Способ улучшения временного разрешения цифровых кремниевых фотоумножителей - RU2550581C2

Чертежи

Описание

Нижеследующее относится к области детекторов. Оно находит конкретное применение в сочетании с детекторами излучений для времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии (TOF-PET), но также может найти применение в других ядерных медицинских устройствах для формирования изображений, применяющих пропускание излучения, или радиофармацевтических препаратах, например, в устройствах для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) и устройствах для позитронно-эмиссионной томографии (PET), а также планарных рентгеновских устройствах для формирования изображений, в радиоастрономии, детекторах для частиц с высокой энергией (например, излучение Черенкова, синхротронное излучение, колориметрические детекторы и т.д.) и т.п., и будет описываться с конкретной ссылкой на них. Нужно будет принять во внимание, что изобретение также может применяться к другим типам детекторов излучения и к системам и способам, применяющим детекторы излучений.

В позитронно-эмиссионной томографии (PET) радиофармацевтический препарат вводится в объект, изображение которого формируется, в котором события радиоактивного распада радиофармацевтического препарата создают позитроны. Каждый позитрон взаимодействует с электроном для порождения события аннигиляции позитронно-электронной пары, которое излучает два противоположно направленных гамма-луча (γ). Используя схему обнаружения совпадения, кольцевая антенная решетка детекторов излучения, окружающих изображаемый объект, обнаруживает события совпадающих противоположно направленных гамма-лучей, соответствующие позитронно-электронной аннигиляции(ям). Линия ответа (LOR), соединяющая два совпадающих обнаружения, пересекает положение события аннигиляции позитронно-электронной пары. Такие линии ответа аналогичны проекционным данным и могут восстанавливаться для создания двух- или трехмерного изображения. Во времяпролетной PET (TOF-PET) небольшая разница во времени между обнаружением событий двух совпадающих γ-лучей используется для локализации события аннигиляции вдоль LOR.

На производительность систем PET влияет чувствительность, временное разрешение и характеристика, а также шум. Модули детекторов излучения PET традиционно включают в себя массив фотоумножительных трубок (PMT), оптически соединенный со сцинтиллирующим кристаллом, используя промежуточный световодный слой. Также были предложены твердотельные фотоэлектрические детекторы, такие как цифровые кремниевые фотоумножители (SiPM), оптически соединенные с пикселизированным (мозаичным) сцинтиллятором. SiPM основываются на лавинных фотодиодах (APD), работающих в режиме Гейгера. Они характеризуются повышенной чувствительностью к γ-лучам и менее чувствительны к эффектам рассеяния; однако они склонны к подсчетам темновых отсчетов, которые не создают фотонного поглощения.

Аналого-цифровой преобразователь времени (TDC) выводит временную метку, ассоциированную с каждым обнаруженным событием излучения. Временная метка используется схемой обнаружения совпадений для определения совпадающих пар и соответствующих LOR и схемой измерения времени пролета. Традиционно TDC состоят из грубого счетчика и точного счетчика. Грубый счетчик является цифровым счетчиком, сконфигурированным для подсчета передних фронтов опорного тактового импульса. Когда обнаруживается событие, переключатель на входе грубого счетчика фиксируется в регистре, в качестве части временной метки. Точный счетчик измеряет разницу во времени между обнаруженным событием и последующим передним фронтом опорного тактового импульса в качестве оставшейся части временной метки. Результатом является временная метка с временным разрешением обычно меньше 100 пикосекунд.

Однако событие может обнаруживаться или не обнаруживаться из-за явления, известного как метастабильность. Метастабильность является неустойчивым состоянием, которое сохраняется в течение неопределенного периода времени, обычно возникающим в синхронных схемах с одним или несколькими асинхронными входами. Переключатель является одним из устройств, которое восприимчиво к метастабильности при определенных условиях. Переключатель имеет два логических состояния, причем изменение во входном сигнале побуждает переключатель чередовать состояния. Однако, если входной сигнал изменяется в моменты времени настройки или занятости, он может войти в метастабильное состояние между двумя логическими состояниями. Метастабильное состояние в конечном счете спадает до одного из двух логических состояний, но время спада может быть значительным, делая сложными точные измерения времени.

