Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков

Авторы патента:


Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков
Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков
Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков
Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков
Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков
Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков
Усовершенствованная температурная компенсация и схема управления для однофотонных счетчиков

 


Владельцы патента RU 2518589:

КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL)

Изобретение относится к области диагностической визуализации. Сущность изобретения заключается в том, что модуль детектора излучения для использования в визуализации содержит множество детекторных пикселов, причем каждый детекторный пиксел включает в себя сцинтиллятор (35), оптически связанный с по меньшей мере одним сенсорным фотодиодом (34), работающим в режиме счетчика Гейгера; по меньшей мере один экранированный от света опорный фотодиод (36), который работает в режиме счетчика Гейгера при таких же условиях, что и по меньшей мере один сенсорный фотодиод (34); схему управления (42), которая измеряет напряжение (84) пробоя на опорном фотодиоде (36) импульсов (68) темнового тока, сгенерированных посредством опорного фотодиода (36) при пробое опорного фотодиода (36); регулирует напряжение (80) смещения на по меньшей мере одном опорном фотодиоде (36) и по меньшей мере одном сенсорном фотодиоде (34) для приведения импульсов (68) темнового тока, сгенерированных по меньшей мере одним опорным фотодиодом (36), по существу в равенство с предварительно выбранным характерным логическим уровнем (70) напряжения. Технический результат - повышение чувствительности фотодиодов. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области диагностической визуализации. Изобретение имеет конкретное применение при использовании в детекторах излучения для таких медицинских устройств радионуклидной визуализации, использующих пропускание излучения или радиофармацевтические препараты, как, например, устройства для визуализации на основе однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT), устройства для визуализации на основе позитронно-эмиссионной томографии (PET), устройства для плоскостной рентгеновской визуализации и т.п., и будет описываться с конкретной ссылкой на такие устройства. Должно быть понятно, что изобретение также может быть применимо и для иных способов лучевой визуализации и в системах и способах, использующих детекторы излучения, таких областях как, например, астрономия и просвечивание багажа в аэропортах.

В SPECT, радиофармацевтический препарат вводится в визуализируемый объект, а один или несколько детекторов излучения, обычно называемых гамма-камерами, используются для обнаружения радиофармацевтического препарата при помощи испускания излучения, вызываемого посредством актов радиоактивного распада. Как правило, каждая гамма-камера включает в себя матрицу детекторов излучения и ячеистый коллиматор, расположенный перед матрицей детекторов излучения. Ячеистый коллиматор определяет линию или коническую с малым углом линию визирования, чтобы обнаруженное излучение содержало данные проекции. Если гамма-камеры перемещаются в диапазоне угловых ракурсов, например, в угловом диапазоне 180° или 360°, то полученные в результате данные проецирования могут быть восстановлены с использованием фильтрованной обратной проекции, ожидания максимизации или другого метода получения изображения для получения изображения распределения радиофармацевтического препарата в визуализируемом объекте. Предпочтительно, радиофармацевтический препарат может быть разработан так, что концентрируется в выбранных тканях для обеспечения выборочной визуализации этих выбранных тканей.

В PET, радиофармацевтический препарат вводится в визуализируемый объект, в котором события радиоактивного распада радиофармацевтического препарата генерируют позитроны. Каждый позитрон взаимодействует с электроном для создания события аннигиляции материи/антиматерии, которое испускает два противоположно направленных гамма-луча. При использовании схемы обнаружения совпадений, матрица детекторов излучения, окружающая визуализируемый объект, обнаруживает события совпадения противоположно направленных гамма-лучей, соответствующих аннигиляции позитронно-электронной пары. Линия ответа (LOR), соединяющая два совпадающих обнаружения, содержит положение события аннигиляции позитронно-электронной пары. Такие линии ответа являются аналогичными данными проецирования и могут быть восстановлены для получения двух- или трехмерного изображения. Во время-пролетной PET (TOF-PET) малый временной интервал между обнаружением двух событий совпадения γ-лучей используется для локализации события аннигиляции вдоль LOR.

При плоскостной рентгеновской визуализации источник излучения облучает объект, а матрица детекторов излучения, расположенная на противоположной стороне объекта, обнаруживает пропускаемое излучение. Вследствие ослабления излучения посредством ткани в визуализируемом объекте, обнаруженное излучение предоставляет собой двумерное плоскостное представление костей или других твердых, поглощающих излучение анатомических образований в визуализируемом объекте. Такая, основанная на пропускании визуализация усовершенствована в визуализации при помощи компьютерной томографии (CT), в которой источник излучения вращается вокруг визуализируемого объекта для обеспечения ракурсов пропускания или данных проекции в расширенном угловом диапазоне, например в пределах промежутка 180° или 360° угловых ракурсов. При использовании фильтрованной обратной проекции или другой технологии восстановления изображения, эти данные проекции, полученные при помощи излучения, восстанавливаются в двух- или трехмерное представление изображения.

Для SPECT, PET и других видов основанной на излучении медицинской визуализации требуются компактные и надежные модули детекторов излучения. В прошлом, модули детекторов излучения SPECT и PET, как правило, состояли из матрицы фотоэлектронных умножителей (PMT), оптически связанных со сцинтиллирующими кристаллами. Сцинтиллирующий кристалл поглощает частицу излучения и преобразует ее во вспышку света, которая измеряется посредством фотоэлектронного умножителя. Фотоэлектронные умножители обеспечивают высокие характеристики обнаружения и усиления (~106), но они являются громоздкими, хрупкими, требуют наличия высокого напряжения, и являются очень чувствительными к магнитным полям. В некоторых системах обнаружения излучения, фотоэлектронные умножители были заменены на фотодиоды, которые производят аналоговый сигнал, пропорциональный интенсивности вспышек света. Даже при том, что фотодиоды предлагают экономичную, низковольтную альтернативу фотоэлектронным умножителям в ситуациях повышенной яркости, они не обеспечивают адекватного усиления в сфере применения считывания при пониженной яркости (малоинтенсивный поток гамма-лучей), таким образом, приводя к плохому отношению «сигнал-шум».

Для устранения этих трудностей, были разработаны детекторы на кремниевых фотоэлектронных умножителях (SiPM), которые обеспечивают высокую эффективность и стабильность трубок фотоэлектронных умножителей наряду с экономичными, низковольтными качествами фотодиодов. В детекторах SiPM используется массив малых лавинных фотодиодов (APD), каждый из которых оптически связан с соответствующим сцинтиллирующим кристаллом. APD электрически смещаются в области пробоя. В этой области APD становятся чувствительными к одиночным несущим, таким, как те, которые могут быть вызваны падающим фотоном. Эти несущие, электроны и/или дырки также могут генерироваться термически, таким образом, приводя к темновой скорости счета, которая вызывает шум. Как электроны, так и дырки могут инициировать пробой диода, тем самым формируя сильный выходной сигнал. В аналоговом SiPM, выходной сигнал состоит из кумулятивного заряда большого количества пассивно охлаждаемых диодов. Напротив, цифровые SiPM обнаруживают события пробоя по отдельности на основе импульсов напряжения, которые переводятся в цифровую форму посредством логических вентилей и подсчитываются посредством цифровых счетчиков, которые располагаются близко к APD.

В режиме цифрового счетчика Гейгера, APD пробиваются в ответ на фотон света из события излучения в соответствующем сцинтиллирующем кристалле и формируют выходной импульс. Выходные импульсы, функционирующие как бинарные единицы, подсчитываются для определения количества фотонов, сформированных событием излучения, падающего на соответствующий сцинтиллятор. Этот подсчет фотонов соответствует энергии детектируемого события излучения.

Будучи чувствительным к отдельным фотонным событиям, напряжение пробоя каждого APD подвержено влиянию различных факторов внешних условий, таких как магнитные поля и температура. Дрейф напряжения пробоя приводит к соответствующему изменению избыточного напряжения. На детектирование фотонов оказывают влияние изменения избыточного напряжения, в связи с тем, что: (1) избыточное напряжение определяет напряженность поля внутри устройства, таким образом, приводя к дрейфу вероятности детектирования фотона, и (2) импульс заряда, произведенный во время пробоя, пропорционален произведению емкости диода и избыточного напряжения. Аналоговые SiPM, которые подсчитывают детектированные фотоны в качестве измеренного сигнала заряда, подвергаются влиянию обоих факторов и становятся очень чувствительными к внешним условиям. Величина темнового тока (DCR) удваивается приблизительно каждые 8°C. Чтобы уменьшить DCR датчика и избегать ошибок вследствие изменений в APD может быть использовано охлаждение, но даже при охлаждении могут происходить колебания температуры.

В настоящей заявке рассматривается новое и улучшенное устройство детектора с радионуклидной визуализацией и способ, который преодолевает вышеупомянутые и другие проблемы.

В соответствии с одним аспектом, предоставляется модуль детектора излучения. В каждом из множества пикселов детектора имеется сцинтиллятор, оптически связанный с по меньшей мере одним сенсорным фотодиодом, управляемым в режиме счетчика Гейгера. По меньшей мере один опорный фотодиод экранирован от света и работает при таких же условиях, что и по меньшей мере один сенсорный фотодиод. Модуль включает в себя схему управления, которая измеряет напряжение пробоя через опорный фотодиод и регулирует напряжение смещения на по меньшей мере одном опорном фотодиоде и по меньшей мере одном сенсорном фотодиоде. Это приводит импульсы темнового тока, сгенерированные посредством по меньшей мере одного опорного фотодиода, в существенное равенство с характерным логическим уровнем напряжения.

В соответствии с другим аспектом, предоставляется способ компенсации дрейфа в чувствительности части матрицы детекторов излучения. Напряжение смещения прикладывается к множеству сенсорных фотодиодов и к параллельно соединенному опорному фотодиоду. Опорный фотодиод покрыт непрозрачным покрытием, препятствующим приему света от ассоциированного сцинтиллятора. Напряжение смещения смещает фотодиоды в режим счетчика Гейгера, чувствительный к одиночным фотонам. После пробоя опорного фотодиода измеряется напряжение пробоя опорного фотодиода. Определяется разность между значением преобразованного в цифровую форму импульса с опорного фотодиода и логическим уровнем напряжения. Напряжение смещения регулируется для минимизации разности.

Одно преимущество состоит в улучшенном управлении напряжением пробоя для лавинных фотодиодов, работающих в режиме счетчика Гейгера.

Другое преимущество заключается в компенсации некоторых внешних факторов, которые влияют на чувствительность фотодиодов.

Другое преимущество заключается в гибкости использования изобретения, как в аналоговых, так и в цифровых системах.

Другое преимущество заключается в обеспечении свободы для разработчика системы в ослаблении требований по температурной стабилизации без ухудшения эффективности системы.

Другие дополнительные преимущества и выгоды станут очевидными специалистам в данной области техники на основе изучения нижеследующего подробного описания.

Настоящая заявка может предусматривать выполнение в форме на основе различных компонентов и конфигураций компонентов, и различных этапов и конфигураций этапов. Чертежи предоставлены исключительно в целях иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться в качестве ограничения настоящей заявки.

Фиг.1 является схематичной иллюстрацией сканера для радионуклидной визуализации в соответствии с настоящей заявкой;

Фиг.2 изображает частичный разрез модуля детектора в соответствии с настоящей заявкой;

Фиг.3 является схемой последовательности операций, изображающей контуры обратной связи для управления смещением и для управления температурой;

Фиг.4 изображает определенные компоненты схемы для реализации контуров обратной связи по Фиг.3;

Фиг.5 изображает формы сигналов, подробно описывающие один цикл схем по Фиг.3 и 4, с точным напряжением смещения;

Фиг.6 изображает формы сигналов, подробно описывающие один цикл схем из Фиг.3 и 4, со слишком высоким напряжением смещения;

Фиг.7 изображает формы сигналов, подробно описывающие один цикл схем по Фиг.3 и 4, со слишком низким напряжением смещения.

Согласно Фиг.1, диагностическое устройство 10 визуализации включает в себя корпус (гантри) 12 и опорную часть 14. В пределах корпуса 12 заключена матрица детекторов. Матрица детекторов включает в себя множество отдельных модулей 16 детекторов. Матрица может включать в себя сотни или тысячи модулей 16 детекторов излучения. Несмотря на то что один конкретный вариант осуществления описывается со ссылкой на сканер позитронно-эмиссионной томографии (PET), следует понимать, что настоящая заявка также пригодна и для других медицинских сфер применения, таких, как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT), а также рентгеновская астрофизика, телескопы для регистрации гамма-лучей, рентгенография, безопасность и промышленные применения. В целом, настоящая заявка находит применение в визуализации рентгеновского излучения, гамма-лучей или заряженных частиц с высокой энергией и пространственным разрешением. Матрица располагается таким образом, чтобы детекторные элементы 16 были расположены рядом с областью 18 визуализации и были ориентированы для приема излучения из области 18 визуализации. Опорная часть 14 имеет возможность перемещения к области 18 визуализации и от нее. Это позволяет матрице детекторов быть чувствительной к множеству представлений объекта без необходимости повторной установки объекта на опорную часть 14. Матрица детекторов может являться кольцом детекторов 16, несколькими кольцами, одним или несколькими дискретными плоскими или дуговыми панелями или подобным.

В PET, пары гамма-лучей формируются событием позитронной аннигиляции в области визуализации и распространяются в приблизительно противоположных направлениях. Такое событие может создаваться при распаде атомного ядра 82Rb. Эти гамма-лучи детектируются как пары, с небольшим временным интервалом (порядка наносекунд или их долей) между детектированиями, если один гамма-луч проходит дальше для достижения детектора, чем другой. Соответственно, в сканерах PET матрица детекторов, как правило, окружает область визуализации.

Перед началом сканирования PET, объекту вводится радиофармацевтический препарат. При одном обычном исследовании, радиофармацевтический препарат содержит радиоактивный элемент, такой, как 82Rb, связанный с маркерной молекулой. Маркерная молекула связана с визуализируемой областью и имеет тенденцию собираться в ней через проходящие в теле процессы. Например, быстро размножающиеся раковые клетки имеют тенденцию к расходу аномально высокого количества энергии при их размножении. Радиофармацевтический препарат может быть связан с молекулой, такой, как глюкоза или ее аналог, которую клетка, как правило, усваивает для создания энергии, которая собирается в таких областях и появляется на изображении как "горячие точки". Такой маркер также является полезным при визуализации перфузии сердца, поскольку сердце расходует относительно большое количество энергии. Другие методы контролируют маркерные молекулы, текущие в кровеносной системе. В таком методе является предпочтительным маркировать молекулу, которая медленно поглощается тканями тела.

Если гамма-луч попадает в матрицу детекторов, то генерируется временной сигнал. Пусковой процессор 20 контролирует каждый детектор 16 на наличие пика энергии, например, суммарную область под импульсом, характерную для энергии гамма-лучей, сформированных посредством радиофармацевтического препарата. Пусковой процессор 20 проверяет часы 22 и отмечает каждый обнаруженный гамма-луч временной меткой приема переднего фронта. Временная метка, оценка энергии и оценка положения сначала используются посредством проверочного процессора 24 для определения, действительны ли данные события, например совпадает ли пара событий, имеет ли она надлежащую энергию и т.п. Принятые пары определяют линии отклика (LOR). Поскольку гамма-лучи распространяются со скоростью света, если продетектированные гамма-лучи поступают с разнесением более нескольких наносекунд, то они, вероятно, не были сгенерированы посредством одного и того же события аннигиляции и, обычно, отклоняются. Синхронизация особенно важна во время-пролетной PET (TOF-PET), поскольку мельчайшее различие в, по существу, одновременных совпадающих событиях используется для дополнительной локализации события аннигиляции вдоль LOR. Поскольку разрешение по времени событий становится более точным, то также повышается и точность, с которой событие может быть локализовано вдоль его LOR.

LOR сохраняются в буферном запоминающем устройстве 26. В одном варианте осуществления, LOR сохраняются в формате режима списка. Таким образом, события сохраняются в хронологическом порядке с периодически вставляемыми индикаторами времени. Альтернативно, события могут иметь индивидуальные временные отметки. Восстановительный процессор восстанавливает все или часть LOR в представление изображения объекта с использованием отфильтрованной обратной проекции или других подходящих алгоритмов восстановления. Затем, восстановление может быть отображено пользователю на устройстве 30 отображения, отпечатано, сохранено для последующего использования и т.п.

В одном варианте осуществления каждый детекторный модуль 16 включает в себя множество фотодиодов. При управлении фотодиодами в режиме счетчика Гейгера, применяется обратное напряжение смещения, чтобы обеспечить чувствительность фотодиодов к одиночным фотонам света, сформированного посредством связанных с ними сцинтилляционных кристаллов, оптически связанных с фотодиодами. Сцинтилляторы выбираются для обеспечения высокой силы сопротивления для падающего излучения с быстрым временем затухания сцинтилляционной вспышки. Некоторые подходящие для сцинтиллятора материалы включают в себя LSO, LYSO, MLS, LGSO, LaBr, CsI(Ti) и их сочетания. Напряжение смещения применяется таким образом, что фотодиоды производят лавинный ток при попадании излучаемых фотонов, вследствие чего они называются лавинными фотодиодами (APD). Оптимальное напряжение смещения является чувствительным к нескольким факторам, таким как температура, давление, внешний свет и т.п. Схема 32 управления напряжением смещения контролирует детекторные модули 16 и регулирует приложенное напряжение смещения, в соответствии с имеющимися условиями.

Согласно Фиг.2, мозаичный детекторный модуль 16 включает в себя, по меньшей мере, один сенсорный APD 34, и более конкретно, один или несколько SiPM, каждый из которых включает в себя множество APD 34, оптически связанных со сцинтилляционным кристаллом 35. Кроме того, каждый модуль 16 также включает в себя, по меньшей мере, один опорный детектор 36, такой, как опорный APD. Опорные APD 36 закрываются непрозрачным кожухом, таким, как металлическая крышка, для предотвращения попадания света (внешнего света или вспышек сцинтилляции) на опорный APD 36. Опорные APD 36 помещаются среди сенсорных APD 34, поскольку является желательным иметь сенсорные APD 34 и опорные APD 36, работающие в одной и той же среде, за исключением приема света. В иллюстрированном варианте осуществления, сенсорные APD 34 и опорные APD 36 сформированы на общей подложке 38.

Слой 40 цифровых схем электронно соединен с сенсорными фотодиодами 34 и опорными фотодиодами 36. Слой 40 цифровых схем включает в себя схему, которая собирает и обнаруживает заданную информацию детектирования фотонов, такую, как идентификация модуля детектора излучения, идентификация пиксела, временные метки и подсчет фотонов. Цифровые схемы также могут включать в себя схему цифрового смещения, схему цифрового запуска и схему считывания данных. Схемы 32 управления смещением могут быть расположены в слое 40 цифровой схемы. Альтернативно, схемы 32 управления смещением могут быть расположены на отдельном кристалле или кристалле интегральной микросхемы.

Согласно Фиг.3, схемы 32 управления смещением включают в себя первый контур 42 обратной связи для управления смещением. Вместо детектирования фотогенерированных электронно-дырочных пар, опорный APD 36 обнаруживает термически генерированные электронно-дырочные пары или темновой ток. Термически генерированные электронно-дырочные пары создаются посредством генерационно-рекомбинационных процессов в полупроводнике и могут вызвать лавинный ток при отсутствии излучаемых фотонов, производя шум в системе. Напряжение смещения на APD 34, 36 может настраиваться так, чтобы сделать APD 34,36 более или менее чувствительными, в соответствии с внешней средой.

Если опорный APD 36 пробивается, то аналого-цифровой преобразователь (ADC) 44 преобразует полученное в результате напряжение анода в цифровое значение, эквивалентное напряжению пробоя. Аналого-цифровой (AD) преобразователь преобразует напряжение анода после ослабления лавинного тока через диод (во время пробоя нет никакого тока, текущего вне диода). Ток внутри диода разряжает емкость диода и, таким образом, приводит к падению напряжения на аноде (катод фиксируется на фиксированном уровне напряжения, в то время как анод остается плавающим, поскольку транзистор сброса остается открытым). Внутренний ток прекращает течь, когда напряжение в диоде достигает напряжения пробоя, и ниже этого напряжения нет никакой возможности умножения, и, следовательно, основная часть тока прекращается, и только очень малый ток утечки продолжает разряжать диод. Сигнал обрабатывается и превращается обратно в аналоговый сигнал посредством цифро-аналогового преобразователя 40 (DAC), и он используется для настройки источника 48 переменного напряжения, который смещает в обратном направлении сенсорные APD 34 и опорные APD 36. Лавинный ток, порядок которого составляет 106 электронов на фотон, продолжает протекать до тех пор, пока напряжение в диоде не достигнет напряжения пробоя. Время возникновения этого события, как правило, составляет 200-300 пс, в зависимости от избыточного напряжения, емкости диода и внутреннего сопротивления. После этого никакой ток не течет, а напряжение анода отражает напряжение пробоя. Это установившееся напряжение анода измеряется посредством аналого-цифрового (AD) преобразователя, а напряжение смещения регулируется таким образом, чтобы напряжение анода равнялось логическому уровню. Перезаряжающий транзистор 50 используется для повторной зарядки диода до уровня выше напряжения пробоя для следующего цикла измерения. Этот импульс перезарядки составляет примерно 10-15 по времени, а время до следующей разрядки может находиться в диапазоне миллисекунды. Более подробное обсуждение контура 42 управления смещением приведено ниже со ссылкой на Фиг.4.

На Фиг.3 также иллюстрируется второй контур 52 управления температурой. Цифровые импульсы из ADC 44 подсчитываются посредством счетчика 54 темновых импульсов в пределах предварительно определенного временного интервала. Альтернативно, счетчик 54 темновых импульсов может обнаруживать и подсчитывать активность контура 50 перезарядки. Счетчик 54 темновых импульсов выводит цифровое значение, характерное для темновой скорости счета. Поскольку температура пропорциональна темновой скорости счета, запускающее устройство 56 использует темновую скорость счета для запуска первичного элемента 58 управления температурой, такого как охлаждающий элемент на основе эффекта Пельтье, для быстрой точной настройки рабочей температуры APD 34, 36. Вторичный охлаждающий элемент 60, который может использовать воду, воздух или другие хладагенты, может быть использован для удаления тепла из системы. Ограничение температурного колебания желательно, чтобы ограничить колебания температуры, чтобы всегда получать одинаковое количество счета на фотон.

Согласно Фиг.4, опорный APD 36 смещается в обратном направлении источником 48 переменного напряжения. Анод соединяется с транзистором 62, который используется для перезарядки опорного APD 36 до выбранного напряжения выше напряжения пробоя опорного APD 36. Это выполняется посредством приложения коротких импульсов к затвору транзистора 62 схемами 64 выборки и перезарядки, переводя транзистор 62 в проводящее состояние. В одном варианте осуществления, транзистор 62 является транзистором NMOS (n-канальный МОП-прибор). После этой перезарядки, опорный APD 36 остается чувствительным к носителям и, в конечном счете, будет пробит. Согласно Фиг.5 и Фиг.4, во время пробоя, напряжение в узле 66 быстро увеличивается с нуля, формируя импульс 68 напряжения, до напряжения, соответствующего текущим рабочим условиям модуля 16. Желательно, чтобы напряжение было настолько близким к логическому уровню 70 напряжения, насколько это возможно. Импульс напряжения 68 детектируется посредством инвертора 72, который переводит сигнал в цифровую форму и передает его на схему 64 выборки и перезарядки и на счетчик 54 величины темнового тока. Схема 64 выборки и перезарядки запускает ADC 44 для измерения фактического напряжения после импульса 68 на пробитом опорном APD 36. Как только измерение выполнено, измерение фильтруется 73 и передается на контур 42 обратной связи управления напряжением смещения. Более конкретно, контроллер 75 напряжения смещения управляет выходным напряжением источника 48 переменного напряжения, более подробно описанным ниже. Кроме того, схема 64 выборки и перезарядки прикладывает импульс 74, который перезаряжает опорный APD 36, сбрасывая его, так что он снова является чувствительным к носителям. В то время как опорный диод 36 пробит, напряжение на узле 76 падает до нуля, как обозначено посредством формы 78 сигнала.

Если импульс 68 напряжения равен логическому уровню 70 напряжения, то напряжение 80 смещения равно целевому значению. Следовательно, сигнал 82 управления напряжением смещения, произведенный посредством контура 42 обратной связи для управления смещением является правильным, а именно равен половине логического уровня 70 напряжения. Если напряжение 80 смещения равно целевому значению, то не требуется никаких коррекций.

Фиг.6 изображает ситуацию, в которой напряжение 80 смещения является слишком высоким и корректируется. Такая ситуация может быть вызвана сдвигом в напряжении 84 пробоя APD 34, 36, обусловленным, например, более низкой внешней температурой. В этом случае, напряжение, измеренное посредством ADC 44 (то есть, напряжение импульса 68), превышает логический уровень 70 напряжения на разность 86. В этой ситуации, контур 42 обратной связи для управления смещением предписывает источнику 48 переменного напряжения понизить напряжение 80 смещения, таким образом, минимизируя различие 86 между импульсом 68 напряжения и логически уровнем 70 напряжения. Как и в предыдущем примере на Фиг.5, схема 64 выборки и перезарядки прикладывает импульс 74, сбрасывающий опорный APD 36.

Подобным образом, Фиг.7 изображает ситуацию, в которой напряжение 80 смещения является слишком низким. Такая ситуация может быть вызвана более высокой внешней температурой. В этом случае, напряжение, измеренное посредством ADC 44 (то есть, напряжение импульса 68), меньше логического уровня 70 напряжения на разность 86, которая, в этом случае, имеет отрицательное значение. В этой ситуации, контур 42 обратной связи для управления смещением предписывает источнику 48 переменного напряжения повысить напряжение 80 смещения, снова минимизируя различие 86 между импульсом 68 напряжения и логическим уровнем 70 напряжения. И снова, схема 64 выборки и перезарядки прикладывает импульс 74, сбрасывая опорный APD 36. В иллюстрированных вариантах осуществления выполняется изменение напряжения смещения, в то время как опорный APD 36 находится в состоянии пробоя. Это позволяет ADC 44 контролировать разность 86 в режиме реального времени.

В одном варианте осуществления, схема, изображенная на Фиг.3 и 4, может быть интегрирована в том же самый кристалл интегральной микросхемы, рядом с APD 34, 36, если напряжение смещения генерируется посредством генератора накачки заряда на чипе, и если площадь чипа достаточна. Части контура могут быть расположены на отдельных чипах, таким образом, позволяя применение в соединении с аналоговыми кремниевыми фотоэлектронными умножителями.

В другом варианте осуществления, контур 42 управления смещением может быть реализован только аналоговым способом, исключая необходимость в ADC 44 и DAC 46. В этом варианте осуществления, опорный фотодиод 36 управляется на напряжении пробоя посредством подвода хорошо определенного тока (приблизительно 1 мА) и использования полученного напряжения в качестве сигнала управления для источника 48 переменного напряжения. Этот вариант осуществления может иметь такое преимущество, что вся схема получается более компактной. В цифровых вариантах осуществления, ADC 44 также может быть повторно использован для контроля других напряжений. Это может быть полезно для функционального и параметрического тестирования на уровне подложки кристалла и во время процесса включения сенсорного модуля под напряжение.

Настоящая заявка была описана со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. На основе изучения предшествующего подробного описания, могут быть созданы модификации и изменения до других вариантов осуществления. Подразумевается, что настоящая заявка рассматривается как включающая в себя все такие модификации и изменения, поскольку они попадают под объем приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.

1. Модуль детектора излучения для использования в визуализации, содержащий
множество детекторных пикселов, причем каждый детекторный пиксел включает в себя сцинтиллятор (35), оптически связанный с по меньшей мере одним сенсорным фотодиодом (34), работающим в режиме счетчика Гейгера;
по меньшей мере один экранированный от света опорный фотодиод (36), который работает в режиме счетчика Гейгера при таких же условиях, что и по меньшей мере один сенсорный фотодиод (34);
схему управления (42), которая
измеряет напряжение (84) пробоя на опорном фотодиоде (36) импульсов (68) темнового тока, сгенерированных посредством опорного фотодиода (36) при пробое опорного фотодиода (36);
регулирует напряжение (80) смещения на по меньшей мере одном опорном фотодиоде (36) и по меньшей мере одном сенсорном фотодиоде (34) для приведения импульсов (68) темнового тока, сгенерированных по меньшей мере одним опорным фотодиодом (36), по существу в равенство с предварительно выбранным характерным логическим уровнем (70) напряжения.

2. Модуль детектора излучения по п.1, дополнительно включающий в себя первичный охлаждающий элемент (58), такой как охлаждающий элемент на основе эффекта Пельтье, термически связанный с по меньшей мере одним сенсорным фотодиодом (34) и, по меньшей мере, одним опорным фотодиодом (36) для удаления тепла от по меньшей мере одного сенсорного фотодиода (34) и по меньшей мере одного опорного фотодиода (36).

3. Модуль детектора излучения по п.2, дополнительно включающий в себя контроллер (52) температуры, который управляет первичным охлаждающим элементом (58) на основе частоты детектированных импульсов темнового тока из по меньшей мере одного опорного фотодиода (36), сообщаемой посредством счетчика (54) темновых импульсов.

4. Модуль детектора излучения по п.2 или 3, дополнительно включающий в себя вторичный охлаждающий элемент (60), который переносит тепло от первичного охлаждающего элемента (58) во внешнюю среду.

5. Модуль детектора излучения по любому из пп.1-3, дополнительно включающий в себя счетчик (54) темновых импульсов, который подсчитывает импульсы (68) темнового тока (68), сгенерированные посредством по меньшей мере одного опорного фотодиода (36).

6. Модуль детектора излучения по любому из пп.1-3, в котором счетчик (54) темновых импульсов имеет характерный логический уровень (70) напряжения, при котором принятый импульс идентифицируется и подсчитывается как импульс темнового тока.

7. Модуль детектора излучения по любому из пп.1-3, в котором схема (42) управления включает в себя перезаряжающий транзистор (62), который становится проводящим после приема сигнала от контроллера (64) выборки и перезарядки, возвращая опорный фотодиод (36) в состояние без пробоя, и дополнительно включающий в себя счетчик (54) темновых импульсов, который подсчитывает импульсы (74) сброса, генерируемые для сброса по меньшей мере одного опорного фотодиода (36) в режим счетчика Гейгера.

8. Модуль детектора излучения по любому из пп.1-3, в котором схема (42) управления включает в себя аналого-цифровой преобразователь (44), который измеряет напряжение (84) пробоя по меньшей мере одного опорного фотодиода (36).

9. Модуль детектора излучения по п.8, в котором схема (42) управления включает в себя инвертор (72), который
воспринимает импульсы (68) темнового тока, генерируемые по меньшей мере одним опорным фотодиодом (36);
преобразует импульсы (68) темнового тока в цифровую форму;
передает преобразованные в цифровую форму импульсы темнового тока на контроллер (64) выборки и перезарядки, который предписывает аналого-цифровому преобразователю (44) измерить напряжение импульсов (68) темнового тока.

10. Модуль детектора излучения по п.8, в котором схема (42) управления включает в себя контроллер (75) напряжения смещения, который предписывает источнику (48) переменного напряжения настраивать напряжение (80) смещения на основе измерения аналого-цифрового преобразователя (44).

11. Диагностическое устройство визуализации, содержащее:
гантри (12), определяющую область (18) визуализации;
опорную часть (14) для поддержки объекта, который выборочно поступательно перемещается в область (18) визуализации и из нее;
матрицу детекторов, которая включает в себя множество детекторных модулей (16) по любому из пп.1-10;
процессор (24) проверки событий, который анализирует обнаруженное излучение для определения, возникает ли детектированное излучение из достоверных событий;
буферное запоминающее устройство (26) хранения событий для хранения событий, достоверность которых подтверждена посредством процессора (24) проверки событий;
процессор (28) восстановления, который восстанавливает достоверные события в представление изображения.

12. Способ компенсации дрейфа чувствительности части матрицы детекторов излучения, содержащий этапы, на которых:
прикладывают напряжение (80) смещения к матрице сенсорных фотодиодов (34) и параллельно соединенному опорному фотодиоду (36), который закрыт непрозрачным покрытием, предотвращающим прием света опорным фотодиодом (36) от связанного с ним сцинтиллятора, причем напряжение смещения смещает фотодиоды (34, 36) в режим счетчика Гейгера и восприятия одиночных фотонов;
отслеживают пробой опорного фотодиода (36), измеряя напряжения (84) пробоя опорного фотодиода (36);
определяют разность (86) между значением преобразованного в цифровую форму импульса (68) из опорного фотодиода (36) и логическим уровнем (70) напряжения;
регулируют по меньшей мере одно из напряжения (80) смещения и температуры в детекторе для минимизации разности (86).

13. Способ по п.12, в котором этапы измерения, определения и настройки выполняются в течение временного интервала, когда по меньшей мере один опорный фотодиод (36) находится состоянии пробоя, и дополнительно включающий в себя сброс по меньшей мере одного опорного фотодиода (36).

14. Способ по п.12 или 13, дополнительно включающий в себя регулирование температуры опорного фотодиода (36), тем самым изменяя напряжение (84) пробоя опорного фотодиода (36) для минимизации разности (86).

15. Машиночитаемый носитель, имеющий сохраненные на нем исполняемые компьютером инструкции для выполнения способа по любому из пп.12-14.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится в целом к детекторам излучения. В частности, изобретение относится к гибкому несущему механизму для элементов детектора излучения и к способу обслуживания детектора излучения.

Изобретение относится к области детектирования частиц ионизирующего излучения, в частности к сцинтилляционным детекторам на основе пластмассовых или кристаллических сцинтилляторов, в которых для вывода излучения применяются спектросмещающие волокна.

Изобретение относится к системам формирования изображений, таким как радиографические или рентгенографические системы, в частности, касается многоячеистых детекторных сборок, используемых в указанных системах, и способа изготовления указанных сборок.

Изобретение относится к детекторам радиационного излучения. Узел (20) детектора радиационного излучения содержит сцинтилляционный детектор (22) радиационного излучения, предназначенный для генерации светового сигнала, являющегося функцией регистрируемого радиационного излучения.

Изобретение относится к детектору спектральной визуализации. Одномерный многоэлементный фотодетектор (120), содержащий матрицу фотодиодов (122), включающую в себя первый верхний ряд фотодиодных пикселей и второй нижний ряд фотодиодных пикселей, при этом матрица фотодиодов (122) является частью фотодетектора (120), причем фотодетектор (120) является двухсторонним; матрица сцинтилляторов (126), включающая в себя первый верхний ряд и второй нижний ряд сцинтилляторных пикселей, причем первый верхний и второй нижний ряды сцинтилляторных пикселей соответственно оптически связаны с первым верхним и вторым нижним рядами фотодиодных пикселей; считывающее электронное устройство (124), при этом считывающее электронное устройство (124) является частью фотодетектора (120), и электрические соединения (512), которые осуществляют взаимосвязь фотодиодных пикселей и считывающего электронного устройства (124).

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к спектральной компьютерной визуализации. Система визуализации содержит стационарный гентри, поворотный гентри, установленный на стационарном гентри, рентгеновскую трубку, закрепленную на поворотном гентри, которая поворачивается и испускает полихроматическое излучение, пересекающее область исследования.

Изобретение относится, в частности, к системам построения ядерных изображений, в особенности, включающим в себя гигроскопические сцинтилляционные кристаллы и т.п.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиографическими методами и может быть использовано в производственных и полевых условиях для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, на железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах, а также в научных исследованиях.
Изобретение может быть использовано при детектировании ионизирующего излучения и для создания источников белого света на основе нитридных гетеропереходов. Предложена гибкая (самонесущая) поликарбонатная пленка, наполненная неорганическими люминофорами из твердых растворов алюминатов и силикатов редкоземельных элементов.

Использование: для регистрации различных видов ионизирующих излучений, в том числе альфа-частиц, в ядерной физике для контроля доз и спектрометрии указанных излучений, в космической технике, медицине, в устройствах, обеспечивающих контроль, в промышленности.

Группа изобретений относится к области регистрации ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционных детекторов, а именно к регистрации формы импульсов рентгеновского и электронного излучений, в частности к области волоконно-оптической дозиметрии. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют преобразование ионизирующего излучения в световой сигнал в сцинтилляторе, передачу сигнала по волоконно-оптическому каналу и раздвоение сигнала с последующим выделением из одного сигнала черенковского излучения, а из другого - сцинтилляционного излучения с долей черенковского путем пропускания каждого сигнала через свой узкополосный светофильтр, отличающийся один от другого спектральным диапазоном, преобразование сигналов в электрические, которые учитывают при обработке для определения характеристик ионизирующего излучения, при этом обработку электрических сигналов осуществляют с помощью аналогового вычитающего устройства, где производят вычитание одного сигнала из другого с последующей регистрацией: формы полученного сигнала, дозы за импульс, длительности, максимальной мощности без влияния черенковского излучения, причем на любом участке прохождения одного из сигналов до его преобразования в электрический или после осуществляют задержку этого сигнала для синхронизации прихода обоих преобразованных электрических сигналов на аналоговое вычитающее устройство. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для регистрации ядерных излучений, в частности к криогенным детекторам на основе жидкого аргона, и может быть использовано при решении ряда фундаментальных физических задач, а также при регистрации ядерных излучений в системах ядерной энергетики, безопасности, медицины, неразрушающего контроля. Способ калибровки криогенного детектора частиц на основе жидкого аргона заключается в определении коэффициента пропорциональности между энергией детектируемой частицы и амплитудой сигнала криогенного детектора, при этом для определения коэффициента калибровки используют ядра отдачи с известной энергией, возникающие при неупругом рассеянии на малый угол моноэнергетичных нейтронов на ядрах аргона. Для реализации способа калибровки источник нейтронов, криогенный детектор и детектор рассеянных нейтронов устанавливаются таким образом, чтобы геометрический центр мишени источника нейтронов, геометрический центр криогенного детектора частиц и ось симметрии сцинтиллятора детектора рассеянных нейтронов располагались на одной прямой. Технический результат - повышение скорости набора статистики при определенной точности калибровки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам нанесения люминесцентных покрытий на экраны, с помощью которых регистрируется и/или преобразуется изображение, в частности к способам формирования структурированного сцинтиллятора на поверхности фотоприемника, предназначенного для регистрации рентгеновского или гамма-излучения. Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования структурированного сцинтиллятора на поверхности пикселированного фотоприёмника формируют, по меньшей мере, один структурный элемент непосредственно на фоточувствительной зоне поверхности фотоприёмника, материал которого наносят посредством двухкоординатного или трёхкоординатного устройства дискретного нанесения однородных жидких или гетерогенных веществ. Технический результат - повышение технологичности при одновременном расширении области применения. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к сбору информации, а также находит конкретное применение в компьютерной томографии (СТ). Сущность изобретения заключается в том, что детектор формирования изображения содержит матрицу (204) фотодетекторов, имеющую светочувствительную сторону и противоположную считывающую сторону; матрицу (202) сцинтилляторов, оптически соединенную со светочувствительной стороной матрицы (204) фотодетекторов; и обрабатывающие электронные схемы (208), электрически соединенные со считывающей стороной матрицы (204) фотодетекторов, причем матрица (204) фотодетекторов, матрица (202) сцинтилляторов и обрабатывающие электронные схемы (208) находятся в термическом контакте, а значение термического коэффициента обрабатывающих электронных схем (208) приблизительно равно отрицательному значению суммы термического коэффициента матрицы (204) фотодетекторов и термического коэффициента матрицы (202) сцинтилляторов. Технический результат - повышение эффективности формирования изображения. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологиям визуализации и, в частности, к системе измерения данных, пригодной для средств КТ (компьютерной томографической) и другой визуализации. Сущность изобретения заключается в том, что система визуализации содержит источник излучения, который поворачивается вокруг центральной z-оси системы визуализации для выполнения визуализирующих сканирований; матрицу органических фотодиодов, содержащую несколько дискретных органических фотодиодов, расположенных рядами и столбцами на изогнутой подложке таким образом, что каждый ряд органических фотодиодов выровнен вдоль кривой изгиба изогнутой подложки, и каждый столбец органических фотодиодов выровнен параллельно центральной z-оси системы визуализации; и токопроводящие пути, функционально соединяющие каждый из органических фотодиодов с одним или более активными электронными компонентами, расположенными на изогнутой подложке; причем изогнутая подложка состоит более чем из одного слоя, содержащего верхний слой и один или более нижних слоев, причем органические фотодиоды расположены на верхнем слое, и каждый нижний слой содержит верхнюю поверхность, которая является ближней к верхнему слою, и на которой расположен по меньшей мере один из токопроводящих путей. Технический результат - повышение точности формирования детекторной матрицы. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 1 табл., 20 ил.

Изобретение относится к сбору данных и находит конкретное применение в компьютерной томографии (СТ). Сущность изобретения заключается в том, что детектор формирования изображения содержит матрицу (202) сцинтилляторов; матрицу (204) фотодатчиков, оптически сопряженную с матрицей (202) сцинтилляторов; преобразователь (314) тока в частоту (I/F), содержащий интегратор (302) и компаратор (310), который преобразует, во время текущего периода интегрирования, заряд, выведенный матрицей (204) фотодатчиков, в цифровой сигнал, имеющий частоту, указывающую на заряд; логику (312), которая устанавливает усиление интегратора (302) для следующего периода интегрирования на основе цифрового сигнала для текущего периода интегрирования, и переключатель (308) сброса, который сбрасывает интегратор (302) на основе усиления, установленного логикой (312), причем переключатель (308) сброса содержит, по меньшей мере, первый конденсатор (402) сброса с первой емкостью и второй конденсатор (406) сброса с второй отличающейся емкостью. Технический результат - повышение пространственного разрешения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.

Изобретение относится к устройствам для регистрации гамма-излучения, предназначено для определения положения бурового инструмента относительно кровли и подошвы разбуриваемого пласта и может быть использовано в скважинных приборах телеметрических систем. Скважинный гамма-детектор содержит установленные в корпусе сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), делитель напряжения, элементы крепления и компенсации тепловых деформаций, при этом корпус выполнен из материала, коэффициент теплового расширения которого обеспечивает превышение величины удлинения корпуса по сравнению с суммарным удлинением кристалла и ФЭУ при нагревании, компенсатор теплового расширения выполнен в виде втулки из материала, коэффициент теплового расширения которого меньше, чем у материала корпуса, кристалл и ФЭУ совместно установлены в корпус, а оставшееся свободное пространство корпуса заполнено полимерным материалом, залитым под вакуумом с последующей полимеризацией. Технический результат - повышение чувствительности детектора и его стойкости к механическим воздействиям в широком температурном интервале. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к системе измерения данных, пригодной для КТ (компьютерной томографии) и других способов формирования изображения. Система формирования изображения содержит источник излучения, который поворачивается вокруг центральной z-оси системы формирования изображения для выполнения формирующих изображения сканирований; и матрицу неорганических фотодетекторов, включающую в себя несколько дискретных неорганических фотодетекторов, расположенных на изогнутой подложке таким образом, что каждый ряд неорганических фотодетекторов ориентирован вдоль кривой изгиба изогнутой подложки, и каждый столбец неорганических фотодетекторов ориентирован параллельно центральной z-оси системы формирования изображения, причем изогнутая подложка содержит гибкий лист и токопроводящие пути, оперативно соединяющие каждый из неорганических фотодетекторов, по меньшей мере, с одним активным электронным компонентом, расположенным на изогнутой подложке, причем токопроводящие пути расположены на дистальной поверхности изогнутой подложки, которая, по существу, противоположна поверхности подложки, на которой расположены неорганические фотодетекторы, при этом система дополнительно содержит отверстия в подложке, заполненные проводящим материалом для электрического соединения токопроводящих путей с неорганическими фотодетекторами. Технический результат - повышение качества изображения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к подсчету количества гамма квантов от различных источников излучения в диапазоне энергий от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 109 имп./мин и может быть использовано для точной регистрации интенсивных потоков гамма излучения. Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения содержит сцинтиллятор на основе ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO), который через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем, который связан с источником питания, подключенным к усилителю дискриминатору, который соединен с микроконтроллером и делителем частоты, который подключен к микроконтроллеру, который подключен к персональному компьютеру. Технический результат - создание миниатюрного устройства, способное подсчитывать гамма кванты высокой интенсивности. 2 ил.

Изобретение относится к области регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) на поверхности Земли и может быть использовано для исследования первичных космических лучей. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения направления прихода широких атмосферных ливней (ШАЛ) содержит множество пространственно разнесенных детекторов космических лучей, при этом детекторы входят в состав кластеров (1), выходы кластеров соединены через общую шину со входами блока сбора данных с кластеров (2), выход блока сбора данных с кластеров соединен с входом блока определения вектора направления ШАЛ (4), который оснащен блоком хранения локальных векторов (3), соединенным с ним общей шиной, выходы блока определения вектора направления ШАЛ (4) соединены с входами блока памяти (5) и блока визуализации данных (6), соединенными общей шиной; кластер включает в себя не менее трех детекторов (7), выходы которых соединены с входами блока временного анализа (8), выходы блока временного анализа (8) соединены с входами блока отбора событий (9), выходы блока отбора событий (9) соединены с входами блока определения локального направления (10), выходы блока определения локального направления (10) соединены с входами блока хранения и передачи данных (11). Технический результат - применение устройства для определения направления прихода широких атмосферных ливней вне зависимости от рельефа и иных особенностей местности. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх