えるときに始まり、
    それにより、前記少なくとも１つの計時ユニットは、前記トリガされた画素セルのカウントが前記閾値カウント値を超え、次いでその後、前記所定の遅延期間の終了前により高いカウント値を超え、それにより前記閾値レート値が超えられる場合に、前記第１のタイムスタンプを生成するようにされる、
    請求項３に記載の放射線検出デバイス。
  5. 前記少なくとも１つの計時ユニットから前記第１のタイムスタンプを受信するタイムスタンプ調節ユニットを更に備え、
    前記タイムスタンプ調節ユニットは、前記第１のタイムスタンプの時点から前記所定の遅延期間を減算することによって、調節された第１のタイムスタンプを生成し、前記調節された第１のタイムスタンプは、前記所定のトリガされた画素セルのカウント条件が満たされた時点を示す、
    請求項３又は４に記載の放射線検出デバイス。
  6. 前記タイムスタンプトリガユニットは、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する前記第１の画素セルトリガレートが第１の閾値レートを超え、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する前記第２の画素セルトリガレートが第２の閾値レートを超える場合に、前記少なくとも１つの計時ユニットに前記第１のタイムスタンプを生成させる、請求項１に記載の放射線検出デバイス。
  7. 少なくとも１つの第２の計時ユニットを更に備え、
    前記少なくとも１つの第２の計時ユニットは、前記タイムスタンプトリガユニットと通信し、
    前記タイムスタンプトリガユニットは更に、前記光検出器画素アレイ内の画素セルによる１つ又は複数の光学的光子の検出の時点を示す光子カウントタイムスタンプを前記少なくとも１つの第２の計時ユニットに生成させる、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放射線検出デバイス。
  8. 少なくとも１つの第２の計時ユニットを更に備え、
    前記少なくとも１つの第２の計時ユニットは、前記タイムスタンプトリガユニットと通信し、
    前記タイムスタンプトリガユニットは更に、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する画素セルトリガレートが第２のトリガレート条件を満たす時点を示すトリガレートタイムスタンプを前記少なくとも１つの第２の計時ユニットに生成させる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の放射線検出デバイス。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の放射線検出デバイスを複数備えるＰＥＴ撮像システムであって、
    各放射線検出デバイスは、前記光検出器画素アレイと光通信するシンチレータ要素を更に備える、
    ＰＥＴ撮像システム。
  10. 請求項７又は８に記載の放射線検出デバイスを複数備えるＰＥＴ撮像システムであって、
    各放射線検出デバイスは、前記光検出器画素アレイと光通信するシンチレータ要素を更に備え、
    ＰＥＴ撮像システムは、
    相互作用深さ計算ユニットを更に備え、
    前記相互作用深さ計算ユニットは、ｉ）前記第１のタイムスタンプと前記光検出器画素アレイ内の画素セルによる１つ又は複数の光学的光子の検出の時点を示す光子カウントタイムスタンプとの時間差、又はｉｉ）前記第１のタイムスタンプと前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する画素セルトリガレートが第２のトリガレート条件を満たす時点を示すトリガレートタイムスタンプとの時間差に基づいて、前記シンチレータ要素内の放射量子の相互作用深さを計算する、
    ＰＥＴ撮像システム。
  11. 請求項７又は８に記載の放射線検出デバイスを複数備えるＰＥＴ撮像システムであって、
    各放射線検出デバイスは、前記光検出器画素アレイと光通信するシンチレータ要素を更に備え、
    前記ＰＥＴ撮像システムは、前記第１のタイムスタンプと前記少なくとも１つの第２の計時ユニットによって生成される第２のタイムスタンプとの加重平均に基づいて、補正されたタイムスタンプを生成するタイムスタンプ補正ユニットを更に備える、
    ＰＥＴ撮像システム。
  12. ＰＥＴ撮像又はチェレンコフ撮像で使用するための計時方法であって、
    光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルのトリガを示す信号を前記光検出器画素アレイから受信するステップと、
    所定の遅延期間内に、前記光検出器画素アレイ内のトリガされた画素セルの数を計算することによって、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する少なくとも第１の画素セルトリガレートを決定するステップと、
    前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する前記少なくとも第１の画素セルトリガレートに基づいて、前記所定の遅延期間の終了を示し、また、放射量子の検出も示す第１のタイムスタンプを生成するステップと
    を含む、計時方法において、
    前記第１のタイムスタンプは、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する第２の画素セルトリガレートに更に基づいて生成され、前記第２の画素セルトリガレートは、前記第１の画素セルトリガレートに対して後の時点で決定されることを特徴とする、
    計時方法。
  13. 光検出器画素アレイ内の１つ又は複数の画素セルのトリガを示す信号を前記光検出器画素アレイから受信するステップと、
    所定の遅延期間内に、前記光検出器画素アレイ内のトリガされた画素セルの数を計算することによって、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する少なくとも第１の画素セルトリガレートを決定するステップと、
    前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する前記少なくとも第１の画素セルトリガレートに基づいて、前記所定の遅延期間の終了を示し、また、放射量子の検出も示す第１のタイムスタンプを生成するステップと
    を行うためにコンピュータ実行可能命令を備える、コンピュータプログラムにおいて、
    前記第１のタイムスタンプは、前記光検出器画素アレイ内の前記１つ又は複数の画素セルに関する第２の画素セルトリガレートに更に基いて生成され、前記第２の画素セルトリガレートは、前記第１の画素セルトリガレートに対して後の時点で決定されることを特徴とする、
    コンピュータプログラム。
  14. 前記コンピュータ実行可能命令は、更に、
    前記第１のタイムスタンプの時点から前記所定の遅延期間を減算することによって、調節された第１のタイムスタンプを生成するステップ
    を行う、請求項１３に記載のコンピュータプログラム。

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