В примере TDC входной сигнал подключается к переключателю, который фиксируется в ответ на сигнал обнаружения, сформированный фотоэлектрическим детектором. Если сигнал обнаружения возникает во время переднего фронта опорного тактового импульса и в результате переключатель входит в метастабильное состояние, то событие не обнаруживается до следующего переднего фронта опорного тактового импульса. Метастабильность на входе TDC может серьезно влиять на точность временной метки, соответственно уменьшая точность обнаружения совпадений, что может внести значительный шум в изображения.

Твердотельная природа SiPM позволяет интеграцию цифровых TDC рядом с APD, соответственно улучшая временное разрешение системы PET. Предложены переключатели с более короткими периодами времени установки и удержания; однако традиционные реализации TDC по-прежнему страдают от метастабильности из-за конструкции схемы.

Данная заявка предоставляет новую и улучшенную схему синхронизации, подходящую для детекторов PET или другой электроники, которая решает вышеуказанные проблемы и другие.

В соответствии с одним аспектом представлена схема синхронизации с первым и вторым TDC. Первый TDC конфигурируется для вывода первой временной метки на основе первого опорного тактового сигнала, а второй TDC конфигурируется для вывода второй временной метки на основе второго опорного тактового сигнала. Схема выводит скорректированную временную метку на основе первой и второй временной метки.

В соответствии с другим аспектом представлен способ назначения временной метки. Формируются первый и второй опорные тактовые сигналы, причем опорные тактовые сигналы являются несинхронными. Триггер-сигнал принимается в ответ на обнаруженное событие. Первая временная метка определяется на основе временного отношения между триггер-сигналом и первым тактовым опорным сигналом, и вторая временная метка определяется на основе временного отношения между триггер-сигналом и вторым тактовым опорным сигналом. Скорректированная временная метка выводится на основе первой и второй временных меток.

Одно из преимуществ состоит в том, что улучшается временное разрешение схем синхронизации.

Другое преимущество состоит в избыточности.

Другие преимущества настоящего изобретения будут оценены обычными специалистами в данной области техники после прочтения и понимания нижеследующего подробного описания.

Изобретение может принимать форму различных компонентов и схем компонентов и различных этапов и схем этапов. Чертежи предназначаются только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны быть истолкованы как ограничивающие изобретение.

Фиг.1 схематично показывает медицинскую систему формирования изображений, применяющую модули детектора излучения с мозаичным сцинтиллятором;

фиг.2 схематично показывает схему синхронизации из фиг.1;

фиг.3 - временная диаграмма одного варианта осуществления схемы синхронизации;

фиг.4 - временная диаграмма другого варианта осуществления схемы синхронизации.

Со ссылкой на фиг.1 в качестве пояснительного примера описывается радиационный томографический сканер 8. Как правило, раскрытая в этом документе схема синхронизации может применяться на практике почти в любом приложении обработки сигналов, которое формирует цифровое представление указателей времени для множества стохастических импульсов сигнала. Например, схема синхронизации может использоваться совместно с масс-спектрометрией, физикой частиц с высокой энергией, радиоастрономией, формированием медицинских изображений или т.п., где импульсы сигнала представляют обнаруженное событие.

Радиационный томографический сканер 8 включает в себя множество модулей 10 детектора излучения, ориентированных на прием излучения из поля 12 сканирования. Модули 10 детектора излучения размещаются в нескольких соседних кольцах в осевом направлении; однако могут использоваться другие размещения модулей детектора излучения. Как правило, модули 10 детектора излучения помещаются в корпус 14 томографического сканера 8 и таким образом невидимы снаружи. Каждое кольцо состоит из сотен или тысяч модулей 10 детектора излучения. В некоторых сканерах предоставляется только одно кольцо модулей 10 детектора излучения, в других предоставляется вплоть до пяти колец модулей 10 детектора излучения или больше. Следует принять во внимание, что вместо кольцевой структуры детектора, показанной на фиг.1, могут использоваться детекторные головки. Томографический сканер 8 включает в себя опору 16 объекта для размещения объекта или пациента в поле 12 сканирования. При желании опора 16 линейно перемещается в осевом направлении, обычно поперечном кольцам модулей 10 детектора излучения, чтобы облегчить получение данных трехмерного изображения на увеличенном осевом расстоянии.

