CN103890571B - 具有偏移校正的用于探测光子的放射探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于探测光子的探测装置，例如在放射成像***中所使用的探测装置。一种探测单元(14)，其生成具有指示探测到的光子(13)的能量探测信号脉冲高度的探测信号脉冲，其中，探测值生成单元(16)依赖于探测信号脉冲而生成能量分辨的探测值。信号脉冲生成单元(15)生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲。探测值生成单元(16)将观察到的速率确定为由探测值生成单元(16)所观察到的具有大于预定义的阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，并且依赖于所确定的观察到的速率来确定探测信号脉冲的偏移。这允许可靠地确定可被用于校正最后生成的探测值的探测信号脉冲的偏移，例如由放射探测设备中的暗电流漂移所产生的探测信号脉冲的偏移。
Description
技术领域
本发明涉及用于探测光子的探测装置、探测方法和探测计算机程序。本发明还涉及用于对对象进行成像的成像装置、成像方法和成像计算机程序。
背景技术
X.Llopart等人在IEEE Transactions on Nuclear Science第49卷，第5期，2279到2283页(2002年10月)的文章“Medipix2：A64-k pixel readout chip with 55-μmsquare elements working in single photon counting mode”公开了依赖于所探测到光子而生成探测值的光子计数探测器。具体而言，使用直接转换材料将光子转换成信号脉冲，其中，每个信号脉冲与单个光子相对应，并且其中，相应信号脉冲的信号脉冲高度指示相应光子的能量。信号脉冲分配到数个能量箱中，其中，针对每个能量箱生成探测值，所述探测值指示指派到相应能量箱的信号脉冲的速率。
US4058728公开了一种用于信号处理电路的用于校正伽马射线照相机数据信号的方法和电路。仿真地生成复制伽马射线闪烁照相机的光电倍增管的输出部所产生的数据信号的脉冲，并且将所述脉冲以与由光电倍增管所生成的数据信号保持可区别的方式***伽马射线照相机内部处理电路。通过监视仿真地产生的仿真脉冲的数目和由伽马闪烁照相机的数据处理电路所实际计数的这样的脉冲的数目，可以确定指示处理电路中的闪烁计数的损失的因子。
信号脉冲高度可以包括由持久电流引起的偏移。该偏移可能导致能量箱当中信号脉冲的分配的损坏，并且因此，导致生成的探测值的质量的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种允许可靠地确定偏移的用于探测光子的探测装置、探测方法和探测计算机程序。本发明进一步的目的是提供一种用于对对象进行成像的包括所述探测装置成像装置、相对应的成像方法以及成像计算机程序。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于探测光子的探测装置，其中，所述探测装置包括：
-探测单元，其用于探测光子，其中，所述探测单元适于生成具有指示探测到的相应光子的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲，
-探测值生成单元，其用于依赖于探测信号脉冲而生成能量分辨的探测值，
-信号脉冲生成单元，其用于生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲，并且用于将生成的仿真信号脉冲提供给探测值生成单元，
其中，探测值生成单元适于：a)接收仿真信号脉冲，b)将观察到的速率确定为接收到的具有大于预定义的第一阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，其中，所述预定义的第一阈值大于预定义的仿真信号脉冲高度，并且c)依赖于仿真信号脉冲的所确定的观察到的速率来确定探测信号脉冲的偏移。
由于预定义的第一阈值(或者仿真信号高度阈值)大于预定义的仿真信号脉冲高度，因而如果在确定观察到的速率时不存在偏移，则观察到的速率应该非常小或者为零。随着偏移增加，观察到的速率也将增加，这是因为，由于偏移，仿真信号脉冲高度将大于初始生成的仿真信号脉冲高度，使得更多仿真信号脉冲具有大于预定义的仿真信号高度阈值。观察到的速率因此是针对由探测值生成单元所接收的仿真信号脉冲的偏移并且因此针对探测信号脉冲的偏移的可靠量度。探测信号脉冲的偏移因此可以依赖于仿真信号脉冲的经确定的观察到的速率而可靠地进行确定。
探测单元优选地包括像镉铈(CdCe)或镉锌碲(CZT)那样的直接转换材料，用于依赖于光子遇到所述直接转换材料而生成探测信号脉冲。
探测值生成单元优选地适于将仿真信号脉冲与仿真信号高度脉冲阈值进行比较用于确定观察到的速率。探测值生成单元还优选地适于将探测信号脉冲与定义能量箱的探测信号高度脉冲阈值进行比较，以便将探测信号脉冲分配到能量箱中，其中，针对每个能量箱，确定指示指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率的探测值。用于将探测信号脉冲和仿真信号脉冲与相应阈值进行比较的比较过程优选地由探测值生成单元的比较器来执行。
当在探测值生成单元中将仿真信号脉冲高度与仿真信号高度脉冲阈值进行比较时，观察到的速率优选地是具有大于仿真信号高度脉冲阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率。生成的速率是指如由信号脉冲生成单元所生成的相应速率。
优选地，探测信号脉冲高度小于预定义的最大探测信号脉冲高度，其中，仿真信号高度脉冲阈值大于最大探测信号脉冲高度。这确保仅仿真信号脉冲而非探测信号脉冲对观察到的速率有贡献，从而进一步改进确定偏移的可靠性。
还优选地，探测值生成单元包括观察到的速率与偏移之间的指派，其中，探测值生成单元适于基于指派和实际观察到的速率来确定偏移。指派可通过校准测量来确定，其中，观察到的速率被确定，而偏移和预定义的生成的仿真信号脉冲是已知的，即它们的所生成的仿真信号脉冲高度和所生成的速率。指派也可以作为观察到的速率与偏移之间的函数而提供，其可以是基于理论考虑的。
具体而言，探测值生成单元可以适于：i)提供将观察到的速率建模为以下两项的积的模型a)仿真信号脉冲的生成的速率；和b)噪声可能性，其定义仿真信号脉冲中的噪声大于仿真信号高度脉冲阈值减去生成的仿真脉冲高度并且减去偏移的可能性；并且ii)修改要被确定的偏移，使得所建模的观察到的速率与实际观察到的速率之间的偏差被降低，从而确定偏移。噪声可能性优选地由噪声可能性函数来提供。仿真信号脉冲中的噪声是作为电子噪声的仿真信号脉冲的随机波动，其是探测装置(具体而言，探测值生成单元)的特性。
可能性可以通过将像高斯可能性密度那样的相对应的可能性密度从a)仿真信号高度脉冲阈值减去生成的仿真脉冲高度并且减去偏移到b)无穷大进行积分运算来确定。这允许非常准确地确定偏移，其基于以下假设：在将仿真信号脉冲高度与仿真信号脉冲高度阈值进行比较时，仿真信号脉冲高度是如由信号脉冲生成单元所预定义并且生成的初始仿真信号脉冲高度、噪声和偏移的组合。
探测值生成单元可以适于提供对堆积效应进行建模的堆积模型，所述堆积效应由具有大于仿真信号高度脉冲阈值的组合的信号脉冲高度的组合的探测信号和仿真信号脉冲引起，并且基于堆积模型校正大于仿真信号高度脉冲阈值的仿真信号脉冲的观察到的速率。
在实施例中，探测值生成单元适于通过如下方式来生成能量分辨的探测值：将探测值脉冲与定义能量箱的探测信号高度脉冲阈值进行比较，以便将探测信号脉冲分配到能量箱中，并且基于偏移来校正探测信号脉冲的分配，从而针对每个能量箱生成指示相应能量箱的探测信号脉冲的速率的经校正的探测值。这允许通过针对偏移校正能量箱当中的分布来改进探测值的质量。
优选地，探测值生成单元适于确定指派到能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度并且基于偏移和经确定的灵敏度来校正指派到能量箱的探测信号脉冲的速率。在校正该速率时考虑指派到能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度进一步改进了探测值的质量。
还优选地，能量箱由两个探测信号脉冲阈值定义，第一探测信号脉冲阈值和第二探测信号脉冲阈值，其中，探测值生成单元适于：
-将能量箱的探测信号脉冲的速率确定为以下两项之间的差：a)第一速率，其是具有大于第一探测信号高度脉冲阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，和b)第二速率，其是具有大于第二探测信号高度脉冲阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，
-确定第三速率，其是具有大于第一灵敏度信号高度脉冲阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，所述第一灵敏度信号高度脉冲阈值小于第一探测信号脉冲高度阈值，
-确定第四速率，其是具有大于第二灵敏度信号脉冲高度阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，所述第二灵敏度信号脉冲高度阈值小于第二探测信号脉冲高度阈值，
-依赖于第一速率与第三速率之间的差和第二速率与第四速率之间的差来确定指派到能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度。
可以通过假设探测信号脉冲高度不是被偏移修改，而是定义相应能量箱的探测信号脉冲高度阈值已经相应地被移动，来考虑探测信号脉冲高度的偏移。因此，第一速率与第三速率之间的差指示指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对由偏移引起的第一探测信号脉冲高度阈值的移动的灵敏度，并且第二速率与第四速率之间的差指示指派到相应能量箱的探测脉冲信号的速率对归因于偏移的第二探测信号脉冲高度阈值的移动的灵敏度。如果第一速率与第三速率之间的差和第二速率与第四速率之间的差彼此相减，那么如果偏移存在，则减法结果指示指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率的改变。该减法结果因此可以被认为是指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度。
在实施例中，探测值生成单元可以适于基于以下两项的平均值来确定指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度：a)指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对相应能量箱的宽度的比率以及b)指派到邻近的能量箱的探测信号脉冲的速率对所述邻近的能量箱的宽度的比率。这允许仅基于探测信号脉冲高度与定义能量箱的探测信号脉冲高度阈值的比较来确定灵敏度，而不必要要求与像上文所提到的灵敏度信号高度阈值那样的进一步阈值的比较。具体而言，针对相应能量箱，可以确定第一平均值，其是以下两项的平均值：a)指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对相应能量箱的宽度的比率以及b)指派到紧接的前一个能量箱的探测信号脉冲的速率对紧接的前一个能量箱的宽度的比率，并且可以确定第二平均值，其是以下两项的平均值：a)指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对相应能量箱的宽度的比率，以及b)指派到紧接的后一个能量箱的探测信号脉冲的速率对紧接的后一个能量箱的宽度的比率。针对相应能量箱的灵敏度可以通过第一平均值和第二平均值彼此相减来确定。
探测值生成单元可以适于基于偏移和指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度的积来校正指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率。这允许以相对简单的方式来校正探测值。具体而言，针对能量箱，偏移和灵敏度的积可以添加到指派到能量箱的探测脉冲信号的速率，以便校正相应探测值。
探测值生成单元也可以适于通过以下方式来生成能量分辨的探测值：a)基于偏移来校正探测信号脉冲，b)将探测信号脉冲与定义能量箱的探测信号脉冲高度阈值进行比较，以便将探测信号脉冲分配到能量箱中，并且c)针对每个能量箱生成指示相应能量箱的探测信号脉冲的速率的探测值。这提供以相对简单的方式来依赖于偏移来校正探测值的进一步的可能性。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于对对象进行成像的成像装置，其中，所述成像装置包括：
-光子源，其用于生成用于穿过对象具有不同能量的光子，
-探测装置，其用于探测已穿过所述对象之后的光子并且用于生成如权利要求1所定义的能量分辨的探测值。光子源优选地是多色X射线源，并且探测装置优选地适于探测已穿过所述对象之后的X射线光子。成像装置优选地是计算机断层摄影***或X射线C型臂***，其允许沿安排在例如假想圆柱或假想球体上的轨迹来围绕对象旋转所述光子源和所述探测装置。轨迹例如是圆形或螺旋形轨迹。
成像装置可以包括用于控制光子源和探测装置的控制单元，其中，光子源和探测装置被控制为使得在探测单元不探测光子时，仿真信号脉冲被生成并且由探测值生成单元接收。这允许在探测装置不被光子源生成的光子所照射时，确定偏移。这大体降低了通过光子对偏移的确定中的可能扰动并且因此还可以改进偏移的确定的可靠性。
成像装置优选地包括重建单元，所述重建单元用于基于能量分辨的探测值和偏移来重建对象的图像。具体而言，重建单元可以适于基于未校正的能量分辨的探测值和偏移来重建对象的图像。偏移可以被认为是能量箱的探测信号脉冲高度阈值的移位。这些移位的阈值可以通过例如将探测值分解成不同组分的材料分解技术来考虑，所述不同组分可以指示像骨骼和软组织那样的不同材料和/或像光电效应、康普顿效应和K边效应那样的不同物理效应。例如，E.Roessl和R.Proksa在Physics in Medicine and Biology，第52卷，第4679到4696页(2007年)的文章“K-Edge imaging in x-raycomputed tomography usingmulti-bin photon counting detectors”中公开了一种相应的分解技术，通过引用将其并入本文。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于探测光子的探测方法，其中，所述探测方法包括：
-通过探测单元探测光子，其中，生成具有指示相应的探测到光子的能量和探测信号脉冲高度的探测信号脉冲，
-通过探测值生成单元依赖于探测信号脉冲来生成能量分辨的探测值，
-通过信号脉冲生成单元生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲，并且将生成的仿真信号脉冲提供给探测值生成单元，
其中，探测值生成单元：a)接收仿真信号脉冲；b)将观察到的速率确定为所接收到的具有大于预定义的第一阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，其中，预定义的第一阈值大于预定义的仿真信号脉冲高度，并且c)依赖于仿真信号脉冲的所确定的观察到的速率来确定探测信号脉冲的偏移。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于对对象进行成像的成像方法，其中，所述成像方法包括：
-通过光子源生成具有不同能量的光子以穿过所述对象，
-根据权利要求12探测用于生成能量分辨的探测值的光子并且确定偏移。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于探测能量分辨的探测数据的探测计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码模块，当探测计算机程序运行于控制如权利要求1所述的探测装置的计算机上时，所述程序代码模块用于令所述探测装置运行如权利要求12所定义的探测方法的步骤。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于对对象进行成像的成像计算机程序，其中，所述成像计算机程序包括程序代码模块，当所述成像计算机程序运行于控制如权利要求9所述的成像装置的计算机上时，所述程序代码模块用于令所述成像装置实行如权利要求13所定义的成像方法的步骤。
应当理解，如权利要求1所述的探测装置、如权利要求9所述的成像装置、如权利要求11所述的探测方法、如权利要求13所述的成像方法、如权利要求14所述的探测计算机程序和如权利要求15所述的成像计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，具体而言，如从属权利要求中所定义。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。
本发明的这些和其他方面从下文所描述的实施例将变得显而易见并将参考下文所描述的实施例对其进行阐释。
附图说明
在附图中：
图1示意性和示范性地示出了用于对对象进行成像的成像装置的实施例；
图2示意性和示范性地示出了用于探测光子的探测装置的实施例；
图3示意性和示范性地示出了光子的光谱；并且
图4示出了示范性图示用于对对象进行成像的成像方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意性和示范性地示出了用于对对象进行成像的成像装置，该成像装置是计算机断层摄影装置12。计算机断层摄影装置12包括能够关于旋转轴R旋转的机架1，所述旋转轴R平行于z方向延伸。光子源2，其在该实施例中是安装在机架1上的多色X射线管。光子源2被提供有准直器3，准直器3在该实施例中从由光子源2生成的光子形成圆锥形辐射束4。光子穿过检查区域5中的对象(例如患者)，所述检查区域在该实施例中是圆柱形的。在穿过检查区域5之后，辐射束4入射在包括二维探测表面的探测装置6上。探测装置6被安装在机架1上。
计算机断层摄影装置12包括两个马达7、8。机架1由马达7以优选地恒定但可调节的角速度来驱动。马达8被提供来移置对象，所述对象例如平行于旋转轴R或z轴的方向布置在检查区域5中的患者检查台上的患者。这些马达7、8由控制单元9来控制，例如，使得光子源2和检查区域5沿螺旋轨迹相对于彼此移动。然而，不移动对象但是仅旋转光子源2(即光子源2沿相对于对象或检查区域5的圆形轨迹移动)也是可能的。此外，在另一实施例中，准直器3可以被适配为形成另一波束形状，特别是扇形波束，并且探测装置6可以包括探测表面，其被对应于其他波束形状(特别是扇形波束)而塑造。
在光子源2和检查区域5的相对移动期间，探测装置6依赖于探测装置6的探测表面上的辐射入射而生成探测值。探测值被提供到重建单元10以基于探测值重建对象的图像。由重建单元10重建的图像被提供到显示单元11以显示经重建的图像。
控制9优选地还适于控制光子源2、探测装置6和重建单元10。
图2示意性和示范性地示出了探测装置6的探测单元14、信号脉冲生成单元15和探测值生成单元16。探测单元14适于探测光子13并且生成具有指示相应的所探测到的光子13的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲。信号脉冲生成单元15适于生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲，并且将生成的仿真信号脉冲提供给探测值生成单元16。探测值生成单元16适于：a)接收仿真信号脉冲，b)确定观察到的速率，其是所接收到的具有大于预定义的仿真信号高度阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，其中，仿真信号高度阈值接近或大于预定义的仿真信号脉冲高度，并且c)依赖于仿真信号脉冲的所确定的观察到的速率来确定探测信号脉冲的偏移。
探测单元14包括像CdCe或CZT那样的直接转换材料用于依赖于光子13遇到所述直接转换材料而生成探测信号脉冲。例如，T.Takahashi和S.Watanabe在IEEE Transactionson Nuclear Science，第48卷，第4期的第950到959页(2001年8月)的文章“Recentprogress in CdTe and CdZnTe detectors”公开了这样的包括直接转换材料的探测单元，通过引用将其并入本文。
信号脉冲发生器15可以是像来自安捷伦科技(Agilent Technologies)公司的商业上可用的信号脉冲发生器81130A那样的已知的信号脉冲发生器。
探测值生成单元16适于将仿真信号脉冲与仿真信号高度阈值进行比较以确定观察到的速率。探测值生成单元16还适于将探测信号脉冲与定义能量箱的探测信号高度阈值进行比较以便将探测信号脉冲分配到能量箱中，其中，针对每个能量箱确定指示指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率的探测值。用于将探测信号脉冲和仿真信号脉冲与相应阈值进行比较的比较过程通过探测值生成单元16的比较器来执行。在探测值生成单元16中通过使用比较器来将仿真信号脉冲高度与仿真信号高度阈值进行比较时，观察到的速率是具有大于仿真信号高度阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率。生成的速率是指由信号脉冲生成单元15所生成的仿真信号脉冲的预定义的速率。
探测信号脉冲高度小于预定义的最大探测信号脉冲高度，并且仿真信号高度阈值大于最大探测信号脉冲高度。
探测值生成单元16包括观察到的速率与偏移之间的指派，其中，探测值生成单元6适于基于指派和实际观察到的速率来确定偏移。
指派可以通过校准测量来确定，其中，观察到的速率被确定，而偏移是已知的并且预定义的生成的仿真信号脉冲也是已知的，即它们的生成的仿真信号脉冲高度和生成的速率是已知的。还可以基于观察到的速率与偏移之间的函数来提供指派，这可以是基于理论考虑。具体而言，探测值生成单元6可以适于提供一种模型，所述模型将所观察到的速率Ro建模为以下两项的积：a)仿真信号脉冲的生成的速率RG；和b)噪声可能性P，其定义仿真信号脉冲中的噪声大于仿真信号高度阈值VT减去生成的仿真脉冲高度VP并减去偏移VB的可能性。观察到的速率RO的该建模可以通过下面的方程来描述：
VN＝VT-VP-VB 以及 (1)
RO＝RGP (2)
可能性P可以通过对像高斯可能性密度那样的相应的可能性密度从仿真信号高度阈值VT减去生成的仿真脉冲高度VP并减去偏移VB到无穷大进行积分运算来确定。所得高斯概率可以通过下面的方程示例性地进行描述：
在方程(3)中，已假设具有高斯形状的零均值电子噪声，其中，σN表示噪声方差。探测装置的噪声方差，具体而言，探测值生成单元的噪声方差可以用已知的方式提前测量。
探测值生成单元6可以适于修改偏移VB以使得所建模的观察到的速率与已实际测量的实际观察到的速率之间的偏差被降低，从而确定偏移。
探测值生成单元可以适于通过对由具有大于组合的仿真信号高度阈值的组合的探测信号和脉冲高度引起的堆积效应进行建模来提供堆积模型，并且基于堆积模型来校正具有大于仿真信号高度阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的观察到的速率。
如果假设光子将以输入计数速率RICR以泊松分布到达探测单元，那么基于进入的光子生成的、仿真信号脉冲与探测信号脉冲的的堆积的可能性PP可以由下面的方程来定义：
其中，τ表示仿真信号脉冲的观察到的速率的确定对堆积敏感的时间段。该时间段可以通过校准测量来提前确定。包括由堆积R～O起源的速率的仿真信号脉冲的观察到的速率包含堆积无关速率RO和堆积相关的速率PP(RG-RO)。堆积无关速率可以通过以下方程来估计：
因此，探测值生成单元可以适于根据方程(5)来校正具有大于仿真信号高度阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的观察到的速率。
探测值生成单元16还适于通过以下方式来生成能量分辨的探测值：a)将探测信号脉冲与定义能量箱的探测信号高度阈值进行比较，以便将探测信号脉冲分配到能量箱中，b)基于偏移来校正探测信号脉冲的分配，并且c)针对每个能量箱生成指示相应能量箱的探测信号脉冲的速率的探测值。具体而言，探测值生成单元16适于确定指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度并且基于偏移和所确定的灵敏度来校正指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率。可以基于偏移VB和指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度Si的积来校正指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率，其通过指标i来表示。这类校正可以通过下面的方程示范性地进行描述：
其中，Ci表示在校正之前指派到第i个能量箱的探测信号脉冲的速率，表示在校正之后指派到第i个能量箱的探测信号脉冲的速率，并且Si表示指派到第i个能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移VB的灵敏度。
灵敏度Si可以通过下面的方程来定义：
Si＝D(Ti+1)-D(Ti) 其中 (7)
其中，Ti和Ti+1表示第i个能量箱的第一探测信号脉冲高度阈值和第二探测信号脉冲高度阈值，NT是探测信号脉冲高度阈值的数目，并且i＝0,1,2……NT-1。值D(Ti)可以被认为是针对某个分离的Ti给定的脉冲速率密度。
因此，可以基于以下各项的平均值来确定指派到相应的能量箱的探测信号脉冲的速率对偏移的灵敏度：a)指派到相应的能量箱的探测信号脉冲的速率对相应的能量箱的宽度的比率，以及b)指派到邻近的能量箱的探测信号脉冲的速率对所述邻近的能量箱的宽度的比率。
在另一实施例中，脉冲速率密度D(Ti)也可以通过下面的方程来定义：
在方程(9)中，具有大于探测信号脉冲高度阈值Ti的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率通过Ri来表示，并且具有大于灵敏度信号脉冲高度阈值TΔi的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率通过RΔi来表示，所述灵敏度信号脉冲高度阈值TΔi小于相应探测信号脉冲高度阈值Ti。考虑相对应的两个信号脉冲高度探测阈值(即第一探测信号脉冲阈值和第二探测信号脉冲阈值)处的脉冲速率密度的相应能量箱的灵敏度随后可以以如下的方式确定。
相应的能量箱的探测信号脉冲的速率可以被确定为以下两项之间的差：a)第一速率，其是具有大于第一探测信号高度脉冲阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率和b)第二速率，其是具有大于第二探测信号高度脉冲阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率。确定第三速率，其是具有大于第一灵敏度信号高度脉冲阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，所述第一灵敏度信号高度脉冲阈值小于第一探测信号脉冲高度阈值。确定第四速率，其是具有大于第二灵敏度信号脉冲高度阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，所述第二灵敏度信号脉冲高度阈值小于第二探测信号脉冲高度阈值。随后通过将第一速率和第三速率彼此相减并且通过用第一探测信号高度脉冲阈值与第一灵敏度信号高度脉冲阈值之间的差除以相减结果来确定用于相应能量箱的第一脉冲速率密度。可以通过将第二速率和第四速率彼此相减并且用第二探测信号脉冲阈值与第二灵敏度信号脉冲高度阈值之间的差除以相减结果来确定第二脉冲速率密度。相应能量箱对偏移的灵敏度随后可以定义为已针对该能量箱确定的第一脉冲速率密度与第二脉冲速率密度之间的差。
指派到相应能量箱的探测信号脉冲的速率的以上所描述的校正是基于以下见解的：探测信号脉冲高度中的偏移可以被认为相应能量箱的第一探测信号脉冲高度阈值和第二探测信号脉冲高度阈值的移位。下面将参考图3图示由该见解产生的校正。
图3示出了关于探测信号脉冲高度V的探测信号脉冲的分布n。针对相应能量箱的探测信号脉冲高度阈值通过T1和T2来表示。具有探测信号脉冲高度阈值T1与T2之间的探测信号脉冲高度的所有探测信号脉冲应该被指派到相应的能量箱。然而，由于偏移，因而阈值T1和T2被移位到阈值TB1和TB2。初始已被指派到相应的能量箱的未校正的速率因此与具有经移位的阈值TB1和TB2之间的探测信号高的探测信号脉冲相对应。为了校正从初始经指派的速率指派到相应能量箱的探测脉冲信号的速率，必须减去阈值TB1与T1之间的速率并且必须将阈值TB2和T2之间的速率添加到初始经指派的速率。该校正通过方程(6)和(7)来反映。
在另一实施例中，探测值生成单元还可以适于通过以下方式生成能量分辨的探测值：a)基于偏移校正探测信号脉冲，b)将探测信号脉冲与定义能量箱的探测信号脉冲高度阈值进行比较以便将探测信号脉冲分配到能量箱中，并且c)针对每个能量箱生成指示相应的能量箱的探测信号脉冲的速率的探测值。具体而言，在将探测信号脉冲分配到能量箱中之前，可以从探测信号脉冲高度减去偏移。
控制单元9可以被适配为使得用如下的方式来控制光子源2和探测装置6：仅在探测单元14不探测光子时，仿真信号脉冲被生成并且由探测值生成单元16接收。具体而言，光子源2可以是具有网格开关电极的X射线管，其中，网格开关可以被用于将光子通量与X射线管阻塞用于偏置测量，即用于确定偏移。这些偏置测量可以被***成像序列以监视偏置漂移，即偏移。例如，紧接探测已穿过对象的光子的两个辐射周期之前、之后或者之间，可以执行偏置测量。在另一实施例中，取代具有网格开关电极的X射线管，另一机构可以被用于暂时关闭光子源。例如，光子源可以是可接通或关闭的标准X射线管。或者，可以在光子源前面使用遮光器，其允许暂时阻挡光子通量以执行偏置测量。如果可以停止光子通量，为了执行偏置测量，那么不需要附加的阈值单元以执行偏置测量，而是被用来定义在其中分配探测信号脉冲能量箱的常规阈值/计数器对可以被重新编程为执行偏置测量。可以使用多个对来延伸偏置测量的范围和/或增加准确性。
在另一实施例中，探测值生成单元仅将探测信号脉冲分配到能量箱中，而不关于偏移校正该分布。作为替代，重建单元10适于在基于未校正的能量分辨的探测值重建对象的图像时考虑经移位的探测信号脉冲高度阈值，所述经移位的探测信号脉冲高度阈值可以被认为移位所确定的偏移。例如，重建单元10可以适于将探测值分解成与对象的不同组分相对应的不同组分探测值。这些不同组分例如与像康普顿效应、光电效应和K边效应那样的不同物理效应相关，和/或不同组分可以与像人类的骨骼、软组织等等那样的不同材料相关。例如，重建单元可以使用E.Roessl和R.Proksa在Physics in Medicine and Biology，第52卷，第4679到4696页(2007年)的文章“K-Edge imaging in x-ray computedtomography using multi-bin photon counting detectors”中公开的分解技术，在引通过引用将其并入本文。
在实施例中，根据基于描述测量过程的物理模型的反演的以下的方程来执行分解：
其中，Ci表示第i个能量箱中的探测信号脉冲的未校正的速率，Bi(E)表示第i个能量箱的光谱灵敏度，F(E)表示光子源的光谱，j是针对Mj个不同组分的指标，Aj表示吸收值通过第j个分量的线积分，并且Pj(E)表示第j个组分的光谱吸收。阈值TEi和TEi+1定义第i个能量箱并且根据经确定的偏移进行移位，即探测信号脉冲高度的经确定的偏移与定义能量箱的能量阈值的移位相对应。如果该经确定的能量移位是ΔE，并且如果在不考虑移位的情况下，阈值分别是TWi和TWi+1，那么经移位的阈值可以通过TEi＝TWi-ΔE和TEi+1＝TWi+1-ΔE来定义。由于模型可以单独应用到每个测量，因而可以针对每个测量使用个体偏置。
如果能量箱的数目至少等于组分的数目，那么可以利用已知的数值方法来求解方程组，其中，量Bi(E)、F(E)、和Pj(E)是已知的并且求解方程组的结果是线积分Aj。辐射的光谱F(E)和光谱灵敏度Bi(E)是成像***的特性并且从例如相对应的测量结果而是已知的。组分的光谱吸收Pj(E)例如骨骼和软组织的光谱吸收也是从测量结果和/或从文献已知的。
在该实施例中，经分解的探测值是经分解的投影数据，即线积分Aj，所述线积分Aj每个可以被用于重建对象的计算机断层摄影图像，使得例如针对每个组分可以重建对象的组分图像。例如，可以重建康普顿组分图像、光电组分图像和/或K边组分图像。对于基于投影数据重建图像，可以使用像滤过后向投影、Radon反演等的已知的重建技术。
下面将参考图4示出的流程图示范性地描述用于对对象进行成像的成像方法的实施例。
在步骤101中，光子源2生成具有不同能量的光子，同时光子源2和对象相对于彼此进行移动以允许光子以不同方向穿过对象。具体而言，光子源2沿围绕对象的圆形或螺旋形轨迹移动，同时探测单元14探测已穿过对象的光子。
在步骤102中，探测单元14生成具有指示相应的所探测到光子的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲。例如，直接转换材料可以被用于将相应的光子转换成具有指示相应的所探测到光子的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲。在探测信号脉冲的生成之前、期间或者之后，在步骤103中，信号脉冲生成单元15生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲，其中，生成的仿真信号脉冲被提供给探测值生成单元16。此外，探测信号脉冲被提供给探测值生成单元16。
在步骤104中，探测值生成单元16依赖于经接收的探测信号脉冲而生成能量分辨的探测值。具体而言，将探测信号脉冲的探测信号脉冲高度与定义能量箱的探测信号高度脉冲阈值进行比较以便将探测信号脉冲分配到能量箱中。由于探测信号脉冲可能被持久电流引起的偏移所损坏，因而在将探测信号脉冲高度与探测信号脉冲高度阈值进行比较时，能量箱中探测信号脉冲的分配的质量以及因此生成的能量分辨的探测值的质量可能降低。
在步骤105中，探测值生成单元16确定观察到的速率，其是所接收的具有大于预定义的仿真信号高度阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，其中，仿真信号高度阈值接近或大于预定义的仿真信号脉冲高度。此外，在该实施例中，预定义的仿真信号脉冲高度大于由光子源根据光子源的实际操作设置生成的光子的最大可能能量所定义的最大预期探测信号脉冲高度。探测值生成单元随后依赖于仿真信号脉冲的经确定的观察到的速率来确定探测信号脉冲高度的偏移。
在步骤106中，通过使用所确定的偏移来校正能量箱中探测信号脉冲的分配以生成经校正的能量分辨的探测值。在步骤107中，重建单元10通过使用例如像滤过后向投影算法那样的计算机断层摄影重建算法来基于经校正的能量分辨的探测值来重建对象的图像，其中，在步骤108中，图像被示出在显示单元11上。
步骤102到106可以被认为是用于探测光子的探测方法的步骤。
尽管在上文参考图4所描述的成像方法的实施例中，成像方法包括步骤的特定序列，但是在其他实施例中，步骤的序列可以是不同的。具体而言，在其他实施例中，序列可以包括其他步骤。例如，可以执行仿真信号脉冲的生成和基于仿真信号脉冲的偏移的确定，而探测单元不探测光子。此外，在实施例中，探测值不基于偏移进行校正，但是重建单元基于生成的探测值通过利用经移位的探测信号脉冲高度阈值执行重建来考虑偏移，其中，移位由偏移引起。
光子计数探测器可具有欧姆接触并且遭受变化的持久电流。像CdCe或CZT那样的直接转换材料中的数个物理效应可以引起该非常低速率电流的变化。在探测装置的电子设备中，该电流具有偏置或直流(DC)偏移的效应并且可以建模范为偏置或直流偏移。DC偏移实际上可以被认为用于能量箱的阈值的移位并且可能引起所获得信息的严重失真。成像装置，具体而言探测装置因此优选地适于测量持久电流相关的偏置分量(即偏移)以测量灵敏度(即对偏置分量的潜在影响)并且执行对所获得数据的校正，即能量箱中探测信号脉冲的分配的校正。
探测装置优选地具有添加电子脉冲的器件，即用于生成仿真信号脉冲的信号脉冲生成单元，具有对前端电子设备的输入即探测值生成单元的输入的定义明确的充电和重复速率。这些电子脉冲的有效能量优选地高于由相应成像过程中的光子源所提供的最大光子能量。可以使用阈值/计数器对来对这些电子脉冲进行计数。阈值优选地被选择为使得它仅高于有效能量，即电子脉冲的预定义的生成的仿真信号脉冲高度。在没有信号中的偏置的情况下，计数器将不对信号脉冲进行计数或者极少对信号脉冲进行计数，即只有脉冲上面的噪声足够高以达到相应阈值才进行计数。随着偏置增加，越来越多的脉冲将达到阈值并且生成计数。经记录的计数的数目因此可以被认为是偏置的指示器，即偏移的指示器。给定该阈值/计数器对中的经记录的计数，可以基于校准或理论考虑来估计偏置。由堆积对由探测单元的直接转换材料生成的探测信号脉冲的可能影响可以基于堆积模型而被忽
略、校正或者在测量期间可以停止光子通量以便避免堆积效应。
知悉偏置可以直接通向校正步骤，但是测量能量箱对偏置的灵敏度也可以是有利的。再参考图3，其示出了示例性光谱和以阈值T1和T2为边界的一个能量箱，偏置(即偏移)实际上可以将这些阈值移位到TB1和TB2。该移位可能引起可能错误地对区间[TB1,T1]中的光子进行计数而不对区间[TB2,T2]中的光子进行计数。如果例如T1和T2附近的脉冲速率和偏置是已知的，那么可以估计这些附加的计数和损耗。可以利用阈值分别靠近T1和T2的阈值/计数器对从附加的测量结果导出靠近阈值的脉冲速率密度的良好估计。具体而言，可以根据方程(9)来估计阈值Ti处的脉冲速率密度。
在实施例中，探测装置是基于上文所提到的X.Llopart等人的文章中所描述的光子计数探测器的，其中，用于生成仿真信号脉冲的附加的信号脉冲发生器将仿真信号脉冲输入到探测器的电子设备的输入端，所述电子设备将信号与阈值进行比较并且对信号进行计数用于生成探测值并且其因此可以被认为是探测值生成单元的至少一部分。探测值生成单元还可以包括像微控制器那样的计算单元，其用于控制探测装置和/或用于执行计算，具体而言根据上文所描述的方程。
本领域的技术人员通过研究附图、公开内容和权利要求，在实践要求专利保护的本发明时，可以理解和实现所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且定语“一”、“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以实现权利要求中所记载的多个条目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地组合这些措施。
由一个或数个单元或设备执行的诸如比较操作、偏移的确定、探测值的校正(即能量箱中探测信号脉冲的分配)的操作、重建操作等等可以通过任何其他数目的单元或设备来执行。这些操作和/或根据成像方法的成像装置的控制和/或根据探测方法的探测装置的控制可以实现为计算机程序的程序代码器件和/或实现为专用硬件。
计算机程序可以存储/发布在适合的介质上，例如光学存储介质或固态介质，其与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分来供应，但是也可以以其他形式发布，例如经由因特网或其他有线或无线电信***。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
本发明涉及用于探测光子的探测装置。探测单元生成具有指示所探测到光子的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲，其中，探测值生成单元依赖于探测信号脉冲而生成能量分辨的探测值。信号脉冲生成单元生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲。探测值生成单元确定观察到的速率并且依赖于所确定的观察到的速率来确定探测信号脉冲的偏移，所述观察到的速率是具有大于由探测值生成单元所观察到的预定义的阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率。这允许可靠地确定可被用于校正最后生成的探测值的探测信号脉冲的偏移。
Claims (15)
1.一种用于探测光子的探测装置，所述探测装置(6)包括：
-探测单元(14)，其用于探测光子(13)，其中，所述探测单元(14)适于生成具有指示探测到的相应光子(13)的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲，
-探测值生成单元(16)，其用于依赖于所述探测信号脉冲来生成能量分辨的探测值，
-信号脉冲生成单元(15)，其用于生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲，并且用于将所生成的仿真信号脉冲提供给所述探测值生成单元(16)，
其特征在于，所述探测值生成单元(16)适于：a)接收所述仿真信号脉冲，b)将观察到的速率确定为所接收到的具有大于预定义的第一阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，其中，所述预定义的第一阈值大于所述预定义的仿真信号脉冲高度，并且c)依赖于所述仿真信号脉冲的所确定的观察到的速率来确定所述探测信号脉冲的所指示的能量的偏移。
2.根据权利要求1所述的探测装置，其中，所述探测信号脉冲高度小于预定义的最大探测信号脉冲高度，并且其中，所述预定义的第一阈值大于所述最大探测信号脉冲高度。
3.根据权利要求1所述的探测装置，其中，所述探测值生成单元(16)包括对观察到的速率与所述偏移之间的指派，其中，所述探测值生成单元适于基于所述指派和实际观察到的速率来确定所述偏移。
4.根据权利要求1所述的探测装置，其中，所述探测值生成单元(16)适于：
-提供将所述观察到的速率建模为以下两项的积的模型：a)仿真信号脉冲的所述生成的速率；和b)噪声可能性，所述噪声可能性定义所述仿真信号脉冲中的噪声大于所述预定义的第一阈值减去生成的仿真脉冲高度并且减去所述偏移的可能性；
-修改要被确定的所述偏移，使得所建模的观察到的速率与实际观察到的速率之间的偏差被降低，从而确定所述偏移。
5.根据权利要求1所述的探测装置，其中，所述探测值生成单元(16)适于通过以下方式来生成所述能量分辨的探测值：将所述探测信号脉冲与定义能量箱的探测信号高度脉冲阈值进行比较，以便将所述探测信号脉冲分配到所述能量箱中，并且基于所述偏移来校正探测信号脉冲的所述分配，从而针对每个能量箱生成指示相应的能量箱的探测信号脉冲的速率的经校正的探测值。
6.根据权利要求5所述的探测装置，其中，所述探测值生成单元(16)适于确定指派到所述能量箱的第一能量箱的探测信号脉冲的速率对所述偏移的灵敏度，并且基于所述偏移和所确定的灵敏度来校正指派到所述第一能量箱的探测信号脉冲的所述速率。
7.根据权利要求6所述的探测装置，其中，所述第一能量箱是由两个探测信号脉冲阈值，第一探测信号阈值和第二探测信号阈值，来定义的，其中，所述探测值生成单元(16)适于：
-将能量箱的探测信号脉冲的所述速率确定为a)第一速率与b)第二速率之间的差，所述第一速率是具有大于所述第一探测信号阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，所述第二速率是具有大于所述第二探测信号阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，
-确定第三速率，所述第三速率是具有大于第一灵敏度信号阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，所述第一灵敏度信号阈值小于所述第一探测信号阈值，
-确定第四速率，所述第四速率是具有大于第二灵敏度信号阈值的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲的速率，所述第二灵敏度信号阈值小于所述第二探测信号阈值，
-依赖于所述第一速率与所述第三速率之间的差和所述第二速率与所述第四速率之间的差来确定指派到所述第一能量箱的探测信号脉冲的所述速率对所述偏移的所述灵敏度。
8.根据权利要求6所述的探测装置，其中，所述探测值生成单元(16)适于基于以下两项的平均来确定指派到所述能量箱中相应的能量箱的探测信号脉冲的速率对所述偏移的所述灵敏度：a)指派到所述相应的能量箱的探测信号脉冲的所述速率对所述相应的能量箱的宽度的比率，和b)指派到邻近的能量箱的探测信号脉冲的速率对所述邻近的能量箱的宽度的比率。
9.一种用于对对象进行成像的成像装置，所述成像装置(12)包括：
-光子源(2)，其用于生成具有不同能量的光子以穿过所述对象，
-探测装置(6)，其用于探测已穿过所述对象之后的光子，并且用于根据权利要求1生成能量分辨的探测值。
10.根据权利要求9所述的成像装置，其中，所述成像装置(12)还包括用于控制所述光子源(2)和所述探测装置(6)的控制单元(9)，其中，所述光子源(2)和所述探测装置(6)被控制为使得在所述探测单元不探测光子时，所述仿真信号脉冲被生成并且由所述探测值生成单元来接收。
11.根据权利要求9所述的成像装置，其中，所述成像装置(12)还包括用于基于所述能量分辨的探测值和所述偏移来重建所述对象的图像的重建单元(10)。
12.一种用于探测光子的探测方法，所述探测方法包括：
-通过探测单元探测光子，其中，生成具有指示探测到的相应光子的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲，
-由探测值生成单元依赖于所述探测信号脉冲来生成能量分辨的探测值，
-由信号脉冲生成单元生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲，并且将所生成的仿真信号脉冲提供给所述探测值生成单元，
其特征在于，所述探测值生成单元：a)接收所述仿真信号脉冲；b)将观察到的速率确定为所接收到的具有大于预定义的第一阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，其中，所述预定义的第一阈值大于所述预定义的仿真信号脉冲高度，并且c)依赖于所述仿真信号脉冲的所确定的观察到的速率来确定所述探测信号脉冲的所指示的能量的偏移。
13.一种用于对对象成像的成像方法，所述成像方法包括：
-由光子源生成具有不同能量的光子以穿过所述对象，
-探测光子以根据权利要求12生成能量分辨的探测值并确定偏移。
14.一种用于探测光子的设备，包括：
-用于通过探测单元探测光子的模块，其中，生成具有指示探测到的相应光子的能量的探测信号脉冲高度的探测信号脉冲，
-用于由探测值生成单元依赖于所述探测信号脉冲来生成能量分辨的探测值的模块，
-用于由信号脉冲生成单元生成具有预定义的仿真信号脉冲高度和预定义的生成的速率的仿真信号脉冲，并且将所生成的仿真信号脉冲提供给所述探测值生成单元的模块，
其特征在于，所述探测值生成单元：a)接收所述仿真信号脉冲；b)将观察到的速率确定为所接收到的具有大于预定义的第一阈值的仿真信号脉冲高度的仿真信号脉冲的速率，其中，所述预定义的第一阈值大于所述预定义的仿真信号脉冲高度，并且c)依赖于所述仿真信号脉冲的所确定的观察到的速率来确定所述探测信号脉冲的所指示的能量的偏移。
15.一种用于对对象成像的设备，包括：
-用于由光子源生成具有不同能量的光子以穿过所述对象的模块，
-用于探测光子以根据权利要求12生成能量分辨的探测值并确定偏移的模块。
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