CN110168407A - 在外围部分的具有低剂量效率的x射线探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种X射线探测器，它包括多个相邻的探测器模块，其被布置在具有中央部分和外围部分的构造中。X射线探测器被配置为在中央部分中具有较高的剂量效率，并且在外围部分中具有较低的剂量效率。

Description

在外围部分的具有低剂量效率的X射线探测器
技术领域
本发明所提出的技术总体上涉及X射线成像，更具体地涉及X射线探测器和X射线成像系统。
背景技术
在医学应用和非破坏性测试中已经使用了诸如X射线成像等射线照相成像技术。
通常，X射线成像系统包括X射线源和X射线探测器系统。X射线源发射X射线，其穿过待成像的对象或目标，然后通过X射线探测器系统进行配准。由于一些材料比其它材料吸收更大部分的X射线，所以对象或目标的图像由此形成。
以示例性的整体X射线成像系统的简要概述开始是非常有用的，参考图10。在这个非限制性实例中，X射线成像系统100基本上包括X射线源10、X射线探测器系统20和相关的图像处理装置30。总的来说，X射线探测器系统20是被配置成用于对来自X射线源10的射线进行配准，该X射线源10可能已经被可选的X射线光学系统聚焦，并穿过物体或对象或其部分。X射线探测器系统20可通过合适的模拟处理和读出电子器件(其可以集成在X射线探测器系统20中)连接到图像处理装置30，使得能通过图像处理装置30进行图像处理和/或图像重建。
在任何X射线探测器中，获得某一生产成本的最大剂量效率是非常重要的。作为示例，对于称为光子计数光谱的下一代X射线探测器，已经在美国专利第8,183,535号中提出了这样的一种X射线探测器，它使用硅作为探测器材料的边缘探测器。如果硅做得更深，X射线的吸收将增加，因此剂量效率会提高。然而，由于需要更多的硅，使得探测器更厚，所以也意味着探测器的制造将会更昂贵。这也是其它材料的一般问题，也是以及探测器实施的其它昂贵方面的一般问题。
因此，人们期望找到构建X射线探测器的有效方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括多个相邻探测器模块的X射线探测器。
本发明还提供一种X射线成像系统。
这些和其他目的是通过本发明的具体实施方式来实现的。
根据所提出的技术方案的第一个方面，本发明提供了一种X射线探测器，它包括多个相邻的探测器模块，其被布置在具有中央部分和外围部分的构造中，其中，该X射线探测器是被配置为在中央部分中具有较高的剂量效率，并且在外围部分中具有较低的剂量效率。
以这样的方式，可以提供一种高成本效率的模块化X射线探测器。
根据第二个方面，提供了一种包括这种X射线探测器的X射线成像系统。
当阅读详细的说明书时，将会知晓本发明的其它优点。
附图说明
具体实施例与它们的进一步的目的和优点相结合，通过参考下面的描述以及所附的附图，可以最好地理解本发明，在这些附图中：
图1是示出了在同一构造中的常规模块化X射线探测器的一个实施例的示意图。
图2是示出根据本发明的一个实施例所述的模块化X射线探测器的示例的示意图。
图3是示出根据本发明的另一个实施例所述的模块化X射线探测器的另一个示例的示意图。
图4是示出根据本发明的一个实施例所述的模块化X射线探测器的又一示例的示意图。
图5是示出根据本发明的一个实施例所述的模块化X射线探测器的又一示例的示意图。
图6-8是示出使用图1-4所示的X射线探测器模拟椭圆水模型的示例的示意图。
图9是示出用于计算机断层摄影采集的构造的一个实施例的示意图。
图10是示出了整体X射线成像系统的一个实施例的示意图。
图11是示出了根据一个示例性实施例所述的探测器模块的示例的示意图。
图12是示出根据一个实施例所述的计算机实施的示例的示意图。
图13是示出根据本发明的一个实施例所述的具有布置成总体上线性几何构造的探测器模块的模块化X射线探测器的示例的示意图。
具体实施方式
在图1中，探测器厚度在贯穿弯曲探测器上是均匀的，这是现有技术CT探测器的通常情况。这里假设探测器是基于多个相邻的探测器模块或部件。有效探测器区域可被边缘定向到入射的X射线。
