CN115581471B - 运行直接转换式x射线探测器的方法、x射线探测器和成像的x射线装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行直接转换式、尤其光子计数的X射线探测器的方法，其中X射线探测器包括：‑待保持在工作温度并处于直流电压下的直接转换式传感器材料；‑引起穿过传感器材料的基本电流的调节单元；‑用于传感器材料的加热单元，所述加热单元通过调控单元调控以维持工作温度；和‑具有多个电子单元的控制装置，所述电子单元包括调控单元，其中在存在新配置和/或再配置过程的情况下，通过控制装置‑维持调节单元的运行；以及‑仅在调控单元的实际的配置时间期间、尤其在短于一秒的时间段才中断加热单元的运行和/或以最后在调控单元的正常运行中所求取的调控值来维持加热单元的运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行直接转换式、尤其光子计数的X射线探测器的方法，其中X射线探测器包括：
-待保持在工作温度、处于直流电压下的直接转换式传感器材料，
-引起穿过传感器材料的基本电流的调节单元，
-用于传感器材料的加热单元，所述加热单元通过用于维持工作温度的调控单元来调控，和
-具有多个电子单元的控制装置，所述电子单元包括调控单元。
此外，本发明涉及一种X射线探测器和一种成像的X射线装置。
背景技术
X射线成像尤其在医学领域中是长久以来使用的有利的检查工具。当前的研究努力在此针对直接转换式X射线探测器、尤其作为光子计数的X射线探测器的使用。与入射的X射线光子首先在闪烁体中产生随后被测量的次级光的X射线探测器不同，在直接转换(“direct conversion”)中直接力求从X射线辐射转换为载流子，然后能够测量所述载流子的流量、即电流。直接转换式X射线探测器或X射线传感器基于X射线辐射在传感器材料、具体地在半导体中的吸收，所述吸收引起电子空穴对的生成。在施加高的直流电压时，能够分离载流子并且随后能够通过合适的电子装置来评估所产生的电流脉冲。
在DE 10 2014 207 324 A1和DE 10 212 638 A1中描述示例性的、直接转换式或(也能够被称为)直接转变式X射线探测器。
示例性的、有前途的传感器材料包括碲化镉和碲化镉锌(CdTe或CdZnTe，简称CZT)。将直流电压、通常高压施加到传感器材料上，以便在X射线辐射下建立穿过传感器材料的电流，所述电流经由尤其直接附接的电子装置来评估。这意味着，在X射线辐射入射时，如所描述的那样，产生载流子(电子空穴对)，并且电流经由处于高压下的传感器材料流动。关于这点已知的是，例如为了避免漂移效应，设有用于传感器材料的调节单元，所述调节单元保证存在穿过传感器材料的特定的基本电流。这种调节单元例如能够基于传感器材料的照明、尤其借助红外光(IR光)的照明。
然而，穿过传感器材料的电流在此即基本电流和测量电流也引起传感器材料的增温。在此，在当前的研究中确定，传感器材料中的温度差引起所不期望的漂移特性，通过所述漂移特性，尤其在医学成像时可能引起在借助于X射线探测器记录的X射线图像中的不期望的图像伪影。因此提出，将传感器材料的温度保持在稳定的状态中，即尤其保持在预设的工作温度。工作温度例如能够处于30℃和50℃之间，尤其为40℃。
为实现这一点，除了引起穿过传感器材料的一定的“基本电流”的调节单元之外，还能够使用所谓的传感器材料加热装置，所述传感器材料加热装置“预加热”传感器材料并且为此例如包括加热单元，所述加热单元以通过调控单元控制的方式运行。如果存在特定的电子单元、例如用作为测量单元的专用集成电路(ASIC)，那么其损耗功率也能够作为热量输出给传感器材料。
