CN103329007B - 具有包括两个或更多个可供选择地可选的和分离的子阳极的阳极的光子计数检测器像素 - Google Patents
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Abstract
一种成像系统（100）包括发射横穿检查区域的辐射的辐射源（112）和具有检测横穿检查区域的辐射并分别地产生指示所检测的辐射的信号的多个光子计数检测器像素（116）的检测器阵列（114）。光子计数检测器像素包括具有第一辐射接收侧（202）和第二相对侧（206）的直接转换层（122）、被固定到并覆盖第一侧的所有部分或实质部分的阴极（118）、被固定到第二侧的中心区域（208）的阳极（120），其中阳极包括至少两个子阳极（120、1201、1202、120N）和被固定到第二侧的围绕阳极和阳极区域的敷金属（124），在阳极和敷金属之间有间隙。系统还包括重建信号以产生指示检查区域的体积图像数据的重建器（144）。
Description
技术领域
下文通常涉及成像系统，且更具体地涉及具有包括两个或更多个可替代地可选择的和分离的子阳极的检测器像素的能量分辨光子计数检测器，并联系计算机断层摄影（CT）扫描器来描述下文。然而，下文也适用于诸如x射线之类的其它成像模态和/或可使用能量分辨检测器的其它成像模态。
背景技术
频谱计算机断层摄影（CT）扫描器包括由静止部分可旋转地支承的旋转部分。旋转部分支承发射横穿检查区域和其中的对象或受检者的多能辐射（x射线光子）的x射线管和具有检测横穿检查区域并产生指示所检测的辐射的电信号的一行或多行的能量分辨检测器的检测器阵列。
电信号由脉冲整形器放大和处理以产生具有指示所检测的光子的能量的峰值振幅的脉冲。鉴别器将电压脉冲的振幅与根据不同的能量水平而设置的两个或多个阈值进行比较，并针对一阈值，响应于脉冲振幅上升到该阈值之上而产生信号。针对每个阈值，计数器对所产生的信号进行计数，且能量仓（energybinner）将计数储存在对应于不同的能量范围的仓内。重建器使用频谱重建算法来基于储存的数据来重建所检测的辐射。
适当的能量分辨光子计数检测器包括具有碲化镉（CdTe）、碲化锌镉（CdZnTe或CZT）或另一直接转换材料的直接转换检测器。直接转换检测器通常由布置在两个电极（阴极和阳极）之间的半导体材料的块组成，电压施加在所述两个电极两端。辐射照亮阴极侧，且x射线光子将能量转移到电子，电子建立了很多电子/空穴对，而电子朝着阳极侧的阳极像素漂移。
这样的检测器可包括围绕每个像素阳极的敷金属；敷金属被称为控制或操纵电极。通常，相对于像素阳极，操纵电极被保持在负电位处，但是不会比阴极电位更负。这得到了将漂移电子引导到像素阳极的电场。阳极响应于接收到电子而产生指示其的电信号，该电信号被传送到集成电路（IC）。
每个像素的阳极物理地和电气地接合（bond）到该IC的互补焊盘，该IC包括将信号按路线发送离开检测器，而例如发送到重建器的处理电子设备。在将IC接合到直接转换材料之后，阳极到IC的互连被测试。这可通过照射直接转换材料并测量检测器的输出或将电压施加在直接转换材料和IC焊盘两端来实现。在后者的情况中，测量到泄漏电流将指示良好的互连，而没测量到电流将指示差的互连。
使直接转换光子计数检测器具有一毫米（1.0mm）或更小的检测器像素节距（像素中心到像素中心的距离）和在50微米（50μm）到100微米（100μm）的范围内的阳极直径，使用钉头凸块（stub-bump）或低温焊料的在像素阳极和IC的相应焊盘之间的接合的接合生产率（bondingyield）小于百分之百（100%），例如在60%和80%（60%-80%）之间。具有这样的焊接生产率的检测器通常被再加工或丢弃，这可增加总体的每检测器的成本并耗费时间。
增加焊接生产率的一种可能的方法通常是针对同一检测器像素阳极/焊盘对来使用多个互连。令人遗憾的是，带有操纵电极和带有具有在50微米（50μm）到100微米（100μm）的范围内的直径的检测器像素阳极的直接转换光子计数检测器由于空间限制而不是非常适于具有相同的检测器像素阳极的多个接合。因此，存在对用于增加焊接生产率的其它方法的未解决的需求。
发明内容
本申请的方面处理上面提到的问题和其它问题。
