CN104471441A - 谱光子计数探测器 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括脉冲整形器(120)和峰值探测器(150)，其中，所述脉冲整形器(120)用于接收指示探测到的光子的信号并根据所述信号来生成多个脉冲以形成脉冲序列(200)，所述峰值探测器(150)用于在所述脉冲整形器(120)的输出端处对所述脉冲序列(200)进行采样。所述峰值探测器(150)包括用于对所述脉冲序列(200)的极大(202a、b、c)值和极小(204a、b)值进行选择性地检测和采样的电路(300)。之后经由模拟到数字转换器(160)将采样的所述极大(202a、b、c)和所述极小(204a、b)值从模拟格式转换成数字格式。

Description

谱光子计数探测器
技术领域
本申请总体上涉及谱光子计数探测器。尽管本申请结合对计算机断层摄影(CT)的具体应用加以描述，但是本申请还涉及期望对探测到的具有不同能量的光子进行能量分辨的其他应用。
背景技术
计算机断层摄影(CT)系统包括辐射源，辐射源发射贯穿检查区域的多能电离光子。这样的系统还包括辐射敏感探测器，辐射敏感探测器相对于检查区域位于辐射源的对面，辐射敏感探测器探测贯穿检查区域的光子。探测器针对每个探测到的光子产生电信号，例如电流或电压。探测器还包括用于基于电信号对所探测到的光子进行能量分辨的电子器件。
通过范例的方式，辐射敏感探测器包括脉冲整形器，脉冲整形器用于处理由传感器产生的电流以生成具有指示所探测到的光子的能量峰值幅度的电压脉冲。探测器还包括鉴别器，鉴别器将电压脉冲的幅度与根据不同能量水平设置的两个或更多个阈值进行比较。鉴别器针对第一阈值的输出当脉冲幅度增大并越过第一阈值时升高，而鉴别器针对第二阈值的输出当脉冲幅度减小并越过第二阈值时降低。针对第一阈值和第二阈值中的每个，计数器对上升沿进行计数。当两个或更多个阈值以及对应的计数器并入探测器时，能量分组器能够对能量范围或组中的计数进行能量分组。因此，基于经分组的数据，对所探测到的光子进行能量分辨。
遗憾的是，连续的光子探测之间的时间可以导致传感器内的脉冲堆积或脉冲整形器生成重叠脉冲。当脉冲重叠时，其幅度可以相组合使得不易于从该组合中辨别出单个脉冲。因此，鉴别器可能看不出脉冲的幅度越过给定阈值。另外，脉冲的峰值能量可能被重叠脉冲的幅度贡献所移位。因此，所探测到的光子的能量分布可能错误地被移位。
此外，在光子计数能量分辨探测器中，因为整形器脉冲持续时间太长以至于不能分开来自直接转换传感器的相邻可区分脉冲，更高的X射线通量导致脉冲在整形器的输出端处堆积。由于堆积，从将整形器输出与许多不同鉴别器阈值进行比较推出的能量估计变得错误。已经提出了随机模型以将堆积并入极大似然评估方案中，然而，由于可能的解决方案的空间如此大使得最有可能的解决方案的概率没有明显不同于最不可能的解决方案的概率，所以该方法没有得到大大改善的能量估计。
常规光子计数读出电路使用少量鉴别器来粗略地估计由前述整形器生成的脉冲的高度。堆积一开始起作用，就不再正确地确定脉冲高度。
发明内容
本申请的方面解决了以上提到的问题和其他问题。
根据一个方面，一种装置包括脉冲整形器和峰值探测器，其中，所述脉冲整形器用于接收指示探测到的光子的信号并根据所述信号来生成多个脉冲以形成脉冲序列，所述峰值探测器用于在所述脉冲整形器的输出端处对所述脉冲序列进行采样。所述峰值探测器包括用于对所述脉冲序列的局部极大值和局部极小值进行选择性地检测和采样的电路。之后经由模拟到数字转换器将采样的所述极大值和所述极小值从模拟格式转换成数字格式。
在另一方面中，一种方法包括：经由脉冲整形器来接收指示探测到的光子的信号；根据所述信号来生成多个脉冲以形成脉冲序列；经由峰值探测器在所述脉冲整形器的输出端处对所述脉冲序列进行采样；并且经由所述峰值探测器中的电路对所述脉冲序列的极大值和极小值进行选择性地检测和采样。
本领域技术人员在阅读并理解下文详细描述后将认识到本发明的更进一步的方面。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于说明优选实施例的目的，并且不得被解释为对本发明的限制。
图1图示成像系统的范例。
图2图示谷和峰(极小值和极大值)脉冲序列的范例。
图3图示用于探测局部极大值和局部极小值的电路的范例。
图4图示VSH、V(C1)和V(C2)的时间行为的范例。
图5图示源自于具有2ns距离的整形器波形的脉冲序列的范例。
