CN1698541A - 直接转换能量鉴别ct检测器 - Google Patents

Abstract

公开了能进行能量鉴别和直接转换的CT检测器(20)。检测器(20)包括多个半导体材料层，其中各层具有不同的厚度。检测器(20)构造成在x射线穿透方向(16)上分层，以便优化计数发生率性能并且避免饱和。

Description

直接转换能量鉴别CT检测器

发明背景

本发明一般涉及诊断成像，更具体地说，涉及具有改进的饱和特性并能提供光子数量和/或能量数据的多层直接转换CT检测器。

背景技术

通常，在x射线摄影成像系统中，x射线源向对象或对象，例如患者或行李，发射x射线。此文中，术语”对象”或”对象”可以互换，用来说明能被成像的任何东西。射束被对象衰减之后照射到辐射检测器阵列上。在检测器阵列上接收到的衰减后的射束辐射的强度通常取决于x射线的衰减。检测器阵列的各检测器元件产生各自的电信号，指示各检测器元件所接收到的衰减射束。将电信号发送到数据处理系统作分析，最终产生图像。

在一些计算机断层摄影(CT)成像系统中，x射线源和检测器阵列围绕台架在成像平面中旋转并且围绕对象旋转。x射线源通常包括X射线管，它发射x射线束到焦点上。X射线检测器通常包括：准直仪，用于对在检测器接收的x射线束进行平行校正；闪烁器，用于在准直仪附近将x射线转换成光能；以及光电二极管，用于接收来自邻近的闪烁器的光能并从中产生电信号。通常，闪烁器阵列的每个闪烁器将x射线转换成光能。每个光电二极管检测光能并产生相应的电信号。然后将光电二极管的输出发送到数据处理系统以便进行图像重构。

传统的CT成像系统使用将x射线能量转换成电流信号的检测器，将所述电流信号在一个时段内积分，然后测量所述电流信号并最终将其数字化。这种检测器的缺点是它们不能提供关于所检测的光子的数目和/或能量的数据或反馈。就是说，传统的CT检测器具有闪烁器组件和光电二极管组件，其中闪烁器组件在接收到x射线能量时发光，而光电二极管检测闪烁器组件的照度并提供作为所述照度的函数的电信号。虽然一般公认，CT成像如果没有利用传统的CT检测器设计所取得的进展就不是一个可行的诊断成像工具，但这些检测器的缺点在于它们不能提供能量鉴别数据或者对给定的检测器元件或像素实际接收到的光子进行计数和/或测量其能量。于是，最近检测器的发展已包括了能量鉴别和直接转换检测器的设计，所述直接转换检测器可以提供光子计数和/或能量鉴别反馈。这样，就可以使检测器工作在每次x射线事件的x射线计数方式、能量测量方式、或二者。

这些能量鉴别和直接转换检测器不仅能进行x射线计数，还能提供每次检测的x射线能级的测量值。虽然许多材料可以用来构造直接转换能量鉴别检测器，但已表明半导体是一种优选材料。但是，直接转换半导体检测器的一个缺点是这些类型的检测器不能在传统的CT系统中通常会碰到的非常高的x射线光子通量率条件下计数。非常高的x射线光子通量率最终导致检测器饱和。就是说，这些检测器通常会在较低的x射线通量级条件下饱和。这种饱和会发生在检测器和x射线能量源或x射线管之间插有小对象厚度的检测器位置上。业已表明，这些饱和区域对应于投影到检测器扇形弧面上的对象宽度附近或之外的低对象厚度的通路。在许多实例中，在对x射线通量的衰减以及随后到达检测器的入射强度的影响方面，对象或多或少是圆形或椭圆形的。在这种情况下，饱和区域在扇形弧面末端呈现两个分开的区域。在其它较不典型但并不少见的实例中，饱和发生在其它位置并且发生在多于两个分开的检测器区域中。如果是椭圆对象，通过在对象和x射线源之间放置蝶形(bowtie)滤波器，就可减少扇形弧面边缘处的饱和。通常，将滤波器构造成与对象的形状匹配，以便均衡在整个扇形弧面上(滤波器和对象)的总衰减。这样，在整个扇形弧面上入射到检测器的通量就比较均匀，不会造成饱和。但问题是：如果对象总体很不均匀且形状不是精确的椭圆，蝶形滤波器可能就不是最佳的。在这种情况下，可能会发生一个或多个分开的饱和区域，或相反，会对x射线通量过度滤波，而形成非常低通量的区域。投射的低x射线通量将最终导致对象重构图像中的噪声。

已研发了许多成像技术来解决检测器任何部分的饱和问题。这些技术包括在检测器阵列的整个宽度上维持低x射线通量，方法是例如使用低x射线管电流或按视图(per view)调制的电流。但所述解决方案导致扫描时间增加。就是说，要付出代价，即图像的获取时间与获得符合图像质量要求的一定量的x射线所需的额定通量成比例地增加。其它解决方案包括执行一种过量程算法，所述算法用来为饱和数据产生替代数据。但这些算法不能完美地替代饱和数据并会使CT系统更加复杂。

所以需要设计一种直接转换和能量鉴别的CT检测器，它在传统的CT系统的通常的x射线光子通量率条件下不会饱和。

发明内容

本发明针对一种多层CT检测器，它被用来以非常高的计数发生率运行，以克服前述缺点。

公开一种能够进行能量鉴别和直接转换的CT检测器。所述检测器包括具有在整个检测器中变化的厚度的多个半导体材料层。在这方面，这样构造所述检测器，以便在x射线穿透方向上将其分层，以优化计数发生率性能并避免饱和。

所述CT检测器不仅支持x射线光子计数，也支持能量测量或标记。所以，本发明支持获取解剖细节和组织特征信息。在这方面，能量鉴别信息或数据可用来减少射束硬化等效应。而且，这些检测器支持获取组织鉴别数据，所以能提供指示疾病或其它病理的诊断信息。例如，可以在视图中检测到斑状钙。所述检测器也可用来检测、测量以及表征注入对象中的材料，例如造影剂，或其它专用材料例如靶向显示剂。造影剂材料例如可以包括注入到血流中的碘以便进行更好的显像。还公开了制造这种检测器的方法。

所以，按照本发明的一个方面，直接转换CT检测器包括多层直接转换层，它们设计成直接将x射线能量转换成表示能量敏感CT数据的电信号，检测器还包括夹在相邻的直接转换层之间的电信号收集层。

按照另一方面，本发明包括一种CT系统，它具有：具有设置在其中心的孔的可旋转的台架；工作台，它可以通过所述孔前后移动并配置成将用于获取CT数据的对象定位；x射线能量投射源，它设置在旋转台架中并配置成向对象投射x射线能量。CT系统还包括检测器阵列，后者设置在旋转台架中并配置成检测由投射源投射并经过对象作用的x射线能量。检测器还包括多个检测器单元，其中，每个单元具有在能量投射方向上的半导体层堆叠结构，设计成对接收x射线能量作出响应而提供从对象获取的能量敏感数据。

按照另一方面，本发明包括一种CT检测器，它具有第一装置和第二装置，用于将x射线能量直接转换为电信号。检测器还具有用于接收电信号的装置，它填隙式地置于用于直接转换的第一装置和用于直接转换的第二装置之间。

