CN101110157B - 用于成像系统的自适应数据获取 - Google Patents

Abstract

一种数字获取电路(26)包括放大器(14)，该放大器响应于在检测器上入射的能量放大由检测器产生的电脉冲。该自适应数据获取电路还包括用于对放大器产生的放大的电脉冲计数的计数电路(28)。另外，该自适应数据获取电路还包括数字逻辑电路(30)，该数字逻辑电路(30)用于确定表示脉冲率和在放大的电脉冲中存在的能量的量的脉冲参数，还用于响应于该脉冲参数生成控制信号(34)，来控制该数据获取电路的操作参数。

Description

用于成像系统的自适应数据获取

技术领域

本发明涉及成像系统，并且更具体的，涉及用于成像系统的自适应数据获取电路。

背景技术

图1示出了用于成像系统中，例如，计算机层析成像(CT)系统中，对从被成像目标接收的能量量子计数的传统的数据获取电路10。这样的电路10通常包括检测器12，该检测器响应于接收到的能量11，诸如入射在检测器12上的x射线光子，产生电流电荷脉冲。这样的系统的输出可以包括脉冲计数64。放大器14，诸如集成跨阻(trans-impedance)放大器，通常包括运算放大器(op amp)15，在运算放大器15的反相端和输出端之间的反馈中连接有集成电容(integrating capacity)16、电阻元件18和低阻抗开关119，该放大器将电流电荷脉冲(current charge pulse)转化为电压脉冲。可选的，通过采样和保持电路74和模数转换器72对放大器输出19的并行积分处理，可以用于提供表示在检测器12接收到的辐射11的功率的数字积分输出信号70。

电阻18和开关119不必是分离的器件，而是可以使用一个和多个晶体管，诸如场效应晶体管(FET)，来实现，其中这样的器件的电阻可以由施加的电压控制。或者，开关119可以光激发，使得通过应用入射到该开关的光脉冲将该开关关闭。电阻元件18提供跨电容16构成的电荷的复位，作为运算放大器15对于来自检测器12的电荷脉冲的响应。

连续复位电路是对于电阻元件18具有恒定电阻值的一类电路。触发式复位电路是在反馈电路中实现低阻抗开关119的一类电路。大部分时间，低阻抗开关119配置为打开状态，并且来自检测器12的电荷伴随来自电阻18的恒定复位(constant reset)在电容16积分(integrate)。开关119，例如在阈值电路或周期性时钟的控制下，关闭一小段时间，以便释放在电容16上积聚的电荷并且阻止运算放大器15饱和。在该开关119关闭的时间段内，不存在对检测器12中产生的电荷脉冲的响应。因此，希望最小化开关119关闭的时段，以便检测入射到检测器的所有X射线。阈值控制电路的一个例子是测试运算放大器的输出19相对一个阈值的直接电流电平，并且关闭开关达固定数目的时钟循环以便电容16放电的一类电路。

由放大器14产生的电压脉冲由脉冲整形器20进一步处理，以产生提供给鉴别器22的整形过的电压脉冲。当整形过的电压脉冲的幅度超过鉴别阈值时，鉴别器22增加计数寄存器24。因此，数据获取电路10配置用于对检测器12产生的电流电荷脉冲计数，该脉冲代表入射在检测器12上的光子。多个计数器24和相应的多个鉴别器阈值可以用于相对于整形的脉冲幅度将事件分箱(bin)。多值鉴别和计入多个箱中是用于记录入射在检测器12上的光子的能量的粗略方法。在一些应用中，检测器12可以包括一个或多个像素，其中一个或多个像素通过分箱开关40(binning switch)连接到各自的数据获取电路10。

在诸如CT系统的成像系统中，希望达到具有足够的能量分辨率的相对高的计数能力。特别的，为了避免在高计数速度(count rate)放大器饱和，需要在电路10中使用相对低阻抗的电阻18或将开关119经常复位。但是，低阻抗电阻18可能导致部分由于已知的弹道亏损(ballistic deficit)效应的能量分辨率降低。弹道亏损的产生是因为在运算放大器15的输入17接收检测器12中所产生的信号电荷脉冲的期间，电阻18令电容16放电。由此，在电容16积分的电荷的幅度减小，并且关于噪声电平，在电路的能量分辨率中存在降低。另外，由于在检测器12中生成的不同电荷脉冲的持续时间的差异，幅度可以是变化的。电荷脉冲幅度中的变化导致电路的能量分辨率降低。

能量分辨率也可以受到脉冲整形器20的整形时间的影响。脉冲整形器20使用的整形时间越长，就能够更好的抑制较高的频率噪声，导致整形过的电压脉冲中的较低噪声。但是，如果整形时间太长，可能会导致过度的电路停滞时间(dead time)，其又会导致整形过的脉冲的重叠和整形过的脉冲幅度的扭曲。在这样的情况下，在鉴别器22中可能会有误计数，并且在能量分配中可能有错误。因此，当计数速度增加，在称为叠加(pile up)的效应中，每个整形过的电压脉冲可能组合了来自多个检测事件的信号。因此，希望提高成像数据获取电路在广泛的能量输入条件下的性能。

发明内容

本发明提供了在成像系统中使用的自适应数据获取电路。该数字获取电路包括放大器，该放大器响应于在检测器上入射的能量放大由检测器产生的电脉冲。该自适应数据获取电路还包括用于对放大器产生的放大的电脉冲计数的计数电路。另外，该自适应数据获取电路还包括数字逻辑电路，该数字逻辑电路用于确定表示脉冲率和在放大的电脉冲中存在的能量的量的脉冲参数，还用于响应于该脉冲参数生成控制信号，来控制该数据获取电路的操作参数。

附图说明

图1是在对从成像目标接收到的能量量子进行计数的成像系统中使用的已知数据获取电路的示意图。

图2是在成像系统中使用的自适应数据获取电路的示范实施例的示意图。

具体实施方式

在诸如CT系统的成像系统的数据获取电路中，需要在广范围的能量检测条件上达到希望的能量分辨率。例如，CT系统的传统的光子计数数据获取电路需要能够在相对低的计数速度和相对高的计数速度两者下都提供足够的能量分辨率。发明人已经创新的认识到，通过动态修改成像数据获取电路的操作参数，可以在宽广范围的光子计数速度上达到希望的能量分辨率。特别地，通过控制成像数据获取电路的操作参数对表示脉冲率和积分电荷的脉冲参数起响应，可以达到用于变化的计数速度条件的希望的能量分辨率。

图2是在成像系统120中使用的自适应数据获取电路26的示范实施例的示意图。数据获取电路26包括放大器14，诸如用于放大由检测器12对入射在检测器12上的能量11(诸如x射线光子)起响应而产生的电荷脉冲的集成跨阻放大器。在本发明的一个方面，放大器14可以是可控的，允许通过结合在检测器12接收的x射线光子的期望流量率(flux rate)动态控制电阻18和/或电容16的值，改变其操作参数，诸如放大和复位参数。

数据获取电路26还包括用于对由放大器14产生的放大的电脉冲计数的计数电路28。计数电路28还可以配置为依照脉冲幅度分箱到不同的计数寄存器(未示出)。计数电路28可以包括脉冲整形器20，脉冲整形器20用于对由放大器14产生的放大的电脉冲整形和将整形过的脉冲提供给鉴别器22。在本发明的一个方面，脉冲整形器20可以被控改变其操作参数，诸如脉冲整形时间和整形过滤器的数目。鉴别器22可以耦合到脉冲整形器20，以便在整形过的电压脉冲超过一个或多个鉴别阈值的时候，增加一个或多个计数寄存器24。鉴别器22还可以被控来改变其操作参数，诸如鉴别阈值。

为了阻止放大器14的饱和条件，数据获取电路26可以包括折叠电路，该折叠电路用于从放大器14的输入减去电荷包。例如，折叠电路可以包括耦合到放大器输出19的阈值检测器46，该阈值检测器46用于例如在放大器14的输出超过预定的阈值时生成阈值超出信号56。在本发明的一个实施例中，阈值检测器46可以包括平均电平采样和保持电路，该电路用于识别平均输出并且在平均输出超过阈值的时候生成阈值超出信号56。平均电平可以实现为在放大器14的输出端19的低通滤波器31。

所述折叠电路还可以包括与阈值检测器46耦合的折叠电路44，该折叠电路用于响应于阈值超出信号56对放大器输入17施加折叠电流(fold current)58。折叠电路44可以控制电流源42，该电流源42从放大器输入17减去希望的电荷以阻止放大器14的饱和。在一个实施例中，电流源42可以包括激活固定时间段的恒定电流源，该恒定电流源用于从放大器输入17减去恒定的预定电荷以实现希望的电荷削减水平。电流源42的激活可以视为一个折叠，这样的折叠的数目能够在折叠计数器48中计数。在激活电流源42特定数目的时钟循环的折叠电路44中，可以保证注入放大器输入17的折叠电荷的高精确度。恒定电流源42的电流电平和时钟循环的数目可以是动态可调节的参数，以便适应特定的计数速度和从检测器12接收到的电荷电平。

为了实现在广范围的成像能量输入条件下提高性能，数据获取电路26可以包括数字逻辑电路30，该数字逻辑电路30用于确定表示当前的计数速度或可能的未来计数速度的脉冲参数。逻辑控制器52相对于未来的计数速度的预测能力可以基于趋势分析，或者通过由成像系统120基于脉冲参数提供的预测信息54来实现，数据获取电流26可以响应于控制数据获取电路26的操作条件的脉冲参数而提供一个或多个控制信号。数字逻辑电路30可以耦合到放大器输出19和/或折叠电路44，用于接收表示计数速度和来自这些源中的一个或两个的放大的信号19中存在的能量的量的信息。基于确定的脉冲参数，数字逻辑电路30生成一个或多个用于控制数据获取电路26的操作参数的控制信号。

在一个示范实施例中，控制信号34可以配置用于控制放大器14的放大参数，诸如通过控制电容16的电容量和/或控制电阻18的电阻值和/或通过开关119的复位频率。在本发明的一个方面，控制信号34可以用于短路电阻18以便复位放大器14。在另一个示范实施例中，控制信号36可以配置用于控制脉冲整形器20的操作参数，诸如脉冲整形器20的整形时间，以便实现数据获取电路26的希望性能。例如，控制信号36可以在确定的脉冲参数相对低的时候控制脉冲整形器20使用相对长的整形时间，例如用于提高能量分辨率。或者，当确定的脉冲参数相对高的时候，控制信号36可以配置用于控制脉冲整形器20来使用相对短的整形时间，例如来避免叠加。在本发明的另一个方面，控制信号38可以配置用于控制鉴别器22的操作参数，诸如通过控制鉴别器22的鉴别阈值，来实现数据获取电路26的希望性能。

在包括位于放大器14和检测器12之间的像素分箱开关40的数据获取电路26的一个实施例中，控制信号32可以配置用于控制开关40的操作，以便响应于脉冲参数将放大器14从检测器12的一个或多个子像素区域选择性的耦合或去耦。例如，在检测器12的入射辐射11的相对较低流量率，所述子像素可以配置为使得在该子像素的整个区域上接收的所有脉冲事件被路由到放大器14。或者，在相对较高的计数速度，子像素区域的一些子集，可能是一个，可以路由到放大器14。通过该措施，检测器12的活跃响应区域被动态控制，使得在放大器14的输入接收的脉冲计数速度被维持在比入射到检测器12的辐射11的流量率小的动态范围内。

动态逻辑电路30可以包括接收由折叠电路44提供的折叠指示58的折叠计数器48。折叠计数器48可以配置用于对从放大器输入17减去固定的电荷单元的次数进行计数，从而提供对从检测器12接收到的一系列放大脉冲中的积分电荷的指示。由折叠计数器48生成的折叠计数值(fold count)62可以提供给控制器52。控制器52可以配置为使用该折叠计数值来生成控制信号32、34、36、38，以便响应于该折叠计数值62控制数据获取电路26的相应操作参数。折叠计数值62可以由控制器52提供，作为代表在检测器12接收到的辐射11的功率的积分信号70。

在另一个实施例中，数字逻辑电路30可以包括残余量化器(residue quantizer)50，该残余量化器响应于，例如在折叠电流58的应用之后，在放大器输出19保留的放大脉冲的残余，来生成残余信号60。控制器52可以耦合到残余量化器50，以便使用该残余信号60，例如结合折叠计数值62，来生成控制信号32、34、36、38。来自残余量化器50的信号60可以由控制器52提供，作为代表在检测器12接收到的辐射11的功率的积分信号70。

在本发明的另一个方面，数字逻辑电路30可以进一步配置用于接收预测信息54，诸如表示期望的脉冲参数的信息，以便响应于该预测信息54生成一个或多个控制信号。这样的预测信息54可以基于对先前放大的脉冲参数的趋势分析、在检测器12的临近像素接收的能量、或由成像系统使用该数据获取电路26成像的目标的已知密度分布曲线(profile)。

在另一个实施例中，计数电路28的计数器输出64可以由所述数字逻辑电路使用来生成用于控制数据获取电路26的操作参数的控制信号。例如，计数器输出64可以由控制器52使用来生成响应于不同的能量阈值计数来控制分箱开关的控制信号32，该不同的能量阈值计数诸如可以由计数电路28依照鉴别器22的不同的鉴别阈值提供。

在本发明的另一个方面，折叠计数值62和残余量化器信号60可以提供作为积分信号输出70，并且计数器信号64可以提供作为脉冲计数输出信号。成像系统控制器122可以配置用于使用该积分信号输出70和脉冲计数输出信号来生成图像。另外，这样的信息可以由成像系统120使用来生成可以控制由成像系统120的x射线源124产生的获取序列和流量水平分布曲线的矢量。

在本发明的另一个方面，折叠计数值可以用作光子计数值，例如，当折叠阈值相对较小并且折叠计数值报告的相对频繁的时候，以便生成相应的控制和输出信号。在这种情况下，折叠阈值表示接收的光子的能量，从而允许该数据获取电路26在典型的x射线成像脉冲间周期的时间的大约二十分之一生成控制信号。因此，以此方式产生的折叠计数值可以直接代表光子计数值，而光子计数值可以用于控制数据获取电路26的操作参数。类似地，当到达检测器的光子触发两个折叠时，可以使用双能量级的光子计数技术。

尽管已经示出和描述了本发明的不同实施例，显然这样的实施例只是作为例子。在不偏离本发明的前提下，可以进行各种修改、变化和替代。因此，旨在本发明仅仅由随附权利要求的精神和范围限制。

部件列表

10 传统数据获取电路

11 接收到的辐射能量

12 检测器

14 放大器

15 运算放大器

16 集成电容

17 运算放大器输入

18 电阻器元件

19 放大器输出

20 脉冲整形器

22 鉴别器

24 计数寄存器

26 自适应数据获取电路

28 计数电路

30 数字逻辑电路

31 低通滤波器

32 控制信号

34 控制信号

36 控制信号

38 控制信号

40 分箱开关

42 电流源

44 折叠电路

46 阈值检测器

48 折叠计数器

50 残余量化器

52 逻辑控制器

54 预测信息

56 阈值超出信号

58 折叠电流

60 残余信号

62 折叠计数值

64 计数器输出

70 积分信号

72 模数转换器

74 保持电路

119 低阻抗开关

120 成像系统

Claims (10)

1.一种自适应数据获取电路(26)，包括：

放大器(14)，用于放大由检测器(12)响应于在检测器(12)入射的能量生成的电脉冲，

计数电路(28)，用于对放大器(14)生成的放大的电脉冲计数；

数字逻辑电路(28)，用于确定表示脉冲率和在放大的电脉冲中存在的能量的量的脉冲参数，和用于响应于该脉冲参数生成控制信号来控制数据获取电路(26)的操作参数；和

接收放大的电脉冲和生成整形过的脉冲的脉冲整形器，其中控制信号配置用于控制脉冲整形器的整形时间。

2.权利要求1所述的自适应数据获取电路(26)，其中控制信号配置用于控制放大器(14)的放大参数。

3.权利要求2所述的自适应数据获取电路(26)，其中放大器(14)包括反馈电阻(18)和复位开关(119)，其中该控制信号配置用于控制反馈电阻(18)的电阻值，和通过控制复位开关(119)的操作来选择性的使反馈电阻(18)短路从而控制放大器(14)的复位频率。

4.权利要求2所述的自适应数据获取电路(26)，其中放大器(14)包括反馈电容(16)，其中控制信号配置用于控制反馈电容(16)的电容值。

5.权利要求1所述的自适应数据获取电路(26)，其中当脉冲参数的电平低的时候，控制信号配置用于控制脉冲整形器(20)产生较长的整形时间。

6.权利要求1所述的自适应数据获取电路(26)，其中当脉冲参数的电平高的时候，控制信号配置用于控制脉冲整形器(20)产生较短的整形时间。

7.权利要求1所述的自适应数据获取电路(26)，还包括从脉冲整形器(20)接收整形过的脉冲的鉴别器(22)，其中控制信号配置用于调节鉴别器(22)的鉴别阈值。

8.权利要求1所述的自适应数据获取电路(26)，还包括在检测器(12)和放大器(14)之间的开关(40)，其中所述控制信号配置用于操作开关(40)来选择性的将放大器(14)与检测器(12)的多个子像素耦合和去耦。

9.权利要求1所述的自适应数据获取电路(26)，其中所述数字逻辑电路(28)还配置用于响应于预测信息生成控制信号。

10.一种自适应数据获取电路，包括：

放大器，用于从耦合到放大器输入端的能量检测器接收电流脉冲，并用于在放大器输出端生成相应的放大的脉冲；

耦合到放大器输出端的计数电路，用于对放大器生成的放大的电脉冲计数；

耦合到放大器输出端的阈值检测器，用于在放大的电脉冲超过预定的阈值时生成阈值超出信号；

耦合到阈值检测器的折叠电路，用于响应于阈值超出信号对放大器输入端施加折叠电荷；

耦合到折叠电路的折叠计数器，用于响应于折叠电荷被施加到放大器输入端的次数，生成折叠计数；和

耦合到折叠计数器的控制器，用于响应于折叠计数生成控制信号以用于控制数据获取电路的至少一个操作参数。

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