光子计数探测器系统的制作方法

1.本发明医学影像设备领域，特别是涉及一种光子计数探测器系统。


背景技术：

2.光子计数探测器是一种新型能谱图像采集装置，是x射线ct、dr、数字减影血管造影机等医学影像设备的核心部件。光子计数专用芯片是光子计数探测器的核心处理单元。x射线光子入射到探测器，能够在探测器半导体晶体材料中激发电子空穴对，产生电荷脉冲，光子计数探测器专用芯片对脉冲能量进行甄别，并统计各个能区内光子的数量。
3.常规光子计数探测器受光子堆叠效应影响，输出计数与入射光子数呈非线性关系。随着x射线剂量率增加，堆叠造成计数的偏差越加显著。光子堆叠引起的能谱失真会降低能谱图像质量。
4.针对光子堆叠问题，目前已公开的主流文献与专利采用如下方法：
5.1.通过先验测试，在设定的x射线管电压、管电流、滤过条件下，预先测得低剂量率条件下的计数，此时光子堆叠发生概率较低，可视为探测器输出计数等于入射光子数；逐渐提高管电流，固定其它条件，记录各管电流条件下输出计数，入射光子数与管电流呈正比，可据此建立“入射光子-输出计数”映射关系；探测器在实际应用过程中，根据“入射光子-输出计数”映射关系，以查表方式校正计数。此方法的优点是不需要额外电路即能实现计数的非线性校正。缺点是该方法基于射线源与探测器之间无衰减物(或特定模体作为衰减物)的测试数据建立映射关系，当x射线通用人体组织或任意不确定物体发生衰减后，映射关系与先验测试条件结果差别较大，能谱分辨率低。
6.2.presmatic sensor ab公司专利us20220082710a1披露一种方法，通过设置计数器与计时器，同时统计计数与ttot(total time over threshold，即为累计过阈时间)信息，利用ttot信息对计数进行修正。但该方案的不足之处在于：模拟前端输出脉冲为准高斯型，所统计的过阈时间与脉冲能量只具有正相关性，不具有线性关系。
7.3.专用芯片的比较器设计为“非瘫痪型(non-paralyzed model)”，即模拟脉冲连续超过阈值一段时间而未能降低至阈值以下，比较器判决出发生堆叠并快速复位，再次产生输出数字脉冲。非瘫痪模式具有一定抗堆叠作用，提高了探测器的计数率，但其复位时间为常数，无法针对不同阈值、不同晶体的电荷增益做出灵活的最优化适配，该模式下计数与真实光子能量分布情况存在偏差。


技术实现要素：

8.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光子计数探测器系统，用于解决用于解决现有技术中以上技术问题。
9.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光子计数探测器系统，所述系统包括：光子计数探测器，包括：转换晶体，用于在设定的x射线剂量率采集图像的条件下，对入射的x射线光子激发出电子空穴对；具有像素阵列结构的光子计数专用芯片，包括：多
个排列的像素结构，用于分别将由以像素电荷信号形式收集对应当前像素的由所述转换晶体激发出的电子空穴对转换获得的电压脉冲信号进行处理获得准三角波模拟电压脉冲信号，并基于所述准三角波模拟电压脉冲信号统计多个能量区间内数字脉冲计数个数以及累计的过阈时间并输出；光子数计算模块，连接所述光子计数探测器，用于当x射线剂量率为高x射线剂量率时，基于各像素结构输出的累计的过阈时间，计算各像素每个能量区间的平均光子数；在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，基于各像素结构输出的各能量区间内数字脉冲个数以及累计的过阈时间，计算各像素每个能量区间内的光子数目以及光子总能量。
10.于本发明的一实施例中，每个像素结构包括：电荷放大器，用于将以像素电荷信号形式收集的对应当前像素的由探测器的俘获晶体激发出的电子空穴对转换为电压脉冲信号；整形器，连接所述电荷放大器，用于对所述电压脉冲信号进行处理，输出准三角波模拟电压脉冲信号；分别对应一或多个不同的能级能量区间的能级输出模组，用于分别统计各能量区间内数字脉冲计数个数以及累计的过阈时间并输出。
11.于本发明的一实施例中，每个能级输出模组包括：对应当前能级区间的比较器，用于在所述准三角波模拟电压脉冲信号的电压值大于对应当前能量区间的能级电压阈值时输出高电平；计数器，连接所述比较器，用于在所述比较器输出高电平时统计数字脉冲计数个数并输出；计时器，连接所述比较器，用于在所述比较器输出高电平时统计模拟三角波累计的过阈时间并输出。
12.于本发明的一实施例中，所述计时器采用外部高速采样时钟作为内部计时主频。
13.于本发明的一实施例中，累计的过阈时间的单位为外高速采样时钟周期，且该外高速采样时钟周期通过外部晶振设定。
14.于本发明的一实施例中，在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，所述整形器输出的准三角波模拟电压脉冲信号为相似三角形。
15.于本发明的一实施例中，当x射线剂量率为高x射线剂量率时，基于各像素结构输出的各能量区间内的数字脉冲计数个数以及累计的过阈时间，计算各像素每个能量区间的平均光子数的方式包括：当x射线剂量率为高x射线剂量率时，根据由各像素结构获得的所述准三角波模拟电压脉冲信号获得的对应各像素的每个能量区间下的光子脉冲平均脉宽以及各像素的每个能量区间下的累计的过阈时间计算获得各像素的每个能量区间下的平均光子数。
16.于本发明的一实施例中，在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，基于各像素结构输出的各能量区间内数字脉冲个数以及累计的过阈时间，计算各像素每个能量区间内的光子数目以及光子总能量的方式包括：在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，将所述各像素结构输出的各能量区间内数字脉冲个数作为各像素每个能量区间内的光子数目，并基于光子能量关系根据由各像素结构获得的所述准三角波模拟电压脉冲信号获得的对应各像素的每个能量区间下的阈值等效脉宽时间、各像素每个能量区间内的光子数目以及各像素的每个能量区间下的累计的过阈时间计算获得各像素每个能量区间内的光子总能量。
17.于本发明的一实施例中，所述光子能量关系包括：e
∝
t1+a
×
t2；其中，e为光子总能量，t1为累计的过阈时间，a为光子数目以及t2为光子脉冲平均脉宽。
18.于本发明的一实施例中，各像素结构通过lvds串行总线向光子数计算模块传输多
个能量区间内数字脉冲计数个数以及累计的过阈时间。
19.如上所述，本发明是一种光子计数探测器系统，具有以下有益效果：本发明通过光子计数探测器的光子计数专用芯片采集各能级区间的计数与累计过阈时间，使其在低剂量率x射线条件下采集图像时，既可以统计每个能量区间内光子数目，也可以统计每个能量区间内光子总能量，为能谱图像提供了更丰富的能量信息；在高剂量率x射线条件下采集图像时，能够对光子堆叠严重程度做出判决，根据过阈时间计算各能级平均光子数，避免光子堆叠造成的计数器瘫痪对能谱特性影响，并能够对光子堆叠产生的计数非线性进行大幅度抑制与校正，解决光子计数探测器能谱失真问题。
附图说明
20.图1显示为本发明一实施例中的光子计数探测器系统的结构示意图。
21.图2显示为本发明一实施例中的光子计数专用芯片的结构示意图。
22.图3显示为本发明一实施例中的像素结构的结构示意图。
23.图4显示为本发明一实施例中的单阈值低x射线剂量率下的计数+计时能谱数据示意图。
24.图5显示为本发明一实施例中的两个阈值低x射线剂量率下的计数+计时能谱数据示意图。
25.图6显示为本发明一实施例中的三个阈值低x射线剂量率下的计数+计时能谱数据示意图。
26.图7显示为本发明一实施例中的高x射线剂量率下的计数+计时能谱数据示意图。
27.图8显示为本发明一实施例中的阈值等效脉宽时间描述示意图。
具体实施方式
28.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、
““
下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
30.在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
31.其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本发明范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。
32.再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
33.本发明提供一种光子计数探测器系统，通过光子计数探测器的光子计数专用芯片采集各能级区间的计数与累计过阈时间，使其在低剂量率x射线条件下采集图像时，既可以统计每个能量区间内光子数目，也可以统计每个能量区间内光子总能量，为能谱图像提供了更丰富的能量信息；在高剂量率x射线条件下采集图像时，能够对光子堆叠严重程度做出判决，根据过阈时间计算各能级平均光子数，避免光子堆叠造成的计数器瘫痪对能谱特性影响，并能够对光子堆叠产生的计数非线性进行大幅度抑制与校正，解决光子计数探测器能谱失真问题。
34.下面以附图为参考，针对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。
35.如图1展示本发明实施例中的一种光子计数探测器系统的结构示意图。
36.所述结构包括：
37.光子计数探测器1，包括：转换晶体11，用于在设定的x射线剂量率采集图像的条件下，对入射的x射线光子激发出电子空穴对；具有像素阵列结构的光子计数专用芯片12，包括：多个排列的像素结构121，用于分别将由以像素电荷信号形式收集对应当前像素的由所述转换晶体激发出的电子空穴对转换获得的电压脉冲信号进行处理获得准三角波模拟电压脉冲信号，并基于所述准三角波模拟电压脉冲信号统计多个能量区间内数字脉冲计数个数以及累计的过阈时间并输出；
38.光子数计算模块2，连接所述光子计数探测器1，用于当x射线剂量率为高x射线剂量率时，基于各像素结构输出的累计的过阈时间，计算各像素每个能量区间的平均光子数；在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，基于各像素结构输出的各能量区间内数字脉冲个数以及累计的过阈时间，计算各像素每个能量区间内的光子数目以及光子总能量。
39.在一实施例中，具有像素阵列结构的光子计数专用芯片12包含多个排列的像素结构121，如图2所示；其中，每个像素结构对应一像素；
40.如图3所示，每个像素结构121包括：
41.电荷放大器31，用于将以像素电荷信号形式收集的对应当前像素的由探测器的俘获晶体激发出的电子空穴对转换为电压脉冲信号；
42.整形器32，连接所述电荷放大器31，用于对所述电压脉冲信号进行处理，输出准三
角波模拟电压脉冲信号；
43.分别对应一或多个不同的能级能量区间的能级输出模组，用于分别统计各能量区间内数字脉冲计数个数以及累计的过阈时间并输出。
44.在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，即不产生堆叠的情况下，所述像素结构利用电荷放大器与整形器，使输出的模拟脉冲均为相似三角形(不考虑光子堆叠情况)，光子脉冲能量正比于准三角波脉冲宽度时间，脉冲峰值与光子能量呈线性关系。
45.在当x射线剂量率为高x射线剂量率时，由于光子堆叠，整形器输出准三角波脉冲也随之发生堆叠，但发生光子堆叠后，过阈时间持续增加，过阈时间与能量相关性高于计数与能量相关性。
46.在一具体实施例中，如图3所示，每个能级输出模组包括：
47.对应当前能级区间的比较器331，用于在所述准三角波模拟电压脉冲信号的电压值大于对应当前能量区间的能级电压阈值时输出高电平；具体的，该比较器331设置一能级电压阈值，当模拟脉冲大于设定阈值时，比较器输出高电平，反之输出低电平；
48.计数器332，连接所述比较器331，用于在所述比较器输出高电平时统计数字脉冲计数个数并输出；具体的，计数器统计一段采集时间内该比较器输出的数字脉冲个数。
49.计时器333，连接所述比较器331，用于在所述比较器输出高电平时统计模拟三角波累计的过阈时间并输出。具体的，计时器则受比较器输出高电平使能，统计模拟三角波累计的过阈时间并输出。
50.在一实施例中，所述计时器333采用外部高速采样时钟作为内部计时主频，即计时器333则受比较器输出高电平使能，由比较器输出脉冲控制计时器使能，使能信号为高电平则持续计时，使能信号为低电平则暂停计时，在外置高速时钟触发下，统计模拟三角波累计的过阈时间。优选的，累计的过阈时间的单位为外高速采样时钟周期，且该外高速采样时钟周期通过外部晶振设定，具体的，总过阈时间的单位为高速采样时钟数，高速采样时钟周期由用户通过外部晶振设定，时钟个数x时钟周期即物理上的时间。过阈时间测量精度取决于计时器外置的高速时钟，时钟主频率越高，量化误差越小，时间分辨率越高。
51.在一实施例中，专用芯片利用电荷放大器与整形器，使输出的模拟脉冲均为相似三角形(不考虑光子堆叠情况)，光子脉冲能量正比于准三角波脉冲宽度时间。“阈值等效脉宽时间”是指峰值恰等于设定阈值的准三角波电压脉冲宽度，由能谱分布特性获得。举例来说，如图4所示，为“计数+计时”能谱数据输出，当能级输出模组为一个的情况下，若接收的各像素结构输出的该能量区间内数字脉冲个数为3以及累计的过阈时间为8+15+12＝35时钟周期。
52.即在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，将所述各像素结构输出的各能量区间内数字脉冲个数作为各像素每个能量区间内的光子数目，并基于相似三角形法则根据由各像素结构获得的所述准三角波模拟电压脉冲信号获得的对应各像素的每个能量区间下的阈值等效脉宽时间、各像素每个能量区间内的光子数目以及各像素的每个能量区间下的累计的过阈时间计算获得各像素每个能量区间内的光子总能量。
53.优选的，根据相似三角形规则，有脉宽时间＝过阈时间+阈值等效脉宽时间；
54.低剂量率图像采集条件下，某个能级在一段时间内收集的光子总能量具有如下关系。
55.光子总能量
∝
累计过阈时间+脉冲个数x阈值等效脉宽时间；
56.即，
57.e
∝
t1+a
×
t2；(1)
58.其中，e为光子总能量，t1为累计的过阈时间，a为光子数目以及t2为光子脉冲平均脉宽。
59.举例来说，如图5所示，能级1光子数＝3；能级2光子数＝2；能级1过阈时间＝6+16+14＝36时钟周期；能级2过阈时间＝9+6＝15时钟周期；阈值1等效脉宽时间t1＝6时钟周期；阈值2等效脉宽时间t1＝13时钟周期；能级1光子总能量
∝
36+3x6＝54时钟周期；能级2光子总能量
∝
15+2x13＝41时钟周期。
60.在一实施例中，高剂量率图像采集情况下，由于光子堆叠，整形器输出准三角波脉冲也随之发生堆叠。发生光子堆叠后，模拟脉冲持续高于阈值，比较器输出持续保持高电平，计数器计数无增加，即发生丢计数。因此，当x射线剂量率为高x射线剂量率时，根据由各像素结构获得的所述准三角波模拟电压脉冲信号获得的对应各像素的每个能量区间下的光子脉冲平均脉宽以及各像素的每个能量区间下的累计的过阈时间计算获得各像素的每个能量区间下的平均光子数。
61.优选的，发生光子堆叠后，过阈时间持续增加，过阈时间与能量相关性高于计数与能量相关性，此时采用以下方法对光子数进行校正：
62.步骤1，曝光采集各能量区间内数字脉冲个数以及累计的过阈时间；
63.步骤2，根据射线源能谱分布特性，确定每个能区内光子脉冲平均脉宽；
64.步骤3，将每个能区内总过阈时间分别除以该能区光子脉冲平均脉宽得到该能区的平均光子计数。
65.此方法相比于常规的“非瘫痪模型(non-paralyzed model)”光子计数区别在于：常规非瘫痪模型以设定的比较器复位时间作为光子脉冲平均脉宽，所有能级的平均脉宽为相同的设定值，无法针对不同阈值分别设定最优平均脉宽，与实际物理模型偏差大。采用本发明所述方法，各阈值可以根据射线源能谱分布特性，选取不同的平均脉宽。
66.在一实施例中，各像素结构通过lvds串行总线向光子数计算模块传输多个能量区间内数字脉冲计数个数以及累计的过阈时间。
67.为了更好的说明上述光子计数探测器系统，本发明提供以下具体实施例。
68.实施例1：一种光子计数探测器；
