CN102414579B - 数据采集 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种成像检测器，包括闪烁器阵列(202)、光耦合到所述闪烁器阵列(202)的光传感器阵列(204)、电流到频率(I/F)转换器(314)和逻辑单元(312)。所述I/F转换器(314)包括积分器(302)和比较器(310)，并且在当前积分时段期间将由所述光传感器阵列(204)输出的电荷转换为具有指示所述电荷的频率的数字信号。所述逻辑单元(312)基于对于所述当前积分时段的所述数字信号来设定所述积分器(302)对于下一个积分时段的增益。在一个实例中，相对于对于所述当前积分时段的所述增益，增大对于下一个积分时段的增益，这允许在不存在辐射的情况下降低在所述I/F转换器(314)的输入端注入的偏置电流的量以生成可测量的信号，这会降低诸如散粒噪声、闪烁噪声的噪声和/或其它噪声。

Description

数据采集
技术领域
以下总体上涉及数据采集，并且特别应用于计算断层摄影(CT)。然而，其也可以应用于其它医学成像应用和非医学成像应用。
背景技术
计算断层摄影(CT)扫描仪包括安装在绕着纵向轴或者z轴在检查区域周围旋转的可旋转台架(gantry)上的x射线管。检测器阵列对向从x射线管起与检查区域相对的圆角弧。检测器阵列检测横穿检查区域的辐射以及其中的受体或者对象并且生成指示其的信号。重构器重构该信号并且生成容积图像数据。能够处理该容积图像数据以生成一个或者多个图像。
检测器阵列通常包括光耦合到光传感器阵列的闪烁器阵列，该光传感器阵列电耦合到处理电子设备。闪烁器阵列生成指示入射到其上的辐射的光，光传感器阵列生成指示该光的电信号，并且处理电子设备包括基于该电信号生成指示所检测的辐射的数字数据的模数(A/D)转换器。处理该数字数据以生成由重构器重构的信号。
遗憾的是，随着检测技术继续发展到更多的切片、更小的切片宽度、更低的信号和更快的旋转次数，噪声和/或空间分辨率局限(constraint)会限制成像性能。
发明内容
本申请的各个方面解决了上述以及其它问题。
根据一个方面，一种成像检测器包括闪烁器阵列、光耦合到所述闪烁器阵列的光传感器阵列、电流到频率(I/F)转换器以及逻辑单元。I/F转换器包括积分器和比较器。所述I/F转换器在当前积分时段期间将由所述光传感器阵列输出的电荷转换为具有指示所述电荷的频率的数字信号。所述逻辑单元基于对于所述当前积分时段的所述数字信号来设定所述积分器对于下一个积分时段的增益。
在另一实施例中，一种方法包括经由检测器瓦片(tile)的电流到频率(I/F)转换器将指示入射辐射的电荷转换为具有指示所述电荷的频率的数字信号；以及基于所述I/F转换器的输出来识别对于所述I/F转换器的增益。
在另一实施例中，一种成像系统包括发射横穿检查区域的辐射的辐射源以及检测横穿所述检查区域的辐射的检测器阵列。所述检测器阵列包括闪烁器阵列、光耦合到所述闪烁器阵列的光传感器阵列以及电流到频率(I/F)转换器。所述I/F转换器包括积分器和比较器，并且在当前积分时段期间将来自所述光传感器阵列的输入电荷转换为具有指示所述电荷的频率的数字信号。逻辑单元基于对于所述当前积分时段的所述数字信号设定所述积分器对于下一个积分时段的增益。
附图说明
本发明可以采取各种部件及部件的设置以及各种步骤及步骤的设置的形式。附图仅出于说明优选实施例的目的并且不应理解为限制本发明。
图1示出示例成像系统。
图2示出示例检测器瓦片。
图3示出示例检测器电子设备。
图4示出示例检测器电子设备。
图5示出示例增益曲线。
图6示出示例增益步进图。
图7示出示例增益切换时序图。
图8示出示例方法。
图9示出具有多个电容器的积分器复位开关。
图10示出具有十六个电容器的积分器复位开关。
具体实施方式
图1示出诸如计算断层摄影(CT)扫描仪的成像系统100。成像系统100包括通常静止的台架102和旋转台架104。旋转台架104可旋转地由静止台架102支撑并且绕着纵向轴或者z轴在检查区域106周围旋转。诸如x射线管的辐射源108由旋转台架104支撑并且发射横穿检查区域106的辐射。
辐射敏感检测器阵列112在检查区域106的整个范围内对向与辐射源108相对的圆角弧并且检测横穿检查区域106的辐射。在所说明的实施例中，辐射敏感检测器阵列112包括沿着横切于z轴的方向相对于彼此设置的多个检测器模块114。检测器模块114包括沿着z轴相对于彼此设置的多个检测器马赛克或者瓦片116。在一个实例中，检测器阵列112基本上类似于和/或基于在2001年7月18日递交的发明名称为“Solid State X-RadiationDetector Modules and Mosaics thereof，and an Imaging Method and ApparatusEmploying the Same”的美国专利6,510,195B1中描述的检测器阵列，在此结合该美国专利的全部内容作为参考。在此也预期其它检测器阵列设置。
参照图2，示出沿着图1的线A-A的检测器瓦片116的截面图。所说明的瓦片116包括物理和光耦合到光传感器阵列204的闪烁器阵列202，该光传感器阵列204通过衬底206电耦合到电子设备208。诸如连接器引脚的电子路径212或者其它电子路径承载电源和数字I/O信号。这样的瓦片的示例在“A New 2D-Tiled Detector for Multislice CT，”Luhta et al.，MedicalImaging 2006：Physics of Medical Imaging，Vol.6142，pp.275-286(2006)中有所描述。另一适合的瓦片在2006年3月30日递交的发明名称为“RadiationDetector Array”的专利申请序列号60/743,976中有所描述，在此结合其全部内容作为参考。也可以预期其它电子设备。
图3示出示例电子设备208。模数(A/D)转换器314包括积分器302(放大器304和积分电容器306)和比较器310。如果被采用，则积分器302在积分时段期间对由光传感器阵列204输出的电荷以及偏置电流300进行积分。比较器310将放大器304的输出与阈值进行比较并且在该输出升高至高于该阈值时生成指示其这样的脉冲的信号。复位开关308响应于脉冲的生成而在积分时段期间复位积分器302。
在以上配置中，采用A/D转换器314作为电流到频率(I/F)转换器，在该电流到频率(I/F)转换器中生成具有指示输入电荷的脉冲频率的脉冲列。这样的电子设备的示例在2001年11月7日递交的发明名称为“DataAcquisition for Computed Tomography”的美国专利6,671,345B2中有进一步的描述，在此结合该专利的全部内容作为参考。其它适合的电子设备在1975年11月28日递交的发明名称为“Data Acquisition for Computed Tomography”的美国专利4,052,620中有所描述，在此结合这两个专利的全部内容作为参考。在此也可以预期其它转换器。
数字逻辑单元312控制复位开关308，包括响应于在比较器输出中、在积分时段边界上和/或以其它方式检测到脉冲而闭合复位开关308以复位积分器302。如以下更加详细描述的，复位开关308能够配置为包括与两个或者更多积分器增益相对应的两个或者更多复位电容，并且数字逻辑单元312能够配置为确定对于积分器302的增益，该增益可用于从所述两个或者更多复位电容中选择适合的复位电容。这实现了动态地对于较小电荷信号选择较高增益以及对于较大电荷信号选择较低增益，或者动态地切换用于测量较小和较大电荷信号的动态范围。
由于在不存在实际检测器信号的情况下要求模拟偏置电流生成用于数字化的最小信号，因此应意识到，增大增益使得例如以增益因数降低偏置电流300的量或者降低到零，并且降低偏置电流300会(例如以偏置电流降低的平方根)降低散粒噪声和/或与偏置电流降低成比例的闪烁噪声降低。线性误差通常利用信号电平和增益进行调节，并且如果采用一个增益值，则可以利用线性校正来采用该增益值。低信号电平通常具有适合的线性度并且因而会限制或者省去这样的校正。在电子设备208包括对数转换的配置中，增益因数可以是至该对数转换器的输入并且对于利用对数数据的重构子系统是透明的。
数字逻辑单元312也处理比较器310的输出。在一个实例中，这包括对来自比较器310的脉冲数量进行计数并且确定从积分时段的第一脉冲到积分时段的最后脉冲的时间。根据该数据，数字逻辑单元单元312能够生成指示脉冲频率(例如，积分时段中的脉冲数量/积分时段中第一与最后脉冲之间的时间)的输出信号，其指示输入电荷。
返回到图1，重构器118重构来自检测器阵列112的信号并且生成指示其的容积图像数据。图像处理器等能够基于该图像数据生成一个或者多个图像。通用计算系统用作操作者控制台120。驻留在控制台120上的软件允许操作者控制系统100的操作。诸如检查台的患者支撑台122支撑位于检查区域106中的诸如人类患者的对象或者受体。
图4示出复位开关308和逻辑单元312的示例实施例。所说明的复位开关308包括耦合到第一开关404的具有与第一积分器增益相对应的第一电容的第一电容器402，以及耦合到第二开关408的具有与第二积分器增益相对应的第二电容的第二电容器406。尽管在所说明的实施例中示出两个开关/电容器对，但是在其它实施例中，能够采用多于两个的开关/电容器对。在这样的实施例中，包括全部的两个或者更多对可以对应于不同的积分器增益。
每一个开关404和408在第一状态和第二状态之间独立切换，其中在第一状态中相对应的电容器402或者406与基准电压电通信，并且在第二状态中相对应的电容器402或者406与积分器302的输入电通信。开关404和408可同时处于第一状态中，但是在任意给定时间开关404或者408中仅一个处于第二状态中。在处于第二状态中时，相应电容器用于复位积分器302。
逻辑单元312包括脉冲识别器410，该脉冲识别器410识别比较器输出信号中的脉冲并且对其做出响应而生成复位信号。复位信号包括激活切换开关404和408中的所选择一个的信息。例如，该信号可以包括在积分时段期间导致切换开关404(或者开关408)的信息，该信息与对于该积分时段的增益相对应，从而在该积分时段期间复位积分器302。
逻辑单元312还包括基于对于积分时段的脉冲计数和一个或者多个阈值414来生成增益信号的增益信号生成器412。计数器416对积分时段期间的所识别的脉冲进行计数并且生成脉冲计数值。增益信号包括指示增益值或者增益因数(例如代表增益变化)的信息，其指示在随后积分时段期间要复位开关404或者408中的哪一个。可以通过二进制或者非二进制数据表示该信息。
以上允许基于当前积分时段的电荷信号电平来动态地控制对于随后积分时段的增益。这样，在输入电荷信号并且因而脉冲计数对于积分时段相对高时，对于下一个积分时段选择较低增益/较高电容电容器。相对于使用较高增益电容器，使用较低增益电容器扩展了放大器的动态范围的上端，从而在饱和之前接受较大信号。
在输入电荷信号并且因而脉冲计数对于积分时段相对低时，对于下一个积分时段选择较高增益/较低电容电容器。相对于使用较高值电容器，使用较低值电容器扩展了用于测量较小信号的动态范围的下端。如在此讨论的，扩展了动态范围的下端允许降低注入到积分器302中的偏置电流的量。
在以上示例中，开关404和408独立切换，并且通过将与第一增益相对应的第一电容器402或者与第二增益相对应的第二电容器406电连接到积分器302的输入端来复位积分器302。在另一实施例中，开关404和408也能够同时切换。在这样的实施例中，能够通过同时闭合开关404和408来设定较低复位增益，其中复位电容是第一和第二电容之和。如上面描述的，可以通过闭合开关404(或者可选地开关408)并且将第一电容器402(或者第二电容器406)电连接到积分器302的输入端来设定较高复位增益。
由于第二电容器406(或者第一电容器402)可以相对于不共用电容器的实施例较小，因此共用电容器允许降低复位开关308的覆盖区(footprint)。进而，在集成电路的布局中，给定尺寸的电容器能够由通过可控无寄生开关连接的较小电容器构成，其中一个大电容值能够由经由开关连接的多个(例如十六(16)个)相等或者不相等大小的较小电容器构成。这允许按照数字二进制方式或者形式选择电路的增益(复位电容值)并且经由其布局位置精确再现电容器的值以考虑工艺变化，这能够对于增益切换产生精确的线性度，从而允许进行基本上线性的增益改变实现。
在图9中以方框图形式示出上面的一个非限制性实现，其中复位开关308包括能够经由开关904电并联的多个电容器902，并且能够通过选择性闭合开关904中的一个或者多个而设定特定的电容值。在图10中以方框图形式示出另一非限制性实现，其中复位开关308包括能够选择性电并联以提供特定复位电容值，例如四(4)个、十六(16)个或者其它数量复位电容值，的十六(16)个电容器C1，……，C16。图9中示出的相同的无寄生开关可以结合图10使用。
表1示出可以用于提供四(4)个复位电容值RS1，……，RS4的电容器C1，……，C16的非限制性组合，以使得能够选择电容的二进制组合以生成按照总值的1/16自增的电容值，并且表2示出可以用于提供十六(16)个复位电容值RS1，……，RS16的电容器C1，……，C16的非限制组合。
Figure BDA0000101834990000071
表1四个复位电容值
Figure BDA0000101834990000072
表2十六个复位电容值
图5中示出对于两个不同增益的动态范围的下端和上端的示例说明，其中y轴代表A/D转换器输出信号并且x轴代表积分器302的输入端的电流。图5中示出两条增益曲线，较低增益曲线504和较高增益曲线502。相对于较高增益曲线502的饱和点508，较低增益曲线504具有较高的电荷电平饱和点506，但是相对于较低增益曲线504的噪声基底512，较高增益曲线502具有较低的噪声基底510。这样，较低增益曲线504很好地适合于较高电荷电平，并且较高增益曲线502很好地适合于较低电荷信号。尽管示出线性增益曲线，但是这里也可以预期非线性增益曲线。
图6包括适合的增益步进图的示例。y轴代表对于积分时段的增益并且x轴代表对于积分时段的计数值。在所说明的实施例中，增益在1x和4x之间切换。出于解释目的提供所说明的增益步长和增益切换位置并且并不限制本发明。在其它实施例中，可以使用其它增益值(例如1，2，4，16，32等，或者非二进制步长)和/或可以使用多于两个增益值(例如4，8，16，……，512等等，或者非二进制值)。
在所说明的实施例中，假设增益为1x，则只要对于随后积分时段的脉冲计数为16或者更高，增益就保持在1x。如果对于积分时段的脉冲计数下降至低于16，则经由如上所述选择较低电容电容器，对于下一个积分时段的增益切换到4x。只要对于随后积分时段的脉冲计数小于128，4x的增益就保持在4x。如果随后积分时段的脉冲计数升高至高于128，则经由如上所述选择较高电容电容器，对于下一个积分时段的增益切换到1x。
图7包括示例增益切换时序图。在所说明的图中，在复位脉冲704之后并且在采样时钟的正半周706期间在702处切换增益。在一个实例中，这可以确保具有足够的时间对积分器复位电容器充电，以使得复位电荷将是正确的。在其它实施例中，以其它方式切换增益。
图8示出一种方法。
在802，设定积分器增益。
在804，对于积分时段复位积分器302。
在806，在积分时段期间累积电荷。
在808，如果累积的电荷超出预定电荷阈值，则在积分时段期间生成脉冲。
在810，如果累积的电荷超出预定的电荷阈值，则在积分时段期间复位积分器302。
在812，在积分时段内对脉冲进行计数。
在814，如果脉冲计数落在预定范围以外，则改变积分器302的增益值。如这里描述的，这可以包括：如果脉冲计数下降至低于第一脉冲计数阈值则增大增益，并且如果脉冲计数升高至高于第二脉冲计数阈值则降低增益。
对于一个或者多个积分时段重复动作804到814。
在此参照各种实施例描述了本发明。在阅读在此的描述之后，可以做出各种修改和变型。本发明旨在构建为包括落入所附权利要求或者其等同物的范围内的全部这样的修改和变型。

Claims (15)

1.一种成像检测器，包括：
闪烁器阵列（202）；
光耦合到所述闪烁器阵列（202）的光传感器阵列（204）；
具有积分器（302）和比较器（310）的电流到频率（I/F）转换器（314），所述电流到频率（I/F）转换器（314）在当前积分时段期间将由所述光传感器阵列（204）输出的电荷转换为具有指示所述电荷的频率的数字信号；逻辑单元（312），基于对于所述当前积分时段的所述数字信号，设定所述积分器（302）对于下一个积分时段的增益；以及
复位开关（308），所述复位开关基于由所述逻辑单元（312）设定的所述增益来复位所述积分器（302），以使得动态地对于较小电荷信号选择较高增益以及对于较大电荷信号选择较低增益，或者动态地切换用于测量较小和较大电荷信号的动态范围。
2.根据权利要求1所述的检测器，其中所述积分器（302）累积所述电荷，所述比较器（310）在所累积的电荷超出预定阈值时生成脉冲，并且所述逻辑单元（312）在生成脉冲时复位所述积分器（302）并且基于对于所述当前积分时段的脉冲计数设定所述增益。
3.根据权利要求2所述的检测器，其中所述逻辑单元（312）响应于所述脉冲计数下降至低于第一计数阈值而增大所述增益。
4.根据权利要求3所述的检测器，其中增大所述增益使所述电流到频率（I/F）转换器（314）的噪声基底降低，从而允许由所述电流到频率（I/F）转换器（314）测量相对较小的电荷。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的检测器，其中所述逻辑单元（312）响应于所述脉冲计数升高至高于第二计数阈值而降低所述增益。
6.根据权利要求5所述的检测器，其中降低所述增益使所述电流到频率（I/F）转换器（314）的饱和水平增加，从而允许在饱和之前由所述电流到频率（I/F）转换器（314）测量相对较高的电荷。
7.根据权利要求1所述的检测器，其中所述复位开关（308）至少包括具有第一电容的第一复位电容器（402）以及具有第二不同电容的第二复位电容器（406）。
8.根据权利要求7所述的检测器，其中所述第一和第二电容与第一和第二复位增益相对应，并且选择性地替换采用所述第一和第二电容器（402，406）以复位所述积分器（302）。
9.根据权利要求7所述的检测器，其中所述第一或者第二电容与第一复位增益相对应并且所述第一和第二电容之和与第二复位增益相对应。
10.根据权利要求9所述的检测器，其中采用所述第一或者第二电容器（402，406）以复位所述积分器（302）并且共同采用所述第一和第二电容器（402，406）以复位所述积分器（302）。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的检测器，其中所述逻辑单元（312）包括：
对所述比较器（310）的输出中的脉冲进行计数的计数器（416）；
一个或者多个计数阈值（414）；以及
增益信号生成器（412），所述增益信号生成器（412）基于所述计数和所述一个或者多个计数阈值（414）生成指示所述增益的增益信号。
12.根据权利要求11所述的检测器，其中所述逻辑单元（312）还包括：
脉冲识别器（410），所述脉冲识别器（410）识别所述比较器（310）的输出中的脉冲，其中所述计数器（416）对所识别的脉冲进行计数并且所述增益信号生成器（412）基于所识别的脉冲的所述计数生成所述增益信号。
13.根据权利要求11所述的检测器，其中所述逻辑单元（312）响应于所述脉冲识别器（410）识别所述比较器（310）的所述输出中的脉冲，在所述当前积分时段期间复位所述复位开关（308）。
14.一种方法，包括：
经由检测器瓦片（116）的电流到频率（I/F）转换器（314）将指示入射辐射的电荷转换为具有指示所述电荷的频率的数字信号；
基于所述I/F转换器（314）的输出，识别对于所述I/F转换器（314）的增益；
基于所识别的增益来复位积分器（302），以使得动态地对于较小电荷信号选择较高增益以及对于较大电荷信号选择较低增益，或者动态地切换用于测量较小和较大电荷信号的动态范围。
15.根据权利要求14所述的方法，其中识别对于所述I/F转换器（314）的所述增益包括：基于所述I/F转换器（314）在当前积分时段内的所述输出，识别对于下一个积分时段的增益。
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