用于光子计数探测器的自适应持续电流补偿

摘要

一种成像系统(100)包括直接转换探测器像素(111)，所述直接转换探测器像素探测穿越检查区域的辐射，并生成指示所述辐射的电信号，其中，所述信号包括持续电流，所述持续电流由所述像素的直接转换材料生成，并且所述持续电流将所述信号的水平移位。持续电流估计器(116)估计所述持续电流，并且基于所述估计生成补偿信号。前置放大器(112)接收所述信号和所述补偿信号，其中，所述补偿信号基本上抵消了所述持续电流，从而产生经持续电流补偿的信号，并且所述前置放大器对经补偿的信号进行放大，从而生成被放大的经补偿的信号。整形器(114)基于所述被放大的经补偿的信号生成指示照射所述直接转换材料的所述辐射的能量的脉冲。

说明书

技术领域

下文总体上涉及光子计数探测器，并且更具体而言涉及对光子计数 探测器材料诱发的持续电流进行补偿，并且将借助对计算机断层摄影(CT) 的具体应用对其进行描述；但是，下文同样适用于其他成像模态，例如，X 射线和/或其他成像模态。

背景技术

计算机断层摄影(CT)扫描器一般包括以可旋转的方式安装到固定 扫描架上的旋转扫描架。所述旋转扫描架支撑X射线管，并且被配置为绕 检查区域关于纵轴旋转。探测器阵列跨越所述检查区域与所述X射线管相 对定位。所述X射线管被配置为发射多能电离辐射，该辐射穿越所述检查 区域(以及其中的物体或对象的部分)，并照射所述探测器阵列。所述探测 器阵列包括探测器像素的一维或二维阵列，其探测所述辐射并生成指示所 述辐射的信号。每一像素与用于传送供进一步处理的对应的信号的读出信 道相关联。重建器重建经处理的信号，从而产生指示所述检查区域的体积 图像数据。

对于谱CT而言，所述探测器像素已经包含了直接转换探测器像素。 一般而言，直接转换像素包括设置在阴极和阳极之间的直接转换材料(例 如，碲化镉(CdTe)、碲化镉锌(CZT)等)，其中，跨越所述阴极和阳极 施加电压。X射线光子照射阴极，从而将能量转移给直接转换材料种的电 子，这将建立电子/空穴对，其中，电子朝向阳极漂移。阳极作为响应产生 由所述探测器阵列输出的电信号。放大器对所述电信号放大，并且脉冲整 形器对被放大的电信号进行处理，并产生具有指示所探测到的辐射的能量 的峰值幅度或高度的脉冲。能量区分器将所述脉冲的高度与一个或多个能 量阈值进行比较。对于每一阈值而言，计数器对脉冲高度跨越阈值的次数 计数。能量分装器将计数分装到各个能量范围中，由此对所探测到的辐射 进行能量解析。重建器使用谱重建算法对经分装的信号进行重建。

诸如CdTe和CZT的直接转换材料倾向于在受到X射线辐照时产生 低频电流，其将导致探测器像素输出的信号的基线漂移。令人遗憾的是， 基线漂移将整形器输出的脉冲移位，这能够导致将所探测到的辐射错误地 分装到不正确的能量箱内，因为区分器的阈值是保持静止的。这一低频电 流有两个主要分量；即，暗电流和持续电流。暗电流是取决于探测器材料 和偏压的DC分量，并且在采集间隔期间通常不发生变化。能够简单地利用 静态偏置补偿来校正这一分量，所述静态偏置补偿向放大器的输入端注入 相反符号的相同量的电流。所述持续电流是由电子－空穴对的空穴(在直 接转换材料内)的俘获而导致的。由于俘获电荷的正电势，电子被注入到 了大块材料内，并且移动至阳极，而不是与空穴复合。所产生的缓慢变化 的电流能够是非常强的，并且能够超过光电流(直接由光子生成的电荷的 量)两个数量级。令人遗憾的是，所述持续电流是动态变化的，并且不能 像暗电流那样利用单个相反符号的静态电流进行补偿。

发明内容

文中描述的各个方面将解决上文提到的以及其他的问题。

在一个方面中，一种成像系统包括直接转换探测器像素，其探测穿 越检查区域的辐射，并生成指示所述辐射的电信号。所生成的电信号包括 持续电流，所述持续电流是由所述直接转换探测器的直接转换材料产生的， 并且将所述电信号的水平移位。所述成像系统还包括持续电流估计器，其 对所述直接转换材料产生的持续电流进行估计，并基于所述估计生成持续 电流补偿信号。所述成像系统还包括前置放大器，其接收持续电流补偿信 号和直接转换探测器像素输出的电信号。持续电流补偿信号基本上抵消了 直接转换材料产生的持续电流，从而产生持续电流补偿信号。所述前置放 大器还对经持续电流补偿的信号放大，从而生成被放大的经持续电流补偿 的信号。所述成像系统还包括整形器，其基于所述被放大的经持续电流补 偿的信号生成指示照射所述直接转换材料的所述辐射的能量水平的电脉 冲。

在另一方面中，一种方法包括基于光子计数探测器像素的直接转换 材料的表现的模型生成持续电流补偿信号。所述模型对所述直接转换材料 中的俘获空穴的生成以及对所述直接转换材料的俘获空穴复合率进行建 模。所述方法还包括将所述持续电流补偿信号注入到前置放大器的输入端， 所述前置放大器接收并放大光子计数探测器像素响应于辐射照射所述光子 计数探测器像素而生成的电信号。

在另一方面中，估计光子计数探测器像素的直接转换材料生成的持 续电流的持续电流估计器包括第一电阻元件和积分器，所述第一电阻元件 具有指示直接转换材料中的俘获空穴的生成的第一电阻值，并且生成第一 输出信号，所述积分器包括具有指示直接转换材料的俘获空穴复合率的第 二电阻值的反馈电阻元件，并且接收并处理所述第一输出信号，从而生成 对应于直接转换材料产生的持续电流的持续电流补偿信号。

附图说明

本发明可以采取各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排的 形式。附图仅仅为了图示优选实施例，并且不得被解释为限制本发明。

图1示意性地图示了与持续电流估计器连接的成像系统。

图2示意性地图示了持续电流的非限制性模型。

图3示意性地图示了图2的持续电流模型的一种非限制性的基于电 路的实施方式。

图4图示了用于补偿持续电流的方法。

具体实施方式

如上所述，成像系统光子计数探测器的直接转换材料在受到X射线 辐照时倾向于生成低频电流(即持续电流)，其能够导致所探测到的辐射的 错误分装。文中描述了一种方案以在数据采集期间对持续电流进行估计并 使用所述估计对持续电流进行补偿，由此缓解由于持续电流的原因导致的 对探测到的辐射的错误分装。

图1图示了一种成像系统100，例如，计算机断层摄影(CT)扫描 器。成像系统100包括固定扫描架102和旋转扫描架104，旋转扫描架104 以可旋转的方式由固定扫描架102支持。旋转扫描架104围绕检查区域106 关于z轴旋转。

诸如X射线管的辐射源108由旋转扫描架104支撑，并且借助旋转 扫描架104围绕检查区域106关于z轴旋转。源108发射穿越检查区域106 的辐射。任选的辐射控制器109使辐射发射状态在辐射穿越检查区域106 的第一状态和辐射不穿越检查区域106的第二状态之间进行转换。这可以 包括使源108“开启/关闭”，将滤波器插入到辐射路径/从辐射路径去除，向 源108的切换栅极施加/去除栅极电压，从而禁止/允许电子从源108的阴极 流至阳极，等等。

辐射敏感探测器阵列110界定了跨越检查区域106与辐射源108相 对的角度弧。探测器阵列110探测穿越检查区域106的辐射，并生成指示 所述辐射的电(例如，电压或电流)信号。所图示的探测器阵列110包括 一行或多行光子计数探测器像素111，例如，包括直接转换晶体或材料(例 如，CdTe、CZT等)的直接转换探测器像素。对于探测器像素111中的每 者而言，任选的前置放大器112对电信号进行放大，并且脉冲整形器114 接收到所述电信号或者被放大的信号，并生成脉冲(例如，电压或电流)， 所述脉冲具有指示所探测到的对应的入射辐射的能量水平的峰值高度或幅 度。

持续电流估计器116针对每一探测器像素111估计对应整形器114 的输出端处的持续电流的值，并生成针对每一探测器像素111的持续电流 补偿信号。对于探测器像素111而言，估计器116将所述补偿信号馈送或注 入回对应前置放大器112的输入端，其基本抵消了前置放大器112的输入 端处的探测器像素111的持续电流。这基本上可以缓解由于探测器像素111 的持续电流引起的探测器像素111的整形器114的输出端处的基线漂移。入 下文更详细描述的，在一种情况下，持续电流估计器116包括对应于一种 数学模型的电路，该数学模型描述了探测器像素111的直接转换材料关于 于持续电流的表现。

能量区分器118针对每一探测器像素111对整形器114输出的脉冲进 行能量区分。所图示的能量区分器118包括一组比较器120₁，…，120_N(文 中统称为比较器120)和一组对应的预定能量阈值(TH)122₁，…，122_N(文中统称为能量阈值122)，其中，N是大于等于一的整数。比较器120 中的每者将输入脉冲的高度与阈值122中其相应的一个进行比较，并生成 指示峰值高度是否超过了阈值122的输出信号。

针对比较器120中的每者，计数器124针对多个脉冲中的每者在脉 冲的峰值超过了各阈值时计数。能量分装器126基于阈值水平和入射辐射 的能量之间的关系将计数分装到能量范围中，由此对探测到的辐射进行能 量解析。重建器128对经能量分装的信号进行重建。重建器128能够采用 谱和/或非谱重建算法重建所述经能量分装的信号。

诸如躺椅的对象支撑物130将物体或对象支撑在检查区域106中。 对象支撑物130能够用于在扫描之前、期间和/或之后使对象或物体相对于 成像系统100垂直和/或水平定位。通用计算系统起着操作员控制台132的 作用，并且包括诸如显示器的输出设备以及诸如键盘、鼠标等的输入设备。 驻存于控制台132上的软件允许操作员与成像系统100进行交互和/或对成 像系统100进行操作。这样的交互可以包括利用或者不利用栅极开关选择 成像协议、启动扫描等。

如上所述，能够通过对应于探测器像素111的直接转换材料关于所 述直接转换材料诱发的持续电流的表现的模型的电路实施持续电流估计器 116。下文提供了数学模型的非限制性范例以及基于其的示范性电路。

对于这一例子而言，能够如方程1所示对持续电流建模：

方程1：

其中，I_p(t)表示所述持续电流，e表示基本电荷，N^T+(t)表示所俘获的空穴 的数量，并且T_漂移表示电子从源108的阴极到阳极的漂移时间。所俘获的 空穴的生成与光电流成比例，并且空穴具有t的寿命，并且能够通过方程2 所示的微分方程近似空穴的数量：

方程2：

$\frac{{\mathrm{dN}}^{T+}}{dt}={\mathrm{\alpha N}}^{-}\left(t\right)-{\mathrm{\beta N}}^{T+}\left(t\right),$

其中，α表示近似于每生成一个光电子所俘获的空穴的数量的常数，并且 β表示描述俘获空穴复合率的常数。α和β两者都是直接转换材料特异性的 常数。

图2示出了基于在结构上与方程2的微分方程类似的微分方程的示 范性电路模型200。

电路模型200包括模拟积分器202，模拟积分器202包括放大器204、 对俘获空穴的生成建模的第一电阻元件(R₁)210以及具有与电容元件(C) 208并联的对俘获空穴复合率建模的第二电阻元件(R₂)206的反馈电路203。 U₁表示输入电势，并且通过第一电阻元件(R₁)210被转化为电流，并且U 表示积分器202的输出电势。

能够如方程3所示对电路200进行数学表示：

方程3：

$\frac{d(-u)}{dt}=\frac{u_1\left(t\right)}{{\mathrm{CR}}_1}-\frac{-u\left(t\right)}{{\mathrm{CR}}_2},$

其中，u(t)和u₁(t)是表示作为时间的函数的电子和空穴的数量的电势，并且 C、R₁和R₂是对方程2的α和β建模的电容和电阻RC常数。如上所述， 方程3在结构上与方程2类似，并且能够用于对俘获空穴的表现建模。

图3示出了与探测器像素111、前置放大器112、整形器114和能量 区分器118连接的电路300，其包括基于图2的电路模型200的部件。

在本范例中，积分器302(与模型200的积分器202类似)输出的电 势u通过第三电阻元件(R₃)301被转换成电流，并且之后作为持续电流补 偿信号被反馈回或者注入到前置放大器112的输入端。此外，反馈电路303 的第一电阻元件(R₁)310和第二电阻元件(R₂)306是可变电阻元件，这 与模型200的反馈电路203的对应电阻元件210和206不同。在图3中， 针对每个探测器像素，第一可变电阻元件(R₁)310和第二可变电阻元件(R₂) 306的电阻值适合于探测器像素的对应转换材料的表现，因为所述表现倾向 于随着探测器像素的不同而发生变化。

每一探测器像素的每一电路300的电元件302、306、308和/或310 的值被调谐以匹配对应探测器像素的对应直接转换材料的实际表现。能够 采用各种方案实现这一目的。例如，在一种非限制性情况下，针对所有探 测器像素的所有电路300，电元件301和308的相应电阻和电容值为基于预 定电路设计标准的静态值，并且每一电路300的R₁和R₂的电阻值与对应探 测器像素的直接转换材料的表现匹配。

为了校准R₁和R₂，首先确定探测器像素的直接转换材料的实际状态 与模型状态的实际失配。这能够通过整形器114的将基于所述失配而发生 偏移的输出脉冲而确定。能够通过关闭X射线以及向前置放大器112的输 入端中注入具有良好定义的峰值幅度的已知电子测试脉冲来测量所述偏 移。之后，能够使用阈值扫描来测量这些脉冲的峰值电压。

一般而言，针对阈值扫描，针对探测器像素中的每个的比较器120 中的每个的阈值122中的每个的水平从预定起点按照预定增量被扫掠或者 递增(或递减)到预定终点，并使用在每一离散阈值位置处探测到的计数 的数量来确定脉冲的峰值电压。这一峰值电压指示已知脉冲峰值幅度和实 际偏移(失配)的和，因而能够通过从测得的峰值电压减去已知脉冲峰值 幅度的和而确定实际偏移。

对于R₁而言，将X射线关闭足够长的时间，以确保在直接转换材料 中没有或者有最少的俘获空穴。之后，使X射线开启短的时间段，但是要 长到足以生成俘获空穴。之后，关闭X射线，并测量失配，如上文所述。 所述失配指示R₁的值遵循直接转换材料中的空穴生成过程的良好程度。正 的失配指示空穴生成的低估，并且负的失配指示高估和R₁。对于正的失配 而言，降低R₁的值，并重复校准直到失配落到预定范围内为止。对于负的 失配而言，增大R₁的值，并重复校准，直到失配落到预定范围内为止。

对于R₂而言，开启X射线以生成俘获空穴。之后，关闭X射线。之 后，在空穴寿命上记录能够如上文所述测得的失配的斜率。如果失配测量 的结果具有增大的趋势，那么复合率以R₂的实际值被高估，并且增大R₂。 如果失配测量结果具有减小的趋势，那么复合率以R₂的实际值被低估，并 且降低R₂。使R₂增大或者降低直到失配落到预定范围内为止。

由于R₁和R₂之间的失配、噪声、直接转换材料的晶体表现(例如， 温度)的变化、模型的失配和/或其他原因，补偿电流可能偏离实际的持续 电流。在一种情况下，在采集间隔期间开启和关闭X射线，使得能够对实 际的持续电流进行测量，并且能够基于其调整持续电流模型参数。

例如，在一种情况下，在一个或多个采集间隔的预定子部分期间关 闭X射线，这允许整形器114适应实际的持续电流。在这样的适应段期间， 将针对探测器像素中的每个的电阻元件R₁的可变电阻调整至低值，从而允 许积分器3202迅速改变其输出，以补偿探测器像素的直接转换材料的实际 持续电流，并将这一工作点用于下一采集间隔。

在另一种情况下，能够通过更为复杂的电路，例如，使用电荷镜和/ 或其他电路实施直接电荷注入通孔R3。

一般以迭代方式重复对R₁和R₂的校准，直到失配落到预定范围内为 止。

图4图示了一种用于补偿由直接转换计数探测器的直接转换材料生 成的持续电流的方法。

在402中，前置放大器112接收由计数探测器的直接转换探测器像 素响应于入射辐射照射探测器像素而产生的信号。

在404中，持续电流估计器116估计持续电流，所述持续电流由探 测器像素111的直接转换材料响应于入射辐射照射探测器像素111而产生， 并被包含在前置放大器处接收到的信号中。

在406中，持续电流估计器116将所述估计注入到前置放大器112 的输入端处。

在408中，注入的估计基本上抵消了前置放大器112的输入端处的 持续电流。

在410中，前置放大器112对经持续电流补偿的信号进行放大。

在412中，整形器114接收被放大的经持续电流补偿的信号，并生 成具有指示入射辐射的能量水平的峰值高度的电脉冲。

在414中，任选地采用其他处理电子器件对所述电脉冲进行处理， 以如文中的讨论或者以其他方式对入射辐射进行能量区分。

已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解了前述详细说明 后，他人能够想到修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改 和变化，只要它们落在权利要求书或者其等价要件的范围内。