CN110476086B - 脉冲整形器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲整形器(18)。所述脉冲整形器(18)包括：积分器(19)，其用于生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；反馈电阻器(22)；可切换放电电路(23)，其用于对所述积分器进行放电；以及峰值检测器(24)，其用于检测所述脉冲的所述峰值。所述脉冲整形器适于基于对检测到所述峰值来开始通过所述可切换放电电路对所述积分器的所述放电，并且在所述脉冲生成的一时段期间将所述反馈电阻器并联地连接到所述积分器，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开所述反馈电阻器。所述脉冲整形器能够为使得脉冲的生成基本上不受任何明显同时的放电机构妨碍，同时能量底台的发生能够被有效地避免。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲整形器、包括所述脉冲整形器的谱光子计数探测器、包括所述谱光子计数探测器的X射线成像系统和脉冲整形方法。
背景技术
用于诸如谱辨别计算机断层摄影(CT)的成像应用的辐射检测器利用设置在阴极与阳极之间的直接转换材料，例如碲化镉(CdTe)，镉锌碲(CdZnTe)或硅(Si)，其中，跨阴极和阳极施加电压。X射线光子照射阴极，将能量转移到直接转换材料中的电子，这创建了电子/空穴对，其中，电子向阳极漂移。作为响应，阳极产生电信号，该电信号被进一步处理以便测量一个或多个能量分箱中的光子计数。这可以通过以下项来完成：前置放大器，诸如电荷灵敏放大器(CSA)，其对电信号进行放大；例如基于运算放大器和反馈电容器的组合的脉冲整形器，其对经放大的电信号进行处理并生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值或高度的脉冲；能量辨别器，其将脉冲的高度与一个或多个能量阈值进行比较；光子计数器，其针对每个阈值对脉冲的前沿跨越阈值的次数进行计数；以及能量分箱器，将光子计数分箱到各能量范围中，从而在频谱上解析检测到的辐射。原则上，能量分箱器可以用硬件来实现；然而，更典型的是，其是通过从光子计数器读入光子计数的外部软件部件来实现的。
谱辨别计算机断层摄影的一个要求是探测器必须能够辨别非常高的撞击X射线光子通量。为了满足这种挑战，脉冲整形器常常在弹道损失(ballistic deficit)的情况下操作，即，实际实现的脉冲高度小于对应于总收集电荷的高度。这在信噪比(SNR)和跨过多个通道的信号均匀性方面造成了显著的实施挑战。
为了同时解决SNR问题并且充分地解决计数率问题，有必要确保在允许反馈电容器放电之前完全电荷收集已经发生。以此方式，弹道损失不会发生。提供这种行为的拓扑是已知的，但是需要与计数率能力的权衡。由于该原因，重置方案(脉冲整形器的反馈电容器在电荷已经被收集之后被重置)也已经被提出。例如，WO2008/155680A2公开了一种方案，其中峰值检测器检测脉冲的峰值，其中在检测到峰值后，被并联地连接到反馈电容器的重置开关被闭合，以便将反馈电容器短路并放电。该方法允许改善SNR，同时仍然提供足够的计数率性能。然而，仍然存在对于关于脉冲整形器的设计和控制的进一步改善。
WO2009/050619A2公开了一种粒子计数装置，其减小了当电荷脉冲从粒子检测器接收时得到的脉冲宽度。脉冲缩短通过在脉冲超过装置输出端处的其峰值水平之后不久重置脉冲来获得。该装置包括电荷灵敏放大器和生成用于随后的辨别电路的输出的整形器。重置生成器监测整形器输出，并且当峰值已经被检测到时生成到达整形器的重置信号。
WO2008/155680A2公开了一种包括积分器的装置，所述积分器产生具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲。第一放电电路以第一放电速度给积分器放电，并且第二放电电路以第二放电速度给积分器放电。所述第一放电速度小于所述第二放电速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用改善的设计和/或控制的脉冲整形器和脉冲整形方法。本发明的又一目的是提供一种包括所述脉冲整形器的谱光子计数探测器和包括所述谱光子计数探测器的X射线成像系统。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于在谱光子计数探测器中使用的脉冲整形器，其中，所述脉冲整形器包括：
积分器，其用于生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；
反馈电阻器；
可切换放电电路，其用于对所述积分器进行放电；以及
峰值检测器，其用于检测所述脉冲的所述峰值，
其中，所述脉冲整形器适于基于检测到所述峰值来开始通过所述可切换放电电路对所述积分器的所述放电，并且在所述脉冲生成的一时段期间将所述反馈电阻器并联地连接到所述积分器，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开所述反馈电阻器，
其中，所述可切换放电电路包括至少一个电流源，其中，所述脉冲整形器适于在所述放电期间将所述至少一个电流源并联地连接到所述积分器来对所述积分器进行放电并且适于将所述反馈电阻器与所述积分器断开。
