专利名称：用于在像素化图像探测器中提供共享电荷的系统和方法
用于在像素化图像探测器中提供共享电荷的系统和方法
背景技术：
本文公开的主题通常涉及图像探测器，更具体地涉及像素化固态图像探测器以及利用所述探测器的光子探测。用于诊断成像系统的探测器，例如用于单光子发射计算机断层照相(SPECT)和计算机断层照相(CT)成像系统的探测器，常常由半导体材料制成，其中例如碲化镉锌(CdZnTe，常常称之为CZT)、碲化镉(CdTe)和硅(Si)。这些半导体探测器典型地包括像素化探测器模块的阵列。像素化固态伽马射线探测器的空间分辨率由探测器像素的尺寸来限定。最小的像素尺寸还由固体物理学和工程学来限定。在CZT探测器中的伽马射线相互作用期间，在连续的阴极和像素化阳极之间逐渐形成电荷云。该云生长朝向探测器的阳极侧移动。在常规系统中，将每个像素阳极连接到前置放大器和每像素大量的读出通道(例如256个读出通道)上。因此，随着像素尺寸减 少以提高空间分辨率，总读出通道的数量增加，从而增加了电子设备、控制器、成本以及热产生的复杂度。因此，用相对大的像素尺寸来制造使用直接转换半导体材料(例如CZT或者CdTe)的伽马和X射线探测器，以减少电子设备的复杂度(例如减少特定用途集成电路(ASIC)复杂度)并且减少或者避免在相邻像素之间共享的电荷云。然而,对于X射线和CT应用来说，这个大像素尺寸表现得并不令人满意。另外,在SPECT系统中，图像性能直接与探测器像素的数量相关。

发明内容
根据各种实施例，提供了用于控制像素化固态光子探测器的电荷分布的方法。该方法包括在配置中为像素化固态光子探测器提供多个像素使得通过至少两个像素来探测电荷分布，并且从所述至少两个像素获得电荷信息。该方法还包括基于所获得的电荷信息来确定电荷分布与多个像素相互作用的位置。根据其它的实施例，提供了包括半导体衬底和半导体衬底的一个表面上的多个阳极像素的像素化固态光子探测器。所述阳极像素中的每一个在至少一个方向上具有拉伸长度。像素化固态光子探测器还包括与多个阳极像素相反的半导体衬底的另一个表面上的阴极。根据另一些实施例，提供了包括半导体衬底和半导体衬底的一个表面上的多个阳极像素的像素化固态光子探测器。所述阳极像素中的每一个被划分成多个子像素。像素化固态光子探测器还包括与多个阳极像素相反的半导体衬底的另一个表面上的阴极。


图I是根据各种实施例形成的像素化探测器的一部分的简化的横截面视图。图2是根据各种实施例的、用于控制像素化探测器的多个像素化元件间的电荷分布的方法的流程图。图3是根据一个实施例形成的像素化光子探测器的顶部透视图。
图4是包括图3的多个像素化光子探测器的伽马照相机的顶部透视图。图5是根据各种实施例形成的像素化探测器的俯视图并且示出了不同的像素配置。图6是根据各种实施例形成的像素化探测器的俯视图并且示出了行和列连接布置。图7是根据各种实施例形成的、具有拉伸像素的像素化探测器的俯视图。图8是根据各种实施例的、利用像素化探测器确定电荷相互作用的位置的方法的流程图。图9是说明根据各种实施例形成的像素连接布置的图示。 图10是说明根据各种实施例形成的另一种像素连接布置的图示。图11是说明根据各种实施例的电荷探测的图示。图12是说明不具有通道组合的电荷探测的图示。图13是说明在y轴上没有位置插值情况下的电荷探测的图示。图14是说明根据各种实施例的、使用错开的阳极的电荷探测的图示。图15是说明根据各种实施例的、使用错开和拉伸的阳极的电荷探测的图示。图16是根据各种实施例形成的、具有拉伸像素的像素化探测器的俯视图。图17是根据说明成对连接的阳极像素的各种实施例形成的具有拉伸像素的像素化探测器的俯视图。图18是根据各种实施例形成的、在二维阵列中具有拉伸像素的像素化探测器的俯视图。图19是根据具有电阻层的各种实施例形成的像素化探测器的一部分的简化的横截面视图。图20是根据具有像素化阳极和像素化阴极的各种实施例形成的像素化探测器的一部分的横截面视图的图示并且说明了相互作用的深度(D0I)。图21是根据各种实施例形成的两层像素化探测器的一部分的横截面视图的图
/Jn ο图22是说明根据各种实施例形成的多层交叉带探测器的图示。图23是根据各种实施例构建的、示范的核医学成像系统的透视图。图24是根据各种实施例构建的核医学成像系统的框图。
具体实施例方式当和附图一起阅读时，将会更好地理解前述的发明内容以及下面某些实施例的详细描述。就

了各种实施例的功能块的图示来说，功能块不一定表示硬件电路之间的划分。因此，例如一个或多个功能块(例如处理器或存储器)可以在单个硬件(例如通用信号处理器或随机存取存储器、硬盘等等)或者多个硬件中实现。同样地，程序可以是独立的程序，可以在操作系统中作为子程序进行合并，可以是安装的软件包中的功能，等等。应当理解，各种实施例不限于图中所示的布置和工具。如文中所使用的，以单数记载的并且以单词“a”或“an”开始的元件或者步骤应当理解为不排除所述元件或者步骤的复数，除非明确声明这种排除。此外，提及“一个实施例”并不打算解释为排除还合并了所记载的特征的其它实施例的存在。此外，除非有明确相反的声明，“包括”或者“具有”拥有特定性质的元件或者多个元件的实施例可包括不具有那种性质的附加的这样的元件。如本文中还使用的，短语“重建图像”并不打算排除其中生成表示图像的数据、但是不是看得见的图像的实施例。因此，如文中所使用的术语“图像”宽泛地指看得见的图像和表示看得见的图像的数据。然而，许多实施例生成或者被配置成生成至少一个看得见的图像。各种实施例提供了用于控制像素化固态(例如半导体)探测器中的电荷分布的系统和方法，以允许探测电荷共享以及利用像素化探测器识别电荷共享相互作用的位置。配置像素化探测器的像素，使得通过至少两个像素或者子像素来探测可由电子电荷云限定的电荷分布。