專利名稱：逆轉半導體探測器的性能退化的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及輻射探測器領域。本發(fā)明特別涉及使用半導體探測器的核成像系統(tǒng)，諸如單光子發(fā)射計算機斷層攝影(SPECT)系統(tǒng)以及正電子發(fā)射斷層攝影(PET)成像系統(tǒng)。然而，本發(fā)明還可應用于將半導體探測器用于非成像用途的其它輻射探測裝置、其它成像形態(tài)、固態(tài)探測器的制造過程等。
核成像采用放射性對受檢者的身體進行成像。通常將放射性藥劑注入患者。放射性藥劑化合物包含以可預計的速率和特征能量進行gamma(伽馬)射線衰減的放射性同位素。將輻射探測器靠近患者放置以監(jiān)測和記錄所發(fā)射的輻射。圍繞患者旋轉或索引該探測器，從而從多個方向監(jiān)測所發(fā)射的輻射?；谥T如探測的位置和能量的信息，確定人體內放射性藥劑的分布，并重建其分布圖像以研究循環(huán)系統(tǒng)、選定器官或組織中的放射性藥劑吸收等。
盡管現(xiàn)在最常用的是具有單個大閃爍器和光電倍增管陣列的探測器頭，但其他人也提出了使用小閃爍器的陣列，每個閃爍器和光電二極管或(檢測每個單獨的閃爍晶體內的閃爍的)其它光敏固態(tài)器件相關聯(lián)。諸如利用光電效應以探測輻射的碲化鋅鎘(cadmium-zinc-tellurideCZT)探測器、碲化鎘探測器等的單個固態(tài)輻射探測器的陣列優(yōu)于閃爍晶體/光電探測器設計。在固態(tài)探測器中，接收到的輻射光子將電子從其圍繞靶材料原子的軌道釋放。對探測器材料施加大的偏置電壓從而輔助光電現(xiàn)象以及電子傳輸。這些電子作為電學脈沖信號被檢測到。盡管通?？梢灶A期從CZT獲得非常好的性能，本發(fā)明申請人已經(jīng)注意到，部分像素的能量分辨率隨時間顯著退化。半導體探測器的能量分辨率，例如系統(tǒng)區(qū)別不同能量的兩個事件的能力，是成像系統(tǒng)的關鍵元素。
由于核照相機通常在使用中使其探測器在長工作周期內受到偏壓并具有嚴格的性能標準，其探測器的退化成為嚴重的問題。然而，這種不一致的固態(tài)探測器退化不利地影響包含CZT和其它固態(tài)探測器的各種設備。
本發(fā)明已經(jīng)確認這種退化和偏置電壓的存在是相關聯(lián)的。在系統(tǒng)使用之間關閉該偏壓可顯著降低退化速率。然而，醫(yī)療成像系統(tǒng)通常基本上持續(xù)工作或者工作時間至少持續(xù)幾個小時。為了使這些昂貴機器的患者吞吐量較高，平均來說，成像機器的“關閉”時間通常小于“啟用”時間。采用這種時間安排，在短短的六個月內就會出現(xiàn)顯著的退化。
需要這樣的一種技術，其允許識別或恢復退化的像素以避免昂貴的替換以及成像設備的停用。本發(fā)明提供了一種新的改進的成像設備和方法，該設備和方法克服上述問題及其它問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了用于逆轉半導體輻射探測元件的退化的能量分辨率的系統(tǒng)，其中所述探測元件用于輻射探測器組件中。一種裝置，識別和能量分辨率的初始水平相比呈現(xiàn)退化的能量分辨率的半導體元件。一種裝置，通過在升高的環(huán)境溫度下施加反向偏壓，將已退化的半導體元件恢復到能量分辨率的初始水平。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，公開了恢復半導體元件的退化性能的方法。識別和能量分辨率的初始水平相比呈現(xiàn)退化的能量分辨率的半導體元件。通過施加反向偏壓以及更高的環(huán)境溫度，將識別出的已退化半導體元件被恢復到能量分辨率的初始水平。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于恢復了半導體元件的初始本征性能。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點為，篩選出易出現(xiàn)退化性能的新半導體元件，并在將半導體元件安裝到探測器內之前應用恢復過程。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，基于性能標準對新半導體元件分組，從而將具有相似特性的半導體元件安裝到一個組件中。
