JP6145517B2 - 光子計数検出器のための適応的な持続性電流補償を行うイメージングシステム及び適応的な持続性電流補償方法 - Google Patents

光子計数検出器のための適応的な持続性電流補償を行うイメージングシステム及び適応的な持続性電流補償方法 Download PDF

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Description

以下は、概して、光子計数検出器に関連し、特に、光子計数検出器材により導入された持続性電流(persistent current)を補償することに関連し、コンピュータ断層撮影(computed tomography)(CT)への特定の用途をもって記載される。しかしながら、以下はまた、例えばX線及び/又は他のイメージングモダリティなどの他のイメージングモダリティに従う。
コンピュータ断層撮影(CT)スキャナは、一般に、固定ガントリに回転可能に取り付けられた回転ガントリを含む。回転ガントリは、X線管を支持し、長手方向軸に関して検査領域の周りを回転するよう構成される。検出器アレイは、検査領域を横切ってX線管に向かい合って配置される。X線管は、検査領域(及びその中にある対象又は被検者の部分)を横断して検出器アレイを照射する多エネルギ電離放射線を放射するよう構成される。検出器アレイは、放射線を検出してそれを示す信号を生成する検出器ピクセルの1又は2次元のアレイを含む。夫々のピクセルは、更なる処理のために対応する信号を搬送するために使用されるリードアウトチャネルに関連付けられる。再構成部は、処理された信号を再構成し、検査領域を示す体積画像データを生成する。
スペクトラルCTに関し、検出器ピクセルは直接変換検出器ピクセルを含んでいる。一般に、直接変換ピクセルは、陰極と陽極との間に配置された直接変換材(例えば、テルル化カドミウム(CdTe)、テルル化カドミウム亜鉛(CZT)など)を含み、陰極と陽極との間には電圧が印加される。X線光子は陰極を照射し、エネルギを、電子/正孔対を形成する直接変換材中の電子に伝達し、電子は陽極の方へと押し流される。陽極は、それに応じて、検出器アレイによって出力される電気信号を生成する。増幅器は電気信号を増幅し、パルス成形部は、増幅された電気信号を処理し、検出された放射線のエネルギを示すピーク振幅又は高さを有するパルスを生成する。エネルギ弁別部は、パルスの高さを1又はそれ以上のエネルギ閾値と比較する。夫々の閾値について、計数部は、パルス高さが閾値を交差する回数をカウントする。エネルギビナーは、カウントをエネルギ範囲においてビニングし、それによって、検出された放射線をエネルギ分解する。再構成部は、スペクトル再構成アルゴリズムを用いて、ビニングされた信号を再構成する。
例えばCdTe及びCZTなどの直接変換材は、X線を照射された場合に低周波電流を生成する傾向がある。これは、検出器ピクセルによって出力される信号の基線シフトを生じさせる。あいにく、基線シフトは、成形部によって出力されるパルスをシフトする。これは、弁別部の閾値が固定されたままである場合に、不正確なエネルギビンへの検出された放射線の誤ったビニングをもたらすことがある。このような低周波電流の2つの主たる成分、すなわち、暗電流及び持続性電流が存在する。暗電流は、検出器材及びバイアス電圧に依存し、通常は取得インターバルの間に変化しないDC成分である。この成分は、反対の符号を持った同量の電流を増幅器の入力部へ投入する静的なバイアス成分により簡単に補正され得る。持続性電流は、電子−正孔対の正孔の(直接変換材における)トラップによって引き起こされる。トラップされた電荷の正電位のために、電子はバルク材に注入され、正孔と再結合するのではなく陽極に移動する。結果として生じるゆっくりと変化する電流は、極めて強く、光子電流(光子によって直接生成される電荷の量)よりも二桁も大きくなり得る。あいにく、持続性電流は動的に変化し、暗電流のような逆符号の静的な信号により簡単に補償され得ない。
ここで記載される態様は、上記の問題及び他に対処する。
一態様において、イメージングシステムは、検査領域を横断する放射線を検出し、それを示す電気信号を生成する直接変換検出器ピクセルを有する。前記生成された電気信号は持続性電流を含み、該持続性電流は、前記直接変換検出器ピクセルの直接変換材によって生成され、且つ、前記電気信号のレベルをシフトする。当該イメージングシステムは、前記直接変換材によって生成される前記持続性電流を推定し、該推定に基づき持続性電流補償信号を生成する持続性電流推定部を更に有する。当該イメージングシステムは、前記直接変換検出器ピクセルによって出力される前記電気信号、及び前記持続性電流補償信号を受信する前置増幅部を更に有する。前記持続性電流補償信号は、前記直接変換材によって生成される前記持続性電流を実質的に相殺して、持続性電流を補償された信号を生成する。前記前置増幅部は更に、前記持続性電流を補償された信号を増幅して、増幅された持続性電流を補償された信号を生成する。当該イメージングシステムは、前記増幅された持続性電流を補償された信号に基づき、前記直接変換材を照射する前記放射線のエネルギレベルを示す電気パルスを生成する成形部を更に有する。
他の態様において、方法は、光子計数検出器ピクセルの直接変換材の挙動のモデルに基づき、持続性電流補償信号を生成するステップを有する。前記モデルは、前記直接変換材におけるトラップ光子の生成と、前記直接変換材のトラップ正孔再結合レートとをモデリングする。当該方法は、前記光子計数検出器ピクセルを照射する放射線に応答して前記光子計数検出器ピクセルによって生成される電気信号を受信して増幅する前置増幅部の入力部で前記持続性電流補償信号を投入するステップを更に有する。
他の態様において、光子計数検出器ピクセルの直接変換材によって生成される持続性電流を推定する持続性電流推定器は、前記直接変換材におけるトラップ正孔の生成を示す第1の抵抗値を有し、第1の出力信号を生成する第1の抵抗素子と、前記直接変換材のトラップ正孔再結合レートを示す第2の抵抗値を有するフィードバック抵抗素子を含み、前記第1の出力信号を受信して処理し、前記直接変換材によって生成される前記持続性電流に対応する持続性電流補償信号を生成する積分器とを有する。
本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置において、且つ、様々なステップ及びステップの配置において形を成してよい。図面は、単に、好適な実施形態を説明することを目的としており、本発明を制限するものとして解釈されるべきでない。
持続性電流推定部に関連してイメージングシステムを概略的に表す。 持続性電流の限定されないモデルを概略的に表す。 図1の持続性電流モデルの限定されない電気回路に基づく実施を概略的に表す。 持続性電流を補償する方法を表す。
上述されたように、イメージングシステムの光子計数検出器の直接変換材は、X線を放射された場合に低周波電流(すなわち、持続性電流)を生成する傾向があり、持続性電流は、検出された放射線の誤ったビニングを生じさせ得る。ここでは、持続性電流を推定し、この推定を用いてデータ取得中に持続性電流を補償し、それによって、持続性電流に起因した、検出された放射線の誤ったビニングを軽減することへのアプローチが記載される。
図1は、例えばコンピュータ断層撮影(CT)スキャナなどのイメージングシステム100を表す。イメージングシステム100は、固定ガントリ102と、固定ガントリ102によって回転可能に支持されている回転ガントリ104とを有する。回転ガントリ104は、z軸に関して検査領域106の周りを回転する。
例えばX線管などの放射線源108は、回転ガントリ104によって支持され、回転ガントリ104とともにz軸に関して検査領域106の周りを回転する。源108は、検査領域106を横断する放射線を放射する。任意の放射線コントローラ109は、放射線が検査領域106を横断する第1の状態と、放射線が検査領域106を横断しない第2の状態との間で、放射線放射の状態を移行する。これは、源108を“オン”/“オフ”すること、放射線の経路からフィルタを挿入/除去すること、グリッド電圧を源108のスイッチンググリッドへ印加/除去して電子が源108の陰極から陽極へ流れることを阻止/許可すること、などを含んでよい。
放射線感受性検出器アレイ110は、放射線源108の向かい側に検査領域106を横切って角度円弧を定める。検出器アレイ110は、検査領域106を横断する放射線を検出し、それを示す電気(例えば、電圧又は電流)信号を生成する。表されている検出器アレイ110は、例えば、直接変換結晶又は物質(例えば、CdTe、CZT、など)を含む直接変換検出器ピクセルなどの光子計数検出器ピクセル111の1又はそれ以上の列を含む。検出器ピクセル111の夫々について、任意の前置増幅部112は、電気信号を増幅し、パルス成形部114は、電気信号又は増幅された信号を受信し、対応する入射した被検出放射線のエネルギレベルを示すピーク高さ又は振幅を持ったパルス(例えば、電圧又は電流)を生成する。
持続性電流推定部116は、夫々の検出器ピクセル111について、対応する成形部114の出力部での持続性電流の値を推定し、検出器ピクセル111ごとの持続性電流補償信号を生成する。ある検出器ピクセル111について、推定部116は、補償信号を対応する前置増幅部112の入力部へフィードバック又は投入する。補償信号は、前置増幅部112の入力部にあるその検出器ピクセル111の持続性電流を実質的に相殺する。これは、その検出器ピクセル111の持続性電流に起因した、検出器ピクセル111の成形部111の出力部での基線シフトを実質的に軽減することができる。以下でより詳細に記載されるように、一例において、持続性電流推定部116は、持続性電流に対する検出器ピクセル111の直接変換材の挙動を記述する数学的モデルに対応する電気回路を含む。
エネルギ弁別部118は、夫々の検出器ピクセル111について成形部114によって出力されるパルスをエネルギ弁別する。表されているエネルギ弁別部118は、コンパレータ120,・・・,120の組(集合的にここではコンパレータ120と呼ばれる。)と、所定のエネルギ閾値(TH)122,・・・,122の対応する組(集合的にここではエネルギ閾値122と呼ばれる。)とを含む。なお、Nは1以上の整数である。コンパレータ120の夫々は、入来するパルスの高さを、閾値122のうちのその各自の1つと比較し、ピーク高さがその閾値122を越えたかどうかを示す出力信号を生成する。
計数部124は、コンパレータ120の夫々について、個々の閾値が、複数のパルスの夫々について、パルスのピークによって越えられる場合をカウントする。エネルギビナー126は、閾レベルと入来する放射線のエネルギとの間の関係に基づき、カウントをエネルギ範囲にビニングし、それによって、検出された放射線をエネルギ分解する。再構成部128は、エネルギビニングされた信号を再構成する。再構成部128は、エネルギビニングされた信号を再構成するよう、スペクトル及び/又は非スペクトル再構成アルゴリズムを用いることができる。
例えばカウチなどの対象支持体130は、検査領域106において対象又は被検者を支持する。対象支持体130は、スキャニングの前、最中、及び/又は後にイメージングシステム100に対して被検者又は対象を垂直及び/又は水平に位置付けるために使用され得る。汎用のコンピューティングシステムはオペレータコンソール132として働き、例えばディスプレイなどの出力装置と、例えばキーボード、マウス、及び/又は同様のものなどの入力装置とを有する。コンソール132に常駐するソフトウェアは、オペレータがイメージングシステム100と対話し且つ/あるいはそれを操作することを可能にする。そのような対話は、グリッドスイッチング、スキャニングの開始、などの有無によらずに、イメージングプロトコルを選択することを含んでよい。
上述されたように、持続性電流推定部116は、検出器ピクセル111の直接変換材によって導入される持続性電流に対する直接変換材の挙動のモデルに対応する電気回路により実施され得る。以下は、数学的モデルの限定されない例及びそれに基づく電気回路の例を提供する。
このような例に関し、持続性電流は、式1において示されるようにモデリングされ得る:

式1:
(t)=eNT+(t)/TDRIFT

上記の式において、I(t)は、持続性電流を表し、eは、素電荷を表し、NT+(t)は、トラップ正孔の数を表し、TDRIFTは、源108の陰極から陽極への電子のドリフト時間を表す。トラップ正孔の生成は、光子電流に比例し、正孔は、tの寿命を有し、正孔の数は、式2において示される微分方程式によって近似され得る:

式2:
dNT+/dt=αN(t)−βNT+(t)

上記の式において、αは、生成された光電子ごとのトラップ正孔の生成を近似する定数を表し、βは、トラップ正孔の再結合レートを記述する定数を表す。α及びβは両方とも、直接変換材に特有の定数である。
図2は、式2の微分方程式に構造的に類似する微分方程式に基づく電気回路モデル200を例示する。
電気回路モデル200は、増幅器204を含むアナログ積分器202と、トラップ正孔の生成をモデリングする第1の抵抗素子(R)210と、トラップ正孔の再結合レートをモデリングする、容量素子(C)208と電気的に並列な第2の抵抗素子(R)206を備えるフィードバック回路203とを含む。Uは、入力電位を表し、第1の抵抗素子(R)210によって電流に変換され、Uは、積分器202の出力電位を表す。
電気回路200は、式3において示されるように数学的に表され得る:

式3:
d(−u)/dt=u(t)/CR−(−u)/CR

上記の式において、u(t)及びu(t)は、時間の関数として電子及び正孔の数を表す電位であり、C、R及びRは、式2のα及びβをモデリングするキャパシタンス及び抵抗のRC定数である。上述されたように、式3は、式2と構造的に類似しており、トラップ正孔の挙動をモデリングするために使用され得る。
図3は、検出器ピクセル111、前置増幅部112、成形部114及びエネルギ弁別部118に関連して、図2の電気回路モデル200に基づく構成要素を含む電気回路300を示す。
この例において、積分器302(モデル200の積分器202に類似する。)によって出力される電位uは、第3の抵抗素子(R)301を通じて電流に変換され、次いで、持続性電流補償信号として前置増幅部112の入力部でフィードバック又は投入される。加えて、第1の抵抗素子(R)310及びフィードバック回路303の第2の抵抗素子(R)306は、モデル200の対応する抵抗素子210及びフィードバック回路203の抵抗素子206と違って、可変抵抗素子である。図3において、第1(R)及び第2(R)の可変抵抗素子310及び306の抵抗値は、夫々の検出器ピクセルについて、検出器ピクセルの対応する変換材の挙動が検出器ピクセルごとに異なる傾向があるとして、その挙動に適応される。
夫々の検出器ピクセルの夫々の電気回路300の電気素子302、306、308及び/又は310の値は、対応する検出器ピクセルの対応する直接変換材の実際の挙動に適合させるよう調整される。様々なアプローチがこれを達成するために用いられ得る。例えば、1つの限定されない例において、電気素子301及び308の抵抗値及び容量値は夫々、全ての検出器ピクセルの全ての電気回路300について、所定の回路設計基準に基づく静的な値であり、夫々の電気回路300のR及びRの抵抗値は、対応する検出器ピクセルの直接変換材の挙動に適合させる。
及びRを校正するために、検出器ピクセルの直接変換材の実際の状態とモデルの状態との実際の不一致は、最初に決定される。これは、不一致に基づくオフセットである成形部114の出力パルスによって決定され得る。オフセットは、X線を“オフ”に切り替えて、明確なピーク振幅を有する既知の電子テストパルスを前置増幅部112の入力部に投入することによって、測定され得る。閾スキャンは、次いで、それらのパルスのピーク電圧を測定するために使用され得る。
一般に、閾スキャンに関し、検出器ピクセルの夫々についてのコンパレータ120の夫々の閾値122の夫々のレベルは、所定の開始点から所定のインクリメントによって所定の終了点までスイープされるか又はインクリメント増分され、夫々の不連続な閾点での検出されるカウント数は、パルスのピーク電圧を決定するために使用される。このピーク電圧は、既知のパルスピーク振幅と実際のオフセット(不一致)との和を示し、よって、実際のオフセットは、既知のパルスピーク振幅の和を、測定されたピーク電圧から減じることによって決定され得る。
に関し、X線は、直接変換材においてトラップ正孔が全くないか又は最小限存在することを確かにする程十分に長い時間“オフ”される。次いで、X線は、短時間であるが、トラップ正孔を生成するほど十分に長い時間“オン”される。次いで、X線は“オフ”され、不一致は、上述されたように、測定される。不一致は、Rの値が直接変換材における正孔生成プロセスにどれだけ従うかを示す。正の不一致は、正孔の生成の過小評価を示し、負の不一致は、Rによる過大評価を示す。正の不一致に関し、Rの値は減じられ、校正は、不一致が所定範囲内に収まるまで繰り返される。負の不一致に関し、Rの値は増大され、校正は、不一致が所定範囲内に収まるまで繰り返される。
に関し、X線は、トラップ正孔を生成するよう“オン”される。次いで、X線は“オフ”される。不一致のスロープは、次いで、上述されたように測定可能であり、正孔の寿命にわたって記録される。不一致の測定の結果が増大傾向を有する場合は、再結合レートは、Rの実際の値により過大評価されており、Rは増大される。不一致の測定の結果が減少傾向を有する場合は、再結合レートは、Rの実際の値により過小評価されており、Rは低減される。Rは、不一致が所定範囲内に収まるまで増大又は低減される。
補償電流は、RとRとの間の不一致、ノイズ、直接変換材の結晶挙動の変化(例えば、温度)、モデルの不一致、及び/又は他の理由に起因して、実際の持続性電流から逸れることがある。一例において、X線は、実際の持続性電流が測定され得、持続性電流モデルパラメータがそれに基づき適応され得るように、取得インターバルの間に“オン”及び“オフ”される。
例として、一例において、X線は、1又はそれ以上の取得インターバルの所定のサブ部分の間に“オフ”され、これは、成形部114が実際の持続性電流に適応することを可能にする。そのような適応期間の間、検出器ピクセルの夫々についての抵抗素子Rの可変抵抗は低い値に調整され、積分器302が、検出器ピクセルの直接変換材の実際の持続性電流を補償するようその出力を速やかに変化させることを可能にし、この動作点は、次の取得インターバルのために使用される。
他の例において、Rを介した直接電荷注入は、より複雑な回路によって、例えば、電荷ミラー及び/又は他の回路構成を用いて、実施され得る。
及びRの校正は、一般に、不一致が所定範囲内に収まるまで反復的に繰り返される。
図4は、直接変換計数検出器の直接変換材によって生成される持続性電流を補償する方法を表す。
402で、前置増幅部112は、検出器ピクセルを照射する入射放射線に応答して計数検出器の直接変換検出器ピクセルによって生成される信号を受信する。
404で、持続性電流推定部116は、持続性電流を推定する。持続性電流は、検出器ピクセル111を照射する入射放射線に応答して検出器ピクセル111の直接変換材によって生成され、前置増幅部で受信される信号に含まれる。
406で、持続性電流推定部116は、前置増幅部112の入力部で推定を投入する。
408で、投入された推定は、前置増幅部112の入力部で持続性電流を実質的に相殺する。
410で、前置増幅部112は、持続性電流を補償された信号を増幅する。
412で、成形部114は、増幅された持続性電流を補償された信号を受信し、入射放射線のエネルギレベルを示すピーク高さを有する電気パルスを生成する。
414で、任意に、他のプロセッシングエレクトロニクスは、ここで又は別なふうに論じられるように、入射放射線をエネルギ弁別するよう電気パルスを処理するために用いられる。
本発明は、好適な実施形態を参照して記載されてきた。変更及び代替は、前述の詳細な記載を読み理解することで当業者に想到され得る。本発明は、全てのそのような変更及び代替を、それらが添付の特許請求の範囲及びその均等の適用範囲内にある限り包含するものとして解釈されるよう意図される。

Claims (15)

  1. 検査領域を横断する放射線を検出し、それを示す電気信号を生成する第1の直接変換検出器ピクセルであり、前記生成された電気信号が、前記第1の直接変換検出器ピクセルの直接変換材によって生成され且つ前記電気信号のレベルをシフトする持続性電流を含む、前記第1の直接変換検出器ピクセルと、
    前記直接変換材によって生成される前記持続性電流を推定し、該推定に基づき持続性電流補償信号を生成する持続性電流推定部と、
    前記第1の直接変換検出器ピクセルによって出力される前記電気信号、及び前記持続性電流補償信号を受信し、前記持続性電流補償信号が、前記直接変換材によって生成される前記持続性電流を実質的に相殺して、持続性電流を補償された信号を生成し、該持続性電流を補償された信号を増幅して、増幅された持続性電流を補償された信号を生成する前置増幅部と、
    前記増幅された持続性電流を補償された信号に基づき、前記直接変換材を照射する前記放射線のエネルギレベルを示す電気パルスを生成する成形部と
    を有するイメージングシステム。
  2. 前記持続性電流推定部は、前記持続性電流に対する前記直接変換材の挙動のモデルに基づき、前記持続性電流補償信号を推定する、
    請求項1に記載のイメージングシステム。
  3. 前記モデルは、前記直接変換材におけるトラップ正孔の生成と、前記直接変換材のトラップ正孔再結合レートとをモデリングする、
    請求項2に記載のイメージングシステム。
  4. 前記持続性電流推定部は、
    前記成形部によって出力される前記電気パルスを受け取って処理し、それに基づき前記持続性電流補償信号を生成する回路
    を有する、請求項1に記載のイメージングシステム。
  5. 前記回路は、
    前記成形部によって出力される前記電気パルスを受け取り、前記直接変換材におけるトラップ正孔の生成を示す第1の出力信号を生成する第1の抵抗素子
    を有する、請求項4に記載のイメージングシステム。
  6. 前記第1の抵抗素子は、前記持続性電流に対する前記直接変換材の挙動に対応する第1の抵抗値を有する、
    請求項5に記載のイメージングシステム。
  7. 少なくとも第2の直接変換検出器ピクセルを更に有し、
    前記第2の直接変換検出器ピクセルの第1の抵抗素子は、前記持続性電流に対する前記少なくとも第2の直接変換検出器ピクセルの直接変換材の挙動に対応する、前記第1の抵抗値とは異なる第2の抵抗値を有する、
    請求項6に記載のイメージングシステム。
  8. 前記回路は、積分器を有し、
    前記積分器は、増幅器と、フィードバック回路とを有し、
    前記フィードバック回路は、
    前記直接変換材のトラップ正孔再結合レートを示す第2の抵抗素子と、
    前記第2の抵抗素子と電気的に並列である容量素子と
    を有し、
    前記積分器は、前記第1の出力信号を受信して積分し、それに基づき前記持続性電流補償信号を生成する、
    請求項に記載のイメージングシステム。
  9. 前記第2の抵抗素子は、前記持続性電流に対する前記直接変換材の挙動に対応する第2の抵抗値を有する、
    請求項8に記載のイメージングシステム。
  10. 少なくとも第2の直接変換検出器ピクセルを更に有し、
    前記第2の直接変換検出器ピクセルの第2の抵抗素子は、前記持続性電流に対する前記少なくとも第2の直接変換検出器ピクセルの直接変換材の挙動に対応する、前記第1の抵抗値とは異なる第2の抵抗値を有する、
    請求項9に記載のイメージングシステム。
  11. 前記成形部によって生成される前記電気パルスは、対応する検出された放射線をエネルギ弁別するよう処理される、
    請求項1乃至10のうちいずれか一項に記載のイメージングシステム。
  12. 複数の直接変換検出器ピクセルと、複数の持続性電流推定部とを更に有し、
    夫々の持続性電流推定部は、異なる直接変換検出器ピクセルごとに持続性電流補償信号を生成する、
    請求項1乃至11のうちいずれか一項に記載のイメージングシステム。
  13. 前記持続性電流は、前記第1の直接変換検出器ピクセルの前記直接変換材によって、該直接変換材を照射する前記放射線に応答して生成される、
    請求項1乃至12のうちいずれか一項に記載のイメージングシステム。
  14. イメージングシステムの光子計数検出器ピクセルの直接変換材におけるトラップ光子の生成と、前記直接変換材のトラップ正孔再結合レートとをモデリングする前記直接変換材の挙動のモデルに基づき、持続性電流補償信号を生成するステップと、
    前記光子計数検出器ピクセルを照射する放射線に応答して前記光子計数検出器ピクセルによって生成される電気信号を受信して増幅する前置増幅部の入力部で前記持続性電流補償信号を投入するステップと
    を有する方法。
  15. 回路により前記持続性電流補償信号を生成するステップを更に有し、
    前記回路は、積分器を有し、
    前記積分器は、増幅器と、フィードバック回路とを有し、
    前記フィードバック回路は、
    前記直接変換材のトラップ正孔再結合レートを示す第2の抵抗素子と、
    前記第2の抵抗素子と電気的に並列である容量素子と
    を有し、
    前記積分器は、第1の出力信号を受信して積分し、それに基づき前記持続性電流補償信号を生成する、
    請求項14に記載の方法。
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