CN102361593B - 用于使用成像设备的数据采集的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种成像探测器阵列(112)的探测器块(116)，包括闪烁体阵列(202)、光学耦合至所述闪烁体阵列(202)的光传感器阵列(204)和电流到频率(I/F)转换器(302)，其中所述光传感器阵列(204)包括多个光敏像素。所述I/F转换器(302)包括：积分器(304)，其在积分期期间对由光敏像素输出的电荷进行积分并生成指示所积分的电荷的信号；以及比较器(310)，其在积分期期间所生成的信号满足预定标准时生成脉冲。复位装置(316)响应于所述比较器(310)生成脉冲而使所述积分器(304)复位。电路(320、324)在积分期的开始和/或积分期的结束时对所生成的信号进行采样并生成指示所采样的信号的量化数字数据。逻辑(322)基于所生成的数字数据估计所述积分器(304)的输入处的电荷。
Description
技术领域
下文总体涉及数据采集，并且尤其应用于计算机断层摄影（CT）。然而，其还适用于其他医学成像应用和非医学成像应用。
背景技术
计算机断层摄影（CT）扫描器包括安装在可旋转扫描架上的X射线管，所述可旋转扫描架关于纵轴或z轴绕检查区域旋转。探测器阵列在相对于X射线管的检查区域的对侧延伸一角度弧。探测器阵列探测贯穿检查区域和其中的受检者或对象的辐射，并生成指示所述辐射的信号。重建器重建所述信号并生成体积图像数据。能够处理该体积图像数据以生成一幅或多幅图像。
探测器阵列通常包括光学耦合至光传感器阵列的闪烁体阵列，光传感器阵列电耦合至处理电子器件。闪烁体阵列生成指示撞击在其上面的辐射的光，光传感器阵列生成指示所述光的电信号，并且处理电子器件包括模数（A/D）转换器，其基于电信号生成指示所检测到的辐射的数字数据。处理该数字数据以生成由重建器重建的信号。
遗憾的是，检测技术不断发展至更多的切片、更小的切片宽度、更低的信号、更快的旋转时间，噪声和/或空间分辨率约束会限制成像性能。
发明内容
本申请的各方面解决了上述问题和其他问题。
根据一个方面，成像探测器阵列的探测器块（tile）包括闪烁体阵列、光学耦合至闪烁体阵列的光传感器阵列和电流到频率（I/F）转换器，所述光传感器阵列包括多个光敏像素。I/F转换器包括：积分器，其对积分期期间由光敏像素输出的电荷进行积分并生成指示所积分的电荷的信号；以及比较器，其在积分期期间所生成的信号满足预定标准时生成脉冲。复位装置，其响应于比较器生成脉冲而使积分器复位。电路在积分期的开始时和/或积分期的结束时对所生成的信号进行采样，并生成指示所采样的信号的量化数字数据。当所述比较器在所述积分期内生成少于第一预定数目的脉冲时，逻辑基于所生成的数字数据估计积分器的输入处的电荷。
在另一实施例中，一种方法，包括在积分期期间经由电流到频率转换器的积分器对输入电荷进行积分。输入电荷指示由成像系统的探测器块探测到的辐射。该方法还包括在积分期期间所积分的电荷超过预定阈值时，利用电流到频率转换器的比较器生成脉冲。该方法还包括在积分期的开始时和/或积分期的结束时对所积分的电荷进行采样。该方法还包括将被采样的所积分的电荷转换为数字信号。该方法还包括在积分期期间生成了少于预定数目的脉冲时，基于被采样的所积分的电荷估计积分期内的输入电荷。
在另一实施例中，一种成像系统，包括：辐射源，其生成贯穿检查区域的辐射；探测器阵列，其探测贯穿检查区域的辐射；以及重建器，其重建探测器阵列的输出，以生成指示检查区域的体积图像数据。探测器阵列包括多个探测器块，并且探测器块包括闪烁体阵列和光学耦合至闪烁体阵列的光传感器阵列。光传感器阵列包括多个光敏像素。所述块还包括电流到频率（I/F）转换器，电流到频率（I/F）转换器具有：积分器，其对积分期期间由光敏像素输出的电荷进行积分，并生成指示所积分的电荷的信号；以及比较器，其在积分期期间所生成的信号超过预定阈值时生成脉冲。电路在积分期的开始时和/或积分期的结束时对所生成的信号进行采样，并生成指示所采样的信号的数字数据。逻辑在比较器于积分期内生成少于预定数目的脉冲时基于所生成的数字数据，以及比较器于积分期内生成至少预定数目的脉冲时基于由比较器生成的脉冲，来估计在积分器的输入处的电荷。
附图说明
本发明可以具体化为各种部件和部件布置，以及具体化为各种步骤和步骤安排。附图仅用于图示说明优选实施例，而不应被解释为对本发明构成限制。
图1图示了一种范例成像系统；
图2图示了一种范例探测器块；
图3图示了范例探测器电子器件；
图4和5包括分别图示了其中无脉冲生成和生成一个脉冲的范例积分期的示意图；
图6图示了一种范例方法。
具体实施方式
图1图示了一种成像系统100，例如计算机断层摄影（CT）扫描器。成像系统100包括基本上固定的扫描架102和旋转扫描架104。旋转扫描架104由固定扫描架102可旋转地支撑并关于纵轴或z轴绕检查区域106旋转。诸如X射线管的辐射源108由旋转扫描架104支撑并发射贯穿检查区域106的辐射。
辐射敏感探测器阵列112跨越检查区域106在辐射源108的对侧延伸一角度弧，并探测贯穿检查区域106的辐射。在图示的实施例中，辐射敏感探测器阵列112包括相对彼此沿着横切z轴的方向布置的多个探测器模块114。探测器模块114包括相对彼此沿z轴布置的多个探测器镶嵌体（mosaic）或块116。在一个非限制性示例中，探测器阵列112大致相似于和/或基于在2001年7月18日提交的题为“Solid State X-Radiation DetectorModules and Mosaics thereof,and an Imaging Method and ApparatusEmploying the Same”的美国专利6510195B1中所描述的探测器阵列，在此通过引用将其全文并入。本文还预期了其他探测器阵列布置。
转到图2，图示了图1中沿着线A-A的探测器块116的截面视图。所图示的块116包括物理地和光学地耦合至光传感器阵列204的闪烁体阵列202，光传感器阵列204通过基底206电耦合至电子器件208。诸如连接器引脚或其他电路径的电路径212承载电源和数字I/O信号。Luhta等人在Medical Imaging2006:Physics of Medical Imaging，第6142卷第275-286页(2006)的“A New2D-Tiled Detector for Multislice CT”一文中描述了这种块的范例。本文还预期了其他电子器件。
图3图示了块116的第N个像素300N的范例电子器件。模数（A/D）转换器302包括积分器304（放大器306和积分电容器308）和比较器或鉴别器310。在一个实施例中，A/D转换器302被用作电流到频率（I/F）转换器。在于2001年11月7日提交的题为“Data Acquisition for ComputedTomography”的美国专利6671345B2中描述了这种转换器的范例，在此通过引用将其全文并入。在于1975年11月28日提交的题为“Data Acquisitionfor Computed Tomography”的美国专利4052620中描述了另一合适的转换器，在此通过引用将两者全文并入。本文还预期了其他转换器。
当A/D转换器302被配置成I/F转换器时，积分器304在积分期期间对由光传感器阵列204输出的电荷301的总和以及偏置电流312进行积分。鉴别器310在放大器306的输出满足预定标准时生成数字脉冲。在一个非限制性示例中，鉴别器310在积分期期间将放大器306的输出与阈值314进行比较，并在放大器306的输出上升到高于（或下降到低于）阈值314时（取决于输入电流的极性以及积分器实施的极性；在下文中，假设如果光电二极管生成电流，则积分器304生成升高的输出电压）生成数字脉冲。积分器“复位器”，例如电荷泵316，响应于数字脉冲的生成在积分期期间使积分器304复位。电荷泵316还可以在各积分期的间期使积分器304复位。积分器304的增益可以基于电荷泵316的复位电容进行配置。复位积分器304可以包括向积分器304的输入注入电荷，所述电荷与在积分器304的输入处的电荷抵消。
采样保持电路320在积分期的开始时和结束时对积分器304的输出进行采样，并且A/D转换器324将经采样的输出转换为指示所述输出的量化数字数据。正如下文更详细所述的，逻辑322有选择地启动或激活A/D转换器324。例如，在一个非限制性的实施例中，逻辑322仅在逻辑322确定在积分期内鉴别器310未生成至少两个脉冲时激活A/D转换器324。或者，A/D转换器324可以转变到或维持在空闲或休眠状态。多路复用器326能够用于将针对探测器块116的多个不同像素300、……、300N-1和300N的采样保持电路320的输出发送至A/D转换器324。
逻辑322还处理鉴别器310的输出和A/D转换器324的输出。通过非限制性的范例，当在积分期期间由鉴别器310生成至少两个脉冲时，逻辑322处理所述至少两个脉冲。在一个示例中，这种处理包括对积分期内的脉冲的数目进行计数，并确定从积分期的第一个脉冲到积分期的最后的脉冲的时间。根据这一数据，逻辑322能够生成具有指示输入电荷的频率的输出信号。在一个示例中，逻辑322根据积分期内脉冲的数目与积分期内的第一个和最后的脉冲之间的时间的比率确定频率。当在积分期期间由鉴别器310生成少于两个脉冲时，逻辑322处理A/D转换器324的输出以估计输入电荷。逻辑322还能够被配置成基于脉冲的数目和A/D转换器324的输出两者估计电荷。这能够在鉴别器310生成至少两个脉冲或另一数目的脉冲时进行。在其他实施例中，可以使用不同数目的脉冲的阈值以便于确定是否处理脉冲、A/D转换器304的输出、或者两者。
返回到图1，重建器118重建来自探测器阵列112的信号并生成指示所述信号的体积图像数据。图像处理器等能够基于所述图像数据生成一幅或多幅图像。通用计算机系统充当操作员控制台120。驻留在控制台120上的软件允许操作员控制系统100的操作。患者支撑物122，例如病床，支撑检查区域106内诸如人类患者的对象或受检者。
图4示出了一个范例，其中在积分期内没有脉冲生成，并且图5示出了一个范例，其中在积分期内生成一个脉冲。在两幅图中，y轴表示积分器304的输出（以电压表示），而x轴表示时间。在图4中，在积分期402期间积聚的电荷对应于从积分期402的开始406处的电荷404到积分期402的结束410处的电荷408。在这一范例中，积聚的电荷不满足积分期402内的阈值314。注意到在先前和后续的积分期416和418内积聚的电荷412和414满足阈值314。
采样保持电路320对在积分期402的开始406处所积累的电荷404和在积分期402的结束410处的电荷408进行采样，并且A/D转换器324将电荷404和408转换为数字信号，或者将电荷408与电荷404之间的差转换为数字信号。在这一范例中，在积分期402的开始406处的电荷404被用作参考值或零水平。这可以允许降低A/D转换器324的范围，得到更好的量化。逻辑322处理A/D转换器324的输出以估计输入电荷。
在图5中，在积分期502期间积聚的电荷对应于阈值电荷504减去在积分期502的开始508处的电荷506和在积分期502的结束512处的电荷510。采样保持电路320对在积分期502的开始508处的电荷506和结束512处的电荷510进行采样，并且A/D转换器324将采样数据转换为数字信号。逻辑322基于数字信号和阈值电荷估计输入电荷。
下文提供了用于基于在积分期内由鉴别器310生成的脉冲的数目有选择地激活A/D转换器324的非限制性范例。对于这一范例，假设A/D转换器324初始为空闲或休眠状态。A/D转换器324在积分期（IP）的第一半部分期间（0<t≤tIP/2）有诸如少于两个（没有或一个（1））或其他数目的脉冲的预定数目的脉冲时被唤醒。在这一范例中，如果在积分期的第二半部分（3/4tIP<t≤tIP）期间无脉冲，或者如果在积分期的第二半部分期间有一个（1）脉冲并且在积分期的第一半部分期间无脉冲，则A/D转换器324保持唤醒。在其他实施例中，脉冲的预定数目少于或多于二。
由于A/D转换器324能够与多个像素300-300N（包括其子集或所有）一起使用，因此A/D转换器324最初能够为空闲的并且当针对至少一个像素的鉴别器310的输出满足了上文论述的激活标准或其他激活标准时在积分期内被唤醒。
如果在积分期内生成了预定数目的脉冲（在这一范例中少于两个），则逻辑322启动A/D转换器324以转换由采样保持电路320采样的数据。当存在不同预定数目的脉冲时，例如在积分期内生成的至少两个（2）脉冲或其他数目的脉冲，则A/D转换器324替换为转变返回到空闲状态。在其他实施例中，不同预定数目的脉冲少于或多于二。有选择地激活A/D转换器324，从而相对于其中A/D转换器324一直开启的配置，降低了功耗。
再次，出于说明性的目的而非限制性的，提供以上脉冲数目的范围，针对其使用A/D转换器来使在积分期的开始和/或结束处的残余信号数字化（或不这样）；本文预期了其他范围，包括更多和/或更少的脉冲。
A/D转换器324是否与探测器块116中的一个一起使用以及A/D转换器324的尺寸能够基于探测器块116的特征来确定。例如，对于两百五十六（256）通道的块，例如，在探测器阵列112的中心处或靠近所述中心的块，其更可能接收更小的信号，例如不会导致至少两个脉冲的信号，十（10）、十二（12）或其他位的A/D转换器可以满足处理256通道的采样保持电路302的输出。
合适的10位A/D转换器的非限制性范例具有七十五（75）MS/s的采样率、零点三六（0.36）平方毫米（mm2）的芯片面积、以及小于一百六十三（163）毫瓦（mW）的功耗，而合适的12位A/D转换器的非限制性范例具有八十（80）MS/s的采样率、大约零点五（0.5）mm2的芯片面积、以及小于一百五十（150）mV的功耗。这样的转换器能够满足高采样率和使用相对小的引脚以及低功耗。
本文还预期了其他A/D转换器。对于256通道的块116，例如在探测器阵列112的边缘处或更靠近所述边缘的块，其更可能接收更大的信号，例如导致至少两个脉冲的信号，A/D转换器304可以被忽略。
利用一个256通道的块，从空闲或休眠状态到唤醒或活动状态的恢复时间大约为一百（100）纳秒（ns）加上五十（50）除以采样率（Fs）。对于二十（20）MS/s的采样率，恢复时间大约为二点六（2.6）微秒（μs），其通常足够短，以在tIP/2之后开启A/D转换器324。在积分期为100μs时，将有大量时间唤醒A/D转换器324，即使256通道中没有通道得到tIP/2之前的脉冲。对于大约20MS/s的采样率，对于12位的ADC的功耗大约为十七（17）mW。在这种低功耗的情况下，A/D转换器324可以在整个积分期期间被激活，而非基于在本文范例中论述的标准或降低了A/D转换器324的占空比的其他标准。
图6图示了一种方法。
在602处，在积分期开始时对积分器304的输入处的电荷进行积分和采样。
在604处，随着在积分期期间对电荷进行积分，将积聚的电荷与预定的阈值进行比较。
在606处，如果积聚的电荷超过预定电荷阈值（或下降到其以下），在积分期期间生成脉冲。
在608处，如果积聚的电荷超过预定电荷阈值（或下降到其以下），积分器304在积分期期间被复位。
在610处，在积分期结束时还对积分器304的输入处的电荷进行积分和采样。
在612处，如果在积分期内生成了至少两个（或另一预定数目的）脉冲，基于在积分期内的脉冲的数目估计输入电荷。
在614处，如果在积分期内生成了少于两个（或另一预定数目的）脉冲，基于在积分期的开始和结束时采样的电荷估计输入电荷。
针对一个或多个积分期重复动作602至614。
本文已参考各种实施例描述了本发明。他人通过阅读本文的说明，可以做出修改和变型。其意图是将本发明解释为包含所有这样的修改和变型，只要其落在权利要求书或与其等价的范围内。
Claims (14)
1.一种成像探测器阵列（112）的探测器块（116），包括：
闪烁体阵列（202）；
光传感器阵列（204），其光学耦合至所述闪烁体阵列（202），其中，所述光传感器阵列（204）包括多个光敏像素；
电流到频率（I/F）转换器（302），包括：
积分器（304），其在积分期期间对由光敏像素输出的电荷进行积分并生成指示所积分的电荷的信号；以及
比较器（310），其在所述积分期期间所生成的信号满足预定标准时生成脉冲；
复位装置（316），其响应于所述比较器（310）生成脉冲使所述积分器（304）复位；
电路（320、324），其在所述积分期的开始时和/或所述积分期的结束时对所生成的信号进行采样，并生成指示所采样的信号的量化数字数据；以及
逻辑电路（322），当所述比较器（310）在所述积分期内生成少于第一预定数目的脉冲时，所述逻辑电路基于所生成的数字数据估计所述积分器（304）的输入处的电荷。
2.根据权利要求1所述的探测器块，其中，所述逻辑电路（322）基于所生成的数字数据以及由所述比较器（310）生成的所述脉冲估计输入电荷。
3.根据权利要求2所述的探测器块，其中，当所述比较器（310）在所述积分期内生成至少第二预定数目的脉冲时，所述逻辑电路（322）基于所述脉冲估计输入电荷。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的探测器块，其中，所述电路（320、324）包括：
采样保持电路（320），其对由所述积分器（304）生成的所述信号进行采样；以及
A/D转换器（324），其将所述采样保持电路（320）的输出转换为所述数字数据。
5.根据权利要求4所述的探测器块，其中，所述A/D转换器（324）在所述积分期的所述开始时转变到或维持在空闲状态。
6.根据权利要求5所述的探测器块，其中，当所述逻辑电路（322）确定在所述积分期内将不可能生成至少第三预定数目的脉冲时，所述逻辑电路（322）在所述积分期期间使所述A/D转换器（324）转变到唤醒状态。
7.根据权利要求6所述的探测器块，其中，当在所述积分期内生成至少所述第三预定数目的脉冲时，所述逻辑电路（322）在所述积分期期间使所述A/D转换器（324）转变到所述空闲状态。
8.根据权利要求4所述的探测器块，其中，当在所述积分期内生成少于第四预定数目的脉冲时，所述逻辑电路（322）启动所述A/D转换器（324）以在所述积分期的所述结束时对由所述积分器（304）生成的所述信号进行采样。
9.根据权利要求4所述的探测器块，还包括多路复用器（326），其将被采样的信号发送至所述A/D转换器（324）。
10.根据权利要求9所述的探测器块，还包括：
第二积分器（304），其在所述积分期期间对由第二光敏像素输出的电荷进行积分并生成指示所积分的电荷的第二信号；以及
第二比较器（310），其在所述积分期期间所生成的第二信号超过第二预定阈值（314）时生成第二脉冲；以及
第二采样保持电路（320），其对所述第二信号进行采样，其中，所述多路复用器（326）将被采样的信号和被采样的第二信号两者发送至所述A/D转换器（324）。
11.根据权利要求10所述的探测器块，其中，当所述比较器（310）之一在所述积分期期间生成少于第五预定数目的脉冲时，所述A/D转换器（324）被激活。
12.一种用于使用成像系统的数据采集的方法，包括：
在积分期期间经由电流到频率转换器（302）的积分器（304）对输入电荷进行积分，其中，所述输入电荷指示由所述成像系统（100）的探测器块（116）探测到的辐射；
当在所述积分期期间所积分的电荷超过预定阈值时，利用所述电流到频率转换器（302）的比较器（310）生成脉冲；
在所述积分期的开始时以及在所述积分期的结束时对所积分的电荷进行采样；
将被采样的所积分的电荷转换成数字信号；并且
当在所述积分期期间生成少于预定数目的脉冲时，基于被采样的所积分的电荷估计所述积分期内的所述输入电荷。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括当在所述积分期期间生成至少所述预定数目的脉冲时，基于所生成的脉冲估计所述积分期内的所述输入电荷。
14.根据权利要求12到13中的任一项所述的方法，还包括响应于生成所述脉冲在所述积分期期间使所述积分器（304）复位。
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