从以下的详细说明和附图中，本发明的各种其它特征、目的和优点就可一目了然。

附图说明

附图示出目前考虑到的用于实施本发明的一个优选实施例。

附图中：

图1是CT成像系统的实物视图。

图2是图1所示系统的示意方框图。

图3是CT系统检测器组件一个实施例的透视图。

图4是CT检测器的透视图。

图5示出在四切片方式中图4检测器的各种配置。

图6是按照本发明的两层检测器的部分透视图。

图7是沿图6中线7-7截取的图6的截面图。

图8-10示出按照本发明若干附加实施例的直接转换检测器的截面图。

图11是图10所示检测器的截面示意图，说明在本发明另一实施例中建立的信号馈通。

图12是用于非侵入性包裹检验系统的CT系统的实物视图。

具体实施方式

针对四切片计算机断层摄影(CT)系统来描述本发明的工作环境。但本专业的技术人员应理解，本发明同样可应用于单切片或其它多切片配置。此外，将针对检测和转换x射线来描述本发明。但是，本专业的技术人员也应理解本发明同样可应用于检测和转换其它射线能量。

参阅图1和图2，图中示出计算机断层摄影(CT)系统10，它包括代表”第三代”CT扫描器的台架12。台架12具有x射线源14，后者将x射线束16投向在台架12的相反一侧的检测器组件18。检测器组件18由多个检测器20形成，所述多个检测器20一起检测穿透医疗患者22的投射x射线。每个检测器20产生电信号，所述电信号不仅代表照射的x射线束的强度，还能提供光子或x射线计数数据，从而能够提供穿过患者22的衰减的射束。在为获取x射线投射数据而进行扫描期间，台架12和安装在其上的组件围绕旋转中心24旋转。

台架12的旋转和x射线源14的工作受CT系统10的控制机构26的控制。控制机构26包括：x射线控制器28，它向x射线源14提供电源和定时信号；以及台架马达控制器30，它控制台架12的旋转速度和位置。控制机构26中的数据获取系统(DAS)32审核来自检测器20的数据并将数据转换成数字信号供以后处理。图像重构器34接收来自DAS 32的抽样和数字化的x射线数据并进行高速重构。重构图像作为输入加到计算机36上，计算机36将图像存储在大容量存储装置38中。

计算机36还接收操作员通过有键盘的控制台40发出的指令和扫描参数。关联的阴极射线管显示器42使操作员可以观察重构的图像以及计算机36发出的其它数据。操作员提供的指令和参数由计算机36用来向DAS 32、x射线控制器28和台架马达控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36使工作台马达控制器44工作，所述控制器控制装有马达的工作台46，以便确定患者22和台架12的位置。具体地说，工作台46使患者22的一些部位通过台架开孔48。

如图3和图4所示，检测器组件18包括多个检测器20，同时，每个检测器包括排列成单元阵列的多个检测元件50。准直器(未示出)设置成在x射线16照射到检测器组件18之前对其进行平行校正。在一个实施例中，如图3所示，检测器组件18包括57个检测器20，每个检测器20具有一个大小为16×16的阵列。于是，组件18具有16行和912列(16×57个检测器)，它们可以在台架12的每次旋转时同时收集16个切片的数据。

开关阵列54和56，见图4，是多维半导体阵列，后者连接在单元阵列52和DAS 32之间。开关阵列54和56包括排列成多维阵列的多个场效应晶体管(FET)(未示出)，并设计成组合多个单元的输出，以便数据获取通道的数量以及关联的成本减至最少。FET阵列包括连接到每一个相应的检测器元件50的多条电引线以及通过柔性电接口58电连接到DAS 32的多条输出引线。具体地说，大约一半检测器元件的输出端电连接到开关54，同时，另一半检测器元件的输出端电连接到开关56。将每个检测器20通过安装托架62固定到检测器框架60上(图3)。

可以设想并且一般公认，对于某些应用，FET阵列的计数发生率限制会使它们不甚理想。在这方面，以下将说明，将每个检测像素或单元连接到电子线路的通道上。

开关80和82还包括解码器(未示出)，后者按照所需的切片数目和每个切片的切片分辨率来启动、禁止或组合检测器元件的输出。在一个实施例中，解码器是本专业已知的解码器芯片或FET控制器。解码器包括连接到开关阵列54和56以及DSA 32的多条输出和控制线。在定义为16切片方式的一个实施例中，解码器启动开关阵列54和56，使检测器组件18的所有行都被启动，同时产生16个切片的数据供DAS处理。当然，许多其它切片组合也是可能的。例如，解码器可以从其它切片方式中作选择，包括单切片、两切片或四切片方式。

如图5所示，通过发送适当的解码器指令，可以将开关阵列54和56配置成四切片方式，以便从检测器组件18的一行或多行的四个切片收集数据。根据开关阵列54和56的具体配置，可以启动、禁止或组合检测器20的各种组合，使得切片厚度可以由一、二、三或四行检测器元件50构成。其它实例包括：单切片方式，包括一个切片，其切片从1.25mm厚到20mm厚不等；以及二切片方式，包括两个切片，其切片从1.25mm厚到10mm厚不等。可以设想所述的这些切片方式之外的其它方式。

如上所述，将每个检测器20设计成直接将x射线能量转换成包含能量鉴别数据的电信号。本发明设想用于这些检测器的多种配置。尽管这些实施例各自之间有区别，但是各检测器却具有两个共有的特征。这些特征之一是半导体薄膜或半导体层的多层配置。在优选实施例中，每个半导体薄膜都由碲化镉锌(CZT)制成。但本专业的技术人员很易理解也可使用能直接转换x射线能量的其它材料。各种实施例的另一共同特征是使用填隙式或介入式的金属化层来分开半导体层。以下将说明，这些金属化层用来将电压加到半导体层上并从半导体层收集电信号。

众所周知，半导体的光子计数发生率性能随检测器厚度的平方而变化，而x射线能量吸收过程是指数型的。CZT检测器的计数发生率性能可由下式定义：

$T_{\mathrm{TR}}=\frac{L^2}{V{\mathrm{\μ}}_e}$

由此定义，假定厚度L＝0.3cm，电场V为1000V/cm，μ_e大约为1000，则可得最大计数发生率1.0兆次(Megacounts)。换句话说，3mm厚的CZT半导体层的计数发生率可以具有在1.0兆次(Megacounts)范围内的计数发生率性能。但以下将说明，与较厚的单层相反，利用多层来构成直接转换半导体检测器可以改善计数发生率性能。

参阅图6，图中示出按照本发明一个实施例的两层CZT或直接转换检测器20a的一部分的透视图。由第一半导体层62和第二半导体层64形成检测器20a。在制造过程中，每个半导体层62和64都构造成具有多个用电子学方法像素化的结构或像素以便形成多个检测器元件65。通过在直接转换材料层62和64上涂敷电子触点65的二维阵列67、69来完成所述电子像素化过程。此外，在优选实施例中，在每个半导体层62和64的整个宽度和长度上以二维的形式限定所述像素化。

检测器20a包括分别用于半导体层62和64的邻接的高压电极66、68。每个高压电极66、68连接到电源(未示出)，用来在x射线或γ射线检测过程中向相应的半导体层供电。本专业的技术人员应理解：每个高压连接层应较薄，以便降低每层的x射线吸收特性，在优选实施例中，所述高压连接层的厚度只有几百。如以下将作详细说明的，可以通过金属化过程把这些高压电极固定到半导体层上。

参阅图7，沿图6中线7-7截取的截面图图解说明每个半导体层62、64的相对厚度。和高压电极层66、68类似，二维阵列67、69也应尽可能少地吸收x射线能量。每个阵列或信号收集层设计成能提供一种机构，用于将半导体层所形成的电信号输出到数据获取系统或其它系统电子部件。本专业的技术人员应理解：要使用数百个互连(未示出)将每个触点连接到CT系统电子部件。

此外，如图7所示，半导体层62、64的厚度彼此不同。在这方面，与半导体层64中的情况相比，在半导体层62中吸收更多的x射线。例如，假定半导体层62的厚度为1毫米(mm)，半导体层64的厚度为2mm，则可以预期半导体层62会吸收大约78％的x射线，而第二半导体层64会吸收大约22％的x射线。而且，可以预计第一半导体层62的最大计数发生率大约会比3mm厚的单层半导体的计数发生率快9倍。但是，第一半导体层62仅测量大约78％的总通量，因此，与3mm厚的单层半导体相比，第一半导体层62的有效最大计数发生率性能提高了11.5倍。可以预计第二半导体层64的计数发生率会比3mm厚的单层半导体的计数发生率快2.25倍，但是，第二半导体层64仅测量大约22％的总通量，因此，可以预期，与3mm厚的单层半导体相比，第二半导体层64的等效或有效最大计数发生率性能提高了10.2倍。由于相对于单层半导体材料来说上述分层检测器的计数发生率有了改进，因此，可以把检测器20a构造成在计数发生率性能方面提高10倍。

上述尺寸说明利用两层检测器可以在最大计数发生率方面得到的改进。但是，可以设想，可以使用多于两层来构造具有改进的计数发生率特性的CT检测器。例如，可以预计0.43mm的单层吸收大约54％的接收的x射线，因此，其最大计数发生率是3.0mm厚单层半导体的最大计数发生率的大约40倍。但是，0.43mm的单层仅吸收54％的总通量，因此，其提供的等效或有效最大计数发生率大约是3.0mm厚单层半导体的92倍。还可以添加一些附加层，以便提供9200％的总计数发生率的增加。

参阅图8，图中示出用于CZT或直接转换检测器的另一种可以设想的设计。在所述实施例中，检测器20b也包括一对半导体层74、76。和前述实施例不同，检测器20b包括单一的共用信号收集层或二维触点阵列78。所述单一的但共用的阵列78设计成从半导体层74、76二者收集电信号并将这些电信号输出到DAS或其它系统电子部件上。此外，检测器20b包括一对高压电极80、82。每个高压电极有效地起阴极的作用，而二维阵列78的触点起阳极的作用。在这方面，通过高压连接80、82施加的电压形成了通过每个半导体层到达信号收集触点阵列78的电路。

图9中示出又一个可以设想的实施例。如所述实施例所示，检测器20c包括四个半导体层84、86、88和90。检测器20c还包括两条导电线或通路92、94，它们电连接到高压电极87、89、91以及收集触点阵列93、95。导电通路92接收并转发来自触点阵列93、95的电信号。在这方面，向CT系统的电子部件提供单一数据输出端。和单一信号收集引线类似，使用单一高压连接线94通过电极87、89、91向四个半导体层84-90供电。检测器20c仅需要单一的高压连接线。

参阅图10，图中示出本发明的单片实施例。和图7的实施例类似，检测器20d包括四个半导体层96-102。每个半导体层96-102连接到一对导电层。在这方面，一个导电层用来加电压，而另一个导电层用来收集各半导体层产生的电信号。为减少导电层的数量，检测器20d使用了交替导电层体系结构。就是说，每隔一个导电层用作高压连接，同时其它导电层用作信号收集。在这方面，导电层104、106和108用来施加较高的电压，而导电层110和112包括有用于信号收集的触点。这样，高压集电层104和108分别用于向半导体层96和102施加电压。高压连接层106用来向半导体层98和100施加电压。

如上述，在优选实施例中，每个半导体层都用CZT材料构造。本专业的技术人员应理解，有许多技术可以利用来构造这种半导体。例如，分子束外延(MBE)是可以用来生长薄层CZT材料的一种方法。本专业的技术人员应理解，有许多技术可以用来使半导体层金属化，以提供本文所述的导电连接。

而且，金属化也可以用来为图11所示的收集触点提供馈通通路。如图所示，将单层半导体材料114夹在收集触点阵列116和高压电极层118之间。在将半导体层114金属化以便形成收集触点阵列116和高压电极层118之前，可以在半导体层114中刻蚀或用其它方法形成孔120。然后将孔120金属化，以便形成从相应的收集触点124开始的信号馈通通路。信号馈通或导电通路122构造在孔120中，以免与邻近的高压电极层118相接触。在这方面，在整个检测器上，信号路线可以在垂直方向上或在x射线的接收方向上延伸到总线(未示出)，总线用来将各收集触点124所发射的电信号转发到CT系统的电子部件。这样，就形成了在x射线方向上一系列薄堆叠层的堆叠结构。

现参阅图12，包裹/行李检验系统126包括可旋转台架128，其中有开孔130，包裹或行李可从孔130中通过。可旋转台架128装有高频电磁能量源132以及检测器组件134。还配备有传送带系统136，传送带系统136包括由结构140支撑的传送带138，以便使待扫描的包裹或行李142自动并连续地通过开孔130。对象142由传送带138馈送通过开孔130，这样就可获得成像数据，且传送带138以受控和连续方式将包裹142移出开孔130。这样，港口的检查人员、行李处理人员以及其它安检人员就可以非侵入性地检查包裹142的内容中是否有爆炸物、刀具、枪支、违禁品等。

所以，直接转换CT检测器包括多层直接转换层，它们设计成直接将x射线能量转换成表示能量敏感CT数据的电信号。检测器还包括夹在相邻的直接转换层之间的电信号收集层。

本发明还包括一种CT系统，它具有：具有设置在其中心的孔的可旋转的台架；工作台，它可以通过所述孔前后移动并配置成将用于获取CT数据的对象定位；x射线能量投射源，它设置在旋转台架中并配置成向对象投射x射线能量。CT系统还包括检测器阵列，后者设置在旋转台架中并配置成检测由投射源投射并经过对象作用的x射线能量。检测器还包括多个检测器单元，其中，每个单元具有在能量投射方向上的半导体层堆叠结构，设计成对接收x射线能量作出响应而提供从对象获取的能量敏感数据。

本发明还包括一种CT检测器，它具有第一装置和第二装置，用于将x射线能量直接转换为电信号。检测器还具有用于接收电信号的装置，它填隙式地置于用于直接转换的第一装置和用于直接转换的第二装置之间。

已经就优选实施例对本发明作了说明，应理解，除上述明确说明的之外，等效物、替代和修改都是可以的，均在所附权利要求书的范围之内。

Claims (9)

1.一种直接转换CT检测器(20)，它包括：

多层直接转换层(62，64)，它们设计成直接将x射线能量(16)转换成表示能量敏感CT数据的电信号；以及

电信号收集层(67，69)，它夹在相邻的直接转换层(62，64)之间。

2.如权利要求1所述的检测器(20)，其中还包括电压施加层(66，68)，所述电压施加层(66，68)位于每个直接转换层(62，64)的表面附近并且与所述电信号收集层(67，69)相对。

3.如权利要求2所述的检测器(20)，其中每个直接转换层(62，64)与电信号收集层(67，69)和电压施加层(66，68)相接触。

4.如权利要求1所述的检测器(20)，其中每个直接转换层(62，64)都是用半导体材料形成的。

5.如权利要求4所述的检测器(20)，其中所述半导体材料包括碲化镉锌，并且其中所述能量敏感数据包括材料成份和原子密度数据。

6.如权利要求1所述的检测器(20)，其中所述多个直接转换层(62，64)在x射线穿透方向上排列成堆叠，并且其中所述电信号收集层(67，69)配置成接收来自至少一对直接转换层(62，64)的电信号。

7.如权利要求6所述的检测器(20)，其中所述多个直接转换层(62，64)由这样的材料形成，使得与比较远离x射线源(14)的直接转换层(64)相比，比较接近x射线源(14)的直接转换层(62)吸收更多的x射线(16)。

8.如权利要求1所述的检测器(20)，其中每个直接转换层(62，64)具有均匀的厚度。

9.如权利要求1所述的检测器(20)，其中第一直接转换层(62)的厚度不同于第二直接转换层(64)的厚度，并且其中所述直接转换层(62，64)的厚度随距x射线源(14)的距离而增加。

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