BRPI0610720B1 - “pixel detector para uso em conjunto com um cintilador que converte uma partícula de radiação para uma rajada de luz, detector de radiação, sistema de geração de imagem de tomografia por emissão de pósitron de duração de trajetória (tof-pet), 5 método executado em conjunto com um cintilador que converte uma partícula de radiação para uma rajada de luz, e detector de radiação que inclui um cintilador e circuitos” - Google Patents

“pixel detector para uso em conjunto com um cintilador que converte uma partícula de radiação para uma rajada de luz, detector de radiação, sistema de geração de imagem de tomografia por emissão de pósitron de duração de trajetória (tof-pet), 5 método executado em conjunto com um cintilador que converte uma partícula de radiação para uma rajada de luz, e detector de radiação que inclui um cintilador e circuitos” Download PDF

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Fiedler Klaus
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Abstract

pixel detector, detector, sistema de geração de imagem de tomografia por emissão de pósitron, método executado em conjunto com um cintilador, métodos para produzir uma imagem médica, e para desabilitxr células de um detector de geração de imagem, detector de geração de imagem, e, método de calibração para um detector de geração de imagem um detector de radiação (10) inclui um arranjo de pixéis detectores (22), cada um incluindo um arranjo de células detectoras (50, 50', 50"). cada célula detectora inclui um fotodiodo (52) polarizado em uma região de ruptura e circuitos digitais (54, 54', 54") acoplados ao fotodiodo, e configurados para emitir um primeiro valor digital em um estado quiescente e um segundo valor digital sensível à detecção de um fóton pelo fotodiodo. circuitos de disparo digitais (60, 60', 60", 84) são configurados para emitir um sinal de disparo indicativo de um início de um período de tempo de integração, sensível a um número selecionado de uma ou mais células detectoras em transição do primeiro valor digital para o segundo valor digital. circuitos digitais de leitura (66, 82) acumulam uma contagem de um número de transições de células detectoras do arranjo de células detectoras do primeiro estado digital para o segundo estado digital através do período de tempo de integração.

Description

(54) Título: PIXEL DETECTOR PARA USO EM CONJUNTO COM UM CINTILADOR QUE
CONVERTE UMA PARTÍCULA DE RADIAÇÃO PARA UMA RAJADA DE LUZ, DETECTOR DE RADIAÇÃO, SISTEMA DE GERAÇÃO DE IMAGEM DE TOMOGRAFIA POR EMISSÃO DE PÓSITRON DE DURAÇÃO DE TRAJETÓRIA (TOF-PET), 5 MÉTODO EXECUTADO EM CONJUNTO COM UM CINTILADOR QUE CONVERTE UMA PARTÍCULA DE RADIAÇÃO PARA UMA RAJADA DE LUZ, E DETECTOR DE RADIAÇÃO QUE INCLUI UM CINTILADOR E CIRCUITOS (51) lnt.CI.: G01T 1/164 (30) Prioridade Unionista: 18/05/2005 US 60/682246, 22/04/2005 US 60/674034 (73) Titular(es): KONINKLIJKE PHILIPS Ν. V.
(72) Inventor(es): THOMAS FRACH; KLAUS FIEDLER “PIXEL DETECTOR pARA uso EM CONJUNTO COM UM CINTILADOR QUE CONVERTE UMA PARTÍCULA DE RADIAÇÃO PARA UMA RAJADA DE LUZ, DETECTOR DE RADIAÇÃO, SISTEMA DE GERAÇÃO DE IMAGEM DE TOMOGRAFIA POR EMISSÃO DE PÓSITRON DE DURAÇÃO DE TRAJETÓRIA (TOF-PET), MÉTODO EXECUTADO EM CONJUNTO COM UM CINTILADOR QUE CONVERTE UMA PARTÍCULA DE RADIAÇÃO PARA UMA RAJADA DE LUZ, E DETECTOR DE RADIAÇÃO QUE INCLUI UM CINTILADOR E CIRCUITOS”
DESCRIÇÃO
A descrição a seguir relaciona-se a técnicas de detecção de radiação. Relaciona-se particularmente a detectores de radiação de alta velocidade para tomografia por emissão de pósitron (PET), especialmente PET de duração de trajetória (TOF), e será descrita com referência particular a estes. Entretanto, o seguinte relaciona-se mais geralmente a detectores de radiação para tomografia computadorizada de emissão de fóton única (SPECT), tomografia computadorizada (CT) c assim por diante, bem como a detectores de radiação de alta velocidade para outras aplicações, tais corno astronomia.
Na PET, uni radiofarmaccutico c administrado a uni paciente humano ou outro assunto de geração de imagem. O radiofarmaccutico produz eventos de decaimento de radiação que emitem pósitrons, que percorrem uma distância muito curta antes de interagir rapidamente com um elétron do assunto dc geração dc imagem em tomo, em um evento dc an iqu ilação elétron-pósítron, para produzir dois raios gama direcionados opostos. Os raios gama são detectados por detectores de radiação em tomo do assunto de geração dc imagem como dois eventos dc detecção dc radiação substancialmente simultâneos, que definem urna linha de resposta (LOR) entre eles. Tipicamente, os detectores de radiação incluem cintiladores que produzem uma rajada ou cintilação dc luz sensível a cada detecção de raios gama, e um arranjo de tubos fotomultiplicadores (PMT) optícamente acoplados aos cintiladores, que convertem as rajadas de luz nos sinais elétricos correspondentes. Em alguns scanners de PET os PMT são substituídos por fotodiodos que produzem correntes elétricas analógicas proporcionais à intensidade das rajadas de luz.
Embora os raios gama sejam detectados “substancialmente simultaneamente”, se um dos dois detectores de radiação envolvidos estiver mais próximo do evento de aniquilação elétron-pósitron do que o outro detector de radiação, então haverá uma pequena diferença de tempo entre os dois eventos de detecção de radiação. Uma vez que os raios gama viajam à velocidade da luz, esta diferença de tempo entre detecções é tipicamente em tomo de poucos nanossegundos ou menos. Na TOF-PET, os detectores de radiação operam em velocidade suficientemente alta para habilitar a medição desta pequena diferença de duração de trajetória, que é então usada para localizar o evento de aniquilação elétron-pósitron ao longo da LOR.
Conseqüentemente, para a TOF-PET os detectores de radiação deveríam ter resolução temporal de subnanossegundos. Os PMT são geralmente rápidos o bastante para executar geração de imagens TOF-PET; entretanto, os PMT são volumosos, requerem polarização de alta tensão e não são bem adequados para pequenos tamanhos de pixel desejáveis para alta resolução. Fotodiodos convencionais são rápidos o bastante para TOF-PET, mas são desprovidos de amplificação interna, conduzindo a relações sinal ruído pobres. Para obter sinal suficiente com um fotodiodo convencional, um amplificador sensível a carga é tipicamente empregado a integrar o sinal, que limita a largura de faixa. Fotodiodos de avalanche podem também ser usados; entretanto, fotodiodos de avalanche sofrem tipicamente de altos níveis de ruído e alta temperatura e sensibilidade de polarização no ganho.
Para equacionar estas dificuldades, detectores de fotomultiplicador de silício (SiPM) foram propostos, por exemplo, em: E.A.
Georgiesvskya e outros, “The solid State Silicon photomultiplier for a wide range of applications” 17411 Int’ 1 Conf. On Photoelectronics and Night Vision Devices, Proceedings of SPIE vol. 5126 (2003); Golovin e outros, “Novel type of avalanche photodetector with Geiger mode operation”, Nuclear Instruments & Methods in Physical Research A, volume 518, páginas 560-64 (2004). Estes detectores SiPM usam um arranjo em pixéis, de pequenos fotodiodos de avalanche polarizados na região de ruptura e interconectados em paralelo. A saída é a soma analógica das correntes de fotodiodos de avalanche interconectados em paralelo, operando em um modo Geiger limitado. Cada fóton detectado no detector SiPM adiciona da ordem de 106 elétrons à corrente de saída do SiPM. A descarga Geiger sensível a detecção de fóton é rápida, provendo bordas de subida agudas do sinal, que facilitam medições de tempo precisas. Escalas de energia e resolução temporal com l/sqrt(N) (sqrt = raiz quadrada) onde N é o número de células de disparo.
O dispositivo SiPM tem certas desvantagens. A corrente analógica produzida por uma detecção de fóton é afetada pela tensão de polarização, temperatura de operação e parâmetros de circuito críticos tais como o valor de resistência de extinção. Estes fatores podem mudar a corrente analógica produzida por cada detecção de fóton, limitando então a resolução de energia do SiPM. A configuração analógica também tem as desvantagens de produzir altas contagens brutas e permitir que fotodiodos de avalanche defeituosos limitem substancialmente a produção do dispositivo detector.
O descrito a seguir contempla aparelhos e métodos melhorados que superam as limitações anteriormente mencionadas e outras.
De acordo com um aspecto, um pixel detector é descrito para uso em conjunto com um cintilador que converte uma partícula de radiação para uma rajada de luz. Um arranjo de células detectoras é provido. Cada célula detectora inclui um fotodiodo polarizado em uma região de ruptura e circuitos digitais acoplados ao fotodiodo. Os circuitos digitais são configurados para emitir um primeiro valor digital em um estado quiescente e um segundo valor digital sensível à detecção de um fóton pelo fotodiodo. Circuitos de disparo digitais são configurados para emitir um sinal de disparo indicativo de um início de um período de tempo de integração, sensível a um número selecionado de uma ou maís células detectoras em transição do primeiro valor digital para o segundo valor digital. Circuitos digitais de leitura acumulam uma contagem de um número de transições de células detectoras do arranjo de células detectoras do primeiro estado digital para o segundo estado digital, através do período de tempo de integração.
Em algumas realizações, circuitos de marcação de tempo digitais são configurados para emitir uma marcação de tempo digital associada à contagem. A marcação de tempo digital é baseada em um tempo do sinal de disparo relativo a um sinal de referência de tempo.
De acordo com um outro aspecto, um detector de radiação inclui um cíntilador e um arranjo de pixéis detectores conforme relatado no parágrafo anterior, arranjados para receber rajadas de luz produzidas pelo cíntilador, em resposta à radiação recebida.
De acordo com um outro aspecto, é descrito um sistema de geração de imagem de tomografia por emissão de pósitron de duração de trajetória (TOF-PET). Diversos detectores de radiação conforme relatados nos dois parágrafos anteriores são dispostos para detectar raios gama emitidos de uma região de geração de imagem. Circuitos de detecção de par de raio gama identificam duas detecções de raio gama simultâneas por dois dos detectores de radiação. Uma linha de processador de resposta determina uma linha espacial de resposta conectando as duas detecções de raio gama. Um processador de duração de trajetória localiza um evento de aniquilação de pósitron-elétron juntamente com a linha de resposta, com base numa diferença de tempo entre as duas detecções de raio gama substancialmente simultâneas.
De acordo com um outro aspecto, é executado um método em conjunto com um cintilador que converte uma partícula de radiação para uma rajada de luz. Circuitos digitais são comutados de um primeiro valor digital para um segundo valor segundo, em resposta à detecção de um fóton por um fóton diodo polarizado em uma região de ruptura pelos circuitos digitais, para definir um evento de comutação. Um sinal de disparo indicativo de um início de um período de tempo de integração é gerado em resposta a um número selecionado dentre um ou mais dos citados eventos de comutação associados a diversos dos citados fotodiodos. Uma contagem de eventos de comutação associados aos diversos citados fotodiodos é acumulada ao longo do período de tempo de integração.
Em algumas realizações, o método inclui adicionalmente gerar uma marcação de tempo digital associada ao acumulado através do período de tempo de integração. A marcação de tempo digital é baseada em uma geração de tempo do sinal de disparo e um sinal de tempo de referência.
De acordo com um outro aspecto, um detector de radiação é descrito, incluindo um cintilador e circuitos para executar o método relatado no parágrafo anterior.
Uma vantagem reside em prover detecção de radiação de alta taxa de dados para TOF-PET, tomografia computadorizada de emissão de fóton única (SPECT), transmissão de tomografia computadorizada (CT), astronomia, e outras aplicações.
Uma outra vantagem reside em prover uma saída de detector de radiação digital.
Uma outra vantagem reside em prover uma saída de detector marcada no tempo digitalmente.
Um outra vantagem reside em prover resolução de detector espacial melhorada.
Um outra vantagem reside na fabricação de dispositivo de detector melhorado produzido com baixa sensibilidade a temperatura, tensão de polarização e parâmetros de processo.
Numerosas vantagens adicionais e benefícios tomar-se-ão aparentes aos especialistas na técnica, pela leitura da seguinte descrição detalhada.
A invenção pode tomar a forma de vários componentes e arranjos de componentes, e várias operações e arranjos de processos de operação de processos. Os desenhos são apenas para a finalidade de ilustrar realizações preferidas e não devem ser considerados como limitando a invenção.
Figura 1 mostra diagramatícamente um sistema TOF-PET empregando detectores de radiação digitais em pixéis de alta velocidade.
Figura 2 mostra diagramatícamente uma vista seccional em corte de um dos detectores de radiação digitais em pixéis do sistema de TOFPET da Figura 1.
Figura 3 mostra um diagrama de circuito geral de uma das células de detector do detector de radiação digital em pixéis.
Figura 4A mostra um diagrama de circuito mais detalhado de uma realização de uma das células de detector.
Figura 4B mostra um diagrama de circuito mais detalhado de uma outra realização de uma das células de detector.
Figura 5 mostra um diagrama de circuito de um pixel do detector de radiação digital em pixéis.
Figura 6 mostra um diagrama de circuito de um dos detectores de radiação digital em pixéis.
Figura 7 mostra uma vista seccional em corte de uma realização de layout físico do detector de radiação digital em pixéis, na qual os fotodiodos definem uma camada de fotodiodo e os circuitos digitais são dispostos em uma camada de circuitos digitais separada e eletricamente acoplada à camada de fotodiodo.
Figura 8 mostra uma vista em perspectiva de uma outra realização de layout físico do detector de radiação digital em pixéis, na qual os fotodiodos definem uma camada de fotodiodo e os circuitos digitais são dispostos na camada de fotodiodo interposta entre os fotodiodos.
Figura 9 mostra uma vista plana da área sensível a luz do dispositivo variante que inclui a área do detector de radiação digital em pixéis e um fotodiodo proporcional adicional que produz uma foto corrente analógica quando o fluxo de fótons é alto o bastante para saturar a área do detector de radiação digital em pixéis.
Figura 10 mostra um exemplo ilustrativo da configuração de medida usada no primeiro estágio de um processo de desabilitação de célula defeituosa para detectores incluindo circuitos analógicos.
Figura 11 mostra um diagrama em blocos de uma célula contadora de geração de imagem.
Figura 12 mostra um diagrama em blocos de sensor.
Figura 13 mostra um fotodetector incorporando um fusível para desabilitação.
Com referência à Figura 1, um scanner de tomografia por emissão de pósitron de duração de trajetória (TOF-PET) 8 inclui diversos detectores de radiação 10 arranjados para visualizar uma região de geração de imagem 12. Na Figura 1, os diversos detectores de radiação 10 são arranjados em vários anéis de detectores ao longo de uma direção axial; entretanto, outros arranjos de detectores de radiação podem ser usados. Ainda mais, é para ser verificado que os diversos detectores de radiação 10 são ilustrados diagramaticamente. Tipicamente, os detectores de radiação são abrigados em um invólucro 14 do scanner 8 e então não estão visíveis do lado de fora, e tipicamente cada anel de detectores de radiação inclui centenas ou milhares de detectores de radiação. Em alguns scanners PET, somente um anel de detectores de radiação único é provido, em outros dois, três, quatro, cinco ou mais anéis de detectores de radiação são providos. Deveria ser verificado que cabeças de detector podem ser usadas em lugar da estrutura de anel detector mostrada nas figuras. O scanner TOF-PET 8 inclui uma cama 16 ou outro suporte para posicionar um paciente humano ou outro assunto de geração de imagem na região de geração de imagem 12. Opcionalmente, a cama 16 é linearmente móvel na direção axial, geralmente transversal aos anéis de detectores de radiação 10, para facilitar a aquisição de dados de geração de imagens tridimensionais. Adicionalmente ou altemativamente, o assunto de geração de imagem pode ser mantido estacionário, e os diversos anéis dos detectores de radiação usados para adquirir dados de geração de imagem TOF-PET tridimensionais. Ainda em outras realizações, somente um único anel de detectores é provido, o assunto de geração de imagem permanece estacionário, e a imagem resultante é bidimensional.
Um radiofarmacêutico adequado é administrado ao paciente ou outro assunto de geração de imagem antes da iniciação da geração de imagem TOF-PET. O radiofarmacêutico inclui uma substância radioativa que suporta eventos de decaimento radioativos que emitem pósitrons. Os pósitrons rapidamente aniquilam com os elétrons próximos do assunto de geração de imagem. O evento de aniquilação pósitron-elétron resultante produz dois raios gama direcionados opostos tendo energias de 511 keV. Os raios gama viajam
Q à velocidade da luz, isto é, -3x10 metros/segundos. Uma vez que a região de geração de imagem 12 tem tipicamente um diâmetro ou outra dimensão característica de cerca de dois metros ou menos, a duração de trajetória para uma partícula gama a partir da posição do evento de aniquilação pósitronelétron para um dos detectores dos diversos detectores de radiação 10, é cerca de poucos nanossegundos ou menos. Então, os dois raios gama direcionados opostos atingem dois dos detectores de radiação de modo substancialmente simultâneo.
Continuando com referência à Figura 1 e com referência adicional à Figura 2, cada detectores de radiação 10 inclui um cintilador 20 que produz uma cintilação ou rajada de luz quando o raio gama atinge o cintilador 20. A rajada de luz é recebida por um arranjo de pixéis de detector 22 monolitícamente dispostos sobre um substrato de silício 24. Como será descrito, os pixéis de detector 22 são pixéis de detector digitais e emitem valores incluindo uma representação digital de uma contagem de fótons (denotada “contagem” na Figura 1) e uma representação digital de uma marcação de tempo (denotada “marcação de tempo” na Figura 1) indicativo de quando a rajada de luz correspondente ao evento de cintilação foi detectada pelo pixel detector 22. Ainda mais, os diversos detectores de radiação 10 emitem informação de indexação incluindo, por exemplo, um índice de detector (denotado “ndetector” na Figura 1) indicando qual dos detectores de radiação 10 emitiu o evento de detecção de radiação, e um índice de pixel detector (denotado “kpixer na Figura 1) indicando qual pixel ou pixéis de detector daquele detector de radiação detectou a rajada de luz correspondente ao evento de detecção de radiação. O cintilador 20 é selecionado para prover alta potência de parada para raios gama de 511 keV com decaimento temporal rápido da rajada de cintilação. Alguns materiais cintiladores adequados são LSO, LYSO, MLS, LGSO, LaBr e misturas destes. Deveria ser verificado que outros materiais cintiladores poderíam também ser usados. Embora a Figura 2 mostra o cintilador 20 como um único cristal, um arranjo de cristais pode ser usado em seu lugar. Adicionalmente, um duto de luz planar 26 opcional pode ser interposto entre o cintilador 20 e os pixéis detectores 22 para melhorar a transmissão de fótons da rajada de luz de cintilação para os pixéis de luz 22. O cintilador 20 e o duto de luz planar 26 opcional são abrigados opcionalmente em um revestimento refletivo 28 que direciona a luz de cintilação para os pixéis 22.
Continuando com referência à Figura 1, os dados digitais correspondentes aos eventos de detecção de radiação são processados por um pré processador 30 que efetua processamento de dados selecionados. Por exemplo, se um evento de cintilação é detectado por diversos pixéis detectores, o pré processador 30 pode empregar lógica Anger ou outro processamento para identificar coordenadas espaciais r para cada evento de detecção de radiação e para estimar uma energia da partícula de radiação detectada. A informação espacial e de energia resultante para cada evento de detecção de radiação é armazenada no meio de armazenagem temporária de evento 32. Em outras realizações, a camada de cintílador é dividida em mosaicos de cintilador dimensionados para corresponder aos pixéis detectores e cada pixel detector é opticamente acoplado a um único mosaico de cintilador. Por exemplo, cada mosaico de cintilador pode incluir um revestimento refletivo similar ao revestimento refletivo 28 para canalizar os fótons de cintilação para o pixel acoplado.
Circuitos de detecção de par de raios 34 processam os eventos de detecção de radiação para identificar pares de detecções de raios gama substancialmente simultâneos, pertencentes a eventos de aníquilação elétronpósitron correspondentes. Este processamento pode incluir, por exemplo, janelas de energia (isto é, descartar eventos de detecção de radiação fora de uma janela de filtragem de energia selecionada disposta em cerca de 511 keV) e circuitos de detecção de coincidência (isto é, descartar pares de eventos de detecção de radiação temporariamente separados um do outro por um tempo selecionado maior que um intervalo de filtragem).
Quando um par de raios gama é identificado, um processador de linha de resposta (LOR) 38 processa a informação espacial pertencente aos eventos de detecção de raios gama (por exemplo, com os dois eventos representados por coordenadas espaciais η e r2, respectivamente, conforme computado pelo pré processamento 30) para identificar uma linha de resposta espacial (LOR) conectando as duas detecções de raio gama. Uma vez que os dois raios gama emitidos por um evento de aniquilação pósitron-elétron são direcionados espacialmente opostos, o evento de aniquilação elétron-pósitron é conhecido por ter ocorrido em algum lugar na LOR.
Na TOF-PET, os detectores de radiação 10 possuem resolução temporal suficientemente alta para detectar uma diferença de duração de trajetória entre as duas detecções de raios gama “substancialmente simultâneas”. Um processador de duração de trajetória 40 analisa a diferença de tempo entre os tempos (denotados “fi” e ‘V’ na Figura 1). Nos dois eventos de detecção de raios gama, para localizar o evento de aniquilação pósitron-elétron ao longo da LOR. O resultado, acumulado para um grande número de eventos de aniquilação pósitron-elétron é um conjunto de histoprojeções 42. Um processador de reconstrução 44 reconstrói o conjunto de histoprojeções 42 em uma imagem reconstruída usando qualquer algoritmo de reconstrução adequado, tal como uma retroprojeção filtrada ou retroprojeção iterativa com correção. A imagem reconstruída resultante é armazenada em uma memória de imagens 46 e pode ser visualizada em uma interface de usuário 48, impressa, armazenada, comunicada através de uma Intranet ou da Internet, ou usada de outro modo. Na realização ilustrada, a interface de usuário 48 também habilita um radiologista ou outro usuário a controlar o scanner de TOF-PET 8; em outras realizações, um controlador separado ou computador de controle pode ser provido.
