CN113711084A - 具有采样的区分器的电荷共享补偿 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光子计数。具体而言，提供了光子计数数据采集模块。所述光子计数数据采集模块包括信号输入单元和一个或多个数据采集通道，每个通道适于将从所述信号输入单元接收的脉冲的至少一个队列转换为计数器信号。每个数据采集通道包括脉冲最大值识别器和包括区分器和计数器的区分器/计数器对。所述脉冲最大值识别器被配置为识别接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值。所述区分器被配置为通过检测到接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值而被触发，将所述脉冲与至少一个信号阈值进行比较以生成计数器信号。替代地，所述计数器被配置为响应于检测到脉冲的最大值而被启用以生成计数器信号。
Description
技术领域
本发明涉及光子计数。具体而言，本发明涉及光子计数数据采集模块、像素化光子计数探测器、用于光子计数的方法以及计算机程序单元和计算机可读介质。
背景技术
能够区分光子能量(例如，X射线光子能量)的光子计数探测器在过去几十年中已经被开发用于各种应用，例如医学成像和材料科学。光子计数探测器以基于单个事件的脉冲模式运行，意味着理论上在探测材料内发生的每个相互作用都可以被单独处理和记录。
已经开发了光子计数数据采集模块以将光子的能量转换为指示具有阈值以上能量的光子数量的计数信号。例如，US 2018/0329086 A1描述了一种用于X射线探测器的读出专用集成电路(ASIC)形式的光子计数数据采集模块，其中像素使用反电荷共享网格进行聚类。
在光子计数中，两个或更多个几乎同时入射的光子可以被视为具有更高能量的单个事件，不仅导致死区时间损失，还导致记录的脉冲高度谱的失真。由于堆积效应和死时间损失，随着光子通量的增加，检测到的光子速率和入射光子速率之间的线性逐渐缺乏。如果死区时间因在其死区时间内到达的随后事件而延长，则观察到的计数率和事件计数率之间可能存在不明确性。这种计数率性能也称为可瘫痪。
WO 2008/146230A2描述了一种包括辐射探测器和信号调节电路的光子率计数器。光子率计数器产生指示探测器接收到的光子总数的计数值。一个或多个光子计数器产生指示具有不同能量特性的光子的计数值。计数器忽略堆积的脉冲。
WO 2016/096622 A1涉及一种用于探测电离辐射的探测器，包括用于响应入射电离辐射产生电荷载流子的直接转换半导体层和与像素对应的多个电极，用于记录电离辐射并生成对应于已记录的电荷载体的信号，其中，多个电极中的一个电极被构造为与至少两个相邻电极二维地交织以通过所述电极和至少一个相邻电极来记录电荷载流子。
发明内容
可能需要提供不可瘫痪的光子计数数据采集设备。
本发明的目的通过独立权利要求的主题来解决，其中，在从属权利要求中并入了另外的实施例。应当注意，本发明的以下描述的方面也适用于光子计数数据采集模块、像素化光子计数探测器、光子计数方法以及计算机程序单元和计算机可读介质。
本发明的第一方面涉及光子计数数据采集模块。所述光子计数数据采集模块包括信号输入单元和一个或多个数据采集通道，每个通道适于将从所述信号输入单元接收的脉冲的至少一个队列转换为计数器信号。每个数据采集通道包括脉冲最大值识别器和包括区分器和计数器的区分器/计数器对。所述脉冲最大值识别器被配置为识别接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值。所述区分器被配置为通过检测到接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值而被触发，将所述脉冲与至少一个信号阈值进行比较以生成计数器信号。替代地，所述计数器被配置为响应于检测到接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值而被启用以生成所述计数器信号。
由于区分器/计数器对仅被允许在离散的时间间隔内评估信号，因此在观察到的计数率随输入计数率单调增加的意义上，所述***固有地是不可瘫痪的。在一个示例中，区分器可以是时间离散区分器，其可以通过检测到一个脉冲的最大值而触发，以将所述脉冲与至少一个信号阈值进行比较。替代地，所述区分器可以是时间连续的，但只有在启用时才允许对相关联的计数器进行递增。换句话说，区分器正常工作，并且时间离散的分量是通过数字启用/禁用计数功能来完成的。特别地，如果检测到局部最大值(例如在堆积期间)，则将再次检测下一个局部最大值，并评估区分器。因此，在大量堆积的情况下增加计数器由对局部最大值的检测控制。输出计数率可能有一些随机化，并且可以规避多能量情况的问题。不可瘫痪的计数率行为可以被认为是有利的，没有如在可瘫痪的情况下观察到的计数率和事件计数率之间的不明确性。
光子计数数据采集模块可以被连接到各种光电探测器，包括但不限于光电倍增管、盖革计数器、单光子雪崩二极管、超导纳米线单光子探测器、转换沿传感器、电荷耦合器件或闪烁计数器。针对于不同的应用(如化学分析、医学成像和激光测量)可以覆盖各种光谱范围，从近红外和紫外波长到高能量区域，如X射线和伽马射线。光子计数数据采集模块可以是或包括执行一个或多个软件或固件程序的ASIC、电子电路、处理器和/或存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适的部件。例如，光子计数数据采集模块可以是用于光子计数计算机断层摄影(CT)探测器的读出ASIC。
脉冲最大值识别器可以包括在微分器之前的过零阈值。图4图示了脉冲最大值识别器的一种可能实现方式。
区分器可包括一个或多个比较器。每个比较器将所述脉冲的幅值与对应于一个或多个不同能量范围的一个或多个预定能量阈值进行比较。这可以通过检测到接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值来触发。替代地，计数器可以响应于检测到脉冲的最大值而被启用。因此，仅当脉冲的队列形式的输入信号达到局部最大值时才评估每个比较器的输入。好处可能是由此产生的不可瘫痪的计数率行为。比较器可以分别产生指示探测到的光子事件的能量是高于还是低于阈值的输出信号。对于每个能量范围，计数器基于比较器输出信号来对落在能量范围内的脉冲的数量进行计数。
根据本发明的实施例，每个数据采集通道适于连接到像素化光子计数探测器的像素以接收指示入射在所述像素上的光子能量的脉冲的队列，或者连接到像素化光子计数探测器的子像素的聚类以接收脉冲的多个队列，每个的队列指示入射在聚类的相应的子像素上的光子的能量。
像素化光子计数探测器可以是用于例如X射线、伽马射线或荧光成像的探测器。在一个示例中，光子计数数据采集模块可以连接到没有子像素化的像素化探测器，例如飞利浦专有的ChromAIX2，其像素间距约为500μm。在另一个示例中，光子计数数据采集模块可以连接到具有子像素化的像素化探测器。在这种情况下，每个数据采集通道可以链接到模拟前端，用于处理子像素并实现电荷共享校正，如将在下文中解释，并且特别是关于图3中的示例性实施例所解释。
根据本发明的第一方面，从信号输入单元接收的脉冲的至少一个队列包括脉冲的第一队列和脉冲的第二队列。所述数据采集通道还包括选择逻辑。所述脉冲最大值识别器被配置为识别脉冲的所述第一队列中的第一脉冲和脉冲的所述第二队列中的第二脉冲的最大值。所述选择逻辑被配置为确定所述第一脉冲和所述第二脉冲的最大值是否在符合窗口内并使得所述区分器能够在所述第一脉冲和所述第二脉冲不在所述符合窗口内的情况下直接评估脉冲的所述第一队列中的所述第一脉冲或脉冲的所述第二队列中的所述第二脉冲，或者在所述第一脉冲和所述第二脉冲在符合窗口内的情况下，评估所述第一脉冲和所述第二脉冲之和。
脉冲的所述至少一个队列还可以包括脉冲的第三队列、脉冲的第四队列等。换言之，以下讨论也可扩展到脉冲的大量队列。选择逻辑可确定给定事件，即指示入射在一个或多个子像素上的能量的脉冲，是否限于单个子像素或跨一个或多个相邻像素共享的电荷。阈值的输入，即能量区分器，取决于决策。也就是说，对于每个单个光子，进行是将整形器直接馈送到区分器还是从连续可用的整形器求和模式中取得信号的决策。
这可以允许电荷共享补偿，同时避免计数率性能和谱性能的劣化。这对于较小的像素可能是有益的，其一方面放宽了对光子计数通道的严格要求，另一方面可能因需要校正电荷共享而受到严重损害。使用飞行中符合检测和时间离散区分器电路或时间离散计数器可以促进针对使用较小像素的路径，同时保留计数率和谱性能。
根据本发明的实施例，选择逻辑包括i)符合探测器，ii)开关控件，以及iii)阈值采样控制。所述符合探测器被配置为评估脉冲最大值识别器的输出的状态并确定脉冲的第一队列中的第一脉冲、脉冲的第二队列中的第二脉冲、或所述第一脉冲和所述第二脉冲两者是否在所述符合窗口内；所述开关控件被配置为基于对所述符合探测器的评估和确定来确定是否将所述第一脉冲、所述第二脉冲或所述第一和所述第二脉冲之和馈通到所述区分器的输入部。所述阈值采样控制被配置为评估所述脉冲最大值识别器的输出状态，并且基于所评估的状态来触发所述区分器以执行比较。
所述符合探测器可以表示对多个输入的逻辑响应。所述符合探测器的示例包括但不限于真值表、组合逻辑和状态机。这将在下文特别是关于图3进行解释。
根据本发明的实施例，所述数据采集通道还包括加法器，所述加法器被配置为将脉冲的第一和第二队列相加。
所述加法器可以是模拟加法器。这可以用放大器来完成，例如在电压域中或在电流域中。在一个示例中，信号被连续地累加到单个节点中。在另一示例中，例如对于大量像素或子像素，仅添加实际上正在处理整形脉冲的像素或子像素可能是有利的。
根据本发明的一个实施例，所述数据采集通道还包括多路复用器，其适于在一段时间内以多路复用的方式将脉冲的第一队列、脉冲的第二队列以及脉冲的第一队列和第二队列之和转发到区分器。
换言之，阈值***，即能量区分器，可以跨所有例如子像素时间复用。因此，聚类内的子像素共享一组能量阈值，即能量区分器。
根据本发明的实施例，区分器/计数器对还包括电荷共享计数器，适于通过在符合窗口内检测到第一脉冲和第二脉冲的最大值而被触发以增加值。
所述电荷共享计数器还可以在确定堆积校正中是有益的。
本发明的第二方面涉及像素化光子计数探测器。像素化光子计数探测器包括像素的阵列和光子计数数据采集设备，如上文和下文所述。所述光子计数数据采集设备的每个数据采集通道被配置为接收指示入射在像素化光子计数探测器的相应像素上的光子能量的脉冲的队列。
如上所述，像素化光子计数探测器可以表现出不可瘫痪的计数率行为，这可能是有利的，因为没有在可瘫痪的情况下观察到的计数率和入射计数率之间的不明确性。
根据本发明的一个实施例，所述像素是子像素的聚类。每个数据采集通道被配置为接收多个脉冲队列，每个脉冲队列指示入射在所述聚类的相应子像素上的光子的能量。
如上所述，这可能有助于使用较小的像素来放宽光子计数通道的严格要求，同时保留计数率和谱性能。
根据本发明的一个实施例，像素化光子计数探测器为X射线探测器、伽马射线探测器和荧光探测器中的至少一种。
本发明的第三方面涉及一种用于光子计数的方法。所述方法包括利用脉冲最大值识别器来识别接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值，并通过检测到接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值来触发区分器，以将脉冲与至少一个信号阈值进行比较。替代地，所述计数器响应于检测到接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲的最大值而被启用以生成所述计数器信号。
根据本发明的第三方面，所述接收到的脉冲的所述至少一个队列包括脉冲的第一队列和脉冲的第二队列。所述方法还包括：识别脉冲的第一队列中的第一脉冲和脉冲的第二队列中的第二脉冲的最大值，确定所述第一脉冲和所述第二脉冲的最大值是否在符合窗口内，并且基于确定结果来评估脉冲的第一队列中的第一脉冲、脉冲的第二队列中的第二脉冲、或所述第一脉冲与所述第二脉冲之和。
根据本发明的一个实施例，所述接收到的脉冲的所述至少一个队列指示入射在像素化光子计数探测器的相应像素或相应子像素的聚类上的光子的能量。
本发明的第四方面涉及一种用于控制上述和以下描述的光子计数数据采集模块的计算机程序单元或计算机程序产品，其在由处理单元执行时适于执行以上和以下所描述的方法的步骤。
本发明的第五方面涉及一种存储了计算机程序产品或单元的计算机可读介质。
参考下文所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并将得以阐述。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明的示范性实施例：
图1示意性地示出了根据本公开的一些实施例的作为像素化光子计数探测器的部分的光子计数数据采集模块。
图2示意性地示出了根据本公开的一些实施例的子像素的3×3聚类。
图3示意性地示出了根据本公开的一些实施例的数据采集通道。
图4示意性地示出了根据本公开的一些实施例的脉冲最大值识别器。
图5示意性地示出了根据本公开的一些实施例的区分器。
图6A-6D示意性地示出了表示根据本公开的一些实施例的区分器的两个单个事件的两个脉冲和对应的输出。
图7A-7D示意性地示出了表示根据本公开的一些实施例的区分器的电荷共享的事件的两个脉冲和对应的输出。
图8A-8D示意性地示出了表示根据本公开的一些实施例的单个和电荷共享事件的混合的脉冲的两个队列以及区分器的对应输出。
图9示意性地示出了根据本公开的一些实施例的电荷共享对管谱和校正的影响。
图10示意性地示出了根据本公开的一些实施例的堆积曲线。
图11示意性地示出了根据本公开的一些实施例的用于生成对象的图像的成像***。
图12示意性地示出了图示根据本公开的一些实施例的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的一些实施例的光子计数数据采集模块10，在该实施例中，作为像素化光子计数探测器的部分。光子计数数据采集模块可以是或包括执行一个或多个软件或固件程序的ASIC、电子电路、处理器和/或存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适的部件。
光子计数数据采集模块10包括信号输入单元12、一个或，在该实施例中为多个数据采集通道14a、14b、14c，在本文中也统称为数据采集通道14，以及信号输出单元16。信号输入单元12可以包括一个或多个信号输入(未示出)，每个都适于接收脉冲的队列。为简单起见，图1中仅示出了三个数据采集通道14a、14b、14c。以下讨论也可扩展到大量数据采集通道。每个数据采集通道14适用于将至少一列脉冲18(例如图18a、18b中图示的脉冲的两个队列，从信号输入单元12接收)转换为到计数器信号。信号输出单元16适于输出计数器信号。每个数据采集通道14包括脉冲最大识别器20a、20b、20c，这里也统称为脉冲最大识别器20，以及区分器/计数器对22a、22b、22c，包括区分器23(见图5)和计数器25(见图5)，这里也统称为区分器/计数器对22。
任选地，每个数据采集通道14还可以包括模拟预处理链19a、19b、19c，这里也统称为模拟预处理链19。模拟预处理链19被配置为放大和过滤脉冲的至少一个队列18。模拟预处理链19可以包括一个或多个电荷感测放大器(CSA)和一个或多个脉冲整形器。
脉冲最大值识别器20被配置为在至少一个接收的脉冲的队列18中识别脉冲24的最大值，例如图6A和图7A中所示的脉冲24a、24b。脉冲最大值识别器20可以包括在微分器之前的过零阈值。图4图示了一种可能的实现方式。
区分器23被配置为通过在接收到的脉冲的所述至少一个队列18中检测到脉冲24的最大值而被触发，以将所述脉冲24与至少一个信号阈值进行比较来生成计数器信号。如图5所示，区分器23可以包括一个或多个比较器27，每个比较器27将脉冲24的幅值与对应于一个或多个不同能量范围的一个或多个预定能量阈值进行比较。
计数器25基于比较器输出信号来针对对每个能量范围对落在能量范围内的脉冲的数量进行计数。计数器25可响应于检测到脉冲24的最大值而被启用以生成计数器信号；也就是说，区分器本身可以是时间连续的，但只有在启用时才允许增加相关的计数器。
像素化光子计数探测器100包括像素阵列110a、110b、110c，也统称为像素110。为简单起见，图1中仅示出了三个像素。每个数据采集通道14a、14b、14c可以适于连接到像素化光子计数探测器100的相应像素110a、110b、110c以接收指示入射在像素化光子计数探测器100的相应像素110a、110b、110c上的光子能量的脉冲的队列18。
例如，像素化光子计数探测器100可以是基于半导体的光子计数探测器，其包括两个核心部件：半导体材料，例如Si、CdTe或CZT，具有两个电极，以及读出ASIC形式的光子计数模块10。当入射X射线光子在半导体材料内相互作用时，产生电荷，即电子-空穴对，其数量与入射光子的沉积能量成正比，并在外部应用的电场影响下分别向单片且像素化的电极漂移。在电子-空穴对的漂移过程中，生成瞬态电流，然后由每个连接的数据采集通道14通过一个任选的模拟预处理链19进行处理，包括如图2所示的一个或多个电荷敏感前置放大器(未显示)和一个或多个脉冲整形器，以及如图5所示的具有多对电压脉冲高度比较器和数字计数器的脉冲最大值识别器20和区分器23。
在一些应用中，可以实现子像素化技术。例如，US 2008/0329086 A1描述了使用抗散射网格来对像素进行聚类。图2示出了表示像素110的子像素120N,M的概念性3×3聚类，其中N和M是正整数。如图2中所示，可以在每个子像素120N，M的输出处在任选的模拟预处理链19的整形器(例如，滤波器)中调整脉冲形状。每个数据采集通道14适于被连接到所述像素化的光子计数探测器100的子像素120N，M，以接收脉冲的多个队列18，每个指示在入射在聚类的的各个子像素120N,M上的光子的能量。
在一些情况下，需要注意的是，光子计数数据采集模块的谱性能可能会受到所谓的电荷共享效应的限制，其中由单个光子引起的电荷在相邻子像素之间共享。电荷共享效应在光子计数探测器中几乎是不可避免的，因为辐射半导体是电学地像素化的，而不是物理地像素化的。对于小的像素，尤其是小于0.5mm的像素，电荷共享效应更为明显。
图3示出了根据本公开的一些实施例的适于提供电荷共享补偿的数据采集通道14。为简单起见，仅示出了两个子像素，即子像素1201,1和子像素1201,2表示子像素的1×2聚类。注意，下文描述的讨论和模型可扩展到大量子像素。除了噪声和数字复杂性之外，没有其他限制。
因此，从信号输入单元接收的脉冲的至少一个队列18包括脉冲的第一队列18a和脉冲的第二队列18b，如图8A和8B中所示，每个从各自的子像素1201,1、1201,2接收。数据采集通道14还包括选择逻辑26。
在该实施例中，脉冲最大值识别器20被配置为识别脉冲的第一队列18a中的第一脉冲24a和脉冲的第二队列18b中的第二脉冲24b的最大值，这将在下文中解释并且特别是关于示例性实施例6到8解释。脉冲的第一队列和第二队列可以是子像素1201,1、1201,2的整形输出。脉冲最大值识别器20可以包括在微分器(或延迟线求和)之前的过零阈值。当脉冲达到最大值时，它的输出变为高电平，并在预定义的时间内保持高电平。它可以用作符合逻辑。它基于这样一个事实，即单个事件的子像素之间的电荷共享在性质上是瞬时的。也就是说，子像素1201,1和1201,2的信号输出单元必须同时呈现最大值。上述延迟可以建立符合窗口。由于噪声和电路容差，最小窗口由在找到最大值时的不确定性设置。脉冲最大值识别器20的可能实现方式(但是其他解决方案可能适用)在图4中示出。
回到图3，所述选择逻辑26被配置为确定所述第一脉冲24a和所述第二脉冲24b的最大值是否在符合窗口内并使得所述区分器能够在所述第一脉冲和所述第二脉冲不在所述符合窗口内的情况下直接评估脉冲的所述第一队列18a中的所述第一脉冲24a或脉冲的所述第二队列18b中的所述第二脉冲24b，或者在所述第一脉冲和所述第二脉冲在符合窗口内的情况下，评估所述第一脉冲24a和所述第二脉冲24b之和。这将在下文中并且特别是关于图6至8中的示例性实施例进行解释。换言之，选择逻辑被配置为基于飞行中符合检测来检测电荷共享事件，并在电荷共享的情况下对来自一个聚类的子像素的信号求和。如果没有检测到电荷共享事件，则来自子像素的信号直接被传输到区分器。这可以允许基于飞行中符合检测和时间离散区分器的电荷共享补偿，从而允许准确决定何时针对能量阈值评估整形器信号。
图3中示出了选择逻辑26的示例，但是可以应用其他解决方案。在该示例中，选择逻辑26包括符合探测器28、开关控件30和阈值采样控制32。
符合探测器28被配置为评估脉冲最大值识别器20的输出状态并确定脉冲的第一队列18a中的第一脉冲24a、脉冲的第二队列18b中的第二脉冲18b或所述第一脉冲和所述第二脉冲两者是否在所述符合窗口内。例如，它可以指示在符合窗口内有多少子像素同时是活跃的。例如，可以使用真值表来解码哪个子像素是活跃的，例如，[0 0]→无，[0 1]→1201,2,[1 0]→1201,1,[11]→两者。
开关控件30被配置为基于符合探测器28确定是否将第一脉冲、第二脉冲或第一和第二脉冲的和馈通到区分器/计数器对22的输入部。换句话说，它决定将哪个信号连接到区分器，即哪个子像素或两者之和。
阈值采样控制器32用于评估脉冲最大值识别器20的输出状态并基于所评估的状态来触发所述区分器23以执行比较。换句话说，阈值采样控制32监测整形脉冲的状态并且它使得区分器能够相应地评估结果。输出可能会在短时间内保持高电平，例如0.5ns、2ns或10ns，具体取决于计数率性能和通道的噪声要求。这可以在数字域中工作，即可以允许或不允许阈值计数器递增。
为了对信号求和，数据采集通道14还可以包括加法器34，其被配置为将第一和脉冲的第二队列相加。加法器34可以在模拟求和模式下工作。加法器14可以包括具有输入差分对的高带宽放大器，具有N个反相输入分支，其中N是聚类的子像素的数量。其他实现方式可以包括添加整形器电路的电流分支。
此外，数据采集通道14还可以包括多路复用器36，例如模拟多路复用器，适于以时间多路复用的方式将脉冲的所述第一队列、所述脉冲的第二队列以及脉冲的所述第一队列和所述第二队列之和转发到所述区分器。换句话说，子像素以它们共享一组能量阈值的方式聚集。这不是能量交错(staggering)，阈值***在一个聚类内的所有子像素上是时间复用的。阈值***(每个区分器)的输入取决于给定事件是限于信号子像素还跨一个或多个邻居共享的电荷的决定。也就是说，对于每个单个光子，进行是将整形器直接馈送到区分器还是从连续可用的整形器求和模式中取得信号的决策。多路复用器36可以从开关控件30取得结果并相应地将所需信号连接到区分器23。对于整体堆积要求，拥有高速多路复用器可能是有益的。如果需要，可以向所有信号添加传播延迟。
区分器/计数器对22可以包括至少一个阈值38和电荷共享计数器40。至少一个阈值38可以是传统的区分器和计数器。然而，计数器只允许在给定的时间间隔内增加它们的值，即当需要评估哪个信号的决策可用时。数字计数器中的一个简单启用位可能足以实现此功能。图7示出了示例性实现方式。电荷共享计数器40适于由检测到符合窗口内的第一脉冲和第二脉冲的最大值而被触发以增加值。换句话说，支配决策的控制信号也可以用于输出表示有多少事件已被视为电荷共享的计数值。这在确定堆积校正方面也可能被证明是有价值的。
为了说明光子计数数据采集模块10的工作原理，图6A-6D图示了不跨两个子像素共享的单个事件的模拟结果。为了模拟的目的，如图3中所示的子像素1201，1和1201，2两者提供相同的脉冲的队列，然而，相对于彼此具有时间延迟。在这种情况下，时间延迟设置为仅1ns。模拟显示了能够在很短的时间间隔内区分被认为是单个事件的脉冲的情况，允许适应非常高的计数率。
如图6A所示，两个子像素1201,1和1201,2都处理两个不相关的单个事件。指示入射在子像素1201,1上的光子能量的第一脉冲24a和指示入射在子像素1201,2上的光子能量的第二脉冲24b仅相隔1ns，两者均具有60keV能量(模拟中的0.6)。开关控件30指示第一子像素1201,1是活跃的，具有输出“1”，并且不久之后第二子像素1201,2也是活跃的，具有输出“2”。由于最大值不在0.5ns的预定义符合窗口内，开关控件不指示电荷共享的存在，具有输出“3”。
在图6B中，在第一种情况下，多路复用器34将子像素1201,1的输出引导至区分器23的输入。不久之后，子像素1201,2的输出被引导向区分器23。由于两个信号具有非常相似的值，因此在图6B中无法观察到选择的变化。
在图6C中，区分器23的至少一个阈值36相应地被启用两次，每个脉冲一次，使得子像素1201,1被评估并且其后立即评估子像素1201,2。
在图6D中，设置为50keV的最低阈值记录两个计数，足以表示两个独立信号事件到达两个子像素1201,1和1201,2。
图7A-7D图示了跨两个子像素共享的单个事件的模拟结果。在这种情况下，子像素1201,1和1201,2再次具有相同的脉冲的队列，但是没有延迟。这用于模拟电荷共享补偿机制的正确属性。输出的子像素1201,2也按50％缩放，这需要将单个90keV事件分成两个较小的事件，并且子像素1201,2接收剩余的30keV。
在图7A中，如上所述，子像素1201,1表现出60keV事件，而子像素1201,2表现出30keV。由于发现两个最大值都出现在0.5ns的符合窗口内，开关控件30用“3”指示两个信号必须被视为单个电荷共享事件。
因此，如图7B所示，多路复用器36将两个信号的相加引导到区分器输入部，显示总能量为90keV(模拟中为0.9)。
在图7C中，区分器23的至少一个阈值36相应地被启用一次，从而评估两个信号的总和。
在图7D中，由于总能量为90keV，50keV和80keV阈值均仅增加一次，表示在两个子像素1201,1和1201,2上记录的单个事件的到达。
图8A至8D图示了具有单个事件和电荷共享事件的混合的多个事件的模拟结果。如在图8A和图8B中所示，在该模拟中，每个子像素1201,1和1201,2具有独特的脉冲的队列18a、18b，为60keV单色。第三独立的脉冲的队列在两个子像素之间生成和***，模拟脉冲的两个队列18a、18b中的电荷共享事件。在该模拟中，子像素1201,1接收60％的电荷，即36keV，并且子像素1201,2接收40％的电荷，即24keV。所有事件具有60keV。因此，如果模型的行为符合预期，则50keV阈值应计数出与组合第三独立脉冲序列中的事件一样多的事件(如果没有堆积的话)。具体而言，脉冲的第一队列18a在30μs内总共有19个事件。脉冲的第二队列18b共有14个事件。模拟电荷共享事件的脉冲的第三队列具有总共有7个在两个子像素1201,1和1201,2之间共享的单个事件，即每个事件有7个较小的事件。
从图8C中可以看出，50keV阈值36足以识别40个事件。
从图8D中可以看出，电荷共享计数器38还正确识别跨子像素共享的七个事件。第二个光标的位置显示了尽管发生了总共七个整形器脉冲，但只计数了六个，包括五个单个事件和一个跨像素***的电荷共享事件。
图9示出了使用说明两个子像素能量谱50、模型52的输出和基本情况54的多色管谱的计数率模拟。为便于解释，采用了0.5Mcp的低速率，以确保不发生堆积。使用该模型的好处可能会变得更加明显，其中，得到的记录的谱落在真实情况54之上。在该模拟中，旨在将结果观察到的计数率显示为随后增加的事件计数率的函数。鉴于执行时间，对于每个事件计数率点，此模拟仅限于20个蒙特卡罗实现。管谱已用于该模拟。
图10显示了该模拟在30keV阈值下的结果。显示了四个轨迹：
i)模型输出56：用所描述的脉冲的队列馈入模型的结果。其示出了不可瘫痪的特性。
ii)等效1x2子像素58：它显示了较大等效子像素的速率曲线，即，其用作比较。该模型和此图服务于相同的等效区域。
iii)具有电荷共享60的子像素：具有额外电荷共享的一个子像素的脉冲的队列形成相邻子像素。
iv)没有电荷共享的子像素62：在添加任何电荷共享之前的子像素中的一个的脉冲的队列。
像素化光子计数探测器100可以是X射线探测器、伽马射线探测器和荧光探测器中的至少一种。像素化光子计数探测器100的可能实施方式可以在成像***200中，例如图11中示意性示出的计算机断层扫描CT扫描器。成像***200包括机架202，其能够关于平行于z方向延伸的旋转轴R旋转。辐射源204(在该实施例中是X射线管)被安装在机架202上并且被提供有准直器206，准直器3从由辐射源204生成的辐射形成锥形辐射束208。在该实施例中，辐射穿过在圆柱形检查区域210内的人类患者并且因此穿过患者。辐射束208入射到安装在机架202上的光子计数探测器100上。像素化光子计数探测器100可以具有像素110的一维或二维阵列，其被连接到光子计数数据采集模块10以对入射在像素110上的个体光子进行计数。由于区分器仅被允许在离散的时间间隔内评估信号，因此在观察到的计数率随输入计数率单调增加的意义上，所述***固有地是不可瘫痪的。在一些实施例中，每个像素110可以是子像素120的聚类，光子计数数据采集模块10可以被配置为对入射在聚类的子像素120上的单个光子进行计数并提供电荷共享补偿。
所述成像***200包括两个电机214、216。通过所述电机214以优选地是恒定的但是能够调节的角速度驱动所述机架202。提供电动机216用于移动患者，患者被布置在检查区域210中的患者台上，平行于旋转轴R轴或z轴的方向。电机214、216例如由控制单元218控制，使得辐射源204和检查区210内的患者沿螺旋轨迹相对于彼此移动。然而，辐射源204和患者也可能沿着另一轨迹相对于彼此移动。例如，在一个实施例中，辐射源204可以沿着圆形轨迹围绕患者移动。
成像***200可以还包括如键盘、计算机鼠标、触摸板等的输入单元220和显示器222。输入单元220可以适于允许用户输入定义像素的期望聚类的输入。像素化光子计数探测器100的光子计数数据采集模块10可适于在确定宏像素的电荷共享光子计数时考虑由聚类输入定义的期望聚类。输入单元220可以适于允许改***件和/或硬件配置，以便修改分聚类，特别是分聚类的大小。
图12示出了用于光子计数的方法300的流程图。在步骤310中，用脉冲的最大值识别器来在接收到的脉冲的所述至少一个队列中识别脉冲最大值。在步骤320中，通过在接收到的脉冲的所述至少一个队列中检测到脉冲的最大值而触发区分器，以将该脉冲与至少一个信号阈值进行比较；替代地，在步骤320中，计数器响应于在接收到的脉冲的所述至少一个队列中检测到脉冲的最大值而被启用以生成计数器信号。
任选地，所述接收到的脉冲的所述至少一个队列指示入射在像素化光子计数探测器的相应像素或相应子像素的聚类上的光子的能量。
方法300可以包括另外的步骤。在一个选项中，接收到的脉冲的所述至少一个队列包括脉冲的第一队列和脉冲的第二队列；所述方法还包括：识别脉冲的第一队列中的第一脉冲和脉冲的第二队列中的第二脉冲的最大值，确定所述第一脉冲和所述第二脉冲的最大值是否在符合窗口内，并且基于确定结果来评估脉冲的第一队列中的第一脉冲、脉冲的第二队列中的第二脉冲或所述第一脉冲与所述第二脉冲之和。
在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，其适于在合适的***上执行根据前述实施例中的一个的方法的方法步骤。
计算机程序单元因此可以存储在计算单元上，其也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行上述方法的步骤或引起上述方法的步骤的执行。此外，其可以适于操作上述装置的部件。所述计算单元可以适于自动地操作和/或执行用户的命令。计算机程序可被加载到数据处理器的工作存储器中。数据处理器因此可以被装备为实施本发明的方法。
本发明的该示例性实施例覆盖了从最开始使用本发明的计算机程序和借助于更新将现有程序转变为使用本发明的程序的计算机程序。
更进一步，计算机程序单元可以能够提供用以实现如上所述方法的范例性实施例的过程的所有必要步骤。
根据本发明的另一范例性实施例，提出了一种计算机可读介质，诸如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在其上的计算机程序单元，所述计算机程序单元由前一部分所描述。
计算机程序可以存储和/或分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信***分布。
然而，计算机程序也可以通过如万维网的网络来提供并且可以被从这样的网络下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示范性实施例，提供了一种用于使得计算机程序单元可供下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行本发明的先前描述的实施例中的一个。
必须指出，本发明的实施例参考不同主题进行描述。尤其地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参***型权利要求来描述的。然而，本领域技术人员以上和以下描述可以得出，除非另行指出，除了属于同一类型的主题的特任的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。然而，所有特征能够被组合，提供超过所述特征的简单加和的协同效应。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及从属权利要求，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为对范围的限制。
Claims (13)
1.一种光子计数数据采集模块(10)，包括：
信号输入单元(12)；
一个或多个数据采集通道(14、14a、14b、14c)，每个通道适于将从所述信号输入单元接收的脉冲的至少一个队列(18、18a、18b)转换为计数器信号；以及
信号输出单元(16)，其适于输出所述计数器信号；
其中，每个数据采集通道包括脉冲最大值识别器(20、20a、20b、20c)和包括区分器(23)和计数器(25)的区分器/计数器对(22、22a、22b、22c)；
其中，所述脉冲最大值识别器被配置为识别接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲(24、24a、24b)的最大值；
其中，所述区分器被配置为通过在接收到的脉冲的所述至少一个队列中检测到脉冲的最大值而被触发，以将所述脉冲与至少一个信号阈值进行比较以生成所述计数器信号；或者
其中，所述计数器被配置为响应于在接收到的脉冲的所述至少一个队列中检测到脉冲的最大值而被启用以生成所述计数器信号；
其中，从信号输入单元接收的脉冲的所述至少一个队列包括脉冲的第一队列(18a)和脉冲的第二队列(18b)；并且
其中，所述数据采集通道还包括：
选择逻辑(26)；
其中，所述脉冲最大值识别器被配置为识别脉冲的所述第一队列中的第一脉冲和脉冲的所述第二队列中的第二脉冲的最大值；并且
其中，所述选择逻辑被配置为确定所述第一脉冲和所述第二脉冲的最大值是否在符合窗口内并使得所述区分器能够在所述第一脉冲和所述第二脉冲不在所述符合窗口内的情况下直接评估脉冲的所述第一队列中的所述第一脉冲或脉冲的所述第二队列中的所述第二脉冲，或者在所述第一脉冲和所述第二脉冲在所述符合窗口内的情况下，评估所述第一脉冲与所述第二脉冲之和。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，每个数据采集通道适于连接到像素化光子计数探测器的像素以接收指示入射在所述像素上的光子能量的脉冲的队列，或者连接到像素化光子计数探测器的子像素的聚类以接收脉冲的多个队列，每个的队列指示入射在所述聚类的相应的子像素上的光子的能量。
3.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述选择逻辑包括：
i)符合探测器(28)；
ii)开关控件(30)；以及
iii)阈值采样控件(32)；
其中，所述符合探测器被配置为评估所述脉冲最大值识别器的输出的状态并确定脉冲的第一队列中的所述第一脉冲、脉冲的第二队列中的所述第二脉冲、或所述第一脉冲和所述第二脉冲两者是否在所述符合窗口内；
其中，所述开关控件被配置为基于对所述符合探测器的评估和确定来确定是否将所述第一脉冲、所述第二脉冲或所述第一脉冲与所述第二脉冲之和馈通到所述区分器的输入部；并且
其中，所述阈值采样控件被配置为评估所述脉冲最大值识别器的输出状态并基于所评估的状态来触发所述区分器以执行比较。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中，数据采集通道还包括：
加法器(34)，其被配置为将脉冲的所述第一队列和所述第二队列相加。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，
其中，所述数据采集通道还包括：
多路复用器(36)，其适于以时间多路复用的方式将脉冲的所述第一队列、脉冲的所述第二队列以及脉冲的所述第一队列与所述第二队列之和转发到所述区分器。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，
其中，所述区分器/计数器对还包括：
电荷共享计数器(40)，其适于通过在符合窗口内检测到所述第一脉冲和所述第二脉冲的最大值而被触发以增加值。
7.一种像素化光子计数探测器(100)，包括：
像素的阵列(110、110a、110b、110c)；以及
根据1至7所述的光子计数数据采集设备；
其中，所述光子计数数据采集设备的每个数据采集通道被配置为接收指示入射在所述像素化光子计数探测器的相应像素上的光子的能量的脉冲的队列。
8.根据权利要求7所述的探测器，
其中，所述像素是子像素的聚类(120)；并且
其中，每个数据采集通道被配置为接收多个脉冲队列，每个脉冲队列指示入射在所述聚类的相应子像素上的光子的能量。
9.根据权利要求7或8所述的探测器，
其中，所述像素化光子计数探测器是X射线探测器、伽马射线探测器和荧光探测器中的至少一种。
10.一种用于光子计数的方法(300)，包括：
利用脉冲最大值识别器来在接收到的脉冲的至少一个队列中的脉冲识别(310)最大值；
通过在接收到的脉冲的所述至少一个队列中的脉冲检测到最大值而触发(320)区分器，以将所述脉冲与至少一个信号阈值进行比较；或者响应于在接收到的脉冲的所述至少一个队列中检测到脉冲的最大值而启用计数器以生成所述计数器信号；并且
其中，接收到的脉冲的所述至少一个队列包括脉冲的第一队列和脉冲的第二队列；并且
其中，所述方法还包括：
识别脉冲的所述第一队列中的第一脉冲和脉冲的所述第二队列中的第二脉冲的最大值；
确定所述第一脉冲和所述第二脉冲的最大值是否在符合窗口内；并且
基于所述确定的结果来评估脉冲的所述第一队列中的第一脉冲、脉冲的所述第二队列中的所述第二脉冲或所述第一脉冲与所述第二脉冲之和。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，接收到的脉冲的所述至少一个队列指示入射在像素化光子计数探测器的相应像素或相应子像素的聚类上的光子的能量。
12.一种包括可读指令的计算机程序产品，所述可读指令在由至少一个处理器运行时，使所述至少一个处理器控制根据权利要求1至9中的一项所述的设备，所述可读指令在由处理单元运行时适于执行根据权利要求10和11中的一项所述的方法的步骤。
13.一种存储有根据权利要求12所述的计算机程序产品的计算机可读介质。
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