本領域普通技術人員在閱讀和理解對優(yōu)選實施例的下述詳細描述之后將會明白本發(fā)明的另外優(yōu)點和益處。
本發(fā)明形式上可以為各種元件以及元件的排列，各種步驟以及各步驟的安排。附圖僅僅是出于闡述優(yōu)選實施例的目的，不應被理解成限制本發(fā)明。


圖1為診斷成像系統(tǒng)的示意圖；圖2為根據(jù)本申請的恢復系統(tǒng)的示意圖；圖3為呈現(xiàn)良好能量分辨率的像素的響應的直方圖；以及圖4為呈現(xiàn)不良能量分辨率的像素的響應的直方圖。
參考圖1，核成像設備10通常包含支撐旋轉臺架14的固定臺架12。由旋轉臺架14承載一個或多個探測器頭16以探測從感興趣區(qū)域或檢查區(qū)域18發(fā)出的輻射。每個探測器頭包含探測器元件的二維陣列20。在優(yōu)選實施例中，探測器陣列20包含碲化鎘或碲化鋅鎘(CZT)固態(tài)半導體探測器元件或晶體的陣列。也可以考慮使用將伽馬輻射直接轉換成電荷的其它半導體探測器。每個頭16包含電路22，其用于將每個輻射響應轉換成表示其在探測器面上的位置(x，y)以及能量(z)的數(shù)字信號表示。在SPECT成像中，準直器24控制方向和角度展寬，陣列20的每個探測器可以從該準直器接收輻射。
通常，待成像的對象被注入一種或多種放射性藥劑或放射性同位素并將該對象置于由躺椅26支撐的檢查區(qū)域18。對象內存在的藥劑會產(chǎn)生從對象發(fā)射的輻射。由探測器頭16探測輻射，這些探測器頭優(yōu)選按角度索引或圍繞檢查區(qū)域18旋轉以收集來自多個方向的發(fā)射數(shù)據(jù)。將投影發(fā)射數(shù)據(jù)(x，y，z)以及每個探測器頭圍繞檢查區(qū)域18的角度位置(θ)存儲在數(shù)據(jù)存儲器28內。重建處理器30處理該事件和來自數(shù)據(jù)存儲器28的探測器取向數(shù)據(jù)，并將其轉換成體積圖像表示。該圖像表示隨后被存儲在體積圖像存儲器32，以供視頻處理器34處理并顯示在諸如視頻監(jiān)視器、打印機等的圖像顯示器36上。
探測器元件的響應隨時間退化。然而，每個元件的退化并不相同。一些元件可能不會有顯著的退化，而其它元件可能出現(xiàn)明顯的退化。為了逆轉這種退化，退化的探測器元件監(jiān)測或識別裝置或識別過程38監(jiān)測各個探測器元件的輸出并指出已退化元件。裝置38可監(jiān)測所有元件，或者如果在制造時的篩選過程中已經(jīng)識別出具有退化趨勢的元件，則只觀察選定元件以識別超出預定限度的退化。退化逆轉系統(tǒng)或恢復裝置40能夠周期性地或者當探測到退化閾值水平時逆轉由監(jiān)測器38監(jiān)測到的退化。
在制造過程中，預先篩選探測器陣列以識別缺陷元件和具有退化趨勢的元件。特別地參考圖2，探測器陣列20包含單獨的半導體片42，每個半導體片包含多個(例如32個)單獨的元件或像素44，這些元件或像素44排列成矩形矩陣。在標準模式中，篩選技術對陣列20進行逐個篩選。由像素響應讀出器46收集每個像素44的響應，并將其存儲在數(shù)據(jù)存儲器28內。像素響應讀出器46包含模數(shù)轉換器、多路復用器等，這些都是將每個像素作為分開的通道進行處理所必需的。監(jiān)測裝置38從數(shù)據(jù)存儲器28檢索像素數(shù)據(jù)以識別呈現(xiàn)性能降低的像素，這將在下文中進行更詳細的討論。
