CN103998952A - X射线探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X射线探测器，所述X射线探测器包括传感器单元(200、300)，其用于探测入射X射线辐射，所述传感器单元(200、300)包括多个传感器元件(230、311-314)、每个传感器元件的计数通道(240)、每个传感器元件的集成通道(250)和处理单元(260)，每个传感器元件的所述计数通道(240)用于通过对自测量间隔开始响应于入射X射线辐射而生成的光子或电荷脉冲进行计数来获得计数信号，每个传感器元件的所述集成通道(250)用于获得表示自测量间隔开始探测到的辐射的总能量的集成信号，所述处理单元(260)用于从传感器元件(321)的集成信号中估计传感器元件(311、312)的计数信号，所述传感器元件(311、312)的计数通道在测量间隔期间已经是饱和的。

Description

X射线探测器
技术领域
本发明涉及一种X射线探测器和对应的X射线探测方法。本发明还涉及一种包括X射线探测器的X射线设备、处理器和在具有X射线探测器的X射线设备中使用的处理方法以及用于实施所述处理方法的计算机程序。
背景技术
用于检查对象(例如，患者或材料(诸如轮胎或铸件))的基于光子计数的谱CT系统需要探测器，其能够处理在现今能量集成的CT系统中生成的高计数率。通常使用的直接转换材料不够快，不足以处理能够在这样的系统中发生的高计数率。尤其，在接近直接射束(“表面射束”)或直接观察直接射束的对象后的探测器像素通常将这样的高计数率视为他们是饱和的，即，它们不提供可用的计数信号，尤其不具有足够的能量信息；为简单起见，尽管几何上这些射束不接近对象的表面，本文中术语“表面射束”也包括被如此弱地衰减以致其使像素观察到过高计数率的射束。在一方面，这能够意味着，由于非常高的计数率，不再能够将脉冲彼此区别，即，像素(在下文中也被称为传感器的“传感器元件”，所述传感器被包括在探测器中)是饱和的(在下文中这样的像素或传感器元件也被称为“堆积像素”)。在另一方面，其能够意味着，归因于大量电荷俘获，探测器像素的体积的部分或所有变得极化，即，内部电场瓦解，使得由于与X射线光子的相互作用，在结晶中生成的电子空穴对不再被有效分离。
在后一种情况中，由于归因于弱化的电场，在X射线互相作用中生成的大多数电子空穴对未被收集，使得不可预见地损坏能量信息，既不用光子计数探测器，也不用能量集成探测器，很难或甚至不可能从测量数据中获得正确的信息。然而，在第一情况(即，“饱和”或“堆积”像素或传感器元件的情况)中，由本发明提供的解决方案似乎是可能的。
发明内容
本发明的目的是提供一种X射线探测器和对应的探测方法，甚至在传感器元件中的一些的计数通道已经是饱和的并且由此不能直接提供可靠计数信号的情况下，所述X射线探测器和对应的探测方法能够提供精确和可靠的测量数据。
本发明的又一目的是提供一种X射线设备、在具有X射线探测器的X射线设备中使用的处理器和处理方法，并且涉及一种用于实施所述处理方法的计算机程序。
在本发明的第一方面中，提出一种X射线探测器，所述X射线探测器包括
-传感器单元，其用于探测入射X射线辐射，所述传感器单元包括多个传感器元件，
-每个传感器元件的计数通道，其用于通过对自测量间隔的开始响应于入射X射线辐射而生成的(X射线)光子或电荷脉冲进行计数来获得计数信号。
-每个传感器元件的集成通道，其用于获得表示自测量间隔的开始探测到的辐射的总能量的集成信号，以及
-处理单元，其用于从传感器元件的集成信号中估计传感器元件的计数信号，所述传感器元件的计数通道在测量间隔期间已经是饱和的。
在本发明的又一方面中，提出一种X射线设备，所述X射线设备包括：X射线源，其用于放射X射线辐射；根据本发明的X射线探测器；以及，重建单元，其用于根据估计的饱和传感器元件的计数信号和获得的非饱和传感器元件的计数信号来重建图像。
在本发明的又一方面中，提出一种在具有X射线探测器的X射线设备中使用的处理器，所述X射线探测器包括：传感器单元，其用于探测入射X射线辐射，所述传感器单元包括多个传感器元件；每个传感器元件的计数通道，其用于通过对自测量间隔的开始响应于入射X射线辐射而生成的(X射线)光子或电荷脉冲进行计数来获得计数信号；以及，每个传感器元件的集成通道，其用于获得表示自测量间隔开始探测到的辐射的总能量的集成信号，所述处理器包括：
-处理单元，其用于从传感器元件的集成信号中估计传感器元件的计数信号，所述传感器元件的计数通道在测量间隔期间已经饱和，以及
-重建单元，其用于根据估计的饱和传感器元件的计数信号和获得的非饱和传感器元件的计数信号来重建图像。
在本发明的又一方面中，提供一种X射线探测方法、处理方法和计算机程序，所述计算机程序包括程序代码模块，其用于当在计算机上执行所述计算机程序时令计算机执行处理方法的步骤。
在从属权利要求中定义本发明的优选实施例。应当理解，主张要求的方法、处理器和计算机程序具有与主张要求的探测器以及与在从属权利要求中定义的类似和/或相同的优选实施例。
