校正量子计数探测器中计数率漂移的方法和X射线系统

摘要

本发明涉及一种方法、一种电路布置以及一种X射线系统，特别是CT系统（1），其中为了校正具量子计数探测器元件（Dn，m）的电离辐射探测器的计数率漂移，这些探测器元件具有带有明显不同的能量门限（S1，S2，S3）的至少两个计数器（ZS1，ZS2，ZS3）的组合，基于前面确定的计数率彼此的函数依赖关系并且在每个探测器元件使用至少一个计数器（ZS1，ZS2，ZS3）作为参考的情况下对具有不同能量门限的各个其它计数器的计数率进行校正。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在具有量子计数探测器元件的X射线系统、特别 是CT系统的探测器中校正计数率漂移的方法，其中每个探测器元件具有带 有明显不同的能量门限的至少两个计数器的组合，所述能量门限被组合地分 析以用于确定入射的辐射剂量。此外发明还涉及一种具有量子计数探测器的 X射线系统以及一种量子计数探测器的电路布置。

背景技术

一般公知具有量子计数探测器的X射线系统，特别是CT系统以及用于 分析来自于探测器的探测器脉冲的方法。近年来为了在CT系统中应用，除 了迄今为止所使用的具有积分探测器元件的常规探测器类型，建议这种量子 计数探测器，因为其作为可能的解决方案能够用于降低患者剂量以及用于在 单源CT系统中能量分辨地测量。在这些量子计数探测器中，临床CT扫描 器中的高X射线光子流导致在以典型的方式使用的CdTe/CdZnTe探测器材 料中构建空间电荷，这可以导致明显的计数率漂移。该计数率漂移使精确地 确定剂量变得困难并且一般会导致图像误差以及在CT系统中特别明显地导 致在由吸收数据建立的断层造影图像中的伪影。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，找到一种在量子计数探测器中校正 计数率漂移的方法以及一种具有量子计数探测器的改进的X射线系统。

按照量子计数探测器的典型结构，为了在探测器材料上的信号测量，设 置至少两个不同的能量门限，这些能量门限等效于入射到探测器材料的粒子 能量，其中对该门限的超过被分别计数。发明人现在已经注意到，明显不同 的能量门限（例如对于以120kVp谱扫描的测量来说是20keV和60keV或 20keV、35keV和60keV）的计数率彼此的比例存在令人惊讶的恒定性。这 是对于大部分多色X射线谱（如其典型地在X射线诊断中使用的那样）与 在那里通常的探测器像素大小相结合的情况。在下面示出的方法中应当表 明，可以怎样使用该特征来消除计数率漂移以及由此可以实现改善图像质 量，但是以强烈降低光谱灵敏度为代价。可以如下地计算恒定的因数，该恒 定的因数描述了关于不同门限的计数器的计数率之间的比。

通过计数器i测量的计数率通过如下得出：

I_i＝A_i·I·(1-d_i),    （1）

其中I_i是输出到探测器元件的辐射强度，A_i是与计数器i相结合的探测 器的效率并且d_i是计数器i的计数率漂移。

在漂移值d_i线性地相互连接的情况下其可以如下地说明：

I_i＝A_i·I·(1-f_i·d)    （2）

按照对数吸收尺度（Absorptionsskala）、精确的衰减尺度如下地得出线 性吸收尺度的变化：

L_i＝L-ln(A_i)-ln(1-f_i·d)    （3）

通过定义a_i：＝-ln(A_i)以及使用近似ln(1+x)≈x获得：

L_i＝L+a_i+f_i·d    （4）

该等式允许访问所测量的数据组的每个计数器对（i，j）中计数率漂移 的测量。

$d=d_{\mathrm{ij}}:=\frac{(L_j-a_j)-(L_i-a_i)}{f_j-f_i}---\left(5\right)$

其中假设精确已知参数a_i和f_i。

此时可以使用所测量的漂移值来校正测量数据以及提取值L。使用利用 计数器k测量的数据以及从计数器i和j提取的漂移：

L＝L_k，ij：＝L_k-a_k-f_k·d_ij    （6）

在k≡i或k≡j的情况下可以以如下来表达同一关系式：

$L=L_{\mathrm{ij}}:=\frac{f_j}{f_j-f_i}·(L_i-a_i)-\frac{f_i}{f_j-f_i}(L_j-a_j)---\left(7\right)$

$=w_{\mathrm{ij}}·(L_i-a_i)+(1-w_{\mathrm{ij}})·(L_j-a_j)---\left(8\right)$

$w_{\mathrm{ij}}:=\frac{f_j}{f_j-f_i}---\left(9\right)$

这对应于从每一对（i，j）测量的数据组加权地相加到对数尺度上。混 合权重w_ij在此通过计数率-漂移比f_i和f_j给出。在此要注意，a_i和f_i取决于 脉冲谱的形状，该脉冲谱由CdTe探测器提供。也就是漂移比在X射线谱、 吸收材料及其厚度变换的情况下由于发生辐射硬化而具有一定的波动。脉冲 堆高（Pile-Up）在高的X射线光子流的情况下本身同样对该参数产生影响。

上面描述的方法要求精确地校准参数a_i和f_i。这两个参数关于脉冲谱的 形状是灵敏的并且因此取决于如下的情况：

-探测器的脉冲特性，取决于探测器材料、几何特征、偏置电压以及信 号整形特性；

-入射射线的光谱，取决于管电压（kV）、滤波以及辐射硬化；

-脉冲堆高，取决于管电流（mA）以及穿过扫描材料的衰减；

-所使用的计数器的门限。

下面描述按照本发明的对给出的管电压与管电流的组合的措施。

由于实际的计数器门限的不准确性和/或有效脉冲持续时间的变化，校 准必须基于信道对信道（Kanal-für-Kanal-Basis）执行。为此考察具有N≥2 个计数器的量子计数探测器，在明显不同的门限中优选地N=2或N=3。具 有最低的能量门限的计数器为i=1，具有按照定义的值a₁=0和f₁=1。在此对 于不同的衰减值重复地执行测量。

在医学成像范围内，使用水或等效水的材料的这种厚度d来得出实际的 辐射硬化是有意义的。这可以通过使用具有不同厚度的条状图模体 （Balkenphantom）来实现。成立的是：

$S\left(d\right)={\mu }_{H_{2}O}·d---\left(10\right)$

对于给出的kV/mA组合，也就是对于模体的每个条状图，下面还扫描 d=0的情况。在此重要的是，探测器示出了计数率漂移的明显改变，可能地 这还可以通过修改校准期间的偏置电压导致。该扫描可以位于从几个至多个 秒的范围内，取决于量子统计法，该量子统计法对于执行下面描述的步骤是 必要的。

由这些扫描得出的计数率数据I_i按照下面的等式来处理。

$D_i\left(S\right):=-\ln I_i\left(S\right)-\ln {\bar{I}}_1\left(0\right)-S---\left(11\right)$

$\equiv a_i\left(S\right)+d_i\left(S\right)=a_i\left(S\right)+f_i\left(S\right)d_1\left(S\right)---\left(12\right)$

其中表示在没有衰减的条件下(S＝0)，I₁关于时间的平均值。这点对 应于所谓的平场校正（Flatfield-Korrektur）。借助线性回归计算，在利用这些 数据建立的散射图Di中相对于D1得出参数a_i（S）和f_i（S），其中a_i（S） 代表回归线与纵坐标的交点上的纵坐标值并且f_i（S）代表回归线的斜率。 由此得出如下的关系式：

D_i(S)＝a_i(S)+f_i(S)·D₁(S)    （13）

在下面的步骤中能够对参数a_i（S）和f_i（S）建模，例如通过多项式回 归来覆盖连续的衰减值S。这些值可以被用于计算并校正计数率漂移，如通 过等式（5）至（9）所描述的那样。

在此要注意，数据I_i或L_i在第一处理步骤中应当进行关于的平场校 正。此外还要指出，上面描述的方法本身包含计数率的辐射硬化校正和饱和 校正。

即，在此提供的方法使用具有明显不同的门限的计数器的计数率漂移值 的比的常数来校正计数率漂移。该校正可以应用于投影数据的层面并且能够 在螺旋扫描以及顺序扫描的范围内快速并简单地执行处理步骤。与用于环形 伪影去除的其他算法不同，该方法既不影响图像清晰度也不去除低对比度对 象。

上面的描述的方法假设在明显不同的门限中至少N=2个计数器用于校 正（N²-N）/2个数据组。在此基本上由N个计数器得到的所有数据组关于 计数率漂移进行校正。但是，只有在扫描期间吸收的材料与为校准而使用的 材料相同或至少类似时，该校正才是精确的。但对于其它材料该校正是易于 产生错误的，这导致了极其有限的多能量能力（Multi-Energie-但是相应于公式（7）-（9）能够提供（N2-N）/2个与材料相关的数据组， 其关于各自的参考材料是无计数率漂移的。该与材料相关的数据组包含光谱 的灵敏度和修改后的噪声特性。由与水不同的物质形成的对比度相应于等式 C_ij＝w_ij·C_i+(1-w_ij)·C_j出现。

在基于碘的造影剂的情况下在成像时产生有利的巧合：在20-30keV和 60-70keV附近的两个期望的计数器的混合权重接近如下的混合权重：该混 合权重对于水-碘对比度噪声比CNR的最大化是需要的。从而找到例如因数 f₁₂≈8和w₁₂≈1.14。这种图像对比度值与利用20keV-计数器所测量的值类 似，其中容易提高图像噪声。

所提供的方法能够允许在临床的CT扫描器中使用具有次最佳的漂移特 征的CdTe或CdZnTe传感器材料，并且以强烈降低光谱灵敏度为代价实现 好的成像特征。但该亏损可以通过使用双kVp方法，例如在双源CT扫描器 中，得到补偿。

补充地指出，原则上足够的是，恒定的计数率比，也就是上面提到的因 数f_xy，不是在具有不同能量门限的计数器x和y之间按照经验准确地确定， 而且粗略地估计该比例。然后剩余的图像伪影可以通过已知的算法，例如在 CT情况下的环去除算法来处理。

相应于这些认识，发明人建议了一种用于在具有多个平面布置的量子计 数探测器元件的电离辐射探测器中校正计数率漂移的方法，其中每个探测器 元件具有带有明显不同的能量门限的至少两个计数器的组合，所述能量门限 被组合地分析以用于确定入射辐射剂量。在此，按照本发明基于前面确定的、 计数率彼此的函数依赖关系并且每个探测器元件使用至少一个计数器作为 参考校正具有不同能量门限的各个其它计数器的计数率。

为了准备扫描特定的材料，优选地可以在透射不同的厚度的相同的或关 于其吸收特征等效相同的材料的情况下测量每个探测器元件的各个计数器 的计数率的函数依赖关系，该材料在之后的X射线检查中还存在于待检查 的测量对象中。

此外，为了确定探测器的探测器元件的计数率漂移的函数依赖关系可以 确定至少两个计数器之间的线性回归系数，并且该系数可以用于校正至少一 个计数器的计数率。

除了观察纯线性的依赖关系，为了确定探测器的探测器元件的计数率漂 移的函数依赖关系，还可以确定至少两个计数器之间的多项式回归系数，并 且由此校正至少一个计数器的计数率。

最后特别有利的是，所测量的计数率I_i和/或其对数等效L_i在其使用之 前进行标准化，特别是进行所谓的平场校正。

除了按照本发明的方法发明人还建议一种X射线系统，特别是CT系统， 具有带有量子计数探测器元件的探测器，其中具有明显不同的能量门限的至 少两个计数器的组合配备给每个探测器元件，以及具有程序存储器的控制和 计算单元，在该程序存储器中存储了计算机程序，所述计算机程序在运行中 执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。

附图说明

下面对照附图根据优选的实施例对本发明作进一步的说明，其中仅示出 了为理解本发明所必须的特征。使用如下的附图标记：1：CT系统；2：第 一射束源；3：第一探测器；4：第二射束源；5：第二探测器；6：机架壳体； 7：患者；8：患者卧榻；9：系统轴；10：计算站；D：探测器；D_n,m：探测 器元件；I₁，I₂，I₃：脉冲率/计数率；L/K：逻辑和校正单元；L_korr：脉冲率； Prg₁-Prg_n：计算机程序；S₁，S₂，S₃：门限；Z_S1，Z_S2，Z_S3：计数器。

附图中：

图1示意性示出了具有两个计数器的探测器元件的探测器电子器件；

图2示意性示出了具有三个计数器的探测器元件的探测器电子器件；

图3示出了用于执行按照本发明的方法的具有量子计数探测器的CT系 统。

具体实施方式

图1示出了具有量子计数探测器元件D_n，m的未完整示出的探测器电子 器件的探测器D的截面示意图。在探测器元件的探测器电子器件中，电信 号从探测器元件D_n，m并行地传输到两个计数器Z_S1和Z_S2，其中计数器相应 于其下标以不同的门限S1和S2（例如20keV和60keV）来调节，从而仅分 别计数如下的电信号，该电信号相应于入射到探测器元件的至少20keV或至 少60keV的伽马量子。从计数器Z_S1和Z_S2将计数脉冲率I₁和I₂传送到逻辑 和校正单元L/K，在该逻辑和校正单元中所测量的计数率的按照本发明的漂 移校正基于找到的在计数率I₁与I₂之间的关系式来校正，并且作为校正后的 对数脉冲率L_korr（1-2）输出。

在图2中示出按照本发明的每个探测器元件具有三个计数器的探测器 的变形。这再次示出了具有量子计数探测器元件D_n，m的未完整示出的探测 器电子器件的探测器D的截面示意图。在探测器元件的探测器电子器件中， 电信号从探测器元件D_n，m并行地传输到三个计数器Z_S1至Z_S3，其中计数器 相应于其下标以不同的门限S1至S3（例如20keV、35keV和60keV）来调 节，从而每个计数器仅计数如下的电信号，该电信号相应于入射到探测器元 件的至少20keV、35keV或至少60keV的伽马量子的能量等效。从计数器 Z_S1至Z_S3将计数脉冲率I₁至I₃传送到逻辑和校正单元L/K，在该逻辑和校正 单元中所测量的脉冲率I₁至I₃的按照本发明的漂移校正分别基于找到的在 脉冲率I₁与I₂、I₁与I₃和I₂与I₃之间的关系式来校正，并且作为校正后的对 数脉冲率L_korr（1-2）、L_korr（1-3）和L_korr（2-3）输出。替换地还可以输出唯 一的校正后的对数脉冲率，在该脉冲率中根据校正后单值确定唯一的校正后 计算值，例如平均值。

按照本发明的方法可以结合具有计数探测器元件的任意探测器使用。在 此，图3中仅示例性地示出了具有按照本发明构造的探测器的计算机断层造 影系统1。该CT系统1具有机架壳体6，具有辐射源2的机架位于该机架 壳体中，该辐射源2与相对设置的探测器3一起围绕系统轴9旋转。可选地， 在机架上布置至少一个第二辐射源4和相对布置的探测器5。为了扫描例如 将患者卧榻8上的患者7移动穿过测量场，同时在机架上的辐射源2、4和 探测器3、5围绕系统轴9旋转。

由探测器3和/或5探测的信号可以直接在按照本发明构造的或设置的 探测器电子器件或者相应构造的或编程的中央计算站10中处理。在那里还 可以存储计算机程序Prg₁-Prg_n，其在运行时除了别的之外执行按照本发明的 方法。

要指出的是，按照本发明的方法和按照本发明的电路布置不局限于断层 造影的应用，而是可以用于每个具有计数探测器元件的探测粒子或光子的探 测器。

总之，发明提供一种方法、一种电路布置以及一种X射线系统，特别 是CT系统，其中为了校正具有量子计数探测器元件的电离辐射探测器的计 数率漂移，这些探测器元件具有带有明显不同的能量门限的至少两个计数器 的组合，基于前面确定的计数率彼此的函数依赖关系并且在每个探测器元件 使用至少一个计数器作为参考的情况下对具有不同能量门限的各个其它计 数器的计数率进行校正。

尽管本发明在细节上通过优选的实施例详细说明和描述，但本发明不受 到所公开的示例的限制并且可以由专业人员从中推导出其它的变化，而不会 脱离本发明的保护范围。