CN102253403B - 具有直接转换的半导体层的x射线检测器及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线检测器(1)，包括：直接转换的半导体层(2)，用于将入射的射线转换为具有表征半导体层(2)的带隙能量的电信号，以及至少一个光源(3)，用于将光耦合到半导体层(2)中，其中，所产生的光具有高于半导体层(2)的带隙能量的能量以模拟入射的X射线量子。该X射线检测器还包括至少一个评估单元(4)，用于根据在光耦合到半导体层(2)中时所产生的电信号来计算评估信号，以及至少一个校准单元(5)，用于基于该评估信号对至少一个脉冲鉴别器(6)进行校准。由此实现了在考虑当前极化状态下快速可重复地校准X射线检测器(1)的前提，而不使用X射线。本发明此外还涉及用于这样的X射线检测器(1)的校准方法。

Description

具有直接转换的半导体层的X射线检测器及其校准方法

技术领域

本发明涉及一种具有直接转换的半导体层的X射线检测器以及一种用于这种X射线检测器的校准方法。

背景技术

具有直接转换的半导体层的X射线检测器使得可以定量地和选择能量地采集各个X射线量子。在这种类型的X射线检测器中，入射到半导体层中的X射线量子由于与半导体材料的部分多级的物理交互作用过程而以电子空穴对的形式产生自由的载流子。为了检测X射线量子，例如合适的是CdTe、CdZnTe、CdTeSe、CdZnTeSe、CdMnTe、InP、TIBr2或HGI2形式的半导体材料，因为这些材料在医学成像的能量范围中具有高的X射线吸收。

为了证明与X射线量子对应的量子吸收事件，在半导体层的两侧都敷设电极，在这些电极上为了产生电场而施加电压。为了位置分辨地采集吸收事件，其中一个电极构成为像素的并且称为读取电极。设置在该读取电极对面的电极通常构成为平面的并且称为反电极。在所产生的电场中，所释放的载流子根据电荷类型和极性而加速飞向电极，并且在电极上以电流的形式感应出电信号。这些电流借助评估单元而被转换为评估信号，该评估信号的大小与电流曲线的平面积分成比例，并因此与通过入射的X射线量子释放的电荷量成比例。这样生成的评估信号接着被引导至脉冲鉴别器，该脉冲鉴别器基于阈值计数地和/或选择能量地采集这些X射线量子。

无错地采集X射线量子的前提是对X射线检测器的校准，在该校准中确定合适的阈值。这些阈值在此是这样来选择的，即通过噪声产生的信号不会触发对被误认为是X射线量子的检测，并且在选择能量的采集的情况下可以向各个X射线量子分配能量或能量范围。在所述半导体层材料中的非均匀性使得有必要位置分辨地执行所述校准。在第一种公知的校准方法中，采用放射性制剂来照射X射线检测器。该放射性制剂在此释放出被已知定义的能量的X射线。通过评估所采集的电信号以及从该电信号中推导出的评估信号来确定用于脉冲鉴别器的噪声和能量阈值。但是，该方法由于部分按照法律规定的、用于处理放射性制剂的规则而只能在安装之前在实验室用于一次性校准。但是该方法在装配后的X射线设备中是不实用的。

由于所述半导体层随着时间以及在X射线作用下的材料特性可能改变，并且还必须考虑评估电子电路的漂移，因此需要以特定的时间间隔并且在最佳的情况下直接在测量开始之前重复所述校准。在测量开始之前使用X射线的校准不在考虑之列，因为患者在这种情况下将被置于附加的X射线剂量下。在第二种公知的校准方法中，为了可重复地执行校准而没有X射线的作用将电信号电容地耦合到读取电极上。为此采用与反电极电接触的脉冲发生器。通过该脉冲发生器在反电极上产生可变的电荷，使得在读取电极上以在入射了特定能量的X射线量子时期望的那种脉冲形式产生电容耦合的电信号。

发明内容

由此出发，应当提供一种具有直接转换的半导体层的X射线检测器以及一种用于这样的X射线检测器的校准方法，利用它们以改进的形式实现了直接在测量开始之前可重复地校准X射线检测器的前提。

