CN101978289B - 单光子辐射探测器 - Google Patents

单光子辐射探测器 Download PDF

Info

Publication number
CN101978289B
CN101978289B CN200980109788.7A CN200980109788A CN101978289B CN 101978289 B CN101978289 B CN 101978289B CN 200980109788 A CN200980109788 A CN 200980109788A CN 101978289 B CN101978289 B CN 101978289B
Authority
CN
China
Prior art keywords
photon
radiation detector
optical photons
burst
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN200980109788.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101978289A (zh
Inventor
C·博伊默
T·弗拉奇
C·赫尔曼
G·普雷舍尔
T·佐尔夫
R·斯特德曼布克
G·蔡特勒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN101978289A publication Critical patent/CN101978289A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101978289B publication Critical patent/CN101978289B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2018—Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20184—Detector read-out circuitry, e.g. for clearing of traps, compensating for traps or compensating for direct hits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/17—Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2018—Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20185—Coupling means between the photodiode and the scintillator, e.g. optical couplings using adhesives with wavelength-shifting fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
    • H04N25/773—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters comprising photon counting circuits, e.g. single photon detection [SPD] or single photon avalanche diodes [SPAD]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

本发明涉及一种尤其适用于在CT扫描器中的能量分辨单X射线光子探测的辐射探测器(100)。在优选实施例中，探测器(100)包括闪烁体元件(Sk)的阵列，在闪烁体元件中将入射的X射线光子(X)转换成光学光子的脉冲猝发(hn)。与闪烁体元件(Sk)相关联的像素(Pk)确定在预定采集时段之内像素接收的光学光子数量。然后可以对这些数量进行数字处理以探测单X射线光子(X)并确定它们的能量。尤其可以由连通用于数据处理的关联数字电子电路的雪崩光电二极管来实现像素。

