CN106255901A

CN106255901A - 校准光子探测器的方法、吸收滤波器组件和成像装置

Info

Publication number: CN106255901A
Application number: CN201580022548.9A
Authority: CN
Inventors: A·特伦
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: EP3137925A1; CN106255901B; US20170045632A1; US9903964B2; WO2015165765A1

Abstract

本发明公开了一种用于校准光子计数探测器(3)的方法。吸收滤波器(7)被横向地移动通过朝向探测器(3)发射的光子射束(8)，以将吸收滤波器(7)的非均匀性的影响平均化。本发明也涉及吸收滤波器组件以及包括这样的吸收滤波器组件的成像设备(1)。

Description

校准光子探测器的方法、吸收滤波器组件和成像装置

技术领域

本发明总体上涉及校准光子探测器的方法、用于校准光子探测器的吸收滤波器组件以及成像装置，所述吸收滤波器组件包括吸收滤波器和用于将吸收滤波器平移通过光子射束的平移器件。

背景技术

光子探测器探测从源发送到探测器的光子，例如X射线射束。尽管本发明主要使用计算机断层摄影(CT)探测器作为范例来进行解释，但是本发明也涉及针对使用光子探测的医学成像设备(例如其他医学成像设备)的其他探测器，所述其他医学成像设备例如正电子发射断层摄影设备、单光子发射计算机断层摄影、安全扫描设备、诸如数码相机的光学成像设备、放射影像成像设备以及天文学设备。

在诸如医学和安全成像装置的目标扫描装置中，诸如患者或行李的待扫描的目标被定位在光子源与探测器之间的检查区域中。在诸如相机或天文学装置的其他光子探测装置中，(大部分)未被阻挡的光子射束可以被探测到。探测器通常包括探测器像素，并且需要对每个个体像素的非常精确表征来评估扫描数据并生成高质量图像。通过描述由像素探测到的光子脉冲高度的概率分布，确定了每个探测器像素的响应函数来表征探测器像素的性能。对于光子计数探测器，响应函数针对由像素探测到的到来的光子的每种能量来描述脉冲高度的概率分布。响应函数是在校准流程期间确定的。在该校准流程中采用的辐射谱优选地是单色谱，这是因为然后可以使用阈值扫描(即探测器的能量阈值在采集之间变化的多次采集)来直接测量响应函数。然而，单色源(例如同步加速器辐射或伽马源)并不适合于对具有光子计数探测器的成像装置的校准。因此，必须使用就位的光子源来实现校准。为了对来自源的连续光子(例如X射线)谱进行整形，必须利用具有在相关能量处的吸收边(K边)的高原子序数的吸收材料俩对所述连续光子谱进行滤波。例如，能够通过利用具有轻微差别的K边能量的k边滤波器执行两次测量并计算两次的个体测量结果的差异来对具有接近单色谱的数据采集进行近似。

对于最优校准，必须使用诸如具有高原子序数的稀土金属或元素的特定材料，例如，稀土金属的K边能量跨越从39keV至63keV的重要能量范围。缺点在于，产生这些金属或具有较高原子序数的其他元素的均匀样本是非常困难的。由于只有在校准步骤得到非常精确的结果的情况下才能够实现高图像质量，因此，因厚度变化、孔或杂质而导致的K边滤波器的质量厚度的小的非均匀性将导致邻近像素的校准数据的差异。这些差异可能导致图像伪影。

因此，克服上述对用于光子计数探测器校准的K边滤波器的高均匀性的不利的依赖性将是有益的。

US20110012014涉及利用辐射敏感探测器像素来探测穿过具有已知谱特性的材料的辐射，其中，所述辐射敏感探测器像素输出指示探测到的辐射的信号；并且接着确定输出信号与谱特性之间的映射。其并不提供解决上述对用于光子计数探测器校准的K边滤波器的高均匀性的不利的依赖性的任何方式。

Robert E.Alvarez(MEDICAL PHYSICS，AIP，MELVILLE，NY，US，第38卷，第5号，第2324-2334页，公布于2011年4月25日)公开了具有不同尺寸的CT校准体膜，所述不同尺寸被配置为使得机架能够对体膜的不同投影做出测量。

