CN101273898A - 使用固态光电倍增器和闪烁器的光子计数ct探测器 - Google Patents

Abstract

提供一种用于CT成像***(10)的探测器模块(20)，它包括将X射线(16)转换成可见光子的闪烁器(58)。闪烁器(58)与带内部增益的固态光电倍增管(53)光耦合以接收可见光子并将其转换为相应的电信号。

Description

使用固态光电倍增器和闪烁器的光子计数CT探测器

技术领域

本发明通常涉及用于诊断成像的射线照相(radiographic)探测器(detector)，更具体地，本发明涉及一种带有改进的饱和特性的能够提供光子计数和能量数据的CT探测器模块。

背景技术

通常，在如X射线和计算断层摄影(CT)成像的射线照相(成像***中，X射线源向对象或目标(如患者或一件行李)发射X射线。在下文中，术语“对象”和“目标”可以互换使用来描述能够被成像的任何东西。在经对象衰减后，光束撞击在辐射探测器的阵列上。探测器阵列上所接收的被衰减放射光束的强度通常取决于X射线的衰减度。探测器阵列的每个探测器元件产生指示由每个探测器元件所接收的被衰减光束的单独的电信号。该电信号传输到最终产生图像的数据处理***用于分析。

传统CT成像***利用探测器将射线照相的能量转换为电流信号将电流信号对时段积分，接着电流信号被测量而最终数字化。然而这种探测器的缺点是它们不能对探测的光子数目和/或能量提供数据或反馈。在图像重建期间，可使用探测的光子数目和/或能量数据来区别在由不提供该附加信息的传统***所重建的图像中显得相同的材料。即，传统CT探测器具有闪烁器部件和光电二极管部件，其中闪烁器部件一接收射线照相能量就发光而光电二极管探测闪烁器部件的发光并提供电信号作为发光强度的函数。这些探测器的缺点是它们不能提供能量有差别的数据或不能计数由所给探测器元件或像素实际接收的光子的数目和/或不能测量由所给检测器元件或像素实际接收的光子能量。即，由闪烁器发出的光为已撞击的X射线数目和X射线能级的函数。在电荷积分的操作模式下，光电二极管不能在闪烁的能级或光子计数之间区分(discriminate)。例如，两个闪烁器可以发出等量强度的光，同样，提供等量的输出到它们各自的光电二极管。然而，由每个闪烁器接收的X射线的数目可以不同，同样X射线的能量可以不同，但产生等量的光输出。

在尝试能区分光子计数和能量的基于闪烁器的探测器设计中，也已经使用由耦合到雪崩光电二极管(APDs)或光电倍增器的闪烁器构成的探测器。然而，有各种问题限制了这些探测器的使用。在APDs的情况下，需要附加的增益以进行光子计数，但存在相关的增益不稳定性噪声、温度灵敏性和其它可靠性的问题。在光电倍增管的情况下，这些装置太大，机械易碎并且对于使用在CT上的覆盖大面积的高分辨力探测器造价高。像这样，就已经限制了光电倍增管在PET或SPECT***中的应用。

为了克服这些缺点，在CT***中使用了区分能量、直接转换的探测器，它不仅能X射线计数，而且还能够测量每个探测到的X射线能级。然而，直接转换的半导体探测器的缺点是这些类型的探测器不能以传统CT***中通常的X射线光子通量率来计数。即，CT***要求的高信噪比、高空间分辩率和快速扫描时间规定在CT***中X射线光子通量率是很高的，例如，在或远远超过每平方毫米每秒1百万个X射线。还有，在单个探测器像素中，以每秒计数(cps)测量的以及由通量率、像素面积和探测效率所确定的计数率是很高的。很高的X射线光子通量率造成堆积和极化。“堆积”是在探测器的源通量很高而很有可能两个和多个X射线光子在足够接近的时间在单个像素内沉积电荷包导致它们的信号彼此干扰时发生的一种现象。堆积现象通常有两种类型，其导致某些不同的结果。在第一种类型中，两个或多个事件由足够的时间分开，这样被当作不同事件，但信号交迭以使后到的(一个或多个)X射线的能量测量精度下降。这种堆积类型导致***能量分辩率降低。在堆积的第二种类型中，两个和多个事件在足够接近的时间到来以使***不能把它们分辨为不同的事件。在这种情况下，这些事件被当作具有它们能量的和的一个单个事件并且这些事件在频谱上偏移到较高的能量。另外，堆积使得高X射线通量计数或多或少显著的降低，导致探测器量子效率(DQE)的损失。

直接转换的探测器易受所谓“极化”现象的影响，“极化”时，材料内部的俘获电荷改变内部的电场，用不可预知的方法改变探测器的计数和能量响应，并导致由先前的暴露改变响应的磁滞现象(hysteresis)。该堆积和极化最终导致探测器饱和，其在上述陈述了，以相对低的X射线通量水平阈值发生在直接转换传感器内。在这些阈值以上，探测器的响应不是可预知的并具有减少的剂量利用率，其导致成像信息的丢失并导致在X射线投影和CT图像中的噪声和人为现象(artifact)。特别地，由于与每个X射线光子事件相关的本征电荷收集时间(即，死时间)光子计数直接转换探测器饱和。当用于每个像素的X射线光子吸收率大约是该电荷收集时间的倒数时，由于脉冲堆积将发生饱和。

先前设想的能够以高X射线通量率进行光子计数的解决办法包括使用蝶形领结(bowtie)形的滤波器以沿探测器预成形通量率的轮廓(profile)，补偿患者的形状并产生跨过探测器场的通量较小动态范围。然而，问题是如果对象群体(subject population)远不均衡并且形状有变化那么蝶形领结滤波器不会是最佳的。在这种情况下，可能出现一个或多个分离的(disjointed)饱和区域或反过来过度滤除X射线流并造成很低通量区域。在投影中的低X射线通量将最终引起对象重建图像中的噪声。

另一个适应高通量率设想的解决办法是将像素细分成多个次像素(sub-pixel)，每个次像素连接到自己的前置放大器。通过减少直接转换次像素的面积，当在很小面积内收集很少的光子时，可提高通量率的性能。然而，得到的信号信噪比可能减少，而由于在次像素之间增大的周界(perimeter)，将使串扰(cross-talk)水平不利地显著。在直接转换探测器中的串扰在像素之间边界附近吸收的X射线的像素之间采用电荷共享(charge sharing)的形式。电荷共享可造成光子完全被遗漏或贴错能量标签。在任一情况下，作为使用每个连接到自己的放大器的细分像素的结果，DQE下降而频谱响应将降低保真度。

因此将希望设计一种能够光子计数，区分能量的CT探测器，它在传统CT***中的通常X射线光子通量率下不饱和。还希望设计一种探测器，其提供具有低相关噪声的高增益并且轻巧而耐用，从而是可靠的且对抗高温，震动和机械磨损。

发明内容

本发明通过提供带有改进饱和特性能够提供光子计数和能量数据的CT探测器模块来克服前述的缺点。CT探测器模块包括在传统CT***通常的X射线光子通量率下不饱和的快闪烁器。CT探测器模块还包括固态光电倍增管(SSPM)，其提供带有低伴随噪声的高增益以允许在探测器模块中用于光子计数和能量区分。

根据本发明的一个方面，一种CT成像***，其包括：台架，贯穿(through)台架形成有孔，该台架设计成接收平移通过孔的患者；X射线源，其设置在台架内并配置成向患者发射X射线；以及探测器模块，其设置在台架内以接收由患者衰减的X射线。探测器模块还包括：配置来吸收X射线并将X射线转换成可见光子的闪烁器；以及配置来接收可见光子并将可见光子转换为相应的电信号的固态光电倍增器(SSPM)。

还是根据本发明的一个方面，一种能量区分CT探测器模块包括：接收X射线并将X射线转换成可见光子闪烁器；以及带有内部增益的固态光电倍增器。固态光电倍增器与从其中接收可见光子的闪烁器光耦合并配置成将可见光子转换为电信号输出。

还是根据本发明的一个方面，一种用于构造光子计数和能量区分CT探测器的方法。该方法包括的步骤：形成闪烁器接收X射线并将X射线转换成可见光子；以及将带有内部增益的固态光电倍增其(SSPM)耦合到闪烁器以接收可见光子并将可见光子转换为相应的电信号输出。

本发明各种其它特征和优点将在下面的详细描述和附图中变得更清楚。

附图说明

附图示出当前用于实现本发明的一个优选实施例。

在附图中：

图1是本发明CT成像***的示意图；

图2是图1所示***的方框图；

图3是CT***准直器组件的一个实施例的透视图；

图4是探测器模块的一个实施例的透视图；

图5是根据本发明的探测器像素(pixel)的透视图；

图6是根据本发明的微单元(microcell)的顶视平面图；

图7是图6的微单元的侧视正视图。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，提供一种CT成像***。CT成像***包括构造成执行光子计数和通常与CT成像相关的高通量率(fluxrates)X射线的能量区分(discrimination)的探测器。

参照六十四片(slice)计算断层摄影(CT)***来描述本发明的工作环境。但是，本领域的技术人员应当知道，本发明同样适合其它多片结构使用。此外，还将结合对x射线的探测和转换来描述本发明。但是，本领域的技术人员还知道，本发明同样适用于对其它高频电磁能量的探测和转换。将结合“第三代”CT扫描仪来描述本发明，但本发明同样适用于其它CT***。

参照图1和图2，图中所示的计算断层摄影(CT)成像***10包括代表“第三代”CT扫描仪的台架(gantry)12。台架12具有向台架12的相对侧上的探测器组件15投射x射线束16的x射线源14。探测器组件15包括其中的准直器组件18、多个探测器模块20和数据采集***(DAS)32。在一个实施例中，探测器组件15包括57个探测器模块20，而每个探测器模块20的像素元件阵列大小是64×16。结果，探测器组件15具有64排和912列(16×57个探测器)，以允许台架12每旋转一次同时收集64片数据。多个探测器模块20传感被投射的穿过医疗的患者22的x射线，而DAS 32将数据转换成用于后续处理的数字信号。在传统***中每个探测器模块20产生表示进行撞击的x射线束的强度和在其穿过患者22时被衰减的束的强度的模拟电信号。在扫描以采集x射线投射数据期间，台架12和安装在其上的部件绕旋转中心24旋转。

台架12的旋转和x射线源14的操作由CT***10的控制机构26来管理。控制机构26包括：向x射线源14提供功率和定时信号的x射线控制器28和控制台架12的转速和位置的台架电动机控制器30。图像重建器34从DAS 32接收经采样和数字化的x射线数据，并执行高速重建。重建的图像输入到计算机36中，计算机36把图像存储在海量存储装置38中。

计算机36还经由具有键盘的控制台40从操作员那里接收命令和扫描参数。相关的阴极射线管显示器42允许操作员观察重建的图像和来自计算机36的其它数据。操作员提供的命令和参数由计算机36用来向DAS 32、x射线控制器28和台架电动机控制器30提供控制信号和信息。另外，计算机36操作工作台电动机控制器44，工作台电动机控制器44控制电动工作台46以定位患者22和台架12。特别是，工作台46移动患者22的部分(portion)通过台架开口48(即，孔(bore))。

如图3所示，准直器组件18包括具有在其中放置了准直刀片(blade)或板(plate)19的轨道17。以这种方式定位准直器组件18，使得在x射线束撞击到探测器模块20(图2中所示)之前由准直刀片19准直x射线16。

现参照图4，探测器模块20包括DAS 32并还包括设置在组合件(pack)51内的多个闪烁器元件50。探测器模块20包括相对闪烁器元件50定位在组合件51内的销(pin)52。组合件51定位在光电传感器53上，光电传感器53依次定位在多层衬底54上，间隔物(spacer)55定位在多层衬底54上。闪烁器元件50与光电传感器53光耦合，而光电传感器53依次与多层衬底54电耦合。挠性电路56附着在多层衬底54表面(face)57和DAS 32上。探测器模块20使用销52定位在准直器组件18内。

在图4所示的探测器模块20的实施例中，组合件51包括销52、闪烁器58和在形成闪烁器58的各个闪烁器元件50(即，像素元件)之间定位的反射材料(未示出)。定位闪烁器58接收进行撞击的x射线16并响应它而产生可见光光子(light photon)。可见光光子横穿(traverse)闪烁器58并由固态光电传感器53(即，固态光电倍增器(SSPM))接收，固态光电传感器53将可见光光子转换成模拟电信号。产生的模拟信号穿过多层衬底54被传送到DAS 32，在DAS中模拟信号转换成数字信号。

为了改进探测器模块20的光子计数性能，使其超出已有的直接转换半导体探测器，闪烁器58设计成其中产生的光子的快速衰变时间比通常在直接转换半导体中电荷的收集快。为了优化闪烁器58的性能并获得该快速衰变时间，闪烁器由“快”闪烁器材料组成。在一个实施例中，闪烁器58由陶瓷闪烁材料组成。该材料可以用，例如，(Lu_xTb_1-x-yCe_y)₃Al₅O₁₂(即，LuTAG)的形式，其中“x”的范围在0.5到1.5之间，而“y”的范围在0.01到0.15之间。例如，恰当的比率可以由下面的化学计算式Lu_0.8Tb_2.17Ce_0.03Al₅O₁₂限定，虽然本领域普通技术人员已经意识到其它组成比同样也可能。还可以使用其它闪烁材料，例如LYSO，LaBr3(溴化镧)，或其它适合的材料。

快闪烁器材料具有小于50纳秒(nanosecond)初级(primary)荧光衰变时间。衰变时间的值表示向闪烁器58投射高频电磁能量停止之后闪烁器材料的光余辉(afterglow of light)。该快衰变速度减少了探测器模块20会有的所谓的“死时间”，并增加每个闪烁器元件50每单元时间能探测的电离事件的数目。死时间的减少允许闪烁器元件50在没有经受长时间不稳定性的条件下处理较高的计数率，这有助于防止饱和，如果出现饱和，允许在1-2个视图周期(viewperiod)较快地恢复。

闪烁器58还优选地构成由单晶块形成的像素化的闪烁器58。使用本领域公知的能够能产生具有小像素尺寸和窄像素间隙的高分辨率闪烁器58的方法将闪烁器块像素化。如下面将更详细讨论的，像素化的闪烁器58设计通过将闪烁器像素50与SSPM上的像素59相匹配来在闪烁器58和SSPM 53之间提供高质量的光耦合。上述的快闪烁器材料和像素化设计相结合可以得到使探测器模块20能够实现高通量率的光子计数和能量区分的增敏(enhanced sensitivity)和光收集。

如上所述，快闪烁器58通过适应高通量率提供改进的x射线光子计数。然而，由闪烁器58产生的可见光子(optical photon)的数目相对较小。为了克服在闪烁器58中由于x射线的吸收产生的可见光子数目小(即，低信号电平)的问题，将固态光电倍增管(SSPM)53与闪烁器58相结合以提供信号的快速、成比例地放大。SSPM 53包括固态半导体材料，在一个实施例中，它是由硅光电倍增器(SiPM)形成，虽然可以想象到还可以用其它合适的材料。

SSPM 53包括多个称作像素59的宏观单元。SSPM 53上像素59的数目应该是足以覆盖探测器模块20的范围(area)并对应于像素化闪烁器58和其上的像素单元50，虽然像素59的准确数目和密度由操作者所希望的图像分辨率和其它已知的因素来确定。如图5示出像素59的部分，其包括多个雪崩光电二极管(APD)或“微单元”62，其将从闪烁器58到达的单个可见光子放大为大信号。通常，每个像素59每mm²含有100到2500个APD，而每个微单元62具有20到100微米的长度。每个微单元62作为单个盖革模式(Geiger-mode)APD操作在超过击穿电压几伏，而每个微单元62实质上和所有其它微单元是相同的。在该操作模式下，当微单元吸收一个或多个光子时，由吸收可见光子产生的电子激发限制在单个微单元62的雪崩击穿。单个离散的电荷单位(unit of charge)从微单元62发射，与其中吸收光子的数目无关。即，对每个盖革击穿，微单元62的输出信号具有相同的形状和电荷，除了由于在生产过程中引入的从单元到单元的不同引起的小的变化。

将每个微单元62连接到在像素59正面上的导电栅格64。在一个实施例中，导电栅格64是由铝组成的，虽然也可使用其它类似导电材料，优选非磁的。如图6和7所述，每个微单元62包括由金属光屏蔽/阴极67(包括其上的阴极接触69)围绕的有源区(activearea)66。虽然在图6和7中示出正面的接触，阴极接触69也可以制作在晶片的背面上或使用贯穿通孔(thru-vias)用于阳极和阴极接触来提供背面连接。有源区66包括P+阳极71和N注入73以将可见光子转换成相应的电信号。有源区66，部分地，通过N+保护结构(guard)与微单元62的其他部分分开。

在每个微单元62的有源区66和导电栅格64之间的连接由电阻器68形成，在一个实施例中该电阻器68由多晶硅组成。电阻器68通过通孔(via)70与微单元62的有源区66连接并起限制从微单元62到导电栅格64的电流转移的作用。电阻器68还用于一旦单元容量用完(discharged)就结束在微单元62中的雪崩。通过电阻器68和导电栅格64，将独立操作的ADP单元62电连接并且将所有微单元62的各个的输出总和起来以形成共同读出信号。这样从像素59输出的共同读出信号是所有启动(fired)的微单元62标准化信号的叠加。即，图5的每个像素59的输出由来自启动的微单元62的离散电荷单位的和来确定。像这样，图5的像素59的输出依赖于吸收光子的微单元62的数目而不是依赖于由每个微单元62吸收的光子数目。从每个像素59得到的输出是与被吸收光子数目成正比的模拟电荷脉冲的形式。

如上所述，在每个像素59中的微单元62阵列通过在盖革模式下操作的各个ADP元件62将到达的单个可见光子放大成大信号。像素59的结构提供了在10⁵-10⁶的范围内近乎无噪声和高增益放大，以使即使单个可见光子也很容易地被探测并分辨，这样不需要额外的前置放大器。在相对较低的偏压或约30-70伏的电源电压范围就能获得该增益。

回头参照图4，连接到SSPM 53的是数据采集***(DAS)32，即，读出电子设备，其从SSPM 53接收电信号并执行进一步的处理。因为闪烁器58和SSPM 53的结合使得电信号收集快于直接转换传感器(即，CZT/CdTe探测器)的电荷收集时间，直接转换传感器电荷收集时间受这些材料中电荷载流子的迁移率的限制，DAS 32能够以CT成像所希望的高计数率操作，而这在先前的设计中是得不到的。改进的电信号收集以及SSPM 53的低噪声环境允许DAS 32以典型的大于1×10⁷cps高计数率进行光子计数。以这些计数率操作，由于能够在不经受长时间不稳定的情况下处理高通量率，从而将涉及探测器饱和的问题的出现或可能降到最小。通过仔细设计SSPM 53的每个像素59中微单元62数目和通过控制闪烁器58的光输出，还可能允许DAS32中的计数率大于在闪烁器58中单个激发的初级衰变速度。

除了光子计数，由SSPM 53输出的电信号还允许DAS 32执行关于发射的x射线16的能量区分分析。即，使用来自SSPM 53的信号强度，DAS 32能够表征原始x射线16的能量特性并将他们分成两个或多个能量组(energy bin)。最低限度，将原始x射线16能够被表征为高或低能量的x射线并被分成高或低的能量组。该能量区分功能在x射线和电子噪声非常重要的较低的图像通量级中是重要的，该级通常可达到每平方毫米每秒1×10⁷的X射线。

因此，根据本发明的一个实施例，一种CT成像***，其包括，台架，贯穿台架形成有孔，该台架设计成接收平移通过孔的患者；X射线源，其设置在台架内并配置成向患者发射X射线；以及探测器模块，其设置在台架内以接收由患者衰减的X射线。探测器模块包括：配置来吸收X射线并将X射线转换成可见光子的闪烁器；以及配置来接收可见光子并将可见光子转换为相应的电信号的固态光电倍增器(SSPM)。

根据本发明的另一个实施例，一种能量区分CT探测器模块包括：接收X射线并将X射线转换成可见光子的闪烁器；以及有内部增益的固态光电倍增器。固态光电倍增器与从其中接收可见光子的闪烁器光耦合并配置成将可见光子转换为电信号输出。

还是根据本发明的另一个实施例，一种用于构造光子计数和能量区分的CT探测器的方法。该方法包括的步骤：形成闪烁器以接收X射线并将X射线转换成可见光子，以及将带有内部增益的固态光电倍增管(SSPM)耦合到闪烁器以接收可见光子并将可见光子转换为相应的电信号输出。

已经用优选实施例的方式描述了本发明，并应该认识到除了那些明确的陈述以外，可以有等同的，可选择的和修改的并在附加的权利要求书的范围之内。

部件列表

10    CT成像***

12    台架

14    X射线源

15    探测器组件

16    X射线束

17    轨道

18    准直器组件

19    准直刀片(blades)

20    探测器模块

22    患者

24    旋转中心

26    控制机构

28    x射线控制器

30    台架电动机控制器

32    数据采集***(DAS)

34    图像重建器

36    计算机

38    海量存储装置

40    控制台

42    阴极射线管显示器

44    工作台电动机控制器

46    电动工作台

48    台架开口

50    闪烁器元件

51    组合件

52    销

53    光电传感器

54    衬底

55    间隔物

56    挠性电路

58    闪烁器

59    像素

62    微单元

64    导电栅格

66    有源区

67    金属光屏蔽/阴极

68    电阻器

69    阴极接触

70    通孔

71    P+阳极

73    N注入

Claims (10)

1.一种CT成像***(10)，包括：

台架(12)，贯穿台架(12)形成有孔(48)，该台架(12)设计成接收平移通过孔(48)的患者(22)；

X射线源(14)，该X射线源(14)设置在台架(12)内并配置成向患者(22)发射X射线(16)；以及

探测器模块(20)，该探测器模块(20)设置在台架(12)内以接收由患者(22)衰减的X射线(16)，

该探测器模块(20)包括：

配置来吸收X射线(16)并将X射线转换成可见光子的闪烁器(58)；以及

配置来接收可见光子并将可见光子转换为相应的电信号的固态光电倍增器(SSPM)(53)。

2.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中闪烁器(58)包括具有大约小于50纳秒的衰变时间的材料。

3.根据权利要求2所述的CT成像***(10)，其中闪烁器材料是具有大约小于50纳秒的衰变时间的陶瓷材料。

4.根据权利要求3所述的CT成像***(10)，其中陶瓷材料包括LYSO、LaBr₃和(Lu_xTb_1-x-yCe_y)₃Al₅O₁₂(即，LuTAG)中的一种，其中“x”的范围是从0.5到1.5而“y”的范围是从0.01到0.15。

5.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中闪烁器(58)是具有多个闪烁元件(50)的被像素化的闪烁器。

6.根据权利要求5所述的CT成像***(10)，其中SSPM(53)还包括多个像素(59)，该像素(59)与闪烁元件(50)耦合以从闪烁元件(50)接收可见光子。

7.根据权利要求6所述的CT成像***(10)，其中多个SSPM像素(59)的每个还包括：

微单元(62)阵列，该微单元(62)阵列配置成以盖革模式操作并将可见光子转换为相应的电信号，以及

连接到微单元(62)阵列的导电栅格(64)，该导电栅格(64)配置成组合电荷并从SSPM像素(59)输出单个电信号。

8.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中探测器模块(20)还包括与SSPM(53)耦合以数字化从SSPM(53)输出的电信号的读出电子设备(32)。

9.根据权利要求8所述的CT成像***(10)，其中读出电子设备(32)配置成将由闪烁器(58)吸收的X射线(16)表征为基于由SSPM(53)输出的电信号强度的高能量或低能量。

10.根据权利要求8所述的CT成像***(10)，其中读出电子设备(32)配置成计数X射线光子。

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