专利名称：量子计数的辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种量子计数的辐射探測器，尤其是X射线探测器，所述辐射探測器具有探測器元件阵列，其分别生成取决于入射的辐射量子的能量的电荷量并且其被划分为相邻探測器元件的组以便形成较大的探测器单元；第一处理级，借助所述第一处理级来为每个组分别提供取决于组内探测器元件所产生的电荷量的和的电信号；以及第ニ处理级，借助所述第二处理级通过分析所提供的电信号来对入射到每个组的辐射量子进行计数，以便为每个组获得计数結果。
背景技术：
计数的X射线探测器被使用在很多成像应用中。例如这种X射线探测器被应用在医学成像的计算机断层造影设备中，以便产生患者的检查区域的断层造影的X射线 图像。在量子计数的X射线探测器中，依据单个探測器元件的尺寸(下文中也称作像素)而产生不同的不希望的效应，所述效应在选择探測器的像素尺寸时导致冲突的要求。对于高流性能(Hochflussverhalten),尽可能小的像素尺寸是优选的，以便使得堆积效应(Pile-up-Effekt)的概率保持较低并且充分利用小像素效应(Small-Pixel-Effekt)。相反，对于探測器的良好的能量分辨率，优选选择尽可能大的像素，以便使得在像素内所记录能量上不希望的电荷共享(Charge-Sharing)效应和K-逃逸(Κ-Escape)效应保持为低。上述两种效应在较小的像素中对测量结果具有较大的影响。附加地，这些不希望的效应由于其统计表现还导致额外的噪声份额。最后，通过选择像素尺寸也确定了 X射线探测器的可达到的位置分辨率。在多种应用中，由于这些对立的要求使得在选择探測器元件尺寸或者像素尺寸时需要折衷，其相对于能量集成的探測器来说削弱了量子计数探測器的优势。由此，在将量子计数的探测器应用到临床计算机断层造影设备中时，所需的X射线流必然导致选择仅仅100 μ m至300 μ m的像素尺寸，因为否则的话在完全的X射线流中像素被強制为瘫痪状态而无法再提供有价值的数据。然而对于这些小的像素尺寸，在使用量子计数的探测器时，尤其是由CdTe或者CZT (CdZnTe)构成的探測器，能量分辨的损失和由电荷共享和K-逃逸所引起的附加噪声份额已经是极大的了。由WO 2009/042827公知了ー种量子计数的X射线探测器，其中通过将多个相邻探测器元件的计数结果相加或者另外地相组合，使得由单个的探測器元件组成更大的探測器単元。然而，相对于不利的K-逃逸效应和电荷共享效应，这种措施没有带来优势，因为由此形成的错误不再能够仅仅通过计数结果来确定和校正。US 2009/0080601描述了ー种量子计数的X射线探测器，其中探測器元件被动态地组合成较大的探测器单元，方法是，探測器元件经由开关矩阵而彼此电气地连接并且将生成的信号传输给共同的比较器。这种方法需要在測量之前对待预计的X射线流进行估计，因此在多种应用中其适用性受到限制。此外，在形成的探测器单元的不同尺寸之间的突然转换带来了很大问题，因为对于由不同的像素尺寸生成的信号不能以简单的方式来满足对持续可辨的(differenzierbar)连接条件的要求。在DE 10 2004 048 962中公知了ー种量子计数的X射线探测器，其中如果其被符合电路识别为属于光子事件，则相邻探測器元件的电荷脉冲被模拟地叠加。最后，WO 2004/008488描述了ー种探测器，其中多个探测器元件的信号分别被模拟地叠加并且然后被传送给共同的鉴别器和计数器，以便充分利用小像素效应(Small-Pixel-EfTekt)0然而，上面所描述的两种电荷叠加方法不能在高流情况下改进探测器的性能。所述电荷叠加方法的瘫痪性能近似地对应于具有这样的像素的探测器的性能，所述像素的面积是分别被组合成更大探测器单元的像素的总面积。包含例如四个像素信号的电荷叠加方法示出了几乎和四倍基本面积的单像素一祥的瘫痪性能，从而在大约四分之一量子流的情况下就已经使用了探測器瘫痪
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供ー种量子计数的辐射探測器，所述辐射探測器可以灵活地与各个应用相匹配，以便将不希望效应的影响保持在尽可能小。通过这样的量子计数的辐射探測器来解决上述技术问题。所述辐射探測器由如下组成探測器元件阵列，其分别产生取决于入射辐射量子的能量的电荷量并且被划分为相邻探测器元件的组以用于形成较大的控制器単元；第一处理级，借助其来为每个组分别提供取决于组内探测器元件所产生的电荷量的和的第一电信号；以及第ニ处理级，借助其通过分析所提供的第一电信号来对入射到每个组的辐射量子进行计数，以便为每个组得到第ー计数結果。所建议的辐射探測器的特征在于第一处理级附加地为每个探測器元件或者为探测器元件的每个子组(组被划分为所述子组)提供取决于探測器元件或子组所产生的电荷量的第二电信号；并且第二处理级通过分析所提供的第二电信号来同样地对入射到每个探测器元件或者每个子组的辐射量子进行计数，以便为每个单个探测器元件或者为探测器元件的每个子组获得第二计数結果；并且通过组合第一和第二计数结果来计算图像信息或者第一有效信号，所述有效信号被进ー步处理以便生成图像信息。对于所建议的辐射探測器由此实现了两个并排的彼此互不相关的处理支路。首先将单个探測器元件或者像素在处理中进行组合，以便由此形成较大的相连的探测器单元(在下文中也被称为宏像素)。由此例如可以以公知的方式分别将四个相邻的探測器元件(在此也被称为亚像素)组合成宏像素，方法是，将由这四个亚像素所产生的电荷量模拟地叠加并且随后将其传输给计数处理。与之独立地在另ー个处理支路中优选地为每个单个探测器元件或像素或者亚像素进行分离地处理，方法是，将由这个探測器元件所产生的电荷量或者从中导出的信号在放大之后同样地传输给计数处理。由此对于所建议的辐射探測器，多个探测器元件或者像素被组合成宏像素，其中每个单像素却就像在常规探测器中那样获得自己的信号处理以及自己的计数。同吋，电荷脉冲或者电信号、属于宏像素的亚像素被模拟地叠加并且传输到自己的计数器电路或者鉴别器/计数器电路。通过该并行的信号处理和分析，既得到单个探測器元件的计数结果，又得到较大的探测器单元的计数结果。然后，根据应用其可以这样组合，使得对于该应用在測量或者图像记录时出现不希望效应的尽可能小的影响。
在此，优选通过第一计数结果和第二计数结果的不同加权来进行计数结果的组合。由此例如可以事后决定，是否以较大的加权或者唯一地使用单个探測器元件的计数状态，以便改进高流性能，或者是否以较强的加权或者唯一地使用探测器单元的计数状态，以便改进能量分辨率。由于可以时间上在辐射探測(例如X射线拍摄)之后对计数结果进行组合，也可以将关于实际测量的X射线流的认识应用于分析。第一处理级和第二处理级的概念在本申请中不可以理解为其在此是封闭的处理単元。更确切地说，第一处理级覆盖由探測器元件所生成的电荷量的处理直到输入比较器或鉴别器，所述比较器或鉴别器然后在该意义下借助计数器进行计数以用于第二处理级。由此，第一处理级例如可以包含前置放大器和信号成形器(Signalformer)，就像从现有技术中所公知的那样。明显地，也可以在第二处理级中使用多个比较器或鉴别器，以便可以进行能量选择地进ー步处理或者计数。所建议的辐射探測器例如可以是由CdTe或者CZT组成的固体探測器。明显地，其他类型的固体探測器或者平面图像探測器也是可以实现的。对单个探測器元件和较大的探测器单元经由两个分离的处理支路进行的分离处理能够在所建议的辐射探測器中以不同的方式被实现。在此，由每个探測器元件在辐射量子入射时所产生的电荷量必须被分配到分离的处理支路上。这可以在实施中通过将电荷直接分配到两个处理支路上来实现。所生成的电荷量的一部分在此被传输给ー个处理支路，另一部分被传输给另ー个处理支路。可以非常简单地构造这个电路方案，例如，通过电容性的分配器，然而却具有这样的劣势由于在每个处理支路中減少了的信号电荷而引起较大的噪声。由此，优选在一个或者多个处理步骤之后才实施在两个处理支路上的分开，其中由在探測器元件中产生的电荷生成电信号，例如电流脉冲、电压脉冲或者固定的电压(在峰值保持信号的情况下)。然后，电信号被分配到两个处理支路。这还可以通过直接分配或者通过复制信号来进行。在此，不必在每种情况中都各占一半地进行分配，而是也可以按照其他的比例进行，只要该比例是已知的。例如如果模拟的信号处理由前置放大器、信号成形器以及比较器级的链组成，则可以在前置放大器之前或者信号成形器之后对输出信号进行复制。信号的复制品然后一方面传输到单个探測器元件的处理链上，另ー方面传输到探测器单元的处理链上。如果前置放大器具有反馈支路，则反馈信号的复制品也可以用作探测器单元的信号。技术实现的另ー个类别为每个探測器元件使用了所谓的峰值保持器(Peak-Holder)。所述峰值保持器是开关电路，其在某段时间内检测并且存储输入信号的最大值。在该方案中使用单个探測器元件的峰值保持信号的总和作为探测器単元的信号。同样，根据峰值保持器是否被时钟控制或者触发或者连续地工作，不同的实施也是可能的。同样在实施探测器单元的处理支路中的叠加级时，也可以有不同的方案。例如可以通过对电流的叠加来实施处理，所述电流与在每个探測器元件中的信号电平成比例。在另ー个有利的实施方式中，这样构造第二处理级，使得所述第二处理级根据预定的计算规则来组合第一和第二计数結果，以便从中为每个单像素获得组合了的计数结果作为用于随后图像显示的图像信息。通过为每个像素配备与(组合了的)计数结果成比例的强度值或灰度值作为图像信息，图像显示本身以公知的方式进行。在预定的计算规则中，使用用于组合两个计数结果的加权函数，该加权函数在实施中由单像素信号以及(探测器单元的)和信号的事先确定的瘫痪曲线计算出。在此，在第一步骤中确定单像素信号与和信号的瘫痪曲线。这可以在X射线成像投入使用的情况下例如通过X射线管的管电流的方案或者通过X射线辐射的衰减的方案在事先实施的X射线图像拍摄中实现。下一个步骤为通过多项式P对瘫痪曲线进行參数化Re=P (F, ae)并且Rs=P (F，も)，其中 P (F，a) = Σ ^aiF1Re或Rs在此表示在单像素信号Re与和信号Rs情况下所测量的量子流R。F表示所应用的量子流。P是具有因数^的多项式。根据下面的规则来计算后面用于组合计算结果的混合加权函数(iiberblend-Gewichtsfunktion)W W (F，ae, as) = [P (F，ae) -P (F，as) ] /P (F, ae) 随后进行坐标变换Re — F=p (Re, ae),通过P (F，ae)的(必要时近似的)反转函数W (F，ae, as) — w (Re, ae, as) =W (p (Re, ae), ae, as)在该坐标变换之后可以将所测量的数据Re和Rs计算为有效信号R R=Rs+w (Re, ae, as) Re通过这个计算规则，这样共同计算出亚像素和宏像素的计数结果，使得获得最优的高流性能，在低流情况下却在电荷共享和K-逃逸时完全地实现宏像素的较大面积的优势。明显地也可以这样实现所建议的量子探測器的连接，使得实现级联的处理。在此，两个处理支路的所建议的分配被依次地扩展到子组，下面也称为第一、第二、……子组，就像其在实施例之一中再次简短阐述的那样。在此，分别从组的计数结果以及其第一子组的计数结果中计算出第一有效信号，所述第一有效信号再次与第一子组的(第二)子组的计数结果相组合为第二有效信号等等。优选地对此进行延续，直到进行与(作为最后的子组的)单个探測器元件的计数结果的结合。所建议的量子计数的辐射探測器优选被构造为X射线探测器，其例如可以非常有利地被使用在医学成像中，尤其是计算机断层造影领域中。明显地，所建议的辐射探測器的结构却不限于探測X射线辐射。
下面根据实施例再次简短地阐述所建议的辐射探測器。附图中图I示出了单像素和组合像素的瘫痪曲线的示例，图2示出了在处理中所使用的混合加权函数的示例，所述混合加权函数是所应用的流的函数，图3示出了混合加权函数的示例，所述混合加权函数是所测量的单像素信号的函数，图4示出了測量信号以及在现有辐射探測器中由理想且近似的混合所生成的有效信号的示例，图5示出了所建议的辐射探測器的示意性结构的示例，图6示出了将亚像素组合成不同大小的宏像素的可能的几何实现，以及图7示出了由于形成级联所建议的辐射探測器的信号处理的示例。
具体实施例方式图I示出了在对单个探測器元件或像素的处理与将多个像素组合成宏像素这两者之间在量子计数的X射线探测器的性能中的区別。所述附图示出了所谓的瘫痪曲线，其中所测量的(也就是通过计数结果所确定的)量子流R被描绘为用于单像素信号与和信号(此处是四个单像素信号之和)的入射到探測器的量子流密度F的函数(分别与像素面积A和脉冲持续时间τ相乗)。单像素信号表示从单像素中所测量的比率或计数结果的求和。从图中可以明显地看出，和信号显示了这样的特性，即其表示了大约具有4倍増大的面积的单像素的特性。在此，R表示所测量的比率，Ra表示所施加的比率，分别在任意的单元中。因此，与单像素信号相比，在大约所施加的量子流的四分之一的情况下已经发生了測量信号的饱和以及由此的平滑。对于所建议的量子探測器，在处理中以及在处理支路中，将单像素组合成宏像素，方法是，单像素的电荷量(也就是从中得到的电信号)被模拟地叠加并且然后作为和信号被 传输给计数分析。然而在并行的处理链中，附加地对所有的单像素分别产生的电荷量被转换成电信号，并且同样地对于每个单像素被分开地传输给计数分析。从单像素中和宏像素中得到的计数结果然后以合适的方式被组合，以便为每个单像素获得有效的计数信号。对此引入加权函数，借助其来实施对每个像素的两个计数结果的组合。在优选的实施方式中，根据规定从用于单像素和宏像素的事先确定或者测量的瘫痪曲线中确定加权函数，就像前面已经提供的那样。图2示出了以这种方式确定的作为施加的流F或施加的比率Ra的函数的混合加权函数的示例。图3示出了再次作为所测量的单像素信号Re的函数(在此也是在任意単元内)的混合加权函数。从该附图中明显看出，该加权函数能够以很好的符合度被近似为线性，使得在多种情况下能够确定加权函数而无需事先确定的瘫痪曲线。此外，图4再次示出了两个测量信号，也就是单像素信号与和信号(參见图1)，以及借助所建议的规则由理想和近似的混合所确定的有效信号。图5示出了所建议的辐射探測器的结构的示意性示例。在该示例中仅仅为了说明而示出了探測器的四个探测器元件或像素1，它们在处理支路之一中被组合成宏像素2。由单像素I在辐射量子入射时产生的电荷量在第一处理级3中首先通过相应的读取单元和信号放大单元5被读取并且被转换成电信号。然后，所述电信号经由分支単元6被分配到两个处理支路上。在处理支路之一中将该电信号7传输到第二处理级4上，在所述第二处理级内为每个像素I设置了鉴别器10和与之连接的计数器11。在第二处理支路上将电信号7在叠加单元8上模拟地叠加并且然后将所产生的电信号9在第二处理级4上传输给鉴别器10，所述鉴别器与计数器11相连。第二处理级的组合单元12获得单像素I以及宏像素2的计数结果作为結果。然后，在所述组合単元12中以合适的方式对计数结果进行组合，以便获得每个单像素的和/或每个宏像素的尽可能小地受干扰效应影响的计数结果该方法可以明显地任意级联，其中然后例如图I中的单像素在第一级联级中代表由多个像素组成的第一宏像素并且图I中的宏像素由多个该第一宏像素组合而成。从中得到的有效信号然后反过来被用作第二级联的输入信号，其中该信号与由更多再次更小的宏像素组成的信号相组合。整个过程被继续，直到最后进行与单像素信号的组合，以便得到最终的有效信号。图7示意性示例地示出了这样的方法将在64个单像素上对应于800 μ m的宏像素边缘长度的和信号，与在16个单像素上对应于400 μ m的宏像素边缘长度的和信号相组合，以便得到第一有效信号。第一有效信号然后与在四个单像素上对应于200 μ m的宏像素边缘长度的和信号相组合，以便得到第二有效信号。第二有效信号最后与单像素信号相组合，以便得到用于图像显示的有效信号。在此，对于单像素，假定边缘长度是100 μ m。此外，图6以俯视图示出了具有16个单像素I的探測器的截面的強烈示意性的示图，其四个组的组合以及16个组分别通过加粗显示的边界来勾画。 ·
权利要求
1.ー种量子计数的辐射探測器，特别是X射线探测器，具有 -探測器元件(I)的阵列，所述探测器元件分别生成取决于入射的辐射量子的能量的电荷量并且被划分为相邻探测器元件(I)的组，以便形成较大的探测器单元(2)， -第一处理级(3)，借助所述第一处理级来为每个组分别提供取决于所述组的探測器兀件(I)所产生的电荷量的和的第一电信号(9),以及 -第二处理级(4)，借助所述第二处理级通过分析所提供的第一电信号(9)来对入射到每个组的辐射量子进行计数，以便为每个组获得第一计数結果， 其特征在干， 所述第一处理级(3)被这样构造，使得其附加地为每个探測器元件(I)或者为探测器元件(I)的由组划分的每个第一子组提供取决于所述探测器元件(I)或者所述第一子组所产生的电荷量的第二电信号(7)，并且 所述第二处理级(4)被这样构造，使得其通过分析所提供的第二电信号(7)来对入射到每个探測器元件(I)或者每个第一子组的辐射量子进行计数，以便为每个单个探测器元件(I)或者每个第一子组获得第二计数結果，并且通过组合所述第一计数结果和第二计数结果来计算图像信息或者第一有效信号。
2.根据权利要求I所述的辐射探測器，其特征在于，所述第一处理级(3)具有用于将由每个探測器元件(I)或者每个第一子组所产生的电荷量分配到两个分离的处理支路上的装置(6)，其中，在两个处理支路中的ー个上生成并分析所述第一电信号(9)，而在两个处理支路中的另ー个上生成并分析所述第二电信号(7)。
3.根据权利要求I所述的辐射探測器，其特征在于，所述第一处理级(3)具有用于将为每个探測器元件(I)或者每个第一子组提供的第二电信号(7)分配到两个分离的处理支路上的装置(6)，其中，在两个处理支路之一上生成并分析所述第一电信号(9)，而在两个处理支路中的另ー个上生成并分析所述第二电信号(7 )。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的辐射探測器，其特征在于，用于每个组和用于每个探测器元件(I)或者每个第一子组的第二处理级(4)分别包含至少ー个鉴别器(10)以及计数装置(11)。
5.根据权利要求4所述的辐射探測器，其特征在于，用于每个组和用于每个探測器元件(I)或者每个第一子组的第二处理级(4)具有多个鉴别器(10)，借助所述鉴别器能够对入射的辐射量子进行能量选择地计数。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的辐射探測器，其特征在于，所述第二处理级(4)被这样构造，使得其根据下面的公式将计数结果互相组合R=Rs+w(Re)*Re，其中，Rs是每个组的所测量的量子流或者所述第一计数結果，Re是每个探測器元件(I)的所测量的量子流或者所述第二计数結果，并且w对应于加权函数。
7.根据权利要求6所述的辐射探測器，其特征在干，从单个探測器元件(I)的瘫痪曲线和探測器元件(I)的组的瘫痪曲线之间的差中确定所述加权函数。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的辐射探測器，其特征在于，所述第一处理级(3)被这样构造，使得其为探测器元件(I)的由第k子组划分的每个第k+Ι子组提供取决于第k+Ι子组的探測器元件(I)所生成的电荷量的和的第k+2电信号，其中，k=L···!!，并且所述第二处理级(4)被这样构造，使得其通过分析所提供的第k+2电信号来对入射到每个第k+1子组的辐射量子进行计数，以便为每个第k+Ι子组获得第k+2计数結果，并且分别通过组合 第k有效信号和第k+2计数结果来计算第k+Ι有效信号。
全文摘要
本发明涉及一种量子计数的辐射探测器，尤其是X射线探测器，其中在并行的处理支路上对单像素(1)的信号和组合像素(2)的信号进行分析，其中然后能够将计数结果以合适的方式进行组合，以便降低在每个应用中不希望的干扰效应的影响。
文档编号G01T1/161GK102841367SQ20121021121
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者T.哈内曼, S.詹森, S.卡普勒, E.克拉夫特, D.尼德罗纳, M.雷恩万德 申请人:西门子公司