Com referência à Figura 3, cada pixel 22 do detector de radiação 10 inclui um arranjo de células detectoras 50; a Figura 3 mostra um diagrama de circuito geral de tal célula detectora 50. Um fotodiodo 52 é polarizado em uma região de ruptura e serve como uma entrada para circuitos de digitalização 54. Uma saída 56 dos circuitos de digitalização 54 tem um primeiro valor digital correspondente a um estado quiescente, e transições para um segundo valor digital sensível à detecção de um fóton pelo fotodiodo 52. Quando o primeiro fóton de uma rajada de cintilação é detectado, a comutação da saída 56 do primeiro valor digital para o segundo valor digital ativa um controlador de linha de disparo de coletor aberto 60 que faz com que um sínal de disparo seja aplicado a uma linha de disparo comum ou barramento 62. O sinal de disparo por sua vez inicia um contador de fótons/meio de armazenagem temporária FIFO 66 (onde FIFO = “primeiro a entrar, primeiro a sair”) que conta as comutações dos circuitos de digitalização 54 do primeiro valor digital para o segundo valor digital através de um período de tempo de integração iniciado pelo sinal de disparo. Em alguma outras realizações, uma linha de habilitação de aquisição 67 inicia o contador de fótons 66. Um circuito de extinção 70, que pode ser ativo ou passivo limita a corrente através do fotodiodo 52 e é configurado para facilitar a transição dos circuitos de polarização do segundo valor digital de volta para o primeiro valor digital. Então, a célula detectora 50 pode contar mais de um fóton, se a célula detectora 50 é extinta de volta para o primeiro valor digital quiescente antes que o período de tempo de integração expire. A contagem final armazenada no contador de fótons/meio de armazenagem temporária FIFO 66 é acessível através de um barramento digital 68.
O fotodiodo 52 é adequadamente polarizado em um tipo de operação de modo Geiger. Quando o fotodiodo 52 entra em ruptura, grande quantidade de carga (por exemplo, cerca de 106 elétrons por detecção recebida em alguns fotodiodos) é gerada através do processo de ruptura de avalanche. Esta carga é transportada primariamente através do circuito de extinção 70, que tem uma resistência efetiva de tipicamente várias centenas de quilo ohms para limitar a corrente fluindo através do fotodiodo 52. Com a corrente então limitada, a carga remanescente no fotodiodo 52 se distribui espacialmente para reduzir o campo elétrico na região de avalanche do fotodiodo 52. Esta blindagem extingüe o processo de avalanche e faz com que os portadores restantes sejam transportados por desvio para fora da zona de avalanche/depleção, causando a recuperação do fotodiodo 52. Tipicamente, o fotodiodo 52 inclui um anel de guarda (não mostrado) em tomo da periferia, que evita a ruptura por avalanche nas bordas do fotodiodo 52. A estrutura do anel de guarda atua adequadamente como um diodo PN comum reversamente polarizado com campos internos baixos demais para ocorrer a ruptura por avalanche.
Com referência à Figura 4A, é descrito um diagrama de circuito mais detalhado de um exemplo de realização de célula detectora 50’. Esta realização inclui um circuito de extinção passivo 70’ realizado como um resistor de extinção. Na detecção de fóton, a junção do fotodiodo 52 rompe e uma corrente elétrica começa a fluir através do fotodiodo 52 e resistor de extinção 70’. A corrente provoca uma queda de tensão através do resistor 70’, reduzindo então o potencial na entrada inversora. A diferença de tensão relativa a VüD deveria ser grande o bastante para acionar a saída inversora para um estado “alto”. As características de comutação do inversor podem ser otimizadas ajustando as larguras do transistor. A saída do inversor retoma para um estado “baixo” automaticamente quando o fotodiodo 52 se recupera da ruptura.
Continuando com referência à Figura 4A, a célula detectora 50’ implementa adicionalmente a lógica de inibição 74 que não desconecta uma célula detectora defeituosa completamente, mas ao invés disso evita que células detectoras defeituosas gerem disparos falsos. Células detectoras defeituosas gerarão correntes em excesso que são levadas em conta no circuito de validação de disparo (descrito mais tarde). Ao usar as células detectoras 50’, a linha de disparo 62 é atada a um nível “alto” através de um resistor de polarização por alimentação (não mostrado na Figura 4A). Deste modo, os disparos de todas as células detectoras 50’ são submetidos a “OU” lógico e a linha de disparo 62 é baixada por aquela célula detectora que detecta o primeiro fóton.
Com referência à Figura 4B, é descrito um diagrama de circuito mais detalhado de um outro exemplo de realização de célula detectora
50”, que inclui um circuito de extinção ativo 70” para acelerar a descarga da capacitância de junção do fotodiodo 52 para retomar ao nível quiescente, reduzindo então o tempo de recuperação doe fotodiodo 52. Tempos de recuperação mais curtos são esperados para conduzir a uma sensibilidade mais alta, uma vez que uma dada célula detectora 50” é mais provável de contar mais de um fóton durante o período de tempo de integração quando se recupera rapidamente, e é esperado que conduzam a uma faixa dinâmica mais alta e melhor resolução de energia da célula detectora 50”. O contador de fóton 66 é habilitado pela linha de disparo 62 ou por uma linha dedicada, se uma rede de disparo hierárquica é usada, a qual é abaixada por aquela célula detectora que detecta o primeiro fóton, e é mantida baixa pela lógica de pixel principal (não mostrada na Figura 4B) pelo período de tempo de integração. O número de fótons detectados acumulados pelo contador de fótons 66 é transferido do contador de fótons 66 para um meio de armazenagem temporária ou outra armazenagem digital (não mostrada na Figura 4B) na borda de subida da linha de disparo 62 ou linha de leitura dedicada. Subseqüentemente, o contador 66 é reiniciado automaticamente, por exemplo, pelo nível baixo do sinal invertido e retardado na linha de disparo 62, em preparação para o próximo evento de detecção de rajada de cintilação. Neste arranjo, o tempo morto entre períodos de tempo de integração pode ser tão baixo quanto o tempo de transferência do meio de armazenagem temporária mais o tempo de reajuste do contador 66, que em algumas realizações é esperado ser menor que um nanossegundo para implementações em CMOS. A célula detectora 50” da Figura 4B também inclui lógica de inibição 74 para evitar falsos disparos de células detectoras defeituosas.
Com referência à Figura 5, cada pixel 22 do detector de radiação 10 inclui um arranjo bidimensional de células detectoras 50 e nível de pixel associado de lógica de pixel digital 80. Circuitos de leitura digital para o pixel 22 incluem aquisição digital de nível de pixel e circuitos de leitura 82 e circuitos associados no nível da célula detectora.
Com referência às Figuras 3 e 5, os circuitos de digitalização 54 de cada célula detectora 50 provêm uma saída digital binária baseada em limiar indicando se o fotodiodo 52 daquelas células detectoras entrou em ruptura ou não. Os circuitos digitais 54 emitem um primeiro valor binário quando um fotodiodo 52 está em seu estado quiescente, e transições para um segundo valor binário quando a corrente do fotodiodo aumenta além do valor de limiar indicativo da detecção de fóton. O sinal de cada fotodiodo 52 é então digitalizado no nível da célula detectora 50. A leitura é efetuada pela lógica de nível de pixel contando as transições digitais das células detectoras para produzir uma saída de pixel digital indicativa do número de fótons detectados. Comparada à soma de correntes de fotodiodo analógicas para gerar uma saídas de pixel analógica como é feito nos SiPM analógicos, o método de digitalizar-e-contar das Figuras 3 e 5 é muito menos sensível a variações de polarização, variações de temperatura de operação, tolerância de componentes no circuito de extinção 70 ou assim por diante. Enquanto estes efeitos secundários não causam comutação errônea ou comutação perdida dos circuitos digitais de limiar 54, geralmente não afetam a resolução de energia da célula detectora 50.
