CN104220900A - 高通量光子计数探测器电子器件 - Google Patents

Abstract

一种成像***(100)，其包括：辐射源(108)，其发射贯穿检查区域的辐射；麻痹性光子计数探测器像素(110)，其探测贯穿所述检查区域并且以输入光子速率到达的光子，并且生成指示所述光子的辐射；高通量电子器件(122)，其基于所述信号产生每个积分周期的过阈值总时间；重建参数识别器(124)，其基于所述阈值上总时间估计所述输入光子速率，并且基于所述估计结果识别重建参数；以及重建器(130)，其基于所识别的重建参数重建所述信号。

Description

高通量光子计数探测器电子器件

技术领域

以下总体涉及成像，并且更具体地涉及具有高通量光子计数探测器电子器件的成像***，并与计算机断层摄影(CT)结合进行描述。

背景技术

CT扫描器包括旋转框架和固定框架，所述固定框架可旋转地支撑旋转框架。X射线管由旋转框架支撑。旋转框架以及因此X射线管围绕检查区域旋转，并且X射线管发射贯穿检查区域以及被布置在其中的对象和/或物体的多色辐射。辐射敏感探测器跨越检查区域，位于X射线管的对面，并且探测贯穿检查区域以及对象和/或物体的辐射。辐射敏感探测器生成指示所探测的辐射的信号。重建器重建信号并且生成指示对象和/或物体的体积图像数据。图像处理器能够用于处理体积图像数据，并且生成指示对象和/或物体的一幅或多幅图像。

辐射敏感探测器可以包括常规的积分(闪烁体/光传感器)探测器或直接转换光子计数探测器。利用直接转换光子计数探测器，每个探测器像素产生针对其探测的每个光子的电信号。放大器放大所述信号，并且信号整形器适当地整形所放大的信号，形成具有指示光子的能量的高度或峰的电脉冲。鉴别器例如利用比较器将脉冲的幅度与能量阈值进行比较，所述能量阈值是根据感兴趣X射线管的平均发射水平设定的。计数器针对每个阈值对幅度超过阈值的次数进行计数，并且储存器储存计数。使用谱重建算法和/或常规重建算法能够重建得到的经储存的光子。

麻痹性(paralyzable)直接转换光子计数探测器具有非零的死时间，所述死时间为花费用于分辨个体光子探测的时间。如果输入光子速率太高，则在探测光子的死时间期间能够探测到两个或更多个光子。在该实例中，个体脉冲将在时间上交叠，并且因此可能是不可分辨的并且可能被计数为单个事件。该现象已被称为脉冲堆积。麻痹性直接转换光子计数探测器一直是在麻痹性模式中操作的，其中，如果另一光子在被探测光子的死时间期间到达，则探测器的死时间将被延长。遗憾的是，在强堆积条件下操作探测器是困难的，并且输出信号将是错误的，从而降低图像质量。

本文描述的各方面解决上述问题及其他问题。

发明内容

在一方面中，一种成像***包括发射贯穿检查区域的辐射的辐射源。麻痹性光子计数探测器像素，其探测贯穿检查区域并以输入光子速率到达的光子，并且其生成指示所述光子的信号。高通量电子器件基于所述信号产生每个积分周期的过阈值总时间。重建参数识别器基于所述过阈值总时间估计所述输入光子速率，并基于估计识别重建参数。重建参数识别器估计输入光子速率，并且基于估计识别重建参数。重建器基于所识别的重建参数重建所述信号。

在另一方面中，一种方法包括：经由麻痹性光子计数探测器像素的输出，接收指示在积分区间期间探测到的光子的信号；基于过阈值总时间，估计所述光子的输入光子速率；基于所述估计识别重建参数；以及基于所识别的重建参数重建所述信号。

在另一方面中，一种方法包括：经由高通量电子器件，针对积分区间接收光子计数探测器的比较器的输出；经由所述高通量电子器件，确定所述比较器的所述输出超过阈值的总时间量；经由重建参数识别器，使用所确定的总时间量以估计所述输入光子速率是低还是高；以及经由所述重建参数识别器，基于所述估计确定重建器参数。

附图说明

本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不应被解读为限制本发明。

图1示意性地图示了范例成像***，其具有麻痹性直接转换光子计数探测器和高通量电子器件，用于处理探测器的比较器的输出。

图2以图形方式图示了光子计数探测器的常规输出通道的输出行为，以及光子计数探测器的高通量电子器件的输出行为。

图3示意性地图示了高通量电子器件的非限制性范例。

图4示意性地图示了高通量电子器件的另一非限制性范例。

图5图示了根据本文描述的实施例的范例方法。

具体实施方式

图1图示了范例成像***100，例如CT扫描器。成像***100包括一般的固定机架102和旋转机架104，所述旋转机架104由固定机架102可旋转地支撑，并且围绕检查区域106关于z轴旋转。诸如X射线管的辐射源108由旋转机架104可旋转地支撑，与旋转机架104一起旋转，并且发射贯穿检查区域106的多色辐射。

辐射敏感探测器阵列110跨越检查区域106以角度弧与辐射源108相对。辐射敏感探测器阵列110探测贯穿检查区域106的辐射，并且针对每个探测到的光子生成指示所述光子的信号。在图示的实施例中，辐射敏感探测器阵列110是具有光子计数探测器像素的一维阵列或二维阵列的光子计数探测器阵列，所述光子计数探测器像素包括直接转换材料，例如CdTe、CZT和/或其他麻痹性直接转换材料。

放大器112放大所述信号，并且整形器114处理所放大的信号，并且生成指示所探测的光子的能量的脉冲，例如电压或其他脉冲。比较器116将脉冲的幅度与能量阈值118进行比较，所述能量阈值118对应于感兴趣能量，例如恰好在噪声阈值以上的能量。比较器116产生指示幅度是否超过阈值的输出(例如高或低，0或1等)。

计数器120和高通量电子器件122两者均接收比较器116的输出。在另一范例中，计数器120和高通量电子器件122接收来自不同比较器的输出信号。计数器120在每个积分周期，信号每次从指示幅度在阈值以下改变到指示幅度超过阈值时增加计数值。高通量电子器件122确定针对积分周期的比较器116的输出的幅度在阈值118以上的总时间量。该值在本文中被称为过阈值总时间或TTOT，并且具有在零(0)与一(1)之间的值，其中，零(0)指示幅度在整个积分周期均未超越阈值118，并且一(1)意指幅度在整个积分周期都超过阈值。

简要地转向图2，描绘计数器120和高通量电子器件122的输出行为。

在图2中，x轴202表示输入光子速率，并且y轴204表示针对积分周期的输出信号的水平。第一曲线206表示计数器120的输出，如所示，计数器120的输出随输入光子速率的增加而增加达到最大值208，所述最大值208对应于输入光子速率210。计数器120的输出随后随着输入光子速率的增加而减小。

第二曲线212表示高通量电子器件122的输出。如所示，TTOT随着进入光子速率的增加而连续增加，并在一点稳定，在所述点处，比较器116的输出是或几乎总是在阈值118以上。

返回图1，重建参数识别器124基于TTOT和脉冲堆积模型126估计输入光子速率是低还是高，并且如基于输入光子速率和图2中描述的行为将重建参数识别为计数值、TTOT或它们的组合中的一个。接下来描述范例脉冲堆积模型126。

假设光子到达为泊松分布并且输入光子速率为r，则到下一光子时间具有为f(t)＝re^-rt的似然密度函数，其中，来自一个光子的平均过阈值时间为在没有脉冲堆积的情况下，表示死时间τ。在有堆积的情况下，通过从死时间τ减去前一光子的剩余死时间能够缓解对次数的重复计数，如方程1中所示：

方程1：

$\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{oT}}}={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\mathrm{tf}\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{\τ}{\∫}_{\mathrm{\τ}}^{\∞}f\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{\mathrm{rte}}^{-\mathrm{rt}}\mathrm{dt}+{\∫}_{\mathrm{\τ}}^{\∞}{\mathrm{\τre}}^{-\mathrm{rt}}\mathrm{dt}=\frac{1-e^{-\mathrm{r\τ}}}{r}.$

以速率r，在每个积分区间t_Int中探测到rt_Int个光子，并且能够计算过阈值总时间，如方程2中所示：

方程2：

$t_{s>T}={\mathrm{rt}}_{\mathrm{Int}}\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{oT}}}.$

指示整形器114的输出在给定的积分区间超过阈值118的比较器116的输出的可能性能够根据输入光子速率来表达，如方程3中所示：

方程3：

$L(s>T)=r\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{oT}}}=1-e^{-\mathrm{r\τ}},$

其近似等于如方程4中所示的TTOT：

方程4：

$L(s>T)\≈\frac{t_{s>T}}{t_{\mathrm{Int}}}=\mathrm{TTOT}$

重建参数识别器124基于方程3估计输入光子速率r，并且使用图2中示出的关系确定输入光子速率是低还是高。如果输入光子速率低，则重建参数识别器124选择计数值。如果输入光子速率高，则重建参数识别器124选择TTOT。针对中间的输入光子速率，能够计算并选择计数值与TTOT的加权组合(例如平均值)。

储存器128基于计数来能量储存所探测的光子。重建器130基于所选择的计数值、TTOT或其组合重建所储存的数据，并且生成体积图像数据。诸如卧榻的对象支撑物132支撑检查区域106中的物体或对象。通用计算机充当操作者控制台134，并且包括诸如监视器的人类可读输出设备和诸如键盘、鼠标等的输入设备。控制台134的软件允许操作者与成像***100交互。

如以上所讨论的，高通量电子器件122确定TTOT，所述TTOT然后用于确定输入光子速率是低还是高。若干不同途径能够用于TTOT。图3和图4图示了这样的途径的非限制性范例。

首先参考图3，高通量电子器件122包括切换电流源302，所述切换电流源302在被接通时生成固定电流i，并且在被切断时不生成电流。在图示的实施例中，比较器116的输出对切换电流源302进行切换。通过范例的方式，指示整形器114的输出在阈值118以上的比较器116的输出值接通切换电流源302，并且指示整形器114的输出在阈值118以下的比较器116的输出值切断切换电流源302。

高通量电子器件122还包括积分器304，所述积分器304对切换电流源302的输出进行积分，并且通过积分来确定来自该电流源的总电荷。该积分与电流源302的“接通时间”成比例。高通量电子器件122还包括模数(A/D)转换器306，所述模数(A/D)转换器306例如利用电荷频率转换器和计数器或用其他方法使总电荷(所积分的电荷)数字化。数字信号为TTOT的度量。

转向图4，高通量电子器件122包括高频数字时钟生成器402和逻辑(L)404。逻辑404接收高频数字时钟生成器402的输出和比较器116的输出两者。比较器116的输出对高频数字时钟生成器(CLOCK GNRTR)402进行门控。逻辑404在图示的范例中为与门。计数器(CNTR)406计数经门控的时钟，并且计数的数目提供对门控信号的有效“接通时间”的指示，所述计数的数目提供TTOT的度量。

图5图示了根据本文描述的实施例的范例方法。

应当理解，本文描述的方法中动作的排序是非限制性的。正因如此，本文也预期其他排序。另外，可以省略一个或多个动作和/或可以包括一个或多个额外的动作。

在502处，光子计数探测器110探测在积分周期期间贯穿检查区域的光子，并且产生指示所探测的光子的能量的信号。

在504处，整形器114处理信号并且产生具有指示信号的高度的脉冲。

在506处，比较器116将脉冲的幅度与阈值118进行比较，并且生成指示幅度是否超过阈值118的输出。

在508处，计数器120计数每个积分周期幅度超越阈值118的次数。

在510处，高通量电子器件122处理输出，并且产生每个积分周期的过阈值总时间。

在512处，重建参数识别器124基于TTOT确定输入光子速率是低还是高。

在514处，重建参数识别器124基于输入光子速率将重建参数识别为计数、TTOT或其组合中的一个。

在516处，储存器基于计数值能量储存所探测的光子。

在518处，重建器基于对输入光子速率是低还是高的确定来重建基于计数值、过阈值总时间或其组合中的一个的所储存的数据。

已经参考优选实施例描述了本发明。其他人在阅读和理解以上具体实施方式的情况下可能想到修改或替代。本文意图将本发明解释为包括所有这种修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价要件的范围之内。

Claims (20)

1.一种成像***(100)，包括：

辐射源(108)，其发射贯穿检查区域的辐射；

麻痹性光子计数探测器(110)，其探测贯穿所述检查区域并且以输入光子速率到达的光子，并且生成指示所述光子的信号；

高通量电子器件(122)，其基于所述信号产生每个积分周期的过阈值总时间；

重建参数识别器(124)，其基于所述过阈值总时间估计所述输入光子速率，并基于所述估计识别重建参数；以及

重建器(130)，其基于所识别的重建参数重建所述信号。

2.如权利要求1所述的成像***，其中，所述重建参数识别器估计所述输入光子速率是低还是高，并且基于所述估计识别所述重建参数。

3.如权利要求1至2中的任一项所述的成像***，还包括：

整形器(114)，其处理所述信号，并且产生具有指示所述信号的高度的脉冲；

比较器116，其将所述脉冲的幅度与阈值(118)进行比较，并且生成指示所述幅度是否超过所述阈值的输出；以及

计数器(120)，其对在每个积分周期所述幅度超越所述阈值的次数进行计数，并且产生对应的计数值；

其中，所述高通量电子器件基于所述比较器的所述输出产生所述过阈值总时间；

其中，所述重建参数识别器基于所述过阈值总时间估计所述输入光子速率是低还是高，并且选择所述计数值、所述过阈值总时间或其组合中的一个。

4.如权利要求3所述的成像***，其中，所述重建器基于对所述计数值、所述过阈值总时间或其组合中的所选择的一个来重建所述信号数据。

5.如权利要求4所述的成像***，其中，所述过阈值总时间指示在积分周期所述幅度在所述阈值以上的总时间量。

6.如权利要求3至5中的任一项所述的成像***，所述高通量电子器件包括：

切换电流源(302)，其在被接通时生成固定电流，并且在被切断时不生成电流，其中，所述比较器的所述输出切换所述切换电流源；以及

积分器(304)，其对所述固定电流进行积分，并且确定每个积分周期的总电荷，

其中，所述重建参数识别器基于所述总电荷估计所述输入光子速率是低还是高。

7.如权利要求6所述的成像***，还包括：

A/D转换器(20)，其将经积分的电荷转换为数字信号，其中，所述重建参数识别器基于所述数字信号估计所述输入光子速率是低还是高。

8.如权利要求3至5中的任一项所述的成像***，所述高通量电子器件包括：

高频数字时钟生成器(402)，其产生高频数字时钟；

逻辑(404)，其对所述高频数字时钟进行门控；以及

计数器(406)，其对经门控的时钟的脉冲进行计数，

其中，所述重建参数识别器基于所计数的脉冲估计所述输入光子速率是低还是高。

9.如权利要求8所述的成像***，其中，所述比较器的所述输出控制对所述高频数字时钟的所述门控，并且响应于指示所述幅度在所述阈值以上的所述输出对所述逻辑进行门控。

10.如权利要求1至9中的任一项所述的成像***，其中，所述重建参数识别器估计所述输入光子速率，并且基于脉冲堆积模型识别所述重建参数，所述脉冲堆积模型对所述计数器和所述高通量电子器件的行为进行建模。

11.一种方法，包括：

经由麻痹性光子计数探测器像素的输出，接收指示在积分区间期间探测到的光子的信号；

基于过阈值总时间估计所述光子的输入光子速率；

基于所述估计识别重建参数，以及

基于所识别的重建参数重建所述信号。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述重建参数识别器估计所述输入光子速率是低还是高，并且基于所述估计识别所述重建参数。

13.如权利要求11至12中的任一项所述的方法，还包括：

对所述信号进行整形以产生具有指示所述信号的高度的脉冲；

将所述脉冲的幅度与阈值进行比较，并且生成指示所述幅度是否超过所述阈值的输出；

对在每个积分周期所述幅度超越所述阈值的次数进行计数，并且产生对应的计数值；以及

处理所述比较器的所述输出，并且产生每个积分周期的所述过阈值总时间；

其中，所述输入光子速率是基于所述过阈值总时间被估计为低或高的。

14.如权利要求13所述的方法，还包括：

基于所述计数值、所述过阈值总时间或其组合中的一个重建所述信号数据。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述过阈值总时间指示在积分周期所述幅度在所述阈值以上的总时间量。

16.如权利要求13至15中的任一项所述的方法，还包括：

利用所述比较器的所述输出接通或切断切换电流源，所述切换电流源生成固定电流；

积分所生成的固定电流，从而确定针对积分周期的总电荷；以及

基于所述总电荷估计所述输入光子速率是低还是高。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

将所述总电荷转换为数字信号；以及

基于所述数字信号估计所述输入光子速率是低还是高。

18.如权利要求13至15中的任一项所述的方法，还包括：

产生高频数字时钟；

使用所述比较器的所述输出对所述高频数字时钟进行门控；

对经门控的时钟的脉冲进行计数；以及

基于所计数的脉冲估计所述输入光子速率是低还是高。

19.如权利要求11至18中的任一项所述的方法，还包括：

基于脉冲堆积模型识别所述重建参数。

20.一种方法，包括：

经由高通量电子器件，针对积分区间接收比较器针对光子计数探测器的输出；

经由所述高通量电子器件，确定所述比较器的所述输出超过阈值的总时间量；

经由重建参数识别器，使用所确定的总时间量以估计所述输入光子速率是低还是高；以及

经由所述重建参数识别器，基于所述估计确定重建器参数。