由此，本发明提出使用具有传感器的X射线探测器，所述传感器具有传感器元件(像素)，所述传感器元件(像素)提供在一个或多个能量阈值以上的计数数量和同时(优选在每个像素中的)集成测量结果。集成测量结果提供在测量间隔期间由探测器的分离传感器元件接收的总电荷的信息，例如，所述探测器的分离传感器元件可以在大型量子流的情况下有用。然而，集成测量结果还用于相当精确地估计具有传感器元件的能量信息的计数信号，所述传感器元件的计数通道在测量间隔期间已经是饱和的(那些传感器元件通常被称为“饱和传感器元件”或“堆积像素”)。
利用计数通道测量结果的修改设置(其中一些计数通道测量结果从对于饱和传感器元件的估计中获得，其他计数通道测量结果在实际测量中获得)，能够应用通常的数据评估处理，例如图像重建，例如，用于K-边缘成像的扩展Alvarez-Macovsky分解或对于每个能量分箱的重建分箱。
在实施例中，所述处理单元适于
-根据获得的传感器元件的集成信号来确定对象模型，以及
-根据所述对象模型来确定饱和传感器元件的计数信号。
由此，能够通过重建每个像素中的集成通道的信号来获得对象模型，所述对象模型提供对对象的材料成分以及尤其用于表面射束的X射线射束的路径长度的一些估计。尽管可以额外使用非饱和传感器元件的计数信号，通常不需要其确定对象模型和/或确定饱和传感器元件的计数信号。
具有可用对象模型，在又一实施例中，所述处理单元适于通过以下操作来确定饱和传感器元件的计数信号
-根据对象模型和在对象前面的X射线射束的谱，对入射到所述饱和传感器元件的X射线射束进行建模，以及
-根据相应的饱和传感器元件的经建模的X射线射束，确定饱和传感器元件的计数信号。
在本文中，“在对象前面”意味着对象面对X射线源的一侧，即，在X射线射束击中对象之前。根据本实施例，采取在对象前面的X射线射束的(已知或测量)谱，所述X射线射束终止在饱和像素中。然后通过使用来源于对象模型的针对独立X射线射束(或X射线射束组)的衰减因素对这些(确定的)X射线射束进行衰减。这提供入射到饱和探测器像素的射束谱。由此，能够获得对饱和传感器元件的计数信号的相当精确的估计。
换言之，根据本实施例，对象模型用于模拟(在能量谱方面)在对象后面(即，在对象面对探测器的一侧)的那些X射线射束。这样的X射线射束沿着非常弱的吸收路径穿过对象，使得入射计数率如此高，以至于堆积增加了对于射束引起探测像素的计数通道饱和能够校正的水平。然后针对某个像素的经建模的X射线射束用于确定针对考虑的像素的计数通道的经建模的测量结果。
优选地，在每个像素中，根据具有有限通量的空气扫描(即，测量结果)来导出直接射束信号，使得像素都是不饱和的。然后这些直接射束信号被放大到在具有对象的测量中使用的通量值。利用该途径，不需要定位扫描(即，对象的低剂量扫描来得到对对象属性(例如准确的几何形状)的估计，通常用于剂量优化)来确定对象模型。根据单个扫描的数据采集来获得对象模型，其也提供一幅或多幅预期图像(例如在K-边缘成像的情况下)。
优选地，所述计数通道包括至少一个鉴别器，尤其至少两个鉴别器，用于对自测量间隔的开始的处于不同能量水平的光子或电荷脉冲进行计数，以及获得自测量间隔的开始的能量相关计数信号。通常，使用至少两个鉴别器，但也可能从具有仅仅与集成通道组合的一个阈值的计数通道中获得谱信息。例如，两个不同测量允许进行光子-康普顿分解或两种材料分解，其是例如在WO2007/010448A2中描述的Alvarez-Makovsky分解的简单情况。从能量相关计数信号中可以重建不同种类的图像信息，例如，关于包括在这些血管中含有的造影剂的厚度(使得能够量化管腔尺寸)以及允许评估钙化的钙化血管区域的厚度的冠状血管的图像信息。
使用不同技术能够实施传感器单元。在一个实施例中，所述传感器单元包括直接转换感测层，其用于将入射X射线辐射直接转换为形成电荷脉冲的电荷信号。优选地，所述传感器单元还包括表示所述集成通道的集成层，所述集成层被布置在直接转换感测层面对远离入射X射线辐射的一侧，以将到达所述集成层的X射线辐射转换为所述集成信号。
本领域通常已知具有这样的直接转换感测层和/或集成层的探测器以及用于制作它们的技术。例如，WO2009/072056A2公开了一种用于探测入射到探测器表面的X辐射的单片集成晶体直接转换半导体探测器以及用于制造这样的直接转换半导体探测器的方法，所述探测器表面被暴露到具有X射线的照射。在该文献的引言部分中，描述了探测器的各种类型和技术，其通常能够用于本发明的感测单元。
而且，WO2007/010448A2描述了一种具有传感器的X射线探测器，所述传感器吸收多色光谱的X射线量子，并且生成对应于吸收的X射线量子的电传感器信号。具有至少一个计数通道，并且具有集成通道，所述至少一个计数通道包括多个鉴别器，每个计数通道对自测量间隔的开始在不同相应阈值处探测到的电荷信号的数量进行计数，所述集成通道测量自测量间隔的开始探测到的电荷信号的总电荷。
这些文献的内容(尤其探测器的描述)在此通过引用将其并入。
优选地，在实施例中，所述处理单元适于通过对相邻传感器元件的集成信号进行插值或通过对所述传感器元件的计数信号进行推算来估计传感器元件的集成信号，在所述传感器元件处不足的X射线辐射到达集成层。以这种方式获得足够的测量数据，用于重建具有足够细节的图像。