应当理解的是，其它构造也是可行的，例如包括线性几何构型，而不是弯曲几何构型。
本发明的基本思想是提供包括多个相邻探测器模块的X射线探测器，所述多个相邻探测器模块被布置成具有中央部分和外围部分的构造中，所述X射线探测器被配置为在所述中央部分中具有较高的剂量效率，并且在所述外围部分中具有较低的剂量效率。
作为示例，所述X射线探测器具有沿着探测器构造的材料变化：中央部分的探测器材料的厚度大于外围部分的探测器材料的厚度。
作为替代或补充，所述X射线探测器可以具有沿着探测器构造的材料变化：中央部分具有较高剂量效率的第一类探测器材料和外围部分具有较低剂量效率的第二类探测器材料。
例如，第一类材料是碲化镉(CdTe)、碲化镉(CZT)和/或砷化镓，第二类材料为硅。
可选地，所述X射线探测器可以被配置为在所述中央部分中比在所述外围部分中具有更高的空间分辨率。
作为一个实施例，所述X射线探测器可以被配置为在中央部分中的像素比外围部分中的像素小。
在一个特定实施例中，所述X射线探测器可以被配置为在探测器的等角点附近具有较小的像素。
在一个示例性实施例中，所述X射线探测器的有效探测器区域面向入射的X射线，中央探测器模块在入射X射线方向上比外围探测器模块更厚。
例如，探测器模块的厚度可以逐渐变化或者在具有至少两个不同厚度的一个或多个台阶中变化。
还可以使用具有类似散射性质的填充材料作为探测器材料，其中，所述填充材料是被设置在具有较小厚度的探测器材料的区域中。
在这种情况下，探测器和填充材料的总厚度最好贯穿探测器而使其不变，使得散射分布更加均匀。
可选地，X射线探测器的探测器材料厚度轮廓是被精选的，以最小化对于探测器材料的特定总体积的最终图像中的最大方差。
在一个特定实施例中，所述X射线探测器包括深度分段探测器，且与所述中央部分相比，所述外围部分中的深度区段的数量减少，且与所述中央部分相比，所述外围部分中的每一深度区段的长度减小。
作为示例，相邻的探测器模块可以以弯曲的几何结构布置。
根据另一方面，提供了一种X射线成像系统，包括如本文所述的X射线探测器。
作为示例，X射线成像系统是计算机断层摄影(CT)系统。
在一个特定实施例中，所述X射线成像系统是被配置为应用基本材料分解以产生具有与所述探测器厚度轮廓相同的外观的图像。
可选地，X射线成像系统可以被配置为通过在中央部分和外围部分中使用不同的规则强度来应用迭代重建。
现在将参考说明性的非限制性实施例描述本发明。
例如，我们提出通过改变探测器厚度以最小成本优化剂量效率的方法，在整个探测器区域的中央部分有较大的厚度。假设探测器具有大致弯曲的几何构型。作为示例，对于模块化探测器，中央探测器模块在入射X射线的方向上比外围探测器模块更厚。
以不同方式表达，因此建议构建这样的探测使用在外围部分中的较薄的探测器模块比探测器的中央部分更薄。
换句话说，探测器周边的探测器材料节省了成本。
图9是示出用于计算机断层摄影采集的配置的实例的示意图。相对于探测器的弯曲几何结构，根据沿轴向方向上的探测器的位置，所述探测器可以由中央部分和外围部分组成。探测器的中央部分包括测量接近等角点(旋转中央)的射线的探测器部分。探测器的外围部分包括测量远离等角点的光线的探测器部分。
本发明人已经认识到，在计算机断层摄影中，对于在与周边相比较的中央的探测器的X射线来说，对用于特定X射线撞击探测器的图像的信息值将更高。这对于诸如人头或心脏的所有成像任务通常是真实的。也参见文献Wang,Xie和Pelc in Proc SPIE 691334-1，外围探测器模块或部件仅会影响所得到的图像的外围部分。
因此，一个主意是通过改变(硅)探测器的贯穿探测器的厚度来节约成本/优化剂量效率，在探测器的中央上具有最大效率，因为这一区域对剂量效率具有最高的影响。
正如在图2-5中所示，厚度可以以不同的方式和/或量来改变。
图2是示出了具有12％的诸如硅的探测器材料的示例的示意图。
图3是示出了具有38％的诸如硅的探测器材料的示例的示意图。
图4是示出了具有55％的诸如硅的探测器材料的示例的示意图。
图5是示出在台阶中具有厚度或深度的变化的分段探测器的示例的示意图。
在图6-8中给出了剂量效率的成本的例子，示出了椭圆水模型的模拟。
·12％更少的硅，具有可忽略的CNR下降。
·38％更少的硅，在外围部分中具有7％较低的最小CNR2。
·55％更少的硅，在不降低全局CNR最小值的情况下。
为了制造目的，可以有利地改变台阶中的厚度，如图5所示。可以只有一个台阶(两种不同的厚度)，或者可以是任何较大数量的台阶。
作为示例，可以选择探测器材料厚度，以最小化对于探测器材料的特定总体积的最终图像中的最大方差。
图13是示出根据本发明的一个实施例所述的具有布置成大致线性几何构造的探测器模块的模块化X射线探测器的示例的示意图。
还可以应用基本材料分解以生成具有与探测器厚度轮廓相同的外观的图像。
图11是示出了根据一个示例性实施例所述的探测器模块的示例的示意图。在这个示例中，探测器模块的X射线敏感部分21沿深度方向分为所谓的深度段22，再次假设X射线穿过边缘。
通常，探测器元件是探测器的单个X射线敏感子元件。一般地，光子相互作用发生在探测器元件中，由此产生的电荷由探测器元件的对应电极收集。
每个探测器元件通常以帧序列测量入射的X射线通量。帧是在指定时间间隔期间(称为帧时间)被测量的数据。
根据探测器拓扑学，探测器元件可以对应于像素，特别是当该探测器是平板探测器时。深度分段探测器可以被认为具有多个探测器条，每个条具有多个深度段。对于这种深度分段探测器，每个深度段可以被认为是单独的探测器元件，特别是如果所述深度段中的每一个都与其自己的单个电荷收集电极相关联时。
深度分段探测器的探测器条通常对应于普通平板探测器的像素。然而，也可以将深度分段探测器作为三维像素阵列，其中每个像素(有时称为体素)对应于单个深度段/探测器元件。
在例子中，所述实施方式包括深度分段探测器，为了最小化功耗和数据率，可以在外围中使用减少数量的深度段。
可选地，为了减小每个读出通道中的堆积和输入电容，可以减小每个深度段的长度。
为了避免在探测器中在具有不同探测器厚度的区域之间的过渡处从不均匀分布的散射产生的伪像，可以使用具有类似散射性质的廉价填充材料作为探测器材料，填充在具有较小厚度的探测器材料的区域中。通过探测器的总厚度和穿过探测器的填充材料常数，使得散射分布更加均匀。
可能的实际考虑的一些实例：
·在实践中，可以使用少量(2-5个)不同的传感器厚度。
·在传感器厚度变化的位置处避免伪像是重要的。
·利用基本材料分解时，可以对有效光谱响应的差异进行补偿，得到无缝的图像外观。
·如果不等量的探测器散射给出传感器厚度变化的伪像，填充材料可以被插入而代替被去除的硅，以均衡散射分布。
·由于较低量子效率组的影响从等角点逐渐增加，所以在图像中不会看到噪声的急剧增加。
·在一些情况下，外围区域中的噪声可能变得比中央部分中的噪声更高。如果这是对眼睛的干扰，则利用中央部分和外围部分中的不同的规则强度，可以对其进行迭代重建。
通常，重构图像中的噪声方差是由来自最大噪声的X射线投影射线的噪声贡献来支配，这些射线通常是穿过等角点附近的射线，其中，穿过所述对象的路径长度是最大的。此外，由探测器的中央部分构成的测量中的噪声对整个重建图像中的噪声有贡献，而由探测器的外围部分构成的测量中的噪声仅对重构图像的外围部分中的噪声有贡献。因此，重要的是以合理的成本在探测器的中央部分中尽可能具有高的检测效率。
这通常可以通过如本文所提出的沿弯曲探测器结构的材料变化来实现。
由于制造具有高剂量效率的探测器是昂贵的，因此可以选择在中央部分中制造具有较高剂量效率的探测器，并且在外围部分中选择较低的剂量效率。实现此目的的一种方法是使探测器材料在中央部分更厚且周边较薄。另一种方式是在中央部分中采用第一种类型的探测器材料(具有较高的剂量效率)，而在外围部分中采用第二类型的探测器材料(具有较低的剂量效率)。
典型地，更昂贵的探测器材料可用于具有较高性能的中央部分，例如，外来昂贵的材料和外围部分可以用诸如硅的较小的外来材料中制成，所述材料更便宜。作为示例，中央部分中更昂贵的探测器材料可以是CdTe或CZT(碲化镉)或另一种可能的材料为砷化镓。
由于最感兴趣的图像特征经常位于等角点附近，还重要的是在图像的中央部分具有最高的空间分辨率，正如Jed Pack,Ge Wang,Jiao Wang,Bruno De Man的文献Investigation of a"zoomCT"architecture for cardiac CT imaging，以及文献JeffreyCarr of GE Global Research,at The 13th International Meeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine,Newport,Rhode Island,USA 2015所讨论的。
这可以通过在等角点附近具有较小的像素来实现。如果较小的像素在大多数成像任务的探测器中央处，则较小的像素将大部分信息添加到图像中。较小的像素是数据速率和功率的驱动器，通常存在探测器可处理的总功率和数据速率的约束，从而实用。太多的功率将会导致在太高的温度下放置探测器，或者意味着环境室中的温度将不舒适地升高，或者它将需要昂贵的冷却系统安装，例如水冷而不是空气冷却。存在能够通过滑环发送的最大数据量，并且图像经常需要快速显示，只需对探测器的中央部位使用小像素，才能有助于进行权衡。因此，有可能以这样一种方式改变空间分辨率，使得中央部分中的空间分辨率高于外周部分中的空间分辨率，由于小的像素是成本的驱动，更优的是在探测器的中央部分具有较小的像素，而不是当前像素在贯穿探测器的均匀像素尺寸的状态。因此，本发明所提出的技术建议构建这样的探测器，相比于探测器的更多外围部分，在探测器的中央部分具有一组更小的像素。
应当理解的是，这里所描述的技术和装置可以以多种方式组合和重新排列。
例如，诸如图像处理任务之类的特定功能可以在硬件中实现，或在用于由适当的处理电路执行的软件中实现，或者在上述硬件和软件的组合中实现。
这里描述的步骤、功能、过程、模块和/或块可以使用任何常规技术在硬件中实现，例如分立电路或集成电路技术，包括通用电子电路和专用电路。
特定示例包括一个或多个适当配置的数字信号处理器和其它已知的电子电路，例如被互连以执行专用功能的离散逻辑门或专用集成电路(ASIC)。
可选地，这里描述的至少一些步骤、功能、程序、模块和/或块可以在诸如计算机程序的软件中实现，用于由诸如一个或多个处理器或处理单元之类的适当处理电路执行。
处理电路的示例包括但不限于：一个或多个微处理器，一个或多个数字信号处理器(DSP)，一个或多个中央处理单元(CPU)，视频加速硬件和/或诸如一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)的任何适当的可编程逻辑电路)，或一个或多个可编程逻辑控制器(PLC)。
还应当理解的是，可以使用任何常规设备或单元的一般处理能力来重新使用所提出的技术。还可以例如通过对现有软件的重新编程或通过添加新的软件组件来重新使用现有软件。
图12是示出根据一个实施例所述的计算机实施的示例的示意图。在该特定实施例中，系统200包括处理器210和存储器220，所述存储器包括可由所述处理器执行的指令，由此所述处理器可操作以执行本文所述的步骤和/或动作。指令通常被组织为计算机程序225；235，其可预先配置在存储器220中或从外部存储器装置230下载，系统200包括可与处理器210互连的输入/输出接口240和/或存储器220，以实现诸如输入参数和/或所得到的输出参数的相关数据的输入和/或输出。
术语“处理器”应在一般意义上被解释为能够在任何系统或设备执行程序代码或计算机程序指令来执行特定的处理，确定或计算任务。
因此，当执行计算机程序时，包括一个或多个处理器的处理电路被配置为执行诸如本文所述的明确定义的处理任务。
所述处理电路不必专用于仅执行上述步骤、功能、过程和/或块，也可以执行其他任务。