该任务通过根据本发明的X射线检测器以及通过根据本发明的校准方法解决。

电信号的与入射到半导体层中的X射线量子对应的脉冲形式，尤其是脉冲高度和脉冲宽度，显著地取决于该半导体层的极化状态。极化在该上下文中被理解为这样的效果，即，这些效果影响导体层内的载流子传输。极化效果导致减小载流子寿命移动性乘积(μτ-乘积)以及由此导致在减小半导体材料中载流子寿命的同时增加平均停留时间。这样的效果基本上通过在制造半导体层时空位形式或者中间晶格原子形式的空穴位置(Defektstelle)来引起。但是，半导体层的极化状态不仅仅取决于制造条件的参数。其同样取决于半导体材料的温度，而且还取决于作用于半导体层的X射线的历史性。因此该极化状态是随时间可变的，并且典型地在连续的检查之间、甚至在每单个检查之前以及之后都是不同的。

发明人首先认识到，对X射线检测器的改善的校准恰好能在考虑半导体层的所存在的极化状态情况下重复进行校准时实现。这尤其是当在校准过程中通过半导体层中的载流子传输来产生电信号时是这样。但是在上面提到的用于可重复校准的公知方法中恰好不是这样，因为半导体层中的这些电信号只是电容地，也就是没有载流子传输地耦合到读取电极。此外，发明人还认识到，通过将光耦合到半导体层中可以产生载流子云，使得这些载流子云与典型地通过特定能量的X射线量子与半导体层的相互作用而形成的载流子云相同。

因此，通过采用光可以按照非常真实的方式模拟通过X射线量子触发的载流子传输。其前提是，将能量高于半导体层的带隙能量的光用于产生自由的载流子。

基于该考虑，本发明的X射线检测器包括：

-直接转换的半导体层，用于将入射的射线转换为具有表征半导体层的带隙能量的电信号，

-至少一个光源，用于将光耦合到半导体层中，其中，所产生的光具有高于半导体层的带隙能量的能量以模拟入射的X射线量子，

-至少一个评估单元，用于根据在光耦合到半导体层中时所产生的电信号来测量评估信号，以及

-至少一个校准单元，用于基于该评估信号对至少一个脉冲鉴别器进行校准。

因此，利用该X射线检测器实现了改善的校准的所述前提，因为如在X射线量子入射时的电信号通过传输所释放的载流子而产生并且因此还取决于半导体层的瞬时极化状态。因此，利用该结构在校准时恰好建立起如在X射线量子入射到半导体层中出现的条件。通过选择光的波长以及选择照射时间，可以有针对性地产生如典型地在入射具有特定能量的X射线量子时出现的载流子云。因此，可以完全有针对性地对具有不同能量的X射线量子模拟载流子传输以及与此相对应的电信号。

所述校准可以随时执行，也就是还可以直接在患者检查之前和之后执行。它的优点是，通过检查本身引起的极化状态改变可被识别出来并且用于事后对所采集的信号进行校正。

此外，所述校准在不使用X射线的情况下进行并且由此在没有施加给患者的附加X射线剂量的情况下进行。

在本发明的有利实施方式中，所述半导体层具有像素，其中每个像素被分配了光源、评估单元、校准单元和脉冲鉴别器。这使得可以尤其是位置分辨地校准X射线检测器。

所述半导体层优选设置在反电极和像素形式结构化的读取电极之间，其中反电极和/或读取电极为了耦合进光而是至少按片段地透明或半透明。通过这种方式从与X射线相比相同的方向上简单地照射所述半导体层。如果反电极和/或读取电极是薄金属层，则透明或半透明的特性可尤其简单地建立。

在本发明的另一有利实施方式中，反电极和/或读取电极具有空隙。由此光可以有针对性地在定义的区域上耦合到半导体层中。这些空隙此外还能以非常小的花费引入已知的电极中，而不会显著妨碍电极的功能。

在此，这些空隙优选条纹形式地构成，并且在所述像素的活性像素平面的中间区域上延伸。这些条纹有利地被确定尺寸为，使得通过光释放的载流子云在穿过半导体层的载流子传输时没有扩展在单个像素的读取电极的整个区域上。由此避免了串扰到相邻的像素上。

在本发明的扩展中，所述光源是LED或激光二极管。这种光源是廉价的而且容易得到。这些光源尤其适用于产生具有定义的、可预定波长的光。它们可以为了释放半导体层中的特定电荷量而被另外脉冲式地或者连续地运行。按照这种方式，通过照射的类型和持续时间可以有针对性地模拟具有特定能量的X射线量子。适用于释放II-VI半导体层中的载流子的是VIS或IR光源，它们产生在介于560至900nm之间的波长范围中的VIS或IR射线。

此外，本发明的X射线检测器优选地包括准直仪，其中，光源设置在准直仪的侧壁中或准直仪桥中。这实现了该检测器的非常紧凑的结构。此外，通过用于校准X射线检测器的部件不会妨碍利用X射线的常规测量。

校准单元优选地被设计为调节脉冲鉴别器的至少一个阈值。通过调节该阈值确定噪声阈值和/或能量阈值。此外，该调节有利地基于对多个评估信号的评估来执行。

本发明的第二方面涉及一种用于X射线检测器的校准方法，该X射线检测器具有直接转换的半导体层，用于将入射的射线转换为具有表征半导体层的带隙能量的电信号，该校准方法具有以下方法步骤：

a)产生能量高于半导体层的带隙能量的光，

b)将该光耦合到半导体层中以模拟入射的具有特定能量的X射线量子，

c)基于通过该光产生的电信号测量评估信号，以及

d)基于该评估信号校准至少一个脉冲鉴别器。

在本发明的有利实施中，根据所述电信号的卷积来形成所述评估信号，使得该评估信号与耦合进的射线的能量成比例。

附图说明

下面借助实施例以及借助附图详细解释本发明。在此：

图1以示意图示出了具有本发明X射线检测器的计算机断层造影设备，

图2以侧视图示出了本发明X射线检测器的截面，

图3以俯视图示出了根据第一实施例的对每个像素具有3个条纹形空隙的反电极，

图4以俯视图示出了根据第二实施例的对每个像素具有一个圆形空隙的反电极，

图5以俯视图示出了根据第三实施例的具有跨越像素的条纹形空隙的反电极，

图6以方框图形式的图示出了本发明的校准方法。

在附图中相同或功能相同的元件用相同的附图标记表示。在元件在一个图中重复的情况下，出于清楚的原因一个元件分别只设置一个附图标记。附图中的图示是示意性并且不一定是符合比例的，其中附图之间的比例可以改变。

具体实施方式

在图1中，以部分透视图、部分方框图形式的视图示出具有本发明X射线检测器1的计算机断层造影设备14。该计算机断层造影设备14包括用于支撑待检查患者的患者卧榻15。此外，该计算机断层造影设备包括未示出的支架，该支架具有可围绕系统轴16旋转支撑的拍摄系统17，1。该拍摄系统17，1具有X射线管17以及按照本发明的X射线检测器1，它们相互相对地取向，使得在运行中从X射线管17的焦点18出发的X射线入射到X射线检测器1上。图2中以侧视图更精确示出的X射线检测器1包括准直仪12、直接转换的半导体层2以及在辐射方向上位于半导体层2之下的读取电子电路19，该准直仪具有以IR光源3形式集成在准直仪中的光源。X射线检测器1具有多个在

方向上排成行并且组成模块20的像素7或检测器元件。由此能够位置分辨地计数和/或选择能量地采集X射线量子。

为了拍摄检查部位的图像，在拍摄系统17，1围绕系统轴16旋转时采集来自多个不同投影方向的投影，其中X射线检测器1对每次投影对每个像素7都提供电信号，根据这些电信号以计数的方式和以可选的能量选择的方式生成图像原始数据。在螺旋扫描的情况下，在拍摄系统17，1的旋转期间例如同时在系统轴16的方向上连续地移动患者卧榻15。由此X射线管17和X射线检测器1在这种扫描类型的情况下在螺旋轨道21上围绕患者移动。所生成的图像原始数据在序列器中被序列化并接着传送到图像计算机22。图像计算机22包含重建单元23，该重建单元从这些图像原始数据中根据专业人员公知的方法例如以患者的截面图的形式重建出图像。该图像可以显示在与图像计算机22连接的显示单元24上，该显示单元例如是视频监视器。

在图2中的侧视图中可以看见本发明X射线检测器1的截面。直接转换的半导体层2由CdZnTe化合物制造。该半导体材料在医学成像的能量范围中具有高的X射线吸收，并且拥有大到足以分离电场中的释放的载流子的带隙能量。除了CdZnTe化合物之外，例如还可以采用CdTe、CdTeSe、CdZnTeSe、CdMnTe、InP、TIBr2或HGI2化合物来构造半导体层2。

半导体层2设置在反电极8和像素类型结构化地读取电极9之间。在电极8，9上施加电压以建立电场，在该电场中通过辐射吸收事件释放的载流子向着电极8，9的方向上加速。所释放的电子在该实施例中向着正性充电的读取电极9的方向加速，并在读取电极9上以电流的形式感应出电信号。

这些电流被传导给读取电子电路19，该读取电子电路对每个像素7都包括评估单元4、脉冲鉴别器6和校准单元5。

在评估单元4中通过卷积将电流脉冲转换为评估信号，该评估信号的脉冲高度与电流曲线下的面积成比例并因此与所检测到的电荷量成比例。所述评估信号在检查运行中接着被交给脉冲鉴别器6，该脉冲鉴别器通过将该评估信号的脉冲高度与可调的阈值相比较而计数地采集检测事件。脉冲鉴别器6可以被设计为还针对具有不同的可调阈值的多个阈值比较运算而选择能量地采集。通过这种方式可以向检测事件分配能量或能量范围。选择能量的采集尤其实现了对图像的特定于材料的评估。

为了校准X射线检测器1，在准直仪12的校准仪桥13中集成了IR光源3，这些IR光源被设置为用IR射线照射半导体层2。IR光源3产生能量高于该半导体层的带隙能量的IR射线。IR光源3在该实施例中被设计为产生具有不同波长或能量的IR射线，并且既可以连续地又可以脉冲式地运行。为了将IR射线耦合到半导体层2中，反电极8由在所产生的IR射线的波长范围内几乎透明的薄金属层形成。通过这种方式，耦合到半导体层2中的IR射线量子以电子空穴对的形式产生载流子。通过预定IR射线的波长、照射的持续时间以及预定IR光源3的脉冲式或连续的运行，可以产生与来自入射的所定义能量的X射线量子的载流子云相应的载流子云。

在校准运行中，将评估信号传递给校准单元5。校准单元5从至少一个评估信号中确定至少一个阈值以用于检测通过IR射线模拟的X射线量子。这些阈值接着被输送给脉冲鉴别器6以用于随后的测量。在所给出的实施例中，向每个像素7分配光源3、评估单元4、校准单元5以及脉冲鉴别器6。当然还可以向像素组分配这些部件中的单个部件。即这尤其意味着一个光源也可以照射多个像素。

另一种实施在于，在评估电子电路19上产生IR射线并且必要时通过相应的透光的底部填充剂将该IR射线耦合到半导体层2中。该耦合在此既可以在像素化的读取电极9的无遮盖区域上进行。也可以考虑读取电极9是薄金属层以及因此对IR射线是透明或半透明的。IR射线源3还可以作为LED生长、沉积在读取电子电路19上或者与读取电子电路19机械连接。IR光源3还可以按照与X射线检测器1不同的布置例如设置在读取电子电路19的边缘上。

IR射线到半导体层2中的耦合还可以这样来进行，即，反电极8和/或读取电极9具有空隙10，IR射线可以通过该空隙进入半导体层2中。图3以俯视图示出根据第一实施例的反电极8，其中在每个像素的中心设置3个条纹形的空隙10。在图4的俯视图中可以看见根据第二实施例的反电极，其中在各活性像素平面11的中心设置一个圆形空隙。该空隙10的尺寸在此被选择为，使得通过载流子传输而扩展的载流子云不会落在相邻的像素或活性像素区域11上。即由此避免了串扰到相邻像素上。图5在俯视图中示出根据第三实施例的具有跨越像素的条纹形空隙10的反电极8。

要指出的是，作为光源3可以使用VIS光源来代替IR光源，并且由此可以使用VIS射线来代替IR射线以用于释放载流子。

在图6中以方框图示出用于X射线检测器1的校准方法。该校准方法具有以下方法步骤：

a)产生25能量高于半导体层2的带隙能量的光，

b)将该光耦合26到半导体层2中以模拟入射的具有特定能量的X射线量子，

c)基于通过该光产生的电信号测量27评估信号，以及

d)基于该评估信号校准28至少一个脉冲鉴别器6。

可以总结如下：

本发明涉及一种X射线检测器1，该射线检测器包括：直接转换的半导体层2，用于将入射的射线转换为具有表征半导体层2的带隙能量的电信号，以及至少一个光源3，用于将光耦合到半导体层2中，其中，所产生的光具有高于半导体层2的带隙能量的能量以模拟入射的X射线量子。该X射线检测器1还包括至少一个评估单元4，用于根据在光耦合到半导体层2中时所产生的电信号来计算评估信号，以及至少一个校准单元5，用于基于该评估信号对至少一个脉冲鉴别器6进行校准。由此实现了在考虑当前极化状态下快速可重复地校准X射线检测器1的前提，而不使用X射线。本发明此外还涉及用于这样的X射线检测器1的校准方法。

Claims (13)

1.一种X射线检测器（1），包括：

-直接转换的半导体层（2），用于将入射的射线转换为具有表征半导体层（2）的带隙能量的电信号，

其特征在于，

-至少一个光源（3），用于将光耦合到半导体层（2）中，其中，所产生的光具有高于半导体层（2）的带隙能量的能量以模拟入射的X射线量子，

-至少一个评估单元（4），用于根据在光耦合到半导体层（2）中时所产生的电信号来计算评估信号，以及

-至少一个校准单元（5），用于基于该评估信号对至少一个脉冲鉴别器（6）进行校准。

2.根据权利要求1所述的X射线检测器（1），其中，所述半导体层（2）具有像素（7），并且每个像素（7）被分配了光源（3）、评估单元（4）、校准单元（5）和脉冲鉴别器（6）。

3.根据权利要求1所述的X射线检测器（1），其中，所述半导体层（2）设置在反电极（8）和像素形式结构化的读取电极（9）之间，其中，所述反电极（8）和/或读取电极（9）为了耦合进光而是至少按片段地透明或半透明。

4.根据权利要求3所述的X射线检测器（1），其中，所述反电极（8）和/或读取电极（9）是薄金属层。

5.根据权利要求3或4所述的X射线检测器（1），其中，所述反电极（8）和/或读取电极（9）具有空隙（10）。

6.根据权利要求5所述的X射线检测器（1），其中，所述空隙（10）条纹形式地构成，并且在所述像素（7）的活性像素平面（11）的中间区域上延伸。

7.根据权利要求1至4之一所述的X射线检测器（1），其中，所述光源是IR光源或VIS光源（3）。

8.根据权利要求1至4之一所述的X射线检测器（1），其中，所述光源是LED或激光二极管。

9.根据权利要求1至4之一所述的X射线检测器（1），包括准直仪（12），其中，所述光源（3）设置在该准直仪（12）的侧壁中或准直仪桥（13）中。

10.根据权利要求1至4之一所述的X射线检测器（1），其中，所述校准单元（5）被设计为调节所述脉冲鉴别器（6）的至少一个阈值。

11.一种用于X射线检测器（1）的校准方法，该X射线检测器具有直接转换的半导体层（2），用于将入射的射线转换为具有表征半导体层（2）的带隙能量的电信号，该校准方法具有以下方法步骤：

a)产生能量高于半导体层（2）的带隙能量的光，

b)将该光耦合到半导体层（2）中以模拟入射的具有特定能量的X射线量子，

c)基于通过该光所产生的电信号测量评估信号，以及

d)基于该评估信号校准至少一个脉冲鉴别器（6）。

12.根据权利要求11所述的校准方法，其中，在校准步骤（28）中调节脉冲鉴别器（6）的至少一个阈值。

13.根据权利要求11或12所述的校准方法，其中，在测量步骤（27）中根据所述电信号的卷积来形成所述评估信号，使得该评估信号与耦合进的射线的能量成比例。

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