提供了像素化探测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马照相机。在相关的电子设备中没有大量增加的情况下，根据各种实施例形成的像素化探测器提供了更高的空间分辨率。各种实施例中的至少一个实施例的技术效果是提供了更灵敏的成像，例如更灵敏的单光子发射计算机断层照相(SPECT)和 /或X射线或者计算机断层照相(CT)成像扫描仪。另外，当实施各种实施例时，可提供更低功耗水平下的操作。各种实施例还允许提供用于包括像X射线和伽马射线探测器的双用途的像素化探测器。应当注意到，尽管所描述的各种实施例与具有特定部件(包括像素化探测器的特定配置或布置)的核医学成像系统有关，但是各种实施例并不限于核医学成像系统或者本文描述的特定的像素化探测器。因此，可以实现与任何类型的诊断成像系统有关的各种实施例，例如医学诊断成像系统(如CT或X射线系统)、非破坏性试验系统、安全监视系统(如空运行李或机场安全成像系统)等。另外，可修改配置和布置，使得在各种实施例中的至少某些实施例中保持电荷分布的位置和从像素化探测器的阳极接收到的相应信号之间的关系O各种实施例提供了探测光子(例如发射伽马射线光子或透射X射线光子)并且使用配置和布置来根据像素化探测器的像素或者子像素之间的电荷共享识别所探测到的光子的位置的像素化探测器。因此，由于探测到相邻像素间共享的电荷分布，所以可将相邻像素间产生相互作用的电荷包括在如本文详细描述的用于所探测到的伽马射线发射的响应函数中。图I是根据各种实施例形成的像素化探测器30的简化的横截面正视图。像素化探测器30包括由例如碲化镉锌(CZT)晶体或碲化镉(CdTe)的辐射响应半导体材料形成的衬底32。通过沉积多个导电电极以形成多个标识为阳极34的像素电极来限定具有多个像素或子像素的像素化结构(如本文详细描述的)。可通过掩模执行沉积以便限定电极结构。作为备选，在晶体的表面上沉积连续的导电层(例如金属层)，并且通过化学或激光蚀刻、光刻法或者本领域已知的其它方法形成多个电隔离的电极。正如本文详细描述的，阳极34的形状和配置以及每个阳极34之间的间距便于根据由所探测到的光子产生电荷来确定电荷共享相互作用36的位置。正如本文详细描述的，当入射到衬底32上的光子通过电离作用损失能量并且在衬底32的区域中留下成对的流动电子(e_)和空穴(+ )(为简单起见仅示出了一对电子/空穴)时，电荷相互作用36发生。
像素化探测器30还包括在与阳极34相反的衬底32的表面或侧侧上的阴极38，阴极38可由单个阴极电极形成。应当注意到，阳极34可限定像素或者可被划分使得形成子像素。还应当注意到，可以在由阴极38限定的辐射探测表面的前面设置一个或多个准直器。还应当注意到，根据各种实施例，激光蚀刻和光刻法以及其它显微机械加工和纳米技术方法可以创建具有达到次微观计和几个纳米级的精细细节的结构用于使用。图2是用于控制像素化探测器的多个像素化元件、尤其是像素阳极间的电荷分布(也称为电荷云)的方法40的流程图。具体地，在42处，将到达像素化探测器的阳极的电荷量控制为与阳极相互作用的函数。如本文详细描述的，通过限定像素化元件的不同配置和布置(例如通过为像素化元件定形和留间隔)以及连接像素化元件以限定所探测的电荷的位置和阳极信号之间的关系来控制电荷共享。例如通过控制到达阳极的电荷量，例如通过如本文详细描述的为阳极定形，提供了辐射相互作用事件、即电荷共享事件的定位和探测。
在操作中，来自源(例如患者体内衰减的放射性核素或X射线管)的光子(例如发射伽马射线和/或透射X射线)分别碰撞探测器的阴极。尤其是，如图I所示，阴极38可以是单个阴极电极并且阳极34可以是成形的像素电极阵列。在操作期间施加在阳极34和阴极38之间的电压差在衬底32中产生电场(探测器试场)。探测器试场可以是例如大约每厘米 一千伏到每厘米三千伏。当光子入射到衬底32上(碰撞阴极38)时，通过电离作用在衬底32中光子通常会损失所有的光子能量并且在衬底32的小的局部区域中留下成对的流动电子和空穴。取决于光子能量，在与晶体相互作用前，光子通常会透入晶体中。应当注意到，能量越高，光子透入晶体更深的可能性越大。初始电离事件在晶体中产生快速移动的电子Ce-)并且留下正电离的“空穴”。快速移动的电子立刻与其它电子相互作用并且使晶体的更多部分离子化。因此，所产生的电子数量(等于空穴数量)以及电离区的尺寸随光子能量而增加。作为探测器试场的结果，空穴(+)朝向阴极38漂移并且电子(e_)朝向阳极34漂移，据此在阴极38和阳极34上感应电荷。在漂移期间，由于初始剩余速度、随机热运动、相互静电排斥以及与晶体中杂质碰撞而导致电子(以及空穴)分散开。如本文详细描述的，探测阳极34上的感应电荷，并且还确定探测到光子的时间、沉积在衬底32中的被探测到的光子的能量有多少、衬底32中何处发生了光子相互作用。尤其是，如本文详细描述的，为了便于探测伽马和X射线光子以及识别所探测到的像素位置(以及其它电荷信息)，通过为阳极定形来控制到达阳极的电荷量。再次参考图2的方法40，在44处，由如上所述的所探测到的光子产生的电荷产生从多个阳极获得的信号。所述信号与探测到能量(例如由两个相邻阳极共享的能量)的一个或多个阳极(或子像素化阳极)相对应。在46处，使用这个信号信息估计相互作用的位置。根据位置、电荷分布和在具有在此被控制的电荷量的阳极处观察到的信号之间的已知关系来确定位置估计。例如，如本文详细描述的，电荷位置估计可基于来自共享所探测的电荷的两个阳极的估计。另外，在48处，使用例如来自两个阳极的所确定的估计，使用电荷分布的所估计的位置可以确定校正因子。可连同图I所示的像素化探测器、或者例如如图3所示的子像素化探测器50来使用方法40，图3所示的子像素化探测器50可被配置为子像素化半导体光子探测器并且在各种实施例中图3所示的子像素化探测器50由CZT形成。应当注意到，尽管子像素元件被显示为以特定方式被定尺寸和定形(图3中示为分开的正方形电极)，但是可以根据期望或需要来修改电极的尺寸、形状和连接。此外，如下文详细描述的，可以有差别地为像素定尺寸和定形，例如，可以提供锯齿形或Z字形的像素化电极阵列。应当注意到，在各种实施例中，像素化探测器50由CZT或CdTe形成。像素化探测器50包括由半导体材料形成的晶体52。在某些实施例中(如所说明的)，晶体52的晶面54包括单个阴极电极56。晶体52的相反晶面58包括具有阳极像素62阵列的阳极60。阳极像素62可具有实质上相同的尺寸并且被示为分开的正方形，即形成正方形形状的像素62的三角形形状的子像素63。阳极像素62和子像素62的尺寸可在例如O. 01毫米2和4毫米2之间变化。例如，在某些实施例中，像素62具有大约O. 1x0. I毫米或更小的尺寸。阳极像素62的数量还可大于或者小于所示的16个，例如可提供32个阳极像素62。还应当注意到，晶体52的厚度可在小于一毫米到几厘米之间变化。在某些实施例中，使用几个毫米的厚度以便实质上吸收至少大部分碰撞光子。因此，厚度取决于将要探测的光子的能量。 在操作中，如本文详细描述的，施加于阴极电极56和阳极60之间的电压差在晶体52中产生电场。在本领域中使用的像素化探测器中，属于相同事件的电子实质上到达一个阳极。在许多这样的探测器中，如果由事件产生的电子遍布到两个或更多电极，则事件被拒绝或者被错误记录。因而，要将限制放置在这样的探测器的分辨率上，因为像素尺寸必须比电子的散布大很多，否则由于部分地收集电荷导致的事件损失将会发生。在这些探测器中，通过阳极尺寸来确定空间分辨率，因为通过接收由该事件产生的全部或大多数电荷的电极来确定事件的位置。通过实施本发明的各种实施例，提供在至少两个以及可选地更多个电极间的电荷共享，并且基于由如本文所述的多个电极所探测到的电荷、通过算法来确定事件位置。在某些实施例中，电极的尺寸实质上小于电子的散布。在其它实施例中，为电极定形使得由邻近电极共享该电荷。在其他实施例中，有效分辨率比电子散布、电极尺寸或者两者都好。在操作中，当具有能量、典型地为在SPECT、x射线、CT或PET应用中使用的光子的能量的光子入射到晶体52上时，光子通常会与晶体52相互作用，并且通过次级电离过程在晶体52的小的局部区域中产生成对的流动电子和空穴。如本文详细描述的，作为所施加的电场的结果，空穴漂移到阴极56并且电子漂移到阳极60，据此在阳极像素62和阴极56上感应电荷(还被称为电荷云或电子云)。通过探测器底座64内的并且其上安装有像素化探测器50的适当电子电路(例如特定用途集成电路(ASICs))来感测并且部分预处理阳极像素62上的感应电荷。例如，可提供形成读出放大器链的多个通道。探测器底座64包括连接构件，例如用于安装到母板(未示出)并且从ASICs向母板传输信号的连接销66。如本文详细描述的(例如使用行/列求和的方法)，使用来自阳极像素62上的感应电荷的信号来确定电荷信息，包括探测到光子时的任何时间或所有时间、沉积在晶体中的所探测到的光子的能量有多少以及在晶体中何处发生了光子相互作用。然后如本领域已知的可使用这个信息重建图像。图4示出了包括被布置成形成5行4个探测器50的矩形阵列的多个、例如20个像素化探测器50的矩形伽马照相机70。示出的像素化探测器50安装在母板72上。应当注意到，可提供具有更大或更小的像素化探测器50阵列的伽马照相机。还应当注意到，当光子与晶体52的材料相互作用时，通常根据探测器50的晶体52中产生的电子-空穴对的总数量的估计来确定通过像素化探测器50探测到的光子的能量。这个计数通常根据电离事件中产生的电子数量来确定，其使用各种实施例由探测器50的阳极60上收集的电荷来估计。如果通过探测器电极完全地收集了探测器50中探测到的光子所产生的所有电子和空穴，则探测器50的阳极60或阴极56上的感应电荷为光子能量的正确度量。然而，每个像素的能量响应，尤其是每个峰值的峰值位置可在能谱中移动并且影响用于重建图像的所获得的数据。使用各种实施例，利用如下文详细描述的、通过像素的定形和连接来控制的、像素位置和阳极信号之间的已知关系可使移动最小化或对移动进行校正。对于在核医学(NM)探测领域中使用的探测器来说，探测器可具有40x40x4毫米的晶体以及较大的、晶面包括2. 5x2. 5毫米的、16x16=256个阳极。因而，空间分辨率是2. 5毫米。将每个阳极连接到256个电子通道中之一。这个配置中的噪声限制了由以下主要分量给出的能量分辨率通过晶体的2. 5x2. 5=6. 25毫米2的暗电流、电子-空穴产生的统计波动以及单通道的电子噪声。如果例如电子云的散布是O. I毫米，则将被限制在一个并且唯 一一个电极的事件的概率是[(2. 5-0. I)2] / [ (2. 5)2] = O. 92。因而，大约百分之八的事件至少部分地在两个或更多个电极(当事件出现在像素的角处或附近时多达4个)间共享。为将分辨率提高到O. 5毫米，可使用80x80=6，400个阳极的阵列，每个O. 5x0. 5毫米。在这种情况下，对于未共享事件的概率是(O. 4/0. 5) 2=0. 64。因而，探测的效率大大降低。另外，必须使用6，400个通道。通过(假定使用两个邻近像素)给出噪声通过晶体的2*0. 5x0. 5=0. 5毫米2的暗电流、电子-空穴产生的统计波动以及两倍的单通道的电子噪声。然而，即使适度的O. 5毫米的分辨率(对于需要O. I毫米分辨率的乳房X射线照相术来说是不够的)也需要6，400个通道，这可能很难连接、封装、冷却并且具有高成本。