CN101680955A - 谱光子计数探测器 - Google Patents

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CN101680955A CN200880020657A CN200880020657A CN101680955A CN 101680955 A CN101680955 A CN 101680955A CN 200880020657 A CN200880020657 A CN 200880020657A CN 200880020657 A CN200880020657 A CN 200880020657A CN 101680955 A CN101680955 A CN 101680955A
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C·赫尔曼
R·斯特德曼
C·博伊默
G·蔡特勒
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Koninklijke Philips NV
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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
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    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/17—Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector
    • G01T1/171—Compensation of dead-time counting losses

Abstract

一种装置，包括一种积分器(120)，其生成具有指示所探测到的光子的能量的峰值幅值的脉冲。第一放电电路(136)以第一放电速度使所述积分器(120)放电，而第二放电电路(124)以第二放电速度使该积分器(120)放电。所述第一放电速度低于所述第二放电速度。

Description

谱光子计数探测器
本申请通常涉及谱光子计数探测器。虽然通过在计算机断层摄影(CT)中的具体应用对其进行描述，但其也涉及期望能量分辨所探测到的具有不同能量的光子的其他应用。
常规的计算机断层摄影(CT)系统包括辐射源，其发射横穿检查区域的多能电离(X射线)光子。一种辐射敏感探测器，其相对于检查区域位于所述辐射源的对面，其包括探测横穿检查区域的光子的像素。每个像素针对每个所探测到的光子生成电流，将所述电流积分并得到在测量间隔期间所有探测到的光子的沉积的能量的度量。
诸如在粒子物理学应用中使用的最先进的能量分辨计数探测器包括脉冲整形器，其处理指示所探测到的光子的电流并生成具有指示所探测到的光子的能量的峰值幅值的模拟电压脉冲。所述探测器还包括鉴别器，其将所述电压脉冲的幅值与对应于两个或更多个能量级的两个或更多个阈值集进行比较。所述探测器还包括针对每个阈值的计数器，其在脉冲的幅值上升并穿越所述阈值时计数。将所述计数能量分组到各能量范围，并且基于经分组的计数对所探测到的光子进行能量分辨。
一种示例脉冲整形器包括具有反馈电容器的积分放大器和以及跨导放大器，所述积分放大器对来自像素的传入电荷进行积分，所述跨导放大器使所述反馈电容器放电。遗憾的是，所述脉冲整形器生成的脉冲具有相对长的衰减拖尾(decaying tail)。因此，第一脉冲的衰减拖尾可能与随后的脉冲的上升幅值重叠。当脉冲如这样的重叠时，它们的幅值可能相组合，使随后的脉冲的幅值以第一脉冲的幅值贡献移位。因此，可能没有正确地对脉冲进行能量鉴别，并且，可能错误地使所探测到的粒子的能量分布移位。
另一个脉冲整形器包括一种积分放大器，其中使用开关来使反馈电容器放电。突然的使所述开关复位使得所述电容器放电，其导致与当使用在前面段落所讨论的跨导放大器时的拖尾相比较非常短的脉冲拖尾。遗憾的是，用于使所述开关的触发器复位所需要脉冲的幅值在积分时间间隔期间超出最低阈值。因此，针对小的输入电荷脉冲(例如，其可在CTZ传感器中由于K-荧光性导致而生成，并且其具有低于30keV的能量)，所述整形器可能生成具有低于最低阈值(就CTZ传感器来说，其可能被设置为高于30keV以避免计数K-荧光光子)的峰值幅值的脉冲。因此，没有使所述开关复位，并且使所述积分放大器的输出移位。因此，可能错误地将随后的具有超出最低阈值的能量的电荷脉冲的峰值幅值移位到较高的能量。
本申请的各方面解决上述的问题和其他问题。
根据一个方面，一种装置包括一种积分器，其生成具有指示所探测到的光子的能量的峰值幅值的脉冲。第一放电电路以第一放电速度(或速率)使所述积分器放电，而第二放电电路以第二放电速度使所述积分器放电。所述第一放电速度低于所述第二放电速度。
在另一个方面，一种辐射敏感探测器包括一种具有积分电容器的放大器，其生成具有指示所探测到的光子的能量的幅值的信号。一种电压控制的电流源基于所述信号的幅值使所述积分电容器放电，而当所述信号的幅值超出光子能量阈值时开关使所述积分电容器复位。
在另一个方面，一种方法包括：积分电荷以生成具有指示所探测到的光子的能量的峰值幅值的脉冲；以第一放电速度使保持电荷的电荷存储设备放电；以及当所述脉冲的峰值幅值超出光子能量阈值时，使所述电荷存储设备复位。
在阅读和理解下面详细描述的基础上，本领域普通技术人员将认识到本发明的更多其他方面。
本发明可以采用各种组件和组件的布置以及各种步骤和步骤的布置。附图仅作为说明优选实施例的目的，而不应被解释为限制本发明。
图1示出了一种成像系统；
图2示出了所述系统的一部分的实现方式；
图3示出了具有和不具有使所述积分器复位的脉冲；
图4示出了一种方法；
图5示出了所述系统的一部分的实现方式；
图6示出了堆积脉冲；
图7示出了已分化的堆积脉冲。
参考图1，一种计算机断层摄影(CT)系统100包括旋转扫描架部分104，其围绕纵轴或Z轴周围的检查区域108旋转。旋转扫描架部分104支撑诸如X射线管的X射线源112，并且X射线源112发射横穿检查区域108的多能辐射束。
辐射敏感探测器116包括多个像素118，其在至少180度加上一个扇角的范围内探测由所述源112发射的光子。每个像素118针对每个所探测到的光子生成相应的电信号，诸如电流或电压。合适的探测器的例子包括直接转换探测器(例如，基于碲锌镉(CZT)的探测器)以及基于闪烁体的探测器，该基于闪烁体的探测器包括与光电传感器进行光学通讯的闪烁体。
积分器120，诸如具有反馈电容器的运算放大器或类似的，处理所述电信号并生成指示所探测到的光子的脉冲，诸如电压或其他脉冲。在这个例子中，所述脉冲具有一个峰值幅值，其指示所探测到的光子的能量。
积分器复位器124选择性的使所述积分器120复位，其使所述积分器120放电。在一个例子中，所述积分器120的输出响应于复位而转变为预积分的状态。在图示的例子中，所述复位是由复位确定器128控制的，该复位确定器128基于所述积分时间以及将在下面更详细描述的能量鉴别器132的输出决定何时使所述积分器120复位。在一个例子中，使所述积分器120复位迅速地使由所述积分器120累积的电荷放电，相对于通过时间常量积分器124使电荷简单的衰减其可以减少衰减脉冲拖尾的持续时间。该缩短的拖尾可以降低随后的脉冲将与所述脉冲的拖尾重叠的概率。
一种放电放大器136，诸如电压控制的电流源或类似的，基于所述积分器120的输出使由所述积分器124累积的电荷放电。通常地，所述积分器复位器124以第一放电速度使所述积分器120放电，而所述放电放大器136以第二放电速度使所述积分器放电，其中所述第一放电速度快于所述第二放电速度。使用所述放电放大器136使所述积分器120放电促进了防止输出电压高于预期的基准电压的移位。当所述积分器120积分对应于所探测到的具有低于最低期望光子能量的阈值的能量的光子的电荷时可能导致这样的移位，该移位可能不会触发所述积分器复位器124。通过举例的方式，当将所述积分器复位器124配置为除非达到最低期望光子能量阈值(如由所述能量鉴别器132的输出确定的)否则不使所述积分器120中累积的电荷复位时，对应于所探测到的未超出所述最低期望光子能量阈值的光子的累积电荷可能使所述基线移位，由此相继的电荷脉冲的积分开始了。所述放电放大器136使这样的电荷放电。噪声电流和/或泄漏电流也可能促使这样的基线的移位。
所述能量鉴别器132能量鉴别由所述脉冲整形器120生成的电压脉冲，例如，通过将所生成的脉冲的幅值与一个或多个分别对应于特定的能量级的阈值相比较。当所述幅值上升并穿越相应的阈值时，所述能量鉴别器132生成一输出信号。针对一个或多个所述阈值的信号被提供给所述复位确定器128，当决定何时触发所述积分器复位器124使所述积分器120复位时，其使用这样的信号。
计数器140计数由每个能量鉴别器132针对每个阈值生成的信号的数量。针对每个阈值的计数指示具有超出所述阈值中的每一个的能量的所探测到的光子的数量。在一个例子中，所述计数器140在每平方毫米每秒大约109次计数(cps/mm2)的速率计数光子。该计数用于在能量范围中或在对应于所述阈值的组中能量分组所探测到的光子。
重建器144基于所述信号的谱特征选择性的重建由多个像素118生成的信号。
对象支架148，诸如床，在检查区域108中支撑患者或其他对象。所述对象支架148是可移动的以在执行扫描程序时相对于所述检查区域引导所述对象。
通用计算机用作操作控制台152。该控制台152包括人类可读输出设备，诸如监视器或显示器，以及输入设备，诸如键盘和鼠标。驻留在控制台152上的软件允许操作者通过如图形用户接口(GUI)控制所述扫描器100以及与所述扫描器100交互。这样的交互可能包括用于基于谱特征的重建信号的指示。
图2示出了所述系统100的一部分的非限制性实现方式的示例。在这个实现方式中，所述积分器120包括具有反馈电容器208的运算放大器204，所述反馈电容器208连接到运算放大器204的反相输入端。来自所述像素118的信号还被提供给所述预算放大器204的反相输入端。在这个例子中，使用电压源“HV”为所述像素118提供偏置电压。对CTZ像素来说，可以将HV配置为提供大约七百伏特(700V)的电压。在一个例子中，这样的电压用于建立高内部电场。
将由所述运算放大器204输出的电压脉冲(“V输出”)提供给所述能量鉴别器132，其包括用于将所述脉冲的幅值与N个不同的能量阈值TH1、TH1、……THN(统称为阈值N，或THN)进行比较的N个比较器2121、2121、......212N(统称为比较器212)。在这个例子中，TH1是最低的阈值而THN是最高的阈值。当所述的脉冲幅值超出相应的阈值时，比较器212的输出由低转变到高(或由高到低)。该转变指示所探测到的光子具有超出所述阈值的能量。来自所述比较器212的信号被提供给所述计数器140的各子计数器。每个子计数器针对相应的阈值计数转变。
在这个实现方式中，所述积分器复位器124包括开关220，其电学地与所述反馈电容器208并联。所述复位确定器128控制所述积分器复位器124，从而当所述积分时间流逝并且所述脉冲的幅值至少超出最低阈值TH1时所述开关220闭合同时所述电容器208被短路并放电。否则，所述开关220断开。所述复位确定器128基于所述比较器2121的输出信号确定何时脉冲的幅值超出最低阈值TH1。若需要，也可以将其它比较器2122-212N的输出提供给所述复位确定器128并被其使用以触发所述积分器复位器124以使所述电容器128复位。
将所述复位确定器128配置为在脉冲达到最大幅值之后触发复位。这可以通过在最大电荷收集时间TMAX流逝之后触发所述积分器复位器124实现。例如，可以配置所述复位确定器128使复位在积分开始时(或T0)之后的时间TMAX发生。当使用不同的起始点时，例如，使用当幅值超出最低阈值TH1时的时间T1，所述复位时间可以根据TMAX-ε设置，其中ε是T1与T0之间的时间差或ΔT。对于不同脉冲大小的时间差ε可能是相似的。如果不同脉冲的大小之间有可观的差，可以根据达到最低阈值TH1所需要的最短时间选择ε。使用这种技术，由所述积分器120引入的延迟(如果存在的话)至少部分地被包括在所述积分器的输出达到最低阈值TH1所需的时间中。
图3描述了具有和不具有复位的脉冲波形的例子。所述拖尾304示出了当所述积分器复位器124在所述脉冲最大幅值出现后使所述电容器208复位时的脉冲拖尾。所述拖尾308示出了当所述放电放大器136将所述电容器208放电时的脉冲拖尾。如上所示，相对于省略该复位，通过所述积分器复位器124的复位，脉冲的宽度，或脉冲的持续时间可以大幅度地减少。如上所述，像这样的减少脉冲的宽度可以降低随后的脉冲将与所述衰减脉冲的拖尾重叠的概率。因此，像这样的减小脉冲的宽度可以降低由堆积脉冲引起的能量分配的误差和/或导致相对更高的可测量的计数速率。
当复位时或在复位后不久，积分器120的输出电压回到基线，并且可以从所述基准电压开始处理来自所述像素118的随后的电荷脉冲。如上所述，在所述积分时间流逝后，当所述脉冲幅值超出TH1时，所述积分器124迅速的使所述电容器208放电。然而，当所述脉冲的幅值没有超出TH1时，不会调用所述积分器复位器124使所述电容器208放电，而是所述放电放大器136使所述电容器208放电，使得所述输出电压回到基线。
放电放大器136包括跨导电路224，诸如电压控制的电流源或其它跨导放大器。如上所述，跨导电路224表现为与电容器208并联的电阻电路。在所示的实现方式中，普通的电流源228提供电流给晶体管236以及240的差分对232，并且运算放大器204的输出电压被提供给所述晶体管236的栅极。当所述运算放大器204的输出电压V输出上升至高于基准电压时，所述晶体管236的栅极电压偏置该晶体管236，并且所述晶体管240输出的电流I补偿根据所述输出电压V输出变化。所述电流I补偿通常具有与来自所述像素的电荷的方向或符号相反的方向或符号，从而取消输入电荷使超出CF的电压回到V输出-V参考＝0。同样的，运算放大器204的输出电压操纵所述跨导电路224以使所述电容器208放电。
因此，在这个实现方式中，通过积分器复位器124缩短脉冲的脉冲持续时间，所述脉冲具有在由鉴别器132(“可测量的脉冲”)测量的能量范围中的能量，其降低了脉冲堆积的概率。针对具有没有超出最低阈值的峰值幅值的脉冲，放电放大器136使所述电容器208放电。
现在将结合图4描述操作过程。在404，探测到光子。在408，积分放大器对指示所探测到的光子的电荷进行积分。脉冲具有指示所述光子的能量的幅值。在412，横跨多个能量阈值能量鉴别所述脉冲。在416，决定所述脉冲的幅值是否超出与最小期望阈值对应的阈值。在420，如果所述脉冲的幅值超出这样的阈值，积分器复位器124使积分放大器120复位。经复位后，所述积分器120的输出回到所述基准电压，并且该积分器120可以对与相继探测到的光子对应的电荷进行积分。在424，如果所述脉冲的峰值幅值没有超出这个阈值，通过放电放大器136使累积的电荷放电，并且积分器120可以对与相继探测到的光子对应的电荷进行积分。如上所述，使用经能量鉴别的脉冲来能量分辨所探测到的光子，并且基于所探测到的光子的谱特征重建来自多个像素118的信号。
描述变型。
在备选实施例中，脉冲的峰值幅值还用于决定何时触发积分器复位器124以使电容器208放电。图5描述了一个例子，其示出了具有脉冲幅值最大值识别器504的系统100，所述脉冲幅值最大值识别器504诸如为定位脉冲的峰值幅值的微分器或其它最大值识别器。如上所示，复位确定器128使用提供给其的脉冲幅值最大值识别器504的输出以及比较器2121的输出来决定何时触发积分器复位器124以使所述电容器208放电。在其它实施例中，复位确定器128只使用最大幅值。
在所示的实现方式中，脉冲幅值最大值识别器504，当其发现幅值由上升转变为下降时，或下降(由正变负)过零点时，确定何时达到了最大幅值。如图6所示，脉冲幅值最大值识别器504在重叠脉冲612和616中探测最大幅值604和608。在这个例子中，当探测到脉冲612的最大幅值604时，触发积分器复位器124以复位电容器208，并且忽略脉冲616。在其它实施例中，没有忽略所述脉冲616。图7示出了针对各自的脉冲604和608的微分输出信号704和708。
应用还包括行李检查、非破坏性测试、医学数字透视、乳腺摄影、X射线以及其他工业和医学应用。
已经通过参考优选实施例对本发明进行了描述。在阅读和理解前述详细描述的基础上，其他人员可以进行修改和改变。意在将本发明解释为包括所有这些修改和改变，只要他们落入所附权利要求书或其等价物的范围内。

Claims (25)

1、一种装置，包括：
积分器(120)，其在其输出端生成具有指示探测到的光子的能量的峰值幅值的脉冲；
第一放电电路(136)，其以第一放电速度使所述积分器(120)放电；以及
第二放电电路(124)，其以第二放电速度使所述积分器(120)放电，其中，所述第一放电速度低于所述第二放电速度。
2、根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一放电电路(136)生成补偿信号，其被提供给所述积分器(120)的输入端以使所述积分器(120)放电。
3、根据权利要求2所述的装置，其中，所述补偿信号是所述脉冲的幅值的函数。
4、根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一放电电路(136)包括跨导放大器(224)，其使所述积分器(120)的电荷存储设备(208)放电。
5、根据权利要求4所述的装置，其中，所述跨导放大器(224)基于所述脉冲的幅值生成输出信号，并且所述输出信号被提供给所述积分器(120)的输入端。
6、根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一放电电路(136)使所述积分器(120)放电，从而使得所述积分器(120)的积分电容器(208)两端的电压回到V输出-V参考＝0，其中，V输出是所述积分器(120)的输出电压，而V参考是参考电压。
7、根据权利要求1所述的装置，还包括复位确定器(128)，当所述脉冲的幅值超出光子能量阈值时，所述复位确定器生成一个信号，其中，所述第二放电电路(124)基于所述信号使所述积分器(120)放电。
8、根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二放电电路(124)包括开关(208)，其使所述积分器(120)短路。
9、根据权利要求1所述的装置，其中，使用所述第二放电电路(124)使所述积分器(120)放电缩短了所述脉冲的衰减拖尾的持续时间。
10、根据权利要求1所述的装置，还包括：
能量鉴别器(132)，其生成指示所述幅值是否超出光子能量阈值的信号；以及
复位确定器(128)，其基于所述信号触发所述第二放电电路(124)以使所述积分器(120)放电。
11、根据权利要求1所述的装置，还包括脉冲最大幅值识别器(504)，其识别所述脉冲的最大幅值，其中，所述第二放电电路(124)基于所述脉冲最大幅值使所述积分器(120)放电。
12、根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二放电电路(124)在最大电荷收集时间流逝后使所述积分器(120)放电。
13、根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置形成了计算机断层摄影系统的一部分。
14、一种辐射敏感探测器，包括：
放大器(204)，其具有积分电容器(208)，所述放大器生成具有指示探测到的光子的能量的幅值的信号。
电压控制的电流源(136)，其基于所述信号的幅值使所述积分电容器(208)放电；以及
开关(220)，当所述信号的幅值超出光子能量阈值时，所述开关使所述积分电容器(208)复位。
15、根据权利要求14所述的辐射敏感探测器，其中，所述电压控制的电流源(136)生成补偿信号，其是所述放大器(204)的所述信号的函数，将所述补偿信号作为输入提供给所述放大器(204)以使所述积分电容器(208)放电。
16、根据权利要求14所述的辐射敏感探测器，其中，由所述放大器(204)输出的所述信号操纵所述电压控制的电流源(136)。
17、根据权利要求14所述的辐射敏感探测器，其中，在所述积分电容器(208)中累积的电荷通过所述开关(220)以第一放电速度放电，并且通过所述电压控制的电流源(136)以第二放电速度放电，其中，所述第一放电速度快于所述第二放电速度。
18、根据权利要求14所述的装置，其中，当所述脉冲的幅值超出光子能量阈值时，所述开关(220)使所述积分器(120)放电。
19、一种方法，包括：
对电荷进行积分以生成具有指示探测到的光子的能量的峰值幅值的脉冲；
以第一放电速度使保持所述电荷的电荷存储设备放电；
当所述脉冲的峰值幅值超出光子能量阈值时，使所述电荷存储设备复位。
20、根据权利要求19所述的方法，其中，使所述电荷存储设备复位使得所存储的电荷以相对于以所述第一放电速度使所述电荷存储设备放电更快的速度放电。
21、根据权利要求19所述的方法，还包括在所述脉冲的峰值幅值后使所述电荷存储设备复位。
22、根据权利要求19所述的方法，还包括在最大电荷收集时间流逝后使所述电荷存储设备复位。
23、根据权利要求19所述的方法，还包括通过开关使所述电荷存储设备复位。
24、根据权利要求19所述的方法，还包括通过跨导放大器使所述存储设备上的电荷放电。
25、根据权利要求19所述的方法，还包括通过使所述电荷存储设备短路来缩短所述脉冲的宽度。
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