Description

单光子辐射探测器
技术领域
本发明涉及一种用于探测单光子(例如X射线)的方法和辐射探测器。此外，本发明涉及一种包括这种探测器的成像系统，并涉及一种用于执行这种方法的计算机程序产品。
背景技术
WO 2006/34585A1公开了一种辐射探测器，包括用于将入射的X射线光子转换成光学光子的脉冲猝发(burst)的闪烁体以及用于将光学光子的脉冲猝发转换成电脉冲的半导体光电倍增器。统计产生的电脉冲并区分其峰值高度，以便确定入射X射线光子的速率和能量。
发明内容
基于这种情况，本发明的目的在于提供一种替代方式，用于探测单光子，尤其是γ或X射线光子，其中期望可以探测到高速率光子和/或可以分辨它们的能量。
这一目的是通过根据权利要求1所述的辐射探测器、根据权利要求12所述的成像系统、根据权利要求13所述的方法和根据权利要求15所述的计算机程序产品实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。
根据本发明的辐射探测器用于探测电磁辐射，尤其是在大约10keV和大约200keV之间的能量范围中的γ光子和/或X射线光子。
所述探测器包括下述部件：
a)至少一个闪烁体元件，用于将入射光子(如果其与闪烁体材料交互作用)转换成光学光子的脉冲猝发。典型地，由单X射线光子产生波长在大约0.2μm和大约1.0μm之间的数百到数千光学光子的脉冲猝发或簇射，其中光学光子的数量取决于被转换X射线光子的能量。
b)至少一个“像素”，用于确定在光学光子的一个脉冲猝发的持续时间之内至少两个预定采集时段期间从前述闪烁体元件接收的光学光子的数量。在本文中中将“一个脉冲猝发的持续时间”定义为直到脉冲猝发的光子通量衰减到小于其(初始)峰值10％的(平均)时间。这个时间的典型值介于10ns和1000ns之间，优选45ns和115ns之间，最优选在45ns和80ns之间。优选地，在采集时段的倍数，例如十到五十倍采集时段中由像素对每个脉冲猝发采样。像素将包括数字电路系统，因为它确定和输出的不是模拟值而是数量。
所述辐射探测器的优点是在探测过程的最早阶段使用数字数据进行处理，即，用于统计由例如X射线光子产生的光学光子。于是可以避免与处理模拟电信号相关联的问题。通过在多个采集时段中对光学光子脉冲猝发采样，可以在时间上分辨脉冲猝发的形状，从而产生关于相关联的处理的有价值信息。此外，探测器提供了高度灵活性，因为其原始数据的评估可能很大程度受软件控制，该原始数据即所确定的光学光子的数字值。
尽管辐射探测器可能仅有一个闪烁体元件和/或仅一个像素，但典型地它将包括布置成一维或二维阵列的多个闪烁体元件和像素。于是就可以如例如计算机断层摄影(CT)应用中所要求的那样来设计空间分辨的探测器。
可以使用各种将更高能量光子转换成光学光子的材料来实现闪烁体元件。例如由单X射线光子产生的光学光子的脉冲猝发通常以高峰值开始，然后以特征衰减时间按指数形式衰减(即，在衰减时间中脉冲猝发通量减小到1/e＝37％)。在本文中，优选闪烁体元件包括这样的材料，该材料所产生的光学光子的脉冲猝发的衰减时间小于100纳秒，优选小于50纳秒。在这种情况下，即使在高速率入射时也将能够分离相继的X射线光子。应当指出，短的衰减时间要求短的和/或紧密相随的采集时段，即快速像素操作。
辐射探测器可以任选地包括用于数字时钟信号的输入，其中这个信号的逻辑电平(例如“0”或“1”)确定是否由像素执行采集时段。尽管时钟信号也可以备选地由外部部件提供，但产生时钟信号的电路通常将也是辐射探测器的一部分。利用时钟信号，可以有效地控制辐射探测器的工作；于是例如能够简单地经由采集时段的相对长度(占空比)调节像素灵敏度。时钟信号典型地将具有在几十到几百兆赫兹范围内的频率，以实现光学光子脉冲猝发的充分高的时间分辨率。
在前述实施例中，采集时段到数字时钟信号的逻辑电平的分配是任意的。因此辐射探测器可能包括两组像素，它们在时钟信号的不同逻辑电平期间执行采集时段。如果辐射探测器包括像素的二维阵列(例如)，这些元件的每隔一列可以在时钟信号的逻辑电平“1”期间执行采集时段，而其余列在逻辑电平“0”期间执行采集时段。通过这种方式，可以更均匀地分布对资源(例如电源或数据处理能力)的访问。
辐射探测器可以任选地还包括评估设备，用于关于以下方面中的至少一个评估由像素确定的数量：
-单被转换光子的探测。计数数量例如将会把光学光子的脉冲猝发分辨成时域范围中的数量的特征序列，从该序列可以探测到背后被转换的光子。
-对由不同的被转换光子产生的光学光子的堆积的校正。这种方法考虑了，尤其是在高光子通量时，两个相继的光子可能短暂相继地到达同一闪烁体元件，使得它们的光学光子的脉冲猝发将会交叠。
-在给定时段(比采集时段长得多)期间确定的光学光子的积分数量。这个积分值允许估计例如入射X射线束的强度，从而提供有价值的信息，尤其是在不再可能分辨单X射线光子的高X射线通量的情况下。
-单被转换光子的能量。如果要将探测器用在光谱CT中，尤其需要这种信息。可以从探测到的光子的脉冲猝发中的光学光子数量(例如总数或峰值)导出这种信息。
具体而言，可以由具有相关联软件的数字数据处理硬件实现评估设备。由于像素已经提供了(数字)数量作为信号，所以可能将评估设备的至少部分定位得靠近像素或在像素之内，从而避免信号损耗和干扰以及长信号线上的时间延迟。
在评估设备的特定实施例中，这可以包括用于确定两个相继被转换光子之间时间距离的计时器和用于基于所述时间距离分离这两个光子的测量效果的校正模块。通常可以经由光学光子的数量中的相关联峰值以简单方式探测例如由单X射线光子产生的光学光子脉冲猝发的开始；这样也容易测量两个相继X射线光子之间的时间距离。然后，用于分离两个X射线光子效果交叠的算法能够使用例如数据库(例如查找表)，在数据库中以适当形式存储了探测硬件(闪烁体元件，像素)的特征参数。
根据本发明的优选实施例，像素包括探测器单元的(一维或二维)阵列，每个探测器单元在探测到单光学光子时产生电信号。电信号可以是仅具有表示信息“探测到光学光子”或“未探测到光学光子”的两个逻辑电平的数字信号。或者，电信号可以是模拟值，通常将会在进一步处理期间把该模拟值转换成(二元)数字值。
可以任选地将前述探测器单元设计为使得它们在探测到单光学光子时从敏感状态变为不敏感状态。于是，保证了清晰而可探测的状态跃迁表示光学光子的入射。
在前述情况下，优选在位于相继采集时段之间的复位时段期间将探测器单元复位成敏感状态(如果它们处于不敏感状态的话)。在这种情况下，数字时钟信号能够确定探测器单元中采集和复位时段的交替序列。
探测器单元的具体实施例是工作在Geiger模式下的雪崩光电二极管，其中敏感状态是处于击穿区域中的状态，而不敏感状态是在击穿之后呈现的。
为了评估由探测器单元提供的电信号，像素优选地包括集中器，用于计算在一个采集时段期间提供的来自所有其探测器单元的电信号的总数。那么，集中器的输出是在该期间中接收的光学光子的所需数量。
本发明还涉及一种包括上述种类的辐射探测器以及任选地用于产生X射线的X射线源的成像系统，尤其是CT(计算机断层摄影)、PET(正电子发射断层摄影)、SPECT(单光子发射计算断层摄影)或核成像系统。
此外，本发明涉及一种探测光子，尤其是X射线或γ光子的方法，该方法包括以下步骤：
a)将入射在闪烁体元件上的光子转换成光学光子的脉冲猝发。
b)确定在光学光子的一个脉冲猝发持续时间之内至少两个预定采集时段期间从所述闪烁体元件接收的光学光子的数量。
在一般形式下，该方法包括能够用上述种类的辐射探测器执行的步骤。因此，关于该方法的细节、优点和改进之处的更详细信息，参考前面的描述。
根据该方法的优选实施例，关于产生光学光子的被转换光子的数量和/或能量评估所确定的光学光子数量。尤其可以在CT扫描器中执行这种方法。
辐射探测器和/或成像系统通常将是可编程的，例如，其可以包括微处理器或FPGA。因此，本发明还包括一种计算机程序产品，当在计算装置上执行时，该计算机程序产品提供根据本发明的任何方法的功能性。
此外，本发明包括一种数据载体，例如软盘、硬盘或紧致盘(CD ROM)，其以机器可读形式存储计算机产品并且当在计算装置上执行数据载体上存储的程序时，执行本发明的方法中的至少一种。
当前，常常在因特网或公司内部网上提供这种软件供下载，因此本发明还包括通过局域网或广域网传输根据本发明的计算机产品。计算装置可以包括个人计算机或工作站。计算装置可以包括微处理器和FPGA之一。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得到阐述。将借助于附图以举例方式描述这些实施例，附图中：
图1示意性示出了根据本发明的X射线探测器；
图2示出了X射线探测器的示例性输出；
图3图示说明了典型的时钟信号；
图4示出了用于X射线探测器、包括数字化逆变器的探测单元的第一实施例；
图5和6示出了没有数字化逆变器的探测器单元的两个实施例；
图7和8示出了用于将单个探测器单元的输出相加的集中器电路的两个实施例；
图9示出了根据本发明的X射线装置中的集中器网络布置。
在附图中，采用类似的附图标号或者相差100的整数倍的附图标号表示相同或类似的部件。
具体实施方式
光谱计算机断层摄影很有可能带来3D X射线成像的革命。单量子计数模式下的能量色散X射线探测是实现光谱CT扫描器的主要部件。不过，市场上可买到的、特征在于以分段的高Z半导体(例如CdTe、CdZnTe、GaAs)作为凸块结合(bump-bonded)到计数电子器件ASIC的直接转换传感器的光谱X射线成像器，在暴露于CT通常的高X射线强度时，无论如何会受到偏振(polarization)的影响。
由数字“硅光电倍增器”(SiPM)提供了有希望的光子探测和信号处理。类似于其模拟对应物，数字SiPM是像素化的传感器，其中每个像素是工作在Geiger模式下的单个雪崩光电二极管单元的高度分段阵列。由于数字SiPM的生产基于CMOS工艺，所以数字SiPM提供了额外的功能性，例如有源猝熄和充电，以及在传感器水平的数字信号处理。最重要的是，数字SiPM能够对被转换光子的入射速率进行快速采样(高达100MHz)。在与快速闪烁体，例如LYSO组合时，具有能量区分功能的单X射线光子探测成为可能。
因此这里提出了一种探测系统，其包括连接到数字采样SiPM的快速闪烁体，SiPM是由快速时钟(频率为fs)驱动的。该系统具有数字输出，该数字输出提供数字化的传感器数据用于进一步处理。
图1示意性地示出了实现前述原理的X射线探测器100。X射线探测器100包括闪烁层110，闪烁层110具有闪烁体元件Sk(k＝1，2，……，N，例如N＝1000)的(一维或二维)阵列。如果X射线光子X与闪烁体元件Sk交互作用，它就被转换成光学光子hv的脉冲猝发。在示例性探测器设计中，可以将1mm厚的LYSO用作闪烁体材料。其对入射X射线光子的响应函数是阶跃函数，其后沿以指数方式下降到零，衰减时间常数为40ns。闪烁体元件Sk的横向维度可以是900μm×900μm。优选在除了底面之外的所有面用反射涂层包裹LYSO。
