CN102778688A

CN102778688A - 用于探测x射线量子的方法和装置

Info

Publication number: CN102778688A
Application number: CN2012101411488A
Authority: CN
Inventors: R.F.舒尔茨; K.尚尼克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-11-14
Also published as: DE102011075520A1; US20130119258A1

Abstract

本发明涉及一种用于探测X射线量子的方法，所述X射线量子在X射线管中产生并且入射到具有由产生测量信号的像素（P）组成的二维矩阵（10）的多像素X射线探测器（4），其中，在规定的时间间隔内产生测量信号的并且此外其位于由多个像素（P）组成的连续的集中的像素（P）由分析单元（6）分配给事件集（EC），并且其中，引入其测量信号以用于如下的位置的近似，在该位置处所述X射线量子与所述多像素X射线探测器（4）相互影响。

Description

用于探测X射线量子的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于探测X射线量子的方法和装置，这些X射线量子在X射线管中产生，并且入射到具有由产生测量信号的像素组成的二维矩阵的多像素X射线探测器。

背景技术

X射线辐射被应用到完全不同的使用领域中，除了别的之外也被应用到医疗中，用来检查对象的结构和/或组成。除了合适的X射线源（典型地是X射线管）之外，对于入射的X射线辐射需要X射线探测器。

特别是，为了X射线辐射的成像的探测而使用电子探测器作为X射线探测器，该探测器的测量信号通过读取电子器件来采集并且典型地被数字化。

在此，为了在闪烁器中产生具有在可见光范围内的波长的光子，在其中使用X射线辐射的探测器是特别常见的。于是，这些光子由光敏感的半导体传感器（例如CCD传感器）组成的矩阵来采集并且被转换为电子的测量信号。在这种探测方式中主要缺点是如下的情况，即，用于图像质量的主要参数对比度分辨率和位置分辨率不能被独立于彼此地优化。

对于好的对比度分辨率来说，需要确保尽可能少的X射线量子穿过闪烁器，而不与之相互作用。因为吸收概率随着材料延展而增加，相应地对于闪烁器要选择尽可能大的厚度。但是在闪烁器中产生的光在所有方向上传播。这导致了X射线量子已经产生的光子的分布在闪烁器和传感器矩阵之间的接触面积的范围内随着闪烁器厚度的增加而变得更宽，这导致了位置分辨率的减小。在反过来的情况下，随着闪烁器的厚度变得更小光子分布的宽度减小。如果此外还减小单独的像素的大小，则由此提高了位置分辨率。作为该依赖关系的结果，在设计这种探测器时始终要在位置分辨率和对比度分辨率之间的折衷。

另一个问题由使用光敏感的半导体传感器造成。其尺寸选择得越小，则越不利信噪比，从而由此附加地限制了可实现的位置分辨率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于位置分辨地探测X射线量子的特别有效的方法。此外，本发明还提供一种探测器，利用该探测器可以执行这种方法。

该方法用于探测X射线量子，后者在X射线管中产生并且入射到具有由产生测量信号的像素组成的二维矩阵的多像素X射线探测器。为此，在规定的时间间隔内产生测量信号的并且此外其位于由多个像素组成的连续的集中的像素，由分析单元分配给事件集（Eventcluster）。这种事件集的像素的测量信号由分析单元评估为相关的并且因此引入如下的位置的近似，在该位置处X射线量子与多像素X射线探测器相互影响。在此假定，X射线量子的入射通常影响多个相邻的像素，从而这些像素分别产生测量信号。之后，使用这些测量信号来估计在哪些位置X射线量子入射到了多像素X射线探测器。在此，特别借助合适的算法进行该近似。因此测量信号经受共同的运算来确定X射线量子的入射点。

特别优选地，该方法的一种变形是在多像素X射线探测器中包括闪烁器、在其之后由用于产生测量信号的光敏感的像素组成的二维矩阵以及用于分析由像素产生的测量信号的分析单元，其中每个测量信号表示已经导致产生相应的测量信号的光量的度量。由此根据测量信号可以获得适用于提高位置分辨的探测的效率的附加的信息。

按照该方法的扩展，对于时间间隔规定小于1μs的值。借助时间间隔应当避免多个X射线量子为产生测量信号作出贡献，因为在这种情况下近似本质上更难实施。在选择尽可能有利的时间间隔的情况下适合考虑两个观点。随着X射线辐射强度的增加应当尽可能地减小时间间隔的大小，因为多个X射线量子既位置接近地又时间接近地入射到多像素X射线探测器的概率增加。同时通常必要的是，对于时间间隔设置最小大小来确保由于X射线量子的相邻像素的期望的影响完全计入测量信号的产生并且同样该测量信号也由分析单元评估为相关的。在此可以考虑特别是所使用的电子组件的反应时间、切换时间或延迟时间。

相应于另一种极合适的方法变形，根据对于离散质点的有限数量确定数学上的重心的原理进行如下的位置的近似，在该位置处X射线量子与多像素X射线探测器相互作用。在此优选地对于每个事件集确定自身的重心。在此单独的像素的相对位置彼此用作位置分布并且由像素产生的测量信号用作质量分布（Masseverteilung）。根据测量信号的信息内容与之替换地，由测量信号得出的单独的信息被用作质量分布，例如对于入射到光敏感的像素的光量的度量。通过使用这种用于位置分辨地探测X射线量子的方法能够实现如下的辨析率

该辨析率比所使用的像素矩阵的和由此按照现有技术的多像素X射线探测器的受到像素大小限制的辨析率更高。在简化的变形中，作为重心确定的替换例如进行几何中点确定。

相应于另一种优选的方法变形规定最大空间事件集大小。在时间间隔内产生测量信号并且位于大于最大空间事件集大小的事件集中的像素的测量信号被分析单元评估为错误的测量信号并且不再被分析。在此假设，多个X射线量子在时间间隔内靠近彼此地一起入射到多像素X射线探测器，从而其事件集叠加。由此这样的事件不导致位置分辨率的降低，在这种情况下必须进行两个位置、即两个重心的近似。然而为了有利于尽可能简单的分析取而代之，几乎忽略在这种事件中出现的测量信号。由此在对比度分辨率降低期间，保持不影响位置分辨率。这种事件概率越低，对比度降低越不重要。

方法变形还具有如下的优点，在该方法变形中规定最小空间事件集大小并且其中在时间间隔内产生测量信号并且位于小于最小空间事件集大小的事件集中的像素的测量信号被分析单元评估为错误的测量信号并且不再被分析。基于该变形考虑这种测量信号不是由X射线量子引起，而是例如由于诸如像素噪声的效果。

在特别合适的方法变形中，仅具有在2d与6d之间以及特别是在3d与5d之间的空间事件集大小的事件集的测量信号被评估为非错误的测量信号并且被分析。在此d表示像素大小，该像素大小通过像素形状的内切圆直径给出。由此进一步考虑尽可能简单地实施近似的目标规定。

此外，一种方法变形是具有优势的，在该方法变形中像素具有小于200μm并且优选小于100μm的像素大小d。通过这种像素大小d可以一方面实现好的位置分辨率，而另一方面信噪比是完全足够的。

相应于另一种特别优选的方法变形，闪烁器的厚度这样与像素大小d匹配，使得在基于“点扩展函数”（点响应）的情况下至少80%并且优选至少90%的由X射线量子产生的光量入射到具有最小为2d并且最大为6d以及特别是在3d与5d之间的大小的相邻像素的集。典型的闪烁器例如通过Ti掺杂的CsI半导体晶体给出。特别是在这种情况下优选地设置小于2000μm的厚度。闪烁器由此一般本质上比其在按照现有技术的多像素X射线探测器中的情况下更厚地实施。在现有技术中厚度通常小于600μm。作为提高闪烁器厚度的结果明显提高了对比度分辨率。也就是按照现有技术这样选择闪烁器的厚度，使得按照“点扩展函数”将大约90%的由X射线量子产生的光量几乎入射到一个唯一的像，而按照本发明的基本构思该光量被分布到多个像素。闪烁器的厚度一般大于100μm，特别是大于1500μm。

在此外优选的方法变形中，像素通过有源像素传感器（APS：Active PixelSensor），也称为CMOS传感器给出。这种传感器可以以特别简单的方式与合适的读取电子器关联，从而由此可以制造用于实施方法的具有相对小的成本和生产开销的合适的多像素X射线探测器。

相应于另一种合适的方法变形，像素具有规则六角的形状。在此基于纯几何的考虑。在由具有规则六角形状的像素组成的填满平面的矩阵中，要预计的典型的事件集形状在好的近似中具有“点扩展函数”的旋转对称。

提供一种用于执行描述的方法的合适的探测器的技术问题通过本发明的特征来解决。探测器在此被构造为多像素X射线探测器并且包括由产生测量信号的像素组成的二维矩阵以及分析单元，该分析单元被这样构造，利用其可以执行按照本发明的方法。

附图说明

下面结合示意性的附图对本发明作进一步的说明。附图中：

图1按照框图的方式示出了多像素X射线探测器和分析单元，

图2示出了关于像素大小的“点扩展函数（point spread function）”，

图3示出了由正方形像素组成的像素矩阵，

图4示出了不同事件集的图形的图示，

图5示出了质点分布（Massepunktverteilung）的图形的图示，并且

图6示出了由六角形像素组成的像素矩阵，以及

图7示出了X射线设备的极其简化的框图示图。

相互对应的部分在所有图示中具有相同的附图标记。

具体实施方式

优选地借助图1中所描绘的装置2来进行该方法的实施，该装置包括多像素X射线探测器4和与之信号技术地连接的分析单元6。在按照图1的实施例中多像素X射线探测器4具有三个层并且被实现为数字的X射线探测器。第一层用做基础或载体部件8并且容纳了没有详细示出的电子组件。在第一层上连接第二层，该第二层由二维矩阵10构成并且与第一层中的电子部件信号技术地连接，该二维矩阵10由光敏感并产生测量信号的像素P组成。最后第三层位于第二层之上并且被构造为闪烁器12。特别地，该闪烁器通过Ti掺杂的CsI半导体晶体提供。

现在，如果X射线量子入射到闪烁器12，则这些X射线量子与半导体晶体相互作用并且由此产生具有在可见光范围内的波长的光子。这些光子在既背向层顺序方向14又与之垂直地传播之后，入射到矩阵10的像素P。然后依据入射的光量每个像素P产生电测量信号，该电测量信号由第一层中的电子组件读取并且被转换为数字测量信号。电子组件还向每个像素P的数字测量信号补充位置信息，该位置信息表示在矩阵10内该像素P的相对位置。通过这种方式补充后的测量信号，经由接口16到达分析单元6，在那里它们被借助不同的函数组件18而进一步处理。

第一函数组件FB01用于确定时间上的一致（Koinzidenz）。在此，在规定的时间间隔内产生的测量信号互相关联并且被作为数据组进一步传输到第二函数组件FB02。借助该第二函数组件FB02来确定空间上的一致。在此，由像素P产生的数据组的测量信号被评估为相关的并且分配给事件集EC（参见图4），该测量信号位于由相邻的像素P组成的集中并且由此形成没有缝隙的连续的平面。换句话说，假定单独的X射线量子已经导致产生同样的测量信号。

分配给事件集EC的测量信号随后被传输到第三函数组件FB03并且在那里经受鉴别。在此，其空间事件集大小或者大于规定的最大空间事件集大小或者小于规定的最小空间事件集大小的事件集EC的测量信号被评估为错误的测量信号并且不再被进一步分析。

否则在第四函数组件FB04中引入事件集EC的信息以用于如下的位置的近似，在该位置上导致形成事件集EC的X射线量子与多像素X射线探测器相互作用。在此，该近似根据对于质点的离散分布确定数学上的重心的原理进行，其中位置分布通过在矩阵10内的单独的像素P的相对位置给出并且质量通过测量信号的反映到达相应的像素P的光量的信息来替代。通过这种方式确定的位置或者事件集EC的重心最终在第五函数组件FB05中使用，以便产生可视的图示，该图示反映了探测的X射线辐射的空间分布。

按照与该方法的匹配，作为闪烁器12起作用的多像素X射线探测器4的第三层比其按照现有技术的类似的X射线探测器的情况下具有本质上更大的厚度。这由在图2中示意性对照的不同的目标设置引起。在按照现有技术的X射线探测器中这样选择层厚，使得在基于标准化的“点扩展函数”psf的情况下将至少90%的由唯一的伽马量子产生的光量分配给单独的像素。相反，相应于与该方法匹配的确定目标这样选择层厚，使得该光量更强地分布到多个像素。在该实施例中90%的光量示例性地分配给由3×3像素P组成的集。

最小和最大的空间事件集大小与所选择的层厚相匹配。如图3所示的那样，像素P具有正方形的基本形状以用于形成多像素探测器4的矩阵10。由此，表示像素大小d的内切圆直径对应于像素的边缘长度。作为最小空间事件集大小在实施例中平面具有3d的内切圆直径，而作为最大空间事件集大小平面具有的内切圆直径。根据应用情况作为对此的替换，最大空间事件集大小可以减小到

的值。

借助规定最小和最大的事件集大小这样进行测量信号的滤波，即在给定的前提条件下忽略或删除测量信号并且由此不完全分析。在图4中图形地示出了三种可能的事件，根据其可以特别简单地理解选择标准。矩阵10仍由单独的正方形的像素P构成，其中几个像素P被涂黑，以便据此象征在时间间隔内的各个像素P已经产生了测量信号。在此，涂黑的强度是已经导致产生测量信号的光量的度量。

在第一事件例EB1中识别出单独的涂黑的像素P，其完全由没有涂黑的像素P包围。该涂黑的像素P的测量信号被评估为错误的，因为不满足最小事件集大小的条件。关于这种测量信号的原因例如可以是所谓的像素噪声。相反，在事件例2EB2中由涂黑的像素P组成的集不满足最大空间事件集大小的条件，因此该集的像素的测量信号同样被评估为错误的并且不再被进一步分析。在此假定，集表示两个事件集EC的空间叠加，由此该集的像素P的测量信号不适用于简单的重心确定。最后事件例EB3示出了两个空间上彼此分开的由涂黑的像素P组成的集，其空间事件集大小分别位于规定范围内，从而两个集的每一个都被视为适用于近似的事件集EC。相应地分析这两个集的像素P的测量信号。

用于近似这样的位置（即，在该位置处X射线量子与多像素X射线探测器4相互影响）的算法可以如下的概括。在层顺序方向14上在矩阵10上方X射线量子与闪烁器12相互作用并且在此产生大量光子。这些光子垂直于层顺序方向14均质地传播，由此光量的分布类似于钟形曲线的矩阵10，其最大值位于如下的点，该点可以通过在层顺序方向14上的投影映射到如下的位置，在该位置处X射线量子与CsI半导体晶体相互作用。部分光入射到其的像素P产生表示光量的测量信号，该光量已经导致产生测量信号。在实施例中测量信号通过电压S（作为光量大小）给出。在图5中示例性地通过值S1至S5给出的相应的电压值在重心确定时替代质量值，从而通过如下关系式给出重心以及由此X射线量子的近似位置X_S：

X_{S} = \frac{1}{Σ_{i = 1}^{5} S_{i}} Σ_{i = 1}^{5} S_{i} \times X_{i}

在此，值X_i表示在矩阵10内单独的像素P的相对位置。用于重心确定的过程在二维情况下类似地进行。

按照与“点扩展函数”的旋转对称的匹配，矩阵10在替换的实施方式中由具有规则六角形状的像素P构成。相应的结构在图6中部分地示出。

所描述的方法特别用于X射线设备20中，如其在图7中示意性示出的那样。X射线设备20包括X射线辐射器22（X射线管）和与其相对布置的X射线探测器4。X射线辐射器22和X射线探测器4在实施例中直接互相连接，特别是经由C形臂。为了诊断的目的，X射线设备20特别被用于医疗领域。在此，为了检查的目的透射患者26（一般地：待透射的对象）。透射的X射线由X射线探测器4采集并且测量信号被传输到分析单元6以用于建立诊断图像。对由X射线探测器传输到分析单元6的测量信号的分析，可选地可以直接在检查期间或者也可以在之后的时刻进行。

本发明不限于上面描述的实施例。而是也可以由专业人员由此推导出本发明的其它变形，而不脱离本发明的内容。此外，所有结合实施例描述的各个特征特别也可以按照其它方式相互结合，而不脱离本发明的内容。

Claims

1.一种用于探测X射线量子的方法，所述X射线量子在X射线管中产生并且入射到具有由产生测量信号的像素（P）组成的二维矩阵（10）的多像素X射线探测器（4），

其中，在规定的时间间隔内产生测量信号的并且此外其位于由多个像素（P）组成的连续的集中的像素（P）由分析单元（6）分配给事件集（EC），并且其中，引入其测量信号以用于如下的位置的近似，在该位置处所述X射线量子与所述多像素X射线探测器（4）相互影响。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多像素X射线探测器（4）包括：闪烁器（12）、在其之后由用于产生测量信号的光敏感的像素（P）组成的二维矩阵（10）、以及用于分析由像素（P）产生的测量信号的分析单元（6），其中，每个测量信号表示已经导致产生相应的测量信号的光量的度量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为所述时间间隔规定小于1μs的值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，为了位置的近似在用于确定数学上的重心的分析单元（6）中引入事件集（EC）的测量信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，规定最大空间事件集大小，并且其中，在时间间隔内产生测量信号的并且位于大于最大空间事件集大小的事件集（EC）中的像素（P）的测量信号被分析单元（6）评估为错误的测量信号并且不再被分析。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，规定最小空间事件集大小，并且其中，在时间间隔内产生测量信号的并且位于小于最小空间事件集大小的事件集（EC）中的像素（P）的测量信号被分析单元（6）评估为错误的测量信号并且不再被分析。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在像素大小d中仅具有在2d与6d之间以及特别是在3d与5d之间的空间事件集大小的事件集（EC）的测量信号被评估为非错误的测量信号并且被分析。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述像素（P）具有小于200μm并且优选小于100μm的像素大小d。

9.根据权利要求2和权利要求7或权利要求2和权利要求8所述的方法，其中，所述闪烁器（12）的厚度与像素大小d这样匹配，使得在基于“点扩展函数”（psf）、也就是点响应的情况下至少80%并且优选至少90%的由X射线量子产生的光量入射到具有优选在最小2d与最大6d之间以及特别是在3d与5d之间的大小的集。

10.根据上述权利要求中任一项和权利要求2所述的方法，其中，所述闪烁器（12）的厚度大于1000μm，特别是大于1500μm。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述像素（P）通过有源像素传感器给出。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述像素（P）具有规则六角的形状。

13.一种利用多像素X射线探测器（4）探测X射线量子的装置（2），包括：由产生测量信号的像素（P）组成的二维矩阵（10）以及分析单元（6），其中，所述分析单元（6）被这样构造，使得由此可以执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。