DE102018222105A1

DE102018222105A1 - Röntgenstrahlpulsen beim sensorbetrieb für an wendungen von bildgebungssystemen in der hochfluss-photonen zählenden computertomographie (ct)

Info

Publication number: DE102018222105A1
Application number: DE102018222105.7A
Authority: DE
Inventors: Georgios PREKAS; Saeid TAHERION
Original assignee: Redlen Technologies Inc
Current assignee: Redlen Technologies Inc
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Diverse Ausführungsformen umfassen ein Bildgebungssystem und Verfahren zum Betreiben des Systems, um die Effekte einer Raumladungsbildung in Strahlungsdetektoren zu reduzieren. Das Bildgebungssystem umfasst einen Strahlungsdetektor, der dazu eingerichtet ist, Photonenenergie aus der ionisierenden Strahlung zu detektieren, eine Quelle von ionisierender Strahlung, die dazu eingerichtet ist, ein Strahlungsbündel in Richtung auf den Strahlungsdetektor zu emittieren, und einen Chopper, der zwischen dem Strahlungsdetektor und der Quelle von ionisierender Strahlung angeordnet ist, wobei der Chopper dazu eingerichtet ist, das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, den Strahlungsdetektor zu erreichen. Der Chopper kann dazu eingerichtet sein, die Abgabe von Photonenenergie an den Strahlungsdetektor auf Dauern zu begrenzen, die kürzer als eine Einsetzzeit dynamischer Polarisation und E-Feldrelaxation sind. Bei einigen Ausführungsformen ist der Chopper ein rotierender Chopper, der durch einen Antriebsmotor gedreht wird. Bei einigen Ausführungsformen ist der Chopper ein Verschluss.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/744,289 , eingereicht am 11. Oktober 2018, und der nicht vorläufigen US-Anmeldung Nr. 16/199,588 , eingereicht am 26. November 2018, deren gesamter Inhalt hiermit zur Bezugnahme übernommen wird, in Anspruch.
GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen Bildgebungsvorrichtungen, die Strahlungsdetektoren zur Photonenzählung verwenden, und insbesondere ein Verfahren und ein Gerät zum Betätigen von Cadmium-Zink-Tellurid- (CdZnTe) Sensoren unter Hochflussbedingungen.
HINTERGRUND
Bei Computertomographie- (CT) Bildgebungssystemen emittiert eine Röntgenstrahlenquelle einen fächerförmigen Strahl auf ein Objekt, das beispielsweise ein Gepäckstück an einem Flughafenscanner oder ein Patient in einer medizinischen Diagnoseklinik oder ein beliebiges anderes biologisches oder nicht biologisches Objekt sein kann, das einer Bildgebung unterzogen wird. Der Röntgenstrahl wird durch das Objekt gedämpft und wird anschließend durch eine Detektoranordnung, wie etwa einen CdZnTe-Detektor, detektiert. Andere direkt umwandelnde Detektoren, die Cadmiumtellurid (CdTe), Galliumarsenid (GaAs) oder Silizium (Si) verwenden, oder ein beliebiger indirekter Direktor, der auf einem Szintillatormaterial basiert, können ebenfalls bei CT-Bildgebungssystemen verwendet werden. Bildscheiben, die durch das Scannen des Objekts erhoben werden, können, wenn sie zusammengefügt werden, dreidimensionale Querschnittsbilder des Objekts rekonstruieren.
Bei typischen CT-Bildgebungssystemen umfasst eine Anordnung von Strahlungsdetektoren eine Anzahl von Festkörper-Detektorelementen (die als Pixel zur Bildgebung angeordnet sein können), die jeweils ein dediziertes elektrisches Signal erzeugen, das eine Strahlungsmenge angibt, die das Detektorelement erreicht. Die elektrischen Signale können zur Analyse an eine Datenverarbeitungskarte gesendet werden. Schließlich kann unter Verwendung von Bildrekonstruktionstechniken ein Rekonstruktionsbild erzeugt werden. Die Intensität des gedämpften Strahls, der von jedem Detektorelement empfangen wird, ist von der Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt abhängig. Wenn beispielsweise ein menschlicher Körper gescannt wird, erscheinen Knochen in Weiß, Luft erscheint in Schwarz und Gewebe und Schleimhäute erscheinen in Graustufen.
KURZDARSTELLUNG
Diverse Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unterbinden eine zeitliche dynamische Aufladung und Polarisation, die ansonsten während der Betätigung derzeitiger Röntgensensoren entstehen, um ein verbessertes dynamisches Verhalten und Stabilität für Hochfluss-Photonen zählende Anwendungen zu erreichen. Insbesondere umfassen diverse Ausführungsformen einen Chopper, der zwischen dem Strahlungsdetektor und der Quelle ionisierender Strahlung zwischengeschaltet ist, um projizierte Strahlungsbündel mit einer sehr hohen Frequenz während einer aktiven Datenerfassung durch den Strahlungsdetektor zu unterbrechen. Der Chopper kann mit Geschwindigkeitsstufen betätigt werden, die hoch genug sind, um eine gepulste Strahlungsabgabetechnik mit Pulsdauern, die kürzer als die Zeit des Einsetzens dynamischer Polarisation und E-Feldrelaxation sind, innerhalb des Strahlungsdetektors bereitzustellen.
Diverse Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen eine Bildgebungsvorrichtung, die einen Strahlungsdetektor umfasst, der dazu eingerichtet ist, Photonenenergie aus der ionisierenden Strahlung zu detektieren, eine Quelle von ionisierender Strahlung, die dazu eingerichtet ist, ein Strahlungsbündel in Richtung auf den Strahlungsdetektor zu emittieren, und einen Chopper, der zwischen dem Strahlungsdetektor und der Quelle von ionisierender Strahlung angeordnet ist, wobei der Chopper dazu eingerichtet ist, das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, den Strahlungsdetektor zu erreichen. Bei diversen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper dazu eingerichtet, die Abgabe von Photonenenergie an den Strahlungsdetektor auf Dauern, die kürzer als eine Zeit des Einsetzens dynamischer Polarisation und E-Feldrelaxation sind, zu begrenzen. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper ein rotierender Chopper. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper ein pneumatischer Verschluss. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper aus einem Material gebildet, das aus der Gruppe von Wolfram, Blei oder Terbium ausgewählt wird. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist die ionisierende Strahlung eine Röntgenstrahlung. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist die ionisierende Strahlung eine Gammastrahlung. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist die Quelle von ionisierender Strahlung dazu eingerichtet, das Strahlungsbündel mit einer anpassbaren Abgaberate zu emittieren. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper in die Quelle von ionisierender Strahlung integriert, so dass die Quelle von ionisierender Strahlung dazu eingerichtet ist, die Strahlung in einer Reihe von Impulsen zu emittieren. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung umfasst der Strahlungsdetektor Cadmium-Zink-Tellurid (CdZnTe). Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, zwischen Einschaltperioden der Datenerfassung von detektierter Photonenenergie und Ausschaltperioden, in denen keine Daten von dem Strahlungsdetektor erfasst werden, abzuwechseln. Einige Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung umfassen ferner eine Vorspannungsenergieversorgung, die dazu eingerichtet ist, selektiv eine Spannung an den Strahlungsdetektor anzulegen und zwischen Einschaltperioden, in denen eine Betriebsspannung an den Strahlungsdetektor angelegt wird, und Ausschaltperioden, in denen keine Spannung an den Strahlungsdetektor angelegt wird, abzuwechseln.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen ein Verfahren zum Abbilden eines Objekts unter Verwendung einer ionisierenden Strahlung, umfassend das Positionieren eines Choppers zwischen einer Quelle von ionisierender Strahlung, die dazu eingerichtet ist, ein Strahlungsbündel zu emittieren, und einem Strahlungsdetektor, der dazu eingerichtet ist, Photonenenergie aus der ionisierenden Strahlung zu detektieren, das Positionieren des Objekts zwischen dem Chopper und dem Strahlungsdetektor, und das Aktivieren des Choppers, um das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, den Strahlungsdetektor zu erreichen, während die Quelle von ionisierender Strahlung aktiviert ist. Einige Ausführungsformen der Verfahren umfassen ferner das Erfassen von Daten von dem Strahlungsdetektor durch eine Rechenvorrichtung, das Generieren eines Bildes durch die Rechenvorrichtung basierend auf den erfassten Daten, das Bestimmen durch die Rechenvorrichtung, ob das generierte Bild ein Artefakt umfasst, und das Anpassen einer Geschwindigkeit des Choppers durch die Rechenvorrichtung als Reaktion auf das Bestimmen, dass das die generierte Bild ein Artefakt umfasst.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen einen Chopper zur Verwendung in einem Bildgebungssystem, der ein strahlungsabsorbierendes Material umfasst, das dazu eingerichtet ist, eine Strahlung aus einer Strahlungsquelle periodisch zu blockieren und die Strahlung aus der Strahlungsquelle periodisch durchzulassen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper eine drehbare Scheibe aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Mehrzahl von beabstandeten Öffnungen konfiguriert ist, und einen Antriebsmotor, der mit der drehbaren Scheibe des strahlungsabsorbierenden Materials gekoppelt und dazu eingerichtet ist, die Scheibe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper eine Mehrzahl von beabstandeten Blättern aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Nabe gekoppelt sind, und einen Antriebsmotor, der mit der Nabe gekoppelt und dazu eingerichtet ist, die Nabe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper eine Mehrzahl von beabstandeten Abschirmblöcken aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Nabe gekoppelt sind, und einen Antriebsmotor, der mit der Nabe gekoppelt und dazu eingerichtet ist, die Nabe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper einen Verschluss.
Figurenliste
Die beiliegenden Zeichnungen werden vorgelegt, um bei der Beschreibung von Ausführungsformen der Offenbarung zu helfen, und werden nur zur Erläuterung der Ausführungsformen und nicht zu ihrer Einschränkung bereitgestellt. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines Röntgenbildgebungssystems, das zur Verwendung mit diversen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geeignet ist.
2A bis 2F Zeichnungen von alternativen Konfigurationen für einen rotierenden Chopper gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3A ein konzeptuelles Diagramm eines Halbleiter-Strahlungsdetektors, das Röntgenstrahlinteraktionen abbildet, die Elektron-Loch-Paare generieren.
3B ein konzeptuelles Diagramm eines Halbleiter-Strahlungsdetektors, das abbildet, wie ein Röntgenfluss mit hoher Dichte bewirken kann, dass sich innerhalb der Detektormaterialien eine Raumladung entwickelt.
4A eine Grafik einer Zeitfolge der Betätigung der Bildgebungsvorrichtung gemäß diversen Ausführungsformen.
4B eine Reliefansicht von 4A bei 450 gemäß diversen Ausführungsformen.
5 eine Grafik, welche die Ausgangszählungen eines herkömmlichen Halbleiter-Strahlungsdetektors abbildet.
6 eine Grafik, welche Ausgangszählungen eines Strahlungsdetektors abbildet, der mit einem Chopper gemäß diversen Ausführungsformen verwendet wird.
7 ein Prozessablaufschema, das ein Verfahren zum Verbessern der Leistung eines Röntgenbildgebungssystems gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung abbildet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diverse Ausführungsformen verwenden ein Hochfrequenzgerät, das „gepulste“ Röntgenstrahlen mit einer sehr hohen Geschwindigkeitsstufe (d.h. einem gepulsten Röntgenmodus) erstellen kann, während ein Strahlungsdetektor für die Hochfluss- spektrale photonenzählende Computertomographie (PCCT) betätigt wird. Das Kernmaterial des Strahlungsdetektors (z.B. CdZnTe) kann auch durch einen Gleichstrom oder in einem gepulsten Vorspannmodus vorgespannt werden. Dadurch dass bewirkt wird, dass die Röntgenstrahlen mit einer Pulsdauer zwischen mehreren zehn Mikrosekunden und Millisekunden gepulst werden, die schneller als die im Vergleich zu der Geschwindigkeitsstufe des Einsetzens dynamischer Polarisation und E-Feldrelaxation ist, kann die Raumladungsbildung, die durch das Einfangen von Ladungsträgern verursacht wird, erheblich unterdrückt werden. Das Kombinieren dieses gepulsten Röntgenmodus mit einer Vorspannungsenergieversorgung, die mit einer hohen Geschwindigkeitsstufe pulsiert, kann eine Rekombination von Raumladungen ermöglichen, so dass ein einheitliches E-Feld bewahrt wird, das nicht durch eine Erinnerung (Relaxation) von vorhergehenden Röntgenbelichtungen beeinflusst wird. Das Vorspannen des Röntgendetektors kann ein zusätzliches Einfangen fördern, indem eine Rekombination zwischen den Ladungsträgern verstärkt wird. Ziel diverser Ausführungsformen ist es, Röntgenphotonenpakete mit einer sehr schnellen Geschwindigkeitsstufe abzugeben, um die Ladungsträgereinfangzeit, die Fangstellenverweilzeit und die Ladungsträgerfreilasszeit auszugleichen, so dass eine Raumladung geringer Dichte erreicht wird, die durch gleichzeitiges Schalten der Röntgenstrahlen und der Vorspannung schnell beseitigt werden könnte.
Das elektrische Signal, das durch Festkörper-Strahlungsdetektoren, wie etwa CdZnTe-Detektoren, bei CT- und ähnlichen Bildgebungssystemen generiert wird, ergibt sich daraus, dass die Röntgenstrahlen Elektronen in den Atomen des Materials anregen, die Elektronen aus ihren Bahnen heraus und in ein Leitungsband des Grundmaterials hinein abstoßen. Jedes Elektron, das in das Leitungsband abgestoßen wird, hinterlässt eine positive Nettoladung, die sich wie ein positiv geladenes Teilchen verhält, das als „Loch“ bezeichnet wird und als Reaktion auf ein elektrisches Feld, das zwischen einer Kathode und einer Anode angelegt wird, durch das Material hindurch migriert. Die Elektronen in dem Leitungsband werden durch das sich ergebende interne elektrische Feld angezogen und migrieren zu der Anode, wo sie sich ansammeln und einen schwachen Strom erstellen, der durch Schaltungen detektiert wird, während die Löcher in Richtung auf die Kathode migrieren. Jeder Röntgenstrahl oder Gammastrahl generiert zahlreiche Elektron-Loch-Paare in Abhängigkeit von der Energie der Photonen. Die Elektronen migrieren schnell zur Anode, während die Löcher langsamer migrieren und durch Defekte eingefangen werden können.
Ein Halbleiter-Strahlungsdetektor umfasst typischerweise Defekte (z.B. Dotierstoffe, Leerstellen, Gitterfehler usw.), die Ladungsträger (z.B. Löcher und/oder Elektronen) einfangen können und somit die Migration der Ladungen zur Anode und Kathode verlangsamen. Unter der Bezeichnung tiefliegende Defekte kann das Einfangen von Ladungsträgern zur Entwicklung einer Raumladung führen, die sich auf das interne elektrische Feld auswirkt, was dynamische Effekte bewirken und/oder die Effizienz des Detektors reduzieren kann. Zudem weisen Löcher in einem Halbleiter eine effektive Masse auf, die davon abhängt, welches Elektron abgestoßen wurde, um das Loch zu erstellen. Löcher mit höherer effektiver Masse driften langsamer in Richtung auf die Kathode als leichtere Löcher, und Elektronen bewegen sich schneller als Löcher in Richtung auf die Anode.
Auch kann sich infolge von tiefen Fangstellen und der langsameren Migration von Löchern, wenn ein Strahlungsdetektor einem Röntgenfluss mit hoher Dichte ausgesetzt wird, eine positive Raumladung in dem Detektor bilden. Diese positive Raumladung kann das interne elektrische Feld in dem Detektor reduzieren, was die Leistung des Detektors verschlechtern kann. Die Wirkungen von tiefen Fangstellen und die Entwicklung einer Raumladung innerhalb eines Detektors sind zeitlich dynamisch, was zu Änderungen der Effizienz des Detektors als Funktion der Zeit seit dem Beginn der Strahlung führt.
Diverse Ausführungsformen stellen Verfahren und Strukturen bereit, um die zeitliche dynamische Aufladung und Polarisation zu unterbinden, die herkömmlicherweise während des Sensorbetriebs (auf Grund von Röntgenstrahlen oder Dunkelstrom) vorkommen, und um dadurch ein besseres dynamisches Verhalten und Stabilität bei der Effizienz und Leistungsabgabe des Detektors bereitzustellen, insbesondere für Hochfluss-Photonen zählende Anwendungen. Diverse Ausführungsformen reduzieren die Raumladungsmenge in CdZnTe, während Messungen vorgenommen werden, indem sie periodisch verhindern, dass die Röntgenstrahlen den Detektor erreichen, wodurch sie abwechselnde Dauern mit und ohne Strahlung gemäß den E-Feldrelaxationszeiten (d.h. den Einfang- und Freilassungsraten) bereitstellen. Bei einer Ausführungsform ist ein Strahlungs-Chopper oder Verschluss (wie nachstehend beschrieben) in einem Bildgebungssystem (z.B. einem CT-Bildgebungssystem) positioniert, um periodisch Röntgenstrahlen, die durch die Strahlungsquelle emittiert werden, daran zu hindern, den Detektor zu erreichen. Die Dauer der Röntgenbelichtung in jeder Belichtungsperiode (hier als „Röntgenbelichtungsperiode“ bezeichnet) und/oder Dauer, wenn Röntgenstrahlen blockiert werden, können von mehreren zehn Mikrosekunden bis zu mehreren hundert Millisekunden reichen, in Abhängigkeit von dem Röntgenfluss und dem Betrag der Raumladungsbildung, die in dem Detektor vorkommen. Beispielsweise können die Röntgenbelichtungsperioden viel kürzer als die Datenerfassungsperioden (d.h. die Zeit, in der Daten von dem oder den Detektoren erhoben werden) während einer Bildgebungssitzung sein. Röntgenbelichtungsperioden von weniger als 1 ms bis zu mehreren zehn Mikrosekunden können durch Anpassen der Drehzahl eines Choppers oder der Frequenz der Öffnungs-/Schließposition eines pneumatischen Verschlusses erreicht werden und dennoch hohe Zählstatistiken einhalten. Das Zerlegen einer Röntgenbildgebungssitzung in eine Folge von kurzen Belichtungen, die mit Perioden ohne Belichtung durchsetzt sind, kann eine zeitliche dynamische Aufladung und Polarisation bei Festkörper-Strahlungsdetektoren unterbinden, wodurch das dynamische Verhalten und die Stabilität für Hochfluss-Photonen zählende Bildgebungsanwendungen verbessert werden. Diverse Ausführungsformen verbessern das dynamische Verhalten und die Stabilität von CdZnTe-Strahlungsdetektoren/Sensoren unter intensiven und schnell wechselnden Röntgenbestrahlungsumgebungen, wie etwa in einem medizinischen Photonen zählenden CT-Scanner. Diverse Ausführungsformen können auch bei anderen Anwendungen umgesetzt werden, bei denen Festkörper-Strahlungsdetektoren unter Bedingungen von schnell wechselnder (Mikrosekundenbereich) Röntgenintensität (d.h. Fluss) und/oder Energie, wie etwa Sicherheitsgepäckscannern und zerstörungsfreier Bildgebung/Prüfung funktionieren.
Die diversen Ausführungsformen werden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Soweit möglich werden die gleichen Bezugszeichen in allen Zeichnungen verwendet, um sich auf die gleichen oder ähnliche Teile zu beziehen. Bezugnahmen auf bestimmte Beispiele und Umsetzungen dienen der Erläuterung und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Ansprüche einzuschränken. Eine eventuelle Bezugnahme auf Anspruchselemente in der Einzahl, beispielsweise unter Verwendung der Artikel „ein, eine, ein“ oder „der, die, das“ ist nicht als das Element auf die Einzahl einschränkend anzusehen. Die Begriffe „Beispiel“, „beispielhaft“, „z.B.“ oder alle ähnlichen Begriffe werden hier verwendet, um als Beispiel, Fall oder Erläuterung dienend zu bedeuten. Eine beliebige Umsetzung, die hier als „Beispiel“ bezeichnet wird, ist nicht unbedingt als gegenüber einer anderen Umsetzung bevorzugt oder vorteilhaft anzusehen. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. Mehrere Instanzen eines Elements können mehrfach vorkommen, wenn eine einzige Instanz des Elements abgebildet ist, soweit das Fehlen der mehrfachen Elemente nicht ausdrücklich beschrieben oder anderweitig klar angegeben wird.
Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck „ionisierende Strahlung“ auf eine Strahlung, die aus Teilchen, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen mit ausreichender Energie besteht, um eine Ionisation in dem Medium, durch das sie hindurchgeht, zu verursachen. Zur einfacheren Erklärung wird hier auf Röntgenstrahlen als die Art der ionisierenden Strahlung Bezug genommen. Diese Abkürzung ist jedoch nicht dazu gedacht, die Ansprüche nur auf Röntgenanwendungen einzuschränken, soweit in den Ansprüchen nicht ausdrücklich angegeben.
Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Chopper“ auf eine Vorrichtung in der Form einer schnell bewegbaren Strahlungsabschirmung, die ein Strahlungsbündel in kurzen regelmäßigen Intervallen unterbricht. Der Chopper kann innerhalb eines Bildgebungssystems, wie etwa eines Computertomographie- (CT) Bildgebungssystems, positioniert sein, um periodisch Röntgenstrahlen aus der Strahlungsquelle daran zu hindern, den Strahlungsdetektor während einer aktiven Datenerfassung zu erreichen. Ein Chopper kann mit einer beliebigen Form von ionisierender Strahlung verwendet werden, ist jedoch besonders nützlich für Bildgebungssysteme, die eine hohe Dichte aufweisen, wie etwa ein medizinisches Röntgen-CT-Bildgebungssystem oder ein Gammastrahlen-Gepäckscannersystem.
Bezugnahmen auf „Detektoren“ und „Strahlungsdetektoren“ umfassen jede Form von Festkörper-Strahlungsdetektoren, wie etwa Halbleiter-Strahlungsdetektoren. Bei einer bestimmten Ausführungsform können die Strahlungsdetektoren CdZnTe-Strahlungsdetektoren/Sensoren sein, die diese Detektoren in der Form einer Matrix von Pixeldetektoren, die zur Bildgebung in CT-Bildgebungssystemen geeignet ist, umfassen.
1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines CT-Bildgebungssystems 100 gemäß diversen Ausführungsformen. Das CT-Bildgebungssystem 100 kann eine Röntgenstrahlenquelle 110 (d.h. eine Quelle von ionisierender Strahlung), einen Strahlungsdetektor 120 und einen Chopper 150, der zwischen dem Strahlungsdetektor 120 und der Röntgenstrahlenquelle 110 angeordnet ist, umfassen. Das CT-Bildgebungssystem 100 kann zudem eine Trägerstruktur 105, wie etwa einen Tisch oder Rahmen, umfassen, der auf dem Boden stehen kann und ein zu scannendes Objekt 10 tragen kann. Die Trägerstruktur 105 kann ortsfest (d.h. unbeweglich) sein oder kann konfiguriert sein, um sich im Verhältnis zu anderen Elementen des CT-Bildgebungssystems 100 zu bewegen. Das Objekt 10 kann das Ganze oder ein Teil eines beliebigen zu scannenden biologischen (z.B. ein menschlicher Patient) oder nicht biologischen (z.B. Gepäck) Objekts sein.
Die Röntgenstrahlenquelle 110 ist dazu eingerichtet, eine ionisierende Strahlung an den Strahlungsdetektor 120 durch Emittieren eines Röntgenstrahls 135 in Richtung auf den Strahlungsdetektor 120 abzugeben, der auch in Richtung auf das Objekt 10 geht, das zeitweilig zwischen der Röntgenstrahlenquelle 110 und dem Strahlungsdetektor 120 positioniert ist. Nachdem der Röntgenstrahl 135 durch das Objekt 10 gedämpft wurde, wird das Strahlungsbündel 135 durch den Strahlungsdetektor 120 empfangen. Der Chopper 150 kann näher an der Röntgenstrahlenquelle 110 positioniert sein als der Strahlungsdetektor 120, wie etwa direkt angrenzend an eine Röntgenröhrenapertur der Röntgenstrahlenquelle 110. Der Chopper 150 kann in oder mit der Röntgenstrahlenquelle 110 integriert und konfiguriert sein, um Impulse von Röntgenstrahlen 135 mit einer hohen Frequenz auszugeben.
Bei der in 1 abgebildeten Ausführungsform ist der Chopper 150 eine Baugruppe mit hoher Drehfrequenz und Aperturen oder Öffnungen, die durch ein strahlungsabsorbierendes Material beabstandet sind. Bei der abgebildeten Ausführungsform liegt der Chopper 150 in der Form einer Scheibe aus einem Material vor, das eine ionisierende Strahlung dämpft oder blockiert, wie etwa Wolfram, Blei oder Stahl, die mit beabstandeten Öffnungen oder Aperturen ausgebildet ist. Es sind jedoch andere Konfigurationen möglich, von denen einige Beispiele in den nachstehend beschriebenen 2A bis 2F abgebildet sind.
Wenn der Chopper 150 gedreht wird, wie etwa durch einen Antriebsmotor 155, positioniert der Chopper periodisch ein strahlungsabsorbierendes Material auf dem Weg der Röntgenstrahlen, um zu verhindern, dass eine ionisierende Strahlung den Detektor 120 erreicht (um sie zu dämpfen), außer wenn die Aperturen/Öffnungen auf den Röntgenstrahl 135 ausgerichtet sind (d.h. auf eine Linie zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Detektor 120 ausgerichtet sind). Eine Rotationsachse des Rotationsmotors 155 kann sich parallel zu einer direkten Linie zwischen der Röntgenröhrenapertur und dem Strahlungsdetektor erstrecken. Während der Rotation des Choppers 150 kann die Strahlung 135 den Strahlungsdetektor 120 während der Dauer erreichen, während der jede Apertur/Öffnung in der Chopper-Baugruppe auf die Quelle der Strahlung 110 ausgerichtet ist, und ansonsten wird die Strahlung 135 durch das strahlungsabsorbierende Material daran gehindert, den Strahlungsdetektor 120 zu erreichen (bzw. sie wird gedämpft). Durch das Anpassen der Größe der Aperturen/Öffnungen, der Spannweite des strahlungsabsorbierenden Materials zwischen den Aperturen/Öffnungen und der Drehzahl des Choppers können die Dauer der Detektorbelichtungen und die Dauer zwischen den Belichtungen gesteuert werden. Das Drehen eines rotierenden Choppers 150 mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht Dauern mit und ohne Belichtung im Millisekundenbereich.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Chopper 150 ein Verschluss sein, der aus einem strahlungsblockierenden Material (z.B. W) hergestellt ist und in der Lage ist, sich mit einer hohen Frequenz zu öffnen und zu schließen, wie etwa ein pneumatischer Hochfrequenzverschluss, der in, an oder nahe an einer Apertur der Strahlungsquelle positioniert sein kann.
Die Röntgenstrahlenquelle 110 und der Strahlungsdetektor 120 können ortsfest sein oder in eine sich bewegende Baugruppe, wie etwa ein rotierendes Portal, für eine 360-Grad-Bildgebung des Objekts 10 eingebaut sein. Obwohl der Chopper 150 dazu eingerichtet sein kann, sich mit hohen Frequenzen zu drehen, kann eine Trägerstruktur des Choppers 150 (z.B. der Hochfrequenz-Rotationsmotor 155) ähnlich zumindest im Verhältnis zu der Röntgenstrahlenquelle 110 und/oder dem Strahlungsdetektor 120 ortsfest sein.
Der Strahlungsdetektor 120 kann durch eine Hochspannungs-Vorspannungsenergieversorgung 130 versorgt werden, die selektiv ein elektrisches Feld zwischen einem damit gekoppelten Paar aus einer Anode 122 und einer Kathode 128 erstellt. Der Strahlungsdetektor 120 kann ein CdZnTe-Material umfassen, das zwischen der Anode 122 und Kathode 128 angeordnet ist und somit dazu eingerichtet ist, einem elektrischen Feld dazwischen ausgesetzt zu sein. Eine anwendungsspezifische integrierte Leseschaltung (ASIC) 125, die mit dem Paar aus Anode 122 und Kathode 128 gekoppelt ist, kann Signale (z.B. Ladung oder Strom) von der Anode 122 empfangen und dazu eingerichtet sein, einer Steuereinheit 170 Daten bereitzustellen und durch diese gesteuert zu werden.
Die Steuereinheit 170 kann dazu eingerichtet sein, die Röntgenstrahlenquelle 110, die Lese-ASIC 125, die Hochspannungs-Vorspannungsenergieversorgung 130 und den Chopper 150 über den Rotationsmotor 155 zu synchronisieren. Die Steuereinheit 170 kann mit einer Rechenvorrichtung 160 gekoppelt sein und von dieser aus betätigt werden. Alternativ können die Rechenvorrichtung 160 und die Steuereinheit 170 zusammen zu einer Vorrichtung integriert sein.
Das Objekt 10 kann langsam zwischen der Röntgenstrahlenquelle 110 und dem Strahlungsdetektor 120 hindurchgehen, oder alternativ kann das Objekt ortsfest bleiben, während sich die Röntgenstrahlenquelle 110 und der Strahlungsdetektor 120 im Verhältnis zu dem Objekt 10 bewegen. Auf jeden Fall kann der Strahlungsdetektor 120 inkrementelle Querschnittsprofile des Objekts 10 aufnehmen. Die Daten, die durch den Strahlungsdetektor 120 erfasst werden, können an die Rechenvorrichtung 160, die sich von dem Strahlungsdetektor 120 entfernt befindet, über eine Verbindung 165 weitergegeben werden. Die Verbindung 165 kann eine beliebige Art von drahtgebundener oder drahtloser Verbindung sein. Falls die Verbindung 165 eine drahtgebundene Verbindung ist, kann die Verbindung 165 eine elektrische Schleifringverbindung zwischen einer beliebigen Struktur, die den Strahlungsdetektor 120 trägt, und einem ortsfesten Trägerteil der Trägerstruktur 105, das ein beliebiges Teil (z.B. einen rotierenden Ring) trägt, umfassen. Falls die Verbindung 165 eine drahtlose Verbindung ist, kann der Strahlungsdetektor 120 einen beliebigen geeigneten drahtlosen Sendeempfänger enthalten, um einem anderen drahtlosen Sendeempfänger, der mit der Rechenvorrichtung 160 in Verbindung steht, Daten mitzuteilen. Die Rechenvorrichtung 160 kann Verarbeitungs- und Bildgebungsanwendungen umfassen, die jedes Profil analysieren, das durch den Strahlungsdetektor 120 erzielt wird, und es kann ein ganzer Satz von Profilen kompiliert werden, um zweidimensionale Bilder von Querschnittsscheiben des Objekts 10 zu bilden.
Diverse Alternativen für die Bauform des CT-Bildgebungssystems 100 aus 1 können verwendet werden, um Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in die Praxis umzusetzen. CT-Bildgebungssysteme können mit diversen Architekturen und Konfigurationen ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein CT-Bildgebungssystem eine schraubenförmige Architektur aufweisen. Bei einem schraubenförmigen CT-Bildgebungsscanner sind die Röntgenstrahlenquelle und die Detektoranordnung an einem sich frei drehenden Portal angebracht. Während eines Scans bewegt ein Tisch das Objekt gleichmäßig durch den Scanner hindurch und erstellt eine schraubenförmige Bahn, die durch den Röntgenstrahl verfolgt wird. Schleifringe ermöglichen die Übertragung von Energie und Daten zu und von dem sich drehenden Portal. Bei anderen Ausführungsformen kann das CT-Bildgebungssystem ein Tomosynthese-CT-Bildgebungssystem sein. Bei einem Tomosynthese-CT-Scanner kann sich das Portal in einem eingeschränkten Drehwinkel (z.B. zwischen 15 Grad und 60 Grad) bewegen, um eine Querschnittsscheibe des Objekts zu detektieren. Der Tomosynthese-CT-Scanner kann in der Lage sein, Scheiben auf verschiedenen Tiefen und mit verschiedenen Dicken zu erfassen, die über Bildverarbeitung konstruiert werden können.
Die Detektoranordnung eines CT-Bildgebungssystems kann eine Anordnung von Strahlungsdetektorelementen, wie etwa Pixelsensoren, umfassen. Die Signale von den Pixelsensoren können durch eine Pixeldetektorschaltung verarbeitet werden, die detektierte Photonen basierend auf der Energie jedes Photons oder der Spannung, die durch das empfangene Photon generiert wird, in Energieklassen sortieren kann. Wenn ein Photon detektiert wird, wird seine Energie bestimmt und die Photonenzählung für seine dazugehörige Energieklasse wird inkrementiert. Falls beispielsweise die detektierte Energie eines Photons 24 Kiloelektronenvolt (keV) ist, kann die Photonenzählung für die Energieklasse von 20 bis 40 keV inkrementiert werden. Die Anzahl von Energieklassen kann von einer bis mehrere, wie etwa zwei bis sechs, reichen. Bei einem erläuternden Beispiel kann ein Photonen zählender Detektor vier Energieklassen aufweisen: eine erste Klasse zum Detektieren von Photonen, die eine Energie zwischen 20 keV und 40 keV aufweisen, eine zweite Klasse zum Detektieren von Photonen, die eine Energie zwischen 40 keV und 60 keV aufweisen, eine dritte Klasse zum Detektieren von Photonen, die eine Energie zwischen 60 keV und 80 keV aufweisen, und eine vierte Klasse zum Detektieren von Photonen, die eine Energie von mehr als 80 keV aufweisen. Je größer die Gesamtanzahl der Energieklassen, desto besser die Materialunterscheidung.
Bei CT-Bildgebungssystemen wird ein gescanntes Objekt einem Röntgenstrahl ausgesetzt und gedämpfte Photonen von dem Röntgenstrahl werden detektiert und durch einzelne Strahlungsdetektorpixel in einer Detektoranordnung gezählt. Wenn ein Objekt (z.B. das Objekt 10) in ein CT-Bildgebungssystem geladen wird, kann der Röntgenstrahl stark gedämpft werden, und die Anzahl von Photonen, die durch die Detektoranordnung detektiert werden, kann zu Größenordnungen gehören, die kleiner als die Anzahl von Photonen sind, die von einer Röntgenstrahlenquelle emittiert werden. Für die Bildrekonstruktion kann die Detektoranordnung einem direkten Röntgenstrahl ohne ein dazwischenliegendes Objekt, das sich im Innern des CT-Bildgebungssystems befindet, ausgesetzt werden. In solchen Fällen können die Photonenzählraten in dem CT-Bildgebungssystem Werte von 100 Millionen Zählungen pro Sekunde pro Quadratmillimeter (Mcps/mm²) oder mehr erreichen. Die Detektoranordnung kann in der Lage sein, einen derart breiten Bereich von Photonenzählraten zu detektieren.
2A bis 2F bilden verschiedene beispielhafte Konfigurationen eines rotierenden Choppers gemäß diversen Ausführungsformen ab. Mit Bezug auf 2A bis 2F insgesamt kann der Chopper 150A bis 150F eine Nabe 202 umfassen, die dazu eingerichtet ist, mit dem Antriebsmotor 155 verbunden zu sein und die Strukturen zu sichern, welche die Röntgenstrahlen blockieren, wenn der Chopper gedreht wird. Das strahlungsabsorbierende Material, das verwendet wird, um Röntgenstrahlen zu blockieren, kann wie abgebildet in vielen verschiedenen Konfigurationen ausgebildet sein.
Mit Bezug auf 2A und 2B kann ein Chopper 150A, 150B bei einer Konfiguration in Form einer Scheibe 204 aus einem strahlungsabsorbierenden Material vorliegen, die eine Reihe von umfangsmäßig verteilten Aperturen 206 umfasst, durch die Röntgenstrahlen hindurchgehen, wenn jede Apertur auf den Röntgenstrahl 135 ausgerichtet ist. Die Dauer jedes Impulses von Röntgenstrahlen ist eine Funktion der Spannweite der Apertur 220 (d.h. des Durchmessers der Öffnung) und der Drehzahl der Scheibe 204. Ähnlich ist die Dauer, während der die Röntgenstrahlen daran gehindert werden, den Detektor zwischen jedem Röntgenimpuls zu erreichen, eine Funktion der Spannweite des Abstands zwischen den Aperturen 222 und der Drehzahl der Scheibe 204. Somit können durch Anpassen des Durchmessers jeder Apertur 206 und der Beabstandung der Aperturen um die Scheibe 204 herum, sowie das Steuern der Drehzahl des Choppers 150A, 150B über den Antriebsmotor 155 die Perioden mit Röntgenbelichtung und dazwischenliegende Perioden ohne Röntgenbelichtung gesteuert werden. Zudem kann, wie in 2B abgebildet, das Verhältnis der Dauer mit Strahlung zu der Dauer ohne Strahlung angepasst werden, indem die Anzahl der Aperturen 206 im Innern der Scheibe 204 geändert wird. Bei dem in 2B abgebildeten Chopper 150B gibt es nur vier Aperturen 206, und somit ist die Spannweite 222 oder der Abstand zwischen den Aperturen 206 größer als der Durchmesser 220 der Aperturen, was zu längeren Perioden ohne Bestrahlung und kürzeren Perioden mit Bestrahlung führt.
Mit Bezug auf 2C und 2D kann bei einer anderen Konfiguration ein Chopper 150C, 150D in der Form eines Satzes von Blättern 212 aus einem strahlungsabsorbierenden Material vorliegen, die beabstandet sind und Öffnungen bereitstellen, durch welche die Röntgenstrahlen hindurchgehen, wenn jede Öffnung auf den Röntgenstrahl 135 ausgerichtet wird. Die Dauer jedes Impulses von Röntgenstrahlen ist eine Funktion der Spannweite der Öffnungen 220 (d.h. des Abstands zwischen den Flügelrädern 212) und der Drehzahl des Choppers 150C. Ähnlich ist die Dauer, während der die Röntgenstrahlen daran gehindert werden, den Detektor zwischen jedem Röntgenimpuls zu erreichen, eine Funktion der Spannweite 222 der Blätter 212 und der Drehzahl des Choppers 150C. Somit können durch Anpassen der Spannweite 222 jedes Blatts 212 und der Beabstandung zwischen den Blättern sowie das Steuern der Drehzahl des Choppers 150C, 150D über den Antriebsmotor 155 die Perioden mit Röntgenbelichtung und dazwischenliegende Perioden ohne Röntgenbelichtung gesteuert werden. Zusätzlich kann, wie in 2D abgebildet, das Verhältnis der Dauer mit Bestrahlung zu der Dauer ohne Bestrahlung durch Ändern der Anzahl von Blättern 212 im Innern des Choppers 150C, 150D angepasst werden. Bei dem in 2D abgebildeten Beispiel gibt es nur vier Aperturen 206, und somit ist die Spannweite 220 des Abstands zwischen den Blättern 212 größer als die Spannweite 222 der Blätter 212, was zu längeren Perioden mit Bestrahlung und kürzeren Perioden ohne Bestrahlung führt.
