用于直接转换器检测器的传感器布局的制作方法

用于直接转换器检测器的传感器布局
1.相关专利申请的交叉引用本技术要求保护2019年10月9日提交的美国临时专利申请no. 62/912,875的优先权，该美国临时专利申请的内容出于所有目的通过引用并入本文。


背景技术：

2.直接转换器伽马射线检测器使用诸如碲化镉锌（czt）的材料来将接收到的伽马射线直接转换成电荷。典型地，接合到转换材料表面的阳极限定了检测器像素。阳极收集电荷，然后该电荷用于相对于限定的像素来定位撞击的伽马射线。
3.典型的检测器设计使用正方形阳极网格来限定检测器像素。为了增加此类系统的固有分辨率，实现了诸如anger逻辑的算法，以在子像素位置定位伽马射线。然而，常规的阳极网格展现次优的噪声特性，这直接限制了检测器的固有分辨率。由于阳极平面中缺乏各向同性，因此伽马射线在子像素位置处的位置也不是最佳的。例如，在收集阳极的边缘处的子像素定位的不确定性小于在中心的不确定性。
4.期望系统来降低直接转换器检测器中传感器区域上的噪声和/或不确定性的不均匀性。
附图说明
5.图1是根据一些实施例的直接转换器检测器传感器阵列的视图；图2是根据一些实施例的直接转换器检测器的组件的视图；图3图示了根据一些实施例的直接转换器检测器的操作；图4是根据一些实施例的使用直接转换器检测器生成图像的过程的流程图；图5描绘了根据一些实施例的子像素定位；图6描绘了根据一些实施例的子像素定位；图7是根据一些实施例的直接转换器检测器传感器阵列的视图；图8是根据一些实施例的直接转换器检测器传感器阵列的视图；和图9图示了根据一些实施例的spect成像系统的组件。
具体实施方式
6.提供以下描述以使得本领域的任何人能够制造和使用所描述的实施例，并阐述了为了实行所描述的实施例而设想的最佳模式。然而，各种修改对于本领域技术人员而言应当仍然是清楚的。
7.一些实施例采用直接转换器检测器传感器，其与常规传感器相比展现出更低的电容和更大的信噪比。在一些实施例中，这样的电容可以通过减小给定传感器面积的传感器周长来实现。更低的电容和更大的信噪比导致降低的子像素定位不确定性和提高的固有分辨率。
8.此外，一些实施例采用直接转换器检测器传感器阵列，其在传感器子像素上展现
比常规传感器阵列更同质的电场分布和更均匀的噪声模式和响应。同质性和均匀性导致比先前可用的更均匀的子像素定位。
9.根据一些实施例，传感器阵列中相邻传感器的中心之间的距离基本上是均匀的。与传感器的正方形网格相比，这样的布置可以提供更同质的电场分布和更均匀的噪声模式和响应，在传感器的正方形网格中，从传感器的中心到相邻（例如，n、s、e、w）传感器的中心的距离不等于从传感器的中心到另一个相邻（例如，ne、ne、se、sw）传感器的中心的距离。
10.根据一些实施例的传感器阵列可以由六边形传感器组成。通过允许计算三个方向上的子像素位置（例如，六边形网格图案），这样的传感器阵列可以相对于常规系统进一步提高固有分辨率。
11.非线性的减少可以减少对于依赖于位置的定位校正的需求。此外，由于检测器准直器的栅隔（septa）的二维位置可以比在现有系统（例如，具有正方形或矩形图案的传感器）中更准确地分辨，所以实施例可以减少将栅隔与物理传感器边界配准的需要。
12.图1是根据一些实施例的单个六边形形状传感器的阵列100的一部分的视图。如本文所述的传感器在本领域中也可以称为阳极、像素或电极。每个六边形形状传感器都耦合到专用信号线，并且不与其相邻的传感器直接电接触。实施例不限于阵列100的封装布置或图示的传感器形状。
13.与常规传感器相比，阵列100的传感器可以展现更低的电容和更大的信噪比。例如，由于六边形的更低的周长与面积比，因此阵列100的传感器可以比具有相同表面积的常规正方形传感器展现更低的电容和更大的信噪比。如下面将描述的，更低的电容和更大的信噪比可以导致降低的子像素定位不确定性和提高的固有分辨率。