Em algumas abordagens de leitura, as células detectoras 50 são endereçadas como um bloco de memória padrão, usando decodificadores de endereço para as linhas e colunas do arranjo de células detectoras 50. Esta solução provê uma leitura sequencial dos dados de célula, em cujo caso os circuitos de leitura de nível de pixel 82 podem consistir de um simples acumulador digital. Em outras abordagens de leitura, linhas de células são lidas em paralelo, com cada linha tendo seu próprio acumulados para a soma parcial, e as somas parciais são adicionadas em uma árvore somadora paralela. Ainda em outras abordagens de leitura, os somadores são incorporados nas células de detecção, de tal modo que a soma de toda a linha é obtida enquanto a contagem do relógio dos dados e a soma de linha é lida a partir da última célula detectora na linha. Como o somatório nesta última abordagem de leitura pode ser disposto em túnel, a arquitetura de leitura é rápida, permitindo intervalos de leitura curtos.
Se os contadores de fótons 66 de nível de célula detectora ou contadores de circuitos de leitura de nível de pixel 82 são prováveis de saturar, então os contadores não deveríam ter permissão para circular. Por exemplo, um contador de quatro bits contando de 0... 15 não deveria ter permissão para incrementar de 15 de volta para 0. Evitando circular, a saturação do pixel 22 pode ser detectada quando o contador lê seu valor mais alto (por exemplo, 15 para um contador de quatro bits). O número de bits para evitar circulação depende somente do tempo de recuperação de célula antecipado mínimo e da extensão máxima do período de integração. Embora a janela de integração seja um parâmetro de projeto, o tempo de recuperação de célula é de natureza estatística, pois a probabilidade de detecção de fóton é uma função da sobre tensão subir lentamente durante a recuperação da célula. Em uma célula extinta ativamente, um tempo de recuperação mínimo é definido pelo retardo mono-estável. Então, neste caso, é possível projetar o contador grande o bastante para evitar estouro. O barramento digital 68 pode ser um barramento paralelo ou serial, dependendo das restrições de espaço e tempo.
Continuando com referência à Figura 5, a lógica de pixel digital 80 inclui adicionalmente circuitos digitais de disparo 84, circuitos de validação de disparo 85 e um meio de armazenagem temporária de saída 86 que armazena a contagem de fóton do pixel 22. Os circuitos digitais de disparo 84 acessam um relógio de referência 88 (mostrado como um traço elétrico que é conectado a um oscilador adequado ou outro dispositivo de relógio não mostrado na Figura 5) para prover uma referência de tempo para os circuitos digitais de disparo 84. Os circuitos digitais de disparo 84 determinam a marcação de tempo de um evento de detecção de radiação em um quadro de tempo global (por exemplo, scanner). Os módulos de circuitos digitais 84 de todos os pixéis 22 do scanner rodam sincronizadamente a uma precisão de preferivelmente menos de 100 ps. O sinal de referência 88 é usado para sincronizar os módulos de circuitos digitais de disparo 84 dos pixéis, provendo-os de uma base de tempo comum para o scanner inteiro. Em algumas realizações, o período de tempo de integração é um intervalo de tempo fixo começando na ocorrência do sinal de disparo. Em outras realizações, o período de tempo de integração é terminado dinamicamente quando a taxa de novas contagens diminui abaixo de um valor de limiar.
Os circuitos digitais de disparo 84 são também preferivelmente configurados para emitir a marcação de tempo digital (ver Figura 1) associada à contagem. A marcação de tempo digital é baseada em um tempo da saída do sinal de disparo pelo controlador de linha de disparo 60 da primeira das células detectoras 50 que detecta um fóton a partir de uma rajada de cintilação. A lógica de pixel 80 ainda inclui adicionalmente, opcionalmente, registros de correção de dados e inibe controladores de seqüência. Os circuitos de teste automatizado e calibração 87 são também opcionalmente implementados pela lógica de pixel 80. Em um método de teste/calibração, a taxa de contagem bruta do pixel 22 (possivelmente incluindo contagens em segundo plano produzidas por radioatividade intrínseca do cintilador 20) é monitorada. Em um outro método de teste/calibração, uma excitação externa de uma carga de teste injetada nas células detectoras 50 é usada para testar e calibrar o pixel 22.
Continuando com referência à Figura 5, será verificado que, devido às correntes escuras, conversação cruzada, excitações térmicas e assim por diante, é possível que uma das células detectoras 50 possa produzir um sinal de disparo inadvertido, iniciando um período de tempo de integração. Os circuitos de validação de disparo 85 validam o sinal de disparo e abortam a integração se for determinado que o sinal de disparo era falso. Em uma abordagem, os circuitos de validação de disparo 85 analisam a corrente fluindo através da rede de polarização do pixel 22. Se a corrente total permanece abaixo de uma certa corrente de limiar por um intervalo de tempo selecionado (por exemplo, por 10 nanossegundos no período de tempo de aquisição) conforme medido por um discriminador ou outros circuitos, então a aquisição é abortada e uma seqüência de reajuste automática é iniciada em preparação para o próximo disparo. Se a corrente excede o limiar de corrente, a saída do discriminador crescerá para um nível “alto” e a aquisição continuará. Em algumas realizações, ao invés de usar um período de tempo de integração fixo, o bordo de descida do discriminador de corrente de polarização é usado para detectar o fim da rajada de cintilação, de modo a adaptar o período de tempo de integração para coincidir substancialmente com o final do intervalo de aquisição. Isto pode suprimir a acumulação em aplicações de taxa de contagem alta. Um outro método adequado faz uso do fato de que a probabilidade de dois disparos gerados termicamente dentro de uma janela de tempo curta diminuam com a distância das células de disparo, uma vez que disparos térmicos geralmente não são correlacionados. Em contraste, a rajada de cintilação deveria atuar em células detectoras 50 através da área sensível a luz do pixel 22. Então, os circuitos de validação de disparo 85 podem analisar os disparos a partir de células detectoras 50 individuais, por exemplo, e validar o sinal de disparo se duas linhas distantes geram um sinal de disparo dentro de uma janela de tempo selecionada. Outras abordagens para validação de disparo podem também ser usadas, tais como empregar um sensor de corrente com conjunto de discriminador ajustável em um limiar de disparo mais alto que o nível de fóton simples.
Em algumas outras realizações, o contador 66 é disparado pela linha de habilitação de aquisição 67. O disparo no primeiro fóton pode ser problemático se houver um alto fluxo de segundo plano de fótons não relacionados a eventos de aniquilação de pósitron-elétron. Este segundo plano pode ser o resultado, por exemplo, de um modo de decaimento lento secundário do cintilador. Em tais casos, as células detectoras disparam freqüentemente, aumentando o tempo morto do pixel. Para prover início de contador mais robusto, no nível de célula detectora (Figuras 3, 4A ou 4B) o contador de fóton é habilitado pela linha de “habilitação de aquisição” 67, separada, que é abaixada pela lógica de pixel na detecção do primeiro fóton (linha de disparo abaixa) ou pelo discriminador do circuito de validação de disparo 85 quando a corrente através da rede de polarização tiver excedido o nível de disparo definido pelo usuário. Esta linha define a extensão da janela de integração e é controlada pela lógica de pixel. No nível de pixel detector (Figura 5) o circuito de validação de disparo 85 é estendido para incluir um multiplexador 89 selecionando a linha de disparo 62 (para um único disparo de fóton) ou a saída do discriminador de borda dianteira (para disparo de fóton múltiplo) como entrada para o conversor de tempo para digítal/circuitos de validação de disparo. O circuito de validação de disparo 85 é estendido para prover o sinal de “habilitação de aquisição” 67 para as células detectoras 50, 50’, 50”. Alternativamente, se o disparo no nível de fóton único não é requerido, uma lógica adequada pode ser implementada para gerar o sinal de disparo, se um número selecionado de células (linhas de disparo) se toma ativo ao mesmo tempo. Esta implementação tem a vantagem prática de requerer apenas componentes digitais. Entretanto, neste caso, o limiar é definido apenas estatisticamente. Em algumas outras realizações, o controlador de coletor aberto é opcionalmente omitido das células detectores e um projeto modificado é usado no circuito de validação de disparo.
