CN103860184A - 光子计数探测器及读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于探测在多能量辐射中包括的光子的光子计数探测器和读出电路。该光子计数探测器包括：光子入射到其上的像素区域，以及偏置电路，其提供偏置电压或电流，其中，偏置电路被布置在像素区域中。

Description

光子计数探测器及读出电路

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年12月11日向韩国特许厅提交的韩国专利申请第10-2012-0143829号的优先权，通过引用将其全部公开内容结合于此。

技术领域

本公开涉及光子计数探测器及读出电路。

背景技术

作为使用X射线的成像设备的X射线成像系统近来已经从模拟方法转变到数字方法。保持着该趋势，作为数字X射线成像系统的核心部分的X射线探测器也已经转变。数字X射线探测技术可以被粗略地分类为间接法和直接法，所述间接法通过将X射线改变成可见光并且将可见光转换成电信号来生成图像，而所述直接法通过将X射线直接转换成电信号来生成图像。

直接法被分成积分法和光子计数法，所述积分法通过对针对预定的时段生成的电信号进行积分来生成图像信号，而所述光子计数法通过对入射的X射线光子进行计数来生成图像信号。光子计数法可以经由单次照射，即，少量曝光到X射线来用可区分的X射线能带创建高质量图像。

发明内容

提供了光子计数探测器以及读出电路。然而，将解决的技术问题不局限于此，并且本领域普通技术人员可以从下列实施例中理解其它技术问题。

另外的方面将在下面的描述中部分地阐明，并将从该描述中部分地变得明显，或者可以通过实践呈现的实施例而习得。

根据本发明的方面，一种用于探测在多能量辐射中包括的光子的光子计数探测器包括：光子入射到其上的像素区域；以及偏置电路，其提供偏置电压或电流，其中，所述偏置电路被布置在所述像素区域中。

根据本发明的另一个方面，一种用于探测在多能量辐射中包括的光子的读出电路包括：积分器，其累计从传感器输入的电信号；比较器，其将累计的电信号与阈值进行比较；计数器，其基于从所述比较器输出的比较结果对光子进行计数；以及偏置电路，其将偏置电压提供给所述积分器和所述比较器。

附图说明

从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其它方面将变得明显和更加容易理解，附图中：

图1是图示根据本发明的实施例的医学成像系统的视图；

图2是图示图1的光子计数探测器的透视图；

图3是图示图1的光子计数探测器的截面图；

图4是根据本发明的实施例的被布置在像素区域中的偏置电路的框图；

图5是图示根据本发明的另一个实施例的被布置在像素区域中的偏置电路的框图；

图6是图示根据本发明的另一个实施例的被布置在像素区域中的偏置电路的框图；

图7是图示根据本发明的另一个实施例的被布置在像素区域中的偏置电路的框图；以及

图8和图9是图示图2的读出电路的框图。

具体实施方式

此处使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目中的任意一个以及所有组合。比如“中的至少一个”的表达，当在一列元素之前时，修饰整列的元素但不修饰列表中的单独的元素。

现在将参照其中示出了本发明的示例性实施例的附图更全面地描述本发明。

图1是图示根据本发明的实施例的医学成像系统的视图。参照图1，医学成像系统包括辐射生成器10、光子计数探测器11、以及图像生成器12。包括辐射的医学成像系统通过使用传感器探测透射过比如人体的目标的多能量辐射，区分在通过使用传感器探测到的多能量辐射中包括的光子的能带，对光子的数量进行计数，并且基于计数的结果，根据能带生成人体的图像。医学成像系统区分在透射过比如人体的目标的多能量辐射中包括的光子的能带，根据能带对光子的数量进行计数，并且通过使用根据能带的光子的数量来根据能带生成医学图像。目标的多能量辐射吸收度根据目标的类型或密度、或辐射的能带而变化。例如，骨骼吸收大量X射线而肌肉比骨骼吸收的X射线少。因此，由辐射生成器10生成的辐射在透射过骨骼之后包括的光子数量可以不同于在透射过其它身体组织之后包括的光子数量。此外，在透射过目标之后，根据能带在由辐射生成器10生成的辐射中包括的光子的数量可以在辐射透射过的目标是骨骼时和在该目标是其它身体组织时有所不同。图像生成器12可以通过使用由光子计数探测器11根据能带对光子计数的结果来生成身体组织的清晰的X射线图像。

辐射生成器10生成辐射并向病人发射辐射。由辐射生成器10生成的辐射的示例可以包括超声波、α射线、β射线、γ射线、X射线、以及中子射线。然而，一般而言，辐射可以指可以诱导对人体有害的电离化的X射线。虽然下列解释将集中于作为示例的X射线，但是相同的技术原理可以适用于除X射线之外的辐射。

光子计数探测器11的像素区域对应于将通过使用辐射成像的目标的照射区域，并且光子计数探测器11包括分别与在像素区域中包括的像素相对应的读出电路。光子计数探测器11通过读出电路将计数的结果输出到图像生成器12。在像素区域中的像素的数量越大，分别对应于像素的读出芯片的读出电路越多，并且图像生成器12可以生成的图像的分辨率越高。即，像素尺寸越小，可以生成的图像的分辨率越高。

以阵列形式被包括在读出芯片中的读出电路根据光子的能带区分从分别与读出电路相对应的单元传感器接收到的电信号，将电信号转换成数字信号，并且将数字信号输出到图像生成器12。占用整个传感器的部分区域的单元传感器中的每一个通过单元传感器的单元输出端来根据由读出芯片的相应读出电路探测到的光子输出电信号。每个读出电路从单元传感器接收到的电信号可以以电荷积分模式或光子计数模式读出。电荷积分模式使用用于对电荷进行积分的电容器，其中，在预定时段内生成的电信号被积分并经由模数转换器（ADC）被读出。电荷积分模式对从所有能带中的光子生成的电信号进行积分，因此没能根据光子的能带将电信号转换成数字信号。然而，在光子计数模式中，读出电路将从用于探测光子的单元传感器输入的电信号与阈值进行比较，并且输出指示‘1’或‘0’的数字信号，并且计数器对‘1’的出现进行计数并以数字形式输出数据。每当生成每个信号时，光子计数模式将从单个光子生成的信号与预定阈值进行比较并且对信号进行计数。光子计数探测器11可以通过使用基于光子计数模式的读出电路而实现，其中，所述读出电路可以根据能带对从相应的单元传感器接收到的光子进行计数。

图2是图示图1的光子计数探测器11的透视图。参照图2，光子计数探测器11包括传感器21以及读出芯片22。传感器21探测在透射过比如人体的目标的多能量辐射中包括的光子，将光子转换成电信号，并且通过传感器21的单元输出端将电信号输出到读出芯片22的读出电路23。传感器21对应于像素区域。像素区域中的每一个像素对应的传感器21的部分被称为单元传感器。每个单元传感器将入射光子转换成电信号，并且通过单元传感器的单元输出端输出该电信号。读出芯片22对应于像素区域和传感器21，并且包括分别与像素区域的像素相对应的读出电路23。

图3是图示图1的光子计数探测器11的截面图。参照图3，光子计数探测器11包括传感器21以及读出芯片22。传感器21探测光子，将光子转换成电信号，并且通过结合（bonding）34将电信号输出到与传感器21的部分相对应的读出芯片22的读出电路23。当光子被入射到传感器的21的耗尽区312上时，传感器21生成电子空穴对，所述电子空穴对由电场拉向准中性（quasi-neutral）n区311和准中性p区313，从而使电流流出传感器21。例如，当多能量X射线被入射到传感器21上时，传感器21生成电信号，其幅度根据在多能量X射线中包括的光子的能带而变化，并且传感器21通过与传感器21的单元传感器相对应的准中性p区313将该电信号输出到读出芯片22的读出电路23。准中性p区313是传感器21的单元传感器的单元输出端。当单元传感器探测到与像素区域的像素相对应的光子时，传感器21通过单元传感器的单元输出端将电信号输出到读出芯片22的读出电路23。

传感器21根据在多能量X射线中包括的光子的数量生成电信号，该电信号的幅度根据在多能量X射线中包括的光子的能带而变化。一旦接收到光子，传感器21以一时间间隔生成电信号。电信号之间的时间间隔可以足够长以供光子计数探测器11从电信号中区分光子的能带。然而，由传感器21生成的电信号之间的时间间隔可能太短以致于光子计数探测器11不能区分光子的能带，但这不太可能发生。因此，电信号之间的时间间隔对于整个图像的生成仅有轻微的影响。

虽然在图3中传感器21包括准中性n区311、耗尽区312、以及准中性p区313，但是本实施例不局限于此，并且可以使用用于探测光子的各种传感器中的任意一种。此外，虽然在图3中传感器21和读出芯片22通过结合34连接到彼此，但是传感器21和读出芯片22可以通过使用比如汽相沉积的其它方法中的任意一种连接到彼此。

读出芯片22包括分别与传感器21的单元传感器相对应的读出电路23的阵列。读出电路23的每一个根据从传感器21中的光子生成的、从传感器21接收到的电信号区分入射到传感器21上的光子的能带，对每个能带中的光子进行计数，并且将计数数据输出到图像生成器12。图像生成器12基于在与像素区域中的每一个像素相对应的读出电路23中对光子进行计数的结果，针于像素区域中的每一个像素生成图像。

读出电路23区分在入射到传感器21上的多能量辐射中包括的光子的能带，输出指示光子的能带的数字信号，并且根据能带对光子进行计数。每当从相应的单元传感器输入电信号时，读出电路23将电信号的幅度与预定阈值进行比较以区分在多能量辐射中的光子的能级，并且根据能带对光子进行计数。例如，在将从相对应的单元传感器输入的电信号与预设阈值顺序地进行比较之后，当电信号的幅度大于5V的阈值但小于6V的阈值时，读出电路23生成指示电信号的幅度的数字信号并且通过使用数字信号根据入射到传感器21上的光子的能带对光子进行计数。

结合34连接传感器21和读出芯片22的读出电路23并帮助在传感器21的单元传感器中生成的电信号被传送到读出芯片22的读出电路23。虽然在图3中，结合34被用于连接传感器21和读出芯片22的读出电路23，但是本实施例不局限于此，并且传感器21和读出芯片22的读出电路23可以通过使用其它方法中的任意一种连接到彼此。例如，传感器21和读出芯片22的读出电路23可以通过使用半导体工艺将传感器21沉积到读出芯片22上来连接到彼此。

图4是图示根据本发明的实施例的被布置在像素区域50中的偏置电路52的框图。光子计数探测器11被分成像素区域50以及外围区域。像素区域50指的是与发射辐射的照射区域相对应的光子计数探测器11的区域。外围区域指的是除了光子计数探测器11的像素区域50之外的区域。因为像素区域50主要被布置在光子计数探测器11的中心，所以外围区域一般指像素区域50的边缘。然而，像素区域50可以被布置在光子计数探测器11的预定部分，在这种情况下，外围区域可以是除了像素区域50的边缘之外的区域。

光子入射到其上的像素区域50对应于目标的照射区域。换句话说，当确定将被成像的目标的照射区域且辐射被发射到该照射区域时，来自光子计数探测器11的辐射入射到其上的照射区域是像素区域50。像素区域50被分成多个像素51。当图像生成器12生成图像时像素51中的每一个是图像单元。

偏置电路52是自启动偏置电路。偏置电路52输出用于操作另一个电子器件的电压或电流。偏置电路52被包括在像素区域50中。偏置电路52被布置在像素区域50中而非外围区域中。因此，偏置电路52可以将用于操作被布置在像素区域50中的电子器件的电压或电流提供给电子器件。

在图4中，偏置电路52被布置在像素51中。偏置电路52被布置在像素区域50中，特别是在像素51中的每一个中。因此，被布置在每一个像素51中的电子器件被提供以来自偏置电路52的电压或电流。因为每一个像素51被提供以来自被布置在像素51中的偏置电路52的电压或电流，所以即使光子计数探测器11尺寸增加，在每一个像素51中的电子器件也可以正常地操作。

图5是图示根据本发明的另一个实施例的被布置在像素区域50中的偏置电路52的框图。在像素区域50中包括的像素当中的相邻像素共享一个偏置电路52。相邻像素可以是2个或更多个像素。

参照图5，在像素区域50中包括的像素以N×N像素为单元被划分，并且偏置电路52被包括在N×N像素中的任意一个像素中。虽然偏置电路52被包括在N×N像素之中的任意一个像素中，但是偏置电路52将偏置电压或电流提供给所有N×N像素。例如，偏置电路52被布置在像素511到519的中央像素515中。像素511到519共享一个偏置电路52。换句话说，偏置电路52提供电压或电流以用于操作在例如，像素511到519的特定数量的像素中包括的电子器件。虽然图5中仅示出9个像素511到519，但是被布置在像素区域50中的其它像素被设计成像像素511到519一样共享一个偏置电路52。

图6是图示根据本发明的另一个实施例的被布置在像素区域50中的偏置电路52的框图。偏置电路52被布置在2×2像素之中的任意一个像素中。例如，如图6中所示，偏置电路52可以被布置在4个像素611到614之中的像素614中。4个像素611到614共享一个偏置电路52。换句话说，偏置电路52提供电压或电流以用于操作在4个像素611到614中包括的电子器件。

图7是图示根据本发明的另一个实施例的被布置在像素区域50中的偏置电路52的框图。偏置电路52被布置在2个像素之中的任意一个像素中。例如，如图7中所示，偏置电路52可以被布置在像素711和712之中的像素712中。2个像素711和712共享一个偏置电路52。换句话说，偏置电路52提供电压或电流以用于操作在2个像素711和712中包括的电子器件。

图8是图示图2的读出电路23的框图。因此，虽然有所省略，但是对于读出电路23已经做出的描述适用于图8的读出电路23。参照图8，读出电路23包括积分器61、比较器62、计数器63、以及偏置电路52。读出电路23是被布置在与像素相对应的区域中的电路。积分器61累计从传感器21探测到的光子转换而成的、从传感器21接收到的电信号，并且将电信号输出到比较器62。比较器62将从积分器61输入的电信号与阈值进行比较，并且将比较的结果输出到计数器63。所述阈值是用于将在多能量辐射中包括的光子的能带划分成两个或更多个能带的预定电压值。因此，更多阈值的使用可以允许将光子精细划分到更多的光子能带中。计数器63根据从比较器62接收到的信号对光子的数量进行计数。

偏置电路52将偏置电压或电流提供给积分器61或比较器62。比如积分器61或比较器62的模拟电路包括晶体管。晶体管需要偏置电压或电流以便操作。当偏置电路52被布置在读出电路23的外部并且提供到偏置电路52的电力不够时，由偏置电路52提供到所有读出电路23的偏置电压或电流可能剧烈地减小。因此，偏置电路52被布置在读出电路23中，并且将偏置电压或电流提供给模拟电路以正常地操作模拟电路。

此外，偏置电路52可以将偏置电压或电流提供给在相邻的读出电路23中包括的积分器或比较器。偏置电路52不能被布置用于所有的读出电路23，但可以被布置用于任意一个读出电路23。偏置电路52可以通过将偏置电压或电流提供给邻近的读出电路23来减小由偏置电路52消耗的电流。

偏置电路52被包括在读出电路23中。因此，偏置电路52可以稳定地提供偏置电压或电流以用于操作在读出电路23中包括的积分器61和比较器62。

图9是图示图2的读出电路23的框图。因此，虽然省略了，但是对于读出电路23已经做出的描述适用于图9的读出电路。

积分器61包括放大器615、电容器616、以及开关617。放大器615并联连接电容器616和开关617。换句话说，电容器616和开关617被连接到放大器615的输入端和输出端。为了操作放大器615，需要偏置电压或电流。放大器615从在读出电路23中包括的偏置电路52接收偏置电压或电流。因为偏置电路52被包括在读出电路23中，所以用于操作放大器615的偏置电压或电流可以被稳定地提供给放大器615。

比较器62包括多个比较器。比较器将由积分器61累计的电信号与阈值进行比较。比较器将累计的电信号与不同的阈值进行比较。阈值是用于将在多能量辐射中包括的光子的能带划分成两个或更多个能带的预定电压值。因此，更多阈值的使用可以允许将光子精细划分到更多的光子能带中。虽然在图9中示出三个比较器，但是本实施例不局限于此。

比较器从偏置电路52接收偏置电压或电流。为了操作比较器，需要偏置电压或电流。比较器从在读出电路23中包括的偏置电路52接收偏置电压或电流。因为偏置电路52被包括在读出电路23中，所以用于操作比较器的偏置电压或电流可以被稳定地提供给比较器。

读出电路23还可以包括驱动变换器（driving inverter）64。驱动变换器64将在计数器63中存储的计数结果输出到列线67。驱动变换器64被连接到计数器63的输出端并将从计数器63输出的信号输出到列线67。驱动变换器64的输出端被连接到开关65。开关65在行选择线66的控制下关断。

根据本发明，因为偏置电路被布置在像素区域中，所以每一个像素都可以正常地操作。

因为相邻的多个像素共享一个偏置电路，所以功耗可以减小。

因为偏置电路被包括在读出电路中，所以偏置电压或电流可以被稳定地提供给在读出电路中的积分器或比较器。

尽管已经通过使用特定名词、参考本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是实施例和术语仅仅被用于解释本发明并且不应该被认为是限制如权利要求所定义的本发明的范围。示例性实施例应被认为仅是描述性的，而非出于限制的目的。因此，本发明的范围不是通过对本发明的详细描述来定义，而是通过权利要求来定义，并且在该范围内的所有差异都将被认为是包括在本发明中。

Claims (12)

1.一种用于探测在多能量辐射中包括的光子的光子计数探测器，该光子计数探测器包括：

光子入射到其上的像素区域；以及

偏置电路，其提供偏置电压或电流，

其中，所述偏置电路被布置在所述像素区域中。

2.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其中，所述像素区域包括多个像素，

其中，所述偏置电路被包括在所述多个像素中的每一个中。

3.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其中，所述像素区域包括多个像素，

其中，所述偏置电路被包括在所述多个像素中的至少一个中。

4.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其中，所述像素区域被分成M×N像素的单元，

其中，在每个M×N像素的单元中包括一个偏置电路。

5.根据权利要求4所述的光子计数探测器，其中，在每个M×N像素的单元中包括的偏置电路将偏置电压提供给相应单元中的所有M×N像素。

6.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其中，所述像素区域被分成2×2像素的单元，

其中，在每个2×2像素的单元中包括一个偏置电路，

其中，在每个2×2像素的单元中包括的偏置电路将偏置电压提供给相应单元中的所述2×2像素。

7.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其中，在两个像素中包括一个偏置电路，

其中，该偏置电路将偏置电压提供给所述两个像素。

8.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其中，所述像素区域包括多个像素，

其中，所述多个像素之中的相邻像素共享一个偏置电路。

9.一种用于探测在多能量辐射中包括的光子的读出电路，该读出电路包括：

积分器，其累计从传感器输入的电信号；

比较器，其将累计的电信号与阈值进行比较；

计数器，其基于从所述比较器输出的比较结果对光子进行计数；以及

偏置电路，其将偏置电压提供给所述积分器和所述比较器。

10.根据权利要求9所述的读出电路，其中，所述积分器包括放大器，

其中，所述偏置电路将偏置电压提供给所述放大器。

11.根据权利要求9所述的读出电路，其中，所述比较器包括多个比较器，

其中，所述偏置电路将偏置电压提供给所述多个比较器。

12.根据权利要求9所述的读出电路，其中，所述偏置电路将偏置电压提供给相邻的读出电路。

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