在另一实施例中，所述传感器单元包括间接感测装置，其用于首先将入射X射线辐射转换为(光学)光子，并且然后将所述(光学)光子转换为电荷信号。本领域中通常也已知这样的间接传感装置。例如，在US2001/0048080A1中描述了一种FDXD探测器，其包括闪烁体层和光电二极管，所述闪烁体层用于将X射线转换为光，所述光电二极管用于将光转换为电荷。该文献的内容(尤其探测器的描述)也在此通过引用将其并入。
此外，在实施例中，所述传感器单元包括直接转换感测装置和间接感测装置，所述直接转换感测装置用于将入射X射线辐射直接转换为形成电荷脉冲的电荷信号，所述间接感测装置用于首先将入射X射线辐射转换为光子，并且然后将所述光子转换为所述集成信号。
尽管通常传感器元件的集成信号足以例如通过使用上述对象模型来确定饱和传感器元件的计数信号，在实施例中，处理单元适于从非饱和传感器元件的计数信号和传感器元件的集成信号中估计饱和传感器元件的计数信号。例如，存在截断重建的概念，当某些射束的测量信号缺失时，所述概念不仅使用集成信号，而且使用非饱和传感器元件的计数信号来估计饱和传感器元件的计数信号。
X射线设备可以是(医学或工业)X射线装置(例如所述X射线装置具有X射线源和X射线探测器或C-圆弧的固定装置，X射线源和X射线探测器被安装在所述C-圆弧上)，或CT装置(例如光子计数能量解析(人类)CT装置)。在X射线设备的实施例中，提供至少两个X射线源和至少两个X射线探测器，每个X射线探测器被布置为探测由所述至少两个X射线源中的一个发射的辐射，其中，至少一个探测器适于执行计数测量，以提供计数信号，并且至少另一个探测器适于执行集成测量，以提供集成信号。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得以阐述。在下图中
图1示出了根据本发明的X射线设备的第一实施例，
图2示出了根据本发明的X射线探测器的第一实施例，
图3示出了在图2中示出的X射线探测器的更多细节，
图4示出了根据另一实施例描绘的观察计数率vs.入射计数率的图表，
图5示出了根据本发明的X射线探测器的第二实施例，
图6示出了根据本发明的X射线设备的第二实施例，以及
图7示出了根据本发明的X射线设备的第三实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的X射线设备的第一实施例，尤其是被设计为C型臂X射线装置的CT(计算机断层摄影)扫描器10。CT扫描器10(其也可以看起来不同，例如，以具有环形支撑物的管的形式)包括支撑物12和工作台14，所述工作台14用于支撑患者16。支撑物12包括X射线源组件20，当患者16的一部分被放置在X射线源组件20和X射线探测器24之间时，所述X射线源组件20朝在支撑物12对侧的X射线探测器20投影X射线的射束，诸如，扇形射束或锥形射束。
X射线源组件20可以被配置为递送处于多个能量水平的辐射，并且X射线探测器24可以被配置为响应于处于不同能量水平的辐射来生成图像数据。X射线源组件20可以包括准直器21，其用于调整X射线射束的形状。准直器21可以包括一个或多个滤波器(未示出)，其用于创建具有某些规定特性的辐射。X射线探测器24具有多个传感器元件(221；见图2)，所述多个传感器元件被配置为感测穿过患者16的X射线。当X射线射束穿过患者16时，每个传感器元件生成表示X射线射束强度的电信号。支撑物12被配置为关于患者16旋转。在另一实施例中，当患者16在直立位置处站立(或就坐)时，支撑物12可以被配置为关于患者16旋转。支撑物12和患者16的定位不限于本文图示的范例，并且根据期望成像的身体部位的位置和取向，支撑物12可以具有其他配置(例如，旋转轴的位置或取向)。
在图示的实施例中，CT扫描器10也包括处理器40、监控器50和输入设备52，所述监控器50用于显示数据，所述输入设备52(诸如键盘或鼠标)用于输入数据。处理器40被耦合到控件30。由控件30控制支撑物12的旋转和X射线源组件20的操作，所述控件30将功率和定时信号提供到X射线源组件20，并且基于从处理器40接收的信号来控制支撑物12的旋转速度和位置。控件30也控制X射线探测器24的操作。例如，控件30能够控制何时从X射线探测器24中读取图像信号/数据的定时，和/或从X射线探测器24中读取图像信号/数据的方式(例如，通过行或列)。尽管控件30被示出为与支撑物12和处理器40的分离组件，在备选实施例中，控件30能够是支撑物12或处理器40的一部分。处理器40还可以包括重建单元，其用于根据探测到的X射线辐射来重建一幅或多幅图像。
在采集X射线投影数据(即，CT图像数据)的扫描期间，当支撑物12关于患者16旋转时，X射线源组件20朝在支撑物12的对侧的X射线探测器24投影X射线的射束。在一个实施例中，在图像数据采集期间，支撑物12围绕患者16进行360度旋转。备选地，如果使用全锥形探测器，当支撑物12旋转180度加上扇形射束角度时，CT扫描器10可以采集数据。根据采用的具体系统，也可以使用其他旋转角度。在一个实施例中，X射线探测器24被配置为在不到1秒中生成至少900帧图像。在这种情况下，支撑物12仅仅需要围绕患者18旋转一次，以便收集足量的图像数据用于计算机断层摄影图像的重建。在其他实施例中，X射线探测器24可以被配置为以其他速度生成帧。
