PROCEDIMIENTO Y CIRCUITO ELECTRONICO DE LECTURA DE LAS SEÑALES GENERADAS POR UNO O MAS SENSORES PIXELADOS.

El objeto de la invención es un procedimiento y un circuito electrónico para la lectura de las señales generadas por uno o más sensores pixelados en un sistema de detección de radiación gamma,

que permite reducir sustancialmente el número de canales electrónicos a digitalizar. El circuito electrónico de la invención es analógico y además se puede acoplar a otros circuitos iguales para adquirir las señales de sensores de mayor tamaño.

Procedimiento y circuito electrónico de lectura de las señales generadas por uno o más sensores pixelados.

Objeto de la invención

El objeto de la invención es un procedimiento y un circuito electrónico de lectura de las señales generadas por uno o más sensores pixelados que permite reducir sustancialmente el número de canales electrónicos a digitalizar. La invención es aplicable a dispositivos empleados en la detección de luz o radiación gamma en imagen médica, así como en visión artificial y otras aplicaciones similares.

Antecedentes de la invención

Detectores para radiación gamma

La detección de rayos gamma es indispensable en muchas aplicaciones de medicina nuclear, astrofísica y física experimental de altas energías. Debido a la naturaleza cuántica de los rayos gamma, su detección se realiza a través de su interacción con la materia del detector, y por lo tanto, se entiende como detección del rayo gamma la medida simultánea de varios parámetros clave (observables) de esta interacción, como por ejemplo la energía depositada y la posición de la interacción. La interacción del rayo gamma con la materia del detector consiste casi exclusivamente en la ionización múltiple de la materia por efectos elementales como el efecto fotoeléctrico o la dispersión Compton. Debido a que la naturaleza de estos procesos es estadística, tan sólo es posible predecir la probabilidad de que la interacción del rayo gamma con la materia del detector ocurra. Esta probabilidad de interacción depende tanto de la energía del rayo gamma como del coeficiente de atenuación másico de la materia con que interactúa. El coeficiente de atenuación másico depende a su vez del número atómico efectivo Zeff de los componentes, de la densidad y del grosor del material que tiene que atravesar el rayo gamma. La probabilidad de interacción crece con Zeff y decrece con la energía del rayo gamma. En caso de que el rayo gamma interactúe con la materia, se crea una carga por ionización múltiple (en el caso de detectores semiconductores) o se produce una emisión de luz (en el caso de cristales centelleantes) que ha de ser recolectada y analizada para obtener información sobre la interacción del rayo gamma. Por lo tanto, los detectores para rayos gamma se han de construir de tal manera que detengan el rayo gammayasuvez detecten las cargas eléctricas liberadas por la ionización o la luz emitida. Las diferentes necesidades para una óptima recolección de la carga o de la luz y una elevada probabilidad de detección son incompatibles en muchos casos. Sobre todo en la detección de rayos gamma de energías medias y altas, donde se necesitan materiales con coeficientes de atenuación másico y con valores de Zeff elevados y de un grosor considerable. Por esta razón, detectores gaseosos y de líquidos son los menos adecuados para la detección de rayos gamma, debido a su densidad y su Zeff bajos.

Los detectores de semiconductores son adecuados únicamente para bajas energías, pudiéndose utilizar en la detección de rayos X y de forma limitada en gamma grafía. En Tomografía por Emisión de Positrones (PET) , se han de detectar los fotones de aniquilación de 511 keV. Aunque hay semiconductores compuestos como el CdZnTe con una densidad de 5.8 g/cm3 yunZeff de 49, por el momento no es posible obtener detectores suficientemente efectivos para su aplicación en la detección de rayos gamma de alta energía como PET, la Astrofísica o la Física experimental de altas energías. Esto se debe a que su grosor tiene que ser muy reducido para permitir una eficiente colección de la carga liberada.

Los detectores de centelleo evitan este conflicto de diseño, ya que convierten la carga de las ionizaciones por el rayo gamma en luz de centelleo. En lugar de carga, en este caso se recolectan los fotones de luz, lo que requiere el uso de fotodetectores como fotomultiplicadores de vacío, fotomultiplicadores de Silicio o fotodiodos. La cantidad total de la luz de centelleo es aproximadamente proporcional a la cantidad total de la energía liberada. Debido a que se pueden fabricar centelladores altamente transparentes a su propia luz de centelleo, es posible hacer el cristal de centelleo suficientemente grande y con un Zeff elevado para garantizar una alta eficiencia de detección sin que esto perjudique la recolección de la luz de centelleo. No obstante, la energía liberada, y por lo tanto la cantidad de luz de centelleo, suele ser muy pequeña y normalmente se precisan medios de amplificación además de medios de detección de fotones de luz. En el caso de centelladores, se convierte la energía liberada por el rayo gamma en luz de centelleo y posteriormente se convierte en pulsos eléctricos mediante conversores opto-electrónicos como por ejemplo fotodiodos, foto-diodos de avalancha, foto-multiplicadores de vacío, foto-multiplicadores de silicio o similares. Los fotodiodos de avalancha, foto-multiplicadores de vacío, foto-multiplicadores de silicio amplifican intrínsecamente la carga creada a partir de los fotones de luz de centelleo detectados.

La generación de la luz de centelleo es isótropa en la gran mayoría de los cristales centelladores y obedece a una ley cuadrática inversa. Esto dificulta la determinación de los parámetros de interés como la energía y la posición de la fotoconversión del rayo gamma dentro del cristal de centelleo. Mientras que para la estimación de la energía basta detectar la cantidad total de luz de centelleo, la medida de la posición de la fotoconversión requiere fotodetectoressensibles a la posición. Éstos permiten mediante el algoritmo del centro de gravedad (COG) , introducido por J. T. Wallmark [Wallmark1957], la estimación de dos de las tres coordenadas de la posición de la fotoconversión. Este algoritmo también es conocido como lógica de Anger. Debido a su eficiencia, este algoritmo sigue siendo el más utilizado para gammagrafía y PET hoy en día. Sin embargo, la utilización del COG en cristales monolíticos de elevado grosor introduce artefactos cerca de los bordes del cristal y no permite medir la profundidad de interacción (DOI) , es decir, la tercera coordenada de la posición de fotoconversión. La falta de una estimación de la DOI conduce al error de paralaje, también conocido como radial elongation, empeorando significativamente la resolución espacial en las regiones periféricas del campo de visión de la cámara de detección o del escáner PET.

Para remediar este problema, se desarrollaron varias técnicas para medir la DOI, como por ejemplo el método phoswich, el light-sharing y otros ([Moses1994, Bart1991]) . La desventaja de estos métodos es que requieren fotodetectores o centelladores adicionales, lo que incrementa considerablemente el precio del detector. El problema de los artefactos se evita usando matrices de píxeles pequeños de centelladores ópticamente desacoplados entre sí. La medición de dos coordenadas de la posición de fotoconversión se reduce así a identificar el píxel donde se ha producido la generación de luz de centelleo. Para esta implementación, la resolución intrínseca del detector viene dada por el tamaño del píxel y, en consecuencia, una mejora de esta resolución requiere una reducción del tamaño del píxel. Aunque esto conlleva problemas serios como el deterioro de la eficiencia del detector, una baja resolución energética, difracción de Compton entre cristales e incremento del coste del detector, la tendencia actual se dirige hacia el desarrollo de detectores con píxeles cada vez más pequeños. Este desarrollo conlleva un crecimiento exponencial del número de píxeles en los fotodetectores sensibles a posición. En el caso de fotomultiplicadores sensibles a posición se observa una duplicación del número de píxeles cada 7 años.

Un elevado número de píxeles beneficia a la resolución espacial del sistema, y por lo tanto a la calidad de la imagen adquirida, pero deteriora la resolución en energía al disminuir el tamaño del píxel y conlleva problemas severos en la realización del sistema de adquisición de datos. En el caso de digitalizar la señal de cada uno de los píxeles, el mismo sistema de adquisición limita su número debido a que la complejidad crece rápidamente con el número de canales. Por este motivo, es necesario realizar un procesamiento previo de las señales con el objeto de reducir el número de canales electrónicos.

Todo detector de rayos gamma dispone de un sistema de adquisición de datos para hacer accesible la información contenida en la distribución de la energía detectada a medios... [Seguir leyendo]

1. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de las señales generadas por uno o más sensores pixelados (37, 41, 45) de M×N segmentos (1) , que realiza el cálculo de coeficientes de expansión en un conjunto de funciones de base de la distribución bidimensional de señales, caracterizado porque está formado por componentes analógicos.

2. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con la reivindicación 1, que además es interconectable con otros circuitos de lectura (38, 42, 46) iguales, permitiendo el tratamiento de señales generadas por sensores pixelados (37, 41, 45) de mayor tamaño que el del circuito de lectura (38, 42, 46)

3. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende medios de memorización (9, 13, 14) programables para el almacenamiento de los pesos empleados en la expansión, de modo que es posible realizar la expansión según diferentes funciones de base.

4. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con la reivindicación 3, donde los pesos corresponden a polinomios de Legendre, polinomios de Gegenbauer, polinomios de Chebyshev, polinomios de Laguerre, polinomios de Zernike o a funciones trigonométricas usadas en series de Fourier.

5. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sensor o sensores pixelados (37, 41, 45) es uno de los siguientes: fotodetectores sensibles a la posición, fotodetectores segmentados, sensores de radiación gamma centelleador y sensores de imagen CMOS.

6. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está integrado en el sustrato del sensor (37, 41, 45) .

7. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:

(M×N) bloques de copia (11) , que doblan la señal SIn generada por cada segmento (1) del sensor pixelado (37, 41, 45) ;

(M+N) sumadores, que suman las señales SIn por filas (3) y columnas (2) ;

(M+N) bloques de cálculo (12) , cada uno de los cuales comprende Q+1 multiplicadores (7) y Q+1 medios de memorización (9) conectados a Q+1 convertidores digital-analógico (8) , donde se multiplica la suma de las señales SIn de cada columna y de cada fila por los Q+1 primeros pesos de la expansión almacenados en los medios de memorización (9) , obteniéndose los coeficientes S1, S2 ... SQ+1;y

(Q+1) sumadores, que suman los coeficientes S1, S2... SQ+1 para cada orden el coeficiente por filas (3) y columnas (2) .

8. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende, para cada uno de los M×N segmentos (1) del sensor pixelado (37, 41, 45) :

2 (Q+1) medios de memorización (14) que almacenan respectivamente los pesos correspondientes a los ejesxey, que están conectados a 2 (Q+1) convertidores digital analógico (13) ;

2 (Q+1) multiplicadores (15) , que multiplican las diferentes combinaciones de los pesos correspondientes a los ejes xey;y

(Q+1) 2 multiplicadores (16) , que multiplican los resultados obtenidos por los multiplicadores (15) por las señales SIn de cada segmento (1) del sensor pixelado (37, 41, 45) .

9. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende:

(M+N) módulos (28) que generan los (M+N) ×Q momentos cartesianos de las señales Slk generadas por los segmentos (1) del sensor pixelado (37, 41, 45) , comprendiendo cada uno cuyos módulos (28) una cascada de multiplicadores

(19) que generan los pesos (Sx) r, donde Sx se obtiene de un bus de datos digitales (22) conectado a unos medios de memorización (21) yaunconversor digital-analógico (20) ; y

(M×N) multiplicadores (29) que multiplican las señales Slk por los pesos (Sx) r, comprendiendo cada uno de los multiplicadores (29) un búfer (24) de ganancia variable que reparte la salida entre varios multiplicadores (23) que realizan la multiplicación entre la señal Slk y los pesos, y unos sumadores que suman separadamente los resultados de la operación anterior para cada orden de los coeficientes.

10. Circuito electrónico de lectura (38, 42, 46) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende:

(M+N) módulos (28) que generan los (M+N) ×Q momentos cartesianos de las señales Slk generadas por los segmentos (1) del sensor pixelado (37, 41, 45) , comprendiendo cada uno cuyos módulos (28) una cascada de multiplicadores

(19) que generan los pesos (Sx) r, donde Sx se obtiene de un bus de datos digitales (22) conectado a unos medios de memorización (21) yaunconversor digital-analógico (20) ; y

(M×N) multiplicadores (31) que multiplican las señales Slk por unos coeficientes compuestos, comprendiendo cada uno de los multiplicadores (31) un búfer (27) de ganancia variable que reparte la salida entre varios multiplicadores

(26) que realizan la multiplicación entre la señal Slk y los coeficientes compuestos, y unos sumadores que suman separadamente los resultados de la operación anterior para cada orden de los coeficientes, y donde los coeficientes compuestos se obtienen por medio de un bloque de función f (25) .

11. Procedimiento de lectura (38, 42, 46) de las señales generadas por uno o más sensores pixelados (37, 41, 45) de M×N segmentos (1) , que realiza el cálculo de coeficientes de expansión en un conjunto de funciones de base de la distribución bidimensional de señales, caracterizado porque comprende la operación de implementar ecuación

mediante componentes analógicos.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, donde se simplifica la ecuación

de modo que se obtienen los coeficientes de expansión im

plementando las ecuaciones: