УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ФОТОНОВ, ИСПУСКАЕМЫХ ИСТОЧНИКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
DETECTION DEVICE FOR DETECTION OF PHOTONS EMITTED BY RADIATION SOURCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройству обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения, а также к соответствующему способу обнаружения. Изобретение относится также к системе визуализации, включающей в себя устройство обнаружения, а также к соответствующему способу визуализации.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В US 2010/0066426 A1 описано, что стратегии емкостной связи по переменному току (АС) широко используются в сигнальных трактах сбора данных (DAQ) систем позитронно-эмиссионной томографии (РЕТ) с применением, например, сцинтиллирующего кристалла в оптической связи с множеством фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) для восприятия падающего гамма-излучения. В таких системах энергия, поглощаемая от гамма-излучения, взаимодействующего со сцинтиллирующим кристаллом, измеряется путем интегрирования тока фотодатчика. Этот ток соответствует количеству излучения, собранного воспринимающими ФЭУ. Ввиду связи по переменному току лишь составляющая переменного тока фотодатчика передается в интегратор, в то время как составляющая постоянного тока эффективно блокируется разделительным конденсатором. Недостаток в данном случае состоит в том, что при этом возникает зависящее от скорости вычисления смещение или отклонение базового уровня в интегрированных сигналах тока фотодатчика, которое, в свою очередь, может привести к неточным измерениям энергии. Для того, чтобы уменьшить эти неблагоприятные эффекты, в сигнальный тракт DAQ вводится схема восстановления базового уровня, содержащая пассивный контур. Однако эта схема не всегда может оказаться способной в достаточной степени корректировать смещение базового уровня, вызванное связью по переменному току.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание устройства обнаружения и способа обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения, которые обеспечивают улучшенную коррекцию смещения базового уровня. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы визуализации, включающей в себя устройство обнаружения, а также соответствующего способа визуализации.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается устройство обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения, причем устройство обнаружения включает в себя:
- блок генерирования сигналов для генерирования сигнала обнаружения, указывающего энергию обнаруженного фотона при попадании фотонов на устройство обнаружения, причем блок генерирования сигналов выполнен с возможностью генерирования сигнала базового уровня при предотвращении попадания фотонов на устройство обнаружения, причем сигнал базового уровня подвержен влиянию фотонов, которые ранее попали на устройство обнаружения,
- блок определения смещения базового уровня для определения смещения базового уровня сигнала обнаружения, причем блок определения смещения базового уровня выполнен с возможностью определения смещения базового уровня в зависимости от сигнала базового уровня,
- блок определения энергии для определения энергии обнаруженного фотона в зависимости от сигнала обнаружения и определенного смещения базового уровня,
при этом устройство обнаружения выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником излучения таким образом, что блок определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня в течение интервала времени определения смещения базового уровня, во время которого предотвращено облучение устройства обнаружения источником излучения.
Изобретение основано на представлении о том, что текущее смещение базового уровня сигнала обнаружения представляет собой явление, которое, как правило, зависит от характеристик (интенсивности, энергии) облучения устройства обнаружения в течение последнего периода времени. Иными словами, смещение базового уровня сигнала обнаружения, генерируемого блоком генерирования сигналов после обнаружения фотона, как правило, подвержено влиянию фотонов, которые ранее попали на устройство обнаружения, т.е., оно зависит от предшествующей «истории облучения». В этой связи смещение базового уровня представляет собой более низкочастотные компоненты сигнала обнаружения, которые лишь медленно изменяются или отклоняются по сравнению с длительностью более высокочастотных компонентов сигнала обнаружения, которые вызваны обнаружением отдельных фотонов. Это остается справедливым, если смещение базового уровня возникает в результате использования связи по переменному току для связи чувствительных к излучению элементов устройства обнаружения, например, датчика прямого преобразования, такого как датчик на основе теллурида цинка-кадмия (CZT), или основанного на сцинтилляторе датчика, который содержит сцинтиллятор в оптической связи с фотодатчиком, с блоком генерирования сигналов.
Кроме того, это также остается справедливым, если используется связь по постоянному току (DC) между чувствительными к излучению элементами устройства обнаружения и блоком генерирования сигналов, а смещение базового уровня является результатом других эффектов, таких как эффекты «наложения импульсов», появление зависящего от скорости вычисления тока утечки в чувствительных к излучению элементах или медленно затухающий остаточный ток в чувствительных к излучению элементах, который может возникать в тех случаях, когда эти элементы подвергаются более слабому облучению после воздействия более сильного облучения в течение более продолжительного периода времени, например, множества периодов кадра. Используемый в данном случае термин «период кадра» имеет общепринятое значение интервала времени, в течение которого устройство обнаружения обнаруживает фотоны, связанные с одним кадром.
Благодаря созданию устройства обнаружения с блоком генерирования сигналов, который выполнен с возможностью генерирования сигнала базового уровня при предотвращении попадания фотонов на устройство обнаружения, и блоком определения смещения базового уровня, который выполнен с возможностью определения смещения базового уровня в зависимости от сигнала базового уровня, смещение базового уровня может быть определено по «остаточному» сигналу, т.е., сигналу, который содержит лишь более низкочастотные составляющие смещения базового уровня, а не более высокочастотные составляющие, которые вызваны обнаружением отдельных фотонов. Это обеспечивает более точное определение смещения базового уровня, которое не искажено более высокочастотными компонентами. Это более точно определенное смещение базового уровня может впоследствии использоваться блоком определения энергии для определения энергии обнаруженного фотона в зависимости от сигнала обнаружения и определенного смещения базового уровня, что приводит к улучшенному определению энергии.
