CN101002109B - 用于辐射检测器的防散射格栅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有吸收入射辐射(1、8)且产生与吸收的辐射的量成比例的电信号的薄片(2)的防散射格栅(ASG)。薄片(2)可以特别地由半导体材料组成，在半导体材料中光子产生了可借助于薄片(2)的侧壁上的电极(3、4、6)检测到的电子-空穴对。因此可以以空间分辨地方式确定吸收的散射辐射(8)或初级辐射(1)的量，这允许修正由传感器单元(9)的阵列(5)生成的图像。

Description

用于辐射检测器的防散射格栅

技术领域

本发明涉及用于辐射检测器的防散射格栅，涉及带有这样的防散射格栅的辐射检测器，涉及带有这样的检测器的检查设备和涉及用于确定撞击到辐射检测器上的散射辐射的方法。

背景技术

在通过空间分辨地测量辐射强度来生成图像期间，经常需要或希望区别来自目标方向的辐射和来自其他方向的辐射。此情形的典型的例子是由CT或一些类似的设备生成的医疗X射线图像。在此情况中主要关心的是对直接地来自X射线源的初级辐射的空间分辨测量。然而因为在被检查主体内的散射过程，总是存在次级辐射或散射辐射，它从不同于X射线源的瞄准线的方向撞击到检测器上，其中这样的散射辐射带有无用的图像信息。为改进图像质量和信噪比，因此已知的是在检测器前布置防散射格栅(ASG)，其中所述的栅格包括限定了通道的辐射吸收薄片，来自目标方向的辐射可以自由地通过通道，而来自其他方向的散射辐射将被很大程度地吸收。然而不能以防散射格栅去除所有的散射辐射，且因此散射辐射对测量到的图像信号的贡献仍是问题，特别地在弱信号强度的图像区域。

虽然已经试验了不同的解决方案来应对前述的问题，但仍没有发现满意的解决办法。

例如US 6 618 466 B1建议了其中通过生成带有和不带有束停止阵列的图像且应用插值技术来确定散射辐射对图像的贡献的方法。然而这样的费力的方法很难整合到常规的医疗工作流中。

发明内容

基于此情形，本发明的目的是提供用于降低散射辐射对图像质量的副作用的装置。

此目的通过提供用于辐射检测器的防散射格栅、辐射检测器、带有成像系统的检查设备和用于确定撞击到带有防散射格栅的辐射检测器上的散射辐射的方法来实现。其中，所述用于辐射检测器的防散射格栅包括适合于产生辐射吸收剂量指示信号的薄片。所述辐射检测器包括：上述的防散射格栅；用于将第一能量水平的入射辐射转换为不同的能量水平的辐射的转换器；对辐射敏感的传感器单元的阵列；以及用于评估由防散射格栅产生的信号的信号处理单元。所述带有成像系统的检查设备中的成像系统包括上述的对X射线敏感的辐射检测器。所述方法包括以空间分辨地方式测量了被防散射格栅吸收的辐射的量。

根据第一方面，本发明涉及用于辐射检测器的防散射格栅，防散射格栅包括很强地吸收一定谱的辐射的薄片，该辐射应被检测器观察，例如X辐射。辐射可以仅自由地通过(空的或透明的)建立在薄片之间的通道。通道因此限定了瞄准线，辐射沿瞄准线可以到达防散射格栅的“背侧”的检测器。防散射格栅可以是一维的，其中通道是平行的薄片之间的平面，或可以是二维的，其中两组平行的薄片交叉且限定了通道。取决于防散射格栅的意图的应用，通道/薄片可以例如相互平行或聚焦在某点(典型地为辐射源)上。此外，辐射吸收薄片的重要的特征是它们适合于产生指示了被所述的薄片吸收的辐射的量的信号。信号例如可以与吸收的辐射的总能量成比例。

前述类型的防散射格栅吸收来自不同于由栅格的通道限定的目标方向的其他方向的散射辐射，因此为防散射格栅后的检测器屏蔽了不希望的辐射。除此之外，防散射格栅产生了指示辐射吸收剂量的信号。基于此信号，可以估计实际上存在的散射辐射的部分且因此也估计了尽管存在防散射格栅但也到达检测器的散射辐射的量。这又允许修正检测器的图像信号且改进图像质量。

根据优选实施例，防散射格栅的薄片包括将吸收的辐射转换为电信号的半导体材料。电信号可以特别地是基于自由载流子(例如电子-空穴对)的生成。

为最大化前述的半导体薄片的灵敏度，优选的是薄片包括带有对于将吸收的辐射的光子转换为电子-空穴对的低的固有能量转换系数的材料，其中所述的系数可以特别地低于每电子-空穴对10eV。

根据本发明的另一个实施例，薄片包括用于将第一能量水平的入射辐射(例如X射线)转换为第二能量水平的辐射(例如可见光子)的闪烁体材料。在闪烁体材料中生成的辐射的第二能量水平因而典型地使得它可容易地被检测到，例如通过前述的半导体材料。闪烁体材料优选地布置为薄片表面上的外层。

此外，薄片可以优选地包括对带有低于150keV的能量的光子具有高吸收系数的材料，特别是吸收系数高于1cm^-1的材料。这样的薄片使得防散射格栅适合于与X射线检测器一起使用。带有这样的高吸收系数的材料可以典型地是具有原子量在40以上的重金属。

一个用于薄片的材料的优选的例子是CdZnTe，它具有对于X射线的低的固有能量转换系数和高的吸收系数。

如已提及，薄片可以特别地生成对应于吸收的辐射的剂量的电信号。在此情况中，薄片优选地完全地或部分地覆盖有电极，所述的电极允许在薄片内感应出电场且允许收集由吸收的辐射产生的载荷子。电极可以典型地包括金属，特别地包括Pt。优选地存在多个允许空间分辨地测量吸收的辐射的分开的电极。在二维防散射格栅中，一个电极可以例如位于每个通道的每个壁上。

在前述的实施例中，电极的至少一个可以选择地离开所述的电极居于其上的相应的薄片的边沿一段距离终止。在所述的薄片的边缘的过程因此不受电极的影响。电极距边沿的距离优选地大到使得辐射在所述的距离上将大体上(例如多于90％，优选地甚至多于98％)被薄片材料吸收。因此与薄片平行且在其边沿处碰撞到薄片的(初级)辐射将在未被电极覆盖的边缘内在薄片内被吸收；来自所述的辐射的贡献将因此不被电极测量到，这允许在初级辐射和散射辐射之间更好的分离。此主题的更多细节将在优选实施例的描述中讨论。

前述的离开边沿一段距离终止的电极优选地与延伸到边沿的电极在防散射格栅中混合。长的和短的电极例如从像素到像素交替。这样的布置允许空间交替地测量由薄片吸收的辐射而带有和不带有来自初级辐射的贡献。因此，初级辐射和散射辐射的部分可以以空间分辨地方式区分。

本发明进一步包括辐射检测器，辐射检测器带有如下部件：

-前述类型的防散射格栅，包括辐射吸收薄片，它产生与吸收的辐射的量有关的信号。

-选择地，用于将第一能量水平的入射辐射转换为不同的能量水平的辐射的转换器。在X射线检测器中，这样的转换器已知为闪烁体，它将入射的X射线转换为可将光的光子。

-对辐射敏感的传感器单元的阵列，传感器单元的阵列能以空间分辨地方式测量通过防散射格栅的辐射(直接地或在由转换器转换后)。

-用于评估由防散射格栅生成的信号的信号处理单元。信号处理单元可以特别地包括用于放大、修正和/或模数转换来自防散射格栅的信号的电子装置。此外，信号处理单元可以包括用于评估所述的信号的数字数据处理设备(带有例如微处理器、存储器、I/O接口等)。

根据优选实施例，信号处理单元可以适合于区分入射辐射的各个部分，这种区分是相对于入射辐射与防散射格栅的通道和/或薄片的平行性来进行的。因此，信号处理单元可以(至少近似地)确定入射辐射的平行于通道的且因此可能是初级辐射的部分，以及辐射的不平行于通道的且因此可能是散射辐射的部分。优选地，处理单元空间分辨地确定所述的部分，以允许对传感器单元产生的图像进行局部修正。

本发明进一步涉及检查设备，特别地是X射线、CT(计算机断层扫描)、PET(正电子发射断层扫描)、SPECT(单光子发射计算机断层扫描)或核成像设备，其包括对X射线敏感的前述类型的辐射检测器。

最后，本发明包括用于确定撞击到带有防散射格栅的辐射检测器上的散射辐射的方法，其中由防散射格栅吸收的辐射的量被直接地测量。测量优选地以空间分辨地方式执行。

辐射检测器、检查设备和方法共享以上描述的类型的防散射格栅的基本特征。因此，关于这些目的的细节、优点和改进的更多信息参考前述的描述。

本发明的这些方面和其他的方面将参考下文中描述的实施例变得明显且被阐明。

附图说明

如下通过例子借助于附图对本发明进行描述，各图为：

图1是根据本发明的防散射格栅和传感器单元的阵列的概略的侧视图；

图2以透视图示出了图1的装置连同信号处理单元；

图3示出了图1和图2的装置的顶视图，其中带有长的和短的阳极的像素交替；

图4示出了根据替代实施例的类似于图3的顶视图，其中所有电极是长的。

具体实施方式

图1在原理图(未按比例)中描绘了通过单一的传感器单元9(像素)的检测器阵列5(整体的小部分)的截面，检测器阵列5布置在二维防散射格栅ASG下面。这样的装置可以例如用在CT设备内，用于空间分辨地测量X辐射。传感器单元9的X射线信号因而是被传输的初级辐射7(关心信号)和来源于散射辐射8(散射辐射是不希望的且由防散射格栅ASG降低)的信号的叠加。散射的X射线8在CT采集的投影中的存在导致杯形伪影和阴影伪影，且因此导致重构的CT图像的可见的劣化。在检测器中心附近的区域，散射辐射8典型地是与初级辐射7类似的幅值量级，且可能甚至在弱强度区覆盖了初级信号。典型地，5％到15％的入射散射辐射8传输通过了在检测器5前方使用的ASG。然而，特别地对于带有高的衰减的区，对初级强度的获知对于图像重构是关键的。

目前，CT系统的主动检测器区外的额外的检测器单元即使不是全部的也检测了散射辐射8。检测器区内的散射信号通过从边界处测量到的值的插值来确定。插值的质量对于小的扇束宽度或多或少地是足够的，然而没有考虑到因扇束内的小物体的散射辐射阴影。对于大面积检测器，此构思无效，因为在边界检测器之间的距离将不给出关于在中心检测器区的散射分布的详细的信息。

在前述的部分中略述的主要问题是对在测量的断层投影中的散射光子8的未知详细分布导致了图像的劣化。在未来的系统中此效果变得更重要，因为向大的扫描区(锥形束)的趋向迅速地增加了散射辐射的量，其原因是更大的照射的区。如下描述了解决方案，它允许对整个检测器区以像素尺寸范围内的空间分辩率直接地测量散射分布。此解决方案的基本思想是通过ASG自身来检测/测量散射X射线8。测量给出了关于空间散射的光子分布的信息，允许了在测量到的投影中的改进的散射修正，且因此导致了更高的CT图像质量。

根据在图中示出的优选实施例，防散射格栅ASG包括直接转换材料的壁或薄片2，其检测散射光子8(“主动检测”)且同时类似于常规的ASG(“被动准直”)吸收这些量子-这意味着ASG用作“主动准直器”。直接转换材料例如可以是(晶体的、多晶体的或无定形的)半导体，它将吸收的辐射1、8的能量直接地转换为电子-空穴对。优选地，材料具有导致高的响应信号的低的固有能量转换系数(例如CdZnTe：5eV/电子-空穴对)，和对于相关的能量范围(＞30keV)的高的吸收系数。另外，直接转换材料应具有高的原子量Z以最有效地吸收X射线光子(例如对于CdZnTe：Z≈49)。

栅格ASG在其几何尺寸上类似于具有典型的薄片2的厚度为大约100μm的常规的二维防散射格栅。涉及到吸收效率，技术可用性和成本而适当地选择高度，典型的范围是10mm到50mm。在薄片2之间形成了通道，辐射7、8可以通过通道到位于检测器阵列5内的ASG下面的传感器单元9或像素。

薄片2在每侧由电极3、4、6覆盖，其中相对的电极分别作为阳极和阴极被外电路(在图2中仅示意性地示出两个电极)驱动。在侧壁处的电极3、4、6每个由非常薄的金属层(例如Pt)组成。金属层必须足够的薄以保证仅可忽略的散射X射线8的量被吸收而不产生信号。

通常地，通过薄片2的直接转换材料的电子光电流是优选的运行模式，因为电子的迁移率和寿命的乘积远高于空穴的迁移率和寿命的乘积(例如CdZnTe(优化的材料)：μ_eτ_e≈3·10^-3cm²/V＞＞μ_hτ_h≈5·10^-5cm²/V)。典型地，施加的电场在1kV/cm的量级。因此，对于100μm厚的薄片，为保证足够的电荷收集效率，需要仅10V的偏置电压。在检测器薄片2的运行中涉及的此低偏置电压容易处理且不需要特殊的电路保护。

借助于通过电极3、4和6感应的电磁场(偏置场)，载荷子通过漂移到电极被分离且收集而产生了电信号，电信号可以通过随后的读出电子装置10(图2)处理。对于每个矩形的像素9，此信号可以认为是四个围绕它的薄片的整体值。因此，以一个像素的分辩率获得了在检测器阵列5内的散射辐射8的空间强度分布。

涉及到电极的几何形状，存在两个在图1中示出的构思。在第一构思中，电极4(优选地阳极触点)覆盖ASG的全部高度直至薄片2的上边沿。这导致直接转换材料2不仅对散射辐射8的灵敏性而且对撞击在薄片2的上端面上的初级辐射1的灵敏性，这导致随后分解实际的散射分布的一些困难。相反，在短于薄片2的顶边沿下的距离d处终止的电极6(阳极触点)对于撞击到ASG的顶上的辐射不敏感。因此，这些电极6测量了除来自初级X射线束1的方向的分布外的全部散射辐射8的分布，即它们高度地对散射辐射8敏感。为保证对具有低于120keV的能量的X射线辐射的至少99％的总吸收，必须虑及一定厚度d的吸收层(例如对于CdZnFe，d＝6mm)。这意味着短的阳极6应至少比长的电极3、4短6mm。以此将薄片2的顶区域中的电场降低到这样的程度，即使得由在此区域的吸收过程生成的电荷对光电流无贡献，因为它不能被短的阳极6收集。

如在图3中的防散射格栅的顶视图中指示，可将长电极3、4和短电极6的构思组合，导致了类似于棋盘的图案，这允许获得不同的初级辐射与散射辐射的比(即以长电极3、4覆盖的薄片仅测量全部的初级辐射强度和散射辐射强度，且以一个短电极6覆盖的薄片主要地测量散射辐射)。如将在下文讨论，这因此使得能精确地从像素检测器处测量的混合的初级信号/散射信号中确定和分开初级信号。替代地，可以单独地使用每个构思(对于长电极3、4参考图4)，这也允许修正每个检测器像素9的信号，但带有更高的系统误差，原因是不能分解来自不同的源的辐射分布的事实。

检测器的任意检测器像素n给出了信号I_n，信号I_n是入射的初级剂量P_n(图1中的辐射1+7)和入射的散射辐射S_n(图1中的辐射8)的线性组合。如下假定仅几乎垂直于检测器5的表面(θ≈90°)的散射辐射能通过ASG薄片2而不被吸收，即S_n＝S_n(θ≈90°)。

具有与大约90°的小间隔不同的角度θ的散射辐射被ASG很强地吸收。带有直至ASG的顶边沿的长阳极4的薄片2导致了每像素的信号I_n′，这由如下方程给出：

从带有短阳极6的薄片2获得每像素的强度信号I_n″对初级辐射和带有θ≈90的散射辐射几乎不敏感：

从散射检测器阵列采样的信号必须被标定和修正。系数α_n、β_n、γ_n，α′_n，β′_n，γ′_n和γ″_n可由适当的标定过程确定。在标准的CT检测器中，知道的用于检测初级辐射7的在ASG下面的闪烁体像素9，理想地具有系数α_n→1且β_n→0(参考方程(1))。包括撞击到ASG的顶上的辐射的散射检测器的值I_n′(参考方程(2))理想地具有系数α′_n→0且β′_n→1且γ′_n→0。在此理想情况中，信号I_n″(参考方程(3))将与确定每像素P_n不相关。然而在实际的检测器机构的一般情况中，相关的已修正的散射信号每像素P_n通过求解线性方程(1)-(3)组来代数地获得：

$P_n=\frac{{\mathrm{\β}}_n^{\′}{\mathrm{\γ}}_n^{\′\′}{I}_n-{\mathrm{\β}}_n{\mathrm{\γ}}_n^{\′\′}{I}_n^{\′}+{\mathrm{\β}}_n{\mathrm{\γ}}_n^{\′}{I}_n^{\′\′}}{{\mathrm{\α}}_n{\mathrm{\β}}_n^{\′}{\mathrm{\γ}}_n^{\′\′}-{\mathrm{\α}}_n^{\′}{\mathrm{\β}}_n{\mathrm{\γ}}_n^{\′\′}}---\left(4\right)$

测量信号强度I_n、I_n′和I_n″，且其他参数通过专门的标定过程已知。

总之，可以实现如下的基于主动准直的原理的建议的ASG检测器模块的优点：

-通过在CT系统内的散射分布测量和随后的散射修正改进了CT图像质量。

-对完整的检测器区而非仅对某些点区测量散射分布。

-防散射格栅同时作为X射线检测器和吸收器(主动准直)，这导致非常紧凑且简单的机构。

-因为直接转换材料也可以是CT检测器的选择，所以关于费用和技术可行性，有利的是使得ASG由与检测器像素相同的材料制成。

-不需要复杂的光学投影系统。因此，既无几何形状失真以及检测到的散射的强度分布的失真，也无涉及信噪比的困难。

-因为ASG自身用作散射检测器，仅有附加的但无任何CT检测器的信息和性能的损失且因此无任何图像质量损失。

-选择地检测散射辐射-这通过更长的电极和更短的电极的特殊的组合完成，使得一些像素对于在顶上撞击到薄片的初级辐射不敏感-给出了对有关的初级辐射的非常精确的接近。

最后，指出的是，在本申请中，术语“包括”不排斥其他元件或步骤，术语“a”或“an”不排斥复数，且单一的处理器或其他单元可以完成数个装置的功能。此外，在权利要求书中的参考标记将不解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于辐射检测器的防散射格栅(ASG)，所述防散射格栅(ASG)包括适合于产生辐射(1、8)吸收剂量指示信号的薄片(2)。

2.根据权利要求1所述的防散射格栅(ASG)，其特征在于，薄片(2)包括将吸收的辐射(1、8)转换为电信号的半导体材料。

3.根据权利要求2所述的防散射格栅(ASG)，其特征在于，该半导体材料对于将光子转换为电子-空穴对而言具有低的固有能量转换系数。

4.根据权利要求1所述的防散射格栅(ASG)，其特征在于，薄片(2)包括闪烁体材料，用于将第一能量水平的入射辐射转换为第二能量水平的辐射。

5.根据权利要求1所述的防散射格栅(ASG)，其特征在于，薄片(2)包括对于具有低于150keV的能量的光子而言具有吸收系数高于1cm^-1的材料。

6.根据权利要求1所述的防散射格栅(ASG)，其特征在于，薄片(2)至少部分地被电极(3、4、6)覆盖。

7.根据权利要求6所述的防散射格栅(ASG)，其特征在于，至少一个电极(6)在以距离d相距相应薄片(2)的边沿处终止，其中所述的距离d使得通过薄片(2)的材料行进的辐射(1)大体上在所述的距离d后被吸收。

8.根据权利要求7所述的防散射格栅(ASG)，其特征在于，该防散射格栅(ASG)包括：

在以距离d相距相应薄片(2)的边沿处终止的电极(6)；和

在相应薄片(2)的边沿处终止的电极(3、4)。

9.一种辐射检测器，其包括：

-根据权利要求1至权利要求8的一项所述的防散射格栅(ASG)；

-对辐射敏感的传感器单元(9)的阵列(5)；

-用于评估由防散射格栅(ASG)产生的信号的信号处理单元(10)。

10.根据权利要求9所述的辐射检测器，其特征在于，该辐射检测器还包括用于将第一能量水平的入射辐射(7、8)转换为不同的能量水平的辐射的转换器。

11.根据权利要求10所述的辐射检测器，其特征在于，信号处理单元(10)适合于区分入射辐射(1、7、8)的各个部分，这种区分是相对于入射辐射(1、7、8)与所述防散射格栅(ASG)的所述通道和/或薄片(2)的平行性来进行的。

12.一种带有成像系统的检查设备，其特征在于，该成像系统包括根据权利要求9或10或11所述的对X射线敏感的辐射检测器。

13.根据权利要求12所述的检查设备，其特征在于，该成像系统包括X射线成像设备或核成像设备。

14.根据权利要求13所述的检查设备，其特征在于，该核成像设备是CT成像设备、PET成像设备或SPECT成像设备。

15.一种用于确定撞击到带有如权利要求1-8中任一项所述防散射格栅(ASG)的辐射检测器上的散射辐射(8)的方法，其中通过空间分辨来测量被防散射格栅(ASG)吸收的辐射的量。

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