通过实施各种实施例中的一个或多个，具有减少的通道数量的探测器包括多个可被划分成两个子像素63 (即两个电极)的阳极像素62。参考图5，对于40x40毫米的探测器，将每个2. 5x2. 5毫米的像素划分成两个电极行电极(每个像素62的右上方的子像素63)和列电极(每个像素62的右下方的子像素63)。在各种实施例中，将电极图案化使得电子必须被行电极和列电极共享而不管事件的位置。可根据期望或需要改变子像素63的形状。例如除了具有三角形形状子像素的阳极像素62a之外，还可提供以下形状具有同心圆形状子像素的阳极像素62b、具有矩形形状子像素的阳极像素62c、具有内部正方形形状和外部正方形边界形状子像素的阳极像素62d、具有半圆形状子像素的阳极像素62e、具有交指形的(手指形的)子像素的阳极像素62f以及具有分割圆形状子像素的阳极像素62b。另外，在某些实施例中，其中提供了共享电荷，阳极像素62h是正方形形状，没有子像素。应当注意到，相对于阳极像素62a-62g，阳极像素62f被用于各种实施例，除非像素尺寸小于O. I毫米(如下文详细讨论的)，其包括利用小于O. I毫米的特征图案化电极。将每一行中的所有行电极连接到行线(图5中示出的一条)。将每一行中的所有列电极连接到列线(图5中示出的一条)。将每条列线和每条行线连接到电子通道。在所描述的图5的实施例中，16x16像素的探测器只需要16+16=32个通道。位置被确定为其中探测到事件的、行通道和列通道的交叉点。通过(假定电荷被相同像素的两个电极共享)给出噪声如下通过晶体的40*40/32=50毫米2的暗电流、电子-空穴产生的统计波动以及两倍的单通道的电子噪声。可将相同配置扩展到更小的像素尺寸，例如O. 5x0. 5毫米像素。在这种情况下，存在有80行和80列，并且160个通道被使用。大约百分之四十的事件将落在两个相邻像素上，因此在这个实施例中，对4个通道(两个相邻的行和列)求和以产生总电荷。通过(4个通道)给出噪声如下通过晶体的4*40*40/160=40毫米2的暗电流、电子-空穴产生的统计波动以及四倍的单通道的电子噪声。通过(两个通道)给出噪声如下通过晶体的2*40*40/160=20毫米2的暗电流、电子-空穴产生的统计波动以及两倍的单通道的电子噪声。因此，可提供使用更小像素或者通过将每个通道连接 到行(列)中的仅仅部分的像素来增加通道数量的配置。例如如图6所示，通过连接电极可使通道数量加倍。如果将像素尺寸减少到大约O. I毫米(400+400=800个通道)，则还可使用像素阳极62a、62c、62e、62f和 62g。如图9所示，对于小于O. 1x0. I毫米的像素尺寸，在两或三行以及两或三列中要激活至少四个像素。应当注意到，假定了 O. I毫米直径的圆形电子云。因为要激活至少两行和两列，可通过计算下列来提供子像素分辨率
X= (xl*sxl+x2*s2x...) / (sxl+sx2+sx2…),
其中xl (2，3，…)是第一(第二，…)列的X位置；以及sxl(2，3，…)是在第一(第二，…)列中测量的信号(“ O ”用于未被激活的通道)。还根据行信号对Y位置执行相同的计算。应当注意到，可使用不同的算法，例如类似于在基于PMT探测器中使用的Anger算法和如本文详细描述的用于提供相关信号增强(CSE)的行列算法。还应当注意到，采用这种通道数量随像素尺寸减少而增加的方法(2*40/0. 1=800)，通道数量增加了。通道数量随分辨率改进的平方而增加。因为每个通道产生热，可提供主动冷却。通过像素间的不同连接布置，可减少通道数量。例如关于示出阳极像素100的连接的图9和11，以及如本文可见，每个事件(例如电荷相互作用)在至少四个相邻电极上产生信号。因此，如果激活四个通道的唯一组合，则可唯一地限定事件位置。N中的η项的唯一组合的数量由Ν!/(η!)2给出。对于O. I毫米的像素尺寸，位置的总数量为(40/0. I)2=160，000。比较起来，256个中的4个通道的唯一组的数量为210，165,935。应当注意到，像43个通道一样少可能是足够的了，因为这样的通道允许超过160，000个组合。如图11可见，可能需要多达9个通道来完全收集所有电荷。然而，如图12所示，与电子电荷相比，太大的阳极可导致电荷仅在一个阳极上被收集。在这种情况下，不能使用通道的组合来确定位置。如果电荷在特定方向上(如图13中)于一个阳极(像素100)上被收集，则沿轴的位置不能被内插。然而，如图14，通过使阳极错开，被事件激活的通道的最小数量是5至7，这减少了噪声。使阳极错开允许“拉伸”配置(如图15所示)、使用矩形阳极(而不是正方形)或其它形状的阳极、具有高达1:2的长宽比、从而进一步减少了通道数量(把通道数量减少到原来的1/2)。应当注意到，若干电极间的电荷分布与位置呈非线性，并且可导致降低“子像素内插”的有效性和精度的误差，并且提供了复杂的线性校正。可通过提供更小的像素来解决线性问题，但是将会导致不得不对许多通道求和，从而增加了电子噪声的贡献。作为备选，可以使用如图7所示(以及如本文详细描述的)的交织的电极配置来增加线性，同时允许增加阳极尺寸。通过使用图16的交织的二极管配置，可提供阳极的进一步拉伸，而不会失去沿拉伸的轴进行内插的能力(并且增加了沿那个轴的内插线性)。在交织的阳极上收集的电荷与那个阳极上电荷“足迹”的重叠近似成比例。因为电荷不是均匀散布的，这导致了偏离线性，可通过如本领域已知的线性校正变换进行校正。在沿拉伸的轴上，通过信噪比来确定位置精度。因而，可提供1:10的拉伸同时保存有效分辨率。图17示出了利用交织的阳极和“两像素组合”来确定位置，具有5个通道的一维(ID)阵列如何允许跨越11个像素的长度，其中每个像素可长于电荷尺寸(例如3至10倍)，其中分辨率好于电荷足迹。另外，图18示出了利用组合的和内插的位置确定将所有这些方法组合成一个拉伸轴、交织的并交错的像素。因此，再次参考图4至6，像素化探测器50可包括由阳极像素62和成形的子像素 63形成的多行和多列的子像素化元件。在说明的实施例中，像素化探测器50包括16行和列的阳极像素62，可利用4毫米厚的晶体将阳极像素62的大小制成例如大约O. 3毫米2/像素。因此，与像素化探测器50有关地使用256个通道。还可在阳极像素62周围设置导向格栅90以便集中电荷共享，即阳极像素62和/或成形的子像素63之间的电荷云。如本文详细描述的或者例如在美国专利5，504，334中描述的，接着可根据对来自行和列的输出求和来确定位置信息。应当注意到，在各种实施例中，成形的子像素63的尺寸比电荷云更小(例如所预期的最小电子云)。另外，可为阳极像素62定形并且有差别地进行布置。例如，如图7所示，可提供多个拉伸的阳极像素74，限定了与相邻的阳极像素74的锯齿形或Z字形的重叠区域76(限定了交织的电极配置)。因此，交织的像素边缘由相邻的阳极像素74形成。在这个实施例中，阳极像素62被切块或切割使得阳极像素74在一个维度上被拉伸，例如在X轴方向上。因此，阳极像素74在一个方向上被拉长或拉伸使得阳极像素74沿一个轴的长度比沿另一个轴的长度更长。利用任何适当的过程，在衬底中切割或蚀刻阳极像素74。在某些实施例中，利用激光切割、通过切割过程形成阳极像素74，以限定锯齿形或Z字形图案。可利用任何适当的方法来执行激光切割，其可提供用于蚀刻衬底或将衬底切块，例如可使用用于光刻法、蚀刻半导体材料衬底或将半导体材料衬底切块的本领域的任何切割方法。使用各种实施例的一个或多个像素化探测器，提供像素配置使得电荷分布(例如本文描述的电荷云)在主要像素上以及一个或者多个相邻像素上感应信号(尤其是如果电荷相互作用是偏心的)。主要像素被确定为具有最高信号(例如最高集成电荷)的像素。根据各种实施例，包括电荷信息、来自具有最高电荷的像素的阳极的输出信息(如上文详细描述的)和来自一个或多个相邻的或者邻近的阳极(例如邻近的8个阳极)中的、具有低信号强度的阳极的输出信息被用来确定初始光子与阳极相互作用的位置。如本文详细描述的，确定该位置。应当注意到,可选地,可使用例如线性图、能量校正图和敏感度图的校准图进一步校正图像失真。如本文描述的，还可将深度信息用于能量校正，例如如果电荷云出现在行或列中的三个或更多像素上。因此，在某些实施例中，可实施方法80 (如图8所示)以利用像素化探测器来确定电荷相互作用的位置。具体地，在82处，使用具有如本文描述的电荷控制配置的像素化探测器来利用像素化探测器获得关于电荷相互作用的电荷信息。例如，可通过为其中的阳极像素或子像素定形来提供电荷控制。应当注意到，根据各种实施例，减少暗电流，即在未探测到光子时于探测器中感应的电流。例如，可由电流阻塞(例如肖特基型)触点形成阴极以便限制探测器暗电流，并且可加热探测器以便增加空穴电荷迁移率。另外，可使用更高的偏压来更快地收集更多的电荷。此外，使用导向格栅90减小了阳极收集面积，因此也减小了暗电流。另外，根据各种实施例，可使用行和列求和来获得电荷信息。例如，如本文详细描述的，可将像素划分成与子像素的每个部分相对应的行部分和列部分，子像素被定形并被配置成提供两个子像素部分之间的电荷共享。将每个像素部分结合到印刷电路板(PCB )，其中利用每行和列的一个读出连接将行和列连接到可驻留在相同或分开的PCB上的前置放大器。每个通道包括阈值检测和取样保持电路。因此，当在行和列通道都探测到超出阈值的事件时，接着将邻近的行和列数字化用于进一步的事件处理。
使用如图9和10所示的连接布置可完成求和，图9和10示出了具有为阳极像素100的多个像素的像素化探测器的一部分。例如，如图9所示，当阳极像素100被配置成如本文描述的提供电荷云共享时，可提供行和列求和。示出的棋盘图案以及阳极像素100仅仅是为了说明。另外，尽管只示出了 6x6像素，但是更多的像素可被提供作为像素化探测器的部分。例如，对于具有O. 5毫米阳极像素间距的4厘米x4厘米模块，提供80x80=6400个阳极像素和160个通道(80行+80列)。在这个实施例中，像素(用点说明)之间的电连接102可以是导电的或电容性的，并且可包括用于每个像素阳极100或只用于求和的行或列的前置放大器。在每行和列中分别地每隔一个像素阳极100之间提供连接102。应当注意到，如果每个像素阳极100包括模数转换器(ADC)，则连接行像素或列像素的线是用于数字而不是模拟求和的数据总线。还应当注意到，在某些实施例中(例如对于2n缩放比例)，为了从像素阳极100读出信号到前置放大器，每条线的电容显著小于前置放大器电容，其中随CZT材料越厚电容减少。当像素阳极100不必被配置成提供(例如确保)电荷云共享时，如图10所示的连接布置可用于行和列求和，并且还可用于更小的阳极像素。像素阳极100 (用黑点说明)之间的电连接104可以是导电的或电容性的。在每行和列中的每个阳极像素100之间以及每行、列间提供连接104。另外，与每个像素阳极100有关地提供前置放大器以减少或避免行和列之间的串扰。应当注意到，如果每个像素阳极100包括ADC，则连接行像素或列像素的线是用于数字而不是模拟求和的数据总线。再次参考图8的方法80，例如使用用于一个或者多个阳极像素的读出的电荷信息，接着在84处识别共享电荷的阳极像素。其后，在86处确定共享像素处的能量。例如，对所有数字化的通道求和以便确定探测到的伽马射线或X射线事件的能量。然后确定能量云的位置，例如在88处估计。尤其是，由于有意的电荷云共享，为每个事件呈现多个行通道和列通道之间的信号分布。如本文详细描述的，由电荷质心或重心(Anger型)计算来确定到子像素精度的位置。