发明内容

根据本发明的实施例涉及一种用于校准光子探测器的方法，所述方法包括以下步骤：将吸收滤波器放置在光子源与光子计数探测器之间；从所述源朝向所述光子计数探测器将光子射束发射通过所述吸收滤波器；将所述吸收滤波器横向地移动通过所发射的光子射束；并且利用所述光子计数探测器来探测经滤波的光子射束。

这样的校准方法得到较少地依赖于所使用的吸收滤波器的均匀性的经校准的探测器像素。

本发明的另一实施例涉及一种用于校准光子探测器的吸收滤波器组件，包括吸收滤波器和用于将所述吸收滤波器平移通过光子射束的平移器件，其中，所述吸收滤波器包括具有与所述光子射束中的光子的能量相对应的K边的吸收材料。

这样的吸收滤波器组件具有以下优点：其不需要如已知的吸收滤波器所需要的那么高的均匀性，并且因此能够被以较低的成本制造并在探测器像素校准方法中以更可靠的结果来操作。

本发明的另外的实施例涉及一种成像装置，所述成像装置包括：光子计数探测器，其被布置为探测从光子源发射的光子，所述光子计数探测器包括探测器像素；以及根据本发明的吸收滤波器组件，其被布置在所述光子源与所述光子计数探测器之间。

本领域技术人员在阅读和理解了以下详细说明后将意识到本发明的另外的方面和实施例。在阅读了以下优选实施例的详细说明后，许多额外的优点和益处对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

通过附图来图示了本发明，在附图中：

图1示出了计算机断层摄影装置的示意性描绘；

图2示出了适合于在本发明中使用的光子计数探测器的实施例的示意性描绘；

图3示出了根据本发明的被放置在从光子源发射到光子计数探测器的光子射束中的吸收滤波器的实施例的示意性描绘；

图4a、图4b和图4c示意性地示出了根据本发明的吸收滤波器在光子射束中的各种位置；

图5a、图5b和图5c示出了根据本发明的吸收滤波器的三个不同的实施例以及根据本发明如何将所述吸收滤波器移动通过光子射束的范例；

图6示出了根据本发明的用于多个吸收滤波器的支撑物的示意性描绘；并且

图7示出了针对根据本发明的用于校准光子探测器的方法的示意性流程图。

本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各种步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不得被解释为对本发明的限制。为了更好地可视化，某些特征可能被省略，或者尺寸可能不是根据比例的。

具体实施方式

本发明具体应用于医学成像设备中，并且使用计算机断层摄影来对本发明进行解释，但是本发明也适用于使用吸收滤波器来校准(像素化)辐射探测器的其他成像系统，尤其是例如X射线成像，但也例如正电子发射断层摄影、单光子发射计算机断层摄影、光学成像、放射摄影成像等，以及它们的组合。

图1示出了计算机断层摄影设备1的示意性描绘。光子计数探测器3和光子源2(在该实施例中为X射线源)被安装在可旋转的机架4上。诸如患者的待扫描的对象被定位在可移动支撑体5上，所述可移动支撑体5在扫描期间移动通过检查区域6，同时机架4围绕检查区域旋转并且X射线源2发射X射线辐射。经过对象的X射线辐射由光子计数探测器3探测，在所述光子计数探测器3中，探测到的X射线辐射被转换成电子信息，所述电子信息在另外的处理装备(未示出)中被进一步处理为显示给用户(例如医生)的视觉信息。

图2以横截面示出了光子计数探测器3(即直接转换光子计数探测器)的实施例的高度示意性描绘。直接光子转换光子计数探测器3的主体是由直接转换材料层301形成的。直接转换材料层301可以由单晶半导体材料组成，所述单晶半导体材料是本征(intrinsic)材料或具有全耗尽p-i-n结构。Cd_xZn_1-xTe(碲锌镉，通常被缩写为CZT)是合适的半导体材料的范例。直接转换层301被放置在探测器阴极302与探测器阳极303之间。探测器阴极被保持在负偏置电势处，而探测器阳极被保持在较小排斥的电势(通常为吸引的正电势)处。探测器阴极302在直接转换材料层301上形成连续层并且通常对具有要由直接转换光子计数探测器探测的能量水平的光子是透明的。探测器阳极303在直接转换层301的相对侧上并且由探测器阳极像素3031的网格形成。当光子x经过探测器阴极302并且穿透到直接转换材料层301中时，光子与直接转换材料相互作用以生成许多电子-空穴对。带正电的空穴朝向带强烈负电的探测器阴极302漂移，同时带负电的电子朝向带更多正电的探测器阳极303漂移。当电子接近探测器阳极303时，诱发来自每个探测器阳极像素3031的信号，所述信号在收集后指示接近该具体电极像素的电子的计数。所生成的信号然后被处理单元(未示出)进一步处理，并且最终在显示单元(未示出)上作为写出信息或作为经重建图像而被显示给用户。

图3示意性地示出了从光子源2(在该实施例中为X射线源)朝向光子计数探测器3发射的光子的锥形射束8，所述光子计数探测器3包括沿着探测器3被成行布置的探测器像素31。锥形射束是计算机断层摄影中最常见的射束形状并且利用已知装备是容易实现的。当使用锥形光子射束配置来解释本发明时，本领域技术人员将知晓如何将本发明的元件适配到其他可能的配置，例如线性射束、扇形射束、立体射束以及本领域技术人员已知的其他射束。在校准期间，吸收滤波器7被放置在锥形射束8中。优选地，吸收滤波器7被呈现为距光子源3比距光子计数探测器2更近，这是因为与其更靠近探测器相比，射束的直径在该位置处更小，并且因此能够限制滤波器的大小，这降低了滤波器和连接到滤波器的装备的制造成本以及准确性。

在校准光子计数探测器3期间使用吸收滤波器7。更具体地，吸收滤波器被用于确定针对每个个体探测器像素在特定能量范围中的响应函数。例如，遵循射束路径81的光子由探测器像素311探测，并且遵循射束路径82的光子由探测器像素312探测。当不存在吸收滤波器7时，具有宽能量范围的光子全部都对针对每个探测器像素31的光子计数做出贡献。每个个体探测器像素31对到来的光子的响应性可以略微不同，并且从源2发射的光子可以具有依赖于发射角度的能量或频率变化。因此，光子计数可以依赖于在探测器3上的位置而略微变化。在校准期间，确定针对每个个体探测器像素31的响应函数。当对象(例如皇者)被放置在检查区域6中并被扫描时，在将光子计数数据重建成扫描图像中考虑响应函数。

吸收滤波器7优选地允许定义的能量范围中的光子经过滤波器，所述定义的能量范围例如30keV与140keV之间，或者较小的范围，例如30keV与70keV之间，或者39keV与63keV之间的重要能量范围，而在该能量范围之外的光子大部分被阻挡并且将仅在小的程度上对由探测器像素31探测到的事件的数目有贡献。由在K边能量以上具有低衰减的元素制成的滤波器是最优的。因此，接着能够针对每个探测器像素31来确定针对该窄能量范围的响应函数。这可以按顺序使用具有不同能量范围的一个或多个另外的吸收滤波器7’、7”、7”’针对多个波长区域来完成。知晓针对一个或多个窄能量范围的响应函数还改善了基于光子计数数据的图像重建的可靠性和准确性。

每个个体探测器像素31针对定义的能量范围的响应函数因此主要基于吸收层7中对光子的吸收和透射。因此，吸收滤波器7中的任何非均匀性71、72可以局部地引起探测器像素中的较高或较低的光子计数，导致受影响的探测器像素31的不正确的响应函数。因此，并未针对这些探测器像素31而对校准进行校正，并且在图像重建期间，这些变化甚至可以被扩大，导致伪影和其他不期望的成像误差。

例如，滤波器7可以具有不平坦的顶部表面或底部表面，例如下陷或突起，从而与平坦表面相比减少或增加了通过吸收滤波器7的射束路径长度，这将导致针对遵循该射束路径的光子的光子计数的减小或增加。图4a示出了范例，其中，沿射束路径82行进的光子在顶部表面具有下陷71的点处进入吸收滤波器7，导致通过吸收滤波器7的较短的射束路径长度。

图4a中还示出了吸收滤波器中可能影响光子计数的非均匀性的另一范例。存在吸收滤波器自身内的局部杂质72。这些杂质72可以是空洞、其他材料的颗粒或局部密度变化。这些杂质可以通过使得光子较少地与吸收滤波器材料相遇、具有对应当被允许通过吸收滤波器7的能量的光子的不想要的反射或吸收来影响光子计数。图4a中示出了这种情况的范例，其中，沿着射束路径83行进的光子遇到吸收滤波器7中的两个杂质72。