由于脉冲整形器包括在脉冲生成的时段期间被并联地连接到积分器并且在脉冲生成的另一时段期间被断开的反馈电阻器，设计脉冲整形器使得脉冲的生成基本上不受任何明显同时的放电机构妨碍同时能量底台(pedestal)(即，由不足的放电引起的任何随后的脉冲的能量偏移)的发生能够被有效地避免是可能的。在脉冲生成阶段之外，反馈电阻器优选地被连续并联地连接到积分器以便移除任何剩余的能量底台。此外，通过采用至少一个电流源用于给积分器放电，能够实现积分器的“软重置”。此外，由于反馈电阻器在放电期间被断开，积分器能够利用恒定的电流被放电，导致线性放电。此外，由在放电期间探测到的光子产生的任何电荷不会被损失，而是仍然将会对脉冲有贡献，即，积分器的输出端将会对它们作出反应。这可以帮助堆积校正，因为它可以促进堆积模型以考虑脉冲在脉冲的后沿期间交叠的事件。
如将会在下面更详细地描述的，所述谱光子计数探测器包括探测元件，所述探测元件用于检测多能量X射线辐射，其中，每个探测元件包括所述脉冲整形器、能量辨别器和光子计数器，所述能量辨别器用于将所述振幅峰值与一个或多个能量阈值进行比较，所述光子计数器用于针对每个能量阈值对所述脉冲的前沿越过所述能量阈值的次数进行计数。
优选的是，所述至少一个电流源包括两个或更多个电流源，其中，被连接的电流源的数量取决于与所述两个或更多个电流源相关联的被所述脉冲的前沿越过的预定义阈值的数量。预定义阈值优选地对应于被能量辨别器采用的能量阈值，即，如果脉冲的前沿仅越过最低能量阈值，仅一个电流源被并联地连接到积分器来给积分器放电，如果脉冲的前沿越过最低和第二最低能量阈值，两个电流源被并联地连接到积分器来给积分器放电，等等。如果脉冲的前沿越过所有能量阈值，则所有电流源都被并联地连接到积分器来对积分器进行放电。
优选地，所述脉冲整形器适于在所述放电期间逐渐减少连接的电流源的数量。为此目的，所述脉冲整形器适于当所述脉冲的后沿越过与电流源相关联的预定义阈值(诸如对应的能量阈值)时断开所述电流源。例如，让我们假设脉冲的前沿已经越过所有能量阈值，使得所有电流源最初都被并联地连接到积分器来给积分器放电。现在，在放电期间，脉冲的后沿相继越过最高能量阈值和任何更低能量阈值直到最低能量阈值，其中，在每种情况下，相应能量阈值与之相关联的电流源被断开。如与至少一个电流源一样，放电能够优选地由每个电流源利用恒定的电流来执行，导致分段的线性放电，其中，相应的斜率取决于连接的电流源的数量。以此方式，当脉冲更高时，积分器的放电能够变得更快，并且当脉冲变得更低时，被减慢。这种拓扑的益处是阈值之间的确定性斜率，这可以进一步促进堆积建模。此外，如通过电流源的相互作用实现的“软”过渡可以帮助最小化积分器的电子部分的有限摆率引起的杂散瞬变。
优选的是，所述脉冲整形器适于当所述脉冲的后沿越过预定义阈值时停止通过所述可切换放电电路的所述放电。特别地，优选的是，所述预定义阈值选自(i)所述能量辨别器的最低能量阈值、(ii)在所述能量辨别器的所述最低能量阈值与所述峰值的基线之间的额外的阈值、以及(iii)所述峰值的所述基线。在第一情况下，如果脉冲的后沿越过所述最低能量阈值，脉冲整形器断开所述至少一个或最后一个电流源，并且将反馈电阻器并联地重新连接到所述积分器。剩余的放电然后根据积分器和反馈电阻器的时间常数发生。这是简单的，因为能量辨别器的最低阈值可以是可容易获得的。然而，它可以意味着相对大的电荷仍然被存储在积分器中，其仅能够通过反馈电阻器被放电。由于反馈电阻器必须是相对大的，以便最小化弹道损失，这可以导致比较长的放电时间。相比之下，当额外的阈值(不用于能量分箱)被使用时，其优选地尽可能靠近脉冲的基线，与能量辨别器的最低阈值的等价能量相比，剩余的电荷能够是小的。这可以允许更短的脉冲的生成，并且因此，允许更高的计数率。最后，如果峰值的基线用作预定义阈值，积分器将会被可切换放电电路完全放电。然而，由于检测到零交叉与释放重置之间的有限反应时间，这可能引起过冲。
还优选的是，所述脉冲整形器还包括谷值检测器，其用于检测两个脉冲之间的谷值，其中，所述脉冲整形器适于基于检测到所述谷值来停止通过所述可切换放电电路的所述放电。谷值检测器可以允许在脉冲的检测与在前的脉冲的放电交叠的情况下及时停止通过可切换放电电路的放电。在此情况下，停止放电并且允许收集新事件的电荷将会是重要的。然而，在不存在堆积的情况下，峰值检测器将会需要与所描述的用于停止通过可切换放电电路的放电的基于阈值的机构进行组合，以确保放电在这种情况下也被停止。
优选的是，所述脉冲整形器还包括前置放大器，所述前置放大器用于放大取决于所述探测到的光子的所述能量的电信号，其中，所述放大器被布置在所述积分器的上游，并且所述脉冲整形器适于基于经放大的电信号来执行对检测到所述峰值和对通过所述可切换放电电路的所述放电的控制。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于在谱光子计数探测器中使用的脉冲整形器，其中，所述脉冲整形器包括：
积分器，其用于生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；
反馈电阻器；
可切换放电电路，其用于对所述积分器进行放电；以及
峰值检测器，其用于检测所述脉冲的所述峰值，
其中，所述脉冲整形器适于基于检测到所述峰值来开始通过所述可切换放电电路对所述积分器的所述放电，并且在所述脉冲生成的一时段期间将所述反馈电阻器并联地连接到所述积分器，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开所述反馈电阻器，
其中，所述脉冲整形器还包括充电阶段开始检测器，所述充电阶段开始检测器用于检测所述积分器的充电阶段的开始，其中，所述可切换放电电路包括所述反馈电阻器，其中，所述脉冲整形器适于在检测到的开始与对检测到所述峰值之间将所述反馈电阻器与所述积分器断开，并且连接所述反馈电阻器来对所述积分器进行放电。
这旨在在放电阶段之外最小化弹道损失和潜在的(部分)电荷损失两者。反馈电阻器在充电阶段(电荷收集阶段)期间与积分器断开，并且当脉冲的峰值被峰值检测器检测到时(即，当由单个光子的检测产生的所有电荷都已经被收集时)被再次重新连接。
优选地，由于反馈电阻器在充电阶段的开始被检测到之前被连接到积分器，任何低能量事件保持未被充电阶段开始检测器检测到，使得反馈电阻器未被断开，然后看到“连续重置”——该术语在文献中用于被永久地并联地连接到反馈电容器的反馈电阻器的概念——如由反馈电阻器实施，即，脉冲整形器生成然而未被检测到的小脉冲(由于其振幅不足以触发充电阶段开始检测器)，并且剩余的能量底台的问题被消除。
反馈电阻器优选地被定尺寸为是相对小的，以便足够快速地给积分器放电来支持高计数率。虽然小反馈电阻器在“连续重置”的传统实施方式中引起高弹道损失，但是此处由于反馈电阻器在充电阶段(电荷收集阶段)期间的断开，这不是问题。
优选的是，所述充电阶段开始检测器适于通过检测所述脉冲的振幅的快速改变来检测所述开始。这考虑了预期脉冲的振幅在充电阶段开始的时候快速改变的事实。
还优选的是，所述脉冲整形器还包括额外的反馈电阻器，其被永久地并联地连接到所述积分器。具体地，如果额外的反馈电阻器是相当大的，这能够简化对脉冲的峰值的检测。该更大的反馈电阻器确保真实峰值被形成，其能够被峰值检测器更容易地检测到。
在本发明的另一方面中，提出了一种谱光子计数探测器，其中，所述谱光子计数探测器包括：
探测元件，其用于检测多能量X射线辐射，其中，每个探测元件包括：
根据权利要求1或9所述的脉冲整形器；
能量辨别器，其用于将所述振幅峰值与一个或多个能量阈值进行比较；以及
光子计数器，其用于针对每个能量阈值对所述脉冲的前沿越过所述能量阈值的次数进行计数。
在本发明的另一方面中，提出了一种X射线成像系统，其中，所述X射线成像系统包括：
X射线辐射设备，其用于提供用于穿过适于容纳对象的检查区域的多能量X射线辐射
根据权利要求12所述的谱光子计数探测器；以及
重建单元，其用于基于所述光子计数来重建图像。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于在谱光子计数探测器中使用的脉冲整形方法，其中，所述脉冲整形方法包括：
由积分器生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；
由峰值检测器检测所述脉冲的所述峰值；
由可切换放电电路基于对检测到所述峰值来开始所述积分器的放电；以及
基于对检测到所述峰值来开始通过所述可切换放电电路对所述积分器的所述放电，并且在所述脉冲生成一时段期间将所述反馈电阻器并联地连接到所述积分器，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开所述反馈电阻器，
其中，所述可切换放电电路包括至少一个电流源，其中，所述脉冲整形方法在所述放电期间将所述至少一个电流源并联地连接到所述积分器来对所述积分器进行放电并且将所述反馈电阻器与所述积分器断开。
在本发明的另一方面中，提出了一种X射线成像系统，其中，所述X射线成像系统包括：
X射线辐射设备，其用于提供用于穿过适于容纳对象的检查区域的多能量X射线辐射
根据权利要求12所述的谱光子计数探测器；以及
重建单元，其用于基于所述光子计数来重建图像。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于在谱光子计数探测器中使用的脉冲整形方法，其中，所述脉冲整形方法包括：
由积分器生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；
由峰值检测器检测所述脉冲的所述峰值；
由可切换放电电路基于检测到所述峰值来开始所述积分器的放电；以及
基于检测到所述峰值来开始通过所述可切换放电电路对所述积分器的所述放电，并且在所述脉冲生成的一时段期间将所述反馈电阻器并联地连接到所述积分器，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开所述反馈电阻器，
其中，所述脉冲整形方法还包括由充电阶段开始检测器检测所述积分器的充电阶段的开始，其中，所述可切换放电电路包括所述反馈电阻器，其中，所述脉冲整形方法在检测到的开始与检测到所述峰值之间将所述反馈电阻器与所述积分器断开，并且连接所述反馈电阻器来对所述积分器进行放电。
应当理解，根据权利要求1和9所述的脉冲整形器、根据权利要求12所述的谱光子计数探测器、和根据权利要求13所述的X射线成像系统、以及根据权利要求14和15所述的脉冲整形方法具有类似的和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所定义的。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或以上实施例与各自的独立权利要求的任何组合。
本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。