Continuando com referência à Figura 5 e com referência adicional à Figura 6, os píxéis 22 são arranjados em um arranjo bidimensional para definir a superfície sensível a luz do detector de radiação em píxéis 10. A realização mostrada na Figura 6 usa uma leitura de pixel na qual cada linha de pixel 22 é lida por meios de armazenagem temporária FIFO 90. Os meios de armazenagem temporária de saída 90 incluem cada um meios de armazenagem temporária de saída de três estados permitindo que os dados sejam transferidos através de um barramento de dados digital 92 compartilhado. Opcionalmente, os eventos são classificados de acordo com suas marcações de tempo pela arbitragem de leitura nos meios de armazenagem temporária de saída de linha 90 e também pela arbitragem de barramento compartilhado pelo meio de armazenagem temporária de saída 92, conduzindo então a um fluxo de dados de evento que é classificado ao longo do tempo. Esta característica opcional simplifica substancialmente a busca de eventos coincidentes. Uma requisição de dados em cadeia de margarida é adequadamente usada para arbitragem de acesso de escrita. As somas em cadeia de margarida são transferidas para um meio de armazenagem temporária de saída de detector de radiação 94 para transferência sem chip.
Com referência às Figuras 7 e 8, em algumas realizações os circuitos digitais (tais como os circuitos de polarização digitais 54, 54’, 54”, circuitos de disparo digitais 60, 60’, 60”, 84 e circuitos digitais de leitura 66, 82) do detector de radiação 10 são refinados por circuitos CMOS dispostos no substrato de silício 24. Várias disposições físicas podem ser usadas. Em um layout vertícalmente segregado mostrado na Figura 7, os fotodiodos 52 do arranjo de células detectoras 50, 50’, 50” definem uma camada de fotodiodo 100, e os circuitos digitais são dispostos em uma camada de circuitos digitais CMOS 102 separada e eletricamente acoplada à camada de fotodiodo 100. Em um layout alternativo mostrado na Figura 8, os fotodiodos 52 definem uma camada de fotodiodo 100’, e circuitos digitais CMOS (tais como os circuitos de polarização digital 54, 54’, 54”, circuitos de disparo digitais 60, 60’, 60”, 84 e circuitos digitais de leitura 66, 82) são dispostos na camada de fotodiodo 100’ interposta entre os fotodiodos 52.
Como a lógica CMOS drena potência somente ao comutar estados, somente aquelas partes do detector de radiação 10 que estão continuamente em ligação ativa com o relógio 88 contribuirão para o consumo de potência de linha base. Uma vez que o pixel 22 é ativado por um sinal de disparo gerado por um dos fotodiodos 52 que estão polarizados na região de ruptura, no estado quiescente, o consumo de potência é dependente da taxa de detecção de fóton e, então, no fluxo de fótons recebidos, mais a taxa de contagem bruta. O controle de consumo de potência do pixel 22 pode ser implementado aumentando deliberadamente o ponto morto de um pixel individual entre duas aquisições. Isto poderia ser feito automaticamente pela lógica de pixel 80, dependendo da temperatura do pixel. A temperatura do pixel pode ser medida diretamente por um sensor de temperatura (não mostrado) ou estimada indiretamente a partir da taxa de contagem bruta do pixel 22.
Uma vez que a lógica CMOS drena potência somente ao comutar estados, o consumo de potência total pode ser dramaticamente reduzido usando uma implementação de CMOS em relação a uma implementação analógica. Por exemplo, em algumas realizações de uma implementação analógica, o consumo de potência por canal é 30 mW e a parte global do chip é 162 mW. Para uma implementação mais prática, tal como em um AP cilíndrico com 28336 canais ou 1890 chips, o consumo de potência seria uma constante 1156W. Por outro lado, o consumo de potência para uma implementação CMOS, tais como as várias implementações descritas aqui, tem dois valores diferentes, um valor estático e um valor dinâmico. O consumo de potência estático é a potência requerida quando não há contagem e daí não há comutação de estados. Esta inclui a potência para a lógica da comutação dinâmica pois a lógica precisa estar pronta para receber contagens. O consumo de potência dinâmico é a potência requerida quando o detector está ativamente recebendo contagens, e daí comutando estados. O consumo de potência no estado ativo é dependente da quantidade de atividade; quanto mais contagens e comutação de estados, maior a potência que é requerida. O consumo de potência estático para um detector de 1890 chips similar é cerca de 10W ou menos. O consumo de potência dinâmico pode variar, dependendo da atividade, porém é tipicamente cerca de 300W ou menos.
Pode surgir um problema se a rajada de cintilação de luz produz um fluxo de fótons que é alto o bastante para fazer com que substancialmente todas as células detectoras 50, 50’, 50” de um ou mais dos pixéis 22 mude do primeiro estado digital para o segundo estado digital, durante o período de tempo de integração. Neste caso, o pixel 22 satura e a intensidade real (isto é, o fluxo de fótons) não é medida precisamente. O problema de saturação pode ser equacionado de vários modos.
Em uma abordagem, a área foto sensível definida pelos fotodiodos 52 é ffacionada em um número maior de fotodiodos menores. A área reduzida de cada fotodiodo reduz a probabilidade de que este detectará um fóton. Um número total maior de fotodiodos provê sensibilidade de nível de pixel mais alta para o fluxo de fótons, embora geralmente não compense quanto a área reduzida de cada célula. As células detectoras deveríam ter alguma separação para reduzir a conversação cruzada óptica entre células detectoras vizinhas. Tipicamente, a separação das células é da ordem de vários mícrons ou menos, quando sulcos preenchidos com material opaco são usados para a separação. Então, aumentar o número de células geralmente reduz a relação da área sensível para a área total em algum grau. Adicionalmente, aumentar o número de células detectoras, enquanto mantém o tamanho da célula constante, conduz tipicamente a um aumento proporcional na taxa de contagem bruta.
Com referência à Figura 9, em uma outra abordagem para equacionar o problema de saturação, um fotodiodo proporcional 110 está incluído na área foto sensível. O fotodiodo proporcional 110 é maior que os fotodiodos 52 usados na detecção digital. O fotodiodo proporcional 110 é configurado para produzir uma foto corrente analógica proporcional ao fluxo de fótons imposto ao pixel 22, quando o citado fluxo de fótons é alto o bastante para fazer com que substancialmente todas as células detectoras 50, 50’, 50” do pixel 22 mudem do primeiro estado digital para o segundo estado digital, durante o período de tempo de integração. Embora mostrado ao longo de um lado do arranjo de pixéis 22 para simplicidade de fabricação, o fotodiodo proporcional 110 pode ser localizado em outras posições em relação ao arranjo, tal como centrado no arranjo ou em um canto do arranjo. Ainda mais, em algumas realizações, o fotodiodo proporcional 110 pode ser distribuído como diversos fotodiodos proporcionais menores interconectados eletricamente, tal como um fotodiodo proporcional localizado em cada canto do arranjo de pixéis 22. Na variação da Figura 9, o sinal de saída de disparo pelo primeiro dos fotodiodos 52 para detectar um fóton, é ainda usado adequadamente para prover a informação de tempo para o evento de detecção de raios gama. Então, a saída de marcação de tempo pelo detector de radiação 10 é usada; entretanto, se os fotodiodos digitais 52 saturam, então a foto corrente produzida pelo fotodiodo proporcional 110 é usada para indicar intensidade de fluxo de fótons ao invés de usar o contador digital. O fotodiodo proporcional 110 pode ser um diodo PIN convencional, um fotodiodo de avalanche com circuitos de leitura analógicos ou digitais integrados, ou similares.
Os detectores de radiação digitais em pixéis são descritos aqui em conjunto com um exemplo de aplicação de TOF-PET. Entretanto, o especialista na técnica pode rapidamente adaptar os detectores de radiação digitais em pixéis descritos, para outras aplicações, tais como geração de imagem e tomografia computadorizada de emissão de fóton único (SPECT), geração de imagem de transmissão de tomografia computadorizada (CT), aplicações de astronomia e assim por diante. Para aplicações de detecção de radiação nas quais os fotodiodos 52 são diretamente sensíveis à radiação, o cintilador 20 é adequadamente omitido do detector de radiação 10.
Um especialista na técnica deveria entender que, embora a maior parte das realizações tenha sido descrita em conjunto com circuitos digitais, porções da invenção podem ser implementadas em conjunto com circuitos analógicos. Por exemplo, a descrição seguinte provê um método para desabilitar células defeituosas em um sistema de circuitos analógicos. Tais realizações são incorporadas ao escopo desta descrição.
Um método de desabilitação de célula defeituosa para um sistema de circuito analógico pode compreender dois estágios separados, a saber um estágio sensor e um estágio de calibração. Durante o estágio sensor, um arranjo ou dispositivo SiPM sob teste (DUT) é polarizado na tensão de polarização nominal acima do limiar em uma configuração à prova de luz. A descarga Geiger em semicondutores gera fótons de luz secundários, aproximadamente 3 por 100000 elétrons na junção, na média. Então, uma célula com ganho 1.000.000 gerará cerca de 30 fótons ópticos. O comprimento de onda médio destes fótons é cerca de 1 pm, habilitando deste modo os fótons a percorrer grandes distâncias no silício, antes de serem absorvidos. Alguns destes fótons disparam rupturas em células vizinhas, comumente referidas como conversação cruzada óptica, se a blindagem adequada não é usada. Outros fótons podem escapar do silício e podem ser detectados por detectores de fótons únicos apropriados. Os detectores sensores precisam ser acoplados 1:1 às células DUT. Então, a taxa de disparo dos detectores sensores pode então ser diretamente associada à taxa de contagem bruta de células individuais. A medição adicional do pulso de carga do DUT pode ser usada para medir diretamente o ganho e sua variação para células DUT individuais. Entretanto, para coletar estatística suficiente, tal medição provavelmente significaria um aumento significativo do tempo de medição.
Com base nos dados adquiridos no estágio sensor, um feixe laser desabilitará células defeituosas. Adícionalmente, o número de células ativas por pixel pode ser ajustado para equalizar a faixa dinâmica dos pixéis, se requerido. Em algumas implementações é usado um fusível para desabilitar as células defeituosas. Enquanto um fusível consumiría indesejavelmente área adicional, isto pode ser minimizado se o fusível for colocado além do anel dé guarda. Uma outra alternativa seria cortar o próprio poli resistor.
Um exemplo ilustrativo da configuração de medição usada no primeiro estágio é mostrado na Figura 10. Na Figura 10, um único arranjo de contador de fóton 200 é acoplado 1:1 ao DUT 210 usando uma estrutura de colimador 220. Um especialista na técnica entendería que o detector sensor tem o mesmo tamanho de pixel que o DUT, acoplamento de proximidade deveria ser usado para aumentar a sensibilidade do sistema. O arranjo de contador de fótons único 200 precisa ter taxa de contagem bruta significativamente inferior e então tem que ser extinto para pelo menos -50°C. Cada detector 230 no arranjo de contagem de fótons 200 é disparado por fótons emitidos pela descarga de modo Geiger. O detector indica o evento abaixando as linhas da linha e coluna e iniciando um intervalo de interrupção para evitar contagem dupla do mesmo evento. A extensão do intervalo de interrupção precisa ser ajustada para o tempo de recuperação do DUT. Um circuito de extinção/recarga 240 pode ser usado para obter intervalos de interrupção bem definidos. Circuitos adicionais podem ser usados para medir a carga do pulso em correlação às coordenadas do evento. Um esquemático em blocos de uma célula contadora de geração de imagem é mostrado na Figura 11, enquanto um diagrama em blocos de sensor é mostrado na Figura
12.
Aumentar a temperatura do DUT pode ser usado para acelerar a medição. No estágio de calibração, a taxa de contagem bruta de pixéis e dados de ganho são usados para selecionar um subconjunto de células que será desabilitado. Este pode ser qualquer número de células defeituosas bem como outras células que podem ser desabilitadas para prover uniformidade. Para alcançar isto, é usado um laser para cortar os fusíveis nestas células, conforme ilustrado na célula de detector modificada 11 na Figura 13.
Independentemente de se um processo de desabilitação digital ou analógico é usado, pode ser gerado um relatório permitindo que um usuário determine quantas células foram desabilitadas, porque estas foram consideradas defeituosas. O relatório pode prover adicionalmente a localização das células defeituosas desabilitadas. A localização das células defeituosas desabilitadas pode, em algumas realizações, ser usadas para desabilitar outras células. Tipicamente, isto seria feito em alguma espécie de configuração geométrica, para permitir detecção de radiação mais uniforme em relação ao detector. Ainda mais, o deslocamento de outras células pode ser automático, em resposta a entrada manual ou realimentação, ou uma combinação destes.
O arranjo fóton multiplexador de silício resultante possuirá taxa de contagem bruta mais baixa às custas de sensibilidade reduzida, devido à área perdida devido a células mortas. A perda na faixa dinâmica pode ser responsável de antemão por integrar um número mais alto de células de menor tamanho nos pixéis. Deveria ser verificado que a implementação do fusível pode ser usada em combinação com circuitos digitais. Por exemplo, o fusível pode ser usado para calibração, enquanto os circuitos digitais são usados para detecção de contagem. Outras realizações incorporando este tipo de idéia são também contempladas por esta descrição.
Em algumas realizações nas quais um disparo no nível de fóton único não é necessário, um discriminador de bordo avançado pode ser usado para gerar o sinal de disparo e para suprimir vantagens escuras. Em outras realizações, o sinal de disparo pode ser gerado digitalmente, aplicando uma operação lógica nas linhas de disparo. Por exemplo, um pixel pode ser subdividido em duas metades, ou blocos e o sinal de disparo é somente gerado se ambas as metades detectam o fóton. Em tais realizações, o número e tamanho dos blocos pode ser ajustado para configurar o limiar médio e a seletividade. Naturalmente, outros projetos similares podem ser implementados incluindo, porém não limitados a outras geometrias e outros modos de correlacionar blocos de pixel.
A invenção foi descrita com referência às realizações preferidas. Obviamente, modificações e alterações ocorrerão a outros, pela leitura e entendimento da descrição detalhada precedente. É pretendido que a invenção seja considerada como incluindo todas as modificações e alterações até a extensão em que estas vem dentro do escopo das reivindicações anexas ou equivalentes destas.

