CN102388321B - 高动态范围光传感器 - Google Patents

Abstract

当在计算机断层扫描（CT）检测器中检测光子时，传感器（10，38）包括可在线性工作模式和盖革工作模式之间切换的光电二极管以增加感测范围。当信噪比（SNR）高时，大的偏置电压被施加到该光电二极管（12）以将其充电到超过其击穿电压，这使得它对单个光子敏感并导致它在盖革模式下工作。当在光电二极管（12）处接收到光子时，读出晶体管（18）感测光电二极管（12）两端的电压降以检测光子。可替换地，当SNR低时，低的偏置电压被施加到光电二极管（12），从而使得它在线性模式下工作。

Description

高动态范围光传感器

技术领域

本发明在医学成像系统（例如包括计算机断层扫描（CT）成像）中获得具体的应用。然而，应理解所描述的技术还可以在核相机、其它成像系统、其它成像场景、其它光感测技术等等中获得应用。 

背景技术

CT扫描仪典型包括分别固定在机架的沿直径相对侧上的x-射线源和x-射线检测器阵列。在对置于机架的膛内的患者进行扫描期间，机架绕旋转轴旋转而x-射线从x-射线源的焦点穿过患者到达检测器。在高分辨率成像模式下，由于机架高速旋转，因此大辐射剂量穿过该主体。在荧光检查模式下，x-射线剂量低得多，且机架可保持固定。 

目前的CT成像系统典型地包括CT扫描仪和关联的数据获取和成像重构软件，其产生重构图像的完整组。操作员执行初始的平面检查扫描以识别所关注体积（如心脏）的空间位置，以及最优化其它成像参数。在对比度增强的CT中，于是施用造影剂，并且执行低剂量成像以监测进入心脏或其它器官的造影剂摄入量。当由于造影剂引起的图像对比度达到所选的阈值时，操作员启动高分辨率诊断成像。典型地，在最优化检查、监测和诊断成像步骤方面给操作员的指导很少。典型地，操作员仅仅获得一次尝试。如果有问题，第二成像期间被延期直到造影剂冲洗了心脏或所关注的其它器官为止。一旦诊断成像完成，完整的CT数据集被重构。然而，对于仅在一种模式下工作（例如盖革（Geiger）或线性）的经典传感器或检测器，光子感测范围被限制。 

对于许多光感测应用，宽的动态感测范围是期望的。提供这样的范围的尝试已包含使用PIN或雪崩光电二极管。然而，两种类型的传感器都承受相对较高的噪声，其限制了动态感测范围的低端。另一方面，基于单个光子雪崩光电二极管的硅光电倍增管允许解决低光子通量，但是它们的动态范围受到效应的限制。 

在医疗成像设备中增加感测范围的其它尝试已包含具有盖革模式区域及线性模式区域的传感器，如2006年8月28日提交的标题为“Digital silicon photomultiplier for TOF-PET”的美国专利申请序列号11/467670中所描述的。然而，这样的传感器不包括可在盖革模式和线性模式之间切换的光电二极管。而且，对于CT设备中的传感器，它们不使用环境光水平来触发盖革模式和线性模式之间的切换。 

光电二极管的典型读出电路包括反向偏置到若干伏并通过打开复位晶体管而断开的光电二极管。光电流导致光电二极管上的电压随时间下降。在读出期间，通过闭合读出晶体管读取光电二极管电压。光电二极管电容典型地比数据线电容小得多。源跟随器被用于将二极管电容与数据线的电容解耦。 

典型地，二极管偏置电压（V_bias）为几伏，并且因此在光电二极管内部不发生电荷倍增。如果传感器被像素化，那么数据线表示图像的各列。总通量可以通过将所有各个像素的通量加在一起来计算，并且可以根据传感器的大小和应用以模拟或数字方式来完成。对于低的光通量，线性模式光电流太小以至于无法与噪声水平区分。噪声有若干个源：光电二极管内部的热噪声、放大噪声、数字化噪声、外部噪声源等。 

发明内容

本申请提供用于利用光电二极管内的内部放大来减轻处于低光水平的噪声源的影响以便提供可在线性和盖革工作模式之间切换的传感器的新的改进的系统和方法，其克服了上面提及的问题及其它问题。 

按照一方面，用于诊断成像系统检测器的双模式光传感器包括耦合到将接收的伽马射线转换成光的一个或多个闪烁晶体的光电二极管阵列，并且控制器监测光条件并基于所监测的光条件在两种工作模式（包括盖革模式和线性模式）之间切换光电二极管。 

按照另一方面，扩展伽马射线传感器的感测范围的方法包括：测量传感器处的环境光条件，该环境光条件包括在传感器处检测的伽马射线的信噪比（SNR）；确定所测量的SNR是否大于或等于预定阈值SNR，并且如果测量的SNR大于或等于预定阈值SNR，则施加第一偏置电压给该传感器以使得其中的光电二极管在盖革模式下工作。所述方法还包括：如果所测量的SNR小于该预定阈值SNR，则施加第二偏置电压给该传感器使得其中的光电二极管在线性模式下工作。 

按照另一方面，伽马射线传感器包括将接收的伽马射线转换成光的闪烁晶体阵列、耦合到每个闪烁晶体以及耦合到感测晶体管和复位晶体管的光电二极管以及耦合到感测晶体管的读出晶体管，其中所述读出晶体管读取光电二极管两端的电压降。通过闭合所述复位晶体管将光电二极管充电到超过其击穿电压的V_ex伏，并且之后在盖革模式下工作以感测单个光子。当光子被光电二极管接收时，该读出晶体管感测光电二极管两端的V_ex伏的电压降。 

一个优点在于该传感器或检测器的感测范围增加。 

另一优点在于操作模式之间的切换。 

本领域普通技术人员在阅读并理解以下详细描述之后将理解本主题发明的其它优点。 

附图说明

本发明可以采取各种部件或部件的布置、以及各种步骤及步骤的布置的形式。附图仅为了说明各个方面的目的，并且不应解释为限制本发明。 

图1图示了按照这里提出的各方面利于在大动态感测范围上检测光通量的双模式光传感器； 

图2图示了按照这里所描述的各个实施例利于提供大的动态感测范围的可在盖革模式和线性模式之间切换的双模式传感器；

图3图示了按照这里描述的各个方面针对伽马射线传感器在线性和盖革模式之间切换的方法；

图4是按照这里所描述的一个或多个方面的诊断成像系统100的图示，该系统使用其上具有闪烁晶体阵列的检测器，每个闪烁晶体耦合到传感器。

具体实施方式

图1图示了按照这里提及的各方面利于在大动态感测范围上检测光通量的双模式光传感器10。特别地，光传感器（例如光电二极管）的动态范围向下扩展用于多光子或单光子检测和计数。这通过将传感器从线性模式动态切换到盖革模式或进行相反操作来实现。以此方式，线性模式传感器和盖革模式传感器这两者的强度被组合以将所得到的传感器的动态范围从单光子检测和计数扩展到几十倍高的通量。所增加的动态感测范围通过根据光通量自动调整传感器10中光电二极管12的工作点来实现。在低光条件期间，在计数模式下光电二极管被偏置于击穿电压之上并且对单个光子敏感。在高光条件下，偏置电压在线性或弱雪崩区域中被调整以允许在该光电二极管中所检测光子的集成。例如，如果传感器10在线性模式下工作，并且噪声统计落在预定阈值以下，那么控制器可以切换到盖革模式。如果传感器在盖革模式下工作，并且输出开始饱和，那么控制器将检测器切换到线性模式。 

光电流的内部放大通过将内部场强增加到若干100kV/cm来实现。因此，对于本征区域的给定厚度，施加足够高的偏置电压以驱动光电二极管进入雪崩模式。另外，光电二极管被设计成实现光电二极管内高的均匀场以及实现在光电二极管边界处场的受控的降低。相关联的读出电路被设计成：使得对于该电路中的感测晶体管14，由光电流引起的电压降保持在可容许的极限之内。具有击穿电压V_dd的保护二极管16可以用于裁剪读出晶体管18栅极处的峰值电压以保护它避免栅氧化物击穿。如果栅极的电压超过该电路的击穿电压和戴维宁（Thevenin）等效电压之和（V_dd+V_th），那么保护二极管16变为传导性的并且将电压水平裁剪到大约V_dd+V_th。 

线性雪崩模式下的内部放大可以产生由放大过程的概率性质导致的统计噪声源。该过量噪声添加到光电二极管的热噪声。另外，雪崩区域的增益与温度和偏置高度相关，并且如果需要可以被限制到大约10至100。 

增加偏置电压超过击穿电压驱动光电二极管进入盖革模式工作区域。在该模式下，光电二极管变得对单个光子敏感并易于达到几百万的增益。然而，光电二极管变得对光子的实际数量不敏感；二极管相对于光通量变成非线性的。弱的光子通量可以通过对光子逐个地计数来测量。然而，光电二极管可经历“死亡”时间，其将最大可接受通量限制在每秒几百万光子。在另一实施例中，通过在每个像素中布置多个光电二极管增加盖革工作区域内的计数能力，每个光电二极管能够独立地检测光子（例如在硅光电倍增管中）。 

当偏置电压被设置为V_bd+V_ex时，传感器10可以用来操作盖革模式下的光电二极管12，V_bd是光电二极管的击穿电压，而V_ex是过电压。通过闭合复位晶体管20，光电二极管被充电至超过击穿电压V_ex伏。在这一点上，光电二极管变得对单个光子敏感。在接收到单个光子后，光电二极管上的电压下降V_ex。通过闭合所述读出晶体管18，该电压降被读出。传感器10的所有线被分别读出，而不是以模拟方式将各电压相加，将阈值设置于电压上以利于对光子的实际数量进行计数。即，数据线变成盖革模式下的二进制信号，尽管它们是线性模式下的模拟信号。光子的实际数量通过传感器的所有像素上的数字和给出。V_ex可被限制到小于或等于V_dd以保护读出晶体管栅氧化物。 

图2图示了按照这里所描述的各个实施例可在盖革模式和线性模式之间切换的双模式传感器38，其利于提供大的动态感测范围。光敏区域40被细分成二极管像素42。与CMOS成像器相反，每个像素42包括连接到电路的单光子雪崩光电二极管12（图1）。传感器38的像素线被行解码器43以读出频率f_R连续读出，其中一条线的读出复位传感器的前一条线。根据工作模式，数据线处的信号以模拟或数字方式相加。在模拟或线性模式下，加法器44将对应于各光电二极管的电荷的电压水平相加，并输出信息给生成最终结果的累加器45。 

附加地或可替换地，模拟信号被相应的模数转换器（ADC）46数字化，并且各数字值相加（如图2所示）。求和之前的数字化的优点在于，允许经由（例如对存储到存储器48中的一个或多个查找表47的）表查找而包含暗电流减法和其它校正（这可由处理器50来完成）。在盖革模式或数字模式下，鉴别器施密特触发器（ST）52确定所述线是处于“0”（地）还是“1”（V_ex），并且加法器44由集中器电路54代替。集中器电路将N-比特输入矢量转换成M-比特二进制值并输出信息给累加器45，该M-比特二进制值包含N-比特输入矢量中“1”（例如V_ex的线）的数量。 

另外，控制器56连续地或周期性地监测所得到的光通量并确定哪种模式最适于当前的光通量条件。从一个模式改变到另一模式发生在两个连续的帧之间，并且偏置电压分量58（例如利用毫微秒等的时帧内几十伏的电压阶跃）稳定偏置电压。根据控制器56指示哪种工作模式，偏置电压分量另外控制施加到ADC和/或ST的偏置电压。过渡区取决于传感器的工作条件，且优化标准是信噪比（SNR）。然而，噪声受到环境及传感器本身的影响。因此，控制器逻辑使用外部可编程查找表以允许最大的灵活性。所得到的数字信号由处理器50中的数字信号处理电路处理，该处理器与传感器耦合。所述处理包括信号的积分、过滤、成形、裁剪和分析。在这种方式下，传感器对所有需要高动态感测范围的应用而言是有用的，重点在于将范围向单个光子计数、如光子计数CT应用等扩展。在一个实施例中，传感器在光谱CT成像系统中的光子计数模式（例如盖革模式）下使用。 

尽管在一些实施例中，像素独立地、系统性地和/或按照一种模式来切换，但是在一个实施例中，所有像素同时切换。例如，当检测到大量的光时，盖革模式下的光电二极管可能开始饱和，而线性模式成为期望的。因此，如果感测到预定阈值量的光，则控制器56将光电二极管切换到线性模式。相反，当SNR高时（例如在预定SNR阈值以上），线性模式下的光电二极管对于检测单个光子而言可能不足够敏感。在这种情况下，当确定SNR阈值已经被超过后（例如噪声降低到低于预定义的噪声基底），控制器56将光电二极管切换到盖革模式。 

按照实例，低剂量CT扫描仪传感器启动，其中一个或多个传感器在线性模式下工作。如果x射线图像被（例如被骨等）“遮蔽”，那么控制器将传感器切换到盖革模式以增加光电二极管敏感性并在每给定时间单位检测到大量伽马射线或光子。 

在另一实例中，传感器在检测器模块的表面上可互换。例如，多个传感器可以按照阵列或平铺布置安装到检测器表面。如果传感器故障，则用新的预校准的双模式传感器来代替。 

图3图示了按照这里所描述的各方面的伽马射线传感器在线性模式和盖革模式之间切换的方法，其中该方法是在数据获取时间期间运行的环路。在80处，分析环境光水平以确定光条件。在82处，做出关于该环境光是否大于或等于预定阈值的决定。如果否，则高偏置电压被施加到与相应像素关联的光电二极管，以使得光电二极管在盖革模式下工作，从而使得像素能够检测一个或几个光子。 

在84处，做出关于盖革模式输出是否处于或接近预定阈值饱和水平的决定，并且如果否，则该方法回到82，其中光电二极管继续在盖革模式下工作。如果光电二极管处于或接近饱和，则该方法进行到88，其中施加到相应像素的光电二极管的偏置电压减小到低偏置电压，这使得光电二极管在线性模式下工作以允许检测在高光条件下的大量光子。类似地，如果在82处的确定指示环境光大于或等于预定阈值水平，那么该方法前进到88，其中光电二极管置于使用低偏置电压的线性工作模式下。 

一旦处于线性模式下，在90处，光电二极管被监测以确定噪声水平是否小于或等于预定噪声阈值。如果否，则该方法回到88以继续光电二极管在线性模式下的工作。如果是，则该方法进行到84，其中光电二极管被置于盖革模式下。 

将理解，所描述的方法可以存储在计算机可读介质（例如图2的存储器48）上作为可由一个或多个处理器（例如图2的处理器50和/或控制器56）执行的计算机可执行指令。如这里所使用的，“计算机可读介质”指的是存储电子数据和/或指令的数据存储部件或存储器。 

图4是按照这里所描述的一个或多个方面的使用其上具有闪烁晶体104阵列的检测器102的诊断成像系统100的图示，每个闪烁晶体耦合到传感器38。在一个实施例中，诊断成像系统是CT成像系统。在另一个实施例中，诊断成像系统是核成像系统，如正电子发射断层扫描成像系统。闪烁晶体104被设置在阵列或平铺的布置中，如传感器38，使得晶体之间的缝隙最小或没有缝隙。每个晶体及其关联的传感器可被移除以利于受损或不起作用的晶体和/或传感器的替换。以此方式，如果一个或多个传感器（或晶体）故障，检测器102可以维持在工作状态下。 

将理解，按照一个实施例，这里所描述的系统和方法可以用在光谱CT成像系统中。光谱CT使用x射线束的全光谱中固有的附加信息将临床值加到CT，这利于组织鉴别，该组织鉴别又利于在材料（例如含有钙和碘等的组织）之间进行区分，这些材料在传统的单色CT图像上可能看起来类似。例如，通过先进的检测技术，光谱CT允许x射线束被分成其分量能量或光谱。更为先进的，当传感器在盖革模式下工作时，利用这里所描述的双模式传感器利于多能量或光子计数检测。 

因此，患者不仅受益于利于更确信的诊断的改进图像，而且受益于降低的x射线辐射剂量。在某些情况下，使用光谱信息来创建虚拟的无对比度（non-contrast）图像可以消除对传统的无对比度获取的需要。消除这些无对比度图像还可能具有经济利益，因为它缩短了检查时间且利于增加患者处理量。 

光谱CT还提供对造影剂的成像敏感性，从而实现较低（更局部化的）浓度的检测并减少注入量。改进CT对少量造影剂的敏感性还允许使用新颖的造影剂，从而允许CT提供分子和生理信息。 

已经参考若干实施例描述了本发明。在阅读和理解前述详细描述后可以设想其它的修改和改变。本发明旨在被解释为包括落在所附权利要求或其等同物的范围之内的所有这样的修改和改变。 

Claims (14)

1.一种用于成像系统（100）检测器（102）的双模式光传感器（38），包括：

光电二极管（12）的阵列，其耦合到将接收的射线转换成光的一个或多个闪烁晶体（104）；以及

控制器（56），其监测光电二极管（12）输出的信噪比（SNR）并基于所监测的信噪比使光电二极管（12）在两种工作模式之间切换，这两种工作模式包括盖革模式和线性模式。

2.按照权利要求1所述的传感器，还包括：

外部可编程的查找表，当选择工作模式时，控制器（56）访问所述查找表。

3.按照前述权利要求中任一项的传感器，其中当信噪比（SNR）高于预定阈值水平时，控制器（56）将光电二极管（12）置于盖革模式下；以及

偏置电压生成器（58），其将施加到光电二极管的偏置电压增大到使该光电二极管在盖革模式下工作的水平。

4.按照权利要求1或2的传感器，其中当检测的射线的信噪比（SNR）处于或低于预定阈值水平时，控制器（56）将光电二极管（12）置于线性模式下；以及

偏置电压生成器（58），其将施加到光电二极管上的偏置电压降低到使该光电二极管在线性模式下工作的水平。

5.按照权利要求1或2的传感器，还包括：

模数转换器（ADC）(46)，其耦合到像素（42）的每列，该模数转换器将所检测的伽马射线信息从模拟格式转换到数字格式；以及

加法器（44），其将对应于各光电二极管（12）的电荷的电压水平相加以生成累加的电压信息。

6.按照权利要求5所述的传感器，还包括：

施密特触发器（52），其耦合到像素（42）的每列，确定像素的每列是处于“0”（地）还是“1”（V_excess）；

集中器（54），其将N-比特输入矢量转换成M－比特二进制值，该值包含表示N-比特输入矢量中处于V_excess的像素列的“1”的数量；以及

累加器（45），其接收M-比特二进制值和累加的电压信息并输出与闪烁晶体中检测的闪烁事件有关的信息。

7.按照权利要求1或2的传感器，还包括：

行解码器（43），其读取像素（42）的每行；以及

由处理器（50）访问的偏移和校正查找表（47），该处理器在读出像素数据上执行暗电流减法并向ADC(46)提供校正信息。

8.一种诊断成像系统（100）检测器（102），其上以平铺布置设置有前述权利要求中任一项的多个传感器（38），每个传感器（38）可移除地耦合到检测器（102）以及耦合到一个或一种闪烁晶体和闪烁晶体的阵列。

9.按照权利要求1或2的传感器，其中每个光电二极管（12）对应于像素（42）。

10.一种扩展伽马射线传感器（10，38）的感测范围的方法，包括：

测量传感器（10，38）处的环境光条件，该环境光条件包括在传感器（10，38）处检测的射线的信噪比（SNR）；

确定所测量的SNR是否大于或等于预定阈值SNR；

如果所测量的SNR大于或等于预定阈值SNR，则施加第一偏置电压给该传感器（10，38）以使得其中的光电二极管（12）在盖革模式下工作；以及

如果所测量的SNR小于该预定阈值SNR，则施加第二偏置电压给该传感器（10，38）以使得其中的光电二极管（12）在线性模式下工作。

11.按照权利要求10所述的方法，还包括：

作为所测量的SNR的函数，使传感器（10，38）在盖革模式和线性模式之间切换。

12.按照权利要求10或11中任一项所述的方法，还包括：

当所测量的SNR落到预定阈值SNR之下时，将传感器（10，38）从盖革模式切换到线性模式；以及

当所测量的SNR等于或高于预定阈值SNR时，将传感器（10，38）从线性模式切换到盖革模式。

13.一种伽马射线传感器（10），包括：

闪烁晶体（104）的阵列，其将接收到的射线转换成光；

光电二极管（12），其耦合到每个闪烁晶体（104）以及耦合到感测晶体管（14）和复位晶体管（20）；

耦合到感测晶体管（14）的读出晶体管（18），其读取光电二极管（12）两端的电压降；以及

保护二极管（16），其裁剪所述读出晶体管（18）的栅极处的峰值电压，以保护该读出晶体管（18）以免击穿；

其中通过闭合所述复位晶体管（20）而将光电二极管充电到超过其击穿电压的V_ex伏，并且之后光电二极管在盖革模式下工作以感测单个光子；以及

其中当光电二极管接收到光子时，所述读出晶体管（18）感测光电二极管（12）两端的V_ex伏电压降；

其中当所施加的偏置电压低于光电二极管（12）的击穿电压时，光电二极管（12）在线性模式下工作。

14.一种成像系统（100），包括按照权利要求13的多个传感器（10）。