KR20230078684A

KR20230078684A - 결정체-채널 결합을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20230078684A
Application number: KR1020237010856A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 라벨라; 아미르호세인 골단; 에릭 피터슨; 웨이 자오
Original assignee: 더 리서치 파운데이션 포 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴욕
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-06-02
Also published as: CN116419714A; WO2022051579A1; EP4208740A1; JP2023542627A; US20230358901A1; CA3191781A1

Abstract

다중화 방식, 광학 센서 어레이로부터 신호를 판독하는 시스템, 입자 검출 장치 및 시스템이 제공된다. 예를 들어, 광학 센서 어레이는 행과 열로 배열된 복수의 광학 센서를 포함할 수 있다. 다중화 방식에서 판독 ASIC은 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널을 통해 복수의 광학 센서에 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 제1 채널은 광학 센서 어레이의 대응 행에 있는 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결될 수 있으며, 연결 사이에 적어도 하나의 광학 센서가 있을 수 있다. 각각의 제2 채널은 광학 센서 어레이의 대응 열에 있는 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결될 수 있으며, 연결 사이에 적어도 하나의 광학 센서가 있을 수 있다.

Description

결정체-채널 결합을 위한 시스템 및 방법

본 발명은 국립과학재단에 의해 수여된 계약 번호 808690에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 발명에 대해 특정한 권리를 갖는다.

본 출원은 2020년 9월 3일에 출원한 미국 가출원 번호 제63/074,294호에 대한 혜택 및 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 통합되어 있다.

본 발명은 일반적으로 방사선 영상 분야, 특히 양전자 방출 단층 촬영(PET)에 관한 것이다.

PET를 사용한 영상은 암 및 신경정신 질환의 진단, 치료 선택, 치료 모니터링 및 연구에 주로 사용되는 강력한 기술이다. 높은 분자 특이성, 정량적 특성 및 임상적 가용성에도 불구하고, PET는 대부분 상대적으로 열악한 공간 분해능으로 인해 분자 영상 양식으로서의 최대 잠재력을 달성할 수 없었다. 판독 측(예를 들어, 광학 센서, 커넥터, 판독 ASIC)의 비용을 증가시키지 않고 신틸레이터 모듈의 크기와 동일한 공간 분해능을 가능하게 하는, 엔투원(n-to-1) 신틸레이터 모듈-판독 픽셀 결합(여기에서 n > 1)(광학 센서)을 사용하는 것을 포함하는, 고해상도 PET를 달성하기 위한 다양한 시도가 있었다. 다른 시도들은 최근접 위치결정 알고리즘을 갖춘 모놀리식 신틸레이터 모듈을 사용하는 것을 포함하고 있지만, 엔투원 결합 광 공유는 민감도 및/또는 에너지 분해능에 교환이 전혀 없다는 사실 때문에 이들의 동시적인 상호작용의 깊이(DOI:depth of interaction) 및 비행 시간(TOF:time of flight) 판독 능력으로 인해 가장 상업적으로 실행 가능한 옵션이다.

그러나, 공간 분해능이 향상됨에 따라, 복셀(vocel) 수의 증가로 인해 PET 스캔 당 데이터의 양이 크게 증가한다. 시차 오류를 완화하고 고해상도 PET의 장점을 충분히 나타내기 위해 필요한 뎁스 인코딩은 상호작용의 깊이 빈의 수의 함수로서 응답의 라인들의 수가 기하 급수적으로 증가하기 때문에 데이터 크기 문제를 더욱 악화시킨다. 복수의 타임 스탬프가 일반적으로 이벤트 당 사용되지 않더라도 각 채널은 픽셀 당 하나의 타임 스탬프를 판독하고, 이 프로세스를 계산적으로 비효율적으로 만들기 때문에, 비행 시간 판독과 고해상도를 결합하는 것은 PET에서 데이터 크기가 커지는데 또한 기여한다.

데이터가 증가함에 따라, 광학 센서와 판독 ASIC 사이에 연결부의 수는 증가하며 이것은 실제로 장치에 의해 발생되는 열을 증가시킬 것이다.

PET의 계산적인 비용을 덜 비싸게 만들기 위하여 데이터 크기와 복잡성을 줄이기 위해 신호 다중화가 제안되었으며, 신호 다중화에 의해 이벤트 당 복수의 광학 센서(픽셀)에 의해 판독되는 신호가 함께 합산된다. 그러나, 신호가 다중화되는 경우 분해능은 여전히 일차 광학 센서(Pixel) 상호작용, 일차 신틸레이터 모듈 상호작용 및 DOI를 결정할 수 있어야 한다.

다중화를 갖춘 하나 이상의 알려진 시스템에서, 사용되는 검출기 모듈에는 시스템 수준에서의 공간 분해능 균일성을 달성하기 위해 가장 중요한 뎁스 인코딩 능력을 가지고 있지 않다(따라서, 다중화된 판독 체계가 DOI 판독과 함께 작동하지 않는다).

따라서, 광학 센서 어레이로부터의 신호를 판독하는 시스템이 개시된다. 광학 센서 어레이는 행(row)과 열(column)로 배열된 복수의 광학 센서를 포함할 수 있다. 어레이에서 각각의 광학 센서는 픽셀에 해당한다. 상기 시스템은 복수의 제1 채널, 복수의 제2 채널 및 제1 프로세서를 포함할 수 있다. 제1 프로세서는 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널을 통해 복수의 광학 센서에 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 제1 채널은 광학 센서 어레이의 해당 행에서 광학 센서의 서브세트(subset)에 전기적으로 연결될 수 있다. 연결부 사이에 적어도 하나의 광학 센서가 있을 수 있다. 각각의 제2 채널은 광학 센서 어레이의 해당 열에서 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결될 수 있다. 연결부 사이에 적어도 하나의 광학 센서가 있을 수 있다. 제1 프로세서는 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널을 통해 신호를 판독할 수 있다. 제1 프로세서는 판독하는 동안 광학 센서를 바이어스 하기 위해 복수의 광학 센서 각각에 전력이 공급되도록 할 수 있다. 제1 프로세서는 판독 ASIC일 수 있다.

본 발명의 양태에서, 복수의 제1 채널은 제1 행 채널 및 제2 행 채널을 포함할 수 있다. 제1 행 채널은 광학 센서 어레이의 제1 행에서 광학 센서의 서브세트와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 행 채널은 광학 센서 어레이의 제2 행에서 광학 센서의 서브세트와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 행은 제2 행에 인접해 있을 수 있다. 제1 행에 있는 광학 센서의 서브세트는 제2 행에 있는 광학 센서의 서브세트와 광학 센서 어레이의 동일한 열에 있지 않을 수 있다.

본 발명의 양태에서, 복수의 제2 채널은 제1 열 채널 및 제2 열 채널을 포함할 수 있다. 제1 열 채널은 광학 센서 어레이의 제1 열에서 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 열 채널은 광학 센서 어레이의 제2 열에서 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 열은 제2 열에 인접해 있을 수 있다. 제1 열에 있는 광학 센서의 서브세트는 제2 열에 있는 광학 센서의 서브세트와 광학 센서 어레이의 동일한 행에 있지 않을 수 있다.

본 발명의 양태에서, 광학 센서 어레이는 광학 센서의 M 행 및 M 열을 가질 수 있으며, 복수의 제1 채널은 M 행 채널을 포함할 수 있고 복수의 제2 채널은 M 열 채널을 포함할 수 있다. M은 2의 정수배일 수 있다. 예를 들어, 광학 센서 어레이는 8 x 8일 수 있다.

또한, 전술한 바와 같은 광학 센서 어레이로부터 신호를 판독하는 시스템을 포함할 수 있는 입자 검출 장치가 개시된다. 입자 검출 장치는 신틸레이터 어레이 및 세그먼트형 도광체를 추가로 포함할 수 있다. 신틸레이터 어레이는 제2 복수의 신틸레이터 모듈을 포함할 수 있다. 제2 복수의 신틸레이터 모듈은 복수의 광학 센서보다 클 수 있다. 복수의 신틸레이터 모듈은 각각의 신틸레이터 모듈의 제1 단부에서 각각의 광학 센서와 접촉할 수 있다. 세그먼트형 도광체는 복수의 각기둥(prismatoid) 세그먼트를 포함할 수 있다. 세그먼트형 도광체는 제2 복수의 신틸레이터 모듈의 제2 단부와 접촉할 수 있다. 각각의 각기둥 세그먼트는 적어도 2개의 다른 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉할 수 있다. 적어도 2 개의 다른 광학 센서는 인접한 광학 센서일 수 있다. 각각의 각기둥 세그먼트는 각각의 각기둥 세그먼트와 접촉하는 신틸레이터 모듈 사이의 입자를 전향하도록(redirect) 구성될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 세그먼트들은 센터 각기둥 세그먼트, 에지 각기둥 세그먼트 및 코너 각기둥 세그먼트와 같은 3 가지 다른 디자인을 가질 수 있다. 센터 각기둥 세그먼트는 4 개의 인접한 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉할 수 있다. 코너 각기둥 세그먼트는 3 개의 인접한 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉할 수 있다. 에지 각기둥 세그먼트는 인접한 2 개의 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉할 수 있다.

또한, 전술한 입자 검출 장치를 가진 입자 검출 시스템이 개시되어 있다. 입자 검출 시스템은 제1 프로세서와 통신하는 제2 프로세서를 추가로 포함할 수 있다. 제2 프로세서는 이벤트 당 가장 높은 신호를 갖는 채널의 서브세트를 식별하고 식별된 채널의 서브세트로부터의 신호를 사용하여 이벤트에 대한 일차 상호작용 픽셀, 이벤트에 대한 일차 상호작용 신틸레이터 모듈 또는 이벤트의 상호작용의 깊이 중 적어도 하나를 결정한다.

본 발명의 양태에서, 제2 프로세서는 이벤트 당 가장 높은 신호를 갖는 채널로부터의 신호의 비율과 이벤트 당 가장 높은 신호를 갖는 채널의 서브세트 각각으로부터의 신호의 합에 기초하여 이벤트의 상호작용의 깊이를 결정하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서, 상호작용의 깊이는 역다중화된 신호를 사용하여 계산될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 제2 프로세서는 인접한 광학 픽셀을 고유하게 식별하는 채널의 서브세트와 식별된 인접한 광학 픽셀로부터 일차 상호작용 픽셀을 식별하기 위하여 이벤트당 가장 높은 신호를 갖는 채널 사이의 위치 관계에 기초하여, 이벤트를 위한 일차 상호작용 픽셀을 결정하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 제2 프로세서는 에너지 가중 평균에 기초하여 이벤트를 위한 일차 상호작용 신틸레이터 모듈을 결정하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 양태에서, 에너지 가중 평균은 역다중화된 신호를 사용하여 계산될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 제2 프로세서는 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널로부터의 신호를 입력으로서 사용하는 저장된 머신 러닝 모델을 사용하여 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널로부터의 신호를 역다중화하도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 머신 러닝 모델은 컨볼루션 신경망에 기초한 것일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 제2 프로세서는 저장된 룩업 테이블을 사용하여 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널로부터의 신호를 역다중화하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 제2 프로세서는 식별된 채널의 서브세트 및 식별된 인접한 광학 픽셀로부터의 신호의 상대값을 사용하여 일차 상호작용 신틸레이터 모듈을 결정하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 채널의 서브세트에서 채널의 수는 광학 센서 어레이에서 일차 광학 센서의 위치에 기초한 것일 수 있다. 예를 들어, 일차 광학 센서가 광학 어레이에서 코너 광학 센서일 때 서브세트에서 채널의 수는 3일 수 있고, 일차 광학 센서가 에지 광학 센서일 때 서브세트에서 채널의 수는 2일 수 있고, 일차 광학 센서가 어레이에서 센터 광학 센서일 때 서브세트에서 채널의 수는 4일 수 있다.

본 발명의 양태에서, 4:1(4-to-1) 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합이 있을 수 있다. 다른 양태에서, 9:1(9-to-1) 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합이 있을 수 있다.

또한, 광학 센서 어레이로부터의 신호를 다중화하는 방법이 개시되어 있다. 광학 센서 어레이는 행과 열로 배열된 복수의 광학 센서를 포함할 수 있다. 어레이에서 각 광학 센서는 픽셀에 해당한다. 이 방법은 광학 센서 어레이의 각 행에 대해 제1 채널을 행의 광학 센서의 서브세트에 연결하는 단계, 그리고 광학 센서 어레이의 각 열에 대해 제2 채널을 열의 광학 센서의 서브세트에 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 연결부 사이에 적어도 하나의 광학 센서가 있을 수 있다. 이 방법은 각각의 제1 채널과 각각의 제2 채널을 프로세서에 연결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 양태에서, 제1 행에 대한 제1 채널에 연결된 행에서의 광학 센서의 서브세트는 제2 열에 대한 제1 채널에 연결된 행에서의 광학 센서의 서브세트와 열만큼 오프셋될 수 있고, 여기서 제1 행과 제2 행은 인접한다.

본 발명의 양태에서, 제1 열에 대한 제2 채널에 연결된 열에서의 광학 센서의 서브세트는 제2 열에 대한 제2 채널에 연결된 열에서의 광학 센서의 서브세트와 행만큼 오프셋될 수 있고, 여기서 제1 열과 제2 열은 인접한다.

이 특허 파일에는 컬러로 작성된 적어도 하나의 도면이 포함되어 있다. 컬러 도면(들)이 있는 이 특허의 사본은 필요한 수수료를 요청 및 지불하면 미국특허청에 의해 제공될 것이다.

도 1a는 에너지 정보를 제공하기 위해 다중화된 광학 센서의 애노드를 갖는 본 발명의 양태에 따른 다중화 체계를 도시한다.
도 1b는 에너지 정보를 제공하기 위해 다중화된 광학 센서의 캐소드를 갖는 본 발명의 양태에 따른 다중화 체계를 도시한다.
도 1c는 에너지 정보를 제공하기 위해 다중화된 광학 센서의 캐소드 및 타이밍에 대한 정보를 제공하기 위해 다중화된 광학 센서의 애노드를 갖는 본 발명의 양태에 따른 하나의 에너지 채널을 위한 다중화 체계를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 양태에 따라 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 갖는 입자 검출 장치를 도시한다.
도 2b는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합이 있는, 본 발명의 양태에 따른 입자 검출 시스템을 도시한다.
도 3a는 세그먼트형 도광체의 3 가지 다른 디자인의 세그먼트가 있는, 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 세그먼트형 도광체 및 광학 센서의 톱다운 도면을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 양태에 따른 세그먼트형 도광체를 위한 세그먼트의 3D 도면의 예를 도시한다.
도 4는 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합이 있는, 본 발명의 양태에 따른 입자 검출 시스템을 도시한다.
도 5는 세그먼트형 도광체의 3 가지 다른 디자인의 세그먼트가 있는, 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 세그먼트형 도광체 및 광학 센서의 톱다운 도면을 도시한다.
도 6은 본 발명의 양태에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 양태에 따른 머신 러닝 모델의 훈련 및 테스트 예의 흐름도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 양태에 따른 머신 러닝 모델의 예를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 본 발명의 양태에 따라 머신 러닝 모델을 사용하여 다중화 신호를 역다중화하는 것과 지상 진실(ground turth) 사이의 비교를 도시한다.
도 9c 및 도 9d는 합성 다중화 데이터 세트와 본 발명의 양태에 따라 다중화된 실제 다중화 데이터 세트 사이의 비교를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 본 발명의 양태에 따른 입자 검출 시스템의 DOI 분해능과 관련 입자 검출 시스템에서의 DOI 분해능 사이의 비교를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 본 발명의 양태에 따라 머신 러닝 모델을 사용하여 다중화 신호를 역다중화하는 것과 지상 진실 사이의 비교를 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 본 발명의 양태에 따른 입자 검출 시스템의 DOI 분해능과 관련 입자 검출 시스템에서의 DOI 분해능 사이의 비교를 도시한다.

참조로 통합된 미국특허출원공개 제2020/0326434호에 개시된 바와 같은 세그먼트형 도광체를 사용하여 가능해진 결정론적 광 공유의 장점을 활용하는 다중화 체계가 개시된다. 본원에 기술된 입자 검출 시스템(및 장치)는 세그먼트형 도광체의 특수한 패턴의 세그먼트를 갖는 단일 엔드 판독가능(뎁스 인코딩과 함께)을 갖는다. 도광체는 적어도 도 3a와 관련하여 상세하게 설명될 각기둥 도광체 세그먼트를 갖고 있다. 본 발명의 양태에 따라, 세그먼트형 도광체(200)는 적어도 3 개의 별개의 각기둥 디자인, 예를 들어 센터 각기둥(162), 코너 각기둥(166) 및 에지 각기둥(168)을 갖는다. 각기둥은 에지 및 코너 아티팩트를 완화하도록 설계되고, 이에 의해 여기에 설명된 다중화 체계를 사용할 때에도 균일한 결정체 식별 성능을 달성한다.

신틸레이터 모듈(205) 사이에 광 공유는 에너지 및 DOI 분해능을 개선하기 위해 결정론적 및 이방성 인터-신틸레이터 모듈 광 공유 패턴을 생성하고 광학 센서(10)에 대한 신호-배경 비율을 최대화하도록 인접하거나 이웃한 광학 센서(10)(예들 들어, 가장 가까이 인접한 것)에 속하는 신틸레이터 모듈에만 국한된다.

결정론적 광 공유 패턴으로 인해, 일차 광학 센서 상호작용 및 DOI를 정확하게 실행하기 위하여(및 일차 신틸레이터 모듈을 추정하기 위하여) 가장 가까운 인접한 광학 센서(픽셀)에서의 광학 센서(10)(픽셀)의 서브세트만이 필요하다. 이는 관련 신호가 광학적으로 격리된 각기둥 세그먼트 내에 수용될 것이기 때문이다.

도 1a는 본 발명의 양태에 따른 다중화 체계의 예를 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 광학 센서(10₁-10₆₄)(일괄하여 10)(예를 들어, 광학 센서 어레이(210))는 복수의 행 및 복수의 열로 배열된다. 도 1a에 도시된 예에서, 광학 센서 어레이(210)는 8 x 8 판독 어레이를 위한 것이다. 그러나, 판독 어레이는 8 x 8로 제한되지 않으며, 4 x 4 또는 16 x 16과 같은 다른 크기일 수 있다. 일부 양태에서, 판독 어레이는 2의 정수배일 수 있다. 2 차원 어레이는 신틸레이터 모듈의 종축과 직교하는 평면에 형성될 수 있다. 본 발명의 양태에서, 광학 센서(10)는 실리콘 광전자 증배기(SiPM)일 수 있다. 본 발명의 다른 양에서, 광학 센서(10)는 애벌런치 포토다이오드(APD), 단일 광자 애벌런치(SPAD), 광전자 증배관(PMT), 실리콘 애벌런치 포토다이오드(SIAPD)일 수 있다. 이들은 사용될 수 있는 고형 상태 검출기의 비제한적인 예이다. 장치에서 광학 센서(10)(픽셀)의 수는 PET 시스템의 응용 및 크기에 기초한 것일 수 있다. 도 1a에서, 광학 센서(10)는 "SiPM 픽셀"로 표시된다. 각 픽셀의 오른쪽 하단 코너에 있는 두 자리 숫자는 픽셀 번호를 나타낸다. 예를 들어, "01"은 제1 픽셀을 나타내고 "64"는 마지막 픽셀을 나타낸다. 숫자는 단지 설명의 목적을 위해 사용된다.

각각의 광학 센서(10)에는 애노드 및 캐소드가 있다. 도 1a에서, 캐소드는 픽셀의 상부에 도시되고 애노드는 픽셀의 하부에 도시되어 있다. 본 발명의 양태에서, 바이어스는 바이어스 회로(15)를 통해 캐소드에 공급될 수 있다. 바이어스 회로(15)는 하나 이상의 커패시터 및 하나 이상의 저항을 포함할 수 있다. 도 1a에는 3 개의 커패시터가 도시되어 있다. 그러나, 바이어스 회로(15)는 3 개로 제한되지 않는다. 커패시터 사이에 하나의 저항이 도시되어 있다. 그러나, 바이어스 회로(15)는 커패시터 사이의 하나의 저항으로 제한되지 않는다. 다른 저항이 광학 센서 R1-R8 행과 직렬로 위치할 수 있다. 본 발명의 양태에 따라, 복수의 수평 채널(X01-X08)이 있다(여기에서 또한 제1 채널이라 지칭한다). 수평 채널들의 수는 어레이의 R1-R8 행들의 수와 동일하다(예를 들어, 일대일 관계이다).

본 발명의 양태에서, 각각의 수평 채널은 행의 광학 센서의 서브세트와 연결된다(도 1a에서 애노드에 도시된 바와 같이). 동일한 수평 채널에 연결된 광학 센서들 사이에 적어도 하나의 광학 센서(10)(픽셀)가 있다. 예를 들어, 채널 X01(행 R1에 대한)에서 광학 센서(10₁, 10₃, 10₅, 10₇)들은 X01에 연결된다(예시를 위해 모든 픽셀/광학 센서가 참조번호 10으로 표시되지는 않음). 광학 센서(10₂, 10₄, 10₆, 10₈)는 X01에 연결되지 않는다. 본 발명의 다른 양태에서, 광학 센서(10₂, 10₄, 10₆, 10₈)가 X01에 연결될 수 있고 광학 센서(10₁, 10₃, 10₅, 10₇)가 X01에 연결되지 않을 수 있다.

본 발명의 양태에서, 수평 채널에 연결된 행에 있는 광학 센서의 서브세트는 수평 채널에 연결된 인접한 행에 있는 광학 센서의 서브세트로부터 열만큼 오프셋된다. 예를 들어, 채널 X01에 연결된 광학 센서(10₁, 10₃, 10₅, 10₇)는 각각 열 C1, C3, C5 및 C7에 있다. 따라서, 또한 열 C1, C3, C5, C7에 있는 광학 센서(10₉, 10₁₁, 10₁₃, 10₁₅)는 채널 X02에 연결되지 않고, 오히려 열 C2, C4, C6, C8에 있는 광학 센서(10₁₀, 10₁₂, 10₁₄, 10₁₆)가 연결된다.

본 발명의 양태에 따라, 복수의 수직 채널(X09-X16)이 있다(여기에서 또한 제2 채널이라 지칭한다). 수직 채널들의 수는 어레이의 열 C1-C8의 수와 동일하다(예를 들어, 일대일 관계이다).

본 발명의 양태에서, 각각의 수직 채널은 열의 광학 센서의 서브세트에 연결된다. 동일한 수직 채널에 연결된 광학 센서들 사이에는 적어도 하나의 광학 센서(10)(픽셀)가 있다. 예를 들어, 채널 X09(열 C1에 대한)에서 광학 센서(10₉, 10₂₅, 10₄₁, 10₅₇)는 X09에 연결된다. 광학 센서(10₁, 10₁₇, 10₃₃, 10₄₉)는 채널 X09에 연결되지 않는다. 본 발명의 다른 양태에서, 광학 센서(10₁, 10₁₇, 10₃₃, 10₄₉)는 채널 X09에 연결될 수 있고 광학 센서(10₉, 10₂₅, 10₄₁, 10₅₇)는 X09에 연결되지 않을 수 있다.

본 발명의 양태에서, 수직 채널에 연결된 열에 있는 광학 센서의 서브세트는 수직 채널에 연결된 열 행에 있는 광학 센서의 서브세트로부터 행만큼 오프셋된다. 예를 들어, 채널 X09에 연결된 광학 센서(10₉, 10₂₅, 10₄₁, 10₅₇)는 각각 행 R2, R4, R6, R8에 있다. 따라서, 또한 행 R2, R4, R6, R8에 있는 광학 센서(10₁₀, 10₂₆, 10₄₂, 10₅₈)(열 C2에 있음)는 채널 X10에 연결되지 않고, 오히려 행 R1, R3, R5, R7에 있는 광학 센서(10₂, 10₁₈, 10₃₄, 10₅₀)가 연결될 수 있다.

어느 방향의 인접한 픽셀이 동일한 채널에 연결되지 않도록 채널이 연결된다. 각 광학 센서는 하나의 채널에만 연결된다. "수직" 또는 "수평"이란 표현의 사용은 단지 설명을 위한 목적으로 사용된다.

이들 채널(예를 들어, X01-X16)은 일차 광학 센서 상호작용, 일차 신틸레이터 모듈 상호작용 및 DOI를 결정하는 데 사용되는 에너지 채널이다. 본 발명의 다른 양태에서, TOF와 같은 다른 결정을 위한 추가 채널(타이밍 채널)이 있을 수 있다. 이러한 추가 채널의 예는 도 1c에 도시되어 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 도 1b에 도시된 바와 같이 에너지 채널(예를 들어, Y01-Y16)은 캐소드에 연결될 수 있다. 도 1b에서 바이어스 및 에너지 채널은 모두 캐소드에 결합된다. 도 1b에서 애노드는 접지에 연결될 수 있다. 다른 양태에서, 채널의 수가 감소하고 애노드가 접지에 연결되기 때문에, 애노드 연결이 타임스탬프(Timing)를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1c는 하나의 에너지 채널에 대한 광학 센서(10₁, 10₃, 10₅, 10₇)를 보여준다. 캐소드로부터의 신호는 다중화되어 하나의 에너지 채널(예를 들어, Y01)을 형성한다. 신호는 이벤트에 대한 에너지(ASIC_Energy_01)를 제공하기 위해 적분기(30)에 의해 통합된다. 각 에너지 채널(예를 들어, 도 1a의 X01-X16) 및 (예를 들어, 도 1b의 Y01-Y16)에 대한 적분기(30)는 도 1a 및 도 1b에서 생략된다는 점에 유의한다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 3개의 비교기(20)는 광학 센서(10₁, 10₃, 10₅, 10₇)의 애노드의 다중화된 출력에 연결된다. 각각의 비교기(20)는 상이한 전압 문턱값 V_th1, V_th2, V_th3과 연관된다. 다중화된 전압이 각각의 문턱값을 초과할 때, 각각의 비교기(20)는 변화(예를 들어, Z01_T1, Z01_T2, Z01_T3)를 출력할 것이다. 변화의 시간은 타임스탬프로서 사용될 수 있다. 3 개의 다른 타임스탬프가 변화율을 계산하기 위해 사용될 수 있다.

도 1c는 단지 하나의 에너지 채널 Y01을 도시하지만, 동일한 구성이 다른 15개 채널, 예를 들어 Y02-Y16에 적용될 수 있다. 다른 연결 지점(조합)이 사용될 수 있으며 도 1a 내지 도 1c로 제한되지 않는다.

본 발명의 나머지 부분은 도 1a에 개시된 채널 X01-X16 및 다중화 방식을 설명한다. 그러나, 본 발명은 도 1b에서의 채널 Y01-Y16 및 다중화 방식에 동일하게 적용된다. 각각의 채널 X01-X16은 판독 ASIC(405)(여기에서 제1 프로세서라고도 함)에 연결될 수 있다. 판독 ASIC(405)는 광학 센서 어레이(210)로부터의 신호의 디지털화를 위한 아날로그-디지털 변환기 및 바이어싱을 제어하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 판독 ASIC(405)는 또한 디지털화된 신호를 동기화 보드(410)를 통해 원격 컴퓨터(400)(여기에서 제2 프로세서라고도 함)로 전송하기 위한 통신 인터페이스를 포함할 수 있다. 동기화 보드는 PET 시스템에서 상이한 검출 장치/판독 ASIC로부터의 판독을 동기화한다. 도 2b에 도시된 시스템에서, 단지 하나의 검출 장치만이 도시되어 있지만, 실제로는 동기화 보드(410)에 연결된 복수의 검출 장치들이 있다. 각각의 검출 장치는 여기에서 기술되는 4 대 1 판독 다중화(1)를 갖는다. 반사기(215)는 도 2b에서 생략되어 있다. 그러나, 각각의 검출 장치는 반사기(215)를 가질 것이다.

전술한 바와 같이, 세그먼트형 도광체(200)에 의해 야기되는 결정론적 광 공유 체계는 인터-신틸레이터 모듈 광 공유가 광학적으로 격리된 동일한 각기둥 도광체에 결합된 신틸레이터 모듈 사이에서만 발생하는 것을 보장한다.

도 2a는 본 발명의 양태에 따른 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합(202)을 갖는 입자 검출 장치를 도시한다. 각각의 신틸레이터 모듈(205)은 LYSO(lutetium-yttrium oxyorthosilicate) 결정체로 제조될 수 있다. 신틸레이터 모듈(205)은 LYSO에 제한되지 않으며 LSO(Lutetium oxyorthosilicate)와 같은 입사 감마 방사선의 존재시 광 광자를 방출하는 다른 유형의 결정체가 사용될 수 있다. 도 2a에서, 광학 센서 어레이는 SiPM 어레이(210)로 표현된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 어레이는 SiPM으로 제한되지 않는다. 신틸레이터 모듈(205)은 제1 단부에서 SiPM 어레이(210)의 표면과 접촉한다. 도 2a는 신틸레이터 모듈(205)과 SiPM 어레이(210) 사이의 공간을 도시하고 있지만, 실제로 신틸레이터 모듈(205)은 광학 접착제 또는 에폭시를 통해 SiPM 어레이(210)에 부착된다. 광학 접착제 또는 에폭시는 입자 또는 빛의 경로를 변경하거나 약화시키지 않는다(변화되는 경우, 변화는 최소임). 공간은 신틸레이터 모듈의 제1 단부에서 SiPM 어레이(픽셀)로 이동하는 입자를 설명하기 위해 표시된다. 신틸레이터 모듈(205)은 제2 단부에서 세그먼트형 도광체(PLGA(200))의 표면과 접촉한다. 반사기(215)는 PLGA(200) 위에 위치한다. 본 발명의 양태에서, 반사기(215)는 황산바륨 BaSO₄를 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 반사기(215)는 다른 반사하는 재료를 포함할 수 있다. 본 발명의 양태에서, 반사기(215)는 각각의 신틸레이터 모듈(205) 사이에 사용될 수 있다. 반사기(215)는 또한 세그먼트형 도광체(200)의 세그먼트 사이의 임의의 공간을 채울 수 있다.

도 3a는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 세그먼트형 도광체 및 광학 센서의 도면을 도시하며, 여기에 세그먼트형 도광체의 세그먼트의 3 개의 상이한 디자인이 있다. 도면 좌측 하부 코너는 광센서 당 신틸레이터 모듈(2×2)의 상대적 배열을 나타내는 평면도이다. 도 3a에 "결정체"라고 또한 참조되고 있다. 설명을 위해 어레이의 서브세트만이 표시된다. 각기둥 세그먼트를 위한 3개의 상이한 설계, 예를 들어 센터 각기둥(162), 코너 각기둥(166) 및 에지 각기둥(168)은 상이한 해싱으로 도시되어 있다. 센터 각기둥(162) 및 에지 각기둥(168)은 반대 방향의 해싱으로 도시되어 있고, 코너 각기둥(166)은 교차 해싱으로 도시되어 있다. 도 3a의 우측 상부 코너는 3 개의 상이한 디자인의 예를 도시한다(단면도 및 사시도 모두). 코너 각기둥(166)은 3개의 상이한 광학 센서(3개의 픽셀)와 접촉하는 신틸레이터 모듈(205)과 접촉할 수 있다. 에지 각기둥(168)은 2개의 상이한 광학 센서(2개의 픽셀)와 접촉하는 신틸레이터 모듈(205)과 접촉할 수 있다. 센터 각기둥(162)은 4개의 상이한 광학 센서(4개의 픽셀)와 접촉하는 신틸레이터 모듈(205)과 접촉할 수 있다.

2개의 인접한 광학 센서는 도 3a에서 142 및 144를 사용하여 식별된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 각기둥은 프로파일 형상으로 실질적으로 삼각형이다. 그러나, 본 발명의 다른 양태에서, 각기둥은 실질적으로 적어도 하나의 프리즘, 적어도 하나의 엇각기둥, 적어도 하나의 절두체, 적어도 하나의 큐폴라, 적어도 하나의 평행육면체, 적어도 하나의 웨지, 적어도 하나의 피라미드, 적어도 하나의 절두형 피라미드, 적어도 하나의 구의 일부, 적어도 하나의 직육면체 등등 중의 적어도 하나로 형상화될 수 있다. 특정 3D 형상의 예(세그먼트에 대한 5개의 다른 형상이 도 3b에 도시되어 있다. 예를 들어 형상은 1) 직육면체, 2) 피라미드, 3) 직육면체와 피라미드의 조합, 4) 삼각형 프리즘, 5) 직육면체와 삼각형 프리즘의 조합일 수 있다. 직육면체와 삼각형 프리즘의 조합은 도 3a에 도시되어 있으며, 여기서 직육면체는 삼각형 프리즘을 위한 베이스를 형성한다.

본 발명의 양태에서, 세그먼트형 도광체의 각 세그먼트는 광학 센서로부터 오프셋된다. 일부 양태에서, 오프셋은 신틸레이터 모듈에 의한 것이다. 본 발명의 이러한 양태에서(및 4:1 모듈과 센서 결합을 갖는), 각각의 신틸레이터 모듈은 다른 신틸레이터 모듈과 함께 상이한 광학 센서(픽셀)로부터의 광을 공유한다. 예를 들어, 광학 광자가 신틸레이터 모듈(205)과 감마선 상호작용 후에 각기둥(도광체의 세그먼트)에 들어갈 때, 광자(즉, 입자(300))는 기하학적 구조로 인해 (상이한 픽셀의) 인접한 신틸레이터 모듈에 효율적으로 전향되고, 광학 센서(픽셀) 사이의 광 공유 비율을 향상시킨다.

도 4는 본 발명의 양태에 따른 입자 검출 시스템의 다른 예를 도시한다. 도 4에서는, 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합이 있다. 광학 센서(10)는 전술한 4:1 판독 다중화 1(도 1a 및 2b에 도시된 바와 같은)과 동일한 방식으로 판독 ASIC(405)에 연결된다. 도 2b와 유사하게, 판독 ASIC(405)는 동기화 보드(410)를 통해 컴퓨터(400)에 연결된다. 동기화 보드는 PET 시스템에서 상이한 검출 장치/판독 ASIC로부터의 판독을 동기화한다. 도 4에 도시된 시스템에서, 단지 하나의 검출 장치만이 도시되어 있지만, 실제로는 동기화 보드(410)에 연결된 복수의 검출 장치가 있다. 각각의 검출 장치는 여기에 설명된 4:1 판독 다중화 1를 갖고 있다. 반사기(215)는 도 4에서 생략된다. 그러나, 각각의 검출 장치는 반사기(215)를 가질 것이다. 컴퓨터(400)는 적어도 하나의 프로세서, 메모리 및 키보드 또는/디스플레이와 같은 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 판독 간격 또는 주기를 지정하기 위해 오퍼레이터에 의해 사용될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 각 픽셀(4개의 코너 픽셀 이외의)은 9개의 신틸레이터 모듈(205)을 가질 수 있다. 코너 픽셀은 4개의 신틸레이터 모듈을 가질 수 있다. 도 5는 도광체의 세그먼트를 보여준다. 도 3a와 유사하게, 다르게 설계된 세그먼트들이 다른 해싱으로 좌측 하부에 표시된다. 도 5의 좌측 하부 부분은 어레이(220)의 대표적인 부분만을 도시한다. 좌측 하부에서의 신틸레이터 모듈 또는 결정체의 그룹 주위의 실선은 픽셀(SiPM 픽셀)을 지칭하는 반면에, 점선은 모듈 또는 결정체를 지칭한다. 각기둥 세그먼트에 대한 3개의 상이한 디자인, 예를 들어 센터 각기둥(162), 코너 각기둥(166) 및 에지 각기둥(168)은 상이한 해싱으로 도시되어 있다. 센터 각기둥(162) 및 에지 각기둥(168)는 반대 방향의 해싱으로 도시되어 있고, 코너 각기둥(166)는 교차 해싱으로 도시되어 있다. 코너 픽셀만이 9 x 1 구성에서 4 x 1 결합을 가질 수 있기 때문에, 구성된 9 x 1에 대한 코너 각기둥(166)의 프로파일은 구성된 4 x 1과 다를 수 있다. 도 5의 우측은 픽셀(및 신틸레이터 모듈)에 대한 몇 가지 다른 센터 각기둥 위치를 보여준다. 도 5의 우측에 모든 SiPM 픽셀(광학 센서)이 표시되어 있는 것은 아니다. 도 5에는 9개의 상이한 일차 상호작용 신틸레이터 모듈(일차 상호작용)을 설명하기 위해 9개의 센터 각기둥이 표시되어 있다. 예를 들어, 일차 상호작용 신틸레이터 모듈이 모듈 139(세그먼트에서 센터 신틸레이터 모듈)인 경우, 세그먼트는 입자를 4개의 인접한 광학 센서/픽셀(142, 144, 148, 148)로 보낸다. 도 5에서 "X"는 일차 상호작용 신틸레이터 모듈을 나타낸다. 세그먼트(132, 134)는 서로 인접하지 않을 수 있지만, 도면에 인접하여 보일 수 있다.

이 구성에서 코너 각기둥(166)은 5개의 신틸레이터 모듈의 그룹(3개의 상이한 광학 센서/픽셀)의 단부(세그먼트와 접촉하는 단부) 사이에서 입자를 편향시킬 수 있다. 이 구성에서 에지 각기둥은 마찬가지로 5개의 신틸레이터 모듈(2개의 상이한 광학 센서/픽셀)의 단부(세그먼트와 접촉하는 단부) 사이에서 입자를 편향할 수 있다.

다른 구성에서, 코너 광학 센서/픽셀(10)은 9개의 신틸레이터 모듈(205)과 접촉할 수 있다.

본 발명의 양태에서, 신틸레이터 모듈(205)은 그 내용은 참조로 포함된, "테이퍼진 신틸레이터 결정체 모듈 및 이를 사용하는 방법"이라는 발명의 명칭으로 2021년 9월 2일자로 출원된, PCT 출원번호 US2021/48880에 설명된 바와 같은 테이퍼진 단부를 가질 수 있다. 테이퍼진 단부는 제1 단부, 예를 들어 신틸레이터 모듈/광학 센서 인터페이스이다.

도 6은 본 발명의 양태에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 설명의 목적을 위해, 아래에 기술된 기능은 컴퓨터(400)의 프로세서에 의해 실행된다. S600에서, 프로세서는 광학 센서 어레이로부터 신호를 판독하기 위해 판독 ASIC(405)(동기화 보드(410)를 통해) 명령을 내린다. 이는 프레임 동기화 명령의 형태일 수 있다. 판독 ASIC(405)가 명령을 수신할 때, 판독 ASIC(405)는 광학 센서 어레이(210)에 전력이 공급되게 한다. 본 발명의 일부 양태에서, 바이어스를 공급하기 위해 폐쇄하도록 제어되는 스위치가 있다. 판독 ASIC(405)는 채널 X01-X16 각각으로부터(채널 연결부를 통해) 다중화된 신호를 수신한다. 다중화된 신호는 디지털화되고 동기화되며(동기화 보드(410)를 통해) 컴퓨터(400)로 전송된다. 본 발명의 양태에서, 컴퓨터(400)는 통신 인터페이스를 포함한다. 일부 양태에서, 통신 인터페이스는 유선 인터페이스일 수 있다.

S605에서 프로세서는 각 채널로부터 디지털화된 신호를 수신한다. 본 발명의 일부 양태에서, 디지털화된 신호들은 프로세서가 어떤 디지털화된 신호들이 어떤 채널에 대응하는지 인식할 수 있도록 채널 식별자와 연관된다. 디지털화된 신호는 메모리에 저장될 수 있다. 본 발명의 양태에서, 컴퓨터(400)는 어느 픽셀이 각각의 채널에 연결되는지(다중화됨)를 식별하는 미리 설정된(preset) 매핑을 갖는다. 매핑은 메모리에 저장될 수 있다.

610에서, 프로세서는 이벤트에 대한(이벤트당) 가장 높은 디지털화된 신호, 예를 들어, 가장 높은 X 에너지를 갖는 채널의 서브세트를 식별할 수 있다. 각 이벤트는 시간 윈도우와 관련하여 결정된다. 이벤트에 대한 윈도우는 입자를 감지하는 초기 SiPM으로 시작된다. 윈도우는 설정된 기간 동안 "개방" 된다. 설정된 기간은 몇 나노초일 수 있다. 윈도우 내에서(임의의 SiPM으로부터) 검출된 입자는 그룹화되고 동일한 이벤트에 속하는 것으로 간주된다. 본 발명의 양태에서, 관련 채널의 수는 이벤트의 위치에 기초할 수 있다. 예를 들어, 일차 상호작용이 어레이의 센터에 위치하는(센터 각기둥(162)과 연관됨) 경우, 관련 채널의 수는 4개일 수 있다. 프로세서는 이벤트에 대해 가장 높은 4개의 디지털 신호를 가진 4개의 채널을 식별할 수 있다. 일차 상호작용이 코너 각기둥(166)에 위치하는 경우, 프로세서는 3개의 가장 높은 디지털 출력과 관련된 3개의 채널만을 식별하는 것을 필요로 할 수 있다. 일차 상호작용이 에지 각기둥(168)에 위치하는 경우, 프로세서는 2개의 가장 높은 디지털 출력과 관련된 2개의 채널만을 식별하는 것을 필요로 할 수 있다.

광 공유가 세그먼트에 의해 광학적으로 격리되는 경우, 상호작용의 일차 광학 센서(픽셀)는 소정의 가장 높은 디지털화된 신호를 갖는 채널들의 관계로부터 결정될 수 있다. 이 관계를 통해 소정의 가장 높은 디지털화된 신호를 갖는 채널의 패턴에 기초하여 인접한 광학 센서를 고유하게 식별할 수 있다. S615에서 프로세서는 일차 상호작용 광학 센서(픽셀)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 일차 상호작용 광학 센서가 센터인 경우, 프로세서는 저장된 매핑을 사용하여 4개의 가장 높은 신호와 연관되는 식별된 4개의 채널의 상대 위치를 결정할 수 있다. 이렇게 하면 일차 광학 센서를 4개의 인접한 광학 센서/픽셀로(식별된 채널에 연결된 16개의 가능한 센서/픽셀에서) 좁힐 수 있다. 예를 들어 4개의 가장 높은 채널이 X02, X03, X10, X11인 경우이다. 프로세서는 SiPM 픽셀(10, 11, 18, 19)을 인접한 광학 센서, 예를 들어 인접한 픽셀로 식별할 수 있다. 그런 다음, 프로세서는 4개의 채널 중 가장 높은 신호를 가진 채널을 결정할 수 있다. 가장 높은 센서를 갖는 채널과 연관된 광학 센서(좁혀진 4개의 인접한 광학 센서 중에서)가 일차 광학 센서/픽셀(일차 상호작용)로 식별된다. 예를 들어, 4개의 채널의 최대 신호가 X03인 경우, 프로세서는 일치 상호작용 광학 센서(픽셀)가 19(채널 X03에 연결된 17, 19, 21, 23에서 좁혀진)라고 결정할 수 있다.

일차 상호작용 광학 센서가 코너인 경우, 프로세서는 저장된 매핑을 사용하여 3개의 가장 높은 신호와 연관되는 식별된 3개의 채널의 상대 위치를 결정할 수 있다. 다른 양태에서, 프로세서는 4개의 가장 높은 신호를 갖는 4개의 채널을 여전히 사용할 수 있다. 이렇게 하면 일차 상호작용 광학 센서를 3개의 인접한 광학 센서/픽셀로 좁힐 수 있다. 그런 다음, 프로세서는 3개의 채널 중 가장 높은 신호를 가진 채널을 결정할 수 있다. 가장 높은 센서를 갖는 채널과 관련된 광학 센서(좁혀진 3개의 인접한 광학 센서 중에서)가 일차 광학 센서/픽셀(일차 상호작용)로 식별된다.

일차 상호작용 광학 센서가 에지 광학 센서(에지 각기둥과 연관된)인 경우, 프로세서는 저장된 매핑을 사용하여 2개의 가장 높은 신호와 연관되는 식별된 2개의 채널의 상대 위치를 결정할 수 있다. 다른 양태에서, 프로세서는 4개의 가장 높은 신호를 갖는 4개의 채널을 여전히 사용할 수 있다. 이렇게 하면 일차 상호작용 광학 센서가 2개의 인접한 광학 센서/픽셀로 좁혀질 것이다. 그런 다음, 프로세서는 두 채널 중 가장 높은 신호를 가진 채널을 결정할 수 있다. 가장 높은 센서를 갖는 채널과 관련된 광학 센서(좁혀진 2개의 인접한 광학 센서 중에서)가 일차 상호작용 광학 센서/픽셀로 식별된다.

S620에서 프로세서는 DOI를 결정할 수 있다. DOI는 다음 방정식을 사용하여 결정될 수 있다.

Pmax는 이벤트에 대해 가장 높은 신호(가장 높은 에너지)를 갖는 채널과 관련된 디지털화된 값이고 P는 이벤트에 대해 식별된 채널의 서브세트와 관련된 디지털화된 신호의 합인데, 이는 원하는 경우 Pmax를 뺀 후에도 계산될 수 있다. 세그먼트는 세그먼트와 관련된 인접한 광학 센서를 광학적으로 분리하므로, 합계는 일차 상호작용 광학 센서와 관련된 에너지의 비율과 인접한 센서의 에너지의 합을 효과적으로 취한다. 프로세서가 일차 상호작용 광학 센서를 일단 식별하면, 예를 들어 센터 각기둥에 대한 광학 센서를 위한 4개, 코너 각기둥에 대한 광학 센서를 위한 3개, 에지 각기둥에 대한 광학 센서를 위한 2개인, 추가하는 채널(가장 높은 M 채널)의 수를 알 수 있다.

그 다음에 비율은 다음 방정식을 사용하여 깊이로 변환될 수 있다.

여기서 m은 가장 적합한 선형 회귀 모델에 따른 DOI와 w 사이의 기울기이고, q는 DOI = 0 mm에서 DOI 추정이 시작하는 것을 보장하는 절편이다. 파라미터 m 및 q는 신틸레이터 모듈(205)에 대해 사전에 결정될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 양태에 따라, 머신 러닝 또는 룩업 테이블과 같이 본 명세서에 기술된 역다중화 기술을 사용하여 신호를 역다중화할 필요 없이, 다중화된 신호가 DOI 및 일차 상호작용 광학 센서를 결정하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서, 다중화된 신호가 본 발명의 양태에 따라 역다중화된 후에 DOI가 계산될 수 있고 이어서 역다중화된 신호로부터 계산될 수 있으며, 여기서 Pmax는 가장 높은 역다중화된 광학 센서/픽셀과 관련된 디지털화된 값이고 p는 각 광학 센서/픽셀에 대한 모든 역다중화된 값의 합이다.

본 발명의 양태에서, 일차 상호작용 신틸레이터 모듈은 4개의 가장 높은 채널의 상대적인 크기에 기초한 다중화된 신호를 사용하여 추정될 수 있다. 전술한 예를 사용하여, 4개의 가장 높은 채널이 X02, X03, X10, X11일 때 센터 광 세그먼트(예를 들어 각기둥)에 대한 광 공유 체계가 주어지면, SiPM 19와 관련된 상부 좌측 신틸레이팅 모듈이 일차 상호작용 신틸레이터 모듈이 되도록 추정될 수 있다. 상대적인 크기를 사용하여, 프로세서는 일차 광학 센서(픽셀), 수직/수평의 이웃한 것 및 대각선의 이웃한 것을 식별할 수 있다. 대각선의 이웃한 것은 식별된 채널의 서브세트 중 가장 낮은 에너지를 가질 수 있다. 수평/수직의 이웃한 것은 가까운 에너지를 가질 수 있으며, 예를 들어 채널 출력은 거의 동일할 수 있다. 채널의 서브세트를 사용하여 식별된 인접한 광학 센서들은 동일한 세그먼트와 연관될 수 있다(광 공유로 인해).

일차 상호작용 광센서 및 일차 상호작용 신틸레이터 모듈은 전술한 바와 같이 추정될 수 있지만, 산란 및 노이즈로 인해 일차 상호작용 광센서 및 일차 상호작용 신틸레이터 모듈은 여기에서 설명된 바와 같이 채널에서의 신호가 역다중화된 후에 결정될 수 있다.

S625에서 프로세서는 채널로부터의 다중화된 신호를 전체 광학 센서 분해능으로 역다중화할 수 있다. 예를 들어 프로세서는 16개 채널 X01-X16로부터의 다중화된 신호를 가져와서 M x M 채널의 정보(시스템에서 광학 센서의 수)를 생성한다. 여기서 M은 행과 열의 수이다. 예를 들어, 8 x 8 판독 어레이에 대해 64개의 역다중화된 채널이 있다.

본 발명의 양태에서, 변환은 미리 저장된 머신 러닝 모델에 기초한다. 머신 러닝 모델을 생성하는 것은 나중에 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 구체적으로, 프로세서는 저장된 머신 러닝 모델을 검색하고 다중화된 신호를 입력으로 사용하여 8 x 8 어레이에 해당하는 64개 채널의 대응하는 역다중화된 신호를 출력할 수 있다.

다른 양태에서, 프로세서는 다중화된 신호를 전체 채널 분해능의 역다중화된 신호와 연관시키는 저장된 룩업 테이블을 사용할 수 있다. 룩업 테이블은 비-다중화 채널로부터 얻은 실험 데이터를 이용하여 생성될 수 있다. 8 × 8 어레이의 경우, 룩업 테이블은 복수의 이벤트로부터 취한 64개 채널의 실험 데이터로부터 생성될 수 있다. 예를 들어 이벤트에 대한 64개 채널의 데이터가 얻어진다. 다중화된 데이터는 16개의 데이터 채널(4개의 채널이 추가됨)을 생성하기 위해 도 1a에 도시된 것과 동일한 채널들을 추가하는 프로세서(소프트웨어 기반 다중화)에 의해 생성될 수 있다. 그런 다음 16개의 데이터 채널은 추후에 사용하기 위해 64개의 데이터 채널과 연결된다. 이 프로세스는 다중 대응 정보, 예를 들어 16개 채널에 대한 64개 채널을 생성하기 위하여 복수의 이벤트에 대해 반복될 수 있다. 후속해서, 다중화된 데이터가 판독 ASIC(405)로부터 얻어지면, 프로세서는 64채널 데이터를 조회한다. 프로세서는 실제 검출된 채널 데이터에 가장 가까운 16개 채널 데이터에 대응하는 64개 채널 데이터를 선택할 수 있다. 가장 가까운 것은 가장 작은 평균 제곱근 오차 또는 평균 제곱 오차로 정의될 수 있다. 그러나, 룩업 테이블에서 가장 근접하게 저장된 16채널 데이터를 결정하기 위해 다른 파라미터가 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서, 프로세서는 가장 근접하게 저장된 16개 채널 데이터 세트(예를 들어, 가장 가까운 2개) 사이의 차이에 기초하여 64개 채널 데이터를 보간할 수 있다.

S630에서, 프로세서는 역다중화된 신호(예를 들어, 에너지 가중 평균을 계산하기 위해 각 광학 센서로부터의 에너지를 나타내는 신호)를 사용한다. 에너지 가중 평균은 다음 방정식들에 의해 계산될 수 있다.

여기서 x_i 및 y_i는 i번째 판독 광학 센서(픽셀)의 x 및 y 위치이고, p_i는 i번째 광학 센서(픽셀)에 의해 판독된 디지털화된 신호이고, N은 광학 센서 어레이에서 광학 센서(픽셀)의 전체 수이고, P는 단일 감마선 상호작용 이벤트에 대한 모든 광학 센서(픽셀)로부터의 디지털화된 신호의 합이다.

S635에서, 프로세서는 각각의 신틸레이터 모듈(205)에 대한 계산된 에너지 가중 평균에 기초하여 일차 상호작용 신틸레이터 모듈을 결정할 수 있다. 계산된 에너지 가중 평균이 가장 높은 신틸레이터 모듈(205)이 일차 상호작용 신틸레이터 모듈로 결정될 수 있다. 계산된 에너지 가중 평균이 가장 높은 신틸레이터 모듈(205)과 관련된 광학 센서(픽셀)가 일차 상호작용 광학 센서(픽셀)로 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 예를 들어 일차 상호작용 광학 센서(픽셀), 일차 상호작용 신틸레이터 모듈 및 DOI와 같은 3개의 특징 모두를 결정하는 대신에, 프로세서는 3개의 특징 중 하나 또는 특징들의 임의의 조합, 예를 들어 3개의 특징 중 적어도 하나를 결정할 수 있다.

도 7은 본 발명의 양태에 따른 머신 러닝 모델의 훈련 및 테스트의 예의 흐름도를 도시한다. 머신 러닝 모델(들)의 생성은 컴퓨터(400)에서 실행될 수 있다. 다른 양태에서, 다른 장치가 모델의 생성을 실행할 수 있고, 이후에 모델이 컴퓨터(400)로 전송될 수 있다.

상이한 신틸레이터 모듈/광학 센서 어레이 구성을 위해 상이한 머신 러닝 모델이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 머신 러닝 모델은 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 어레이 결합에 사용될 수 있고, 제2 머신 러닝 모델은 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 어레이 결합에 사용될 수 있다(그리고 제3 머신 러닝 모델은 16:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 어레이 결합에 사용될 수 있다).

상이한 머신 러닝 모델이 상이한 신틸레이터 모듈(치수)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 동일한 결합 예를 들어, 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 어레이 결합으로, 1.5 mm x 1.5 mm x 20 mm 대 1.4 mm x 1.4 mm x 20 mm의 치수를 갖는 신틸레이터 모듈에 대해 상이한 ML 모델이 사용될 수 있다. 훈련/테스트를 위한 데이터 세트를 얻기 위해 신틸레이터 모듈 어레이, 세그먼트형 도광체 및 광학 센서 어레이(판독 ASIC에 연결된)를 포함하는 입자 검출 장치가 알려진 입자 소스에 노출될 수 있다. 본 발명의 양태에 따라 판독 ASIC에 대한 연결을 통해 다중화되는 대신에, 광학 센서 어레이는 N 연결을 통해 판독 ASIC에 연결되며, 여기서 N은 광학 센서 어레이에 있는 광학 센서의 수이다. 장치는 서로 다른 깊이에서 복수의 이벤트에 노출될 수 있다. 각 채널(예를 들어, 64개 채널)로부터의 디지털화된 신호가 S700에서 이벤트당 기록된다. 이 전체 채널 분해능은 모델 평가를 위한 지상 진실로 간주된다(테스트하는 동안).

S705에서, 각 이벤트에 대해 미리 설정된 개수의 채널을 추가하여 다중화 신호를 생성할 수 있다. 본 발명의 양태에서, 프로세서는 다중화 신호를 얻기 위해 도 1a에 도시된 다중화 방식에 따라 동일한 광학 센서로부터의 신호를 추가한다. 이것은 여기에 설명된 하드웨어 다중화를 시뮬레이션하는 것이다. 예를 들어, 프로세서는 채널의 수를 16으로 줄이기 위해 4개의 광학 센서로부터의 신호를 함께 추가할 수 있다. 컴퓨터 기반 다중화 신호는 메모리에 저장될 수 있다. S710에서 프로세서는 각 이벤트에 대해 생성된 컴퓨터 기반 다중화 신호를 훈련용 데이터 세트와 테스트용 데이터 세트로 나눈다. 일부 양태에서, 컴퓨터 기반 다중화 신호의 80%는 훈련을 위해 사용될 수 있고 20%는 테스트 및 검증을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어 75%/25% 또는 90%/10%와 같은, 다른 구분이 사용될 수 있다. 일부 양태에서 구분은 무작위일 수 있다.

머신 러닝 모델은 신경망에 기초한 것일 수 있다. 그러나, 머신 러닝 모델은 신경만으로만 국한되지 않는다. 상태 벡터 회귀와 같은 다른 머신 러닝 기술을 사용할 수 있다. 본 발명의 일부 양태에서, 신경망은 컨볼루션 신경망(CNN)일 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 일부 측면에서, 컨볼루션 신경망은 U-NET 아키텍처를 갖는 얕은 컨볼루션 신경망일 수 있다. 컨벌루션 레이어, 필터 및 옵티마이저의 수를 포함하는 하이퍼 파라미터는 반복적으로 최적화될 수 있다.

도 8은 U-NET 아키텍처를 갖는 컨볼루션 신경망의 예를 도시한다.

U-Net는 다중화된 데이터(컨볼루션 신경망에 공급하기 전에 4×4×1 매트릭스로 재구성될 수 있는 16×1)를 갖는 입력 레이어(800)로 구성된다. 입력 레이어(800) 다음에는 도 8에서의 807/809와 같은 일련의 2D 컨볼루션이 뒤따를 수 있다. 컨볼루션 레이어(807 및 809)는 32개의 상이한 4 x 4 매트릭스("필터"라고도 함)를 가질 수 있다.

컨볼루션 레이어(807/809) 다음에는 2D 차원을 2 x 2로 줄이기 위한 최대 풀링(max-pooling) 레이어(811), 각각 64개의 필터가 있는 추가적인 컨볼루션 레이어(813/815), 및 2D 차원을 1 x 1로 줄이기 위한 다른 최대 풀링 레이어(817)가 뒤따를 수 있다. 1 x 1차원 공간으로 축소된 후, 매트릭스는 각각 128개의 필터가 있는 여러 개의 컨벌루션 레이어(819/821)를 통과할 수 있고, 확장 경로를 겪기 전에 원래의 4 x 4 차원으로 되돌리고 "U" 형상을 완성할 수 있다.

확장 경로는 동일한 차원을 갖는 대응하는 레이어(825/831) 및 64/32 필터를 갖는 컨볼루션 레이어(827/833)와 피처 병합을 구비한 일련의 업샘플링 컨볼루션 레이어(823/829)를 포함한다. 출력 레이어(837)는 4×4×4 매트릭스를 제공하기 위해 4개의 필터를 갖는 컨볼루션 레이어일 수 있으며, 이는 8×8 판독 어레이와 상관되도록 재형성될 수 있다. U-Net의 모든 컨볼루션 레이어는 스트라이드(stride) = 1인 2 × 2 필터를 가질 수 있으며 정류 선형 유닛[ReLU(rectified linear unit)] 활성 함수가 뒤따를 수 있다. 개념적으로, U-Net는 입력 레이어에 입력된 단일 4×4 매트릭스(컴퓨터 기반 다중화 신호)를 어레이에 있는 광학 센서의 수와 같은 8×8 매트릭스(역다중화)로 역다중화하도록 공식화할 수 있다. 입력 레이어의 형상(매트릭스의 차원)과 출력 레이어의 필터 수는 사용되고 있는 판독 어레이에 기초하여 수정될 수 있다. 예를 들어, 입력 매트릭스는 16 x 1일 수 있다. 또한, 더 작은 차원을 갖는 다중화된 입력 매트릭스가 사용될 수 있다.

S715에서 상기 모델은 훈련 데이터 세트를 이용하여 훈련될 수 있으며, 훈련 데이터 세트는 800에서 입력이다. S720에서 상기 모델은 테스트 데이터 세트를 이용하여 테스트될 수 있으며, 테스트 데이터 세트는 800에서 입력이다. 옵티마이저는 Adam 옵티마이저의 수정 버전이다. 초기 학습률은 1.0일 수 있다. S725에서 평가 파라미터를 이용하여 모델의 성능이 평가될 수 있다. 예를 들어, 평가 파라미터는 평균 제곱 오차(MSE)일 수 있다. 그러나, 평가 파라미터는 평균 제곱 오차에 국한되지 않는다.

평가 파라미터를 이용하여 모델이 확인되면, S730에서 모델은 메모리(컴퓨터(400) 안의)에 저장되거나 추후 사용을 위해 컴퓨터(400)로 전송될 수 있다.

도 1a에 기술된 다중화 체계 및 머신 러닝 모델(들)을 사용한 역다중화는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 어레이 결합 및 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 어레이 결합 모두에 대해 테스트되었다.

신틸레이터 모듈은 LYSO를 사용하여 제작되었고 한쪽 단부에서 8 x 8 SiPM 어레이(광학 센서 어레이)에 연결되었고 다른쪽 단부에서 전술한 바와 같이 각기둥 세그먼트형 도광체에 연결되었다. 4:1 신틸레이터 모듈과 신틸레이터 모듈 어레이결합을 위한 신틸레이터 모듈 어레이는 1.4 mm x 1.4 mm x 20 mm의 16 x 16 어레이로 구성되었으며, 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 어레이 결합을 위한 신틸레이터 모듈 어레이는 0.9 mm x 0.9 mm x 20 mm의 24 x 24 어레이로 구성되었다.

표준 플러드 데이터 수집은 신틸레이터 모듈 어레이(및 센서)를 5cm 떨어진 위치의 3MBq Na-22 나트륨 포인트 소스(활성 직경 1mm)에 균일하게 노출시키는 것에 의해서(상이한 깊이에서) 신틸레이터 모듈 어레이(및 센서)로부터 획득되었다. 20 mm 신틸레이터 모듈 길이를 따른 5 개의 상이한 깊이(2, 6, 10, 14 및 18 mm)에서의 깊이 시준 데이터는 DOI 성능을 평가하기 위한 납 시준(1 mm 핀홀)을 사용하여 획득되었다. 데이터 판독은 ASIC(TOFPET2) 및 FEB/D_v2 판독 보드(PETsys Electronics SA)로 신속하게 처리되었다. 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 16 x 1 신틸레이터 모듈과 채널 다중화 및 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합을 위한 36 x 1 신틸레이터 모듈과 채널 다중화를 달성하기 위해 전술한 바와 같이 컴퓨터 기반 다중화가 수행되었다.

컴퓨터 기반 다중화를 사용한 광전 피크 필터링은 +- 15% 에너지 윈도우로 신틸레이터 모듈 기준으로 수행되었다. 광전 피크를 가진 컴프턴 산란 이벤트를 거부하기 위해 가장 높은 신호가 제2 신호의 두 배보다 큰 이벤트만 허용되었다.

컴퓨터 기반 다중화를 통해 생성된 신호의 역다중화는 머신 러닝(U-Net 아키텍처를 갖는 컨볼루션 신경망)을 통해 전술한 방법을 사용하여 수행되었다. U-Net 훈련은 전체 데이터 세트의 80%를 사용하여 수행되었다. 훈련 데이터 세트의 10%는 과적합이 발생하지 않도록 훈련 검증에 사용되었다. adam 옵티마이저의 수정된 버전인 Adadelta가 훈련 최적화에 사용되었다.

훈련을 위해 500 및 1000 에포크(epoch)의 배치 크기(batch size)가 사용되었다. 훈련 손실은 각 에포트의 모든 이벤트에서 모델 추정치와 지상 진실 간의 평균 차이를 취하여 계산되었다. 전역 최소값이 발견될 때까지 연속적인 에포크 사이의 손실을 줄이기 위해 모델 훈련이 수행되었다. 훈련 및 유효 손실 곡선을 에포크의 함수로 플로팅하고 거의 동일한 최소값을 갖는 점근적 거동에 도달한 것을 보증하는 것에 의해 모델 수렴을 확인하였다.

도 9a 및 도 9b는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합으로부터 도 1a에 도시된 다중화 방식을 사용하여 컴퓨터 기반 다중화된 신호에 대한 훈련/테스트 머신 러닝 모델로부터 얻어진 예측(역다중화된)과 복수의 광학 센서 어레이 각각으로부터 출력된 실제 신호(다중화하지 않은)의 정성적인 비교를 도시한다. 결과들은 비슷하게 보인다. 예를 들어, 컴퓨터 기반 다중화(픽셀 채널당의)을 사용하거나 사용하지 않고 센터, 에지 및 코너 신틸레이터 모듈에서 완전한 신틸레이터 모듈 분리가 달성되었음을 비교에서 알 수 있다. U는 x축에 있고 V는 y축에 있다.

도 9c는 전체 분해능(예를 들어, 64) 센서 출력이 판독된 전술한(다중화된) 유사한 방식으로, 추가된 4개의 센서 출력에 의해 생성된 합성 데이터 세트(컴퓨터 기반 다중화된 데이터)의 예를 도시한다. 도 9d는 판독 ASIC가 전술한 바와 같이 다중화 방식을 통해 어레이에 연결되는, 판독 ASIC로부터의 다중화된 신호의 판독으로부터 생성된 다중화된 데이터 세트의 예를 도시한다. 도 9c 및 도 9d의 비교에서 데이터 세트는 매우 유사하지만 불완전한 모델 수렴으로 인해 약간 차이가 있음을 보여준다. 도 9c 및 도 9d는 채널을 정사각형으로 나타내기 위해 이루어진 U' 및 V' 공간에서의 매핑을 나타낸다.

도 10a 및 도 10b는 5개의 깊이(2, 6, 10, 14 및 18 mm)에 대해 관련 입자 검출 시스템에서의 DOI 분해능과 본 발명의 양태에 따른 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합에 대한 입자 검출 시스템의 DOI 분해능 사이에 비교를 도시한다. 비교는 광학 센서 어레이의 센터 광학 센서와 광학 센서 어레이의 다른 센터 광학 센서에 대한 것이다. 도 10a에서 "고전적인" 계산 방식이 사용되었다. 고전적인 접근 방식에서, 방정식 1은 가장 높은 에너지 신호(광학 센서 또는 픽셀 기반에 대한 Pmax)를 사용하여 계산되었으며 P는 각 채널의 합으로부터 계산되었다(다중화되지 않았고 따라서 모든 64개 채널 값이 더해졌다). 도 10b에서 DOI는 컴퓨터 기반 다중화 신호에 의해 직접 계산되었다. 예를 들어, Pmax는 16개의 컴퓨터 기반 다중화 신호에서 가장 높은 신호로 결정되었고 P는 16개의 컴퓨터 기반 다중화 신호에서 가장 높은 4개 신호의 합으로부터 결정되었다.

다중화되지 않은 데이터(도 10a) 및 다중화된 데이터(도 10b)에 대해 DOI 추정 분포는 유사하였다. 측정된 모든 깊이에 걸친 평균 DOI 분해능은 다중화되지 않은 데이터(도 10a)의 경우 2.32 mm 반치 전폭(FWHM)이고 다중화 데이터(도 10b)의 경우 2.73 mm 반치 전폭이었다.

도 11a 및 11b는 복수의 광학 센서 어레이 각각으로부터 출력된 실제 신호(다중화 없이)와 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합에서 도 1a에 도시된 다중화 체계를 사용하는 컴퓨터 기반 다중화 신호에 대한 훈련/테스트된 머신 러닝 모델로부터 얻은 예측(역다중화된)의 정성적 비교를 도시한다. 다중화되지 않은 데이터(도 11a)와 다중화된 데이터(도 11b) 사이의 비슷한 성능을 가진 센터 및 에지 신틸레이터 모듈에서 우수한 신틸레이터 모듈 분리가 달성되었다.

도 12a 및 도 12b는 5개의 깊이(2, 6, 10, 14 및 18 mm)에 대해 관련 입자 검출 시스템에서의 DOI 분해능과 본 발명의 양태에 따른 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합에 대한 입자 검출 시스템의 DOI 분해능 사이에 비교를 도시한다. 비교는 광학 센서 어레이의 센터 광학 센서와 광학 센서 어레이의 다른 센터 광학 센서에 대한 것이다. 도 12a에서 "고전적인" 계산 방식이 사용되었다. 고전적인 접근 방식에서, 방정식 1은 가장 높은 에너지 신호(광학 센서 또는 픽셀 기반에 대한 Pmax)를 사용하여 계산되었으며 P는 각 채널의 합으로부터 계산되었다(다중화되지 않았고 따라서 모든 64개 채널 값이 더해졌다). 도 12b에서 DOI는 컴퓨터 기반 다중화 신호에 의해 직접 계산되었다. 예를 들어, Pmax는 16개의 컴퓨터 기반 다중화 신호에서 가장 높은 신호로 결정되었고 P는 16개의 컴퓨터 기반 다중화 신호에서 가장 높은 4개 신호의 합으로부터 결정되었다.

다중화되지 않은 데이터(도 12a) 및 다중화된 데이터(도 12b)에 대해 DOI 추정 분포는 유사하였다. 측정된 모든 깊이에 걸친 평균 DOI 분해능은 다중화되지 않은 데이터(도 12a)의 경우 3.8 mm 반치 전폭(FWHM)이고 다중화 데이터(도 12b)의 경우 3.64 mm 반치 전폭이었다.

x 좌표와 y 좌표에 대한 에너지 가중 평균 방법에 대하여 컨볼루션 신경망 예측의 백분율 오류는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합의 경우 각각 2.05%와 2.15%였고, 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합의 경우 2.41%와 1.97%였다. 컨볼루션 신경망 예측을 따르는 다중화된 데이터에 대한 이벤트당 전체 검출된 에너지의 백분율 오류는 4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합의 경우 1.53%였고, 9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합의 경우 1.69%였다.

상기 테스트는 도 1a에 도시된 전술한 다중화 체계를 사용함으로써 시스템의 성능 사이의 차이가 각기둥 세그먼트형 도광체의 결과인 결정론적 광 공유로 인해 최소임을 입증한다. 관찰된 차이는 3MBq Na-22 나트륨 포인트 소스(1 mm 활성 직경)을 사용하는 것과 같은 실험 조건의 결과일 수 있음 유의해야 한다. 다중화는 광학 센서 어레이에서 판독 ASIC 및 연결부에 출력되는 출력을 초래한다. 데이터 파일의 크기를 최소화하는 것은 필드가 DOI PET로 이동할 때 특히 중요하며, DOI PET는 판독 체계 및 DOI 분해능(DOI 빈의 수를 결정함)에 따라 효과적인 응답 라인의 수를 2배 이상 증가시킬 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "a", "an" 및 "the"와 같은 용어는 단수만을 지칭하는 것이 아니라, 특정한 예가 예시를 위해 사용될 수 있는 일반적인 종류를 포함한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수로 정의된 용어는 복수로 정의된 용어를 포함하며, 반대로 복수로 정의된 용어는 단수로 정의된 용어를 포함한다.

본 명세서에서 "하나의 양태", "특정 양태", "일부 양태" 또는 "양태"에 대한 언급은 설명된 양태(들)가 특정 피처 또는 특성을 포함할 수 있음을 나타내지만, 모든 양태가 특정 피처, 구조 또는 특성을 반드시 포함할 필요는 없다. 더욱이, 이러한 표현들이 반드시 동일한 양태을 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정한 피처, 구조 또는 특성이 하나의 양태와 관련하여 설명될 때, 명시적으로 설명되어 있는지 여부와 상관없이 다른 양태와 관련한 피처, 구조 또는 특성에 영향을 미치는 것은 통상의 기술자의 지식의 범위 내에 있다. 이하 설명의 목적으로 "상부", "하부", "우측", "좌측", "수직", "수평", "상단", "하단" 및 그 파생어들은 바닥에 대한 및/또는 도면에 배향된 장치와 관련될 것이다.

본 명세서에서 임의의 수치 범위에 대한 언급은 그 범위에 포함되는 각각의 수치(분수 및 정수 포함)를 명백히 포함한다. 예시적으로, "적어도 50" 또는 "적어도 약 50"의 범위에 대한 것은 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 등의 정수 및 50.1, 50.2 50.3, 50.4, 50.5, 50.6, 50.7, 50.8, 50.9 등의 분수를 포함한다. 다른 예시로, "50 미만" 또는 "약 50 미만"의 범위에 대한 것은 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41, 40 등의 정수 및 49.9, 49.8, 49.7, 49.6, 49.5, 49.4, 49.3, 49.2, 49.1, 49.0 등의 분수를 포함한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "프로세서"라는 용어는 단일 코어 프로세서, 멀티 코어 프로세서, 단일 장치에 위치된 다수의 프로세서, 또는 서로 유선 또는 무선 통신하며 장치의 네트워크, 인터넷 또는 클라우드를 통해 분산된 다수의 프로세서를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "프로세서"에 의해 수행되거나 혹은 수행되도록 구성된 기능, 특징 또는 명령은 단일 코어 프로세서에 의한 기능, 특징 또는 명령의 수행을 포함할 수 있거나, 멀티 코어 프로세서의 다수의 코어들에 의한 기능, 특징 또는 명령의 집합적 또는 협력적인 수행을 포함할 수 있거나, 혹은 다수의 프로세서들에 의한 기능, 특징 또는 명령의 집합적 또는 협력적인 수행을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 프로세서 또는 코어는 모든 기능, 특징 또는 명령을 개별적으로 수행할 필요는 없다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 기능, 특징 또는 명령을 달성하기 위해 단일 FPGA가 사용될 수 있거나 혹은 다수의 FPGA가 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 프로세서는 부하 균형을 허용할 수 있다. 추가적인 예에서, 서버(원격 또는 클라우드로도 알려져 있는) 프로세서가 클라이언트 프로세서를 대신하여 일부 또는 모든 기능을 달성할 수 있다. 용어 "프로세서"는 본 명세서에 설명된 것과 같은 하나 이상의 ASIC를 또한 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "프로세서"는 "회로"라는 용어로 대체될 수 있다. "프로세서"라는 용어는 코드를 실행하는 프로세서 하드웨어(공유, 전용 또는 그룹) 및 프로세서에 의해 실행되는 코드를 저장하는 메모리 하드웨어(공유, 전용 또는 그룹)를 지칭하거나, 그것의 일부이거나 혹은 그것을 포함할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 양태에서, 전자적으로 판독 가능한 제어 정보가 저장되어 있는 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는, 해당 저장 매체가 프로세서에서 사용될 때 명세서에서 설명된 기능의 양태들을 수행하도록 구성된다.

또한, 위에서 설명한 방법들 중 어느 것은 프로그램의 형태로 실시될 수 있다. 프로그램은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터 장치(프로세서를 포함하는 장치)에서 실행될 때 위에서 설명한 방법들 중 어느 하나의 방법을 수행하도록 구성된다. 따라서, 비일시적이고 실재하는 컴퓨터 판독 가능 매체는 정보를 저장하기에 적합하고, 데이터 처리 설비 또는 컴퓨터 장치와 상호 작용하여 전술한 임의의 실시예의 프로그램을 실행하고 및/또는 전술한 임의의 실시예의 방법을 수행하기에 적합하다.

컴퓨터 판독 가능 매체 또는 저장 매체는 컴퓨터 장치의 본체 내부에 설치되는 내장형 매체이거나, 컴퓨터 장치의 본체로부터 분리될 수 있도록 배열되는 제거가능한 매체일 수 있다. 여기서 사용하는 바와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체라는 용어는 매체를 통해 전파되는 일시적인 전기 또는 전자기 신호를 포함하지 않으며(반송파와 같은), 따라서 컴퓨터 판독 가능 매체라는 용어는 실재하고 비일시적인 것으로 간주된다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체의 비제한적인 예는 재기록 가능 비휘발성 메모리 장치(예를 들어, 플래시 메모리 장치, 소거 가능하고 프로그램 가능한 리드 온리 메모리 장치 또는 마스크 리드 온리 메모리 장치를 포함하는); 휘발성 메모리 장치(예를 들어, 스태틱 랜덤 액세스 메모리 장치 또는 다이나믹 랜덤 액세스 메모리 장치를 포함하는); 자기 저장 매체(예를 들어, 아날로그 또는 디지털 자기 테이프 또는 하드 디스크 드라이브를 포함하는); 및 광 저장 매체(예를 들어, CD, DVD 또는 블루레이 디스크를 포함하는)를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 내장형의 재기록 가능 비휘발성 메모리를 갖는 매체의 예는 메모리 카드를 포함하지만 이에 한정되지는 않으며, 내장형 ROM을 갖는 매체의 예는 ROM 카세트를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 또한, 저장된 이미지에 대한 다양한 정보, 예를 들어 특성 정보는 임의의 다른 형태로 저장될 수 있거나, 혹은 다른 방식으로 제공될 수 있다.

메모리 하드웨어라는 용어는 컴퓨터 판독 가능 매체라는 용어의 하위 집합이다.

본 발명에서 설명한 양태 및 예는 제한하고자 하는 것이 아니라 예시하고자 하는 의도로 제공된 것이며, 본 발명의 모든 양태 또는 예를 나타내고자 의도하는 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특정 양태들에 적용되는 것으로서 본 발명의 근본적이고 신규한 특징들이 도시되고, 설명되고, 강조되었지만, 예시된 장치의 형태와 세부 사항 및 그 작동에 있어서 여러 가지의 생략, 치환 및 변경이 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에 의해 실행될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 동일한 결과를 달성하기 위해 실질적으로 동일한 기능을 실질적으로 동일한 방식으로 수행하는 요소 및/또는 방법 단계들의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 있음을 분명하게 의도하고 있다. 더욱이, 본 발명의 임의의 개시한 형태 또는 양태와 관련하여 도시된 및/또는 설명된 구조 및/또는 요소 및/또는 방법 단계는 디자인 선택의 일반적인 사항으로 다른 임의의 개시하거나, 설명하거나 혹은 제안한 형태 또는 양태에 통합될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 문언적으로 그리고 법적으로 인정되는 균등물 모두에서 특허청구범위에 기재된 바와 같은 발명의 기술적 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

광학 센서 어레이로부터 신호를 판독하기 위한 시스템으로서,
상기 광학 센서 어레이는 행 및 열로 배열된 복수의 광학 센서를 포함하고, 어레이 내의 각각의 광학 센서는 픽셀에 대응하고, 상기 시스템은:
복수의 제1 채널;
복수의 제2 채널; 및
상기 복수의 제1 채널 및 상기 복수의 제2 채널을 통해 상기 복수의 광학 센서에 전기적으로 연결되는 제1 프로세서;를 포함하며,
각각의 제1 채널은 상기 광학 센서 어레이의 대응하는 행에 있는 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결되며, 연결 사이에는 적어도 하나의 광학 센서가 있고,
각각의 제2 채널은 상기 광학 센서 어레이의 대응하는 열에 있는 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결되며, 연결 사이에는 적어도 하나의 광학 센서가 있고,
신호는 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널을 통해 제1 프로세서에 의해 판독되고,
제1 프로세서는 판독 중에 광학 센서를 바이어스 하기 위하여 복수의 광학 센서 각각에 전력이 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 채널은 제1 행 채널 및 제2 행 채널을 포함하고,
상기 제1 행 채널은 상기 광학 센서 어레이의 제1 행에서 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 행 채널은 상기 광학 센서 어레이의 제2 행에서 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결되고, 제1 행은 제2 행에 인접하고, 제1 행에 있는 광학 센서의 서브세트는 제2 행에 있는 광학 센서의 서브세트와 광학 센서 어레이의 동일한 열에 있지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 제2 채널은 제1 열 채널 및 제2 열 채널을 포함하고,
상기 제1 열 채널은 상기 광학 센서 어레이의 제1 열에서 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 열 채널은 상기 광학 센서 어레이의 제2 열에서 광학 센서의 서브세트에 전기적으로 연결되고, 제1 열은 제2 열에 인접하고, 제1 열에 있는 광학 센서의 서브세트는 제2 열에 있는 광학 센서의 서브세트와 광학 센서 어레이의 동일한 행에 있지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 센서 어레이는 M 행의 광학 센서 및 M 열의 광학 센서를 갖고 있으며, 복수의 제1 채널은 M 행 채널을 포함하고, 복수의 제2 채널은 M 열 채널을 포함하고, 여기서 M은 2의 정수배인 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 시스템을 포함하는 입자 검출 장치로서,
입자 검출 장치는 제2 복수의 신틸레이터 모듈을 포함하는 신틸레이터 어레이, 및 복수의 각기둥 세그먼트를 포함하는 세그먼트형 도광체를 또한 포함하며,
상기 제2 복수의 신틸레이터 모듈은 복수의 광학 센서보다 크며, 복수의 신틸레이터 모듈은 각각의 신틸레이터 모듈의 제1 단부에서 각각의 광학 센서와 접촉하고,
상기 세그먼트형 도광체는 제2 복수의 신틸레이터 모듈의 제2 단부와 접촉하고, 각각의 각기둥 세그먼트는 적어도 2개의 상이한 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉하고, 상기 적어도 2개의 상이한 광학 센서는 인접한 광학 센서이고,
각각의 각기둥 세그먼트는 각각의 각기둥 세그먼트와 접촉하는 신틸레이터 모듈 사이에서 입자를 전향하도록 구성된 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
제5항에 있어서,
각기둥 세그먼트는 센터 각기둥 세그먼트, 에지 각기둥 세그먼트 및 코너 각기둥 세그먼트를 포함하고,
센터 각기둥 세그먼트는 4개의 인접한 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉하고, 코너 각기둥 세그먼트는 3개의 인접한 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉하고, 에지 각기둥 세그먼트는 2개의 인접한 광학 센서와 접촉하는 신틸레이터 모듈과 접촉하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
제5항 또는 제6항의 입자 검출 장치; 및
제1 프로세서와 통신하는 제2 프로세서;를 포함하는 입자 검출 시스템으로서,
제2 프로세서는 이벤트당 가장 높은 신호를 갖는 채널의 서브세트를 식별하고 이벤트를 위한 적어도 하나의 일차 상호작용 픽셀을 결정하도록 구성되고, 이벤트를 위한 일차 상호작용 신틸레이터 모듈 또는 이벤트의 상호작용의 깊이는 식별된 채널의 서브세트로부터의 신호를 사용하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제7항에 있어서,
제2 프로세서는 이벤트당 가장 높은 신호를 갖는 채널로부터의 신호의 비율 및 이벤트당 가장 높은 신호를 갖는 채널의 서브세트 각각으로부터 신호의 합에 기초하여, 이벤트의 상호작용의 깊이를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제7항 또는 제8항에 있어서,
제2 프로세서는 인접한 픽셀을 고유하게 식별하는 채널의 서브세트와 식별된 인접한 픽셀로부터 일차 상호작용 픽셀을 식별하기 위하여 이벤트당 가장 높은 신호를 갖는 채널 사이의 위치 관계에 기초하여, 이벤트를 위한 일차 상호작용 픽셀을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 프로세서는 에너지 가중 평균에 기초하여, 이벤트를 위한 일차 상호작용 신틸레이터 모듈을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제10항에 있어서,
제2 프로세서는 복수의 제1 채널 및 복수의 제2 채널로부터의 신호를 입력으로서 사용하는, 저장된 머신 러닝 모델을 사용하여 상기 복수의 제1 채널 및 상기 복수의 제2 채널로부터의 신호를 역다중화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제11항에 있어서,
머신 러닝 모델은 컨볼루션 신경망에 기초하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제10항에 있어서,
제2 프로세서는 저장된 룩업 테이블을 사용하여 상기 복수의 제1 채널 및 상기 복수의 제2 채널로부터의 신호를 역다중화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 프로세서는 역다중화된 신호를 사용하여 에너지 가중 평균을 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 프로세서는 역다중화된 신호를 사용하여 상호작용의 깊이를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
채널의 서브세트에서의 채널의 수는 광학 센서 어레이에서의 일차 광학 센서의 위치에 기초하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제16항에 있어서,
일차 광학 센서가 광학 어레이에서의 코너 광학 센서일 때 서브세트에서의 채널의 수는 3개이고, 일차 광학 센서가 에지 광학 센서일 때 서브세트에서의 채널의 수는 2개이고, 일차 광학 센서가 어레이에서의 센터 광학 센서일 때 서브세트에서의 채널의 수는 4개인 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제7항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
4:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합이 있는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제7항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
9:1 신틸레이터 모듈과 광학 센서 결합이 있는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
제9항에 있어서,
제2 프로세서는 식별된 채널의 서브세트 및 식별된 인접한 광학 픽셀로부터의 신호의 상대값을 사용하여, 일차 상호작용 신틸레이터 모듈을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 검출 시스템.
광학 센서 어레이는 행과 열로 배열된 복수의 광학 센서를 포함하고, 어레이 에서 각각의 광학 센서는 픽셀에 대응하는, 상기 광학 센서 어레이로부터의 신호를 다중화하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
광학 센서 어레이의 각 행에 대해, 적어도 하나의 광학 센서가 연결부 사이에 존재하게 상기 행에서 광학 센서의 서브세트에 각각 제1 채널을 연결하는 단계;
광학 센서 어레이의 각 열에 대해, 적어도 하나의 광학 센서가 연결부 사이에 존재하게 상기 열에서 광학 센서의 서브세트에 각각 제2 채널을 연결하는 단계; 및
각각의 제1 채널 및 각각의 제2 채널을 프로세서에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서,
제1 행에 대해 제1 채널에 연결된 행에 있는 광학 센서의 서브세트는 제2 행에 대해 제1 채널에 연결된 행에 있는 광학 센서의 서브세트와 열만큼 오프셋되어 있고, 상기 제1 행과 상기 제2 행은 인접한 것을 특징으로 하는 방법.
제21항 또는 제22항에 있어서,
제1 열에 대해 제2 채널에 연결된 열에 있는 광학 센서의 서브세트는 제2 열에 대해 제2 채널에 연결된 열에 있는 광학 센서의 서브세트와 행만큼 오프셋되어 있고, 상기 제1 열과 상기 제2 열은 인접한 것을 특징으로 하는 방법.