Формирование временных меток обнаруженных квантов излучения

Формирование временных меток обнаруженных квантов излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к формированию временных меток обнаруженных квантов излучения и находит применение в области физики частиц с высокой энергией. Такие применения охватывают прямое обнаружение квантов излучения в виде оптических фотонов, таких как излучение Черенкова, а также косвенное обнаружение квантов излучения посредством оптических фотонов, произведенных элементом сцинтиллятора. Изобретение находит конкретное применение в системах формирования изображений позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), и, еще более конкретно, изобретение может использоваться во времяпролетных (ВП) системах формирования изображений ПЭТ.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

При формировании изображений ПЭТ в объект, такой как пациент или животное, перед его помещением в область формирования изображений ПЭТ вводят радиофармпрепарат. Радиофармпрепарат предпочтительно поглощается областями объекта, и после периода усвоения получают изображение его распределения. Затем врач интерпретирует относительное усвоение (накопление) в конкретных областях на изображениях, таких как органы, и может поставить диагноз объекта. Радиофармпрепарат претерпевает радиоактивный распад, что приводит к созданию позитронов. Каждое событие распада создает один позитрон, который проходит несколько миллиметров в человеческой ткани, где он затем взаимодействует с электроном в событии аннигиляции, которое создает два противоположно направленных гамма-фотона. Каждый из двух гамма-фотонов имеет энергию 511 кэВ, и затем их обнаруживают детекторами гамма-фотонов, расположенными радиально вокруг области получения ПЭТ-изображений, каждый из которых дает электрический сигнал, когда в него ударяется падающий гамма-фотон. В детекторе гамма-фотонов, который определен здесь как содержащий элемент сцинтиллятора, находящийся в оптической связи с оптическим детектором, элемент сцинтиллятора преобразовывает высокоэнергетический гамма-фотон в сцинтилляционный световой импульс, содержащий несколько оптических фотонов, а электрический сигнал генерируется оптическим детектором. Для каждого электрического сигнала блоком формирования меток времени выдается метка времени, которая сравнивается с другими метками времени в блоке определения совпадения. Два гамма-фотона идентифицируются как совпадающие, если их метки времени имеют место в пределах узкого временного интервала друг от друга; обычно, если они находятся в пределах +/- 3 нс. Положения этих двух детекторов, принимающих совпадающие гамма-фотоны, определяют линию в пространстве, вдоль которой имело место событие аннигиляции, называемую линией ответа (LOR). Такие линии ответа затем реконструируются (воссоздаются) с получением изображения, иллюстрирующего распределение радиофармпрепарата в пределах области получения изображений. Во времяпролетной (ВП) ПЭТ небольшая разница во времени между двумя обнаруженными гамма-фотонами также используется для локализации положения вдоль линии ответа, в котором имело место событие аннигиляции, и, таким образом, улучшается пространственное разрешение реконструированного изображения. В ПЭТ глубины взаимодействия (ГВ) траектории двух обнаруженных гамма-фотонов могут быть также оценены для улучшения пространственного разрешения реконструированного изображения посредством уменьшения ошибок параллакса.

В системах формирования изображений ПЭТ в целом блок формирования меток времени, который выдает метки времени принятым гамма-фотонам, обычно включает в себя блок синхронизации, такой как преобразователь "время-цифровой код" (TDC) и блок срабатывания метки времени. Блок срабатывания метки времени заставляет блок синхронизации формировать метку времени, указывающую на время приема каждого гамма-фотона, для последующего анализа блоком определения совпадения. Блок срабатывания метки времени заставляет блок синхронизации формировать метку времени, когда сигнал на его входе превышает заданный порог, и желательно, чтобы это происходило как можно скорее после обнаружения гамма-фотона, чтобы оптимизировать точность синхронизации системы формирования изображений ПЭТ.

