Пиксель детектора со счетом фотонов, который имеет анод, содержащий два или более поочередно выбираемых и раздельных под-анода - RU2578252C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Следующее в целом относится к системе визуализации и более конкретно к детектору со счетом фотонов с разрешением по энергии, который имеет пиксель детектора с двумя или более поочередно выбираемыми и раздельными под-анодами и описан применительно к сканеру компьютерной томографии (CT). Однако следующее также пригодно для других методов визуализации, таких как рентгеновские и/или другие методы визуализации, в которых можно использовать детектор с разрешением по энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сканер спектральной компьютерной томографии (CT) содержит поворотную часть, поворотно поддерживаемую стационарной частью. Поворотная часть поддерживает рентгеновскую трубку, которая испускает полиэнергетическое излучение (рентгеновские фотоны), которые проходят через область исследования и объект или субъект в ней, и детекторную матрицу с одним или несколькими рядами детекторов с разрешением по энергии, которые детектируют излучение, проходящее через область исследования, и генерируют электрические сигналы, показывающие детектированное излучение.

Электрические сигналы усиливают и обрабатывают посредством формирователя импульсов для того, чтобы генерировать импульсы, имеющие пиковые амплитуды, указывающие на энергию детектируемых фотонов. Устройство распознавания сравнивает амплитуды импульсов напряжения с двумя или более порогами, которые задают в соответствии с различными энергетическими уровнями, и создает сигнал, для порога, в ответ на амплитуду импульса, превышающую порог. Для каждого порога, счетчик считает созданные сигналы, и группировщик по энергии группирует счеты в группы, соответствующие различным энергетическим диапазонам. В реконструкторе используют алгоритм спектральной реконструкции для того, чтобы реконструировать детектированное излучение, основываясь на сгруппированных данных.

Подходящий детектор со счетом фотонов с разрешением по энергии включает детектор прямого преобразования с использованием теллурида кадмия (CdTe), теллурида кадмия цинка (CdZnTe или CZT) или других материалов прямого преобразования. Детектор прямого преобразования в целом состоит из блока полупроводникового материала, расположенного между двумя электродами, катодом и анодом, на которые подают напряжение. Излучение падает на сторону катода, и рентгеновские фотоны переносят энергию на электроны, которые создают множество пар электрон-дырка, причем электроны дрейфуют в направлении пикселей анода на сторону анода.

Такой детектор может содержать металлизацию, которая окружает каждый пиксельный анод; металлизацию обозначают как управляющий или направляющий электрод. В целом, на направляющем электроде сохраняют отрицательный электрический потенциал, по отношению к пиксельному аноду, но не более отрицательный, чем электрический потенциал катода. Результатом этого является электрическое поле, которое направляет дрейфующие электроны к пиксельному аноду. Анод, в ответ на попадание электронов, создает электрический сигнал, указывающий на них, который передают на интегральную схему (ИС).

Анод для каждого пикселя физически и электрически соединен пайкой с комплементарной контактной площадкой на ИС, которая содержит обрабатывающую электронику, которая направляет сигнал от детектора, например, к реконструктору. После соединения пайкой ИС с материалом прямого преобразования тестируют межсоединение анода и ИС. Это можно выполнять посредством облучения материала прямого преобразования и измерения выходного сигнала детектора или подачи напряжения на материал прямого преобразования и площадками на ИС. В последнем случае измерение тока утечки будет указывать на хорошее межсоединение, тогда как измерение нулевого тока будет указывать на плохое межсоединение.

При использовании детекторов прямого преобразования со счетом фотонов с шагом пикселя детектора (расстояние от центра пикселя до центра пикселя) в один миллиметр (1,0 мм) или менее и диаметром анода в диапазоне от пятидесяти микрометров (50 мкм) до ста микрометров (100 мкм) выход через соединение пайкой для соединений пайкой между пиксельными анодами и соответствующими контактными площадками на ИС, с использованием столбиковых выводов или низкотемпературного припоя, составляет меньше чем сто процентов (100%), например между шестидесятью и восьмидесятью процентами (60%-80%). Детекторы с таким выходом соединений пайкой в целом или перерабатывают или отбраковывают, что может увеличивать полную стоимость на один детектор и требовать времени.

Один возможный подход для увеличения выхода соединений пайкой в целом состоит в использовании множества межсоединений для одной и той же пары пиксельный анод детектора/контактная площадка. К сожалению, детекторы прямого преобразования со счетом фотонов с направляющими электродами и с пиксельными анодами детектора, которые имеют диаметры в диапазоне от пятидесяти микрометров (50 мкм) до ста микрометров (100 мкм), не очень хорошо подходят для множества соединений пайкой с одним и тем же пиксельным анодом детектора в связи с пространственными ограничениями. Следовательно, существует неразрешенная потребность в других подходах для увеличения выхода соединений пайкой.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты настоящей заявки направлены на указанные выше и другие вопросы.

Согласно одному из аспектов, система визуализации содержит источник излучения, который испускает излучение, которое проходит через область исследования и детекторную матрицу с множеством пикселей детектора со счетом фотонов, которые детектируют излучение, проходящее через область исследования, и соответствующим образом генерируют сигнал, показывающий детектированное излучение. Пиксель детектора со счетом фотонов содержит слой прямого преобразования, который имеет первую принимающую излучение сторону и вторую противоположную сторону, катод, прикрепленный к и закрывающий всю или значительную часть первой стороны, анод, прикрепленный к центрально расположенной области второй стороны, где анод содержит по меньшей мере два под-анода, и металлизацию, прикрепленную ко второй стороне, которая окружает анод, с зазором между анодом и металлизацией. Система дополнительно содержит реконструктор, который реконструирует сигнал для того, чтобы генерировать данные объемного изображения, указывающие на область исследования.

По другому аспекту, способ включает детектирование излучения, проходящего через область исследования, с использованием пикселя детектора со счетом фотонов, где пиксель детектора со счетом фотонов содержит анод, имеющий по меньшей мере два физически и электрически раздельных под-анода, совместно окруженных металлизацией, где по меньшей мере два под-анода связаны с соответствующими контактными под-площадками на подложке, и электрический переключатель электрически соединяет только одну отдельную из по меньшей мере двух контактных под-площадок с обрабатывающей электроникой подложки.

По другому аспекту, детекторная матрица содержит обрабатывающую электронику и по меньшей мере один пиксель детектора со счетом фотонов, содержащий анод, который имеет по меньшей мере два раздельных под-анода, совместно окруженных направляющим электродом, где только один отдельный из по меньшей мере двух под-анодов находится в электрической связи с обрабатывающей электроникой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение может принимать форму различных компонентов и компоновок компонентов и различных этапов и порядков этапов. Рисунки служат только целям иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления и их не следует толковать в качестве ограничения изобретения.

На фиг. 1 схематично проиллюстрирована система визуализации, содержащая пиксель детектора со счетом фотонов, который имеет по меньшей мере два под-анода, из которых используют только один отдельный из под-анодов.

На фиг. 2 схематично проиллюстрирован вид в поперечном разрезе сбоку примера пикселя детектора со счетом фотонов.

На фиг. 3 схематично проиллюстрирован вид в поперечном разрезе пикселя детектора со счетом фотонов вдоль A-A на фиг. 2, на котором показаны под-аноды.

На фиг. 4 схематически проиллюстрирован вид в поперечном разрезе пикселя детектора со счетом фотонов вдоль B-B на фиг. 2, на котором показаны контактные под-площадки.

На фиг. 5 проиллюстрирован способ выбора пары под-анод/контактная под-площадка пикселя детектора.

На фиг. 6 проиллюстрирован способ детектирования излучения применительно к системе визуализации.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 схематично проиллюстрирована система визуализации, такая как сканер 100 компьютерной томографии (CT). Сканер 100 содержит стационарный портал 102 и поворотный портал 104, который поворотно поддерживается посредством стационарного портала 102. Поворотный портал 104 вращается вокруг области исследования 106 вокруг продольной оси или оси z 108 один или несколько раз в течение одного или нескольких циклов регистрации данных. Опора 110 пациента, такая как кушетка, поддерживает объект или субъекта, такого как пациент, животное или человек, в области 106 исследования.

Источник 112 излучения, такой как рентгеновская трубка, поддерживается посредством и вращается с поворотным порталом 104 вокруг области 106 исследования. Источник 112 излучения испускает полиэнергетическое излучение (рентгеновские фотоны), которые коллимируют посредством коллиматора источника, чтобы получать в целом веерообразный, клиновидный или конический пучок излучения, который проходит через область 106 исследования. Чувствительная к излучению детекторная матрица 114 содержит одно- или двухмерный массив пикселей детектора, которые соответствующим образом детектируют излучение, которое проходит через область 106 исследования, и генерируют электрические сигналы (например, ток или напряжение), показывающие детектированное излучение.

Проиллюстрированная детекторная матрица 114 содержит матрицу детектора со счетом фотонов с разрешением по энергии, поперечное сечение части которой для одного пикселя детектора показано в 116 и содержит катод 118, анод 120, и материал или слой 122 прямого преобразования (например, теллурид кадмия (CdTe), теллурид кадмия цинка (CdZnTe или CZT) и т.д., расположенный между ними. Металлизация или направляющий электрод 124 прикреплен к материалу или слою 122 прямого преобразования, окружающему анод 120 и отделенному от него посредством зазора 126. Подложка 128 содержит электронику 132, такую как интегральная схема (ИС), специализированная интегральная схема (ASIC) или тому подобное, и контактную площадку 130 для электрического соединения анода 120 и электроники 132.

Как описано более подробно ниже, анод 120 содержит множество наборов под-анодов, каждый набор соответствует отдельному пикселю детектора и содержит больше чем два физически и электрически раздельных под-анода, совместно окруженных металлизацией 124 направляющего электрода, и подложка 128 содержит множество комплементарных наборов контактных под-площадок, каждый набор соответствует отдельному пикселю детектора и содержит контактные под-площадки, комплементарные под-анодам для этого пикселя. Комплементарные пары под-анод/под-площадка физически и электрически соединены через соединение столбиковым выводом, низкотемпературным припоем и/или через другие подходы к соединению пайкой, и электроника 132 выполнена с возможностью избирательно электрически соединять и разъединять контактные под-площадки с обрабатывающей и/или считывающей электроникой подложки 128, и только соединяет одну отдельную из контактных под-площадок пикселя детектора, в какое-либо заданное время, с электроникой.

В одном случае, включающем множество под-анодов в каждом наборе анодов для каждого пикселя детектора и множество соответствующих контактных под-площадок на подложке 128, предусмотрены избыточные пары под-анод/площадка для каждого пикселя детектора. По существу, если после соединения пайкой под-анодов с контактными под-площадками, одно или несколько, но не все эти межсоединения, выключают, чтобы они были неиспользуемыми (например, отсутствие подходящего электрического соединения), подложку 128 можно конфигурировать для того, чтобы выбирать пару под-анод/площадка с пригодным к использованию межсоединением (например, имеющем подходящее электрическое соединение). Это может облегчать повышение выхода соединений пайкой для пикселя детектора, например, вплоть до ста процентов (100%), например, до девяноста процентов (90%) или выше, относительно конфигурации, в которой детекторная матрица 114 содержит детекторы прямого преобразования только с одним анодом (т. е., без под-анодов) для каждого пикселя детектора.

Необязательный предусилитель 134 усиливает каждый электрический сигнал, выходящий из детекторной матрицы 114.

Формирователь импульсов 136 обрабатывает усиленный электрический сигнал для детектируемого фотона и генерирует соответствующий аналоговый сигнал, который содержит импульс, такой как напряжение или другой импульс, указывающий на детектируемый фотон. В этом примере импульс имеет пиковую амплитуду, которая указывает на энергию детектируемого фотона.

Устройство 138 распознавания по энергии распознает импульсы по энергии. В этом примере устройство 138 распознавания по энергии содержит множество блоков сравнения, которые соответствующим образом сравнивают амплитуду импульсов с порогом, который соответствует конкретному энергетическому уровню. Каждый блок сравнения создает выходной сигнал, такой как сильный или слабый сигнал, который отражает, превышает ли амплитуда импульса ее порог.

Счетчик 140 считает выходные сигналы соответствующим образом для каждого порога. Счетчик 140 может содержать один счетчик или отдельные подсчетчики для каждого порога.

Группировщик 142 по энергии группирует по энергии счеты в энергетические диапазоны или группирует в соответствующие диапазоны между порогами энергии. Сгруппированные данные используют для разрешения детектируемых фотонов по энергии.

Реконструктор 144 избирательно реконструирует детектированное излучение, основываясь на спектральных характеристиках детектируемых фотонов. Например, сгруппированные данные можно использовать, чтобы в целом выделять различные типы органических материалов, которые имеют различные характеристики поглощения фотонов, таких как кость, органическая ткань, жир и/или тому подобное, определять местоположения материалов для контрастирования и/или иным образом обрабатывать детектируемые сигналы, основываясь на спектральных характеристиках.

Вычислительная система общего назначения выполняет функцию консоли 146 оператора и содержит устройство вывода, такое как дисплей, и устройство ввода, такое как клавиатура, мышь и/или тому подобное. Программное обеспечение, расположенное на консоли 146, позволяет оператору управлять работой системы 100, например позволяет оператору выбирать протокол спектральной визуализации, инициировать сканирование и т.д.

На фиг. 2 схематично проиллюстрирована подчасть 116. Следует отметить, что детекторная матрица 114 содержит одно- или двухмерный массив таких частей 116.

Катод 118 располагают на первой принимающей излучение стороне 202 материала или слоя 122 прямого преобразования, которая обращена в направлении входящего излучения 204 и идет по всей или по существу по всей стороне 202. Источник напряжения катода (не показан) применяют к катоду 118 и он смещает катод 118 при отрицательном потенциале относительно анода 120.

Анод 120 содержит под-аноды 120₁, 120₂,..., 120_N, где N представляет собой целое число, которое больше или равно двум (2), расположен на второй противоположной стороне 206 материала или слоя 122 прямого преобразования. В проиллюстрированном варианте осуществления, анод 120 расположен приблизительно в центре или центрально расположен по отношению к области 208 анода пикселя 116 детектора. Источник напряжения анода применяют к аноду 120 и он смещает анод при потенциале, более положительном, чем потенциал катода 118.

Направляющий электрод 124 располагают на второй стороне 206 материала или слоя 122 прямого преобразования в качестве проводящего слоя, окружающего анод 120, покрывающего подчасть стороны 206 за пределами области, покрытой анодом 120 и отделенной от под-анодов по меньшей мере посредством зазора 126. Источник напряжения направляющего электрода (не показано) смещает направляющий электрод 124 при положительном потенциале относительно катода 118 и отрицательном потенциале относительно анода 120.

На фиг. 3 схематично проиллюстрирован вид в поперечном разрезе пикселя 116 детектора вдоль линии A-A на фиг. 2, показывающей пример расположения анода 120 в связи с направляющим электродом 124. На фиг. 3, три под-анода показаны в пояснительных целях. Однако следует принимать во внимание, что в другом варианте осуществления N равно двум или более чем трем.

В проиллюстрированном варианте осуществления шаг 302 представляет расстояние от центра пикселя детектора до центра пикселя детектора и находится в диапазоне от приблизительно двухсот микрометров (200 мкм) до приблизительно полутора миллиметров (1,5 мм), например, от приблизительно трехсот микрометров (300 мкм) до приблизительно одного миллиметра (1,0 мм). В целом, длина 304 пикселя детектора равна шагу или немного больше, чем шаг 302, за счет какого-либо промежутка между пикселями. Проиллюстрированный пиксель 116 является квадратным. Однако, следует принимать во внимание, что подходящие формы пикселей также являются прямоугольными, эллиптическими, круглыми, шестиугольными и/или имеют другую форму.

Диаметр 306 области 208 анода находится в диапазоне от приблизительно ста микрометров (100 мкм) до приблизительно трехсот микрометров (300 мкм), например, составляет приблизительно двести микрометров (200 мкм). Диаметр 308 под-анода 120₁, 120₂,..., 120_N находится в диапазоне от приблизительно двадцати пяти микрометров (25 мкм) до приблизительно ста пятидесяти микрометров (150 мкм), например, от приблизительно пятидесяти микрометров (50 мкм) до приблизительно ста микрометров (100 мкм).

Самое короткое расстояние 310 зазора 126 между под-анодами 120₁, 120₂,..., 120_N и направляющим электродом 124 находится в диапазоне от приблизительно десяти микрометров (10 мкм) до приблизительно сорока микрометров (40 мкм), например, от приблизительно двадцати микрометров (20 мкм) до приблизительно тридцати микрометров (30 мкм). В целом, расстояние 310 может соответствовать расстоянию, на котором не происходит превышение предварительно определяемого тока утечки. Пассивационный материал может быть расположен между под-анодами 120₁, 120₂, 120_N и направляющим электродом 124.

В проиллюстрированном варианте осуществления, под-аноды 120₁, 120₂,..., 120_N и область 208 анода имеют круглую форму. Такая форма хорошо подходит для оптимизации направляющего влияния электрического поля, создаваемого направляющим электродом 124, по отношению к форме, которая имеет углы. Однако, в настоящем документе предусмотрены другие формы, такие как эллиптическая, шестиугольная, прямоугольная, квадратная и/или другие формы.

Возвращаясь к фиг. 2, контактная площадка 130 расположена ниже по меньшей мере подчасти анода 120 и содержит под-площадки анодов 130_1,130_2,130_N, один соответствует каждому из под-анодов 120₁, 120₂,..., 120_N. Переключающая электроника 132 электрически связывает контактные площадки 130, через дорожку 212, с другой электроникой 210, которую несет подложка 128. Как рассмотрено в настоящем документе, переключающая электроника 132 выполнена с возможностью избирательно электрически связывать только одну из под-площадок 130_1,130₂,...,130_N с другой электроникой 210, в какое-либо заданное время.

После соединения пайкой подложки 128 с направляющим электродом 124, прикрепленным к материалу или слою 122 прямого преобразования, тестовое облучение или напряжение можно подавать на каждый пиксель детектора для того, чтобы определять, какая под-площадка 130 должна быть электрически соединена с другой электроникой 210. Для этого каждый переключатель электроники 132 отдельно замыкают с тем, чтобы только одну из под-площадок 130 соединить с другой электроникой 210, и затем пиксель 116 детектора тестируют на этой под-площадке 130. Под-площадки 130_1,130₂,...,130_N, не соединенные со считывающей электроникой 210, удерживают при плавающем потенциале.

На фиг. 4 схематично проиллюстрирован вид в поперечном разрезе пикселя 116 детектора вдоль линии B-B на фиг. 2, показывающий пример расположения контактной площадки 130 в соединении с анодом 120 и направляющим электродом 122.

Как показано, аноды 130_1,130₂,...,130_N под-площадок выровнены с и физически и электрически связаны с под-анодами 120₁, 120₂,..., 120_N. Отдельные дорожки 402 соответствующим образом электрически связывают под-площадки 130_1,130_2,130_N с соответствующими отдельными переключателями переключающей электроники 132, которые индивидуально электрически соединяют и разъединяют под-площадки 130_1,130₂,...,130_N с обрабатывающей электроникой 210.

На фиг. 5 проиллюстрирован образцовый способ выбора только одного под-анода из множества доступных под-анодов пикселя счетного детектора и электрического соединения только одного под-анода с обрабатывающей электроникой пикселя счетного детектора.

Следует принимать во внимание, что порядок действий в способах, описанных в настоящем документе, не является ограничивающим. По существу, другие порядки предусмотрены в настоящем документе. Вдобавок, одно или несколько действий может быть опущено и/или одно или несколько дополнительных действий может быть включено.

На 502 переключающую электронику 132 конфигурируют с тем, чтобы только одна из множества контактных под-площадок 130_1,130_2,130_N находилась в электрической связи с обрабатывающей электроникой 210.

На 504 тестовый сигнал (например, излучение, напряжение и т.д.) подают на пиксель детектора со счетом фотонов 116.

На 506 детектируют выходной сигнал обрабатывающей электроники 210. В целом, обрабатывающая электроника 210 для пикселя 116 детектора генерирует выходной сигнал в ответ на электрическое соединение между контактной под-площадкой 130_1,130₂,...,130_N и под-анодом 120₁, 120₂, 120_N, соединенным пайкой с контактной под-площадкой 130_1,130_2,130_N.

На 508 действия 502-506 повторяют для других контактных под-площадок 130_1,130₂,...,130_N.

На 510 переключающую электронику 132 конфигурируют так, что одна контактная под-площадка 130_1,130_2,130_N в электрической связи с обрабатывающей электроникой 210 представляет собой контактную под-площадку 130_1,130₂,...,130_N в электрической связи с соответствующим под-анодом 120₁, 120₂,..., 120_N.

На фиг. 6 проиллюстрирован образцовый способ использования пикселя счетного детектора, в котором только один под-анод из множества доступных под-анодов пикселя счетного детектора электрически соединяют с обрабатывающей электроникой пикселя счетного детектора.

Следует принимать во внимание, порядок действий в способах, описанных в настоящем документе, не является ограничивающим. По существу, в настоящем документе предусмотрены другие порядки. Вдобавок, одно или несколько действий могут быть опущены и/или одно или несколько дополнительных действий могут быть включены.

На 602 излучение, проходящее через область исследования, детектируют с использованием пикселя детектора со счетом фотонов, который имеет анод по меньшей мере с двумя раздельными под-анодами, совместно окруженными металлизацией, где по меньшей мере два раздельных под-анода соответствующим образом физически и электрически соединены с соответствующими контактными под-площадками интегральной схемы, и только одна отдельная из по меньшей мере двух контактных под-площадок находится в электрической связи с интегральной схемой.

На 604 детектированное излучение реконструируют для того, чтобы генерировать данные объемного изображения.

Изобретение описано в настоящем документе со ссылкой на различные варианты осуществления. Модификации и изменения могут быть выполнены на основе изучения настоящего описания. Подразумевается, что изобретение следует толковать как включающее все такие модификации и изменения в такой мере, в какой они входят в объем приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к системе визуализации и более конкретно к детектору со счетом фотонов с разрешением по энергии. Система визуализации содержит источник излучения, испускающий излучение, проходящее через область исследования, и детекторную матрицу с множеством пикселей детектора со счетом фотонов, которые детектируют излучение, проходящее через область исследования, и соответствующим образом генерируют сигнал, показывающий детектированное излучение. Пиксель детектора со счетом фотонов содержит слой прямого преобразования, который имеет первую принимающую излучение сторону и вторую противоположную сторону, катод, прикрепленный к и покрывающий всю или значительную часть первой стороны, анод, прикрепленный к центрально расположенной области второй стороны, причем анод содержит по меньшей мере два под-анода, и металлизацию, прикрепленную ко второй стороне, окружающую анод и область анода, с зазором между анодом и металлизацией. Система также содержит реконструктор, который реконструирует сигнал для того, чтобы генерировать данные объемного изображения, показывающие область исследования. Технический результат - повышение выхода соединений пайкой для пикселя детектора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула