JP2008023331A - イメージング・システム用の適応型データ取得 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＴシステムのようなイメージング・システムのデータ取得回路において、広範囲のエネルギ入力条件にわたって撮像データ取得回路の性能を改善する。
【解決手段】適応型データ取得回路（２６）が、検出器に入射したエネルギに応答して検出器（１２）によって発生される電気パルスを増幅する増幅器（１４）を含んでいる。この適応型データ取得回路はまた、増幅器によって発生される増幅された電気パルスを計数する計数回路（２８）を含んでいる。加えて、適応型データ取得回路は、パルス・レート、及び増幅された電気パルスに存在するエネルギの量を示すパルス・パラメータを決定して、データ取得回路（２６）の動作パラメータを制御するためにパルス・パラメータに応答して制御信号（３４）を発生するディジタル論理回路（３０）を含んでいる。
【選択図】 図２

Description

本発明はイメージング・システムに関し、さらに具体的には、イメージング・システム用の適応型データ取得回路に関する。

図１は、イメージング・システム例えば計算機式断層写真法（ＣＴ）システムに用いられて被撮像目標物から受け取るエネルギ量子を計数する従来のデータ取得回路１０を示している。かかる回路１０は典型的には、検出器１２に入射するＸ線フォトンのような受光されたエネルギ１１に応答して電流電荷パルスを発生する検出器１２を含んでいる。かかるシステムからの出力は、パルス・カウント６４を含み得る。積分トランス・インピーダンス増幅器のような増幅器１４が典型的には、演算増幅器（オペ・アンプ）１５と共に該オペ・アンプ１５の反転端子と出力端子との間にフィードバック接続されている積分キャパシタ１６、抵抗素子１８及び低インピーダンス・スイッチ１１９を併せ含んでおり、電流電荷パルスを電圧パルスへ変換する。選択随意で、サンプル・アンド・ホールド回路７４及びアナログからディジタルへの変換器７２を介した増幅器出力１９の並列積分処理を用いて、検出器１２において受光された放射線１１のパワーを示すディジタル積分出力信号７０を与えることもできる。

抵抗器１８及びスイッチ１１９は必ずしも別個の素子でなくてもよく、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような１又は複数のトランジスタを用いて具現化してかかる素子の抵抗が印加電圧によって制御自在となるようにしてもよい。代替的には、スイッチ１１９は、スイッチに入射する光パルスの印加によって閉じるような光起動式であってもよい。抵抗素子１８は、オペ・アンプ１５が検出器１２からの電荷パルスに応答するのに伴って、キャパシタ１６に蓄積された電荷のリセットを行なう。

連続型リセット回路は、抵抗素子１８について一定の抵抗値を有する形式の回路である。トリガ型リセット回路は、低インピーダンス・スイッチ１１９をフィードバック回路において具現化する形式の回路である。時間の殆どにわたって、低インピーダンス・スイッチ１１９は開いた状態にあるように構成されており、検出器１２からの電荷は、抵抗１８からの定常的なリセットによってキャパシタ１６に積算される。スイッチ１１９は、例えば閾値回路又は周期的クロックによる制御の下で、キャパシタ１６の蓄積電荷を放電してオペ・アンプ１５の飽和を防ぐために短時間にわたって閉じる。スイッチ１１９が閉じている時間には、検出器１２において発生される電荷パルスに対する応答が存在しなくなる。従って、検出器に入射する全てのＸ線を検出するためには、スイッチ１１９が閉じている時間を最短にすることが望ましい。閾値制御型回路の一例は、オペ・アンプ出力１９の直流電流レベルを閾値に対して試験し、キャパシタ１６を放電するために固定されたクロック周期数にわたってスイッチ１１９を閉じる形式の回路である。

増幅器１４によって発生される電圧パルスは、パルス整形器２０によってさらに処理されて整形された電圧パルスを発生し、このパルスが弁別器２２に供給される。整形された電圧パルスの振幅が弁別閾値を超えている場合に、弁別器２２は計数レジスタ２４をインクリメントする。よって、データ取得回路１０は、検出器１２によって発生されて検出器１２に入射したフォトンを表わす電流電荷パルスを計数するように構成されている。多数のカウンタ２４及び呼応して多数の弁別閾値を用いて、事象を整形されたパルス振幅に関してビニングすることができる。多数のビンに対する多数の弁別及び計数は、検出器１２に入射したフォトンのエネルギを記録する粗い方法である。幾つかの応用では、検出器１２は、ビニング・スイッチ４０を介してそれぞれのデータ取得回路１０に接続されている１又は複数のピクセルを含んでいてよい。
米国特許第６２７８３９５号