附图说明
在以下附图中：
图1示意性地且示范性地示出了X射线成像系统的实施例，
图2示意性地且示范性地示出了在图1中示出的谱光子计数探测器的探测元件的实施例，
图3示意性地且示范性地示出了在图2中示出的探测元件的实施例的延伸，
图4示意性地且示范性地示出了图示积分器利用N个电流源的放电的曲线图，
图5示意性地且示范性地示出了在图1中示出的谱光子计数探测器的探测元件的另一实施例，
图6示意性地且示范性地示出了充电阶段开始检测器的实施例，并且
图7示出了示范性地图示脉冲整形方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意性地且示范性地示出了X射线成像系统的实施例，此处是用于生成对象的图像的谱辨别计算机断层摄影系统。所述谱辨别计算机断层摄影系统17包括能够沿着平行于z方向延伸的旋转轴R旋转的支撑件1。X射线辐射设备2，其包括X射线管并适于在扫描期间提供用于穿过谱辨别计算机断层摄影系统17的检查区域5的多能X射线辐射4，被安装在支撑件1上。在该实施例中，X射线辐射设备2适于提供锥形X射线辐射束4作为多能量X射线辐射。在另一个实施例中，X射线辐射设备2可以适于以另一种射束形状提供多能量X射线辐射，例如，以扇形射束形状。X射线辐射4穿过容纳在本实施例中为圆柱形的检查区域5中的对象(未示出)，例如患者。在穿过检查区域5之后，X射线辐射束4入射在谱光子计数探测器6上，该谱光子计数探测器6包括在此处布置在二维检测表面中的探测元件3。谱光子计数探测器6被安装在支撑件1上。
谱辨别计算机断层摄影系统17包括两个电动机7、8。由所述电机7以优选地是恒定的但是能够调节的角速度驱动所述支撑件1。提供电动机8用于移动对象(例如患者)，患者被布置在检查区5中的台面(未示出)上，平行于旋转轴R或z轴的方向。电机7、8例如由控制单元9控制，使得X射线辐射设备2和检查区5内的对象沿螺旋轨迹相对于彼此移动。然而，也可能的是，检查区5内的对象不移动，而是只有X射线辐射设备2旋转，即X射线辐射设备2相对于对象沿着圆形轨迹移动。
在X射线辐射设备2相对于对象的移动期间，谱光子计数探测器6的探测元件3检测己经穿过检查区5之后的多能X射线辐射，并且谱光子计数探测器6针对每个探测元件3测量在一个或多个能量分箱中的光子计数。因此，可以将X射线辐射设备2、用于使X射线辐射设备2相对于对象移动的元件(特别是电动机7、8)和支撑件1以及谱光子计数探测器6看作是光子计数X射线辐射检测系统31的部件。
谱辨别计算机断层摄影系统17，特别是谱光子计数X射线辐射检测系统31还包括校重建单元14，其用于通过使用已知的重建算法基于光子计数来重建计算机断层摄影图像。重建可以基于例如滤波反投影技术，迭代重建技术，Radon反演技术等。光子计数构成谱辨别的投影数据，并且重建可以包括将谱辨别的投影数据分解成不同的分量，其可能与检查区5内的对象的不同材料和/或不同的物理效应有关，并且基于经分解的谱辨别投影数据生成一幅或多幅计算机断层摄影图像。例如，可以重建计算机断层摄影图像，其仅指示单个经分解的分量或若干经分解的分量。重建的计算机断层摄影图像可以在显示器16上示出。为了将谱辨别的投影数据分解为不同的分量，可以使用已知的分解算法，如在J.P.Schlomka等人的“Experimental feasibility of multi-energy photon-countingK-edge imaging in pre-clinical computed tomography”(Physics in Medicine andBiology,Vol.53,No.15(2008))中公开的算法，其内容通过引用整体并入本文。额外地或替代地，也可以应用基于图像的材料分解。
谱辨别计算机断层摄影系统17还包括诸如计算机鼠标、键盘、触摸板等的输入单元15，以便允许用户例如输入命令，如启动或停止命令，和/或设置参数，如采集和重建参数。控制单元9还可以控制谱光子计数探测器6和/或重建单元14。
谱光子计数探测器6优选地包括利用诸如CdTe、CaZnTe或Si的直接转换材料的探测元件3。这种谱光子计数探测器例如由R.Steadman等人的“ChromAIX:Fast photon-counting ASIC for Spectral Computed Tomography”(Nuclear Instruments andMethods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectorsand Associated Equipment,Vol.648,Suppl.1(2011))，其内容通过引用整体并入本文。
图2示意性地且示范性地示出了在图1中示出的谱光子计数探测器6的探测元件3。探测元件3包括辐射灵敏传感器15，其在此处被表示为具有电流IS的电流源16，电流源16与电容17并联地连接。探测元件3还包括脉冲整形器18、能量辨别器29、光子计数器30和读出器件31。脉冲整形器18包括积分器19，此处，包括运算放大器20和被并联地连接到运算放大器20的反馈电容器21，其用于生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲。能量辨别器29然后适于比较振幅峰值与一个或多个能量阈值X1、X2、...、XN，并且光子计数器30适于针对每个能量阈值脉冲的前沿越过能量阈值的次数C1、C2、...、CN进行计数。脉冲整形器18还包括反馈电阻器22、用于给积分器19放电的可切换放电电路23、和用于检测由积分器19生成的脉冲的峰值的峰值检测器24。脉冲整形器18适于基于峰值的检测来开始可切换放电电路23通过积分器19的放电。
在该范例中，峰值检测器24包括运算放大器50、晶体管51、电容器52、比较器53和开关54。运算放大器50利用其正输入端被连接到积分器19的输出端，利用其反向输入端被连接到电容器52，并且利用其输出端被连接到晶体管51的门。峰值检测器24工作如下：让我们假设电容器52被完全放电。只要运算放大器50的正输入端是比其反向输入端更正的，电容器52就将会依赖于积分器19的输出端被充电。即，只要积分器19的输出端是比跨过电容器52的电压更正的，电容器52将会跟随积分器19的输出端。现在，如果积分器19的输出端开始降低(指示局部最大值)，电容器52保持其电荷。在那一时刻，比较器53将会跳闸，因为跨过电容器52的电压现在高于积分器19的输出端。比较器53于是致动可切换放电电路23的开关。在这方面，应注意，可切换放电电路23被保持激活，因为积分器19的输出电压根据定义低于跨过电容器52的电压降。因此需要机构来将电容器52短路，并且由此停止积分器19通过可切换放电电路23的放电。该机构由开关53来提供。
在该实施例中，可切换放电电路23包括至少一个(此处，正好一个)电流源25，其中，脉冲整形器18适于与积分器19并联地连接一个电流源25，以给积分器19放电并在放电期间将反馈电阻器22与积分器19断开。为此目的，在反馈电阻器22和一个电流源25的路径中预见了对应的开关。两个开关能够由相同的信号驱动，其中，当一个开关被闭合时，另一个开关被断开，并且反之亦然。通过采用电流源25用于给积分器19放电，反馈电容器的“软重置”能够被实现。此外，由于反馈电阻器22在放电期间被断开，积分器19能够利用恒定的电流被放电，导致线性放电。此外，由在放电期间撞击在辐射灵敏传感器15上的X射线光子产生的任何电荷不会被损失，而是仍然将会对脉冲作贡献，即，积分器19的输出端将会对它们作出反应。这可以帮助堆积校正，因为它可以促进堆积模型以考虑脉冲在脉冲的后沿期间交叠的事件。
在该实施例中，脉冲整形器18适于当脉冲的后沿越过预定义阈值时停止积分器19通过可切换放电电路23的放电。此处，预定义阈值对应于能量辨别器29的最低能量阈值X1，即，如果脉冲的后沿越过最低能量阈值X1，则脉冲整形器18断开一个电流源25，并且将反馈电阻器22并联地重新连接到积分器19。剩余的放电然后根据反馈电容器21和反馈电阻器22的RC时间常数发生。
图3示意性地且示范性地示出了在图2中示出的探测元件3的实施例的延伸。在该图中，图2的右部分已经被省略，其示出了峰值检测器24、能量辨别器29、光子计数器30和读出器件31。在该扩展中，至少一个电流源包括两个或更多个(此处，N个)电流源251、252、...、25N，其中，被连接的电流源251、252、...、25N的数量取决于与N个电流源251、252、...、25N)相关联的、被脉冲的前沿越过的预定义阈值的数量。此处，预定义阈值对应于能量辨别器29的能量阈值X1、X2、...、XN，即，如果脉冲的前沿仅越过最低能量阈值X1，仅一个电流源251被并联地连接到积分器19来给积分器19放电，如果脉冲的前沿越过最低和第二最低能量阈值X1、X2两者，两个电流源251、252被并联地连接到积分器19来给积分器19放电，等等。如果脉冲的前沿越过所有能量阈值X1、X2、...、XN，所有电流源251、252、...、25N都被并联地连接到积分器19来给积分器19放电。
在该实施例中，脉冲整形器18适于在放电期间逐渐减少连接的电流源251、252、...、25N的数量。这通过当脉冲的后沿越过与电流源251、252、...、25N相关联的预定义阈值(此处，能量阈值X1、X2、...、XN)时断开电流源251、252、...、25N来实现。例如，让我们假设脉冲的前沿已经越过所有能量阈值X1、X2、...、XN，使得所有电流源251、252、...、25N最初都被并联地连接到积分器19来给积分器19放电。现在，在放电期间，脉冲的后沿相继越过最高能量阈值XN和任何更低能量阈值直到最低能量阈值X1，其中，在每种情况下，相应能量阈值X1、X2、...、XN与之相关联的电流源251、252、...、25N被断开。
如在具有在图2中示出的一个电流源25的实施例中，放电能够由每个电流源251、252、...、25N利用恒定的电流来执行，导致分段的线性放电，其中，相应的斜率取决于连接的电流源251、252、...、25N的数量。以此方式，当脉冲更高时，积分器19的放电能够变得更快，并且当脉冲变得更低时，被减慢。此外，当脉冲的后沿越过能量辨别器29的最低能量阈值X1时，脉冲整形器18断开一个剩余的电流源251，并且将反馈电阻器22并联地重新连接到积分器19。如所描述的，剩余的放电然后根据反馈电容器21和反馈电阻器22的RC时间常数发生。这种拓扑的益处是阈值之间的确定性斜率，这可以进一步促进堆积建模。此外，如通过N个电流源251、252、...、25N的相互作用实现的“软”过渡可以帮助最小化由运算放大器20的有限摆率引起的寄生瞬变。
每个电流源251、252、...、25N以及反馈电阻器22的连接和断开能够借助于在反馈电阻器22和N个电流源251、252、...、25N的路径中预见的对应开关来执行。具体地，对应于最低能量阈值X1的开关和对应于反馈电阻器22的开关能够由相同的信号驱动，其中，当一个开关被闭合时，另一个开关被断开，并且反之亦然。
图4示意性地且示范性地示出了图示积分器利用N个电流源251、252、...、25N的放电的曲线图。该曲线图的横坐标示出了脉冲的持续时间t，而纵坐标示出了脉冲的振幅A。脉冲的峰值在此处被检测为局部最大值LM。当然，如果脉冲是负的，峰值可以被检测为局部最小值。如能够从曲线图看出的，在检测到峰值后，积分器19通过可切换放电电路23的放电被开始。在该范例中，脉冲的峰值被假设为高于最高能量阈值XN，使得所有电流源251、252、...、25N最初都被并联地连接到积分器19来给积分器19放电。在这种情况下，线性放电以由N个电流源251、252、...、25N的共同作用产生的比较陡峭的斜率发生。在脉冲的后沿已经越过最高能量阈值XN之后，电流源25N被断开，并且线性放电以由N–1个电流源251、252、...的共同作用产生的现在减小的斜率发生。每个另一个能量阈值X1、X2、...被脉冲的后沿越过时，另一个电流源251、252、...就被断开，导致连接的电流源251、252、...、25N的数量的逐渐减少和线性放电的斜率的对应减小。最后，当脉冲的后沿越过最低能量阈值X1时，一个剩余的电流源251被断开，并且反馈电阻器22被并联地重新连接到积分器19，因此剩余的放电根据反馈电容器21和反馈电阻器22的RC时间常数发生。
图5示意性地且示范性地示出了在图1中示出的谱光子计数探测器6的探测元件3的另一示例。在该图中，图2的右部分已经被省略，其示出了峰值检测器24、能量辨别器29、光子计数器30和读出器件31。此处，脉冲整形器18还包括前置放大器32和零极点消除器36，前置放大器32用于放大取决于探测到的光子的能量的电信号，零极点消除器36用于防止下冲。前置放大器32包括额外的运算放大器33以及反馈电容器34和反馈电阻器35的组合，反馈电容器34和反馈电阻器35都被并联地连接到运算放大器33。零极点消除器36包括被并联地连接的电容器37和电阻器38。
在该实施例中，脉冲整形器18还包括充电阶段开始检测器40，其用于检测积分器19的充电阶段的开始。此外，可切换放电电路23包括反馈电阻器22，其中，脉冲整形器18适于在检测到的开始与峰值的检测之间将反馈电阻器22与积分器19断开，并且适于连接反馈电阻器22来给积分器19放电。因此，积分器19的放电在此处由反馈电阻器22来执行，而在图2和3中示出的实施例中，它由至少一个电流源25(分别251、252、...、25N)来执行。该实施例旨在在放电时段期间最小化弹道损失和潜在的(部分)电荷损失两者。反馈电阻器22在充电阶段(电荷收集阶段)期间与积分器19断开，并且当脉冲的峰值被峰值检测器24检测到时(即，当由单个光子在辐射灵敏传感器15上的撞击产生的所有电荷都已经被收集时)被再次重新连接。
优选地，由于反馈电阻器22在充电阶段的开始被检测到之前被连接到积分器19，任何低能量事件保持未被充电阶段开始检测器40检测到，使得反馈电阻器22未被断开，然后看到由反馈电阻器22实施“连续重置”，即，脉冲整形器18生成然而未被检测到的小脉冲(由于其振幅不足以触发充电阶段开始检测器40)，并且剩余的能量底台的问题被消除。
此处，充电阶段开始检测器40适于通过检测脉冲的振幅的快速改变来检测充电阶段的开始。这考虑了预期脉冲的振幅在充电阶段开始的时候快速改变的事实。由于在图5中示出的二级拓扑(脉冲整形器18加前置放大器32(和零极点消除器36))为像CZT的收集电子的传感器生成具有负振幅的脉冲，充电阶段的开始通过运算放大器20的输出电压的快速降低来检测。在单级拓扑(没有CSA，仅整形器)中，输出振幅将会是正的，并且充电阶段的开始将会通过运算放大器20的输出电压的快速增加来检测。在图6中示意性地且示范性地示出了合适的充电阶段开始检测器40的实施例。充电阶段开始检测器40包括逆变器41和比较器42。逆变器41适于延迟积分器19的输出信号，并且如果积分器19的“非延迟”输出信号以一电压VH低于“延迟”信号，则比较器42生成逻辑1，指示积分器19的输出信号的快速降低。比较器42保持在逻辑1处，直至脉冲到达其峰值，此处，被检测为局部最小值。在该实施例中，逻辑水平1利用触发器(flipflop)被“锁存”。充电阶段开始检测器40用来在充电时段期间触发反馈电阻器22与积分器19的断开，并且峰值检测器24用来检测脉冲的峰值，并且在检测到峰值后，触发反馈电阻器22到积分器19的并联连接并重置充电阶段开始检测器40。
反馈电阻器22优选地被定尺寸为是相对小的，以便足够快速地给积分器19放电来支持高计数率。虽然小反馈电阻器22在“连续重置”的传统实施方式中引起高弹道损失，但是此处由于反馈电阻器22在充电阶段(电荷收集阶段)期间的断开，这不是问题。如果两个X射线光子在彼此之后不久撞击在辐射灵敏传感器15上，三种情况是可能的：
i)它们是如此靠近彼此以致于第一脉冲的最小值未被检测到。在这种情况下，两个事件被认为是提供两个事件的总电荷的单个事件。
ii)它们是相对靠近彼此的，但是第一脉冲的峰值被检测到，使得反馈电阻器22被并联地连接到积分器19，并且积分器19被放电。由于第二事件，积分器19的输出信号将会再次增加，其被充电阶段开始检测器40检测到，这将会导致反馈电阻器22被再次断开。在这种情况下，在短时间内，第二事件“看见”积分器19与反馈电阻器22并联，使得产生小的弹道损失。
iii)它们具有比利用被并联地连接的反馈电阻器22给积分器19放电所花费的时间更长的时间距离。在这种情况下，两个事件的总电荷被收集，并不存在弹道损失。
这样的优点是与传统“连续重置”方案一样高或更高的计数率可以是在不遭受弹道损失的情况下可实现的。
如在图6中进一步示出的，在该实施例中，脉冲整形器18还包括额外的反馈电阻器26，其被永久地并联地连接到积分器19。具体地，如果额外的反馈电阻器26是相当大的，这能够简化脉冲的峰值(此处，局部最小值)的检测。该更大的反馈电阻器26确保真实峰值被形成，其能够被如在图2中示出的峰值检测器更容易地检测到。
图7示出了示范性地图示脉冲整形方法的实施例的流程图，其能够利用在图2、3和5中示出的探测元件3的任一实施例来实现。
在步骤S101中，积分器19生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲。
在步骤S102中，峰值检测器24检测脉冲的峰值。
在步骤S103中，积分器19通过可切换放电电路23的放电基于峰值的检测被开始。
在步骤S104中，反馈电阻器22在脉冲生成的时段期间被并联地连接到积分器19，并且反馈电阻器22在脉冲生成的另一时段期间被断开。
尽管在参考图3和4描述的实施例中，预定义阈值对应于能量辨别器29的能量阈值X1、X2、...、XN，但是不一定必须是这样的情况。例如，在其他实施例中，被可切换放电电路23包括的电流源的数量可以低于能量阈值X1、X2、...、XN的数量，并且仅其子集可以被采用用于控制电流源的连接和断开。而且，所有或一些预定义阈值可以独立于用于能量辨别的能量阈值X1、X2、...、XN被定义。
尽管在参考图3和4描述的实施例中，脉冲整形器18适于当脉冲的后沿越过能量辨别器29的最低能量阈值X1时停止积分器19通过可切换放电电路23的放电，但是在其他实施例中，这可以是不同的。例如，最低能量阈值X1与峰值的基线之间的额外的阈值(不用于能量分箱)可以被选择作为预定义阈值。在这种情况下，优选的是，额外的阈值尽可能靠近脉冲的基线，使得积分器19中存储的剩余的电荷能够与能量辨别器的最低阈值X1的等价能量相比是小的。作为又一备选方案，峰值的基线可以用作预定义阈值，在此情况下积分器19将会被可切换放电电路23完全放电。然而，由于检测到零交叉与释放重置之间的有限反应时间，这可能引起过冲。
在参考图2至4描述的实施例中，脉冲整形器18可以还包括谷值检测器(未在图中示出)，其用于检测两个脉冲之间的谷值，其中，脉冲整形器18可以适于基于谷值的检测来停止通过可切换放电电路23的放电。这可以借助于修改的峰值检测器来实施，代替检测局部最大值，所述修改的峰值检测器将会被设计为检测两个脉冲之间的谷值。这样做的益处将会是要确保放电机构不影响当X射线光子在积分器19的放电期间撞击在辐射灵敏传感器15上时由脉冲整形器18生成的脉冲的开始。这种修改的峰值检测器可以是基于在输入端处具有反向缓冲级的如在图2中示出的相同的拓扑。谷值检测器可以允许在撞击在辐射灵敏传感器15上的脉冲与在前的脉冲的放电交叠的情况下及时停止通过可切换放电电路23的放电。在此情况下，停止放电并且允许收集新事件的电荷将会是重要的。然而，在存在堆积的情况下，峰值检测器将会需要与所描述的用于停止通过可切换放电电路23的放电的基于阈值的机构进行组合，以确保放电在这种情况下也被停止。
在参考图5和6描述的实施例的替代方案中，预见到充电阶段开始检测器40好到足以确定脉冲到达的最小值，因为在这种情况下积分器19的输出信号不再改变，在此情况下比较器42的输出回到0。如果是这样的情况，峰值检测器24能够被省掉，并且反馈电阻器22的连接能够直接通过充电阶段开始检测器40来触发。然而，这意味着一定量的弹道损失仍然是可接受的。
应当注意，在参考图5和6描述的实施例中，不存在对于用于停止通过可切换放电电路23的放电的特定机构的需要。更确切地说，当反馈电阻器22已经从反馈电容器21完全耗尽电荷时，放电被固有地“自”停止。换言之：一旦峰值(此处，局部最小值)已经被检测到并且可切换放电电路23已经被触发以重新连接反馈电阻器22，放电以与“连续重置”配置相同的方式工作。
本领域技术人员通过研究附图、公开以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时，可以理解和实现对所公开实施例的其他的变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以完成权利要求中列举的几个项的功能。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。
像由一个或若干个单元或设备执行的脉冲的峰值的检测、积分器19通过可切换放电电路23的放电的控制等等的操作能够由任何其他数量的单元或设备来执行。这些操作能够被部分地实施为计算机程序的程序代码单元和/或为专用硬件。
计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统分布。
权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。
