CN1961220A - 校正两参数谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理领域，具体涉及X射线或伽马射线光谱测定法。本发明还涉及用于校正两参数谱的方法和改进的处理器件。

Description

校正两参数谱的方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体涉及X射线或伽马射线光谱测定法。

该技术使用常常包含载荷子聚集缺陷的半导体探测器。

背景技术

在入射辐射光谱测定法中，尝试确定由X或伽马光子的相互作用产生的载荷子的量。

为此，使用电极将电场施加到半导体材料，以便排出这些电荷并感应具有与电荷的量成比例的振幅的电信号。不幸地，半导体的不完全的输运特性致使该载荷子的量的测量是困难的：事实上，部分电荷没有到达电极。这是不完全聚集的问题。

为校正该不完全聚集而提出的一种技术利用，除振幅的测量之外，对所获得的电信号形状上的一个或多个其他参数(例如，其上升时间)的测量，使之可以特别地回到半导体介质中的光子相互作用的位置。由于聚集效率的校准作为相互作用位置的函数，那么可以确定通过光子实际上沉积的电荷。

在法国专利申请FR2738919或文献FR2738693中公开了这种类型的方法的例子。

这种类型的校正方法在于测量与器件的电极连接的电荷前置放大器的输出处获得的电信号的振幅和上升时间，然后同时记录该两个量。在称作两参数谱的二维直方图中存储该数据。

然后对两个基准能量E1和E2进行振幅/时间关系的校准，该两个基准能量E1和E2已知存在于放射性的校准源中。

以此方式，获得两个振幅/时间校准曲线A1(T)和A2(T)，然后用它们纠正整个谱的电荷损失，并估计与各个振幅/时间对相等的能量。

E＝Gain(T)A+Shift(T)，

其中

E＝Gain(T)A+Shift(T)，

With

Gain(T)＝(E₂-E₁)/(A₂(T)-A₁(T))，

Shift(T)＝E₁-Gain(T)A₁(T)

通过该技术校正对应于各个相互作用的所有振幅/时间对，该技术我们用术语“位似(homothety)”来命名。

但是，该方法导致过分减少两参数谱中包含的信息。

因此，图1示出了原始的两参数谱，具有Y轴上的上升时间T，以及X轴上的振幅A。

这类谱包含两条其他信息：能量(如文献FR2738919所述)和光子数n。

因此，图1中互相重叠的两个分散图10和11对应于两个不同的能量Ea和能量Eb。

事实上，完全的图示是由一组三维曲线构成的三维图示，如图2中13，14和15所标示的，对于每个给定的能量，每个曲线提供与信号的上升时间T和振幅A有关的光子数n。

图3示出通过所谓的“位似”方法校正的两参数谱。由于该位似校正，其振幅互相重叠的分散图10和11被转变为与所述的两个不同能量Ea和Eb对应的两个另外分开的振幅分散图10a和11b。

但是，该校正的两参数谱包含减少的信息：可以看出，相较于图1的图示，与分散图10和11有关的信号相比较，与分散图10a和11b有关的信号被加宽。

如果图1的分散图10和11更加类似，那么图3的两个分散图10a和10b会互相重叠。

因此位似校正不能完全令人满意。因此由位似方法得到的能谱不能使用存在于两参数谱中的所有信息。

这导致不可能正确地使用低振幅脉冲，尽管在给定的能量峰值处，它们可以被探测和识别。

因此出现了发现改进的校正方法和器件的问题，该方法和器件使得能够更全面地使用两参数谱中包含的信息。

发明内容

根据本发明，不可以估计对应于与其它脉冲分开的一个脉冲的能量。

首先，发明的目的是一种用于处理两参数谱的方法，该方法包括：

-选择用于谱的谱图参数和初始校正函数，

-对于根据该参数选择的任何谱图，通过将该选择的谱图乘以等于已校正的谱图的至少一部分的总和的校正函数进行校正操作。

所述两参数谱可以是例如时间-振幅型。所述谱图参数可以是谱的上升时间，所述谱图能够按上升时间的降序或更好地以精确度或分辨率的降序被选择。

根据本发明的方法施加的信号可以是已经通过位似处理或校正的信号或两参数谱。

初始校正函数例如是均匀分布。

所述校正操作还可以包括归一化步骤。

因此根据第一选择，所述校正操作还可以包括除以所述校正函数的积分的除法。

根据第二选择，所述校正操作还可以包括将所选择谱图的积分与所选谱图的另一积分的比率乘以所述校正函数的另一乘法运算。

根据第三选择，所述谱表示横穿各个上升时间通道和各个振幅通道改变的光子数的分布，所述分布利用测量的紧密不确定性来确定，所述校正操作还可以包括局部的归一化步骤，其包括：

-将所述选择的谱图除以所述校正函数和所述不定性函数的卷积(convolution)，

-使用取决于所述测量不确定度的所谓不定性函数，通过所选择谱图中的光子数分布的振幅通道的振幅通道重新分布步骤。

所述不定性函数例如可以是其标准偏差取决于所述测量不确定度的高斯型。

本发明还涉及一种用于处理例如时间-振幅型的两参数谱的器件，包括：

-用于选择该谱的谱图参数和初始校正函数的装置，

-对于根据该参数选择的任何谱图，用于通过将该选择的谱图乘以等于已经校正的和归一化的谱图的至少一部分的总和的校正函数执行校正操作的装置。

根据一个特定的实施例，该处理器件还可以包括用于根据分辨率品质标准分类谱的所有谱图的装置，以及用于根据分辨率品质的升序或降序选择谱的谱图的装置。

根据本发明的处理器件还可以包括用于通过位似校正谱的装置。

本发明还涉及用于处理两参数谱的器件，包括：

-用于选择该谱的谱图参数和初始校正函数的装置，

-用于实现根据本发明和先前所述的谱处理方法的编程装置。

在本发明的范围内还可以预期的是医学成像器件，包括：半导体探测器或半导体探测器的矩阵，用于获得两参数谱的装置，根据本发明处理两参数谱的器件，用于显示与两参数谱的处理相关的信息的装置。

附图说明

图1-3示出了两参数谱；

图4是根据本发明方法的步骤的示意图；

图5和6示出了通过根据本发明的方法获得的谱的例子；

图7和8示出了用于实现根据本发明的方法的器件。

具体实施方式

下面将结合图4的流程图描述根据本发明的示例性方法。

在第一步骤S1中，假定获得两参数谱。

如早先在现有技术的介绍中所解释的，所述获得的两参数谱特别地包含与横穿各个振幅通道和各个上升时间通道的光子数n的分布有关的信息。用于给定的上升时间通道和用于谱的给定振幅通道的光子数对应于一对(信号的上升时间，振幅)的频率或出现数目。因此，为了指明谱的给定振幅通道和上升时间通道的光子数n，贯穿本说明书都使用术语“命中数”。

获得的谱例如可以是如图1所示的谱或如图3所示的通过位似校正的谱。

然后(步骤S2)，从谱的参数如上升时间参数以及通过被写为C₀的分布例如均匀分布初始化的校正函数(步骤S3)当中，选择给定的谱图参数(profile parameter)。

步骤S2和S3可以同时或以任意顺序进行。

然后进行迭代处理，在此过程中，根据步骤S4，被写为D₀的两参数谱的第一分布或第一谱图被选择为恒定的谱图参数。该选择例如可以是具有恒定上升时间的谱的谱图，对于给定的上升时间，其将对应于横穿各种振幅通道的光子数n的分布选择。

这种谱图的选择可以满足一个或多个标准，以及通过绘制垂直于图1中的y轴的水平线可以被示出。

在该两参数谱上，恒定上升时间谱图对应于一组离散的数字化的值。是在数字化形成两参数谱的测量结果的过程中，进行精确选择。该精确度对应于数字化步骤，具体其可以基于上升时间的测量中的不确定性来选择。

优选，选择包括高强度峰的谱图，例如，包括最高强度峰的谱图，该最高强度峰如由图1中的穿过峰P(其强度与谱图像的灰度级成正比)的水平线y₀限定。

该选择可以根据用于谱图的分辨率标准进行。例如，可以从谱的所有恒定上升时间谱图中选择出具有最高分辨率的谱图。因此，可以基于包含一个或多个最“精确”峰的上升时间通道开始处理。为了能够进行这类选择，可以在步骤S4之前例如在该方法的步骤S2之后立即进行谱的各个谱图的根据分辨率标准的分类，其中每个谱图是恒定的上升时间谱图。具体可以相对于每个谱图中包含的峰的中高度处的全宽度来计算该分辩率。

然后，至少通过乘以初始化为分布C₀的校正函数校正该第一谱图D₀(步骤S6)。

然后获得被至少部分地校正的谱图，被写为D′0：

D′₀＝D₀×C₀

可以通过被称作“归一化”的步骤(步骤S5)完成该校正，该步骤可以在乘法步骤S6之前、同时或之后进行。校正的和归一化的谱图将被写为 D′ ₀。

根据第一选择性实施方式，该归一化为将第一至少部分地校正的谱图D′₀除以校正函数C₀的所有振幅通道上的积分(将写为∑C₀)，以使得：

${{\underset{\‾}{D}}_0}^{\′}=D_0\×\frac{C_0}{\mathrm{\Σ}{C}_0}---\left(1\right)$

在之前的表达式(1)中，如本说明书的整个其它部分，‘∑’表示所有通道上的总和。

根据第二选择性实施方式，与第一选择性实施方式相比被改进，归一化步骤S6可以为第一校正的谱图D′₀乘以第一谱图的所有振幅通道上的积分(写为∑D₀)和第一校正谱图在所有振幅通道上的积分(写为∑D₀×C₀)的比率(写为 $\frac{\mathrm{\Σ}{D}_0}{\mathrm{\Σ}{D}_0\×C_0}$ )，以便

${{\underset{\‾}{D}}_0}^{\′}=D_0\×C_0\×\frac{\mathrm{\Σ}{D}_0}{\mathrm{\Σ}{D}_0{\×C}_0}$

由此该第一校正和归一化的谱图中包含的光子数的计数将与校正之前的谱图D₀的相同。

然后，在归一化之后，修改初始化为C₀的校正函数(步骤S7)。通过向其增加第一校正谱图来对其进行增加。由此形成被写为C1的新校正函数，以使得：

C₁＝C₀+ D′₀

该校正函数C1可以用作其它恒定上升时间谱图的校正函数，并使得可以考虑与第一校正谱图有关的信息。

然后对两参数谱的另一恒定上升时间谱图进行步骤S4至S7过程中进行的这类处理。由此，首先选择第二恒定的上升时间谱图D1，例如通过进入减小的上升时间的方向，从第一谱图开始，或例如根据分辨率标准，例如通过从剩下的要被处理的谱的所有恒定上升时间谱图中选择具有最高分辨率的谱图。

然后将第二谱图乘以修改的校正函数C₁(步骤S9)，修改的校正函数C₁由初始校正函数C₀与第一校正谱图 D′ ₀的总和构成。由此获得第二个至少部分地校正的谱图D ′1：

D′₁＝D₁×C₁

D′₁＝D₁×[C₀+ D′₀]

用和处理第一谱图同样的方法，可以以用于第一谱图的类型并且可以与乘法步骤S9同时进行用于第二谱图的第二归一化步骤(步骤S10)。

在已经使用了步骤S6中的第一选择性归一化的情况下，该第二归一化为将第二至少部分地校正的谱图除以新校正函数C₁的所有振幅通道上的积分。

D′₁＝D′₁/∑C₁

D′₁＝(D₁×C₁)/∑C₁

D′₁＝(D₁×[C₀+ D′₀])/∑[C₀+ D′₀]

在已经使用了步骤S6中的第二选择性归一化的情况下，该第二归一化可以为将第二校正谱图D′1乘以第二谱图D1在所有振幅通道上的积分(写为∑D₁)与第一校正谱图在所有振幅通道上的积分(写为∑D₁×C₁)的比率，以使得：

${{\underset{\‾}{D}}_1}^{\′}={D_1}^{\′}\×\frac{{\mathrm{\ΣD}}_1}{\mathrm{\Σ}{D_1\×C}_1}$

${{\underset{\‾}{D}}^{\′}}_1=D_1\×C_1\×\frac{\mathrm{\Σ}{D}_1}{\mathrm{\Σ}{D}_1{\×C}_1}\mathrm{with}{C}_1=[C_0+{{\underset{\‾}{D}}^{\′}}_0]$

${{\underset{\‾}{D}}^{\′}}_1=D_1\×[C_0+{{\underset{\‾}{D}}^{\′}}_0]\×\frac{\mathrm{\Σ}{D}_1}{\mathrm{\Σ}{D}_1\×[C_0+{{\underset{\‾}{D}}^{\′}}_0]}$

对于接连选择的所有谱图更新刚才描述的操作。因此首先每个谱图D_k乘以考虑了先前校正的和然后归一化的谱图的校正函数C_k，以使得：

D′_k=D_k×C_k，，对于与

C_k=C_k-1+ D′_k-1相乘， D′_k-1是在谱图D_k之前被立即校正和归一化的谱图，以及

在采取第一归一化选择实施方式的情况下，

${{\underset{\‾}{D}}_k}^{\′}=D_k\×\frac{C_k}{\mathrm{\Σ}{C}_k}$

被用于归一化，或

在采取第二归一化选择性实施方式的情况中，

${{\underset{\‾}{D}}^{\′}}_k=D_k\×C_k\×\frac{\mathrm{\Σ}{D}_k}{\mathrm{\Σ}{D}_k{\×C}_k}$

被用于归一化。

以此方式处理两参数谱的所有恒定上升时间谱图。在处理所有谱图之后，校正最后的两参数谱(步骤S_N)。

该方法最后获得的校正函数将被写为C_N。函数C_N-C₀，即从最后的校正函数C_N减去初始分布C₀，本身对应于根据校正的两参数谱对所有上升时间重复构建的能谱。

根据本发明的方法可以与先前描述的现有技术的介绍中的位似处理方法相结合。

在两参数谱预先通过位似处理的情况下，可以用以下方法进行：

获得两个参数(典型地振幅A和上升时间T)，然后对两个基准峰进行校准，使得可以校准gain(T)和shift(T)。

然后在基准峰之一的帮助下，谱的各个上升时间通道被分类，典型地从最精确(其谱图具有最佳分辨率)到最不精确。然后，重复地构建能谱。

对于两参数谱的每个上升时间T，根据以下方法处理各个通道：

1)对于给定的上升时间，根据定律E＝gain(T)A+Shift(T)校正每个振幅通道，即，根据位于E的定律(适当类型，例如，高斯增益宽度(T)×1通道)重新分布该通道命中数。因此，对于所述给定上升时间，位似地校正谱的谱图D_k。

2)通过将该谱图或该分布D_k乘以由于先前校正的分布获得的校正函数C_k考虑在先的知识。

3)所得的分布D′_k被归一化以便为其分配等于要被校正的通道命中数的命中数。

4)通过向其添加校正的和归一化的分布 D′_k修改该校正函数C_k。

5)重复该过程，以便处理两参数谱的所有点。

在处理的结尾，获得最终校正函数，被写为C_N。被写为C_N-C_-0的函数等于从最终校正函数减去初始校正函数，并且对应于通过所有上升时间的累积总数获得的所述能谱。

应当注意可以通过均匀分布初始化该校正函数，以便表明没有初始知识。

校正函数中最初包括的光子数的计数或命中数对应于统计上可靠的量，因此是重要的信息。

与开始的两参数谱无关，用于各个上升时间的处理时间线(timeline)可以被预先选择。

优选以谱的最精确点开始。要这样做，通过精确度的顺序分类两参数谱的各个点，这种分类不一定与上升时间值的算术顺序有任何相关性(换句话说被分类的点并不一定在谱上并置)。16标示的谱对应于使用根据本发明的方法校正的两参数谱的所有上升时间的和并对应于在根据本发明的方法的结尾获得的减去了初始校正函数C₀的校正函数C_N的图示。

可以较不严格地应用本原理，由此根据上升时间的降序选择处理时间线，已知在对应于高信号振幅的谱区中的谱图一般比对应于低振幅的谱区中的谱图更精确。

对于其他原因，可以选择任意增加或随机或预定的顺序。

根据本发明的方法的另一例子由于将被写为G的不定性函数而在两参数谱的处理过程中使用局部归一化。

在该示例性方法中，例如用采用基于分辨率标准的预先建立的分类的顺序校正两参数谱的每个恒定上升时间谱图。

对于给定的选择的恒定上升时间谱图D_k(例如由绘制垂直于图1中的y轴的水平线表示)，根据以下方法，对于所有各个振幅通道，相继地处理所述谱图：

对于给定振幅通道i，(例如，由垂直于图1中的x轴的垂直虚线表示)

1)选择用于所述给定振幅通道i的谱图D_k中包含的命中数或光子，其写为D_k(i)。

2)根据所述不定性函数，重新分布该数目，其以所述给定振幅通道i为中心，且因此将被写为G_i。

该不定性函数例如可以是其标准偏差取决于测量的不确定性的高斯分布，这使得可以获得两参数谱。

3)该重新分布的结果被乘以校正函数C_k并被归一化。如先前所描述的，通过加和先前处理的和校正的恒定上升时间分布，可以获得校正函数C_k。至于归一化，可以除以中心不定性函数Gi乘以校正函数Ck的乘积在所有振幅通道上的积分，积分将被写为∑G_i×C_k，i对应于所述给定的振幅通道。

以局部方式执行的该归一化使得在最后校正的谱中可以保持命中的数目D_k(i)。然后对所有振幅通道重复刚才描述的处理。

然后为所有通道产生总数，以便获得校正的和归一化的将被写为 D′ _k的谱图。

${{\underset{\‾}{D}}_k}^{\′}\left(u\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}D\left(i\right)\×\frac{\mathrm{Gi}\left(u\right)C\left(u\right)}{\underset{v}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Gi}\left(v\right)C\left(v\right)}$

为了合计刚才进行的处理，根据分布G_i×C_k，其对应于每个通道i周围的校正函数的局部选择，在靠近通道i的区域中重新分布用于每个通道i的命中数。以此方式，每个通道的命中被防止在远离它们被最初定位的谱区的谱区中以及这些命中的存在极少或没有物理重要性的谱区中重新分布。

谱的谱图D_k的处理也可以被写为：

${{\underset{\‾}{D}}^{\′}}_k=(\frac{D_k}{C_k*G}*G)\×C_k$

其中′^*′表示卷积。

该处理为每个恒定上升时间谱图提供，然后通过向校正函数C_k添加刚被校正的谱图来增加该校正函数Ck。

然后对于另一恒定上升时间谱图重复该处理。当两参数谱的所有恒定上升时间谱图被校正时，在处理结束时获得被写为C_N的最终校正函数。等于从最终校正函数减去初校函数的写为C_N-C₀的函数，对应于通过所有上升时间的累积总数获得的所述能谱。

图5示出通过根据本发明的方法校正的两参数谱，其类似于先前描述的由位似处理所得的图3的类型。在该图中，可以看到获得了两个分开的分散图10c和11d，与图3中的相比其被更精细地和更好地分开。

图6示出由15和16标记的两个能谱，分别为图3所示类型的第一两参数谱和图5所示类型的另一两参数谱沿y轴的方向的投影获得。源于根据本发明的处理方法的谱16的分辨率比标记为15的谱更好，这使得可以更好的区别两个能量E_a和E_b。

根据本发明的方法可以借助于图7所示的器件来实现。

图7中的参考标记100指示布置于检测平面中的半导体检测元件102的矩阵。

图8示出了用于半导体探测器的结构的例子。后者包括装备有集成电子电路32并且上面安装了多个检测元件34的平台30。

检测元件34每个为具有两个平行相对的面的半导体块的形式，在平行相对的面上设置电极。施加到电极的电场使之可以迁移载荷子，即通过辐射与半导体相互作用形成的电子和空穴。该电极(图中未示出)还被设置以便接收电荷并将它们传输到平台30的集成电路用于形成检测信号。

通过检测元件发射的信号被导向第一集成电路，例如专用集成电路(ASIC)110。该电路包括用于每个检测元件的信号放大路径和用于该路径的多路复用装置。

设置第二电路112以确定每个信号的振幅和上升时间以及格式化对应于这些量值的数据以及表示事件坐标(event coordinate)的数据。该事件坐标与检测平面中的相应检测元件的位置相关联。象电路112这样的电路在文献FR2738919中进行了描述。

根据本发明的处理方法可以被应用于这样的两参数谱，其具有作为形状参数的不同于上升时间的参数，例如从所述电极导出的阴极信号与阳极信号比参数。

该数据被导向计算机114，计算机114用来执行与校正阶段相关的计算和处理以及用来从获取阶段过程中的数据构建图像(例如，医学图像)。图像被显示在屏幕116上。

计算机被设计或编程，以根据本发明的方法校正两参数谱。

用于实现该方法的数据可以存储在计算机114中或由图7中的参考标记120表示的存储器中。在获取阶段过程中，电路110和112仍然从检测元件信号建立振幅、上升时间和事件坐标数据。

通过如上所述的处理可以获得如图6那样的谱。在获取操作过程中，它可以显示在屏幕116上。根据本发明的器件和方法可以在如专利申请FR2790560的引言中所述的核医学中执行的医学检查的环境中使用，或用于天体物理学的观察，用在原子核区(例如，放射性废物流的观察)，或用在非破坏性试验的领域中。

在整个先前的描述中，已经用两参数(时间、振幅)谱的例子描述了本发明。通过上升时间的测量或者还通过振幅的阳极与阴极比率的测量可以估计半导体介质中的光子的相互作用深度。本发明也应用于两参数谱的任何其他例子。

Claims (15)

1.一种用于处理两参数谱的方法，包括：

选择用于所述谱的谱图参数和初始校正函数；

对于根据该参数选择的任何谱图，通过将该选择的谱图乘以等于已经校正谱图的至少一部分的总和的校正函数来进行至少校正操作。

2.根据权利要求1的方法，其中所述两参数谱是上升时间一振幅谱，所述谱图参数是所述谱的上升时间。

3.根据权利要求2的方法，根据所述上升时间的降序选择所述谱图。

4.根据权利要求2的方法，还包括以下步骤：

根据分辨率品质标准来分类所述谱的所有谱图，根据分辨率品质的降序选择所述谱图。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其中所述两参数谱是预先通过位似校正的谱。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，其中所述初始校正函数是均匀分布。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，其中所述校正操作还包括用于所述校正函数的归一化步骤，所述归一化步骤包括除以所述校正函数的积分。

8.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，其中所述校正操作还包括由所述选择谱图的积分与所述选择谱图的另一积分的比率乘以所述校正函数的乘法运算构成的归一化步骤。

9.根据权利要求2至6中的一项所述的方法，其中所述谱表示横穿各个上升时间通道和各个振幅通道变化的光子数的分布，所述分布利用紧密的测量不确定度来确定，所述校正操作进一步还包括局部的归一化步骤，其包括：

将所选择的谱图除以所述校正函数和所述不定性函数的卷积；

使用取决于所述测量不确定度的所谓不定性函数，通过所选择谱图中的光子数分布的振幅通道的振幅通道重新分布步骤。

10.根据权利要求9的方法，所述函数是其标准偏差取决于所述不确定性的高斯型函数。

11.一种用于处理两参数(时间-振幅)谱的器件，包括：

用于选择所述谱的谱图参数和初始校正函数的装置；

对于根据该参数选择的任何谱图，用于通过将该选择的谱图乘以等于已经校正的和归一化的谱图的至少一部分的总和的校正函数执行校正操作的装置。

12.根据权利要求11的器件，还包括：

用于根据分辨率品质标准分类所述谱的所有谱图的装置；

用于根据分辨率品质的升序或降序选择所述谱的谱图的装置。

13.根据权利要求11或12的一项所述的器件，还包括用于通过位似校正所述谱的装置。

14.一种医学成像器件，包括：

半导体探测器或探测器的矩阵；

用于获取两参数谱的装置；

如权利要求11至13中的一项所述的用于处理两参数谱的器件；

用于显示与该两参数谱的处理相关的信息的装置。

15.一种用于处理两参数谱的器件，包括：

用于选择所述谱的谱图参数和初始校正函数的装置，

用于执行如权利要求1至10中的一项所述的方法的编程装置。

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