CN100437146C - 恢复半导体探测器的性能的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种系统恢复半导体辐射探测元件(44)的能量分辨率，其中所述半导体辐射探测元件用于辐射探测器组件中。一装置(38)识别和能量分辨率的初始水平相比在施加正向偏压之后呈现退化的能量分辨率的半导体元件。一装置(40)通过施加反向偏压将退化的半导体元件恢复到能量分辨率的初始水平。加热器(74)通过使环境温度上升而加快该恢复过程。筛选装置(48)筛选新的半导体元件，以识别容易退化的元件。由正向偏置装置(50)施加正向偏压，以引起退化。加热器(52)提高环境温度，以加速新半导体元件的性能退化。在安装到探测器内之前，对已识别的可能退化的元件进行反向偏置处理。

Description

恢复半导体探测器的性能的方法和设备

技术领域

本发明涉及辐射探测器领域。本发明特别涉及使用半导体探测器的核成像系统，诸如单光子发射计算机断层摄影(SPECT)系统以及正电子发射断层摄影(PET)成像系统。然而，本发明还可应用于将半导体探测器用于非成像用途的其它辐射探测装置、其它成像形态、固态探测器的制造过程等。

背景技术

核成像采用放射性源对受检者(主体)的解剖体进行成像。通常将放射性药剂注入患者。放射性药剂化合物包含以可预计的速率和特征能量进行γ射线衰减的放射性同位素。将辐射探测器靠近患者放置，以监测和记录所发射的辐射。通常，围绕患者旋转该探测器，从而从多个方向监测所发射的辐射。基于诸如探测的位置和能量的信息，确定人体内放射性药剂的分布，并重建其分布图像，以研究循环系统、选定器官或组织中的放射性药剂吸收等。

尽管现在最常用的是具有单个大闪烁器和光电倍增管阵列的探测器头，但其他人也提出了使用小闪烁器的阵列，每个闪烁器和光电二极管或(检测每个单独的闪烁晶体内的闪烁的)其它光敏固态器件相关联。诸如利用光电效应以探测辐射的碲化锌镉(cadmium-zinc-telluride)(CZT)探测器、碲化镉探测器等的单个固态辐射探测器的阵列优于闪烁晶体/光电探测器设计。在固态探测器中，接收到的辐射光子将电子从其围绕靶材料原子的轨道释放。对探测器材料施加大的偏置电压，从而辅助光电现象以及电子传输。这些电子作为电学脉冲信号被检测到。尽管通常可以预期从CZT获得非常好的性能，本发明申请人已经注意到，部分像素的能量分辨率随时间显著退化。半导体探测器的能量分辨率，例如系统区别不同能量的两个事件的能力，是成像系统的关键元素。

由于核照相机通常在使用中使其探测器在长工作周期内受到偏压并具有严格的性能标准，其探测器的退化成为严重的问题。然而，这种不一致的固态探测器退化不利地影响包含CZT和其它固态探测器的各种设备。

本发明已经确认这种退化和偏置电压的存在是相关联的。在系统使用之间关闭该偏压可显著降低退化速率。然而，医疗成像系统通常基本上持续工作或者工作时间至少持续几个小时。为了使这些昂贵机器的患者吞吐量较高，平均来说，成像机器的“关闭(OFF)”时间通常小于“启用(ON)”时间。采用这种时间安排，在短短的六个月内就会出现显著的退化。

需要这样的一种技术，其允许识别或恢复退化的像素以避免昂贵的替换以及成像设备的停用。本发明提供了一种新的改进的成像设备和方法，该设备和方法克服上述问题及其它问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了用于恢复半导体辐射探测元件的退化的能量分辨率的系统，其中所述半导体辐射探测元件用于辐射探测器组件中。一种装置识别和能量分辨率的初始水平相比呈现退化的能量分辨率的半导体元件。一种装置通过在升高的环境温度下施加反向偏压，将已退化的半导体元件恢复到能量分辨率的初始水平。

特别地，根据本发明，提供一种用于恢复半导体辐射探测元件的能量分辨率的系统，其中所述半导体辐射探测元件用在辐射探测器组件中，该系统包含：识别装置，用于通过监测各个半导体辐射探测元件的输出，识别呈现和能量分辨率的初始水平相比退化的能量分辨率的半导体辐射探测元件；以及恢复装置，用于通过对退化的半导体辐射探测元件施加反向偏压，将退化的半导体辐射探测元件恢复到能量分辨率的初始水平。

根据本发明的另一个方面，公开了恢复半导体元件的退化性能的方法。识别和能量分辨率的初始水平相比呈现退化的能量分辨率的半导体元件。通过施加反向偏压以及提高的环境温度，将识别出的已退化半导体元件被恢复到能量分辨率的初始水平。

特别地，根据本发明，还提供一种恢复半导体辐射探测元件的退化性能的方法，该方法包含：通过监测各个半导体辐射探测元件的输出，识别呈现和能量分辨率的初始水平相比退化的能量分辨率的半导体辐射探测元件；以及通过对退化的半导体辐射探测元件施加反向偏压，将退化的半导体辐射探测元件恢复到能量分辨率的初始水平。

特别地，根据本发明，又提供一种用于恢复半导体辐射探测元件的性能的设备，该设备包含：识别处理器，通过监测各个半导体辐射探测元件的输出，检测在施加正向偏压后性能降低的半导体辐射探测元件；以及恢复处理器，通过对退化的半导体辐射探测元件施加反向偏压，控制退化的半导体辐射探测元件的能量分辨率恢复到能量分辨率的初始水平。

本发明的一个优点在于恢复了半导体元件的初始本征性能。

本发明的另一个优点为，筛选出易出现退化性能的新半导体元件，并在将半导体元件安装到探测器内之前应用恢复过程。

本发明的另一个优点在于，基于性能标准对新半导体元件分组，从而将具有相似特性的半导体元件安装到一个组件中。

本领域普通技术人员在阅读和理解对优选实施例的下述详细描述之后将会明白本发明的另外优点和益处。

附图说明

本发明形式上可以为各种元件以及元件的排列，各种步骤以及各步骤的安排。附图仅仅是出于阐述优选实施例的目的，不应被理解成限制本发明。

图1为诊断成像系统的示意图；

图2为根据本申请的恢复系统的示意图；

图3为呈现良好能量分辨率的像素的响应的直方图；以及

图4为呈现不良能量分辨率的像素的响应的直方图。

具体实施方式

参考图1，核成像设备10通常包含支撑旋转台架14的固定台架12。由旋转台架14承载一个或多个探测器头16，以探测从感兴趣区域或检查区域18发出的辐射。每个探测器头包含探测器元件的二维阵列20。在优选实施例中，探测器阵列20包含碲化镉或碲化锌镉(CZT)固态半导体探测器元件或晶体的阵列。也可以考虑使用将伽马辐射直接转换成电荷的其它半导体探测器。每个头16包含电路22，其用于将每个辐射响应转换成表示其在探测器面上的位置(x，y)及其能量(z)的数字信号。在SPECT成像中，准直器24控制方向和角度展宽，阵列20的每个探测器可以从该准直器接收辐射。

通常，待成像的对象被注入一种或多种放射性药剂或放射性同位素并将该对象置于由躺椅26支撑的检查区域18。对象内存在的药剂会产生从对象发射的辐射。由探测器头16探测辐射，这些探测器头优选按角度围绕检查区域18进行旋转，以收集来自多个方向的发射数据。将投影发射数据(x，y，z)以及每个探测器头16围绕检查区域18的角度位置(θ)存储在数据存储器28内。重建处理器30处理该事件和来自数据存储器28的探测器取向数据，并将其转换成体积图像表示。该图像表示随后被存储在体积图像存储器32，以供视频处理器34处理并显示在诸如视频监视器、打印机等的图像显示器36上。

探测器元件的响应随时间退化。然而，每个元件的退化并不相同。一些元件可能不会有显著的退化，而其它元件可能出现明显的退化。为了对付这种退化，退化的探测器元件监测或识别装置或识别过程38监测各个探测器元件的输出并指出已退化的元件。装置38可监测所有元件，或者如果在制造时的筛选过程中已经识别出具有退化趋势的元件，则只观察选定元件，以识别超出预定限度的退化。恢复系统或恢复装置40能够周期性地或者当探测到退化阈值水平时恢复由监测器38监测到的退化性能。

在制造过程中，预先筛选探测器阵列以识别缺陷元件和具有退化趋势的元件。特别地参考图2，探测器阵列20包含单独的半导体片42，每个半导体片包含多个(例如32个)单独的元件或像素44，这些元件或像素44排列成矩形矩阵。在标准模式中，筛选技术对阵列20进行逐个筛选。由像素响应读出器46收集每个像素44的响应，并将其存储在数据存储器28内。像素响应读出器46包含模数转换器、多路复用器等，这些都是将每个像素作为分开的通道进行处理所必需的。监测装置38从数据存储器28检索像素数据以识别呈现性能降低的像素，这将在下文中进行更详细的讨论。

继续参考图2，监测装置38可选择包含筛选程序或装置48，其启动对最新制造的半导体元件44的筛选，从而在将其用于成像系统之前检测性能的降低。正向偏置装置50对半导体元件44施加正常的偏压并持续预定的时间。温度装置或加热器52被用于提高环境温度以加速该筛选过程，例如以使得可能退化的半导体元件更快退化，因为已经发现温度增大会促进性能的退化。像素响应读出器46收集每个像素44的响应并将数据存储在数据存储器28内。

监测装置38包含像素分析器54，该分析器分析每个像素的辐射活动性。像素分析器54包含计数器56，该计数器对每个通道的辐射事件的数目求和。需要足够多数目的计数以提供对每个像素的能量谱的准确或可重复描绘。为了确定哪个像素退化或漂移，对每个像素44所记录的计数数目进行计数。根据像素和能量，例如使用多通道分析器和脉冲分析器对这些计数分类，从而产生光谱。由光谱分析电路58检查每个半导体元件44的光谱，从而确定每个光子的能量并找到元件的辐射强度分布。通过示例的方式，对于理想元件，Co-57的辐射强度分布可以用图3所示的接收到的光子数目和能量之间的函数曲线来表示。特定像素44的响应直方图分别表示Co-57在122和136keV的两个发射峰。低的背景由散射事件以及不彻底的电荷收集构成。

继续参考图2，监测装置38进一步包含性能分析器60，其确定是否有任何半导体元件44呈现性能退化。更为具体地，参照预定的性能标准测量每个元件44的性能，优选地将理想晶体辐射强度的典型或标称分布表示成校正曲线。性能分析器60包含能量分辨率计算器62，该计算器62将像素44的响应和理想元件的响应比较，并计算像素44的半高宽与校正曲线位置的偏离。

在图3所示示例中，特定像素的性能计算结果为3.6％FWHM，即能量分辨率良好。大部分像素类似地呈现良好的能量分辨率。通常，半导体片(tile)42(具有32个元件)的性能平均约为3-3.5％FWHM。然而，一些晶体元件在受到电压偏置之后，并不在开始使用时呈现单个或轮廓分明的峰或者稍后发展为低于标准性能。在开始使用时呈现良好性能的半导体元件在暴露于正向偏压一定时间之后，其性能可能从约3-3.5％FWHM降低到约6-7％FWHM。图4示出了具有7.3％FWHM的不良能量分辨率的像素的示例光谱。

继续参考图2，阈值装置64将出现任何正向偏置退化之前的能量分辨率与预选阈值相比较。将和能量分辨率高于该预选阈值的像素相对应的像素地址作为缺陷载入或记录在数据库或存储器70内。当探测器20被置于诊断成像设备10内时，有缺陷探测器元件被关闭，例如增益校正值设为零，使其不产生图像输出。探测器头的电子电路基于周围元件的输出(例如平均值)为被关闭的探测器元件产生输出值。

在施加正向偏压以及升高的温度预定时间段之后，像素分析器54和性能分析器60再次分析每个探测器元件44的能量分辨率。通常，一些探测器元件的能量分辨率将不会退化，而其它的将会退化。能量分辨率并不退化的那些元件也可能以不同的速率退化或退化到不同程度。

可选择地，可以不时地执行该分析从而确定每个探测器元件44的能量分辨率退化的速率。或者，可以在预定时间，例如与正常维护周期相对应的时间，执行单次测量。

完成该分析过程之后，有缺陷像素的身份以及其能量分辨率随时间退化的像素的身份被存储在存储器或像素查找表70内。可选择地，还可存储退化速率。

在装运探测器阵列或将其安装在探测器头内之前，恢复装置40恢复由筛选程序或装置48所识别的退化像素。更为具体地，恢复装置40使用反向偏压施加装置72对其性能退化的每个探测器施加反向偏压。优选地，加热器74将环境温度提高到约60℃，以加速该恢复过程。一旦阵列得到恢复，就为将其安装在辐射探测器内做好了准备。优选地，基于退化速率对识别出的可能退化的半导体元件分组。将具有相似特性的半导体元件安装在一个组件内，使得可以对其施加统一的恢复过程。这种组件简化了辐射探测器的构造和使用，同时确保了半导体制造商可实现最大的产率。

可选择地，还可以对被标记成有缺陷的那些元件施加该恢复过程。在一些情形中，该恢复过程可以恢复最初有缺陷的晶体。在该恢复过程中，可以重复识别过程38，以确保所有退化的元件都已恢复到其最大和最佳的能量分辨率。可以在其恢复和检查过程结束时，对存储器70进行任何更新。

将探测器阵列安装到探测器内之后，探测器的日常使用将会使可能退化的探测器元件退化。在一个选择中，监测装置38监测每个半导体元件44的输出，这些输出被存储在数据存储器28内，以检查探测到的辐射的能量分布。更为具体地，可以检查所得到的用于所获得图像的数据集，从而确定哪些元件探测到足够数目的待分析的辐射事件。像素分析器54和性能分析器60随后至少确定被识别为可能退化的元件的探测器元件的能量分辨率。当可能退化的元件的能量分辨率增大到高于预定阈值时，标记该探测器以进行恢复。或者，监测装置38可包含计时器76，该计时器测量探测器元件受到正向偏压的时间。在预选量的时间之后，标记该探测器以进行恢复过程。

一旦标记该探测器以进行恢复过程，和每个成像设备10相关联的恢复装置40自动执行该恢复过程，或者备选地发出服务呼叫(servicecall)。可在接到服务呼叫或者在例行服务期间，由维护技术人员手动执行该恢复过程。维护技术人员可替换已退化的元件与/或将其放置于已识别的恢复盒。或者，可以在不使用诊断成像设备时自动执行该恢复。另一个选择为，每次关闭诊断成像设备10时，可以检查能量分辨率退化的量或者检查工作时间的总小时数，并在停机期间进行适当的校正。按照这个方式，可以每个晚上、每周一次、在每个患者之间等恢复探测器元件。

已经参考优选实施例描述了本发明。其他人在阅读和了解前述详细描述之后可以想到许多调整和改变。应认为本发明包含所有这些调整和改变，只要其落在所附权利要求书或其等效描述的范围之内。

Claims (21)

1.一种用于恢复半导体辐射探测元件(44)的能量分辨率的系统，其中所述半导体辐射探测元件用在辐射探测器组件中，该系统包含：

识别装置(38)，用于通过监测各个半导体辐射探测元件的输出，识别呈现和能量分辨率的初始水平相比退化的能量分辨率的半导体辐射探测元件；以及

恢复装置(40)，用于通过对退化的半导体辐射探测元件施加反向偏压，将退化的半导体辐射探测元件恢复到能量分辨率的初始水平。

2.如权利要求1所述的系统，其中半导体辐射探测元件(44)包含从碲化锌镉晶体和碲化镉晶体之一选取的晶体阵列。

3.如权利要求1所述的系统，其中该恢复装置(40)进一步包含：

反向偏置装置(72)，其对于预选时间将反向偏压施加于识别出的退化半导体辐射探测元件。

4.如权利要求3所述的系统，其中该恢复装置(40)进一步包含：

加热器(74)，其在对识别出的退化半导体辐射探测元件施加反向偏压时，提供升高的环境温度，从而加速退化半导体辐射探测元件的恢复。

5.如权利要求1所述的系统，其中该识别装置(38)包含使得容易对一批新的半导体辐射探测元件中的退化半导体辐射探测元件进行识别的筛选装置(48)，该筛选装置(48)包含：

正向偏置装置(50)，其对半导体辐射探测元件施加正向偏压，以引起退化半导体辐射探测元件的能量分辨率的退化；以及

加热器(52)，其升高环境温度，以加速退化半导体辐射探测元件的能量分辨率的退化。

6.如权利要求5所述的系统，其中该恢复装置(40)进一步包含：

反向偏置装置(72)，其对于预选时间将反向偏压施加于识别出的退化半导体辐射探测元件。

7.如权利要求6所述的系统，其中该恢复装置(40)进一步包含：

加热器(74)，其在对识别出的退化半导体辐射探测元件施加反向偏压时，提供升高的环境温度，以加速退化半导体辐射探测元件的恢复。

8.如权利要求1所述的系统，其中辐射探测器组件的半导体辐射探测元件(44)对伽马辐射有响应。

9.一种恢复半导体辐射探测元件的退化性能的方法，该方法包含：

通过监测各个半导体辐射探测元件的输出，识别呈现和能量分辨率的初始水平相比退化的能量分辨率的半导体辐射探测元件；以及

通过对退化的半导体辐射探测元件施加反向偏压，将退化的半导体辐射探测元件恢复到能量分辨率的初始水平。

10.如权利要求9所述的方法，其中响应于对能量分辨率降低的半导体辐射探测元件的识别，发出服务呼叫并由服务技术人员执行恢复步骤。

11.如权利要求9所述的方法，其中恢复包含替换识别出的退化的半导体辐射探测元件和恢复识别出的半导体辐射探测元件之一。

12.如权利要求9所述的方法，其中在制造或组装期间，基于识别出的退化标准，将识别出的呈现退化的能量分辨率的半导体辐射探测元件分组，且将具有共同退化标准的组安装在探测器组件中，并对该探测器组件统一应用恢复步骤。

13.一种用于恢复半导体辐射探测元件的性能的设备，该设备包含：

识别处理器，通过监测各个半导体辐射探测元件的输出，检测在施加正向偏压后性能降低的半导体辐射探测元件；以及

恢复处理器，通过对退化的半导体辐射探测元件施加反向偏压，控制退化的半导体辐射探测元件的能量分辨率恢复到能量分辨率的初始水平。

14.如权利要求13所述的设备，其中该识别处理器包含：

像素分析器，在半导体辐射探测元件遭受辐射源时，分析每个半导体辐射探测元件的响应，该像素分析器确定每个半导体辐射探测元件的光谱响应。

15.如权利要求14所述的设备，其中该识别处理器进一步包含：

性能分析器，将每个半导体辐射探测元件的光谱响应和预选光谱响应标准进行比较，并计算每个半导体辐射探测元件的能量分辨率。

16.如权利要求15所述的设备，其中该识别处理器进一步包含：

阈值处理器，将计算的每个半导体辐射探测元件的能量分辨率与每个半导体辐射探测元件的预定能量分辨率进行比较，从而识别性能未退化的半导体辐射探测元件和性能已退化的半导体辐射探测元件。

17.如权利要求16所述的设备，进一步包含：

恢复性能已退化的半导体辐射探测元件的性能的反向偏置电路，该反向偏置电路通过对于预选时间将反向偏压提供给识别出的性能已退化的半导体辐射探测元件来恢复性能。

18.如权利要求17所述的设备，进一步包含：

加热器，其在对性能已退化的半导体辐射探测元件提供反向偏压时，将环境温度上升到预选水平，以加快恢复过程。

19.如权利要求18所述的设备，进一步包含：

计时器，监测对于预选时间将正向偏压施加于半导体辐射探测元件，并自动地使反向偏置电路和加热器用于恢复识别出的性能已退化的半导体辐射探测元件，其中该反向偏置电路和该加热器被使用预定时间。

20.如权利要求13所述的设备，其中选择性地将正向偏压提供给被选择用于测试的半导体辐射探测元件，该正向偏压引起被测试的半导体辐射探测元件的退化性能，并且进一步包含：

温度控制单元，其升高环境温度，以加速被测试的半导体辐射探测元件的性能退化。

21.如权利要求13所述的设备，其中半导体辐射探测元件包含从碲化锌镉晶体和碲化镉晶体之一选取的晶体阵列。

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