另外，可存储探测器对扫描的笔形光束校准的响应，并且接着在使用期间确定最大似然位置。作为备选，对于单像素分辨率，可使用峰值行和列信号。其后，在90处可确定相互作用的深度(D0I)。例如，可使用阳极(电子)和阴极(空穴)信号之间的飞行时间差来确定DOI。在说明确定DOI的某些实施例中，空穴和电子的迁移率是不同的，相差超过一个数量级。根据各种实施例的其它DOI确定可使用阴极和阳极集成的电荷中的差异(由深度相关的空穴俘获导致)或阴极信号上升时间。应当注意到，如图20所示，还可将阴极像素化(不必以与阳极像素相同的尺寸)，这将提供冗余的位置信息并且降低了探测器的瘫痪能力，以及可提供更高的计数率，例如在X射线应用中使用。另外，小的像素化阴极还将是仅对空穴敏感。如图20所示，阴极38由多个触点所形成的多个彼此隔开的阴极像素140形成。所说明的实施例在三维(3D)中测量事件，即添加DOI信息。使用这种配置，可通过测量信号142和信号144之间的时间延迟(At)或积分比率或求和的阴极像素140的上升时间来确定D0I。可使用例如进入探测器的侧面的笔形光束来校准与时间差相对的D0I。应当注意到，存在有e_和h+载流子的不同迁移率μ。还应当注意到，可使用阻塞触点和加热来增加空穴迁移率。因此，使用各种实施例并且再次参考例如图7，探测如示为电子云110的电荷云，并且电荷云例如在重叠区域76中碰撞一个阳极像素74和至少一个其它阳极像素。应当注意到，为了简单说明起见，电子云110被示为圆形的。因此，使用各种实施例，例如通过增加 似然性或确保电子云110是在重叠区域76中碰撞至少两个不同的阳极像素74来控制到达阳极的电荷量。例如，如图16所示，配置可形成Anger伽马照相机的部分的阳极像素74，使得通过至少两个阳极像素74以及有时是三个或更多阳极像素74来探测每个电子云110。作为示例，电子云110的尺寸是I毫米，阳极像素74是大约O. 4毫米到I. O毫米。在其它实施例中，例如，如图17所示，通过布置阳极像素74并且如上面阳极像素74的数字所说明的成对连接阳极像素74来进一步减少输出通道。正如所说明的，5个通道限定10对阳极像素74，其可被布置为探测器三元组，即三个一组。附加的通道可限定附加对，例如7个通道限定21对阳极像素74。如图18所示，还可以在二维配置中实现具有重叠区域76的阳极像素74。如所示，在阵列的每隔一行120中使阳极像素74偏移或错开使得对于每隔一行120来说在X轴方向上重叠区域76处在不同的位置。在这个所示的实施例中，电子云110可在重叠区域76中碰撞两个或更多阳极像素74。另外，邻近的阳极像素74可体验到较小的电荷作用。在这个实施例中，将行120的宽度(W)的尺寸定为大约等于电子云110 (例如电子云110的预期尺寸)，同时在行102内，可将阳极像素74拉伸为电子云110的尺寸的多倍，例如四倍大或更多。预计了变化和修改。例如，如图19所示，在衬底32和阳极34之间设置示出为电阻式阳极130的电阻层，例如通过本领域的沉积过程在衬底32上形成电阻层。在这个实施例中，通过设置为电阻层的电阻式阳极130，在阳极34 (即触点)间散布电荷。在CZT应用中，电阻式阳极130的电阻小于形成衬底32的CZT材料的电阻。作为另一个示例，以及如图21所示，可提供探测器150，其被配置为具有在两个衬底层154和156之间的共用阴极152的层叠探测器，据此形成两层探测器。在所示的实施例中，多个像素化阳极158形成在衬底层154上以及多个像素化阳极160形成在衬底层156上。作为另一个示例，可提供如图22所示的、具有限定阳极174和阴极176之间的二极管的多个衬底层172的多层交叉带探测器170。可将多层交叉带探测器170划分成如图所示的偶数平面和奇数平面。还预计了对具有像素化探测器的系统的变化和修改。例如在X射线透射应用中，可减少辐射源的功率以增加电荷云的尺寸。因此，可使用具有较大轮廓尺寸的像素。因此，各种实施例提供了像素化探测器，使得通过像素化探测器的至少两个像素阳极来探测电荷云。因此，提供了像素化探测器的配置，其中存在有电荷云的位置和相应的阳极信号之间的关系。在各种实施例中，可为探测器像素定形、定尺寸、划分和/或定位以允许至少两个像素探测电荷云。可提供附加的元件以方便探测，例如线性电阻板。可提供各种实施例的像素化探测器作为不同类型的成像系统的部分，例如匪成像系统，其中如正电子发射断层扫描(PET)成像系统、SPECT成像系统和/或X射线成像系统以及CT成像系统。例如，图23是根据各种实施例构建的医学成像系统210的示范性的 实施例的透视图，在这个实施例中它是SPECT成像系统。系统210包括集成的托台212，托台212进一步包括围绕托台中心孔232定向的转动体214。转动体214被配置成支撑一个或多个匪像素化照相机218 (示出了两个照相机218)，例如但不限于伽马照相机、SPECT探测器、多层像素化照相机(例如Compton照相机)和/或PET探测器。应当注意到，当医学成像系统210包括CT照相机或X射线照相机时，医学成像系统210还包括X射线管(未示出)用于朝向探测器发射X射线辐射。在各种实施例中，照相机218由如本文详细描述的像素化探测器形成。转动体214进一步被配置成围绕检查轴219轴向地旋转。患者台220可包括滑动地耦合到床支撑系统224的床222，床支撑系统224可直接耦合到地板或者可通过耦合到托台212的底座226耦合到托台212。床222可包括滑动地耦合到床222的上表面230的担架床228。患者台220被配置成方便患者(未示出)进出实质上与检查轴219排成一条直线的检查位置。在成像扫描期间，可控制患者台220以便移动床222和/或担架床228轴向地进出孔232。可以本领域已知的任何方式来执行成像系统210的操作和控制。应当注意到，可与包括旋转托台或固定托台的成像系统有关地实现各种实施例。图24是说明具有安装在托台上、根据各种实施例所配置的多个像素化成像探测器的成像系统250的框图。应当注意到，成像系统还可以是多模态成像系统，例如NM/CT成像系统。被示为SPECT成像系统的成像系统250通常包括安装在托台256上的多个像素化成像探测器252和254 (示出了两个)。应当注意到，可提供附加的成像探测器。成像探测器252和254相对于托台256的孔260中的患者258被定位于多个位置处(例如以L-模式配置)。患者258被支撑在患者台262上，使得可以采集专门针对患者258体内所关注结构(例如心脏)的辐射或成像数据。应当注意到，尽管成像探测器252和254被配置用于沿着(或者围绕)托台256的可移动操作，但是在某些成像系统中，成像探测器被固定连接到托台256并且在固定位置上，例如在PET成像系统中(例如成像探测器的环)。还应当注意到，成像探测器252和254可由如本文描述的不同材料形成并且以本领域已知的不同配置来提供。可在一个或多个成像探测器252和254的辐射探测面(未示出)前面设置一个或多个准直器。成像探测器252和254获得可由像素的X和I位置以及成像探测器252和254的位置定义的2D图像。使辐射探测面(未示出)朝向例如可以是人类患者或者动物的患者258。应当注意到，可以不同的形状配置托台256，例如像“C”、“H”或“L”。控制单元264可控制患者台262相对于成像探测器252和254的移动和定位以及成像探测器252和254相对于患者258的移动和定位，以便在成像探测器252和254的视场(FOV)内定位患者258的所期望的解剖，这可在获得所关注的解剖的图像之前执行。控制单元264可具有各自可由处理单元268自动命令、由操作者手动控制或其组合的台控制器264和托台电动机控制器266。台控制器264可移动患者台258以便相对于成像探测器252和254的FOV定位患者258。另外，或者可选地，在托台电动机控制器266的控制下，可使成像探测器252和254相对于患者258移动、定位或定向或者围绕患者258旋转。成像数据可以被组合并且重建成可包括2D图像、3D体积或随时间的3D体积(4D)的图像。如本文详细描述的，数据采集系统(DAS)270接收由成像探测器252和254产生的模拟和/或数字电信号数据，并且解码数据用于后续处理。图像重建处理器272接收来自DAS 270的数据，并且使用本领域已知的任何重建过程重建图像。可提供数据存储装置274来存储来自DAS 270的数据或重建的图像数据。还可提供输入装置276来接收用户输入以及可提供显示器278来显示重建的图像。此外，如本文详细描述的，可提供电荷位置确定模块280来确定由光子(例如发射伽马光子或透射X射线光子)产生的电荷或电荷云的位置。电荷位置确定模块280可在软件、硬件或其组合中实现。各种实施例和/或部件，例如模块或其中的部件和控制器，还可实现为一个或多个计算机或处理器的部分。计算机或处理器可包括计算装置、输入装置、显示单元以及例如用于访问互联网的接口。计算机或处理器可包括微处理器。微处理器可连接到通信总线。计算机或处理器还可包括存储器。存储器可包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)0计算机或处理器还可包括存储装置，存储装置可以是硬盘驱动器或可移动存储装置，例如软磁盘驱动器、光盘驱动器等等。存储装置还可以是用于将计算机程序或其它指令加载到计算机或处理器中的其他类似装置。如本文中所使用的，术语“计算机”或“模块”可包括包含使用微控制器、简化指令集计算机(RISC)、ASICs、逻辑电路以及能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理器的系统的任何基于处理器或基于微处理器的系统。以上示例仅仅是示范性的，因此不打算以任何方式限制术语“计算机”的定义和/或含义。计算机或处理器执行存储在一个或多个存储元件中的指令集，以便处理输入数据。存储元件还可存储数据或者根据期望或需要的其它信息。存储元件可以是信息源或处理机内的物理存储元件的形式。指令集可包括指示作为处理机的计算机或处理器执行例如各种实施例的方法和过程的特定操作的各种命令。指令集可以是软件程序的形式。软件可以是各种形式，例如系统软件或应用软件。此外，软件可以是独立程序或模块的集合、更大程序内的程序模块或者程序模块的一部分的形式。软件还可包括面向对象程序设计的形式的模块化程序设计。通过处理机的输入数据的处理可以响应操作者命令或者响应先前处理的结果或者响应另一个处理机做出的请求。
如本文中所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，包括存储在存储器中用于由计算机执行的任何计算机程序，存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器以及非易失RAM(NVRAM)存储器。以上存储器类型仅仅是示范性的，因此关于用于存储计算机程序的存储器类型是不限制的。将会理解，以上描述旨在说明性的，而不是限制性的。例如可将上述实施例(和/或其中的方面)互相结合使用。另外，可进行许多修改以使特定的情形或材料适合于各种实施例的教导而不会背离它们的范围。虽然本文描述的材料的轮廓尺寸和类型是用来限定各种实施例的参数的，但是实施例决不是限制性的而是示范性的实施例。当浏览上述描述时，许多其它的实施例对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，应当参考所附的权利要求书、连同这样的权利要求所赋予权利的等同物的全部范围来确定各种实施例的范围。在所附的权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”作为相应术语“包括(comprising) ”和“其中(wherein)”的简单英语等同物来使用。此外，在后面的权利要求书中，术语“第一(first)”、“第二( second)”和“第三(third)”等仅仅用作标记，不打算将数字要求强加在它们的对象上。此外，后面的权利要求书的限定未写成装置加功能格式，也不打算基于35 U.S.C. § 112第六段进行解释，除非并且直到这样的权利要求限定明显地使用了短语“(means for)部件，用于……”后面跟有功能语句而缺少进一步结构。 本书面描述使用示例公开了包括最佳实施方式的各种实施例，并且还使得本领域技术人员能够实施各种实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。各种实施例的可取得专利权的范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构要素，或者如果这样的其它示例包括与权利要求书的字面语言并无实质性差异的等同的结构要素，则这样的其它示例被确定为在权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种用于控制像素化固态光子探测器的电荷分布的方法，所述方法包括 在配置中为像素化固态光子探测器提供多个像素使得通过至少两个像素来探测电荷分布； 从所述至少两个像素获得电荷信息；以及 基于所获得的电荷信息来确定所述电荷分布与所述多个像素相互作用的位置。
2.根据权利要求I所述的方法，其中由电子电荷云来限定电荷分布，并且所述方法还包括配置所述多个像素以便具有比所述电子电荷云更小的尺寸。
3.根据权利要求I所述的方法，其中确定位置包括使用质心计算来确定所述位置，其中所述质心计算使用来自主要像素以及至少一个相邻像素的电荷信息。
4.根据权利要求I所述的方法，其中将所述多个像素划分成行和列并且所述方法还包括使用行和列求和来获得所述电荷信息。
5.根据权利要求I所述的方法，还包括通过对与所述多个像素相关联的多个通道的能量输出求和来确定所探测的光子的能量。
6.根据权利要求I所述的方法，其中提供多个像素包括提供多个阳极像素和多个阴极像素。
7.根据权利要求I所述的方法，还包括基于所述像素化固态光子探测器的阳极和阴极信号之间的飞行时间差、使用时间来确定相互作用的深度。
8.根据权利要求I所述的方法，还包括基于所确定的位置为所述多个像素确定校正因子。
9.根据权利要求I所述的方法，还包括将所述多个像素中的每个像素配置成子像素。
10.根据权利要求I所述的方法，还包括使所述多个像素相互连接使得像素阵列的多个行和列中的每一个中的交替像素被连接。
11.根据权利要求I所述的方法，还包括以相邻像素之间具有重叠区域的拉伸配置来配置所述多个像素中的每个像素。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述重叠区域包括锯齿形配置。
13.根据权利要求I所述的方法，还包括为所述多个像素定形和定位使得通过所述至少两个像素来探测所述电荷分布。
14.根据权利要求I所述的方法，还包括提供邻近所述多个像素的电阻层。
15.根据权利要求I所述的方法，还包括提供被配置成集中所述电荷分布的电荷共享的导向格栅。
16.根据权利要求I所述的方法，还包括提供具有多个像素化阳极的两层像素化固态光子探测器。
17.一种像素化固态光子探测器，包括 半导体衬底； 所述半导体衬底的一个表面上的多个阳极像素，所述阳极像素中的每一个在至少一个方向上具有拉伸长度；以及 与所述多个阳极像素相反的所述半导体衬底的另一个表面上的阴极。
18.根据权利要求17所述的像素化固态光子探测器，还包括多行拉伸的阳极像素。
19.根据权利要求17所述的像素化固态光子探测器，还包括拉伸的阳极像素之间的重叠区域。
20.根据权利要求19所述的像素化固态光子探测器，其中所述重叠区域包括锯齿形配置。
21.根据权利要求17所述的像素化固态光子探测器，其中拉伸的阳极像素被成对连接。
22.—种像素化固态光子探测器，包括 半导体衬底； 所述半导体衬底的一个表面上的多个阳极像素，所述阳极像素中的每一个被划分成多个子像素；以及 与所述多个阳极像素相反的所述半导体衬底的另一个表面上的阴极。
23.根据权利要求22所述的像素化固态光子探测器，其中所述阴极包括像素化阴极。
24.根据权利要求22所述的像素化固态光子探测器，其中所述子像素中的每一个形成通常的正方形形状的阳极像素。
25.根据权利要求22所述的像素化固态光子探测器，还包括被共用阴极分开的多个衬底层。
26.根据权利要求22所述的像素化固态光子探测器，其中将所述阳极像素中的每一个划分成两个子像素。
27.根据权利要求22所述的像素化固态光子探测器，还包括围绕所述多个像素的导向格栅。
28.根据权利要求22所述的像素化固态光子探测器，其中所述多个像素包括在多个行和列中相互连接的阳极像素。
全文摘要
本发明提供了用于在像素化图像探测器中提供共享电荷的系统和方法。一种方法包括在配置中为像素化固态光子探测器提供多个像素使得通过至少两个像素来探测电荷分布并且从至少两个像素获得电荷信息。所述方法还包括基于所获得的电荷信息来确定电荷分布与多个像素相互作用的位置。
文档编号G01T1/29GK102782524SQ201080064934
公开日2012年11月14日 申请日期2010年11月4日 优先权日2009年12月30日
发明者I.布勒维斯, J.W.休格, J-P.布尼克, Y.赫菲茨 申请人:通用电气公司