專利名稱：用于tof-pet的數(shù)字硅光電倍增管的制作方法
用于TOF-PET的數(shù)字硅光電倍增管技術(shù)領(lǐng)域下面涉及輻射檢測領(lǐng)域。特別涉及一種用于正電子發(fā)射層析X射線 攝影法(PET),特別是飛行時(shí)間法(TOF) PET的高速輻射檢測器， 將在下面有詳細(xì)的參考描述。然而，下面更一般涉及一種用于單光子發(fā) 射計(jì)算機(jī)層析X射線攝影法(SPECT )、計(jì)算機(jī)層析X射線攝影法(CT ) 等的輻射檢測器，以及涉及一種用于其它應(yīng)用例如天文學(xué)的高速輻射檢 測器。
背景技術(shù)：
在常規(guī)PET中，將放射性藥物用于病人或其它成像主體。放射性藥物產(chǎn)生發(fā)射正電子的輻射衰變事件，該正電子在電子-正電子消滅事件中 在與周圍成像主體的電子快速相互作用之前移動(dòng)非常短的距離以產(chǎn)生 兩個(gè)相對定向的伽馬射線。伽馬射線通過圍繞成像主體的輻射檢測器進(jìn) 行檢測，作為兩個(gè)基本上同時(shí)的限定其間的響應(yīng)線(LOR)的輻射檢測 事件。 一般，輻射檢測器包括響應(yīng)每個(gè)伽馬射線檢測產(chǎn)生光的脈沖或閃 爍的閃爍器，和與閃爍器光學(xué)耦合、將光脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號的光 電倍增管(PMT)陣列。在一些PET掃描儀中，PMT由產(chǎn)生與光脈沖的強(qiáng)度成比例的模擬電流的光電二極管代替。盡管伽馬射線被"基本上同時(shí)"檢測，但是如果兩個(gè)包含的輻射檢 測器之一 比另 一個(gè)輻射檢測器更接近于電子-正電子消滅事件，那么在兩 個(gè)輻射檢測事件之間存在小的時(shí)間差。由于伽馬射線以光速傳播，因此 檢測之間的該時(shí)間差一般大約在幾個(gè)鈉秒或更小。在TOF-PET中，輻 射檢測器以足夠高的速度操作以能夠測量該小的飛行時(shí)間差，其然后用 于定位沿LOR的電子-正電子消滅事件。因此，對于TOF-PET,輻射^r測器應(yīng)當(dāng)具有次鈉秒的時(shí)間分辨率。 PMT通常足夠快以進(jìn)行TOF-PET成像；然而，PMT體積大，要求高電 壓偏壓，并且不是很好地適合于對于高分辨率需要的小像素尺寸。常規(guī) 光電二極管對于TOF-PET足夠快，但是缺乏內(nèi)部放大，導(dǎo)致差的信噪 比。為了利用常規(guī)光電二極管得到足夠的信號， 一般使用信號敏感放大
器來積分信號，這限制了帶寬。也可以使用雪崩光電二極管；然而，雪崩光電二極管 一般遭受高噪聲電平和高溫度以及增益中的偏壓敏感度。為了解決這些困難，例如在下述文章中已經(jīng)提出了硅光電倍增管(SiPM )沖企浙J器E.A. Georgievskya et al.， "The solid state silicon photomultiplier for a wide range of applications", 17th Int，l Conf. on Photoelectronics and Night Vision Devices, Proceedings of SPIE vol. 5126 (2003》Golovin et al., "Novel type of avalanche photodetector with Geiger mode operation", Nuclear Instruments & Methods in Physical Research A, volume 518, pages 560-64 (2004)。這些SiPM檢測器使用在擊穿區(qū)域偏壓 并且平行互連的小雪崩光電二極管的像素化(pixelated)陣列。輸出是 以受限的Geiger模式操作的平行互連雪崩光電二極管的電流的模擬總 和。SiPM檢測器中的每個(gè)檢測的光子將約106電子添加到SiPM的輸出 電流。響應(yīng)光子檢測的Geiger放電很快，提供有助于精確的時(shí)間測量的 信號的陡的上升邊。能量和時(shí)間分辨率以1/sqrt(N)換算，其中N是點(diǎn)火(firing)單元的數(shù)目。SiPM器件具有一些缺點(diǎn)。由光子檢測產(chǎn)生的模擬電流受到偏壓， 操作溫度，和臨界的電路參數(shù)例如熄滅電阻值的影響。這些因素可以改 變每個(gè)光子檢測產(chǎn)生的模擬電流，從而限制SiPM的能量分辨率。模擬 配置還具有的缺點(diǎn)在于產(chǎn)生高的暗計(jì)數(shù)以及允許有故障的雪崩光電二 極管，從而基本上限制了檢測器器件的制造產(chǎn)量。下面考慮克服了上述限制和其它方面的改善的設(shè)備和方法。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)一個(gè)方面，公開了檢測器像素與將輻射粒子轉(zhuǎn)換為光脈沖的閃 爍器結(jié)合使用。提供檢測器單元陣列。每個(gè)檢測器單元包括在擊穿區(qū)域 偏壓的光電二極管和與光電二極管耦合的數(shù)字電路。數(shù)字電路被配置為 輸出靜態(tài)下的第 一數(shù)字值和響應(yīng)光電二極管的光子檢測的第二數(shù)字 值。數(shù)字觸發(fā)電路被配置為響應(yīng)所選數(shù)目的一個(gè)或多個(gè)檢測器單元從第 一數(shù)字值轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?shù)字值而輸出指示積分時(shí)間周期開始的觸發(fā)信 號。讀出數(shù)字電路累加檢測器單元陣列的檢測器單元的在積分時(shí)間周期 中從第 一數(shù)字態(tài)到第二數(shù)字態(tài)的多次轉(zhuǎn)變的計(jì)數(shù)。 在 一 些實(shí)施例中，數(shù)字時(shí)標(biāo)電路被配置為輸出與計(jì)數(shù)相關(guān)的數(shù)字時(shí) 標(biāo)。數(shù)字時(shí)標(biāo)基于觸發(fā)信號相對于時(shí)間參考信號的時(shí)間。根據(jù)另 一方面，輻射檢測器包括在之前已經(jīng)陳述的閃爍器和檢測器 像素陣列，其布置為響應(yīng)所接收的輻射來接收由閃爍器產(chǎn)生的光脈沖。根據(jù)另 一方面，公開了 一種飛行時(shí)間法正電子發(fā)射層析X射線攝影法(TOF-PET)成像系統(tǒng)。布置如之前兩段所述的多個(gè)輻射檢測器以檢 測從成像區(qū)域發(fā)射的伽馬射線。伽馬射線對檢測電路通過兩個(gè)輻射檢測 器識別兩個(gè)基本同時(shí)的伽馬射線^f全測。響應(yīng)線處理器確定連4妄兩個(gè)伽馬 射線檢測的空間響應(yīng)線。飛行時(shí)間處理器基于兩個(gè)基本同時(shí)的伽馬射線 檢測之間的時(shí)間差，定位沿響應(yīng)線的正電子-電子消滅事件。根據(jù)另 一方面，結(jié)合將輻射粒子轉(zhuǎn)換為光脈沖的閃爍器執(zhí)行一種方 法。響應(yīng)通過數(shù)字電路在擊穿區(qū)域偏壓的光電二極管的光子檢測，數(shù)字 電路從第一數(shù)字值切換到第二數(shù)字值以限定切換事件。響應(yīng)與多個(gè)所述 光電二極管相關(guān)的所選數(shù)目的一個(gè)或多個(gè)所述切換事件，產(chǎn)生表示積分時(shí)間周期開始的觸發(fā)信號。與多個(gè)所述光電二極管相關(guān)的切換事件的計(jì) 數(shù)在積分時(shí)間周期中累加。在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括產(chǎn)生與積分時(shí)間周期中累加相 關(guān)的數(shù)字時(shí)標(biāo)。數(shù)字時(shí)標(biāo)基于產(chǎn)生觸發(fā)信號和參考時(shí)間信號的時(shí)間。根據(jù)另一方面，公開了一種輻射檢測器，包括執(zhí)行之前段落中所述 的方法的閃爍器和電路。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于對于TOF-PET，單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)層析X射線攝影 法(SPECT),發(fā)射計(jì)算機(jī)層析X射線攝影法(CT),天文學(xué)和其它 應(yīng)用提供高數(shù)據(jù)率輻射檢測。另 一優(yōu)點(diǎn)在于提供數(shù)字輻射檢測器輸出。另 一優(yōu)點(diǎn)在于提供數(shù)字時(shí)標(biāo)檢測器輸出。另 一優(yōu)點(diǎn)在于提供改進(jìn)的空間檢測器分辨率。另一優(yōu)點(diǎn)在于改進(jìn)的檢測器器件制造產(chǎn)量，對于溫度，偏壓和處理 參數(shù)具有低的敏感度。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，許多附加的優(yōu)點(diǎn)和好處將在閱讀下面 詳細(xì)描述以后變得顯而易見。


本發(fā)明可以具體化為多個(gè)元件和這些元件的布置，以及多個(gè)處理操 作和這些處理操作的布置。附圖僅是用于說明優(yōu)選實(shí)施例并且不打算構(gòu) 造為限制本發(fā)明。圖1概略示出了使用高速像素化(pixelated)數(shù)字輻射檢測器的 TOF-PET系統(tǒng)。圖2概略示出了圖1的TOF-PET系統(tǒng)的像素化數(shù)字輻射檢測器之 一的截面圖。圖3示出了像素化數(shù)字輻射檢測器的檢測器單元之一的總電路圖。圖4A示出了檢測器單元之一的一個(gè)實(shí)施例的更詳細(xì)的電路圖。圖4B示出了檢測器單元之一的另 一 實(shí)施例的更詳細(xì)的電路圖。圖5示出了像素化數(shù)字輻射檢測器的一個(gè)像素的電路圖。圖6示出了像素化數(shù)字輻射檢測器之一的電路圖。圖7示出了像素化數(shù)字輻射檢測器的一個(gè)物理布局實(shí)施例的截面圖，其中光電二極管限定光電二極管層，數(shù)字電路配置在與光電二極管層分離并且電耦合的數(shù)字電路層中。圖8示出了像素化數(shù)字輻射檢測器的另一物理布局實(shí)施例的透視圖，其中光電二極管限定光電二極管層，數(shù)字電路配置在散布在光電二極管中的光電二極管層中。圖9示出了變形器件的感光區(qū)域的平面圖，該器件包括像素化數(shù)字輻射檢測器區(qū)域和附加的比例光電二極管，其在光子通量足夠高以飽和像素化數(shù)字輻射檢測器區(qū)域時(shí)產(chǎn)生模擬光電流。圖10示出了用于對于包括模擬電路的檢測器的有缺陷單元禁用過程的第 一 階段的測量安排的示例性例子。圖11示出了一個(gè)成像計(jì)數(shù)器單元的框圖。 圖12示出了傳感器框圖。圖13示出了包含用于禁用的保險(xiǎn)絲的光電檢測器。
具體實(shí)施方式
參考圖1，飛行時(shí)間法正電子發(fā)射層析X射線攝影法(TOR-PET) 掃描儀8包括布置成觀察成像區(qū)域12的多個(gè)輻射檢測器10。在圖1中， 多個(gè)輻射檢測器10以沿軸向的檢測器的多個(gè)環(huán)布置；然而，可以使用 輻射檢測器的其它布置。此外，要理解的是，用圖解法示出了多個(gè)輻射
檢測器10;典型地，輻射檢測器容納在掃描儀8的外殼l4中，從而從 外部是不可見的，并且典型地，輻射檢測器的每個(gè)環(huán)包括成百或成千的 輻射檢測器。在一些PET掃描儀中，僅提供輻射檢測器的單個(gè)環(huán)，在其 它掃描儀中，提供輻射檢測器的兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或更多的環(huán)。 應(yīng)當(dāng)理解，可以使用檢測頭代替圖中所示的檢測器環(huán)結(jié)構(gòu)。TOF-PET掃 描儀8包括將病人或其它成像主體定位在成像區(qū)域12中的床16或其它 支撐物。任選地，床16沿通常橫向于輻射檢測器10的環(huán)的軸向方向線 性移動(dòng)，以有助于三維成像數(shù)椐的采集。附加地或可替換地，成像主體 可以保持固定，多個(gè)輻射檢測器環(huán)用于采集三維TOF-PET成像數(shù)據(jù)。在又一實(shí)施例中，僅提供單環(huán)檢測器，成像主體保持固定，以及所得到 的圖像為二維。在TOF-PET成像開始之前，將適當(dāng)?shù)姆派湫运幬镉糜诓∪嘶蚱渌?成像主體。放射性藥物包括經(jīng)歷發(fā)射正電子的放射性衰變事件的放射性 物質(zhì)。正電子快速與成像主體附近的電子消滅。所得到的正電子-電子消 滅事件產(chǎn)生兩個(gè)相對定向的伽馬射線，其具有511keV的能量。伽馬射 線以光束即3 x 108米/秒傳播。由于成像區(qū)域12 —般具有約兩米或更小 的直徑或其它特性尺寸，因此對于伽馬粒子從正電子-電子消滅事件的位 置到多個(gè)輻射檢測器10的檢測器之一的飛行時(shí)間是約幾個(gè)鈉秒或更 少。從而，兩個(gè)相對定向的伽馬射線基本上同時(shí)入射到兩個(gè)輻射4企測 器。繼續(xù)參考圖1和另外參考圖2，每個(gè)輻射檢測器10包括在伽馬射線 入射到閃爍器20時(shí)產(chǎn)生光閃爍或光脈沖的閃爍器20。光脈沖通過整體 (或單片)配置在硅基底24上的檢測器像素22陣列接收。如將描述的 那樣，檢測器像素22是輸出值的數(shù)字檢測器像素，該值包括光子計(jì)數(shù) 的數(shù)字表示(在圖1中表示為"計(jì)數(shù)")和指示相應(yīng)于閃爍事件的光脈 沖由檢測器像素22何時(shí)檢測的時(shí)標(biāo)的數(shù)字表示(在圖1中表示為"時(shí) 標(biāo)")。此外，多個(gè)輻射檢測器IO輸出索引信息，包括例如檢測器索 引(在圖1中表示為"n檢測器")，其指示哪一個(gè)輻射檢測器IO輸出輻 射檢測事件，和檢測器像素索引(在圖1中表示為"k "),其指示 該輻射檢測器的哪個(gè)或哪些檢測器像素檢測相應(yīng)于輻射檢測事件的光 脈沖。選擇閃爍器20以對于511keV伽馬射線的高制動(dòng)功率提供閃爍脈 沖的快速時(shí)間衰變。 一些適當(dāng)?shù)拈W爍器材料是LSO, LYSO, MLS,
LGSO， LaBr和其混合物。應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用其它閃爍器材料。盡 管圖2示出了閃爍器20為單晶體，但是也可以使用陣列晶體。另外， 任選的平面光導(dǎo)管26可以插入在閃爍器20和檢測器像素22之間以提 高閃爍光脈沖的光子通過檢測器像素22的透射。閃爍器20和任選的光 導(dǎo)管26任選地嵌入在將閃爍光向像素22引導(dǎo)的反射涂層28中。繼續(xù)參考圖1，涉及輻射檢測事件的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過進(jìn)行選定數(shù)據(jù)處 理的預(yù)處理器30進(jìn)行處理。例如，如果閃爍事件通過多個(gè)檢測器像素 檢測，那么預(yù)處理器30可以使用Anger邏輯或其它處理來識別每個(gè)輻 射檢測事件的空間坐標(biāo)r以及估計(jì)所檢測的輻射粒子的能量。所得到的 每個(gè)輻射檢測事件的空間和能量信息存儲在事件緩沖器32中。在其它 實(shí)施例中，將閃爍器層劃分為閃爍器瓦片(tile)，其尺寸相應(yīng)于檢測器 像素，每個(gè)檢測器像素與單個(gè)閃爍器瓦片光學(xué)耦合。例如，每個(gè)閃爍器 瓦片可以包括類似于反射涂層28的反射涂層，以將閃爍光子引導(dǎo)到耦 合的像素。伽馬射線對檢測電路34處理輻射檢測事件以識別基本同時(shí)的伽馬 射線檢測對，其屬于相應(yīng)的電子-正電子消滅事件。該處理可以包括例如 能量開窗(即，在配置在約511keV的選定能量過濾窗口外拋棄輻射檢 測事件)和符合檢測電路(即，通過大于選定的時(shí)間過濾間隔，拋棄時(shí) 間上彼此分離的輻射檢測事件對)。當(dāng)識別伽馬射線對時(shí)，響應(yīng)線(LOR)處理器38處理屬于兩個(gè)伽 馬射線檢測事件的空間信息(例如，利用通過預(yù)處理器30計(jì)算的分別 通過空間坐標(biāo)n和r2表示的兩個(gè)事件)，以識別連接兩個(gè)伽馬射線檢測 的空間響應(yīng)線(LOR)。由于通過正電子-電子消滅事件發(fā)射的兩個(gè)伽馬 射線相對地空間定向，因此知道電子-正電子消滅事件在LOR上的某處 發(fā)生。在TOF-PET中，輻射檢測器10具有足夠高的時(shí)間分辨率以檢測兩 個(gè)"基本同時(shí)"的伽馬射線檢測之間的飛行時(shí)間差。飛行時(shí)間處理器40 分析兩個(gè)伽馬射線檢測事件的時(shí)間(在圖1中表示為"tr和"V，)之 間的時(shí)間差以沿LOR定位正電子-電子消滅事件。對于大數(shù)量的正電子-電子消滅事件累加的結(jié)果是一組組織投影42。重建處理器44利用任何 適當(dāng)?shù)闹亟ㄋ惴▽⒃摻M組織投影42重建為重建圖像，例如為過濾的反 向投影或具有校正的迭代反向投影。所得到的重建圖像存儲在圖像存儲
