专利名称：用于使多通道量子计数射线探测器的阈值均匀化的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使多通道量子计数射线探测器的阈值均匀化的方法，如在X射线成像中被采用的。这样的多通道探测器具有多个按行和列布置的探测器元件或像素，它们形成射线探测器的各个通道。对于量子计数射线探测器，每个探测的射线量子在各自的探测器元件中产生一个电荷脉冲。电荷脉冲由探测器电子电路形成并且产生的电信号在一个或多个比较器中与阈值比较。如果超过阈值，则计数器向上计数。在积分时间期间计数的射线量子产生对于各自的比较器通道的测量信号。
背景技术：
因为电荷脉冲的大小取决于入射的射线量子的能量，所以通过调节比较器的电阈值高度或阈值可以实现对计数的射线量子的光谱选择。仅计数由于其能量而产生超过比较器阈值的电信号的射线量子。·
由于探测器元件或像素和电子电路中的变化，对于每个通道，比较器的与射线量子的确定的能量相应的电阈值高度是不同的。由此在校准这样的射线探测器时必须对于每个比较器和每个通道这样分离地调节电子阈值高度，使得其相应于入射的射线量子的预先给出的能量。在能量校准中对于各自的比较器的不同的阈值确定，哪个能量阈值相应于该阈值。对于量子计数的X射线探测器的能量校准，采用例如放射性制剂、同步加速器光源或K荧光辐射器，它们发射定义的光谱线或量子。作为能量校准的结果，比较器的每个阈值与一个能量阈值对应。但是利用迄今为止已知的用于能量校准的方法仅达到有限精度，从而将射线探测器的比较器的阈值高度调节到预先给出的能量阈值也仅实现有限精度。由此产生实际的能量阈值高度在探测器的通道上的离差，以下也称为阈值离差。该阈值离差的效果是，在入射的射线的不同能量分布情况下测量的探测器的空白图像(也作为“Airscan”或“Flat fieldimage (平场图像)”已知)不能通过简单校准计数速率来互相转化。由此在进一步处理探测器的测量数据的情况下的开销极大提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，实现一种用于使多通道量子计数射线探测器的阈值均匀化的方法，该方法允许将阈值更精确调节到预先给出的能量阈值。建议的方法的前提条件是多通道量子计数射线探测器，其对于每个通道具有至少一个具有可调节的阈值的比较器，其中比较器的可调节的阈值与能量阈值对应。优�。诖瞬捎靡丫美唇辛四芰啃Ｗ嫉奶讲馄�。在该方法中利用探测器在射线的不同光谱成分的情况下分别利用比较器的不同调节的阈值进行空测量。空测量在此理解为进行或记录所谓的“Airscan”或“Flat field image (平场图像)”。在这样的空测量中，例如在对于X射线成像的X射线探测器情况下在射线路径中没有要测量的对象。在所建议的方法中此时对于每个通道(其比较器应当被调节到相同能量阈值)，根据空测量确定对于该能量阈值的匹配的阈值，其中通道的标准化的计数速率在对射线(在所述射线情况下进行了测量)的不同光谱成分上的变化被减小或最小化。确定的匹配的阈值然后被用于各个通道的接收器来调节该能量阈值。在所建议的方法中由此利用了空白图像与入射的射线的光谱的依赖关系的效果作为优化标准，以便通过改变阈值(以下由于其调节的种类也称为电阈值高度)和减小或最小化空白图像的光谱依赖性来减小阈值离差。这一点在所建议的方法中优选从电阈值高度的校准出发利用已知方法之一通过在后连接的均匀化步骤来进行，其中将单个阈值或阈值高度对于预先给出的能量阈值相应匹配。在此努力实现，对于探测器的所有考察的通道，对于入射的射线量子，能量阈值高度尽可能相同。作为在先校准的替换，阈值与能量阈值的对应还可以按照其他方法进行，例如通过调节到恒定的DAC值或在本底噪声上(分别对于各自的能量阈值)调节到X DAC步骤，以便由此节省对于好的校准的开销。以下结合对X射线探测器的阈值的均匀化解释本方法。