CN112088320A - 光子计数谱ct - Google Patents
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Abstract
公开了一种适于探测泄漏电流的辐射探测器(100),并且所述辐射探测器包括直接转换材料(101)、至少一个第一电极(108)和多个第二电极(103)、至少一个电流测量设备(201)、以及多个信号处理链(210、220、230),所述直接转换材料用于转换入射辐射,所述至少一个第一电极和所述多个第二电极被连接到所述直接转换材料(101)的表面以在施加电场后收集每个生成的电荷。每个信号处理链包括读出单元(215、216、217、218、219)和切换元件(214),所述读出单元用于在关于所述入射辐射的能量值之间进行鉴别,所述切换元件用于在第一信号路径(2141)上或在第二信号路径上发送信号,所述第一信号路径将所述多个第二电极中的一个与所述读出单元电连接,所述第二信号路径将所述多个第二电极中的所述一个与到所述至少一个电流测量设备中的一个的输入端电连接。多个切换元件被配置为在所述第二信号路径上发送信号以在不存在入射辐射的情况下测量在所述探测器的对应的多个第二电极处接收的泄漏电流。
Description
技术领域
本发明涉及谱计算机断层摄影(CT)设备和方法的领域,并且具体涉及光子计数谱CT探测器单元和探测方法。
背景技术
计算机断层摄影(CT)应用中的光子计数探测器单元提供了获得以多于一个能量值进行测量的CT扫描器的谱读出信息的一种方式。基于光子计数的CT系统的性能强烈地取决于对最终探测信号做出贡献的所有读出分量的时间稳定性。光子计数探测器上面的也随着时间和温度可变的泄漏电流导致重建的谱CT图像中的伪影。通过探测与一系列阻挡辐射的探测器像素相关联的平均泄漏电流并且补偿一系列辐射敏感的探测器像素的泄漏电流来抑制光子计数探测器中的泄漏电流是已知的但不完全使用可用资源的技术,因为它丢弃一些像素。因此,存在对于改进的泄漏电流校正的光子计数探测器的需要。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种用于校正光子计数谱CT中的长期不稳定性的良好的系统和方法。
上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面中,本发明涉及一种适于探测泄漏电流的辐射探测器。所述辐射探测器包括直接转换材料、至少一个第一电极和多个第二电极,所述直接转换材料用于将入射辐射转换成电荷,所述至少一个第一电极被连接到所述直接转换材料的第一主要表面,所述多个第二电极被连接到所述直接转换材料的第二主要表面。当所述第一电极与所述第二电极之间的电场被施加时,所述第一电极和所述第二电极中的每个收集由入射辐射生成的电荷。所述辐射探测器还包括至少一个电流测量设备和多个信号处理链,每个信号处理链包括读出单元和切换元件,所述读出单元用于在关于所述入射辐射的能量值之间进行鉴别。切换元件在第一信号路径上或在第二信号路径上发送信号,所述第一信号路径将所述多个第二电极中的一个与所述读出单元电连接以在能量值之间进行鉴别,所述第二信号路径将所述多个第二电极中的所述一个与到所述至少一个电流测量设备中的一个的输入端电连接。被包括在所述多个信号处理链中的多个切换元件被配置为在所述第二信号路径上发送信号以在不存在入射辐射的情况下测量在所述探测器的对应的多个第二电极处接收的泄漏电流。
本发明的实施例的优点是,泄漏电流能够在非常高的精度的情况下并且在不需要探测器的像素的光学变黑的情况下被测量。因此,所有像素都可以可用于辐射探测测量的读出,并且更好的空间分辨率和/或更高的像素计数被获得。用于测量泄漏电流的像素集群对干扰泄漏电流测量的噪声源执行求平均动作,并且因此对于泄漏电流信号的测量实现更高程度的精度和更高的信噪比。对泄漏电流测量做出贡献的不同像素集群允许跨辐射探测器的敏感区域的泄漏电流信号的空间内插或外插。
本发明的实施例的优点是,可以避免专用于泄漏电流探测和补偿的额外电子信号处理电路,因此面对对可用电子器件设计区域的更少限制。如果专用的泄漏电流补偿电路存在,则本发明受益于以下事实:未补偿的残余泄漏电流信号能以高精度测量并且其增强的进一步校正仍然是可能的。本发明的实施例的优点是,泄漏电流信号的更大动态范围是可测量的,并且更便宜的CZT晶体或在其制造过程中要求不高的其他合适的转换材料可以被使用。通过用于泄漏电流的更大动态测量范围来考虑由于转换材料的退化的泄漏电流信号的增加。
本发明的实施例的又一优点是,重建的能量分辨的图像中的伪影由于由时变和/或不均匀泄漏电流引起的能量谱中的相干移位的探测和补偿而被减少。更好的能量分辨率和/或像素无关的统计可以被获得,并且基线恢复单元可以不被需要。
所述辐射探测器的所述至少一个直接转换材料可以是CZT晶体。碲锌镉(CZT)晶体是在室温下高效地生成电子-空穴对而不需要充分冷却系统的直接带隙半导体。CZT晶体包含具有导致该材料中的增加的光子吸收系数的高原子序数的元素。这有益于具有高光子吸收的薄探测器的制造。
所述多个第二电极可以在所述第二主要表面上被布置为电极的阵列。
电极的阵列被更容易地接触,并且可以是与被嵌入在半导体基底中的像素的信号处理链形成电气接口的规律构造的传导性附接器件。这降低了探测器中的死/非响应像素的风险。电极的阵列还提供探测器的良好空间分辨率。
所述探测器可以还包括用于存储测量的泄漏电流的存储设备。测量的泄漏电流的存储值因此可以被嵌入在由探测器采集的原始图像数据中。如果测量的泄漏电流被用作根据原始图像数据集(通常是在不同角度处并且针对不同切片的投影)重建扫描对象或患者的谱(能量)分辨的图像的图像重建单元中的参数,则这是有用的。存储设备也可以存储测量的泄漏电流可以与其比较的用于泄漏电流的参考或校准值。这提供了对泄漏电流和得到的能量谱中的移位的芯片上硬件校正的可能性。
至少一个电流测量设备可以包括模数转换器。模数转换器可以针对大范围可测量电流值以高精度被设计,并且可以是可针对不同范围或精度配置的。它们可以以紧凑方式被集成在与每个探测器像素相关联的信号处理链相同的半导体基底中,并且在测量泄漏电流的时间期间提供稳定的操作。模数转换器提供适合于在数字电子器件中进一步处理的测量的泄漏电流的数字表示。
所述信号处理链中的至少一个可以还包括用于在所述第一信号路径和所述第二信号路径上发送的信号的泄漏电流探测单元和泄漏电流补偿单元。在这种情况下,所述泄漏电流探测单元的输出端被连接到所述泄漏电流补偿单元的输入端,并且所述泄漏电流补偿单元的输出端被连接到所述切换元件。
这允许在探测时在像素水平上对泄漏电流的硬件预补偿,因此可以丢弃任何额外的后处理步骤。这种预补偿可以是在粗糙水平上的并且不是非常精确的,这经常减小电子器件设计空间和成本。这种预补偿的残差或由于改变执行这样的预补偿的状况的残差仍然可以被测量,并且被用于根据本发明的稍后校正。
在第二方面中,本发明涉及一种探测器系统,包括多个根据本发明的第一方面的辐射探测器。
探测器系统可以包括用于实现较大面积探测的探测器的阵列。这种探测器系统因此可以允许用于入射辐射的较大观察角度或扫描对象/患者的较大扫描体积。这潜在减少良好质量扫描所需的暴露的次数,并且加快扫描。
这种探测器系统还可以包括辐射源和图像重建单元,所述图像重建单元用于重建对象的图像,对于所述对象,如果所述对象被放置在所述辐射源与所述多个探测器之间,则针对贯穿所述对象的辐射的投影数据被获得。
这是扫描系统(例如计算机断层摄影扫描系统)的典型布置。在这种扫描系统中,关于测量的泄漏电流的信息可以容易地可用于具体探测器/探测器瓦片或探测器的阵列,并且可以针对每个扫描被用作到图像重建单元的输入。因此,改善的重建的图像可以更容易地以更高的质量且更准确的能量分辨率获得。
所述图像重建单元可以包括使用测量的泄漏电流用于校正谱能量移位的探测器模型。
这具有以下优点:测量的泄漏电流可以在考虑探测器或探测器系统在扫描期间的变化条件(例如室温变化)并且补偿其的重建方法中被使用。因此可以减少或消除伪影的存在。
在第三方面中,本发明涉及一种用于执行谱CT扫描的方法。该方法包括以下步骤:在多个像素电极处收集在不存在辐射的情况下在直接转换材料中生成的电荷,将收集到的电荷信号从多个像素电极发送到共同节点,并且在共同节点处测量泄漏电流。此后,提供辐射信号,并且由多个像素电极中的每个接收的信号根据一组能量阈值进行鉴别。针对多个像素电极中的每个对超过能量阈值的信号的发生的次数进行计数,因此获得谱(光子)计数。该方法包括基于测量的泄漏电流来调整在对发生的次数的鉴别和/或计数中使用的能量阈值的步骤。
对于在共同节点处的泄漏电流的重复测量,电荷信号被收集并且被发送到共同节点以测量泄漏电流的多个像素电极可以是不同的。
这具有以下优点:探测器的不同区域的泄漏电流可以与彼此分开地被测量。多个像素电极可以例如仅包括探测器的块体像素,为此预期测量的泄漏电流仅不同于关于探测器的边缘像素的测量的泄漏电流。多个像素电极可以是棋盘图案或探测器的像素的随机分布,或可以对应于探测器的像素阵列的四个象限。这允许对于泄漏电流测量的改善的平均效应。热或暗像素可以从泄漏电流测量中排除。用于多个像素电极的重复的不同选择的图案可以改善泄漏电流测量的精度,并且可以覆盖探测器的整个敏感区域。用于多个像素电极的选定图案也可以有用于执行空间内插,以获得针对未对泄漏电流测量做出贡献的像素的泄漏电流的估计值。
在共同节点处测量的泄漏电流可以被数字化。这使测量的泄漏电流适合于数字后处理或其在数字处理单元中的使用。
当不再提供辐射信号时,泄漏电流可以在共同节点处被再次测量。
因此,谱计数甚至可以针对在暴露期间的入射辐射的变化或针对在暴露期间发生的环境变化(例如温度变化)进行校正,并且对谱计数具有影响。
在共同节点处的泄漏电流信号可以在提供辐射信号的时间内被线性地估计。在这些时间内,通常避免泄漏电流测量以避免延长的扫描时间。然而,泄漏电流信号可以通过在每个扫描之前和之后执行的两次测量之间进行内插来估计。对于泄漏电流的估计可以通过线性地内插、通过多项式内插、样条内插等来获得。
对于泄漏电流的估计可以考虑测量的光子通量,即整个扫描期间的测量的谱光子计数的历史。这可以改善用于泄漏电流的内插值。
对象图像也可以基于针对由每个像素电极接收的信号获得的谱计数被重建,其中,重建对象图像包括调整谱模型的能量阈值参数以补偿可从测量的或估计的泄漏电流导出的谱能量移位。
本发明的特定和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征适当地组合,而不仅仅是如权利要求中明确阐述的。
为了概述本发明和超过现有技术实现的优点的目的,已经在本文和前文中描述本发明的某些目的和优点。当然,应理解,未必所有的这样的目的或优点都可以根据本发明的任何特定的实施例来实现。因此,例如,本领域技术人员将认识到,本发明可以以实现或优化如在本文教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行,而未必实现如在本文教导或建议的其他目的或优点。
本发明的以上和其他方面将从下文描述的(一个或多个)实施例显而易见并且参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐明。
附图说明
本发明现在将以范例的方式参考附图来进一步描述,在附图中:
图1是辐射探测器的示意性图示;以及