Устройство обнаружения предпочтительно представляет собой устройство обнаружения со счетом фотонов (иначе называемое различающим по энергии устройством обнаружения со счетом фотонов), т.е., устройство обнаружения, которое различает обнаруженные фотоны в одном или более энергетических интервалов и которое обеспечивает для каждого энергетического интервала единичный импульс счета, соответствующий числу обнаруженных фотонов, имеющих энергию, которая попадает в соответствующий энергетический интервал. Такие устройства обнаружения используются, например, в медицинских системах визуализации, таких как медицинские системы компьютерной томографии (КТ), медицинские системы позитронно-эмиссионной томографии (РЕТ) или медицинские системы однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT).
Блок генерирования сигнала предпочтительно представляет собой блок генерирования импульсных сигналов, генерирующий импульсный сигнал обнаружения, который имеет амплитуду, соответствующую энергии обнаруженного фотона. Блок генерирования импульсных сигналов может быть реализован, например, с помощью схемы, содержащей интегрирующий усилитель. Такой интегрирующий усилитель генерирует импульсный сигнал путем интегрирования электрического сигнала, например сигнала электрического тока или напряжения, генерируемого чувствительными к излучению элементами устройства обнаружения после обнаружения фотона.
Блок определения энергии предпочтительно представляет собой блок различения по энергии, который различает по энергии обнаруженные фотоны на одном или более энергетических интервалов таким образом, что устройством обнаружения для каждого энергетического интервала может создаваться импульс счета, соответствующий числу обнаруженных фотонов, имеющих энергию, которая попадает в соответствующий энергетический интервал.
Источник излучения может представлять собой, например рентгеновскую трубку или аналогичное устройство, источник гамма-излучения, такой как гамма-излучающий радионуклид или позитронно-активный радионуклид. Предпочтительно источником излучения может являться источник полиэнергетического излучения, т.е., источник излучения, который испускает фотоны на двух или более уровнях энергии.
Благодаря созданию устройства обнаружения, которое выполнено с возможностью синхронизации, т.е., оно может синхронизироваться с помощью подходящего блока синхронизации, при использовании облучения источником облучения может обеспечиваться определение смещения базового уровня блоком определения смещения базового уровня в течение интервала времени определения смещения базового уровня, во время которого предотвращается облучение устройства обнаружения источником излучения.
Синхронизируемость устройства обнаружения предпочтительно реализуется с помощью подходящего интерфейса, такого как аналоговый или цифровой интерфейс, который обеспечивает подачу подходящего сигнала синхронизации на устройство обнаружения.
Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство обнаружения было выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником излучения таким образом, чтобы временной интервал определения смещения базового уровня располагался в конце периода кадра.
Благодаря расположению временного интервала определения смещения базового уровня в конце периода кадра блок определения энергии может определять энергию обнаруженных фотонов в течение следующего кадра в зависимости от сигнала обнаружения и недавно определенного смещения базового уровня, что приводит к улучшенному определению энергии.
Временной интервал определения смещения базового уровня предпочтительно является более коротким по сравнению с периодом кадра, например, приблизительно от 1 до 2% от периода кадра, поэтому доля периода кадра, которая остается на обнаружение фотонов, за счет определения смещения базового уровня уменьшается незначительно.
Предпочтительно, чтобы устройство обнаружения было выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником излучения таким образом, чтобы за время периода кадра блок определения смещения базового уровня определял смещение базового уровня в течение множества временных интервалов определения смещения базового уровня, во время которых предотвращается облучение устройства обнаружения источником излучения.
Несмотря на то, что смещение базового уровня представляет собой более низкочастотные составляющие сигнала обнаружения - по сравнению с более высокочастотными составляющими сигнала, которые вызваны обнаружением отдельных фотонов - оно, как правило, изменяется или отклоняются во времени в зависимости от облучения устройства обнаружения. Таким образом, смещение базового уровня, определяемое во время определенного интервала времени определения смещения базового уровня, может лишь обеспечивать удовлетворительную оценку фактического смещения базового уровня за ограниченный период времени. Благодаря созданию устройства обнаружения, которое выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником излучения таким образом, что в течение периода кадра блок определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня в течение множества временных интервалов определения смещения базового уровня, во время которых предотвращается облучение устройства обнаружения источником излучения, временной интервал между двумя последовательными определениями смещения базового уровня может быть сокращен. Это позволяет блоку определения энергии определять энергию обнаруженного фотона в зависимости от сигнала обнаружения и определенного позже смещения базового уровня, т.е., смещения базового уровня, которое является более уточненным, приводя к улучшенному определению энергии.
Каждый из множества временных интервалов определения смещения базового уровня предпочтительно является более коротким по сравнению с периодом кадра, например, приблизительно от 1 до 2% от периода кадра, поэтому даже при использовании множества определений смещения базового уровня за период кадра доля периода кадра, которая остается на обнаружение фотонов, за счет определения смещения базового уровня уменьшается незначительно.
Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство обнаружения было выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником излучения таким образом, чтобы интервал времени измерения смещения базового уровня начинался после того, как поток фотонов, попадающих на устройство обнаружения, превышает заданный порог.
Поток фотонов может быть определен подсчетом числа фотонов, попадающих на устройство обнаружения в течение периода кадра. Например, если устройство обнаружения представляет собой устройство обнаружения со счетом фотонов, поток фотонов может быть определен по различаемым по энергии единичным импульсам счета фотонов для одного или более энергетических интервалов. В соответствии с другим вариантом, если устройство обнаружения представляет собой и устройство со счетом фотонов, и интегрирующее устройство обнаружения, т.е., устройство обнаружения, которое может одновременно считать и интегрировать в каждом пикселе, поток фотонов может также быть определен по интегральному излучению.
Благодаря началу временного интервала измерения смещения базового уровня после того, как поток фотонов превысил заданный порог, можно выполнять определение смещения базового уровня только в тех ситуациях, когда может ожидаться значительное смещение базового уровня.
Предпочтительно, чтобы блок определения энергии был выполнен с возможностью коррекции определения энергии относительно определенного смещения базового уровня путем исключения определенного смещения базового уровня из сигнала обнаружения.
Благодаря исключению определенного смещения базового уровня из сигнала обнаружения блок определения энергии корректирует сигнал обнаружения относительно смещения базового уровня, выдавая «скорректированную» версию сигнала обнаружения. Затем он определяет энергию обнаруженного фотона по этой «скорректированной» версии сигнала обнаружения, приводя к улучшенному определению энергии. Такой метод коррекции определения энергии относительно определенного смещения базового уровня особенно прост в реализации.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок определения энергии был выполнен с возможностью определения энергии обнаруженного фотона путем сравнения сигнала обнаружения с одним или более значений сравнения энергии, с которым суммировалось определенное смещение базового уровня, с целью коррекции определения энергии относительно определенного смещения базового уровня.
Если блок определения энергии определяет энергию обнаруженного фотона путем сравнения сигнала обнаружения с одним или более значений сравнения энергии, ошибки в определении энергии, которые возникают в результате смещения базового уровня сигнала обнаружения, также могут корректироваться путем оставления самого сигнала обнаружения без изменений, но путем изменения вместо этого значений сравнения энергии посредством добавления определенного смещения базового уровня. Это обеспечивает альтернативу вышеописанному методу коррекции определения энергии, которая также приводит к улучшенному определению энергии.
Если блок генерирования сигнала является блоком генерирования импульсов, генерирующим сигнал обнаружения импульсов, который имеет амплитуду, соответствующую энергии обнаруженного фотона, значения сравнения энергии предпочтительно являются порогами энергии.
Предпочтительно, чтобы блок определения смещения базового уровня содержал блок дискретизации для дискретизации сигнала базового уровня для генерирования дискретного значения и блок аналого-цифрового преобразования для преобразования дискретного значения в цифровое значение.
Сигнал базового уровня, который генерируется блоком генерирования сигналов, обычно является электрическим сигналом, например сигналом электрического тока или напряжения. Одним путем определения смещения базового уровня по электрическому сигналу в этой связи является дискретизация электрического сигнала с помощью блока дискретизации, такого как схема выборки и хранения, и преобразование дискретного значения в цифровое значение. Это цифровое значение может затем обеспечивать измерение требуемого смещения базового уровня, измеряемого, например, в амперах или вольтах. В соответствии с другим вариантом, если блок генерирования сигнала генерирует дополнительный фиксированный сдвиг сигнала, т.е., сдвиг сигнала, который не зависит от облучения устройства обнаружения, то есть, в равной степени различимый и в сигнале обнаружения, и в сигнале базового уровня, требуемое смещение базового уровня может быть вычислено по цифровому значению путем вычитания фиксированного сдвига сигнала.
Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство обнаружения содержало множество пикселей, причем каждый пиксель содержит блок генерирования сигналов и блок определения смещения базового уровня, при этом для каждого пикселя блок определения смещения базового уровня содержит блок дискретизации для дискретизации сигнала базового уровня для генерирования дискретного значения, при этом устройство обнаружения содержит блок аналого-цифрового преобразования, который закреплен за блоками дискретизации множества пикселей для последовательного преобразования дискретных значений в цифровые значения.
Типичное устройство обнаружения содержит множество пикселей, причем каждый пиксель содержит блок генерирования сигналов и блок определения смещения базового уровня (а также блок определения энергии). Для того, чтобы определить смещение базового уровня для всех пикселей в один и тот же момент времени, исходя из вышеизложенного желательно, чтобы для каждого пикселя блок определения смещения базового уровня содержал блок дискретизации с тем, чтобы дискретизация сигнала базового уровня могла осуществляться одновременно во всех пикселях. С другой стороны, преобразование дискретных значений в цифровые значения не обязательно должно осуществляться одновременно, а может также выполняться последовательно, т.е., чередующимся образом. Таким образом, один блок аналого-цифрового преобразования может быть закреплен за блоками дискретизации множества пикселей для последовательного преобразования дискретных значений в цифровые значения. Это предусматривает конструкцию устройства обнаружения, содержащего множество пикселей, которому требуется сравнительно небольшое число дополнительных блоков аналого-цифрового преобразования.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения, с помощью устройства обнаружения, причем способ обнаружения включает в себя:
- генерирование сигнала обнаружения, соответствующего энергии обнаруженного фотона при попадании фотонов на устройство обнаружения, и сигнала базового уровня при предотвращении попадания фотонов на устройство обнаружения, причем сигнал базового уровня подвержен влиянию фотонов, которые ранее попали на устройство обнаружения, с помощью блока генерирования сигналов,
- определение смещения базового уровня сигнала обнаружения в зависимости от сигнала базового уровня с помощью блока определения смещения базового уровня,
- определение энергии обнаруженного фотона в зависимости от сигнала обнаружения и определенного смещения базового уровня с помощью блока определения энергии.
причем устройство обнаружения синхронизируют с облучением источником излучения таким образом, что блок определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня в течение интервала времени определения смещения базового уровня, во время которого предотвращено облучение устройства обнаружения источником излучения.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается система визуализации, причем система визуализации включает в себя:
- источник излучения для испускания фотонов,
- устройство обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения по п. 1,
- блок синхронизации для синхронизации устройства обнаружения с облучением источником излучения таким образом, что блок определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня в течение интервала времени определения смещения базового уровня, во время которого предотвращается облучение устройства обнаружения источником излучения.
Благодаря созданию системы визуализации с блоком синхронизации для синхронизации устройства обнаружения с облучением источником излучения может обеспечиваться определение смещения базового уровня блоком определения смещения базового уровня в течение интервала времени определения смещения базового уровня, во время которого предотвращается облучение устройства обнаружения источником излучения.
Система визуализации предпочтительно представляет собой медицинскую систему визуализации, такую как медицинская система компьютерной томографии (КТ), медицинская система позитронно-эмиссионной томографии (РЕТ) или медицинская система однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT). В соответствии с другим вариантом, система визуализации может также представлять собой систему визуализации, которая используется, например, для проверки материалов технических и/или природных объектов.
В зависимости от типа системы визуализации источник излучения может представлять собой, например, рентгеновскую трубку или аналогичное устройство, источник гамма-излучения, такой как гамма-излучающий радионуклид или позитронно-активный радионуклид. Предпочтительно источником излучения может являться источник полиэнергетического излучения, т.е., источник излучения, который испускает фотоны на двух или более уровнях энергии.
Предпочтительно, чтобы источник излучения содержал коммутационное устройство для коммутации включения и выключения испускания фотонов, при этом блок синхронизации выполнен с возможностью выдачи сигнала синхронизации в коммутационное устройство таким образом, что в течение интервала времени определения смещения базового уровня коммутационное устройство принимает сигнал выключения испускания фотонов.
Если источник излучения предусматривает активное управление испусканием фотонов, например рентгеновскую трубку или аналогичное устройство, коммутационное устройство предпочтительно представляет собой переключатель сетки и т.п. Такой переключатель сетки, который, например, для рентгеновской трубки может содержать дополнительный электрод, расположенный между катодом и анодом рентгеновской трубки, для управления потоком электронов, позволяет осуществлять очень быстрое включение и выключение источника излучения. Поэтому он хорошо подходит для обеспечения отсутствия испускания фотонов источником излучения в течение временного интервала определения смещения базового уровня. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить, чтобы блок определения смещения базового уровня в действительности определял смещение базового уровня по «остаточному» сигналу, т.е., сигналу, который содержит более низкочастотные составляющие смещения базового уровня, а не более высокочастотные составляющие, которые вызваны обнаружением отдельных фотонов.
Кроме того, предпочтительно, чтобы система визуализации содержала экранирующее устройство для экранирования источника излучения, причем блок синхронизации выполнен с возможностью подачи сигнала синхронизации на экранирующее устройство таким образом, что в течение интервала времени определения смещения базового уровня экранирующее устройство принимает сигнал экранирования источника излучения от облучения устройства обнаружения.
Экранирующее устройство предпочтительно используется с источниками излучения, которые не предусматривают активного управления испусканием фотонов, такими как гамма-излучающий радионуклид или позитронно-активный радионуклид, но оно может также использоваться с рентгеновской трубкой или аналогичным устройством.
Экранирующее устройство предпочтительно представляет собой перенаправляемый элемент из металла или иного материала, являющегося непроницаемым для фотонов, испускаемых источником излучения. Коммутационное устройство должно обеспечивать, чтобы в течение временного интервала определения смещения базового уровня ни один фотон, испускаемый источником излучения, не попадал на устройство обнаружения. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить, чтобы блок определения смещения базового уровня в действительности определял смещение базового уровня по «остаточному» сигналу, т.е., сигналу, который содержит более низкочастотные компоненты смещения базового уровня, а не более высокочастотные компоненты, которые вызваны обнаружением отдельных фотонов.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ визуализации, причем способ визуализации включает в себя:
- испускание фотонов источником излучения,
- обнаружение фотонов, испускаемых источником излучения, с помощью способа обнаружения по п. 9,
- синхронизацию устройства обнаружения с облучением источником излучения таким образом, что блок определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня в течение интервала времени определения смещения базового уровня, во время которого предотвращается облучение устройства обнаружения источником излучения, с помощью блока синхронизации.
Следует понимать, что устройство обнаружения по п. 1, способ обнаружения по п. 9, система визуализации по п. 10 и способ визуализации по п. 13 имеют подобные или одинаковые предпочтительные варианты осуществления, в частности, определенные в зависимых пунктах.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения может также являться любой совокупностью зависимых пунктов формулы изобретения и соответствующего независимого пункта.
Эти и другие аспекты изобретения будут понятны и объяснены специалистам со ссылкой на описанные ниже варианты осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На нижеследующих чертежах:
на фиг. 1 в качестве примера схематически изображен вариант осуществления устройства обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения,
на фиг. 2 в качестве примера изображена структурная схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения, с помощью устройства обнаружения,
на фиг. 3 в качестве примера схематически изображен вариант осуществления системы визуализации,
на фиг. 4 в качестве примера схематически изображен еще один вариант осуществления системы визуализации,
на фиг. 5 в качестве примера изображена структурная схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа визуализации.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
S
На фиг. 1 в качестве примера схематически изображен вариант осуществления устройства 6 обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником 2 излучения, как изображено, например, со ссылкой на фиг. 3. Устройство 6 обнаружения, которое в данном варианте осуществления представляет собой устройство обнаружения со счетом фотонов, содержит множество пикселей, каждый из которых включает в себя чувствительный к излучению датчик 14 (изображенный в данном случае с емкостью 15 датчика). Чувствительный к излучению датчик 14 пикселя обнаруживает фотоны, испускаемые источником 2 излучения, и генерирует соответствующий электрический сигнал, например сигнал электрического тока или напряжения для каждого обнаруженного фотона. К примерам подходящих типов датчика относятся датчики прямого преобразования, такие как датчик на основе теллурида цинка-кадмия (CZT), и основанные на сцинтилляторе датчики, которые содержат сцинтиллятор в оптической связи с фотоприемником. Электрический сигнал, генерируемый чувствительным к излучению датчиком 14, в данном варианте осуществления сигнал I электрического тока, передается в блок 20 генерирования сигналов пикселя, который генерирует сигнал обнаружения, например сигнал электрического тока или напряжения, соответствующий энергии обнаруженного фотона. В данном варианте осуществления блок 20 генерирования сигналов представляет собой блок генерирования импульсных сигналов, генерирующий импульсный сигнал обнаружения, который имеет амплитуду, соответствующую энергии обнаруженного фотона.
S
S
Чувствительный к излучению датчик 14 в данном варианте осуществления связан по постоянному току с блоком 20 генерирования импульсных сигналов, в результате чего и постоянная, и переменная составляющая сигнала I электрического тока передается в блок 20 генерирования сигналов. В других вариантах осуществления может использоваться связь по переменному току, в результате чего лишь переменная составляющая сигнала I электрического тока передается в блок 20 генерирования сигналов, в то время как постоянная составляющая эффективно блокируется разделительным конденсатором.
Блок 20 генерирования импульсных сигналов в данном варианте осуществления реализован в виде интегрирующего усилителя, включающего в себя операционный усилитель 21 и конденсатор 22 обратной связи, при этом параллельно конденсатору 22 обратной связи подключен резистор 23. Дополнительный резистор 23, величина сопротивления которого может также зависеть от падения напряжения на резисторе, на конденсаторе 22 обратной связи дает схеме характеристики инвертирующего усилителя с конечным коэффициентом усиления при замкнутой цепи обратной связи на очень низких частотах, выполняющего функцию интегратора на более высоких частотах при закорачивании конденсатором 22 обратной связи резистора 23. В других вариантах осуществления блок 20 генерирования импульсных сигналов может состоять из двух каскадов (первый каскад - зарядовый усилитель, а второй каскад выполняет формирующую функцию). В этом случае восприятие базового уровня предпочтительно должно осуществляться на выходе второго каскада.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Импульсный сигнал обнаружения, генерируемый блоком 20 генерирования импульсных сигналов, передается в блок 30 определения энергии пикселя, который определяет энергию обнаруженного фотона. В данном варианте осуществления блок 30 определения энергии реализован в виде блока различения по энергии, который различает по энергии импульсный сигнал обнаружения путем сравнения его амплитуды с одним или более энергетических порогов X, X,..., X. Если импульсный сигнал обнаружения превышает соответствующий энергетический порог X, X,..., X, содержимое соответствующего счетчика С, С,..., C увеличивается, а в конце периода кадра число отсчетов, соответствующее каждому соответствующему энергетическому интервалу, считывается со счетчиков С, С,..., C по шине 31 считывания.
S
S
Как уже упоминалось выше, в данном варианте осуществления устройство 6 использует соединение по постоянному току чувствительного к излучению датчика 14 и блок 20 генерирования импульсных сигналов, в результате чего и постоянная, и переменная составляющая сигнала I электрического тока передается в блок 20 генерирования импульсных сигналов. В этом случае смещение базового уровня импульсного сигнала может произойти при интенсивном излучении ввиду эффектов «наложения импульсов», т.е., когда поток фотонов, падающих на чувствительный к излучению датчик 14, настолько высок, что отдельные сигналы I электрического тока, генерируемые чувствительным к излучению датчиком 14 после обнаружения двух или более фотонов, накладываются и, следовательно, вызывают смещение основы, или базового уровня, электрического сигнала, который передается в блок 20 генерирования импульсных сигналов.
Кроме того, устройство 6 обнаружения может иметь ток утечки, который в случае наличия данной связи по постоянному току может также привести к смещению базового уровня импульсного сигнала обнаружения.
Кроме того, если пиксель устройства 6 обнаружения подвергается более слабому облучению после воздействия более сильного облучения в течение более продолжительного периода времени, например, множества периодов кадра, может иметься медленно затухающий остаточный ток, возникающий в этом пикселе - это подобно послесвечению сцинтиллятора - что в случае наличия данной связи по DC может также привести к смещению базового уровня импульсного сигнала обнаружения.
Таким образом, в данном варианте осуществления устройства 6 обнаружения, которое использует связь по постоянному току чувствительного к излучению датчика 14 и блока 20 генерирования импульсных сигналов, вышеописанные эффекты могут привести к зависящему от скорости счета смещению базового уровня импульсного сигнала обнаружения, которое, в свою очередь, может негативно повлиять на определение энергии блоком 30 определения энергии.
S
Аналогичное поведение может проявляться в вариантах осуществления устройства 6 обнаружения, которое использует связь по переменному току чувствительного к излучению датчика 14 и блока 20 генерирования импульсных сигналов, в результате чего лишь переменная составляющая сигнала I электрического тока передается в блок 20 генерирования импульсных сигналов, в то время как постоянная составляющая эффективно блокируется разделительным конденсатором. Поскольку связь по переменному току обеспечивает нулевой средний ток, т.е., интеграл полного заряда на разделительном конденсаторе остается нулевым, электрический сигнал, передаваемый в блок 20 генерирования импульсных сигналов, имеет исходный уровень, который смещается вниз, приводя к соответствующему смещению базового уровня импульсного сигнала обнаружения.
S
Кроме того, поскольку постоянная составляющая сигнала I электрического тока зависит от скорости счета, т.е., частоты, с которой фотоны падают на чувствительный к излучению датчик 14, исходный уровень электрического сигнала, который передается в блок 20 генерирования импульсных сигналов, и, соответственно, смещение базового уровня импульсного сигнала обнаружения, как правило, не являются постоянным, а изменяются или отклоняются в переменных условиях скорости счета.
Таким образом, и в случае вариантов осуществления устройства 6 обнаружения, которое использует связь по переменному току чувствительного к излучению датчика 14 и блока 20 генерирования импульсных сигналов, вышеописанные эффекты могут привести к зависящему от скорости счета смещению базового уровня импульсного сигнала обнаружения, которое, в свою очередь, может негативно повлиять на определение энергии блоком 30 определения энергии.
Как уже должно было стало ясным, блок 20 генерирования импульсных сигналов устройства 6 обнаружения генерирует импульсный сигнал обнаружения, соответствующий энергии обнаруженного фотона, при попадании фотонов на устройство 6 обнаружения. Импульсный сигнал обнаружения может иметь смещение базового уровня ввиду одного из вышеописанных эффектов, которое, как правило, зависит от характеристик, например, интенсивности и/или энергии облучения устройства 6 обнаружения в течение последнего периода времени. Иными словами, смещение базового уровня импульсного сигнала обнаружения, генерируемого блоком 20 генерирования импульсных сигналов после обнаружения фотона, как правило, подвержено влиянию фотонов, которые ранее попали на устройство обнаружения, т.е., оно зависит от предшествующей «истории облучения». В этой связи смещение базового уровня представляет собой более низкочастотные составляющие сигнала обнаружения, которые лишь медленно изменяются или отклоняются по сравнению с длительностью более высокочастотных составляющих сигнала обнаружения, которые вызваны обнаружением отдельных фотонов.
По этой причине смещение базового уровня, тем не менее, присутствует также в сигнале базового уровня, который генерируется блоком 20 генерирования импульсных сигналов при предотвращении попадания фотонов на устройство 6 обнаружения.
Далее, предусматривается, что устройство 6 обнаружения включает в себя блок 40 определения смещения базового уровня, который определяет смещение базового уровня импульсного сигнала обнаружения в зависимости от сигнала базового уровня, и что блок 30 определения энергии определяет энергию обнаруженного фотона на основе импульсного сигнала обнаружения и определенного смещения базового уровня. При этом смещение базового уровня может быть определено по «остаточному» сигналу, т.е., сигналу, который содержит лишь более низкочастотные составляющие смещения базового уровня, а не более высокочастотные составляющие, которые вызваны обнаружением отдельных фотонов. Это обеспечивает более точное определение смещения базового уровня, которое не искажено более высокочастотными компонентами. Это более точно определенное смещение базового уровня впоследствии используется блоком 30 определения энергии для определения энергии обнаруженного фотона в зависимости от импульсного сигнала обнаружения и определенного смещения базового уровня, что приводит к улучшенному определению энергии, например, путем регулирования опорных напряжений блоков X1, X2, ..., XN на основе измеренного смещения базового уровня.
Устройство 6 обнаружения в данном варианте осуществления выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником 2 излучения таким образом, чтобы блок 40 определения смещения базового уровня определял смещение базового уровня в течение временного интервала определения смещения базового уровня, во время которого предотвращается облучение устройства 6 обнаружения источником 2 излучения. Синхронизируемость устройства 6 обнаружения реализована в данном варианте осуществления с помощью подходящего интерфейса, такого как аналоговый или цифровой интерфейс, который обеспечивает подачу подходящего сигнала SYNC синхронизации на устройство 6 обнаружения.
Устройство 6 обнаружения выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником излучения таким образом, что временной интервал определения смещения базового уровня располагается в конце периода кадра.
Временной интервал определения смещения базового уровня в данном варианте осуществления является более коротким по сравнению с периодом кадра, например, приблизительно от 1 до 2% от периода кадра, поэтому доля периода кадра, которая остается на обнаружение фотонов, за счет определения смещения базового уровня уменьшается незначительно.
В качестве дополнения или альтернативы устройство 6 обнаружения может быть выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником 2 излучения таким образом, что за время периода кадра блок определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня в течение множества временных интервалов определения смещения базового уровня, во время которых предотвращается облучение устройства 6 обнаружения источником 2 излучения.
Кроме того, устройство 6 обнаружения может также быть выполнено с возможностью синхронизации с облучением источником 2 излучения таким образом, что интервал времени измерения смещения базового уровня начинается после того, как поток фотонов, попадающих на устройство 6 обнаружения, превышает порог.
Блок 40 определения смещения базового уровня пикселя в данном варианте осуществления содержит блок 41 дискретизации для дискретизации сигнала базового уровня для генерирования дискретного значения и блок 42 аналого-цифрового преобразования для преобразования дискретного значения в цифровое значение. Сигнал базового уровня, который генерируется блоком 20 генерирования импульсных сигналов, в данном варианте осуществления является электрическим сигналом, например сигналом электрического тока или напряжения. Для того, чтобы определить смещение базового уровня по этому электрическому сигналу, осуществляется дискретизация электрического сигнала - с помощью блока дискретизации, такого как в данном варианте осуществления схема выборки и хранения - и преобразование в цифровое значение. Это цифровое значение затем непосредственно обеспечивает измерение требуемого смещения базового уровня, измеряемого, например, в амперах или вольтах.
В других вариантах осуществления, в которых блок 20 генерирования импульсных сигналов генерирует дополнительный фиксированный сдвиг сигнала, т.е., сдвиг сигнала, который не зависит от облучения устройства 6 обнаружения, то есть, в равной степени различимый и в импульсном сигнале обнаружения, и в сигнале базового уровня, требуемое смещение базового уровня может быть вычислено по цифровому значению путем вычитания фиксированного сдвига сигнала.
В альтернативном варианте осуществления блок 40 определения смещения базового уровня каждого пикселя содержит блок 41 дискретизации, при этом дискретизация сигнала базового уровня осуществляется одновременно во всех пикселях. С другой стороны, поскольку преобразование дискретных значений в цифровые значения не обязательно должно осуществляться одновременно, а может также выполняться последовательно, т.е., чередующимся образом, один блок 42 аналого-цифрового преобразования закреплен за блоками 41 дискретизации множества пикселей для последовательного преобразования дискретных значений в цифровые значения.
Блок 30 определения энергии в данном варианте осуществления выполнен с возможностью коррекции определения энергии относительно определенного смещения базового уровня путем исключения определенного смещения базового уровня из импульсного сигнала обнаружения. А именно, блок 30 определения энергии корректирует импульсный сигнал обнаружения относительно смещения базового уровня, выдавая «скорректированную» версию импульсного сигнала обнаружения. Затем он определяет энергию обнаруженного фотона по этой «скорректированной» версии импульсного сигнала обнаружения, приводя к улучшенному определению энергии.
В других вариантах осуществления блок 30 определения энергии корректирует ошибки в определении энергии, которые возникают в результате смещения базового уровня импульсного сигнала обнаружения путем оставления самого импульсного сигнала обнаружения без изменений, но путем изменения вместо этого значений сравнения энергии посредством добавления определенного смещения базового уровня.
Оба вышеописанных метода коррекции определения энергии обнаруженного фотона приводят к улучшенному определению энергии.
На фиг. 2 в качестве примера изображена структурная схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником 2 излучения, с помощью устройства 6 обнаружения. На этапе 101 блок 20 генерирования сигналов генерирует сигнал обнаружения, соответствующий энергии обнаруженного фотона, при попадании фотонов на устройство 6 обнаружения и сигнал базового уровня при предотвращении попадания фотонов на устройство 6 обнаружения, причем сигнал базового уровня подвержен влиянию фотонов, которые ранее попали на устройство 6 обнаружения, т.е., фотонов, которые попали на устройство 6 обнаружения в более ранее время или период времени, чем время, в которое блоком 20 генерирования сигналов обнаружен фотон, для которого генерируется сигнал, указывающий энергию обнаруженного фотона. На этапе 102 блок 40 определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня сигнала обнаружения в зависимости от сигнала базового уровня. На этапе 103 блок 30 определения энергии определяет энергию обнаруженного фотона в зависимости от сигнала обнаружения и определенного смещения базового уровня.
Следует отметить, что эти этапы не обязательно выполняются последовательно в указанном порядке. В частности, блок 40 определения смещения базового уровня может определять смещение базового уровня сигнала обнаружения (этап 102), в то время как блок 20 генерирования сигналов генерирует сигнал базового уровня (часть этапа 101), а блок 30 определения энергии может определять энергию обнаруженного фотона (этап 103), в то время как блок 20 генерирования сигналов генерирует сигнал базового уровня (часть этапа 101).
На фиг. 3 в качестве примера схематически изображен вариант осуществления системы визуализации, причем система визуализации в данном варианте осуществления представляет собой систему компьютерной томографии (КТ). Система компьютерной томографии включает в себя гантри 1, способный вращаться вокруг оси R вращения, которая проходит параллельно оси z. На гантри 1 установлен источник 2 излучения, например рентгеновская трубка. Источник 2 излучения снабжен коллиматором 3, который в данном варианте осуществления образует конический пучок 4 излучения из излучения, испускаемого источником 2 излучения. В других вариантах осуществления коллиматор 3 может быть выполнен с возможностью формирования пучка излучения, имеющего иную форму, например, веерообразную.
Пучок 4 излучения пересекает объект (не показан), например, пациента или технический объект в пределах изучаемой области в цилиндрической зоне 5 контроля. После пересечения изучаемой области излучение падает на устройство 6 обнаружения, которое также установлено на гантри 1. В данном варианте осуществления устройство 6 обнаружения представляет собой устройство обнаружения со счетом фотонов, как описано со ссылкой на фиг. 1. В данном примере устройство 6 обнаружения имеет двумерную поверхность обнаружения, включающую в себя множество пикселей; в других вариантах осуществления оно может иметь одномерную поверхность обнаружения.
Гантри 1 приводится в движение при предпочтительно постоянной, но регулируемой угловой скорости с помощью электродвигателя 7. Предусмотрен дополнительный электродвигатель 8 для перемещения объекта, например, пациента, который расположен на столе пациента в зоне 5 контроля, параллельно направлению оси R вращения или оси z. Управление электродвигателями 7, 8 осуществляется с помощью управляющего блока 9, например, таким образом, что источник 2 излучения и зона 5 контроля, в частности, изучаемая область движутся относительно друг друга по спиральной траектории. Однако, возможно также, что объект или зона 5 контроля, в частности, изучаемая область не движется, а вращается лишь источник 2 излучения, при этом источник 2 излучения движется относительно зоны 5 контроля, в частности, изучаемой области по круговой траектории.
Во время относительного движения источника 2 излучения и зоны 5 контроля, в частности, изучаемой области устройство 6 обнаружения формирует результаты измерений в зависимости от излучения, падающего на поверхность обнаружения устройства 6 обнаружения. Поэтому источник 2 излучения, элементы для движения источника 2 излучения относительно зоны 5 контроля, в частности, электродвигатели 7, 8, гантри 1, управляющий блок 9 и устройство 6 обнаружения образуют блок выдачи результатов измерений для выдачи результатов измерений изучаемой области.
Результаты измерений изучаемой области, которые в данном варианте осуществления представляют собой единичные импульсы счета фотонов, выдаются в блок 10 восстановления изображений, который восстанавливает изображение изучаемой области. Восстановленное изображение отображается на дисплее 18.
Система компьютерной томографии включает в себя блок 11 синхронизации для синхронизации устройства 6 обнаружения с облучением источником 2 излучения таким образом, чтобы блок 40 определения смещения базового уровня устройства 6 обнаружения определял смещение базового уровня в течение временного интервала определения смещения базового уровня, во время которого предотвращается облучение устройства 6 обнаружения источником 2 излучения. Синхронизируемость устройства 6 обнаружения реализована в данном варианте осуществления с помощью подходящего интерфейса, такого как аналоговый или цифровой интерфейс, который обеспечивает подачу подходящего сигнала SYNC синхронизации на устройство 6 обнаружения.
В данном варианте осуществления источник 2 излучения содержит коммутационное устройство 12 для включения и выключения испускания фотонов, при этом блок 11 синхронизации выполнен с возможностью выдачи сигнала SYNC синхронизации в коммутационное устройство 12 таким образом, что в течение интервала времени определения смещения базового уровня коммутационное устройство 12 принимает сигнал выключения испускания фотонов. Коммутационное устройство предпочтительно представляет собой переключатель сетки, который для рентгеновской трубки может содержать дополнительный электрод, расположенный между катодом и анодом рентгеновской трубки, для управления потоком электронов.
На фиг. 4 в качестве примера схематически изображен еще один вариант осуществления системы визуализации. Система визуализации данного варианта осуществления отличается от системы визуализации, описанной со ссылкой на фиг. 3, тем, что источник 2 излучения не включает в себя коммутационное устройство 12 для коммутации включения и выключения испускания фотонов. Вместо этого система визуализации включает в себя экранирующее устройство 13 для экранирования источника 2 излучения. Блок 11 синхронизации в данном случае выполнен с возможностью подачи сигнала SYNC синхронизации на экранирующее устройство 13 таким образом, что в течение интервала времени определения смещения базового уровня экранирующее устройство 13 принимает сигнал экранирования источника излучения от облучения устройства 6 обнаружения.
Экранирующее устройство 13 предпочтительно используется с источниками излучения, которые не предусматривают активного управления испусканием фотонов, такими как гамма-излучающий радионуклид или позитронно-активный радионуклид, но оно может также использоваться с рентгеновской трубкой или аналогичным устройством. Экранирующее устройство предпочтительно представляет собой перенаправляемый элемент из металла или иного материала, являющегося непроницаемым для фотонов, испускаемых источником излучения.
На фиг. 5 в качестве примера изображена структурная схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа визуализации. На этапе 201 источник 2 излучения испускает фотоны. На этапе 202 с помощью способа обнаружения, описанного со ссылкой на фиг. 2, обнаруживаются фотоны, испускаемые источником 2 излучения. На этапе 203 блок 11 синхронизации синхронизирует устройство 6 обнаружения с облучением источником 2 излучения таким образом, что блок 40 определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня в течение интервала времени определения смещения базового уровня, во время которого предотвращается облучение устройства 6 обнаружения источником 2 излучения.
Следует отметить, что эти этапы не обязательно выполняются последовательно в указанном порядке. В частности, если источник 2 излучения содержит коммутационное устройство 12 для коммутации включения и выключения испускания фотонов, а блок 11 синхронизации выполнен с возможностью выдачи сигнала SYNC синхронизации в коммутационное устройство 12 таким образом, что в течение интервала времени определения смещения базового уровня коммутационное устройство 12 принимает сигнал выключения испускания фотонов, источник 2 излучения может не испускать фотоны (этап 201) в течение интервала времени определения смещения базового уровня.
При осуществлении заявленного изобретения по результатам изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения специалисты могут понять и реализовать другие модификации описанных вариантов осуществления.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль не исключает множества.
Одиночный блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, упоминаемых в формуле изобретения. Сам по себе тот факт, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.
Изобретение относится к устройству обнаружения для обнаружения фотонов, испускаемых источником излучения. Блок генерирования сигнала генерирует сигнал обнаружения, соответствующий энергии обнаруженного фотона, при попадании фотонов на устройство обнаружения и сигнал базового уровня, который подвержен влиянию фотонов, которые ранее попали на устройство обнаружения, при предотвращении попадания фотонов на устройство обнаружения. Блок определения смещения базового уровня определяет смещение базового уровня сигнала обнаружения в зависимости от сигнала базового уровня. Блок определения энергии определяет энергию обнаруженного фотона в зависимости от сигнала обнаружения и определенного смещения базового уровня. Поскольку смещение базового уровня сигнала обнаружения определяется по сигналу базового уровня, который генерируется при предотвращении попадания фотонов на устройство обнаружения, смещение базового уровня может быть определено с более высокой точностью, приводя к улучшенному определению энергии.