但是该方法也可以容易地移植到用于其他射线种类的探测器。在以下解释中假定，每个通道的探测器仅具有一个比较器并且所有通道应当调节到相同的能量阈值。该方法当然还可以直接扩展为每个通道多 个比较器和能量阈值，方法是，对于每个能量阈值分开地进行。但是在此空测量可以对于所有能量阈值平行进行。如果不是所有通道都应当被调节到相同能量阈值，则该方法还可以这样进行，即，将通道相应于要求的能量阈值划分为组并且该方法分开地应用于这些组的每一个。在此还可以对于所有组平行进行空测量。为了执行该方法，探测器必须利用X射线的至少两个不同光谱成分，即，利用至少两个不同X射线能量光谱来照射。这一点例如可以通过X射线管的不同加速电压或通过将不同的滤波器材料引入到射线路径中来实现。理想地，光谱的改变通过滤波器以如下方式进行，即，在光谱之间产生的光谱改变与通过引入不同的对象而产生的类似，因为恰好对于在X射线成像中的该应用进行通道的阈值的均匀化。在确定的应用中，例如由于领结滤波器，可能不可以在探测器的每个位置达到入射的X射线的相同光谱。如果入射的光谱至少分别对于多个通道是恒定的，则该方法又可以通过成组而在该数量的通道上进行，如上面已经解释的。在CT设备中的领结滤波器的情况下，例如可以假定，相同列的所有行的通道，也就是在患者卧榻的推移方向上与通过领结滤波器对射线的调制正交，看到相同的输入光谱并且由此形成一个组。该方法的目标在于，将所考察的通道的各个比较器的阈值或电阈值高度尽可能精确地、特别是比通过优选进行的在先能量校准更精确地调整或调节到入射的X射线量子的能量阈值，例如35keV，并且由此同时实现关于不同光谱的均匀化。平均能量校准的绝对值传输到均匀化的平均值。由此有利的是，在准备阶段中的能量校准时就已经尽可能精确并且例如利用在说明书引文中提到的现有技术的方法进行。该方法可以按照不同方式进行。在第一构造中，探测器的阈值分别被调节到如下值，该值从对于确定的能量阈值的已知的对应得出。然后在X射线的不同能量谱情况下进行第一空测量并且分别对于每个通道计算标准化的计数速率。以相同方式进行在不同能量谱情况下的其他空测量，其中然后改变比较器的阈值。改变一直进行，直到根据分别考察的通道的如下面解释的标准化的计数速率而获得的关于不同的能量谱的变化减小或最小化。以这种方式得出的阈值(在本专利申请中也称为匹配的阈值)然后被用于在相应的能量阈值情况下调节该通道的比较器。在空测量情况下，即，在各自的光谱情况下从空测量到空测量，阈值的改变优选根据为此采用的最小化算法的规定来进行。对于执行所建议的方法的计数速率在该方法的一种替换中被标准化为如下的值，该值根据在相同能量阈值情况下各自空测量的所有考察的通道的计数速率被确定。在此可以使用通道的计数速率的简单(算术)平均值。但是还可以考虑加权平均、中值、或其他分位数用于标准化。该标准化的使用允许将每个通道的各自标准化的计数速率在能量谱上的变化作为距离度量来考虑，该 距离度量通过改变阈值来最小化，优选通过合适的最小化算法。用于最小化距离度量的这样的算法是一般公知的。该距离度量的优点是，在探测器被划分为�？椴⑶以诟媚？槟诓恐葱懈梅椒ǖ那榭鱿陆鲂柙谀？橹浯湫〉男畔⒘�。按照另一种替换，以另一种方式执行计数速率的标准化。这要求至少三个不同的能量谱，其中一个作为参考谱被使用。每个通道(其比较器被调节到相同的能量阈值)的计数速率仅利用相同通道的计数速率来标准化，该计数速率是在利用参考谱的测量中在比较器的相同调节的情况下所获得的。然后在该替换中，作为距离度量，各自的通道的标准化的计数速率与其他通道(其阈值被调节到该能量阈值)的标准化的计数速率的偏差，可以通过射线的不同光谱成分来考虑。该距离度量又通过最小化算法来最小化。利用该距离度量通常比利用上面提到的距离度量实现更好优化，因为最小化算法更快收敛。所建议的方法在第二构造中也可以按照其他方式进行，因为在一个探测器中对于电子阈值高度的不同调节的数量通常受到限制，典型地限制到〈100。由此该方法在最简单的情况下可以这样进行，即，利用所有提供的阈值进行空测量，以便然后确定在不同光谱上具有标准化的计数速率的最小变化的阈值。在此该测量可以事先，即，在最小化算法运行之前进行。然后通过算法对已经存在的数据进行最小化。当由于从采用的射线源发射的X射线流的波动而出现的计数速率波动时，例如由于X射线流的波动，应当避免或校正该波动。该校正例如可以通过将计数速率附加地标准化到剂量监视器的信号来进行。但是在此，对所发射的X射线流的波动的校正仅在测量的内部必须与光谱一致，即，剂量监视器的光谱依赖性是没有问题的并且不必被校正。在典型的CT-X射线探测器情况下探测器元件的大小或像素大小的选择不是通过待实现的分辨率，而是主要通过通道的最大计数速率来确定。为了在通道的给定的最大计数速率情况下能够处理预计的X射线流，像素大小必须选择得比对于待实现的分辨率所需的小。由此将多个并排布置的通道或像素的计数器结果或者在探测器本身中就综合或者在后面的处理步骤中综合。所综合的并排布置的像素形成一种结合物，该结合物可以称为宏像素。多个像素的计数速率的该综合在本方法中提供一种可能性所综合的值的或宏像素的电子阈值的分辨率通过抖动而相对于像素的单阈值的分辨率提升。这要求一种方法，该方法以比通过在使用的探测器中的各个通道的阈值调节的分辨率而给出的分辨率更高的分辨率确定阈值的额定值。所建议的方法，特别是具有后者提到的距离函数，特别适合于此，因为距离函数可以在其最小值附近很好插值。从电子阈值的额定值出发，此时这样操纵属于一个宏像素的像素的比较器的实际调节的电子阈值，使得在相加或另外计算计数器结果之后得出有效阈值，该阈值接近期望的额定阈值。在最简单的情况下为此这样选择宏像素的分别相邻的通道的电子阈值，使得所述电子阈值的平均值尽可能接近额定值。如果各个比较器的调节步幅例如处于IkeV，则在综合四个通道的情况下得出40. 25keV的平均能量阈值，其中在三个通道中的能量阈值被调节为40keV并且在一个通道中的被调节到41keV0在该方法的一种可能构造中可以将该抖动引入到优化中。为此首先如上所述进行该方法。然后从确定的阈值出发进行第二流程，其中分别考虑宏像素的综合的计数速率，即多个像素的综合为一个通道的通道的计数速 率。各个通道的比较器的阈值在此这样选择，使得对于每个共同的通道达到期望的(平均)能量阈值，并且然后互相独立地改变。在该第二流程中重要的是，将阈值的可能改变相对于第一流程的结果进行限制，例如限制到最大一个阈值改变。否则存在危险，例如从20keV+60keV的组合形成40keV的阈值，这虽然在数值上是正确的但是会影响探测器的能量分辨率。优化的第二流程在如下程度上与第一流程是定性不同的优化现在在多维参数空间中进行，因为多个像素的阈值被包括到一个优化中。在第一流程中分别仅改变一个参数(单像素的阈值)。
本发明的上述特征、特点和优点以及如何实现这些特征、特点和优点的方式通过结合对实施例的以下描述可以清楚和明显地理解，所述实施例通过结合附图来详细描述。其中，图I示出可以用来执行该方法的计算机断层造影设备的极度示意图，图2示出所建议的方法的方法流程的第一例子，图3示出所建议的方法的方法流程的第二例子，图4示出所建议的方法的方法流程的第三例子，以及图5示出量子计数的多通道射线探测器的组件的示意图。
具体实施例方式以下结合多个实施例对优选应用领域、在计算机断层造影设备(CT)或X射线-C-弧设备中X射线探测器的阈值的调节再次详细解释本发明。在此如在前面的解释中假定，每个通道或探测器元件或像素的X射线探测器仅具有一个比较器并且所有通道应当调节到相同的能量阈值。此外假定，利用在该例子中的探测器已经例如借助k荧光辐射器进行了能量校准，由此在探测器中可调节的阈值或电子阈值高度已经与能量或能量阈值对应了。对于该方法的进行需要，利用探测器在X射线的不同光谱分布情况下进行多个空测量。在图I中为此极度示意性地示出了计算机断层造影设备，利用该计算机断层造影设备可以执行该方法。计算机断层造影设备以公知方式具有一个旋转框架1，在该旋转框架上相对地布置了 X射线管2以及在阈值方面可调节的X射线探测器3。对于空测量的执行，即，在计算机断层造影设备中空白图像的记录，不移动旋转框架I并且将患者卧榻5从X射线系统的容纳区域中驶出。由X射线管2发射的X射线束6由此理想地以在所有探测器元件上相同的X射线能量分布击中X射线探测器3。为了产生用来记录空白图像的X射线的不同能量谱，或者有针对地改变在X射线管2处的加速电压或者可以将不同的滤波器插入到在X射线管2和X射线探测器3之间的射线路径中。对由X射线探测器3采集的测量数据的进一步处理在计算机断层造影设备的控制和分析单元4中进行。
图2此时仅示出了用于执行所建议的方法的方法步骤的第一例子。在第一步骤100中将每个通道调节到根据能量校准确定的电子阈值，该电子阈值与期望的能量阈值相应。在下一个步骤110中利用计算机断层造影设备在X射线的至少两个不同光谱分布的情况下进行空测量。一个通道的计数速率在不同的光谱情况下是不同的，因为具有超过通道的所调节的阈值的能量的光子的比例由于不充分精确的能量校准而对于不同的光谱是不同的。在示出的方法例子中将每个通道的计数速率利用探测器的所有通道的平均计数速率标准化，其应当被调节到相同的能量阈值。这一点在图2的步骤120中进行。如果所有通道已经具有精度足够的相同能量阈值，则每个单通道的标准化的计数速率在不同的光谱上对于该通道是恒定的。如果一个通道具有一个不同的能量阈值，则其标准化的计数速率在不同的光谱上变化，因为其对光谱的与相同组的其他通道不同的部分进行计数。如本例中，由于一个组的或共同的探测器的多个通道，对于标准化而使用的平均计数率可以近似看作是对于目标能量是合适的。
一个通道的标准化的计数速率在不同光谱上的变化在所建议的方法中用作要被最小化的距离度量。该距离度量可以按照不同的方式来量化。在本例中标准化的计数速率在光谱上的变化作为距离度量采用。该距离度量的优点是，在将探测器划分为�？椴⑶以诟媚？槟诓恐葱懈梅椒ǖ那榭鱿陆鲂柙谀？橹浯湫〉男畔⒘�。在步骤130中由此在图2的例子中计算每个通道的计数速率的变化。该距离函数或该距离度量的最小化在步骤140中通过公知的最小化算法进行。此外对所述通道利用不同的电子阈值重复空测量，其中电子阈值的改变通过最小化算法预先给出。在此步骤150意味着阈值的改变，利用该改变重新遍历前面的方法步骤。如果确定距离函数的最小值，则在步骤160中将通道的比较器调节到阈值，在该阈值下得出距离函数的最小值。在该匹配的阈值情况下标准化的计数速率在不同光谱分布上的变化被最小化，从而由此实现探测器的阈值的期望的均匀化。因为对于每个通道的距离函数的最小化按照第一近似(除了该通道对为了标准化而使用的平均值的影响)可以独立于其他通道进行，所以对于优化的时间开销不取决于通道的数量。实际上所述方法当在标准化时考虑越多的通道则越好地工作。通过改变距离函数来均匀化阈值的工作方式在以下再次按照一般形式作为命令序列示出对于每个电子阈值sw对于每个光谱S拍摄空白图像并且将对于所有通道c的计数值存储在Cs, sw (C)中。相应于在各自的测量中由辐射器发射的例如通过剂量监视器确定的X射线剂量来校正计数值。对于每个光谱S对于每个通道c在由前面的校准步骤确定的电子阈值SwO(C)情况下关于所有通
道确定平均计数速率
Is = a Cs'sw0(c)(c)对于每个电子阈值sw
对于每个通道c对于每个光谱S计算标准化的计数速率Ns, sw (C)
_]Ns, sw (c) =Cs, sw (c)/Is计算标准化的计数速率Ns,sw(c)在光谱S上的变化varsw(c)
权利要求
1.一种用于使多通道量子计数射线探测器(3)的阈值均匀化的方法，所述多通道量子计数射线探测器对于每个通道具有至少一个具有可调节的阈值的比较器(9)，其中 -采用探测器(3)，其中所述比较器(9)的可调节的阈值与能量阈值对应， -利用所述探测器(3)在射线的不同光谱成分的情况下分别利用所述比较器(9)的不同调节的阈值进行空测量，并且 -对于每个通道，所述通道的比较器(9)应当被调节到相同能量阈值，根据空测量确定对于该能量阈值的匹配的阈值，其中，将所述通道的标准化的计数速率在射线的不同的光谱成分上的变化减小或最小化。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在对射线的不同光谱成分的情况下分别进行第一空测量，其中应当被调节到相同的能量阈值的比较器(9)的阈值被调节到与能量阈值对应的值，从第一空测量分别计算标准化的计数速率并且然后以相同方式进行另一个空测量，其中改变应当被调节到相同能量阈值的比较器(9)的阈值，直到对于所考察的通道的每一个，对于通道的标准化的计数速率在射线的不同的光谱成分上的变化的度量被减小或最小化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，阈值的变化在另外的空测量中分别通过最小化算法来预先给出。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述通道的计数速率分别被标准化到由各自的空测量的所有通道的计数速率确定的值，将其比较器(9)调节到相同的能量阈值。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述通道的计数速率分别调节到平均值、加权平均值、中值或由各自的空测量的所有或一些通道的计数速率的另外的分位数，将其比较器(9)调节到相同的能量阈值。
6.根据上述权利要求I至5中任一项所述的方法，其特征在于，对通道的标准化的计数速率在射线的不同的光谱成分上的变化的最小化，根据对标准化的计数速率在射线的不同的光谱成分上的变化的最小化来进行。
7.根据上述权利要求I至3中任一项所述的方法，其特征在于，选择光谱成分中的一个作为参考光谱并且其比较器(9)被调节到相同能量预先的每个通道的计数速率分别在利用参考光谱和比较器(9)的相同调节情况下标准化到相同通道(9)的计数速率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对于匹配的阈值的确定，各自的通道的标准化的计数速率与其他通道的标准化的计数速率的偏差通过射线的光谱成分来最小化，将其阈值调节到该能量阈值。
9.根据权利要求I至8中任一项所述用于使多通道量子计数的射线探测器的阈值均匀化的方法，该量子计数的射线探测器对于每个通道具有至少一个具有可调节的阈值的比较器(9)，其中多个相邻的通道的计数速率为了形成一个共同的通道而综合，其特征在于，将共同的通道的至少两个比较器(9)调节到不同的阈值，以便获得对于共同的通道的能量阈值，该能量阈值位于各个比较器(9)的能量阈值之间。
全文摘要
本发明涉及一种用于使多通道量子计数射线探测器(3)的阈值均匀化的方法。在该方法中利用探测器(3)在射线的不同光谱成分的情况下分别利用比较器(9)的不同调节的阈值进行空测量(110)。对于每个通道，所述通道的比较器(9)应当被调节到相同能量阈值，根据所述空测量确定对于该能量阈值的匹配的阈值，其中将通道的标准化的计数速率在射线的不同的光谱成分上的变化最小化。以这种方式可以避免在对探测器的测量数据的进一步处理中的问题，所述问题在光谱的改变中会出现。
文档编号G01T1/17GK102955164SQ20121028188
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者T.哈尼曼, S.卡普勒, E.克拉夫特, D.尼德尔洛纳 申请人:西门子公司
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