CN104814753B - 直接转换x射线辐射检测器、计算机断层成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测X射线辐射的直接转换的X射线辐射检测器(C3，C5)，至少具有用于检测X射线辐射的半导体(1)，该半导体具有相对于X射线辐射被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域；安置在半导体上的像素化的电极和与像素化的电极相对地安置在半导体上的连续电极(4)；和至少一个光源，该光源利用附加的光辐射辐照连续电极来生成附加的载流子，其中光源被构造为，利用附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域。本发明涉及一种CT系统(C1)，具有直接转换的X射线辐射检测器，以及一种借助直接转换的X射线辐射检测器检测入射的X射线辐射的方法，其中利用附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测X射线辐射的直接转换的X射线辐射检测器，其至少具有用于检测X射线辐射的半导体，所述半导体具有相对于X射线辐射被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域；安置在半导体上的像素化的电极和与所述像素化的电极相对地安置在半导体上的连续电极；和至少一个光源，所述光源以附加的光辐射辐照连续电极，以用于生成附加的载流子。
本发明此外还涉及一种CT系统以及一种借助直接转换的X射线辐射检测器来检测入射的X射线辐射的方法。
背景技术
除了别的之外，基于半导体的材料，诸如CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdTeSe、CdMnTe、InP、TIBr2、HgI2的直接转换的检测器特别是被应用在CT系统、双能CT系统、SPECT系统和PET系统中用来检测伽马射线辐射和X射线辐射。但是在这些材料中特别是在对于CT设备所需的高的辐射通量密度的情况下会出现极化效应。
极化是指在高的质子流或辐射通量的情况下被检测的计数率的下降。所述极化是通过载流子的，特别是电子空穴或孔的特别低的迁移率和通过半导体内的本征杂质的浓度造成。也就是说，极化是通过基于与杂质结合的、位置固定的电荷，即所谓的半导体的空间电荷，的电场的减弱产生，所述空间电荷作为俘获中心和重组中心作用于通过X射线辐射产生的载流子。载流子的使用寿命和迁移率由此被降低，这又导致在高的辐射通量密度的情况下被检测的计数率的下降。
基于不均匀地入射到半导体上的X射线辐射，半导体中的空间电荷可以被不均衡地分布在材料中并且在辐照过程中发生变化。所述变化导致在像素化的电极中被检测的计数事件的侧向移动。就是说，相邻的像素的计数率是不同的，由此计数事件的空间分配变得有缺陷。最终导致伪影。
传统上半导体的辐照的不均匀性通过待检查的对象造成。特别是基于在检查对象中不同的散射，X射线辐射具有各个射线在半导体上的不同的入射方向。因此不能准确地预测，X射线辐射是从哪个方向击中半导体。但是典型地使用散射栅，所述散射栅吸收通过检查对象散射的X射线辐射并且由此将入射到半导体上的X射线辐射均匀化。在此，散射栅的位置相对于半导体已经固定，从而X射线辐射的并且由此空间电荷的通过散射栅造成的空间上的不均匀性是已知的，这是因为在直接地位于散射栅之下的区域中没有射线落在半导体上。
空间电荷的其它的不均匀性可以通过安置在半导体上的金属化的、像素化的电极造成。在半导体的非金属化的区域中，即半导体的没有被像素遮蔽的区域，电场是较弱的并且通过X射线辐照形成较高的空间电荷。
空间电荷的其它的不均匀性通过材料中的杂质造成，但是所述杂质是不均衡地分布的。因为对于这些存在于半导体中的杂质在空间布置或频率上不能进行控制，因此为了考虑到这种不均匀性，在每个单个的检测器中单独地测量由此造成的效果是必要的。
至今还没有得到能够均衡半导体中空间电荷的总的不均匀性的解决方案。
发明内容
因此本发明的要解决的技术问题在于，实现一种直接转换的X射线辐射检测器，在所述直接转换的X射线辐射检测器中阻止或均衡在半导体中空间电荷的不均匀的形成。此外本发明的要解决的技术问题还在于，实现一种具有直接转换的X射线辐射检测器的CT系统以及一种为此的方法。
上述技术问题通过独立权利要求的特征来解决。本发明的优选的扩展是从属权利要求的内容。
发明人已经认识到，可以均衡在用于检测X射线辐射的半导体中存在的、不均匀地形成的或分布的空间电荷，以便避免通过空间电荷造成的检测器的极化以及由此导致的成像中的伪影。在此特别是可以均衡基于不均匀的X射线辐射、基于不均匀的电场和基于在半导体中不可控地存在的杂质造成的空间电荷。
为了均衡空间电荷，以附加的光辐射辐照安置在半导体上的连续电极或不中断电极。光辐射的合适的波长处于可见光或红外线范围。电极的确定的区域以不同的强度被辐照。在此，对通过散射栅造成的X射线辐射的不均匀性和半导体的金属化结构，即在半导体上的像素化的电极的各个像素的布置和形成以及半导体相对于X射线辐射的确定的区域的遮蔽给予考虑，以便有针对性地均衡空间电荷。
存在多种变型方案，用于实现辐照的不同强度。原则上要么均匀的光辐射被不同强度地遮蔽，从而在被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域之间存在辐照强度差别。要么使用不均匀的光辐射，所述光辐射相应地具有不同的强度。
在一种变型方案中，可以使用均匀的、均衡的光辐射，所述光辐射在确定的区域中被不同强度地遮蔽，以便由此以不同的强度辐照半导体和电极的确定的区域。均匀的辐照特别是可以通过散射栅的面向半导体的一侧上的反射层来实现。至少部分地不透光的涂层适合用来遮蔽。例如可以在电极上以印刷层的形式使用涂层。特别是在将光辐射遮蔽的情况下可以考虑通过散射栅的X射线辐射的遮蔽或像素化的电极的结构。例如相对于半导体的其它未被屏蔽的或遮蔽的区域，以较大的强度辐照那些通过X射线辐射的散射栅屏蔽或遮蔽的区域，反之亦然。在这种情况下遮蔽的几何形状与散射栅的几何形状相匹配。同样，遮蔽可以与散射栅的布置以及与电极的金属化结构相匹配或使用印刷层的不同的灰度值，以便实现辐照的有针对性地削弱。
电极可以与电压源电连接。这种电连接优选透明地构造。
通过部分地遮蔽或削弱检测器的附加的辐照，可以均衡半导体中空间电荷的可预测的不均匀性。由此例如可以较弱地暴露于X射线辐射的区域，例如散射栅之下的区域可以被更强烈地辐照，从而实现总辐射的，即X射线辐射与以光辐射的辐照的总和的总体上较大的均匀性。同样，例如可以较弱地辐照低场的、非金属化的区域，以便降低在半导体中所述体积的充电。根据空间电荷和通过辐照生成的载流子的符号也可以反向地实施附加的辐照的调制。
总体上通过附加的辐照导致被检测的计数事件更少地移动并由此导致图像伪影很少。
相应地，发明人建议，如下改进用于检测X射线辐射的，特别是在CT系统中使用的直接转换的X射线辐射检测器，其至少具有用于检测X射线辐射的半导体，所述半导体具有相对于X射线辐射被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域；安置在半导体上的像素化的电极和与像素化的电极相对地安置在半导体上的连续电极，和具有至少一个光源，所述光源以附加的光辐射辐照连续电极以用于生成附加的整流子：至少一个光源被布置成，以附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域。通过以不同的强度辐照半导体可以均衡不均匀地形成的空间电荷。
在此在一种实施方式中，在各个区域中，即在被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域中，以附加的光辐射进行的辐照分别是均匀的。与此相反，在另一种实施方式中，在各个区域中以附加的光辐射进行的辐照分别是不均匀的。通过分别已知的光辐射的均匀性或不均匀性可以准确地确定半导体中空间电荷的不均匀性的均衡。
X射线辐射检测器具有半导体，在所述半导体上在两个相对的面上分别安置电极并且所述电极与半导体电连接。按照本发明，一个电极被构造为像素化的电极，而另一个电极被构造为连续电极。优选地，像素化的电极被布置在半导体的背向X射线辐射的一侧，而连续电极相应地布置在相对的、面向X射线辐射的一侧。根据X射线辐射检测器的极化，像素化的电极形成阳极并且连续电极形成阴极，反之亦然。
X射线辐射检测器可以具有用于降低散射的X射线辐射到半导体上的入射的散射栅，从而相对于X射线辐射来遮蔽半导体通过散射栅进行。然后优选地，辐照的强度与散射栅相匹配。被遮蔽的区域通过格栅板几乎完全地屏蔽了入射的X射线辐射，这意味着该被遮蔽的区域只是最低程度地或几乎根本不会被辐照。相应地，在该区域中空间电荷低于在没有被格栅板屏蔽的区域中的空间电荷。因此为了均衡空间电荷，在一个优选的实施方式中，应用于被遮蔽的区域的光辐射的强度大于应用于未被遮蔽的区域的光辐射的强度。在此借助均衡总的入射到半导体上的射线来实现空间电荷的均衡。
与此相反，一个可替换的实施方式规定，应用于被遮蔽的区域的光辐射的强度小于应用于未被遮蔽的区域的光辐射的强度。例如可以为此在格栅板的下侧上，即在格栅板的朝向电极的端部上安置反射层，所述反射层附加地将光辐射反射至被遮蔽的区域上。