图6图示用于通过重建脉冲序列的峰和谷来进行光子计数的方法的流程图的范例。
具体实施方式
参考图1，计算机断层摄影(CT)系统100包括旋转机架部分104，旋转机架部分104围绕纵轴或z轴绕检查区域108旋转。诸如X射线管的X射线源112由旋转机架部分104支撑并且发射贯穿检查区域108的多能辐射束。
辐射敏感探测器116包括多个像素118，多个像素118在至少一百八十度加上扇角的范围内探测由源112发射的光子。多个像素118中的每个针对每个探测到的光子生成对应的电信号，例如电流或电压。适当的传感器的范例包括直接转换探测器(例如，基于碲镉锌(CZT)的探测器)和基于闪烁体的传感器，基于闪烁体的传感器包括与光电传感器进行光学通信的闪烁体。
脉冲整形器120处理所述电信号并生成指示所探测到的光子的一个或多个脉冲，例如电压或其他脉冲。脉冲整形器120可以包括用于在第一时间间隔期间对电荷进行积分以产生具有指示所探测到的光子的能量的峰值幅度的脉冲的电子器件，以及用于在相对较短的第二时间间隔期间对电荷进行积分以产生具有指示所探测到的光子的能量是否超出最小期望能量的峰值幅度的脉冲的电子器件。
能量鉴别器124对所述脉冲进行能量鉴别。这包括将所生成的脉冲的幅度与各自对应于特定能量水平的一个或多个阈值进行比较。能量鉴别器124针对每个阈值产生指示幅度是否增大并越过对应阈值以及是否减小并越过所述阈值的输出信号。例如，当幅度增大并越过对应阈值时，所述输出信号可以包括上升(或下降)沿，而当幅度减小并越过对应阈值时，所述输出信号可以包括下降(或上升)沿。
计数器128针对每个阈值对信号中的上升(或下降)沿进行计数。脉冲滤除器132滤除脉冲，或门控计数器128使得计数器128丢弃诸如堆积脉冲的非期望脉冲的上升(或下降)沿或者不对其进行计数。基于能量鉴别器124的输出，脉冲否决器132产生门信号。
计数定标器136针对阈值对计数进行定标或者调整以说明未被计数的被丢弃的脉冲。
重建器140基于信号的谱特性选择性地对由探测器116生成的信号进行重建。
诸如卧榻的对象支撑物148将患者或其他对象支撑在检查区域108中。对象支撑物148是可移动的从而在执行扫描过程时相对于检查区域108引导对象。
通用计算机用作操作员控制台144。控制台144包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备，以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留在控制台144的软件允许操作员例如通过图形用户接口(GUI)来控制扫描器100并且与扫描器100交互。这样的交互可以包括用于基于谱特征对所述信号进行重建的指令。
为了进一步地改善测量结果，能够在每个像素中运行时间计数器170，计数器170例如以比特串(即，每个时钟周期一比特)的形式来记录，“1”指标表示探测到的极大值或极小值，在所述时间点处探测到极小值或极大值。时间计数器170可以被连接到峰值探测器150以对脉冲序列200的极大202a、b、c值与极小204a、b值(见下面描述的图2)之间的时间进行计数，以便得到改善的极大值与极小值之间的计时(原始脉冲序列的特征在于极小值和极大值的集合以及极大值与相邻极小值之间的时间距离)。峰值探测器150还可以与模拟到数字转换器160进行通信，下面将进一步地描述。
此外，时间计数器170指的是预定义测量周期(例如，100μs)内的(例如，10MHz时钟的)时钟标记(clock ticks)的数量，得到例如每测量周期1000次时钟标记。每当探测到极大值或极小值，时间计数器170对于此时的时钟标记生成“1”，在此时的时钟标记期间探测到极大值或极小值，而任何其他时钟标记被赋予值“0”。在随后的测量周期期间读出得到的“0s”和“1s”的比特串(这还需要至少10MHz的读出时钟速度)，并且之后与极大值和极小值的集合一起被使用以使用经改善的极大值与极小值之间的计时来重建原始脉冲序列。备选地，时间计数器170还可以被实施为读数计数器，读数计数器在探测到极大值(或极小值)时以0开始并且被增大直到探测到随后的极小值(或极大值)，在这种情况下锁定计数器值，并且能够重新开始计数。于是，然而，需要与在测量周期内可能存在的极大值和极小值对一样多的锁。
如以上所讨论的，以非常高的频率对脉冲整形器120的输出进行采样以便重建脉冲序列200的正确脉冲高度，脉冲序列200的正确脉冲高度示出脉冲的堆积。
参考图2，为了减少脉冲堆积，提出了以下方法，所述方法提供在没有以非常高的采样频率对整形器输出进行采样的情况下来重建完全脉冲序列200的单元。由于如在谱计算机断层摄影的任何光子计数ASIC中实施的整形器输出产生“谷和峰”波形，在所述“谷和峰”波形中峰识别脉冲极大值，并且谷表示(可能不完整的)到基线的返回，具有模拟极大值探测器和模拟极小值探测器的电路300(见下面描述的图3)被用来在脉冲整形器120的输出端处仅在极大值和极小值(见图2)处对脉冲序列200进行采样，模拟极大值探测器和模拟极小值探测器两者都衍生自峰值探测器150(见图1)。之后经由ADC 160(见图1)将采样值进行模拟到数字转换。
给定局部极大值和局部极小值的序列，之后能够使用整形器输出的模型来重建实际脉冲序列200，整形器输出的模型可以从测试像素测量或从CMOS电路仿真中获得。因此，获得对完整脉冲序列200的相对准确的估计，在所述估计中堆积效应是可视的并且因此能够完全地被修正，只要两个脉冲没有恰好在彼此的顶部，使得根本不能够探测到两个脉冲的叠加。
此外，预见时间计数器170(见图1)可以被配置成为与存储单元(未示出)进行通信以本地或远程地传递并存储脉冲序列200的极大202a、b、c值和极小204a、b值。例如，可以将“存储信号”传输到任何类型的存储电路。时间计数与数据计数的组合提供基于时间的数字信息，所述基于时间的数字信息表示从脉冲整形器120接收的(一个或多个)脉冲序列。利用该信息，能够准确地重建“谷和峰”型脉冲序列200。
图2示出了谷和峰波形200的范例，谷和峰波形200通常由不同高度的脉冲相对于彼此在时间上移位的叠加来生成。脉冲形状由脉冲整形电路300(见图3)来确定，脉冲整形电路300被用于处理电流脉冲，所述电流脉冲由直接转换晶体来生成。
因此，通过对局部极大值202a、b、c和局部极小值204a、b进行采样，并且将其进行模拟到数字转换(见图1和3)，在可获得对由整形放大器(未示出)所生成的脉冲形状的估计的情况下，能够重建包括其正确能量的单个脉冲的原始集合。
图3示出了电路实施方式300，其中，下面描述的元件直接地或间接地被电连接到彼此以探测如图2中所示出的局部极大值和局部极小值。在操作中，首先，关闭第一开关330(S1)和第二开关332(S2)使得第一电容器312和第二电容器314(C1和C2)存储脉冲整形器120的输出端处的基线。为了启动操作，打开第一开关330和第二开关332。
如图3中所示出的，当整形器输出增加时，第二二极管318(D2)阻滞使得第二电容器314(C2)保持基线电势，而第一二极管316(D1)导通，并且第一电容器312(C1)追随脉冲整形器120的输出端处的电压。这在到达并通过整形器输出波形(VSH)的第一局部极大值的情况下变化。从那时起，整形器输出电压小于跨第一电容器312(C1)的电压V(C1)，使得第一二极管316(D1)停止导通，并且冻结跨第一电容器312(C1)的电压。只有在VSH变得比V(C1)小h1(即，VSH+|h1|＝V(C1))的情况下，第一比较器320(Comp1)跳脱(负正转变)，并且使：
(i)V(C1)被采样并且被模拟到数字转换，并且
(ii)短时间关闭第二开关332(S2)，使得在该时间点处能够将第二电容器314(C2)充电至VSH。
h1是滞后值，所述滞后值被用来避免由于在脉冲整形器120的输出端处的电压波形VSH顶部上的噪声而引起的对真实极大值(极小值)进行错误地采样。
额外地，由第一采样和保持(S&H)框350来接收第一比较器320的输出，而由第二采样和保持(S&H)框352来接收第二比较器322的输出。
从那时起，由于第二二极管318(D2)导通，所以冻结V(C1)，并且V(C2)追随VSH，直到VSH到达局部极小值，从所述时间点起，第二二极管318(D2)开始阻滞，使得V(C2)被保持冻结。VSH一变得比V(C2)大h2(即，VSH-|h2|＝V(C2))，第二比较器322(Comp2)就跳脱(负正转变)，并且现在使：
(i)V(C2)被采样并且被模拟到数字转换，并且
(ii)短时间关闭第一开关330(S1)，使得在该时间点处能够将第一电容器312(C1)充电至VSH，使得该分支之后准备好处理下一极大值。
h2是滞后值，所述滞后值被用来避免由于在脉冲整形器120的输出端处的电压波形VSH顶部上的噪声而引起的对真实极大值(极小值)进行错误地采样。
在图4中图示该流程，图4描绘VSH、V(C1)和V(C2)的时间行为400。
以上方法比仅以1GHz(1ns的采样周期)对模拟脉冲进行采样和将每个采样进行模拟到数字转换的功率消耗少得多。仍然必须优化实施方式以满足低功率要求，例如，每像素3mW。
