專利名稱：具有多個電荷存儲裝置的計算機斷層攝影檢測器光電二極管的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及診斷成像，尤其是涉及用于放射攝影成像的檢測器組件，其包括具有多個電荷存儲裝置的光電二極管。所述多個電荷存儲裝置不但降低檢測器飽和的可能性，而且還支持視掃描內(intraview)X射線源擺動(wobble)。
背景技術：
典型地，在計算機斷層攝影(CT)成像系統中，X射線源朝受試者或對象(諸如患者或一件行李)發射扇形射束。在下文中，術語“受試者”和“對象”將包括能對其進行成像的任何事物。所述射束在被受試者衰減之后撞擊到輻射檢測器的陣列上。在該檢測器陣列上所接收的衰減后的射束輻射的強度典型地取決于由受試者對X射線束所造成的衰減。該檢測器陣列的每個檢測器元件產生表示由每個檢測器元件所接收的衰減后的射束的分離電信號。將這些電信號傳送到數據處理系統以進行分析，從而最終產生圖像。
每個檢測器元件由一個閃爍器(scintillator)單元表征，其響應于接收到X射線而發光。該光由光電二極管收集，所述光電二極管提供表示受該閃爍器單元撞擊的X射線的電信號輸出。接著，把從所感測的光所產生的電荷直接或者通過FET開關陣列傳送給數據采集系統(DAS)。由于CT檢測器的z覆蓋范圍已經變得更大并且具有更細的間距以改進分辨率，因此需要更多數量的互連以便將數量日益增加的光電二極管連接到DAS。在實踐中最普遍使用的CT檢測器包括數千個檢測器元件，結果，連接到與此相當的數量的檢測器元件的相當數量的連接共享一條公共的DAS輸入通道。其他已知的檢測器在每個像素處提供電荷存儲，并且在許多像素當中共享單個放大器。例如，一種已知的檢測器對于每個光電二極管像素利用單一DAS通道。已經構建了其他已知的檢測器，其中使得多達8個像素并行連接到單一DAS通道。然而，并行連接各光電二極管像素降低了分辨率，因此是不希望出現的。在另一種已知的檢測器設計中，在每個像素處提供存儲電容器和FET開關。這一構造常常被稱為存儲二極管設計。利用這種設計，常常由光電二極管本身的自身電容來提供所述存儲電容器。雖然這種構造的確允許在許多像素之間共享一個放大器，并且每個像素被單獨讀出從而不降低分辨率，但是它不允許所謂的源“擺動”。源擺動要求在相同的時間間隔內對每個像素處的集成信號進行采樣。這對于傳統的存儲二極管檢測器設計來說是不可能的。
因此，希望有一種具有多個電荷存儲裝置像素的CT檢測器，以及其像素能以如下方式進行連接的CT檢測器多個像素可以共享讀出通道并且支持源擺動。
發明內容
本發明針對一種克服前述缺點的用于CT檢測器的像素陣列。每一個像素被設計成具有多個電荷存儲裝置。
CT檢測器像素包括光敏裝置(優選地是光電二極管)以及優選地在每個視掃描(view)的基礎上被交替充電和讀出的多個電荷存儲裝置。所述光電二極管優選地是正面照射二極管，所述電荷存儲裝置是一對交替存儲由該光敏裝置產生的電荷的電容器。所述電荷存儲由FET開關和該像素結構的相關電子裝置控制。來自該光電二極管的電荷被持續地傳輸到其中一個所選的電荷存儲裝置上。所存儲的電荷在后面的時間被讀出。這樣，獨立地讀出每一個電荷存儲裝置，但是來自多個檢測器像素的多個電荷存儲裝置被連接到一個公共讀出通道或端口。因此，盡管電荷存儲裝置的數量增多了，但是讀出通道的數量可以是相同的。
在一個優選實施例中，將數據采集分割成多個順序的視掃描。在這方面，例如奇數編號的視掃描期間的光生電荷被存儲在其中一個電荷存儲裝置上，而偶數編號的視掃描的光生電荷被存儲在另一個電荷存儲裝置上。在偶數編號的視掃描期間，存儲在第一電荷存儲裝置上的電荷被傳送到DAS。在奇數編號的視掃描中，存儲在第二電荷存儲裝置上的電荷被傳送到DAS，并且在第一電荷存儲裝置上存儲電荷。在整個數據采集過程中持續這種充電和讀出的交替。視掃描(view)被定義成一個時間周期，在該時間周期期間，每個像素元件檢測光電荷并且所述電荷被傳送到其中一個電容器。在視掃描周期的末尾，對各像素開關進行電再配置，并且將電荷傳輸到另一個像素電容器。
因此，根據一個方面，本發明包括像素陣列。每個像素部分地包括光電二極管，該光電二極管充當被設計成把由閃爍器發出的光轉換成電荷的光轉換元件。該像素還具有連接到該單個光轉換元件的第一電荷存儲電容器裝置，其在第一采集期間存儲電荷；以及不同于第一電荷存儲裝置并且連接到該單個光轉換元件的第二電荷存儲裝置，其在第二采集期間存儲電荷。在另一方面，在任一時刻，所述兩個電荷存儲裝置的僅僅其中一個被開關(諸如FET開關)選中并且連接到該單個光轉換元件。
根據本發明的另一方面，提出一種CT檢測器，其具有閃爍器以便響應于接收到X射線而發出一定強度的光。該CT檢測器進一步具有光電二極管，以便提供表示由該閃爍器所發出的光強度的電信號。該光電二極管具有光收集表面和一對用于存儲由該光收集表面所產生的電荷的電容器。
根據另一方面，本發明包括一個CT系統，該CT系統具有X射線源和包含像素陣列的X射線檢測器。每個檢測器包括多個被安排成向該像素陣列發光的閃爍器。每個像素具有第一和第二電荷存儲裝置。該CT系統進一步具有DAS通道，該DAS通道被連接成從該像素陣列接收電信號。提供一個控制器，以便將所述多個像素當中的每一個的第一和第二電荷存儲裝置交替地連接到該DAS通道，從而使得在任一時刻每個像素的第一和第二電荷存儲裝置的僅僅其中一個向該DAS通道傳輸電荷以用于讀出。
根據本發明的另一方面，提出了一種CT成像方法，該方法包括以下步驟把數據采集定義為多個視掃描；以及對于每一個視掃描，在第一X射線源位置處和擺動離開第一X射線源位置的第二X射線源位置處采集CT數據。該方法進一步包括以下步驟在X射線源處于第一X射線源位置處的數據采集期間，把電荷集合在像素陣列中的每個像素的第一電荷存儲裝置上；以及在X射線源處于第二X射線源位置處的圖像采集期間，把電荷集合在每個像素的第二電荷存儲裝置上。
本發明的其他特征和優勢將在下面的詳細描述和附圖中變得顯而易見。
下面的
了當前被構想來實施本發明的一個優選實施例。
在附圖中
圖1是CT成像系統的圖示。
圖2是圖1所示系統的方框圖。
圖3是CT系統檢測器陣列的透視圖。
圖4是檢測器的透視圖。
圖5是根據本發明的一個方面的具有多個電荷存儲裝置的像素的電路示意圖。
圖6是根據本發明一個方面的像素示意圖。
圖7是根據本發明另一方面的像素示意圖。
圖8是說明根據本發明的一個方面的成像處理步驟的流程圖。
圖9是根據本發明另一方面的具有共享讀出通道的光電二極管陣列的示意性布局。
圖10是用于非侵入包裹檢查系統的CT系統的圖示。
具體實施例方式
下面關于一個4層(slice)計算機斷層攝影(CT)系統來描述本發明的操作環境。然而，本領域技術人員將會意識到，本發明同樣也可以應用到單層或其他多層構造。下面將關于“第三代”CT掃描器對本發明進行描述，但是本發明同樣可以應用于其他CT系統。
參考圖1和2，計算機斷層攝影(CT)成像系統10被顯示成包括一個表示“第三代”CT掃描器的臺架12。臺架12具有朝向位于臺架12對側的檢測器陣列18投射X射線扇形射束16的X射線源14。檢測器陣列18由多個檢測器模塊20形成，所述檢測器模塊一起感測穿過醫療患者22的所投射的X射線。每個檢測器模塊20包括像素元件(像素)的陣列。每個像素部分地包含光敏元件(比如光電二極管)和一個或多個電荷存儲裝置(比如電容器)。每個像素產生一個電信號，該電信號表示撞擊的X射線束的強度，因此表示穿過患者22時被衰減的射束的強度。在進行掃描以便采集X射線投影數據的過程中，臺架12和安裝于其上的各組件圍繞旋轉中心24旋轉。
臺架12的旋轉和X射線源14的操作都由CT系統10的控制機構26管理。控制機構26包括給X射線源14提供功率和定時信號的X射線控制器28以及控制臺架12的旋轉速度和位置的臺架電動機控制器30。控制機構26中的數據采集系統(DAS)32從檢測器20采樣模擬數據并且將該數據轉換成數字信號以用于后續處理。圖像重建器34接收來自DAS 32的經過采樣和數字化的X射線數據，并且執行高速度的重建。所重建的圖像被用作到計算機36的輸入，該計算機36在大容量存儲裝置38中存儲所述圖像。該DAS還向所述檢測器發送信號，以便操作FET開關、給該檢測器提供偏置電壓等等。
計算機36還通過具有鍵盤的控制臺40從操作員接收命令和掃描參數。相關的顯示器42允許操作員觀察來自計算機36的重建圖像和其他數據。操作員給出供計算機36使用的命令和參數，以便向DAS 32、X射線控制器28和臺架電動機控制器30提供控制信號和信息。另外，計算機36操作控制機動化工作臺46的工作臺電動機控制器44，以便定位患者22和臺架12。特別地，工作臺46通過臺架開口48移動患者22的各部分。
如圖3和4中所示，檢測器陣列18包括多個檢測器模塊20。將準直器(未示出)定位在所述多個檢測器模塊之上，以便在X射線束16撞擊各檢測器模塊之前校準所述X射線束16。在一個實施例中，如圖3中所示，檢測器陣列18包括57個檢測器模塊20，每個檢測器模塊20具有16×16大小的像素陣列。結果，陣列18具有16行及912列(16×57個檢測器)，其允許在臺架12的每次旋轉中同時收集16層的數據。每個檢測器模塊20包括閃爍器陣列48，其包含多個在接收到X射線時發光的閃爍器50。每個檢測器模塊20還包括像素陣列52，其由多個像素54共同形成。如上面所提到的那樣，每個像素54包括光敏元件和一個或多個電荷存儲元件。將每個檢測器模塊20通過安裝托架58固定到檢測器框架56，如圖3所示。
本發明針對一種具有光電二極管的CT檢測器，該光電二極管帶有多個例如電容器的電荷存儲裝置，其可以被合并到如上所述的檢測器陣列中，也可以被合并到如圖1-2所示的CT系統或者其他放射攝影系統中。所述光電二極管優選地是正面照射的構造，其包括一對設置在其光收集表面上的電容器。此外，當對一個電容器充電時，另一個電容器或者處于保持電荷的靜態模式或者處于讀出狀態。在讀出狀態下，該電容器被連接到諸如電荷放大器的電荷讀出裝置。在整個數據采集期間，持續這種充電和讀出的交替。
圖5是根據本發明的具有多個電荷存儲裝置的單個像素的電路示意圖。本領域的技術人員將很容易意識到，電路60及其相關組件描述了本發明的一個示例性實施例，并且可以等效地使用其他電路和/或組件。電路60包括第一電容器C1和第二電容器C2、光電二極管以及開關S1-S5。如將要描述的那樣，開關S1-S5優選地包含FET，其在充電、讀出和復位狀態之間調節所述電容器。在這方面，開關S1和S2選擇性地把每一個電容器連接到讀出放大器A1。這樣，兩個電容器C1和C2共享一個公共讀出端口。電路60還可以包括復位開關S5，其用于在視掃描之間選擇性地復位電容器C1和/或C2或者僅復位由Cd(V)表示的二極管電容。應該意識到，還可以將多個像素電路(未示出)連接到放大器A1。如果每次關閉所述多個像素電路的僅僅其中一個的僅僅一個開關S1或S2，則在對各個像素存儲電容器的信號讀出之間將沒有干擾。
現在描述電路的操作。開關S5通常是打開的。在第一采集期間，開關S3閉合，開關S1、S2和S4打開。結果，由光電二極管產生的電荷被集合到電容器C1上。在該第一采集期間，作為開關S4打開的結果，沒有電荷被集合到電容器C2上。在用于第一采集視掃描的數據收集之后，開關S3打開并且開關S4閉合，以便開始對于第二視掃描在第二電容器C2上電荷的采集。在第二視掃描中的電荷采集期間，開關S1閉合，以便把在電容器C1中收集的電荷傳送給讀出放大器A1。在第二采集完成之后，開關S4被打開。此后，開關S2閉合，以便將存儲在電容器C2中的電荷發送到DAS。對于剩下的采集重復上述開關算法，從而使得電容器C1和C2交替地存儲電荷以及被讀出。
現在參考圖6，其中示意性地顯示了根據本發明一個方面的兩個像素。像素62部分地由FET開關64構成，并且剩下的光電二極管、電容器和開關被示意性地顯示為元件66。類似地，第二像素68被構造成包括FET 70和元件72。圖6中，FET 64等同于圖5的電路中的開關S1或S2，而FET 70等同于圖5的電路中的開關S1或S2當中的另一個。為了簡明起見，其他的開關和其他的元件沒有在該截面圖中示出。本領域的技術人員應該理解，圖5中所示的所有電路元件可以利用標準半導體工藝被構造在一個半導體基底74上。圖6顯示了一個優選實施例，其中開關S1和S2以及各DAS放大器(例如A1)之間的連接由通過硅基底74的導電連接76實現。
圖6中所示的安排說明了本發明的一個實施例。具體來說，互連76常常被稱為通孔互連，其穿過基底74的厚度傳送來自各電容器的電荷。在這方面，所述光電二極管對于每次采集視掃描有利地具有低電子噪聲，這是因為減小了像素和放大器之間的寄生電容。此外，通孔互連76支持把各光電二極管拼貼成2D陣列，其對于寬覆蓋范圍的檢測器特別有利。
現在參考圖7，其中顯示了根據本發明另一實施例的光電二極管。在該示例性實施例中，通過該檢測器陣列的表面78上的互連軌跡從FET開關64、70向該陣列的邊緣傳送電荷，從而傳送到各DAS放大器。
如在此所描述的那樣，CT檢測器光電二極管陣列的每個光電二極管包括一對交替地被充電和讀出的電容器。在一個實施例中，對于單次臺架旋轉內所限定的幾個視掃描協調所述交替。也就是說，對于一個視掃描，在其中一個電容器上集合電荷。對于下一個視掃描，在另一個電容器上集合電荷。根據這一實施例，對于被限定為具有1000個視掃描的臺架旋轉，一個電容器將對于500個視掃描在其上集合電荷，而另一個電容器將對于另外500個視掃描在其上集合電荷。
然而，根據本發明的另一實施例，每一個視掃描被分割成一對視掃描片斷。對于給定的視掃描，每一個視掃描片斷由唯一的X射線源位置來限定。在這方面，在一個給定的視掃描期間，對于X射線源位于第一X射線源位置處的數據采集在一個電容器上集合電荷。對于該給定的視掃描，接著該X射線源被擺動到一個新的X射線源位置或第二X射線源位置。然后，在這一新的X射線源位置處，將每個光電二極管的另一個電容器用于電荷收集。結果，在每一視掃描時，在兩個電容器上都集合了電荷，然而，其中一個電容器存儲當X射線源處于其中一個位置時所收集的電荷，而另一個電容器存儲當X射線源擺動到新的X射線源位置時的相關電荷。這樣，對于包含1000個視掃描的采集，每個電容器將對于1000個視掃描存儲電荷，但是每個電容器將存儲與不同的X射線源位置相關的電荷。
現在相應地參考圖8，其中說明了根據本發明一個優選實施例的成像處理。處理80開始于82，其中對于給定的視掃描采集定位X射線源。在該X射線源位置處，電荷被集合在二極管陣列的每個光電二極管的第一電容器上84。在該X射線源位置處的數據收集之后，在86將X射線源擺動到新的X射線源位置。然而，將在該新的“擺動”位置處收集的數據仍然對應于在84為之收集數據的同一視掃描。在該X射線源擺動到其新的X射線源位置86之后，存儲在第一電容器上的電荷在88被讀出。優選地，與此同時，電荷被集合到該二極管陣列的每個光電二極管的第二電容器上90。在這方面，當其中一個電容器被用于電荷存儲時，另一個電容器被用于數據收集或讀出。在90收集了電荷之后，接著將X射線源移動到新的視掃描位置94。與此同時，從該二極管陣列的每個光電二極管的第二電容器讀出電荷92。一旦為了數據收集已經讀出了各第二電容器，則兩個電容器都被接地，以便為下一個視掃描采集排出任何未被收集的殘余電荷96。接著，對所有剩下的采集視掃描重復步驟82到96。
有利地，本發明還允許把檢測器陣列的多個像素連接到系統DAS的共享讀出通道。這在圖9中示出。如圖所示，檢測器陣列52包括一系列像素54。如前所述，每個像素54包括多個電荷存儲裝置，所述電荷存儲裝置交替地存儲由閃爍器響應于接收到X射線而發光所產生的電荷。所述讀出通道被示意性地顯示為讀出放大器98。利用這種結構，每個讀出通道98順序地從與之相連的光電二極管54讀出電荷。在這方面，系統DAS能夠在給定的視掃描期間從多個光電二極管讀出數據。例如，如果將給定的視掃描限定為具有1毫秒的長度，并且存儲在每個光電二極管上的電荷可以在100微妙內被讀出，則每個DAS通道可以被連接成從10個像素進行讀出。對于這一例子，本發明由此把放大器通道的數量減少到十分之一。或者，相反地，在不增加DAS通道數量的情況下把可能像素的數量提高到原來的10倍。此外，由于本發明支持對于每個視掃描采集兩組數據，以被限定為具有1000個視掃描的臺架旋轉為例，本發明有效地允許在單次臺架旋轉中采集2000個視掃描的數據，其中，所需的DAS通道的數量減少到十分之一，或者像素數量提高到原來的10倍從而提高圖像分辨率和靈敏度。
現在參考圖10，其中的包裹/行李檢查系統100包括可旋轉臺架102，其具有可以令包裹或行李件從中穿過的開口104。可旋轉臺架102包含X射線源106以及具有由閃爍器單元構成的閃爍器陣列的檢測器組件108。還提供了傳送系統110，其包括由結構114支撐的傳送帶112，以便自動并且連續地將包裹或行李件116傳送通過開口104以進行掃描。對象116由傳送帶112通過開口104送入，接著采集成像數據，并且傳送帶112以受控且連續的方式從開口104移走包裹116。結果，郵政檢查員、包裹處理員和其他安全人員可以不侵入地檢查包裹116的里面是否有爆炸物、刀具、槍支、違禁品等等。
因此，本發明包括具有單個光轉換元件的光電二極管，該單個光轉換元件被設計成把由閃爍器發出的光轉換成電荷。該光電二極管還具有連接到該單個光轉換元件的第一電荷存儲裝置，其在第一采集期間存儲電荷；以及不同于第一電荷存儲裝置的第二電荷存儲裝置，其連接到該單個光轉換元件并且在第二采集期間存儲電荷。
已經就優選實施例方面對本發明進行了描述，但是應當認識到，除了明確陳述的之外，在所附權利要求書的范圍內可以有多種等效表述、替換方案以及修改。
附圖標記列表
權利要求
1.一種X射線檢測器像素(62)，包括單個光轉換元件(54)，其被設計成把由閃爍器(50)發出的光轉換成電荷；經過一個或多個開關(64)連接到該單個光轉換元件(54)的第一電荷存儲裝置(C1)，其在第一采集期間存儲電荷；以及不同于第一電荷存儲裝置(C1)并且經過所述一個或多個開關(64)連接到該單個光轉換元件(54)的第二電荷存儲裝置(C2)，其在第二采集期間存儲電荷。
2.如權利要求1的像素(62)，其中，將第一和第二電荷存儲裝置(C1，C2)基本上設置在所述單個光轉換元件(54)的光收集表面(78)上或者設置在其附近。
3.如權利要求1的像素(62)，其中，所述一個或多個開關(64)選擇性地在電荷收集和電荷讀出狀態之間切換第一和第二電荷存儲裝置(C1，C2)。
4.如權利要求3的像素(62)，其中，所述一個或多個開關(64)進一步包括復位開關(55)，當該復位開關閉合時使得所述電荷存儲裝置(C1，C2)和所述單個光轉換元件(54)當中的至少一個進入無電荷狀態。
5.如權利要求1的像素(62)，其中，所述電荷存儲裝置(C1，C2)是電容器。
6.如權利要求1的像素(62)，其中，第一和第二電荷存儲裝置(C1，C2)經過所述一個或多個開關(64)連接到公共讀出端口(A1)。
7.如權利要求1的像素(62)，其中，可以將所述一個或多個開關(64)配置成在X射線源(14)處于給定位置的視掃描采集期間將電荷存儲在第一電荷存儲裝置(C1)上，以及在X射線源(14)偏離該給定位置的視掃描采集期間將電荷存儲在第二電荷存儲裝置(C2)上。
8.如權利要求1的像素(62)，其連接到與另一個像素(68)共享的數據采集系統(32)通道。
9.如權利要求1的像素(62)，其包括兩個電荷存儲裝置(C1，C2)。
10.如權利要求1的像素(62)，其被合并到CT系統(10)的CT檢測器(20)中。
全文摘要
CT檢測器(20)包括具有單個光電二極管(54)和被交替存儲和讀出的多個電荷存儲裝置(C1，C2)的像素(62)。該光電二極管(54)是正面照射二極管，其具有一對在數據采集期間交替存儲所產生的電荷的電容器(C1，C2)。將多個像素(62，68)連接到單個讀出放大器(A1)。從每個光電二極管(54)持續采集電荷，并且將其存儲在所述電荷存儲裝置(C1，C2)上，但是這種讀出每次只來自于單個電荷存儲裝置。這樣，獨立地讀出每個電荷存儲裝置(C1，C2)，但是所述電荷存儲裝置(C1，C2)連接到公共讀出通道或端口(A1)。
文檔編號A61B6/03GK1991409SQ20061006407
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月10日 優先權日2005年11月10日
發明者G·E·波辛, J·D·肖特, 李文 申請人:通用電氣公司