CN101374464B - 智能辐射探测器模块 - Google Patents
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Abstract
一种电离辐射探测器模块(22)，包括探测器阵列(200)、存储器(202)、信号处理电子器件(208)、通信接口(210)以及连接器(212)。存储器包含探测器性能参数(204)和探测器校正算法(206)。信号处理电子器件(208)根据探测器校正算法(206)使用探测器性能参数(204)校正来自探测器阵列(200)的信号。
Description
本发明发现了计算机断层摄影(CT)扫描仪中使用的辐射探测器的特殊应用。其还发现了其它辐射敏感探测器的应用，并且尤其在需要对探测器性能的变化进行校正的情况下。
已经证明CT扫描仪在提供指示对象内部结构的信息的过程中是非常有用的。在医学成像中，例如，广泛地使用CT扫描仪来提供关于人类患者的生理机能的图像和其它信息。由于增加层或通道的数量能够具有大量优点，诸如改进了扫描心脏和解剖结构的其它运动部分的能力、缩短了扫描时间、提高了扫描仪处理量以及改进了轴向分辨率和覆盖范围(coverage)等，因而进些年已经看到了多层螺旋CT的快速采用。
然而，该趋势的一个结果是CT探测器模块逐渐变得复杂和昂贵。的确，探测器通常如果不是CT扫描仪中最昂贵的部件，也是最昂贵的部件之一。
作为一个范例，现有技术的CT扫描仪被设计成在一个旋转中提供多达128层。在这种系统中，典型的探测器模块可以包含2048(16×128)个各个探测器像素。探测器将通常包含大量模块，从而典型探测器可以包含高达80000个各个探测器像素。依次，每个探测器像素通常包括闪烁体、光电二极管、机械支架、光电接口和相关的电信号调理电路。这些项中的每个都可以总体上影响探测器像素和探测器模块的性能特征。
随着探测器像素数量的增加，逐渐变得可能的是，探测器性能的变化将变得显著。例如，各个探测器像素可以具有不同的性能特征，或者甚至可以完全不起作用。而且，甚至对于标称相同的探测器设计，探测器性能特征也可以在卖家之间或者在批次之间存在变化。
需要减少这些变化的影响。例如，如果可以识别并校正这些性能变化，而不是丢弃或重新加工探测器模块，则生产量可以提高，且成本降低。一方面，可以通过允许相对较宽的性能限制来提高探测器产量。另一方面， 对于给定组的探测器验收标准，一般识别和校正这些性能变化将提供改进的探测器性能。探测器模块的维修也可以通过减少必须替换探测器模块的情况而得以简化。当必须替换探测器模块时，需要减少附加探测器或扫描仪校准的需求。
作为图像重建过程的一部分，可以通过重建计算机进行一些校正。然而，如将意识到的，另一种趋势要求不断缩短重建时间，以及需要对不断增加的数据量和图像层进行重建。不幸的是，在重建期间，识别和施加必需的校正的任务趋向于增加整个系统的复杂性，并且对重建器性能也具有不利的影响。
本发明的各个方面解决了这些以及其它问题。
根据本发明的第一方面，计算机断层摄影装置包括x射线源、多个x辐射敏感探测器模块，和重建器，所述重建器生成指示由探测器模块探测到的x辐射的体积空间数据。探测器模块包括x辐射敏感探测器阵列，其响应于由此探测到的x辐射而生成电信号；存储器，其包含指示探测器模块的测得的性能特征的第一参数和第二参数；与存储器通信的电路，其根据第一参数校正电信号，以使得生成经校正的探测器信号；以及通信接口(210)，其与存储器通信并且适于将第二参数传送给探测器模块外部的设备，其中，所述外部的设备被配置为根据第二参数校正经校正的探测器信号。
根据本发明的另一方面，x射线探测器模块适于在成像装置中使用，其利用设置的多个探测器模块形成平铺的二维探测器像素阵列。探测器模块包括多个x射线敏感探测器像素，其响应于探测到的x射线而生成信号。布置该像素以安装在平铺的二维阵列中。探测器模块还包括存储器，其包含指示探测器像素的性能的第一参数和第二参数；与存储器和探测器像素通信的电路；与存储器通信的通信接口；以及用于选择性地将探测器模块电连接至成像装置的电连接器。信号校正电路根据所述第一参数校正探测器像素信号，以生成经校正的信号。通信接口适于将第二参数传送给探测器模块外部的设备，其中，由所述探测器模块外部的设备根据第二参数施加进一步的校正。
根据本发明的另一方面，成像装置包括电离辐射源、用于探测由辐射源发射的辐射的辐射探测器，以及重建器，其生成指示辐射探测器所探测到的辐射的体积数据。辐射探测器包括多个探测器模块，其中每个都包括用于生成指示探测到的辐射的电信号的工具；用于存储指示探测器模块的性能的第一参数和第二参数的工具；用于使用该第一参数来校正电信号以生成经校正的探测器信号的工具；用于将所述第二参数传送给所述探测器模块外部的设备的通信接口，由此所述外部的设备根据所述第二参数校正所述经校正的探测器信号；以及用于选择性地将探测器模块连接至探测器的工具。
本领域技术人员在阅读并理解所附的附图和说明书之后，将会理解本发明的还有一些方面。
本发明通过附图中的例子示出，但是不限于此，其中相似的参考标号表示相似的元件，并且其中：
图1示出了CT扫描仪；
图2示出了用于CT扫描仪的探测器模块的原理框图；
图3示出了使探测器模块特征化的过程；
图4示出了典型探测器校正过程。
参考图1，CT扫描仪10包括旋转扫描架部分18，其围绕检查区域14旋转。扫描架18支撑诸如x射线管的辐射源12。扫描架18还支撑x射线敏感探测器20，其对着检查区域14相对侧上的弧形。由x射线源12产生的x射线横穿检查区域14，并且由探测器20探测到。对象支架16将诸如人类患者的对象支撑在检查区域14中。支架16优选可与扫描架18的旋转协同移动，以提供螺旋扫描。
探测器20包括探测器模块22的弓形阵列，其布置成形成探测器像素的二维阵列。探测器模块优选设置成平铺阵列，其中一个阵列中的像素邻接相邻阵列中的像素。在一种实现方式中，探测器20包括一百二十八(128)个以上的层。合适的探测器实现方式还在题为“Solid State X-RadiationDetector Module and Mosaics Thereof，and an Imaging Method and ApparatusEmploying the Same”的共同受让的美国专利No.6510195中描述，所述文献在此全文引入作为参考，但是其它探测器实现方式也是可行的。还应当注意到，这些阵列可以是不规则的。例如，一个以上的行或列中的像素可以从另一个偏移。
还可以实现所谓的第四代扫描仪结构以及平板探测器，在所述第四代扫描仪结构中，探测器20跨越360度的弧，并且在x射线源12旋转时保持固定。同样可以实现具有更多或更少数量的层的探测器。
正如下面将进一步讨论的，与每个探测器模块22相关的读出电子器件接收源自各个探测器像素的信号，并且提供信号调理、模数转换、多路复用和类似功能。一些探测器特异性性能信息还存储在与探测器模块22相关 的存储器中，并且优选用于提供经校正的探测器输出信号。
优选由旋转扫描架18承载的数据获取系统24接收来自多个探测器模块22的输出信号，并且提供附加的多路复用、数据通信和类似功能。重建器26重建由探测器20获得的数据，以形成指示所检查对象的体积图像数据。
通用计算机作为操作者控制台44。该控制台44包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备以及诸如键盘和鼠标的输入设备。控制台中驻留的软件通过建立所需扫描协议、启动和终止扫描、查看并且否则操作体积图像数据、并且否则与扫描仪交互作用，而允许操作者控制扫描仪的操作。
控制器28根据需要调整各种扫描参数以执行所需扫描协议，所述参数包括x射线源12的参数、患者床16的移动，以及数据获取系统26的操作。
图2是探测器模块22的原理框图。探测器模块22包括一个以上探测器阵列200、读出电子器件60和一个以上连接器212。探测器阵列200、读出电子器件60和连接器安装在用于在探测器20中的组装的合适的印刷电路板上或其它衬底上，或者由其承载。探测器模块22还可以包括多个衬底。
探测器阵列200包括探测器像素的n×m阵列，其中，每个探测器像素都包括与光电二极管光通信的闪烁体。背接触(back contact)或背照射光电二极管有助于制造相对较大的阵列，但是也可以使用正照射的或其它光电二极管结构。也可以预期其它探测器阵列200的实现方式，诸如多能量、固态或直接转换探测器。在一个实施例中，每个探测器阵列200都包括探测器像素的16×16阵列，而探测器模块22包括八个(8)探测器阵列200，其布置成形成16×128阵列。
读出电子器件60，其接收和处理由各个探测器像素所生成的信号，并且能够实现为基于微处理器的专用集成电路(ASIC)，其包括可连接的存储器202、信号处理电子器件208和通信接口210。