Блок формирования меток времени, используемый для целей синхронизации при прямом обнаружении квантов излучения, таких как излучение Черенкова, работает почти таким же образом. Однако при обнаружении излучения Черенкова оптический детектор генерирует электрический сигнал непосредственно из обнаруженных квантов излучения, то есть в отсутствие элемента сцинтиллятора.

Ложное срабатывание блока синхронизации является проблемой, которая может возникнуть в системах, использующих так называемое прямое обнаружение, а также в системах, использующих косвенное обнаружение, таких как системы формирования изображений ПЭТ, и она является особенно острой в системах, которые используют в качестве оптического детектора детекторы с цифровым кремниевым фотоумножителем (Si-ФЭУ), работающим в режиме счетчика Гейгера. Цифровые детекторы с Si-ФЭУ страдают от шума темновых счетных импульсов, что проявляется как ложные электрические импульсы на выходе оптического детектора в отсутствие действительного события, такого как оптический импульс или принятый гамма-фотон. Электрические импульсы от шума темновых счетных импульсов часто неправильно интерпретируются блоком срабатывания метки времени и ложным образом заставляют блок синхронизации формировать метку времени. Такое ложное срабатывание приводит к периоду нечувствительности блока синхронизации, т.е. периоду времени, в течение которого блок синхронизации должен быть возвращен в исходное состояние (сброшен на ноль) и во время которого он не способен определять время приема действительных событий. Шум темновых счетных импульсов сильно зависит от температуры и даже при комнатных температурах может создать значительное время нечувствительности блока синхронизации.

Некоторое различение между шумом темновых счетных импульсов и сигналами от действительных событий может быть достигнуто посредством увеличения порога блока срабатывания метки времени. Однако это ограничивало преимущества из-за подвергаемой сомнению природы электрических импульсов, возникающих в результате шума темновых счетных импульсов, и из-за риска того, что некоторые действительные события не создают достаточно большой сигнал для срабатывания блока срабатывания метки времени. Пропуск действительных событий ухудшает чувствительность обнаружения. При формировании изображений ПЭТ это ухудшает соотношение сигнал/шум системы. Увеличение порога блока срабатывания метки времени имеет дополнительный недостаток увеличения задержки между приемом действительного события и временем его метки времени, тем самым ухудшая точность синхронизации блока формирования меток времени.

Также были внедрены два дополнительных способа смягчения эффектов шума темновых счетных импульсов: охлаждение оптического детектора и подтверждение срабатывания. Охлаждение оптического детектора уменьшает шум темновых счетных импульсов из-за его зависимости от температуры и обычно является требованием таких систем формирования изображений. Это требует присоединения массивного устройства охлаждения к оптическим детекторам, что неблагоприятно влияет на размер системы, стоимость и требования по питанию. Подтверждение срабатывания также использовалось в контексте формирования изображений ПЭТ. При этом электрические сигналы от оптических детекторов, чувствительных к сцинтилляционным световым импульсам, получающимся из гамма-фотонов, используются для формирования сигнала подтверждения срабатывания, указывающего на то, что сигнал срабатывания произошел из-за гамма-фотона, а не шума темновых счетных импульсов. В известной схеме срабатывания, раскрытой в заявке на патент WO2006/111883A2, блок срабатывания метки времени заставляет блок синхронизации формировать метку времени, когда был обнаружен первый оптический фотон в сцинтилляционном световом импульсе. Схема подтверждения срабатывания выдает соответствующий сигнал подтверждения на основе логической операции И/ИЛИ нескольких таких сигналов оптического детектора, которая является истиной, когда заданное число таких сигналов оптического детектора впоследствии превышает порог. Подтвержденное срабатывание блока синхронизации после приема гамма-фотона характеризуется обнаружением его сцинтилляционного света во множественных оптических детекторах и вызывает истинный сигнал подтверждения, приводящий к выработке метки времени. В отличие от этого шум темновых счетных импульсов вызывает срабатывание меньшего количества оптических детекторов и вызывает ложный сигнал подтверждения, приводящий к подавлению метки времени и сбросу блока синхронизации.

Документ "The digital silicon photomultiplier - Principle of operation and intrinsic detector performance" («Цифровой кремниевый фотоумножитель - принцип работы и присущие характеристики детектора»), 2009 IEEE Nuclear science symposium and medical imaging conference (NSS/MIC 2009), Orlando, FL, USA, IEEE, Pitscataway, NJ, USA, 24 октября 2009, страницы 1959-1965, раскрывает полностью цифровую реализацию кремниевого фотоумножителя. Раскрытый датчик основан на фотодиоде ОФЛД, интегрированном в стандартном КМОП-процессе. Сбалансированная сеть срабатывания используется для распространения сигнала срабатывания ото всех ячеек к интегрированному преобразователю "время-цифровой код" (TDC).

Заявка на патент WO2006/111883A2 раскрывает детектор излучения, который включает в себя массив пикселей детектора, каждый из которых включает в себя матрицу ячеек детектора. Каждая ячейка детектора включает в себя фотодиод, смещенный в область пробоя, и цифровую схему, соединенную с фотодиодом и выполненную с возможностью выдавать первое цифровое значение в состоянии покоя и второе цифровое значение в ответ на обнаружение фотона фотодиодом. Цифровая схема срабатывания выполнена с возможностью выдавать сигнал срабатывания, указывающий на начало периода времени интеграции, в ответ на выбранное число из одной или более ячеек детектора, переходящих от первого цифрового значения ко второму цифровому значению.

Заявка на патент US2013/009063A1 раскрывает систему и способ определения начала гамма-взаимодействий для формирования изображений ПЭТ. Синхронизация последовательности первичных события срабатывания получается и используется для определения взвешенной комбинации, которая микширует информацию синхронизации от различных первичных событий срабатывания, чтобы вычислить общую временную характеристику событий срабатывания с улучшенным временным разрешением.

Заявка на патент US2013/020487A1 раскрывает способ работы ПЭТ-сканера, который определяет глубину взаимодействия аннигиляционных фотонов в пределах сцинтиллятора при локализации временнóй пары фотонов вдоль линии ответа (LOR).

Заявка на патент WO2008/079445A2 раскрывает установку ПЭТ, которая включает в себя множество систем чувствительных к излучению детекторов и систем выборочного срабатывания. Системы выборочного срабатывания идентифицируют сигналы детектора, полученные в результате обнаруженного гамма-излучения, игнорируя ложные сигналы детектора. В одной реализации установка включает в себя преобразователь "время-цифровой код", который разделяет временной интервал измерения (T_max) в соответствии с двоичным иерархическим разложением уровня H, где H является целым числом, большим или равным единице.

Заявка на патент US2011/095173A1 раскрывает детектор излучения, который включает в себя фотодатчик для приема света через вход и для отправки электрического импульса через выход в ответ на прием света. Детектор излучения также может включать в себя анализатор импульсов, чтобы отправлять индикатор счетчику импульсов, когда электрический импульс соответствует сцинтилляционному импульсу, и не отправлять индикатор счетчику импульсов, когда электрический импульс соответствует шумовому импульсу.

Однако эти решения по-прежнему страдают от того недостатка, что оптические детекторы должны быть охлаждены для уменьшения шума темновых счетных импульсов до допустимого уровня. Кроме того, высокий порог блока срабатывания метки времени ограничивает достижимое разрешение синхронизации.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является улучшение подавления шума при формировании временных меток обнаруженных квантов излучения в областях применения физики частиц с высокой энергией. Дополнительной задачей изобретения является улучшение точности хронометража таких обнаруженных квантов излучения.

Эти задачи решаются посредством устройства обнаружения излучения, содержащего пиксельную матрицу оптического детектора, блок срабатывания метки времени и блок синхронизации. Также раскрыты система, способ и компьютерный программный продукт для решения этих задач. В устройстве обнаружения излучения пиксельная матрица оптического детектора содержит одну или более пиксельных ячеек, которые могут срабатывать под действием оптических фотонов. Блок срабатывания метки времени находится в функциональной связи с блоком синхронизации. Блок срабатывания метки времени принимает сигналы от пиксельной матрицы оптического детектора и выполнен с возможностью определять частоту срабатывания пиксельной ячейки для упомянутых одной или более пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы оптического детектора. В соответствии с первым аспектом изобретения блок срабатывания метки времени выполнен с возможностью вынуждать блок синхронизации формировать метку времени на основе частоты срабатывания пиксельной ячейки для упомянутых одной или более пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы оптического детектора. В предпочтительной реализации метка времени формируется, если частота срабатывания пиксельной ячейки превышает заданную частоту. В других рассмотренных реализациях метка времени формируется, если частота срабатывания пиксельной ячейки меньше заданной частоты, находится в пределах заданного диапазона от заданной частоты или равна заданной частоте. Это отличается от известного способа, в котором блок срабатывания метки времени заставляет блок синхронизации генерировать метку времени, когда обнаружен первый оптический фотон в сцинтилляционном световом импульсе. Подавление шума при хронометраже обнаруженных квантов излучения в целом улучшено посредством различения на основе частоты срабатывания пиксельной ячейки, тем самым заставляющего блок синхронизации формировать метку времени, поскольку световые импульсы, характеризующие их обнаружение, обычно имеют место в пределах короткого периода времени. Например, при формировании изображений ПЭТ сцинтилляционный световой импульс, полученный в результате приема гамма-фотона элементом сцинтиллятора, характеризуется высокой начальной частотой генерации оптических фотонов и, таким образом, высокой частотой срабатывания пиксельной ячейки, тогда как шум темновых счетных импульсов характеризуется срабатыванием пиксельных ячеек на более низкой частоте. В применениях так называемого прямого обнаружения также предполагается, что представляющий интерес первоначальный световой импульс происходит аналогично как короткий импульс оптических фотонов. Заставляя блок синхронизации формировать метку времени на основе частоты срабатывания пиксельной ячейки, блок срабатывания метки времени обеспечивает улучшенное различение между электрическими сигналами, полученными из оптических фотонов, и электрическими сигналами, вызванными шумом темновых счетных импульсов. Поскольку блок синхронизации формирует метку времени только тогда, когда существует высокая вероятность, что электрические сигналы порождаются из-за оптических фотонов, уменьшается частота, с которой блок синхронизации сбрасывается после того, как он сработал для формирования метки времени под действием шума. Следовательно, подавление шума при формировании временных меток обнаруженных квантов излучения улучшается. Таким образом, свойственное блоку синхронизации время сброса после ложного срабатывания под действием шума происходит менее часто, и блок синхронизации доступен для формирования меток времени обнаружения оптических фотонов в течение большей доли времени. Дополнительным преимуществом, возникающим в результате снижения частоты ложного срабатывания блока синхронизации, является снижение требований к охлаждению оптического детектора. Это вызвано тем, что использующий изобретение блок синхронизации способен формировать метки времени в течение той же доли времени уже при более высокой температуре, чем существующие способы. При формировании изображений ПЭТ, например, вследствие высокой начальной частоты генерации оптических фотонов в элементе сцинтиллятора частота срабатывания также может быть оценена за короткий период времени, тем самым позволяя проводить быстрое различение между сцинтилляционным световым импульсом, полученным из-за приема гамма-фотона, и шумом темновых счетных импульсов. Это, кроме того, улучшает точность синхронизации. Еще одно преимущество, возникающее в результате срабатывания блока синхронизации на основе частоты срабатывания пиксельной ячейки, состоит в том, что ее улучшенное подавление шума позволяет формировать метку времени после обнаружения меньшего количества оптических фотонов. Это позволяет уменьшить пороговый уровень блока срабатывания метки времени ближе к уровню шума оптического детектора, позволяя формировать метки времени после обнаружения, например, первого оптического фотона, тем самым улучшая временное разрешение блока формирования меток времени.

В соответствии с другим аспектом изобретения метка времени формируется, если частота срабатывания пиксельной ячейки превышает пороговое значение частоты. Различение шума темновых счетных импульсов, который обычно ведет к более низкой частоте срабатывания пиксельной ячейки, чем от оптического импульса в результате кванта излучения, улучшается при принятии решения о формировании метки времени на основе частоты срабатывания пиксельной ячейки, превышающей пороговое значение частоты.

В соответствии с другим аспектом изобретения частота срабатывания пиксельной ячейки определяется посредством вычисления количества сработавших пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы оптического детектора в течение заданного периода задержки. Пиксельные ячейки могут представлять собой однофотонный лавинный детектор (ОФЛД), иначе известные как пиксельные ячейки с кремниевым фотоумножителем (Si-ФЭУ), которые имеют состояние цифрового выхода, которое соответствует тому, сработала ли пиксельная ячейка или нет. Таким образом, частота может быть определена посредством вычисления, то есть подсчета, количества пиксельных ячеек, которые сработали, а значит, установлены в состояние срабатывания, указывающее на обнаружение оптического фотона, в пределах заданного периода времени, называемого периодом задержки. Использование заданного периода задержки дает возможность различения сигналов от пиксельной матрицы оптического детектора на основе временного профиля сработавших пиксельных ячеек.

В соответствии с другим аспектом изобретения метка времени формируется на основе удовлетворения условия количества сработавших пиксельных ячеек перед тем, как удовлетворено условие частоты срабатывания пиксельной ячейки. Например, условия могут состоять в том, что количество сработавших пиксельных ячеек или частота срабатывания пиксельной ячейки превышает, меньше, находится в пределах заданного диапазона от или равно(а) заданному подсчитанному количеству или заданной частоте соответственно. Выгодным образом, подлинность сигналов от матрицы оптического детектора улучшается перед формированием метки времени, что приводит к улучшенному подавлению шума.

В соответствии с другим аспектом изобретения метка времени формируется, если подсчитанное количество сработавших пиксельных ячеек превышает пороговое значение счета перед тем, как частота срабатывания пиксельной ячейки превышает пороговое значение частоты. Кроме того, частота срабатывания пиксельной ячейки определяется посредством вычисления количества сработавших пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы (3a) оптического детектора в течение заданного периода задержки, который начинается, когда подсчитанное количество сработавших пиксельных ячеек превышает пороговое значение счета. Следовательно, метка времени формируется, если подсчитанное количество сработавших пиксельных ячеек превышает пороговое значение счета и затем впоследствии превышает более высокое значение счета до конца заданного периода задержки таким образом, что превышено пороговое значение частоты. Выгодным образом, подлинность сигналов от матрицы оптического детектора улучшается перед формированием метки времени, что приводит к улучшенному подавлению шума.

В соответствии с другим аспектом изобретения дополнительно предусмотрен блок регулировки метки времени, выполненный с возможностью принимать метку времени от блока синхронизации. Блок регулировки метки времени выполнен с возможностью формировать отрегулированную первую метку времени, указывающую на то время, в которое соблюдается заданное условие подсчитанного количества сработавших пиксельных ячеек, посредством вычитания заданного периода задержки из времени первой метки времени. Такое вычитание может быть осуществлено процессором, например, внутри блока управления. Выгодным образом, такая метка времени может более надежно сравниваться с другими метками времени, поскольку время метки времени указывает на надежную (достоверную) позицию на профиле сигналов от матрицы оптического детектора. Такая метка времени особенно полезна, например, при формировании изображений ПЭТ, при котором может быть более точно определено время обнаружения гамма-кванта.

В соответствии с другим аспектом изобретения блок срабатывания метки времени заставляет блок синхронизации формировать метку времени дополнительно на основе второй частоты срабатывания пиксельной ячейки, определенной в более поздний момент времени. Такая система позволяет проводить улучшенное различение между электрическими сигналами и шумом темновых счетных импульсов, основываясь на решении о формировании метки времени по более точно определенному профилю частоты срабатывания пиксельной ячейки.

В соответствии с другим аспектом изобретения блок срабатывания метки времени заставляет блок синхронизации формировать метку времени, если первая частота срабатывания пиксельной ячейки превышает первую пороговую частоту, и вторая частота срабатывания пиксельной ячейки, определенная в более поздний момент времени, превышает вторую пороговую частоту. Такая система позволяет проводить еще более улучшенное различение сигналов, основываясь на решении о формировании метки времени по более точно определенному профилю оптического импульса. В особенности, это позволяет подавлять электрические импульсы от сцинтилляционных световых импульсов, которые имеют неподходящую энергию, чтобы указывать на действительное сцинтилляционное событие.

В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрен второй блок синхронизации, и блок срабатывания метки времени дополнительно выполнен с возможностью вынуждать второй блок синхронизации формировать метку времени, указывающую на время обнаружения одного или более оптических фотонов пиксельными ячейками в пределах пиксельной матрицы оптического детектора. Информация синхронизации, указывающая на время обнаружения этих одного или более оптических фотонов, может использоваться для дополнительного повышения уверенности в том, что сигналы от пиксельной матрицы оптического детектора получены из действительного сигнала, позволяя проводить различение на основе более точно определенного профиля оптического импульса. Такая информация может использоваться, например, системой формирования изображений ПЭТ, чтобы отклонять очевидно совпадающие по времени кванты, которые, судя по их профилю оптического импульса, являются на практике результатом рассеивания.

В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрен второй блок синхронизации, и блок срабатывания метки времени выполнен с возможностью вынуждать второй блок синхронизации формировать метку времени, указывающую на время, в которое частота срабатывания пиксельной ячейки удовлетворяет заданному условию частоты срабатывания. Условие частоты срабатывания, например, может состоять в том, что частота срабатывания пиксельной ячейки превышает, меньше, находится в пределах заданного диапазона от или равна заданной частоте. Информация о частоте срабатывания, обеспеченная вторым блоком синхронизации, может использоваться для дополнительного повышения уверенности, с которой сигналы от матрицы оптического детектора определяются как указывающие на действительное событие, такое как прием кванта излучения.

В соответствии с другим аспектом изобретения раскрыта система формирования изображений ПЭТ. Система формирования изображений ПЭТ содержит множество устройств обнаружения излучения в соответствии с предыдущими аспектами, и каждое устройство обнаружения излучения дополнительно содержит элемент сцинтиллятора, находящийся в оптической связи с пиксельной матрицей оптического детектора. Улучшенные устройства обнаружения излучения выгодным образом улучшают качество изображения в системе формирования изображений ПЭТ.

В соответствии с другим аспектом изобретения раскрыта система формирования изображений ПЭТ. Система формирования изображений ПЭТ содержит множество устройств обнаружения излучения в соответствии с аспектами изобретения, имеющих по меньшей мере второй блок синхронизации. Каждое устройство обнаружения излучения дополнительно содержит элемент сцинтиллятора, находящийся в оптической связи с пиксельной матрицей оптического детектора. Система формирования изображений ПЭТ дополнительно содержит блок вычисления глубины взаимодействия; причем блок вычисления глубины взаимодействия выполнен с возможностью вычислять глубину взаимодействия кванта излучения в элементе сцинтиллятора на основе разности во времени между первой меткой времени, сформированной первым блоком метки времени, и второй меткой времени, сформированной вторым блоком метки времени. Глубина взаимодействия может быть определена из справочной таблицы или по статистической функции, связывающей соотношением разности во времени с глубиной взаимодействия в элементе сцинтиллятора. Такая справочная таблица или статистическая функция могут быть созданы по эвристической или модельной информации о разности во времени на основании геометрии элемента сцинтиллятора. Такое вычисление может быть осуществлено процессором. Такая информация может использоваться, например, системой формирования изображений ПЭТ, чтобы отклонять очевидно совпадающие по времени кванты, которые, судя по их траектории, являются на практике результатом рассеивания.

В соответствии с другим аспектом изобретения раскрыта система формирования изображений ПЭТ. Система формирования изображений ПЭТ содержит множество устройств обнаружения излучения в соответствии с аспектами изобретения, имеющих по меньшей мере второй блок синхронизации. Каждое устройство обнаружения излучения дополнительно содержит элемент сцинтиллятора, находящийся в оптической связи с пиксельной матрицей оптического детектора. Система формирования изображений ПЭТ дополнительно содержит блок корректировки метки времени; причем блок корректировки метки времени выполнен с возможностью вычислять скорректированную метку времени на основе взвешенного среднего первой метки времени, сформированной первым блоком синхронизации, и второй метки времени, сформированной вторым блоком синхронизации. Взвешенное среднее может быть определено из справочной таблицы или статистической функции, относящейся к разностям во времени между метками времени, и обеспечивает более точную метку времени на основе двух входных меток времени. Такая справочная таблица или статистическая функция могут быть созданы из эвристических или модельных меток времени на основании геометрии элемента сцинтиллятора. Такое вычисление может быть осуществлено процессором. Такая информация может использоваться, например, системой формирования изображений ПЭТ, чтобы уменьшить дрожание синхронизации.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложен способ синхронизации. Способ синхронизации может использоваться, например, при формировании изображений ПЭТ или формировании изображений на основе излучения Черенкова. Способ синхронизации содержит этапы i) приема сигналов от пиксельной матрицы оптического детектора, указывающих на срабатывание одной или более пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы оптического детектора, ii) определения по меньшей мере первой частоты срабатывания пиксельной ячейки для упомянутых одной или более пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы оптического детектора и iii) формирования первой метки времени, указывающей на обнаружение кванта излучения, на основе по меньшей мере первой частоты срабатывания пиксельной ячейки для упомянутых одной или более пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы оптического детектора. Способ синхронизации может необязательно включать в себя дополнительные этапы способов, раскрытые в соответствии с другими аспектами изобретения.

В соответствии с другим аспектом изобретения раскрыт компьютерный программный продукт, содержащий исполняемые компьютером команды для выполнения этапов способа в соответствии с аспектом способа синхронизации по изобретению. Компьютерный программный продукт может содержаться на машиночитаемом носителе данных, таком как гибкий диск, магнитный жесткий диск, USB-накопитель, оптический диск, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), и, кроме того, исполняемые компьютером команды могут быть загружаемыми.

В соответствии с другим аспектом изобретения в устройстве обнаружения излучения блок синхронизации является преобразователем "время-цифровой код". Преобразователь "время-цифровой код" обычно предлагает улучшенную временную точность по сравнению с аналоговым преобразователем времени, что улучшает точность хронометража обнаружения квантов излучения.

В соответствии с другим аспектом изобретения в устройстве обнаружения излучения пиксельные ячейки в пределах пиксельной матрицы оптического детектора являются пиксельными ячейками с кремниевым фотоумножителем (Si-ФЭУ). Такие пиксельные ячейки имеют быстрый отклик и обеспечивают хорошую точность синхронизации, когда используются при обнаружении квантов излучения.

В соответствии с другим аспектом изобретения в устройстве обнаружения излучения частота срабатывания пиксельной ячейки для упомянутых одной или более пиксельных ячеек в пределах пиксельной матрицы оптического детектора определена в пределах временного интервала в диапазоне от 0,001 нс до 200 нс. Такой временной интервал дает возможность быстрого различения между шумом темновых счетных импульсов и сцинтилляционным импульсом, полученным из кванта излучения.

В соответствии с другим аспектом изобретения в устройстве обнаружения излучения частота срабатывания пиксельной ячейки для упомянутых одной или более пиксельных ячеек в пределах матрицы оптического детектора определена в пределах временного интервала в диапазоне от 0,001 нс до 200 нс после обнаружения одного или более оптических фотонов пиксельными ячейками в пределах пиксельной матрицы оптического детектора. Обнаружение конкретного числа оптических фотонов до определения частоты делает возможным срабатывание от заданной точки в профиле оптического импульса, тем самым обеспечивая повторимые рабочие характеристики синхронизации.

В соответствии с другим аспектом изобретения устройство обнаружения излучения дополнительно включает в себя логический блок подтверждения. Блок подтверждения выполнен с возможностью принимать сигналы от пиксельной матрицы оптического детектора и дополнительно выполнен с возможностью определять количество сработавших пиксельных ячеек в пределах по меньшей мере участка пиксельной матрицы оптического детектора. Логический блок подтверждения выполнен с возможностью формировать сигнал подтверждения, указывающий на действительную метку времени, на основе количества сработавших пиксельных ячеек в пределах этого участка пиксельной матрицы оптического детектора. Количество сработавших пиксельных ячеек, например, может быть определено посредством последовательного сдвига цифровых состояний пиксельных ячеек в матрице пиксельных ячеек в параллельный сумматор. Посредством обеспеченного подтверждения такая конфигурация выгодным образом улучшает различение между сцинтилляционным световым импульсом и шумом темновых счетных импульсов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 иллюстрирует множество детекторов гамма-фотонов в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.

Фигура 2 показывает примерную систему формирования изображений ПЭТ в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.

Фигура 3 иллюстрирует схему синхронизации уровня техники, используемую в системе формирования изображений ПЭТ Philips Digital Photon Counting (PDPC).

Фигура 4 иллюстрирует первый вариант осуществления блока синхронизации и блока срабатывания метки времени в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.

Фигура 5 иллюстрирует второй вариант осуществления блока синхронизации и блока срабатывания метки времени в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чтобы улучшить подавление шума при формировании временных меток обнаруженных квантов излучения в областях применения физики частиц с высокой энергией, предложено настоящее изобретение, содержащее устройство обнаружения излучения. Также предложены система, способ и компьютерный программный продукт. Устройство обнаружения излучения содержит пиксельную матрицу оптического детектора, блок срабатывания метки времени и блок синхронизации и описано со ссылкой на обнаружение гамма-фотонов в системе формирования изображений ПЭТ. Конкретная ссылка сделана на реализацию, в которой блок синхронизации является преобразователем "время-цифровой код" (TDC), хотя следует понимать, что в качестве альтернативы могут использоваться другие формы блока синхронизации, такие как аналоговый блок синхронизации. Также следует понимать, что изобретение также находит применение в более широкой области физики частиц с высокой энергией, в том числе, например, в прямом обнаружении излучения Черенкова.

При формировании изображений ПЭТ обнаружение гамма-фотонов осуществляется множеством детекторов гамма-фотонов. Такие детекторы гамма-фотонов обычно расположены вокруг области получения ПЭТ-изображений, чтобы принимать из нее гамма-фотоны. При работе каждый детектор гамма-фотонов, содержащий элемент сцинтиллятора, находящийся в оптической связи с оптическим детектором, отвечает на прием гамма-фотона созданием сцинтилляционного светового импульса в элементе сцинтиллятора. Оптический детектор, который может быть пиксельной матрицей оптического детектора, содержащей одну или более пиксельных ячеек, которые могут быть срабатывать под действием оптических фотонов, отвечает на обнаружение оптических фотонов посредством генерирования электрических сигналов. Процесс хронометража приема гамма-фотонов является фундаментальным для формирования изображений ПЭТ, при котором положения возникновения гамма-фотонов определяются через совпадение. Этот процесс хронометража обычно выполняется одним или более блоками формирования меток времени, причем блок формирования меток времени присваивает метки времени принятым гамма-фотонам. Блок синхронизации и блок срабатывания метки времени по настоящему изобретению находят