高分辨率、高速辐射成像的方法和设备

摘要

该方法和系统提供了一种成像系统，用于从诸如X射线和高能电子之类的电磁辐射中产生静态和动态图像。该探测器包括顶部电极层、光电导层和底部电极层。在底部电极层内是用于感测辐射的一组像素电路。光电导层的厚度至少是各个像素电路之一的间距的三倍。

说明书

技术领域

本公开总体上针对图像探测，并且更具体地，针对用于高分辨率、高速辐射成像的方法和设备。

背景技术

成像装置通常使用与像素化电子读出阵列集成的(由诸如非晶硅、有机半导体或非晶硒的材料制成的)非晶半导体或半导体层以利用诸如X射线、γ射线、高能电子和β粒子的辐射来对物体成像。然而，众所周知，非晶半导体由于在半导体本体内部以及在层之间的界面处的电荷俘获而遭受包括图像迟滞的记忆效应(其表现为获取完成后所获取图像的持久性)。该俘获的电荷随后的不稳定释放进一步增加了图像迟滞。

该迟滞通常转化为较慢的速度读出，从而限制或降低了大面积探测器的运行速度。这是有问题的，因为乳腺X线摄影断层合成X射线探测器通常需要以每秒大于一帧的速度获取数据。此外，在特定感测像素附近俘获的电荷可能导致跨多个帧在相邻像素上识别图像，从而导致空间分辨率退化。

通常使用调制传递函数(MTF)度量来测量空间分辨率，而MTF退化从根本上限制了(由于具有分辨小特征尺寸的能力而受到青睐的)高分辨率X射线探测器。这种电荷俘获会影响许多不同的成像应用。

诸如乳腺X线摄影断层合成或乳腺X线计算机断层扫描(CT)的新兴应用通常需要具有最小迟滞的高分辨率(即，高MTF)X射线探测器。

因此，提供了用于高分辨率、高速辐射成像的新颖的方法和设备。

发明内容

在一个实施例中，本公开针对一种高分辨率辐射探测器，其能够以具有低迟滞的高帧速率工作，特别是用于新兴的成像应用(例如但不限于乳腺X线摄影断层合成或乳腺X线计算机断层扫描(CT))中。

在本公开的一种方法中，提供了一种高分辨率辐射探测的方法，其以高帧速率提供低迟滞。

在本公开的一个方面，提供了一种用于从入射辐射产生图像的系统，该系统包括：顶部电极层；光电导层；一组底部电极；基底层；以及集成在该组底部电极中的一组像素电路；其中，光电导层的厚度至少是单个像素电路的间距的三倍。

在另一方面，该间距小于或等于约25微米。在另一方面，该组像素电路中的每个像素电路均包括存储电容器和像素读出电路。在另一方面，像素读出电路由CMOS、金属氧化物、有机或多晶硅半导体技术制成。在另一方面，光电导层由非晶硒、钙钛矿、有机半导体、HgI2、PbO、PbI或TlBr制成。

在另一方面，顶部电极层是铝、金、铬或银层。在另一方面，一组底部电极中的每个均是铝底部电极。

在本公开的另一方面中，提供了一种高速成像的方法，该方法包括：经由具有间距尺寸小于或等于25微米的一组像素电路和厚度至少是间距尺寸三倍的光电导层的探测器，来感测一组接收到的辐射信号；以及对于一组像素电路中的每个，将接收到的辐射信号转换为对应值。

在另一方面，该方法还包括：对像素电路的预定分组的对应值进行合并。在另一方面，该方法还包括：将合并后的值传送到处理器。在又一方面，该方法还包括：将对应值传送到处理器。在又一方法中，光电导层的厚度为像素间距的至少五倍。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本公开的实施例，其中：

图1a示出了用于射线照相成像的系统的示意图；

图1b是射线照相探测器系统的示意图；

图2是在图1b的探测器系统中使用的像素阵列的示意图；

图3a是示出MTF相对空间频率的图；

图3b是示出DQE相对空间频率的图；

图4是概述高速辐射图像探测方法的流程图；以及

图5是一组小像素的示意图。

具体实施方式

本公开针对用于高辐射、高速成像和/或探测的方法和系统。该系统包括夹在一对电极层之间的光敏层，在一个实施例中，该对电极层可以被视为顶部电极层和底部电极层。该系统还包括基底层。底部电极层还包括一组像素电路，每个像素电路均具有间距p。在优选实施例中，光敏层的厚度至少是像素电路的间距p的三倍，但是优选地是五倍。

