[发明专利]使用固态光电倍增器和闪烁器的光子计数CT探测器

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于诊断成像的射线照相(radiographic)探测器(detector)，更具体地，本发明涉及一种带有改进的饱和特性的能够提供光子计数和能量数据的CT探测器模块。

背景技术

通常，在如X射线和计算断层摄影(CT)成像的射线照相(成像系统中，X射线源向对象或目标(如患者或一件行李)发射X射线。在下文中，术语“对象”和“目标”可以互换使用来描述能够被成像的任何东西。在经对象衰减后，光束撞击在辐射探测器的阵列上。探测器阵列上所接收的被衰减放射光束的强度通常取决于X射线的衰减度。探测器阵列的每个探测器元件产生指示由每个探测器元件所接收的被衰减光束的单独的电信号。该电信号传输到最终产生图像的数据处理系统用于分析。

传统CT成像系统利用探测器将射线照相的能量转换为电流信号将电流信号对时段积分，接着电流信号被测量而最终数字化。然而这种探测器的缺点是它们不能对探测的光子数目和/或能量提供数据或反馈。在图像重建期间，可使用探测的光子数目和/或能量数据来区别在由不提供该附加信息的传统系统所重建的图像中显得相同的材料。即，传统CT探测器具有闪烁器部件和光电二极管部件，其中闪烁器部件一接收射线照相能量就发光而光电二极管探测闪烁器部件的发光并提供电信号作为发光强度的函数。这些探测器的缺点是它们不能提供能量有差别的数据或不能计数由所给探测器元件或像素实际接收的光子的数目和/或不能测量由所给检测器元件或像素实际接收的光子能量。即，由闪烁器发出的光为已撞击的X射线数目和X射线能级的函数。在电荷积分的操作模式下，光电二极管不能在闪烁的能级或光子计数之间区分(discriminate)。例如，两个闪烁器可以发出等量强度的光，同样，提供等量的输出到它们各自的光电二极管。然而，由每个闪烁器接收的X射线的数目可以不同，同样X射线的能量可以不同，但产生等量的光输出。

在尝试能区分光子计数和能量的基于闪烁器的探测器设计中，也已经使用由耦合到雪崩光电二极管(APDs)或光电倍增器的闪烁器构成的探测器。然而，有各种问题限制了这些探测器的使用。在APDs的情况下，需要附加的增益以进行光子计数，但存在相关的增益不稳定性噪声、温度灵敏性和其它可靠性的问题。在光电倍增管的情况下，这些装置太大，机械易碎并且对于使用在CT上的覆盖大面积的高分辨力探测器造价高。像这样，就已经限制了光电倍增管在PET或SPECT系统中的应用。

为了克服这些缺点，在CT系统中使用了区分能量、直接转换的探测器，它不仅能X射线计数，而且还能够测量每个探测到的X射线能级。然而，直接转换的半导体探测器的缺点是这些类型的探测器不能以传统CT系统中通常的X射线光子通量率来计数。即，CT系统要求的高信噪比、高空间分辩率和快速扫描时间规定在CT系统中X射线光子通量率是很高的，例如，在或远远超过每平方毫米每秒1百万个X射线。还有，在单个探测器像素中，以每秒计数(cps)测量的以及由通量率、像素面积和探测效率所确定的计数率是很高的。很高的X射线光子通量率造成堆积和极化。“堆积”是在探测器的源通量很高而很有可能两个和多个X射线光子在足够接近的时间在单个像素内沉积电荷包导致它们的信号彼此干扰时发生的一种现象。堆积现象通常有两种类型，其导致某些不同的结果。在第一种类型中，两个或多个事件由足够的时间分开，这样被当作不同事件，但信号交迭以使后到的(一个或多个)X射线的能量测量精度下降。这种堆积类型导致系统能量分辩率降低。在堆积的第二种类型中，两个和多个事件在足够接近的时间到来以使系统不能把它们分辨为不同的事件。在这种情况下，这些事件被当作具有它们能量的和的一个单个事件并且这些事件在频谱上偏移到较高的能量。另外，堆积使得高X射线通量计数或多或少显著的降低，导致探测器量子效率(DQE)的损失。

直接转换的探测器易受所谓“极化”现象的影响，“极化”时，材料内部的俘获电荷改变内部的电场，用不可预知的方法改变探测器的计数和能量响应，并导致由先前的暴露改变响应的磁滞现象(hysteresis)。该堆积和极化最终导致探测器饱和，其在上述陈述了，以相对低的X射线通量水平阈值发生在直接转换传感器内。在这些阈值以上，探测器的响应不是可预知的并具有减少的剂量利用率，其导致成像信息的丢失并导致在X射线投影和CT图像中的噪声和人为现象(artifact)。特别地，由于与每个X射线光子事件相关的本征电荷收集时间(即，死时间)光子计数直接转换探测器饱和。当用于每个像素的X射线光子吸收率大约是该电荷收集时间的倒数时，由于脉冲堆积将发生饱和。