信号处理电子器件208包括多路复用、放大和滤波、模数转换、信号校正以及用于处理由各个探测器像素生成的信号的类似电路。
存储器202包括探测器性能参数204和探测器校正算法206。典型探测器性能参数204包括探测器余辉、串扰、线性、像素工作/不工作状态、增益、偏移量和硅空穴俘获数据中的一个或多个，但也可以存储与附加的或 不同的性能特征相关的信息。根据特定性能特征和特定探测器的特征，对于每个探测器像素独立存储相关参数。也可以存储这些参数中的一个或多个用于与探测器阵列200或探测器模块22总体上结合，尤其是在预期性能特征对于探测器阵列200或探测器模块22中各个探测器像素总体上相对一致的情况下。
校正算法206存储为计算机可读指令，当由微处理器执行时其使用相关的探测器性能参数204来执行所需校正。在这点上，应当注意到，并非必需将参数204和算法206存储在相同的物理存储器中。典型探测器校正算法包括对于探测器余辉、串扰、线性、不工作探测器元件、增益、偏移量和硅空穴俘获校正的校正，但是可以施加附加的或不同的校正。也可以在探测器水平处施加温度校正。一些或所有校正优选在扫描仪10操作期间实时地施加，从而将经校正的探测器信号提供给重建器26。
同样与每个探测器模块22相关的是序列号或类似标识符。诸如日期编号、厂商或卖家信息等的附加信息也可以与探测器模块22相关。信息可以存储在存储器202中。一些或所有信息也可以在与探测器模块22或其独立部件相关的条形码或其它计算机可读标志符、人类可读标志符、浏览器(traveler)等上提供。当探测器模块22的一些或所有部件在组装入探测器模块22之前被特征化时，这种布置尤其有利。在这种情况下，与特定部件相关的性能特征可以存储在数据库中，并在随后的制造步骤中，性能参数204可以被装载入合适的探测器模块22的存储器202中。
通信接口210提供了数据获取电路24、存储器202和信号处理电子器件208之间的通信。一个以上的电连接器212允许在制造过程期间将探测器模块22电连接至探测器20。如果需要，连接器212优选还有助于探测器模块22的现场替换。
还应当注意到，读出电子器件60并非必须包括微处理器。在这种实现方式中，各种校正可以通过使用一个以上数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它合适的数字或模拟电子电路来实现。读出电子器件60也可以通过使用多个ASIC、集成电路、离散部件或其组合来实现。
此外，可以组合一个以上探测器模块22以形成更大的探测器模块。在这种实现方式中，在探测器模块22和更大的模块之间可以分配一些或所有 读出电子器件60。
图3中示出了生产期间用于使探测器模块22特征化的典型过程。在302，将唯一的的标识符指定给探测器模块。当探测器部件被独立地特征化时，也将唯一的标识符指定给独立的部件。
在步骤304，使探测器性能特征化。如上所述，可以在不同的组装水平执行特征化。例如，可能需要在部件水平使某些参数特征化，在模块水平使另一些参数特征化，或者在探测器20或扫描仪10水平使再一些参数特征化。
一个典型的特征化是用于探测器像素之间串扰的测试，其更易于在探测器模块水平执行。另一个典型的特征化是用于不工作像素的测试，其中识别不工作像素。这种测试同样更易于在探测器模块水平执行。具有互相靠近的数个不工作像素或者对其来说不可获得足够的相邻像素数据的不工作边缘像素的探测器模块22被拒绝。否则，识别不工作像素的位置。
另一方面，通常在实际扫描开始时评估探测器偏移量。诸如用于探测器增益、余辉、线性等的其它性能测试是本领域技术人员所公知的，并且同样易于在所需水平实现。
在步骤306，将测试结果存储在例如测试数据库、伴随有特定部件的浏览器或者类似物中。在这点上，应当注意到，用于测试独立部件或模块的时间序列并非关键。当然，应当在已经组装了各个部件以形成所需组装水平之后，执行在给定组装水平处执行的测试。
在步骤308，将探测器性能参数204装载入给定探测器模块的存储器202中。在在部件水平使一个以上部件特征化的情况下，从数据库中获得特定部件的特征。在一种实现方式中，性能参数204经由通信接口210被传送到探测器模块22。应当注意到，可以在组装过程中的方便水平上执行相关参数的传送，例如在将探测器模块22安装在探测器20或扫描仪10中之前或之后。而且，在将存储器202安装在特定探测器模块22中之前，可以将一些或所有参数204存储在存储器202中。同样需要根据特定探测器模块22的特征，将不同的校正算法206装载入存储器202中。
在步骤310，根据需要执行对最终探测器20和扫描仪10的特征化和测试。
如上所述，如果在呈现给重建器26之前在探测器信号上实时或接近实时地执行一些或所有校正，那么可以降低对重建器26的要求。图4中示出了典型的校正过程。虽然图4描述了针对单个探测器像素的处理，但是当然将理解的是，可以类似地校正其它探测器像素。
在402，给定探测器像素生成了指示扫描期间探测到的辐射的信号。在步骤404，将该信号转换成数字形式。
在步骤406，执行探测器偏移量校正。如上所述，通常在不存在来自辐射源的x射线的每个扫描开始时测量探测器偏移量，并将偏移量信息存储在存储器202中。
在步骤408，使用来自存储器202的数据执行增益校正。相似地，在步骤410执行串扰校正。在一种实现方式中，由具有相对高串扰的探测器像素或模块生成的信号得到校正，以减少串扰效应。在另一种实现方式中，将串扰添加至显示出相对低串扰的探测器像素或模块中。在步骤412，施加不工作像素校正。对于被识别为有缺陷的像素，实时或接近实时地对来自一个以上相邻探测器像素的时间相应信号进行内插，以产生近似于不工作像素的信号的信号。使用该信号替换来自其它不工作像素的信号。当然，也可以施加附加的、不同的校正和上述校正的子集。
无论如何，在扫描期间实时或接近实时地施加校正，从而将经校正的信号提供给重建器26。
可以在上游设备处执行其它校正。例如，在414由重建器26施加全局或系统增益校正，其通常基于扫描仪空气校准。
在探测器模块水平执行所有必须校正也不是必需的。因而，作为扫描仪校准过程的一部分，可以经由通信接口210将一些或所有探测器性能参数202上载至扫描仪10，所述参数例如与探测器线性和余辉相关的那些，而由重建器26或其他上游设备执行校正。或者，可以上载模块标识符，并且可以从数据库获得相应参数。
特定探测器像素或探测器模块22的性能特征也可以在扫描仪寿命期间发生变化。仅作为一个范例，先前起作用的探测器像素可以变得不工作。一旦识别出不工作像素，典型地在扫描仪维修期间，该像素的位置经由通信接口210被传送给相关存储器202。也可以通过询问探测器模块22来识 别其他不工作像素的位置。另一方面，可以配置信号处理电子器件208以在校准期间或在扫描仪操作期间自动探测不工作像素。如果不工作像素的数量或位置符合所需的验收标准，如上所述，在扫描仪操作期间合成特定像素的输出。如果验收标准不满足，优选地修复或置换探测器模块22。可以施加相似的程序，以考虑其它探测器参数的变化。
当然，在阅读并理解前面的说明的基础上，其他人员可以进行各种修改和变化。本发明意欲被解释为包括所有这些修改和变化，只要它们在所附的权利要求书及其等同范围之内。
Claims (24)
1.一种计算机断层摄影装置，包括x射线源、多个x辐射敏感探测器模块和重建器，所述重建器生成指示由所述探测器模块探测到的x辐射的体积空间数据，所述探测器模块包括：
x辐射敏感探测器阵列(200)，其响应于由其探测到的x辐射而生成电信号；
存储器(202)，其包含指示测得的所述探测器模块的性能特征的第一参数和第二参数(204)；
电路(208)，与所述存储器通信，其根据所述第一参数校正所述电信号，以生成经校正的探测器信号；以及
通信接口(210)，其与所述存储器通信并且适于将所述第二参数传送给所述探测器模块外部的设备，其中，所述外部的设备被配置为根据所述第二参数校正所述经校正的探测器信号。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述探测器阵列(200)包括多个探测器像素，并且其中，所述第一参数包括指示测得的所述阵列中的各个像素的性能特征的参数。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一参数识别不工作像素。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述电路(208)使用来自所述不工作像素的邻域中的像素的时间相应信号校正所述不工作像素。
5.如权利要求2所述的装置，其中，所述测得的性能特征是所述阵列中像素之间的串扰。
6.如权利要求1所述的装置，其中，在将所述探测器模块安装在所述计算机断层摄影装置中之前测量所述性能特征。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述探测器模块包括一部件，其中，所述第一参数指示测得的所述部件的性能特征，并且其中，在将所述部件安装在所述探测器模块中之前测量所述部件的所述性能特征。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述通信接口(210)适于从所述探测器模块外部的源接收指示所述测得的性能特征的数据。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述存储器(202)是包含如下指令的计算机可读存储介质(202)，当执行所述指令时使得所述电路(208)实现一种方法，所述方法包括使用所述第一参数来校正所述电信号。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述电路包括微处理器。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述探测器阵列包括多个光电二极管。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述光电二极管是背照射的。
13.一种x射线探测器模块，在利用多个x射线探测器模块的成像装置中使用，所述多个x射线探测器模块设置成形成探测器像素的平铺二维阵列，所述x射线探测器模块包括：
多个x射线敏感探测器像素，其响应于探测到的x射线生成信号，并且布置成安装在所述平铺二维阵列中；
存储器(202)，其包含指示所述探测器像素的性能的第一参数和第二参数；
信号校正电路(208)，其与所述存储器和所述探测器像素通信，其中，所述信号校正电路根据所述第一参数校正所述探测器像素信号，以生成经校正的信号；
通信接口(210)，其与所述存储器通信并且适于将所述第二参数传送给所述x射线探测器模块外部的设备，其中，由所述x射线探测器模块外部的设备根据所述第二参数施加进一步的校正；以及
电连接器，用于选择性地将所述x射线探测器模块电连接至所述成像装置。
14.如权利要求13所述的x射线探测器模块，其中，所述第一参数和第二参数指示第一性能特征，其在将所述x射线探测器模块安装在所述成像装置中之前得以确定。
15.如权利要求14所述的x射线探测器模块，其中，所述第一参数和第二参数指示第二性能特征，其在将所述x射线探测器模块安装在所述成像装置中之后得以确定。
16.如权利要求15所述的x射线探测器模块，其中，所述第二性能特征是探测器偏移量。
17.如权利要求14所述的x射线探测器模块，其中，所述第一参数和第二参数指示多个性能特征，其在将所述x射线探测器模块安装在所述成像装置中之前得以确定，并且其中，所述性能特征包括余辉、串扰、线性、偏移量和像素工作状态中的至少之一。
18.如权利要求13所述的x射线探测器模块，其中，所述信号校正电路包括数字电路。
19.如权利要求18所述的x射线探测器模块，其中，所述数字电路包括计算机处理器。
20.如权利要求18所述的x射线探测器模块，其中，所述信号校正电路和所述存储器设置在单一ASIC中。
21.如权利要求13所述的x射线探测器模块，其中，所述通信接口(210)与所述存储器通信并且适于从所述x射线探测器模块外部的源接收所述第一参数和第二参数。
22.如权利要求13所述的x射线探测器模块，其中，所述探测器像素包括背接触光电二极管。
23.如权利要求13所述的x射线探测器模块，其中，所述探测器像素包括光电二极管。
24.一种成像装置，包括：
电离辐射源(12)；
辐射探测器(20)，其探测由所述辐射源发射的辐射，并且包括多个探测器模块，每个所述探测器模块都包括：
用于生成指示探测到的辐射的电信号的工具(200)；
用于存储指示所述探测器模块的性能的第一参数和第二参数的工具(200)；
用于使用所述第一参数校正所述电信号以生成经校正的探测器信号的工具(208)；
用于将所述第二参数传送给所述探测器模块外部的设备的通信接口(210)，由此所述外部的设备根据所述第二参数校正所述经校正的探测器信号；
用于选择性地将所述探测器模块连接至所述探测器的工具(212)；
重建器(26)，其生成指示由所述辐射探测器探测到的所述辐射的体积数据。
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