换言之，存在用于传感器材料的两个基本的热源和一个可选的热源。一方面，通过引起一定基本电流的持续工作的调节单元来提供热量输入。传感器材料加热装置例如能够基于温度传感器的温度测量值和/或其他输入变量提供尤其在X射线入射情况下降低的热量输入，以便补偿因X射线辐射引起的温度升高。最后，可选地仍存在直接附接到传感器材料上的电子单元、尤其测量单元，如提供损耗功率从而提供热量的ASIC，所述热量借助于热传导进入到传感器材料中。在通常情况下，所述热源也连续地存在，因为对应的电子单元是持久工作的。尤其地，关于所谓的“始终开启(英文：always on)”运行存在不应关断X射线探测器的控制装置的所述单元的要求，所述“始终在线的”运行应避免传感器材料的长时间持续的重新加热。这尤其也适用于传感器材料加热装置。
然而，出于不同的原因可能引起X射线探测器的控制装置必须进行重新配置或新配置。在此，例如能够涉及包含X射线探测器的X射线装置的维护、尤其更新，然而也可考虑的是，例如必须通过使X射线辐射进入到控制装置的电子单元中来进行重新配置(再配置)。在这些情况下，停用控制装置的不同单元、即尤其在前端模块上的电子单元，使得出现传感器材料的温度漂走，因此显现X射线探测器的不利的漂移特性。
尤其已经确定，必须在电子装置的从系统相关的视角、例如针对更新、服务间隔等一定经常出现的这种重新配置或新配置之后进行直至24小时的维护，直到再次准备好用于包含X射线探测器的X射线装置的完好的图像质量的稳定的功能。
在此尤其应指出，即使在仅几秒的停用时间的情况下也可能已经出现在图像质量和图像伪影方面的负面影响，因为不再提供传感器材料的工作温度。用于已知的计算机断层扫描装置中的电子装置的初始化过程例如基于特定的充电链并且在30秒至60秒的范围中持续。在所述时间期间，控制装置的电子单元不能由计算机断层扫描装置的中央单元到达/控制和/或是无电流的，并且不能引起进入到传感器材料中的热量输入。所述时间段已经足够长，以至于在随后直接恢复运行时不能排除图像伪影。
发明内容
因此，本发明基于如下目的：减少由于偏离传感器材料的预设的调温引起的直接转换式X射线探测器的停机时间。
为了实现该目的，在开始提及的类型的方法中根据本发明提出，在存在新配置和/或再配置过程的情况下，通过控制装置
-维持调节单元的运行，以及
-仅在调控单元的实际的配置时间期间、尤其在短于一秒的时间段中中断加热单元的运行和/或以在调控单元的正常运行中最后求取的调控值维持加热单元的运行。
因此提出电路技术方面的措施，以便使传感器材料即使在配置过程的情况下也尽可能精确地保持在预设的工作温度，以便尽可能在很大程度上避免X射线探测器的停机时间，从而能够提供至少近似的“始终在线的”运行。通常在第一次开始运行时将调节单元设定到至少一个对应的运行参数上，所述调节单元例如通过对处于直流电压(高压)下的传感器材料的照明在传感器材料中提供基本电流，所述运行参数在随后的运行中通常不再改变。因此，调节单元的至少一个运行参数表示恒定的值，所述值必须保持在控制装置的存储机构中；仅在包含直接转换式X射线探测器的X射线装置的服务使用和/或重新调试时能够提出，新设定至少一个运行参数，据此，所述运行参数再次保持恒定。所述事实实现：即使在控制装置中存在新配置和/或重新配置的情况下，也通过电路技术方面的措施有针对性地使调节单元工作，这意味着在电子装置的配置期间，形成调节单元的电路部分不受影响并且继续保持工作。由此，通过调节单元提供给传感器材料的热量份额在重新配置和/或新配置过程期间保持恒定，这有助于传感器材料中的温度维持。
此外提出，如果有的话，则仅在最小所需的时间段内停用传感器材料加热装置的通过加热单元和调控单元的组合形成的加热单元，或者所述加热单元甚至在调控单元的重新配置期间以在调控单元的正常运行、即正常运行中最后的所求取的调控值继续运行。在此，在本发明的范围中，如还将更详细地阐述的那样，使用如下配置方法，所述配置方法优选需要小于一秒、尤其仅几百毫秒的配置时间段。因为传感器材料或X射线探测器本身的热质量恰好如热时间常数那样足够大，所以小于一秒的短的时间段不实质地作用，尤其不使得这如实验所示出的那样在图像质量中可见，在所述时间段中加热单元以关断或未调控的方式恒定地进一步运行。然而同时，通过调控算法避免传感器材料加热装置的不受控的状态。因此，尤其在例如在短时间内为快速加热提供高的调控值的非常动态地设计的调控中能够符合目的的是，停用加热单元，因为然后(尤其在多个所需的配置试验中)避免“过热”，因为由于“热惯性”，温度损耗在短的配置时间段内仍然保持在界限中。
此外，关于这点也能够提出，最后求取的调控值保持在控制装置的存储机构中并且随着在配置时间之后调控单元的正常运行的重新开始用作用于调控值的起始值。以这种方式能够在新配置或重新配置之前和之后的常规运行之间实现改进的过渡，而无需完全新的调整。如果考虑调控历史，那么可选地也能够存储所述调控历史。
在本发明的一个特别有利的、具体的设计方案中能够提出，经由连接到调控单元的配置接口上的串联配置线路进行调控单元的配置。当使用快速计时、例如在100MHz至150MHz的范围内的快速计时时，经由这种例如引导至控制装置的探测器电子装置的所有配置接口的串联配置线路，电子单元的快速的串联配置是可行的，尤其在几百毫秒内、具体而言小于一秒、可选地也小于100ms。在此例如使用所谓的串联备用信道，所述串联备用信道在许多可使用的电子模块、例如FPGA中已经可用。因此，有针对性地力争快速的可配置性，以便将加热或调控故障保持得尽可能短。尤其与迄今使用的持续例如30s至60s的配置初始化技术相比，借助于这种串联通信线路和将停用限制到实际的配置时间段上，提供明显的改进。
具体地，能够将FPGA(field programmable gate array)用作为调控单元。FPGA通常已经借助于用于串联配置线路的配置接口可用。关于新配置和/或再配置过程的协调，控制装置能够具体地使用控制电路和/或微控制器。所述控制电路和/或微控制器于是对应地构成用于，进一步运行调节单元并且仅短时间地关断加热单元或恒定地、即受控地进一步运行加热单元，而使调控单元进行新配置和/或重新配置。通过这种控制电路和/或这种微控制器，也能够容易地实现如仍将在下文中描述的其他措施。
在此，在这一点上还应注意，可切换的电流供给装置借助于可通过控制装置、尤其控制电路和/或微控制器操控的开关与电子单元和/或调节单元和/或加热单元相关联。
如已经提及的那样，也能够存在其他热源，所述热源确保进入到传感器材料中的基本上恒定的热量输入。对于这种情况，所述热源在新配置和/或重新配置过程中也能够结合到在此描述的运行设计理念中。
因此，本发明的一个符合目的的改进方案提出，控制装置还包括直接附接到传感器材料上的至少一个另外的电子单元，其将损耗热量输出给传感器材料，其中通过控制装置在存在新配置和/或再配置过程的情况下还维持所述另外的电子单元的运行。在此，所述另外的电子单元尤其能够是用于探测器信号的测量单元，和/或所述另外的电子单元能够构成为专用集成电路(ASIC)。这种测量单元尤其能够用于进行读取并且可选地已经至少部分地评估探测器信号，所述探测器信号涉及X射线量子在传感器材料上的到达。这种通过其损耗热量引起进入到传感器材料中热量输入的测量单元的供电在新配置和/或重新配置过程期间同样通过对应的电路措施来维持，使得至少一个测量单元或通常另外的电子单元保持持久地工作。因此，在此也进行损耗功率的进入到传感器材料中的持续的热量输入，使得继续有助于其温度的恒定保持。
碲化镉(CdTe)和/或碲化镉锌(CdZnTe)能够优选地用作传感器材料。所述材料尤其对于医学成像应用已被证明是极其有利的。因此也能够符合目的地提出，在成像的、尤其医学的X射线装置中使用X射线探测器。X射线探测器优选作为计数的X射线探测器运行，因此用于记录各个光子事件并且尤其也用于各个光子事件的能量评估。
除了所述方法之外，本发明也涉及一种直接转换式X射线探测器，所述X射线探测器具有：
-待保持在工作温度并处于直流电压下的直接转换式传感器材料，
-引起穿过传感器材料的基本电流的调节单元，
-用于传感器材料的加热单元，所述加热单元通过调控单元来调控以维持工作温度，以及
-具有多个电子单元的控制装置，所述电子单元包括调控单元，其中，控制装置构成用于执行根据本发明的方法。最后，本发明也涉及一种具有根据本发明的X射线探测器的成像的X射线装置。所有关于根据本发明的方法的实施方案能够类似地转用于根据本发明的X射线探测器和根据本发明的X射线装置，使得借助于其也能够获得已经提及的优点。
这意味着，在本发明的范围中提出电路技术方面的措施、尤其在控制电路和/或微控制器中，以便确保进行热量输入的单元的继续运行或加热单元的尽可能最短的中断运行或恒定的运行。
附图说明
本发明的其他优点和细节从在下文中描述的实施例以及根据附图得出。在此示出：
图1示意性地示出根据本发明的直接转换式X射线探测器的构造，
图2示出根据本发明的方法的一个实施例的流程规划，以及
图3示出根据本发明的X射线装置。
具体实施方式
图1示意性地示出用于医学X射线成像的使用目的的、例如在作为X射线装置的计算机断层扫描装置中的直接转换式、在这种情况下为光子计数的X射线探测器1的构造。
X射线探测器1使用半导体传感器材料2、例如碲化镉和/或CZT，以将X射线射束光子直接转换成电载流子，所述载流子由于所施加的直流电压、尤其高压产生电流，对于所述直流电压设有在此未示出的高压单元，所述电流能够作为探测器信号由在此构成为ASIC的测量单元4记录。通过使用例如能够照射传感器材料的调节单元3，一定的基本电流已经流动穿过传感器材料2，所述基本电流引起一定的增温。例如由此能够产生在5瓦至12瓦的范围内的加热功率。通过直接附接的测量单元4的损耗热量进行进一步增温，所述损耗热量能够通过热传导进入到传感器材料2中。在此，加热功率例如能够处于1瓦至5瓦的范围中。
然而，因为传感器材料2由于温度差具有不期望的漂移效应，所以应将其保持在预设的工作温度，因此设有传感器材料加热装置5，所述传感器材料加热装置5包括加热单元6和调控单元7，所述调控单元7运行加热单元6，使得调控到工作温度。在这种情况下，(出于概览未示出的)温度传感器的温度数据能够用作为测量变量。
调节单元3、测量单元4和调控单元7表示X射线探测器1的控制装置8的电子单元的至少一部分，所述X射线探测器1也具有控制电路9或微控制器。此外，加热单元6、调节单元3和测量单元4也关联有用于断开其电流供给装置11的开关10，所述开关10可通过控制装置8、在此为控制电路9来操控，如为了概览性仅对于加热单元6示出。
控制装置8构成用于执行根据本发明的方法，以便在新配置和重新配置过程中也将传感器材料2的温度同样尽可能精确地保持在工作温度。根据本发明的方法的一个实施例通过图2详细地阐述。所述方法流程通过电路技术方面的措施在控制装置8中实现。
如果在图2中在步骤S1中在控制装置8中确定目前发生新配置和/或重新配置过程，那么与其他过程无关地，在步骤S2中首先维持用于调节单元3和测量单元4的电流供给，使得所述调节单元3和所述测量单元4保持继续工作并且给进入到传感器材料2中的热量输入提供其贡献。同时，首先也继续维持用于调控单元7和加热单元6的电流供给装置11，直至所述电流供给装置11在步骤S3中等待进行重新配置和/或新配置。
然后，在本实施例中的步骤S3中，通过操控开关10停用加热单元6与配置调控单元7持续仅恰好同样长的时间、即配置时间段。在当前情况下，所述配置时间段极其短地选择，因为经由串联的配置线路12(参见图1)尤其以高的时钟频率进行配置。这引起短于一秒的配置时间段。只要完成所述快速的新配置和/或重新配置，调控单元7和加热单元6就再次投入运行。
为了确保无摩擦的过渡，与此相关地也能够提出，将最后的调控值存储在控制装置8的存储机构13中并且在恢复调控单元7的运行时用作起始值。在设计方案中也可行的是，通过控制装置8继续运行加热单元6，然而是恒定地以在调控单元7的正常运行中所求取的最后的调控值运行。在任何情况下，以这种方式避免加热单元6的未调控的运行。
最后，图3示出根据本发明的X射线装置14、在这种情况下为计算机断层扫描装置的原理简图。如原则上已知的那样，所述X射线装置14具有台架15，在所述台架15中相对置地设置有如关于图1和图2所描述的X射线发射器16和X射线探测器1。
借助于在此未详细示出的检查床，能够将患者移入到患者容纳部17内的视场中。
尽管在细节中已经通过优选的实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明并不受所公开的示例限制，并且能够由本领域技术人员从中推导出其他变型方案，而不脱离本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种用于运行直接转换式X射线探测器(1)的方法，其中所述X射线探测器(1)包括：
-有待保持在工作温度并处于直流电压下的直接转换式传感器材料(2)，
-引起穿过所述传感器材料(2)的基本电流的调节单元(3)，
-用于所述传感器材料(2)的加热单元(6)，所述加热单元(6)通过调控单元(7)来调控以维持所述工作温度，和
-具有多个电子单元的控制装置(8)，所述电子单元包括所述调控单元(7)，
其特征在于，在存在新配置和/或再配置过程的情况下，通过所述控制装置(8)
-维持所述调节单元(3)的运行，以及
-仅在所述调控单元(7)的实际的配置时间期间才中断所述加热单元(6)的运行和/或以在所述调控单元(7)的正常运行中最后求取的调控值来维持所述加热单元(6)的运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将最后求取的所述调控值保存在所述控制装置(8)的存储机构(13)中并且在所述配置时间之后重新开始所述调控单元(7)的正常运行时用作为所述调控值的起始值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经由串联的配置线路(12)对所述调控单元(7)进行配置，所述串联的配置线路(12)连接到所述调控单元(7)的配置接口上。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将FPGA用作为所述调控单元(7)，和/或所述控制装置(8)使用控制电路(9)和/或微控制器来协调所述新配置和/或再配置过程。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述控制装置(8)还包括直接附接到所述传感器材料(2)上的至少一个另外的电子单元(4)，所述另外的电子单元(4)将损耗热量输出给所述传感器材料(2)，其中在存在新配置和/或再配置过程的情况下还通过所述控制装置(8)维持所述另外的电子单元(4)的运行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述另外的电子单元(4)是用于探测器信号的测量单元(4)，和/或所述另外的电子单元(4)构成为专用集成电路。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将碲化镉和/或碲化镉锌用作为传感器材料(2)，和/或在成像的X射线装置(14)中使用所述X射线探测器(1)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于能够通过所述控制装置(8)操控的开关(10)，能切换的电流供给装置(11)与所述电子单元(4)和/或所述调节单元(3)和/或所述加热单元(6)相关联。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，实际的所述配置时间短于一秒，和/或将所述X射线探测器光子计数地构成。
10.一种X射线探测器(1)，所述X射线探测器(1)具有：
-有待保持在工作温度并处于直流电压下的直接转换式传感器材料(2)，
-引起穿过所述传感器材料(2)的基本电流的调节单元(3)，
-用于所述传感器材料(2)的加热单元(6)，所述加热单元(6)通过调控单元(7)调控以维持所述工作温度，和
-具有多个电子单元的控制装置(8)，所述电子单元包括所述调控单元(7)，
其特征在于，所述控制装置(8)构成用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。
11.一种成像的X射线装置(14)，所述成像的X射线装置(14)具有根据权利要求10所述的X射线探测器(1)。
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