利用相關的光子數和能量測量的譜計算機斷層攝影的製作方法

2023-04-27 13:24:21

專利名稱：利用相關的光子數和能量測量的譜計算機斷層攝影的製作方法
利用相關的光子數和能量測量的譜計算機斷層攝影本申請涉及譜計算機斷層攝影(CT)領域。本申請還涉及對X射線和 其他輻射的探測，其中需要獲取關於所探測的輻射的能量的信息。本申請 具體應用於醫學成像，還應用於非破壞性測試和分析、安全應用以及能量 鑑別能力有用的其他應用。雖然常規CT系統已經提供表示檢查對象的X射線衰減的圖像數據， 但這種系統已受限於其提供關於對象的材料成分的信息的能力，尤其在不 同材料具有相似輻射衰減的情況下。然而，改進CT系統的材料分離能力在 許多應用中是有用的。例如，在醫學應用中，可能期望區分各種組織類型， 以將組織與造影劑等區分開。另一示例是，關於樣品的成分的信息可以簡 化安全應用中的檢驗任務。獲取材料成分信息的一種方式是例如通過使用光子計數探測器來測量 所探測的輻射的能量。示例性光子計數探測器包括基於閃爍體的探測器以 及諸如光電二極體或光電倍增管(PMT)的光電探測器，基於閃爍體的探 測器諸如基於矽酸鑥(Lii2Si05或LSO)、鍺酸鉍(BGO)和碘化鈉(Nal) 的探測器。還有其他閃爍體材料也是已知的，諸如溴化鑭(LaBr)、 Lul3、 Gd2Si05 (GSO)、 LuA103 (LuAP)和YA103 (YAP)。也已經使用諸如碲鋅 鎘(CZT)的直接轉換探測器。基於碲鋅鎘(CZT)的探測器是直接轉換光 子計數探測器的示例。然而遺憾的是，光子計數技術不是特別好地適用於在CT和其他X射 線應用中通常遇到的計數率和輸入動態範圍。用於解決這一問題的一種技 術在Kraft等人的Cow油."g /"tegr加'wg及e。dowf ^br ￡>z>e" Cowvem'owIEEE Nuclear Science Symposium Conference Record中有所描述，其公開了 用於CZT探測器的計數和積分像素(CIX)結構。光子計數器對由探測器 像素在讀取周期中接收到的光子進行計數。積分器同時在整個讀取周期上對總的信號電流進行積分。根據該論文，所描述的技術將可用的動態範圍 延伸到超出獨立地採用光子計數和積分技術的限制，並且還得到關於在光 子計數體制和積分體制的運行範圍重疊的區域中的平均光子能量的譜信 息。雖然如此，仍然存在改進的空間。更具體地，仍然期望提供改進的技術來獲取CT和其他X射線探測系統中的譜信息。 本申請的各方面解決了這些問題及其他問題。根據第一方面， 一種裝置包括X射線探測器(100)，其生成具有響 應於由所述探測器接收到的X射線光子而變化的量值的信號；光子計數器， 其對由所述探測器在讀取周期中接收到的X射線光子進行計數；以及光子 能量確定器，其生成表示探測器信號的量值響應於由所述探測器在所述讀 取周期中接收到的X射線光子的總變化的輸出。根據另一方面， 一種方法包括探測由X射線計算機斷層攝影裝置的 X射線探測器元件接收到的X射線光子；對所探測到的光子進行計數；測 量所探測到的光子的能量。響應於對所述光子的所述探測而執行所述測量。 該方法還包括在讀取周期中重複所述探測步驟、計數步驟和測量步驟，以 及生成指示由所述探測器元件在所述讀取周期中接收到的光子的數量和總 能量的輸出。根據另一方面， 一種X射線計算機斷層攝影裝置包括對象支架，其 支撐檢查區域中的檢査對象；X射線源，其圍繞所述檢查區域從多個位置 生成X射線；X射線敏感探測器元件，其響應於由所述探測器元件接收到 的X射線光子而生成時變信號；光子計數器，其對由所述探測器元件在讀 取周期中接收到的X射線光子進行計數；以及光子能量確定器，其測量經 計數的X射線光子的總能量。所述光子能量確定器測量所述探測器信號在 所述讀取周期的多個子周期中的每個中的變化。在閱讀和理解以下詳細描述的基礎上，本領域普通技術人員將認識到 本申請的更多方面。本發明可以通過各種部件和部件的布置以及各種步驟和步驟的布置而變得明顯。附圖僅用於圖示說明優選實施例的目的，而不應被解釋為限制 本發明。

圖1示出了CT系統；圖2是探測器信道的功能框圖；圖3示出了探測器信號；圖4是能量鑑別裝置的框圖；圖5示出了能量編碼方案；圖6示出了成像方法。參考圖1 ， CT掃描器10包括圍繞檢查區域14旋轉的旋轉掃描架18。 掃描架18支撐諸如X射線管的X射線源12。掃描架18還支撐X射線敏 感探測器20，該X射線敏感探測器對向檢查區域14的相對側上的弧。由X 射線源12產生的X射線橫穿檢査區域14並被探測器20探測。因此，掃描 器10生成指示沿著穿過設置在檢查區域14中的對象的多個投影或射線的 輻射衰減的投影數據。根據掃描器10和探測器20的配置，X射線源12生成大體扇形、楔形 或錐形形狀的輻射射束，其具有與探測器20的覆蓋範圍近似的延伸範圍。 此外，還可以實現所謂的第四代掃描器配置，其中探測器20跨越360度的 弧並且在X射線源12圍繞檢查區域旋轉時保持固定。還預期使用平板、單 片或其他探測器配置。探測器20包括實現為CZT、耦合到光敏設備的閃爍體或其他光子計數 探測器的多個探測器元件或像素100,... 100N。多個光子計數器... 24N 和事件驅動能量確定器26, ... 26M接收由各個探測器元件10(h ... IOOn生成 的信號。各個光子計數器24^生成指示由相對應的探測器元件IOOm接收 到的光子的數量的輸出n皿^並且滿足一個或多個計數標準，同時事件驅 動能量確定器26生成指示經計數的光子的測量能量的輸出E ，".w。為與圍 繞檢査區域14的各個投影角相對應的多個讀取周期中的每個生成輸出na LN和EiiSSLN。如在下面將進一步描述的，能量測量可以看作是與相應探測 器元件100對光子的探測同步的事件驅動過程。更具體地，能量測量表示 在給定讀取周期中探測到的光子的上升信號淨量值的總和。平均能量計算器46使用各個計數數據n sjsln和E鵬ln來計算針對各個探測器信道和讀取周期的平均能量E平均ln,其中數據被存儲在一個或多個適當的存儲器中或者否則被提供給重建器22。計數校正器44對各個讀取 周期中由信道生成的測量計數數據應用堆積或其他期望的校正以生成經校 正的計數重建器22重建投影數據以生成指示患者內部解剖結構的體積數據。另 外，能量信息被用於(在重建前、在重建後或二者)提供關於檢査對象的 材料成分的信息。要注意，在不參考平均能量數據的情況下，可以利用從 後處理操作中使用的兩個不同圖像集中提取的信息分別重建光子數量數據 和總能量數據。在這種實現方式中，可以省略平均能量計算器46。諸如床的對象支架16支撐檢査區域14中的患者或其他對象。支架16 優選可協同掃描移動，以便提供螺旋、軸向、圓形和線形或其他期望的掃 描軌跡。通用計算機用於操作者控制臺44。控制臺44包括諸如監視器或顯示器 的人類可讀輸出設備和諸如鍵盤和/或滑鼠的輸入設備。駐留在控制臺上的 軟體允許操作者通過建立期望的掃描協議、啟動和終止掃描、察看和另外 操作體積圖像數據以及另外與掃描器10進行交互來控制掃描器的操作。圖2更詳細地示出了示例性探測器信道。如將認識到的，探測器元件 100生成具有響應於由探測器元件100接收到的X射線光子而變化的量值 的時變信號S(t)。諸如前置放大器和信號整形器或濾波器的信號調節器202 調節該探測器信號，以便例如提供期望的信號水平和/或降低噪聲的影響。 第一時間延遲元件204將探測器信號延遲第一延遲時間A"以便生成時間延 遲的探測器信號S(t-AtD。光子探測器206接收該時間延遲的探測器信號並 探測各個光子Pi，這些光子由探測器元件100接收並且符合某些條件以便 被計數，例如通過探測指示所探測的光子的信號S(t-Ati)的上升。也可以使 用探測閾值來降低由於噪聲而導致的錯誤計數。光子探測器206還響應於 對光子&的探測而生成觸發信號。計數器208對光子Pi進行計數以生成指 示在讀取周期中探測到的光子的數量的輸出n^。諸如延遲減法器的探測器信號變化確定器210同樣接收探測器信號S(t) 並生成輸出信號，該輸出信號指示在第二時間周期At2中探測器信號的變化的量值
等式l
AS = S(t) —S(t-At2)
響應於由光子探測器206生成的觸發信號，諸如採樣和保持單元的信 號採樣器212對延遲減法器210的輸出進行採樣以生成與各個光子Pi相對 應的經採樣的信號△&。加法器214累加經採樣的信號以生成指示在讀取周 期中探測到的光子Pi的能量的輸出E ,:
等式2
其中n是在讀取周期中探測到的光子的數量。
在每個讀取周期之後，重置計數器208和加法器214的光子計數n測s 和能量E雌以便進行下一次讀取。
現在回到圖1 ，計數校正器44針對每個信道對各個測量的計數值n雌 應用堆積校正以生成相對應的經校正的計數值n RiE。可以利用校正傳遞函 數、査找表或其他已知技術來實現這一校正。平均能量計算器46使用每個 信道的測量的計數n測量和能量E雌以生成由各個探測器元件100在各個讀 取周期中接收到的光子的相對應的平均能量值
等式3
其中k是可以基於給定系統的操作特徵根據經驗導出的校準因子。
現在將進一步描述與圖3相關的操作，圖3示出了響應於光子P1、 P2 和P3而生成的示例性探測器信號302。雖然探測器信號302的精確特性是 探測器元件100和相關聯的電子設備的函數，但響應於光子而生成的信號 通常由周期來表徵，在該周期中信號量值相對快速地上升且隨後相對較慢 地衰減。因此，基於探測器元件100和相關聯的電子設備的特徵來選擇延 遲時間At,和At2。更具體地，第二延遲時間At2確定探測器信號變化確定器 210計算信號差異AS的時間周期。如圖所示，將第二延遲時間At2選擇為 與響應於探測器元件100對光子的接收的信號302的上升信號部分的時間周期(即信號302的量值增加的時間周期)相近似。對於實際光子計數探 測器和/或閃爍體材料，延遲時間At2處於大約2納秒至20納秒(ns)的範 圍內。
使用第一延遲Atl來使採樣器212的操作與對光子Pi的探測同步，從 而使得在上升信號部分的時間周期中對信號差異ASi進行採樣。因此，各個 信號差異ASi對應於所探測到的光子Pi的上升信號淨量值。當然，這一對 應關係的平均準確度受到輸入光子計數率的影響。
這種技術的一個優點在於光子計數和總能量測量傾向於以相似的方式 受到堆積和噪聲閾值的影響。因而，在相對寬的動態範圍上平均能量計算 是準確的。此外，兩種測量均對相對更長的探測器衰減時間分量(有時也 被稱為"餘輝"效應)不敏感，這可能導致來自在第一讀取周期中接收的 光子的殘留信號對後續讀取周期中的信號水平有貢獻。因此，所述技術相 對不受到這些殘留信號的影響，特別是當與在整個讀取周期上對探測器信 號進行積分的技術相對比時。
圖4和圖5示出了一種可能的硬體實現方式的框圖和能量編碼方案。 當然，這一配置僅是示例性的，且其他配置也是可能的。給出了各種參數 的值以便展示在典型系統中可能遇到的時間周期和速率的量級。
如圖所示，第一時間延遲元件204提供大約3納秒(ns)的延遲Atp 而光子探測器206實現為具有10 ns的強制死時間的上升信號探測器。利用 提供大約4 ns的延遲At2的延遲元件402和減法器404來實現探測器信號能 量變化確定器210。
圖4還示出了用於累加各個樣本ASi的適當技術。如圖所示，該系統包 括電壓-時間轉換器402、時間-時鐘周期轉換器404、第一時鐘406、預分 頻器(prescaler) 408、第二計數器410和第二時鐘412。電壓-時間轉換器 402將樣本信號ASi轉換成具有與樣本信號ASi的量值成比例的時間長度的 脈衝。時間-時鐘周期轉換器404連同第一時鐘406進行操作以生成與由電 壓-時間轉換器402生成的脈衝的長度成比例的數量的脈衝。例如，第一時 鍾406可以實現為1千兆赫茲(GHz)的時鐘，且電壓-時間轉換器402被 配置為使得響應於經採樣的信號ASi的最大預期量值而生成的脈衝長度對 應於時鐘406的八個(8)周期。第二計數器410連同第二時鐘412進行操作以便對由時間-時鐘周期轉 換器404生成的脈衝進行計數。設置在時間-時鐘周期轉換器404與第二計 數器410的輸入之間的預分頻器408起到分頻器的作用，因此允許使用相 對較低速度的計數器410。在預分頻器408實現為3位(即除以8)預分頻 器的情況下，適當的第二時鐘412的速度將在100兆赫茲(MHz)的量級 上，且第一計數器208和第二計數器410可以實現為16位同步計數器。作 為替代，可以在不需要時鐘412的情況下使用異步計數器。
圖5更詳細地示出了光子能量與編碼方案之間的關係。在該示例中， 將從大約5 keV至120 keV的能量範圍編碼成八(8)個能量範圍或面元 El-E8，每個面元具有寬度AE。要注意，應該如此建立由電壓-時間轉換器 402生成的脈衝寬度，即使得能量面元E1被編碼為一個(1)時鐘周期，能 量面元E2被編碼為兩個(2)時鐘周期，依此類推。
由第二計數器410生成的計數值可以容易地重新分頻(rescale)以對應 於期望的能量單元。根據一種技術，第二計數器410的輸出與預分頻器408 的劃分因子相乘。在可以取回預分頻器408中剩餘計數的實現方式中，將 剩餘計數累加到乘法的結果。在不能取回剩餘計數的實現方式中，可以通 過將與預分頻器408的劃分因子的二分之一 (1/2)相對應的計數的數量累 加到乘法的結果來近似剩餘計數。然後將該結果與已知的能量面元寬度AE 相乘，並乘以已知的預校準因子，該預校準因子將上升信號淨量值的總和 轉換成期望單元中的總光子能量。
預期各種變化。雖然所述的光子計數和能量測量技術的具體優點在於 它們相對簡單，但是也可以實施其他技術。例如，雖然整體能量測量準確 度是統計因子的函數，但整體能量測量的準確度也受到上升信號淨量值測 量的準確度的影響。例如可以通過動態調整作為計數率和/或信號水平的函 數的第一和第二延遲時間Ah和At2來改進能量測量的準確度，從而使得採 樣更緊密地對應於信號上升和/或信號峰值的開始。作為又一示例，可以利 用其他測量方案或者以更大或更小的解析度執行能量測量。
現在將描述與圖6相關的操作。
在602處啟動掃描。
在604處探測已經橫穿檢査區域14的輻射。在606處對在給定讀取周期中探測的光子進行計數，並且在608處測 量所探測的光子的能量。可以通過測量該讀取周期內的多個離散子周期中 的每個中的探測器信號來測量該能量，其中子周期對應於對X射線的探測。 如上所述，例如可以通過測量探測器信號響應於各個所探測到的光子的變 化來測量該能量。
在步驟610計算所探測到的輻射的平均能量。
在步驟612，生成經校正的光子計數值。
在步驟614利用己知技術重建投影數據以生成指示輻射衰減和檢查對 象的材料成分的體積數據。要注意，作為替代或附加地，可以在後重建操 作中生成材料成分信息。
在步驟616以人類可感知的形式呈現體積數據和/或材料成分信息，例 如作為在與操作者控制臺44相關聯的監視器或顯示器上顯示的人類可讀圖
雖然已經從單個探測器元件100和單個讀取周期的視角討論了前述步 驟，當然要認識到數據是針對各個探測器元件並在多個讀取周期上收集的。
已經參考優選實施例描述了本發明。在閱讀和理解前面詳細描述的基 礎上，其他人員可以想到修改和變化。本發明意欲被解釋為包括所有這些 修改和變化，只要它們處於所附權利要求及其等價物的範圍內。
權利要求
1、一種裝置，其包括X射線探測器(100)，其生成具有響應於由所述探測器接收到的X射線光子而變化的量值的信號；光子計數器(24)，其對由所述探測器在讀取周期中接收到的X射線光子進行計數；光子能量確定器(26)，其生成表示所述探測器信號的量值響應於由所述探測器在所述讀取周期中接收到的X射線光子的總變化的輸出。
2、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述探測器信號的所述量值響應於所接收到的光子而增加，且所述輸出表示所述探測器信號的所述量值響應於由所述探測器在所述讀取周期中接收到的X射線光子的總增加。
3、 根據權利要求2所述的裝置，其包括光子探測器(206)，所述光子探測器探測指示所接收到的光子的探測器信號的變化，並且其中，所述光子能量確定器測量所述探測器信號的所述量值響應於來自所述光子探測器的信號的變化。
4、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光子能量確定器為由所述探測器在所述讀取周期中接收到的多個光子中的每個測量所述探測器信號的上升信號淨量值。
5、 根據權利要求1所述的裝置，其中，在大約2納秒至20納秒的時間周期上測量量值的所述變化。
6、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光子能量確定器包括測量所述探測器信號的變化的探測器信號變化確定器(210)和累加所測量的變化的加法器(214)。
7、 根據權利要求6所述的裝置，其中，所述探測器信號變化確定器包括延遲所述傳感器信號的延遲部件(402)和計算所述傳感器信號與經延遲的傳感器信號之間的差異的計算部件(404)。
8、 根據權利要求6所述的裝置，其包括採樣和保持所測量的變化的採樣和保持(212)。
9、 根據權利要求1所述的裝置，其包括能量計算器(46)，所述能量計算器使用所述光子計數和所述輸出以計算指示在所述讀取周期中接收到的所述X射線光子的能量的值。
10、 根據權利要求9所述的裝置，其中，所計算的值是平均能量。
11、 根據權利要求1所述的裝置，其包括對象支架(16)，其支撐檢査區域(14)中的檢査對象；X射線源(12)，其圍繞所述檢査區域從多個角位置生成X輻射；多個X射線探測器、光子計數器和光子能量確定器。
12、 一種方法，其包括探測由X射線計算機斷層攝影裝置的X射線探測器元件(100)接收到的X射線光子；對所探測到的光子進行計數；測量所探測到的光子的能量，其中，響應於對所述光子的所述探測而執行所述測量；針對讀取周期重複所述探測步驟、計數步驟和測量步驟；生成指示由所述探測器元件在所述讀取周期中接收到的光子的數量和總能量的輸出。
13、 根據權利要求12所述的方法，其中，所述測量步驟的執行與由所述X射線探測器元件生成的信號的量值增加在時間上是同步的。
14、 根據權利要求12所述的方法，其中，測量包括測量由所述探測器 元件生成的信號的量值變化。
15、 根據權利要求14所述的方法，其中，所述變化是所述探測器元件 信號的上升信號淨量值。
16、 根據權利要求12所述的方法，其中，所述輸出包括平均能量。
17、 根據權利要求12所述的方法，其包括為所述X射線計算機斷層攝 影裝置的多個探測器元件和讀取周期中的每個重複所述探測步驟、計數步 驟、測量步驟、重複步驟和生成步驟。
18、 根據權利要求12所述的方法，其中，探測包括識別由所述X射線 探測器元件生成的指示所接收到的X射線光子的信號，並且其中，響應於 所識別的信號而執行所述測量。
19、 根據權利要求12所述的方法，其中，所述X射線探測器元件生成 探測器元件信號，並且測量包括延遲所述探測器元件信號；確定經延遲的探測器元件信號與所述探測器元件信號之間的差異；採樣所述信號差異；累加多個經採樣的信號差異。
20、 根據權利要求19所述的方法，其中，所述探測器元件信號包括響 應於所述探測器元件對光子的接收而生成的上升信號部分，並且延遲包括 將所述探測器元件信號延遲與所述上升信號部分相對應的時間周期。
21、 根據權利要求12所述的方法，其中，所述探測器元件包括CZT。
22、 根據權利要求12所述的方法，其包括生成在所述讀取周期中探測 到的光子的所測量的能量的和，並且其中，重複包括重複所述生成步驟。
23、 一種X射線計算機斷層攝影裝置，其包括 對象支架(16)，其支撐檢查區域(14)中的檢査對象；X射線源(12)，其圍繞所述檢査區域(14)從多個位置生成X射線；X射線敏感探測器元件(100)，其響應於由所述探測器元件接收到的X 射線光子而生成時變探測器信號；光子計數器(208)，其對由所述探測器元件在讀取周期中接收到的X 射線光子進行計數；光子能量確定器(26)，其測量經計數的X射線光子的總能量，其中， 所述光子能量確定器測量所述探測器信號在所述讀取周期的多個子周期中 的每個中的變化。
24、 根據權利要求23所述的裝置，其還包括光子探測器(206)，所述 光子探測器使用探測器信號來識別由所述探測器元件接收到的光子，並且 其中，所述子周期與所述光子探測器(206)對X射線光子的所述探測在時 間上是同步的。
25、 根據權利要求23所述的裝置，其中，所述探測器元件響應於所接 收的X射線光子而生成上升信號部分，並且所述子周期對應於所述上升信 號部分。
26、 根據權利要求23所述的裝置，其包括平均能量計算器(46)，所 述平均能量計算器可連接到所述光子計數器和所述光子能量確定器，並且 所述平均能量計算器計算由所述探測器元件在所述讀取周期中接收到的光 子的平均能量。
27、 根據權利要求23所述的裝置，其包括將堆積校正應用於經計數的 光子數的計數校正器(44)。
28、 根據權利要求23所述的裝置，其包括累加所測量的變化的加法器 (214)。
29、 根據權利要求23所述的裝置，其中，所述探測器元件包括閃爍體。
全文摘要
一種計算機斷層攝影系統包括多個輻射敏感探測器元件(100)，其生成指示由各個探測器元件(100)接收到的X射線光子的時變信號。光子計數器(24)對由各個探測器元件(24)接收到的光子進行計數。事件驅動能量確定器(26)測量所接收到的光子的總能量。平均能量計算器(46)計算由各個探測器元件(100)在多個讀取周期中接收到的光子的平均能量。
文檔編號G01T1/29GK101542316SQ200780043937
公開日2009年9月23日 申請日期2007年11月13日 優先權日2006年11月30日
發明者R·卡爾米 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司