[發明專利]使用固態光電倍增器和閃爍器的光子計數CT探測器

有效

• 申請號: 200810087899.X
• 申請日: 2008-03-27
• 公開（公告）號: CN101273898A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: J·D·肖特;G·E·波辛;J·W·勒布朗;R·G·羅德里格斯;K·C·伯爾;A·J·庫圖爾;李文
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: A61B6/03
• 分類號: A61B6/03;G01T1/166
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 王岳;王忠忠

技術領域

本發明通常涉及用于診斷成像的射線照相(radiographic)探測器(detector)，更具體地，本發明涉及一種帶有改進的飽和特性的能夠提供光子計數和能量數據的CT探測器模塊。

背景技術

通常，在如X射線和計算斷層攝影(CT)成像的射線照相(成像系統中，X射線源向對象或目標(如患者或一件行李)發射X射線。在下文中，術語“對象”和“目標”可以互換使用來描述能夠被成像的任何東西。在經對象衰減后，光束撞擊在輻射探測器的陣列上。探測器陣列上所接收的被衰減放射光束的強度通常取決于X射線的衰減度。探測器陣列的每個探測器元件產生指示由每個探測器元件所接收的被衰減光束的單獨的電信號。該電信號傳輸到最終產生圖像的數據處理系統用于分析。

傳統CT成像系統利用探測器將射線照相的能量轉換為電流信號將電流信號對時段積分，接著電流信號被測量而最終數字化。然而這種探測器的缺點是它們不能對探測的光子數目和/或能量提供數據或反饋。在圖像重建期間，可使用探測的光子數目和/或能量數據來區別在由不提供該附加信息的傳統系統所重建的圖像中顯得相同的材料。即，傳統CT探測器具有閃爍器部件和光電二極管部件，其中閃爍器部件一接收射線照相能量就發光而光電二極管探測閃爍器部件的發光并提供電信號作為發光強度的函數。這些探測器的缺點是它們不能提供能量有差別的數據或不能計數由所給探測器元件或像素實際接收的光子的數目和/或不能測量由所給檢測器元件或像素實際接收的光子能量。即，由閃爍器發出的光為已撞擊的X射線數目和X射線能級的函數。在電荷積分的操作模式下，光電二極管不能在閃爍的能級或光子計數之間區分(discriminate)。例如，兩個閃爍器可以發出等量強度的光，同樣，提供等量的輸出到它們各自的光電二極管。然而，由每個閃爍器接收的X射線的數目可以不同，同樣X射線的能量可以不同，但產生等量的光輸出。

在嘗試能區分光子計數和能量的基于閃爍器的探測器設計中，也已經使用由耦合到雪崩光電二極管(APDs)或光電倍增器的閃爍器構成的探測器。然而，有各種問題限制了這些探測器的使用。在APDs的情況下，需要附加的增益以進行光子計數，但存在相關的增益不穩定性噪聲、溫度靈敏性和其它可靠性的問題。在光電倍增管的情況下，這些裝置太大，機械易碎并且對于使用在CT上的覆蓋大面積的高分辨力探測器造價高。像這樣，就已經限制了光電倍增管在PET或SPECT系統中的應用。

為了克服這些缺點，在CT系統中使用了區分能量、直接轉換的探測器，它不僅能X射線計數，而且還能夠測量每個探測到的X射線能級。然而，直接轉換的半導體探測器的缺點是這些類型的探測器不能以傳統CT系統中通常的X射線光子通量率來計數。即，CT系統要求的高信噪比、高空間分辯率和快速掃描時間規定在CT系統中X射線光子通量率是很高的，例如，在或遠遠超過每平方毫米每秒1百萬個X射線。還有，在單個探測器像素中，以每秒計數(cps)測量的以及由通量率、像素面積和探測效率所確定的計數率是很高的。很高的X射線光子通量率造成堆積和極化。“堆積”是在探測器的源通量很高而很有可能兩個和多個X射線光子在足夠接近的時間在單個像素內沉積電荷包導致它們的信號彼此干擾時發生的一種現象。堆積現象通常有兩種類型，其導致某些不同的結果。在第一種類型中，兩個或多個事件由足夠的時間分開，這樣被當作不同事件，但信號交迭以使后到的(一個或多個)X射線的能量測量精度下降。這種堆積類型導致系統能量分辯率降低。在堆積的第二種類型中，兩個和多個事件在足夠接近的時間到來以使系統不能把它們分辨為不同的事件。在這種情況下，這些事件被當作具有它們能量的和的一個單個事件并且這些事件在頻譜上偏移到較高的能量。另外，堆積使得高X射線通量計數或多或少顯著的降低，導致探測器量子效率(DQE)的損失。

直接轉換的探測器易受所謂“極化”現象的影響，“極化”時，材料內部的俘獲電荷改變內部的電場，用不可預知的方法改變探測器的計數和能量響應，并導致由先前的暴露改變響應的磁滯現象(hysteresis)。該堆積和極化最終導致探測器飽和，其在上述陳述了，以相對低的X射線通量水平閾值發生在直接轉換傳感器內。在這些閾值以上，探測器的響應不是可預知的并具有減少的劑量利用率，其導致成像信息的丟失并導致在X射線投影和CT圖像中的噪聲和人為現象(artifact)。特別地，由于與每個X射線光子事件相關的本征電荷收集時間(即，死時間)光子計數直接轉換探測器飽和。當用于每個像素的X射線光子吸收率大約是該電荷收集時間的倒數時，由于脈沖堆積將發生飽和。