DE102016008904A1

DE102016008904A1 - Sensorchip

Info

Publication number: DE102016008904A1
Application number: DE102016008904.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Lerche; Arne Berneking; Prof. Dr. Joni Shah Nadim
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-07-23
Also published as: US20190204461A1; DE102016008904B4; WO2018014892A1; US11054533B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen SiPM-Sensorchip. Bei PET-Aufnahmen besteht das Problem, dass bei der Bestimmung der LOR Parallaxenfehler entstehen, wenn die Annihilation nahe am PET-Ring stattfindet. Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass für die xy-Ebene des Szintillationskrsitalls wenigstens für eine Richtung x oder y eine Linearkodierung durchgeführt wird und zusätzlich eine Information über die Tiefe Z des Signals mittels eines Summiernetzwerkes erhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensorchip der für einen Positronen-Emissions-Tomographie-Detektorring geeignet ist.
Nach dem Stand der Technik werden Positronen-Emissions-Tomographie-Detektorringe eingesetzt um die β⁺β^– Annihilationsstrahlung zu detektieren. Die Ringe bestehen aus Szintillationskristallen, an die Sensoren angrenzen, die dazu in der Lage sind die Szintillationsstrahlung zu detektieren. Typische Detektoren sind SiPM (Silizium Photomultiplier). Der Aufbau gestaltet sich derart, dass der Detektorring in der Regel kreisförmig ist, wobei das zu vermessende Objekt, beispielsweise ein Körperteil eines Patienten oder Tieres in das Zentrum des Detektorrings (PET-Ring) gelegt wird. Durch die Verwendung von Radiodiagnostika wird β⁺β^– Annihilationsstrahlung erzeugt, die detektiert werden soll. Die β⁺β^– Annihilationsstrahlung, im Folgenden Vernichtungsstrahlung genannt, trifft auf Szintillationskristalle, die ringförmig um das zu untersuchende Objekt angeordnet sind und erzeugt die Szintillationsstrahlung. Die Szintillationsstrahlung wird wiederum von den SiMP registriert, die sich bezogen auf die Strahlungsquelle, in der konzentrischen Anordnung hinter dem Szintillationskristall befindet. Die SiMP können jedoch auch an anderen Seiten des Szintillationskristalls angeordnet sein, beispielsweise vor dem Szintillationskristall oder seitlich davon. Der Szintillationskristall ist ein dreidimensionaler Körper. Bezogen auf eine Anordnung, bei der das zu untersuchende Objekt vom Zentrum des Detektorrings Vernichtungsstrahlung emittiert, spannt der Querschnitt auf den die Vernichtungsstrahlung auf den Szintillationskristall trifft, eine xy-Achse auf. Die Tiefe des Szintillationskristalls wird in dieser Nomenklatur als z-Achse bezeichnet. In einer idealisierten Darstellung befindet sich im Zentrum des Detektorrings ein zu untersuchendes Objekt bzw. eine Emissionsquelle für Strahlung einer Energie von 511 keV, die idealerweise senkrecht auf die xy-Ebene des Szintillationskristalls trifft und eine Eindringtiefe entlang der z-Achse des Szintillationskristalls aufweist. Die 511 keV Vernichtungsstrahlung löst dann an einem Punkt des Szintillationskristalls entlang der z-Achse eine Szintillation aus, die vom Sensor, beispielsweise einem SiPM, als Signal registriert wird. Ein SiPM ist fähig sogar einzelne Photonen zu detektieren. Wenn das minimal benötigte Licht auf die aktive Sensorfläche trifft, erfährt die SiPM-Mikrozelle einen Durchbruch der Diode. Dies generiert einen Strompuls, welcher am Ausgang des Bauteiles gemessen werden kann. Ein sogenannter Quench-Widerstand verhindert, dass die Zelle einen kritischen Strom generiert, der so hoch wird, dass das Bauteil zerstört wird. Der Ausgangsstrom einer SiPM-Mikrozelle ist unabhängig von der Menge Licht, welche den Sensor erreicht und den Durchbruchprozess gestartet hat. Eine SiPM-Mikrozelle ist ein binärer Sensor, der detektiert ob Licht einfällt oder nicht. Um quantitative Informationen über das einfallende Licht zu erhalten, besteht ein SiPM aus einer Vielzahl von Mikrozellen. Eine Mikrozelle besteht dabei aus einer Photodiode und einem passivem Quenchwiderstand oder einem anderen Quenchmittel, wie beispielsweise einem aktiven Quenchtransistor. Die Anzahl der durchgebrochenen Zellen gibt dann Informationen über die eingefallene Lichtmenge an. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Sensitivität des Szintillationskristalls und dessen Länge entlang der z-Achse. Je tiefer der Szintillationskristall dimensioniert ist, desto empfindlicher ist er, da es umso wahrscheinlicher zu einem Szintillationsereignis kommt. Bei der Detektion der Vernichtungsstrahlung werden von dem Punkt, an dem die Vernichtungsstrahlung emittiert wird, Strahlen in zwei entgegengesetzte Richtungen emittiert, so dass die Strahlen einen Winkel von 180° ausbilden. Die Linie, die durch diese Strahlen gebildet wird, wird als „line of response” (LOR) bezeichnet. Entsprechend treffen bei einem ringförmigen Detektor entlang der LOR zwei Strahlen auf Szintillationskristalle, die – bezogen auf die ringförmige Anordnung in deren Zentrum sich die Emissionsquelle befindet – auf gegenüberliegenden Seiten liegen. Für Detektoren mit einer Lichtdetektion durch Photodioden in Form von SiPMs an nur einer Seite des Szintillatioskristalls existieren verschiedene etablierte Methoden, um die x- und y-Position eines Events zu bestimmen. Diese beinhalten jedoch nicht die z-Position und somit ist nicht die genau Position im Szintillationskristall bestimmt, wo das Gammaphoton auf der z-Achse gestoppt und in Licht umgewandelt wurde. Wird die z-Position nicht mitbestimmt, kommt es bei der Bestimmung der LOR zu parallaxen Fehlern, die auf das sogenannte Interaktionstiefenproblem (DOI-Problem) zurückzuführen sind. Das DOI-Problem kommt immer dann zu Stande, wenn der Punkt, von dem die Emission der Vernichtungsstrahlung ausgeht, in einem ringförmigen Detektor nicht genau im Zentrum liegt. Je weiter sich das Emissionszentrum für eine LOR außerhalb des Zentrums eines PET-Rings befindet, desto größer wird das Problem. Dadurch kommt es beim Design eines PET-Ringes zu einem Kompromiss zwischen Erhöhung der Sensitivität durch längere Szintillationskristalle und Verringerung der DOI-Fehler durch kürzere Szintillationskristalle. In einigen Bereichen der PET-Anwendung besteht der Bedarf, eng am Untersuchungsobjekt anliegende PET-Ringe (Detektorringe) zu verwenden. Das ist insbesondere in der Medizin der Fall, wenn Patienten gleichzeitig mit einem MRT-Verfahren und einem PET-Verfahren untersucht werden sollen. Dann muss der PET-Ring in die Öffnung der MRT-Scannerröhre passen. Das hat zur Folge, dass der verwendete PET-Ring im Durchmesser klein dimensioniert sein muss, damit er in die Öffnung des MRT-Rings passt. Bei einer kleinen Dimensionierung des PET-Rings besteht jedoch das Problem, dass das zu untersuchende Objekt, beispielsweise ein Körperteil eines Kleintiers oder auch eines Menschen, zwar zentriert angeordnet werden kann, jedoch gemessen an dem Durchmesser des PET-Rings so dimensioniert ist, dass er bis weit in die Randbereiche der Öffnung des PET-Rings reicht. Damit sind jedoch auch Punkte, von denen Vernichtungsstrahlung ausgeht so dicht am PET-Ring positioniert, dass das DOI-Problem erheblich wird.
In den vergangenen Jahren wurde insbesondere die Auflösung bei Kleintier-PET-Scannern mit der Verwendung von pixilierten Szintillationskristallblöcken mit immer kleineren Pixelgrößen deutlich verbessert. Dabei ist die Pixelung auf der xy-Ebene verwirklicht, so dass sich im Szintillationskristall Röhren von Pixeln, die in z-Richtung ausgerichtet sind, ausbilden. Dies wurde besonders durch den Bedarf an immer höherer Ortsauflösung in Kleintier-PET-Scannern gefördert, da das untersuchte Objekt sehr klein ist. Mittlerweile hat die Pixelgröße bereits den Submillimeterbereich erreicht. Deswegen kommt es verstärkt zu zwei Problemen, die gelöst werden müssen. Erstens bestehen die pixilierten Kristallblöcke aus Kleber und Reflektorfolie, welche sich zwischen den einzelnen Szintillationskristallen befindet, um so den pixilierten Block aufzubauen. Die Schicht Kleber und Reflektorfolie hat eine ungefähre Dicke von 70 μm. Demzufolge haben pixilierte Arrays mit besonders geringem Pixelabstand einen erhöhten Sensitivitätsverlust. Im Falle eines Arrays mit 0.8 cm × 0.8 cm großen Kristallpixeln, wie sie zum Beispiel in [1] verwendet wurden, verringert sich das Verhältnis von Kleber und Folie zu Szintillationskristall deutlich, so dass Kleber und Folie bereits einen Anteil von 29% ausmachen. Der Szintillationskristallanteil ist folgerichtig auf 71% reduziert. In den anderen 29% Volumen können keine Gammaquanten gestoppt und in Licht umgewandelt werden. Verwendet man noch kleinere pixilierte Arrays von beispielsweise 0.5 cm × 0.5 cm, reduziert sich der Kristallanteil sogar auf 59%. Deswegen ist die Erhöhung der Auflösung mit pixilierten Arrays immer an einen Verlust von Sensitivität gebunden. Das zweite Problem mit pixilierten Szintillationskristallarrays ist, dass das emittierte Licht auf einen kleineren Bereich der SiPM-Detektorfläche konzentriert wird. Ein SiPM besteht aus mehreren Mikrozellen, welche als binäre Elemente funktionieren. Sie detektieren, ob Licht detektiert wurde oder nicht. Wird Licht detektiert vollzieht die Mikrozelle einen Durchbruch. Die Anzahl der durchgebrochenen Mikrozellen geben quantitativ an, wie viel Licht die Detektoroberfläche erreicht hat. Wenn zwei oder mehr Lichtquanten eine Mikrozelle triggern, bleibt das Ausgangssignal gleich. Je mehr Licht einen SiPM trifft, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Lichtquanten auf die gleiche Mikrozelle des SiPM treffen. Diese zusätzlichen Lichtquanten können dann nicht detektiert werden. Konsequenter Weise ist die Wahrscheinlichkeit von Sättigung einer Mikrozelle deutlich höher, wenn pixilierte Szintillationskristallarwys verwendet werden, da diese das Licht stärker auf einen kleinen Bereich des Sensors konzentrieren. Sättigungseffekte führen auch zu einer schlechteren Energieauflösung der Detektoren.
Wie eingangs erwähnt verwenden Detektoren vom Stand der Technik SiPM-basierte Sensortechnologien, um Magnetresonanztomographiekompatibilität (MRI-Kompatibilität) für den Gebrauch in MR/PET Hybridscannern zu ermöglichen. Ein weiteres Problem mit Hybridscannern ist, dass der Platz für PET-Detektoren und zugehörige Elektronik durch den Röhrendurchmesser des Magnetresonanztomographens (MRT) begrenzt ist. Dies trifft insbesondere für Ultra-Hochfeld-Tomographen zu. Als Konsequenz des schmaleren Röhrendurchmessers müssen die PET-Szintillationskristalle so kurz wie möglich sein. Kürzere Szintillationskristalle verringern ebenfalls die Sensitivität. Die bedeutet auch, dass sich durch die Bedingungen des Röhrendurchmessers der PET-Ring näher am Untersuchungsobjekt befindet. Der parallaxe Fehler ist umso größer, je näher die Annihilationen und damit die resultierenden LOR am PET-Ring stattfinden. Dies liegt daran, dass die Gammaquanten nicht mehr senkrecht in die Szintillationskristalle einfallen, wenn sich die Annihilation nahe am PET-Ring ereignet. Dies hat im PET-Ringdesign die Folge, dass die parallaxen Fehler zunehmen und stärker werden, wenn der PET-Ring sich nahe am zu untersuchenden Objekt befindet, da in diesem Fall Annihilation ebenfalls nahe am PET-Ring stattfinden können. Abgesehen von Beschränkungen durch Hybridgeräte versucht man auch auf Grund einer höheren Sensitivität und geringerer Kosten die PET-Ringe so schmal wie möglich zu entwerfen.
Weiterhin ist bekannt, dass viele SiPM-Sensorkonzepte eine Kodierung der Ausgangskanäle beinhalten, da durch die Erhöhung der Ausgangskanäle die Leistungsaufnahme des PET-Ringes erhört wird. Diese ist allerdings konstruktionsbedingt limitiert. Eine einfache Rechnung verdeutlicht dies. Ein PET-Ring mit einem Durchmesser von 8 cm und einer Länge von 10 cm resultiert in einer Detektoroberfläche von 251 cm². Wird eine 1-zu-1-Kopplung von Szintillationskristallen und SiPMs mit einer Kristallpixelgröße von 0.8 mm verwendet, werden bereits 39270 Auslesekanäle benötigt, falls jeder Kanal individuell ausgelesen wird.
Um höhere Ortsauflösungen zu erzielen, bestehen aktuelle Sensordesigns aus Sensorchips mit schmaleren Pixelgrößen. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Auslesekanäle, welche durch die Leistungsaufnahme, Platz und Datenraten begrenzt sind. Als Konsequenz daraus wurden positionssensitive (PS) Kodierungsmethoden entwickelt, um die Anzahl der Auslesekanäle eines Chips zu reduzieren [1–3, 15]. Ein aktuell entwickeltes Konzept heißt Linearly-Graded SiPM (LG-SiPM) [1] und basiert auf ladungsteilenden PS-SiPMs. Ladungsteilende PS-SiPM-Mikrozellen detektieren das Licht wie herkömmliche SiPM-Mikrozellen. Jedoch beinhaltet dieses Sensorkonzept ein Widerstandsnetzwerk, welches die generierte Ladung abhängig von der Position und der Kodierung verteilt. Der in [1] vorgestellte Detektoraufbau besteht aus einem pixilierten Kristallarray mit einem Abstand von 0.8 mm. Dem gegenüber wurden lichtteilende Methoden unter den Namen Sensitivity Encoded SiPM (SeSP) und Interpolating SiPM (iSiPM) entwickelt und in [2–3, 15] publiziert und charakterisiert. Diese Verfahren haben den Vorteil, dass kein Widerstandsnetzwerk zur Positionskodierung benötigt wird, sondern die Positionskodierung über Verschaltung von Mikrozellen realisiert wird. Diese aktuellsten Detektorkonzepte ermöglichen den Vorteil einer Ausgangskanalreduzierung durch die Kanalkodierung bei gleichzeitiger hoher Detektorarrayauflösung, welche durch den Gebrauch von pixilierten Szintillationskristallarrays mit einem Abstand von weniger als einem Millimeter erreicht wird. Allerdings beinhaltet es keine DOI-Informationsdetektion. Ein in [4] publiziertes Konzept beweist die Möglichkeit einen PET-Detektor bestehend aus monolithischen Kristallen und SiPMs aufzubauen. Wie bereits zuvor erwähnt, lösen monolithische Kristalle das Problem von Sensitivitätsverlusten durch den Platzbedarf von Reflektorfolien und zugehörigen Klebern. Außerdem fallen dadurch die Produktionskosten von monolithischen Kristallen geringer aus. Die verwendete Dicke der Kristalle beträgt 2 mm. Dadurch werden mit dem in [4] verwendeten Aufbau parallaxe Fehler vermieden, was jedoch durch die geringe Ausdehnung des Szintillationskristalls in z-Richtung erkauft wird. Gleichzeitig ist die Detektionseffizienz durch die geringe Kristallhöhe jedoch gering.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten DOI-Informationen zu messen und damit parallaxe Fehler zu korrigieren, welche zusätzlich an einer weiteren Kristallseite Licht detektieren. Besonders für SiPMs vom Stand der Technik erhöhen sich die Kosten dadurch immens. Ein Konzept für DOI-Detektion, welches nur an einer Kristallseite Licht detektiert und dabei monolithische Kristalle verwendet, ist in [5] publiziert und in [6] patentiert. Es verwendet das bekannte Prinzip, dass die Lichtverteilung des Kristalls abhängig von der DOI ist. Das verwendete Detektorkonzept ist mit monolithischen Kristallen an positionssensitive Photomultiplier (PMT) H8500 von Hamamatsu gekoppelt. Außerdem wird ein Widerstandsnetzwerk verwendet, welches Positionskodierung und damit auch Ausgangskanalreduzierung ermöglicht. Dabei wird die Standardabweichung der Lichtverteilung verwendet, um die DOI abzuschätzen. Zur Berechnung der Standardabweichung benötigt man das Moment der 1. und 2. Ordnung der Lichtverteilung. Das Moment 1. Ordnung ist bereits durch die Linearkodierung der Ausgangskanäle gegeben. Zur Bestimmung des Moments 2. Ordnung ist ein Summennetzwerk entwickelt worden und in das Widerstandsnetzwerk integriert
Einen Überblick von PET-Detektoren mit DOI-Detektion ist in [7] zusammengefasst. Beschreibungen und Ergebnisse von Kleintier-PET- und MR/PET-Hybridscannern, welche in den letzten Jahren entwickelt worden sind, befinden sich in [8–11].
Detektorkonzepte, welche auf aktueller SiPM-basierter Technologie bestehen und eine Positionskodierung zur Kanalreduktion enthalten, beinhalten keine DOI-Detektion. Deswegen beinhalten PET-Ringe, die mit diesen Detektoren aufgebaut sind, Parallaxe Fehler in der Rekonstruktion. Darüber hinaus verwenden die meisten pixilierte Kristallarrays. Dieses führt wie oben beschrieben zu einem Verlust an Sensitivität bedingt durch die Reflektorfolie und dem Kleber zwischen den Kristallen des Arrays. Aufgrund der fehlenden DOI-Information ist man bei der Dicke der Kristalle begrenzt. Eine Erhöhung der Sensitivität durch dickere Kristalle kommt einher mit einem Verlust an Ortsauflösung bedingt durch fehlende DOI-Information. Die in [7] genannten DOI-Konzepte für pixilierte Kristalle können nicht mit beliebig kleinen Kristallen verwendet werden und funktionieren nicht für Kristallarrays mit 0.8 mm oder 0.5 mm Kristallgrößen. Das Hauptproblem bei fehlender DOI-Detektion ist, dass die PET-Ringgröße limitiert ist und ein schmalerer Ring die Ortsauflösung verringern würde.
Der in [4] beschriebene Detektor ist mit monolithischen Kristallen realisiert. Es wurde ein eng anliegender Ring entworfen, um die Sensitivität zu erhöhen. Gleichzeitig wurden monolithische Kristalle verwendet. Aufgrund der resultierenden kurzen Distanz zwischen den Szintillationskristallen und dem Untersuchungsobjekt, ist das DOI Problem erhöht. Deswegen sind die Entwickler des Ringes auf 2 mm Kristalldicke eingeschränkt. Dies hat zur Folge, dass die gewonnene Sensitivität durch den schmalen Ring und die Verwendung von monolithischen Kristallen durch die kurze Dicke der Szintillationskristalle wieder verloren geht. Allerdings beweist diese Arbeit, dass eine hohe Auflösung mit monolithischen Kristallen möglich ist.
DOI-Positionen mit SiPM-basierten Detektoren können bestimmt werden, indem an zwei Kristallflächen Sensoren angebracht werden. Diese benötigen die doppelte SiPM-Sensorfläche. Aktuell sind SiPM-Sensoren eine der teuersten Komponenten eines PET-Rings.
Das Konzept, welches in [5, 6] realisiert ist, verwendet positionssensitive PMT, welche nicht in starken magnetischen Feldern verwendet werden können. Dadurch sind sie nicht MRT-kompatibel. Das Konzept kann mit MRT-kompatiblen Avalanche Photodioden (APD) realisiert werden. APDs sind Photodioden, welche einen Avalanche-Effekt erfahren, wodurch Licht generierte Photoelektronen beschleunigt werden und mehr Elektronen aktivieren. Der resultierende Photostrom hängt von der Lichtintensität ab, wie es bei PMTs der Fall ist. Genauso kann das Konzept mit SiPM Sensoren realisiert werden indem die Ausgangskanäle der SiPM Sensoren, genau wie bei den APDs verschaltet werden. Eine Realisierung auf SiPM-Mikrozellenebene ist eine gänzlich neue Herausforderung, da SiPM-Mikrozellen binäre Sensoren sind und in einem anderen Modus, dem sogenannten Geiger-Modus betrieben werden.
Ein dreidimensionaler Tier-PET-Scanner wurde von Judenhofer et. al. [8] in einem 7T Tierscanner integriert. Er basiert auf APDs welche Szintillationskristalle mit einer Dicke von 4.5 mm verwenden und aus Kristallarrays mit 144 Kristallen bestehen, welche einen Abstand von 1.6 mm haben. Das Kristallarray ist an ein 3-mal-3 großes APD-Array gekoppelt. Das axiale Bildfeld (FOV) beträgt 19 mm. Dieses entwickelte System zeigt, dass speziell für integrierte Systeme der Platz stark limitiert ist, welches einen Kompromiss zwischen Kristalldicke und axialem FOV erzwingt. Dies resultiert in der niedrigen Sensitivität von 0.23% des Systems. Darüber hinaus limitiert auch hier das DOI-Problem die Kristalldicke.
Ein weiterer Prototypenscanner, der unter dem Namen MADPET veröffentlicht wurde, ist in seiner ersten Version in München entwickelt worden [9]. Er ist mit APDs, welche direkt an 3.7 mm × 3.7 mm × 12 mm Kristalle gekoppelt wurden, realisiert. Dieser Prototypenscanner zeigt das Problem einer Erhöhung der Auslesekanäle bei Verwendung von 1-zu-1 Kopplung. Im ersten Scanner ist es nicht möglich alle Kanäle gleichzeitig auszulesen. Außerdem ist eine geringe Sensitivität ein Problem des Scanners. In einer zweiten Version des Scanners, MADPET II, wurde dieses Problem gelöst und die Auslesung aller APDs ist möglich [14]. Die zweite Version verfügt auch über ein zweilagiges Auslesesystem, mit zwei Schichten von Kristallen mit dazwischenliegenden APDs. Da die Kristalle demzufolge aufgeteilt sind, lassen sich auch DOI-Positionen bestimmen. Es wird allerdings auch die doppelte Menge an Sensorflächen benötigt und damit werden die Auslesekanäle erneut erhöht. Außerdem entstehen durch die ungefähr doppelte Sensormenge höhere Kosten.
Die Möglichkeit von DOI-Detektion mit positionssensitiven PMTs ist in [10, 11] bewiesen worden.
Forschungsergebnisse mit Detektoren bestehend aus SiPMs und monolithischen Kristallen sind in [12] publiziert. In diesem Ansatz werden SiPMs in der gleichen Art und Weise benutzt, wie das ursprüngliche Konzept für PMTs und APDs in [5, 6] publiziert wurde.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Sensorchip zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet mit dem der Parallaxenfehler bei der Bestimmung einer LOR verringert werden kann. Es soll ein Sensorchip zur Verfügung gestellt werden, der die Verwendung von Szintillations-Einkristallen für die Detektion von Signalen bei der Positronen-Emissions-Tomographie ermöglicht, wobei das DOI-Problem vermieden werden kann, indem der Parallaxenfehler bei der Bestimmung der LOR verringert wird. Die Empfindlichkeit und die Auflösung des Sensorchips sollen verbessert werden. Weiterhin soll der Sensorchip geeignet sein, zusammen mit einem MRT, insbesondere bei hohen Magnetfeldern betrieben zu werden. Die Genauigkeit von klein dimensionierten PET-Ringen bzw. bei PET-Ringen, die eng am Untersuchungsobjekt anliegen, soll verbessert werden. Der Platzbedarf durch die der Messanordnung zugehörige Elektronik soll verringert werden. Die Kosten für die Vorrichtung sollen verringert werden. Der Sensorchip soll in seiner Anwendung nicht auf die Verwendung in der PET beschränkt sein, sondern soll generell für Szintillations-Einkristalle oder auch für andere Szintillationsmechanismen, wo die Lichtverteilung von der Interaktionstiefe abhängt, verwendet werden können.
Ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Die eingangs genannten Aufgaben werden gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Sensorchip ist es nunmehr möglich, Parallaxenfehler bei der Bestimmung der LOR's, insbesondere bei Szintillations-Einkristallen, zu verringern. Die Empfindlichkeit und die Auflösung der Messmethode und der Vorrichtung werden wesentlich verbessert. Der Einsatz von in z-Richtung längeren Szintillations-Einkristallen wird ermöglicht. Der Detektor kann zusammen mit einem MRT-Gerät betrieben werden. Insbesondere bei Geräten mit kleiner Dimensionierung oder wenn der PET-Ring eng am Untersuchungsobjekt anliegt wird der Parallaxenfehler verringert. Es wird Platz für die zugehörige Elektronik und Kosten eingespart. Der erfindungsgemäße Sensorchip erreicht eine sehr hohe Detailgenauigkeit, denn die Anzahl der Abtastungen der Lichtverteilungsfunktion wird dadurch signifikant erhöht, da innerhalb eines Sensorpixels abgetastet wird und sogar eine Abtastung auf Mikrozellebene möglich ist. Dadurch erhöht sich die Granularität um einen Faktor, der Abhängig von den später beschriebenen Implementierungsmethoden bis zu 160 oder höher gegenüber herkömmlichen SiPM's bei Photomultipliern bzw. Avalanche-Dioden betragen kann. Dies führt zu einer genaueren Bestimmung des Moments 2. Ordnung.
Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist.
Es wird ein Detektorkonzept für PET-Messungen zur Verfügung gestellt, bei dem jeder einzelne Detektor einen Szintillations-Einkristall und mindestens einen Sensorchip aufweist, der an einer Seite des Szintillationskristalls positioniert ist. Vorzugsweise ist der Sensorchip auf der xy-Ebene des Szintiallations-Einkristalls angebracht, besonders bevorzugt auf der Seite des Szintillations-Einkristalls, die dem Zentrum des Detektorrings abgewandt ist. In einer anderen Ausführungsform kann der Sensorchip an einer Seite des Szintillations-Einkristalls angebracht sein, die sich nicht auf der xy-Ebene befindet, beispielsweise auf der xz- oder yz-ebene. Das hat jedoch den Nachteil, dass für Sensorchips, die auf der xz- oder yz-Ebene angebracht sind, Scannersensitivitätsverluste entstehen. Befindet sich der Sensor auf der dem Zentrum zugewandten Seite, entstehen zusätzliche Compton-Effekte.
Es können auch mehrere Szintillations-Einkristalle an einen Sensorchip gekoppelt werden.
Die Verwendung des Szintillations-Einkristalls hat den Vorteil, dass die Sensitivität des Einkristalls gegenüber gepixelten Szintillationskristallen maximiert werden kann. Bei gepixelten Szintillationskristallen wird die Effizienz der Szintillationseinkristalle erheblich reduziert, beispielsweise auf nur 71% oder 59% bei 0,8 mm × 0,8 mm oder 0,5 mm × 0,5 mm Kristallpixelgröße eines gepixelten Kristallarrays. Der Szintillations-Einkristall kann beispielsweise aber nicht beschränkend aus ISO, LYSO, BGO, GSO, BaF₂ oder NaI:Tl (Thallium dotiertes Natriumjodid) bestehen. Darüber hinaus ist auch die Verwendung von jedem anderem Szintillationsmaterial, welches eine tiefenabhängige Lichtverteilung vorweist, möglich. Die Materialien sind dem Fachmann bekannt. Das Verhältnis der z-Komponente des Szintillations-Einkristalls zu dessen Ausdehnung in x-Richtung von kleiner oder gleich 1 führt zu guten Ergebnissen bei quadratischem Querschnitt für xy. Die besten Ergebnisse erhält man bei einem Verhältnis von 0,25. Gegebenenfalls kann das Verhältnis auch kleiner sein. Die dabei erreichte Länge des Szintillations-Einkristalls ist eher durch praktische Umstände bestimmt, wie beispielsweise den Durchmesser des PET-Ringes oder die Kosten, die mit großen Einkristallen verbunden sind. Die Dimensionierung des Szintillations-Einkristalls in z-Richtung hängt von der gewünschten Sensitivität ab, die erreicht werden soll. Das Erreichen der großen Ausdehnung des Szintillations-Einkristalls in z-Richtung ist ein Resultat der im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Sensorchips, welcher eine solche Dimensionierung ermöglicht, bei der es zu einer Minimierung von DOI-Fehlern kommt.
Der Sensorchip ist erfindungsgemäß ein SiPM und besteht aus SiPM-Mikrozellen.
An einem Szintillations-Einkristall können ein Sensorchip oder mehrere kleine Sensorchips aufgebracht sein, die zu einem größeren Sensorchip zusammengesetzt werden. Diese können auf den Szintillations-Einkristall aufgeklebt werden. Für den Fall, dass mehrere kleine Sensorchips zusammengefasst werden, gelten diese als ein einziger Sensorchip im Sinne der Erfindung, wenn sie zusammen auf einer Seite des Szintillations-Einkristalls angebracht sind. Der dazu verwendete Klebstoff soll lichtdurchlässig sein. Weiterhin kann sich zwischen dem Szintillations-Einkristall und dem Sensorchip eine Schicht eines Lichtverteilers befinden, falls die Lichtintensität zu gebündelt ist. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der mehr als ein Sensorchip an dem Einkristall angebracht ist. Beispielsweise kann eine Stapelung entlang der z-Achse vorliegen, bei der sich Sensorchips und Szintillationseinkristalle abwechseln. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn Szintillations-Einkristalle verwendet werden, in denen sich die Lichtverteilung in bestimmten Kristallbereichen nicht so stark unterscheiden lässt, und eine Aufteilung des Szintillations-Einkristalls in mehrere Schichten mit jeweils einem Sensor sinnvoll ist. In einer anderen Ausführungsform können auch Sensorchips an den Seiten des Szintillations-Einkristalls angebracht sein, die nicht auf der xy-Ebene des Szintillations-Einkristalls liegen. Es können ein, zwei oder mehrere, beispielsweise 3 Sensorchips auf verschiedenen Seiten angebracht sein. Dabei können Sensorchips auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Szintillations-Einkristalls oder auf angrenzenden Seiten des Szintillations-Einkristalls angebracht sein, die in xz- oder yz-Richtung liegen. Es ist jede Unterkombination denkbar. Die Variante, bei der Sensorchips auf gegenüberliegenden Seiten angebracht sind, hat den Vorteil, dass damit die Genauigkeit gesteigert wird, wenn ein Messsignal empfangen wird. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung besteht jedoch gerade der Vorteil, dass die Signale lediglich an einer Seite des Szintillations-Einkristalls ausgelesen werden müssen. Das entspricht einer Ausführungsform mit einem einzigen Sensorchip. Damit werden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung auch kostengünstig.
Der Sensorchip besteht erfindungsgemäß aus einer Vielzahl von Pixeln, die sich dadurch auszeichnen, dass jedem Pixel eine eigene xy-Position zugeordnet wird. Ein Pixel besteht aus einer Vielzahl von Photodioden D mit zugehörigen Quenchwiderständen R_q. In einer weiteren Ausführungsform ist die sichtbare Unterteilung von Pixeln nicht notwendig. Dabei sind die Pixel in Abständen zueinander angeordnet, die den Abständen der Mikrozellen entsprechen, so dass sich eine örtliche homogene Verteilung der Mikrozellen über die aktive Sensorfläche ergibt.
Anstelle eines Quenchwiderstandes kann der Quenchprozess auch durch aktives Quenchen, mit dem Fachmann bekannten Methoden, z. B. unter Verwendung eines Transistors, eingeleitet werden. In der folgenden Beschreibung wird in den offenbarten Ausführungsformen ein Quenchwiderstand R_q offenbart. Jedoch kann bei allen Ausführungsformen auch ein anderes äquivalentes Mittel zum Quenchen, beispielsweise ein Transistor eingesetzt werden, so dass die Offenbarung nicht auf die Verwendung eines Quenchwiderstandes beschränkt ist. Die Photodioden sind dabei an eine Versorgungsspannung V_ref angeschlossen. Die Quenchwiderstände R_q sind vorzugsweise gleich groß und liegen in einem Bereich von 1 Megaohm bis 1000 Megaohm. Die Versorgungsspannung, die auch als Bias- oder Referenzspannung bezeichnet werden kann, kann in Abhängigkeit von der Herstellungstechnologie zwischen –20 Volt und –60 Volt liegen. Eine SiPM-Mikrozelle besteht aus einer Photodiode D und einem Quenchwiderstand R_q und wird im folgenden Mikrozelle Z genannt. In einem Pixel können beispielsweise aber nicht beschränkend zwischen 2×2 und 1000×1000 Mikrozellen, beispielsweise 10×10 oder 100×100 Mikrozellen Z angeordnet sein. Die Mikrozellen Z können dabei in einem Raster angeordnet sein, in dem die Mikrozellenpositionen in einem uv Koordinatensystem Spalten und Reihen besetzen. Vorzugsweise ist die Anordnung der Mikrozellen Z in einem orthogonalem Raster mit gleicher Anzahl von Mikrozellen Z in u-Richtung und in v-Richtung. Die Anordnung enthält dann I Spalten in u-Richtung u_i = u₁, u₂, u₃, ..., u_I mit i = 1, 2, ..., I und J Reihen in v-Richtung v_j = v₁, v₂, v₃ ..., v_J mit j = 1, 2, ..., J. Die Pixel sind wiederum in einem Raster angeordnet, bei dem die Pixel in Reihen in x-Richtung und in y-Richtung angeordnet sind. Dabei sind die Pixel in Reihen bzw. Spalten vorzugsweise parallel zur der x- Achse und der y-Achse angeordnet. Typischerweise sind 4, 8, 16 oder mehr Pixel in jeweils der x-Richtung und der y-Richtung angeordnet. Eine Obergrenze für die Anzahl der Pixel ergibt sich eher aus praktischen Gründen, sie kann beispielsweise bei 64 (= 8 × 8) liegen. Die Anordnung enthält dann N Spalten in x-Richtung x_n = x₁, x₂, x₃, ..., x_N mit n = 1, 2, ..., N und M Reihen in y-Richtung x_m = y₁, y₂, y₃, ..., y_M mit m = 1, 2, ..., M. Die Richtungen x und y bzw. u und v der Pixel und der Mikrozellen Z sind vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet, sie können jedoch auch in einem Winkel angeordnet sein, der von 90° abweicht, so dass ein Rautenmuster entsteht.
Die Anordnung der Pixel bildet einen Block. Ein Sensorchip kann eine Mehrzahl von Blöcken aufweisen, die in einem Raster angeordnet sind.
Generell variiert die Anzahl der Mikrozellen Z eines Pixels, die jeweils zusammen verschaltet werden, so dass die einzelnen Photoströme der zusammengeschalteten Mikrozellen Z zu einem Signal zusammengefasst werden und an einen der Auslesekanäle angeschlossen sind, mit der Position der Pixel entlang der x oder y Richtung. Aus dem Verhältnis der Photoströme lässt sich dann die Position bestimmen. Die Positionskodierung für die xy-Position eines Pixels erfolgt erfindungsgemäß durch Linearkodierung, wobei die xy-Kodierung durch eine sich über die Positionen x₁, x₂, x₃ ... x_N linear ändernde quantitative Zusammensetzung der Pixel an Mikrozellen Z, die einem von zwei Kanälen für die x-Richtung und/oder y₁, y₂, y₃... y_N in einem von zwei Kanälen für die y-Richtung, zugeführt werden, gegeben ist. Idealerweise sollte die sich ändernde lineare Zusammensetzung der Mikrozellen Z, die einem der Kanäle für die x-Richtung und/oder einem der Kanäle für die y-Richtung zugeführt werden, streng linear sein. Es sind jedoch auch Abweichungen von der Linearität möglich, sofern sie die resultierende xy-Positionskodierung nur unwesentlich beeinflussen, damit eine xy-Positionsbestimmung des Szintillationereignisses weiterhin möglich ist. Dies hängt in der Praxis von vielen verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Anzahl der gewählten Mikrozellen Z pro Pixel oder dem Füllungsfaktor. Der erfindungsmäßige Sensorchip verwendet entweder eine 1-dimensionale (1D) oder 2-dimensionale (2D) xy-Positionskodierung. Die Mikrozellen Z können im Falle einer 1D Kodierung mit mind. zwei Kanälen verschaltet werden. Hierbei werden jeweils 2 Kanäle für eine Spalte oder Zeile von Pixeln benötigt. Bei einer 2D Kodierung werden insgesamt 4 Auslesekanäle benötigt, an welche die Kanäle verschaltet und aufgeteilt werden.
Unter einer Linearkodierung im Sinne der Erfindung ist jede Kodierung zu verstehen, die der Formel 1 entspricht.
Formel 1 nimmt Rücksicht darauf, dass Ausführungsformen, die nicht den Anforderungen an eine strenge Linearität genügen, noch geeignet sein können, die erfindungsgemäße Lehre zu verwirklichen.
Zunächst soll der 1 dimensionale Fall erläutert werden. Im eindimensionalen Fall wird entweder in x-Richtung oder in y-Richtung kodiert. Die Kodierung wird an Hand einer Kodierung in x-Richtung beschrieben, jedoch funktioniert sie für eine Kodierung in y-Richtung analog. Hierbei besteht ein Sensorchip aus Pixeln angeordnet in N Spalten und M Zeilen. Die Mikrozellen Z jeder Zeile m sind an Kanäle A_m und B_m angeschlossen. Ein lineares Verhältnis der aufsummierten Photoströme I_Ph(A_m) und I_Ph(B_m) der an die Kanäle A_m und B_m angeschlossenen Mikrozellen Z bezogen auf den Gesamtphotostrom I_Ph,ges eines Pixels ergibt sich für
I_Ph(A_m) = I_Ph,ges·(N + 1 – n)/N und
I_Ph(B_m) = I_Ph,ges·(n – 1)/N,
so dass die x-Position mit der Formel
und die y-Position mit der Formel y = max(I_Ph(A_m) + I_Ph(B_m)), mit m = 1, ..., M, (Formel 3) bestimmt werden. Bei einer Kodierung in y-Richtung sind die Mikrozellen Z jeder Spalte n an Kanäle A_n und B_n angeschlossen. Für die y-Richtung gelten die gleichen Zusammenhänge. Hierbei besteht ein Sensorchip aus Pixeln angeordnet in N Spalten und M Zeilen. Die Mikrozellen Z jeder Spalte n sind an Kanäle A_n und B_n angeschlossen. Ein lineares Verhältnis der aufsummierten Photoströme I_Ph(A_n) und I_Ph(B_n) der an die Kanäle A_n und B_n angeschlossenen Mikrozellen Z bezogen auf den Gesamtphotostrom I_Ph,ges eines Pixels ergibt sich für
I_Ph(A_n) = I_Ph,ges·(M + 1 – m)/M und
I_Ph(B_n) = I_Ph,ges·(m – 1)/M, so dass die y-Position mit der Formel
und die x-Position mit der Formel x = max (I_Ph(A_n) + I_Ph(B_n)), mit n = 1, ..., N. (Formel 5) bestimmt werden. Im zweidimensionalen Fall wird in x-Richtung und in y-Richtung kodiert. Hierbei besteht ein Sensorchip aus Pixeln angeordnet in N Spalten und M Zeilen. Die Mikrozellen Z jeder Position jedes Pixels mit sind an Kanäle A, B, C und D angeschlossen. Die x-Position wird durch die Kanäle A und B bestimmt. Die y-Position wird durch die Kanäle C und D bestimmt. Ein lineares Verhältnis der aufsummierten Photoströme I_Ph(A) und I_Ph(B) sowie I_Ph(C) und I_Ph(D) der an die Kanäle A und B sowie C und D angeschlossenen Mikrozellen Z bezogen auf den Gesamtphotostrom I_Ph,ges eines Pixels ergibt sich für
I_Ph(A) = I_Ph,ges·(N + 1 – n)/(NM),
I_Ph(B) = I_Ph,ges·(n – 1)/(NM),
I_Ph(C) = I_Ph,ges·(M + 1 – m)/(MN) und
I_Ph(D) = I_Ph,ges·(m – 1)/(MN),
so dass die x-Position mit der Formel x = (I_Ph(A) – I_Ph(B))/(I_Ph(A) + I_Ph(B)) (Formel 6) und die y-Position durch y = (I_Ph(C) – I_Ph(D))/(I_Ph(C) + I_Ph(D)) (Formel 7) bestimmt werden.
In einer ersten Ausführungsform sind die jeweiligen Mikrozellen Z eines Pixels, welche in die Kanäle A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A, B und C oder D geführt werden, statistisch, zufällig oder in einem Schachbrettmuster verteilt. Die Verteilung der Mikrozellen Z, die in die Kanäle A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A, B, C und D münden, kann bei vorgegebenem Verhältnis beliebig angerordnet sein. Eine über den Sensorchip gleichmäßige Verteilung von Mikrozellen Z, die an die Kanäle A_m und B_m bzw. A_n und B bzw. A, B, C und D angeschlossen sind, hat den Vorteil, dass die Position des eintreffenden Lichts auf dem Sensor genauer bestimmt werden kann, da das Verhältnis von den Mikrozellen Z, die an Kanal A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A und B oder C und D angeschlossen sind, auch in Subpixelauflösung gleich ist.
In einer alternativen Ausführungsform findet zusätzlich eine örtliche Aufteilung innerhalb der Pixel statt. Bei dieser Ausführungsform befinden sich entlang der x-Achse N Pixel einer Zeile und entlang der y-Achse M Pixel einer Spalte. Innerhalb einer Reihe oder Spalte verändert sich die Zusammensetzung der Anzahl der Mikrozellen, die in den Kanal A_m oder B_m bzw. A_n oder B bzw. A oder B bzw. C oder D führen, quantitativ wie oben dargestellt. Entlang von N Pixeln der x-Achse mit den Pixelpositionen x₁, x₂, ..., x_N sind bei einer zusätzlichen örtlichen Verteilung die Mikrozellen eines Pixels, die in den Kanal A_m bzw. A führen, örtlich auf der, der Position x₁ zugeordneten Seite lokalisiert und die Mikrozellen des selben Pixels, die in den Kanal B_m bzw. B führen, auf der, der Position x_N zugwandten Seite lokalisiert. Die Mikrozellen, die in den Kanal A_m bzw. A führen, können von den Mikrozellen, die in den Kanal B_m bzw. B führen, durch eine diskrete Grenze getrennt sein. Der Übergang der Verteilung von Mikrozollen zu den Kanälen A_m und B_m bzw. A und B kann jedoch auch fließend sein. Entlang von M Pixeln der y-Achse mit den Pixelpositionen y₁, y₂, ..., y_M sind bei einer zusätzlichen örtlichen Verteilung die Mikrozellen eines Pixels, die in den Kanal A_n bzw. C führen örtlich auf der, der Position y₁ zugeordneten Seite lokalisiert und die Mikrozellen des selben Pixels, die in den Kanal B_n bzw. D führen, auf der, der Position y_M zugwandten Seite lokalisiert. Die Mikrozellen, die in den Kanal A_n bzw. C führen, können von den Mikrozellen, die in den Kanal B bzw. D führen, durch eine diskrete Grenze getrennt sein. Der Übergang der Verteilung von Mikrozollen zu den Kanälen A_n und B_n bzw. C und D kann jedoch auch fließend sein.
In der baulichen Anordnung wird die Linearkodierung durch die Art der Verteilung der Zuleitungen von den Mikrozellen zu den Kanälen A_m und B_m in x-Richtung bzw. A_n und B_n in y-Richtung im 1D-Fall bzw. A, B, C und D im Falle einer 2D Kodierung verwirklicht.
Eine Reihe m von Pixeln in x-Richtung beinhaltet im Falle einer 1D-Kodierung in x-Richtung N Pixel x₁, x₂, ... x_N. Innerhalb einer Reihe m mit N Pixeln ist eine Linearkodierung realisiert, die sich dadurch ergibt, dass sich innerhalb der m-Reihe die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in den Ausgangskanal A_m münden, in fortschreitender Richtung von x₁ nach x_N in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in den Ausgangskanal B_m münden, in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit A_m oder B_m verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Reihe in x-Richtung entgegengesetzt linear ändert, wobei eine Linearkodierung entsteht.
Das gilt in gleicher Weise für die Spalten in y-Richtung im Falle einer 1D-Kodierung in y-Richtung. Eine Spalte n von Pixeln in y-Richtung beinhaltet dabei M Pixel y₁, y, ... y_M. Innerhalb einer Spalte n mit M Pixeln ist eine Linearkodierung realisiert, die sich dadurch ergibt, dass sich innerhalb der n-Spalte die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in den Ausgangskanal A_n münden, in fortschreitender Richtung von y₁ nach y_M in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels die in den Ausgangskanal B_n münden in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit A_n oder B_n verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Spalte in y-Richtung entgegengesetzt linear ändert, wobei eine Linearkodierung entsteht.
Im Fall der zweidimensionalen Kodierung erfolgt die Kodierung als Kombination der Kodierung für die x-Richtung und für die y-Richtung für einen Sensorchip mit n·m Pixeln. In diesem Fall ist jedes Pixel in zwei Mengen aufgeteilt, die in die Kanäle A und B bzw. die Kanäle C und D führen. Unter Beibehaltung der Mengenverteilung, das für die jeweilige Anordnung der Mikrokanäle, die in die Kanäle A_m, B_m bzw. A_n und B_n führen, ist jedes Pixel in zwei Mengen von Mikrozellen unterteilt, die für A und B, sowie C und D kodieren, wobei die Verhältnisse sich in jeder Menge der Mikrozellen innerhalb der einzelnen Bereiche für A und B und innerhalb der Bereiche für C und D linear ändern. Dazu ist der erfindungsgemäße SiPM-Sensorchip so ausgestaltet, dass im Fall einer zweidimensionalen Linearkodierung in mindestens einer Reihe m von M Reihen, N Pixel x₁, x₂, ..., x_N. in x-Richtung vorhanden sind, und innerhalb dieser Reihe eine Linearkodierung dadurch entsteht, dass sich innerhalb der m-Reihen die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal A münden, in fortschreitender Richtung von x₁ nach x_N in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal B münden, in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit A oder B verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Reihe in x-Richtung entgegengesetzt linear ändert und dass in mindestens einer Spalte n von N Spalten, M Pixel y₁, y₂, ..., y_M. in y-Richtung vorhanden sind, und innerhalb dieser Spalte eine Linearkodierung dadurch entsteht, dass sich innerhalb der n-Spalten die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal C münden, in fortschreitender Richtung von y₁ nach y_M in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal D münden, in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit C oder D verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Spalte in y-Richtung entgegengesetzt linear ändert, wobei eine Linearkodierung entsteht.
In der alternativen Ausführungsform manifestiert sich die nummerisch fortlaufende Änderung der Anzahl der Mikrozellen, die in die Kanäle A_m und B_m für die x-Richtung bzw. A_n und B_n für die y-Richtung im Falle einer 1D-Kodierung bzw. in die Kanäle A, B, C und D im Falle einer 2D-Kodierung münden, zusätzlich in einer örtlichen Verteilung dieser Mikrozellen, innerhalb der Sensorpixel.
Im Falle der 1D-Kodierung in x-Richtung sind innerhalb einer Reihe m mit N Pixeln die Mikrozellen, die in den Kanal A_m führen, in jedem einzelnen Pixel x₁, x₂, ... x_N örtlich so angeordnet, dass die Mikrozellen, die in den Kanal A_m führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels x₁ zahlreicher angeordnet sind als in die Richtung zum Pixel x_N. Umgekehrt sind die Mikrozellen, die in den Kanal B_m führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels x_N zahlreicher angeordnet als in die Richtung zum Pixel x₁. Der Übergang kann fließend sein. In einer Ausführungsform sind die Mikrozellen, die in den Kanal A_m führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels x₁ ausschließlich auf der Seite des Pixels lokalisiert, die sich in Richtung x₁ befinden und die Mikrozellen, die in den Kanal B_m führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels x_N ausschließlich auf der Seite des Pixels lokalisiert, die sich in Richtung x_N befinden, wobei eine Trennlinie entsteht. Das Pixel x₁ kann dabei ausschließlich Mikrozellen haben, die in den Kanal A_m führen. Das Pixel x_N kann dabei ausschließlich Mikrozellen haben, die in den Kanal B_m führen.
Das gleiche gilt für die 1D-Koderung in y-Richtung. Innerhalb einer Spalte n mit M Pixeln sind die Mikrozellen, die in den Kanal Anführen, in jedem einzelnen Pixel y₁, y₂, ... y_M örtlich so angeordnet, dass die Mikrozellen, die in den Kanal A_n führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels y₁ zahlreicher angeordnet sind als in die Richtung zum Pixel y_N. Umgekehrt sind die Mikrozellen, die in den Kanal B_n führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels y_M zahlreicher angeordnet als in die Richtung zum Pixel y₁. Der Übergang kann fließend sein. In einer Ausführungsform sind die Mikrozellen, die in den Kanal A_n führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels y₁ ausschließlich auf der Seite des Pixels lokalisiert, die sich in Richtung y₁ befindet und die Mikrozellen, die in den Kanal B_n führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels y_M ausschließlich auf der Seite des Pixels lokalisiert, die sich in Richtung y_M befindet, wobei eine Trennlinie entsteht. Das Pixel y₁ kann dabei ausschließlich Mikrozellen haben, die in den Kanal A_n führen. Das Pixel y_M kann dabei ausschließlich Mikrozellen haben, die in den Kanal B_n führen.
Im Fall der zweidimensionalen Kodierung erfolgt die Kodierung als Kombination der Kodierung für die x-Richtung und für die y-Richtung. In diesem Fall ist jedes Pixel in räumliche Sektoren aufgeteilt, die in die Kanäle A und B bzw. die Kanäle C und D führen. Unter Beibehaltung des Musters mit Vorzugsrichtung wie im eindimensionalen Fall für die x- und y-Richtungen beschrieben, das für die jeweilige Anordnung der Mikrozellen, die in die Kanäle A, B, C und D führen ist jedes Pixel in zwei räumliche Sektoren unterteilt, die für A und B, sowie C und D möglichst linear kodieren, wobei die Verhältnisse sich in jedem räumlichen Sektor innerhalb der einzelnen Bereiche für A und B und innerhalb der Bereiche für C und D linear ändern. In einer Ausführungsform sind die Mikrozellen, die in den Kanal A bzw. C führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels x₁ bzw. y₁ ausschließlich auf der Seite des Pixels lokalisiert, die sich in Richtung x₁ bzw. y₁ befindet und die Mikrozellen, die in den Kanal B bzw. D führen, innerhalb jedes Pixels in Richtung des Pixels x_N bzw. y_M ausschließlich auf der Seite des Pixels lokalisiert, die sich in Richtung x_N bzw y_M befindet, wobei eine Trennlinie gebildet wird. Das Pixel x₁ bzw. y₁ kann dabei ausschließlich Mikrozellen haben, die in den Kanal A bzw. C führen. Das Pixel x_N bzw y_M kann dabei ausschließlich Mikrozellen haben, die in den Kanal B bzw. D führen. Der Übergang der Verteilung der Mikrozellen für die Kanäle A und B bzw. C und D kann jedoch auch fließend sein, so dass keine klare Trennlinie gegeben ist.
Für alle Ausführungsformen der Linearkodierung, bei denen eine örtliche Gewichtung der Mikrozellen innerhalb eines Pixels, jeweils für den eindimensionalen Fall und für den zweidimensionalen Fall, erfindungsgemäß gegeben ist, kann ein Pixel in Sektoren unterteilt sein, welche jeweils das örtliche Kodierungsmuster des Pixels, in dem sie sich befinden, verwirklichen. Beispielsweise kann ein Pixel in vier gleich große, vorzugsweise quadratische Sektoren unterteilt sein, die jeweils das erfindungsgemäße Verteilungsmuster aufweisen. Es kann aber auch eine andere Anzahl von Sektoren, beispielsweise 2, 8 oder 16 vorhanden sein, die in einem Pixel sind und die jeweils das Verteilungsmuster aufweisen, das zur Linearkodierung führt.
Entspricht der Abstand der Pixel dem Abstand der Mikrozellen, so ändert sich das Verhältnis der Anzahl der Mikrozellen, die an einen Kanal angeschlossen sind, linear mit der Position auf dem Sensor. Dabei sollten die Mikrozellen bevorzugt so angeordnet werden, dass das Verhältnis der Mikrozellen, die an die Ausgangskanäle A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A, B, C und D für eine beliebig mit Szintillationslicht beleuchtete Fläche sich nur mit der Position des Mittelpunktes der beleuchteten Fläche ändert jedoch nicht mit der Flächengröße. Für die 1D Kodierung in x-Richtung bedeutet dies, dass innerhalb einer Reihe die Anzahl der Mikrozellen, die an einen Kanal A_m angeschlossen sind mit fortschreitender x-Position möglichst linear abnehmen und die Mikrozellen und die an einen Kanal B_m angeschlossen sind mit fortschreitender x-Position möglichst linear zunehmen. Für die 10 Kodierung in y-Richtung bedeutet dies, dass innerhalb einer Reihe die Anzahl der Mikrozellen, die an einen Kanal A_n angeschlossen sind mit fortschreitender x-Position möglichst linear abnehmen und die Mikrozellen und die an einen Kanal B_n angeschlossen sind mit fortschreitender x-Position möglichst linear zunehmen. Bei einer 2D Kodierung bedeutet dies, dass jedem Kanal A, B, C und D eine Ecke oder Seitenfläche zugeordnet ist, an der die Mikrozellen bevorzugt an den jeweiligen Kanälen A, B, C und D angeschlossen sind. Die Anzahl der Mikrozellen, die an den bevorzugten Kanal der jeweiligen Ecke oder Seitenfläche angeschlossen sind, nimmt linear ab, je weiter man sich im Sensor von der bevorzugten Fläche entfernt.
Die lineare Kodierung der Ausgangskanäle liefert mit der xy-Position das Moment erster Ordnung der Lichtverteilung.
Um die Standardabweichung der Lichtverteilung und somit die Interaktionstiefe zu bestimmen wird zusätzlich das Moment zweiter Ordnung benötigt. Dadurch werden erfindungsgemäß die parallaxen Fehler der LOR verringert oder sogar ganz ausgeschaltet. Um dieses zu bestimmen, beinhaltet der Sensorchip erfindungsgemäß ein zusätzliches Summiernetzwerk und zusätzliche Kodierwiderstände, mit denen eine möglichst quadratische Kodierung erreicht werden soll. Während die xy-Positionskodierung nur für einzelne Pixel realisiert werden kann, kann die Kodierung für das Moment zweiter Ordnung auch auf Subpixelauflösung in den Sensorchip integriert werden. Dies hat den Vorteil, dass eine genauere Berechnung des Moments zweiter Ordnung erzielt werden kann. Wird das Moment zweiter Ordnung jedoch mit einer gleich hohen Auflösung bestimmt wie das Moment erster Ordnung, werden Berechnungsfehler auf Grund unterschiedlich hoher Auflösungen der Momente verhindert, weswegen eine höhere Auflösung nicht immer erzielt werden sollte.
Im Folgenden werden die Möglichkeiten der Integration der Kodierwiderstände und des Summiernetzwerks auf Pixelebene und auf Subpixelebene vorgestellt. Die Kodierwiderstände R_e können dabei bei allen Ausführungsformen Widerstandswerte zwischen 10 Ω und 1 kΩ aufweisen, da sie wesentlich kleiner als die Quench- und die Summerwiderstände sein müssen.
1: Direkter Abgriff des Photostroms nach Zusammenführung im Pixel
In einer Ausführungsform für den eindimensionalen Fall werden die Photoströme, die in den Pixeln, die für die Kodierung an den Ausgangskanälen A_m/A_n vorgesehen sind, generiert werden, zusammengeführt und in ein Netz N_s,nm,A geführt, an das ein Kodierwiderstand R_e,nm,A angeschlossen ist, der in die Kanäle A_m/A_n führt. Von dem Netz N_S,nm,A führt weiterhin ein Summiererwiderstand R_S,nm,A ab, der in das Netz N_S führt. Analog werden die Photoströme, die in den Pixeln, die für die Kodierung an den Ausgangskanälen B_m/B_n vorgesehen sind, generiert werden, zusammengeführt und in ein Netz N_S,nm,B geführt, an das ein Kodierwiderstand R_e,nmB angeschlossen ist, der in die Kanäle B_m/B_n führt. Von dem Netz N_S,nm,B führt weiterhin ein Summiererwiderstand R_S,nm,B ab, der wiederum in das Netz N_S führt. In dieser Ausführungsform sind alle Netze und Widerstände in den Chip integriert und es werden weniger Kodierwiderstände benötigt als bei den nachfolgenden Ausführungsformen. Weiterhin hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass ein starker Photostrom pro Pixel erhalten wird und mit der gleichen Genauigkeit das Moment 2. Ordnung abgetastet wird, wie das Moment 0. und 1. Ordnung. Dazu können die Mikrozellen Z eines Pixels, welche im eindimensionalen Fall a) für den Anschluss an die Kanäle A_m/B_m oder im eindimensionalen Fall b) für den Anschluss an die Kanäle A_n/B_n vorgesehen sind, an ein Netz N_S,nm,Am/An bzw. N_S,nm,Bm/Bn angeschlossen sein, wobei das Netz N_S,nm,Am/An einen Kodierwiderstand R_e,nm,Am/An sowie an einen Summiererwiderstand R_S,nm,Am/An und das Netz N_S,nm,Am/An an einen Kodierwiderstand R_e,nm,Bm/Nn sowie an einen Summiererwiderstand R_S,nm,Bm/Bn angeschlossen sein kann.
Im zweidimensionalen Fall werden die Photoströme, die in den Pixeln, die für die Kodierung an den Ausgangskanal A vorgesehen sind, generiert werden, genauso zusammengeführt und in ein Netz N_S,nm,A geführt, an das ein Kodierwiderstand R_e,nm,A angeschlossen ist, der mit dem Kanal A verbunden ist. Von dem Netz N_S,nm,A führt weiterhin ein Summiererwiderstand R_S,nm,A ab, der in das Netz N_S führt. Ebenso werden die Photoströme, die in den Pixeln, die für die Kodierung an den Ausgangskanal B vorgesehen sind, generiert werden, zusammengeführt und in ein Netz N_S,nm,B geführt, an das ein Kodierwiderstand R_e,nm,B angeschlossen ist, der mit dem Kanal B verbunden ist. Von dem Netz N_S,nm,B führt weiterhin ein Summiererwiderstand R_S,nm,B ab, der wiederum in das Netz N_S führt. Zusätzlich werden die Photoströme, die in den Pixeln entstehen und die für die Kodierung die an die Ausgangskanäle C und D für die y-Achse vorgesehen sind, jeweils in ein Netz N_S,nm,C und N_S,nm,D geführt, an das ein Kodierwiderstand R_e,nm,C bzw. R_e,nm,D angeschlossen ist, der mit dem Kanal C bzw. D verbunden ist. Die Netze N_S,nm,C bzw. N_S,nm,D führen wiederum jeweils in das Netz N_S. Dazu können die Mikrozellen Z, welche im zweidimensionalen Fall c) für den Anschluss an die Kanäle A, B, C und D vorgesehen sind, an ein Netz N_S,nm,S, N_S,nm,B, N_S,nm,C bzw. N_S,nm,D angeschlossen sein, wobei das Netz N_S,nm,A an einen Kodierwiderstand R_e,nm,A sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,A, das Netz N_S,nm,B einen Kodierwiderstand R_e,nm,B sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,B, das Netz N_S,nm,C an einen Kodierwiderstand R_e,nm,C sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,C, und das Netz N_S,nm,D einen Kodierwiderstand R_e,nm,D sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,D angeschlossen sein kann.
Hierbei haben alle Kodierwiderstände R_e eines Pixels sowohl im 1D als auch im 2D Fall den gleichen Wert. Diese Realisierungsmöglichkeit ist nur anwendbar, falls der Sensor in Pixel unterteilt ist.
2: Abgriff des Photostroms nach teilweiser Zusammenfassung von Mikrozellen, z. B. Zeilen oder Spalten.
In einer weiteren Ausführungsform können die Photoströme aus mindestens zwei Mikrozellen, deren Photoströme an den gleichen Kanal angeschlossen werden sollen, zusammengeführt und in das Summiernetzwerk eingeleitet werden. Dabei können mindestens zwei Mikrozellen Z_ij aus mindestens einer Spalte und/oder mindestens einer Reihe zusammengeführt werden. Ein Sensorchip besteht bei dieser Ausführungsform aus f Feldern zusammengeschlossener Mikrozellen. Dazu werden die Ausgänge der Mikrozellen Z_ij, bestehend aus einer Photodiode D_ij und Quenchwiderständen R_q,ij durch ein Netz N_S,nm,f miteinander verknüpft, das in einen Kodierwiderstand R_e,nm,f führt, der den Kanälen A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A, B, C und D zugeführt wird. Das Netz N_S,nm,f führt weiterhin in einen Summiererwiderstand R_S,nm,f, der in das Netz N_S führt. Diese Ausführungsform führt zu einer sehr hohen Detailgenauigkeit der Bestimmung des Moments 2. Ordnung. Es kann mit diesem Sensorchip die Anzahl der Abtastungen des Moments 2. Ordnung um den Faktor 10 bis 160 gegenüber nicht innerhalb des Sensors implementierten Methoden von SiPM's oder Photomultipliern bzw. Avalanche-Dioden erhöht werden. Dazu können mindestens zwei Mikrozellen Z_ij einer Reihe I und/oder einer Spalte k durch Leitungen zu jeweils mindestens einem Feld f zusammengefasst sein, welche an ein Netz N_S,f angeschlossen sind wobei mindestens ein Netz N_S,f, an einen Kodierwiderstand R_e,f und ein Summiererwiderstand R_S,f angeschlossen ist, wobei jeder Kodierwiderstand R_e,f an die Kanäle A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A, B, C und D angeschlossen ist. Diese Methode eignet sich besonders gut, falls eine Unterteilung in Pixel des Sensorchips nicht gegeben ist.
3: Abgriff nach jeder Mikrozelle:
In einer weiteren Ausführungsform werden die Ausgänge einzelner Mikrozellen Z_ij, bestehend aus einer Photodiode D_ij und Quenchwiderständen R_q,ij jeweils über ein Netz N_S,ij in einen Kodierwiderstand R_e,ij geführt, der den Kanälen A_m oder B_m bzw. A_n oder B_n bzw. A, B, C oder D angeschlossen ist. Weiterhin werden die Ausgänge der einzelnen Mikrozellen Z_ij jeweils über einen Summiererwiderstand R_S,ij in das Netz N_S eingeführt. Diese Ausführungsform führt zu der höchsten Detailgenauigkeit der Bestimmung des Moments 2. Ordnung. Es kann mit diesem Sensorchip die Anzahl der Abtastungen des Moments 2. Ordnung um den Faktor bis zu 320 gegenüber nicht innerhalb des Sensors implementierten Methoden von SiPM's oder Photomultipliern bzw. Avalanche-Dioden erhöht werden. Dazu können die Ausgänge einzelner Mikrozellen Z_ij jeweils an ein Netz N_S,ij angeschlossen sein, welches an einen Kodierwiderstand R_e,ij und ein Summiererwiderstand R_S,ij angeschlossen ist, wobei jeder Kodierwiderstand R_e,ij an die Kanäle A_m oder B_m bzw. A_n oder B_n bzw. A, B, C oder D angeschlossen ist. Diese Methode eignet sich besonders gut, falls eine Unterteilung in Pixel des Sensorchips nicht gegeben ist.
Es ist auch eine Kombination von zwei oder drei der dargestellten Alternativen möglich. So kann Möglichkeit 1 mit 2, Möglichkeit 1 mit 3, Möglichkeit 2 mit 3 oder die Möglichkeiten 1, 2 und 3 kombiniert werden.
Die Widerstandswerte für die Summiererwiderstände R_S sind bei allen Ausführungsformen innerhalb des Summiernetzwerkes O gleich groß und können zwischen 1 kΩ bis 100 kΩ liegen. Die Summiererwiderstände R_S,nm,Am, R_S,nm,Bm, R_S,nm,An und R_S,nm,Bn, bzw. R_S,nm,A, R_S,nm,B, R_S,nm,C und R_S,nm,D, müssen dabei so groß sein, dass der generierte Photostrom von den SiPM-Dioden nicht wesentlich beeinflusst wird. Die Summiererwiderstände R_S,nm,Am, R_S,nm,Bm, R_S,nm,An und R_S,nm,Bn, bzw. R_S,nm,A, R_S,nm,B, R_S,nm,C und R_S,nm,D, sind über das Netz N_S zusammengeführt. Somit werden die Signale aufsummiert.
Das Summiernetzwerk besteht aus den oben beschriebenen Summiererwiderständen und benötigt die ebenfalls beschriebenen Kodierwiderstände, welche wie beschrieben in die Photonenstrompfade integriert sind. Nachdem die Spannung über die Summiererwiderstände abgegriffen wird, werden alle Signale im Netz N_S zusammengeführt. Das aufsummierte Signal wird zur Berechnung des Moments 2. Ordnung benötigt. Für die Standardabweichung der Lichtverteilung wird außerdem das Moment erster Ordnung benötigt. Das Moment 1. Ordnung wird von den Ausgangagskanälen A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A, B, C und D geliefert. Das aufsummierte Signal des Netzes N_S kann direkt an den Ausgangskanal E angeschlossen werden. Bevorzugt wird ein Summiernetzwerk O, welches einen Operationsverstärker OP beinhaltet, der geerdet ist und eine negative Rückkopplung mit einem Widerstand R_S,h besitzt. Dies hat den Vorteil, dass über das Verhältnis von R_S/Summiererwiderstandgröße die Verstärkung des Signals des Ausgangskanals E eingestellt werden kann. Das Summiernetzwerk O kann in den Sensorchip intergiert sein oder es können sich jeweils Teile davon weniger bevorzugt außerhalb des Sensorchips befinden. Befindet sich das gesamte Summiernetzwerk O außerhalb des Sensorchips, so hat dies zur Folge, dass alle Netze die zu den Summiererwiderständen führen aus dem Sensorchip herausgeführt werden, was zu einer sehr hohen Anzahl von Ausgangskanälen führt. Sind die Summiererwiderstände in dem Sensorchip integriert, muss nur das Netz N_S aus dem Sensorchip herausgeführt werden, was mit einem Ausganskanal realisiert werden kann. Es ist jedoch aus Gründen der Platzersparnis und zur Reduzierung von Rauscheinflüssen bevorzugt, das komplette Summiernetzwerk O in den Chip zu integrieren. Das Summiernetzwerk O kann einen Operationsverstärker beinhalten, welcher vorzugsweise ebenfalls in den SiPM-Sensorchip integriert ist.
Die Kodierwiderstände R_e bestimmen die Spannung welche über die Summiererwiderstände R_S abgegriffen wird. Gleichzeitig dürfen die Kodierwiderstände R_e nicht zu Photostromverlusten führen und das Quenchverhalten verändern, weshalb sie mindesten 10- besser 100-mal oder mehr kleiner seinen müssen als die Quenchwiderstände R_q und die Summiererwiderstände R_S. Um die Summiererwiderstandsgröße hoch genug wählen zu können, ist es bevorzugt einen Operationsverstärker OP zu verwenden, der das Signal des Netz N_S verstärkt, welches durch die höheren Summiererwiderstände R_S verringert wird. Zum Erhalt des 2. Moments wird eine möglichst quadratische Spannungsverteilung, welche über die Summiererwiderstände R_S abgegriffen wird, über die Kodierwiderstände R_e eingestellt. Bei einer 2 dimensionalen Verteilungsfunktion muss sowohl in x- bzw. u- als auch in y- bzw. v-Richtung quadratisch verteilt sein. Um dies zu erreichen werden die Kodierwiderständswerte bevorzugt möglichst genau quadratisch über die xy- bzw. uv-Fläche des Sensors eingestellt. Folgende Gleichung beschreibt die Verteilungsfunktion p(x, y) der Kodierwiderstände R_e, wobei gleiches für eine Verteilungsfunktion p(u, v) gelten würde:
Außerdem ist es möglich die bevorzugt möglichst quadratische Verteilung nur in entweder eine x- bzw. u- oder in y- bzw. v-Richtung quadratisch zu verteilen. Dies liegt an der Rotationssymmetrie der Lichtverteilung im Einkristall. Im Falle einer Kodierung in x- bzw. u-Richtung haben alle Pixel des Sensors bzw. Mirkozellenfelder f bzw. einzeln kodierte Mikrozellen mit der gleichen x- bzw. u-Position den gleichen Kodierwiderstandswert. Der Kodierwiderstandswert ändert sich nur bei einer Änderung der x- bzw. u-Position. Im Falle einer Kodierung in y- bzw. v-Richtung haben alle Pixel des Sensors bzw. Mirkozellenfelder f bzw. einzeln kodierte Mikrozellen mit der gleichen y- bzw. v-Position den gleiche Kodierwiderstandswert. Der Kodierwiderstandswert ändert sich nur bei einer Änderung der y- bzw. v-Position. Im Falle einer Kodierung in nur eine Richtung vereinfacht sich Formel 8 zur folgenden Gleichung für die Verteilungsfunktion p(x) und p(y) respektive p(u) und p(v) der Kodierwiderstände R_e:
Darüber hinaus ist es auch möglich nach Formel 9 die Kodierwiderstände zu kodieren und dabei sowohl in x- bzw. u- als auch in y- bzw. v-Richtung zu kodieren. Dazu werden die Mikrozellen des Sensors mit deren Kodierwiderständen in zwei, bevorzugt gleich große Mengen aufgeteilt, die anstatt mit einem gemeinsamen Summiernetzwerk O jeweils mit Hilfe von zwei Summiernetzwerken O_x und O_y wie oben beschrieben über Netze N_S,x und N_S,y über Summiererwiderstände R_S aufsummiert werden. Die beiden Mengen der Mikrozellen sollten hierbei bevorzugt möglichst gleichmäßig auf die gesamte Sensorfläche verteilt sein. Nicht einschränkend auszulegen, ergeben sich hierfür jeweils bevorzugte Formen der Realisierung für die 3 Möglichkeiten der Integration der Kodierwiderstände. Im Fall 1 „Direkter Abgriff des Photostroms nach Zusammenführung im Pixel” können die Mikrozellen eines Pixels, die an den gleichen Ausgangskanal angeschlossen sind jeweils in zwei Mengen unterteilt werden und mit eigenen Kodierwiderständen kodiert und an das jeweilige Netz N_S,x oder N_S,y angeschlossen werden. Im Falle einer 2D Kodierung sind die Mikrozellen bereits in zwei Mengen unterteilt, welche an die Kanäle A und B sowie C und D angeschlossen werden. Deswegen können die Kodierwiderstände R_e,nm,A und R_e,nm,B für die erste und R_e,nm,C und R_e,nm,D für die zweite Richtung verwendet werden. Im Fall 2 „Abgriff des Photostroms nach teilweiser Zusammenfassung von Mikrozellen” ist es möglich entweder die Felder f aufzuteilen und auf die beiden Summiernetzwerke aufzuteilen oder die Mikrozellen eines Feldes auf die zwei Mengen aufzuteilen und damit zwei Kodierund Summiererwiderstände pro Feld in den Chip zu integrieren. Im Fall 3 „Abgriff nach jeder Mikrozelle” werden die Mikrozellen in zwei Mengen aufgeteilt und an die beiden Netzwerke bevorzugt abwechselnd integriert.
Die dargestellten Funktionen sind in den erfindungsgemäßen Sensorchips mindestens teilweise, jedoch vorzugsweise vollständig, realisiert. Dazu können die dem Fachmann bekannten Halbleiterprozesstechniken, wie beispielsweise das C-MOS Verfahren oder spezielle SiPM-Herstellungsvefahren, wie RGB-SiPM, RSB-HD-SiPM, NUV-SiPM oder RGB-HD angewendet werden. Insbesondere die Integration des Summiernetzwerkes O in den Sensorchip hat den Vorteil; dass neben der Platzersparnis, Signalstörungen minimiert werden und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis optimiert wird.
Die erfindungsgemäßen Sensorchips können zu einem Block a × b in einem Raster angeordnet sein. Hierbei können sich die linearen Positionskodierungen sowie quadratische Kodierung der Potentiale sensorübergreifend über mehrere Sensorchips in die Richtungen a und b erstrecken.
Genauso ist es möglich, einen einzelnen Sensorchip in G Blöcke beliebiger xy-Größe zu unterteilen, mit g = 1, ... G. Hierbei erstrecken sich die Positionskodierung, Potentialkodierung und das Summiernetzwerk jeweils nur über einen einzelnen Block des Sensorchips G. Ein Block ist dabei genauso aufgebaut, wie ein Sensorchip. Der Sensorchip beinhaltet in der Ausführungsform mit G Blöcken Ausgangskanäle A_m und B_m bzw. A_n und B_n bzw. A, B, C und D für jeden Block g. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich mehrere Blöcke in einen Sensorchip integrieren lassen können, ohne dass es zu zusätzlichen nicht-photosensitiven Zwischenräumen zwischen den Blöcken kommt.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Sensorchip an Hand von Figuren beispielhaft aber nicht beschränkend erläutert.
Es zeigt:
1: Einen Sensorchip, der in x-Richtung eindimensional kodiert ist.
2: Einen Sensorchip, der in y-Richtung eindimensional kodiert ist.
3: Einen Sensorchip, der in x- und y-Richtung zweidimensional kodiert ist.
4: Einen Sensorchip, der in x-Richtung eindimensional kodiert ist.
5: Einen Sensorchip, der in y-Richtung eindimensional kodiert ist.
6: Einen Sensorchip, der in xy-Richtung zweidimensional kodiert ist.
7: Ein Pixel, mit einer eindimensionalen Kodierung in x-Richtung.
8: Ein Pixel mit einer eindimensionalen y-Kodierung.
9: Ein Pixel mit einer zweidimensionalen xy-Kodierung.
10: Mikrozellen, die in ein Summiernetzwerk zusammengeführt werden.
11: Eine Mikrozelle, die in ein Summiernetzwerk und in eine Kanalkodierung mündet.
12: Einen Operationsverstärker, der negativ rückgekoppelt ist.
13: Eine Kodierwiderstandsverteilung.
14: Eine Kodierwiderstandsverteilung.
15: Die Ausgangssignalstärke des Summiernetzwerkes in Abhängigkeit der Interaktionstiefe.
1 zeigt einen Sensorchip, der in x-Richtung eindimensional kodiert ist. Die Kodierung ist dabei durch eine zahlenmäßige und örtliche Verteilung von Mikrozellen, die in die Kanäle A und B münden verwirklicht. Der Sensorchip besitzt dabei 4×4 Pixel, welche in diesem Beispiel eine quadratische Form aufweisen und deren Abgrenzung durch dicke Linien sichtbar gemacht ist. Auf der rechten Seite der Figur sind die Ausgangskanäle A1, A2, A3 und A4 bezeichnet, in die die Signale der Mikrozellen einmünden, welche entlang der x-Achse von den Mikrozellen ausgehen, die entlang der x-Richtung auf der Seite angeordnet sind, welche der Pixelposition x₁ zugewandt ist. Die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der rechten Seite der Figur abgebildeten Kästchen von links unten nach rechts oben schraffiert. Die in die Kanäle B1, B2, B3 und B4 führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der rechten Seite der Figur abgebildeten Kästchen von links oben nach rechts unten schraffiert. Dabei wird erkennbar, dass die Mikrozellen in allen Pixeln mit x-Position x₁ zu 100% Signale an die Ausgänge A1, A2, A3 und A4 führen. Die Mikrozellen der Pixel mit Position x₄ führen zu 100% Signale in die Ausgänge B1, B2, B3 und B4. In den dazwischen liegenden Pixeln x₂ und x₃ sind die Flächen, die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 bzw B1, B2, B3 und B4 führen, entsprechend ihrer zahlenmäßigen Gewichtung, die zur Linearkodierung führt, entsprechend örtlich aufgeteilt. Dabei befinden sich wiederum die Flächenanteile der Pixel, die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 münden, auf der der Position x₁ zugewandten Seite des Sensorchips und die Flächenelemente, die in die Kanäle B1, B2, B3 und B4 münden, auf der der Position x₄ zugewandten Seite des Sensorchips.
2 zeigt einen Sensorchip, der in y-Richtung eindimensional kodiert ist. Die Kodierung ist dabei durch eine zahlenmäßige und örtliche Verteilung von Mikrozellen, die in die Kanäle A und B münden verwirklicht. Der Sensorchip besitzt dabei 4×4 Pixel, welche in diesem Beispiel eine quadratische Form aufweisen und deren Abgrenzung durch dicke Linien sichtbar gemacht ist. Auf der unteren Seite der Figur sind die Ausgangskanäle A1, A2, A3 und A4 bezeichnet, in die die Signale der Mikrozellen einmünden, welche entlang der y-Achse von den Mikrozellen ausgehen, die entlang der y-Richtung auf der Seite angeordnet sind, welche den Pixeln mit der Position y₁ zugewandt ist. Die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der unteren Seite der Figur abgebildeten Kästchen horizontal schraffiert. Die in die Kanäle B1, B2, B3 und B4 führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der unteren Seite der Figur abgebildeten Kästchen vertikal schraffiert. Dabei wird erkennbar, dass die Mikrozellen aller Pixel mit Position y₁ zu 100% Signale an die Ausgänge A1, A2, A3 und A4 führen. Die Mikrozellen aller Pixel mit Position y₄ geben zu 100% Signale in die Ausgänge B1, B2, B3 und B4. In den dazwischen liegenden Pixeln y₂ und y₃ sind die Flächen, die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 bzw. B1, B2, B3 und 64 führen, entsprechend ihrer zahlenmäßigen Gewichtung, die zur Linearkodierung führt, entsprechend örtlich aufgeteilt. Dabei befinden sich wiederum die Flächenanteile der Pixel, die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 münden, auf der der Position y₁ zugewandten Seite des Sensorchips und die Flächenelemente, die in die Kanäle B1, B2, B3 und B4 münden, auf der der Position y₄ zugewandten Seite des Sensorchips.
3 zeigt einen Sensorchip der in xy-Richtung zweidimensional kodiert ist. Die Kodierung ist dabei durch eine zahlenmäßige und örtliche Verteilung von Mikrozellen, die in die Kanäle A, B, C und D münden verwirklicht. Der Sensorchip besitzt dabei 4×4 Pixel, welche in diesem Beispiel eine quadratische Form aufweisen und deren Abgrenzung durch dicke Linien sichtbar gemacht ist. Dabei ist jeder Pixel bezogen auf die x-Richtung mittig geteilt, wobei die linke Hälfte für die x-Richtung kodiert und die rechte Hälfte für die y-Richtung kodiert. Auf der oberen Seite der Figur sind die Ausgangskanäle A und B bezeichnet, in die die Signale der Mikrozellen einmünden, welche entlang der x-Achse von den Mikrozellen ausgehen. Dabei münden in den Kanal A die Signale der Mikrozellen die entlang der x-Richtung, auf der Seite angeordnet sind, welche den Pixeln mit der Position x₁ zugewandt ist und in den Kanal B die Signale der Mikrozellen die auf der Seite angeordnet sind, die den Pixeln mit der Position x₄ zugewandt ist. Die in Kanal A führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der oberen Seite der Figur abgebildeten Kästchen von links unten nach rechts oben schraffiert. Die in Kanal B führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der oberen Seite der Figur abgebildeten Kästchen von links oben nach rechts unten schraffiert. Dabei wird erkennbar, dass die Mikrozellen in Position (x₁, y₁), (x₁, y₂), (x₁, y₃) und (x₁, y₄) zu 50% Signale an den Ausgang A geben. Die Mikrozellen in x-Position x₄ für die y-Positionen y₁, y₂, y₃ und y₄ geben zu 50% Signale in den Kanal B. In den dazwischen liegenden Pixeln sind die Flächen, der Pixel der x-Positionen x₂ und x₃ jeweils für die y-Positionen y₁, y₂, y₃ und y₄ entsprechend ihrer zahlenmäßigen Gewichtung, die zur Linearkodierung führt, örtlich aufgeteilt. Dabei befinden sich wiederum die Flächenanteile der linken Hälfte der Pixel der x-Positionen x₂ und x₃, jeweils für die y-Positionen y₁, y₂, y₃ und y₄ welche in den Kanal A münden, auf der der Position x₁ zugewandten Seite des Sensorchips. Die Flächenanteile der linken Hälfte der Pixel der x-Positionen x₂ und x₃, jeweils für die y-Positionen y₁, y₂, y₃ und y₄ welche in den Kanal B münden, befinden sich auf der der Position x₄ zugewandten Seite des Sensorchips. Auf der rechten Seite der Figur sind die Ausgangskanäle C und D bezeichnet, in die die Signale der Mikrozellen einmünden, welche entlang der y-Achse von den Mikrozellen ausgehen. Dabei münden in den Kanal C die Signale der Mikrozellen, die entlang der y-Richtung auf der Seite angeordnet sind, welche den Pixeln mit der Position y₁ zugewandt sind und in den Kanal D die Signale der Mikrozellen die auf der Seite angeordnet sind, die den Pixeln mit der Position y₄ zugewandt ist. Die in Kanal C führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den Kästchen auf der rechten Seite der Figur horizontal schraffiert. Die in Kanal D führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den Kästchen auf der rechten Seite der Figur vertikal schraffiert. Dabei wird erkennbar, dass die Mikrozellen in y-Position y₁ jeweils für die x-Positionen x₁, x₂, x₃ und x₄ zu 50% Signale an den Ausgang C geben. Die Mikrozellen in y-Position y₄ geben jeweils für die x-Positionen x₁, x₂, x₃ und x₄ zu 50% Signale in den Kanal D. In den dazwischen liegenden Pixeln sind die Flächen der Pixel mit den y-Positionen y₂ und y₃ entsprechend ihrer zahlenmäßigen Gewichtung, die zur Linearkodierung führt, örtlich aufgeteilt. Dabei befinden sich wiederum die Flächenanteile der rechten Hälfte der Pixel mit den y-Positionen y₂ und y₃, jeweils für die x-Positionen x₁, x₂, x₃ und x₄, welche in den Kanal C münden, auf der der Position y₁ zugewandten Seite des Sensorchips. Die Flächenanteile der rechten Hälfte der Pixel mit den y-Positionen y₂ und y₃, jeweils für die x-Positionen x₁, x₂, x₃ und x₄, welche in den Kanal D münden, befinden sich auf der der Position y₄ zugewandten Seite des Sensorchips.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorchips, der eindimensional in x-Richtung kodiert ist, wobei die Kodierung durch eine zahlenmäßige Verteilung und örtliche Verteilung von Mikrozellen gegeben ist, die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 sowie B1, B2, B3 und B4 führen. Die Symbolik und Nomenklatur ist dabei mit den Bezeichnungen in 1 identisch. Die einzelnen Pixel sind in 4 jedoch noch in vier weitere quadratische Sektoren aufgeteilt, die jeweils gleiche quadratische Flächen einnehmen und durch Linien mittlerer Stärke voneinander getrennt dargestellt sind. Innerhalb aller Pixel mit den x-Positionen x₁ und x₄ führen die Mikrozellen aller Sektoren in die Kanäle A1 bis A4 für x₁ und in die Kanäle B1 bis B4 für x₄. Für die Pixel mit den x-Positionen x₂ und x₃ ergibt sich entsprechend der Kodierung der Schraffur eine Aufteilung, bei der die dem Kanal A1 bis A4 zugeordneten Mikrozellen auf der Seite, die der Position x₁ zugewandt ist, angeordnet sind und bei der die dem Kanal B1 bis B4 zugeordneten Mikrozellen die der Position x₄ zugewandten Seite angeordnet sind, jedoch mit der Maßgabe, dass sich dieses Muster innerhalb eines Pixels widerholt, so dass es pro Pixel viermal vorhanden ist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorchips, der eindimensional in y-Richtung kodiert ist, wobei die Kodierung durch eine zahlenmäßige Verteilung und örtliche Verteilung von Mikrozellen gegeben ist, die in die Kanäle A1, A2, A3 und A4 sowie B1, B2, B3 und B4 führen. Die Symbolik und Nomenklatur ist dabei mit den Bezeichnungen in 2 identisch. Die einzelnen Pixel sind in 5 jedoch noch in vier weitere quadratische Sektoren aufgeteilt, die jeweils gleiche Flächen einnehmen und durch Linien mittlerer Stärke voneinander getrennt dargestellt sind. Innerhalb aller Pixel mit den y-Positionen y₁ und y₄ führen die Mikrozellen aller Sektoren in die Kanäle A1 bis A4 für y-Positionen y₁ und in Kanäle B1 bis B4 für y-Positionen y₄. Für alle Pixel mit y-Positionen y₂ und y₃ ergibt sich entsprechend der Kodierung der Schraffur eine Aufteilung, bei der die den Kanälen A1 bis A4 zugeordneten Mikrozellen auf der Seite, die der y-Position y₁ jeweils für die x-Positionen x₁, x₂, x₃ und x₄ zugewandt ist, angeordnet sind und bei der die den Kanälen B1 bis B4 zugeordneten Mikrozellen die der y-Position y₄ jeweils für die x-Positionen x₁, x₂, x₃ und x₄ zugewandten Seite angeordnet sind, jedoch mit der Maßgabe, dass sich dieses Muster innerhalb eines Pixels wiederholt, so dass es pro Pixel viermal vorhanden ist.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorchips, der zweidimensional in xy-Richtung kodiert ist, wobei die Kodierung durch eine zahlenmäßige Verteilung und örtliche Verteilung von Mikrozellen gegeben ist, die in die Kanäle A, B, C und D führen. Die Symbolik und Nomenklatur ist dabei mit den Bezeichnungen in 3 identisch. Die Ausführungsform in 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform in 3 dadurch, dass jedes Pixel in vier gleiche quadratische Sektoren unterteilt ist, in denen die jeweiligen Kodierungsmuster der Verteilung der Mikrozellen in einem Pixel, die in die Kanäle A, B, C und D münden, verwirklicht sind, so dass das Kodierungsmuster innerhalb eines Pixels viermal vorhanden ist. Auf der oberen Seite der Figur sind die Ausgangskanäle A und B bezeichnet, in die die Signale der Mikrozellen einmünden, welche entlang der x-Achse von den Mikrozellen ausgehen. Dabei münden in den Kanal A die Signale der Mikrozellen, in jedem Sektor eines Pixels, die entlang der x-Richtung, auf der Seite angeordnet sind, welche den Pixeln mit der Position x₁ zugewandt ist und in den Kanal B die Signale der Mikrozellen, in jedem Sektor eines Pixels, auf der Seite angeordnet sind, die den Pixeln mit den Positionen x₄ zugewandt ist. Die in Kanal A führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der oberen Seite der Figur abgebildeten Kästchen von links unten nach rechts oben schraffiert. Die in Kanal B führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den auf der oberen Seite der Figur abgebildeten Kästchen von links oben nach rechts unten schraffiert. Dabei wird erkennbar, dass die Mikrozellen der Sektoren eines Pixels mit der x-Position x₁ zu 50% Signale an den Ausgang A geben. Die Mikrozellen der Sektoren eines Pixels mit der x-Position X₄ geben zu 50% Signale in den Kanal B. In den dazwischen liegenden Pixeln sind die Flächen der Sektoren aller Pixel mit den x-Positionen x₂ und x₃ entsprechend ihrer zahlenmäßigen Gewichtung, die zur Linearkodierung führt, entsprechend örtlich aufgeteilt. Dabei befinden sich wiederum die Flächenanteile der linken Hälfte der Sektoren der Pixel mit den x-Positionen x₂ und x₃, welche in den Kanal A münden, auf der der Position x₁ zugewandten Seite des Sensorchips. Die Flächenanteile der rechten Hälfte der Sektoren der Pixel mit den x-Positionen x₂ und x₃, welche in den Kanal B münden, befinden sich auf der der Position x₄ zugewandten Seite des Sensorchips Auf der rechten Seite der Figur sind die Ausgangskanäle C und D bezeichnet, in die die Signale der Mikrozellen einmünden, welche entlang der y-Achse von den Mikrozellen ausgehen. Dabei münden in den Kanal C die Signale der Mikrozellen, in jedem Sektor eines Pixels, die entlang der y-Richtung, auf der Seite angeordnet sind, welche den Pixeln mit der Position y₁ zugewandt ist und in den Kanal D die Signale der Mikrozellen, in jedem Sektor eines Pixels, die auf der Seite angeordnet sind, die den Pixeln mit der Position y₄ zugewandt ist. Die in Kanal C führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den Kästchen auf der rechten Seite der Figur horizontal schraffiert. Die in Kanal D führenden örtlichen Bereiche der Pixel sind gemäß den Kästchen auf der rechten Seite der Figur vertikal schraffiert. Dabei wird erkennbar, dass die Mikrozellen der Sektoren aller Pixel mit der y-Position y₁ zu 50% Signale an den Ausgang C geben. Die Mikrozellen der Sektoren aller Pixel mit der y-Position y₄ geben zu 50% Signale in den Kanal D. In den dazwischen liegenden Pixeln sind die Flächen, der Sektoren aller Pixel mit den y-Positionen y₂ und y₃ entsprechend ihrer zahlenmäßigen Gewichtung, die zur Linearkodierung führt, entsprechend örtlich aufgeteilt. Dabei befinden sich wiederum die Flächenanteile der oberen Hälfte der Sektoren der Pixel mit den y-Positionen y₂ und y₃, welche in den Kanal C münden, auf der der Position y₁ zugewandten Seite des Sensorchips. Die Flächenanteile der unteren Hälfte der Sektoren der Pixel mit den y-Positionen y₂ und y₃, welche in den Kanal D münden, befinden sich auf der der Position y₄ zugewandten Seite des Sensorchips.
7 zeigt ein Pixel, welches eindimensional in x-Richtung kodiert. Die Symbolik für die Schraffuren und deren Zuordnung zu den Kanälen A und B, sind genauso, wie in 1. Bei dieser Ausführungsform gemäß Nr. 1, „Direkter Abgriff des Photostroms nach Zusammenführung im Pixel”, wird der Photostrom der Mikrozellen, die näher an der x₁-Position lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,Am geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,Am führt und in den Kanal A_m mündet. An das Netz N_S,nm,Am ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,Am angeschlossen, der in ein Netz N_S führt. Analog wird der Photostrom der Mikrozellen, die näher an der x_N-Position lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,Bm geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,Bm führt und in den Kanal B_m mündet. A_n das Netz N_S,nm,Bm ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,Bm angeschlossen, der ebenfalls in das Netz N_S führt.
8 zeigt ein Pixel, welches eindimensional in y-Richtung kodiert. Die Symbolik für die Schraffuren und deren Zuordnung zu den Kanälen A und B, sind genauso, wie in 2. Bei dieser Ausführungsform gemäß Nr. 1, „Direkter Abgriff des Photostroms nach Zusammenführung im Pixel”, wird der Photostrom der Mikrozellen, die näher an der y₁-Position lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,An geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,An führt und in den Kanal A_n mündet. An das Netz N_S,nm,An ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,An angeschlossen, der in ein Netz N_S führt. Analog wird der Photostrom der Mikrozellen, die näher an der y_M-Position lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,Bn geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,Bn führt und in den Kanal B_m mündet. A_n das Netz N_S,nm,Bn ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,Bn angeschlossen, der ebenfalls in das Netz N_S führt.
9 zeigt ein Pixel, welches zweidimensional in xy-Richtung kodiert. Der Pixel ist dabei bezogen auf die x-Richtung hälftig geteilt, wobei die linke Hälfte für die x-Richtung kodiert. Die rechte Hälfte kodiert für die y-Richtung. Die Symbolik für die Schraffuren und deren Zuordnung zu den Kanälen A B, C und D, sind genauso, wie in 3. Bei dieser Ausführungsform gemäß Nr. 1, „Direkter Abgriff des Photostroms nach Zusammenführung im Pixel”, wird der Photostrom der Mikrozellen, die innerhalb der linken Hälfte des Pixels näher an der linken Außenseite des Pixels lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,A geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,A führt und in den Kanal A mündet. An das Netz N_S,nm,A ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,A angeschlossen, der in ein Netz N_S führt. Analog wird der Photostrom der Mikrozellen, die innerhalb der linken Hälfte des Pixels näher an der rechten Außenseite des Pixels lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,B geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,B führt und in den Kanal B mündet. An das Netz N_S,nm,B ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,B angeschlossen, der ebenfalls in das Netz NS führt. In y-Richtung wird der Photostrom der Mikrozellen, die innerhalb der rechten Hälfte des Pixels näher an der oberen Außenseite des Pixels lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,C geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,C führt und in den Kanal C mündet. An das Netz N_S,nm,C ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,C angeschlossen, der in das Netz N_S führt. Analog wird der Photostrom der Mikrozellen, die innerhalb der rechten Hälfte des Pixels näher an der unteren Außenseite des Pixels lokalisiert sind, in ein Netz N_S,nm,D geführt, welches in einen Kodierwiderstand R_e,nm,D führt und in den Kanal D mündet. A_n das Netz N_S,nm,D ist ein Summiererwiderstand R_S,nm,D angeschlossen, der ebenfalls in das Netz N_S führt.
10 zeigt eine Ausführungsform gemäß Nr. 2, nach der der Abgriff des Photostroms nach teilweiser Zusammenfassung von Mikrozellen erfolgt. Hier werden die Ausgänge von Gruppen von Mikrozellen, bestehend aus einer Photodiode D_ij und einem jeweils zugehörigen Quenchwiderstand R_q,ij über ein Netz N_S,f zusammengeführt, welches an einen Kodierwiderstand R_e,f angeschlossen ist. Über den Kodierwiderstand R_e,f wird das Signal zu Kanalkodierung weitergeleitet und anhand der oben beschriebenen linearen Kodierung an die Ausgangskanäle angeschlossen. An das Netz N_S,f ist ein weiterer Summiererwiderstand R_S,f angeschlossen, welcher an das Netz N_S angeschlossen ist.
11 zeigt eine Ausführungsform gemäß Nr. 3, nach der ein Abgriff des Photostroms nach jeder Mikrozelle erfolgt. Hierbei ist eine Mikrozelle bestehend aus einer Photodiode D_ij und einem Quenchwiderstand R_q,ij an ein Netz N_S,ij angeschlossen. An das Netz N_S,ij ist ein Kodierwiderstand R_e,ij angeschlossen, der den Photostrom, wie oben beschriebenen unter Verwendung einer linearen Kodierung, an die Ausgangskanäle leitet. Über einen Summiererwiderstand R_S,ij, der an das Netz N_S angeschlossen ist, wird die Spannung für das Moment zweiter Ordnung abgegriffen.
12 zeigt einen Operationsverstärker OP, der an seinem negativen Eingang mit dem Summiernetz N_S verbunden ist und an seinem positiven Ausgang mit einer Erdung verbunden ist. Der Operationsverstärker mündet in den Ausgangskanal E und hat ausgehend von dem Ausgangskanal eine negative Rückkopplung über einen Widerstand R_S.
13 zeigt die 2D-Kodierwiderstandsverteilung auf der xy-Ebene des Sensorchips, bei der die z-Achse den Widerstandswert in Ohm für eine genau quadratische Kodierung angibt.
14 zeigt die 2D-Kodierwiderstandsverteilung auf der xy-Ebene des Sensorchips, bei der die z-Achse den Widerstandswert in Ohm für eine Kodierung, die von der genauen quadratischen Kodierung abweicht, angibt, dabei jedoch die Erfindung gemäß Formel (8) verwirklicht.
15 zeigt die Ausgangssignalstärke des Summiernetzwerkes in Abhängigkeit der Interaktionstiefe. Die x-Achse gibt dabei die z-Position im Szintillationskristall, welche normiert ist, an. Die y Achse zeigt die Ausgangssignalstärke am Kanal E an, in einer beliebigen Einheit.
Zitierter Stand der Technik:

[1]: Gola, A., et al., "A Novel Approach to Position-Sensitive Silicon Photomultipliers: First Results".
[2]: Schulz, V., et al., "Sensitivity encoded silicon photomultiplier – a new sensor for high-resolution PET-MRI." Physics in medicine and biology 58.14 (2013): 4733.
[3]: Fischer, P., Piemonte, C., "Interpolating silicon photomultipliers", NIMPRA, Nov. 2012.
[4]: Espana, S., et al., "DigiPET: sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators".
[5]: Lerche, Ch. W., et al., "Depth of interaction detection for y-ray imaging".
[6]: US7476864 (B2) .
[7]: Ito, M., et al., "Positron Emission Tomography (PET) Detectorts with Depth-of-Intercation (DOI) Capability".
[8]: Judenhofer, M. S., et al., "Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging".
[9]: Ziegler, S. I., et al., "A prototype high-resolution animal positron tomograph with avalanche photodiode arrays and ISO crystals".
[10]: Balcerzyk, M., et al., "Preliminary performance evaluation of a high resolution small animal PET scanner with monolithic crystals and depth-of-interaction encoding".
[11]: Balcerzyk, M., et al., "Initial performance evaluation of a high resolution Albira small animal positron emission tomography scanner with monolithic crystals and depth-of-interaction encoding from a user's perspective".
[12]: González Martinez, A. J., et al., "Innovative PET detector concept based on SiPMs and continuous crystals".
[13]: Siegel, S., et al., "Simple Charge Division Readouts for Imaging Scintillator Arrays using a Multi-Channel PMT".
[14]: McElroy, D. P., et al., "First Results From MADPET-II: A Novel Detector and Readout System for High Resolution Small Animal PET".
[15]: Berneking, A., "Characterization of Sensitivity encoded Silicon Photomultiplier for high resolution simultaneous PET/MR Imaging", Diploma thesis, RWTH Aachen University, 3.12.2012.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7476864 B2 [0094]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Judenhofer et. al. [0013]
Gola, A., et al., ”A Novel Approach to Position-Sensitive Silicon Photomultipliers: First Results” [0094]
Schulz, V., et al., ”Sensitivity encoded silicon photomultiplier – a new sensor for high-resolution PET-MRI.” Physics in medicine and biology 58.14 (2013): 4733 [0094]
Fischer, P., Piemonte, C., ”Interpolating silicon photomultipliers”, NIMPRA, Nov. 2012 [0094]
Espana, S., et al., ”DigiPET: sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators” [0094]
Lerche, Ch. W., et al., ”Depth of interaction detection for y-ray imaging” [0094]
Ito, M., et al., ”Positron Emission Tomography (PET) Detectorts with Depth-of-Intercation (DOI) Capability” [0094]
Judenhofer, M. S., et al., ”Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging” [0094]
Ziegler, S. I., et al., ”A prototype high-resolution animal positron tomograph with avalanche photodiode arrays and ISO crystals” [0094]
Balcerzyk, M., et al., ”Preliminary performance evaluation of a high resolution small animal PET scanner with monolithic crystals and depth-of-interaction encoding” [0094]
Balcerzyk, M., et al., ”Initial performance evaluation of a high resolution Albira small animal positron emission tomography scanner with monolithic crystals and depth-of-interaction encoding from a user's perspective” [0094]
González Martinez, A. J., et al., ”Innovative PET detector concept based on SiPMs and continuous crystals” [0094]
Siegel, S., et al., ”Simple Charge Division Readouts for Imaging Scintillator Arrays using a Multi-Channel PMT” [0094]
McElroy, D. P., et al., ”First Results From MADPET-II: A Novel Detector and Readout System for High Resolution Small Animal PET” [0094]
Berneking, A., ”Characterization of Sensitivity encoded Silicon Photomultiplier for high resolution simultaneous PET/MR Imaging”, Diploma thesis, RWTH Aachen University, 3.12.2012 [0094]

Claims

SiPM-Sensorchip mit Pixeln, bestehend aus Mikrozellen Z, wobei jedem Pixel eine xy-Position x₁, x₂, x₃, ..., x_N bzw. y₁, y₂, y₃, ..., y_M zugeordnet ist und sich eine Mehrzahl von Pixeln in einem Block befinden, wobei die Mikrozellen an Ausgangskanäle für eine Linearkodierung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass a) im Fall einer eindimensionalen Linearkodierung in mindestens einer Reihe m von M Reihen, N Pixel x₁, x₂, ..., x_N. in x-Richtung vorhanden sind, und innerhalb dieser Reihe eine Linearkodierung dadurch entsteht, dass sich innerhalb der m-Reihen die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen Ausgangskanal A_m, der der m-ten Reihe zugehörig ist, münden, in fortschreitender Richtung von x₁ nach x_N in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in den Ausgangskanal B_m, der der m-ten Reihe zugehörig ist, münden, in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit A_m oder B_m verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Reihe in x-Richtung entgegengesetzt linear ändert, wobei eine Linearkodierung entsteht, oder dass b) im Fall einer eindimensionalen Linearkodierung in mindestens einer Spalte n von N Spalten, M Pixel y₁, y₂, ..., y_M. in y-Richtung vorhanden sind, und innerhalb dieser Spalte eine Linearkodierung dadurch entsteht, dass sich innerhalb der n-Spalten die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in den Ausgangskanal A_n, der der n-ten Spalte zugehörig ist, münden, in fortschreitender Richtung von y₁ nach y_M in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in den Ausgangskanal B_n, der der n-ten Spalte zugehörig ist, münden, in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit A_n oder B_n verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Spalte in y-Richtung entgegengesetzt linear ändert, wobei eine Linearkodierung entsteht, oder dass c) im Fall einer zweidimensionalen Linearkodierung in mindestens einer Reihe m von M Reihen, N Pixel x₁, x₂, ..., x_N. in x-Richtung vorhanden sind, und innerhalb dieser Reihe eine Linearkodierung dadurch entsteht, dass sich innerhalb der m-Reihen die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal A münden, in fortschreitender Richtung von x₁ nach x_N in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal B münden, in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit A oder B verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Reihe in x-Richtung entgegengesetzt linear ändert und dass in mindestens einer Spalte n von N Spalten, M Pixel y₁, y₂, ..., y_M. in y-Richtung vorhanden sind, und innerhalb dieser Spalte eine Linearkodierung dadurch entsteht, dass sich innerhalb der n-Spalten die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal C münden, in fortschreitender Richtung von y₁ nach y_M in zahlenmäßig absteigender Weise ändert und die Anzahl der Mikrozellen eines Pixels, die in einen gemeinsamen Ausgangskanal D münden, in zahlenmäßig aufsteigender Weise ändert, so dass sich die Anzahl der mit C oder D verschalteten Mikrozellen mit fortschreitenden Pixeln in einer Spalte in y-Richtung entgegengesetzt linear ändert, wobei eine Linearkodierung entsteht, wobei eine Linearkodierung gegeben ist, wenn eine Kodierung nach Formel 1 nach
verwirklicht ist, und dass ein Summiernetzwerk O oder zwei Summiernetzwerke O implementiert sind, bestehend aus einem Netz oder aus zwei Netzen N_S und Kodierwiderständen R_e, durch die die Photoströme der Mikrozellen Z fließen, und die zu einer Spannungsverteilung über das Summiernetzwerk O oder die Summiernetzwerke O führt, welche der Verteilungsformel (8)
oder der Formel 9
entspricht, wobei bei Formel 9 entlang x oder y oder x und y kodiert werden kann.
SiPM-Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen eines Pixels entlang von N Pixeln der x-Achse mit den Pixelpositionen x₁, x₂, ..., x_N, die in den Kanal A_m bzw. A führen, örtlich auf der, der Position x₁ zugewandten Seite zahlreicher lokalisiert sind und die Mikrozellen des selben Pixels, die in den Kanal B_m bzw. B führen, auf der, der Position x_N zugwandten Seite lokalisiert sind
SiPM-Sensorchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen eines Pixels entlang von M Pixeln der y-Achse mit den Pixelpositionen y₁, y₂, ..., y_M, die in den Kanal A_n bzw. C führen örtlich auf der, der Position y₁ zugewandten Seite zahlreicher lokalisiert sind und die Mikrozellen des selben Pixels, die in den Kanal B bzw. D führen, auf der, der Position y_M zugwandten Seite lokalisiert sind.
SiPM-Sensorchip nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang der Verteilung von Mikrozellen zu den Kanälen A_m und B_m bzw. A und B und/oder C und D innerhalb eines Pixels fließend ist.
SiPM-Sensochip nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen, die in den Kanal A_m bzw. A führen, von den Mikrozellen, die in den Kanal B_m bzw. B führen, und/oder die Mikrozellen, die in den Kanal C führen von den Mikrozellen, die in den Kanal D führen, durch eine diskrete Grenze getrennt sind.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pixel in Sektoren unterteilt ist, welche jeweils das örtliche Kodierungsmuster des Pixels, in dem sie sich befinden, verwirklichen.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Summiernetzwerk O einen Operationsverstärker OP beinhaltet, wobei die Summiererwiderstände R_S an dem Operationsverstärker OP angeschlossen sind.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Mikrozellen Z eines Pixels, welche im eindimensionalen Fall a) für den Anschluss an die Kanäle A_m/B_m oder im eindimensionalen Fall b) für den Anschluss an die Kanäle A_n/B_n vorgesehen sind, an ein Netz N_S,nm,Am/An bzw. N_S,nm,Bm/Bn angeschlossen sind, wobei das Netz N_S,nm,Am/An einen Kodierwiderstand R_e,nm,Am/An sowie an einen Summiererwiderstand R_S,nm,Am/An und das Netz N_S,nm,Bm/Bn an einen Kodierwiderstand R_e,nm,Bm/Bn sowie an einen Summiererwiderstand R_S,nm,Bm/Bn angeschlossen ist.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die Mikrozellen Z, welche im zweidimensionalen Fall c) für den Anschluss an die Kanäle A, B, C und D vorgesehen sind, an ein Netz N_S,nm,A bzw. N_S,nm,B, N_S,nm,C, N_S,nm,D angeschlossen sind, wobei das Netz N_S,nm,A an einen Kodierwiderstand R_e,nm,A sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,A, das Netz N_S,nm,B einen Kodierwiderstand R_e,nm,B sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,B, das Netz N_S,nm,C an einen Kodierwiderstand R_e,nm,C sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,C, und das Netz N_S,nm,D einen Kodierwiderstand R_e,nm,D sowie ein Summiererwiderstand R_S,nm,D angeschlossen ist.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Mikrozellen Z_ij einer Reihe I und/oder einer Spalte k durch Leitungen zu jeweils mindestens einem Feld f zusammengefasst sind, welche an ein Netz N_S,f angeschlossen sind und dass mindestens ein Netz N_S,f, an einen Kodierwiderstand R_e,f und ein Summiererwiderstand R_S,f angeschlossen ist, wobei jeder Kodierwiderstand R_e,f an die Kanäle A_m oder B_m bzw. A_n oder B_n bzw. A, B, C oder D angeschlossen ist.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge einzelner Mikrozellen Z_ij, jeweils an ein Netz N_S,ij angeschlossen ist, welches an einen Kodierwiderstand R_e,ij und ein Summiererwiderstand R_S,ij angeschlossen ist, wobei jeder Kodierwiderstand R_e,ij an die Kanäle A_m oder B_m bzw. A_n oder B_n bzw. A, B, C oder D angeschlossen ist.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Summiernetzwerk O komplett in den SiPM-Sensorchip integriert ist.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel in Reihen in x-Richtung und Reihen in y-Richtung angeordnet sind, wobei die Reihen x und y orthogonal oder in einem Winkel < 90° zueinander geneigt sind, so dass sich ein Rautenmuster ergibt.
SiPM-Sensorchips nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensorchips zu einem Block a × b in einem Raster angeordnet sind, wobei sich die lineare Positionskodierung sowie die quadratische Kodierung der Potentiale sensorübergreifend über mehrere Sensorchips in die Richtungen a und b erstreckt.
SiPM-Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip eine Mehrzahl von J Blöcken mit Blöcken j = 1 ... J aufweist, die jeweils nach den Ansprüchen 1 bis 10 ausgestaltet sind und der Sensorchip eigene Ausgangskanäle A_j, B_j, C_j und D_j sowie E_j und/oder F_j für jeden Block j besitzt.
SiMP-Senorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel in Abständen zueinander angeordnet sind, die den Abständen der Mikrozellen entsprechen.