X射线探测器100还包括设置于闪烁体层110下方(相对于X射线的入射方向)的数字硅光电倍增器120(SiPM)。可以将额外的光导，例如光学胶，用作闪烁体层和数字SiPM之间的插入物。SiPM 120包括像素Pk的阵列。如图所示，这些像素Pk以一对一的方式关联到对应的闪烁体元件Sk，尽管未必一定是这样。如仅仅针对一个像素Pk所示，每个像素包括多个(例如，30×30)用于探测单光学光子hv的“探测器单元”Ckj(j＝1，2，……)。每个探测器单元Ckj例如具有30μm×30μm的面积，其被细分成光子敏感部分和装备有有源电子电路系统的块。
将每个像素Pk的所有探测器单元Ckj的探测信号传输到集中器网络Ak，其中确定采集时段T1期间探测到的光学光子hv的总数作为数字值。
将所确定的所有集中器Ak的数量传输到SiPM 120中的一些评价模块121，以进行进一步数字处理和评估。将这个模块121的(数字)输出传输到一些更高层级的数据处理设备130，例如外部的微计算机。
图2示出了时域中对X射线探测器100(或类似装置)工作的示例性模拟(纵轴：由一个像素Pk统计的光学光子速率R；横轴：时间t)。连续实线I表示闪烁体的理想光输出。垂直条表示利用数字SiPM对光学光子采样。该图示出了对光学光子的每个脉冲猝发采样多次。此外，闪烁体光脉冲的采样值偏离理想值，因为所转换光子的计数遵循泊松统计。后续数字处理的主要目的是使信噪比，并由此使能量分辨率最大化。
返回到图1，可以看出，SiPM 120还包括频率为fs的数字时钟信号输入，该数字时钟信号决定何时执行采集时段T1。时钟信号工作在200MHz的典型频率fs下。在同步操作中，使用一个时钟周期(采集时段T1，参考图3)感测光学光子，并且下一个周期用于读出并再充电探测单元Ckj。于是，以100MHz的速率对所有单元Ckj采样并一次读出。
对离开闪烁体的光子脉冲进行时域采样需要对单光子敏感的非常快速的传感器。如WO 2006/111883A2(在此通过引用并入本文)所述的数字硅光电倍增器(DSiPM)概念将不适于实现这个目标，因为DSiPM不能进行时域采样，并且因此在高通量情形下会遭受堆积效应。而且，在光谱CT中或对于单元禁用机构，不必确定探测事件的全局时间点。因此在下文中将描述一种新的传感器，它将被称为“数字采样硅光电倍增器”(DSSiPM)。DSSiPM构建于Geiger模式的雪崩光电二极管单元阵列基础上，每个单元都连接到数字电路系统。这意味着，这些装置或者是与CMOS工艺集成，或者(例如，通过芯片-芯片结合)附着于包含逻辑部分的CMOS芯片。
图4示意性地示出了基本DSSiPM探测器单元Ckj的可能实现，其中PMOS开关P2将输出线连接到电源电压；在最简单的实现方式中，将同一列的所有单元都连接到这条输出线，这条输出线进一步连接到用于存储DSSiPM单元的状态改变的锁存器，单元的行已经被选定。
当数字时钟信号OE(“输出使能”)在逻辑0时，雪崩光电二极管APD的阳极大致偏置在击穿电压，而阴极可以通过晶体管P0偏置在过电压Vov。对于OE＝1，关闭P0，但只要二极管泄露足够低，二极管将在一定时间内保持偏置状况。在这段时间期间，二极管对单光学光子敏感，在探测时阴极将从Vov到近似GND摇摆。逆变器(N0，P1)将感测改变，并且其输出将从状态0改变到1。由于OE＝1，级联N1、N2(或传输门)将传递逆变器的输出并对输出线放电，在所连接的锁存器(未示出)中寄存对应的电平变化。在OE变为逻辑0时，输出线被再充电。
在所描述的探测器单元Ckj的水平上已经可以看到几个方面：
1.单元由OE“提供时钟”。这意味着，对于OE＝1，单元能够探测光学光子并将探测立即传递到输出；对于OE＝0，为单元和输出线再充电，准备下一次光子探测。可能探测到或探测不到在OE＝0期间进入二极管的任何光子，但在下一采集阶段期间将结果传递到输出。
2.占空比(采集时间T1与复位时间T0之比)可以被OE的占空比改变，参考图3中的时钟信号的图示说明。如果(光学)光子通量低，采集时间T1可以是复位时间T0的很多倍。相反，可以通过使采集时间T1小于复位时间T0，人为地降低二极管APD的灵敏度。OE占空比(T1∶T0)和频率fs都可以动态地适应所探测的通量。
3.典型地，Vov决定着二极管的灵敏度，必须要将二极管完全再充电到Vov以达到最大灵敏度。然而，根据P0以及二极管电容和串联电阻的设计，到达充满水平所需的再充电时间可能相当长(5-10ns)。使复位阶段更短将使二极管仅部分充电，结果，处于较低灵敏度。所以，也可以通过减少复位阶段的持续时间T0来减小传感器的灵敏度。与2)相比，这具有明显的优点，对于恒定的占空比而言，降低二极管的过电压将导致更低的暗计数率，并由此导致更高的信噪比。(通过降低Vov可以实现相同效果，不过这样仅能做到逻辑可接受的水平。)应当指出，通过以上电路仅能够将这实现到一定水平，因为逆变器对二极管电平进行数字化，从而为电压设置阈值。不过，可以将对二极管的部分充电用于下文将要描述的两种电路。
图5和6示出了具有单元逻辑的简化版本的两种替换电路，它们都省略了数字化逆变器。相反，单元后面的逻辑级将充当信号的数字化器。主要优点是逻辑块紧凑，从而减少了像素的死区。由于不再对信号进行转换，所以在图5中已经将输出使能(OE)晶体管换成PMOS。如果已经探测到光学光子，线路也被逆变并充电到逻辑1。在复位阶段期间，使用N0对线路放电以返回到逻辑0。
图6中的电路是对图5的电路的补充。这里的优点是二极管电容较小，因为是在阳极上感测二极管。而且使用NMOS晶体管将获得更紧凑的电路。现在向二极管的阴极施加几十伏的反向偏置电压。
图7图示说明了更精细的读出方案的第一实施例，其中探测器单元Ckj不使用公共输出线。相反，将由单元采集的数据传递到流水线化集中器电路的输入。基本上，集中器的任务是将单元Ckj的N个二进制输出集中成M比特数量的探测光子(图7中N＝4，M＝3)。有几种可能来实现集中器。图7示意性示出了第一实施例，包括具有锁存器L的常规加法器树。图8示意性示出了采用锁存器L和全加器(FA)电路以有效压缩输入的网络。
如图9所示，集中器网络可以位于像素列(Ak)之间或像素(Atot)之间或两者之间。
传感器可以一次全部复位(如果一次为很多二极管再充电，由于电流浪涌大，这可能导致电源稳定性的问题)或交织地复位。在交织模式中，利用翻转的OE(bOE)为相邻列提供时钟，这意味着在一个列采集数据时，另一个被再充电。这种方案将会使采样点数量加倍，但也会使传感器灵敏度减半，因为这种方案要工作，占空比必须严格为50％。如果加以实施，它将帮助减轻Vov网络上的电源浪涌问题。
另一种实现模式特征在于单元的附条件工作。由数字逻辑电路系统识别已经探测到光学光子的单元并接下来对其进行复位。这种模式可以与前述时钟同步或以异步模式运行，即，仅在寄存光学光子之后复位单元。
由于集中器网络必须以全时钟速度运行，所以集中器需要流水线化以便解决数据率问题。集中器的输出是一串表示在该时段期间探测到的光子的数字。可以以适当方式分析这个数字串以探测与X射线撞击对应的脉冲和/或探测和校正高X射线通量率下的堆积。如果入射的X射线光子通量超过特定水平，堆积校正将停止工作，并且仅光子的积分数量能够被返回到数据处理流水线。
以下部分更详细地解释了基本数据处理的可能性。应当将一些处理步骤集成到接近像素处以避免数据不必要的传输到芯片外部。理想地，每个像素返回的数据将由需要传输的绝对极小值构成：积分值(在给定时间期间内探测的光学光子总数)，备选地或另外地，X射线光子的数量以及最后的数据串，该数据串由包含像素id和探测到的能量的分组并补充以具有每次探测的撞击的光谱信息的积分数据构成。作为这样为每个探测到的X射线光子提供能量数据的替代，在例如光谱CT中能量分辨的直方图(能量分箱的X射线计数)可能是足够的。
典型地，模拟X射线探测器的输出连接到整形器，以优化信噪比并允许峰值探测来确定沉积的能量。这种整形滤波器也可以实现为作用于由DDSiPM提供的数据串的FIR(有限脉冲响应)或IIR(无限持续时间脉冲响应滤波器)数字带通滤波器。峰值探测可以以直接方式以及有源基线恢复实施。此外，可以使用附条件工作的扩展整形滤波器(算法滤波器)。可以将高级工作模式设计成类似于门控计数和堆积抑制模式，这是从γ脉冲的模拟信号处理已知的。
可以通过类似方式实施其他算法，像去卷积滤波器，其恢复闪烁体中X射线吸收的初始δ(delta)脉冲。然而，算法的复杂性受到可用面积的限制。传感器和处理芯片的3D堆叠可以帮助解决这个问题。
另一种校正堆积的简单方式可以使用查找表。由于闪烁体的属性是已知的，并且假设堆积不是过高，所以两个相继的脉冲不会落到同一时钟周期中，可以使用上升沿探测器来判断新脉冲的到达并启动计时器。计时器将统计时钟周期的数量，直到下一个脉冲到达。假定已知两个脉冲在时间上是分开的，查找表可以保存要用于得到真实能量沉积的近似值的堆积校正因子。而且，可以结合测得能量使用相同因子计算要从下一脉冲能量减去的由于堆积导致的过剩能量。用于能量计算的输入仅仅是计时时段期间探测到的光学光子总和。查找表方法的优点是其简单且灵活。
最后，可以通过计算在几百微秒的时段内探测的光子总数来容易(并同时)地确定前述积分值。这个值将相当于由当前CT系统中使用的PIN型光电二极管转换的电荷。可以实现超过20比特的高动态范围，不过将可能需要实施针对DSSiPM的非线性的校正。
总之，已经描述的数字采样硅光电倍增器(DSSiPM)与快速闪烁体的结合提供了以单量子计数模式工作的探测器。所公开的探测系统还允许对X射线量子进行能量区分。优选通过在数字域中的信号处理完成这一点。处理可以部分实现于硅光电倍增器之内，部分实现于后续数字处理器中。探测系统和数字信号处理也允许同时以计数模式和积分模式读出。
DSSiPM的每个像素耦合到闪烁体元件，在闪烁体元件处将入射的X射线光子转换成光学光子。由像素的单元寄存单光学光子。在积分周期T1期间，统计所寄存的光学光子。将给定积分周期之内的像素的所有单元的计数数量相加并传递到数字输出。这个流程实现了闪烁体光输出的时域采样。使用闪烁体的时间特性作为附加输入，另一数字处理电子器件能够重建入射X射线光子的速率和能量。
所公开的系统为X射线探测提供了集成方案。由于可以采用标准部件或标准过程，ID还描述了一种有成本效率的探测器。本发明应用的主要领域是光谱X射线成像，尤其是CT，其中需要测量非常高的计数率。这里描述的方法还可能有益于必需有一些计数探测器的任何其他应用，例如非破坏性试验。
最后要指出的是，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤的存在，“一”或“一个”并不排除多个，且单个处理器或其他设备可以实现若干装置的功能。本发明在于每个新颖的特征要素和特征要素的每种组合。此外，权利要求中的附图标记不应被视为限制它们的范围。

Claims (16)

1.一种辐射探测器（100），包括
a）至少一个闪烁体元件（Sk），用于将每个入射光子（X）转换成光学光子（hν）的脉冲猝发；
b)至少一个像素（Pk），用于寄存单光学光子和统计在光学光子的一个脉冲猝发的持续时间之内至少两个预定采集时段（T1）期间从所述闪烁体元件（Sk）接收的所寄存的单光学光子的数字数量，从而在时间上分辨光学光子的脉冲猝发的形状，并且其中，所述预定采集时段是基于闪烁体元件的材料所产生的光学光子的脉冲猝发的衰减时间和光学光子通量来确定的。
2.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述闪烁体元件（Sk）包括对于所产生的光学光子（hν）的脉冲猝发的衰减时间小于100ns。
3.根据权利要求2所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述闪烁体元件（Sk）包括对于所产生的光学光子（hν）的脉冲猝发的所述衰减时间小于50ns的材料。
4.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述辐射探测器包括用于数字时钟信号的输入，所述数字时钟信号的逻辑值确定是否执行采集时段（T1）。
5.根据权利要求4所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述辐射探测器包括两组像素（Pk），该两组像素在所述数字时钟信号的不同逻辑电平期间执行采集时段（T1）。
6.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述辐射探测器包括评估设备（121，130），用于关于以下各项评估由所述像素（Pk）确定的数量：
-单被转换光子（X）的探测；
-对由不同的被转换光子（X）产生的光学光子（hν）的堆积的校正；
-在给定时段期间探测的光学光子（hν）的积分数量；和/或
-单被转换光子（X）的能量。
7.根据权利要求6所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述评估设备（121，130）包括用于确定两个相继光子（X）之间的时间距离的计时器和用于基于所述时间距离分离该两个相继光子的测得效果的校正模块。
8.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述像素（Pk）包括在探测到单光学光子（hν）时产生电信号的探测器单元（Ckj）的阵列。
9.根据权利要求8所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述探测器单元（Ckj）在探测到单光学光子（hν）时从敏感状态改变到不敏感状态。
10.根据权利要求9所述的辐射探测器（100），其特征在于，在两个采集时段（T1）之间的复位时段（T0）期间所述探测器单元（Ckj）被复位到所述敏感状态。
11.根据权利要求8所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述探测器单元（Ckj）包括雪崩光电二极管（APD）。
12.根据权利要求8所述的辐射探测器（100），其特征在于，所述像素（Pk）包括集中器（Ak），用于在采集时段（T1）期间将由所有其探测器单元（Ckj）提供的电信号相加。
13.一种成像系统，包括根据权利要求1所述的辐射探测器（100）。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统是CT扫描器。
15.一种用于探测光子（X）的方法，包括：
a)将入射在闪烁体元件（Sk）上的光子（X）转换成光学光子（hν）的脉冲猝发；
b)寄存单光学光子和统计在光学光子的一个脉冲猝发持续时间之内至少两个预定采集时段（T1）期间从所述闪烁体元件（Sk）接收的所寄存的单光学光子的数字数量，从而在时间上分辨光学光子的脉冲猝发的形状，并且其中，基于闪烁体元件的材料所产生的光学光子的脉冲猝发的衰减时间和光学光子通量来确定所述预定采集时段。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，关于被转换光子（X）的数量和/或能量来评估所统计的光学光子（hν）的数字数量。
CN200980109788.7A 2008-03-19 2009-03-12 单光子辐射探测器 Active CN101978289B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08152968 2008-03-19
EP08152968.7 2008-03-19
PCT/IB2009/051034 WO2009115956A2 (en) 2008-03-19 2009-03-12 Single photon radiation detector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101978289A CN101978289A (zh) 2011-02-16
CN101978289B true CN101978289B (zh) 2014-07-30

Family

ID=41091296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980109788.7A Active CN101978289B (zh) 2008-03-19 2009-03-12 单光子辐射探测器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8723132B2 (zh)
EP (1) EP2257835B1 (zh)
JP (1) JP5701743B2 (zh)
CN (1) CN101978289B (zh)
WO (1) WO2009115956A2 (zh)

Families Citing this family (66)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102763005B (zh) * 2007-08-08 2016-10-19 皇家飞利浦电子股份有限公司 硅光电倍增器读出电路
WO2010119358A2 (en) 2009-04-16 2010-10-21 Koninklijke Philips Electronics N.V. Spectral imaging
WO2012016198A2 (en) * 2010-07-30 2012-02-02 Pulsetor, Llc Electron detector including an intimately-coupled scintillator-photomultiplier combination, and electron microscope and x-ray detector employing same
US8716643B2 (en) * 2010-09-06 2014-05-06 King Abdulaziz City Science And Technology Single photon counting image sensor and method
US8859944B2 (en) * 2010-09-07 2014-10-14 King Abdulaziz City Science And Technology Coordinated in-pixel light detection method and apparatus
WO2012066469A1 (en) 2010-11-18 2012-05-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. Pet-ct system with single detector
US9052497B2 (en) 2011-03-10 2015-06-09 King Abdulaziz City For Science And Technology Computing imaging data using intensity correlation interferometry
US9099214B2 (en) 2011-04-19 2015-08-04 King Abdulaziz City For Science And Technology Controlling microparticles through a light field having controllable intensity and periodicity of maxima thereof
US9310495B2 (en) 2011-05-04 2016-04-12 Oy Ajat Ltd. Photon/energy identifying X-ray and gamma ray imaging device (“PID”) with a two dimensional array of pixels and system therefrom
WO2013002430A1 (en) * 2011-06-28 2013-01-03 Korea Institute Of Science And Technology Single photon detector in the near infrared using an ingaas/inp avalanche photodiode operated with a bipolar rectangular gating signal.
DE102011052334B4 (de) * 2011-08-01 2013-04-11 Leica Microsystems Cms Gmbh Einrichtung und Verfahren zum Zählen von Photonen
MX2014001272A (es) 2011-08-03 2014-05-19 Koninkl Philips Nv Modos de lectura sensibles a posicion para arreglos fotomultiplicadores de silicio digitales.
CN103842848B (zh) * 2011-08-30 2016-03-30 圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司 用于深槽浅切口像素化的系统、方法和设备
WO2013046337A1 (ja) * 2011-09-27 2013-04-04 株式会社エム・アール・テクノロジー 画像撮像装置及び画像撮像方法
BR112014014638A2 (pt) * 2011-12-19 2017-06-13 Koninklijke Philips Nv detector de raios x, método de detecção de raios x, dispositivo de raios x, processador para utilização em um dispositivo de raios x com um detector de raios x e método de processamento para utilização em um dispositivo de raios x com um detector de raios x
EP2751594B1 (en) * 2011-12-21 2018-08-08 Koninklijke Philips N.V. Detection apparatus for detecting photons taking pile-up events into account
EP2629118A3 (en) * 2012-02-15 2017-09-06 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement High-sensitivity x-ray detector
CN102607721B (zh) * 2012-04-06 2013-07-31 山西大学 单光子探测器用于分辨光子数的测量方法
US9435897B2 (en) 2012-09-20 2016-09-06 Rhombus Holdings Llc Tunable detection instrument for subatomic particles
US9435755B2 (en) 2012-09-20 2016-09-06 Rhombus Holdings Llc Scalable and tunable neutron detection instrument
JP6301138B2 (ja) * 2013-02-12 2018-03-28 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 Ｘ線コンピュータ断層撮影装置およびフォトンカウンティングプログラム
ITTO20130128A1 (it) * 2013-02-15 2014-08-15 Fond Bruno Kessler Dispositivo sensore fotonico
FR3002651B1 (fr) 2013-02-22 2015-04-10 Areva Nc Procede d'asservissement du gain et du zero d'un dispositif de comptage de photons a pixels multiples, et systeme de mesure de lumiere mettant en œuvre ce procede
US9029748B2 (en) * 2013-03-15 2015-05-12 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Method and apparatus for photon counting with optical space spreading
CN105143921B (zh) * 2013-04-24 2018-10-23 皇家飞利浦有限公司 使用光学探测器像素阵列和像素元触发状态感测电路来对辐射量子的探测
JP6179292B2 (ja) * 2013-09-11 2017-08-16 株式会社島津製作所 放射線検出器
CN104656119B (zh) 2013-11-19 2018-06-05 苏州瑞派宁科技有限公司 一种闪烁脉冲信息复原的方法及系统
EP3074790B1 (en) * 2013-11-26 2020-10-28 FLIR Detection, Inc. Sipm-based radiation detection systems and methods
US9220469B2 (en) 2013-12-31 2015-12-29 General Electric Company Systems and methods for correcting detector errors in computed tomography imaging
CN106164704B (zh) * 2014-03-28 2019-03-08 皇家飞利浦有限公司 正电子发射断层摄影(pet)中的坏点识别
JP6193171B2 (ja) * 2014-04-11 2017-09-06 株式会社東芝 光検出器
EP3234651B1 (en) * 2014-12-16 2019-09-11 Koninklijke Philips N.V. Baseline shift determination for a photon detector
GB2553942A (en) * 2015-03-04 2018-03-21 Rapiscan Systems Inc Multiple energy detector
EP3278142B1 (en) * 2015-03-17 2018-11-07 Koninklijke Philips N.V. Scintillation event localization in a radiation particle detector
CN104783829B (zh) * 2015-04-29 2017-07-14 北京永新医疗设备有限公司 单光子发射断层成像的处理方法及系统
WO2017001269A1 (en) 2015-06-30 2017-01-05 Koninklijke Philips N.V. X-ray device with reduced pile-up
JP6602652B2 (ja) * 2015-12-01 2019-11-06 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 フォトンカウンティング撮像装置及びｘ線検出装置
US10677942B2 (en) * 2016-02-01 2020-06-09 Shenzhen Xpectvision Technology Co., Ltd. X-ray detectors capable of managing charge sharing
US20170293038A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Compact radiation detector
CN107320121B (zh) * 2016-04-29 2021-06-22 上海联影医疗科技股份有限公司 正电子发射断层成像光子探测装置
US10002986B1 (en) * 2016-12-19 2018-06-19 Waymo Llc Hybrid integration of photodetector array with digital front end
CN106597518A (zh) * 2016-12-21 2017-04-26 中国科学院深圳先进技术研究院 一种pet探测器、pet成像系统和pet检查仪
US10575800B2 (en) * 2017-03-08 2020-03-03 Prismatic Sensors Ab Increased spatial resolution for photon-counting edge-on x-ray detectors
US10652497B2 (en) * 2017-04-21 2020-05-12 Trustees Of Dartmouth College Quanta image sensor with polarization-sensitive jots
JP7167060B2 (ja) * 2017-05-01 2022-11-08 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 多層検出器
JP6881074B2 (ja) * 2017-06-22 2021-06-02 株式会社デンソー 光検出器
WO2019019197A1 (en) 2017-07-28 2019-01-31 Shenzhen United Imaging Healthcare Co., Ltd. DETECTION DEVICE FOR POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY
CN107402401B (zh) * 2017-09-12 2023-11-14 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种带有时间门控的多通道硬x射线成像探测器
US10594965B2 (en) * 2017-09-13 2020-03-17 Semiconductor Components Industries, Llc Avalanche photodiode image sensors
US11275188B2 (en) * 2017-09-15 2022-03-15 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Systems and methods for emulating scintillation events using an electronic test source
JP7096658B2 (ja) * 2017-10-12 2022-07-06 キヤノン株式会社 固体撮像素子及び撮像装置
CN107968654B (zh) * 2017-12-29 2023-11-24 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种采用补偿网络的窄脉冲峰值保持电路
US10935676B2 (en) 2018-02-05 2021-03-02 Rhombus Holdings Llc Physical structure for a tunable sensor system for particle detection
JP7114264B2 (ja) 2018-02-09 2022-08-08 キヤノン株式会社 光電変換装置及び撮像システム
CN109443557B (zh) * 2018-12-26 2020-11-06 合肥工业大学 一种单光子脉冲到达时间探测装置
CN113366342B (zh) * 2019-01-30 2024-06-25 香港大学 能量分辨x射线成像设备和方法
CN113614574A (zh) 2019-03-29 2021-11-05 深圳帧观德芯科技有限公司 带有闪烁体的辐射检测器
CN110133710B (zh) * 2019-04-24 2021-02-26 苏州瑞派宁科技有限公司 一种信号校正的方法及装置
US11340109B2 (en) * 2019-05-24 2022-05-24 Infineon Technologies Ag Array of single-photon avalanche diode (SPAD) microcells and operating the same
CN112068178B (zh) * 2019-06-10 2023-08-29 睿生光电股份有限公司 放射线感测装置
JP7393162B2 (ja) * 2019-09-09 2023-12-06 キヤノン株式会社 光電変換装置
WO2021213608A1 (en) 2020-04-20 2021-10-28 Spiden Ag Multipurpose mixed-signal light sensor based on semiconductor avalanche photodiodes
CN111983667B (zh) * 2020-07-13 2023-04-28 中国辐射防护研究院 一种基于闪烁体的微剂量测量方法及测量装置
EP4254017A1 (en) 2022-03-28 2023-10-04 Koninklijke Philips N.V. Photon counting detector and photon counting method
EP4273587A1 (en) 2022-05-04 2023-11-08 Koninklijke Philips N.V. Photon counting detector and photon counting method
EP4276496A1 (en) * 2022-05-10 2023-11-15 Koninklijke Philips N.V. Photon counting detector and photon counting method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1148348A2 (en) * 2000-04-18 2001-10-24 Marconi Medical Systems, Inc. Nuclear camera

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5568568A (en) * 1978-11-15 1980-05-23 Tokyo Shibaura Electric Co Chamber temperature indicator
US5689115A (en) * 1995-11-24 1997-11-18 Elscint Ltd. Advanced nuclear medicine system
JP2003043149A (ja) * 2001-07-31 2003-02-13 Shimadzu Corp 放射線検出回路
US7858917B2 (en) * 2003-05-02 2010-12-28 Massachusetts Institute Of Technology Digital photon-counting geiger-mode avalanche photodiode solid-state monolithic intensity imaging focal-plane with scalable readout circuitry
JP4436365B2 (ja) * 2003-06-16 2010-03-24 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 検出イベントの時間分解記録のための検出器
EP1706759A1 (en) 2004-01-13 2006-10-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. Analog to digital conversion shift error correction
WO2006034585A1 (en) 2004-09-28 2006-04-06 UNIVERSITé DE SHERBROOKE Method and system for low radiation computed tomography (ct)
PT103200B (pt) * 2004-09-30 2006-08-24 Taguspark-Soc. Prom.Desenv.Parq.Ci.Tec.Area Lisboa Sistema de tomografia por emissão de positrões (pet)
ATE514105T1 (de) * 2005-04-22 2011-07-15 Koninkl Philips Electronics Nv Digitaler silicium-photovervielfacher für ein tof-pet
US7626389B2 (en) 2005-04-22 2009-12-01 Koninklijke Philips Electronics N.V. PET/MR scanner with time-of-flight capability
GB2426575A (en) 2005-05-27 2006-11-29 Sensl Technologies Ltd Photon detector using controlled sequences of reset and discharge of a capacitor to sense photons
WO2008021663A2 (en) * 2006-08-09 2008-02-21 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Apparatus and method for spectral computed tomography
US7512210B2 (en) * 2007-03-27 2009-03-31 General Electric Company Hybrid energy discriminating charge integrating CT detector
US7652257B2 (en) * 2007-06-15 2010-01-26 General Electric Company Structure of a solid state photomultiplier
US7723687B2 (en) * 2007-07-03 2010-05-25 Radiation Monitoring Devices, Inc. Lanthanide halide microcolumnar scintillators

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1148348A2 (en) * 2000-04-18 2001-10-24 Marconi Medical Systems, Inc. Nuclear camera

Also Published As

Publication number Publication date
US8723132B2 (en) 2014-05-13
JP5701743B2 (ja) 2015-04-15
CN101978289A (zh) 2011-02-16
EP2257835A2 (en) 2010-12-08
US20110017918A1 (en) 2011-01-27
WO2009115956A3 (en) 2010-06-10
EP2257835B1 (en) 2019-07-31
JP2011515676A (ja) 2011-05-19
WO2009115956A2 (en) 2009-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101978289B (zh) 单光子辐射探测器
Gundacker et al. Time of flight positron emission tomography towards 100ps resolution with L (Y) SO: an experimental and theoretical analysis
JP6325650B2 (ja) 光検出器画素アレイを有する放射線検出装置、ｐｅｔ撮像システム、光フォトン加算方法、及び光フォトン加算方法のステップを実行するためのコンピュータプログラム
EP2705385B1 (en) X-ray and gamma ray imaging device ("pid") with a two dimensional array of pixels
RU2411542C2 (ru) Цифровой кремниевый фотоумножитель для врп-пэт
US6248990B1 (en) Radiation imaging device with an array of image cells
US8269183B2 (en) Radiation detector
CN110632641B (zh) 一种双读出pet探测器正电子成像方法与系统
EP2495585B1 (en) Method and electronic circuit for reading the signals generated by one or more pixelated sensors
US20200264285A1 (en) Time-of-flight apparatus and method
Gu et al. A DOI detector with crystal scatter identification capability for high sensitivity and high spatial resolution PET imaging
US11047996B2 (en) Photodetector
Li et al. DOI correction for gamma ray energy reconstruction based on energy segment in 3D position-sensitive CdZnTe detectors
US10007011B2 (en) System for acquisition of tomographic measurement data
WO2023118834A1 (en) Improved digital silicon photomultiplier
Therrien et al. Energy discrimination for positron emission tomography using the time information of the first detected photons
EP3756033B1 (en) Method of reading out data in a radiation detector, radiation detector and imaging apparatus
US20230204799A1 (en) Radiation detector
Mandai Multichannel Digital Silicon Photomultiplier for Time-of-Flight PET
CN117075175A (zh) 基于SiPM的PET探测器的晶体间散射事件的时间修正方法及系统
Salçin et al. Event processing for modular gamma cameras with tiled multi-anode photomultiplier tubes
EP4453616A1 (en) Improved digital silicon photomultiplier
Yonggang et al. Electronics for monolithic scintillator PET detector modules based on neural network position estimators
ITTO20130128A1 (it) Dispositivo sensore fotonico
Miyamoto et al. A study of a fine-pitched pixelated CdZnTe detector with a digital waveform acquisition system

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant