CN105765405A - 用于探测光子的探测设备和其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于探测由辐射源(2)发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测设备(6)。所述探测设备(6)包括前置放大单元(11)(诸如，例如，电荷敏感放大器)、包括反馈放电单元(13、I)(诸如，例如反馈电阻器或反馈电流源)的整形单元(60)，以及被耦合到所述反馈放电单元(13、I)的反馈放电控制单元(50)。反馈放电控制单元(50)适于，例如，如果由整形单元(60)生成的电脉冲不超过至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则调整反馈电阻器的电阻(和/或调整所述反馈电流源的电流值)。所述反馈放电控制单元(50)适于如果电脉冲超过至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则不调整反馈放电单元(13、I)的参数。通过调谐反馈电阻器操作点(或反馈电流源操作点)，弹道亏损能够被调整到预定义期望值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于探测由辐射源发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测设备，涉及一种包括探测设备和辐射预定能量的光子的辐射源并且能够调整弹道亏损的***，涉及一种用于探测由辐射源发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测方法，并且涉及一种能够调整弹道亏损的校准方法。
背景技术
基于光子计数的光谱计算机断层摄影(CT)利用直接转换材料，例如，CZT。CZT像素的性能能够在阵列上显著变化。电荷产生和瞬态响应可以在很大程度上不同。这些变化使其自身表现为像素增益不均匀性。归因于弹道亏损，瞬态响应中的变化也引起增益不同。
现今，能量校准过程适当地解决专用集成电路(ASIC)阈值水平和撞击光子的能量之间的关系。能量校准的结果是ASIC阈值的调整，使得所有像素具有相同有效的能量阈值。
US8350221B2公开了一种用于根据成像设备(具体地计算机断层摄影)中的撞击x-射线而生成可计数脉冲的装置，所述装置包括适合于将由撞击光子生成的电荷脉冲转换成电信号的前置放大元件，以及具有反馈回路并且适合于将电信号转换成电脉冲的整形元件，其中，延迟电路被连接到反馈回路，使得反馈回路收集电信号的电荷的时间被延伸，以便改善在整形元件的输出端处的电脉冲的振幅。另外还公开了相应的成像设备和相应方法。
US20080018505A1公开了一种自适应数据采集电路，其包括用于响应于在探测器处入射的能量来放大由探测器生成的电脉冲的放大器。自适应数据采集电路也包括计数电路，所述计数电路用于对由放大器生成的放大的电脉冲进行计数。另外，所述自适应数据采集电路包括数字逻辑电路，所述数字逻辑电路用于确定指示脉冲速率和在放大的电脉冲中存在的能量量的脉冲参数，并且用于响应于脉冲参数而生成用于控制数据采集电路的操作参数的的控制信号。
US8309933B1公开了用于对来自辐射探测器的信号输出进行自适应滤波并且对信号进行自适应采样的***、设备、处理和算法。通过处理单元估计由辐射探测器探测到的事件的计数率。基于估计的计数率调整滤波器的RC时间常数和模拟数字转换器的采样速率。当联机(实时)调整滤波器和模拟数字转换器的可调整参数(RC时间常数和采样速率)以优化探测事件的能量分辨率时，通过辐射探测器连续探测事件，并且通过处理单元对事件进行连续计数，同时减少归因于堆积效应的退化并且提高模拟数字转换器的效率。通过模拟滤波器、数字滤波器或其组合能够实施滤波。
US20060056576A1公开了一种用于对由辐射探测器接收到的辐射能量进行计数和标记的方法和***。方法和***被设计为动态地控制光子计数探测器的采样窗或整形时间特征以适应由探测器经历的通量的改变，以便保护最佳探测器性能并且防止在高通量状况期间的饱和度。
然而，传统增益校准忽略由瞬态响应的差异导致的像素变化。归因于瞬态响应的变化不仅仅引起增益差异，而且可以影响光谱线性度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于探测由辐射源发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测设备和探测方法，其允许解决瞬态响应的差异。本发明的又一目的是提供一种***，所述***包括探测设备，以及能够调整弹道亏损的相应探测和校准方法。
在本发明的第一方面，提供一种用于探测由辐射源发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测设备，所述探测设备包括：前置放大单元，其适于将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号；以及整形单元，其适于将电信号转换成电脉冲。整形单元包括反馈放电单元。反馈放电单元的参数是可调整的。所述探测设备还包括被耦合到反馈放电单元的反馈放电控制单元。所述反馈放电控制单元适于如果电脉冲未超过至少一个能量比较值，则调整反馈放电单元的参数。所述反馈放电控制单元适于如果电脉冲超过至少一个能量比较值，则不调整反馈放电单元的参数。
本发明的关键思想是调谐每个像素的ASIC操作点，以便将弹道亏损调整到预定义期望值，使得在一定程度上已经校正在像素矩阵上的光子峰值振幅的传播。优选地，所述反馈放电单元包括反馈电阻器。在典型整形器实施上的反馈电阻器负责弹道亏损。提出通过迭代评估整形器振幅是否足够高以令比较器跳变来调整该电阻器的值，其被设置到相应于在能量阈中的光子峰值的期望位置的预定义值。由此，本发明可以被用作初始工厂校准以确定最适合(永久)安装的晶体的特征的具体每像素ASIC参数配置。对于探测器的例行使用，将应用使用阈值扫描的阈值校准。
弹道亏损是不可避免的，以便实现高计数率。本发明的重点在于，由于传感器像素可以具有不同响应，在通道之间弹道亏损可以是不同的事实。由此，意图是“均衡”跨像素的弹道亏损。
在本发明的优选实施例中，所述探测设备还包括反馈电容器，其被平行耦合到所述反馈放电单元。当电流暂态(或电流脉冲)发生(或如果使用前置放大器，步骤响应)时，相应电荷被转移到反馈电容器，引起放大器输出以将其电压改变到与原始输入电荷成比例的振幅。该高度用于估计能量。为了允许整形单元处理即将撞击的光子，所述反馈电容器被要求放电。为了这个目的，使用反馈放电单元，诸如反馈电阻器。这样的电阻器将对电容器进行放电。下面本文公开了放电单元的其他范例(诸如，例如反馈电流源)。
所述探测设备优选地是光子计数探测设备(也被称为能量分辨光子计数探测设备)，即，将探测到的光子能量分辨到一个或多个能量间隔并且为每个能量间隔提供计数的探测设备，所述计数表示具有落入各个能量间隔的能量的探测到的光子的数量。例如，在医学成像***(诸如医学计算机断层摄影(CT)***、医学正电子发射断层摄影(PET)***或医学单光子发射计算机断层摄影(SPECT)***)中使用这样的探测设备。
典型探测设备包括多个像素，每个像素包括前置放大单元和整形单元。为了校正不同的瞬态响应，因此期望对于每个像素，所述整形单元包括反馈放电单元和反馈放电控制单元，使得在所有像素中能够同时调整反馈放电单元的值。
例如，所述辐射源能够是X-射线管或类似设备、伽玛辐射源(诸如伽玛发射发射性核素)或正电子发射发射性核素。所述辐射源也可以是多能量辐射源，即，发射处于两个或更多能量水平的光子的辐射源。
在本发明的实施例中，所述探测设备还包括用于根据电脉冲来确定探测到的光子的能量的能量确定单元。所述能量确定单元优选地是将探测到的光子能量分辨到一个或多个能量间隔的能量分辨单元，使得由所述探测设备能够为每个能量间隔提供表示具有落入各个能量间隔的能量的探测到的光子的数量的计数。
在本发明的又一实施例中，所述能量确定单元适于通过将电脉冲与一个或多个能量比较值进行比较来确定探测到的光子的能量。所述能量确定单元的简单且明确实施是预定义能量比较值的使用，其可以例如，对应于针对给定的撞击光子能量的期望脉冲振幅。
在本发明的又一实施例中，所述能量确定单元包括一个或多个比较器。如以上本文所述的，所述能量确定单元的简单且明确实施是预定义能量比较值的使用。这些预定义能量比较值可以分别被分配到比较器，所述比较器确定脉冲振幅是否在各个阈值以上。
在本发明的又一实施例中，一个或多个比较器的第一比较器适于将电脉冲与第一能量比较值进行比较。第一比较器适于，如果电脉冲小于第一能量比较值，则输出第一逻辑信号。比较器适于，如果电脉冲等于或大于第一能量比较值，则输出第二逻辑信号。例如，如果不存在弹道亏损，第一能量比较值可以被设置为符合根据撞击光子能量期望的脉冲振幅。然而，由于存在弹道亏损，在这种情况下，脉冲振幅将很有可能过小以至于不能超过第一能量比较值。因此，第一比较器可以输出第一逻辑信号。第一逻辑信号指示脉冲振幅过小。作为响应，所述反馈放电控制单元可以调整反馈放电单元值。
在本发明的又一实施例中，所述反馈放电控制单元适于，如果电脉冲小于一个或多个能量比较值，则增加反馈电阻器的电阻。通过增加反馈电阻器值，通过整形单元生成的脉冲的振幅也增加。也就是，当电流暂态发生(或如果使用前置放大器，步骤响应)时，相应电荷被转移到反馈电容器，引起放大器输出以将其电压改变为与原始输入电荷成比例的振幅。该高度用于估计能量。为了允许整形器处理即将撞击的光子，所述反馈电容器被要求放电。为了这个目的，使用反馈电阻器。这样的电阻器将对电容器进行放电。由于每当电容器中存在电荷时适当地进行这种放电，其意味着在输出已经到达其理论最大值(V＝Q/C)之前，放电已经发生。因此，归因于早期放电可以讨论弹道亏损。电阻器越低，整形器将越快准备新脉冲，但是弹道亏损更高。由此，通过调整反馈电阻器值，反馈放电控制单元可以影响由整形单元输出的脉冲振幅，使得脉冲振幅可以最终超过第一能量比较值。
在本发明的又一方面，提供一种用于探测由辐射源发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测设备，所述探测设备包括：前置放大单元，其适于将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号；整形单元，其适于将电信号转换成电脉冲。所述整形单元包括反馈电流源。反馈电流源的值是可调整的。所述探测设备还包括被耦合到反馈电流源的反馈电流源控制单元。反馈电流源控制单元适于根据电脉冲来调整反馈电流源的值。换言之，本发明的第一方面的反馈电阻器可以被电流源替换，其优选地是恒定的，即整形器反馈电容器以恒定电流放电。本发明也应用于该整形器拓扑学，其中控制单元能够控制恒定电流的值，而不是反馈电阻器。恒定电流越高，弹道亏损越大(低结果输出电压)。
在本发明的实施例中，所述反馈放电控制单元被耦合到所述能量确定单元，使得所述反馈放电控制单元被配置为接收至少一个逻辑信号。例如，至少一个逻辑信号可以指示脉冲振幅是否小于第一能量比较值。通过将至少一个逻辑信号转送到反馈放电控制单元，反馈放电控制单元可以决定是否增加、减少或维持当前反馈电阻器值。
在本发明的又一实施例中，所述反馈放电控制单元被耦合以接收第一逻辑信号或第二逻辑信号中的一个。所述反馈放电控制单元适于基于第一逻辑信号的接收而引起反馈电阻器的电阻的增加。所述反馈放电控制单元适于基于第二逻辑信号的接收而引起维持反馈电阻器的电阻。如以上本文所述的，通过增加反馈电阻器值，反馈放电控制单元可以影响由整形单元输出的脉冲的振幅的增加。备选地和/或额外地，所述反馈放电控制单元可以影响由反馈电流源生成的反馈电流的增加。
在本发明的又一实施例中，在启动时，反馈放电控制单元适于引起反馈电阻器的电阻以假定预定初始值。备选地和/或额外地，反馈放电控制单元适于引起由反馈电流源生成的电流以假定预定初始值。例如，预定初始值可以对应于针对撞击光子的给定能量期望的值(例如，如由辐射源确定的)。归因于弹道亏损的存在，由整形单元生成的脉冲将具有过小以至于部不引起能量确定单元中的比较器跳变的振幅。由此，反馈控制单元可以随后增加反馈电阻器值(或反馈电流值)，直到脉冲振幅足够大，从而在至少一定程度上补偿跨像素的弹道亏损。通过外部配置也可以执行控制，不必需要是“自动模式”，在所述“自动模式”中，自动增加反馈电阻器值(或反馈电流值)。
在本发明的又一实施例中，前置放大单元包括电荷敏感放大器。在本发明的又一方面，所述反馈放电单元被连接到整形单元的输入端和整形单元的输出端。
在本发明的又一方面，***包括探测设备和辐射预定能量的光子的辐射源，并且能够调整弹道亏损。例如，辐射源能够是X-射线管或类似设备，伽玛辐射源(诸如伽玛发射发射性核素)或正电子发射发射性核素。辐射源也可以是多能量辐射源，即，发射处于两个或更多能量水平的光子的辐射源。通过选择辐射预定能量的光子的辐射源，因为在能量确定单元中使用的能量阈值可以被选择以对应于鉴于预定能量期望的脉冲振幅，可以执行很好定义的校准过程。
在本发明的实施例中，所述装置还包括用于根据电脉冲来确定探测到的光子的能量的能量确定单元。所述能量确定单元包括具有各个阈值的一个或多个比较器。在启动时，一个或多个比较器的第一比较器的阈值被设置为对应于所述光子的预定能量的值。通过将一个或多个比较器的第一比较器的阈值设置为对应于所述光子的预定能量的值，反馈电阻器值可以被逐步增加以识别足以补偿弹道亏损的电阻。备选地和/或额外地，通过将一个或多个比较器的第一比较器的阈值设置为对应于所述光子的预定能量的值，反馈电流源值可以被逐步增加以识别足以补偿弹道亏损的反馈电流。
在本发明的又一方面，提供一种用于通过探测设备来探测由辐射源发射的光子的探测方法，所述探测方法能够调整弹道亏损并且包括：提供前置放大单元，所述前置放大单元适于将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号，提供整形单元，所述整形单元适于将电信号转换成电脉冲，其中，所述整形单元包括反馈放电单元，其中，所述反馈放电单元的参数是可调整的，并且如果电脉冲未超过至少一个能量比较值，则调整反馈放电单元的参数，并且如果电脉冲超过至少一个能量比较值，则维持反馈放电单元的参数。在实施例中，迭代执行调整反馈放电单元的参数，直到电脉冲的振幅足够大以例如，导致能量确定单元中的比较器中的一个跳变。
在本发明的又一方面，提供一种能够调整弹道亏损的校准方法。所述校准方法包括由辐射源发射预定能量的光子，以及通过根据本发明的探测方法探测由辐射源发射的光子，其中，调整反馈放电单元的参数包括将电脉冲与至少一个能量比较值进行比较。所述校准方法还包括，如果电脉冲未超过至少一个能量比较值，则增加反馈电阻器的电阻的步骤。备选地和/或额外地，所述校准方法还包括，如果电脉冲未超过至少一个能量比较值，则增加由反馈放电单元生成的反馈电流的步骤。优选地，至少一个能量比较值对应于期望的脉冲振幅。也就是，提出补偿跨像素的弹道亏损的差异。例如，100keV光子可以引起100mV脉冲到标称10ns输入(这已经包括一定量的弹道亏损)。示出90mV而非100mV的像素指示(在其他伪影之间)该具体像素比其他像素遭受更多的弹道亏损，并且反馈电阻器(或反馈电流源)能够被调整以对其进行补偿。通过将至少一个能量比较值设置为对应于所述光子的预定能量的值，反馈电阻器值可以被逐步增加以识别足以补偿弹道亏损的电阻。备选地和/或额外地，通过将至少一个能量比较值设置为对应于所述光子的预定能量的值，反馈电流源值可以被逐步增加以识别足以补偿弹道亏损的反馈电流。校准方法可用作“工厂校准”或用于确定最适合(永久)安装的CZT晶体的每个像素的特征的具体每像素ASIC参数配置。
应当理解，根据权利要求1所述的探测设备、根据权利要求12所述的***、根据权利要求14所述的探测方法以及根据权利要求15所述的校准方法具有与根据从属权利要求所述的相似和/或相同的优选实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或以上实施例与各个独立权利要求的任何组合。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得以阐述。
附图说明
在下图中：
图1示意性且范例性地示出了投影数据生成***的实施例，
图2A-2C示意性且范例性地示出了用于探测由辐射源发射的光子的探测设备的实施例，
图3示意性且范例性地示出了反馈电阻器对整形器输出的效应，
图4示意性且范例性地示出了探测方法的实施例，以及
图5示意性且范例性地示出了校准方法的实施例。
具体实施方式
图1示意性且范例性地示出了用于生成对象的投影数据的投影数据生成***20的实施例。在该实施例中，投影数据生成***是计算机断层摄影***。计算机断层摄影***20包括机架1，即转子，其能够围绕旋转轴R关于定子(在图1中未示出)旋转，所述旋转轴R平行于z方向延伸。在该实施例中，辐射源2是X射线管，被安装在机架1上。辐射源2被提供具有准直器3，在该实施例中，其形成来自由辐射源2生成的辐射的圆锥形辐射射束4。辐射贯穿检查区5中的对象(未示出)，诸如患者。在已经贯穿检查区5之后，辐射射束4入射在被安装在机架1上的探测器6上。
探测器6适于根据探测到的辐射来生成探测信号，并且适于根据生成的探测信号来生成投影数据，即探测值。当探测到辐射时，机架1围绕检查区5旋转，使得能够在不同采集方向上采集投影数据。
图2A-2C示意性且范例性地示出了用于探测由辐射源2发射的光子的探测设备6的实施例(例如如参考图1示出的)。在该实施例中，探测设备6是光子计数探测设备，其包括多个像素，每个像素包括辐射敏感传感器14。像素的辐射敏感传感器14探测由辐射源2发射的光子，并且生成针对每个探测到的光子的相应电信号，诸如电流或电压信号。适当的传感器类型的范例包括直接转换传感器，诸如基于碲锌镉(CZT)的传感器。其他适当的传感器类型是基于闪烁体的传感器，其包括与光学传感器光通信的闪烁体。在该实施例中，由辐射敏感传感器14生成的电信号，电流信号IS，被传递到像素的前置放大单元11(诸如，例如电荷敏感放大器)，其将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号。在该实施例中，借助于耦合电容器15，辐射敏感传感器14被耦合到脉冲前置放大单元11(诸如，例如电荷敏感放大器)。在其他实施例中，能够使用DC耦合，导致电流IS的DC部分和AC部分两者被传递到前置放大单元11(诸如，例如电荷敏感放大器)。在图2A的实施例中，前置放大单元11(诸如，例如，电荷敏感放大器)被实施为运算放大器11。在其他实施例中(见图2B和2C)，前置放大单元11可以包括运算放大器、电容器Cf1和电阻器Rf1的反馈网络，和/或由电容器Cf1和电阻器Rf1形成的零极点相消电路。应当注意，在CSA和零相消阶段上的符号Rf1Cf1识别电阻器和电容器，其具有相同的电阻、电容。这是零极点相消的本质，即它们两者总是存在的。假如等效时间常数是相同的，它们也能够是不同的。附图反映典型的实施方式，但是不排除备选，具体地因为这些部件对本发明不是必要的。
由前置放大单元11(诸如，例如电荷敏感放大器)生成的电信号被传送到整形单元60。整形单元12将电信号转换成电脉冲。在图2A的实施例中，整形单元60包括运算放大器12和反馈电阻器13。在其他实施例中(见图2B和2C)，整形单元60也包括反馈电容器Cf2，其被平行耦合到反馈电阻器13。在另一实施例中(见图2C)，通过(不必恒定)电流源I＝f(V输出)来替换反馈电阻器13。应当注意，电流源I＝f(V输出)也可以被用在图2A的实施例中，即，电流源I＝f(V输出)也可以与电路组合，所述电路不包括前置放大单元11中的例如，电阻器Rf1和电容器Cf1。运算放大器12包括输入端121和输出端122。运算放大器12也能够被实施为差分放大器，例如，两个输端入和一个输出端，或两个输入端和两个输出端。在该实施例中，由前置放大单元11生成的电信号被传递到运算放大器12的输入端121。反馈电阻器13被耦合在运算放大器12的输出端122与输入端121之间。优选地，反馈电阻器13的电阻是可调整的，即，能够修改其值。例如，通过传送指示应当增加反馈电阻器13的电阻的逻辑信号，可以执行反馈电阻器13的电阻的调整。备选地或额外地，通过传送指示应当减少反馈电阻器13的电阻的逻辑信号，可以执行反馈电阻器13的电阻的调整。在该实施例中，由被耦合到反馈电阻器13的反馈放电控制单元50来控制反馈电阻器13的电阻的调整。优选地，反馈放电控制单元50适于调整反馈电阻器13的电阻。备选地，在图2C的实施例中，反馈放电控制单元50适于控制由电流源I＝f(V输出)生成的电流的值。
由整形单元12生成的电脉冲被传递到像素的能量确定单元30，所述能量确定单元30确定探测到的光子的能量。在该实施例中，能量确定单元30被实施为能量辨别器，其通过将其振幅与一个或多个能量阈值X1、X2、…、XN进行比较来能量辨别探测脉冲信号。为了达到该目的，在该实施例中，能量确定单元30可以包括一个或多个比较器。一个或多个比较器中的每个执行由整形单元60生成的电脉冲与相应能量阈值X1、X2、…、XN的比较。如果探测脉冲信号超过相应能量阈值X1、X2、…、XN，相应计数器C1、C2、…、CN被增量，并且在帧周期的结束，经由读出线31从计数器C1、C2、…、CN读出对应于每个相应能量间隔的计数的数字。
在高能量处，光子光谱仪的能量分辨能够被“冲击缺损”效应支配，特别当短处理时间被用于允许高速率操作时。这源于这样的事实：在信号通过脉冲整形器之后在振幅波动中反映探测器信号的上升时间变化。
在其维度大约或短于平均自由程的超短通道长度中，通道载体不遭受散射。它们能够获得来自场的能量，而不会通过散射使其丢失到晶格，并且能够采集比饱和速度高得多的速度。该效应被称为弹道输运。由半导体探测器产生的信号的测量应当理想地是导致与由探测器中的辐射事件产生的电荷成比例的输出读数的弹道测量。该读数应当独立于探测器中的电荷收集时间。如果与探测器电荷收集时间相比较在非常长的时间进行测量，能够实现这样的结果，但是在光谱仪中的测量时间通常受到处理以随机时间且相对高的速率发生的信号脉冲的需要的限制。而且，如果使用长处理时间，平行噪声增加。因此，在光谱仪中使用的脉冲整形电路被设计为产生输出脉冲，其总持续时间通常被限制到若干纳秒(在CT应用中)或微秒(在其他应用中)，并且输出脉冲的峰值振幅(其发生在小于脉冲宽度一半的时间)被用作来自探测器的输入电荷信号的度量。对于CZT探测器，电荷收集时间在事件之间波动(取决于交互的位置)，并且可以接近1μs。因此，对于弹道测量的情况不满意，并且“弹道亏损”效应发生。交互位置可以影响瞬态响应。然而，在计算机断层摄影(CT)中，典型像素尺寸非常小(亚mm)，而材料是相对厚(2-3mm)。这利用所谓的小像素效应。因此，瞬态响应相当均衡，除非交互发生非常靠近阳极。然而，归因于晶体的非均匀性，电场可以被扭曲到对于不同像素的创建不同响应的程度，其是本发明努力补偿的。在这样的几何结构中，期望瞬态响应在几个10ns(例如，10-30ns)的范围。
由于这些“弹道亏损”效应，在来自脉冲整形器的输出信号的峰值振幅的波动中反映探测器电荷信号上升时间的波动。在一些环境下，这些弹道亏损波动能够是限制分辨率的主要或首要贡献者。在F.S.Goulding和D.A.Landis，BallisticDeficitCorrectioninSemiconductorDetectorSpectrometers，IEEETrans.Nucl.Sci.，Vol.35，No.1，1988中描述了校正半导体探测器光谱仪中的“弹道亏损”效应的一个途径。
本发明提出调谐专用集成电路(ASIC)操作点，以便将弹道亏损调整到预定义期望值，使得在一定程度上已经校正跨阵列的光子峰值振幅的传播。整形单元60的反馈电阻器13(或反馈电流源I)负责弹道亏损。然后通过迭代地评估整形器振幅(即，由整形单元60生成的电脉冲的振幅)是否足以引起能量确定单元30的比较器中的一个跳变，可以确定反馈电阻器13的优选值。比较器可以被设置为对应于辐射源2的能量阈中的光子峰值的期望位置的预定义值。
本发明涉及借助于其反馈电阻器13(或反馈电流源I)修改每单个像素的整形器操作点，以便使弹道亏损适于任何给定碲锌镉(CZT)像素的瞬态响应。
假设两个整形器以相同设置操作，对于给定能量的撞击光子表现为不同瞬态响应的像素将引起与弹道亏损性能有关的整形器信号振幅差异，即能够递送10ns脉冲(即，递送具有10ns全宽的脉冲的像素)的像素将比递送20ns(即，具有20ns全宽的脉冲的像素)的像素在整形器输出处递送更大的振幅。属性“10ns”可以指的是递送例如95％的电荷处的时间。则，其是探测大部分能量处的过渡时间。
当利用辐射性源2(例如241Am或57Co)或利用X-射线管2结合K-边缘滤波器辐照探测器6时，提出迭代地调谐反馈电阻器13的电阻值。以类似的方式，当利用辐射性源2(例如241Am或57Co)或利用X-射线管2结合K-边缘滤波器辐照探测器6时，可能迭代地调谐反馈电流源I的反馈电流值。以低等效电阻器值(最大弹道亏损)开始，在连续步骤中增加电阻器值，直到整形单元60的输出足够高以引起能量确定单元30的比较器跳变(即，在时间间隔内观察到有效计数的数量)。例如，假设通过设计期望60keVX-射线光子导致由100mV的整形单元60生成的电脉冲的振幅。然后比较器阈值将被设置，例如100mV。在反馈电阻器13(或反馈电流源I)的最低值处，由于弹道亏损过高，整形单元60将不可能产生足够的振幅。一旦反馈电阻器13(或反馈电流源I)的值足够高，能量确定单元30中的比较器将开始提供对于每个撞击光子的有效计数。此处归因于伪影的数量(例如，电荷共享、来自邻近像素的k-荧光、部分收集(当光子交互非常靠近阳极时)…)与较期望的60keV更低的收集的电荷有关的“低能量尾巴”不提出问题：利用光子交互仅仅将实现有效计数，其达到光子峰值能量(例如，在241Am情况的60keV)。在这点，对于该给定像素，固定(和存储)反馈电阻器13(或反馈电流源I)的值。反馈电阻器13的电阻值(或反馈电流源I的电流值)可以被存储在例如反馈放电控制单元50中。
图3概念地示出了由整形单元60生成的电脉冲的振幅如何随着反馈电阻器13(或反馈电流源I)的增加值而改变。关于基线301示出了由整形单元60生成的电脉冲。在能量确定单元30中已经选择了预定义阈值310，例如对应于撞击光子的能量。附图标记350图示了增加反馈电阻器13(或反馈电流源I)的电阻值的效应。实线对应于反馈电阻器13(或反馈电流源I)的值，其超过预定义阈值310。然后反馈电阻器13(或反馈电流源I)的值将被选择作为优选值以校准弹道亏损的影响。
在像素化阵列上，对于所有像素能够同时运行过程。借助于简单状态机和一些逻辑，调整反馈电阻器13(或反馈电流源I)的迭代过程能够被实施在专用集成电路(ASIC)自身内。备选地，通过例如访问内部专用集成电路(ASIC)设置的现场可编程门阵列(FPGA)也能够外部地实施该过程。
图4示意性且范例性地示出了用于通过探测设备6探测由辐射源2发射的光子的探测方法450的实施例。在第一步骤400中，提供前置放大单元11。前置放大单元11适于将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号。在又一步骤410中，提供整形单元60。整形单元60适于将电信号转换成电脉冲。整形单元60包括反馈电阻器13(或反馈电流源I)。反馈电阻器13的电阻或反馈电流源I的反馈电流是可调整的。又一步骤420涉及根据电脉冲来调整反馈电阻器13的电阻(或反馈电流源I的电流值)。
图5示意性且范例性地示出了校准方法500的实施例。在第一步骤510中，校准方法500包括由辐射源2发射预定能量的光子。在又一步骤中，校准方法500包括通过探测方法450探测由辐射源2发射的光子，所述探测方法450包括如以上本文所述的步骤400、410和420。至于步骤420，校准方法500还包括以下步骤：将电脉冲与至少一个能量比较值进行比较520，以及如果电脉冲未超过至少一个能量比较值，则增加540反馈电阻器13的电阻(和/或增加反馈电流源I的反馈电流)。额外地或备选地，校准方法500可以包括如果电脉冲超过至少一个能量比较值，则存储反馈电阻器13的电阻(或反馈电流源I的电流值)的步骤530。
尽管在本发明中，我们主要公开了调整反馈电阻器13(或反馈电流源I)的值，类似的过程能够被适当地提出以调整在专用集成电路(ASIC)内的其他参数。
通常，碲锌镉(CZT)阵列与专用集成电路(ASIC)相关联(即，它们被永久地组装在一起)。也就是，使用任何可用的结合过程，例如接线凸块、焊接、导电环氧树脂、…，结合CZT阵列和ASIC。然而，本发明不限于将CZT阵列和ASIC结合在一起。能够想象测试***，其中，不永久地结合传感器，其中，也能够应用这样的预校准。因此，利用辐射性源的该校准过程可用作“工厂校准”或用于确定最适合(永久)安装的碲锌镉(CZT)晶体的每个像素的特征的具体每像素专用集成电路(ASIC)参数配置。对于探测器的例行使用，将仍然应用使用阈值扫描的阈值校准。
应当注意，反馈电阻器13(反馈电流源I)(或其他专用集成电路(ASIC)配置参数)的校准合理地仅仅能够补偿在碲锌镉(CZT)晶体像素之间的较小差异，这是因为更大的反馈电阻器13(或反馈电流源I)补偿更长的碲锌镉(CZT)信号上升时间，其将导致更大的弹道亏损，引起整形单元60的更长总输出脉冲持续时间，由此限制考虑像素的支持最大计数率。应当避免在探测器上的支持像素计数率的太大变化，但是不必毫不可能。
本发明的范例应用是光谱CT应用，但是本发明也应用于在其他应用中的类似功能的电路。
尽管在以上描述的实施例中，能量确定单元被示为包括一个或多个补偿器，这些实施例仅仅是优选实施例，并且在另一实施例中，能量确定单元能够包括确定脉冲能量的其他单元。由于以上描述的实施例包括探测峰值是否已经到达预定义水平的单元，也能够使用其他拓扑，诸如，例如，具有几百个分辨器的全光谱仪或基于ADC(即，脉冲分析)的***，作为数字化整形器输出。
尽管在以上描述的实施例中的一些中，整形单元被示为包括运算放大器、反馈电容器和反馈电阻器(或反馈电流源I)，其中，反馈电容器和反馈电阻器(或反馈电流源I)被耦合在反馈回路中的运算放大器输出端与输入端之间，这些实施例仅仅是优选实施例，并且在其他实施例中，整形单元能够包括用于转换来自前置放大单元的电信号的其他单元。也就是，通过电容器和电阻的无源网络也能够实现整形单元。最简单的整形器是CR-RC电路(高通-低通网络)。以相同的效应也能够改变RC的值。这也被应用于高阶CR-RC网络。
尽管在以上描述的实施例中，前置放大单元被示为包括运算放大器，这些实施例仅仅是优选实施例，并且在其他实施例中，前置放大单元能够包括将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号的其他单元。具体地，可能仅仅实施整形器(即，没有前置放大)。电荷敏感放大器(CSA)通常被用于将相对高输入电容与相对低整形器电容耦合(为了稳定的原因)。本领域技术人员已知不具有电荷敏感放大器的拓扑结构。
通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明时，能够理解并实现对所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
单个的单元或设备可以实现在权利要求中列举的若干项功能。在互不相同的从属权利要求中记载的特定措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
通过任何其他数量的单元或设备能够执行确定，如确定由一个或若干单元或设备执行的探测到的光子的能量等。例如，通过任何其他数量的不同单元的单一单元能够执行对由整形单元生成的电脉冲是否超过预定义能量比较值的确定。根据以上描述的反馈放电控制单元和根据以上描述的探测和校准方法的反馈电阻器(或反馈电流源)的确定和/或控制能够被实施为计算机程序的程序代码单元和/或专用硬件。
计算机程序可以被存储/分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分的诸如光学存储介质或固态介质的适当的介质上，但也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程通信***。
在权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。
本发明涉及一种用于探测由辐射源发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测设备。所述探测设备包括：前置放大单元(诸如，例如，电荷敏感放大器)；整形单元，其包括反馈放电单元(诸如，例如反馈电阻器或反馈电流源)；以及，反馈放电控制单元，其被耦合到所述反馈放电单元。所述反馈放电控制单元适于，如果由整形单元生成的电脉冲不超过至少一个能量比较值，则调整反馈电阻器的电阻(和/或调整所述反馈电流源的电流值)。所述反馈放电控制单元适于，如果电脉冲超过至少一个能量比较值，则不调整反馈放电单元的参数。通过调谐反馈电阻器操作点(或反馈电流源操作点)，弹道亏损能够被调整到预定义期望值。
Claims (15)
1.一种用于探测由辐射源(2)发射的光子并且能够调整弹道亏损的探测设备(6)，所述探测设备(6)包括
前置放大单元(11)，其适于将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号，以及
整形单元(60)，其适于将所述电信号转换成电脉冲，其中，所述整形单元(60)包括反馈放电单元(13、I)，其中，所述反馈放电单元(13、I)的参数是能够调整的，
其中，所述探测设备(6)还包括反馈放电控制单元(50)，所述反馈放电控制单元被耦合到所述反馈放电单元(13、I)，其中，所述反馈放电控制单元(50)适于如果所述电脉冲未超过至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则调整所述反馈放电单元(13、I)的所述参数，
其中，所述反馈放电控制单元(50)适于如果所述电脉冲超过所述至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则不调整所述反馈放电单元(13、I)的所述参数。
2.根据权利要求1所述的探测设备(6)，其中，所述反馈放电单元(13)包括反馈电阻器(13)，其中，所述反馈放电控制单元(50)适于根据所述电脉冲来调整所述反馈电阻器(13)的电阻。
3.根据权利要求1所述的探测设备(6)，其中，所述反馈放电单元(13)包括反馈电流源(I)，其中，所述反馈放电控制单元(50)适于根据所述电脉冲来调整由所述反馈电流源(I)生成的电流。
4.根据权利要求1所述的探测设备(6)，其中，所述探测设备(6)还包括能量确定单元(30)，所述能量确定单元用于根据所述电脉冲来确定探测到的光子的能量。
5.根据权利要求4所述的探测设备(6)，其中，所述能量确定单元(30)适于通过将所述电脉冲与所述一个或多个能量比较值(X1、X2、…、XN)进行比较来确定探测到的光子的所述能量。
6.根据权利要求4所述的探测设备(6)，其中，所述能量确定单元(30)包括一个或多个比较器。
7.根据权利要求2所述的探测设备(6)，其中，所述探测设备(6)还包括能量确定单元(30)，所述能量确定单元用于根据所述电脉冲来确定探测到的光子的所述能量，其中，所述能量确定单元(30)适于通过将所述电脉冲与一个或多个能量比较值(X1、X2、…、XN)进行比较来确定探测到的光子的所述能量，并且其中，所述反馈放电控制单元(50)适于，如果所述电脉冲小于所述一个或多个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则增加所述反馈电阻器(13)的所述电阻。
8.根据权利要求4所述的探测设备(6)，其中，所述反馈放电控制单元(50)被耦合到所述能量确定单元(30)，使得所述反馈放电控制单元(50)被配置为接收至少一个逻辑信号。
9.根据权利要求2所述的探测设备(6)，其中，在启动时，所述反馈放电控制单元(50)适于引起所述反馈电阻器(13)的所述电阻以假定预定初始值。
10.根据权利要求1所述的探测设备(6)，其中，所述前置放大单元(11)包括电荷敏感放大器。
11.根据权利要求2所述的探测设备(6)，其中，所述反馈电阻器(13)被连接到所述整形单元(60)的输入端(121)和所述整形单元(60)的输出端(122)。
12.一种能够调整弹道亏损的***，所述***包括
根据权利要求1所述的探测设备(6)，以及
辐射源(2)，其辐射预定能量的光子。
13.根据权利要求12所述的***，其中，所述探测设备(6)还包括能量确定单元(30)，所述能量确定单元用于根据所述电脉冲来确定探测到的光子的所述能量，
其中，所述能量确定单元(30)包括具有相应阈值(X1、X2、…、XN)的一个或多个比较器，
其中，在启动时，所述一个或多个比较器的第一比较器的第一阈值(X1、X2、…、XN)被设置为对应于所述光子的所述预定能量的值。
14.一种用于通过探测设备(6)探测由辐射源(2)发射的光子的探测方法(450)，所述探测方法(450)能够调整弹道亏损并且包括：
提供(400)前置放大单元(11)，所述前置放大单元适于将由光子生成的电荷脉冲转换成电信号，
提供(410)整形单元(60)，所述整形单元适于将所述电信号转换成电脉冲，其中，所述整形单元(60)包括反馈放电单元(13、I)，其中，所述反馈放电单元(13、I)的参数是能够调整的，
如果所述电脉冲未超过至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则调整(420)所述反馈放电单元(13)的所述参数，以及
如果所述电脉冲超过所述至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则维持所述反馈放电单元(13)的所述参数。
15.一种能够调整弹道亏损的校准方法(500)，所述校准方法(500)包括：
由辐射源(2)发射(510)预定能量的光子，
通过根据权利要求14所述的探测方法，探测由所述辐射源(2)发射的光子，
其中，调整(420)所述反馈放电单元(13、I)的所述参数包括：将所述电脉冲与至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)进行比较(520)，并且，如果所述电脉冲不超过所述至少一个能量比较值(X1、X2、…、XN)，则增加(540)反馈电阻器(13)的电阻和/或增加电流源(I)的电流值。
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