光子计数X射线探测器、医疗成像设备和方法与流程

光子计数x射线探测器、医疗成像设备和方法
技术领域
1.本发明涉及一种光子计数x射线探测器、一种具有光子计数x射线探测器的医疗成像设备以及一种通过光子计数x射线探测器生成x射线图像数据集的方法。


背景技术：

2.光子计数x射线探测器用于许多成像应用中。例如，这些x射线探测器可用于医疗成像中的计算机断层扫描，以生成患者检查区域的断层x射线图像。
3.尤其可使用光子计数的直接转换x射线探测器作为光子计数x射线探测器。在这种x射线探测器中可通过合适的转换器材料将入射的x射线或光子转换成电脉冲。例如，cdte、czt、hgi2、gaas等可被用作转换器材料。电脉冲由评估电子设备、例如集成电路(专用集成电路，asic)来评估。然后，在进行计数的x射线探测器中通过由转换器材料中x射线光子的吸收所触发的电脉冲的计数来测量入射的x射线并将其用作图像信号。所生成的电脉冲的高度或长度通常与所吸收的x射线光子的能量成比例。由此，可通过将电脉冲的高度或长度与能量阈值进行比较来提取光谱信息。光子计数x射线探测器通常具有多个可设置的用于比较所生成的电脉冲的能量阈值，从而使得可根据由能量阈值定义的多个能量范围来进行能量分辨的测量。
4.尤其是对于如在x射线成像中且尤其是在计算机断层扫描中可能出现的高光子通量，可能发生所生成的电脉冲的叠加，即所生成的脉冲的所谓的堆积，这可能会导致失真的脉冲高度或脉冲长度，甚至导致探测器的瘫痪，其中所生成的脉冲不再下降到预定的能量阈值以下。因此，堆积会导致被计数的光子事件的数目失真，并且在能量分辨的测量中还会导致所测量的能量失真，并且在光子通量非常高的情况下甚至可能导致测量信号无法用于x射线成像。
5.有一系列措施可抵消堆积效应的影响。一种简单的可能性是减小像素尺寸并且随之减少通过单个像素元素待处理的光子通量。然而，这例如由于所发生的电荷共享的增加而具有不利影响，即事件拆分在多个彼此相邻的像素元素上。其他的可能性例如在于电路的实现，其检测所发生的堆积或至少可使得评估发生在测量信号上的影响。
6.在文献de 10 2008 048 306 b4中公开了一种用于探测x射线管的x射线的方法，其中预设了至少一个阈值能量，以用于比较在x射线探测器中取决于光子能量所生成的信号，它高于从x射线管发射的x射线光谱的最大能量，从而可探测受堆积影响的事件。
7.在文献de 10 2009 018 995 b4中公开了一种具有大量直接转换探测器元件的探测器，其中所生成的信号脉冲一方面被馈送到以预设的能量阈值连续工作的脉冲高度鉴别器并且另一方面被馈送到以预设的能量阈值和预设的时钟频率通过时钟驱动的方式工作的脉冲高度鉴别器，然后被记录在组合逻辑中，其中通过时钟驱动的方式工作的脉冲高度鉴别器旨在避免对计数速率的过度低估。
8.在文件us 2019/001 209 75中公开了一种用于对光子进行计数的电路，其具有包括至少一个用于将所生成的脉冲幅度与阈值进行比较的比较器的数字级、用于确定其中脉
冲信号的导数具有特定符号的周期的微分电路以及用于将比较器和微分电路的输出进行组合的逻辑门，其中对在组合元件输出端存在的脉冲进行计数。


技术实现要素：

9.在此，本发明基于以下考虑，即如果在x射线光子率较高的情况下也可减少堆积对通过x射线探测器所探测的信息的影响，则将可实现更高质量的成像和x射线探测器的更灵活的使用。
10.因此，本发明的目的在于提供一种改进的光子计数x射线探测器，以便可实现更高质量的成像和光子计数x射线探测器的更灵活的使用。
11.该目的通过独立权利要求的特征实现。在从属权利要求和以下说明中阐述了本发明的其他有利的和部分创造性的实施方式和改进方案。
12.本发明涉及一种光子计数x射线探测器，其具有：转换器元件，其被配置为根据该转换器元件中的能量沉积将入射的x射线转换成电信号；和与其耦连的评估单元，其具有被配置为基于从转换器元件馈入的电信号生成并输出电脉冲的脉冲生成单元、与脉冲生成单元耦连并被配置为生成由脉冲生成单元输出的电脉冲的微分信号的微分器单元以及第一比较器，其与微分器单元耦连并被配置为将所生成的微分信号与第一阈值进行比较并且基于该比较在超过阈值的持续时间内输出二进制输出信号。
13.在本发明的范畴中所使用的光子计数x射线探测器也可被称为进行计数的直接转换x射线探测器。直接转换x射线探测器通常以堆叠结构实现，其中所分配的例如呈asic(专用集成电路)形式的评估单元在下侧连接到转换器材料的一个层，即连接到转换器元件。可选地，在评估单元与转换器元件之间还可布置有中间层、中介层，其可有利于稳定性或者也可用于信号线的变向。转换器元件的下侧通常具有呈金属化接触元件形式的多个电极。其在信号传输技术上与评估单元接触，通常是焊接。在此，通常转换器侧的接触元件与评估单元侧的被实施为像素形状的配对接触元件相对置。在常规实施方式中，评估单元提供像素电子器件以用于逐像素地处理通过电极输入的信号。入射的x射线辐射在转换器元件的转换器材料中根据x射线光子的局部沉积能量被转变为电荷载流子，基于局部沉积能量信号在逐像素的像素电子器件中被生成并得到进一步处理。光子计数x射线探测器的像素元件则可被理解为由评估单元的各个逐像素的像素电子器件和在转换器元件中分配给像素元件的探测体积组成，该探测体积由在转换器侧的相应电极和施加在转换器元件的对置侧的顶部电极之间的电场形成。
14.通常，为光子计数x射线探测器的每个这样的像素元件分配脉冲生成单元。也就是说，评估单元通常具有多个脉冲生成单元。脉冲生成单元尤其是可具有信号放大器和脉冲整形器。脉冲生成单元用于放大通过电极输入到像素电子器件中的信号并输出模拟信号脉冲，其脉冲幅度和/或脉冲长度取决于在分配给所考虑的脉冲生成单元的转换器元件探测体积中由入射的x射线光子的能量沉积所产生的电荷载流子。
15.根据本发明，将由脉冲生成单元输出的模拟信号输出到微分单元并进行微分，从而由微分单元输出的信号代表由脉冲生成单元输出的信号的导数。通过导数、即微分信号可提供关于由脉冲生成单元输出的信号的信号变化的信息，即例如关于上升或下降部分的信息。如果例如出现由脉冲生成单元所生成的脉冲的叠加而由脉冲生成单元所生成的主脉
冲没有衰减，则可通过微分信号探测可能出现的新的信号上升。因此，基于微分信号可有利地导出更加不取决于堆积的信息或对出现的堆积的提示并将其用于x射线图像数据集的生成。例如，微分信号的分析可提供改善的对入射光子实际数目的指示。微分器单元可以不同的方式实施。例如，其包括以模拟方式确定由脉冲生成单元输出的信号的斜率符号的电路。
16.根据本发明，微分信号进一步被输出到与微分器单元在信号技术上耦连的第一比较器，借助于该第一比较器将微分信号与第一阈值进行比较，并基于该比较输出二进制信号。因此，微分信号借助于第一阈值被数字化以用于简单且如有可能也直接的进一步处理。第一阈值优选地与x射线探测器的电子噪声协同地应用。由此，可有利地实现由微分器单元输出的求导信号对电子噪声的存在的鲁棒性。第一阈值优选地被设置为刚好高于x射线探测器的电子噪声值，使得在二进制信号的生成中在抑制噪声的同时实现尽可能高的灵敏度。所输出的相应二进制信号的持续时间尤其是可对应于微分信号超过第一阈值的相应持续时间。
17.在具有多个像素元件的光子计数x射线探测器中，尤其可以为x射线探测器的每个像素元件分配脉冲生成单元、微分器单元和第一比较器。备选地也可提出，一组像素元件中的仅一个像素元件，例如x射线探测器的仅每两个或每三个像素元件中的仅一个像素元件被配备有微分器单元，并且基于微分信号将所确定的信息传输到一组像素元件上，例如以用于校正入射光子的计数数目或调整设置参数。
18.在通过根据本发明的光子计数x射线探测器生成的x射线图像数据集中，可有利地包括基于微分信号的二进制信号，以便获得高质量的x射线图像数据集或者在极端通量的情况下获得更可靠的图像信息。这尤其是例如可用于确定在光子计数x射线探测器的相应像素元件中入射x射线光子的计数数目的改进估计，或者使得可改进数目本身的计数。
19.此外，脉冲生成单元还可在信号技术上与至少一个第二比较器耦连，该第二比较器被配置为将由脉冲生成单元生成的电脉冲与第二阈值进行比较。x射线探测器的每个像素元件尤其是可包括至少一个第二比较器。比较器与脉冲生成单元的这种耦连基本上在光子计数x射线探测器中的常规信号处理的范畴中是公知的。然后，为了对入射光子的数目进行计数，可基于第二比较器的比较输出第二二进制信号作为计数信号。也就是说，只要脉冲生成单元所生成的模拟电信号脉冲超过第二阈值，就可借助于第二比较器输出计数信号。然后，计数信号可通过与第二比较器在信号技术上耦连的计数单元被计数，该计数单元例如被实施为上升沿计数器或下降沿计数器。在此，所输出的第二二进制信号的长度还可相应于所生成的模拟电脉冲超过第二阈值的持续时间。
20.同样可设置多个分别具有对应阈值的第二比较器，其分别与脉冲生成单元耦连。通过适当地设置第二比较器的多个阈值并根据阈值对所生成的脉冲进行计数，可在由能量阈值定义的多个能量通道中获得关于入射x射线光子的能量信息。
21.在光子计数x射线探测器的优选设计变体方案中，评估单元具有至少一个第二比较器，其与脉冲生成单元耦连并且被配置为将由脉冲生成单元所生成的电脉冲与第二阈值进行比较。所生成的电脉冲超过第二阈值的持续时间基本上对应于随后到来的事件未被探测为单独事件的时间跨度。
22.此外，该变体方案中的光子计数x射线探测器具有求取单元，其被配置为至少在由脉冲生成单元所生成的电脉冲高于第二比较器的第二阈值期间确定基于微分信号的第一
二进制输出信号的序列。
23.所确定的基于微分信号的二进制第一信号的序列可用于探测脉冲的叠加从而确定改善的入射光子数目或校正基于第二二进制信号被计数的入射光子数目。该序列可包括第一二进制信号随时间的时间曲线。该序列例如还可包括第一二进制信号的下降沿和/或上升沿的数目。
24.通过第一二进制信号的序列的分析，可推断出基于由脉冲生成单元直接输出的信号脉冲和相关联的第二二进制信号以常规计数方式未被计数的事件。通过与超过第二阈值的信号脉冲相关联，可将测量序列期间的数据采集和随后的分析有利地限制在与根据第二阈值的图像生成相关的那些信号上。
25.此外，每次在由脉冲生成单元所生成的电脉冲高于第二阈值期间输出和存储所确定的序列还可有利地基于通过脉冲生成单元所生成的电脉冲允许在所采集的计数率的后处理的范畴中进行后续校正。然而，在此应优选地至少基于读取时间段进行所确定序列和所采集数据的时间关联，以便可实现所采集的计数率的最佳后续校正。
26.此外，根据本发明的光子计数x射线探测器可具有第一计数单元，其与第一比较器耦连并且被配置为对由第一比较器输出的二进制输出信号的上升沿或下降沿的数目进行计数。
27.这样的实施方式例如可有利地用于在正在进行的测量期间或紧接在进行的测量之后就已经获得光子通量的更好的量度，而无需进行对二进制信号的序列的后续评估。
28.在设计变体方案中，也可在不与超过第二阈值相关联的情况下在第二比较器中确定光子通量的量度，从而降低了电路的复杂性。这种信息可有利地用于在测量序列期间已经合适地选择以x射线探测器进行数据采集的设置参数，或者在x射线图像数据集的基于测量数据的生成中合适地选择图像生成参数。由于基于微分信号的确定受堆积效应的影响较小，因此即使在光子通量非常高的情况下也可基于第一二进制输出信号的上升沿或下降沿的计数数目更好地推断出改进的设置。
29.在其改进方案中，光子计数x射线探测器具有适配单元，其被配置为基于借助第一计数单元计数的上升沿或下降沿的数目来适配脉冲生成单元中电脉冲的生成。
30.可为每个像素元件，即为每个脉冲生成单元设置可单独控制的适配单元，并且其可实现相应像素元件的相应脉冲生成单元的像素特定的控制和适配，以便基于当前的情况确保尽可能空间分辨的适配。则该适配可直接基于在相应像素元件中计数的第一二进制信号的上升沿或下降沿的数目，只要其在每个像素元件中是单独确定的。适配单元还可提供多个像素元件的脉冲生成单元的跨像素适配，其中基于在多个像素元件的至少一个像素元件中第一二进制信号的上升沿或下降沿的计数数目共同进行多个像素元件的脉冲生成单元的适配。这使得可简化电路的实现。
31.例如，在测量序列期间可使脉冲生成单元的传递函数适配于当前光子通量或未来预期的光子通量。例如，可对借助于脉冲生成单元所生成的电信号脉冲的衰减时间、上升时间或放大率进行适配。所生成的电脉冲的缩短例如可促使减少脉冲叠加的出现从而减少堆积。然而，这同时可能以负面方式例如增大x射线探测器的电子噪声或使能量分辨率变差。在脉冲生成单元中根据光子通量对脉冲生成的适配使得既可在低光子通量的情况下又可在高光子通量的情况下选择脉冲生成的最佳设置，从而在各个条件下始终可获得尽可能高
质量的图像信息。在此有利的是，基于微分信号的第一二进制信号比脉冲生成单元或与之耦连的第二比较器的输出信号本身受堆积的影响更小，从而与其相比直至在非常高的光子通量下显示出更好的线性特性。由此可有利地实现改进的可调节性。
32.然而在此须考虑的是，在脉冲生成单元的适配中，通常也必须适配x射线探测器及其电路的其他设置。例如，在脉冲生成单元的适配中必要时必须同时也适配第一或第二比较器的第一或第二阈值。必要时同样还必须考虑改变的电子噪声。
33.然而，由此即使在高通量的情况下也可有利地以改进的方式确保x射线探测器的线性特性。这可有利地直接且即时地在正在进行测量期间促使所记录数据的改善从而实现更高质量的x射线图像数据集。
34.此外，脉冲生成单元在此可具有第一脉冲生成通道和第二脉冲生成通道以及被配置为至少在第一脉冲生成通道和第二脉冲生成通道之间切换以生成电脉冲的切换元件。然后，适配单元可被配置为基于通过第一计数单元计数的上升沿或下降沿的数目来切换切换元件。
35.第二脉冲生成通道可具有比第一脉冲生成通道更短的信号整形时间，这使得在沉积能量相同的情况下信号脉冲更短，从而使得可更好地区分依次紧密连续进行的光子事件。反之，更长的信号整形时间通常使得电子噪声减少从而促使就待确定的光子能量而言的能量分辨率得到改善。
36.第一脉冲生成通道和第二脉冲生成通道例如可在使用x射线探测器之前通过设置参数彼此不同地被设置，或者也可以不同的方式固定地实现在评估单元中。在使用光子计数x射线探测器时，则仅在预设置的或固定存在的脉冲生成通道之间进行切换。例如，可基于通过第一计数单元计数的上升沿或下降沿的数目来定义阈值，其中当超过阈值时，进行从第一脉冲生成通道向第二脉冲生成通道的切换，当低于阈值时反之进行。在此也可设置两个以上的脉冲生成通道。
37.该变体方案可有利地相应于脉冲生成单元基于计数数目的适配的简单且可容易控制的实施方式。在此，对有限数目的脉冲生成通道的限制和以脉冲生成通道之间切换的形式进行的适配也可有利地利用在为使用x射线探测器而待提供的设置数据和校准数据的收集工作量以及范围方面的限制。
38.在光子计数x射线探测器的另一设计变体方案中，评估单元还被配置为相应地确定第一比较器的所输出二进制输出信号的持续时间。
39.所输出的二进制输出信号的持续时间可例如被实现为所谓的“超阈值时间”测量的形式，如其在光子计数x射线探测器领域中所广为人知。在此，借助于所输出的二进制信号与外部时钟信号的比较并以时钟信号的时钟节拍为单位确定超过比较器阈值的持续时间。
40.发明人已认识到，第一比较器的所输出二进制输出信号的持续时间的确定、即基于微分信号也可有利地用于考虑到图像数据生成中。所确定的持续时间与入射光子的能量具有相关性，并且尤其是在高通量的情况下可提供比脉冲生成单元的初级信号的评估更少地受堆积效应影响的信息。
41.在其改进方案中，x射线探测器还被配置为确定在一个时间区间内多个依次连续二进制输出信号的持续时间的积分或持续时间的平均值。
42.发明人已认识到，该值可与x射线场的能量通量具有高度相关性，并且尤其是在高通量的情况下可提供类似于经典能量积分探测器并且可相应地用于生成x射线图像数据集的信息。在此，时间区间优选地基本上相应于x射线探测器的相应读取时间窗。则可设想的是，该信息尤其是在高通量的情况下至少可被考虑到图像生成中，以便即使在极端记录条件下也可获得更可靠的图像信息。
43.此外，本发明还涉及一种医疗成像设备，其包括根据上述设计变体方案之一的光子计数x射线探测器并且包括与之对置的用于以x射线曝光x射线探测器的x射线源。
44.在此，光子计数x射线探测器的特征和优点可直接适用于医疗成像设备。
45.然后，为了记录x射线图像数据集，可将待成像的对象尤其是置于x射线源和x射线探测器之间并且借助于x射线源进行透视照射。
46.医疗成像设备通常包括至少一个根据本发明的光子计数x射线探测器以及与之对置的至少一个x射线源，例如x射线管。然而，成像设备也可包括多个根据本发明的x射线探测器。
47.医疗成像设备尤其是可被配置为计算机断层扫描系统。然而，其也可被配置为例如c型臂x射线设备和/或dyna-ct或其他形式。
48.此外，本发明还涉及一种通过光子计数x射线探测器生成x射线图像数据集的方法，该x射线探测器具有：转换器元件，其被配置为根据该转换器元件中的能量沉积将入射的x射线转换成电信号；和与其耦连的用于处理电信号的评估单元，其中基于所处理的电信号生成x射线图像数据集，并且在处理时借助于脉冲生成单元基于由转换器元件馈入的电信号生成电脉冲，借助于与其耦连的微分器单元生成由脉冲生成单元所生成的相应脉冲的微分信号，借助于与微分器单元耦连的第一比较器将微分信号与第一阈值进行比较并且基于该比较针对超过阈值的持续时间输出二进制输出信号，其中第一比较器的二进制输出信号输入到x射线图像数据集的生成中。
49.该输入可包括通过至少一个第二比较器对由脉冲生成单元所生成的信号脉冲的计数数目的校正或适配，其中所生成的x射线图像数据集所包括的图像值则基于所适配的数目。该输入还可包括基于第一二进制信号促发对x射线探测器的设置参数的适配，这使得可改进用于图像生成的测量数据的收集。该输入还可包括的是，图像生成仅基于第一二进制信号或由其导出的信息。也就是说，在这种情况下，所生成的x射线图像数据集所包含的图像值也可仅基于第一二进制信号。
50.在此，根据本发明的x射线探测器的上述优点也可容易地转移到用于通过光子计数x射线探测器生成x射线图像数据集的方法上并且也可以相应的方式转移到如下所述的变体方案上。
51.根据用于生成x射线图像数据集的方法的一个改进方案，并且其中评估单元被配置为相应地确定第一比较器的所输出二进制输出信号的持续时间，借助于求取单元确定第一比较器的多个连续二进制输出信号的持续时间的积分或平均值，并且基于该积分或平均值生成x射线图像数据集。
52.在用于生成x射线图像数据集的方法的另一设计变体方案中，通过与第一比较器耦连的计数单元对由第一比较器输出的二进制输出信号的上升沿或下降沿的数目进行计数，并且基于经计数的上升沿或下降沿的数目通过适配单元对脉冲生成单元中电脉冲的生
成进行适配。
53.此外，用于生成x射线图像数据集的方法的变体方案可包括：借助于与脉冲生成单元耦连的第二比较器将由脉冲生成单元所生成的电脉冲与第二阈值进行比较并基于此输出第二二进制输出信号，借助于与第二比较器耦连的第二计数单元对所输出的第二二进制输出信号的上升沿或下降沿的数目进行计数，借助于求取单元至少在由脉冲生成单元所生成的电脉冲高于第二比较器的第二阈值时确定第一二进制输出信号的序列，并且基于所确定的序列对所生成的电脉冲的计数数目进行适配以生成x射线图像数据集。
54.在本发明的范畴内，尤其是关于本发明的不同实施方式和/或不同权利要求类别(方法、用途、装置、系统、布置等)所述的特征可组合成本发明的其他实施方式。例如，与装置相关的权利要求也可扩展为具有结合方法所说明或要求保护的特征，反之亦然。在此，方法的功能特征可通过相应设计的具体部件来实施。除了在本技术中明确说明的本发明的实施方式之外，本领域的技术人员在不脱离由权利要求限定的本发明范围的情况下可想到本发明的各种其他实施方式。
55.不定冠词“一个”或“一种”的使用不排除相关特征也可多次存在的可能性。“具有”一词的使用并不排除由“具有”一词所连接的术语可为相同的可能性。例如，医疗成像装置具有医疗成像装置。术语“单元”的使用不排除术语“单元”所涉及的对象可能具有在空间上彼此分离的多个部件的可能性。
56.在本技术的上下文中，“基于”一词可尤其是被理解为“通过使用”的表述的意义。尤其是借以基于第二特征生成(或者：求取、确定等)第一特征的表达语不排除可基于第三特征生成(或者：求取、确定等)第一特征的可能性。
附图说明
57.在下文中将参考附图借助于示例性实施方式解释本发明。附图中的图示是示意性的、大大简化的并且不一定按比例绘制。其中：
58.图1示出了具有光子计数x射线探测器的医疗成像设备的示意图，
59.图2至图4以图表形式示出了响应于入射到光子计数x射线探测器上的x射线而产生的信号序列，
60.图5示出了在借助于光子计数x射线探测器的第一变体方案中信号处理链的示意图，
61.图6示出了在借助于光子计数x射线探测器的第二变体方案中信号处理链的示意图，
62.图7示出了在借助于光子计数x射线探测器的第三变体方案中信号处理链的示意图，
63.图8示出了根据第一变体方案用于通过光子计数x射线探测器生成x射线图像数据集的方法流程的示意图，
64.图9示出了根据第二变体方案用于通过光子计数x射线探测器生成x射线图像数据集的方法流程的示意图，
65.图10示出了根据第三变体方案用于通过光子计数x射线探测器生成x射线图像数据集的方法流程的示意图，并且
66.图11示出了呈计算机断层扫描设备形式的医疗成像设备的示意图。
具体实施方式
67.为了清楚起见，下面仅示出对理解所述实施方式有用的那些元件。尤其是未详细示出使用一个或多个用于对入射光子进行计数的电路的光子计数x射线探测器系统的构成，因为所述实施方式与此类系统的当前构造兼容。连接在计数电路上游的电路的结构和构成以及由半导体材料制成的x射线探测器也未详细说明，其中所述实施方式与这种探测器和电路的常规实现方式基本兼容。
68.图1为基于电离辐射r的成像设备32的大幅简化的图示。
69.这种医疗成像设备32通常包括辐射源37，通常是x射线管，以用于发射电离辐射r，尤其是x射线。具有转换器元件4和评估单元2的光子计数x射线探测器布置在辐射源37的对面。待检查的对象39布置在辐射源37与x射线探测器之间，使得由辐射源37发射的辐射r穿透对象39并且在辐射到达x射线探测器之前根据对象39的性质而被该对象衰减。
70.光子计数x射线探测器可具有多个像素元件p，尤其用于入射x射线辐射的空间解析测量。像素元件p可以被分配有转换器元件4中的探测体积，并且像素元件p通常可以被分配有用于在评估单元2中逐像素地处理由转换器元件4馈入的信号可逐像素分配的像素电子器件。由评估单元2处理的信号大多由运算单元45进一步处理成x射线图像数据集。运算单元45可包含用户界面设备(例如呈屏幕形式的一个或多个显示单元、呈键盘、鼠标或其他类型形式的一个或多个输入/输出设备)、存储元件等。
71.转换器元件4具有转换器材料，其适于根据沉积在转换器元件4中的能量将入射的x射线转换成电信号。转换器元件4尤其是具有进行直接转换的半导体材料，例如cdte、czt、hgi2、gaas等。
72.通常，每个像素元件p被分配有脉冲生成单元6，其被配置为响应于由x射线光子沉积在转换器元件4中的能量从而基于由转换器元件4馈入的电信号而生成并输出电脉冲s。
73.根据本发明，评估单元2现在还具有微分器单元10，其与脉冲生成单元6耦连并且被配置为生成由脉冲生成单元6输出的电脉冲s的微分信号ds。此外，微分器单元10与第一比较器8在信号技术上耦连，该第一比较器被配置为将所生成的微分信号ds与第一阈值th1进行比较，并且基于该比较针对超过阈值th1的持续时间输出二进制输出信号k1。
74.图2至图4旨在说明在时间t内在光子计数x射线探测器中生成的信号。在此，图2示出了响应于入射的x射线光子由脉冲生成单元6输出的信号s。在此，所绘制的柱示出了各个光子事件，其中柱的高度与入射光子的能量相关，并进而与转换器元件4中的能量沉积相关。在此，信号和柱的标度尤其是出于说明的目的而选择的。
75.在高光子通量的情况下，可能由于在时间上紧密连续的入射光子事件而发生由脉冲生成单元6生成的信号脉冲s的叠加，如图2所示。入射光子的数目通常在光子计数x射线探测器中通过以下方式被计数，即借助于比较器81将所生成的电信号脉冲s与阈值th2进行比较，并且在超过阈值th2的情况下以二进制信号k2的形式(参见图4中比较器81、8的输出信号k的图示)输出计数信号。这可通过随后的例如被配置为上升沿计数器或下降沿计数器的计数元件144进行计数，并且可被暂时存储，直到在相应地读取x射线探测器时读取计数器读数。图2中的垂直虚线分别标记了所生成的信号脉冲s穿过阈值th2的阈值穿过的时间
点。这些在图3和图4中示出。图4中二进制信号k2的长度分别对应于信号脉冲s位于阈值th2之上的持续时间。如果提供具有多个不同的可设定的阈值th2的多个比较器81以用于比较所生成的信号s，由此还可以获得能量信息。超过阈值的持续时间的测量也可提供关于能量信息的推断。
76.然而，如果初级信号脉冲s在随后的信号脉冲s之前没有再次下降到低于阈值th2，则无法以这种方式区分连续光子事件的信号脉冲s。由此，在高通量的情况下会出现计数数目的失真，甚至可能导致探测器完全瘫痪。
77.图3示出了图2中的微分信号ds，其可由根据本发明的微分器单元10输出，并且微分信号对应于信号s的导数并进而反映了信号s随时间t的斜率的变化。根据本发明，借助于与微分器单元10耦连的比较器8将其与阈值th1进行比较，并且基于该比较输出二进制信号k1(也可参见图4)。
78.只要微分信号高于阈值th1，基于微分信号的二进制比较器输出信号k1就处于高状态。通过对微分信号ds的分析，可以探测由脉冲生成单元6生成的信号脉冲s的斜率变化。例如，如果信号脉冲在叠加的情况下再次上升，则这可通过微分信号ds和基于其的比较器输出信号k1来探测，即使所生成的信号脉冲s没有再次下降到低于阈值th2。
79.并非所有叠加都可通过这种方式被探测到，但可以借助于微分信号ds来提供与信号s相比直至光子通量更高的情况下都更加不受叠加效应影响的信息，即直至光子通量更高的情况下都具有更好的线性特性。在所示的情况下，这将例如至少涉及图2左侧的第六个光子事件，其基于图4中的微分信号被转换成二进制信号k1，但无法借助于二进制信号k2(仅基于脉冲生成单元6的输出信号s)被探测为单独的事件。
80.在此，根据高状态(逻辑状态1)或低状态(逻辑状态0)来选择图4中的逻辑状态是任意选择的并且基本上为常规实施方式。
81.图5示出了借助基本的处理单元由根据本发明的光子计数x射线探测器提供的处理链的变体设计方案。这种处理链尤其可以被提供给x射线探测器的每个像素元件或至少用于光子计数x射线探测器的多个像素元件中所选出的像素元件。
82.在此，光子计数x射线探测器的评估单元2具有脉冲生成单元6，其被配置为基于由转换器元件4馈入的电信号输出信号脉冲s。脉冲生成单元6可具有用于放大所馈入的电信号的放大器5和用于对所放大的馈入信号进行脉冲整形的脉冲整形器7，使得能够在脉冲生成单元6的输出端输出模拟电信号脉冲s，其与在转换器元件4中沉积的能量相关。
83.所生成的信号脉冲s被输出到微分器单元10，该微分器单元10提供微分信号ds并将其输出到第一比较器8。该第一比较器8被配置为将微分信号ds与所设定的第一阈值th1进行比较并且输出第一二进制信号k1。
84.此外，在该示例性变体设计方案中，评估单元2具有第二比较器81，其与脉冲生成单元6耦连并且被配置为将由脉冲生成单元6生成的电信号脉冲s与第二阈值th2进行比较并且基于此针对超过阈值的持续时间输出第二二进制信号k2。
85.基于第二二进制信号k2，可借助于在传统的计数x射线探测器意义上的计数单元144来确定超过第二阈值th2的信号脉冲s的数目。
86.此外，在所示的变体方案中，光子计数x射线探测器具有求取单元12，其被配置为至少在由脉冲生成单元6生成的电脉冲s高于第二比较器8的第二阈值th2期间求取微分器
单元10的二进制输出信号k1的序列。
87.该序列可为如图4所示的高状态或低状态随时间的变化。该序列可例如包括第一二进制信号k1的多个上升沿和下降沿。
88.通过求取在信号超过第二阈值th2期间的变化过程，可以局限到那些超过阈值th2并进而应被探测为计数信号的信号s，而将不超过阈值th2的信号屏蔽掉。
89.通过分析第一二进制信号的序列，可以推断出基于由脉冲生成单元直接输出的信号脉冲以及所属的第二二进制信号利用常规计数方式不被计数的事件。
90.此外，借助于存储单元对所求取的序列的输出和存储，还可以有利地允许在对所记录的计数率进行后处理的范畴中基于借助于脉冲生成单元所生成的电脉冲进行后续校正。
91.图6示出了借助于基本处理单元由根据本发明的光子计数x射线探测器提供的处理链的另一变体设计方案。此外，根据本发明的光子计数x射线探测器还具有计数单元14，其与第一比较器8耦连并且被配置为对由第一比较器8输出的二进制输出信号k1的上升沿或下降沿的数目进行计数。
92.此外，在所示的示例性变体设计方案中，光子计数x射线探测器还具有适配单元24，其被配置为基于借助于第一计数单元14所计的上升沿或下降沿的数目来适配脉冲生成单元6中电脉冲s的生成。以这种方式，可根据入射光子通量进行脉冲生成的适配。例如，可存储经计数的上升沿或下降沿的一个或多个数目阈值，其中当超过或低于阈值时通过适配单元24触发对脉冲生成单元6的适配。
93.图6中所示的示例是一般性的适配单元24的优选改进方案。其中脉冲生成单元具有呈第一脉冲整形器71形式的第一脉冲生成通道71和呈第二脉冲整形器72形式的第二脉冲生成通道72以及切换元件26。切换元件被配置为针对电脉冲s的生成至少在第一脉冲生成通道71与第二脉冲生成通道72之间进行切换。适配单元24被配置为基于借助于第一计数单元14所计的上升沿或下降沿的数目来切换切换元件26，从而实现脉冲生成单元的适配。
94.第二脉冲整形器72可比第一脉冲整形器71具有更短的信号整形时间，并进而生成更短的信号脉冲s。信号脉冲持续时间的缩短可有助于改善x射线探测器的高通量特性，从而有助于改善借助于计数单元144所计的入射光子的数目，其中但将以电子噪声的和可能的能量分辨率的劣化为代价。
95.图7示出了光子计数x射线探测器的变体设计方案的另一示意图，其中评估单元2还被配置为相应地求取第一比较器8的所输出的二进制输出信号k1的持续时间。
96.在所示的情况下，评估单元2具有脉冲持续时间求取单元31。例如，脉冲持续时间求取单元31可被配置为在光子计数x射线探测器领域中广为人知的超阈值时间方法(time-over-threshold methode)，其中以固定频率输入脉冲参考信号clk，并且对参考信号clk的、与在例如比较器8的高状态下所输出的二进制信号k1叠加的脉冲的数目进行计数，由此可求取二进制信号k1的持续时间。
97.此外，x射线探测器还配备有确定单元34，其被配置为确定在一个时间区间内的多个连续二进制输出信号k1的持续时间上的积分或持续时间的平均值。该时间区间尤其可以对应于x射线探测器的读取时间窗。
98.在图8中示出了示意性方法流程，其中在用于借助于前述光子计数x射线探测器生
成x射线图像数据集的方法的示例性实施变体方案中可以考虑所求取的持续时间。在此，x射线探测器的每个像素元件可具有图7中所述的处理链。
99.在所示的方法流程中，在步骤t1中基于由转换器元件4馈入的电信号借助于脉冲生成单元6生成电脉冲s。
100.在第一处理路径中，在步骤t7中借助于与脉冲生成单元6耦连的比较器81将所生成的电脉冲s与阈值th2进行比较并且基于此输出二进制输出信号k2作为计数信号，在步骤t8中借助于计数单元144对其进行计数。这尤其是可基于对二进制输出信号的上升沿或下降沿的数目的计数。然后可在处理t11中处理在x射线探测器的像素元件中的计数信号的计数数目，以生成x射线图像数据集。该第一处理路径基本上相应于本领域已知的对光子计数x射线探测器所生成的信号的常规处理。在此同样可设置具有多个不同的可设定的阈值th2的多个比较器81，以用于能量解析的测量，从而可在处理t11中使用能量分辨测量数据以用于生成x射线图像数据集。
101.在第二处理路径中，在步骤t2中借助于与脉冲生成单元6耦连的微分器单元10生成由脉冲生成单元6所生成的脉冲s的微分信号ds。在步骤t3中借助于与微分器单元10耦连的比较器8将微分信号ds与阈值th1进行比较，并且基于该比较针对超过阈值的持续时间输出二进制输出信号k1。
102.此外，在本示例中，在步骤t4中借助于求取单元34确定第一比较器8的多个连续二进制输出信号k1的持续时间的积分或平均值，然后在处理t11中基于该积分或平均值生成x射线图像数据集。
103.第一处理路径例如为标准处理的一部分。然而，在通量非常高时标准处理路径由于强烈的堆积效应而不再提供可靠的图像数据，在这种情况下可使用第二处理路径或从中产生的测量数据，其中可基于像素元件中持续时间的积分或平均值基于微分信号生成图像数据。发明人已认识到，该值可与x射线场的能量通量具有高度相关性，并且尤其是在高通量的情况下可提供类似于经典能量积分探测器的信息。这可特别有利地用于以下情况，即直接基于由脉冲生成单元6所生成的信号s的传统处理不再或仅在很小程度上确保可靠的图像信息。在此，在测量序列期间可通过两种方式收集测量数据，并且可以在测量序列之后才后续地决定是否使用测量数据。同样也可以在测量序列期间就已经设置在处理路径之间的切换，例如借助于存储在x射线探测器中的关于每单位时间计数脉冲的计数数目的阈值。同样可设想形成x射线图像数据集的组合处理，其中既使用基于由脉冲生成单元6所生成的脉冲s的常规计数信号又使用微分信号ds的处理。例如，作为迭代图像重建过程中的边界条件或者作为为图像重建所训练的机器学习系统(例如神经网络)的输入参数。
104.在图9中示出了用于生成x射线图像数据集的方法的另一示例性变体设计方案，其包括光子计数x射线探测器的脉冲生成单元6的适配。为此使用的x射线探测器可例如如图6所述在x射线探测器的每个像素元件中具有适配单元24，其可以在可切换的脉冲生成通道71、72之间进行切换。
105.该方法包括步骤t3，其中借助于与微分器单元10耦连的比较器8将微分信号ds与阈值th1进行比较并且基于该比较针对超过阈值th1的持续时间输出二进制输出信号k1，此外该方法还包括步骤t5，其中借助于与第一比较器8耦连的计数单元14对由第一比较器k1输出的二进制输出信号k1的上升沿或下降沿的数目进行计数，并且该方法包括步骤t6，其
中基于经计数的上升沿或下降沿的数目借助于适配单元24来适配脉冲生成单元6中电脉冲的生成。
106.然后，在步骤t7中，又可将经适配的借助于脉冲生成单元6生成的信号脉冲s与第二阈值进行比较，并且在步骤t8中进行计数，以便在处理t11的进一步流程中进行处理以生成x射线图像数据集。也就是说，基于经适配的信号脉冲s可生成x射线图像数据集。以此方式，可使x射线探测器适配于就光子通量而言当前所存在的情况。
107.在图10中示出了用于生成x射线图像数据集的方法的另一示例性设计变体方案，其中将确定第一二进制输出信号k1的序列。为此所使用的光子计数x射线探测器可例如对于每个像素元件都具有求取单元12，如关于图5所述。
108.在该变体方案中，在步骤t9中借助于求取单元12至少在由脉冲生成单元6所生成的电脉冲s高于第二比较器81的第二阈值th2期间求取第一二进制输出信号k1的序列，并且在步骤t10中对在步骤t8中通过计数单元144所计的所生成电脉冲s的数目进行适配，尤其是校正。这可借助于所确定的序列例如通过比较基于第二二进制信号k2计数的数目和第一二进制信号k1的高状态的数目来完成。然后可基于经适配的数目生成x射线图像数据集。经适配的数目可例如在进一步的方法中在步骤t11中被处理以用于生成x射线图像数据集。
109.所述变体方案尤其是也可与多个第二比较器和第二阈值th2相组合。
110.在后一种变体方案中，在此例如可根据每个第二阈值th2单独确定第一二进制信号的序列，并且进行根据第二阈值th2计数的数目的直接适配。作为替代，也可根据最低能量阈值th2仅确定一个序列，并且基于此为其他更高能量阈值th2的计数数目确定估计的校正因子。该估计例如可基于初步实验研究和由此确定的函数相关性。
111.图11示出了医疗成像设备32的示例性实施方式，其具有包括至少一个根据本发明的光子计数x射线探测器的探测单元36和与探测单元36对置的x射线源37。x射线源被配置为使探测单元36从而使x射线探测器沿x射线入射方向曝光于x射线。所示的医疗成像设备32尤其是被配置为计算机断层扫描系统。计算机断层扫描系统包括具有转子35的机架33。转子35包括x射线源37和探测单元36。转子35可绕旋转轴线43旋转。在此为患者的检查对象39被支承在患者床41上并且可沿旋转轴线43移动穿过机架33。运算单元45可用于控制计算机断层扫描系统并进一步处理由探测单元36读取的测量数据，以生成映射对象39的x射线图像数据集。输入设备47和输出设备49与运算单元45连接，其可使得用户与医疗成像设备交互并且显示所生成的x射线图像数据集。