CN101569530B - X-射线检测器和x-射线ct设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及X-射线检测器和X-射线CT设备。将实现一种仅用一层半导体就可适于低通量率到高通量率的X-射线检测器，以及一种具有这种X-射线检测器的X-射线CT设备。X-射线检测器使用将X-射线的光子直接转换成电信号的半导体，其装配有具有检测单元阵列的单层半导体衬底，该检测单元将X-射线的光子直接转换成电信号；第一数据收集装置，其以光子计数模式收集关于检测单元的数据；以及第二数据收集装置，其以电流测量模式收集关于检测单元的数据。该第一数据收集装置和第二数据收集装置收集关于不同检测单元的数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种X-射线检测器和一种X-射线CT(计算机断层摄影)设备，并且更特别地，涉及一种使用将X-射线的光子直接转换成电信号的半导体的X-射线检测器以及一种具有这种X-射线检测器的CT设备。
背景技术
在X-射线CT设备中，彼此相对的X-射线源和X-射线检测器扫描对象以收集投影数据，并且基于该投影数据重建图像。一些X-射线CT设备通过利用X-射线吸收系数的能量依赖性中的元件之间的差别，而执行针对特定元件的成像。
这种X-射线CT设备使用X-射线检测器，该X-射线检测器逐能量地(energy by energy)对X-射线的光子进行计数。在这种X-射线检测器中，半导体将X-射线的光子直接转换成电信号。作为半导体，例如可以使用CZT(镉锌碲化物)等。
在使用这种半导体的X-射线检测器中，由于当X-射线的通量率变高时，光子计数变得饱和，提供多个检测层以提高饱和极限(例如，参见美国专利申请号2006/0056581)。
因为光子计数的饱和极限是由具有多个半导体层的X-射线检测器中每层的厚度确定的，这种X-射线检测器的制造需要复杂的制造技术和精确的制造器械。为此，这种X-射线检测器不可避免地成本较高。
鉴于这种情况，本发明将解决的问题是实现一种仅用一层半导体就可适于低通量率到高通量率的X-射线检测器，以及一种具有这种X-射线检测器的X-射线CT设备。
发明内容
根据其第一方面，解决该问题的本发明是一种X-射线检测器，其使用将X-射线的光子直接转换成电信号的半导体，该X-射线检测器包括：具有检测单元阵列的单层半导体衬底，该检测单元将X-射线的光子直接转换成电信号；第一数据收集装置，其以光子计数模式收集关于检测单元的数据；以及第二数据收集装置，其以电流测量模式收集关于检测单元的数据。
根据其第二方面，解决该问题的本发明是根据第一方面的X-射线检测器，其中第一数据收集装置和第二数据收集装置收集关于公共检测单元的数据。
根据其第三方面，解决该问题的本发明是根据第一方面的X-射线检测器，其中第一数据收集装置和第二数据收集装置收集关于不同检测单元的数据。
根据其第四方面，解决该问题的本发明是根据第一方面的X-射线检测器，其中检测单元阵列具有布置在半导体衬底的前面和背面的其中之一上的公共电极；以及布置在半导体衬底的前面和背面的另一上的多个独立电极。
根据其第五方面，解决该问题的本发明是根据第四方面的X-射线检测器，其中该多个独立电极是用于第一数据收集装置的第一组独立电极和用于第二数据收集装置的第二组独立电极的混合。
根据其第六方面，解决该问题的本发明是根据第五方面的X-射线检测器，其中第一组独立电极和第二组独立电极共享像素。
根据其第七方面，解决该问题的本发明是根据第五方面的X-射线检测器，其中第一组独立电极和第二组独立电极不共享像素。
根据其第八方面，解决该问题的本发明是根据第四方面的X-射线检测器，其中检测单元阵列在公共电极侧上经受X-射线的入射。
根据其第九方面，解决该问题的本发明是根据第四方面的X-射线检测器，其中检测单元阵列在独立电极侧上经受X-射线的入射。
根据其第十方面，解决该问题的本发明是根据第九方面的X-射线检测器，其中检测单元阵列在独立电极和公共电极之间的半导体层的侧面上经受X-射线的入射。
根据其第十一方面，解决该问题的本发明是一种X-射线CT设备，该X-射线CT设备通过用X-射线扫描对象而收集投影数据并且基于这些投影数据重建图像，该X-射线CT设备包括具有检测单元阵列的单层半导体衬底，该检测单元将X-射线的光子直接转换成电信号；第一数据收集装置，其以光子计数模式收集关于检测单元的数据；第二数据收集装置，其以电流测量模式收集关于检测单元的数据；以及图像重建装置，其基于第一数据收集装置收集的数据重建图像，并且基于第二数据收集装置收集的数据重建图像。
根据其第十二方面，解决该问题的本发明是根据第十一方面的X-射线CT设备，其中第一数据收集装置和第二数据收集装置收集关于公共检测单元的数据。
根据其第十三方面，解决该问题的本发明是根据第十一方面的X-射线CT设备，其中第一数据收集装置和第二数据收集装置收集关于不同检测单元的数据。
根据其第十四方面，解决该问题的本发明是根据第十一方面的X-射线CT设备，其中检测单元阵列具有布置在半导体衬底的前面和背面的其中之一上的公共电极；以及布置在半导体衬底的前面和背面的另一上的多个独立电极。
根据其第十五方面，解决该问题的本发明是根据第十四方面的X-射线CT设备，其中该多个独立电极是用于第一数据收集装置的第一组独立电极和用于第二数据收集装置的第二组独立电极的混合。
根据其第十六方面，解决该问题的本发明是根据第十五方面的X-射线CT设备，其中第一组独立电极和第二组独立电极共享像素。
根据其第十七方面，解决该问题的本发明是根据第十五方面的X-射线CT设备，其中第一组独立电极和第二组独立电极不共享像素。
根据其第十八方面，解决该问题的本发明是根据第十四方面的X-射线CT设备，其中检测单元阵列在公共电极侧上经受X-射线的入射。
根据其第十九方面，解决该问题的本发明是根据第十四方面的X-射线CT设备，其中检测单元阵列在独立电极侧上经受X-射线的入射。
根据其第二十方面，解决该问题的本发明是根据第十九方面的X-射线CT设备，其中检测单元阵列在独立电极和公共电极之间的半导体层的侧面上经受X-射线的入射。
根据本发明的X-射线检测器是使用将X-射线的光子直接转换成电信号的半导体的X-射线检测，并且由于其配置有具有检测单元阵列的单层半导体衬底，该检测单元将X-射线的光子直接转换成电信号；第一数据收集装置，其以光子计数模式收集关于检测单元的数据；以及第二数据收集装置，其以电流测量模式收集关于检测单元的数据，因此可以实现仅用单层半导体就可适于低通量率到高通量率的X-射线检测器。
以光子计数模式处理(address)低通量率。这使得关于X-射线吸 收量较大的部分的数据收集成为可能。可以光子计数模式处理的任何通量率可以通过改变检测单元的尺寸而改变。以电流测量模式处理高通量率。甚至在高通量率可在电流测量模式下实施数据收集，而没有饱和。
根据本发明的X-射线CT设备是通过使用X-射线扫描对象而收集投影数据并且基于这些投影数据重建图像的X-射线CT设备，并且由于其装配具有检测单元阵列的单层半导体衬底，该检测单元将X-射线的光子直接转换成电信号；第一数据收集装置，其以光子计数模式收集关于检测单元的数据；第二数据收集装置，其以电流测量模式收集关于检测单元的数据；以及图像重建装置，其基于第一数据收集装置收集的数据重建图像，并且基于第二数据收集装置收集的数据重建图像，因此可以实现具有利用单层半导体就可适于低通量率到高通量率的X-射线检测器的X-射线CT设备。
通过以光子计数模式处理低通量率并且以电流测量模式处理高通量率，可以处理从低通量率至高通量率连续的任何通量率。在根据以光子计数模式收集的数据的图像中可以显现特定元件的分布，并且在根据以电流测量模式收集的数据的图像中可以显现X-射线吸收系数的分布。
由于第一数据收集装置和第二数据收集装置收集关于公共检测单元的数据，关于每个检测单元可以以两种模式完成数据收集。
由于第一数据收集装置和第二数据收集装置收集关于不同检测单元的数据，可以为其数据收集模式最优配置每个检测单元。
由于检测单元阵列具有布置在半导体衬底的前面和背面的该另一上的多个独立电极，以及布置在半导体衬底的前面和背面的该其中之一上的公共电极，可以简化阵列的配置。
由于该多个独立电极是用于第一数据收集装置的第一组独立电极和用于第二数据收集装置的第二组独立电极的混合，可以为其相应的数据收集模式最优配置第一组独立电极和第二组独立电极。
由于第一组独立电极和第二组独立电极共享像素，关于每个像素可以以两种模式完成数据收集。
由于第一组独立电极和第二组独立电极不共享像素，可以为其相应的数据收集模式最优配置第一组独立电极和第二组独立电极。
由于检测单元阵列在公共电极侧上经受X-射线的入射，其可以适于二维分布的X-射线。
由于检测单元阵列在独立电极侧上经受X-射线的入射，其可以适于二维分布的X-射线。
由于检测单元阵列在独立电极和公共电极之间的半导体层的侧面上经受X-射线的入射，其可以适于一维分布的X-射线。
附图说明
图1是示出X-射线CT设备的配置的图，其是用于实施本发明的最优模式的一个实例。
图2是示出X-射线CT设备的配置的图，其是用于实施本发明的最优模式的一个实例。
图3是示出X-射线照射/检测装置的配置的图。
图4是示出X-射线检测器的X-射线入射面的配置的图。
图5是示出X-射线检测器的配置的图，其是用于实施本发明的最优模式的另一实例。
图6是示出X-射线检测器的电极配置的图。
图7是示出X-射线检测器的电极配置的图。
图8是示出X-射线检测器的电极配置的图。
图9是示出电极和DAS之间关系的图。
图10是示出输入电流的测量结果的图。
图11是示出输入电流的测量结果的图。
图12是示出输入电流的测量结果的图。
图13是示出输入电流的测量结果的图。
图14是示出X-射线检测器的配置的图，其是用于实施本发明的最优模式的一个实例。
图15(a)至15(c)是各自示出X-射线检测器的电极配置的图。
图16(a)至16(c)是各自示出X-射线检测器的电极配置的图。
图17(a)至17(c)是各自示出X-射线的入射方向的图。
图18(a)和18(b)是各自示出多个半导体衬底的组合的图。
具体实施方式
将参考附图描述用于实施本发明的最优模式。顺便提及，本发明不局限于用于实施本发明的该最优模式。图1中示出了X-射线CT设备的示意性配置。该设备是用于实施本发明的最优模式的一个实例。该设备的配置示出了用于实施涉及X-射线CT设备的本发明的最优模式。
如图1中所示，该设备具有机架100、平台(table)200以及操作员控制台300。机架100使用X-射线照射/检测装置110扫描由平台200承载的对象10，以在多个视角收集投影数据并且将它们输入操作员控制台300中。
操作员控制台300基于从机架100输入的投影数据而实施图像重建，并且在显示器302上显示重建的图像。使用操作员控制台300中的专用计算机完成图像重建。操作员控制台300是根据本发明的图像重建装置的实例。
操作员控制台300还控制机架100和平台200的操作。由操作员控制台300中的专用计算机完成该控制。在操作员控制台300的控制下，机架100在指定的扫描条件下执行扫描，而平台200如此定位对象10使得可以扫描指定区域。通过使内置位置调整机制调整平台顶部202的高度和平台顶部上托架(cradle)204的水平行进距离而完成该定位。
通过在托架204停止(at halt)的状态下执行扫描，可以实现轴向扫描。通过在持续移动托架204的同时执行多个连续扫描，可以实现螺旋扫描。通过在间歇地移动托架204的同时在每个停止位置执行扫描，可以实现群扫描(cluster scan)。
通过围绕支撑206安装在基座208的部分而摆动(swing)支撑206，实施对平台顶部202的高度调整。支撑206的摆动在垂直方向和水平方向上移置平台顶部202。托架204在平台顶部202上沿水平方向行进以抵消平台顶部202在水平方向上的移位。根据扫描状况，在机架100倾斜的状态下实现扫描。使用内置倾斜机制实现机架100的倾斜。
顺便提及，平台200同样可以是这样的类型，如图2中所示，平台顶部202根据该类型相对于基座208上下移动。由内置的升高/降低机制上下移动平台顶部202。在该平台200中，没有水平移动伴随着平台顶部202的向上或向下的运动。
图3示意性地示出了X-射线照射/检测装置110的配置。X-射线照射/检测装置110用X-射线检测器150检测从X-射线管130的焦点132辐射的X-射线134。
由未示出的准直仪将X-射线134整形为锥形束或扇形束的X-射线。X-射线检测器150具有X-射线入射面152，其相应于X-射线的 展开而二维扩展。X-射线入射面152如此弯曲以构成圆筒(cylinder)的一部分。圆筒的中心轴通过焦点132。
X-射线照射/检测装置110围绕通过图像拾取中心(即等角点(isocenter)0)的中心轴旋转。中心轴平行于由X-射线检测器形成的部分圆筒的中心轴。
旋转的中心轴的方向称作z方向，连接等角点0和焦点132的方向称作y方向，而垂直于z和y方向的方向称作x方向。这些x、y和z轴构成旋转坐标系的三个轴，其中z轴为中心轴。
图4示意性地示出了X-射线检测器150的X-射线入射面152的平面图。X-射线入射面152由二维排列在x方向和z方向上的检测单元154形成。因而，X-射线入射面152是检测单元154的二维阵列。顺便提及，在使用扇形束X-射线的情况下，X-射线入射面152也可以被认为是检测单元154的一维阵列。
每个独立检测单元154构成X-射线检测器150的检测通道。因此，X-射线检测器150是多通道X-射线检测器。检测单元154配置为两面都具有电极的半导体。作为半导体，例如使用CZT(镉锌碲化物)。顺便提及，这并不是唯一的选择，也可以使用CdTe(镉碲化物)或HgI2(汞碘化物)。通过使用这种半导体，可以将光子有效地转换成电信号。
图5示意性地示出了X-射线检测器150的配置。X-射线检测器150是实施本发明的最优模式的实例。X-射线检测器150的配置示出了用于实施涉及X-射线检测器的本发明的最优模式。
如图5中所示，X-射线检测器150具有半导体衬底500。半导体衬底500在X-射线入射的表面(上表面)上具有电极510。在整个上表面上连续提供电极510。电极510构成公共电极。下文中，电极510也可以称作公共电极。将负高压-HV施加在公共电极510上。顺便提及，施加的电压也可以是正高压+HV。
半导体衬底500在与X-射线入射面相对的一侧(下表面)上具有多个电极520。该多个电极520以指定的间距(pitch)二维排列在整个下表面上。该多个电极520的每一个构成独立电极。下文中，每个电极520也可以称作独立电极。独立电极520对应于独立检测单元154。独立电极520也对应于独立像素。
DAS(数据采集系统)600连接至每个检测单元。尽管为每个检测单 元提供了DAS 600，但是将仅对一个检测单元进行代表性的说明。DAS 600为每个检测单元收集数据。
图6示出了独立电极520的配置的实例。如图6中所示，该多个独立电极520的每一个配置为两个电极522和524。这导致电极522和524共享一个像素。顺便提及，在该多个独立电极和构成它们每一个的两个电极上标注参考符号仅在一个位置上进行，每一个该位置表示所有其它位置。这同样适用于下文。
两个电极之间的关系是一个电极522被完全环形的另一电极524围绕。该布置有利于区分这两个电极。同样，一个电极的完全围绕使得能够由外部电极形成闭环。
顺便提及，两个电极522和524之间的关系不限于此，一个电极522也可以由不完全环形的另一个电极524围绕，如图7中所示，或者一个电极522和另一个电极524交替地以组合梳形而互相啮合，如图8中所示。电极的不完全围绕有助于从内电极取出信号，或者交替啮合的关系适于提高两个电极之间的等同性。也可以构想各种其它方式的组合。电极522是根据本发明的第一组独立电极的一个实例。电极524是根据本发明的第二组独立电极的一个实例。
图9示出了两个电极522和524以及DAS 600之间关于一个检测单元的关系。该关系类似地适用于所有其它检测单元。如图9中所示，电极522连接至DAS 600的光子计数电路610。光子计数电路610在光子计数模式中对来自电极522的输入信号计数。这导致将计数X-射线的光子数量。可以在光子计数模式中处理的通量率可以通过改变电极522的尺寸而改变。
通过区分光子能量而实现计数。基于指定阈值而实施能量的区分。通过设置多个阈值，可以区分多个能量。顺便提及，也可以不区分能量而对光子计数。光子计数电路610是根据本发明的第一数据收集装置的一个实例。
电极524连接至DAS 600的电流测量电路620。电流测量电路620在电流测量模式中测量来自电极524的输入信号。这导致了对X-射线的信号强度的测量。与光子计数不同，即使X-射线的通量率变高，输入电流也不饱和。电流测量电路620是根据本发明的第二数据收集装置的一个实例。
图10至图13中示出了输入电流的实际测量结果的曲线图。图10示出了当X-射线管的管电流改变时输入电流的改变。管电流的任何增加对应于X-射线的通量率的增加。图11示出了当X-射线管的管电压改变时的输入电流的改变。管电压的任何增加对应于通量率的增加。图12示出了当位于X-射线管和X-射线检测器之间的铜板的厚度改变时的输入电流的改变。吸收计数(absorption count)的任何减小对应于X-射线的通量率的增加。从这些曲线图中可明显看出，输入电流线性增加，而X-射线通量率的升高没有饱和。
图13示出了当吸收计数逐步增加以恢复到其原始水平时的输入电流的改变。从该曲线图中可明显看出，从吸收计数的任何增加或减小中未发生磁滞现象。
这使得X-射线检测器150利用单层半导体衬底500就可适于低通量率到高通量率。在该X-射线检测器150中，检测单元154的尺寸，即像素尺寸，可以容易地设置为约0.1mm。因而，可以容易地获得空间分辨力出色的X-射线检测器。而且，由于其仅具有单一检测层，其制造成本远低于多层产品的制造成本。
分别根据光子计数电路610的计数和电流测量电路620的测量重建图像。基于光子计数重建的图像给出了X-射线层析图，其表示了其中吸收了大量X-射线的对象10的一部分中的特定元件的分布。当在光子计数的时候使用多个阈值时，获得其中单独区分多个元件的X-射线层析图。另一方面，基于测得的电流重建的图像给出了表示对象10中的X-射线吸收系数的分布的X-射线层析图。
如图14中所示，每个检测单元的两个电极可以集成为电极520，并且从电极520将信号输入至光子计数电路610和电流测量电路620的每一个中。同样，以该方式，可以由光子计数电路610和电流测量电路620分别实施对相同像素的光子计数和电流测量。
通过光子计数电路610进行的光子计数和通过电流测量电路620进行的电流测量也可以对不同的像素实现。在图15(a)至(c)中示出了这种情况。如图15(a)至(c)中所示，光子计数电路610连接至电极520a，并且电流测量电路620连接至电极520b。
电极520a和电极520b是不同检测单元的电极，并且交替地排列在半导体衬底500上。电极520a和电极520b的交替排列可以是如图15 (a)中所示的纵向交替排列，如图15(b)中所示的横向交替排列或者如图15(c)中所示的半间距滞后的交替排列。顺便提及，电极520a和电极520b也可以交替排列在纵向和横向方向上。
如图16(a)至16(c)中所示，电极520a和电极520b也可以以半导体衬底500上的分布密度来区分。图16(a)示出了其中全是电极520a的行和其中电极520a和电极520b彼此交替的行的纵向方向上的交替布置；图16(b)，高密度的电极520a和低密度的电极520b的行的纵向上的交替布置；图16(c)，低密度的电极520a和高密度的电极520b的行的纵向上的交替布置。顺便提及，电极520a和电极520b可以在形状和/或尺寸上有所不同。
使用具有这种检测单元的半导体衬底500，其中其公共电极侧面向X-射线的入射方向，如图17(a)中所示；其独立电极侧面向X-射线的入射方向，如图17(b)中所示；或者公共电极和独立电极之间的半导体层面向X-射线的入射方向，如图17(c)中所示。其以这种方式的使用使得其可适于一维分布的X-射线。
当公共电极或独立电极沿X-射线的入射方向定向时，多个半导体衬底500排列在相同的平面上，如图18(a)上所示。另一方面，当公共电极和独立电极之间的半导体层的侧面沿X-射线的入射方向定向时，在厚度方向上堆叠层，其中间放置有绝缘层。这样，可以实现对锥形束X-射线的二维延伸的适应。
X-射线检测器150也可以检测除了X-射线之外的其它辐射。因而，通过将放射性示踪剂注射入对象10中，并且扫描对象而不用X-射线照射他或她，可以获得由从示踪剂辐射的光子的计数所产生的投影数据。
通过基于这种投影数据执行图像重建，可以显现示踪剂在对象10中的分布。因而，该设备也可以用作SPECT(单光子发射断层摄影)设备。
X-射线CT设备不局限于医疗用途的X-射线CT设备，其也可以是用于工业用途等的X-射线CT设备。通过转动对象而不是转动X-射线照射/检测设备也可以实现扫描。或者，也可以以彼此相反的方向转动X-射线照射/检测设备和对象。
Claims (8)
1.一种使用将X-射线的光子直接转换成电信号的半导体的X-射线检测器，该X-射线检测器包括：
具有检测单元的阵列的单层半导体衬底，所述检测单元将X-射线的光子直接转换成电信号；
第一数据收集装置，其以光子计数模式收集关于所述检测单元的数据；以及
第二数据收集装置，其以电流测量模式收集关于所述检测单元的数据，
其中，所述检测单元的阵列具有：
布置在所述半导体衬底的前面和背面的其中之一上的公共电极；以及
布置在所述半导体衬底的前面和背面的另一个上的多个独立电极，其中每个独立电极被配置成共享一个像素的两个电极，并且其中所述两个电极中的一个连接到所述第一数据收集装置，而所述两个电极中的另一个连接到所述第二数据收集装置。
2.根据权利要求1的X-射线检测器，其中：
所述检测单元的阵列在所述公共电极所位于的侧上经受X-射线的入射。
3.根据权利要求1的X-射线检测器，其中：
所述检测单元的阵列在所述独立电极所位于的侧上经受X-射线的入射。
4.根据权利要求1的X-射线检测器，其中：
所述检测单元的阵列在所述独立电极和所述公共电极之间的半导体层的侧面上经受X-射线的入射。
5.一种X-射线CT设备，其通过使用X-射线扫描对象来收集投影数据并且基于这些投影数据重建图像，该X-射线CT设备包括：
具有检测单元的阵列的单层半导体衬底，所述检测单元将X-射线的光子直接转换成电信号；
第一数据收集装置，其以光子计数模式收集关于所述检测单元的数据；
第二数据收集装置，其以电流测量模式收集关于所述检测单元的数据；以及
图像重建装置，其基于所述第一数据收集装置收集的数据重建图像，并且基于所述第二数据收集装置收集的数据重建图像，
其中，所述检测单元的阵列具有：
布置在所述半导体衬底的前面和背面的其中之一上的公共电极；以及
布置在所述半导体衬底的前面和背面的另一个上的多个独立电极，其中每个独立电极被配置成共享一个像素的两个电极，并且其中所述两个电极中的一个连接到所述第一数据收集装置，而所述两个电极中的另一个连接到所述第二数据收集装置。
6.根据权利要求5的X-射线CT设备，其中：
所述检测单元的阵列在所述公共电极所位于的侧上经受X-射线的入射。
7.根据权利要求5的X-射线CT设备，其中：
所述检测单元的阵列在所述独立电极所位于的侧上经受X-射线的入射。
8.根据权利要求5的X-射线CT设备，其中：
所述检测单元的阵列在所述独立电极和所述公共电极之间的半导体层的侧面上经受X-射线的入射。
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