器46中，并且可以在用戶界面48上顯示，印刷，存儲，通過內(nèi)部網(wǎng)或 因特網(wǎng)上交流，或其它方式的使用。在所示實(shí)施例中，用戶界面48還 使得放射科醫(yī)師或其它用戶可以控制TOF-PET掃描儀8;在其它實(shí)施例 中，可以提供分離的控制器或控制計(jì)算機(jī)。參考圖3,輻射檢測器10的每個(gè)像素22包括檢測器單元50的陣 列；圖3示出了一個(gè)這種檢測器單元50的總電路圖。光電二極管52在 擊穿區(qū)域偏壓并且用作對于數(shù)字化電路54的輸入。數(shù)字化電路54的輸 出56具有相應(yīng)于靜態(tài)的第一數(shù)字值，并且響應(yīng)光電二極管52的光子檢 測轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?shù)字值。當(dāng)檢測閃爍脈沖的第一光子時(shí)，輸出56從第一 數(shù)字值到第二數(shù)字值的切換啟動(dòng)集電極開路觸發(fā)線驅(qū)動(dòng)器60，其使得觸 發(fā)信號應(yīng)用于公共的觸發(fā)線或總線62。觸發(fā)信號又啟動(dòng)光子計(jì)數(shù)器 /FIFO緩沖器66 (其中FIFO ="先進(jìn)，先出")，其對由觸發(fā)信號啟動(dòng) 的積分時(shí)間周期中數(shù)字化電路54從第一數(shù)字值到第二數(shù)字值的切換進(jìn) 行計(jì)數(shù)。在一些其它實(shí)施例中，采集啟動(dòng)線67啟動(dòng)光子計(jì)數(shù)器66?？?以是有源或無源的猝熄電路70限制通過光電二極管52的電流并配置為 有助于偏壓電路從第二數(shù)字值轉(zhuǎn)變回到第一數(shù)字值。從而，如果檢測器 單元50在積分時(shí)間周期終止之前熄滅回到靜止的第一數(shù)字值，那么檢 測器單元50可以計(jì)數(shù)大于一個(gè)光子。存儲在光子計(jì)數(shù)器/FIFO緩沖器66 中的最終計(jì)數(shù)經(jīng)由數(shù)字總線68存取。光電二極管52在Geiger模式類型的操作中適當(dāng)偏壓。當(dāng)光電二極 管52被擊穿時(shí)，大量的電荷(例如，在一些光電二極管中每次接收的 檢測為約106電子)通過雪崩擊穿過程產(chǎn)生。該電荷主要通過猝熄電路 70運(yùn)輸，該電路具有一般為幾百千歐姆的有效電阻以限制流過光電二極 管52的電流。利用從而受限的電流，保持在光電二極管52中的電荷空 間分布以減小光電二極管52的雪崩區(qū)域中的電場。該屏蔽抑制雪崩作 用并使得剩余的載流子通過漂移運(yùn)輸?shù)窖┍?耗盡區(qū)域外，促成光電二極 管52的恢復(fù)。 一般，光電二極管52包括在邊緣周圍的保護(hù)環(huán)(未示出)， 其防止在光電二極管52的邊緣處的雪崩擊穿。保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)仄鹱?用就象普通的反偏壓PN二極管一樣，其內(nèi)部場對于雪崩擊穿太低而不 能發(fā)生雪崩擊穿。參考圖4A，描述一個(gè)示例實(shí)施例檢測器單元50'的更詳細(xì)電路圖。 該實(shí)施例包括具體化為熄滅電阻的無源猝熄電路70'。在光子檢測時(shí)，
光電二極管52的結(jié)擊穿，電流開始流過光電二極管52和熄滅電阻70'。 該電流引起在電阻70，上的電壓降，從而降低變換器輸入上的電位。相對于VoD的電壓差應(yīng)當(dāng)足夠大以將變換器輸出驅(qū)動(dòng)到"高，，狀態(tài)。變換器的切換特性可以通過調(diào)節(jié)晶體管寬度而最優(yōu)化。當(dāng)光電二極管52從 擊穿恢復(fù)時(shí)，變換器輸出自動(dòng)返回到"低"狀態(tài)。繼續(xù)參考圖4A，檢測器單元50，進(jìn)一步提供禁止邏輯電路74，其不 完全斷開有缺陷的檢測器單元，但是防止有缺陷的檢測器單元產(chǎn)生錯(cuò)誤 的觸發(fā)脈沖。有缺陷的檢測器單元將產(chǎn)生過量的電流，其被考慮在觸發(fā) 確認(rèn)電路(稍后描述)中。當(dāng)利用檢測器單元50，時(shí)，觸發(fā)線62經(jīng)由上 拉電阻(未在圖4A中示出)約束到"高電平"。以該方式，來自所有 檢測器單元50'的觸發(fā)脈沖被一起邏輯"或"，觸發(fā)線62通過檢測第一 光子的該檢測器單元被下拉。參考圖4B,描述另一個(gè)示例實(shí)施例檢測器單元50"的更詳細(xì)電路 圖，該檢測器單元包括有源猝熄電路70，，以加速光電二極管52的結(jié)電 容的放電以返回到靜止電平，從而減少光電二極管52的恢復(fù)時(shí)間。期 望更短的恢復(fù)時(shí)間以導(dǎo)致更高的靈敏度，因?yàn)楫?dāng)給定的檢測器單元50" 快速恢復(fù)時(shí)，它更可能在積分時(shí)間周期期間計(jì)數(shù)大于一個(gè)的光子，同樣 期望更短的恢復(fù)時(shí)間以導(dǎo)致檢測器單元50"的更高動(dòng)態(tài)范圍和更好的能 量分辨率。如果使用分級觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)，光子計(jì)數(shù)器66通過觸發(fā)線62或?qū)?用線啟動(dòng)，該線通過^r測第一光子的該;險(xiǎn)測器單元^:下4立，以及該線通 過對于積分時(shí)間周期的主要像素邏輯(未在圖4B中示出)被抑制。由 光子計(jì)數(shù)器66累加的檢測光子的數(shù)目在觸發(fā)線62或?qū)Ｓ米x出線的上升 邊緣上從光子計(jì)數(shù)器66轉(zhuǎn)移到緩沖器或其它數(shù)字存儲器(未在圖4B中 示出)中。隨后，計(jì)數(shù)器66例如通過觸發(fā)線62上的反向和延遲信號的 低電平自動(dòng)復(fù)位，準(zhǔn)備下一次閃爍脈沖檢測事件。在該布置中，積分時(shí) 間周期之間的空載時(shí)間可以與緩沖器轉(zhuǎn)移時(shí)間加上計(jì)數(shù)器66的復(fù)位時(shí) 間一樣少，其在一些實(shí)施例中期望對于CMOS設(shè)備小于一鈉秒。圖4B 的檢測器單元50"還包括禁止邏輯電路74，其防止來自有缺陷的檢測器 單元的錯(cuò)誤觸發(fā)。參考圖5，輻射檢測器10的每個(gè)像素22包括檢測器單元50的二維 陣列和相關(guān)的像素電平數(shù)字像素邏輯電路80。對于像素22的數(shù)字讀出 電路包括像素電平數(shù)字采集和讀出電路82和在檢測器單元電平處的相
關(guān)電路。參考圖3和5,每個(gè)檢測器單元50的數(shù)字化電路54提供基于閾值 的二進(jìn)制數(shù)字輸出，其指示該檢測器單元的光電二極管52是否已經(jīng)進(jìn) 入擊穿。當(dāng)光電二極管52處于其靜態(tài)時(shí)，數(shù)字電路54輸出第一二進(jìn)制 值，當(dāng)光電二極管電流超過指示光子檢測的閾值時(shí)轉(zhuǎn)變到第二二進(jìn)制 值。每個(gè)光電二極管52的信號從而在檢測器單元50的電平處被數(shù)字 化。讀出通過像素電平邏輯電路進(jìn)行，該電路對檢測器單元的數(shù)字轉(zhuǎn)變 進(jìn)行計(jì)數(shù)以產(chǎn)生指示所檢測光子數(shù)目的數(shù)字像素輸出。與如在模擬 SiPM中那樣對模擬光電二極管電流求和以產(chǎn)生模擬像素輸出相比，圖3 和5的數(shù)字和計(jì)數(shù)方法對偏壓變化、操作溫度變化，猝熄電路70的元 件中的容錯(cuò)度等的敏感度小得多。只要這些副作用不引起閾值數(shù)字電路 54的錯(cuò)誤切換或遺漏切換，那么它們通常不影響檢測器單元50的能量 分辨率。在一些讀出方法中，利用對于檢測器單元50陣列的行和列的地址 譯碼器，像在標(biāo)準(zhǔn)的存儲塊中那樣檢測器單元50被尋址。該解決方案 提供單元數(shù)據(jù)的順序讀出，在該情況下，像素電平讀出電路82可以是 簡單的數(shù)字累加器。在其它讀出方法中，單元行被平行讀出，每行具有 其自己的用于部分和的累加器，并且部分和^皮添加在平行加法樹中。在 又一讀出方法中，加法器包含在檢測單元中，因此整行的和在時(shí)鐘輸出 該數(shù)據(jù)時(shí)得到，行的和從該行中最后一個(gè)檢測器單元中讀出。由于在后 面的讀出方法中的求和可以流水線作業(yè)，因此讀出結(jié)構(gòu)是快速的，允許 短的讀出間隔。如果檢測器單元電平光子計(jì)數(shù)器66或像素電平讀出電路82的計(jì)數(shù) 器可能飽和，那么計(jì)數(shù)器不應(yīng)當(dāng)允許回轉(zhuǎn)。例如，從0……15計(jì)數(shù)的四 位計(jì)數(shù)器不應(yīng)當(dāng)允許從15增加返回到0。通過避免回轉(zhuǎn)，當(dāng)計(jì)數(shù)器讀到 其最高值(例如，對于四位計(jì)數(shù)器而言15)時(shí)，可以檢測像素22的飽 和。避免回轉(zhuǎn)的位的數(shù)目只取決于最小預(yù)期的單元恢復(fù)時(shí)間和最大長度 的積分周期。當(dāng)積分窗口是設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，單元恢復(fù)時(shí)間具有統(tǒng)計(jì)特性， 這是因?yàn)楣庾訖z測概率是單元恢復(fù)期間緩慢上升的過電壓的函數(shù)。然 而，在有效熄滅的單元中，最小恢復(fù)時(shí)間由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時(shí)限定。從 而，在該情況下，有可能設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器足夠?qū)捯员苊庖绯?。?shù)字總線68 可以是并行或串行總線，取決于空間和時(shí)間約束。
繼續(xù)參考圖5，數(shù)字像素邏輯電路80還包括觸發(fā)數(shù)字電路84,觸 發(fā)確認(rèn)電路85,和存儲像素22的光子計(jì)數(shù)的輸出緩沖器86。觸發(fā)數(shù)字 電路84訪問參考時(shí)鐘88 (示出為電軌跡，其連接到未在圖5中示出的 適當(dāng)?shù)恼袷幤骰蚱渌?jì)時(shí)裝置)以為觸發(fā)數(shù)字電路84提供時(shí)間差。觸 發(fā)數(shù)字電路84確定輻射檢測事件在全程(例如掃描儀)時(shí)幀中的時(shí)標(biāo)。 掃描儀的所有像素22的觸發(fā)數(shù)字電路模塊84同時(shí)以優(yōu)選小于100ps的 精確度運(yùn)行。參考信號88用于同步像素的觸發(fā)數(shù)字電路模塊84，給它 們提供整個(gè)掃描儀的公共時(shí)基。在一些實(shí)施例中，積分時(shí)間周期是在觸 發(fā)信號產(chǎn)生處開始的固定的時(shí)間間隔。在其它實(shí)施例中，當(dāng)新的計(jì)數(shù)率 下降到閾值以下時(shí)，積分時(shí)間周期動(dòng)態(tài)終止。觸發(fā)數(shù)字電路84也優(yōu)選配置為輸出與計(jì)數(shù)相關(guān)的數(shù)字時(shí)標(biāo)(見圖 1)。數(shù)字時(shí)標(biāo)基于檢測來自閃爍脈沖的光子的第一個(gè)檢測器單元50的 觸發(fā)線驅(qū)動(dòng)器60輸出的觸發(fā)信號的時(shí)間。像素邏輯電路80任選地還包 括數(shù)據(jù)校正寄存器和禁止時(shí)序驅(qū)動(dòng)器。自動(dòng)測試和校準(zhǔn)電路87也任選 地通過像素邏輯電路80實(shí)現(xiàn)。在一種測試/校準(zhǔn)方法中，監(jiān)視像素22的 暗計(jì)數(shù)率(可能包括由閃爍器20的內(nèi)在放射性產(chǎn)生的背景計(jì)數(shù))。在 另一測試/校準(zhǔn)方法中，來自注入到檢測器單元50中的測試電荷的外部 激發(fā)用于測試和校準(zhǔn)像素22。繼續(xù)參考圖5，可以理解，由于暗電流，干擾，熱激發(fā)等，有可能 檢測器單元50之一可以產(chǎn)生啟動(dòng)積分時(shí)間周期的非故意的觸發(fā)信號。 觸發(fā)確認(rèn)電路85確認(rèn)觸發(fā)信號，并且如果確定觸發(fā)信號是錯(cuò)誤的，則 中斷積分。在一種方法中，觸發(fā)確認(rèn)電路85分析流過像素22的偏壓網(wǎng) 絡(luò)的電流。如果總電流在通過鑒別器或其它電路測量時(shí)對于選定的時(shí)間 間隔(例如采集時(shí)間周期中的10鈉秒)保持在某個(gè)電流閾值下，那么 中斷采集并且啟動(dòng)自動(dòng)復(fù)位時(shí)序以準(zhǔn)備下一次觸發(fā)。如果電流超過電流 閾值，那么鑒別器輸出將上升到"高"電平并且繼續(xù)采集。在一些實(shí)施 例中，不利用固定的積分時(shí)間周期，使用偏壓電流鑒別器的下降邊緣來的末端。這可以抑制高計(jì)數(shù)率應(yīng)用中的積累效應(yīng)。另一適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ褂?下述事實(shí)由于熱觸發(fā)脈沖通常不相關(guān)，因此在短時(shí)間窗口內(nèi)兩個(gè)熱產(chǎn) 生的觸發(fā)脈沖的概率隨著觸發(fā)單元的距離降低。相反，閃爍脈沖應(yīng)當(dāng)橫 跨像素22的感光區(qū)域作用于檢測器單元50。從而，觸發(fā)確認(rèn)電路85可 以分析例如來自單獨(dú)的檢測器單元50的觸發(fā)脈沖，并且如果兩個(gè)遠(yuǎn)距離的線產(chǎn)生選定時(shí)間窗口內(nèi)的觸發(fā)信號，確認(rèn)觸發(fā)信號。也可以使用對 于觸發(fā)確認(rèn)的其它方法，例如使用具有可調(diào)鑒別器的電流傳感器，設(shè)置 在高于單光子電平的觸發(fā)閾值處。在一些其它實(shí)施例中，通過采集啟動(dòng)線67觸發(fā)計(jì)數(shù)器66。如果存 在與正電子-電子消滅事件不相關(guān)的高背景光子通量，那么對于第一光子 的觸發(fā)可能是有問題的。該背景可以是例如閃爍器的次要緩慢衰變方式 的結(jié)果。在這樣的情況下，檢測器單元頻繁點(diǎn)火，增加像素的空載時(shí)間。 為了提供更穩(wěn)固的計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，在檢測器單元電平處(圖3, 4A或4B)， 光子計(jì)數(shù)器通過單獨(dú)的"采集啟動(dòng)"線67啟動(dòng)，在通過偏壓網(wǎng)絡(luò)的電 流超過用戶限定的觸發(fā)電平時(shí)，通過第 一光子檢測時(shí)的像素邏輯電路 (觸發(fā)線下降)或通過觸發(fā)確認(rèn)電路85的鑒別器下拉該線67。該線限 定積分窗口的長度并通過像素邏輯電路被驅(qū)動(dòng)。在檢測器像素電平處 (圖5),觸發(fā)確認(rèn)電路85延伸以包括多路復(fù)用器89，其選擇觸發(fā)線 62 (對于單光子觸發(fā))或前沿鑒別器輸出(對于多光子觸發(fā))作為對于 數(shù)字變換器/觸發(fā)確認(rèn)電路的時(shí)間輸入。觸發(fā)確認(rèn)電路85延伸以將"采 集啟動(dòng)"信號67提供到檢測器單元50, 50，， 50"?？商鎿Q地，如果不 需要在單光子電平處的觸發(fā)，那么如果選定數(shù)目的單元(觸發(fā)線)同時(shí) 變得有效，可以實(shí)行適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐芬援a(chǎn)生觸發(fā)信號。該實(shí)行具有僅需 要數(shù)字元件的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)。然而，在該情況下，僅統(tǒng)計(jì)限定閾值。在一些 其它實(shí)施例中，集電極開路驅(qū)動(dòng)器任選地從檢測器單元中省略，在觸發(fā) 確認(rèn)電路中使用變形的設(shè)計(jì)。繼續(xù)參考圖5以及另外參考圖6，像素22以二維陣列布置以限定像 素化輻射檢測器10的感光表面。圖6所示的實(shí)施例使用像素讀出，其 中像素22的每行通過FIFO緩沖器90讀出。輸出緩沖器90每個(gè)包括三 態(tài)輸出緩沖器，允許數(shù)據(jù)在共享的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線92上轉(zhuǎn)移。任選地， 事件根據(jù)它們的時(shí)標(biāo)通過行輸出緩沖器90中的讀出裁決以及通過輸出 緩沖器92的共享總線裁決進(jìn)行分類，從而產(chǎn)生在時(shí)間上分類的事件數(shù) 據(jù)流。該任選特征基本上簡化了對于符合事件的查找。數(shù)據(jù)請求串級鏈 適當(dāng)?shù)赜糜趯懭肴肟诓脹Q。串級鏈和轉(zhuǎn)移到用于轉(zhuǎn)移脫離芯片(transfer off-chip )的輻射檢測器輸出緩沖器94。參考圖7和8，在一些實(shí)施例中，輻射檢測器10的數(shù)字電路(例如
數(shù)字偏壓電路54， 54，， 54"，數(shù)字觸發(fā)電路60, 60，， 60"， 84,和讀 出數(shù)字電路66， 82)通過配置在硅基底24上的CMOS電路限定。可以 使用多個(gè)物理布局。在圖7所示的垂直隔離的布局中，檢測器單元50, 50'， 50"陣列的光電二極管52限定光電二極管層100，數(shù)字電路配置在 與光電二極管層100分離并與光電二極管層100電耦合的CMOS數(shù)字 電路層102中。在圖8所示的可替換布局中，光電二極管52限定光電 二極管層100，， CMOS數(shù)字電路(例如數(shù)字偏壓電路54, 54，， 54"，數(shù) 字觸發(fā)電路60, 60', 60", 84，和讀出數(shù)字電路66， 82)配置在散布 在光電二極管中的光電二極管層100'中。因?yàn)镃MOS邏輯電路僅在切換狀態(tài)時(shí)引起功率，因此僅輻射檢測器 10的通過時(shí)鐘88連續(xù)有效定時(shí)的這些部分有助于基線功耗。由于像素 22通過光電二極管52之一產(chǎn)生的觸發(fā)信號啟動(dòng)，在靜態(tài)中在擊穿區(qū)域 給該光電二極管加偏壓，因此功耗取決于光子檢測率，從而取決于接收 的光子通量加上暗的計(jì)數(shù)率。像素22的功耗控制可以通過有意增加兩 次采集之間的各個(gè)像素的空載時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。這可以根據(jù)像素的溫度通過 像素邏輯電路80自動(dòng)進(jìn)行。像素的溫度可以通過溫度傳感器(未示出) 直接測量或由像素22的暗計(jì)數(shù)率間接估計(jì)。由于CMOS邏輯電路僅在切換狀態(tài)時(shí)引起功率，因此總功耗可以通 過在模擬設(shè)備上利用CMOS設(shè)備而顯著減少。例如，在模擬設(shè)備的一些 實(shí)施例中，每通道的功耗是30mW,芯片的總部分是162mW。對于更實(shí) 際的設(shè)備，例如具有28,336通道或1890芯片的臨床設(shè)備，功耗是不變 的1156W。另一方面，對于CMOS設(shè)備，例如在此描述的多種設(shè)備的 功耗具有兩個(gè)不同的值，靜態(tài)值和動(dòng)態(tài)值。靜態(tài)功耗是不存在計(jì)數(shù)因此 不存在狀態(tài)切換時(shí)需要的功率。它包括對于動(dòng)態(tài)切換的邏輯電路的功 率，因?yàn)檫壿嬰娐繁仨殰?zhǔn)備好接收計(jì)數(shù)。動(dòng)態(tài)功耗是檢測器有效接收計(jì) 數(shù)并因此切換狀態(tài)時(shí)需要的功率。有效狀態(tài)下的功耗取決于放射量；計(jì) 數(shù)和狀態(tài)切換越多，需要的功率越多。對于類似的1890芯片檢測器的 靜態(tài)功耗是約10W或更小。動(dòng)態(tài)功耗可以根據(jù)放射性(activity)改變， 但是一般為約300W或更小。如果光的閃爍脈沖產(chǎn)生足夠高的光子通量，從而引起一個(gè)或多個(gè)像 素22的基本上所有的檢測器單元50， 50，， 50，，在積分時(shí)間周期期間從 第一數(shù)字態(tài)轉(zhuǎn)變到第二數(shù)字態(tài)，可能出現(xiàn)問題。在該情況下，像素22
飽和，實(shí)際的強(qiáng)度(即光子通量)不能正確測量。該飽和問題可以以多 種方式解決。在一種方法中，感光區(qū)域通過分為大量的較小光電二極管的光電二 極管52來限定。每個(gè)光電二極管的減少區(qū)域減少它檢測光子的似然性。 更大總量的光電二極管提供對于光子通量更高的像素電平靈敏度，盡管 它通常不完全補(bǔ)償每個(gè)單元的減少區(qū)域。檢測器單元應(yīng)當(dāng)具有一些分離 以減少相鄰的檢測器單元之間的光學(xué)干擾。 一般，當(dāng)充滿不透明材料的 槽用于分離時(shí)，單元的分離約幾個(gè)微米或更小。從而，增加單元數(shù)量通 常將感光區(qū)域與單元的總區(qū)域的比例減少到一定程度。此外，增加檢測 器單元數(shù)量同時(shí)保持單元尺寸不變一般導(dǎo)致暗計(jì)數(shù)率的比例增加。參考圖9，在解決飽和問題的另一方法中，比例光電二極管110包 括在感光區(qū)域中。比例光電二極管110大于用于數(shù)字檢測的光電二極管 52。當(dāng)所述光子通量足夠高，從而引起像素22的基本上所有的檢測器 單元50， 50，， 50，，在積分時(shí)間周期期間從第一數(shù)字態(tài)轉(zhuǎn)變到第二數(shù)字態(tài) 時(shí)，比例光電二極管110配置為產(chǎn)生與入射到像素22上的光子通量成 比例的模擬光電流。盡管為了制造簡化，示出了沿像素22陣列的一側(cè)， 但是比例光電二極管IIO可以定位在相對于陣列的其它位置處，例如在 陣列的中心或在陣列的角落處。此外，在一些實(shí)施例中，比例光電二極 管IIO可以分布為多個(gè)較小的電互連的比例光電二極管，例如定位在像 素22陣列的每個(gè)角落處的比例光電二極管。在圖9的變形中，通過光 電二極管52的第一個(gè)輸出以檢測光子的觸發(fā)信號仍然適當(dāng)?shù)赜糜谔峁?對于伽馬射線檢測事件的定時(shí)信息。從而，使用輻射檢測器IO輸出的 時(shí)標(biāo)；然而，如果數(shù)字光電二極管52飽和，那么由比例光電二極管110 產(chǎn)生的光電流用于指示光子通量強(qiáng)度而不是利用數(shù)字計(jì)數(shù)。比例光電二 極管IIO可以是常規(guī)的PIN二極管，具有集成模擬或數(shù)字讀出電路的雪 崩光電二極管等。像素化數(shù)字輻射檢測器在此結(jié)合例子TOR-PET應(yīng)用進(jìn)行描述。然 而，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易將公開的像素化數(shù)字輻射檢測器用于其它應(yīng) 用，例如單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)層析X射線攝影法(SPECT)成像，傳輸計(jì) 算機(jī)層析X射線攝影法(CT)成像，天文學(xué)應(yīng)用等。對于其中光電二 極管52直接對輻射敏感的輻射檢測應(yīng)用，閃爍器20適當(dāng)?shù)貜妮椛錂z測 器10中省略。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，盡管大多數(shù)實(shí)施例已經(jīng)結(jié)合數(shù)字電路進(jìn) 行了描述，但是本發(fā)明的部分可以結(jié)合模擬電路實(shí)現(xiàn)。例如，下面的描 述提供一種在模擬電路系統(tǒng)中禁止有缺陷單元的方法。這些實(shí)施例包含 在本發(fā)明的范圍中。對于模擬電路系統(tǒng)的有缺陷單元禁止方法可以包括兩個(gè)分離的階 段，即傳感階段和校準(zhǔn)階段。在傳感階段期間，在不透光設(shè)置中以高于閾值的額定偏壓電壓給SiPM陣列或試驗(yàn)件(DUT)加偏壓。半導(dǎo)體中 的Geiger放電產(chǎn)生次要的可見光子，在結(jié)中平均每100,000電子大約3。 從而，具有增益1,000,000的單元將產(chǎn)生約30個(gè)光量子。這些光子的平 均波長為約lym，由此使光子在被吸收前在硅中能移動(dòng)大的距離。如 果沒有使用適當(dāng)?shù)钠帘危敲催@些光子的一些在相鄰單元中引起擊穿，測器進(jìn)行檢測。傳感檢測器必;貞il: 1耦合^DUT單元「從而「傳感 檢測器的觸發(fā)率可以直接與各個(gè)單元的暗計(jì)數(shù)率相關(guān)。DUT的電荷脈沖 的附加測量可以用于直接測量增益和其對于各個(gè)的DUT單元的變化。 然而，為了收集足夠的統(tǒng)計(jì)信息，這些測量很可能意味著測量時(shí)間的顯 著增加。基于在傳感階段中獲得的數(shù)據(jù)，激光光束將禁止有缺陷的單元。此 外，如果需要，可以調(diào)節(jié)每像素的有效單元的數(shù)量以均衡像素的動(dòng)態(tài)范 圍。在一些設(shè)備中，使用保險(xiǎn)絲來禁止有缺陷單元。盡管保險(xiǎn)絲將不希 望地消耗附加區(qū)域，但是這可以通過將保險(xiǎn)絲放置在保護(hù)環(huán)上方而最小 化。另一替換為切斷多電阻器本身。用于第一階段的測量安排的說明性例子在圖10中示出。在圖10 中，單光子計(jì)數(shù)器陣列200利用準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)220 1: 1耦合到DUT 210。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，如果傳感檢測器具有與DUT相同的像素尺 寸，那么鄰近耦合可以用于增加系統(tǒng)的靈敏度。單光子計(jì)數(shù)器陣列200 必須具有顯著較低的暗計(jì)數(shù)率，從而必須冷卻下降到至少-5(TC。單光子 計(jì)數(shù)器陣列200中的每個(gè)檢測器230通過由Geiger模式放電發(fā)射的光子 觸發(fā)。檢測器指示通過下拉行和列的線以及啟動(dòng)脫出同步(hold-off)間 隔以避免相同事件的兩次計(jì)數(shù)的事件。必須將脫出同步間隔的長度調(diào)節(jié) 到DUT的恢復(fù)時(shí)間。有源猝熄/再充電電路240可以用于得到很好限定 的脫出同步間隔。附加的電路可以用于測量與事件的坐標(biāo)相關(guān)的脈沖的
電荷。 一個(gè)成像計(jì)數(shù)器單元的框圖在圖11中示出，傳感器框圖在圖12 中示出。增加DUT溫度可以用于加速測量。在校準(zhǔn)階段中，像素暗計(jì)數(shù)率 和增益數(shù)據(jù)用于選擇將被禁止的單元子集。這可以是任何數(shù)目的有缺陷 單元以及可以被禁止以提供均勻性的其它單元。為了實(shí)現(xiàn)該目的，激光 器用于切斷這些單元中的保險(xiǎn)絲，如圖13所示的變形檢測器單元中所示。不管使用數(shù)字還是模擬禁止過程，可以產(chǎn)生報(bào)告以允許用戶確定多 少單元將被禁止，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為是有缺陷的。報(bào)告可以進(jìn)一步提供禁 止的有缺陷單元的位置。在一些實(shí)施例中，禁止的有缺陷單元的位置可 以用于禁止其它單元。 一般，這以一些種類的幾何圖案實(shí)現(xiàn)以允許關(guān)于 檢測器的更均勻的輻射檢測。此外，響應(yīng)手動(dòng)輸入或反饋，或其組合， 其它單元的禁止可以是自動(dòng)的。由于空載單元損失的區(qū)域，所得到的硅光電倍增管陣列以降低的靈 敏度為代價(jià)具有較低的暗計(jì)數(shù)率。動(dòng)態(tài)范圍的損耗可以通過將更多數(shù)目 的較小尺寸的單元集成在像素中而提前解決。應(yīng)當(dāng)理解，保險(xiǎn)絲設(shè)備可 以結(jié)合數(shù)字電路使用。例如，保險(xiǎn)絲可以用于校準(zhǔn)，而數(shù)字電路用于計(jì) 數(shù)檢測。包含這些類型構(gòu)思的其它實(shí)施例也通過本公開預(yù)期。在其中不需要在單光子電平處觸發(fā)的一些實(shí)施例中，可以使用前沿鑒別器來產(chǎn)生觸發(fā)信號以及抑制暗計(jì)數(shù)。在其它實(shí)施例中，觸發(fā)信號可 以通過在觸發(fā)線上施加邏輯操作來數(shù)字產(chǎn)生。例如，像素可以再分為兩 半或塊，如果兩半檢測光子，那么僅產(chǎn)生觸發(fā)信號。在這種實(shí)施例中， 塊的數(shù)目和尺寸可以調(diào)節(jié)以設(shè)置平均閾值和選擇度。當(dāng)然，可以實(shí)現(xiàn)其 它類似的設(shè)計(jì)，包括但不限于相關(guān)像素塊的其它幾何形狀和其它方式。 已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明。顯然，基于閱讀和理解前面的 詳細(xì)描述，可以產(chǎn)生變形和變化。打算把本發(fā)明看作是包括所有的這些 變形和變化，只要它們在所附權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種與將輻射粒子轉(zhuǎn)換為光脈沖的閃爍器結(jié)合使用的檢測器像素(22)，該檢測器像素包括檢測器單元(50，50’，50”)陣列，每個(gè)檢測器單元包括在擊穿區(qū)域偏壓的光電二極管(52)和與光電二極管耦合的數(shù)字電路(54，54’，54”)，該數(shù)字電路被配置為輸出靜態(tài)下的第一數(shù)字值和響應(yīng)光電二極管的光子檢測的第二數(shù)字值；數(shù)字觸發(fā)電路(60，60’，60”，84)，配置為響應(yīng)所選數(shù)量的一個(gè)或多個(gè)檢測器單元從第一數(shù)字值轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?shù)字值，輸出指示積分時(shí)間周期開始的觸發(fā)信號；和讀出數(shù)字電路(66，82)，累加檢測器單元陣列的檢測器單元的在積分時(shí)間周期中從輸出第一數(shù)字值到輸出第二數(shù)字值的多次轉(zhuǎn)變的計(jì)數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器像素(22),其中每個(gè)檢測器單元(50, 50'， 50")包括猝熄電路(70， 70', 70")，配置為將檢測器單元在光電二極管的 光子檢測后轉(zhuǎn)變回到靜態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器像素(22),進(jìn)一步包括 觸發(fā)確認(rèn)電路(85)，監(jiān)視檢測器像素(50， 50，， 50")中的電流并響應(yīng)中斷判別來中斷計(jì)數(shù)的累加。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器像素(22),其中讀出數(shù)字電路(66, 82)包括與每個(gè)檢測器單元(50, 50', 50")相關(guān)的緩沖器(66)，緩沖第 二數(shù)字值；和像素電平讀出電路(82),配置為順序累加與具有第二數(shù)字值的檢 測器單元相關(guān)的緩沖器(66)以產(chǎn)生計(jì)數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器像素(22),其中讀出數(shù)字電路(66， 82)包括與每個(gè)檢測器單元相關(guān)的累加器(66),每個(gè)累加器配置為累加相 關(guān)檢測器單元在積分時(shí)間周期中從輸出第 一數(shù)字值到輸出第二數(shù)字值 的壽爭變；和加法電路(82),在積分時(shí)間周期的末端處對存儲在累加器中的值 求和以產(chǎn)生計(jì)數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器像素(22),其中數(shù)字觸發(fā)電路(60， 60，， 60"， 84)包括數(shù)字時(shí)標(biāo)電路(84)，配置為輸出與計(jì)數(shù)相關(guān)的數(shù)字時(shí)標(biāo)，數(shù)字時(shí) 標(biāo)基于觸發(fā)信號相對于時(shí)間參考信號(88)的時(shí)間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器像素(22),進(jìn)一步包括 比例光電二極管(110),配置為產(chǎn)生與入射到檢測器像素(22)上的光子通量成比例的模擬光電流；數(shù)字時(shí)標(biāo)電路(84)，連接到檢測器單元(50, 50，， 50")陣列以產(chǎn)生基于指示光子通量接收時(shí)間的觸發(fā)信號的時(shí)間的時(shí)標(biāo)。
8. —種輻射檢測器(10),包括 閃爍器(20);和根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器像素(22)陣列，布置成響應(yīng)接收的輻射 接收閃爍器產(chǎn)生的光脈沖。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的輻射檢測器(10)，其中像素(22)陣列整 體配置在公共的硅基底(24)上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的輻射檢測器(10 )，其中(i )檢測器單元(50， 50，， 50，，)陣列的光電二極管(52)限定光電二極管層(100),和(ii) 數(shù)字電路(54， 54，， 54"),數(shù)字觸發(fā)電路(60， 60，， 60"， 84)和讀 出數(shù)字電路(66, 82)限定與光電二極管層分離并與光電二極管層電耦 合的數(shù)字電路層(102)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的輻射檢測器(10 ),其中(i )檢測器單元(50, 50，， 50")陣列的光電二極管(52)限定光電二極管層(100，)，和(ii) 數(shù)字電路(54， 54，， 54")，數(shù)字觸發(fā)電路(60, 60，， 60", 84)和讀 出數(shù)字電路(66, 82)配置在散布在光電二極管(52)中的光電二極管 層中(100，)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9的輻射檢測器(10),其中數(shù)字電路(54， 54'， 54")，數(shù)字觸發(fā)電路(60， 60，， 60"， 84)和讀出數(shù)字電路(66， 82) 的至少基本部分是CMOS電路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9的輻射檢測器(10),進(jìn)一步包括 整體配置在公共的硅基底(24)上的多路復(fù)用電路(90, 92, 94)，該多路復(fù)用電路數(shù)字多路復(fù)用由檢測器像素(50, 50'， 50")的讀出數(shù)字電路(66， 82)產(chǎn)生的計(jì)數(shù)以產(chǎn)生數(shù)字輻射檢測器輸出信號。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1的輻射檢測器(10),其中數(shù)字觸發(fā)電路(60， 60，， 60"， 84)配置為輸出一個(gè)觸發(fā)信號,該觸發(fā)信號表示響應(yīng)單個(gè)檢測 器單元從第 一數(shù)字值轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?shù)字值的積分時(shí)間周期開始。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1的輻射檢測器(10)，其中數(shù)字觸發(fā)電路(60, 60，， 60"， 84)配置為輸出一個(gè)觸發(fā)信號,該觸發(fā)信號表示響應(yīng)多個(gè)檢測 器單元從第一數(shù)字值轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?shù)字值、產(chǎn)生超過選定觸發(fā)電流電平的 電流的積分時(shí)間周期開始。
16. —種飛行時(shí)間法正電子發(fā)射層析X射線攝影法(TOF-PET)成像系統(tǒng)，包括多個(gè)如權(quán)利要求8所述的輻射檢測器(10),設(shè)置成檢測從成像區(qū) 域(12)發(fā)射的伽馬射線；伽馬射線對檢測電路(34),伽馬射線對檢測電路(34)通過兩個(gè) 輻射檢測器識別兩個(gè)基本同時(shí)的伽馬射線檢測；響應(yīng)線處理器(38),響應(yīng)線處理器(38)確定連接兩個(gè)伽馬射線 才全測的空間響應(yīng)線；和飛行時(shí)間處理器(40),飛行時(shí)間處理器(40)基于兩個(gè)基本同時(shí) 的伽馬射線檢測之間的時(shí)間差，定位沿響應(yīng)線的正電子-電子消滅事件。
17. —種結(jié)合將輻射粒子轉(zhuǎn)換為光脈沖的閃爍器執(zhí)行的方法，該方 法包括響應(yīng)通過在擊穿區(qū)域偏壓的光電二極管(52的光子檢測，將數(shù)字電 路(54, 54，， 54，，)從第一數(shù)字值切換到第二數(shù)字值，該切換限定切換事件；響應(yīng)與多個(gè)所述光電二極管相關(guān)的所選數(shù)量的 一 個(gè)或多個(gè)所述切換事件，產(chǎn)生表示積分時(shí)間周期開始的觸發(fā)信號；和累加與多個(gè)所述光電二極管(52)相關(guān)的切換事件在積分時(shí)間周期 中的計(jì)數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括在切換事件后，使光電二極管(52)熄滅返回到相應(yīng)于第一數(shù)字值 的靜態(tài)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括 監(jiān)一見累力口；和響應(yīng)由監(jiān)視確定的中斷標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)生，中斷累加。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括產(chǎn)生與積分時(shí)間周期中累加相關(guān)的數(shù)字時(shí)標(biāo)，數(shù)字時(shí)標(biāo)基于觸發(fā)信 號和參考時(shí)間信號的產(chǎn)生時(shí)間。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，進(jìn)一步包括重復(fù)表示積分時(shí)間周期開始的觸發(fā)信號的產(chǎn)生、在積分時(shí)間周期中 計(jì)數(shù)的累加、以及與計(jì)數(shù)相關(guān)的數(shù)字時(shí)標(biāo)的產(chǎn)生以產(chǎn)生多個(gè)計(jì)數(shù)，每個(gè) 計(jì)數(shù)具有相關(guān)的數(shù)字時(shí)標(biāo)；和根據(jù)它們相關(guān)的數(shù)字時(shí)標(biāo)分類計(jì)數(shù)以產(chǎn)生在時(shí)間上分類的事件數(shù)據(jù)流。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述光子通量足夠高以使得基本上所有的光電二極管(52)參與 到積分時(shí)間周期期間的切換事件中時(shí)，利用 一個(gè)單獨(dú)的比例光電二極管 (UO)產(chǎn)生與光子通量成比例的模擬光電流。
23. —種輻射檢測器，包括執(zhí)行權(quán)利要求17所述的方法的閃爍器 和電路。
24. —種輻射檢測器，包括 多個(gè)限定光電二極管層的光電二極管；數(shù)字電路，用于響應(yīng)光電二極管的光子檢測提供一個(gè)或多個(gè)數(shù)字 值S 和硅基底，在其上配置數(shù)字電路。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的輻射檢測器，其中數(shù)字電路形成與光電二 極管層分離并與光電二極管層電耦合的數(shù)字電路層。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24的輻射檢測器，其中數(shù)字電路配置在至少部 分散布在多個(gè)光電二極管(52)中的光電二極管層中。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24的輻射檢測器，其中一個(gè)或多個(gè)數(shù)字值是時(shí) 標(biāo)，檢測器索引，檢測器像素索引，或光子的計(jì)數(shù)。
28. —種檢測器像素，包括檢測器單元陣列，每個(gè)檢測器單元包括光電二極管和耦合到光電二 極管的數(shù)字電路，其中數(shù)字電路響應(yīng)光電二極管的光子檢測從第一數(shù)字值輸出轉(zhuǎn)變 到第二數(shù)字值輸出。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的檢測器像素，進(jìn)一步包括數(shù)字觸發(fā)電路， 當(dāng)預(yù)定數(shù)量的檢測器單元從第 一數(shù)字值輸出轉(zhuǎn)變到第二數(shù)字值輸出 時(shí)，數(shù)字觸發(fā)電路提供表示積分時(shí)間周期開始時(shí)間的觸發(fā)信號。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28的檢測器像素，進(jìn)一步包括讀出數(shù)字電路， 讀出數(shù)字電路計(jì)數(shù)檢測器單元從第 一 數(shù)字值輸出轉(zhuǎn)變到第二數(shù)字值輸 出的轉(zhuǎn)變。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28的檢測器像素，進(jìn)一步包括觸發(fā)確認(rèn)電路， 觸發(fā)確認(rèn)電路監(jiān)視檢測器像素中的電流并響應(yīng)中斷標(biāo)準(zhǔn)中斷累加過程。
32. —種正電子發(fā)射層析X射線攝影法成像系統(tǒng)，包括 配置為接收將被成像的目標(biāo)的成像區(qū)域；和多個(gè)至少部分關(guān)于成像區(qū)域配置的檢測器，其中多個(gè)檢測器的至少 一個(gè)包括(i) 閃爍器；(ii) 檢測來自閃爍器的光子的光電二極管；和(iii) 數(shù)字電路，用于響應(yīng)光電二極管的光子檢測提供一個(gè)或多 個(gè)數(shù)字值。
33. —種產(chǎn)生醫(yī)學(xué)圖像的方法，包括 響應(yīng)輻射事件產(chǎn)生閃爍事件； 檢測閃爍事件；將數(shù)字時(shí)標(biāo)指定到檢測的閃爍事件； 在重建方法中利用數(shù)字時(shí)標(biāo)以產(chǎn)生醫(yī)學(xué)圖像。
34. —種檢測器，包括 閃爍器；在擊穿區(qū)域偏壓的光電二極管；和數(shù)字電路，其提供表示光電二極管是否已經(jīng)進(jìn)入擊穿的二進(jìn)制數(shù)字輸出。
35. —種檢測器，包括 閃爍器；檢測來自閃爍器的事件的光電二極管；和響應(yīng)光電二極管事件提供數(shù)字值的電路，其中所述電路在不存在光 電二極管事件時(shí)以靜態(tài)功耗模式操作，在存在光電二極管事件時(shí)以動(dòng)態(tài) 功耗模式操作。
36. —種檢測器，包括 閃爍器；檢測來自閃爍器的事件的光電二極管；和響應(yīng)光電二極管事件提供數(shù)字值的電路，其中檢測器所需的功耗是 具有電路的模擬檢測器所需功耗的至少約三分之一，該電路響應(yīng)光電二極管事件提供模擬值。
37. —種禁止成像檢測器單元的方法，包括 檢測檢測器陣列的各個(gè)單元的暗計(jì)數(shù)率； 基于檢測的暗計(jì)數(shù)確定哪個(gè)單元是有缺陷的；和
利用激光器切斷與所確定有缺陷單元相關(guān)的保險(xiǎn)絲。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37的方法，包括確定有缺陷單元的位置；和基于有缺陷單元的位置禁止一個(gè)或多個(gè)無缺陷單元。
39. —種成像檢測器，包括檢測檢測器陣列的各個(gè)單元的暗計(jì)數(shù)率的裝置；基于檢測的暗計(jì)數(shù)確定哪個(gè)單元是有缺陷的裝置；和利用激光器切斷與所確定有缺陷單元相關(guān)的保險(xiǎn)絲的裝置。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39的成像檢測器，進(jìn)一步包括 確定有缺陷單元的位置的裝置；和基于有缺陷單元的位置禁止一個(gè)或多個(gè)無缺陷單元的裝置。
41. 一種成像檢測器，包括 響應(yīng)輻射產(chǎn)生光子的閃爍器； 多個(gè)檢測由閃爍器產(chǎn)生的光子的光電檢測器；和響應(yīng)多個(gè)光電檢測器檢測的光子提供數(shù)字輸出的數(shù)字電路，其中所 述數(shù)字電路包括數(shù)字禁止任何數(shù)目的多個(gè)光電檢測器的裝置。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41的成像檢測器，其中禁止光電檢測器的裝置 禁止被認(rèn)為是有缺陷的光電檢測器。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42的成像檢測器，其中禁止光電檢測器的裝置 進(jìn)一步禁止一個(gè)或多個(gè)與禁止的有缺陷光電檢測器存在預(yù)定幾何關(guān)系 的光電檢測器。
44. 一種用于成像檢測器的校準(zhǔn)方法，包括 為 一個(gè)成像檢測器提供多個(gè)光電檢測器； 測試多個(gè)光電檢測器的響應(yīng)性； 確定哪一個(gè)光電檢測器是有缺陷的；和 禁止被認(rèn)為是有缺陷的光電檢測器。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44的校準(zhǔn)方法，進(jìn)一步包括禁止一個(gè)或多個(gè)與 禁止的有缺陷光電檢測器存在預(yù)定幾何關(guān)系的光電檢測器。
46. 根據(jù)權(quán)利要求44的校準(zhǔn)方法，進(jìn)一步包括提供禁止的光電檢 測器的報(bào)告。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46的校準(zhǔn)方法，其中報(bào)告包括禁止的光電檢測 器的空間分布。
全文摘要
輻射檢測器(10)包括檢測器像素(22)陣列，每個(gè)檢測器像素(22)包括檢測器單元(50，50’，50”)陣列。每個(gè)檢測器單元包括在擊穿區(qū)域偏壓的光電二極管(52)和與光電二極管耦合的數(shù)字電路(54，54’，54”)，該數(shù)字電路被配置為輸出靜態(tài)下的第一數(shù)字值和響應(yīng)光電二極管的光子檢測的第二數(shù)字值。數(shù)字觸發(fā)電路(60，60’，60”，84)被配置為響應(yīng)所選數(shù)目的一個(gè)或多個(gè)檢測器單元從第一數(shù)字值轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?shù)字值而輸出指示積分時(shí)間周期開始的觸發(fā)信號。讀出數(shù)字電路(66，82)累加檢測器單元陣列的檢測器單元的在積分時(shí)間周期中從第一數(shù)字態(tài)到第二數(shù)字態(tài)的多次轉(zhuǎn)變的計(jì)數(shù)。
文檔編號G01T1/164GK101163988SQ200680013555
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者K·菲德勒, T·弗拉克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司