14.如果两个平行板之间的距离d相对于a的尺寸足够小，则可以计算分离开距离d的具有面积a的两个平行板之间的电容c，，其中，c是以法拉为单位的电容，a是以平方米为单位的两个板的重叠面积，是材料的电常数，并且d是以米为单位的两个板之间的间距。考虑到每个传感器4mm2的任意检测面积和5mm的任意传感器厚度，六边形传感器的电容比正方形传感器的电容更小4-5%，或者正方形传感器为1.479pf并且六边形传感器为1.415pf。因此，与正方形形状传感器相比，六边形形状传感器跨整个阳极上展现出更大的信噪比和更均匀的子像素定位不确定性。
15.对单个传感器所见电容的最大贡献来自相邻传感器的接近度，这与像素的周长有关。因此，三角形、正方形和六边形形状传感器对于相同的传感器面积示出依次减小的电容，这主要是由于每个形状每单位面积的周长依次减小。正方形形状传感器的周长为三角形形状传感器周长的88%，而六边形形状传感器的周长为三角形传感器周长的82%。因此，在超低噪声系统中，六边形形状传感器可以展现出优于正方形和三角形形状传感器的信噪比优势，这增加了系统的固有分辨率。
16.阵列100的相邻传感器的中心之间的距离基本上相等。换句话说，阵列100的每个传感器与紧邻到其定位的每个传感器基本上等距。如下面将描述的，与传感器的正方形网格相比，这样的布置可以提供更同质的电场分布和更均匀的噪声模式和响应。通过允许计算三个方向上的子像素位置（例如，六边形网格图案），阵列100的六边形封装还可以相对于常规系统提高固有分辨率，如将在下面描述的。
17.图2是根据一些实施例的直接转换器检测器的组件的示意图。检测器200包括传感
器阵列210、阴极220和它们之间的直接转换材料230。传感器阵列210可以包括如本文所述的六边形或其他形状的阳极的阵列网格。阴极220可以包括连续层，该连续层对于将被检测器200检测到的能量的伽马射线通常是透明的。直接转换材料230可以由诸如czt或碲化镉（cdte）的单晶半导体材料组成。
18.图3图示了操作的一个示例中的检测器300。检测器300可以实现检测器200的结构，包括传感器阵列310、阴极320、直接转换材料330并且如上所述。还示出了与阴极320相邻的准直器340。准直器340可以包括如现有技术中已知的多焦点锥形束准直器或平行孔准直器。
19.检测器300被定位成检测从体积350发射的伽马射线355。用于促进从体积中发射伽马射线的系统在本领域中是已知的，并且特别是关于单光子发射计算机断层摄影（spect）成像而言。伽马射线355中的某些伽马射线被准直器340准直，以限定它们的响应线，并滤除散射或杂散的伽马辐射，并且如此准直的伽马射线由于其对阴极320的透明性而穿过阴极320。
20.伽马射线穿透直接转换材料330并且与直接转换材料330相互作用以生成电子-空穴对。阴极320保持在负偏置电势，而阵列310的传感器保持在较小排斥电势。因此，带正电荷的空穴向阴极320漂移，而带负电荷的电子向阵列310的传感器漂移。当电子接近阵列310的给定传感器时，在给定传感器及其相邻传感器处感应出信号。
21.在由给定传感器收集电子之后，读出电子器件360可以使用从相邻传感器接收的信号来确定给定传感器的子像素位置，在该子像素位置处将假设已经接收到伽马射线。如本领域中已知的，然后可以使用在其处接收到所有伽马射线的子像素位置来生成图像。如本领域中也已知的，多个这样的图像可以从围绕体积350的不同角度采集并且用于重建体积350的三维图像。
22.实施例不限于图2和图3的结构或图3的取向。例如，伽马射线可以从任何方向进入材料330，但是由于读出电子器件360的位置紧邻传感器阵列310，所以图3的取向可能是有益的。
23.如上所述，根据一些实施例的传感器的电容可以小于具有相同表面积的另一个传感器的电容。读出电子器件360所见的电容的减小降低了系统的噪声并且增加了信噪比。
24.图4是根据一些实施例的过程的流程图。可以使用硬件和软件的任何合适的组合来执行过程400和本文描述的其他过程。体现这些过程的软件程序代码可以由任何非暂时性有形介质存储，包括硬盘、易失性或非易失性随机存取存储器、cd、dvd、闪存驱动器或磁带。实施例不限于下面描述的示例。
