CN102224433A - X射线探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请描述了一种用于在医学仪器中使用的X射线探测器，其中，所述探测器包括：转换单元，用于将X射线辐射转换为电荷；第一电容器，用于由电荷进行充电，其中，所述第一电容器电连接到所述转换单元；第二电容器，用于由电荷进行充电；以及第一增益开关门，其中，在所述第一增益开关门处于通态时，所述第二电容器与所述转换单元电连接，其中，所述探测器适于开启所述第一增益开关门持续短时段。本申请还描述了一种X射线系统，其包括根据本发明的探测器，其中，所述系统适于增益选择，其中，所述探测器适于开启所述第一增益开关门持续短时段。此外，本申请描述了一种用于使用根据本发明创造性原理的探测器的方法，其中，所述第一增益开关门被开启仅持续短时段，用于在所述第一电容器和所述第二电容器之间重新分布电荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在医学仪器中使用的X射线探测器、一种包括探测器的X射线系统和一种用于使用探测器的方法。
背景技术
基于CMOS的X射线成像系统常常基于有源像素传感器的阵列。在医学仪器中，要求利用施加到患者身上的所有X辐射。因而存在不忽略源自X辐射的任何信号的需求。因此，需要在每个像素单元内选择各种增益设置的手段。
发明内容
从常规有源像素单元开始，可以例如通过向信号收集节点添加电容器来进行增益选择。信号收集节点通常是用于间接转换探测器的光电二极管或用于直接转换探测器的电荷收集接触器。在基于CMOS的X射线探测器中像素传感器的关键问题是它们遭受激活的增益开关和传输门中的泄露的影响。
本发明提出利用低占空比和高频率脉冲串驱动增益开关或传输门。本发明创造性的驱动方案降低了激活(开启)时间并且因此降低了开关的漏电流贡献。开关的高频激活仍然允许在最小的节点进入饱和状态之前使电荷从最小的电容器传输至较大的电容器。通过这种方式，能够同时获得低泄露和高饱和电荷。保持低噪声和高动态范围。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于在医学仪器中使用的X射线探测器，其中，该探测器包括
转换单元，用于将X射线辐射转换为电荷，
第一电容器，用于由电荷进行充电，其中，所述第一电容器电连接到所述转换单元，
第二电容器，用于由电荷进行充电，以及
第一增益开关门，其中，如果所述第一增益开关门处于通态，所述第二电容器与所述转换单元电连接，
其中，所述探测器适于开启所述第一增益开关门持续短时段。
所述增益开关门，例如晶体管，在所述门被关闭的情况下没有漏电流。仅在所述门被开启的情况下存在漏电流。因此，本发明的一方面是要尽可能地降低通态期(phase)。例如可以在持续时间方面降低通态期或者可以将通态期分成导通脉冲而非通态的持续导通期。
根据第二方面，提供了一种包括根据权利要求1到10中的一项所述的创造性探测器的X射线系统，其中，该系统适于增益选择，其中，所述探测器适于开启第一增益开关门持续短时段。
根据第三方面，提供了一种用于使用根据权利要求1到10中的一项所述的创造性探测器的方法，其中，开启所述第一增益开关门仅持续短时段，用于第一电容器和第二电容器之间重新分布电荷。
在从属权利要求中整合了其他实施例。
根据示范性实施例，提供了一种探测器，其中，第一电容器是转换单元的固有电容器。
通常，所述转换单元是光电二极管。因为光电二极管的内部布置，因此这种光电二极管具有电容。借助于这种固有电容器，可以积聚由光电二极管生成的电荷。
根据示范性实施例，提供了一种探测器，其中，
转换单元包括用于将X射线辐射转换为电荷的光电二极管。
根据另一示范性实施例，提供了一种探测器，其中，
转换单元包括用于将X射线辐射转换为另一种辐射的闪射体、用于将所述另一种辐射转换为电荷的光电二极管。
使用大面积的X射线转换器和包括像素矩阵的电子探测系统构建平板X射线探测器。在所谓的间接转换探测器中，闪烁体将入射的X辐射转换为不同波长的辐射，其通常处在可见谱中或附近。然后，通过光电二极管将这一不同波长的信号转换为电信号/电荷。读出在矩阵的每个像素中收集到的电信号/电荷以形成图像。
在所谓的直接转换探测器中，通过光电导体将入射的X辐射直接转换为电子-空穴对。所得到的电荷通过电荷收集电极收集并形成电信号/电荷。读出在矩阵的每个像素中收集到的电信号/电荷以形成图像。
根据另一示范性实施例，提供了一种探测器，其中，
转换单元包括用于将X射线辐射转换为电荷的光电导体、以及用于收集电荷的电荷收集电极。
根据示范性实施例，提供了一种探测器，其中，第一增益开关门是增益开关晶体管。通常，所述门是晶体管，例如NPN/PNP(双极)晶体管或场效应晶体管(例如MOS场效应晶体管)。
根据示范性实施例，提供了一种探测器，其中，所述探测器适于在第一电容器的电荷已经达到限定的阈值时开启第一增益开关门。