Каждый модуль 10 детектора излучения обычно включает в себя сцинтиллирующий кристалл, расположенный рядом с областью исследования. Сцинтиллирующий кристалл поглощает γ-луч (например, 511 килоэлектронвольт в сканерах PET), чтобы создать сцинтилляцию оптических фотонов. Фотоны обнаруживаются на противоположном конце сцинтиллирующего кристалла посредством решетки фотоэлектрических детекторов, например фотоэлектронных умножителей, фотодиодов, SiPM или т.п. В другом варианте осуществления сцинтиллирующий кристалл является мозаичным сцинтиллятором, созданным из множества оптически изолированных сцинтиллирующих кристаллов, причем каждый соединен с одним фотоэлектрический детектором. При обнаружении фотонов фотоэлектрический детектор выводит сигнал или множество сигналов, если несколько фотоэлектрических детекторов наблюдают событие сцинтилляции, которое указывает на обнаруженное событие излучения. Каждый фотоэлектрический детектор функционально подключен к блоку 20 триггера, который отслеживает сигнал на выходе фотоэлектрическиого детектора. Если обнаруживается сигнал, то блок триггера формирует триггер-сигнал для схемы 22 синхронизации, чтобы присвоить временную метку обнаруженному событию излучения.

Со ссылкой на фиг.2, схема 22 синхронизации включает в себя, по меньшей мере, два аналого-цифровых преобразователя времени (TDC) 30, 31, каждый из которых принимает один и тот же входной сигнал от блока 20 триггера. Каждый TDC состоит из грубого счетчика 32, 33 и точного счетчика 34, 35. Грубый счетчик является цифровым счетчиком, сконфигурированным для подсчета передних фронтов опорного тактового импульса, а точный счетчик измеряет разницу во времени между обнаруженным событием и последующим передним фронтом опорного тактового импульса, в качестве оставшейся части временной метки. Измерение разницы во времени, выполненное точным счетчиком, основывается на измерении времени с пересчетом в расстояние в соответствии с одним из: линии с отводами, верньера, сжатия импульсов и разряда конденсатора постоянного тока или т.п.

На входе каждого TDC запоминающий элемент 36, 37, например, переключатель, фиксатор или т.п. фиксируются, когда присутствует триггер-сигнал. Если вход устойчивый, переключатель зафиксируется на последующем переднем фронте опорного тактового импульса. Однако если триггер-сигнал принимается на входе во время метастабильной области, то есть в периоды настройки или занятости, то переключатель может стать метастабильным и триггер-сигнал не зафиксируется до следующего переднего фронта опорного тактового импульса, приводя к значительному увеличению ошибки временной метки.

Чтобы уменьшить ошибки синхронизации, происходящие из-за метастабильности на входе, каждый TDC синхронизируется по уникальному опорному тактовому импульсу. Первый TDC 30 синхронизируется по первому опорному сигналу, а второй TDC 32 синхронизируется по второму опорному сигналу. В одном варианте осуществления (фиг.3) передний фронт первого опорного сигнала соответствует заднему фронту второго опорного сигнала, и наоборот, чтобы опорные сигналы являлись взаимно обратными версиями друг друга. В другом варианте осуществления (фиг.4) наряду с поддержанием одинаковой частоты колебания два опорных сигнала смещаются относительно друг друга. Таким образом, обнаруженное событие излучения измеряется каждым TDC отдельно, таким образом, предоставляя две независимые временные метки, имеющие отношение к взаимодополняющим тактовым импульсам. Так как оба счетчика работают на одинаковой (взаимно обратной или сдвинутой) тактовой частоте, их значения должны соответствовать друг другу перед передним фронтом первого опорного тактового сигнала. Компаратор 38 может использоваться для обнаружения любых отличий, например, из-за электромагнитных помех, события излучения или т.п. и инициирования синхронизации или сброса системы.

Фиг.3 изображает временную диаграмму, которая соотносит первый опорный сигнал 40 с взаимно обратным вторым опорным сигналом 42. Если обнаруженное событие излучения возникает во время метастабильной области 44 первого TDC 30 в момент 46 времени, то пройдет весь цикл TDC1, пока можно будет зарегистрировать временную метку на следующем переднем фронте в момент 48 времени, который может составлять порядка нескольких наносекунд. Поскольку вход будет устойчивым до последующего переднего фронта второго опорного сигнала 42, второй TDC 32 зарегистрирует обнаруженное событие излучения в момент 50, таким образом, уменьшая ошибку временной метки. И наоборот, если обнаруженное событие излучения возникает во время метастабильной области 51 второго TDC, то первый TDC зарегистрирует временную метку в момент 48 времени вместо момента 52 времени позже всего цикла TDC2. Так как оба счетчика запускаются одинаковым (положительным или взаимно обратным) тактовым импульсом, их значения должны быть идентичны перед передним фронтом положительного тактового импульса. Компаратор может использоваться для обнаружения любых отличий, например, из-за электромагнитных помех, события излучения или т.п. и инициирования синхронизации или сброса системы.

Фиг.4 изображает временную диаграмму, которая соотносит первый опорный сигнал 53 со сдвинутым вторым опорным сигналом 54. Если обнаруженное событие излучения возникает во время метастабильной области 55 первого TDC 30 в момент 56 времени, то пройдет весь цикл TDC1, пока можно будет зарегистрировать временную метку на следующем переднем фронте в момент 57 времени, который может составлять порядка нескольких наносекунд. Поскольку вход будет устойчивым до последующего переднего фронта второго опорного сигнала, второй TDC 32 зарегистрирует обнаруженное событие излучения в момент 58 времени, соответственно уменьшая ошибку временной метки. Наоборот, если обнаруженное событие излучения возникает во время метастабильной области 59 в момент 58 времени второго TDC, то первый TDC зарегистрирует временную метку в момент 57 времени, вместо ожидания всего цикла TDC2.

Снова со ссылкой на фиг.2, в случае когда действительны обе временные метки для одного обнаруженного события излучения, схема, такая как справочная таблица 60, 62 вместе с блоком 64 обработки данных, определяет, какой TDC следует использовать для заданной временной метки. В качестве альтернативы временные метки могут подлежать корреляции с использованием статистического среднего или другого математического/статистического отношения. При желании блок обработки может блокировать ненадежные события/элементы выборки для улучшения производительности и учета последовательной деградации сигнала со временем. Вопросы касательно деградации сигнала преобладают в радиоастрономии, в которой обнаруживается значительная доза излучения.

Снова со ссылкой на фиг.1 в пациента на опоре 16 вводится радиофармацевтический препарат. События излучения обнаруживаются модулями 10 детектора излучения. Скорректированная временная метка ассоциируется схемой 22 синхронизации с каждым измеренным событием сцинтилляции. Детектор 70 совпадений определяет совпадающие пары из временных меток, нанесенных схемой 22 синхронизации, и LOR, заданной каждой совпадающей парой. Преобразующий процессор 72 преобразует LOR в представление изображения, которое сохранятся в памяти 76 изображений. В системе TOF-PET преобразующий процессор также локализует каждое событие путем получения информации времени пролета из временных меток для каждой LOR. Чем точнее временная метка, тем точнее можно локализовать каждое событие на его LOR. Графический интерфейс пользователя или устройство 58 отображения включает в себя пользовательское устройство ввода, которое клинический врач может использовать для выбора последовательностей и протоколов сканирования, отображения данных изображения и т.п. Также следует принять во внимание, что дополнительные TDC, кроме двух описанных, могут быть реализованы в схеме 22 синхронизации, чтобы повысить избыточность и улучшить временное разрешение.

Изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. На основе изучения предшествующего подробного описания могут быть созданы модификации и изменения. Подразумевается, что изобретение должно рассматриваться как включающее в себя все такие модификации и изменения в той мере, в какой они входят в объем прилагаемой формулы изобретения либо ее эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к области детекторов. Модуль (10) детектора излучения для использования во времяпролетном позитронно-эмиссионном (TOF-PET) томографическом сканере (8) формирует триггер-сигнал, указывающий обнаруженное событие излучения. Схема синхронизации (22), включающая в себя первый аналого-цифровой преобразователь (30) времени (TDC) и второй TDC (31), конфигурируется для вывода скорректированной временной метки для обнаруженного события излучения на основе первой временной метки, определенной первым TDC (30), и второй временной метки, определенной вторым TDC (31). Первый TDC синхронизируется по первому опорному тактовому сигналу (40, 53), а второй TDC синхронизируется по второму опорному тактовому сигналу (42, 54), причем первый и второй опорные тактовые сигналы являются асинхронными. Технический результат - улучшение временного разрешения схем синхронизации. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула