ДЕТЕКТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ФОТОНОВ, УЧИТЫВАЮЩЕЕ НАКЛАДЫВАЮЩИЕСЯ ДРУГ НА ДРУГА СОБЫТИЯ
DETECTION APPARATUS FOR DETECTING PHOTONS TAKING PILE-UP EVENTS INTO ACCOUNT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к детектирующему устройству, способу детектирования и компьютерной программе детектирования для обнаружения фотонов. Настоящее изобретение дополнительно относится к устройству отображения, способу отображения и компьютерной программе для отображения объекта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Статья X. Llopart et al., “Medipix2: A 64-k pixel readout chip with 55-μm square elements working in single photon counting mode”, IEEE Transactions on Nuclear Science, volume 49, issue 5, pp. 2279-2283, October 2002 описывает датчик подсчета фотонов, который генерирует значения обнаружения в зависимости от количества и характеристик обнаруженных фотонов. В частности, непосредственно преобразующий материал используется для того, чтобы преобразовать фотоны в сигнальные импульсы, в которых каждый сигнальный импульс соответствует единственному фотону и в которых высота сигнального импульса соответствует энергии соответствующего фотона. Сигнальные импульсы распределяются среди нескольких столбцов энергетической гистограммы, где для каждого столбца энергетической гистограммы генерируется выходное значение, отражающее количество сигнальных импульсов, назначенных на соответствующий столбец энергетической гистограммы.
Получающееся энергетическое распределение может быть испорчено ограничениями датчика, что может привести к снижению качества сгенерированных значений обнаружения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является предложить детектирующее устройство, способ детектирования и компьютерную программу детектирования для обнаружения фотонов, которые позволяли бы генерировать значения обнаружения с улучшенным качеством. Дополнительной задачей настоящего изобретения является предложить устройство отображения, которое включает в себя это детектирующее устройство, а также соответствующий способ отображения и компьютерную программу для отображения объекта.
В первом аспекте настоящего изобретения представлено детектирующее устройство для обнаружения фотонов, включающее в себя:
- детектирующий блок для обнаружения фотонов, выполненный с возможностью генерировать импульсы сигнала обнаружения, отражающие количество обнаруженных фотонов,
- блок определения накладывающихся друг на друга событий для того, чтобы определять, каким событием вызван импульс сигнала обнаружения - накладывающимся или ненакладывающимся (ненакладывающимся событием),
- блок генерирования значений обнаружения для генерирования значений обнаружения в зависимости от импульсов сигнала обнаружения и в зависимости от результатов определения того, каким событием вызван импульс сигнала обнаружения - накладывающимся или ненакладывающимся (ненакладывающимся событием), в котором блок генерирования импульсов сигнала обнаружения выполнен с возможностью:
- распределять импульсы сигнала обнаружения, которые вызваны ненакладывающимися событиями, по нескольким столбцам гистограммы в зависимости от свойства импульсов сигнала обнаружения,
- определять для каждого столбца гистограммы количество ненакладывающихся событий путем подсчета импульсов сигнала обнаружения соответствующего столбца гистограммы, которые вызваны ненакладывающимися событиями, генерируя тем самым распределение ненакладывающихся событий,
- определять количество накладывающихся друг на друга событий путем подсчета импульсов сигнала обнаружения, которые вызваны накладывающимися событиями,
- оценивать распределение накладывающихся друг на друга событий таким образом, чтобы интеграл распределения накладывающихся друг на друга событий соответствовал произведению определенного количества накладывающихся друг на друга событий на предусмотренное ожидаемое среднее количество фотонов в накладывающихся событиях,
- корректировать распределение ненакладывающихся событий на основе распределения накладывающихся друг на друга событий,
- генерировать значения обнаружения в зависимости от скорректированного распределения ненакладывающихся событий.
Поскольку блок определения накладывающихся друг на друга событий определяет, каким событием вызван импульс сигнала обнаружения - накладывающимся или ненакладывающимся (ненакладывающимся событием), и поскольку блок генерирования значений обнаружения генерирует значения обнаружения в зависимости от импульсов сигнала обнаружения и в зависимости от определения того, каким событием вызван импульс сигнала обнаружения - накладывающимся или ненакладывающимся (ненакладывающимся событием), эффект наложения можно относительно точно учесть при генерировании значений обнаружения. Это позволяет улучшить качество сгенерированных значений обнаружения.
Накладывающееся событие предпочтительно определяется вкладом нескольких фотонов в один и тот же импульс сигнала обнаружения.
Детектирующий блок предпочтительно включает в себя непосредственно преобразующий материал, такой как кадмиевый церий (CdCe) или теллурид кадмия и цинка (CZT), для того, чтобы генерировать импульсы сигнала обнаружения в зависимости от фотонов, сталкивающихся с непосредственно преобразующим материалом. Альтернативно или в дополнение к этому детектирующий блок может включать в себя сцинтилляционный материал и фотодиоды, в которых световые импульсы могут быть сгенерированы сцинтилляционным материалом в зависимости от фотонов, сталкивающихся со сцинтилляционным материалом, а фотодиоды могут обнаруживать сгенерированные световые импульсы и генерировать импульсы сигнала обнаружения в зависимости от обнаруженных световых импульсов.