另一个用于均衡空间电荷的可能性在于，以均匀的光辐射辐照半导体并且相应地也辐照布置在半导体上的电极，但是所述光辐射被不同强度地遮蔽。因此光辐射的未被遮蔽的区域和被遮蔽的区域的遮蔽同样是不同的。在一个优选的实施方式中，未被遮蔽的区域的遮蔽大于被遮蔽的区域的遮蔽。由此，以比未被遮蔽的区域更大的强度辐照被遮蔽的区域。但是另一个优选的实施方式规定，未被遮蔽的区域的遮蔽反而小于被遮蔽的区域的遮蔽。
为了遮蔽像素化的电极或为了削弱光辐射，在一个优选的实施方式中，与像素化的电极相对地布置在半导体上的连续电极被构造为不同程度地透明的。优选地，连续电极至少部分地是半透明的。例如连续电极的不同程度地透明的区域的布置与散射栅的几何形状相匹配。
例如可以通过印刷层降低连续电极的透明度。相应地在一个优选的实施方式中，连续电极至少部分地具有印刷层。此外优选地，印刷层至少部分地是不透光的，以便削弱应用于像素化的电极上的光辐射。至少部分地不透光的材料适用于印刷层，例如印上的薄膜。同样也可以通过印刷层的不同的灰度值影响印刷层的透明度，即遮蔽的强度。印刷层可以设计成在完全透明的或黑色的之间。
像素化的电极被布置半导体上，在一个优选的实施方式中被布置在半导体的面向X射线辐射的一侧。按照本发明，至少一个光源透过像素化的电极辐照半导体。在此，像素化的电极要么直接地要么间接地被辐照，即透过连续电极和半导体被辐照。相应地，至少一个光源要么被布置在半导体的面向X射线辐射的一侧要么被布置在半导体的背向X射线辐射的一侧。间接地辐照像素化的电极，即从连续电极向外，首先适合于通过借助不同程度地透明的连续电极遮蔽半导体来降低强度。在X射线辐射检测器的一个实施方式中，精确地规定一个光源。另外的实施方式则规定多于一个的光源，例如两个、三个或四个光源。多个光源例如可以布设在半导体或电极的不同的面上。
X射线辐射检测器的一个实施方式规定，像素化的电极具有大量子像素，其中，分别一组子像素被连接成用于检测的、计数的图像像素，并且未用于检测的、另外的非计数的子像素彼此电连接。即，图像像素被用于检测入射的X射线辐射，也就是它们是计数的图像像素。剩余的子像素不被用于检测并且因此被称为非计数的。例如分别将4个、9个、16个等子像素汇总成二次方的图像像素。优选地，在图像像素之间分别布置一行子像素。
优选地，计数的图像像素被布置在像素化的电极的未被遮蔽的区域中。相应地，非计数的子像素优选被布置在被遮蔽的区域中。在具有散射栅的X射线辐射检测器的一种实施方式中，在X射线辐射的入射方向观察，非计数的子像素被布置在散射栅的格栅板的下方。计数的图像像素相应优选地布置在格栅板下方的空闲的、即未被遮蔽的区域中。被遮蔽的像素通过格栅板几乎完全地屏蔽了入射的X射线辐射，这意味着它们只是最低程度地或几乎根本不会被辐照。一个实施方式规定，计数的图像像素的遮蔽大于非计数的子像素的遮蔽。
特别地优选使用具有红外线和/或可见光范围的波长的光作为附加的光辐射。
CT系统也属于本发明范围，其具有上面描述的直接转换的X射线辐射检测器，利用所述直接转换的X射线辐射检测器能够产生检查对象的计算机断层成像图像。在具有按照本发明的X射线辐射检测器的CT系统中有利地保证了辐射吸收的无漂移测量，从而产生的图像有利地是无伪影的。
此外建议，如下改进借助特别是在CT系统中使用的直接转换的X射线辐射检测器来检测入射的X射线辐射的方法，该直接转换的X射线辐射检测器至少具有安置在半导体上的像素化的电极和与像素化的电极相对地安置在半导体上的连续电极，其中半导体具有相对于X射线辐射被遮蔽的区域或未被遮蔽的区域，和具有至少一个光源，该光源以附加的光辐射辐照连续电极，以用于生成附加的整流子：以附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域。
光辐射可以要么直接地被应用于半导体要么间接地通过如下被应用于半导体，方法是，或者辐照像素化的电极或者从连续电极侧进行辐照并且然后透过半导体辐照像素化的电极。通过像素化的电极的不同的辐照或不同的遮蔽能够有利地实现不同的强度。在此，被遮蔽的区域的辐照和未被遮蔽的区域的辐照要么是均匀的要么是不均匀的。
附图说明
下面借助附图根据优选的实施例更详细地对本发明进行描述，其中只示出了用于理解本发明的必要的特征。使用下述附图标记：1：半导体；2：子像素；3：图像像素；4：阴极；5：格栅板；6：印刷层；C1：CT系统；C2：第一X射线管；C3：第一检测器；C4：第二X射线管(可选)；C5：第二检测器(可选)；C6：机架壳体；C7：患者；C8：患者卧榻；C9：系统轴；C10：计算和控制单元；Prg1至Prgn：计算机程序。
附图中：
图1示出了具有计算单元的CT系统的示意图，
图2示出了X射线辐射检测器的部分横截面示意图，
图3示出了按照第一实施方式的具有被不同地辐照的电极的X射线辐射检测器的部分俯视示意图，和
图4示出了按照另外的实施方式的具有被不同地辐照的电极的X射线辐射检测器的部分俯视示意图。
具体实施方式
图1示出了示例性的CT系统1。CT系统1包括机架壳体C6，在此未详细示出的机架位于所述机架壳体中，第一X射线管C2与对置的第一检测器C3被固定在所述机架上。可选地设置第二X射线管C4与对置的第二检测器C5。患者7处于可在系统轴C9方向上移动的患者卧榻C8上，利用所述患者卧榻可以将患者在利用X射线辐射扫描期间连续地或顺序地沿着系统轴C9移动通过在X射线管C2和C4与分别对应的检测器C3和C5之间的测量场。这个过程通过计算和控制单元C10借助计算机程序Prg1至Prgn进行控制。
按照本发明，检测器C3和C5被构造为直接转换的X射线辐射检测器，所述直接转换的X射线辐射检测器在此处示出的实施方式中至少具有用于检测X射线辐射的半导体和安置在半导体上的像素化的电极，其中为了生成附加的载流子，通过附加的光辐射以不同的强度辐照半导体(参见图2和图3)。CT系统1相应地按照根据本发明的方法运行。
图2示出了直接转换的X射线辐射检测器的部分横截面示意图。检测器具有用于检测X射线辐射的半导体1。此外检测器在此处示出的实施方式中在下侧上，即在背向X射线辐射的一侧上具有安置在半导体1上的像素化的阳极。阳极被划分成多个子像素2。在此每16个并排布置的子像素2综合成一个用于检测的二次方的计数的图像像素，参见图3和图4。在图像像素之间分别布置一行子像素2。所述子像素2不被用于检测，也就是非计数的。非计数的子像素2彼此电连接。
此外，检测器具有散射栅。非计数的子像素2分别布置在散射栅的格栅板5下方的半导体1的被遮蔽的区域中，参见图2和图3。格栅板5由此阻止X射线辐射到该子像素2上的入射。计数的图像像素3布置在格栅板5之间的半导体1的未被遮蔽的区域中。
在半导体1的对面上安置连续阴极4。阴极4被设计成不同程度地透明的。在此处所示的实施方式中，阴极4在格栅板5之间的空闲的区域中，即没有屏蔽X射线辐射的区域中，比在其余的、被格栅板5屏蔽的区域中透光度更低，从而像素化的阳极的图像像素3相对于通过光辐射的附加的辐照被屏蔽。为此，阴极4在透光度较低的区域中具有印刷层6。印刷层由不透光的材料构成。
此外检测器还具有光源，为了简明起见在此没有示出所述光源。光源辐照像素化的电极并且由此导致在半导体中生成附加的载流子，从而在半导体1中不均匀的空间电荷被均衡。按照本发明，辐照是不同的，从而以不同的强度辐照计数的图像像素和非计数的子像素2，参见图3和图4。
图3和图4分别示出了具有被不同地辐照的、像素化的电极的X射线辐射检测器的部分俯视示意图。检测器的结构基本上相应于在图2中示出的检测器。相同的部件以相同的附图标记表示。因此放弃对已经描述过的部件的详细描述。
在图3中在格栅板5下方的被遮蔽的区域中，即在非计数的子像素2中的辐照的强度大于在未被遮蔽的区域中计数的图像像素3的辐照的强度。这通过光源辐照半导体的上侧上的连续阴极和不透光的印刷层6遮蔽在其下布置的图像像素3来实现。由此仅附加地辐照在格栅板5下方的非计数的子像素2。也就是说，通过不同程度地遮蔽均匀的辐照实现了，以不同的强度辐照阳极的确定的区域。印刷层6下方的被遮蔽的区域相应于图像像素3，并且通过阴影示出。该实施方式的结构相应于在图2中示出的检测器。
按照图4恰好相反地示出了辐照情况。在此未被遮蔽的、计数的图像像素3比被遮蔽的、非计数的子像素2更强地，即以更大的强度辐照。为此，附加的光辐射从上侧被应用于检测器并且部分地被散射栅的格栅板5遮蔽，从而能够以更强的强度辐照在格栅板5之间的区域。格栅板5下方的被遮蔽的区域通过阴影示出。
总体上本发明建议一种用于检测X射线辐射的直接转换的X射线辐射检测器，其至少具有用于检测X射线辐射的半导体，所述半导体具有相对于X射线辐射被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域；具有安置在半导体上的像素化的电极和与像素化的电极相对地安置在半导体上的连续电极；和具有至少一个光源，所述光源通过附加的光辐射辐照连续电极，以用于生成附加的整流子，其中至少一个光源被构造为，以附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域。
此外还建议一种具有按照本发明的直接转换的X射线辐射检测器的CT系统，以及一种用于借助按照本发明的直接转换的X射线辐射检测器来检测入射的X射线辐射的方法，其中以附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域。
虽然通过优选的实施例已经在细节上详细地对本发明进行了图解说明和描述，但是本发明并不受公开的示例的限制，并且本领域专业人员可以从中导出其它的变型方案，而不脱离本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种用于在CT系统(C1)中使用的直接转换的X射线辐射检测器(C3，C5)，其至少具有：
1.1.用于检测X射线辐射的半导体(1)，所述半导体具有相对于X射线辐射被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域，
1.2.安置在所述半导体(1)上的像素化的电极和与所述像素化的电极相对地安置在所述半导体(1)上的连续电极(4)，和
1.3.至少一个光源，所述光源以附加的光辐射辐照连续电极，以用于生成附加的载流子，
其特征在于，
1.4.所述至少一个光源被布置成，以附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域，
1.5应用于被遮蔽的区域的光辐射的强度大于应用于未被遮蔽的区域的光辐射的强度。
2.根据上述权利要求1所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，被遮蔽的区域的以附加的光辐射的辐照和未被遮蔽的区域的辐照分别是均匀的。
3.根据上述权利要求1所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，被遮蔽的区域的辐照和未被遮蔽的区域的辐照分别是不均匀的。
4.根据上述权利要求1或2中任一项所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，设置散射栅，用于降低散射的X射线辐射到半导体(1)上的入射，从而通过散射栅进行半导体(1)的遮蔽。
5.根据上述权利要求1-3中任一项所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，所述连续电极(4)是不同程度地透明的。
6.根据上述权利要求1-3中任一项所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，所述连续电极(4)至少部分地是半透明的。
7.根据上述权利要求5所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，所述连续电极(4)至少部分地具有印刷层(6)。
8.根据上述权利要求5所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，所述连续电极(4)至少部分地具有不透光的印刷层(6)。
9.根据上述权利要求1至3中任一项所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，所述像素化的电极具有大量的子像素(2)，其中，分别一组子像素(2)被连接成一个用于检测的、计数的未被遮蔽的图像像素(3)，并且另外的未用于检测的、非计数的被遮蔽的子像素(2)彼此电连接。
10.根据上述权利要求9所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，计数的图像像素(3)的遮蔽大于非计数的子像素(2)的遮蔽。
11.根据上述权利要求1至3中任一项所述的X射线辐射检测器(C3，C5)，其特征在于，附加的光辐射具有在红外线和/或可见光范围内的波长。
12.一种CT系统(C1)，具有根据上述权利要求1至10中任一项所述的直接转换的X射线辐射检测器(C3，C5)。
13.一种借助在CT系统(C1)中使用的直接转换的X射线辐射检测器(C3，C5)来检测入射的X射线辐射的方法，所述X射线辐射检测器至少具有安置在半导体(1)上的像素化的电极和与像素化的电极相对地安置在所述半导体(1)上的连续电极(4)，其中，所述半导体(1)具有相对于X射线辐射被遮蔽的区域和未被遮蔽的区域，X射线辐射检测器具有至少一个光源，所述光源以附加的光辐射辐照连续电极，以用于生成附加的载流子，
其特征在于，以附加的光辐射的、与未被遮蔽的区域不同的强度辐照被遮蔽的区域，
应用于被遮蔽的区域的光辐射的强度大于应用于未被遮蔽的区域的光辐射的强度。
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