用于具有分布的X射线源的成像系统的多帧X射线探测器

摘要

一种装置和方法，其用于同步切换第一和第二预定子帧的持续时间内的第一和第二电荷累积部分（31、32）的激活以及第一和第二X射线源的激活，直到经过了针对所述第一和第二电荷累积部分（31、32）的每者的预定时间帧为止，从而根据多个空间分布的X射线源中的相应的一个的起始累积多个时域分布的部分电荷，由此在焦斑位置和用于累积属于同一焦斑位置的相应部分测量结果，例如，时域分布的部分电荷的规则之间建立特定的关系，并且通过仅在根据子帧的有限时间内激活焦斑二使焦斑保持低的温度。

说明书

技术领域

本发明涉及用于利用分布的X射线源进行多帧X射线探测的X射线探 测器、X射线探测器阵列、X射线成像系统和对应的方法以及计算机程序 单元和计算机可读介质，并且尤其涉及能够并行地对多个帧进行积分的相 应装置和方法。

背景技术

利用具有多个分布的X射线源的X射线成像系统能够实现在若干焦斑 位置之间的快速切换，而无需移动相应的X射线管。

由US 7139367B1已知一种用于处理X射线图像的分时数字积分方法 和设备，根据该文献，一种用于处理由X射线辐射探测器阵列输出的信号 的方法和设备接收受到X射线辐射的源射束照射的对象发出的X射线辐 射，由此生成内部对象特征的可视图像，其利用了对由每一探测器输出的 信号进行若干次重复采样并对其进行数字累积，从而使图像的信噪比提高 某一因数。

发明内容

本发明的目的在于避免分布的X射线源的焦斑的快速温度升高。

本发明的目的是通过独立权利要求的主题解决的，其中，在从属权利 要求中结合了其他实施例。

应当注意，下文描述的本发明的各方面同样适用于所述探测器、探测 器阵列、成像系统、方法、程序单元和计算机可读介质。

根据本发明的一方面，一种X射线探测器，包括：具有电荷输出的X 射线敏感元件；适于根据多个空间分布的X射线源中的相应的一个累积多 个时域分布的部分电荷的电荷确定装置；适于读出电荷确定装置的读出装 置，其中，所述电荷确定装置通过累积激活装置连接至所述X射线敏感元 件的电荷输出，其中，电荷累积装置通过读出激活装置连接至读出线。

这样的探测器允许通过累积时域分布的部分电荷来降低空间分布的X 射线源的焦斑温度，从而使实现一定品质的信噪比所需的总电荷量能够分 布在多个子帧上，由此使多个空间分布的X射线源、特别是其焦斑中的每 个仅在一定时间的持续时间内受到影响。本发明的X射线探测器允许累积 分布的部分电荷，以便获得所述多个空间分布的X射线源、特别是其焦斑 中的每个的总电荷，并提供相应的输出信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于利用分布的X射线源进行多 帧X射线探测的方法，包括：同步激活第一预定子帧的持续时间内的第一 电荷累积部分和多个分布的X射线源中的第一X射线源；同步切换从第一 电荷累积部分向第二预定子帧的持续时间内的第二电荷累积部分的激活以 及从第一X射线源向多个分布的X射线源中的第二X射线源的激活；重复 同步激活和同步切换激活，直到经过了针对第一和第二电荷累积部分中的 每者的预定时间帧为止，用于根据所述多个空间分布的X射线源中的相应 的一个的起始累积多个时域分布的部分电荷，所述时间帧包括多个子帧； 以及在经过了针对所述第一和第二电荷累积部分中的每者的预定时间帧之 后顺次读出所述第一电荷累积部分和所述第二电荷累积部分。

这将允许分别仅在子帧的有限持续时间内对相应的X射线源和相应的 探测器部分进行同步切换，以便避免焦斑温度的升高。

应当指出，本发明不限于第一和第二电荷累积部分、第一和第二预定 子帧、第一和第二X射线源等，本发明也可以包括多个电荷累积部分、多 个预定子帧、多个X射线源等，可以依次使激活同步。

可以看作是本发明的主旨的是在焦斑位置与用于累积属于相同焦斑位 置的例如时域分布的部分电荷的相应部分测量结果的规则之间建立特定关 系，并通过仅在根据子帧的有限时间内激活焦斑来保持低的焦斑温度。仅 在累积每一焦斑的多个分布的部分电荷之后读出累积的电荷，其降低了所 需的数据率，并提高了信噪比。

通过下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见， 并参考其得到阐述。

附图说明

在下文中将参考下面的附图描述本发明的示范性实施例。

图1图示了根据本发明的示范性实施例的X射线成像系统。

图2图示了根据本发明的示范性实施例的多帧X射线检测器和相应的 分布的X射线源的示意图。

图3图示了根据本发明的示范性实施例的积分周期（period）和读出周 期的时间表。

图4图示了根据本发明的示范性实施例的X射线探测器的结构。

图5图示了根据本发明的备选示范性实施例的X射线检测器的另一结 构。

附图标记列表：

1                  X射线探测器

2                  X射线探测器阵列

3                  X射线成像系统

4                  显示单元

10                 X射线敏感元件

11                 电荷输出

20                 累积激活装置

21、22             电荷转移装置

30                 电荷确定装置

31、32             电荷累积单元

31a、32a           电荷累积电容

31b、32b           放大器/源极跟随器

33                 电荷单元积分器

34                 事件计数器的锁存器

34a、34b、34n      焦点累积事件计数器

35                 时间计数器

35a、35b、35n      焦点累积时间计数器

36                 鉴别器和计数器

37            复位线

38            计数传送线

40            读出装置

41、42        读出激活开关

50            读出线

80            控制装置

90            阳极

91、92        焦斑

100           子帧

具体实施方式

图1图示了一种X射线成像系统，其分别包括X射线源90以及X射 线探测器1和X射线探测器阵列2。将X射线探测器1、2和X射线源90 从几何的角度相对于彼此布置到预定位置上。因而，有可能在不需要重复 调整的情况下获得有效率的成像。将所述X射线探测器和X射线源连接至 控制单元80（在图1中未示出），其中，所述X射线成像系统可以包括显 示单元4，其允许即刻显示检查的结果。

图2图示了具有多个焦斑91、92的X射线源90的布置的示意图。探 测器1接收焦斑91、92中的任一个发出的辐射。分别顺次激活焦斑91、92， 并对探测器1多路复用，以便区分由第一焦斑91和接下来的焦斑92发出 的辐射。可以通过控制单元80执行对多个焦斑91、92中的相应的一个焦 斑的激活以及探测器1的相应多路复用和同步，从而能够利用探测器1获 取来自多个焦斑91、92或相应的X射线源的图像。控制装置80还可以适 于控制在子帧的相应持续时间内对多个电荷累积单元的重复的同步多路复 用激活，其中，属于所述多个电荷累积单元中的每者中的相应的一个的多 个时域分布的子帧形成了时间帧。可以通过读出线50读出所述探测器（的 结果），从而将所记录的图像提供给显示装置4。应当指出，所述控制单元 还可以适于使探测器1的读出同步。对于每一焦斑和累积单元而言，仅在 多个累积的子帧之后读出结果，其降低了所需的数据速率并提高了信噪比。

由于焦斑91、92有可能在数微秒的非常短的时间内非常快速地升高至 大约1000°C的温度，因而只能在非常有限的时间内激活每一焦斑。然而， 这一非常有限的时间可能不足以提供具有足够的信噪比的成像信号，因而 希望延长对每一焦斑的总激活时间。将分布的X射线源而不是旋转阳极管 用于例如断层摄影X射线成像系统的想法允许利用具有多个X射线焦点的 固定阳极，所述多个焦点例如可以沿线或弧分布，这一点可以从图2中示 意性地看出。能够对所述焦点进行非常快速的切换，这对于断层摄影系统 是适当的，因为不需要任何机械运动就可以获取不同角度的投影图像。因 而，原则上能够在不存在运动模糊的情况下按照快速交替的方式采集分别 来自不同焦点和角度的投影图像。这样的例如用于乳房X线照相术的断层 合成系统可能仅需要有限的覆盖角，并且因而从这一角度来看其可用于分 布的X射线源的使用，因为不需要显著扩大探测器面积。然而，仍然就必 须采集具有180°的覆盖角加上可能的扇角（fan angle）的投影图像的计算 机断层摄影系统而言，例如，分布源连同旋转探测器的组合可能是一种经 济有效的解决方案，因为这时不需要增大探测器面积。此外，这样的配置 还将允许利用聚焦防冲撞（dash）散射格栅，其对大覆盖范围CT有用。

当前在X射线成像系统中利用的具有旋转阳极的X射线探测器通常按 照积分模式工作。在这一模式下，在被称为帧的固定时间周期内对进入探 测器像素的X射线光子能量进行积分。尔后，读出所述图像（即像素值）， 并开始新一帧的积分。然而，这样的探测器的速度是由帧率给定的，所述 帧率是指单位时间内能够生成的图像的数量。在具有分布的X射线源和积 分探测器的断层摄影成像系统中，生成来自每一焦点的投影图像序列所需 的总的时间完全由探测器速度决定，因为不需要机械运动。

假设X射线成像系统的阳极是固定的，那么在利用当前在CT或CV 系统中利用的管功率时焦斑温度将在数微秒的时间内非常快速地升高到大 约1000°C。因此，在这样的系统中，可用的管功率是非常有限的，因而 快速曝光的优点将无效，因为图像将变得具有过多的噪声。必须对整个序 列重复几次，使得能够对来自同一位置的图像求平均，从而达到可接受的 信噪比水平。为了利用分布源的快速曝光潜力，需要在焦点之间进行更快 的切换，从而保持高的可用管功率。然而，这需要快得多的X射线探测器， 所述探测器要具有数微秒的积分周期，例如，10到15微秒的积分周期，其 将导致高得惊人的数据率。当在不提高数据率的情况下利用更短的时间帧 积分时间时，能够保持更高的信噪比，因而对于具有分布的X射线源的X 射线成像系统而言，所述探测器将变得更加理想。

本发明提供了一种具有专用积分X射线探测器的装置和方法，所述专 用积分X射线探测器能够并行地对多个帧进行积分。在图3中图示了这样 的操作模式。图3图示了对若干焦点的激活，这里将所述焦点示范性地示 为焦点1、焦点2和焦点3。每一焦点仅被激活有限的积分周期，该周期对 应于子帧100。这样的子帧仅具有数微秒的有限持续时间，因而对于每一焦 斑而言，能够避免温度快速升高到超过安全工作点。通过在一定时间之后 重复所述积分周期，每一焦点以及与此同时的所分配的对应探测器部分中 的每者接收获得足够的信噪比所需的最大限度的电荷作为子帧内的部分电 荷之和。由每一焦斑的每一子帧100的和将得到获得足够的信噪比所需的 整体时间帧，因而在达到整体时间帧的积分持续时间之后，针对该读出周 期执行读出过程。因而，能够保持高的整体积分时间，此外又能够在不必 对每一子帧执行读取的情况下保持对焦斑的低的时间影响，因为对于每一 焦斑而言是在多个子帧之后开始读出周期的。根据下面的例子，对于每一 焦点位置而言，所需的总的积分时间可以是例如每视图100微秒。之后， 将这一所需的总的积分时间分割成若干个例如10到15微秒的周期。每一 积分周期短到足以避免阳极过热。在积分周期之后，工作焦斑发生变化， 并将积分信号保存到存储装置内。在焦点返回到这一位置时继续所述积分。 在足够数量的积分周期之后，读出探测器帧。因而，数据传送是按照与反 映当前技术水平的探测器相同的数据率发生的，例如，每秒10000帧，而 所述积分周期，即所述子帧则小得多，例如，10到15微秒，而不是100微 秒。

图4图示了本发明的示范性实施例。可以将这一实施例用于平板X射 线探测器。出于这一目的，提供了具有例如光电二极管的形式的X射线敏 感元件10。这样的光电二极管可以设有闪烁体，从而将X射线辐射转换为 该光电二极管敏感的辐射。这样的闪烁体可以由例如具有Tl掺杂的包含CsI 的材料构成。应当指出，所述X射线敏感元件也可以是具有Se或PbO或 者其他光电导体层的元件。所述X射线敏感元件设有电荷输出11。此外， 所述探测器包括电荷确定装置30，其适于根据多个空间分布的X射线源中 的相应的一个累积多个时域分布的部分电荷。将所述电荷确定装置30通过 累积激活装置20连接至X射线敏感元件10的电荷输出11。所述电荷累积 装置还通过读出激活装置40连接至读出线。这一读出装置40适于读出所 述电荷确定装置的结果。

例如，可以通过多个转移（transfer）晶体管21、22实现所述累积激活 装置，可以根据图3所示的时间图激活所述晶体管。可以将所述电荷累积 装置30构造为多个并联的电荷累积单元31、32，每一电荷累积单元可以再 包括电荷累积电容。因而，可以依次向分配给相应的电荷累积单元31、32 的相应存储电容31a、32a提供由诸如光电二极管10的X射线敏感元件输 送的电荷。相应的电容31a、32a的电压水平能够控制相应的放大器31b、 32b，使之作为源极跟随器工作。可以借助将相应的累积单元31、32依次 连接至读出线50的读出晶体管或开关41、42读出相对于具体焦斑而言对 应于像素的信号的相应电压。可以提供与相应的电容31a、32a并联的复位 装置（未示出），从而将相应的电容复位至默认状态。所述默认状态可以是 在累积过程中放电的充满电的电容，或者可以是在累积过程中充电的空的 电容。例如，可用提供具有开关的形式的复位装置，从而能够对相应的电 容器放电，并且能够使作为源极跟随器工作的相应放大器31b、32b的栅极 达到VDD的电平。

在实践中，在采集数据之前，通常使每一像素的光电二极管10，即， 将入射的光转换成电荷的光电二极管复位，即，将其设为预定电压。可以 使对属于同一X射线焦点的共同形成了信号帧的信号的若干个子帧的采集 在时间上错开，将参考图4对此予以描述。借助至少两个电荷转移装置21、 22，将属于某一X射线焦斑的电荷转移至相关存储电容器31a、32a。可以 将所述电荷转移装置实现为电荷转移晶体管。所述光电二极管应当保持所 述电压而不管电容器31a、32a的电荷条件如何。在将电荷转移装置实现为 晶体管时，能够使其栅极保持在高于晶体管的阈值电压的较低但是固定的 电压上。假设光电二极管不提供电流，那么所述晶体管的源极端子将具有 低于栅极电压的阈值电压。假设光电二极管提供电荷，即电流，那么所述 源极电压将降低一个微小的量，所述晶体管将开始处于导电状态，并将电 荷转移至电荷存储电容器。当光电二极管的电流停止时，源极的电压增大 到初始电压，并且电流降为零。因而，所述电荷转移装置使光电二极管的 电压保持恒定，而漏极几乎能够采取任何任意的电压电平。因而，能够避 免对光电二极管的反馈效应。当激活第一焦斑时，通过将栅极TG1拉到中 间电压来激活第一电荷转移晶体管21。之后，电荷转移晶体管21将电荷转 移至第一存储电容器31a。当激活第二焦斑时，通过将第二电荷转移晶体管 22的栅极TG2拉到中间电压来激活第二电荷转移晶体管22，同时对另一电 荷转移晶体管去活，于是能够将来自光电二极管的电荷转移至第二存储电 容器32a。对于每一焦斑位置都存在具有电荷转移晶体管和存储电容器的一 个分支。将所述电荷存储在存储电容器31a、32a上，并且能够将其作为电 荷值读出，即，就像在利用读出开关的无源像素中一样，这种情况在图4 中未示出，或者能够将电荷转换成存储电容器31a、32a上的电压，并读出 对应的电压，即，就像在利用作为放大器31b、32b工作的源极跟随器和相 应的读出开关41、42的有源像素中一样，其如图4所示。

相对于图5示出了本发明的备选实施例。图5还示出了如上文相对于 图4所述的具有电荷输出11的X射线敏感元件10。所述电荷确定装置30 适于利用例如公共的电荷单元积分器33根据多个空间分布的X射线源中的 相应的一个累积多个时域分布的部分电荷。可以将这一电荷单元积分器33 用于每一焦斑。然而，应当理解，也可以为每一焦斑提供全电荷单元积分 器（即，每者具有其自身的事件计数器和时间计数器），然而，其将增大电 荷单元积分器的数量。这样的电荷单元积分器33可以通过具有能够存储一 定电荷单元的充电电容的运算放大器实现，其中，在充满时使所述充电电 容Q复位，其中，通过计数器对复位事件进行计数。可以通过具有计数器 36的鉴别器执行对充满的充电电容的识别、对复位的触发以及对复位的计 数。可以通过相应的线37触发复位，其中，可以通过相应的连接38将计 数结果传送至事件计数器34的锁存器。之后，事件计数器34的锁存器将 计数值分配给相应的焦点累积器34a、34b…34n。因而，可以实现计数的多 路复用，其在功能上可以被看作是多路复用计数器。这一多路复用计数器 适于根据所述多个空间分布的X射线源91、92中的相应的一个对电荷单元 积分器的复位进行计数，以其作为相应的部分电荷的总电荷量的度量。控 制装置（图5中未示出，但是相对于图2给出了描述）可以控制在子帧的 相应持续时间内多个电荷累积单元的重复的同步多路复用激活，所述电荷 累积单元要么具有相对于图4描述的离散单元31、32的形式，要么具有相 对于图5描述的多路复用计数器34、34a、34b、36的形式，其中，多个时 域分布的子帧形成了时间帧。

因而，所述电荷电容器保持电荷Q，并且根据还在图5的顶部示出的 模式使所述电荷电容器重复地复位。因而，能够通过对子帧内相应的复位 数量进行计数来确定电荷量，并以其作为总累积电荷的度量。当切换到下 一焦斑时，计数器对所述下一焦斑的复位进行计数。针对每一焦斑重复这 一过程。因而，能够通过对复位计数，即，对电容器的电荷包计数来确定 电荷量。假设这一过程由于电荷的量子化而不够准确，那么可以基于子帧 的相应持续时间改进电荷估算。出于这一目的，可以提供时间计数器，下 文将对此予以说明，并且其可以由R.Luhta等人，Anew 2D-tiled detector For  multi-slice CT，SPIE 2006（6142）已知，然而在该文献中并未公开不同焦 斑位置之间的联系。

此外，所述电荷累积装置30还可以包括用于确定每一部分电荷发生转 移的子帧的持续时间的时间计数器35。因而，能够根据每一相应的焦斑通 过锁存时间计数器35累积这一时间。因而，对于每一焦斑能够提供复位事 件的相应数量N和相应的时间。

尽管在平X射线探测器中通常在帧结束时使积分电容复位，但是在CT 中，由于需要更高的帧速率，因而要尝试避免复位。电荷确定装置30可以 在无需帧之间的任何复位的情况下对来自光电二极管的电流进行连续的模 数转换。为了促进上文所述的使属于同一视图或焦点的子帧时间错开的想 法，可以将电荷确定装置30设计为处理更短的积分周期，从而避免提高焦 斑温度。这意味着，必须使电荷包更小，从而在给定偏置电流的情况下使 子帧的持续过程中至少发生两个泵送（pump）事件。电荷确定装置30被设 计为处理平均电流的测量，并且因此处理短得多的子帧内的平均电荷的测 量。属于同一焦点的错开的子帧的时间计数器35和事件计数器34的数字 结果将被累加起来，从而在看到一个帧的所有子帧时读出所述结果。可以 读出针对所述累积的每一焦点得到的各个事件计数器值和时间计数器值， 或者可以在读出之前已经对其进行了数字处理，从而根据公式(NP-1)／NT提 供平均电荷的估算结果，其中，NP是事件计数器34提供的泵送事件的数 量，NT是时间计数器35计量的时钟报时信号的数量。对于利用简单的积 分电容器的CT的读出概念而言，可以采取与上文针对平X射线探测器描 述的相同的方案。

可以按照下式计算累积电荷

Q总=((NP–1)/NT)*NF*PC。

其中，NF是子帧的数量，PC是部分电荷的量，假定对于每一焦斑而 言子帧都是相同的。否则，将由覆盖每一个体子帧持续时间的求和公式代 替NF。

应当指出，对于所述装置和方法而言，单元的数量不限于数字二，即， 不限于相应的第一和第二元件，其也可以是更大的数量。

一种用于保持低电路复杂性和低功耗的折衷解决方案可以是利用单个 运算放大器，但是利用N个不同的反馈电容和复位开关来实现电容积分器 30。可以每次只将一个反馈电容（具有复位开关）连接至运算放大器。当 访问下一焦斑位置时，将对应的反馈电容连接至运算放大器。因而，经证 实属于焦斑位置k的反馈电容上的残余电荷不会丢失，或者说其将扭曲焦 斑位置k+1的电荷测量结果。在某些情况下，其可能引入额外的KT/C噪声。 在焦斑位置（以及对应的反馈电容）之间进行切换时的再充电过程可以设 有额外的用于减少基底噪声的措施。

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，其特征在于适于在适当的系统上执行根据前述实施例之一所述的 方法的方法步骤。

因此，可以将所述计算机程序单元存储在计算机单元上，所述计算机 单元也可以是本发明的实施例的部分。这一计算单元可以适于执行或者引 起上述方法的步骤的执行。此外，其可以适于对上述设备的部件进行操作。 所述计算单元能够适于自动工作和/或执行用户的命令。可以将计算机程序 加载到数据处理器的工作存储器内。因而，可以将数据处理器配备为执行 本发明的方法。

本发明的这一示范性实施例既覆盖最初就利用本发明的计算机程序， 又覆盖利用更新将现有的程序转换成利用本发明的程序的计算机程序。

更进一步而言，所述计算机程序单元将能够提供完成上文所述的方法 的示范性实施例的过程的所有必要步骤。

根据本发明的另一示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如， CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储于其上的计算机程序单元， 所述计算机程序单元如前面的部分所述。

然而，也可以通过诸如万维网的网络提供所述计算机程序，可以从这 样的网络将所述计算机程序下载到数据处理器的工作存储器内。根据本发 明的另一示范性实施例，提供了一种用于使计算机程序可用于下载的介质， 所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的前述实施例之一所述的方 法。

必须指出，本发明的实施例是参考不同的主题描述的。具体而言，一 些实施例是参考方法类型权利要求描述的，而其他实施例则是参考装置类 型权利要求描述的。然而，本领域技术人员将由上述和下述说明认识到， 除了另行指出，否则除了属于一类主题的特征的任意组合之外，涉及不同 主题的特征之间的任意组合也应当被认为在本申请中得到了公开。然而， 将所有的特征结合起来所提供的协同作用要超过所述特征的简单加和。

必须指出，本发明的示范性实施例是参考不同的主题描述的。具体而 言，一些示范性实施例是参考设备类型权利要求描述的，而其他示范性实 施例则是参考方法类型的权利要求描述的。然而，本领域技术人员将由上 述和下述说明认识到，除了另行指出，否则除了属于一类主题的特征的任 意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合，尤其是设备类型权利 要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任意组合也应当被认为在本 申请中得到了公开。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，单数冠词“一” 或“一个”不排除复数。单个处理器或其他单元可以完成权利要求中列举 的几个项目的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不 能有利地利用这些措施的组合。

可以将计算机程序存储在和/或使其分布在适当的介质上，例如，与其 他硬件一起提供的或者作为其他硬件的部分提供的光存储介质或固态介 质，也可以使其通过其他形式分布，例如，通过因特网或者其他有线或无 线电信系统。