CN102681002B - 直接转换探测器的电路装置和读取直接转换探测器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有直接转换的半导体材料和在信号读取的测量电子器件(I，II)中的脉冲整形器(S)的探测器(C3，C5)电路装置以及一种用于读取在半导体材料中形成的计数脉冲的方法，其中，所述脉冲整形器(S)的一部分构造为具有较长的整形时间常数，而该脉冲整形器(S)的另一部分构造为具有较短的整形时间常数。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有多个辐射敏感的部分平面的电离辐射直接转换探测器、特别是CT系统的探测器的电路装置，其中，作为辐射敏感的材料提供直接转换的半导体材料，并且每个部分平面与单独读取该部分平面的特有的读取电子器件对应，该读取电子器件分别具有用于均衡探测的电子信号的脉冲整形器。此外，本发明还涉及一种用于读取电离辐射直接转换探测器、特别是CT系统的探测器元件的方法。
背景技术
在电离辐射探测器，特别是CT系统的探测器的分析电子器件中使用脉冲整形器是公知的。
同样公知的是，能够可变地设置整形时间常数，以便调整到出现的光子流密度并且由此减小探测器的漂移。但这种可变调整不总是导致避免取决于辐射强度的探测器漂移的期望的目标。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，找到一种电离辐射直接转换探测器的电路装置以及一种用于读取直接转换探测器的探测器元件的方法，其允许尽可能地避免或校正探测器漂移。
为了探测伽马和X射线辐射，特别是在CT和双能CT中，使用基于诸如CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdTeSe、CdMnTe、InP、TlBr2或HgI2的半导体材料的直接转换探测器。其中不是计数集成信号而是计数各个X射线量子。也就是，有助于成像的测量值是计数率。计数率由只有通过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X射线能量并且因此典型地以keV给出。
上面提到的材料特别是在对于CT设备必要的辐射流密度的情况下共同的是发生极化。这通过在流的条件下增加占据晶格缺陷引起并且由此改变内部电场。也就是导致脉冲形状改变并且由此导致通过入射的X射线量子发起的电流脉冲的幅度的变化。
因此，在极化状态中一些脉冲低于或超过预先给定的门限，并且不触发或触发附加的计数事件。也就是说由于极化导致改变了测量信号。该现象被称为探测器漂移。
这种探测器漂移在成像中导致各种图像伪影并且不再能够定量地测量。典型地在其中探测电流脉冲的电子计数单元中采用所谓的脉冲整形器。其将原始的本征脉冲的脉冲平面描绘为脉冲高度。脉冲平面包含电荷量的实际感兴趣的信息，该电荷量与探测的X射线量子的能量成比例。通过脉冲整形器可以简单地通过使用比较门限探测该能量，因为能量信息也就是触发的能量的量现在通过根据信号经过(Durchlauf)的脉冲高度由脉冲整形器重建。
整形时间常数越长，则通过脉冲整形器按照信号高度进行的输入信号变换越好。但是选择极长的常数的问题是，在计数机断层造影中必须探测极密的脉冲序列。如果脉冲过长，则突出地导致叠加脉冲，其使探测器瘫痪。整形时间常数越长，则瘫痪出现的越早。因此，在涉及密的脉冲序列的使用中宁愿选择短的整形时间常数，但由此提高了电子噪声，该噪声降低了能量分辨率并且产生高的探测器漂移。
发明人已经认识到，每个计数单元可以由两个子单元合成，其中每个子单元各包含一个脉冲整形器和至少一个比较门限。在此，至少一个脉冲整形器应当具有长的整形时间常数，使得对于一个子单元来说在低流情况下，也就是在CT检查时强吸收的情况下使用该长的整形时间常数，而另一个子单元具有带有短的整形时间常数的脉冲整形器，并且由此在高流的情况下，也就是在CT扫描时低吸收的情况下提供良好的测量信号。
由此，低于探测的计数率的特定门限，也就是在长的整形时间常数的情况下还没出现瘫痪的范围中可以使用具有长的整形时间常数的子单元的信号以用于成像。该信号几乎无漂移并且示出良好的能量分辨率，由此得出高的多能对比度。高于门限可以使用具有短整形时间常数的子单元，其虽然示出较强的漂移以及较差的能量分辨率，但是通过更晚发生的瘫痪具有高流能力。