患者16被放置为使得定位被放置在X射线源组件20和X射线探测器24之间。从造影剂注射点测量的已经过去规定时间(例如，150秒)之后，然后支撑物12关于患者16旋转，以生成两个图像数据集。只要足够快地捕获第一图像数据集和第二图像数据集来绘制被成像的对象以显现静止，使用处于不同水平的辐射或任何时间段内，可以快速连续地(例如，在5到20毫秒之内)生成两个图像数据集。当支撑物12关于患者16旋转时，X射线源组件20发射辐射。在一个实施例中，在单个能量水平或宽能量范围发射辐射。在另一实施例中，备选地在第一能量水平和第二能量水平(或甚至更多)发射辐射，尤其具有在造影剂的k-吸收边缘(K-边缘)以下的第一能量水平和在造影剂的k-边缘以上的第二能量水平。发射的辐射通过患者16衰减，并且撞击在X射线探测器24上。
X射线探测器24响应于撞击其上的辐射来生成图像信号/数据。当支撑物12关于患者旋转时，能够生成针对不同支撑角度的额外的图像数据集。在已经生成期望的图像数据量(例如，足够用于体积图像的重建)之后，图像数据能够被存储在计算机可读介质中(例如，硬盘上)以进行后续处理。
能够以各种方式构建X射线探测器24。图2示出了范例性X射线探测器24a，其包括成像器(也被称为传感器单元)200，所述成像器(200包括X射线转换层210和光子探测器阵列220，所述X射线转换层210由闪烁体元件(诸如碘化铯(Csl))制成，所述光子探测器阵列220(例如，光电二极管层)被耦合到X射线转换层210。X射线转换层210响应于X射线辐射生成可见光子，并且包括多个探测器元件221的光子探测器阵列220被配置为响应于来自X射线转换层210的可见光子来生成电信号。X射线转换层210和光子探测器阵列220均可以被像素化，从而形成多个成像元件230，或X射线转换层210可以不被像素化。成像器200可以具有曲线表面(例如，部分圆弧)。由于成像器200的成像元件230中的每个大体位于离X射线源20组件相同的距离，这样的表面配置是有利的。成像器200能够备选地具有直线表面或具有其他轮廓的表面。每个成像元件230(或像素)可以具有近似200微米或更大的横截面尺度，并且更优选地，近似400微米或更大的尺度，尽管也可以使用具有其他尺度的成像元件。通过规定的空间分辨率能够确定优选像素尺寸。对于一般解剖成像，在具有200到400微米横截面尺度的成像元件230是好的，而对于特定身体部位，可以优选其他横截面尺度。成像器200能够由非晶硅、结晶和硅片、结晶和硅衬底、或柔性衬底(例如，塑料)制成，并且可以使用平板技术(例如，有源矩阵平板技术)或本领域制造成像设备的已知其他技术来构建。
成像元件230中的每个可以包括光电二极管(形成探测器元件221的一部分)，所述光电二极管响应于光输入来生成电信号。光电二极管接收来自X射线转换层210的光输入，所述X射线转换层210响应于X射线60来生成光。光电二极管被连接到阵列偏置电压，以为成像元件供应反向偏置电压。晶体管(诸如薄膜N-型FET)用作用于成像元件230的切换元件。当期望捕获来自成像元件230的图像数据时，控制信号被发送到栅极驱动器，以“选择”晶体管的栅极。然后来自由栅极驱动器“选择”的光电二极管的电信号被发送到电荷放大器，所述电荷放大器输出图像信号/数据用于进一步图像处理/显示。
在一个实施例中，从成像元件230中一次一行地对图像数据进行采样。备选地，能够同时对来自成像元件230的多个行的图像数据进行采样。这样的布置减少了在成像器200中从成像元件230的所有行中读取信号花费的时间。这继而提高了成像器200的帧速率(即，成像器200每秒能够生成的帧的数量)。
在使用期间，辐射撞击在X射线探测器24a上，然后其响应于辐射来生成图像信号/数据。例如，处于第一能量水平的辐射撞击在X射线探测器24a上，然后其响应于处于第一能量水平的辐射来生成图像信号/数据。从光子探测器阵列220中读取图像信号/数据之后，处于第二能量水平的辐射被导引到探测器组件24a。然后组件24a响应于处于第二能量水平的辐射来生成图像信号/数据。
在一个实施例中，在辐射被导引到X射线探测器24a之前，一个或多个滤波器能够被放置在X射线源组件20和X射线探测器24之间(例如，在转换层210的顶部)。滤波器改变从患者16离开的辐射，使得具有期望特性的辐射将由X射线探测器24a来接收。在一个实施例中，对于处于第一能量水平的辐射，第一滤波器能够用于最大化或优化X射线探测器24a的探测量子效率，而对于处于第二能量水平的辐射，第二滤波器能够用于最大化或优化X射线探测器24a的探测量子效率。例如，X射线探测器24a可以对在谱中的所有光子能量具有一致的敏感性，可以具有与光子能量成比例的敏感性，或可以具有某些能量范围的光子不能被有效吸收的“空穴”。对于这些不同类型的X射线探测器24a中的每个，能够选择一个或多个滤波器，以使系统10的效率最大化(例如，在测量注射的造影剂中使系统10的响应最大化，和/或使剂量递送和时间最小化)。能够手动或机械地完成滤波器的放置。在一些实施例中，滤波器能够是X射线探测器24的一部分。
这样的X射线探测器24a通常在本领域中是已知的，并且例如，在WO2007/010448A2或US2001/0048080A1中更详细地被描述。
在备选实施例中，X射线探测器可以使用不同的探测方案。例如，在备选实施例中，代替具有X射线转换层，X射线探测器能够包括具有光电导体(直接转换材料)的成像器，其响应于X射线来生成电子空穴对或电荷，使得不需要光电二极管。
在传感器组件中吸收大多数X射线量子，以便在吸收之后，将其转换为电荷信号，所述电荷信号的量级与吸收的能量近似成比例。在本文中，是否直接地(借助于所谓的直接转换材料，例如，气体(诸如Xe)、半导体(诸如CaAs、CdTe、CdZnTe)、或光电导体(诸如Se、PbI.sub.2或PbO))或间接地(例如，通过借助于闪烁材料转换为低能量光量子，以及通过晶体或非晶硅的光电二极管随后探测)进行X射线量子到电荷信号的转换是不重要的。
根据本发明的X射线探测器还包括每个传感器元件的计数通道240和每个传感器元件的集成通道250，所述每个传感器元件的计数通道240其用于通过对自测量间隔的开始响应于入射X射线辐射而生成的光子或电荷脉冲进行计数来获得具有能量信息的计数信号241，所述每个传感器元件的集成通道250用于获得表示自测量间隔的开始探测到的辐射的总能量的集成信号251。还提供处理单元260，其用于从传感器元件的集成信号中估计传感器元件的计数信号，所述传感器元件的计数通道在测量间隔期间已经是饱和的。然后这些数据被提供到重建单元(例如，分离单元，诸如处理器，或包括用于执行重建的装置的处理器40)，以从估计的饱和传感器元件的计数信号和获得的非饱和传感器元件的计数信号中重建图像。这将在下文中更详细地说明。
图3示出了在每个传感器像素中的提出的X射线探测器的计数通道240a和集成通道250a的部件的电路架构的实施例。电路可以被实现为集成电路，例如，CMOS电路。在该实施例中，由传感器单元200生成的电信号201被应用到计数通道240a的输入前置放大器410。输入前置放大器410将传感器信号201转换为差分信号(例如，电压信号)。其可以是电荷灵敏放大器(CAS)，即，通常包括泄放电阻器的集成电路。对于在前置放大器410的输入部的每个短暂电荷脉冲，在输出部产生以指数方式减小的电压，在该指数曲线下方的表面区域与脉冲内的电荷成比例。
为了具有多阈值计数功能，一个或多个(此处多个)鉴别器420-1到420-n被连接到前置放大器410的输出部。鉴别器中的每个可以由信号形成放大器和具有可调整阈值的比较器组成，并且针对来自传感器的每个电荷脉冲生成数字输出信号(计数脉冲)，所述来自传感器的每个电荷脉冲大于预定电荷量。最低阈值(其可以由鉴别器420-1实施)将由具有最小能量的光子生成的计数与由噪声(例如，电噪声)生成的计数进行区分。较高阈值能够用于K-边缘成像。例如，利用两个鉴别器，鉴别器420-2可以表示对应响应于传感器信号由前置放大器410生成的脉冲尺寸的阈值，所述传感器信号由在能量(K-边缘能量)以上的光子生成，在所述能量上发现所用的造影剂的K-边缘。
为了确定具有K-边缘能量以下能量的光子，当由事件计数器430-2的值给出具有在K-边缘能量以上能量的光子时，计算事件计数器430-2和事件计数器430-1的值之间的差。计数器430-1到430-n可以是具有n比特计数深度的电子数字计数器。可以使用线性反馈移位寄存器以节省空间。
在该实施例中，集成通道250a的集成通道单元440接收来自前置放大器410的反馈回路的信号415，并且可以是探测在集成阶段期间由传感器信号指示的总电荷量的“全部信号采集电路”。该电路可以由具有模拟输出和电压/频率转换器的集成器电路实现，或其可以以一些其他方式实现。
使用额外的集成通道单元440而不是仅仅多个不同计数通道(其将导致能量解析脉冲计数器)可以被看作在整个能量范围内进行集成的事实，使得评估将不被量子限制，而尤其如果能量分箱尺寸小，即，平均每个能量分箱仅仅计数很少的光子，对于能量解析脉冲计数器的分箱中的一些这将很好地发生。
任选的电荷包计数器450和时间计数器460确定对在由时间锁存器470标记的测量间隔期间生成的电荷的优化估计，所述电荷在测量间隔期间与由X射线沉积的能量成比例。将计数器430-1到430-n的计数和在集成通道440中集成的结果提供到数据处理单元260(见图2)。由此，数据处理单元260能够评估计数通道以及集成通道的结果。
在根据本发明的提出探测器的第一实施例中，使用有关图2和图3的上述概念，其中，在每个像素中，存在具有一个或多个(尤其n)阈值的计数通道，并且存在集成通道，其两者评估来自直接转换传感器像素的相同信号。
由于无传感器像素被极化的假设，然而，一些像素观察太多堆积(“堆积像素”)，使得具有足够能量信息的计数不再可能，每个像素仍然能够提供集成测量结果。利用集成测量，在处理单元260中能够重建对象的“常规”集成切片图像，其已经给出了对象的材料分解的粗略估计(例如，以指示骨骼在哪，软组织在哪，也可能造影剂在哪个血管中)。从这些信息片段中，能够获得对每个像素中的衰减系数的粗略估计，以及甚至对能量分辨率的估计(例如，材料的一些先验知识是可用的，例如，通过具有造影剂浓度的一些“据理推测”假设的造影剂能够对填充有已知造影剂的血管进行建模)，以及几何信息，尤其路径长度，对于每个视图，所述每个X射线射束穿过对象。利用获得的粗糙对象模型，对于所有“堆积”探测器像素，使用在对象前面的已知X射线谱、穿过对象的路径长度以及在穿过对象的这些路径上的有关对象成分的粗糙信息，能够从仿真中针对“堆积”探测器像素导出估计的计数测量结果。
少许“堆积”像素的这些仿真计数测量结果连同测量到的许多其他像素的能量解析计数结果(所述像素是不饱和的)，能够应用通常的数据评估处理，例如，如在WO2007/010448A2中描述的用于K-边缘成像的扩展Alvarez-Macovsky分解或在重建单元40中的分箱重建(见图1)。
在另一实施例中，当像素的集成信号提供在该像素中堆积的指示，使得例如，基于正确方案使用根据“Glenn Knoll，Radiation detection andmeasurement，第三版(纽约：Wiley)第119-122页”的探测器的麻痹性(paralyzable)空载时间模型来校正堆积像素的计数信号(无能量信息)，使用“堆积像素”(即，最低阈值的“堆积像素”使得无能量信息可利用)的计数信号可能仍然重建近似正确的图像。这由在图4中示出的图表图示，所述图表描绘对于37.6ns空载时间的范例的邻近脉冲的泊松(曲线P)和等距内到达时间(I)的观察计数率vs.入射计数率。Y指示最大可观察计数率，以及X指示对应的入射计数率，在所述入射计数率处到达最大观察计数率。集成测量允许决定入射计数率是否大于或小于对应于X射线光子的麻痹性计数率曲线的最大可观察计数率的入射计数率，其随机计数处理跟随泊松分布，有时被称为“泊松到达率”。
然后使用仅仅根据在每个像素中无能量信息的计数信号而重建的计数图像来对在弱吸收区域中的对象进行建模，以模拟堆积像素的入射X射线谱。
如果存在非常少量的极化像素，可能仅通过对来自相邻像素的这些像素的缺失集成测量结果进行插值来获得对象模型。
对于对象中靠近对象表面的区域，一般具有很多其他射束，其经过具有相对强衰减的区域，使得，为了重建该区域，“模型信号”仅仅表示所有信号的在重建这些区域中可用的小子集。
在像素中，其中集成通道和计数通道都工作，甚至两者的测量信号能够用于例如进行如在WO2007/010448A2中描述的扩展Alvarez-Macovsky分解。
通过使用栅格切换管能够解决直接转换材料Cd[Zn]Te展示在集成模型中的高余辉的已知问题，使得能够测量和补偿余辉。
通常，可能实施以上参考图3描述的也具有快闪烁体的途径。在这种情况下，因为将仍然具有“堆积”像素，即，在其中仅仅能够获得具有足够小错误的集成信号的像素，恰好如上相同途径是可能和必要的。
在图5中示出了提出的探测器24b的另一实施例。该探测器24b包括传感器单元300，其至少具有(基于直接转换材料的)计数层310(例如具有n个阈值)和终止集成层320，其能够以如上所述的类似方式使用。同样，提供每个传感器元件的计数通道240b和集成通道250b，以提供计数信号241和集成信号251。如在计数层310中指示的，一些传感器元件(像素)311、312是饱和(“堆积”)的，即，而其他传感器元件313、324是不饱和的。为了更准确，在该范例中，标记的传感器元件311、312的计数通道是饱和的，而计数层310的其他传感器元件的计数通道是不饱和的。
因为闪烁体比直接转换材料以高得多的X射线通量工作，并且闪烁体不显示极化现象(没有内部电场，其能够由诱捕的电子或空穴来弱化)，因为集成层320能够由闪烁体制成，将不具有探测器像素的问题，其不提供由极化导致的任何集成信号。X射线射束60击中像素311、312，其仅仅观察穿过对象的弱吸收路径(通常表面射束)，并且由此，展示在计数层310中的堆积(或甚至极化)。由于高通量，仍然存在足够的光子，其在终止集成层320中被吸收，使得所有的传感器元件321能够提供集成信号。由X射线射束60击中的其他像素(其观察穿过对象的较强吸收路径)都能够在计数层310中计数，并且在终止集成层320中集成。因此，通过在每个像素中获得的集成测量能够再次确定对象模型。
因为在穿过对象的路径上的吸收非常高，可以存在集成信号251非常弱的像素。在那种情况下，仍然可能在计数层310内计数，并且通过将计数信号241推算为集成信号251(例如，通过用估计平均能量乘以计数数量来获得对集成信号将看起来像什么的估计)也获得足够的测量结果，以重建能量集成切片图像。备选地，对于这样的像素(其中集成信号251太弱)，从具有足够高集成信号的相邻像素中可以对集成信号251进行插值。
在传感器单元的另一实施例中，层310是直接转换感测装置，其用于将入射X射线辐射直接转换为形成电荷脉冲的电荷信号，并且层320是间接感测装置，其用于首先将入射X射线辐射转换为光子，并且然后将所述光子转换为所述集成信号。
图6示出了根据本发明的X射线设备10'的第二实施例，其被实施为用于医学应用和患者检查的CT成像系统。在图1中示出的CT成像系统包括机架62，其能够关于平行于z方向延伸的旋转轴R旋转。辐射源20c(尤其用于发射X射线的宽能量谱的(常规)多色X射线管)被安装在机架62上。X射线管20c配备准直器设备64，其从由X射线管20c产生的辐射中形成锥形辐射射束60。所述辐射贯穿圆柱形检查区(成像区域)中的感兴趣区域中的对象，诸如患者16。在已经贯穿检查区之后，(衰减的)X射线射束60入射到X射线探测器单元24c，在该实施例中是具有多个探测器单元的二维探测器上，所述X射线探测器单元24c被安装在机架6上，并且其将入射X射线辐射转换为探测信号。
机架62由电机66以优选恒定但可调节的角度速度来驱动。提供又一电机68，用于平行于旋转轴R或z轴的方向来位移对象，例如，被布置在检查区中的患者工作台上的患者16。这些电机66、68由控制设备30a来控制，例如，使得辐射源20c和检查区沿着螺旋轨迹相对于彼此移动。然而，也可能对象或检查区不移动，而仅仅旋转X射线源20c。优选地，为了控制X射线源20c，尤其为了调制由所述X射线源20c提供的X射线通量，提供源控制设备30b。
探测信号被提供到信号处理设备40，用于基于探测信号来重建X射线图像。然后由信号处理设备40将重建图像发送到例如显示器50，以显示获得的图像。
为了检查的总控制，优选不仅电机66、68，而且源控制设备30b、信号处理设备40和探测器24c自身由控制设备30a来控制。
如上所述，X射线探测器24c可以被形成为传感器单元，所述传感器单元包括由闪烁体元件(诸如GOS(Gadoliniumoxysulid))制成的X射线转换层以及被耦合到X射线转换层的光子探测器阵列(例如，光电二极管层)。然而，其他探测器技术也可以用于实施探测器24c。探测器24c的成像元件(像素)通常具有约1mm2到1.5mm2的探测器像素尺寸。
除了X射线设备10'与在图1中示出的X射线设备10相比的这些一般差异之外，处理设备40和探测信号的处理与上述方式大体相同，即，在该方面提供的说明相似地应用于X射线设备10。
图7示出了根据本发明的X射线设备10″的又一实施例。在该实施例中，使用双源系统，其包括两个X射线源20-1、20-2和两个X射线探测器24-1、24-2，在其中，其中一个探测器20-1是能量集成探测器，并且另一个探测器20-2是光子计数探测器。如上所述，能量集成探测器20-1的集成信号用于获得尤其针对表面射束的患者模型，以估计光子计数探测器20-2的饱和像素的能量解析计数信号。
备选地或额外地，在其他实施例中可能使用患者的较旧切片图像来获得尤其针对表面射束的患者模型，例如，所述患者的较旧切片图像是利用能量集成CT系统采集的。
由此，总之，提出的探测器和X射线设备提供在每个像素中的计数测量和集成测量，允许仅仅使用集成测量来重建对象的切片图像。该切片图像能够用作模型，以在“堆积像素”中获得对估计的(仿真)计数通道结果，归因于堆积(通常对于观察“表面射束”的像素的情况)，在所述“堆积像素”中计数不再可能，使得连同所有其他像素(未堆积)的计数通道测量结果，已知处理(例如，基本图像的扩展Alvarez-Macovsky分解加上重建、计数通道测量结果的分箱重建)是可能的。由此，动态射束成形器可以不再必要。对于极化像素，可以有必要对其来自未被极化的相邻像素的信号进行插值。
尽管在附图和上述描述中详细图示并描述了本发明，这样的图示和描述被认为是图示性或范例性的，并非限制性的；本发明不限于已公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和权利要求书，在实践所主张的本发明中，能够理解和实现对所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元素或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”不排除复数。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中列举的若干项功能。在互不相同的从属权利要求中列举的某些措施的事实不表明不能够使用这些措施的组合以获益。
计算机程序可以被存储/分布在适当的非暂态介质上，诸如，与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分布，诸如，经由互联网或其他有线或无线通信系统。
在权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种X射线探测器，包括：
-传感器单元(200、300)，其用于探测入射X射线辐射，所述传感器单元包括多个传感器元件(230、311-314)，
-每个传感器元件的计数通道(240)，其用于通过对自测量间隔的开始响应于所述入射X射线辐射而生成的光子或电荷脉冲进行计数来获得计数信号，
-每个传感器元件的集成通道(250)，其用于获得表示自所述测量间隔的所述开始探测到的辐射的总能量的集成信号，以及
-处理单元(260)，其用于从所述传感器元件(321)的所述集成信号中估计传感器元件(311、312)的计数信号，所述传感器元件(311、312)的计数通道在所述测量间隔期间已经是饱和的。
2.根据权利要求1所述的X射线探测器，
其中，所述处理单元(260)适于
-根据获得的所述传感器元件的集成信号来确定对象模型，以及
-根据所述对象模型来确定饱和传感器元件的所述计数信号。
3.根据权利要求2所述的X射线探测器，
其中，所述处理单元(260)适于通过以下操作来确定饱和传感器元件的所述计数信号：