根据一个方面，一种成像系统包括发射横穿检查区域的辐射的辐射源和具有检测横穿检查区域的辐射并分别地产生指示所检测的辐射的信号的多个光子计数检测器像素的检测器阵列。光子计数检测器像素包括具有第一辐射接收侧和第二相对侧的直接转换层、被固定到并覆盖第一侧的所有或实质部分的阴极、被固定到第二侧的中心区域的阳极，其中阳极包括至少两个子阳极和被固定到第二侧的围绕阳极的敷金属，在阳极和敷金属之间有间隙。系统还包括重建该信号以产生指示检查区域的体积图像数据的重建器。
根据另一方面，一种方法包括利用光子计数检测器像素来检测横穿的检查区域的辐射，其中光子计数检测器像素包括具有共同被敷金属围绕的至少两个物理和电气地分离的子阳极的阳极，其中至少两个子阳极耦合到基板的相应子焊盘，且电气开关将该至少两个子焊盘中的仅仅单个子焊盘与该基板的处理电子线路电气地连接。
根据另一方面，一种检测器阵列包括处理电子设备和至少一个光子计数检测器像素，该至少一个光子计数检测器像素包括具有共同被操纵电极围绕的至少两个分离的子阳极的阳极，其中该至少两个子阳极中的仅仅单个子阳极与处理电子设备电通信。
附图说明
本发明可采取各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的布置的形式。附图仅仅为了说明优选实施例的目的，且不应被解释为限制本发明。
图1示意性示出包括具有至少两个子阳极的光子计数检测器像素的成像系统，其中子阳极中的仅仅单个子阳极被利用。
图2示意性示出光子计数检测器像素的例子的横截面侧视图。
图3示意性示出沿着显示子阳极的图2的A-A的光子计数检测器像素的横截面视图。
图4示意性示出沿着显示子焊盘的图2的B-B的光子计数检测器像素的例子的横截面视图。
图5示出用于选择检测器像素的子阳极/子焊盘对的方法。
图6示出用于结合成像系统来检测辐射的方法。
具体实施方式
图1示意性示出一种成像系统，例如是计算机断层摄影（CT）扫描器100。扫描器100包括静止台架102和由静止台架102可旋转地支承的旋转台架104。对于一个或多个数据采集周期，旋转台架104在检查区域106周围绕着纵轴或z轴108旋转一次或多次。患者支撑物110（例如卧榻）支承在检查区域106中的对象或受检者（例如动物或人类患者）。
辐射源112（例如x射线管）由旋转台架104支承并在检查区域106周围随着旋转台架104旋转。辐射源112发射多能辐射（x射线光子），该多能辐射由源准直仪进行准直以产生横穿检查区域106的通常扇形、楔形或圆锥形辐射束。辐射敏感检测器阵列114包括分别检测横穿检查区域106的辐射并产生指示所检测的辐射的电信号（例如，电流或电压）的检测器像素的一维或二维阵列。
所示检测器阵列114包括能量分辨光子计数检测器阵列，针对单个检测器像素，能量分辨光子计数检测器阵列的一部分的横截面在116示出并包括阴极118、阳极120和布置在其之间的直接转换材料或层122（例如，碲化镉（CdTe）、碲化锌镉（CdZnTe或CZT）等）。敷金属或操纵电极124固定到围绕阳极120的直接转换材料或层122并与其分隔开间隙126。基板128包括例如集成电路（IC）、专用集成电路（ASIC）等的电子设备132、以及用于电耦合阳极120和电子设备132的焊盘130。
如下面更详细地描述的，阳极120包括多组子阳极，每组对应于不同的检测器像素并包括共同被操纵电极敷金属围绕的多于两个的在物理和电气上分离的子阳极，且基板128包括多个互补组的子焊盘，每组对应于不同的检测器像素并包括与该像素的子阳极互补的子焊盘。互补的子阳极/子焊盘对经由凸块接合、较低温的焊料和/或其它接合方法物理地和电气地耦合，且电子设备132配置成选择性地将子焊盘与基板128的处理和/或读出电子设备电连接和断开，且在给定的时间只将检测器像素的子焊盘中的单个子焊盘与电子设备连接。
在一个实例中，包括每个检测器像素的每组阳极中的多个子阳极和在基板128中的多个相应的子焊盘为每个检测器像素提供冗余的子阳极/焊盘对。因此，如果在将子阳极接合到子焊盘之后，这些互连中的一个或多个但不是全部，结果是不可用的（例如，缺乏适当的电连接），基板128可配置成选择具有可用互连的子阳极/焊盘对（例如，具有适当的电连接的一个）。相对于检测器阵列114包括针对每个检测器像素只有单个阳极（即，没有子阳极）的直接转换检测器的配置，这可促进提高检测器像素的接合生产率，例如提高到百分之百（100%），例如百分之九十（90%）或更高。
可选的前置放大器134放大从检测器阵列114输出的每个电信号。
脉冲整形器136针对所检测的光子来处理放大的电信号，并产生相应的模拟信号，该模拟信号包括诸如电压之类的脉冲或指示所检测的光子的其它脉冲。在本示例中，脉冲具有峰值振幅，该峰值振幅指示所检测的光子的能量。
能量鉴别器138对脉冲进行能量鉴别。在该示例中，能量鉴别器138包括分别将脉冲的振幅与对应于特定能级的阈值进行比较的多个比较器。每个比较器产生指示脉冲的振幅是否超过其阈值的输出（例如高或低信号）。
计数器140分别针对每个阈值对输出信号进行计数。计数器140可包括针对每个阈值的单个计数器或个别的子计数器。
能量仓142将计数能量储存到能量范围或对应于在能量阈值之间的范围的仓中。所储存的数据用于能量分辨所检测的光子。
重建器144基于所检测的光子的频谱特性选择性地重建所检测的辐射。例如，所储存的数据可用于通常隔离具有不同的光子吸收特性的不同类型的有机材料（例如骨骼、有机组织、脂肪和/或类似物），定位对比的增强材料，和/或否则基于频谱特性来处理所检测的信号。
通用计算系统用作操作员控制台146，并包括输出设备（例如显示器）和输入设备（例如键盘、鼠标和/或类似物）。存在于控制台146上的软件允许操作员控制系统100的操作，例如允许操作员选择频谱成像协议，发起扫描，等等。
图2示意性示出子部分116。注意，检测器阵列114包括这样的部分116的一维或二维阵列。
阴极118被布置在直接转换材料或层122的面向进入的辐射204的方向的第一辐射接收侧202上并在整个或实质上整个侧202上延伸。阴极电压源（未示出）被施加到阴极118，并使阴极118偏置在相对于阳极120的负电位。
阳极120包括子阳极1201、1202……120N（其中N是等于或大于二（2）的整数），阳极120被布置在直接转换材料或层122的第二相对侧206上。在所示实施例中，阳极120相对于检测器像素116的阳极区域208大约在中心或被中心地定位。阳极电压源被施加到阳极120，并使阳极偏置在比阴极118的电位更正的电位。
操纵电极124被布置在直接转换材料或层122的第二侧206上，作为围绕阳极120的导电层，覆盖侧面206的子部分，侧面206的子部分在阳极120所覆盖的区域之外的并与子阳极分隔开至少间隙126。操纵电极电压源（未示出）使操纵电极124偏置在相对于阴极118的正电位和相对于阳极120的负电位。
图3示意性示出沿着图2的线A-A的检测器像素116的横截面视图，其示出与操纵电极124相连的阳极120的示例布置。在图3中，为了解释的目的，示出三个子阳极。然而，应认识到，在其它实施例中，N等于二或大于三。
在所示实施例中，节距302表示检测器像素中心到检测器像素中心的距离，且在大约二百微米（200μm）到大约一点五毫米（1.5mm）的范围内，例如从大约三百微米（300μm）到大约一毫米（1.0mm）的范围内。通常，检测器像素的长度304等于该节距或由于像素之间的任何间隔而比节距302稍微更大。所示像素116是正方形的。然而，应认识到，适当的像素也形成矩形、椭圆形、圆形、六角形和/或其它形状。
阳极区域208的直径306为在大约一百微米（100μm）到大约三百微米（300μm）的范围内，例如大约两百微米（200μm）。子阳极1201、1202……120N的直径在大约二十五微米（25μm）到大约一百五十微米（150μm）的范围内，例如从大约五十微米（50μm）到大约一百微米（100μm）的范围内。
子阳极1201、1202……120N与操纵电极124之间的间隙126的最短距离310在大约十微米（10μm）到大约四十微米（40μm）的范围内，例如从大约二十微米（20μm）到大约三十微米（30μm）的范围内。通常，距离310可对应于预定的泄漏电流未被超过时所处于的距离。钝化材料可布置在子阳极1201、1202……120N和操纵电极124之间。
在所示实施例中，子阳极1201、1202……120N和阳极区域208在形状上是圆形的。相对于具有角的形状，这样的形状非常适合于优化由操纵电极124所产生的电场的操纵效应。然而，在本文设想了其它形状，例如椭圆、六角形、矩形、正方形和/或其它形状。
返回到图2，焊盘130位于阳极120的至少子部分之下并包括子焊盘阳极1301、1302……130N，每个子焊盘阳极对应于子阳极1201、1202……120N中的一个。开关电子设备132将焊盘130经由路径212电耦合到基板128所承载的其它电子设备210。如上所述，开关电子设备132配置成在任何给定的时间将子焊盘1301、1302……130N中的仅仅一个选择性地电耦合到其它电子设备210。
在将基板128接合到固定到直接转换材料或层122的操纵电极124之后，可将测试辐照或电压施加到每个检测器像素以确定哪个焊盘130电耦合到其它电子设备210。为此，电子设备132的每个开关各自地闭合，使得子焊盘130中的仅仅一个连接到其它电子设备210，且接着针对该子焊盘130对检测器像素116进行测试。未连接到读出电子设备210的子焊盘1301、1302……130N被保持在浮动电位处。
图4示意性示出沿着图2的线B-B的检测器像素的横截面视图，其示出与阳极120和操纵电极122相连的焊盘130的示例性布置。
如所示，子焊盘阳极1301、1302……130N与子阳极1201、1202……120N对齐并物理地和电气地耦合到子阳极1201、1202……120N。利用开关电子设备132的对应的各自的个体开关（其各自地电连接和断开子焊盘1301、1302……130N），单独的路径402分别将子焊盘1301、1302……130N与处理电子设备210电耦合。
图5示出用于选择计数检测器像素的多个可用的子阳极中的仅仅单个子阳极并仅将该仅仅单个子阳极电连接到计数检测器像素的处理电子设备的示例性方法。
应认识到，在本文所述的方法中的行动的排序不是限制性的。因此，在本文设想其它排序。此外，一个或多个行动可被省略，和/或一个或多个额外的行动可被包括。
在502，开关电子设备132配置成使得多个子焊盘1301、1302……130N中的仅仅一个与处理电子设备210电通信。
在504，测试信号（例如，辐射、电压等）被施加到光子计数检测器像素116。
在506，检测处理电子设备210的输出。通常，检测器像素116的处理电子设备210响应于子焊盘1301、1302……130N与接合到子焊盘1301、1302……130N的子阳极1201、1202……120N之间的电连接而产生输出信号。
在508，针对其它子焊盘1301、1302……130N重复行动502-506。
在510，开关电子设备132配置成使得与处理电子设备210电通信的单个子焊盘1301、1302……130N是与相应的子阳极1201、1202……120N电通信的子焊盘1301、1302……130N。
图6示出用于实施计数检测器像素的示例性方法，其中计数检测器像素的多个可用子阳极中的单个子阳极电连接到计数检测器像素的处理电子设备。
应认识到，在本文所述的方法中的行动的排序不是限制性的。因此，在本文设想其它排序。此外，一个或多个行动可被省略，和/或一个或多个额外的行动可被包括。
在602，使用具有阳极的光子技术检测器像素来检测横穿检查区域的辐射，该阳极具有共同被敷金属围绕的至少两个分离的子阳极，其中至少两个分离的子阳极分别物理地和电气地耦合到集成电路的相应子焊盘，且至少两个子焊盘中的仅仅单个子焊盘与集成电路电通信。
在604，所检测的辐射被重建以生成体积图像数据。
在本文参考各种实施例描述了本发明。其他人在阅读本文的描述后可能想到修改和变更。意图是本发明被解释为包括所有这样的修改和变更，到它们处于所附权利要求或其等效形式的范围内的程度。
Claims (15)
1.一种成像系统(100)，包括：
辐射源(112)，其发射横穿检查区域的辐射；
检测器阵列(114)，其具有检测横穿所述检查区域的辐射并分别地产生指示所检测的辐射的信号的多个光子计数检测器像素(116)，光子计数检测器像素包括：
直接转换层(122)，其具有第一辐射接收侧(202)和第二相对侧(206)；
阴极(118)，其被固定到所述第一辐射接收侧的所有部分或大部分并覆盖所述第一辐射接收侧的所有部分或大部分；
阳极(120)，其被固定到所述第二相对侧的位于中心的区域(208)，其中，所述阳极包括至少两个子阳极(120、1201、1202、120N)；以及
敷金属(124)，其被固定到所述第二相对侧，围绕所述阳极和所述位于中心的区域，其中在所述阳极和所述敷金属之间有间隙；
基板(128)，其具有至少两个焊盘(130、1301、1302、130N)，每个焊盘用于所述至少两个子阳极中的一个，其中，所述至少两个焊盘中的每个焊盘均物理和电气地耦合到所述至少两个子阳极中的不同的一个；
处理电子设备(210)；以及
开关电子设备(132)，其被配置成将所述至少两个焊盘中的仅仅单个焊盘可供选择地电耦合到所述处理电子设备；以及
重建器(144)，其重建所述信号以产生指示所述检查区域的体积图像数据。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述至少两个子阳极中的物理和电气地耦合到所述至少两个焊盘中的所述单个焊盘的所述子阳极被维持在预定的阳极电位处。
3.如权利要求2所述的成像系统，其中，所述至少两个子阳极中的其它子阳极被保持在浮动电位处。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，所述间隙包括钝化层。
5.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，所述位于中心的区域在直径上为大约一百微米到大约三百微米。
6.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，子阳极在直径上为大约二十五微米到大约一百二十五微米。
7.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，在所述阳极和所述敷金属之间的所述间隙至少在从大约十微米到大约四十微米的范围内。
8.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，在检测器像素之间的中心到中心距离在大约二百微米到大约一点五毫米的范围内。
9.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，检测器像素长度在大约二百微米到大约一点五毫米的范围内。
10.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，所述至少两个子阳极是三个子阳极。
11.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，对应于具有在至少一个子焊盘和至少一个相应的焊盘之间的电连接的接合生产率在大约90％到大约100％的范围内。
12.如权利要求1到3中的任一项所述的成像系统，其中，所述直接转换层包括含有碲化镉和碲化锌镉中的至少一个的直接转换层。
13.一种方法，包括：
利用光子计数检测器像素(116)检测横穿检查区域的辐射，其中，所述光子计数检测器像素包括阳极，所述阳极具有共同被敷金属围绕的至少两个物理和电气地分离的子阳极，其中，所述至少两个子阳极耦合到基板的至少两个子焊盘中的相应子焊盘，且电气开关将所述至少两个子焊盘中的仅仅单个子焊盘与所述基板的处理电子设备电气地连接。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
将耦合到所述至少两个子焊盘中的所述单个子焊盘的所述子阳极维持在预定的阳极电位处。
15.如权利要求13到14中的任一项所述的方法，还包括：
将耦合到未电连接到所述处理电子设备的子焊盘的所述子阳极维持在浮动电位处；以及以下步骤中的至少一个：
确定子阳极和相应的子焊盘之间的互连提供在所述子阳极和所述子焊盘之间的电路径，且作为响应，选择所述相应的子焊盘作为所述至少两个子焊盘中与所述处理电子设备电通信的所述单个子焊盘，或者
确定子阳极和相应的子焊盘之间的接合不提供在所述子阳极和所述子焊盘之间的电路径，且作为响应，断开所述子焊盘与所述处理电子设备。
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