图2示出了根据本发明的实施例的像素电子器件的示范性电子块图。
图3示出了根据本发明的另一实施例的实施部分泄漏电流补偿的像素电子器件的示范性电子块图。
图4是根据本发明的实施例的包括多个辐射探测器的扫描系统的示意性图示。
附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中,为了说明的目的,元件中的一些的大小可以被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于本发明的实践的实际减少。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中,相同的附图标记表示相同或类似的元件。
具体实施方式
将参考特定实施例并且参考某些附图来描述本发明,但是本发明不限于此,而仅由权利要求限定。
说明书中和权利要求中的术语第一、第二等用于区分相似的元件,而不一定用于描述在时间上、空间上、排序上或以任何其他方式的顺序。应当理解,如此使用的术语在适当的情况下是可互换的,并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文所描述或所图示的其他顺序进行操作。
此外,在说明书和权利要求中的方向性术语(例如:顶部、底部、前面、后面、前部、尾部、下面、上面等)出于描述性目的关于被描述的附图的取向被使用,而未必用于描述相对位置。因为本发明的实施例的部件可以被定位在许多不同的取向上,所以方向性术语仅用于图示的目的,而决不旨在为限制性的(除非另行指示)。因此,应理解,如此使用的术语在适当的情况下是可互换的,并且在本文描述的本发明的实施例能够以不同于在本文描述的或示出的其他取向来进行操作。
要注意的是,权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的单元;其不排除其他元件或步骤。因此,其被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在,但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件或其组的存在或添加。因此,表述“包含单元A和B的设备”的范围不应限于仅包括部件A和B的设备。其意味着,关于本发明,设备的仅有相关部件是A和B。
在本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此,在本说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必但可以全部指代相同的实施例。此外,可以以任何适合的方式在一个或多个实施例中组合特定的特征、结构或特性,如依据本公开内容对于本领域普通技术人员将显而易见的。
类似地,应当理解,在本发明的示范性实施例的描述中,为了简化本公开并有助于理解各种创新方面中的一个或多个,本发明的各种特征有时被一起分组在单个实施例、附图或其描述中。然而,本公开的方法不应被解释为反映要求保护的本发明需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反,如随附权利要求所反映的,创新方面在于比单个前述公开的实施例的所有特征更少。因此,详细描述后的权利要求在此明确地并入本详细描述中,其中,每个权利要求独立地代表本发明的单独实施例。
此外,尽管本文所述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些但不是其他特征,但是不同实施例的特征的组合意图在本发明的范围内,并且构成不同的实施例,如本领域技术人员将理解的。
应当注意,当描述本发明的某些特征或方面时对特定术语的使用不应被认为是暗示该术语在本文被重新定义为被限制到包含与该术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。
在本文提供的描述中,阐述了许多具体细节。然而,应当理解,可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下,没有详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对该描述的理解。
定义
在本发明的背景下,探测器递送表示冲击幅射的信号。辐射冲击探测器,其中,它被转换成可测量信号。冲击幅射可以是任何类型的电磁辐射,例如可见光、UV光、红外光、X射线、伽马射线。
探测器可以包括可能以阵列方式布置的多个像素。在本发明的背景下,探测器的像素指的是包括如通过顶部电极与像素电极之间的辐射敏感体积定义的块体直接转换材料中的具体几何有效区域的元件。像素可以经由其像素电极被电连接到信号处理链。
实施例的详细描述
图1是探测器100的实施例的示意性图示,该探测器包括顶部电极108、块体直接转换材料101、形成结构化底部电极的多个像素电极103、至少用于每个像素电极103的传导性附接器件104、以及包括像素电子器件106的基底105(例如Si)。块体直接转换材料101可以是薄的,例如小于3.0mm,小于2.0mm,例如大约500微米厚;其厚度取决于材料,并且被选择为以便在其块体体积内提供充分的辐射吸收,例如实现多于50%光子吸收或优选地实现多于80%光子吸收的厚度。适合于在块体内部直接将冲击幅射(诸如X射线)转换成电荷的直接转换材料101的非限制性范例是碲锌镉(CZT)的合金、碲化镉(CdTe)、砷化镓、非晶硒或其他合适的直接转换材料,优选地是包括高原子序数元素的半导体。直接转换材料的其他范例是硅或锗,除了转换X射线,其还适合于转换紫外或可见光。直接转换在本文中被理解为是直接导致一对电荷的产生的辐射转换过程,不包括例如更长波长处的光的再发射(发光)的中间转换过程。每个进来的辐射射束(例如包括多个多能光子的X射线射束)生成自由电荷载体云,其中自由电荷的量与入射光子的能量成比例。直接转换材料的优点是,入射辐射信号被直接转换成要被探测的电荷,其DQE不由于与辐射的再发射(闪烁)有关的损失(诸如熄灭、光引导和收集损失等)而被削弱。在本发明的优选实施例中,入射辐射107是在直接转换半导体材料(例如CZT)中生成电子-空穴对的X射线。在本发明的背景下,辐射信号一般指的是入射在探测器100的至少一部分上的辐射射束(例如X射线光子的射束),但是它可以具体指的是受控的辐射射束,其中,射束控制可以包括射束整形(例如发散角的控制)、由辐射源发射的射束的空间滤波、辐射射束的空间调制(例如通过局部吸收材料)和/或时间调制(例如开/闭切换、脉冲序列)等。因此,例如,如果辐射源(例如X射线源)被通电,则辐射信号可以被提供,并且如果该辐射源被关闭,则辐射信号可以不再被提供。
探测器100包括顶部电极108、形成探测器顶部表面102的第一主要表面、以及与块体直接转换材料101接触的第二主要表面。该顶部电极108通常是最低程度地吸收入射在其上的辐射107的薄的非结构化平坦电极。底部电极被构造为像素电极103的阵列,例如为多个像素电极的规律或不规律图案,例如定义探测器100的有效像素区域的正方形像素电极的图案。然而,底部电极不限于正方形像素电极103的阵列,并且圆形像素电极、六边形像素电极、或在相对于块体直接转换材料的厚度稍微偏移的平面上的垂直和水平条带的集合是其另外的非限制性范例。像素电极103的阵列可以具有1.0mm或更小、例如500微米或更小、或200微米或更小的像素尺寸,这取决于目标空间分辨率、能量分辨率、以及所收集的信号强度、典型的暴露时间等。探测器100可以例如包括像素电极103的8x8、16x16或32x32阵列,而不限于这些具体选择。多个像素电极103均通过合适的传导性附接器件104被电连接到像素电子器件106。这样的传导性附接器件104可以例如包括电线、金柱、焊接凸块、铟凸块等,其允许具有图案化底部电极的块体直接转换材料101被结合到基底105的顶部表面(例如平坦顶部表面),其中,在一侧上的像素电极103中的每个与另一侧上的像素电子器件106中的每个之间建立电连接。包括像素电子器件106的基底105可以例如是半导体芯片(例如CMOS芯片),并且多个像素电子器件106可以例如是被制造到半导体芯片内或上的集成电路(例如ASIC(专用集成电路))的一部分。
多个探测器100可以在探测器组件中被同时使用,以增加探测的视场或辐射107敏感表面积而不牺牲空间分辨率。例如,探测器100可以形成更大探测器组件中的瓦片,所述更大探测器组件包括这些瓦片的一行、两行或更多行,并且每行可以包括许多瓦片,例如8个、16个、32个或更多个瓦片。探测器组件可以具有被附接到柔性或刚性支撑物(例如在倾斜的PCB板的集合上)的其瓦片。
在探测器100的操作期间,强电场在直接转换材料内部被生成,例如负电位一般被应用于顶部电极108(例如阴极),并且更正电位被提供在底部电极的像素电极103(例如阳极)处,其中,顶部与底部电极之间的电场是电位差的结果。取决于块体直接转换材料101和其厚度,电位差可以是仅几伏、数十伏或甚至数百伏。对于具体实施例中的作为块体直接转换材料101的CZT晶体,电位差可以在100V到1500V之间的范围内,这取决于转换材料和厚度。因此,经由块体直接转换材料101内部的冲击幅射107的直接转换生成的电荷对被分离,并且在相应的电极处收集正电荷和负电荷,例如阳极处的电子和阴极处的空穴,其中电流被诱发。这意味着探测器100在光电导模式下被操作。辐射107优选地以九十度角入射在探测器100的顶部表面102上,以避免探测器100的有效像素区域之间的串扰,并且在本发明的优选实施例中,包括X射线光子,但是不限于此。伽马射线、软X射线、极紫外光、可见或红外光也是辐射107的范例,辐射107的类型是专用的。高度集成的像素电子器件106将电荷脉冲变换成具有能够被数字地计数的几纳秒的持续时间的电压脉冲。不仅能够记录或计数每个个体光子,而且能够测量来自每个个体光子的能量,例如在双能量或多能量探测中。
电荷生成过程也可以在探测器100未暴露于辐射107的情况下自发地发生。这引起在相应的电极处收集的恒定背景暗电流。如果块体直接转换材料101(例如CZT晶体)具有缺陷(例如俘获中心或任何其他类型的不均匀性),则在每个像素电极103处探测到的局部暗电流将是不同的。此外,在时域中也可以存在例如由迁移电荷载体或紧跟在暴露之后的不完全电荷移除的俘获和释放引起的一些残余泄漏电流,例如对于CT扫描器中的显示器上的直接观察,其可以在图像重建时产生鬼影图像、带伪影等。暗电流仅是导致更高(散粒)噪声水平从而探测器的动态范围并且使其谱响应变宽的一种形式的泄漏电流。其他形式的泄漏电流包括由于电荷迁移通过由探测器100的顶部电极和底部电极形成的电容结构、电荷俘获释放、电荷注入等的泄漏电流。包括许多探测器瓦片的探测器组件中的跨单个探测器100或跨瓦片的温度增加或温度梯度也可以诱发泄漏电流的漂移。此外,像素电子器件106也可以在其相应的输入节点处具有不可忽视的温度依赖的偏移电流(输入泄露),这取决于电路拓扑和实施方式。所有这些泄漏电流最终一起促进读出像素电子器件106的可探测相干能量移位。在本发明的背景下,能量中的相干移位或平均泄漏电流的相干漂移意味着跨所有像素的平均移位/漂移具有非零平均值。即,如果例如温度沿一个方向改变,则所有像素都将沿同一个方向增加/降低平均泄漏电流。通常,泄漏电流在比探测器100的(电荷)脉冲动态慢得多的时间尺度上演变,并且因此,一般被认为是探测器信号的dc或低频分量。这一般影响探测器100的能量分辨率,因为基线以经常不可预测的方式移位,因此损害脉冲高度测量并且最终损害图像质量和成像信息的准确性。例如,每个探测器100(例如每个像素电极)的小于1nA的泄漏电流的变化(如果未被校正或如果未被补偿)可以导致重建的CT图像中的带伪影,而泄漏电流也可以由于老化效应、湿度等而增加至数十nA。因此,尽可能准确地考虑不均匀的泄漏电流和其时间漂移是重要的。对于CT扫描,这可以通过在扫描开始之前测量跨探测器100或跨探测器组件中的许多探测器的泄漏电流来实现。随着CT扫描进行,扫描对象的许多投影需要可以为探测器组件中的探测器阵列的一部分的探测器100的许多暴露。由于每次暴露于入射辐射将一些能量沉积在探测器100内,所以在探测器100处的温度可以在CT扫描的许多投影之后被显著增加,例如探测器100的温度可以在扫描期间线性地或甚至指数地增加。因此,在每个完成的扫描之后测量泄漏电流也是优选的。然而,探测器100的泄漏电流的测量被执行的时刻不限于在每个扫描之前/之后,并且可以可选地在扫描期间被执行,例如当开关管关闭之后在扫描期间以规律的时间间隔被执行。开关管的使用在相关领域中是已知的。
在本发明的一些实施例中,像素电子器件106包括泄漏电流探测和补偿电路,例如具有泄漏电流探测单元和补偿单元的ASIC,所述补偿单元部分地补偿时变泄漏电流。然而,通过ASIC的唯一手段来补偿泄漏电流证明是困难的,因为ASIC通常被设计用于目标规范(例如范围和分辨率),其与各种各样的现有直接转换材料(例如CZT晶体的各种各样的过程依赖的样本)相冲突,这使广泛匹配的设计不可能。CZT晶体的老化效应、辐射损坏、更低质量的CZT晶体或高辐射率也可以负面地影响这样的方法,因为泄漏电流可以增长到设计的规范之外或设计的分辨率可能不会精细到足以避免量化误差和伪影的出现。
在本发明的一些实施例中,被应用于块体直接转换材料101的侧面的保护环是将电荷载体的漂移限制于探测器的侧面,在那里它们可以经历增加的俘获或表面电流。用于避免像素串扰的转向网格也可以被实施在像素电极103之间,优选地在将它们与像素电极103绝缘开的层上。防散射网格或其他辐射吸收控制层可以被可选地提供在探测器100的上方或顶部,其中,以不同于九十度的角度入射的相干辐射散射被减少或入射辐射剂量被调整。
在本发明的备选实施例中,直接转换材料不是块体单元,但是也被例如图案化成像素列,并且每个像素列包括顶部电极和底部电极。
图2示出了根据本发明的实施例的像素电子器件106的示范性电子块图,像素电子器件能够与例如如图1中图示的探测器100或其变型一起使用。为了完整性和描述的方便性,用于在块体直接转换材料101内和在像素电极103处或在顶部电极108处发生的电荷载体生成和收集过程的等效电路211被包括在图2的附图中,但不是被包含在基底105中或上的像素电子器件106的一部分。等效电路211针对探测器的每个像素将由在该像素处接收的冲击幅射信号引起的电荷载体的生成和迁移建模为等效电流源212。该等效电流源212也生成与该像素相关联的泄漏电流。每个像素也具有相关联的输入电容213,在第一近似中,输入电容由相应的像素103电极和顶部电极108形成。
如图2中示出的,在探测器100的暴露期间在单个像素电极103处收集的电荷信号在单个信号处理链210中被处理,该单个信号处理链与该具体像素电极相关联,即借助于相应的传导性附接器件104,并且被称为像素信号处理链210。每个像素具有它自己的信号处理链210、220、230。每个像素信号处理链210、220、230包括被连接到等效电流源212的切换元件214。每个切换元件214被配置用于在与对应的像素信号处理链210、220、230相关联的第一信号路径2141与第二信号路径2142之间进行切换。对于每个像素,第一信号路径2141经由切换元件214将电流源212与读出单元的输入端相连接。读出单元可以包括前端电路215,在此情况下第一信号路径2141经由切换元件214将电流源212与前端电路215的输入端相连接。前端电路215可以包括前置放大器级(例如电荷感测放大器(CSA))和脉冲整形器,其两者都可以是可编程的,例如在增益、带宽或脉冲整形时间常数方面是可编程的。前端电路215的输出端被连接到也被包括在读出单元中的具有不同(例如可调)阈值设置的多个鉴别器,例如如图2中图示的两个鉴别器216、218。在鉴别器216、218中的每个中,将前端电路215的输出与阈值进行比较,并且在阈值之上的信号脉冲被记录在被连接到具体鉴别器216、218的对应计数器217、219中。计数器217、218也被包括在读出单元中。
对于每一个像素,第二信号路径2142经由切换元件214将电流源212与电流测量设备201(例如模数转换器)的输入端相连接。模数转换器可以被实施在与像素电子器件106相同的基底105(例如Si)中例如作为ASIC的一部分。备选地,电流测量设备201可以是跨阻抗放大器。在其输入端处测量的其得到的电流的模拟输出可以随后通过模数转换器被转换,所述模数转换器可以被实施在与像素电子器件106相同的基底105(例如Si)中或可以在它外部。如图2中示出的,至少一个电流测量设备201(例如模数转换器)可以经由信号处理链210、220、230接收来自多于仅单个像素的输入,即若干像素信号处理链的输入能够在共享的电流测量设备201的输入处(例如在共享的模数转换器的输入处)进行求和。每个像素信号处理链210、220、230的第一信号路径2141和第二信号路径2142与彼此很好地隔离开。根据本发明的实施例,切换元件214确保当泄漏电流测量在至少一个电流测量设备201的输入处被执行时,第一信号路径2141上的读出单元(例如前端电路215等)被主动断开。因此,有效地防止进入读出单元的输入节点(例如进入前端电路215)的电荷流,以不使泄漏电流测量失真。在本发明的背景下,如果朝向读出单元的连接输入端(例如前端电路215)的切换元件214的断开电阻值显著高于该切换元件214的导通电阻值加上至少一个电流测量设备201(例如模数转换器)的输入阻抗的组合电阻值,则借助于切换元件214主动断开第一信号路径2141可以被认为实现。本领域技术人员将知晓如何设计或选择具体的切换元件214。
在执行辐射测量之前,探测器100可以被配置处于泄漏电流测量使能模式。在接收到使能信号之后,像素集群的切换元件214将被转向到第二信号路径2142,探测器的像素的其余部分保持沿着第一路径2141被连接到其读出单元,例如被连接到前端电路215的输入端。处理器或合适的信号处理单元可以向切换元件214提供适当的使能信号。该处理器或信号处理单元可以在探测器100外部,或可以被包括在其中,例如被实施在与像素电子器件106相同的基底105(例如Si)中例如作为ASIC的一部分的处理器或信号处理单元。像素集群可以包括探测器100的至少两个像素,优选地多于两个像素,例如多于十个像素。像素集群甚至可以包括探测器100的所有像素。存在针对像素集群的不同空间分布,或可以存在多于一个像素集群,例如彼此独立的两个或更多个像素集群。在本发明的一些实施例中,例如,探测器100的所有边缘像素可以被群集在一起,或为不位于探测器边缘处的探测器100的所有块体像素的其互补部分可以被群集在一起。在本发明的其他实施例中,分散的空间像素分布可以形成集群,例如探测器100的像素的随机选择或规律图案(例如棋盘图案);在两种情况下,集群包括来自像素电极103的阵列的不同位置的贡献。在本发明的另外的其他实施例中,许多小的像素集群可以被形成,并且彼此独立地被选择/使能,例如作为像素电极103的更大阵列的一部分的二乘二像素电极子阵列和覆盖整个阵列的许多这样的子阵列、或将像素电极103的正方形或矩形阵列的每个象限的像素群集在一起。在这些实施例中的每个中,电流测量设备201(例如模数转换器)接收来自多于仅单个像素信号处理链210、220、230的电流输入,并且所有电流输入在其输入节点处进行求和。当泄漏电流测量在辐射探测之前被使能时,仅泄漏电流通过电流测量设备201被求和并平均,例如通过模数转换器被求和并平均。在电流测量设备201(例如模数转换器)处测量的平均泄漏电流对应于跨当前使能的像素集群测量的平均泄漏电流。为了设计针对像素集群的每个像素的正确平均泄漏电流,处理器或合适的信号处理单元可以提供符合该集群中的选定/使能像素的数量的通过电流测量设备201测量的求和的泄漏电流的加权的信息或执行该加权。为此目的,探测器100或外部软件/硬件可以存储针对像素的集群图案和其相关联的像素计数。这样的平均泄漏电流测量可以在每个辐射探测之前针对相同的或不同的像素集群被重复。这具有以下优点:用于泄漏电流测量的噪声水平可以被降低,并且该测量的精度可以被增加。本发明的一些实施例的优点是,仅需要单个电流测量设备,例如单个模数转换器。在本发明的备选实施例中,提供了多于一个电流测量设备201但是每个像素少于一个电流测量设备201。因此,多个像素集群可以被同时使能,并且其对应的每个像素平均泄漏电流通过将其第二信号路径2142连接到相应的电流测量设备201而被独立地测量。这降低了每个像素处并且用于每个像素处理链210、220、230的电路设计复杂性,即不需要每个像素的专用电流测量设备201,但是对于探测器100的全像素阵列,仅一个或几个电流测量设备201。此外,在电流测量设备201处(例如在模数转换器处)的平均泄漏电流的测量使用集群的所有使能像素的电流输入,因此与信号像素测量相比更大的电流信号在能够具有简单设计的电流测量设备201处被获得,例如模数转换器的分辨率可以被降低(平均效应),并且模数转换器的操作带宽也可以被降低,因为每个像素集群的仅单个测量可以是足够的。
在探测器100被用于成像应用中的实施例中,每个像素的测量的平均泄漏电流可以被嵌入在针对辐射扫描获得的图像数据中,例如被嵌入在谱CT扫描的谱图像数据(例如能量鉴别信道的计数)中。除此之外或备选地,通过电流测量设备201获得的转换的数字结果可以被存储并存取在存储设备(例如包括在基底105的电路中的内部寄存器)中。
在探测器100配合校准或参考数据(例如谱CT中的谱体模)使用的实施例中,泄漏电流测量也可以针对该校准或参考数据被执行,并且可以在后续的辐射探测测量中用来估计相对于该校准或参考数据的等效能量移位。根据本发明的一些实施例,在校准步骤中获得的平均泄漏电流值可以被存储在探测器100上,例如在被实施在与像素电子器件106相同的基底105(例如Si)中例如作为ASIC的寄存器的探测器100硬件中。该存储的值可以用来校正(在硬件中)相对于后续测量的偏差,例如通过建立差并且减去每个像素的平均泄漏电流。对于探测器100的阵列,例如对于探测器组件,在校准步骤中获得的平均泄漏电流可以单独针对阵列的每个个体探测器100被存储。这种芯片上实施例具有以下益处:它可以避免采集后的校正步骤。
在探测器100配合用于图像重建的谱探测器模型使用的实施例中,例如在基于投影的迭代谱CT实施的材料分解中,要不然将会导致错误结果的谱探测器模型可以针对谱能量移位基于针对至少一个像素集群获得的平均泄漏电流测量来进行校正,例如通过调整谱模型中(例如校正由等效能量移位诱发的计数的前向模型中)的阈值。
在本发明的实施例中,每个像素处理链210、220、230的鉴别器216、218的阈值可以由于针对像素集群执行的平均泄漏电流测量而被调整。除此之外或备选地,在每个像素处理链210、220、230的计数器217、219处获得的计数可以由于针对像素集群执行的平均泄漏电流测量而被调整。
根据本发明的优选实施例,泄漏电流测量可以在每个辐射测量之前(例如在对象或患者的CT扫描之前)被执行。优选地,另一泄漏电流测量直接在每个辐射测量之后被执行。这允许在辐射测量协议期间(例如在全CT扫描期间)发生的泄漏电流和等效能量移位的准确估计。然而,本发明的实施例不限于单个前和/或单个后泄漏电流测量。实际上,泄漏电流测量的多次重复可以在每个辐射测量协议之前或紧跟在每个辐射测量协议之后(例如在CT扫描之前或紧跟在CT扫描之后)针对单个和/或多个像素集群被执行。此外,本发明的一些实施例也可以在辐射测量协议期间(例如在CT扫描的多个投影期间)执行泄漏电流测量,例如通过以规律的时间间隔关闭入射在探测器100上的辐射,例如通过使用具有开关管的扫描系统。
根据本发明的一些实施例,快速模型(诸如线性内插)可以用来针对位于辐射测量协议的持续时间内的时间点估计平均泄漏电流,例如以针对全CT扫描的一些或所有投影估计每个像素的平均泄漏电流。然而,二次、三次或样条内插方法也可以被实施,并且可以构成用于内插的其他非限制性范例。备选地,在辐射测量协议的时间期间(例如在单个辐射测量的积分时段期间,例如在全CT扫描的单个投影期间)发生的平均泄漏电流和等效能量移位的更先进的准确估计可以涉及考虑每个个体像素或一个或多个像素集群的全辐射通量历史(例如X射线通量历史)。
在本发明的优选实施例中,由探测器100执行的每个辐射测量协议(例如包括多个角度投影的CT扫描)伴随有泄漏电流估计。该泄漏电流估计可以包括用于平均泄漏电流测量的之前/之后配置中的时间内插,或/和可以包括通过一个或多个不同像素集群配置的用于探测器像素的子采样的空间内插,例如将棋盘图案的每一个第二像素的平均泄漏电流值空间地内插为探测器100的许多像素的泄漏电流的集群测量。在如图3中图示的本发明的又一实施例中,一些或所有像素处理链210、220、230可以包括泄漏电流探测单元301和泄漏电流补偿单元302。泄漏电流探测单元301被操作性地耦合到探测器100的像素电极103和泄漏电流补偿单元302。泄漏电流补偿单元302的输出被操作性地耦合到读出单元的输入端,例如被耦合到前端电路215的输入端。在这样的实施例中,一些或所有像素处理链210、220、230的泄漏电流补偿单元302的输出端可以经由切换元件214被再次集群在一起,并且在到至少一个电流测量设备201的输入端(例如到至少一个模数转换器的输入端)处进行求和。这在以下情况下是特别有利的:探测器100已经为泄漏电流提供了预补偿,但是这种预补偿太不准确,例如由被包括在泄漏电流补偿单元301中的总是具有一定程度的量化误差的数模转换器产生的不准确性。因此,补偿电流仅可以在精度的给定极限内进行控制,所述极限取决于设计努力、设计空间可用性、成本等,使得泄漏电流预补偿一般是不完美的并且残余电流持续存在。在本发明的实施例中,不需要用于泄漏电流补偿的数模转换器是非常精确的,因为对于一个或多个像素集群,例如小于1nA的每个像素的平均残余泄漏电流仍然是可由至少一个电流测量设备201测量的。本发明的实施例的优点是,数模转换器覆盖典型块体直接转换材料(例如一系列CZT晶体)的规范的设计(至少一个电流测量设备201(例如至少一个模数转换器))允许更宽范围的规范,因为残余和过多泄漏电流被测量并且被考虑。这与避免由于探测器100的老化诱发的过高的泄漏电流引起的疲劳特别相关。
本发明还涉及探测器系统400(例如探测器100的阵列)和包括所述探测器系统的扫描系统401。图4示意性地描绘了包括多个辐射探测器100的CT扫描系统401,多个辐射探测器被布置在可旋转机架402的弧形表面上。辐射源403在(例如在两个或更多个不同能量下操作的可切换X射线源)被定位在探测器系统400的对面,并且被固定到可旋转机架402。由辐射源403发射的辐射107(例如X射线)在已经传播通过对象或患者404存在于其中的扫描区域之后由探测器系统400的探测器100在能量谱域中进行探测。对象或患者404例如通过散射或吸收辐射107而与辐射相互作用,并且对象或患者404的不同区段可以相对于可旋转机架402被移动,使得在不同角度下的多个切片和投影可以由CT扫描系统401获得。图像重建单元405可以被连接到扫描系统401,或可以是其一部分。图像重建单元405适合于重建扫描对象或患者404的图像,例如它包括基于投影数据集(例如基于迭代谱前向算法)重建图像的处理器件。根据本发明的实施例,探测器系统400的每个探测器100可以适于至少在每个扫描之前和/或之后针对像素集群执行一个或多个泄漏电流测量。这一个或多个泄漏电流测量可以是在泄漏电流补偿已经被执行之后获得的残余泄漏电流的测量。通过CT扫描系统401获得的图像原始数据被传输到图像重建单元405,并且也可以包括测量平均泄漏电流值。因此,图像重建单元405可以使用该信息来校正谱移位,以改善图像质量和/或避免伪影,例如通过校正用于谱前向模型中的不同能量窗口/信道的阈值设置。除了扫描系统401之外,可以提供用于可视化重建图像的显示单元。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明,但是这样的说明和描述应当被认为是说明性或示范性的,而非限制性的。前面的描述详细说明本发明的某些实施例。然而,将意识到无论前述内容以如何详细的方式出现在文本中,本发明可以利用许多方式来实践。本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、说明书以及随附权利要求书,在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。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。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中,但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种适于探测泄漏电流的辐射探测器(100),所述辐射探测器(100)包括:
直接转换材料(101),其用于将入射辐射转换成电荷,所述直接转换材料具有第一主要表面和第二主要表面;
至少一个第一电极(108)和多个第二电极(103),所述至少一个第一电极被连接到所述直接转换材料(101)的所述第一主要表面,所述多个第二电极被连接到所述直接转换材料(101)的所述第二主要表面,所述至少一个第一电极和所述多个第二电极中的每个被布置用于收集在被施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电场中生成的电荷;
至少一个电流测量设备(201);
多个信号处理链(210、220、230),每个信号处理链包括读出单元(215、216、217、218、219)和切换元件(214),所述读出单元用于在关于所述入射辐射的能量值之间进行鉴别,所述切换元件用于在第一信号路径(2141)上或在第二信号路径上发送信号,所述第一信号路径将所述多个第二电极中的一个与所述读出单元电连接以在能量值之间进行鉴别,所述第二信号路径将所述多个第二电极中的所述一个与到所述至少一个电流测量设备中的一个的输入端电连接;
其中,多个切换元件被配置为在所述第二信号路径上发送信号以在不存在入射辐射的情况下测量在所述探测器的对应的多个第二电极处接收的泄漏电流。
2.根据权利要求1所述的探测器(100),其中,所述至少一个直接转换材料是CZT晶体。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的探测器(100),其中,所述多个第二电极在所述第二主要表面上被布置为电极的阵列。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的探测器(100),还包括用于存储测量的泄漏电流的存储设备。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的探测器(100),其中,所述至少一个电流测量设备(201)包括模数转换器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的探测器(100),其中,所述信号处理链中的至少一个还包括用于在所述第一信号路径和所述第二信号路径上发送的信号的泄漏电流探测单元(301)和泄漏电流补偿单元(302),所述泄漏电流探测单元的输出端被连接到所述泄漏电流补偿单元的输入端,并且所述泄漏电流补偿单元的输出端被连接到所述切换元件。
7.一种探测器系统(400),包括多个根据前述权利要求中的任一项所述的辐射探测器(100)。
8.根据权利要求7所述的探测器系统(400),还包括辐射源(403)和图像重建单元(405),所述图像重建单元用于重建对象(404)的图像,对于所述对象,如果所述对象被放置在所述辐射源与所述多个探测器之间,则针对贯穿所述对象的辐射的投影数据被获得。
9.根据权利要求8所述的探测器系统(400),其中,所述图像重建单元包括使用测量的泄漏电流用于校正谱能量移位的探测器模型。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的探测器系统(400),还包括用于显示所述多个探测器的泄漏电流分布的显示单元。
11.一种用于探测直接转换辐射探测器中的泄漏电流的方法,所述直接转换辐射探测器包括至少一个第一电极(108)和多个第二电极(103),所述至少一个第一电极被连接到所述直接转换材料(101)的第一主要表面,所述多个第二电极被连接到所述直接转换材料(101)的第二主要表面,所述至少一个第一电极和所述多个第二电极中的每个被布置用于收集在被施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电场中生成的电荷,并且所述直接转换辐射探测器包括至少一个电流测量设备(201);所述方法包括以下步骤:
将收集的电荷转换为探测信号;
利用多个信号处理链(210、220、230)通过在关于入射辐射的能量值之间进行鉴别来处理所述探测信号,每个信号处理链包括用于在关于所述入射辐射的能量值之间进行鉴别的读出单元(215、216、217、218、219);
在第一信号路径上或在第二信号路径上发送信号,所述第一信号路径将所述多个第二电极中的一个与所述读出单元电连接以在能量值之间进行鉴别,所述第二信号路径将所述多个第二电极中的所述一个与到所述至少一个电流测量设备中的一个的输入端电连接;
其中,多个切换元件在所述第二信号路径上发送信号以在不存在入射辐射的情况下测量在所述探测器的对应的多个第二电极处接收的泄漏电流。
12.根据权利要求11所述的方法,还包括存储测量的泄漏电流的步骤。
13.根据权利要求11或12中的任一项所述的方法,重建对象(404)的图像,由此获得针对贯穿所述对象的辐射的投影数据。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,所述图像重建包括使用探测器模型,所述探测器模型使用测量的泄漏电流用于校正谱能量移位。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法,还包括显示泄漏电流分布。
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