CN107843349A - 用于光子的空间分辨测量的设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于光子的空间分辨测量的设备。本发明提出了一种用于光子、特别是X射线光子的空间分辨测量的设备，该设备包括第一多个光电转换器、第二多个电流测量装置和第三多个电压调节器，其中每个电流测量装置被电连接到至少一个光电转换器，其中每个电压调节器被电连接到至少一个电流测量装置，并且其中每个光电转换器被配置为从入射光子生成光电流。规定每个电压调节器能够被连接到一个供电杆，该供电杆被配置为提供电源电压，其中该电压调节器被配置为将电源电压向下转换到一个电流测量装置的操作电压，并且其中每个电流测量装置被配置为：当光电流在电连接到相应的电流测量装置的一个光电转换器中被生成时，在操作电压下测量该光电流。

Description

用于光子的空间分辨测量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于光子、特别是X射线光子的空间分辨测量的设备，该设备包括：第一多个光电转换器和第二多个电流测量装置，其中每个电流测量装置被电连接到至少一个光电转换器，其中每个光电转换器被配置为从入射光子生成光电流，并且其中每个电流测量装置被配置为：当光电流在电连接到相应的电流测量装置的一个光电转换器中被生成时，在操作电压下测量光电流。
背景技术
在计算机断层扫描机(CT)中，在各种个体图像记录中测量由患者待检查的身体区域吸收和/或散射的X射线的强度，并且随后从这些个体图像记录产生该待检查的身体区域的三维体积模型。为了记录这些个体图像，在CT中为此而使用的一个X射线检测器在大多数情况下具有多个检测器元件，这些检测器元件生成一条记录中的各个图像像素。
由于待检测X射线光子的相对较高能量、待实现的高分辨率要求以及特别是与CT中的紧凑设计有关的特定结构方面，所以为了检测目的，这些个体高能量X射线光子借助于闪烁体、通过碰撞而分别被转换成许多较低能量光子，此时由于能量较低，在上述限制的范围内可以更容易地进行空间分辨检测。为此，这些较低能量光子借助于光电二极管而被检测，并且在各个检测器像素中生成的光电流分别由一个电流测量装置(例如，一个ASIC)来测量。
为了测量在光电二极管像素中生成的、在大多数情况下相对小的电流，这种类型的ASIC通常需要一个或多个电源电压，这导致在操作期间，由于光电流的测量，在整个检测器上具有不利地、高的总功耗。此外，期望的是尽可能稳定的直流电压充当电源电压，因此，由于CT的特性，在调节电源电压时对出现的交变电压分量进行滤波是复杂的。因此，典型的过程涉及：借助于一个用于电压调节的单元中的一个或多个直流电压转换器，从高电源电压近似地提供这些ASIC的期望操作电压；同时在该单元中借助于对应的滤波器，抑制输出侧上的交变电压分量。各个ASIC分别由该单元来供应电压，其中该电压可以分别通过线性稳压器而被调节到一个ASIC的正确操作电压。
为此，由于这些ASIC的电流负载，该单元的输出电压必须借助于一个大容量电缆而分别被引导到这些线性稳压器。已知解决方案的功率损耗也很高。
发明内容
因此，本发明的根本目的是详细说明一种用于光子的空间分辨测量的设备，其允许尽可能紧凑的设计，并且在操作期间具有尽可能简单和稳定的电压供应以及低功率损耗。
根据本发明，通过一种用于光子、特别是X射线光子的空间分辨测量的设备来实现该目的，该设备包括：第一多个光电转换器，第二多个电流测量装置，第三多个电压调节器，其中每个电流测量装置被电连接到至少一个光电转换器，其中每个电压调节器被电连接到至少一个电流测量装置，其中每个光电转换器被配置为从入射光子生成光电流，其中每个电压调节器能够被连接到一个供电杆，该供电杆被配置为提供电源电压，并且其中该电压调节器被配置为将电源电压向下转换到一个电流测量装置的操作电压，并且其中每个电流测量装置被配置为：当光电流在电连接到相应的电流测量装置的一个光电转换器中被生成时，在操作电压下测量该光电流。有利的且部分地单独考虑的多个发明实施例是从属权利要求和以下描述的主题。
