CN114886453A - 基于前照式光电二极管阵列的ct探测模块及相应的ct机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块，包括前照式光电二极管阵列、控制单元、模拟‑数字转换器和现场可编程逻辑阵列；其中，前照式光电二极管阵列包括多个像素组，每个像素组包括至少两个像素；控制单元包括多个与像素组一一对应的分时控制开关，每个像素组中的各个像素通过各自的信号通路连接相应的分时控制开关；各分时控制开关在现场可编程逻辑阵列发出的控制信号的作用下，分时选通其中的一条信号通路，将像素产生的光电信号传输给模拟‑数字转换器。本发明降低了对输出通道的数量和密度要求，避免了引线键合的工艺限制，显著降低CT探测模块的制造成本及封装工艺难度。

Description

基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块及相应的CT机

技术领域

本发明涉及一种基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块，同时也涉及包括该CT探测模块的多排CT机，属于CT技术领域。

背景技术

CT（Computed Tomography，计算机断层扫描）探测模块是CT机的核心部件之一。它直接接收X射线穿过待扫描物体后的光子信号，将它们转换成相应的电信号。一个典型的CT探测模块包括闪烁体、光电二极管阵列和电路部分等。

目前，多排CT机（简写为MDCT）中的CT探测模块通常采用背照式光电二极管。其中，每个光电二极管（photo diode，简写为PD）对应一个像素，该像素所对应的引线焊盘位于感光面的背面，因此采用类似于表面贴装的工艺直接将每个像素焊接在电路板上，可以省去引线键合（Wire Bonding）的工艺。但是，背照式光电二极管因其流片工艺复杂，对原始硅片的要求更高，所以制造成本会显著高于前照式光电二极管。另外，由于背照式光电二极管的芯片厚度会影响成像质量，所以背照式光电二极管的芯片通常很薄，因此芯片面积不能过大，否则将容易导致芯片碎裂。在将背照式光电二极管的芯片贴装到PCB焊盘时，为了保证芯片的完整性、足够的贴装精度、以及引线焊盘与PCB焊盘结合的牢固性，贴装工艺相较前照式光电二极管的组装复杂程度显著提高，一般都需要用到复杂且昂贵的高端贴片设备。以上诸多因素，直接导致基于背照式光电二极管的CT探测模块的成本显著高于基于前照式光电二极管的CT探测模块。

前照式光电二极管虽然具有制造和组装的工艺简单、成本更低的优势，但是在现有工艺中，PCB制造技术限制了引线键合工艺的焊盘密度不能太大，引线键合工艺限制了键合线长度不宜过长，层数不能过多。因此，前照式光电二极管通常只被应用于32排以下的CT探测模块上。此外，现有多排CT机中的CT探测模块中，通常模拟-数字转换器（简写为ADC）的输出通道数量需要与CT探测模块的实际像素数量相等。每个像素所对应的引线焊盘位于感光面的同一侧，因此需要通过引线键合工艺引出到PCB基板上。由于PCB制造工艺的限制，PCB焊盘密度无法做到与像素的引线焊盘密度一样大，因此当前照式光电二极管的数量增加时，通常要增加PCB基板上的焊盘排数来引出所有的像素，但是焊盘的排数会受到引线键合工艺的限制。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述CT探测模块的多排CT机。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块，用在多排CT机中，包括前照式光电二极管阵列、控制单元、模拟-数字转换器和现场可编程逻辑阵列；其中，

所述前照式光电二极管阵列包括多个像素组，每个像素组包括至少两个像素；

所述控制单元包括多个与所述像素组一一对应的分时控制开关，每个像素组中的各个像素通过各自的信号通路连接相应的分时控制开关；

各所述分时控制开关在所述现场可编程逻辑阵列发出的控制信号的作用下，分时选通其中的一条信号通路，将所述像素产生的光电信号传输给所述模拟-数字转换器；

所述模拟-数字转换器将所述光电信号转换为数字信号并发送给现场可编程逻辑阵列。

其中较优地，所述像素的引线焊盘与所述控制单元的部分焊盘通过引线键合方式连接，所述控制单元的另一部分焊盘通过引线键合方式连接PCB基板上的PCB焊盘。

其中较优地，在所述光电信号分时输出的过程中，每个像素组中的不同像素分别与同一个分时控制开关配合，形成不同时打开也不同时关闭的不同信号通路。

其中较优地，所述分时控制开关由二选一模拟开关实现；其中，二选一模拟开关的控制端连接所述现场可编程逻辑阵列，两个输入端分别通过引线键合方式连接像素组中的两个像素的阳极，输出端通过引线键合方式连接所述模拟-数字转换器。

