Матрица детекторов с аналого-цифровым преобразованием времени, имеющая повышенную временную точность
Изобретение относится к области регистрации излучения. Способ детектирования излучения содержит этапы, на которых регистрируют событие; генерируют инициирующий сигнал, ассоциированный с регистрацией события; генерируют первую метку (TS1) времени для инициирующего сигнала с использованием первого аналого-цифрового преобразователя времени (TDC); генерируют вторую метку (TS2) времени для инициирующего сигнала с использованием второго TDC, имеющего фиксированное смещение по времени относительно первого TDC; и связывают метку времени с событием на основе первой метки времени, второй метки времени и сравнения разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени и фиксированного смещения по времени. Технический результат - повышение качества ПЭТ-изображения. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 9 ил.
Нижеследующее относится к области регистрации излучения. Оно, в частности, относится к высокоскоростным детекторам излучения для позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ), особенно времяпролетной (TOF) ПЭТ, и будет описано с конкретной ссылкой на нее. Однако нижеследующее относится, в более общем случае, к высокоскоростным детекторам излучения для других типов радиологического формирования изображения, а также к высокоскоростным детекторам излучения для других областей применения, например астрономии.
При формировании ПЭТ-изображения радиоактивный медицинский препарат, вводимый пациенту-человеку или другому субъекту формирования изображения, испускает позитроны, каждый из которых, в свою очередь, аннигилирует с электроном окружающего субъекта формирования изображения в событии электрон-позитронной аннигиляции с образованием двух противоположно направленных гамма-лучей с энергией 511 кэВ. В традиционном формировании ПЭТ-изображения эти два противоположно направленных гамма-луча регистрируются детекторами излучения, окружающими субъект формирования изображения, как два, по существу, одновременных события регистрации излучения, которые определят линию отклика (LOR) между собой. Во времяпролетной (TOF) ПЭТ, малая разница по времени (или ее отсутствие) между двумя, по существу, одновременными событиями регистрации используется для дополнительной локализации позитрона на LOR.
Для обеспечения полезной локализации TOF, гамма-лучи с энергией 511 кэВ нужно регистрировать с субнаносекундным временным разрешением. Детекторы излучения, способные достигать этих скоростей, включают в себя детекторы на фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и детекторы одиночных фотонов на основе кремниевых лавинных диодов (SPAD) (также иногда именуемые лавинными фотодиодами или ЛФД, работающими по принципу счетчика Гейгера). Такие детекторы обычно осуществляют регистрацию гамма-лучей с энергией 511 кэВ совместно со сцинтиллятором. Детекторы SPAD пользуются преимуществами известной технологии изготовления кремниевой микроэлектроники для обеспечения монолитной интеграции двухмерной матрицы детекторов на кремниевой подложке. Схема установки меток времени может монолитно интегрироваться на той же кремниевой подложке, что и матрица SPAD, или может быть сформирована на отдельной кремниевой подложке, которая оперативно соединяется с матрицей SPAD в качестве гибридной схемы. Это является предпочтительным, поскольку электронная схема установки меток времени должна быть совмещена с матрицей SPAD, например, на гентри детекторов ПЭТ, и, предпочтительно, либо на одном кристалле с матрицей SPAD, либо вблизи него (например, в виде 3D стопки кристаллов). Некоторые иллюстративные примеры матрицы детекторов SPAD для TOF-PET или других высокоскоростных применений раскрыты в: Frach и др., патент США № 7,723,694 выданный 25 мая 2010, который в полном объеме включен в настоящее описание изобретения посредством ссылки; Fiedler и др., патент США № 7,626,389 выданный 1 декабря 2009, который в полном объеме включен в настоящее описание изобретения посредством ссылки; и Prescher и др., патентная заявка США № 2010/0182011 A1, опубликованная 22 июля 2010, которая в полном объеме включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
Хотя детекторы излучения, например, детекторы ФУ или SPAD, способны обеспечивать субнаносекундное временное разрешение, фактически достичь его можно, обеспечив подходящую электронную схему, включающую в себя схему установки меток времени. В одном подходе, инициирующая схема генерирует импульсный сигнал или другой инициирующий сигнал во время регистрации. В случае конфигурации сцинтиллятор/матрица детекторов, одиночный гамма-луч с энергией 511 кэВ порождает сцинтилляцию, содержащую большое количество фотонов в оптическом или другом диапазоне длин волны, и единичный “пиксель” матрицы детекторов содержит подматрицу детекторов SPAD, которые накапливают отсчет фотонов, соответствующий гамма-лучу с энергией 511 кэВ. В подобных случаях, схема инициирования сконструирована с возможностью инициирования на первом регистрируемом фотоне или на каком-либо другом критерии инициирования, например, десятом регистрируемом фотоне и т.д.
Как бы ни было сконфигурировано инициирование, схема установки меток времени соотносит время инициирующего сигнала с системным тактовым генератором для обеспечения метки времени. Однако разрешение по времени системного тактового генератора может быть слишком грубым для TOF ПЭТ. Например, системный тактовый генератор, работающий на частоте 200 МГц, выдает тактовый импульс каждые 5 нс, что недостаточно для субнаносекундного разрешения меток времени. В подобных случаях, системный тактовый генератор рассматривается как грубый счетчик, и точный счетчик предусмотрен для оценивания смещения по времени инициирующего сигнала от точки отсчета тактового сигнала (например, передний фронт тактового импульса или задний фронт тактового импульса).
Найдены подходы для обеспечения достаточного (например, субнаносекундного) временного разрешение для данного пикселя детектора излучения в данное время. Однако пространственное изменение по матрице детекторов, также именуемое “перекосом”, может приводить к существенным ошибкам. Кроме того, изменение напряжения и/или температуры может приводить к дрейфу выходного сигнала точного счетчика с течением времени. Перекос в сочетании с временным дрейфом могут существенно ухудшить эффективное временное разрешение матрицы детекторов ПЭТ.
Ниже рассмотрены усовершенствованные устройства и способы, позволяющие преодолеть вышеупомянутые и другие ограничения.
Согласно одному аспекту, способ содержит этапы, на которых: регистрируют событие; генерируют инициирующий сигнал, ассоциированный с регистрацией события; генерируют первую метку времени для инициирующего сигнала с использованием первого аналого-цифрового преобразователя времени (TDC); генерируют вторую метку времени для инициирующего сигнала с использованием второго TDC, имеющего фиксированное смещение по времени относительно первого TDC; и ассоциируют метку времени с событием на основании первой метки времени, второй метки времени и сравнения (1) разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени и (2) фиксированного смещения по времени. В некоторых таких способах первый TDC синхронизируется с общим тактовым сигналом, второй TDC синхронизируется с общим тактовым сигналом, и операции синхронизации определяют фиксированное смещение по времени второго TDC относительно первого TDC как период общего тактового сигнала или как фиксированную долю или кратное периода общего тактового сигнала. В некоторых таких вариантах осуществления этап регистрации содержит подэтап, на котором регистрируют частицу излучения с использованием матрицы детекторов для позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ), и способ дополнительно содержит этапы, на которых: повторно осуществляют регистрацию, генерирование инициирующего сигнала, генерирование первой и второй меток времени и ассоциирование для получения массива данных событий регистрации излучения, снабженных метками времени; генерируют времяпролетный (TOF) массив данных ПЭТ из массива данных событий регистрации излучения, снабженных метками времени; и реконструируют массив данных TOF ПЭТ для генерирования изображения ПЭТ.
Согласно другому аспекту, устройство содержит: детектор, сконфигурированный с возможностью регистрации события; первый аналого-цифровой преобразователь времени (TDC), сконфигурированный с возможностью генерирования первой метки времени для регистрации события; второй TDC, сконфигурированный с возможностью генерирования второй метки времени для регистрации события, причем между вторым TDC и первым TDC существует фиксированное смещение по времени; и схему автокалибровки, сконфигурированную с возможностью регулировки первого TDC и второго TDC для поддержания разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени равной фиксированному смещению по времени между вторым TDC и первым TDC. В некотором таком устройстве первый TDC и второй TDC оба синхронизированы с общим тактовым сигналом, который задает фиксированное смещение по времени между вторым TDC и первым TDC. В некотором таком устройстве первый TDC измеряет первый интервал времени и преобразует первый интервал времени в первую метку времени с использованием первой операции преобразования, второй TDC измеряет второй интервал времени и преобразует второй интервал времени во вторую метку времени с использованием второй операции преобразования, и схема автокалибровки регулирует первую и вторую операции преобразования для поддержания разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени равной фиксированному смещению по времени между вторым TDC и первым TDC. В некотором таком устройстве первая операция преобразования включает в себя применение первой поисковой таблицы, и вторая операция преобразования включает в себя применение второй поисковой таблицы.
Согласно другому аспекту, система позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ) включает в себя детекторы излучения, содержащие устройство, раскрытое в непосредственно предшествующем абзаце, и процессор, сконфигурированный с возможностью генерирования времяпролетных (TOF) данных ПЭТ из выходного сигнала детекторов излучения и для реконструкции TOF данных ПЭТ для генерирования изображения.
Согласно другому аспекту, устройство содержит: матрицу детекторов, сконфигурированных с возможностью регистрации события; схему инициирования, сконфигурированную с возможностью распространения инициирующего сигнала, ассоциированного с регистрацией события, от инициирующего детектора матрицы детекторов на схему установки меток времени, сконфигурированную с возможностью генерирования метки времени для регистрации события; и схему коррекции перекоса, сконфигурированную с возможностью регулировки метки времени на основании того, какой детектор является инициирующим детектором. В некотором таком устройстве схема коррекции перекоса содержит элементы задержки, включенные в состав схемы инициирования, для внесения задержки в распространение инициирующего сигнала на схему установки меток времени на основании того, какой детектор является инициирующим детектором. В некотором таком устройстве схема коррекции перекоса сконфигурирована с возможностью регулировки сгенерированной метки времени на основании поисковой таблицы коррекции перекоса, где указана коррекция перекоса для каждого детектора матрицы детекторов.
Согласно другому аспекту, в устройстве, раскрытом в непосредственно предшествующем абзаце, схема установки меток времени содержит: первый аналого-цифровой преобразователь времени (TDC), сконфигурированный с возможностью генерирования первой метки времени для регистрации события на основании инициирующего сигнала; второй TDC, сконфигурированный с возможностью генерирования второй метки времени для регистрации события на основании инициирующего сигнала; и схему автокалибровки, сконфигурированную с возможностью регулировки первого TDC и второго TDC для поддержания разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени равной заранее определенному фиксированному смещению по времени между вторым TDC и первым TDC.
Одно преимущество состоит в обеспечении повышенного временного разрешения для событий регистрации излучения.
Другое преимущество состоит в обеспечении более точного времяпролетного формирования ПЭТ-изображения.
Другое преимущество состоит в обеспечении автоматической автокалибровки устройств аналого-цифрового преобразователя времени (TDC).
Другое преимущество состоит в обеспечении повышенного пространственного/временного разрешения для матрицы детекторов излучения.
Ознакомившись с нижеследующим подробным описанием, специалисты в данной области техники смогут понять многие другие преимущества и достоинства настоящего изобретения.
Изобретение может быть воплощено в различных компонентах и конфигурациях компонентов, и в различных операциях обработки и конфигурациях операций обработки. Чертежи приведены лишь с целью иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления, а не с целью ограничения изобретения.
Фиг. 1 схематично демонстрирует систему времяпролетной позитрон-эмиссионной томографии (TOF-PET).
Фиг. 2 схематично демонстрирует подсхему установки меток времени детекторы излучения системы TOF-PET, показанной на фиг. 1.
Фиг. 3 схематично демонстрирует хронирование импульсов системного тактового генератора и первого и второго устройств аналого-цифрового преобразователя времени (TDC).
Фиг. 4 схематично демонстрирует типичные значения поисковой таблицы (LUT) для первого и второго TDC.
Фиг. 5 схематично демонстрирует обработку меток времени с использованием TDC, показанных на фиг. 1.
Фиг. 6 схематично демонстрирует иллюстративный вариант осуществления схемы автокалибровки TDC, показанной на фиг. 1.
Фиг. 7 и 8 схематично демонстрируют первый и второй иллюстративный варианты осуществления коррекции перекоса, соответственно.
Фиг. 9 схематично демонстрирует вариант осуществления, где регулируемые элементы задержки включены в схему инициирования для обеспечения коррекции перекоса.
Согласно фиг. 1, сканер 8 времяпролетной позитрон-эмиссионной томографии (TOF-PET) включает в себя множество детекторов 10 излучения, предназначенных для наблюдения области 12 формирования изображения. На фиг. 1 множество детекторов 10 излучения образует несколько колец детекторов в осевом направлении; однако можно использовать другие конфигурации детекторов излучения. Кроме того, очевидно, что множество детекторов 10 излучения проиллюстрировано схематично; обычно детекторы излучения заключены в корпусе 14 сканера 8 и, таким образом, не видны снаружи, и обычно каждое кольцо детекторов излучения включает в себя сотни или тысячи детекторов излучения. В некоторых ПЭТ-сканерах предусмотрено только одно кольцо детекторов излучения, в других предусмотрены два, три, четыре, пять, или более колец детекторов излучения. Очевидно, что вместо кольцевой структуры детекторов, показанной на фигуре, можно использовать детекторные головки. Сканер 8 TOF-PET включает в себя ложе 16 или другую опору для размещения пациента-человека или другого субъекта формирования изображения в области 12 формирования изображения. В необязательном порядке, ложе 16 линейно подвижно в осевом направлении, в общем случае, поперечном кольцам детекторов 10 излучения для облегчения получения трехмерных данных формирования изображения. Дополнительно или альтернативно, субъект формирования изображения может оставаться неподвижным, и множество колец детекторов излучения могут использоваться для получения трехмерных данных формирования TOF-PET изображения. В прочих вариантах осуществления предусмотрено только одно кольцо детекторов, субъект формирования изображения остается неподвижным, и результирующее изображение является двухмерным.
Подходящий радиоактивный медицинский препарат вводится пациенту или другому субъекту формирования изображения до начала формирования TOF-PET изображения. Радиоактивный медицинский препарат включает в себя радиоактивное вещество, в котором происходят события радиоактивного распада, сопровождающиеся испусканием позитронов. Позитроны быстро аннигилируют с находящимися поблизости электронами субъекта формирования изображения. Результирующее событие электрон-позитронной аннигиляции порождает два противоположно направленных гамма-луча с энергиями 511 кэВ. Гамма-лучи распространяются со скоростью света, т.е. ~3×108 м/с. Поскольку область 12 формирования изображения обычно имеет диаметр или другой характерный размер около одного метра или менее (и обычно более около 30-40 см для человека в качестве субъекта формирования изображения), время пролета гамма-частицы из позиции события электрон-позитронной аннигиляции до одного из детекторов множества детекторов 10 излучения составляет порядка нескольких наносекунд или менее. Таким образом, два противоположно направленных гамма-луча, по существу, одновременно попадают в два детектора излучения.
Согласно фиг. 1, единичный пиксель 20 детектора кольцевого кольца детекторов 10 излучения показан в схематичном представлении и включает в себя соответствующую встроенную электронную схему. Пиксель 20 детектора содержит матрицу детекторов 22 одиночных фотонов на основе кремниевых лавинных диодов (SPAD), наблюдающих сцинтиллятор 24, который порождает сцинтилляцию или вспышку света, когда (схематично указанный) гамма-луч с энергией 511 кэВ γ попадает в сцинтиллятор 24. Сцинтиллятор 24 выбирается для обеспечения высокой тормозной способности для гамма-лучей с энергией 511 кэВ со скоротечным затуханием сцинтилляционной вспышки. Некоторыми подходящими материалами сцинтиллятора являются LSO, LYSO, MLS, LGSO, LaBr и их смеси, хотя можно использовать и другие материалы сцинтиллятора. Сцинтилляция или вспышка света принимается матрицей детекторов 22, которая, в порядке иллюстративного примера, может быть изготовлена монолитно на кремниевой подложке. Необязательный плоский световод (не показан) может быть помещен между сцинтиллятором 24 и матрицей детекторов 22 для улучшения оптической связи между сцинтиллятором 24 и матрицей детекторов 22. Сцинтиллятор 24 и необязательный световод, в необязательном порядке, заключены в отражающее покрытие, которое направляет свет сцинтилляции к матрице детекторов 22.
Использование матрицы детекторов 22, вместо единичного детектора, для пикселя 20 детектора обусловлено генерированием сцинтилляции или вспышки света в соответствии с поглощением сцинтиллятором 24 одиночного гамма-луча γ с энергией 511 кэВ. Каждый SPAD матрицы детекторов 22 может, в общем случае, регистрировать единичный фотон, после чего должно происходить его восстановление, в том числе, восстановление электрического поля на p-n-переходе лавинного диода. Используя матрицу детекторов 22, накопитель 26 отсчета накапливает отсчет одиночных зарегистрированных фотонов, и этот отсчет коррелирует с полной энергией поглощенной частицы (то есть, в иллюстративном примере, гамма-луча γ с энергией 511 кэВ). Предполагается, что частица более высокой энергии будет создавать более высокий отсчет, а частица более низкой энергии - более низкий отсчет. Таким образом, суммарный отсчет регистраций фотонов на протяжении интервала времени сцинтилляционного события можно использовать в “ограничении по энергии” для отфильтровывания событий регистрации, которые с большой вероятностью (на основании полной энергии частицы) не являются гамма-лучами с энергией 511 кэВ, ассоциированными с событиями электро-позитронной аннигиляции.
Матрица детекторов 22 имеет соответствующую схему 28 инициирования, целью которой является генерирование инициирующего сигнала, ассоциированного с событием регистрации. В типичном подходе, схема инициирования содержит сеть инициирования, соединенную со всеми устройствами SPAD матрицы детекторов 22, и сеть инициирования сконфигурирована с возможностью перехода из неактивного (или “отключенного”) состояния в активное (или “включенное”) состояние в соответствии с единичной регистрацией фотона посредством SPAD. Альтернативно, переход может происходить спустя выбранное количество регистраций фотонов, и/или может быть включена схема контроля, для снижения вероятности генерирования “ложного” инициирующего сигнала. Инициирующий сигнал используется схемой 30 установки меток времени для генерирования цифровой метки времени для регистрации события.
В иллюстративном подходе, матрица детекторов 22, содержащая устройства SPAD, может быть монолитно изготовлена на кремниевой подложке. Схема 28 инициирования также может быть монолитно интегрирована на той же кремниевой подложке, в том же слое схемы, что и устройства SPAD (т.е. располагаться между строками/столбцами SPAD) или размещена в отдельном слое схемы, например, под матрицей устройств SPAD. Соответствующие электронные схемы 26, 30 накопления отсчета и установки меток времени также могут быть монолитно интегрированы на той же кремниевой подложке, что и матрица детекторов 22, или могут располагаться на отдельной кремниевой подложке, соединенной с подложкой матрицы детекторов. В любом случае, электронные схемы 26, 30 (или различные их части) могут быть реализованы по-разному, например, в виде вентильной матрицы, программируемой пользователем (FPGA), специализированной интегральной схемы (ASIC), надлежащим образом запрограммированного микропроцессора или микроконтроллера, различных комбинаций вышеупомянутых вариантов и т.д. Хотя в порядке иллюстративного примера описан единичный схематично представленный пиксель 20 детектора, следует понимать, что кольцо 10 детекторов ПЭТ включает в себя многие тысячи, десятки тысяч или более таких пикселей детектора. Различные количества пикселей детектора могут интегрироваться на единой кремниевой подложке для формирования детекторного модуля (без потери общности) N×M пикселей детектора (где каждый пиксель детектора включает в себя экземпляр матрицы 22 SPAD). Некоторые подходящие пиксели детектора изложены, в порядке иллюстративного примера, в: Frach и др., патент США № 7,723,694, выданный 25 мая 2010, который в полном объеме включен в настоящее описание изобретения посредством ссылки; Fiedler и др., патент США № 7,626,389, выданный 1 декабря 2009, который в полном объеме включен в настоящее описание изобретения посредством ссылки; и Prescher и др., патентная заявка США № 2010/0182011 A1, опубликованная 22 июля 2010, которая в полном объеме включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
Также очевидно, что раскрытый пиксель детектора является всего лишь иллюстративным примером, и допустимы также другие конфигурации пикселя детектора. Например, в пикселе детектора прямого преобразования, единичный детектор сконфигурирован непосредственно поглощать и регистрировать гамма-луч с энергией 511 кэВ без использования промежуточного сцинтиллятора. В таком варианте осуществления, сцинтиллятор 24 упразднен, матрица детекторов 22 заменена единичным детектором прямого преобразования, и схема 28 инициирования сведена к единственному двоичному переключателю, который срабатывает при активации детектора одиночных частиц.
Согласно фиг. 1, схема 26, 30 генерирует, для каждого события регистрации частицы излучения, массив данных “в режиме списка”, включающий в себя метку времени, генерируемую схемой 30 установки меток времени, энергию частицы, представленную отсчетом фотонов, накопленным накопителем 26 отсчета, и пространственные координаты пикселя 20 детектора. Данные в режиме списка для этих событий надлежащим образом передаются со сканера 8 ПЭТ на подходящее устройство обработки данных, например, иллюстративный компьютер 40 и сохраняются в памяти 42 данных в режиме списка. Устройство 40 обработки данных реализует подходящую обработку данных. Для данных ПЭТ, устройство 40 обработки данных надлежащим образом реализует детектор 44 совпадения 511 кэВ, который осуществляет поиск по данным в режиме списка для идентификации, по существу, одновременных события регистрации частицы с энергией 511 кэВ. В процессе поиска надлежащим образом применяется энергетический интервал для отфильтровывания событий регистрации частицы, соответствующих частицам, энергия которых сильно отличается в любую сторону от 511 кэВ, и затем применяется интервал времени для идентификации остальных событий регистрации (по меньшей мере, приблизительно) 511 кэВ, произошедших как “по существу, одновременные” пары, то есть два события регистрации 511 кэВ, произошедшие в течение достаточно малого интервала времени, чтобы оба регистрируемых гамма-луча с энергией 511 кэВ могли происходить из единичного события электрон-позитронной аннигиляции. Такая регистрируемая пара задает “линию отклика” или LOR, соединяющую два регистрирующих пикселя. В случае TOF ПЭТ, малая разница по времени между двумя “по существу, одновременными” событиями регистрации используется для дополнительной локализации события электрон-позитронной аннигиляции на LOR.
Результирующие пары событий регистрации 511 кэВ, отфильтрованные по энергии и совпадению, составляют массив данных TOF ПЭТ, который надлежащим образом сохраняется в памяти 46 данных TOF ПЭТ. Этот массив данных TOF ПЭТ, в необязательном порядке, реконструируется реконструктором 48 данных TOF ПЭТ, также надлежащим образом реализованным компьютером или другим устройством 40 обработки данных, для реконструкции изображения ПЭТ, которое надлежащим образом сохраняется в памяти 50 изображений TOF ПЭТ или отображается на устройстве 52 отображения, объединенном или оперативно ассоциированном с устройством 40 обработки данных, или используется иным образом. Реконструктор 48 данных TOF ПЭТ может использовать, по существу, любой подходящий алгоритм реконструкции, например, итерационную прямую/обратную проекцию (включая TOF локализацию проекций), алгоритм реконструкции фильтрованной обратной проекции и т.д.
Со ссылкой на фиг. 1, а также со ссылкой на фиг. 2 и 3, описан иллюстративный вариант осуществления схемы установки меток времени и соответствующие компоненты хронирования. Обработка меток времени осуществляется на основе грубого тактового генератора 60. Для обеспечения здесь некоторых количественных примеров, предполагается, что тактовый генератор 60 вырабатывает тактовый сигнал 62 с частотой 200 МГц (соответствующей периоду тактового сигнала 5 нс); однако следует понимать, что можно применять более быстрый или более медленный тактовый цикл. Иллюстративный тактовый сигнал 62 представляет собой квадратную волну, имеющую коэффициент заполнения 50%; однако можно применять и другие формы волны для тактового сигнала. Для простоты иллюстрации, на фиг. 1 тактовый генератор 60 показан как компонент пикселя 20 детектора; более типично, однако, тактовый генератор располагается в другом месте, и тактовый сигнал 62 поступает на пиксель 20 детектора.
Тактовый сигнал 62 имеет период 5 нс, то есть является слишком грубым для обеспечения субнаносекундного разрешения, необходимого для установки меток времени событий регистрации гамма-лучей с энергией 511 кэВ. Для обеспечения повышенного разрешения предусмотрены два устройства 70, 72 аналого-цифрового преобразователя времени (TDC). Первый TDC 70 также обозначен здесь как “TDC1” или как “точный счетчик 1” или “FC1”, тогда как второй TDC 72 также обозначен здесь как “TDC2” или как “точный счетчик 2” или “FC2”. Хотя, в принципе, как раскрыто здесь, было бы достаточно одного единственного TDC, применение проиллюстрированных двух TDC 70, 72 дает существенные преимущества. Эти преимущества включают в себя устранение “мертвых зон”, в которых один из TDC 70, 72 обеспечивает ненадежные результаты, и обеспечение автоматической калибровки обоих TDC 70, 72 для компенсации дрейфа в выходном сигнале точного счетчика с течением времени вследствие изменения напряжения и/или температуры.
С конкретной ссылкой на фиг. 2, каждый TDC 70, 72 принимает один и тот же входной сигнал от схемы 28 инициирования. Каждый TDC 70, 72 синхронизируется с общим тактовым сигналом 62, который используется для синхронизации соответствующих точных счетчиков 74, 76, которые используются для измерения разницы по времени между регистрируемым событием (представленным инициирующим сигналом, генерируемым схемой 28 инициирования) и опорным признаком первого точного счетчика 74 (для TDC1 70) или второго точного счетчика 76 (для TDC2 72). Опорным признаком может быть передний фронт, или задний фронт, или другой подходящий признак точных счетчиков 74, 76. В иллюстративных примерах осуществляется привязка к переднему фронту ER точного счетчика 74, 76. Измерение разницы по времени, осуществляемое каждым TDC 70, 72, надлежащим образом базируется на измерении времени к расстоянию согласно одному из линии с отводами, верньера, сжатия импульсов, и разряда конденсатора постоянным током, и т.п. В порядке иллюстративного примера, некоторые подходящие конфигурации TDC раскрыты в Frach и др., Патентная заявка США № 2009/0236532 A1, опубликованная 24 сентября 2009, которая в полном объеме включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
На входе каждого TDC 70, 72, соответствующий элемент 80, 82 хранения, например, триггер, фиксатор и т.п., фиксируется в присутствии инициирующего сигнала. Если вход стабилен, переключатель будет фиксироваться на последующем переднем фронте ER соответствующего точного счетчика 74, 76. Если же инициирующий сигнал принимается на входе на протяжении метастабильной области, т.е. во время установки или удержания, переключатель может становиться метастабильным, и инициирующий сигнал не будет фиксироваться, пока следующий передний фронт ER точного счетчика 74, 76 не приведет к значительному увеличению ошибки метки времени.
Если предусмотрен только один TDC, скорректировать эту ошибку метки времени не представляется возможным. Однако в иллюстративном подходе предусмотрено два TDC 70, 72. Для снижения ошибок хронирования, обусловленных метастабильностью на входе, каждый TDC 70, 72 синхронизируется с разными точными счетчиками 74, 76 таким образом, чтобы гарантировать, что, по меньшей мере, один элемент 80, 82 хранения будет правильно фиксироваться в любое время.
С конкретной ссылкой на фиг. 3, в иллюстративном примере, точный счетчик 76 для TDC2 72 сдвинут по фазе на 180° относительно точного счетчика 74 для TDC1 70. Это означает, что передние фронты ER точного счетчика 74 находятся “между” передними фронтами ER точного счетчика 76, и наоборот. Вследствие этого, нестабильные или метастабильные области 90 TDC1 70 лежат в стабильных областях 92 TDC2 72, и, напротив, нестабильные или метастабильные области 94 TDC2 72 лежат в стабильных областях 96 TDC1 70. Два точных счетчика 74, 76 со сдвигом фазы 180° легко генерируются из тактового сигнала 62 в виде счетчиков частотой 100 МГц схемами деления частоты на 2 (не показаны).
Подход, представленный на фиг. 3, является иллюстративным примером, и для обеспечения парный TDC с фиксированным смещением по времени можно использовать другие подходы. Например, можно использовать сдвиг фазы, отличный от 180° между двумя точными счетчиками, или два TDC могут снимать фиксацию разных опорных признаков. (В качестве примера последнего подхода, два TDC могут использовать один и тот же (синфазный) точный счетчик, но один TDC будет снимать фиксацию переднего фронта, а другой TDC будет снимать фиксацию заднего фронта).
Возвращаясь к фиг. 2, первый TDC 70 вычисляет разницу 100 по времени между регистрируемым событием (представленным инициирующим сигналом, генерируемым схемой 28 инициирования) и опорным признаком (например, передним фронтом) первого точного счетчика 74. Аналогично, второй TDC 72 вычисляет разницу 102 по времени между регистрируемым событием и опорным признаком второго точного счетчика 76. Эти разницы 100, 102 по времени обычно не являются непосредственно равными желаемой метке времени. Напротив, первая операция преобразования осуществляется для преобразования разницы 100 по времени в первую метку TS1 времени, и вторая операция преобразования осуществляется для преобразования разницы 102 по времени во вторую метку TS2 времени. Операция преобразования определяет смещение в единицах времени и прибавляет это смещение к опорному времени, обеспеченному тактовым сигналом 62. В иллюстративном варианте осуществления, первый TDC 70 применяет первую поисковую таблицу LUT1 при осуществлении преобразования, которое генерирует первую метку TS1 времени, тогда как второй TDC 72 применяет вторую поисковую таблицу LUT2 при осуществлении преобразования, которое генерирует вторую метку TS2 времени. Поисковые таблицы LUT1, LUT2, в необязательном порядке, также идентифицируют соответствующие биты 104, 106 выбора, которые указывают, лежит ли регистрируемое событие в одной из нестабильных или метастабильных областей 90, 94. Вместо поисковых таблиц можно применять надлежащим образом откалиброванную эмпирическую функцию преобразования. Дополнительная схема 108 обработки данных генерирует окончательную метку TS времени для регистрации события на основании первой и второй меток TS1, TS2 времени, генерируемых парным TDC 70, 72. В одном подходящем подходе, схема 108 игнорирует выходной сигнал TDC, если его биты выбора указывают, что регистрируемое событие лежит в нестабильной или метастабильной области для этого TDC - неизбежно, регистрируемое событие будет лежать в стабильной области для другого TDC, и, таким образом, используется считывание TDC. Если оба TDC 70, 72 стабильны, схема 108 может усреднять или иначе объединять первую и вторую метки TS1, TS2 времени для генерирования окончательной метки TS времени.
Со ссылкой на фиг. 4 и 5 описан количественный иллюстративный пример операции TDC 70, 72 и схемы 30 установки меток времени. Этот пример использует тактовый сигнал 62 с частотой 200 МГц и использует два точных счетчика 74, 76 с частотой 100 МГц и сдвигом фазы 180°, как показано на фиг. 3. Точные счетчики 74, 76 таким образом имеют периоды 10 нс (то есть вдвое больше периода 5 нс тактового сигнала 62). Ширина бина каждого TDC изменяется. Таким образом, поисковые таблицы LUT1, LUT2 используются для перевода значений точного счетчика в относительных единицах времени в абсолютное эталонное время системного тактового сигнала 62 частотой 200 МГц. Фиг. 4 схематично иллюстрирует возможные значения поисковой таблицы для TDC1, TDC2 70, 72 соответственно. В этом примере точность TDC равна 9 битов за период 10 нс, из-за чего, каждый “бин” имеет ширину 10 нс/512~19,5 пс. Поисковые таблицы LUT1, LUT2 можно генерировать по-разному, например, с использованием измерений линии задержки или измерений случайных попаданий и т.д.
Фиг. 5 иллюстрирует использование TDC 70, 72 с поисковыми таблицами LUT1, LUT2 для измерений меток времени. CC1 и CC2 обозначает тактовые циклы точных счетчиков 74, 76 TDC 70, 72, каждый из которых работает на частоте 100 МГц. Каждое приращение тактового цикла CC обозначает приращение 512, которое составляет 10 нс. Первая метка TS1 времени, генерируемая первым TDC 70, выражается в виде CC1+LUT(FC1), где LUT(FC1) обозначает выходной сигнал поисковой таблицы LUT1 для входа точного счетчика обозначенного “FC1”. Аналогично, вторая метка TS2 времени, генерируемая вторым TDC 72, выражается в виде CC2+LUT(FC2)+256, где смещение 256 соответствует 5 нс. Выбирает ли схема 108 первую метку TS1 времени, выводимую TDC1 70, или вторую метку TS2 времени, выводимую TDC2 72, или их среднее значение, зависит от положения на временной оси. Например, в моменты времени, когда TDC1 70 не имеет пригодного генерирования меток времени (области 90, указанные на фиг. 3, в окрестности 0 нс в примере на фиг. 5), вторая метка TS2 времени, выводимая TDC2 72, выбирается в качестве выходной метки TS времени. Усреднение двух меток TS1, TS2 времени, когда оба TDC 70, 72 стабильны, имеет преимущество для снижения дрожания.
Возвращаясь к фиг. 1, другое выявленное здесь преимущество использования двух TDC 70, 72 состоит в возможности обеспечения схемы 120 автоматической калибровки TDC для калибровки обоих TDC 70, 72 для компенсации дрейфа в выходном сигнале точных счетчиков 74, 76 с течением времени вследствие изменения напряжения и/или температуры. Раскрытые здесь подходы автокалибровки TDC имеют двоякое преимущество. Во-первых, можно ожидать, что дрейф двух TDC 70, 72 будет одинаковым или почти одинаковым. Причина в том, что два TDC 70, 72 находятся в одинаковых условиях (и, следовательно, при одной и той же температуре, в одних и тех же условиях влажности и т.д.) и получают питание от общего источника напряжения (так что любое изменение напряжения должно быть одинаковым для обоих TDC 70, 72).
Здесь также следует обратить внимание на то, что второй TDC 72 всегда должен иметь одно и то же фиксированное смещение по времени относительно первого TDC 70. (Или, наоборот, первый TDC 70 всегда должен иметь одно и то же фиксированное смещение по времени относительно второго TDC 72). Причина в том, что два TDC 70, 72 синхронизируются с общим тактовым сигналом 62. Как наиболее наглядно показано на фиг. 3, в иллюстративном варианте осуществления фиксированное смещение по времени между двумя TDC 70, 72 должно быть равно в точности 5 нс, что соответствует одному периоду тактового сигнала 62; однако, в зависимости от сдвига фазы двух точных счетчиков, или (в необязательном порядке, разных) выбора опорных признаков для использования в двух TDC, фиксированное смещение по времени может различаться.
Второй TDC 72 всегда должен иметь одно и то же фиксированное смещение по времени относительно первого TDC 70. Отсюда следует, что, если разница по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени отличается от этого фиксированного смещения по времени, то это различие обусловлено дрейфом с течением времени двух TDC. Кроме того, направление дрейфа легко установить. Если разница по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени меньше фиксированного смещения по времени, то точные счетчики 74, 76 имеют слишком короткие периоды - это можно скорректировать коэффициентом умножения, включенным в состав преобразования, который больше единицы. С другой стороны, если разница по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени больше фиксированного смещения по времени, то точные счетчики 74, 76 имеют слишком длинные периоды - это можно скорректировать коэффициентом умножения, включенным в состав преобразования, который меньше единицы.
Ввиду вышеизложенного, схема 120 автокалибровки TDC применяет следующий алгоритм: после регистрации события, генерируется инициирующий сигнал, ассоциированный с регистрацией события, первая метка TS1 времени для инициирующего сигнала генерируется с использованием первого TDC 70, и вторая метка TS2 времени для инициирующего сигнала генерируется с использованием второго TDC 72. Затем временная калибровка двух TDC 70, 72 вычисляется в соответствии с разницей по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени, которая отличается от заранее известного фиксированного смещения по времени.
В подходящем подходе, первая метка TS1 времени генерируется первым TDC 70 путем измерения первого интервала 100 времени (с использованием точного счетчика 74) и преобразования первого интервала 100 времени в первую метку TS1 времени с использованием первой операции преобразования (в том числе, с применением поисковой таблицы LUT1 в иллюстративном варианте осуществления). Аналогично, вторая метка TS2 времени генерируется вторым TDC 72 путем измерения второго интервала 102 времени (с использованием точного счетчика 76) и преобразования второго интервала 102 времени во вторую метку TS2 времени с использованием второй операции преобразования (в том числе, с применением поисковой таблицы LUT2 в иллюстративном варианте осуществления). Затем регулировка содержит регулировку первой и второй операций преобразования в соответствии с разницей по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени, которая отличается от фиксированного смещения по времени. В одном подходящем подходе, это производится за счет включения в первую операцию преобразования коэффициента умножения, и включения во вторую операцию преобразования (того же) коэффициента умножения. Затем регулировка содержит увеличение коэффициента умножения, если разница по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени меньше фиксированного смещения по времени, и уменьшение коэффициента умножения, если разница по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени больше фиксированного смещения по времени.
Со ссылкой на фиг. 6 описан иллюстративный вариант осуществления схемы 120 автокалибровки TDC. Схема, показанная на фиг. 6, сконфигурирована с возможностью раскрытого здесь количественного примера, в котором тактовый сигнал 62 имеет частоту 200 МГц, каждый точный счетчик 74, 76 имеет частоту 100 МГц, и два точных счетчика 74, 76 сдвинуты по фазе на 180°, и точность каждого TDC 70, 72 составляет 9 битов за период 10 нс, так что каждый “бин” имеет ширину 10 нс/512~19,5 пс. Разность между меткой TS1 времени, выводимой поисковой таблицей LUT1 TDC1 70, и меткой TS2 времени, выводимой поисковой таблицей LUT2 TDC2 72, всегда должна быть равна 256 (что соответствует 5 нс). Это является фиксированным смещением по времени в этом количественном примере. Однако фактическая разница по времени между второй меткой TS2 времени и первой меткой TS1 времени будет изменяться, если наклоны точных счетчиков 74, 76 дрейфуют, например, вследствие изменения напряжения и/или температуры. Мультипликативный коэффициент M коррекции для коррекции наклонов можно генерировать на основании разницы по времени между первой и второй метками TS1, TS2 времени и заранее известного фиксированного смещения по времени (например, 256 или 5 нс).
Схема 120 калибровки TDC, показанная на фиг. 6 активируется каждый раз при обработке события для назначения ему метки времени. TDC 70, 72 генерируют соответствующие выходные сигналы 100, 102, которые умножаются на коэффициент M умножения (также обозначенный здесь “mul_factor”), которому первоначально присваивается значение 1.0 (соответствующее отсутствию коррекции). Результаты 100, 102 вводятся в соответствующие поисковые таблицы LUT1, LUT2. Результирующие метки TS1, TS2 времени сравниваются на компараторе 122, и блок 124 принятия решения генерирует сигнал 126 обратной связи, который используется для регулировки коэффициента M умножения (если требуется регулировка). Если расстояние, определенное компаратором 122, превышает 256 (в том смысле, что наклон слишком крутой), то сигнал 126 обратной связи является надлежащим образом сигналом “do_decr”, который предписывает уменьшить коэффициент M умножения на выбранную величину (например, если коэффициент M умножения или “mul_factor” имеет точность 12 битов и представлен в шестнадцатеричном счислении, то снижение может составлять от 0x800 до 0x7FF).
Напротив, если наклон слишком пологий, то сигнал 126 обратной связи является сигналом “do_incr”, который предписывает увеличить коэффициент M умножения на выбранную величину для компенсации слишком пологого наклона. Кроме того, если наклон верен, так что разность TS1, TS2 равна 256, то сигнал 126 обратной связи является “hold”, который предписывает не изменять коэффициент M умножения.
Когда регистрируется следующее событие, и его инициирующий сигнал поступает на схему 30 установки меток времени для установки меток времени, схема 120 калибровки TDC снова вызывается, на этот раз с коэффициентом M умножения чуть меньшим 1,0. Теперь выходные сигналы 100, 102 умножаются на mul_factor, который несколько ниже 1,0, для обеспечения коррекции “слишком крутых” наклонов. Это будет продолжаться для каждой регистрации/установки метки времени события, в результате чего, коэффициент M умножения (mul_factor) регулируется для компенсации любого дрейфа для поддержания фиксированного смещения по времени (в этом количественном примере) 256 (или 5 нс).
Если один из TDC 70, 72 находится в нестабильном или метастабильном состоянии (например, состоянии 90 для TDC 70 или состоянии 94 для TDC 72 как указано на фиг. 3, причем это состояние указано подходящими значениями битов 104, 106 выбора, показанными на фиг. 2) соответствующие итерационные операции схемы 120 калибровки TDC, в необязательном порядке, пропускаются.
Подход схемы 120 автокалибровки TDC на фиг. 6 применяет приращение “do_incr” или снижение “do_decr” фиксированной величины, и сигнал 126 обратной связи идентифицирует только “направление” регулировки коэффициента M умножения. Этот подход пригоден, если предположить, что дрейф TDC происходит относительно медленно, что ожидается для дрейфа, обусловленного изменением температуры и/или напряжения, в связи с чем, итерационное увеличение или уменьшение коэффициента M умножения может сохраняться при медленном дрейфе. В другом допустимом подходе, направление и величина сигнала 126 обратной связи вычисляется на основании величины разности меток TS1, TS2 времени для обеспечения однократной регулировки коэффициента M умножения, который призван корректировать дрейф при однократной регулировке (то есть без приращения). Этот подход предполагает изменение блока 124 принятия решения для вычисления величины сигнала 126 обратной связи на основании величины разности между метками TS1, TS2 времени.
Схема 120 автокалибровки TDC, описанная с конкретной ссылкой на фиг. 1 и 6, обеспечивает компенсацию временного дрейфа TDC. В вариантах осуществления, в которых пиксель детектора содержит двухмерную матрицу детекторов (например, двухмерную матрицу SPAD), пиксель также, в необязательном порядке, включает в себя коррекцию перекоса. Ошибка перекоса возникает из-за того, что инициирующий сигнал, соответствующий событию регистрации (например, регистрации частицы с энергией 511 кэВ в случае формирования ПЭТ-изображения), генерируется единичным инициирующим детектором матрицы детекторов. Если временные характеристики этого инициирования изменяются от детектора к детектору матрицы детекторов, то хронирование инициирующего сигнала зависит от того, какой детектор задействован в качестве инициирующего детектора. Такое изменение можно уменьшать, конфигурируя схему 28 инициирования “сбалансированным” образом, чтобы длина пути распространения от любого детектора матрицы детекторов до схемы 30 установки меток времени всегда была одинаковой. См., например, публикацию Prescher и др., WO 2009/019660 A2, опубл. 12 февраля 2009, включенную в данное описание посредством ссылки в полном объеме для некоторых иллюстративных схем инициирования, предназначенных для снижения перекоса. Тем не менее, даже при балансировке схемы 28 инициирования при построении матрицы детекторов, предполагается, что вариации процесса может приводить к существенному перекосу, наблюдаемому в матрице детекторов.
Раскрытые здесь подходы для коррекции перекоса основаны на оценивании перекоса путем измерения времени распространения инициирующего сигнала от каждого детектора к схеме 30 установки меток времени, и коррекции перекоса на основании этих измерений. На этапе измерения можно применять различные ручные, автоматизированные или полуавтоматизированные процедуры измерения. В оптическом подходе, лазер, генерирующий пикосекундные импульсы света, применяется к отдельным ячейкам SPAD матрицы детекторов, и карта задержки между лазерным импульсом и меткой времени по матрице детекторов обеспечивает данные для оценивания перекоса матрицы детекторов. Вместо оптической активации отдельных ячеек SPAD, в матрице детекторов можно обеспечить специальную схему инжекции тока. В некоторых вариантах осуществления матрица детекторов включает в себя запрещающую логику, которая может “отключать” инициирующую способность выбранных ячеек SPAD, что позволяет по отдельности характеризовать характеристики инициирования отдельных ячеек SPAD. См., например, Frach и др., патент США № 7,723,694, выданный 25 мая 2010, который в полном объеме включен в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
Со ссылкой на фиг. 7, когда характеристики перекоса каждого SPAD 130 матрицы детекторов 22 охарактеризованы, эта информация используется для создания поисковой таблицы 132 коррекции перекоса. Позиция инициирующей ячейки SPAD, которая зарегистрировала первый фотон, сохраняется. Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 7, это осуществляется набором строчных триггеров 134 и набором столбцовых триггеров 136, которые совместно сохраняют индекс (строка, столбец), если инициирующая ячейка SPAD находится на периферии матрицы пиксельных детекторов 22. Координаты (строка, столбец) вводятся в поисковую таблицу 132 коррекции перекоса, которая выводит коррекцию перекоса для инициирующей ячейки SPAD на схему 30 установки меток времени (см. фиг. 1) для использования при коррекции метки времени. В типичном подходе, в поисковой таблице 132 коррекции перекоса хранятся смещения по времени, и смещение по времени для инициирующей ячейки SPAD прибавляется к (или, в некоторых вариантах осуществления и для некоторых инициирующих ячеек SPAD, возможно, вычитается из) метке TS времени для генерирования метки времени с коррекцией перекоса.
Согласно фиг. 8, в альтернативном варианте осуществления позиция инициирующей ячейки SPAD сохраняется в отдельной ячейке SPAD. Главный инициирующий сигнал 140 (используемый для запуска TDC) возвращается на каждую ячейку SPAD, с минимальной задержкой для минимизации количества множественных регистраций, и этот сигнал 140 затем используется для фиксации состояния ячейки через триггер 142. Эта информация поступает в поисковую таблицу 132 коррекции перекоса, согласно фиг. 7 (аспект, не показанный на фиг. 8) для генерирования коррекции перекоса.
Согласно фиг. 9, в другом подходе схема 28 инициирования изменяется путем добавления регулируемых элементов задержки для коррекции перекоса. Как показано на фиг. 9, схема 28 инициирования надлежащим образом содержит сеть из узлов объединения сигналов, из которых на фиг. 9 в порядке иллюстративного примера показаны узлы 150, 152, 154 объединения сигналов. Инициирующий сигнал исходит из инициирующей ячейки SPAD набора ячеек SPAD, содержащего матрицу детекторов 22, и инициирующий сигнал распространяется через узлы 150, 152, 154 схемы 28 инициирования, достигая схемы 30 установки меток времени. Сеть узлов, в необязательном порядке, балансируется таким образом, чтобы инициирующий сигнал проходил через одно и то же количество узлов для достижения схемы 30 установки меток времени независимо от того, какая ячейка SPAD 130 выступает в качестве инициирующей ячейки SPAD. Тем не менее, могут возникать некоторые различия в полном распространении инициирующего сигнала в зависимости от того, какая ячейка SPAD является инициирующей ячейкой SPAD.
С этой целью, выбранные узлы, например, иллюстративные узлы 150, 152, включают в себя соответствующие элементы 160, 162 задержки, которые регулируются для коррекции любого перекоса. Элементы 160, 162 задержки могут, например, содержать элементы задержки с цифровым управлением, например, описанные в документе Maymandi-Nejad и др., “A Digitally Programmable Delay Element: Design and Analysis”, IEEE Trans. on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 11, no. 5, pages 871-878 (2003), который в полном объеме включен в настоящее описание изобретения посредством ссылки. Можно использовать и другие типы элементов задержки, например, специализированную буферную схему или буферы с переменными нагрузками.
Элементы 160, 162 задержки регулируются таким образом, чтобы задержку, вносимую каждым элементом 160, 162 задержки, можно было по отдельности конфигурировать. На основании измерений перекоса, задержки, вносимые элементами 160, 162 задержки устанавливаются для коррекции перекоса. Элемент задержки может располагаться на каждом узле или, альтернативно, на поднаборе узлов (согласно фиг. 9, узлы 150, 152 включают в себя соответствующие элементы 160, 162 задержки, но узел 154 не включает в себя элемент задержки). Диапазон и минимальный шаг регулировки задержки каждого элемента 160, 162 задержки можно выбирать на основании его позиции в сети инициирования.
Подход, представленный на фиг. 9, в котором элементы 160, 162 задержки включены в схему 28 инициирования, имеет определенные преимущества. Перекос корректируется независимо от количества регистрируемых фотонов. Дополнительно, конструкционное условие баланса сети инициирования можно ослабить, поскольку любой дисбаланс в сети инициирования можно скомпенсировать путем регулировки элементов 160, 162 задержки.
Раскрытые детекторы с установкой меток времени, имеющие повышенную устойчивость к временному дрейфу и пространственному перекосу описаны с иллюстративной ссылкой на TOF ПЭТ, что схематично проиллюстрировано на фиг. 1. Однако раскрытые детекторы найдут более общее применение, например, в матрицах детекторов одиночных фотонов, используемых в различных приборах и таких областях, как астрономия, физика и т.д.
Изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Очевидно, на основании вышеприведенного подробного описания, можно предложить различные модификации и изменения. Изобретение следует рассматривать как включающее в себя все подобные модификации и изменения при условии, что они отвечают объему нижеследующей формулы изобретения или ее эквивалентов.
1. Способ детектирования излучения, содержащий этапы, на которых:
регистрируют событие;
генерируют инициирующий сигнал, ассоциированный с регистрацией события;
генерируют первую метку (TS1) времени для инициирующего сигнала с использованием первого аналого-цифрового преобразователя (70) времени (TDC);
генерируют вторую метку (TS2) времени для инициирующего сигнала с использованием второго TDC (72) имеющего фиксированное смещение по времени относительно первого TDC; и
связывают метку времени с событием на основе первой метки времени, второй метки времени и сравнения (1) разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени и (2) фиксированного смещения по времени.
2. Способ по п. 1, в котором этап связывания содержит подэтап, на котором регулируют временную калибровку первого TDC и временную калибровку второго TDC в соответствии с разницей по времени между второй меткой времени и первой меткой времени, которая отличается от упомянутого фиксированного смещения по времени.
3. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
(i) синхронизируют первый TDC (70) с общим тактовым сигналом (62); и
(ii) синхронизируют второй TDC (72) с общим тактовым сигналом (62);
причем операции синхронизации (i) и (ii) определяют фиксированное смещение по времени второго TDC относительно первого TDC как период общего тактового сигнала или как фиксированную долю или кратное периода общего тактового сигнала.
4. Способ по п. 1, в котором:
этап генерирования первой метки (TS1) времени с использованием первого TDC (70) содержит подэтапы, на которых измеряют первый интервал (100) времени и преобразуют первый интервал времени в первую метку времени с использованием первой операции преобразования;
этап генерирования второй метки (TS2) времени с использованием второго TDC (72) содержит подэтапы, на которых измеряют второй интервал (102) времени и преобразуют второй интервал времени во вторую метку времени с использованием второй операции преобразования; и
этап связывания содержит подэтап, на котором регулируют первую и вторую операции преобразования в соответствии с разницей по времени между второй меткой времени и первой меткой времени, которая отличается от упомянутого фиксированного смещения по времени.
5. Способ по п. 4, в котором:
первая операция преобразования включает в себя умножение на коэффициент (М) умножения;
вторая операция преобразования включает в себя умножение на коэффициент (М) умножения; и
этап связывания содержит подэтапы, на которых увеличивают коэффициент (М) умножения, если разница по времени между второй меткой времени и первой меткой времени меньше упомянутого фиксированного смещения по времени, и уменьшают коэффициент (М) умножения, если разница по времени между второй меткой времени и первой меткой времени больше упомянутого фиксированного смещения по времени.
6. Способ по п. 1, в котором:
этап генерирования первой метки (TS1) времени с использованием первого TDC (70) содержит подэтапы, на которых измеряют первый интервал (100) времени и преобразуют первый интервал времени в первую метку времени с использованием первой операции преобразования, включающей в себя умножение на коэффициент (М) умножения;
этап генерирования второй метки (TS2) времени с использованием второго TDC (72) содержит подэтапы, на которых измеряют второй интервал (102) времени и преобразуют второй интервал времени во вторую метку времени с использованием второй операции преобразования, включающей в себя умножение на коэффициент (М) умножения; и
этап связывания содержит подэтап, на котором увеличивают или уменьшают коэффициент (М) умножения для уменьшения любой разности между (1) разницей по времени между второй меткой времени и первой меткой времени и (2) упомянутым фиксированным смещением по времени.
7. Способ по п. 4, в котором первая операция преобразования включает в себя применение первой поисковой таблицы (LUT1), и вторая операция преобразования включает в себя применение второй поисковой таблицы (LUT2).
8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором упомянутая регистрация осуществляется с использованием матрицы детекторов (22), причем инициирующий сигнал генерируется инициирующим детектором матрицы детекторов, и способ дополнительно содержит этап, на котором задерживают инициирующий сигнал на время задержки, выбранное на основе инициирующего детектора.
9. Способ по п. 8, в котором этап задерживания содержит подэтапы, на которых:
обеспечивают регулируемые элементы (160, 162) задержки в сети (28) инициирующего сигнала, ассоциированной с матрицей детекторов (22); и
устанавливают времена задержки для регулируемых элементов задержки для компенсации перекоса матрицы в матрице детекторов.
10. Способ по любому из пп. 1-7, в котором упомянутая регистрация осуществляется с использованием матрицы детекторов (22), инициирующий сигнал генерируется инициирующим детектором матрицы детекторов, и способ дополнительно содержит этап, на котором регулируют первую метку (TS1) времени и вторую метку (TS2) времени на основе инициирующего детектора.
11. Способ по любому из пп. 1-7, в котором этап связывания содержит подэтап, на котором связывают упомянутое событие с одной из (i) первой метки (TS1) времени, (ii) второй метки (TS2) времени и (iii) объединения первой метки времени и второй метки времени; причем при данном связывании делают выбор между (i), (ii) и (iii) на основе оценки достоверности первой метки времени и второй метки времени.
12. Способ по любому из пп. 1-7, в котором этап регистрации содержит подэтап, на котором регистрируют частицу излучения с использованием матрицы детекторов (10) для позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ), и способ дополнительно содержит этапы, на которых:
повторно осуществляют регистрацию, генерирование инициирующего сигнала, генерирование первой и второй меток времени (TS1, TS2), и связывание для получения массива данных событий регистрации излучения, снабженных метками времени;
генерируют времяпролетный (TOF) массив данных ПЭТ из массива данных событий регистрации излучения, снабженных метками времени; и
реконструируют массив данных TOF ПЭТ для генерирования изображения ПЭТ.
13. Устройство детектирования излучения, содержащее:
детектор (22), сконфигурированный с возможностью регистрации события;
первый аналого-цифровой преобразователь (70) времени (TDC), сконфигурированный с возможностью генерирования первой метки (TS1) времени для регистрации события;
второй TDC (72), сконфигурированный с возможностью генерирования второй метки (TS2) времени для регистрации события, причем между вторым TDC и первым TDC существует фиксированное смещение по времени; и
схему (120) автокалибровки, сконфигурированную с возможностью регулировки первого TDC и второго TDC для поддержания разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени, равной фиксированному смещению по времени между вторым TDC и первым TDC.
14. Устройство по п. 13, в котором первый TDC (70) и второй TDC (72) оба синхронизированы с общим тактовым сигналом (62), который задает фиксированное смещение по времени между вторым TDC и первым TDC.
15. Устройство по п. 13, в котором:
первый TDC (70) измеряет первый интервал (100) времени и преобразует первый интервал времени в первую метку (TS1) времени с использованием первой операции преобразования;
второй TDC (72) измеряет второй интервал (102) времени и преобразует второй интервал времени во вторую метку (TS2) времени с использованием второй операции преобразования; и
схема (120) автокалибровки регулирует первую и вторую операции преобразования для поддержания разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени, равной фиксированному смещению по времени между вторым TDC и первым TDC.
16. Устройство по п. 15, в котором:
первая операция преобразования включает в себя умножение на коэффициент (М) умножения;
вторая операция преобразования включает в себя умножение на коэффициент (М) умножения; и
схема (120) автокалибровки сконфигурирована с возможностью регулировки коэффициента (М) умножения для поддержания разницы по времени между второй меткой (TS2) времени и первой меткой (TS1) времени, равной фиксированному смещению по времени между вторым TDC и первым TDC.
17. Устройство по п. 16, в котором блок (120) автокалибровки сконфигурирован с возможностью увеличивать коэффициент (М) умножения, если разница по времени между второй меткой (TS2) времени и первой меткой (TS1) времени меньше упомянутого фиксированного смещения по времени, и уменьшать коэффициент умножения, если разница по времени между второй меткой времени и первой меткой времени больше упомянутого фиксированного смещения по времени.
18. Устройство по любому из пп. 15-17, в котором первая операция преобразования включает в себя применение первой поисковой таблицы (LUT1), и вторая операция преобразования включает в себя применение второй поисковой таблицы (LUT2).
19. Устройство по любому из пп. 13-17, в котором детектор содержит матрицу детекторов (22), и устройство дополнительно содержит схему (28) инициирования, сконфигурированную с возможностью распространения инициирующего сигнала, ассоциированного с регистрацией события, от инициирующего детектора матрицы детекторов на первый и второй TDC (70, 72), причем схема инициирования включает в себя элементы (160, 162) задержки, сконфигурированные с возможностью задержки распространения инициирующего сигнала на основе того, какой детектор является инициирующим детектором.
20. Устройство по любому из пп. 13-17, в котором детектор содержит матрицу детекторов (22), и устройство дополнительно содержит:
схему (28) инициирования, сконфигурированную с возможностью распространения инициирующего сигнала, ассоциированного с регистрацией события, от инициирующего детектора матрицы детекторов на первый и второй TDC (70, 72); и
схему (132, 134, 136, 142, 160, 162) коррекции перекоса, сконфигурированную с возможностью регулировки метки (TS) времени, генерируемой из первой метки (TS1) времени и второй метки (TS2) времени, на основе того, какой детектор является инициирующим детектором.
21. Устройство по любому из пп. 13-17, в котором детектор (22) содержит матрицу ячеек (130) лавинного детектора (SPAD) одиночных фотонов на основе кремния.
22. Система позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ), включающая в себя:
детекторы (10) излучения, содержащие устройство по любому из пп. 13-21; и
устройство (40) обработки, сконфигурированное с возможностью генерировать времяпролетные (TOF) данные ПЭТ из выходного сигнала детекторов излучения и реконструировать TOF данные ПЭТ для генерирования изображения.
23. Устройство детектирования излучения, содержащее:
матрицу детекторов (22), сконфигурированных с возможностью регистрации события;
схему (28) инициирования, сконфигурированную с возможностью распространения инициирующего сигнала, ассоциированного с регистрацией события, от инициирующего детектора матрицы детекторов на схему (30) установки меток времени, сконфигурированную с возможностью генерирования метки (TS) времени для регистрации события; и
схему (132, 134, 136, 142, 160, 162) коррекции перекоса, сконфигурированную с возможностью регулировки метки времени на основе того, какой детектор является инициирующим детектором,
при этом схема (30) установки меток времени содержит:
первый аналого-цифровой преобразователь (70) времени (TDC), сконфигурированный с возможностью генерирования первой метки (TS1) времени для регистрации события на основе инициирующего сигнала;
второй TDC (72), сконфигурированный с возможностью генерирования второй метки (TS2) времени для регистрации события на основе инициирующего сигнала; и
схему (120) автокалибровки, сконфигурированную с возможностью регулировки первого TDC и второго TDC для поддержания разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени, равной заранее определенному фиксированному смещению по времени между вторым TDC и первым TDC.
