CN110383108A - 基于光子计数的x射线探测器系统 - Google Patents

基于光子计数的x射线探测器系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种X射线探测器系统(1)，包括多个探测器元件(2)，每个探测器元件连接到各自的光子计数通道(4，PCC)，用于提供至少一个光子计数输出；以及读出单元(9)，连接到输出光子计数输出的光子计数通道。该X射线探测器系统(1)的特征是：光子计数通道(4，PCC)的至少一个子集的每一个包括至少两个光子计数子通道(40‑1至40‑M)，每个光子计数子通道提供至少一个光子计数输出，并具有整形滤波器(6)，整形滤波器是被配置为具有不同的整形时间；具有不同整形时间的整形滤波器的光子计数子通道是适用于计数不同能量水平的光子。而且，对于每个光子计数通道(PCC)，读出单元(9)是被配置为从光子计数子通道选择光子计数输出。

Description

基于光子计数的X射线探测器系统
技术领域
本发明所提出的技术涉及诸如X射线成像和相关的X射线探测器系统的射线成像。
背景技术
诸如X射线成像的射线成像已经在医疗中应用多年，并且用于无损测试。
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，其通过待成像对象或物体，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多的X射线部分，所以由此形成对象或物体的图像。
X射线成像探测器的挑战是从检测到的X射线中提取最大信息以提供输入对象或物体的图像，其中在密度、组成和结构方面描述了对象或物体。通常使用胶片屏幕作为探测器，但大多数探测器如今提供数字图像。
现代X射线探测器通常需要将入射的X射线转换成电子，这通常是通过光电效应或通过康普顿相互作用而发生，并且所产生的电子通常产生二次可见光，直到其能量损失并且该光又再次由光敏材料检测。还存在基于半导体的探测器，并且在这种情况下，由X射线产生的电子是根据电子-空穴对产生电荷，通过外加电场收集电荷。
在积分模式下运行的探测器在它们提供来自多个X射线的积分信号的意义上操作，并且该信号是仅在随后数字化，以检索获取在像素中的入射X射线的数量的最佳猜测。
在一些应用中，光子计数探测器也作为可行的替代物出现；当前这些探测器主要以乳房X射线照相术为基础。光子计数探测器的优点在于：可以测量每个X射线的能量，从而产生关于物体的成分的附加信息。该信息可以用于增加图像质量和/或减小辐射剂量。
当使用诸如硅或锗的简单半导体材料时，康普顿散射引起许多X射线光子在转换到探测器中的电子-空穴对之前从高能量转化为低能量。这导致最初以较高能量的大部分X射线光子生产出比预期更少的电子-空穴对，这又导致光子通量的实质部分出现在能量分布的低端。为了尽可能多地检测X射线光子，因此，能够尽可能地检测尽可能低的能量。
图1是显示用于三个不同X射线管电压的能量谱的实施例的示意图。该能量谱是由来自不同类型的相互作用的混合的沉积能量建立的，包括在较低能量范围的康普顿事件和在较高能量范围的光电吸收事件。
通过直接半导体探测器检测X射线光子的常规机制基本工作如下。X射线光子(包括在康普顿散射之后的光子)是被转换为半导体探测器内部的电子-空穴对，其中，所述电子-空穴对的数目通常与光子能量成比例。然后，电子和空穴朝向探测器电极漂移，然后离开探测器。在该漂移期间，电子和空穴感应在电极中的电流，例如通过电荷敏感放大器(CSA)，这样可测量电流，随后由整形滤波器处理，正如在图2中示意性所示。
当来自一个X射线事件的电子和空穴的数量与X射线能量成比例时，在一个感应电流脉冲中的总电荷与该能量成比例。电流脉冲在电荷敏感放大器中被放大，然后由整形滤波器过滤。通过选择整形滤波器的合适的整形时间，滤波后的脉冲幅度与电流脉冲中的总电荷成比例，从而与X射线能量成比例。在整形滤波器处理之后，通过将其值与在一个或多个比较器(COMP)中的一个或几个阈值(Thr)进行比较来测量脉冲振幅，以及由事件的数量引入计数器，当脉冲大于该阈值时，事件的数量可以被记录。以此方式，可以计数和/或记录具有超过与相应阈值(Thr)相对应的能量的X射线光子的数量，该能量可在特定时间框内进行检测。
任何电荷敏感放大器中的固有问题是，它将将电子噪声加到检测到的电流。为了避免检测噪声而不是真实的X射线光子，因此重要的是设定最低阈值(Thr)，使得噪声值超过阈值的次数足够低，不足以干扰X射线光子的检测。整形滤波器具有这样的总体特性：整形时间的大值将导致由X射线光子引起的长脉冲，并降低滤波器处理后的噪声幅度。整形时间的小值将导致短脉冲和较大的噪声振幅。因此，为了尽可能多地计数X射线光子，需要较大的整形时间以使噪声最小化，并且允许使用相对较小的阈值水平。
