动态控制辐射探测器的整形时间的方法和系统

摘要

提供一种计数和标记由辐射探测器接收的辐射能量的方法和系统50。将该方法和系统50设计成动态控制光子计数探测器54的采样窗口或整形时间特性以适应探测器54探测的通量的变化，从而保持最佳的探测器性能并且在高通量情况下防止饱和。

说明书

技术领域

本发明一般涉及射线照相成像，更具体地，涉及动态控制诸如CT探测器的对能量变化灵敏的射线照相探测器的整形时间(shapingtime)以适应探测器探测的辐射通量水平显著变化的方法和系统。本发明特别涉及光子计数和/或能量鉴别探测器。

背景技术

通常，在射线照相系统中，X射线源向受检者或物体，例如患者或一件行李发射X射线。在下文中，术语“受检者”和“物体”可以替换使用以描述任何能够被成像的物体。在被受检者衰减后，X射线束照射到辐射探测器阵列上。在探测器阵列接收的辐射束的强度通常依赖于X射线通过被扫描物体的衰减。探测器阵列的各探测器元件产生由各探测器元件接收的表示被衰减的射线束的单独的信号。将这些信号传送到用于分析和进一步处理的数据处理系统，该系统最后产生图像。

辐射探测器以类似的方式用于例如核医学(NM)伽马照相机和正电子发射断层摄影(PET)系统中使用的发射成像系统中。在这些系统，辐射源不再是X射线源，而是引入到被检查的身体内的放射性药物。在这些系统中，阵列中的各探测器产生与物体中放射性药物浓度的局部强度有关的信号。类似于传统的X射线成像，发射信号的强度也由在内部平躺的的身体部分衰减。探测器阵列的各探测器元件产生表示由各探测器元件接收的发射射线束的单独的信号。将该信号传送到用于分析和进一步处理该信号的数据处理系统，该系统最后产生图像。

在大多数计算机断层摄影(CT)成像系统中，X射线源和探测器阵列围绕台架旋转，该台架包含围绕受检者的成像体积。X射线源通常包括X射线管，该X射线管从阳极焦点以扇形或锥形束发射X射线。X射线探测器组件通常包括用于减少散射的X射线光子到达探测器的准直器，邻接准直器用于将X射线转换成光能的闪烁体和邻接闪烁体用于接收光能和产生其电信号的光电二极管。通常，闪烁体阵列的各个闪烁体将X射线转换成光能。各光电二极管探测光能并产生相应的电信号。然后将光电二极管的输出传送到数据采集系统，并且然后传送到用于图像重建的处理系统。

传统的CT成像系统使用将X射线光子能量转换成电流信号的探测器，对该电流信号在一时段上积分、探测并最终数字化。这种探测器的缺点是它们不能提供有关被探测的能量和入射通量率的独立数据或反馈。也就是说，传统的CT探测器具有闪烁体部件和光电二极管部件，其中闪烁体部件在接收X射线光子时发光，光电二极管探测闪烁体部件的发光并提供作为入射的X射线光子的强度和能量的函数的积分电流信号。虽然通常认为在没有实现传统CT探测器设计的改进的情况下，CT成像不是能够诊断的成像工具，但是这些积分探测器的缺点是它们不能提供能量鉴别数据或不能对实际由给定探测器元件或像素接收的光子数计数并且/或者测量其能量。因此，近年来的探测器发展已经包括了能够提供光子计数和/或能量鉴别反馈的能量鉴别探测器的设计。在这方面，能够使探测器在各X射线事件的能量测量模式、X射线计数模式或上述两个模式下工作。

这些能量鉴别探测器不仅能够对X射线计数，还提供了被探测的各X射线的能量水平测量。虽然可以使用许多材料构建能量鉴别探测器(包括闪烁体和光电二极管)，但是已经证明直接转换探测器是优选的材料之一，直接转换探测器具有诸如非晶硒或镉锌碲化物的X射线光电导体，该光电导体将X射线光子直接转换成电荷。然而，光子计数探测器的缺点是这些类型的探测器只有有限的计数速率，并难以覆盖在传统CT系统中通常遇到的包含非常高的X射线光子通量率的宽动态范围。通常，需要1,000,000到1的CT探测器动态范围才足以应付光子通量率的可能的变化。在现在可用的高速扫描机中，当扫描场中没有物体时遇到超过10⁸的光子/mm²/sec的X射线通量率并不罕见，并且同样的探测系统仅需要计数几十个穿过大的物体的中心的光子。

很高的X射线光子通量率最后导致探测器饱和。也就是说，这些探测器通常在相对低的X射线通量水平饱和。这种饱和可以发生在一些探测器位置，在这些位置探测器和射线照相能量源或X射线管之间放入的受检者厚度小。已经证明这些饱和区域对应于靠近投射到探测器阵列的受检者宽度附近或之外的低受检者厚度路径。在许多例子中，在对于X射线通量和随后入射到探测器阵列的强度的衰减效应中，受检者大致是圆柱形。在这种情况中，饱和区域表示在探测器阵列末端的两个不相交的区域。在其它不十分典型，但也不罕见的例子中，饱和发生在其它位置以及多于两个的探测器的不相交区域中。在圆柱形受检者的情况中，通过在受检者和X射线源之间加入蝴蝶结式滤波器(bowtie filter)减少探测器阵列边缘的饱和。典型地，将滤波器构建成以这样的方式匹配受检者的形状，以在探测器阵列上平衡(滤波器、受检者的)总衰减。入射到探测器的通量在整个阵列上相对均匀并且不会引起饱和。然而，存在的问题是如果受检者身体明显不均匀并且不恰是圆柱形的或中心没有定位在X射线束中，蝴蝶结式滤波器可能就不是最适合的。在这种情况中，可能产生一个或多个不相交的饱和区域，或者相反地，可能发生过分过滤X射线通量以及不需要地增加射线通量非常低的区域。投影中的X射线通量低导致了信息内容的减少，这种减少将最终引起受检者的重建图像中不希望的噪声。

此外，大多数CT系统共有的系统校准方法包括在没有任何受检者在射线束中的条件下测量探测器响应。将从各探测器元件读取的这种“空气校准”用于标准化和校正预处理的数据，该数据随后被用于CT图像重建。即使使用理想的蝴蝶结式滤波器，现在在探测器阵列的中心区域中的高X射线通量在系统校准期间也能够导致探测器饱和。

已经提出了许多成像技术以解决探测器任何部分的饱和问题。这些技术包括例如通过在扫描期间调节球管电流或X射线电压，保持探测器阵列宽度上的X射线通量低。然而，这种解决方案导致了扫描时间增加。也就是说，代价是，获取图像的时间与需要获得某一数量的满足图像质量需要的X射线的标称通量成比例增加。其它解决方案包括使用超范围算法(over-range algorithm)，这些算法可以用于产生饱和数据的代替数据。然而，这些算法不能完全代替饱和数据，并且导致CT系统的复杂化。

因此，希望设计一种能量鉴别的光子计数CT探测器，该CT探测器不会在传统CT系统中通常出现饱和的X射线光子通量率下饱和。

发明内容

本发明是用于调整作为入射光子通量的函数的辐射探测器的采样/整形时间特性的针对性方法和装置，该方法和装置克服了前述的缺点。

本发明包括一种计数和标记由辐射探测器接收的辐射能量的方法和系统。该方法和系统设计成动态控制光子计数探测器的采样时间或整形时间特性以适应由探测器探测到的通量的大变化，从而防止在高通量情况下的饱和。此外，本发明设计成控制探测器以适合低通量率情况，使得当探测器探测到较低的通量时不牺牲探测效率和图像质量。

光子计数(PC)射线照相系统包括辐射能量探测器，该探测器被配置成探测具有给定通量率的辐射能量并输出表示被探测的辐射能量的信号。连接具有给定整形时间的整形单元以接收电信号并调整这些电信号以提供表示辐射光子能量的电脉冲。连接PC通道以接收电信号，并通过可调整的脉冲高度鉴别器或阀值采样表示光子能量的具有某一高度或强度的电脉冲信号。该PC通道还被配置成在采样间隔期间提供光子计数输出。该系统还包括可操作地连接到PC通道并被配置成至少随给定通量率自动调整整形时间的控制器。该系统还包括控制器，该控制器可操作地连接到PC通道并被配置成随给定通量率或整形时间的变化自动调整对脉冲高度或阀值鉴别器的灵敏度。

CT系统包括具有设置在其中心的孔的可旋转机架和工作台，该工作台可通过该孔前后移动并被配置成定位要被采集CT数据的受检者。射线照相能量发射源位于可旋转机架内并被配置成向受检者发射射线照相能量。CT系统进一步包括设置在可旋转机架内的探测器组件，该探测器组件被配置成探测由发射源发射并照射受检者的射线照相能量。探测器组件定义为包括探测器元件和PC通道，所述探测器元件包括被配置成输出表示被探测的射线照相能量的电信号，所述PC通道可操作地连接到探测器元件并被配置成对根据可变的整形时间调整的被探测射线照相能量信号的光子数量进行计数。探测器组件还具有整形时间控制器，该控制器可操作地连接到PC通道并被配置成根据光子输出计数数据接近实时地控制可变整形时间。

一种用于防止射线照相能量探测器饱和的方法，包括监控具有由光子计数射线照相能量探测器接收的具有多个光子的辐射能量的通量。将该探测器设计成在具有X射线光电导体的直接转换探测器的情况中采样光子电荷云，或者在闪烁体探测器的情况中采样光电二极管的电流脉冲，并使用给定的信号脉冲整形时间对光子数量计数。该方法还包括将辐射能探测器上的当前通量与对应给定整形时间的基础通量水平比较，并且根据该比较结果调整给定整形时间以符合当前通量。本发明的另一方面包括自动装置，该装置用于改变能量阀值水平，以便为了维持准确的光子能量信息对通道整形时间改变进行补偿。

因此，根据本发明的一个方面，单个PC射线照相系统包括射线照相能量探测器，该探测器被配置成探测具有给定通量率的射线照相能量和输出表示探测到的射线照相能量的电信号。该系统还包括PC通道，该PC通道被连接以接收电信号、以一个采样间隔窗口采样电信号、并且提供光子计数输出。控制器可操作地连接到PC通道，并且被配置成至少随所述给定通量率的变化自动调整采样间隔窗口。

根据另一方面，本发明包括CT系统，该CT系统包括：可旋转机架，具有设置在其中心的孔；工作台，可通过该孔前后移动并被配置成定位要被采集CT数据的受检者的工作台为了来获取CT数据获取定位患者的工作台；射线照相能量放射源，位于可旋转机架内并被配置成向受检者发射射线照相能量；以及探测器组件，设置在可旋转机架内，并被配置成探测由发射源发射并照射受检者的射线照相能量。该探测器组件包括探测器元件和PC通道，所述探测器元件被配置成输出表示被探测的射线照相能量的电信号，所述PC通道可操作地连接到所述探测器元件并被配置成根据可变整形时间对被探测的射线照相能量的光子数计数。所述探测器组件还具有整形时间控制器，该控制器可操作地连接到PC通道并被配置成根据光子输出计数数据接近实时地控制可变整形时间。

根据本发明的又一方面，防止辐射能量探测器饱和的方法包括监控由光子计数辐射能量探测器接受的具有多个光子的辐射能量的通量。该探测器设计成在给定的采样窗口内采样光子电荷云并对光子数计数。该方法还包括将辐射能量探测器上的当前通量与给定采样窗口所对应的基础通量水平比较，并且根据该比较结果调整所述给定采样窗口以符合当前通量。

通过下面的详细说明和附图，本发明的各种其它技术特征、物体和优势将更加清楚。

附图说明

附图示出了目前设想用于实现本发明的一个优选实施例。

在附图中：

图1是CT成像系统的视图。

图2是图1示出的系统的示意框图。

图3是根据本发明的探测器组件的示意框图。

图4的曲线图示出一示例性PC探测器中多个整形时间的信号幅度曲线。

图5是用于非侵害性包裹检查系统的CT系统的视图。

具体实施方式

针对四层计算机断层摄影(CT)系统描述本发明的操作环境。然而，本领域普通技术人员应当理解本发明同样适用于单层或其它多层结构。此外，本发明将参照X射线的探测和转化描述。然而，本领域普通技术人员将进一步理解本发明同样适用于其它辐射能量源的探测和转化。

参考图1和2，将计算机断层摄影(CT)成像系统10显示成包括机架12的“第三代”CT扫描机的代表。机架12具有X射线源14，该射线源向机架12相对侧上的探测器组件18投射X射线束16。探测器组件18由多个探测器20形成，这些探测器共同探测通过医学患者22的投射X射线。各探测器20产生电信号，该电信号不仅表示照射的X射线束的强度，而且能够提供光子或X射线的计数数据和能量水平，并因此当射线束穿过患者22时，提供被衰减的射线束的计数数据和能量水平。在采集X射线投影数据的扫描期间，机架12和安装在其上的部件围绕旋转中心24旋转。

CT系统10的控制机构26控制机架12的旋转和X射线源14的操作。控制机构26包括将动力和定时信号提供给X射线源14的X射线控制器28，以及控制机架的旋转速度和位置的机架电机控制器30。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32检查来自探测器20的数据并将该数据转换成数字信号用于以后的处理。图像重建器34从DAS 32接收被采样的并数字化的X射线数据并进行高速重建。将重建的图像输入到计算机36，该计算机将该图像储存在大容量存储装置38中。

计算机36也通过具有键盘的控制台40接收来自操作者的命令和扫描参数。相关的显示屏42允许操作者观看计算机36中的重建图像和其它数据。计算机36利用操作者提供的命令和参数向DAS 32、X射线控制器28和机架电机控制器30提供控制信号和信息。另外，计算机36操作工作台电机控制器44以定位患者22和机架12，该控制器44控制电动工作台46。具体地，工作台46将患者22的部分移动通过机架开口48。

本发明涉及一种辐射探测器，该探测器可以与上述CT系统或其它射线照相系统，例如X射线系统或通用辐射探测器相结合。

通常，将高灵敏度光子计数辐射探测器构造成具有相对低的动态范围。通常这被认为是光子计数探测器应用可接受的，这是因为高射线通量的情况通常不会发生。在CT探测器的设计中，低通量探测器通过受检者的读取通常伴有空气中，和/或受检者轮廓内的高辐射区域，这需要CT探测器具有非常大的动态范围响应。此外，与低通量区域相比这些高通量区域中的光子的准确测量不十分重要，在低通量区域中每个光子都对总采集的光子统计贡献积分部分。虽然较高通量区域的临床或诊断值较少，由超范围或饱和探测器通道数据重建的图像倾向于成为伪影。因此，处理高通量的情况也很重要。

本发明包括设计防止PC X射线系统饱和的X射线通量管理控制器，所述系统具有以低动态范围为特征的探测器通道。探测器通道的动态范围限定了该探测器通道能够处理的X射线通量水平的范围，在该范围内该探测器通道能够在低通量端提供有意义的数据，并且在高通量端不经历超范围或饱和。虽然需要防止超范围，但是为了提供对诊断有价值的数据，在探测器设计中低通量情况的处理也很重要，低通量情况通常在通过较厚横截面和X射线透射率有限的其它区域成像时发生。因此，将在此描述的X射线通量管理控制器设计成同时满足高通量和低通量情况。

通常，光子计数探测器的操作的特点在于固定的整形时间曲线。整形时间曲线定义了电荷积分时间(单事件信号水平)和探测器通道恢复时间之间的关系或平衡，从而提供合适的PC计数速度、噪声抑制和能量鉴别率。通常，将探测器通道构造成具有有利于低通量率条件的整形时间。也就是说，对于X射线光子较少的低通量率情况，优选使用较长的整形时间，以便能够对全部光子电荷云积分并最佳化SNR。通常对积分全部光子云所需的时间的限制相对少。由于该情况的特点在于低通量，在积分或以相反采样全部光子云时，探测器通道不太可能饱和。另一方面，有利于低通量率的固定整形时间对于高通量率情况可能是不够的。此外，如果将整形时间固定以匹配或对应高通量率情况，则在低通量率情况期间对SNR和能量鉴别率产生负面影响。

因此，本发明包括动态且自动控制探测器通道的整形时间的系统和方法，从而最佳地处理低通量率和高通量率情况。现在参考图3，显示了根据本发明的X射线探测系统50的示意性框图。系统50包括连接以从探测器元件54接收电信号的PC通道52。探测器54构造成探测由X射线源发射并由诸如医学患者的受检者衰减的X射线16。应当理解本发明适用于伽马射线和其它形式的射线照相能量。

PC通道52包括被连接以从探测器元件54接收电信号的低噪声/高速电荷放大器56。然后将放大器56的放大输出输入到信号整形器58，该信号整形器被构造成从电信号中提取单光子事件。能量水平鉴别器60被连接到信号整形器58，并且被设计成根据光子的脉冲幅度能级相对一个或多个阀值过滤光子。在这之后，将那些具有所需范围之外的能量水平的光子排除在用于图像重建的计数和处理之外。最低限度地，将鉴别器60设计成排除具有与系统中噪声对应的能量水平的那些光子。设想可以使用多个阀值限定能量水平范围。计数元件62接收没有被能量水平鉴别器60过滤掉的那些光子，并且被构造成对探测器接收的光子数计数和提供相应的输出64。与已知PC通道相反，通过可变的整形时间控制PC通道52的操作。

将PC通道52可操作地连接到控制器66，该控制器66包括整形时间控制器68，并且优选包括能量水平控制器70。虽然控制器66优选包括能量水平控制器70，但是设想可以在没有该能量水平控制器70的条件下实现本发明。在一个实施例中，PC通道52包括有源滤波器，该滤波器的操作限定了通道的整形时间。在这方面，可以调整有源滤波器的电阻和电容特性以操纵通道的整形时间特性。

整形时间控制器68被连接到PC通道52，并且被设计成根据在反馈回路72上接收的光子计数反馈调整PC通道52的整形时间。更具体地，当探测器元件被通过计数的光子数64测量的低X射线通量照射时，整形时间控制器68增加通道的整形时间。相反，当探测器元件54上的X射线通量增加时，整形时间控制器减小PC通道52的整形时间或采样窗口。

因此，当探测器正在探测较高的X射线通量时，PC通道采样光子电荷云所花费的时间量减少。因此，确定了关于光子电荷云的较不准确的光子和能量鉴别数据；然而，通道以足够避免超范围的速度恢复。在这一点上，由于使整形时间或采样窗口减少，更多的光子被检查用于数据，即，被计数，而每个被探测到的光子较为不精确的能量鉴别信息。并且，在高通量条件下，每个单独的光子的重要性较低，并且总系统性能和图像质量最小限度地受到减小的SNR的影响。另一方面，当探测器正在探测较低的X射线通量时，PC通道花费的采样光子电荷云的时间量增加，这允许具有足够的时间采样全部光子电荷云并且获得相对准确的光子计数和能量鉴别数据。

如上所述，在一个实施例中，控制器66包括能量水平控制器70。由于测得的光子信号水平随通道整形时间变化，因此将自动能量鉴别器能量水平控制器70连接到整形时间控制器68和PC通道52，以响应于整形时间的调整来调整或以校准PC通道的能量水平阀值。通过进行适当的通道校准，对具有可接受的或减小的能量水平的光子计数，以保证不依赖于通道整形时间和计数速度的线性能量响应。

现在参考图4，示出了示例性PC通道的几个整形时间曲线的多个幅度曲线。减少整形时间使潜在的计数速度增加，但是如图所示使信号幅度减小并使噪声增加。更具体地说，将由曲线74限定的整形时间调整到由曲线76限定的整形时间增加了潜在的计数速度，但是导致了被计数光子的总体信号强度下降，并且对SNR有负面影响。整形时间的进一步减少，即曲线76到曲线78，导致了计数速度潜能进一步增加，但是伴有信号强度和SNR的进一步下降。

现在参考图5，包裹/行李检查系统80包括其中具有开口84的可旋转机架82，包裹或多件行李可以通过该开口84。可旋转机架82包括高频电磁能量源86和探测器组件88。也提供传送系统90，并且该传送系统包括由构件94支撑的传送带92以使包裹或行李件96自动和连续地通过开口84而被扫描。物体96通过传送带92被输送通过开口84，然后获得成像数据，传送带92以受控和连续的方式将包裹96从开口84移出。结果，邮局检查员、行李管理员和其他安检人员可以非侵入地检查包裹96中物品，以查出爆炸物、刀、枪、违禁品等。

因此，本发明包括PC射线照相系统。该射线照相系统包括射线照相能量探测器，该探测器被配置成探测具有给定通量率的射线照相能量和输出表示所探测的射线照相能量的电信号。连接PC通道以接收电信号和以一个采样间隔采样这些电信号。该PC通道进一步配置成提供光子计数输出。该系统还包括可操作地连接到PC通道的控制器，并且该控制器被配置成至少随给定通量率的变化自动调整采样间隔。

提供了CT系统，该CT系统包括具有设置在其中心的孔的可旋转机架，和可以通过该孔前后移动并被配置成定位用于CT数据采集的受检者的工作台。射线照相能量发射源位于可旋转机架内并被配置成向受检者发射射线照相能量。该CT系统还包括设置在可旋转机架内、并被配置成探测由发射源发射且照射受检者的射线照相能量的探测器组件。探测器组件定义为包括探测器元件和PC通道，探测器元件被配置成输出表示被探测的射线照相能量的电信号，PC通道可操作地连接到探测器元件并被配置成根据可变的整形时间对被探测的射线照相能量的光子数计数。该探测器组件还具有整形时间控制器，该控制器可操作地连接到PC通道并被配置成根据光子输出计数数据接近实时地控制可变整形时间。

本发明还包括防止辐射探测器饱和的方法。该方法包括监控由光子计数的辐射能量探测器接收的具有多个光子的辐射能量通量。该探测器设计成在给定的采样窗口内采样光子电荷云并对光子数计数。该方法还包括将辐射能量探测器上的当前通量与对应于给定采集窗口的基础通量水平比较，并且根据该比较结果调整给定采样窗口以符合当前通量。

已经根据优选实施例描述了本发明，应当认识到除了那些明确说明的以外，可以在所附权利要求的范围内对本发明进行等效、替换和修改。

附图标记

10 计算机断层摄影(CT)成像系统

12 机架

14 X射线源

16 X射线束

18 探测器组件

20 多个探测器

22 医学患者

24 旋转中心

26 控制机构

28 X射线控制器

30 机架电机控制器

32 数据采集系统(DAS)

34 图像重建器

36 计算机

38 大容量存储器

40 操作者控制台

42 相关的显示屏

44 工作台电机控制器

46 电动工作台

48 机架开口

50 X射线探测系统

52 PC通道

54 探测器元件

56 低噪声/高速电荷放大器

58 信号整形器

60 能量水平鉴别器

62 计数元件

64 相应的输出

66 控制器

68 整形时间控制器

70 能量水平控制器

72 反馈回路

74 曲线

76 曲线

78 曲线

80 包裹/行李检查系统

82 可旋转机架

84 开口

86 高频电磁能量源

88 探测器组件

90 传送系统

92 传送带

94 构件

96 包裹或行李件