專利名稱：使用固態(tài)光電倍增器和閃爍器的光子計(jì)數(shù)ct探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于診斷成像的射線照相(radiographic)探測(cè) 器(detector),更具體地，本發(fā)明涉及一種帶有改進(jìn)的飽和特性的 能夠提供光子計(jì)數(shù)和能量數(shù)據(jù)的CT探測(cè)器模塊。
背景技術(shù)：
通常，在如X射線和計(jì)算斷層攝影(CT)成像的射線照相(成像 系統(tǒng)中，X射線源向?qū)ο蠡蚰繕?biāo)(如患者或一件行李)發(fā)射X射線。 在下文中，術(shù)語"對(duì)象"和"目標(biāo)"可以互換使用來描述能夠被成像 的任何東西。在經(jīng)對(duì)象衰減后，光束撞擊在輻射探測(cè)器的陣列上。探 測(cè)器陣列上所接收的被衰減放射光束的強(qiáng)度通常取決于X射線的衰 減度。探測(cè)器陣列的每個(gè)探測(cè)器元件產(chǎn)生指示由每個(gè)探測(cè)器元件所接 收的被衰減光束的單獨(dú)的電信號(hào)。該電信號(hào)傳輸?shù)阶罱K產(chǎn)生圖像的數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)用于分析。傳統(tǒng)CT成像系統(tǒng)利用探測(cè)器將射線照相的能量轉(zhuǎn)換為電流信號(hào) 將電流信號(hào)對(duì)時(shí)段積分，接著電流信號(hào)被測(cè)量而最終數(shù)字化。然而這 種探測(cè)器的缺點(diǎn)是它們不能對(duì)探測(cè)的光子數(shù)目和/或能量提供數(shù)據(jù)或 反饋。在圖像重建期間，可使用探測(cè)的光子數(shù)目和/或能量數(shù)據(jù)來區(qū) 別在由不提供該附加信息的傳統(tǒng)系統(tǒng)所重建的圖像中顯得相同的材 料。即，傳統(tǒng)CT探測(cè)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(fā)光而光電二極管探測(cè)閃爍器部件 的發(fā)光并提供電信號(hào)作為發(fā)光強(qiáng)度的函數(shù)。這些探測(cè)器的缺點(diǎn)是它們 不能提供能量有差別的數(shù)據(jù)或不能計(jì)數(shù)由所給探測(cè)器元件或像素實(shí) 際接收的光子的數(shù)目和/或不能測(cè)量由所給檢測(cè)器元件或像素實(shí)際接 收的光子能量。即，由閃爍器發(fā)出的光為已撞擊的X射線數(shù)目和X射 線能級(jí)的函數(shù)。在電荷積分的操作模式下，光電二極管不能在閃爍的 能級(jí)或光子計(jì)凄t之間區(qū)分(discriminate )。例如，兩個(gè)閃爍器可以 發(fā)出等量強(qiáng)度的光，同樣，提供等量的輸出到它們各自的光電二極量可以不同，但產(chǎn)生等量的光輸出。在嘗試能區(qū)分光子計(jì)數(shù)和能量的基于閃爍器的探測(cè)器設(shè)計(jì)中，也已經(jīng)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(gòu) 成的探測(cè)器。然而，有各種問題限制了這些探測(cè)器的使用。在APDs 的情況下，需要附加的增益以進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，但存在相關(guān)的增益不穩(wěn) 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(jī)械易碎并且對(duì)于使用在CT上的覆蓋大面積的高分 辨力探測(cè)器造價(jià)高。像這樣，就已經(jīng)限制了光電倍增管在PET或SPECT 系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了克服這些缺點(diǎn)，在CT系統(tǒng)中使用了區(qū)分能量、直接轉(zhuǎn)換的 探測(cè)器，它不僅能X射線計(jì)數(shù)，而且還能夠測(cè)量每個(gè)探測(cè)到的X射線 能級(jí)。然而，直接轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體探測(cè)器的缺點(diǎn)是這些類型的探測(cè)器不 能以傳統(tǒng)CT系統(tǒng)中通常的X射線光子通量率來計(jì)數(shù)。即，CT系統(tǒng)要 求的高信噪比、高空間分辯率和快速掃描時(shí)間規(guī)定在CT系統(tǒng)中X射 線光子通量率是很高的，例如，在或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過每平方毫米每秒1百萬 個(gè)X射線。還有，在單個(gè)探測(cè)器像素中，以每秒計(jì)數(shù)(cps )測(cè)量的 以及由通量率、像素面積和探測(cè)效率所確定的計(jì)數(shù)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(cè)器的源通量 很高而很有可能兩個(gè)和多個(gè)X射線光子在足夠接近的時(shí)間在單個(gè)像 素內(nèi)沉積電荷包導(dǎo)致它們的信號(hào)彼此干擾時(shí)發(fā)生的一種現(xiàn)象。堆積現(xiàn) 象通常有兩種類型，其導(dǎo)致某些不同的結(jié)果。在第一種類型中，兩個(gè) 或多個(gè)事件由足夠的時(shí)間分開，這樣被當(dāng)作不同事件，但信號(hào)交迭以 使后到的(一個(gè)或多個(gè))X射線的能量測(cè)量精度下降。這種堆積類型 導(dǎo)致系統(tǒng)能量分辯率降低。在堆積的第二種類型中，兩個(gè)和多個(gè)事件 在足夠接近的時(shí)間到來以使系統(tǒng)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(dāng)作具有它們能量的和的一個(gè)單個(gè)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(jì) 數(shù)或多或少顯著的降低，導(dǎo)致探測(cè)器量子效率(DQE)的損失。直接轉(zhuǎn)換的探測(cè)器易受所謂"極化"現(xiàn)象的影響，"極化"時(shí)， 材料內(nèi)部的俘獲電荷改變內(nèi)部的電場(chǎng)，用不可預(yù)知的方法改變探測(cè)器 的計(jì)數(shù)和能量響應(yīng)，并導(dǎo)致由先前的暴露改變響應(yīng)的磁滯現(xiàn)象 (hysteresis )。該堆積和極化最終導(dǎo)致探測(cè)器飽和，其在上述陳述了，以相對(duì)低的x射線通量水平閾值發(fā)生在直接轉(zhuǎn)換傳感器內(nèi)。在這些閾值以上，探測(cè)器的響應(yīng)不是可預(yù)知的并具有減少的劑量利用率，其導(dǎo)致成像信息的丟失并導(dǎo)致在X射線投影和CT圖像中的噪聲和人為現(xiàn)象(artifact)。特別地，由于與每個(gè)X射線光子事件相關(guān)的本征電荷收集時(shí)間(即，死時(shí)間)光子計(jì)數(shù)直接轉(zhuǎn)換探測(cè)器飽和。當(dāng)用于 每個(gè)像素的X射線光子吸收率大約是該電荷收集時(shí)間的倒數(shù)時(shí)，由于脈沖堆積將發(fā)生飽和。先前設(shè)想的能夠以高X射線通量率進(jìn)行光子計(jì)數(shù)的解決辦法包 括使用蝶形領(lǐng)結(jié)(b o w ti e )形的濾波器以沿探測(cè)器預(yù)成形通量率的輪廓(profile),補(bǔ)償患者的形狀并產(chǎn)生跨過探測(cè)器場(chǎng)的通量較小動(dòng) 態(tài)范圍。然而，問題是如果對(duì)象群體(subject population )遠(yuǎn)不均 衡并且形狀有變化那么蝶形領(lǐng)結(jié)濾波器不會(huì)是最佳的。在這種情況下，可能出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)分離的(disjointed)飽和區(qū)域或反過來過 度濾除X射線流并造成很低通量區(qū)域。在投影中的低X射線通量將最終引起對(duì)象重建圖像中的噪聲。另 一個(gè)適應(yīng)高通量率設(shè)想的解決辦法是將像素細(xì)分成多個(gè)次像素(sub-pixel)，每個(gè)次像素連接到自己的前置放大器。通過減少直接轉(zhuǎn)換次像素的面積，當(dāng)在很小面積內(nèi)收集很少的光子時(shí)，可提高 通量率的性能。然而，得到的信號(hào)信噪比可能減少，而由于在次像素 之間增大的周界(perimeter),將使串?dāng)_(cross - talk)水平不利地顯著。在直接轉(zhuǎn)換探測(cè)器中的串?dāng)_在像素之間邊界附近吸收的X射線的像素之間采用電荷共享(charge sharing)的形式。電荷共享可 造成光子完全被遺漏或貼錯(cuò)能量標(biāo)簽。在任一情況下，作為使用每個(gè)連接到自己的放大器的細(xì)分像素的結(jié)果，DQE下降而頻譜響應(yīng)將降低 保真度。因此將希望設(shè)計(jì)一種能夠光子計(jì)數(shù)，區(qū)分能量的CT探測(cè)器，它在傳統(tǒng)CT系統(tǒng)中的通常X射線光子通量率下不飽和。還希望設(shè)計(jì)一種探測(cè)器，其提供具有低相關(guān)噪聲的高增益并且輕巧而耐用，從而是 可靠的且對(duì)抗高溫，震動(dòng)和機(jī)械磨損。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過提供帶有改進(jìn)飽和特性能夠提供光子計(jì)數(shù)和能量數(shù)據(jù)的CT探測(cè)器模塊來克服前述的缺點(diǎn)。CT探測(cè)器模塊包括在傳統(tǒng)CT 系統(tǒng)通常的X射線光子通量率下不飽和的快閃爍器。CT探測(cè)器模塊 還包括固態(tài)光電倍增管(SSPM)，其提供帶有低伴隨噪聲的高增益以 允許在探測(cè)器模塊中用于光子計(jì)數(shù)和能量區(qū)分。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種CT成像系統(tǒng)，其包括臺(tái)架，貫穿(through)臺(tái)架形成有孔，該臺(tái)架設(shè)計(jì)成接收平移通過孔的患者；X 射線源，其設(shè)置在臺(tái)架內(nèi)并配置成向患者發(fā)射X射線；以及探測(cè)器模 塊，其設(shè)置在臺(tái)架內(nèi)以接收由患者衰減的X射線。探測(cè)器模塊還包括 配置來吸收X射線并將X射線轉(zhuǎn)換成可見光子的閃爍器；以及配置來 接收可見光子并將可見光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)的固態(tài)光電倍增器(SSPM)。還是根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)方面， 一種能量區(qū)分CT探測(cè)器模塊包括 接收X射線并將X射線轉(zhuǎn)換成可見光子閃爍器；以及帶有內(nèi)部增益的 固態(tài)光電倍增器。固態(tài)光電倍增器與從其中接收可見光子的閃爍器光 耦合并配置成將可見光子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。還是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種用于構(gòu)造光子計(jì)數(shù)和能量區(qū)分 CT探測(cè)器的方法。該方法包括的步驟形成閃爍器接收X射線并將X 射線轉(zhuǎn)換成可見光子；以及將帶有內(nèi)部增益的固態(tài)光電倍增其(SSPM ) 耦合到閃爍器以接收可見光子并將可見光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸 出。本發(fā)明各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)描述和附圖中變得 更清楚。


附圖示出當(dāng)前用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的 一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。 在附圖中圖1是本發(fā)明CT成像系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1所示系統(tǒng)的方框圖；圖3是CT系統(tǒng)準(zhǔn)直器組件的一個(gè)實(shí)施例的透視圖；圖4是探測(cè)器模塊的一個(gè)實(shí)施例的透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器像素(pixel)的透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的微單元(microcell)的頂視平面圖；圖7是圖6的微單元的側(cè)視正視圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種CT成像系統(tǒng)。CT成像系統(tǒng)包 括構(gòu)造成執(zhí)行光子計(jì)數(shù)和通常與CT成像相關(guān)的高通量率(flux rates) X射線的能量區(qū)分(discrimination)的^笨測(cè)器。參照六十四片(slice)計(jì)算斷層攝影(CT)系統(tǒng)來描述本發(fā)明的工 作環(huán)境。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明同樣適合其它多 片結(jié)構(gòu)使用。此外，還將結(jié)合對(duì)x射線的探測(cè)和轉(zhuǎn)換來描述本發(fā)明。 但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還知道，本發(fā)明同樣適用于對(duì)其它高頻電磁 能量的探測(cè)和轉(zhuǎn)換。將結(jié)合"第三代"CT掃描儀來描述本發(fā)明，但 本發(fā)明同樣適用于其它CT系統(tǒng)。參照?qǐng)D1和圖2，圖中所示的計(jì)算斷層攝影(CT)成像系統(tǒng)10包 括代表"第三代"CT掃描儀的臺(tái)架(gantry) 12。臺(tái)架l2具有向臺(tái) 架12的相對(duì)側(cè)上的探測(cè)器組件15投射x射線束16的x射線源14。 探測(cè)器組件15包括其中的準(zhǔn)直器組件18、多個(gè)探測(cè)器模塊20和數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)32。在一個(gè)實(shí)施例中，探測(cè)器組件15包括57個(gè)探 測(cè)器模塊20,而每個(gè)探測(cè)器模塊20的像素元件陣列大小是64 x 16。 結(jié)果，探測(cè)器組件15具有64排和912列(16 x 57個(gè)探測(cè)器)，以 允許臺(tái)架12每旋轉(zhuǎn)一次同時(shí)收集64片數(shù)據(jù)。多個(gè)探測(cè)器模塊20傳 感被投射的穿過醫(yī)療的患者22的x射線，而DAS 32將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用 于后續(xù)處理的數(shù)字信號(hào)。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中每個(gè)探測(cè)器模塊20產(chǎn)生表示 進(jìn)行撞擊的x射線束的強(qiáng)度和在其穿過患者22時(shí)被衰減的束的強(qiáng)度 的模擬電信號(hào)。在掃描以采集x射線投射數(shù)據(jù)期間，臺(tái)架12和安裝 在其上的部件繞旋轉(zhuǎn)中心24旋轉(zhuǎn)。臺(tái)架12的旋轉(zhuǎn)和x射線源14的操作由CT系統(tǒng)10的控制機(jī)構(gòu) 26來管理?？刂茩C(jī)構(gòu)26包括向x射線源H提供功率和定時(shí)信號(hào) 的x射線控制器28和控制臺(tái)架12的轉(zhuǎn)速和位置的臺(tái)架電動(dòng)機(jī)控制器 30。圖像重建器34從DAS 32接收經(jīng)采樣和數(shù)字化的x射線數(shù)據(jù)，并 執(zhí)行高速重建。重建的圖像輸入到計(jì)算機(jī)36中，計(jì)算機(jī)36把圖像存 儲(chǔ)在海量存儲(chǔ)裝置38中。計(jì)算機(jī)36還經(jīng)由具有鍵盤的控制臺(tái)4 0從操作員那里接收命令和掃描參數(shù)。相關(guān)的陰極射線管顯示器42允許操作員觀察重建的圖像 和來自計(jì)算機(jī)36的其它數(shù)據(jù)。操作員提供的命令和參數(shù)由計(jì)算機(jī)36 用來向DAS 32、 x射線控制器28和臺(tái)架電動(dòng)機(jī)控制器30提供控制信 號(hào)和信息。另外，計(jì)算機(jī)36操作工作臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制器44,工作臺(tái)電 動(dòng)機(jī)控制器44控制電動(dòng)工作臺(tái)46以定位患者22和臺(tái)架12。特別是， 工作臺(tái)46移動(dòng)患者22的部分(portion)通過臺(tái)架開口 48 (即，孔 (bore))。如圖3所示，準(zhǔn)直器組件18包括具有在其中放置了準(zhǔn)直刀片 (blade )或板(plate ) 19的軌道17。以這種方式定位準(zhǔn)直器組件 18，使得在x射線束撞擊到探測(cè)器模塊20 (圖2中所示)之前由準(zhǔn) 直刀片19準(zhǔn)直x射線16?，F(xiàn)參照?qǐng)D4，探測(cè)器模塊2 0包括DAS 32并還包括設(shè)置在組合件 (pack) 51內(nèi)的多個(gè)閃爍器元件50。探測(cè)器模塊20包括相對(duì)閃爍器 元件50定位在組合件51內(nèi)的銷(pin) 52。組合件51定位在光電傳 感器53上，光電傳感器53依次定位在多層襯底54上，間隔物 (spacer ) 55定位在多層襯底54上。閃爍器元件50與光電傳感器 53光耦合，而光電傳感器53依次與多層襯底54電耦合。撓性電路 56附著在多層襯底54表面(face ) 57和DAS 32上。探測(cè)器模塊20 使用銷52定位在準(zhǔn)直器組件18內(nèi)。在圖4所示的探測(cè)器模塊20的實(shí)施例中，組合件51包括銷52、 閃爍器58和在形成閃爍器58的各個(gè)閃爍器元件50 (即，像素元件) 之間定位的反射材料(未示出)。定位閃爍器58接收進(jìn)行撞擊的x 射線16并響應(yīng)它而產(chǎn)生可見光光子(light photon)?？梢姽夤庾?橫穿(traverse)閃爍器58并由固態(tài)光電傳感器5 3(即，固態(tài)光電 倍增器(SSPM))接收，固態(tài)光電傳感器53將可見光光子轉(zhuǎn)換成模擬 電信號(hào)。產(chǎn)生的模擬信號(hào)穿過多層襯底54被傳送到DAS 32，在DAS 中模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。為了改進(jìn)探測(cè)器模塊2 0的光子計(jì)數(shù)性能，使其超出已有的直接 轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器，閃爍器58設(shè)計(jì)成其中產(chǎn)生的光子的快速衰變時(shí) 間比通常在直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體中電荷的收集快。為了優(yōu)化閃爍器58的 性能并獲得該快速衰變時(shí)間，閃爍器由"快"閃爍器材料組成。在 一個(gè)實(shí)施例中，閃爍器58由陶瓷閃爍材料組成。該材料可以用，例如，(Ldx—yCey)3Al5012^P， LuTAG)的形式，其中"x"的范圍在 0. 5到1.5之間，而"y，，的范圍在0. 01到0. 15之間。例如，恰當(dāng) 的比率可以由下面的化學(xué)計(jì)算式Lu。.8Tb2」7Ce。.。3AlsO,2限定，雖然本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員已經(jīng)意識(shí)到其它組成比同樣也可能。還可以使用其它 閃爍材料，例如LYSO, LaBr3 (溴化鑭)，或其它適合的材料?？扉W爍器材料具有小于50納秒(nanosecond)初級(jí)(primary) 熒光衰變時(shí)間。衰變時(shí)間的值表示向閃爍器58投射高頻電磁能量停 止之后閃爍器材料的光余輝(afterglow of light)。該快衰變速度 減少了探測(cè)器模塊20會(huì)有的所謂的"死時(shí)間"，并增加每個(gè)閃爍器 元件50每單元時(shí)間能探測(cè)的電離事件的數(shù)目。死時(shí)間的減少允許閃 爍器元件50在沒有經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定性的條件下處理較高的計(jì)數(shù) 率，這有助于防止飽和，如果出現(xiàn)飽和，允許在1 - 2個(gè)視圖周期(view period)較快地恢復(fù)。閃爍器58還優(yōu)選地構(gòu)成由單晶塊形成的像素化的閃爍器58。使 用本領(lǐng)域公知的能夠能產(chǎn)生具有小像素尺寸和窄像素間隙的高分辨 率閃爍器58的方法將閃爍器塊像素化。如下面將更詳細(xì)討論的，像 素化的閃爍器58設(shè)計(jì)通過將閃爍器像素50與SSPM上的像素59相匹 配來在閃爍器58和SSPM 53之間提供高質(zhì)量的光耦合。上述的快閃 爍器材料和像素化設(shè)計(jì)相結(jié)合可以得到使探測(cè)器模塊20能夠?qū)崿F(xiàn)高 通量率的光子計(jì)數(shù)和能量區(qū)分的增l文(enhanced sensitivity)和光 收集。如上所述，快閃爍器58通過適應(yīng)高通量率提供改進(jìn)的x射線光 子計(jì)數(shù)。然而，由閃爍器58產(chǎn)生的可見光子(optical photon)的 數(shù)目相對(duì)較小。為了克服在閃爍器58中由于x射線的吸收產(chǎn)生的可 見光子數(shù)目小(即，低信號(hào)電平)的問題，將固態(tài)光電倍增管(SSPM) 53與閃爍器58相結(jié)合以提供信號(hào)的快速、成比例地放大。SSPM 53 包括固態(tài)半導(dǎo)體材料，在一個(gè)實(shí)施例中，它是由硅光電倍增器(SiPM) 形成，雖然可以想象到還可以用其它合適的材泮十。SSPM 53包括多個(gè)稱作像素59的宏觀單元。SSPM 53上像素59 的數(shù)目應(yīng)該是足以覆蓋探測(cè)器模塊20的范圍(area)并對(duì)應(yīng)于像素 化閃爍器58和其上的像素單元50,雖然像素59的準(zhǔn)確數(shù)目和密度 由操作者所希望的圖像分辨率和其它已知的因素來確定。如圖5示出像素59的部分，其包括多個(gè)雪崩光電二極管(APD)或"微單元"62， 其將從閃爍器58到達(dá)的單個(gè)可見光子放大為大信號(hào)。通常，每個(gè)像 素59每mm2含有100到2500個(gè)APD,而每個(gè)微單元62具有20到100 微米的長(zhǎng)度。每個(gè)微單元62作為單個(gè)蓋革模式(Geiger-mode) APD 操作在超過擊穿電壓幾伏，而每個(gè)微單元62實(shí)質(zhì)上和所有其它微單 元是相同的。在該操作模式下，當(dāng)微單元吸收一個(gè)或多個(gè)光子時(shí)，由 吸收可見光子產(chǎn)生的電子激發(fā)限制在單個(gè)微單元62的雪崩擊穿。單 個(gè)離散的電荷單位(unit of charge )從微單元62發(fā)射，與其中吸 收光子的數(shù)目無關(guān)。即，對(duì)每個(gè)蓋革擊穿，微單元62的輸出信號(hào)具 有相同的形狀和電荷，除了由于在生產(chǎn)過程中引入的從單元到單元的 不同引起的小的變化。將每個(gè)微單元62連接到在像素59正面上的導(dǎo)電柵格64。在一 個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電柵格64是由鋁組成的，雖然也可使用其它類似導(dǎo) 電材料，優(yōu)選非磁的。如圖6和7所述，每個(gè)微單元62包括由金屬 光屏蔽/陰極67 (包括其上的陰極接觸69)圍繞的有源區(qū)(active area) 66。雖然在圖6和7中示出正面的接觸，陰極接觸69也可以 制作在晶片的背面上或使用貫穿通孔(thru-vias)用于陽極和陰極 接觸來提供背面連接。有源區(qū)66包括P+陽極71和N注入73以將可 見光子轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。有源區(qū)66，部分地，通過N +保護(hù)結(jié)構(gòu) (guard)與微單元62的其他部分分開。在每個(gè)微單元62的有源區(qū)66和導(dǎo)電柵格64之間的連接由電阻 器68形成，在一個(gè)實(shí)施例中該電阻器68由多晶硅組成。電阻器68 通過通孔(via) 70與微單元62的有源區(qū)66連接并起限制從微單元 62到導(dǎo)電柵格64的電流轉(zhuǎn)移的作用。電阻器68還用于一旦單元容 量用完(discharged)就結(jié)束在^t單元62中的雪崩。通過電阻器68 和導(dǎo)電柵格64，將獨(dú)立操作的ADP單元62電連接并且將所有微單元 62的各個(gè)的輸出總和起來以形成共同讀出信號(hào)。這樣從像素59輸出 的共同讀出信號(hào)是所有啟動(dòng)(fired)的微單元62標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)的疊加。 即，圖5的每個(gè)像素59的輸出由來自啟動(dòng)的微單元62的離散電荷單 位的和來確定。像這樣，圖5的像素59的輸出依賴于吸收光子的微 單元62的數(shù)目而不是依賴于由每個(gè)微單元62吸收的光子數(shù)目。從每 個(gè)像素59得到的輸出是與被吸收光子數(shù)目成正比的模擬電荷脈沖的形式。如上所述，在每個(gè)像素59中的微單元62陣列通過在蓋革模式下 操作的各個(gè)ADP元件62將到達(dá)的單個(gè)可見光子放大成大信號(hào)。像素 59的結(jié)構(gòu)提供了在1 05-1 06的范圍內(nèi)近乎無噪聲和高增益放大，以使 即使單個(gè)可見光子也很容易地被探測(cè)并分辨，這樣不需要額外的前置 放大器。在相對(duì)較低的偏壓或約30-70伏的電源電壓范圍就能獲得該 增益。回頭參照?qǐng)D4，連接到SSPM 53的是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)32，即， 讀出電子設(shè)備，其從SSPM53接收電信號(hào)并執(zhí)行進(jìn)一步的處理。因?yàn)?閃爍器58和SSPM 53的結(jié)合使得電信號(hào)收集快于直接轉(zhuǎn)換傳感器 (即，CZT/CdTe探測(cè)器)的電荷收集時(shí)間，直接轉(zhuǎn)換傳感器電荷收 集時(shí)間受這些材料中電荷載流子的遷移率的限制，DAS 32能夠以CT 成像所希望的高計(jì)數(shù)率操作，而這在先前的設(shè)計(jì)中是得不到的。改進(jìn) 的電信號(hào)收集以及SSPM 53的低噪聲環(huán)境允許DAS 32以典型的大于 1 x l07cps高計(jì)數(shù)率進(jìn)行光子計(jì)數(shù)。以這些計(jì)數(shù)率操作，由于能夠在 不經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定的情況下處理高通量率，從而將涉及探測(cè)器飽和 的問題的出現(xiàn)或可能降到最小。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)SSPM 53的每個(gè)像素 59中微單元62數(shù)目和通過控制閃爍器58的光輸出，還可能允許DAS 32中的計(jì)數(shù)率大于在閃爍器58中單個(gè)激發(fā)的初級(jí)衰變速度。除了光子計(jì)數(shù)，由SSPM 53輸出的電信號(hào)還允許DAS 32執(zhí)行關(guān) 于發(fā)射的x射線16的能量區(qū)分分析。即，使用來自SSPM 53的信號(hào) 強(qiáng)度，DAS 32能夠表征原始x射線16的能量特性并將他們分成兩個(gè) 或多個(gè)能量組(energy bin)。最低限度，將原始x射線16能夠被 表征為高或低能量的x射線并被分成高或低的能量組。該能量區(qū)分功 能在x射線和電子噪聲非常重要的較低的圖像通量級(jí)中是重要的，該 級(jí)通?？蛇_(dá)到每平方毫米每秒1 x 107的X射線。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例， 一種CT成像系統(tǒng)，其包括， 臺(tái)架，貫穿臺(tái)架形成有孔，該臺(tái)架設(shè)計(jì)成接收平移通過孔的患者；X 射線源，其設(shè)置在臺(tái)架內(nèi)并配置成向患者發(fā)射X射線；以及探測(cè)器模 塊，其設(shè)置在臺(tái)架內(nèi)以接收由患者衰減的X射線。探測(cè)器模塊包括 配置來吸收X射線并將X射線轉(zhuǎn)換成可見光子的閃爍器；以及配置來 接收可見光子并將可見光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)的固態(tài)光電倍增器(SSPM)。根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例， 一種能量區(qū)分CT探測(cè)器模塊包括 接收X射線并將X射線轉(zhuǎn)換成可見光子的閃爍器；以及有內(nèi)部增益的 固態(tài)光電倍增器。固態(tài)光電倍增器與從其中接收可見光子的閃爍器光 耦合并配置成將可見光子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。還是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例， 一種用于構(gòu)造光子計(jì)數(shù)和能 量區(qū)分的CT探測(cè)器的方法。該方法包括的步驟形成閃爍器以接收 X射線并將X射線轉(zhuǎn)換成可見光子，以及將帶有內(nèi)部增益的固態(tài)光電 倍增管(SSPM)耦合到閃爍器以接收可見光子并將可見光子轉(zhuǎn)換為相 應(yīng)的電信號(hào)輸出。已經(jīng)用優(yōu)選實(shí)施例的方式描述了本發(fā)明，并應(yīng)該認(rèn)識(shí)到除了那些 明確的陳述以外，可以有等同的，可選擇的和修改的并在附加的權(quán)利 要求書的范圍之內(nèi)。部件列表10CT成像系統(tǒng)12臺(tái)架14x射線源15探測(cè)器組件16x射線束17軌道18準(zhǔn)直器組件19準(zhǔn)直刀片(blades)20探測(cè)器模塊22患者24旋轉(zhuǎn)中心26控制才幾構(gòu)28x射線控制器30臺(tái)架電動(dòng)機(jī)控制器32數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)34圖像重建器36計(jì)算機(jī)38海量存儲(chǔ)裝置40控制臺(tái)42陰極射線管顯示器44工作臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制器46電動(dòng)工作臺(tái)48臺(tái)架開口50閃爍器元件51組合件52銷53光電傳感器54襯底55間隔物56撓性電路58閃爍器59像素62微單元64導(dǎo)電柵格66有源區(qū)67金屬光屏蔽/陰極68電阻器69陰極接觸70通孑L71P+陽極73N注入
權(quán)利要求
1.一種CT成像系統(tǒng)(10)，包括臺(tái)架(12)，貫穿臺(tái)架(12)形成有孔(48)，該臺(tái)架(12)設(shè)計(jì)成接收平移通過孔(48)的患者(22)；X射線源(14)，該X射線源(14)設(shè)置在臺(tái)架(12)內(nèi)并配置成向患者(22)發(fā)射X射線(16)；以及探測(cè)器模塊(20)，該探測(cè)器模塊(20)設(shè)置在臺(tái)架(12)內(nèi)以接收由患者(22)衰減的X射線(16)，該探測(cè)器模塊(20)包括配置來吸收X射線(16)并將X射線轉(zhuǎn)換成可見光子的閃爍器(58)；以及配置來接收可見光子并將可見光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)的固態(tài)光電倍增器(SSPM)(53)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CT成像系統(tǒng)(10),其中閃爍器(58 ) 包括具有大約小于50納秒的衰變時(shí)間的材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的CT成像系統(tǒng)(10),其中閃爍器材料 是具有大約小于50納秒的衰變時(shí)間的陶瓷材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的CT成像系統(tǒng)(10)，其中陶瓷材料包 括LYS0、 LaBr3和(LuxTth十yCey)3Al5(h2(即，LuTAG)中的一種，其中"x" 的范圍是從0. 5到1. 5而"y"的范圍是從0. 01到0. 15。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CT成像系統(tǒng)(10)，其中閃爍器(58 ) 是具有多個(gè)閃爍元件(50)的被像素化的閃爍器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的CT成像系統(tǒng)(10)，其中SSPM(53) 還包括多個(gè)像素(59)，該像素(59)與閃爍元件(50)耦合以從閃 爍元件(50)接收可見光子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的CT成像系統(tǒng)(10)，其中多個(gè)SSPM 像素(59 )的每個(gè)還包括微單元(62)陣列，該微單元(62)陣列配置成以蓋革模式操作 并將可見光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，以及連接到微單元(62)陣列的導(dǎo)電柵格(64)，該導(dǎo)電柵格(64) 配置成組合電荷并從SSPM像素(59)輸出單個(gè)電信號(hào)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CT成像系統(tǒng)(10)，其中探測(cè)器模塊 (20)還包括與SSPM ( 53)耦合以數(shù)字化從SSPM ( 53)輸出的電信號(hào)的讀出電子設(shè)備(32)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的CT成像系統(tǒng)(10)，其中讀出電子設(shè) 備(32)配置成將由閃爍器(58)吸收的X射線(16)表征為基于由 SSPM ( 53)輸出的電信號(hào)強(qiáng)度的高能量或低能量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的CT成像系統(tǒng)(10)，其中讀出電子 設(shè)備(32)配置成計(jì)數(shù)X射線光子。
全文摘要
提供一種用于CT成像系統(tǒng)(10)的探測(cè)器模塊(20)，它包括將X射線(16)轉(zhuǎn)換成可見光子的閃爍器(58)。閃爍器(58)與帶內(nèi)部增益的固態(tài)光電倍增管(53)光耦合以接收可見光子并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。
文檔編號(hào)G01T1/166GK101273898SQ200810087899
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者A·J·庫(kù)圖爾, G·E·波辛, J·D·肖特, J·W·勒布朗, K·C·伯爾, R·G·羅德里格斯, 文 李 申請(qǐng)人:通用電氣公司