CN102725659A

CN102725659A - X射线探测器的校准方法

Info

Publication number: CN102725659A
Application number: CN2010800625578A
Authority: CN
Inventors: F·格拉塞尔; M·加尔桑
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-10-10
Also published as: US20110233394A1; EP2507652A1; US8491190B2; EP2507652B1; FR2953299A1; FR2953299B1; WO2011067251A1

Abstract

本发明总体上涉及一种X射线探测系统的校准方法，所述系统至少包括X射线发生器和探测组件，所述探测组件包括半导体探测器像素矩阵（10）以及处理和校准电子设备（20，21，22，23）。

Description

X射线探测器的校准方法

技术领域

本发明领域为光子计数的矩阵X射线探测器。更准确地说，本发明涉及形成探测器的像素矩阵的校准方法。

背景技术

如图1所示，单片半导体X射线探测器包括，由半导体制成的平面衬底1。探测器材料可以来自在室温下为半导体的探测器族。尤其涉及CdTe、CdZnTe、GaAs、TlBr、HgI₂或CdMnTe。

该衬底1的一侧上包括第一正偏压电极矩阵2，并且在相反侧上包括负偏压电极矩阵3。每一个像素则由连接至其处理电子设备的基本阳极组成。限定为电极重复距离的典型像素尺寸，可以在几十微米至几百微米的范围内。

当能量落在从几keV至几百keV的能量带中的光子X穿过半导体像素时，其通过使半导体晶体中的原子电离来产生许多电子空穴对5。这些电荷由像素的电极捕捉，并且在它们的渡越期间在这些电极上产生电脉冲。这些脉冲由ASIC 4计数，其中“ASIC”表示专用集成电路。用于将衬底和ASIC互联的材料6取决于像素尺寸。有利地，将铟或具有低熔点（通常小于150℃）的任何金属用于较小尺寸，或者将导电聚合物粘合材料用于较大尺寸。

对于使用计数原理的辐射探测矩阵，由基本像素发出的脉冲被放大，然后与阈值相比较，以便判定脉冲是否被计数。该阈值的振幅限定了脉冲振幅，因此理论上限定了由入射光子传递至探测器的能量。在多能计数系统中，调整不同的阈值以使它们均与精确的能量对应。从而，对能量带和对应于这些带的图像进行限定。这些图像尤其用在对对比剂或各种组织进行成像的设备中或者在行李检查的情形下对炸药进行探测的设备中。

对于具有几千像素的矩阵，作为该阈值的位置函数的计数系统的响应灵敏度在不同的像素之间可能异常明显地变化，从而导致响应不均匀。一般使用不同的方法来调整这些阈值。

例如，为了补偿计数电子设备中的温度漂移，将校准电荷注入到所有像素中，并且通过扫描它们的阈值来执行调整。然后，对阈值进行调整，以便所有的像素最终仅保留振幅超过被注入信号的振幅的脉冲。该注入可以通过专用电子设备在像素等级上执行。其也可以经由连接至每一个像素的半导体探测器的电容器C来执行。例如，其可以是由铟凸点连接至计数ASIC的CdTe探测器。则半导体探测器由在上侧的偏压电极和在下侧且逐个像素地连接至读出ASIC的许多电极组成。在连接至计数ASIC的放大器的输入端的每一个小电极中，通过将快速电压变化δV施加至公共上电极，来产生振幅为C.δV/δt的电脉冲。图2中示出了一个实施例。位于像素10的输出端的一系列电子设备包括：

-电容器11，其使大量电荷能够被注入放大器信道，以便校准系统；

-第一放大级12，其通过执行电流-电压转换（在附图中的情形下）将来自探测器10的电荷包放大；

-电子装置13，其使信号能够短暂成形；

-电子装置14，其与模/数转换器一起限定由比较器使用的电压阈值；

-电子装置15，其将输入电压与阈值电压相比较，并且当该输入电压大于阈值时发送逻辑信号；以及

-电子装置16，其在给定的时间间隔内对逻辑脉冲进行计数，然后将结果传送至读出总线。

该设备如下进行操作。在像素10的输出端在放大级12的上游处施加持续几纳秒至几十纳秒的几伏电压，从而模拟由探测器中某些能量的光子交互作用所产生的信号。接着，确定由组成像素的读出电子设备的各种装置所发送的信号振幅，从而使振幅与像素上游“注入”的脉冲对应。可以知道，通过对探测器中的所有像素执行该操作，对于每一个像素，振幅与该给定脉冲对应。而该振幅被视为每一个像素的阈值。然后，获得每一个像素均被“阈值化”的探测器，每一个阈值均对应于相同的脉冲，因此对应于储存在探测器中的相同能量。

然而，由于难于建立探测器中所储存的能量与脉冲的宽度和强度之间的相互关系，因此该校准方法具有某些缺点。另外，该方法没有考虑到每一个像素之间的电荷传输和收集的差异。实际上，两个像素可以具有相同的电子容量，而具有完全不同的电荷传输性能。另外，电子电路，尤其读出电路受到热漂移的影响。与给定能量对应的阈值在一定时间之后可能与不同的能量对应。因此，在一段时间后必须重复该相对繁重的操作。

为了执行更可靠的校准，必须使用具有已知特性的X射线源或伽马射线源。为了使探测器所产生的脉冲的振幅与入射光子的对应能量相对应，可以用具有已知能量的单能辐射源校准系统。这些源通常没有很强的活性，进而即使持续较长的采集时间，统计信息仍是不够。在X射线管的情形下，被发射能量出现在最小能量与最大能量之间的连续能区中，所述最小能量由发生器经过筛选来定义，且根据应用大约在10至20 keV，所述最大能量由X射线发生器的高电压来限定。可以使用最大能量作为校准的基准。然而，当阈值必须调整为例如10与40 keV之间的低能值时是不容易的，因为此时由发生器在该能量范围内发出的光子数量很小。另外，所使用的发生器没有设计成以10至40 kV范围内的电压进行发射。这种情形例如为X射线扫描仪。美国专利7 479 639中描述的另一种方法在于，使用具有已知能量的辐射源来对阈值进行校准。然而，该方法较长并且要求辐射源位于放射系统附近。由此，引发对这些源进行管理以便满足各种安全标准的问题，尤其如果希望在适当时间内实现正确校准的情形时，则必须使用活性最强的源。

国际专利申请WO 2009/122317提供了使用探测系统的辐射源的校准设备。然而，该设备需要具有已知光谱辐射率的材料，以便执行校准。尤其关注上述申请中的图1。

发明内容

根据本发明的方法不具有这些缺点。所提出的校准方法使用存在于X射线探测系统中的X射线发生器。从而，同时消除了不能对整个探测信道进行校准的纯粹电子校准的缺点和必然更难于实现的包含标准源或标准材料的校准的缺点。对于每一个像素，对应于相同能量的振幅阈值通过考虑到探测器材料中的电荷传输和收集的简单且快速的方法来获得。有利地，该方法利用存在于探测器的使用点处的装置。

更确切地说，本发明的主题为X射线探测系统的校准方法，所述系统至少包括一个X射线发生器和探测阵列，所述探测阵列包括探测半导体像素矩阵以及处理和校准电子设备，其特征在于，对于所有或一些像素所述校准方法包括以下各个步骤：

-以额定高电压运行所述X射线发生器，所述发生器与所述探测器对置；

-使用所述处理和校准电子设备，经由发生器所产生的辐射效应，对每一个像素所发出的脉冲进行计数;

-在每一像素中建立被计数脉冲的振幅分布；

-将统计指标应用于每一个振幅分布，以识别特定振幅，该特定振幅对应于与所述统计指标关联的能量；以及

-使用处理和校准电子设备调整每一个像素的校准参数，从而将由此建立的能量-振幅关系考虑在内。

有利地，与所述振幅分布有关的统计指标包括中值或任何其它百分点，或均值。最终统计指标也可以是不同统计指标的组合。

根据第一方面，在每一个像素中，与对应于所述指标的信号振幅对应的能量值被处理为能量阈值。

根据第二方面，在每一个像素中，所述像素的读出电子设备没有对振幅小于给定阈值的脉冲进行处理。

根据第三方面，该方法允许，为所有的像素选择位于第一阈值和第二阈值之间的至少一个能量窗，将对应于该窗的脉冲与其它脉冲分离。

有利地，对于每一个分布，该操作同时考虑若干个不同的预定统计指标，从而在每一个被考虑像素中产生同样多的阈值，而每一个阈值与所述统计指标中的一个对应。

有利地，对探测器的所有像素执行该操作，但可以对探测器的所有或一些像素执行该操作。

有利地，最低等级阈值位于所述处理电子设备的电气噪声之上。

有利地，所述探测系统在两个测量之间系统地执行校准。

附图说明

在阅读以下非限制性描述并且查看附图的基础上将更容易理解本发明，并且其它优点将变得明朗，附图中：

图1示出了具有半导体像素矩阵的探测器的一部分的布局；

图2示出了现有技术中的电子校准信道；

图3示出了在具有半导体像素矩阵的探测器中的一级和二级X射线辐射；

图4示出了作为阈值的值的函数所探测的脉冲数量；以及

图5示出了在实现根据本发明的方法的探测系统中的计数信道的电子布局。

具体实施方式

根据本发明的校准方法使用存在于大部分X射线探测系统中的X射线发生器。该发生器在其额定高电压下即15与160 kV之间使用。在入射光子与探测器像素交互作用的期间，半导体探测器的特定响应特征在于，部分能量可以转换成低能光子，然后该低能光子可以将其能量储存在邻近像素中。对于具有给定容量的探测器，像素越多时，即探测器具有被划分成小像素的电极的情形，该效果越加明显。措辞“小像素”理解为以下像素，其典型尺寸由电极重复的距离所限定且在几十微米与几百微米之间。当交互作用发生在像素边缘附近时，此处生成的电荷云也可以在若干个相邻像素之间共享。从而，在每一个像素中生成在很宽的能谱上的多个低振幅脉冲。图3示出了该效果。实曲线示出了来自源（在该情形下为钨靶，即入射辐射）的能谱S_E，虚曲线示出了由碲化镉（CdTe）半导体探测器产生的能谱S_D，所述半导体探测器的阳极被分成小像素或者基本电极，诸如以上所述的小像素或者基本电极。两个能谱示出为以keV为单位的X射线辐射的能量的函数。可以看出，该第二能谱S_D包括与探测器中各种交互作用期间所施予的能量对应且与相邻像素之间共享的载荷子的影响对应的低能谱线。

经由入射辐射效应计数每一个像素所发射的脉冲并且根据直方图形式的脉冲振幅对脉冲进行分类，来为每一个像素获取这些脉冲的振幅分布，y轴线表示振幅并且x轴线表示所计数的脉冲数量。

由X射线发生器产生的入射辐射，从其能谱和其强度的角度来看可以认为是均匀的。从而，当探测器由该辐射照亮时，每一个像素受到具有相同能谱的辐射。当探测器被视为高质量时，可以假定，所有像素的被计数脉冲的振幅分布均类似。类似地，希望该分布具有相似的形状和面积。这显然因为以下事实，即像素之间没有较大的灵敏度差异。对于所有像素，该分布下的面积也大致相同。

然而，显然由于电子读出电路在不同的像素之间有所不同，因此该振幅分布在不同的像素之间可能沿振幅轴线平移。从而，在探测器中施予相同能量的交互作用可以根据对由该交互作用产生的载荷子进行收集的像素的位置而生成具有不同振幅的脉冲。在没有特别校正的情形下，在不同的像素之间，脉冲振幅与对应于该脉冲的能量之间的对应关系不恒定。措辞“对应于该脉冲的能量”被理解为以下意思，即由产生该脉冲的交互作用所储存的能量。

必须对该平移漂移或影响进行校正，以便所有的像素的振幅与能量之间的对应关系相同。

在根据本发明的方法中，通过为与每一个像素有关的每一个分布确定准则，例如统计指标，来获取该对应关系。

根据优选实施例，该指标为第N百分点，即被计数脉冲的N%小于该值，第50百分点对应于中值。由于保存了不同像素之间的该分布的形状和面积，因此该百分点使振幅与能量之间的直接关系能够被获取。从而，对于与每一个像素（用n表示）对应的每一个分布（用D_n表示），第N百分点（用F_n ^N%表示）与振幅A_n ^N%对应。在没有特别校正的情形下，在不同的像素之间振幅A_n ^N%有所不同。然而，由于像素受到均匀辐射，并且探测器为高质量，因此认为，对于被考虑的所有像素，该百分点可以被合理地分配相同能量E^N。

从而，通过为每一个像素n确定与分布D_n中第N百分点（F_n ^N%表示）对应的振幅A_n ^N%，来获取所述振幅与对应于该百分点的能量E^N之间的简单且直接的对应关系。

因此，根据本发明的校准方法包括以下各个步骤：

步骤1：以额定高电压运行X射线发生器，发生器放置成由探测器觉察到的X射线辐射是均匀的，并且优选地垂直于所述探测器的接收表面。有利地，使用X射线发生器，尤其是安装在具有包含探测器的放射设备的设备中的发生器。这允许对所有或一些像素进行重复校准，例如放射线检查之间。每一个像素中所测得的振幅分布具有近似或类似于图3所示的形状。

步骤2：使用处理和校准电子设备，对由每一个像素经由发生器所产生的辐射效应而发出的脉冲进行计数。图5以实例示出了计数信道。其包括探测像素10、放大电子设备20、用于形成信号的处理电子设备21、对脉冲的能量与N个预定阈值进行比较的N个比较器22和分别与前述比较器相关的N个计数器23。

此外，在校准阶段期间，可以通过改变振幅阈值（超过该阈值时对脉冲进行计数）而仅使用单个比较器。从而，在以相同的方式照射探测器的情形下可以执行很多计数C_m，并且仅仅对振幅超过阈值S_m的脉冲进行计数，该阈值在每一次计数之间递增。从而，如果阈值S_m在每一次计数C_m之间增加，换句话说，对于两次计数C_m和C_m-1，如果S_m大于S_m-1，则振幅在S_m和S_m-1之间的脉冲数量为，计数C_m期间所计算的脉冲数减去计数C_m-1期间所计算的脉冲数，此处假定计数的持续时间相同。

或者，可以不在每一次测量期间确定计数，而是确定计数率。然后，建立振幅分布，该振幅分布表示的不是各个振幅的出现而是各个振幅的出现率，即单位时间内的出现次数，或者计数率。

此外，可以执行本领域技术人员所熟知的其它方法，以为每一个像素确定在暴露于入射光子流的期间内所探测到的脉冲的振幅分布。

然后，将数据传输至读出总线24。对由每一个像素所测得的信号的振幅分布进行分析，例如其可以是根据脉冲振幅而分类的被计数脉冲的直方图。如上所述，例如其可以是表示每一个脉冲的计数率的直方图，脉冲同样根据其振幅进行分类。当探测器为高质量时，可以假定，对于每一个像素，该分布具有恒定面积，从而意味着像素灵敏度没有剧烈变化。另外，当入射辐射为均匀时，该分布在不同的像素之间具有恒定形状。然而，由于电子漂移，该分布可能在振幅上发生移动（该移动在像素之间有所不同），并且也可能在时间上发生移动。使用该分布的统计指标来确定阈值。它可以是该分布的第N百分点，阈值与下方分布面积为N%的振幅对应，即该校准期间所计数的脉冲的N%。可以使用其它统计指标，诸如均值，但第N百分点为优选指标。从而，通过使所有像素经受在能量和强度上均匀的给定曝光，来为每一个像素确定指标。对于不同的像素，指标可以对应不同的振幅，但对于被考虑的所有像素，其与探测器中储存的给定能量对应。然后，为每一个像素建立振幅与能量之间的对应关系。

根据本发明的优选实施例，可以对作为该指标的函数的脉冲进行“阈值化”，即例如仅保留振幅大于该阈值的脉冲。各个像素的各个振幅阈值对应于相同的能量。则可以理解，通过对每一个像素执行该振幅阈值化，来实现所有像素的相同能量等级的阈值化。通过使用不同的指标，来获得不同的振幅阈值，每一个阈值对应于不同的能量等级，这些不同的能量等级对所有像素来说都相同。通过确定阈值数量（用Th（i）表示），则可以生成与以下能量带对应的图像，即该能量带包括振幅在这些阈值中的两个阈值Th（i）和Th（i+1）之间的脉冲。

从而，图4示出了对于给定像素，作为能量E的函数所接收的脉冲数量N_D。在该图中，限定了五个阈值Th（i）。第一阈值Th（1）可以根据给定应用所能接受的噪声进行限定。图4中虚线表示的计数噪声N_B取决于放大器的电气噪声以及第一阈值的近似或非近似。有利地，可以减去该噪声以避免窜改第一能量带中的测量。

步骤3：使用处理和校准电子设备来调整每一个像素的阈值等级，以便所有像素中每一个振幅阈值与相同能量对应。

对应于给定阈值的脉冲数量最初可以通过实施的复杂度不同的不同方法进行校准，特别是使用完美的校准源。然而，可以根据本发明利用处于额定电压的X射线发生器有规律地进行逐个像素的调整，以将电子设备漂移和半导体材料的不稳定性考虑在内。在医学扫描仪的情形下可以在扫描每一个病人之前执行该快速校准，或者在探测可疑产品的连续运行探测线上可以在检查期间在两组行李之间执行该快速校准。从而，可以在使用放射设备前后执行校准。则上述漂移影响将被限制。

本发明的另一个尤其重要的优点在于，该校准可以使用与医学检查期间所使用的发生器相同的发生器来执行。不需要额外的X射线源。

该方法可以使半导体探测器的响应稳定性显著提高，尤其对于需要非常稳定且可重现的测量的扫描仪成像。

Claims

1.一种X射线探测系统的校准方法，所述系统至少包括一个X射线发生器和探测阵列，所述探测阵列包括探测半导体像素矩阵（10）以及处理和校准电子设备（20，21，22，23），其特征在于，对于所有或一些像素所述校准方法包括以下各个步骤：

-为每一像素建立被计数脉冲的振幅分布；

-将统计指标应用于每一个振幅分布，以识别对应于与所述统计指标关联的能量的特定振幅，与所述振幅分布有关的所述统计指标为所述分布的百分点或均值；以及

2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，与所述振幅分布有关的统计指标为所述分布的中值。

3.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述统计指标为不同百分点的组合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的校准方法，其特征在于，在每一个像素中，所述像素的处理与校准电子设备将与对应于所述指标的信号振幅对应的能量值处理为能量阈值（Th（i））。

5.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于，所述最低等级的阈值（Th（1））位于处理电子设备的电气噪声之上。

6.根据权利要求4和5中任一项所述的校准方法，其特征在于，所述像素的处理和校准电子设备没有对振幅小于所述阈值的脉冲进行处理。

7.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于，所述像素的处理和校准电子设备确定至少一个能量窗，所述窗位于第一阈值与第二阈值之间。

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述像素的处理和校准电子设备将每一个分布划分为同样多的能量窗。

9.根据权利要求8所述的校准方法，其特征在于，对探测矩阵中的所有像素执行以下操作，即将由每一个像素接收的每一个分布划分成同样多的能量窗。

10.根据权利要求8所述的校准方法，其特征在于，对探测矩阵中的某些像素执行以下操作，即将由每一个像素接收的每一个分布划分成同样多的能量窗。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的校准方法，其特征在于，所述探测系统在两个测量之间系统地执行所述校准方法。