随着诸如乳腺X线摄影断层合成或乳腺X线计算机断层扫描(CT)的新兴应用，本公开可提供优于当前系统的益处。在乳腺X线摄影中，获取小的特征尺寸是有利的，以便不仅探测微钙化的存在，而且还检查它们的形状和结构，它们的形状和结构可以用作癌症的生物标记。对于CT和断层合成应用，都需要在短时间内获取多个帧，以最小化或减少(在断层合成的情况下)对患者的过度辐射曝光以及与乳房压迫相关联的不适感。本公开的系统和方法可以提供这些优点。

转到图1a，示出了射线照相成像环境或系统的示意图。系统100包括X射线辐射源102，该X射线辐射源102以一组X射线束104的形式产生X射线辐射，该X射线辐射朝着感兴趣对象106(例如，在当前图中是患者的手)传输，以便由射线照相探测器系统108成像。在本公开中，射线照相探测器系统108优选包括基于有源矩阵技术的大面积平板探测器，以实现或产生对象106的图像。通常，待成像的对象106位于X射线辐射源102和射线照相探测器系统108之间。穿过对象106的X射线与射线照相探测器系统108相互作用。

在直接成像中，X射线在射线照相探测器系统108内产生电子电荷，因此不需要闪烁体110。在间接成像中，X射线在穿过射线照相探测器系统108内的荧光屏或闪烁体110时产生光子。可以想到的闪烁体的不同材料包括但不限于碘化铯(Csl)、硫氧化钆(GOS)或钨酸钙(CaWO4)。这些间接产生的光子随后在射线照相探测器系统108内进一步产生电子电荷。

然后，可以在计算机112或计算系统的显示器117上查看由射线照相探测器系统108产生的图像115。对于某些射线照相探测器系统108，可能需要同步硬件114以获得X射线源102与对X射线束104的撞击集进行采样的射线照相探测器系统108之间的正确定时。

图1b是射线照相探测器系统的一个实施例的组件的示意图。在当前实施例中，射线照相探测器系统108包括有源矩阵像素阵列120，该有源矩阵像素阵列120具有像素元件的二维矩阵，在该有源矩阵像素阵列120中感测并存储由入射X射线直接或间接产生的电子电荷。为了访问每个像素处的存储电荷，优选地，通过行切换控制或控制器124顺序地驱动栅极线122，使得有源矩阵像素阵列120的一行中的所有像素将它们的存储电荷输出到数据线126上，数据线126在每个有源矩阵像素阵列120列的末端耦合到电荷放大器128。电荷放大器128除了放大功能之外还可以执行复用功能。电荷放大器128将像素电荷数据发送到模数转换器(A/D)130，在模数转换器130中将模拟信号转换为数字表示。然后将这些数字表示存储在存储器132中，以等待在控制逻辑134确定的时间传输到计算机112。该数字表示的传输可以由处理器或中央处理单元(CPU)136执行。

转到图2，示出了用于本公开的系统中的像素阵列120的示意图。图2是像素阵列内的一系列相邻像素的截面图。在当前实施例中，像素阵列120包括顶部电极层200、光电导层202、一组像素读出电路204以及基底层210，每个像素读出电路204包括底部像素电极206以及存储电容器和像素读出电路208。底部电极206可共同被视为底部电极层。在一个实施例中，像CMOS X射线探测器的情况一样，像素读出电路或像素电路可以被嵌入到基底层中，然而，像薄膜X射线探测器(例如非晶硅、金属氧化物、有机或多晶硅半导体)的情况一样，像素读出电路或像素电路也可以被沉积在基底层的顶部上。图2提供了像素阵列的示意图，但是，本领域技术人员将理解如何可以实现底部电极层和基底层。

尽管未示出，但是(诸如在2016年2月23日授权给Karim等人的美国专利No.9269838中公开的，其通过引用并入本文)可选的阻挡层可以包括在探测器中。例如，如美国专利No.9269838中所讨论的，至少一个聚酰亚胺层可以与顶部和底部电极层和光敏层相邻放置。

如图2所示，底部电极中的每一个的宽度或间距可以用字母“p”表示。在优选的实施例中，光电导层202的厚度“t”是底部电极的间距p的至少三倍，但优选至少五倍。与以前未知的当前系统相比，“p”和“t”之间的关系提供了优势。

在一个特定实施例中，薄金层用于顶部电极层200，光电导层202是非晶硒层，并且一组优选铝的底部像素电极206包括相应的存储电容器和嵌入晶体硅基底层210中的CMOS有源像素传感器电路208。

代替金，顶部电极层200也可以是铝、铬、银或其他导电材料。在一个实施例中，像素阵列120可以以1000×1000有源矩阵配置包括一百万个这样的像素元件，尽管在当前图中，仅示出了四个像素元件。也可以设想更大密度的有源矩阵配置。而且，有源像素传感器电路可以被替换的像素读出电路代替，替换的像素读出电路包括但不限于无源像素电路或者甚至光子计数像素电路。

替代地，代替利用CMOS像素阵列或技术，可以采用其他能够实现小的像素元件(例如但不限于多晶硅、金属氧化物、有机薄膜晶体管(TFT))的高分辨率晶体管阵列技术或多晶硅半导体技术。在另一替代实施例中，代替非晶硒，其他大面积电子空穴辐射探测半导体材料(例如但不限于钙钛矿、有机半导体材料、CdZnTe、CdTe、HgI2、PbO、PbI或TlBr)也可以用于光电导层202。

在更具体的实施例中，每个像素电路(或底部电极)的间距是7.8um，由此整个像素阵列是1MPixel CMOS像素阵列。在实验中，该特定像素阵列与厚度可变(通常为20um或更大)的非晶硒光电导层集成在一起，以使光电导层的厚度至少是像素间距的三倍。

通过实验，该实施例示出以5fps或更高的速度具有最小迟滞的成像，这是以前未知的优势。而且，使用该实施例获得了接近奈奎斯特频率的高MTF值和暗示量子噪声受限成像的优异的探测量子效率(参见图3的曲线图)。如下所述，还对“t”和“p”之间的不同比率进行了进一步测试。

在进一步的实验中，对具有尺寸为5.5微米至25微米的像素间距，厚度为20至200微米或更大的光电导层的CMOS像素阵列进行测试。在每个实验中，注意到在所测试的每个实施例中，“近场效应”对迟滞都有有益作用。可以理解，在这些实施例的每一个中，光电导层的厚度是像素间距的至少三倍，但是优选至少五倍，以减少迟滞。在光电导层的厚度为像素间距的大约3倍的实施例中，存在一些迟滞(通常在第一帧之后达到3％)。尽管通常不是有益的，但是应该理解，对于某些应用，少量的迟滞是可以容忍的，因此，本公开的系统可以以光电导层的厚度和像素的间距之间的至少三的比率起作用，因此像素的间距被视为小像素并且小于或等于约25微米。

相反，具有更大像素尺寸(70或85微米)并且具有硒或光电导层厚度范围为0.3到1mm的商用非晶硒TFT像素阵列探测器继续遭受过度的第一帧迟滞(>5％)和低帧速率(<1fps)。从这些实验中可以看出，与具有更大间距的像素相比，对于具有更小间距(25微米或更小)的像素，本公开的实施例的“近场效应”的优点在迟滞减小和MTF改善方面具有更大的益处。

还可以通过结合诸如在2012年3月6日授予Karim等人的美国专利US 8,129,688(通过引用将其合并于此)中公开的单极电荷感测Frisch网格方法(a unipolar chargesensing Frisch grid approach)，来扩展所公开的实施例以实现改善的扫描和读出时间。

已知可以将多个相邻像素合并(binned)在一起以人为地创建更大的像素，即使在低辐射曝光下也可以产生更高的SNR。合并(Binning)是一种将来自多个相邻像素的数据(经由硬件、软件或固件)聚合为单个“较大”像素元件以改善像素SNR的方法，因为信号呈线性增加，而来自独立来源的噪声则呈正交(即作为平方根函数)增加。

然而，一种操作所公开的小像素探测器以在保持快速读出时间的同时实现高SNR的独特方法涉及对较小像素进行合并以实现高SNR，同时仍然受益于“近场效应”以实现低迟滞和高MTF性能的高速图像获取。在此，图像数据是使用小的像素元件获取的，其中光电导层的厚度约为像素间距的至少3倍(但优选5倍)。可以从使用合并后的像素元件的人为构建的“较大”像素中获得高SNR图像。可比的大像素探测器可以实现高SNR，但是，如前所述，它在图像获取过程中将遭受图像迟滞和MTF退化。这样，当前的大像素探测器不适合更高速度或动态的应用，而所公开的小像素探测器可以通过使用具有适当像素间距-探测器厚度几何形状的较小像素元件获取图像、随后合并数据以改善SNR，来实现更高的速度运行和高SNR。

对于乳腺X线摄影断层合成或乳腺X线CT，可以将间距为25um的像素电极与厚度为250um的硒层一起使用，以在最低限度地损失X射线量子效率的情况下能够连续快速获取X射线数据。为了保持SNR并减少或最小化对患者的X射线剂量，可以在获取数据之前或之后将像素合并为50x 50um的“较大”像素，或甚至合并为75um x 75um的“较大”像素。这样，本公开的探测器可以潜在地被配置为用于筛查和诊断乳腺X线摄影中的区域探测器、线探测器或缝隙扫描探测器。同样的方法也可以应用于肺癌筛查和断层合成。

转到图4，示出了概述高辐射探测方法的流程图。最初，入射光子对准要成像的对象。由光子对准对象而产生的信号被本公开的系统捕获或获取(400)。将理解，光子被(最好具有小于或等于25um的间距的)各个像素电路捕获，然后经由一组读出电子器件传送出去。接收到的光子也可以视为原始数据。可以理解，光电导层的厚度是各个像素电路的间距的至少三倍，优选至少五倍。在从单独的“小”像素电路中的每一个接收信号之后，这些信号随后被转换为对应值(402)，然后将这些对应值与每个单独的像素电路相关联。

然后可以将相邻像素的值合并(或相加)在一起(404)。值的合并允许将这些较小的像素视为较大的像素。将要合并在一起的像素的选择优选是预先确定的。例如，可以选择一组四个像素并对它们的值进行合并，例如图5中的示意图所示，借此，在将每个预定像素组的值合并在一起之后，小像素(500)的8x 8网格可以看作大像素(502)的4x 4网格。可替代地，可以选择一对相邻像素并且将它们的值合并。将理解，像素可以以多种方式分组。

值的合并可以以多种方式执行，例如但不限于美国专利申请No.15/434,712中公开的方法，通过引用将该专利合并于此。

然后，可将合并后的值传送(406)例如到处理器，以便可以从合并后的值生成图像(408)。将理解，该图像将优选地是二维(2D)或三维(3D)图像。

尽管信号可以被合并，但是在402中已经计算了各个“小”像素电路中的每个的原始值之后，也可以将各个“小”像素电路中的每个的原始值传送(410)。然后，这些原始值可以用于任何其他应用，例如但不限于基于传播的相衬成像或标本图像(specimenimagery)。

本公开的系统的一个优点在于，由于使用了较小的像素，所以接收到的原始数据可以用于一个成像应用，而多个像素元件的原始数据的合并允许不同的成像应用使用合并后的值。因此，X射线或光子的单次曝光可用于至少两种不同的应用，这意味着与某些当前系统相比，在获得相同数量的图像时，患者可能遭受更少的X射线曝光。

原始数据的一种用途可以是用于乳房成像的相衬X射线。当前，相衬X射线成像被认为是可以以类似于磁共振成像(MRI)的高对比度成像软组织的方式。相衬成像有很多方法。但是，由于系统级的挑战，最简单的方法称为基于传播的相衬X射线成像，仅在同步加速器实验室的应用中受到限制。当前可用的大像素尺寸的X射线探测器需要将探测器放置在远离对象的位置，以实现必要的相衬。但是，长距离需要强大的X射线源和向对象(或患者)的大X射线曝光才能在合理的时间内获取图像。由于高功率X射线源仅在同步加速器上可用，因此传播相衬X射线仅限于那些设施。

在本公开的一个实施例中，如果使用具有(例如，小于10um的)小像素元件的探测器，则可以在更小的距离处获取使用基于传播的相衬成像的边缘增强图像，从而伴随着对对象的减少的剂量实现快速获取，这对生物对象是有益的。另一优点是可以在与衰减数据相同的扫描中获取边缘增强的相衬X射线图像数据。此外，所有原始数据都可以以最小或减少的迟滞和MTF退化实时快速地获取。(例如以上公开的)合并后的数据可以用于传统的衰减CT图像，而未合并的(或原始)数据提供边缘增强的相衬X射线CT图像。如果需要，可以(在探索性衰减CT扫描提供一定背景后)进行二次X射线曝光，以在投影角度或感兴趣区域的选定范围内获得另一组更高SNR、更高对比度的相衬边缘增强图像。此外，本公开的系统可以应用于其他应用，例如用于工业、兽医、科学和生命科学成像的微CT和相衬微CT。应理解，所公开的探测器和方法不仅可以应用于基于传播的相衬X射线成像，而且可以应用于包括编码孔径相衬成像的其他相衬成像方法。

在另一个实施例中，本公开还可以被应用于透射电子显微镜(TEM)应用中的高能电子成像。与目前的单晶硅技术相比，非晶硒具有更高的原子序数和密度，因此即使对于低能电子束，非晶硒也对电子具有更高的阻止能力，从而产生高SNR。能够对低能量(40–80keV)电子束成像可以潜在地实现对生物样品进行长时间段的高对比度成像，而当前的硅TEM探测器目前无法做到这一点。低keV光束更适合成像，因为生物样品持续时间更长。例如，在低温电子显微镜(cryo-EM)应用中，这可能会有好处。很小的像素元件可提高扫描速度，图像迟滞和MTF的好处同样适用于TEM，在TEM中需要高分辨率、高对比度的图像，并且必须最小化样品(特别是对于生物样品)的扫描时间。

实验

如上所述，如果适当地选择了遭受来自源的、可以通过“近场效应”克服的迟滞和MTF退化的半导体，那么“近场效应”可以通过改善积分模式辐射探测器的迟滞和MTF性能而潜在地有益于非晶半导体。例如，在非晶硒中，电子是迟滞的主要来源，因此，如果人们专注于使用“近场效应”将电流信号与电子隔离，则可能会获得迟滞的改善。

在实验中，减小了像素元件的尺寸或间距，以使其小于光电导层的厚度的5倍，同时仍保持合理的光电导层的厚度。通过集成两种技术(非晶硒半导体层和互补金属氧化物半导体(CMOS)像素阵列)可生成更小尺寸的像素元件。将理解，可以考虑其他材料。选择CMOS技术是因为它具有实现小像素的能力。对于非晶硅TFT像素阵列，这具有挑战性。此外，与非晶硅TFT技术(噪声通常为1000个电子)不同，CMOS技术还具有非常低的电子噪声(大约100个电子)，这有助于改善像素信噪比(SNR)。

与减小像素尺寸相关联的一个挑战是，相对于在每个像素处探测到的辐射信号，量子噪声变得显著，从而降低了像素信噪比(SNR)。为了克服量子噪声问题，需要额外的辐射来获得可读图像。因此，小像素元件X射线探测器在今天并不常见，因为较小的像素具有减小的SNR，从而产生了需要额外的曝光以实现高SNR的装置，从而增加了例如在乳腺X线摄影筛查或小动物成像中对生物对象造成伤害的可能性。相反，在工业微计算机断层扫描(micro-CT)成像中，通常通过在对象探测器中利用简单的几何放大因子并增加辐射剂量来获得更高分辨率的X射线图像，从而可以使用大的像素探测器以获得高分辨率图像。

尽管已经参考优选实施例及其具体示例在本文中图示和描述了本公开，但是对于本领域的普通技术人员而言，其他实施例和示例可以执行类似的功能和/或实现相似结果将是显而易见的。所有这些等效实施例和示例都在本公开的精神和范围内。

在前面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可能不需要这些特定细节。在其他实例中，可以以框图形式示出公知的结构，以免混淆理解。例如，没有提供关于本文所述实施例的元件是否被实现为软件例程、硬件电路、固件或其组合的具体细节。

本公开的实施例或其组件可以被提供为或表示为存储在机器可读介质(也称为具有包含在其中的计算机可读程序代码的计算机可读介质、处理器可读介质或计算机可用介质)中的计算机程序产品。机器可读介质可以是任何合适的有形、非暂时性介质，包括：磁、光或电存储介质(包括磁盘)，光盘只读存储器(CD-ROM)，(易失性或非易失性)存储装置，或类似的存储机制。机器可读介质可以包含指令、代码序列、配置信息或其他数据的各种集合，这些集合在被执行时使处理器或控制器执行根据本公开的实施例的方法中的步骤。本领域普通技术人员将意识到，实现所描述的实现方式所必需的其他指令和操作也可以存储在机器可读介质上。存储在机器可读介质上的指令可以由处理器、控制器或其他合适的处理装置执行，并且可以与电路交互以执行所描述的任务。