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CN115015986A - 一种能量积分与光子计数混合成像的x射线探测器及ct机 - Google Patents

一种能量积分与光子计数混合成像的x射线探测器及ct机 Download PDF

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CN115015986A
CN115015986A CN202210646536.5A CN202210646536A CN115015986A CN 115015986 A CN115015986 A CN 115015986A CN 202210646536 A CN202210646536 A CN 202210646536A CN 115015986 A CN115015986 A CN 115015986A
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张超
崔志立
高建
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Nanovision Technology Beijing Co Ltd
Original Assignee
Nanovision Technology Beijing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器及相应的CT机。该X射线探测器包括：计数式探测器，具有至少一列像素化电子元件；积分式探测器，沿第一方向层叠设置于计数式探测器的一侧，并具有至少一列像素化光电元件；在任意一个像素位置，电子元件与光电元件在第一方向上一一对应；计数式探测器与积分式探测器共用一个射线转换部，射线转换部能够接收X射线并转换为电子空穴对，以输送至电子元件；射线转换部还能够接收X射线并转换为可见光光子，以输送至光电元件。该X射线探测器中的计数式探测器和积分式探测器共用一种射线转换部，并能够对同一时刻同一像素位置的两种探测信号进行图像处理，从而获得高质量的重建图像。

Description

一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器及CT机
技术领域
本发明涉及一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，同时也涉及采用该X射线探测器的CT机，属于计算机断层扫描技术领域。
背景技术
CT(Computed Tomography)是计算机断层扫描的简称。它利用精确准直的X射线等，与灵敏度极高的CT探测器一同围绕人体的某一部位进行断面扫描，具有扫描时间快、图像清晰等特点，可用于医疗、安检等诸多领域。
目前，普遍使用的常规CT探测器是能量积分探测器(EID)。此类能量积分探测器测量X射线光子的能量积分信号，可能会丢失与能量有关的信息，导致噪声增加和对比度降低。光子计数探测器是一种较为新颖的CT探测器，具有比传统能量积分探测器更高的转化效率，更低的量子噪声和更高的空间分辨率，但其响应信号强度较弱，同时还存在大X射线光子通量下的脉冲堆叠问题。
在专利号为ZL 202110222389.4的中国发明专利中，公开了一种混合式X射线探测器。该混合式X射线探测器包括：积分型探测器，用于获取被检目标的第一图像数据；计数型探测器，用于获取被检目标的第二图像数据；图像融合单元，用于对所述第一图像数据和所述第二图像数据进行图像融合，从而得到用于显示的图像数据。该技术方案中通过适当增加光子计数式混合式X射线探测器与传统积分型混合式X射线探测器进行搭配，通过数据与图像算法融合，降低了X射线转换材料的使用量使得成本得到控制，进一步，降低了X射线的使用剂量，减少了X射线对公共群体以及个体的影响，提高了图像质量以及对物质或生物组织的分辨能力。
然而，在上述混合式X射线探测器中，通过在射线传播方向上叠加两种探测器。两种探测器分别具备两种射线转换材料和相应的读出电路，分别获得两种图像信息后进行图像融合，因此需要沿X射线光路设置两层射线吸收材料，位于远离射线源端的转换层入射剂量较低，难以保证信号质量。而且，无法在同一时间获取同一位置的两种图像数据。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用该X射线探测器的CT机。
为了实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，包括：
计数式探测器，具有至少一列像素化电子元件，以获取光子计数图像；