69.其包括：光子计数专用芯片，具有像素阵列结构，每个像素包含1组电荷放大器、1组整形器、若干组阈值比较器、若干组计数器与若干组计时器。
70.当x射线光子入射到光子计数探测器中，辐射激发探测器晶体中电子空穴对，电子与空穴带在外加电场偏压下定向运动，产生电荷信号。该信号被光子计数专用芯片上的像素收集。电荷信号经过电荷灵敏放大器后，输出模拟脉冲电压，该电压经过整形器处理后，输出准三角波模拟电压脉冲。准三角波脉冲与各比较器的阈值比较，脉冲幅值大于比较器设定的阈值，则输出高电平，反之输出低电平。
71.本实施例中，每个像素具有3个能量检测区间，每个比较器输出连接一组计数器与一组计时器。计数器检测比较器输出脉冲个数。计时器由外部高速时钟作为内部计时主频，由比较器输出脉冲控制计时器使能，使能信号为高电平则持续计时，使能信号为低电平则
暂停计时。
72.其中，附图6展示了本实施例在低x射线剂量率情况下采集的示例。根据能谱分布特性，预先测得阈值1～3的等效脉宽时间。本示例已知：
73.阈值1等效脉宽时间＝6时钟周期；
74.阈值2等效脉宽时间＝13时钟周期；
75.阈值3等效脉宽时间＝24时钟周期；
76.探测器经过一段时间低剂量曝光采集，计数器测得的计数与计时器测得的累计过阈时间如下：
77.阈值1计数＝3；
78.阈值2计数＝2；
79.阈值3计数＝0；
80.阈值1累计过阈时间＝36时钟周期；
81.阈值2累计过阈时间＝15时钟周期；
82.阈值3累计过阈时间＝0时钟周期；
83.根据相似三角形法则可知：
84.能级1光子总能量
∝
36+3*6＝54时钟周期；
85.能级2光子总能量
∝
15+2*13＝41时钟周期；
86.能级3光子总能量＝0。
87.附图7展示了本实施例在高x射线剂量率情况下采集的示例。根据已知能谱分布特性，预先算出能级1～3的光子脉冲平均脉宽。本示例预先换算得知：
88.能级1光子脉冲平均脉宽＝18时钟周期；
89.能级2光子脉冲平均脉宽＝13时钟周期；
90.能级3光子脉冲平均脉宽＝4时钟周期；
91.探测器经过一段时间高剂量曝光采集，计数器测得的累计过阈时间如下：
92.阈值1累计过阈时间＝54时钟周期；
93.阈值2累计过阈时间＝38时钟周期；
94.阈值3累计过阈时间＝8时钟周期；
95.计算得到各能级光子数为：
96.阈值1平均计数＝3；
97.阈值2平均计数＝3；
98.阈值3平均计数＝2。
99.实施例2：一种光子计数专用芯片；
100.光子计数专用芯片包括：64个排列的像素结构，每个像素包含1组电荷放大器、1组整形器、3组阈值比较器、3组计数器与3组计时器；电荷放大器与整形器的组合输出准三角波模拟电压脉冲，脉冲峰值与光子能量呈线性关系；脉冲与阈值通过比较器甄别后，比较器输出的数字脉冲个数被计数器检测，数字脉冲总过阈时间被计时器检测。低剂量时，计数值接近真实光子数；高剂量时，由于堆叠，计数值显著小于真实值；
101.如图8所示，在当x射线剂量率为低x射线剂量率时，阈值1等效脉宽时间t1根据像素放大整形器增益、高速采样时钟频率计算得知；阈值1过阈时间通过计时器检测为36时钟
周期；其中，光子总能量正比于3个脉冲底边宽度，此例中芯片检测计数值为3，据此可知总光子总能量
∝
36+3xt1＝54时钟周期。
102.综上所述，本发明的光子计数探测器系统，通过光子计数探测器的光子计数专用芯片采集各能级区间的计数与累计过阈时间，使其在低剂量率x射线条件下采集图像时，既可以统计每个能量区间内光子数目，也可以统计每个能量区间内光子总能量，为能谱图像提供了更丰富的能量信息；在高剂量率x射线条件下采集图像时，能够对光子堆叠严重程度做出判决，根据过阈时间计算各能级平均光子数，避免光子堆叠造成的计数器瘫痪对能谱特性影响，并能够对光子堆叠产生的计数非线性进行大幅度抑制与校正，解决光子计数探测器能谱失真问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
103.上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。