可以针对电荷的量调整对增益开关门的控制，所述电荷的量是由用于存储所生成的电荷的电容器积聚的。在达到限定的阈值的情况下，可以开启所述增益开关门。可以关于达到电荷的(较低的)第二阈值切换所述增益开关门。
根据另一示范性实施例，提供了一种探测器，其中，所述探测器适于在第一电容器饱和时开启第一增益开关门。开启增益开关门的最晚时间可以认为是电容器再也不能够存储其他电荷的时间点。在这种情况下，必须开启增益开关门，以便避免过流以及电荷的损失。
根据另一示范性实施例，提供了一种探测器，其中，所述探测器适于以短脉冲开启第一增益开关门。
根据另一示范性实施例，提供了一种探测器，其中，
所述探测器包括用于由电荷进行充电的至少第三电容器，以及至少第二增益开关门，其中，在至少第二增益开关门处于通态时，至少第三电容器经由第二电容器与所述转换单元电连接。只要必要可以重复对用于积聚电荷的附加电容器和使附加电容器与光电二极管连接的对应的增益开关门的布置的原理。
可以将本发明的一方面视为通过在积分时间期间仅多次短时间激活增益开关晶体管或电荷传输门来降低收集到的漏电流的量。这样，即使在低灵敏度设置时也可以维持像素的低散粒噪声和高动态范围。
应当注意到，还可以对以上特征进行组合。虽然未详细明确地描述，但以上特征的组合还可以导致协同效应。
本发明的这些方面和其他方面将从下文描述的实施例变得明显并参考这些实施例进行阐述。
附图说明
下文将参考以下附图描述本发明的示范性实施例。
图1示出了像素传感器阵列；
图2示出了单个像素传感器；
图3示出了具有用于改变灵敏度的模块的单个像素传感器；
图4描绘了不同的特征；
图5描绘了不同的特征；
图6描绘了不同的特征；
图7描绘了不同的特征；
图8示出了具有用于改变灵敏度的扩展模块的单个像素传感器。
附图标记列表
101 用于控制读出开关的模块；
102 放大器；
103 像素传感器；
104 像素传感器阵列；
105 读出开关；
106 放大器；
107 用于控制读出开关的模块；
108 光电二极管；
109 放大器的输入；
110 控制线；
201 像素传感器；
202 放大器的输入；
203 控制线；
204 读出开关；
205 放大器；
206 复位开关；
207 光电二极管；
208 电容器；
209 控制线；
301 像素传感器；
302 放大器的输入；
303 控制线；
304 控制线；
305 复位开关；
306 放大器；
307 读出开关；
308 光电二极管；
309 电容器；
310 增益开关门；
311 电容器；
312 控制线；
401 复位信号；
402 曝光窗口；
403 光电二极管上电压的特征；
404 读出开关的通态的时间段的结束；
405 读出开关的通态的时间段的结束；
406 增益开关门的通态的时间段；
407 读出开关的控制电压的特征；
408 脉冲的上升沿；
501 复位信号；
502 曝光窗口；
503 光电二极管上的电压的特征；
504 读出开关的通态的时间段的结束；
505 读出开关的通态的时间段的结束；
506 增益开关门的通态的时间段；
507 读出开关的控制电压的特征；
508 脉冲的上升沿；
601 复位信号；
602 曝光窗口；
603 光电二极管上的电压的特征；
604 读出开关的通态的时间段的结束；
605 读出开关的通态的时间段的结束；
606 增益开关门的通态的时间段；
607 读出开关的控制电压的特征；
608 脉冲的上述沿；
701 复位信号；
702 曝光窗口；
703 光电二极管上的电压的特征；
704 读出开关的通态的时间段的结束；
705 读出开关的通态的时间段的结束；
706 增益开关门的通态的时间段；
707 读出开关的控制电压的特征；
708 脉冲的上升沿；
801 像素传感器；
802 放大器的输入；
803 控制线；
804 控制线；
805 控制线；
806 复位开关；
807 放大器；
808 读出开关；
809 光电二极管；
810 电容器；
811 电容器；
812 电容器；
813 增益开关门；
814 增益开关门；
815 控制线。
具体实施方式
增益开关晶体管在被关断时，即处于高灵敏度设置时，通常具有非常低的漏电流。在这种情况下，电荷收集节点在积分时间期间仅具有轻微的下降。当开启增益开关以设置较低的灵敏度时，电荷从激活的增益开关漏入地中。电荷收集节点由于漏电荷在积分时间期间展现出大的下降。这与光电二极管中的暗电流具有相同的有害效应，即由于收集到的电荷增大了噪声并降低了动态范围。特别是对于长的积分时间而言，来自所提及的漏电流的噪声会变成像素中的主要噪声原。如果晶体管被用作电荷传输门也存在同样的问题。
图1描绘了像素传感器阵列104。模块101、107适于通过控制线110控制一排像素传感器，以便读取这些像素传感器103的信号。所选择的信号将通过线109被传送到放大器102。像素传感器包括光电二极管108、放大器106和读出开关105。所述信号例如可以是电荷、电压或电流。
图2详细描绘了像素传感器201，其中，光电二极管207由于X射线辐射的作用而生成电荷。这一电荷将由电容器208存储。复位开关206适于针对电荷的量设置起始点。放大器205放大所述信号用于读出。读出开关204提供引导信号到达放大器的输入202的可能性，其中，读出开关204借助控制线209进行控制。
图3描绘了具有用于改变灵敏度(增益选择)的模块的像素传感器301，其中，光电二极管308将X射线辐射转换为电荷，还经由电容器309使所述电荷成为电压信号。这一电压可以由放大器探测。可以借助放大器306和读出开关307将所述信号传送到与放大器的输入302的连接处。复位晶体管305对于在曝光前使电容器309和光电二极管308复位成初始化条件而言是必要的。读出开关307由控制线312控制。在存在读出开关307的通态期的情况下，光电二极管308的电压信号将从电容器309传送至放大器的输入302。在增益开关门310处于通态期的情况下，可以借助电容器309和电容器311积聚所生成的电荷。在这种状况下的像素传感器301比增益开关门310处于关态时具有更小的灵敏度。增益开关门310可以由控制线303控制。门305由控制线304控制。
以下附图4、5、6和7描绘了在参数时间期间的曲线。
图4示出了用于控制晶体管的控制线的电压特征401，用于将电容器设置在起始水平。曲线402是曝光窗口的开启特征(on-characteristic)。曲线403示出了由于电荷在电容器309上的电压的发展，所述电荷由光电二极管生成并且由于漏电流而减少。由于仅有最小的泄露，直到时间点405电荷相对恒定。在直到405的第一时间段期间，增益开关门仅在复位时段开启以使电容器309和311两者复位(参见曲线406)。第二曝光和读出被描绘为从控制线401上的第二脉冲的上升沿408开始。从这一时间点408直到404，所述增益开关门被开启持续长时段(参见曲线406)。由于这一长的通态期，存在相当大程度上的漏电流(参见曲线403)。曲线407描绘了读出开关的电压的发展。
图5再次示出了图3的复位开关305的电压特征501。此外，其示出了曝光窗口502的曲线。特征503描绘了由于来自光电二极管和漏电流的电荷在电容器309上的电压的发展。在直到时间点505的第一期，因为图3的增益开关门310仅在复位期期间开启(参见曲线501、506)，并且因此漏电流低，所以电压相对恒定。在这一第一时段，与图4不存在不同。第二曝光和读出被描绘为从控制线501上的第二脉冲的上升沿508开始。在从508直到504的第二时间段期间，增益开关门电路将仅被开启持续短的时间段(参见曲线506)。在与第一时间段(直到505)的比较中，存在显著的电荷损失，但与图4中描绘的状况的对应时间段(时间点408直到时间点404)相比较，由于仅短时段的漏电流，因此在电压中存在明显较小的下降。因此，通过控制增益开关门仅持续短时段，可以相当大程度地降低漏电流的影响。曲线507描绘了读出开关的通态/关态期。
在增益开关门的截止时段期间，不存在通态的泄露。仅在短时间内存在由于增益开关门造成的泄露电流。因此与常规操作模式相比，在完整的积分时段中漏电荷的量明显降低。
在增益开关门的关态期间，源自X射线照射的电荷仅由图3的电容器309收集。在增益开关门的通态期间，在图3的电容器309和图3的电容器311之间重新分布电荷。因此，其本质是增益开关门常常在积分时段期间被充分激活以避免电容器309的过流(饱和)。在过流的情况下，将丢失电荷并将导致非线性。在恒定X射线信号的情况下，至少每当最大电容与最小电容的比率要求时，需要激活增益开关门。推荐更大数量的激活时段从而还覆盖其中X辐射在积分时间期间变化的情况。电荷传输门的通态期也导致漏电流，这减少了电荷。
图6示出了对图3的复位开关305的控制的电压特征601。借助在参数时间期间的曲线602描绘了曝光窗口的特征。曲线603示出了由于光电二极管和增益开关门随时间泄漏所生成的电荷在图3的电容器309上的电压变化。如果与图4和5进行比较，直到时间点604不存在不同。第二曝光和读出被描绘为从控制线601上的第二脉冲的上升沿608开始。从这一第二复位608到605的时间段期间，开启图3的增益开关门310，但增益开关门并不处于饱和期。由于这一原因泄漏非常显著，这可以借助曲线603来识别这一情况。曲线607描绘了读出开关的控制电压的电压的发展。
图7描绘了曲线701，其表示图3的复位开关305的控制电压。曲线702示出了曝光窗口。同样地，特征703的第一期(直到704的时间段)与先前的图4、5和6相同。在第二时间段期间，增益开关门的通态仅持续短时间段(706)。因此，在这一时间段期间的电荷损失与图6的同一时间段相比较明显小。曲线707示出了读出开关的开启/关态期。
图6示出了采集高灵敏度图像和低灵敏度图像的常规方式，图7示出了根据本发明的对电荷传输门的驱动。
这两幅附图的前半部分示出了单个、高增益读出，右半部分示出了直接紧随低增益图像的第一高增益图像的双读出。
图8描绘了像素传感器801，其中，将借助于电容器810存储光电二极管809所生成的电荷。在增益开关门813处于通态的情况下，电荷存储在电容器810和811中。在第三状况下增益开关门813、814两者都处于通态，在这种情况下，可以由三个电容器810、811、812存储所生成的电荷。只要必要，可以扩展这一原理性布置(附加的电容器，其可以利用附加的增益开关门连接到光电二极管)。在应用所有三个电容器810、811、812的情况下，相对于晶体管814和/或晶体管813处于关态的状况降低了像素传感器的灵敏度。增益开关门813由控制线804控制，增益开关门814由控制线803控制。控制线805控制复位开关806的开启/关态，复位开关806使像素传感器进入已知的初始状态。晶体管807对于放大像素传感器801的信号而言是必须的。读出开关808由控制线815控制。
本发明能够扩展到覆盖一个以上的增益设置。至少每当最大电容与最小电容的比率要求时，需要激活增益开关门或电荷传输门。对应于最大电容与下一电容的比率等，可以时常激活下一开关/门，或者可以应用降低的频率。
来自激活或去激活增益开关门的开关噪声(kTC)将消除，因为在开关的关断期间在电容器内沉积的噪声电荷将在下一导通时段中被平均。因此，通过本发明信号与kTC噪声的比率不受消极因素影响。
本发明的原理可以与有源像素医学X射线探测器、用于非破坏性测试的探测器和光学成像传感器一起使用。本申请尤其应用于基于CMOS的用于心脏病学和乳房X射线照相术的X射线探测器。
应当认识到，“包括”一词并不排除其他要素或步骤，而“一”或“一个”并不排除多个。还可以组合参考不同实施例所描述的各元件。
应当认识到，权利要求中的附图标记不应当解释为限制权利要求的范围。
Claims (12)
1.一种用于在医学仪器中使用的X射线探测器，其中，所述探测器包括：
转换单元，用于将X射线辐射转换为电荷，
第一电容器(309)，用于由电荷进行充电，其中，所述第一电容器(309)电连接到所述转换单元，
第二电容器(311)，用于由电荷进行充电，以及
第一增益开关门，其中，在所述第一增益开关门处于通态时，所述第二电容器(311)与所述转换单元电连接，
其中，所述探测器适于开启所述第一增益开关门持续短时段。
2.如权利要求1所述的探测器，其中，所述第一电容器(309)是所述转换单元的固有电容器。
3.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述转换单元包括：
光电二极管(308)，用于将X射线辐射转换为电荷。
4.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述转换单元包括：
闪烁体，用于将X射线辐射转换为另一种辐射，
光电二极管，用于将所述另一种辐射转换为电荷。
5.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述转换单元包括：
光电导体，用于将X射线辐射转换为电荷，
电荷收集电极，用于收集所述电荷。
6.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述第一增益开关门是增益开关晶体管(310)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述探测器适于在所述第一电容器(309)的电荷已经达到限定的阈值时开启所述第一增益开关门。
8.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述探测器适于在所述第一电容器(309)饱和时开启所述第一增益开关门。
9.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述探测器适于以短脉冲开启所述第一增益开关门。
10.根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述探测器包括：
至少第三电容器(812)，用于由电荷进行充电，以及
至少第二增益开关门，其中，在所述至少第二增益开关门处于通态时所述至少第三电容器(812)与所述转换单元电连接。
11.一种X射线系统，包括根据前述权利要求中的一项所述的探测器，其中，所述系统适于增益选择，其中，所述探测器适于开启所述第一增益开关门持续短时段。
12.一种用于使用根据权利要求1到10中的一项所述的探测器的方法，其中，开启所述第一增益开关门仅持续短时段，用于在所述第一电容器和所述第二电容器之间重新分布电荷。
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