KR101273965B1 - 검출기 픽셀, 방사선 검출기, ｔｏｆ-ｐｅｔ 영상화 시스템, 신틸레이터와 함께 수행되는 방법, 및 의료 영상을 생성하는 방법 - Google Patents

검출기 픽셀, 방사선 검출기, ｔｏｆ-ｐｅｔ 영상화 시스템, 신틸레이터와 함께 수행되는 방법, 및 의료 영상을 생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

방사선 검출기(10)는 검출기 픽셀(22) 어레이를 포함하는데, 각 픽셀은 검출기 셀(50,50', 50") 어레이를 포함한다. 각 검출기 셀은 브레이크다운 영역에서 바이어스되는 광다이오드(52)와, 광다이오드와 연결된 그리고 정지 상태에서 제1 디지털 값을 그리고 광다이오드에 의한 광자 검출에 응답해서 제2 디지털 값을 출력하도록 구성된 디지털 회로(54, 54', 54")를 포함한다. 디지털 트리거 회로(60, 60', 60", 84)는 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로 전이하는 선택된 수의 하나 이상의 검출기 셀에 응답해서 통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호를 출력하도록 구성된다. 판독 디지털 회로(66, 82)는 통합 시간 기간에 걸쳐 제1 디지털 상태로부터 제2 디지털 상태로의 검출기 셀 어레이의 검출기 셀의 다수의 전이 카운트를 누산한다.

Description

검출기 픽셀, 방사선 검출기, ＴＯＦ-ＰＥＴ 영상화 시스템, 신틸레이터와 함께 수행되는 방법, 및 의료 영상을 생성하는 방법{DETECTOR PIXEL, RADIATION DETECTOR, TOF-PET IMAGING SYSTEM, METHOD PERFOMED IN CONJUNCTION WITH A SCINTILLATOR, AND METHOD OF PRODUCING A MEDICAL IMAGE}
다음은 방사선 검출 기술에 대한 것이다. 특히, 양전자 방출 단층촬영(PET; Positron Emission Tomography), 특히 타임-오브-플라이트(TOF; Time-Of-Flight) PET를 위한 고속 방사선 검출기에 대한 것이며, 이에 대해 특별한 참조문헌을 가지고 설명될 것이다. 그러나, 다음은 더 일반적으로는 단일 광자 방출 계산 단층촬영(SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography), 컴퓨터 단층촬영(CT: Computed Tomography) 등을 위한 방사선 검출기뿐만 아니라, 천문학과 같은 그밖의 응용분야를 위한 고속 방사선 검출기에 대한 것이다.
종래의 PET에서, 방사성의약품은 환자 또는 그밖의 영상화 대상에게 공급된다. 이 방사성의약품은 양전자를 방출하는 방사선 붕괴 이벤트(radiation decay event)를 생성하는데, 이 양전자는 두 개의 반대 방향 감마선을 생성하기 위한 전자-양전자 소멸 이벤트시에 주변 영상화 대상의 전자와 신속하게 상호작용하기 전에 매우 짧은 거리를 이동한다. 감마선은 두 개의 감마선 사이에서 LOR(Line Of Response)을 한정하는 두 개의 실질적으로 동시적인 방사선 검출 이벤트로서 영상화 대상을 둘러싸는 방사선 검출기에 의해 검출된다. 통상적으로, 방사선 검출기는 각 감마선 검출에 응답해서 광 버스트 또는 신틸레이션을 생성하는 신틸레이터와, 광 버스트를 대응 전기 신호로 변환하는 신틸레이터와 광학적으로 연결된 광전증폭관 튜브(PMT) 어레이를 포함한다. 일부 PET 스캐너에서, PMT는 광 버스트의 세기에 비례하는 아날로그 전류를 생성하는 광다이오드로 대체된다.
감마선이 "실질적으로 동시에" 검출되나, 두 개의 수반된 방사선 검출기 중 하나가 나머지 방사선 검출기보다 전자-양전자 소멸 이벤트에 더 가까운 경우, 두 개의 방사선 검출 이벤트 사이에 작은 시간 차이가 존재할 것이다. 감마선이 광속으로 이동하기 때문에, 검출 사이의 이 시간 차이는 통상적으로 수 나노초 이하이다. TOF-PET에서, 방사선 검출기는 이러한 작은 TOF 차이의 측정을 인에이블하기에 충분히 고속으로 작동하는데, 이는 이후 LOR을 따라서 전자-양전자 소멸 이벤트를 국부화시키기 위해 사용된다.
따라서, TOF-PET에 대해 방사선 검출기가 서브-나노초 시간 해상도를 가져야 한다. PMT는 일반적으로 TOF-PET 영상화를 수행하기에 충분히 빠르나; PMT는 부피가 크고, 높은 전압 바이어싱을 요구하며, 높은 해상도를 위해 바람직한 작은 픽셀 사이즈에 적합하지 않다. 종래의 광다이오드는 TOF-PET를 위해 충분히 빠르나, 내부 증폭이 부족해서, 조악한 신호대 잡음비로 이끈다. 종래의 광다이오드를 가지고 충분한 신호를 얻기 위해, 전하-감응 증폭기가 통상적으로, 신호를 통합하기 위해 사용되는데, 이는 대역폭을 제한한다. 아발란체(avalanche) 광다이오드가 또한 사용될 수 있으나, 아발란체 광다이오드는 통상적으로 높은 잡음 레벨 및 이득에 있어서 높은 온도와 높은 바이어스 감응도를 갖는다.
이러한 어려움을 다루기 위해, 실리콘 광전증폭관(SiPM) 검출기가 예컨대, E.A. Georgievskya외 공저, "넓은 범위의 응용을 위한 고체 상태 실리콘 광전증폭관", 광전자장치 및 나이트 비전 디바이스에 대한 제17 차 국제 회의, SPIE 회보 제5126권(2003); Golovin외 공저, "가이거 모드 작동부를 구비하는 노벨형의 아발란체 광검출기", 물리학적 연구 A에서의 원자핵 도구 및 방법, 제518권, 560-64쪽(2004)에 제안되어 왔다. 이러한 SiPM 검출기는 브레이크다운 영역에서 바이어스된 그리고 병렬로 상호연결된 작은 아발란체 다이오드의 픽셀화된 어레이를 사용한다. 출력은 제한된 가이거-모드에서 작동하는 병렬로-상호연결된 아발란체 광다이오드의 전류의 아날로그 합이다. SiMP 검출기 내의 각 검출된 광자는 106 전자 정도에서 SiPM의 출력 전류에 더해진다. 광자 검출에 응답하는 가이거 방전은 빠르며, 이는 정확한 시간 측정을 촉진하는 신호의 예리한 상승 에지를 제공한다. 에너지-해상도 및 시간-해상도는 1/sqrt(N)을 가지고 크기조정하는데, N은 점화셀의 수이다.
SiPM 디바이스는 다소의 단점을 갖고 있다. 광자 검출에 의해 생성된 아날로그 전류가 바이어스 전압, 작동 온도, 및 중요한 회로 파라미터 이를테면, 억압 고유저항값에 의해 영향을 받는다. 이러한 인자가 각 광자 검출에 의해 생성된 아날로그 전류를 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 SiPM의 에너지 해상도를 제한한다. 아날로그 구성 또한 높은 어두운 카운트를 생성하는 단점 및 결점있는 아발란체 광다이오드가 검출기 디바이스 제조 수율을 상당히 제한하게 하는 단점을 갖고 있다.
다음은 전술한 제한 및 그밖의 것을 극복하는 개선된 장치 및 방법을 고려한다.
일 측면에 따라, 검출기 픽셀이 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 사용하기 위해 개시되어 있다. 검출기 셀 어레이가 제공된다. 각 검출기 셀은 브레이크다운 영역에서 바이어스되는 광다이오드와, 이 광다이오드에 연결된 디지털 회로를 포함한다. 이 디지털 회로는 정지 상태에서 제1 디지털 값을 그리고 광다이오드에 의한 광자 검출에 응답해서 제2 디지털 값을 출력하도록 구성된다. 디지털 트리거 회로가 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로 전이하는 선택된 수의 하나 이상의 검출기 셀에 응답해서 통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호를 출력하도록 구성된다. 판독 디지털 회로가 통합 시간 기간에 걸쳐 제1 디지털 상태로부터 제2 디지털 상태로의 검출기 셀 어레이의 검출기 셀의 다수의 전이의 카운트를 누산한다.
일부 실시예에서, 디지털 타임스탬프 회로가 카운트와 연관된 디지털 타임스탬프를 출력하도록 구성된다. 이 디지털 타임스탬프는 시간 기준 신호에 대한 트리거 신호의 시간을 기초로 한다.
또 하나의 측면에 따라, 방사선 검출기가 신틸레이터와, 이전 단락에 개시된 바와 같은 검출기 픽셀 어레이를 포함하는데, 이 검출기 픽셀 어레이는 수신된 방사선에 응답해서 신틸레이터에 의해 생성된 광 버스트를 수신하도록 배열된다.
또 하나의 측면에 따라, TOF-PET 영상화 시스템이 개시된다. 이전의 두 개의 단락에 개시된 바와 같은 복수의 방사선 검출기가 영상화 영역으로부터 방출된 감마선을 검출하도록 배치된다. 감마선 쌍 검출 회로가 두 개의 방사선 검출기에 의해 두 개의 실질적으로 동시적인 감마선 검출을 식별한다. LOR(Line Of Response) 프로세서는 두 개의 감마선 검출을 연결하는 공간적인 LOR을 결정한다. TOF 프로세서가 두 개의 실질적으로 동시적인 감마선 검출 사이의 시간 차이를 기초로 해서 LOR을 따라서 양전자-전자 소멸 이벤트를 국부화시킨다.
또 하나의 측면에 따라, 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 방법이 수행된다. 디지털 회로가 전환 이벤트를 한정하도록 이 디지털 회로에 의해 브레이크다운 영역 내에서 바이어스되는 광다이오드에 의한 광자의 검출에 응답해서 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로 전환된다. 통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호가 복수의 상기 광다이오드와 연관된 선택된 수의 하나 이상의 상기 전환 이벤트에 응답해서 생성된다. 복수의 상기 광다이오드와 연관된 전환 이벤트의 카운트가 통합 시간 기간에 걸쳐 누산된다.
일부 실시예에서, 이 방법은 통합 시간 기간에 걸쳐 누산과 연관된 디지털 타임스탬프를 생성하는 단계를 더 포함한다. 이 디지털 타임스탬프는 트리거 신호 및 기준 시간 신호의 생성 시간을 기초로 한다.
또 하나의 측면에 따라, 방사선 검출기가 개시되는데, 이전 단락에서 개시된 방법을 수행하기 위한 회로 및 신틸레이터를 포함한다.
하나의 이점이 TOF-PET, 단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영(SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography), 투과 컴퓨터 단층촬영(CT: Computed Tomography), 천문학, 및 그밖의 응용분야를 위한 높은 데이터-레이트 방사선 검출을 제공하는데 있다.
또 하나의 이점이 디지털 방사선 검출기 출력을 제공하는데 있다.
또 하나의 이점이 디지털적으로 타임스탬프된 검출기 출력을 제공하는데 있다.
또 하나의 이점이 개선된 공간 검출기 해상도를 제공하는데 있다.
또 하나의 이점이 온도, 바이어스 전압, 및 프로세스 파라미터에 대한 낮은 감응도를 갖는 개선된 검출기 디바이스 제조 수율에 있다.
다수의 부가적인 이점 및 혜택이 다음의 상세한 설명을 읽는 경우 당업자에게 분명할 것이다.
본 발명은 다양한 구성요소 및 구성요소의 배열과, 다양한 프로세스 동작 및 프로세스 동작의 배열의 형태를 취할 수 있다. 도면은 단지 바람직한 실시예를 예시하는 목적이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 고속의 픽셀화된 디지털 방사선 검출기를 사용하는 TOF-PET 시스템을 도식적으로 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 TOF-PET 시스템의 픽셀화된 디지털 방사선 검출기 중 하나의 단면도를 도식적으로 도시하는 도면.
도 3은 픽셀화된 디지털 방사선 검출기의 검출기 셀 중 하나의 일반적인 회로도.
도 4a는 검출기 셀 중 하나의 일 실시예의 더 상세한 회로도.
도 4b는 검출기 셀 중 하나의 또 하나의 실시예의 더 상세한 회로도.
도 5는 픽셀화된 디지털 방사선 검출기의 하나의 픽셀의 회로도.
도 6은 픽셀화된 디지털 방사선 검출기 중 하나의 회로도.
도 7은 픽셀화된 디지털 방사선 검출기 중 하나의 물리적인 설계 실시예의 단면도로서, 광다이오드가 광다이오드 층을 한정하고, 디지털 회로가 광 다이오드 층과 별개의 그리고 이 층과 전기적으로 연결된 디지털 회로 층 내에 배치되는, 단면도.
도 8은 픽셀화된 디지털 방사선 검출기 중 또 하나의 물리적인 설계 실시예의 사시도로서, 광다이오드가 광다이오드 층을 한정하고, 디지털 회로가 광 다이오드 사이에 산재된 광 다이오드 층 내에 배치되는, 단면도.
도 9는 광자 플럭스가 픽셀화된 디지털 방사선 검출기 영역을 포화시키기에 충분히 높을 때 아날로그 광전류를 생성하는 부가적인 비례형 광다이오드 및 픽셀화된 디지털 방사선 검출기 영역을 포함하는 변형 디바이스의 감광 영역의 평면도.
도 10은 아날로그 회로를 포함하는 검출기를 위한 결함있는 셀 디스에이블 프로세스의 제1 단계에서 사용된 측정 설정의 예시적인 예를 도시하는 도면.
도 11은 하나의 영상화 카운터 셀의 개략적인 블록도.
도 12는 센서 블록도.
도 13은 디스에이블용 퓨즈를 포함하는 광검출기를 도시하는 도면.
도 1을 참조컨대, TOF-PET 스캐너(8)가 영상화 영역(12)을 보도록 배열된 복수의 방사선 검출기(10)를 포함한다. 도 1에서, 복수의 방사선 검출기(10)는 축 방향을 따라서 여러 개의 검출기 고리로 배열되나; 방사선 검출기에 대해 다른 배열이 사용될 수 있다. 더욱이, 복수의 방사선 검출기(10)가 도식적으로 예시되어 있다는 것이 인식되어야 한다; 통상적으로 방사선 검출기는 스캐너(8)의 하우징(14) 내에 하우징되며 이에 따라 밖에서는 보이지 않으며, 통상적으로 각 방사선 검출기 고리는 수백 또는 수천 개의 방사선 검출기를 포함한다. 일부 PET 스캐너에서, 단지 단일의 방사선 검출기 고리가 제공되고, 나머지에서, 둘, 셋, 넷, 다섯, 또는 더 많은 방사선 검출기 고리가 제공된다. 검출기 헤드가 도면에 도시된 검출기 고리 구조 대신에 사용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. TOF-PET 스캐너(8)는 환자 또는 그밖의 영상화 대상을 영상화 영역(12) 내에 위치지정하기 위한 카우치(16) 또는 그밖의 지지대를 포함한다. 선택적으로, 카우치(16)는 방사선 검출기(10) 고리에 일반적으로 교차하는 축 방향으로 선형적으로 이동가능해서 3차원 영상화 데이터의 획득을 촉진시킨다. 부가적으로 또는 대안적으로, 영상화 대상이 고정된 채로 보유될 수 있으며, 복수의 방사선 검출기 고리가 3차원 TOF-PET 영상화 데이터를 획득하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단지 단일의 검출기 고리가 제공되고, 영상화 대상이 고정된 채로 남아있으며, 결과적인 영상이 2차원이다.
적합한 방사능의약품이 TOF-PET 영상화 개시 이전에 환자 또는 그밖의 영상화 대상에 공급된다. 방사능의약품은 양전자를 방출하는 방사성 붕괴 이벤트를 겪 는 방사성 물질을 포함한다. 양전자는 영상화 대상의 근처 전자와 함께 신속하게 소멸한다. 결과적인 양전자-전자 소멸 이벤트는 511keV의 에너지를 갖는 두 개의 반대 방향의 감마선을 생성한다. 이 감마선은 광속 즉, ~3×108m/s로 이동한다. 영상화 영역(12)은 통상 약 2미터 이하의 직경 또는 그밖의 특징적 수치를 갖기 때문에, 양전자-전자 소멸 이벤트의 위치로부터 복수의 방사선 검출기(10)의 검출기 중 하나로의 감마 입자의 TOF는 약 수 나노초 이하이다. 따라서, 두 개의 반대 방향의 감마선은 두 개의 방사선 검출기를 실질적으로 동시에 가격한다.
계속해서 도 1을 참조컨대 그리고 도 2를 추가적으로 참조컨대, 각 방사선 검출기(10)는 신틸레이터(20)를 포함을 포함하는데, 이 신틸레이터는 감마선이 신틸레이터(20)를 가격할 때 광 신틸레이션 또는 버스트를 생성한다. 광 버스트가 실리콘 기판(24) 상에 모놀리식으로 배치된 검출기 픽셀 어레이(22)에 의해 수신된다. 설명되는 바와 같이, 검출기 픽셀(22)은 디지털 검출기 픽셀인데, 이 픽셀은 신틸레이션 이벤트에 대응하는 광 버스트가 검출기 픽셀(22)에 의해 검출되었을 때를 나타내는 타임스탬프(도 1에 "타임스탬프"로 나타남)의 디지털 표현 및 광자의 카운트(도 1에 "카운트"로 나타남)의 디지털 표현을 포함하는 값을 출력한다. 더욱이, 복수의 방사선 검출기(10)는 인덱스 정보를 출력하는데, 이 정보는 예컨대, 어떤 방사선 검출기(10)가 방사선 검출 이벤트를 출력하는지를 나타내는 검출기 인덱스(도 1에 "n검출기"로 나타남), 및 해당 방사선 검출기의 어떤 검출기 픽셀(들)이 방사선 검출 이벤트에 대응하는 광 버스트를 검출했는지를 나타내는 검출기 픽셀 인덱스(도 1에 "k픽셀"로 나타남)를 포함한다. 신틸레이터(20)는 신틸레이션 버스트의 신속한 시간 붕괴와 함께 511keV 감마선에 높은 중단 전력을 제공하도록 선택된다. 몇 가지 적합한 신틸레이터 재료는 LSO, LYSO, MLS, LGSO, LaBr 및 이들의 조합이다. 그밖의 신틸레이터 재료 또한 사용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 도 2가 신틸레이터(20)를 단일 결정으로서 도시하나, 어레이 결정이 그 대신 사용될 수 있다. 부가적으로, 선택적인 평면 광 파이프(26)가 신틸레이터(20)와 검출기 픽셀(22) 사이에 삽입되어 신틸레이션 광 버스트의 광자의 검출기 픽셀(22)로의 투과를 개선시킬 수 있다. 신틸레이터(20) 및 선택적인 광 파이프(26)가 신틸레이션 광을 픽셀(22)쪽으로 방향지정하는 반사형 코팅(28) 내에서 선택적으로 포함된다.
계속해서 도 1을 참조컨대, 방사선 검출 이벤트에 대한 디지털 데이터가 선택된 데이터 처리를 수행하는 프리-프로세서(30)에 의해 처리된다. 예컨대, 신틸레이션 이벤트가 복수의 검출기 픽셀에 의해 검출되는 경우, 프리-프로세서(30)는 Anger 로직 또는 그밖의 처리를 사용해서 각 방사선 검출 이벤트를 위한 공간 좌표(r)를 식별하고 검출된 방사선 입자의 에너지를 추정하게 할 수 있다. 각 방사선 검출 이벤트에 대한 결과적인 공간 및 에너지 정보가 이벤트 버퍼(32)에 저장된다. 그밖의 실시예에서, 신틸레이션 층이 검출기 픽셀에 대응하도록 크기가 맞춰진 신틸레이터 타일로 분할되며, 각 검출기 픽셀은 단일 신틸레이터 타일과 광학적으로 연결된다. 예컨대, 각 신틸레이터 타일은 반사형 코팅(28)과 유사한 반사형 코팅을 포함해서 신틸레이션 광자를 연결 픽셀로 보내게 할 수 있다.
감마선 쌍 검출 회로(34)가 방사선 검출 이벤트를 처리해서 대응 전자-양전자 소멸 이벤트에 속하는 실질적으로 동시적인 감마선 검출 쌍을 식별하게 한다. 이 처리는 예컨대, 에너지 윈도우화(즉, 약 511keV에서 배치된 선택된 에너지 필터링 윈도우 외부에서 방사선 검출 이벤트를 버리는 것) 및 동시-검출 회로(즉, 선택된 시간 필터링 구간보다 더 큰 각각의 다른 것으로부터 시간적으로 분리된 방사선 검출 이벤트 쌍을 버리는 것)를 포함할 수 있다.
감마선 쌍이 식별될 때, LOR 프로세서(38)가 두 개의 감마선 검출 이벤트(예컨대, 두 개의 이벤트는 프리-프로세싱(30)에 의해 계산되는 바와 같은, 공간 좌표(r1 및 r2) 각각으로 나타남)에 속하는 공간 정보를 처리해서 두 개의 감마선 검출에 대한 공간 LOR을 식별하게 한다. 양전자-전자 소멸 이벤트에 의해 방출된 두 개의 감마선이 반대로 공간상 방향지정되기 때문에, 전자-양전자 소멸 이벤트가 LOR 상의 어딘가에서 발생한 것이 알려진다.
TOF-PET에서, 방사선 검출기(10)는 충분히 높은 시간 해상도를 가져서 두 개의 "실질적으로 동시적인" 감마선 검출 사이에서 TOF 차이를 검출하게 한다. TOF 프로세서(40)는 두 개의 감마선 검출 이벤트의 시간(도 1에 "t1" 및 "t2"로 나타남) 사이의 시간 차이를 분석해서 LOR을 따라서 양전자-전자 소멸 이벤트를 국부화하게 한다. 다수의 양전자-전자 소멸 이벤트에 대해 누산된 결과가 히스토프로젝션(42) 세트이다. 재구성 프로세서(44)가 정정과 함께 임의의 적합한 재구성 알고리즘, 이를테면 필터링된 백프로젝션 또는 반복적 백프로젝션을 사용해서 히스토프로젝션(42) 세트를 재구성 영상으로 재구성한다. 결과적인 재구성 영상이 영상 메모리(46)에 저장되고, 사용자 인터페이스(48) 상에 디스플레이될 수 있으며, 인쇄될 수 있고, 저장될 수 있으며, 인트라넷 또는 인터넷을 통해 전달될 수 있거나, 이와 달리 사용될 수 있다. 예시된 실시예에서, 사용자 인터페이스(48)는 또한 방사선기사 또는 다른 사용자가 TOF-PET 스캐너(8)를 제어하게 한다; 그밖의 실시예에서, 별개의 제어기 또는 제어 컴퓨터가 제공될 수 있다.
도 3을 참조컨대, 방사선 검출기(10)의 각 픽셀(22)이 검출기 셀(50) 어레이를 포함한다; 도 3은 하나의 이러한 검출기 셀(50)의 일반적인 회로도를 도시한다. 광다이오드(52)가 브레이크다운 영역에서 바이어스되며 디지털 회로(54)로의 입력으로서 작용한다. 디지털 회로(54)의 출력(56)이 정지 상태에 대응하는 제1 디지털 값을 갖고, 광다이오드(52)에 의한 광자의 검출에 응답해서 제2 디지털 값으로 전이한다. 신틸레이션 버스트의 제1 광자가 검출될 때, 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로의 출력(56)의 전환이 오픈 콜렉터 트리거 라인 구동기(60)를 활성화시키는데, 이 구동기는 트리거 신호가 공통 트리거 라인 또는 버스(62) 에 인가되게 한다. 계속해서 트리거 신호가 광자 카운터/FIFO 버퍼(66)(FIFO = "first in, first out")를 개시시키는데, 이 카운터/버퍼는 트리거 신호에 의해 시작된 통합 시간 기간에 걸쳐 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로의 디지털 회로(54)의 전환을 카운트한다. 몇 가지 그밖의 실시예에서, 획득 인에이블 라인(67)이 광자 카운터(66)를 개시시킨다. 능동 또는 수동 중 하나일 수 있는 억압 회로(70)가 광다이오드(52)를 통해 전류를 제한하며, 바이어스 회로를 제2 디지털 값으로부터 제 1 디지털 값으로 다시 전이시키는 것을 촉진하도록 구성된다. 따라서, 검출기 셀(50)은 통합 시간 기간이 만료하기 전에 검출기 셀(50)이 정지의 제1 디지털 값으로 다시 억압되는 경우 하나 초과의 광자를 카운트할 수 있다. 광자 카운터/FIFO 버퍼(66)에 저장된 최종 카운트는 디지털 버스(68)를 통해 액세스가능하다.
광다이오드(52)는 가이거-모드 유형의 작동으로 적합하게 바이어스된다. 광다이오드(52)가 브레이크다운될 때, 다량의 전하(예컨대, 일부 광다이오드에서 수신 검출당 약 106개의 전자)가 아발란체 브레이크다운 프로세스를 통해 생성된다. 이 전하는 주로 억압 회로(70)를 통해 운반되는데, 이 회로는 통상 수백 킬로-옴의 유효 고유저항을 가져서 광다이오드(52)를 통해 흐르는 전류를 제한시킨다. 이에 따라 제한된 전류와 함께, 광다이오드(52)에 남아있는 전하가 공간적으로 분포해서 광다이오드(52)의 아발란체 영역 내의 전기장을 감소시킨다. 이러한 차폐는 아발란체 프로세스를 억압하고, 남아있는 캐리어가 이동(drift)에 의해 아발란체/공핍 영역으로부터 운반되게 해서, 광다이오드(52)의 복구(recovery)를 야기한다. 통상, 광다이오드(52)는 경계 주위에 보호 고리(미도시)를 포함하는데, 이는 광다이오드(52)의 에지에서 아발란체 브레이크다운을 방지한다. 보호 고리 구조는 아발란체 브레이크다운이 발생하기에는 너무 낮은 내부 장을 갖는 평범한 역-바이어스 PN 다이오드처럼 적합하게 작용한다.
도 4a를 참조컨대, 하나의 예시적인 실시예에 의한 검출기 셀(50')의 더 상세한 회로도가 설명되어 있다. 본 실시예는 억압 저항으로서 구현된 수동 억압 회로(70')를 포함한다. 광자 검출시에, 광다이오드(52)의 접합부가 브레이크 다운하고 전류가 광다이오드(52) 및 억압 저항(70')을 통해 흐르기 시작한다. 이 전류는 저항(70') 양단의 전압 강하를 야기하고, 이에 따라 인버터 입력 상의 전위를 낮춘다. VDD에 대한 전압 차이는 인버터 출력을 "하이" 상태로 구동시키기에 충분히 커야 한다. 인버터의 전환 특성은 트랜지스터 폭을 조정함으로써 최적화될 수 있다. 인버터 출력은 광다이오드(52)가 브레이크다운으로부터 복구될 때 "로우" 상태로 자동으로 복귀한다.
계속해서 도 4a를 참조컨대, 검출기 셀(50')은 저지 로직(74)을 더 구현하는데, 이 로직은 결점있는 검출기 셀을 완벽하게 스위치 오프하지 않고, 그보다는 결점있는 검출기 셀이 거짓 트리거를 생성하는 것을 방지한다. 결점있는 검출기 셀은 초과 전류를 생성할 것인데, 이 전류는 트리거 확인 회로(후술함)에서 고려된다. 검출기 셀(50')을 사용할 때, 트리거 라인(62)은 풀-업 저항(도 4a에 미도시)을 통해 "하이" 레벨로 묶인다. 이러한 방식으로, 모든 검출기 셀(50')로부터의 트리거가 함께 논리상 "or"이고 트리거 라인(62)이 제1 광자를 검출하는 해당 검출기 셀에 의해 풀 다운된다.
도 4b를 참조컨대, 또 하나의 예시적인 실시예의 검출기 셀(50")의 더 상세한 회로도가 설명되는데, 이는 능동 억압 회로(70")를 포함해서 광다이오드(52)의 접합 커패시턴스의 방전을 가속시켜서 정지 레벨로 복귀하도록 하며, 이에 다라 광다이오드(52)의 복구 시간을 감소시킨다. 더 짧은 복구 시간이 더 높은 감응도로 이끌것이라는 것이 예상되는데, 그 이유는 주어진 검출기 셀(50")이 빨리 복구할 때 통합 시간 기간 동안 하나 초과의 광자를 카운트할 가능성이 더 있기 때문이며, 또한 검출기 셀(50")의 더 높은 작동 범위 및 더 양호한 에너지 해상도로 이끌 것이라는 것이 예상된다. 광자 카운터(66)는 계층적인 트리거 네트워크가 사용되는 경우 전용 라인 또는 트리거 라인(62)에 의해 인에이블되는데, 이 라인은 제1 광자를 검출하는 해당 검출기 셀에 의해 풀 다운되고, 통합 시간 기간 동안 메인 픽셀 로직(도 4b에 미도시)에 의해 억제된다. 광자 카운터(66)에 의해 누산된 검출 광자 수는 광자 카운터(66)로부터 트리거 라인(62) 또는 전용 판독 라인의 상승 에지 상의 버퍼 또는 그밖의 디지털 저장부(도 4b에 미도시)로 전달된다. 후속적으로, 카운터(66)는 그다음 신틸레이션 버스트 검출 이벤트에 대비해서, 예컨대, 트리거 라인(62) 상의 인버트(inverted) 및 지연 신호의 낮은 레벨에 의해, 자동으로 리셋된다. 이 배열에서, 통합 시간 기간 사이의 데드(dead) 시간은 카운터(66)의 리셋 시간 더하기 버퍼 전달 시간만큼 낮을 수 있는데, 이는 일부 실시예에서 COMS 이행을 위한 1나노초 미만이라는 것이 예상된다. 도 4b의 검출기 셀(50")은 또한 저지 로직(74)을 포함해서 결점있는 검출기 셀로부터의 거짓 트리거를 방지하게 한다.
도 5를 참조컨대, 방사선 검출기(10)의 각 픽셀(22)이 검출기 셀(50)의 2차원 어레이 및 연관 픽셀-레벨 디지털 픽셀 로직(80)을 포함한다. 픽셀(22)을 위한 디지털 판독 회로가 픽셀-레벨 디지털 획득 및 판독 회로(82) 그리고 검출기 셀 레벨에서 연관 회로를 포함한다.
도 3 및 5를 참조컨대, 각 검출기 셀(50)의 디지털 회로(54)는 해당 검출기 셀의 광다이오드(52)가 브레이크다운에 진입했는지 여부를 나타내는 임계-기반 이진 디지털 출력을 제공한다. 디지털 회로(54)는 광다이오드(52)가 정지 상태에 있을 때 제1 이진 값을 출력하고 광다이오드 전류가 광자 검출을 나타내는 임계 값 이상으로 증가할 때 제2 이진 값으로 전이한다. 각 광다이오드(52)의 신호가 이에 따라 검출기 셀(50) 레벨에서 디지털화된다. 판독이 검출기 셀의 디지털 전이를 카운트하는 픽셀-레벨 로직에 의해 수행되어 검출 광자 수를 나타내는 디지털 픽셀 출력을 생성시킨다. 아날로그 SiPM에서 행해지는 아날로그 픽셀 출력을 생성하기 위한 아날로그 광다이오드 전류의 합산과 비교해서, 도 3 및 5의 디지털화-및-카운트 방법이 바이어스 변화, 작동 온도 변화, 억압 회로(70)의 구성요소에서의 허용오차 등에 훨씬 덜 감응한다. 이러한 2차적인 효과가 임계화 디지털 회로(54)의 오류성 전환 또는 유실(missed) 전환을 야기하지 않는한, 일반적으로 검출기 셀(50)의 에너지 해상도에 영향을 주지 않는다.
일부 판독 접근법에서, 검출기 셀(50)은 검출기 셀(50) 어레이의 행 및 열을 위한 어드레스 디코더를 사용해서, 표준 메모리 블록에서처럼 어드레싱된다. 이 해결책은 셀 데이터의 순차 판독을 제공하는데, 이 경우에 픽셀-레벨 판독 회로(82)는 간단한 디지털 누산기일 수 있다. 그밖의 판독 접근법에서, 셀 라인이 병렬로 판독되는데, 각 라인은 부분합을 위한 자체 누산기를 구비하며, 부분합은 병렬 가산기 트리에서 가산된다. 또 다른 판독 접근법에서, 가산기가 검출 셀과 병합되어, 데이터에 시간을 기록하는(clocking the data out) 동안 전체 라인의 합이 획득되고 라인합이 라인 내의 마지막 검출기 셀로부터 판독된다. 이 후자의 판독 접근법에서 합계가 파이프라인될 수 있고, 판독 아키텍쳐가 빨라서, 짧은 판독 구간을 허용한다.
검출기 셀-레벨 광자 카운터(66) 또는 픽셀-레벨 판독 회로(82)의 카운터가 포화할 가능성이 있는 경우, 카운터는 랩 어라운드(wrap around)하도록 허용되어서는 안 된다. 예컨대, 0...15로부터 카운트하는 4비트 카운터가 15로부터 다시 0으로 증가하도록 허용되어서는 안 된다. 랩-어라운드를 회피함으로써, 카운터가 자신의 최고값(예컨대, 4비트 카운터에 대해 15임)을 판독할 때, 픽셀(22)의 포화가 검출될 수 있다. 랩-어라운드를 회피하기 위한 비트수는 단지 최소 기대 셀 복구 시간 및 통합 시간의 최대 길이에 의존한다. 통합 윈도우가 설계 파라미터인 반면, 셀 복구 시간은 통계적 성질인데, 그 이유는 광자 검출 확률이 셀 복구동안 느리게 상승하는 과전압의 함수이기 때문이다. 그러나 능동적으로 억압된 셀에서, 최소 복구 시간은 모노플롭 지연에 의해 한정된다. 따라서, 이 경우에, 오버플로우를 회피하기에 충분히 넓은 카운터를 설계하는 것이 가능하다. 디지털 버스(68)는 공간 및 시간 제약에 의존해서, 병렬 또는 직렬 버스 중 하나일 수 있다.
계속해서 도 5를 참조컨대, 디지털 픽셀 로직(80)은 트리거 디지털 회로(84), 트리거 확인 회로(85), 및 출력 버퍼(86)를 더 포함하는데, 이 버퍼는 픽셀(22)의 광자 카운트를 저장한다. 트리거 디지털 회로(84)는 기준 클록(88, 적합한 발진기 또는 도 5에 도시되지 않은 그밖의 클록킹 디바이스에 연결되는 전기적 궤적으로 도시됨)에 액세스해서 트리거 디지털 회로(84)에 시간 기준을 제공하게 한다. 트리거 디지털 회로(84)는 광역(예컨대, 스캐너) 시간 프레임에 방사선 검출 이벤트의 시간 스탬프를 결정한다. 스캐너의 모든 픽셀(22)의 트리거 디지털 회로 모듈(84)이 바람직하게는 100ps보다 더 작은 정확도로 동기적으로 실행한다. 기준 신호(88)가 사용되어 픽셀의 트리거 디지털 회로 모듈(84)을 동기화시키며, 이것들에 전체 스캐너를 위한 공통 시간 베이스를 제공한다. 일부 실시예에서, 통합 시간 기간은 트리거 신호의 발생시에 시작하는 고정 시간 구간이다. 그밖의 실시예에서, 통합 시간 기간은 새로운 카운트의 레이트가 임계 값 아래로 감소할 때 다이내믹하게 종료된다.
트리거 디지털 회로(84)는 또한 바람직하게는 카운트와 연관된 디지털 타임스탬프(도 1 참조)를 출력하도록 구성된다. 디지털 타임스탬프는 신틸레이션 버스트로부터 광자를 검출하는 검출기 셀(50) 중 제1 셀의 트리거 라인 구동기(60)에 의해 출력된 트리거 신호의 시간을 기초로 한다. 픽셀 로직(80)은 선택적으로는 데이터 정정 레지스터 및 저지 시퀀스 구동기를 더 포함한다. 자동 테스트 및 조정 회로(87)가 또한 선택적으로는 픽셀 로직(80)에 의해 이행된다. 하나의 테스트/조정 방법에서, 픽셀(22)의 어두운 카운트 레이트(가능하게는 신틸레이터(20)의 고유 방사성에 의해 생성된 백그라운드 카운트를 포함함)가 모니터링된다. 또 하나의 테스트/조정 방법에서, 검출기 셀(50)에 주입된 테스트 전하로부터의 외부 여기가 사용되어 픽셀(22)을 테스트 및 조정하게 한다.
계속해서 도 5를 참조컨대, 어두운 전류, 크로스토크, 열적 여기 등으로 인해, 검출기 셀(50) 중 하나가 통합 시간 기간을 시작하는 우발적인 트리거 신호를 생성할 수 있다는 것이 가능하다는 것이 인식될 것이다. 트리거 확인 회로(85)는 트리거 신호를 확인하고, 트리거 신호가 거짓이라고 결정된 경우 통합을 중지한다. 일 접근법에서, 트리거 확인 회로(85)는 픽셀(22)의 바이어스 네트워크를 통해 흐르는 전류를 분석한다. 총 전류가 판별기 또는 그밖의 회로에 의해 측정된 바와 같은 선택된 시간 구간 동안(예컨대, 획득 시간 기간에 대해 10나노초 동안) 일정한 전류 임계 아래에 머무는 경우, 획득이 중지되고 자동 리셋 시퀀스가 그다음 트리거에 대비해서 개시된다. 전류가 전류 임계를 초과하는 경우, 판별기 출력이 "하이" 레벨로 상승할 것이고 획득이 계속될 것이다. 일부 실시예에서, 고정 통합 시간 기간을 사용하는 것보다는, 바이어스 전류 판별기의 하강 에지가 사용되어 신틸레이션 버스트의 종료를 검출해서 획득 구간의 종단을 실질적으로 매치하도록 통합 시간 기간을 적응시킨다. 이는 높은 카운트 레이트 응용분야에서 파일-업(pile-up)을 억제할 수 있다. 또 하나의 적합한 방법은 열적 트리거가 일반적으로 상관되지 않기 때문에 짧은 시간 윈도우 내에서 두 개의 열적으로 생성된 트리거의 확률이 트리거 셀의 거리와 함께 감소된다는 사실을 이용한다. 대조적으로, 신틸레이션 버스트가 픽셀(22)의 감광 영역 양단의 검출기 셀(50) 상에서 작용해야 한다. 따라서, 트리거 확인 회로(85)는 예컨대, 개별적인 검출기 셀(50)로부터의 트리거를 분석할 수 있고, 두 개의 떨어진 라인이 선택된 시간 윈도우 내에서 트리거 신호를 생성하는 경우 트리거 신호를 확인한다. 이를테면 단일 광자 레벨보다 더 높은 트리거 임계에서 조정가능한 판별기 세트를 구비하는 전류 센서를 사용하는 것과 같은 트리거 확인을 위한 그밖의 접근법이 사용될 수 있다.
몇 가지 그밖의 실시예에서, 카운터(66)는 획득 인에이블 라인(67)에 의해 트리거된다. 제1 광자 상에서 트리거하는 것은 양전자-전자 소멸 이벤트와 무관한 광자에 대한 높은 백그라운드 플럭스가 존재하는 경우 문제가 될 수 있다. 이러한 백그라운드 플럭스는 예컨대, 신틸레이터의 제2 느린 붕괴 모드의 결과가 될 수 있다. 이 경우에, 검출기 셀은 자주 점화해서, 픽셀의 데드 시간을 증가시킨다. 더 강력한 카운터 개시를 제공하기 위해, 검출기 셀 레벨에서(도 3, 도 4a, 또는 도 4b 참조), 광자 카운터는 별개의 '획득 인에이블' 라인(67)에 의해 인에이블되는데, 이 라인은 제1 광자의 검출시 픽셀 로직에 의해 또는 바이어스 네트워크를 통과하는 전류가 사용자-정의된 트리거 레벨을 초과할 때 트리거 확인 회로(85)의 판별기에 의해 풀 다운된다(트리거 라인은 떨어진다(go down)). 이 라인은 통합 윈도우의 길이를 한정하고 픽셀 로직에 의해 구동된다. 검출기 픽셀 레벨에서(도 5), 트리거 확인 회로(85)가 트리거 라인(62)(단일 광자 트리거에 대한 것임) 또는 리딩 에지 판별기 출력(다수의 광자 트리거에 대한 것임) 중 하나를 디지털 변환기/트리거 확인 회로로의 시간에 대한 입력으로서 선택하는 멀티플렉서(89)를 포함하도록 확장된다. 트리거 확인 회로(85)는 '획득 인에이블' 신호(67)를 검출기 셀(50, 50', 50")에 제공하도록 확장된다. 대안적으로, 단일-광자 레벨에서의 트리거가 필요하지 않은 경우, 선택된 수의 셀(트리거 라인)이 동시에 활성화되면 적합한 로직이 트리거 신호를 생성하도록 이행될 수 있다. 이 이행은 단지 디지털 구성요소만을 필요로 하는 실질적인 이점이 있다. 그러나, 이 경우에, 임계가 단지 통계적으로 정해진다. 몇 가지 그밖의 실시예에서, 오픈 콜렉터 구동기가 선택적으로 검출기 셀로부터 생략되며, 변형 설계가 트리거 확인 회로에서 사용된다.
계속해서 도 5를 참조컨대 그리고 도 6을 추가적으로 참조컨대, 픽셀(22)이 2차원 어레이로 배열되어 픽셀화된 방사선 검출기(10)의 감광 표면을 한정시킨다. 도 6에 도시된 실시예는 픽셀 판독을 사용하는데, 이 실시예에서 픽셀(22)의 각 라인은 FIFO 버퍼(90)에 의해 판독된다. 출력 버퍼(90) 각각은 공유 디지털 데이터 버스(92)를 통해 데이터가 전달되게 하는 3가지 상태의 출력 버퍼를 포함한다. 선택적으로, 이벤트가 라인 출력 버퍼(90) 내의 판독 조정(arbitration)에 의해 그리고 또한 출력 버퍼(92)에 의한 공유 버스 조정에 의해 시간 스탬프에 따라서 소트되어, 시간에 따라 소트되는 이벤트 데이터 스트림을 야기한다. 이러한 선택적인 특징은 실질적으로 동시성 이벤트에 대한 탐색을 간략화한다. 데이터 요청 데이지-체인(daisy-chain)이 쓰기 액세스 조정을 위해 적합하게 사용된다. 데이지 체인 합은 전달 오프-칩을 위한 방사선 검출기 출력 버퍼(94)에 전달된다.
도 7 및 도 8을 참조컨대, 일부 실시예에서, 방사선 검출기(10)의 디지털 회로(이를테면 디지털 바이어스 회로(54, 54', 54"), 디지털 트리거 회로(60, 60', 60", 84), 및 판독 디지털 회로(66, 82))는 실리콘 기판(24) 상에 배치된 CMOS 회로에 의해 한정된다. 다양한 물리적인 설계가 사용될 수 있다. 도 7에 도시된 수직으로 분리된 설계에서, 검출기 셀(50, 50', 50") 어레이의 광다이오드(52)가 광다이오드 층(100)을 한정하고, 디지털 회로가 광다이오드 층(100)과 별개의 그리고 이 층과 전기적으로 결합된 CMOS 디지털 회로 층(102)에 배치된다. 도 8에 도시된 대안적인 설계에서, 광다이오드(52)는 광다이오드 층(100')을 한정하고, CMOS 디지 털 회로(이를테면 디지털 바이어스 회로(54, 54', 54"), 디지털 트리거 회로(60, 60', 60", 84), 및 판독 디지털 회로(66, 82))는 광다이오드(52) 사이에 산재된 광다이오드 층(100') 내에 배치된다.
CMOS 로직이 상태를 전환할 때만 전력을 끌어당기기 때문에, 클록(88)에 의해 연속적으로 활성화되어 클록킹되는 방사선 검출기(10)의 해당 부분만이 베이스라인 전력 소비에 기여할 것이다. 정지 상태에서 브레이크다운 영역 내에서 바이어스되는 광다이오드(52)의 하나에 의해 생성된 트리거 신호에 의해 픽셀(22)이 활성화되기 때문에, 전력 소비는 광자 검출 레이트에 그리고, 따라서, 수신 광자 플럭스 더하기 어두운 카운트 레이트에 의존한다. 픽셀(22)의 전력 소비의 제어는 두 개의 획득 사이의 개별적인 픽셀의 죽은 시간을 계획적으로 증가시킴으로써 이행될 수 있다. 이는 픽셀의 온도에 의존해서 픽셀 로직(80)에 의해 자동으로 행해질 수 있다. 픽셀의 온도는 온도 센서(미도시)에 의해 직접적으로 측정되거나 픽셀(22)이 어두운 카운트 레이트로부터 간접적으로 추정될 수 있다.
CMOS 로직이 상태를 전환할 때만 전력을 끌어당기기 때문에, 전체 전력 소비가 CMOS 이행을 사용함으로써 아날로그 이행보다 상당히 감소될 수 있다. 예컨대, 아날로그 이행의 일부 실시예에서, 채널당 전력 소비는 30mW이고 칩의 광역 부분은 162mW이다. 더 실질적인 이행을 위해, 이를테면 28,336개의 채널 또는 1890개의 칩을 구비하는 클리닉 장치 상에서, 전력 소비는 일정한 1156W이다. 다른 한편, CMOS 이행, 이를테면 본 명세서에서 설명된 다양한 이행을 위한 전력 소비는 두 개의 상이한 값인, 정적인 값 및 동적인 값을 갖는다. 정적 전력 소비는 어떠한 카운트도 존재하지 않으며 따라서 어떠한 상태 전환도 존재하지 않을때 필요한 전력이다. 이는 로직이 카운트를 수신할 준비가 되어 있을때 동적 전환에 대한 로직을 위한 전력을 포함한다. 동적 전력 소비는 검출기가 카운트, 및 따라서 전환 상태를 활성화되어 수신할 때 필요한 전력이다. 활성 상태에서의 전력 소비는 활성량에 의존하는데; 카운트 및 상태 전환이 많을수록 전력이 더 필요하다. 유사한 1890 칩 검출기를 위한 정적 전류 소비는 약 10W이하이다. 동적 전력 소비는 활성도에 따라 변할 수 있으나, 통상 약 300W이하이다.
광에 대한 신틸레이션 버스트가 하나 이상의 픽셀(22)의 실질적으로 모든 검출기 셀(50, 50', 50")로 하여금 통합 시간 기간 동안 제1 디지털 상태로부터 제2 디지털 상태로 전이하게 하기에 충분히 높은 광자 플럭스를 생성하는 경우 문제가 발생할 수 있다. 이 경우에, 픽셀(22)은 포화하고, 실제 세기(즉, 광자 플럭스)는 정확하게 측정되지 않는다. 이러한 포화 문제는 다양한 방식으로 다루어질 수 있다.
일 접근법에서, 광다이오드(52)에 의해 한정되는 감광 영역은 다수의 더 작은 광다이오드로 변한다. 각 광다이오드의 감소된 영역은 광자를 검출할 가능성을 감소시킨다. 더 큰 총수의 광다이오드는 더 높은 픽셀-레벨 감응도를 광자 플럭스에 제공하나, 일반적으로 각 셀의 감소된 영역을 완전히 보상하지는 않는다. 검출기 셀은 인접 검출기 셀 사이의 광학 크로스토크를 감소시키기 위해 일정한 간격을 가져야 한다. 통상, 셀 간격은 불투명 재료로 채워진 트렌치가 분리를 위해 사용될 때, 수 미크론 이하 정도이다. 따라서, 셀 수를 증가시키는 것은 일반적으로 셀의 감응 영역대 총 영역의 비를 일정 정도로 감소시킨다. 부가적으로, 셀 크기를 일정하게 유지하는 한편 검출기 셀 수를 증가시키는 것은 통상 어두운 카운트 레이트의 비례 증가로 이끈다.
도 9를 참조컨대, 포화 문제를 다루기 위한 또 하나의 접근법에서, 비례 광다이오드(110)가 감광 영역에 포함되어 있다. 비례 광다이오드(110)는 디지털 검출에서 사용된 광다이오드(52)보다 더 크다. 비례 광다이오드(110)는 픽셀(22)과 충돌하는 광자 플럭스가 실질적으로 픽셀(22)의 검출기 셀(50, 50', 50") 모두로 하여금 통합 시간 기간 동안 제1 디지털 상태로부터 제2 디지털 상태로 전이하게 하기에 충분히 높을 때 상기 광자 플럭스에 비례하는 아날로그 광전류를 생성하도록 구성된다. 제조의 간략함을 위해 픽셀(22) 어레이의 일 면을 따라 도시되어 있으나, 비례 광다이오드(110)는 어레이에 대해 그밖의 위치에 위치될 수 있는데, 이를테면 어레이 내의 중심에 또는 어레이의 코너에 위치될 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 비례 광다이오드(110)는 복수의 더 작은 전기적으로 상호연결된 비례 광다이오드, 이를테면 픽셀(22) 어레이의 각 코너에 위치된 비례 광다이오드로서 분포될 수 있다. 도 9의 변형예에서, 광자를 검출하기 위해 광다이오드(52) 중 제1 광다이오드에 의해 출력된 트리거 신호가 감마선 검출 이벤트를 위한 타이밍 정보를 제공하기 위해 여전히 적합하게 사용된다. 따라서, 방사선 검출기(10)에 의해 출력된 타임스탬프가 사용되나; 디지털 광다이오드(52)가 포화하는 경우, 비례 광다이오드(110)에 의해 생성된 광전류는 디지털 카운트보다는 광자 플럭스 세기를 나타내기 위해 사용된다. 비례 광다이오드(110)는 종래의 PIN 다이오드이거나, 집 적 아날로그 또는 디지털 판독 회로를 구비하는 아발란체 광다이오드 등일 수 있다.
픽셀화된 디지털 방사선 검출기가 예시적인 TOF-PET 응용과 함께 본 명세서에서 설명되어 있다. 그러나, 당업자는 그밖의 응용, 이를테면 단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영(SPECT) 영상화, 투과 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상화, 천문학 응용 등을 위해 개시된 픽셀화된 디지털 방사선 검출기를 즉시 적응시킬 수 있다. 광다이오드(52)가 방사선에 직접 감응하는 방사선 검출 응용에 대해, 신틸레이터(20)가 방사선 검출기(10)로부터 적합하게 생략된다.
당업자는 대부분의 실시예가 디지털 회로와 함께 설명되었으나, 본 발명의 부분이 아날로그 회로와 함께 이행될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 다음 설명은 아날로그 회로 시스템 내의 결함성 셀을 디스에이블시키는 방법을 제공한다. 이러한 실시예는 본 개시물의 범위 내에 포함된다.
아날로그 회로 시스템을 위한 결함성 셀 디스에이블링 방법은 두 개의 별개의 단계, 즉 감지 단계 및 조정 단계를 포함할 수 있다. 감지 단계 동안에, SiPM 어레이 또는 테스트 중 디바이스(DUT)는 광-타이트 셋업(light-tight setup)에 임계 이상의 공칭 바이어스 전압에서 바이어스된다. 반도체에서의 가이거-방전은 평균적으로 접합부에서 2차적인 광 광자(light photon), 대략 100,000개의 전자당 3개를 생성한다. 따라서, 이득 1,000,000을 갖는 셀은 약 30개의 광학 광자를 생성할 것이다. 이러한 광자의 평균 파장은 약 1㎛이며, 따라서 광자가 흡수되기 전에 실리콘 내에서 큰 거리를 이동하게 한다. 이러한 광자의 일부는 적당한 차폐가 사용되지 않는 경우, 인접 셀에서 브레이크다운을 트리거하는데, 흔히 광학 크로스토크로 언급된다. 그밖의 광자는 실리콘을 벗어날 수 있으며 적당한 단일 광자 검출기에 의해 검출될 수 있다. 감지 검출기는 DUT 셀에 1:1 연결된다. 따라서, 감지 검출기의 트리거 레이트가 이때 개별적인 셀의 어두운 카운트 레이트와 직접적으로 연관될 수 있다. DUT의 전하 펄스의 부가적인 측정이 개별적인 DUT 셀을 위한 이득 및 그것의 변화를 직접 측정하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 충분한 통계를 수집하기 위해, 이러한 측정은 아마도 측정 시간의 상당한 증가를 의미한다.
감지 단계에서 획득된 데이터를 기초로 해서, 레이저 빔이 결점있는 셀을 디스에이블시킬 것이다. 부가적으로, 필요한 경우, 픽셀 당 활성 셀의 수가 픽셀의 동작 범위를 동일하게 하기 위해 조정될 수 있다. 일부 이행에 있어서, 퓨즈가 결함있는 셀을 디스에이블시키기 위해 사용된다. 퓨즈가 바람직하지않게 부가적인 영역을 소비하나, 이는 퓨즈가 보호 고리 위에 놓이는 경우 최소화될 수 있다. 또 하나의 대안은 폴리 저항 자체를 절단하는 것이다.
제1 단계에서 사용된 측정 설정의 예시적인 예가 도 10에 도시되어 있다. 도 10에서, 단일 광자 카운터 어레이(200)가 콜리메이터 구조(220)를 이용해서 DUT(210)에 1:1 연결된다. 당업자는 감지 검출기가 DUD와 동일한 픽셀 크기를 갖는 경우, 시스템의 감응도를 증가시키기 위해 근접 연결이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 단일 광자 카운터 어레이(200)는 상당히 더 낮은 어두운 카운트 레이트를 가져야 하며 따라서 적어도 -50℃로 냉각되어야 한다. 광자 카운터 어레이(200) 내의 각 검출기(230)는 가이거-모드 방전에 의해 방출된 광자에 의해 트리 거된다. 검출기는 행 및 열 라인을 풀 다운함으로써 그리고 동일 이벤트의 더블 카운트 동작을 회피하도록 홀드-오프 구간(hold-off interval)을 시작함으로써 이벤트를 나타낸다. 홀드-오프 구간의 길이는 DUT의 복구 시간으로 조정되어야 한다. 능동 억압/재충전 회로(240)가 잘 정의된 홀드-오프 구간을 획득하기 위해 사용될 수 있다. 부가적인 회로가 이벤트의 좌표(coordinate)와 상호관계하는 펄스의 전하를 측정하도록 사용될 수 있다. 하나의 영상화 카운터의 블록도가 도 11에 도시되는 한편, 센서 블록도가 도 12에 도시된다.
측정을 가속시키기 위해 DUT 온도를 증가시키는 것이 사용될 수 있다. 조정 단계에서, 픽셀 어두운 카운트 레이트 및 이득 데이터가 디스에이블될 셀의 서브세트를 선택하기 위해 사용된다. 이는 임의의 수의 결함성 셀뿐만 아니라 균일성을 제공하도록 디스에이블될 수 있는 그밖의 셀일 수 있다. 이를 달성하기 위해, 도 13에 도시된 변형된 검출기 셀 내에 예시된 바와 같이, 이러한 셀 내의 퓨즈를 절단하기 위해 레이저가 사용된다.
디지털 또는 아날로그 디스에이블먼트 프로세스가 사용되는지와 무관하게, 리포트가 생성되어 얼마나 많은 셀이 디스에이블되는지를 사용자가 결정하게 할 수 있는데, 그 이유는 셀이 결점있는 것으로 판단되었기 때문이다. 이 리포트는 디스에이블된 결점있는 셀의 위치를 더 제공할 수 있다. 디스에이블된 결점있는 셀의 위치는 일부 실시예에서, 그밖의 셀을 디스에이블시키기 위해 사용될 수 있다. 통상 이는 기하학적인 패턴의 일정 소트시에 행해져서 검출기에 대한 방사선의 더 균일한 검출을 허용한다. 나아가, 그밖의 셀의 디스에이블먼트가 수동 입력 또는 피드백, 또는 이들의 조합에 응답해서, 자동적일 수 있다.
결과적인 실리콘 광전증폭관 어레이가 죽은 셀로 인해 상실된 영역으로 인해 감소된 감응도에 대한 대가로 더 낮은 어두운 카운트 레이트를 가질 것이다. 동작 범위에서의 이러한 상실은 픽셀 내에 더 높은 수의 더 작은 크기의 셀을 통합함으로써 미리 설명될 수 있다. 퓨즈 이행이 디지털 회로와 결합해서 사용될 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다. 예컨대, 퓨즈가 조정을 위해 사용될 수 있는 한편, 디지털 회로가 카운트 검출을 위해 사용된다. 이러한 유형의 사고를 병합하는 그밖의 실시예가 또한 본 개시물에 의해 구상된다.
단일 광자 레벨에서 트리거가 필요하지 않은 일부 실시예에서, 트리거 신호를 생성하기 위해 그리고 어두운 카운트를 억제하도록 리딩 에지 판별기가 사용될 수 있다. 그밖의 실시예에서, 트리거 라인 상에서 논리적인 동작을 가함으로써 트리거 신호가 디지털적으로 생성될 수 있다. 예컨대, 픽셀이 두 개의 절반(two halves), 또는 블록으로 세분될 수 있으며, 트리거 신호는 양 절반이 광자를 검출하는 경우에만 생성된다. 이러한 실시예에서, 블록의 수 및 크기는 평균 임계 및 선택도를 설정하기 위해 조정될 수있다. 물론, 상관 픽셀 블록의 그밖의 기하학적 형상 및 그밖의 방식을 포함하나 이에 제한되지 않는 다른 유사한 설계가 이행될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조해서 설명되었다. 명백하게, 앞의 상세한 설명을 읽고 이해하는 경우 변형 및 변경이 발생할 것이다. 본 발명은 모든 이러한 변형 및 변경이 첨부된 청구항 또는 그의 등가물의 범위 내에 있는한 이 모두를 포 함하는 것으로서 해석되는 것이 의도된다.
본 발명은 방사선 검출 기술에 이용가능하다. 특히, PET(Positron Emission Tomography), 특히 TOF(Time-Of-Fligh) PET를 위한 고속 방사선 검출기에 이용가능하다.

Claims (47)

  1. 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 사용하기 위한 검출기 픽셀(22)로서,
    검출기 셀(50, 50', 50") 어레이로서, 각 검출기 셀은 아발란체(avalanche) 브레이크다운 영역에서 가이거 모드(Geiger-mode)로 바이어스되는 고체 상태 광다이오드(52), 및 광 다이오드와 연결된 디지털 회로(54, 54', 54")을 포함하고, 상기 디지털 회로는 정지 상태에서 제1 디지털 값을 출력하고 광다이오드에 의한 광자 검출에 응답해서 제2 디지털 값을 출력하도록 구성된, 검출기 셀(50, 50', 50") 어레이;
    제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로 전이하는 하나 이상의 검출기 셀 중 선택된 수에 응답해서 통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호를 출력하도록 구성된 디지털 트리거 회로(60, 60', 60", 84);
    광다이오드에 의한 광자의 검출 후에 검출기 셀을 정지 상태로 다시 전이하도록 구성된 억압(quenching) 회로(70, 70', 70");
    통합 시간 기간에 걸쳐 제1 디지털 값을 출력하는 것으로부터 제2 디지털 값을 출력하는 것까지 검출기 셀 어레이 중 검출기 셀의 전이의 수의 카운트를 누산하는 판독 디지털 회로(66, 82)를
    포함하는, 검출기 픽셀.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    검출기 셀(50, 50', 50") 내의 전류를 모니터링하고, 중지 기준에 응답해서 카운트의 누산을 중지하는, 트리거 확인 회로(85)를 더 포함하는, 검출기 픽셀.
  4. 제1 항에 있어서,
    판독 디지털 회로(66, 82)는,
    제2 디지털 값을 버퍼링하는 각 검출기 셀(50, 50', 50")과 연관된 버퍼(66); 및
    제2 디지털 값을 갖는 검출기 셀과 연관된 버퍼(66)를 순차적으로 누산해서 카운트를 생성하도록 구성된 픽셀-레벨 판독 회로(82)를 포함하는, 검출기 픽셀.
  5. 제1 항에 있어서,
    판독 디지털 회로(66, 82)는,
    각 검출기 셀과 연관된 누산기(66)로서, 각 누산기는 통합 시간 기간에 걸쳐 제1 디지털 값을 출력하는 것으로부터 제2 디지털 값을 출력하는 것으로의 연관된 검출기 셀의 전이를 누산하도록 구성된, 누산기(66); 및
    통합 시간 기간의 종료시에 누산기에 저장된 값을 합산해서 카운트를 생성하는 가산 회로(82)를 포함하는, 검출기 픽셀.
  6. 제1 항에 있어서,
    디지털 트리거 회로(60, 60',60", 84)는,
    카운트와 연관된 디지털 타임스탬프를 출력하도록 구성된 디지털 타임스탬프 회로(84)로서, 디지털 타임스탬프는 시간 기준 신호(88)에 대한 트리거 신호의 시간을 기초로 하는, 디지털 타임스탬프 회로(84)를 포함하는, 검출기 픽셀.
  7. 제1 항에 있어서,
    검출기 픽셀(22)에 입사하는 광자 플럭스에 비례하는 아날로그 광전류를 생성하도록 구성된 비례 광다이오드(110); 및
    광자 플럭스의 수신 시간을 나타내는 트리거 신호의 시간을 기초로 해서 타임스탬프를 만들어내도록 검출기 셀(50, 50', 50") 어레이에 연결된 디지털 타임 스탬프 회로(84)를 더 포함하는, 검출기 픽셀.
  8. 방사선 검출기(10)로서,
    신틸레이터(20); 및
    수신된 방사선에 응답해서 신틸레이터에 의해 생성된 광 버스트를 수신하도록 배열된 제1 항에 개시된 검출기 픽셀(22) 어레이를 포함하는, 방사선 검출기.
  9. 제8 항에 있어서,
    픽셀(22) 어레이는 공통 실리콘 기판(24) 위에 모놀리식으로 배치되는, 방사 선 검출기.
  10. 제9 항에 있어서,
    (ⅰ) 검출기 셀(50, 50', 50") 어레이의 광다이오드(52)는 광다이오드 층(100)을 한정하고, (ⅱ) 디지털 회로(54, 54', 54"), 디지털 트리거 회로(60, 60', 60", 84), 및 판독 디지털 회로(66,82)는, 광다이오드 층과 별개의 그리고 이 층과 전기적으로 연결된 디지털 회로 층(102)을 한정하는, 방사선 검출기.
  11. 제9 항에 있어서,
    (ⅰ) 검출기 셀(50, 50', 50") 어레이의 광다이오드(52)는 광다이오드 층(100')을 한정하고, (ⅱ) 디지털 회로(54, 54', 54"), 디지털 트리거 회로(60, 60', 60", 84), 및 판독 디지털 회로(66,82)는 광다이오드(52) 사이에 산재된 광다이오드 층(100') 내에 배치되는, 방사선 검출기.
  12. 제9 항에 있어서,
    디지털 회로(54, 54', 54"), 디지털 트리거 회로(60, 60', 60", 84), 및 판독 디지털 회로(66,82)의 적어도 한 부분은 CMOS 회로인, 방사선 검출기.
  13. 제9 항에 있어서,
    공통 실리콘 기판(24) 상에 모놀리식으로 또한 배치된 멀티플렉싱 회로(90, 92, 94)를 더 포함하며, 멀티플렉싱 회로는 디지털 방사선 검출기 출력 신호를 생성하도록 검출기 픽셀(50, 50', 50")의 판독 디지털 회로(66, 82)에 의해 생성된 카운트 값을 디지털적으로 멀티플렉싱하는, 방사선 검출기.
  14. 제8 항에 있어서,
    디지털 트리거 회로(60,60', 60", 84)는 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로 전이하는 단일 검출기 셀에 응답해서 통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호를 출력하도록 구성되는, 방사선 검출기.
  15. 제8 항에 있어서,
    디지털 트리거 회로(60,60', 60", 84)는 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로 전이해서 선택된 트리거 전류 레벨을 초과하는 전류를 생성하는 복수의 검출기 셀에 응답해서 통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호를 출력하도록 구성되는, 방사선 검출기.
  16. TOF-PET(Time-Of-Flight Positron Emission Tomography) 영상화 시스템으로서,
    영상화 영역(12)으로부터 방출된 감마선을 검출하도록 배치된 제8 항에 개시된 복수의 방사선 검출기(10);
    두 개의 방사선 검출기에 의해 두 개의 동시적인 감마선 검출을 식별하는 감마선 쌍 검출 회로(34);
    두 개의 감마선 검출을 연결하는 공간적인 응답라인(LOR: a spatial line of response)을 결정하는 LOR 프로세서(38); 및
    두 개의 동시적인 감마선 검출 사이의 시간 차이를 기초로 해서 LOR을 따라서 양전자-전자 소멸 이벤트를 국부화시키는 TOF 프로세서(40)를 포함하는, TOF-PET 영상화 시스템.
  17. 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 수행되는 방법으로서,
    아발란체 브레이크다운 영역 내에서 가이거 모드로 바이어스되는 광다이오드(52)에 의한 광자의 검출에 응답해서 디지털 회로(54, 54', 54")를 제1 디지털 값으로부터 제2 디지털 값으로 전환시키는 단계로서, 전환은 전환 이벤트를 한정하는, 전환 단계;
    복수의 상기 광다이오드와 연관된 하나 이상의 상기 전환 이벤트 중 선택된 수에 응답해서 통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호를 생성하는 단계;
    전환 이벤트에 후속해서, 광다이오드(52)를 제 1 디지털 값에 대응하는 정지 상태로 다시 억압하는 단계;
    통합 시간 기간에 걸쳐 복수의 상기 광다이오드(52)와 연관된 전환 이벤트 의 카운트 값을 누산하는 단계를 포함하는, 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 수행되는 방법.
  18. 삭제
  19. 제17 항에 있어서,
    누산을 모니터링하는 단계; 및
    모니터링에 의해 결정된 중지 기준의 발생에 응답해서 누산을 중지시키는 단계를 더 포함하는, 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 수행되는 방법.
  20. 제17 항에 있어서,
    통합 시간 기간에 걸쳐 누산과 연관된 디지털 타임스탬프를 생성하는 단계를 더 포함하며, 디지털 타임스탬프는 트리거 신호 및 기준 시간 신호의 생성 시간을 기초로 하는, 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 수행되는 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    통합 시간 기간의 시작을 나타내는 트리거 신호의 생성을 반복하고, 통합 시간 기간에 걸친 카운트 값의 누산을 반복하고, 각각이 연관된 디지털 타임스탬프를 갖는 복수의 카운트를 생성하기 위해 카운트 값과 연관된 디지털 타임스탬프의 생성을 반복하는 단계; 및
    시간에 걸쳐 정렬된 이벤트 데이터의 스트림을 생성하기 위해 자신의 관련 디지털 타임스탬프에 따라 상기 카운트값을 정렬하는 단계를
    더 포함하는, 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 수행되는 방법.
  22. 제17 항에 있어서,
    광자 플럭스가 높아서 모든 광다이오드(52)로 하여금 통합 시간 기간 동안 전환 이벤트에 참여하게 할 때, 별개의 비례 광다이오드(110)를 사용해서 광자 플럭스에 비례하는 아날로그 광전류를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방사선 입자를 광 버스트로 변환하는 신틸레이터와 함께 수행되는 방법.
  23. 제17 항에 개시된 방법을 수행하기 위한 신틸레이터 및 회로를 포함하는 방사선 검출기.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 양전자 방출 단층촬영(PET; Positron Emission Tomography) 영상화 시스템으로서,
    영상화될 객체를 수신하도록 구성된 영상화 영역; 및
    영상화 영역에 대해 적어도 부분적으로 배치된 복수의 검출기를 포함하되, 복수의 검출기 중 적어도 하나는,
    (ⅰ) 신틸레이터;
    (ⅱ) 신틸레이터로부터 광자를 검출하기 위해 제1항에 기재된 광다이오드; 및
    (ⅲ) 누산된 카운트를 진단 영상으로 재구성하는 재구성 프로세서를
    를 포함하는, PET 영상화 시스템.
  33. 의료 영상을 생성하는 방법으로서,
    방사 이벤트에 응답해서 신틸레이션 이벤트를 생성하는 단계;
    제17항에 기재된 방법을 이용하여 신틸레이션 이벤트를 검출하는 단계;
    디지털 타임스탬프를 검출된 신틸레이션 이벤트에 할당하는 단계; 및
    의료 영상을 생성하도록 재구성 방법으로 디지털 타임스탬프를 사용하는 단계를 포함하는, 의료 영상을 생성하는 방법.
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 삭제
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