本发明涉及一种脉冲整形器。所述脉冲整形器包括：积分器，其用于生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；反馈电阻器；可切换放电电路，其用于对所述积分器进行放电；以及峰值检测器，其用于检测所述脉冲的所述峰值。所述脉冲整形器适于基于检测到所述峰值来开始通过所述可切换放电电路对所述积分器的所述放电，并且在所述脉冲生成的时段期间将所述反馈电阻器并联地连接到所述积分器，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开所述反馈电阻器。
Claims (11)
1.一种用于在谱光子计数探测器(6)中使用的脉冲整形器，包括：
积分器(19)，其用于生成具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；
反馈电阻器(22)；
可切换放电电路(23)，其用于对所述积分器(19)进行放电；以及
峰值检测器(24)，其用于检测所述脉冲的所述峰值，
其中，所述脉冲整形器(18)适于基于检测到所述峰值来开始通过所述可切换放电电路(23)对所述积分器(19)的所述放电，并且在脉冲生成的一时段期间将所述反馈电阻器(22)并联地连接到所述积分器(19)，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开所述反馈电阻器(22)，
其中，所述可切换放电电路(23)包括至少一个电流源(25；251、252、...、25N)，其中，所述脉冲整形器(18)适于在所述放电期间将所述至少一个电流源(25；251、252、...、25N)并联地连接到所述积分器(19)以对所述积分器(19)进行放电并且适于将所述反馈电阻器(22)与所述积分器(19)断开。
2.根据权利要求1所述的脉冲整形器，其中，所述至少一个电流源(25；251、252、...、25N)包括两个或更多个电流源(251、252、...、25N)，其中，被连接的电流源(251、252、...、25N)的数量取决于与所述两个或更多个电流源(251、252、...、25N)相关联的、被所述脉冲的前沿越过的预定义阈值的数量。
3.根据权利要求1所述的脉冲整形器，其中，所述至少一个电流源(25；251、252、...、25N)包括两个或更多个电流源(251、252、...、25N)，其中，所述脉冲整形器(18)适于在所述放电期间逐渐减少连接的电流源(251、252、...、25N)的数量。
4.根据权利要求3所述的脉冲整形器，其中，所述脉冲整形器(18)适于当所述脉冲的后沿越过与所述电流源(251、252、...、25N)相关联的预定义阈值时断开所述电流源(251、252、...、25N)。
5.根据权利要求1所述的脉冲整形器，其中，所述脉冲整形器(18)适于当所述脉冲的后沿越过预定义阈值时停止通过所述可切换放电电路(23)的所述放电。
6.根据权利要求5所述的脉冲整形器，其中，所述谱光子计数探测器(6)包括能量辨别器(29)，所述能量辨别器用于将所述振幅峰值与一个或多个能量阈值(X1、X2、...、XN)进行比较，其中，所述预定义阈值选自(i)所述能量辨别器(29)的最低能量阈值(X1)、(ii)在所述能量辨别器(29)的所述最低能量阈值(X1)与所述峰值的基线之间的额外的阈值、以及(iii)所述峰值的所述基线。
7.根据权利要求1所述的脉冲整形器，还包括谷值检测器，所述谷值检测器用于检测两个脉冲之间的谷值，其中，所述脉冲整形器(18)适于基于检测到所述谷值来停止通过所述可切换放电电路(23)的所述放电。
8.根据权利要求1所述的脉冲整形器，还包括前置放大器(32)，所述前置放大器用于放大取决于所述探测到的光子的所述能量的电信号，其中，所述放大器(32)被布置在所述积分器(18)的上游，并且所述脉冲整形器(18)适于基于经放大的电信号来执行对所述峰值的所述检测和对通过所述可切换放电电路(23)的所述放电的控制。
9.一种谱光子计数探测器，包括：
探测元件(3)，其用于探测多能量X射线辐射，其中，每个探测元件(3)包括：
辐射灵敏传感器(15)；
根据权利要求1所述的脉冲整形器(18)；
能量辨别器(29)，其用于将所述振幅峰值与一个或多个能量阈值(X1、X2、...、XN)进行比较；以及
光子计数器(30)，其用于针对每个能量阈值对脉冲的前沿越过所述能量阈值的次数(C1、C2、...、CN)进行计数。
10.一种X射线成像系统，包括：
X射线辐射设备(2)，其用于提供用于穿过适于容纳对象的检查区域(5)的多能量X射线辐射；
根据权利要求9所述的谱光子计数探测器(6)；以及
重建单元(14)，其用于基于所述光子计数来重建图像。
11.一种用于在谱光子计数探测器(6)中使用的脉冲整形方法，包括：
由积分器(19)生成(S101)具有指示探测到的光子的能量的振幅峰值的脉冲；
由峰值检测器(24)检测(S102)所述脉冲的所述峰值；
基于检测到所述峰值来开始(S103)通过可切换放电电路(23)对所述积分器(19)进行放电，并且
在脉冲生成的一时段期间将反馈电阻器(22)并联地连接(S104)到所述积分器(19)，并且在所述脉冲生成的另一时段期间断开(S104)所述反馈电阻器(22)，
其中，所述可切换放电电路(23)包括至少一个电流源(25；251、252、...、25N)，其中，所述脉冲整形方法在所述放电期间将所述至少一个电流源(25；251、252、...、25N)并联地连接到所述积分器(19)来对所述积分器(19)进行放电，并且将所述反馈电阻器(22)与所述积分器(19)断开。
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