Интегрированный многоканальный преобразователь временных интервалов в код для времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии - RU2431157C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Настоящая заявка относится к дискретизации данных, назначению временных меток и связанным областям техники. Она находит особое применение в преобразователях временных интервалов в код, предназначенных для обеспечения назначения временных меток со сверхнаносекундным разрешением событий обнаружения излучения в сканировании с помощью времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии, и описана с конкретной ссылкой на него. Однако следующее находит более широкое применение в преобразовании временных интервалов в код других медицинских применениях вообще и в применениях, способах и устройствах, использующих такое преобразование временных интервалов в код, таких как определение времени событий света или скорости света, определение времени событий обнаружения излучения в ядерных процессах, определение времени других событий, чувствительных ко времени и т.д.

В PET радиоактивный медицинский препарат вводят пациенту или другому объекту формирования изображения. Радиоактивный медицинский препарат создает события радиационного распада, при которых излучаются позитроны, которые распространяются на очень короткое расстояние до быстрого взаимодействия с соседним электроном окружающего объекта формирования изображения в событии аннигиляции электрон-позитрон, которое создает два противоположно направленных гамма-луча. Гамма-лучи детектируют с помощью детекторов излучения, окружающих объект формирования изображения, как два, по существу, одновременных события обнаружения излучения, которые определяют кривую зависимости (LOR) между ними.

Несмотря на то что гамма-лучи детектируют “по существу, одновременно”, если один из двух рассматриваемых детекторов излучения находится ближе к событию аннигиляции электрон-позитрон, тогда будет существовать небольшая разность времени между двумя событиями обнаружения излучения. Поскольку гамма-лучи распространяются со скоростью света, а детекторы находятся только приблизительно в двух метрах друг от друга, эта разность времени между обнаружениями составляет около наносекунды или меньше и может быть равна нулю, если событие аннигиляции электрон-позитрон является равноудаленным от двух детекторов вдоль маршрутов гамма-лучей. При времяпролетной PET (TOF-PET) детекторы излучения работают с достаточно высокой скоростью, чтобы дать возможность измерения малых разностей времени пролета, которые используют, чтобы определить местонахождение события аннигиляции электрон-позитрон вдоль LOR. Единицу информации, объединяющую LOR с информацией ограничения времени из компонента измерения времени пролета, иногда называют гистопроекцией.

Для TOF-PET событие обнаружения излучения должно быть обеспечено временными метками со сверхнаносекундным временным разрешением. Обычно, когда временное разрешение улучшается, также улучшается пространственное разрешение определения местонахождения события аннигиляции вдоль LOR. Требуется многоканальная высокоэффективная архитектура считывания с малым потреблением мощности, которая выполняет как преобразование в цифровую форму события обнаружения излучения (энергии, пространственного местонахождения или распределения), так и преобразование в цифровую форму времени наличия события обнаружения излучения (преобразование временных данных в код) более одной сотни каналов со сверхнаносекундным временным разрешением. Дискретные преобразователи временных интервалов в код, которые имеются, являются устройствами большой входной мощности и нелегко адаптируемыми для использования в TOF-PET. Были бы выгодны интегрированные решения, в которых детектирование и обработку осуществляют в одной микросхеме.

Существующие преобразователи временных интервалов в код используют кольцевые генераторы, синхронизированные с помощью центральных системных часов. Преобразование временных интервалов в код основано на фиксировании состояния элементов задержки кольцевого генератора, когда обнаруживают событие запуска (такое как событие обнаружения излучения в случае сканирования PET). Кольцевой генератор включает в себя последовательное взаимное соединение нескольких цифровых элементов задержки, таких как инверторы или буферы. Выходной сигнал цепи задержки подают обратно на вход. Конфигурация имеет нестабильное состояние, если цепь задержки включает в себя инвертирующее соединение.

Однако возникают трудности при достижении достаточно высокой точности при использовании кольцевых генераторов для преобразования временных интервалов в код при сверхнаносекундном разрешении. Чтобы достичь такого высокого временного разрешения, задержку каждого цифрового элемента задержки делают малой, например от нескольких пикосекунд до нескольких десятков пикосекунд. Например, в CMOS достаточно быстрые устройства выполняют с помощью перехода к малым длинам затвора. Однако с быстрыми устройствами с малыми длинами затвора согласование между устройствами обычно является плохим, и изменения задержки между разными цифровыми элементами задержки в кольцевом генераторе обычно становятся существенными, что ограничивает временную точность назначения временных меток. Попытка преодолеть эти проблемы с помощью модификации цифровых устройств задержки, например с помощью перехода к большим длинам затвора, уменьшает общую скорость и увеличивают емкость и потребление мощности устройства. Дрожание в кольцевом генераторе также может быть устранено с помощью обработки после сбора данных, например с помощью выполнения цифровой коррекции в выходном сигнале преобразователя временных интервалов в код. Однако такая коррекция добавляет сложность и увеличивает полосу частот и стоимость системы. Кроме того, даже при такой коррекции некоторое дрожание остается.

Настоящая заявка предоставляет новые и усовершенствованные преобразователи временных интервалов в код, детекторы излучения, сканеры РЕТ и способы, связанные с ними, которые преодолевают вышеупомянутые проблемы и другие.

В соответствии с одним аспектом раскрыт времяпролетный РЕТ сканер. Детектор излучения расположен с возможностью детектирования излучения, испускаемого из области формирования изображения. Детектор излучения включает в себя, по меньшей мере, один преобразователь временных интервалов в код, предназначенный для назначения временных меток событиям обнаружения излучения. Преобразователь временных интервалов в код включает в себя множество цифровых элементов задержки, оперативно соединенных между собой в виде кольцевого генератора, элементы подстройки задержки, оперативно соединенные с цифровыми элементами задержки и конфигурируемые с возможностью установки, по существу, общей задержки для цифровых элементов задержки, и схемы считывания, сконфигурированные с возможностью генерации временной метки на основании, по меньшей мере, состояния кольцевого генератора, реагирующего на событие обнаружения излучения.

В соответствии с другим аспектом раскрыт преобразователь временных интервалов в код. Множество цифровых элементов задержки оперативно соединены между собой в виде кольцевого генератора. Элементы подстройки задержки, оперативно соединенные с цифровыми элементами задержки и конфигурируемые с возможностью установки, по существу, общей задержки для цифровых элементов задержки. Схемы считывания, сконфигурированные с возможностью генерации выходного сигнала, указывающего состояния кольцевого генератора, реагирующего на событие запуска.

В соответствии с другим аспектом раскрыт детектор излучения. Элемент, чувствительный к излучению, генерирует сигнал, указывающий событие обнаружения излучения. Преобразователь временных интервалов в код включает в себя множество цифровых элементов задержки, оперативно соединенных между собой как кольцевой генератор, элементы подстройки задержки, оперативно соединенные с цифровыми элементами задержки и конфигурируемые с возможностью установки, по существу, общей задержки для цифровых элементов задержки, и схемы считывания, сконфигурированные с возможностью генерации временной метки для события обнаружения излучения на основании, по меньшей мере, состояния кольцевого генератора, когда генерируют сигнал.

В соответствии с другим аспектом раскрыт способ, предназначенный для калибровки кольцевого генератора, содержащего множество элементов задержки, оперативно соединенных между собой как кольцевой генератор. Данные гистограммы определяют из выходных сигналов кольцевого генератора, реагирующего на рандомизированные события запуска. Задержки элементов задержки регулируют на основании данных гистограммы, чтобы установить, по существу, общую задержку для элементов задержки.

В соответствии с другим аспектом раскрыт преобразователь временных интервалов в код. Множество цифровых элементов задержки оперативно соединены между собой в виде кольцевого генератора. Цифровые элементы задержки включают в себя буферы считывания, имеющие времена перехода, которые, по существу, больше, чем задержка цифровых элементов задержки. Аналого-цифровой преобразователь преобразует в цифровую форму значения элементов задержки, реагирующих на событие запуска. Схемы декодирования вычисляют состояние кольцевого генератора, соответствующее событию запуска, на основании преобразованных в цифровой вид значений. Вычисленное состояние имеет временное разрешение, меньшее, чем задержка цифровых элементов задержки.

В соответствии с другими аспектами раскрыты детекторы излучения и времяпролетные РЕТ сканеры, которые используют преобразователь временных интервалов в код, изложенный в предыдущем абзаце.

Одно преимущество заключается в улучшенном временном разрешении.

Другое преимущество заключается в периодической, или выборочно, в реальном времени, коррекции разностей задержек в элементах задержки преобразователя временных интервалов в код.

Другое преимущество заключается в предоставлении преобразователя временных интервалов в код с малым потреблением мощности.

Другое преимущество заключается в предоставлении детектора излучения с интегрированным преобразованием временных интервалов в код с высоким разрешением.

Другое преимущество заключается в предоставлении сканера РЕТ времени пролета с детекторами, включающими в себя интегрированное назначение временных меток.

Другое преимущество заключается в одновременном назначении временных меток и интегрировании сигнала для каждого канала, предоставлении параметров времени, энергии и позиции для РЕТ времени пролета.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения будут понятны обычным специалистам в данной области техники после прочтения и понимания следующего подробного описания.

Изобретение может принимать форму в различных компонентах и расположениях компонентов и в различных этапах и расположениях этапов. Чертежи предоставлены только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны быть истолкованы как ограничивающие изобретение.

Фиг. 1 схематически изображает сканер с использованием времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии (РЕТ).

Фиг. 2 схематически изображает блок-схему детектора излучения фиг. 1, включающего в себя принципиальные компоненты преобразователя временных интервалов в код.

Фиг. 3 изображает электрическую принципиальную схему принципиальных компонентов кольцевого генератора преобразователя временных интервалов в код фиг. 2.

Фиг. 4 изображает гистограммы, которые могут быть получены с помощью счетчиков бинов (ячеек, соответствующих столбцам гистограммы) преобразователя временных интервалов в код фиг. 2 до коррекции для рассогласования цифровых элементов задержки.

Фиг. 5 изображает гистограммы, которые могут быть получены с помощью счетчиков бинов преобразователя временных интервалов в код фиг. 2 после коррекции для рассогласования цифровых элементов задержки.

Фиг. 6 схематически изображает подход передискретизации для увеличения временного разрешения кольцевого генератора фиг. 3.

Фиг. 7 схематически изображает электрическую принципиальную схему основных компонентов другого кольцевого генератора, соответствующим образом используемого в преобразователе временных интервалов в код детектора излучения фиг. 1.

Фиг. 8 схематически изображает переходный процесс выключения-включения одного из цифровых элементов задержки кольцевого генератора фиг. 7.

Со ссылкой на фиг. 1, сканер 2 с использованием времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии (TOF-PET) включает в себя корпус 4, кушетку 6 или другое средство поддержки пациента. Корпус 4 определяет область 8 формирования изображения канального типа. Матрица 10 детекторов излучения расположена с возможностью просмотра области 8 формирования изображения. Должно быть понятно, что одна изображенная матрица 10 детекторов излучения является иллюстративной, обычно сканер 2 включает в себя одно или более колец таких матриц детекторов, окружающих область 8 формирования изображения, чтобы получать данные, по существу, под любым углом. Кроме того, должно быть понятно, что матрица 10 детекторов излучения проиллюстрирована схематически, обычно детекторы излучения помещены в корпусе 4 сканера 2 и, следовательно, обычно они являются невидимыми снаружи, и обычно каждое кольцо детекторов излучения включает в себя сотни или тысячи элементов детекторов излучения. В некоторых сканерах РЕТ обеспечено только одно кольцо детекторов излучения, в других обеспечены два, три, четыре, пять или более колец детекторов излучения. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления детекторы излучения могут быть расположены как одна или более матриц на одной или более головках детекторов, как в устройстве гамма-камеры. Головка детекторов может быть подвижной в различных направлениях, такой как подвижной по направлению к пациенту или от пациента, подвижной вокруг пациента и т.д. Кушетка 16 или другое средство поддержки помещает пациента или другой объект формирования изображения в области 8 формирования изображения. Выборочно кушетка 6 является подвижной линейно в осевом направлении, обычно поперечном кольцам детекторов 10 излучения, чтобы облегчить получение трехмерных данных формирования изображения. Дополнительно или в качестве альтернативы объект формирования изображения могут удерживать неподвижно и могут использовать множество колец детекторов излучения, чтобы получать трехмерные данные формирования изображения TOF-PET. Еще в других вариантах осуществления обеспечено только одно кольцо детекторов, объект формирования изображения остается неподвижным и результирующее изображение является двумерным.

Подходящий радиоактивный медицинский препарат вводят пациенту или другому объекту формирования изображения до начала формирования изображения TOF-PET. Радиоактивный медицинский препарат включает в себя радиоактивное вещество, которое испытывает события радиоактивного распада, которые излучают позитроны. Излученные позитроны быстро аннигилируют с электронами объекта формирования изображения. Каждое результирующее событие аннигиляции позитрон-электрон создает два противоположно направленных гамма-луча, имеющих энергию 511 кэВ. Гамма-лучи распространяются со скоростью света, т. е. около 3×10 метров в секунду. Поскольку область 8 формирования изображения обычно имеет диаметр или другой характерный размер около двух метров или меньше, время пролета гамма-частицы из позиции события аннигиляции позитрон-электрон в одну из матриц 10 детекторов излучения равно нескольким наносекундам или меньше. Таким образом, два противоположно направленных гамма-луча попадают в два детектора излучения обычно со сверхнаносекундной разностью времени. Детекторы излучения записывают события обнаружения излучения, включая энергию, пространственное расположение и временные метки, и эти данные запоминают в буфере 11 событий.

Схемы 12 детектирования пары гамма-лучей обрабатывают событие обнаружения излучения, чтобы идентифицировать пары, по существу, одновременных обнаружений гамма-лучей, принадлежащих соответствующим событиям аннигиляции электрон-позитрон. Эта обработка может включать в себя, например, отсечение энергии (то есть отбрасывание событий обнаружения излучения вне выбранного окна фильтрации энергии, расположенного около 511 кэВ) и схемы совпадения-детектирования (то есть отбрасывание пары событий обнаружения излучения, разделенных во времени друг от друга более чем на выбранный интервал фильтрации времени). Когда пара гамма-лучей идентифицирована, процессор 13 линии ответа (LOR) обрабатывает пространственную информацию, относящуюся к событиям обнаружения двух гамма-лучей, чтобы идентифицировать пространственную кривую зависимости (LOR), соединяющую обнаружения двух гамма-лучей. Поскольку два гамма-луча, излучаемые с помощью события аннигиляции позитрон-электрон, являются противоположно пространственно направленными, известно, что событие аннигиляции электрон-позитрон должно произойти где-нибудь в LOR.

В TOF-PET детекторы 10 излучения имеют достаточно высокое временное разрешение, чтобы обнаруживать разность времени пролета между двумя “по существу, одновременными” обнаружениями гамма-лучей. То есть, несмотря на то что событие обнаружения излучения происходит, по существу, одновременно, обычно существует небольшая разность времени между временными метками двух событий вследствие разностей времени пролета. Эта разность времени обычно находится в сверхнаносекундном диапазоне. Процессор 14 времени пролета анализирует разность времени между временными метками двух, по существу, одновременных событий обнаружения гамма-лучей, чтобы определить местонахождение события аннигиляции позитрон-электрон вдоль LOR. Результат, накопленный для большого числа событий аннигиляции позитрон-электрон, является множеством гистопроекций 15. Процессор 16 восстановления восстанавливает множество гистопроекций 15 в восстановленное изображение с использованием любого подходящего алгоритма восстановления, такого как фильтрованная обратная проекция или итеративная обратная проекция с коррекцией. Результирующее восстановленное изображение запоминают в памяти 17 изображений, и оно может быть отображено в интерфейсе 18 пользователя, распечатано, запомнено, передано через интрасеть или Internet или использовано иначе. В проиллюстрированном варианте осуществления интерфейс 18 пользователя также дает возможность рентгенологу или другому пользователю управлять сканером 8 TOF-PET, в других вариантах осуществления может быть обеспечен отдельный контроллер или управляющий компьютер.

Со ссылкой на фиг. 2, матрица 10 детекторов излучения обычно включает в себя элемент 20, чувствительный к излучению, который обычно является разделенной на отдельные пиксели матрицей датчиков излучения. В типичной конфигурации сцинтилляционный кристалл поглощает гамма-лучи 511 кэВ, чтобы создать вспышку света, и матрица фотодетекторов, таких как фотодиоды или трубки фотоумножителей (РМТ), обнаруживает вспышку. В других вариантах осуществления детектор излучения на основе полупроводников непосредственно поглощает и детектирует гамма-лучи без вмешательства события сцинтилляции. Элемент 20, чувствительный к излучению, генерирует сигнал 22 (который может содержать множество сигналов из множества фотодетекторов, видящих событие сцинтилляции), который указывает событие обнаружения излучения. Устройство 24 запуска осуществляет мониторинг сигнала 22 для совпадения и генерирует сигнал запуска, если обнаружено совпадение. Сигнал запуска используют, чтобы начать интегрирование сигнала с помощью интегратора 26, чтобы создать интегрированный сигнал, который соответствующим образом вводят в традиционные компоненты, такие как логическая схема 28 Anger, которая обрабатывает сигнал, чтобы определить энергию 30 частицы падающей радиации (соответствующим образом связанную с интегралом или суммой энергии сцинтилляции, видимой с помощью одного, двух, трех или более фотодетекторов) и пространственное местонахождение 32 события обнаружения излучения (соответствующим образом связанное с распределением энергии сцинтилляции, видимой с помощью одного, двух, трех или более фотодетекторов). Сигнал 22 также служит в качестве сигнала запуска для преобразователя 34 временных интервалов в код, таким образом, чтобы назначить временную метку событию обнаружения излучения. Преобразователь 34 временных интервалов в код основан на кольцевом генераторе 36, имеющем N элементов задержки.

Со ссылкой на фиг. 3 проиллюстрирован примерный кольцевой генератор 36, имеющий N=16 цифровых элементов задержки. Несмотря на то что изображена примерная конфигурация с N=16, должно быть понятно, что число элементов задержки может быть меньше или больше чем 16, и число элементов задержки может быть другим, чем степень двух (например, является возможным N=13). Цифровые элементы 40 задержки соединены друг с другом последовательно, причем последний элемент задержки последовательно соединен опять с первым элементом задержки таким образом, чтобы сформировать кольцевую топологию. Вообще имеется N соединений, соединяющих друг с другом N элементов задержки. Большинство последовательных соединений являются неинвертирующими соединениями, однако одно соединение 42 в кольцевом генераторе 36 является инвертирующим взаимным соединением. В других вариантах осуществления предполагают другие распределения инвертирующих и неинвертирующих взаимных соединений. Чтобы уменьшить дрейф, кольцевой генератор 36 выборочно блокируют в более медленные системные часы или генератор (не изображен) через систему 43 фазовой автоподстройки частоты (PLL) или другую обратную связь регулирования. PLL 43 в комбинации с общими системными часами или генератором также может быть использована, чтобы синхронизировать множество кольцевых генераторов, например, чтобы обеспечивать преобразование временных интервалов в код для множества матриц детекторов излучения.

Цифровые элементы задержки смещают с помощью схем 44 смещения высокой точности. Использование схем 44 смещение высокой точности содействует фиксированным постоянным временным задержкам для цифровых элементов 40 задержки, задержка времени которых изменяется со смещением. Примерный кольцевой генератор 36 работает циклически через 32 стабильных состояния. Чтобы облегчить ссылку на отдельные цифровые элементы 40 задержки в настоящем описании, элементы задержки последовательно обозначены с помощью последовательных заглавных букв “А”, ”В”, ”С”,…,”Р”. Последовательные взаимные соединения подают выходной сигнал “А” в ”В”, выходной сигнал ”В” (после инверсии с помощью соединения 42 инвертирования) в ”С”, выходной сигнал ”С” в “D” и т.д., до тех пор, пока выходной сигнал ”Р” не подадут обратно в “А”, чтобы завершить кольцо. Если кольцевой генератор 36 инициируют с помощью всех значений “0” для цифровых элементов 40 задержки, тогда начальное состояние кольцевого генератора 36 может быть представлено как “00-00000000000000”, где символ “-” обозначает инвертирующее соединение. После интервала задержки (обозначенного Td) кольцевой генератор 36 переходит в состояние “00-10000000000000”, причем одно значение “1” является вследствие “0” в цифровом элементе задержки “В”, инвертированного и переданного в цифровой элемент “С”. Остальные цифровые элементы задержки принимают не инвертированные значения “0” и, следовательно, не изменяют свои значения. После второго интервала задержки Td кольцевой генератор 36 переходит в “00-11000000000000”, после третьего интервала задержки кольцевой генератор 36 переходит в “00-111000000000000” и т.д., до тех пор, пока после шестнадцати интервалов задержки не достигают значения “11-111111111111111”. После семнадцатого интервала задержки Td кольцевой генератор 36 переходит в “11-011111111111111”, так как теперь инвертирующее соединение инвертирует “1” в элементе задержки “В” в “0” до того, как его загружают в элемент задержки “С”. После восемнадцатого интервала задержки кольцевой генератор 36 переходит в “11-001111111111111” и т.д., до тех пор, пока после тридцати двух интервалов кольцевой генератор не перейдет опять в состояние “01-000000000000000”, таким образом, завершают один цикл кольцевого генератора 36 длительности 32×Td.

Приведенный выше анализ допускает, что все из цифровых элементов 40 задержки имеют одинаковую задержку Td. Однако вследствие несогласованности цифровых элементов 40 задержки это допущение может быть, по существу, ошибочным, даже если смещение всех цифровых элементов 40 задержки является одинаковым. То есть, если схемы 44 смещения высокой точности обеспечивают точно одно и то же смещение для всех до единого цифровых элементов 40 задержки, задержка этих элементов, тем не менее, может существенно отличаться одна от другой вследствие разбросов между цифровыми элементами 40 задержки, обусловленными допусками изготовления и т.д.

Таким образом, чтобы согласовать цифровые элементы 40 задержки таким образом, чтобы подавить дрожание и увеличить временную точность кольцевого генератора 36, каждый цифровой элемент 40 задержки дополнительно имеет свое собственное индивидуальное смещение 46 подстройки. Выбор смещений 44, 46 зависит от типа логических схем или конфигурации цифровых элементов 40 задержки, таких как CMOS или логическая схема режима разностного тока. В CMOS смещение 46 подстройки может изменять состояние смещения схем 44 смещения высокой точности, такое как напряжение питания, емкость нагрузки, ограничение тока и т.д., таким образом, чтобы независимо управлять задержкой каждого цифрового элемента 40 задержки. В разностной логической схеме отдельные задержки являются управляемыми с помощью управления током смещения, так как задержка точно обратно пропорциональна току смещения. Также предполагают подстройку с помощью механизма, отличного от управления смещением.

С продолжающейся ссылкой на фиг. 3 и с дополнительной ссылкой опять на фиг. 2 описан соответствующий подход для определения значений для отдельных смещений 46 подстройки. Элементы 40 задержки кольцевого генератора 36 включают в себя соответствующие буферы 48 считывания и регистры-фиксаторы 50, которые принимают и запоминают цифровые значения элементов 40 задержки, реагирующих на событие запуска. В случае детектора 10 излучения событие запуска соответственно обеспечивают с помощью сигнала запуска, созданного с помощью устройства 24 запуска, указывающего событие обнаружения излучения. Декодер 52 декодирует зафиксированные значения, чтобы создать значение состояния для кольцевого генератора 36. Таблица 1 предоставляет пример одного возможного множества выходных сигналов декодера для 36 различных состояний кольцевого генератора 36. Значения декодера таблицы 1 являются только примерами, зафиксированные значения могут быть преобразованы, по существу, в любое множество значений декодера.

В таблице также указан элемент задержки, задержка которого управляет устойчивостью состояния кольцевого генератора. Например, рассмотрим состояние “00-110000000000000”, соответствующее десятичному значению декодера 2. Это состояние сохраняется до тех пор, пока элемент задержки “Е” не переключится из “0” в “1” вследствие наличия входного сигнала “1” из элемента задержки “Е”. В некоторых вариантах осуществления устойчивость состояния “00-110000000000000” (значение декодера 2) должно быть тем же, что и устойчивость состояния “11-001111111111111” (значение декодера 18), так как это состояние сохраняется до тех пор, пока элемент задержки “Е” не переключится из “1” в “0”. В других вариантах осуществления устойчивость этих двух состояний может быть разной вследствие разности задержки для перехода “0”-“1” по сравнению с задержкой для перехода “1”-“0”.

С продолжающейся ссылкой на фиг. 2 и с дополнительной ссылкой на фиг 4 и фиг. 5, состояния кольцевого генератора, соответствующие событиям обнаружения излучения, распределяют по отдельным бинам с помощью счетчиков 54 бинов. Распределенные по отдельным бинам случаи состояний кольцевого генератора для событий обнаружения излучения формируют данные гистограммы. Для случайных событий обнаружения излучения, но некоторых разностей задержек различных элементов 40 задержки предполагают, что бины данных гистограммы будут демонстрировать некоторые изменения, такие как представлены на графике на фиг. 4. События обнаружения излучения должны происходить случайно во времени, так как радиоактивные распады, которые генерируют позитроны, происходят случайно во времени. Таким образом, если задержки для различных цифровых элементов 40 задержки являются одинаковыми, тогда гистограмма случаев должна быть ровной в статистических пределах, так как устойчивость состояния каждого кольцевого генератора должна быть одинаковой. Однако, если определенный цифровой элемент задержки имеет относительно короткую задержку, тогда состояние кольцевого генератора, устойчивость которого зависит от этой задержки, будет иметь место относительно менее часто. Наоборот, если определенный цифровой элемент задержки имеет относительно длительную задержку, тогда состояние кольцевого генератора, устойчивость которого зависит от этой задержки, будет иметь место относительно более часто. Гистограмма фиг. 4 начерчена при допущении, что для любого данного цифрового элемента 40 задержки переходы “0”-“1” и “1”-“0” имеют приблизительно одинаковые задержки. В этом случае, например, устойчивость состояния “00-110000000000000” (значение декодера 2) является примерно такой же, что и устойчивость состояния “11-001111111111111” (значение декодера 18), так как ими управляют с помощью переключения элемента задержки “Е”. Следовательно, бины для состояний “00-110000000000000” и “11-001111111111111” могут быть объединены, и аналогично для других пар перехода противоположной полярности “0”-“1” и “1”-“0”, таким образом, что 32 бина на фиг. 4 уменьшают до 16 бинов. В качестве альтернативы, переходы “0”-“1” и “1”-“0” могут быть рассмотрены отдельно, причем в этом случае используют 32 бина.

Анализатор 56 гистограммы анализирует данные гистограммы, такие как примерный график фиг. 4, чтобы определить фактическую задержку для каждого цифрового элемента 40 задержки. Для данного отдельного элемента задержки задержка пропорциональна числу случаев состояния или состояний, устойчивостью которых управляют с помощью переключения этого отдельного элемента задержки. Таким образом, можно прямо определить, какой элемент задержки имеет относительно длительную задержку и какой элемент задержки имеет относительно короткую задержку. Анализатор 56 гистограммы регулирует элементы 46 подстройки смещения, чтобы увеличить задержки, которые являются относительно короткими, и уменьшить задержки, которые являются относительно длительными, таким образом, чтобы получить равномерную задержку, которая является общей для всех элементов 40 задержки. Например, в дифференциальной логической схеме рабочую точку выбирают таким образом, что скорость перехода является близкой к линейной с током смещения, и таким образом, что соответствующая коррекция тока смещения связана с отношением Navg/Nq, где Nq - число случаев состояния, устойчивостью которого управляют с помощью элемента задержки с индексом “q”, а “Navg” - полное число случаев (т. е. полное число событий обнаружения излучения), разделенное на некоторое количество бинов.

Если переходы “0”-“1” и “1”-“0” разделяют по бинам отдельно, тогда регулировка подстройки для данного элемента 40 задержки может быть основана на среднем значении двух состояний, устойчивостью которых управляют с помощью этого элемента 40 задержки. В качестве альтернативы, цифровой элемент 40 задержки может быть сконфигурирован таким образом, что задержки для переходов “0”-“1” и “1”-“0” могут быть подстроены независимо и подстройки для переходов “0”-“1” и “1”-“0” могут быть отрегулированы отдельно.

После коррекции подстройки бины 54 выборочно стирают и получают дополнительные данные. Данные гистограммы, полученные после регулировки устройств 46 подстройки смещения, должны выглядеть подобно данным фиг. 5, на которой гистограмма событий является ровной в статистических пределах, указывающая равномерную задержку Td, которая является общей для всех элементов 40 задержки. Выборочно коррекция может быть итеративной, например, если гистограмма фиг. 5 продолжает показывать недопустимое изменение случаев различных состояний кольцевого генератора 36, тогда должна быть выполнена другая регулировка смещения на основании данных гистограммы фиг. 5. Предполагают выполнять такие коррекции, по существу, в реальном времени, когда получают данные РЕТ. Например, разделение по бинам может быть выполнено в течение интервала от нескольких секунд до нескольких минут, за которым следует регулировка устройств 46 подстройки смещения на основании собранных данных гистограммы, и цикл может быть повторен итеративно во время формирования изображения, чтобы обеспечить регулировку подстройки в реальном времени или близко к реальному времени.

Диапазон устройств 46 подстройки смещения должен быть достаточно большим, чтобы корректировать разности задержек наихудшего случая цифровых элементов 40 задержки. Например, “разность наихудшего случая” может быть оценена с помощью ожидаемых или экспериментально определенных разбросов среди цифровых элементов 40 задержки. Регулировка подстроек может быть выполнена во время формирования изображения РЕТ или может быть выполнена в отдельном выполнении калибровки детектора, например, с использованием фантома, имеющего высокую концентрацию радиоактивного вещества, таким образом, чтобы обеспечить большое число событий обнаружения излучения, таким образом, чтобы ускорить калибровку. Вместо использования фантома радиоактивные распады, присутствующие, например, вследствие естественной фоновой радиоактивности или загрязнения сцинтилляционного материала радиоактивными элементами, такими как Lu, являются подходящим генератором случайных событий, дающим достаточно подсчетов для выполнений калибровки, когда устройство формирования изображения не находится в режиме получения данных пациента. Кроме того, могут быть использованы другие случайные запуски, чтобы калибровать преобразователь 34 временных интервалов в код, такие как с помощью наличия генератора случайных чисел или аналогового генератора шума, чтобы определять случайные события запуска для использования в калибровке подстройки. Фактически, по существу, любое событие запуска, которое происходит случайным образом во времени с достаточно высокой частотой, может быть использовано, чтобы регулировать элементы 46 подстройки смещения. Калибровка также может быть распространена на регистры-фиксаторы и буферы считывания, чтобы корректировать все дифференциальные нелинейности в аналоговом маршруте преобразователя 34 временных интервалов в код.

Со ссылкой на фиг. 2 назначение временных меток событий обнаружения излучения во время сканирования TOF-PET выполняют с помощью подстроенного преобразователя 34 временных интервалов в код следующим образом. Выходной сигнал декодера 52 предоставляет наименьшие значащие биты (LSB) для временной метки 58, вычисленной на основании, по меньшей мере, состояния кольцевого генератора 36 в момент времени события запуска (например, сигнала 22, указывающего событие обнаружения излучения). Однако кольцевой генератор 36 выполняет цикл быстро, обычно полный цикл имеет длительность от сверхнаносекунд до нескольких наносекунд. (Для примерного кольцевого генератора 36, имеющего общую задержку Td на элемент 40 задержки, полный цикл имеет длительность 32×Td.) Чтобы обеспечить временные метки, охватывающие большие временные кадры, грубые счетчики 60 подсчитывают циклы, половины циклов и другие временные единицы циклической работы кольцевого генератора 36. Например, в одном подходе грубый счетчик создают с помощью ответвления выходного сигнала одного элемента задержки, чтобы подсчитывать полные циклы кольцевого генератора 36. Чтобы исключить погрешности перехода, которые могут иметь место, когда грубый счетчик увеличивается, выборочно обеспечивают второй грубый счетчик с помощью ответвления того же самого, но инвертированного выходного сигнала элемента задержки. Использование двух таких расположенных в шахматном порядке грубых счетчиков преимущественно исключает погрешности перехода. Временную метку 58 создают с помощью объединения наибольших значащих битов (MSB), предоставленных с помощью грубых счетчиков 60, с наименьшими значащими битами (LSB), предоставленными с помощью состояния кольцевого генератора 36, как указанного с помощью декодера 52.

Как показано на фиг. 6, подход, предназначенный для улучшения временного разрешения преобразователя временных интервалов в код, основанного на кольцевом счетчике, использует передискретизацию с использованием двух элементов подзадержки, таких как относительно более быстрый буфер 70 считывания и относительно более медленный буфер 72 считывания, на элемент 40 задержки. (Элементы 70, 72 задержки соответствуют буферам 48 считывания, изображенным на фиг. 2.) Состояние каждого цифрового элемента 40 задержки подают параллельно через быстрый элемент подзадержки или буфер 70 считывания и медленный элемент подзадержки или буфер считывания 72. Разность времени перехода двух буферов 70, 72 считывания грубо регулируют с помощью конфигураций транзисторов, и она в идеальном случае должна быть равна половине ширины бина (например, Td/2). Точную регулировку, соответственно, обеспечивают с помощью наличия отдельных схем смещения, управляющих скоростью, причем одно устройство 74 схем смещения предназначено для быстрых буферов 70 считывания, а другое устройство 76 схем смещения предназначено для медленных буферов 72 считывания. Калибровка может быть выполнена с помощью использования случайно распределенных входящих событий запуска, что дает в результате регулирование прицеливания с равномерно распределенной вероятностью совпадения, аналогично схемам подстройки, проиллюстрированным для устройств 46 подстройки фиг. 2. С помощью использования пары буферов 72, 74 считывания разной скорости с каждым цифровым элементом 40 задержки и подачи выходных сигналов буферов 72, 74 считывания в регистры-фиксаторы 50 действительную ширину бина уменьшают (т. е. увеличивают временное разрешение) на коэффициент, равный двум. В проиллюстрированном примере с 16 элементами 40 задержки каждый элемент задержки создает два выходных сигнала, соответствующих двум буферам 72, 74 считывания, таким образом, что обеспечивают 32 зафиксированных выходных сигнала. Дополнительно уменьшение ширины бина может быть обеспечено с помощью включения трех, четырех или более буферов считывания разной скорости на цифровой элемент 40 задержки. Например, с помощью трех буферов считывания трех разных скоростей может быть достигнут коэффициент уменьшения ширины бина, равный трем. В некоторых вариантах осуществления каждый буфер считывания разной скорости конфигурируют как отдельно подстраиваемый.

Со ссылкой на фиг. 7 и фиг. 8 раскрыт другой кольцевой генератор 36', который использует другой подход для улучшения временного разрешения. Кольцевой генератор 36' включает в себя цифровые элементы 40 задержки, соединенные друг с другом как кольцевой генератор. Однако буферы 48 считывания заменены модифицированным буферами 48' считывания, по существу, с более медленными переходами “0”-”1” и ”1”-”0”, таким как проиллюстрированный переход 80 “0”-“1”, изображенный на фиг. 8, который имеет меньшую длительность, сравнимую или превышающую ширину (обозначенную Tbin на фиг. 8). Наоборот буферы 48 считывания фиг. 2 имеют времена перехода, которые, по существу, короче, чем ширина бина, таким образом, что каждый цифровой элемент 40 задержки имеет значение в регистрах-фиксаторах 50, которое равно “0” или “1”, за исключением пренебрежительно короткого времени перехода. Несмотря на то что проиллюстрированный переход 80 является переходом “0”-“1”, переход “1”-“0” также является медленным. Выходной сигнал буфера 48' считывания каждого цифрового элемента 40 задержки служит в качестве входного сигнала в схему 82 выборки и запоминания, после которой следует аналого-цифровой преобразователь 84. Выходной сигнал буфера 48' считывания каждого цифрового элемента 40 задержки отдельно преобразуют в цифровую форму с помощью связанной с ним схемы 82 выборки и запоминания и аналого-цифрового преобразователя 84. В проиллюстрированном варианте осуществления аналого-цифровой преобразователь является двухразрядным преобразователем, который предоставляет один из четырех возможных преобразованных в цифровой вид выходных сигналов: “00”, “01”, “10” и “11”, как изображено на фиг. 8. Например, в момент времени события, отмеченного “запуск” на фиг. 8, схема 82 выборки и запоминания делает мгновенный снимок сигнала элемента задержки, который находится на преобразованном в цифровую форму уровне “01” аналого-цифрового преобразователя 84, таком, что аналого-цифровой преобразователь 84 выводит “01”. Может быть использован аналого-цифровой преобразователь с большим числом разрядов, например, четырехразрядный преобразователь обеспечивает шестнадцать уровней, находящихся в диапазоне от “0000” до “1111”. Однако меньшее число разрядов обычно находится в соотношении с более быстрым преобразованием в цифровую форму. Преобразование в цифровую форму дает возможность интерполяции длительности импульса с помощью дискретизации аналогового значения, причем интерполяция ограничена разрешением аналого-цифрового преобразователя 84. Для проиллюстрированного 2-разрядного преобразователя бин разделяют на четыре подбина. В большинстве случаев для М-разрядного аналого-цифрового преобразователя бин может быть разделен на 2 подбина.

Выходные сигнала аналого-цифровых преобразователей 84 вводят в декодер 86, который использует комбинаторную логику, ссылку в справочную таблицу 88 или тому подобное, чтобы получить состояние кольцевого генератора 36' на основании преобразованных в цифровую форму выходных сигналов аналого-цифрового преобразователя 84. В проиллюстрированном варианте осуществления, имеющем 16 элементов 40 задержки и 2-разрядный аналого-цифровой преобразователь 84, число состояний равно 128 (16 элементов умножить на 2 полярности, умножить на 4 уровня преобразования в цифровую форму), при этом требуется семь двоичных разрядов 90, чтобы представлять состояние выходного сигнала. Поскольку без преобразования в цифровую форму было бы 32 состояния (16 элементов умножить на 2 полярности, смотри таблицу 1), это представляет уменьшение в четыре раза ширины бина благодаря 2-разрядному аналого-цифровому преобразованию. Схемы 82 выборки и запоминания, аналого-цифровые преобразователи 84, схемы 86 декодирования, выборочно включающие в себя справочную таблицу 88, определяют часть схем считывания, которая, соответственно, заменяет часть 50, 52 схем считывания преобразователя 34 временных интервалов в код фиг. 2, когда кольцевой генератор 36' заменяет кольцевой генератор 36 в преобразователе 34.

Подход фиг. 7 и фиг. 8 использует полную аналоговую информацию кольцевого генератора. Медленные переходы 80, такие как обычно переход 80 формы “s” на фиг. 8, автоматически преобразуют в оси подвыборок, которые могут быть линейными или, по существу, линейными, с помощью аналого-цифрового преобразования. Цифровая коррекция может быть осуществлена с помощью справочной таблицы 88, которая может подсчитывать нелинейности переходов, разности подъема и спада характеристик (переходы “0”-“1” относительно “1”-“0”) и т.д. Также предполагают подсчитывать рассогласования между элементами 40 задержки или буферами 48' считывания с помощью коррекций в справочной таблице 88. Однако в других вариантах осуществления аналого-цифровое преобразование фиг. 7 и фиг. 8 объединяют с подстройкой фиг. 2 и фиг. 3, причем последняя корректирует рассогласования элементов задержки. Калибровка на основании гистограммы фиг. 3 также может быть использована, чтобы калибровать справочную таблицу 88, чтобы обеспечивать оцифрованные суббины одинаковой ширины. Для кольцевого генератора 36' может быть использован, по существу, любой тип логических схем. Поскольку переходы 80 являются медленными, элементы 40 задержки могут быть сконструированы, по существу, с уменьшенной полосой частот и более низкой мощностью. Предполагают, что переходы 80 перекрывают соседние бины. Такое перекрытие преимущественно может быть выгодным, поскольку оно облегчает сшивание временных осей по всем бинам в линейном масштабе.

Различные преобразователи временных интервалов в код описаны с примерной ссылкой на применения детектора излучения и TOF-PET. Несмотря на то что они описаны с примерной ссылкой на применения детектора излучения и TOF-PET, преобразователи временных интервалов в код, раскрытые в настоящей заявке, найдут применение в других областях, которые нуждаются в сверхнаносекундном определении времени и назначении временных меток, таких как запись событий обнаружения излучения для исследования физики частиц, вообще, выполнения высокоскоростной, чувствительной ко времени дискретизации и т.д.

Изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Модификации и изменения могут приходить на ум другим специалистам после прочтения и понимания предыдущего подробного описания. Предполагают, что изобретение создано как включающее в себя все такие модификации и изменения, поскольку они входят в рамки объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к дискретизации данных, назначению временных меток и связанным областям техники. Технический результат - обеспечение назначения временных меток со сверхнаносекундным разрешением. В детекторе (10) излучения, предназначенном для сканера томографии излучения позитронов (PET) времени пролета, элемент (20), чувствительный к излучению, генерирует сигнал (22), указывающий событие обнаружения излучения. Преобразователь (34) временных интервалов в код включает в себя цифровые элементы (40) задержки, оперативно соединенные друг с другом как кольцевой генератор (36, 36′), и схемы (50, 52, 60, 82, 84, 86, 88) считывания, сконфигурированные с возможностью генерации временной метки для события обнаружения излучения на основании, по меньшей мере, состояния кольцевого генератора, когда генерируют сигнал. Элементы (46) подстройки задержки, оперативно соединенные с цифровыми элементами задержки, устанавливают, по существу, общую задержку для цифровых элементов задержки. Дополнительно или в качестве альтернативы цифровые элементы (40) задержки включают в себя буферы (48′) считывания, имеющие времена перехода, по существу, более длительные, чем задержка цифровых элементов задержки, аналого-цифровые преобразователи (82, 84) преобразуют в цифровую форму значения элементов задержки и схемы (86, 88) декодирования вычисляют состояние кольцевого генератора (36′) на основании преобразованных в цифровую форму значений. 7 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Формула