CN108885273A - 具有整体像素边界的纳米材料成像探测器 - Google Patents

具有整体像素边界的纳米材料成像探测器 Download PDF

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Abstract

一种成像***(100)的辐射探测器阵列(112)包括多个探测器模块(114)，所述多个探测器模块中的每个包括多个探测器像素(116)，所述多个探测器像素中的每个包括整体像素边界(202、204、206、208)和所述整体像素边界内的直接转换活跃区。一种方法包括：利用包括整体像素边界的纳米材料探测器像素来接收辐射；利用所述探测器像素来生成指示接收到的辐射的能量的信号，同时降低像素信号串扰；并且重建所述信号以构建图像。一种成像***(100)包括：X射线辐射的源，其被配置为发射穿过检查区域的X射线辐射；纳米材料成像探测器，其具有整体像素边界，其中，所述纳米材料成像探测器被配置为探测X射线辐射；以及重建器，其被配置为重建所述纳米材料成像探测器的输出以产生CT图像。

Description

具有整体像素边界的纳米材料成像探测器
技术领域
下文总体涉及成像探测器，并且更具体地涉及具有整体像素边界的纳米材料成像探测器，并且将具体针对计算机断层摄影(CT)的应用进行描述；然而，下文也适用于其他成像模态，例如，X射线、正电子发射断层摄影(PET)、CT/PET、CT/MR(磁共振)、PET/MR和/或被配置探测一个或多个能量带中的辐射并将探测到的辐射直接转换为指示该辐射的电信号的其他成像***(包括诊断、安全、非破坏性等的成像***)。
背景技术
直接转换谱(多能量)CT探测器包括诸如碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CZT)、硅(Si)等的直接转换材料。直接转换材料将入射在其上的X射线光子直接转换成电流或脉冲。这与诸如基于闪烁体/光电二极管的探测器的间接转换CT探测器形成对比，在所述直接转换CT探测器中，闪烁体将这样的X射线光子转换为可见光子，并且光电二极管将可见光子转换为电流或脉冲。
诸如量子点的技术结合多孔硅被应用于直接转换探测器。目标是得到一种费用较低的谱CT探测器，其具有改善的辐射阻止能力和对响应进行定制以使得能够同时实现改善的探测效率(DE)和分辨率。然而，这样的探测器容易受到串扰的影响，所述串扰通常是指在一个或多个像素中生成的信号穿入到另一像素中，这会造成所有涉及的像素的信号测量误差。
遗憾的是，这样的串扰会导致重建CT图像中的可见伪影和/或降低的空间分辨率。预期针对串扰的软件和/或硬件校正来解决这些性能缺陷。然而，高的脉冲速率会在校正中引起误差，并且基于硬件的校正容易受到像素之间的阈值差异的影响，这会产生电荷的不正确的加和。鉴于至少上述内容，需要另一探测器配置。
发明内容
本申请的各方面解决了上述问题和其他问题。
根据一个方面，一种成像***的辐射探测器阵列包括多个探测器模块。所述多个探测器模块中的每个包括多个探测器像素。所述多个探测器像素中的每个包括整体像素边界和所述整体像素边界内的直接转换活跃区。
在另一方面中，一种方法包括利用包括整体像素边界的纳米材料探测器像素来接收辐射。所述方法还包括利用探测器像素来生成指示接收到的辐射的能量的信号。所述方法还包括重建所述信号以构建图像。
在另一方面种，一种成像***包括被配置为发射穿过检查区域的X射线辐射的X射线辐射的源。所述成像***还包括具有整体像素边界的纳米材料成像探测器。所述纳米材料成像探测器被配置为探测X射线辐射。所述成像***还包括重建器，所述重建器被配置为重建所述纳米材料成像探测器的输出以产生CT图像。
本领域普通技术人员在阅读和理解了以下详细描述之后，将理解本发明的其他方面。
附图说明
本发明可以采用各种部件和各部件的布置，以及各个步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。
图1图解性地图示了具有带有整体像素边界的纳米成像探测器的范例成像***。
图2图解性地图示了具有整体像素边界的纳米材料成像探测器的探测器模块的顶视图。
图3图解性地图示了具有整体像素边界的纳米材料成像探测器的探测器模块的截面图。
图4图示了根据本文中的实施例的范例方法。
具体实施方式
图1图解性地图示了诸如计算机断层摄影(CT)***的范例成像***100。
成像***100包括固定机架102和旋转机架104，旋转机架104由固定机架102可旋转地支撑。旋转机架104关于纵轴或z轴108绕检查区域106旋转。辐射源110(例如，X射线管)由旋转机架104支撑，与其一起旋转，并且生成并发射多能量/多色辐射。
辐射敏感探测器阵列112包括沿着z轴108方向相对于彼此布置的一行或多行探测器模块114。每个模块114包括探测器像素116的阵列和辐射接收表面118。每个探测器像素116被配置为探测穿过检查区域106并撞击在辐射接收表面118上的X射线光子120。每个探测器像素116包括直接转换材料112，直接转换材料112被配置为将X射线辐射直接转换为电信号或脉冲或具有指示其能量的峰值幅度的脉冲。
如在下文中更加详细地描述的，直接转换材料122包括：第一材料，其具有从辐射接收表面118朝相对侧124延伸的多个列，所述相对侧124与所述辐射接收表面118相对；不同的第二(纳米)材料，其被设置在像素116的内部列中；以及第三(纳米)材料，其与第一材料和第二材料不同，所述第三(纳米)材料被设置为在像素116的列中围绕内部列，其中，所述第一材料和所述第二材料相互作用以产生电子-空穴对，并且所述第三材料提供针对像素116的整体像素边界或界限。所述第一材料和所述第二材料的相互作用将接收到的X射线辐射(经由生成电子-空穴对)直接转换为电信号或脉冲，其能够利用例如被包含在专用集成电路(ASIC)中的合适的电子器件来直接读取。所述第三材料(即，像素边界)降低了像素116之间的电串扰。相对于其他类型的间接转换探测器和直接转换探测器，这种材料配置还能够改善几何效率。
预处理器126包括能量分辨器，所述能量分辨器被配置为通过例如一个或多个比较器对来自每个探测器像素116的信号或脉冲进行能量分辨，每个比较器具有不同的能量阈值，所述能量阈值对应于感兴趣的能量。预处理器126还包括计数器，所述计数器基于能量分辨器的输出来对每个阈值增加计数值。预处理器126还包括分箱器，所述分箱器基于所述计数将信号以及因此探测到的辐射能量分箱到两个或更多个能量分箱中，其中，能量分箱涵盖能量窗口。
重建器128被配置为选择性地重建探测到的信号。在一个实例中，重建器128重建针对特定能量范围的信号。例如，重建器128能够重建在20 keV至140 keV的诊断范围中的一个或多个能量或能量范围的信号。在另一实例中，重建器128对所有分箱的信号进行组合并重建组合信号以生成在发射辐射的能量谱上的常规图像。
操作者控制台130包括人类可读输出设备(例如，监视器或显示器)和输入设备(例如，键盘和鼠标)。驻留在控制台130上的软件允许操作者经由图形用户接口(GUI)或以其他方式与***100交互。这种交互可以包括选择扫描的类型，选择成像协议，初始化扫描等。
诸如卧榻的对象支撑体132将人类或动物患者或物体支撑在检查区域106中。对象支撑体132能随着扫描协同移动，以便相对于检查区域106引导对象或物体以执行对对象或物体的扫描。
在其他实施例中，成像***100包括X射线、PET、CT/PET、CT/MR、PET/MR等成像***。将意识到，根据特定的成像***来利用合适的材料将(一个或多个)期望的能量的辐射光子转换为信号或脉冲。
图2和图3一起图解性地图示了探测器模块114的子部分的范例。图2图解性地图示了向探测器模块114的辐射接收表面118看的顶视图，并且图3图解性地图示了沿着图2的线A-A的图2的单个探测器像素116的截面图。
在图2中，探测器模块114包括探测器像素116的二维(2D)矩阵，包括像素1161,1、…、1161,N、…、116M,1、…、116M,N。探测器像素1161,1包括侧面202、204、206和208。图3示出了从侧面202、204、206和208中的一个的视图，并且还示出了辐射接收表面118和相对侧124。
像素1161,1包括在第一材料212中的多个列210。在200处的放大视图中，每个列210被表示为圆圈。“白色”列表示填充有第二材料的列210。“黑色”列表示填充有第三材料的列210。第一材料被示为“灰色”。圆圈形状并不是限制。在本文中也预想到诸如椭圆形、正方形、矩形、八边形、六边形、不规则形状等的其他形状。
如本文所讨论的，“白色”列与“黑色”列内的第一材料212的组合经由它们之间的得到电子-空穴对的相互作用来提供直接转换材料122。“黑色”列提供针对像素1161,1的整体像素边界(或侧面202-28)。该边界是整体的，这是因为该边界是像素1161,1的部分且本身在像素1161,1中；即，直接转换材料122的特定列210被填充有第三材料。
图3示出了在300处的沿着A-A的并不都具有相同长度的“白色”列210。例如，列210开始于辐射接收表面118。然而，不同的列结束于第一“灰色”材料212中的不同深度，其中，第三列和第四列210结束于相同的深度。在其他实施例中，所有列都具有相同的长度，没有列具有同的长度，并且/或者超过两列具有相同的长度。长度变化取决于用于创建列的pSi制造技术。
在下面提供了特定的但非限制性的范例。
在该范例中，第一材料包括多孔硅(pSi)，第二材料包括硫化铅(PbS)，并且第三材料包括铅(Pb)(或钛(Ti)或其他材料)。列的直径能够在几十纳米(nm)的量级上，并且深度能够在300微米(μm)的量级上。对于PbS，约300微米的深度产生了足够的阻止能力以有效地直接转换CT X射线光子。应当理解，这些材料和/或尺寸仅是范例性的，并且能够被改变以提供针对各种成像应用的期望的结果。这样的结果包括使用被分割的传导性像素边界来允许收集一个侧面上的电荷，以及使用能够制成不是电荷收集过程的部分的像素界限的封装的绝缘材料。也预想到这些像素可以足够小以被认为是取决于应用所要求的X射线通量的较大像素的子像素。
标准pSi制造技术(例如，阳极和/或其他Si的蚀刻)能够产生针对QD的足够直径的和针对引起转换效率的所要求的辐射阻止能力的深度的列210。第二材料包括以量子点(QD)等形式的微观(纳米材料)封装的PbS，其适配到列中以将它们填充到期望深度。第三材料包括以量子点(QD)等形式微观(纳米材料)封装的Pb，其同样适配到列中以将它们填充到期望深度。
能够通过掩模来***PbS QD和/或Pb QD。例如，第一掩模能够用于掩蔽特定列，使得其他列能够被填充有PbS QD(或Pb QD)。然后，第二掩模能够用于掩蔽经填充的列，使得剩下的未填充的列能够被填充有Pb QD(或PbS QD)。能够移除任何过量的PbS QD和/或PbQD。在本文中也预期其他方法。
PbS QD的列组成像素116的列210的主要部分，并且表示活跃区。Pb QD的列组成像素116的整体边界。该边界可以包括多个列(如图2所示)，作为串扰设计与几何效率并且考虑探测器分辨率的折衷。这种像素边界材料的特定的非限制性选择还能够使从像素内逃脱到邻近的像素的X射线散射最小化，因此消除了串扰的另一潜在原因。能够用氧化物或其他合适的材料将边界列与Si隔离，并且能够经由金属化方法将边界列在一个或多个点处进行连接。用于pSi Qd的制造方法也能够用于像素边界。
在2014年9月23日提交的标题为“Encapsulated materials in porousparticles”的EP 14186022.1中描述了具有嵌入其中的闪烁材料的量子点的封装材料的范例，通过引用将其整体并入本文。在2015年8月7日提交的标题为“QUANTUM DOT BASEDIMAGING DETECTOR”的申请s/n62/202397中描述了量子点探测器的范例，通过引用将其整体并入本文。
图4图示了利用探测器阵列112进行成像。
将意识到，以下动作的顺序是出于解释目的，而非进行限制。这样，在本文中也预期其他顺序。另外，可以省略动作中的一个或多个，并且/或者可以包括一个或多个其他动作。
在402处，由X射线管生成X射线辐射。
在404处，X射线辐射被发射并穿过检查场。
在406处，探测器阵列112探测穿过检查视场的透射辐射。如本文中所描述的，探测器阵列112包括具有带有整体像素边界的纳米材料探测器像素116的探测器模块114。
在408处，生成指示探测到的X射线辐射的能量的电信号或脉冲。
在410处，处理电信号或脉冲以生成检查视场的谱图像或非谱图像，检查视场包括在其中的患者的部分。
本文已经参考各种实施例描述了本发明。他人在阅读本文中的描述的情况下可以想到修改和替代。本文旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围内。

Claims (20)

1.一种成像***(100)的辐射探测器阵列(112)，包括：
多个探测器模块(114)，所述多个探测器模块中的每个包括：
多个探测器像素(116)，所述多个探测器像素中的每个包括：
整体像素边界(202、204、206、208)；以及
直接转换活跃区，其在所述整体像素边界内。
2.根据权利要求1所述的辐射探测***，其中，所述多个探测器像素中的每个还包括：
第一材料，其具有在所述第一材料中的多个列(210)；以及
第一纳米材料，其被设置在所述多个列的第一子集中。
3.根据权利要求2所述的辐射探测***，其中，所述多个列的不同的第一子集中的所述第一纳米材料是所述整体像素边界。
4.根据权利要求2至3中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述第一纳米材料包括量子点。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述第一纳米材料包括封装的铅或钛。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述多个探测器像素中的每个还包括：
第二纳米材料，其被设置在所述多个列的不同的第二子集中。
7.根据权利要求6所述的辐射探测***，其中，所述多个列的所述不同的第二子集中的所述第二纳米材料是所述整体像素边界内的所述直接转换活跃区。
8.根据权利要求6至7中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述第二纳米材料包括量子点。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述第二纳米材料封装了硫化铅。
10.根据权利要求2至9中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述多个列具有几十纳米的量级的直径。
11.根据权利要求2至10中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述多个列具有三百微米的量级的长度。
12.根据权利要求11所述的辐射探测***，其中，所述多个列具有相同的长度。
13.根据权利要求11所述的辐射探测***，其中，所述多个列中的至少两个具有不同的长度，并且每个不同的长度对应于不同的光子能量。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述整体像素边界与所述直接转换活跃区电隔离，并且经由金属化方法在一个或多个点处进行电连接。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的辐射探测***，其中，所述多个像素中的至少一个像素包括子像素，所述子像素包括具有所述多个列的所述第一材料，其中，所述第一纳米材料被设置在所述多个列中。
16.一种方法，包括：
利用包括整体像素边界的纳米材料探测器像素来接收辐射；
利用所述探测器像素来生成指示接收到的辐射的能量的信号；并且
重建所述信号以构建图像。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述探测器像素包括第一材料内的列的第一集合，并且所述方法还包括：利用列的所述第一集合中的第一纳米材料内来对穿过列的所述第一集合的辐射进行衰减。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述探测器像素包括在所述第一材料内的并且由列的所述第一集合所包围的列的第二集合，并且所述方法还包括：通过列的所述第二集合中的第二纳米材料与所述第一材料的相互作用来将穿过列的所述第二集合的辐射转换为电信号或脉冲。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
利用列的所述第二集合的列中的一个来生成指示第一光子的第一能量的第一信号；并且
利用列的所述第二集合的列中的另一个来生成指示第二光子的第二能量的第二信号，其中，所述第一能量和所述第二能量是不同的能量。
20.一种计算机断层摄影成像***(100)，包括：
X射线辐射的源，其被配置为发射穿过检查区域的X射线辐射；
纳米材料成像探测器，其具有整体像素边界，其中，所述纳米材料成像探测器被配置为探测穿过检查区域的X射线辐射；以及
重建器，其被配置为重建所述纳米材料成像探测器的输出，以产生所述检查区域的CT图像。
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