Ожидаемое среднее количество фотонов предпочтительно равно двум, причем предполагается, что импульс сигнала обнаружения, который вызван накладывающимся событием, соответствует главным образом двум фотонам, попавшим на детектирующее устройство, то есть предполагается, что накладывающиеся друг на друга события являются главным образом накладывающимися друг на друга событиями первого порядка. Таким образом, количество ненакладывающихся событий может быть в этом случае достоверно исправлено с низкими вычислительными затратами путем добавления удвоенного количества накладывающихся друг на друга событий к неисправленному количеству ненакладывающихся событий. Однако ожидаемое среднее количество фотонов в накладывающихся событиях также может быть другим числом. Это обеспечивает корректировку  количества ненакладывающихся событий также и в том случае, если накладывающееся событие вызывается главным образом не двумя фотонами, а, например, переменным числом фотонов и/или большим числом фотонов. Следовательно, можно рассмотреть накладывающиеся друг на друга события более высокого порядка.
Детектирующее устройство включает в себя предпочтительно несколько пикселов обнаружения, причем для каждого пиксела обнаружения могут быть определены количество накладывающихся друг на друга событий и количество ненакладывающихся событий. В одном варианте осуществления детектирующее устройство является не определяющим энергию, так что для каждого пиксела обнаружения за один раз генерируется единственное выходное значение. Однако предпочтительно детектирующее устройство является определяющим энергию детектирующим устройством, в котором для каждого пиксела обнаружения за один раз генерируется несколько значений обнаружения, которые соответствуют различным энергиям. Таким образом, блок генерирования значений обнаружения выполнен с возможностью a) распределять импульсы сигнала обнаружения, которые вызваны ненакладывающимися событиями, по нескольким столбцам гистограммы в зависимости от свойства импульсов сигнала обнаружения, b) определять для каждого столбца гистограммы количество ненакладывающихся событий путем подсчета импульсов сигнала обнаружения соответствующего столбца гистограммы, которые вызваны ненакладывающимися событиями, генерируя тем самым распределение ненакладывающихся событий, c) определять количество накладывающихся друг на друга событий путем подсчета импульсов сигнала обнаружения, которые вызваны накладывающимися событиями, d) оценивать распределение накладывающихся друг на друга событий таким образом, чтобы интеграл распределения накладывающихся друг на друга событий соответствовал произведению определенного количества накладывающихся друг на друга событий на предусмотренное ожидаемое среднее количество фотонов в накладывающихся событиях, e) корректировать распределение ненакладывающихся событий на основе распределения накладывающихся друг на друга событий, f) генерировать значения обнаружения в зависимости от скорректированного распределения ненакладывающихся событий.
Предпочтительно блок генерирования значений обнаружения выполнен с возможностью оценки распределения накладывающихся друг на друга событий в предположении, что форма распределения накладывающихся друг на друга событий подобна форме распределения ненакладывающихся событий, причем распределение накладывающихся друг на друга событий оценивается таким образом, чтобы интеграл распределения накладывающихся друг на друга событий, имеющий форму распределения ненакладывающихся событий, соответствовал произведению определенного количества накладывающихся друг на друга событий на предусмотренное ожидаемое среднее количество фотонов в накладывающихся событиях. Ожидаемое среднее количество фотонов в накладывающихся событиях может быть равно, например, двум. Исправление распределения ненакладывающихся событий предпочтительно выполняется путем добавления предполагаемого распределения накладывающихся друг на друга событий. В другом варианте осуществления сигналы обнаружения, которые вызываются накладывающимися событиями, также могут быть распределены по столбцам гистограммы в зависимости от свойства импульсов сигнала обнаружения, в частности в зависимости от высоты импульса сигнала обнаружения, для того, чтобы определить распределение накладывающихся друг на друга событий, которое может использоваться для того, чтобы исправить распределение ненакладывающихся событий.
В частности, блок генерирования значений обнаружения может быть выполнен с возможностью сравнения импульсов сигнала обнаружения с порогами высоты импульсов сигнала обнаружения, определяющими столбцы энергетической гистограммы, для того, чтобы распределить импульсы сигнала обнаружения среди столбцов энергетической гистограммы, причем для каждого столбца энергетической гистограммы выходное значение определяется как отражающее количество ненакладывающихся событий импульсов сигнала обнаружения, помещенных в соответствующий столбец энергетической гистограммы. Процедуры для сравнения импульсов сигнала обнаружения с соответствующими порогами предпочтительно выполняются компараторами блока генерирования значений обнаружения. Количества ненакладывающихся событий определяют распределение ненакладывающихся событий, которое может быть исправлено на основе соответствующего распределения накладывающихся друг на друга событий.
В одном варианте осуществления для того, чтобы определить, вызывается ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, блок определения накладывающихся друг на друга событий выполнен с возможностью обеспечивать порог высоты импульса и сравнивать высоту соответствующего импульса сигнала обнаружения с порогом высоты импульса для того, чтобы определить, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. Кроме того, блок определения накладывающихся друг на друга событий может быть выполнен с возможностью a) определения продолжительности соответствующего импульса сигнала обнаружения, b) обеспечения порога продолжительности и c) сравнения продолжительности соответствующего импульса сигнала обнаружения с порогом продолжительности для того, чтобы определить, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. Блок определения накладывающихся друг на друга событий также может быть выполнен с возможностью a) интегрировать соответствующий импульс сигнала обнаружения для генерирования соответствующего интегрированного значения, b) сравнивать интегрированное значение с высотой соответствующего импульса сигнала обнаружения, генерируя тем самым результат сравнения, и c) на основе результата сравнения определять, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. Например, отношение высоты импульса сигнала обнаружения и интегрированного значения может быть сгенерировано в качестве результата сравнения, причем на основе этого отношения может быть определено, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. Кроме того, блок определения накладывающихся друг на друга событий может быть выполнен с возможностью определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, на основе несогласованности результатов подсчета. Эти различные типы определения позволяют определять, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, достоверно и с относительно низкими вычислительными затратами.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлено устройство отображения объекта, включающее в себя:
- источник фотонов для генерирования фотонов, пересекающих объект,
- детектирующее устройство для обнаружения фотонов, пересекающих объект, а также для генерирования значений обнаружения в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
Источник фотонов является предпочтительно немонохроматическим рентгеновским источником, и детектирующее устройство предпочтительно выполнено с возможностью обнаруживать рентгеновские фотоны после того, как они пересекут объект. Устройство отображения является предпочтительно системой компьютерной томографии или рентгеновской системой с C-образной балкой, которая позволяет вращать источник фотонов и детектирующее устройство вокруг объекта вдоль траектории, расположенной, например, на воображаемом цилиндре или на воображаемой сфере. Эта траектория является, например, круговой траекторией или винтовой траекторией.
Предпочтительно, чтобы устройство отображения дополнительно включало в себя блок реконструкции для реконструирования изображения объекта на основе сгенерированных значений обнаружения. В частности, блок реконструкции может быть выполнен с возможностью реконструирования изображения объекта на основе сгенерированных энергетических значений обнаружения. Блок реконструкции может быть выполнен, например, с возможностью выполнять метод декомпозиции, который декомпозирует значения обнаружения на различные компоненты, которые могут указывать на различные материалы, такие как кость и мягкая ткань, и/или различные физические эффекты, такие как фотоэмиссия, эффект Комптона или K-краевой эффект. Соответствующий метод декомпозиции раскрывается, например, в статье E. Roessl and R. Proksa, "K Edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors", Physics in Medicine and Biology, volume 52, pages 4679 to 4696 (2007). Блок реконструкции может быть дополнительно выполнен с возможностью реконструирования по меньшей мере для одного компонента отдельного изображения на основе компонентных значений обнаружения, которые были определены для соответствующего компонента с помощью метода декомпозиции, причем блок генерирования импульсов сигнала обнаружения выполнен с возможностью:
- распределять импульсы сигнала обнаружения, которые вызваны ненакладывающимися событиями, по нескольким столбцам гистограммы в зависимости от свойства импульсов сигнала обнаружения,
- определять для каждого столбца гистограммы количество ненакладывающихся событий путем подсчета импульсов сигнала обнаружения соответствующего столбца гистограммы, которые вызваны ненакладывающимися событиями, генерируя тем самым распределение ненакладывающихся событий,
- определять количество накладывающихся друг на друга событий путем подсчета импульсов сигнала обнаружения, которые вызваны накладывающимися событиями,
- оценивать распределение накладывающихся друг на друга событий таким образом, чтобы интеграл распределения накладывающихся друг на друга событий соответствовал произведению определенного количества накладывающихся друг на друга событий на предусмотренное ожидаемое среднее количество фотонов в накладывающихся событиях,
- корректировать распределение ненакладывающихся событий на основе распределения накладывающихся друг на друга событий,
- генерировать значения обнаружения в зависимости от скорректированного распределения ненакладывающихся событий.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен способ отображения для отображения объекта, включающий в себя:
- генерирование фотонов, имеющих различные энергии, источником фотонов для того, чтобы они пересекали объект,
- обнаружение фотонов для генерирования значений обнаружения в соответствии с п. 8 формулы изобретения.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена компьютерная программа детектирования, которая включает в себя средство программного кода для того, чтобы побудить детектирующее устройство в соответствии с п. 1 формулы изобретения выполнять этапы способа детектирования в соответствии с п. 8 формулы изобретения, когда компьютерная программа детектирования выполняется на компьютере, управляющем детектирующим устройством.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена компьютерная программа отображения объекта, которая включает в себя средство программного кода для того, чтобы побудить устройство отображения в соответствии с п. 6 формулы изобретения выполнять этапы способа отображения в соответствии с п. 9 формулы изобретения, когда компьютерная программа отображения выполняется на компьютере, управляющем устройством отображения.
Следует понимать, что детектирующее устройство в соответствии с п. 1 формулы изобретения, устройство отображения в соответствии с п. 6 формулы изобретения, способ детектирования в соответствии с п. 8 формулы изобретения, способ отображения в соответствии с п. 9 формулы изобретения, компьютерная программа детектирования в соответствии с п. 10 формулы изобретения и компьютерная программа отображения в соответствии с п. 11 формулы изобретения имеют подобные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности как это определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может также представлять собой любую комбинацию зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными и будут объяснены со ссылками на варианты осуществления, описанные далее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
НА ПРИЛОЖЕННЫХ ЧЕРТЕЖАХ:
Фиг. 1 схематично и примерно показывает один вариант осуществления устройства отображения для отображения объекта,
Фиг. 2 схематично и примерно показывает один вариант осуществления детектирующего устройства для обнаружения фотонов, и
Фиг. 3 показывает блок-схему, примерно иллюстрирующую один вариант осуществления способа отображения для отображения объекта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 схематично и примерно показывает устройство отображения для отображения объекта, являющееся устройством 12 компьютерной томографии. Устройство 12 компьютерной томографии включает в себя гентри 1, который может вращаться вокруг оси R, которая проходит параллельно направлению z. Источник 2 фотонов, который в этом варианте осуществления является немонохроматической рентгеновской трубкой, устанавливается на гентри 1. Источник 2 фотонов снабжен коллиматором 3, который в этом варианте осуществления формирует конический пучок 4 из фотонов, генерируемых источником 2 фотонов. Фотоны проходят через объект, например через пациента, в исследуемой зоне 5, которая в этом варианте осуществления является цилиндрической. После прохождения исследуемой зоны 5 пучок 4 излучения попадает на детектирующее устройство 6, которое включает в себя двумерную поверхность обнаружения. Детектирующее устройство 6 установлено на гентри 1.
Устройство компьютерной томографии 12 включает в себя два двигателя 7, 8. Гентри 1 приводится в движение двигателем 7 предпочтительно с постоянной, но регулируемой угловой скоростью. Двигатель 8 предусматривается для перемещения объекта, например, пациента, который расположен на столе для пациента в исследуемой зоне 5, параллельно направлению оси R вращения или оси Z. Блок 9 управления управляет этими двигателями 7, 8, например, таким образом, что источник 2 фотонов и исследуемая зона 5 движутся друг относительно друга вдоль винтовой линии. Однако возможно также, что объект не перемещается, а вращается только источник 2 фотонов, то есть источник 2 фотонов проходит по круговой траектории относительно объекта или исследуемой зоны 5. Кроме того, в другом варианте осуществления коллиматор 3 может быть выполнен с возможностью формирования пучка другой формы, в частности плоского веерообразного пучка, а детектирующее устройство 6 может включать в себя поверхность обнаружения, которая соответствует пучку другой формы, в частности плоскому веерообразному пучку.
Во время относительного движения источника 2 фотонов и исследуемой зоны 5 детектирующее устройство 6 генерирует значения обнаружения в зависимости от излучения, попадающего на поверхность обнаружения детектирующего устройства 6. Значения обнаружения передаются в блок 10 реконструкции для того, чтобы реконструировать изображение объекта на основе значений обнаружения. Изображение, реконструированное блоком 10 реконструкции, передается блоку 11 отображения для отображения реконструированного изображения.
Управление 9 также предпочтительно выполнено с возможностью управления источником 2 фотонов, детектирующим устройством 6 и блоком 10 реконструкции.
Фиг. 2 схематично и примерно показывает детектирующий блок 14, блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий и блок 16 генерирования значений обнаружения детектирующего устройства 6. Детектирующий блок 14 выполнен с возможностью обнаружения фотонов 13 и генерирования импульсов сигнала обнаружения, имеющих высоту импульса сигнала обнаружения, отражающую энергию соответствующего обнаруженного фотона 13. Блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий выполнен с возможностью определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, то есть блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий определяет, соответствует ли импульс сигнала обнаружения единственному фотону или двум или больше фотонам. Блок 16 генерирования значений обнаружения выполнен с возможностью генерирования значений обнаружения в зависимости от импульсов сигнала обнаружения и в зависимости от определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием.
Детектирующий блок 14 включает в себя непосредственно преобразующий материал, такой как CdCe или CZT, для генерирования импульсов сигнала обнаружения в зависимости от попадания фотонов на непосредственно преобразующий материал. Предпочтительно детектирующий блок 14 включает в себя несколько пикселов обнаружения, причем для каждого пиксела обнаружения генерируется импульс сигнала обнаружения. Такой детектирующий блок, включающий в себя непосредственно преобразующий материал, описан, например, в статье T. Takahashi and S. Watanabe, "Recent progress in CdTe and CdZnTe detectors", IEEE Transactions on Nuclear Science, volume 48, issue 4, pages 950 to 959, August 2001.
В этом варианте осуществления для того, чтобы определить, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий выполнен с возможностью обеспечивать порог высоты импульса и сравнивать высоту соответствующего импульса сигнала обнаружения с порогом высоты импульса для того, чтобы определить, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. Порог высоты импульса равен или больше максимальной ожидаемой высоты импульса сигнала обнаружения, вызванного ненакладывающимися фотонами. Блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий предпочтительно включает в себя компараторы для того, чтобы сравнивать импульсы сигнала обнаружения с порогом высоты импульса.
Альтернативно или в дополнение к этому, блок определения накладывающихся друг на друга событий может быть выполнен с возможностью определения продолжительности соответствующего импульса сигнала обнаружения и сравнения продолжительности соответствующего импульса сигнала обнаружения с порогом продолжительности для того, чтобы определить, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. Таким образом, блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий может быть выполнен с возможностью измерения времени каждого импульса сигнала обнаружения. Импульсы сигнала обнаружения от ненакладывающихся фотонов имеют известную продолжительность, которая определяется, например, формирователем импульса, который может формировать импульсы сигнала обнаружения, сгенерированные детектирующим блоком 14, причем продолжительность вообще может быть превышена только в том случае, если импульс сигнала обнаружения соответствует нескольким фотонам. Этот вид определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, может быть реализован компаратором блока 15 определения накладывающихся друг на друга событий, который обнаруживает уровни сигнала выше уровня шума. Если сигнал превышает уровень шума, таймер блока 15 определения накладывающихся друг на друга событий может быть запущен. Если таймер истек до того, как сигнал снова стал ниже уровня шума, соответствующий импульс сигнала обнаружения может быть классифицирован как вызванный накладывающимся событием.
Кроме того, альтернативно или в дополнение к этому, блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий может быть выполнен с возможностью интегрировать соответствующий импульс сигнала обнаружения для того, чтобы сгенерировать соответствующее интегрированное значение, сравнить интегрированное значение с высотой импульса сигнала обнаружения соответствующего импульса сигнала обнаружения, генерируя тем самым результат сравнения, и на основе результате сравнения определить, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. Результат сравнения предпочтительно является отношением высоты импульса сигнала обнаружения к интегрированному значению соответствующего импульса сигнала обнаружения. Таким образом, полная сила импульса сигнала обнаружения может быть измерена путем интегрирования сигнала импульса сигнала обнаружения. Значение получающегося интеграла может быть сравнено с высотой импульса с использованием компаратора. Импульсы сигнала обнаружения, которые соответствуют ненакладывающимся фотонам, будут иметь известное отношение высоты импульса к интегралу импульса. Если это отношение не соответствует предусмотренному ожидаемому диапазону значений, который может быть определен, например, с помощью калибровочных измерений, соответствующий импульс сигнала обнаружения может быть классифицирован как вызванный накладывающимся событием.
Кроме того, также альтернативно или в дополнение к этому, блок 15 определения накладывающихся друг на друга событий может быть выполнен с возможностью определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, на основе несогласованности результатов подсчета. Например, нижний порог и верхний порог могут быть предопределены таким образом, что возрастающий участок импульса сигнала обнаружения, который не вызван накладывающимся событием, сначала пересекает нижний порог, а затем пересекает верхний порог, причем после прохождения пика сигнала обнаружения убывающий участок импульса сигнала обнаружения снова пересекает верхний порог в противоположном направлении и наконец пересекает нижний порог. Кроме того, нижний порог и верхний порог могут быть предопределены таким образом, что импульс сигнала обнаружения, который имеет два максимума с промежуточным минимумом, вызванные двумя наложившимися фотонами, пересекает верхний порог в направлении вверх дважды без промежуточного пересечения нижнего порога. В этом случае блок определения накладывающихся друг на друга событий может быть выполнен с возможностью определения того, что соответствующий импульс сигнала обнаружения вызван накладывающимся событием, при обнаружении того факта, что импульс сигнала обнаружения пересекает верхний порог в направлении вверх дважды без промежуточного пересечения нижнего порога.
Блок 16 генерирования значений обнаружения предпочтительно выполнен с возможностью отбрасывать импульсы сигнала обнаружения, вызванные накладывающимися друг на друга событиями, и генерировать значения обнаружения в зависимости от импульсов сигнала обнаружения, которые вызваны накладывающимися событиями. В частности, блок 16 генерирования значений обнаружения выполнен с возможностью распределения импульсов сигнала обнаружения, которые не вызваны накладывающимися событиями, по нескольким столбцам гистограммы в зависимости от свойства импульса сигнала обнаружения. В этом варианте осуществления распределение выполняется в зависимости от высоты соответствующего импульса сигнала обнаружения. Высота импульса сигнала обнаружения соответствует энергии фотона, которому соответствует импульс сигнала обнаружения. Таким образом, путем распределения импульсов сигнала обнаружения по нескольким столбцам гистограммы в зависимости от высоты импульса сигнала обнаружения различные столбцы гистограммы соответствуют различным энергиям соответствующих фотонов. Предпочтительно предусматриваются пороги высоты импульса сигнала обнаружения, причем каждая пара порогов высоты импульса сигнала обнаружения определяет столбец гистограммы, то есть столбец энергетической гистограммы. Импульсы сигнала обнаружения могут быть распределены по столбцам энергетической гистограммы путем сравнения соответствующих высот импульса сигнала обнаружения с порогами высоты импульса сигнала обнаружения. Блок 16 генерирования значений обнаружения предпочтительно включает в себя компараторы для того, чтобы выполнить эти сравнения с порогами.
Дополнительно блок 16 генерирования значений обнаружения предпочтительно выполнен с возможностью подсчета для каждого столбца энергетической гистограммы количества ненакладывающихся событий путем подсчета импульсов сигнала обнаружения соответствующего столбца энергетической гистограммы, которые вызваны ненакладывающимися событиями, генерируя тем самым распределение ненакладывающихся событий. Затем генерируются значения обнаружения в зависимости от распределения ненакладывающихся событий. В частности, для каждого столбца энергетической гистограммы выходное значение генерируется таким образом, что значения обнаружения зависят от энергии. Например, выходное значение, сгенерированное для столбца энергетической гистограммы, может быть или может быть пропорциональным количеству ненакладывающихся событий соответствующего столбца энергетической гистограммы.
D
i
В дополнительном варианте осуществления блок 16 генерирования значений обнаружения может быть выполнен с возможностью определения количества накладывающихся друг на друга событий путем подсчета всех импульсов сигнала обнаружения, которые вызваны накладывающимися событиями, и оценки распределения накладывающихся друг на друга событий таким образом, что интеграл распределения накладывающихся друг на друга событий соответствует произведению определенного количества накладывающихся друг на друга событий на предусмотренное ожидаемое среднее количество фотонов, участвующих в накладывающемся событии. Ожидаемое среднее количество фотонов может быть равно, например, двум. Для того чтобы оценить распределение накладывающихся друг на друга событий, можно предположить, что формы распределения ненакладывающихся событий и распределения накладывающихся друг на друга событий подобны друг другу, так что распределение накладывающихся друг на друга событий определяется как имеющее форму распределения ненакладывающихся событий, интеграл которого должен быть подобным произведению определенного количества накладывающихся друг на друга событий на ожидаемое среднее количество фотонов, участвующих в накладывающемся событии. В одном варианте осуществления блок 16 генерирования значений обнаружения выполнен с возможностью определения распределения  накладывающихся друг на друга событий в соответствии со следующим уравнением:
N
где  обозначает неисправленное выходное значение i-го столбца энергетической гистограммы распределения ненакладывающихся событий, mобозначает ожидаемое среднее количество фотонов, участвующих в накладывающемся событии, предпочтительно равное двум, обозначает количество накладывающихся друг на друга событий, и  обозначает число  столбцов энергетической гистограммы.
Блок 16 генерирования значений обнаружения дополнительно может быть выполнен с возможностью исправлять распределение ненакладывающихся событий на основе распределения накладывающихся друг на друга событий, в котором значения обнаружения могут быть или могут быть сгенерированы в зависимости от исправленного распределения  ненакладывающихся событий. В частности, неисправленное распределение ненакладывающихся событий может быть исправлено в соответствии со следующим уравнением:
,
C
i
где  обозначает исправленное выходное значение i-го столбца энергетической гистограммы исправленного распределения ненакладывающихся событий.
Если в другом варианте осуществления детектирующее устройство не определяет энергии, то есть если высота импульса сигнала обнаружения не используется для выполнения энергетической дискриминации, блок 16 генерирования значений обнаружения может быть выполнен с возможностью обеспечения ожидаемого среднего количества фотонов, участвующих в накладывающемся событии, и исправлять количество ненакладывающихся событий путем умножения количества накладывающихся друг на друга событий на ожидаемое среднее количество фотонов, участвующих в накладывающемся событии, генерируя тем самым корректирующее произведение, и добавления корректирующего произведения к количеству ненакладывающихся событий. Ожидаемое среднее количество фотонов может составлять два или больше, если должно быть рассмотрено влияние накладывающихся друг на друга событий более высокого порядка.
Блок 10 реконструкции предпочтительно выполнен с возможностью декомпозиции значений обнаружения на различные составляющие значения обнаружения, которые соответствуют различным компонентам объекта. Эти различные компоненты, например, относятся к различным физическим эффектам, таким как эффект Комптона, фотоэмиссия и K-краевой эффект, и/или различные компоненты могут быть связаны с различными материалами, такими как кость, мягкая ткань и т.д. человека. Например, блок реконструкции может использовать метод декомпозиции, описанный в статье E. Roessl and R. Proksa, “K-Edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors”, Physics in Medicine and Biology, Volume 52, pages 4679 to 4696 (2007). В одном варианте осуществления декомпозиция выполняется в соответствии со следующим уравнением, которое основано на инверсии физической модели, описывающей процесс измерения:
C
j
i
где  обозначает выходное значение i-го столбца энергетической гистограммы, Bi(E) обозначает спектральную чувствительность i-го столбца энергетической гистограммы, F(E) обозначает спектр источника фотонов, j обозначает индекс для Mj различных компонентов, Aj обозначает линейный интеграл значений поглощения j-го компонента и Pj(E) обозначает спектральное поглощение -го компонента.
Если количество столбцов энергетической гистограммы по меньшей мере равно количеству компонентов, система уравнений может быть решена с помощью известных численных методов, где значения Bi(E), F(E) и Pj(E) известны, а результатами решения системы уравнений являются линейные интегралы Aj. Спектр излучения F(E) и спектральная чувствительность Bi(E) являются характеристиками устройства отображения и способа считывания и известны, например, из соответствующих измерений. Спектральное поглощение Pj(E) компонентов, например, спектральное поглощение костной и мягкой тканей, также известно из измерений и/или из литературы.
Декомпозированные значения обнаружения в этом варианте осуществления являются декомпозированными данными проекции, то есть линейными интегралами Aj, каждый из которых может использоваться для реконструирования компьютерно-томографического изображения объекта таким образом, что, например, для каждого компонента может быть реконструировано компонентное изображение объекта. Например, могут быть реконструированы изображение комптоновского компонента, изображение фотоэлектрического компонента и/или изображение K-краевого компонента. Для реконструирования изображения на основе данных проекции могут использоваться известные методы реконструирования, такие как фильтрованная обратная проекция, инверсия Радона и так далее.
Далее в качестве примера со ссылкой на блок-схему, показанную на Фиг. 3, будет описан один вариант осуществления способа отображения объекта.
На стадии 101 источник 2 фотонов генерирует фотоны, имеющие различные энергии, в то время как источник 2 фотонов и объект перемещаются относительно друг друга для того, чтобы позволить фотонам пересекать объект в различных направлениях. В частности, источник 2 фотонов перемещается вдоль круговой или винтовой траектории вокруг объекта, в то время как детектирующий блок 14 обнаруживает фотоны, которые пересекли объект, и генерирует импульсы сигнала обнаружения.
На стадии 102 блок 14 определения накладывающихся друг на друга событий определяет, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, и на стадии 103 блок 16 генерирования значений обнаружения генерирует значения обнаружения в зависимости от импульсов сигнала обнаружения и в зависимости от результатов определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. В частности, для каждого положения источника фотонов для каждого пиксела двумерной поверхности обнаружения детектирующего блока 14 и для каждого столбца энергетической гистограммы генерируется выходное значение. На стадии 104 блок 10 реконструкции реконструирует изображение объекта на основе сгенерированных значений обнаружения путем использования, например, метода декомпозиции для того, чтобы декомпозировать значения обнаружения на декомпозированные значения обнаружения, причем декомпозированные значения обнаружения используются для реконструирования изображения объекта на основе алгоритмов реконструкции компьютерной томографии, таких как алгоритм фильтрованной обратной проекции. На стадии 105 реконструированное изображение отображается на блоке 11 отображения.
Стадии 101-103 могут рассматриваться как стадии способа детектирования фотонов.
В большинстве случаев детектор подсчета фотонов может страдать эффектом наложения событий, который может присутствовать в том случае, если используется относительно интенсивный поток фотонов, как это требуется для медицинского отображения. Каждый входящий фотон в таком детекторе генерирует электронный импульс определенной продолжительности. Если два или больше фотонов попадают в детектор с небольшой разницей во времени, отдельные импульсы накладываются друг на друга таким образом, что детектор не способен отделить их, то есть генерируется одиночный импульс сигнала обнаружения, который формируется наложением импульсов. Такое накладывающееся событие имеет два последствия. Во-первых, детектор посчитает только один фотон вместо двух или больше фотонов. Во-вторых, если детектор выполнит энергетическую дискриминацию путем анализа высоты импульса, то измеренная энергия будет относиться к высоте суммарного импульса и поэтому не будет адекватно представлять энергию одного из фотонов. Детектирующее устройство, описанное выше со ссылкой на Фиг. 2, в состоянии обнаруживать и опционально отбрасывать накладывающиеся друг на друга события из измерений для того, чтобы не ухудшать качество измерений. Детектирующее устройство также может быть выполнено с возможностью подсчета накладывающихся друг на друга событий в детекторе подсчета фотонов, причем подсчитанное количество накладывающихся друг на друга событий может использоваться в целях исправления результатов.
Обычные электронные схемы подсчета фотонов выполняют, например, формирование некоторого аналогового импульса, за которым следует стадия дискретизации, где высота импульса дискретизируется с помощью одного или более компараторов для того, чтобы распределить импульсы по столбцам энергетической гистограммы, в которой подсчитываются импульсы, отнесенные к каждому столбцу энергетической гистограммы. Что касается детектирующего устройства, описанного выше со ссылкой на Фиг. 2, детектирующий блок 14 может включать в себя непосредственно преобразующий материал для генерирования импульсов тока в зависимости от входящих рентгеновских фотонов и формирования некоторого аналогового импульса для того, чтобы сформировать импульсы сигнала обнаружения на основе обнаруженных импульсов тока. Блок генерирования значений обнаружения может включать в себя компараторы для дискретизации высоты импульса, а также для распределения импульсов сигнала обнаружения по столбцам энергетической гистограммы, причем блок генерирования значений обнаружения дополнительно выполнен с возможностью подсчета импульсов сигнала обнаружения, отнесенных к каждому столбцу энергетической гистограммы, для того, чтобы сгенерировать значения обнаружения. В дополнение к этому, детектирующее устройство включает в себя блок определения накладывающихся друг на друга событий для анализа каждого входящего импульса и для классификации того, какое событие представляет каждый импульс - накладывающееся событие или нормальное, то есть ненакладывающееся событие. Кроме того, блок генерирования значений обнаружения может быть выполнен с возможностью отбрасывания тех импульсов сигнала обнаружения, которые были отнесены к накладывающимся событиям, так что блок генерирования значений обнаружения подсчитывает только те импульсы, которые не вызваны накладывающимися событиями. Опционально блок генерирования значений обнаружения дополнительно выполнен с возможностью подсчета количества классифицированных накладывающихся друг на друга событий, то есть подсчета импульсов сигнала обнаружения, вызванных накладывающимися событиями, которые по желанию классифицируются по высоте импульса или по энергетическому интегралу события.