繼續(xù)參考圖2，監(jiān)測裝置38可選擇包含篩選程序或裝置48，其啟動對最新制造的半導體元件44的篩選，從而在將其用于成像系統(tǒng)之前檢測性能的降低。正向偏置裝置50對半導體元件44施加正常的偏壓并持續(xù)預定的時間。溫度裝置或加熱器52被用于提高環(huán)境溫度以加速該篩選過程，例如以使得可能退化的半導體元件更快退化，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)溫度增大會促進性能的退化。像素響應讀出器46收集每個像素44的響應并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器28內。
監(jiān)測裝置38包含像素分析器54，該分析器分析每個像素的輻射活動性。像素分析器54包含計數(shù)器56，該計數(shù)器對每個通道的輻射事件的數(shù)目求和。需要足夠多數(shù)目的計數(shù)以提供對每個像素的能量譜的準確或可重復描繪。為了確定哪個像素退化或漂移，對每個像素44所記錄的計數(shù)數(shù)目進行計數(shù)。根據(jù)像素和能量，例如使用多通道分析器和脈沖分析器對這些計數(shù)分類，從而產(chǎn)生光譜。由光譜分析電路58檢查每個半導體元件44的光譜，從而確定每個光子的能量并找到元件的輻射強度分布。通過示例的方式，對于理想元件，Co-57的輻射強度分布可以用圖3所示的接收到的光子數(shù)目和能量之間的函數(shù)曲線來表示。特定像素44的響應直方圖分別表示Co-57在122和136keV的兩個發(fā)射峰。低的背景由散射事件以及不徹底的電荷收集構成。
繼續(xù)參考圖2，監(jiān)測裝置38進一步包含性能分析器60，其確定是否有任何半導體元件44呈現(xiàn)性能退化。更為具體地，參照預定的性能標準測量每個元件44的性能，優(yōu)選地將理想晶體輻射強度的典型或標稱分布表示成校正曲線。性能分析器60包含能量分辨率計算器62，該計算器62將像素44的響應和理想元件的響應比較，并計算像素44的半高寬與校正曲線位置的偏離。
在圖3所示示例中，特定像素的性能計算結果為3.6％FWHM，即能量分辨率良好。大部分像素類似地呈現(xiàn)良好的能量分辨率。通常，半導體片42(具有32個元件)的性能平均約為3-3.5％FWHM。然而，一些晶體元件在受到電壓偏置之后，并不在開始使用時呈現(xiàn)單個或輪廓分明的峰或者稍后發(fā)展為低于標準性能。在開始使用時呈現(xiàn)良好性能的半導體元件在暴露于正向偏壓一定時間之后，其性能可能從約3-3.5％FWHM降低到約6-7％FWHM。圖4示出了具有7.3％FWHM的不良能量分辨率的像素的示例光譜。
繼續(xù)參考圖2，閾值裝置64將出現(xiàn)任何正向偏置退化之前的能量分辨率與預選閾值相比較。將和能量分辨率高于該預選閾值的像素相對應的像素地址作為缺陷載入或記錄在數(shù)據(jù)庫或存儲器70內。當探測器20被置于診斷成像設備10內時，有缺陷探測器元件被關閉，例如增益校正值設為零，使其不產(chǎn)生圖像輸出。探測器頭的電子電路基于周圍元件的輸出(例如平均值)為被關閉的探測器元件產(chǎn)生輸出值。
在施加正向偏壓以及升高的溫度預定時間段之后，像素分析器54和性能分析器60再次分析每個探測器元件44的能量分辨率。通常，一些探測器元件的能量分辨率將不會退化，而其它的將會退化。能量分辨率并不退化的那些元件也可能以不同的速率退化或退化到不同程度。
可選擇地，可以不時地執(zhí)行該分析從而確定每個探測器元件44的能量分辨率退化的速率?；蛘撸梢栽陬A定時間，例如與正常維護周期相對應的時間，執(zhí)行單次測量。
完成該分析過程之后，有缺陷像素的身份以及能量分辨率隨時間退化的像素的身份被存儲在存儲器或查找表70內?？蛇x擇地，還可存儲退化速率。
在裝運探測器陣列或將其安裝在探測器頭內之前，恢復裝置40恢復由篩選過程48所識別的退化像素。更為具體地，恢復裝置40使用反向偏壓施加裝置72對性能退化的每個探測器施加反向偏壓。優(yōu)選地，加熱器74將環(huán)境溫度提高到約60℃以加速該恢復過程。一旦陣列得到恢復，就為將其安裝在輻射探測器內做好了準備。優(yōu)選地，基于退化速率對識別出的可能退化的半導體元件分組。將具有相似特性的半導體元件安裝在一個組件內，使得可以對其施加統(tǒng)一的恢復過程。這種組件簡化了輻射探測器的構造和使用，同時確保了半導體制造商可實現(xiàn)最大的產(chǎn)率。
可選擇地，還可以對被標記成有缺陷的那些元件施加該恢復過程。在一些情形中，該恢復過程可以恢復最初為有缺陷的晶體。在該恢復過程中，可以重復識別過程38以確保所有退化的元件都已恢復到其最大和最佳的能量分辨率。可以在該恢復和檢查過程結束時對存儲器70進行任何更新。
將探測器陣列安裝到探測器內之后，探測器的日常使用將會使可能退化的探測器元件退化。在一個選擇中，監(jiān)測裝置38監(jiān)測每個半導體元件44的輸出，這些輸出被存儲在數(shù)據(jù)存儲器28內，以檢查探測到的輻射的能量分布。更為具體地，可以檢查所得到的用于所采集圖像的數(shù)據(jù)集，從而確定將分析哪個元件探測到足夠數(shù)目的待分析輻射事件。像素分析器54和性能分析器60隨后至少確定被識別為可能退化的元件的探測器元件的能量分辨率。當可能退化的元件的能量分辨率增大到高于預定閾值時，標記該探測器以進行恢復?；蛘?，監(jiān)測裝置38可包含計時器76，該計時器測量探測器元件受到正向偏壓的時間。在預定量時間之后，標記該探測器以進行恢復過程。
一旦標記該探測器以進行恢復過程，和每個成像設備10相關聯(lián)的恢復裝置40自動執(zhí)行該恢復過程，或者備選地發(fā)出服務呼叫(servicecall)?？稍诮拥椒蘸艚谢蛘咴诶蟹掌陂g由維護技術人員手動執(zhí)行該恢復過程。維護技術人員可替換已退化的元件與/或將其放置于已識別的恢復盒?；蛘撸梢栽诓皇褂迷\斷成像設備時自動執(zhí)行該恢復。另一個選擇為，每次關閉診斷成像設備10時，可以檢查能量分辨率退化的量或者檢查工作時間的總小時數(shù)，并在停機期間進行適當?shù)男Ｕ?。按照這個方式，可以每個晚上、每周一次、在每個患者之間等恢復探測器元件。
已經(jīng)參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。其他人在閱讀和了解前述詳細描述之后可以想到許多調整和改變。應認為本發(fā)明包含所有這些調整和改變，只要其落在所附權利要求或其等效描述的范圍之內。
權利要求
1.一種用于逆轉半導體輻射探測元件(44)的退化的能量分辨率的系統(tǒng)，其中所述探測元件用在輻射探測器組件中，該系統(tǒng)包含用于識別呈現(xiàn)和能量分辨率的初始水平相比退化的能量分辨率的半導體元件的裝置(38)；以及用于將退化的半導體元件恢復到能量分辨率的初始水平的裝置(40)。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中半導體元件(44)包含從碲化鋅鎘晶體和碲化鎘晶體之一選取的晶體陣列。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中該恢復裝置(40)進一步包含反向偏置裝置(72)，其對識別出的退化元件施加反向偏壓并保持預選時間。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中該恢復裝置(40)進一步包含加熱器(74)，其在對識別出的退化元件施加反向偏壓時，提供升高的環(huán)境溫度，從而加速退化元件的恢復。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中識別裝置(38)包含使得容易對一批新半導體元件中的可能退化的半導體元件進行識別的篩選裝置(48)，該篩選裝置(48)包含正向偏置裝置(50)，其對半導體元件施加正向偏壓以引起能量分辨率的退化；以及加熱器(52)，其升高環(huán)境溫度以加速新半導體元件的能量分辨率的退化。
