ДЕТЕКТОР И СПОСОБ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DETECTOR AND METHOD FOR DETECTING IONIZING RADIATION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к детектору для обнаружения ионизирующего излучения и соответствующему способу обнаружения, а также к устройству визуализации.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В прикладных задачах медицинской диагностики формирование изображения пациента на основе обнаружения ионизирующего излучения является важной задачей. В этом контексте существуют различные способы и системы визуализации, такие как компьютерная томография (CT), позитрон-эмиссионная томография (PET) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT). Такие системы визуализации могут использовать детекторы, которые предоставляют возможность формирования изображений на основе обнаруженного излучения.
Как альтернатива сцинтилляционным детекторам другим вариантом является использование детектора, содержащего полупроводниковый материал (также называемый детекторами для подсчета фотонов, как, например, известно из WO 2014/087290 A1). Такие полупроводниковые детекторы, типа теллурида кадмия или CZT для детекторов с подсчетом фотонов с прямым преобразованием в качестве потенциальных кандидатов для CT, являются неструктурированными в противоположность их интегрирующим ток неспектральным аналогам на основе сцинтиллятора. Это, однако, может вызывать увеличение в чувствительности к перекрестным помехам между соседними пикселами детектора. Этот эффект зачастую упоминается как перераспределение заряда.
Перераспределение заряда имеет два главных ухудшающих воздействия на характеристику визуализации: первое, перераспределение зарядов является стохастическим, поскольку оно зависит от участка взаимодействия с рентгеновским лучом. Это ведет к полной потере информации об энергии, переносимой исходным фотоном. Второе, перераспределение заряда переносит сигнал от одного пиксела на соседний, следовательно, также будет оказываться влияние на функцию передачи модуляции системы обнаружения. По двум вышеуказанным причинам очень желательны подавление и/или корректировка перераспределения заряда для полупроводниковых рентгеновских детекторов.
В документе Баллабрига и др. «A 64k pixel detector readout chip working in single photon counting mode with improved spectrometric performance», Nucl. Instr. and Meth. A, 2010, представлена микросхема считывания данных 256×256-канального гибридного детектора, работающая в однофотонном режиме подсчета с новой межпиксельной архитектурой. Микросхема имеет целью улучшать энергетическую разрешающую способность в пиксельных детекторах, смягчая последствия перераспределения заряда между каналами. Заряды суммируются во всех группах 2×2 пиксела в микросхеме, а полученный импульс излучения назначается локально схеме суммирования пикселов с наибольшим суммарным зарядом на событийной основе. Каждый пиксел содержит также 12-битные бинарные счетчики с программируемой глубиной и контролем переполнения. Микросхема является конфигурируемой, так что либо размеры каждого пиксела детектора соответствуют размерам одного считываемого пиксела, либо пикселы детектора в четыре раза больше по площади считываемых пикселов. В последнем случае событийное суммирование все еще возможно между более крупными пикселами. Каждый пиксел имеет около 1600 транзисторов и аналоговое статическое потребление мощности ниже 15 мкВт в режиме суммирования заряда и 9 мкВт в однопиксельном режиме. Микросхема была построена по 8-металлической 0,13 мкм CMOS-технологии.
В US 2011/0155918 A1 раскрываются системы и способы для обеспечения перераспределяемого заряда в пиксельных детекторах изображения. Один способ включает в себя обеспечение множества пикселов в пиксельном твердотельном детекторе фотонов в такой конфигурации, что распределение заряда обнаруживается по меньшей мере двумя пикселами и получения информации о заряде от по меньшей мере двух пикселов. Шинный метод дополнительно включает в себя определение позиции взаимодействия распределения заряда с упомянутым множеством пикселов на основе полученной информации о заряде.
В WO 2004/021698 A1 раскрывается конфигурация детектора для преобразования электромагнитного излучения в электрические сигналы. Конфигурация детектора включает в себя чувствительные области, где каждая чувствительная область соответствует соответствующему электрическому сигналу, и по меньшей мере две чувствительные области сочетаются друг с другом так, что неперекрывающиеся внешние границы отдельных координируемых чувствительных областей также координируются друг с другом.
В документе Каннингема и др., «Cosmic-ray detector with interdigitated-finger pixels for two-dimensional position information from single wafer side», 1993, раскрывается тип детектора космических лучей для изотопического и энергетического обнаружения обладающих энергией ядер. Оба измерения информации о положении получаются с одной стороны детектора. Это упрощает требуемую считывающую электронную аппаратуру.
Однако все еще существует необходимость в улучшении детекторов для подсчета фотонов относительно их чувствительности к эффектам перераспределения заряда.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного детектора, способа обнаружения, а также устройства визуализации, включающего в себя упомянутый детектор, с повышенной точностью и улучшенным качеством изображения.
В первом аспекте настоящего изобретения обеспечен детектор для обнаружения ионизирующего излучения. Детектор содержит:
полупроводниковый слой прямого преобразования для производства носителей заряда в ответ на падающее ионизирующее излучение; и
множество электродов, соответствующих пикселам, для регистрации носителей заряда и генерации сигнала, соответствующего зарегистрированным носителям заряда;
при этом центральный электрод из упомянутого множества электродов структурирован так, чтобы двухмерным образом переплетаться с по меньшей мере двумя соседними электродами для регистрации носителей заряда упомянутым центральным электродом и по меньшей мере одним соседним электродом;
при этом упомянутый центральный электрод структурирован так, чтобы формировать гребенку с зубцами гребенки, переплетающимися с зубцами гребенки по меньшей мере двух соседних электродов, формирующих соответствующую гребенку с зубцами гребенки; и
при этом зубцы гребенки упомянутого центрального электрода чередуются с зубцами гребенки упомянутых по меньшей мере двух соседних электродов в продольном направлении, вдоль которого размещены центральный электрод и два соседних электрода.
В другом аспекте обеспечено устройство визуализации, которое содержит:
источник излучения для испускания ионизирующего излучения через область визуализации;
детектор, который описан выше, для обнаружения ионизирующего излучения от упомянутой области визуализации;
гентри для поддержки упомянутого детектора, чтобы вращать детектор вокруг упомянутой области визуализации; и
контроллер для управления упомянутым детектором, чтобы обнаруживать ионизирующее излучение во множестве положений проекции во время вращения вокруг упомянутой области визуализации.
В еще одном аспекте обеспечен способ обнаружения, который содержит этапы:
приема центрального сигнала от центрального электрода из множества электродов, соответствующих пикселам для регистрации носителей заряда, произведенных полупроводниковым слоем прямого преобразования в ответ на падающее ионизирующее излучение, причем упомянутый центральный сигнал соответствует зарегистрированным носителям заряда, упомянутый центральный электрод из упомянутого множества электродов структурирован так, чтобы двухмерным образом переплетаться с по меньшей мере двумя соседними электродами для регистрации носителей заряда упомянутым центральным электродом и по меньшей мере одним соседним электродом, упомянутый центральный электрод структурирован так, чтобы формировать гребенку с зубцами гребенки, переплетающимися с зубцами гребенки по меньшей мере двух соседних электродов, формирующих соответствующую гребенку с зубцами гребенки, зубцы гребенки упомянутого центрального электрода чередуются с зубцами гребенки упомянутых по меньшей мере двух соседних электродов в продольном направлении, вдоль которого размещены центральный электрод и два соседних электрода;
приема по меньшей мере двух дополнительных сигналов от по меньшей мере двух соседних электродов; и
определения информации о местоположении падающего ионизирующего излучения и/или информации об энергии падающего ионизирующего излучения на основе центрального и упомянутых по меньшей мере двух дополнительных сигналов, сгенерированных упомянутыми по меньшей мере двумя соседними электродами.
В дополнительных аспектах настоящего изобретения обеспечена компьютерная программа, которая содержит средство кодирования программы, чтобы заставлять компьютер выполнять этапы способа, раскрытого в данном документе, когда упомянутая компьютерная программа выполняется на компьютере, а также энергонезависимый машиночитаемый носитель данных, который хранит в себе компьютерный программный продукт, который, будучи исполняемым процессором, вызывает исполнение способа, раскрытого в данном документе.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Должно быть понятно, что заявленные способ, компьютерная программа и носитель имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, что и заявленный детектор, и как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение основывается на идее того, что чередующаяся структура электродов в детекторе прямого преобразования для подсчета фотонов может способствовать тому, чтобы лучше справляться с перераспределением заряда. В полупроводниковом слое прямого преобразования падающее ионизирующее излучение, т.е., падающая частица с высокой энергией, такая как фотон рентгеновского излучения, вызывает формирование носителей заряда. Это может также называться событием облучения в данном документе. Эти носители заряда затем регистрируются электродами. Обычно, аноды регистрируют электроны. Эти аноды соответствуют пикселам в изображении, которое должно быть сформировано. Множество электродов регистрирует местоположение, энергию и интенсивность падающего излучения и, тем самым, предоставляет возможность формирования соответствующего изображения.
Каждое событие облучения обычно приводит в результате к производству множества носителей заряда (которые производятся одновременно). Часто один единственный электрод будет регистрировать носители заряда, произведенные в ответ на событие облучения. Однако, в зависимости от местоположения этого поучения (или преобразования), возможно, что различные электроды регистрируют носителей заряда одного события облучения. Если носители заряда регистрируются множеством соседних электродов (перераспределение заряда), это может приводить к неточной локализации падающего излучения и к неточному показателю его энергии. Настоящее изобретение предоставляет возможность справиться с этой проблемой.
Согласно настоящему изобретению электроды структурированы в такой форме, что каждый электрод двухмерным образом переплетается с по меньшей мере двумя соседними электродами. Таким образом, каждый электрод пересекается с по меньшей мере двумя соседними электродами. Таким образом, становится возможным, что носители заряда всегда регистрируются по меньшей мере двумя электродами. Как использовано в данном документе, переплетение означает, что электроды структурированы так, чтобы перекрываться до некоторой степени. Например, электроды могут быть структурированы так, что выступающие секции одного электрода соединяются с соответствующим образом сформированными соседними электродами. Как использовано в данном документе, термин "соседний" относится к близкорасположенному в пространстве, а соседние электроды изолированы друг от друга.
Носители заряда всегда регистрируются по меньшей мере двумя соседними электродами. Это соответствует характерному перераспределению заряда, которое может, однако, быть скомпенсировано посредством калибровки, поскольку измерения переплетающихся секций электродов известны заранее. Благодаря регистрации такого события с помощью по меньшей мере двух электродов показатели этих двух электродов могут быть проанализированы, и может быть определено, какой из электродов должен считаться соответствующим местоположению падающего излучения.
В данном документе структура и функциональность детектора описываются на основе структуры и обработки одного электрода. Должно быть понятно, что другие электроды из упомянутого множества электродов структурированы эквивалентным образом. Обычно, электроды будут размещены в линию или в двухмерной матрице. Сигналы, генерируемые всеми электродами (все каналы), обрабатываются эквивалентно. Возможно, что электроды формируют изогнутую структуру или планарную конфигурацию. Обычно, электроды будут размещены практически перпендикулярно падающему излучению. Очевидно, что в зависимости от геометрии детектора возможно, что некоторые электроды (например, электроды на границе детектора, которые не имеют соседних электродов со всех сторон) могут требовать отдельного рассмотрения и обработки.
Детектор по настоящему изобретению предоставляет возможность преодоления недостатков перераспределения заряда, т.е., потерь информации об энергии, переносимой падающим фотонами (падающее ионизирующее излучение), и неточности, получающейся в результате модуляции функции переноса системы обнаружения. Детектор согласно настоящему изобретению предоставляет возможность получения улучшенной спектральной характеристики и характеристики разрешения в сравнении с предыдущими подходами. В диагностических медицинских рентгеновских устройствах визуализации типа сканеров маммографии или CT-сканеров это может, в конечном счете, приводить к улучшенному исследованию пациентов.
Согласно первому варианту осуществления детектор содержит считывающую электронную аппаратуру для определения информации о местоположении падающего ионизирующего излучения и/или информации об энергии падающего ионизирующего излучения на основе центрального сигнала, сгенерированного упомянутым электродом и по меньшей мере двух дополнительных сигналов, сгенерированных упомянутыми по меньшей мере двумя соседними электродами. Такая считывающая электронная аппаратура может, в частности, быть реализована в аппаратных и/или программных средствах. Местоположение падающего ионизирующего излучения ссылается на местоположение падающего высокоэнергичного фотона или частицы в полупроводниковом слое прямого преобразования. Сигналы, генерируемые различными электродами или пикселами (каналами), оцениваются, чтобы выявить из этого, какие из электродов должны быть отнесены к оцениваемому в настоящий момент событию облучения. Кроме того, определяется информация об энергии падающего ионизирующего излучения. Эта энергия ссылается на энергию первичного события, т.е., падающего ионизирующего излучения, которое определяется по оценке сигналов различных электродов. Присоединение считывающей электронной аппаратуры предоставляет возможность получения этой информации и, в конечном счете, получения изображения человека или объекта, являющегося субъектом для визуализации в устройстве визуализации, содержащем детектор по настоящему изобретению. Как использовано в данном документе, центральный сигнал ссылается на сигнал одного электрода, а дополнительные сигналы ссылаются на сигналы электродов, которые являются соседними с центральным электродом. Обычно, одинаковая обработка будет применяться к каждому каналу, как описано выше.
В предпочтительном варианте осуществления упомянутый электрод структурирован так, чтобы формировать гребенку с зубцами гребенки, чтобы переплетаться с по меньшей мере двумя соседними электродами, упомянутые соседние электроды формируются эквивалентно; а зубцы гребенки упомянутого электрода чередуются с зубцами гребенки упомянутых по меньшей мере двух соседних электродов. Одной возможностью для переплетенной структуры электродов согласно настоящему изобретению является использование гребенчатой структуры. Каждый электрод структурирован в форме гребенки с зубцами гребенки. Затем, возможно, что зубцы гребенки двух соседних электродов переплетаются друг с другом. В частности, каждый электрод в форме гребенки может переплетаться с соседними электродами с двух сторон. Одним преимуществом, получающимся в результате этой структуры, является то, что становится возможным структурировать каждый электрод, чтобы он пересекался с соседними электродами половиной своей поверхности. Кроме того, все электроды могут быть эквивалентно сформированы, что может облегчать процесс производства и обработку сигнала.
В варианте осуществления упомянутое множество электродов размещено в линию практически перпендикулярно направлению падающего ионизирующего излучения; а упомянутый электрод структурирован так, чтобы переплетаться с первым соседним электродом с одной стороны и вторым соседним электродом с другой стороны. Как использовано в данном документе, практически перпендикулярный означает, что расстояние до источника излучения, испускающего ионизирующее излучение, является более или менее постоянным. Таким образом, структура электрода может быть не только плоской, но может также быть слегка изогнутой в случае точечного источника. Если электроды размещены в линию, каждый электрод имеет два соседних электрода с двух своих сторон. Для обработки сигнала это означает, что для каждого электрода сигнал, сгенерированный этим электродом, обрабатывается в сочетании с сигналами, сформированными двумя соседними электродами. Одним примером линейной структуры является последовательность чередующимся образом совмещенных электродов в форме гребенки, как описано выше.
Кроме того, предпочтительно первая половина упомянутого электрода переплетается с половиной первого электрода из двух соседних электродов, а вторая половина упомянутого электрода переплетается с половиной второго электрода из двух соседних электродов. Структура, в которой каждой электрод пересекается или переплетается с двумя соседними электродами половиной своей поверхности, предоставляет возможность эффективной обработки, поскольку сигналы, сформированные двумя электродами, являются, в сущности, непосредственно сравниваемыми. Таким образом, для одного события облучения, сравнение сигналов, сгенерированных двумя соседними электродами, предоставляет возможность непосредственно определять, какой из двух соседних электродов принял полный заряд, сгенерированный посредством события облучения, а какой из двух электродов принял лишь часть заряда. Местоположение электрода, принявшего полный заряд, может считаться лучше соответствующим местоположению падающего излучения. Это, однако, обычно требует электродов, имеющих приблизительно двойной размер диаметра облака заряда.
В предпочтительном варианте осуществления детектора считывающая электронная аппаратура выполнена с возможностью сравнивать уровень центрального сигнала с уровнями упомянутых по меньшей мере двух дополнительных сигналов и определять местоположение падающего ионизирующего излучения, соответствующего местоположению упомянутого электрода, если уровень центрального сигнала выше уровней упомянутых по меньшей мере двух дополнительных сигналов. Местоположения электродов известны. В зависимости от результата сравнения уровней сигнала, сгенерированного одним электродом, с уровнями сигналов, сгенерированных соседними с ним электродами, определяется, может или нет местоположение электрода считаться соответствующим местоположению падающего излучения, т.е., местоположению события облучения. Эта оценка основывается на уровнях сгенерированных сигналов. Уровень сигнала, когда используется в данном документе, может, в частности, ссылаться на энергию сигнала. Пик соответствует амплитуде импульса. Если уровень центрального сигнала, т.е., сигнала, сгенерированного оцениваемым в текущий момент электродом, выше уровней упомянутых по меньшей мере двух дополнительных сигналов, т.е., сигналов, сгенерированных упомянутыми по меньшей мере двумя соседними электродами, это указывает, что оцениваемый в текущий момент электрод является электродом, который принял полный заряд падающего излучения. Другими словами, поскольку гарантировано, что всегда один электрод захватывает полный заряд падающего излучения, может быть сделан вывод, что электрод с наивысшим уровнем сигнала соответствует электроду, который захватил полный заряд. Таким образом, местоположение этого электрода соответствует местоположению падающего ионизирующего излучения.
Предпочтительно, считывающая электронная аппаратура выполнена с возможностью увеличивать счетчик, соответствующий упомянутому электроду, если местоположение упомянутого электрода определяется как соответствующее местоположению падающего ионизирующего излучения. Счетчик подсчитывает события облучения, относящиеся к каждому из электродов. Другими словами, число и энергия событий облучения, которые регистрируются с помощью каждого электрода, подсчитываются. На основе этого счетчика затем становится возможным реконструировать распределение интенсивности или энергии, которое формирует основу для реконструкции изображения исследуемого субъекта в устройстве визуализации, включающем в себя детектор, который раскрыт в данном документе. Такой счетчик может быть реализован в аппаратных и/или в программных средствах. Мультибиновая ASIC обычно имеет по меньшей мере столько же счетчиков, сколько элементов дискретизации энергии или пороговых значений энергии. Выбор счетчика, который должен увеличиваться, зависит от регистрируемой энергии, т.е. в пределах дискриминаторов энергии (элементов дискретизации) или выше порогового значения энергии (подсчитывает превышение порогового значения).
В предпочтительном варианте осуществления считывающая электроника включает в себя компаратор для сравнения уровня центрального сигнала с предварительно определенным пороговым значением для отбрасывания шумового сигнала, соответствующего нежелательным шумовым эффектам, посредством дискриминирования энергии. Обычно, все каналы будут иметь компаратор. Этот компаратор отбрасывает импульсы, т.е., сигналы, сгенерированные электродами, со слишком малой амплитудой, которая указывает высокую вероятность влияния вследствие электронного шума (а не перераспределения заряда или истинных сигналов). Это предоставляет возможность устранения воздействий нежелательного шума, вызванного электронной аппаратурой, или других нежелательных воздействий. Обрабатываются только те сигналы, которые имеют уровень сигнала выше предварительно определенного порогового значения. Это предварительно определенное пороговое значение может быть определено в процедуре калибровки или может также быть аналитически вычислено. В мультибиновой ASIC типично будет представлено 4, 5 или 6 компараторов на канал. Так, первый компаратор служит цели отбрасывания шумовых эффектов, а дополнительные компараторы используются для разделения энергии.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления считывающая электронная аппаратура включает в себя пиковый детектор для определения пика уровня центрального сигнала и компаратор для сравнения упомянутого пика с пиками уровней упомянутых по меньшей мере двух дополнительных сигналов. Этот пиковый детектор определяет амплитуду импульса сигнала, сгенерированного электродами. Этот пик или амплитуда импульса сравнивается с пиком или амплитудой импульса уровней дополнительных сигналов, сгенерированных соседними электродами. Таким образом, становится возможным определять, какой из электродов принял полный заряд.
Предпочтительно, электроды из упомянутого множества электродов имеют одинаковый размер и форму. Это предоставляет возможность эффективного процесса производства. Кроме того, обработка сигналов различных электродов может быть стандартизирована.
В другом варианте осуществления упомянутое множество электродов размещено в плоскости, перпендикулярной направлению падающего ионизирующего излучения; и упомянутый электрод структурирован так, чтобы переплетаться с по меньшей мере тремя соседними электродами для формирования двухмерной сетки. Если желателен двухмерный детектор, т.е., практически планарный детектор, требуется, чтобы каждый электрод переплетался с по меньшей мере тремя соседними электродами. Детектор в форме плоскости имеет преимущество в том, что меньшее перемещение относительно исследуемого субъекта в устройстве визуализации может требоваться в сравнении с линейным детектором. Однако, электродная структура, в которой каждый электрод переплетается с по меньшей мере тремя соседними электродами, является более сложной для производства и требует выполнения более тщательной калибровки.
Предпочтительно, размер упомянутого электрода больше более чем в два раза диаметра облака носителей заряда, производимых одновременно. Обычно одно событие облучения, т.е., одна падающая частица с большой энергией, генерирует множество носителей заряда в полупроводниковом слое прямого преобразования. Это может называться облаком носителей заряда. Это облако носителей заряда регистрируется множеством электродов. Таким образом, одно событие облучения обычно соответствует одному облаку носителей заряда.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения должны становиться очевидными и истолковываться со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные ниже в данном документе. На следующих чертежах
Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство визуализации согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 2 схематично иллюстрирует эффект перераспределения заряда между различными электродами в детекторе уровня техники;
Фиг. 3a и 3b схематично иллюстрируют переплетенную электродную структуру и эффект перераспределения заряда в этой переплетенной структуре;
Фиг. 4 схематично иллюстрирует другой вариант осуществления переплетенной электродной структуры для использования в детекторе согласно настоящему изобретению;
Фиг. 5 схематично иллюстрирует считывающую электронную аппаратуру для использования в детекторе согласно аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 6 схематично иллюстрирует детектор согласно настоящему изобретению в виде сбоку; и
Фиг. 7 схематично иллюстрирует этапы способа согласно аспекту настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает схематично и для примера устройство 12 визуализации согласно настоящему изобретению для визуализации объекта, в этом примере являющееся компьютерным томографом (CT). Компьютерный томограф 10 включает в себя гентри 12, который способен вращаться вокруг оси R вращения, которая простирается параллельно z-направлению. Источник 14 излучения (также называемый источником фотонов), который может быть полихроматической рентгеновской трубкой, устанавливается на гентри 12. Источник 14 излучения снабжен коллиматором 16, который формирует (например, конический) пучок 18 излучения из излучения (фотонов), генерируемого источником 14 излучения. Излучение проходит сквозь исследуемый объект, такой как пациент, размещенный в (например, цилиндрической) области 20 визуализации (также называемой зоной обследования). После пересечения области 20 визуализации пучок 18 излучения падает на рентгеновский детектор 22 (детектор для обнаружения ионизирующего излучения), который содержит двухмерную поверхность обнаружения. Детектор 22 также устанавливается на гентри 12.
Компьютерный томограф 10 содержит два двигателя 24, 26. Гентри 12 приводится в движение с предпочтительно постоянной, но регулируемой угловой скоростью посредством двигателя 24. Двигатель 26 предусматривается для размещения объекта, например, пациента, который размещается на столе для пациента в области 20 визуализации, параллельно направлению оси R вращения или z-оси. Эти двигатели 24, 26 управляются посредством блока 28 управления, например, так что источник 14 излучения, детектор 22 и область 20 визуализации движутся относительно друг друга в спиральном направлении. Однако, также возможно, что объект не движется, а что только источник 14 излучения и детектор 22 вращаются, т.е. что источник 14 излучения движется по круговой траектории относительно объекта или области 20 визуализации. Кроме того, в другом варианте осуществления, коллиматор 16 может быть приспособлен для формирования другой формы пучка, в частности, веерного пучка, и детектор 22 может содержать воспринимающую поверхность, которая принимает форму, соответствующую другой форме луча, в частности, веерному пучку.
Во время относительного перемещения источника 14 излучения и области 20 визуализации детектор 22 генерирует сигнал (также называемый сигналами обнаружения или значениями обнаружения; предпочтительно по одному значению сигнала на каждый пиксел, т.е., на каждый элемент обнаружения) в зависимости от падающего ионизирующего излучения. Часто, сигналы оцениваются в считывающей электронной аппаратуре, которая может быть включена в детектор 22, или которая может также быть встроена в блок 30 реконструкции для реконструкции изображения объекта на основе обнаруженных значений. Изображение, реконструируемое посредством блока 30 реконструкции, может быть предоставлено блоку 32 обработки для отображения реконструированного изображения. Блок 28 управления предпочтительно также выполнен с возможностью управлять источником 14 излучения, детектором 22 и блоком 30 реконструкции.
Детектор для подсчета фотонов с прямым преобразованием обычно содержит полупроводниковый слой прямого преобразования, например, теллурид кадмия или CZT (кадмий-цинк-теллурид). В этом слое носители заряда, т.е. частицы, несущие электрический заряд, такой как электроны и дырки, производятся в ответ на падающее ионизирующее излучение. Посредством электрического поля между анодом и катодом носители заряда обнаруживаются множеством электродов. Другими словами, падающий фотон (например, рентгеновский фотон) генерирует носитель заряда или облако носителей заряда при падении луча на слой. Посредством оценки числа носителей заряда, обнаруживаемых на различных электродах, становится возможным получать показание пространственного местоположения падающего излучения в полупроводниковом слое прямого преобразования. Из этого может быть выявлено изображение объекта в области визуализации.
Эффект перераспределения заряда между электродами детектора способствует перекрестным помехам детектора и ухудшает как спектральную характеристику, так и характеристику пространственной разрешающей способности полупроводниковых детекторов. Схематичная иллюстрация эффекта перераспределения заряда между соседними пиксельными анодными каналами в детекторе современного уровня техники иллюстрируется на фиг. 2. Иллюстрация показывает детектор 22 в виде сверху. Проиллюстрированное множество электродов 34A-34F может соответствовать металлизированным контактным площадкам анода на полупроводниковом слое 36 прямого преобразования в проиллюстрированном примере. Падающее ионизирующее излучение, например, рентгеновские фотоны, ударяет полупроводник, и производятся носители заряда. На фиг. 2 проиллюстрированы четыре различных местоположения пересечений (соответствующих облакам заряда). В идеальной ситуации взаимодействие рентгеновских фотонов, которое должно быть обнаружено, имеет место в области, хорошо центрированной вокруг одного конкретного металлического анода, аналогично случаю анода 34I. В случае, если участок взаимодействия находится на линии, соединяющей центры пиксельных анодов двух соседних контактных площадок, заряд, генерируемый рентгеновскими лучами, будет перераспределяться между двумя каналами, и два сигнала в соответствующих электронных каналах будут наблюдаться аналогично случаю события, происходящего между анодом 34A и анодом 34F, или события, происходящего между анодом 34C и анодом 34D. В (редком) случае, когда участок взаимодействия совпадает с общими углами 4 электродов, заряд может быть равномерно распределен по 4 каналам, и 4 коррелированных сигнала будут формироваться в 4 различных каналах (аноды 34B, 34C, 34G и 34H).
Посредством перераспределения заряда пропорциональность между энергией падающего рентгеновского луча и накопленным зарядом в данном канале теряется. Кроме того, перераспределение заряда может вести к незавершенной регистрации или локализации события взаимодействия. Следовательно, требуется, чтобы каждое возникновение эффекта перераспределения заряда обнаруживалось. Дополнительно, эффект должен быть определен количественно, и сравнение должно выполняться между сигналами, участвующими в перераспределении заряда. Кроме того, процесс локализации должен идентифицировать пиксел, которому событие должно быть назначено. Этот пиксел должен быть назначен событию, тогда как другие участвующие пикселы должны быть предохранены от регистрации события.
Для того чтобы обеспечивать эту функциональность, настоящее изобретение предлагает использовать переплетенную электродную структуру. Эта переплетенная электродная структура имеет эффект того, что носители заряда, получающиеся в результате падающего излучения, всегда регистрируются множеством анодов. Затем, сигнал от одного электрода может быть оценен вместе с сигналами от пространственно соседних электродов, предоставляя возможность получать более точный показатель местоположения падающего излучения и/или его энергии.
На фиг. 3a и 3b раскрывается одномерный вариант осуществления детектора 22' согласно настоящему изобретению. Обращаясь обратно к фиг. 2, будет невозможно обнаруживать перераспределение заряда между двумя соседними анодами в случае, когда сигналы обрабатываются индивидуально. Это обусловлено тем фактом, что участок взаимодействия находится между двумя пикселами. Чтобы избегать этого, предлагается более сложное конструктивное построение анода, как проиллюстрировано на фиг. 3a и 3b. Всего иллюстрируется шесть электродов 38A-F. Электроды структурируются в форме гребенки с зубцами гребенки. Должно быть понятно, что детектор будет обычно простираться вдоль своей продольной оси в обоих направлениях и будет включать в себя сотни или тысячи одинаково структурированных электродов. Пунктирная линия окружает эффективный пиксел, соответствующий одному аноду 38E. Проиллюстрированные электроды структурируются в форме гребенки. Один электрод переплетается с двумя соседними электродами в иллюстрированном примере. Например, электрод 38E частично переплетается с электродами 38A и 38B. Электроды 38A-38F структурируются так, что комбинация двух гребенчатых решеток заполняет прямоугольную область без дырок. Зубцы гребенки двух соседних электродов чередуются. Предпочтительно, гребенчатые решетки переплетаются симметричным регулярным образом, но смещены на одну половину эффективного пиксела. В иллюстративных целях структура анода показана здесь без зазоров. В функционирующей реализации аноды и, в частности, зубцы гребенки (могут также называться "пальцами анода") должны быть разделены пространственно, чтобы обеспечивать электрическую изоляцию.
Для переплетенной электродной структуры согласно настоящему изобретению, каким бы ни был участок взаимодействия падающего рентгеновского фотона, всегда существует по меньшей мере, одна пиксельная гребенка незатронутая перераспределением заряда. Очевидно, вследствие встроенной гребенчатой структуры всегда существует перераспределение заряда между соседними электродами. Однако, это неотъемлемое перераспределение заряда известно (поскольку структура электродов известна) и может быть автоматически устранено посредством калибровки по энергии. В этом смысле переплетенная гребенчатая структура будет служить в качестве простого средства дублирования сигнала в случае пиксельных гребенок, где нет смещения на половину пикселя.
На фиг. 3a облако 40 заряда корректно определяется количественно электродом 38E. Два соседних электрода 38A и 38B записывают только примерно одну половину заряда. На фиг. 3b облако 40' заряда корректно определяется количественно электродом 38E и соседним электродом 38A.
Таким образом, если предполагается, что облако заряда меньше половины размера одного гребенчатого электрода, всегда существует один электрод, который отбирает пик полной энергии (фотопик) и, следовательно, предоставляет возможность корректного количественного определения энергии события. С шириной спектра на уровне полной ширины на половине высоты (ПШПВ) для диаметра облака заряда 80 мкм один зубец гребенки будет иметь ширину приблизительно 4 мкм (предполагая зазор также 4 мкм между каждым гребенчатым электродом). Таким образом, если предполагается 80 мкм для диаметра облака заряда, будет необходимо 160 мкм для пиксела. Если предполагается, что каждый гребенчато структурированный электрод имеет восемь зубцов гребенки и 2 неметаллизированные области между противопоставленными зубцами гребенки соседних электродов, ширина зубца гребенки и промежуток приблизительно 160/32=5 мкм или ширина зубца гребенки 6 мкм и ширина промежутка 4 мкм будут возможны. Эти показатели должны пониматься только в качестве примера. Согласно настоящему изобретению сигналы, сгенерированные одним электродом, могут быть оценены вместе с сигналами, сгенерированными по меньшей мере двумя соседними электродами.
Ясно, что проиллюстрированная структура на фиг. 3 существует только в иллюстративных целях. Изобретение не ограничивается линейной структурой, но может предпочтительно также быть применено со структурами, которые предоставляют возможность охвата двухмерной области.
Другая возможная структура для охвата плоскости иллюстрируется на фиг. 4. Один центральный электрод 42E имеет восемь соседних электродов 42A-D и 42F-I. Опять же, должно быть понятно, что иллюстрируется только сегмент структуры. Обычно, детектор будет включать в себя сотни или тысячи пикселов, размещенных в прямоугольнике, который может быть плоским и перпендикулярным по отношению к падающему ионизирующему излучению или который может также быть изогнутым, так что получается постоянное расстояние до источника излучения. Опять же, каждый электрод переплетается с соседними электродами (восемь соседних электродов в этом примере). Возможно множество дополнительных структур.
Обычно, каждый канал или каждый пиксел, соответственно (соответствующий электроду) будет оцениваться при рассмотрении каналов соседних электродов согласно настоящему изобретению. Для оценки сигналов переплетенных электродов обычно используется считывающая электронная аппаратура. Для этого может быть возможным использовать IC-структуру или ASIC, т.е., аппаратные средства. Может, однако, также быть возможным то, что сигналы (частично) оцениваются в программном обеспечении, т.е., что некоторые или все этапы обработки реализуются в программном обеспечении, которое должно выполняться в процессоре.
Согласно настоящему изобретению считывающая электронная аппаратура (или соответствующее программное обеспечение) использует сигнал каждого канала. Для каждого электрода (центрального сигнала) сигнал сравнивается с сигналами двух или более соседних электродов, и определяется, какой из сигналов является наибольшим (имеет наивысший уровень). В случае, когда центральный сигнал является наибольшим, регистрируется счет, т.е., событие падающего излучения подсчитывается для этого электрода. Если, однако, сигнал соседнего электрода больше, счет не регистрируется для оцениваемого электрода. Эта процедура предоставляет возможность того, что счетчики инициируются только по сигналам, которые не были подвергнуты перераспределению заряда, и что назначение счетчиков также является пространственно корректным. Должно быть понятно, что все каналы будут обычно обрабатываться эквивалентно. Таким образом, один электрод считается соседним электродом для другого и наоборот.
На фиг. 5 иллюстрируется реализация считывающей электронной аппаратуры для вышеизложенной процедуры. Опять же, случай, когда электрод имеет два соседних электрода, как проиллюстрировано на фиг. 3 (электроды практически размещаются в линию, на которой каждый электрод n имеет два соседних электрода n-1 и n+1), рассматривается в качестве примера. Каждый вход канала имеет традиционное (или другое) средство для обеспечения сигнала амплитуды импульса, представляющего входной заряд (т.е. CSA 46+формирователь 48). Ввод дополнительных сигналов, выдаваемых двумя соседними электродами 50A, 50B, будет обычно эквивалентно предварительно обрабатываться. Энергетическое дискриминирование получается компаратором 52, настроенным на предварительно определенное пороговое значение 54 (энергетический уровень). Ясно, что, в других вариантах осуществления, может быть больше дискриминаторов, эффективно реализующих детектор энергетического разрешения. Обнаружение входящего события инициирует сравнение 56 перераспределения заряда, т.е.: уровень сигнала, производимый пиковым детектором 60 на выходе формирователя 46, сравнивается с 3-канальным компаратором 56, чтобы устанавливать, какой из электродов (n+1; n; n-1) накопил наибольший заряд. Как описано выше относительно фиг. 3, при наличии геометрии гребенки по меньшей мере один из электродов будет принимать полный заряд (1/2 заряда, генерируемого взаимодействием). По определению, наибольший сигнал для рассматриваемых электродов должен обязательно быть сигналом, который регистрирует полное событие в пределах связанной с ним эквивалентной пиксельной области. 3-хканальный компаратор 56, следовательно, используется, чтобы производить цифровой логический сигнал, который указывает, какой из трех имеет наибольший сигнал (случай A). Если событие совместно используется одинаково между двумя гребенками (случай B), сравнение будет все еще выбирать одну единственную гребенку благодаря характерным различиям между сигналами (например, шуму). В других вариантах осуществления, в зависимости от конфигурации электрода, возможно, что компаратор получает дополнительные входные сигналы (например, линейная конфигурация в сравнении с планарной матрицей). Тогда, счетчик 58, связанный с гребенкой с наибольшими сигналами, является единственным, которому предоставляется возможность увеличиваться в ответ на зарегистрированное событие. Поскольку шум в двух каналах может быть частично независимым, может случиться, что оба или ни один из двух электродов не будет тогда регистрировать подсчет. В зависимости от реализации может быть возможным то, что выходной сигнал 3-канального компаратора 56 подается обратно соседним электродам, чтобы устранять этот эффект.
Поскольку, в отличие от гребенчатой структуры, как проиллюстрировано на фиг. 3, перекрывание каждого электрода с соседними электродами не является одной половиной в примере, иллюстрированном на фиг. 4, соответствующая калибровка должна выполняться, чтобы делать сигналы сравнимыми.
Кроме того, в примерной считывающей электронной аппаратуре, проиллюстрированной на фиг. 5, рассматривается только одно пороговое значение энергии. Настоящее изобретение, однако, не ограничивает использование мультиэнергетического дискриминирования.
Пиковый детектор 60, проиллюстрированный на фиг. 5, предлагает максимальное значение амплитуды импульса для данного события. Задержка, привносимая средством 62 задержки в 3-канальный компаратор 56, требуется, чтобы гарантировать, что пиковый детектор 60 получил полный заряд. Это сдерживает скорость получения, поскольку пиковый детектор требует сброса, прежде чем он может снова служить своей цели.
Должно быть понятно, что дополнительные варианты осуществления этой реализации могут рассматривать использование множества пиковых детекторов параллельно (мультиплексирование по триггеру события) для того, чтобы устранять вышеупомянутое ограничение. Например, компаратор может быть построен так, что логика препятствует наличию более чем выходного сигнала с активным высоким уровнем, т.е., все выходные сигналы являются взаимно исключающими, и только один выходной сигнал может быть активным в любое заданное время, даже в случае наличия совершенно одинаковых амплитуд. Существует множество способов (определение по жестко закодированному приоритету, задержка с запретом …).
В еще одном варианте осуществления пиковый детектор 60 может не требоваться. Поскольку события перераспределения заряда совместно используются между гребенками одновременно, результат 3-канального сравнения может быть получен посредством простого непрерывного удерживания наибольшего сигнала в течение всего времени сбора.
На фиг. 6 иллюстрируется вид сбоку варианта осуществления детектора 22' согласно настоящему изобретению. Опять пример соответствует линейной структуре, например, гребенчатой структуре, проиллюстрированной на фиг. 3. Один электрод n имеет два соседних электрода n+1 и n-1. Обычно, полупроводниковый слой 36 прямого преобразования будет размещен между электродами и источником излучения. Считывающая электронная аппаратура 44 может быть размещена под электродами.
На фиг. 7 проиллюстрирован способ обнаружения согласно аспекту настоящего изобретения. На этапе S10 центральный сигнал принимается от электрода из множества электродов. На этапе S12 принимаются по меньшей мере два дополнительных сигнала от по меньшей мере двух соседних электродов. На этапе S14 определяется информация о местоположении падающего ионизирующего излучения и/или информация об энергии падающего ионизирующего излучения на основе центрального и упомянутых по меньшей мере двух дополнительных сигналов, сгенерированных упомянутыми по меньшей мере, двумя соседними электродами.
Такой способ может выполняться в процессоре, соединенном с детектором, который описан выше, и, таким образом, реализовывать некоторую или всю функциональность считывающей электронной аппаратуры в программном обеспечении.
В дополнительных предпочтительных вариантах осуществления, в частности, как проиллюстрировано на фиг. 3a и 3b, зубцы гребенки имеют прямоугольную форму; первый соседний электрод разнесен со вторым соседним электродом на один зубец гребенки упомянутого центрального электрода; и/или зубцы гребенки имеют одинаковую ширину в упомянутом продольном направлении.
В другом предпочтительном варианте осуществления считывающая электронная аппаратура выполнена с возможностью определять энергию падающего излучения на основе умножения уровня центрального сигнала на два.
Когда используется в данном документе, центральный электрод ссылается на электрод, который имеет два соседних электрода с двух сторон. Термин центральный электрод используется, чтобы объяснять размещение электрода. Например, электрод 38B на фиг. 3a и 3b может считаться центральным электродом. Тогда электроды 38A и 38B являются двумя соседними электродами. Однако любой электрод может считаться представляющим центральный электрод, пока он имеет два соседних электрода с двух сторон.
На фиг. 3a и 3b проиллюстрировано, что зубцы гребенки центрального электрода чередуются с зубцами гребенки соседних электродов в продольном направлении, в котором размещен центральный электрод и два соседних электрода. Например, зубцы гребенки электрода 38B чередуются с зубцами гребенки электродов 38E и 38F. Продольное направление определяется центральным электродом и двумя соседними электродами и соответствует направлению слева направо на фиг. 3a и 3b. Другими словами, если электроды практически размещаются в линию, перпендикулярную направлению падающего излучения, направление этой линии определяет направление чередования зубцов гребенки. Вдоль этой линии один зубец гребенки одного электрода чередуется с одним зубцом гребенки другого электрода.
В сравнении с конфигурациями анода предшествующего уровня техники, рассматривающими деление пиксела на два различных анода в пикселе, таким образом, не существует пиксела как такового согласно настоящему изобретению, а скорее существует понятие "эффективный пиксел". В сравнении с анодами, пересекающимися в треугольной форме, преимуществом структуры настоящего изобретения является то, что, когда обнаруживается взаимодействие, наивысший сигнал известен как соответствующий точной одной половине суммарного заряда. Таким образом, другими словами по меньшей мере один из анодов, поскольку они чередуются, будет всегда видеть одну половину энергии. Т.е., локализуя пиксел с наибольшим сигналом, могут быть определены не только местоположение, но также и заряд сталкивающегося фотона, зная, что требуется поправочный коэффициент, равный двум. Таким образом, в сравнении с подходами предшествующего уровня техники, не требуется суммировать заряды между анодами.
В варианте осуществления изобретения этот результат достигается посредством обеспечения зубчатой гребенки, т.е. "пальцев" гребенчатого электрода в форме прямых пластин, т.е. прямоугольных пластин (как, например, проиллюстрировано на фиг. 3 и 3b), а не подобных треугольникам, например. Прямоугольные "пальцы" имеют постоянную ширину. Взаимодействие повсюду вдоль таких прямоугольных "пальцев" будет иметь одинаковый результат. В сравнении с другими формами, например, треугольными формами, суммарный заряд будет зависеть от того, как далеко в треугольнике они находятся.
Дополнительно, в предпочтительном варианте осуществления (как, например, проиллюстрировано на фиг. 3a и 3b), не существует центральной области, где только один электрод регистрирует событие. Треугольная форма пальцев электрода может быть такой, что заряд, регистрируемый по событию, пропорционален его позиции. Использование этого, однако, потребует, чтобы было известно заранее, какой заряд ожидать. Таким образом, для определения суммарного заряда, все еще потребуется складывать заряд всех электродов. Это не требуется настоящим изобретением.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения зубцы гребенки поочередно размещаются в вертикальном направлении (как, например, проиллюстрировано на фиг. 3a и 3b), так что каждое событие регистрируется по меньшей мере двумя электродами. Эффективные ASIC-пикселы являются чем-то вроде расположенных в шахматном порядке относительно "эффективного пиксела". Таким образом, всегда существует случай, что два электрода видят заряд, т.е. регистрируют событие. Перераспределение заряда, следовательно, точно известно, и один электрод всегда будет регистрировать одну половину заряда. Таким образом, суммарный заряд может быть получен из умножения на два.
Электронное устройство предварительной обработки данных, описанное в данном документе (как, например, проиллюстрировано на фиг. 5), рассматривает множество анодов, чтобы определять местоположение, в котором анод имеет наибольший сигнал и, следовательно, одну половину заряда.
Конструктивное решение, раскрытое в данном документе, таким образом, гарантирует, что заряд, сгенерированный при каждом рентгеновском взаимодействии, вызывает сигнал, указывающий полную энергию этого события в по меньшей мере одном ASIC-канале. Таким образом, другими словами, настоящее изобретение предлагает не только переплетенную, но также чередующуюся структуру. Таким образом, пиксел формируется в пикселах. Одним требованием конструктивного решения детектора по настоящему изобретению может быть то, что облака зарядов не должны значительно превышать половину размера одной из электродных структур. Таким образом, допускается обменивать мощность сигнала всегда (коэффициент, равный одной половине, как описано выше) на вышеупомянутое преимущество. Простое определение суммарного заряда может, таким образом, быть предусмотрено в дополнение к реконструкции местоположения. Кроме того, прекрасным отличительным признаком является то, что посредством конструктивного решения переплетенные и чередующиеся аноды решают проблему дискретизации Найквиста (т.е., что требуется дискретизировать каждые D/2 мм, при условии, что пиксел вашего детектора имеет ширину D мм, чтобы избегать наложения спектров, что является характерным в нашем конструктивном решении) с помощью линейного массива детекторов элегантным образом.
Другими словами, конструктивное решение, предложенное в данном документе, решает проблему перераспределения заряда. Предоставляя переплетенные и чередующиеся электроды, гарантируется, что всегда один электрод захватывает половину заряда. Таким образом, в дополнение к определению местоположения события также возможно определять суммарный заряд, умножая захваченный заряд на два. Таким образом, может быть получена простая, эффективная и сравнительно дешевая обработка сигнала.
В этой заявке обработка сигналов обычно описывается с точки зрения одного пиксела. Сигнал, сгенерированный этим одним пикселом, оценивается вместе с сигналами, сгенерированными соседними пикселами, чтобы справляться с последствиями перераспределения заряда. Однако должно быть понятно, что обработка будет обычно идентичной для каждого пиксела. Другими словами, сигнал, сгенерированный каждым пикселом, оценивается вместе с сигналами соседних пикселов (за исключением пикселов, расположенных на границе детектора, которые могут не иметь соседнего пиксела с одной или более сторон и которые могут требовать индивидуальной обработки).
В то время как изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники, применяющими на практике заявленное изобретение, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержит" не исключает других элементов или этапов, а элемент в единственном числе не исключает множества таких элементов. Один элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Простой факт того, что определенные меры упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, чтобы комбинация этих мер не может быть использована с выгодой.
Компьютерная программа может быть сохранена/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе или как часть других аппаратных средств, но может также распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные системы связи.
Любые ссылочные позиции с номерами в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем.