用于在像素化圖像探測器中提供共享電荷的系統和方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]本文公開的主題通常涉及圖像探測器，更具體地涉及像素化固態圖像探測器以及利用所述探測器的光子探測。
[0002]用于診斷成像系統的探測器，例如用于單光子發射計算機斷層照相(SPECT)和計算機斷層照相(CT)成像系統的探測器，常常由半導體材料制成，其中例如碲化鎘鋅(CdZnTe，常常稱之為CZT)、碲化鎘(CdTe)和硅(Si)。這些半導體探測器典型地包括像素化探測器模塊的陣列。像素化固態伽馬射線探測器的空間分辨率由探測器像素的尺寸來限定。最小的像素尺寸還由固體物理學和工程學來限定。
[0003]在CZT探測器中的伽馬射線相互作用期間，在連續的陰極和像素化陽極之間逐漸形成電荷云。該云生長朝向探測器的陽極側移動。在常規系統中，將每個像素陽極連接到前置放大器和每像素大量的讀出通道(例如256個讀出通道)上。因此，隨著像素尺寸減少以提高空間分辨率，總讀出通道的數量增加，從而增加了電子設備、控制器、成本以及熱產生的復雜度。因此，用相對大的像素尺寸來制造使用直接轉換半導體材料(例如CZT或者CdTe)的伽馬和X射線探測器，以減少電子設備的復雜度(例如減少特定用途集成電路(ASIC)復雜度)并且減少或者避免在相鄰像素之間共享的電荷云。
[0004]然而，對于X射線和CT應用來說，這個大像素尺寸表現得并不令人滿意。另外，在SPECT系統中，圖像性能直接與探測器像素的數量相關。
【發明內容】
[0005]根據各種實施例，提供了用于控制像素化固態光子探測器的電荷分布的方法。該方法包括在配置中為像素化固態光子探測器提供多個像素使得通過至少兩個像素來探測電荷分布，并且從所述至少兩個像素獲得電荷信息。該方法還包括基于所獲得的電荷信息來確定電荷分布與多個像素相互作用的位置。
[0006]根據其它的實施例，提供了包括半導體襯底和半導體襯底的一個表面上的多個陽極像素的像素化固態光子探測器。所述陽極像素中的每一個在至少一個方向上具有拉伸長度。像素化固態光子探測器還包括與多個陽極像素相反的半導體襯底的另一個表面上的陰極。
[0007]根據另一些實施例，提供了包括半導體襯底和半導體襯底的一個表面上的多個陽極像素的像素化固態光子探測器。所述陽極像素中的每一個被劃分成多個子像素。像素化固態光子探測器還包括與多個陽極像素相反的半導體襯底的另一個表面上的陰極。
【附圖說明】
[0008]圖1是根據各種實施例形成的像素化探測器的一部分的簡化的橫截面視圖。
[0009]圖2是根據各種實施例的、用于控制像素化探測器的多個像素化元件間的電荷分布的方法的流程圖。
[0010]圖3是根據一個實施例形成的像素化光子探測器的頂部透視圖。
[0011]圖4是包括圖3的多個像素化光子探測器的伽馬照相機的頂部透視圖。
[0012]圖5是根據各種實施例形成的像素化探測器的俯視圖并且示出了不同的像素配置。
[0013]圖6是根據各種實施例形成的像素化探測器的俯視圖并且示出了行和列連接布置。
[0014]圖7是根據各種實施例形成的、具有拉伸像素的像素化探測器的俯視圖。
[0015]圖8是根據各種實施例的、利用像素化探測器確定電荷相互作用的位置的方法的流程圖。
[0016]圖9是說明根據各種實施例形成的像素連接布置的圖示。
[0017]圖10是說明根據各種實施例形成的另一種像素連接布置的圖示。
[0018]圖11是說明根據各種實施例的電荷探測的圖示。
[0019]圖12是說明不具有通道組合的電荷探測的圖示。
[0020]圖13是說明在y軸上沒有位置插值情況下的電荷探測的圖示。
[0021]圖14是說明根據各種實施例的、使用錯開的陽極的電荷探測的圖示。
[0022]圖15是說明根據各種實施例的、使用錯開和拉伸的陽極的電荷探測的圖示。
[0023]圖16是根據各種實施例形成的、具有拉伸像素的像素化探測器的俯視圖。
[0024]圖17是根據說明成對連接的陽極像素的各種實施例形成的具有拉伸像素的像素化探測器的俯視圖。
[0025]圖18是根據各種實施例形成的、在二維陣列中具有拉伸像素的像素化探測器的俯視圖。
[0026]圖19是根據具有電阻層的各種實施例形成的像素化探測器的一部分的簡化的橫截面視圖。
[0027]圖20是根據具有像素化陽極和像素化陰極的各種實施例形成的像素化探測器的一部分的橫截面視圖的圖示并且說明了相互作用的深度(DOI)。
[0028]圖21是根據各種實施例形成的兩層像素化探測器的一部分的橫截面視圖的圖不O
[0029]圖22是說明根據各種實施例形成的多層交叉帶探測器的圖示。
[0030]圖23是根據各種實施例構建的、示范的核醫學成像系統的透視圖。
[0031]圖24是根據各種實施例構建的核醫學成像系統的框圖。
【具體實施方式】
[0032]當和附圖一起閱讀時，將會更好地理解前述的
【發明內容】
以及下面某些實施例的詳細描述。就【附圖說明】了各種實施例的功能塊的圖示來說，功能塊不一定表示硬件電路之間的劃分。因此，例如一個或多個功能塊(例如處理器或存儲器)可以在單個硬件(例如通用信號處理器或隨機存取存儲器、硬盤等等)或者多個硬件中實現。同樣地，程序可以是獨立的程序，可以在操作系統中作為子程序進行合并，可以是安裝的軟件包中的功能，等等。應當理解，各種實施例不限于圖中所示的布置和工具。
[0033]如文中所使用的，以單數記載的并且以單詞“a”或“an”開始的元件或者步驟應當理解為不排除所述元件或者步驟的復數，除非明確聲明這種排除。此外，提及“一個實施例”并不打算解釋為排除還合并了所記載的特征的其它實施例的存在。此外，除非有明確相反的聲明，“包括”或者“具有”擁有特定性質的元件或者多個元件的實施例可包括不具有那種性質的附加的這樣的元件。
[0034]如本文中還使用的，短語“重建圖像”并不打算排除其中生成表示圖像的數據、但是不是看得見的圖像的實施例。因此，如文中所使用的術語“圖像”寬泛地指看得見的圖像和表示看得見的圖像的數據。然而，許多實施例生成或者被配置成生成至少一個看得見的圖像。
[0035]各種實施例提供了用于控制像素化固態(例如半導體)探測器中的電荷分布的系統和方法，以允許探測電荷共享以及利用像素化探測器識別電荷共享相互作用的位置。配置像素化探測器的像素，使得通過至少兩個像素或者子像素來探測可由電子電荷云限定的電荷分布。提供了像素化探測器的不同配置和布置，例如具有不同的成形并定位的像素或者子像素元件的像素化伽馬照相機。在相關的電子設備中沒有大量增加的情況下，根據各種實施例形成的像素化探測器提供了更高的空間分辨率。各種實施例中的至少一個實施例的技術效果是提供了更靈敏的成像，例如更靈敏的單光子發射計算機斷層照相(SPECT)和/或X射線或者計算機斷層照相(CT)成像掃描儀。另外，當實施各種實施例時，可提供更低功耗水平下的操作。各種實施例還允許提供用于包括像X射線和伽馬射線探測器的雙用途的像素化探測器。
[0036]應當注意到，盡管所描述的各種實施例與具有特定部件(包括像素化探測器的特定配置或布置)的核醫學成像系統有關，但是各種實施例并不限于核醫學成像系統或者本文描述的特定的像素化探測器。因此，可以實現與任何類型的診斷成像系統有關的各種實施例，例如醫學診斷成像系統(如CT或X射線系統)、非破壞性試驗系統、安全監視系統(如空運行李或機場安全成像系統)等。另外，可修改配置和布置，使得在各種實施例中的至少某些實施例中保持電荷分布的位置和從像素化探測器的陽極接收到的相應信號之間的關系O
[0037]各種實施例提供了探測光子(例如發射伽馬射線光子或透射X射線光子)并且使用配置和布置來根據像素化探測器的像素或者子像素之間的電荷共享識別所探測到的光子的位置的像素化探測器。因此，由于探測到相鄰像素間共享的電荷分布，所以可將相鄰像素間產生相互作用的電荷包括在如本文詳細描述的用于所探測到的伽馬射線發射的響應函數中。
[0038]圖1是根據各種實施例形成的像素化探測器30的簡化的橫截面正視圖。像素化探測器30包括由例如碲化鎘鋅(CZT)晶體或碲化鎘(CdTe)的輻射響應半導體材料形成的襯底32。通過沉積多個導電電極以形成多個標識為陽極34的像素電極來限定具有多個像素或子像素的像素化結構(如本文詳細描述的)。可通過掩模執行沉積以便限定電極結構。作為備選，在晶體的表面上沉積連續的導電層(例如金屬層)，并且通過化學或激光蝕刻、光刻法或者本領域已知的其它方法形成多個電隔離的電極。正如本文詳細描述的，陽極34的形狀和配置以及每個陽極34之間的間距便于根據由所探測到的光子產生電荷來確定電荷共享相互作用36的位置。正如本文詳細描述的，當入射到襯底32上的光子通過電離作用損失能量并且在襯底32的區域中留下成對的流動電子(e_)和空穴(+ )(為簡單起見僅示出了一對電子/空穴)時，電荷相互作用36發生。
[0039]像素化探測器30還包括在與陽極34相反的襯底3