УЗЕЛ ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЯ СО СХЕМОЙ ТЕСТИРОВАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01T1/24 

Приведенное ниже описание относится к области формирования радиологических изображений, компьютерной томографии (СТ), эмиссионной томографии, радиационных детекторов и их предшествующему уровню техники.

При формировании изображений посредством компьютерной томографии (СТ) рентгеновская трубка излучает рентгеновские лучи, проходящие через объект, и ослабленное объектом рентгеновское излучение обнаруживается расположенным на противоположной стороне узлом детектора излучения. В некоторых системах СТ узел детектора излучения содержит сцинтилляционные счетчики, преобразующие фотоны рентгеновского излучения во вспышки (то есть сцинтилляции) света, и фотодиоды, выполненные с возможностью обнаружения света. Такие узлы детекторов излучения имеют режим интегрирования с высокой чувствительностью и обеспечивают другие преимущества, но не позволяют использовать спектральную информацию, доступную в сигнале позади объекта, или - если применяется переключение киловольт - пикового напряжения - позволяют только формирование изображения с двойной энергией, при котором собирается лишь некоторая спектральная информация с помощью двух трубок с различными спектрами.

Чтобы сделать детектор способным полностью оценивать эту спектральную информацию (то есть с помощью измерений с более чем двумя спектральными разрешающими способностями), один из главных подходов состоит в замене комбинации сцинтилляционный счетчик/фотодиод матрицей детектора излучения, содержащей (монокристаллический) материал прямого преобразования, такой как материал на основе системы сплава CdTe-ZnTe; до сих пор только некристаллические материалы прямого преобразования показывают достаточную скорость, чтобы иметь дело с высокими скоростями счета при формировании медицинских СТ-изображений для человека. В таких узлах детектора излучения матрица детектора разбивается на пиксели с образованием матрицы (например, 30×30=900) пикселей детектора. Каждый пиксель детектора содержит электроды, диэлектрическую изоляцию и так далее, чтобы оперативно определять различные элементы детектирования излучения. Построенная на основе пикселей матрица детектора электрически соединяется с электронной схемой детектора, чтобы образовать модуль узла детектора. При одном из подходов пиксельная матрица детектора (или кристалл детектора) крепится к специализированной интегральной схеме (ASIC), обеспечивающей обработку сигналов, способом перевернутого кристалла или к матрице таких ASIC. ASIC реализует для каждого из пикселей детектора канал подсчета с разрешением по энергии, содержащий, например, формирователь импульсов или другую аналоговую схему обработки, выход которой соединяется с аналого-цифровым (A/D) преобразователем, таким как компаратор, который является двоичным аналого-цифровым (A/D) преобразователем, и его выходной сигнал обладает двоичным значением, имеющим одно значение, если фотон рентгеновского излучения не обнаружен, и второе, другое значение, если обнаружен фотон рентгеновского излучения. При другом подходе кристалл детектора может крепиться к подложке интерпозера и эта подложка интерпозера должна крепиться к ASIC считывания, возможно, через дополнительный интерпозер, который крепится к ASIC. Такой интерпозер может использоваться, если ASIC обладает шагом пикселей, меньшим, чем шаг пикселей на кристалле детектора.

Перед использованием системы для формирования медицинских СТ-изображений или для других задач узел детектора излучения проходит тестирование, чтобы гарантировать, что оно работает должным образом. Как правило, тестирование выполняется на собранном узле детектора излучения, состоящем из множества таких модулей, в том числе прикрепленных способом перевернутого кристалла к ASIC компонента или компонентов, освещая узел детектора излучения рентгеновскими лучами при должным образом управляемых условиях. Начальное тестирование может быть выполнено до или после установки в СТ-систему. После установки тестирование матрицы детектора повторяется случайным образом, например, каждый раз, когда СТ-система запускается, чтобы подтвердить правильность продолжительной работы узла детектора излучения в пределах рабочих технических требований. Тестирование, выполняемое после установки в СТ-систему, обычно использует рентгеновскую трубку СТ-системы в качестве источника излучения для проверки.

Эти подходы к тестированию узла детектора излучения обладают существенными недостатками и ограничениями. Тестирование предполагает однородность рентгеновского излучения при облучении матрицы детектора излучения. Если это предположение оказывается неправильным, то результаты тестирования будут отражать пространственную неоднородность рентгеновского излучения и узел детектора излучения может не пройти тест даже при том, что он фактически действует в пределах рабочих технических требований. Тестирование также не способно различать проблему с пикселем детектора матрицы детектора и проблему с последующей обработкой сигналов, выполняемой ASIC. В результате, когда модуль узла детектора излучения, как обнаруживает тестирование, не соответствует рабочим техническим требованиям, средством устранения неисправности обычно является замена всего модуля, в том числе как матрицы детектора, так и компонента или компонентов ASIC.

Ниже представлены новые и улучшенные устройства и способы, преодолевающие упомянутые выше и другие проблемы.

В соответствии с одним раскрытым вариантом устройство содержит специализированную интегральную схему (ASIC), выполненную с возможностью соединения при функционировании с модулем матрицы детектора, преобразующим частицы излучения в электрические импульсы детектирования. ASIC содержит схему обработки сигналов, выполненную с возможностью оцифровки электрических импульсов детектирования, принятых от модуля матрицы детектора, и схему тестирования, выполненную с возможностью электрического тестирования схемы обработки сигналов.

В соответствии с другим раскрытым вариантом устройство содержит модуль матрицы детектора, выполненный с возможностью преобразования частиц излучения в электрические импульсы детектирования, и специализированную интегральную схему (ASIC), соединенную при функционировании с модулем матрицы детектора.

ASIC содержит схему обработки сигналов, выполненную с возможностью оцифровки электрических импульсов детектирования, принятых от модуля матрицы детектора, и схему тестирования, выполненную с возможностью введения тестового электрического импульса в схему обработки сигналов. Схема тестирования содержит измеритель тока, выполненный с возможностью измерения тестового электрического импульса, введенного в схему обработки сигналов.

В соответствии с другим раскрытым вариантом устройство, как указано в предшествующем абзаце, дополнительно содержит процессор, соединенный при функционировании с ASIC и выполненный с возможностью осуществления способа тестирования ASIC, содержащего этапы, на которых: (i) заставляют схему тестирования ввести тестовый электрический импульс в схему обработки сигналов; (ii) заставляют измеритель тока схемы тестирования измерять тестовый электрический импульс, введенный в схему обработки на этапе (i), и сохраняют результат измерения; (iii) сохраняют выходной сигнал схемы обработки сигналов, реагирующей на операцию на этапе (i); и (iv) повторяют этапы (i), (ii) и (iii) для множества различных значений тестовых электрических импульсов.

В соответствии с другим раскрытым вариантом в устройстве, таком как указано в любом из трех предшествующих абзацев, схема тестирования содержит генератор импульсов заряда, выполненный с возможностью генерации тестового электрического импульса, который подается на схему обработки сигналов.

В соответствии с другим раскрытым вариантом способ содержит этапы, на которых электрически тестируют схему обработки сигналов специализированной интегральной схемы (ASIC) без использования излучения; и тестируют узел детектора излучения, содержащий (i) модуль матрицы детектора, выполненный с возможностью преобразования частиц излучения в электрические импульсы детектирования и (ii) ASIC, соединенную при функционировании с модулем матрицы детектора для оцифровки электрических импульсов детектирования, причем при тестировании узла детектора излучения используют излучение, падающее на модуль матрицы детектора. В соответствии с другим раскрытым вариантом аспектом упомянутый способ содержит этапы, на которых: собирают узел детектора излучения, соединяя при функционировании специализированную интегральную схему (ASIC) с модулем матрицы детектора, выполненным с возможностью преобразования частиц излучения в электрические импульсы детектирования; и тестируют схему обработки сигналов ASIC собранного узла детектора излучения без использования излучения.

В соответствии с другим раскрытым вариантом описан изложенный в любом из двух предшествующих абзацев способ, в котором ASIC содержит генератор импульсов заряда и измеритель тока и тестирование схемы обработки сигналов ASIC без использования облучения содержит введение тестового электрического импульса в схему обработки сигналов, используя генератор импульсов заряда ASIC, и измерение тестового электрического импульса, введенного в схему обработки сигналов, используя измеритель тока ASIC.

Одним из преимуществ является более надежное подтверждение работоспособности узла детектора излучения при тестировании.

Другое преимущество при тестировании узла детектора состоит в том, что оно позволяет различать отказ модуля матрицы детектора и отказ последующей схемы обработки сигналов, реализованной компонентом или компонентами ASIC.

Другое преимущество заключается в более быстром тестировании узла детектора излучения.

Дополнительные преимущества будут очевидны для специалистов в данной области техники после прочтения и понимания последующего подробного описания.

Фиг.1 - схематическое изображение системы формирования изображений, использующей узел детектора излучения для СТ, содержащее новые признаки, раскрытые в настоящем документе.

Фиг.2 - схематическое изображение узла детектора излучения для СТ, представленного на фиг.1.

Фиг.3 - схематическое изображение способа тестирования узла детектора излучения для СТ, показанного на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлен иллюстративный пример системы формирования радиологических изображений, соответственно использующей матрицу детектора излучения с калибровкой электронной схемы, как описано в настоящем документе. Иллюстративным примером является гибридная система 10 формирования изображений посредством позитронно-эмиссионной томографии/компьютерной томографии (РЕТ/СТ), которая в показанном варианте осуществления является гибридной системой формирования изображений GEMINI РЕТ/СТ (предлагаемой компанией Koninklijke Philips Electronics N.V., Эйндховен, Нидерланды). Гибридная система 10 формирования изображений РЕТ/СТ содержит портальную раму 12 трансмиссионной компьютерной томографии (СТ) и портальную раму 14 позитронно-эмиссионной томографии (PET). Гибридная система 10 формирования изображений РЕТ/СТ является «гибридной» системой в том смысле, что обычная система 16 транспортирования для формирования изображения линейного объекта устанавливается в портальную раму 12 или 14 для выполнения СТ или PET. Портальная рама 12 для СТ снабжена рентгеновской трубкой 18 и узлом 20 детектора излучения, чувствительным к рентгеновским лучам. Внутренние компоненты 18, 20 показаны в частичном разрезе портальной рамы 12 для СТ. Портальная рама 14 для PET содержит узел 22 детектора излучения для PET (схематично частично показан в частичном разрезе портальной рамы 14 для PET), расположенный в виде кольца внутри портальной рамы 14 для PET. Узел 22 детектора излучения для PET чувствителен к излучению 512 кэВ, возникающему при событиях позитронно-электронной аннигиляции.

Гибридная система 10 формирования изображений имеет связь при функционировании с показанным на чертеже компьютером 24 или другой электронной схемой управления, которая реализует модуль 30 тестирования узла детектора излучения для СТ 30 и модуль 32 сбора данных/реконструкции/отображения для СТ. Модуль 30 тестирования узла детектора излучения для СТ выполняет тестирование узла 20 детектора излучения для СТ, используя схему тестирования, встроенную в узел 20 детектора излучения для СТ. Модуль 32 сбора данных/реконструкции/ отображения для СТ побуждает портальную раму 12 для СТ, содержащую рентгеновскую трубку 18 и узел 20 детектора излучения, осуществлять сбор рентгеновских данных трансмиссионной проекции объекта и осуществляет отфильтрованную рирпроекцию, итеративную реконструкцию или другой алгоритм реконструкции для создания реконструированного изображения объекта из собранных данных проекции и дополнительно заставляет реконструированное изображение отображаться на дисплее 34 компьютера 24 и/или печататься печатающим устройством (не показано) и/или запоминаться в соответствующей памяти и так далее.

