CN107923983A - 具有改进的空间准确度的成像探测器 - Google Patents

具有改进的空间准确度的成像探测器 Download PDF

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Abstract

一种成像系统(100)的探测器阵列(112)，包括：辐射敏感探测器(202/204/206)，其被配置为探测辐射并且生成指示其的信号；以及与辐射敏感探测器电通信的电子器件(208)。所述电子器件包括电流‑频率转换器(300)，所述电流‑频率转换器被配置为将所述信号转换成具有指示在积分时段期间收集的电荷的频率的脉冲串。所述电子器件还包括电耦合到电流‑频率转换器的剩余电荷收集电路(322)。剩余电荷收集电路被配置为利用已经在电流‑频率转换器电子器件中的电子器件中的很多来存储针对不会产生脉冲串的脉冲的积分时段的结束部分由积分器所收集的电荷。

Description

具有改进的空间准确度的成像探测器
技术领域
以下总体上涉及具有改进的空间准确度的计算机断层摄影(CT)成像系统辐射敏感探测器。
背景技术
CT扫描器包括被安装在可旋转机架上的X射线管，所述可旋转机架关于纵轴或z轴围绕检查区域旋转。探测器阵列对着检查区域与X射线管相对形成一角弧。探测器阵列探测穿过检查区域和其中的对象或客体的辐射，并且生成指示其的信号。探测器阵列通常包括光学地耦合到光传感器阵列的闪烁体阵列，所述光传感器阵列电耦合到处理电子器件。闪烁体阵列生成指示撞击在其上的辐射的光，光传感器阵列生成指示光的电信号，并且处理电子器件包括模数(A/D)转换器，所述模数转换器基于电信号产生指示探测到的辐射的数字数据。数字数据被处理以生成信号，所述信号被重建以根据其生成体积图像数据和一幅或多幅图像。
CT扫描器利用电流频率(I/F)转换器作为A/D转换器。然而，该转换器在低信号、低剂量成像流程中在空间准确度中被限制。通过范例，图8示出了图示作为积分时段(“IP”)的函数的I/F转换器的输出脉冲(“OP”)的图。在该图中，T1表示积分时段的开始。在T2、T3、...TL处生成第一、第二、...L脉冲。TM表示积分时段的结束和下一积分时段的开始。在该范例中，下一脉冲在TN处生成，其出现于下一积分时段中。区域802表示与下一积分时段交叠的第一积分时段的电荷。数据已被重新对准以补偿这一点，这改进了信噪比，但是其也创建数据在时间中的偏移，这降低了空间准确度。遗憾的是，克服空间偏移的方法需要电路面积、成本和功率要求的增加。
发明内容
本申请的各个方面解决了上述问题和其他问题。
根据一个方面，成像系统的探测器阵列包括：辐射敏感探测器，其被配置为探测辐射并且生成指示其的信号；以及与辐射敏感探测器电通信的电子器件。所述电子器件包括电流-频率转换器，所述电流-频率转换器被配置为将所述信号转换成具有指示在积分时段期间收集的电荷的频率的脉冲串。电子器件还包括电耦合到电流-频率转换器的剩余电荷收集电路。剩余电荷收集电路被配置为存储针对积分时段的不产生脉冲串的脉冲的结束部分由积分器所收集的电荷。
在另一方面中，一种方法，接收指示积分时段开始的第一信号，并且利用电流频率转换器生成具有指示在积分时段期间的输入电荷的脉冲频率的脉冲串。该方法还包括接收指示积分时段结束的第二信号。该方法还包括针对积分时段存储从脉冲串的最后的脉冲到积分时段的结束的剩余电荷。
在另一方面中，一种成像系统包括被配置为发射辐射的辐射源和被配置为探测发射的辐射并产生指示其的信号的探测器阵列。探测器阵列包括电流-频率转换器，所述电流-频率转换器被配置为将信号转换成具有指示在积分时段期间收集的电荷的频率的脉冲串。探测器阵列还包括电耦合到电流-频率转换器的剩余电荷收集电路。剩余电荷收集电路被配置为存储针对从由电流-频率转换器生成的最后的脉冲到积分时段的结束的积分时段由电流-频率转换器所收集的电荷。
在阅读和理解了以下详细描述后，本领域普通技术人员将认识到本发明的另外的方面。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤安排的形式。附图仅是出于图示优选实施例的目的，而不应被解释为对本发明的限制。
图1示意性地图示了具有带多个探测器模块的探测器阵列的范例成像系统，每个探测器模块包括多个探测器片块。
图2示意性地图示了具有X射线光子探测部分和处理电子器件的探测器片块的范例。
图3示意性地图示了包括I/F转换器和剩余电荷收集电路的电子器件的范例。
图4示意性地图示了被配置为提供积分电容器、复位电容器和剩余电荷电容器的电容器的范例组。
图5示意性地图示了被配置为提供积分电容器、复位电容器和剩余电荷电容器的电容器的组的另一范例。
图6示意性地图示了用于连接图4和图5的组的电容器以提供积分电容器、复位电容器和剩余电荷电容器的范例方法。
图7图示了根据本文描述的实施例的范例方法。
图8图示了示出作为积分时段的函数的电流频率转换器的脉冲输出的范例图。
具体实施方式
图1图示了诸如计算机断层摄影(CT)扫描器的成像系统100。成像系统100包括大致固定的机架102和旋转机架104。旋转机架104由固定机架102可旋转地支撑，并且关于纵轴或z轴围绕检查区域106旋转。诸如X射线管的辐射源108由旋转机架104支撑，并且发射穿过检查区域106的辐射。
辐射敏感探测器阵列112跨检查区域106与辐射源108相对围成一角弧，并探测穿过检查区域106的辐射。在所图示的实施例中，辐射敏感探测器阵列112包括多个探测器模块114，每个沿着z轴方向延伸。在一个实例中，探测器阵列112基本上类似于和/或基于2001年7月18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中描述的探测器阵列，通过引用将其整体并入本文。其他配置也在本文中考虑。
探测器模块114包括沿着z轴方向延伸的多个探测器片块116。简要转到图2，图示了沿着图1的线A-A的探测器片块116的截面视图。片块116包括光学地耦合到像素206的阵列204的闪烁体阵列202，阵列204通过基板210电耦合到电子器件208。电导体212(例如，引脚等)用于功率、I/O等。在变型中，基板210被省略。在以下文献中描述了范例：Luhta等人的“A New 2D-Tiled Detector for Multislice CT”(Medical Imaging 2006：Physics ofMedical Imaging，第6142卷、第275-286页(2006))；以及于2007年3月8日递交的题为“Radiation Detector Array”的US 8710448B2，通过引用将其整体并入本文。
如下面更详细描述的，电子器件208的已经存在部件通过额外的开关重新配置，以实施基于自包含(self-contained)剩余电荷开关电容器的转换器，所述转换器提供剩余电荷802(图8)的准确测量结果，所述剩余电荷可以添加到由I/F转换器的输出指示的电荷，以确定针对积分时段的总电荷。该方法缓解了电子器件208的面积、成本和功率要求的增加，同时允许数据收集与每个积分时段的结束一致地结束，从而消除了与重新对准与后续积分时段交叠的脉冲相关联的空间偏移。该方法非常适合具有快速KV(网格切换)和/或放大这种空间偏移的其他属性的X射线管。
返回到图1，重建器118重建来自探测器阵列112的信号并且生成指示其的体积图像数据。还可以处理体积图像数据以生成对象或客体的被扫描的部分的一幅或幅个图像。计算系统充当操作者控制台120。驻留在控制台120上的软件允许操作者控制系统100的操作。诸如卧榻的患者支撑体122将诸如人类患者的客体或对象支撑在检查区域106中。
图3示意性地图示了用于像素206的电子器件208的至少子部分的范例。模数(A/D)转换器300包括积分器302(放大器304和积分电容器(Cint)306)和比较器310。积分器302被配置为在每个积分时段期间对来自像素206的电荷(I二极管_In)(以及偏置电流，如果采用的话)进行积分。比较器310将放大器304的输出与预定阈值(Vth)进行比较，并且当输出上升到Vth以上时生成诸如脉冲的指示其的信号。
数据收集开关312在积分电容器(Cint)306的复位期间将A/D转换器300与像素206断开和从像素206断开。复位电路314(复位电容器(Crst)316和复位开关318和320)被配置为在每个积分时段期间响应于由比较器310对脉冲的生成而对积分器302进行复位。剩余电荷收集电路322(剩余电荷电容器(Cres)324和剩余电荷开关334)被配置为存储由积分电容器306从在积分时段中生成的最后的脉冲到积分时段的结束所收集的电荷。开关334短暂地闭合，并且一旦剩余电荷的比率被转移到剩余电荷电容器(Cres)324，开关334被切断，然后通过将积分电容器(Cint)306连接到复位电容器(Crst)316经由复位开关318和320以及输入断开开关312的操作而将积分电容器(Cint)306复位，以开始下一积分时段。
在图示的范例中，A/D转换器300被实施为电流频率(I/F)转换器，其中，其生成具有指示输入电荷(I二极管_In)的脉冲频率的脉冲串。还在2001年11月7日递交的题为“DataAcquisition for Computed Tomography”的美国专利6671345B2中描述了I/F转换器的范例，通过引用将其整体并入本文。在1975年11月28日递交的题为“Data Acquisition forComputed Tomography”的美国专利4052620中描述了其它合适的电子器件，通过引用将其整体并入本文。
逻辑330基于比较器310的输出、时钟(“CLK”)和定时电路332的输出来控制数据收集开关312以及复位开关318和320，定时电路332基于指示积分时段的结束/开始的编码器脉冲来确定定时。通常，开关电容器转换器338的在比通道样本更高的速率处的计时允许在积分时段的结束处快速转换剩余电荷平衡，使得剩余电荷转换在空间采样时段内结束。
转移到剩余电容器(Cres)324的电荷值经由开关336连接到开关电容器转换器338，并以非常高的转换时钟速率转换。开关电容器转换器338可以利用其自己的比较器和电容器的组(如图所示)来实施，或者可以被足够快地(例如，更高10-30倍)计时以将通道中的已经存在电路(如比较器310)用于其功能。如果这样使用，则额外的开关会将比较器310配置为在逻辑330的控制下执行转换，其将在正常操作中的复位脉冲的相同时间期间完成。也可以意识到，如果由于非常快速地对比较器310计时而使得从断开的输入损失的电荷量很小，则可以消除剩余电容器(Cres)324，并且可以使用已经存在的比较器310直接测量积分电容器(Cint)306上的剩余电荷。
在该范例中，逻辑330还被配置为在积分时段期间对来自比较器310的脉冲的数量进行计数，并且确定从积分时段的第一脉冲到积分时段的最后的脉冲的时间。根据该数据，逻辑330通过将脉冲的数量除以脉冲之间的时间来生成频率信号，其指示收集的电荷。该频率数据与由剩余电荷收集电路322存储的剩余电荷值组合。逻辑330还发布与积分时段的结束一致的复位信号，以确保积分电容器Cint 306上的电荷被复位为如同完整的脉冲已经被测量的相同值。由于复位电容器Crst 316上的电压可从已经存在的可设置的电压参考中选择，因此开关电容器转换器338的阈值电压同样可设置而无需额外的电路。逻辑330处理结果以确定以信号(例如，以16位字)输出的衰减值。
图4和图5示意性地图示了被配置为提供Cint 306和Crst 316以及Cres 324的电容器404的组402。在图4中，不同电容器404的不同子集并联电连接以分别提供Cint 306、Crst 316和Cres 324。在图4中，使用组402的全部电容器404。图5示出了其中并非需要组402的全部电容器404来提供Cint 306和Crst 316以及Cres 324的变型。用于提供Cint 306和Crst 316和Cres324的电容器404的其它组合也在本文中被预期。
图6示意性地示出了电容器404能够如何连接在一起。在图6中，组的电容器404中的每个与至少一个开关602相关联。图示的范例中的开关602用于将组402的电容器404并联电连接，以创建具有针对Cint 306和Crst 316和Cres 324的特定电容值的Cint 306和Crst 316和Cres 324。开关602可被配置为选择到的电容Cint 306、Crst 316和Cres 324的任何组的任何连接。
在用于Cint 306和Crst 316的组402已经包括也用于实施Cres 324的足够的未使用的电容器404的情况下，仅添加开关334、定时电路332、通过逻辑330的控制以及通过逻辑330对剩余电荷的处理以实施Cres 324。在另一实例中，在组402包括用于Cint 306和Crst 316的足够的电容器404但不包括用于Cres 324的足够的电容器的情况下，将一个或多个电容器添加到组402从而也实施Cres 324。
本文描述的电子器件208可以通过添加开关334，重新配置电容器组402并且添加定时电路332经由CMOS和/或其他制造工艺来实施。
图7图示了根据本文描述的实施例的范例方法。
在702处，接收指示第一积分时段的开始的第一信号。
在704处，通过电流频率转换器300针对积分时段生成具有指示输入电荷的脉冲频率的脉冲串。
在706处，接收指示积分时段结束的第二信号。
在708处，存储针对积分时段的结束由电流频率转换器300收集的剩余电荷。
在710处，使用脉冲串和剩余电荷被来确定针对积分时段的总电荷。
在712处，总电荷被处理以确定衰减值。
在714处，衰减值被传达到重建器118。
在716处，重建针对多个积分时段的衰减值以生成体积图像数据。
本文已经参考各种实施例描述了本发明。其他人在阅读本文的描述后可能会想到修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要其落入权利要求或其等价方案的范围内。

Claims (20)

1.一种成像系统(100)的探测器阵列(112)，包括：
辐射敏感探测器(202/204/206)，其被配置为探测辐射并且生成指示所述辐射的信号；以及
电子器件(208)，其与所述辐射敏感探测器电通信，其中，所述电子器件包括：
电流-频率转换器(300)，其被配置为将所述信号转换成具有指示积分时段期间收集的电荷的频率的脉冲串；以及
剩余电荷收集电路(322)，其电耦合到电流-频率转换器，其中，所述剩余电荷收集电路被配置为存储针对不产生所述脉冲串的脉冲的所述积分时段的结束部分由所述积分器收集的电荷。
2.根据权利要求1所述的探测器阵列，还包括：
逻辑(330)，其被配置为将由所述脉冲串指示的电荷与由所述剩余电荷收集电路存储的剩余电荷组合以生成针对所述积分时段的总电荷，并且生成指示所述总电荷的输出信号。
3.根据权利要求2所述的探测器阵列，其中，所述电流-频率转换器包括：
积分器(302)，其包括放大器(304)和积分电容器(Cint，306)，其中，所述积分器被配置为在所述积分时段期间对来自所述辐射敏感探测器的像素(206)的输入电荷进行积分；以及
比较器(310)，其被配置为将所述放大器的输出与预定阈值进行比较，并且响应于所述输出满足所述预定阈值而生成脉冲，其中，所述比较器的输出生成所述脉冲串。
4.根据权利要求3所述的探测器阵列，还包括：
复位电路(314)，其被配置为响应于由所述比较器对所述脉冲串的脉冲的所述生成而在每个积分时段期间将所述积分器复位。
5.根据权利要求4所述的探测器阵列，其中，所述复位电路包括：
复位电容器(Crst，316)；以及
至少两个开关(318和320)，
其中，所述复位电容器在复位期间通过第一开关电连接到所述积分电容器并且通过第二开关电连接到电接地。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述剩余电荷收集电路包括：
剩余电荷电容器(Cres，324)，
其中，所述剩余电荷电容器通过开关(334)并联电连接在所述积分电容器两端。
7.根据权利要求6所述的探测器阵列，还包括：
逻辑(330)，其被配置为响应于积分信号脉冲的结束而闭合所述至少两个开关，以存储由所述积分电容器收集的所述剩余电荷。
8.根据权利要求7所述的探测器阵列，其中，所述逻辑还被配置为响应于在所述积分时段期间接收到由所述比较器生成的脉冲而激活所述复位电路以将所述积分器复位。
9.根据权利要求7至8中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述逻辑还被配置为针对所述积分时段闭合数据收集开关(312)以将所述辐射敏感探测器和所述电子器件电连接，并且在所述积分时段的结束处切断所述数据收集开关以将所述辐射敏感探测器和所述电子器件电学地断开。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的探测器阵列，还包括：
电容器(404)的单个组(402)，其中，所述电容器的第一子集包括所述积分电容器(306)，所述电容器的不同的第二子集包括所述复位电容器(316)，并且所述电容器的不同的第三子集包括所述剩余电荷电容器(324)。
11.根据权利要求10所述的探测器阵列，其中，所述积分电容器、所述复位电容器和所述剩余电荷电容器包括所述单个组的所述电容器的全部。
12.根据权利要求10所述的探测器阵列，其中，所述积分电容器、所述复位电容器和所述剩余电荷电容器仅包括所述单个组的所述电容器的子集。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述单个组包括：
用于每个电容器的至少一个开关(602)，其中，所述电容器的所述第一子集通过开关的对应的第一集合并联电连接，其中，所述电容器的所述第二子集通过开关的对应的第二集合并联电连接，并且其中，所述电容器的所述第三子集通过开关的对应的第三集合并联电连接。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的探测器阵列，其中，电容器的所述单个组被设置在所述电子器件的第一区域中并且与所述剩余电荷电容器以及不与所述剩余电荷电容器占据相同的区域。
15.一种方法，包括：
接收指示积分时段的开始的第一信号；
利用电流频率转换器来生成具有指示所述积分时段期间的输入电荷的脉冲频率的脉冲串；
接收指示所述积分时段的结束的第二信号；并且
针对所述积分时段存储从所述脉冲串的最后的脉冲到所述积分时段的结束的剩余电荷。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将由所述脉冲串指示的电荷与所述剩余电荷组合以生成针对所述积分时段的总电荷。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
处理所述总电荷以生成体积图像数据。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将所述剩余电荷存储在电容器组的电容器的子集中。
19.根据权利要求15至16中的任一项所述的方法，还包括：
接收指示所述积分时段结束的编码器信号；
响应于接收到所述编码器信号而生成定时信号；并且
响应所述定时信号而存储所述剩余电荷。
20.一种成像系统(100)，包括：
辐射源(108)，其被配置为发射辐射；
探测器阵列(112)，其被配置为探测发射的辐射并且生成指示所述发射的辐射的信号，其中，所述探测器阵列包括：
电流-频率转换器，其被配置为将所述信号转换成具有指示在积分时段期间收集的电荷的频率的脉冲串；以及
剩余电荷收集电路，其电耦合到电流-频率转换器，其中，所述剩余电荷收集电路被配置为存储针对从由所述电流-频率转换器生成的最后的脉冲到所述积分时段的结束的所述积分时段由所述电流-频率转换器收集的电荷。
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