本发明通过提供吸收滤波器7使得其成为包括所述吸收滤波器7和用于将吸收滤波器平移通过光子射束的平移器件(未示出)的吸收滤波器组件的一部分来克服该问题。平移器件可以采取任何形式或形状，只要它们被布置为将吸收滤波器7移动通过光子射束8，例如电机和将电机连接到吸收滤波器的连接器件的组件。

对吸收滤波器的移动相比于光子射束是横向的，例如垂直于与图4a的射束路径81相对应的法线。通过在校准期间将吸收滤波器移动通过射束，由探测器像素31在一时间段中探测到的光子遇到在所穿透的区域中滤波器的平均质量厚度，而不是在吸收滤波器7的一个特定位置处的质量厚度。而且，非均匀性的影响也在时间上并在多个探测器像素31上得到平均，并且将具有对光子计数的减小的影响。针对每个滤波器和探测器设定的采集时间为大约一秒，因此实现对滤波器的充分快速移动的任何技术要求都是非常低的。因此，针对静态吸收滤波器所必要的非常高的均匀性所要求的水平能够低得多，得到较低的制造成本。

图4b和图4c示出了吸收滤波器7在射束8中的两个极端位置，而图4a示出了在近似中央位置中的吸收滤波器7。吸收滤波器7可以在位置4b与位置4c之间移动一次或多次，以实现本申请的优点。而且，如果吸收滤波器7的不同分段被移出射束，例如图4b和图4c的情况，则吸收滤波器7的寿命可能增加，这是因为由光子吸收所导致的劣化(例如热形成或分子降解)将被减小，从而减小针对每个吸收滤波器的随时间的成本。图4b和图4c中示出了在极端位置中的滤波器，以最清晰地图示本发明。在实际的设置中，滤波器可能不会在射束之外延伸这么远，这是因为在这些位置中，滤波器被移动得离中央位置这么远，使得对于外部探测器像素辐射仅被部分滤波，而这在实际情况中是必须避免的。

吸收滤波器7可以具有各种形状，并且可以沿着各种轨迹而被移动通过光子射束8。图5描绘了一些实施例，但是应用本发明的本领域技术人员将清楚更多的可能性。

在图5a中，矩形吸收滤波器7沿轨迹73被线性地前后平移通过光子锥形射束8。虚线8表示光子射束8在滤波器的高度处的边界，其中，所述高度被定义为滤波器距光子计数探测器的距离。黑点21为光子源2朝向探测器的中点的焦斑的投影。短划线74表示被X射线穿透的滤波器表面的位置，所述X射线击中探测器的中间。因此，中间的探测器像素将平均地测量以与滤波器在这些形状处的平均质量密度相等的质量密度而被滤波的X射线强度。

在图5b中，矩形吸收滤波器7被沿着椭圆形轨迹73移动通过光子射束8。在该配置中，在两个维度上发生对滤波器的平均化，从而进一步降低因非均匀性而导致的负面影响的机会。本领域技术人员将意识到，也可以利用其它非线性轨迹(例如圆形轨迹、矩形轨迹、正弦曲线轨迹、曲折轨迹等)来实现类似的效果。

在图5c中，吸收滤波器7具有圆形形状并且沿着轨迹73旋转通过光子射束8。该实施例的优点在于其易于实现，但是其要求比例如矩形吸收滤波器7(例如图5a或图5b中示出的矩形吸收滤波器)大得多的滤波器区域。然而，在若干滤波器材料或滤波器厚度需要被整合在一个设置中以便分别地采集针对经整合的滤波器中的每个的校准测量结果的情况下，该圆形配置将更加难以实现。

在图6中示出了具有若干吸收滤波器元件7、7’、7”、7”’的整合的设置的范例。在该实施例中，每个吸收不同的光子能量范围的四个吸收滤波器元件7、7’、7”、7”’被安装在吸收滤波器支撑物9中，所述吸收滤波器支撑物9沿轨迹73作为整体线性平移。本领域技术人员将认识到，许多其他轨迹、支撑物配置或支撑物中的各位置、更多或更少的吸收滤波器(包括单个滤波器)都可能落入本发明的范围内。