Например, узел 20 детектора излучения для СТ содержит раскрытую здесь схему тестирования (которая будет дополнительно описана со ссылкой на пример на фиг.2). В более широком смысле раскрытые узлы детектора излучения со схемой тестирования и способы тестирования узлов детектора излучения, использующие такую схему, могут также быть реализованы в сочетании с узлом 22 детектора излучения для PET или с другими узлами детектора излучения, такими как головки детекторов излучения гамма-камеры. Кроме того, хотя гибридная система 10 формирования изображений показана на фиг.1 для примера, раскрытые узлы детектора излучения со встроенной схемой тестирования и раскрытые способы тестирования узла детектора излучения, использующие такую схему, могут также использоваться в сочетании с автономной (а не гибридной) радиологической системой формирования изображений.

Кроме того, такие термины, как «частица излучения», «частица падающего излучения» и подобная фразеология, используемые в настоящем документе, должны истолковываться широко, как охватывающие частицы излучения, такие как альфа-частицы, бета-частицы, гамма-частицы, рентгеновские фотоны, фотоны и так далее. В иллюстративном примере варианта осуществления иллюстративная фразеология, такая как «фотон» или «рентгеновский фотон», может использоваться здесь как соответствующая для иллюстративного примера излучения в форме рентгеновских лучей в системе СТ. Точно также такие термины, как «подсчет фотонов» или «режим подсчета фотона», могут использоваться в описании иллюстративного примера варианта осуществления и должны истолковываться широко как охватывающие подсчет частиц излучения в общем смысле и в этом качестве предназначены охватывать подсчет фотонов или рентгеновских фотонов, или альфа-частиц, или бета-частицы и прочего как соответствующих интересующему излучению и типу материала прямого преобразования, используемого в матрице детектора узла детектора излучения.

Как показано на фиг.2, узел 20 детектора излучения содержит модуль 40 матрицы детектора и специализированную интегральную схему 42, обе из которых показаны частично на схематическом виде в разрезе на фиг.2. Модуль 40 матрицы детектора разбит на пиксели, то есть содержит матрицу пикселей детектора, которые представлены на фиг.2 как пиксель 44 детектора, который будет рассмотрен здесь в качестве примера, и дополнительные пиксели 44' детектора, которые представлены на фиг.2, чтобы показать матрицу пикселей. Пиксели 44, 44' детектора изготавливаются из соответствующего материала с прямым преобразованием, который преобразует частицу излучения в электрический импульс детектирования. Для рентгеновских лучей некоторыми подходящими материалами с прямым преобразованием являются сплавы системы сплавов CdTe-ZnTe. Модуль 40 матрицы детектора излучения разбит на пиксели, образуя матрицу пикселей 44, 44' детектора, такую как, например, матрица 30×30=900 пикселей детектора. Каждый пиксель 44, 44' детектора содержит электроды, диэлектрическую изоляцию и прочее (признаки не показаны), чтобы определить пиксель детектора как различаемый при функционировании элемент обнаружения излучения. В иллюстративном примере пиксели 44, 44' детектора располагаются на подложке 46, которая обеспечивает механическую поддержку и при необходимости может также содержать электропроводящие проводники или другие рабочие элементы.

Показанная на чертеже ASIC 42 обычно является планарной и содержит переднюю поверхность 50, обращенную к модулю 40 матрицы детектора, и заднюю поверхность 44, обращенную в сторону от модуля 40 матрицы детектора. Передняя поверхность 50 ASIC 42 соединяется с модулем 40 матрицы детектора соединением 54 по способу перевернутого кристалла, содержащим множество скрепляющих перемычек, две из которых показаны в качестве примера на фиг.2. Соединение 54 по способу перевернутого кристалла обеспечивает соединение при функционировании между модулем 40 матрицы детектора и ASIC 42, так что, опять же для примера, электрический импульс детектирования, созданный посредством обнаружения рентгеновского фотона в пикселе 44 детектора, передается на ASIC 42. Следует понимать, что площадь, занимаемая схемой ASIC 42, может иметь или не иметь одинаковую длину с модулем 40 матрицы детектора. Например, в некоторых вариантах осуществления (с одинаковой длиной) ASIC 42 и модуль 40 матрицы детектора имеют одинаковую площадь А×В; с другой стороны, в некоторых вариантах осуществления (с неодинаковой длиной) модуль 40 матрицы детектора может иметь площадь А×В, тогда как ASIC 42 может иметь площадь (А/2)×(В/2). В последнем случае соответственно обеспечиваются четыре таких компонента ASIC, чтобы перекрыть большую площадь (А×В) модуля 40 матрицы детектора.