Дополнительная функция блока генерирования значений обнаружения, заключающаяся в отбрасывании импульсов сигнала обнаружения, которые вызваны накладывающимися событиями, может рассматриваться как дополнение к электронным схемам подсчета импульсов для того, чтобы гарантировать, что импульсы сигнала обнаружения, классифицированные как вызванные накладывающимися событиями, не входят в подсчитанное количество. Однако в другом варианте осуществления блок генерирования значений обнаружения выполнен с возможностью подсчета импульсов сигнала обнаружения, отнесенных к импульсам, вызванным накладывающимися событиями, для того, чтобы обеспечить дополнительную информацию, которая может использоваться для исправления наложения на стадии исправления данных. Количество накладывающихся друг на друга событий, то есть количество импульсов сигнала обнаружения, в частности умноженное на два, является хорошей оценкой количества пропущенных подсчетов в том случае, когда импульсы сигнала обнаружения, которые вызваны накладывающимися событиями, отбрасываются. Для систем без энергетической дискриминации это количество может просто быть добавлено к количеству ненакладывающихся событий для того, чтобы получить хорошее исправление наложения.
Для систем с энергетической дискриминацией статистическое исправление может быть выполнено на основе подсчетов наложений, потому что соответствующие количества являются оценкой дополнительных фотонов с неизвестной энергией. Улучшенное измерение наложений может быть выполнено в том случае, если интеграл импульса накладывающихся друг на друга событий классифицируется и подсчитывается аналогично анализу высоты импульса. Эти данные могут использоваться для улучшенного статистического исправления, потому что известна сумма накладывающихся импульсов.
Детектирующее устройство, описанное выше со ссылкой на Фиг. 2, может иметь два преимущества по сравнению с обычными детектирующими устройствами. Во-первых, случайный характер наложения первого порядка не влияет на исправление наложения в предложенной системе. Во-вторых, спектральное распределение количества событий по столбцам энергетической гистограммы не нарушается. Если фотоны, то есть импульсы сигнала обнаружения, с наложением не будут посчитаны, то эффект наложения не будет нарушать распределение количества событий по столбцам энергетической гистограммы, потому что они не содержат накладывающихся событий.
Хотя детектирующее устройство было описано как включающее в себя некоторые блоки для обеспечения таких функций, как определение того, вызван ли импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, или генерирование значений обнаружения в зависимости от импульсов сигнала обнаружения и в зависимости от определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, детектирующее устройство может также включать в себя другие цифровые и/или аналоговые блоки для реализации вышеописанных функций.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления детектирующее устройство генерирует значения обнаружения с учетом энергии, в другом варианте осуществления детектирующее устройство также может быть выполнено с возможностью генерировать значения обнаружения без учета энергии. Например, импульсы сигнала обнаружения могут быть подсчитаны без предшествующей этому процедуры распределения по столбцам энергетической гистограммы.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления детектирующее устройство было описано как выполненное с возможностью использования в устройстве компьютерной томографии, в других вариантах осуществления детектирующее устройство также может быть выполнено с возможностью использования в другом устройстве отображения, таком как устройство ядерного отображения, например, устройство однофотонной эмиссионной компьютерной томографии или устройство позитронной эмиссионной компьютерной томографии, или устройство рентгеновского отображения с С-образной балкой.
Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении настоящего изобретения на основе изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения.
В формуле изобретения словосочетание "включающий в себя" не исключает других элементов или стадий, а формы единственного числа не исключают множества.
Единственный блок или устройство могут выполнять функции нескольких элементов, упомянутых в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые меры упоминаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может использоваться для получения выгод.
Операции, такие как определение того, вызван ли импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием, подсчет импульсов сигнала обнаружения, исправление количества ненакладывающихся событий, в частности исправление распределения количества ненакладывающихся событий и так далее, выполняемые одним или несколькими блоками или устройствами, могут быть выполнены любым другим количеством блоков или устройств. Эти операции и/или управление устройством отображения в соответствии со способом отображения и/или управление детектирующим устройством в соответствии со способом детектирования могут быть реализованы как средства программного кода компьютерной программы и/или как специализированные аппаратные средства.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, может поставляться вместе или как часть других аппаратных средств, но также может распространяться в других формах, например через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Никакие ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие область его охвата.
Настоящее изобретение относится к детектирующему устройству для обнаружения фотонов. Детектирующее устройство включает в себя блок определения накладывающихся друг на друга событий для определения того, вызваны ли импульсы сигнала обнаружения, указывающие на обнаружение фотонов, накладывающимися событиями или ненакладывающимися событиями, причем блок генерирования значений обнаружения генерирует значения обнаружения в зависимости от импульсов сигнала обнаружения и в зависимости от определения того, вызван ли соответствующий импульс сигнала обнаружения накладывающимся событием или ненакладывающимся событием. В частности, блок генерирования значений обнаружения может быть выполнен с возможностью отбрасывания импульсов сигнала обнаружения, вызванных накладывающимися друг на друга событиями, при генерировании значений обнаружения. Это позволяет обеспечить улучшенное качество сгенерированных значений обнаружения.