可以通过提供连接器件以将吸收滤波器7连接到电机，而将吸收滤波器7布置为移动通过光子射束8。优选地，连接器件被提供到吸收滤波器支撑物，从而并不使吸收滤波器制造过度复杂，并且简化具有多个吸收滤波器元件的设置并允许对吸收滤波器元件的简单替换。

图7描绘了针对根据本发明的用于校准光子探测器的方法的流程图。在这些步骤中并且在整个校准流程期间，机架通常不旋转。在步骤101中，吸收滤波器7被放置在光子源2与光子计数探测器3之间，其中，吸收滤波器至少包括吸收器材料，所述吸收器材料典型地具有与从光子源发射的光子的能量相对应的K边。在步骤102中，从源2朝向光子计数探测器3将光子射束8发射通过吸收滤波器。在医学成像或安全成像的情况下，这通常意味着光子源被开启。在例如光子探测器的情况下(例如相机或天文学设备)，光子源可能已经在发射光子，但是该步骤可以被解读为允许光子达到探测器(例如通过将探测器放置在特定的位置中、打开遮光器或将射束导向探测器)。步骤102覆盖全部这两种情形。在步骤103中，吸收滤波器被横向地移动通过所发射的光子射束8。同步地，在步骤104中，经滤波的光子射束8被光子计数探测器8探测到。在步骤105中，针对光子计数探测器3的每个探测器像素31确定诸如响应函数的光子探测特性。也可以在确定了针对每个探测器像素31的响应函数之后利用替换先前的吸收滤波器的另外的吸收滤波器来按顺序101’、101”……来完成所述方法。

尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims

1.一种用于校准光子计数探测器(3)的方法，包括以下步骤：

-将吸收滤波器(7)放置(101)在光子源(2)与所述光子计数探测器之间；

-从所述源朝向所述光子计数探测器将光子射束发射(102)通过所述吸收滤波器；

-将所述吸收滤波器横向地移动(103)通过所发射的光子射束；并且

-利用所述光子计数探测器来探测(104)经滤波的光子射束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光子计数探测器包括探测器像素(31)，并且所述方法还包括以下步骤：表征(105)针对所述光子计数探测器的每个探测器像素的像素光子探测属性。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，像素光子探测属性被表征为像素响应函数。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述光子射束是锥形射束。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述吸收滤波器被线性地移动通过所述光子射束。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述吸收滤波器被围绕轴旋转地移动通过所述光子射束。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述吸收滤波器被沿椭圆形路径移动通过所述光子射束。

8.根据权利要求2-8中的任一项所述的方法，其中，所述方法在确定了针对每个探测器像素的像素光子探测属性之后利用替换所述吸收滤波器的另外的吸收滤波器而被重复。

9.一种用于校准光子探测器的吸收滤波器组件，包括吸收滤波器(7)和用于将所述吸收滤波器平移通过光子射束(8)的平移器件，其中，所述吸收滤波器包括具有与所述光子射束中的光子的能量相对应的K边的吸收材料。

10.根据权利要求9所述的吸收滤波器组件，被配置为沿着各种轨迹而被移动通过所述光子射束(8)。

11.根据权利要求9至10中的任一项所述的吸收滤波器组件，还包括用于支撑至少一个吸收滤波器的吸收滤波器支撑物(9)。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的吸收滤波器组件，其中，所述吸收材料包括高原子序数材料和/或稀土金属。

13.根据权利要求9至12所述的吸收滤波器组件，其中，所述吸收材料在30keV与140keV之间的能量范围中进行吸收，更优选地在30keV与70keV之间的能量范围中进行吸收，并且最优选地在39keV与63keV之间的能量范围中进行吸收。

14.一种成像装置(1)，包括：

-光子计数探测器(3)，其被布置为探测从光子源(2)发射的光子；以及

-根据权利要求10至13中的任一项所述的吸收滤波器组件(7)，所述吸收滤波器组件被布置在所述光子源与所述光子计数探测器之间。

15.根据权利要求14所述的成像装置，其中，所述光子计数探测器包括探测器像素(31)，并且所述成像装置还包括用于确定针对每个个体探测器像素的像素光子探测器属性的像素光子探测属性确定器，优选地包括用于确定针对每个个体探测器像素的响应函数的响应函数确定器。