6.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中該恢復裝置(40)進一步包含反向偏置裝置(72)，其對識別出的退化元件施加反向偏壓并保持預選時間。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中該恢復裝置(40)進一步包含加熱器(74)，其在對識別出的退化元件施加反向偏壓時，提供升高的環(huán)境溫度，以加速退化元件的恢復。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中探測器組件的半導體元件(44)對伽馬輻射有響應。
9.一種恢復半導體元件的退化的性能的方法，該方法包含識別呈現(xiàn)和能量分辨率的初始水平相比退化的能量分辨率的半導體元件；以及將退化的半導體元件恢復到能量分辨率的初始水平。
10.如權利要求9所述的方法，其中響應于對能量分辨率降低的半導體的識別，發(fā)出服務呼叫并由服務技術人員執(zhí)行恢復步驟。
11.如權利要求9所述的方法，其中該恢復包含替換識別出的退化的半導體元件和恢復識別出的半導體元件之一。
12.如權利要求9所述的方法，其中在制造或組裝期間，基于識別出的退化標準將識別出的可能退化的半導體元件分組，且將具有相同退化標準的組安裝在一探測器組件中，并對該探測器組件統(tǒng)一應用恢復步驟。
13.一種用于恢復半導體元件的性能的設備，該設備包含識別處理器，檢測在施加正向偏壓后性能降低的元件；以及恢復處理器，控制退化的元件的能量分辨率恢復到能量分辨率的初始水平。
14.如權利要求13所述的設備，其中該識別處理器包含像素分析器，在半導體元件受到輻射源輻射時分析每個半導體元件的響應，該像素分析器確定每個半導體元件的光譜響應。
15.如權利要求14所述的設備，其中該識別裝置進一步包含性能分析器，將每個半導體元件的光譜響應和預選光譜響應標準比較并計算每個半導體元件的能量分辨率。
16.如權利要求15所述的設備，其中該識別裝置進一步包含閾值處理器，將計算得到的每個半導體元件的能量分辨率與每個半導體元件的預定能量分辨率比較，從而識別未退化和已退化的半導體元件。
17.如權利要求16所述的設備，進一步包含恢復已退化半導體元件的性能的反向偏置電路，該反向偏置電路通過對識別出的已退化半導體元件施加反向偏壓并保持預定時間而恢復所述性能。
18.如權利要求17所述的設備，進一步包含加熱器，其在對識別出的退化的元件施加反向偏壓時，將環(huán)境溫度上升到預選水平，以加快恢復過程。
19.如權利要求18所述的設備，進一步包含計時器，監(jiān)測持續(xù)預定時間對半導體元件施加正向偏壓，并自動地使反向偏置電路和加熱器恢復識別出的退化的半導體元件，其中該反向偏置電路和加熱器被使用預定時間。
20.如權利要求13所述的設備，其中選擇性地將正向偏壓施加到被選擇用于測試的半導體元件，該正向偏壓引起被測試半導體元件的性能退化，其進一步包含溫度控制單元，其升高環(huán)境溫度以加速被測試半導體元件的性能的退化。
21.如權利要求13所述的設備，其中該半導體元件包含從碲化鋅鎘晶體和碲化鎘晶體之一選取的晶體陣列。
全文摘要
用于逆轉半導體輻射探測元件(44)的退化的能量分辨率的系統(tǒng)，其中所述探測元件用于輻射探測器組件中。一裝置(38)，識別和能量分辨率的初始水平相比呈現(xiàn)退化的能量分辨率的半導體元件。一裝置(40)，通過施加反向偏壓將退化的半導體元件恢復到能量分辨率的初始水平。加熱器(74)通過使環(huán)境溫度上升而加快該恢復過程。篩選裝置(48)篩選新的半導體元件以識別容易退化的元件。由正向偏置裝置(50)施加正向偏壓以引起退化。加熱器(52)提高環(huán)境溫度以加速新半導體元件的性能退化。在安裝到探測器內之前，對已識別的可能退化的元件進行反向偏置處理。
文檔編號G01T1/00GK1871527SQ200480031132
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月6日 優(yōu)先權日2003年10月22日
發(fā)明者D·加農(nóng), J·J·格里斯默 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司