-根据所述对象模型和在所述对象(16)前面的X射线射束的谱，对入射到所述饱和传感器元件的所述X射线射束进行建模，并且
-根据相应的所述饱和传感器元件的经建模的X射线射束来确定所述饱和传感器元件的所述计数信号。
4.根据权利要求1所述的X射线探测器，
其中，所述计数通道(240a)包括至少一个鉴别器(420-1、420-2、420-n)，尤其至少两个鉴别器，用于对自测量间隔的开始的处于不同能量水平的光子或电荷脉冲进行计数，以及获得自测量间隔的开始的能量相关计数信号。
5.根据权利要求1所述的X射线探测器，
其中，所述传感器单元(300)包括直接转换感测层(310)，其用于将入射X射线辐射直接转换为形成电荷脉冲的电荷信号。
6.根据权利要求5所述的X射线探测器，
其中，所述传感器单元(300)还包括集成层(320)，所述集成层表示所述集成通道，所述集成层被布置在所述直接转换感测层(310)面对远离所述入射X射线辐射的一侧，以将到达所述集成层(320)的X射线辐射转换为所述集成信号。
7.根据权利要求6所述的X射线探测器，
其中，所述处理单元(260)适于通过对相邻传感器元件的集成信号进行插值或通过对所述传感器元件的所述计数信号进行推算来估计传感器元件的集成信号，在所述传感器元件处不足的X射线辐射到达所述集成层。
8.根据权利要求1所述的X射线探测器，
其中，所述传感器单元(200)包括间接感测装置()，其用于首先将入射X射线辐射转换为光子，并且然后将所述光子转换为电荷信号。
9.根据权利要求1所述的X射线探测器，
其中，所述传感器单元包括直接转换感测装置()和间接感测装置，所述直接转换感测装置用于将入射X射线辐射直接转换为形成电荷脉冲的电荷信号，所述间接感测装置用于首先将入射X射线辐射转换为光子，并且然后将所述光子转换为所述集成信号。
10.一种X射线探测方法，包括：
-通过具有多个传感器元件的传感器来探测入射X射线辐射，
-通过对自测量间隔的开始响应于所述入射X射线辐射而生成的光子或电荷脉冲进行计数来获得每个传感器元件的计数信号，以及
-获得每个传感器元件的集成信号，所述每个传感器元件的集成信号表示自所述测量间隔的开始探测到的辐射的总能量，以及
-从所述传感器元件的所述集成信号中估计传感器元件的计数信号，所述传感器元件的计数通道在所述测量间隔期间已经是饱和的。
11.一种X射线设备，包括X射线源(20)、根据权利要求1所述的X射线探测器(24)和重建单元(40)，所述X射线源用于发射X射线辐射，所述重建单元用于根据估计的饱和传感器元件的计数信号和获得的非饱和传感器元件的计数信号来重建图像。
12.根据权利要求11所述的X射线设备，
包括至少两个X射线源(20-1、20-2)和至少两个X射线探测器(24-1、24-2)，每个X射线探测器被布置为探测由所述至少两个X射线源中的一个发射的辐射，其中，至少一个探测器适于执行计数测量以提供计数信号，并且至少另一个探测器适于执行集成测量以提供集成信号。
13.一种在X射线设备中使用的处理器，所述X射线设备具有X射线探测器，所述X射线探测器包括传感器单元(200、300)、每个传感器元件的计数通道(240)和每个传感器元件的集成通道(250)，所述传感器单元用于探测入射X射线辐射，所述传感器单元包括多个传感器元件(230、311-314)，所述每个传感器元件的计数通道(240)用于通过对自测量间隔的开始响应于所述入射X射线辐射而生成的光子或电荷脉冲进行计数来获得计数信号，所述每个传感器元件的集成通道(250)用于获得表示自所述测量间隔的所述开始探测到的辐射的总能量的集成信号，所述处理器包括：
-处理单元(260)，其用于从所述传感器元件(321)的所述集成信号中估计传感器元件(311、312)的计数信号，所述传感器元件(311、312)的计数通道在所述测量间隔期间已经是饱和的，以及
-重建单元(40)，其用于根据估计的饱和传感器元件的计数信号和获得的非饱和传感器元件的计数信号来重建图像。
14.一种在X射线设备中使用的处理方法，所述X射线设备具有X射线探测器，所述X射线探测器包括传感器单元(200、300)、每个传感器元件的计数通道(240)和每个传感器元件的集成通道(250)，所述传感器单元(200、300)用于探测入射X射线辐射，所述传感器单元(200、300)包括多个传感器元件(230、311-314)，所述每个传感器元件的计数通道(240)用于通过对自测量间隔的开始响应于所述入射X射线辐射而生成的光子或电荷脉冲进行计数来获得计数信号，所述每个传感器元件的集成通道(250)用于获得表示自所述测量间隔的开始探测到的辐射的总能量的集成信号，所述处理方法包括：
-从所述传感器元件的所述集成信号中估计传感器元件的计数信号，所述传感器元件的计数通道在所述测量间隔期间已经是饱和的，以及
-根据估计的饱和传感器元件的计数信号和获得的非饱和传感器元件的计数信号来重建图像。
15.一种计算机程序，包括程序代码模块，当在计算机或处理器上执行所述计算机程序时，所述程序代码模块用于令所述计算机或处理器执行根据权利要求14所述的方法的步骤。
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