在任何计数X射线光子探测器中的另一个问题是所谓的堆积问题。当X射线光子的通量率高时，可能存在区分两个后续电荷脉冲之间的问题。如上所述，过滤器后的脉冲长度取决于整形时间。如果该脉冲长度大于两个X射线光子感应电荷脉冲之间的时间，脉冲将一起产生，两个光子不能区分开，可以作为一个脉冲进行计数。这被称为堆积。因此，在高光子通量下避免堆积的唯一方法是使用较小的整形时间。
总之，这里存在固有的矛盾；为了对噪声进行管理，需要较大的整形时间，为了管理堆积，需要较小的整形时间。
在实践中，通常选择整形时间的折衷值，这既不是对于低通量优化的，也不是对于高通量优化的。对于低通量，计算的X射线光子总数将会太低，因为我们需要选择过高的阈值，以避免噪声引起的计数。对于高通量，计算的X射线光子总数也将太低，由于堆积效应所致。
美国专利US 7,149,278和美国专利US 7,330,527公开了一种用于动态控制光子计数能量敏感辐射探测器的整形时间以适应入射通量水平的变化的方法和系统。该系统包括光子计数通道，该光子计数通道被连接以接收来自探测器元件的信号，以致根据动态变化的整形时间来提供光子计数。所述光子计数通道必须由单独的控制器控制，所述控制器包括至少一个整形时间控制器，用于基于所述光子计数输出数据来近实时地控制所述可变整形时间。
虽然这样提供了对用于上述冲突的可能的补救方式，美国专利US7,149,278和美国专利US 7,330,527中提出的解决方案需要动态可控的高性能整形滤波器和单独的控制器，因此对实时要求具有挑战性的编程。
美国专利US 5,873,054涉及一种用于基于数字的高速X射线光谱仪中的组合逻辑信号处理器的方法和装置，但不提供溶液，也不涉及上述问题。
美国专利US 8,378,310公开了至少部分解决上述堆积问题的复位机制。
美国专利US 9,482,764涉及一种辐射探测器系统，其包括具有表面的半导体探测器和设置在该表面上的多个像素化阳极，所述像素化阳极中的至少一个阳极被配置成产生对应于由所述像素化阳极收集的电荷的收集的电荷信号，并产生与由相邻阳极收集到所述像素化阳极的电荷相对应的非收集电荷信号。该想法是确定在像素化阳极中收集的电荷信号的收集值，确定对应于由相邻阳极收集的电荷的像素化阳极中的未收集电荷信号的非收集值，确定所述相邻阳极所收集的电荷的校准值，所述校准值用于使用由校准因子调节的所述非采集电荷信号的值，以及利用所述收集值和所述校准值确定由所述像素化阳极和所述相邻阳极收集的电荷共享事件产生的总电荷。如果使用所述收集值确定的所述电荷共享事件的总电荷和所述校准值超过预定值，则将所述电荷共享事件计数为与所述像素化阳极或所述相邻阳极中的一个有关的单个事件。确定与所收集的电荷信号和未收集的电荷信号的和相对应的组合值，利用所述组合值与所述收集值之间的差值来确定所述非收集值。可使用两种不同的整形器，所述第一整形器用于产生第一整形信号，并使用所述第一整形信号确定所述收集值，第二整形器(具有比第一整形器更高的频率)用于产生第二形状信号并使用第二成形信号确定组合值。
因此，仍然需要一种改进的或可选的解决方案，以解决在光子计数X射线探测器中遇到的冲突的要求。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种改进的X射线探测器系统。
本发明的另一个目标是提供另一种改进的X射线成像系统。
这些目标是通过本发明的具体实施方式来实现的。
根据第一个方面，提供了一种X射线探测器系统，包括多个探测器元件，每个探测器元件连接到各自的光子计数通道(PCC)，所述光子计数通道用于提供至少一个光子计数输出；以及读出单元，连接到用于输出所述光子计数输出的所述光子计数通道；其中，所述光子计数通道(PCC)的至少一个子集的每一个包括：至少两个光子计数子通道，每个光子计数子通道提供至少一个光子计数输出，并具有整形滤波器，其中所述光子计数子通道的所述整形滤波器是被配置为具有不同的整形时间；其中，每个光子计数子通道包括数量N≥1的比较器，每个比较器具有各自的比较器阈值水平，用于比较所述光子计数子通道的所述整形滤波器的输出信号，以选择性触发相关联的计数器；其中，具有不同整形时间的整形滤波器的所述光子计数子通道是适用于计数不同能量水平的光子；其中，对于在最低能量水平的计数光子，具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道是被配置为比具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道具有更小的比较器阈值水平；以及其中，对于每个光子计数通道(PCC)，所述读出单元是被配置为从所述光子计数子通道选择光子计数输出。
以这种方式，可获得一种用于同时管理噪声和堆积的高效且稳健的解决方案。不同的子通道可以进一步对于不同的能量水平/能量仓进行优化，并且还可以优化各种辐射通量的有效信噪比。
根据第二个方面，提供了一种包括所述的X射线探测器系统的X射线成像系统。
当阅读以下说明书时，将认识到其他方面和/或优点。
附图说明
图1是显示用于三个不同X射线管电压的能量谱的实施例的示意图。
图2是显示光子计数机制的一个实施例的示意图。
图3是显示整体X射线成像系统的一个实施例的示意图。
图4是根据一个具体实施方式所述的X射线探测器系统的一个示例的示意图。
图5是显示光子计数通道的一个示例的简化示意图，其中不同的子通道是对于不同能量仓优化的。
图6是根据一个具体实施方式所述的光子计数通道的一个示例的示意图。
图7是显示在用于具有长整形时间(N1)的整形器的阈值与用于具有短整形时间(N2)的整形器的阈值之上的在计数中不同(N1-N2)的一个示例的示意图，与比较器电压值成函数关系。
图8是根据一个具体实施方式所述的计算机实施方式的一个示例的示意图。
具体实施方式
贯穿本说明书，术语“整形滤波器”和“整形机”是可互换地使用。
从说明性的整体X射线成像系统的简要概述开始可以是有用的，参考图3。在这个非限制性示例中，X射线成像系统20基本上包括X射线源10、X射线探测器系统11和相关图像处理装置12，X射线探测器系统11被配置成用于对来自X射线源10的辐射进行配准，所述X射线源10可能已经被可选的X射线光学装置聚焦并通过物体或对象或它们的部分。X射线探测器系统11通过合适的读出电子器件(其可以集成在X射线探测器系统11中)可连接到图像处理装置12进行图像处理和/或图像重建。
通常使用的X射线成像系统的示例是计算机断层摄影，CT系统，其可包括：X射线管，其产生X射线的扇形或锥形G光束；以及相对的X射线探测器系统，用于配准通过患者或物体传输的X射线的部分。X射线管和探测器系统通常安装在围绕成像物体旋转的台架中。
本发明所提出的技术特别涉及光子计数探测器，例如基于简单半导体探测器的直接检测，诸如基于硅或锗的探测器。
如果需要，所提出的技术也可应用于能量解析探测器系统，也称为能量鉴别或多仓探测器。
图4是根据一个具体实施方式所述的X射线探测器系统的一个示例的示意图。
根据第一个方面，提供了一种X射线探测器系统1，其包括多个探测器元件2-1至2-k，其中k≥2，分别连接至相应的光子计数通道(PCC)4-i，其中i从1到k，用于提供至少一个光子计数输出，以及与所述光子计数通道连接的读出单元，用于输出所述光子计数输出。X射线探测器系统1的特征在于：所述光子计数通道(PCC)的至少一个子集中的每一个包括至少两个光子计数子通道(PCSC)40-1至40-m，其中m≥2，每个光子计数子通道提供至少一个光子计数输出并具有整形滤波器，所述光子计数子通道的整形滤波器配置有不同的整形时间，并且所述读出单元被配置为对于每个光子计数通道(PCC)从光子计数子通道40-1至40-m选择光子计数输出。
以这样的方式，通过使用每个光子计数通道的两个或更多个平行光子计数子通道，其中，所述平行子通道配置有不同的整形时间，获得了一种解决上述噪声和堆积问题的高效和鲁棒的解决方案。特别地，可以在各种辐射通量下优化有效信噪比。
作为示例，每个光子计数子通道包括N个比较器，N≥1，每个具有各自的比较器阈值电平，用于与光子计数子通道的整形滤波器的输出信号进行比较，以选择性地触发相关计数器。
使用两个或两个以上不同阈值电平的比较器对应于能量分辨光子计数的X射线探测器系统，其中每个比较器和相关联的计数器可以被认为是多仓系统中的能量仓。
通过示例的方式，对于在最低能量水平的计数的光子，具有较大的整形时间的整形滤波器的光子计数子通道可以被配置为具有较低的比较器阈值水平，相比于具有较小的整形时间的整形滤波器的光子计数子通道。
根据所提出的技术，光子计数子通道具有不同整形时间的整形滤波器，因此可以适合于对不同能量水平的光子进行计数，如图5中示意性所示。
换句话说，不同的光子计数子通道可以针对不同的能量水平/能量仓而被优化。
例如，具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道(A)可适用于对最低能量水平的光子进行计数，而具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道(B)可适用于对较高能量水平的光子进行计数。
具有较大/较长的整形时间，噪声将会降低，因此，对于具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道，可以将区分低能量光子与噪声的阈值设置为较低值，相比于具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道。以此方式，实际上可以对另外损失的计数进行配准。
作为一个示例，具有较长整形时间的整形器可以与以下阈值相关联：5、10keV，而具有较短整形时间的整形器可与以下阈值相关联：10、20、30、40、……keV。
能量仓对应于能量间隔，该能量间隔由各自的阈值水平给出的上限和下限所限定。作为示例，可以认为5keV以下的任何脉冲为噪声，最低能量仓可以是5-10keV，下一级能量仓为10-20keV，然后是20-30keV、30-40keV等。
因此，长整形时间(低噪声)可用于在比最小阈值更低的能量下获得光子计数的数据，而对于较短整形时间(较高噪声)，是在最小阈值的能量下获得光子计数的数据。最低仓将来自长整形时间的整形器，而其它能量仓是来自短整形时间的整形器。以高的计数速率，当堆积开始出现时，人们可以将最低的能量仓减重，或者可以在后续的图像重建中考虑这一点。