在本发明的意义上，在此计数单元等同于探测器元件，该探测器元件在扫描对象时探测唯一的射线。由此在读取期间射线扫描的平面被划分为至少两个部分平面。但在本发明的范围中，也可以进一步划分为例如2x2、3x2、3x3、3x4或4x4等多个部分平面，其中，将探测器元件的部分平面的总和划分为具有较长或较短的整形时间常数的部分平面。如果使用多于两个部分平面，则此外可以在具有相同整形时间常数的组内划分为不同数量的比较门限的子组，以便至少部分地改善能量分辨率。
因为在CT扫描期间总是重复经过强吸收的区域，其中出现低流的情况，在这些位置可以通过均衡子单元的计数率总是重复地在扫描内校正较强漂移的快速的子单元，其中将慢的单元的信号用作校正信号。
相应地，发明人建议一种电离辐射探测器、特别是CT系统的探测器的电路装置，具有多个辐射敏感的部分平面，其中，作为辐射敏感的材料提供直接转换的半导体材料，并且每个部分平面与单独读取该部分平面的特有的读取电子器件对应，该读取电子器件分别具有脉冲整形器，其中，脉冲整形器的一部分构造为具有较长的整形时间常数，而脉冲整形器的另一部分构造为具有较短的整形时间常数。
具有优势的是，在该电路装置中设置多个在探测器的平面延伸上方分布的探测器元件，其中，每个探测器元件被构造为用于测量一条射线，并且每个探测器元件划分为至少两个辐射敏感的部分平面，其中，在每个探测器元件内构造至少一个具有带有较长的整形时间常数的脉冲整形器的部分平面以及至少一个具有带有较短的整形时间常数的脉冲整形器的部分平面。
在此有利的是，这样构造和划分探测器元件，使得每个探测器元件都具有多个部分平面，其中，具有长的整形时间常数的部分平面的数量与具有短的整形时间常数的部分平面的数量以+/-1相等。
此外，所有部分平面以及所有探测器元件应当为相同的大小。
此外，从探测器材料所获得的输出信号可以经由放大级传输到脉冲整形器。
同样，在脉冲整形器后面可以布置至少一个离散的计数器。
同样建议，将电路装置布置在CT系统的探测器中并且设置校准电路，后者这样构造，使得在扫描期间在至少短时地具有低于预定值的光子流速率的探测器元件中进行校准，方法是将从具有短的整形时间常数的部分平面中得出的测量值基于从具有长的整形时间常数的部分平面中得出的测量值进行校正。
此外，为了尽可能好的利用所施加的剂量，可以将各个探测器元件的所有从具有短的整形时间常数的部分平面中得出的测量值和所有从具有长的整形时间常数的部分平面中得出的测量值合计。
最后还建议了一种探测器的电路装置，在该电路装置中通过部分平面分别形成单个的探测器元件，其中，每个探测器元件被构造为用于测量一条射线，并且每个探测器元件与至少一个具有较长的整形时间常数的脉冲整形器以及与至少一个具有较短的整形时间常数的脉冲整形器相连接。也就是，在该构造中每个探测器元件的总平面通过至少两个具有不同整形时间常数的计数电子器件并行地读取。
除了上面描述的电路装置还建议了一种用于读取电离辐射直接转换探测器、特别是CT系统的探测器元件的方法，其中：
-每个分别总共测量一条射线的探测器元件被划分为至少两个可分开探测的部分平面，其中，每个部分平面与具有脉冲整形器的单独的测量电子器件对应，该脉冲整形器分别将信号的相同的电荷量转换为相同高度和形状的信号，而与通过该电荷量所产生的信号曲线的形状和高度无关，并且
-在每个探测器元件中探测至少一个具有带有较长的整形时间常数的脉冲整形器的部分平面以及至少一个具有带有较短的整形时间常数的脉冲整形器的部分平面。
在此，在通过每个探测器元件进行的取决于当前局部光子流的扫描中，在高的光子流的情况下主要考虑具有较短的整形时间常数的部分平面的测量值并且在低的光子流的情况下考虑具有较长的整形时间常数的部分平面的测量值，以用于对于探测器元件形成总的测量值。
此外具有优势的是，在扫描期间变化的光子流的情况下，在低于预先给定的光子流速率时的扫描期间，至少一次利用属于同一个探测器元件的至少一个具有较大的时间常数的部分平面的测量值来校准至少一个具有较小的整形时间常数的部分平面。
同样可以在利用各个探测器元件在每个第n个最小光子流上交替变换的光子流进行扫描期间，利用属于同一个探测器元件的至少一个具有较大的时间常数的部分平面的测量值来校准至少一个具有较小的整形时间常数的部分平面，其中n是在1和所考察扫描的读取的数(＝探测器读取过程)之间的自然数。
替换地，也可以在利用各个探测器元件在至少一个最小光子流上交替变换的光子流进行扫描期间，确定在具有较小和较大的整形时间常数的部分平面组的测量值之间的偏差，并且在超过预先给定的偏差时利用属于同一个探测器元件的至少一个具有较大的时间常数的部分平面的测量值来校准至少一个具有较小的整形时间常数的部分平面。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明，其中仅示出为了理解本发明必要的特征。采用如下的附图标记：C1：双源CT系统；C2：第一X射线管；C3：第一探测器；C4：第二X射线管；C5：第二探测器；C6：机架壳体；C8：患者卧榻；C9系统轴；C10：计算机系统；C11：造影剂施放器；D：探测器元件；E：计数结果；K：连续脉冲高度鉴别器；L逻辑元件；P：患者；Prg1-Prgn：计算机程序；S：脉冲整形器；S1.1：信号放大；S1.2：具有较短的整形时间常数的信号整形；S1.3：信号计数；S1.4：校正；S2.1：信号放大；S2.2：具有较长的整形时间常数的信号整形；S2.3：信号计数；S3：信号合并和校准；S4：测量值输出；T：时钟控制脉冲高度鉴别器；T1：具有较短的时间常数的部分平面；T2：具有较长的时间常数的部分平面；V：放大器；1：理想计数率的值曲线；2：具有较短的整形时间常数的计数率的值曲线；3：具有较长的整形时间常数的计数率的值曲线；I，II：读取/计数电子器件：
附图中：
图1示出了双源CT系统，
图2示出了对于CT探测器的像素的正弦图(Sinogramm)的示意图，
图3示出了图2的细节，
图4示出了具有探测器元件的多行探测器，
图5-12每个附图按照不同分布示出了具有多个部分平面的探测器元件，
图13示意性示出了按照本发明的方法流程，
图14示出了具有划分为部分平面的并且与带有不同整形时间常数的探测器电子器件分开关联的探测器元件的探测器的电路装置，并且
图15示出了具有与带有不同整形时间常数的两个探测器电子器件并联连接的(不划分为部分平面的)探测器元件的探测器的电路装置。
具体实施方式
图1示出了具有机架壳体C6的双源CT系统C1(＝具有两个辐射器-探测器系统的CT系统)的示例性的图示，其中在没有详细示出的机架上固定着两个角度错开地布置的辐射器-探测器系统。辐射器-探测器系统由第一X射线管C2和与第一X射线管相对布置的探测器C3的组成。可选地，可以附加地在机架上角度错开地布置另一个辐射器-探测器系统，其由第二X射线管C4和与第二X射线管相对布置的探测器C5的组成。在此，两个探测器中的至少一个对于在那里安装的探测器元件具有按照本发明的电路装置。两个辐射器-探测器系统都扫掠在中央圆形开口中设置的测量场。可以借助患者卧榻C8沿着系统轴C9穿过该测量场移动患者P。原则上就此既可以执行螺旋扫描也可以执行顺序扫描。为了改善血管或其它结构的成像也可以通过造影剂施放器C11向患者注射造影剂。
对CT系统C1的控制以及对患者P的扫描的分析通过与之相连的计算机系统C10执行，其中该计算机系统具有至少一个在其中存储了计算机程序Prg1-Prgn的存储器。按照本发明，在其中也包含或存储这样构造的程序，使得其在系统运行时执行按照本发明的方法的不同实施方式。
如果考察提供探测器元件或单个射束的测量值，则基于辐射器-探测器系统的旋转不难看出，在围绕检查对象旋转期间(至少在不旋转对称地构造的并且与系统轴非同轴地布置的检查对象中)该测量值持续地在相当大的绝对值(Betrag)附近波动。
对于正弦图的示例性的射束或示例性的探测器元件来说，图2中关于多次旋转示出了值曲线，其中在纵坐标上给出脉冲的计数率并且在横坐标上给出机架的旋转角度。在扫描期间在此区域覆盖高和低的吸收并且由此覆盖低和高的计数率。理想的(大约为正弦形的)曲线具有附图标记1。在使用脉冲整形器的情况下，长的整形时间常数(也就是持续时间，通过其测量各个原始脉冲，以便随后以预定的脉冲形状输出)影响探测器元件的测量特性。通过曲线2示例性地示出了相对短的整形时间常数的情况。此处，人造脉冲宽度大约为本征脉冲宽度的1.5倍。以较长的整形时间常数为例，示出了在相对于本征脉冲宽度5倍整形时间常数的情况下所确定的计数率的曲线3。
可以看出，短的整形时间常数在较高的脉冲率的情况下产生更好地近似于实际的值曲线1的测量值曲线2。但同时该短的整形时间常数在较低的脉冲率的情况下引起测量值与实际值彼此漂移，如通过虚线示出的那样。相反，观察具有长的整形时间常数的测量值的曲线2，从而可以看出基本上很小的漂移。为了更好地显示，在图3中再次示出了图2中在倒数第二示出的最小测量值的区域的细节A。
图4示出了示例性的在层面中示出的多行探测器C3，其由多个在此作为小的方形示出的探测器元件D组成。
按照本发明，各个探测器元件现在应当由多个部分平面组成，其中至少一个部分平面具有带有较短的整形时间常数的脉冲整形器并且至少一个部分平面具有带有较长的整形时间常数的脉冲整形器。该实施的示例在图5至图12中示出，其分别示出了具有无阴影和有阴影的部分平面的探测器元件D。在此，有阴影的部分平面应当表示具有的短的整形时间常数的相关电路装置，而无阴影的部分平面应当表示具有长的整形时间常数的相关电路装置。
通过使用至少两个具有不同整形时间常数的部分平面得出以下优点：
a)通过较长的整形时间可以在低流的情况下在一定程度上消除计数率漂移。
b)通过低噪声的电子器件在对于成像重要的区域中良好能量分辨率地得到低的计数率，高的双能对比度。
c)可以在低流情况下设置低的门限，由此得到改善的信噪比。
d)在对于更快的单元(Zelle)，也就是对于高流扫描时能够校正漂移。
e)慢单元的低的电流消耗和热扩展，因此得到良好的可集成性。
在图13中示例性地示出了具有对应于图5的部分平面分布的探测器元件D的测量值记录的按照本发明的方法流程。
在步骤S1.1由应当表示探测器元件的直接转换的半导体部分平面的部分平面T1实施信号放大。随后在步骤S1.2在使用相对短的整形时间常数，优选在1至2倍本征脉冲宽度范围内的情况下进行信号整形。在步骤S1.3计数该整形的信号，并且然后在步骤S1.4通过校正组件尽可能校正到实际光子流，并且进一步传输到信号利用步骤S3。与此并列地，对从部分平面T2得出的信号通过相应的步骤S2.1至S2.3以及S3进行相应的处理。在步骤S3中按照本发明在小的计数率的情况下通过影响校正组件在步骤S1.4中分别对具有短的整形时间常数的部分平面的校正组件基于具有短和长的整形时间数的部分平面的测量值的比较进行校准。由此，作为实际值宁愿相应地假设具有长的整形时间常数的部分平面的值。为了输出信号可以在信号合并步骤S3例如形成部分平面的信号的平均值。最后在步骤S4输出测量值。
在图14中示出了具有分成部分平面T1、T2的探测器元件D的计数探测器的电路电子器件的实施例，该分成部分平面T1、T2的探测器元件D分别通过不同的整形时间常数进行探测。按照本发明，此处从探测器进来，部分平面T1或T2的计数脉冲分别传输到具有脉冲整形器S并且其后具有放大器V的计数电子器件I和II。部分平面T1或计数电子器件I的脉冲整形器S在此拥有比部分平面T2或计数电子器件II的脉冲整形器S更小的整形时间常数。随后将整形并放大的信号并联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。连续脉冲高度鉴别器K和时钟控制脉冲高度鉴别器T的输出端由此经由逻辑元件L这样关联，使得产生尽可能线性的共同的计数结果E的结果。
作为图14中示出的按照部分平面的探测器元件的分布的替换，如图15中所示的那样，也可以从探测器元件D的整个平面出发，将计数信号并联地传输到具有不同整形时间常数的两个探测器电子器件I和II，并且在那里分开处理。同样由此各个探测器元件D产生并联的两个测量路径。由此在低的计数率的范围中两个路径的计数器读数必须是相同的，其中为了在偏差的情况下校准，使快的计数器的计数器读数与慢的计数器的计数器读数相同。
总之，也就是说通过本发明建议了一种具有直接转换的半导体材料和在信号读取的测量电子器件中的脉冲整形器的探测器的电路装置，以及一种用于读取在半导体材料中形成的计数脉冲的方法，其中，脉冲整形器的一部分构造为具有较长的整形时间常数并且脉冲整形器的另一部分构造为具有较短的整形时间常数。
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 (15)
1.一种电离辐射探测器(C3，C5)的电路装置，具有多个辐射敏感的部分平面(T1，T2)，其中，作为辐射敏感的材料提供直接转换的半导体材料，并且每个部分平面与单独读取所述部分平面的特有的读取电子器件(Ⅰ，Ⅱ)对应，所述读取电子器件分别具有至少一个脉冲整形器(S)，其特征在于，所述脉冲整形器(S)的一部分构造为具有较长的整形时间常数，而该脉冲整形器(S)的另一部分构造为具有较短的整形时间常数，
其中：
设置多个在探测器的平面延伸上分布的探测器元件(D)，其中每个探测器元件(D)被构造为用于测量一条射线，并且
每个探测器元件(D)被划分为至少两个辐射敏感的部分平面(T1，T2)，其中，在每个探测器元件(D)内构造至少一个具有带有较长的整形时间常数的脉冲整形器(S)的部分平面(T2)以及至少一个具有带有较短的整形时间常数的脉冲整形器(S)的部分平面(T1)。
2.根据上述权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置是CT系统(C1)的探测器的电路装置。
3.根据上述权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述探测器元件(D)具有多个部分平面(T1，T2)，其中，具有长的整形时间常数的部分平面(T2)的数量与具有短的整形时间常数的部分平面的数量(T1)以+/－1相等。
4.根据上述权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所有部分平面(T1，T2)是大小相同的。
5.根据上述权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所有探测器元件(D)是大小相同的。
6.根据上述权利要求1至5中任一项所述的电路装置，其特征在于，从所述探测器材料获得的输出信号经由放大级(V)传输到脉冲整形器(S)。
7.根据上述权利要求1至5中任一项所述的电路装置，其特征在于，在所述脉冲整形器(S)后面布置至少一个离散的计数器(K，T)。
8.根据上述权利要求1至5中任一项所述的电路装置，其特征在于，将各个探测器元件(D)的所有来自于具有短的整形时间常数的部分平面(T1)的测量值输出端与所有来自于具有长的整形时间常数的部分平面(T2)的测量值输出端合计地连接。
9.根据上述权利要求1所述的电路装置，其特征在于：
9.1.所述部分平面形成单个的探测器元件(D)，其中每个探测器元件(D)被构造为用于测量一条射线，并且
9.2.每个探测器元件(D)与至少一个具有较长的整形时间常数的脉冲整形器(S)以及与至少一个具有较短的整形时间常数的脉冲整形器(S)相连接。
10.一种用于读取电离辐射直接转换探测器的方法，其特征在于：
10.1.每个分别测量一条射线的探测器元件(D)被划分为至少两个可分开探测的部分平面(T1，T2)，其中，每个部分平面(T1，T2)与具有脉冲整形器(S)的单独的测量电子器件(Ⅰ，Ⅱ)对应，该脉冲整形器分别将相同的电荷量转换为相同高度和形状的信号，而与通过该电荷量所产生的信号曲线的形状和高度无关，并且
10.2.在每个探测器元件(D)中，探测至少一个具有带有较长的整形时间常数的脉冲整形器(S)的部分平面(T2)以及至少一个具有带有较短的整形时间常数的脉冲整形器(S)的部分平面(T1)。
11.根据上述权利要求10所述的方法，其特征在于，在通过每个探测器元件(D)进行的取决于当前局部光子流的扫描中，在高的光子流的情况下主要考虑具有较短的整形时间常数的部分平面(T1)的测量值，并且在低的光子流的情况下考虑具有较长的整形时间常数的部分平面(T2)的测量值，以用于对于探测器元件(D)形成总的测量值。
12.根据上述权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征在于，在扫描期间变化的光子流的情况下，在低于预先给定的光子流速率时的扫描期间，至少一次利用属于同一个探测器元件(D)的至少一个具有较大的时间常数的部分平面(T2)的测量值来校准至少一个具有较小的整形时间常数的部分平面(T1)。
13.根据上述权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征在于，在利用各个探测器元件(D)在每个第n个最小光子流上交替变换的光子流进行扫描期间，利用属于同一个探测器元件(D)的至少一个具有较大的时间常数的部分平面(T2)的测量值来校准至少一个具有较小的整形时间常数的部分平面(T1)，其中n是在1和所考察扫描读取的数之间的自然数。
14.根据上述权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征在于，在利用各个探测器元件(D)在至少一个最小光子流上交替变换的光子流进行扫描期间，确定在具有较小整形时间常数的部分平面(T1)的组的测量值与具有较大整形时间常数的部分平面(T2)的组的测量值之间的偏差，并且在超过预先给定的偏差时利用属于同一个探测器元件(D)的至少一个具有较大的时间常数的部分平面(T2)的测量值来校准至少一个具有较小的整形时间常数的部分平面(T1)。
15.将根据权利要求1至9中任一项所述的电路装置用在CT系统(C1)的探测器(C3，C5)中以便执行根据权利要求10至14中任一项所述的方法。
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