В собранной (то есть с закреплением способом перевернутого кристалла) конфигурации каждый пиксель детектора имеет соответствующую схему обработки сигналов (иногда упоминаемую здесь как пиксель ASIC), чтобы оцифровывать электрический импульс детектирования, созданный пикселем детектора. Чтобы пояснить этот пример, на фиг.2 показан пиксель 60 ASIC, содержащий схему обработки сигналов для оцифровки электрического импульса детектирования, созданного показанным пикселем 44 детектора. Пиксель 60 ASIC содержит схему 62 формирования импульсов или другую аналоговую схему обработки для формирования электрического импульса детектирования, принятого от пикселя 44 детектора, в более стандартизованную форму. Например, в некоторых вариантах осуществления схема 62 формирования импульсов формирует электрический импульс детектирования, чтобы иметь гауссову или другую стандартную форму с выбираемой длительностью импульса на уровне половины амплитуды (FWHM). Для импульса стандартизованной формы амплитуда импульса обычно пропорциональна или приблизительно пропорциональна энергии рентгеновского фотона, который вызвал появление импульса. Выходной сигнал схемы 62 формирования импульсов подается на один или более компараторов 64, 65, 66, служащих двоичными аналого-цифровыми (A/D) преобразователями. Каждый из компараторов 64, 65, 66 имеет разные пороговые значения: компаратор 64 имеет пороговое значение Th1; компаратора 65 имеет пороговое значение Th2; и компаратор 66 имеет пороговое значение Th3. Обычно Th1≠Th2≠Th3, и без потери общности здесь принимается, что Th1<Th2<Th3. Соответственно, обозначая амплитуду (сформированного) электрического импульса детектирования как Р, в таблице 1 показаны выходные сигналы компараторов 64, 65, 66 для различных диапазонов амплитуды импульса Р, где выходной сигнал «О» указывает, что Р меньше, чем пороговое значение компаратора, а выходной сигнал «1» указывают, что Р больше, чем пороговое значение компаратора. Можно видеть, что эти три компаратора или двоичные A/D-преобразователи 64, 65, 66 вместе обеспечивают различающиеся уровни оцифровки. Двоичные значения, приведенные в таблице 1, могут быть выведены напрямую (не показано) или, как в показанном на чертеже варианте осуществления, дополнительная схема 68 считывания пикселей ASIC для пикселя 60 ASIC объединяет выходные сигналы компараторов 64, 65, 66, чтобы создать единый аналоговый или цифровой выходной сигнал, считываемый на клемме 70 на обратной стороне 52 ASIC 42.

Таблица 1 Амплитуда (Р) импульса Компаратор 64 (Th1) Компаратор 64 (Th2) Компаратор 66 (Th3) P<Th1 0 0 0 Th1<P<Th2 1 0 0 Th2<P<Th3 1 1 0 P>Th3 1 1 1

Хотя на фиг.2 для примера показана одиночная клемма 70, пиксель 60 ASIC может иметь выход с множеством клемм (например, многоконтактный). Например, показанный для примера вариант осуществления, имеющий четыре возможных уровня оцифрованного выходного сигнала, может традиционно быть представлен двухбитовым двоичным выходным сигналом, обеспечивающим двоичные значения "00", "01", "10" или "11", чтобы представлять четыре возможных уровня. Кроме того, хотя для примера показаны три компаратора 64, 65, 66, следует понимать, что количество компараторов может быть только одним (обеспечивая, таким образом, двухуровневый цифровой выходной сигнал) или может быть двумя, тремя, четырьмя или более компараторами с цифровой разрешающей способностью и/или диапазоном, увеличивающимся с увеличением количества компараторов. Также дополнительно, хотя для примера показаны три компаратора 64, 65, 66, действующих параллельно, следует понимать, что могут использоваться другие типы или конфигурации A/D-схемы.

Показанный на чертеже пиксель 60 ASIC, соответствующий показанному на чертеже пикселю 44 детектора, приводится для примера и следует понимать, что пиксель 60 ASIC повторяется для каждого пикселя 44, 44' детектора. Например, если модуль 40 матрицы детектора разделен на пиксели в матрицу размером 30×30 пикселей детектора, то есть всего 900 пикселей детектора, то существуют соответствующие 900 пикселей ASIC, оцифровывающих электрические импульсы детектирования, принятые от 900 пикселей детектора. Для единообразного формирования изображений: пороговые значения Th1 компараторов 64 для 900 пикселей ASIC должны быть одинаковыми (в пределах указанного допуска); пороговые значения Тh2 компараторов 65 для 900 пикселей ASIC должны быть одинаковы (в пределах указанного допуска); и пороговые значения Th3 компараторов 64 для 900 пикселей ASIC должны быть одинаковы (в пределах указанного допуска). В некоторых вариантах осуществления эти пороговые значения могут перестраиваться сигналом подстройки, подаваемым на каждый пиксель ASIC, тогда как в других вариантах осуществления никакой подстройки нет и изготовление ASIC, как ожидается, должно быть достаточно точным, чтобы обеспечить одни и те же пороговые значения Th1, Th2, Тh3 в пределах указанных допусков.

Обращаясь кратко к фиг.1, система СТ содержит модуль 30 тестирования узла детектора для СТ, соответственно реализуемый программированным процессором компьютера 24 или другим цифровым процессором. Модуль 30 тестирования действует совместно со схемой тестирования ASIC 42, чтобы проверять пиксели ASIC, обеспечивая, что пороговые значения Th1, Th2, Th3 пикселей находятся в пределах заданных допусков.

Вновь обращаясь к фиг.2, кратко поясняется схема 80 тестирования ASIC 42. Схема 80 тестирования выполнена с возможностью осуществления электрического тестирования схемы обработки сигналов, то есть тестирования пикселей 60 ASIC. Это тестирование является электрическим тестированием, которое независимо от работы модуля 40 матрицы детектора и не использует излучение, падающее на модуль 40 матрицы детектора. Электрическое тестирование схемы обработки сигналов, выполняемое схемой 80 тестирования, может осуществляться без какого-либо излучения, падающего на модуль 40 матрицы детектора, и конечно может осуществляться с модулем 40 матрицы детектора, соединенным при функционировании (например, прикрепленным способом перевернутого кристалла) с ASIC 42, или без него.

Схема 80 тестирования 80 выполнена с возможностью введения тестового электрического импульса в схему обработки сигналов (например, в пиксель 60 ASIC). С этой целью схема 80 тестирования содержит генератор 82 импульсов заряда, выполненный с возможностью создания тестового электрического импульса (с изменяемыми параметрами), который вводится в схему обработки сигналов. Тестовый электрический импульс моделирует электрический импульс детектирования, принимаемый от пикселя 44 детектора. Генератор 82 импульсов заряда может быть осуществлен по-разному, например как источник переменного тока или как переключаемый конденсатор и т.п. Схема 80 тестирования также содержит измеритель 84 тока, выполненный с возможностью измерения тестового электрического импульса, введенного в схему обработки сигналов. Измеритель 84 тока может быть осуществлен, например, как схема интегратора импульса. При необходимости обеспечивается схема 86 считывания импульсов заряда, чтобы оцифровать или как-либо иначе обработать результат измерения тестового электрического импульса и (при необходимости оцифрованный) результат измерения выводится на клемму или клеммы 88, расположенные на обратной стороне 52 ASIC 42.

Путем считывания с выходной клеммы 70 пикселя 60 ASIC, реагирующего на введение тестовых электрических импульсов в диапазоне различных (интегрированных) параметров, измеряемых измерителем 84 тока на клемме(-ах) 88, пороговые значения Тh1, Тh2, Тh3 компараторов 64, 65, 66 могут быть определены эмпирически посредством сканирования пороговых значений, то есть вводя импульсы с известными значениями (то есть проводя измерения с использованием измерителя тока), причем каждое пороговое значение перемещается от его максимального значения к минимальному значению (или наоборот); установка порогового значения, при котором обнаруживаются 50% количества созданных входных импульсов, считается пороговым значением, соответствующим значению введенного импульса. Диапазон различных значений тестовых электрических импульсов предпочтительно перекрывает ожидаемый диапазон пороговых значений Th1, Th2, Th3 или предпочтительно перекрывает диапазон пороговых значений Th1, Th2, Th3 для ASIC, действующей в пределах рабочих технических требований.

В некоторых вариантах осуществления показанная схема 80 тестирования повторяется для каждого пикселя ASIC. Таким образом, например, если существуют 900 пикселей детектора и соответствующие 900 пикселей ASIC, то должно быть 900 экземпляров показанной схемы 80 тестирования. Альтернативно, может быть обеспечено меньшее количество экземпляров схемы 80 тестирования, в некоторых вариантах осуществления может иметься только один единственный экземпляр схемы 80 тестирования. В таких вариантах осуществления, как показано, обеспечивается шина 90, выполненная с возможностью соединения при функционировании схемы 80 тестирования с выбранным пикселем ASIC, чтобы осуществить проверку выбранного пикселя ASIC.

При необходимости интегратор импульсов или другой измеритель 84 тока измеряется или калибруется перед его использованием при тестировании пикселей ASIC. В качестве иллюстративного примера этого варианта, на ASIC 42 обеспечиваются входная клемма или клеммы 92. Показанная клемма 92 находится на обратной стороне ASIC, что в некоторых вариантах осуществления может быть проблематичным, так как она может использовать нестандартное назначение контактов CMOS - соответственно, клемма или клеммы, используемые для измерения или калибровки измерителя 84 тока, могут вместо этого быть размещены в каком-то другом месте. Калиброванный импульс тока может быть подан на клемму(-ы) 92 от внешнего источника 94 калибровки импульсов заряда. Калиброванные импульса тока, поданные на клемму(-ы) 92, обеспечивает подачу импульсов на интегратор импульсов/измеритель тока 84, который измеряет калиброванный импульс тока, и результат измерения оцифровывается схемой 86 считывания и выводится на клемму(-ы) 88. Таким образом, интегратор импульсов/измеритель тока 84 может быть калиброван и информация калибровки соответственно сохраняется в памяти или в хранилище данных, доступных модулю 30 тестирования узла детектора для СТ. Память или хранилище данных могут быть частью компьютера 24 или быть доступны компьютеру 24, который осуществляется как модуль 30 тестирования или который может быть элементом памяти, содержащимся в ASIC 42 (не показано).

Альтернативно, интегратор импульсов или измеритель 84 тока калибруются внутренним источником тока или генератором импульсов заряда (показаны пунктиром), сигнал которого измеряется (и, таким образом, калибруется) через выходную клемму 88 на ASIC 42, используя калиброванный внешний измеритель тока или интегратор импульсов (не показан). Во время этой калибровки шунт 95 закорачивает элементы 84, 86 считывания, так что выходная клемма 88 напрямую выводит сигнал из внутренней схемы внутреннего источника тока или генератора 94' импульсов заряда. Когда внутренний источник тока или генератор 94' импульсов заряда калиброван, шунт 95 размыкается и интегратор импульсов или измеритель 84 тока используется, чтобы измерять этот известный ток или импульс заряда от калиброванного внутреннего источника 94' и, таким образом, калибровать интегратор импульсов или измеритель 84 тока.

Со ссылкой на фиг.1 и 2 и дополнительно на фиг.3 описывается соответствующая процедура тестирования узла 20 детектора излучения. Процедура тестирования выполняется модулем 30 тестирования узла детектора, действующего вместе со схемой 80 тестирования ASIC 42. При начальной операции калибровки на этапе 100 внешний источник 94 калибровки импульсов заряда подключается к клемме(-ам) 92, интегратор импульсов/измеритель тока 84 калибруется на этапе 102 и информация калибровки запоминается на этапе 104. Этапы 100, 102, 104 калибровки обычно не должны выполняться очень часто, предполагая, что интегратор импульсов/измеритель тока 8 4 не испытывает значительного дрейфа в течение долгого времени. В некоторых вариантах осуществления этапы 100, 102, 104 калибровки выполняются на заводе-изготовителе перед установкой узла 20 детектора излучения в портальную раму 12 для СТ. Этапы 100, 102, 104 калибровки могут выполняться до или после того, как ASIC 42 крепится способом перевернутого кристалла к модулю 40 матрицы детектора. При упрощенной процедуре калибровки вводится постоянный ток (а не импульсный ток), который измеряется измерителем тока.

Когда этапы 100, 102, 104 калибровки завершены, может быть выполнено тестирование ASIC. Как правило, тестирование ASIC выполняется с регулярными интервалами, например каждое утро, когда запускается портальная рама для СТ, или один раз в неделю или по некоторому другому расписанию. Тестирование ASIC может выполняться до или после того, как ASIC 42 крепится по способу перевернутого кристалла к модулю 40 матрицы детектора, но во время обычных операций удобно выполнять тестирование ASIC на собранном узле 20 детектора излучения (то есть когда ASIC 42 способом перевернутого кристалла прикреплена к модулю 40 матрицы детектора) и когда узел 20 детектора излучения установлен на портальную раму 12 для СТ. Радиолог или другой пользователь инициируют тестирование ASIC на этапе 110, например, выбирая «тестирование ASIC» в меню, отображаемом на экране 34 компьютера 24. После инициирования схема 80 тестирования (и, более конкретно, генератор 82 импульсов заряда) на этапе 112 прикладывает тестовые импульсы заряда к пикселю ASIC в диапазоне ожидаемых «энергий», чтобы перекрыть диапазон пороговых значений Тh1, Тh2, Тh3, и выходные сигналы компараторов (или более широко - реакции пикселя ASIC на приложенный тестовый импульс заряда) записываются на этапе 114. Как схематично показано на этапе 116, этапы 112, 114 повторяются для всех пикселей ASIC 42, например, последовательно переключая тестирование по всем пикселям ASIC через шину 90. На этапах 114 записи тестовые импульсы заряда измеряются интегратором импульсов/измерителем тока 84, калиброванных с помощью сохраненной информации 104 калибровки, так чтобы пороговые значения Th1, Th2, Th3 для каждого пикселя ASIC могли быть количественно определены для создания таблицы 120 пороговых значений для компараторов каждого пикселя ASIC.

Информация 120 о пороговых значениях может использоваться различными способами. При одном подходе алгоритм 122 проверки работы пикселя ASIC сравнивает пороговые значения Th1, Th2, Th3 каждого пикселя ASIC относительно рабочих технических требований, чтобы идентифицировать карту 124 плохих пикселей (то есть пикселей, для которых по меньшей мере одно из пороговых значений Th1, Th2, Th3 находится вне рабочих технических требований). Карта 124 служит в качестве входных данных в алгоритм 126 проверки работы ASIC, который определяет, считать ли ASIC 42 неисправной. При выполнении этой оценки алгоритм 126 проверки работы ASIC предпочтительно рассматривает не только общее количество плохих пикселей ASIC, но также и их распределение по карте 124. Например, ASIC 42 может пройти проверочный тест, если плохие пиксели ASIC изолированы друг от друга и распределены по существу случайно по поверхности узла 20 детектора излучения; с другой стороны, ASIC 42 может не пройти проверочный тест, если одно и то же количество плохих пикселей ASIC группируется на поверхности узла 20 детектора излучения, образуя относительно большую область плохо работающих пикселей ASIC. Другие факторы, которые могут учитываться алгоритмом 126 проверки ASIC, содержат: отклонение пороговых значений плохих пикселей ASIC от рабочих технических требовании (большие отклонения ведут к смещению в направлении отказа при проверке ASIC); абсолютные местоположения плохих пикселей ASIC (например, плохие пиксели ASIC могут быть более терпимы на периферии поверхности детектора по сравнению с центром поверхности детектора) и т.д.

Алгоритм 126 проверки ASIC создает выходной сигнал 128, например, на компьютерном дисплее 34 (при необходимости содержащий отображаемую графическую карту пикселей ASIC с отмеченными любыми плохими пикселями ASIC), сообщая радиологу или другому пользователю, прошла ли ASIC 42 тест ASIC. В некоторых вариантах осуществления, если тест ASIC пройден, выполняется операция 130, в которой плохие пиксели ASIC отключаются или их выходной сигнал просто игнорируется. Это может быть сделано в программном обеспечении (например, ведя таблицу плохих пикселей, к которой получает доступ модуль 32 сбора данных/реконструкции/отображения изображений СТ, чтобы отбросить данные, собранные плохими пикселями), или посредством аппаратурного подхода, такого как введение схемы отключения (не показана) в схему обработки сигналов каждого пикселя ASIC, которая устанавливает по всем выходам пикселей нули, когда для этого пикселя ASIC включается установка отключения.

Если выходной сигнал 128 сообщает радиологу или другому пользователю, что ASIC 42 не прошла тест ASIC, радиолог или другой пользователь соответственно применяют восстановительные меры. Предпочтительно, радиолог или другой пользователь знают, что ASIC 42 неисправна, в отличие от тестирования, проведенного для узла 20 детектора излучения как единого целого, которое не может различить присутствие неисправности отдельно в модуле 40 матрицы детектора и в ASIC 42. Соответственно, реагируя на выходной сигнал 128 тестирования, указывающий, что ASIC 42 неисправна, радиолог или другой пользователь соответственно выполняет обслуживание узла 20 детектора излучения, содержащее замену дефектной ASIC 42 на другую ASIC, и повторяет тест ASIC, чтобы проверить работу вновь установленной ASIC. Это позволяет избежать ненужной замены модуля 40 матрицы детектора излучения, обычно являющейся дорогостоящим компонентом.

Продолжая ссылку на фиг.1, 2 и 3, в некоторых вариантах осуществления результаты теста ASIC и, в частности, таблица пороговых значений 120 компараторов пикселей ASIC является информацией для тестирования модуля 40 матрицы детектора. Короче говоря, поскольку таблица 120 пороговых значений сообщает о соответствующих изменениях в пикселях ASIC, любое остающееся изменение, наблюдаемое для узла 20 детектора излучения в целом, может быть отнесено к изменениям в пикселях 44, 44' модуля 40 матрицы детектора.

В этом отношении после завершения теста ASIC радиолог дополнительно на этапе 110 инициирует анализ узла детектора, например, выбирая «Тест узла детектора» в меню, отображаемом на экране 34 компьютера 24. В отличие от теста ASIC, тест узла детектора излучения использует излучение, падающее на модуль 40 матрицы детектора. В некоторых вариантах осуществления тест узла детектора выполняется при собранном узле детектора излучения, установленном на портальную раму 12 для СТ, и излучение, падающее на модуль 40 матрицы детектора, обеспечивается рентгеновской трубкой 18. Чтобы обеспечить четко определенный спектр излучения, падающего на модуль 40 матрицы детектора, фильтр, такой как компаундный фильтр или другой спектральный фильтр, дополнительно вставляется на этапе 142. При соответствующем подходе, когда пользователь на этапе 140 выбирает тест узла детектора, компьютер отображает на экране команды, чтобы загрузить фильтр, и делает паузу, пока пользователь не укажет, что фильтр загружен. Как показано на фиг.2, компаундный фильтр 143 должным образом вставляется между чувствительной к излучению поверхностью модуля 40 матрицы детектора и рентгеновской трубкой 18.

Как только компаундный фильтр загружен (или, более широко, устанавливается излучение, падающее на модуль 40 матрицы детектора и имеющее спектр с соответствующим краем или другим спектральным признаком, позволяющим идентификацию энергии падающего фотона), реакция пикселя на рентгеновские лучи на этапе 144 измеряется для всех пикселей. На этапе 144 измерения термин «пиксель» означает (для примера) рабочую комбинацию пикселя 44 детектора и его соответствующего пикселя 60 ASIC. На этапе 146 энергия фотона относительно калибровки выходного сигнала заряда пикселя детектора определяется для каждого пикселя узла 20 детектора. При определении этой калибровки используется таблица пороговых значений 120 для компараторов 64, 65, 66 пикселей ASIC, так что выходной сигнал заряда пикселя, как он измеряется схемой 64, 65, 66 оцифровки, точно известен. Дополнительно, фактическая энергия рентгеновского фотона точно известна благодаря использованию компаундного фильтра 14 3 (или, более широко, благодаря известному спектру излучения, падающего на детектор во время операции измерения на этапе 144). В результате, калибровка, связывающая энергию фотона и выходной сигнал заряда пикселя детектора, легко определяется (Следует понимать, что эта калибровка не может быть с легкостью определена без обращения к таблице пороговых значений 120 для компараторов 64, 65, 66 пикселей ASIC, поскольку без этой информации 120 невозможно отличить изменения в выходном сигнале заряда пикселя детектора для пикселя 44 детектора от изменений в пороговых значениях Th1, Th2, Th3 компараторов 64, 65, 66.) Эта связь может использоваться для целей коррекции при последующей оценке данных, например при реконструкции изображения.

Калибровки пикселей детектора, созданные на этапе 146, используются алгоритмом 148 проверки матрицы детектора, чтобы проверить работоспособность модуля 40 матрицы детектора. Эта проверка должным образом учитывает такие факторы, как дисперсия выходного сигнала заряда пикселя детектора по модулю 40 матрицы детектора для (спектрально четко определенного) излучения, падающего на модуль 40 матрицы детектора, местоположение дисперсии (как при проверке ASIC, дисперсия выходного заряда пикселя детектора в центре площади детектора создает больше проблем, чем подобная дисперсия на периферии) и т.д. Алгоритм 148 проверки матрицы детектора обеспечивает выходной сигнал 150 исправности или неисправности, который должным образом отображается на экране компьютерного дисплея 34. Если выходной сигнал 150 алгоритма 148 проверки матрицы детектора указывает неисправность матрицы детектора, радиолог или другой пользователь может произвести техническое обслуживание, заменяя только модуль 40 матрицы детектора, оставляя нетронутой ASIC 42 (предполагая, что ASIC прошла тест ASIC на этапе 110 и далее). Опять же, это может уменьшить эксплуатационные расходы, избегая замены дорогостоящей ASIC 42, предполагающей способ обратного крепления между кристаллом детектора и считывающей ASIC.

В этой заявке описан один или более предпочтительных вариантов осуществления. После прочтения и понимания предшествующего подробного описания у других людей могут возникнуть мысли о модификации и изменениях. Подразумевается, что заявка должна истолковываться так, что она содержит в себе все такие модификации и изменения, насколько они попадают в рамки объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

Изобретение относится к области формирования радиологических изображений, компьютерной томографии (СТ), эмиссионной томографии, радиационных детекторов и их предшествующему уровню техники. Сущность изобретения заключается в том, что узел (20) детектора излучения содержит модуль (40) матрицы детектора, выполненный с возможностью преобразования частиц излучения в электрические импульсы детектирования, и специализированную интегральную схему (ASIC) (42), соединенную при функционировании с матрицей детектора. ASIC содержит схему (60) обработки сигналов, выполненную с возможностью оцифровки электрического импульса детектирования, принятого от матрицы детектора, и тестовую схему (80), выполненную с возможностью введения тестового электрического импульса в схему обработки сигналов. Тестовая схема содержит измеритель (84) тока, выполненный с возможностью измерения электрического импульса, введенного в схему обработки сигналов, и генератор (82) импульсов заряда, выполненный с возможностью генерации тестового электрического импульса, который вводится в схему обработки сигналов. Узел (20) детектора излучения собирают посредством соединения при функционировании ASIC (42) с модулем (40) матрицы детектора и схему (60) обработки сигналов ASIC собранного узла детектора излучения тестируют без использования излучения. Технический результат - повышение качества тестирования устройства детектирования. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство формирования изображения, содержащее:
модуль (40) матрицы детектора, выполненный с возможностью преобразования частиц излучения в электрические импульсы детектирования; и
специализированную интегральную схему (ASIC) (42), соединенную при функционировании с матрицей детектора излучения, причем ASIC включает в себя:
схему (60) обработки сигналов, выполненную с возможностью оцифровки электрического импульса детектирования, принятого от матрицы детектора,
схему (80) тестирования, выполненную с возможностью введения тестового электрического импульса в схему обработки сигналов, причем упомянутая схема тестирования включает в себя измеритель (84) тока, выполненный с возможностью измерения тестового электрического импульса, введенного в схему обработки сигналов.

2. Устройство по п.1, в котором ASIC (42) дополнительно содержит одно из:
доступной извне клеммы (88) для ввода заряда калибровки, причем измеритель (84) тока дополнительно выполнен с возможностью измерения заряда калибровки, который вводится на доступную извне клемму для ввода заряда калибровки, и
доступной извне клеммы (88) для вывода сигнала калибровки, причем ток или импульс тока внутренней тестовой структуры (94'), выполненной (95) с возможностью вывода сигнала на выходную клемму (88), чтобы произвести калибровку с помощью внешнего измерителя тока или интегратора импульсов, соединенных с выходной клеммой (88) калибровки, так чтобы после калибровки внутренней тестовой структуры (94') внутренний измеритель (84) тока мог калиброваться, используя внутреннюю тестовую структуру (94').

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, дополнительно содержащее:
соединение (54) способом перевернутого кристалла между модулем (40) матрицы детектора и ASIC (42).

4. Устройство по любому из пп.1-2, дополнительно содержащее:
процессор (24), соединенный при функционировании с ASIC (42) и выполненный с возможностью осуществления способа тестирования ASIC, содержащего этапы, на которых:
(i) побуждают тестовую схему (80) ввести тестовый электрический импульс в схему (60) обработки сигналов,
(ii) побуждают измеритель (84) тока тестовой схемы измерить тестовый электрический импульс, введенный в схему обработки сигналов при операции на этапе (i) , и сохраняют результат измерения,
(iii) сохраняют выходной сигнал схемы (60) обработки сигналов, полученный в ответ на операцию на этапе (i), и
(iv) повторяют операции этапов (i), (ii) и (iii) для множество различных значений тестового электрического импульса.

5. Устройство по п.4, в котором:
схема обработки сигналов содержит множество пикселей ASIC, причем каждый пиксель (60) ASIC содержит схему обработки сигналов, выполненную с возможностью оцифровки электрического импульса детектирования, принятого от соответствующего пикселя (44) детектора модуля (40) матрицы детектора; и
способ тестирования ASIC содержит дополнительные этапы, на которых:
(v) повторяют операции этапов (i), (ii), (iii) и (iv) для множества пикселей ASIC, и
(vi) классифицируют пиксели ASIC, основываясь на сохраненных результатах измерений тестовых электрических импульсов и сохраненные выходные сигналы схемы обработки сигналов, полученных на этапах (i), (ii), (iii), (iv) и (v).

6. Устройство по любому из пп.1-2, в котором тестовая схема (80) содержит:
генератор (82) импульсов заряда, выполненный с возможностью генерации тестового электрического импульса, подаваемого в схему (60) обработки сигналов.

7. Устройство по п.6, в котором:
схема (60) обработки сигналов содержит по меньшей мере один компаратор (64, 65, 66); и
генератор (82) импульсов заряда выполнен с возможностью генерации тестового электрического импульса со значением, которое может быть выбрано в диапазоне значений, охватывающем ожидаемый диапазон пороговых значений по меньшей мере одного компаратора.

8. Устройство по п.7, в котором по меньшей мере один компаратор содержит множество компараторов (64, 65, 66) с различными пороговыми значениями.

9. Устройство по любому из пп.1-2, в котором схема обработки сигналов содержит множество пикселей ASIC, причем каждый пиксель (60) ASIC содержит схему обработки сигналов, выполненную с возможностью оцифровки электрического импульса детектирования, принятого от соответствующего пикселя (44) детектора модуля (40) матрицы детектора, и тестовая схема содержит:
шину (90), выполненную с возможностью соединения при функционировании тестовой схемы (80) с выбранным пикселем (60) ASIC для проверки выбранного пикселя ASIC.

10. Способ выполнения устройства формирования изображения, содержащий этапы, на которых:
собирают узел (20) детектора излучения посредством соединения при функционировании специализированной интегральной схемы (ASIC) (42) с модулем (40) матрицы детектора, выполненным
с возможностью преобразования частиц излучения в электрические импульсы детектирования, причем ASIC (42) включает в себя генератор (82) импульсов заряда и измеритель (84) тока; и
тестируют схему (60) обработки сигналов ASIC без использования излучения, причем тестирование включает в себя этап, на котором вводят тестовый электрический импульс в схему (60) обработки сигналов с использованием генератора (82) импульсов заряда ASIC (42) и измеряют тестовый электрический импульс, введенный в схему (60) обработки сигналов, используя измеритель (84) тока ASIC (42).

11. Способ по п.10, дополнительно содержащий этап, на котором:
тестируют модуль (40) матрицы детектора узла (20) детектора излучения, используя излучение, падающее на матрицу детектора излучения собранного узла (20) детектора излучения.

12. Способ по любому из пп.10 и 11, дополнительно содержащий этап, на котором:
генерируют отображаемую графическую карту пикселей ASIC с указанием всех неисправных пикселей.

13. Способ по любому из пп.10-11, дополнительно содержащий этап, на котором:
отключают любые пиксели ASIC, показавшие неисправность при тестировании.

14. Способ по любому из пп.10-11, в котором схема (60) обработки сигналов ASIC (42) содержит компараторы (64, 65, 66) и электрическое тестирование содержит этап, на котором:
определяют параметры (120) схемы (60) обработки сигналов, включающие в себя по меньшей мере пороговые значения компараторов (64, 65, 66).

15. Способ по любому из пп.10-11, в котором тестирование дополнительно включает в себя этапы, на которых:
генерируют данные (146) калибровки, связывающие энергию частиц излучения и выходной сигнал заряда пикселей (44, 44') модуля (40) детектора излучения, основываясь на:
параметрах (120) схемы (60) обработки сигналов ASIC (42), определенных электрическим тестированием, и
спектре излучения, падающего на матрицу детектора.