CN102681001A

CN102681001A - 探测x射线辐射的方法和直接转换探测器的探测器系统

Info

Publication number: CN102681001A
Application number: CN2012100573409A
Authority: CN
Inventors: E.克拉夫特; D.尼德尔洛纳; C.施罗特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-09-19
Also published as: BR102012005761A2; DE102011005539A1; US9164183B2; US20120235052A1

Abstract

本发明涉及一种利用直接转换探测器光子计数地探测X射线辐射的方法，其中，依据现有辐射能量产生与其尽可能成比例的电流脉冲和/或电压脉冲，并且在超过预定的电流门限或电压门限的情况下在探测器中计数所产生的电流脉冲和/或电压脉冲，其中，将如下的门限用作预定的电流门限或电压门限，所述门限对应于具有比所使用的探测器材料的k边缘更小的能量的光子的探测。

Description

探测X射线辐射的方法和直接转换探测器的探测器系统

技术领域

本发明涉及一种利用直接转换探测器在医学或材料检查的CT系统的领域中光子计数地探测X射线辐射的方法，其中，依据现有辐射能量产生与其尽可能成比例的电流脉冲和/或电压脉冲，并且在超过预定的电流门限或电压门限的情况下在探测器中对所产生的电流脉冲和/或电压脉冲进行计数。此外，本发明还涉及一种利用直接转换探测器元件按照前面提到的方法光子计数地探测X射线辐射的探测器系统。

背景技术

与开头提到的类型类似的方法和探测器是普遍公知的。在此，通过在探测器材料中对通过电离辐射形成的自由电荷作为电流脉冲或电压脉冲进行测量，对所探测的辐射的剂量率以及能量分布进行测量。在此，这样形成的电荷脉冲的高度大约与分别侵入到探测器材料的X射线量子或光子的能量成比例。在测量这样的事件时通常要注意的是，通过接通在对脉冲进行计数之前必须超过的门限，尽可能地抑制总是强制性地在测量电子器件中出现的噪声。因为在医学或材料检查的CT系统的领域中进行测量的范围内有规律地使用从30keV至大多小于300keV的能量范围中的X射线辐射谱，该门限这样设置，使得其基本上不小于30keV的等效。由此确保了与噪声相距足够的间隔。

已经表明，这样的方法和探测器具有关于其辐射灵敏度相对强烈的漂移，并且由此导致错误的测量结果。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，找到一种利用直接转换探测器在医学或材料检查的CT系统的领域中光子计数地探测X射线辐射的方法以及一种为此使用的探测器系统，其不太易于漂移。

为了探测伽马辐射和X射线辐射，特别是在CT(计算机断层造影)和双能CT中，基于诸如CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdTeSe、CdMnTe、InP、TlBr2、HgI2的半导体材料来使用直接转换探测器。在这些探测器中不是计数集成的信号而是计数单个的X射线量子。也就是有助于成像的测量值是计数率。该计数率通过只有X射线量子触发的电流脉冲超过一定的门限才探测事件的电子器件来采集。该门限的高度可以校准到所探测的X射线能量并且由此典型地以keV给出。

对于所提到的材料普遍的是，出现极化，特别是在对于CT设备所需的辐射流密度的情况下。这通过增加占据低于流的晶格缺陷引起并且由此提高了复合。导致了减小每个X射线量子的收集的电荷量，并且由此导致更小的电流脉冲幅度。

因此，在极化的状态下此时一些脉冲低于门限，并且不再触发计数事件。也就是由于极化导致减少测量信号。该现象被称为“探测器漂移”或简称为“漂移”。

探测器的这种漂移结合成像的方法和在此根据探测器数据实施的图像数据的重建导致各种图像伪影，并且几乎不能根据这样重建的图像数据对吸收值进行定量地测量。因此建议，使用尽可能低噪声的电子器件，该电子器件允许在特别低的门限的情况下进行测量。由此，测量门限可以设置为非常低，而另一方面也可以与噪声电平相距足够的间隔。为何该解决方案去除了漂移问题的原因在于，材料固有的漂移在低门限的情况下比在高门限的情况下表现出来的明显更低。在门限能量为20keV，更好为10keV，更好为5keV的情况下实现了足够低的漂移值。

设置的门限的下限代表了放大器的噪声水平。该噪声水平近似地遵循高斯分布，该高斯分布的宽度通过电子噪声来确定并且其绝对高度通过模拟的处理链(Verarbeitungskette)的带宽或最大速率来确定。因此，门限至少设置为这样高，使得噪声产生的计数事件(＝，暗计数率)不负面地影响成像。如果暗计数率比最小待探测的流明显更小，则是这种情况。在计算机断层造影中最大流位于大约1x10⁹量子/(mm²*s)处。动态范围是六个数量级。因此，可以接受最大大约为1x10³量子/(mm²*s)的暗计数率。

也就是，放大器的噪声水平应当这样提供，使得不超出在为漂移最小化设置的门限能量时的暗计数率。该要求部分地与如下的期望相反：可以利用信号处理电子器件处理时间上非常密的脉冲序列。因此对于给出的应用情况，除了谨慎的噪声优化还应当在可实现的速度与最小门限设置之间做出单独地权衡。

为了将信号处理链的噪声最小化，原则上可以使用所有常用的方法。例如特别有利的关键方法(Schlüsselmethode)是：

-减小由于探测器电极及其连接所引起的前置放大器的输入电容；

-将前置放大器的反馈电容调整到探测器输入电容；

-谨慎地优化作为主噪声源的前置放大器；

-将信号链的传递函数关于信号和噪声功率频谱进行优化；

-以最大计数率为代价将脉冲成形器的时间常数最大化(＝最大化整形时间)；

-通过对数字部分和模拟部分进行最大空间地以及电子地整形来减少数字与模拟串扰(＝Crosstalk)；以及

-最小化传感器漏电流。

此外，为了漂移最小化采用特别合适的校准方法也是有利的。在电子噪声规定了像素的最低可设置的门限的同时，应该在产生大量像素的探测器元件中在探测器上还考虑在各个像素之间的噪声变化(＝Dispersion，分散)以及(DAC分辨率、步长以及设置范围的)门限的设置准确性。因此，漂移最小化的探测器也应当具有一种用于设置门限的装置，其调整像素的分散并且调整所需的能量分辨率。

按照本发明，在门限校准时利用不同的优先权建议两个特别有利的实施方案：

a)如果探测器的能量分辨率具有最高的意义，则具有优势的是，将探测器的各个像素(更精确地说是将产生像素的探测器元件)设置到尽可能相同的门限。在这种情况下，最小门限不仅通过电子噪声，而且通过其在像素之间的分散来确定。因此这种类型的漂移优化的探测器附加地通过根据通常的方法的分散优化设计来突出。这意味着，像素与像素的噪声水平的偏差应当是最小的，并且由此也可以在整个探测器上相同地设置门限。

b)如果主要要求在于尽可能小的漂移，则可以以能量分辨率为代价像素单独地这样设置最小门限，使得恰好低于所要求的最大暗计数率。信号处理的电子器件的分散在这种情况下转换为门限的能量分散。作为校准机构，此处例如可以是自动的方法，该方法在每次门限设置时测量暗计数率，并且然后在每个像素中以满足暗计数率标准的最小值设置能量门限。

与门限设置的类型的选择无关，可以在像素中设置更宽的、更高的能量门限自然是具有优势的。此外还具有优势的是，其信号与低漂移的门限的信号关联或者校正。

通过该按照本发明的实施方式，实现了减小或消除探测器漂移，通过采集所有由于X射线量子产生的信号脉冲得出高的量子效率，并且通过低噪声的电子器件实现良好的能量分辨率，这在双能CT检查时得出特别高的对比度。

相应于上面描述的基本思想，发明人建议了一种利用直接转换探测器光子计数地探测X射线辐射的方法，其中：

-依据现有辐射能量产生与其尽可能成比例的电流脉冲和/或电压脉冲，并且

-在超过预定的电流或电压门限的情况下在探测器中计数所产生的电流脉冲和/或电压脉冲，并且

-将如下的门限用作预定的电流门限或电压门限：该门限对应于具有比所使用的探测器材料的k边缘更小的能量的光子的探测。

在此特别具有优势的是，所使用的门限同时大于在测量系统中出现的噪声电平。

关于具体的值，建议这样设置门限，使得其对应于小于23keV，优选小于20keV，优选小于10keV，优选在10keV和5keV之间的入射光子。

此外建议，为了测量使用连续工作的或时钟控制工作的脉冲高度鉴别器。但特别有利的是，为了测量辐射使用由至少两个逻辑关联地工作的脉冲高度鉴别器组成的组合，其中使用至少一个连续工作的脉冲高度鉴别器和至少一个时钟控制工作的脉冲高度鉴别器。

此外，可以在探测器中实施用于将分析电子器件的噪声最小化的措施。

关于由多个探测器元件组成的探测器的能量分辨率的优化，有利的是，对于所有探测器元件使用同样的门限，其中，为了最大地减少由多个探测器元件组成的探测器的响应特性的漂移，特别有利的是，对于每个探测器元件使用单独的门限。

在本发明的范围内，还建议了一种利用直接转换探测器元件光子计数地探测X射线辐射的探测器系统，其中，探测器元件及其分析电子器件应当这样实施，使得执行上面描述的按照本发明的方法。

附图说明

下面借助附图对本发明作进一步的说明，其中，仅描述为了理解本发明所必要的特征。使用如下的附图标记：1：CT系统；2：第一射线源；2：第一探测器；4：第二射线源；5：第二探测器；6：机架壳体；7：患者；8：患者卧榻；9：系统轴；10：计算站；E：计数结果；K：连续脉冲高度鉴别器；L：逻辑元件；Prg₁-Prg_n：计算机程序；S：脉冲整形器；T：时钟控制脉冲高度鉴别器；V：放大器。

附图中：

图1示出了计数率漂移与设置的门限的依赖关系；

图2示出了具有计数和连续的计数器的探测器电子器件的电路布置；

图3示出了CT系统。

具体实施方式

图1中示出了设置了计数门限或响应门限的示例性的计数探测器的漂移的历程(Verlauf)。为此，在横坐标上按照keV描绘计数门限作为用于入射到探测器的光子能量的等效，并且在纵坐标上相对于实际的光子事件描述了产生的计数率的按百分比的偏差。通过在曲线图中示出的曲线示出了该依赖关系的历程。如从该历程中看出的那样，在相对高的能量区域中在大约60keV和70keV处的双峰示出了所使用的X射线管的标识辐射的影响，而在20keV与30keV之间的区域中反映了探测器材料的K线的影响。因此特别有利的是，探测器的计数门限低于各自探测器材料的K线的影响，但高于噪声的能量水平。为了在此达到与噪声水平相距足够大的间隔特别有利的是，通过相应的措施来保证噪声电平尽可能的低。

计数探测器的示例性的电路电子器件在图2中示出。在此，计数脉冲从左面输送到脉冲整形器S，后者有随后的放大器V。然后，被整形并放大的信号并列地传输到连续脉冲高度鉴别器(＝计数器)K和时钟控制脉冲高度鉴别器(＝计数器)T。按照本发明，这些脉冲高度鉴别器关于其门限这样设置，使得其对应于一个比所使用的探测器材料的k边缘的能量更小的能量。然后，连续脉冲高度鉴别器K和时钟控制脉冲高度鉴别器T的输出通过逻辑元件L这样关联，使得产生尽可能线性的总的计数结果E的结果。

按照本发明的方法可以结合任意的具有计数探测器元件(例如直接转换的半导体材料)的探测器使用。在此，图3中仅示例性地示出了具有按照本发明构造的探测器的计算机断层造影系统。该CT系统1具有机架壳体6，在该机架壳体中存在带有辐射源2的机架，该辐射源与相对布置的探测器3一起围绕系统轴9转动。可选地，可以在机架上布置至少一个第二辐射源4和相对布置的探测器5。例如为了进行扫描，在机架上的辐射源2、4和探测器3、5围绕系统轴9转动期间，在患者卧榻8上的患者7被移动穿过测量场。

由探测器3和/或5探测的信号可以直接在按照本发明构造或设置的探测器电子器件中处理，或者相应放大地在中央计算站10中处理。在那里也可以存储了计算机程序Prg₁-Prg_n，其在运行时除了别的之外执行按照本发明的方法。

要指出的是，按照本发明的方法和按照本发明的电路布置不局限于断层造影的应用，而是可以用于每个具有计数探测器元件的探测粒子或光子的探测器。

可以理解的是，本发明的特征不仅按照分别给出的组合，而且按照其它组合或在单独设置时也是适用的，而不脱离本发明的范围。

Claims

1.一种利用直接转换探测器(3，5)光子计数地探测X射线辐射的方法，其中，

1.1.依据现有辐射能量产生与其尽可能成比例的电流脉冲和/或电压脉冲，并且

1.2.在超过预定的电流门限或电压门限的情况下在所述探测器(3，5)中计数所产生的电流脉冲和/或电压脉冲，

其特征在于，

1.3.将如下的门限用作预定的电流门限或电压门限：所述门限对应于具有比所使用的探测器材料的k边缘更小的能量的光子的探测。

2.根据上述权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的门限同时大于在测量系统中出现的噪声电平。

3.根据上述权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述门限被这样设置，使得其对应于小于23keV，优选小于20keV，优选小于10keV，优选在10keV与5keV之间的入射光子。

4.根据上述权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，使用连续工作的脉冲高度鉴别器(K)以用于测量。

5.根据上述权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，使用时钟控制工作的脉冲高度鉴别器(T)以用于测量。

6.根据上述权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，使用由至少两个逻辑关联地工作的脉冲高度鉴别器组成的组合以用于测量辐射，其中，使用至少一个连续工作的脉冲高度鉴别器(K)和至少一个时钟控制工作的脉冲高度鉴别器(T)。

7.根据上述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述探测器(3，5)中实施用于将分析电子器件的噪声最小化的措施。

8.根据上述权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，对于所有探测器元件使用同样的门限以用于优化由多个探测器元件组成的探测器的能量分辨率。

9.根据上述权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，对于每个探测器元件使用单独的门限以用于最大地减少由多个探测器元件组成的探测器的响应特性的漂移。

10.一种利用直接转换探测器元件光子计数地探测X射线辐射的探测器系统，其特征在于，所述探测器元件及其分析电子器件这样实施，使得执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。