25.最初，在s410，在直接转换器伽马射线检测器的第一传感器处接收电荷。如上所述，电荷可以由直接转换材料响应于伽马射线的穿透而生成的电子-空穴对的电子组成。根据本示例，与第一传感器直接相邻的每个传感器的中心与第一传感器的中心基本上等距。该物理特性由图1的传感器阵列100表明，但是实施例不限于此。
26.接下来，在s420，基于在与第一传感器直接相邻的每个传感器处感应的并且对应于在第一传感器处接收的电荷（即，由相同的伽马射线相互作用产生）的电信号，来确定传感器的子像素。如本领域中已知的，收集所生成的电子的传感器上的感应信号不同于相邻的非收集传感器上感应的信号。因此，在相邻非收集传感器上感应的信号可以用于确定收
集传感器的子像素或子区域，在该子像素或子区域中，伽马射线相互作用将被认为已经发生。在这点上，每个传感器可以被认为限定了多个逻辑子像素。
27.s420可以使用如现有技术中已知的anger逻辑进行，然而使用六边形网格而不是笛卡尔网格。anger逻辑涉及计算相对的传感器上的信号之和之间的比率。然而，在正方形形状传感器中，所有传感器对总体噪声的贡献并不均匀。具体而言，更靠近收集传感器的传感器——即n、s、e和w传感器——对噪声贡献更大，而其他相邻传感器——即ne、nw、se和sw传感器——距收集传感器更远并且对总体噪声贡献更小。
28.结果得到的所计算的比率的非线性对于更靠近传感器中心的事件造成更大的不确定性，在其处该比率几乎是平坦的，并且噪声支配固有分辨率，特别是如果信噪比很小的话。由于所计算的比率是高度非线性的，因此使用常规传感器阵列的子像素确定需要非线性校正来计算估计的真实相互作用位置。此外，使用正方形形状传感器，该比率典型地在由收集传感器附近的传感器限定的两个正交方向、例如x-y方向上计算。
29.图5图示了根据一些实施例在s420确定子像素。六边形形状传感器500被描绘为具有36个逻辑子像素，但是实施例可以为每个传感器限定任何数量的子像素。由于传感器和子像素的六边形形状，因此可以在具有三个方向的六边形网格图案中有利地计算anger比率，从而在使用所有坐标时提高固有分辨率。特别地，每个伽马射线事件
푖
的收集传感器510内的三维子像素位置（x，y，z）可以基于在两个电极的相对组上感应的信号来确定，如关于xi图示520、yi图示530和zi图示540所示出的那样，其中k
x
、ky、kz和k
深度
是线性的并且是“较少”非线性的校正因子。
30.图6还图示了根据一些实施例在s420确定收集传感器510的子像素。图6的确定使用附加（即，第三）信号来计算每个坐标值，这增加了信噪比，同时移位子像素位置的轴，如在xi图示620、yi图示630和zi图示640中所示出的那样。
31.在s420确定子像素位置可以利用任何合适的算法。此外，子像素位置的确定也可以或可替代地利用来自一个或多个传感器的信号，所述一个或多个传感器不与收集传感器紧邻。
32.返回到过程400，然后在s430基于所确定的子像素生成图像。假设s410和s420结合许多伽马射线相互作用和结果所得的收集电荷被并行执行许多次，因此在s430生成的图像包括许多子像素的图像数据。如上所述，生成的图像可以包括二维图像，该二维图像可以与其他二维图像结合使用以重建三维体积，如本领域中已知的那样。
33.图7图示了根据一些实施例的传感器阵列700。传感器阵列700的传感器是圆形的。在这点上，对于任何形状的给定区域，圆形展现出最小的周长。因此，对于给定的面积，阵列700的圆形形状传感器展现出任何传感器形状中最小的电容，从而导致上述对应的优点。
34.此外，阵列700的传感器是以六方结构排列的。因此，对于阵列700的任何给定传感器，所有相邻传感器的中心与给定传感器的中心等距。该特性为每个传感器子像素提供了降低的非线性和增加的定位确定性的一致性。由于在阵列700的个体传感器之间的非电荷收集区域的数量，因此传感器阵列700可能展现出与阵列100相比更低的灵敏度。
35.图8图示了根据一些实施例的以六方结构排列的传感器阵列800。传感器阵列800的传感器是正方形形状的，并且因此比上述六边形和圆形传感器展现更大的每单位面积电容。由于六边形封装，因此对于阵列800的任何给定传感器，所有相邻传感器的中心与给定
传感器的中心等距。因此，相对于常规的正方形网格，传感器阵列800可以为每个传感器子像素提供降低的非线性和增加的定位确定性的一致性。由于在阵列800的个体传感器之间的非电荷收集区域的数量，因此传感器阵列800也可能展现出与阵列100相比更低的灵敏度。
36.图9图示了spect系统900，其可以实现如上所述的一个或多个直接转换器检测器。系统900包括台架902，一个或多个检测器904a、904b可以附接到台架902。检测器904a、904b中的每一个检测由床908上的体积906内的放射性同位素发射的伽马光子（即发射数据）。
37.床908能够沿着轴a和/或轴b移动体积906。在相应的床位置（即，成像位置），体积906的一部分定位在直接转换器检测器904a、904b之间，以便捕获来自该身体部分的发射数据。直接转换器检测器904a、904b可以采用如本文所述的传感器阵列，并且可以耦合到如本领域中已知的多焦点锥形束准直器或平行孔准直器。
38.控制系统920可以包括任何通用或专用计算系统。因此，控制系统920包括一个或多个处理单元922和用于存储程序代码的存储设备930，处理单元922被配置为执行处理器可执行程序代码以使得系统920如本文所述进行操作。存储设备930可以包括安装在对应接口（例如，usb端口）中的一个或多个固定磁盘、固态随机存取存储器和/或可移动介质（例如，拇指驱动器）。
39.存储设备930存储系统控制程序932的程序代码。一个或多个处理单元922可以结合spect系统接口940执行系统控制程序932，以控制马达、伺服系统和编码器，从而使得检测器904a、904b沿着台架902旋转，基于接收到的伽马射线从传感器检测器904a、904b采集信号，并且基于如本文所述的电信号确定伽马射线事件（即投影图像）的子像素位置。事件数据934可以存储在存储器930中。如已知，还可以执行控制程序932来从事件数据934重建体积936。
40.终端950可以包括耦合到系统920的显示设备和输入设备。终端950可以显示存储在存储器930中的任何投影图像或重建体积。在一些实施例中，终端950是单独的计算设备，诸如但不限于台式计算机、膝上型计算机、平板计算机和智能电话。
41.系统900的每个组件可以包括其操作所必需的其他元件，以及用于提供除了本文描述的那些之外的功能的附加元件。
42.本文描述的每个功能组件可以至少部分地在计算机硬件中、程序代码中和/或执行如本领域中已知的这样的程序代码的一个或多个计算系统中实现。这样的计算系统可以包括执行存储在存储器系统中的处理器可执行程序代码的一个或多个处理单元。
43.前述示图表示用于描述根据一些实施例的过程的逻辑架构，并且实际实现可以包括以其他方式布置的更多或不同的组件。其他拓扑可以与其他实施例结合使用。此外，本文描述的每个组件或设备可以由经由任何数量的其他公共和/或私有网络通信的任何数量的设备来实现。两个或更多个这样的计算设备可以彼此远离地定位，并且可以经由任何已知方式的（一个或多个）网络和/或专用连接彼此通信。每个组件或设备可以包括适合于提供本文描述的功能以及任何其他功能的任何数量的硬件和/或软件元件。例如，在根据一些实施例的系统的实现中使用的任何计算设备可以包括执行程序代码的处理器，使得计算设备如本文描述的那样操作。
44.本文讨论的所有系统和过程可以体现在存储在一个或多个非暂时性计算机可读
介质上的程序代码中。这样的介质可以包括例如硬盘、dvd-rom、闪存驱动器、磁带和固态随机存取存储器（ram）或只读存储器（rom）存储单元。因此，实施例不限于硬件和软件的任何特定组合。
45.本领域技术人员应当领会，在不脱离权利要求的情况下，可以配置上述实施例的各种适配和修改。因此，应当理解，权利要求可以以不同于如本文具体描述的方式来实践。