其中较优地，所述分时控制开关由MOS管实现，并且在其中一个信号通路上加入非门。

其中较优地，利用所述MOS管中的结电容，存储像素组中被断开信号通路的像素在断开期间产生的电荷。

其中较优地，所述模拟-数字转换器将所述数字信号发送给所述现场可编程逻辑阵列的时间间隔不大于所述模拟-数字转换器的最小积分时间。

其中较优地，所述分时控制开关的信号通路切换周期不大于所述模拟-数字转换器的最小积分时间。

其中较优地，所述控制单元在未经封装的硅片上实现。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种包括上述CT探测模块的多排CT机。

与现有技术相比较，本发明所提供的基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块通过加入用于实现分时复用控制的控制单元，可以通过同一个输出通道向模拟-数字转换器分时输出每个像素所产生的光电信号，从而降低了对输出通道的数量和密度要求，避免了引线键合的工艺限制。利用本发明提供的技术方案，可以将模拟-数字转换器的输出通道数量减小到实际像素数量的一半甚至更少，使用传统的前照式光电二极管阵列的组装工艺就能够满足多排CT机中的CT探测模块的生产要求，显著降低CT探测模块的制造成本及封装工艺难度。另外，该CT探测模块利用MOS管自身的结电容以及微弱的正向电压，可以将像素在信号通路断开期间产生的电荷都存储起来，保证采样信号不会产生损耗。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中，基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块的电路示意图；

图2为本发明的一个实施例中，前照式光电二极管阵列的引线焊盘与PCB焊盘之间的引线示意图；

图3为本发明的一个实施例中，基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块的控制单元分时控制开关的电路连接示意图；

图4为本发明的一个实施例中，基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块的控制单元实现分时复用的时序示意图；

图5为本发明的一个实施例中，基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块的控制单元与每个像素之间的连接示意图；

图6是包括上述CT探测模块的多排CT机的示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明实施例首先提供一种基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块，特别适合用在多排（在本发明的实施例中，通常为32排或以上）CT机中。该CT探测模块在采用前照式光电二极管阵列的基础上，加入用于实现分时复用控制的控制单元。前照式光电二极管阵列中的每2个（也可以是3个、4个或多个）光电二极管的输出状态受到该控制单元中的1个分时控制开关的控制，从而通过同一个输出通道向模拟-数字转换器分时输出每个光电二极管所产生的光电信号，从而降低了对输出通道的数量和密度要求，避免了引线键合的工艺限制，显著降低CT探测模块的制造成本及封装工艺难度。

下面，结合图1～图5所示的实施例对该CT探测模块的具体实施方式进行详细说明。

在图1所示的实施例中，基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块包括前照式光电二极管阵列、控制单元、模拟-数字转换器和现场可编程逻辑阵列（FPGA）。其中，前照式光电二极管阵列包含n个光电二极管，其中n为不小于2的正整数。需要说明的是，由于每个光电二极管均与一个像素相对应，在后文中也用像素指代光电二极管。在前照式光电二极管阵列中，相邻两个（也可以是其它数量，例如3个、4个或多个）像素组成一个像素组，例如像素1和像素2组成一个像素组；……像素n－1和像素n组成一个像素组。

另一方面，控制单元由m个分时控制开关组成，其中m为正整数。每个像素组中的两个或者多个像素通过各自的信号通路连接对应的分时控制开关。每个分时控制开关的输入端分别连接上述的各个信号通路，输出端连接通向模拟-数字转换器的输出通道，从而对该像素组中的每个像素的输出状态进行控制。

在本发明的一个实施例中，每个像素组包括2个像素，因此前照式光电二极管阵列中像素总数n＝像素总行数*每行像素数，其中n为偶数。分时控制开关的数量m＝n/2。在本实施例中，上述分时控制开关可以由二选一模拟开关实现，其中二选一模拟开关的控制端连接上述现场可编程逻辑阵列，两个输入端分别通过引线键合方式连接像素组中的两个像素的阳极，输出端也通过引线键合方式连接上述的模拟-数字转换器。CT探测模块在开始工作时，射线照射到前照式光电二极管阵列中，同一个像素组中的两个像素感应产生的光电信号，在现场可编程逻辑阵列（FPGA）发出的控制信号的作用下，由分时控制开关选通后从同一个输出通道分时输出给模拟-数字转换器。模拟-数字转换器接收到作为模拟量的光电信号之后，将其转换为数字信号并发送给现场可编程逻辑阵列。在经过现场可编程逻辑阵列的处理之后，通过数据通信接口发给上位机。在光电信号分时输出的过程中，每个像素组中的不同像素分别与同一个分时控制开关配合，形成不同时打开也不同时关闭的不同信号通路。

如图2所示，将像素的引线焊盘（即图2中的圆点焊盘）与控制单元的部分焊盘通过引线键合方式连接。同时，控制单元的另一部分焊盘也通过引线键合方式连接PCB基板上的PCB焊盘（即图2中的方形焊盘）。这样，每一像素组、控制单元中的分时控制开关与PCB焊盘之间形成一一对应的映射关系。

如图3所示，连接像素组的每一个分时控制开关提供两条信号通路，这两条信号通路分别负责接入像素组中的两个像素，从而分时接收每个像素所产生的光电信号。在本发明的一个实施例中，为了实现分时控制，其中的分时控制开关可以由MOS管实现，并且在其中一个信号通路上加入一个非门。这样，每一个分时控制开关接收来自现场可编程逻辑阵列的控制信号（逻辑电平），当控制信号为一个高电平信号时，保证只接入两个像素中的一个像素输出的光电信号，而另一个像素悬空。

在本发明的一个实施例中，分时控制开关打开或者关闭的高低逻辑电平如图4所示。其中，分时控制开关采用高、低电平配置，基于来自现场可编程逻辑阵列的控制信号在高、低电平之间切换。高、低电平对应分时开工的工作方式请参照下述的表1。

表 1

参见表1所示的不同状态编号对应的输出通道与像素的连接关系，其中控制信号的低电平定义为状态0，高电平定义为状态1。在任何一种状态下，一个输出通道上只有一个像素的光电信号可以连接到模拟-数字转换器上，其余像素处于悬空的状态。由此可见，本发明的实施例中无需复杂的逻辑控制就可以实现多像素分时复用同一个输出通道。而且，分时控制开关打开或者关闭的逻辑电平可以由固化在现场可编程逻辑阵列中的硬件逻辑输出生成。

为了适应前照式光电二极管阵列中的像素数量变化，减少引线键合的工艺实施难度，在本发明的一个实施例中，该控制单元在未经封装的硅片上实现。当像素数量增加或者减少时，控制单元中的分时控制开关数量也相应增加和减少。由于控制单元所在的硅片没有经过封装，所以调整过程大大简化。

另一方面，CT探测模块在正常工作时，由于射线一直照射到前照式光电二极管阵列中的各个像素上，因此各个像素所激发的电荷还在源源不断的产生。由于处于悬空状态的像素没有供电荷通过的信号通路，因此如何保存所激发的电荷，也是本发明需要解决的问题。

前已述及，分时控制开关可以由MOS管实现，因此在本发明的一个实施例中，利用该MOS管中的结电容（Cj）来存储这些电荷。结电容（Cj）是由于耗尽层的存在，在MOS管的PN结中形成的等效电容，可用于存储像素组中被断开信号通路的像素在断开期间产生的电荷。

需要说明的是，该结电容的容量是由现有的MOS管制造工艺决定的。随着工艺的改进，该结电容的容量也可以改变。在本发明的一个实施例中，该MOS管中的结电容的容量一般为25pF左右。对应于结电容为25pF的MOS管，在正向电压很微弱（通常为0.15V以下）的情况下将不会发生正向导通，也就是说电荷不会流失。因此，根据公式：

其中，Q为结电容上所存储的电荷量，C为电容值，V为电容两端的电压（即本实施例中MOS管的正向电压）。可以算出，该结电容最少可以存储约3.75pC的电荷。可以理解的是，该MOS管的正向电压可以随着MOS管的结电容改变而改变，进而实现所存储的电荷量改变。

在CT探测模块中，射线穿过空气后产生的光电信号，在典型的积分时间（例如500us）下会积累约30pC的电荷量。穿过人体后的射线能量会比穿过空气后的射线能量更低，因此相应的电荷量会明显小于30pC。

虽然从上述计算结果看，一次正常采样的电荷量已经超过MOS管中的结电容所能存储的上限。但是，CT探测模块的积分时间远远长于模拟-数字转换器的最小积分时间。例如在本发明的一个实施例中，模拟-数字转换器的最小积分时间为50us。在其它实施例中，该模拟-数字转换器的最小积分时间也可以是40us或60us，由模拟-数字转换器的固有特性决定。在此基础上，可以将CT探测模块的一次完整采样过程分解成若干次模拟-数字转换器的采样过程，即在每个最小积分时间内，模拟-数字转换器就采集一次MOS管的结电容上累积的电荷，并向现场可编程逻辑阵列输出一次转换结果。在现场可编程逻辑阵列内，将CT探测模块的每次积分时间内的多次模数转换结果累加，可以得到最终的一次CT探测器采样的结果。通过这种分解方式，可以使每个MOS管中的结电容只需要存储50us光照产生的电荷，也就是3pC左右的电荷量，就可以满足像素在信号通路断开期间产生的电荷存储要求。

从上述分析可以看出，模拟-数字转换器将转换输出的数字信号发送给现场可编程逻辑阵列的时间间隔最多为50us。这样可以将像素在信号通路断开期间产生的电荷都存储起来，保证采样信号不会产生损耗。在此基础上，模拟-数字转换器的采样周期、分时控制开关的切换周期、输出通道的切换周期均应该不大于50us。可以理解的是，如果前述的模拟-数字转换器的最小积分时间出现调整，模拟-数字转换器的采样周期、分时控制开关的切换周期、输出通道的切换周期均需进行相应的调整。

需要强调的是，上述实施例中的控制单元包括多个分时控制开关，每个分时控制开关分别对应一个像素组，但本发明的技术方案并不限于此。在本发明的其它实施例中，根据模拟-数字转换器的最小积分时间以及MOS管的结电容的参数改变，也可以实现多个分时控制开关对应一个像素组。

在上述基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块的基础上，本发明进一步提供一种包括该CT探测模块的多排CT机。如图6所示，该多排（通常为32排或以上）CT机包括X射线发射装置、CT探测模块和扫描架。其中，扫描架包括固定部分和旋转部分。在旋转部分上设置有X射线发射装置和CT探测模块，在旋转部分的中间设置有供扫描床穿过的中间孔径。扫描床和扫描架对应设置，扫描床用于承载病人并把病人置于扫描架的旋转部分的中间孔径里接受检查。当病人移动至预设扫描位置后，位于其一侧的X射线发射装置发射X射线，该X射线穿过病人的身体之后，由位于另一侧的CT探测模块接收。CT探测模块接收到X射线后将其转换成可见光，并且根据预设程序成像，然后将图像信息传输至显示装置（图中未示）进行显示。

与现有技术相比较，本发明所提供的基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块通过加入用于实现分时复用控制的控制单元，可以通过同一个输出通道向模拟-数字转换器分时输出每个像素所产生的光电信号，从而降低了对输出通道的数量和密度要求，避免了引线键合的工艺限制。利用本发明提供的技术方案，可以将模拟-数字转换器的输出通道数量减小到实际像素数量的一半甚至更少，使用传统的前照式光电二极管阵列的组装工艺就能够满足多排CT机中的CT探测模块的生产要求，显著降低CT探测模块的制造成本及封装工艺难度。另外，该CT探测模块利用MOS管自身的结电容以及微弱的正向电压，可以将像素在信号通路断开期间产生的电荷都存储起来，保证采样信号不会产生损耗。

上面对本发明所提供的基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块及相应的CT机进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种基于前照式光电二极管阵列的CT探测模块，用在多排CT机中，其特征在于包括前照式光电二极管阵列、控制单元、模拟-数字转换器和现场可编程逻辑阵列；其中，

所述前照式光电二极管阵列包括多个像素组，每个像素组包括至少两个像素；

所述控制单元包括多个与所述像素组一一对应的分时控制开关，每个像素组中的各个像素通过各自的信号通路连接相应的分时控制开关；

各所述分时控制开关在所述现场可编程逻辑阵列发出的控制信号的作用下，分时选通其中的一条信号通路，将所述像素产生的光电信号传输给所述模拟-数字转换器；

所述模拟-数字转换器将所述光电信号转换为数字信号并发送给现场可编程逻辑阵列。

2.如权利要求1所述的CT探测模块，其特征在于：

所述像素的引线焊盘与所述控制单元的部分焊盘通过引线键合方式连接，所述控制单元的另一部分焊盘通过引线键合方式连接PCB基板上的PCB焊盘。

3.如权利要求1所述的CT探测模块，其特征在于：

在所述光电信号分时输出的过程中，每个像素组中的不同像素分别与同一个分时控制开关配合，形成不同时打开也不同时关闭的不同信号通路。

4.如权利要求1所述的CT探测模块，其特征在于：

所述分时控制开关由二选一模拟开关实现；其中，所述二选一模拟开关的控制端连接所述现场可编程逻辑阵列，两个输入端分别通过引线键合方式连接像素组中的两个像素的阳极，输出端通过引线键合方式连接所述模拟-数字转换器。

5.如权利要求1所述的CT探测模块，其特征在于：

所述分时控制开关由MOS管实现，并且在其中一个信号通路上加入非门。

6.如权利要求5所述的CT探测模块，其特征在于：

利用所述MOS管中的结电容，存储像素组中被断开信号通路的像素在断开期间产生的电荷。

7.如权利要求6所述的CT探测模块，其特征在于：

所述模拟-数字转换器将所述数字信号发送给所述现场可编程逻辑阵列的时间间隔不大于所述模拟-数字转换器的最小积分时间。

8.如权利要求7所述的CT探测模块，其特征在于：

所述分时控制开关的信号通路切换周期不大于所述模拟-数字转换器的最小积分时间。

9.如权利要求1所述的CT探测模块，其特征在于：

所述控制单元在未经封装的硅片上实现。

10.一种多排CT机，其特征在于包括权利要求1～9中任意一项所述的CT探测模块。

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