积分式探测器，沿第一方向层叠设置于所述计数式探测器的一侧，并具有至少一列像素化光电元件，以获取能量积分图像；在任意一个像素位置上，所述电子元件与所述光电元件在所述第一方向上一一对应；
其中，所述计数式探测器与所述积分式探测器共用一个射线转换部，所述射线转换部能够接收所述X射线并转换为电子空穴对，以输送至所述电子元件；所述射线转换部还能够接收所述X射线并转换为可见光光子，以输送至所述光电元件。
其中较优地，所述计数式探测器还包括：
电子电路板，所述电子电路板上预设有电子读出电路；
所述至少一列像素化电子元件沿第二方向排列在所述电子电路板上靠近所述积分式探测器的表面，任意一个所述电子元件均与所述电子读出电路连接；
其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一方向垂直于所述电子电路板的表面。
其中较优地，所述积分式探测器还包括：
可见光电路板，所述可见光电路板上预设有可见光读出电路；
所述至少一列像素化光电元件沿所述第二方向排列在所述可见光电路板上靠近所述电子电路板的表面，任意一个所述光电元件均与所述可见光读出电路连接。
其中较优地，所述射线转换部为一体式结构，由同时具有闪烁体和半导体性质的材料制成。
其中较优地，在所述第一方向上，所述射线转换部的两端分别设有电子阻挡层和空穴阻挡层。
其中较优地，所述射线转换部包括：
第一转换部，设置于所述电子电路板与所述可见光电路板之间，并由半导体材料制成，以接收所述X射线并转换为电子空穴对；
第二转换部，贴合在所述第一转换部的远离所述电子电路板的一侧，并由具有空穴阻挡能力的闪烁体材料制成，以接收所述X射线并转换为可见光光子。
其中较优地，所述计数式探测器与所述积分式探测器共用同一块公共电路板，所述公共电路板上预设有电子读出电路和可见光读出电路；
所述公共电路板的表面沿第二方向排列有至少一列像素化光电元件，每一个所述光电元件所在的像素位置上均设有一个电子元件；任意一个所述光电元件均与所述可见光读出电路连接，任意一个所述电子元件均与所述电子读出电路连接；
所述射线转换部设置于所述公共电路板上，以接收所述X射线并转换为电子空穴对和可见光光子。
其中较优地，所述计数式探测器与所述积分式探测器外整体包裹有防水层，所述防水层至少包括PI膜、PET膜、蒸镀派瑞林膜或复合涂层。
其中较优地，该X射线探测器还包括电源和透明电极，所述透明电极设置于所述射线转换部的远离所述电子元件的一侧，所述电源的一极与所述透明电极连接，所述电源的另一极与所述计数式探测器连接，以形成用于驱动电子空穴对的电场。
其中较优地，该X射线探测器还包括图像处理部，所述图像处理部与所述计数式探测器连接，以接收任意一个像素位置的光子计数图像，所述图像处理部还与所述积分式探测器连接，以接收同一时刻同一像素位置的能量积分图像，并对同一时刻同一像素位置的所述光子计数图像和所述能量积分图像进行融合处理。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种CT机，其中采用上述能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器。
与现有技术相比较，本发明具有以下的技术效果：
1)射线转换部同时具有闪烁体和半导体性质，从而能够同时进行电子空穴对和可见光光子的转换，使得计数式探测器和积分式探测器能够共用一种射线转换部。
2)在任意一个像素位置，电子元件和光电元件在第一方向上一一对应，因此能够对同一时刻同一像素位置的两种探测信号进行图像处理，从而获得高质量的重建图像。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的另一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器的结构示意图；
图3为本发明第二实施例提供的一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器的结构示意图；
图4为本发明第三实施例提供的一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器的结构示意图；
图5为采用该X射线探测器的CT机的示例图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
<第一实施例>
图1所示为本发明第一实施例提供的一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其至少包括：计数式探测器1和积分式探测器2。其中，计数式探测器1具有至少一列像素化电子元件11，以获取光子计数图像。积分式探测器2沿第一方向(即图1中的X方向)层叠设置于计数式探测器1的一侧，并具有至少一列像素化光电元件21，以获取能量积分图像。
本实施例中，电子元件11优先选用电极，其他实施例中也可以选择互补金属氧化物半导体(CMOS)薄膜晶体管或者铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO-TFT)等，并保证各个材料的表面具有裸露电极。光电元件21优先选用光电二极管，其他实施例中也可以选择光电二极管(PD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、电荷耦合元件(CCD)或者光电倍增管(PMT)等。在任意一个像素位置，电子元件11与光电元件21在第一方向上一一对应。
而且，计数式探测器1与积分式探测器2共用一个射线转换部3。其中，该射线转换部3同时具有闪烁体和半导体性质，不仅能够接收X射线并转换为电子空穴对，以输送至电子元件11；还能够接收X射线并转换为可见光光子，以输送至光电元件21。由此，利用本实施例提供的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，通过对同一时刻同一像素位置的两种探测信号进行图像处理，从而能够获得高质量的重建图像。
在本发明的一个实施例中，该射线转换部3具有至少一列像素化材料单元31，并使得在任意一个像素位置，电子元件11、像素化材料单元31、与光电元件21在第一方向上一一对应。由此，通过像素化材料单元31能够提高射线转换部3与计数式探测器1与积分式探测器2的对应性，以避免相互串扰。
在上述实施例中，计数式探测器1还可以包括：电子电路板12。该电子电路板12上预设有电子读出电路，上述至少一列像素化电子元件11沿第二方向(即图1中的Y方向)排列在电子电路板12上靠近积分式探测器2的表面(即图1中的A面)，并且任意一个电子元件11均与电子读出电路连接，从而用于获取光子计数图像。可以理解的是，本实施例中，电子元件11、电子电路板12以及射线转换部3共同构成所述计数式探测器1。如图1所示，当X射线透过电子电路板12照射到射线转换部3上后，通过射线转换部3将X射线转换为电子空穴对，通过将电子空穴对输送至电子元件11处，从而能够通过电子电路板12上的电子读出电路获得光子计数图像。
类似的，在上述实施例中，积分式探测器2还可以包括：可见光电路板22。该可见光电路板22上预设有可见光读出电路，上述至少一列像素化光电元件21沿第二方向排列在可见光电路板22上靠近电子电路板12的表面(即图1中的B面)，并且任意一个光电元件21均与可见光读出电路连接，从而用于获取能量积分图像。可以理解的是，本实施例中，光电元件21、可见光电路板22以及射线转换部3共同构成所述积分式探测器2。如图1所示，当X射线透过电子电路板12照射到射线转换部3上后，通过射线转换部3将X射线转换为可见光光子，通过将可见光光子输送至光电元件21处，从而能够通过可见光电路板22上的可见光读出电路获得能量积分图像。
在上述实施例中，射线转换部3为一体式结构，由同时具有闪烁体和半导体性质的材料制成，例如：铅基金属卤化物钙钛矿材料，从而使得该射线转换部3能够同时转换电子空穴对和可见光光子，以分别与计数式探测器1和积分式探测器2相对应。
在本发明的一个实施例中，优选地，如图2所示，在第一方向(即图2中的X方向)上，射线转换部3的两端分别设有电子阻挡层301和空穴阻挡层302。其中，电子阻挡层301用于阻挡电子，使空穴能够顺利通过，可选用N-二苯基-N，N-二(3-甲基苯基)联苯胺(Poly-TPD)；类似的，空穴阻挡层302用于阻挡空穴，使电子能够顺利通过，可选用PCBM、C60、钙钛矿与有机物的复合涂层等，厚度为0.1～10um。由此，可提高电子空穴对的流动效率，进而提高光子计数图像的采集效果，有利于后续的图像重建。
在上述实施例中，计数式探测器1与积分式探测器2外整体包裹有防水层(图中未示出)，该防水层包括但不限于PI膜、PET膜、蒸镀派瑞林膜或复合涂层；其中，所述复合涂层由上述PI膜、PET膜、蒸镀派瑞林膜配合SiO2、TiO2、Al2O3等致密无机防水膜组成。利用该防水层可提高整个能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器的防水防潮性能，提高了使用的安全性。
在上述实施例中，该X射线探测器还包括电源4和透明电极5。其中，透明电极5设置于射线转换部3的远离电子元件11的一侧，电源4的一极与透明电极5连接，电源4的另一极与计数式探测器1连接，以形成用于驱动电子空穴对的电场。利用该电场能够为电子空穴对的移动提供驱动力，以提高电子空穴对的移动效率。
如图1所示，在上述实施例中，该X射线探测器还包括图像处理部6，图像处理部6与计数式探测器1连接，以接收任意一个像素位置的光子计数图像。图像处理部6还与积分式探测器2连接，以接收同一时刻同一像素位置的能量积分图像。由此，利用该图像处理部能够对同一时刻同一像素位置的光子计数图像和能量积分图像进行融合处理，从而得到对应于该像素位置的高质量重建图像。
综上所述，本发明第一实施例提供的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，射线转换部3同时具有闪烁体和半导体性质，从而能够同时进行电子空穴对和可见光光子的转换，使得计数式探测器1和积分式探测器2能够共用一种射线转换部。而且，由于在任意一个像素位置，电子元件11、材料单元31和光电元件21在第一方向上一一对应，因此能够对同一时刻同一像素位置的两种探测信号进行图像处理，从而获得高质量的重建图像。
<第二实施例>
图3所示为本发明第二实施例提供的一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其至少包括：计数式探测器1和积分式探测器2。与第一实施例不同的是，本实施例中，射线转换部3为双层结构。
具体的，在本实施例中，射线转换部3包括第一转换部310和第二转换部320。其中，第一转换部310由半导体材料制成，设置于电子电路板12与可见光电路板22之间，以接收X射线并转换为电子空穴对。可以理解的是，本实施例中，电子元件11、电子电路板12以及第一转换部310共同形成所述计数式探测器。
类似的，第二转换部320由闪烁体材料制成，并贴合在第一转换部310的远离电子电路板12的一侧，以接收X射线并转换为可见光光子。可以理解的是，本实施例中，光电元件21、可见光电路板22以及第二转换部320共同形成所述积分式探测器。
在本发明的一个实施例中，优选地，选择第二转换部320的制作材料时，不仅需要具有闪烁体性质，还需要具有空穴阻挡能力，以供电子通过。更优地，在第一转换部310的远离所述第二转换部320的一侧设有电子阻挡层，以阻挡电子通过。由此，可提高电子空穴对的流动效率。
本实施例除上述区别点之外，其余结构与第一实施例均相同，在此不再赘述。
<第三实施例>
图4所示为本发明第三实施例提供的一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其至少包括：计数式探测器1和积分式探测器2。本实施例与第一实施例的区别之处在于，本实施例中的计数式探测器与积分式探测器共用同一块公共电路板10。
具体的，在本实施例中，该公共电路板10上预设有电子读出电路和可见光读出电路；而且，在公共电路板10的表面沿第二方向(即图4中的Y方向)排列有至少一列像素化光电元件21，且每一个光电元件21所在的像素位置上均设有一个电子元件11；任意一个光电元件21均与可见光读出电路连接，任意一个电子元件11均与电子读出电路连接。相应的，射线转换部3设置于公共电路板10上，并使至少一列像素化材料单元31与至少一列像素化光电元件21一一对应。需要理解的是，在本发明的一个实施例中，该射线转换部3上也可以不设置像素化材料单元31，直接由具有闪烁体和半导体性质的材料形成整体结构。
可以理解的是，本实施例中，电子元件11、公共电路板10以及射线转换部3共同构成所述计数式探测器1；光电元件21、公共电路板10以及射线转换部3共同构成所述积分式探测器2。
此外，可以理解的是，由于计数式探测器1和积分式探测器2共用同一块公共电路板10，因此，本实施例中的透明电极5设置于射线转换部3的远离电子元件11的一侧(即图4中的C侧)。
本实施例除上述区别点之外，其余结构与第一实施例均相同，在此不再赘述。
需要说明的是，本发明中的各个实施例或变形例均采用相关的方式描述，各个实施例或变形例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例或变形例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，但它们都是基于能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器的工作原理实现的，在此就不一一赘述了。
在上述各个实施例提供的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器的基础上，本发明进一步提供一种CT机。如图5所示，该CT机中的CT探测器可以采用本发明所提供的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器实现，其它组件如球管、机架等都可以采用现有技术中的常规设计实现，在此就不具体说明了。
上面对本发明所提供的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器及相应的CT机进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (11)

1.一种能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于包括：
计数式探测器，具有至少一列像素化电子元件，以获取光子计数图像；
积分式探测器，沿第一方向层叠设置于所述计数式探测器的一侧，并具有至少一列像素化光电元件，以获取能量积分图像；在任意一个像素位置上，所述电子元件与所述光电元件在所述第一方向上一一对应；
其中，所述计数式探测器与所述积分式探测器共用一个射线转换部，所述射线转换部能够接收所述X射线并转换为电子空穴对，以输送至所述电子元件；所述射线转换部还能够接收所述X射线并转换为可见光光子，以输送至所述光电元件。
2.如权利要求1所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于所述计数式探测器还包括：
电子电路板，所述电子电路板上预设有电子读出电路；
所述至少一列像素化电子元件沿第二方向排列在所述电子电路板上靠近所述积分式探测器的表面，任意一个所述电子元件均与所述电子读出电路连接；
其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一方向垂直于所述电子电路板的表面。
3.如权利要求2所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于所述积分式探测器还包括：
可见光电路板，所述可见光电路板上预设有可见光读出电路；
所述至少一列像素化光电元件沿所述第二方向排列在所述可见光电路板上靠近所述电子电路板的表面，任意一个所述光电元件均与所述可见光读出电路连接。
4.如权利要求3所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于，所述射线转换部为一体式结构，由同时具有闪烁体和半导体性质的材料制成。
5.如权利要求4所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于，在所述第一方向上，所述射线转换部的两端分别设有电子阻挡层和空穴阻挡层。
6.如权利要求3所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于所述射线转换部包括：
第一转换部，设置于所述电子电路板与所述可见光电路板之间，并由半导体材料制成，以接收所述X射线并转换为电子空穴对；
第二转换部，贴合在所述第一转换部的远离所述电子电路板的一侧，并由具有空穴阻挡能力的闪烁体材料制成，以接收所述X射线并转换为可见光光子。
7.如权利要求1所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于，
所述计数式探测器与所述积分式探测器共用同一块公共电路板，所述公共电路板上预设有电子读出电路和可见光读出电路；
所述公共电路板的表面沿第二方向排列有至少一列像素化光电元件，每一个所述光电元件所在的像素位置上均设有一个电子元件；任意一个所述光电元件均与所述可见光读出电路连接，任意一个所述电子元件均与所述电子读出电路连接；
所述射线转换部设置于所述公共电路板上，以接收所述X射线并转换为电子空穴对和可见光光子。
8.如权利要求1所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于，所述计数式探测器与所述积分式探测器外整体包裹有防水层，所述防水层至少包括PI膜、PET膜、蒸镀派瑞林膜或复合涂层。
9.如权利要求1所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于还包括电源和透明电极，所述透明电极设置于所述射线转换部的远离所述电子元件的一侧，所述电源的一极与所述透明电极连接，所述电源的另一极与所述计数式探测器连接，以形成用于驱动电子空穴对的电场。
10.如权利要求1所述的能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器，其特征在于还包括图像处理部，所述图像处理部与所述计数式探测器连接，以接收任意一个像素位置的光子计数图像，所述图像处理部还与所述积分式探测器连接，以接收同一时刻同一像素位置的能量积分图像，并对同一时刻同一像素位置的所述光子计数图像和所述能量积分图像进行融合处理。
11.一种CT机，其特征在于包括权利要求1～10中任意一项所述能量积分与光子计数混合成像的X射线探测器。
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Assignee: Nanovision (Shanghai) Medical Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANOVISION TECHNOLOGY (BEIJING) Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980034463

Denomination of invention: An X-ray detector and CT machine for hybrid imaging of energy integration and photon counting

License type: Exclusive License

Record date: 20230407

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