X射线探测器、成像装置和校准方法

X射线探测器、成像装置和校准方法
【专利摘要】本发明涉及一种X射线探测器，所述X射线探测器包括直接转换半导体层(60)，所述直接转换半导体层具有多个像素，所述多个像素用于将入射辐射转换成具有所述半导体层的带隙能量特性的电测量信号，其中，所述入射辐射为由X射线源(2)发射的X射线辐射或者由至少一个光源(30、33)发射的光。另外，评估单元(67)被提供用于根据当来自所述至少一个光源的具有第一强度的光被耦合到所述半导体层中时每像素或每像素组所生成的第一电测量信号以及当来自所述至少一个光源的具有第二强度的光被耦合到所述半导体层中时每像素或每像素组所生成的第二电测量信号来计算每像素或每像素组的评估信号，其中，所述评估单元被配置为检测所述第一电测量信号和所述第二电测量信号中每像素或每像素组的噪声峰值，并且被配置为根据检测到的噪声峰值来确定每像素或每像素组的偏置和增益。探测单元(69)被提供用于根据当X射线辐射入射到所述半导体层上时所生成的电测量信号来确定探测信号，并且校准单元(68)被提供用于基于所述评估信号来校准所述探测单元。
【专利说明】
X射线探测器、成像装置和校准方法
技术领域
[0001] 本发明涉及X射线探测器、X射线探测装置、成像装置以及用于校准X射线探测器的 校准方法。
【背景技术】
[0002] 常规地，通过使用具有已知能量的伽马射线源或通过使用K边滤波器来执行半导 体探测器(也被称为光子计数探测器，例如根据WO 2014/087290A1已知的）中的能量校准。
[0003] 在使用伽马射线源的方法中，利用具有已知能量的单色伽马射线源来辐照像素阵 列。辐照不需要在整个像素阵列上是均匀的。在辐照期间，执行所谓的阈值扫描或阈值扫 掠。该测量建立(典型地在DAC(数模转换)值中测得的)脉冲高度谱(PHS)中观察到的最可能 的脉冲高度（即所谓的"光子峰值"）与到来的能量之间的关系。增益和偏移变化以及位置相 关的不完全电荷收集都将导致光子峰值的DAC位置的可测量且显著的变化。为了确定关于 能量与DAC之间的校准曲线的增益和偏移，需要第二测量。该第二测量能够来自具有与第一 单色源足够不同的能量的第二单色源。在光子峰值的测得的DAC与到来的能量之间的线性 依赖性的假设下，两个能量标志足以确定每个通道的偏移和增益。
[0004] 使用K边滤波器的方法是非常相似的。然而，不需要伽马射线源来校准能量标度。 相反，能够使用多色源谱并且在该情况下利用K边滤波器材料的衰减的强烈变化来识别能 量标志。也是根据在多色照射下的阈值扫描而识别的，所提取的特征允许识别DAC标度上的 一个能量标志。对于完成以上方法中的能量校准存在相同的选项，即使用不同的K边滤波器 来执行第二测量。
[0005] 用于以上方法中的全部两者的备选第二测量利用脉冲高度谱中的噪声峰值的存 在。噪声峰值是由当比较器被移动到基线处的噪声带中时对电子器件散粒噪声进行计数而 得到的。假设针对模拟信号DC与阈值的位置相一致的DAC值，出现在没有任何辐射击中传感 器的情况下所观察到最大计数率。该备选方案在与以上方法之一组合的情况下是有用的， 但是不能用于执行完全的能量校准，这是因为该备选方案仅提供一个参考能量。
[0006] 以上两种能量校准方法的问题是众多的。由于辐射方面的原因并且由于伽马射线 源的连续变化的活性，使用伽马射线源是存在问题的。此外，在校准测量期间需要维持非常 接近的距离，这对于整个探测器阵列，如用于计算机断层摄影或甚至乳房摄影的探测器阵 列，是不切实际的。另外，该方法受到低X射线通量以及由此的长校准时间。使用K边滤波器 是更实际的，这是因为能够使用X射线管。然而，对K边衰减特征的提取是较繁琐的并且常常 导致对能量参考的错误测量。另外，与K边过滤组合的多色源受到从测得的谱提取K边特征 的困难过程，所述测得的谱尤其是如在最可能是未来光子计数CT扫描器的候选的CZT探测 器的毫米大小的CdTe中观察到的现实谱响应函数。
[0007] 因此，除了以上提及的在脉冲高度谱(PHS;即测得的脉冲高度的有关频率）中的噪 声峰值以外，期望具有用于第二能量参考的备选测量选项，以获得这些探测器中的增益变 化和/或偏移变化的量度。
[0008] DE 102010015422A1公开了一种X射线探测器，其包括直接转换半导体层和至少一 个光源，所述直接转换半导体层用于将入射辐射转换成具有所述半导体层的带隙能量特性 的电信号，并且所述至少一个光源用于将光耦合到所述半导体层中，其中，为了模拟入射的 X射线量子，所生成的光具有高于所述半导体层的带隙能量的能量。在至少一个实施例中， 所述X射线探测器包括至少一个评估单元和至少一个校准单元，所述评估单元用于根据当 光被耦合到所述半导体层中时所生成的电信号来计算评估信号，并且所述至少一个校准单 元用于基于所述评估信号来校准至少一个脉冲辨别器。这提供了针对考虑当前极化状态而 不使用X射线辐射来对X射线探测器进行快速可重复校准的先决条件。本发明的至少一个实 施例额外地涉及用于这样的X射线探测器的校准方法。

【发明内容】

[0009] 本发明的目的是提供一种X射线探测器、X射线探测装置、成像装置以及用于校准X 射线探测器的校准方法，所述校准方法实现了不具有以上提及的缺点的经改进的校准。
[0010] 在本发明的第一方面中，提出了一种X射线探测器，包括：
[0011] -直接转换半导体层，其具有多个像素，所述多个像素用于将入射辐射转换成具有 所述半导体层的带隙能量特性的电测量信号，其中，所述入射辐射为由X射线源发射的X射 线辐射或由至少一个光源发射的光，所述光具有高于所述半导体层的带隙能量的能量，以 模拟入射的X射线量子，
[0012] -评估单元，其用于根据当来自所述至少一个光源的具有第一强度的光被耦合到 所述半导体层中时每像素或每像素组所生成的第一电测量信号和当来自所述至少一个光 源的具有第二强度的光被耦合到所述半导体层中时每像素或每像素组所生成的第二电测 量信号来计算每像素或每像素组的评估信号，其中，所述评估单元被配置为检测每像素或 每像素组的所述第一电测量信号和所述第二电测量信号中的噪声峰值，并且所述评估单元 被配置为根据检测到的噪声峰值来确定每像素或每像素组的偏移和增益，
[0013] -探测单元，其用于根据当X射线辐射入射到所述半导体层上时所生成的电测量信 号来确定探测信号，以及
[0014] -校准单元，其用于基于所述评估信号来校准所述探测单元。
[0015] 在本发明的另外的方面中，提出了一种探测装置，包括：
[0016] -如在本文中公开的X射线探测器，以及
[0017] -至少一个光源，其用于将光耦合到所述半导体层中，其中，为了模拟入射的X射线 量子，所生成的光具有高于所述半导体层的所述带隙能量的能量。
[0018] 在本发明的另外的方面中，提出了一种成像装置，包括：
[0019] -辐射源，其用于将辐射发射通过成像区域，
[0020] -如在本文中公开的X射线探测器，其用于探测来自所述成像区域的辐射，
[0021] -机架，至少所述X射线探测器被安装到所述机架，并且所述机架允许所述X射线探 测器围绕所述成像区域旋转，以及
[0022] -控制器，其用于控制所述X射线探测器在围绕所述成像区域的旋转期间在多个投 影位置处探测辐射。
[0023] 在本发明的又一方面中，提出了一种用于校准X射线探测器的校准方法，所述X射 线探测器包括直接转换半导体层和至少一个光源，所述直接转换半导体层具有多个像素， 所述多个像素用于将入射辐射转换成具有所述半导体层的带隙能量特性的电测量信号，并 且所述至少一个光源用于将光耦合到所述半导体层中，其中，为了模拟入射的X射线量子， 所生成的光具有高于所述半导体层的所述带隙能量的能量，所述方法包括：
[0024] -采集当来自所述至少一个光源的具有第一强度的光被耦合到所述半导体层中时 每像素或每像素组所生成的第一电测量信号，
[0025] -采集当来自所述至少一个光源的具有第二强度的光被耦合到所述半导体层中时 每像素或每像素组所生成的第二电测量信号，
[0026] -通过以下来根据采集到的第一电测量信号和采集到的第二电测量信号计算每像 素或每像素组的评估信号:检测所述第一电测量信号和所述第二电测量信号中每像素或每 像素组的噪声峰值并根据检测到的噪声峰值确定每像素或每像素组的偏移置和增益，
[0027] -根据当X射线辐射入射到所述半导体层上时所生成的电测量信号来确定探测信 号，并且
[0028] -基于所述评估信号来校准所述X射线探测器。
[0029] 在本发明的又另外的方面中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，所述 程序代码单元用于当在计算机上执行所述计算机程序时令计算机执行在本文中公开的方 法的步骤;还提供了一种其中存储有计算机程序产品的非瞬态计算机可读记录介质，当由 处理器运行时所述计算机程序产品使在本文中公开的方法得到执行。
[0030] 在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法、成 像装置、计算机程序以及介质具有与所要求保护的探测器和所要求保护的探测装置以及在 从属权利要求中所定义的相似和/或相同的优选实施例。
[0031] 半导体X射线探测器中的X射线探测原理是经由电子-空穴对的生成。在电子-空穴 对生成之后，这些电子-空穴对经受由传感器上的金属阴极与阳极之间的高电压所生成的 强电场。这非常类似于在光学领域中的光导体和光电二极管中使用的功能原理。最重要的 是，在两种情况下信号生成经受完全相同的状况。仅在到来的辐射的能量大于半导体的带 隙时能够生成电信号，对于CZT或CdTe(其材料常常被用在半导体层中），所述带隙为大约 1.5eV〇
[0032] 如果以上条件被满足，则光子能量足以激励一个电子从价带的顶部到导带的底 部。这对应于电子-空穴对的生成。电子和空穴两者的移动性仅通过热激励对传感器的导电 性的贡献将小几个数量级。总体而言，以上条件在电磁谱包括近红外部分的整个可见范围 上被满足。1.5eV对应于大约830nm的波长。
[0033] 利用光对半导体层的辐照在半导体层中生成光电流，其类似于常规光电二极管中 的光电流。根据本发明，在校准模式中（其中没有X射线辐射被成像设备的X射线源发射)具 有两种不同强度水平的光随后被耦合到所述半导体层中，即以两种不同的光强度生成两个 电测量信号。应当注意到，（以其生成电测量信号之一的)光强度之一也可以为零，即没有光 被耦合到所述半导体层中，而针对第二电测量信号的生成，具有特定(例如预定的）光强度 的光被耦合到所述半导体层中。由此，应当注意到，能够通过连续光(其中，光强度被切换） 或通过脉冲光(其中，例如光脉冲的脉冲高度、脉冲宽度和/或脉冲速率可以改变)来获得利 用具有两种不同强度的光对所述半导体层的辐照。
[0034]通过对探测器的连续光辐照获得的该光电流生成使探测单元（其常常被配置为 ASIC)中的模拟信号的基线偏移的DC信号，所述光电流一般被DC耦合到所述半导体层。（通 过改变第一电测量信号的生成与第二电测量信号的生成之间的光强度而获得的）该基线偏 移能够通过噪声峰值的偏移而被检测到，即本发明是基于检测每像素或每像素组的第一电 测量信号和第二电测量信号中的噪声峰值的想法。噪声峰值的偏移的绝对量将取决于全局 光强度，而最重要是的取决于读出通道的像素相关（局部)增益。通过测量在两种光强度水 平(例如具有光和不具有光)处的基线偏移，能够找到针对所有通道(即每像素或每像素组） 的增益和偏置。
[0035] 在该背景中，可以通过对放大器的输入部处的电阻器而不是电容的耦合来实现DC 耦合。在输入部经由电容而被耦合的情况下，（明显地)不存在被传送的DC分量，并且探测器 变为AC耦合。对于AC耦合，不存在DC分量，并且不能通过使用连续的光照射来使用本发明的 想法。但是通过具有不同强度或不同光脉冲持续时间的光脉冲来进行校准仍将是可能的。
[0036] 应当注意到，所提出的能量校准不限于对偏置和增益的确定。一般地，假设输入与 输出之间的关系是线性的，进行两种测量以获得偏置和增益。然而，有时X射线探测器示出 非线性度，这能够通过在三个或更多个不同的光强度(例如一次没有光并且两次在不同的 光强度处或者三次在三个不同的光强度处)处进行测量而被考虑到。例如，针对能量校准， 可以获得表征探测器的潜在非线性度的2阶项。可以通过假设DAC值与能量E之间的以下关 系来获得所述2阶项：DAC = aO+alE+a2E2,其中，a0为偏置，al为增益并且a2为近邻线性 (next to linear)系数，其能够通过测量第三强度水平的DAC来确定。因此，在实施例中，所 述评估单元被配置为根据当来自所述至少一个光源的具有三种不同强度的光被耦合到所 述半导体层中时每像素或每像素组所生成的至少三个电测量信号来计算每像素或每像素 组的评估信号。
[0037] 根据实施例，所述评估单元被配置为执行阈值扫描以获得所述第一电测量信号和 所述第二电测量信号。这样的阈值扫描以及如何执行它通常是已知的，例如根据Christian Baumer等人的 "Testing an Energy-DispersiveCounting-Mode Detector With Hard X-Ray From a Synchrotron Source"（IEEETRANSACTI0NS ON NUCLEAR SCIENCE，第55卷， 第3号，2008年6月）已知。这提供了相当容易且可靠的方式来获得所述第一电测量信号和所 述第二电测量信号。
[0038]在另外的实施例中，所述评估单元被配置为根据被执行用来获得所述第一电测量 信号的阈值扫描中的所述噪声峰值的绝对阈值来确定每像素或每像素组的偏置，和/或被 配置为根据被执行用来获得所述第一电测量信号的第一阈值扫描和被执行用来获得所述 第二电测量信号的第二阈值扫描中的噪声峰值的阈值的绝对差并且根据在所述第一电测 量信号和所述第二电测量信号的生成期间被耦合到所述半导体层中的光的强度水平来确 定每像素或每像素组的增益。
[0039]优选地，所述X射线探测装置包括单个光源，所述单个光源用于将光耦合到所述半 导体层中。在另一实施例中，所述X射线探测装置包括多个光源，尤其是每像素或每像素组 有单个光源，所述多个光源用于将光耦合到所述半导体层中。光源的数量一般取决于当前 设计和任何机械约束，尤其是关于(一个或多个)光源的布置的机械约束。使用两个不同的 源避免了对切换强度的需要。备选地，源1能够被用于E1，源2能够被用于E2,源1+源2能够被 用于E3 = E2+E2,即没有源用于所述噪声峰值。
[0040] 在另一实施例中，射束扩宽光学器件和/或射束引导光学器件被提供用于对从所 述至少一个光源发射到所述半导体层上的光的射束扩宽和/或射束引导。这样的光学器件 可以包括一个或多个透镜、棱镜、（例如能移除或能移位的)镜子、望远镜光学器件、光纤、衍 射光栅等。这样的器件允许将所述一个或多个光源相对于所述半导体层布置在适当的位置 处，例如在侧面的位置处，即如在另一实施例中所提出的在X射线辐射束的(直接)路径的外 侧，使得光被适当的光学器件引导到所述半导体层。这考虑了常常在X射线系统中发现的准 直系统。
[0041] 衍射光栅可以例如被提供用于使光衍射到所述半导体层的像素上。这在使用单个 光源的情况下是尤其有用的，使得能够利用光以有效方式尽可能均匀且等同地照射每个像 素。
[0042] 总体而言，短光(例如激光)脉冲能够被用于在像素中生成特定量的电荷并且因此 也说明了传感器到ASIC的AC耦合的情况。宽范围的可用激光功率、频率、脉冲持续时间以及 重复频率使得激光是用来非常精确、可重现地且周期性地调谐每个像素中生成的电荷量的 有用工具。这使得激光是有利的选项。如果使用激光脉冲和噪声峰值参考来执行能量校准， 则一般不再有对探测器的整个寿命期间的任何基于X射线的校准的需要。
[0043] 利用光的脉冲(例如具有不同的脉冲长度），能够生成对于能量校准有用的第一电 测量信号和第二电测量信号。与连续光照射相反，噪声峰值不会偏移，但是只要光脉冲足够 强，光脉冲本身将生成非常像X射线光子的信号脉冲。这也能够被用作利用伽马射线源的校 准。
[0044] 然而，备选地，可以使用对半导体层的连续光照射以避免对控制光的脉冲发射的 需要。因此，所述X射线探测装置的所述至少一个光源可以被配置用于光的脉冲发射或连续 发射。
【附图说明】
[0045] 参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考 下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。在附图中：
[0046] 图1示出了根据本发明的成像系统的实施例的示意图，
[0047] 图2示出了根据本发明的包括X射线探测器的X射线探测装置的第一实施例的示意 图，
[0048] 图3示出了图示在阈值扫描中的噪声峰值的基线偏移的曲线图，
[0049] 图4示出了根据本发明的X射线探测装置的第二实施例的示意图的两种变型，
[0050] 图5示出了根据本发明的X射线探测装置的第三实施例的示意图，
[0051]图6示出了X射线探测器的第三实施例的俯视图，并且
[0052]图7示出了根据本发明的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0053]图1示意性且示范性地示出了根据本发明的用于对目标进行成像的成像装置12， 在该范例中，所述成像装置12为计算机断层摄影(CT)装置。CT装置12包括机架1、所述机架1 能够关于旋转轴R旋转，所述旋转轴R平行于z方向延伸。辐射源2(也被称为光子源)被安装 在机架1上，所述辐射源2可以是多色X射线管。辐射源2被提供有准直器3,所述准直器3利用 由辐射源2生成的辐射(光子)形成(例如锥形的）辐射束4。辐射穿过被布置在(例如圆柱形 的)成像区域5(也被称为检查区）中的检查目标(例如患者）。在已经穿过成像区域5之后，辐 射束4入射在X射线探测器6上，所述X射线探测器6包括二维探测表面。探测器6也被安装在 机架1上。
[0054] CT装置12包括两个马达7、8。机架1由马达7以优选为恒定但可调节的角速度来驱 动。马达8被提供用于使被布置在成像区域5中的患者台上的目标(例如患者)平行于旋转轴 R或z轴的方向移位。这些马达7、8由控制单元9控制，例如使得辐射源2、探测器6以及成像区 域5相对于彼此沿螺旋方向移动。然而，也可能的是，目标不被移动，而仅有辐射源2和探测 器6被旋转，即辐射源2相对于目标或成像区域5沿圆形轨迹移动。此外，在另一实施例中，准 直器3能够适于形成另一射束形状，尤其是扇形射束，并且探测器6能够包括对应于另一射 束形状尤其是对应于扇形射束而被成型的探测表面。
[0055] 在辐射源2和成像区域5的相对移动期间，探测器6根据入射在探测器6的探测表面 上的辐射而生成探测值(也被称为探测信号;优选为每像素一个探测值，即优选为探测元件 的二位阵列的每探测元件一个探测值）。探测值优选地被提供到重建单元10以基于探测值 来重建目标的图像。由重建单元10重建的图像可以被提供到显示单元11以显示经重建的图 像。控制单元9也优选地适于控制辐射源2、探测器6以及重建单元10。
[0056] 根据本发明，对X射线探测器6的经改进的校准是可能的。图2中示出了包括X射线 探测器6和至少一个光源30的实施例的X射线装置20的对应实施例。利用该实施例，将解释 如根据本发明所执行的校准模式。在该附图中未示出成像装置的X射线源2和其他元件。 [0057] X射线探测器6包括直接转换(光子计数)半导体层60,所述直接转换半导体层具有 多个像素，所述多个像素用于生成电子-空穴对并且因此用于将入射辐射转换成具有半导 体层60的带隙能量特性的电测量信号。半导体层60承载被布置在所述半导体层的面相入射 福射4的第一侧62上的阴极电极61和被布置在所述半导体元件60的与所述第一侧62相反的 第二侧64上的像素化阳极电极63 d射线探测器6还包括用于施加所述阴极电极61与所述阳 极电极63之间的（DC)偏压的电源65。又另外，读出单元66被提供用于从所述像素化阳极电 极63读出电信号。
[0058] 在操作模式(其中将采集探测信号来生成图像）中，入射辐射为由X射线源2发射的 X射线辐射。在校准模式(其是在安装成像系统之前被激活并且之后不时地被激活，例如每 天一次、每周一次、每月一次）中，入射辐射是由至少一个光源30发射的光，其中，所述光具 有高于半导体层60的带隙能量的能量，以用于模拟入射X射线量子。
[0059] X射线探测器6还包括评估单元67,所述评估单元用于根据当来自所述至少一个光 源30的具有第一强度(其也可以为零）的光被耦合到半导体层60中时每像素或每像素组所 生成的第一电测量信号以及当来自所述至少一个光源30的具有（与第一强度不同的）第二 强度的光被耦合到半导体层60中时每像素或每像素组(例如针对每个像素)所生成的第二 电测量信号来计算每像素或每像素组(例如针对每个像素）的评估信号，由此，在两个测量 阶段中都没有（由X射线源2发射的)X射线辐射入射到半导体层60上。另外，评估单元67检测 每像素或每像素组(例如针对每个像素)所述第一电测量信号和所述第二电测量信号中的 噪声峰值，并且根据检测到的噪声峰值来确定每像素或每像素组(例如针对每个像素)的偏 置和增益。
[0060] 另外，探测单元68被提供用于根据当（由X射线源发射的且经过包括检查的人或目 标的检查区域的)X射线辐射入射在半导体层60上时所生成的电测量信号来确定探测信号。
[0061] 最后，校准单元69被提供用于基于由评估单元67计算出的评估信号来校准探测单 元68。
[0062]至少一个光源30被配置用于将光耦合到半导体层60中，其中，针对模拟入射X射线 量子，所生成的光具有高于半导体层的带隙能量的能量。在该实施例中，诸如具有适当的聚 焦器件(例如透镜)的激光二极管的（单个)光源被布置在机架1处，优选地被布置在X射线源 2与X射线探测器6之间的某处，并且优选地被布置使得所述光源能够被移进和移出X射线源 2与X射线探测器6之间的辐射束4,从而所述光源能够针对成像装置12的校准模式而被移进 并且针对成像装置12的操作模式而被移出。
[0063] 在实施例中，脉冲激光源被用作发射持续时间在几纳秒至几微秒之间的激光脉冲 的光源30。还如图2所示，射束扩宽光学器件31可以任选地被提供用于将所发射的激光辐射 指向到X射线探测器6上，在所述X射线探测器6中每当激光光子的能量超过材料的带隙时， 就在半导体层60中生成电子-空穴对。针对CZT和CdTe，带隙为大约1.5eV，因此能够将宽范 围的激光波长用于该目的，包括整个可见范围直到柔和的UV光。作为对射束扩宽光学器件 的备选方案，元件31可以包括或者被配置作为用于使光衍射到半导体层的像素上的衍射光 栅。
[0064] 每次激光脉冲击中给定的探测器像素时电子-空穴对的数量取决于激光的波长、 脉冲的持续时间以及强度，简言之取决于包含在一个脉冲内的总能量，并且所述数量能够 被以非常方便的方式容易地控制。通过调制脉冲持续时间，每脉冲的能量能够被类似连续 地切换，并且能够利用一单个设备来实现若干能量标志。然而，当与PHS中的噪声峰值特征 组合时，单个参考已经是足够的。在没有X射线的情况下测得的噪声峰值的DAC基本上已经 提供了在以上介绍中示出的公式中的偏置a0。应当以如下方式来选取用来提供能量参考的 每次激光脉冲击中一个传感器（即一个像素)时的能量，即DAC(数模转换器）的范围的大部 分被噪声峰值和相关联的阈值扫描中的第二激光诱发的光峰值所覆盖。DAC是探测单元68 的主要部分。其被用于根据与特定能量(脉冲高度)值相对应的数字值来设定阈值。
[0065] 当以以上方式校准X射线探测器时，用于探测X射线的校准由于针对整个X射线探 测器的全局标度因子而仍然是不完整的。这是因为即使能够使所有像素经受完全相同的激 光脉冲并且因此在所有像素中的每个中能够产生相同数量的电子-空穴对，X射线辐射与激 光之间的转换效率的差异也不允许关于测得的X射线能量对DAC标度进行直接参考。
[0066] 然而，该全局标度因子独立于个体像素对激光或X射线辐射的响应，并且能够例如 在对X射线探测器的装运和安装之前被确定一次，并且很可能在探测器的寿命期间不需要 被再次确定。用于确定全局增益转换因子的三个可行选项将是对K边滤波器、单色源或对最 大记录的在高电压发生器处以kVp给出的脉冲高度的简单感测的一次性使用。所有三种手 段允许确定与光学光相比较探测器对的X射线的响应。K边滤波器方法将K边衰减器引入到 射束中，并且执行阈值扫描以提取K边能量的位置，由此提供独立的已知能量标志。第二，对 单色源的使用和随后对光峰值的位置的测量允许提取已知的DAC值，并且，第三，在与管电 压设定的kVp能量接近的DAC值附近执行的阈值扫描允许提取与X射线谱中的最高可能能量 的能量相对应的能量标志。
[0067] 图3示出了图示根据本发明的具有CZT晶体作为半导体层60的X射线探测器的实施 例的阈值扫描结果的曲线图。在阈值扫描期间，照射条件保持恒定。例如，在恒定的X射线照 射下记录脉冲-高度谱。通过对阈值跨越(threshold crossing)事件的频率的序列测量来 促进对脉冲-高度谱的记录，其中，在序列中扫描阈值，即以小的DAC步进递增，例如以DAC最 低有效位递增。图3中示出了在DAC值上的计数(Mcp，即每秒兆计数）。左侧曲线C1示出了没 有照射的情况下的噪声峰值，而右侧曲线C2示出了在由光连续照射下测得的噪声峰值，在 该范例中，所述光来自632nm的普通He: Ne激光器(具有2mW的总输出功率）。噪声峰值在两条 曲线C1和C2之间的偏移非常明显并且能够被非常容易地测量。在照射下噪声峰值位置的偏 移是所考虑的ASIC通道的增益的函数，所述通道即探测单元中的来自一个像素的信号在其 中被处理的通道。考虑到在第一电测量信号和第二电测量信号的生成期间被耦合到半导体 层中的光的强度水平，校准偏置通常由峰值C1的DAC值表示，并且校准增益通常由峰值C2和 峰值C1的DAC值的差来表示。只有在峰值C1与噪声峰值相对应的情况下，C1测量结果才直接 重现偏置。一般的关系为：
[0068] DACi = ao+Iiai
[0069] DAC2 = ao+l2ai
[0070] 根据该公式，能够通过解线性方程组来容易地推断出80和&1，对于三个等式和三个 未知项也是类似的。
[0071] 图4示出了根据本发明的X射线探测装置21、22的第二实施例的示意图的两个变 型。在该实施例中，光源30被布置在X射线探测器6的侧面处，而不是如第一实施例中那样直 接在X射线探测器6的上方。在这种情况下，射束引导光学器件用于对从所述光源30发射到X 射线探测器6的半导体层上的光进行射束扩宽和/或射束引导。射束引导光学器件可以包括 能移除或能移位的镜子32(如针对X射线探测装置21的图4A所示)或用于光引导的一根或多 根光纤35(如针对X射线探测装置22的图4B所示），例如每像素一根光纤。射束引导光学器件 一般也可以被移进并移出X射线辐射的辐射射束，以在操作模式中避免由X射线探测器6造 成的任何衰减或对X射线辐射的测量的其他干扰。在另一实施例中，射束引导光学器件在操 作模式中可以被被留在其位置处。
[0072] 在第二实施例中，从侧面照射半导体层60。为了在真实CT系统中使用所提出的能 量校准方案，在从侧面辐照的情况下，由于吸收，对于所有像素强度可能并不相同，并且在 针对辐照的探测器模块之间典型地不留有空间。因此，在图5所示的探测装置23的第三实施 例中，再次从顶部（即阴极侧）照射X射线探测器6'。在该实施例中，使用多个光源33而不是 单个光源。在该实施例中，阴极71是不透光的薄金属层。为了传输光，如图6所示可以在薄金 属层71中创建小孔72,图6描绘了图5所示的X射线探测器6的探测器模块的俯视图。孔72的 尺寸是小的，从而不干扰阴极71与阳极73之间电场。也能够在每阳极区域存在多个较小的 孔。多个光源33被提供在孔72内或者被提供在孔72上方的（优选)短距离处，优选为每个孔 72-个光源33,并且优选包括由支撑层34所支撑的小的LED或激光器。该支撑层34可以是对 X射线辐射透明的，使得其可以被固定地布置并且即使在操作模式中也可以被保持在其位 置处。
[0073] 优选地，将通过均匀的照射来对X射线探测器进行照射。为了实现该目的，光源和 光学系统的各种组合都是可获得的并且可以被使用。例如，可以使用LED阵列或具有微透镜 阵列的激光器或采用全内反射将非均匀光源转变成均匀照射的光管均化杆(或者一般地为 光均化器）。为了消除剩余的均匀性的不完美，能够在照射期间旋转均匀光源。
[0074] 应当注意到，一般由该方法计算出的仅是相对增益值。在单独的测量中，例如经由 针对一个像素的伽马射线测量或其中将探测到的谱中的特征作为X射线管的设定X射线谱 中期望的最大能量的kVp设定的单个测量中，可以获得从X射线到光学输入的一绝对增益转 换因子。一些ASIC描述主动漏电流补偿(基线恢复)的特征。该补偿优选地被禁用，这是因为 否则恢复电路将补偿由入射光生成的光电流。增益校准不应受BLR(基线恢复）的状态的影 响。能够在没有BLR的情况下采集用于增益校准的数据，即使在测量期间采用了 BLR。
[0075] 图7示出了根据本发明的用于校准X射线探测器的校准方法100的流程图。在第一 步骤101中，采集当来自所述至少一个光源的光和X射线辐射都不入射到半导体层上时每像 素或每像素组所生成的第一电测量信号。在第二步骤102中，采集当来自所述至少一个光源 的光被耦合到半导体层中时每像素或每像素组所生成的第二电测量信号。在第三步骤103 中，通过以下来根据采集到的第一电测量信号和采集到的第二电测量信号来计算每像素或 每像素组的评估信号:检测所述第一电测量信号和所述第二电测量信号中每像素或每像素 组的噪声峰值并根据所检测到的噪声峰值确定每像素或每像素组的偏置和增益。在第四步 骤104中，在操作模式中，根据当X射线辐射入射到半导体层上时所生成的电测量信号来确 定探测信号。在第五步骤105中，基于所述评估信号来校准X射线探测器。
[0076] 本发明总体上适用于要求定期的能量校准的所有的能量敏感探测器，如在计算机 断层摄影(即谱CT、谱X射线成像和光子计数乳房摄影)中所使用的那些能量敏感探测器。 [0077]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 述应当被认为是图示性或示范性的，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、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实 现对所公开的实施例的其他变型。
[0078] 在权利要求中，"包括"一词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实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措 施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组 合。
[0079] 计算机程序可以被存储/分布在合适的非瞬态介质上，例如与其他硬件一起或作 为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如 经由互联网或其他有线或无线的电信系统。
[0080] 权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
【主权项】
1. 一种X射线探测器，包括： -直接转换半导体层(60)，其具有多个像素，所述多个像素用于将入射辐射转换成具有 所述半导体层的带隙能量特性的电测量信号，其中，所述入射辐射为由X射线源(2)发射的X 射线辐射或由至少一个光源(30、33)发射的光，所述光具有高于所述半导体层的所述带隙 能量的能量，以模拟入射的X射线量子， -评估单元(67)，其用于根据当来自所述至少一个光源的具有第一强度的光被耦合到 所述半导体层中时每像素或每像素组所生成的第一电测量信号和当来自所述至少一个光 源的具有第二强度的光被耦合到所述半导体层中时每像素或每像素组所生成的第二电测 量信号来计算每像素或每像素组的评估信号，其中，所述评估单元被配置为检测所述第一 电测量信号和所述第二电测量信号中每像素或每像素组的噪声峰值并且被配置为根据检 测到的噪声峰值来确定每像素或每像素组的偏置和增益， -探测单元(69)，其用于根据当X射线辐射入射到所述半导体层上时所生成的电测量信 号来确定探测信号，以及 -校准单元(68)，其用于基于所述评估信号来校准所述探测单元。2. 如权利要求1所述的X射线探测器， 其中，所述评估单元(67)被配置为执行阈值扫描以获得所述第一电测量信号和所述第 二电测量信号。3. 如权利要求2所述的X射线探测器， 其中，所述评估单元(67)被配置为根据被执行用来获得所述第一电测量信号的阈值扫 描中的所述噪声峰值的绝对阈值来确定每像素或每像素组的所述偏置。4. 如权利要求2所述的X射线探测器， 其中，所述评估单元(67)被配置为根据被执行用来获得所述第一电测量信号的第一阈 值扫描中的所述噪声峰值的所述阈值和被执行用来获得所述第二电测量信号的第二阈值 扫描中的所述噪声峰值的所述阈值的绝对差并且根据在所述第一电测量信号和所述第二 电测量信号的生成期间被耦合到所述半导体层中的光的强度水平来确定每像素或每像素 组的所述增益。5. 如权利要求1所述的X射线探测器， 其中，所述评估单元(67)被配置为根据当来自所述至少一个光源的具有三个不同强度 的光被耦合到所述半导体层中时每像素或每像素组所生成的至少三个电测量信号来计算 每像素或每像素组的评估信号。6. -种X射线探测装置，包括： -如权利要求1所述的X射线探测器(6、6'），以及 -至少一个光源(30、33)，其用于将光耦合到所述半导体层中，其中，为了模拟入射的X 射线量子，所生成的光具有高于所述半导体层的所述带隙能量的能量。7. 根据权利要求6所述的X射线探测装置， 包括单个光源(30 )，其用于将光耦合到所述半导体层中。8. 根据权利要求6所述的X射线探测装置， 包括多个光源(33)，尤其是每像素或每像素组有单个光源(33)，所述多个光源用于将 光耦合到所述半导体层中。9. 根据权利要求6所述的X射线探测装置， 还包括射束扩宽光学器件（31)和/或射束引导光学器件（32)，其用于对从所述至少一 个光源发射到所述半导体层上的光的射束扩宽和/或射束引导。10. 根据权利要求6所述的X射线探测装置， 其中，所述至少一个光源(30)被布置在所述X射线辐射射束的路径的外面。11. 根据权利要求9所述的X射线探测装置， 包括一个或多个能移除或能移位的镜子(32)、光纤(35)、用于将所述光衍射到所述半 导体层的像素上的衍射光栅(32)、和/或透镜。12. 根据权利要求6所述的X射线探测装置， 其中，所述至少一个光源(30、33)被配置用于光的脉冲发射或连续发射。13. -种成像装置，包括： -辐射源(2)，其用于将辐射发射通过成像区域(5)， -如权利要求6所述的X射线探测装置（20、21、22、23)，其用于探测来自所述成像区域 (5)的福射， -机架（1)，至少所述X射线探测器(6)被安装到所述机架，并且所述机架允许所述X射线 探测器(6)围绕所述成像区域旋转，以及 -控制器(9)，其用于控制所述X射线探测装置(6)在围绕所述成像区域的旋转期间在多 个投影位置处探测辐射。14. 一种用于校准X射线探测器的校准方法，所述X射线探测器包括直接转换半导体层 (60)和至少一个光源(30、33)，其中，所述直接转换半导体层具有多个像素，所述多个像素 用于将入射辐射转换成具有所述半导体层的带隙能量特性的电测量信号，并且所述至少一 个光源用于将光耦合到所述半导体层中，其中，为了模拟入射的X射线量子，所生成的光具 有高于所述半导体层的所述带隙能量的能量，所述方法包括： -采集当来自所述至少一个光源的具有第一强度的光被耦合到所述半导体层中时每像 素或每像素组所生成的第一电测量信号， -采集当来自所述至少一个光源的具有第二强度的光被耦合到所述半导体层中时每像 素或每像素组所生成的第二电测量信号， -通过检测所述第一电测量信号和所述第二电测量信号中每像素或每像素组的噪声峰 值并根据检测到的噪声峰值确定每像素或每像素组的偏置和增益，根据采集到的第一电测 量信号和采集到的第二电测量信号来计算每像素或每像素组的评估信号， -根据当X射线辐射入射到所述半导体层上时所生成的电测量信号来确定探测信号，并 且 -基于所述评估信号来校准所述X射线探测器。15. -种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上执行 所述计算机程序时令所述计算机控制如权利要求13所述的成像装置来执行如权利要求14 所述的方法的步骤。
【文档编号】G01T7/00GK106030345SQ201580008130
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年12月9日
【发明人】E·勒斯尔, H·德尔
【申请人】皇家飞利浦有限公司