Mit Bezug auf 2E und 2F kann bei einer anderen Konfiguration ein Chopper 150E, 150F in der Form eines Satzes von Abschirmblöcken 214 aus einem strahlungsabsorbierenden Material vorliegen, der von Speichen 216 getragen wird, die mit der Nabe 202 verbunden sind und beabstandete Öffnungen zwischen den Abschirmblöcken bereitstellen, durch welche die Röntgenstrahlen hindurchgehen, wenn jede Öffnung auf den Röntgenstrahl 135 ausgerichtet ist. Die Dauer jedes Impulses von Röntgenstrahlen ist eine Funktion der Spannweite der Öffnungen 220 (d.h. des Abstands zwischen den Abschirmblöcken 214) und der Drehzahl des Choppers 150E, 150F. Ähnlich ist die Dauer, während der die Röntgenstrahlen daran gehindert werden, den Detektor zwischen jedem Röntgenimpuls zu erreichen, eine Funktion der Spannweite 222 der Abschirmblöcke 214 und der Drehzahl des Choppers 150E, 150F. Somit können durch Anpassen der Spannweite 222 jedes Abschirmblocks 214 und der Beabstandung zwischen den Abschirmblöcken (oder der Anzahl von Abschirmblöcken) sowie das Steuern der Drehzahl des Choppers 150E 150F über den Antriebsmotor 155 die Perioden mit Röntgenbelichtung und dazwischenliegende Perioden ohne Röntgenbelichtung gesteuert werden. Zusätzlich kann, wie in 2F abgebildet, das Verhältnis der Dauer mit Bestrahlung zu der Dauer ohne Bestrahlung durch Ändern der Anzahl von Abschirmblöcken 214 in dem Chopper 150F angepasst werden. Bei dem in 2F abgebildeten Beispiel gibt es nur vier Abschirmblöcke 214, und somit ist die Spannweite 220 des Abstands zwischen den Abschirmblöcken 214 größer als die Spannweite 222 der Abschirmblöcke 214, was zu längeren Perioden mit Bestrahlung und kürzeren Perioden ohne Bestrahlung führt.
Das strahlungsabsorbierende Material (204, 212, 214), das bei diversen Konfigurationen des Choppers 150A bis 150F verwendet wird, kann ein Metall oder eine Metalllegierung sein, das bzw. die eine hohe Toleranz für Strahlungsschäden und eine hohe Ordnungszahl (hohe Z-Zahl) aufweist, um die ionisierende Strahlung zu absorbieren, wobei einige Beispiele davon Wolfram, Blei und Terbium umfassen.
2 bildet die Interaktionen eines Röntgenstrahls 310 oder Gammastrahls mit den Materialien in einem Strahlungsdetektor 120 ab (z.B. einem CdZnTe-Detektormaterial). Insbesondere führt der photoelektrische Effekt zur vollständigen Absorption der Photonenenergie 312 und der Generierung einer Wolke von Elektronen 314 und einer entsprechenden Wolke von Löchern 318 basierend auf der Energie des absorbierten Photons. Die generierten Elektron-Loch-Paare trennen sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes, das an den Strahlungsdetektor 120 zwischen der Anode 122 und der Kathode 128 angelegt wird. Die generierten Elektronen 314 driften in Richtung auf die Anode 122, und die generierten Löcher driften in Richtung auf die Kathode 128. Die Ansammlung von Elektronen 314 an der Anode 122 des Detektors ergibt einen Strom, der zu der Energie des absorbierten Photons (d.h. des Röntgenstrahls 310) proportional ist, wodurch sowohl die Detektion des Photons als auch die Schätzung der Energie des Photons ermöglicht werden. Die Beweglichkeit von Löchern 318 in CdZnTe ist im Vergleich zu Elektronen sehr gering.
3 bildet ab, wie eine Raumladung innerhalb eines Strahlungsdetektors, wie etwa einer CdZnTe-Strahlungsdetektoranordnung, während der Bestrahlung auf Grund der Bildung von positiv und negativ feststehenden geladenen Fangstellen entstehen kann. In Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Fangstellen oder der Störstellen und ihrer relativen Position mit Bezug auf das Fermi-Niveau in der Bandlücke und ihrer Energie kann sich eine positive oder negative Raumladung bilden. Diese Raumladung kann feststehend bleiben, falls sich die Bedingungen, welche die Bildung der Raumladung verursacht haben, nicht ändern.
Wenn ein derartiger Detektor, wie etwa eine CdZnTe-Strahlungsdetektoranordnung, mit einem relativ hohen ionisierenden Strahlungsfluss bestrahlt wird, kann die Bildung einer positiven Raumladung 322 hauptsächlich aus zwei Gründen entstehen. Erstens kann eine positive Raumladung auf Grund der Ionisation von langlebigen, tiefliegenden Löchern 318 (d.h. Fangstellen) entstehen. Zahlreiche Störstellen (eigene oder externe) können als Fangstellen für Löcher dienen. Zweitens kann eine positive Raumladung auf Grund geringer oder reduzierter Mobilität von Löchern 316 entstehen (im Vergleich zur Mobilität von Elektronen), die nicht von einer Fangstelle eingefangen werden. In einem CdZnTe-Material werden die sich schnell bewegenden Elektronen durch das elektrische Feld abgetrieben, doch für die sich langsam bewegenden Löcher besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass sie eingefangen werden. In Abhängigkeit von der Dichte dieser Fangstellen und ihrer Eigenschaften (z.B. Lebensdauer, Energie, Querschnitt und Dichte) und der verschiedenen Intensitäten und Energien von Röntgenstrahlen verursachen verschiedene Anzahlen von injizierten Elektronen und Löchern unterschiedlich große Störungen des internen elektrischen Feldes. Bei Bestrahlung mit einem relativ hohen Fluss von ionisierenden Photonen bilden sich zahlreiche Elektronen- und Lochwolken in dem Detektor durch die zahlreichen Röntgenstrahl-/Elektronen-Interaktionen. Auf Grund tiefer Fangstellen und der geringen Mobilität der Lochwolken im Vergleich zu Elektronen entwickelt sich eine positive Feldladung 322, wenn sich die Löcher im Detektorsubstrat ansammeln, während die meisten Elektronen 314 von der Anode 122 gesammelt werden. Die große positive Raumladung 322 in dem Detektor reduziert das interne elektrische Feld in dem Detektor, was sich auf die Effizienz und Reaktivität des Strahlungsdetektors auswirkt. Falls das interne Feld stark genug ist, können einige Elektronen 324 in Richtung auf die Raumladung statt auf die Anode 122 driften, was die Leistung und Genauigkeit des Detektors beeinträchtigt.
Bei Anwendungen, bei denen sich die Röntgenintensität schnell ändert, wie etwa bei medizinischen CT-Bildgebern oder Gepäckscannern, verändert sich die Bildung einer Raumladung auf Grund eingefangener Ladungsträger aus der Injektion von Löchern im Verlauf der Zeit, und die Raumladungsmenge variiert im Verlauf der Zeit. Die Stärke einer Raumladung kann sich ändern, wenn der Fluss von Röntgenphotonen, der auf das Strahlungsdetektormaterial trifft, plötzlich zunimmt, so dass eine erhebliche Anzahl von Elektronen und Löchern injiziert wird, die zeitliche Änderungen der Effizienz des Strahlungsdetektors verursachen können. Somit können die Auslösung der Bestrahlung und Änderungen der Intensität oder des Flusses der Strahlung, die auf den Strahlungsdetektor trifft, zu dynamischen Änderungen des internen elektrischen Feldes führen, das die Elektronen in Richtung auf die Anode treibt, was sich auf die Spektral- und Zählleistung des Strahlungsdetektors auswirkt. Dadurch kann die Spektral- und Zählleistung des Sensors zeitabhängig werden.
Eine Raumladung kann gebildet werden, wenn der Strahlungsdetektor 120 während der Vorspannung (d.h. während des Leerens von tiefen Fangstellen) durch Anlegen einer Spannung zwischen der Anode 122 und der Kathode 128 betätigt wird. In Abhängigkeit von dem Strahlungsdetektor (z.B. von der Art aus CdZnTe-Material und der Art aus Kontaktmaterial) kann die Vorspannung zu einer negativen oder positiven Nettoraumladung führen, die sich im Innern des Detektormaterials bildet. Dadurch dass sie verschiedene Domänen eines elektrostatischen Potentials zwischen der Anode und der Kathode erstellt, kann diese Raumladung die Einheitlichkeit und/oder Form des internen elektrischen Feldes vorschreiben. Wenn zwischen den Sensorklemmen ein einheitliches Einfangen und eine Raumladungsbildung vorausgesetzt werden, erstellt eine negative Raumladung typischerweise ein linear wechselndes internes elektrisches Feld, das an der Kathode höher ist, wohingegen eine positive Raumladung ein linear wechselndes internes elektrisches Feld erstellt, das an der Anode höher ist. Dieses nicht einheitliche interne elektrische Feld beeinflusst den Transport von Elektronen, ihre Induktionsrate an der Anode und schließlich ihre Signalamplitude von Zählimpulsen.
Bei diversen Ausführungsformen können die Belichtungszeiten, die beim Erzielen von Bildern verwendet werden, mit den Röntgenimpulsen koordiniert werden, die durch den Chopper 150 bereitgestellt werden, so dass jede Belichtung die gleiche Anzahl von Röntgenimpulsen und somit die gleiche Energiemenge, die in dem Detektor abgeschieden wird, umfasst. Dies trägt dazu bei sicherzustellen, dass die Bilder die gleiche Intensität oder Belichtungsrate aufweisen, so dass die Bilddaten über eine Anzahl von Bildern vergleichbar sind. 4A bildet eine beispielhafte Zeitfolge von Vorgängen des Bildgebungssystems 100 aus 1 ab, die zeigt, wie die Bilddauern mit Röntgenimpulsen gemäß diversen Ausführungsformen koordiniert werden können. Ein oberster Satz von Linien 410, 412 stellt die Datenerfassung des Strahlungsdetektors (d.h. die „Detektorerfassung“), wenn einzelne Bilder aufgenommen werden und die Daten aus dem Strahlungsdetektor gesammelt werden, und Intervalle zwischen den Bildern („Aus-“ Zustände) dar. Die mittlere Linie 420 stellt die Zyklen des Choppers 150 zwischen „offenen“ Zuständen, wenn Röntgenstrahlen den Strahlungsdetektor erreichen dürfen, und „blockierten“ Zuständen, wenn die Röntgenstrahlen daran gehindert werden, den Strahlungsdetektor zu erreichen, dar. Der unterste Satz von Linien 430, 432 stellt Hochspannungszustände (d.h. „HV“) innerhalb des Detektors zwischen Ein-Zuständen, wenn ein Röntgenbild erzielt wird, und Aus-Zuständen zwischen den Bildern dar.
Die Ein-Aus-Zyklen der Datenerfassung des Strahlungsdetektors (z.B. 120) wird durch die abwechselnde Detektorerfassungslinie 410 (d.h. die oberste durchgezogene Linie) dargestellt. Die abwechselnde Detektorerfassungslinie 410 zeigt, wie die Datenerfassung des Strahlungsdetektors zwischen Perioden des Sammelns von Daten, um ein Bild zu erzielen (d.h. „ein“), in denen der Strahlungsdetektor mit einer Vorspannung (Linie 430) versorgt wird, um Photonen zu detektieren, und Aus-Perioden, in denen der Strahlungsdetektor nicht mit Energie versorgt wird und keine Daten ausgibt, abwechseln kann. Die Datenerfassungsperioden („Ein-“ Perioden) und die Aus-Perioden können die gleichen oder unterschiedliche Dauern sein. Alternativ kann der Strahlungsdetektor ständig mit Energie versorgt werden (d.h. die Vorspannung bleibt angelegt, selbst wenn keine Bilddaten gesammelt werden), wie durch die durchgehende HV-Linie 432 dargestellt, doch die Detektordaten werden zwischen den Bildern nicht aufgezeichnet. Als eine andere Alternative können die Daten von dem Detektor ständig gesammelt werden (d.h. die oberste punktierte gerade Linie 412), doch die Vorspannung (HV), die an den Detektor angelegt wird, kann zwischen den Bildern ausgeschaltet werden (d.h. Linie 430).
Die Chopper-Zustandslinie 420 bildet ab, wie der Chopper 150 zu Perioden mit Bestrahlung des Detektors (d.h. „offenen“ Zuständen), die mit Perioden ohne Bestrahlung des Detektors (d.h. „blockierten“ Zuständen) durchsetzt sind, führt. Bei diversen Ausführungsformen kann die Dauer der Röntgenbelichtung erheblich kürzer als die Bildgebungsdauern sein (d.h. die Detektorerfassungs- und die HV-Ein-Zustandslinien 410, 430), wobei die Dauer mit Strahlungsbelichtung und die Dauer ohne Bestrahlung gesteuert werden, um ein gewünschtes Niveau der Detektoreffizienz zu erreichen. Wie in 4A abgebildet, können die Perioden der Datensammlung von dem Detektor (d.h. die „Ein-“ Zustände in den Linien 410 und 430) mit dem Chopper derart synchronisiert werden, dass jede Bildgebungsdauer (d.h. die „Ein-“ Zustände in den Linien 410 und 430) die gleiche Anzahl von Perioden mit Bestrahlung des Detektors (d.h. „offene“ Zustände) einbezieht. Dies stellt sicher, dass jedes Bild auf der gleichen Röntgenstrahlungsmenge basiert, die durch das abgebildete Objekt hindurchgeht. Ohne Synchronisation kann die Anzahl der Bestrahlungsperioden des Detektors (d.h. der „offenen“ Zustände) pro Bildgebungsdauer variieren.
4B ist eine Nahansicht eines ersten Zeitfolgezyklus 450 in 4A. Bei diversen Ausführungsformen, die eine abwechselnde Detektorerfassung (z.B. 410) verwenden, können eine Datenerfassungsperiode t₁ (d.h. Detektorerfassung = „ein“) und ungenutzte Perioden t₂ (d.h. Detektorerfassung = „aus“) von 0,1 ms bis 1 ms variieren. Dagegen ist die Dauer t₃ einer einzelnen Röntgenbelichtungsperiode, die durch einen Chopper 150 bereitgestellt wird (d.h. Chopper-Zustand = „offen“) und vorliegt, wenn die Photonen von den emittierten Röntgenstrahlen nicht durch den Chopper blockiert werden und den Röntgendetektor erreichen, eine wesentlich kürzere Periode. Ähnlich ist die Röntgenerholungsperiode t₄ , wenn Röntgenstrahlen durch den Chopper blockiert werden (d.h. Chopper-Zustand = „blockiert“), ebenfalls wesentlich kürzer als die Datenerfassungsperiode t₁ . Die Dauer der Röntgenbelichtungsperiode t₃ und die Dauer der Röntgenerholungsperiode t₄ können eingestellt werden, um die Leistung des Strahlungsdetektors zu verbessern. Andererseits können der Beginn und die Länge jeder Datenerfassungsperiode t₁ mit dem Öffnungs-/Schließzyklus des Choppers synchronisiert werden, so dass die gleiche Ganzzahl von Röntgenbelichtungsperioden in jeder Datenerfassungsperiode t₁ einbezogen ist. Bei einer Ausführungsform kann jede Datenerfassungsperiode t₁ durch eine Öffnung des Choppers (d.h. einen Übergang in die offene Chopper-Konfiguration) ausgelöst oder anderweitig damit synchronisiert werden. Beispielsweise kann ein Steuergerät (z.B. der Computer 160) dazu eingerichtet sein, ein Signal von dem Antriebsmotor 155 zu empfangen, das die Drehzahl angibt oder den Beginn jeder ganzen Rotation signalisiert, und um die Datenerfassungsperioden entsprechend zu koordinieren. Als ein anderes Beispiel kann ein Steuergerät (z.B. der Computer 160) dazu eingerichtet sein, Signale von dem Strahlungsdetektor etwa einige Sekunden lang zu überwachen, um die Periodizität und Dauer der Röntgenimpulse zu bestimmen, die durch den Strahlungsdetektor gemeldet werden, und um die bestimmte Periodizität und Dauer zu verwenden, um die Datenerfassungsperioden zu synchronisieren.
Das Steuergerät kann auch die Dauer der Datenerfassungsperioden t₁ derart steuern oder anpassen, dass die gleiche Anzahl von Strahlungsimpulsen durch den Strahlungsdetektor innerhalb jeder Datenerfassungsperiode empfangen wird. Bei dem in 4B abgebildeten Ausführungsbeispiel steuert das Steuergerät den Beginn und die Dauer der Datenerfassungsperioden t₁ , so dass eine Ganzzahl von Röntgenbelichtungsperioden t₃ und eine gleiche Ganzzahl von Röntgenerholungsperioden t₄ , die addiert werden, gleich der Datenerfassungsperiode t₁ sind. Somit kann bei dieser Ausführungsform die Länge der Datenerfassungsperiode t₁ basierend auf einer Wiederholungsrate N, der Dauer der Röntgenbelichtungsperiode t₃ und der Dauer der Röntgenerholungsperiode t₄ wie folgt bestimmt werden: $N \times 1/ (t_{3} + t_{4}) = t_{1}$
Gemäß diversen Ausführungsformen kann die Wiederholungsrate N von mehreren zehn Mikrosekunden bis zu einer halben Mikrosekunde variieren, um mit der Detektorerfassung synchronisiert zu werden. Ähnlich können die ungenutzten Perioden t₂ der Detektorerfassung synchronisiert werden, um mit einer Ganzzahl von Röntgenbelichtungsperioden t₃ und einer Ganzzahl von Röntgenerholungsperioden t₄ zusammenzufallen.
Ähnlich werden unter Verwendung einer abwechselnden Vorspannungsenergieversorgung (z.B. 430) die HV-Perioden t₅ , in denen eine Betriebsspannung durch die HV-Vorspannungsenergieversorgung zugeführt wird, synchronisiert werden, um mit der Datenerfassungsperiode t₁ zusammenzufallen, und die spannungslosen Perioden t₆ , in denen durch die HV-Vorspannungsenergieversorgung keine Energie zugeführt wird, können synchronisiert werden, um mit den ungenutzten Perioden t₂ der Detektorerfassung zusammenzufallen.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine kleine Versatzperiode, die einer Differenz zwischen der HV-Periode t₅ und der Datenerfassungsperiode t₁ entspricht, wie folgt dargestellt werden: $Δ t = t_{5} - t_{1} = t_{5} - (N \times 1/ (t_{3} + t_{4}))$
Die kleine Versatzperiode Δt kann enthalten sein, um sicherzustellen, dass das E-Feld bereits aufgebaut ist, bevor die Datenerfassungszeit beginnt.
5 bildet eine Grafik 500 der Signalausgabe von einem einzigen Pixel innerhalb eines Röntgendetektors ab, welche die zeitliche Beschaffenheit der Strahlungsdetektorausgabe (d.h. Millionen Zählungen pro Sekunde pro Detektorpixel) nach dem Beginn der Belichtung mit Röntgenstrahlen zu dem Zeitpunkt t₀ zeigt. Die Grafik 500 geht über ein Ein-Sekunden-Intervall. Die Grafik 500 zeigt, wie die Zählrate 510 in einem CdZnTe-Detektorpixel unter einer konstanten Röntgenbestrahlung im Verlauf der Zeit auf Grund von Ladungsfeldern abnimmt, die sich auf Grund von tiefen Fangstellen und langsamer Lochmigration entwickeln. Wie in der Grafik 500 zu sehen, überschreitet die Zählrate, wenn die Röntgenstrahlung zuerst beginnt, die Zählrate im Dauerzustand, der etwa 200 ms später erreicht wird. Die anfängliche Änderung der Ausgabe (d.h. Δ(Ausgabe)) gibt eine Signalverzerrung von etwa 500 Millionen Zählungen pro Sekunde (Mcps) pro Pixel an, welche die maximale Signalverzerrung unter Bedingungen der gegebenen Bestrahlung während des Zeitintervalls Δt₁ hervorhebt, das zu dem Zeitpunkt t₀ beginnt, wenn das Röntgendetektorpixel den Röntgenstrahlen zuerst ausgesetzt wird. Die Signalverzerrung, die in dem Abfall der Zählrate wiedergegeben wird, ergibt sich aus den dynamischen Änderungen des inneren elektrischen Feldes, das vorkommt, bis alle Fangstellen ausgefüllt sind und die Dichte der migrierenden Löcher einen Dauerzustand erreicht, der nach dem Zeitintervall Δt₁ ein Plateau erreicht. Der Betrag der Signalverzerrung und die Zeit, die benötigt wird, um das Plateau zu erreichen, sind zu der Art der Fangstelle (Lebensdauer/Verweilzeit), der Energie der Fangstelle und der Dichte der Fangstelle proportional. Diese dynamischen zeitabhängigen Ausgabeänderungen während der Signalerfassung (z.B. während eines CT-Scans) können zu Artefakten in den rekonstruierten Bildern führen.
Diverse Ausführungsformen mindern Probleme, die durch das zeitliche Verhalten von Strahlungsdetektoren verursacht werden, indem sie die Zeit einschränken, in der die Detektoren den Röntgenstrahlen in einer einzigen Periode oder einem Impuls (d.h. t₃ ) ausgesetzt sind, und den Strahlungsdetektor lange genug gegen Röntgenstrahlen abschirmen, um vor der nächsten Belichtung mit Röntgenstrahlen die Fangstellen zu entfernen und Löcher migrieren zu lassen (d.h. t₄ ). Dies ist in der Grafik 600 in 6 abgebildet, bei der es sich um ein Diagramm der Signalausgabe 610 eines einzigen Pixels im Verlauf der Zeit über eine Sekunde innerhalb eines Röntgendetektors handelt, der den Chopper umfasst und verwendet, gemäß diversen Ausführungsformen. Wie abgebildet beschränkt der Chopper 150 jede Bestrahlungszeit t₃ auf eine Periode, in welcher der Strahlungsdetektor im Hinblick auf das Aufzeichnen von Zählungen pro Sekunde höchst effizient ist, stellt genug Zeit dazwischen bereit (d.h. t₄ ), so dass der nächste Impuls von Röntgenstrahlen effizient detektiert wird. Insbesondere kann der Chopper jede Bestrahlungszeit t₃ auf eine Dauer einschränken, die kürzer als eine Einsetzzeit der dynamischen Polarisation und E-Feldrelaxation ist. Zum Beispiel ist die Röntgenbelichtungsperiode t₃ (zuvor mit Bezug auf 4A und 4B beschrieben) als ungefähr 100 ms dauernd abgebildet, wonach die Zählrate während der gesamten Röntgenerholungsperiode t₄ , in der die Photonen aus den emittierten Röntgenstrahlen durch den Chopper daran gehindert werden, den Strahlungsdetektor zu erreichen, sofort auf null abfällt. Die Röntgenerholungsperiode t₄ (die auch zuvor mit Bezug auf 4A und 4B beschrieben wurde) ist als ungefähr 90 ms dauernd abgebildet. Wie zuvor angemerkt, kann die Länge der Röntgenerholungsperiode t₄ gewählt werden, um eine ausreichende Erholung sicherzustellen, und muss nicht gleich oder ähnlich wie die Röntgenbelichtungsperiode t₃ sein. Ferner können die Dauern der Datenerfassungsperioden t₃ und der Detektorrelaxation t₄ in Abhängigkeit von der Art des Detektors, der individuellen Leistung des Detektors, der Betriebstemperatur usw. geändert werden. Ferner ermöglichen diverse Ausführungsformen dynamische Anpassungen an den Dauern der Datenerfassungsperioden t₃ und der Detektorrelaxation t₄ durch Variieren der Geschwindigkeit des Choppers (z.B. durch Steuern der Geschwindigkeit des Antriebsmotors 155). Somit kann das System die Leistung des Strahlungsdetektors bewerten (z.B. Artefakte in generierten Bildern bewerten) und die Geschwindigkeit des Choppers anpassen, um die Dauern der Datenerfassungsperioden t₃ und der Detektorrelaxation t₄ zu erhöhen oder zu verringern oder beides.
Der Vorzug von diversen Ausführungsformen, der darin besteht, höhere Zählraten bereitzustellen und ein verbessertes dynamisches Verhalten und Stabilität durch Strahlungsdetektorpixel innerhalb eines Röntgendetektors zu erreichen, ist in der Grafik 600 in 6 zu sehen. Insbesondere zeigt die Grafik 600 eine erhebliche Verbesserung bei der Bereitstellung höherer Zählraten und dem Vermeiden des Plateaus, das erreicht wird, wenn alle Fangstellen gefüllt sind.
7 bildet ein Verfahren 700 zum Umsetzen diverser Ausführungsformen ab. Das Verfahren kann in Block 710 das Positionieren in einem Bildgebungssystem eines Choppers (z.B. 150), der zwischen einem Strahlungsdetektor (z.B. 120) und einer Röntgenstrahlenquelle (z.B. 110) angeordnet ist, umfassen. In Block 720 kann das Verfahren das Positionieren eines Objekts, das durch das Bildgebungssystem gescannt werden soll, zwischen dem Chopper und dem Strahlungsdetektor umfassen. In Block 730 kann der Chopper aktiviert werden, um das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, das Objekt und den Strahlungsdetektor zu erreichen. In Block 740 kann die Röntgenstrahlenquelle aktiviert werden, um die Röntgenstrahlen durch ein Objekt hindurch und in Richtung auf den Strahlungsdetektor zu richten. Der Chopper unterbricht periodisch die Röntgenstrahlen, was zu abwechselnden Perioden, in denen Röntgenstrahlen auf den Strahlungsdetektor treffen, und zu Perioden, in denen keine Röntgenstrahlen auf den Strahlungsdetektor treffen, führt. In Block 750 können Strahlungszähldaten von jedem Pixel in dem Strahlungsdetektor erfasst werden und ein Bild kann aus diesen Daten generiert werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Betätigung des Choppers in Block 730 das Anpassen einer Geschwindigkeit des Choppers umfassen, um die Dauern der Datenerfassungsperioden t₃ und der Detektorrelaxation zu erhöhen oder zu verringern oder beides, um die Belichtung des Strahlungsdetektors auf Dauern einzuschränken, die kürzer als eine Einsetzzeit der dynamischen Polarisation und der E-Feldrelaxation sind. Die Geschwindigkeit des Choppers kann in Block 730 in Abhängigkeit von Ausmaß und Menge der Raumladungsbildung angepasst oder gesteuert werden. Da die Raumladungsbildung zu Artefakten in Bildern führen kann, können bei einigen Ausführungsformen diese Anpassungen der Geschwindigkeit des Choppers durch eine Rechenvorrichtung (z.B. 160) innerhalb des Bildgebungssystems (z.B. 100) als Reaktion auf das Detektieren von Artefakten in Bildern, die in Block 750 generiert werden, erfolgen. Bei einer Ausführungsform können die Detektion von Artefakten und die Anpassungen der Geschwindigkeit des Choppers während einer Bildgebungssitzung erfolgen, um die Qualität der generierten Bilder zu verbessern.
Diverse Ausführungsformen können in Bildgebungssystemen umgesetzt werden, die für die medizinische Bildgebung, wie etwa bei Hochflussanwendungen, wie etwa bei der Röntgen-Computertomographie (CT) für medizinische Anwendungen, und für nicht medizinische Bildgebungsanwendungen, wie etwa bei Sicherheitsscans von Gepäck und bei industriellen Kontrollanwendungen, verwendet werden.
Im Allgemeinen umfassen mit Bezug auf alle Zeichnungen diverse Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Bildgebungssysteme und Verfahren, welche die Röntgenabgaberate in Abhängigkeit von den E-Feldrelaxationszeiten (z.B. Einfang- und Freilassungsraten) anpassen, indem sie die Perioden der Röntgenbelichtung für den Strahlungsdetektor bis auf den Bereich von mehreren zehn Mikrosekunden bis zu mehreren hundert Millisekunden, der in Abhängigkeit von Ausmaß und Menge der Raumladungsbildung angepasst oder gesteuert werden kann, variieren.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen eine Bildgebungsvorrichtung (100), die einen Strahlungsdetektor (120) umfasst, der konfiguriert ist, um Photonenenergie aus einer ionisierenden Strahlung zu detektieren, eine Quelle von ionisierender Strahlung (110), die dazu eingerichtet ist, ein Strahlungsbündel (135) in Richtung auf den Strahlungsdetektor zu emittieren, und einen Chopper (150), der zwischen dem Strahlungsdetektor und der Quelle von ionisierender Strahlung angeordnet ist, wobei der Chopper dazu eingerichtet ist, das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, den Strahlungsdetektor zu erreichen. Bei diversen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper dazu eingerichtet, die Abgabe von Photonenenergie an den Strahlungsdetektor auf Dauern zu begrenzen, die kürzer als eine Einsetzzeit dynamischer Polarisation und E-Feldrelaxation sind. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper ein rotierender Chopper. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper ein pneumatischer Verschluss. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper aus einem Material gebildet, das aus der Gruppe von Wolfram, Blei oder Terbium ausgewählt wird. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist die ionisierende Strahlung eine Röntgenstrahlung. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist die ionisierende Strahlung eine Gammastrahlung. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist die Quelle von ionisierender Strahlung dazu eingerichtet, das Strahlungsbündel mit einer anpassbaren Abgaberate zu emittieren. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Chopper in die Quelle von ionisierender Strahlung derart integriert, dass die Quelle von ionisierender Strahlung dazu eingerichtet ist, die Strahlung in einer Reihe von Impulsen zu emittieren. Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung umfasst der Strahlungsdetektor Cadmium-Zink-Tellurid (CdZnTe). Bei einigen Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, zwischen Einschaltperioden der Datenerfassung von detektierter Photonenenergie und Ausschaltperioden, in denen keine Daten von dem Strahlungsdetektor erfasst werden, abzuwechseln. Einige Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung umfassen ferner eine Vorspannungsenergieversorgung (130), die dazu eingerichtet ist, selektiv eine Spannung an den Strahlungsdetektor anzulegen und zwischen Einschaltperioden, in denen eine Betriebsspannung an den Strahlungsdetektor angelegt wird, und Ausschaltperioden, in denen keine Spannung an den Strahlungsdetektor angelegt wird, abzuwechseln.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen ein Verfahren zum Abbilden eines Objekts (10) unter Verwendung einer ionisierenden Strahlung, umfassend das Positionieren eines Choppers (150) zwischen einer Quelle von ionisierender Strahlung (110), die dazu eingerichtet ist, ein Strahlungsbündel (135) zu emittieren, und einem Strahlungsdetektor (120), der dazu eingerichtet ist, Photonenenergie aus der ionisierenden Strahlung zu detektieren, das Positionieren des Objekts zwischen dem Chopper und dem Strahlungsdetektor, und das Aktivieren des Choppers, um das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, den Strahlungsdetektor zu erreichen, während die Quelle von ionisierender Strahlung aktiviert ist. Einige Verfahrensausführungsformen umfassen ferner das Erfassen von Daten aus dem Strahlungsdetektor durch eine Rechenvorrichtung (160, 170), das Generieren eines Bildes durch die Rechenvorrichtung (160) basierend auf den erfassten Daten, das Bestimmen durch die Rechenvorrichtung, ob das generierte Bild ein Artefakt umfasst, und das Anpassen einer Geschwindigkeit des Choppers durch die Rechenvorrichtung als Reaktion auf das Bestimmen, dass das generierte Bild ein Artefakt umfasst.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen einen Chopper (150) zur Verwendung in einem Bildgebungssystem (100), der ein strahlungsabsorbierendes Material (204, 212, 214) umfasst, das dazu eingerichtet ist, eine Strahlung aus einer Strahlungsquelle periodisch zu blockieren und die Strahlung aus der Strahlungsquelle periodisch durchzulassen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper eine drehbare Scheibe (204) aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Mehrzahl von beabstandeten Öffnungen (206) ausgebildet ist, und einen Antriebsmotor (155), der mit der drehbaren Scheibe aus dem strahlungsabsorbierenden Material gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, die Scheibe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper eine Mehrzahl von beabstandeten Blättern (212) aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Nabe (202) gekoppelt sind, und einen Antriebsmotor (155), der mit der Nabe gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, die Nabe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper eine Mehrzahl von beabstandeten Abschirmblöcken (214) aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Nabe (202) gekoppelt sind, und einen Antriebsmotor (155), der mit der Nabe gekoppelt sind und dazu eingerichtet sind, die Nabe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Chopper einen Verschluss, wie etwa einen pneumatischen Schnellverschluss.
Diverse Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verbessern die Betätigung des Bildgebungssystems unter Verwendung von Festkörper-Strahlungsdetektoren, wie etwa Cadmium-Zink-Tellurid- (CdZnTe) Detektoren, durch das Unterbinden der zeitlichen dynamischen Aufladung und der Polarisation, die ansonsten während der Betätigung derzeitiger Röntgensensoren vorkommen. Dies stellt ein verbessertes dynamisches Verhalten und Stabilität für Hochfluss-Photonen zählende Anwendungen bereit.
Obwohl die Offenbarung im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es angesichts der vorstehenden Beschreibung offensichtlich, dass zahlreiche Alternativen, Änderungen und Varianten für den Fachmann ersichtlich sein werden. Jede der hier beschriebenen Ausführungsformen kann einzeln oder kombiniert mit einer beliebigen anderen Ausführungsform umgesetzt werden, soweit es nicht ausdrücklich anders angegeben oder offensichtlich unvereinbar ist. Entsprechend ist die Offenbarung dazu gedacht, alle Alternativen, Modifikationen und Varianten einzubeziehen, die zu Geist und Umfang der Offenbarung und der folgenden Ansprüche gehören.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62744289 [0001]
US 16199588 [0001]

Claims

Bildgebungsvorrichtung, umfassend: einen Strahlungsdetektor, der zum Detektieren von Photonenenergie aus einer ionisierenden Strahlung eingerichtet ist; eine Quelle ionisierender Strahlung, die zum Emittieren eines Strahlungsbündels in Richtung auf den Strahlungsdetektor eingerichtet ist; und einen Chopper, der zwischen dem Strahlungsdetektor und der Quelle ionisierender Strahlung angeordnet ist, wobei der Chopper dazu eingerichtet ist, das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, den Strahlungsdetektor zu erreichen.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Chopper dazu eingerichtet ist, die Abgabe von Photonenenergie an den Strahlungsdetektor auf Dauern zu begrenzen, die kürzer als eine Einsetzzeit dynamischer Polarisation und E-Feldrelaxation sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Chopper ein rotierender Chopper ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Chopper ein pneumatischer Verschluss ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Chopper aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe von Wolfram, Blei oder Terbium ausgewählt wird.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ionisierende Strahlung eine Röntgenstrahlung ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ionisierende Strahlung eine Gammastrahlung ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quelle ionisierender Strahlung dazu eingerichtet ist, das Strahlungsbündel mit einer anpassbaren Abgaberate zu emittieren.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Chopper in die Quelle ionisierender Strahlung integriert ist, so dass die Quelle ionisierender Strahlung dazu eingerichtet ist, die Strahlung in einer Reihe von Impulsen zu emittieren.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlungsdetektor Cadmium-Zink-Tellurid (CdZnTe) umfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet ist, zwischen Einschaltperioden der Datenerfassung detektierter Photonenenergie und Ausschaltperioden, in denen keine Daten von dem Strahlungsdetektor erfasst werden, abzuwechseln.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vorspannungsenergieversorgung, die dazu eingerichtet ist, selektiv eine Spannung an den Strahlungsdetektor anzulegen und zwischen Einschaltperioden, in denen eine Betriebsspannung an den Strahlungsdetektor angelegt ist, und Ausschaltperioden, in denen keine Spannung an den Strahlungsdetektor angelegt ist, abzuwechseln.
Verfahren zum Abbilden eines Objekts unter Verwendung einer ionisierenden Strahlung, umfassend: Positionieren eines Choppers zwischen einer Quelle ionisierender Strahlung, die dazu eingerichtet ist, ein Strahlungsbündel zu emittieren, und einem Strahlungsdetektor, der dazu eingerichtet ist, Photonenenergie aus der ionisierenden Strahlung zu detektieren; Positionieren des Objekts zwischen dem Chopper und dem Strahlungsdetektor; und Aktivieren des Choppers, um das Strahlungsbündel periodisch daran zu hindern, den Strahlungsdetektor zu erreichen, während die Quelle von ionisierender Strahlung aktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Erfassen von Daten von dem Strahlungsdetektor durch eine Rechenvorrichtung; Generieren eines Bilds durch die Rechenvorrichtung basierend auf den erfassten Daten; Bestimmen durch die Rechenvorrichtung, ob das generierte Bild ein Artefakt umfasst; und Anpassen einer Geschwindigkeit des Choppers durch die Rechenvorrichtung als Reaktion auf das Bestimmen, dass das generierte Bild ein Artefakt umfasst.
Chopper zur Verwendung in einem Bildgebungssystem, umfassend: ein strahlungsabsorbierendes Material, das dazu eingerichtet ist, eine Strahlung aus einer Strahlungsquelle periodisch zu blockieren und die Strahlung aus der Strahlungsquelle periodisch durchzulassen.
Chopper nach Anspruch 15, wobei der Chopper umfasst: eine drehbare Scheibe aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Mehrzahl von beabstandeten Öffnungen ausgebildet ist; und einen Antriebsmotor, der mit der drehbaren Scheibe des strahlungsabsorbierenden Materials gekoppelt und dazu eingerichtet ist, die Scheibe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen.
Chopper nach Anspruch 15, wobei der Chopper umfasst: eine Mehrzahl von beabstandeten Blättern aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Nabe gekoppelt sind; und einen Antriebsmotor, der mit der Nabe gekoppelt und dazu eingerichtet ist, die Nabe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen.
Chopper nach Anspruch 15, wobei der Chopper umfasst: eine Mehrzahl von beabstandeten Abschirmblöcken aus dem strahlungsabsorbierenden Material, die mit einer Nabe gekoppelt sind; und einen Antriebsmotor, der mit der Nabe gekoppelt und dazu eingerichtet ist, die Nabe während der Betätigung des Bildgebungssystems zu drehen.
Chopper nach Anspruch 15, wobei der Chopper einen Verschluss umfasst.