此外，鉴于泊松到达示出到达间隔时间(interarrival time)的事实，所述到达间隔时间能够短于或长于平均到达率，对经采样的局部极大值或局部极小值的特定缓冲有助于处理到达间隔时间的阶段，所述到达间隔时间短于平均到达率。这样的缓冲单元310(见图3)指示每像素使用许多额外的N电容器，在许多额外的N电容器中存储采样值直到能够将其进行模拟到数字转换。因此，可以使用高速模拟到数字(ADC)160(见图1)，高速模拟到数字(ADC)160服务大量像素。
因此，能够设计具有仅200mW功率消耗的1GHz 8比特的ADC。假设每像素5Mcps的平均光子到达率，这意味着ADC能够服务：lGHz/(2×5MHz)＝100个像素，使得对于模拟到数字转换每像素的功耗是2mW。在一个示范性实施例中，在M/D/l排队系统可以应用的情况下，以5MHz来服务具有5Mcps的泊松输入的100个像素对应于预约流量值ρ＝l，在不限制缓冲位置的数量的情况下，这导致队列建立至无穷。
然而，对于ρ＝0.8的预约流量值，其中，队列长度等于14的概率为1.1e-3(：＝1.1x10-3)，并且在该队列中具有超过14个事件(使得在仅存在N＝14个缓冲位置的情况下将丢失事件)的概率约为2.1e-3，即，丢失事件的概率小于或等于该数。
这要求6.25MHz的ADC采样率(ρ＝0.8＝5Mcps/6.25MHz)，该ADC采样率之后给予ADC每像素200mW/(1GHz/(2x6.25MHz))＝2.5mW的功率消耗。
由于单个ADC服务80个像素(lGHz/(2×6.25MHz))，所以丢失概率可以甚至更低，因为通常存在具有更低到达率(众所周知的“捆绑增益”)的像素使得ADC 160能够服务具有更高到达率的其他像素。
因此，利用以上方法，在没有由于堆积的任何误差的情况下能够支持5Mcps/像素的入射计数率，因为能够根据“峰和谷”脉冲序列200来完全地重建堆积。在已知每个极大值之前的极小值的情况下，并且通过使用从脉冲整形器120得知的脉冲形状波形，能够获得正确的能量信息。这被图示在图5中，在图5中描绘源自于具有2n距离的整形器波形的脉冲序列500。x轴510图示时间，而y轴520图示电压。在图5中，其中假设为负脉冲，即局部极小值和局部极大值必须彼此被交换。在已知局部极大值的情况下，能够根据对应局部极小值来正确地量化真实脉冲高度。
此外，如果极小值等于基线，则能够直接根据该极小值下面的下一极大值来获得正确脉冲高度。基线能够在操作的开始处被采样并被存储在第三电容器(C3)(在图3中未示出)中。
在8比特的ADC的情况下，量化误差(均匀分布的随机变量的公式)是例如：步长/sqrt(12)＝140keV/(256×sqrt(12))＝0.1578keV。
噪声表征能够被执行如下：
生成例如限定的能量的1000个测试脉冲并根据模拟到数字转换幅度来确定rms值。
图6图示用于通过重建脉冲序列的峰和谷来进行光子计数的流程图600。在步骤610中，经由脉冲整形器来接收指示探测到的光子的信号。在步骤620中，根据所述信号来生成多个脉冲以形成脉冲序列。在步骤630中，经由峰值探测器在脉冲整形器的输出端处对脉冲序列进行采样。在步骤640中，经由峰值探测器中的电路对极大值和极小值进行选择性地检测和采样。在步骤650中，经由模拟到数字转换器将极大值和极小值样本从模拟格式转换成数字格式。所述处理之后结束第一迭代。
因此，总而言之，提供单元以在没有以非常高的采样频率对模拟整形器输出进行采样的情况下来重建正确的脉冲高度或者甚至完全脉冲序列。由于整形器输出产生“谷和峰”波形，在所述“谷和峰”波形中峰识别脉冲极大值，并且谷表示(可能不完整的)到基线的返回，具有模拟极大值探测器和模拟极小值探测器的电路被用来在整形器的输出端处仅在极大值和极小值处对脉冲序列进行采样，模拟极大值探测器和模拟极小值探测器两者都衍生自峰值探测器。之后经由ADC将采样值进行模拟到数字转换。给定(可能具有来自时间计数器的特定计时信息的)局部极大值和局部极小值的序列，之后能够使用整形器输出的模型来重建正确的脉冲高度或者甚至实际脉冲序列，整形器输出的模型能够从测试像素测量或从CMOS电路仿真中获得。因此获得对完整脉冲序列的相对准确的估计，在所述估计中堆积效应是可视的并且因此能够被修正。
应认识到，可以单独地或组合地使用以上描述的实施例。
应用还包括行李检查、非破坏性测试、医学数字荧光透视、乳腺摄影、X射线以及其他工业和医学应用。