通常，光子计数子通道具有适于测量每一个探测器元件所收集的电荷总量的整形时间，从而使脉冲高度与由该探测器元件收集的总电荷成比例。
美国专利US 9,482,764公开了使用两个整形器来测量和校正相邻探测器元件或像素之间的所收集电荷的共享。然而，整形时间不适于最小化在任何路径中的堆积，因此不能解决由现有技术所提出的目标问题。此外，在本发明中，与美国专利US 9,482,764不同，两个整形滤波器均具有适于使脉冲高度与由探测器元件收集的总电荷成比例的整形时间，即脉冲高度不受来自相邻探测器元件的感应信号的影响。此外，在美国专利US 9,482,764中没有提到对不同能量水平的不同子通道进行优化。
在本发明的示例性实施例中，在每个子通道中测量脉冲振幅：当比较器(例如具有最低阈值的比较器)在子通道中配准脉冲的开始时，峰值查找电路通过将脉冲高度与比较器的比较来开始对脉冲的峰值进行搜索。该搜索过程在预定义的脉冲配准时间期间发生，在该时间期间，没有新的脉冲可以被配准。在脉冲配准时间结束时，在搜索期间遇到的最大峰值被配准，且子通道变得不会对新脉冲进行暂存。
脉冲持续时间取决于子通道的整形时间。使用比脉冲持续时间更短的脉冲配准时间可导致同一脉冲的双计数，并且使用比脉冲持续时间更长的脉冲配准时间来减少计数损失。
在一个特定示例性实施例中，具有较长整形时间的光子计数子通道因此可被配置为使用更长的样品或脉冲配准时间，相比于具有较短整形时间的光子计数子通道。换句话说，在每个光子计数子通道中的脉冲配准时间因此可以选择为与该子通道中的典型脉冲的持续时间类似。因此，较大的脉冲配准时间可以被用于具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道，而较大的脉冲配准时间可以被用于具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道。
图6是根据一个具体实施方式所述的光子计数通道的一个示例的示意图。
通过实施例的方式，每个光子计数通道(PCC)4具有至少一个电荷敏感放大器5，每个光子计数子通道(PCSC)40包括整形滤波器6和N个比较器7-1至7-N，数字N≥1，以及关联的计数器8-1至8-N。
例如，每个光子计数通道(PCC)4具有由光子计数子通道(PCSC)40-1至40-M共享的共同的电荷敏感放大器5，或每个光子计数子通道的电荷敏感放大器(图6中未示出)，用于向所述光子计数子通道的整形滤波器提供输入信号。
现在将描述另一种类型的实施例，其中，读出单元可以根据光子通量率选择性地在子通道之间进行切换。
在一个特定实施例中，读出单元9是优选地被配置为对在光子计数子通道(PCSC)40-1至40-M之间的每个光子计数通道(PCC)，基于当提供光子计数输出时基于光子流量速选择性地切换。
作为示例，可以基于光子计数输出值来确定光子通量率。例如，当提供时，选择光子计数子通道光子计数输出数据可以基于实际或先前观测到的计数器值。特别地，可以注意到，不需要任何额外的反馈路径，由于读出单元9已经被连接以接收来自计数器8-1至8-N的光子计数输出数据。
在特定实施例中，读出单元9是被配置为在光子通量率高于通量阈值的情况下，从具有较小整形时间的整形滤波器6的光子计数子通道40中选择光子计数输出，而当光子通量率等于或低于所述通量阈值时，从具有较大整形时间的整形滤波器6的光子计数子通道40中选择光子计数输出。
更一般地，如图6的示例中所示，每个光子计数子通道(PCSC)40包括N≥的比较器7-1至7-N，每个子通道具有各自的比较器阈值电平，用于与光子计数子通道的整形滤波器的输出信号进行比较，以选择性地触发相关联的计数器。
通常，比较器中的模拟电压由数模转换器DAC设置。DAC将由控制器发送的数字设置转换为与光子感应脉冲相比较的模拟电压。为了确定光子能量，需要知道发送到DAC的数字设置与光子能量之间的转换。该关系可以表示为：E＝g x DS+m，其中E是光子能量，DS为数字设置，g称为增益，m称为偏移量。
正如所提及的，使用具有不同阈值电平的两个或多个比较器对应于能量分辨光子计数X射线探测器系统，其中每个比较器和相关联的计数器可以被认为是多仓系统中的能量仓。
光子计数子通道(PCSC)40可具有不同数量的比较器。
在一个特定实施例中，光子计数子通道(PCSC)40中的至少一个具有至少两个具有不同比较器阈值电平的比较器7，以及用于提供不同光子能量水平的光子计数输出的相关联的计数器8。
作为示例，可以配置具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道，所述光子计数子通道具有较小的整形时间，所述较低的比较器阈值水平用于对所述最低能量水平的光子进行计数。
应当理解的是，至少两个光子计数子通道(PCSC)可以共享比较器和计数器的子集，其中，所述比较器和所述相应的光子计数子通道的相关联的计数器是被配置用于在最低能量水平上对光子进行计数。