Claims (20)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Pixel detector (22) para uso em conjunto com um cintilador que converte uma partícula dc radiação para uma rajada de luz, caracterizado pelo fato de compreender:
    arranjo de células detectoras (50, 50’, 50”), cada célula detectora incluindo um fotodiodo (52) polarizado cm uma região dc ruptura e circuitos digitais (54, 54’, 54”) acoplados ao fotodiodo, os circuitos digitais sendo configurados para comutar de um primeiro valor digital em um estado quiescente para um segundo valor digital sensível à detecção de um fóton pelo fotodiodo, a comutação sendo denotada como um evento de comutação;
    circuitos de disparo digitais (60, 60’, 60”, 84) configurados para emitir um sinal de disparo indicativo de um inicio de um período de tempo de integração, sensível a um número selecionado de um ou mais de ditos eventos de comutação a partir dos fotodiodos;
    cada célula detectora ainda incluindo um contador (66) configurado para contar o número dc eventos dc comutação sofridos pelos fotodiodos da célula detectora associada; e circuitos digitais de leitura (82) que fazem a leitura de uma contagem total dc um número dc eventos dc comutação dc células detectoras do arranjo de células detectoras pela contagem dos eventos de comutação do arranjo de células detectoras através do período de tempo de integração.
  2. 2. Pixel detector (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma das células detectoras (50, 50’, 50”) inclui adicionalmente:
    circuitos de extinção (70, 70’, 70”) configurados para transição da célula detectora dc volta para o estado aquicsccntc, após detecção dc um fóton pelo fotodiodo.
  3. 3. Pixel detector (22), de acordo com a reivindicação I, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente:
    circuitos de validação de disparo (85) que monitoram uma corrente no pixel detector (50, 50’, 50”) e abortam a contagem dos eventos de comutação sensível a um critério de aborto.
  4. 4. Pixel detector (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os circuitos de disparo digitais (60, 60’, 60”, 84) incluem:
    circuitos dc marcação dc tempo digitais (84) configurados para emitir uma marcação de tempo digital associada à contagem, a marcação de tempo digital sendo baseada em um tempo do sinal de disparo relativo a um sinal dc referência de tempo (88).
  5. 5. Pixel detector (22), de acordo corrí a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente:
    fotodiodo proporcional (110) configurado para produzir uma foto corrente analógica proporcional a um fluxo de fótons chocando-se com o pixel detector (22);
    circuitos de marcação de tempo digitais (84) conectados ao arranjo de células detectoras (50, 50’, 50”) para criar uma marcação dc tempo baseada em um tempo do sinal de disparo que indica um tempo de recepção do fluxo de fóton.
  6. 6. Detector dc radiação (1.0), caracterizado pelo fato de compreender:
    cintilador (20); e arranjo de pixéis detectores (22) de acordo com a reivindicação l arranjado para receber rajadas de luz produzidas pelo cintilador cm resposta à radiação recebida.
  7. 7. Detector de radiação (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato dc que um arranjo dc pixel (22) c disposto monoliticamente sobre um substrato de silício comum (24).
  8. 8. Detector de radiação (10), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que (i) os fotodiodos (52) do arranjo de células detectoras (50, 50’, 50”) definem uma camada de fotodiodo (100) e (ii) os circuitos digitais (54, 54’, 54”), circuitos de disparo digitais (60, 60’, 60”, 84) e circuitos digitais de leitura (66, 82) definem uma camada de circuitos digitais (102) separada e eletricamente acoplada à camada de fotodiodo.
  9. 9. Detector de radiação (10), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que (i) os fotodiodos (52) do arranjo de células detectoras (50, 50’, 50”) definem uma camada de fotodiodo (100’) e (ii) os circuitos digitais (54, 54’, 54”), circuitos de disparo digitais (60, 60’, 60”, 84), sendo que o contador (66) e os circuitos digitais de leitura (82) estão dispostos na camada de fotodiodo (100’) interposta entre os fotodiodos (52).
  10. 10. Detector de radiação (10), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção substancial dos circuitos digitais (54, 54’, 54”), circuitos de disparo digitais (60, 60’, 60”, 84), em que o contador (66) e os circuitos digitais de leitura (66, 82) são circuitos CMOS.
  11. 11. Detector de radiação (10), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente:
    circuitos de multiplexação (90, 92, 94) também dispostos monoliticamente no substrato de silício comum (24), os circuitos de multiplexação multiplexando digitalmente contagens produzidas pelos contadores (66) dos pixéis detectores (50, 50’, 50”), para gerar um sinal de saída de detector de radiação digital.
  12. 12. Detector de radiação (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os circuitos de disparo digitais (60, 60’, 60”, 84) são configurados para emitir um sinal de disparo indicativo de um início de um período de tempo de integração sensível a uma única célula detectora em transição do primeiro valor digital para o segundo valor digital.
  13. 13. Detector de radiação (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os circuitos de disparo digitais (60, 60’, 60”, 84) são configurados para emitir um sinal de disparo indicativo de um começo de um período de tempo de integração, sensível a diversas células detectoras em transição do primeiro valor digital para o segundo valor digital, produzindo uma corrente excedendo um nível de corrente de disparo selecionada.
  14. 14. Sistema de geração de imagem de tomografia por emissão de pósitron de duração de trajetória (TOF-PET), caracterizado pelo fato de compreender:
    diversos detectores de radiação (10), conforme descritos na reivindicação 6, dispostos para detectar raios gama emitidos de uma região de geração de imagem (12);
    circuitos de detecção de par de raios gama (34) que identificam duas detecções de raios gama substancialmente simultâneas por dois dos detectores de radiação;
    processador de linha de resposta (38) que determina uma linha de resposta espacial conectando as duas detecções de raios gama; e processador de duração de trajetória (40) que localiza um evento de aniquilação pósitron-elétron ao longo da linha de resposta, com base em uma diferença de tempo entre as duas detecções de raios gama substancialmente simultâneas.
  15. 15. Método executado em conjunto com um cintilador que converte uma partícula de radiação para uma rajada de luz, caracterizado pelo fato de compreender:
    comutar circuitos digitais (54, 54’, 54”) a partir de um primeiro valor digital para um segundo valor digital, sensíveis à detecção de um fóton por um ou por uma pluralidade de fotodiodos (52) polarizados em uma região de ruptura, a comutação definindo um evento de comutação;
    gerar um sinal de disparo indicativo de um começo de um período de tempo de integração sensível a um número selecionado de um ou mais dos citados eventos de comutação associados a diversos dos citados fotodiodos;
    em resposta ao sinal de disparo, contar os eventos de comutação de cada fotodiodo durante o período de integração; e fazer a leitura da contagem total de eventos de comutação associados aos diversos citados fotodiodos (52) através do período de tempo de integração.
  16. 16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente:
    subsequentemente a um evento de comutação, extinguir o fotodiodo (52) correspondente de volta para o estado quiescente correspondente ao primeiro valor digital.
  17. 17. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente:
    monitorar a contagem total dos eventos de comutação; e abortar a contagem total dos eventos de comutação em resposta à ocorrência de um critério de aborto determinado pela monitoração.
  18. 18. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente:
    gerar uma marcação de tempo digital associada à emissão da contagem total através do período de tempo de integração, a marcação digital sendo baseada em um tempo de geração do sinal de disparo e um sinal de tempo de referência.
  19. 19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente:
    repetir a geração do sinal de disparo indicativo do começo de um período de tempo de integração, a emissão da contagem total ao longo do período de tempo de integração, e a geração da marcação de tempo digital associada a cada contagem total, para gerar diversas contagens totais, cada uma possuindo uma marcação de tempo digital associada; e classificar as contagens totais de acordo com suas marcações de tempo digitais associadas, para produzir um fluxo de dados de evento classificados ao longo do tempo.
  20. 20. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente:
    gerar uma foto corrente analógica proporcional a um fluxo de fótons usando um fotodiodo proporcional (110) separado, quando o citado fluxo de fóton é alto o bastante para fazer com que substancialmente todos os fotodiodos (52) participem nos eventos de comutação durante o período de tempo de integração.
    5 21. Detector de radiação que inclui um cintilador e circuitos, caracterizado por ser para executar o método, conforme definido na reivindicação
    15.
    1/10 {n detector »H>ixei - marcação de tempo, contagem}
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