本文描述的方法可以经由一个或多个处理器来实施，所述一个或多个处理器运行编码或实现在诸如物理存储器的计算机可读存储介质上的一个或多个计算机可读指令，所述计算机可读指令使所述一个或多个处理器执行各种动作和/或其他功能。所述一个或多个处理器还能够运行由诸如信号或载波的暂态介质承载的指令。
已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读并理解前述详细说明后可以进行修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落在权利要求书或其等价要件的范围内。

Claims (20)

1.一种装置(100)，包括：
脉冲整形器(120)，其用于接收指示探测到的光子的信号并根据所述信号来生成多个脉冲以形成脉冲序列(200)；以及
峰值探测器(150)，其用于在所述脉冲整形器(120)的输出端处对所述脉冲序列(200)进行采样，所述峰值探测器(150)包括用于对所述脉冲序列(200)的极大(202a、b、c)和极小(204a、b)值进行选择性地检测和采样的电路(300)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，经由模拟到数字转换器(160)将采样的所述极大值和所述极小值从模拟格式转换成数字格式。
3.根据权利要求1-2所述的装置，其中，经由测试像素测量或CMOS电路仿真来重建所述多个脉冲中的个体脉冲的至少一个脉冲高度。
4.根据权利要求2-3所述的装置，其中，时间计数器(170)探测所述极大值和所述极小值的时间点。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，以比特串格式来记录所述时间点。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，经由测试像素测量或CMOS电路仿真来完整地重建所述脉冲序列。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，时间计数器探测所述极大值和所述极小值的时间点。
8.根据权利要求6-7所述的装置，其中，以比特串格式来记录所述时间点。
9.根据权利要求1-2所述的装置，其中，所述极大值和所述极小值中的至少一些经受缓冲以适应到达间隔时间的阶段。
10.根据权利要求1-2所述的装置，其中，所述极大值和所述极小值提供对所述脉冲序列的脉冲高度的准确估计，在所述估计中堆积效应是能确定的。
11.一种方法，包括：
经由脉冲整形器(120)来接收指示探测到的光子的信号；
根据所述信号来生成多个脉冲以形成脉冲序列(200)；
经由峰值探测器(150)在所述脉冲整形器(120)的输出端处对所述脉冲序列(200)进行采样；并且
经由所述峰值探测器(150)中的电路(300)对所述脉冲序列(200)的极大(202a、b、c)和极小(204a、b)值进行选择性地检测和采样。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括经由模拟到数字转换器(160)将采样的所述极大值和所述极小值从模拟格式转换成数字格式。
13.根据权利要求11-12所述的方法，还包括经由测试像素测量或CMOS电路仿真来重建所述多个脉冲中的个体脉冲的至少一个脉冲高度。
14.根据权利要求12-13所述的方法，还包括经由时间计数器(170)来探测所述极大值和所述极小值的时间点。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括以比特串格式来记录所述时间点。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括经由测试像素测量或CMOS电路仿真来完整地重建所述脉冲序列。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括经由时间计数器来探测所述极大值和所述极小值的时间点。
18.根据权利要求16-17所述的方法，还包括以比特串格式来记录所述时间点。
19.根据权利要求11-12所述的方法，还包括使所述极大值和所述极小值中的至少一些经受缓冲以适应到达间隔时间的阶段。
20.根据权利要求11-12所述的方法，还包括经由所述极大值和所述极小值来准确地估计所述脉冲序列的脉冲高度，在所述估计中堆积效应是能确定的。
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