在一个特定的具体实施例中，光子计数通道(PCC)被嵌入在专用集成电路中。
根据第二个方面，提供了一种X射线成像系统，例如，如图3中所示的实施例，包括本文所公开的X射线探测器系统。
不同的是，传统光子计数通道中的整形滤波器是由两个或多个不同整形时间的平行整形滤波器所代替，每一个整形滤波器都伴随有用于阈值化和计数的装置。
作为一个实施例，考虑两个并行整形滤波器的示例，可以建议选择不同的整形时间，一种适合低通量率和低阈值的时间，以及一种适合高通量率和小整形时间的时间。因此，第一整形滤波器将具有较大的整形时间，从而允许对于对应的比较器采用相对小的阈值，并且将以低速率利用尽可能多的光子，包括低能量光子。因此，来自该整形滤波器和阈值装置的输出将因此对于低速率是最佳的。第二整形滤波器将具有较小的整形时间，从而允许对于对应的比较器采用较高的阈值，并且将避免堆积并因此以高速率对尽可能多的光子进行计数。因此，来自该整形滤波器和阈值装置的输出将因此对于高速率是最佳的。此外，根据一个实施例，在每一时刻也存在供选择的装置，其中，光子计数子通道分别与第一整形滤波器和第二整形滤波器相关联，以便在提供光子计数输出数据时使用。
以下，将描述多个附加的非限制性具体实施例。
在某些应用中，重要的是，属于具有较长整形时间的整形器的一个或几个能量阈值是精确地定位在相同的能量，作为属于较短整形时间的整形器的能量阈值。例如，考虑属于不同整形器的能量仓(因此不同的光子计数子通道)。本实施例中，属于第一整形器的最低能量仓是由两组阈值设置分别限定的，能量仓的下限(阈值_第一_整形器_下限)和能量仓的上限(阈值_第一_整形器_上限)。类似地，属于第二整形器的最低能量仓是由两组阈值设置分别限定的，能量仓的下限(阈值_第二_整形器_下限)和能量仓的上限(阈值_第二_整形器_上限)。因此如果限定用于第一整形器的最低能量仓的上限的阈值是与限定用于第二整形器的最低能量仓的下限的阈值一致，也就是，阈值_第一_整形器_上限＝阈值_第二_整形器_下限，这是可取的。
作为一个实施例，如果具有较长整形时间的第一整形器与阈值5keV和10keV相关联，具有较短整形时间的第二整形器与阈值10、20、30、40、……keV相关联，则10keV的阈值应被校准为重合。
在这种情况下，重要的是避免可能引起遗漏计数或双计数的在阈值之间的小差异。
作为示例，可以如下方式进行校准：
所述探测器是用足够低的X射线通量照射，使得没有整形器会由于堆积而失去计数。在这种情况下，如果阈值位置相等，两个整形器都应给予相同数量的已配准计数。属于这些整形器中的一个整形器的所有阈值是被置于高于噪声层的能量水平。它们的值然后保持恒定，而属于另一个整形器的其中一个阈值被调整，使得高于该阈值的计数的数量等于另一整形器中相应阈值中的计数的数量。
图7示出了在用于长形整形时间(N1)的整形器的阈值与用于短整形时间(N2)的阈值之上的在计数中的差异(N1-N2)的实施例，该差异与比较器电压值成函数关系。为了获得对于两个阈值的相等的阈值能量，DAC电压设定在计数差异为零的点。
简言之，相对于彼此校准的阈值测量通过不同的整形滤波器处理过的脉冲序列，并且所述校准是基于找到精确阈值能量水平，其中，在这些阈值之上的计数中的差异交叉从正向负。
更一般地说，与不同光子计数子通道相关联的比较器的阈值设置(因此，不同的整形滤波器)可以这样配置以致在一个光子计数子通道中使用的比较器阈值以上的计数数量等于在另一个光子计数子通道中使用的对应的比较器阈值以上的计数数量，在以足够低以致没有光子计数子通道会由于堆积而失去计数的X射线通量的照射下。
在一些应用中，高能量分辨率是重要的。例如，在使用碘化造影剂的成像情况中，重要的是测量在33.2keV的碘k-边缘附近的高能量分辨率的入射能谱，以便从钙中分离碘。对于长整形时间的能量分辨率是比对于短整形时间的能量分辨率更高，因为长整形时间给出宽脉冲，它的高度不随其峰值变化，使得容易以时钟触发采样方式测量其高度。为了这个原因，设置一个或几个阈值时有益的，这些阈值属于具有长整形时间的整形器，在所测量的X射线能量范围的选择的部分，其中，高能量分辨率对于获得最佳图像质量来说是重要的，例如在碘的k-边缘附近。以此方式，X射线能量范围的重要部分是以比具有低整形时间的整形器可实现的能量分辨率更高的能量分辨率来测量的。
因此，具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道的两个或多个阈值水平是分布在所测量的X射线能量范围的选择的、有限的部分，该能量范围具有比用于具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道的能量范围更小的间隔，以实现选择性的较高能量分辨率。
在另一组示例性实施方式中，可任选地将属于两个整形器的能量仓中的已配准的计数一起使用以进行基础材料分解。该技术利用了这样的事实：由具有低原子序数的元素构建的所有物质，例如人体组织，具有线性衰减系数μ(E)，它们的能量依赖性可作为两种基本函数的线性组合而被表达为一种良好的近似：
μ(E)＝a1f1(E)+a2f2(E)。
如果在所测量的X射线能量范围中具有k边缘的元素，例如碘，在图像中存在，它的衰减系数必须作为第三基函数而被添加。在基础材料分解中，每个基系数的积分，Ai＝∫faidl，对于i＝1，...，B，其中B为基函数的数量，是从光源到探测器元件的每个投影射线中所测量的数据推断出的。这允许对视野中的材料成分和密度进行定量测量。为了实现这一目的，需要知道在属于第一整形器的M1能量仓的每个能量仓中的计数n1，i与在属于第二整形器的M2能量仓的每个能量仓中的计数n2，i的联合概率分布对于给定的基系数A1，...，AB的线积分。
这个分布可以从对于通过不同的材料组合而传输的X射线束的每个能量仓中的已配准的计数的数量的测量或蒙特卡罗模拟来获得。然后，通过采用统计估计器估计来自已配准的能量仓的计数n1，i和n2，i的基系数A1，...，Ag的所述线积分来执行基础材料分解。在本发明的一个实施例中，该估计器是由下式给出的最大似然估计器：
这里，是指Ai的估计。正如之前已经描述的最大似然基分解，例如可参见文献Roessl and Proksa,K-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-binphoton counting detectors,Phys.Med.Biol.52(2007),4679-4696。
然而，此处所呈现的方法与先前描述的方法不同，因为它涉及优化对于属于不同光子计数子通道(具有不同整形器)的不同组的能量仓的联合似然函数，该函数测量相同探测器元件的输出。由于该方法使用了属于不同整形器的能量仓中的计数的联合概率分布，自动校正每个整形器中的堆积损耗，在A1，...，Ag的估计过程中，自动考虑了两个整形器测量同一输入脉冲串的事实。
因此，相应的X射线成像系统可以被配置为基于来自具有不同整形时间的整形滤波器的不同光子计数子通道的光子计数输出来执行基础材料分解。
优选地，所述X射线成像系统可以被配置为针对属于不同光子计数子通道的不同能量仓组优化联合似然函数，其测量相同探测器元件的输出。
在本发明的另一个可选方面中，可能期望明确地校正用于堆叠的配准计数。这尤其是适用于属于具有长整形时间的整形器的能量仓的情况，因为堆积在长整形时间上更为严重。这可以是这样的情形，例如，如果期望对于操作者生成能量仓图像的能量加权和，该过程被称为能量加权，在这种情况下，能量加权和可以包括来自对应于第一整形器的能量仓和对应于第二整形器的能量仓的图像。如果左边未校正，堆叠将导致所得图像中的伪像。当校正堆叠时，另一种情况是作为基础材料分解的预校正步骤。在这种情况下，不同能量仓中的校正计数是被用作为基础材料分解算法的输入，该算法估计基础系数A1，...，AB的线积分，这些基础系数描述了沿着光束路径的材料成分。
因此，可能期望通过估计每个能量仓中的实际入射光子的数量来校正堆积，给定每个能量仓中的配准数量的计数。可以实现这一点的一种方式是通过在属于整形器k的能量仓i中的每个测量中建立入射计数与具有堆积的配准计数之间的关系这可以利用针对不同输入计数率或通过蒙特卡洛模拟的已配准计数率的测量来完成。然后通过转换函数fk，i:来进行对堆积的校正。然而，该简化的方法不考虑到堆积是频谱相关的，即输入和输出计数率之间的关系对于具有不同光束质量的入射X射线光谱是不同的。例如，探测器可以被配置为使得在每个脉冲之后存在固定的死区时间，在该固定的死区时间内没有新的计数可以被配准。探测器还可以被配置为使得在死区时间段期间到达的脉冲仍然可以在死区时间段的结束处被配准，如果其信号电平仍然高于最低阈值。在这种情况下，由主要低能量组成的X射线频谱由于比由主要高能量组成的X射线频谱堆积更大，将导致更多丢失计数。这是由以下事实引起的：在死区时间段期间到达的计数，如果它是高能量脉冲，更可能在死区时间段的结束处仍具有高于阈值的信号电平，相比于如果它是低能量脉冲。在其他探测器配置中，例如，在死区时间取决于信号电平高于阈值的时间的情况下，依赖性可以是相反的，也就是，由高能量支配的X射线频谱可以产生比由低能量支配的频谱更多的堆积。
因此，在该特定示例中，我们提议使用属于具有短整形时间整形器的能量仓中的频谱信息以更准确地估计属于所有整形器的一个或多个能量仓中的入射光子数量。具体地，这意味着对应于具有短整形时间的整形器的能量仓中的频谱信息可以用于在具有长整形时间的整形器中校正频谱信息。这对于单独地处理来自不同整形器的能量仓计数是优选的，因为与具有长整形时间的整形器相比，在具有短整形时间的整形器中的能量信息退化更少，从而可以更好地校正对应于具有长整形时间的整形器的能量仓计数。校正可以如下进行：使用测量或蒙特卡罗模拟，入射与每个能量仓的计数的配准数量之间的关系，作为描述可能的入射X射线频谱形状的集合的一个或多个频谱参数的函数，可以建立用于描述可能的入射X射线频谱形状的集合的一个或多个频谱参数的函数。然后，在测量期间，使用对应于具有高整形时间的整形器的能量仓中的注册计数的分布来估计描述X射线频谱的频谱参数。然后使用这些频谱参数，连同在入射与每个能量仓中的计数的配准数量之间的关系，以估计对应于所有整形器的所有能量仓中的入射计数这可以例如通过求解以下对于的方程式来完成：描述波束质量的NS频谱参数可以例如由单个参数，铝的半值层组成。在另一示例中，频谱参数可以是每个NS能量间隔中的频谱密度。
因此，X射线成像系统可以例如被配置成基于在具有不同整形时间的整形滤波器的不同光子计数子通道的光子计数输出来估计入射光子的数量。
举例来说，X射线成像系统可以被配置为以基于来自至少一个光子计数子通道的光子计数输出来估计频谱参数的数量，以及从所述光谱参数和从来自至少一个光子计数子通道的光子计数输出来估计入射光子的数量。
在一个特定示例中，X射线成像系统被配置为基于与属于光子计数子通道的能量仓相关的频谱参数的光子计数子通道来估计属于一个或多个能量仓的至少一个能量仓中的入射光子数量，该光子计数子通道具有短整形时间的整形滤波器。
应当理解的是，本文中所描述的机制和配置可以各种方式实现、组合和重新布置。
例如，这些实施例可以以硬件实现，或者至少部分地以用于由适当的处理电路或其组合执行的软件来实现。
在此描述的步骤、功能、过程和/或框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。
替代地或作为补充，这些步骤、功能、过程中的至少一些步骤、功能、过程，本文中所描述的框块可以在例如用于由诸如一个或多个处理器或处理单元之类的合适的处理电路执行的计算机程序之类的软件中实现。
图8是示出根据实施例的计算机实现100的示例的示意图。在该特定示例中，这些步骤、功能、过程中的至少一些步骤、功能、过程，在此描述的模块和/或框块在计算机程序125、135中实现，其可以由包括一个或多个处理器110的处理电路从外部存储器设备130加载到存储器120中。处理器110和存储器120是彼此互连的，以实现正常的软件执行。可选的输入/输出设备140也可以互连到处理器110和/或存储器120，以使得能够输入和/或输出相关数据，诸如输入参数和/或产生输出参数。
术语“处理器”应以一般意义来解释为能够执行程序代码或计算机程序指令以执行特定处理，确定或计算任务的任何系统或设备。
因此，包括一个或多个处理器110的处理电路被配置为当执行计算机程序125时执行明确定义的处理任务，诸如本文所描述的那些任务。
还应当理解的是，可以重新使用任何常规设备或单元的一般处理能力，在其中实现所提出的技术。还可以通过例如重新编程现有软件或通过添加新软件组件来重新使用现有软件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。本领域普通技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围的情况下对本发明的具体实施方式进行各种修改、组合和改变。具体地，在技术上可能的情况下，不同实施例中的不同部分解决方案可以组合在其它配置中。

Claims (20)

1.一种X射线探测器系统(1)，包括多个探测器元件(2)，每个探测器元件连接到各自的光子计数通道(4，PCC)，所述光子计数通道用于提供至少一个光子计数输出；以及读出单元(9)，连接到用于输出所述光子计数输出的所述光子计数通道；
其中，所述光子计数通道(4，PCC)的至少一个子集的每一个包括：至少两个光子计数子通道(40)，每个光子计数子通道提供至少一个光子计数输出，并具有整形滤波器(6)，其中所述光子计数子通道的所述整形滤波器是被配置为具有不同的整形时间；
其中，每个光子计数子通道包括数量N≥1的比较器(7)，每个比较器具有各自的比较器阈值水平，用于比较所述光子计数子通道的所述整形滤波器的输出信号，以选择性触发相关联的计数器(8)；
其中，具有不同整形时间的整形滤波器的所述光子计数子通道是适用于计数不同能量水平的光子；
其中，对于在最低能量水平的计数光子，具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道是被配置为比具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道具有更小的比较器阈值水平；以及
其中，对于每个光子计数通道(4，PCC)，所述读出单元(9)是被配置为从所述光子计数子通道选择光子计数输出。
2.根据权利要求1所述的X射线探测器系统，其特征在于：具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道是被配置用于最低能量水平的计数光子，而具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道是被配置用于更高能量水平的计数光子。
3.根据权利要求2所述的X射线探测器系统，其特征在于：用于区分来自噪声的低能量光子的阈值是被设置为：具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道比具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道具有更低的值。
4.根据权利要求1至3之一所述的X射线探测器系统，其特征在于：每个光子计数通道(4，PCC)具有共同的电荷敏感放大器(5)，由这些光子计数子通道分享；或者每个光子计数通道具有它自己的电荷敏感放大器(5)，用于提供输入信号到这些光子计数子通道的整形滤波器。
5.根据权利要求1至4之一所述的X射线探测器系统，其特征在于：所述光子计数子通道具有适合于测量由每个探测器元件所收集的电荷的总量的整形时间。
6.根据权利要求1至5之一所述的X射线探测器系统，其特征在于：较大的脉冲配准时间是被用于具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道，而较小的脉冲配准时间是被用于具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道。
7.根据权利要求1至6之一所述的X射线探测器系统，其特征在于：读出单元(9)是被配置为对于每个光子计数通道(4，PCC)当提供光子计数输出时基于光子流速在所述光子计数子通道之间选择性地开关。
8.根据权利要求7所述的X射线探测器系统，其特征在于：所述光子流速是基于光子计数输出值来确定的。
9.根据权利要求7或8所述的X射线探测器系统，其特征在于：所述读出单元(9)是被配置为当所述光子流速高于流速阈值时，选择从具有较小整形时间的整形滤波器的光子计数子通道进行光子计数输出，而当所述光子流速等于或低于流速阈值时，选择从具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道进行光子计数输出。
10.根据权利要求1所述的X射线探测器系统，其特征在于：至少一个光子计数子通道具有至少两个比较器(7)，它们具有不同的比较器阈值水平，且关联的计数器用于提供在不同光子能量水平的光子计数输出。
11.根据权利要求10所述的X射线探测器系统，其特征在于：除了各自的光子计数子通道的比较器和关联的计数器之外，至少两个光子计数子通道共享比较器(7)和计数器(8)的一个子集，各自的光子计数子通道是被配置用于在最低能量水平进行光子计数。
12.根据权利要求1至11之一所述的X射线探测器系统，其特征在于：与不同光子计数子通道相关联的比较器的阈值设定是被这样配置以致在其中一个光子计数子通道中采用的比较器阈值水平之上的计数的量是等于在另一个光子计数子通道中采用的相应的比较器阈值水平之上的计数的量，在以一个X射线流的发射之下，足够低以致没有一个光子计数子通道由于堆集效应而失去计数。
13.根据权利要求1至12之一所述的X射线探测器系统，其特征在于：具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道的两个或更多的阈值水平是由此分布在所测量的X射线能量范围的选择的、有限的部分，具有比用于具有较大整形时间的整形滤波器的光子计数子通道的阈值水平更近的间隔。
14.根据权利要求1至13之一所述的X射线探测器系统，其特征在于：所述光子计数通道(4，PCC)是被嵌入在专用集成电路中。
15.一种X射线成像系统(20)，包括权利要求1至14之一所述的X射线探测器系统(1，11)。
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(20)是被配置为基于来自具有不同整形时间的整形滤波器的不同光子计数子通道的光子计数输出来执行基础材料分解。
17.根据权利要求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(20)是被配置为对属于不同光子计数子通道优化联合似然函数，测量相同探测器元件的输出。
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(20)是被配置为基于来自具有不同整形时间的整形滤波器的不同光子计数子通道的光子计数输出来估算入射光子的数量。
19.根据权利要求15至18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(20)是被配置为基于来自至少一个光子计数子通道的光子计数输出来估算光谱参数的量，以及从所述光谱参数来估算入射光子的数量，并从来自至少一个光子计数子通道的光子计数输出来估算入射光子的数量。
20.根据权利要求19所述的X射线成像系统，其特征在于：所述X射线成像系统(20)是被配置为基于涉及属于具有短整形时间的整形滤波器的光子计数子通道的能量仓的光谱参数来估算在至少一个能量仓中的入射光子的数量，所述能量仓属于一个或多个光子计数子通道。
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