在此，电连接包括如下连接：该连接使得电流能够经由该连接从一个部分流动到另一部分，和/或使得电压能够经由该连接从一个部分传输到另一部分。优选地，多个电压调节器分别包括一个对应端子，用于以电源电压来进行电压供应。
优选地，第一多个光电转换器被布置在一个表面件的封盖中，特别是在一个光栅或一个光栅结构中。优选地，由直流电压提供电源电压。一个电流测量装置的操作电压被理解为是指如下电压：该电压被施加到该电流测量装置，使得该电流测量装置在存在输入电流的情况下可靠地生成对应测量结果。优选地，电流测量装置的这种操作电压由直流电压提供。
这里，优选地以如下方式使用用于向多个电流测量装置供应其操作电压的多个电压调节器，使得一个电压调节器仅向一个个体电流测量装置或一个小组的电流测量装置供应它的/它们的操作电压。以这种方式，可以不再需要对用于向多个电流测量装置供应电压的中央单元，在用于光子的空间分辨测量的许多更高级应用中，这在空间要求方面具有有利的效果。
此外，更高级应用的供电杆此时不需要被配置为承受大电流，并且因此可以通过更合算的电缆来实现。特别地，各个电压调节器也不需要被配置用于较高功率，这是因为相对于第二多个电流测量装置的总数目而言，仅有较少数目的电流测量装置被分别供应有电压。特别地，一个电压调节器的各个部件例如可以由一个降压转换器和/或一个线性稳压器来提供，因此可以以紧凑方式在对应的功率等级中构建这些部件，该对应的功率等级可用于对用于测量光电流的一个电流测量装置的电压供应，使得一方面这些部件在其空间方面的要求几乎变为可忽略；另一方面，用于电压供应的中央单元原本将被配置用于高功率并且将需要多个对应部件，而通过消除对这种中央单元的需要，能够实现该多个电压调节器的低附加成本。
该设备优选地包括至少一个闪烁体，该至少一个闪烁体关于一个优选方向被布置在这些光电转换器的上游，该优选方向在该设备的操作期间对应于待测量的光子的入射方向。在这种情况下，该闪烁体优选地覆盖所有光电转换器，使得来自该入射方向的光子全部被该闪烁体吸收。在一个闪烁体中，多个高能量光子通过碰撞激发该闪烁体材料的多个原子和/或多个分子，其中激发能量通过多个较低能量光子而被再次发射。与所吸收的多个高能量光子的总能量相比，由该闪烁体吸收的能量优选是可忽略的，使得多个较低能量光子分别通过激发而由一个高能量光子生成。特别地，该设备通过该闪烁体而被配置以用于X射线光子的空间分辨测量。
这些光电转换器分别有利地由光电二极管提供。光电二极管通常具有如下区域，在该区域中针对入射光的强度并因此针对入射光子的数量，该强度在很大程度上与所生成的光电流成比例。通过对应地设置所使用的各个光电二极管的尺寸，并且通过对应地对入射光的强度进行计量，这些光电二极管可以在基本上所有典型操作情况下操作在线性范围中，使得不仅进行入射光子的空间分辨测量，而且还可以通过光电流得出关于由光电二极管表示的每个像素中的光子数目或入射光强度的结论。
这些电流测量装置中的每个电流测量装置分别有利地由对应配置的一个ASIC提供。ASIC是一种专用集成电路，ASIC的布局已针对一个特定应用进行了优化。以这种方式，可以避免必须被单独控制的多个个体部件，例如，原本针对多种功能而提供的多个处理器等。因此实际上，与具有可比的基本计算能力的电路相比，ASIC关于可能的可执行操作具有一个大幅减少的周期；然而，由于集成的功能和设计，空间和能量需求以及废热的生成都明显更低。因此，当ASIC被用作电流测量装置时，一方面，可以实现光电转换器的特别紧凑的设计，并因此实现高图像分辨率。另一方面，由于较低的废热，可以更好地防止电流测量装置对光电转换器特性的温度相关变化的影响。
此外，已经证明：如果电压调节器可以通过供电杆而彼此并联连接，将是有利的。通过这种方式，特别易于以稳定方式将相同的输入电压施加到所有电压调节器，并且一个个体电压调节器的电压调节中的误差对其他电压调节器没有影响或仅有可忽略的影响。
在本发明的一个有利实施例中，一个电压调节器包括一个第一降压转换器，该第一降压转换器被配置为：将电源电压预转换为比电流测量装置的操作电压最多高0.5V的一个值(优选为最多高300mV的一个值)。优选地，所有电压调节器分别包括一个第一降压转换器，并且特别地，所有电压调节器均具有相同构造。特别地，一个电流测量装置的操作电压包括如下电压：电流测量装置必须以该电压来操作，以便使能在该装置的期望操作内的有用测量结果，并且因此使能对光子的充分测量。
由于降压转换器通过脉冲占空因数而被配置为在其输出处提供相对于输入电压的恒定输出电压，所以降压转换器显著降低了电源电压中的可能电压波动，并且由电源电压此时提供的输入电压中的波动因此得以抑制。如果需要，继而可以进一步通过微调再行稳定经历了绝对减小的电压波动。
此外，已经证明有利的是：电压调节器具有线性稳压器，该线性稳压器被配置为将输入电压向下转换为电流测量装置的操作电压，和/或将输入电压稳定在电流测量装置的操作电压。在此，所得到的电压优选是该电压调节器的输出电压。特别地，所有电压调节器分别具有一个线性稳压器，并且所有电压调节器优选地具有彼此相同的构造。优选地，该线性稳压器或每个线性稳压器被配置为：借助于辅助电压将输入电压向下转换到一个电流测量装置的操作电压，或者将输入电压稳定在该操作电压。
在一个电压调节器中，起初，电源电压特别优选地被预转换为比由该电压调节器供电的电流测量装置的操作电压最多高0.5V(优选地，至多高300mV)的一个值，然后通过线性稳压器而被稳定在该操作电压处。因此，可以首先通过降压转换器来抑制电源电压的较大波动，而线性稳压器则用于随后对操作电压进行微调。
在此，一个电压调节器有利地包括一个第二降压转换器，该第二降压转换器被配置为将电源电压向下转换到线性稳压器的辅助电压。在此，优选地，辅助电压大于该线性稳压器的输入电压。除了输入电压之外，线性稳压器为了调节目的还利用附加辅助电压(大于该输入电压)来操作，这种线性稳压器使能具有低电压偏移的操作，由此可以节省功率损耗。
本发明还提出了一种X射线检测器和一种CT，该X射线检测器包括一个如上文所描述的装置，该CT具有至少一个这样的X射线检测器。针对该装置及其实施例而提出的多个优点可以类似地应用于该X射线检测器和该CT。特别是在CT中，由于旋转组件的技术特性，核心问题之一是在可用空间有限的情况下，实现对X射线光子的尽可能有效的空间分辨测量，这种测量应当具有低功率损失和稳定的电压供应。
附图说明
下文参考附图来更详细地解释本发明的一个示例性实施例。在这里，分别示意性地示出了：
图1：具有一个X射线检测器的一个CT的一个横截面图，以及
图2：一个根据图1的X射线检测器的一个框图。
在所有附图中，彼此对应的部件和变量被提供有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中，以一个横截面图示意性地示出了一个CT 1，其具有一个保持框架2和一个旋转组件4，该旋转组件4相对于该保持框架2围绕一个轴线6而被可旋转地安装，该轴线6与图像平面成直角。一个能量传输单元8被用于将功率从一个电源10传输到旋转组件4上的多个耗电部件(尚待描述)，该电源10被布置在保持框架2上。
除其他外，一个X射线源12、一个供电杆14和一个电子单元16由能量传输单元8来供应电压，该能量传输单元8传输高的交变电压。为此，在该能量传输单元8中，高的交变电压已经在一个对应的整流器模块18中被整流。因此，到X射线源12、供电杆14和电子单元16的各个电压再次被转换为相应的预期值。为了简单起见，未示出对另外多个部件的供电。就供电杆14而言，其在多个并联支路中以一种有待描述的方式被连接到一个用于光子空间分辨测量的装置，在这里由一个X射线检测器20来提供该装置。
在操作期间，一个患者的身体22沿着轴线6被定位在CT 1中，该患者的身体22被X射线源12中生成的X射线24而照射。该X射线24穿透该患者的身体22，特别是穿透待成像的特定身体区域，而在此该X射线24被穿透的组织不同程度地吸收。然后，由X射线检测器20以一种空间分辨的方式来测量剩余的X射线24的强度，并且测量结果被输出到电子单元16，以用于进一步处理和数据传输。
由于X射线源12与旋转组件4上的其他耗电部件相比具有极高的功率消耗，所以该X射线源12中的电压波动可以显现为这些其他耗电部件中不期望的交变电压分量。特别地，这对于持续稳定的检测是存在问题的，特别是对于通过供电杆14而被供应电压的X射线检测器20而言存在问题，因此电压必须被稳定。
在图2中，以一个框图示意性地示出了一种用于X射线光子24'的空间分辨测量的设备，并且在这里由一个根据图1的X射线检测器20来提供该设备。为了简单起见，在这里未示出该X射线检测器20在空间上的弯曲。该X射线检测器20具有第一多个光电转换器，这些第一多个光电转换器在本示例性实施例中均由光电二极管26提供。这些光电二极管26中的每个光电二极管26分别被单独电连接到一个电流测量装置，该电流测量装置用于测量由于光的入射而生成的光电流，其中这些电流测量装置在此均以ASIC 28的形式存在。
这些个体ASIC 28均成组地精确连接到多个电压调节器30中的一个电压调节器30，使得在该X射线检测器20的操作期间，每个电压调节器30向一小组ASIC 28供应其相应的操作电压。就多个电压调节器30而言，这些电压调节器30各自具有端子32，在这些端子32处，每个个体电压调节器30全部彼此并联地连接到供电杆14，通过该供电杆14，这些电压调节器30分别获得它们的电源电压Vin。一个闪烁体33在光束方向上被布置在这些光电二极管26的上游。该闪烁体33从少量的入射X射线光子24'生成多个较低能量光子，此时，这些较低能量光子由这些光电二极管26以一种空间分辨的方式来检测。
这些电压调节器30具有彼此相同的构造，针对一个电压调节器30'示意性地示出了这些电压调节器30的内部设计。该端子32与一个第一降压转换器34和一个第二降压转换器36并联连接。在本实例中，通过供电杆14而被提供的电源电压Vin(接地，未单独示出)在操作期间具有12V的值。该第一降压转换器34将电源电压Vin预转换为一个线性稳压器38的输入电压Vmid，在稳定的电源电压Vin的情况下，输入电压Vmid的值等于约3.6V。该第二降压转换器36将电源电压Vin转换为约5V的辅助电压Vaux。
此时，输入电压Vmid通过线性稳压器38借助于辅助电压Vaux而被向下转换到约3.3V的输出值Vop，并且还被稳定在该值处。在此，所引用的Vop值是各个ASIC 28的预期操作电压，各组ASIC 28分别与一个电压调节单元30的一个输出40并联连接，并且因此被供应有3.3V的稳定操作电压。当一个X射线光子24'撞击闪烁体33时，该闪烁体33生成多个低能量光子42，这些低能量光子42在一个特定光电二极管26'中生成与入射辐射的强度成比例的光电流Iph。该光电流Iph继而在连接到该光电二极管26'的ASIC 28'中被测量。为此，由电压调节器30'向该ASIC供应其操作电压Vop。
在X射线源12的消耗中，短暂输出峰值可能引起电源电压Vin的波动，由此该波动例如可以首先在相应电压调节器30中通过第一降压转换器34而被显著降低，然后被线性稳压器38抑制到对这些ASIC 28的操作无关紧要的程度。ASIC的稳定操作电压Vop可以确保：所测量的光电二极管26的光电流Iph相对于入射X射线束24的强度还随时间具有固定比例。
此外，多个分散化的本地电压调节器30分别仅向各个ASIC 28或多个小组ASIC 28供应操作电压Vop，使用这些分散化的本地电压调节器30具有以下优点：一方面，消除了对用于针对所有ASIC进行电压调节的中央单元的需要，由此在旋转组件中可以节省大量空间。考虑到较小尺寸的部件具有低功耗，这些电压调节器30、30'的各个部件(特别是降压转换器34、36)可以被选择为具有非常小的尺寸。此外，由于随电流而波动的电压降受到这些降压转换器34、36的良好控制，所以无需将设计用于承载大电流的重电缆从用于电压供应的中央单元引导到各个ASIC。
虽然已经通过优选的示例性实施例，较详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受该示例性实施例的限制。在不脱离本发明的保护范围的情况下，本领域技术人员可以从其中得出其他变化。

Claims (10)

1.一种用于光子(24')的空间分辨测量的设备(20)，所述光子(24')特别是X射线光子，所述设备(20)包括：
-第一多个光电转换器(26、26')，
-第二多个电流测量装置(28、28')，
-第三多个电压调节器(30、30')，
其中每个电流测量装置(28、28')被电连接到至少一个光电转换器(26、26')，
其中每个电压调节器(30、30')被电连接到至少一个电流测量装置(28、28')，
其中每个光电转换器(26、26')被配置为从一个入射光子(24')生成光电流(Iph)，
其中每个电压调节器(30、30')能够被连接到一个供电杆(14)，所述供电杆(14)被配置为提供电源电压(Vin)，并且其中所述电压调节器(30、30')被配置为将所述电源电压(Vin)向下转换到一个电流测量装置(28、28')的操作电压(Vop)，并且
其中每个电流测量装置(28、28')被配置为：当光电流(Iph)在电连接到相应的所述电流测量装置(28、28')的一个光电转换器(26、26')中被生成时，在操作电压(Vop)下测量光电流(Iph)。
2.根据权利要求1所述的设备(20)，还包括：
-至少一个闪烁体(33)，所述至少一个闪烁体(33)关于一个优选方向被布置在所述多个光电转换器(26、26')的上游，所述优选方向在所述设备(20)的操作期间对应于待测量的光子(24')的一个入射方向。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备(20)，
其中所述多个光电转换器(26、26')均由光电二极管提供。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(20)，
其中所述多个电流测量装置(28、28')中的每个电流测量装置(28、28')分别由对应配置的一个ASIC提供。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(20)，
其中所述多个电压调节器(30、30')能够彼此并联地被连接到所述供电杆(14)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(20)，
其中一个电压调节器(30、30')包括一个第一降压转换器(34)，所述第一降压转换器(34)被配置为将所述电源电压(Vin)预转换到比一个电流测量装置(28、28')的所述操作电压(Vop)最多高0.5V的一个值。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(20)，
其中一个电压调节器(30、30')具有一个线性稳压器(38)，所述线性稳压器(38)被配置为：将输入电压(Vmid)向下转换到一个电流测量装置(30、30')的所述操作电压(Vop)，和/或将输入电压(Vmid)稳定在一个电流测量装置(30、30')的所述操作电压(Vop)处。
8.根据权利要求7所述的设备(20)，
其中一个电压调节器(30、30')包括一个第二降压转换器(36)，所述第二降压转换器(36)被配置为将所述电源电压(Vin)向下转换到所述线性稳压器(38)的辅助电压(Vaux)。
9.一种X射线检测器(20)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的设备。
10.一种计算机断层扫描机(1)，具有至少一个根据权利要求9所述的X射线检测器(20)。
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