CN105209932B - 成像探测器 - Google Patents

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Abstract

一种硅成像探测器瓦块(216)，包括硅光电传感器层(302)以及被耦合到所述硅光电传感器层的硅电子器件层(314)，所述硅光电传感器层包括多个探测器像素(304)，每个探测器像素(204)均具有光电晶体管(406)，所述硅电子器件层包括针对所述多个光电晶体管中的每个的电流频率转换器和偏压控制(404)。一种方法，包括：利用成像探测器的硅光电传感器层的探测器像素的光电晶体管并且在没有X射线辐射时，感测暗电流；利用偏压控制调节被传输到硅电子器件层的电流频率转换器的所述暗电流的量，所述硅电子器件层被耦合到所述硅光电传感器层；并且利用所述电流频率转换器转换被传输到所述电流频率转换器的所述暗电流的量。

Description

成像探测器
技术领域
以下总体涉及一种成像探测器，并且更具体而言涉及一种具有硅探测器瓦块的成像探测器，所述硅探测器瓦块包括基于光电晶体管的探测器像素以及使用光电晶体管暗电流作为针对电流频率转换器的偏压的电子器件。由所述光电晶体管生成的信号在探测器中被转换成数字信号，结合计算机断层摄影(CT)进行了描述。
背景技术
CT扫描器包括探测器系统，其具有基于光电二极管的探测器像素的阵列以及针对每个探测器像素的具有模数(A/D)的处理电子器件。A/D转换器已被用作电流频率(I/F)转换器，其生成指示入射在探测器像素上的光子的输入的具有脉冲频率的一串脉冲。在Vrettos等人于2001年11月7日递交的题为“Data Acquisition for ComputedTomography”的美国专利6671345B2(通过引用将该专利整体并入本文)以及Luhta等人在Medical Imaging 2006：Physics of Medical Imaging第6142卷第275-286页(2006)的“ANew 2D-Tiled Detector for Multislice CT”中描述了这样的转换器的范例。
图1图示在其中处理电子器件102包括被用作I/F转换器的A/D转换器104的范例。A/D转换器104包括积分器106(在该范例中为放大器108和积分电容器110)和比较器112。积分器106在每个积分周期对由基于光电二极管的探测器像素116响应于撞击在基于光电二极管的探测器像素116的闪烁体上的辐射118而产生的电流“I”114进行积分。比较器112将积分器106的输出与预设阈值(TH)120进行比较，并仅在输出满足阈值120时生成脉冲。复位开关122响应于脉冲的生成而对积分器106进行复位。
在图1中，数字逻辑124控制复位开关122，包括闭合复位开关122以复位积分器106以及打开复位开关122。数字逻辑124还处理比较器112的输出。在一个实例中，这包括对由比较器112输出的脉冲的数目进行计数，并确定从积分周期的第一个脉冲到积分周期的最后一个脉冲的时间。根据该数据，数字逻辑单元124能够生成指示脉冲的频率的输出信号(例如，积分周期/积分周期中的第一个与最后一个脉冲之间的时间内脉冲的数目)，其指示所探测到的辐射的每单位时间的电流或电荷。
积分器106还在每个积分周期对由偏置电流源126供应到积分器106输入的偏置电流进行积分。需要偏置电流以确保每个积分周期内出现至少一个脉冲(即，在不存在任何探测到的光子以及因此来自探测器像素106的信号时)，使得能够由A/D转换器104确定一频率。然而，电流源120将电子噪声引入到A/D转换器104的输入中，这相对于没有电流源120的配置可能增大本底噪声，因此将针对较低剂量扫描应用的剂量水平的下限提高到得到在本底噪声以上的信号的剂量水平。
在现有技术的CT探测器中，光电晶体管由于电子噪声以及随温度和累积辐射剂量的变化的暗电流限制而未被使用。
本文中描述的各方面解决上述问题和/或其他问题。
发明内容
以下描述一种成像探测器，其包括基于光电晶体管的探测器像素和偏压控制，所述偏压控制使用由所述光电晶体管在没有X射线辐射时产生的暗(电)流偏置电流频率(I/F)转换器，所述电流频率转换器将由所述光电晶体管产生的电流信号转换成数字信号。光电晶体管的固有增益改善了信噪比(SNR)，而将所述暗电流用作I/F转换器偏置电流保持电子噪声水平等于使用电流源产生所述偏置电流。这样的成像探测器至少由于所述光电晶体管的固有增益而非常适合低剂量成像应用。额外地，所述光电晶体管能够在与所述探测器的电子器件部分中包含的合适的电路通过接口连接时实现光子计数探测。