以上所述的实施例仅作为示例给出，应当理解的是，本发明所提出的技术不限于此。本领域技术人员将会理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，各种修改都可以对这些实施例进行组合和改变。作为示例，应当理解的是，在此描述的布置可以以不同方式实现、组合和重新排列。具体地，在技术上可能的情况下，在不同实施例中的不同部分解决方案可以在其他配置中组合。

Claims (18)

1.一种X射线探测器，包括多个相邻的探测器模块，其被布置在具有中央部分和外围部分的构造中，其中，所述X射线探测器是被配置为在所述中央部分中具有较高的剂量效率，并且在所述外围部分中具有较低的剂量效率。
2.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器具有沿着所述探测器构造的材料变化，探测器材料在所述中央部分具有比在所述外围部分更大的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器具有沿着探测器构造的材料变化，具有在所述中央部分具有较高的剂量效率的第一类型的探测器材料以及在所述外围部分中具有较低的剂量效率的第二类型的探测器材料。
4.根据权利要求3所述的X射线探测器，其特征在于：所述第一类型材料为碲化镉(CdTe)、碲化镉(CZT)和/或砷化镓，所述第二类型材料为硅。
5.根据权利要求1至4之一所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器是被配置为在所述中央部分中具有比在所述外围部分中更高的空间分辨率。
6.根据权利要求5所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器是被配置为在所述中央部分中具有比在所述外围部分中更小的像素。
7.根据权利要求5或6所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器是被配置成在所述探测器的等角点附近具有较小的像素。
8.根据权利要求1至7之一所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器的有效探测器区域是被定向到边缘上的入射X射线，并且中央探测器模块在入射X射线的方向上的厚度比外围的探测器模块的厚度更厚。
9.根据权利要求8所述的X射线探测器，其特征在于：所述探测器模块的厚度是逐渐变化的或者在具有至少两个不同厚度的一个或多个台阶中变化。
10.根据权利要求1至9之一所述的X射线探测器，其特征在于：具有类似散射特性的填充物材料是被设置在具有较小厚度的探测器材料的区域中。
11.根据权利要求10所述的X射线探测器，其特征在于：所述探测器和填充材料的总厚度是在贯穿所述探测器上是恒定的，使得散射分布更加均匀。
12.根据权利要求1至11之一所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器的探测器材料厚度轮廓是精选的，以最小化对于探测器材料的特定总体积的最终图像中的最大方差。
13.根据权利要求1至12之一所述的X射线探测器，其特征在于：所述X射线探测器包括深度分段探测器，且与所述中央部分相比，所述外围部分中的深度区段的数量减少，且与所述中央部分相比，所述外围部分中的每一深度区段的长度减小。
14.根据权利要求1至13之一所述的X射线探测器，其特征在于：所述相邻的探测器模块是被布置在以弯曲的几何结构中。
15.一种X射线成像系统，包括如权利要求1至14任意之一所述的X射线探测器。
16.根据权利要求15所述的X射线成像系统，其特征在于：所述X射线成像系统是计算机断层扫描(CT)系统。
17.根据权利要求15或16所述的X射线成像系统，其特征在于：所述X射线成像系统是被配置为应用基本材料分解以生成具有与探测器厚度轮廓相同的外观的图像。
18.根据权利要求15至17之一所述的X射线成像系统，其特征在于：所述X射线成像系统是被配置为通过在中央部分和外围部分中采用不同的规则强度来应用迭代重建。
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