ＣＴシステムのようなイメージング・システムでは、十分なエネルギ分解能での比較的高い計数性能を達成することが望まれる。具体的には、高い計数率（カウント・レート）での増幅器の飽和を回避するためには、回路１０において比較的抵抗の小さい抵抗器１８を用いるか又はスイッチ１１９を頻繁にリセットすることが必要とされる。しかしながら、低抵抗の抵抗器１８は、衝撃損失（ballistic deficit）という公知の現象に部分的に起因してエネルギ分解能の低下を生じ得る。衝撃損失は、検出器１２において発生される信号電荷パルスがオペ・アンプ１５の入力１７において受信されている時間に抵抗器１８がキャパシタ１６を放電させるため生ずる。これにより、キャパシタ１６に積算される電荷の振幅が減少し、また雑音レベルに関連して回路のエネルギ分解能が低下する。さらに、振幅は、検出器１２において生ずる異なる電荷パルスの持続時間差のため区々となる場合がある。電荷パルス振幅のばらつきは、回路のエネルギ分解能の低下を招く。

エネルギ分解能はまた、パルス整形器２０の整形時間に影響される場合もある。パルス整形器２０によって用いられる整形時間が長いほど高周波雑音を十分に拒絶することができ、これにより整形された電圧パルスの雑音が小さくなる。しかしながら、整形時間を過度に長くすると過剰な回路不感時間を生ずる場合があり、整形されたパルスの重なり及び整形されたパルスの振幅の歪みを招き得る。このような場合に、弁別器２２での誤計数及びエネルギ割り当ての誤りが起こり得る。結果として、計数率が高まるほど、各々の整形された電圧パルスが、パイル・アップとして公知の効果のため多数の検出事象からの信号を反映する場合がある。従って、広範囲のエネルギ入力条件にわたって撮像データ取得回路の性能を改善することが望まれている。

ＣＴシステムのようなイメージング・システムのデータ取得回路では、広範囲のエネルギ検出条件にわたって所望のエネルギ分解能を達成する必要がある。例えば、ＣＴシステムの従来のフォトン計数式データ取得回路は、比較的低い計数率及び比較的高い計数率の両方において十分なエネルギ分解能を提供し得る必要がある。本発明者等は、撮像データ取得回路の動作パラメータを動的に変更することにより、広範囲のフォトン計数率にわたって所望のエネルギ分解能を達成し得ることを革新的に認めた。具体的には、パルス・レート及び積算電荷を示すパルス・パラメータに応答して撮像データ取得回路の動作パラメータを制御することにより、変化する計数率条件に対して所望のエネルギ分解能を達成することができる。

図２は、イメージング・システム１２０に用いられる適応型データ取得回路２６の例示的な実施形態の模式図である。データ取得回路２６は、Ｘ線フォトンのような検出器１２に入射するエネルギ１１に応答して検出器１２によって発生される電荷パルスを増幅する積分トランス・インピーダンスのような増幅器１４を含んでいる。本発明の一観点では、増幅器１４を制御自在型にして、検出器１２において受光されるＸ線フォトンの予測線束量（flux rate）と共に抵抗器１８及び／又はキャパシタ１６の値を動的に制御することにより、増幅パラメータ及びリセット・パラメータのような増幅器１４の動作パラメータを変化させるのを可能にすることができる。

データ取得回路２６はまた、増幅器１４によって発生される増幅された電気パルスを計数する計数回路２８を含んでいる。計数回路２８はまた、パルス振幅に従って異なる計数レジスタ（図示されていない）にビニングするように構成されていてよい。計数回路２８は、増幅器１４によって発生される増幅された電気パルスを整形してこれら整形されたパルスを弁別器２２へ供給するパルス整形器２０を含み得る。本発明の一観点では、パルス整形器２０を制御自在型にして、パルス整形時間及び整形フィルタの数のような整形器２０の動作パラメータを変化させることができる。弁別器２２は、パルス整形器２０に結合されており、整形された電圧パルスが１又は複数の弁別閾値を超える場合に１又は複数の計数レジスタ２４をインクリメントすることができる。弁別器２２もまた制御自在型にして、弁別閾値のような弁別器２２の動作パラメータを変化させることができる。

増幅器１４の飽和状態を防ぐために、データ取得回路２６は増幅器１４の入力から電荷のパケットを減算するフォールディング・サーキットリ（folding circuitry）を含み得る。例えば、フォールディング・サーキットリは、増幅器出力１９に結合されて例えば増幅器１４の出力が予め決定された閾値を超える場合等に閾値超過信号５６を発生する閾値検出器４６を含み得る。本発明の一実施形態では、閾値検出器４６は、平均出力を識別してこの平均出力が閾値を超えると閾値超過信号５６を発生する平均レベル・サンプル・アンド・ホールド回路を含み得る。平均レベルは、増幅器１４の出力１９での低域通過フィルタ３１として具現化され得る。

フォールディング・サーキットリはまた、閾値検出器４６に結合されて閾値超過信号５６に応答して増幅器入力１７にフォールド電流５８を印加するフォールディング回路４４を含み得る。フォールディング回路４４は、増幅器入力１７から所望の電荷を減算する電流源４２を制御して増幅器１４の飽和を防ぐことができる。一実施形態では、電流源４２は、固定された時間区間にわたって作動して予め決定された一定の電荷を減算する定電流源を含んでおり、増幅器入力１７での所望のレベルの電荷減算を達成することができる。電流源４２の作動はフォールドとして認識され、かかるフォールドの回数をフォールド計数器４８で計数することができる。増幅器入力１７に注入されるフォールド電荷５８の高い精度は、幾つかの数のクロック周期にわたって電流源４２を作動させるフォールディング回路４４において確保され得る。定電流源４２の電流レベル及びクロック周期の数は、検出器１２から受け取られる特定の計数率及び電荷レベルを対処するための動的に調節自在なパラメータであってよい。

広範囲の撮像エネルギ入力条件にわたって改善された性能を達成するために、データ取得回路２６は、現在の計数率又は将来可能性のある計数率を示すパルス・パラメータを決定するディジタル論理回路３０を含み得る。将来の計数率に関する論理コントローラ５２の予測能力は、傾向分析に基づいて又はイメージング・システム１２０によって与えられる予測情報５４によって具現化することができる。パルス・パラメータに基づいて、データ取得回路２６は、パルス・パラメータに応答してデータ取得回路２６の動作条件を制御する１又は複数の制御信号を供給することができる。ディジタル論理回路３０は、増幅器出力１９及び／又はフォールディング回路４４に結合されて、これらの信号源の一方又は両方から、計数率、及び増幅された信号１９に存在するエネルギ量を示す情報を受け取ることができる。決定されたパルス・パラメータに基づいて、ディジタル論理回路３０は、データ取得回路２６の動作パラメータを制御する１又は複数の制御信号を発生する。

例示的な一実施形態では、制御信号３４が、キャパシタ１６のキャパシタンスを制御すること、及び／又は抵抗器１８の抵抗を制御すること、及び／又はスイッチ１１９を介したリセット頻度等によって、増幅器１４の増幅パラメータを制御するように構成され得る。本発明の一観点では、制御信号３４は、抵抗器１８を短絡させて増幅器１４をリセットするように構成され得る。もう一つの例示的な実施形態では、制御信号３６が、パルス整形器２０の整形時間のようなパルス整形器２０の動作パラメータを制御してデータ取得回路２６の所望の性能を達成するように構成され得る。例えば、制御信号３６は、決定されたパルス・パラメータが比較的小さい場合に比較的長い整形時間を用いるようにパルス整形器２０を制御して、例えばエネルギ分解能を改善することができる。代替的には、決定されたパルス・パラメータが比較的大きい場合には、制御信号３６は、比較的短い整形時間を用いるようにパルス整形器２０を制御するように構成されて、例えばパイル・アップを回避することができる。本発明のもう一つの観点では、制御信号３８が、弁別器２２の弁別閾値を制御する等によって弁別器２２の動作パラメータを制御するように構成されて、データ取得回路２６の所望の性能を達成することができる。

増幅器１４と検出器１２との間に配置されたピクセル・ビニング・スイッチ４０を含むデータ取得回路２６の一実施形態では、制御信号３２が、スイッチ４０の動作を制御して、パルス・パラメータに応答して検出器１２の１又は複数のサブピクセル区域に対して増幅器１４を選択的に結合したり切り離したりするように構成され得る。例えば、検出器１２への入射放射線１１の線束量が比較的小さい場合には、サブピクセルの全面積において受光した全てのパルス事象が増幅器１４へ送られるようにサブピクセルを構成することができる。代替的には、比較的高い計数率では、サブピクセル区域の幾つかの部分集合、可能性としては一つの部分集合が増幅器１４へ送られ得る。このようにして、検出器１２の作用応答面積は、増幅器１４への入力において受け取られるパルス計数率が、検出器１２に入射する放射線１１の線束量よりも小さいダイナミック・レンジの範囲内に保持されるように動的に制御される。

ディジタル論理回路３０は、フォールディング回路４４によって与えられるフォールド指標５８を受け取るフォールド計数器４８を含み得る。フォールド計数器４８は、固定された電荷単位が増幅器入力１７から減算される回数を計数するように構成されており、これにより検出器１２から受け取られる一連の増幅されたパルスの積算電荷の指標を提供することができる。フォールド計数器４８によって発生されるフォールド回数６２は、コントローラ５２へ供給され得る。コントローラ５２は、フォールド回数を用いて制御信号３２、３４、３６、３８を発生し、フォールド回数６２に応答してデータ取得回路２６のそれぞれの動作パラメータを制御するように構成され得る。フォールド回数６２は、検出器１２において受光される放射線１１のパワーを表わす積分信号７０としてコントローラ５２によって供給されることができる。

もう一つの実施形態では、ディジタル論理回路３０は、例えばフォールディング電流５８の印加の後に、増幅器出力１９に残存する増幅されたパルスの残差に応答して残差信号６０を発生する残差量子化器５０を含み得る。コントローラ５２は残差量子化器５０に結合されて、残差信号６０を例えばフォールド回数６２と共に用いて制御信号３２、３４、３６、３８を発生することができる。残差量子化器５０からの信号６０は、検出器１２において受光される放射線１１のパワーを表わす積分信号７０としてコントローラ５２によって供給されることができる。

本発明のもう一つの観点では、ディジタル論理回路３０はさらに、予測されるパルス・パラメータを示す情報のような予測情報５４を受け取って、予測情報５４に応答して１又は複数の制御信号を発生するように構成され得る。かかる予測情報５４は、以前に増幅されたパルス・パラメータの傾向分析、検出器１２の隣接するピクセルにおいて受け取られたエネルギ、又はデータ取得回路２６を用いてイメージング・システムによって撮像されている目標物の既知の密度プロファイルに基づいていてよい。

さらにもう一つの実施形態では、計数回路２８の計数器出力６４をディジタル論理回路によって用いて、データ取得回路２６の動作パラメータを制御する制御信号を発生することができる。例えば、計数器出力６４をコントローラ５２によって用いて、弁別器２２の様々な弁別閾値に従って計数回路２８によって与えられ得るもののような様々なエネルギ閾値カウントに応答してビニング・スイッチを制御する制御信号３２を発生することができる。

本発明のもう一つの観点では、フォールド回数６２及び残差量子化器信号６０を積分信号出力７０として与え、また計数器信号６４をパルス・カウント出力信号として与えることができる。イメージング・システム・コントローラ１２２が、積分信号出力７０及びパルス・カウント出力信号を用いて画像を形成するように構成されていてよい。さらに、かかる情報は、イメージング・システム１２０によって用いられて、取得系列、及びイメージング・システム１２０のＸ線源１２４によって生成される線束レベル・プロファイルを制御し得るベクトルを形成することもできる。

本発明のもう一つの観点では、例えばフォールド閾値が比較的小さく且つフォールド回数が比較的頻繁に報告される場合に、フォールド回数をフォトン・カウントとして用いて、適当な制御信号及び出力信号（１又は複数）を発生してもよい。この場合には、フォールド閾値は受け取ったフォトンのエネルギを示し、これによりデータ取得回路２６が典型的なＸ線撮像パルス間時間の約１０分の１の時間で制御信号を発生することを可能にする。従って、この態様で発生されるフォールド回数は、データ取得回路２６の動作パラメータを制御するのに用いることのできるフォトン・カウントを直接的に表わしたものとなり得る。同様に、検出器への１回のフォトン到達が２回のフォールドの契機となる場合には二重エネルギ・レベル・フォトン計数手法を用いることもできる。

本発明の様々な実施形態について本書に図示して説明したが、かかる実施形態は例示のみを目的として提示されていることは明らかであろう。所載の発明から逸脱することなく多数の変形、変更及び置換を施してよい。従って、本発明は、特許請求の範囲の要旨及び範囲によってのみ限定されるものとする。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

イメージング・システムに用いられて被撮像目標物から受け取るエネルギ量子を計数する公知のデータ取得回路の模式図である。 イメージング・システムに用いられる適応型データ取得回路の例示的な実施形態の模式図である。

符号の説明

１０ 従来のデータ取得回路
１１ 受光した放射線エネルギ
１２ 検出器
１４ 増幅器
１５ 演算増幅器
１６ 積分キャパシタ
１７ 演算増幅器入力
１８ 抵抗素子
１９ 増幅器出力
２０ パルス整形器
２２ 弁別器
２４ 計数レジスタ
２６ 適応型データ取得回路
２８ 計数回路
３０ ディジタル論理回路
３１ 低域通過フィルタ
３２、３４、３６、３８ 制御信号
４０ ビニング・スイッチ
４２ 電流源
４４ フォールディング回路
４６ 閾値検出器
４８ フォールド計数器
５０ 残差量子化器
５２ 論理コントローラ
５４ 予測情報
５６ 閾値超過信号
５８ フォールド電流
６０ 残差信号
６２ フォールド回数
６４ 計数器出力
７０ 積分信号
７２ アナログからディジタルへの変換器
７４ ホールド回路
１１９ 低インピーダンス・スイッチ
１２０ イメージング・システム
１２２ イメージング・システム・コントローラ

Claims (10)

1. 検出器（１２）に入射するエネルギに応答して前記検出器（１２）により発生される電気パルスを増幅する増幅器（１４）と、
   該増幅器（１４）により発生される増幅された電気パルスを計数する計数回路（２８）と、
   パルス・レート、及び前記増幅された電気パルスに存在するエネルギ量を示すパルス・パラメータを決定して、当該データ取得回路（２６）の動作パラメータを制御するために前記パルス・パラメータに応答して制御信号（例えば３２）を発生するディジタル論理回路（２８）と、
   を備えた適応型データ取得回路（２６）。
2. 前記制御信号（例えば３２）は、前記増幅器（１４）の増幅パラメータを制御するように構成されている、請求項１に記載の適応型データ取得回路（２６）。
3. 前記増幅器（１４）は、フィードバック抵抗器（１８）及びリセット・スイッチ（１１９）を含んでおり、前記制御信号（例えば３２）は、前記フィードバック抵抗器（１８）を選択的に短絡させるように前記リセット・スイッチ（１１９）の動作を制御することにより、前記フィードバック抵抗器（１８）の抵抗及び前記増幅器（１４）のリセット頻度を制御するように構成されている、請求項２に記載の適応型データ取得回路（２６）。
4. 前記増幅器（１４）は、フィードバック・キャパシタ（１６）を含んでおり、前記制御信号（例えば３２）は、前記フィードバック・キャパシタ（１６）のキャパシタンスを制御するように構成されている、請求項２に記載の適応型データ取得回路（２６）。
5. 前記増幅された電気パルスを受け取って整形されたパルスを発生するパルス整形器（２０）をさらに含んでおり、前記制御信号（例えば３２）は、前記パルス整形器（２０）の整形時間を制御するように構成されている、請求項１に記載の適応型データ取得回路（２６）。
6. 前記パルス・パラメータのレベルが比較的低い場合に、前記制御信号（例えば３２）は、比較的長い整形時間を生成すべく前記パルス整形器（２０）を制御するように構成されている、請求項５に記載の適応型データ取得回路（２６）。
7. 前記パルス・パラメータのレベルが比較的高い場合に、前記制御信号（例えば３２）は、比較的短い整形時間を生成すべく前記パルス整形器（２０）を制御するように構成されている、請求項５に記載の適応型データ取得回路（２６）。
8. 前記整形器（２０）から整形されたパルスを受け取る弁別器（２２）をさらに含んでおり、前記制御信号（例えば３２）は、前記弁別器（２２）の弁別閾値を調節するように構成されている、請求項５に記載の適応型データ取得回路（２６）。
9. 前記検出器（１２）と前記増幅器（１４）との間にスイッチ（４０）をさらに含んでおり、前記制御信号（例えば３２）は、前記増幅器（１４）を前記検出器（１２）の複数のサブピクセルに対して選択的に結合したり切り離したりすべく前記スイッチ（４０）を動作させるように構成されている、請求項１に記載の適応型データ取得回路（２６）。
10. 前記ディジタル論理回路（２８）は、予測情報に応答して制御信号（例えば３２）を発生するようにさらに構成されている、請求項１に記載の適応型データ取得回路（２６）。

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