在一个方面中，一种成像探测器，包括硅光电传感器层以及被耦合到所述硅光电传感器层的硅电子器件层，所述光电传感器层包括多个探测器像素，每个探测像素具有光电晶体管，所述硅电子器件层包括针对所述多个光电晶体管中的每个的电流频率转换器和偏压控制。
在另一方面中，一种方法，包括利用成像探测器的硅光电传感器层的探测器像素的光电晶体管并且在没有X射线辐射时，感测并产生暗电流；利用偏压控制，调节被传输到被耦合到所述硅光电传感器层的硅电子器件层的电流频率转换器的所述暗电流的量；以及利用所述电流频率转换器，转换所述被传输到所述电流频率转换器的所述暗电流的量。
在另一方面中，一种成像系统，包括发出辐射的辐射源，探测所述辐射并生成数字信号的探测器阵列，以及重建所述数字信号生成体积图像数据的重建器。所述探测器阵列包括多个探测器瓦块，每个探测器瓦块包括具有多个探测器像素的硅光电传感器层以及被耦合到所述硅光电传感器层的硅电子器件层，每个探测器瓦块包括光电晶体管，所述硅电子器件层包括针对所述多个光电晶体管中的每个的电流频率转换器和偏压控制。所述电流频率转换器将来自所述光电晶体管的信号转换成所述数字信号。
附图说明
本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各个步骤和各步骤的安排的形式，附图仅出于图示优选的实施例的目的，并不应被解释为对本发明的限制。
图1示意性地图示了现有技术的成像探测器，其包括基于光电二极管的探测器像素、具有I/F转换器的处理电子器件，以及生成针对I/F转换器的偏置电流的电流源。
图2示意性地图示了具有探测器瓦块的范例成像系统，该探测器瓦块包括具有基于光电晶体管的探测器像素的光电晶体管阵列以及处理电子器件，该处理电子器件将光电晶体管的暗电流用于偏置处理电子器件的对应I/F转换器。
图3示意性地图示了图2的探测器瓦块的范例。
图4示意性地图示了图3的探测器瓦块的单个探测器像素/处理电子器件对，其具有在硅处理电子器件层中的偏压控制逻辑。
图5示意性地图示了表示图4的探测器瓦块的光电晶体管的范例电路示图。
图6示意性地图示了通过迹线电连接的范例半导体，表示图5的光电晶体管。
图7示意性地图示了被结合或形成在一起的范例半导体，表示图5的光电晶体管。
图8示意性地图示了在其中图5的光电晶体管为单个半导体元件的范例。
图9示意性地图示了图3的探测器瓦块的单个探测器像素/处理电子器件对的变型，其包括在硅光电传感器层中的热传感器。
图10示意性地图示图3的探测器瓦块的单个探测器像素/处理电子器件对的变型，其包括在硅光电传感器层中的辐射剂量传感器。
图11示意性地图示了图3的探测器瓦块的单个探测器像素/处理电子器件对的变型，其中偏压控制逻辑控制光电晶体管的基极电流。
图12示意性地图示了图3的探测器瓦块的单个探测器像素/处理电子器件对的变型，具有在硅光电传感器中的光电二极管和光电晶体管两者。
图13图示了根据本文中公开的实施例的范例方法。
具体实施方式
图2图示诸如计算机断层摄影(CT)扫描器的成像系统200。成像系统200包括总体固定机架202和旋转机架204。旋转机架204由固定机架202可旋转地支撑并关于纵轴或z轴绕检查区域206旋转。诸如X射线管的辐射源208由旋转机架204支撑并发出穿过检查区域206的辐射。
辐射敏感探测器阵列210对向一角度弧，跨检查区域206与辐射源208相对。在所图示的实施例中，辐射敏感探测器阵列210包括相对于彼此沿横向于z轴的方向布置的多个探测器模块214。探测器模块214包括相对于彼此沿z轴布置的多个硅探测器瓦块216。每个硅探测器瓦块216探测穿过检查区域206的辐射并生成指示其的电信号。
如下文更详细地描述的，每个瓦块216包括：多个基于光电晶体管的探测器像素——其形成针对每个瓦块的光电晶体管阵列(PTA)，以及处理电子器件，其具有针对每个光电晶体管的电流频率(I/F)转换器(例如，类似于结合图1讨论的I/F转换器)和偏压控制，其中偏压控制将在没有X射线辐射时由光电晶体管产生的暗(电)流用于偏置I/F转换器，从而在每个积分周期内出现至少一个脉冲，从而能够由I/F转换器确定一频率。
重建器228重建来自硅探测器瓦块216的信号，并生成指示其的体积图像数据。图像处理器等等能够基于图像数据来生成一个或多个图像。计算系统或其他计算机充当操作者控制台230。驻留于控制台230上的软件允许操作者控制系统200的操作。诸如躺椅的患者支撑体232在检查区域206中支撑诸如人类患者的目标或对象。
接下来描述硅探测器瓦块216的非限制性范例。
在一个实例中，探测器瓦块216基本上类似于和/或基于在Chappo等人于2001年7月28日递交的题为“Solid State X-Radiation Detector Modules and Mosaicsthereof,and an Imaging Method and Apparatus Employing the Same”的美国专利6510195B1中描述的探测器瓦块，通过引用将该专利整体并入本文。本文中也预期其他探测器阵列布置，包括与以上的和/或基于以上的组合。图3图示硅探测器瓦块216的范例。
在图3中，硅探测器瓦块216包括硅光电传感器层302，硅光电传感器层302包括在光电传感器层302的第一侧308上的多个光敏区304。所图示的硅光电传感器层302为背照式光电传感器，其具有将光敏区304互连到位于光电传感器302的第二相对侧310上的结合片等等(不可见)的电极(不可见)。在变型中，光电传感器302能够为前照式光电传感器，其具有将来自第一侧308的信号路由到相对侧310上的片的通孔。
硅探测器瓦块216还包括闪烁体层312。闪烁体层312可以为单层或包括多个闪烁体像素(像素化的)。在后一实例中，闪烁体层312可以包括许多闪烁体像素，以闪烁体像素与光敏区304之间一对一的关系对应于许多光敏区。在又另一实例中，不同的闪烁体像素可以对应于光敏区304中的不同的亚组。闪烁体层312被光学耦合到硅光电传感器218。
硅探测器瓦块216还包括硅电子器件层或具有电子器件区316的衬底314。电子器件区316被电气耦合到光敏区304的结合片。图4图示光敏区304/电子器件区316对。电子器件区316包括处理电子器件402和偏压控制404。如本文中讨论的，处理电子器件402包括被用作I/F转换器的A/D转换器，其能够基本上类似于结合图1描述的和/或其他。
所图示的光敏区304包括图4中的光电晶体管406。每个瓦块216的光电晶体管406在本文中被共同称作光电晶体管阵列(PTA)。光电晶体管406包括集电极408、基极410和发射极412，发射极412与处理电子器件402的输入端电气通信。当X射线辐射入射在闪烁体312上时(图3)，由闪烁体312响应于该入射而产生的并且指示辐射的能量的光驱动基极410，并且发射极电流为放大的基极电流。
一般而言，每个光电晶体管406能够被认为是具有内置式电流放大器的光电二极管，其在于相同量的光和施加的偏压产生了更大量的输出电流。在没有X射线辐射时，漏电流驱动基极410，并且发射极电流被称作暗(电)流。偏压控制404调节被传输或馈送到处理电子器件402的暗电流的量。在一个实例中，这包括允许足够的暗电流，从而在每个积分周期内出现至少一个脉冲，从而能够由I/F转换器确定一频率。
各种途径都能够被用于控制有多少暗电流作为I/F转换器偏置电流被馈送到处理电子器件402。例如，在一个非限制性实例中，偏压控制404使用可变电流吸收器控制有多少暗电流被馈送到处理电子器件402。在所图示的范例中，可编程寄存器414包括能够被设置为指示针对处理电子器件402的期望偏置电流的位，并且偏压控制元件404使用寄存器来调节暗电流。
要认识到，通过使用这样的暗电流，能够省略图1的电流源126(其被用于产生针对I/F转换器的偏置电流)。因此，由电流源126产生的电子噪声——其在存在电流源126时将会存在——被与PTA暗电流相关联的噪声替代，由此允许PTA代替光电二极管探测器，而没有电子噪声增加。
图5-图8示出光电晶体管如何包括具有晶体管增益的光电二极管的发展。图5示出图4的光电晶体管406的电气原理表示，并且图6、图7和图8示出图4的光电晶体管406的基于半导体材料的表示。
在图5中，光电晶体管406包括晶体管502(具有集电极504、基极506和发射极508)和光电二极管510(具有阴极512和阳极514)。光电二极管510的阴极512被电连接到晶体管502的集电极504，并且光电二极管510的阳极514被电连接到晶体管502的发射极508。光516(由闪烁体312响应于入射在其上的X射线辐射和/或环境光而产生的)驱动光电二极管510，其驱动基极506以及因此晶体管502。晶体管(即发射极)电流(IT)为βID，其中ID为光电二极管电流并且β为晶体管的共发射极增益。
在图6中，通过第一半导体602来表示光电晶体管502，第一半导体602中包括第一N型半导体材料604(表示集电极)、P型半导体材料606(表示基极)以及第二N型半导体材料608(表示发射极)。通过第二半导体610来表示光电二极管510，第二半导体610中包括N型半导体材料612(表示阴极)和P型半导体材料614(表示阳极)。阴极612通过在硅中的第一电气迹线616被电连接到集电极604，并且阳极614通过在硅中的第二电气迹线698被电连接到基极606。
图7示出图6的变型，其中图6的第一半导体602与第二半导体被接合、结合和/或组合成单个半导体702。
图8示出图6和图7的代替表示，其中单个半导体800包括第一N型半导体材料802(其表示集电极604和阴极612两者)，P型半导体材料804(其表示基极606和阳极614两者)，并且第二N型半导体材料806表示发射极608。在该配置中，集电极-基极结行为像光电二极管，并且能够利用增大被探测的光电量的几何学来配置。光引起在该结上增大的反向漏电流，并且该反向漏电流具有与被供应到基极的电力路相同的作用。
接下来讨论变型。
由光电晶体管406产生的暗电流至少为硅探测器瓦块216的温度的函数。在图9中所示的变型中，光电传感器区304还包括至少一个温度传感器902。在一个实例中，至少一个温度传感器902为光电传感器层302的硅的部分或被嵌入在光电传感器层302的硅中。硅探测器瓦块216可以包括一个或多个这样的温度传感器902，在光电传感器区304内(如所示的)，在光电传感器层302的非光敏区中，在至少两个光电传感器区304之间和/或与至少两个光电传感器区304交叠，等等。
这能够以各种方式来实施。例如，在一个非限制性实例中，如在Luhta等人于2010年8月10日递交的题为“Imaging detector thermal control”的美国申请序列号12/853349中描述的实施至少一个温度传感器902，通过引用将该申请整体并入本文。至少一个温度传感器902将感测到的温度传送到偏压控制404，偏压控制404使用在温度与暗电流之间的预定映射估计暗电流的当前量，并基于此来控制被馈送到I/F转换器的暗电流的量。其也可以为被嵌入电子器件316中。
由光电晶体管406产生的暗电流也能够随被沉积到硅探测器瓦块216的累积辐射剂量而变化。在图10中所示的变型中，光电传感器区304还包括至少一个辐射剂量传感器1002。在一个实例中，至少一个剂量传感器1002为光电传感器302的硅的部分和/或被嵌入光电传感器302的硅中。其也可以被嵌入电子器件316中。硅探测器瓦块216可以包括一个或多个这样的辐射剂量传感器1002，在光电传感器区304内(如所示的)，在光电传感器层302的非光敏区中，在至少两个光电传感器区304之间和/或与至少两个光电传感器区304交叠，等等。
这能够以各种方式来实施。例如，在一个非限制性实例中，如在Chappo等人于2010年11月18日递交的题为“Radiation Dose Based Imaging Tile ParameterCompensation”的美国申请序列号13/510168中描述的实施至少一个剂量传感器1002，通过引用将该申请整体并入本文。至少一个剂量传感器1002将感测到的剂量传送到偏压控制逻辑314，偏压控制逻辑314使用在剂量与暗电流之间的预定映射来估计暗电流的当前量，并基于此来控制被馈送到I/F转换器的暗电流的量。
在另一变型中，硅探测器瓦块216包括至少一个温度传感器902和至少一个剂量传感器1002两者。
图11示出在其中偏压控制逻辑404也控制光电晶体管406的基极电流的变型。在该实例中，偏压控制逻辑404确保基极电流在引起足以偏置I/F转换器的暗电流的水平，包括针对辐射剂量和温度的校正。
图12示出在其中光电传感器302包括光电晶体管406和光电二极管1202两者的变型。在该实例中，光电晶体管406的发射极412和光电二极管1204的阳极1204与偏压控制404电气通信，偏压控制404包括开关1206，其确定发射极412或阳极1206中的哪个与处理电子器件402电气通信。到偏压控制404的输入指示瓦块216处于哪种模式(光电二极管或光电晶体管)。当处于光电二极管1202模式时，偏压控制404使用电流源(例如图1的电流源126)等等来偏置处理电子器件402的I/F转换器。
图13图示根据本文中讨论的实施例的方法。
在1302，获得针对I/F转换器的预定义的感兴趣偏置电流水平，I/F转换器将由成像的探测器像素的光电晶体管输出的电流转换成数字信号。
在1304，感测光电晶体管的暗电流。
在1306，至少基于预定义的偏置电流水平来调节被传输到I/F转换器的暗电流的量。
如本文中描述的，也可以基于硅探测器瓦块216的温度和/或沉积到硅探测器瓦块216的辐射剂量，来调节被传输到I/F转换器的暗电流的量。
在1308，I/F转换器被用于将光电晶体管的输出转换成数字信号。
在1310，重建数字信号，生成体积图像数据。
要认识到，本文中描述的方法中动作的排序并非限制性的。因此，本文中预期其他排序。此外，可以省略一个或多个动作和/或可以包括一个或多个额外的动作。
已参考优选的实施例描述了本发明。他人在阅读和理解了前面的详细描述后可以想到多种修改和变动。目的是，本发明被解读为包括所有这样的修改和变动，只要它们落入权利要求或其等价方案的范围内。

Claims (13)

1.一种硅成像探测器瓦块(216)，包括：
硅光电传感器层(302)，其包括多个探测器像素(304)，每个探测器像素均具有光电晶体管(406)；以及
硅电子器件层(314)，其被耦合到所述硅光电传感器层，所述硅电子器件层包括针对多个光电晶体管中的每个的电流频率转换器和偏压控制(404)，
其中，所述多个光电晶体管中的每个均被配置为产生暗电流，并且对应的偏压控制被配置为调节被传输到对应的电流频率转换器的所述暗电流的量，并且
其中，所述硅光电传感器层还包括辐射传感器(1002)，所述辐射传感器被配置为感测被沉积到所述瓦块的辐射，其中，所述偏压控制被配置为基于感测到的辐射来调节被传输到所述对应的电流频率转换器的所述暗电流的所述量。
2.如权利要求1所述的硅成像探测器瓦块，其中，被传输到对应的电流频率转换器的所述暗电流的所述量引起所述电流频率转换器在每个积分周期内产生至少一个脉冲，使得能够由所述电流频率转换器确定一频率。
3.如权利要求1或2所述的硅成像探测器瓦块，还包括：
寄存器(414)，其存储要引起所述电流频率转换器在每个积分周期内产生至少一个脉冲所需要的电流水平的值，并且所述偏压控制采用所述值来调节所述暗电流。
4.如权利要求1或2所述的硅成像探测器瓦块，还包括：
在所述硅光电传感器层中的温度传感器(902)，所述温度传感器感测所述瓦块的温度，其中，所述偏压控制基于感测到的温度来调节被传输到所述对应的电流频率转换器的所述暗电流的所述量。
5.如权利要求1或2所述的硅成像探测器瓦块，其中，所述偏压控制控制所述光电晶体管的基极电流。
6.如权利要求1或2所述的硅成像探测器瓦块，所述多个探测器像素中的至少一个还包括光电二极管(1204)，并且其中，所述偏压控制备选地将所述光电二极管或所述光电晶体管电连接到所述电流频率转换器。
7.如权利要求1或2所述的硅成像探测器瓦块，其中，所述光电晶体管包括单个半导体或被连接到一起的至少两个半导体。
8.一种用于成像探测的方法，包括：
利用成像探测器的硅光电传感器层的探测器像素的光电晶体管并且在没有X射线辐射时，感测并且产生暗电流；
利用偏压控制，调节被传输到硅电子器件层的电流频率转换器的所述暗电流的量，所述硅电子器件层被耦合到所述硅光电传感器层；
利用所述电流频率转换器，转换被传输到所述电流频率转换器的所述暗电流的所述量；
感测被沉积到硅探测器瓦块的辐射；并且
基于感测到的辐射来进一步调节所述暗电流。
9.如权利要求8所述的方法，其中，被传输到对应的电流频率转换器的所述暗电流的所述量引起所述电流频率转换器在每个积分周期内产生至少一个脉冲，使得能够由所述电流频率转换器确定一频率。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
读取寄存器的寄存器值，所述寄存器存储要引起所述电流频率转换器在每个积分周期内产生至少一个脉冲所需要的电流水平；并且
基于所述寄存器值来调节所述暗电流。
11.如权利要求8至10中的任一项所述的方法，还包括：
感测所述硅探测器瓦块的温度；并且
还基于感测到的温度来调节所述暗电流。
12.如权利要求8至10中的任一项所述的方法，还包括：
控制所述光电晶体管的基极电流，以调节被传输到所述电流频率转换器的暗电流的所述量。
13.如权利要求8至10中的任一项所述的方法，其中，所述探测器像素还包括光电二极管；并且所述方法还包括：
选择性地将所述光电二极管或所述光电晶体管中的一个连接到所述电流频率转换器。
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